JP6170487B2 - 熱エネルギー回収装置 - Google Patents

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、工場の各種設備から排出される排ガス等の蒸気（気相の加熱媒体）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、外部の熱源から供給される気相の加熱媒体により作動媒体を加熱する蒸発器と、蒸発器から流出した加熱媒体により蒸発器に流入する前の作動媒体を加熱する予熱器と、蒸発器から流出した作動媒体を膨張させるスクリュ膨張機と、スクリュ膨張機に接続された発電機と、スクリュ膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された作動媒体を予熱器へ送るポンプと、を備える発電装置（熱エネルギー回収装置）が開示されている。予熱器及び蒸発器は、それぞれ、作動媒体が流れる作動媒体流路と、加熱媒体が流れる加熱媒体流路と、を有している。

特開２０１２−２１１５９１号公報

上記特許文献１に記載される熱エネルギー回収装置では、蒸発器から流出した加熱媒体は、気相、液相又は気液二相のいずれかの状態で予熱器に流入する。この場合、予熱器でいわゆるウォータハンマー現象が生じ得ることが知られている。このウォータハンマー現象は、主に以下の原理で生じていると推測される。

気相の加熱媒体（蒸気や高温ガス）が予熱器の加熱媒体流路に流入すると、この加熱媒体は、加熱媒体流路内の液体（ドレインもしくはミスト）に冷却されることにより凝縮することによって急激に体積が小さくなる。そうすると、加熱媒体流路内に相対的に圧力の低い領域が発生する。この結果、その相対的に圧力の低い領域へ向かって加熱媒体流路内の液体が移動することにより、当該液体が加熱媒体流路の内面に衝突する。

本発明の目的は、予熱器におけるウォータハンマー現象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。

前記課題を解決する手段として、本発明は、外部から供給される気相の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加熱媒体と前記蒸発器に流入する前の作動媒体とを熱交換させることによって作動媒体を加熱する予熱器と、前記蒸発器から流出した作動媒体の膨張エネルギーを回収するとともに当該作動媒体を前記予熱器に送るエネルギー回収部と、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない場合に当該加熱媒体の前記予熱器への流入を禁止し、かつ、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きい場合に当該加熱媒体を前記予熱器へ流入させる操作を行う制御部と、を備える、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、予熱器及び蒸発器で作動媒体が得た熱エネルギーをエネルギー回収部により回収しつつ、予熱器でのウォータハンマー現象の発生を抑制することができる。具体的に、予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない場合（気相の加熱媒体が存在し得る場合）に加熱媒体の予熱器への流入が禁止され、前記過冷却度が０度よりも大きい場合に予熱器に加熱媒体が流入する。つまり、予熱器には、液相の加熱媒体が流入する。よって、予熱器内でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。より詳細には、気相の加熱媒体が予熱器に流入した後に当該予熱器内で凝縮することに起因して生じるウォータハンマー現象の発生が抑制される。

この場合において、前記制御部は、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きく、かつ、前記蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が特定の下限値以上である場合に加熱媒体を前記予熱器へ流入させる一方、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない、あるいは、当該過冷却度が０度よりも大きくても前記蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が前記下限値未満である場合に加熱媒体の前記予熱器への流入を禁止する操作を行うことが好ましい。

このようにすれば、予熱器でのウォータハンマー現象の発生が抑制されることに加え、蒸発器でのウォータハンマー現象の発生も抑制される。具体的に、蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が下限値未満の場合、加熱媒体が例えば気液二相の状態の場合もある。この場合において加熱媒体が予熱器に流入する際、予熱器で圧力損失が生じるため、加熱媒体が予熱器を通過しにくくなる。このため、予熱器での熱交換効率が低下し、さらに、前記圧力損失が原因（抵抗）となり、蒸発器内から液相の加熱媒体（ドレイン）が流出しにくくなる。この状態で蒸発器に気相の加熱媒体が流入すると、当該気相の加熱媒体が前記ドレインに冷却されることによって急激にその体積を減少させるので、蒸発器においてウォータハンマー現象が生じる懸念がある。これに対し、本エネルギー回収装置では、蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が下限値未満の場合に加熱媒体の予熱器への流入を禁止することにより、予熱器での熱交換効率の低下が抑制され、さらに、前記圧力損失に起因して蒸発器内から液相の加熱媒体（ドレイン）が流出しにくくなる状態が回避される（液相の加熱媒体の流出が促進される）ので、蒸発器でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。

また、本発明において、前記制御部は、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きく、かつ、前記蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が特定の上限値以下である場合に加熱媒体を前記予熱器へ流入させる一方、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない、あるいは、当該過冷却度が０度よりも大きくても前記蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が前記上限値よりも大きい場合に加熱媒体を前記予熱器へ流入させることなく外部に排出させる操作を行うことが好ましい。

このようにすれば、予熱器でのウォータハンマー現象の発生が抑制されることに加え、蒸発器からの液相の加熱媒体（ドレイン）の流出が促進されるので、蒸発器でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。具体的に、蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が上限値よりも大きい（高過ぎる）場合は、蒸発器における加熱媒体が流れる流路の流出口付近に相当程度の液相の加熱媒体（ドレイン）が溜まった状態になっている。この状態で蒸発器に気相の加熱媒体が流入すると、当該気相の加熱媒体が前記ドレインに冷却されることによって急激にその体積を減少させるので、蒸発器においてウォータハンマー現象が生じる懸念がある。一方、その状態において液相の加熱媒体が予熱器に流入する場合、当該液相の加熱媒体が予熱器を通過するのに時間を要するため、蒸発器内から液相の加熱媒体（ドレイン）が流出しにくくなる。これに対し、本エネルギー回収装置では、蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が前記上限値よりも大きい場合（蒸発器において作動媒体により加熱媒体の潜熱のみならず顕熱も十分に回収されている場合）に加熱媒体を予熱器へ流入させることなく外部に排出させることにより、液相の加熱媒体が蒸発器から外部に排出されるまでに要する時間が短縮されるため、蒸発器からのドレインの流出が促進される。よって、蒸発器でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。

また、本発明において、前記制御部は、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きく、かつ、前記蒸発器に流入する作動媒体の過冷却度が０度よりも大きい場合に加熱媒体を前記予熱器へ流入させる一方、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない、あるいは、当該過冷却度が０度よりも大きくても前記蒸発器に流入する作動媒体の過冷却度が０度よりも大きくない場合に加熱媒体の前記予熱器への流入を禁止する操作を行うことが好ましい。

このようにすれば、予熱器でのウォータハンマー現象の発生が抑制されることに加え、蒸発器内での作動媒体の偏流が抑制されるので、蒸発器での熱交換効率、すなわち、エネルギー回収部のエネルギー回収効率が向上する。例えば、気液二相の作動媒体が蒸発器に流入した場合、気相の作動媒体の比重と液相の作動媒体の比重とは互いに異なることから、蒸発器内には、気相の作動媒体の通過する領域と液相の作動媒体が通過する領域とが形成される。このため、蒸発器において作動媒体と加熱媒体との均一な熱交換が行われないこと（熱交換効率の低下）が懸念される。これに対し、本エネルギー回収装置では、蒸発器に流入する作動媒体の過冷却度が０度よりも大きくない場合（気相の作動媒体が存在し得る場合）に、加熱媒体の予熱器への流入を禁止するので、つまり、予熱器での加熱媒体による作動媒体の加熱を停止するので、予熱器から流出する作動媒体に気相の作動媒体が含まれることが抑制される。よって、蒸発器での作動媒体の偏流が抑制される。

また、本発明において、前記制御部は、予め定められた停止条件が成立したときに、加熱媒体を前記予熱器へ流入させることなく外部に排出させる操作を行うことが好ましい。

このようにすれば、停止時において蒸発器からの液相の加熱媒体（ドレイン）の流出が促進されるので、熱エネルギー回収装置の起動時における蒸発器でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。具体的に、停止条件が成立したとき（本装置の停止時）に、加熱媒体を予熱器へ流入させることなく外部に排出させることにより、予熱器での圧力損失が生じないため、蒸発器からのドレインの流出が促進される。よって、本装置の起動時における蒸発器でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。

また、本発明において、前記予熱器と前記蒸発器とを接続する接続流路をさらに備え、前記接続流路は、一直線上に延びる形状を有することが好ましい。

このようにすれば、接続流路で生じる圧力損失が低減されるので、作動媒体に油が含まれる場合にその油の接続流路への滞留が抑制される。これにより、適切な量の油がエネルギー回収部に流入する。

以上のように、本発明によれば、予熱器におけるウォータハンマー現象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。

本発明の一実施形態の熱エネルギー回収装置の構成の概略を示す図である。 起動時及び定常運転時における制御部の制御内容を示すフローチャートである。 停止時における制御部の制御内容を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態の熱エネルギー回収装置について、図１〜図３を参照しながら説明する。

図１に示されるように、熱エネルギー回収装置は、蒸発器１０と、予熱器１２と、エネルギー回収部２０と、加熱媒体供給流路３０と、制御部４０と、を備えている。

蒸発器１０は、外部から供給される気相の加熱媒体（工場の排ガス等）と作動媒体（ＨＦＣ２４５ｆａ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。蒸発器１０は、作動媒体が流れる作動媒体流路１０ａと、加熱媒体が流れる加熱媒体流路１０ｂと、を有している。本実施形態では、蒸発器１０として、プレート式の熱交換器が用いられている。ただし、蒸発器１０として、いわゆるシェル＆チューブ式の熱交換器が用いられてもよい。

予熱器１２は、蒸発器１０から流出した加熱媒体と蒸発器１０に流入する前の作動媒体とを熱交換させることによって作動媒体を加熱する。予熱器１２は、作動媒体が流れる作動媒体流路１２ａと、加熱媒体が流れる加熱媒体流路１２ｂと、を有している。本実施形態では、予熱器１２としても、プレート式の熱交換器が用いられている。ただし、予熱器１２として、いわゆるシェル＆チューブ式の熱交換器が用いられてもよいことは、蒸発器１０の場合と同様である。予熱器１２の加熱媒体流路１２ｂの上流側の端部の高さ位置は、蒸発器１０の加熱媒体流路１０ｂの下流側の端部の高さ位置と同じかそれよりも低くなるように設定されている。予熱器１２の作動媒体流路１２ａの下流側の端部の高さ位置は、蒸発器１０の作動媒体流路１０ａの上流側の端部の高さ位置と同じになるように設定されている。また、予熱器１２の作動媒体流路１２ａの下流側の端部と蒸発器１０の作動媒体流路１０ａの上流側の端部とは、接続流路２９により接続されている。本実施形態では、接続流路２９は、屈曲する部位を有することなく一直線上に延びる形状を有している。

エネルギー回収部２０は、膨張機２２と、動力回収機２３と、凝縮器２４と、ポンプ２６と、回収流路２８と、を備えている。

回収流路２８は、蒸発器１０と膨張機２２との間、膨張機２２と凝縮器２４との間、凝縮器２４とポンプ２６との間、及び、ポンプ２６と予熱器１２との間を接続している。つまり、回収流路２８及び接続流路２９により、閉回路（作動媒体が、蒸発器１０、膨張機２２、凝縮器２４、ポンプ２６及び予熱器１２をこの順に通過するように循環する循環回路）が形成される。本実施形態では、作動媒体とともに油が前記閉回路を循環する。

膨張機２２は、回収流路２８における蒸発器１０の下流側の部位に設けられている。膨張機２２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２２として、蒸発器１０から流出した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ー膨張機が用いられている。具体的に、膨張機２２は、雌雄一対のスクリュロータを有している。

動力回収機２３は、膨張機２２に接続されている。本実施形態では、動力回収機２３として発電機が用いられている。この動力回収機２３は、膨張機２２の一対のスクリュロータのうちの一方に接続された回転軸を有している。動力回収機２３は、前記回転軸が前記スクリュロータ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２３として、発電機の他、圧縮機等が用いられてもよい。

凝縮器２４は、回収流路２８における膨張機２２の下流側の部位に設けられている。凝縮器２４は、膨張機２２から流出した作動媒体を外部から供給される冷却媒体（冷却水等）で冷却することにより凝縮（液化）させる。

ポンプ２６は、回収流路２８における凝縮器２４の下流側の部位に設けられている。ポンプ２６は、液相の作動媒体を所定の圧力まで加圧して予熱器１２へ送り出す。ポンプ２６としては、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、スクリュポンプ、トロコイドポンプ等が用いられる。

加熱媒体供給流路３０は、気相の加熱媒体を生成する外部の熱源から蒸発器１０及び予熱器１２にこの順に加熱媒体を供給するための流路である。加熱媒体供給流路３０は、蒸発器１０の加熱媒体流路１０ｂに接続可能に構成されており、予熱器１２の加熱媒体流路１２ｂに接続可能に構成されている。

本実施形態では、加熱媒体供給流路３０のうち蒸発器１０と予熱器１２との間の部位にドレインタンク３２及びスチームトラップ３４が設けられている。ドレインタンク３２は、蒸発器１０から流出した加熱媒体のうち液相の加熱媒体を貯留する。スチームトラップ３４は、ドレインタンク３２から流出した加熱媒体のうち気相の加熱媒体の通過を禁止するとともに液相の加熱媒体の通過を許容する。

加熱媒体供給流路３０には、予熱器１２をバイパスするバイパス流路３６が接続されている。具体的に、バイパス流路３６の上流側の端部は、加熱媒体供給流路３０のうちスチームトラップ３４と予熱器１２との間の部位に接続されており、バイパス流路３６の下流側の端部は、加熱媒体供給流路３０のうち予熱器１２よりも下流側の部位に接続されている。

加熱媒体供給流路３０には、第１排出流路３８及び第２排出流路３９が接続されている。第１排出流路３８は、ドレインタンク３２から流出した加熱媒体を外部に排出するための流路であり、加熱媒体供給流路３０のうちドレインタンク３２とスチームトラップ３４との間の部位に接続されている。第２排出流路３９は、蒸発器１０に流入する前の加熱媒体を外部に排出するための流路であり、加熱媒体供給流路３０のうち蒸発器１０の上流側の部位に接続されている。

バイパス流路３６には、第１開閉弁Ｖ１が設けられている。加熱媒体供給流路３０のうち当該加熱媒体供給流路３０とバイパス流路３６の上流側の端部との接続部よりも下流側でかつ予熱器１２よりも上流側の部位には、第２開閉弁Ｖ２が設けられている。加熱媒体供給流路３０のうち予熱器１２よりも下流側でかつ当該加熱媒体供給流路３０とバイパス流路３６の下流側の端部との接続部よりも上流側の部位には、第３開閉弁Ｖ３が設けられている。第１排出流路３８には、第４開閉弁Ｖ４が設けられている。第２排出流路３９には、第５開閉弁Ｖ５が設けられている。加熱媒体供給流路３０のうち当該加熱媒体供給流路３０と第２排出流路３９との接続部よりも上流側の部位には、第６開閉弁Ｖ６が設けられている。本実施形態では、各開閉弁Ｖ１〜Ｖ６として、開状態と閉状態とを切り替え可能な電磁弁が用いられている。

制御部４０は、予め定められた条件に応じて各開閉弁Ｖ１〜Ｖ６の開閉を切り替える切替操作を行う。前記条件は、予熱器１２に流入する加熱媒体の過冷却度α１が０度よりも大きいか否か、蒸発器１０から流出する加熱媒体の過冷却度α２が一定の範囲内に収まっているか否か、予熱器１２から流出する作動媒体の過冷却度βが０度よりも大きいか否か、そして、蒸発器１０に流入する気相の加熱媒体の圧力Ｐが所定値Ｐ０未満か否か、である。前記過冷却度α１は、加熱媒体供給流路３０のうち予熱器１２の上流側の部位（予熱器１２と第２開閉弁Ｖ２との間の部位）に設けられた温度センサ４１及び圧力センサ４２の各検出値に基づいて導出される。前記過冷却度α２は、加熱媒体供給流路３０のうち蒸発器１０の下流側の部位（蒸発器１０とドレインタンク３２との間の部位）に設けられた温度センサ４３及び圧力センサ４４の各検出値から導出される。前記過冷却度βは、接続流路２９に設けられた温度センサ４５及び圧力センサ４６の各検出値から導出される。ここで、過冷却度とは、飽和温度（凝縮温度）からの温度低下のことをいう。具体的には、「過冷却度＝飽和温度（凝縮温度）−加熱媒体または作動媒体の温度」で計算される。つまり、「過冷却度が０度」ということは、加熱媒体または作動媒体の温度が、飽和温度（凝縮温度）と等しいことを意味する。前記圧力Ｐは、加熱媒体供給流路３０のうち蒸発器１０の上流側の部位（蒸発器１０と第２排出流路３９の上流側の端部との間の部位）に設けられた圧力センサ４７により検知される。なお、制御部４０は、蒸発器１０から流出する作動媒体の過熱度が所定の範囲内に収まるようにポンプ２６の回転数を調整する操作を行いながら、前記切替操作を行う。

次に、図２を参照しながら、起動時及び通常運転時における制御部４０の具体的な制御内容を説明する。エネルギー回収装置の運転開始前（起動前）は、第１開閉弁Ｖ１は開状態であり、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３は閉状態であり、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５は開状態であり、第６開閉弁Ｖ６は閉状態である。

本装置の運転が開始されると（ステップＳ１０）、制御部４０は、第１開閉弁Ｖ１を開状態、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３を閉状態、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５を閉状態、第６開閉弁Ｖ６を開状態とする（ステップＳ１１）。これにより、加熱媒体は、蒸発器１０を通過した後に予熱器１２に流入することなくバイパス流路３６を介して外部に排出される。また、運転の開始により、冷却媒体の凝縮器２４への供給及びポンプ２６の駆動も開始される。これにより、作動媒体は前記閉回路を循環するので、動力回収機２３により動力（本実施形態では電力）が回収される。

次に、制御部４０は、蒸発器１０から流出した加熱媒体の過冷却度α２が特定の下限値ａ以上かつ特定の上限値ｂ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この結果、過冷却度α２が下限値ａ未満、または、上限値ｂよりも大きい場合（ステップＳ１２でＮＯ）、制御部４０は、ステップＳ１２に戻る、すなわち、蒸発器１０から流出した加熱媒体がバイパス流路３６を介して外部に排出する状態（以下、「バイパス状態」という）を維持する。

過冷却度α２が上限値ｂよりも大きい（高過ぎる）場合に前記バイパス状態を維持する理由は、蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生を抑制することにある。具体的に、本装置の起動時は、蒸発器１０の温度が定常運転時のそれに比べて低いため、当該蒸発器１０に流入した加熱媒体が凝縮しやすく、よって加熱媒体流路１０ｂ内に液相の加熱媒体（ドレイン）が溜まりやすい状態にある。加熱媒体流路１０ｂ内にドレインが溜まると、当該加熱媒体流路１０ｂから流出した過冷却度α２が高くなる。換言すれば、前記過冷却度α２が高い場合（上限値ｂよりも大きい場合）、加熱媒体流路１０ｂ内にドレインが相当程度溜まった状態にあると考えられる。この状態で蒸発器１０に気相の加熱媒体が流入すると、当該気相の加熱媒体が前記ドレインに冷却されることによって急激にその体積を減少させるので、蒸発器１０においてウォータハンマー現象が生じる懸念がある。一方、その状態において液相の加熱媒体が予熱器１２に流入する場合、当該液相の加熱媒体が予熱器１２の加熱媒体流路１２ｂを通過するのに時間を要するため、蒸発器１０内から液相の加熱媒体（ドレイン）が流出しにくくなる。よって、過冷却度α２が上限値ｂよりも大きい場合に前記バイパス状態を維持することにより、液相の加熱媒体が蒸発器１０から外部に排出されるまでに要する時間が短縮されるため、蒸発器１０からのドレインの流出が促進される。よって、蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。

逆に、過冷却度α２が下限値ａ未満の場合に前記バイパス状態を維持する理由は、主として、予熱器１２での熱交換効率の低下を抑制すること、及び、蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生を抑制することにある。具体的に、過冷却度α２が下限値ａ未満の場合、加熱媒体が例えば気液二相の状態の場合もある。この場合において加熱媒体が予熱器１２に流入する際、予熱器１２で圧力損失が生じるため、加熱媒体が予熱器１２を通過しにくくなる。このため、予熱器１２での熱交換効率が低下する。さらに、前記圧力損失が原因（抵抗）となり、蒸発器１０内から液相の加熱媒体（ドレイン）が流出しにくくなる。よって、過冷却度α２が下限値ａ未満の場合に前記バイパス状態を維持することにより、すなわち、加熱媒体の予熱器１２への流入を禁止することにより、予熱器１２での熱交換効率の低下が抑制され、さらに、前記圧力損失に起因して蒸発器１０内から液相の加熱媒体（ドレイン）が流出しにくくなる状態が回避される（液相の加熱媒体の流出が促進される）ので、蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。

またこのとき、予熱器１２での作動媒体による熱回収が行われなくなるので、予熱器１２に加熱媒体が流入する場合に比べて低温の作動媒体が予熱器１２から流出して蒸発器１０に流入する。これにより、蒸発器１０で作動媒体により加熱媒体が十分に冷却される。そして、蒸発器１０から流出する加熱媒体の過冷却度α２が下限値ａ以上となるまでの間加熱媒体の予熱器１２への流入が禁止されるので、蒸発器１０での熱交換効率が低くなる状態が回避される。

そして、過冷却度α２が下限値ａ以上かつ上限値ｂ以下である場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、制御部４０は、蒸発器１０に流入する作動媒体の過冷却度βが０度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１３）。この結果、過冷却度βが０度よりも大きくない場合（ステップＳ１３でＮＯ）、制御部４０は、再びステップＳ１２に戻る、すなわち、バイパス状態を維持する。

過冷却度βが０度よりも大きくない場合にバイパス状態を維持する理由は、蒸発器１０での熱交換効率、すなわち、エネルギー回収部２０のエネルギー回収効率を向上させることにある。例えば、気液二相の作動媒体が蒸発器１０に流入した場合、気相の作動媒体の比重と液相の作動媒体の比重とは互いに異なることから、蒸発器１０の作動媒体流路１０ａ内には、気相の作動媒体の通過する領域と液相の作動媒体が通過する領域とが形成される。このため、蒸発器１０において作動媒体と加熱媒体との均一な熱交換が行われないこと（熱交換効率の低下）が懸念される。よって、過冷却度βが０度よりも大きくない場合（気相の作動媒体が存在し得る場合）、バイパス状態を維持する、すなわち、加熱媒体の予熱器１２への流入を禁止する。これにより、予熱器１２での加熱媒体による作動媒体の加熱が停止されるので、予熱器１２から流出する作動媒体に気相の作動媒体が含まれることが抑制される。よって、蒸発器１０での作動媒体の偏流が抑制され、蒸発器１０での熱交換効率が向上する。

そして、過冷却度βが０度よりも大きい場合（ステップＳ１３でＹＥＳ）、制御部４０は、第１開閉弁Ｖ１を閉状態、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３を開状態、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５を閉状態、第６開閉弁Ｖ６を開状態とする（ステップＳ１４）。これにより、加熱媒体は、蒸発器１０を通過した後に予熱器１２を通過してから外部に排出される。つまり、本熱エネルギー回収装置は、通常運転状態となる。

続いて、制御部４０は、予熱器１２に流入する加熱媒体の過冷却度α１が０度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１５）。この結果、過冷却度α１が０度よりも大きくない場合（ステップＳ１５でＮＯ）、制御部４０は、ステップＳ１１に戻り、前記バイパス状態に戻す。

過冷却度α１が０度よりも大きくない場合にバイパス状態とする理由は、予熱器１２でのウォータハンマー現象の発生を抑制することにある。具体的に、過冷却度α１が０度よりも大きくない場合（気相の加熱媒体が存在し得る場合）に加熱媒体が予熱器１２へ流入すると、気相の加熱媒体が予熱器１２に流入した後に当該予熱器１２内で凝縮することに起因してウォータハンマー現象が生じるおそれがある。よって、過冷却度α１が０度よりも大きくない場合、バイパス状態を維持する、すなわち、加熱媒体の予熱器１２への流入を禁止する。これにより、予熱器１２内でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。

一方、過冷却度α１が０度よりも大きい場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）、制御部４０は、過冷却度α２が下限値ａ以上かつ上限値ｂ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。この結果、過冷却度α２が下限値ａ未満、または、上限値ｂよりも大きい場合（ステップＳ１６でＮＯ）、制御部４０は、ステップＳ１１に戻り、前記バイパス状態に戻す。この理由は、上記のとおりである。また、過冷却度α２が下限値ａ未満の場合に前記バイパス状態に戻すことにより、蒸発器１０での熱交換効率が低くなる状態が回避されることに加え、予熱器１２でのウォータハンマー現状の発生も抑制される。

そして、過冷却度α２が下限値ａ以上かつ上限値ｂ以下である場合（ステップＳ１６でＹＥＳ）、制御部４０は、蒸発器１０に流入する作動媒体の過冷却度βが０度よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１７）。この結果、過冷却度βが０度よりも大きくない場合（ステップＳ１７でＮＯ）、制御部４０は、ステップＳ１１に戻り、前記バイパス状態に戻す。この理由は、上記のとおりである。

一方、過冷却度βが０度よりも大きい場合（ステップＳ１７でＹＥＳ）、制御部４０は、ステップＳ１５に戻る、すなわち、前記通常運転状態を継続する。

次に、図３を参照しながら、停止時における制御部４０の具体的な制御内容を説明する。

制御部４０は、停止信号を受信すると（ステップＳ２０）、加熱媒体の蒸発器１０及び予熱器１２への供給を停止するとともに前記バイパス状態とするために、第１開閉弁Ｖ１を開状態、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３を閉状態、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５を閉状態、第６開閉弁Ｖ６を閉状態とする（ステップＳ２１）。

その後、制御部４０は、ポンプ２６を停止する（ステップＳ２２）。なお、ポンプ２６の停止と同時、あるいはそれに前後して、凝縮器２４への冷却媒体の供給も停止される。

続いて、制御部４０は、蒸発器１０に流入する気相の加熱媒体の圧力Ｐが所定値Ｐ０未満か否かを判定する（ステップＳ２３）。本実施形態では、この条件を「停止条件」という。

そして、前記圧力Ｐが所定値Ｐ０以上であれば（ステップＳ２３でＮＯ）、すなわち、停止条件が成立していなければ、制御部４０は、ステップＳ２３に戻る。

一方、前記圧力Ｐが所定値Ｐ０未満であれば（ステップＳ２３でＹＥＳ）、制御部４０は、第１開閉弁Ｖ１を開状態、第２開閉弁Ｖ２及び第３開閉弁Ｖ３を閉状態、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５を開状態、第６開閉弁Ｖ６を閉状態とする（ステップＳ２４）。この理由は、蒸発器１０の加熱媒体流路１０ｂ内の加熱媒体の外部への排出を促進するためである。具体的に、第４開閉弁Ｖ４及び第５開閉弁Ｖ５を開状態とすることにより、加熱媒体供給流路３０内が外部に開放されるので、蒸発器１０の加熱媒体流路１０ｂ内の加熱媒体が重力により外部へ排出される。

以上に説明したように、本熱エネルギー回収装置では、蒸発器１０及び予熱器１２で作動媒体が得た熱エネルギーをエネルギー回収部２０により回収しつつ、予熱器１２でのウォータハンマー現象の発生を抑制することができる。具体的に、予熱器１２に流入する加熱媒体の過冷却度α１が０度よりも大きくない場合（気相の加熱媒体が存在し得る場合）に加熱媒体の予熱器１２への流入が禁止され、過冷却度α１が０度よりも大きい場合に予熱器１２への加熱媒体の流入が許容される。つまり、予熱器１２には、液相の加熱媒体が流入する。よって、予熱器１２内でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。より詳細には、気相の加熱媒体が予熱器１２に流入した後に当該予熱器１２内で凝縮することに起因して生じるウォータハンマー現象の発生が抑制される。

また、本実施形態では、蒸発器１０において作動媒体により加熱媒体の潜熱がすべて回収されるので、蒸発器１０での熱交換効率、すなわち、エネルギー回収部２０のエネルギー回収効率が向上する。具体的に、本エネルギー回収装置では、蒸発器１０から流出した加熱媒体の過冷却度α２が下限値ａ未満の場合に加熱媒体の予熱器１２への流入を禁止する。これにより、予熱器１２での作動媒体による熱回収が行われなくなるので、予熱器１２に加熱媒体が流入する場合に比べて低温の作動媒体が予熱器１２から流出して蒸発器１０に流入する。このため、蒸発器１０で作動媒体により加熱媒体が十分に冷却される。そして、蒸発器１０から流出する加熱媒体の過冷却度α２が下限値ａ以上となるまでの間加熱媒体の予熱器１２への流入が禁止されるので、予熱器１２でのウォータハンマー現象の発生の抑制と蒸発器１０での熱交換効率が低くなる状態との双方が回避される。さらに、加熱媒体が予熱器１２を通過する際の圧力損失に起因して蒸発器１０内から液相の加熱媒体（ドレイン）が流出しにくくなる状態が回避されるので、蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生も抑制される。

加えて、本実施形態では、本熱エネルギー回収装置の起動時及び通常運転時において蒸発器１０からの液相の加熱媒体（ドレイン）の流出が促進されるので、蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生がさらに抑制される。具体的に、本エネルギー回収装置では、蒸発器１０から流出した加熱媒体の過冷却度α２が上限値ｂよりも大きい場合（蒸発器１０において作動媒体により加熱媒体の潜熱のみならず顕熱も十分に回収されている場合）に加熱媒体を予熱器１２へ流入させることなく外部に排出させる。これにより、液相の加熱媒体が蒸発器１０から外部に排出されるまでに要する時間が短縮されるため、蒸発器１０からのドレインの流出が促進される。よって、起動時及び通常運転時における蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生が抑制される。

さらに、本実施形態では、本熱エネルギー回収装置の停止時において蒸発器１０からの液相の加熱媒体の流出を促進される操作（加熱媒体を予熱器１２へ流入させることなく外部に排出させる操作）が行われるので、本装置の起動時における蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生が一層抑制される。

また、本実施形態では、蒸発器１０内での作動媒体の偏流が抑制されるので、蒸発器１０での熱交換効率が一層向上する。具体的に、本エネルギー回収装置では、蒸発器１０に流入する作動媒体の過冷却度βが０度よりも大きくない場合（気相の作動媒体が存在し得る場合）に、加熱媒体の予熱器１２への流入が禁止されるので、つまり、予熱器１２での加熱媒体による作動媒体の加熱が停止されるので、予熱器１２から流出する作動媒体に気相の作動媒体が含まれることが抑制される。よって、蒸発器１０での作動媒体の偏流が抑制され、蒸発器１０での熱交換効率が向上する。

また、接続流路２９は、一直線上に延びる形状を有するので、当該接続流路２９で生じる圧力損失が低減される。このため、作動媒体に含まれる油の接続流路２９への滞留が抑制される。よって、適切な量の油がエネルギー回収部２０の膨張機２２に流入する。

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、蒸発器１０から流出した加熱媒体の過冷却度α２が上限値ｂよりも大きい場合、制御部４０は、第４開閉弁Ｖ４を開いてもよい。このようにすれば、液相の加熱媒体がスチームトラップ３４を通過した後にバイパス流路３６を介して外部に排出される場合に比べて、当該液相の加熱媒体が第１排出流路３８を通じてより円滑に外部に排出される。よって、蒸発器１０の加熱媒体流路１０ｂからの液相の加熱媒体（ドレイン）の排出が促進されるので、蒸発器１０でのウォータハンマー現象の発生が一層抑制される。

１０ 蒸発器
１２ 予熱器
２０ エネルギー回収部
２９ 接続流路
３０ 加熱媒体供給流路
３２ ドレインタンク
３４ スチームトラップ
３６ バイパス流路
３８ 第１排出流路
３９ 第２排出流路
４０ 制御部
Ｖ１ 第１開閉弁
Ｖ２ 第２開閉弁
Ｖ３ 第３開閉弁
Ｖ４ 第４開閉弁
Ｖ５ 第５開閉弁
Ｖ６ 第６開閉弁

Claims (6)

1. 外部から供給される気相の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加熱媒体と前記蒸発器に流入する前の作動媒体とを熱交換させることによって作動媒体を加熱する予熱器と、
   前記蒸発器から流出した作動媒体の膨張エネルギーを回収するとともに当該作動媒体を前記予熱器に送るエネルギー回収部と、
   前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない場合に当該加熱媒体の前記予熱器への流入を禁止し、かつ、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きい場合に当該加熱媒体を前記予熱器へ流入させる操作を行う制御部と、を備える、熱エネルギー回収装置。
2. 請求項１に記載の熱エネルギー回収装置において、
   前記制御部は、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きく、かつ、前記蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が特定の下限値以上である場合に加熱媒体を前記予熱器へ流入させる一方、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない、あるいは、当該過冷却度が０度よりも大きくても前記蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が前記下限値未満である場合に加熱媒体の前記予熱器への流入を禁止する操作を行う、熱エネルギー回収装置。
3. 請求項１又は２に記載の熱エネルギー回収装置において、
   前記制御部は、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きく、かつ、前記蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が特定の上限値以下である場合に加熱媒体を前記予熱器へ流入させる一方、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない、あるいは、当該過冷却度が０度よりも大きくても前記蒸発器から流出した加熱媒体の過冷却度が前記上限値よりも大きい場合に加熱媒体を前記予熱器へ流入させることなく外部に排出させる操作を行う、熱エネルギー回収装置。
4. 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、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きく、かつ、前記蒸発器に流入する作動媒体の過冷却度が０度よりも大きい場合に加熱媒体を前記予熱器へ流入させる一方、前記予熱器に流入する加熱媒体の過冷却度が０度よりも大きくない、あるいは、当該過冷却度が０度よりも大きくても前記蒸発器に流入する作動媒体の過冷却度が０度よりも大きくない場合に加熱媒体の前記予熱器への流入を禁止する操作を行う、熱エネルギー回収装置。
5. 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、予め定められた停止条件が成立したときに、加熱媒体を前記予熱器へ流入させることなく外部に排出させる操作を行う、熱エネルギー回収装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の熱エネルギー回収装置において、
   前記予熱器と前記蒸発器とを接続する接続流路をさらに備え、
   前記接続流路は、一直線上に延びる形状を有する、熱エネルギー回収装置。
   

Images