JP6815911B2 - 熱エネルギー回収装置 - 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ものである。
従来、下記特許文献１及び２に開示されているように、排熱を回収して動力を得る熱エネルギー回収装置が知られている。特許文献１及び２に開示された熱エネルギー回収装置は、蒸発器、膨張機、凝縮器及びポンプを有する循環流路を備える。熱エネルギー回収装置では、蒸発器において作動媒体（冷媒）を外部からの排熱により蒸発させて、この作動媒体の蒸気により膨張機のロータを回転駆動させる。膨張機のロータが回転することによって、発電機が駆動される。
膨張機には、ロータを回転自在時に支持する軸受の潤滑や、膨張機内の各部位のシールのために油が用いられる。油は液状の作動媒体に溶けて循環流路を流れ、或いはガス状の作動媒体に随伴して循環流路を流れる。蒸発器においては、作動媒体が蒸発することから、作動媒体に溶け込んでいた油は作動媒体から分離する。作動媒体から分離された油は、作動媒体に随伴されて潤滑流路を流れ、膨張機に戻る。
特開２０１４−１１４７８５号公報 特開２０１４−２３４７１９号公報
特許文献２に開示された熱エネルギー回収装置のように、例えば車両の排ガスの熱を熱源とする場合等には、蒸発器における熱負荷が変動する。作動媒体を循環させるためのポンプは、例えば蒸発器での過熱度が目標値になるように回転数が制御され得る。このため、蒸発器に流入する熱源ガス量が低下した場合には、蒸発器に送られる作動媒体量が低下するため、蒸発した作動媒体から分離した油が作動媒体に随伴され難くなる。この結果、油が例えば蒸発器の上部に滞留してしまって、膨張機に戻り難くなる。そのために、膨張機内での給油箇所への給油不足が生じる虞がある。
そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蒸発器での熱負荷が低下した場合であっても油が膨張機に戻りやすくするようにすることにある。
前記の目的を達成するため、本発明は、蒸発器と膨張機と凝縮器とポンプとが設けられた循環流路と、前記ポンプの回転数の制御を行う制御器と、を備え、前記蒸発器で蒸発した作動媒体と油との混合媒体が前記膨張機に導入されて、前記膨張機が駆動される熱エネルギー回収装置である。前記制御器は、前記蒸発器の熱負荷に応じて前記ポンプの回転数を制御する熱負荷制御と、前記熱負荷制御による前記ポンプの回転数よりも高められた回転数で前記ポンプを駆動する油戻し制御とを実行可能であり、前記油戻し制御は、前記蒸発器で蒸発した作動媒体から分離した油の溜まり具合に関する予め設定された油溜まり条件又は前記蒸発器における所定以下の低負荷に関する予め設定された低負荷条件が成立したときに実行される。
本発明では、予め定められた油溜まり条件又は低負荷条件が成立すると、熱負荷制御から油戻し制御に移行される。すなわち、熱負荷の大きな変動に伴って膨張機の膨張室よりも上流側において油が滞留する場合、熱負荷の変動に拘わらず膨張機の膨張室よりも上流側において油が滞留するような場合、又は蒸発器の熱負荷が小さい状態が続くような場合には、熱負荷制御に優先させて油戻し制御が実行される。これにより、ポンプの回転数が、蒸発器の熱負荷に応じて設定された回転数よりも増速される。この結果、蒸発器内での作動媒体の流速が高くなるため、蒸発した作動媒体から分離した油が作動媒体に随伴され易くなる。したがって、膨張機よりも上流側から膨張機内に油が戻り易くなり、膨張機内での給油箇所への給油不足が生じることを抑制することができる。
前記油溜まり条件において用いられる前記油の溜まり具合は、接続空間における油溜まり具合であってもよい。前記接続空間は、前記蒸発器の熱交換部よりも下流側に設けられた蒸発器内の下流空間と、前記膨張機の供給ポートの上流側に位置する流入路と、前記下流空間及び前記流入路に連通するように前記蒸発器及び前記膨張機を接続する主管路と、を含んでもよい。
この態様では、蒸発器の熱負荷が部分負荷となっている場合において油が蒸発器内の下流空間に溜まることがある。制御器が油戻し制御を実行すると、下流空間内の油は、主管路を通じて膨張機側へ戻される。すなわち、熱エネルギー回収装置が複雑化することが回避される。
前記接続空間は、前記膨張機内において前記主管路の接続口及び前記流入路に連通すると共に、前記流入路よりも下方に位置する油溜りを有してもよい。
この態様では、膨張機内において主管路の接続口及び流入路に連通し且つ流入路よりも下側に位置する油溜りが設けられているので、部分負荷運転となってから膨張機の給油箇所が給油不足となるまでの時間を延ばすことができる。
前記流入路が、前記膨張機における前記主管路の接続口から前記供給ポートに向かって前記膨張機の軸方向に沿って設けられてもよい。この場合、前記接続空間は、前記膨張機内において前記主管路の接続口及び前記流入路に連通すると共に、前記流入路よりも下方に位置する油溜りを有してもよい。
この態様では、主管路の接続口から膨張機の供給ポートへ向かう作動媒体の流れに対して、油溜りの油を随伴させやすくすることができる。
前記熱エネルギー回収装置は、前記接続空間において油の溜り具合を検知する油検知器を備えてもよい。この場合、前記制御器は、前記油検知器の検知結果に基づいて前記油溜まり条件が成立した場合に、前記熱負荷制御を前記油戻し制御に切り替えるように構成されてもよい。
この態様では、膨張機における膨張室よりも上流側における油の溜まり具合を油検知器によって直接的に検知することができる。このため、例えば蒸発器における熱負荷が低い場合等において、ポンプの回転数を上げる期間を必要最小限に抑えることができる。
前記熱エネルギー回収装置は、前記油溜まりに溜まった油を検知する油検知器を備えてもよい。この場合、前記制御器は、前記油検知器が、前記油溜まりに溜まった油の量が所定のレベル以下であることを検知したことに基づいて、前記熱負荷制御を前記油戻し制御に切り替えるように構成されてもよい。
この態様では、膨張機の供給ポートの上流側に位置する流入路に連通する油溜りにおける油の溜まり具合に基づいて油戻し制御を行うので、膨張機内における給油箇所への給油不足をより確実に防ぐことができる。
前記熱エネルギー回収装置は、前記蒸発器の熱負荷の状態を直接的または間接的に検知する熱負荷状態検知手段と、前記熱負荷状態検知手段によって検出された熱負荷が所定値以下の部分負荷となっている時間をカウントする計時手段と、を備えてもよい。この場合、前記制御器は、前記計時手段がカウントした時間が所定時間以上になると前記低負荷条件が成立したとして、前記熱負荷制御を前記油戻し制御に切り替えるように構成されてもよい。
この態様では、油の溜り具合を検知しなくても、熱負荷制御から油戻し制御に切り替えることができる。すなわち、油の溜まる個所において油面が大きく波打つことがある場合でも、比較的シンプルな構成（検知器とソフトウェア）で確実に油戻し制御に切り換えることができる。
前記膨張機内における給油箇所が、前記膨張機の供給ポートに連通すると共に前記膨張機の排出ポートに連通していてもよい。この場合、前記給油箇所での圧力が、前記膨張機の供給ポートでの圧力と前記膨張機の排出ポートでの圧力との間の圧力となっていてもよい。
この態様では、供給ポートに連通する給油箇所が排出ポートにも連通しており、しかも、給油箇所の圧力は、供給ポートでの圧力と排出ポートでの圧力との間の圧力となっている。このため、供給ポートを通過した油が圧力差によって給油箇所に流れる。すなわち、給油箇所に油を供給する内部給油経路が膨張機内部に形成される。このため、給油箇所が供給ポートよりも下流側に位置する場合において、油溜りに溜まっている油を当該油溜りから（外部へ）抜き出して膨張機の給油箇所に給油するための（外部）給油配管を備えていなくても、当該給油個所に給油することができる。したがって、膨張機内において配管接続部の数を減らすことができ、油漏れに対する信頼性を向上することができる。
前記膨張機は、スクリュロータと、前記スクリュロータの軸を回転自在に支持する軸受とを備えてもよい。この場合、前記給油箇所が前記軸受であってもよい。
この態様では、軸受への給油不足を防ぐことができるので、膨張機の信頼性を向上することができる。
また、油戻し制御を行うことにより、油が膨張機へ戻らない状況を抑制することができる。このため、軸受潤滑後の油の流れる流路が油封されなくなってその流路を通じて蒸気のショートパス（バイパス）が生じることを防ぐことができる。したがって、熱エネルギー回収効率が低下することを抑制することができる。
前記蒸発器は、熱交換部と、前記熱交換部よりも下流側に位置する下流空間とを有してもよく、前記循環流路は、前記蒸発器及び前記膨張機を接続する主管路を有してもよい。この場合、前記蒸発器の前記下流空間における前記主管路の接続部よりも下側に接続された一端と、前記膨張機に接続された他端とを有する油戻し管路が設けられていてもよい。
この態様では、下流空間に溜まった油を油戻し管路を通して膨張機に効果的に戻すことができる。
前記油戻し管路は、前記主管路よりも細い管路となっていてもよい。
この態様では、油戻し管路内における混合媒体の流速が上がるため、作動媒体の流れに対して、油を随伴させやすくすることができる。
前記蒸発器の熱交換部の一次側流路が、エンジン付き車両におけるエンジン冷却用の冷却水が流れる冷却水流路に接続されていてもよい。
エンジン付き車両におけるエンジン負荷が変動することによって、蒸発器の熱交換部における一次側流路に流入する冷却水の温度及び流量の少なくとも一方が変動することによって、蒸発器における熱負荷が変動する。この場合において、蒸発器における熱負荷が低下して油が膨張機に戻らないような状態が起こり得る。しかしながら、制御器は、油溜まり条件又は低負荷条件が成立すると油戻し制御を行うため、膨張機内での給油箇所への給油不足が生じることを抑制することができる。
以上説明したように、本発明によれば、蒸発器での熱負荷が低下した場合であっても油が膨張機に戻りやすくすることができる。
本発明の第１実施形態に係る熱エネルギー回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 前記熱エネルギー回収装置に設けられた蒸発器の構成を説明するための図である。 第１実施形態の変形例に係る熱エネルギー回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の変形例に係る熱エネルギー回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の変形例に係る熱エネルギー回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の変形例に係る熱エネルギー回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る熱エネルギー回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 前記熱エネルギー回収装置の制御動作を説明するフロー図である。 第２実施形態の変形例に係る熱エネルギー回収装置の全体構成を概略的に示す図である。
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）
第１実施形態による熱エネルギー回収装置１は、エンジン付き車両で発生する熱エネルギーを回収して発電を行う発電システムとして構成されている。熱エネルギー回収装置１は、図１に示すように、ポンプ８と、蒸発器１０と、膨張機１４と、発電機１６と、凝縮器６と、制御器１８と、を備えている。ポンプ８、蒸発器１０、膨張機１４及び凝縮器６は、この順で循環流路４に設けられている。循環流路４には作動媒体及び油が封入されている。作動媒体としては、例えばＲ２４５ｆａ（１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン）等の沸点の低い冷媒が用いられる。したがって、本発電システムは、比較的低温のエンジン排熱から動力を回収するバイナリー発電方式となっている。そして、ポンプ８と蒸発器１０と膨張機１４と凝縮器６とが設けられた循環流路４は、ランキンサイクルを構成している。油は、膨張機１４内の後述する軸受の潤滑のため、あるいは膨張機１４内の各部位のシールのために用いられる。
ポンプ８は、循環流路４における凝縮器６の下流側（蒸発器１０と凝縮器６との間）に設けられており、循環流路４内で作動媒体（すなわち油の混ざった混合媒体）の循環駆動力を発生させるためのものである。ポンプ８は、凝縮器６で凝縮された液状の作動媒体（すなわち油の混ざった混合媒体）を所定の圧力まで加圧して蒸発器１０に送り出す。ポンプ８として、インペラをロータとして備える遠心ポンプや、ロータが一対のギアからなるギアポンプ等が用いられる。
蒸発器１０は、循環流路４におけるポンプ８の下流側（ポンプ８と膨張機１４との間）に設けられている。蒸発器１０は、図２に示すように、上流側ヘッダ１０ａと熱交換部１０ｂと下流側ヘッダ１０ｃとを有する。
上流側ヘッダ１０ａは、蒸発器１０における下端に設けられている。上流側ヘッダ１０ａは、ポンプ８から送り出された液状の作動媒体及び油の混ざった混合媒体が流入する上流空間１０ｄを有する。
熱交換部１０ｂは、加熱媒体である冷却水が流れる一次側流路１０ｂ１と、混合媒体が流れる二次側流路１０ｂ２と、を有し、上流側ヘッダ１０ａの上に配置されている。一次側流路１０ｂ１は加熱媒体流路（冷却水流路）２０に接続されている。加熱媒体流路２０には、加熱媒体を循環させる加熱媒体ポンプ２１が設けられている。加熱媒体流路２０を流れる加熱媒体は、エンジン冷却用のラジエータ２２を流れて昇温した冷却水である。ラジエータ２２は、エンジン２３との間でクーラントが循環することにより、エンジン２３を冷却する。二次側流路１０ｂ２を流れる作動媒体は、一次側流路１０ｂ１を流れる加熱媒体と熱交換して蒸発する。
なお、加熱媒体としては、ラジエータ２２を流れる冷却水に限られるものではなく、エンジン２３を直接冷却する冷却水又はクーラントであってもよい。また、車両に搭載される車載用のシステムとして構成されるものに限られず、例えば、船に搭載されて、船のエンジンの排気ガスを加熱媒体とする構成であってもよく、あるいは、工場等で用いられている水蒸気を加熱媒体とする構成であってもよい。
下流側ヘッダ１０ｃは、熱交換部１０ｂの上側に設けられている。下流側ヘッダ１０ｃは、二次側流路１０ｂ２で蒸発した作動媒体及び油が流入する下流空間１０ｅを有する。下流空間１０ｅには、ガス状の作動媒体が分離した油が溜まり得る。
膨張機１４と発電機１６は、発電装置２として一体的に構成されている。発電装置２は、膨張機１４においてガス状の作動媒体（油も混ざっている）を膨張させることにより、発電機１６を駆動する力を取り出す。なお、発電装置２の詳細については後述する。
凝縮器６には、膨張機１４から排出されたガス状の作動媒体（すなわち油も混ざった混合媒体）が導入される。凝縮器６は、混合媒体が流れる一次側流路６ａと、冷却媒体が流れる二次側流路６ｂとを有している。二次側流路６ｂは、冷却媒体が流れる外部の媒体流路２６と接続されている。一次側流路６ａを流れるガス状の作動媒体は、二次側流路６ｂを流れる冷却媒体と熱交換することにより凝縮する。
以上の構成により、本実施形態による発電システムでは、作動媒体が循環流路４を通じて蒸発器１０、発電装置２、凝縮器６及びポンプ８を順に流れるという循環回路が構成されている。
循環流路４を構成する管路のうち、蒸発器１０と膨張機１４とを流体的に接続する主管路４ａには、作動媒体の温度を検出する温度検出器２８と、作動媒体の圧力を検出する圧力検出器２９とが設けられている。
次に、発電装置２の構成について詳細に説明する。
発電装置２は、膨張機１４と発電機１６を収容するケーシング２５を備えている。ケーシング２５は、膨張機１４を収容する第１ケース部材３０と、第１ケース部材３０に締結され、発電機１６を収容する第２ケース部材３１とを有する。
第１ケース部材３０は、第２ケース部材３１に締結され、膨張機１４の後述するスクリュロータ３２を保持するロータ保持部３３と、ロータ保持部３３に対して第２ケース部材３１と反対側に配置されてロータ保持部３３に締結された蓋部３４と、を有する。
蓋部３４は、底部３４ａと、底部３４ａの外周部からスクリュロータ３２の軸方向の延びる筒状の胴部３４ｂとを有し、有底の略円筒状を呈している。ケーシング２５は、底部３４ａが鉛直になり、スクリュロータ３２及びお胴部３４ｂの軸が水平になるように設置される。
胴部３４ｂの端部にロータ保持部３３が結合されている。これにより、蓋部３４とロータ保持部３３とによって密閉された第１空間Ｓ１が形成されている。第１空間Ｓ１は、膨張室内よりも高圧の作動媒体及び油が存在する高圧側空間となる。
蓋部３４（第１ケース部材３０）には、蓋部３４をその厚み方向に貫通する流入口３４ｃが設けられている。流入口３４ｃには、循環流路４のうち蒸発器１０と膨張機１４を流体的に接続する配管によって構成される主管路４ａの一端が接続されている。つまり、流入口３４ｃは、主管路４ａの接続口である。蒸発器１０で生成された作動媒体の蒸気及び油が混ざった混合媒体は、主管路４ａから流入口３４ｃを通じて第１空間Ｓ１内に流入する。
ロータ保持部３３には、軸方向において蓋部３４とは反対側に第２ケース部材３１が結合されている。これにより、ロータ保持部３３と第２ケース部材３１とによって密閉された第２空間Ｓ２が形成されている。第２空間Ｓ２は、後述するように、膨張室内よりも低圧の作動媒体及び油が通過する低圧側空間となる。
ロータ保持部３３には、スクリュロータ３２が配置された貫通孔３３ａと、第１空間Ｓ１に連通し、膨張室が第１空間Ｓ１側に位置するときに当該膨張室に連通する供給ポート３３ｂと、膨張室が第２空間Ｓ２側に位置するときに当該膨張室に連通する排出ポート３３ｃと、排出ポート３３ｃに連通しロータ保持部３３の外面に開口する排出孔３３ｄと、排出孔３３ｄと第２空間Ｓ２とを連通する連通孔３３ｅと、が設けられている。
貫通孔３３ａは、スクリュロータ３２の軸方向にロータ保持部３３を貫通している。貫通孔３３ａの一端部は、ロータ保持部３３における第１空間Ｓ１側の面に開口し、貫通孔３３ａの他端部は、ロータ保持部３３における第２空間Ｓ２側の面に開口している。供給ポート３３ｂは、第１空間Ｓ１内の作動媒体と油の混合媒体を膨張室内に供給させる。排出ポート３３ｃは、膨張室から作動媒体と油の混合媒体を排出させる。排出孔３３ｄは、排出ポート３３ｃから下方に延びている。
膨張室で膨張したガス状の作動媒体と油の混合媒体は、排出ポート３３ｃ及び排出孔３３ｄを通して循環流路４へ排出される。また、油の一部は膨張室から後述するように第２軸受５３側に流れる。第２軸受５３を潤滑した後の油は、第２空間Ｓ２に流れ、その後、連通孔３３ｅを通じて排出孔３３ｄ内に流入する。
膨張機１４は、互いに噛み合った一対のスクリュロータ３２を有している。各スクリュロータ３２の軸は、スクリュロータ３２から軸方向の一方側に延びる第１回転軸３２ａと、スクリュロータ３２から軸方向の他方側に延びる第２回転軸３２ｂと、を有する。第１回転軸３２ａは供給ポート３３ｂ側の軸であり、第２回転軸３２ｂは、排出ポート３３ｃ側の軸である。第１回転軸３２ａは、後述する第１軸受保持部４２内に延在している。第２回転軸３２ｂは、貫通孔３３ａ内から第２空間Ｓ２内に向けて延びている。
各スクリュロータ３２は、それぞれ螺旋形の歯を有している。貫通孔３３ａ内において両スクリュロータ３２の歯が噛み合うことによってそれらの間に膨張室が形成される。両スクリュロータ３２の歯が噛み合った状態でスクリュロータ３２が回転すると、膨張室は、供給ポート３３ｂに連通する位置からスクリュロータ３２の軸方向に順次移動する。このとき、膨張室内の体積は順次大きくなる。そして、膨張室は、スクリュロータ３２の回転によって、排出ポート３３ｃに連通する位置まで移動する。
発電機１６は、一方のスクリュロータ３２の第２回転軸３２ｂに連結された発電機ロータ３８と、発電機ロータ３８の周りに配置されたステータ４０とを有している。ステータ４０は、第２ケース部材３１の内側に固定されている。発電機ロータ３８及びステータ４０は第２空間Ｓ２内に配置されている。発電機ロータ３８は、前記一方のスクリュロータ３２と同軸となるようにスクリュロータ３２と連結されている。発電機ロータ３８は、スクリュロータ３２と一体的に回転する。発電機ロータ３８が回転することにより、発電機１６は発電を行う。
ロータ保持部３３には、第１回転軸３２ａに取り付けられた第１軸受４８を保持するための第１軸受保持部４２が結合されている。第１軸受保持部４２は、スクリュロータ３２の軸方向において、ロータ保持部３３に対して蓋部３４と同じ側に配置されている。第１軸受保持部４２は、ロータ保持部３３のうち蓋部３４が結合された部位の内側において、ロータ保持部３３に結合され、スクリュロータ３２の軸方向に延びるように形成されている。
第１軸受保持部４２は、幅方向において蓋部３４よりも小さい形状であり、蓋部３４の内面から内側に離隔している。このため、蓋部３４の底部３４ａ及び胴部３４ｂの内面と第１軸受保持部４２の外面との間の空間が、作動媒体及び油の混合媒体が流入する第１空間Ｓ１となっている。
蓋部３４に形成された流入口３４ｃは、第１軸受保持部４２の上端よりも少し上側に位置している。そして、流入口３４ｃを通して第１空間Ｓ１内に導入された混合媒体は、流入口３４ｃから供給ポート３３ｂに向かってスクリュロータ３２の軸方向にほぼ真っ直ぐに流れる。すなわち、膨張機１４の第１空間Ｓ１内には、膨張機１４における流入口３４ｃから供給ポート３３ｂに向かって膨張機１４の軸方向に沿って延びる流入路４４が形成されている。また、第１空間Ｓ１において、流入路４４よりも下側の空間部には油が溜まる。したがって、この部分は、油溜り４６として機能する。なお、流入口３４ｃは、第１軸受保持部４２の上端よりも少し下側に位置していてもよい。
第１軸受保持部４２内には、第１空間Ｓ１から区画された第１軸受室４７が形成されている。第１軸受室４７は、供給ポート３３ｂに直接或いは供給ポート３３ｂ側の膨張室を介して連通している。第１軸受室４７には、それぞれの回転軸３２ａに対応して配置された第１軸受４８が収容されている。これらの第１軸受４８の一方は、一方のスクリュロータ３２の第１回転軸３２ａを支持する。他方の第１軸受４８は、もう一方のスクリュロータ３２の第１回転軸３２ａを支持する。言い換えると、第１回転軸３２ａは第１軸受４８によって回転自在に軸支されている。
ロータ保持部３３には、第２空間Ｓ２に連通する第２軸受室５０を構成する第２軸受保持部５１が結合している。第２軸受保持部５１は、スクリュロータ３２の軸方向において、ロータ保持部３３に対して第２ケース部材３１と同じ側に配置されている。なお、本実施形態では、第２軸受保持部５１とロータ保持部３３とが一体的に形成されているが、これら保持部５１，３３が別体に形成されるとともに互いに締結された構成としてもよい。
第２軸受室５０は、貫通孔３３ａ又は膨張室に連通している。第２軸受室５０には、それぞれの回転軸３２ｂに対応して配置された第２軸受５３が収容されている。これらの第２軸受５３の一方は、一方のスクリュロータ３２の第２回転軸３２ｂを支持する。他方の第２軸受５３は、もう一方のスクリュロータ３２の第２回転軸３２ｂを支持する。言い換えると、第２回転軸３２ｂは第２軸受５３によって回転自在に軸支されている。
ケーシング２５内には、油流通路５５が設けられている。油流通路５５は、第１軸受室４７内と、貫通孔３３ａにおける排出ポート３３ｃ近傍の部位とを連通している。この排出ポート３３ｃ近傍の部位とは、具体的には、スクリュロータ３２において排出ポート３３ｃに接する部分よりもスクリュロータ３２の約１歯分だけ第１軸受保持部４２側にずれた部位である。油流通路５５の一端は、第１軸受保持部４２の内部空間（第１軸受室４７）のうち第１軸受４８に対してスクリュロータ３２と反対側に位置する箇所に接続されている。油流通路５５の他端は、排出ポート３３ｃ近傍の貫通孔３３ａ（膨張室）に連通するようにロータ保持部３３に接続されている。なお、本実施形態の構成に限らず、油流通路５５の他端は、排出孔３３ｄに連通するようにロータ保持部３３に接続された構成としてもよい。
本実施形態では、第１軸受室４７内の油は、油流通路５５を通して膨張室内へと流れる。そして、膨張室内の油の一部は、貫通孔３３ａから第２軸受室５０内に流れる。この油の流れは、供給ポート３３ｂでの圧力と、第１軸受室４７内の圧力と、膨張室内の圧力と、第２空間Ｓ２の圧力と、排出ポート３３ｃでの圧力との大小関係によって生じる。
すなわち、膨張室内で作動媒体の膨張が進むにつれて、膨張室内の圧力は、供給ポート３３ｂ側から排出ポート３３ｃ側へ向かって次第に低下する、第１軸受室４７は、供給ポート３３ｂ側の膨張室に隣接するとともに、排出ポート３３ｃ近傍の膨張室と連通する。このため、第１軸受室４７内の圧力は、供給ポート３３ｂでの圧力よりも低圧で、且つ排出ポート３３ｃよりも高圧となる。一方、第２軸受室５０は、第２空間Ｓ２及び連通孔３３ｅを通して排出孔３３ｄに連通しているため、第２軸受室５０内の圧力は、排出ポート３３ｃ側の膨張室内の圧力よりも低圧となる。このため、第１軸受室４７内の油は、油流通路５５を通して膨張室内へと流れる。そして、膨張室内の油の一部は、第２軸受室５０内に流れる。言い換えると、第１軸受室４７及び第２軸受室５０での圧力が、供給ポート３３ｂでの圧力と排出ポート３３ｃでの圧力との間の圧力（中間圧力）となっている。この圧力関係により、第１空間Ｓ１内の混合媒体に含まれる油は、第１軸受４８及び第２軸受５３に供給される。第１軸受４８及び第２軸受５３には油が供給されるので、第１軸受４８及び第２軸受５３は、膨張機１４内における給油箇所となっている。軸受４８，５３に油が供給されることにより、軸受４８，５３が潤滑される効果が発揮されるとともに、軸受４８，５３の保持部からの作動媒体の漏れを抑制するシール効果が発揮される。
熱エネルギー回収装置１には、蒸発器１０における下流空間１０ｅから膨張機１４における供給ポート３３ｂまでの接続空間内における油の溜り具合を検知する油検知器５７（図２参照）が設けられている。具体的には、第１実施形態において、油検知器５７は、蒸発器１０の下流側ヘッダ１０ｃに配置され、蒸発器１０の下流空間１０ｅ内での油の溜まり具合を検知する。
油検知器５７は、下流空間１０ｅに所定量の油が溜まったか否かを検知する構成であってもよく、溜まった油の量を検知する構成であってもよい。図例の油検知器５７は、２つの検知端を有し、油面の上限値及び下限値を検知可能な構成となっている。なお、油検知器５７は、油面の下限値を検知する検知端のみを有する構成であってもよい。この場合、後述する油戻し制御は、予め設定された所定時間だけ行うようにすればよい。
油検知器５７は、検知結果に応じた信号を出力する。油検知器５７から出力された信号は、制御器１８に入力される。また、温度検出器２８及び圧力検出器２９から出力された信号も制御器１８に入力される。
制御器１８は、記憶部、一時記憶部、演算部等を有し、記憶部に格納された制御プログラムを実行することによって、所定の機能を発揮する。この機能には、過熱度を導出する過熱度演算部１８ａと、ポンプ８の回転数を制御する駆動制御部１８ｂとが含まれている。
過熱度演算部１８ａは、記憶部に記憶された、飽和蒸気圧と温度とを関連付ける情報を使用し、温度検出器２８及び圧力検出器２９からの信号に基づいて、主管路４ａを流れる作動媒体の過熱度を導出する。
駆動制御部１８ｂは、蒸発器１０の熱負荷に応じてポンプ８の回転数を制御する熱負荷制御と、熱負荷制御によるポンプ８の回転数よりも増速された回転数でポンプ８を駆動する油戻し制御とを実行可能である。熱負荷制御では、過熱度演算部１８ａによって導出された過熱度が目標範囲に収まるように、ポンプ８の回転数（すなわち蒸発器に送られる作動媒体の流量）が調整される。すなわち、蒸発器１０の熱交換部１０ｂに流入する加熱媒体の流量が変動した場合、加熱媒体から作動媒体に与えられる熱量が変動するため、熱交換部１０ｂでの作動媒体の蒸発量が変動する。このため、熱負荷制御においては、膨張機１４での熱回収効率が下がらないように、蒸発器１０での熱負荷に応じた作動媒体が蒸発器１０に導入されるように、ポンプ８の回転数が調整される。
エンジン２３が部分負荷運転を行い、蒸発器１０での熱負荷が低減されている状態が継続した場合には、蒸発器１０から膨張機１４に油が戻り難くなるため、そのような場合に油戻し制御が行われる。油戻し制御は、蒸発器１０で蒸発した作動媒体から分離した油の溜まり具合に関する予め設定された油溜まり条件が成立したときに実行される。すなわち、制御器１８は、油検知器５７の検知結果に基づいて油溜まり条件が成立した場合に、熱負荷制御から油戻し制御に切り替えるように構成されている。
第１実施形態では、油溜まり条件として、油検知器５７により、油面が上限値に達したことが検出されたことが設定されている。したがって、油戻し制御は、下流空間１０ｅに溜まった油の油面が上限値に達すると、熱負荷制御に優先して実行される。油戻し制御では、熱負荷制御のときのポンプ８の回転数に対して予め設定された回転数だけ、ポンプ８の回転数が大きくなる。これにより、ポンプ８から蒸発器１０に送られる混合媒体の流量が増えるととともに混合媒体の流速が速くなる。これにより、蒸発器１０の下流側における作動媒体の過熱度は下がるが、下流空間１０ｅに溜まった油が、増速された作動媒体に随伴されて主管路４ａを流れる。したがって、下流空間１０ｅの油を膨張機１４内に戻すことができる。なお、一部の作動媒体が液状のまま膨張機１４内に流入してもよい。そのような場合の膨張機は、容積型膨張機が好ましく、液体に対する耐性の高いスクリュ膨張機が特に好ましい。
制御器１８は、油検知器５７により油面が下限値に達したことが検出されると油戻し制御から熱負荷制御に戻すように構成されている。
ここで、本実施形態による熱エネルギー回収装置１の運転動作について説明する。ポンプ８が駆動されると、ポンプ８から送出された液状の作動媒体及び油の混合媒体は、蒸発器１０の上流側ヘッダ１０ａを通して二次側流路１０ｂ２に流入する。作動媒体は、一次側流路１０ｂ１を流れる加熱媒体によって加熱されて蒸発する。作動媒体が蒸発すると、混合媒体に含まれる油が作動媒体から分離する。作動媒体から分離された油の一部は、下流空間１０ｅ内に溜まることがある。蒸発器１０で蒸発したガス状の作動媒体及び油の混合媒体は、下流空間１０ｅを通して主管路４ａを流れる。混合媒体は、膨張機１４の流入口３４ｃを通して第１空間Ｓ１内に導入される。第１空間Ｓ１内においては、混合媒体は主として流入路４４を流れる。このとき、第１軸受保持部４２が浸かるくらいの油が油溜り４６に溜まっていれば、油溜り４６に溜まっていた油の一部は混合媒体に随伴されて供給ポート３３ｂに流入する。
第１空間Ｓ１内の混合媒体は、供給ポート３３ｂを通して膨張室に入る。これによりスクリュロータ３２が回転し、発電機１６の発電機ロータ３８が回転して発電が行われる。スクリュロータ３２の回転に伴い、膨張室は、スクリュロータ３２の軸方向に移動しつつ作動媒体を漸次膨張させる。これにより、膨張室内の作動媒体の圧力は漸次低下する。そして、作動媒体は、排出ポート３３ｃ及び排出孔３３ｄを通して循環流路４に排出される。このガス状の作動媒体及び油の混合媒体は、凝縮器６の一次側流路６ａに導入される。凝縮器６においては、作動媒体は、二次側流路６ｂを流れる冷却媒体によって冷却されて凝縮する。この液状の作動媒体及び油は、循環流路４を流れてポンプ８に吸入される。循環流路４では、このような循環が繰り返されて発電装置２において発電が行われる。
第１空間Ｓ１内の混合媒体に含まれる油の一部は、供給ポート３３ｂ又は供給ポート３３ｂ側に位置する貫通孔３３ａの一端部（膨張室の供給ポート側）から第１軸受室４７に流れる。第１軸受室４７に供給された油の一部は、油流通路５５を通して排出ポート３３ｃ近傍の膨張室に流れる。膨張室内の油は、膨張した作動媒体とともに、排出ポート３３ｃを通して排出孔３３ｄに流れる。
また、第１空間Ｓ１内の混合媒体に含まれる油の一部は、排出ポート３３ｃ側に位置する貫通孔３３ａの他端部（膨張室の排出ポート３３ｃ側）から第２軸受室５０に流れる。第２軸受室５０に供給された油の一部は、第２空間Ｓ２及び連通孔３３ｅを通して排出孔３３ｄに流れる。
通常、制御器１８は、熱負荷制御を実行する。このため、ポンプ８の回転数は、過熱度演算部１８ａによって導出された過熱度が目標範囲に収まるように調整されている。この運転中、油検知器５７により、下流空間１０ｅ内に溜まった油の油面が上限値に達したことが検出されると、油戻し制御が実行される。これにより、ポンプ８が増速されるため、下流空間内に溜まった油が作動媒体に随伴されやすくなり、膨張機１４に戻りやすくなる。
以上説明したように、本第１実施形態では、予め定められた油溜まり条件が成立すると、熱負荷制御から油戻し制御に移行される。すなわち、熱負荷の大きな変動に伴って膨張機１４の膨張室よりも上流側において油が滞留する場合、熱負荷の変動に拘わらず膨張機１４の膨張室よりも上流側において油が滞留するような場合、又は蒸発器１０の熱負荷が小さい状態が続くような場合には、熱負荷制御に優先させて油戻し制御が実行される。これにより、ポンプ８の回転数が、蒸発器１０の熱負荷に応じて設定された回転数よりも上げられる。この結果、蒸発器１０を通過する作動媒体の流速が高くなるため、蒸発した作動媒体から分離した油が作動媒体に随伴され易くなる。したがって、膨張機１４よりも上流側から膨張機１４内に油が戻り易くなり、膨張機１４内での給油箇所への給油不足が生じることを抑制することができる。
また第１実施形態では、蒸発器１０の下流空間１０ｅに溜まった油の量が設定された範囲以上に増えると、油戻し制御が行われるため、下流空間１０ｅ内の油は、主管路４ａを通して膨張機１４内に作動媒体とともに流れる。したがって、熱エネルギー回収装置が複雑化することが回避される。
また第１実施形態では、膨張機１４内において、主管路４ａの接続口である流入口３４ｃ及び流入路４４に連通し且つ流入路４４よりも下側に位置する油溜り４６が設けられている。このため、部分負荷運転となってから膨張機１４の給油箇所が給油不足となるまでの時間を延ばすことができる。
また第１実施形態では、膨張機１４内の流入路４４が、流入口３４ｃから供給ポート３３ｂに向かって膨張機１４の軸方向に沿って設けられている。このため、流入口３４ｃから供給ポート３３ｂへ向かう作動媒体の流れに対して、油溜り４６に溜まった油を随伴させやすくすることができる。
また第１実施形態では、膨張機１４における供給ポート３３ｂよりも上流側における油の溜まり具合を油検知器５７によって直接的に検知することができる。このため、例えば蒸発器１０における熱負荷が低い場合等において、ポンプ８の回転数を上げる期間を必要最小限に抑えることができる。
また第１実施形態では、供給ポート３３ｂに連通する給油箇所が排出ポート３３ｃにも連通しており、しかも、給油箇所の圧力は、供給ポート３３ｂでの圧力と排出ポート３３ｃでの圧力との間の圧力（中間圧力）となっている。このため、供給ポート３３ｂを通過した油が圧力差によって給油箇所に流れる。すなわち、給油箇所に油を供給する内部給油経路が膨張機１４内部に形成される。このため、給油箇所が供給ポート３３ｂよりも下流側に位置する場合において、油溜り４６に溜まっている油を当該油溜り４６から外部へ抜き出して膨張機１４の給油箇所に給油するための外部給油配管を備えていなくても、当該給油個所に給油することができる。したがって、膨張機１４内において配管接続部の数を減らすことができ、油漏れに対する信頼性を向上することができる。
また第１実施形態では、給油箇所としての軸受４８，５３が設けられていて、圧力差によって供給ポート３３ｂから軸受４８，５３に油が流れる構成となっている。したがって、軸受４８，５３への給油不足を防ぐことができるので、膨張機１４の信頼性を向上することができる。
また、油戻し制御を行うことにより、油が膨張機１４へ戻らない状況を抑制することができるため、軸受潤滑後の油の流れる油流通路５５が油封されなくなる状況を抑制できる。この結果、油流通路５５を通じて作動媒体のショートパス（バイパス）が生じることを防ぐことができる。したがって、熱エネルギー回収効率が低下することを抑制することができる。
エンジン付き車両におけるエンジン負荷が変動することによって、蒸発器１０の熱交換部１０ｂにおける一次側流路１０ｂ１に流入する冷却水の温度及び流量の少なくとも一方が変動することによって、蒸発器１０における熱負荷が変動する。この場合において、蒸発器１０における熱負荷が低下して、油が膨張機１４に戻らないような状態が起こり得る。しかしながら、第１実施形態では、制御器１８は、油溜まり条件が成立すると油戻し制御を行うため、膨張機１４内での給油箇所への給油不足が生じることを抑制することができる。
なお、第１実施形態では、油検知器５７が、蒸発器１０の上部における油の溜まり具合を検知する構成であるが、この構成に限られない。油検知器５７は、接続空間内での油溜まり具合を検知可能であれば、下流空間１０ｅに配置されていなくてもよい。ここで、接続空間とは、蒸発器１０の熱交換部１０ｂよりも下流側に設けられた蒸発器１０内の下流空間１０ｅと、膨張機１４の供給ポート３３ｂの上流側に位置する流入路４４と、下流空間１０ｅ及び流入路４４に連通するように蒸発器１０及び膨張機１４を接続する主管路４ａと、膨張機１４内において主管路４ａの接続口（流入口３４ｃ）及び流入路４４に連通すると共に、流入路４４よりも下方に位置する油溜り４６と、を含む空間をいう。したがって、油検知器５７は、下流空間１０ｅに配置されるのではなく、図３に示すように、第１空間Ｓ１の下部である油溜り４６での油の溜まり具合を検知する構成であってもよい。油検知器５７は、油面の下限値として設定された位置に配置された検知端と、それよりも上側に配置された検知端とを有する。この場合、油溜まり条件として、油検知器５７により油面が下限値に達したことが検出されたことが設定されている。このため、油検知器５７によって油面の下限値が検知されると油戻し制御が実行される。そして、上側の検知端によって油面が検知されると、油戻し制御から熱負荷制御に切り換えられる。この構成では、膨張機１４内の油溜り４６における油の溜まり具合に基づいて油戻し制御を行うので、膨張機１４内における給油箇所への給油不足をより確実に防ぐことができる。なお、油検知器５７は、油面の下限値を検知する検知端のみを備え、油戻し制御は、予め設定された所定時間だけ行うようにしてもよい。
また、図４に示すように、油検知器５７は、下流空間１０ｅではなく、主管路４ａに配置されていてもよい。熱エネルギー回収装置１の設置環境によっては、循環流路４を構成する配管を単純な環状の構成にすることができない場合もある。例えば、蒸発器１０と膨張機１４とを接続する主管路４ａが、蒸発器の上部から上方に延びる立ち上がり部４ｂと、立ち上がり部４ｂの上端から下方に曲がるとともにＵ字状に折れ曲がったＵ字状部４ｃと、Ｕ字状部４ｃの一方の上端と膨張機１４とを接続する接続部４ｄとを有する場合もあり得る。この場合、Ｕ字状部４ｃにおける曲がり部に油が溜まることがあり得るため、Ｕ字状部４ｃに油検知器５７が設けられる。油検知器５７がＵ字状部４ｃに溜まった油を検知すると、油戻し制御が実行される。
第１実施形態では、膨張機１４内において流入路４４の下方に油溜り４６が形成された構成となっているが、図５に示すように、油溜り４６は形成されていなくてもよい。この場合、ケーシング２５の蓋部３４は、ロータ保持部３３及び第１軸受保持部４２を結合する構成となる。蓋部３４は、下端部が第１軸受保持部４２の上部に結合された底部３４ａと、底部３４ａ上端及び側端からスクリュロータ３２の軸方向に延び、ロータ保持部３３に結合された胴部３４ｂと、を有する。そして、蓋部３４と軸受保持部４２の上部との間には、流入路４４が形成されている。流入路４４は、スクリュロータ３２の軸方向に延びるように形成されてもよい。流入口３４ｃは、蓋部３４の底部３４ａに形成されている。
油流通路５５は、第１軸受保持部４２及びロータ保持部３３の中を通り抜けるように第１軸受保持部４２からロータ保持部３３に亘って設けられている。
第１実施形態では、下流空間１０ｅ内に溜まった油が主管路４ａを流れる作動媒体によって運ばれる構成である。これに追加して、図６に示す形態では、油戻し管路５８が設けられている。
油戻し管路５８は、下流空間１０ｅにおける主管路４ａの接続部よりも下側に接続された第１端部と、膨張機１４の流入路４４に接続された第２端部とを有する。油戻し管路５８は、主管路４ａよりも細い管路で構成されている。油戻し管路５８の第１端部は、下流側ヘッダ１０ｃと主管路４ａとの接続部よりも下側において下流側ヘッダ１０ｃと接続されている。油面が第１端部よりも上側になるように下流空間１０ｅ内に油が溜まっている場合、下流空間１０ｅ内に溜まった油を、油戻し管路５８を通して膨張機１４の第１空間Ｓ１内に戻すことができる。油戻し管路５８は主管路４ａよりも細い管路となっているため、主管路４ａ内の作動媒体の流速よりも油戻し管路５８内の作動媒体の流速の方が大きい。したがって、油戻し管路５８内では油が作動媒体に随伴されやすい。
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態を示す。尚、ここでは第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図１〜図５に示す形態では、油検知器５７（図１、図５には図示せず）が設けられている。これに対し、第２実施形態に係る熱エネルギー回収装置１は、油の溜まり具合を検知する油検知器５７を有するのではなく、蒸発器１０の熱負荷状態を検知する検知手段を備えている。そして、油戻し制御は、油溜まり条件の成立を基準とするのではなく、蒸発器１０における所定以下の低負荷に関する予め設定された低負荷条件の成立を条件とする。この低負荷条件は、蒸発器１０において加熱媒体から与えられる熱負荷が低下した状態（部分負荷の状態）がある程度の時間継続した場合に蒸発器１０から膨張機１４に油が戻り難くなることを想定して設定された条件である。
第２実施形態では、蒸発器１０の熱負荷を直接的に検知する熱負荷状態検知手段としての温度検知器６０が、加熱媒体流路２０に設けられている。そして、この温度検知器６０によって検知された加熱媒体の温度が予め設定された閾値よりも低い状態が、予め設定された時間以上継続した場合に、低負荷条件が成立する。
すなわち、制御器１８は、図８に示すように、温度検知器６０による検知温度Ｔが基準温度Ｔｓ以下であるかどうかを判断する（ステップＳＴ１）。検知温度Ｔが基準温度Ｔｓよりも高い場合、ステップＳＴ１を繰り返す。基準温度Ｔｓは、通常運転時に、加熱媒体流路２０を流れる加熱媒体の温度が変わる範囲における上限値よりも低い温度である。加熱媒体の温度が基準温度Ｔｓ以下のときに、油が溜まりやすくなることを予め確認しておくことによって、基準温度Ｔｓを決めることができる。
検知温度Ｔが基準温度Ｔｓ以下になると、ステップＳＴ２に進む。ステップＳＴ２において、制御器１８内の計時手段としてのタイマーが計時を開始する。そして、タイマーによるカウントが所定時間経過するまでは（ステップＳＴ３）、ステップＳＴ４に移り、温度検知器６０による検知温度Ｔが基準温度Ｔｓ以下であるかどうかを判断する。検知温度Ｔが基準温度Ｔｓよりも高くなれば、リターンしてステップＳＴ１に戻り、検知温度Ｔが基準温度Ｔｓ以下の状態が継続していれば、タイマーによるカウントを継続する。そして、タイマーによる計時が所定時間継続すると、ステップＳＴ５に移り、制御器１８は、熱負荷制御を油戻し制御に切り替える。
このように、蒸発器１０の熱負荷を検知する構成とすれば、油の溜り具合を検知しなくても、熱負荷制御から油戻し制御に切り替えることができる。このため、油の溜まる個所において油面が大きく波打つことがある場合でも、比較的シンプルな構成（検知器とソフトウェア）で確実に油戻し制御に切り換えることができる。
なお、熱負荷状態検知手段は、加熱媒体の温度を検知する温度検知器６０に限られるものではなく、加熱媒体の流量を検知する図略の流量検知器によって構成されていてもよい。この場合、流量検知器によって検知された加熱媒体の流量が予め設定された基準流量よりも低い状態が予め設定された時間以上経過したときに、低負荷条件が成立する。
また、熱負荷状態検知手段は、蒸発器１０の熱負荷を直接的に検知する検知器に限られるものではなく、蒸発器１０の熱負荷を間接的に検知する検知器によって構成されていてもよい。例えば、図９に示すように、ポンプ８の回転数を検知する回転数検知器６２が熱負荷状態検知手段として設けられていてもよい。この場合、回転数検知器６２によって検知されたポンプ回転数が予め設定された基準回転数よりも低い状態が予め設定された時間以上経過したときに、低負荷条件が成立する。
第２実施形態の場合でも、図５に示す膨張機１４のように、油溜り４６のない膨張機１４が用いられてもよく、あるいは、図６に示す油戻し管路５８が設けられていてもよい。
４ 循環流路
４ａ 主管路
６ 凝縮器
８ ポンプ
１０ 蒸発器
１０ａ 上流側ヘッダ
１０ｂ 熱交換部
１０ｂ１ 一次側流路
１０ｂ２ 二次側流路
１０ｃ 下流側ヘッダ
１０ｄ 上流空間
１０ｅ 下流空間
１４ 膨張機
１８ 制御器
３２ スクリュロータ
３２ａ 第１回転軸
３２ｂ 第２回転軸
３３ｂ 供給ポート
３３ｃ 排出ポート
４４ 流入路
４６ 油溜り
４８ 第１軸受
５３ 第２軸受
５７ 油検知器
５８ 油戻し管路
６０ 温度検知器（熱負荷状態検知手段の一例）
６２ 回転数検知器（熱負荷状態検知手段の一例）

Claims (12)

  1. 蒸発器と膨張機と凝縮器とポンプとが設けられた循環流路と、
    前記ポンプの回転数の制御を行う制御器と、を備え、
    前記蒸発器で蒸発した作動媒体と油との混合媒体が前記膨張機に導入されて、前記膨張機が駆動される熱エネルギー回収装置であって、
    前記制御器は、前記蒸発器の熱負荷に応じて前記ポンプの回転数を制御する熱負荷制御と、前記熱負荷制御による前記ポンプの回転数よりも高められた回転数で前記ポンプを駆動する油戻し制御とを実行可能であり、
    前記油戻し制御は、前記蒸発器で蒸発した作動媒体から分離した油の溜まり具合に関する予め設定された油溜まり条件又は前記蒸発器における所定以下の低負荷に関する予め設定された低負荷条件が成立したときに実行される、熱エネルギー回収装置。
  2. 前記油溜まり条件において用いられる前記油の溜まり具合は、接続空間における油溜まり具合であり、
    前記接続空間は、前記蒸発器の熱交換部よりも下流側に設けられた蒸発器内の下流空間と、前記膨張機の供給ポートの上流側に位置する流入路と、前記下流空間及び前記流入路に連通するように前記蒸発器及び前記膨張機を接続する主管路と、を含む、請求項１に記載の熱エネルギー回収装置。
  3. 前記接続空間は、前記膨張機内において前記主管路の接続口及び前記流入路に連通すると共に、前記流入路よりも下方に位置する油溜りを有している、請求項２に記載の熱エネルギー回収装置。
  4. 前記流入路が、前記膨張機における前記主管路の接続口から前記供給ポートに向かって前記膨張機の軸方向に沿って設けられており、
    前記接続空間は、前記膨張機内において前記主管路の接続口及び前記流入路に連通すると共に、前記流入路よりも下方に位置する油溜りを有している、請求項２に記載の熱エネルギー回収装置。
  5. 前記接続空間において油の溜り具合を検知する油検知器を備え、
    前記制御器は、前記油検知器の検知結果に基づいて前記油溜まり条件が成立した場合に、前記熱負荷制御を前記油戻し制御に切り替えるように構成されている、請求項２から４の何れか１項に記載の熱エネルギー回収装置。
  6. 前記油溜まりに溜まった油を検知する油検知器を備え、
    前記制御器は、前記油検知器が、前記油溜まりに溜まった油の量が所定のレベル以下であることを検知したことに基づいて、前記熱負荷制御を前記油戻し制御に切り替えるように構成されている、請求項３又は４に記載の熱エネルギー回収装置。
  7. 前記蒸発器の熱負荷の状態を直接的または間接的に検知する熱負荷状態検知手段と、
    前記熱負荷状態検知手段によって検出された熱負荷が所定値以下の部分負荷となっている時間をカウントする計時手段と、を備え、
    前記制御器は、前記計時手段がカウントした時間が所定時間以上になると前記低負荷条件が成立したとして、前記熱負荷制御を前記油戻し制御に切り替えるように構成されている、請求項１に記載の熱エネルギー回収装置。
  8. 前記膨張機内における給油箇所が、前記膨張機の供給ポートに連通すると共に前記膨張機の排出ポートに連通しており、
    前記給油箇所での圧力が、前記膨張機の供給ポートでの圧力と前記膨張機の排出ポートでの圧力との間の圧力となっている、請求項１又は７に記載の熱エネルギー回収装置。
  9. 前記膨張機は、スクリュロータと、前記スクリュロータの軸を回転自在に支持する軸受とを備えており、
    前記給油箇所が前記軸受である、請求項８に記載の熱エネルギー回収装置。
  10. 前記蒸発器は、熱交換部と、前記熱交換部よりも下流側に位置する下流空間とを有し、
    前記循環流路は、前記蒸発器及び前記膨張機を接続する主管路を有し、
    前記蒸発器の前記下流空間における前記主管路の接続部よりも下側に接続された一端と、前記膨張機に接続された他端とを有する油戻し管路が設けられている、請求項１に記載の熱エネルギー回収装置。
  11. 前記油戻し管路は、前記主管路よりも細い管路となっている、請求項１０に記載の熱エネルギー回収装置。
  12. 前記蒸発器の熱交換部の一次側流路が、エンジン付き車両におけるエンジン冷却用の冷却水が流れる冷却水流路に接続されている、請求項１から１１の何れか１項に記載の熱エネルギー回収装置。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6941076B2 (ja) * 2018-06-05 2021-09-29 株式会社神戸製鋼所 発電方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4267458A (en) * 1972-04-26 1981-05-12 Westinghouse Electric Corp. System and method for starting, synchronizing and operating a steam turbine with digital computer control
US4029951A (en) * 1975-10-21 1977-06-14 Westinghouse Electric Corporation Turbine power plant automatic control system
JP4311982B2 (ja) * 2003-05-22 2009-08-12 株式会社荏原製作所 発電装置および発電方法
US20100034684A1 (en) * 2008-08-07 2010-02-11 General Electric Company Method for lubricating screw expanders and system for controlling lubrication
JP5081894B2 (ja) * 2009-12-14 2012-11-28 株式会社神戸製鋼所 発電装置
JP5698039B2 (ja) * 2011-03-11 2015-04-08 株式会社神戸製鋼所 水噴射式スクリュ圧縮機
EP2514933B1 (de) * 2011-04-19 2017-03-15 Orcan Energy AG Hochdruckseitige Abtrennung von flüssigem Schmierstoff zur Schmierung volumetrisch arbeitender Expansionsmaschinen
US20140250886A1 (en) * 2011-09-30 2014-09-11 Sanden Corporation Rankine Cycle
JP2013177838A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Kobe Steel Ltd バイナリー発電装置の制御方法及びバイナリー発電装置
JP5715111B2 (ja) 2012-12-12 2015-05-07 株式会社神戸製鋼所 発電装置及び発電システム
JP5891192B2 (ja) * 2013-03-25 2016-03-22 株式会社神戸製鋼所 発電装置及び発電システム
US9845711B2 (en) * 2013-05-24 2017-12-19 Cummins Inc. Waste heat recovery system
JP5860435B2 (ja) 2013-05-31 2016-02-16 株式会社神戸製鋼所 発電装置
JP6019003B2 (ja) * 2013-10-25 2016-11-02 株式会社神戸製鋼所 圧縮機
DE102014206012A1 (de) * 2014-03-31 2015-10-01 Mtu Friedrichshafen Gmbh Verfahren zur Regelung eines Dampfgehalts eines in einem Verdampfer eines Systems zur Durchführung eines thermodynamischen Kreisprozesses erhitzten Arbeitsmediums, Steuereinrichtung für ein System, System für einen thermodynamischen Kreisprozess, und Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem System
JP6190319B2 (ja) * 2014-05-22 2017-08-30 株式会社神戸製鋼所 熱エネルギー回収装置
JP6163145B2 (ja) * 2014-09-05 2017-07-12 株式会社神戸製鋼所 熱エネルギー回収装置
CN104526262A (zh) * 2014-11-04 2015-04-22 江西华电电力有限责任公司 制作叠片式螺杆转子的方法及产品
EP3118425B1 (en) * 2015-07-16 2018-05-09 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) Thermal energy recovery device and start-up method thereof

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