JP5671442B2 - 熱エネルギ利用装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、膨張機で回転駆動力を得る熱エネルギ利用装置及びその運転方法に関するものである。

近年、地球温暖化対策のため、化石燃料の代替エネルギーとして再生可能エネルギーの導入が図られており、その一つとして、蒸気タービンを回転させるほどの熱量を持たない低温の熱源（例えば地熱等）で暖められた加熱媒体（例えば水等）から低沸点の作動媒体の熱サイクルへ熱を移動し、この循環サイクル内で作動媒体を用いた発電を行うバイナリー発電システムが着目されている。バイナリー発電システムは、ランキンサイクルによる動力発生機関を利用して発電を行うもので、作動媒体の蒸発器、スクリュタービン等の膨張機、油セパレータ、凝縮器及び作動媒体ポンプを直列に接続して閉じた作動媒体ループを構成し、前記膨張機で発電機を駆動する発電装置である。

そして例えば、スクリュタービンを用いたバイナリー発電システムでは、スクリュタービンや軸受の潤滑に用いる潤滑油は、システムの簡素化を狙って、作動媒体と溶解できる潤滑油を用いている。従って、システムの停止時や運転中の熱源の温度低下時等、潤滑油の温度が低下すれば、作動媒体は所定の割合で潤滑油に溶け込むことになる。そのため、システム停止後、再起動する場合には、スクリュタービンを用いたバイナリー発電システムでは、安定運転を期してスクリュタービンの起動前に媒体循環運転を行い、機器のウオーミングアップを行っていた。

そこで先ず、従来技術に係る動力発生機関について、以下添付図６を参照しながら説明する。図６は、従来技術１に係る動力発生機関の運転方法の一実施例を適用した動力発生機関の系統図である。

従来技術１に係る動力発生機関の運転方法は、膨張機４１、凝縮器４２、液ポンプ４３、蒸気発生器４４及び油分離器４５からなり、この油分離器４５と前記膨張機４１を作動媒体路５１及び給油路５２により連結した動力発生装置において、前記作動媒体路５１及び給油路５２に閉塞手段５３，５４を夫々設け、この両閉塞手段５３，５４を前記液ポンプ４３に連動させるようにしたものである。

即ち、前記動力発生機関の起動時には、先ず液ポンプ４３を駆動し、次いで給油路５２に設けた閉塞手段５４を開き、同時にまたはある設定時間の経過後に、作動媒体路５１に設けた閉塞手段５３を閉じる。その結果、蒸気発生器４４内の作動媒体が、搬送手段４８により送られた高温媒体により加熱されると共に加圧される一方、油分離器４５で分離された潤滑油が、給油孔５０ａ，５０ｂを経て膨張機４１へ供給されるので、前記潤滑油が昇温されて、この潤滑油に溶け込んでいた作動媒体を蒸発させて、潤滑油の粘度が高められる。

そして、潤滑油の温度が十分に上昇するある設定時間の経過後に、作動媒体路５１に設けた閉塞手段５３を開いて、膨張機４１へ作動媒体を送ることにより、動力発生機関を円滑にかつ迅速に起動することができる

一方、運転を停止する場合には、先ず液ポンプ４３を停止した後、ある設定時間の経過
後に作動媒体路５１に設けた閉塞手段５３を閉じると同時に、またはある設定時間の経過
後に、給油路５２に設けた閉塞手段５４を閉じる。この様に操作することにより、動力発
生機関を円滑にかつ迅速に停止させることができる（特許文献１参照）。

更に、従来技術２に係るランキン機関の油分離装置には、膨張機、凝縮器、冷媒ポンプ
、蒸気発生器及び油分離装置よりなるランキン機関において、該油分離装置の油溜部に高
熱源（前記蒸気発生器で発生した蒸気）を導入する熱交換器が設けられている（特許文献
３参照）。その結果、油分離装置内の液冷媒を含有した油から冷媒を蒸発させて、冷媒含
有量の少ない油を膨張機の潤滑系統に給油できる。

上記従来技術においては、運転中の蒸気発生器の出口からは通常、気化した作動媒体（冷媒）ガスが出てくる。前記蒸気発生器において、作動媒体の気化に伴って潤滑油が随伴され、作動媒体ガスと潤滑油が油分離装置に入る。しかしながら、システム停止後の機関の温度低下により潤滑油が溶け込んだ作動媒体が生じ、起動の際にそれが蒸発器へ送られると蒸発器内において潤滑油の滞留する量が多くなり、蒸発器における作動媒体の蒸発に寄与する伝熱面積が減少する。

ウォーミングアップ時に、蒸発器内の潤滑油は、作動媒体の温度及び圧力が上昇して、作動媒体蒸気となって蒸発器を出るときに随伴されて油分離器へと送られるが、伝熱面積が減少していることにより作動媒体が気化する量が減るため、作動媒体蒸気に随伴される潤滑油量は少ない。従って、暫くの間は潤滑油が蒸発器内に滞留し続ける。そのため、その間の作動媒の蒸発量が制限されることとなり、ウオーミングアップ時間（起動時間）が長くなってしまう。

また、熱源の温度が一時低下して運転中に蒸気発生器に供給される加熱媒体（例えば温水）の温度が下がった場合も、蒸発器内において潤滑油の滞留する量が一時的に多くなる。蒸発器内の潤滑油は、加熱媒体の温度が再度上昇すれば、再び作動媒体の温度及び圧力が上昇して、作動媒体蒸気が蒸発器を出るときに随伴されて油分離器へと送られる。しかし、滞留する潤滑油の量が多くなっている蒸発器においては、作動媒体の蒸発に寄与する伝熱面積が減少していることにより作動媒体が気化する量が減るため、作動媒体蒸気に随伴される潤滑油量は少ない。

従って、温水温度が再び必要温度まで上昇してきても、暫らくの間は蒸気発生器の伝熱面積が少ない状態が続くため、膨張機が回転軸の軸端において定格出力を出せない状態、即ち低出力の状態が継続される。また、温水温度が少し上がっただけでは、蒸気発生器の蒸発量が少なく、余分に潤滑油を随伴することができないため、低出力が長時間続くことになる。

特開昭６０−６０２０９号公報 特開昭５８−３２９０８号公報

従って、本発明の目的は、蒸発器内に溜まり易い潤滑油を油分離タンクへ移送して、円滑にかつ迅速に起動可能な熱エネルギ利用装置、乃至は、出力低下を早期に解消可能な熱エネルギ利用装置、及びその運転方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る熱エネルギ利用装置は、作動媒体を蒸発させる蒸発器、潤滑油を前記作動媒体と分離するための油分離タンク、蒸発した前記作動媒体蒸気を膨張させる膨張機、前記作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器、及び前記作動媒体を循環させる循環ポンプを閉ループ状に順次接続して循環流路が形成され、前記膨張機を前記作動媒体蒸気の膨張により駆動可能に構成して当該膨張機の回転軸から回転駆動力を得る熱エネルギ利用装置である。

同時に、この熱エネルギ利用装置が採用した手段は、前記蒸発器に供給する加熱媒体として温水が用いられると共に、前記作動媒体として水よりも沸点が低く前記膨張機へ給油される潤滑油よりも比重の大きい媒体が用いられ、前記油分離タンクに液面計が設けられると共に、この液面計の検知信号に基づいて前記蒸発器に温水を送る温水ポンプまたは温水供給弁を制御する制御装置が設けられてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係る熱エネルギ利用装置は、作動媒体を蒸発させる蒸発器、潤滑油を前記作動媒体と分離するための油分離タンク、蒸発した前記作動媒体蒸気を膨張させる膨張機、前記作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器、及び前記作動媒体を循環させる循環ポンプを閉ループ状に順次接続して循環流路が形成され、前記膨張機を前記作動媒体蒸気の膨張により駆動可能に構成して当該膨張機の回転軸から回転駆動力を得る熱エネルギ利用装置である。

同時に、この熱エネルギ利用装置が採用した手段は、前記蒸発器に供給する加熱媒体として温水が用いられると共に、前記作動媒体として水よりも沸点が低く前記膨張機へ給油される潤滑油よりも比重の大きい媒体が用いられ、前記油分離タンクに設けられた液面計と、この液面計の検知信号に基づいて前記蒸発器に温水を送る温水ポンプまたは温水供給弁を制御する制御装置であって、前記液面計の検知信号が予め設定された下限値以下となった場合、前記循環ポンプを作動させた状態で、前記温水ポンプを一旦停止または前記温水供給弁を一旦閉止させる一方、前記液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、前記温水ポンプを駆動または前記温水供給弁を開放させる制御装置と、を備えてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係る熱エネルギ利用装置が採用した手段は、請求項１または２に記載の熱エネルギ利用装置において、前記油分離タンクの内側或いは外側の何れか一方または両方に、電気ヒータ、温水ヒータもしくは蒸気ヒータの何れかが配設されてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る熱エネルギ利用装置が採用した手段は、請求項１乃至３の何れか一つの項に記載の熱エネルギ利用装置において、前記作動媒体がＨＦＣ２４５ｆａからなることを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係る熱エネルギ利用装置が採用した手段は、請求項１乃至４の何れか一つの項に記載の熱エネルギ利用装置であって、前記膨張機の回転軸に接続され、当該回転軸からの回転駆動力で駆動する発電機を備えてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項６に係る熱エネルギ利用装置の運転方法が採用した手段は、請求項１に記載の熱エネルギ利用装置において、前記液面計の検知信号が予め設定された下限値以下である場合、前記蒸発器への温水供給を停止した状態で前記循環ポンプを起動する一方、前記液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、前記蒸発器への温水供給を開始することを特徴とする運転方法である。

本発明の請求項７に係る熱エネルギ利用装置の運転方法が採用した手段は、請求項２乃至５に記載の熱エネルギ利用装置において、前記液面計の検知信号が予め設定された下限値以下となった場合、前記循環ポンプを作動させた状態で前記蒸発器への温水供給を一旦停止する一方、前記液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、前記蒸発器への温水供給を再開することを特徴とする運転方法である。

本発明の請求項１に係る熱エネルギ利用装置によれば、特定の関係にある、蒸発器に供給する加熱媒体、作動媒体および膨張機へ給油される潤滑油とを用い、潤滑油を作動媒体と分離するための油分離タンクが高圧側の蒸発器と膨張機の間に配置され、油分離タンクに液面計が設けられると共に、この液面計の検知信号に基づいて蒸発器に温水を送る温水ポンプまたは温水供給弁を制御する制御装置が設けられてなるので、蒸発器内に溜まっている潤滑油を効率的に油分離タンクへ移送できるため、前記熱エネルギ利用装置を円滑にかつ迅速に起動することができる。

本発明の請求項２に係る熱エネルギ利用装置によれば、特定の関係にある、蒸発器に供給する加熱媒体、作動媒体及び膨張機へ給油される潤滑油とを用い、潤滑油を作動媒体と分離するための油分離タンクが高圧側の蒸発器と膨張機の間に配置され、油分離タンクに設けられた液面計と、この液面計の検知信号に基づいて蒸発器に温水を送る温水ポンプまたは温水供給弁を制御する制御装置であって、液面計の検知信号が予め設定された下限値以下となった場合、循環ポンプを作動させた状態で、温水ポンプを一旦停止または温水供給弁を一旦閉止させる一方、液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、温水ポンプを駆動または温水供給弁を開放させる制御装置と、を備えている。

そのため、油分離タンク内の潤滑油量が減少してきていること、即ち蒸発機内に滞留する潤滑油が多くなってきていることを検知して、蒸発器内の潤滑油を油分離タンクへと移送し、且つ、油分離タンク内の潤滑油量が所定量になったこと、即ち蒸発機内に滞留する潤滑油が減少したことを検知して、作動媒体の蒸発を再開させることができるので、熱エネルギ利用装置の出力低下を早期に解消可能である。

また、本発明の請求項３に係る熱エネルギ利用装置によれば、前記油分離タンクの内側或いは外側の何れか一方または両方に、電気ヒータ、温水ヒータもしくは蒸気ヒータの何れかが配設されている。前記油分離タンク内に溜まった作動媒体液は、温度により潤滑油へ溶け込む量が大きく異なり、低温では相当量の作動媒体液が潤滑油に溶け込んでいるが、前記電気ヒータまたは温水ヒータにより分離タンクを昇温すると、前記作動媒体液の潤滑油への溶け込み量が激減し、膨張機への給油を潤滑油リッチにすることができる。

更に、本発明の請求項４に係る熱エネルギ利用装置によれば、前記作動媒体がＨＦＣ２４５ｆａからなるので、前記作動媒体が水よりも沸点が低く前記膨張機へ給油される潤滑油よりも比重が大きくなり、温水の温度が低下した際に、前記蒸発器において潤滑油リッチの作動媒体液が蒸発器の上部に集約されるため、その潤滑油リッチの作動媒体液を、油分離タンクに送ることが容易にできる様になる。

また更に、本発明の請求項５に係る熱エネルギ利用装置によれば、前記膨張機の回転軸に接続され、当該回転軸からの回転駆動力で駆動する発電機を備えてなるので、熱エネルギ利用装置を円滑にかつ迅速に起動することができる発電装置、或いは出力低下を早期に解消可能な発電装置として使用することができる。

そして、本発明の請求項６に係る熱エネルギ利用装置の運転方法によれば、請求項１に記載の熱エネルギ利用装置において、前記液面計の検知信号が予め設定された下限値以下となった場合、前記蒸発器への温水供給を停止した状態で前記循環ポンプを起動するので、前記蒸発器の温度と出口圧力が下がり、潤滑油リッチな作動媒体液が蒸発器の出口からあふれ出てくる。つまり、前記作動媒体の比重の方が前記潤滑油より大きいため、前記蒸発器の上方の潤滑油リッチの作動媒体液が油分離タンクにあふれ出ることになる。このあふれ出た潤滑油リッチな作動媒体液を前記油分離タンクで溜め、この油分離タンクの液量が上限値未満に至るまで継続する。

一方、前記液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、前記蒸発器への温水供給を開始して熱エネルギ利用装置を起動する。この様な操作により、蒸発器に溜まっていた潤滑油を油分離タンクへ移送可能となり、熱エネルギ利用装置を、円滑にかつ迅速に起動することができるようになる。

また、本発明の請求項７に係る熱エネルギ利用装置の運転方法によれば、請求項２乃至５の何れか一つの項に記載の熱エネルギ利用装置において、前記液面計の検知信号が予め設定された下限値以下となった場合、前記循環ポンプを作動させた状態で前記蒸発器への温水供給を一旦停止するので、前記蒸発器の温度と出口圧力が下がり、潤滑油リッチな作動媒体液が蒸発器の出口からあふれ出てくる。つまり、前記作動媒体の比重の方が前記潤滑油より大きいため、前記蒸発器の上方の潤滑油リッチの作動媒体液が油分離タンクにあふれ出ることになる。このあふれ出た潤滑油リッチな作動媒体液を前記油分離タンクで溜め、この油分離タンクの液量が上限値未満に至るまで継続する。

一方、前記液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、前記蒸発器への温水供給を再開して通常運転状態に戻す。この様な操作により、蒸発器に溜まっていた潤滑油を油分離タンクへ移送可能となり、蒸発器内における作動媒体液の蒸発に寄与する伝熱面積の減少を早期解消することができるので、熱エネルギ利用装置の出力低下を早期に解消することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る熱エネルギ利用装置の模式的系統図を示す。 本発明の実施の形態に係る油分離タンクのヒータ構成を説明するための図であって、図（ａ）はタンク内に電気ヒータを配設した模式的断面図、図（ｂ）はタンク外表面に電気ヒータを配設した模式的外形図、図（ｃ）はタンク内に温水もしくは蒸気ヒータを配設した模式的断面図、及び図（ｄ）はタンク外表面に温水もしくは蒸気ヒータを配設した模式的外形図である。 本発明の実施の形態に係る制御装置による第１の運転形態（第１実施例）を説明するための制御フローチャートを示す。 本発明の実施の形態に係る制御装置による第２の運転形態（第２実施例）を説明するための制御フローチャートを示す。 本発明の実施の形態に係り、温度をパラメータとして潤滑油の作動媒体溶解度と圧力の関係を示す図である。 従来技術１に係る動力発生機関の運転方法の一実施例を適用した動力発生機関の系統図である。

本発明の実施の形態に係る熱エネルギ利用装置及びその運転方法につき、膨張機としてスクリュ膨張機を用いると共に、スクリュ膨張機の回転軸に発電機を接続した態様例を、以下添付図１〜５を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に係る熱エネルギ利用装置の模式的系統図を示し、図２は本発明の実施の形態に係る油分離タンクのヒータ構成を説明するための図であって、図（ａ）はタンク内に電気ヒータを配設した模式的断面図、図（ｂ）はタンク外表面に電気ヒータを配設した模式的外形図、図（ｃ）はタンク内に温水もしくは蒸気ヒータを配設した模式的断面図、及び図（ｄ）はタンク外表面に温水もしくは蒸気ヒータを配設した模式的外形図を示す。また、図３は本発明の実施の形態に係る制御装置による第１の運転形態（第１実施例）を説明するための制御フローチャート、図４は本発明の実施の形態に係る制御装置による第２の運転形態（第２実施例）を説明するための制御フローチャート、図５は本発明の実施の形態に係り、温度をパラメータとして潤滑油の作動媒体溶解度と圧力の関係を示す図である。

この熱エネルギ利用装置は、作動媒体を蒸発させる蒸発器５、潤滑油を前記作動媒体と分離するための油分離タンク６、蒸発した前記作動媒体蒸気を膨張させるスクリュ膨張機１、前記作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器３、及び前記作動媒体を循環させる循環ポンプ４を、作動媒体循環流路（循環流路）２０により閉ループ状に接続し、前記スクリュ膨張機１に発電機２を連結して駆動可能に構成されている。作動媒体循環流路２０は、循環ポンプ４の吐出口から蒸発器５及び油分離タンク６を経てスクリュ膨張機１の供給口に至る作動媒体供給流路２０ａと、スクリュ膨張機１の吐出口から凝縮器３を経て循環ポンプ４の吸込口に至る作動媒体排出流路２０ｂからなる。

先ず、本発明の実施の形態に係る熱エネルギ利用装置につき、作動媒体の流れに沿って順次詳細に説明する。
スクリュ膨張機１は、互いに噛み合う雌雄一対のスクリュロータ（図示せず）を備えている。このスクリュロータには、回転軸方向へ延びるロータ軸１２が設けられており、膨張機ケーシング１１の発電機２側の面を貫通して、発電機２のロータ（図示せず）と連結されている。スクリュ膨張機１には、雌雄一対の前記スクリュロータとそのスクリュロータを収容する膨張機ケーシング１１により作動媒体を膨張させる膨張空間が形成されている。

スクリュ膨張機１は、スクリュ式以外のロータリー式、スクロール式、ターボ式またはレシプロ式の何れか一つの型式からなる膨張手段と、この膨張手段を収容するケーシングとにより前記作動媒体を膨張させる膨張空間が形成されてなる膨張機でも良い。この様な型式の膨張機は、市販の膨張機を活用することができる。

発電機２は、電磁誘導を利用し、図示しないロータと図示しないステータとの相互作用により電気エネルギーを得る装置である。発電機２のロータは、スクリュ膨張機１のケーシング１１を貫通して外側に突出した回転軸であるロータ軸１２と接続されている。発電機２は、スクリュ膨張機１のロータ軸１２が回転駆動することにより、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換している。そして、スクリュ膨張機１と発電機２とにより、発電ユニットＧが構成されている。

図例では、膨張機ケーシング１１の外部に発電機２を設けているが、膨張機ケーシング１１に対して発電機２のケーシングを延設するように気密的に接続してもよい。これにより、膨張機１からの作動媒体の漏洩を防止することができる様になる。

本発明に係る作動媒体は、蒸発器５の一次側に設けられた温水流路２３に供給される加熱媒体として温水を用いていることから、水よりも沸点が低い媒体が用いられ、作動媒体の循環し易さを考慮して、出口が上部に設けられている蒸発器５において潤滑油リッチな作動媒体を排出し易くするために、前記膨張機１へ給油される潤滑油よりも比重の大きい媒体が用いられている。特に、可燃性や毒性がない、更にはオゾン破壊係数が０であるという 点 から、ＨＦＣ２４５ｆａからなる作動媒体が好ましい。この様な作動媒体には、温度と圧力に応じてタービン油等の潤滑油が溶け込んでいる。

スクリュ膨張機１には、油分離タンク６で分離された潤滑油を図示しない軸受、ロータ外周面及び膨張空間に給油するため、油分離タンク６から作動媒体供給流路２０ａとは別に、給油流路２１が接続されている。給油後にスクリュ膨張機１の軸受等から排出された潤滑油は、作動媒体と共にスクリュ膨張機１の排出口から排出され、 凝 縮器３を経て循環ポンプ４に至る作動媒体排出流路２０ｂに送られる。凝縮器３では、スクリュ膨張機１の排出口から作動媒体排出流路２０ｂを経て流入した作動媒体蒸気が、２次側に設けられた冷却水流路２２により供給される冷却水との熱交換により冷却されて液化する。

循環ポンプ４は、作動媒体排出流路２０ｂにより送流された潤滑油を含む作動媒体液（作動媒体と潤滑油との混合物）を圧送する。循環ポンプ４の吐出口は、ポンプ４により圧送された作動媒体液を蒸発して気化させる蒸発器５と、作動媒体供給流路２０ａにより接続されている。蒸発器５では、作動媒体供給流路２０ａを経て蒸発器５の下部より流入した前記作動媒体液は、温水流路２３に介設された温水ポンプ１３または図示しない温水供給弁により供給される温水と熱交換され、加熱されて気化する。蒸発器５の下流には、蒸発器５の作動媒体蒸気とそれに随伴して蒸発器５の上部より排出される潤滑油の混合物を、作動媒体蒸気と潤滑油とに分離する油分離タンク６が設けられている。蒸発器５の出口は、油分離タンク６の上方部分で作動媒体供給流路２０ａにより接続されている。

油分離タンク６にはヒータ７が設置されている。即ち、このヒータ７は、図２（ａ）に示す如く油分離タンク６の内側に配設された電気ヒータ７ａ、または／及び図２（ｂ）に示す如く油分離タンク６の外側に配設された電気ヒータ７ａにより構成されている。或いは、このヒータ７は、図２（ｃ）に示す如く油分離タンク６の内側に配設された温水ヒータ７ｂ、または／及び図２（ｄ）に示す如く油分離タンク６の外側に配設された温水ヒータ７ｂにより構成されている。この温水ヒータ７ｂは、熱源を蒸気とする蒸気ヒータでも良い。そして、これら電気ヒータ７ａ、或いは温水もしくは蒸気ヒータ７ｂ等の機器を制御するための制御装置８が設けられている。

即ち、電気ヒータ７ａは、制御装置８から電源盤１４へ送信される起動または停止信号によって加熱開始または停止される一方、温水もしくは蒸気ヒータ７ｂにおいては、制御装置８から温水もしくは蒸気配管に取り付けられた開閉弁１５へ送信される開弁または閉弁信号によって加熱開始または停止される様に構成されている。これらのヒータ７により油分離タンク６乃至はその中で滞留している液が昇温可能となり、後述の如く作動媒体液の潤滑油への溶け込み量が激減して、スクリュ膨張機１への給油を潤滑油リッチにすることができる。

従って、油分離タンク６内には、作動媒体蒸気と分離された潤滑油を主体とする油溜り部６ａが下方に形成される一方、分離された作動媒体蒸気雰囲気６ｂが上方に形成される。そのため、油分離タンク６の油溜り部６ａは、給油流路２１によりスクリュ膨張機１の給油口１ａと接続され、作動媒体蒸気雰囲気６ｂは、作動媒体供給流路２０ａによりスクリュ膨張機１の作動媒体供給口１ｂと接続される。

更に、本発明の実施の形態に係る熱エネルギ利用装置には、油分離タンク６に、油溜り部６ａの下限液位を検知するための下限検知用液面計９、及び油溜り部６ａの上限液位を検知するための上限検知用液面計１０が設けられると共に、これら上下限検知用液面計９，１０の検知信号に基づいて、蒸発器５に温水を送る温水ポンプ１３または図示しない温水供給弁を制御する制御装置８が備えられている。

尚、下限液位の検知位置は、通常の運転時において膨張機１のロータ軸１２の軸端部あるいは同軸１２と接続した発電機２での出力低下が問題となること（問題となる程度に蒸発器５に潤滑油が滞留していると判断されること）を判断基準に設定すれば良い。また、上限液位の検知位置は、通常の運転時において膨張機１２のロータ軸１２の軸端部あるいは同軸１２と接続した発電機２での出力が定格出力となることを判断基準に設定すれば良い。

[第１実施例]
即ち、図３に示す如く、この熱エネルギ利用装置の起動時には、以下に述べる第１の運転形態に則り制御する制御手段が、制御装置８に収納されている。先ず、運転開始（ステップＳ０）後、制御装置８から送信される起動信号によって、蒸発器５の温水流路２３に介設された温水ポンプ１３を起動、または制御装置８から送信される開弁信号によって、温水流路２３に介設された図示しない温水供給弁を開弁して、蒸発器５への温水供給を開始する（ステップＳ１）。

そして、油分離タンク６に設けられた下限検知用液面計９が予め設定された下限値以下の信号を検知したとき（ステップＳ２）、油分離タンク６に配設されたヒータ７が電気ヒータ７ａの場合は、制御装置８から電源盤１４へ送信される起動信号によって電気ヒータ７ａを加熱する一方、ヒータ７が温水もしくは蒸気ヒータ７ｂの場合は、制御装置８から送信される開弁信号によって、温水もしくは蒸気配管に取り付けられた開閉弁１５を開弁して、蒸気ヒータ７ｂを昇温 する（ステップＳ３）。

次いでまたは同時に、制御装置８から送信される起動信号によって、循環ポンプ４を起動（ステップＳ４）して作動媒体を循環させる一方、この制御装置８から送信される停止信号によって、蒸発器５の温水流路２３に介設された温水ポンプ１３を停止、または制御装置８から送信される閉弁信号によって、温水流路２３に介設された図示しない温水供給弁を閉弁して、温水供給を停止する（ステップＳ５）様に構成されている。

そして、油分離タンク６に設けられた上限検知用液面計１０が予め設定された上限値以上の信号を検知した場合（ステップＳ６）、制御装置８から送信される起動信号によって、蒸発器５の温水流路２３に介設された温水ポンプ１３を起動するか、温水流路２３に介設された図示しない開閉弁を開弁して、蒸発器５への温水供給を開始（ステップＳ７）し、定常運転を開始する（ステップＳ１０）。

一方、蒸発器５への温水供給が開始（ステップＳ１）され、下限検知用液面計９が予め設定された下限値を超える信号を検知したとき（ステップＳ８）は、循環ポンプ４を起動（ステップＳ９）して作動媒体を循環させ、定常運転を開始（ステップＳ１０）させる様に構成されている。
この熱エネルギ利用装置は、起動運転開始時には上記の如く作動する様に構成されているので、蒸発器５に溜まっていた潤滑油を油分離タンク６へ移送可能となり、円滑かつ迅速に起動可能となる。

[第２実施例]
次に、本発明の実施形態に係る熱エネルギ利用装置による別の運転形態を、図４を参照しながら説明する。即ち、この熱エネルギ利用装置の制御装置８には、以下に述べる第２の運転形態に則り制御する制御手段が収納されており、定常運転時には、前記第２の運転形態に則り熱エネルギ利用装置が運転される。第２の運転形態においては、制御装置８によって具現化される作動及び運転方法が第１の運転形態と異なっている。

即ち、この熱エネルギ利用装置の定常運転開始（ステップＳ１０）後、油分離タンク６に設けられた下限検知用液面計９が予め設定された下限値以下の信号を検知したとき（ステップＳ１１）、油分離タンク６に配設されたヒータ７が電気ヒータ７ａの場合は、制御装置８から電源盤１４へ送信される起動信号によって電気ヒータ７ａを加熱する一方、ヒータ７が温水もしくは蒸気ヒータ７ｂの場合は、制御装置８から送信される開弁信号によって、温水もしくは蒸気配管に取り付けられた開閉弁１５を開弁して、蒸気ヒータ７ｂを昇温 する（ステップＳ１２）様に構成されている。

次いでまたは同時に、この制御装置８から送信される停止信号によって、蒸発器５の温水流路２３に介設された温水ポンプ１３を停止、または制御装置８から送信される閉弁信号によって、温水流路２３に介設された図示しない温水供給弁を閉弁して、蒸発器５への温水供給を停止する（ステップＳ１３）。またその際、循環ポンプ４の駆動は継続して行われ、作動媒体を循環させる（ステップＳ１４）。

一方、油分離タンク６に設けられた上限検知用液面計１０が予め設定された上限値以上の信号を検知した場合（ステップＳ１５）、制御装置８から送信される起動信号によって、蒸発器５の温水流路２３に介設された温水ポンプ１３を起動するか、温水流路２３に介設された図示しない開閉弁を開弁して、蒸発器５への温水供給を開始し通常運転状態に戻す（ステップＳ１６）様に構成されている。

ここで、上述の「定常運転」とは、熱エネルギ利用装置における起動時の運転（第１の運転形態）以外の定常時の運転を言う。即ち、図３におけるステップＳ１０（定常運転開始）は、図４におけるステップＳ１０（定常運転開始）と同義である。従い、図３の制御フローチャートに係る起動時の運転（第１の運転形態）終了後は、自動的に図４の制御フローチャートに係る定常運転（第２の運転形態）に移行するようにしてもよい。

この様な構成をなすことによって、温水供給の停止により蒸発器５内の作動媒体の温度が低下すると共に蒸発器５の出口側の圧力が低下するため、循環ポンプ４によって作動媒体液が蒸発器５へ供給されるのに伴って、蒸発器５の上部に溜まっている潤滑油を油分離タンク６へ移送可能となる。つまり、滞留する潤滑油により作動媒体の気化に寄与する伝熱面積が減少した状態であった蒸発器５において、減少した分の伝熱面積を早期に増加させることができる。これにより減少していた作動媒体蒸気の量が増加し、熱エネルギ利用装置の通常の運転状態（膨張機１乃至これに接続された発電機２の定格出力運転）へ早期に復帰させることができるようになる。

次に、以上の構成からなる熱エネルギ利用装置に係る定常時の作動及び定常運転方法について、作動媒体の流れに沿って図４も参照しながら説明する。
スクリュ膨張機１は、油分離タンク６から作動媒体供給流路２０ａを介して送られた作動媒体蒸気を、図示しないスクリュロータの膨張空間で膨張させた後、作動媒体排出流路２０ｂへ排出する。また、スクリュ膨張機１は、油分離タンク６から給油流路２１を介して送られた潤滑油を、図示しないスクリュロータ外周面、ロータ軸を支持する軸受ひいては膨張空間等に供給した後、膨張された作動媒体と共に作動媒体排出口１ｃから、低圧側の作動媒体排出流路２０ｂへ排出する。

本実施の形態において、作動媒体排出口１ｃから作動媒体排出流路２０ｂへ排出された作動媒体及び潤滑油は、作動媒体が気体状態であり、且つ潤滑油はミスト状（粒状、液体）である混合物となって凝縮器３へ送流される。凝縮器３では、混合物の気体の作動媒体が液化する。そして、凝縮器３から、作動媒体と潤滑油の両方が液体となった混合物が、作動媒体排出流路２０ｂを経て循環ポンプ４に吸引される。循環ポンプ４は、前記液体混合物を昇圧し蒸発器５へ圧送する。

蒸発器５では、２次側流路に対して循環ポンプ４により作動媒体供給流路２０ａを介して圧送された液体混合物が、１次側流路に対して温水配管２３に介設された温水ポンプ１３により送られた温水と熱交換して昇温する。その結果、前記液体混合物のうち、作動媒体は蒸発して気体状態（蒸気）となるが、潤滑油は蒸発器５に滞留した状態の液状または作動媒体蒸気に随伴した状態のミスト状である。そして、蒸発器５からの作動媒体蒸気と潤滑油の混合物は、作動媒体供給流路２０ａを介して油分離タンク６へと送られる。

油分離タンク６では、この熱エネルギ利用装置の定常運転開始（ステップＳ１０）後、下限検知用液面計９が予め設定された下限値以下の信号を検知したとき（ステップＳ１１）、油分離タンク６に配設されたヒータ７が電気ヒータ７ａの場合は、この電気ヒータ７ａが、制御装置８から加熱電源１４へ送信される起動信号によって加熱開始する一方、ヒータ７が温水もしくは蒸気ヒータ７ｂの場合は、この温水もしくは蒸気ヒータ７ｂが、制御装置８から温水もしくは蒸気配管に取り付けられた開閉弁１５へ送信される開弁信号によって昇温開始する（ステップＳ１２）。

次いでまたは同時に、この制御装置８から送信される停止信号によって、蒸発器５へ温水を送る温水流路２３に介設された温水ポンプ１３を停止、または制御装置８から送信される閉弁信号によって、温水流路２３に介設された図示しない温水供給弁を停止する（ステップＳ１３）と共に、循環ポンプ４の駆動は継続して行われ、作動媒体を循環させる（ステップＳ１４）様に運転する。

一方、上限検知用液面計１０が予め設定された上限値以上の信号を検知したとき（ステップＳ１５）、制御装置８から送信される起動信号によって、蒸発器５の温水流路２３に介設された温水ポンプ１３を起動するか、温水流路２３に介設された図示しない開閉弁を開弁して、蒸発器５への温水供給を開始し定常運転状態に戻している（ステップＳ１６）。

この様な作動及び運転方法をなすことによって、温水供給の停止により蒸発器５内の作動媒体の温度が低下すると共に蒸発器５の出口側の圧力が低下するため、循環ポンプ４によって作動媒体液が蒸発器５へ供給されるのに伴って、蒸発器５の上部に溜まっている潤滑油を油分離タンク６へ移送可能となる。つまり、滞留する潤滑油により作動媒体の気化に寄与する伝熱面積が減少した状態であった蒸発器５において、減少した分の伝熱面積を早期に増加させることができる。これにより減少していた作動媒体蒸気の量が増加し、熱エネルギ利用装置の通常の運転状態（膨張機１乃至これに接続された発電機２の定格出力運転）へ早期に復帰させることができるようになる。

油分離タンク６内に溜まった作動媒体蒸気と潤滑油の混合物は、図５に示す如く温度と圧力により潤滑油の作動媒体溶解度（作動媒体の潤滑油への溶解度）が大きく異なり、低温では相当量の作動媒体液が潤滑油に溶け込んでいるが、前記電気ヒータ７ａまたは温水もしくは蒸気ヒータ７ｂにより油分離タンク６を昇温することにより、作動媒体液の潤滑油への溶け込み量が激減し、スクリュ膨張機１への給油を潤滑油リッチにすることができる。

その結果、油分離タンク６内には、分離された潤滑油を主体とする油溜り部６ａが下方に形成される一方、分離された作動媒体蒸気雰囲気６ｂが上方に形成される。そして、作動媒体を多少含む潤滑油を、油分離タンク６の油溜り部６ａから、給油流路２１及び給油口１ａを介してスクリュ膨張機１へ供給する一方、作動媒体蒸気を、油分離タンク６の作動媒体蒸気雰囲気６ｂから、作動媒体供給流路２０ａ及び作動媒体供給口１ｃを介してスクリュ膨張機１の膨張空間へ供給する。

以上説明した通り、本発明の実施形態に係る熱エネルギ利用装置によれば、特定の関係にある、蒸発器に供給する加熱媒体、作動媒体および膨張機へ給油される潤滑油とを用い、潤滑油を作動媒体と分離するための油分離タンクが高圧側の蒸発器と膨張機の間に配置され、前記油分離タンクに設けられた液面計と、この液面計の検知信号に基づいて前記蒸発器に温水を送る温水ポンプまたは温水供給弁を制御する制御装置であって、液面計の検知信号が予め設定された下限値以下となった場合、循環ポンプを作動させた状態で、温水ポンプを一旦停止または温水供給弁を一旦閉止させる一方、液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、温水ポンプを駆動または温水供給弁を開放させる制御装置と、を備えている。

その結果、油分離タンク内の潤滑油量が減少してきていること、即ち蒸発機内に滞留する潤滑油が多くなってきていることを検知して、蒸発器内の潤滑油を油分離タンクへと移送し、且つ、油分離タンク内の潤滑油量が所定量になったこと、即ち蒸発機内に滞留する潤滑油が減少したことを検知して、作動媒体の蒸発を再開させることができるので、熱エネルギ利用装置の出力低下を早期に解消可能である。

尚、今回開示された実施形態は全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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。上記実施形態では特に記載していないが、本発明の熱エネルギ利用装置においては、膨張機の回転軸に接続される発電機は無くても良い。この場合、熱エネルギ利用装置は、膨張機の回転軸を出力軸とする動力発生装置として好適に利用することができる。この様な動力発生装置は、各種駆動装置の主動力源として利用したり、主動力源で駆動される各種駆動装置において主動力源を補助する補助動力源として利用することができる。

Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，・・・・・・，Ｓ１０：第１の運転形態に係る制御ステップ，
Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，・・・，Ｓ１７：第２の運転形態に係る制御ステップ，
Ｇ：発電ユニット，
１：スクリュ膨張機（膨張機），
１ａ：給油口， １ｂ：作動媒体供給口， １ｃ：作動媒体排出口，
２：発電機，
３：凝縮器， ４：循環ポンプ， ５：蒸発器，
６：油分離タンク， ６ａ：油溜り部， ６ｂ：作動媒体蒸気雰囲気，
７：ヒータ，
７ａ：電気ヒータ， ７ｂ：温水もしくは蒸気ヒータ，
８：制御装置，
９：下限検知用液面計， １０：上限検知用液面計，
１１：膨張機ケーシング， １２：ロータ軸，
１３：温水ポンプ，
１４：電源盤， １５：開閉弁，
２０：作動媒体循環流路（循環流路），
２０ａ：作動媒体供給流路， ２０ｂ：作動媒体排出流路，
２１：給油流路， ２２：冷却水流路， ２３：温水流路

Claims (7)

1. 作動媒体を蒸発させる蒸発器、潤滑油を前記作動媒体と分離するための油分離タンク、蒸発した前記作動媒体蒸気を膨張させる膨張機、前記作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器、及び前記作動媒体を循環させる循環ポンプを閉ループ状に順次接続して循環流路が形成され、前記膨張機を前記作動媒体蒸気の膨張により駆動可能に構成して当該膨張機の回転軸から回転駆動力を得る熱エネルギ利用装置であって、
   前記蒸発器に供給する加熱媒体として温水が用いられると共に、
   前記作動媒体として水よりも沸点が低く前記膨張機へ給油される潤滑油よりも比重の大きい媒体が用いられ、
   前記油分離タンクに液面計が設けられると共に、この液面計の検知信号に基づいて前記蒸発器に温水を送る温水ポンプまたは温水供給弁を制御する制御装置が設けられてなることを特徴とする熱エネルギ利用装置。
2. 作動媒体を蒸発させる蒸発器、潤滑油を前記作動媒体と分離するための油分離タンク、蒸発した前記作動媒体蒸気を膨張させる膨張機、前記作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器、及び前記作動媒体を循環させる循環ポンプを閉ループ状に順次接続して循環流路が形成され、前記膨張機を前記作動媒体蒸気の膨張により駆動可能に構成して当該膨張機の回転軸から回転駆動力を得る熱エネルギ利用装置であって、
   前記蒸発器に供給する加熱媒体として温水が用いられると共に、
   前記作動媒体として水よりも沸点が低く前記膨張機へ給油される潤滑油よりも比重の大きい媒体が用いられ、
   前記油分離タンクに設けられた液面計と、
   この液面計の検知信号に基づいて前記蒸発器に温水を送る温水ポンプまたは温水供給弁を制御する制御装置であって、前記液面計の検知信号が予め設定された下限値以下となった場合、前記循環ポンプを作動させた状態で、前記温水ポンプを一旦停止または前記温水供給弁を一旦閉止させる一方、前記液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、前記温水ポンプを駆動または前記温水供給弁を開放させる制御装置と、
   を備えてなることを特徴とする熱エネルギ利用装置。
3. 前記油分離タンクの内側或いは外側の何れか一方または両方に、電気ヒータ、温水ヒータもしくは蒸気ヒータの何れかが配設されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱エネルギ利用装置。
4. 前記作動媒体がＨＦＣ２４５ｆａからなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つの項に記載の熱エネルギ利用装置。
5. 前記膨張機の回転軸に接続され、当該回転軸からの回転駆動力で駆動する発電機を備えてなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つの項に記載の熱エネルギ利用装置。
6. 前記液面計の検知信号が予め設定された下限値以下である場合、前記蒸発器への温水供給を停止した状態で前記循環ポンプを起動する一方、前記液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、前記蒸発器への温水供給を開始することを特徴とする請求項１に記載の熱エネルギ利用装置の運転方法。
7. 前記液面計の検知信号が予め設定された下限値以下となった場合、前記循環ポンプを作動させた状態で前記蒸発器への温水供給を一旦停止する一方、前記液面計の検知信号が予め設定された上限値以上となった場合、前記蒸発器への温水供給を再開することを特徴とする請求項２乃至５の何れか一つの項に記載の熱エネルギ利用装置の運転方法。

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