(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定装置の廃熱を用いて、供給すべき負荷の負荷電圧に応じた交流電圧を生成する交流発電機と、
前記交流電圧を直流電圧に変換し、前記負荷電圧として前記負荷に供給する交流／直流変換器と、を有し、
前記交流発電機は、前記廃熱により生成した蒸気でロータを回転駆動させる駆動系を有し、
前記駆動系は、
前記ロータに連結されたタービンと、
前記タービンに蒸気供給ラインを介して接続される熱交換器と、
前記タービンを介した前記蒸気を冷却して液体とする凝縮器と、
前記凝縮器に接続されると共に、前記交流発電機の発電機本体に配管される冷却ラインと、
前記発電機本体を介した前記冷却ラインと接続されると共に、前記タービンにも接続される冷媒供給ラインと、
前記冷媒供給ラインに設けられた温度センサ及び圧力センサと、
前記温度センサ及び前記圧力センサの少なくともいずれか一方の計測結果に基づいて、前記冷媒供給ラインを開放あるいは閉塞させる制御弁機構と、を有することを特徴とする電力回収システム。
【請求項２】
前記負荷は、電力貯蔵装置であることを特徴とする請求項１に記載の電力回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力回収システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電機には、永久磁石あるいは界磁巻線を有するロータを回転させて、電機子巻線を有するステータから交流電流を得る発電形態を採用するものがある。
また、発電形態の一例として、下記特許文献１には、スリッピングを介して出力される誘導起電力を回収して、再び商用電源あるいは電気エネルギーとして利用する巻線型誘導モータの電力回収システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２０４４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のように発電・回収した電力を商用電源等に用いる際には、一般的に、供給すべき負荷の負荷電圧と異なる交流電圧が得られるため、従来では、先ずＡＣ／ＤＣ変換器によって交流電圧を直流電圧に変換した後、ＤＣ／ＤＣ変換器によって負荷電圧まで電圧を変換して、電力を負荷に供給していた。
しかしながら、ＤＣ／ＤＣ変換器を用いると、その分の電力がロスされ電力効率が低下し、また、コストが増大すると共にシステムの寸法が大きくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電力効率が向上し、またコストの低減と共にシステムの小型化が実現できる電力回収システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、所定装置の廃熱を用いて、供給すべき負荷の負荷電圧に応じた交流電圧を生成する交流発電機と、上記交流電圧を直流電圧に変換し、上記負荷電圧として上記負荷に供給する交流／直流変換器と、を有する電力回収システムを採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、廃熱を用いて発電する交流発電機を負荷電圧に基づいて設計し、負荷電圧に対応する一定の交流電圧を生成させ、それを交流／直流変換して負荷に直接供給する。
【０００７】
また、本発明においては、上記負荷は、電力貯蔵装置であるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、回収した電力を電力貯蔵装置に貯蔵させる。
【０００８】
また、本発明においては、上記交流発電機は、上記廃熱により生成した蒸気でロータを回転駆動させる駆動系を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、発熱機から廃熱される所定の熱を用いて蒸気を生成してロータを回転させることで、電力を回収する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、所定装置の廃熱を用いて、供給すべき負荷の負荷電圧に応じた交流電圧を生成する交流発電機と、上記交流電圧を直流電圧に変換し、上記負荷電圧として上記負荷に供給する交流／直流変換器と、を有する電力回収システムを採用し、廃熱を用いて発電する交流発電機を負荷電圧に基づいて設計し、負荷電圧に対応する一定の交流電圧を生成させ、それを交流／直流変換して負荷に直接供給する。
したがって、本発明では、負荷電圧に基づいて交流発電機を設計し、ＤＣ／ＤＣ変換器の機能を交流発電機に備えさせることで、独立したＤＣ／ＤＣ変換器を用いずに済むため、電力効率が向上し、またコストの低減と共にシステムの小型化が実現できる電力回収システムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態における電力回収システムを示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態における交流発電機を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態の電力回収システムについて図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における電力回収システムＡを示す構成図である。
本実施形態の電力回収システムＡは、廃熱回収システムを備える交流発電機１と、ＡＣ／ＤＣ変換器（交流／直流変換器）２と、負荷３とを有する。
【００１２】
負荷３は、バッテリーやキャパシタ等の電力貯蔵装置からなる。本実施形態では、負荷３としてバッテリーを用いており、その負荷電圧は、例えば１５Ｖ程度である。
ＡＣ／ＤＣ変換器２は、交流発電機から出力される交流電圧を直流電圧に変換し、負荷電圧として負荷３に供給するものである。本実施形態では、ＡＣ／ＤＣ変換器２として、交流発電機１から出力されるＵ相、Ｖ相及びＷ相の三相交流電圧を整流する周知のダイオードブリッジ回路を用いている。
【００１３】
図２は、本発明の実施形態における交流発電機１を示す構成図である。
本実施形態の交流発電機１は、発熱機の廃熱を用いて負荷３の負荷電圧に応じた交流電圧を生成するものであり、熱交換器１０と、発電機本体２０と、凝縮器３０と、発電機冷却装置４０と、第１冷媒供給装置５０と、第２冷媒供給装置６０とを有する駆動系を備える。本実施形態の交流発電機１は、車両等に搭載され、各構成機器間において媒体（冷媒）を流通させることで発電と冷却とを実施するシステムを構成する。
【００１４】
熱交換器１０は、所定の熱源と供給された冷媒との間で熱交換させて、冷媒を気化させて蒸気を生成するものである。本実施形態における熱源としては、例えば車両の発熱機（ラジエータ）の熱源を用いる。また、本実施形態における冷媒としては、沸点が１００℃より低い（本例では沸点が８０℃程度）のフロン系の冷媒を用いる。なお、冷媒の種類は、発電機本体２０の発熱温度及び負荷３の負荷電圧に基づいて選定される。熱交換器１０の形態としては、シェル＆チューブ型熱交換器、プレートフィン型熱交換器等、周知のものが採用できる。この熱交換器１０において蒸気となった冷媒は、蒸気供給ライン１１を介してタービン２１に供給される。蒸気供給ライン１１には、蒸気の温度を計測する温度センサ１１ａ及び蒸気の圧力を計測する圧力センサ１１ｂが設けられている。
【００１５】
発電機本体２０は、タービン２１が連結されたロータ２２と、ステータ２３とを有する。本実施形態の発電機本体２０は、永久磁石を有するロータ２２をタービン２１により軸周りに回転させ、電機子巻線を有するステータ２３から三相交流電圧を得る発電形態を採用している。なお、ステータ２３のコアは、鉄損を軽減するためロータ２２の軸方向に複数枚の薄板鋼材が積層されて形成されている。また、永久磁石の磁力、電機子巻線の巻数は、負荷電圧に基づいて設計されている。
タービン２１は、蒸気となった冷媒の供給により回転力を得る構成となっている。本実施形態のタービン２１は、軸方向に複数のブレード群を有する多段タービンの形態を採用しており、蒸気供給ライン１１は多段タービンの第１段目に対応する位置に接続されている。
【００１６】
タービン２１を通過して仕事をした蒸気は、凝縮器３０に供給される。凝縮器３０は、供給された蒸気を凝縮点以下に冷却して液化させる。凝縮器３０において液体となった冷媒は、ポンプ３２により圧送されてリターンライン３１を介して熱交換器１０に戻り、再び蒸気となってタービン２１に供給される。また、ポンプ３２は、不図示の制御装置の下に、駆動する構成となっており、タービン２１を負荷電圧に応じた回転速度で定速回転させる構成となっている。
リターンライン３１には、発電機本体２０のケーシング２０ａの壁部内に配管された冷却ライン４１（後述）が接続されており、リターンライン３１を介して熱交換器１０に供給される液体冷媒の一部が、発電機本体２０に向かって供給される構成となっている。
【００１７】
発電機冷却装置４０は、リターンライン３１から分岐した冷却ライン４１と、冷却ライン４１内の冷媒を圧送するポンプ４２とを有する。冷却ライン４１は、ケーシング２０ａの壁部内において複数の流通経路に分岐して、ケーシング２０ａの略全体を冷媒が流通するように配管される。また、冷却ライン４１は、ケーシング２０ａの壁部内において複数の流通経路に分岐した冷媒を所定の位置で合流させて、ケーシング２０ａの壁部外に導出させるように配管される。ケーシング２０ａの壁部内の冷却ライン４１は、熱伝導性の高い材料、例えば、アルミニウム、アルミ合金等からなる配管で形成されている。
【００１８】
第１冷媒供給装置５０は、冷却ライン４１を介して発電機本体２０を通過した冷媒を熱交換器１０に供給するものである。第１冷媒供給装置５０は、冷却ライン４１と熱交換器１０との間を接続する第１冷媒供給ライン５１を有する。本実施形態の第１冷媒供給ライン５１は、熱交換器１０における冷媒の蒸発プロセスの中段に対応する位置に配管されている。また、第１冷媒供給ライン５１には、冷媒の温度を計測する温度センサ５１ａ及び冷媒の圧力を計測する圧力センサ５１ｂが設けられている。
【００１９】
第２冷媒供給装置６０は、冷却ライン４１を介して発電機本体２０を通過した冷媒をタービン２１に直接供給するものである。第２冷媒供給装置６０は、第１冷媒供給ライン５１から分岐してタービン２１に接続された第２冷媒供給ライン６１を有する。本実施形態の第２冷媒供給ライン６１は、多段構成からなるタービン２１の中段に対応する位置に冷媒を供給するように配管されている。また、第２冷媒供給ライン６１には、制御弁機構６２が設けられている。制御弁機構６２は、温度センサ５１ａ及び圧力センサ５１ｂの少なくともいずれか一方の計測結果に基づいて、第２冷媒供給ライン６１を開放あるいは閉塞させる構成となっている。なお、制御弁機構６２を開放あるいは閉塞させる制御プログラムの閾値は、冷媒の種類、より具体的には冷媒の蒸発特性に基づいて設定されている。
【００２０】
続いて、上記構成の電力回収システムＡの動作について説明する。
熱交換器１０は、車両のラジエータ（熱源）と冷媒との間で熱交換させて蒸気を生成する。熱交換器１０において蒸気となった冷媒は、蒸気供給ライン１１を介してタービン２１に供給されて回転力を与える。ポンプ３２は、不図示の制御装置の下に駆動し、負荷電圧に応じた回転速度で、タービン２１を定速回転させる。
タービン２１が回転駆動すると、タービン２１に連結されたロータ２２が軸周りに回転し、その回転力が負荷電圧に応じて設計された永久磁石及び電機子巻線との間の電磁的作用により、負荷電圧に応じた三相交流電圧に変換される。ステータ２３において得られた三相交流電流は、ＡＣ／ＤＣ変換器２のダイオードにより整流して直流に変換された後、負荷電圧に対応した電圧（本実施形態では１５Ｖ）として負荷３に供給されて貯電される。
【００２１】
このように本実施形態によれば、車両のラジエータの廃熱を用いて、供給すべき負荷３の負荷電圧に応じた交流電圧を生成する交流発電機１と、上記交流電圧を直流電圧に変換し、上記負荷電圧として負荷３に供給するＡＣ／ＤＣ変換器２と、を有する電力回収システムＡを採用し、発熱機から廃熱される所定の熱を用いることで、負荷電圧に対応する一定の交流電圧を生成させ、それを交流／直流変換した後に、負荷３に直接供給する。
これにより、本実施形態では、負荷電圧に対応する交流発電機１を設計してＤＣ／ＤＣ変換器の機能を交流発電機１に備えさせことで、ＤＣ／ＤＣ変換器を用いずに済むため、電力効率が向上し、またコストの低減と共にシステムの小型化が実現できる電力回収システムＡが得られる。
【００２２】
なお、本実施形態の発電機本体２０においては、ここでの仕事により、１００℃〜１２０℃程度に発熱する。
凝縮器３０は、タービン２１を通過して仕事をした蒸気を冷却し、液化させる。そして、凝縮器３０において液体となって熱交換器１０に戻される冷媒の一部は、リターンライン３１から分岐した冷却ライン４１によって、発電機本体２０に供給される。発電機冷却装置４０は、ポンプ４２によって冷媒を圧送すると共に、ケーシング２０ａの壁部内において冷媒を複数の流通経路に分岐させた冷却ライン４１によって、高温のケーシング２０ａと低温の冷媒との間において複数箇所で熱交換させることで、発電機本体２０全体を冷却し、発電機本体２０において仕事をせずに熱となった損失分を冷媒に回収させる。
【００２３】
発電機本体２０において熱回収した冷媒は、第１冷媒供給装置５０によって熱交換器１０に供給される。発電機本体２０で熱を得た冷媒は、熱交換器１０において、凝縮器３０から直接戻る冷媒と比べて少ない熱量で蒸気となる。本システムでは、それを熱交換器１０及び蒸気供給ライン１１を介してタービン２１に供給して発電機本体２０に仕事をさせることにより、システム全体効率を向上させる。
また、本実施形態の第１冷媒供給装置５０によれば、凝縮器３０から直接戻る冷媒と同程度の熱量となる熱交換器１０の蒸発プロセスの中段において、発電機本体２０から熱回収した冷媒を供給して合流させることによって、蒸気生成の効率化を図ることができる。
【００２４】
第２冷媒供給装置６０は、発電機本体２０から熱回収した冷媒を、第１冷媒供給ライン５１から分岐した第２冷媒供給ライン６１を介してタービン２１に供給する。本実施形態の冷媒は、沸点が８０℃程度のものを選定しているため、１００℃〜１２０℃程度に発熱する発電機本体２０との間で熱交換させることにより、冷媒を気化させることができる。本システムでは、発電機本体２０の熱で蒸気となった冷媒を直接タービン２１に供給して発電機本体２０に仕事をさせることにより、システム全体効率を向上させる。
また、発電機本体２０で熱を得て蒸気となった冷媒は、熱交換器１０からタービン２１に供給される蒸気と比べて温度及び圧力が低いため、その圧力及び温度が同程度になる多段タービンの中段で合流させるように第２冷媒供給ライン６１を配管することで、タービン２１の回転駆動を効率よくアシストすることができる。
【００２５】
制御弁機構６２は、第１冷媒供給ライン５１に設けられた温度センサ５１ａ及び圧力センサ５１ｂの計測結果から冷媒が蒸気となったか否かを判断し、本システムの運転開始時などにおける液体状態の冷媒のタービン２１への供給を防止して、冷媒が蒸気となった適切なタイミングで冷媒をタービンに供給する。これにより、タービン２１の駆動の不具合発生を防止する。制御弁機構６２は、例えば、温度センサ５１ａの値が冷媒の沸点以上の値（例えば９０℃〜１００℃程度）を示したら第２冷媒供給ライン６１を開放してタービン２１への冷媒の供給を開始させ、一方、温度センサ５１ａの値が冷媒の沸点未満の値を示したら第２冷媒供給ライン６１を閉塞してタービン２１への冷媒の供給を停止させる。
なお、冷媒の沸点は、圧力に依存するので、制御弁機構６２は、圧力センサ５１ｂの値に基づいて、開放あるいは閉塞させる閾値を変動させる制御プログラムを備える形態を採用することが好ましい。
【００２６】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００２７】
例えば、上記実施形態では、負荷３の負荷電圧に応じた交流電圧を生成するべく、負荷電圧に応じて冷媒の種類、永久磁石の磁力の大きさ、電機子巻線の巻数を選定し、そして、タービン２１に蒸気を供給するポンプ３２の駆動制御を行う構成を採用していると説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。
例えば、発電機冷却装置４０のポンプ４２及び第２冷媒供給装置６０の制御弁機構６２を組み合わせて制御することにより、タービン２１の回転速度の変化（負荷変動）を補償する構成であってもよい。この構成によれば、発電の安定性を高めることが可能となる。
また、例えば、ロータ２２の永久磁石の代わりに界磁巻線を用いる形態を採用して、交流発電機１に自動電圧調整器（ＡＶＲ）を搭載する構成であってもよい。この構成によれば、交流発電機１から出力された三相交流電圧を交流／直流変換器で直流にした後、それと、予め定めた負荷電圧に対応した基準電圧とを比較して偏差を求め、偏差があれば増幅器で増幅して、サイリスタ等を用いた所定の装置を制御して界磁電流を調整し、生成した電圧が基準電圧に等しくなるように補正動作を行うことが可能となり、発電の安定性を高めることが可能となる。
【符号の説明】
【００２８】
Ａ…電力回収システム、１…交流発電機、２…ＡＣ／ＤＣ変換器（交流／直流変換器）、３…負荷
【図１】
0005573115.tif 000002
【図２】
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