蒸気発生器、及び排熱発電装置
【課題】 蒸気発生器、予熱器、熱回収器の各機器を一体として構成することで、装置の小型化及び低廉化を図ることができる蒸気発生器、及び蒸気発生器を用いた排熱発電装置を提供すること。
【解決手段】 一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、熱交換器を予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２に区分し、該予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２のそれぞれの加熱側の板間流体流路４１、４１、…には排熱源からの排熱媒体１０１を流すと共に、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…には作動媒体２１を順に流し加熱・蒸発させるように蒸気発生器４０を構成した。
【解決手段】 一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、熱交換器を予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２に区分し、該予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２のそれぞれの加熱側の板間流体流路４１、４１、…には排熱源からの排熱媒体１０１を流すと共に、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…には作動媒体２１を順に流し加熱・蒸発させるように蒸気発生器４０を構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱を熱源とし高圧作動媒体蒸気を発生する蒸気発生器、及び蒸気発生器に本発明に係る蒸気発生器を用いた排熱発電装置に関し、特に蒸気発生器のコンパクト化を図ることで、装置の小型化及び低廉化に寄与できる蒸気発生器、及び排熱発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に排熱発電装置は、排熱を回収して作動媒体の高圧蒸気を発生する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させるタービンと、該タービンで駆動される発電機、該タービンからの低圧蒸気を凝縮する凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプを備えて構成されている。
【０００３】
上記排熱発電装置の蒸気発生器内部では、加熱側に排熱源からの排熱媒体を流し、被加熱側には作動媒体を流して、作動媒体の蒸気が発生するので、作動媒体の流路は蒸気の流速を考慮した流路断面積としている。蒸気と液とでは比容積が大きく異なるから、作動媒体蒸気の流速に比べて作動媒体液の流速は非常に遅くなるという傾向がある。
【０００４】
蒸気発生器の作動媒体の伝熱は、気泡が発生し沸騰している部分と、沸騰していない部分とでは非常に異なり、作動媒体の流速が０．１ｍ／ｓｅｃ以下で殆ど静止している状態では、沸騰している部分と、沸騰していない部分との伝熱係数比は１００：１程度になることもある。このような状態では蒸気発生器の沸騰していない部分の面積が非常に大きくなるという問題がある。
【０００５】
図１は上記問題を解決するために提案された発電装置の一構成例である。発電装置１０は、蒸気発生器１１、凝縮器１２、膨張機として蒸気タービン１３、作動媒体循環ポンプ１４、バルブ１５、これらを結ぶ配管経路１６、該配管経路１６に封入した作動媒体２１、及び蒸気タービン１３により駆動される発電機１７を具備する構成である。作動媒体循環ポンプ１４から蒸気発生器１１までの配管経路１６中に、予熱器１８を設けている。蒸気発生器１１及び予熱器１８に供給する加熱熱媒としてはここでは排熱媒体１０１を用いている。また、凝縮器１２に供給される冷却媒体としてここでは冷却水１０２を用いている。
【０００６】
作動媒体循環ポンプ１４で作動媒体（液）２１を予熱器１８に送り、該予熱器１８で作動媒体（液）２１と排熱媒体１０１の間で熱交換が行われ、作動媒体（液）２１は蒸気発生器１１の内圧に対し、過熱状態或いは飽和温度に近い状態まで加熱される。加熱された作動媒体（液）２１は蒸気発生器１１に入り直に沸騰を開始、発生した作動媒体（蒸気）２１’はバルブ１５を通って蒸気タービン１３に送られ、該蒸気タービン１３により発電機１７は駆動され発電する。蒸気タービン１３を出た蒸気は凝縮器１２に送られ、該凝縮器１２で作動媒体蒸気と冷却水１０２の間で熱交換が行われ、作動媒体（蒸気）２１’は冷却され凝縮する。凝縮した作動媒体（液）２１は作動媒体循環ポンプ１４に吸収されてクローズドシステムを一巡する。
【０００７】
上記のように、図１に示す構成の発電装置１０では、凝縮器１２から蒸気発生器１１に送られる低温度の作動媒体２１を予熱器１８で蒸気発生器１１内の作動媒体温度（蒸発温度）に近づけ、或いは超えてから導入することで、それぞれに最適な伝熱条件を整え、前記した蒸気発生器１１の小型化ができるようにしている。
【０００８】
また、蒸気発生器１１を小型化しようとすると、蒸気発生器１１の圧力損失が大きくなり、蒸気発生器１１出口の作動媒体（蒸気）２１’に含まれる液滴を分離しても、蒸気発生器１１に戻すことが難しくなる場合がある。この分離した液滴を、低圧部である凝縮器に戻したりすると、その保有する熱が凝縮器１２に逃げてしまうため、効率が低下する。
【０００９】
図２は上記問題を解決するために提案された発電装置の一構成例である。本発電装置は蒸発発生器１１、蒸気タービン１３、凝縮器１２、バッファタンク３３、作動媒体循環ポンプ１４を備え、これらの機器を配管経路１６で接続して構成されている。そして蒸気発生器１１と蒸気タービン１３の間に気液分離器２０が配置され、該気液分離器２０の分離液２１”を配管３０及び熱交換器（熱回収器）３１を通して凝縮器１２に導く。そして該熱交換器３１で該分離液２１”と作動媒体循環ポンプ１４で蒸気発生器１１に送る作動媒体との間で熱交換を行なう。更に配管３０の熱交換器３１と凝縮器１２との間に流量制御手段としてオリフィス３２を設けている。なお、図中、３４は三方弁、３５は逆止弁、１８は予熱器である。
【００１０】
予熱器１８では排熱源からの排熱媒体（例えば温水）１０１と作動媒体循環ポンプ１４により送られてきた作動媒体（液）２１との間で熱交換が行われ、該作動媒体２１は加熱され蒸気発生器１１に入る。該蒸気発生器１１でこの加熱された作動媒体２１と排熱媒体１０１との間で熱交換が行われ、作動媒体２１は高圧の作動媒体蒸気２１’となる。この高圧の作動媒体（蒸気）２１’は蒸気タービン１３に供給され、該蒸気タービン１３を駆動し低圧となった作動媒体蒸気２１’は凝縮器１２で外部冷媒（例えば冷却水）で冷却され凝縮し作動媒体（液）となる。該凝縮した作動媒体（液）２１はバッファタンク３３に収容され、作動媒体循環ポンプ１４で蒸気発生器１１に送られる。気液分離器２０で分離された分離液（作動媒体液）２１”は熱交換器３１で作動媒体循環ポンプ１４により蒸気発生器１１に送られてきた作動媒体（液）２１との間で熱交換され、冷却熱されて凝縮器１２に送られる。このように気液分離器２０で分離した作動媒体液を配管３０を通して凝縮器１２に導くとともに、熱交換器３１で熱回収を行うので、発電装置の効率を低下させることなく、蒸気発生器１１をコンパクトにできる。
【特許文献１】特開２０００−１７１１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
発電装置を図１及び図２に示すように構成することにより、発電装置の小型化が可能となるが、それでも、蒸気発生器、予熱器、熱回収器の各機器を接続する配管等があり、これが発電装置のさらなる小型化の障害になると同時に、組立に要する工数が多くなるという問題があった。
【００１２】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものてで、蒸気発生器、予熱器、熱回収器の各機器を一体として構成することで、装置の小型化及び低廉化を図ることができる蒸気発生器、及び蒸気発生器を用いた排熱発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、前記熱交換器を予熱部と蒸発伝熱部に区分し、該予熱部と蒸発伝熱部のそれぞれの加熱側には排熱源からの排熱媒体を流すと共に、前記予熱部と前記蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流し加熱・蒸発させるように構成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、前記熱交換器を熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部に区分し、前記熱回収部の加熱側には前記蒸発伝熱部で発生した作動媒体蒸気を気液分離器に導き分離した作動媒体液を流すと共に、前記予熱部と蒸発伝熱部の加熱側には排熱源からの排熱媒体を流し、前記熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流し加熱・発生させるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、
前記予熱部の流路断面積は、前記蒸発伝熱部の流路断面積に比べて小さくし、該予熱部の作動媒体の流速が該蒸発伝熱部の作動媒体の流速より速くなるように構成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、前記予熱部と蒸発伝熱部の間の作動媒体流路に作動媒体の流量を制限する流量制限手段を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、前記熱交換器を熱回収部と蒸発伝熱部に区分し、前記熱回収部の加熱側には前記蒸発伝熱部で発生した作動媒体蒸気を気液分離器に導き分離した作動媒体液を流すと共に、前記蒸発伝熱部の加熱側には排熱源からの排熱媒体を流し、前記熱回収部と蒸発伝熱部の被加熱側に作動媒体を順に流し加熱・蒸発させるように構成したことを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、前記各部の間には、断熱層を設けたことを特徴とする。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、排熱を回収して作動媒体の高圧蒸気を発生する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させるタービンと、該タービンからの低圧蒸気を凝縮する凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプを備え、これらの機器を配管で接続し、更に前記タービンで駆動させる発電機を備えた排熱発電装置において、前記蒸気発生器に請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蒸気発生器を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、一つのプレート式の熱交換器を予熱部と蒸発伝熱部に区分し、該予熱部と蒸発伝熱部の加熱側には排熱媒体を、予熱部と蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流すように構成したので、一つのプレート式の熱交換器で、予熱器を含む蒸気発生器ができ装置のコンパクト化が可能となると同時に、予熱器と蒸気発生器を接続する配管等が省略でき装置が簡素化されると共に装置の組立が容易となる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、一つのプレート式の熱交換器を熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部に区分し、熱回収部の加熱側には気液分離器で分離した作動媒体液を流すと共に、予熱部と蒸発伝熱部の加熱側には排熱媒体を流し、熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流すように構成したので、一つのプレート式の熱交換器で、熱回収器と予熱器を含む蒸気発生器ができ装置のコンパクト化が可能となると同時に、熱回収器、予熱器、蒸気発生器を接続する配管等が省略でき装置が簡素化されると共に装置の組立が容易となる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、予熱部の流路断面積を蒸発伝熱部の流路断面積より小さくし、予熱部の作動媒体の流速が蒸発伝熱部の作動媒体の流速より速くなるように構成したので、これにより予熱部では伝熱を改善されると共に、蒸発伝熱部では蒸気の流動する空間を確保し、圧力損失を抑えることが可能となる。また、このように構成することにより、作動媒体を沸点以上（若しくは沸点近く）まで予熱することと、作動媒体を沸騰させることと、場合によっては作動媒体を過熱させることをコンパクトな１台のプレート式の熱交換器で行うことができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、予熱部と蒸発伝熱部の間の作動媒体流路に作動媒体の流量を制限する流量制限手段を設けたので、予熱部内の作動媒体圧力が作動媒体の飽和圧力を上回らないようにすることができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、一つのプレート式の熱交換器を熱回収部と蒸発伝熱部に区分し、熱回収部の加熱側には気液分離器で分離した作動媒体液を流すと共に、蒸発伝熱部と熱回収部の被加熱側に作動媒体を順に流すように構成したので、一つのプレート式の熱交換器で、熱回収器を含む蒸気発生器ができ装置のコンパクト化が可能となると同時に、予熱器と蒸気発生器を接続する配管等が省略でき装置を簡素化させると共に装置の組立が容易となる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、熱回収部、予熱部、蒸発伝熱部の各部の間には、断熱層を設けたので、各部間での熱授受による熱損失を防止し、熱効率を向上させることができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、排熱発電装置の蒸気発生器に、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蒸気発生器を用いたので、熱回収器、予熱器を別途設ける必要がなく、装置が全体が小型化できると共に、組立が容易になり、装置の低廉化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る蒸気発生器の概略構成と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。本蒸気発生器４０は後に詳述する構成のプレート式の熱交換器であり、該熱交換器は顕熱熱交換を行なう予熱部４０−１と、蒸発熱交換を行なう蒸発伝熱部４０−２とに分け、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間に断熱部４０−３を設けて構成している。蒸気発生器４０は後に詳述するように多数の板材を積層した構造で、板材と板材の間に流体（熱媒体や作動媒体）が流れる板間流体流路４１、４２が形成されている。
【００２８】
予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２には作動媒体２１が流れる板間流体流路４２、４２、…（被加熱側）と、排熱源からの排熱媒体１０１が流れる板間流体流路４１、４１、…（加熱側）とが設けられている。予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…に排熱源からの排熱媒体１０１を図の上方から下方に流し、作動媒体２１を予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…に上方から下方に流し、該板間流体流路４２、４２、…を通った作動媒体２１を更に蒸発伝熱部４０−２の板間流体流路４２、４２、…の下方から上方に流している。ここで、予熱部４０−１の板材の積層枚数を蒸発伝熱部４０−２よりも小さくなるように設計している。これにより、予熱部４０−１では作動媒体２１の流速が大きくなって伝熱を改善すると共に、蒸発伝熱部４０−２では蒸気の流動する空間を確保し、圧力損失を抑えることが可能となる。
【００２９】
このようにすると、作動媒体２１を沸点以上（若しくは沸点近く）まで予熱することと、作動媒体２１を沸騰させることと、場合によっては作動媒体２１を過熱させることをコンパクトなプレート式の熱交換器１台で行なうことができ、排熱発電装置の構成機器と連絡配管を大幅に削減し、装置のコンパクト化と低廉化に大きく寄与する。なお、断熱部４０−３は、後に詳述するように、板材を積層する際に、加熱側被加熱側どちらの板間流体流路からも閉塞された部分を設け、断熱の機能を設けたものである。
【００３０】
上記構成の蒸気発生器において、作動媒体循環ポンプ１４（図１参照）で送り込まれた凝縮器１２からの低温の作動媒体２１は、先ず予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…を上方から下方に流れ、ここで加熱側の板間流体流路４１、４１、…を流れる排熱媒体１０１の間で熱交換が行なわれ蒸発伝熱部４０−２内の蒸気発生温度近くまで加熱される。その後、蒸発伝熱部４０−２内の板間流体流路４２、４２、…を下方から上方に流れ、加熱され気化して蒸気となる。
【００３１】
この場合、蒸発伝熱部４０−２は向流の熱交換器（蒸気発生部）相当となり、出口での蒸気の過熱度を高くとることができると同時に、予熱部４０−１では、併流の熱交換器（予熱器）相当となるので、作動媒体２１が加熱され過ぎて予熱部４０−１で気化することが少なくなる。なお、予熱部４０−１で作動媒体２１が多く気化すると、予熱部４０−１内の圧力損失が大きくなったり、予熱部４０−１内で偏流が生じる原因となったりする場合があるので好ましくない。
【００３２】
図４は本発明に係る他の蒸気発生器の概略構成と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。図示するように、本蒸気発生器４０では、排熱源からの排熱媒体１０１を図３とは逆にしている。即ち、排熱源からの排熱媒体１０１の流れを蒸発伝熱部４０−２と予熱部４０−１の加熱側の板間流体流路４１、４１、…を下から上方に流れている。そして作動媒体循環ポンプ１４（図１参照）で送り込まれた凝縮器１２からの低温の作動媒体２１は、図３の場合と同様に、先ず予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２、４２を上方から下方に流れ、ここで蒸発伝熱部４０−２内の蒸気発生温度近くまで加熱され、その後、蒸発伝熱部４０−２内の板間流体流路４２、４２、…を下方から上方に流れ、加熱され気化して蒸気となる。
【００３３】
上記のように構成することにより、予熱部４０−１が向流相当となり、蒸発伝熱部４０−２は併流となるので、予熱部４０−１の温度効率が改善して作動媒体２１を高い温度まで予熱することができると共に、蒸発伝熱部４０−２も作動媒体循環側の下部で特に蒸発が盛んになって蒸発伝熱部４０−２内の蒸気流動が良くなる。
【００３４】
なお、上記のように、予熱部４０−１で作動媒体２１が気化すると偏流を生じる可能性があるので、必要があれば作動媒体循環側の蒸発伝熱部４０−２と予熱部４０−１の間の作動媒体流路に流量制御手段としてオリフィス４３を設け、圧力損失を生じさせ、予熱部４０−１の作動媒体圧力が作動媒体の飽和圧力を下回らないようにしている。なお、特に図示しないが、蒸発伝熱部４０−２と予熱部４０−１の間の作動媒体流路に設けたオリフィス４３に代えて、蒸発伝熱部４０−２の板間流体流路４２、４２、…の各々の入口部分に、オリフィスやその他の流量を制限する構造を設けることとしても良い。
【００３５】
図５は本発明に係る他の蒸気発生器の概略構成と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。図示するように、本蒸気発生器４０は、プレート式の熱交換器を予熱部４０−１と、蒸発伝熱部４０−２と、熱回収部４０−４（図２の熱交換器（熱回収器）３１に相当）に区分して構成されている。
【００３６】
熱回収部４０−４の加熱側の板間流体流路４１、４１に気液分離器２０（図２参照）で気液分離された分離液（作動媒体（液））２１”を上方から下方に流し、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…に排熱源からの排熱媒体１０１を上方から下方に流している。そして熱回収部４０−４の被加熱側の板間流体流路４２、４２に凝縮器１２からの作動媒体（液）２１（図２参照）を下方から上方に流し、作動媒体（分離液）２１”の熱を回収し加熱された作動媒体２１を予熱部４０−１の板間流体流路４２、４２に上方から下方に流して加熱し、更に蒸発伝熱部４０−２の板間流体流路４２、４２、…に下方から上方に流し、加熱気化している。
【００３７】
上記構成の蒸気発生器４０では、排熱源からの排熱媒体１０１は予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…を平行して流れており、熱回収部４０−４では気液分離器２０で分離された分離液（作動媒体（液））２１”が加熱側を流れている。そして熱回収部４０−４に供給される低温の作動媒体（液）２１は、該熱回収部４０−４で加熱された後、予熱部４０−１で加熱され、更に蒸発伝熱部４０−２で加熱・気化する。熱回収部４０−４で低温の作動媒体（液）２１に熱を回収されて冷却した分離液（作動媒体（液））２１”は凝縮器１２（図２参照）へと送られる。
【００３８】
なお、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間にはガス抜きオリフィス４４が設けられている。このガス抜きオリフィス４４は、何らかの理由で予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間の折り返し部に、不凝縮ガスが入り込んだとき、これを排出するためのもので、極小径の穴を有するオリフィスである。
【００３９】
図６は本発明に係る他の蒸気発生器の概略構成と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。図示するように、本蒸気発生器４０はプレート式の熱交換器を熱回収部４０−４と蒸発伝熱部４０−２に区分し、予熱部は設けていない。そして熱回収部４０−４の加熱側の板間流体流路４１、４１に気液分離器２０で気液分離された分離液（作動媒体（液））２１”を下方から上方に流し、蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…に排熱源からの排熱媒体１０１を上方から下方に流している。そして熱回収部４０−４の被加熱側の板間流体流路４２、４２に凝縮器１２からの作動媒体（液）２１（図２参照）を上方から下方に流し、分離液（作動媒体（液））２１”の熱を回収し加熱された作動媒体２１を蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…に下方から上方に流し、加熱・気化している。
【００４０】
上記のように予熱部を省略しても、排熱源の排熱媒体１０１の温度が十分に高い場合や、作動媒体２１の熱伝達率が比較的良い媒体では、このような構成にしてもよい。
【００４１】
図７〜図９は図３に示す蒸気発生器４０の具体的構成例を示す図で、図７は蒸気発生器４０の縦断面図、図８は蒸気発生器４０の一部（板材積層体の一部）断面図、図９は蒸気発生器４０の概略斜視図である。図７〜図９に示すように、両端部近傍を残して断面形状を波形にし、且つ、角部に排熱媒体１０１が流入する排熱媒体流入口４６、作動媒体２１が流入する作動媒体流入口４７、排熱媒体１０１が流出する排熱媒体流出口４８、作動媒体２１が流出する作動媒体流出口４９が設けられている。ここで板間流体流路４１や板間流体流路４２を形成する板材４５は、図８に示すように波形の峰部どうしを対向接触させる状態で多数積層している。
【００４２】
この板材積層体における板材積層方向の一端側寄りの部分は、予熱部４０−１となっており、他端側寄りの部分は蒸発伝熱部４０−２となっている。排熱媒体流入口４６は板材積層体の予熱部４０−１から蒸発伝熱部４０−２に渡って設けた流路（孔）５０に連通し、該流路５０に予熱部４０−１及び蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４２、４２、…が連通しており、該板間流体流路４２、４２、…は予熱部４０−１から蒸発伝熱部４０−２に渡って設けた流路（孔）５１に連通しており、該流路５１は排熱媒体流出口４８に連通している。
【００４３】
作動媒体流入口４７は板材積層体の予熱部４０−１に設けた流路（孔）５２に連通しており、該流路５２は予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２に連通しており、該板間流体流路４２は板材積層体の予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２を接続する流路（孔）５３に連通しており、該流路５３は蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２に連通し、該板間流体流路４２は、板材積層体の蒸発伝熱部４０−２に設けた流路（孔）５４に連通し、流路５４は作動媒体流出口４９に連通している。
【００４４】
予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間に介在する断熱部４０−３は対向する２枚の板材４５に囲まれた空間であり、該空間は加熱側被加熱側どちらの板間流体流路４１、４２からも閉塞された空間で、内部を真空にしている。これにより該空間は真空断熱層となっている。なお、該空間に断熱材を充填して断熱層としてもよい。このように断熱部４０−３を設けることにより、予熱部４０−１と蒸気伝熱部４０−２との間での熱授受による熱損失を防止できる。
【００４５】
上記構成の蒸気発生器４０において、排熱媒体流入口４６から流入する排熱源からの排熱媒体１０１は流路５０に流入し、ここから予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…を通って流れ、流路５１を通って排熱媒体流出口４８から蒸気発生器４０の外に流出する。作動媒体流入口４７から流入する作動媒体２１は流路５２に流入し、ここから予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…を通って板間流体流路４１、４１、…内を通る排熱媒体１０１と併流し、熱交換が行なわれる。加熱された作動媒体２１は流路５３を通って、蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…を通って板間流体流路４１、４１、…内を通る排熱媒体１０１と向流し、熱交換が行なわれ、加熱されて気化される。該気化した作動媒体（蒸気）２１’は流路５４を通って、作動媒体流出口４９から蒸気発生器４０の外に流出する。
【００４６】
図示は省略するが、図４に示す蒸気発生器４０は、図７〜図９において、排熱媒体流出口４８を作動媒体流入口とし、作動媒体流入口４７は排熱媒体流出口とし、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間に流路５３に流路断面を小さくしたオリフィス４３を設けることにより実現できる。また、オリフィス４３に代えて、流路（孔）５３から、蒸発伝熱部４０−２の各板間流体流路４２、４２、…に作動媒体が流れ込む部分にオリフィスもしくは流量を制限する構造を設けることとしても、同等の効果が生じせしめることができる。
【００４７】
図１０は図５に示す蒸気発生器４０の具体的構成例を示す縦断面図である。図示するように、板材積層体からなるプレート式の熱交換器を断熱部４０−３、４０−３を介在させて熱回収部４０−４と予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２区分している。そして排熱媒体１０１が流入する排熱媒体流入口４６、作動媒体２１が流入する作動媒体流入口４７、排熱媒体１０１が流出する排熱媒体流出口４８、作動媒体２１が流出する作動媒体流出口４９が設けられている。更に気液分離器２０の分離液２１”（図２参照）が流入する分離液流入口５５、分離液２１”が流出する分離液流出口５６が設けられている。
【００４８】
作動媒体流入口４７は板材積層体の熱回収部４０−４に設けた流路（孔）５８に連通している。該流路５８には熱回収部４０−４の被加熱側の板間流体流路４２、４２に連通しており、該板間流体流路４２、４２は板材積層体の熱回収部４０−４の流路（孔）６０に連通し、該流路６０は板材積層体の予熱部４０−１の流路５２に連通している。該流路５２は予熱部４０−１の板間流路４２、４２に連通し、更に板間流路４２、４２は予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２を接続する流路５３に連通している。該流路５３は蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２に連通し、該板間流体流路４２は、板材積層体の蒸発伝熱部４０−２に設けた流路５４に連通し、流路５４は作動媒体流出口４９に連通している。
【００４９】
分離液流入口５５は板材積層体の熱回収部４０−４に設けた流路（孔）５７に連通しており、該流路５７は熱回収部４０−４の加熱側の板間流体流路４１に連通しており、該板間流体流路４１は熱回収部４０−４に設けた流路（孔）５９に介して分離液流出口５６に連通している。
【００５０】
上記構成の蒸気発生器４０において、排熱媒体流入口４６から流入する排熱源からの排熱媒体１０１は流路５０に流入し、ここから熱回収部４０−４と予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…を通って流れ、流路５１を通って排熱媒体流出口４８から蒸気発生器４０の外に流出する。作動媒体流入口４７から流入する作動媒体２１は流路５８に流入し、ここから熱回収部４０−４の被加熱側の板間流体流路４２を通って流れ、ここで板間流体流路４１、４１を通る分離液２１”の熱を回収し加熱され、熱回収部４０−４の流路（孔）６０を通って予熱部４０−１の流路５２に流入する。
【００５１】
上記流路５２に流入した作動媒体２１は、予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２を通って板間流体流路４１、４１、…内を通る排熱媒体１０１と併流し、熱交換が行なわれ加熱される。加熱された作動媒体２１は流路５３を通って、蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…を通って板間流体流路４１、４１、…内を通る排熱媒体１０１と向流し、熱交換が行なわれ、加熱されて気化される。該気化した作動媒体（蒸気）２１’は流路５４を通って、作動媒体流出口４９から蒸気発生器４０の外に流出する。
【００５２】
図示は省略するが、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間に流路５３の流路断面を小さくしたオリフィス４３（図５参照）を設けている。また、同じく図示は省略するが予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間にはガス抜きオリフィス４４（図５参照）が設けている。なお、図６に示す蒸気発生器は、図示は省略するが、図１０に示す蒸気発生器において、予熱部４０−１を省略した形態で実現することができる。また、オリフィス４３に代えて、流路（孔）５３から、蒸発伝熱部４０−２の各板間流体流路４２、４２、…に作動媒体が流れ込む部分にオリフィスもしくは流量を制限する構造を設けることとしても、同等の効果を生じせしめることができる。
【００５３】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】排熱発電装置の構成例を示す図である。
【図２】排熱発電装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る蒸気発生器の概略構成例と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。
【図４】本発明に係る蒸気発生器の概略構成例と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。
【図５】本発明に係る蒸気発生器の概略構成例と排熱媒体、作動媒体及び分離液の流れを示す図である。
【図６】本発明に係る蒸気発生器の概略構成例と排熱媒体、作動媒体及び分離液の流れを示す図である。
【図７】本発明に係る蒸気発生器の具体的構成例を示す縦断面図である。
【図８】本発明に係る蒸気発生器の板材積層体の一部面図である。
【図９】本発明に係る蒸気発生器の概略斜視図である。
【図１０】本発明に係る蒸気発生器の具体的構成例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 発電装置
１１ 蒸気発生器
１２ 凝縮器
１３ 蒸気タービン
１４ 作動媒体循環ポンプ
１５ バルブ
１６ 配管経路
１７ 発電機
１８ 予熱器
２０ 気液分離器
２１ 作動媒体
２１” 分離液
３０ 配管
３１ 熱交換器（熱回収器）
３２ オリフィス
３３ バッファタンク
３４ 三方弁
３５ 逆止弁
４０ 蒸気発生器
４１ 板間流体流路
４２ 板間流体流路
４３ オリフィス
４４ ガス抜きオリフィス
４５ 板材
４６ 排熱媒体流入口
４７ 作動媒体流入口
４８ 排熱媒体流出口
４９ 作動媒体流出口
５０ 流路（孔）
５１ 流路（孔）
５２ 流路（孔）
５３ 流路（孔）
５４ 流路（孔）
５５ 分離液流入口
５６ 分離液流出口
５７ 流路（孔）
５８ 流路（孔）
５９ 流路（孔）
６０ 流路（孔）
１０１ 排熱媒体
１０２ 冷却水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱を熱源とし高圧作動媒体蒸気を発生する蒸気発生器、及び蒸気発生器に本発明に係る蒸気発生器を用いた排熱発電装置に関し、特に蒸気発生器のコンパクト化を図ることで、装置の小型化及び低廉化に寄与できる蒸気発生器、及び排熱発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に排熱発電装置は、排熱を回収して作動媒体の高圧蒸気を発生する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させるタービンと、該タービンで駆動される発電機、該タービンからの低圧蒸気を凝縮する凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプを備えて構成されている。
【０００３】
上記排熱発電装置の蒸気発生器内部では、加熱側に排熱源からの排熱媒体を流し、被加熱側には作動媒体を流して、作動媒体の蒸気が発生するので、作動媒体の流路は蒸気の流速を考慮した流路断面積としている。蒸気と液とでは比容積が大きく異なるから、作動媒体蒸気の流速に比べて作動媒体液の流速は非常に遅くなるという傾向がある。
【０００４】
蒸気発生器の作動媒体の伝熱は、気泡が発生し沸騰している部分と、沸騰していない部分とでは非常に異なり、作動媒体の流速が０．１ｍ／ｓｅｃ以下で殆ど静止している状態では、沸騰している部分と、沸騰していない部分との伝熱係数比は１００：１程度になることもある。このような状態では蒸気発生器の沸騰していない部分の面積が非常に大きくなるという問題がある。
【０００５】
図１は上記問題を解決するために提案された発電装置の一構成例である。発電装置１０は、蒸気発生器１１、凝縮器１２、膨張機として蒸気タービン１３、作動媒体循環ポンプ１４、バルブ１５、これらを結ぶ配管経路１６、該配管経路１６に封入した作動媒体２１、及び蒸気タービン１３により駆動される発電機１７を具備する構成である。作動媒体循環ポンプ１４から蒸気発生器１１までの配管経路１６中に、予熱器１８を設けている。蒸気発生器１１及び予熱器１８に供給する加熱熱媒としてはここでは排熱媒体１０１を用いている。また、凝縮器１２に供給される冷却媒体としてここでは冷却水１０２を用いている。
【０００６】
作動媒体循環ポンプ１４で作動媒体（液）２１を予熱器１８に送り、該予熱器１８で作動媒体（液）２１と排熱媒体１０１の間で熱交換が行われ、作動媒体（液）２１は蒸気発生器１１の内圧に対し、過熱状態或いは飽和温度に近い状態まで加熱される。加熱された作動媒体（液）２１は蒸気発生器１１に入り直に沸騰を開始、発生した作動媒体（蒸気）２１’はバルブ１５を通って蒸気タービン１３に送られ、該蒸気タービン１３により発電機１７は駆動され発電する。蒸気タービン１３を出た蒸気は凝縮器１２に送られ、該凝縮器１２で作動媒体蒸気と冷却水１０２の間で熱交換が行われ、作動媒体（蒸気）２１’は冷却され凝縮する。凝縮した作動媒体（液）２１は作動媒体循環ポンプ１４に吸収されてクローズドシステムを一巡する。
【０００７】
上記のように、図１に示す構成の発電装置１０では、凝縮器１２から蒸気発生器１１に送られる低温度の作動媒体２１を予熱器１８で蒸気発生器１１内の作動媒体温度（蒸発温度）に近づけ、或いは超えてから導入することで、それぞれに最適な伝熱条件を整え、前記した蒸気発生器１１の小型化ができるようにしている。
【０００８】
また、蒸気発生器１１を小型化しようとすると、蒸気発生器１１の圧力損失が大きくなり、蒸気発生器１１出口の作動媒体（蒸気）２１’に含まれる液滴を分離しても、蒸気発生器１１に戻すことが難しくなる場合がある。この分離した液滴を、低圧部である凝縮器に戻したりすると、その保有する熱が凝縮器１２に逃げてしまうため、効率が低下する。
【０００９】
図２は上記問題を解決するために提案された発電装置の一構成例である。本発電装置は蒸発発生器１１、蒸気タービン１３、凝縮器１２、バッファタンク３３、作動媒体循環ポンプ１４を備え、これらの機器を配管経路１６で接続して構成されている。そして蒸気発生器１１と蒸気タービン１３の間に気液分離器２０が配置され、該気液分離器２０の分離液２１”を配管３０及び熱交換器（熱回収器）３１を通して凝縮器１２に導く。そして該熱交換器３１で該分離液２１”と作動媒体循環ポンプ１４で蒸気発生器１１に送る作動媒体との間で熱交換を行なう。更に配管３０の熱交換器３１と凝縮器１２との間に流量制御手段としてオリフィス３２を設けている。なお、図中、３４は三方弁、３５は逆止弁、１８は予熱器である。
【００１０】
予熱器１８では排熱源からの排熱媒体（例えば温水）１０１と作動媒体循環ポンプ１４により送られてきた作動媒体（液）２１との間で熱交換が行われ、該作動媒体２１は加熱され蒸気発生器１１に入る。該蒸気発生器１１でこの加熱された作動媒体２１と排熱媒体１０１との間で熱交換が行われ、作動媒体２１は高圧の作動媒体蒸気２１’となる。この高圧の作動媒体（蒸気）２１’は蒸気タービン１３に供給され、該蒸気タービン１３を駆動し低圧となった作動媒体蒸気２１’は凝縮器１２で外部冷媒（例えば冷却水）で冷却され凝縮し作動媒体（液）となる。該凝縮した作動媒体（液）２１はバッファタンク３３に収容され、作動媒体循環ポンプ１４で蒸気発生器１１に送られる。気液分離器２０で分離された分離液（作動媒体液）２１”は熱交換器３１で作動媒体循環ポンプ１４により蒸気発生器１１に送られてきた作動媒体（液）２１との間で熱交換され、冷却熱されて凝縮器１２に送られる。このように気液分離器２０で分離した作動媒体液を配管３０を通して凝縮器１２に導くとともに、熱交換器３１で熱回収を行うので、発電装置の効率を低下させることなく、蒸気発生器１１をコンパクトにできる。
【特許文献１】特開２０００−１７１１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
発電装置を図１及び図２に示すように構成することにより、発電装置の小型化が可能となるが、それでも、蒸気発生器、予熱器、熱回収器の各機器を接続する配管等があり、これが発電装置のさらなる小型化の障害になると同時に、組立に要する工数が多くなるという問題があった。
【００１２】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものてで、蒸気発生器、予熱器、熱回収器の各機器を一体として構成することで、装置の小型化及び低廉化を図ることができる蒸気発生器、及び蒸気発生器を用いた排熱発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、前記熱交換器を予熱部と蒸発伝熱部に区分し、該予熱部と蒸発伝熱部のそれぞれの加熱側には排熱源からの排熱媒体を流すと共に、前記予熱部と前記蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流し加熱・蒸発させるように構成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、前記熱交換器を熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部に区分し、前記熱回収部の加熱側には前記蒸発伝熱部で発生した作動媒体蒸気を気液分離器に導き分離した作動媒体液を流すと共に、前記予熱部と蒸発伝熱部の加熱側には排熱源からの排熱媒体を流し、前記熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流し加熱・発生させるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、
前記予熱部の流路断面積は、前記蒸発伝熱部の流路断面積に比べて小さくし、該予熱部の作動媒体の流速が該蒸発伝熱部の作動媒体の流速より速くなるように構成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、前記予熱部と蒸発伝熱部の間の作動媒体流路に作動媒体の流量を制限する流量制限手段を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、前記熱交換器を熱回収部と蒸発伝熱部に区分し、前記熱回収部の加熱側には前記蒸発伝熱部で発生した作動媒体蒸気を気液分離器に導き分離した作動媒体液を流すと共に、前記蒸発伝熱部の加熱側には排熱源からの排熱媒体を流し、前記熱回収部と蒸発伝熱部の被加熱側に作動媒体を順に流し加熱・蒸発させるように構成したことを特徴とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、前記各部の間には、断熱層を設けたことを特徴とする。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、排熱を回収して作動媒体の高圧蒸気を発生する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させるタービンと、該タービンからの低圧蒸気を凝縮する凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプを備え、これらの機器を配管で接続し、更に前記タービンで駆動させる発電機を備えた排熱発電装置において、前記蒸気発生器に請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蒸気発生器を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、一つのプレート式の熱交換器を予熱部と蒸発伝熱部に区分し、該予熱部と蒸発伝熱部の加熱側には排熱媒体を、予熱部と蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流すように構成したので、一つのプレート式の熱交換器で、予熱器を含む蒸気発生器ができ装置のコンパクト化が可能となると同時に、予熱器と蒸気発生器を接続する配管等が省略でき装置が簡素化されると共に装置の組立が容易となる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、一つのプレート式の熱交換器を熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部に区分し、熱回収部の加熱側には気液分離器で分離した作動媒体液を流すと共に、予熱部と蒸発伝熱部の加熱側には排熱媒体を流し、熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流すように構成したので、一つのプレート式の熱交換器で、熱回収器と予熱器を含む蒸気発生器ができ装置のコンパクト化が可能となると同時に、熱回収器、予熱器、蒸気発生器を接続する配管等が省略でき装置が簡素化されると共に装置の組立が容易となる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、予熱部の流路断面積を蒸発伝熱部の流路断面積より小さくし、予熱部の作動媒体の流速が蒸発伝熱部の作動媒体の流速より速くなるように構成したので、これにより予熱部では伝熱を改善されると共に、蒸発伝熱部では蒸気の流動する空間を確保し、圧力損失を抑えることが可能となる。また、このように構成することにより、作動媒体を沸点以上（若しくは沸点近く）まで予熱することと、作動媒体を沸騰させることと、場合によっては作動媒体を過熱させることをコンパクトな１台のプレート式の熱交換器で行うことができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、予熱部と蒸発伝熱部の間の作動媒体流路に作動媒体の流量を制限する流量制限手段を設けたので、予熱部内の作動媒体圧力が作動媒体の飽和圧力を上回らないようにすることができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、一つのプレート式の熱交換器を熱回収部と蒸発伝熱部に区分し、熱回収部の加熱側には気液分離器で分離した作動媒体液を流すと共に、蒸発伝熱部と熱回収部の被加熱側に作動媒体を順に流すように構成したので、一つのプレート式の熱交換器で、熱回収器を含む蒸気発生器ができ装置のコンパクト化が可能となると同時に、予熱器と蒸気発生器を接続する配管等が省略でき装置を簡素化させると共に装置の組立が容易となる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、熱回収部、予熱部、蒸発伝熱部の各部の間には、断熱層を設けたので、各部間での熱授受による熱損失を防止し、熱効率を向上させることができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、排熱発電装置の蒸気発生器に、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蒸気発生器を用いたので、熱回収器、予熱器を別途設ける必要がなく、装置が全体が小型化できると共に、組立が容易になり、装置の低廉化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る蒸気発生器の概略構成と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。本蒸気発生器４０は後に詳述する構成のプレート式の熱交換器であり、該熱交換器は顕熱熱交換を行なう予熱部４０−１と、蒸発熱交換を行なう蒸発伝熱部４０−２とに分け、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間に断熱部４０−３を設けて構成している。蒸気発生器４０は後に詳述するように多数の板材を積層した構造で、板材と板材の間に流体（熱媒体や作動媒体）が流れる板間流体流路４１、４２が形成されている。
【００２８】
予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２には作動媒体２１が流れる板間流体流路４２、４２、…（被加熱側）と、排熱源からの排熱媒体１０１が流れる板間流体流路４１、４１、…（加熱側）とが設けられている。予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…に排熱源からの排熱媒体１０１を図の上方から下方に流し、作動媒体２１を予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…に上方から下方に流し、該板間流体流路４２、４２、…を通った作動媒体２１を更に蒸発伝熱部４０−２の板間流体流路４２、４２、…の下方から上方に流している。ここで、予熱部４０−１の板材の積層枚数を蒸発伝熱部４０−２よりも小さくなるように設計している。これにより、予熱部４０−１では作動媒体２１の流速が大きくなって伝熱を改善すると共に、蒸発伝熱部４０−２では蒸気の流動する空間を確保し、圧力損失を抑えることが可能となる。
【００２９】
このようにすると、作動媒体２１を沸点以上（若しくは沸点近く）まで予熱することと、作動媒体２１を沸騰させることと、場合によっては作動媒体２１を過熱させることをコンパクトなプレート式の熱交換器１台で行なうことができ、排熱発電装置の構成機器と連絡配管を大幅に削減し、装置のコンパクト化と低廉化に大きく寄与する。なお、断熱部４０−３は、後に詳述するように、板材を積層する際に、加熱側被加熱側どちらの板間流体流路からも閉塞された部分を設け、断熱の機能を設けたものである。
【００３０】
上記構成の蒸気発生器において、作動媒体循環ポンプ１４（図１参照）で送り込まれた凝縮器１２からの低温の作動媒体２１は、先ず予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…を上方から下方に流れ、ここで加熱側の板間流体流路４１、４１、…を流れる排熱媒体１０１の間で熱交換が行なわれ蒸発伝熱部４０−２内の蒸気発生温度近くまで加熱される。その後、蒸発伝熱部４０−２内の板間流体流路４２、４２、…を下方から上方に流れ、加熱され気化して蒸気となる。
【００３１】
この場合、蒸発伝熱部４０−２は向流の熱交換器（蒸気発生部）相当となり、出口での蒸気の過熱度を高くとることができると同時に、予熱部４０−１では、併流の熱交換器（予熱器）相当となるので、作動媒体２１が加熱され過ぎて予熱部４０−１で気化することが少なくなる。なお、予熱部４０−１で作動媒体２１が多く気化すると、予熱部４０−１内の圧力損失が大きくなったり、予熱部４０−１内で偏流が生じる原因となったりする場合があるので好ましくない。
【００３２】
図４は本発明に係る他の蒸気発生器の概略構成と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。図示するように、本蒸気発生器４０では、排熱源からの排熱媒体１０１を図３とは逆にしている。即ち、排熱源からの排熱媒体１０１の流れを蒸発伝熱部４０−２と予熱部４０−１の加熱側の板間流体流路４１、４１、…を下から上方に流れている。そして作動媒体循環ポンプ１４（図１参照）で送り込まれた凝縮器１２からの低温の作動媒体２１は、図３の場合と同様に、先ず予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２、４２を上方から下方に流れ、ここで蒸発伝熱部４０−２内の蒸気発生温度近くまで加熱され、その後、蒸発伝熱部４０−２内の板間流体流路４２、４２、…を下方から上方に流れ、加熱され気化して蒸気となる。
【００３３】
上記のように構成することにより、予熱部４０−１が向流相当となり、蒸発伝熱部４０−２は併流となるので、予熱部４０−１の温度効率が改善して作動媒体２１を高い温度まで予熱することができると共に、蒸発伝熱部４０−２も作動媒体循環側の下部で特に蒸発が盛んになって蒸発伝熱部４０−２内の蒸気流動が良くなる。
【００３４】
なお、上記のように、予熱部４０−１で作動媒体２１が気化すると偏流を生じる可能性があるので、必要があれば作動媒体循環側の蒸発伝熱部４０−２と予熱部４０−１の間の作動媒体流路に流量制御手段としてオリフィス４３を設け、圧力損失を生じさせ、予熱部４０−１の作動媒体圧力が作動媒体の飽和圧力を下回らないようにしている。なお、特に図示しないが、蒸発伝熱部４０−２と予熱部４０−１の間の作動媒体流路に設けたオリフィス４３に代えて、蒸発伝熱部４０−２の板間流体流路４２、４２、…の各々の入口部分に、オリフィスやその他の流量を制限する構造を設けることとしても良い。
【００３５】
図５は本発明に係る他の蒸気発生器の概略構成と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。図示するように、本蒸気発生器４０は、プレート式の熱交換器を予熱部４０−１と、蒸発伝熱部４０−２と、熱回収部４０−４（図２の熱交換器（熱回収器）３１に相当）に区分して構成されている。
【００３６】
熱回収部４０−４の加熱側の板間流体流路４１、４１に気液分離器２０（図２参照）で気液分離された分離液（作動媒体（液））２１”を上方から下方に流し、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…に排熱源からの排熱媒体１０１を上方から下方に流している。そして熱回収部４０−４の被加熱側の板間流体流路４２、４２に凝縮器１２からの作動媒体（液）２１（図２参照）を下方から上方に流し、作動媒体（分離液）２１”の熱を回収し加熱された作動媒体２１を予熱部４０−１の板間流体流路４２、４２に上方から下方に流して加熱し、更に蒸発伝熱部４０−２の板間流体流路４２、４２、…に下方から上方に流し、加熱気化している。
【００３７】
上記構成の蒸気発生器４０では、排熱源からの排熱媒体１０１は予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…を平行して流れており、熱回収部４０−４では気液分離器２０で分離された分離液（作動媒体（液））２１”が加熱側を流れている。そして熱回収部４０−４に供給される低温の作動媒体（液）２１は、該熱回収部４０−４で加熱された後、予熱部４０−１で加熱され、更に蒸発伝熱部４０−２で加熱・気化する。熱回収部４０−４で低温の作動媒体（液）２１に熱を回収されて冷却した分離液（作動媒体（液））２１”は凝縮器１２（図２参照）へと送られる。
【００３８】
なお、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間にはガス抜きオリフィス４４が設けられている。このガス抜きオリフィス４４は、何らかの理由で予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間の折り返し部に、不凝縮ガスが入り込んだとき、これを排出するためのもので、極小径の穴を有するオリフィスである。
【００３９】
図６は本発明に係る他の蒸気発生器の概略構成と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。図示するように、本蒸気発生器４０はプレート式の熱交換器を熱回収部４０−４と蒸発伝熱部４０−２に区分し、予熱部は設けていない。そして熱回収部４０−４の加熱側の板間流体流路４１、４１に気液分離器２０で気液分離された分離液（作動媒体（液））２１”を下方から上方に流し、蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…に排熱源からの排熱媒体１０１を上方から下方に流している。そして熱回収部４０−４の被加熱側の板間流体流路４２、４２に凝縮器１２からの作動媒体（液）２１（図２参照）を上方から下方に流し、分離液（作動媒体（液））２１”の熱を回収し加熱された作動媒体２１を蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…に下方から上方に流し、加熱・気化している。
【００４０】
上記のように予熱部を省略しても、排熱源の排熱媒体１０１の温度が十分に高い場合や、作動媒体２１の熱伝達率が比較的良い媒体では、このような構成にしてもよい。
【００４１】
図７〜図９は図３に示す蒸気発生器４０の具体的構成例を示す図で、図７は蒸気発生器４０の縦断面図、図８は蒸気発生器４０の一部（板材積層体の一部）断面図、図９は蒸気発生器４０の概略斜視図である。図７〜図９に示すように、両端部近傍を残して断面形状を波形にし、且つ、角部に排熱媒体１０１が流入する排熱媒体流入口４６、作動媒体２１が流入する作動媒体流入口４７、排熱媒体１０１が流出する排熱媒体流出口４８、作動媒体２１が流出する作動媒体流出口４９が設けられている。ここで板間流体流路４１や板間流体流路４２を形成する板材４５は、図８に示すように波形の峰部どうしを対向接触させる状態で多数積層している。
【００４２】
この板材積層体における板材積層方向の一端側寄りの部分は、予熱部４０−１となっており、他端側寄りの部分は蒸発伝熱部４０−２となっている。排熱媒体流入口４６は板材積層体の予熱部４０−１から蒸発伝熱部４０−２に渡って設けた流路（孔）５０に連通し、該流路５０に予熱部４０−１及び蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４２、４２、…が連通しており、該板間流体流路４２、４２、…は予熱部４０−１から蒸発伝熱部４０−２に渡って設けた流路（孔）５１に連通しており、該流路５１は排熱媒体流出口４８に連通している。
【００４３】
作動媒体流入口４７は板材積層体の予熱部４０−１に設けた流路（孔）５２に連通しており、該流路５２は予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２に連通しており、該板間流体流路４２は板材積層体の予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２を接続する流路（孔）５３に連通しており、該流路５３は蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２に連通し、該板間流体流路４２は、板材積層体の蒸発伝熱部４０−２に設けた流路（孔）５４に連通し、流路５４は作動媒体流出口４９に連通している。
【００４４】
予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間に介在する断熱部４０−３は対向する２枚の板材４５に囲まれた空間であり、該空間は加熱側被加熱側どちらの板間流体流路４１、４２からも閉塞された空間で、内部を真空にしている。これにより該空間は真空断熱層となっている。なお、該空間に断熱材を充填して断熱層としてもよい。このように断熱部４０−３を設けることにより、予熱部４０−１と蒸気伝熱部４０−２との間での熱授受による熱損失を防止できる。
【００４５】
上記構成の蒸気発生器４０において、排熱媒体流入口４６から流入する排熱源からの排熱媒体１０１は流路５０に流入し、ここから予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…を通って流れ、流路５１を通って排熱媒体流出口４８から蒸気発生器４０の外に流出する。作動媒体流入口４７から流入する作動媒体２１は流路５２に流入し、ここから予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…を通って板間流体流路４１、４１、…内を通る排熱媒体１０１と併流し、熱交換が行なわれる。加熱された作動媒体２１は流路５３を通って、蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…を通って板間流体流路４１、４１、…内を通る排熱媒体１０１と向流し、熱交換が行なわれ、加熱されて気化される。該気化した作動媒体（蒸気）２１’は流路５４を通って、作動媒体流出口４９から蒸気発生器４０の外に流出する。
【００４６】
図示は省略するが、図４に示す蒸気発生器４０は、図７〜図９において、排熱媒体流出口４８を作動媒体流入口とし、作動媒体流入口４７は排熱媒体流出口とし、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間に流路５３に流路断面を小さくしたオリフィス４３を設けることにより実現できる。また、オリフィス４３に代えて、流路（孔）５３から、蒸発伝熱部４０−２の各板間流体流路４２、４２、…に作動媒体が流れ込む部分にオリフィスもしくは流量を制限する構造を設けることとしても、同等の効果が生じせしめることができる。
【００４７】
図１０は図５に示す蒸気発生器４０の具体的構成例を示す縦断面図である。図示するように、板材積層体からなるプレート式の熱交換器を断熱部４０−３、４０−３を介在させて熱回収部４０−４と予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２区分している。そして排熱媒体１０１が流入する排熱媒体流入口４６、作動媒体２１が流入する作動媒体流入口４７、排熱媒体１０１が流出する排熱媒体流出口４８、作動媒体２１が流出する作動媒体流出口４９が設けられている。更に気液分離器２０の分離液２１”（図２参照）が流入する分離液流入口５５、分離液２１”が流出する分離液流出口５６が設けられている。
【００４８】
作動媒体流入口４７は板材積層体の熱回収部４０−４に設けた流路（孔）５８に連通している。該流路５８には熱回収部４０−４の被加熱側の板間流体流路４２、４２に連通しており、該板間流体流路４２、４２は板材積層体の熱回収部４０−４の流路（孔）６０に連通し、該流路６０は板材積層体の予熱部４０−１の流路５２に連通している。該流路５２は予熱部４０−１の板間流路４２、４２に連通し、更に板間流路４２、４２は予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２を接続する流路５３に連通している。該流路５３は蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２に連通し、該板間流体流路４２は、板材積層体の蒸発伝熱部４０−２に設けた流路５４に連通し、流路５４は作動媒体流出口４９に連通している。
【００４９】
分離液流入口５５は板材積層体の熱回収部４０−４に設けた流路（孔）５７に連通しており、該流路５７は熱回収部４０−４の加熱側の板間流体流路４１に連通しており、該板間流体流路４１は熱回収部４０−４に設けた流路（孔）５９に介して分離液流出口５６に連通している。
【００５０】
上記構成の蒸気発生器４０において、排熱媒体流入口４６から流入する排熱源からの排熱媒体１０１は流路５０に流入し、ここから熱回収部４０−４と予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の加熱側の板間流体流路４１、４１、…を通って流れ、流路５１を通って排熱媒体流出口４８から蒸気発生器４０の外に流出する。作動媒体流入口４７から流入する作動媒体２１は流路５８に流入し、ここから熱回収部４０−４の被加熱側の板間流体流路４２を通って流れ、ここで板間流体流路４１、４１を通る分離液２１”の熱を回収し加熱され、熱回収部４０−４の流路（孔）６０を通って予熱部４０−１の流路５２に流入する。
【００５１】
上記流路５２に流入した作動媒体２１は、予熱部４０−１の被加熱側の板間流体流路４２、４２を通って板間流体流路４１、４１、…内を通る排熱媒体１０１と併流し、熱交換が行なわれ加熱される。加熱された作動媒体２１は流路５３を通って、蒸発伝熱部４０−２の被加熱側の板間流体流路４２、４２、…を通って板間流体流路４１、４１、…内を通る排熱媒体１０１と向流し、熱交換が行なわれ、加熱されて気化される。該気化した作動媒体（蒸気）２１’は流路５４を通って、作動媒体流出口４９から蒸気発生器４０の外に流出する。
【００５２】
図示は省略するが、予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間に流路５３の流路断面を小さくしたオリフィス４３（図５参照）を設けている。また、同じく図示は省略するが予熱部４０−１と蒸発伝熱部４０−２の間にはガス抜きオリフィス４４（図５参照）が設けている。なお、図６に示す蒸気発生器は、図示は省略するが、図１０に示す蒸気発生器において、予熱部４０−１を省略した形態で実現することができる。また、オリフィス４３に代えて、流路（孔）５３から、蒸発伝熱部４０−２の各板間流体流路４２、４２、…に作動媒体が流れ込む部分にオリフィスもしくは流量を制限する構造を設けることとしても、同等の効果を生じせしめることができる。
【００５３】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】排熱発電装置の構成例を示す図である。
【図２】排熱発電装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る蒸気発生器の概略構成例と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。
【図４】本発明に係る蒸気発生器の概略構成例と排熱媒体及び作動媒体の流れを示す図である。
【図５】本発明に係る蒸気発生器の概略構成例と排熱媒体、作動媒体及び分離液の流れを示す図である。
【図６】本発明に係る蒸気発生器の概略構成例と排熱媒体、作動媒体及び分離液の流れを示す図である。
【図７】本発明に係る蒸気発生器の具体的構成例を示す縦断面図である。
【図８】本発明に係る蒸気発生器の板材積層体の一部面図である。
【図９】本発明に係る蒸気発生器の概略斜視図である。
【図１０】本発明に係る蒸気発生器の具体的構成例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 発電装置
１１ 蒸気発生器
１２ 凝縮器
１３ 蒸気タービン
１４ 作動媒体循環ポンプ
１５ バルブ
１６ 配管経路
１７ 発電機
１８ 予熱器
２０ 気液分離器
２１ 作動媒体
２１” 分離液
３０ 配管
３１ 熱交換器（熱回収器）
３２ オリフィス
３３ バッファタンク
３４ 三方弁
３５ 逆止弁
４０ 蒸気発生器
４１ 板間流体流路
４２ 板間流体流路
４３ オリフィス
４４ ガス抜きオリフィス
４５ 板材
４６ 排熱媒体流入口
４７ 作動媒体流入口
４８ 排熱媒体流出口
４９ 作動媒体流出口
５０ 流路（孔）
５１ 流路（孔）
５２ 流路（孔）
５３ 流路（孔）
５４ 流路（孔）
５５ 分離液流入口
５６ 分離液流出口
５７ 流路（孔）
５８ 流路（孔）
５９ 流路（孔）
６０ 流路（孔）
１０１ 排熱媒体
１０２ 冷却水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、
前記熱交換器を予熱部と蒸発伝熱部に区分し、該予熱部と蒸発伝熱部のそれぞれの加熱側には排熱源からの排熱媒体を流すと共に、前記予熱部と前記蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流し加熱・蒸発させるように構成したことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項２】
一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、
前記熱交換器を熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部に区分し、前記熱回収部の加熱側には前記蒸発伝熱部で発生した作動媒体蒸気を気液分離器に導き分離した作動媒体液を流すと共に、前記予熱部と蒸発伝熱部の加熱側には排熱源からの排熱媒体を流し、前記熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流し加熱・発生させるように構成したことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、
前記予熱部の流路断面積は、前記蒸発伝熱部の流路断面積に比べて小さくし、該予熱部の作動媒体の流速が該蒸発伝熱部の作動媒体の流速より速くなるように構成したことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、
前記予熱部と蒸発伝熱部の間の作動媒体流路に作動媒体の流量を制限する流量制限手段を設けたことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項５】
一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、
前記熱交換器を熱回収部と蒸発伝熱部に区分し、前記熱回収部の加熱側には前記蒸発伝熱部で発生した作動媒体蒸気を気液分離器に導き分離した作動媒体液を流すと共に、前記蒸発伝熱部の加熱側には排熱源からの排熱媒体を流し、前記熱回収部と蒸発伝熱部の被加熱側に作動媒体を順に流し加熱・蒸発させるように構成したことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、
前記各部の間には、断熱層を設けたことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項７】
排熱を回収して作動媒体の高圧蒸気を発生する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させるタービンと、該タービンからの低圧蒸気を凝縮する凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプを備え、これらの機器を配管で接続し、更に前記タービンで駆動させる発電機を備えた排熱発電装置において、
前記蒸気発生器に請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蒸気発生器を用いたことを特徴とする排熱発電装置。
【請求項１】
一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、
前記熱交換器を予熱部と蒸発伝熱部に区分し、該予熱部と蒸発伝熱部のそれぞれの加熱側には排熱源からの排熱媒体を流すと共に、前記予熱部と前記蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流し加熱・蒸発させるように構成したことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項２】
一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、
前記熱交換器を熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部に区分し、前記熱回収部の加熱側には前記蒸発伝熱部で発生した作動媒体蒸気を気液分離器に導き分離した作動媒体液を流すと共に、前記予熱部と蒸発伝熱部の加熱側には排熱源からの排熱媒体を流し、前記熱回収部と予熱部と蒸発伝熱部の被加熱側には作動媒体を順に流し加熱・発生させるように構成したことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、
前記予熱部の流路断面積は、前記蒸発伝熱部の流路断面積に比べて小さくし、該予熱部の作動媒体の流速が該蒸発伝熱部の作動媒体の流速より速くなるように構成したことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、
前記予熱部と蒸発伝熱部の間の作動媒体流路に作動媒体の流量を制限する流量制限手段を設けたことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項５】
一つのプレート式の熱交換器で構成される蒸気発生器であって、
前記熱交換器を熱回収部と蒸発伝熱部に区分し、前記熱回収部の加熱側には前記蒸発伝熱部で発生した作動媒体蒸気を気液分離器に導き分離した作動媒体液を流すと共に、前記蒸発伝熱部の加熱側には排熱源からの排熱媒体を流し、前記熱回収部と蒸発伝熱部の被加熱側に作動媒体を順に流し加熱・蒸発させるように構成したことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸気発生器において、
前記各部の間には、断熱層を設けたことを特徴とする蒸気発生器。
【請求項７】
排熱を回収して作動媒体の高圧蒸気を発生する蒸気発生器と、該高圧蒸気を膨張させるタービンと、該タービンからの低圧蒸気を凝縮する凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプを備え、これらの機器を配管で接続し、更に前記タービンで駆動させる発電機を備えた排熱発電装置において、
前記蒸気発生器に請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蒸気発生器を用いたことを特徴とする排熱発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−３２２６９２（Ｐ２００６−３２２６９２Ａ）
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４８７２３（Ｐ２００５−１４８７２３）
【出願日】平成１７年５月２０日（２００５．５．２０）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月２０日（２００５．５．２０）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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