JP2022090876A - ランキンサイクル装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再熱器を備えたランキンサイクル装置の信頼性を向上させるための技術を提供する。【解決手段】ランキンサイクル装置５０は、主流路Ｆ１、第１バイパス流路Ｆ２、および温度センサ１０を備える。主流路Ｆ１は、ポンプ１、第１部分２ａ、蒸発器３、膨張機４、第２部分２ｂおよび凝縮器５を有し、作動流体がこれらの要素をこの順番で流れる。主流路Ｆ１には、第１部分２ａと第２部分２ｂとを有する再熱器２が設けられている。第１バイパス流路Ｆ２は、主流路Ｆ１におけるポンプ１よりも下流側かつ第１部分２ａよりも上流側の部分と、主流路Ｆ１における第１部分２ａよりも下流側かつ蒸発器３よりも上流側の部分とを接続している。第１バイパス流路Ｆ２は、第１弁７を有している。温度センサ１０は、蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける作動流体の温度を検出する。【選択図】図１

Description

本開示は、ランキンサイクル装置およびその運転方法に関する。

ランキンサイクル装置に関する種々の検討がなされている。特許文献１には、ランキンサイクル装置が開示されている。

特許文献１のランキンサイクル装置は、膨張機、凝縮器、ポンプおよび蒸発器を備えている。作動流体は、これらの構成要素を上記の順番で循環する。

特許文献１のランキンサイクル装置は、さらに、再熱器を備えている。再熱器において、膨張機から吐出された作動流体の熱エネルギーが、ポンプから吐出された作動流体に伝えられ得る。

特開２０１５－７８６８５号公報

本開示は、再熱器を備えたランキンサイクル装置の信頼性を向上させるための技術を提供する。

本開示におけるランキンサイクル装置は、
ポンプ、第１部分、蒸発器、膨張機、第２部分および凝縮器を有し、作動流体がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、前記第１部分を流れる前記作動流体と前記第２部分を流れる前記作動流体とが熱交換する再熱器が設けられている主流路と、
第１弁を有し、前記主流路における前記ポンプよりも下流側かつ前記第１部分よりも上流側の部分と、前記主流路における前記第１部分よりも下流側かつ前記蒸発器よりも上流側の部分とを接続している第１バイパス流路と、
前記蒸発器の入口、前記蒸発器の内部および前記蒸発器の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける前記作動流体の温度を検出する温度センサと、
を備える。

また、本開示におけるランキンサイクル装置の運転方法は、
第１モードにおいて、ポンプ、第１部分、蒸発器、膨張機、第２部分、および凝縮器に、この順に作動流体を流すことと、ここで、前記第１部分を流れる前記作動流体と前記第２部分を流れる前記作動流体とが熱交換する再熱器が設けられており、
第２モードにおいて、前記第１部分をバイパスする第１バイパス流路に前記作動流体を流すことと、を含む。

本開示に係る技術は、再熱器を備えたランキンサイクル装置の信頼性を向上させうる。

実施の形態１におけるランキンサイクル装置を示す図 実施の形態１におけるランキンサイクル装置の運転の制御を示すフローチャート 実施の形態２におけるランキンサイクル装置を示す図 実施の形態２におけるランキンサイクル装置の運転の制御を示すフローチャート

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、膨張機、凝縮器、ポンプおよび蒸発器がこの順に接続されているとともに、再熱器が設けられたランキンサイクル装置があった。

特許文献１のランキンサイクル装置では、作動流体が膨張機を経由せずに再熱器に流入することを可能にするバイパス流路と、バイパス流路における作動流体の流量を調節する制御弁とが設けられている。これにより、制御弁を調節して、高温高圧の作動流体をバイパス流路に流すことにより、ランキンサイクル装置の信頼性の向上を図っている。

ランキンサイクル装置では、熱源の過渡変動により、熱源流体の温度が過渡的に上昇し得る。熱源流体の温度が過渡的に上昇すると、これに追随して蒸発器から流出する作動流体の温度も過渡的に上昇し得る。このとき、蒸発器から流出する作動流体に分解温度を超えるような過昇温が生じると、作動流体の組成が変化し、作動流体の性能が低下する。そのため、作動流体の温度を分解温度未満に速やかに低下させることが望ましい。

特許文献１に開示のバイパス流路によれば、蒸発器から流出する作動流体に分解温度を超えるような過昇温が生じた場合、膨張機を経由させずに作動流体を再熱器に流入させることができる。しかし、ポンプから流出した作動流体は、常に再熱器を経由して蒸発器に流入する。そのため、蒸発器には再熱器で加熱された作動流体が流入するので、蒸発器から流出する作動流体の温度を速やかに低下させることは難しい。

作動流体の温度を速やかに低下させる方法として、例えば、ポンプの気筒容積を増加させたり、ポンプの回転数を大幅に増加させたりすることにより、作動流体の循環量を増加させる方法がある。また、凝縮器のファンのサイズアップまたは回転数の大幅な増加により、凝縮器の冷却能力を向上させて作動流体の温度を素早く低下させる方法も考えられる。しかし、これらの方法は、ランキンサイクル装置の仕様変更を伴うため、コストアップを招く。

本発明者らは、作動流体の信頼性の向上と低コスト化との両立を実現すべく、作動流体が再熱器を経由せずに蒸発器に流入することを可能にするバイパス流路を設けることを想到した。このような構成によれば、熱源温度の過渡変動によって、作動流体に分解温度を超えるような過昇温が生じた場合であっても、作動流体が再熱器で加熱されるのを抑制することができる。

このような知見に基づき、本発明者らは、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、再熱器を備えたランキンサイクル装置の信頼性を向上させるための技術を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１を用いて、実施の形態を説明する。

［１－１．構成］
図１において、ランキンサイクル装置５０は、主流路Ｆ１、第１バイパス流路Ｆ２、および温度センサ１０を備えている。主流路Ｆ１および第１バイパス流路Ｆ２には、作動流体が流れる。

主流路Ｆ１は、ポンプ１、再熱器２、蒸発器３、膨張機４、および凝縮器５を有する。再熱器２は、第１部分２ａおよび第２部分２ｂを含む。第１部分２ａは、再熱器２の高圧側の流路である。第２部分２ｂは、再熱器２の低圧側の流路である。再熱器２において、第１部分２ａおよび第２部分２ｂは、互いを流れる作動流体の間で熱交換がなされるように構成されている。

主流路Ｆ１において、ポンプ１、第１部分２ａ、蒸発器３、膨張機４、第２部分２ｂ、および凝縮器５を、この順に作動流体が流れる。再熱器２において、第１部分２ａを流れる作動流体と第２部分２ｂを流れる作動流体とが熱交換する。主流路Ｆ１において、ポンプ１、第１部分２ａ、蒸発器３、膨張機４、第２部分２ｂ、および凝縮器５は、配管によって環状にこの順で接続されている。

第１バイパス流路Ｆ２は、主流路Ｆ１におけるポンプ１よりも下流側かつ第１部分２ａよりも上流側の部分と、主流路Ｆ１における第１部分２ａよりも下流側かつ蒸発器３よりも上流側の部分とを接続している。第１バイパス流路Ｆ２は、再熱器２をバイパスする流路である。

第１バイパス流路Ｆ２は、第１弁７を有している。

ランキンサイクル装置５０は、さらに、制御器１２を備えていてもよい。

以下、ランキンサイクル装置５０の各構成要素について説明する。

ポンプ１は、作動流体を吸い込んで圧送する。本実施の形態では、ポンプ１は、容積型のギヤポンプである。

蒸発器３は、熱源流体Ｇの熱エネルギーを回収する熱交換器である。作動流体は、蒸発器３において、熱源流体Ｇによって加熱され、蒸発する。蒸発器３は、本実施の形態では、フィンチューブ式熱交換器である。

膨張機４は、作動流体を膨張させて減圧させる。膨張機４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４の回転軸には、発電機（図示省略）が接続されている。膨張機４の回転によって発電機が駆動される。こうして、発電が行われる。本実施の形態では、膨張機４は、レシプロ膨張機等の容積型の膨張機である。

再熱器２は、ポンプ１から吐出された作動流体と膨張機４から吐出された作動流体とを熱交換させる。これにより、ポンプ１から吐出された作動流体は加熱され、膨張機４から吐出された作動流体は冷却される。本実施の形態では、再熱器２は、プレート式熱交換器である。プレート式熱交換器の一具体例では、金属プレートが複数枚積層されている。

凝縮器５は、作動流体と外気とを熱交換させることによって、作動流体を冷却して凝縮し、外気へ熱を放出する。凝縮器５はファン６を備える。ファン６は、作動流体と熱交換するべき冷却媒体を凝縮器５に送り込む。外気はファン６によって凝縮器５へ送り込まれる。本実施の形態では、凝縮器５は、空冷式のフィンチューブ熱交換器である。

温度センサ１０は、蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける作動流体の温度を検出する。「蒸発器３の入口」は、再熱器２の高圧側の出口から蒸発器３の入口までを含む概念である。主流路Ｆ１において、再熱器２の高圧側の出口から蒸発器３の入口まで、作動流体の温度は一定とみなすことができるからである。「蒸発器３の出口」は、蒸発器３の出口から膨張機４の入口までを含む概念である。主流路Ｆ１において、蒸発器３の出口から膨張機４の入口まで、作動流体の温度は一定とみなすことができるからである。蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口における作動流体の温度は高くなり易い。

温度センサ１０は、蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つに設けられていてもよい。温度センサ１０は、蒸発器３の入口付近に設けられていてもよい。温度センサ１０は、蒸発器３の出口付近に設けられていてもよい。温度センサ１０は、蒸発器３の内部に設けられていてもよい。この場合、温度センサ１０は、蒸発器３の内部の作動流体の温度を検出するものに限られない。例えば、温度センサ１０は、熱源流体Ｇの温度を検出することにより、蒸発器３の内部の作動流体の温度を予想するものであってもよい。

図１では、温度センサ１０は、主流路Ｆ１において蒸発器３の出口よりも下流側かつ膨張機４の入口よりも上流側の部分に設けられている。

温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、第１弁７が開放される。第１弁７の開度に応じて、第１部分２ａにおける作動流体の流量と第１バイパス流路Ｆ２における作動流体の流量とが調節される。本実施の形態では、第１弁７は、温度センサ１０によって検出された温度に基づき開閉する開閉弁である。

本実施の形態では、第１弁７は、温度センサ１０によって検出された温度に基づいて開閉する機械的な弁である。

本実施の形態では、第１弁７は、温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、すなわち、蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける作動流体の温度が閾値温度を跨いで上昇した場合、その開度が増加する。ここで、閾値温度をＴｔｈとし、作動流体の分解温度をＴｄとする。このとき、本実施の形態ではＴｔｈ≦Ｔｄであり、具体的にはＴｔｈ＜Ｔｄであり、より具体的にはＴｄ－８０℃≦Ｔｔｈ＜Ｔｄである。一具体例では、閾値温度Ｔｔｈは、２００℃である。ただし、閾値温度は特に限定されない。閾値温度Ｔｔｈは、温度センサ１０の位置に応じて設定されてもよい。

第１弁７は、開閉弁であってもよく、流量調整弁であってもよい。第１弁７は、主流路Ｆ１と第１バイパス流路Ｆ２との分岐位置Ｂ１に設けられた三方弁であってもよく、主流路Ｆ１と第１バイパス流路Ｆ２との合流位置Ｃ１に設けられた三方弁であってもよい。

制御器１２は、ポンプ１、ファン６、第１弁７等のランキンサイクル装置５０の要素を制御する。

本実施の形態では、作動流体は、フッ素化合物である。本実施の形態では、具体的には、作動流体は、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）である。ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）の分解温度は、２５０℃である。

［１－２．動作］
以上のように構成されたランキンサイクル装置５０の運転の制御について、図２を参照しながら説明する。図２は、ランキンサイクル装置５０の運転の制御を示すフローチャートである。

まず、温度センサ１０で作動流体の温度Ｔを検出する（ステップＳ１）。次に、検出された温度Ｔに基づき、作動流体の温度が第１閾値温度Ｔｔｈ以上であるかどうか判断する（ステップＳ２）。温度Ｔが第１閾値温度Ｔｔｈ以上である場合、第１弁７を開放する（ステップＳ３）。第１弁７を開放することにより、作動流体の温度を下げることができる。作動流体の分解温度をＴｄとするとき、Ｔｔｈ≦Ｔｄであり、具体的にはＴｔｈ＜Ｔｄであり、より具体的にはＴｄ－８０℃≦Ｔｔｈ＜Ｔｄである。一具体例では、第１閾値温度Ｔｔｈは、２００℃である。ただし、第１閾値温度Ｔｔｈは特に限定されない。

第１弁７を開放した後、温度センサ１０で作動流体の温度Ｔを検出する（ステップＳ４）。検出された温度Ｔに基づき、作動流体の温度が第２閾値温度（Ｔｔｈ－α）以下であるかどうか判断する（ステップＳ５）。温度Ｔが第２閾値温度（Ｔｔｈ－α）以下になるまで、ステップＳ３からステップＳ５までの処理を繰り返す。αは、不感帯を規定する温度である。温度Ｔが第２閾値温度（Ｔｔｈ－α）以下である場合、第１弁７を閉鎖する（ステップＳ６）。

ランキンサイクル装置５０の運転の制御は、制御器１２によって行われてもよい。この場合、制御器１２は、図２のフローチャートの各処理を所定の制御周期で実行する。

ランキンサイクル装置５０の運転方法は、第１モードにおいて、ポンプ１、第１部分２ａ、蒸発器３、膨張機４、第２部分２ｂ、および凝縮器５に、この順に作動流体を流すことを含む。第１部分２ａを流れる作動流体と第２部分２ｂを流れる作動流体とが熱交換する再熱器２が設けられている。当該運転方法は、第２モードにおいて、第１部分２ａをバイパスする第１バイパス流路Ｆ２に作動流体を流すことを含む。

ランキンサイクル装置５０の運転方法においては、蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける作動流体の温度が閾値温度未満である場合、第１モードが選択される。蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける作動流体の温度が閾値温度以上である場合、第２モードが選択される。

第１モードにおいて、作動流体は、第１部分２ａに流れ、第１バイパス流路Ｆ２には流れない。一方、第２モードにおいて、作動流体は、第１バイパス流路Ｆ２のみに流れてもよく、第１バイパス流路Ｆ２に加えて第１部分２ａに流れてもよい。

図２のフローチャートにおけるステップＳ２は、第１モードと第２モードとのいずれかの運転モードを選択するステップである。ヒステリシス制御を採用した場合、温度センサ１０によって検出された温度が第１閾値温度Ｔｔｈ未満であるにもかかわらず、第２モードが選択され続ける期間が存在する。

第１弁７が閉鎖している状態において、作動流体は、ポンプ１に吸い込まれ、加圧される。高圧の作動流体は、再熱器２の第１部分２ａに流入する。第１部分２ａから流出した作動流体は、蒸発器３に流入する。蒸発器３において、作動流体は、熱源流体Ｇから熱を受け取って蒸発し、過熱状態の気相の作動流体へと変化する。高温かつ気相の作動流体は、膨張機４へと送られる。膨張機４において、作動流体の圧力エネルギーが機械エネルギーに変換され、発電機において電力が生成される。低圧の作動流体は、再熱器２の第２部分２ｂに流入する。第２部分２ｂから流出した作動流体は凝縮器５に流入する。作動流体は、凝縮器５おいて、外気によって冷却され、凝縮する。凝縮した作動流体はポンプ１によって加圧され、再び蒸発器３に送られる。

第１弁７が閉鎖している状態において、再熱器２では、ポンプ１から吐出された作動流体と膨張機４から吐出された作動流体との熱交換が行われる。ポンプ１から吐出された作動流体は、膨張機４から吐出された作動流体によって加熱され、膨張機４から吐出された作動流体はポンプ１から吐出された作動流体によって冷却される。

温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、第１弁７が開放される。これにより、作動流体が、第１バイパス流路Ｆ２を流れ、再熱器２の第１部分２ａをバイパスする。本実施の形態では、閾値温度は、作動流体の分解温度未満の温度である。

第１弁７が開放している状態において、一部の作動流体は再熱器２の第１部分２ａへ流れてもよい。第１部分２ａへ流れた一部の作動流体は、第１部分２ａで加熱され、その後、第１バイパス流路Ｆ２を流れた作動流体と合流する。合流後、作動流体は、蒸発器３へ流入する。

ただし、第１弁７が閉鎖している状態に比べて、第１弁７が開放している状態においては、第１部分２ａを流れる作動流体の流量は小さい。そのため、第１弁７が閉鎖している状態に比べて、第１弁７が開放している状態においては、第１部分２ａを流れる作動流体と第２部分２ｂを流れる作動流体との間の熱交換量は小さい。よって、第１弁７が開放している状態において、第１部分２ａにおける作動流体の温度の上昇幅は抑制される。このため、蒸発器３に温度が低い作動流体を供給し得る。

典型例では、第１弁７が開放している状態において、第１部分２ａを流れる作動流体の流量は、第１バイパス流路Ｆ２を流れる作動流体の流量に比べて小さい。一具体例では、第１部分２ａを流れる作動流体の流量は、第１バイパス流路Ｆ２を流れる作動流体の流量の０％以上３０％以下であり、０％以上２０％以下であってもよく、０％以上１０％以下であってもよい。第１部分２ａを流れる作動流体の流量は、実質的にゼロであってもよく、ゼロであってもよい。なお、実質的にゼロとは、完全なゼロのみならず、例えば流量の測定誤差等をゼロに加減算した範囲を含む意味である。

第１弁７が開放している状態において、第１部分２ａを流れる作動流体の流量を実質的にゼロにするために、分岐位置Ｂ１と再熱器２の高圧側の入口との間に追加の開閉弁を設けてもよい。追加の開閉弁は、合流位置Ｃ１と再熱器２の高圧側の出口との間に設けられていてもよい。２つの開閉弁に代えて、分岐位置Ｂ１または合流位置Ｃ１に三方弁が設けられていてもよい。

［１－３．効果等］
本実施の形態では、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度未満である場合、第１弁７は閉鎖している。この場合、第１バイパス流路Ｆ２に作動流体は流れない。つまり、ポンプ１から流出した作動流体は、再熱器２の第１部分２ａを経由して蒸発器３に導かれる。これにより、第１部分２ａを流れる作動流体と第２部分２ｂを流れる作動流体との間の熱交換量が確保される。このことは、第１部分２ａにおける作動流体の温度の上昇幅を稼ぎ易く、蒸発器３に供給される作動流体の温度を高め易いことを意味する。このことは、ランキンサイクル装置５０の運転効率を向上させる観点から有利である。

一方、温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、第１弁７が開放される。これにより、第１バイパス流路Ｆ２に作動流体が流れる。つまり、凝縮器５で冷却された作動流体が、第１部分２ａを経由せず蒸発器３に導かれる経路が形成される。これにより、第１部分２ａを流れる作動流体と第２部分２ｂを流れる作動流体との間の熱交換量が減少する。

以上の説明から理解されるように、本実施の形態によれば、再熱器２における熱交換により、ランキンサイクル装置５０の運転効率が向上し得る。一方、第１バイパス流路Ｆ２によれば、作動流体の温度が過度に上昇した場合あるいは過度に上昇しつつある場合、再熱器２による作動流体の温度上昇作用を抑制し、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。そのため、再熱器２を備えたランキンサイクル装置５０において、ファン６のサイズアップまたは回転数の大幅な増加を必要とすることなく、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。よって、低コスト化を図りつつランキンサイクル装置５０の信頼性を向上させることができる。

本実施の形態では、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が作動流体の分解温度以上である場合、第１弁７が開放する。このようにすれば、作動流体の温度が作動流体の分解温度以上に到達し難いので、作動流体が分解し難い。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１バイパス流路Ｆ２における作動流体の流量が増加してもよい。閾値温度は、作動流体の分解温度未満の値であってもよい。このような構成は、作動流体の分解を防止するのに適している。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１弁７の開度が増加してもよい。閾値温度は、作動流体の分解温度未満の値であってもよい。このような構成は、作動流体の分解を防止するのに適している。

また、本実施の形態において、閾値温度と分解温度との差は、８０℃以下であってもよい。このような構成によれば、作動流体の温度が分解温度よりも十分に低いにも関わらず第１バイパス流路Ｆ２における作動流体の流量が増加することを防止し易く、再熱器２に基づく運転効率の向上の効果を享受し易い。

閾値温度と分解温度との差は、７０℃以下であってもよく、６０℃以下であってもよい。閾値温度と分解温度との差は、２０℃以上８０℃以下であってもよく、３０℃以上７０℃以下であってもよく、４０℃以上６０℃以下であってもよい。一例では、閾値温度と分解温度との差は、５０℃である。

一具体例では、作動流体は、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）である。ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）の分解温度は、２５０℃である。ただし、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）の特性変化は温度が２２０から２３０℃であるときから徐々に起こり始めるという報告がある。そこで、少し余裕をみて閾値温度を２００℃と設定する。このようにすれば、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）の分解のみならず特性変化が生じ難い。

閾値温度と分解温度との差が８０℃以下である構成は、作動流体がＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）である場合以外においても採用され得る。この差が７０℃以下である構成、この差が６０℃以下である構成、この差が２０℃以上８０℃以下である構成、この差が３０℃以上７０℃以下である構成、この差が４０℃以上６０℃以下である構成、この差が５０℃である構成についても、同様である。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１バイパス流路Ｆ２における作動流体の流量が増加するとともに、ポンプ１の回転数が増加してもよい。ポンプ１の回転数だけでなく、第１バイパス流路Ｆ２における作動流体の流量も増加させれば、ポンプ１の回転数を大幅に増加させる必要がない。このような構成によれば、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１弁７の開度が増加するとともに、ポンプ１の回転数が増加してもよい。ポンプ１の回転数だけでなく、第１弁７の開度も増加させれば、ポンプ１の回転数を大幅に増加させる必要がない。このような構成によれば、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１バイパス流路Ｆ２における作動流体の流量が増加するとともに、ファン６の回転数が増加してもよい。ファン６の回転数だけでなく、第１バイパス流路Ｆ２における作動流体の流量も増加させれば、ファン６の回転数を大幅に増加させる必要がない。このような構成によれば、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１弁７の開度が増加するとともに、ファン６の回転数が増加してもよい。ファン６の回転数だけでなく、第１弁７の開度も増加させれば、ファン６の回転数を大幅に増加させる必要がない。このような構成によれば、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

図１の例では、冷却媒体は、外気である。

また、本実施の形態において、第１バイパス流路Ｆ２は、主流路Ｆ１から第１弁７まで延びる上流部分Ｆ２ａと、第１弁７から主流路Ｆ１まで延びる下流部分Ｆ２ｂとを含んでいてもよい。上流部分Ｆ２ａは下流部分Ｆ２ｂよりも長くてもよい。このような構成によれば、上流部分Ｆ２ａを流れている間に作動流体の温度が下がり易い。このため、第１弁７の温度は、上昇し難く、第１弁７の耐熱温度を超え難い。

また、本実施の形態において、作動流体は、フッ素化合物であってもよい。フッ素化合物である作動流体は、地球温暖化係数が低く、環境負荷が低い傾向にある。一方、フッ素化合物である作動流体は、分解温度が低い傾向にある。第１バイパス流路Ｆ２によれば、作動流体の温度上昇を抑制でき、作動流体の分解を抑制できる。このため、本実施の形態によれば、作動流体の環境負荷が低いというメリットを、作動流体が熱により分解し易いというデメリットを抑制しつつ享受できる。

なお、フッ素化合物は、フッ素原子を含む化合物である。

また、本実施の形態において、ランキンサイクル装置５０は、ランキンサイクル装置５０の外部から蒸発器３に熱源流体Ｇを導く熱源流路９を備えていてもよい。

熱源流路９は、熱源Ｓから蒸発器３に熱源流体Ｇを導く。熱源Ｓは、ランキンサイクル装置５０の外部に設けられている。具体的には、熱源Ｓは、工場、焼却炉等の施設である。熱源流体Ｇは、排気ガスである。熱源流路９は、排熱流路であり、具体的には排気ダクトである。

図１の例では、熱源流路９内に、蒸発器３が設けられている。図１に示すように、熱源流路９内に、蒸発器３が設けられていてもよい。この場合、蒸発器３は、排熱エネルギーを回収する熱交換器である。このような構成によれば、蒸発器３において、熱源流体Ｇと作動流体とを直接的に熱交換させ易く、蒸発器３で作動流体を加熱し易く、ランキンサイクル５０の運転効率を向上させ易い。

また、熱源Ｓの過渡変動により、熱源流体Ｇの温度が過渡的に上昇し得る。熱源流体Ｇの温度が過渡的に上昇すると、これに追随して蒸発器３から流出する作動流体の温度も過渡的に上昇し得る。例えば、熱源Ｓが工場、焼却炉等の施設である場合、ファン等の不具合によって、上記のような過渡変動が生じ得る。本実施の形態によれば、熱源流体Ｇの温度が過渡的に上昇し、これに追随して蒸発器３から流出する作動流体に分解温度を超えるような過昇温が生じても、第１バイパス流路Ｆ２により、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

以下、他の実施の形態を例示する。以下では、先に説明した実施の形態と同一の機能を有する構成要素には同一番号を付して詳細な説明は省略することがある。

（実施の形態２）
以下、図３を用いて、実施の形態２を説明する。

［２－１．構成］
ランキンサイクル装置６０は、図１を参照して説明したランキンサイクル装置５０に加え、第２バイパス流路Ｆ３をさらに備えている。

第２バイパス流路Ｆ３は、主流路Ｆ１における蒸発器３よりも下流側かつ膨張機４よりも上流側の部分と、主流路Ｆ１における第２部分２ｂよりも下流側かつ凝縮器５よりも上流側の部分とを接続している。第２バイパス流路Ｆ３は、膨張機４および再熱器２をバイパスする流路である。

第２バイパス流路Ｆ３は、第２弁８を有している。

温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、第１弁７および第２弁８が開放される。第１弁７の開度に応じて、第１部分２ａにおける作動流体の流量と第１バイパス流路Ｆ２における作動流体の流量とが調節される。第２弁８の開度に応じて、膨張機４および第２部分２ｂにおける作動流体の流量と第２バイパス流路Ｆ３における作動流体の流量とが調節される。本実施の形態では、第１弁７および第２弁８は、温度センサ１０によって検出された温度に基づき開閉する開閉弁である。

本実施の形態では、第１弁７および第２弁８は、温度センサ１０によって検出された温度に基づいて開閉する機械的な弁である。

本実施の形態では、第１弁７および第２弁８は、温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、すなわち、蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける作動流体の温度が閾値温度を跨いで上昇した場合、第１弁７および第２弁８の開度が増加する。閾値温度Ｔｔｈは、温度センサ１０の位置に応じて設定されてもよい。

第２弁８は、開閉弁であってもよく、流量調整弁であってもよい。第２弁８は、主流路Ｆ１と第２バイパス流路Ｆ３との分岐位置Ｂ２に設けられた三方弁であってもよく、主流路Ｆ１と第２バイパス流路Ｆ３との合流位置Ｃ２に設けられた三方弁であってもよい。

［２－２．動作］
以上のように構成されたランキンサイクル装置６０の運転の制御について、図４を参照しながら説明する。図４は、ランキンサイクル装置６０の運転の制御を示すフローチャートである。図４におけるＳＴ１は、図２におけるＳ１に対応している。図４におけるＳＴ２は、図２におけるＳ２に対応している。図４におけるＳＴ４は、図２におけるＳ４に対応している。図４におけるＳＴ５は、図２におけるＳ５に対応している。そのため、ランキンサイクル装置６０の運転の制御については、図２を参照しながら説明したランキンサイクル装置５０の運転の制御と異なるＳＴ３およびＳＴ６のみについて説明する。

温度Ｔが第１閾値温度Ｔｔｈ以上である場合、第１弁７および第２弁８を開放する（ステップＳＴ３）。第１弁７および第２弁８を開放することにより、作動流体の温度を下げることができる。

温度Ｔが第２閾値温度（Ｔｔｈ－α）以下である場合、第１弁７および第２弁８を閉鎖する（ステップＳＴ６）。

ランキンサイクル装置６０の運転の制御は、制御器１２によって行われてもよい。この場合、制御器１２は、図４のフローチャートの各処理を所定の制御周期で実行する。

ランキンサイクル装置６０の運転方法は、実施の形態１で説明したランキンサイクル装置５０の運転方法と、第２モードのみが異なる。ランキンサイクル装置６０の運転方法では、第２モードにおいて、膨張機４および第２部分２ｂをバイパスする第２バイパス流路Ｆ３に作動流体を流すことをさらに含む。

ランキンサイクル装置６０の運転方法においては、蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける作動流体の温度が閾値温度未満である場合、第１モードが選択される。蒸発器３の入口、蒸発器３の内部および蒸発器３の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける作動流体の温度が閾値温度以上である場合、第２モードが選択される。

第１モードにおいて、作動流体は、第１部分２ａに流れ、第１バイパス流路Ｆ２には流れない。また、第１モードにおいて、作動流体は、第２部分２ｂに流れ、第２バイパス流路Ｆ３には流れない。一方、第２モードにおいて、作動流体は、第１バイパス流路Ｆ２のみに流れてもよく、第１バイパス流路Ｆ２に加えて第１部分２ａに流れてもよい。また、第２モードにおいて、作動流体は、第２バイパス流路Ｆ３のみに流れてもよく、第２バイパス流路Ｆ３に加えて第２部分２ｂに流れてもよい。

図４のフローチャートにおけるステップＳＴ２は、第１モードと第２モードとのいずれかの運転モードを選択するステップである。ヒステリシス制御を採用した場合、温度センサ１０によって検出された温度が第１閾値温度Ｔｔｈ未満であるにもかかわらず、第２モードが選択され続ける期間が存在する。

第１弁７および第２弁８が閉鎖している状態における作動流体の流れは、実施の形態１で説明した通りである。

温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、第１弁７および第２弁８が開放される。これにより、作動流体が、第１バイパス流路Ｆ２を流れ、再熱器２の第１部分２ａをバイパスするようになる。また、作動流体が、第２バイパス流路Ｆ３を流れ、膨張機４および再熱器２の第２部分２ｂをバイパスするようになる。本実施の形態では、閾値温度は、作動流体の分解温度未満である。

温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、第１弁７および第２弁８は、略同時に開放されてもよい。温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、まず第１弁７が開放され、次に第２弁８が開放されてもよい。温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、まず第２弁８が開放され、次に第１弁７が開放されてもよい。ただし、第１弁７よりも先に第２弁８が開放される場合において、第２弁８の開放と第１弁７の開放との間にある程度の時間が存在すると、その間に再熱器２の第１部分２ａにより加熱された作動流体が蒸発器３に流入する。そのため、温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、第１弁７および第２弁８は、略同時に開放されてもよい。もしくは、まず第１弁７が開放され、次に第２弁８が開放されてもよい。なお、略同時とは、同時または実質的に同時とみなせる程度にわずかな時間以内を意味する。

第２弁８が開放している状態において、一部の作動流体は膨張機４へ流れてもよい。膨張機４へ流れた一部の作動流体は、次に、再熱器２の第２部分２ｂで冷却され、その後、第２バイパス流路Ｆ３を流れた作動流体と合流する。合流後、作動流体は、凝縮器５へ流入する。

第１弁７および第２弁８が閉鎖している状態に比べ、第１弁７および第２弁８が開放している状態においては、第１部分２ａを流れる作動流体と第２部分２ｂを流れる作動流体との間の熱交換量はかなり小さい。そのため、第１弁７および第２弁８が開放している状態において、第１部分２ａにおける作動流体の温度の上昇幅は大幅に抑制される。このため、蒸発器３に温度がより低い作動流体を供給し得る。

典型例では、第２弁８が開放している状態において、第２部分２ｂを流れる作動流体の流量は、第２バイパス流路Ｆ３を流れる作動流体の流量に比べて小さい。一具体例では、第２部分２ｂを流れる作動流体の流量は、第２バイパス流路Ｆ３を流れる作動流体の流量の０％以上３０％以下であり、０％以上２０％以下であってもよく、０％以上１０％以下であってもよい。第２部分２ｂを流れる作動流体の流量は、実質的にゼロであってもよく、ゼロであってもよい。

第２弁８が開放している状態において、第２部分２ｂを流れる作動流体の流量を実質的にゼロにするために、分岐位置Ｂ２と膨張機４の入口との間に追加の開閉弁を設けてもよい。追加の開閉弁は、合流位置Ｃ２と再熱器２の低圧側の出口との間に設けられていてもよい。２つの開閉弁に代えて、分岐位置Ｂ２または合流位置Ｃ２に三方弁が設けられていてもよい。

［２－３．効果等］
本実施の形態では、温度センサ１０によって検出された温度が閾値温度以上である場合、第１弁７および第２弁８が開放される。これにより、第１バイパス流路Ｆ２および第２バイパス流路Ｆ３に作動流体が流れる。つまり、凝縮器５で冷却された作動流体が、第１部分２ａを経由せず蒸発器３に導かれるとともに、蒸発器３から流出した作動流体が、膨張機４および第２部分２ｂを経由せずに最短ルートで凝縮器５に導かれ、冷却される。これにより、第１部分２ａを流れる作動流体と第２部分２ｂを流れる作動流体との間の熱交換量が大幅に減少する。

また、本実施の形態において、第２バイパス流路Ｆ３は、主流路Ｆ１における蒸発器３よりも下流側かつ膨張機４よりも上流側の部分と、主流路Ｆ１における第２部分２ｂよりも下流側かつ凝縮器５よりも上流側の部分とを接続している。これにより、第２弁８の開度が非ゼロであるときに、第２部分２ｂに作動流体が流れることを膨張機４により制限しながら、第２バイパス流路Ｆ３に作動流体を流すことができる。このようにすれば、第２部分２ｂにおける作動流体の流量を小さい値またはゼロにし易い。

また、本実施の形態によれば、凝縮器５から流出した作動流体の温度が高い場合であっても、第１バイパス流路Ｆ２によって、第１部分２ａを経由せずに作動流体を蒸発器３に導くことができる。そして、第２バイパス流路Ｆ３によって、蒸発器３から流出した作動流体の全てが膨張機４に流れることを回避できる。これにより、膨張機４の熱による損傷およびこれに伴う発電機の発電電力の低下が生じ難くなる。

ここで、再熱器２は、ランキンサイクル装置６０の発電効率を向上させるというメリットをもたらし得る一方で、低圧側の第２部分２ｂにおいて作動流体の圧力を損失させるというデメリットももたらし得る。外気温が高いとき、または膨張機４の吐出温度が低くなるような条件では、再熱器２における圧力損失というデメリットが増加する傾向がある。第２バイパス流路Ｆ３によれば、上述のような条件下においても、再熱器２の第２部分２ｂにおける作動流体の圧力損失を抑制することができるので、発電効率を向上させることができるという利点がある。

以上の説明から理解されるように、本実施の形態によれば、再熱器２における熱交換により、ランキンサイクル装置６０の運転効率が向上し得る。一方、第１バイパス流路Ｆ２および第２バイパス流路Ｆ３によれば、作動流体の温度が過度に上昇した場合あるいは過度に上昇しつつある場合、再熱器２による作動流体の温度上昇作用を大幅に抑制し、作動流体の温度をより速やかに低下させることができる。そのため、再熱器２を備えたランキンサイクル装置６０において、ファン６のサイズアップまたは回転数の大幅な増加を必要とすることなく、作動流体の温度をより速やかに低下させることができる。よって、低コスト化を図りつつランキンサイクル装置６０の信頼性をより向上させることができる。

本実施の形態では、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が作動流体の分解温度以上である場合、第１弁７および第２弁８が開放する。このようにすれば、作動流体の温度が作動流体の分解温度以上になり難いので、作動流体が分解し難い。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１バイパス流路Ｆ２および第２バイパス流路Ｆ３における作動流体の流量が増加してもよい。閾値温度は、作動流体の分解温度未満の値であってもよい。このような構成は、作動流体の分解を防止するのに適している。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１弁７および第２弁８の開度が増加してもよい。閾値温度は、作動流体の分解温度未満の値であってもよい。このような構成は、作動流体の分解を防止するのに適している。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１バイパス流路Ｆ２および第２バイパス流路Ｆ３における作動流体の流量が増加するとともに、ポンプ１の回転数が増加してもよい。ポンプ１の回転数だけでなく、第１バイパス流路Ｆ２および第２バイパス流路Ｆ３における作動流体の流量も増加させれば、ポンプ１の回転数を大幅に増加させる必要がない。このような構成によれば、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１弁７および第２弁８の開度が増加するとともに、ポンプ１の回転数が増加してもよい。ポンプ１の回転数だけでなく、第１弁７および第２弁８の開度も増加させれば、ポンプ１の回転数を大幅に増加させる必要がない。このような構成によれば、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１バイパス流路Ｆ２および第２バイパス流路Ｆ３における作動流体の流量が増加するとともに、ファン６の回転数が増加してもよい。ファン６の回転数だけでなく、第１バイパス流路Ｆ２および第２バイパス流路Ｆ３における作動流体の流量も増加させれば、ファン６の回転数を大幅に増加させる必要がない。このような構成によれば、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

また、本実施の形態において、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、第１弁７および第２弁８の開度が増加するとともに、ファン６の回転数が増加してもよい。ファン６の回転数だけでなく、第１弁７および第２弁８の開度も増加させれば、ファン６の回転数を大幅に増加させる必要がない。このような構成によれば、温度センサ１０によって検出された作動流体の温度が閾値温度以上である場合に、作動流体の温度を速やかに低下させることができる。

また、本実施の形態において、第２バイパス流路Ｆ３は、主流路Ｆ１から第２弁８まで延びる上流部分Ｆ３ａと、第２弁８から主流路Ｆ１まで延びる下流部分Ｆ３ｂとを含んでいてもよい。上流部分Ｆ３ａは下流部分Ｆ３ｂよりも長くてもよい。このような構成によれば、上流部分Ｆ３ａを流れている間に作動流体の温度が下がり易い。このため、第２弁８の温度は、上昇し難く、第２弁８の耐熱温度を超え難い。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１および２を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略等を行った実施の形態にも適用できる。

以下、他の実施の形態を例示する。

膨張機４が容積型のレシプロ式の膨張機であれば、膨張比を増加させることができる。このため、サイクル条件に適した仕様を採用し易い。このことは、ランキンサイクル装置の運転効率を向上させる観点から有利である。ただし、膨張機４は、容積型のスクロール式の膨張機であってもよい。膨張機４は、速度型のタービンであってもよい。膨張機４が容積型のスクロール式の膨張機であれば、膨張機の振動を低減し易い。膨張機４が速度型のタービンであれば、大流量に対応し易い。

凝縮器５は、シェルアンドチューブ熱交換器およびプレート熱交換器等の間接接触型の熱交換器であってもよく、噴霧式または充填材式の熱交換器等の直接接触式の熱交換器であってもよい。

作動流体は、その他ＨＦＯ系、またはＨＦＣ系、イソペンタン等の炭化水素であってもよい。用途に応じて作動流体の選択が可能である。ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）は、地球温暖化係数が小さい。そのため、作動流体がＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）であれば、環境負荷を低減し易い。一例に係る排熱利用のランキンサイクルでは、作動流体の温度、熱源流体Ｇの温度、外気温等を考慮すると、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）を使用することにより、発電効率向上、信頼性向上、環境負荷低減等がバランスよく実現されることが期待される。

上述の通り、各実施の形態の構成の一部を省略可能である。例えば、熱源流路９内に蒸発器３を配置したり、熱源流体Ｇと作動流体とを直接的に熱交換させたりすることは、必須ではない。

本開示に係る技術は、工場、温泉、焼却炉等の施設あるいは自動車等の排熱から熱を回収して発電を行うランキンサイクル装置に有用である。また、本開示に係る技術は、ＣＨＰ（Combined Heat and Power）、燃料電池等のコジェネレーションシステムに適用可能である。

１ ポンプ
２ 再熱器
２ａ 第１部分
２ｂ 第２部分
３ 蒸発器
４ 膨張機
５ 凝縮器
６ ファン
７ 第１弁
８ 第２弁
９ 熱源流路
１０ 温度センサ
１２ 制御器
５０，６０ ランキンサイクル装置
Ｆ１ 主流路
Ｆ２ 第１バイパス流路
Ｆ２ａ 上流部分
Ｆ２ｂ 下流部分
Ｆ３ 第２バイパス流路
Ｆ３ａ 上流部分
Ｆ３ｂ 下流部分
Ｂ１ 分岐位置（主流路Ｆ１と第１バイパス流路Ｆ２）
Ｃ１ 合流位置（主流路Ｆ１と第１バイパス流路Ｆ２）
Ｂ２ 分岐位置（主流路Ｆ１と第２バイパス流路Ｆ３）
Ｃ２ 合流位置（主流路Ｆ１と第２バイパス流路Ｆ３）
Ｇ 熱源流体
Ｓ 熱源

Claims (8)

1. ポンプ、第１部分、蒸発器、膨張機、第２部分および凝縮器を有し、作動流体がこれらの要素をこの順番で流れるように構成され、前記第１部分を流れる前記作動流体と前記第２部分を流れる前記作動流体とが熱交換する再熱器が設けられている主流路と、
   第１弁を有し、前記主流路における前記ポンプよりも下流側かつ前記第１部分よりも上流側の部分と、前記主流路における前記第１部分よりも下流側かつ前記蒸発器よりも上流側の部分とを接続している第１バイパス流路と、
   前記蒸発器の入口、前記蒸発器の内部および前記蒸発器の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける前記作動流体の温度を検出する温度センサと、
   を備えた、
   ランキンサイクル装置。
2. 前記温度センサによって検出された温度が閾値温度以上である場合、前記第１弁が開放される、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
3. 第２弁を有し、前記主流路における前記蒸発器よりも下流側かつ前記膨張機よりも上流側の部分と、前記主流路における前記第２部分よりも下流側かつ前記凝縮器よりも上流側の部分とを接続している第２バイパス流路をさらに備えた、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
4. 前記温度センサによって検出された温度が閾値温度以上である場合、前記第１弁および前記第２弁が開放される、請求項３に記載のランキンサイクル装置。
5. 前記閾値温度は、前記作動流体の分解温度未満である、請求項２または４に記載のランキンサイクル装置。
6. 第１モードにおいて、ポンプ、第１部分、蒸発器、膨張機、第２部分、および凝縮器に、この順に作動流体を流すことと、ここで、前記第１部分を流れる前記作動流体と前記第２部分を流れる前記作動流体とが熱交換する再熱器が設けられており、
   第２モードにおいて、前記第１部分をバイパスする第１バイパス流路に前記作動流体を流すことと、を含む、ランキンサイクル装置の運転方法。
7. 第２モードにおいて、前記膨張機および前記第２部分をバイパスする第２バイパス流路に前記作動流体を流すことをさらに含む、請求項６に記載のランキンサイクル装置の運転方法。
8. 前記蒸発器の入口、前記蒸発器の内部および前記蒸発器の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける前記作動流体の温度が閾値温度未満である場合、前記第１モードが選択され、
   前記蒸発器の入口、前記蒸発器の内部および前記蒸発器の出口からなる群より選ばれる少なくとも１つにおける前記作動流体の温度が閾値温度以上である場合、前記第２モードが選択される、請求項６または７に記載のランキンサイクル装置の運転方法。

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