JP6190319B2 - 熱エネルギー回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排熱を回収する熱エネルギー回収装置に関するものである。

従来、地熱水等の熱エネルギーを回収する熱エネルギー回収装置が知られており、その代表的なものがバイナリー発電装置である。

バイナリー発電装置の一例として、特許文献１に記載の発電装置がある。当該発電装置は、蒸発器、過熱器、膨張機、油分離器、凝縮器、ポンプを順に接続して閉回路を形成する循環流路を有している。過熱器と油分離器の間には、過熱器に溜まった潤滑油を油分離器に導くバイパス通路が設けられ、当該バイパス通路にはバイパス弁が設けられている。循環流路における過熱器の上流側および下流側には、各々、作動媒体の温度を検出する温度センサが設けられている。また、各温度センサの検出値の差（温度差）に基づいて、過熱器内の熱交換量を求め、当該熱交換量が閾値を下回った時点でバイパス弁を開く制御手段が設けられている。

この発電装置では、過熱器内の熱交換量が閾値を下回った時点でバイパス弁を開くことにより、バイパス弁を通じて過熱器内の潤滑油を抜くことができる。これにより、過熱器に溜まった潤滑油によって過熱器の熱交換効率が低下するのを抑えることができる。

特開２０１４−４７６３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発電装置では、温度センサの検出値から算出した熱交換量に基づいてバイパス弁を制御しているので、過熱器内に潤滑油が溜まっているときであっても必ずしもバイパス弁が開かれるとは限らない。

また、蒸発器や過熱器に供給される熱媒体の熱量の不足や作動媒体の循環量の増大などにより、過熱器内に液相の作動媒体と油による液体の層が形成される場合がある。特許文献１に開示される手法にて潤滑油を回収しようとすると、作動媒体よりも比重が小さい潤滑油が用いられるバイナリー発電装置では潤滑油の層の下に形成された液相の作動媒体の層が油分離器へと先に回収されてしまい、発電に寄与しない作動媒体が増大してしまう。その結果、発電効率が低下してしまう。

本発明の目的は、熱媒体の入熱量や作動媒体の循環量が変動する環境下であっても適切に駆動する熱エネルギー回収装置を提供することである。

前記課題を解決する手段として、本発明は、作動媒体と、前記作動媒体に混在し、前記作動媒体よりも比重が小さい油とを有し、前記作動媒体のランキンサイクルを利用する熱エネルギー回収装置であって、熱媒体との熱交換によって作動媒体を加熱する第１加熱器と、前記第１加熱器から流出した作動媒体を熱媒体との熱交換によってさらに加熱する第２加熱器と、前記第２加熱器から流出した作動媒体により駆動される膨張機と、前記膨張機に接続された動力回収機と、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体を前記第１加熱器へ送る作動媒体ポンプと、油を作動媒体から分離する油分離器と、前記第２加熱器の上流側の部位、または、前記第２加熱器と前記第１加熱器とを繋ぎ作動媒体が流れる加熱器接続部に接続され、前記第２加熱器内の油を前記油分離器に導く油導出路と、前記油導出路に設けられる開閉部と、前記第２加熱器への作動媒体の流入量および前記開閉部の開閉を制御する制御部と、備え、前記制御部が、前記第２加熱器へと向かう作動媒体の流量を低減させる流量低減制御と、前記開閉部を開放する開放制御とを実行し、前記油導出路を通じて前記第２加熱器内に滞留した油を前記油分離器に導出することを特徴とする、熱エネルギー回収装置を提供する。

本熱エネルギー回収装置では、第２加熱器における熱媒体の入熱量や作動媒体の循環量が変動する環境下であっても、第２加熱器の上流側の部位または加熱器接続部に接続された油導出路から第２加熱器内に滞留したおよそ油のみを油分離器へ導出することができる。その結果、発電効率の低下が抑制され、熱エネルギー回収装置が適切に駆動される。

本発明において、液相の作動媒体および油により前記第２加熱器内に滞留層が形成された場合に、前記流量低減制御および前記開放制御を実行することが好ましい。

このようにすれば、油の導出に伴って液相の作動媒体が多量に油分離器へと導出されてしまうことが防止される。

また、本発明において、前記流量低減制御が、前記作動媒体ポンプの回転を低速とする制御であることが好ましい。

このようにすれば、第２加熱器への作動媒体の流入量を容易に制御することができる。

また、本発明において、前記制御部は、前記流量低減制御を行った後、一定時間を待って前記開放制御を行うことが好ましい。

このようにすれば、熱エネルギー回収装置の構成が簡素化されるとともに、制御部の制御動作も簡略化することができる。

また、本発明において、前記第２加熱器内の油の液面の高さ又はこれに相当する液面の高さを検出する液面センサをさらに備え、前記制御部は、前記流量低減制御を行った後、前記油の液面の高さ又はこれに相当する液面の高さが所定値になると前記開放制御を行うことが好ましい。

このようにすれば、作動媒体が油分離器へと導出されてしまうことがより確実に防止される。

また、本発明において、前記油導出路が前記加熱器接続部に接続され、前記制御部は、前記流量低減制御により前記第２加熱器内の油を前記加熱器接続部に移動させた後、前記開放制御と共に作動媒体の流量を増大させる制御を行うことが好ましい。

このようにすれば、第２加熱器が内部に液面センサ等を設けることが困難な構造であっても、油を油導出路を介して油分離器に適切に導出することができる。

また、本発明は、作動媒体と、前記作動媒体に混在し、前記作動媒体よりも比重が小さい油とを有し、前記作動媒体のランキンサイクルを利用する熱エネルギー回収装置であって、熱媒体との熱交換によって作動媒体を加熱する第１加熱器と、前記第１加熱器から流出した作動媒体を熱媒体との熱交換によってさらに加熱する第２加熱器と、前記第２加熱器から流出した作動媒体により駆動される膨張機と、前記膨張機に接続された動力回収機と、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、油を作動媒体から分離する油分離器と、前記第２加熱器に接続される互いに高さの異なる複数の流路を有する油導出路と、前記複数の流路に設けられる複数の開閉部と、前記複数の開閉部の開閉をそれぞれ制御する制御部と、備え、前記制御部が、前記複数の流路のうち前記第２加熱器との接続位置が高い流路に設けられた開閉部から順に開放し、前記油導出路を通じて油を前記油分離器に導出すること特徴とする熱エネルギー回収装置を提供する。

本熱エネルギー回収装置では、作動媒体ポンプの回転数の制御を行うことなく、容易に第２加熱器内の油を油分離器へと導出することが可能となる。

本発明において、液相の作動媒体および油により前記第２加熱器内に滞留層が形成された場合に、前記制御部が、前記複数の流路のうち前記第２加熱器との接続位置が高い流路に設けられた前記開閉部から順に開放することが好ましい。

このようにすれば、油の導出に伴って液相の作動媒体が多量に油分離器へと導出されてしまうことが防止される。

また、本発明は、作動媒体と、前記作動媒体に混在し、前記作動媒体よりも比重が小さい油とを有し、前記作動媒体のランキンサイクルを利用する熱エネルギー回収装置であって、熱媒体との熱交換によって作動媒体を加熱する第１加熱器と、前記第１加熱器から流出した作動媒体を熱媒体との熱交換によってさらに加熱する第２加熱器と、前記第２加熱器から流出した作動媒体により駆動される膨張機と、前記膨張機に接続された動力回収機と、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器にて凝縮した作動媒体を前記第１加熱器へ送る作動媒体ポンプと、油を作動媒体から分離する油分離器と、前記第２加熱器の下流側の部位、または、前記第２加熱器と前記膨張機とを繋ぐ流路に接続され、前記第２加熱器内の油を前記油分離器に導く油導出路と、前記油導出路に設けられる開閉部と、前記第２加熱器への作動媒体の流入量および前記開閉部の開閉を制御する制御部と、備え、前記制御部が、液相の作動媒体および油により前記第２加熱器内に滞留層が形成された場合に、前記第２加熱器へと向かう作動媒体の流量を増大させる流量増大制御と、前記開閉部を開放する開放制御とを実行し、前記油導出路を通じて油を前記油分離器に導出することを特徴とする、熱エネルギー回収装置を提供する。

本熱エネルギー回収装置では、敢えて第２加熱器内に液相の作動媒体を増大させ、液相の作動媒体の上側に形成される油の層のみを油導出路を通じて油分離器へと導出することができる。

しかも、油の導出に伴って液相の作動媒体が多量に油分離器へと導出されてしまうことが防止される。

また、本発明において、前記流量増大制御が、前記作動媒体ポンプの回転を増速させる制御であることが好ましい。

このようにすれば、第２加熱器への作動媒体の流入量を容易に制御することができる。

以上説明したように、本発明によれば、熱媒体の入熱量や作動媒体の循環量が変動する環境下であっても適切に駆動する熱エネルギー回収装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱エネルギー回収装置の構成を示す図である。 熱エネルギー回収装置の制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る熱エネルギー回収装置の構成を示す図である。 熱エネルギー回収装置の制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る熱エネルギー回収装置の構成を示す図である。 熱エネルギー回収装置の制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る熱エネルギー回収装置の構成を示す図である。 熱エネルギー回収装置の制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第５実施形態に係る熱エネルギー回収装置の構成を示す図である。 熱エネルギー回収装置の制御部の動作を示すフローチャートである。 その他の実施形態１に係る熱エネルギー回収装置の構成を示す図である。 その他の実施形態２に係る熱エネルギー回収装置の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について詳述する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱エネルギー回収装置１の構成を示す図である。図１において、実線の矢印は各種媒体の流れを示し、破線の矢印は、電気信号の流れを示している。

熱エネルギー回収装置１は、作動媒体のランキンサイクルを利用して熱媒体の熱エネルギーを回収する装置であり、第１加熱器２と、第２加熱器３と、膨張機４と、油分離器１２と、凝縮器６と、作動媒体ポンプ７と、循環流路９と、油導出路１０と、制御部１６とを備える。循環流路９には、第１加熱器２、第２加熱器３、膨張機４、油分離器１２、凝縮器６および作動媒体ポンプ７がこの順に直列に接続され、作動媒体が循環している。作動媒体として、Ｒ２４５ｆａ等の水よりも沸点の低い低沸点有機媒体が用いられる。図１では、凝縮器６内に存在する液相の作動媒体の図示は省略している。作動媒体には油が混在し、循環流路９を作動媒体と共に循環している。油は膨張機４の各種部材の潤滑などに利用される。油の比重は作動媒体よりも小さい。

第１加熱器２は、作動媒体が流れる流路と熱媒体が流れる流路とを有する。第１加熱器２としてシェル＆チューブ式の熱交換器が用いられる。熱媒体としては、例えば、船舶等の内燃機関からの排気ガスや過給機や圧縮機から吐出される圧縮空気などが利用される。また、地熱水、地熱水から発生した高温蒸気等を挙げることができるが、特に限定はされない。

第１加熱器２は、流入した作動媒体を熱媒体と熱交換させることにより蒸発させる蒸発器として機能する。ただし、熱媒体からの入熱量の減少や作動媒体の循環量の増大によって第１加熱器２が液相の作動媒体の温度を上げる予熱器として機能する場合もある。第１加熱器２が蒸発器または予熱器として機能するか否かは、例えば凝縮器６の下流に設けられ、液相の作動媒体を貯留する図示省略のリザーバ内の液量に基づいて判断される。第１加熱器２では、作動媒体に混入している油は作動媒体に随伴して排出される。

第２加熱器３は作動媒体が流れる流路と熱媒体が流れる流路とを有し、循環流路９における第１加熱器２の下流側に配置されている。第２加熱器３としてシェル＆チューブ式の熱交換器が用いられる。第２加熱器３は、第１加熱器２から流入した作動媒体と熱媒体との間で熱交換させ、作動媒体を過熱する過熱器として機能する。ただし、第１加熱器２が予熱器として機能する場合には、第２加熱器３は流入した液相の作動媒体を蒸発させる蒸発器として機能し、第２加熱器３には、油および液相の作動媒体により液体の層（以下、「滞留層」と呼ぶ。）が形成される。油は液相の作動媒体よりも比重が小さいことから滞留層の上部が油Ｌ１の層となる。なお、一般的に、第２加熱器３が過熱器として機能する場合であっても、油は気相の作動媒体の流れに随伴しにくいため、第２加熱器３に油Ｌ１が溜まり易い。

膨張機４はスクリュ膨張機であり、循環流路９における第２加熱器３の下流側に配置される。膨張機４としてスクロール式やターボ式のものが用いられてもよい。膨張機４では、第２加熱器３から流入した気相の作動媒体が膨張することによりロータが駆動される。膨張機４の駆動軸には、動力回収機である発電機５が接続されており、膨張機４のロータが回転することによって発電機５が駆動され、発電が行われる。

凝縮器６は、冷却媒体が流れる流路と作動媒体が流れる流路とを有し、膨張機４から流出した作動媒体を冷却媒体と熱交換させることにより凝縮する。冷却媒体は、冷却媒体流路８に設けられた冷却媒体ポンプ（図示せず）によって凝縮器６に送られて、凝縮器６において作動媒体から熱を奪う。

作動媒体ポンプ７は遠心ポンプやギアポンプ等が利用される。作動媒体ポンプ７は、循環流路９における凝縮器６と第１加熱器２の間に位置し、凝縮器６にて凝縮した液相の作動媒体を第１加熱器２へと送る。

油分離器１２は、循環流路９における膨張機４と凝縮器６の間に設けられている。油分離器１２は、膨張機４から排出された作動媒体から油を分離し、貯留する。油分離器１２には油路１８が接続されている。油路１８は膨張機４に接続されている。油路１８に設けられた油ポンプ１４が作動することにより、油分離器１２に貯留されている油が油路１８を通じて膨張機４の膨張室や軸受等へ送られる。

油分離器１２には、油分離器１２内の油の液面の高さを検出する液面センサ１３が設けられている。液面センサ１３として例えばフロートスイッチが用いられる。液面センサ１３が設けられることにより、油分離器１２内の油の量の増減が検知される。液面センサ１３はその検出結果に応じた信号を制御部１６へ送信する。熱エネルギー回収装置１では、第２加熱器３内に残留する油Ｌ１の増大に伴って油分離器１２内の油の量が減少する。

油導出路１０は膨張機４と油分離器１２とを繋ぐ循環流路９の部位９ｂ、および、第１加熱器２と第２加熱器３とを繋ぐ循環流路９の部位（以下、「加熱器接続部９ａ」という。）に接続される。加熱器接続部９ａの下流側の端部Ｐ１は第２加熱器３の下部、すなわち、上流側の部位に接続されている。油導出路１０が設けられることにより、第２加熱器３内の油を油分離器１２へと導出することが可能となる。油導出路１０には、開閉部として電磁弁である開閉弁１１が設けられている。開閉弁１１は制御部１６により制御される。

制御部１６は作動媒体ポンプ７の回転数および開閉弁１１の開閉の制御を行う。

ところで、既述のように、熱エネルギー回収装置１の駆動時には、熱媒体の入熱量の減少や作動媒体の循環量の増大などにより、第２加熱器３内に滞留層が形成される場合がある。以下、熱エネルギー回収装置１の駆動中における第２加熱器３から油分離器１２への油の導出の流れについて図２を参照しつつ説明する。

まず、制御部１６は、油分離器１２内の液面の高さが予め定められた下限値未満となったか否か、すなわち、油分離器１２内の油の貯留量が減少しているか否かを判断する（ステップＳ１）。下限値は試験やシミュレーションによって予め設定される。以下の説明では、油分離器１２内における油の液面を「分離器内液面」という。分離器内液面の高さが下限値以上であると判断された場合（ＮＯと判断）には、ステップＳ１にリターンする。一方、分離器内液面の高さが下限値未満であると判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６は、作動媒体ポンプ７の回転を低速とする制御（以下、「低速制御」という。）を行う。

低速制御により第２加熱器３へと流入する液相の作動媒体の量が低減する（ステップＳ２）。低速制御が一定時間維持され（ステップＳ３）、第２加熱器３では、液相の作動媒体Ｌ２の量が減少することにより滞留層が小さくなり、およそ油Ｌ１の層のみが残ることとなる。実際には、第２加熱器３内に熱媒体が供給されていることから、液相の作動媒体の蒸発も滞留層の減少に寄与する。上記一定時間は試験やシミュレーションに基づき適宜設定される。

上記一定時間待った後、制御部１６は開閉弁１１を開放する開放制御を行う（ステップＳ４）。開閉弁１１が開放されると、第２加熱器３と油分離器１２との間の圧力差により、第２加熱器３内の油Ｌ１が油導出路１０を通じて油分離器１２に導出される。

そして、所定時間経過後、制御部１６は分離器内液面の高さが下限値以上となったか否かの判断を行う（ステップＳ５）。ここで、所定時間は、試験やシミュレーションに基づき設定されてよく、また、油導出路１０内を流れる油（実際には、作動媒体が僅かに含まれる。）の流量に基づいて求められてよい。分離器内液面の高さが下限値未満である場合には、開閉弁１１が開いた状態がさらに所定時間維持され、分離器内液面の高さが再度検出される。

分離器内液面の高さが下限値以上であると判断された場合には、制御部１６は、開閉弁１１を閉じる制御を行い（ステップＳ６）、作動媒体ポンプ７の回転数が低速制御を行う前の回転数に戻される。その結果、作動媒体の第２加熱器３への流入量が元の状態に戻る（ステップＳ７）。熱エネルギー回収装置１では、駆動中に再び油分離器１２内の油の貯留量が減少した場合には、上述のステップＳ２〜Ｓ７が繰り返される。

以上に説明したように、本実施形態に係る熱エネルギー回収装置１では、第２加熱器３内に滞留層が形成された場合に、作動媒体ポンプ７の低速制御、（すなわち、第２加熱器３へと向かう作動媒体の流量を低減させる制御）が行われるとともに、油導出路１０の開閉弁１１が開放される。これにより、およそ油Ｌ１のみを第２加熱器３から導出することができる。第２加熱器３内の液相の作動媒体が油分離器１２へ多量に排出されてしまうことが抑制されることから、膨張機４の駆動に寄与しない作動媒体が増大することによる発電効率の低下が防止される。また、油Ｌ１の層が第２加熱器３内に存在することによる熱媒体と作動媒体との間の伝熱面積の減少が防止され、発電効率の低下がより防止される。その結果、熱媒体からの入熱量や作動媒体の循環量が変動する環境下であっても、熱エネルギー回収装置１が適切に駆動することができる。

第２加熱器３として油が作動媒体に随伴されず内部に溜まり易いシェル＆チューブ式の熱交換器が利用される場合であっても、第２加熱器３内から適切に油を排出することができる。

熱エネルギー回収装置１では、作動媒体ポンプの低速制御を行った後、一定時間を待って開閉弁１１が開放されるため、滞留層の液面の高さに基づいて開閉弁１１の開閉を制御する場合に比べて、熱エネルギー回収装置１の構成が簡素化されるとともに、制御部１６の制御動作も簡略化することができる。

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態では、油分離器１２内に設けられた液面センサ１３に代えて油ポンプ１４の吐出圧を検出する圧力センサが設けられてもよい。圧力センサの検出結果は制御部１６へ送られる。

制御部１６は、図２のステップＳ１において吐出圧が所定値未満であるか否かが判断され、ステップＳ５において吐出圧が所定値以上であるか否かが判断される。所定値は、例えば、油分離器１２内の油の量が少なくなったことにより油ポンプ１４においてキャビテーションが生じるときの吐出圧に設定される。このように、圧力センサを用いた場合も油分離器１２内の油の量の増減を検出することができる。本変形例であっても第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る熱エネルギー回収装置１Ａの構成を示す図である。ここでは、第１実施形態と異なる構成要素のみについて説明し、その他の構成要素については説明を省略する。

第２実施形態では、第２加熱器３内の滞留層の液面の高さを検出する液面センサ１５が設けられている。液面センサ１５としては、例えばフロートスイッチを挙げることができる。以下、熱エネルギー回収装置１の駆動中に第２加熱器３に滞留層が形成された場合に、第２加熱器３から油分離器１２へと油を導出する手法について図４を参照しつつ説明する。まず、制御部１６は、油分離器１２の分離器内液面の高さが下限値未満となったか否かを判断する（ステップＳ４１）。分離器内液面の高さが下限値以上であると判断された場合（ＮＯと判断）には、ステップＳ４１にリターンする。

分離器内液面の高さが下限値未満であると判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６が、作動媒体ポンプ７に対して低速制御を行う。これにより、第２加熱器３に流入する液相の作動媒体の量が減少する（ステップＳ４２）。ステップＳ４２に次いで、液面センサ１５により第２加熱器３内における滞留層の液面（すなわち、油の液面であり、以下、「加熱器内液面」という。）の高さが検出され、制御部１６にて所定値になったか否かが判断される（ステップＳ４３）。加熱器内液面の高さが所定値でない場合には（ＮＯと判断）、作動媒体ポンプ７の回転数が調整され、作動媒体の流入量が調整される（ステップＳ４２）。加熱器内液面の高さが所定値になったと判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６は、開閉弁１１を開く制御を行う（ステップＳ４４）。

ステップＳ４４にて開閉弁１１が開かれると、制御部１６は分離器内液面の高さが下限値以上となったか否かの判断を行う（ステップＳ４５）。分離器内液面の高さが下限値未満であると判断されると（ＮＯと判断）、開閉弁１１が開いた状態が所定時間維持される。そして、再び分離器内液面の高さが検出され、下限値以上であると判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６は開閉弁１１を閉じる（ステップＳ４６）。また、作動媒体ポンプ７の回転数が低速制御前の回転数に戻され、作動媒体の第２加熱器３への流入量が元の状態に戻る（ステップＳ４７）。

熱エネルギー回収装置１Ａでは、駆動中に再び油分離器１２内の油の貯留量が減少した場合には、上述のステップＳ４２〜Ｓ４７が繰り返される。以下の第３および第５実施形態においても同様である。

第２実施形態では、第２加熱器３内に滞留層が形成された場合に、液面センサ１３の検出結果に基づいて作動媒体ポンプ７の低速制御を行って作動媒体の第２加熱器３への流入量を低減させるとともに、油導出路１０の開閉弁１１を開放する。これにより、およそ油Ｌ１のみを第２加熱器３から導出することができ、熱媒体からの入熱量や作動媒体の循環量が変動する環境下であっても、熱エネルギー回収装置１Ａを適切に駆動させることができる。

第２加熱器３内に液面センサ１５が設けられることにより、滞留層の加熱器内液面の高さをより正確に把握することができ、作動媒体が油分離器１２へと導出されてしまうことがより確実に防止される。

（第３実施形態）
次に、第２加熱器３に滞留層が形成された場合における熱エネルギー回収装置１Ｂの他の動作例を第３実施形態として説明する。図５は、熱エネルギー回収装置１Ｂの構成を示す図である。熱エネルギー回収装置１Ｂでは、加熱器接続部９ａに液面センサ１７が設けられている。他の構造は第１実施形態と同様である。なお、既述のように油導出路１０は加熱器接続部９ａと繋がっている。

熱エネルギー回収装置１Ｂの駆動中に油を導出する際には、図６に示すように、まず、油分離器１２の分離器内液面の高さが下限値未満となったか否かが判断され（ステップＳ６１）、分離器内液面の高さが下限値未満になったと判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６が作動媒体ポンプ７に対して低速制御を行い、作動媒体の第２加熱器３への流入量が低減される（ステップＳ６２）。第２加熱器３から滞留層がなくなり、油Ｌ１は加熱器接続部９ａへと移動する。

制御部１６は液面センサ１７の検出結果に基づいて、加熱器接続部９ａにおける油の液面（以下、「接続部内液面」という。）の位置が所定位置となったか否かを判断し（ステップＳ６３）、接続部内液面の位置が所定位置になったと判断された場合には、開閉弁１１が開放される（ステップＳ６４）。

次に、制御部１６は、作動媒体ポンプ７の回転数を僅かに増大させて作動媒体の流量を増大させる制御を行う（ステップＳ６５）。ただし、作動媒体ポンプ７の増大後の回転数は低速制御を行う前の回転数よりも小さい。作動媒体の流量が僅かに増大すると、加熱器接続部９ａ内の油Ｌ１が下流側へと押し流されるとともに、油導出路１０を介して油分離器１２へ導出される。なお、第２加熱器３の圧力は油分離器１２に比べて高いため、油Ｌ１は第２加熱器３にほとんど流入しない。

制御部１６は、分離器内液面の高さが下限値以上となったか否かを判断する（ステップＳ６６）。分離器内液面の高さが下限値未満である場合には、作動媒体ポンプ７の回転数がさらに増大され、再び分離器内液面の高さが検出される。このように、熱エネルギー回収装置１Ｂでは、分離器内液面の高さが下限値以上となるまで、低速制御を行う前の回転数よりも小さい範囲において作動媒体ポンプ７の回転数が段階的に増大される。分離器内液面の高さが下限値以上になったと判断された場合には、制御部１６は、開閉弁１１を閉じる制御を行う（ステップＳ６７）。制御部１６は、作動媒体ポンプ７の回転数を低速制御を行う前の回転数に戻し、第２加熱器３への作動媒体の流入量が元の状態に戻る（ステップＳ６８）。

第３実施形態では、作動媒体ポンプ７の低速制御により第２加熱器３内の油を加熱器接続部９ａに移動させた後、開閉弁１１を開放する制御と共に作動媒体ポンプ７の回転を増速する制御、すなわち、作動媒体の流量を増大させる制御が行われる。これにより、第２加熱器３内の油のみを油分離器１２へと導出することができる。熱エネルギー回収装置１Ｂでは、加熱器接続部９ａに液面センサ１７を設けることにより、第２加熱器３が検出器を設けることが困難な構造であっても、油を油導出路１０を介して油分離器１２に適切に導出することができる。熱エネルギー回収装置１Ｂでは、作動媒体ポンプ７の回転を増速する制御が、開閉弁１１を開放する制御よりも前または同時に行われてもよい。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態に係る熱エネルギー回収装置１Ｃの構成を示す図である。ここでは、第１実施形態と異なる構成要素のみについて説明し、その他の構成要素については説明を省略する。

油導出路１０１は第１流路１０１ａ、第２流路１０１ｂ、および、第３流路１０１ｃを有する。第１流路１０１ａ，第２流路１０１ｂ，第３流路１０１ｃは、第２加熱器３に対して互いに異なる高さにて接続される。第１流路１０１ａの第２加熱器３との接続位置は、第２流路１０１ｂよりも高い。第２流路１０１ｂの第２加熱器３との接続位置は第３流路１０１ｃよりも高い。第１ないし第３流路１０１ａ〜１０１ｃは１本の合流流路１０１ｄに接続され、合流流路１０１ｄの接続端部は、循環流路９において膨張機４から油分離器１２へ作動媒体を導く部分９ｂに接続されている。合流流路１０１ｄの接続端部は、油分離器１２に直接接続されていてもよい。

第１流路１０１ａ，第２流路１０１ｂ，第３流路１０１ｃには各々電磁弁である開閉弁１０２，１０３，１０４が設けられている。開閉弁１０２，１０３，１０４は、制御部１６によって開閉が制御される。

次に、第２加熱器３内に滞留層が形成された場合の熱エネルギー回収装置１Ｃの動作について、図８を参照しつつ説明する。まず、制御部１６は、分離器内液面の高さが下限値未満となったか否かを判断する（ステップＳ９１）。分離器内液面の高さが下限値以上であると判断された場合（ＮＯと判断）には、ステップＳ９１にリターンする。一方、分離器内液面の高さが下限値未満になったと判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６は、第１流路１０１ａに配置された開閉弁１０２を開く制御を行う（ステップＳ９２）。

ステップＳ９２の後、開閉弁１０２が開放された状態が所定時間維持される（ステップＳ９３）。次いで、制御部１６は、分離器内液面の高さが下限値以上となったか否かを判断する（ステップＳ９４）。分離器内液面の高さが下限値以上になったと判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６は開閉弁１０２を閉じる制御を行う（ステップＳ９５）。

分離器内液面の高さが下限値未満であると判断された場合（ＮＯと判断）には、制御部１６は、第２流路１０１ｂに配置された開閉弁１０３を開く制御を行う（ステップＳ９６）。ステップＳ９６の後、開閉弁１０３が開放された状態が所定時間維持される（ステップＳ９７）。次いで、分離器内液面の高さが下限値以上となったか否かを判断する（ステップＳ９８）。分離器内液面の高さが下限値以上になったと判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６は、開閉弁１０２と、開閉弁１０３とを閉じる制御を行う（ステップＳ９９）。

分離器内液面の高さが下限値未満であると判断された場合（ＮＯと判断）には、制御部１６は、第３流路１０１ｃに配置された開閉弁１０４を開く制御を行う（ステップＳ９１０）。ステップＳ９３、Ｓ９４、および、ステップＳ９７、Ｓ９８と同様に、開閉弁１０４が開放された状態が所定時間維持される（ステップＳ９１１）。分離器内液面の高さが下限値以上となったか否かが判断され（ステップＳ９１２）、分離器内液面の高さが下限値以上になったと判断された場合（ＹＥＳと判断）には、制御部１６は、開閉弁１０２と、開閉弁１０３と、開閉弁１０４とを閉じる制御を行う（ステップＳ９１３）。一方、液面高さが下限値未満であると判断された場合（ＮＯと判断）には、ステップＳ９１にリターンする。

第４実施形態では、油分離器１２内の油の量が所定値以上になるまで、第１ないし第３流路１０１ａ〜１０１ｃのうち第２加熱器３との接続位置が高いものに設けられた開閉弁から順に開放される。このため、作動媒体ポンプ７の回転数の制御を行うことなく、容易に第２加熱器３内の油を油分離器１２へと導出することができる。

（第５実施形態）
図９は、本発明の第５実施形態に係る熱エネルギー回収装置１Ｄの構成を示す図である。ここでは、第１実施形態と異なる構成要素のみについて説明し、その他の構成要素については説明を省略する。

第５実施形態の油導出路１０５は膨張機４と油分離器１２とを繋ぐ循環流路９の部位、および、第２加熱器３と膨張機４を繋ぐ循環流路９の部位（以下、「媒体導出路９ｆ」という）に接続される。媒体導出路９ｆの上流側の端部Ｐ２は第２加熱器３の上部、すなわち、下流側の部位に接続されている。媒体導出路９ｆには液面センサ１７が設けられている。

図１０は第２加熱器３から油を導出する流れを示す図である。第２加熱器３内に滞留層が形成された場合には、まず、分離器内液面の高さが下限値未満となったか否かを判断し（ステップＳ１１１）、分離器内液面の高さが下限値未満になったと判断された場合（ＹＥＳと判断）には、作動媒体ポンプ７の回転を増速する制御（以下、「増速制御」という。）を行い、第２加熱器３への液相の作動媒体の流入量が増大する（ステップＳ１１２）。第２加熱器３の内部が液相の作動媒体によって満たされ、第２加熱器３から油が溢れて媒体導出路９ｆ内の液面の高さが所定値になったか否かが判断される（ステップＳ１１３）。液面の高さが所定値に満たないと判断された場合には（ＮＯと判断）、所定時間待ってステップＳ１１３にリターンする。所定値になったと判断された場合には（ＹＥＳと判断）、開閉弁１１が開放されるとともに（ステップＳ１１４）、作動媒体ポンプ７の回転が増大するよう調整され（ステップＳ１１５）、油Ｌ１が油導出路１０５を介して油分離器１２へ導出される。なお、開閉弁１１の開放に合わせて媒体導出路９ｆに設けられた図示省略の遮断弁を閉じて膨張機４への作動媒体の流入が遮断されてもよい。

分離器内液面の高さが下限値以上か否かが判断され（ステップＳ１１６）、下限値未満である場合には作動媒体ポンプ７の回転数が高い状態が維持され、繰り返し分離器内液面の高さが検出される。分離器内液面の高さが下限値以上となったと判断された場合（ＹＥＳと判断）には、開閉弁１１が閉じられる（ステップＳ１１７）。制御部１６は、作動媒体ポンプ７に対して増速制御を行う前の回転数に戻す制御を行い、作動媒体の流量が元の状態に戻される（ステップＳ１１８）。

熱エネルギー回収装置１Ｄでは、第２加熱器３内に滞留層が形成された場合に、液面センサ１３，１７の検出結果に基づいて作動媒体ポンプ７の増速制御、すなわち、第２加熱器３へと向かう作動媒体の流量を増大させる制御と、油導出路１０５の開閉弁１１を開放する制御とが行われる。敢えて第２加熱器内の滞留層を増大させることにより、滞留層の上部に存在する油のみを油導出路１０を通じて油分離器１２へと導出することができる。第５実施形態では、第２加熱器３内に液相の作動媒体が存在しない状態、すなわち、過熱器として機能する場合であっても、作動媒体の流入量を増大させることにより第２加熱器３内を液相の作動媒体で満たし、油Ｌ１を油分離器１２へ排出することができる。なお、熱エネルギー回収装置１Ｄの動作では、ステップＳ１１５は必ずしも行われる必要はない。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

図１１は他の実施形態に係る熱エネルギー回収装置１Ｅを示す図である。油分離器１２は循環流路９における第２加熱器３と膨張機４との間に設けてもよい。油導出路１０は、循環流路９における加熱器接続部９ａと、媒体導出路９ｆとを接続する。図１１に示す実施形態においては、第１実施形態と同様、作動媒体ポンプ７の低速制御を行うことにより第２加熱器３内の滞留層が減少し、油Ｌ１が油導出路１０を通じて第２加熱器３から導出される。

図１２に示すように、媒体導出路９ｆを油導出路１０として用いてもよい。この場合、第５実施形態と同様に作動媒体ポンプ７の増速制御により第２加熱器３の内部が液相の作動媒体で満たされ、油Ｌ１は油導出路１０を通じて第２加熱器３から油分離器１２へと導出される。

上記第５実施形態では、第２加熱器３を流れる熱媒体の流量や温度を低下させることにより、第２加熱器３内における液相の作動媒体の量を増大させてもよい。すなわち、見かけ上、第２加熱器３への作動媒体の流入量を増大させてもよい。なお、分離器内液面の高さが下限値以上となった場合には、熱媒体の流量または温度は元の状態に戻される。図１２の構造においても同様である。

上記第１実施形態では、第２加熱器３から油を導出する上述の手法は、第２加熱器３内に液相の作動媒体が存在しない、すなわち、第２加熱器３が過熱器として機能する場合にも適用されてよい。作動媒体ポンプ７の低速制御を行って第２加熱器３への流入量を低減させることにより（ステップＳ２：図２参照）、第１加熱器２から第２加熱器３へと気相の作動媒体に随伴して流入する油の量が抑えられる。そして、一定時間待った後（ステップＳ３）、油導出路１０の開閉弁１１を開放することにより、油分離器１２へと油を導出することができる。また、他の実施形態における第２加熱器３から油を導出する手法が、第２加熱器３が過熱器として機能する場合に適用されてよい。

上記第１ないし第３実施形態では、油導出路１０が第２加熱器３の上流側の部位に直接的に接続されてもよい。同様に、第５実施形態では、油導出路１０５が第２加熱器３の下流側の部位に直接的に接続されてもよい。

第１ないし第３実施形態では、第２加熱器３へと向かう作動媒体の流量を低減させる流量低減制御として、作動媒体ポンプ７の低速制御が行われるが、当該低速制御に代えて、または、これと併用して作動媒体ポンプ７の下流側に流量調整弁を設け、当該流量調整弁の開度を下げる制御が行われてもよい。同様に、第５実施形態においても、第２加熱器３へと向かう作動媒体の流量を増大させる流量増大制御として作動媒体ポンプ７の増速制御以外に上記流量調整弁の開度を上げる制御が行われてもよい。第３実施形態における作動媒体の流量を増大させる制御においても同様である。

第２実施形態では、重力方向において、第２加熱器３が第１加熱器２の下側に配置される場合、加熱器接続部９ａに加熱器内液面の高さに相当する高さに油または液相の作動媒体の液面が形成されることから、加熱器接続部９ａに液面センサ１５を設け、その検出結果に基づいて各制御を行ってもよい。

上記実施形態では、油分離器１２内の液面センサ１３の検出結果に代えて、例えば、発電機５の出力に基づき第２加熱器３から油を導出する動作が行われてもよい。また、作動媒体の第２加熱器３に流入する前の温度、第２加熱器３から流出した後の温度および作動媒体の流量に基づいて当該動作が行われてもよい。なお、作動媒体の流量は作動媒体ポンプ７の周波数に基づき推定することができる。

上記第４実施形態では、油導出路１０１に第１ないし第３流路１０１ａ〜１０１ｃに加えて、図５と同様に、加熱器接続部９ａに接続される流路が設けられてもよい。これにより、加熱器接続部９ａ内に油が滞留した場合であっても、油分離器１２へと油を導出することができる。

上記実施形態では、第１加熱器２および第２加熱器３としてプレート式熱交換器など他の熱交換器が利用されてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ 熱エネルギー回収装置
２ 第１加熱器
３ 第２加熱器
４ 膨張機
５ 発電機
６ 凝縮器
７ 動作媒体ポンプ
８ 冷却媒体流路
９ 循環流路
１０，１０１，１０５ 油導出路
１１，１０２，１０３，１０４ 開閉弁
１２ 油分離器
１３，１５，１７ 液面センサ
１４ 油ポンプ
１６ 制御部
１８ 油路

Claims (10)

1. 作動媒体と、前記作動媒体に混在し、前記作動媒体よりも比重が小さい油とを有し、前記作動媒体のランキンサイクルを利用する熱エネルギー回収装置であって、
   熱媒体との熱交換によって作動媒体を加熱する第１加熱器と、
   前記第１加熱器から流出した作動媒体を熱媒体との熱交換によってさらに加熱する第２加熱器と、
   前記第２加熱器から流出した作動媒体により駆動される膨張機と、
   前記膨張機に接続された動力回収機と、
   前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器にて凝縮した作動媒体を前記第１加熱器へ送る作動媒体ポンプと、
   油を作動媒体から分離する油分離器と、
   前記第２加熱器の上流側の部位、または、前記第２加熱器と前記第１加熱器とを繋ぎ作動媒体が流れる加熱器接続部に接続され、前記第２加熱器内の油を前記油分離器に導く油導出路と、
   前記油導出路に設けられる開閉部と、
   前記第２加熱器への作動媒体の流入量および前記開閉部の開閉を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部が、
   前記第２加熱器へと向かう作動媒体の流量を低減させる流量低減制御と、前記開閉部を開放する開放制御とを実行し、前記油導出路を通じて前記第２加熱器内に滞留した油を前記油分離器に導出することを特徴とする、熱エネルギー回収装置。
2. 液相の作動媒体および油により前記第２加熱器内に滞留層が形成された場合に、前記流量低減制御および前記開放制御を実行することを特徴とする、請求項１に記載の熱エネルギー回収装置。
3. 前記流量低減制御が、前記作動媒体ポンプの回転を低速とする制御である、請求項１または２に記載の熱エネルギー回収装置。
4. 前記制御部は、前記流量低減制御を行った後、一定時間を待って前記開放制御を行うことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱エネルギー回収装置。
5. 前記第２加熱器内の油の液面の高さ又はこれに相当する液面の高さを検出する液面センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記流量低減制御を行った後、前記油の液面の高さ又はこれに相当する液面の高さが所定値になると前記開放制御を行うことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱エネルギー回収装置。
6. 前記油導出路が前記加熱器接続部に接続され、
   前記制御部は、
   前記流量低減制御により前記第２加熱器内の油を前記加熱器接続部に移動させた後、前記開放制御と共に作動媒体の流量を増大させる制御を行うことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱エネルギー回収装置。
7. 作動媒体と、前記作動媒体に混在し、前記作動媒体よりも比重が小さい油とを有し、前記作動媒体のランキンサイクルを利用する熱エネルギー回収装置であって、
   熱媒体との熱交換によって作動媒体を加熱する第１加熱器と、
   前記第１加熱器から流出した作動媒体を熱媒体との熱交換によってさらに加熱する第２加熱器と、
   前記第２加熱器から流出した作動媒体により駆動される膨張機と、
   前記膨張機に接続された動力回収機と、
   前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   油を作動媒体から分離する油分離器と、
   前記第２加熱器に接続される互いに高さの異なる複数の流路を有する油導出路と、
   前記複数の流路に設けられる複数の開閉部と、
   前記複数の開閉部の開閉をそれぞれ制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部が、前記複数の流路のうち前記第２加熱器との接続位置が高い流路に設けられた開閉部から順に開放し、前記油導出路を通じて油を前記油分離器に導出すること特徴とする熱エネルギー回収装置。
8. 液相の作動媒体および油により前記第２加熱器内に滞留層が形成された場合に、前記制御部が、前記複数の流路のうち前記第２加熱器との接続位置が高い流路に設けられた前記開閉部から順に開放することを特徴とする、請求項７に記載の熱エネルギー回収装置。
9. 作動媒体と、前記作動媒体に混在し、前記作動媒体よりも比重が小さい油とを有し、前記作動媒体のランキンサイクルを利用する熱エネルギー回収装置であって、
   熱媒体との熱交換によって作動媒体を加熱する第１加熱器と、
   前記第１加熱器から流出した作動媒体を熱媒体との熱交換によってさらに加熱する第２加熱器と、
   前記第２加熱器から流出した作動媒体により駆動される膨張機と、
   前記膨張機に接続された動力回収機と、
   前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器にて凝縮した作動媒体を前記第１加熱器へ送る作動媒体ポンプと、
   油を作動媒体から分離する油分離器と、
   前記第２加熱器の下流側の部位、または、前記第２加熱器と前記膨張機とを繋ぐ流路に接続され、前記第２加熱器内の油を前記油分離器に導く油導出路と、
   前記油導出路に設けられる開閉部と、
   前記第２加熱器への作動媒体の流入量および前記開閉部の開閉を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部が、液相の作動媒体および油により前記第２加熱器内に滞留層が形成された場合に、前記第２加熱器へと向かう作動媒体の流量を増大させる流量増大制御と、前記開閉部を開放する開放制御とを実行し、前記油導出路を通じて油を前記油分離器に導出することを特徴とする、熱エネルギー回収装置。
10. 前記流量増大制御が、前記作動媒体ポンプの回転を増速させる制御である、請求項９に記載の熱エネルギー回収装置。

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