双循环式发电装置的制作方法

本发明涉及利用温泉水等低温域热源来进行发电的双循环式(Binary)发电装置，特别是具备中间热交换器的双循环式发电装置。

背景技术：

以往，已知有这样的双循环式发电装置，其利用温泉或工厂废热等低温域(例如100℃～150℃)的热源，经由热交换器将热源的热赋予给作为工作介质的低沸点介质而使其沸腾，通过其蒸气压力使涡轮旋转来进行发电。但是，双循环式发电在构造上的能量效率差，为了制作少量的电而需要大量的热源，存在难以确保该热源这样的问题。

为了消除该问题，例如提出了专利文献1所记载的双循环式发电装置，用以改进作为双循环式发电系统整体的热能利用效率，提高发电效率。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2014-177922号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

但是，在专利文献1所记载的双循环式发电装置中，由于需要温度不同的两种热源，故而装置复杂，其结果导致装置大型化，具有制造成本增大这样的问题。

本发明鉴于上述课题，其目的在于提供小型且改进了发电效率的双循环式发电装置。

用于解决课题的方案

根据本发明，上述课题通过以下方案得以解决。根据第1发明，提供双循环式发电装置。该双循环式发电装置具备：将低沸点介质加热而蒸气化的蒸发器；能够利用从蒸发器排出的上述低沸点介质的蒸气的膨胀进行驱动的膨胀机；利用膨胀机的驱动进行发电的发电机；使从膨胀机排出的上述低沸点介质的蒸气液化的冷凝器；用于使低沸点介质循环的泵；包括蒸发器、膨胀机、冷凝器以及泵在内的闭环状的循环路径；和在从膨胀机排出而流入冷凝器之前的低沸点介质的蒸气与从泵排出而流入蒸发器之前的低沸点介质的液体之间进行热交换的中间热交换器。

根据第2发明，在第1发明的基础上，循环路径具备不经由中间热交换器而将膨胀机与冷凝器之间以及泵与蒸发器之间分别连接的旁通路径。双循环式发电装置还具备：对从泵排出的低沸点介质的液体的温度T1进行测定的第1温度测定机构；对从膨胀机排出的低沸点介质的蒸气的温度T2进行测定的第2温度测定机构；和能够在经过中间热交换器的第1路径与不经过中间热交换器但经过旁通路径的第2路径之间切换低沸点介质的流路的介质流路切换机构。介质流路切换机构构成为，在温度T1与温度T2的温度差比预定的温度差低的情况下，将低沸点介质的流路从第1路径切换到第2路径。

根据第3发明，膨胀机是具备固定涡卷构件和旋转涡卷构件的涡卷式膨胀机。通过使设在固定涡卷构件以及旋转涡卷构件上的涡卷状的固定涡卷齿以及旋转涡卷齿相互啮合而形成气窝部，从该气窝部的中心部导入低沸点介质的蒸气。

发明的效果

根据本发明的双循环式发电装置，由于能够在对流入冷凝器之前的低沸点介质进行冷却的同时，对流入蒸发器之前的低沸点介质进行加热，所以，能够提高冷凝以及蒸发效率，提高装置整体的发电效率。由此，能够实现双循环式发电装置的小型化，而且能够削减制造成本。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的双循环式发电装置的一个实施方式的构成的图。

图2是表示本发明所涉及的其他实施方式的双循环式发电装置的构成的图。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本发明的一个实施方式。双循环式发电装置1具备：蒸发器10、膨胀机20、发电机60、冷凝器30、泵40、单一的中间热交换器70、包含这些部件的循环路径50。蒸发器10将从热能源(例如温泉等)获得的热水100作为热源加以利用，将液体的低沸点介质90加热成为蒸气。膨胀机20使从蒸发器10排出的低沸点介质90的蒸气膨胀来产生旋转驱动力。发电机60使用由膨胀机20得到的旋转驱动力来进行发电。冷凝器30将从膨胀机20以膨胀状态排出的低沸点介质90的蒸气冷凝并使其液化。泵40使从冷凝器30排出的液化的低沸点介质90循环。中间热交换器70对从膨胀机20排出之后且流入冷凝器30之前的低沸点介质(蒸气)90进行冷却。另外，中间热交换器70对从泵40排出之后且流入蒸发器10之前的低沸点介质(液体)90进行加热。循环路径50构成为闭环状，使得低沸点介质90按照蒸发器10、膨胀机20、中间热交换器70、冷凝器30以及泵40的顺序流动，再次经由中间热交换器70而返回到蒸发器10。

在图1所示的双循环式发电装置1中，作为低沸点介质90，例如可以使用HFC-245fa、HFC-134A等全球气候变暖系数为零的以碳氟化合物为主体的惰性气体、戊烷等碳氢化合物、水与氨的混合物质等，特别优选使用HFC-245fa作为低沸点介质90。但是，低沸点介质90并不限定于此。

蒸发器10通过在从热能源获得的热水100与循环路径50之间进行热交换，从而将低沸点介质90加热而蒸气化。作为热水100，例如可以使用温泉水。另外，存在于温泉水中的水垢会析出，为了防止水垢对双循环式发电装置1带来不良影响，作为热水100也可以使用通过与温泉水进行热交换而被加热的淡水。

从蒸发器10排出的低沸点介质90的蒸气经过循环路径50流入膨胀机20。

作为膨胀机20，例如可以使用容积型膨胀机。作为容积型膨胀机的例子，列举有涡卷式膨胀机、螺旋式膨胀机、克劳德膨胀机、往复式膨胀机、罗茨膨胀机等。作为容积型膨胀机，例如优选使用公知文献的日本特开2012-007518号公报所记载的具备固定涡卷构件及旋转涡卷构件的涡卷式膨胀机。但是，容积型膨胀机并不限定于此。膨胀机20将流入膨胀机20的低沸点介质90的蒸气的膨胀力转换为旋转运动。该旋转运动使发电机60旋转，从而进行发电。

在使用涡卷式膨胀机的情况下，通过使旋转涡卷构件所设置的涡卷状的旋转涡卷齿以及固定涡卷构件所设置的涡卷状的固定涡卷齿相互啮合而形成气窝部，在该气窝部中，高压的低沸点介质90的蒸气从固定涡卷构件的中心部被导入。利用该蒸气膨胀时的能量使旋转涡卷构件旋转。旋转涡卷构件的旋转力传递至安装在膨胀机的轴上的发电机60，进行发电。通过使用这样的涡卷式膨胀机，静音性提高，另外与涡轮型膨胀机相比，能够以小规模的设备且小的动力来进行驱动。

接着，从膨胀机20排出的低沸点介质90的蒸气经过循环路径50，被导入在后详述的中间热交换器70，由中间热交换器70冷却。

冷凝器30通过将由膨胀机20膨胀之后由中间热交换器70冷却的低沸点介质90的蒸气与从冷能源获得的冷却水200进行热交换，进一步冷却而液化。在此，作为冷却水200，例如使用地下水等。

由冷凝器30冷却的低沸点介质90被液化而流入泵40。经过冷凝器30之后的低沸点介质90有时未完全液化，而是一部分以蒸气状态存在。此时，也可以在泵40的上游设置接收器(未图示)来存储低沸点介质90的液体，防止蒸气流入到泵40内。

中间热交换器70在从膨胀机20排出而流入冷凝器30之前的低沸点介质90的蒸气与从泵40排出而流入蒸发器10之前的低沸点介质90的液体之间进行热交换。这样，通过中间热交换器70，从膨胀机20排出的低沸点介质90的蒸气由从泵40排出而流入蒸发器10之前的低沸点介质90的液体冷却，另外从泵40排出的低沸点介质90的液体由从膨胀机20排出的低沸点介质90的蒸气加热。

作为该中间热交换器70，可以使用公知的热交换器，优选使用板式热交换器。

板式热交换器通过以下方式制造：例如将不锈钢或钛等耐腐蚀性金属的薄板冲压加工出凸凹的波形图案，以合成橡胶的垫圈将其周边密封而形成传热板，将这样形成的多个传热板相对于导杆垂直地安装于导杆，将钢板制的固定框架重叠在移动框架之间，由螺栓进行紧固。在形成于各板间的流路流动的从膨胀机20排出的高温的低沸点介质90的蒸气与从泵40排出之后且流入蒸发器10之前的低温的低沸点介质90的液体之间，进行热交换。

根据这样的构成，从膨胀机20排出之后且流入冷凝器30之前的低沸点介质90的蒸气，由中间热交换器70冷却到刚要液化之前的温度。由此，能够使得冷凝器30的效率理想化。同时，从泵40排出而流入蒸发器10之前的低沸点介质90的液体的温度被加热到刚要气化之前的温度。因此，能够使得双循环式发电装置1整体的热源利用效率理想化。

若从泵40排出之后且流入蒸发器10之前的低沸点介质90，由中间热交换器70加热到低沸点介质90所固有的刚要气化之前的温度，则蒸发器10的效率最大化，能够使发电效率理想化。

另外，由于仅具备单一的中间热交换器70就能够充分地提高发电效率，所以能够实现双循环式发电装置1的小型化。其结果，温泉设施用地内等比较狭窄的空间，也能够容易设置双循环式发电装置1。另外，可防止双循环式发电装置1的构成变复杂，能够抑制制造成本。

图2是表示作为本发明的其他实施方式的双循环式发电装置1a的构成的模式图。在该实施方式中，对于具有与上述实施方式相同功能的要素标注与上述实施方式使用的附图标记相同的附图标记，省略其说明。

在图2中，双循环式发电装置1a的循环路径50具备旁通路径51和旁通路径52。旁通路径51不经由中间热交换器70地将膨胀机20与冷凝器30之间连接。旁通路径52不经由中间热交换器70地将泵40与蒸发器10之间连接。

双循环式发电装置1a还具备介质流入流路切换机构81～84。介质流入流路切换机构81、82分别设置在旁通路径51的两端部。循环路径50具备从介质流路切换机构81经过中间热交换器70到达介质流路切换机构82的分支路径。介质流入流路切换机构83、84分别设置在旁通路径52的两端部。循环路径50具备从介质流路切换机构83经过中间热交换器70到达介质流路切换机构84的分支路径。介质流入流路切换机构81、82能够在经过中间热交换器70的第1路径(不经过旁通路径51的路径)与将中间热交换器70绕过的第2路径(经过旁通路径51的路径)之间切换低沸点介质90的流路。同样，介质流入流路切换机构83、84能够在经过中间热交换器70的第1路径(不经过旁通路径52的路径)与将中间热交换器70绕过的第2路径(经过旁通路径52的路径)之间切换低沸点介质90的流路。

双循环式发电装置1a还具备第1温度测定机构53和第2温度测定机构54。第1温度测定机构53对从泵40排出之后且低沸点介质90的流路分支到中间热交换器70侧之前的低沸点介质90的液体的温度T1进行测定。第2温度测定机构54对从膨胀机20排出之后且低沸点介质90的流路分支到中间热交换器70侧之前的低沸点介质90的蒸气的温度T2进行测定。

通常，从泵40排出之后且低沸点介质90的流路分支之前的低沸点介质90的液体的温度T1，比从膨胀机20排出的低沸点介质90的温度T2充分低。但是，根据热能源的源泉温度变化、外气状况，会存在从膨胀机20排出的低沸点介质90的温度T2与从泵40排出之后且低沸点介质90的流路分支之前的低沸点介质90的液体的温度T1的温度差ΔT不充分的情况。在该情况下，由中间热交换器70对从膨胀机20排出的低沸点介质90与从泵40排出的低沸点介质90进行的热交换反而会变得低效。

为此，双循环式发电装置1a构成为，比较由第1温度测定机构53测定的温度T1与由第2温度测定机构54测定的T2，在其差ΔT为规定值以下的情况下，使介质流路切换机构81～84切换成低沸点介质90不经过中间热交换器70而在旁通路径51、52流动。

通过形成这样的构成，能够减小热源温度变化或外气环境的影响。

附图标记说明

1、1a 双循环式发电装置

10 蒸发器

20 膨胀机

30 冷凝器

40 泵

50 循环路径

51、52 旁通路径

53 第1温度测定机构

54 第2温度测定机构

60 发电机

70 中间热交换器

81～84 介质流路切换机构

90 低沸点介质

100 热水

200 冷却水