熱エネルギー回収装置

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、蒸発器と、密閉式発電機と、凝縮器と、流体供給ポンプと、蒸発器、密閉式発電機、凝縮器及び流体供給ポンプをこの順に接続する循環流路と、冷却用配管と、を備える発電システム(熱エネルギー回収装置)が開示されている。蒸発器は、作動媒体を蒸発させる。密閉式発電機は、蒸発器から流出した作動媒体の膨張エネルギーから電力を取り出す。具体的に、密閉式発電機は、作動媒体を膨張させるスクリュータービンと、出力軸を介してスクリュータービンに接続された発電機と、スクリュータービン、出力軸及び発電機を収容する収納容器と、を有している。凝縮器は、密閉式発電機から流出した作動媒体を凝縮させる。流体供給ポンプは、凝縮器から流出した作動媒体を蒸発器へ送出する。冷却用配管は、流体供給ポンプから吐出された液相の作動媒体の一部が収納容器内に供給されるように、循環流路のうち流体供給ポンプの下流側の部位と収納容器とを接続している。

この熱エネルギー回収装置では、当該装置の運転中に流体供給ポンプから吐出された液相の作動媒体の一部が冷却用配管を通じて収納容器内に供給されるので、当該装置の運転時に発電機が有効に冷却される。

特開2012−97725号公報

特許文献1に記載されるような熱エネルギー回収装置では、当該装置の停止後の再始動時に、スクリュータービンの軸受の潤滑が不足する懸念がある。具体的に、熱エネルギー回収装置の運転が停止動作に入ると、ポンプの回転数が低下し始める。この状態において冷却用配管を通じて液相の作動媒体が膨張機内に供給され続けると、例えば蒸発器内に存在していた液相の作動媒体であって加熱媒体から熱を受けることによって蒸発した後に膨張機に流入した作動媒体が、冷却用配管を通じて供給された液相の作動媒体に冷却されることよって凝縮し、これにより、当該膨張機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、当該装置の再始動時(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と、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機と、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、前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプと、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接続する循環流路と、前記ポンプから流出した液相の作動媒体の一部を前記動力回収機に供給する冷却流路と、前記冷却流路に設けられた開閉弁と、制御部と、を備え、前記膨張機は、前記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と、前記ロータが回転可能となるように当該ロータを受ける軸受と、前記ロータ及び軸受を収容する主ケーシングと、を有し、前記動力回収機は、前記ロータに接続されており当該ロータとともに回転することにより動力を回収する動力回収部と、前記動力回収部を収容するとともに前記主ケーシング内と連通する形状を有する副ケーシングと、を有し、前記制御部は、前記動力回収機での動力の回収を停止する停止信号を受信すると、前記開閉弁を閉じる、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、制御部は、動力回収機での動力の回収を停止する停止信号を受信すると(動力回収部の冷却の必要性が低くなると)、冷却流路に設けられた開閉弁を閉じるので、副ケーシング内及び主ケーシング内における液相の作動媒体の蓄積が抑制される。よって、膨張機の軸受が液相の作動媒体に浸ることが抑制され、これにより、熱エネルギー回収装置の再始動時における軸受の潤滑不足の発生が抑制される。

この場合において、前記副ケーシングは、前記冷却流路に接続可能でかつ前記冷却流路から供給される液相の作動媒体を当該副ケーシング内に導入可能な導入部を有していてもよい。

この態様では、冷却流路から副ケーシング内に供給される液相の作動媒体によって動力回収部が有効に冷却される。

あるいは、前記動力回収機は、前記副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副ケーシングとの間に液相の作動媒体が流れるのを許容する冷却空間を形成するジャケットをさらに有し、前記ジャケットは、前記冷却流路に接続可能でかつ前記冷却流路から供給される液相の作動媒体を前記冷却空間内に導入可能な導入部を有していてもよい。

この態様では、冷却流路から冷却空間に供給される液相の作動媒体によって副ケーシングを介して動力回収部が有効に冷却される。

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と、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機と、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、前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプと、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接続する循環流路と、前記作動媒体とは異なる冷却媒体を前記動力回収機に供給することによって当該動力回収機を冷却する冷却流路と、前記冷却流路に設けられた開閉弁と、制御部と、を備え、前記膨張機は、前記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と、前記ロータが回転可能となるように当該ロータを受ける軸受と、前記ロータ及び軸受を収容する主ケーシングと、を有し、前記動力回収機は、前記ロータに接続されており当該ロータとともに回転することにより動力を回収する動力回収部と、前記動力回収部を収容するとともに前記主ケーシング内と連通する形状を有する副ケーシングと、を有し、前記制御部は、前記動力回収機での動力の回収を停止させる停止信号を受信すると、前記開閉弁を閉じる、熱エネルギー回収装置を提供する。

この熱エネルギー回収装置においても、当該装置の駆動時(運転開始時)における膨張機の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、前記主ケーシング内又は前記副ケーシング内の液相の作動媒体を前記膨張機の下流側でかつ前記ポンプの上流側に戻す液抜流路をさらに備えることが好ましい。

このようにすれば、主ケーシング内又は副ケーシング内の液相の作動媒体が液抜流路を通じて当該主ケーシング内又は副ケーシング内から有効に排出されるので、軸受が液相の作動媒体に浸ることがより確実に抑制される。

この場合において、前記液抜流路に設けられた液抜弁と、前記膨張機をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、前記循環流路のうち、当該循環流路と前記バイパス流路の上流側の端部との接続部と、前記膨張機と、の間の部位に設けられた遮断弁と、をさらに備え、前記制御部は、前記動力回収機での動力の回収を停止させる停止信号を受信すると、前記ポンプの回転数を低下させることと、前記遮断弁を閉じかつ前記バイパス弁を開くことと、前記開閉弁を閉じることと、を行い、前記ポンプが停止した後に前記液抜弁を開くことが好ましい。

このようにすれば、主ケーシング内又は副ケーシング内の液相の作動媒体が当該ケーシング内から有効に排出され、しかも、ポンプが停止するまでの間における作動媒体の主ケーシング内への流入が抑制される。具体的に、ポンプが停止する前に液抜弁が開かれた場合、ポンプから吐出された後にバイパス流路を経て膨張機の下流側に至った作動媒体が、当該膨張機の下流側から循環流路を逆流することによって膨張機の主ケーシング内に流入し、主ケーシング内で液化するおそれがある。これに対し、本熱エネルギー回収装置では、制御部は、ポンプが停止した後に液抜弁を開くので、上記のような不具合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。

制御部の制御内容を示すフローチャートである。

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。

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の構成を示している。この熱エネルギー回収装置は、蒸発器10と、膨張機20と、動力回収機30と、凝縮器40と、ポンプ50と、蒸発器10、膨張機20、凝縮器40及びポンプ50をこの順に接続する循環流路60と、冷却流路70と、制御部80と、を備えている。

蒸発器10は、作動媒体と加熱媒体とを熱交換させることによって作動媒体を蒸発させる。

膨張機20は、循環流路60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(ロータ)21と、スクリュロータ21が回転可能となるように当該スクリュロータ21を受ける軸受22と、一対のスクリュロータ21及び軸受22をまとめて収容する主ケーシング23と、を有している。主ケーシング23は、蒸発器10から流出した作動媒体を吸い込む吸込口23aと、膨張後(一対のスクリュロータ21を回転駆動させた後)の作動媒体を循環流路60へ排出する排出口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シング23が設置されている。軸受22は、主ケーシング23に保持されている。

動力回収機30は、膨張機20に接続されている。具体的に、動力回収機30は、動力回収部31と、副ケーシング35と、を有している。

動力回収機30は、一対のスクリュロータ21のうちの一方のスクリュロータ21に接続されており、当該スクリュロータ21とともに回転することにより動力を回収する。本実施形態では、動力回収機30として発電機が用いられている。すなわち、動力回収部31は、一対のスクリュロータ21の一方のスクリュロータ21に接続された回転軸32と、回転軸32に固定されたロータ33と、ロータ33の周囲に配置されたステータ34と、を有する。なお、動力回収機30として、圧縮機等が用いられてもよい。

副ケーシング35は、動力回収部31を収容する。副ケーシング35は、主ケーシング23に固定されている。副ケーシング35内は、主ケーシング23内と連通している。このため、主ケーシング23内において膨張した作動媒体の一部は、副ケーシング35内に至る。

凝縮器40は、循環流路60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40は、膨張機20から流出した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。

本実施形態では、循環流路60のうち凝縮器40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)45が設けられている。ただし、この貯留部45は、循環流路60の一部により構成されてもよいし、省略されてもよい。

ポンプ50は、循環流路60における凝縮器40の下流側の部位(凝縮器40と蒸発器10との間の部位)に設けられている。ポンプ50は、凝縮器40から流出した液相の作動媒体を所定の圧力で蒸発器10に送る。

冷却流路70は、ポンプ50から流出した液相の作動媒体の一部を動力回収機30に供給する。本実施形態では、冷却流路70は、循環流路60のうちポンプ50と蒸発器10との間の部位、副ケーシング35と、を接続している。具体的に、副ケーシング35は、液相の作動媒体を当該副ケーシング35内に導入可能な導入部35aを有しており、冷却流路70の下流側の端部は、導入部35aに接続されている。このため、ポンプ50から吐出された液相の作動媒体の一部は、冷却流路70を経由して副ケーシング35内に供給される。これにより、動力回収部31が有効に冷却される。

本実施形態の熱エネルギー回収装置は、液抜流路71をさらに備えている。液抜流路71は、主ケーシング23内又は副ケーシング35内の液相の作動媒体Rを、膨張機20の下流側でかつポンプ50の上流側、すなわち、作動媒体が液相で存在する領域に戻す。具体的に、液抜流路71は、主ケーシング23に形成された導出部23cと、循環流路60のうち貯留部45とポンプ50との間の部位と、を接続している。導出部23cは、主ケーシング23のうち最も下方に位置する底部25に設けられている。なお、液抜流路71の下流側の端部は、循環流路60のうち膨張機20と凝縮器40との間の部位、凝縮器40内、あるいは、貯留部45に接続されてもよい。

本実施形態の熱エネルギー回収装置は、膨張機20をバイパスするバイパス流路62と、冷却流路70に設けられた開閉弁V1と、循環流路60に設けられた遮断弁V2と、バイパス流路62に設けられたバイパス弁V3と、液抜流路71に設けられた液抜弁V4と、をさらに備えている。各弁V1〜V4は、開閉可能に構成されている。

バイパス流路62の上流側の端部は、循環流路60のうち蒸発器10と膨張機20との間の部位に接続されている。バイパス流路62の下流側の端部は、循環流路60のうち膨張機20と凝縮器40との間の部位に接続されている。

遮断弁V2は、循環流路60のうち、当該循環流路60とバイパス流路62の上流側の端部との接続部と、膨張機20と、の間の部位に設けられている。

制御部80は、動力回収機30での動力(本実施形態では電力)の回収中(膨張機20、動力回収機30及びポンプ50の駆動中)において、動力回収機30での動力の回収を停止する停止信号を受信すると、動力回収部31の冷却、つまり、ポンプ50から吐出された液相の作動媒体の一部の冷却流路70を通じた動力回収機30への供給を停止する。以下、図2を参照しながら、制御部80の制御内容について説明する。なお、本装置の駆動中は、開閉弁V1及び遮断弁V2が開かれており、バイパス弁V3及び液抜弁V4は閉じられている。

制御部80は、前記停止信号を受信すると、ポンプ50、膨張機20及び動力回収機30の回転数を低下させるとともに、遮断弁V2を閉じ、バイパス弁V3を開く(ステップS11)。これにより、蒸発器10から流出した気相の作動媒体は、バイパス流路62を経由して(膨張機20をバイパスして)凝縮器40へ向かう。

膨張機20及び動力回収機30の回転数の低下により、動力回収部31の冷却の必要性が低くなるので、制御部80は、開閉弁V1を閉じる(ステップS12)。この結果、冷却流路70を通じた副ケーシング35内への液相の作動媒体の供給が停止される。よって、動力回収部31が過度に冷却されること、換言すれば、副ケーシング35内及び主ケーシング23内への液相の作動媒体Rの蓄積が抑制される。

その後、制御部80は、ポンプ50が停止した後に、液抜弁V4を開く(ステップS13)。これにより、主ケーシング23内又は副ケーシング35内の液相の作動媒体Rが当該ケーシング23,35内から有効に排出される。

以上のように、本熱エネルギー回収装置では、制御部80は、前記停止信号を受信すると(動力回収部31の冷却の必要性が低くなると)、ポンプ50から吐出された液相の作動媒体の一部の冷却流路70を通じた動力回収機30への供給を停止する。具体的に、制御部80は、前記停止信号を受信すると、冷却流路70に設けられた開閉弁V1を閉じる。このため、副ケーシング35内及び主ケーシング23内における液相の作動媒体の蓄積が抑制される。よって、膨張機20の軸受22が液相の作動媒体Rに浸ることが抑制され、これにより、熱エネルギー回収装置の再始動時における軸受22の潤滑不足の発生が抑制される。

また、制御部80は、ステップS13において、ポンプ50が停止した後に液抜弁V4を開くので、主ケーシング23内又は副ケーシング35内の液相の作動媒体Rが当該ケーシング23,35内から有効に排出され、しかも、ポンプ50が停止するまでの間における作動媒体の主ケーシング23内への流入が抑制される。具体的に、ポンプ50が停止する前に液抜弁V4が開かれた場合、ポンプ50から吐出された後にバイパス流路62を経て膨張機20の下流側に至った作動媒体が、当該膨張機20の下流側から循環流路60を逆流することによって膨張機20の主ケーシング23内に流入し、主ケーシング23内で液化するおそれがある。これに対し、本実施形態では、制御部80は、ポンプ50が停止した後に液抜弁V4を開くので、上記のような不具合の発生が抑制される。

(第2実施形態) 次に、図3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。

本実施形態では、動力回収機30は、ジャケット36を有しており、冷却流路70の下流側の端部は、ジャケット36に接続されている。

ジャケット36は、当該ジャケット36と副ケーシング35との間に液相の作動媒体が流れるのを許容する冷却空間Sが形成されるように副ケーシング35に設けられている。ジャケット36は、副ケーシング35の外周面の外側に配置されている。つまり、冷却空間Sは、副ケーシング35の外周面とジャケット36の内周面との間に形成されている。このジャケット36は、冷却流路70の下流側の端部に接続可能でかつ冷却流路70から供給される液相の作動媒体を冷却空間S内に導入可能な導入部36aを有している。

また、冷却空間Sを通過することにより副ケーシング35を介して動力回収部31を冷却した冷却媒体は、排出流路72を通じて循環流路60に流入する。排出流路72の上流側の端部は、ジャケット36に形成された排出部36bに接続されており、排出流路72の下流側の端部は、循環流路60のうち膨張機20と凝縮器40との間の部位に接続されている。

以上のように、本実施形態においても、膨張機20の軸受22が液相の作動媒体Rに浸ることが抑制され、これにより、熱エネルギー回収装置の再始動時における軸受22の潤滑不足の発生が抑制される。

(第3実施形態) 次に、図4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について説明する。なお、第3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。

本実施形態では、動力回収機30がジャケット36を有していることは第2実施形態と共通しているものの、冷却空間Sには、作動媒体とは異なる冷却媒体(冷却水等)が供給される。

ジャケット36には、冷却媒体を供給する冷却媒体供給ラインL1から分岐した冷却流路73が接続されている。このため、本実施形態では、冷却空間Sを通過する冷却媒体によって副ケーシング35を介して動力回収部31が冷却される。冷却空間Sを通過した冷却媒体は、ジャケット36に接続された冷却媒体回収流路74を通じて、冷却媒体を排出する冷却媒体排出ラインL2に戻される。

以上のように、本実施形態においても、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

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、冷却空間Sを形成する副ケーシング35及びジャケット36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。

10 蒸発器 20 膨張機 21 ロータ(スクリュロータ) 22 軸受 23 主ケーシング 30 動力回収機 31 動力回収部 35 副ケーシング 36 ジャケット 40 凝縮器 50 ポンプ 60 循環流路 62 バイパス流路 70 冷却流路 71 液抜流路 73 冷却流路 80 制御部 S 冷却空間 V1 開閉弁 V2 遮断弁 V3 バイパス弁 V4 液抜弁