회전기 구동 시스템

회전기 구동 시스템 {ROTARY MACHINE DRIVE SYSTEM}

본 발명은, 회전기 구동 시스템에 관한 것이다.

종래, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2004-339965호에 개시되어 있는 바와 같이, 공장 등의 각종 설비로부터의 배열을 회수하고, 그 회수된 배열의 에너지를 이용해서 회전기를 구동하는 회전기 구동 시스템이 알려져 있다. 동 공보에 개시된 회전기 구동 시스템은, 작동 매체가 순환하는 순환 회로와, 회전기인 발전기를 구비하고 있다. 순환 회로에는, 배열을 이용하여 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 증발기에서 증발한 작동 매체를 팽창시키는 팽창기와, 팽창기에서 팽창한 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 응축기에서 응축된 작동 매체를 상기 증발기로 보내는 펌프가 직렬로 접속되어 있다. 발전기는, 팽창기 내에서 작동 매체가 팽창함으로써 구동된다. 또한, 100 내지 150℃의 배온수 등, 비교적 저온도의 열원을 이용하여 고압 증기를 생성한다는 것이 나타나 있다.

그런데, 가열 매체로서 이용 가능한 복수의 열원이 존재하는 경우, 상기 선행 기술에서는, 복수의 열원에 대응하는 복수의 회전기 구동 시스템을 설치할 필요가 있다. 그 결과, 회전기 구동 시스템을 포함하는 발전 설비 전체가 대형화해버린다. 또한, 비용도 증대해버린다.

또한, 상기 선행 기술에서는, 작동 매체를 증발시키는 증발기에 있어서 배열을 이용하는 구성으로 되어 있기 때문에, 증발기에 있어서의 증기 발생량이 외부로부터 도입되는 배온수량에 의존한다. 이로 인해, 도입되는 배온수량(배열량)이 변동하면, 팽창기의 구동축에 연결된 발전기(회전기)의 구동량도 그 영향을 받는다.

따라서, 본 발명은, 상기 종래 기술을 감안해서 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 회전기 구동 시스템을 소형화하고, 또한, 비용을 저감시키는 것에 있다. 또, 입열량이 변동하는 경우에 있어서도, 회전기의 구동량의 변동을 억제하는 것에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 제1 가열 매체를 수용하여 액상의 작동 매체를 기화시키는 제1 열원 열교환기와, 회전축에 접속되어 있고, 상기 제1 열원 열교환기에서 기화한 작동 매체가 팽창함으로써 상기 회전축을 회전시키는 제1 팽창기와, 상기 회전축에 설치된 로터부를 갖는 회전기와, 제2 가열 매체를 수용하여 액상의 작동 매체를 기화시키는 제2 열원 열교환기와, 상기 회전축에 접속되어 있고, 상기 제2 가열 매체가 팽창함으로써 상기 회전축을 회전시키는 제2 팽창기와, 상기 제1 팽창기에서 사용된 작동 매체 및 상기 제2 팽창기에서 사용된 작동 매체를 응축시키는 응축기 시스템을 구비하고 있는 회전기 구동 시스템이다.

본 발명에서는, 제1 열원 열교환기에 있어서 작동 매체가 제1 가열 매체에 의해 가열되어 기화하고, 이 제1 열원 열교환기에서 기화한 작동 매체는 제1 팽창기에서 팽창하여 회전축을 회전시킨다. 한편, 제2 열원 열교환기에 있어서 작동 매체가 제2 가열 매체에 의해 가열되어 기화하고, 이 제2 열원 열교환기에서 기화한 작동 매체는 제2 팽창기에서 팽창하여 회전축을 회전시킨다. 이와 같이, 회전기의 로터부를 회전시키는 회전축에, 제1 팽창기와 제2 팽창기가 각각 접속됨으로써, 복수의 가열 매체의 열에너지를 이용하여 회전기를 구동할 수 있다. 그 결과, 회전기 구동 시스템을 소형화하고, 또한, 비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 회전기의 로터부를 회전시키는 회전축에는, 제1 팽창기와 제2 팽창기가 각각 접속되어 있기 때문에, 제1 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열량이 변동했다고 해도, 제2 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열량에 의해서도 회전기를 구동하게 되기 때문에, 회전기가, 제1 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열량의 변동의 영향을 받아, 구동량이 변동하는 것을 억제할 수 있다. 제2 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열량이 변동했을 경우에도, 제1 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열에 의해 구동량이 변동하는 것을 억제할 수 있다.

상기 회전기 구동 시스템에는, 상기 제1 열원 열교환기로 유입하는 상기 작동 매체의 유량과, 상기 제2 열원 열교환기로 유입하는 상기 작동 매체의 유량을 조정하는 유량 조정부가 설치되어 있어도 된다.

여기서, 상기 제1 열원 열교환기로 유입하는 상기 제1 가열 매체의 열량이, 상기 제2 열원 열교환기로 유입하는 상기 제2 가열 매체의 열량보다도 커도 된다. 이 경우, 상기 유량 조정부는, 상기 제1 열원 열교환기로 유입하는 상기 작동 매체의 유량이, 상기 제2 열원 열교환기로 유입하는 상기 작동 매체의 유량보다도 많아지도록 작동 매체의 유량을 조정한다.

상기 응축기 시스템은, 상기 제1 팽창기에서 사용된 작동 매체에 더하여, 상기 제2 팽창기에서 사용된 작동 매체도 응축시키는 응축기에 의해 구성되어 있어도 된다. 이 형태에서는, 응축기가 최소 수로 되기 때문에, 회전기 구동 시스템으로서의 구성을 간소화할 수 있다.

또한, 상기 응축기 시스템은, 상기 제1 팽창기에서 사용된 작동 매체를 응축시키는 제1 응축기와, 상기 제2 팽창기에서 사용된 작동 매체를 응축시키는 제2 응축기를 구비하고 있어도 된다. 이 형태에서는, 제1 응축기 및 제2 응축기를 각각 제1 열원 열교환기로의 입열량 및 제2 열원 열교환기로의 입열량에 따라 개별로 설계할 수 있다. 이로 인해, 회전기 구동 시스템으로서의 최적화를 도모할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 회전기 구동 시스템을 소형화할 수 있는 것에 더하여, 입열량이 변동하는 경우에 있어서도, 회전기의 구동량의 변동을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 일부를 개략적으로 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 일부를 개략적으로 나타내는 도면.
도 5는 상기 회전기 구동 시스템에 설치된 자기 커플링을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 일부를 개략적으로 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 일부를 개략적으로 나타내는 도면.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1은, 제1 실시 형태의 회전기 구동 시스템의 구성을 나타내고 있다. 구체적으로는, 이 회전기 구동 시스템은, 작동 매체가 순환하는 바이너리 사이클 기관인 순환 회로(10)와, 회전기인 발전기(20)와, 각종 제어를 행하는 제어부(50)를 구비하고 있다. 또한, 순환 회로(10) 내에는, 물보다도 비점이 낮은 작동 매체(예를 들어, HFC245fa)가 순환한다.

순환 회로(10)에는, 작동 매체를 기화시키는 제1 열원 열교환기(11)와, 작동 매체를 기화시키는 제2 열원 열교환기(12)와, 기체 상태에 있는 작동 매체를 팽창시키는 제1 팽창기(13)와, 기체 상태에 있는 작동 매체를 팽창시키는 제2 팽창기(14)와, 제1 팽창기(13) 및 제2 팽창기(14)에서 팽창한 작동 매체를 응축시키는 응축기 시스템(16)과, 응축기 시스템(16)에서 응축된 작동 매체를 제1 열원 열교환기(11)로 보내는 펌프 시스템(18)이 접속되어 있다.

제1 실시 형태에서는, 응축기 시스템(16)이 1개의 응축기(22)에 의해 구성되고, 펌프 시스템(18)이 제1 펌프(18a)와 제2 펌프(18b)를 구비한 구성으로 되어 있다.

보다 구체적으로는, 순환 회로(10)에는, 제1 회로(10a)와, 이 제1 회로(10a)에 접속된 제2 회로(10b)가 포함되어 있다. 제1 회로(10a)에는, 제1 열원 열교환기(11)와, 제1 팽창기(13)와, 응축기 시스템(16)을 구성하는 응축기(22)와, 펌프 시스템(18)을 구성하는 제1 펌프(18a) 및 제2 펌프(18b)가 설치되어 있다. 제2 회로(10b)에는, 제2 열원 열교환기(12)와 제2 팽창기(14)가 설치되어 있다. 제2 회로(10b)의 일단부는, 제1 회로(10a)에 있어서의 제1 팽창기(13)와 응축기(22) 사이에 접속되어 있다. 제2 회로(10b)의 타단부는, 제1 회로(10a)에 있어서의 제1 펌프(18a)와 제2 펌프(18b) 사이에 접속되어 있다.

제1 열원 열교환기(11)는, 제1 가열 매체의 열에 의해 액상의 작동 매체를 기화시키는 것이다. 제1 열원 열교환기(11)는, 작동 매체가 흐르는 작동 매체 유로(11a)와, 제1 가열 매체가 흐르는 가열 매체 유로(11b)를 갖고 있다. 가열 매체 유로(11b)는, 제1 가열 매체 회로(30)에 접속되어 있고, 제1 가열 매체가 흐른다. 작동 매체 유로(11a)를 흐르는 작동 매체는, 가열 매체 유로(11b)를 흐르는 제1 가열 매체와 열교환하여 증발한다.

제1 가열 매체 회로(30)로부터 공급되는 제1 가열 매체로서는, 예를 들어, 갱정(증기정)으로부터 채취된 증기나, 공장 등으로부터 배출된 증기 이외, 태양열을 열원으로 하는 집열기에 의해 생성된 증기나, 엔진, 압축기 등의 배열로부터 생성된 증기, 바이오매스나 화석 연료를 열원으로 하는 보일러로부터 생성된 증기 등을 들 수 있다. 제1 열원 열교환기(11)에 도입되는 제1 가열 매체는, 예를 들어 105℃ 내지 250℃이다.

제1 팽창기(13)는, 순환 회로(10)에 있어서의 제1 열원 열교환기(11)의 하류측에 설치되어 있고, 제1 열원 열교환기(11)에서 증발한 작동 매체를 팽창시킴으로써 당해 작동 매체로부터 에너지를 취출한다. 본 실시 형태에서는, 제1 팽창기(13)로서 스크류 팽창기가 사용되어 있다. 스크류 팽창기에서는, 제1 팽창기(13)의 케이싱(13a) 내에 형성된 로터실(도시 생략)에 암수 한 쌍의 스크류 로터(13b)가 수용되어 있다. 이 스크류 팽창기에서는, 케이싱(13a)에 형성된 흡기구로부터 상기 로터실에 공급된 작동 매체의 팽창력에 의해 스크류 로터(13b)가 회전한다. 그리고, 상기 로터실 내에서 팽창함으로써 압력이 저하된 작동 매체는, 케이싱(13a)에 형성된 배출구로부터 배출된다. 스크류 로터(13b)는, 회전축(23)에 접속되어 있다. 즉, 제1 팽창기(13)의 스크류 로터(13b) 중의 한쪽에 회전축(23)이 접속되어 있다. 제1 팽창기(13) 내에서 작동 매체가 팽창함으로써 스크류 로터(13b)가 구동되면 회전축(23)이 회전한다. 또한, 제1 팽창기(13)는, 스크류 팽창기에 한정되는 것이 아니고, 터빈형의 팽창기 등, 그 밖의 팽창기로 구성해도 된다.

제2 열원 열교환기(12)는, 제2 가열 매체의 열에 의해 액상의 작동 매체를 기화시키는 것이다. 제2 열원 열교환기(12)는, 작동 매체가 흐르는 작동 매체 유로(12a)와, 제2 가열 매체가 흐르는 가열 매체 유로(12b)를 갖고 있다. 가열 매체 유로(12b)는, 제2 가열 매체 회로(35)에 접속되어 있고, 제2 가열 매체가 흐른다. 작동 매체 유로(12a)를 흐르는 작동 매체는, 가열 매체 유로(12b)를 흐르는 제2 가열 매체와 열교환하여 증발한다.

제2 가열 매체 회로(35)로부터 공급되는 제2 가열 매체로서는, 예를 들어, 온수 등을 들 수 있다. 제2 열원 열교환기(12)에 도입되는 제2 가열 매체는, 예를 들어 80℃ 내지 100℃이다. 즉, 제2 가열 매체의 온도는, 제1 가열 매체의 온도보다도 낮다. 또한, 제2 가열 매체는, 제1 가열 매체와 같은 온도대인 예를 들어 수증기 등의 증기이어도 된다. 또한, 제2 가열 매체는, 제1 가열 매체보다도 고온의 열매체이어도 된다. 예를 들어, 제2 가열 매체가 증기이고, 제1 가열 매체가 온수이어도 된다.

제2 팽창기(14)는, 순환 회로(10)의 제2 회로(10b)에 있어서의 제2 열원 열교환기(12)의 하류측에 설치되어 있고, 제2 열원 열교환기(12)에서 증발한 작동 매체를 팽창시킴으로써 당해 작동 매체로부터 에너지를 취출한다.

본 실시 형태에서는, 제2 팽창기(14)로서 스크류 팽창기가 사용되어 있다. 스크류 팽창기에서는, 제2 팽창기(14)의 케이싱(14a) 내에 형성된 로터실(도시 생략)에 암수 한 쌍의 스크류 로터(14b)가 수용되어 있다. 이 스크류 팽창기에서는, 케이싱(14a)에 형성된 흡기구로부터 상기 로터실에 공급된 작동 매체의 팽창력에 의해 스크류 로터(14b)가 회전한다. 그리고, 상기 로터실 내에서 팽창함으로써 압력이 저하된 작동 매체는, 케이싱(14a)에 형성된 배출구로부터 배출된다. 스크류 로터(14b)는, 상기 회전축(23)에 접속되어 있다. 즉, 제2 팽창기(14)의 스크류 로터(14b) 중의 한쪽에 회전축(23)이 접속되어 있다. 제2 팽창기(14) 내에서 작동 매체가 팽창함으로써 스크류 로터(14b)가 구동되면 회전축(23)이 회전한다. 또한, 제2 팽창기(14)는, 스크류 팽창기에 한정되는 것이 아니고, 터빈형의 팽창기 등, 그 밖의 팽창기로 구성해도 된다.

응축기 시스템(16)은, 제1 팽창기(13) 및 제2 팽창기(14)로부터 배출된 가스 상태의 작동 매체를 응축시켜 액상의 작동 매체로 하는 것이다. 전술한 바와 같이 제1 실시 형태에서는, 응축기 시스템(16)은, 1개의 응축기(22)에 의해 구성되어 있다.

응축기(22)는, 가스 형상의 작동 매체가 흐르는 작동 매체 유로(22a)와, 냉각 매체가 흐르는 냉각 매체 유로(22b)를 갖고 있다. 작동 매체 유로(22a)에는, 제1 팽창기(13)에서 로터(13b)를 구동하는데 사용됨으로써 팽창한 작동 매체와, 제2 팽창기(14)에서 로터(14b)를 구동하는데 사용됨으로써 팽창한 작동 매체가 유입된다.

냉각 매체 유로(22b)는, 냉각 매체 회로(40)에 접속되어 있고, 이 냉각 매체 회로(40)에는, 외부로부터 공급되는 냉각 매체가 흐른다. 냉각 매체로서는, 예를 들어, 클링 타워에서 냉각된 냉각수를 들 수 있다. 작동 매체 유로(22a)를 흐르는 작동 매체는, 냉각 매체 유로(22b)를 흐르는 냉각 매체와 열교환함으로써 응축한다.

펌프 시스템(18)은, 순환 회로(10) 내에서 작동 매체를 순환시키기 위한 것이고, 제1 회로(10a)에 있어서의 응축기(22)의 하류측[제1 열원 열교환기(11)와 응축기(22) 사이]에 설치되어 있다. 전술한 바와 같이 펌프 시스템(18)은, 제1 펌프(18a)와 제2 펌프(18b)를 구비하고 있다. 제1 펌프(18a)는 제2 펌프(18b)에 대하여 하류측에 배치되어 있다. 따라서, 제2 펌프(18b)는, 응축기(22)에서 응축된 액상의 작동 매체를 흡인하고, 그 작동 매체를 가압하여 송출한다. 제1 펌프(18a)는, 제2 펌프(18b)로부터 토출된 작동 매체의 일부를 흡인한다. 그리고, 제1 펌프(18a)는, 흡인한 작동 매체를 소정의 압력까지 가압하여 송출한다. 제1 펌프(18a)로부터 토출된 액상의 작동 매체는 제1 열원 열교환기(11)에 도입된다. 제2 펌프(18b)로부터 토출된 작동 매체의 잔량부는, 제2 회로(10b)에 유입하고, 제2 열원 열교환기(12)에 도입된다. 또한, 제2 펌프(18b)는, 제2 회로(10b)에 설치되어 있어도 된다.

제1 펌프(18a) 및 제2 펌프(18b)로서, 임펠러를 로터로서 구비하는 원심 펌프나, 로터가 한 쌍의 기어로 이루어지는 기어 펌프 등이 사용된다. 이들 펌프(18a, 18b)는, 임의의 회전수로 구동될 수 있다.

발전기(20)는, 로터부(20a)를 갖고 있고, 이 로터부(20a)는, 제1 팽창기의 스크류 로터(13b) 중의 한쪽과 제2 팽창기(14)의 스크류 로터(14b) 중의 한쪽을 접속하는 상기 회전축(23)의 중간부에 설치되어 있다. 제1 팽창기(13) 내에서 작동 매체가 팽창함으로써 스크류 로터(13b)가 구동되면 회전축(23)이 회전하고, 또 제2 팽창기(14) 내에서 작동 매체가 팽창함으로써 스크류 로터(14b)가 구동되면 회전축(23)이 회전한다. 이에 따라 로터부(20a)는 회전한다. 로터부(20a)가 회전축(23)의 회전에 따라 회전함으로써, 발전기(20)는 전력을 발생시킨다. 본 실시 형태에서는, 발전기(20)로서, IPM 발전기(영구 자석 동기 발전기)가 사용되어 있다. 발전기(20)는, 도면에 생략한 인버터에 의해 회전수 조정 가능하게 되어 있다. 제어부(50)는, 발전기(20)의 발전 효율이 가능한 한 높아지도록 발전기(20)의 회전수를 조정하기 위해, 도면 생략의 인버터에 회전수 조정 신호를 출력한다. 또한, 발전기(20)는, IPM 발전기에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 유도 발전기 등, 다른 타입의 발전기로 해도 된다.

제1 회로(10a)에는, 제1 바이패스 통로(25)가 설치되어 있다. 제1 바이패스 통로(25)에는 개폐 밸브로 이루어지는 바이패스 밸브(25a)가 설치되어 있고, 제1 바이패스 통로(25)는, 바이패스 밸브(25a)를 개방함으로써, 작동 매체가 제1 회로(10a)에 있어서 제1 팽창기(13)를 우회하여 흐르도록 한다. 제1 바이패스 통로(25)의 일단부는, 제1 회로(10a)에 있어서의 제1 열원 열교환기(11)와 제1 팽창기(13) 사이의 배관에 접속되고, 제1 바이패스 통로(25)의 타단부는, 제1 회로(10a)에 있어서의 제1 팽창기(13)와 응축기(22) 사이의 배관에 접속되어 있다.

제2 회로(10b)에는, 제2 바이패스 통로(27)가 설치되어 있다. 제2 바이패스 통로(27)에는 개폐 밸브로 이루어지는 바이패스 밸브(27a)가 설치되어 있고, 제2 바이패스 통로(27)는, 바이패스 밸브(27a)를 개방함으로써, 작동 매체가 제2 회로(1Cb)에 있어서 제2 팽창기(14)를 우회하여 흐르도록 한다. 제2 바이패스 통로(27)의 일단부는, 제2 회로(10b)에 있어서의 제2 열원 열교환기(12)와 제2 팽창기(14) 사이의 배관에 접속되고, 제2 바이패스 통로(27)의 타단부는, 제2 회로(10b)에 있어서의 제2 팽창기(14)와 응축기(22)측의 단부 사이의 배관에 접속되어 있다.

제1 회로(10a)에는, 제1 입구측 압력 센서 Ps1과 제1 배압 센서 Pd1이 설치되어 있다. 제1 입구측 압력 센서 Ps는, 제1 회로(10a)를 구성하는 배관 중 제1 열원 열교환기(11)와 제1 팽창기(13) 사이의 배관에 설치되어 있다. 제1 배압 센서 Pd1은, 제1 회로(10a)를 구성하는 배관 중 제1 팽창기(13)와 응축기(22) 사이의 배관에 설치되어 있다.

제2 회로(10b)에는, 제2 입구측 압력 센서 Ps2와 제2 배압 센서 Pd2가 설치되어 있다. 제2 입구측 압력 센서 Ps2는, 제2 회로(10b)를 구성하는 배관 중 제2 열원 열교환기(12)와 제2 팽창기(14) 사이의 배관에 설치되어 있다. 제2 배압 센서 Pd2는, 제2 회로(10b)를 구성하는 배관 중 제2 팽창기(14)와 응축기(22)측의 단부 사이의 배관에 설치되어 있다.

제어부(50)는, ROM, RAM, CPU 등을 구비하고 있고, ROM에 기억된 프로그램을 실행함으로써 소정의 기능을 발휘한다. 이 제어부(50)의 기능에는, 펌프 제어부(51)와 개폐 제어부(52)가 포함되어 있다.

펌프 제어부(51)는, 제1 펌프(18a) 및 제2 펌프(18b)의 회전수 제어를 행한다. 제1 펌프(18a) 및 제2 펌프(18b)는 도면 생략의 인버터에 의해 회전수 제어되는 구성으로 되어 있기 때문에, 펌프 제어부(51)는, 인버터에 제어 신호를 보냄으로써 제1 펌프(18a) 및 제2 펌프(18b)의 회전수 제어를 행한다.

본 실시 형태에서는, 제1 열원 열교환기(11)에 유입하는 제1 가열 매체의 온도가, 제2 열원 열교환기(12)에 유입하는 제2 가열 매체의 온도보다도 높고, 제1 열원 열교환기로 유입하는 제1 가열 매체의 열량이, 제2 열원 열교환기로 유입하는 상기 제2 가열 매체의 열량보다도 크다. 그로 인해, 펌프 제어부(51)는, 통상 운전시에 있어서, 제2 열원 열교환기(12)보다도 제1 열원 열교환기(11)에 보다 많은 작동 매체가 흐르도록, 제1 펌프(18a) 및 제2 펌프(18b)의 회전수를 조정한다. 즉, 펌프 제어부(51)는, 제1 열원 열교환기(11)에 유입하는 작동 매체의 유량이, 제2 열원 열교환기(12)에 유입하는 작동 매체의 유량보다도 많아지도록 작동 매체의 유량을 조정하는 유량 조정부로서 예시된다. 통상 운전이란, 제1 열원 열교환기(11) 및 제2 열원 열교환기(12)의 어느 것에 있어서도, 작동 매체가 충분히 증발하는 정도로 제1 가열 매체 및 제2 가열 매체가 도입되어 있을 때의 운전을 말한다.

또한, 양쪽 펌프(18a, 18b)의 회전수를 각각 조정하는 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 양쪽 펌프(18a, 18b)의 회전수를 같은 회전수로 구동하는 구성으로 해도 된다.

개폐 제어부(52)는, 제1 팽창기(13)가 작동 매체에 의해 구동되는 한편, 제2 팽창기(14)가 구동되지 않는 상태 또는 구동되지 않는 상태에 가까운 상태일 때에, 제2 바이패스 통로(27)의 바이패스 밸브(27a)를 개방하는 제어를 행한다. 한편, 개폐 제어부(52)는, 제2 팽창기(14)가 작동 매체에 의해 구동되는 한편, 제1 팽창기(13)가 구동되지 않는 상태 또는 구동되지 않는 상태에 가까운 상태일 때에, 제1 바이패스 통로(25)의 바이패스 밸브(25a)를 개방하는 제어를 행한다. 바이패스 밸브(25a, 27a)를 개방함으로써, 스크류 로터(14b, 13b)를 공 회전 가능한 상태로 한다. 이에 의해, 액상의 작동 매체가 한쪽의 팽창기(14, 13)에 도입됨으로써 다른 쪽의 팽창기(13, 14)의 구동 부하가 증대해버리는 것을 방지한다.

개폐 제어부(52)는, 펌프 시스템(18)의 기동 지령을 수신하면, 바이패스 밸브(25a, 27a)를 개방하는 제어를 행하고, 그 후, 제1 입구측 압력 센서 Ps1의 검출값과 제1 배압 센서 Pd1의 검출값으로부터 얻어지는 압력차가 미리 설정된 임계값에 도달하면, 제1 바이패스 통로(25)의 바이패스 밸브(25a)를 폐쇄하는 제어를 행하고, 제2 입구측 압력 센서 Ps2의 검출값과 제2 배압 센서 Pd2의 검출값으로부터 얻어지는 압력차가 미리 설정된 임계값에 도달하면, 제2 바이패스 통로(27)의 바이패스 밸브(27a)를 폐쇄하는 제어를 행한다. 이 압력차의 임계값은, 열원 열교환기(11, 12)에서 작동 매체가 충분히 증발하여, 팽창기(13, 14)를 구동할 수 있는 상태라고 판단할 수 있는 압력으로 설정되어 있다.

또한, 바이패스 밸브(25a, 27a)의 개폐 제어는, 이것에 한하는 것은 아니다. 예를 들어 배압 센서 Pd1, Pd2를 생략하고, 개폐 제어부(52)는, 펌프 시스템(18)의 기동 지령을 수신하면, 바이패스 밸브(25a, 27a)를 개방하는 제어를 행하고, 그 후, 제1 입구측 압력 센서 Ps1의 검출값이 미리 설정된 임계값에 도달하면, 바이패스 밸브(25a)를 폐쇄하고, 제2 입구측 압력 센서 Ps2의 검출값이 미리 설정된 임계값에 도달하면, 바이패스 밸브(27a)를 폐쇄하는 제어를 행하도록 해도 된다. 또한, 입구측 압력 센서 Ps1, Ps2 및 배압 센서 Pd1, Pd2를 생략하고, 펌프 시스템의 기동 지령을 수신한 다음, 미리 설정된 소정의 시간이 경과하면, 바이패스 밸브(25a, 27a)를 폐쇄하는 제어를 행하도록 해도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 제1 열원 열교환기(11)에 있어서 작동 매체가 제1 가열 매체에 의해 가열되어 기화하고, 이 제1 열원 열교환기(11)에서 기화한 작동 매체는 제1 팽창기(13)에서 팽창하여 회전축(23)을 회전시킨다. 한편, 제2 열원 열교환기(12)에 있어서 작동 매체가 제2 가열 매체에 의해 가열되어 기화하고, 이 제2 열원 열교환기(12)에서 기화한 작동 매체는 제2 팽창기(14)에서 팽창하여 회전축(23)을 회전시킨다. 이와 같이, 발전기(20)의 로터부(20a)를 회전시키는 회전축(23)에, 제1 팽창기(13)와 제2 팽창기(14)가 각각 접속됨으로써, 1개의 발전기(20)만으로 복수의 가열 매체의 열에너지를 이용할 수 있다. 그 결과, 회전기 구동 시스템을 소형화하고, 또한, 비용을 저감시킬 수 있다.

또한, 발전기(20)의 로터부(20a)를 회전시키는 회전축(23)에는, 제1 팽창기(13)와 제2 팽창기(14)가 각각 접속되어 있기 때문에, 제1 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열량이 변동했다고 해도, 제2 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열량에 의해도 발전기(20)를 구동하게 되기 때문에, 발전기(20)가 그 영향을 받아, 구동량이 변동하는 것을 억제할 수 있다. 혹은, 제2 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열량이 변동했다고 해도, 제1 가열 매체에 의한 작동 매체로의 입열량에 의해도 발전기(20)를 구동하게 되기 때문에, 발전기(20)가 그 영향을 받아, 구동량이 변동하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 펌프 제어부(51)가, 제1 열원 열교환기(11)에 유입하는 작동 매체의 유량이, 제2 열원 열교환기(12)에 유입하는 작동 매체의 유량보다도 많아지도록 작동 매체의 유량을 조정한다. 이로 인해, 가열 매체로부터의 입열량이 보다 큰 제1 열원 열교환기(11)로, 보다 많은 작동 매체가 흐른다. 따라서, 발전기(20)를 보다 효율적으로 구동할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 응축기 시스템(16)이 1개의 응축기(22)에 의해 구성되어 있고, 제1 팽창기(13)에서 사용된 작동 매체에 더하여, 제2 팽창기(14)에서 사용된 작동 매체도 응축시킨다. 따라서, 응축기(22)가 최소수가 되기 때문에, 회전기 구동 시스템으로서의 구성을 간소화할 수 있다.

(제2 실시 형태)

도 2는 본 발명의 제2 실시 형태를 나타낸다. 또한, 여기서는 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다.

제1 실시 형태 회전기 구동 시스템에서는, 제2 회로(10b)를 구성하는 배관이 제1 회로(10a)를 구성하는 배관에 접속되어 있고, 순환 회로(10) 내에 있어서 작동 매체가, 제1 회로(10a) 및 제2 회로(10b) 사이에서 분류 및 합류한다. 이에 대해, 제2 실시 형태에서는, 제2 회로(10b)를 구성하는 배관이 제1 회로(10a)를 구성하는 배관에 접속되고 있지 않고, 제1 회로(10a) 및 제2 회로(10b)가 각각 독립된 폐쇄 회로로서 구성되어 있다. 제1 회로(10a)를 순환하는 작동 매체와, 제2 회로(10b)를 순환하는 작동 매체는, 같은 작동 매체이어도 되고, 다른 작동 매체이어도 된다.

제2 실시 형태의 응축기 시스템(16)은, 제1 회로(10a)에 설치된 제1 응축기(43)와, 제2 회로(10b)에 설치된 제2 응축기(44)를 구비하고 있다. 제1 회로(10a)에는, 제1 열원 열교환기(11)와 제1 팽창기(13)와 제1 응축기(43)와 제1 펌프(18a)가 설치되고, 제2 회로(10b)에는, 제2 열원 열교환기(12)와 제2 팽창기(14)와 제2 응축기(44)와 제2 펌프(18b)가 설치되어 있다.

제1 응축기(43)는, 작동 매체가 흐르는 작동 매체 유로(43a)와, 냉각 매체가 흐르는 냉각 매체 유로(43b)를 갖고 있다. 제1 응축기(43)의 작동 매체 유로(43a)에는, 제1 팽창기(13)에서 로터(13b)를 구동하는데 사용됨으로써 팽창한 작동 매체가 유입된다.

냉각 매체 유로(43b)는, 냉각 매체 회로(40)에 접속되어 있고, 이 냉각 매체 회로(40)에는, 외부로부터 공급되는 냉각 매체가 흐른다. 냉각 매체로서는, 예를 들어, 클링 타워에서 냉각된 냉각수를 들 수 있다. 작동 매체 유로(43a)를 흐르는 작동 매체는, 냉각 매체 유로(43b)를 흐르는 냉각 매체와 열교환함으로써 응축한다.

제2 응축기(44)는, 작동 매체가 흐르는 작동 매체 유로(44a)와, 냉각 매체가 흐르는 냉각 매체 유로(44b)를 갖고 있다. 제2 응축기(44)의 작동 매체 유로(44a)에는, 제2 팽창기(14)에서 로터(14b)를 구동하는데 사용됨으로써 팽창한 작동 매체가 유입된다.

냉각 매체 유로(44b)는, 냉각 매체 회로(40)에 접속되어 있고, 이 냉각 매체 회로(40)에는, 외부로부터 공급되는 냉각 매체가 흐른다. 작동 매체 유로(44a)를 흐르는 작동 매체는, 냉각 매체 유로(44b)를 흐르는 냉각 매체와 열교환함으로써 응축한다. 또한, 제2 응축기(44)의 냉각 매체 유로(44b)는, 제1 응축기(43)의 냉각 매체 유로(43b)에 접속되는 냉각 매체 회로(40)와는 다른 냉각 매체 회로에 접속되어 있어도 된다.

제1 실시 형태에서는, 제1 펌프(18a)로부터의 작동 매체의 토출 유량과, 제2 펌프(18b)으로부터의 작동 매체의 토출 유량의 차분에 의해, 제1 열원 열교환기(11) 및 제2 열원 열교환기(12)로의 각각의 유입량이 결정된다. 이에 대해, 제2 실시 형태에서는, 제1 펌프(18a)로부터의 작동 매체의 토출 유량에 의해 제1 열원 열교환기(11)로의 작동 매체의 유입량이 결정되고, 제2 펌프(18b)으로부터의 작동 매체의 토출 유량에 의해 제2 열원 열교환기(12)로의 작동 매체의 유입량이 결정된다.

펌프 제어부(51)는, 통상 운전시에 있어서, 제2 열원 열교환기(12)보다도 제1 열원 열교환기(11)에 보다 많은 작동 매체가 흐르도록, 제1 펌프(18a) 및 제2 펌프(18b)의 회전수를 조정한다. 또한, 회전수를 조정하는 구성에 대신하여, 제1 펌프(18a)의 정격 토출량이 제2 펌프(18b)의 정격 토출량보다도 많아지도록, 제1 펌프(18a) 및 제2 펌프(18b)가 선정되어 있어도 된다.

개폐 제어부(52)의 제어 동작은, 제1 실시 형태의 개폐 제어부(52)의 제어 동작과 동일하다.

본 실시 형태에서는, 제1 응축기(43) 및 제2 응축기(44)를 각각 제1 열원 열교환기(11)로의 입열량 및 제2 열원 열교환기(12)로의 입열량에 따라 개별로 설계할 수 있다. 이로 인해, 회전기 구동 시스템으로서의 최적화를 도모할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 있어서, 제1 바이패스 통로(25), 제2 바이패스 통로(27) 및 개폐 제어부(52)는 생략되어 있어도 된다. 그 밖의 구성, 작용 및 효과는 그 설명을 생략하지만 상기 제1 실시 형태와 동일하다.

(제3 실시 형태)

도 3은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 일부분만을 나타내고 있다. 또한, 여기서는 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다.

제1 실시 형태에서는, 회전축(23)이 1개의 축 부재에 의해 구성되어 있다. 이에 대해, 이 제3 실시 형태에서는, 회전축(23)이, 제1 축부(23a)와 제2 축부(23b)로 분단되는 동시에, 이들 제1 축부(23a) 및 제2 축부(23b)를 구동력이 전달하도록 결합하는 결합부(23c)를 갖는 구성으로 되어 있다.

결합부(23c)는, 제1 축부(23a)와 제2 축부(23b) 사이에서 회전수를 변환하는 증감속 기구(61)에 의해 구성되어 있다. 증감속 기구(61)는, 제1 축부(23a)에 접속된 제1 기어(61a)와, 제2 축부(23b)에 접속되는 동시에 제1 기어(61a)에 치합된 제2 기어(61b)를 갖는다. 도면의 예에서는, 제1 기어(61a)의 치수가 제2 기어(61b)의 치수보다도 많은 구성으로 되어 있지만, 대체적으로, 이 반대의 구성이 채용될 수 있다. 또한, 도면의 예에서는, 제1 축부(23a)에 발전기(20)가 설치되는 구성으로 되어 있지만, 대체적으로, 제2 축부(23b)에 발전기(20)가 설치되는 구성도 채용될 수 있다.

제1 축부(23a)는 일단부에 있어서 제1 팽창기(13)에 접속되어 있다. 제1 축부(23a)의 타단부에는, 제1 기어(61a)가 결합되어 있다. 제2 축부(23b)는, 일단부에 있어서 제2 팽창기(14)에 접속되어 있다. 제2 축부(23b)의 타단부에는, 제2 기어(61b)가 결합되어 있다.

제3 실시 형태에서는, 제1 팽창기(13)의 회전수와 제2 팽창기(14)의 회전수가 다른 경우에, 용이하게 대처 가능해진다. 즉, 제1 팽창기(13) 및 제2 팽창기(14)가 서로 다른 형식의 팽창기로 구성되는 경우이며, 정격 회전수가 다른 경우에는, 제1 축부(23a)와 제2 축부(23b) 사이에 증감속 기구(61)가 설치됨으로써, 양자의 회전수 차에 용이하게 대응 가능해진다.

또한, 제3 실시 형태에 있어서도, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 제1 회로(10a)와 제2 회로(10b)가 독립된 폐쇄 회로로서 구성되고, 응축기 시스템(16)이 제1 응축기(43)와 제2 응축기(44)를 구비한 구성으로 해도 된다. 또 제1 바이패스 통로(25), 제2 바이패스 통로(27) 및 개폐 제어부(52)는 생략되어 있어도 된다. 그 밖의 구성, 작용 및 효과는 그 설명을 생략하지만 상기 제1 실시 형태와 동일하다.

(제4 실시 형태)

도 4는 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 일부분만을 나타내고 있다. 또한, 여기서는 제3 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다.

제3 실시 형태에서는, 결합부(23c)가 증감속 기구(61)에 의해 구성되어 있다. 이에 대해, 제4 실시 형태에서는, 결합부(23c)는, 제1 축부(23a)와 제2 축부(23b)를 자기적으로 결합하는 자기 커플링(65)에 의해 구성되어 있다.

도 5에도 나타낸 바와 같이, 자기 커플링(65)은, 제1 축부(23a)의 타단부에 설치된 외통체(65a)와, 제2 축부(23b)의 타단부에 설치된 내삽체(65b)를 갖는다. 외통체(65a)는, 제2 축부(23b)측을 향해서 개방하는 바닥이 있는 통 형상으로 형성되어 있고, 비자성체에 의해 구성되어 있다. 외통체(65a)에 있어서, 그 원통 형상으로 형성된 부분에는, 서로 대향하도록, 둘레 방향으로 이격되어 배치된 복수의 구동측 자석(65c)(도 5 참조)이 설치되어 있다.

외통체(65a)는, 스크류 로터(13b)와 함께, 밀폐체인 케이싱(13a) 내에 수용되어 있다. 따라서 제1 축부(23a)도 케이싱(13a)의 내부에 수용되어 있다. 제1 축부(23a)는, 케이싱(13a) 내에 있어서 도면 생략의 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 이 케이싱(13a)에 의해, 케이싱(13a)의 내부가, 케이싱(13a) 외부로부터 기밀하게 격리된다. 케이싱(13a) 내부에는, 순환 회로(10)에서 사용되고 있는 작동 매체도 봉입되어 있다.

내삽체(65b)는, 원기둥 형상으로 형성되는 동시에 외통체(65a)의 내측에 삽입되어 있다. 내삽체(65b)는, 외통체(65a)와 마찬가지로 비자성체에 의해 구성되어 있다. 내삽체(65b)의 외주면[외통체(65a)의 내측에 삽입되는 부분의 외주면]에는 구동측 자석(65c)에 따른 수의 종동측 자석(65d)(도 5 참조)이 설치되어 있다. 이들 구동측 자석(65c)과 종동측 자석(65d)은, 서로 다른 자극을 대면시키도록 하여 배치되어 있고, 양쪽 자석(65c, 65d) 사이에 격벽[케이싱(13a)을 구성하는 벽부의 일부](13c)을 투과하여 자기적인 인력이 유기되도록 되어 있고, 제1 축부(23a)의 회전 구동력을 제2 축부(23b)에 전달할 수 있다.

제4 실시 형태에서는, 케이싱(13a) 내에 수용된 제1 축부(23a)는, 케이싱(13a) 내에서 베어링에 의해 축지지되기 때문에, 이 베어링을 통해서 윤활유, 작동 매체 등의 유체가 외부에 누설되는 것을 방지할 수 있고, 또 자기 커플링(65)에 의해 제1 축부(23a)와 제2 축부(23b)를 구동 연결할 수 있다.

또한, 제4 실시 형태에서는, 제2 축부(23b) 및 내삽체(65b)가 밀폐체 내에 수용되는 구성으로 하고 있지 않지만, 대체적으로, 제2 축부(23b) 및 내삽체(65b)도 밀폐체 내에 수용되는 구성으로 해도 된다.

또한, 제4 실시 형태에서는, 자기 커플링(65)의 외통체(65a)가 구동측으로 되고, 내삽체(65b)가 종동측으로 되는 구성으로 했지만, 대체적으로, 내삽체(65b)가 구동측으로 되고, 외통체(65a)가 종동측으로 결정되는 구성으로 해도 된다.

또한, 제4 실시 형태에 있어서도, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 제1 회로(10a)와 제2 회로(10b)가 독립된 폐쇄 회로로서 구성되고, 응축기 시스템(16)이 제1 응축기(43)와 제2 응축기(44)를 구비한 구성으로 해도 된다. 또 제1 바이패스 통로(25), 제2 바이패스 통로(27) 및 개폐 제어부(52)는 생략되어 있어도 된다.

그 밖의 구성, 작용 및 효과는 그 설명을 생략하지만 상기 제2 실시 형태와 동일하다.

(제5 실시 형태)

도 6는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 일부분만을 나타내고 있다. 또한, 여기서는 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다.

제5 실시 형태에서는, 회전축(23)의 베어링(70)에, 응축기(22)에 사용된 물이 윤활제로서 공급된다. 즉, 냉각 매체 회로(40)에 있어서, 응축기(22)의 하류측의 유로가, 회전축(23)의 베어링(70)에 접속되어 있다. 따라서, 응축기(22)의 냉각 매체 유로(22b)에서 작동 매체의 냉각에 사용된 냉각 매체가 베어링(70)의 윤활제로서도 이용된다. 도면의 예에서는, 제2 팽창기(14) 내에 배치된 베어링(70)에 냉각 매체를 도입하는 구성을 나타내고 있지만, 베어링(70)은, 제2 팽창기(14) 내에 배치되어 있지 않아도 된다.

제5 실시 형태에서는, 윤활유를 사용할 필요가 없으며, 윤활제(물)를 폐기할 때에도, 수고를 필요로 하지 않는다.

또한, 제5 실시 형태에 있어서도, 제2 실시 형태와 마찬가지로, 제1 회로(10a)와 제2 회로(10b)가 독립된 폐쇄 회로로서 구성되고, 응축기 시스템(16)이 제1 응축기(43)와 제2 응축기(44)를 구비한 구성으로 해도 된다. 이 경우, 제1 응축기(43) 및 제2 응축기(44) 중의 어느 것에서 사용된 냉각 매체를 베어링(70)에 도입해도 된다. 또 제1 바이패스 통로(25), 제2 바이패스 통로(27) 및 개폐 제어부(52)는 생략되어 있어도 된다.

그 밖의 구성, 작용 및 효과는 그 설명을 생략하지만 상기 제1 실시 형태와 동일하다.

(제6 실시 형태)

도 7은 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 회전기 구동 시스템의 일부분만을 나타내고 있다. 또한, 여기서는 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다.

제6 실시 형태에서는, 회전축(23)에 모터(200)의 로터부가 접속되어 있다. 즉, 제2 팽창기(14)의 스크류 로터(14b)에 있어서, 제1 팽창기(13)와는 반대측(도 7에 있어서의 우측)의 단부에 접속된 축 부재, 즉, 회전축(23)의 일부인 축 부재에, 모터(200)의 로터부가 접속되어 있다. 모터(200)는 회전기로서 예시된다. 모터(200)의 샤프트(201)는 압축기(90)에 접속되고, 모터(200)의 회전에 의해 압축기(90)가 구동한다. 다른 구성은 제1 실시 형태와 동일하다. 압축기(90)의 구동 시에는, 제1 및 제2 팽창기(13, 14)의 동력이 회전축(23) 및 회전축(23)에 접속된 샤프트(201)를 통해서 압축기(90)에 전달된다. 그 결과, 모터(200)만으로 압축기(90)를 구동하는 경우에 비해 모터(200)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.

또한, 제6 실시 형태에 있어서도 제2 실시 형태와 마찬가지로, 제1 회로(10a)와 제2 회로(10b)가 독립된 폐쇄 회로로서 구성되고, 응축기 시스템(16)이 제1 응축기(43)와 제2 응축기(44)를 구비한 구성으로 해도 된다. 또 제1 바이패스 통로(25), 제2 바이패스 통로(27) 및 개폐 제어부(52)는 생략되어 있어도 된다.

그 밖의 구성, 작용 및 효과는 그 설명을 생략하지만 상기 제1 실시 형태와 동일하다.

(그 밖의 실시 형태)

또한, 본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경, 개량 등이 가능하다. 예를 들어, 각 실시 형태에 있어서, 제1 열원 열교환기(11) 및 제2 열원 열교환기(12)는, 작동 매체를 포화 온도 정도로 가열하여 증발시키는 증발부와, 이 증발부에서 포화 온도 정도로 가열된 작동 매체를 과열 상태로 하는 과열부를 갖는 구성으로 해도 된다. 이 경우에 있어서, 증발부와 과열부는 별개로 구성되어 있어도 되고, 혹은 일체적으로 구성되어서 있어도 된다. 제5 실시 형태에 있어서, 제1 열원 열교환기(11) 또는 제2 열원 열교환기(12)에서 증기로부터 응축한 물이 회전축(23)의 베어링(70)의 윤활제로서 이용되어도 된다. 제6 실시 형태에서는, 회전축(23) 위에 압축기(90)가 설치되고, 당해 압축기(90)가 회전기 구동 시스템에 의해 직접적으로 구동되어도 된다.