本發(fā)明涉及利用溫泉水等低溫域熱源來(lái)進(jìn)行發(fā)電的雙循環(huán)式(Binary)發(fā)電裝置，特別是具備中間熱交換器的雙循環(huán)式發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

以往，已知有這樣的雙循環(huán)式發(fā)電裝置，其利用溫泉或工廠廢熱等低溫域(例如100℃～150℃)的熱源，經(jīng)由熱交換器將熱源的熱賦予給作為工作介質(zhì)的低沸點(diǎn)介質(zhì)而使其沸騰，通過(guò)其蒸氣壓力使渦輪旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行發(fā)電。但是，雙循環(huán)式發(fā)電在構(gòu)造上的能量效率差，為了制作少量的電而需要大量的熱源，存在難以確保該熱源這樣的問題。

為了消除該問題，例如提出了專利文獻(xiàn)1所記載的雙循環(huán)式發(fā)電裝置，用以改進(jìn)作為雙循環(huán)式發(fā)電系統(tǒng)整體的熱能利用效率，提高發(fā)電效率。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2014-177922號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

但是，在專利文獻(xiàn)1所記載的雙循環(huán)式發(fā)電裝置中，由于需要溫度不同的兩種熱源，故而裝置復(fù)雜，其結(jié)果導(dǎo)致裝置大型化，具有制造成本增大這樣的問題。

本發(fā)明鑒于上述課題，其目的在于提供小型且改進(jìn)了發(fā)電效率的雙循環(huán)式發(fā)電裝置。

用于解決課題的方案

根據(jù)本發(fā)明，上述課題通過(guò)以下方案得以解決。根據(jù)第1發(fā)明，提供雙循環(huán)式發(fā)電裝置。該雙循環(huán)式發(fā)電裝置具備：將低沸點(diǎn)介質(zhì)加熱而蒸氣化的蒸發(fā)器；能夠利用從蒸發(fā)器排出的上述低沸點(diǎn)介質(zhì)的蒸氣的膨脹進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的膨脹機(jī)；利用膨脹機(jī)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電機(jī)；使從膨脹機(jī)排出的上述低沸點(diǎn)介質(zhì)的蒸氣液化的冷凝器；用于使低沸點(diǎn)介質(zhì)循環(huán)的泵；包括蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器以及泵在內(nèi)的閉環(huán)狀的循環(huán)路徑；和在從膨脹機(jī)排出而流入冷凝器之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)的蒸氣與從泵排出而流入蒸發(fā)器之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)的液體之間進(jìn)行熱交換的中間熱交換器。

根據(jù)第2發(fā)明，在第1發(fā)明的基礎(chǔ)上，循環(huán)路徑具備不經(jīng)由中間熱交換器而將膨脹機(jī)與冷凝器之間以及泵與蒸發(fā)器之間分別連接的旁通路徑。雙循環(huán)式發(fā)電裝置還具備：對(duì)從泵排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)的液體的溫度T1進(jìn)行測(cè)定的第1溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)；對(duì)從膨脹機(jī)排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)的蒸氣的溫度T2進(jìn)行測(cè)定的第2溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)；和能夠在經(jīng)過(guò)中間熱交換器的第1路徑與不經(jīng)過(guò)中間熱交換器但經(jīng)過(guò)旁通路徑的第2路徑之間切換低沸點(diǎn)介質(zhì)的流路的介質(zhì)流路切換機(jī)構(gòu)。介質(zhì)流路切換機(jī)構(gòu)構(gòu)成為，在溫度T1與溫度T2的溫度差比預(yù)定的溫度差低的情況下，將低沸點(diǎn)介質(zhì)的流路從第1路徑切換到第2路徑。

根據(jù)第3發(fā)明，膨脹機(jī)是具備固定渦卷構(gòu)件和旋轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件的渦卷式膨脹機(jī)。通過(guò)使設(shè)在固定渦卷構(gòu)件以及旋轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件上的渦卷狀的固定渦卷齒以及旋轉(zhuǎn)渦卷齒相互嚙合而形成氣窩部，從該氣窩部的中心部導(dǎo)入低沸點(diǎn)介質(zhì)的蒸氣。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明的雙循環(huán)式發(fā)電裝置，由于能夠在對(duì)流入冷凝器之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)進(jìn)行冷卻的同時(shí)，對(duì)流入蒸發(fā)器之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)進(jìn)行加熱，所以，能夠提高冷凝以及蒸發(fā)效率，提高裝置整體的發(fā)電效率。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)雙循環(huán)式發(fā)電裝置的小型化，而且能夠削減制造成本。

附圖說(shuō)明

圖1是表示本發(fā)明所涉及的雙循環(huán)式發(fā)電裝置的一個(gè)實(shí)施方式的構(gòu)成的圖。

圖2是表示本發(fā)明所涉及的其他實(shí)施方式的雙循環(huán)式發(fā)電裝置的構(gòu)成的圖。

具體實(shí)施方式

以下，基于附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。雙循環(huán)式發(fā)電裝置1具備：蒸發(fā)器10、膨脹機(jī)20、發(fā)電機(jī)60、冷凝器30、泵40、單一的中間熱交換器70、包含這些部件的循環(huán)路徑50。蒸發(fā)器10將從熱能源(例如溫泉等)獲得的熱水100作為熱源加以利用，將液體的低沸點(diǎn)介質(zhì)90加熱成為蒸氣。膨脹機(jī)20使從蒸發(fā)器10排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣膨脹來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力。發(fā)電機(jī)60使用由膨脹機(jī)20得到的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力來(lái)進(jìn)行發(fā)電。冷凝器30將從膨脹機(jī)20以膨脹狀態(tài)排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣冷凝并使其液化。泵40使從冷凝器30排出的液化的低沸點(diǎn)介質(zhì)90循環(huán)。中間熱交換器70對(duì)從膨脹機(jī)20排出之后且流入冷凝器30之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)(蒸氣)90進(jìn)行冷卻。另外，中間熱交換器70對(duì)從泵40排出之后且流入蒸發(fā)器10之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)(液體)90進(jìn)行加熱。循環(huán)路徑50構(gòu)成為閉環(huán)狀，使得低沸點(diǎn)介質(zhì)90按照蒸發(fā)器10、膨脹機(jī)20、中間熱交換器70、冷凝器30以及泵40的順序流動(dòng)，再次經(jīng)由中間熱交換器70而返回到蒸發(fā)器10。

在圖1所示的雙循環(huán)式發(fā)電裝置1中，作為低沸點(diǎn)介質(zhì)90，例如可以使用HFC-245fa、HFC-134A等全球氣候變暖系數(shù)為零的以碳氟化合物為主體的惰性氣體、戊烷等碳?xì)浠衔铩⑺c氨的混合物質(zhì)等，特別優(yōu)選使用HFC-245fa作為低沸點(diǎn)介質(zhì)90。但是，低沸點(diǎn)介質(zhì)90并不限定于此。

蒸發(fā)器10通過(guò)在從熱能源獲得的熱水100與循環(huán)路徑50之間進(jìn)行熱交換，從而將低沸點(diǎn)介質(zhì)90加熱而蒸氣化。作為熱水100，例如可以使用溫泉水。另外，存在于溫泉水中的水垢會(huì)析出，為了防止水垢對(duì)雙循環(huán)式發(fā)電裝置1帶來(lái)不良影響，作為熱水100也可以使用通過(guò)與溫泉水進(jìn)行熱交換而被加熱的淡水。

從蒸發(fā)器10排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣經(jīng)過(guò)循環(huán)路徑50流入膨脹機(jī)20。

作為膨脹機(jī)20，例如可以使用容積型膨脹機(jī)。作為容積型膨脹機(jī)的例子，列舉有渦卷式膨脹機(jī)、螺旋式膨脹機(jī)、克勞德膨脹機(jī)、往復(fù)式膨脹機(jī)、羅茨膨脹機(jī)等。作為容積型膨脹機(jī)，例如優(yōu)選使用公知文獻(xiàn)的日本特開2012-007518號(hào)公報(bào)所記載的具備固定渦卷構(gòu)件及旋轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件的渦卷式膨脹機(jī)。但是，容積型膨脹機(jī)并不限定于此。膨脹機(jī)20將流入膨脹機(jī)20的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣的膨脹力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使發(fā)電機(jī)60旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行發(fā)電。

在使用渦卷式膨脹機(jī)的情況下，通過(guò)使旋轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件所設(shè)置的渦卷狀的旋轉(zhuǎn)渦卷齒以及固定渦卷構(gòu)件所設(shè)置的渦卷狀的固定渦卷齒相互嚙合而形成氣窩部，在該氣窩部中，高壓的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣從固定渦卷構(gòu)件的中心部被導(dǎo)入。利用該蒸氣膨脹時(shí)的能量使旋轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)力傳遞至安裝在膨脹機(jī)的軸上的發(fā)電機(jī)60，進(jìn)行發(fā)電。通過(guò)使用這樣的渦卷式膨脹機(jī)，靜音性提高，另外與渦輪型膨脹機(jī)相比，能夠以小規(guī)模的設(shè)備且小的動(dòng)力來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

接著，從膨脹機(jī)20排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣經(jīng)過(guò)循環(huán)路徑50，被導(dǎo)入在后詳述的中間熱交換器70，由中間熱交換器70冷卻。

冷凝器30通過(guò)將由膨脹機(jī)20膨脹之后由中間熱交換器70冷卻的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣與從冷能源獲得的冷卻水200進(jìn)行熱交換，進(jìn)一步冷卻而液化。在此，作為冷卻水200，例如使用地下水等。

由冷凝器30冷卻的低沸點(diǎn)介質(zhì)90被液化而流入泵40。經(jīng)過(guò)冷凝器30之后的低沸點(diǎn)介質(zhì)90有時(shí)未完全液化，而是一部分以蒸氣狀態(tài)存在。此時(shí)，也可以在泵40的上游設(shè)置接收器(未圖示)來(lái)存儲(chǔ)低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體，防止蒸氣流入到泵40內(nèi)。

中間熱交換器70在從膨脹機(jī)20排出而流入冷凝器30之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣與從泵40排出而流入蒸發(fā)器10之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體之間進(jìn)行熱交換。這樣，通過(guò)中間熱交換器70，從膨脹機(jī)20排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣由從泵40排出而流入蒸發(fā)器10之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體冷卻，另外從泵40排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體由從膨脹機(jī)20排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣加熱。

作為該中間熱交換器70，可以使用公知的熱交換器，優(yōu)選使用板式熱交換器。

板式熱交換器通過(guò)以下方式制造：例如將不銹鋼或鈦等耐腐蝕性金屬的薄板沖壓加工出凸凹的波形圖案，以合成橡膠的墊圈將其周邊密封而形成傳熱板，將這樣形成的多個(gè)傳熱板相對(duì)于導(dǎo)桿垂直地安裝于導(dǎo)桿，將鋼板制的固定框架重疊在移動(dòng)框架之間，由螺栓進(jìn)行緊固。在形成于各板間的流路流動(dòng)的從膨脹機(jī)20排出的高溫的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣與從泵40排出之后且流入蒸發(fā)器10之前的低溫的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體之間，進(jìn)行熱交換。

根據(jù)這樣的構(gòu)成，從膨脹機(jī)20排出之后且流入冷凝器30之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣，由中間熱交換器70冷卻到剛要液化之前的溫度。由此，能夠使得冷凝器30的效率理想化。同時(shí)，從泵40排出而流入蒸發(fā)器10之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體的溫度被加熱到剛要?dú)饣暗臏囟取Ｒ虼?，能夠使得雙循環(huán)式發(fā)電裝置1整體的熱源利用效率理想化。

若從泵40排出之后且流入蒸發(fā)器10之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90，由中間熱交換器70加熱到低沸點(diǎn)介質(zhì)90所固有的剛要?dú)饣暗臏囟?，則蒸發(fā)器10的效率最大化，能夠使發(fā)電效率理想化。

另外，由于僅具備單一的中間熱交換器70就能夠充分地提高發(fā)電效率，所以能夠?qū)崿F(xiàn)雙循環(huán)式發(fā)電裝置1的小型化。其結(jié)果，溫泉設(shè)施用地內(nèi)等比較狹窄的空間，也能夠容易設(shè)置雙循環(huán)式發(fā)電裝置1。另外，可防止雙循環(huán)式發(fā)電裝置1的構(gòu)成變復(fù)雜，能夠抑制制造成本。

圖2是表示作為本發(fā)明的其他實(shí)施方式的雙循環(huán)式發(fā)電裝置1a的構(gòu)成的模式圖。在該實(shí)施方式中，對(duì)于具有與上述實(shí)施方式相同功能的要素標(biāo)注與上述實(shí)施方式使用的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記，省略其說(shuō)明。

在圖2中，雙循環(huán)式發(fā)電裝置1a的循環(huán)路徑50具備旁通路徑51和旁通路徑52。旁通路徑51不經(jīng)由中間熱交換器70地將膨脹機(jī)20與冷凝器30之間連接。旁通路徑52不經(jīng)由中間熱交換器70地將泵40與蒸發(fā)器10之間連接。

雙循環(huán)式發(fā)電裝置1a還具備介質(zhì)流入流路切換機(jī)構(gòu)81～84。介質(zhì)流入流路切換機(jī)構(gòu)81、82分別設(shè)置在旁通路徑51的兩端部。循環(huán)路徑50具備從介質(zhì)流路切換機(jī)構(gòu)81經(jīng)過(guò)中間熱交換器70到達(dá)介質(zhì)流路切換機(jī)構(gòu)82的分支路徑。介質(zhì)流入流路切換機(jī)構(gòu)83、84分別設(shè)置在旁通路徑52的兩端部。循環(huán)路徑50具備從介質(zhì)流路切換機(jī)構(gòu)83經(jīng)過(guò)中間熱交換器70到達(dá)介質(zhì)流路切換機(jī)構(gòu)84的分支路徑。介質(zhì)流入流路切換機(jī)構(gòu)81、82能夠在經(jīng)過(guò)中間熱交換器70的第1路徑(不經(jīng)過(guò)旁通路徑51的路徑)與將中間熱交換器70繞過(guò)的第2路徑(經(jīng)過(guò)旁通路徑51的路徑)之間切換低沸點(diǎn)介質(zhì)90的流路。同樣，介質(zhì)流入流路切換機(jī)構(gòu)83、84能夠在經(jīng)過(guò)中間熱交換器70的第1路徑(不經(jīng)過(guò)旁通路徑52的路徑)與將中間熱交換器70繞過(guò)的第2路徑(經(jīng)過(guò)旁通路徑52的路徑)之間切換低沸點(diǎn)介質(zhì)90的流路。

雙循環(huán)式發(fā)電裝置1a還具備第1溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)53和第2溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)54。第1溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)53對(duì)從泵40排出之后且低沸點(diǎn)介質(zhì)90的流路分支到中間熱交換器70側(cè)之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體的溫度T1進(jìn)行測(cè)定。第2溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)54對(duì)從膨脹機(jī)20排出之后且低沸點(diǎn)介質(zhì)90的流路分支到中間熱交換器70側(cè)之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的蒸氣的溫度T2進(jìn)行測(cè)定。

通常，從泵40排出之后且低沸點(diǎn)介質(zhì)90的流路分支之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體的溫度T1，比從膨脹機(jī)20排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的溫度T2充分低。但是，根據(jù)熱能源的源泉溫度變化、外氣狀況，會(huì)存在從膨脹機(jī)20排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的溫度T2與從泵40排出之后且低沸點(diǎn)介質(zhì)90的流路分支之前的低沸點(diǎn)介質(zhì)90的液體的溫度T1的溫度差ΔT不充分的情況。在該情況下，由中間熱交換器70對(duì)從膨脹機(jī)20排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90與從泵40排出的低沸點(diǎn)介質(zhì)90進(jìn)行的熱交換反而會(huì)變得低效。

為此，雙循環(huán)式發(fā)電裝置1a構(gòu)成為，比較由第1溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)53測(cè)定的溫度T1與由第2溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)54測(cè)定的T2，在其差ΔT為規(guī)定值以下的情況下，使介質(zhì)流路切換機(jī)構(gòu)81～84切換成低沸點(diǎn)介質(zhì)90不經(jīng)過(guò)中間熱交換器70而在旁通路徑51、52流動(dòng)。

通過(guò)形成這樣的構(gòu)成，能夠減小熱源溫度變化或外氣環(huán)境的影響。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1、1a 雙循環(huán)式發(fā)電裝置

10 蒸發(fā)器

20 膨脹機(jī)

30 冷凝器

40 泵

50 循環(huán)路徑

51、52 旁通路徑

53 第1溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)

54 第2溫度測(cè)定機(jī)構(gòu)

60 發(fā)電機(jī)

70 中間熱交換器

81～84 介質(zhì)流路切換機(jī)構(gòu)

90 低沸點(diǎn)介質(zhì)

100 熱水

200 冷卻水