JP6595395B2 - 熱エネルギー回収装置及びその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、熱エネルギー回収装置に関する。
従来、工場等の各種設備の排熱から動力を回収する熱エネルギー回収装置が知られている。例えば、特許文献１には、作動媒体の循環によりランキンサイクルを実現する循環ラインと、発電機と、を備える熱エネルギー回収装置が開示されている。前記循環ラインは、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出した作動媒体を膨張させるスクリュータービンと、スクリュータービンから流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から流出した作動媒体を蒸発器へ送出する作動媒体ポンプと、蒸発器、スクリュータービン、凝縮器及び作動媒体ポンプをこの順に直列に接続する流路と、を有している。前記発電機は、スクリュータービンに接続されている。なお、蒸発器には、外部の熱源から作動媒体を加熱する加熱媒体（温水等）が供給され、凝縮器には、外部の冷却源から作動媒体を冷却する冷却媒体（冷却水等）が供給される。
特開平９−８８５１１号公報
特許文献１に記載された熱エネルギー回収装置では、当該装置の運転開始時に、スクリュータービンの軸受の潤滑が不足する場合がある。具体的に、この装置の運転を停止すると、スクリュータービンのケーシング内に存在する作動媒体が凝縮することにより、当該ケーシング内に液相の作動媒体が溜まる場合がある。そして、この液相の作動媒体の蓄積によってスクリュータービンの軸受が当該液相の作動媒体に浸った場合、スクリュータービンの駆動時に軸受の潤滑不足が生じる懸念がある。
本発明の目的は、膨張機の駆動時における軸受の潤滑不足の発生を抑制可能な熱エネルギー回収装置及びその運転方法を提供することである。
前記の目的を達成するため、本発明は、加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、前記膨張機に接続された動力回収機と、前記循環ラインのうち前記蒸発器と前記膨張機との間の部位に設けられた第１開閉弁と、前記膨張機内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間に、前記蒸発器から流出した気相の作動媒体を導入する熱エネルギー導入ラインと、前記熱エネルギー導入ラインに設けられた第２開閉弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体の蓄積量が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされるまでは、前記膨張機を停止させた状態において、前記第１開閉弁を閉めるとともに前記第２開閉弁を開きかつ前記ポンプを駆動し、前記蒸発条件が満たされたときに、前記第１開閉弁を開くとともに前記第２開閉弁を閉じかつ前記膨張機を駆動する、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、膨張機の駆動前（起動前）の暖機運転時において、蒸発器から流出した気相の作動媒体（ホットガス）により膨張機内の膨張後空間に存在する液相の作動媒体が加熱されるので、当該液相の作動媒体の蒸発が促進される。そして、膨張後空間における液相の作動媒体の蓄積量が基準量以下となったことを示す蒸発条件が満たされたときに、前記気相の作動媒体（ホットガス）の膨張後空間への導入を停止するとともに膨張機を駆動するので、膨張機の駆動時における軸受の潤滑不足の発生が抑制される。
また、本発明は、加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、前記膨張機に接続された動力回収機と、前記循環ラインのうち前記蒸発器と前記膨張機との間の部位に設けられた第１開閉弁と、前記循環ラインのうち前記膨張機と前記凝縮器との間の部位に、前記蒸発器から流出した気相の作動媒体を導入する熱エネルギー導入ラインと、前記熱エネルギー導入ラインに設けられた第２開閉弁と、制御部と、を備え、前記膨張機は、膨張後の作動媒体を排出する排出口を有し、前記循環ラインは、前記膨張機と前記凝縮器との間に形成されており前記膨張機の排出口の位置よりも高い位置に向けて立ち上がる形状を有する立ち上がり部を有し、前記熱エネルギー導入ラインの下流側の端部は、前記循環ラインのうち前記排出口よりも下流側でかつ前記立ち上がり部よりも上流側の液溜まり部に接続されており、前記制御部は、前記液溜まり部に溜まっている液相の作動媒体の蓄積量が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされるまでは、前記膨張機を停止させた状態において、前記第１開閉弁を閉めるとともに前記第２開閉弁を開きかつ前記ポンプを駆動し、前記蒸発条件が満たされたときに、前記第１開閉弁を開くとともに前記第２開閉弁を閉じかつ前記膨張機を駆動する、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においても、膨張機の駆動時における軸受の潤滑不足の発生が抑制される。具体的に、当該装置の運転の停止後、膨張機内と、循環ラインのうち膨張機の排出口と立ち上がり部との間の液溜まり部と、に液相の作動媒体が溜まり得るものの、液溜まり部に蒸発器から流出した気相の作動媒体（ホットガス）が導入されることにより当該液溜まり部における液相の作動媒体が蒸発するので、液溜まり部に隣接する膨張機内に溜まっている液相の作動媒体の蒸発も促進される。
また、本発明は、加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、前記膨張機に接続された動力回収機と、前記循環ラインのうち前記蒸発器と前記膨張機との間の部位に設けられた第１開閉弁と、前記膨張機に前記蒸発器から流出した気相の作動媒体を導入する熱エネルギー導入ラインと、前記熱エネルギー導入ラインに設けられた第２開閉弁と、前記熱エネルギー導入ラインを通じて前記膨張機に導入された作動媒体を回収する作動媒体回収ラインと、制御部と、を備え、前記膨張機は、前記作動媒体を収容するケーシングと、前記ケーシングに設けられたジャケットであって当該ジャケットと前記ケーシングとの間に熱媒体導入空間を形成するジャケットと、を有し、前記熱エネルギー導入ラインの下流側の端部は、前記熱媒体導入空間に前記気相の作動媒体が導入されるように前記ジャケットに接続されており、前記作動媒体回収ラインは、前記ジャケットと前記循環ラインのうち前記膨張機と前記凝縮器との間の部位とを接続しており、前記制御部は、前記ケーシング内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体の蓄積量が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされるまでは、前記膨張機を停止させた状態において、前記第１開閉弁を閉めるとともに前記第２開閉弁を開きかつ前記ポンプを駆動し、前記蒸発条件が満たされたときに、前記第１開閉弁を開くとともに前記第２開閉弁を閉じかつ前記膨張機を駆動する、熱エネルギー回収装置。
本熱エネルギー回収装置においても、膨張機の駆動時における軸受の潤滑不足の発生が抑制される。具体的に、膨張機の駆動前（起動前）の暖機運転時において、熱媒体導入空間に蒸発器から流出した気相の作動媒体（ホットガス）が導入されることによりケーシングが加熱されるので、ケーシング内の膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体の蒸発が促進される。また、熱媒体導入空間に導入された作動媒体は、作動媒体回収ラインを通じて循環ラインに戻される。そして、膨張後空間における液相の作動媒体が基準量以下となったことを示す蒸発条件が満たされたときに、熱媒体導入空間への前記気相の作動媒体（ホットガス）の導入を停止するとともに、膨張機を駆動するので、膨張機の駆動時における軸受の潤滑不足の発生が抑制される。
また、本発明は、加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、前記膨張機に接続された動力回収機と、前記膨張機に前記加熱媒体又は当該加熱媒体とは異なる他の加熱媒体を導入する熱エネルギー導入ラインと、制御部と、を備え、前記膨張機は、前記作動媒体を収容するケーシングと、前記ケーシングに設けられたジャケットであって当該ジャケットと前記ケーシングとの間に熱媒体導入空間を形成するジャケットと、を有し、前記熱エネルギー導入ラインの下流側の端部は、前記熱媒体導入空間に前記加熱媒体又は前記他の加熱媒体が導入されるように前記ジャケットに接続されており、前記制御部は、前記ケーシング内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体の蓄積量が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされるまでは、前記膨張機及び前記ポンプを停止させた状態において前記熱媒体導入空間に前記加熱媒体又は前記他の加熱媒体を導入し、前記蒸発条件が満たされたときに、前記熱媒体導入空間への前記加熱媒体又は前記他の加熱媒体の導入を停止するとともに、前記膨張機及び前記ポンプを駆動する、熱エネルギー回収装置。
本熱エネルギー回収装置においても、膨張機の駆動時における軸受の潤滑不足の発生が抑制される。具体的に、膨張機の駆動前（起動前）の暖機運転時において、熱媒体導入空間に加熱媒体又は他の加熱媒体が導入されることによりケーシングが加熱されるので、ケーシング内の膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体の蒸発が促進される。そして、膨張後空間における液相の作動媒体の蓄積量が基準量以下となったことを示す蒸発条件が満たされたときに、熱媒体導入空間への加熱媒体又は他の加熱媒体の導入を停止するとともに、膨張機及びポンプを駆動するので、膨張機の駆動時における軸受の潤滑不足の発生が抑制される。
また、前記熱エネルギー回収装置において、前記制御部は、前記ポンプの駆動から一定時間経ったとき、あるいは、前記熱媒体導入空間への前記加熱媒体又は前記他の加熱媒体の導入から一定時間経ったときに、前記蒸発条件を満足したと判断してもよい。
あるいは、前記熱エネルギー回収装置において、前記制御部は、前記膨張機内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間における前記作動媒体の過熱度が所定値以上のときに前記蒸発条件を満足したと判断してもよい。
この態様では、膨張機の駆動時（定常運転開始時）における膨張機の軸受の潤滑不足の発生がより確実に防止される。
また、前記熱エネルギー回収装置において、前記膨張機内における液相の作動媒体の液面を検出可能な液面センサをさらに備え、前記制御部は、前記液面センサの検出値が規定値以下になったときに前記蒸発条件を満足したと判断してもよい。
この態様では、膨張機の軸受の下方に液面センサが設置されることにより、膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体の全量が蒸発する前に膨張機の運転（定常運転）が開始されるので、膨張機の駆動時における膨張機の軸受の潤滑不足を抑制しながら暖機運転の時間を短縮することができる。
また、本発明は、加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、前記膨張機に接続された動力回収機と、を備える熱エネルギー回収装置の運転方法であって、前記膨張機が停止した状態において、前記膨張機内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体に対し、前記加熱媒体の熱エネルギーを当該加熱媒体により直接的に又は前記作動媒体を介して間接的に供給することによって、前記液相の作動媒体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発工程と、前記膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体の蓄積量が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされたときに、前記液相の作動媒体への前記熱エネルギーの供給を停止するとともに、前記膨張機を駆動する膨張機駆動工程と、を備える、熱エネルギー回収装置の運転方法を提供する。
本運転方法では、膨張機駆動工程の前の蒸発工程において、膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体の少なくとも一部が加熱媒体の熱エネルギーによって蒸発しているので、膨張機駆動工程における膨張機の軸受の潤滑不足の発生が抑制される。
以上のように、本発明によれば、膨張機の駆動時における軸受の潤滑不足の発生を抑制可能な熱エネルギー回収装置及びその運転方法を提供することができる。
本発明の第１実施形態の熱エネルギー回収装置の構成を概略的に示す図である。 熱エネルギー導入ラインの下流側の端部の接続先の例を示す図である。 循環ラインのうち排出口と立ち上がり部との間の部位に熱エネルギー導入ラインの下流側の端部が接続された例を説明する図である。 本発明の第２実施形態の熱エネルギー回収装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の第３実施形態の熱エネルギー回収装置の構成を概略的に示す図である。 膨張機及び動力回収機の変形例を示す図である。 循環ラインのうち膨張機と凝縮器との間に油分離器が設けられた例を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の熱エネルギー回収装置１の構成を示している。この熱エネルギー回収装置１は、循環ライン１００と、動力回収機２００と、第１開閉弁Ｖ１と、熱エネルギー導入ライン３００と、第２開閉弁Ｖ２と、制御部４００と、を備えている。
循環ライン１００は、作動媒体の循環によりランキンサイクルを実現する。具体的に、循環ライン１００は、蒸発器１０と、膨張機２０と、凝縮器３０と、ポンプ４０と、を含んでいる。循環ライン１００は、蒸発器１０、膨張機２０、凝縮器３０及びポンプ４０をこの順に直列に接続する配管（流路）を有している。
蒸発器１０は、作動媒体と加熱媒体（温水等）とを熱交換させることによって作動媒体を蒸発させる。この蒸発器１０には、加熱媒体供給ラインＬ１を通じて熱源から前記加熱媒体が供給される。
膨張機２０は、循環ライン１００のうち蒸発器１０の下流側の部位に設けられている。膨張機２０は、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）を膨張させる。本実施形態では、膨張機２０として、気相の作動媒体の膨張エネルギーにより回転駆動されるロータを有する容積式のスクリュ膨張機が用いられている。具体的に、膨張機２０は、作動媒体の膨張エネルギーにより回転駆動する雌雄一対のスクリュロータ２１と、スクリュロータ２１を収容するケーシング２２と、スクリュロータ２１の軸を受ける軸受２４と、を有している。
一対のスクリュロータ２１の一方の軸には、動力回収機２００が接続されている。本実施形態では、動力回収機２００として、前記一方の軸に接続された回転軸を有する発電機が用いられている。この動力回収機２００は、前記回転軸がスクリュロータ２１の回転に伴って回転することにより電力を発生させる。なお、動力回収機２００として、圧縮機等が用いられてもよい。
ケーシング２２は、一対のスクリュロータ２１を収容する主ケース２３と、動力回収機２００を収容する副ケース２６と、を有している。
主ケース２３は、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体を吸い込む吸込口２３ａと、スクリュロータ２１で膨張した後の作動媒体を排出する排出口２３ｂと、を有している。本実施形態では、排出口２３ｂが水平を向く姿勢で主ケース２３が設置されている。軸受２４は、主ケース２３に保持されている。
副ケース２６は、主ケース２３に接続されている。副ケース２６内は、主ケース２３内と連通している。このため、主ケース２３内において膨張した作動媒体は、副ケース２６内にも存在する。つまり、主ケース２３内のうちスクリュロータ２１で膨張した後の作動媒体が存在する空間及び副ケース２６内の空間が、膨張機２０内のうち膨張後の作動媒体が存在する「膨張後空間Ｓ１」を構成する。
本実施形態のケーシング２２は、副ケース２６を包囲するジャケット２７を有している。ジャケット２７は、当該ジャケット２７と副ケース２６との間に熱媒体導入空間２８が形成されるように副ケース２６に設けられている。熱媒体導入空間２８には、冷却媒体供給ヘッダーＬ２から分岐した冷却媒体供給ラインＬ４を通じて動力回収機２００のモータを冷却するための冷却媒体（冷却水等）が供給される。熱媒体導入空間２８を通過することにより副ケース２６及び動力回収機２００のモータを冷却した冷却媒体は、冷却媒体排出ラインＬ５を通じて冷却媒体排出ヘッダーＬ３に流入する。
凝縮器３０は、循環ライン１００のうち膨張機２０の下流側の部位に設けられている。凝縮器３０は、膨張機２０から流出した気相の作動媒体と冷却媒体（冷却水等）とを熱交換させることによって作動媒体を凝縮させる。この凝縮器３０には、冷却媒体供給ヘッダーＬ２を通じて冷却源から前記冷却媒体が供給される。
本実施形態では、循環ライン１００のうち凝縮器３０の下流側の部位に、液相の作動媒体を貯留する貯留部（レシーバ）３５が設けられている。ただし、この貯留部３５は、循環ライン１００の配管の一部により構成されてもよい。
ポンプ４０は、循環ライン１００における凝縮器３０の下流側の部位（凝縮器３０と蒸発器１０との間の部位）に設けられている。ポンプ４０は、凝縮器３０から流出した液相の作動媒体を所定の圧力まで加圧して蒸発器１０に送る。
第１開閉弁Ｖ１は、循環ライン１００のうち蒸発器１０と膨張機２０との間の部位に設けられている。第１開閉弁Ｖ１は、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体の膨張機２０への流入及び遮断を切り替える。
熱エネルギー導入ライン３００は、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）を膨張機２０内に導入する。図１に示されるように、本実施形態では、熱エネルギー導入ライン３００は、主ケース２３の底壁２５に形成された導入ポート２５ａに接続されている。導入ポート２５ａは、前記膨張後空間Ｓ１につながっている。つまり、本実施形態では、気相の作動媒体は、熱エネルギー導入ライン３００を通じて膨張後空間Ｓ１に導入される。
第２開閉弁Ｖ２は、熱エネルギー導入ライン３００に設けられている。第２開閉弁Ｖ２は、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）の前記膨張後空間Ｓ１への導入及び遮断を切り替える。
制御部４００は、膨張機２０の駆動時（起動時）における各開閉弁の開閉、ポンプ４０の駆動及び停止、膨張機２０の駆動及び停止等を制御する。膨張機２０の駆動時には、膨張機２０内（ケーシング２２内）に液相の作動媒体Ｒ（図１を参照）が溜まっている場合がある。このため、制御部４００は、ケーシング２２内の液相の作動媒体Ｒの蓄積量が基準量以下であることを示す蒸発条件が満たされるまでは、熱エネルギー導入ライン３００を通じて膨張機２０に熱エネルギーを導入し、蒸発条件を満たしたときに、膨張機２０への前記熱エネルギーの導入を停止するとともに膨張機２０を駆動する（定常運転に移行する）。
具体的に、制御部４００は、膨張機２０が停止した状態において、第１開閉弁Ｖ１を閉じるとともに第２開閉弁Ｖ２を開き、かつ、ポンプ４０を駆動する。そうすると、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）が熱エネルギー導入ライン３００を通じて膨張機２０の膨張後空間Ｓ１に導入される。換言すれば、加熱媒体の熱エネルギーが、作動媒体を介して膨張機２０に供給される。このため、ケーシング２２内に溜まっている液相の作動媒体Ｒは、気相の作動媒体で加熱されることにより蒸発する。
その後、制御部４００は、蒸発条件が満たされた（暖機運転が終了した）と判断したときに、第１開閉弁Ｖ１を開くとともに第２開閉弁Ｖ２を閉じ、かつ、膨張機２０及び動力回収機２００を駆動する。これにより、熱エネルギー回収装置１は、定常運転に移行する。
本実施形態では、制御部４００は、ケーシング２２内の膨張後空間Ｓ１の過熱度が所定値以上となったときに蒸発条件を満足したと判断する。つまり、制御部４００は、前記過熱度が所定値以上となったときに第１開閉弁Ｖ１を開くとともに第２開閉弁Ｖ２を閉じ、かつ、膨張機２０及び動力回収機２００を駆動する。なお、前記過熱度は、膨張後空間Ｓ１の温度を検出可能な温度センサ４１０の検出値と、膨張後空間Ｓ１の圧力を検出可能な圧力センサ４２０の検出値と、に基づいて算出される。
以上のように、本実施形態の熱エネルギー回収装置１では、膨張機２０の駆動前（起動前）の暖機運転時において、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）により膨張機２０内の膨張後空間Ｓ１に存在する液相の作動媒体Ｒが加熱されるので、当該液相の作動媒体Ｒの蒸発が促進される。そして、膨張後空間Ｓ１における液相の作動媒体Ｒの蓄積量が基準量以下となったことを示す蒸発条件が満たされたときに、前記気相の作動媒体（ホットガス）の膨張後空間Ｓ１への導入を停止するとともに膨張機２０を駆動するので、膨張機２０の駆動時（ランキンサイクルの立ち上げ時）における軸受２４の潤滑不足の発生が抑制される。
また、本実施形態では、制御部４００は、膨張後空間Ｓ１の過熱度が所定値以上のときに前記蒸発条件を満足したと判断する。この態様では、膨張機２０の駆動時（定常運転開始時）における膨張機２０の軸受２４の潤滑不足の発生がより確実に防止される。
なお、この実施形態では、熱エネルギー導入ライン３００の下流側の端部は、底壁２５の導入ポート２５ａに接続された例が示されたが、前記下流側の端部は、図２に示されるように、副ケース２６の下部に設けられた導入ポート２６ａ、又は、主ケース２３の上壁に設けられており膨張後空間Ｓ１につながる導入ポート２３ｃに接続されてもよい。
あるいは、前記下流側の端部は、主ケース２３の底壁２５に形成され、主ケース２３と副ケース２６を連通させる連通路２５ｃに繋がる導入ポート２５ｂに接続されてもよい。
あるいは、前記下流側の端部は、循環ライン１００の配管のうち排出口２３ｂの下流側に位置する排出管１０１に接続されてもよい。この場合、図３に示されるように、前記下流側の端部は、前記配管のうち排出口２３ｂと、排出口２３ｂよりも上方に向かって立ち上がる形状を有する立ち上がり部１０２と、の間の部位（液溜まり部）に接続される。この態様であっても、膨張機２０の駆動時における軸受２４の潤滑不足の発生が抑制される。具体的に、当該装置の運転の停止後、膨張機２０内と前記液溜まり部とに液相の作動媒体Ｒが溜まり得るものの、液溜まり部に蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）が導入されることにより当該液溜まり部における液相の作動媒体が蒸発するので、液溜まり部に隣接する膨張機２０内に溜まっている液相の作動媒体Ｒの蒸発も促進される。
（第２実施形態）
次に、図４を参照しながら、本発明の第２実施形態の熱エネルギー回収装置２について説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。
本実施形態は、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）ではなく、加熱媒体を直接膨張機２０に導入する点が第１実施形態と異なる。換言すれば、この実施形態では、加熱媒体の熱エネルギーを、作動媒体を介して間接的にではなく、当該加熱媒体によって直接的に膨張機２０に供給する点が第１実施形態と異なる。具体的に、熱エネルギー導入ライン３００は、加熱媒体供給ラインＬ１から分岐しており、第２開閉弁Ｖ２を介してジャケット２７に接続されている。ジャケット２７へ冷却媒体を供給する冷却媒体供給ラインＬ４には、第３開閉弁Ｖ３が設けられている。
本実施形態では、制御部４００は、蒸発条件が満たされるまでは、膨張機２０及びポンプ４０を停止させた状態において熱媒体導入空間２８に加熱媒体を導入し、前記蒸発条件が満たされたときに、熱媒体導入空間２８への加熱媒体の導入を停止するとともに、膨張機２０及びポンプ４０を駆動する。具体的に、制御部４００は、膨張機２０及びポンプ４０を停止させた状態において、第１開閉弁Ｖ１を閉じ、第２開閉弁Ｖ２を開き、第３開閉弁Ｖ３を閉じる。そうすると、熱エネルギー導入ライン３００を通じて加熱媒体が熱媒体導入空間２８に導入される。このため、膨張後空間Ｓ１に溜まっている液相の作動媒体Ｒが蒸発する。熱媒体導入空間２８を通過することにより液相の作動媒体Ｒを加熱した加熱媒体は、冷却媒体排出ラインＬ５を通じて冷却媒体排出ヘッダーＬ３に流入する。
その後、制御部４００は、蒸発条件が満たされた（暖機運転が終了した）と判断したときに、第１開閉弁Ｖ１を開き、第２開閉弁Ｖ２を閉じ、第３開閉弁Ｖ３を開き、かつ、膨張機２０及びポンプ４０を駆動する。これにより、熱エネルギー回収装置２は、定常運転に移行する。
以上のように、本実施形態においても、膨張機２０の駆動時における軸受２４の潤滑不足の発生が抑制される。
なお、本実施形態では、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３に変えて、熱エネルギー導入ライン３００と冷却媒体供給ラインＬ４との交点に３方弁が設けられてもよい。また、熱媒体導入空間２８には、蒸発器１０に供給される加熱媒体とは異なる他の加熱媒体が供給されてもよい。
また、本実施形態において、上記第１実施形態のように気相の作動媒体（ホットガス）が膨張後空間Ｓ１に導入されてもよい。
（第３実施形態）
次に、図５を参照しながら、本発明の第３実施形態の熱エネルギー回収装置３について説明する。なお、第３実施形態では、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第２実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。
本実施形態は、加熱媒体ではなく、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）を熱媒体導入空間２８に導入する点が第２実施形態と異なる。具体的に、熱エネルギー導入ライン３００は、循環ライン１００のうち蒸発器１０と膨張機２０との間の部位から分岐しており、ジャケット２７に接続されている。また、本熱エネルギー回収装置３は、熱媒体導入空間２８を通過することにより膨張後空間Ｓ１に溜まっている液相の作動媒体Ｒを加熱した作動媒体を回収する作動媒体回収ライン３１０を有している。作動媒体回収ライン３１０の上流側の端部は、ジャケット２７に接続されており、作動媒体回収ライン３１０の下流側の端部は、循環ライン１００のうち膨張機２０と凝縮器３０との間の部位に接続されている。作動媒体回収ライン３１０には、第４開閉弁Ｖ４が設けられている。冷却媒体排出ラインＬ５には、第５開閉弁Ｖ５が設けられている。
本実施形態では、制御部４００は、蒸発条件が満たされるまでは、膨張機２０を停止させた状態において熱媒体導入空間２８に蒸発器１０から流出した気相の作動媒体（ホットガス）を導入し、前記蒸発条件が満たされたときに、熱媒体導入空間２８への気相の作動媒体の導入を停止するとともに、膨張機２０を駆動する。具体的に、制御部４００は、膨張機２０を停止させた状態において、第１開閉弁Ｖ１を閉じ、第２開閉弁Ｖ２を開き、第３開閉弁Ｖ３を閉じ、第４開閉弁Ｖ４を開き、第５開閉弁Ｖ５を閉じる。そうすると、熱エネルギー導入ライン３００を通じて前記気相の作動媒体（ホットガス）が熱媒体導入空間２８に導入される。このため、膨張後空間Ｓ１に溜まっている液相の作動媒体Ｒが蒸発する。また、熱媒体導入空間２８に導入された気相の作動媒体は、作動媒体回収ライン３１０を通じて循環ライン１００に戻される。
その後、制御部４００は、蒸発条件が満たされた（暖機運転が終了した）と判断したときに、第１開閉弁Ｖ１を開き、第２開閉弁Ｖ２を閉じ、第３開閉弁Ｖ３を開き、第４開閉弁Ｖ４を閉じ、第５開閉弁Ｖ５を開き、かつ、膨張機２０を駆動する。これにより、熱エネルギー回収装置３は、定常運転に移行する。
以上のように、本実施形態においても、膨張機２０の駆動時における軸受２４の潤滑不足の発生が抑制される。
なお、本実施形態においても、上記第２実施形態と同様に、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３に変えて、熱エネルギー導入ライン３００と冷却媒体供給ラインＬ４との交点に３方弁が設けられてもよい。また、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５に変えて、作動媒体回収ライン３１０と冷却媒体排出ラインＬ５との交点に３方弁が設けられてもよい。
なお、今回開示された実施形態は、すべ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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、上記第１実施形態において、制御部４００は、ポンプ４０の駆動又は第２開閉弁Ｖ２を開いたときから所定時間経過したときに蒸発条件が満たされたと判断してもよい。この場合、温度センサ４１０及び圧力センサ４２０は、省略されてもよい。ここで、前記所定時間は、膨張後空間Ｓ１に溜まっている液相の作動媒体Ｒの液面が軸受２４よりも下方に位置するまで、すなわち、前記液面が膨張後空間Ｓ１に位置する軸受２４の運動面の最下部よりも低い位置となるまでの時間であり、外気温や膨張機２０の停止後の時間等の種々の条件下における試運転により予め求められた時間である。また、上記第２実施形態において、制御部４００は、第２開閉弁Ｖ２を開いたときから所定時間経過したときに蒸発条件が満たされたと判断してもよい。なお、第２実施形態において、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３に変えて、熱エネルギー導入ライン３００と冷却媒体供給ラインＬ４との交点に３方弁が設けられている場合、制御部４００は、加熱媒体がジャケット２７に供給されるように前記３方弁が切り替えられたときから所定時間経過したときに蒸発条件が満たされたと判断する。また、上記第３実施形態において、制御部４００は、ポンプ４０の駆動又は第２開閉弁Ｖ２を開いたときから所定時間経過したときに蒸発条件が満たされたと判断してもよい。この第３実施形態においても、上記第２実施形態の場合と同様に、制御部４００は、３方弁の切り替えに基づいて蒸発条件を判断してもよい。
あるいは、制御部４００は、膨張後空間Ｓ１における液相の作動媒体Ｒの液面を検出可能な液面センサの検出値に基づいて蒸発条件の成否を判断してもよい。具体的に、制御部４００は、液面センサにより液相の作動媒体Ｒの液面が軸受２４の下方であること、すなわち、前記液面が膨張後空間Ｓ１に位置する軸受２４の運動面の最も低位部よりも低い位置にあることが検出されたときに蒸発条件を満足したと判断する。膨張後空間Ｓ１に溜まっている液相の作動媒体Ｒが基準量以下になったことを示す蒸発条件として、液面が膨張後空間Ｓ１に位置する軸受２４の運動面の最下部よりも低い位置となることを用いることで、膨張後空間Ｓ１に溜まっている液相の作動媒体Ｒの全量が蒸発する前に膨張機２０の運転（定常運転）が開始される。よって、膨張機２０の駆動時における膨張機２０の軸受２４の潤滑不足を抑制しながら暖機運転の時間を短縮することができる。なお、液面センサとして、光学式、フロート式又は静電容量式のものが挙げられる。あるいは、液面センサとして、気相の作動媒体の電気抵抗率（体積抵抗率）と液相の作動媒体のそれとの違いに基づいて液面を検知するものが用いられてもよい。
また、上記実施形態において、図６に示されるように、膨張機２０として副ケース２６を有していないもの（モータと分離されているいわゆる開放型の膨張機）が用いられてもよい。この場合においても、図６に示されるように、熱エネルギー導入ライン３００の下流側の端部は、導入ポート２３ｃや排出管１０１（液溜まり部）に接続されてもよい。
また、図７に示されるように、循環ライン１００のうち膨張機２０と凝縮器３０との間の部位に油分離器５０が設けられてもよい。この場合において、熱エネルギー導入ライン３００の下流側の端部を油分離器５０に接続することによっても膨張後空間Ｓ１に溜まっている液相の作動媒体Ｒを加熱できる場合、前記下流側の端部は油分離器５０に接続されてもよい。このようにすれば、暖機運転時において油分離器５０内に溜まっている液相の作動媒体が蒸発することによって油と作動媒体との分離が促進されるので、定常運転に移行したときの軸受２４の潤滑不足の発生がより確実に抑制される。
また、熱エネルギー導入ライン３００は、それぞれが当該熱エネルギー導入ライン３００の中間部から分岐した複数の下流側の端部を備えていてもよい。この場合、各下流側の端部はそれぞれ別の導入ポートに接続されことが好ましい。この態様では、膨張後空間Ｓ１の複数の位置に溜まっている液相の作動媒体Ｒを効率よく加熱できるので、暖機運転の時間をより短縮することができる。
また、熱エネルギー導入ライン３００の上流側の端部は、循環ライン１００のうち蒸発器１０と膨張機２０との間の部位から分岐するものに限られず、蒸発器１０の上部で分岐するものであってもよい。
さらにまた、熱媒体導入空間２８を形成する副ケース２６およびジャケット２７は、それぞれ別の部材であってもよく、鋳造により一体成型された部材であってもよい。
１ 熱エネルギー回収装置
２ 熱エネルギー回収装置
３ 熱エネルギー回収装置
１０ 蒸発器
２０ 膨張機
２２ ケーシング
２３ｂ 排出口
２４ 軸受
２７ ジャケット
３０ 凝縮器
４０ ポンプ
１００ 循環ライン
２００ 動力回収機
３００ 熱エネルギー導入ライン
３１０ 作動媒体回収ライン
４００ 制御部
Ｓ１ 膨張後空間
Ｖ１ 第１開閉弁
Ｖ２ 第２開閉弁

Claims (9)

  1. 加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、
    前記膨張機に接続された動力回収機と、
    前記循環ラインのうち前記蒸発器と前記膨張機との間の部位に設けられた第１開閉弁と、
    前記膨張機内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間に、前記蒸発器から流出した気相の作動媒体を導入する熱エネルギー導入ラインと、
    前記熱エネルギー導入ラインに設けられた第２開閉弁と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされるまでは、前記膨張機を停止させた状態において、前記第１開閉弁を閉めるとともに前記第２開閉弁を開きかつ前記ポンプを駆動し、前記蒸発条件が満たされたときに、前記第１開閉弁を開くとともに前記第２開閉弁を閉じかつ前記膨張機を駆動する、熱エネルギー回収装置。
  2. 加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、
    前記膨張機に接続された動力回収機と、
    前記循環ラインのうち前記蒸発器と前記膨張機との間の部位に設けられた第１開閉弁と、
    前記循環ラインのうち前記膨張機と前記凝縮器との間の部位に、前記蒸発器から流出した気相の作動媒体を導入する熱エネルギー導入ラインと、
    前記熱エネルギー導入ラインに設けられた第２開閉弁と、
    制御部と、を備え、
    前記膨張機は、膨張後の作動媒体を排出する排出口を有し、
    前記循環ラインは、前記膨張機と前記凝縮器との間に形成されており前記膨張機の排出口の位置よりも高い位置に向けて立ち上がる形状を有する立ち上がり部を有し、
    前記熱エネルギー導入ラインの下流側の端部は、前記循環ラインのうち前記排出口よりも下流側でかつ前記立ち上がり部よりも上流側の液溜まり部に接続されており、
    前記制御部は、前記液溜まり部に溜まっている液相の作動媒体が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされるまでは、前記膨張機を停止させた状態において、前記第１開閉弁を閉めるとともに前記第２開閉弁を開きかつ前記ポンプを駆動し、前記蒸発条件が満たされたときに、前記第１開閉弁を開くとともに前記第２開閉弁を閉じかつ前記膨張機を駆動する、熱エネルギー回収装置。
  3. 加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、
    前記膨張機に接続された動力回収機と、
    前記循環ラインのうち前記蒸発器と前記膨張機との間の部位に設けられた第１開閉弁と、
    前記膨張機に前記蒸発器から流出した気相の作動媒体を導入する熱エネルギー導入ラインと、
    前記熱エネルギー導入ラインに設けられた第２開閉弁と、
    前記熱エネルギー導入ラインを通じて前記膨張機に導入された作動媒体を回収する作動媒体回収ラインと、
    制御部と、を備え、
    前記膨張機は、
    前記作動媒体を収容するケーシングと、
    前記ケーシングに設けられたジャケットであって当該ジャケットと前記ケーシングとの間に熱媒体導入空間を形成するジャケットと、を有し、
    前記熱エネルギー導入ラインの下流側の端部は、前記熱媒体導入空間に前記気相の作動媒体が導入されるように前記ジャケットに接続されており、
    前記作動媒体回収ラインは、前記ジャケットと前記循環ラインのうち前記膨張機と前記凝縮器との間の部位とを接続しており、
    前記制御部は、前記ケーシング内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされるまでは、前記膨張機を停止させた状態において、前記第１開閉弁を閉めるとともに前記第２開閉弁を開きかつ前記ポンプを駆動し、前記蒸発条件が満たされたときに、前記第１開閉弁を開くとともに前記第２開閉弁を閉じかつ前記膨張機を駆動する、熱エネルギー回収装置。
  4. 加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、
    前記膨張機に接続された動力回収機と、
    前記膨張機に前記加熱媒体又は当該加熱媒体とは異なる他の加熱媒体を導入する熱エネルギー導入ラインと、
    制御部と、を備え、
    前記膨張機は、
    前記作動媒体を収容するケーシングと、
    前記ケーシングに設けられたジャケットであって当該ジャケットと前記ケーシングとの間に熱媒体導入空間を形成するジャケットと、を有し、
    前記熱エネルギー導入ラインの下流側の端部は、前記熱媒体導入空間に前記加熱媒体又は前記他の加熱媒体が導入されるように前記ジャケットに接続されており、
    前記制御部は、前記ケーシング内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされるまでは、前記膨張機及び前記ポンプを停止させた状態において前記熱媒体導入空間に前記加熱媒体又は前記他の加熱媒体を導入し、前記蒸発条件が満たされたときに、前記熱媒体導入空間への前記加熱媒体又は前記他の加熱媒体の導入を停止するとともに、前記膨張機及び前記ポンプを駆動する、熱エネルギー回収装置。
  5. 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において、
    前記制御部は、前記ポンプの駆動から一定時間経ったときに前記蒸発条件を満足したと判断する、熱エネルギー回収装置。
  6. 請求項４に記載の熱エネルギー回収装置において、
    前記制御部は、前記熱媒体導入空間への前記加熱媒体又は前記他の加熱媒体の導入から一定時間経ったときに前記蒸発条件を満足したと判断する、熱エネルギー回収装置。
  7. 請求項１ないし４のいずれかに記載の熱エネルギー回収装置において、
    前記制御部は、前記膨張機内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間における前記作動媒体の過熱度が所定値以上のときに前記蒸発条件を満足したと判断する、熱エネルギー回収装置。
  8. 請求項１ないし４のいずれかに記載の熱エネルギー回収装置において、
    前記膨張機内における液相の作動媒体の液面を検出可能な液面センサをさらに備え、
    前記制御部は、前記液面センサの検出値が規定値以下になったときに前記蒸発条件を満足したと判断する、熱エネルギー回収装置。
  9. 加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器及び前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含むとともに、前記作動媒体が前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプをこの順に循環することによりランキンサイクルが実現される循環ラインと、前記膨張機に接続された動力回収機と、を備える熱エネルギー回収装置の運転方法であって、
    前記膨張機が停止した状態において、前記膨張機内のうち膨張後の前記作動媒体が存在する膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体に対し、前記加熱媒体の熱エネルギーを当該加熱媒体により直接的に又は前記作動媒体を介して間接的に供給することによって、前記液相の作動媒体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発工程と、
    前記膨張後空間に溜まっている液相の作動媒体が基準量以下になったことを示す蒸発条件が満たされたときに、前記液相の作動媒体への前記熱エネルギーの供給を停止するとともに、前記膨張機を駆動する膨張機駆動工程と、を備える、熱エネルギー回収装置の運転方法。
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