JP5841459B2

JP5841459B2 - 廃熱回収ランキンサイクルシステム

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Publication number: JP5841459B2
Application number: JP2012047343A
Authority: JP
Inventors: 泰右小野
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: JP2013181508A

Description

本発明は、廃熱回収ランキンサイクルシステムに関する。

従来、エンジン等の熱源から放出される廃熱を回収して高温高圧の蒸気を生成し、この蒸気を発電のための動力源として利用したり、給湯のための熱源として利用したりする廃熱回収ランキンサイクルシステムが公知となっている。廃熱によって生成された蒸気を膨張機に供給することで発電機等を駆動することができる。また膨張機から排出された蒸気を凝縮器において凝縮される際の凝縮熱によって、給水を加熱することができる。このようにして、熱源から回収した廃熱を駆動源や熱源として利用することで、廃熱の利用効率を向上させるものである。例えば、特許文献１に記載の如くである。

しかし、特許文献１に開示されている技術は、凝縮器において放出される凝縮熱の熱量と膨張機の仕事量とが比例する関係にある。このため、熱の需要が少ない場合には、膨張機に供給される蒸気量を減少させて凝縮器において放出される凝縮熱を抑制する。この結果、膨張機の仕事量が減少して膨張機に駆動される発電機の発電量等も減少する。つまり、熱の需要の減少に伴って、廃熱回収ランキンサイクルシステムの総合的な廃熱の利用効率が低下する点で不利であった。

特開２００９−２１０１６２号公報

本発明は、以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、供給される蒸気量に対する膨張機の仕事量と、凝縮器おいて放出される熱量との比率を変更して廃熱の利用効率を向上することができる廃熱回収ランキンサイクルシステムの提供を目的とする。

請求項１においては、蒸気発生器から供給される蒸気によって駆動されるスクロール形流体機械と、給水によって前記スクロール形流体機械から排出される蒸気が凝縮される凝縮器と、を備える廃熱回収ランキンサイクルシステムにおいて、前記凝縮器の下流側に凝縮圧力を変更する排気ポンプが接続されており、制御装置と、前記スクロール形流体機械の下流側に前記凝縮圧力を検出する圧力検出手段と、を更に備え、前記凝縮器において前記給水が任意の温度に加熱されるように、前記排気ポンプの運転状態を制御して、前記圧力検出手段によって検出される前記凝縮圧力を所定の値に変更するものである。

請求項２においては、前記凝縮器から排出される給水の流量を変更する調量弁を更に備え、前記制御装置は、前記凝縮器において前記給水が任意の温度に加熱されるように、前記調量弁の開度を制御して、前記圧力検出手段によって検出される前記凝縮圧力を所定の値に変更するものである。

請求項３においては、前記制御装置は、前記凝縮圧力を上昇させる場合、前記調量弁の開度を制御した後に、前記排気ポンプの運転状態を制御するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１に係る発明によれば、スクロール形流体機械の出口の凝縮圧力を変更することでスクロール形流体機械の仕事量を変更することができる。このため、供給する仕事量と熱量との比率の制御が容易になる。

また、スクロール形流体機械の出口の凝縮圧力を変更することで給水に供給される給水の単位流量当たりの熱量とスクロール形流体機械の仕事量とを制御することができる。このため、熱の需要量に基づいた仕事量と熱量との比率の制御が容易になる。

請求項２に係る発明によれば、スクロール形流体機械の出口の凝縮圧力を変更することに加え、給水の流量を変更することによって給水に供給される給水の単位流量当たりの熱量を制御することができる。このため、熱の需要量に基づいた仕事量と熱量との比率の制御が容易になり、かつ制御範囲が拡大する。

請求項３に係る発明によれば、給水の流量の変更では所定の凝縮圧力に到達できない場合にスクロール形流体機械の仕事量を変更するように制御することができる。これにより、蒸気による仕事と給熱との総合的な効率が向上する。

本発明の第一実施形態であるランキンサイクル発電システムの構成を示す概略図。本発明に係るスクロール形流体機械の断面図。本発明に係るランキンサイクル発電システムにおける作動媒体の相変化を表す図。本発明係るスクロール形流体機械における可動スクロールの動作態様を示す概略図。本発明に係るランキンサイクル発電システムにおける蒸気排出口圧力と熱電比の関係を表す図。本発明の第一実施形態であるランキンサイクル発電システムにおける真空ポンプの制御手順を示すフローチャート図。本発明の第二実施形態であるランキンサイクル発電システムの構成を示す概略図。本発明の第二実施形態であるランキンサイクル発電システムにおける真空ポンプの制御手順を示すフローチャート図。本発明の第二実施形態であるランキンサイクル発電システムにおける真空ポンプの制御手順における処理Ａを表すフローチャート図。本発明の第二実施形態であるランキンサイクル発電システムにおける真空ポンプの制御手順における処理Ｂを表すフローチャート図。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明の第一実施形態に係るスクロール形流体機械４を備えた廃熱回収ランキンサイクルシステム１の構成について図１及び図２を用いて説明する。

廃熱回収ランキンサイクルシステム１は、作動媒体が水（蒸気）であり、エンジンからの排気ガス等を熱源として発電と熱供給とを並行して行う熱電併給システムである。図１に示すように、廃熱回収ランキンサイクルシステム１は、蒸気発生器２と、膨張機であるスクロール形流体機械４と、発電機１１と、凝縮器１２と、復水タンク１４と、排気ポンプ１６と、作動媒体供給ポンプ１７と、制御装置１９とを具備する。

蒸気発生器２は、作動媒体である水を、エンジンの排気ガス等で加熱して高温高圧の蒸気を生成する。蒸気発生器２は、作動媒体（後述の凝縮器１２によって蒸気から凝縮された水）と排気との熱交換によって蒸気を生成する。蒸気発生器２は、作動媒体通路３を介してスクロール形流体機械４に接続される。蒸気発生器２において生成された蒸気は、作動媒体通路３を介してスクロール形流体機械４に供給される。なお、本実施形態において、熱源をエンジンの排気ガスとしたがこれに限定するものではない。

膨張機であるスクロール形流体機械４は、蒸気のエネルギーを回転力に変換して出力する。図２に示すように、スクロール形流体機械４は、主に固定スクロール５と、可動スクロール６と、クランク軸７とを具備する。

固定スクロール５は、膨張室Ｃを構成する部材である。固定スクロール５は、鏡板５ａと鏡板５ａの一側板面に形成される鏡板５ａの中心から端部に向かう渦巻き状の仕切り板（以降、固定スクロールラップ５ｂという）からなる。固定スクロールラップ５ｂは、いわゆるインボリュート曲線に基づいて形成されている。固定スクロール５は、後述の可動スクロール６と組み合わされて膨張室Ｃを構成する。固定スクロール５は、クランク軸７を支持しているフレーム８に固定されている。固定スクロール５の外縁部には、蒸気排出口５ｃが設けられている。スクロール形流体機械４は、作動媒体通路１０を介して蒸気排出口５ｃと後述の凝縮器１２とが接続される。

可動スクロール６は、膨張室Ｃを構成する部材である。可動スクロール６は、鏡板６ａと鏡板の一側板面に形成される渦巻き状の仕切り板（以降、可動スクロールラップ６ｂという）からなる。可動スクロールラップ６ｂは、いわゆるインボリュート曲線に基づいて形成される。可動スクロール６は、固定スクロール５と対向するように配置されている。より詳細に説明すると、可動スクロール６は、固定スクロールラップ５ｂの隙間に対向する可動スクロールラップ６ｂが挿入され、互いに組み合わされた状態で配置されている。

クランク軸７は、端部に偏心軸（以降、ピン部７ａという）が形成された部材である。ピン部７ａは、クランク軸７対して偏心しているため、クランク軸７の外周を公転するように構成される。クランク軸７は、フレーム８によって回転自在に支持される。ピン部７ａは、軸受部９を介して可動スクロール６の鏡板６ａを支持している。従って、ピン部７ａは、可動スクロール６の旋回運動に伴ってクランク軸７の外周を公転する。すなわち、可動スクロール６の旋回運動によってクランク軸７が回転される。なお、スクロール形流体機械４は、可動スクロール６の旋回運動によって一本のクランク軸７が回転するように構成されているが、このような構成に限定するものではない。

図１に示すように、発電機１１は、外部からの駆動力によって電気を発電する。発電機１１は、スクロール形流体機械４のクランク軸７に連結される。すなわち、発電機１１は、クランク軸７の回転によって発電可能に構成される。発電機１１によって発電された電気は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１の外部に供給される。

凝縮器１２は、蒸気を給水によって冷却して凝縮させる（復水させる）。凝縮器１２は、作動媒体通路１０を介してスクロール形流体機械４から作動媒体である蒸気が供給される。凝縮器１２は、作動媒体と給水通路２０を介して供給される給水との熱交換によって蒸気を凝縮させる。凝縮器１２は、作動媒体通路１３を介して復水タンク１４に接続される。凝縮器１２において凝縮された水は、作動媒体通路１３を介して復水タンク１４に供給される。また、凝縮器１２は、作動媒体と給水との熱交換によって給水を加熱する。凝縮器１２において加熱された水は、暖房機や給湯器等の外部熱機器群２１に供給される。

復水タンク１４は、凝縮器１２によって凝縮された水を溜める。復水タンク１４は、作動媒体通路１５を介して作動媒体供給ポンプ１７に接続される。復水タンク１４は、内部の圧力を検出する圧力検出手段である圧力センサー１４ａを具備する。また、復水タンク１４には、排気ポンプ１６が接続される。

排気ポンプ１６は、復水タンク１４内の気体を外部に排気する。排気ポンプ１６は、単位時間当たりの排気量を任意に変更可能に構成される。排気ポンプ１６は、復水タンク１４内の気体を排気することで、復水タンク１４内、作動媒体通路１０内、凝縮器１２内、及び作動媒体通路１３内の圧力を減圧する。すなわち、廃熱回収ランキンサイクルシステム１は、排気ポンプ１６によってスクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを任意に変更可能に構成される。

作動媒体供給ポンプ１７は、復水タンク１４内の作動媒体を蒸気発生器２に供給する。作動媒体供給ポンプ１７は、作動媒体通路１８を介して蒸気発生器２に接続される。また、作動媒体供給ポンプ１７は、作動媒体通路１５及び作動媒体通路１８を介して作動媒体を蒸気発生器２に供給する。

制御装置１９は、熱需要に基づいて廃熱回収ランキンサイクルシステム１の制御を行う。制御装置１９は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１の制御を行うための種々のプログラムやデータが格納される。制御装置１９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。

制御装置１９は、外部熱機器群２１に接続され、外部熱機器群２１から熱需要についての情報を取得することができる。制御装置１９は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１を構成する各種装置、例えば、排気ポンプ１６に接続され、排気ポンプ１６の運転状態、すなわち排気ポンプ１６の運転と停止及び回転数を制御することができる。また、制御装置１９は、復水タンク１４に具備される圧力センサー１４ａに接続され、圧力センサー１４ａが検出する復水タンク１４の圧力信号、すなわちスクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの圧力信号を取得することができる。

このような構成の廃熱回収ランキンサイクルシステム１において、スクロール形流体機械４は、蒸気発生器２によって生成された高温高圧の蒸気のエネルギーを回転力に変換して発電機１１を駆動する。スクロール形流体機械４から排出された蒸気は、凝縮器１２によって凝縮された後に蒸気発生器２に供給される。凝縮器１２において作動媒体との熱交換によって加熱された給水は、外部熱機器群２１に供給される。

次に、図３を用いて、廃熱回収ランキンサイクルシステム１における作動媒体の相変化について説明する。

図３は、本実施形態におけるＴ−Ｓ線図（温度−エントロピ線図）である。図中における矢印は、作動媒体である水又は蒸気のランキンサイクルを示している。

図３に示すように、温度Ｔ１及びＴ３は、凝縮器１２の入口温度、温度Ｔ２は、作動媒体の蒸気温度である。点Ａ１及び点Ａ６は、蒸気発生器２の入口（凝縮器１２の出口）における作動媒体の状態である。点Ａ２は、蒸気発生器２内での蒸気発生開始点である。点Ａ３は、蒸気発生器２の出口（スクロール形流体機械４の供給口）における作動媒体の状態である。点Ａ４及び点Ａ５は、スクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃ（凝縮器１２の入口）における作動媒体の状態である。

点Ａ１から点Ａ２の間において、作動媒体は、液相である水として存在し、蒸気発生器２によって加熱及び加圧される。そして、点Ａ２の状態において作動媒体は、水から気相である蒸気への相変化を開始する。

点Ａ２から点Ａ３の間において、作動媒体は、蒸気発生器２によってさらに加熱及び加圧される。この間において、作動媒体は、液相である水と気相である蒸気とが混在している。作動媒体は、点Ａ３の状態において蒸気への相変化が完了される。点Ａ３から点Ａ４の間において、作動媒体は、スクロール形流体機械４の膨張室Ｃ内において膨張しながら仕事（可動スクロール６の旋回）をする。膨張室Ｃ内における作動媒体の膨張は、近似的な断熱膨張であることから作動媒体の温度が低下する。この間において、作動媒体の一部は、凝縮して気相である蒸気から液相である水への相変化を開始する。

点Ａ４から点Ａ１の間において、作動媒体は、凝縮器１２によって冷却され、一定圧力の状態で凝縮する。この間において、作動媒体は、気相である蒸気から液相である水への相変化を開始する。この結果、作動媒体は、点Ａ１の状態において液相である水への相変化が完了される。

点Ａ３から点Ａ４の間において、膨張室Ｃの外部圧力が点Ａ４における外部圧力よりも高い場合、点Ａ３から点Ａ４においての作動媒体の膨張が抑制される。つまり、蒸気が膨張室Ｃ内において膨張することによる仕事（回転軸Ｌを中心とする可動スクロール６の旋回）が抑制される。また、近似的な断熱膨張過程における膨張の抑制に伴って作動媒体の温度低下が抑制される。このため、点Ａ３から作動媒体の膨張が開始され、点Ａ５において膨張が完了する。点Ａ５における作動媒体の温度は、点Ａ４における作動媒体の温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ３となる。

作動媒体は、凝縮器１２によって冷却され、点Ａ５から一定圧力の状態で凝縮する。この間において、作動媒体は、気相である蒸気から液相である水への相変化を開始する。この結果、作動媒体は、点Ａ６の状態において液相である水への相変化が完了される。

次に、図４を用いて、可動スクロール６の動作態様を説明する。具体的には、供給された蒸気によって可動スクロール６が旋回運動を行なう態様について説明する。なお、図中の矢印は、可動スクロール６の旋回方向を示している。また、図中の斜線部は、供給された蒸気を示している。

図４（Ａ）は、固定スクロール５と可動スクロール６で構成される膨張室Ｃに蒸気が供給された状態を示している。ここで、膨張室Ｃとは、固定スクロール５と可動スクロール６の鏡板５ａ・６ａの板面、及び固定スクロールラップ５ｂの側面と可動スクロールラップ６ｂの側面とが接触して構成される空間（蒸気が閉じ込められている空間）である。膨張室Ｃには、作動媒体通路３を介して蒸気発生器２から蒸気が供給される。

図４（Ｂ）は、固定スクロール５に対して可動スクロール６が図４（Ａ）の状態から旋回した状態を示している。可動スクロール６は、蒸気の膨張により、可動スクロールラップ６ｂが接触している固定スクロールラップ５ｂ上の位置が固定スクロールラップ５ｂにそって固定スクロール５の外縁部に向かうように移動される。つまり、可動スクロール６は、膨張室Ｃに供給された蒸気が膨張し、該膨張室Ｃを押し広げようとする力によって旋回される。これにより、可動スクロール６は、回転軸Ｌを中心として旋回される。この際、蒸気は膨張に伴って温度が低下する。可動スクロール６の移動に伴い、膨張室Ｃに連通している作動媒体通路３は、可動スクロールラップ６ｂの端面によって閉塞される。すなわち、膨張室Ｃは密閉される。

図４（Ｃ）は、固定スクロール５に対して可動スクロール６が図４（Ｂ）の状態から更に旋回した状態を示している。可動スクロール６は、膨張室Ｃに供給された蒸気がさらに膨張し、該膨張室Ｃを押し広げようとする力によって旋回される。膨張室Ｃは、可動スクロールラップ６ｂが接触している固定スクロールラップ５ｂ上の位置の移動により、その体積を増加させながら外縁部に向かって連続的に移動される。これにより、可動スクロール６は、回転軸Ｌを中心としてさらに旋回される。この際、蒸気はその膨張に伴って更に温度が低下する。可動スクロール６の移動に伴い、固定スクロール５の中心部に、別途の膨張室Ｃが構成される。別途の膨張室Ｃは、作動媒体通路３介して蒸気発生器２から蒸気が供給される。

図４（Ｄ）は、固定スクロール５に対して可動スクロール６が図４（Ｃ）の状態から更に旋回した状態を示している。可動スクロール６は、膨張室Ｃ及び別途の膨張室Ｃに供給された蒸気の膨張によってさらに旋回される。これにより、可動スクロール６は、回転軸Ｌを中心としてさらに旋回される。この際、蒸気はその膨張に伴って更に温度が低下する。膨張室Ｃは、さらに外縁部に向かって移動され、固定スクロール５の蒸気排出口５ｃと連通される。この結果、膨張室Ｃに供給された蒸気は、スクロール形流体機械４の外部に排出される。

このように、可動スクロール６は、膨張室Ｃに供給された蒸気が膨張し、膨張室Ｃを押し広げようとする力によって３６０°旋回される。また、クランク軸７は、可動スクロール６の旋回運動によって３６０°回転される。なお、可動スクロール６が所定の旋回角度付近に近づくと、中央部分に現れた別途の膨張室Ｃに作動媒体通路３が連通され、該膨張室Ｃに蒸気が供給される。こうして、可動スクロール６の連続した旋回運動によってクランク軸７が回転される。この結果、クランク軸７に連結される発電機１１は、スクロール形流体機械４によって駆動される。また、凝縮器１２に供給される給水は、給水蒸気排出口５ｃから排出された蒸気によって加熱される。

次に、図３から図５を用いてスクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの影響について説明する。

図４（Ｄ）の状態において、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが図５に示す凝縮圧力Ｐ１になった場合、膨張室Ｃ内の蒸気の膨張が抑制されて膨張室Ｃ内における蒸気の仕事量が減少する。具体的には、蒸気の状態は、図３の点Ａ３における状態から図３の点Ａ５における状態になる。この際、膨張室Ｃ内における近似的な断熱膨張過程における膨張の抑制に伴って、蒸気排出口５ｃから排出される蒸気の温度低下が抑制される。この結果、蒸気の仕事量の減少に伴い、発電機１１による発電量が減少する。一方、蒸気の温度低下の抑制に伴い、凝縮器１２において給水に供給される給水の単位流量当たりの熱量（以下、単に「単位熱量Ｑ」と示す）が増加する。

同様に、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが図５に示す凝縮圧力Ｐ２になった場合、膨張室Ｃ内の蒸気の膨張による蒸気の仕事量が増加する。具体的には、蒸気の状態は、図３の点Ａ３における状態から図３の点Ａ４における状態になる。この際、蒸気排出口５ｃから排出される蒸気の温度低下が促進される。この結果、蒸気の仕事量の増加に伴い、発電機１１による発電量が増加する。一方、蒸気の温度低下の促進に伴い、凝縮器１２において給水に供給される単位熱量Ｑが減少する。

つまり、排気ポンプ１６によって蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを変更することで、膨張室Ｃに供給される蒸気量を変更することなく発電量と熱量との比率を変更することができる。

以下では、図６を用いて上述の如く構成される廃熱回収ランキンサイクルシステム１における制御装置１９の動作態様について説明する。

制御装置１９は、圧力センサー１４ａからスクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号を取得する。また、制御装置１９は、外部熱機器群２１から熱需要（給水の温度、流量等）についての情報を取得する。制御装置１９は、取得した情報に基づいて排気ポンプ１６の運転状態（運転と停止及び回転数）を制御する（図１参照）。

図６に示すように、制御装置１９は、以下のステップで排気ポンプ１６の運転状態を制御する。

まず、ステップＳ１０１において、制御装置１９は、制御装置１９に接続されている外部熱機器群２１からの熱需要についての情報、及び圧力センサー１４ａからの蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号を取得する。

ステップＳ１０２において、制御装置１９は、外部熱機器群２１からの熱需要についての情報と蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号とから、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高いか否か判定する。すなわち、凝縮器１２における熱交換によって作動媒体から給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多いか否か判定する。その結果、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高いと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多いと判定した場合（図５におけるＰ１）、制御装置１９は、ステップをステップＳ１０３に移行させる。一方、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高くないと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多くないと判定した場合、制御装置１９は、ステップをステップＳ２０３に移行させる。

ステップＳ１０３において、制御装置１９は、排気ポンプ１６の運転状態を制御して蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを所定量だけ低下（減圧）させる。これにより、蒸気が膨張室Ｃ内において膨張することによる仕事量が増大し、発電機１１による発電量が増加する。一方、蒸気排出口５ｃから排出される蒸気の温度が低下し、凝縮器１２において給水に供給される単位熱量Ｑが減少する。その後、制御装置１９は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

ステップＳ２０３において、制御装置１９は、外部熱機器群２１からの熱需要についての情報と蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号とから、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低いか否か判定する。すなわち、凝縮器１２における熱交換によって作動媒体から給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少ないか否か判定する。その結果、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低いと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少ないと判定した場合（図５におけるＰ２）、制御装置１９は、ステップをステップＳ２０４に移行させる。一方、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低くないと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少なくないと判定した場合（給水に供給される単位熱量Ｑが適正である場合）、制御装置１９は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

ステップＳ２０４において、制御装置１９は、排気ポンプ１６の運転状態を制御して蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを所定量だけ上昇（昇圧）させる。これにより、蒸気が膨張室Ｃ内において膨張することによる仕事量が減少し、発電機１１による発電量が減少する。一方、蒸気排出口５ｃから排出される蒸気の温度が上昇し、凝縮器１２において給水に供給される単位熱量Ｑが増加する。その後、制御装置１９は、ステップをステップＳ１０１に戻す。

以上が本実施形態に係る廃熱回収ランキンサイクルシステム１の動作態様についての説明である。なお、本発明の技術的思想は、上述したスクロール形流体機械４への適用に限るものではなく、その他の構成のスクロール形流体機械４に適用することが可能である。

加えて、スクロール形流体機械４は、例えば高温蒸気を用いて推進力を得る船舶等に利用することが可能である。また、本スクロール形流体機械４は、他の機器から廃熱を回収して回転動力に変換する動力機械として用いることが可能である。

以上の如く、蒸気発生器２から供給される蒸気によって駆動されるスクロール形流体機械４と、給水によってスクロール形流体機械４から排出される蒸気が凝縮される凝縮器１２と、を備える廃熱回収ランキンサイクルシステム１において、凝縮器１２の下流側に凝縮圧力Ｐを変更するための排気ポンプ１６が接続されるものである。このように構成することで、スクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを変更することでスクロール形流体機械４の出力を変更することができる。このため、供給する仕事量と熱量との比率の制御が容易になる。

また、制御装置１９と、スクロール形流体機械４の下流側に凝縮圧力Ｐを検出する圧力検出手段である圧力センサー１４ａと、を更に備え、凝縮器１２において給水が任意の温度に加熱されるように、排気ポンプ１６の運転状態を制御して圧力センサー１４ａによって検出される凝縮圧力Ｐを所定の値である目標凝縮圧力Ｐｔに変更するものである。このように構成することで、スクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐによって仕事量を制御することができる。このため、熱の需要量に基づいた仕事量と熱量との比率の制御が容易になる。

以下では、図７を用いて、本発明に係る廃熱回収ランキンサイクルシステム１における第二実施形態である廃熱回収ランキンサイクルシステム２２について説明する。なお、以下の実施形態において、既に説明した実施形態と同様の点に関してはその具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。

廃熱回収ランキンサイクルシステム２２は、廃熱回収ランキンサイクルシステム１に加えて、凝縮器１２に供給される給水の流量を変更するための調量弁２３を更に備える。

調量弁２３は、凝縮器１２に供給される給水の流量を変更する。調量弁２３は、給水通路２０に設けられる。調量弁２３は、単位時間当たりの給水の流量（単位流量）を任意に変更可能に構成される。制御装置１９は、調量弁２３に接続され、調量弁２３の開度を制御することができる。

このような構成の廃熱回収ランキンサイクルシステム２２において、凝縮器１２に供給される給水の流量は、熱需要に基づいて調量弁２３によって変更される。廃熱回収ランキンサイクルシステム２２は、目標凝縮圧力Ｐｔが大気圧Ｐｏよりも低い場合、排気ポンプ１６の運転状態及び／又は調量弁２３の開度を制御して凝縮圧力Ｐを変更する。また、目標凝縮圧力Ｐｔが大気圧Ｐｏよりも高い場合、排気ポンプ１６の運転を停止して大気開放するとともに調量弁２３の開度を制御して凝縮圧力Ｐを変更する。

以下では、図８から図１０を用いて上述の如く構成される廃熱回収ランキンサイクルシステム２２における制御装置１９の動作態様について説明する。

制御装置１９は、圧力センサー１４ａからスクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号を取得する。また、制御装置１９は、外部熱機器群２１から熱需要についての情報を取得する。制御装置１９は、取得した情報に基づいて排気ポンプ１６の運転状態、及び調量弁２３の開度を制御する（図７参照）。

図８に示すように、制御装置１９は、以下のステップで排気ポンプ１６の運転状態及び調量弁２３の開度を制御する。

ステップＳ１０１は既に説明した実施形態と同様であるのでその具体的説明を省略する。

ステップＳ１０２において、制御装置１９は、外部熱機器群２１からの熱需要についての情報から算出される熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔが大気圧Ｐｏよりも低いか否か判定する。その結果、蒸気排出口５ｃの目標凝縮圧力Ｐｔが大気圧Ｐｏよりも低いと判定した場合、制御装置１９は、ステップをステップＳ１０３に移行させる。一方、蒸気排出口５ｃの目標凝縮圧力Ｐｔが大気圧Ｐｏよりも低くないと判定した場合、制御装置１９は、ステップをステップＳ２０３に移行させる。

ステップＳ１０３において、制御装置１９は、処理Ａを開始し、ステップをステップＳ１０４に移行させる（図９参照）。

ステップＳ１０３において、制御装置１９は、処理Ｂを開始し、ステップをステップＳ４０４に移行させる（図１０参照）。

図９に示すように、ステップＳ１０４において、制御装置１９は、外部熱機器群２１からの熱需要についての情報と蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号とから、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高いか否か判定する。すなわち、凝縮器１２における熱交換によって作動媒体から給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多いか否か判定する。その結果、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高いと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多いと判定した場合（図５におけるＰ１）、制御装置１９は、ステップをステップＳ１０５に移行させる。一方、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高くないと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多くないと判定した場合、制御装置１９は、ステップをステップＳ２０５に移行させる。

ステップＳ１０５において、制御装置１９は、排気ポンプ１６の運転状態を制御して蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを所定量だけ低下（減圧）させる。合わせて、調量弁２３の開度を制御して給水の供給量を所定量だけ増大させる。これにより、蒸気が膨張室Ｃ内において膨張することによる仕事量が増大し、発電機１１による発電量が増加する。一方、蒸気排出口５ｃから排出される蒸気の温度が低下するとともに、凝縮器１２において給水に供給される単位熱量Ｑが減少する。その後、制御装置１９は、処理Ａを終了してステップをステップＳ１０１に戻す（図８参照）。

ステップＳ２０５において、制御装置１９は、外部熱機器群２１からの熱需要についての情報と蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号とから、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低いか否か判定する。すなわち、凝縮器１２における熱交換によって作動媒体から給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少ないか否か判定する。その結果、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低いと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少ないと判定した場合（図５におけるＰ２）、制御装置１９は、ステップをステップＳ２０６に移行させる。一方、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低くないと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少なくないと判定した場合（給水に供給される単位熱量Ｑが適正である場合）、制御装置１９は、処理Ａを終了してステップをステップＳ１０１に戻す（図８参照）。

ステップＳ２０６において、制御装置１９は、調量弁２３の開度を制御して給水の供給量を所定量だけ減少させる。これにより、凝縮器１２に供給される給水量が減少し、凝縮器１２において給水に供給される単位熱量Ｑが増大する。その後、制御装置１９は、ステップをステップＳ２０７に移行させる。

ステップＳ２０７において、制御装置１９は、凝縮圧力Ｐの信号から、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔと等しいか否か判定する。すなわち、凝縮器１２における熱交換によって作動媒体から給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要と等しいか否か判定する。その結果、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔと等しいと判定した場合、すなわち、凝縮器１２における熱交換によって作動媒体から給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要と等しいと判定した場合（給水に供給される単位熱量Ｑが適正である場合）、制御装置１９は、処理Ａを終了してステップをステップＳ１０１に戻す（図８参照）。一方、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔと等しくないと判定した場合、すなわち、給水量を減少させても給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少ないと判定した場合（図５におけるＰ２）、制御装置１９は、ステップをステップＳ３０８に移行させる。

ステップ２０６に示す制御により凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔと等しくなった場合、すなわち、外部熱機器群２１からの熱需要に対して給水量を変更することで対応できる場合、発電機１１による発電量を減少させることなく給水に供給される単位熱量Ｑを増加させることができる。

ステップＳ３０８において、制御装置１９は、排気ポンプ１６の運転状態を制御して蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを所定量だけ上昇（昇圧）させる。これにより、蒸気排出口５ｃから排出される蒸気の温度が上昇し、凝縮器１２において給水に供給される単位熱量Ｑが増大する。その後、制御装置１９は、処理Ａを終了してステップをステップＳ１０１に戻す（図８参照）。

図１０に示すように、ステップＳ４０４において、制御装置１９は、外部熱機器群２１からの熱需要についての情報と蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号とから、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高いか否か判定する。すなわち、凝縮器１２における熱交換によって作動媒体から給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多いか否か判定する。その結果、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高いと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多いと判定した場合（図５におけるＰ１）、制御装置１９は、ステップをステップＳ４０５に移行させる。一方、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも高くないと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも多くないと判定した場合、制御装置１９は、ステップをステップＳ５０５に移行させる。

ステップＳ４０５において、制御装置１９は、排気ポンプ１６の運転状態を制御して蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを大気圧（大気開放）になるようにする。合わせて、調量弁２３の開度を制御して給水の供給量を所定量だけ増大させる。これにより、凝縮器１２において給水に供給される単位熱量Ｑが減少する。その後、制御装置１９は、処理Ｂを終了してステップをステップＳ１０１に戻す（図８参照）。

ステップＳ５０５において、制御装置１９は、外部熱機器群２１からの熱需要についての情報と蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐの信号とから、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低いか否か判定する。すなわち、凝縮器１２における熱交換によって作動媒体から給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少ないか否か判定する。その結果、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低いと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少ないと判定した場合（図５におけるＰ２）、制御装置１９は、ステップをステップＳ５０６に移行させる。一方、蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐが熱需要に基づいた目標凝縮圧力Ｐｔよりも低くないと判定した場合、すなわち、給水に供給される単位熱量Ｑが外部熱機器群２１からの熱需要よりも少なくないと判定した場合（給水に供給される単位熱量Ｑが適正である場合）、制御装置１９は、処理Ｂを終了してステップをステップＳ１０１に戻す。

ステップＳ５０６において、制御装置１９は、排気ポンプ１６の運転状態を制御して蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを大気圧（大気開放）になるようにする。合わせて、調量弁２３の開度を制御して給水の供給量を所定量だけ減少させる。これにより、凝縮器１２において給水に供給される単位熱量Ｑが増大する。その後、制御装置１９は、処理Ｂを終了してステップをステップＳ１０１に戻す（図８参照）。

以上の如く、凝縮器１２から排出される給水の流量を変更する調量弁２３をさらに備え、制御装置１９は、凝縮器１２において前記給水が任意の温度に加熱されるように、調量弁２３の開度を制御して前記圧力検出手段である圧力センサー１４ａによって検出される凝縮圧力Ｐを所定の値に変更するものである。このように構成することで、スクロール形流体機械４の蒸気排出口５ｃの凝縮圧力Ｐを変更することに加え、給水の流量を変更することによって給水に供給される単位熱量Ｑを制御することができる。このため、熱の需要量に基づいた仕事量と熱量との比率の制御が容易になり、かつ制御範囲が拡大する。

また、制御装置１９は、凝縮圧力Ｐを上昇させる場合、調量弁２３の開度を制御した後に排気ポンプ１６の運転状態を制御するものである。このように構成することで、給水の流量の変更では所定の目標凝縮圧力Ｐｔに到達できない場合にスクロール形流体機械４の仕事量を変更するように制御することができる。これにより、蒸気による仕事と給熱との総合的な効率が向上する。

１廃熱回収ランキンサイクルシステム
２蒸気発生器
４スクロール形流体機械
１２凝縮器
１６排気ポンプ

Claims

蒸気発生器から供給される蒸気によって駆動されるスクロール形流体機械と、給水によって前記スクロール形流体機械から排出される蒸気が凝縮される凝縮器と、を備える廃熱回収ランキンサイクルシステムにおいて、
前記凝縮器の下流側に凝縮圧力を変更する排気ポンプが接続されており、
制御装置と、前記スクロール形流体機械の下流側に前記凝縮圧力を検出する圧力検出手段と、を更に備え、
前記凝縮器において前記給水が任意の温度に加熱されるように、前記排気ポンプの運転状態を制御して、前記圧力検出手段によって検出される前記凝縮圧力を所定の値に変更する
廃熱回収ランキンサイクルシステム。
前記凝縮器から排出される給水の流量を変更する調量弁を更に備え、
前記制御装置は、前記凝縮器において前記給水が任意の温度に加熱されるように、前記調量弁の開度を制御して、前記圧力検出手段によって検出される前記凝縮圧力を所定の値に変更する
請求項１記載の廃熱回収ランキンサイクルシステム。
前記制御装置は、前記凝縮圧力を上昇させる場合、前記調量弁の開度を制御した後に、前記排気ポンプの運転状態を制御する
請求項２記載の廃熱回収ランキンサイクルシステム。