JP2016164378A - 動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クローズドサイクルで構成された動力発生装置であって、起動時において、送液ポンプのキャビテーションの発生を防止することができる動力発生装置を提供する。
【解決手段】クローズドサイクルを用いた動力発生装置１であって、スクロール膨張機３の上流側のガス供給経路１１と下流側のガス排出経路１２との間にバイパス経路１３が設けられ、起動時に、蒸発器２に熱源を導入して加熱した作動流体の蒸気を、バイパス経路１３を介してポンプ５の上流側の液吸入経路１４に供給し、ポンプ５の入口が設定過冷却度ΔＴｓｐになってから、当該ポンプ５を作動させる制御部１０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動流体を利用した動力発生装置に関するものである。

近年、省エネルギーの観点から、２００℃以下の低温排熱から熱サイクルを用いて発電を行う小規模発電設備の需要が高まっている。低温排熱に対しては、高効率かつ省スペースの観点から、水よりも沸点の低い作動流体が使用される。これらの作動流体は、可燃性や毒性、あるいは高い温暖化係数やオゾン層破壊係数を有するものが多いため、設備外への漏洩が認められないことから、ランキンサイクル等のクローズドサイクルが採用される。
しかし、クローズドサイクルが故に、停止時において装置全体の圧力が外気温程度の温度を飽和温度とした作動流体の飽和圧力に均圧される。この状態で送液ポンプを起動させると、送液ポンプ入口における有効吸い込み揚程（以下、ＮＰＳＨＡ：Ａｖａｉｌａｂｌｅ Ｎｅｔ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｓｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｄと言う。）が、送液ポンプ入口における必要吸い込み揚程（以下、ＮＰＳＨＲ：Ｒｅｑｕｉｒｅｄ Ｎｅｔ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｓｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｄと言う。）を下回り、キャビテーションが発生する。
送液ポンプにおいて、キャビテーションが発生すると、作動流体の送液不良を起こしてしまい、装置の起動に時間がかかるとともに、送液ポンプの故障原因になってしまう。
そこで、従来より、キャビテーションの発生を防止するために、クローズドサイクル内の冷媒の充填量を任意に調整できる冷媒充填量調整装置を備えた装置が提案されている（特許文献１、２参照）。
また、送液ポンプ入口よりも上流側に、過冷却熱交換器を設け、この過冷却熱交換器を通過する冷媒流量を調整することで、送液ポンプ入口の過冷却度を調節できるようになされた装置が提案されている（特許文献３，４参照）。
さらに、送液ポンプと凝縮器との間に過冷却熱交換器を設け、これら凝縮器および過冷却熱交換器を通過する冷却媒体の流量を制御し、送液ポンプの入口の過冷却度を調節できるようになされた装置が提案されている（特許文献５参照）。
さらに、作動流体を蒸発させる蒸発器の高温側熱媒体の出口温度と、作動流体を凝縮させる低温側熱媒体の出口温度とを検出し、これらが所定温度になったらポンプによる作動流体の送液を開始するようになされた装置が提案されている（特許文献６参照）。

特許第４９３５９３５号公報 特開２００８−２３１９８１号公報 特許第５３３８７３１号公報 特許第５３３８７３０号公報 特許第４３１０１３２号公報 特許第４４９５５３６号公報

しかし、上記従来の特許文献１ないし５に記載の装置の場合、運転中の過冷却制御に焦点を当てたものであり、起動時のキャビテーションの発生防止には対応できない。
また、上記従来の特許文献６に記載の装置の場合、作動流体の状態ではなく、この作動流体を蒸発させたり凝縮させたりする熱媒体の状態を検出するものであるため、キャビテーションの発生防止を担保できない。
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、クローズドサイクルで構成された動力発生装置であって、起動時において、送液ポンプのキャビテーションの発生を防止することができる動力発生装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る動力発生装置は、クローズドサイクルを用いた動力発生装置であって、膨張機の上流側の経路と下流側の経路との間にバイパス経路が設けられてなり、起動時に、蒸発器に熱源を導入して加熱した作動流体の蒸気を、バイパス経路を介してポンプの上流側の経路に供給することでポンプ入口の圧力を上げ、ポンプ入口が所定の過冷却度になってから、当該ポンプを作動させる制御部を有するものである。

上記動力発生装置において、膨張機の上流側の経路とバイパス経路との分岐点から膨張機へと到る経路に開閉弁が設けられるとともに、バイパス経路にもバイパス弁が設けられ、制御部は、起動時に開閉弁を閉じてバイパス弁を開けるように制御されることによって、蒸発器で加熱した作動流体の蒸気を、バイパス経路を介してポンプの上流側の経路へと供給するものであってもよい。

上記動力発生装置において、制御部は、開閉弁を閉じてバイパス弁を開けると同時かそれよりも後に、蒸発器に熱源を導入するように制御されるものであってもよい。

上記動力発生装置において、蒸発器の上流側の経路に逆止弁が設けられたものであってもよい。

上記動力発生装置において、蒸発器よりも高い位置に、凝縮器または、凝縮器およびそのレシーバが配置されてなるものであってもよい。

上記動力発生装置において、凝縮器の下流側の経路と蒸発器の上流側の経路との間に、開閉弁を有するバイパス経路が設けられたものであってもよい。

上記動力発生装置において、制御部は、膨張機の上流側の経路とバイパス経路との分岐点よりも上流側の経路の圧力が所定の閾値に達した後、バイパス弁を閉じ、開閉弁を開けて膨張機に作動流体を供給するように制御されるものであってもよい。

上記動力発生装置において、ポンプが立形多段渦巻ポンプとなされたものであってもよい。

本発明によると、膨張機の上流側の経路と下流側の経路との間にバイパス経路を設け、制御部によって、起動時に、蒸発器に熱源を導入して加熱した作動流体の蒸気を、バイパス経路を介してポンプの上流側の経路に供給することでポンプ入口の圧力を上げ、ポンプ入口が所定の過冷却度になってから、当該ポンプを作動させることで、キャビテーションの発生を防止して蒸発器に安定的に作動流体を送液することができる。

本発明に係る動力発生装置の全体構成の概略図である。 （ａ）は、本発明の動力発生装置の制御部による起動時の制御を行わない場合の作動流体の状態を説明するｐｈ線図、（ｂ）は、本発明の動力発生装置の制御部による起動時の制御を行った場合の作動流体の状態を説明するｐｈ線図である。 本発明の動力発生装置の制御部による起動時の制御を説明するフロー図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の動力発生装置における各構成要素の位置関係の一例を説明する概略図である。 （ａ）は本発明の他の実施の形態に係る動力発生装置の各構成要素の位置関係の一例を示す概略図、（ｂ）は同動力発生装置の全体構成の概略図である。 （ａ）は本発明のさらに他の実施の形態に係る動力発生装置の各構成要素の位置関係の一例を示す概略図、（ｂ）は同動力発生装置の全体構成の概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る動力発生装置１の全体構成の概略を示し、図２は同動力発生装置１の制御部１０による起動制御時の作動流体の状態を説明するｐｈ線図を示し、図３は同制御部１０による起動制御時のフローを示している。

この動力発生装置１は、蒸発器２、スクロール膨張機３、凝縮器４、ポンプ５によって構成されたクローズドランキンサイクルを用いた動力発生装置１であって、スクロール膨張機３のガス供給経路１１とガス排出経路１２との間には、ガス供給経路１１からガス排出経路１２へとバイパスするバイパス経路１３が設けられ、起動時に、蒸発器２に熱源を導入して加熱した作動流体の蒸気を、バイパス経路１３を介してポンプ５の上流側の液吸入経路１４に供給し、ポンプ５の入口が設定過冷却度ΔＴｓｐになってから、当該ポンプ５を作動させる制御部１０を有している。

クローズドランキンサイクルは、蒸発器２、スクロール膨張機３、凝縮器４、ポンプ５の順に接続され、ポンプ５から蒸発器２へと戻る閉回路を構成するようになされており、閉回路には作動流体が封入されている。この作動流体としては、水を好適に使用することができるが、低温排熱に対応できるように水よりも沸点が低く構成された各種の作動流体を使用するものであってもよい。

蒸発器２では、熱交換器２１を通過する熱媒体との熱交換によって作動流体が加熱される。これによって蒸気となった作動流体は、ガス供給経路１１を介してスクロール膨張機３へと供給される。この蒸発器２としては、特に限定されるものではなく、例えば、エンジン排熱を利用して作動流体を蒸気に変換するようになされたものであってもよいし、地熱を利用して作動流体の蒸気を発生させるようになされたものであってもよいし、工場排熱を利用して作動流体の蒸気を発生させるようになされたものであってもよいし、焼却炉の排気熱を利用して作動流体の蒸気を発生させるようになされたものであってもよい。

スクロール膨張機３は、ガス供給経路１１を通じて供給される作動流体の蒸気によって、スクロール膨張機３に定められた定格回転数、例えば１８００〜３６００ｒｐｍで回転するように構成されており、発電機３１と直結できるようになされている。

なお、発電機３１は、スクロール膨張機３との直結により電力を発生させることが可能なものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、誘導発電機、同期発電機などの各種の発電機３１を使用することができる。また、スクロール膨張機３による駆動対象としては、発電機３１に限定されず、例えば、動力出力軸であれば良い。さらに、スクロール膨張機３は、その他に、蒸気タービン、立形多段渦巻きポンプ、スクリュー膨張機、ベーン膨張機、レシプロ膨張機または斜板式膨張機などを使用するものであってもよい。特に、立形多段渦巻きポンプは、自吸力が高く過冷却度が小さくて良いため、起動が早くなり、良好に使用することができる。

凝縮器４は、スクロール膨張機３を通過した作動流体の蒸気が、当該スクロール膨張機３からのガス排出経路１２を介して供給されるように構成されている。この凝縮器４では、熱交換器４１を通過する冷却媒体との熱交換によって作動流体の蒸気が冷却され、液化される。

ポンプ５は、凝縮器４で凝縮液化した作動流体の液体を、当該凝縮器４からポンプ５へと設けられた液吸入経路１４を介して吸入し、ポンプ５から蒸発器２へと設けられた液供給経路１５を介して蒸発器２へと送液することができるようになされている。

スクロール膨張機３の上流側のガス供給経路１１と、スクロール膨張機３の下流側のガス排出経路１２との間には、バイパス経路１３が設けられている。ガス供給経路１１における当該ガス供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも下流側には、開閉弁６１が設けられ、バイパス経路１３には、バイパス弁６２が設けられている。蒸発器２の入口には、逆止弁６３が設けられている。

このようにして構成される動力発生装置１は、蒸発器２で発生した作動流体の蒸気を、ガス供給経路１１を介してスクロール膨張機３に供給することで、当該スクロール膨張機３を駆動する。その後、スクロール膨張機３を通過した作動流体の蒸気は、ガス排出経路１２から凝縮器４に流入して、当該凝縮器４で凝縮される。これによって液化した作動流体は、液吸入経路１４からポンプ５へと吸入され、このポンプ５から液供給経路１５を経て蒸発器２へと送られ、この蒸発器２で再度、蒸気とされ、以後、循環が繰り返される。

この動力発生装置１は、当該動力発生装置１の停止後、放置しておくと、図２（ａ）に示すように、装置内の作動流体は、外気温度を飽和温度とする飽和圧力の状態Ｓ１で、閉回路内で均等となるため、ポンプ５の入口の作動流体もこの状態Ｓ１となる。この状態で動力発生装置１を起動させ、ポンプ５を起動すると、等エンタルピ的にポンプ５の入口の圧力のみが下がるため、ポンプ５の入口の作動流体は、気液二相流の状態Ｓ２となり、キャビテーションが発生してしまう。

そこで、本発明の動力発生装置１は、再度起動する際に、制御部１０によって以下のように制御が行われる。

図３に示すように、まず、動力発生装置１が起動されると、制御部１０は、蒸発器２への熱媒体の供給を開始する（ステップ１）。これにより、蒸発器２に寝込んでいた作動流体は加熱されて蒸気となる。蒸気となった作動流体は、逆止弁６３があるため、液供給経路１５側には流れず、ガス供給経路１１から、蒸気となって閉回路を流れ始める。この際、開閉弁６１は制御部１０によって閉じた状態となされ、バイパス弁６２は制御部１０によって開いた状態となされ、作動流体の蒸気は、バイパス経路１３を介して凝縮器４へと流入することとなる。なお、スクロール膨張機３へ作動流体が流入するのを防止するために、蒸発器２への熱媒体の供給を開始するタイミングは、開閉弁６１を閉じた状態とし、バイパス弁６２を開いた状態とするタイミングと同時かそれよりも後に行われる。これにより、凝縮器４に寝込んでいた作動流体は、ポンプ５の液吸入経路１４へと押し出される。

次に、制御部１０は、液吸入経路１４のポンプ５の入口付近で、作動流体の温度Ｔ１および圧力Ｐ１を取得する（ステップ２）。そして、この作動流体の温度Ｔ１および圧力Ｐ１から、過冷却度ΔＴを演算し（ステップ３）、この過冷却度ΔＴとあらかじめ設定した設定過冷却度ΔＴｓｐとを比較する（ステップ４）。そして、過冷却度ΔＴが、設定過冷却度ΔＴｓｐを超えるまで、ステップ２以降の動作を繰り返し、過冷却度ΔＴが、設定過冷却度ΔＴｓｐを超えるとポンプ５の起動を開始する（ステップ５）。

これにより、ポンプ５の入口の作動流体は、図２（ｂ）に示すように、等エンタルピ的に圧力のみが上がった過冷却状態Ｓ３となる。したがって、ＮＰＳＨＡがポンプ５のＮＰＳＨＲを上回る所定の設定過冷却度ΔＴｓｐとすることができ、ポンプ５を起動して、当該ポンプ５の入口の圧力が等エンタルピ的に下がっても、気液二相流の状態Ｓ２とはならず、正常に送液でき、キャビテーションの発生を防止できることとなる。

このように、ポンプ５の入口の作動流体を過冷却状態Ｓ３にすることで、ポンプ５を起動した際のキャビテーションの発生を防止できるが、そのためには、蒸発器２への熱媒体の供給を開始した際に、作動流体の蒸気が充分に得られるように、動力発生装置１を停止させた状態で、充分な量の作動流体が蒸発器２に寝込んだ状態になることが好ましい。したがって、図４に示すように、動力発生装置１は、蒸発器２よりも高い位置に凝縮器４（図４（ａ）参照）、または凝縮器４およびレシーバ４０（図４（ｂ）参照）が位置するように配置し、凝縮器４（図４（ａ）参照）、または凝縮器４およびレシーバ４０（図４（ｂ）参照）に寝込んだ作動流体が、動力発生装置１の停止後、蒸発器２へと流れ込み易くなるようにしておいてもよい。このように構成しておくことで、動力発生装置１を停止させた後、閉回路中の作動流体は、蒸発器２へと流れ込んで寝込むこととなるので、動力発生装置１の起動時に作動流体の蒸気を得やすくなる。

なお、蒸発器２よりも高い位置に凝縮器４が位置するように配置しても、両者間にはポンプ５が介在しているため、このポンプ５の種類によっては、このポンプ５が障害となって凝縮器４に寝込んだ作動流体が、蒸発器２へと流れ込み難くなることも考えられる。したがって、図５および図６に示すように、ポンプ５の上流側の液吸入経路１４と、ポンプ５の下流側の液供給経路１５との間に、液開閉弁６４を有する液バイパス経路１６を設けた構成としてもよい。この液バイパス経路１６の液開閉弁６４は、動力発生装置１が停止した際に開いた状態にすれば、凝縮器４（図５参照）、または凝縮器４およびレシーバ４０（図６参照）に寝込んだ作動流体と蒸発器２に寝込んだ作動流体との液レベルが同じになり、蒸発器２に必ず作動流体が存在する状態にすることができる。したがって、次に動力発生装置１を起動する際には、蒸発器２において作動流体を充分に蒸発させることができることとなる。

なお、液開閉弁６４は、動力発生装置１の停止後に開いた状態にする、または停止後に開いた状態にして所定時間経過後に閉じた状態にするものであってもよいし、起動信号を受けた後、所定時間の間、開いた状態にして液レベルを整えてから閉じた状態にして前記したステップ１からの起動に移るものであってもよい。また、図４に示す動力発生装置１において、逆止弁６３を設ける場合は、液レベルを整える際の抵抗にならないように考慮された逆止弁６３を使用することが好ましい。さらに、図５および図６に示す構成の動力発生装置１において、蒸発器２の上流側の経路に逆止弁６３を設ける場合、バイパス経路１６は逆止弁６３の下流側と凝縮器４の下流側を短絡して逆止弁６３が液レベルを整える際の抵抗にならないようにする方がより好ましい。

ポンプ５を起動した後は、凝縮器４の熱交換器４１に冷媒を流し、凝縮器４での作動流体の凝縮を図る。また、ガス供給経路１１の開閉弁６１を開けるとともに、バイパス経路１３のバイパス弁６２を閉じ、蒸発器２で蒸発した作動流体の蒸気をスクロール膨張機３へ供給する。以後、動力発生装置１は、通常の運転に移行することができる。

１ 動力発生装置
１０ 制御部
１１ ガス供給経路
１２ ガス排出経路
１３ バイパス経路
１４ 液吸入経路
１５ 液排出経路
１６ 液バイパス経路
２ 蒸発器
３ スクロール膨張機（膨張機）
３１ 発電機
４ 凝縮器
５ ポンプ
６１ 開閉弁
６２ バイパス弁
６３ 逆止弁
６４ 液開閉弁
Ａ 分岐点
ΔＴｓｐ 設定過冷却度（所定の過冷却度）

Claims (8)

1. クローズドサイクルを用いた動力発生装置であって、
   膨張機の上流側の経路と下流側の経路との間にバイパス経路が設けられてなり、
   起動時に、蒸発器に熱源を導入して加熱した作動流体の蒸気を、バイパス経路を介してポンプの上流側の経路に供給することでポンプ入口の圧力を上げ、ポンプ入口が所定の過冷却度になってから、当該ポンプを作動させる制御部を有することを特徴とする動力発生装置。
2. 膨張機の上流側の経路とバイパス経路との分岐点から膨張機へと到る経路に開閉弁が設けられるとともに、バイパス経路にもバイパス弁が設けられ、
   制御部は、起動時に開閉弁を閉じてバイパス弁を開けるように制御されることによって、蒸発器で加熱した作動流体の蒸気を、バイパス経路を介してポンプの上流側の経路へと供給する請求項１に記載の動力発生装置。
3. 制御部は、開閉弁を閉じてバイパス弁を開けると同時かそれよりも後に、蒸発器に熱源を導入するように制御される請求項２に記載の動力発生装置。
4. 蒸発器の上流側の経路に逆止弁が設けられた請求項１ないし３の何れか一に記載の動力発生装置。
5. 蒸発器よりも高い位置に、凝縮器または、凝縮器およびそのレシーバが配置されてなる請求項１ないし４の何れか一に記載の動力発生装置。
6. 凝縮器の下流側の経路と蒸発器の上流側の経路との間に、開閉弁を有するバイパス経路が設けられた請求項５に記載の動力発生装置。
7. 制御部は、膨張機の上流側の経路とバイパス経路との分岐点よりも上流側の経路の圧力が所定の閾値に達した後、バイパス弁を閉じ、開閉弁を開けて膨張機に作動流体を供給するように制御される請求項１ないし６の何れか一に記載の動力発生装置。
8. ポンプが立形多段渦巻ポンプとなされた請求項１ないし７の何れか一に記載の動力発生装置。

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