JP6406583B2 - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Description

本開示は、ランキンサイクル装置に関する。

従来、発電を行うための装置としてランキンサイクル装置が知られている。ランキンサイクル装置の一例として、作動流体を容積型の膨張機で膨張させて動力を回収する構成が知られている。図１３に示すように、特許文献１には、蒸発器６０３、膨張機６０４、凝縮器６０５、及び供給ポンプ６０６を有するランキンサイクル装置６００が開示されている。蒸発器６０３は、内燃機関６０１の廃熱を熱源として、高温高圧の蒸気を発生させる。

ランキンサイクル装置６００において、膨張機６０４に供給される蒸気の圧力Ｐｅｖｐ及び温度Ｔｅｖｐは所定の関係を満たすように調整される。蒸気の圧力Ｐｅｖｐは膨張機６０４の回転数を制御することによって調整され、蒸気の温度Ｔｅｖｐは、蒸発器６０３に供給される水量を制御することによって調整される。このとき、膨張機６０４の膨張比が所定の膨張比（設定膨張比ε）に設定されることによって、膨張機６０４から排出される蒸気の圧力Ｐｅｘｐ２及び温度Ｔｅｘｐ２が定格値に一致する。その結果、膨張機６０４及び凝縮器６０５が最大の性能を発揮できる。また、蒸気の圧力Ｐｅｖｐ及び温度Ｔｅｖｐが所定の関係から外れる場合には膨張機６０４の膨張比を変化させることにより、膨張機６０４から排出される蒸気の圧力Ｐｅｘｐ２及び温度Ｔｅｘｐ２を最適値に一致させる。

図１５に示すように、特許文献２には、圧縮機９０２、放熱器９１６、膨張機９０３、及び蒸発器９１７を有する冷凍空調機９０１が開示されている。また、冷凍空調機９０１は、入口圧力検出手段９４１、出口圧力検出手段９４２、膨張比制御手段９４３、及び演算手段９４４を有する。入口圧力検出手段９４１は、膨張機９０３の入口における圧力を検出し、出口圧力検出手段９４２は、膨張機９０３の出口における圧力を検出する。入口圧力検出手段９４１及び出口圧力検出手段９４２としては圧力センサが用いられる。入口圧力検出手段９４１及び出口圧力検出手段９４２の検出信号を基に演算手段９４４が目標膨張比を演算する。膨張比制御手段９４３は、その目標膨張比で冷媒９０５を膨張させるように膨張機９０３を制御する。このようにして、膨張機９０３に導入した冷媒９０５の膨張後の圧力を膨張機９０３の出口における圧力と同等にしている。また、特許文献２には、膨張機９０３の出口に温度センサを設けて冷媒９０５の温度を検出し、検出された値を基に膨張機９０３の出口における圧力を求めてもよいことが記載されている。

特開２００２−１５５７０７号公報 特開２００１−１６５５１３号公報

特許文献１のランキンサイクル装置６００においては、膨張機の動作を制御するために蒸気の圧力を検出する。

本開示は、比較的簡素な構成で膨張機の動作を制御できるランキンサイクル装置を提供することを目的とする。

本開示は、作動流体の回路と、作動流体の過熱蒸気を生成する加熱器と、前記加熱器を通過した作動流体を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した作動流体を冷却する冷却器と、前記加熱器の出口から、前記膨張機の入口に流れる前記作動流体の温度を検出する第１温度センサと、前記膨張機の出口から、前記冷却器の入口に流れる前記作動流体の温度を検出するための第２温度センサと、前記第１温度センサの検出温度から前記第２温度センサの検出温度との差に基づいて前記膨張機の回転数を制御する制御装置と、を備えた、
ランキンサイクル装置を提供する。

上記のランキンサイクル装置によれば、比較的簡素な構成でランキンサイクル装置の膨張比を評価して膨張機の動作を制御できる。

本開示の一例に係るランキンサイクル装置の構成図 制御装置による膨張機の制御を示すフローチャート 制御装置による膨張機の制御を示すフローチャート 制御装置による膨張機の制御を示すフローチャート 制御装置による膨張機の制御を示すフローチャート ランキンサイクル装置の運転状態を示すモリエル線図 ランキンサイクル装置の運転状態を示すモリエル線図 温度差の目標値と冷熱源温度との関係を示すグラフ 温度差の目標値と冷熱源温度との関係を示すグラフ 制御装置による膨張機の制御を示すフローチャート 制御装置による膨張機の制御を示すフローチャート 制御装置による膨張機の制御を示すフローチャート 従来のランキンサイクル装置の構成図 定格時のランキンサイクル装置の膨張機における作動流体の圧力及び比容積の変化を示すグラフ 膨張機の入口圧力が高い場合の膨張機における作動流体の圧力及び比容積の変化を示すグラフ 膨張機の入口圧力が低い場合の膨張機における作動流体の圧力及び比容積の変化を示すグラフ 従来の冷凍空調機の構成図

ランキンサイクル装置に含まれる容積型の膨張機は、その設計仕様により吸入容積及び吐出容積が定まる。膨張機に流入した作動流体は吸入容積と膨張容積との比に応じて膨張し、作動流体の圧力が低下する。図１４Ａに示すように、定格時において、膨張機の入口における圧力が定格値ｐ１であった作動流体は膨張機の内部で所定の膨張比で膨張し、膨張機の出口において作動流体の圧力が定格値ｐ２になる。このとき、膨張機は最大限の性能を発揮できる。このように、膨張機が最大限の性能を発揮できる膨張比を設計膨張比という。一方、図１４Ｂに示すように、膨張機の入口における作動流体の圧力が定格値ｐ１より高く、吐出比容積ｖ２まで膨張した作動流体の圧力が定格値ｐ２よりも高い場合、動力として回収できていない作動流体の圧力エネルギーが解放されてしまう。このため、膨張機による動力の回収量に損失が発生する。すなわち、図１４Ｂの斜線部分の面積に相当する仕事が無駄になってしまう。また、図１４Ｃに示すように、膨張機の入口での作動流体の圧力が定格値ｐ１より低く、吐出比容積ｖ２まで膨張した作動流体の圧力が定格値ｐ２よりも低い場合、定格値ｐ２よりも低い圧力まで作動流体が引き伸ばされてしまう。これにより、図１４Ｃの斜線部分の面積に相当する負の仕事が発生し、膨張機による動力回収量に損失が発生する。

このため、例えば、ランキンサイクル装置の膨張比を評価して、膨張機の設計膨張比に適合するようにランキンサイクル装置の蒸発圧力を調整する。特許文献１のランキンサイクル装置６００では、膨張機６０４に供給される蒸気の圧力Ｐｅｖｐ及び温度Ｔｅｖｐが所定の関係を満たすために、膨張機６０４の回転数を制御して圧力Ｐｅｖｐを調整している。この場合、圧力Ｐｅｖｐを直接検出する。特許文献２には、膨張機９０３の出口に温度センサを設けて冷媒の温度を検出して膨張機９０３の出口圧力を求めてもよいと記載されている。しかし、圧力Ｐｅｖｐを温度センサによって求めることは困難である。なぜなら、ランキンサイクル装置６００においては、膨張機６０４の入口で作動流体がほとんどの場合に過熱蒸気であり、蒸気の圧力は、蒸気の温度から一義的に求めることができないからである。このため、ランキンサイクル装置６００は、膨張機６０４に供給される蒸気の圧力Ｐｅｖｐを検出するために圧力センサを備えている。圧力センサは一般に高価であるので、ランキンサイクル装置の製造コストが高くなってしまう。
本発明者は、上記膨張比の制御に限らず、従来、圧力センサを使用して行っていた膨張機の制御について、膨張機の入口及び出口の温度差を使用して制御することが可能であることを見出した。

本開示の第１態様は、作動流体の過熱蒸気を生成する加熱器と、前記加熱器を通過した作動流体を膨張させるための膨張機と、前記膨張機を通過した作動流体を冷却する冷却器と、前記加熱器の出口から、前記膨張機の入口に流れる前記作動流体の温度を検出する第１温度センサと、前記膨張機の出口から、前記冷却器の入口に流れる前記作動流体の温度を検出する第２温度センサと、前記第１温度センサの検出温度と前記第２温度センサの検出温度との差に基づいて前記膨張機の回転数を制御する制御装置と、を備えた、ランキンサイクル装置を提供する。

本開示の第１態様によれば、膨張機の入口と出口の圧力差に代えて、第１温度センサの検出値と第２温度センサの検出値との差に基づき膨張機を制御することができる。また、上記制御は、圧力差を使用した膨張機の任意の制御について適用できる。ここで、加熱器は、過熱蒸気を生成するのであればいずれの形態であっても構わない。例えば、加熱器は、作動流体から蒸気の生成を行うとともに蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する機器（蒸発器）であってもよい。また、加熱器は、作動流体から蒸気の生成を行う蒸発器の下流に設けられ、蒸発器で生成された蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する過熱器であってもよい。冷却器が、複数であれば、第２温度センサは、膨張機の出口から、回路において膨張機に最も近い冷却器の入口に流れる作動流体の温度を検出する。

本開示の第２態様は、第１態様において、前記差が増加すると膨張機の回転数を増加させる、ランキンサイクル装置を提供する。第２態様によれば、膨張機の出入口の圧力差の過度な上昇が緩和される。

本開示の第３態様は、第１態様または第２態様において、制御装置は、前記差が減少すると膨張機の回転数を減少させる、ランキンサイクル装置を提供する。第３態様によれば、膨張機の出入口の圧力差の過度な減少が緩和される。

本開示の第４態様は、第１態様において、制御装置は、膨張機の回転数を制御して、前記差を目標値に近づける、ランキンサイクル装置を提供する。第４態様によれば、第１温度センサの検出値と第２温度センサの検出値との差に基づき膨張機の膨張比を適切に制御することが可能になる。このため、ランキンサイクル装置が膨張機の動作の制御のために圧力センサを備えなくてもよいので、比較的簡素な構成でランキンサイクル装置の膨張比を適切に膨張機の動作を制御できる。

本開示の第５態様は、第４態様において、制御装置は、前記差が前記目標値よりも大きいとき、膨張機の回転数を増加させるランキンサイクル装置を提供する。第１温度センサの検出値と第２温度センサの検出値との差が目標値よりも大きいときランキンサイクル装置の膨張比は、目標状態におけるランキンサイクル装置の膨張比よりも大きい。第５態様によれば、膨張機の回転数を増加させることによって加熱器で生じた気相の作動流体の凝縮器への流量が増加する。これにより、蒸発器で蒸発する作動流体の質量よりも膨張機を経て凝縮器に流れる作動流体の質量が多くなるので、蒸発圧力が低下してランキンサイクル装置の膨張比が目標状態におけるランキンサイクル装置の膨張比に近づく。

ここで、前記差が前記目標値よりも大きいとき、膨張機の回転数を増加させるとは、前記差が目標値よりも大きい全期間において、膨張機の回転数を増加させなくてもよく、少なくとも一部の期間において、膨張機の回転数を増加させればよい。例えば、前記差が目標値よりも大きい第１閾値以上であるとき、制御器が、膨張機の回転数を増加させてもよい。また、上記目標状態とは、ランキンサイクル装置の設計により適宜設定できる。目標状態は、例えば、ランキンサイクル装置が、膨張機の設計膨張比を実現した状態であってもよい。また、目標状態は、冷却器で作動流体を冷却する冷却流体の温度に依らず、加熱器を通過した作動流体の圧力は維持し、膨張機を通過後の作動流体の圧力は冷却流体の温度により変動するときの膨張比を実現した状態である。このとき、膨張比は、設計膨張比と異なり膨張機の効率は低下するが、冷却流体の温度が低下したときの動力生成の効率は向上する。

本開示の第６態様は、第４態様または第５態様において、制御装置は、前記差が前記目標値よりも小さいとき、膨張機の回転数を減少させる、ランキンサイクル装置を提供する。
第１温度センサによって検出された温度から第２温度センサによって検出された温度を引いた差が目標値よりも小さい場合のランキンサイクル装置の膨張比は、目標状態におけるランキンサイクル装置の膨張比よりも小さい。第６態様によれば、膨張機の回転数を減少させることによって蒸発器で生じた気相の作動流体の凝縮器への流量が減少する。これにより、蒸発器で蒸発する作動流体の質量よりも膨張機を経て凝縮器に流れる作動流体の質量が少なくなるので、蒸発圧力が上昇してランキンサイクル装置の膨張比が目標状態におけるランキンサイクル装置の膨張比に近づく。その結果、目標状態又は目標状態に近い状態でランキンサイクル装置が運転されるので、ランキンサイクル装置の性能が高まる。

ここで、前記差が前記目標値よりも小さいとき、膨張機の回転数を減少させるとは、前記差が目標値よりも小さいときの全期間において、膨張機の回転数を減少させなくてもよく、少なくとも一部の期間において、膨張機の回転数を減少させればよい。例えば、前記差が目標値よりも小さい第２閾値以下であるとき、制御器が、膨張機の回転数を減少させてもよい。また、上記目標状態とは、ランキンサイクル装置の設計により適宜設定できる。目標状態は、例えば、ランキンサイクル装置が、膨張機の設計膨張比を実現した状態であってもよい。また、目標状態は、冷却器で作動流体を冷却する冷却流体の温度に依らず、加熱器を通過した作動流体の圧力（蒸発圧力）は維持し、膨張機を通過後の作動流体の圧力は冷却流体の温度により変動するときの膨張比を実現した状態である。このとき、膨張比は、設計膨張比と異なり膨張機の効率は低下するが、冷却流体の温度が低下したときの動力生成の効率は向上する。

本開示の第７態様は、第２態様または第３態様において、冷却器は、膨張機で膨張した作動流体を冷却するための冷却流体の流路を備え、冷却流体によって作動流体を冷却して凝縮させる凝縮器を含み、作動流体を冷却した冷却流体の前記凝縮器を通過後の温度を検出する第３温度センサをさらに備え、制御装置は、第３温度センサの検出温度が上昇すると膨張機の回転数を減少させる、ランキンサイクル装置を提供する。

第３温度センサの検出温度が上昇すると、凝縮器出口の作動流体の圧力、ひいては膨張機出口の作動流体の圧力が上昇する。このとき、膨張機の膨張比の変化を低減するために、膨張機入口と出口の圧力差（温度差）を大きくする。第７態様によれば、第３温度センサの検出温度が上昇したときに、ランキンサイクル装置の膨張比の膨張機の設計膨張比に対するズレを低減することができる。

本開示の第８態様は、第２態様、第３態様または第７態様において、第３温度センサによって検出された温度が低下すると膨張機の回転数を増加させる、ランキンサイクル装置を提供する。

第３温度センサの検出温度が低下すると、凝縮器出口の圧力、ひいては膨張機出口の圧力が低下する。このとき、膨張機入口側の圧力は、ポンプ及び膨張機の出力が一定であれば変化しないため、膨張機の吸入圧力と吐出圧力との差は大きくなり、膨張機にかかる機械負荷が大きくなる。第８態様によれば、膨張機の吸入圧力と膨張機の吐出圧力との差を小さくでき、膨張機にかかる機械負荷を軽減できる。

本開示の第９態様は、第８態様において、制御装置は、前記第３温度センサの検出温度が上昇すると前記膨張機の回転数を増加させ、かつ、第３温度センサの検出温度が低下すると、膨張機の回転数を減少させる、ランキンサイクル装置を提供する。

第９態様によれば、例えば、冷熱源温度が低いときに、ランキンサイクル装置の蒸発圧力を、冷熱源温度が高いときのランキンサイクル装置の蒸発圧力又はその蒸発圧力に近い圧力に保ってランキンサイクル装置を運転できる。このため、動力生成の効率が高い状態でランキンサイクル装置を運転できる。なお、第９形態において、制御装置は、第３温度センサの検出温度が上昇すると膨張機の回転数を増加させてもよい。これにより、膨張機の入口側の圧力を上限圧力以下に維持した状態で、膨張機の制御を実行することができる。なお、上限圧力は、例えば、安全基準等で規制された上限圧力であってもよい。

本開示の第１０態様は、第４態様−第６態様のいずれか一つにおいて、
前記冷却器は、前記膨張機で膨張した前記作動流体を冷却するための冷却流体の流路を有し、前記冷却流体によって前記作動流体を冷却して凝縮させる凝縮器を含み、
作動流体を冷却した冷却流体の前記凝縮器を通過後の温度を検出するための第３温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記第３温度センサによって検出された温度に応じて設定される前記目標値に基づいて前記膨張機の回転数を制御する、ランキンサイクル装置を提供する。

第１０態様によれば、凝縮器の冷却流体の流路の出口における冷却流体の温度（冷熱源温度）に基づいて、上記の目標値が決定される。さらに、この目標値に基づいて膨張機の回転数が制御される。これにより、ランキンサイクル装置の凝縮器を通過後の作動流体の圧力を考慮してその目標値を定めることができるので、ランキンサイクル装置の性能を高めることができる。

本開示の第１１態様は、第１０態様において、前記制御装置は、前記第３温度センサの検出温度が上昇すると目標値を増加させ、増加した前記目標値に基づいて前記膨張機の回転数を制御する、ランキンサイクル装置を提供する。第３温度センサの検出温度が上昇すると、凝縮器出口の作動流体の圧力、ひいては膨張機出口の作動流体の圧力が上昇する。このとき、膨張機の膨張比の変化を低減するために、膨張機入口と出口の圧力差（温度差）を大きくする。従って、第３温度センサの検出温度が上昇したときに、前記温度差の目標値を維持していると、ランキンサイクル装置の膨張比が、膨張機の設計膨張比に対してズレが大きくなる。第１１態様によれば、第３温度センサの検出温度が上昇したときに、ランキンサイクル装置の膨張比の膨張機の設計膨張比に対するズレを低減することができる。

本開示の第１２態様は、第１０態様または第１１態様において、前記制御装置は、前記第３温度センサによって検出された温度が低下すると目標値を減少させ、減少した目標値に基づいて前記膨張機の回転数を制御するランキンサイクル装置を提供する。第３温度センサの検出温度が低下すると、凝縮器出口の圧力、ひいては膨張機出口の圧力が低下する。このとき、膨張機入口側の圧力は、ポンプ及び膨張機の出力が一定であれば変化しないため、膨張機の吸入圧力と吐出圧力との差は大きくなり、膨張機にかかる機械負荷が大きくなる。第１２態様によれば、膨張機の吸入圧力と膨張機の吐出圧力との差を小さくでき、膨張機にかかる機械負荷を軽減できる。その結果、ランキンサイクル装置の信頼性を高めることができる。

本開示の第１３態様は、第１０態様において、制御装置は、前記第３温度センサの検出温度が低下すると前記目標値を増加させ、増加した目標値に基づいて前記膨張機の回転数を制御する、ランキンサイクル装置を提供する。第１３態様によれば、例えば、冷熱源温度が低いときに、ランキンサイクル装置の蒸発圧力を、冷熱源温度が高いときのランキンサイクル装置の蒸発圧力又はその蒸発圧力に近い圧力に保ってランキンサイクル装置を運転できる。このため、動力生成の効率が高い状態でランキンサイクル装置を運転できる。

なお、第１３態様において、制御装置は、第３温度センサによって検出された温度が上昇すると、目標値を減少させ、減少した目標値に基づいて膨張機の回転数を制御してもよい。これにより、膨張機の入口側の圧力を上限圧力以下に維持した状態で、膨張機の制御を実行することができる。なお、上限圧力は、例えば、安全基準等で規制された上限圧力であってもよい。

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。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらによって限定されるものではない。

図１に示すように、ランキンサイクル装置１は、主回路１０と、膨張機１１と、第１温度センサ７ａと、第２温度センサ７ｂとを備えている。主回路１０は、作動流体の回路である。膨張機１１は、作動流体を膨張させるための流体機械である。また、ランキンサイクル装置１は、バイパス流路２０と、流量調節機構３と、第３温度センサ７ｃと、温度センサ７ｄとをさらに備えている。主回路１０は、膨張機１１、第１熱交換部１２ａ、凝縮器１３、ポンプ１４、第２熱交換部１２ｂ、及び蒸発器１５を有し、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成されている。作動流体は、主回路１０において、膨張機１１、第１熱交換部１２ａ、凝縮器１３、ポンプ１４、第２熱交換部１２ｂ、及び蒸発器１５をこの順番で流れる。第１熱交換部１２ａ及び第２熱交換部１２ｂによって再熱器１２が構成されている。第１熱交換部１２ａは、再熱器１２の低圧側の流路を形成している。第２熱交換部１２ｂは、再熱器１２の高圧側の流路を形成している。第１熱交換部１２ａの中の作動流体が第２熱交換部１２ｂの中の作動流体と熱交換する。再熱器１２は、本開示の冷却器の一例である。

作動流体は特に制限されない。作動流体は、例えば、水、ケトン、アルコール、炭化水素、又はフルオロカーボンである。アルコールとしては、例えば、エタノールを挙げることができる。炭化水素としては、例えば、ｎ−ブタン又はｎ−ペンタンを挙げることができる。フルオロカーボンとしては、例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２３６ｅａ、Ｒ２４５ｆａ、又はＲ３６５ｍｆｃを挙げることができる。

蒸発器１５は、作動流体の過熱蒸気を生成する。具体的には、ボイラー２によって発生する燃焼熱によって蒸発器１５を流れている作動流体を加熱し、作動流体の蒸気を生成するとともに、蒸気を更に加熱して過熱蒸気を生成する。作動流体を加熱するための熱源として、ボイラー２に代えて、排熱、地熱、太陽熱などの他の熱源を使用してもよい。蒸発器１５は、本開示の加熱器の一例である。

膨張機１１は、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は、スクロール式、ロータリ式（スウィング式を含む）、ベーン式、スクリュー式、又はレシプロ式の膨張機を挙げることができる。ターボ型の膨張機としては、遠心式又は軸流式の膨張機を挙げることができる。膨張機１１は、典型的には、容積型の膨張機である。膨張機１１において、作動流体が膨張する。これにより、膨張機１１は動力を生成する。膨張機１１は、例えば、発電機（図示省略）に連結されており、発電機を駆動して発電を行う。

凝縮器１３は、凝縮部１３ａ及び冷却部１３ｂを有する。凝縮部１３ａが主回路１０の一部を構成し、冷却部１３ｂが温水回路３０の一部を構成している。冷却部１３ｂは、膨張機１１で膨張した作動流体を冷却するための冷却流体の流路を形成している。すなわち、凝縮器１３は、膨張機１１で膨張した作動流体を冷却するための冷却流体の流路を有し、冷却流体によって作動流体を冷却して凝縮させる。具体的に、凝縮部１３ａを流れている作動流体が冷却部１３ｂを流れている冷却流体によって冷却され凝縮する。第３温度センサ７ｃは、凝縮器１３の冷却流体の流路の出口における冷却流体の温度（冷熱源温度）を検出するための温度センサである。凝縮器１３は、本開示の冷却器の一例である。

温水回路３０は、温水ポンプ３１、冷却部１３ｂ、給湯タンク３２、及びラジエータ３４を有し、これらのコンポーネントが環状に接続されることによって形成されている。温水ポンプ３１によって冷却部１３ｂに冷却流体が供給される。冷却部１３ｂに供給された冷却流体は、凝縮部１３ａを流れる作動流体との熱交換により昇温して冷却部１３ｂから流出する。流出した冷却流体は、給湯タンク３２又はラジエータ３４における放熱により降温し、温水ポンプ３１によって再び冷却部１３ｂに供給される。このようにして、凝縮器１３において回収した作動流体の有する熱を給湯又は暖房に利用できる。冷却流体は、特に制限されず、例えば、水である。冷却流体は、水以外の液体又は空気等の気体であってもよい。

バイパス流路２０は、蒸発器１５の出口と膨張機１１の入口との間で主回路１０から分岐し、膨張機１１の出口と第１熱交換部１２ａの入口との間で主回路１０に合流している。流量調節機構３は、バイパス流路２０における作動流体の流量を調節する。ランキンサイクル装置１が通常運転されているときには、流量調節機構３は、バイパス流路２０における作動流体の流量を最小又はゼロに調節する。一方、蒸発器１５の出口において液相の作動流体が含まれるおそれがある場合に、流量調節機構３は、作動流体が膨張機１１をバイパスするようにバイパス流路２０の流量を調節する。本実施形態では、流量調節機構３は、主回路１０とバイパス流路２０の上流端との接続位置と膨張機１１の入口との間に設けられた第１開閉弁３ａと、バイパス流路２０に設けられた膨張弁３ｂとを含んでいる。第１開閉弁３ａは例えば電磁開閉弁である。膨張弁３ｂは例えば電動膨張弁である。

第１温度センサ７ａは、作動流体の回路において作動流体の流れ方向と反対方向に膨張機１１から最も近い熱交換器の出口から、膨張機１１の入口に流れる作動流体の温度を検出するための温度センサである。これにより、第１温度センサ７ａは、膨張機１１の入口における作動流体の温度を検出できる。本実施形態において、作動流体の回路において作動流体の流れ方向と反対方向から膨張機１１から最も近い熱交換器は、蒸発器１５である。第１温度センサ７ａは、蒸発器１５の出口から膨張機１１の入口に流れる作動流体の温度を検出する。

第２温度センサ７ｂは、膨張機１１の出口から、作動流体の回路において作動流体の流れ方向に膨張機１１から最も近い熱交換器の入口に流れる作動流体の温度を検出するための温度センサである。これにより、第２温度センサ７ｂは、膨張機１１の出口における作動流体の温度を検出できる。本実施形態において、作動流体の回路において作動流体の流れ方向に膨張機１１から最も近い熱交換器は、第１熱交換部１２ａである。第２温度センサ７ｂは、膨張機１１の出口から第１熱交換部１２ａの入口に流れる作動流体の温度を検出する。また、第２温度センサ７ｂは、例えば、主回路１０にバイパス流路２０が合流する合流位置から第１熱交換部１２ａの入口に流れる作動流体の温度を検出する。

温度センサ７ｄは、第１熱交換部１２ａの出口から凝縮部１３ａの入口に流れる作動流体の温度を検出するための温度センサである。

制御装置５は、膨張機１１を制御する。制御装置５は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。また、制御装置５は、第１温度センサ７ａ、第２温度センサ７ｂ、第３温度センサ７ｃ、及び温度センサ７ｄの検出結果を示す信号を受信できるように、これらの温度センサに接続されている。また、制御装置５は、膨張機１１及び流量調節機構３に所定の制御信号を送信できるように、膨張機１１及び流量調節機構３に接続されている。例えば、膨張機１１が発電機（図示省略）に連結している場合、制御装置５は、膨張機１１を制御するための所定の制御信号を発電機に送信できるように、発電機に接続されていてもよい。制御装置５は、第１温度センサ７ａ、第２温度センサ７ｂ、第３温度センサ７ｃ、又は温度センサ７ｄの検出結果に基づいて、膨張機１１及び流量調節機構３の動作を制御する。具体的に、第１温度センサ７ａ、第２温度センサ７ｂ、第３温度センサ７ｃ、及び温度センサ７ｄの検出結果を示す信号を受信して、その検出結果に基づいて、膨張機１１又は流量調節機構３を制御するための制御信号を生成して送信する。

制御装置５は、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差に基づいて膨張機１１の回転数を制御する。具体的には、制御装置５は、前記差が増加すると膨張機１１の回転数を増加させてもよい。これにより、膨張機１１の出入口の圧力差の過度な上昇が緩和される。また、制御装置５は、前記差が減少すると膨張機１１の回転数を減少させてもよい。これにより、膨張機１１の出入口の圧力差の過度な減少が緩和される。

具体的には、制御装置５は、例えば、図２（ａ）に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第１温度センサ７ａの検出温度Ｔａ及び第２温度センサ７ｂの検出温度Ｔｂを、それぞれ、第１温度センサ７ａ及び第２温度センサ７ｂから取得する（ステップＳ１）。次に、制御装置５は、第１温度センサ７ａの検出温度Ｔａと第２温度センサ７ｂの検出温度Ｔｂとの差Ｔａ−Ｔｂを求める（ステップＳ２）。次に、制御装置５は、その差が増加したか否かを判断する（ステップＳ３）。差が増加した場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、制御装置５は、膨張機１１の回転数を増加させ（ステップＳ５）、ステップＳ１に戻る。具体的に、制御装置５は、膨張機１１の回転数を増加せるための制御信号を生成して膨張機１１に送信する。ステップＳ３における判断結果がＮｏの場合、制御装置５は、膨張機１１の回転数を維持する。

また、制御装置５は、例えば、図２（ｂ）に示すように、上記ステップＳ１及びステップＳ２を実行後、温度差Ｔａ−Ｔｂが減少したか否かを判断する（ステップＳ６）。ステップＳ６における判断結果がＹｅｓの場合、制御装置５は、膨張機１１の回転数を減少させ（ステップＳ７）、ステップＳ１に戻る。具体的に、制御装置５は、膨張機１１の回転数を減少せるための制御信号を生成して膨張機１１に送信する。ステップＳ６における判断結果がＮｏの場合、制御装置５は、膨張機１１の回転数を維持する。

制御装置５は、ランキンサイクル装置１の様々な運転条件に応じて、膨張機１１の回転数を制御してもよい。ランキンサイクル装置１は、例えば、運転モードとして機械負荷軽減モード又は動力生成効率優先モードを備える。制御装置５は、それぞれのモードに応じて、膨張機１１の回転数の制御を行う。ランキンサイクル装置１は、運転モードとして機械負荷軽減モード及び動力生成効率優先モードを備え、ユーザーによってこれらの運転モードが選択可能であるように構成されていてもよい。

制御装置５は、例えば、機械負荷軽減モードにおいて、第３温度センサ７ｃによって検出された温度が上昇すると、膨張機１１の回転数を減少させてもよい。第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃが上昇すると、凝縮器１３の出口の作動流体の圧力、ひいては膨張機１１の出口の作動流体の圧力が上昇する。このとき、膨張機１１の膨張比の変化を低減するために、膨張機１１の入口と出口の圧力差（温度差）を大きくする。ここで、上記のように、制御装置５が、第３温度センサ７ｃによって検出された温度が上昇したとき、膨張機１１の回転数を減少させれば、ランキンサイクル装置の膨張比の膨張機の設計膨張比に対するズレを低減することができる。

具体的な動作例として、制御装置５は、図３（ａ）に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを第３温度センサ７ｃから取得し（ステップＳ２１）、検出温度Ｔｃが上昇したか否かを判断する（ステップＳ２２）。検出温度Ｔｃが上昇した場合（ステップＳ２２でＹｅｓ）、膨張機１１の回転数を減少させる。一方、制御装置５は、検出温度Ｔｃが上昇してない場合（ステップＳ２２でＮｏ）、膨張機１１の回転数を維持する。

また、制御装置５は、第３温度センサ７ｃによって検出された温度Ｔｃが低下すると、膨張機１１の回転数を増加させてもよい。第３温度センサの検出温度が低下すると、凝縮器出口の圧力、ひいては膨張機出口の圧力が低下する。このとき、膨張機１１の入口側の圧力は、ポンプ１４及び膨張機１１の出力が一定であれば変化しないため、膨張機１１の吸入圧力と吐出圧力との差は大きくなり、膨張機１１にかかる機械負荷が大きくなる。ここで、上記のように、制御装置５が、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃが低下したとき、膨張機１１の回転数を増加させれば、膨張機１１の吸入圧力と膨張機１１の吐出圧力との差を小さくでき、膨張機１１にかかる機械負荷を軽減できる。

具体的な動作例として、制御装置５は、図３（ｂ）に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを第３温度センサ７ｃから取得し（ステップＳ２１）、検出温度Ｔｃが低下したか否かを判断する（ステップＳ２４）。検出温度Ｔｃが低下した場合（ステップＳ２４でＹｅｓ）、膨張機１１の回転数を増加させる。一方、制御装置５は、検出温度Ｔｃが低下してない場合（ステップＳ２４でＮｏ）、膨張機１１の回転数を維持する。

また、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃが低下すると、膨張機１１の回転数を減少させてもよい。これにより、例えば、冷熱源温度が低いときに、ランキンサイクル装置の蒸発圧力を、冷熱源温度が高いときのランキンサイクル装置の蒸発圧力又はその蒸発圧力に近い圧力に保ってランキンサイクル装置を運転できる。このため、動力生成の効率が高い状態でランキンサイクル装置を運転できる。

具体的な動作例として、制御装置５は、図４（ａ）に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを第３温度センサ７ｃから取得し（ステップＳ３１）、検出温度Ｔｃが低下したか否かを判断する（ステップＳ３２）。検出温度Ｔｃが低下した場合（ステップＳ３２でＹｅｓ）、膨張機１１の回転数を減少させる。一方、制御装置５は、検出温度Ｔｃが低下してない場合（ステップＳ３２でＮｏ）、膨張機１１の回転数を維持する。

なお、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃが低下すると、膨張機１１の回転数を減少させるのに加え、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃが上昇すると膨張機１１の回転数を増加させてもよい。これにより、膨張機の入口側の圧力を上限圧力以下に維持した状態で、膨張機の制御を実行することができる。なお、上限圧力は、例えば、安全基準等で規制された上限圧力であってもよい。

具体的な動作例としては、制御装置５は、図４（ａ）に加え、図４（ｂ）に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを第３温度センサ７ｃから取得し（ステップＳ３１）、検出温度Ｔｃが上昇したか否かを判断する（ステップＳ３５）。検出温度Ｔｃが上昇した場合（ステップＳ３５でＹｅｓ）、膨張機１１の回転数を増加させる。一方、制御装置５は、検出温度Ｔｃが上昇してない場合（ステップＳ３５でＮｏ）、膨張機１１の回転数を維持する。

また、制御装置５は、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差が目標値に近づくように膨張機１１の回転数を制御してもよい。この目標値は、ランキンサイクル装置１が所定の目標状態で運転された場合に、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差がその目標値と一致するように定められている。制御装置５は、その差が目標値よりも大きい場合には膨張機１１の回転数を増加させ、かつ、その差が目標値よりも小さい場合には膨張機１１の回転数を減少させる。膨張機１１の回転数は、例えば、膨張機１１に連結された発電機の電流値を変化させて膨張機１１の回転トルクを調整することによって変更できる。この目標値は、特定の値として定められていてもよいし、所定の範囲を有する値の集合として定められていてもよい。

具体的には、制御装置５は、例えば、図５に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第１温度センサ７ａによって検出された温度Ｔａ及び第２温度センサ７ｂによって検出された温度Ｔｂを、それぞれ、第１温度センサ７ａ及び第２温度センサ７ｂから取得する（ステップＳ５１）。次に、制御装置５は、第１温度センサ７ａと検出温度Ｔａと第２温度センサ７ｂの検出温度Ｔｂとの差Ｔａ−Ｔｂを求める（ステップＳ５２）。次に、制御装置５は、その差Ｔａ−Ｔｂが目標値より大きいか否か判断する（ステップＳ５３）。ステップＳ５３における判断結果がＹｅｓの場合、制御装置５は、膨張機１１の回転数を増加させ（ステップＳ５４）、ステップＳ１に戻る。具体的に、制御装置５は、膨張機１１の回転数を増加せるための制御信号を生成して膨張機１１に送信する。ステップＳ５３における判断結果がＮｏの場合、制御装置５は、その差Ｔａ−Ｔｂが目標値より小さいか否か判断する（ステップＳ５５）。ステップＳ５５における判断結果がＹｅｓの場合、制御装置５は、膨張機１１の回転数を減少させ（ステップＳ５６）、ステップＳ１に戻る。具体的に、制御装置５は、膨張機１１の回転数を減少せるための制御信号を生成して膨張機１１に送信する。ステップＳ５５における判断結果がＮｏの場合、制御装置５は、膨張機１１の回転数を維持し（ステップＳ５７）、処理を終了する。

ランキンサイクル装置１が目標状態で運転されている場合に、作動流体は、図６に示すように、点Ａ１、点Ｂ１、点Ｃ１、及び点Ｄ１の状態に変化しながら主回路１０を流れる。主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分において、作動流体は、点Ａ１に示すように飽和液又は過冷却液の状態である。作動流体は、ポンプ１４によって加圧される。この場合、作動流体の温度はほとんど変化しない。このため、主回路１０のポンプ１４の出口と第２熱交換部１２ｂの入口との間の部分において、作動流体は、点Ｂ１に示すように過冷却液の状態である。第２熱交換部１２ｂにおける作動流体は、第１熱交換部１２ａにおける作動流体によって加熱される。このため、主回路１０の第２熱交換部１２ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分において、作動流体は、点Ｂ１に示す状態の作動流体の温度よりも温度が上昇した過冷却液の状態である。場合によっては、作動流体は気体と液体とが混在する湿り蒸気である。

蒸発器１５において作動流体は過熱され過熱蒸気に変化する。このため、主回路１０の蒸発器１５の出口と膨張機１１の入口との間の部分において、作動流体は点Ｃ１に示すような過熱蒸気の状態である。作動流体は、膨張機１１において断熱膨張する。このため、主回路１０の膨張機１１の出口と第１熱交換部１２ａの入口との間において、作動流体は点Ｄ１に示すような過熱蒸気の状態である。第１熱交換部１２ａにおける作動流体は、第２熱交換部１２ｂにおける作動流体によって冷却される。このため、主回路１０の第１熱交換部１２ａの出口と凝縮器１３の入口において、作動流体は点Ｄ１に示す状態の作動流体の温度よりも温度が低下した過熱蒸気の状態である。作動流体は、凝縮器１３において凝縮する。このため、主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分において、作動流体は点Ａ１に示すように飽和液又は過冷却液の状態である。このようにランキンサイクル装置１が目標状態で運転されている場合に、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差は目標値に一致する。なお、図６において、細い破線は等温線を意味し、一点鎖線は作動流体の臨界温度曲線を意味し、c.p.は作動流体の臨界点を意味する。これらの線及び符号の意味は図７においても同じである。

第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差が目標値よりも大きい場合には、作動流体は、例えば、点Ａ１、点Ｂ２、点Ｃ２、及び点Ｄ２の状態に変化しながら主回路１０を流れる。作動流体が点Ｂ２、点Ｃ２、及び点Ｄ２の状態を示す主回路１０の部分は、それぞれ、作動流体が点Ｂ１、点Ｃ１、及び点Ｄ１の状態を示す主回路１０の部分と同じである。この場合、ランキンサイクル装置１の作動流体の蒸発圧力が高く、ランキンサイクル装置１の膨張比が目標状態におけるそれよりも大きい。すなわち、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差が目標値よりも大きいことは、ランキンサイクル装置１の膨張比が目標状態におけるそれよりも拡大していることを意味する。このように、本実施形態では、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差に基づいてランキンサイクル装置１の膨張比を評価できる。このため、圧力センサを備えなくてもよい比較的簡素な構成でランキンサイクル装置１の膨張比を評価できる。

この場合、制御装置５は膨張機１１の回転数を増加させる。これにより、膨張機１１から蒸発器１５で生じた気相の作動流体の凝縮器１３への流量が増加する。蒸発器１５で蒸発する作動流体の質量よりも膨張機１１を経て凝縮器１３に流れる作動流体の質量が多くなるので、蒸発圧力が低下してランキンサイクル装置１の膨張比が目標状態におけるランキンサイクル装置１の膨張比に近づく。その結果、ランキンサイクル装置１を目標状態又は目標状態に近い状態で運転できる。

第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差が目標値よりも小さい場合には、作動流体は、例えば、図７に示すように、点Ａ１、点Ｂ３、点Ｃ３、及び点Ｄ３の状態に変化しながら主回路１０を流れる。作動流体が点Ｂ３、点Ｃ３、及び点Ｄ３の状態を示す主回路１０の部分は、それぞれ、作動流体が点Ｂ１、点Ｃ１、及び点Ｄ１の状態を示す主回路１０の部分と同じである。この場合、ランキンサイクル装置１の作動流体の蒸発圧力が低く、ランキンサイクル装置１の膨張比が目標状態におけるそれよりも小さい。すなわち、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差が目標値よりも小さいことは、ランキンサイクル装置１の膨張比が目標状態におけるそれよりも小さいことを意味する。

この場合、制御装置５は膨張機１１の回転数を減少させる。これにより、膨張機１１から蒸発器１５で生じた気相の作動流体の凝縮器１３への流量が減少する。蒸発器１５で蒸発する作動流体の質量よりも膨張機１１を経て凝縮器１３に流れる作動流体の質量が少なくなるので、蒸発圧力が低下してランキンサイクル装置１の膨張比が目標状態におけるランキンサイクル装置１の膨張比に近づく。その結果、ランキンサイクル装置１を目標状態又は目標状態に近い状態で運転できる。

制御装置５は、上記の目標値をランキンサイクル装置１の様々な運転条件に基づいて決定し、その決定した目標値に基づいて膨張機１１の回転数を制御してもよい。また、制御装置５は、ランキンサイクル装置１の運転条件の変化などに応じてその目標値を変更してもよい。この目標値の決定又は変更のために、例えば、目標値と運転条件との関係を示すテーブルが制御装置５によって読み出し可能なように記憶手段に記憶されている。

制御装置５は、例えば、第３温度センサ７ｃによって検出された温度に基づいて上記の目標値を決定し、その決定した目標値に基づいて膨張機の回転数を制御する。この場合、第３温度センサ７ｃによって検出された冷熱源温度に基づいて、上記の目標値を定めることができる。また、ランキンサイクル装置の凝縮圧力を考慮して上記の目標値を定めることができるので、ランキンサイクル装置の性能を高めることができる。目標値の決定のために、例えば、図８又は図９に示すような、目標値と冷熱源温度との関係を示すテーブルが、制御装置５によって読み出し可能なように記憶手段に記憶されている。すなわち、制御装置５は、そのテーブルを読み出して、第３温度センサ７ｃによって検出された温度に対応する目標値をそのテーブルから取得して目標値を決定する。

また、制御装置５は、第３温度センサ７ｃによって検出された温度の変化に応じて上記の目標値を変更し、変更後の目標値に基づいて膨張機１１の回転数を制御する。この場合、制御装置５は、例えば、図８又は図９に示すような、目標値と冷熱源温度との関係を示すテーブルを読み出して、第３温度センサ７ｃによって検出された温度に対応する目標値をこのテーブルから取得して目標値を変更する。また、制御装置５は、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差が変更後の目標値に近づくように膨張機１１の回転数を制御する。
具体的には、制御装置５は、例えば、図１０に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを、第３温度センサ７ｃから取得する（ステップＳ６１）。次に、ステップＳ６１で取得した検出温度Ｔｃから目標値を決定し、目標値を決定された値に変更する（ステップＳ６２）。制御装置５は、変更された目標値に基づき膨張機１１を制御する（ステップＳ６３）。なお、ステップＳ６１で取得した検出温度Ｔｃが変化していないとき、目標値を変更しなくてもよい。

ランキンサイクル装置１は、例えば、運転モードとして機械負荷軽減モード又は動力生成効率優先モードを備える。制御装置５は、それぞれのモードに応じて、目標値の変更及び膨張機１１の回転数の制御を行う。ランキンサイクル装置１は、運転モードとして機械負荷軽減モード及び動力生成効率優先モードを有し、ユーザーによってこれらの運転モードが選択可能であるように構成されていてもよい。

また、機械負荷軽減モードにおいて、制御装置５は、第３温度センサ７ｃによって検出された温度が上昇すると目標値を増加させ、増加した前記目標値に基づいて膨張機１１の回転数を制御してもよい。すなわち、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差が、増加した目標値に近づくように膨張機１１の回転数を制御する。この場合、制御装置５は、図８に示すような目標値と冷熱源温度との関係を示すテーブルを参照して、第３温度センサ７ｃによって検出された温度に基づいて新たな目標値を決定する。

第３温度センサ７ｃによって検出された温度が上昇すると、ランキンサイクル装置１の凝縮温度が上昇する。ランキンサイクル装置１の膨張比を膨張機１１の膨張比に整合させる場合、凝縮温度の上昇に応じて上昇する凝縮圧力、すなわち、膨張機１１の吐出圧力に応じて膨張機１１の吸入圧力を上昇させる。ここで、膨張機１１の膨張比の変化を低減するために、膨張機１１の吸入圧力の上昇幅は膨張機１１の吐出圧力の上昇幅よりも大きくする。このとき、膨張機１１の吸入圧力と吐出圧力との圧力差は、大きくなるので、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差も大きくなる。このため、制御装置５は、第３温度センサ７ｃによって検出された温度が上昇した場合には目標値が増加するように目標値を変更する。

具体的な動作例として、制御装置５は、図１１（ａ）に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを第３温度センサ７ｃから取得し（ステップＳ７１）、検出温度Ｔｃが上昇したか否かを判断する（ステップＳ７２）。検出温度Ｔｃが上昇した場合（ステップＳ７２でＹｅｓ）、目標値を増加させる（ステップＳ７３）。制御装置５は、増加した目標値に基づいて膨張機１１を制御する（ステップＳ７４）。一方、制御装置５は、検出温度Ｔｃが上昇してない場合（ステップＳ７２でＮｏ）、目標値を維持する。

また、制御装置５は、第３温度センサ７ｃによって検出された温度が低下すると、目標値を減少させる。さらに、制御装置５は、減少した目標値に基づいて膨張機１１の回転数を制御してもよい。すなわち、制御装置５は、膨張機１１の回転数を制御して、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差を減少した目標値に近づける。この場合、制御装置５は、図８に示すような目標値と冷熱源温度との関係を示すテーブルを参照して、第３温度センサ７ｃによって検出された温度に基づいて新たな目標値を決定する。

第３温度センサ７ｃによって検出された温度が低下すると、ランキンサイクル装置１の凝縮温度が低下する。ランキンサイクル装置１の膨張比を膨張機１１の膨張比に整合させる場合、凝縮温度の低下に応じて低下する凝縮圧力、すなわち、膨張機１１の吐出圧力に応じて膨張機１１の吸入圧力を低下させる。このとき、膨張機１１の膨張比の変化を低減するために、膨張機１１の吸入圧力の低下幅は膨張機１１の吐出圧力の低下幅よりも大きくする。このとき、膨張機１１の吸入圧力と吐出圧力との圧力差は、小さくなるので、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差は縮小する。このため、制御装置５は、第３温度センサ７ｃによって検出された温度が低下した場合には目標値が減少するように目標値を変更する。冷熱源温度が低い動作条件において膨張機１１の吸入圧力と膨張機１１の吐出圧力との差が縮小するので、膨張機１１への機械負荷を軽減できる。その結果、ランキンサイクル装置１の信頼性を高めることができる。

具体的な動作例として、制御装置５は、図１１（ｂ）に示すように、膨張機１１の回転数を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを第３温度センサ７ｃから取得し（ステップＳ７１）、検出温度Ｔｃが低下したか否かを判断する（ステップＳ７５）。検出温度Ｔｃが低下した場合（ステップＳ７５でＹｅｓ）、目標値を減少させる（ステップＳ７６）。制御装置５は、減少した目標値に基づいて膨張機１１を制御する（ステップＳ７７）。一方、制御装置５は、検出温度Ｔｃが低下してない場合（ステップＳ７５でＮｏ）、目標値を維持する。

動力生成効率優先モードにおいて、第３温度センサ７ｃによって検出された温度が低下すると目標値を増加させる。さらに、制御装置５は、増加した目標値に基づいて膨張機１１の回転数を制御する。すなわち、制御装置５は、膨張機１１の回転数を制御して、第１温度センサ７ａの検出温度と第２温度センサ７ｂの検出温度との差を増加した目標値に近づける。この場合、制御装置５は、図９に示すような目標値と冷熱源温度との関係を示すテーブルを参照して、第３温度センサ７ｃによって検出された温度に基づいて新たな目標値を決定する。

第３温度センサ７ｃによって検出された温度が低下すると、ランキンサイクル装置１の凝縮温度が低下する。これに伴い、ランキンサイクル装置１の凝縮圧力、すなわち、膨張機１１の吐出圧力が低下する。このとき、制御装置５は、目標値を増加させるので、ランキンサイクル装置１の凝縮圧力が低下してもランキンサイクル装置１の蒸発圧力の低下が抑制される。このように、冷熱源温度が低いときに、ランキンサイクル装置１の蒸発圧力を、冷熱源温度が高いときのランキンサイクル装置１の蒸発圧力又はその蒸発圧力に近い圧力に保ってランキンサイクル装置１を運転できる。この場合、膨張機１１の効率は、作動流体の膨張が不足するので、ある程度は低下する。しかし、ランキンサイクルの理論上の動力回収量がそれ以上に増加するので、ランキンサイクル装置１の動力生成効率を高めることができる。

具体的な動作例としては、制御装置５は、図１２（ａ）に示すように、膨張機１１を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを第３温度センサ７ｃから取得し（ステップＳ８１）、検出温度Ｔｃが低下したか否かを判断する（ステップＳ８２）。検出温度Ｔｃが低下した場合（ステップＳ８２でＹｅｓ）、目標値を増加させる（ステップＳ８３）。制御装置５は、減少した目標値に基づいて膨張機１１を制御する（ステップＳ８４）。一方、制御装置５は、検出温度Ｔｃが低下してない場合（ステップＳ８２でＮｏ）、目標値を維持する。

なお、制御装置５は、更に、第３温度センサ７ｃによって検出された温度が上昇すると、目標値を減少させ、減少した目標値に基づいて膨張機１１の回転数を制御してもよい。これにより、膨張機１１の入口側の圧力を上限圧力以下に維持した状態で、膨張機１１の制御を実行することができる。なお、上限圧力は、例えば、安全基準等で規制された上限圧力であってもよい。

具体的な動作例として、制御装置５は、図１２（ｂ）に示すように、膨張機１１を制御する。まず、制御装置５は、第３温度センサ７ｃの検出温度Ｔｃを第３温度センサ７ｃから取得し（ステップＳ８１）、検出温度Ｔｃが上昇したか否かを判断する（ステップＳ８５）。検出温度Ｔｃが上昇した場合（ステップＳ８５でＹｅｓ）、目標値を減少させる（ステップＳ８６）。制御装置５は、減少した目標値に基づいて膨張機１１を制御する（ステップＳ８７）。一方、制御装置５は、検出温度Ｔｃが上昇してない場合（ステップＳ８５でＮｏ）、目標値を維持する。

ランキンサイクル装置１の運転状況によっては、蒸発器１５の出口において液相の作動流体が含まれる可能性がある。例えば、ランキンサイクル装置１の起動運転の初期段階では、蒸発器１５の出口の作動流体は湿り蒸気の状態である。また、ランキンサイクル装置１の停止運転において、蒸発器１５の加熱を停止した後に、蒸発器１５の冷却のために液相の作動流体をポンプ１４によって蒸発器１５に供給することもある。さらに、蒸発器１５における加熱量の変動等によって蒸発器１５の出口において作動流体が湿り蒸気の状態に変化する可能性もある。液相の作動流体が膨張機１１に供給されると、膨張機１１における潤滑のためのオイルの流出又は液滴による膨張機１１の部品の減肉摩耗等によりランキンサイクル装置１の信頼性が低下してしまう。そこで、このような場合に、制御装置５は、作動流体が膨張機１１をバイパスしてバイパス流路２０を流れるように流量調節機構３を制御する。

制御装置５は、第２温度センサ７ｂの検出温度と温度センサ７ｄの検出温度との差が所定値（例えば、５℃）を超える場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が最小又はゼロになるように流量調節機構３を制御する。具体的に制御装置５は、開閉弁３ａを開き、膨張弁３ｂの開度を最小にする。第２温度センサ７ｂの検出温度と温度センサ７ｄの検出温度との差が所定値（例えば、５℃）を超える場合、第１熱交換部１２ａと第２熱交換部１２ｂとの間で熱交換が発生している。この場合、第１熱交換部１２ａに流入する作動流体は過熱蒸気の状態であり、蒸発器１５の出口における作動流体も過熱蒸気の状態である。そこで、過熱蒸気の状態の作動流体の多くを膨張機１１に供給して動力を生成する。

制御装置５は、第２温度センサ７ｂの検出温度と温度センサ７ｄの検出温度との差が所定値（例えば、５℃）以下である場合には、作動流体が膨張機１１をバイパスしてバイパス流路２０を流れるように流量調節機構３を制御する。具体的に、制御装置５は、開閉弁３ａを閉じ、膨張弁３ｂの開度を所定の開度に調整する。これにより、液相の作動流体が膨張機１１に供給されることを防止できる。

＜変形例＞
上記のランキンサイクル装置１は様々な観点から変更することができる。例えば、主回路１０における蒸発器１５の出口と膨張機１１の入口との間の部分において、過熱器が設けられていてもよい。この場合、この過熱器が、作動流体の回路において作動流体の流れ方向と反対方向に膨張機１１から最も近い熱交換器に相当する。従って、この場合、第１温度センサ７ａは、その過熱器の出口から膨張機１１の入口に流れる作動流体の温度を検出する。

また、第１熱交換部１２ａ及び第２熱交換部１２ｂは省略されてもよい。この場合、凝縮器１３が、作動流体の回路において作動流体の流れ方向に膨張機１１から最も近い熱交換器に相当する。従って、この場合、第２温度センサ７ｂは、膨張機１１の出口から凝縮器１３の入口に流れる作動流体の温度を検出する。さらに、温度センサ７ｄは、例えば、主回路１０における凝縮器１３の出口と蒸発器１５の入口との間の部分に設けられているとよい。この場合でも、制御装置５は、第２温度センサ７ｂの検出温度と温度センサ７ｄの検出温度との差に基づいて、上記の実施形態と同様に、流量調節機構３を制御できる。

また、膨張機１１の上流に設置された第１温度センサ７ａが検知する作動流体の温度が、上限値以上になると、ボイラー２の燃焼を停止させる。上限値は、作動流体の耐熱温度、膨張機１１に使用される材料の耐熱温度、及びオイルの耐熱温度の少なくとも一つより低い値が設定される。これにより、作動流体が過昇温する可能性が低減する。

膨張機１１に使用される材料の耐熱温度が、作動流体とオイルの耐熱温度よりも低い場合は、第１温度センサ７ａの検知温度が、上記上限温度以上になると膨張弁３ｂを開いて第１開閉弁３ａを閉じ、バイパス流路２０に作動流体を流してもよい。これにより、膨張機１１が保護される。第１温度センサ７ａの検知温度が、上記耐熱温度の少なくとも一つ以上になると、次の起動が禁止される。作業者により検査を行い、異常がないことが確認され、起動を禁止する状態が解除されると、次に起動を待機する待機状態に移行する。

また、膨張機１１の回転数を変化（増加または減少）させても、第２温度センサ７ｂの検出値が変化しない場合、または第１温度センサ７ａが変化した場合でも第２温度センサ７ｂの検出値が変化しない場合は、膨張機１１の出口が気液２相状態にあると推定できるので、ポンプ１４の回転数を下げて、膨張機１１を通過する作動流体の過熱度を増加させてもよい。これにより、膨張機１１での膨張過程で過熱度不足による作動流体の凝縮による液相が発生し、膨張機１１の摺動部のオイルを流す可能性を低減することが可能になる。

なお、第１温度センサ７ａが検出する作動流体の温度が設定温度よりも低いときに、ポンプ１４の回転数を下げることが望ましい。これは、ポンプ１４の回転数の低下により蒸発器１５を通過した作動流体の温度が過剰に上昇し、ランキンサイクル装置に問題が生じることを抑制するためである。ここで、設定温度は、例えば、作動流体の耐熱温度、膨張機１１に使用される材料の耐熱温度、及びオイルの耐熱温度の少なくとも一つより低い値が設定されてもよい。

１ ランキンサイクル装置
５ 制御装置
７ａ 第１温度センサ
７ｂ 第２温度センサ
７ｃ 第３温度センサ
１０ 主回路（作動流体の回路）
１１ 膨張機
１２ａ 第１熱交換部
１３ 凝縮器
１３ｂ 冷却部（冷却流体の流路）
１５ 蒸発器

Claims (13)

1. 作動流体の過熱蒸気を生成する加熱器と、
   前記加熱器を通過した作動流体を膨張させる膨張機と、
   前記膨張機を通過した作動流体を冷却する冷却器と、
   前記加熱器の出口から、前記膨張機の入口に流れる作動流体の温度を検出する第１温度センサと、
   前記膨張機の出口から、前記冷却器の入口に流れる作動流体の温度を検出する第２温度センサと、
   前記第１温度センサの検出温度と前記第２温度センサの検出温度との差に基づいて前記膨張機の回転数を制御する制御装置と、を備えた、
   ランキンサイクル装置。
2. 前記制御装置は、前記差が増加すると前記膨張機の回転数を増加させる、請求項１記載にランキンサイクル装置。
3. 前記制御装置は、前記差が減少すると前記膨張機の回転数を減少させる、請求項１または２記載のランキンサイクル装置。
4. 前記制御装置は、前記膨張機の回転数を制御して、前記差を目標値に近づける請求項１記載のランキンサイクル装置。
5. 前記制御装置は、前記差が前記目標値よりも大きいとき、前記膨張機の回転数を増加させる、請求項４に記載のランキンサイクル装置。
6. 前記制御装置は、前記差が前記目標値よりも小さいとき、前記膨張機の回転数を減少させる、請求項４または５に記載のランキンサイクル装置。
7. 前記冷却器は、前記膨張機で膨張した前記作動流体を冷却するための冷却流体の流路を備え、前記冷却流体によって前記作動流体を冷却して凝縮させる凝縮器を含み、
   作動流体を冷却した冷却流体の前記凝縮器を通過後の温度を検出する第３温度センサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記第３温度センサの検出温度が上昇すると前記膨張機の回転数を減少させる、請求項２または３に記載のランキンサイクル装置。
8. 前記制御装置は、前記第３温度センサによって検出された温度が低下すると前記膨張機の回転数を増加させる、請求項７に記載のランキンサイクル装置。
9. 前記冷却器は、前記膨張機で膨張した前記作動流体を冷却するための冷却流体の流路を備え、前記冷却流体によって前記作動流体を冷却して凝縮させる凝縮器を含み、
   作動流体を冷却した冷却流体の前記凝縮器を通過後の温度を検出する第３温度センサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記第３温度センサの検出温度が上昇すると前記膨張機の回転数を増加させ、かつ、前記第３温度センサの検出温度が低下すると、前記膨張機の回転数を減少させる、請求項２または３に記載のランキンサイクル装置。
10. 前記冷却器は、前記膨張機で膨張した前記作動流体を冷却するための冷却流体の流路を備え、前記冷却流体によって前記作動流体を冷却して凝縮させる凝縮器を含み、
    作動流体を冷却した冷却流体の前記凝縮器を通過後の温度を検出する第３温度センサをさらに備え、
    前記制御装置は、前記第３温度センサによって検出された温度に応じて設定される前記目標値に基づいて前記膨張機の回転数を制御する、請求項４−６のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
11. 前記制御装置は、前記第３温度センサの検出温度が上昇すると目標値を増加させ、増加した前記目標値に基づいて前記膨張機の回転数を制御する、請求項１０に記載のランキンサイクル装置。
12. 前記制御装置は、前記第３温度センサによって検出された温度が低下すると目標値を減少させ、減少した目標値に基づいて前記膨張機の回転数を制御する、請求項１０または１１に記載のランキンサイクル装置。
13. 前記制御装置は、前記第３温度センサの検出温度が低下すると、目標値を増加させ、増加した前記目標値に基づいて前記膨張機の回転数を制御する、請求項１０に記載のランキンサイクル装置。

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