JP2016029278A - コジェネレーションシステム - Google Patents

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巧 引地
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Osao Kido
長生 木戸
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Abstract

【課題】大きな熱需要への適応性が高いコジェネレーションシステムを提供する。【解決手段】本開示のコジェネレーションシステム（１ａ）は、ランキンサイクル（３０）と、高温熱媒回路（４０）と、低温熱媒回路（５０）と、バイパス流路（４５）と、熱媒熱交換器（６０）と、流量調節機構（４２）とを備えている。高温熱媒回路（４０）は、高温熱媒熱交換器（１２）から蒸発器（３２）に高温熱媒が供給されるように構成されている。低温熱媒回路（５０）は、低温熱媒熱交換器（２０）から凝縮器（３４）に低温熱媒が供給されるように構成されている。流量調節機構（４２）は、蒸発器（３２）に供給される高温熱媒の流量を制限するための流量制限手段を少なくとも含み、バイパス流路（４５）を流れる高温熱媒の流量と、蒸発器（３２）に供給される高温熱媒の流量との比を調節する。【選択図】図１

Description

本開示は、コジェネレーションシステムに関する。
従来、発電を行うための装置としてランキンサイクル装置が知られている。また、ランキンサイクルと、ランキンサイクルの蒸発器としても機能する凝縮器を有し、ランキンサイクルに接続されている熱伝達回路とを備えたシステムが知られている。
特許文献１には、図９に示すように、熱伝達回路３４０及びランキンサイクル３５０を備えたシステム３００が記載されている。熱伝達回路３４０は、蒸発器としてのボイラー３１０、凝縮器３１３、第一流体ダクト３１２、第二流体ダクト３１５、膨張装置３１６、追加凝縮器３２３、及びバルブ３２４を備えている。第一流体ダクト３１２は、ボイラー３１０の出口と凝縮器３１３とを接続している。第二流体ダクト３１５は、凝縮液をボイラー３１０に戻すように凝縮器３１３に接続されている。熱伝達回路３４０には、水が充填されている。追加凝縮器３２３は、バルブ３２４によって、第二流体ダクト３１５に選択的に接続される。ランキンサイクル３５０は、凝縮器３１３、膨張機３３０、エコノマイザ３３１、凝縮器３３２、ポンプ３３３、及び暖房回路３３４ａを備えている。凝縮器３１３は、ランキンサイクル３５０において蒸発器として機能する。
ボイラー３１０に熱が付与されるとスチームが発生し、ボイラー３１０の一部及び第一流体ダクト３１２がスチームで満たされる。スチーム空間が凝縮器３１３まで及ぶと、凝縮器３１３内部で熱交換が生じるため、ボイラー３１０から第一流体ダクト３１２を経て凝縮器３１３へ熱が伝達される。その熱の量が増え続けると、スチーム空間が広がり、スチームの圧力及び温度が高くなる。これにより、凝縮器３１３における伝熱量が大きくなる。熱伝達回路３４０における圧力が所定のレベルを超えると、圧力保護のためにバルブ３２４が自動的に開かれ、追加凝縮器３２３によって過剰な熱が除去され、スチームの圧力が適正に低下する。
凝縮器３１３でスチームが凝縮することにより、ランキンサイクル３５０の作動流体が蒸発する。この蒸気によって膨張機３３０が駆動され、低圧の蒸気が凝縮器３３２で凝縮する前に、動力が生成される。その後、作動流体はポンプ３３３によって凝縮器３１３に戻される。また、低圧の蒸気の熱が凝縮器３３２において暖房回路３３４ａに放熱される。
米国特許第８１４１３６２号明細書
特許文献１のシステム３００は、大きな熱需要への適応性の観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、大きな熱需要への適応性が高いコジェネレーションシステムを提供する。
本開示は、
コジェネレーションシステムであって、
第１熱媒が循環する第１循環路と、
作動流体が循環するランキンサイクルと、
前記第１熱媒よりも低温である第２熱媒が循環する第２循環路と、
第１熱源と、
前記第１循環路上に配置され、前記第１熱源の熱を前記第１熱媒に伝達する第１熱交換器と、
前記第１循環路上及び前記ランキンサイクル上に跨って配置され、前記第１熱媒の熱を前記作動流体に伝達し、前記作動流体を蒸発させる第２熱交換器と、
前記ランキンサイクル上に配置され、前記作動流体を循環させる第１ポンプと、
前記ランキンサイクル上に配置され、前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記ランキンサイクル上及び前記第２循環路上に跨って配置され、作動流体の熱を前記第２熱媒に伝達し、前記作動流体を凝縮させる第３熱交換器と、
前記第１熱源よりも低温である第２熱源と、
前記第２循環路上に配置され、前記第２熱媒の熱を前記第２熱源に伝達する第４熱交換器と、を備え、
前記第１循環路は第１の部位と第２の部位とを有し、前記第１の部位は、前記第１熱媒が前記第１熱交換器から流出し前記第２熱交換器に流入するまでの間に位置し、前記第２の部位は、前記第１熱媒が前記第２熱交換器から流出し、前記第１熱交換器に流入するまでの部位に位置し、
前記コジェネレーションシステムは、さらに、
前記第１循環路における前記第１の部位と前記第２の部位とを接続し、前記第１の部位から前記第２の部位へ作動流体を流す第１バイパス流路と、
前記第２循環路上及び前記第１バイパス流路上に跨って配置され、前記第１熱媒の熱を前記第２熱媒に伝達する第５熱交換器と、
前記第１バイパス流路を流れる前記第１熱媒の流量と、前記第１循環路において前記第２熱交換器に流れ込む前記第１熱媒の流量の比を調整する流量調節機構と、を備えた
ものである。
本開示によれば、大きな熱需要への適応性が高いコジェネレーションシステムを提供できる。
本開示の第１実施形態に係るコジェネレーションシステムの構成図 第１変形例に係るコジェネレーションシステムの構成図 第２変形例に係るコジェネレーションシステムの構成図 第３変形例に係るコジェネレーションシステムの構成図 高温膨張タンクの一例を模式的に示す図 低温膨張タンクの一例を模式的に示す図 本開示の第２実施形態に係るコジェネレーションシステムの構成図 本開示の第３実施形態に係るコジェネレーションシステムの構成図 本開示の第４実施形態に係るコジェネレーションシステムの構成図 従来の、ランキンサイクルを有するシステムの構成図
ランキンサイクルを用いたコジェネレーションシステムにおいて、必要に応じて熱電比を調整できることが望ましい。特に、熱需要が大きく、ランキンサイクルの凝縮器において低温熱媒に供給される熱量が十分でない場合に、高温熱源から得られる熱を、ランキンサイクルを介さずに直接低温熱媒に供給することが考えられる。特許文献１では、熱需要に応じて熱電比を調整することにつき具体的な検討はなされていない。仮に、特許文献１のシステム３００において熱電比を調整できるとしても、特許文献１のシステム３００は、大きな熱需要への適応性に優れているとは言い難い。なぜなら、バルブ３２４が開いている場合でも、追加凝縮器３２３に供給されるスチームの流量Ｆ２と凝縮器３１３に供給されるスチームの流量Ｆ１との比（Ｆ２／Ｆ１）の調整可能な制御範囲が限られていて、変化量を任意に制御できないからである。
システム３００において、バルブ３２４が開いているときのＦ２／Ｆ１の大きさは、凝縮器３１３及び追加凝縮器３２３における、伝熱面積、流路形状、又は低温流体の状態の影響を受ける。例えば、追加凝縮器３２３には、ランキンサイクル３５０の凝縮器３３２で加熱された流体が供給されて、熱伝達回路３４０を満たすスチームが冷却され凝縮する。また、凝縮器３１３には、ポンプ３３３の働きにより液体状態又は気液二相状態の作動流体が供給される。凝縮器３１３における作動流体の蒸発温度は、凝縮器３１３における作動流体の圧力によって定まるので、膨張機３３０又はポンプ３３３の動作状態、凝縮器３３２に供給される流体の温度などによって変化する。このため、バルブ３２４が開いているとき、Ｆ２／Ｆ１の大きさは、凝縮器３１３及び追加凝縮器３２３における、成り行きのスチーム凝縮速度に依存して定まる。その結果、Ｆ２／Ｆ１の大きさは特定の範囲に制限されてしまう。
本開示の第１態様は、
コジェネレーションシステムであって、
第１熱媒が循環する第１循環路と、
作動流体が循環するランキンサイクルと、
前記第１熱媒よりも低温である第２熱媒が循環する第２循環路と、
第１熱源と、
前記第１循環路上に配置され、前記第１熱源の熱を前記第１熱媒に伝達する第１熱交換器と、
前記第１循環路上及び前記ランキンサイクル上に跨って配置され、前記第１熱媒の熱を前記作動流体に伝達し、前記作動流体を蒸発させる第２熱交換器と、
前記ランキンサイクル上に配置され、前記作動流体を循環させる第１ポンプと、
前記ランキンサイクル上に配置され、前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記ランキンサイクル上及び前記第２循環路上に跨って配置され、作動流体の熱を前記第２熱媒に伝達し、前記作動流体を凝縮させる第３熱交換器と、
前記第１熱源よりも低温である第２熱源と、
前記第２循環路上に配置され、前記第２熱媒の熱を前記第２熱源に伝達する第４熱交換器と、を備え、
前記第１循環路は第１の部位と第２の部位とを有し、前記第１の部位は、前記第１熱媒が前記第１熱交換器から流出し前記第２熱交換器に流入するまでの間に位置し、前記第２の部位は、前記第１熱媒が前記第２熱交換器から流出し、前記第１熱交換器に流入するまでの部位に位置し、
前記コジェネレーションシステムは、さらに、
前記第１循環路における前記第１の部位と前記第２の部位とを接続し、前記第１の部位から前記第２の部位へ作動流体を流す第１バイパス流路と、
前記第２循環路上及び前記第１バイパス流路上に跨って配置され、前記第１熱媒の熱を前記第２熱媒に伝達する第５熱交換器と、
前記第１バイパス流路を流れる前記第１熱媒の流量と、前記第１循環路において前記第２熱交換器に流れ込む前記第１熱媒の流量の比を調整する流量調節機構と、を備えたものである。
第１態様によれば、流量調節機構によって、第２熱交換器（蒸発器）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の流量を制限しつつ、第１バイパス流路を通って第５熱交換器（熱媒熱交換器）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の流量を増やすことができる。このため、流量調節機構により調節可能な、第１バイパス流路を流れる第１熱媒（高温熱媒）の流量Ｆｂと第２熱交換器（蒸発器）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の流量Ｆａとの比（Ｆｂ／Ｆａ）の範囲が広い。このため、コジェネレーションシステムの熱電比を大きな熱需要に適応させることができる。
第２態様において、例えば、第１態様にかかるコジェネレーションシステムの前記流量調節機構は、第１の弁と第２の弁とから構成され、前記第１の弁は、前記第１循環路において、前記第１の部位と、前記第１熱媒が前記第２熱交換器に流入するまでの部位との間に位置し、前記第２の弁は、前記第１バイパス流路上に位置してもよい。第２態様によれば、第１の弁（主流量調整弁）の開度及び第２の弁（バイパス流量調整弁）の開度を制御することによって、Ｆｂ／Ｆａを広い範囲で細かく調節できる。第２熱交換器（蒸発器）のみに第１熱媒（高温熱媒）を供給する場合でも、第１の弁（主流量調整弁）の開度を全開とすれば、第１循環路（高温熱媒回路）における第１熱媒（高温熱媒）の流れの圧力損失の上昇を抑制できる。第２態様によれば、ランキンサイクルの発電効率を高く維持しつつ効率的に熱需要に適応させることができる。
第３態様において、例えば、第２態様にかかるコジェネレーションシステムの前記第１の弁は、固定絞り弁であってもよい。第３態様によれば、熱需要が小さい場合には、第２の弁（バイパス流量調整弁）の開度を小さくすることによって第５熱交換器（熱媒熱交換器）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の流量を減少させることができる。また、第２の弁（バイパス流量調整弁）の開度を全閉にすれば、第２熱交換器（蒸発器）のみに第１熱媒（高温熱媒）を供給できる。一方、熱需要が大きい場合、第２の弁（バイパス流量調整弁）の開度を大きくすることによって、Ｆｂ／Ｆａを増加させて、第１熱媒（高温熱媒）から第２熱媒（低温熱媒）への放熱量を熱需要に適応させることができる。流量調節機構に含まれる流量調整弁の数が少ないので、製造コストを低減できる。コジェネレーションシステムの熱電比を、発電を維持しつつ効率的に熱需要に適応させることができる。
第４態様において、例えば、第１態様にかかるコジェネレーションシステムの前記流量調節機構は、前記第１の部位に配置された三方弁であってもよい。第４態様によれば、三方弁を制御することによって、Ｆｂ／Ｆａを広い範囲で細かく調整できる。また、三方弁のみでＦｂ／Ｆａを調節できるので、部品点数を減らして製造コストを低減できる。第２熱交換器（蒸発器）のみに第１熱媒（高温熱媒）が流れるように三方弁が制御される場合でも、第１熱媒（高温熱媒）の流れの圧力損失の上昇を抑制できる。コジェネレーションシステムの熱電比を、発電を維持しつつ効率的に熱需要に適応させることができる。
第５態様において、例えば、第１態様にかかるコジェネレーションシステムの前記第２循環路において、前記第５熱交換器は、前記第２熱媒が前記第３熱交換器から流出し、前記第４熱交換器に流入するまでの間に位置してもよい。
第５態様によれば、第５熱交換器（熱媒熱交換器）に供給される第２熱媒（低温熱媒）の温度よりも低い温度を有する第２熱媒（低温熱媒）が第３熱交換器（凝縮器）に供給される。これにより、第２熱交換器（蒸発器）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の温度と、第３熱交換器（凝縮器）に供給される第２熱媒（低温熱媒）の温度との差が大きくなるので、ランキンサイクルの発電効率が向上する。このため、熱電比における電力の割合が高い状態でコジェネレーションシステムを運転でき、調整可能な熱電比の範囲が広い。
第６態様において、例えば、第１態様〜第５態様のいずれか一つコジェネレーションシステムは、さらに、前記第１循環路上に配置され、前記第１熱媒の一部を収容する第１のタンク（高温膨張タンク）、又は、前記第２循環路上に配置され、前記第２熱媒の一部を収容する第２のタンク（低温膨張タンク）を備えていてもよい。第６態様によれば、第１熱媒（高温熱媒）又は第２熱媒（低温熱媒）の温度上昇により、第１熱媒（高温熱媒）及び第２熱媒（低温熱媒）の体積が増加した場合でも、第１循環路（高温熱媒回路）又は第２循環路（低温熱媒回路）における圧力上昇を緩和できる。これにより、コジェネレーションシステムの運転条件が変化した場合の第１循環路（高温熱媒回路）又は第２循環路（低温熱媒回路）の信頼性、ひいてはコジェネレーションシステムの信頼性を高めることができる。
第７態様において、例えば、第１態様〜第６態様のいずれか一つにかかるコジェネレーションシステムの前記第１熱媒の大気圧における沸点は、前記第１熱媒の使用温度よりも高くてもよい。第７態様によれば、第１熱媒（高温熱媒）は使用温度において主に液相である。第１熱媒（高温熱媒）の気相は、使用温度での蒸気圧に応じて第１循環路（高温熱媒回路）に存在するので、第１循環路（高温熱媒回路）の圧力が大気圧よりも小さい。このため、コジェネレーションシステムの運転条件が変化しても第１循環路（高温熱媒回路）の圧力が低いので、コジェネレーションシステムの製造コストが低い。
第８態様において、例えば、第１態様〜第７態様のいずれか一つにかかるコジェネレーションシステムは、さらに、前記第１熱源としての燃焼ガスを生成するためのバーナーと、前記燃焼ガスが流れるガス流路と、前記ガス流路上及び前記第２循環路上に跨って配置され、前記ガス流路を流れる前記燃焼ガスが有する潜熱を回収し、前記潜熱を前記第２熱媒に伝達する第６熱交換器と、をさらに備え、前記第１熱交換器は、前記ガス流路上に配置され、前記ガス流路において、前記第６熱交換器は、前記燃焼ガスの流れ方向において前記第１熱交換器よりも下流側に配置され、前記第２循環路において、前記第６熱交換器は、前記第２熱媒が前記第４熱交換器から流出し、前記第３熱交換器に流入するまでの間に配置されていてもよい。
第８態様によれば、バーナーによって生成された燃焼ガスが第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）において第１熱媒（高温熱媒）と熱交換するので、高い温度を有する第１熱源（高温熱源）によって第１熱媒（高温熱媒）が所定の温度に加熱される。また、第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）を通過した燃焼ガスが、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ａ）において、第２熱媒（低温熱媒）と熱交換する。さらに、当該熱交換は、第２熱媒（低温熱媒）が、第３熱交換器（凝縮器）においてランキンサイクルの作動流体から熱を受け取る前に行われる。これにより、燃焼ガスが有する潜熱を第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ａ）において回収できる。その結果、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。
第９態様において、例えば、第１態様〜第７態様のいずれか一つにかかるコジェネレーションシステムの前記第１循環路は第３の部位と第４の部位とを有し、前記第３の部位は、前記第２の部位と、前記第１熱媒が前記第１熱交換器に流入するまでの部位との間に位置し、前記第４の部位は、前記第３の部位と、前記第１熱媒が前記第１熱交換器に流入するまでの部位との間に位置し、前記コジェネレーションシステムは、さらに、前記第１熱源としての燃焼ガスを生成するためのバーナーと、前記燃焼ガスが流れるガス流路と、前記第１循環路における前記第３の部位と前記第４の部位とを接続し、前記第３の部位から前記第４の部位へ第１熱媒を流す第２バイパス流路と、前記ガス流路上及び前記第２バイパス流路上に跨って配置され、前記ガス流路を流れる前記燃焼ガスが有する潜熱を回収し、前記潜熱を前記第１熱媒に伝達する第６熱交換器と、を備え、前記第１熱交換器は、前記ガス流路上に配置され、前記ガス流路において、前記第６熱交換器は、前記燃焼ガスの流れ方向において前記第１熱交換器よりも下流側に配置され、前記コジェネレーションシステムは、前記第２バイパス流路上に配置された第３の弁を備えていてもよい。
第９態様によれば、バーナーによって生成された燃焼ガスがまず第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）において第１熱媒（高温熱媒）と熱交換するので、高い温度を有する第１熱源（高温熱源）によって第１熱媒（高温熱媒）が所定の温度に加熱される。また、第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）を通過した燃焼ガスが、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）において、第２熱交換器（蒸発器）においてランキンサイクルの作動流体と熱交換して降温した第１熱媒（高温熱媒）と熱交換する。これにより、燃焼ガスが有する潜熱を第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）において回収できる。その結果、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。また、第９態様によれば、第１循環路（高温熱媒回路）を流れる第１熱媒（高温熱媒）の一部が第２バイパス流路（副流路）を流れる。第２バイパス流路（副流路）に配置された第３の弁を制御することによって、第２バイパス流路（副流路）を流れる第１熱媒（高温熱媒）の流量を調整できる。また、第２バイパス流路（副流路）の他端（第４の部位）は、第２バイパス流路（副流路）の一端（第３の部位）よりも第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）の入口に近い位置で主流路に接続されている。これにより、第２バイパス流路（副流路）に導かれた第１熱媒（高温熱媒）は、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）を通過して第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）の入口により近い位置で主流路における第１熱媒（高温熱媒）の流れに合流する。このため、第１循環路（高温熱媒回路）における第１熱媒（高温熱媒）の流れの圧力損失により、第１熱媒（高温熱媒）が第２バイパス流路（副流路）に導かれる。第２バイパス流路（副流路）を簡便に形成できる。
第１０態様において、例えば、第９態様にかかるコジェネレーションシステムは前記第２循環路上及び前記第２バイパス流路上に跨って配置され、前記第１熱媒の熱を前記第２熱媒に伝達する第７熱交換器をさらに備え、前記第２バイパス流路において、前記第３の部位、前記第７熱交換器、第６熱交換器、及び前記第４の部位がこの順に配置されていてもよい。第１０態様によれば、第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）を通過した燃焼ガスが、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）において、第１熱媒（高温熱媒）と熱交換する。さらに当該熱交換は、第１熱媒（高温熱媒）が第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ａ）において第２熱媒（低温熱媒）と熱交換して降温した後に行われる。これにより、燃焼ガスが有する潜熱を第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）において回収できる。その結果、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。また、第１０態様によれば、第１循環路（高温熱媒回路）を流れる第１熱媒（高温熱媒）の一部が第２バイパス流路（副流路）を流れる。第２バイパス流路（副流路）に配置された第３の弁を制御することによって、第２バイパス流路（副流路）を流れる第１熱媒（高温熱媒）の流量を調整できる。これにより、第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ａ）を通過した第１熱媒（高温熱媒）の温度を調整できる。例えば、第３の弁によって第２バイパス流路（副流路）を流れる第１熱媒（高温熱媒）の流量を減少させて、第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ａ）を通過した第１熱媒（高温熱媒）の温度を低下させることができる。第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）には、第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ａ）と熱交換して降温した第１熱媒（高温熱媒）が供給されるので、燃焼ガスが有する潜熱を第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）において回収できる。その結果、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。第１０態様によれば、第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）で昇温する前の、より低い温度を有する第１熱媒（高温熱媒）が第２バイパス流路（副流路）を流れる。このため、第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ａ）における第２熱媒（低温熱媒）との熱交換によって第１熱媒（高温熱媒）の温度がより低くなり、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の温度をより低くできる。その結果、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）における、燃焼ガスが有する潜熱の回収率が向上し、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。
第１１態様において、例えば、第１０態様にかかるコジェネレーションシステムの前記第２循環路において、前記第７熱交換器は、前記第２熱媒が前記第４熱交換器から流出し、前記第３熱交換器に流入するまでの間に位置していてもよい。第１１態様によれば、第３熱交換器（凝縮器）において作動流体と熱交換する前のより低い温度を有する第２熱媒（低温熱媒）が第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ａ）に供給される。これにより、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の温度がより低くなるので、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）における、燃焼ガスが有する潜熱の回収率が向上し、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。
第１２態様において、例えば、第１１態様にかかるコジェネレーションシステムの前記第２循環路において、前記第５熱交換器は、前記第２熱媒が前記第３熱交換器から流出し、前記第４熱交換器に流入するまでの間に位置していてもよい。第１２態様によれば、第３熱交換器（凝縮器）及び第５熱交換器（熱媒熱交換器）で昇温する前のより低い温度を有する第２熱媒（低温熱媒）が第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ａ）に供給される。これにより、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の温度がより低くなるので、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｂ）における、燃焼ガスが有する潜熱の回収率が向上し、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。
第１３態様において、例えば、第１態様にかかるコジェネレーションシステムは、さらに、前記第１熱源としての燃焼ガスを生成するためのバーナーと、前記燃焼ガスが流れるガス流路と、第１熱媒よりも低温であり、第２熱媒よりも高温である第３熱媒が循環する第３循環路と、前記ガス流路上及び前記第３循環路上に跨って配置され、前記ガス流路を流れる前記燃焼ガスが有する潜熱を回収し、前記潜熱を前記第３熱媒に伝達する、第６熱交換器と、を備え、前記第１熱交換器は前記ガス流路上に配置され、前記ガス流路において、前記第６熱交換器は、前記燃焼ガスの流れ方向において前記第１熱交換器よりも下流側に配置されており、前記コジェネレーションシステムは、さらに、前記第２循環路上及び前記第３循環路上に跨って配置され、前記第３熱媒の熱を前記第２熱媒に伝達する第７熱交換器を備えていてもよい。
第１３態様によれば、バーナーによって生成された燃焼ガスがまず第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）において第１熱媒（高温熱媒）と熱交換するので、高い温度を有する第１熱源（高温熱源）によって第１熱媒（高温熱媒）が所定の温度に加熱される。また、第１熱交換器（高温熱媒熱交換器）を通過した燃焼ガスが、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｃ）において、第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ｂ）で第２熱媒（低温熱媒）と熱交換して降温した第３熱媒（中温熱媒）と熱交換する。これにより、燃焼ガスが有する潜熱を第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｃ）において回収できる。その結果、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。
第１４態様において、例えば、第１３態様にかかるコジェネレーションシステムの前記第２循環路において、前記第７熱交換器は、前記第２熱媒が前記第４熱交換器から流出し、前記第５熱交換器に流入するまでの間に位置し、前記第２循環路において、前記第５熱交換器は、前記第２熱媒が前記第５熱交換器から流出し、第３熱交換器に流入するまでの間に位置していてもよい。第１４態様によれば、第３熱交換器（凝縮器）及び第５熱交換器（熱媒熱交換器）で昇温する前のより低い温度を有する第３熱媒（中温熱媒）が第７熱交換器（熱媒冷却熱交換器８０ｂ）に供給される。これにより、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｃ）に供給される第１熱媒（高温熱媒）の温度がより低くなるので、第６熱交換器（潜熱回収熱交換器７０ｃ）における、燃焼ガスが有する潜熱の回収率が向上し、バーナーにおける燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。
第１５態様において、例えば、第１態様〜第１４態様のいずれか一つにかかるコジェネレーションシステムの前記第４熱交換器は、暖房放熱器、又は温水生成器を構成してもよい。第１５態様によれば、ランキンサイクルの作動流体又は第１熱媒（高温熱媒）によって加熱された第２熱媒（低温熱媒）の有する熱を暖房又は給湯に利用できる。
本開示の第１６態様は、第１態様〜第１５態様のいずれか１つにおいて、例えば、第１態様にかかるコジェネレーションシステムは、前記ランキンサイクルを収容する第１の筐体と、前記第１熱交換器を収容する第２の筐体と、をさらに備え、前記第１の筐体と前記第２の筐体とが、前記第１循環路を形成する配管によって接続されていてもよい。
第１６態様によれば、第２熱交換器（蒸発器）の出口から膨張機の入口までの作動流体の流路を短くすることができ、第２熱交換器（蒸発器）の出口から膨張機の入口へ流れる作動流体の温度低下を抑制できる。
第１７態様において、例えば、第１態様〜第１５態様にかかるコジェネレーションシステムは、前記第１循環路、前記ランキンサイクル、及び前記第１熱交換器を収容する第３筐体をさらに備えていてもよい。第１７態様によれば、第２循環路（低温熱媒回路）を形成する配管のみが、第３の筺体(大筐体）の外部の配管となる。このため、例えば、断熱材料の使用量を低減でき、コジェネレーションシステムの設置作業が容易である。コジェネレーションシステムの製造又は設置に要するコストを低減できる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらに限定されるものではない。
＜第１実施形態＞
図１に示すように、コジェネレーションシステム１ａは、ランキンサイクル３０（ランキンサイクル）と、高温熱媒回路４０（第１循環路）と、低温熱媒回路５０（第２循環路）と、バイパス流路４５（第１バイパス流路）と、熱媒熱交換器６０（第５熱交換器）と、流量調節機構４２とを備えている。また、コジェネレーションシステム１ａは、例えば、バーナー１１と、ガス流路１３とを備えている。バーナー１１は、燃料を燃焼させることにより、高温熱源（第１熱源）としての燃焼ガスを生成する。バーナー１１によって生成された燃焼ガスはガス流路１３を流れる。なお、高温熱源は燃焼ガスに制限されず、工場の排熱又は地熱などの熱源を高温熱源として利用することもできる。
ランキンサイクル３０は、ポンプ３１、蒸発器３２（第２熱交換器）、膨張機３３、及び凝縮器３４（第３熱交換器）を有し、これらのコンポーネントが配管によってこの順番で環状に接続されることによって形成されている。ポンプ３１の働きにより、作動流体がランキンサイクル３０を循環する。作動流体は、特に制限されないが、例えば、水、ケトン、アルコール、炭化水素、又はフルオロカーボンである。アルコールとしては、例えば、エタノールを挙げることができる。炭化水素としては、例えば、ｎ−ブタン又はｎ−ペンタンを挙げることができる。フルオロカーボンとしては、例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２４５ｆａ、又はＲ３６５ｍｆｃを挙げることができる。
高温熱媒回路４０は、高温熱源と高温熱媒とを熱交換させるための高温熱媒熱交換器１２（第１熱交換器）を有する。また、高温熱媒回路４０は、高温熱媒熱交換器１２から蒸発器３２に高温熱媒が供給され、かつ、蒸発器３２から高温熱媒熱交換器１２に高温熱媒が戻されるように構成されている。換言すると、高温熱媒熱交換器１２の出口が高温熱媒にとっての蒸発器３２の入口に配管によって接続され、高温熱媒にとっての蒸発器３２の出口が高温熱媒熱交換器１２の入口に配管によって接続されている。高温熱媒熱交換器１２は、例えば、ガス流路１３に配置されている。高温熱媒回路４０は、例えば、高温熱媒ポンプ４１を有する。高温熱媒ポンプ４１は、例えば、高温熱媒回路４０における蒸発器３２の出口と高温熱媒熱交換器１２の入口との間に配置されている。高温熱媒ポンプ４１の働きにより、高温熱媒が高温熱媒回路４０を循環する。高温熱媒は、特に制限されない。高温熱媒としては、例えば、大気圧において、高温熱媒回路４０における高温熱媒の使用温度よりも高い沸点を有する高沸点物質を用いることができる。この高沸点物質が高温熱媒として高温熱媒回路４０の内部に収容されている。この場合、使用温度において高温熱媒が主に液相である。高温熱媒の気相は、使用温度での蒸気圧に応じて高温熱媒回路４０に存在するので、高温熱媒回路４０における高温熱媒の圧力が大気圧よりも小さい。このため、コジェネレーションシステム１ａの運転条件が変化しても高温熱媒回路４０における高温熱媒の圧力が低いので、コジェネレーションシステム１ａの製造コストが低い。高沸点物質は特に制限されないが、例えばオイルである。オイルは、例えば、シリコーンオイル、鉱油、又は合成オイルである。
低温熱媒回路５０は、低温熱源（第２熱源）と低温熱媒とを熱交換させるための低温熱媒熱交換器２０（第４熱交換器）を有する。また、低温熱媒回路５０は、低温熱媒熱交換器２０から凝縮器３４に低温熱媒が供給され、かつ、凝縮器３４から低温熱媒熱交換器２０に低温熱媒が戻されるように構成されている。換言すると、低温熱媒熱交換器２０の出口が低温熱媒にとっての凝縮器３４の入口に配管によって接続され、低温熱媒にとっての凝縮器３４の出口が低温熱媒熱交換器２０の入口に配管によって接続されている。低温熱媒回路５０は、例えば、低温熱媒ポンプ５１を有する。低温熱媒ポンプ５１は、例えば、低温熱媒回路５０における低温熱媒熱交換器２０の出口と凝縮器３４の入口との間に配置されている。低温熱媒ポンプ５１の働きにより、低温熱媒が低温熱媒回路５０を循環する。低温熱媒は、特に制限されない。低温熱媒は、例えば水である。低温熱媒は、空気などの気体であってもよい。
図１に示すように、暖房放熱器２１及び温水生成器２２が、低温熱媒熱交換器２０として、低温熱媒回路５０に配置されている。暖房放熱器２１は、低温熱媒の流れ方向において温水生成器２２の出口より下流側に位置するように低温熱媒回路５０に配置されている。暖房放熱器２１及び温水生成器２２のいずれか一方は省略されてもよい。すなわち、低温熱媒熱交換器２０は、暖房放熱器２１又は温水生成器２２である。暖房放熱器２１は、低温熱源としての周囲物質に接触し、室内を暖房するように低温熱媒が有する熱を周囲物質に放熱する。周囲物質は、例えば、室内空気又は室内の壁を形成する材料である。温水生成器２２は、低温熱媒としての水道水を温めるように低温熱媒が有する熱を水道水に放熱する。温水生成器２２は、例えば、貯留タンク２２ａ及び配管２２ｂを有する。貯留タンク２２ａは、低温熱媒を一時的に貯留するタンクである。配管２２ｂは、貯留タンク２２ａの内部に配置されたコイル状の配管であり、水道水が配管２２ｂの内部を流れる。この場合、ランキンサイクル３０の作動流体によって加熱される低温熱媒が有する熱を暖房又は給湯に利用できるので、エネルギーの有効利用ができる。
バイパス流路４５は、高温熱媒が蒸発器３２をバイパスするように高温熱媒回路４０に接続されている。バイパス流路４５の一端は、接続位置４０ａ（第１の部位）で高温熱媒回路４０に接続され、バイパス流路４５の他端は、接続位置４０ｂ（第２の部位）で高温熱媒回路４０に接続されている。接続位置４０ａは、例えば、高温熱媒回路４０における高温熱媒熱交換器１２の出口と蒸発器３２の入口との間に位置している。接続位置４０ｂは、高温熱媒回路４０における蒸発器３２の出口と高温熱媒熱交換器１２の入口との間に位置している。接続位置４０ｂは、例えば、高温熱媒回路４０における蒸発器３２の出口と高温熱媒ポンプ４１の入口との間に位置している。
熱媒熱交換器６０は、バイパス流路４５を流れる高温熱媒と、低温熱媒の流れ方向において低温熱媒熱交換器２０の入口より上流側で低温熱媒回路５０を流れる低温熱媒とを熱交換させるための熱交換器である。バイパス流路４５及び熱媒熱交換器６０によって、高温熱媒の有する熱を、ランキンサイクル３０を介さずに低温熱媒に直接付与できる。このため、凝縮器３４で作動流体から低温熱媒に付与される熱の量が低温熱媒熱交換器２０における熱需要に対して十分でない場合でも、コジェネレーションシステム１ａの熱電比を熱需要に適応させることができる。熱媒熱交換器６０は、例えば、低温熱媒ポンプ５１によって吐出された低温熱媒が流れる方向において凝縮器３４の出口より下流側で、低温熱媒回路５０に配置されている。この場合、熱媒熱交換器６０に供給される低温熱媒の温度よりも低い温度を有する低温熱媒が凝縮器３４に供給される。これにより、蒸発器３２に供給される高温熱媒の温度と、凝縮器３４に供給される低温熱媒の温度との差が大きくなるので、ランキンサイクル３０の発電効率が高い。
流量調節機構４２は、流量制限手段を少なくとも含み、バイパス流路４５を流れる高温熱媒の流量Ｆｂと、蒸発器３２に供給される高温熱媒の流量Ｆａとの比（Ｆｂ／Ｆａ）を調節する。ここで、「流量」とは質量流量を意味する。流量制御手段は、接続位置４０ａ、又は、高温熱媒回路４０における接続位置４０ａよりも下流側の位置に配置されている。接続位置４０ａは、高温熱媒の流れ方向において蒸発器３２の入口より上流側に位置する。流量制御手段は、蒸発器３２に供給される高温熱媒の流量を制限するための手段である。流量制御手段によって、流量Ｆａをかなり小さくできるので、流量調節機構４２により調節可能な、Ｆｂ／Ｆａの範囲が広い。このため、コジェネレーションシステム１ａは、大きな熱需要への適応性に優れる。
流量調節機構４２は、例えば、主流量調整弁４２ａ（第１の弁）と、バイパス流量調整弁４２ｂ（第２の弁）とを含む。主流量調整弁４２ａは、高温熱媒回路４０における接続位置４０ａよりも下流側の位置に流量制御手段として配置されている。主流量調整弁４２ａは、例えば、高温熱媒回路４０における接続位置４０ａと蒸発器３２の入口との間で高温熱媒回路４０に配置されている。バイパス流量調整弁４２ｂは、バイパス流路４５に配置されている。主流量調整弁４２ａは、例えば、開度が調整可能な電動弁である。バイパス流量調整弁４２ｂは、開度が調整可能な電動弁である。主流量調整弁４２ａの開度及びバイパス流量調整弁４２ｂの開度を制御することによって、Ｆｂ／Ｆａを広い範囲で細かく調節できる。例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの制御器（図示省略）によって、主流量調整弁４２ａの開度及びバイパス流量調整弁４２ｂの開度が制御される。これにより、Ｆｂ／Ｆａが、熱需要に応じた適切な値に調節される。蒸発器３２のみに高温熱媒を供給する場合でも、主流量調整弁４２ａの開度を全開とすれば、高温熱媒回路４０における高温熱媒の流れの圧力損失の上昇を抑制できる。この場合、高温熱媒ポンプ４１に要求される動力を低減できる。ランキンサイクル３０によって発電を行いつつ、コジェネレーションシステム１ａの熱電比を効率的に熱需要に適応させることができる。
コジェネレーションシステム１ａは、例えば、図１に示すように、ランキンサイクル筐体５ａ（第１の筺体）と、高温熱源筐体５ｂ（第２の筺体）とを備えている。ランキンサイクル筐体５ａは、ランキンサイクル３０を収容している。ランキンサイクル筐体５ａは、図１に示すように、必要に応じ、熱媒熱交換器６０、低温熱媒ポンプ５１、バイパス流路４５、又は流量調節機構４２を収容していてもよい。高温熱源筐体５ｂは、ランキンサイクル筐体５ａとは別体として形成され、少なくとも高温熱媒熱交換器１２を収容している。図１に示すように、高温熱源筐体５ｂは、バーナー１１、ガス流路１３、又は高温熱媒ポンプ４１を収容していてもよい。ランキンサイクル筐体５ａと高温熱源筐体５ａとが、高温熱媒回路４０を形成する配管によって接続されている。この場合、蒸発器３２の出口から膨張機３３の入口までの作動流体の流路を短くできる。その結果、蒸発器３２の出口から膨張機３３の入口へ流れる作動流体の温度低下を抑制でき、ランキンサイクル３０の発電効率が高くなる。
次に、コジェネレーションシステム１ａの動作の一例を説明する。コジェネレーションシステム１ａは、例えば、給湯又は暖房の要求を受けて動作する。このような要求がない場合には、コジェネレーションシステム１ａは動作を停止している。コジェネレーションシステム１ａが動作しているとき、図１に示すように、作動流体、高温熱媒、及び低温熱媒が流れる。図１において、実線の矢印は、ランキンサイクル３０における作動流体の流れを示し、破線の矢印は、高温熱媒回路４０における高温熱媒の流れを示し、一点鎖線の矢印は、低温熱媒回路５０における低温熱媒の流れを示す。
例えば、給湯栓（図示省略）が開かれると、温水生成器２２の配管２２ｂに水道水が供給される。配管２２ｂには、貯留タンク２２ａに貯留された低温熱媒の温度よりも低い温度を有する水道水が供給される。水道水は、温水生成器２０において低温熱媒と熱交換することによって加熱される。一方、貯留タンク２２ａに貯留された低温熱媒の温度は低下する。貯留タンク２２ａに貯留された低温熱媒の温度が所定の設定温度を下回ると、コジェネレーションシステム１ａを動作させる制御が行われる。また、例えば、リモコン（図示省略）の操作などによって暖房放熱器２１による暖房運転が指示されると、コジェネレーションシステム１ａを動作させる制御が行われる。
コジェネレーションシステム１ａを始動するとき、まず、低温熱媒ポンプ５１を動作させて、低温熱媒を低温熱媒回路５０において循環させる。次に、ランキンサイクル３０のポンプ３１を動作させて、作動流体をランキンサイクル３０において循環させる。また、高温熱媒ポンプ４１を動作させて、高温熱媒を高温熱媒回路４０において循環させる。次に、バーナー１１において燃料を燃焼させる。これにより、バーナー１１によって発生した高温の燃焼ガスが、高温熱媒熱交換器１２において高温熱媒を加熱する。高温熱媒熱交換器１２において昇温した高温熱媒は、蒸発器３２に供給され、蒸発器３２においてランキンサイクル３０の作動流体と熱交換して作動流体を蒸発させる。蒸発器３２において発生した作動流体の過熱蒸気が膨張機３３で減圧されるときに、膨張機３３に連結された発電機（図示省略）が駆動されて、発電が行われる。膨張機３３によって減圧された作動流体の過熱蒸気は、凝縮器３４において低温熱媒と熱交換して、低温熱媒を加熱する。
凝縮器３４において昇温した低温熱媒が貯留タンク２２ａに供給されるので、貯留タンク２２ａに貯留された低温熱媒の温度が上昇し、温水生成器２２において所定の温度の温水を生成できる。また、凝縮器３４において昇温した低温熱媒が暖房放熱器２１において放熱することにより、所定の暖房を行うことができる。
主流量調整弁４２ａの開度及びバイパス流量調整弁４２ｂの開度を調整することにより、高温熱媒の一部又は全部をバイパス流路４５に導いて、蒸発器３２ではなく、熱媒熱交換器６０に供給できる。これにより、ランキンサイクル３０を介さずに高温熱媒で低温熱媒を直接加熱できる。また、流量調節機構４２を用いて、Ｆｂ／Ｆａが任意の大きさとなるようにバイパス流路４５及び熱媒熱交換器６０に高温熱媒を供給できる。これにより、発電を行いつつ、コジェネレーションシステム１ａの熱電比を熱需要に合わせることができる。
（変形例）
コジェネレーションシステム１ａは、様々な観点から変更が可能である。例えば、コジェネレーションシステム１ａは、図２に示す第１変形例に係るコジェネレーションシステム１ｂのように変更されてもよい。コジェネレーションシステム１ｂは、特に説明する場合を除き、コジェネレーションシステム１ａと同一の構成を有する。コジェネレーションシステム１ｂの構成要素のうち、コジェネレーションシステム１ａの構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。このことは、第２変形例及び第３変形例についてもあてはまる。
図２に示すように、コジェネレーションシステム１ｂにおいて、流量調節機構４２は、固定絞り部４２ｃと、バイパス流量調整弁４２ｂとを含む。固定絞り部４２ｃは、高温熱媒回路４０における接続位置４０ａよりも下流側の位置に流量制御手段として配置されている。固定絞り部４２ｃは、例えば、高温熱媒回路４０における接続位置４０ａと蒸発器３２の入口との間で高温熱媒回路４０に配置されている。固定絞り部４２ｃは、高温熱媒の流れ方向において固定絞り部４２ｃよりも上流側の配管が形成する流路よりも狭小な流路を有する。バイパス流量調整弁４２ｂは、バイパス流路４５に配置されている。熱需要が小さい場合には、バイパス流量調整弁４２ｂの開度を小さくすることによって熱媒熱交換器６０に供給される高温熱媒の流量を減少させることができる。また、バイパス流量調整弁４２ｂの開度を全閉にすれば、蒸発器３２のみに高温熱媒を供給できる。一方、熱需要が大きい場合、バイパス流量調整弁４２ｂの開度を大きくすることによって、Ｆｂ／Ｆａを増加させて、高温熱媒から低温熱媒への放熱量を熱需要に適応させることができる。流量調節機構４２に含まれる弁の数が少ないので、製造コストを低減できる。コジェネレーションシステムの熱電比を、発電を維持しつつ効率的に熱需要に適応させることができる。
コジェネレーションシステム１ａは、図３に示す第２変形例に係るコジェネレーションシステム１ｃのように変更されてもよい。コジェネレーションシステム１ｃは、主流量調整弁４２ａ及びバイパス流量調整弁４２ｂに代えて、流量調整三方弁４２ｄが用いられている点を除き、コジェネレーションシステム１ａと同一の構成を有する。コジェネレーションシステム１ｃにおいて、流量調節機構４２は、流量調整三方弁４２ｄを含む。流量調整三方弁４２ｄは、流量制御手段として、接続位置４０ａに配置されている。流量調整三方弁４２ｄは、例えば、電動三方弁である。例えば、制御器（図示省略）によって流量調整三方弁４２ｄの開度が制御されることによって、Ｆｂ／Ｆａが任意の値に調節される。流量調整三方弁４２ｄのみを制御することによってＦｂ／Ｆａを調節できるので、部品点数を減らして製造コストを低減できる。蒸発器３２のみに高圧熱媒が流れるように流量調整三方弁４２ｄの開度が制御される場合でも、高温熱媒の流れの圧力損失の上昇を抑制できる。この場合、高温熱媒ポンプ４１に要求される動力を低減できる。コジェネレーションシステム１ｃの熱電比を、発電を維持しつつ効率的に熱需要に適応させることができる。
コジェネレーションシステム１ａは、図４に示す第３変形例に係るコジェネレーションシステム１ｄのように変更されてもよい。図４に示すように、コジェネレーションシステム１ｄは、大筐体５ｃ（第３の筺体）を備えている。コジェネレーションシステム１ｄは、ランキンサイクル筐体５ａ及び高温熱源筐体５ｂに代えて、大筐体５ｃが用いられている点を除き、コジェネレーションシステム１ａと同一の構成を有する。大筐体５ｃは、ランキンサイクル３０、高温熱媒熱交換器１２、及び高温熱媒回路４０を収容している。これにより筐体の外部に露出する配管が少なくなるので、例えば、断熱材料の使用量を低減できる。また、コジェネレーションシステムの設置作業が容易である。図４に示すように、大筐体５ｃは、必要に応じ、バーナー１１、ガス流路１３の少なくとも一部、高温熱媒ポンプ４１、バイパス流路４５、流量調節機構４２、低温熱媒ポンプ５１、熱媒熱交換器６０、又は低温熱媒回路５０の一部を収容していてもよい。
コジェネレーションシステム１ａは、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、高温膨張タンク４７（第１のタンク）又は低温膨張タンク５７（第２のタンク）をさらに備えていてもよい。高温膨張タンク４７は、高温熱媒回路４０に配置され、高温熱媒の一部を収容するためのタンクである。高温膨張タンク４７の一部にはガスＧ１が充填されている。ガスＧ１は、例えば、空気などの気体である。高温熱媒回路４０において高温熱媒の体積が増加した場合、図５Ａに示すように、高温膨張タンク４７に高温熱媒ＨＭの一部が導かれる。これにより、高温熱媒回路４０における圧力上昇を緩和できる。また、低温膨張タンク５７は、低温熱媒回路５０に配置され、低温熱媒の一部を収容するためのタンクである。低温膨張タンク５７の一部にはガスＧ２が充填されている。ガスＧ２は、例えば、空気等の気体である。低温熱媒回路５０において低温熱媒の体積が増加した場合、図５Ｂに示すように、低温膨張タンク５７に低温熱媒ＬＭの一部が導かれる。これにより、低温熱媒回路５０における圧力上昇を緩和できる。この場合、コジェネレーションシステムの運転条件が変化した場合の高温熱媒回路４０又は低温熱媒回路５０の信頼性、ひいてはコジェネレーションシステムの信頼性を高めることができる。
高温膨張タンク４７が配置される位置は特に制限されない。高温膨張タンク４７は、例えば、高温熱媒回路４０における蒸発器３２の出口と高温熱媒熱交換器１２の入口との間で高温熱媒回路４０に配置される。この場合、高温膨張タンク４７付近の高温熱媒の温度が比較的低いので、高温膨張タンク４７に要求される耐熱性が低い。
低温膨張タンク５７が配置される位置は特に制限されない。低温膨張タンク５７は、例えば、低温熱媒回路５０における低温熱媒熱交換器２０の出口と凝縮器３４の入口との間で低温熱媒回路５０に配置される。この場合、低温膨張タンク５７付近の低温熱媒の温度が比較的低いので、低温膨張タンク５７に要求される耐熱性が低い。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るコジェネレーションシステム１ｅについて説明する。コジェネレーションシステム１ｅは、特に説明する場合を除き、コジェネレーションシステム１ａと同様の構成を有する。コジェネレーションシステム１ｅの構成要素のうち、コジェネレーションシステム１ａにおける構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。第１実施形態及びその変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、第２実施形態にもあてはまる。このことは、第３実施形態及び第４実施形態についても同様である。
コジェネレーションシステム１ｅは、図６に示すように、潜熱回収熱交換器７０ａ（第６熱交換器）をさらに備えている。潜熱回収熱交換器７０ａは、高温熱源としての燃焼ガスと低温熱媒とを熱交換させるための熱交換器である。潜熱回収熱交換器７０ａは、燃焼ガスの流れ方向において高温熱媒熱交換器１２よりも下流側でガス流路１３に配置され、かつ、低温熱媒の流れ方向において凝縮器３４の入口よりも上流側で低温熱媒回路５０に配置されている。また、潜熱回収熱交換器７０ａは、低温熱媒の流れ方向において低温熱媒熱交換器２０の出口より下流側で低温熱源回路５０に配置されている。
バーナー１１における燃料の燃焼によって発生した燃焼ガスは、まず、高温熱媒熱交換器１２において高温熱媒と熱交換する。このため、高温熱媒熱交換器１２において、高い温度を有する高温熱源によって高温熱媒が所定の温度に加熱される。また、高温熱媒熱交換器１２を通過した燃焼ガスが、潜熱回収熱交換器７０ａにおいて、凝縮器３４においてランキンサイクル３０の作動流体と熱交換する前のより低い温度を有する低温熱媒と熱交換する。これにより、燃焼ガスが有する潜熱を潜熱回収熱交換器７０ａにおいて回収できる。燃焼ガスは、例えば、水蒸気を含んでいる。例えば、潜熱回収器７０ａにおいて、燃焼ガスに含まれる水蒸気が凝縮することにより潜熱が回収される。その結果、バーナー１１における燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。潜熱回収熱交換器７０ａにおいて回収された潜熱は、低温熱媒熱交換器２０において放熱され、例えば、暖房又は給湯などの用途に使用される。
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係るコジェネレーションシステム１ｆについて説明する。コジェネレーションシステム１ｆは、特に説明する場合を除き、コジェネレーションシステム１ａと同様の構成を有する。コジェネレーションシステム１ｆは、図７に示すように、潜熱回収熱交換器７０ｂをさらに備えている。潜熱回収熱交換器７０ｂは、高温熱源としての燃焼ガスと高温熱媒とを熱交換させるための熱交換器である。潜熱回収熱交換器７０ｂは、例えば、燃焼ガスの流れ方向において高温熱媒熱交換器１２よりも下流側でガス流路１３に配置され、かつ、高温熱媒の流れ方向において蒸発器３２の出口よりも下流側で高温熱媒回路４０に配置されている。潜熱回収熱交換器７０ｂは、例えば、高温熱媒の流れ方向において高温熱媒熱交換器１２の入口よりも上流側で高温熱媒回路４０に配置されている。
バーナー１１における燃料の燃焼によって発生した燃焼ガスは、まず高温熱媒熱交換器１２において高温熱媒と熱交換する。これにより、高い温度を有する高温熱源によって高温熱媒が所定の温度に加熱される。また、高温熱媒熱交換器１２を通過した燃焼ガスが、潜熱回収熱交換器７０ｂにおいて、蒸発器３２においてランキンサイクル３０の作動流体と熱交換して降温した高温熱媒と熱交換する。これにより、燃焼ガスが有する潜熱を潜熱回収熱交換器７０ｂにおいて回収できる。その結果、バーナー１１における燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。潜熱回収熱交換器７０ｂにおいて回収された潜熱によって高温熱媒が温められ、例えば、高温熱媒熱交換器１２に供給される高温熱媒を予熱できる。
図７に示すように、コジェネレーションシステム１ｆは、熱媒冷却熱交換器８０ａ（第７熱交換器）を備えていてもよい。熱媒冷却熱交換器８０ａは、高温熱媒と低温熱媒とを熱交換させる熱交換器である。熱媒冷却熱交換器８０ａは、例えば、高温熱媒回路４０における蒸発器３２の出口と潜熱回収熱交換器７０ｂの入口との間に配置されている。熱媒冷却熱交換器８０ａは、例えば、低温熱媒の流れ方向において凝縮器３４の入口よりも上流側で低温熱媒回路５０に配置されている。熱媒冷却熱交換器８０ａは、例えば、低温熱媒の流れ方向において熱媒熱交換器６０の入口よりも上流側で低温熱媒回路５０に配置されている。熱媒冷却熱交換器８０ａは、例えば、低温熱媒の流れ方向において低温熱媒熱交換器２０の出口より下流側で低温熱媒回路５０に配置されている。
高温熱媒熱交換器１２を通過した燃焼ガスは、潜熱回収熱交換器７０ｂにおいて、熱媒冷却熱交換器８０ａにおいて低温熱媒と熱交換して降温した高温熱媒と熱交換する。これにより、燃焼ガスが有する潜熱を潜熱回収熱交換器７０ｂにおいて回収できる。また、熱媒冷却熱交換器８０ａに、凝縮器３４又は熱媒熱交換器６０に供給される前のより低い温度を有する低温熱媒を供給でき、潜熱回収熱交換器７０ｂに供給される高温熱媒の温度が低くなる。このため、潜熱回収熱交換器７０ｂにおける、燃焼ガスが有する潜熱の回収率が向上する。
図７に示すように、コジェネレーションシステム１ｆは、例えば、第３の弁４４を備えている。第３の弁は、例えば、開度が調整可能な電動弁である。コジェネレーションシステム１ｆにおいて、高温熱源回路４０は、例えば、主流路４６と、副流路４８（第２バイパス流路）とを含んでいる。副流路４８は、高温熱媒が主流路４６をバイパスして流れるように主流路４６に接続されている。潜熱回収熱交換器７０ｂ、熱媒冷却熱交換器８０ａ及び第３の弁が副流路４８に配置されている。換言すると、主流路４６は、高温熱媒が熱媒冷却熱交換器８０ａ及び潜熱回収熱交換器７０ｂをバイパスして流れるように形成されている。また、副流路４８は、高温熱媒が熱媒冷却熱交換器８０ａ及び潜熱回収熱交換器７０ｂを通過するように形成されている。制御器（図示省略）によって第３の弁の開度が制御されることによって、副流路４８を流れる高温熱媒の流量、すなわち、熱媒冷却熱交換器８０ａ及び潜熱回収熱交換器７０ｂに供給される高温熱媒の流量が調整される。これにより、熱媒冷却熱交換器８０ａを通過した高温熱媒の温度を調整できる。例えば、第３の弁によって副流路４８を流れる高温熱媒の流量を減少させて、熱媒冷却熱交換器８０ａを通過した高温熱媒の温度を低下させることができる。
例えば、副流路４８の一端は、高温熱媒の流れ方向において高温熱媒熱交換器１２の入口よりも上流側で主流路４６に接続され、副流路４８の他端は、副流路４８の一端よりも高温熱媒熱交換器１２の入口に近い位置で主流路４６に接続されている。ここで、高温熱媒は、副流路４８の一端から副流路４８の他端へ向かって流れる。副流路４８に導かれた高温熱媒は、潜熱回収熱交換器７０ｂを通過して高温熱媒熱交換器１２の入口により近い位置で主流路４６における高温熱媒の流れに合流する。このため、高温熱媒回路４０における高温熱媒の流れの圧力損失により、高温熱媒が副流路４８に導かれる。例えば、副流路４８の一端及び副流路４８の他端は、それぞれ、高温熱媒回路４０における接続位置４３ａ（第３の部位）及び接続位置４３ｂ（第４の部位）で主流路４６に接続されている。例えば、接続位置４３ａ及び接続位置４３ｂは、高温熱媒回路４０における蒸発器３２の出口と高温熱媒熱交換器１２の入口との間に位置し、接続位置４３ｂは、高温熱媒の流れ方向において接続位置４３ａよりも下流に位置している。この場合、蒸発器３２においてランキンサイクル３０の作動流体と熱交換して降温した高温熱媒を副流路に供給できる。なお、副流路４８の一端は、高温熱媒回路４０における高温熱媒熱交換器１２の出口と蒸発器３２の入口との間に位置していてもよい。
＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態に係るコジェネレーションシステム１ｇについて説明する。コジェネレーションシステム１ｇは、特に説明する場合を除き、コジェネレーションシステム１ａと同様の構成を有する。図８に示すように、コジェネレーションシステム１ｇは、中温熱媒回路９０（第３循環路）をさらに備えている。中温熱媒回路９０は、潜熱回収熱交換器７０ｃ及び熱媒冷却熱交換器８０ｂを有し、中温熱媒（第３熱媒）が中温熱媒回路９０を循環する。潜熱回収熱交換器７０ｃは、燃焼ガスと中温熱媒とを熱交換させるための熱交換器である。潜熱回収熱交換器７０ｃは、燃焼ガスの流れ方向において高温熱媒熱交換器１２よりも下流側でガス流路１３に配置されている。熱媒冷却熱交換器８０ｂは、低温熱媒と中温熱媒とを熱交換させるための熱交換器である。中温熱媒回路９０には、例えば、中温熱媒ポンプ９１が設けられている。中温熱媒は、中温熱媒ポンプ９１の働きにより中温熱媒回路９０を循環する。なお、図８において、二点鎖線の矢印は、中温熱媒が流れる方向を示している。中温熱媒は特に制限されないが、例えば、中温熱媒として、使用される温度範囲における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧以下である流体を望ましく用いることができる。中温熱媒としては、例えばオイルを用いることができる。オイルは、例えば、シリコーンオイル、鉱油、又は合成オイルである。場合によっては、中温熱媒として水などの液体が用いられる。
バーナー１１によって生成された燃焼ガスがまず高温熱媒熱交換器１２において高温熱媒と熱交換するので、高い温度を有する高温熱媒によって高温熱媒が所定の温度に加熱される。また、高温熱媒熱交換器１２を通過した燃焼ガスが、潜熱回収熱交換器７０ｃにおいて、熱媒冷却熱交換器８０ｂで低温熱媒と熱交換して降温した中温熱媒と熱交換する。これにより、燃焼ガスが有する潜熱を潜熱回収熱交換器７０ｃにおいて回収できる。その結果、バーナー１１における燃料の燃焼エネルギーを有効に活用できる。これにより、潜熱回収熱交換器７０ｃにおいて回収された潜熱によって低温熱媒を間接的に温めることができる。このため、潜熱回収熱交換器７０ｃにおいて回収された潜熱が、例えば、暖房又は給湯に利用される。
図８に示すように、例えば、熱媒冷却熱交換器８０ｂは、低温熱媒の流れ方向において熱媒熱交換器６０の入口及び凝縮器３４の入口よりも上流側で低温熱媒回路５０に配置されている。また、熱媒冷却熱交換器８０ｂは、低温熱媒の流れ方向において低温熱媒熱交換器２０の出口より下流側で低温熱媒回路５０に配置されている。これにより、熱媒冷却熱交換器８０ｂに、凝縮器３４又は熱媒熱交換器６０に供給される前のより低い温度を有する低温熱媒を供給でき、潜熱回収熱交換器７０ｃに供給される中温熱媒の温度がより低くなる。このため、潜熱回収熱交換器７０ｃにおける、燃焼ガスが有する潜熱の回収率が向上する。
１ａ〜１ｇ コジェネレーションシステム
５ａ ランキンサイクル筐体
５ｂ 高温熱源筐体
５ｃ 大筐体
１１ バーナー
１２ 高温熱媒熱交換器
１３ ガス流路
２０ 低温熱媒熱交換器
２１ 暖房放熱器（低温熱媒熱交換器）
２２ 温水生成器（低温熱媒熱交換器）
３０ ランキンサイクル
３１ ポンプ
３２ 蒸発器
３３ 膨張機
３４ 凝縮器
４０ 高温熱媒回路
４０ａ 接続位置
４２ 流量調節機構
４２ａ 主流量調整弁（流量制御手段）
４２ｂ バイパス流量調整弁
４２ｃ 固定絞り部（流量制御手段）
４２ｄ 流量調整三方弁（流量制御手段）
４４ 第３の弁
４５ バイパス流路
４６ 主流路
４７ 高温膨張タンク
４８ 副流路
５０ 低温熱媒回路
５１ 低温熱媒ポンプ
５７ 低温膨張タンク
６０ 熱媒熱交換器
７０ａ〜７０ｃ 潜熱回収熱交換器
８０ａ、８０ｂ 熱媒冷却熱交換器
９０ 中温熱媒回路

Claims (17)

  1. コジェネレーションシステムであって、
    第１熱媒が循環する第１循環路と、
    作動流体が循環するランキンサイクルと、
    前記第１熱媒よりも低温である第２熱媒が循環する第２循環路と、
    第１熱源と、
    前記第１循環路上に配置され、前記第１熱源の熱を前記第１熱媒に伝達する第１熱交換器と、
    前記第１循環路上及び前記ランキンサイクル上に跨って配置され、前記第１熱媒の熱を前記作動流体に伝達し、前記作動流体を蒸発させる第２熱交換器と、
    前記ランキンサイクル上に配置され、前記作動流体を循環させるポンプと、
    前記ランキンサイクル上に配置され、前記作動流体を膨張させる膨張機と、
    前記ランキンサイクル上及び前記第２循環路上に跨って配置され、作動流体の熱を前記第２熱媒に伝達し、前記作動流体を凝縮させる第３熱交換器と、
    前記第１熱源よりも低温である第２熱源と、
    前記第２循環路上に配置され、前記第２熱媒の熱を前記第２熱源に伝達する第４熱交換器と、を備え、
    前記第１循環路は第１の部位と第２の部位とを有し、前記第１の部位は、前記第１熱媒が前記第１熱交換器から流出し前記第２熱交換器に流入するまでの間に位置し、前記第２の部位は、前記第１熱媒が前記第２熱交換器から流出し、前記第１熱交換器に流入するまでの部位に位置し、
    前記コジェネレーションシステムは、さらに、
    前記第１循環路における前記第１の部位と前記第２の部位とを接続し、前記第１の部位から前記第２の部位へ作動流体を流す第１バイパス流路と、
    前記第２循環路上及び前記第１バイパス流路上に跨って配置され、前記第１熱媒の熱を前記第２熱媒に伝達する第５熱交換器と、
    前記第１バイパス流路を流れる前記第１熱媒の流量と、前記第１循環路において前記第２熱交換器に流れ込む前記第１熱媒の流量の比を調整する流量調節機構と、を備えたコジェネレーションシステム。
  2. 前記流量調節機構は、第１の弁と第２の弁とから構成され、
    前記第１の弁は、前記第１循環路において、前記第１の部位と、前記第１熱媒が前記第２熱交換器に流入するまでの部位との間に位置し、
    前記第２の弁は、前記第１バイパス流路上に位置する、
    請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
  3. 前記第１の弁は、固定絞り弁である、請求項２に記載のコジェネレーションシステム。
  4. 前記流量調節機構は、前記第１の部位に配置された三方弁である、請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
  5. 前記第２循環路において、前記第５熱交換器は、前記第２熱媒が前記第３熱交換器から流出し、前記第４熱交換器に流入するまでの間に位置する、請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
  6. 前記第１循環路上に配置され、前記第１熱媒の一部を収容する第１のタンク、又は、前記第２循環路上に配置され、前記第２熱媒の一部を収容する第２のタンクをさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
  7. 前記第１熱媒の大気圧における沸点は、前記第１熱媒の使用温度よりも高い、請求項１〜６のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
  8. 前記第１熱源としての燃焼ガスを生成するためのバーナーと、
    前記燃焼ガスが流れるガス流路と、
    前記ガス流路上及び前記第２循環路上に跨って配置され、前記ガス流路を流れる前記燃焼ガスが有する潜熱を回収し、前記潜熱を前記第２熱媒に伝達する第６熱交換器と、をさらに備え、
    前記第１熱交換器は、前記ガス流路上に配置され、
    前記ガス流路において、前記第６熱交換器は、前記燃焼ガスの流れ方向において前記第１熱交換器よりも下流側に配置され、
    前記第２循環路において、前記第６熱交換器は、前記第２熱媒が前記第４熱交換器から流出し、前記第３熱交換器に流入するまでの間に配置されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
  9. 前記第１循環路は第３の部位と第４の部位とを有し、前記第３の部位は、前記第２の部位と、前記第１熱媒が前記第１熱交換器に流入するまでの部位との間に位置し、前記第４の部位は、前記第３の部位と、前記第１熱媒が前記第１熱交換器に流入するまでの部位との間に位置し、
    前記コジェネレーションシステムは、さらに、
    前記第１熱源としての燃焼ガスを生成するためのバーナーと、
    前記燃焼ガスが流れるガス流路と、
    前記第１循環路における前記第３の部位と前記第４の部位とを接続し、前記第３の部位から前記第４の部位へ第１熱媒を流す第２バイパス流路と、
    前記ガス流路上及び前記第２バイパス流路上に跨って配置され、前記ガス流路を流れる前記燃焼ガスが有する潜熱を回収し、前記潜熱を前記第１熱媒に伝達する第６熱交換器と、を備え、
    前記第１熱交換器は、前記ガス流路上に配置され、
    前記ガス流路において、前記第６熱交換器は、前記燃焼ガスの流れ方向において前記第１熱交換器よりも下流側に配置され、
    前記コジェネレーションシステムは、前記第２バイパス流路上に配置された第３の弁を備えている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
  10. 前記第２循環路上及び前記第２バイパス流路上に跨って配置され、前記第１熱媒の熱を前記第２熱媒に伝達する第７熱交換器をさらに備え、
    前記第２バイパス流路において、前記第３の部位、前記第７熱交換器、第６熱交換器、及び前記第４の部位がこの順に配置されている、請求項９に記載のコジェネレーションシステム。
  11. 前記第２循環路において、前記第７熱交換器は、前記第２熱媒が前記第４熱交換器から流出し、前記第３熱交換器に流入するまでの間に位置する、
    請求項１０に記載のコジェネレーションシステム。
  12. 前記第２循環路において、前記第５熱交換器は、前記第２熱媒が前記第３熱交換器から流出し、前記第４熱交換器に流入するまでの間に位置する、
    請求項１１に記載のコジェネレーションシステム。
  13. 前記第１熱源としての燃焼ガスを生成するためのバーナーと、
    前記燃焼ガスが流れるガス流路と、
    第１熱媒よりも低温であり、第２熱媒よりも高温である第３熱媒が循環する第３循環路と、
    前記ガス流路上及び前記第３循環路上に跨って配置され、前記ガス流路を流れる前記燃焼ガスが有する潜熱を回収し、前記潜熱を前記第３熱媒に伝達する、第６熱交換器とを、さらに備え、
    前記第１熱交換器は前記ガス流路上に配置され、
    前記ガス流路において、前記第６熱交換器は、前記燃焼ガスの流れ方向において前記第１熱交換器よりも下流側に配置されており、
    前記コジェネレーションシステムは、さらに、
    前記第２循環路上及び前記第３循環路上に跨って配置され、前記第３熱媒の熱を前記第２熱媒に伝達する第７熱交換器を備えた、
    請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
  14. 前記第２循環路において、前記第７熱交換器は、前記第２熱媒が前記第４熱交換器から流出し、前記第５熱交換器に流入するまでの間に位置し、
    前記第２循環路において、前記第５熱交換器は、前記第２熱媒が前記第７熱交換器から流出し、第３熱交換器に流入するまでの間に位置する、
    請求項１３に記載のコジェネレーションシステム。
  15. 前記第４熱交換器は、暖房放熱器、又は温水生成器を構成する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
  16. 前記ランキンサイクルを収容する第１の筐体と、
    前記第１熱交換器を収容する第２の筐体と、をさらに備え、
    前記第１の筐体と前記第２の筐体とが、前記第１循環路を形成する配管によって接続されている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
  17. 前記第１循環路、前記ランキンサイクル、及び前記第１熱交換器を収容する第３筐体をさらに備えた、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム。
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