JP2017032232A - 蒸発器及びランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器において作動流体が過剰に加熱されることを防止しながら、作動流体をより高温まで加熱するための新規な技術を提供する。
【解決手段】蒸発器（１０）は、熱源ガス配管（１１）から熱源ガスを導入する熱源ガス導入部（１２）と、熱源ガス導入部（１２）から導入された熱源ガスが流れる熱源ガス流路（２２）と、熱源ガス流路（２２）上に配置され、熱源ガスによって作動流体を加熱する作動流体加熱部（１５）と、熱源ガス流路（２２）の上流側から下流側に向かって熱源ガス流路（２２）の断面積を徐々に拡大させている流路断面積拡大部（１３）と、作動流体加熱部（２５）よりも上流側において熱源ガス流路（２２）上に配置され、熱源ガスの通過を許容する複数の貫通孔（１４ｈ）を有し、熱源ガスの整流を行う熱源ガス整流板（１４）とを備えている。
【選択図】図２

Description

本開示は、蒸発器及びランキンサイクルシステムに関する。

ランキンサイクルシステムの蒸発器として、作動流体が過剰に加熱されて劣化することを回避するために、過熱器ゾーン、蒸発器ゾーン及び予熱器ゾーンの３つのゾーンに分かれた作動流体流路を有するものが提案されている。図５は、特許文献１に記載された蒸発器の概略図である。

図５に示すように、直接蒸発装置２６０は、熱源ガス入口２３６及び熱源ガス出口２３８を有するハウジング２４４を含む。熱交換管体２５２は、熱源ガス流路２４６内に完全に配置される。熱源ガス流路２４６は、熱交換管体２５２により占有されない直接蒸発装置２６０の内部のスペースである。熱交換管体２５２は、作動中に作動流体が２回だけ、すなわち、作動流体が作動流体入口２４０を介して直接蒸発装置２６０に流入した時点と、作動流体が作動流体出口２４２を介して直接蒸発装置２６０から流出した時点とでハウジング２４４を出入りするように、有機ランキンサイクル作動流体２１２を収容するように構成される。

作動流体は、熱交換管体２５２により定められる作動流体流路に沿って移動する。熱交換管体２５２の部分２５０以外は、熱交換管体２５２は熱源ガス流路２４６内にある。熱交換管体２５２は、３つのゾーン、すなわち、熱源ガス出口２３８に隣接する第１のゾーン２２０（予熱器ゾーン）と、熱源ガス入口２３６に隣接する第２のゾーン２２２（蒸発器ゾーン）と、第１のゾーン２２０及び第２のゾーン２２２間に配置される第３のゾーン２２４（過熱器ゾーン）とを定める。第１のゾーン２２０は、上記第３のゾーン２２４と直接流体連通していない。作動流体入口２４０は、上記第１のゾーン２２０と直接流体連通している。作動流体出口２４２は、上記第３のゾーン２２４と直接流体連通している。熱交換管体２５２は、第１のゾーン２２０、第２のゾーン２２２、及び第３のゾーン２２４の各々において複数の湾曲部を含む。熱交換管体２５２は、第１のゾーン２２０、第２のゾーン２２２、及び第３のゾーン２２４の各々において平行な列で構成される。熱交換管体２５２の第１のゾーン２２０、第２のゾーン２２２、及び第３のゾーン２２４の各々は、少なくとも１つの列を成して構成される。

図５に示す直接蒸発装置２６０を作動させている間、熱源ガス入口２３６に流入する熱源ガス２１６は、最初に第２のゾーン２２２に遭遇する。熱源ガス２１６からの熱は、第２のゾーン２２２に存在する作動流体２１２に伝達される。熱源ガス入口２３６にて直接蒸発装置２６０に流入する熱源ガス２１６よりも相対的に低い温度及び熱含量を有する熱源ガスは、次に、第３のゾーン２２４に遭遇し、ここで作動流体が過熱され、過熱された作動流体２２８は、作動流体出口２４２を介して直接蒸発装置２６０から流出する。第３のゾーン２２４において最初に熱交換管体２５２に遭遇する熱源ガスよりも相対的に低い温度及び熱含量を有する熱源ガスは、次に、第１のゾーン２２０に遭遇し、ここで液相の作動流体２１２が作動流体入口２４０にて流入し、液相のまま予熱される。第１のゾーン２２０の作動流体は、熱交換管体２５２に沿って第２のゾーン２２２に誘導され、ここで蒸発して第３のゾーン２２４に供給される。

特開２０１１−６４４５１号公報

従来の構成によれば、熱源ガスの流速が局所的に速い領域が生じ、その領域において作動流体が過剰に加熱され、劣化する危険性がある。

本開示は、蒸発器において作動流体が過剰に加熱されることを防止しながら、作動流体をより高温まで加熱するための新規な技術を提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
熱源ガス配管から熱源ガスを導入する熱源ガス導入部と、
前記熱源ガス導入部から導入された前記熱源ガスが流れる熱源ガス流路と、
前記熱源ガス流路上に配置され、前記熱源ガスによって作動流体を加熱する作動流体加熱部と、
前記熱源ガス導入部と前記作動流体加熱部との間に位置して前記熱源ガス流路を形成しており、前記熱源ガス流路の上流側から下流側に向かって前記熱源ガス流路の断面積を徐々に拡大させている流路断面積拡大部と、
前記作動流体加熱部よりも上流側において前記熱源ガス流路上に配置され、前記熱源ガスの通過を許容する複数の貫通孔を有し、前記熱源ガスの整流を行う熱源ガス整流板と、
を備えた、蒸発器を提供する。

上記の技術によれば、作動流体が過剰に加熱されることを防止しながら、作動流体をより高温まで加熱することができる。

図１は、本開示の一実施形態にかかるランキンサイクルシステムの構成図である。 図２は、図１に示すランキンサイクルシステムの蒸発器の構成図である。 図３は、図２に示す蒸発器の熱源ガス整流板の平面図である。 図４は、熱源ガス整流板の開孔率、内壁面の最高温度、及び圧力損失の関係を示すグラフである。 図５は、従来のランキンサイクルシステムの蒸発器の構成図である。

図５に示す従来の蒸発装置２６０は、熱源ガス入口２３６とハウジング２４４との接続部分において、熱源ガス流路２４６の断面積が不連続かつ急に拡大している。熱源ガスの流速が熱源ガス入口２３６の断面積に依存するので、熱源ガス流路２４６における熱源ガスの流速は、ハウジング２４４の中心付近で非常に速い。熱源ガスの流速が局所的に速い領域が生じると、その領域において作動流体が過剰に加熱され、作動流体が劣化する危険性がある。したがって、作動流体の劣化を防ぐために作動流体の目標到達温度を下げざるを得ず、ランキンサイクルシステムの性能を向上させることも困難となる。

本開示の第１態様にかかる蒸発器は、
熱源ガス配管から熱源ガスを導入する熱源ガス導入部と、
前記熱源ガス導入部から導入された前記熱源ガスが流れる熱源ガス流路と、
前記熱源ガス流路上に配置され、前記熱源ガスによって作動流体を加熱する作動流体加熱部と、
前記熱源ガス導入部と前記作動流体加熱部との間に位置して前記熱源ガス流路を形成しており、前記熱源ガス流路の上流側から下流側に向かって前記熱源ガス流路の断面積を徐々に拡大させている流路断面積拡大部と、
前記作動流体加熱部よりも上流側において前記熱源ガス流路上に配置され、前記熱源ガスの通過を許容する複数の貫通孔を有し、前記熱源ガスの整流を行う熱源ガス整流板と、
を備えたものである。

第１態様によれば、流路断面積拡大部によって熱源ガス流路の断面積が拡大されることに続き、熱源ガス整流板によって熱源ガスの整流が行われることによって、熱源ガスの流速が局所的に速い領域が生じることを防止できる。そのため、作動流体が過剰に加熱されることを防止しながら、作動流体をより高温まで加熱することが可能になる。第１態様の蒸発器を使用すれば、より高い温度の作動流体を外部（例えば、膨張機）に供給できるので、高い性能のランキンサイクルシステムを提供できる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる蒸発器の前記熱源ガス整流板の開孔率が１５〜３５％の範囲にある。開孔率がこのような範囲にあれば、作動流体の熱分解を防止しつつ、圧力損失も十分に抑制することができる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる蒸発器の前記作動流体加熱部は、作動流体流路を形成している伝熱管を含み、前記貫通孔の直径は、前記伝熱管の外径よりも小さい。貫通孔の直径が適度に小さい場合、隣り合う貫通孔の間隔も十分に狭いので、高い整流作用が発揮される。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかる蒸発器の前記熱源ガス整流板は、前記流路断面積拡大部と前記作動流体加熱部との間に配置されている。このような位置に熱源ガス整流板が配置されていると、より高い整流効果を得ることができる。

本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つにかかる蒸発器の前記作動流体加熱部は、前記作動流体が流れる作動流体流路を有し、前記作動流体流路は、前記熱源ガスの流れ方向に沿って、第１段、第２段及び第３段を含む複数の段をなすとともに、前記複数の段の各々において蛇行形状を有しており、前記第１段は、前記熱源ガスの流れ方向の最も上流側に位置する段であり、前記第２段は、前記作動流体を前記作動流体加熱部の外部へと流出させる作動流体出口を含む段であり、前記第３段は、前記熱源ガスの流れ方向の最も下流側に位置し、前記作動流体加熱部の外部から前記作動流体加熱部に前記作動流体を導入する作動流体入口を含む段である。このような構成は、作動流体が過剰に加熱されることを防止するのに有利である。

本開示の第６態様において、例えば、第５態様にかかる蒸発器の前記作動流体流路は、前記第１段及び前記第２段を含む過熱ゾーンと、前記第３段を含む蒸発ゾーンとを有し、前記過熱ゾーンにおける前記熱源ガスの流れ方向の最も下流側に前記第２段が配置され、前記熱源ガスと前記作動流体との間で並行流の形式にて熱交換が行われるように前記第１段及び前記第２段を含む複数の段が前記過熱ゾーンを形成しており、前記蒸発ゾーンにおける前記熱源ガスの流れ方向の最も下流側に前記第３段が配置され、前記熱源ガスと前記作動流体との間で対向流の形式にて熱交換が行われるように前記第３段を含む複数の段が前記蒸発ゾーンを形成しており、前記蒸発ゾーンにおける前記熱源ガスの流れ方向の最も上流側の段を流れた前記作動流体が前記第１段へと供給される。このような構成によれば、熱源ガスと作動流体とを効率的に熱交換させつつ、作動流体が過剰に加熱されることを防止できる。

本開示の第７態様にかかるランキンサイクルシステムは、第１〜第６態様のいずれか１つにかかる蒸発器を備えたものである。

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。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１は、本開示の一実施形態にかかるランキンサイクルシステムの構成図である。ランキンサイクルシステム１００は、蒸発器１０、膨張機４０、凝縮器４１及びポンプ４２を備えている。これらの要素は、閉回路を形成するように複数の配管によって上記の順番で環状に接続されている。ランキンサイクルシステム１００には、再生器などの他の機器が設けられていてもよい。

膨張機４０は、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する。膨張機４０の回転軸には、発電機４３が接続されている。膨張機４０によって発電機４３が駆動される。膨張機４０は、例えば、容積型又はターボ型の膨張機である。容積型の膨張機として、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、往復膨張機などが挙げられる。ターボ型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。

膨張機４０として、容積型の膨張機が推奨される。一般に、容積型の膨張機は、ターボ型の膨張機よりも広範囲の回転数で高い膨張機効率を発揮する。例えば、高効率を維持したまま、定格回転数の半分以下の回転数で容積型の膨張機を運転することも可能である。つまり、高効率を維持したまま、発電量を定格発電量の半分以下に低下させることができる。容積型の膨張機はこのような特性を持っているので、容積型の膨張機を使用すれば蒸発器１０に供給される熱源ガスの状態の変化に伴う発電量の変化に柔軟に対応することができる。

凝縮器４１は、膨張機４０から吐出された高温の作動流体と空気、水などの他の媒体とを熱交換させることによって、作動流体を冷却する。凝縮器４１として、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの熱交換器を使用できる。凝縮器４１の種類は、他の媒体の種類に応じて適切に選択される。他の媒体が水などの液体のとき、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器を凝縮器４１に望ましく使用できる。他の媒体が空気などの気体のとき、フィンチューブ熱交換器を凝縮器４１に望ましく使用できる。

ポンプ４２は、凝縮器４１から流出した作動流体を吸い込んで加圧し、加圧された作動流体を蒸発器１０に供給する。ポンプ４２として、一般的な容積型又はターボ型のポンプを使用できる。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。

蒸発器１０は、熱源ガスの熱エネルギーを吸収する熱交換器である。熱源ガスとランキンサイクルシステム１００の作動流体とが蒸発器１０において熱交換する。これにより、作動流体が加熱され、蒸発する。

ランキンサイクルシステム１００の作動流体として、有機作動流体を望ましく使用できる。有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、アルコールなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素として、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３３ｚｄ、Ｒ−３６５ｍｆｃなどが挙げられる。炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタンなどのアルカンが挙げられる。アルコールとして、エタノールなどが挙げられる。これらの有機作動流体は、単独で使用してもよいし、２種類以上の混合物を使用してもよい。

次に、蒸発器１０の詳細な構造を説明する。

図２に示すように、蒸発器１０は、管体３０、熱源ガス整流板１４及び作動流体加熱部１５を備えている。管体３０は、熱源ガスが流れる熱源ガス流路２２を形成している部分である。熱源ガス整流板１４及び作動流体加熱部１５は、管体３０の内部に配置されている。作動流体加熱部１５は、ランキンサイクルの作動流体の流路を形成している部分である。

管体３０は、熱源ガス導入部１２、流路断面積拡大部１３、中間部２４、流路断面積縮小部１６、及び熱源ガス排出部１７によって構成されている。熱源ガスは、熱源ガス導入部１２から蒸発器１０の内部に導入され、流路断面積拡大部１３、熱源ガス整流板１４、作動流体加熱部１５及び流路断面積縮小部１６をこの順に通過し、熱源ガス排出部１７を通じて蒸発器１０の外部へと排出される。本明細書において、「断面」の語句は、熱源ガスの流れ方向に垂直な断面を意味する。

熱源ガス導入部１２は、熱源ガス入口配管接続部１９において熱源ガス入口配管１１に接続されている。熱源ガス入口配管１１の断面形状は、例えば、円形である。したがって、熱源ガス導入部１２の断面形状も円形でありうる。熱源ガス導入部１２は、熱源ガス入口２１を形成している。接続部１９で高温の熱源ガスが漏れることなく、熱源ガス入口２１から蒸発器１０の内部に熱源ガスが導入される。熱源ガス導入部１２と熱源ガス入口配管１１との接続方法は特に限定されない。熱源ガス導入部１２の端部及び熱源ガス入口配管１１の端部がともにフランジ構造を有しているとき、熱源ガス導入部１２と熱源ガス入口配管１１とをボルト止めによって接続することができる（フランジ接続）。また、熱源ガス導入部１２と熱源ガス入口配管１１とが溶接などの他の接続方法によって完全に接合されていてもよい。

熱源ガス導入部１２から蒸発器１０の内部に導入された熱源ガスは、次に、流路断面積拡大部１３を通過する。流路断面積拡大部１３は、熱源ガス導入部１２と中間部２４との間に位置している部分である。言い換えれば、流路断面積拡大部１３は、熱源ガス導入部１２と作動流体加熱部１５との間に位置している。流路断面積拡大部１３は、熱源ガス導入部１２から作動流体加熱部１５までの範囲において熱源ガス流路２２を形成している。また、流路断面積拡大部１３は、熱源ガス流路２２の上流側から下流側に向かって熱源ガス流路２２の断面積を所定の割合で徐々に拡大させている。本実施形態では、管体３０の断面積を連続的に増加させることによって、すり鉢状の流路断面積拡大部１３が形成されている。流路断面積拡大部１３において、熱源ガス流路２２の断面積が連続的に増加している。

流路断面積拡大部１３を通過した後、熱源ガスは、熱源ガス整流板１４を通過する。熱源ガス整流板１４は、作動流体加熱部１５よりも上流側において熱源ガス流路２２上に配置されている。熱源ガス整流板１４は、熱源ガスの通過を許容する複数の貫通孔１４ｈを有し、熱源ガスの整流を行う役割を果たす。つまり、熱源ガス整流板１４は、熱源ガス流路２２において流体抵抗となる。熱源ガスは熱源ガス整流板１４において減速される。これにより、熱源ガス流路２２における流速分布の偏りが解消される。本実施形態において、熱源ガス整流板１４は、中間部２４の上流端の位置（流路断面積拡大部１３の下流端の位置）に配置されている。言い換えれば、熱源ガス整流板１４は、熱源ガスの流れ方向において、流路断面積拡大部１３と作動流体加熱部１５との間に配置されている。このような位置に熱源ガス整流板１４が配置されていると、より高い整流効果を得ることができる。ただし、熱源ガス整流板１４が流路断面積拡大部１３に配置されていてもよい。

図３に示すように、熱源ガス整流板１４は、例えば、熱源ガス整流板１４が配置された位置における管体３０の断面形状と同じ平面視形状を有する。典型的には、熱源ガス整流板１４は、中間部２４の断面形状（中間部２４における熱源ガス流路２２の断面形状）と同じ平面視形状を有する。熱源ガス整流板１４の主面に平行な方向において、熱源ガス整流板１４と管体３０との間には隙間が無く、熱源ガスは、熱源ガス整流板１４の貫通孔１４ｈのみを通過することができる。ただし、熱源ガス整流板１４と管体３０との間に隙間が存在していてもよい。熱源ガス整流板１４は、溶接などの接合方法によって管体３０に接合されていてもよいし、ボルトなどの締結部品で管体３０に締結されていてもよい。また、熱源ガス整流板１４の周縁部及び管体３０の中間部２４の端部（及び／又は流路断面積拡大部１３の端部）がともにフランジ構造を有しているとき、熱源ガス整流板１４を管体３０の中間部２４にボルト止めによって固定することができる（フランジ接続）。

図３に示すように、熱源ガス整流板１４は、規則的に配列した複数の貫通孔１４ｈを有する。本実施形態において、複数の貫通孔１４ｈは、千鳥状に配列されている。複数の貫通孔１４ｈは、格子配列などの他の規則的な配列で形成されていてもよい。貫通孔１４ｈの形状及び大きさは特に限定されない。貫通孔１４ｈの平面視での形状は、典型的には円形である。ただし、貫通孔１４ｈが矩形、三角形などの他の形状を有していてもよい。貫通孔１４ｈの直径（平面視での直径）は、例えば、作動流体加熱部１５を構成する伝熱管３１の外径よりも小さい。貫通孔１４ｈの直径が適度に小さい場合、隣り合う貫通孔１４ｈの間隔も十分に狭いので、高い整流作用が発揮され、熱源ガス流路２２の端まで均一に熱源ガスを流すことが可能になる。貫通孔１４ｈの直径の下限は、加工コストなどの観点から、例えば０．５ｍｍである。なお、貫通孔１４ｈが円形以外の形状を有している場合、貫通孔１４ｈの直径は、その貫通孔１４ｈの開口面積（平面視での開口面積）に等しい面積を有する円の直径にて規定されうる。また、全ての貫通孔１４ｈが同じ大きさ及び形状を有していることは必須ではない。例えば、第１の貫通孔と、第１の貫通孔の直径とは異なる直径を有する第２の貫通孔とが熱源ガス整流板１４に形成されていてもよい。

本実施形態において、熱源ガス整流板１４は、熱源ガスの流れ方向に対して垂直に配置されている。言い換えれば、熱源ガス整流板１４の主面（最も広い面積を有する面）の法線方向が熱源ガスの流れ方向に一致している。熱源ガス整流板１４の具体例は、パンチングメタルである。パンチングメタルは、多数の貫通孔を形成するための孔あけ加工を金属板に施すことによって得られる部材である。熱源ガス整流板１４として、金網、多孔質材などの他の部材を使用してもよい。

熱源ガス整流板１４を通過した後、熱源ガスは、中間部２４を通過する。中間部２４には作動流体加熱部１５が配置されている。つまり、作動流体加熱部１５は、熱源ガス流路２２上に配置されている。本実施形態において、中間部２４の断面形状は長方形（詳細には正方形）である。熱源ガスの流れ方向において、中間部２４の断面形状は一定である。つまり、中間部２４において、熱源ガス流路２２の断面積は一定である。作動流体加熱部１５において、熱源ガスによって作動流体が加熱される。

作動流体加熱部１５は、作動流体が流れる作動流体流路３３を有する。作動流体流路３３は、熱源ガスの流れ方向に沿って、第１段３３ａ、第２段３３ｂ及び第３段３３ｃを含む複数の段をなすとともに、複数の段の各々において蛇行形状を有している。本実施形態において、作動流体加熱部１５は、熱源ガスの流れ方向に沿って５段で形成されている。第１段３３ａは、熱源ガスの流れ方向の最も上流側に位置する段である。第２段３３ｂは、作動流体を作動流体加熱部１５の外部（蒸発器１０の外部）へと流出させるための作動流体出口３６を含む段である。第３段３３ｃは、熱源ガスの流れ方向の最も下流側に位置し、作動流体加熱部１５の外部から作動流体加熱部１５に作動流体を導入するための作動流体入口３２を含む段である。このような構成は、作動流体が過剰に加熱されることを防止するのに有利である。また、作動流体流路３３には、温度センサ（図示せず）が設けられている。温度センサの出力値（検出値）に基づき、蒸発器１０における作動流体の温度が調整されうる。

本実施形態において、作動流体加熱部１５は、複数の伝熱フィン３７及び複数の伝熱管３１を備えたフィンチューブ熱交換器の構造を有する。複数の伝熱フィン３７は、それらの表面及び裏面が熱源ガスの流れ方向に平行となるように並べられている。言い換えれば、複数の伝熱フィン３７は、熱源ガス整流板１４の法線方向に平行である。複数の伝熱フィン３７の表面及び裏面は、鉛直方向にも平行でありうる。伝熱フィン３７と伝熱フィン３７との間の空間が熱源ガス流路２２を形成している。複数の伝熱管３１は、作動流体と熱交換するべき熱源ガスの流れ方向に沿って複数の段で並べられている。本実施形態では、複数の伝熱管３１が流れ方向に沿って５段で並べられている。

図２及び図３に示すように、複数の伝熱管３１は、熱源ガスの流れ方向に垂直な方向（例えば、鉛直方向）にも複数の列（本実施形態では５列）で並べられている。つまり、伝熱管３１は、水平方向（ｘ方向）と高さ方向（ｙ方向）との両方向にマトリクス状に並べられている。作動流体は、同じ段に位置している複数の伝熱管３１を流れた後、別の段に位置している伝熱管３１に送られる。伝熱フィン３７の表面に垂直な方向から作動流体加熱部１５を観察すると、複数の伝熱管３１は、千鳥配列で配置されている。本実施形態において、複数の伝熱管３１は、作動流体流路３３が単一の流路をなすように互いに接続されている。ただし、全ての伝熱管３１によって単一の流路が形成されていることは必須ではない。分配器などの公知の部品を使用することによって、２以上の流路が並列に形成されていてもよい。

本実施形態において、作動流体入口３２は、熱源ガスの流れ方向の最も下流側に位置する段（第３段３３ｃ）にある。作動流体は、作動流体入口３２を通じて作動流体加熱部１５に流入する。作動流体は、作動流体流路３３の中間部まで流れたのち、熱源ガスの流れ方向の最も上流側に位置する段（第１段３３ｃ）に流入する。最も上流側に位置する段（第１段３３ｃ）を流れたのち、作動流体は、最も上流側の段（第１段３３ｃ）以外の段（第２段３３ｂ）に移り、その段に設けられた作動流体出口３６を通じて、作動流体加熱部１５の外部に流出する。

具体的に、作動流体流路３３は、蒸発ゾーン３４及び過熱ゾーン３５を含む。蒸発ゾーン３４は、第３段３３ｃを含むゾーンである。過熱ゾーン３５は、第１段３３ａ及び第２段３３ｂを含むゾーンである。過熱ゾーン３５における熱源ガスの流れ方向の最も下流側に第２段３３ｂが配置されている。熱源ガスと作動流体との間で並行流の形式にて熱交換が行われるように、第１段３３ａ及び第２段３３ｂを含む複数の段が過熱ゾーン３５を形成している。蒸発ゾーン３４における熱源ガスの流れ方向の最も下流側に第３段３３ｃが配置されている。熱源ガスと作動流体との間で対向流の形式にて熱交換が行われるように、第３段３３ｃを含む複数の段が蒸発ゾーン３４を形成している。蒸発ゾーン３４における熱源ガスの流れ方向の最も上流側の段を流れた作動流体が第１段３３ａへと供給される。このような構成によれば、熱源ガスと作動流体とを効率的に熱交換させつつ、作動流体が過剰に加熱されることを防止できる。

ポンプ４２から吐出されて蒸発器１０（作動流体加熱部１５）に流入した直後において、作動流体は、液相状態又は気液二相状態にあり、蒸発器１０の中で最も低い温度を有する。作動流体は、作動流体流路３３を流れ、熱源ガスよって加熱されて蒸発する。本実施形態においては、作動流体流路３３の前半部分にあたる蒸発ゾーン３４で作動流体が気液二相状態となる。作動流体流路３３の後半部分にあたる過熱ゾーン３５で作動流体が気液二相状態から気相状態となる。蒸発器１０の出口（作動流体出口３６）において、作動流体は、気相状態にあり、蒸発器１０の中で最も高い温度を有する。

蒸発ゾーン３４においては、作動流体が液相状態又は気液二相状態にあるので、熱源ガスから作動流体に与えられた熱が相変化に利用される。つまり、作動流体の温度変化が抑制され、作動流体の熱分解が発生する可能性は低い。これに対し、過熱ゾーン３５においては、熱源ガスから作動流体に与えられた熱が温度変化に利用される。そのため、作動流体の熱分解が発生する可能性がある。

作動流体出口３６の位置を熱源ガスの流れ方向の下流側に移すと、作動流体の熱分解の可能性は減少する。ただし、作動流体出口３６の位置を熱源ガスの流れ方向の下流側に移すと、熱源ガス出口２３での熱源ガスの温度が上昇する。つまり、熱源ガスと作動流体との間の熱交換量が減少し、蒸発器１０の熱交換効率が低下する。高い熱交換効率を達成するためには、作動流体出口３６を熱源ガスの流れ方向の上流側に設ける必要がある。

本実施形態では、第１段３３ａに隣接する段が第２段３３ｂであり、その第２段３３ｂに作動流体出口３６が含まれている。この場合、高い熱交換効率を達成できる。ただし、熱源ガスの流れ方向の上流側においては熱源ガスの温度が高いので、作動流体の熱分解が発生する可能性も上昇する。

作動流体の温度が上がれば上がるほど、作動流体の熱分解が発生する可能性も上がる。ただし、作動流体の熱分解には作動流体の温度だけでなく、熱源ガスの温度、熱源ガスの流速などの加熱条件も大きく影響する。熱源ガスによる加熱量が局所的に大きい部分があれば、その部分において作動流体の熱分解が発生する危険性がある。

図５を参照して説明したように、特許文献１に記載された蒸発装置２６０によれば、熱源ガス入口２３６と第２のゾーン２２２との間に障害物が存在せず、熱源ガス２１６は、熱源ガス入口２３６から第２のゾーン２２２及び第３のゾーン２２４にスムーズに到達できる。そのため、高温、低密度、かつ高流速の熱源ガスが第２のゾーン２２２及び第３のゾーン２２４に供給される。この場合、第２のゾーン２２２及び第３のゾーン２２４において作動流体の熱分解が発生しやすい。熱源ガス入口２３６とハウジング２４４との接続部分において、熱源ガス流路２４６の断面積が拡大しているものの、流路の断面積の拡大だけで熱源ガスの流速を下げることは難しい。そのため、熱源ガス流路２４６における熱源ガスの流速は、ハウジング２４４の中心付近で極端に速く、ハウジング壁２４８の近くで遅い。熱源ガスの流速が局所的に速い領域が生じると、その領域において作動流体が過剰に加熱され、作動流体の熱分解が発生する。

本実施形態によれば、過熱ゾーン３５の上流側に流路断面積拡大部１３及び熱源ガス整流板１４が設けられている。流路断面積拡大部１３及び熱源ガス整流板１４の働きによって、熱源ガスの流速を下げることができるだけでなく、熱源ガスの流速分布の偏りを解消することができる。

熱源ガス整流板１４によってもたらされる整流効果は、熱源ガス整流板１４の開孔率の影響を受ける。「開孔率」は、熱源ガス整流板１４の面積（主面の面積）に対する貫通孔１４ｈの合計開口面積の比率である。所定の条件（熱源ガスの温度４００度、熱源ガス入口２１での流速１８ｍ／ｓｅｃ）にて、熱源ガス整流板１４の開孔率、伝熱管３１の内壁面の最高温度、及び圧力損失の関係を調べるためのシミュレーションを行った。結果を図４に示す。

図４に示すように、伝熱管３１の内壁面の最高温度は、各条件における伝熱管３１の内壁面の最高温度である。伝熱管３１の内壁面の最高温度が作動流体の分解温度を上回ったとき、作動流体の熱分解が発生する。圧力損失は、流路断面積拡大部１３及び熱源ガス整流板１４において発生する熱源ガスの圧力損失である。

熱源ガス整流板１４の開孔率が小さければ小さいほど大きい整流効果が得られる。この場合、熱源ガスの流速が局所的に速い領域が消滅して、伝熱管３１の内壁面の最高温度が低下する傾向にある。開孔率が３５％以下のとき、伝熱管３１の内壁面の最高温度を上限設定温度よりも低い温度に維持することができる。上限設定温度は、作動流体の熱分解温度よりも低い温度に設定される温度である。上限設定温度は、例えば、作動流体の熱分解温度よりも２０〜３０℃低い温度に設定される。例えば、作動流体の熱分解温度が２５０℃のとき、上限設定温度は２２５℃でありうる。

また、熱源ガス整流板１４の開孔率が減少するにつれて流体抵抗が増加する。開孔率が１５％を下回ると圧力損失が急上昇する。圧力損失が大きい場合、熱源ガスを流すためのファンの消費電力が増加する。高性能のランキンサイクルシステムを実現するためには、蒸発器１０の圧力損失を抑える必要がある。

上記の知見に基づき、熱源ガス整流板１４の開孔率を１５〜３５％の範囲に設定することができる。開孔率がこのような範囲にあれば、作動流体の熱分解を防止しつつ、圧力損失も十分に抑制することができる。

作動流体加熱部１５を通過した熱源ガスは、流路断面積縮小部１６を通じて熱源ガス排出部１７に到達する。流路断面積縮小部１６は、例えば、流路断面積拡大部１３と同じ構造を有する。

熱源ガス排出部１７は、熱源ガス出口配管接続部２０において熱源ガス出口配管１８に接続されている。熱源ガス出口配管１８の断面形状は、通常、円形である。したがって、熱源ガス排出部１７の断面形状も円形でありうる。熱源ガス排出部１７は、熱源ガス出口２３を形成している。接続部２０で高温の熱源ガスが漏れることなく、熱源ガス出口２３から蒸発器１０の外部に熱源ガスが排出される。熱源ガス排出部１７と熱源ガス出口配管１８との接続方法は特に限定されない。熱源ガス排出部１７の端部及び熱源ガス出口配管１８の端部がともにフランジ構造を有しているとき、熱源ガス排出部１７と熱源ガス出口配管１８とをボルト止めによって接続することができる（フランジ接続）。また、熱源ガス排出部１７と熱源ガス出口配管１８とが溶接などの他の接続方法によって完全に接合されていてもよい。

本明細書に開示された技術は、作動流体が有機作動流体である場合に特に有効である。より詳細には、熱源ガスの温度が作動流体の熱分解温度を越えている場合に特に有効である。有機作動流体を使用すれば、ガスボイラーのような高温の熱源だけでなく、比較的低温の熱源を用いたランキンサイクルシステムを構築することも可能である。熱源ガスの温度が高ければ高いほど、ランキンサイクルシステム１００を高効率で運転できる。一例において、ガスボイラーで生成される燃焼ガスの温度は最高で１５００℃であり、有機作動流体の熱分解温度は１５０〜３００℃の範囲にある。

本明細書に開示された技術は、作動流体によって熱を回収し、利用する熱回収システムだけでなく、ＣＨＰシステム（Combined Heat and Power System）などのコジェネレーションシステムにも適用されうる。

１０ 蒸発器
１１ 熱源ガス入口配管
１２ 熱源ガス導入部
１３ 流路断面積拡大部
１４ 熱源ガス整流板
１５ 作動流体加熱部
１６ 流路断面積縮小部
１７ 熱源ガス排出部
１８ 熱源ガス出口配管
１９ 熱源ガス入口配管接続部
２０ 熱源ガス出口配管接続部
２１ 熱源ガス入口
２２ 熱源ガス流路
２３ 熱源ガス出口
２４ 中間部
３０ 管体
３１ 伝熱管
３２ 作動流体入口
３３ 作動流体流路
３３ａ 第１段
３３ｂ 第２段
３３ｃ 第３段
３４ 蒸発ゾーン
３５ 過熱ゾーン
３６ 作動流体出口
３７ 伝熱フィン
４０ 膨張機
４１ 凝縮器
４２ ポンプ
４３ 発電機
１００ ランキンサイクルシステム

Claims (7)

1. 熱源ガス配管から熱源ガスを導入する熱源ガス導入部と、
   前記熱源ガス導入部から導入された前記熱源ガスが流れる熱源ガス流路と、
   前記熱源ガス流路上に配置され、前記熱源ガスによって作動流体を加熱する作動流体加熱部と、
   前記熱源ガス導入部と前記作動流体加熱部との間に位置して前記熱源ガス流路を形成しており、前記熱源ガス流路の上流側から下流側に向かって前記熱源ガス流路の断面積を徐々に拡大させている流路断面積拡大部と、
   前記作動流体加熱部よりも上流側において前記熱源ガス流路上に配置され、前記熱源ガスの通過を許容する複数の貫通孔を有し、前記熱源ガスの整流を行う熱源ガス整流板と、
   を備えた、蒸発器。
2. 前記熱源ガス整流板の開孔率が１５〜３５％の範囲にある、請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記作動流体加熱部は、作動流体流路を形成している伝熱管を含み、
   前記貫通孔の直径は、前記伝熱管の外径よりも小さい、請求項１又は２に記載の蒸発器。
4. 前記熱源ガス整流板は、前記熱源ガスの流れ方向において、前記流路断面積拡大部と前記作動流体加熱部との間に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸発器。
5. 前記作動流体加熱部は、前記作動流体が流れる作動流体流路を有し、
   前記作動流体流路は、前記熱源ガスの流れ方向に沿って、第１段、第２段及び第３段を含む複数の段をなすとともに、前記複数の段の各々において蛇行形状を有しており、
   前記第１段は、前記熱源ガスの流れ方向の最も上流側に位置する段であり、
   前記第２段は、前記作動流体を前記作動流体加熱部の外部へと流出させる作動流体出口を含む段であり、
   前記第３段は、前記熱源ガスの流れ方向の最も下流側に位置し、前記作動流体加熱部の外部から前記作動流体加熱部に前記作動流体を導入する作動流体入口を含む段である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸発器。
6. 前記作動流体流路は、前記第１段及び前記第２段を含む過熱ゾーンと、前記第３段を含む蒸発ゾーンとを有し、
   前記過熱ゾーンにおける前記熱源ガスの流れ方向の最も下流側に前記第２段が配置され、前記熱源ガスと前記作動流体との間で並行流の形式にて熱交換が行われるように前記第１段及び前記第２段を含む複数の段が前記過熱ゾーンを形成しており、
   前記蒸発ゾーンにおける前記熱源ガスの流れ方向の最も下流側に前記第３段が配置され、前記熱源ガスと前記作動流体との間で対向流の形式にて熱交換が行われるように前記第３段を含む複数の段が前記蒸発ゾーンを形成しており、
   前記蒸発ゾーンにおける前記熱源ガスの流れ方向の最も上流側の段を流れた前記作動流体が前記第１段へと供給される、請求項５に記載の蒸発器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸発器を備えた、ランキンサイクルシステム。

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