(57)【要約】  自然エネルギに基づいてエネルギを取り出す機能を有し、取り出したエネルギを効率よく蓄積するとともに、需要に応じて適量のエネルギを速やかに取り出せるようにする。  自然エネルギを利用して、１００℃を超える所定温度まで熱媒体油を加熱する吸熱・放熱装置２と、吸熱・放熱装置２により加熱された熱媒体油の熱を蓄熱する蓄熱装置４と、蓄熱装置４に蓄熱された熱を受けて水を加熱し、蒸気を発生させる蒸気発生装置５と、蒸気発生装置５で発生した蒸気により駆動されて動力を発生する蒸気エンジン６と、蒸気エンジン６で利用された蒸気を復水し、この復水を地中熱で冷却すると共に、冷却した復水を蒸気発生装置５に環流する復水装置８を備えた自然エネルギを利用した動力発生装置を提供する。
2010070702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギを利用して、熱媒体を１００℃を超える所定温度まで加熱する加熱部と、
前記加熱部により加熱された熱媒体の熱を蓄熱する蓄熱部と、
前記蓄熱部に蓄熱された熱を受けて水を加熱し、蒸気を発生させる蒸気発生部と、
前記蒸気発生部で発生した蒸気により駆動されて動力を発生する動力発生部と、
前記動力発生部で利用された蒸気を復水し、この復水を地中熱で冷却すると共に、冷却した復水を前記蒸気発生部に環流する復水部とを備えたこと、
を特徴とする自然エネルギを利用した動力発生装置。
【請求項２】
前記蓄熱部は、熱媒体を貯留可能な蓄熱槽と、前記蓄熱槽内に配置された蓄熱体とを備え、
前記蓄熱体によって、前記蓄熱槽入口から出口に向かう熱媒体の流路を構成し、
該流路は熱媒体との接触面積を増大した形態にされたことを特徴とする請求項１記載の自然エネルギを利用した動力発生装置。
【請求項３】
前記動力発生部は、蒸気により駆動されるレシプロ型のエンジンであり、該エンジンのエンジンシリンダから蒸気を排出する排気系に、蒸気を吸引する吸引機構を設けたしたことを特徴とする請求項１または２記載の自然エネルギを利用した動力発生装置。
【請求項４】
前記復水部は、復水槽内の復水を循環ポンプの利用により循環する循環路と、この循環路に配置され、前記循環路を循環する水を噴射して負圧を生成するエゼクタとを備え、
前記エゼクタを前記エンジンシリンダの排気系に接続し、前記エンジンが排気した蒸気を、前記エゼクタを経て前記復水槽内に吸引することを特徴とする請求項３記載の自然エネルギを利用した動力発生装置。
【請求項５】
いわゆる逆サイクル運転を可能に形成し、地中熱を利用して熱媒体を加熱し、前記蓄熱部への蓄熱を可能としたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の自然エネルギを利用した動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱や地中熱等の自然エネルギを利用して動力を取り出す、自然エネルギを利用した動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光、地熱、風力、潮汐力等の自然エネルギ（いわゆる再生可能エネルギ）を、電力等のエネルギに変換する手法が研究され、具体的な装置やシステムが数多く提案されている。具体的には、太陽光の熱エネルギを熱電素子により電気エネルギに変換する太陽光発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、太陽光から得た熱エネルギにより空気と水蒸気を加温して気流を発生させ、この気流により風力発電を行う装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−００７４１２号公報
【特許文献２】特開２００４−１００４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した自然エネルギを利用する装置やシステムの多くは、自然エネルギをその場で電力等の他のエネルギに変換するので、需要に応じて適量のエネルギを取り出す量を調整することは困難であった。取り出したエネルギを蓄えることは、例えばバッテリを用いれば可能であるが、バッテリは高価であり、さらに、エネルギの蓄積及び取り出しを効率よく行うことが難しかった。
そこで、本発明は、自然エネルギに基づいてエネルギを取り出す機能を有し、取り出したエネルギを効率よく蓄積するとともに、需要に応じて適量のエネルギを速やかに取り出せる自然エネルギを利用した動力発生装置を、低コストで実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明は、自然エネルギを利用して、熱媒体を１００℃を超える所定温度まで加熱する加熱部と、前記加熱部により加熱された熱媒体の熱を蓄熱する蓄熱部と、前記蓄熱部に蓄熱された熱を受けて水を加熱し、蒸気を発生させる蒸気発生部と、前記蒸気発生部で発生した蒸気により駆動されて動力を発生する動力発生部と、前記動力発生部で利用された蒸気を復水し、この復水を地中熱で冷却すると共に、冷却した復水を前記蒸気発生部に環流する復水部とを備えたこと、を特徴とする自然エネルギを利用した動力発生装置を提供する。
この構成によれば、自然エネルギを利用して熱媒体を、１００℃を超える所定温度まで加熱し、この１００℃を超える熱媒体の熱を蓄熱部に蓄え、蓄えた熱によって水を蒸気にして動力を発生させ、利用後の蒸気を地中熱により冷却して環流させるので、自然エネルギから熱媒体の熱として取り出したエネルギを効率よく蓄えることができ、蓄えた熱エネルギを必要量だけ速やかに取り出して利用できる。また、熱エネルギの利用に際して水を利用し、この水を、地中熱を利用して復水して環流させるので、水の無駄な消費もせず、より効率的に自然エネルギを利用して動力エネルギを得ることができる。
ここで、熱媒体は、例えば鉱物油やシリコーンオイル等の油脂が挙げられるが、水や油脂等に添加物を溶解させて、沸点が１００℃を超えるようにした液体等が挙げられる。【０００５】
上記構成において、前記蓄熱部は、熱媒体を貯留可能な蓄熱槽と、前記蓄熱槽内に配置された蓄熱体とを備え、前記蓄熱体によって、前記蓄熱槽入口から出口に向かう熱媒体の流路を構成し、該流路は熱媒体との接触面積を増大した形態にされたものとしてもよい。
この場合、熱媒体を蓄熱槽に貯留可能とした上で、この蓄熱槽に配置した蓄熱体に熱を蓄えるので、より大きな熱エネルギを蓄えることが可能である。また、蓄熱体は熱媒体の流路を構成し、この流路が、蓄熱体と熱媒体との接触面積を増大した形態であるため、流路を流れる熱媒体の熱エネルギが確実に蓄熱体に伝わるので、効率よく熱エネルギを蓄えることができる。【０００６】
さらに、前記動力発生部は、蒸気により駆動されるレシプロ型のエンジンであり、該エンジンのエンジンシリンダから蒸気を排出する排気系に、蒸気を吸引する吸引機構を設けたしたものであってもよい。
この構成によれば、蓄熱部に蓄えた熱エネルギを、蒸気によって駆動されるエンジンによって効率よく動力エネルギに変換することができる。また、吸引機構によりエンジンシリンダから蒸気を吸引するので、排気の過程においても吸引機構の負圧によりエンジンに駆動力を与えることができ、より大きな動力エネルギを得ることができる。【０００７】
さらにまた、前記復水部は、復水槽内の復水を循環ポンプの利用により循環する循環路と、この循環路に配置され、前記循環路を循環する水を噴射して負圧を生成するエゼクタとを備え、前記エゼクタを前記エンジンシリンダの排気系に接続し、前記エンジンが排気した蒸気を、前記エゼクタを経て前記復水槽内に吸引するものであってもよい。
この場合、エゼクタを用いて蒸気を復水して循環させるので、蒸気を非常に素早く復水することができ、環流する水の量を抑え、自然エネルギの利用に際してより一層の効率化を図ることができる。また、蒸気を復水するエゼクタが負圧を生じるので、この負圧をエンジンシリンダの排気系に接続することで、エゼクタの負圧によりエンジンに駆動力を与えることができ、エゼクタが水を噴射する噴射のエネルギを効率よく利用して、より大きな動力エネルギを得ることができる。【０００８】
また、いわゆる逆サイクル運転を可能に形成し、地中熱を利用して熱媒体を加熱し、前記蓄熱部への蓄熱を可能とした構成としてもよい。
この場合、地中熱を、蒸気の冷却だけでなく熱源として利用できるので、例えば寒冷時のように、熱エネルギを収集しにくい環境においても、自然エネルギを効率よく収集して熱エネルギとして蓄えることができる。【０００９】
さらに、前記動力発生部の出力軸に、発電機を連結した構成としてもよい。この場合、熱エネルギから得た動力エネルギを、さらに電気エネルギに変換することができる。また、蓄熱部に蓄えた熱エネルギを必要量だけ自在に取り出して動力エネルギに変換できる構成に発電機を連結したことで、必要量に応じて発電をすることが可能になり、無駄のない効率的な発電を行える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、自然エネルギを熱媒体の熱として取り出した後、この熱エネルギを効率よく蓄積することができ、蓄積した熱エネルギを必要量だけ速やかに取り出して利用できるので、自然エネルギの効率的な蓄積と、必要量に応じた分だけ取り出して利用する効率的な利用方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態としての動力発生システムの構成を示す図である。
【図２】四方弁を切り替えた後の動力発生システムの状態を示す図である。
【図３】吸熱・放熱装置の構成を示す図であり、図３Ａは平面図、図３Ｂは側面図、図３Ｃは要部拡大断面図である。図３Ｄは吸熱・放熱装置の別の構成例を示す図である。
【図４】蓄熱槽の構成を示す断面図である。
【図５】蓄熱ユニットの構成を示す図であり、図５Ａは上部整流板の平面図、図５Ｂは中央部整流板の平面図、図５Ｃは底部整流板の平面図である。
【図６】蒸気発生装置の構成を示す外観図である。
【図７】蒸気発生装置の周辺回路を含む構成を示す回路図である。
【図８】蒸気エンジン及び発電機の構成を示す平面図である。
【図９】蒸気エンジンの動作を示す図であり、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、それぞれ蒸気エンジンの動作中の過程を示す。
【図１０】復水装置の構成を示す図であり、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは正面図、図１０Ｃは側面図である。
【図１１】復水装置の構成を示す図であり、図１１Ａは復水装置の周辺回路を含む構成を示す回路図であり、図１１Ｂはエゼクタ及び混合部の構造を示す断面図である。
【図１２】地中配管部の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００１２】
１  動力発生装置
２  吸熱・放熱装置（加熱部）
３  補助熱源
４  蓄熱装置（蓄熱部）
５  蒸気発生装置（蒸気発生部）
６  蒸気エンジン（動力発生部）
７  発電機
８  復水装置（復水部、吸引機構）
９  地中配管部
２２  吸熱管
２５  ＣＰＣ
２７  断熱材
４０  蓄熱体
４１  蓄熱槽
４２  流入口
４３  流出口
４４  取出口
４８  蓄熱棒
５０  蒸気発生塔
５２  気水分離器
５３  水位制御筒
５６  制御部
６１  シリンダ
６４  Ｚクランク機構
６５  出力軸
６６  出力プーリ
７０  ベルト
７１  駆動軸
７２  駆動プーリ
８０  水槽（復水槽）
８１  循環ポンプ
８２  吸込管
８３  エゼクタ
８４  混合部
８８  冷却器
１０１、１０２、１０４、１０６、１０７  循環路
１０３  水循環路
１１１、１１２、１１４  循環ポンプ
１１３  給水ポンプ
１２１、１２２、１２３、１２４  四方弁
５００  熱交換器
５２３  水蒸気供給管
５５１、５５２  電動弁
６１２  排気ポート
６１３  バキューム管
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態として、自然エネルギを利用した動力発生装置１の構成を示す図である。動力発生装置１は、太陽熱を集熱して熱媒体としての熱媒体油を加熱する吸熱・放熱装置２（加熱部）と、吸熱・放熱装置で集めた熱を蓄える蓄熱装置４（蓄熱部）と、蓄熱装置４に蓄えられた熱を利用して水蒸気を発生する蒸気発生装置５（蒸気発生部）と、蒸気発生装置５で発生した水蒸気により駆動される蒸気エンジン６（動力発生部）と、蒸気エンジン６において利用後の水蒸気を復水する復水装置８（復水部、吸引機構）と、地中の熱または冷熱を回収する地中配管部９とを備え、吸熱・放熱装置２を用いて太陽熱から得た熱エネルギを、蒸気エンジン６を駆動することで動力エネルギに変換して出力するシステムである。実施形態の動力発生装置１は、蒸気エンジン６の出力軸に発電機７を連結し、電気エネルギを得ることができる。
ここで、自然エネルギとは、新エネルギとして知られている太陽熱、バイオマス熱、雪氷熱エネルギ、廃棄物熱（工場排熱、ゴミ焼却熱、温泉熱）と、地熱とを含む再生可能エネルギ群を指し、このエネルギ群から選択された一以上のエネルギを、本発明において利用できる。本実施形態では、具体例として、太陽熱及び地熱を熱源として利用する場合について説明する。【００１４】
動力発生装置１は、吸熱・放熱装置２と蓄熱装置４との間で熱媒体としての熱媒体油を循環させる循環路１０１を有し、循環路１０１には熱媒体油を循環させる循環ポンプ１１１が配置されている。動力発生装置１の熱媒体は広い温度範囲で高い流動性を保つものであればよく、鉱物油やシリコーンオイル等の油脂類の他、水やアルコールに添加剤を溶解させた不凍液を用いることもできる。また、より高温で使用される場合には、例えば、溶融炭酸塩や液体ナトリウムを用いても良い。本実施形態の吸熱・放熱装置２において、熱媒体油は例えば２３０℃程度に加熱され、冬期の夜間は０℃以下になる可能性があるので、沸点が２３０℃超、凝固点が０℃未満の材料が好適である。
循環路１０１には、吸熱・放熱装置２から蓄熱装置４へ向かって熱媒体油が流れる輸送管に並列に、補助熱源３が設けられている。補助熱源３は電気ヒータ等で熱媒体油を所定温度まで加熱する装置であり、吸熱・放熱装置２で加熱された熱媒体油の温度が予定の温度に達しない場合等に、熱媒体油を加熱する。【００１５】
動力発生装置１は、蓄熱装置４と蒸気発生装置５との間で熱媒体油を循環させる循環路１０２を有し、循環路１０２には循環ポンプ１１２が設けられている。蒸気発生装置５は、循環路１０２を介して流入する熱媒体油と、復水装置８から供給される水とを熱交換させることにより、高温高圧の水蒸気を発生する。
動力発生装置１は、吸熱・放熱装置２及び補助熱源３によって熱媒体油を加熱し、この熱を蓄熱装置４に貯める蓄熱運転と、蓄熱装置４に貯めた熱を取り出して蒸気発生装置５によって水蒸気を発生する熱利用運転と、を実行可能である。【００１６】
蓄熱運転中は、吸熱・放熱装置２及び補助熱源３によって加熱された熱媒体油が循環路１０１を通って蓄熱装置４に流れ、蓄熱装置４が備える蓄熱体４０に熱が蓄えられる。蓄熱体４０に熱を与えた熱媒体油は再び循環路１０１を循環して吸熱・放熱装置２に戻り、加熱される。
これに対し、熱利用運転中は、蓄熱体４０からの高温の熱媒体油を、循環路１０２を介して蒸気発生装置５に供給し、この熱媒体油の熱を利用して水蒸気を生成する。水蒸気に熱を与えた後の熱媒体油は循環路１０２を通って蓄熱装置４に戻り、蓄熱体４０の熱を得て再び高温になり、蒸気発生装置５へ供給される。【００１７】
蓄熱運転は、循環ポンプ１１１によって循環路１０１に熱媒体油を循環させることで行われ、熱利用運転は循環ポンプ１１２によって循環路１０２に熱媒体油を循環させることで行われる。このため、循環ポンプ１１１、１１２の動作を制御することで、蓄熱運転と熱利用運転とを、各々切り替えて実行することができ、並列して実行することもできる。
本実施形態では、循環路１０１、１０２を流れる熱媒体油は分離されないが、循環路１０１、１０２を流れる熱媒体油が完全に分離された構成としてもよい。【００１８】
蒸気発生装置５において生成した水蒸気は水循環路１０３を介して蒸気エンジン６に流入する。蒸気エンジン６は、高温高圧の水蒸気の蒸気圧によって駆動される蒸気機関であり、その出力軸に連結された発電機７を駆動して発電させる。
また、水循環路１０３には復水装置８が接続され、蒸気エンジン６において使用された後の水蒸気は水循環路１０３を通って復水装置８に吸引される。復水装置８は、水槽８０（復水槽）と、水槽８０の水を送出する循環ポンプ８１と、循環ポンプ８１により送出された水が高速で噴射されるエゼクタ８３を備えている。エゼクタ８３は、循環ポンプ８１により送出された水を空気と混ざった状態で高速で噴射することで負圧を発生する。この負圧は水循環路１０３を介して蒸気エンジン６の排気側に及び、蒸気エンジン６から使用後の水蒸気がエゼクタ８３に吸い込まれる。復水装置８に吸い込まれた水蒸気はエゼクタ８３において水と混合されて冷却され、水蒸気から液体の水に戻り、水槽８０に貯留される。【００１９】
また、動力発生装置１は、水槽８０の水を冷却するための循環路１０４を備えている。循環路１０４は、地中に埋設された地中配管部９と、地中配管部９を通った熱媒体油を循環させる循環ポンプ１１４とを、水槽８０に設けられた冷却器８８に接続する。循環路１０４では、循環ポンプ１１４によって、地中配管部９において地中の冷熱を吸収した熱媒体油が冷却器８８に供給され、水槽８０の水を冷却する。つまり、蒸気エンジン６で使用された水蒸気を、地中の冷熱を利用して冷却することで、復水装置８において効率よく復水する。【００２０】
このように構成される動力発生装置１の循環路１０１、１０４には、４つの四方弁１２１、１２２、１２３、１２４が設けられ、これら四方弁１２１〜１２４を切り替えることによって、熱媒体油の循環経路を変更可能である。
図２は、動力発生装置１の四方弁１２１〜１２４を切り替えた状態を示す図である。
図１に示す状態では、吸熱・放熱装置２と蓄熱装置４との間で熱媒体油を循環させる循環路１０１が形成されていたが、四方弁１２１〜１２４を切り替えることによって、図２に示すように、地中配管部９と蓄熱装置４との間で熱媒体油が循環する循環路１０６が形成される。この循環路１０６により、地中配管部９によって加熱された熱媒体油が、直接あるいは補助熱源３を介して蓄熱装置４に送られる。その一方で、吸熱・放熱装置２と水槽８０内の冷却器８８とを接続する循環路１０７が形成されている。この循環路１０７では、吸熱・放熱装置２において冷却された熱媒体油が冷却器８８に流れ、水槽８０の水を冷却する。【００２１】
図１の状態は、吸熱・放熱装置２を、熱媒体油を加熱する熱源として用い、地中配管部９を、水槽８０の水を冷却するための冷熱源として用いている。これに対し、図２の状態は、地中配管部９を、熱媒体油を加熱する熱源として用い、吸熱・放熱装置２を、水槽８０の水を冷却するための冷熱源として用いている。つまり、吸熱・放熱装置２が熱エネルギを得ることが可能な昼間は、四方弁１２１〜１２４を切り替えて図１の状態とし、吸熱・放熱装置２が太陽熱による熱エネルギを得られない夜間等は、四方弁１２１〜１２４を切り替えて図２の状態とすれば、太陽熱から熱エネルギを得られる間も、得られない間も、自然エネルギを効果的に集めて蓄熱できる。【００２２】
以下、動力発生装置１を構成する各部の詳細な構成について、説明する。
図３は、吸熱・放熱装置２の構成を示す図であり、図３Ａは平面図、図３Ｂは側面図、図３Ｃは要部拡大断面図を示す。また、図３Ｄは吸熱・放熱装置２の別の構成例を示す図である。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、吸熱・放熱装置２は、全体として平たい枠形状の外装２１に、吸熱管２２を収容して構成される。外装２１には、外装２１の長さに対して数倍以上の長さの１本の吸熱管２２が、外装２１内を複数回往復するように折り曲げられて配置される。吸熱管２２の両端２３、２４は外装２１の外に突出し、循環路１０１（図１）に接続される。一方の端２３は熱媒体油の流入口となり、他方の端２４は熱媒体油の流出口となるが、端２４から熱媒体油を流入させて端２３から流出させ、熱媒体油を逆に循環させてもよい。【００２３】
吸熱・放熱装置２の上面は保護パネル２６によって覆われている。保護パネル２６は、透明な板材と、この板材を外装２１に固定するための枠材とを備え、外装２１内の吸熱管２２等を保護する。保護パネル２６の材料は、太陽光線、特に赤外光領域の波長が透過する材料が望ましく、強化ガラスや、アクリル等の各種樹脂パネルが一例として挙げられる。【００２４】
図３Ｃに示すように、保護パネル２６の直下に吸熱管２２が敷設され、この吸熱管２２の下側にはＣＰＣ（複合放物面反射板：Compound Parabolic Concentrator)２４が配置されている。ＣＰＣ２５は、その断面形状が複合放物面をなすように形成された金属または合成樹脂製のパネルであって、吸熱管２２側の表面は、可視光線や赤外線の反射率が高い材料で構成される。具体的には、ＣＰＣを構成する材料自体に表面処理を施して反射率を高めてもよいし、ＣＰＣの表面が反射率の高い層により覆われていてもよい。ＣＰＣ２５は複合放物面を構成しているので、太陽の高度に関わらず、保護パネル２６を透過した入射光を吸熱管２２に向けて反射する。これにより、吸熱管２２には、季節や時刻に関わらず、効率よく集められた太陽光が照射される。【００２５】
吸熱管２２はガラス製、合成樹脂製あるいは金属製の中空管であって、吸熱管２２の外側表面には、太陽光選択吸収材料からなる選択吸収膜が形成されている。この選択吸収膜は、太陽光を効率良く吸収して熱に変換し、吸熱管２２を流れる熱媒体油に熱を与え、かつ、吸熱管２２からの熱放射による損失を抑制する効果を発揮する膜である。具体的には、可視〜近赤外で高い吸収率（放射率）を持ち、赤外域で低い放射率（吸収率）を持つ材料で構成される。また、外装２１とＣＰＣ２５との間には、断熱材２７が敷き詰められており、吸熱管２２からの熱損失を抑制している。
このように、吸熱・放熱装置２は、選択吸収膜を有する吸熱管２２を用いたＣＰＣ型吸熱・放熱装置として構成されているので、吸熱管２２を流れる熱媒体油を、容易に高温（例えば、１００℃〜２３０℃またはそれ以上）に加熱できる。【００２６】
なお、本実施形態では単管の吸熱管２２を用いた場合を例に挙げて説明しているが、例えば図３Ｄに示すような、二重管式の太陽熱吸熱管を用いた構成としてもよい。真空二重管１３０は、ガラス製の外管１３１と、外管１３１の中を通る内管１３２とを備え、内管１３２は固定具１３３によって外管１３１のほぼ中央に固定され、内管１３２の内部を熱媒体油が輸送される。外管１３１の内部は真空状態であり、内管１３２からの熱損失を防いでいる。また、外管１３１の内面には選択反射材料が形成されており、内管１３２の外面には吸熱管２２と同様に選択吸収膜が形成され、効率よく熱を吸収する一方、熱損失を抑えている。この真空二重管１３０を吸熱管２２に代えて用いる場合、外装２１に真空二重管１３０を収め、その下にＣＰＣ２５を配置してもよいし、ＣＰＣ２５に代えて平板状の反射板を配置してもよい。【００２７】
図４は、蓄熱装置４の断面図である。
図４に示すように、蓄熱装置４は、円筒形状の中空の蓄熱槽４１に、循環路１０１（図１）に接続される流入口４２、流出口４３及び取出口４４を備えて構成される。蓄熱槽４１の外壁は、断熱材を含む複数層で構成され、上面、側面及び底面が断熱されている。流入口４２は蓄熱槽４１の底部の側面に設けられ、流出口４３は上部の側面に設けられ、取出口４４は高さ方向中央部の側面に設けられている。蓄熱槽４１には、下部の流入口４２から熱媒体油が流入し、上部の流出口４３から流出するので、熱媒体油が蓄熱装置４の内外に流通する間は、蓄熱槽４１の内部の空間は熱媒体油でほぼ満たされる。【００２８】
蓄熱槽４１の内部には、熱媒体油よりも単位体積あたりの熱容量が大きい材料、例えば金属で構成される蓄熱体４０が配置されている。蓄熱体４０は、熱媒体油の流路を形成する底部整流板４５、中央部整流板４６、及び上部整流板４７と、中央部整流板４６および上部整流板４７を貫通する棒状の蓄熱棒４８とで構成される。
底部整流板４５は蓄熱槽４１の下部において流入口４２よりも上の位置に取り付けられ、蓄熱体４０の底面を構成し、蓄熱棒４８は底部整流板４５に乗って支持される。上部整流板４７は蓄熱槽４１の上部において、流出口４３よりも下側に位置する。底部整流板４５と上部整流板４７との間には複数枚の中央部整流板４６が配置され、底部整流板４５、中央部整流板４６及び上部整流板４７は平行になるよう蓄熱槽４１の内面に固定される。【００２９】
図５は、蓄熱体４０の各部の構成を示す図であり、図５Ａは図４におけるＡ−Ａ断面図であり、上部整流板４７の構成を示す。図５Ｂは図４におけるＢ−Ｂ断面図であり、中央部整流板４６の構成を示す。図５Ｃは図４におけるＣ−Ｃ断面図であり、底部整流板４５の構成を示す。
図５Ａに示すように、上部整流板４７は、円筒形の蓄熱槽４１の断面形状及びサイズに合わせた円板状部材であり、熱媒体油を通過させるための多数の熱媒体通過孔４７Ａが穿設されている。また、上部整流板４７には、蓄熱棒４８が貫通する貫通孔４７Ｂが穿設されている。貫通孔４７Ｂの径は蓄熱棒４８の外径より大きく、蓄熱槽４１内の温度上昇に伴って蓄熱棒４８および上部整流板４７が熱膨張しても、貫通孔４７Ｂによる蓄熱棒４８の締め付けや干渉が起きないようになっている。また、図５Ｂに示すように、中央部整流板４６は、上部整流板４７と同様の円板形状とされ、蓄熱棒４８を貫通させるための多数の貫通孔４６Ｂが穿設されている。貫通孔４６Ｂは、上部整流板４７の貫通孔４７Ｂと同様に、蓄熱棒４８の外径より大きい。円板形状の中央部整流板４６の弧の一部は切り欠かれ、この切欠部４６Ｃは熱媒体油を通過させる流路となる。中央部整流板４６の貫通孔４６Ｂ及び上部整流板４７の貫通孔４７Ｂは、蓄熱棒４８によってほぼ閉塞される。
図５Ｃに示す底部整流板４５は、上部整流板４７と同様の円板形状とされ、熱媒体油を通過させるための多数の熱媒体通過孔４５Ａが穿設されている。【００３０】
図４に示すように、蓄熱槽４１の下部の流入口４２から熱媒体油が流入すると、この熱媒体油は蓄熱槽４１の下部を満たし、底部整流板４５の熱媒体通過孔４５Ａを通って上昇する。ここで、底部整流板４５よりも下の空間は、流入口４２から流入した熱媒体油の流入圧力を緩和する圧力調整室として作用する。熱媒体通過孔４５Ａを通った熱媒体油は、底部整流板４５と中央部整流板４６との間に溜まる。中央部整流板４６には熱媒体油が流動可能な孔が無いので、熱媒体油は中央部整流板４６の下を水平に移動し、切欠部４６Ｃと蓄熱槽４１の内壁との間を通って上昇する。本実施形態の蓄熱体４０は４枚の中央部整流板４６を備え、これら４枚の中央部整流板４６は、互いの切欠部４６Ｃが平面視で重なり合わないように配置されている。このため、切欠部４６Ｃによって蛇行状の熱媒体油の流路が形成され、熱媒体油は蛇行しながら蓄熱槽４１内部を上昇する。最も上の中央部整流板４６より上に出た熱媒体油は、底部整流板４５に形成された熱媒体通過孔４５Ａを通って蓄熱槽４１の最上部に達し、流出口４３から流出する。【００３１】
このように、蓄熱槽４１には、複数枚の中央部整流板４６によって、熱媒体油を水平方向にも移動させる蛇行状の流路が形成され、この長い流路を流れる間に熱媒体油が蓄熱棒４８に長時間接触する。さらに、棒状の蓄熱棒４８を多数備えているので、蓄熱棒４８は重量の割に熱媒体油との接触面積が大きい。また、中央部整流板４６には熱媒体油をル油通させる貫通孔が形成されておらず、ほぼ全量の熱媒体油が２枚の中央部整流板４６の間を流れるので、この熱媒体油は蓄熱棒４８に衝突して乱流を生じ、熱媒体油と蓄熱棒４８との間の熱交換が効率よく行われる。このように、蓄熱体４０は、蓄熱棒４８と熱媒体油との接触面積が広く、かつ、蓄熱槽４１の上下左右のサイズに比べて非常に長い蛇行状の熱媒体油の流路を形成することにより、熱媒体油と蓄熱体４０との接触時間を長くして、熱交換効率を高めている。これにより、蓄熱運転時及び熱利用運転時のいずれも、効率よく、蓄熱体４０と熱媒体油との間で熱交換させることができる。
なお、本実施形態では図４に示すように４枚の中央部整流板４６を用いた構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、より多くの中央部整流板４６を用いることも可能である。また、蓄熱装置４の熱容量を大きくするため、蓄熱槽４１内で蓄熱体４０が占める体積を大きくしてもよい。具体例としては、中央部整流板４６の数を増やす、底部整流板４５、中央部整流板４６および上部整流板４７の板厚を厚くする、蓄熱棒４８をより太いものにする、蓄熱棒４８の数を増やす、等の態様があげられる。また、蓄熱棒４８が中央部整流板４６および上部整流板４７を貫通する構成に限定されず、例えば、底部整流板４５、中央部整流板４６および上部整流板４７の間に、多数の蓄熱棒４８が配置された構成とすることも可能である。【００３２】
蓄熱槽４１の高さ方向略中央に設けられた取出口４４は、熱利用運転時に、中温の熱媒体油を取り出す供給する目的で利用できる。すなわち、熱利用運転時には、流入口４２から低温の熱媒体油が流入し、この熱媒体油が高温の蓄熱体４０の熱を奪って高温になり、流出口４３から蒸気発生装置５（図１）へ供給される。ここで、取出口４４の高さ位置では、熱媒体油は低温から高温になる過程の途中であるから、その温度は、流出口４３近傍より低温く、流入口４２近傍よりも高い。従って、取出口４４からは、いわば中温（例えば、１００℃〜１５０℃程度）の熱媒体油を取り出すことができる。【００３３】
図６は、蒸気発生装置５の構成を示す外観図であり、図７は蒸気発生装置５の周辺回路を含む回路図である。図７には、蒸気発生装置５内部の構造の一部を図示している。
この図６及び図７に示す蒸気発生装置５は、水蒸気を発生する蒸気発生塔５０に、気水分離器５２、水位制御筒５３及び水位計５４を設けた構成となっている。
蒸気発生塔５０は、中空の筒状の本体に、蓋５０２及び底部材５０３を取り付けて密閉性を持たせた容器であり、内部で発生する蒸気の圧力に耐え得る耐圧容器である。蒸気発生塔５０の内部には水が所定の水位Ｌまで貯留され、この水を加熱する熱交換器５００が配置されている。
蒸気発生塔５０の蓋５０２には、蒸気発生塔５０で発生した水蒸気を気水分離器５２に送出する蒸気送出管５０５が設けられ、底部材５０３には、気水分離器５２から水を蒸気発生塔５０に送出する水供給管５０４が設けられている。
また、蓋５０２には、蒸気発生塔５０で生成された水蒸気の温度を検出する温度センサ５６４及び水蒸気の圧力を検出する圧力センサ５６５が設けられ、さらに、メンテナンス時等に蒸気発生塔５０内の蒸気を外部に放出する蒸気逃がし５０８が設けられ、底部材５０３には、メンテナンス時等に蒸気発生塔５０内の水を抜く水抜き弁５０９が設けられている。【００３４】
気水分離器５２は、ブラケット５０６、５０７を介して、蒸気発生塔５０に並べて固定されている。気水分離器５２の本体５２１の上端部には蒸気送出管５０５が接続され、５２１の下端部には水供給管５０４が接続されており、本体５２１の内部は水供給管５０４、蒸気送出管５０５によって蒸気発生塔５０の内部空間に連通している。
気水分離器５２は中空容器であり、蒸気発生塔５０で発生した水蒸気と、この水蒸気に含まれる水とを分離する分離器５２２を収容し、分離器５２２により分離された水は気水分離器５２の下方に溜まって、蒸気発生塔５０に送り込まれる。
また、気水分離器５２には、気水分離器５２に給水する給水口５２４が設けられ、給水口５２４には配管５２６が給水ポンプ１１３を介して接続されている。配管５２６には、後述する復水装置８から水が供給される。気水分離器５２と蒸気発生塔５０とは水供給管５０４により繋がっているので、蒸気発生塔５０の水位Ｌと気水分離器５２の水位とが一致するように、気水分離器５２から蒸気発生塔５０へ給水が行われる。【００３５】
さらに、気水分離器５２には、気水分離器５２の水位を制御する水位制御筒５３が設けられている。水位制御筒５３は、その内部の水位が気水分離器５２の水位と一致するように、上下の２本の配管５２６、５２７により気水分離器５２に接続されている。水位制御筒５３の内部には複数の検出電極５３２が配置され、これら検出電極５３２の導通状態により水位制御筒５３の水位を検出できる。また、水位制御筒５３には、水位制御筒５３の水位を表示する水位計５４が設けられている。上述のように、水位制御筒５３及び気水分離器５２の水位は、蒸気発生塔５０の水位Ｌと一致するので、水位計５４により、蒸気発生塔５０の水位Ｌを視認できる。【００３６】
蒸気発生塔５０の内部には、内部の所定高さまで水が貯留され、この水を加熱する熱交換器５００が設けられている。熱交換器５００は、蒸気発生塔５０内部の空間を上下に延びる複数の金属管で構成され、その上端及び下端は、蒸気発生塔５０の外で上部接続口５１１及び下部接続口５１２に接続されている。熱交換器５００には、上部接続口５１１から熱媒体油が入り、下部接続口５１２から排出される。
上部接続口５１１は、ポンプ５５４を有する配管５５３に接続され、ポンプ５５４により熱媒体油が上部接続口５１１に送り込まれる。この配管５５３は、蓄熱装置４の流出口４３に接続された配管と、取出口４４に接続された配管とに接続され、流出口４３からの高温の熱媒体油と取出口４４からの中温の熱媒体油とが混合されて配管５５３を流れる。蓄熱装置４の流出口４３に接続された配管には電動弁５５１が設けられ、取出口４４に接続された配管には電動弁５５２が設けられており、これら電動弁５５１、５５２の開度を調整することにより、高温の熱媒体油と中温の熱媒体油との混合比および総流量を任意に変えることができる。混合された熱媒体油が流れる配管５５３には温度センサ５６１及び圧力センサ５６２が設けられ、温度と圧力を検出可能となっている。
また、下部接続口５１２には、熱媒体油を蓄熱装置４に戻す配管５５５が接続され、配管５５５には温度センサ５６３が設けられている。【００３７】
蒸気発生塔５０の内部では、熱交換器５００を流れる熱媒体油によって水が加熱されて水蒸気が発生する。発生した水蒸気は、蒸気発生塔５０を上昇し、この上昇中に熱交換器５００によってさらに加熱され、過熱水蒸気となって、蒸気送出管５０５により気水分離器５２に送られる。
ここで、熱交換器５００は、蒸気発生塔５０の水位Ｌ以下の部分では水に接しているため、水蒸気を発生する水蒸気発生部５０Ｂとして作用し、水位Ｌより上の部分では、発生した水蒸気に熱を与える過熱部５０Ａとして作用する。過熱部５０Ａでは、熱交換器５００を流れる熱媒体油の温度が水の沸点（例えば、１００℃）を上回っていれば、水蒸気をさらに加熱して過熱水蒸気を生成することができる。熱交換器５００には、上部接続口５１１から入った高温の熱媒体油が下向きに流れるので、過熱部５０Ａでは熱媒体油がより高温である。このため、水蒸気発生部５０Ｂで発生した水蒸気を高温の熱媒体油によって過熱することで、蒸気発生塔５０から、非常に高温の過熱水蒸気を供給可能である。なお、蓄熱装置４から供給される高温の熱媒体油を、熱交換器５００において下から上へ流す構成としてもよい。
蒸気発生塔５０で生成された過熱水蒸気は、蒸気送出管５０５を通って気水分離器５２に送られ、気水分離器５２の上部から下向きに吹き出される。気水分離器５２の上部には分離器５２２が設けられているので、過熱水蒸気は分離器５２２に当たって渦を巻き、この過熱水蒸気に含まれる水分は落下して下部に貯留され、分離された過熱水蒸気のみが漏斗状の分離器５２２を通って、気水分離器５２の上部に設けられた水蒸気供給管５２３に送られる。【００３８】
また、蒸気発生塔５０の下部には、伸縮部５１が設けられている。伸縮部５１は、水位Ｌより下に位置し、蒸気発生塔５０の他の部分に比べて高い弾性を持つよう構成されている。蒸気発生装置５の運転時に、熱膨張や圧力変化による蒸気発生塔５０が膨張し、歪みを生じる場合に、伸縮部５１が伸縮することで、歪みを吸収する。例えば、蒸気発生塔５０本体の壁を複数種類の金属を組み合わせて構成した場合、異種金属間の膨張係数が異なることから、蒸気発生塔５０の運転中に熱膨張による歪みが懸念されるが、伸縮部５１を設けることで、この歪みを吸収できる。これにより、蒸気発生塔５０の安定的な稼働および耐久性の向上を図ることが可能となる。
水位Ｌは、伸縮部５１の位置より上であっても、下であってもよいが、膨張係数の違いによる歪みは高温の過熱部５０Ａにおいて顕著であるため、水位Ｌが伸縮部５１より下にある場合に、伸縮部５１による利点が顕著に現れる。また、伸縮部５１の内側の形状を、泡が溜まらないように滑らかな曲面としてもよく、この場合には泡による圧力損失を排除できるという利点がある。さらに、伸縮部５１は、蒸気発生塔５０の一部を変形させて形成してもよいし、別体の補強材を溶接等により固定して、補強してもよい。【００３９】
蒸気発生装置５は、水蒸気の発生に係る動作を制御する制御部５６を備えている。制御部５６は、温度センサ５６１、５６３、５６４及び圧力センサ５６２、５６５に接続され、これらセンサの温度及び圧力の検出値を取得できる。また、制御部５６には、給水ポンプ１１３、ポンプ５５４、電動弁５５１、５５２が接続されている。制御部５６は、上記各センサの検出値に基づいて各ポンプ及び電動弁を制御する。
具体的には、制御部５６は、ポンプ５５４をオンにするとともに、電動弁５５１、５５２の開度を調整することにより、蓄熱装置４から供給される高温の熱媒体油及び中温の熱媒体油の流量をそれぞれ調整して、熱交換器５００に供給する熱媒体油の温度と流量を調整する。この熱媒体油の温度及び流量は、蒸気発生塔５０における水蒸気の発生量、及び、蒸気発生塔５０から送出される過熱水蒸気の温度を決定する要素である。言い換えれば、蒸気発生装置５は、制御部５６の制御によって、発生する水蒸気の温度及び量を自在に調整することができる。このため、必要とされる水蒸気の量に応じて、必要量だけ蓄熱装置４の熱エネルギを取り出すことが可能なため、無駄な水蒸気を発生することがなく、水の消費量の無駄を無くすことができ、さらに、蓄熱装置４に蓄えた熱エネルギを無駄なく利用できる。
ここで、電動弁５５１、５５２の開度を固定して、制御部５６によってポンプ５５４の流量をインバータ制御することによっても、熱交換器５００に送り込まれる熱媒体油の流量を調整することができ、蒸気発生塔５０において発生する水蒸気の温度及び量を自在に調整できる。
制御部５６は、また、水位制御筒５３が備えるコネクタ５３３を介して検出電極５３２に接続され、検出電極５３２を用いて水位制御筒５３の水位を検出し、この水位が予め設定された範囲に収まるように、必要に応じて給水ポンプ１１３を動作させて気水分離器５２に給水する。【００４０】
そして、本実施形態の蒸気発生装置５は、燃料を燃焼させて水を加熱する従来のボイラと比較して、次のような利点がある。
すなわち、蒸気発生塔５０自体の熱容量が小さく、また、蒸気発生塔５０内の水を変化させても運転が可能であるため、蒸気発生塔５０内の水を少量として立ち上がりに要する熱エネルギを低く抑えることができる。これにより、運転開始時の昇温に要する時間が短く、短時間で水蒸気を供給できる。
また、電動弁５５１、５５２の開度を調整することにより、熱交換器５００に流れる熱媒体油の流量及び温度を制御して、水蒸気の発生量及び過熱水蒸気の温度をきめ細かく制御できる。このような制御は、従来のボイラでは不可能である。本実施形態の蒸気発生装置５では必要量のみ水蒸気を発生させて供給することが可能なため、従来のボイラのように水蒸気の不足を回避するために余剰の水蒸気を生成させる必要がない。このため、熱エネルギ及び水の無駄な消費がなく、さらに、余剰の水蒸気をブロー排出する必要がないので、ブロー排出される水蒸気を回収する蒸気アキュムレータ等の付帯設備が要らず、低コスト化や小型化を実現できる。
また、水位Ｌを調整して過熱部５０Ａと水蒸気発生部５０Ｂとの比率を変更することによっても、過熱水蒸気の温度および乾き度を調整することができる。【００４１】
図８は、蒸気エンジン６及び発電機７の構成を示す平面図であり、図９は蒸気エンジン６の動作を示す図であり、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、それぞれ蒸気エンジン６の動作中の過程を示す。
図８に示すように、蒸気エンジン６は、４つのシリンダ６１を備えた水平対向４気筒エンジンである。４本のシリンダ６１は２本ずつ対をなしており、対向する２本のシリンダ６１は、ピストンロッド６２を共用している。２本のピストンロッド６２は、それぞれ、蒸気エンジン６の動作により図中矢印Ａで示す向きに往復運動し、この運動は、Ｚクランク機構６４によって回転運動に変換される。蒸気エンジン６は、Ｚクランク機構６４の回転軸に連結された出力軸６５を有する。図８に示す例では、Ｚクランク機構６４の両端に繋がる２本の出力軸６５が配置され、各々の出力軸６５に負荷を接続することが可能であるが、本実施形態では、一方の出力軸６５にのみ、負荷としての発電機７を接続するものとする。
出力軸６５には同心の出力プーリ６６が取り付けられ、この出力プーリ６６には、ベルト７０が架けられている。ベルト７０は、発電機７の駆動軸７１に取り付けられた駆動プーリ７２にも架け渡され、このベルト７０を介して、蒸気エンジン６の動力が発電機７に伝達され、発電機７によって電気エネルギに変換される。【００４２】
ここで、蒸気エンジン６の駆動サイクルを、一つのシリンダ６１を例として説明する。
図９Ａは、シリンダ６１のピストン６３が上死点にある状態を示す。図９Ａの状態では、ピストン６３が吸気ポート６１１及び排気ポート６１２に最も近接しており、後述するピストン室の体積が最小である。この図９Ａに示すように、ピストン６３が上死点に達すると、排気ポート６１２の弁６２２が閉じられ、吸気ポート６１１の弁６２１が開かれる。これにより、吸気ポート６１１から、蒸気発生装置５の水蒸気供給管５２３（図７）からの水蒸気が流入し、この水蒸気の圧力によって、図９Ｂに示すようにピストン６３が押し出される。図９Ｂの状態では、吸気ポート６１１から流入する水蒸気によりピストン６３が押し出され、この駆動力がピストン６３とともにピストンロッド６２を矢印方向に移動させ、Ｚクランク機構６４（図８）を駆動する。【００４３】
その後、ピストン６３が下死点まで移動すると、吸気ポート６１１の弁６２１が閉じられるとともに、排気ポート６１２の弁６２２が開かれ、ピストン室６１Ａの水蒸気が排気ポート６１２から排出される。この排出過程では、図９に示したシリンダ６１に対向するもう一本のシリンダ６１（図示略）は、水蒸気によってピストン６３が押し出される過程にある。このため、ピストン６３は、図示しないもう一本のシリンダ６１に流入する水蒸気の圧力で、上死点まで移動されるので、ピストン室６１Ａの水蒸気は速やかに排気ポート６１２に排出される。
さらに、排気ポート６１２には、復水装置８のエゼクタ８３に繋がるバキューム管６１３が接続され、このバキューム管６１３によりエゼクタ８３の負圧が加わっている。このため、弁６２２が開かれると、エゼクタ８３の負圧により、ピストン室６１Ａの水蒸気が排気ポート６１２に強制的に吸引されるとともに、ピストン６３が上死点に向けて強制的に移動される。すなわち、ピストン６３は、下死点から上死点に向かう過程においても外部の動力により駆動される。【００４４】
従って、蒸気エンジン６においては、ピストンロッド６２が、蒸気発生装置５からの高温高圧の水蒸気により駆動される上、このピストンロッド６２に、エゼクタ８３の負圧による駆動力が加わる。これにより、水蒸気だけでなく、復水のために設けたエゼクタ８３の負圧を運動エネルギに変換し、効率よく大きな動力を得ることができる。
なお、図８に示す構成では、４本のシリンダ６１に対して出力軸６５が２本のみ設けられ、このうち１本の出力軸６５からベルト７０によって動力を取り出す構成を例示したが、１本のシリンダ６１に対応して出力軸を設け、４本の出力軸から別々に動力を取り出す構成としてもよい。また、２つの出力軸６５から別々に動力を取り出してもよい。【００４５】
図１０及び図１１は、復水装置８の構成を示す図であり、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは正面図、図１０Ｃは側面図である。図１１Ａは復水装置８及び周辺回路を含む回路図であり、図１１Ｂはエゼクタ８３及び混合部８４の構造を示す断面図である。
復水装置８は、水を溜める水槽８０と、水槽８０の水を汲み出して送り出す循環ポンプ８１と、循環ポンプ８１により送り出された水を、吸込管８２を介して送られる空気と混合させる混合部８４と、混合部８４で混合された水と空気とを噴射させるエゼクタ８３と、を備えている。循環ポンプ８１は水槽８０の前面側に配置され、この水槽８０により送出された水が空気と混合されてエゼクタ８３の下方から上向きに噴射され、エゼクタ８３上部の配管を介して水槽８０に戻される構成となっている。
水槽８０の上には蓋８５が配置され、水槽８０の前面には水槽８０の水位を示す水位計８６が設けられている。【００４６】
吸込管８２には、蒸気エンジン６のバキューム管６１３（図９Ａ〜図９Ｃ）により吸い込まれた水蒸気が送られる。この水蒸気は、混合部８４において水と混合されることによって冷却され、液体となって水槽８０に送られる。そして、水槽８０の水は、蒸気発生装置５の配管５２６（図７）に接続された水循環供給管８７により、再び蒸気発生装置５へ送出される。
水槽８０には、市水が供給される給水管８１１が接続され、水槽８０に市水を給水可能となっており、水槽８０の水を排水する排水管８１２が設けられている。【００４７】
さらに、水槽８０の内部には、水槽８０の水を冷却する冷却器８８が設けられている。冷却器８８は、循環路１０４（図１）から供給される熱媒体油が循環する管で構成され、この熱媒体油と水槽８０の水とを熱交換させる。上述のように、蒸気エンジン６で利用された水蒸気は混合部８４で水と混合されて冷却されるが、このとき水蒸気の液化による熱によって、水槽８０に戻る水の温度は上昇している。動力発生装置１では、冷却器８８を流れる熱媒体油により水槽８０の水の温度を下げることで、安定して復水装置８が運転できるようにしている。【００４８】
図１２は、地中配管部９の構成を示す平面図である。
地中配管部９は、地中に埋設された複数の地中管９３Ａ〜Ｅと、地中管９３Ａ〜Ｅに熱媒体油を送る送出管９１及び戻り管９２とを接続して構成される。送出管９１及び戻り管９２は、復水装置８の冷却器８８（図１０）の両端に接続され、循環ポンプ１１４（図１）を備えている。
地中管９３Ａ〜Ｅは、いずれも、地表から地中へ潜って再び地表に戻るＵ字状の配管であり、熱交換効率の高い銅や、比較的熱伝導性の高い合成樹脂が用いられる。地中管９３Ａ〜Ｅは、外部からの圧力等から保護するため、地中に埋設された外筒９５の内部に収容されている。外筒９５は金属または合成樹脂製の筒であり、その内部には土等により満たされている。【００４９】
送出管９１及び戻り管９２と各地中管９３Ａ〜Ｅとは、熱媒体油の流動距離が地中管９３毎に大きく差がでないように接続される。すなわち、地中管９３Ａは、送出管９１の先端部と、戻り管９２の基端部との間に接続され、地中管９３Ｂ、９３Ｃ、９３Ｄは送出管９１の中央部と戻り管９２の中央部に接続され、地中管９３Ｅは送出管９１の基端部と戻り管９２の先端部との間に接続されている。言い換えれば、送出管９１には、先端側から、地中管９３Ａ、９３Ｂ、９３Ｃ、９３Ｄ、９３Ｅの順に接続され、戻り管９２には、先端側から、９３Ｅ、９３Ｄ、９３Ｃ、９３Ｂ、９３Ａの順に接続されている。このように接続することで、特定の地中管９３に多くの熱媒体油が流れることがなく、均一に、効率よく、地中と熱媒体油とを熱交換させることができる。
なお、地中配管部９を含む循環路１０４を流れる熱媒体は、熱媒体油であってもよく、水系やアルコール系の不凍液であってもよいが、比熱（熱容量）の大きい流体を用いた場合には、地中の熱（冷熱）を媒介する能力が高いため、循環ポンプ１１４による熱媒体の輸送量が小さくても十分な効果が得られるという利点がある。このため、循環路１０４を流れる熱媒体として制約がなければ、水系やアルコール系の不凍液を用いることが効率的であり、好ましい。【００５０】
以上のように、本発明を適用した実施形態に係る動力発生装置１によれば、自然エネルギを利用して、吸熱・放熱装置２によって熱媒体油を、１００℃を超える所定温度まで加熱し、この１００℃を超える熱媒体油の熱を、蓄熱体４０を有する蓄熱装置４に蓄え、蓄えた熱エネルギによって水を蒸気にして動力を発生させ、利用後の蒸気を地中熱により冷却して環流させる。このため、自然エネルギに基づいて熱媒体油の熱として取り出したエネルギを効率よく蓄えることができ、蓄えた熱エネルギを水蒸気の熱及び圧力として必要量だけ速やかに取り出し、取り出したエネルギを動力エネルギに変換して利用できる。また、熱エネルギの利用に際して利用した水を、地中熱を利用して復水して環流させるので、自然エネルギを利用して水の無駄な消費を抑制するので、より効率的に自然エネルギを利用して動力エネルギを得ることができる。【００５１】
また、蓄熱装置４は、熱媒体油を貯留可能な蓄熱槽４１に、蓄熱棒４８を有する蓄熱体４０を備え、蓄熱体４０によって熱媒体油の流路を構成し、この流路が熱媒体油と蓄熱棒４８との接触面積を増大した形態となるので、より大きな熱エネルギを蓄えることが可能であり、また、媒体油の熱エネルギが確実に蓄熱棒４８に伝わるので、効率よく熱エネルギを蓄えることができる。【００５２】
さらに、蒸気により駆動されるレシプロ型の蒸気エンジン６を用いて、水蒸気のエネルギを動力エネルギに変換するので、蓄熱装置４に蓄えた熱エネルギを効率よく動力エネルギに変換できる。また、シリンダ６１から蒸気を排出する排気ポート６１２に、蒸気を吸引する吸引機構としての復水装置８を接続したので、シリンダ６１からの排気の過程においても負圧により駆動力を与えることができ、より大きな動力エネルギが得られる。【００５３】
さらに、復水装置８は、水槽８０内の復水を循環ポンプ８１により循環させ、エゼクタ８３によって噴射して負圧を生成し、このエゼクタ８３を蒸気エンジン６の排気ポート６１２に接続し、この排気ポート６１２から吸引した蒸気を、エゼクタ８３を経て水槽８０内に吸引するので、蒸気を非常に素早く復水することができ、環流する水の量を抑え、自然エネルギの利用に際してより一層の効率化を図ることができる。また、エゼクタ８３により発生する負圧を蒸気エンジン６に与えて動力エネルギとして利用するので、復水装置８における噴射のエネルギを効率よく利用して、より大きな動力エネルギを得ることができる。【００５４】
また、動力発生装置１は、いわゆる逆サイクル運転が可能であり、地中熱を利用して熱媒体油を加熱し、蓄熱装置４に蓄熱できるので、地中熱を、蒸気の冷却だけでなく熱源として利用できる。これにより、例えば寒冷時のように、熱エネルギを収集しにくい環境においても、自然エネルギを効率よく収集して熱エネルギとして蓄えることができる。
さらに、蒸気エンジン６の出力軸に発電機７を連結することで、自然エネルギから得た熱エネルギを動力エネルギに変換した後で、さらに電気エネルギに変換できる。これにより、自然エネルギから得たエネルギを効率よく蓄積し、この蓄えたエネルギを需要に応じて取り出して発電することで、無駄のない効率的な発電を行える。【００５５】
なお、上述した実施形態はあくまで本発明を適用した一具体例であって、本発明はこの形態に限定されない。例えば、上記の実施形態では、熱媒体油の熱エネルギを蓄える蓄熱部として、蓄熱槽４１内に蓄熱体４０を備えた蓄熱装置４を用いた例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、蓄熱体としての金属塊等の内部に熱媒体油の流路を設けた構成としてもよい。また、蓄熱体４０の形態は任意であり、例えば、表面構造を複雑にして熱媒体油との接触面積を大きくした金属塊を用いてもよい。さらに、蒸気発生部はレシプロ型の蒸気エンジン６に限定されず、水蒸気の熱及び圧力に基づいて動力エネルギを得るものであれば良い。蒸気エンジン６のシリンダ６１の数等の具体的な仕様についても任意に変更可能であり、Ｚクランク機構６４を用いない構成とすることも勿論可能である。また、地中配管部９を構成する地中管９３は、地表から垂直に埋設されるＵ字状の管に限らず、水平方向に蛇行する管を地中に埋設したものであってもよい。その他、動力発生装置１を構成する各部の構成は、本発明の趣旨を損なわない範囲において任意に変更可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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