JP2014118908A

JP2014118908A - 発電装置

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Publication number: JP2014118908A
Application number: JP2012275673A
Authority: JP
Inventors: Noboru Tsuboi; 昇壷井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-30
Anticipated expiration: 2032-12-18
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Abstract

【課題】発電機に接続されている機器からの要求電力に追随するように当該発電機での発電量を変化させることが可能な発電装置を提供すること。
【解決手段】作動媒体を蒸発させる蒸発器（１１）と、作動媒体の膨張エネルギーによって回転駆動される膨張機（１２）と、作動媒体を凝縮させる凝縮器（１３）と、作動媒体を蒸発器（１１）へ送る循環ポンプ（１４）と、発電機（１６）と、膨張機（１２）に流入する作動媒体の状態量の算出に用いる値を検出可能な吸込側検出手段（２１，２２）と、上限値以下の範囲内で、かつ、発電機（１６）で生成された電力が供給される機器（４０）から要求される要求電力に応じて膨張機（１２）の回転数を制御する制御部（３１）と、吸込側検出手段（２１，２２）で検出された値が減少するにしたがって、上限値を最大値未満の範囲で上昇させるように補正する上限値補正部（３５）とを備えること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルを利用した発電装置に関する。

従来、工場等の各種の設備からの排熱を回収し、その回収された排熱のエネルギーを利用して発電を行なう発電装置が知られている。そのような発電装置のうち、バイナリ発電装置、すなわち、膨張機の駆動のために低沸点の作動媒体を循環させるランキンサイクルを利用した発電装置が特許文献１に開示されている。この発電装置は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の膨張エネルギーによって回転駆動されるロータを含む膨張機と、前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器へ送る循環ポンプと、前記膨張機内で前記作動媒体が膨張することにより駆動される発電機とを備えている。

ランキンサイクルを利用した発電装置では、理論上、膨張機によって取り出すことができるエネルギーは、蒸発器の出口側における作動媒体のエンタルピーと凝縮器の入口側における作動媒体のエンタルピーとの差であり、この差に作動媒体の流量を乗じた値が発電機で生成される発電量となる。

特開昭６０−１４４５９４号公報

ところで、特許文献１に記載されるような発電装置の発電機では、蒸発器や凝縮器における熱源の温度（以下、「周辺温度」という。）が変化し、膨張機に流入する作動媒体のエンタルピーと膨張機から流出する作動媒体のエンタルピーとの差が小さくなると、発電量が低下してしまう。また、周辺温度が変動してしまうと、発電機に接続された機器の要求電力が変化した場合に、前記発電機での発電量をこの変化に追随させることができない。

本発明の目的は、周辺温度の変化に起因する発電量の変動を抑制することが可能な発電装置を提供することである。

前記課題を解決するために、前記機器の要求電力の増加に伴い前記膨張機の回転数を増加させ、かつ、前記機器の要求電力の減少に伴い前記膨張機の回転数を減少させることが考えられる。ここで、膨張機には、一般に、許容される回転数の最大値（軸受けの寿命の短期化や共振の発生を回避可能な回転数の最大値）が存在するが、この最大値で膨張機を定常的に駆動させる場合に比べて安定性を高めるため、前記最大値よりも小さな回転数である上限値を設定し、この上限値以下の範囲で回転数を変化させることが望ましい。

また、季節の変化等によってこの発電装置の周辺の温度が変化し、それに伴い前記蒸発器の加熱媒体の温度（前記膨張機の吸込側での作動媒体の圧力）が減少した場合や、前記凝縮器の冷却媒体の温度（前記膨張機の排出側での作動媒体の圧力）が上昇した場合も、前記発電機での発電量が変化する。具体的には、前記蒸発器の加熱媒体の温度（前記膨張機の吸込側での作動媒体の圧力）が減少すると、前記蒸発器の出口側（前記膨張機の吸込側）における作動媒体のエンタルピーが減少するので、前記蒸発器の出口側における作動媒体のエンタルピーと前記凝縮器の入口側における作動媒体のエンタルピーとの差が小さくなって前記発電機で生成される発電量は減少し、同様に、前記凝縮器の冷却媒体の温度（前記膨張機の排出側での作動媒体の圧力）が上昇すると、前記凝縮器の入口側（前記膨張機の排出側）における作動媒体のエンタルピーが増大するので、前記蒸発器の出口側における作動媒体のエンタルピーと前記凝縮器の入口側における作動媒体のエンタルピーとの差が小さくなって前記発電機で生成される発電量は減少する。

したがって、前記要求電力の変化に加え、発電装置の周辺温度の変化に応じて柔軟に発電量を変化させることが可能な発電装置が望まれる。

そこで、本発明は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の膨張エネルギーによって回転駆動されるロータを含む膨張機と、前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器へ送る循環ポンプと、前記膨張機内で前記作動媒体が膨張することにより駆動される発電機と、前記膨張機に流入する作動媒体の状態量の算出に用いる値を検出可能な吸込側検出手段と、前記ロータの回転数の最大値よりも低い回転数であって予め設定された回転数である上限値以下の範囲内で、かつ、前記発電機で生成された電力が供給される機器から要求される要求電力に応じて前記膨張機の回転数を制御する制御部と、前記吸込側検出手段で検出された値が減少するにしたがって、前記上限値を前記最大値未満の範囲で上昇させるように補正する上限値補正部とを備える発電装置を提供する。

本発明によれば、作動媒体のエンタルピーに影響を与える周辺温度が低下すると、それに伴って前記膨張機に流入する作動媒体のエンタルピーが低下して発電量も低下するが、前記上限値補正部は、前記吸込側検出手段で検出された値が減少するにしたがって前記上限値を前記最大値未満の範囲で上昇させるので、前記制御部が前記膨張機の回転数を増加可能な範囲が広がり、これによって周辺温度の低下による発電量の不足分を補うこと、つまり、周辺温度の変化に起因する発電量の変動を抑制することが可能となる。そのため、前記機器には安定的に電力が供給される。ここで、前記上限値は前記最大値未満の回転数のため、前記膨張機の安定的な駆動状態が確保される。前記制御部は、前記機器の要求電力に応じて前記膨張機の回転数を変化させるので、前記発電機において前記要求電力の変化に追随する電力を生成することが可能となる。その結果、前記機器の要求電力の変化に追随する電力の生成と、周辺温度の変化に起因する発電量の変動の抑制との両立が可能となる。

また、本発明では、前記膨張機から排出された作動媒体の状態量の算出に用いる値を検出可能な排出側検出手段を備え、前記上限値補正部は、この排出側検出手段で検出された値が上昇するにしたがって、前記上限値を前記最大値未満の範囲で上昇させるように補正してもよい。この場合でも、上記効果と同様の効果を奏する。

あるいは、本発明では、前記吸込側検出手段及び前記排出側検出手段の双方を備え、前記上限値補正部は、前記吸込側検出手段で検出された値と前記排出側検出手段で検出された値との差、あるいは、前記排出側検出手段で検出された値に対する前記吸込側検出手段で検出された値の割合の変化に基づいて、前記上限値を前記最大値未満の範囲で変化させるように補正してもよい。この場合でも、上記効果と同様の効果を奏する。

また、本発明において、前記発電機のコイル温度を検出するコイル温度検出手段をさらに備え、前記制御部は、前記コイル温度検出手段で検出された値が予め設定されたコイル温度の上限値以上であるときに前記膨張機の回転数を減少させることが好ましい。このようにすれば、前記発電機のコイルの損傷が回避されつつ、前記機器の要求電力の変化に追随する電力の生成と、周辺温度の変化に起因する発電量の変動の抑制との両立が可能となる。

また、本発明において、前記発電機で生成された電流の値を検出する電流値検出手段をさらに備え、前記制御部は、前記電流値検出手段で検出された値が予め設定された電流値の上限値以上であるときに前記膨張機の回転数を減少させることが好ましい。このようにすれば、前記発電機の損傷が回避されつつ、前記機器の要求電力の変化に追随する電力の生成と、周辺温度の変化に起因する発電量の変動の抑制との両立が可能となる。

また、本発明において、前記膨張機の軸受から排出される排油温度を検出する排油温度検出手段をさらに備え、前記制御部は、前記排油温度検出手段で検出された値が予め設定された排油温度の上限値以上であるときに前記膨張機の回転数を減少させることが好ましい。このようにすれば、前記膨張機の損傷が回避されつつ、前記機器の要求電力の変化に追随する電力の生成と、周辺温度の変化に起因する発電量の変動の抑制との両立が可能となる。

また、本発明において、前記制御部は、前記膨張機の回転数の増減に応じて前記循環ポンプの回転数を増減させることが好ましい。このようにすれば、前記膨張機の回転数の増減に合わせて当該回転数に見合った量の作動媒体が循環するので、前記膨張機のロータの回転駆動が円滑になる。

以上のように、本発明によれば、周辺温度の変化に起因する発電量の変動を抑制することが可能となる。

本発明の第一実施形態の発電装置の構成の概略を示す図である。図１の発電装置における作動媒体の状態変化を示すモリエル線図である。図１に示す発電装置の制御内容を説明するためのフロー図である。上限値補正部の制御内容を説明するフロー図である。（ａ）作動媒体の吸込圧力と上限値との関係を示す図である。（ｂ）（ａ）の変形例を示す図である。（ｃ）（ａ）の変形例を示す図である。本発明の第二実施形態の発電装置の構成の概略を示す図である。図６の発電装置における作動媒体の状態変化を示すモリエル線図である。本発明の第三実施形態の発電装置の構成の概略を示す図である。（ａ）作動媒体の排出圧力と上限値との関係を示す図である。（ｂ）（ａ）の変形例を示す図である。（ｃ）（ａ）の変形例を示す図である。本発明の第三実施形態の発電装置の構成の概略を示す図である。（ａ）作動媒体の吸込圧力と排出圧力との差と上限値との関係を示す図である。（ｂ）（ａ）の変形例を示す図である。（ｃ）（ａ）の変形例を示す図である。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態の発電装置について、図１〜図５を参照しながら説明する。

図１に示すように、この発電装置は、作動媒体を加熱して蒸発させる蒸発器１１と、蒸発器１１から排出された作動媒体により駆動される膨張機１２と、膨張機１２から排出された作動媒体を冷却して凝縮させる凝縮器１３と、凝縮器１３から排出された作動媒体を蒸発器１１に送り出す循環ポンプ１４と、これら各機器１１〜１４を互いに接続することにより作動媒体が循環する閉回路を形成する循環流路１５と、膨張機１２から動力を得て発電する発電機１６と、膨張機１２に流入する作動媒体の状態量（エンタルピー）の算出に用いる値を検出可能な吸込側検出手段２１，２２と、膨張機１２の回転数等を制御する制御手段３０とを備えている。なお、この発電装置には、ＨＦＣ２４５ｆａ等の水よりも沸点の低い作動媒体が用いられる。

蒸発器１１は、液状の作動媒体を蒸発させて飽和蒸気、あるいは過熱蒸気とするものである。蒸発器１１は、液状の作動媒体が流れる作動媒体流路１１ａと、外部の熱源から供給される加熱媒体が流れる加熱媒体流路１１ｂとを有している。作動媒体流路１１ａを流れる作動媒体は、加熱媒体流路１１ｂを流れる加熱媒体と熱交換することにより蒸発する。加熱媒体流路１１ｂに供給される加熱媒体としては、例えば、蒸気や温水が挙げられる。この加熱媒体流路１１ｂは、外部の熱源から蒸発器１１へ加熱媒体を供給するための供給流路１７と接続されている。

膨張機１２は、蒸発器１１から排出された作動媒体の膨張エネルギーにより回転駆動されるロータを含んでおり、循環流路１５における蒸発器１１の下流側に設けられている。具体的には、この膨張機１２は、その内部にロータ室が形成されたケーシングと、ロータ室内に回転自在に支持された雌雄一対のスクリュロータ（ロータ）とを有している。本実施形態では、前記ケーシングに形成された吸気口から前記ロータ室に供給された作動媒体の膨張エネルギーによって前記スクリュロータが回転駆動される。そして、前記ロータ室内で膨張することにより圧力が低下した作動媒体は、前記ケーシングに形成された排出口から排出される。また、この膨張機１２は、後述の最大値以下の範囲の任意の回転数で駆動されることが可能である。

凝縮器１３は、ガス状の作動媒体を凝縮させて液状の作動媒体とするものであり、循環流路１５における膨張機１２の下流側に設けられている。この凝縮器１３は、ガス状の作動媒体が流れる作動媒体流路１３ａと、外部から供給される冷却媒体が流れる冷却媒体流路１３ｂとを有している。作動媒体流路１３ａを流れる作動媒体は、冷却媒体流路１３ｂを流れる冷却媒体と熱交換することにより凝縮する。冷却媒体流路１３ｂを流れる冷却媒体としては、例えば、冷却水や空気が挙げられる。この冷却媒体流路１３ｂは、外部から凝縮器１３へ冷却媒体を供給するための供給流路１８と接続されている。

循環ポンプ１４は、循環流路１５における凝縮器１３の下流側（蒸発器１１と凝縮器１３との間）に設けられており、作動媒体を循環流路１５内で循環させるためのものである。この循環ポンプ１４は、凝縮器１３で凝縮された液状の作動媒体を所定の圧力まで加圧して蒸発器１１に送り出す。循環ポンプ１４としては、インペラをロータとして備える遠心ポンプや、ロータが一対のギアからなるギアポンプ等が用いられる。この循環ポンプ１４は、任意の回転数で駆動されることが可能である。

発電機１６は、膨張機１２に接続されており、膨張機１２内で作動媒体が膨張して前記スクリュロータが回転駆動されることによって駆動される。具体的には、この発電機１６は、膨張機１２の一対のスクリュロータのうちの一方に接続された回転軸を有しており、この回転軸が前記スクリュロータの回転に伴って回転することにより電力を発生させる。

吸込側検出手段は、膨張機１２に流入する作動媒体の状態量（エンタルピー）の算出に用いる値を検出可能なセンサである。本実施形態の発電装置は、循環流路１５における蒸発器１１と膨張機１２との間に設けられており膨張機１２に流入する作動媒体の圧力を検出する吸込側圧力センサ２１と、供給流路１７に設けられており蒸発器１１に供給される加熱媒体の温度を検出する蒸発器側温度センサ２２とを備えており、これら両センサの少なくとも一方が吸込側検出手段を構成する。つまり、吸込側圧力センサ２１により検出された吸込圧力（膨張機１２の吸込側の圧力）、あるいは、蒸発器側温度センサ２２により検出された加熱媒体の温度に基づいて、膨張機１２の吸込側における作動媒体のエンタルピー（以下、「吸込側エンタルピー」という。）が算出される。後述するように、この吸込側エンタルピーが減少するにしたがって、発電機１６での発電量は低下する。なお、上記吸込側圧力センサ２１に替えて、膨張機１２に流入する作動媒体の温度を検出する吸込側温度センサが用いられてもよい。

発電装置は、発電機１６のコイル温度を検出するコイル温度検出手段３６と、発電機１６で生成された電流の値を検出する電流値検出手段３７と、膨張機１２の軸受から排出される排油温度を検出する排油温度検出手段３８とをさらに備えている。なお、コイル温度検出手段３６及び電流値検出手段３７は、それぞれ発電機１６に設けられており、排油温度検出手段３８は、膨張機１２に設けられているが、図１では、便宜上、これらは制御部３０の近傍に示されている。

制御手段３０は、膨張機１２の回転数及び循環ポンプ１４の回転数を制御する制御部３１と、膨張機１２の回転数の上限値を補正する上限値補正部３５とを有する。

制御部３１は、所定の機器４０から要求される要求電力（機器４０の駆動に必要な電力）に応じて膨張機１２の回転数及び循環ポンプ１４の回転数を制御する。機器４０は、発電機１６に電気的に接続されており、当該発電機１６で生成された電力がこの機器４０に供給される。具体的には、制御部３１は、インバータ３２を介して膨張機１２の回転数を制御し、同様に、インバータ３３を介して循環ポンプ１４の回転数を制御する。

制御部３１は、インバータ３２を制御することにより、前記膨張機のロータの回転数の最大値（軸受けの寿命の短期化や共振の発生を回避可能な回転数範囲における最大の値）よりも低い回転数であって予め設定された回転数である上限値以下の範囲内で膨張機１２が駆動されるように制御する。本実施形態では、循環流路１５には、前記ロータの上限値での回転が可能となる量の作動媒体が循環しており、制御部３１は、発電機１６で生成される電力が前記要求電力に見合う量となるように、前記ロータの回転数を制限するように制御している。この制御部３１の制御内容の詳細は後述する。また、制御部３１は、インバータ３２を制御することにより、膨張機１２の回転数の増減に合わせて循環ポンプ１４の回転数を増減させる。

ここで、要求電力に応じた膨張機１２の回転数は、次のようにして制御部３１により算出される。すなわち、制御部３１は、吸込側検出手段２１，２２で検出された値に基づいて算出された吸込側エンタルピーと膨張機１２の排出側の作動媒体のエンタルピー（排出側エンタルピー）との差及び前記要求電力に基づいて、膨張機１２の目標回転数（要求電力に見合う量の電力が発電機１６から生成される回転数）を算出する。

吸込側検出手段２１，２２で検出された値が減少すれば前記吸込側エンタルピーが減少し、発電機１６での発電量が減少するため、上限値補正部３５は、吸込側検出手段２１，２２で検出された値が減少するにしたがって、上限値を上昇させるように補正する。これにより、制御部３１が膨張機１２の回転数を増加させることが可能な範囲が広がるので、この制御部３１が膨張機１２の回転数を増加させることによって、前記吸込側エンタルピーの減少に起因する発電量の低下が抑えられる。

ここで、吸込側エンタルピーの減少に起因して発電機１６での発電量が減少する理由を図２（作動媒体の状態変化を示すモリエル線図）を参照しながら説明する。

図２における点Ａは、膨張機１２に流入される作動媒体、すなわち、膨張機１２で膨張する前の作動媒体の状態を示し、点Ｂは、膨張機１２で膨張した後の作動媒体、すなわち、膨張機１２から排出された作動媒体の状態を示す。そして、点Ｃは、凝縮器１３から排出された作動媒体の状態を示し、点Ｄは、蒸発器１１に流入される作動媒体の状態を示す。このとき、理論上、膨張機１２で取り出すことが可能なエネルギーは、点Ａにおける比エンタルピーと点Ｂにおける比エンタルピーとの差Δｈであり、この差Δｈに作動媒体の流量を乗じた値に応じて発電機１６で生成される発電量が決定される。制御部３１は、膨張機１２内の作動媒体の流量が要求電力と差Δｈとにより算出される作動媒体の流量となるように膨張機１２の回転数を制御する。

また、図２では、蒸発器１１における蒸発温度が８０℃から７０℃に下がったとき、すなわち、前記吸込側エンタルピーが下がったときの作動媒体の状態変化が示されている。なお、蒸発器１１における蒸発温度が７０℃である場合において、点Ａ、点Ｂ及び点Ｄに対応する点が、それぞれ点Ａ′、点Ｂ′及び点Ｄ′として示されている。この状態において膨張機１２で取り出すことが可能なエネルギーは、点Ａ′における比エンタルピーと点Ｂ′における比エンタルピーとの差Δｈ′であるが、この差Δｈ′は、前記差Δｈよりも小さくなる。そのため、蒸発器１１における蒸発温度が７０℃であるときに発電機１６で生成される発電量は、蒸発器１１における蒸発温度が８０℃であるときのそれに比べて減少する。

次に、制御部３１の制御内容について、図３を参照しながら説明する。

制御部３１は、発電装置の起動指令を受けたあと、発電機１６にて生成される発電量と機器４０からの要求電力とを比較する（ステップＳＴ１１）。

その結果、発電量が過大である場合、すなわち、発電量が要求電力よりも大きい場合は、制御部３１は、膨張機１２の目標回転数を算出し（ステップＳＴ１２）、膨張機１２の回転数がその目標回転数となるまで当該回転数を減少させる（ステップＳＴ１３）。これにより、発電機１６での発電量が要求電力となるまで減少する。なお、このとき、制御部３１は、膨張機１２に流入する作動媒体の量が減少するように循環ポンプ１４の回転数も減少させる。一方、ステップＳＴ１１における比較の結果、発電量が適正である場合、すなわち、発電量が要求電力と一致している場合は、制御部３１は、現在の膨張機１２の回転数を変更しない。そして、ステップＳＴ１１における比較の結果、発電量が過少である場合、すなわち、発電量が要求電力よりも少ない場合は、制御部３１は、前記コイル温度検出手段で検出された値が予め設定されたコイル温度の上限値未満であるかどうかを判断する（ステップＳＴ１４）。

そして、前記コイル温度検出手段で検出された値がコイル温度の上限値以上であれば、膨張機１２の回転数が減少され、コイル温度が低減される（ステップＳＴ１５）。一方、前記コイル温度検出手段で検出された値がコイル温度の上限値未満であれば、制御部３１は、前記電流値検出手段で検出された値が予め設定された電流値の上限値未満であるかどうかを判断する（ステップＳＴ１６）。

前記電流値検出手段で検出された値が電流値の上限値以上であれば、必要に応じて膨張機１２の回転数を減少させることにより電流値が低減される（ステップＳＴ１７）。前記電流値検出手段で検出された値が電流値の上限値未満であれば、制御部３１は、前記排油温度値検出手段で検出された値が予め設定された排油温度の上限値未満であるかどうかを判断する（ステップＳＴ１８）。

前記排油温度検出手段で検出された値が排油温度の上限値以上であれば、必要に応じて膨張機１２の回転数を減少させることにより軸受の排油温度が低減される（ステップＳＴ１９）。前記排油温度検出手段で検出された値が排油温度の上限値未満であれば、制御部３１は、膨張機１２の目標回転数を算出する（ステップＳＴ２０）。

なお、ステップＳＴ１４、ステップＳＴ１６及びステップＳＴ１８はいずれの順に実行されてもよい。また、これらステップＳＴ１４、ステップＳＴ１６及びステップＳＴ１８のいずれか１つか２つ、あるいはすべては省略されてもよい。この場合、ステップＳＴ１５、ステップＳＴ１７及びステップＳＴ１９も合わせて省略される。

続いて、制御部３１は、回転数と目標回転数とを比較し（ステップＳＴ２１）、その目標回転数が上限値未満であるかどうかを判断する（ステップＳＴ２２）。

目標回転数が上限値未満であれば、回転数をその目標回転数に設定する（ステップＳＴ２３）。一方、その目標回転数が上限値以上であれば、回転数を上限値に設定する（ステップＳＴ２４）。これにより、発電機１６での発電量が要求電力となるまで、あるいは、要求電力に近付くように増加する。なお、このとき、制御部３１は、膨張機１２に流入する作動媒体の量が増加するように循環ポンプ１４の回転数も増加させる。

次に、上限値補正部３５の制御内容を図４を参照しながら説明する。

上限値補正部３５は、吸込側圧力センサ２１での吸込圧力の検出結果に基づき（ステップＳＴ３１）、上限値を変更するかどうかを判断する（ステップＳＴ３２）。そして、上限値を変更すると判断すれば、上限値が最大値未満であるかどうかを判断する（ステップＳＴ３３）。上限値が最大値未満であれば上限値を変更する（ステップＳＴ３４）。もちろん、上限値が最大値であれば上限値は最大値に維持される。発電装置では、上限値を変更することにより、要求電力が一定であって膨張機１２の回転数が上限値である状態において吸込側圧力センサ２１で検出された値が減少した場合、前記要求電力を満たすために膨張機１２に流入する作動媒体の流量（膨張機１２の回転数）を増加させることができる。なお、上限値補正部３５による上限値の変更作業は一定の間隔にて行われてもよいし、連続的に行われてもよい。

続いて、吸込圧力と上限値との関係を図５に基づいて説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、上限値は、吸込圧力の減少に伴い、最大値まで漸次増大する。

なお、図４及び図５では、上限値補正部３５が吸込側圧力センサ２１で検出された値に基づいて上限値を変更する例を示すが、この上限値補正部３５は、蒸発器側温度センサ２２で検出された値に基づいて上限値を変更してもよい。この場合、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示される関係と同様に、上限値は、蒸発器１１に供給される加熱媒体の温度の減少に伴い、最大値まで漸次増大する。

以上説明したように、従来のバイナリ発電装置では、加熱媒体の温度や冷却媒体の温度などの周辺温度が低下し、膨張機１２に流入する作動媒体のエンタルピーと膨張機１２に流出する作動媒体のエンタルピーとの差が小さくなると、発電量が低下してしまう。これに対し、本実施形態の発電装置では、上限値補正部３５が設けられることにより、吸込側検出手段２１，２２で検出された値が減少するにしたがって上限値を最大値未満の範囲で上昇させるので、制御部３１が膨張機１２の回転数を増加可能な範囲が広がり、これによって周辺温度の低下による発電量の不足分を補うこと、つまり、周辺温度の変化に起因する発電量の変動を抑制することが可能となる。そのため、機器４０には安定的に電力が供給される。ここで、上限値は最大値未満の回転数であるため、膨張機１２の安定的な駆動状態が確保される。また、本実施形態の発電装置では、制御部３１により、機器４０の要求電力に応じて膨張機１２の回転数を変化させるので、発電機１６において要求電力の変化に追随する電力を生成することが可能となる。その結果、機器４０の要求電力の変化に追随する電力の生成と、周辺温度の変化に起因する発電量の変動の抑制との両立が可能となる。

また、本実施形態の発電装置は、コイル温度検出手段を備え、制御部３１は、要求電力が増加した場合であっても、前記コイル温度検出手段で検出された値が予め設定されたコイル温度の上限値未満ではないときには膨張機１２の回転数を増加させないので、発電機１６のコイルの損傷が回避されつつ、機器４０の要求電力の変化に追随する電力の生成と、周辺温度の変化に起因する発電量の変動の抑制との双方が達成される。

さらに、本実施形態の発電装置は、電流値検出手段をさらに備え、制御部３１は、要求電力が増加した場合であっても、前記電流値検出手段で検出された値が予め設定された電流値の上限値未満ではないときには膨張機１２の回転数を増加させないので、発電機１６の損傷が回避されつつ、機器４０の要求電力の変化に追随する電力の生成と、周辺温度の変化に起因する発電量の変動の抑制との双方が達成される。

加えて、本実施形態の発電装置は、排油温度検出手段を備え、制御部３１は、要求電力が増加した場合であっても、前記排油温度検出手段で検出された値が予め設定された排油温度の上限値未満ではないときには膨張機１２の回転数を増加させないので、膨張機１２の損傷が回避されつつ、機器４０の要求電力の変化に追随する電力の生成と、周辺温度の変化に起因する発電量の変動の抑制との双方が達成される。

また、本実施形態の制御部３１は、膨張機１２の回転数の増減に応じて循環ポンプ１４の回転数を増減させるので、膨張機１２の回転数の増減に合わせて当該回転数に見合った量の作動媒体が循環流路１５内を循環する。よって、膨張機１２のロータの回転駆動が円滑になる。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態について、図６〜図８を参照しながら説明する。なお、この第二実施形態では、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態の発電装置は、第一実施形態の吸込側圧力センサ２１及び蒸発器側温度センサ２２の換わりに、排出側圧力センサ２３及び凝縮器側温度センサ２４を備えている。

排出側圧力センサ２３は、循環流路１５における膨張機１２と凝縮器１３との間に設けられており、膨張機１２から排出された作動媒体の圧力を検出する。凝縮器側温度センサ２４は、供給流路１８に設けられており、凝縮器１３に供給される冷却媒体の温度を検出する。排出側圧力センサ２３により検出された排出圧力（膨張機１２の排出側の圧力）、あるいは、凝縮器側温度センサ２４により検出された冷却媒体の温度に基づいて、膨張機１２の排出側における作動媒体の排出側エンタルピーが算出される。つまり、これら排出側圧力センサ２３及び凝縮器側温度センサ２４の少なくとも一方が排出側検出手段を構成する。なお、上記排出側圧力センサ２３に替えて、膨張機１２から排出された作動媒体の温度を検出する排出側温度センサが用いられてもよい。

本実施形態では、上限値補正部３５は、排出側検出手段２３，２４で検出された値に応じて上限値を補正する。例えば、この上限値補正部３５は、排出側検出手段２３，２４で検出された値が上昇するにしたがって、上限値を前記最大値未満の範囲で上昇させるように補正する。

ここで、前記排出側エンタルピーの増加に起因して発電機１６での発電量が減少するが、その理由を図７（作動媒体の状態変化を示すモリエル線図）を参照しながら説明する。

図７における点Ａは、膨張機１２に流入される作動媒体、すなわち、膨張機１２で膨張する前の作動媒体を示し、点Ｂは、膨張機１２で膨張した後の作動媒体、すなわち、膨張機１２から排出された作動媒体を示す。そして、点Ｃは、凝縮器１３から排出された作動媒体を示し、点Ｄは、蒸発器１１に流入される作動媒体を示す。そのため、理論上、膨張機１２で取り出すことが可能なエネルギーは、点Ａにおける比エンタルピーと点Ｂにおける比エンタルピーとの差Δｈであり、この差Δｈに作動媒体の流量を乗じた値が発電機１６で生成される発電量となる。

また、図７では、蒸発器１１における凝縮温度が３０℃から４０℃に上がったとき、すなわち、前記排出側エンタルピーが上昇したときの作動媒体の状態変化が示されている。なお、凝縮器１３における凝縮温度が４０℃である場合において、点Ｂ、点Ｃ及び点Ｄに対応する点が、それぞれ点Ｂ′、点Ｃ′及び点Ｄ′として示されている。この状態において膨張機１２で取り出すことが可能なエネルギーは、点Ａ′における比エンタルピーと点Ｂ′における比エンタルピーとの差Δｈ′であるが、この差Δｈ′は、前記差Δｈよりも小さくなる。そのため、凝縮器１３における凝縮温度が４０℃であるときに発電機１６で生成される発電量は、凝縮器１３における凝縮温度が３０℃であるときのそれに比べて減少する。

なお、制御部３１の制御内容は、第一実施形態と同様である。また、上限値補正部３５の制御内容は、当該上限値補正部３５が排出側検出手段２３，２４で検出された値に基づいて上限値を補正する点を除き、第一実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

続いて、排出圧力と上限値との関係を図８に基づいて説明する。図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、上限値は、排出圧力の上昇に伴い、最大値まで漸次増大する。

なお、この第二実施形態では、上限値補正部３５が排出側圧力センサ２３で検出された値に基づいて上限値を変更する例を示すが、上限値補正部３５は、凝縮器側温度センサ２４で検出された値に基づいて上限値を変更してもよい。この場合、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示される関係と同様に、上限値は、凝縮器１３に供給される冷却媒体の温度の上昇に伴い、最大値まで漸次増大する。

このように、本実施形態の発電装置では、上限値補正部３５が、排出側検出手段２３，２４で検出された値が上昇するにしたがって上限値を最大値未満の範囲で上昇させるので、第一実施形態と同様の効果が得られる。

（第三実施形態）
本発明の第二実施形態について、図９及び図１０を参照しながら説明する。なお、この第三実施形態についても、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態の発電装置は、第一実施形態の吸込側圧力センサ２１及び蒸発器側温度センサ２２に加え、排出側圧力センサ２３及び凝縮器側温度センサ２４を備えている。なお、これら排出側圧力センサ２３及び凝縮器側温度センサ２４は、第二実施形態で説明したものと同様である。

本実施形態では、上限値補正部３５は、吸込側検出手段２１，２２で検出された値及び排出側検出手段２３，２４で検出された値の双方に基づいて上限値を補正する。具体的には、この上限値補正部３５は、吸込側検出手段２１，２２で検出された値から排出側検出手段２３，２４で検出された値を引いた差（又は、差の絶対値）、あるいは、排出側検出手段２３，２４で検出された値に対する吸込側検出手段２１，２２で検出された値の割合が減少するにしたがって、上限値を前記最大値未満の範囲で上昇させるように補正する。

なお、前記吸込側エンタルピーの減少又は前記排出側エンタルピーの増加に起因して発電機１６での発電量が減少するが、その理由は、上記各実施形態で説明したとおりである。

また、制御部３１の制御内容は、第一実施形態と同様である。そして、上限値補正部３５の制御内容は、当該上限値補正部３５が吸込側検出手段２１，２２で検出された値から排出側検出手段２３，２４で検出された値を引いた差（又は、差の絶対値。以下同様）、あるいは、排出側検出手段２３，２４で検出された値に対する吸込側検出手段２１，２２で検出された値の割合に基づいて上限値を補正する点を除き、第一実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

ここで、一例として、吸込圧力と排出圧力との差と上限値との関係を図１０に基づいて説明する。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように、上限値は、吸込圧力と排出圧力との差の減少に伴い、最大値まで漸次増大する。

なお、図１０では、上限値補正部３５が吸込側圧力センサ２１で検出された値と排出側圧力センサ２３で検出された値との差に基づいて上限値を変更する例を示すが、この上限値補正部３５は、排出側圧力センサ２３で検出された値に対する吸込側圧力センサ２１で検出された値の割合に基づいて上限値を変更してもよいし、蒸発器側温度センサ２２で検出された値と凝縮器側温度センサ２４で検出された値との差に基づいて上限値を変更してもよいし、さらには、凝縮器側温度センサ２４で検出された値に対する蒸発器側温度センサ２２で検出された値の割合に基づいて上限値を変更してもよい。これらの場合、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示される関係と同様に、上限値は、前記差又は前記割合の減少に伴い、最大値まで漸次増大する。

このように、本実施形態の発電装置では、上限値補正部３５が、吸込側検出手段２１，２２で検出された値と排出側検出手段２３，２４で検出された値との差、あるいは、排出側検出手段２３，２４で検出された値に対する吸込側検出手段２１，２２で検出された値の割合が減少するにしたがって、上限値を前記最大値未満の範囲で上昇させるので、第一実施形態と同様の効果が得られる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。第三実施形態では、吸込側検出手段２１，２２で検出された値に対する排出側検出手段２３，２４で検出された値の割合を求め、当該割合が増大するに従って膨張機１２の回転数の上限値を最大値まで漸次増大させてもよい。また、排出側検出手段２３，２４で検出された値から吸込側検出手段２１，２２で検出された値を引いた差を求め、当該差が増大するに従って上限値を最大値まで漸次増大させてもよい。

上記実施形態では、発電機を冷却液にて冷却する冷却ジャケットや冷却ファンなどの冷却器が設けられる場合には、ステップＳＴ１５において冷却器の冷却能力を増大させることにより、コイル温度が低減されてもよい。同様に、排油温度を冷却する冷却器が設けられる場合には、ステップＳＴ１９において冷却器の冷却能力を増大させることにより排油温度が低減されてもよい。このように、コイル温度を低減する工程、及び、排油温度を低減する工程では、膨張機１２の回転数を低減する手法以外の手法が用いられてもよい。また、ステップＳＴ１７において、電流値を低減する操作は電気的に行われてもよい。

１１蒸発器
１２膨張機
１３凝縮器
１４循環ポンプ
１５循環流路
１６発電機
１７供給流路
１８供給流路
２１吸込側圧力センサ
２２蒸発器側温度センサ
２３排出側圧力センサ
２４凝縮器側温度センサ
３０制御手段
３１制御部
３５上限値補正部
４０機器

Claims

作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した作動媒体の膨張エネルギーによって回転駆動されるロータを含む膨張機と、
前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器へ送る循環ポンプと、
前記膨張機内で前記作動媒体が膨張することにより駆動される発電機と、
前記膨張機に流入する作動媒体の状態量の算出に用いる値を検出可能な吸込側検出手段と、
前記ロータの回転数の最大値よりも低い回転数であって予め設定された回転数である上限値以下の範囲内で、かつ、前記発電機で生成された電力が供給される機器から要求される要求電力に応じて前記膨張機の回転数を制御する制御部と、
前記吸込側検出手段で検出された値が減少するにしたがって、前記上限値を前記最大値未満の範囲で上昇させるように補正する上限値補正部とを備える発電装置。
作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した作動媒体の膨張エネルギーによって回転駆動されるロータを含む膨張機と、
前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器へ送る循環ポンプと、
前記膨張機内で前記作動媒体が膨張することにより駆動される発電機と、
前記膨張機から排出された作動媒体の状態量の算出に用いる値を検出可能な排出側検出手段と、
前記ロータの回転数の最大値よりも低い回転数であって予め設定された回転数である上限値以下の範囲内で、かつ、前記発電機で生成された電力が供給される機器から要求される要求電力に応じて前記膨張機の回転数を制御する制御部と、
前記排出側検出手段で検出された値が上昇するにしたがって、前記上限値を前記最大値未満の範囲で上昇させるように補正する上限値補正部とを備える発電装置。
作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した作動媒体の膨張エネルギーによって回転駆動されるロータを含む膨張機と、
前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器へ送る循環ポンプと、
前記膨張機内で前記作動媒体が膨張することにより駆動される発電機と、
前記膨張機に流入する作動媒体の状態量の算出に用いる値を検出可能な吸込側検出手段と、
前記膨張機から排出された作動媒体の状態量の算出に用いる値を検出可能な排出側検出手段と、
前記ロータの回転数の最大値よりも低い回転数であって予め設定された回転数である上限値以下の範囲内で、かつ、前記発電機で生成された電力が供給される機器から要求される要求電力に応じて前記膨張機の回転数を制御する制御部と、
前記吸込側検出手段で検出された値と前記排出側検出手段で検出された値との差、あるいは、前記排出側検出手段で検出された値に対する前記吸込側検出手段で検出された値の割合の変化に基づいて、前記上限値を前記最大値未満の範囲で変化させるように補正する上限値補正部とを備える発電装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記発電機のコイル温度を検出するコイル温度検出手段をさらに備え、
前記制御部は、前記コイル温度検出手段で検出された値が予め設定されたコイル温度の上限値以上であるときに前記膨張機の回転数を減少させる発電装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記発電機で生成された電流の値を検出する電流値検出手段をさらに備え、
前記制御部は、前記電流値検出手段で検出された値が予め設定された電流値の上限値以上であるときに前記膨張機の回転数を減少させる発電装置。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記膨張機の軸受から排出される排油温度を検出する排油温度検出手段をさらに備え、
前記制御部は、前記排油温度検出手段で検出された値が予め設定された排油温度の上限値以上であるときに前記膨張機の回転数を減少させる発電装置。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記制御部は、前記膨張機の回転数の増減に応じて前記循環ポンプの回転数を増減させる発電装置。