(57)【要約】【課題】  自然界の熱エネルギーを温熱源とすることができ、熱エネルギーのロスを極力抑えつつ発電することができる発電システム及び発電方法の提供。【解決手段】  第一作動媒体Ｗ１を流通させる第一作動媒体ラインＬ１上に、第一熱交換器１Ａ、第一熱機関２Ａ及び第一発電機３Ａを備え、第二作動媒体Ｗ２を流通させる第二作動媒体ラインＬ２上に、第二熱交換器１Ｂ、第三作動媒体Ｗ３を供給する第三作動媒体供給手段５、第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３を混合する混合手段６、第二熱機関２Ｂ及び第二発電機３Ｂを備え、第一作動媒体ラインＬ１上の第一熱機関２Ａの下流側と第二作動媒体ラインＬ２上の第二熱機関２Ｂの下流側の双方に、第三熱交換器１Ｃを備え、該第三熱交換器１Ｃに第三作動媒体Ｗ３を排出するための第三作動媒体排出手段１０を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然界に存する熱エネルギーを作動媒体の温熱源とし、下記のＡ乃至Ｄの構成を備えたことを特徴とする作動媒体特性差発電システムであって、
Ａ：第一作動媒体を流通させる第一作動媒体ラインと、第二作動媒体を流通させる第二作動媒体ラインとを有する、
Ｂ：上記第一作動媒体ライン上に上記第一作動媒体と温熱源媒体間で熱交換を行うための第一熱交換器と、該第一熱交換器にて加熱された上記第一作動媒体から運動エネルギーを取り出す第一熱機関と、該第一熱機関にて取り出された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する第一発電機を備える、
Ｃ：上記第二作動媒体ライン上に上記第二作動媒体と温熱源媒体間で熱交換を行うための第二熱交換器と、該第二熱交換器にて加熱された上記第二作動媒体と混合される第三作動媒体を供給する第三作動媒体供給手段と、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体を混合する混合手段と、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体から運動エネルギーを取り出す第二熱機関と、該第二熱機関にて取り出された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する第二発電機を備える、
Ｄ：上記第一作動媒体ライン上の上記第一熱機関の下流側と上記第二作動媒体ライン上の上記第二熱機関の下流側の双方に、上記第一熱機関から排出された上記第一作動媒体と、上記第二熱機関から排出された上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体間で熱交換を行うための第三熱交換器を備え、該第三熱交換器に上記第三作動媒体を排出するための第三作動媒体排出手段を備える。
【請求項２】
上記第二作動媒体ライン上の上記混合手段と上記第二熱機関間に、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体を圧縮する圧縮機を備えることを特徴とする請求項１記載の作動媒体特性差発電システム。
【請求項３】
上記第一熱機関及び上記第二熱機関の双方が外燃機関であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の作動媒体特性差発電システム。
【請求項４】
上記第一熱交換器に流入する温熱源媒体の温熱源と、上記第二熱交換器に流入する温熱源媒体の温熱源とが共通であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の作動媒体特性差発電システム。
【請求項５】
上記第一発電機は、シリンダーとピストンの一方に永久磁石帯域を備え、同他方に起電コイル帯域を備え、上記第一熱機関を内包した構成とすることを特徴とする請求項３記載の作動媒体特性差発電システム。
【請求項６】
上記第二発電機は、シリンダーとピストンの一方に永久磁石帯域を備え、同他方に起電コイル帯域を備え、上記第二熱機関を内包した構成とすることを特徴とする請求項３記載の作動媒体特性差発電システム。
【請求項７】
上記第一発電機と上記第二発電機を一つの共通の発電機としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の作動媒体特性差発電システム。
【請求項８】
上記請求項１乃至請求項７の何れかの作動媒体特性差発電システムを用いた発電方法であって、上記第一作動媒体として上記第一熱交換器に流入する温熱源媒体の温度よりも低い沸点を有する流体を用い、上記第二作動媒体として上記第二熱交換器に流入する温熱源媒体の温度よりも高い沸点を有する流体を用いると共に、上記第三作動媒体として上記第二作動媒体の凝固点よりも低い沸点を有する流体を用いることを特徴とする作動媒体特性差発電方法。
【請求項９】
上記第一作動媒体としてペンタン又はイソブタン又はアンモニア又はアンモニア・水混合液又は代替フロンを用い、上記第二作動媒体として水を用いると共に、上記第三作動媒体として空気を用いることを特徴とする請求項８記載の作動媒体特性差発電方法。
【請求項１０】
上記第二作動媒体と上記第三作動媒体を混合する混合手段において、上記第三作動媒体中に上記第二作動媒体の小滴を噴霧することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の作動媒体特性差発電方法。
【請求項１１】
上記第三作動媒体中への上記第二作動媒体の小滴の噴霧により低下した圧力を補完した後に上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体を上記第二熱機関又は上記圧縮機へ供給することを特徴とする請求項１０記載の作動媒体特性差発電方法。
【請求項１２】
上記低下した圧力の補完は、上記混合手段から上記第二熱機関又は上記圧縮機への供給過程で行うことを特徴とする請求項１１記載の作動媒体特性差発電方法。
【請求項１３】
上記圧縮機へ上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体を供給すると共にさらに上記第二作動媒体を供給することを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の作動媒体特性差発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生可能エネルギーから取り出した熱エネルギーを、作動媒体を介して運動エネルギーに変換し、該運動エネルギーを電気エネルギーへと変換する発電装置及び発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、再生可能エネルギーである、海水・河川水・湖水等の水を熱源とする熱、太陽熱、地熱、空気（大気）熱等の自然界に存する熱エネルギーを、作動媒体を介して最終的に電気エネルギーに変換する発電システムや発電方法が種々開発されている。
【０００３】
このような自然界の熱エネルギーを利用した発電システムにおいては、流体から成る作動媒体を循環させるサイクルとして、ランキンサイクルやカリーナサイクル等の熱サイクルが用いられている。これらの熱サイクルにおいては、自然界の熱エネルギーを温熱源として作動媒体を加熱し蒸発させるプロセスと、気体となった作動媒体を熱機関で使用して熱エネルギーを運動エネルギーへ変換し更には電気エネルギーに変換するプロセスと、使用済みの作動媒体を冷熱源により冷却し凝縮させるプロセスを含む。
【０００４】
よって、冷熱源媒体は、使用済み作動媒体と熱交換することによって、該作動媒体から熱エネルギーを得ることになる。この冷熱源媒体が得た熱エネルギーをも有効利用して電気エネルギーを生成することができれば、自然界の熱エネルギーをロスなく電気エネルギーへ変換することができるため、そのようなシステムや方法が望まれている。
【０００５】
例えば、下記特許文献１には、冷熱源媒体を作動媒体の加熱剤として捉え、冷熱源媒体が使用済み作動媒体から得た熱エネルギーを再び作動媒体に与える発電システムや発電方法が開示されている。
【０００６】
また、下記特許文献２には、二種類の熱サイクルを用い、一方の熱サイクルの使用済み作動媒体の熱エネルギーを他方の熱サイクルの作動媒体、つまり一方の作動媒体の冷熱源媒体に伝達し、該冷熱源媒体によっても発電を可能とする発電システムや発電方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１５−５２３４９１号公報
【特許文献２】特表２０１６−５１０３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に開示の発電システム及び発電方法によれば、使用済み作動媒体が保有する熱エネルギーを再利用することができるが、そのためには冷熱源媒体（加熱剤）を温熱源によって更に加熱しなければ、作動媒体に有効な熱エネルギーを伝達することができない問題点を有している。
【０００９】
よって、燃焼等により人工的に生成した熱エネルギーを温熱源として用いる場合には、生成する熱エネルギーを節約することができるとしても、温熱源として自然界の熱エネルギーを用いる場合には、特に有効な熱エネルギーの利用とはならない。
【００１０】
これに対して、上記特許文献２に開示の発電システム及び発電方法によれば、一方の熱サイクルの使用済み作動媒体が保有する熱エネルギーを冷熱源媒体たる他方の熱サイクルの作動媒体に伝達し、当該熱エネルギーをそのまま他方の熱サイクルで活用することができる利点を有する。
【００１１】
しかしながら、上記特許文献２に開示の発電システム及び発電方法においては、一方の熱サイクルにおいて水素と酸素を燃焼させることが必須要件となっており、換言すれば、結局、新たな熱エネルギーを人工的に生成することが必須要件となるという問題点を有している。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、二つの熱サイクルと三つの作動媒体を複合的に用い、各作動媒体の特性を活かして、一方の熱サイクルの作動媒体から他方の熱サイクルの作動媒体への熱エネルギーの伝達を効果的に行い、この付与された熱エネルギーを二種類の作動媒体が協働して運動エネルギーに変換し、ひいては電気エネルギーへと変換することができる高効率の発電システム及び発電方法を提供する。
【００１３】
要述すると、本発明に係る発電システムは、自然界に存する熱エネルギーを作動媒体の温熱源とし、下記のＡ乃至Ｄの構成を備えたことを特徴とする作動媒体特性差発電システムであって、
Ａ：第一作動媒体を流通させる第一作動媒体ラインと、第二作動媒体を流通させる第二作動媒体ラインとを有する、
Ｂ：上記第一作動媒体ライン上に上記第一作動媒体と温熱源媒体間で熱交換を行うための第一熱交換器と、該第一熱交換器にて加熱された上記第一作動媒体から運動エネルギーを取り出す第一熱機関と、該第一熱機関にて取り出された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する第一発電機を備える、
Ｃ：上記第二作動媒体ライン上に上記第二作動媒体と温熱源媒体間で熱交換を行うための第二熱交換器と、該第二熱交換器にて加熱された上記第二作動媒体と混合される第三作動媒体を供給する第三作動媒体供給手段と、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体を混合する混合手段と、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体から運動エネルギーを取り出す第二熱機関と、該第二熱機関にて取り出された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する第二発電機を備える、
Ｄ：上記第一作動媒体ライン上の上記第一熱機関の下流側と上記第二作動媒体ライン上の上記第二熱機関の下流側の双方に、上記第一熱機関から排出された上記第一作動媒体と、上記第二熱機関から排出された上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体間で熱交換を行うための第三熱交換器を備え、該第三熱交換器に上記第三作動媒体を排出するための第三作動媒体排出手段を備える。
【００１４】
好ましくは、上記第二作動媒体ライン上の上記混合手段と上記第二熱機関間に、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体を圧縮する圧縮機を備えることにより、確実に上記第二熱機関にて上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体から運動エネルギーを取り出すことができる。
【００１５】
また、上記第一熱機関及び上記第二熱機関の双方を外燃機関とすることにより、燃焼を伴わず、上記各作動媒体の熱エネルギーを運動エネルギーへ変換する構成とすることができる。
【００１６】
また、上記第一熱交換器に流入する温熱源媒体の温熱源と、上記第二熱交換器に流入する温熱源媒体の温熱源とを共通にすることにより、効率良く自然界の熱エネルギーを利用することができると共にシステム全体をコンパクトにすることができる。
【００１７】
好ましくは、上記第一発電機は、シリンダーとピストンの一方に永久磁石帯域を備え、同他方に起電コイル帯域を備え、上記第一熱機関を内包した構成とする。同様に、上記第二発電機は、シリンダーとピストンの一方に永久磁石帯域を備え、同他方に起電コイル帯域を備え、上記第二熱機関を内包した構成とする。これにより、高効率で熱エネルギーを最終的に電気エネルギーへと変換することができると共にシステムのコンパクト化を図ることができる。
【００１８】
さらに好ましくは、上記第一発電機と上記第二発電機を一つの共通の発電機とすることにより、システムのコンパクト化を図ることができる。
【００１９】
本発明に係る発電方法は、既述した発電システムを用いた作動媒体特性差発電方法であって、上記第一作動媒体として上記第一熱交換器に流入する温熱源媒体の温度よりも低い沸点を有する流体を用い、上記第二作動媒体として上記第二熱交換器に流入する温熱源媒体の温度よりも高い沸点を有する流体を用いると共に、上記第三作動媒体として上記第二作動媒体の凝固点よりも低い沸点を有する流体を用いる。
【００２０】
例えば、上記第一作動媒体としてペンタン又はイソブタン又はアンモニア又はアンモニア・水混合液又は代替フロンを用い、上記第二作動媒体として水を用いると共に、上記第三作動媒体として空気を用いる。
【００２１】
また、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体を混合する混合手段において、上記第三作動媒体中に上記第二作動媒体の小滴を噴霧することにより、上記第三作動媒体が保有する熱エネルギーの一部を上記第二作動媒体の小滴内に蒸発潜熱として確実に保持させつつ上記第三作動媒体を高密度にする。
【００２２】
好ましくは、上記第三作動媒体中への上記第二作動媒体の小滴の噴霧により低下した圧力を補完した後に上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体を上記第二熱機関又は上記圧縮機へ供給することにより、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体の熱エネルギーを有効に利用できると共に上記圧縮機を用いる場合には当該圧縮機の負担を軽減することができる。
【００２３】
より好ましくは、上記低下した圧力の補完は、上記混合手段から上記第二熱機関又は上記圧縮機への供給過程で行う。
【００２４】
また、上記圧縮機へ上記混合手段により上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体と共にさらに上記第二作動媒体を供給することにより、上記第三作動媒体をより高密度にすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る発電システム及び発電方法によれば、二つの熱サイクルと三つの作動媒体を複合的に用い、各作動媒体の特性を活かして、一方の熱サイクルの作動媒体から他方の熱サイクルの作動媒体への熱エネルギーの伝達を効果的に行い、この熱エネルギーが例え低レベルであっても、当該熱エネルギーを二種類の作動媒体が協働して運動エネルギー、ひいては電気エネルギーへと変換することができる。
【００２６】
よって、各作動媒体に付与する熱エネルギーを自然界の熱エネルギーのみで賄うと共に、付与された熱エネルギーを無駄なく利用することができ、環境負荷を与えることなく低コスト且つ安全に電気エネルギーを得ることができる。
【００２７】
また、温熱源として、例えば海水を用いれば、近年上昇している海水の温度を下げ、ひいては海水の温度上昇に伴う台風やモンスーンなどの異常発生を減らして、地球環境の改善にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１に係る作動媒体特性差発電システムの概略図である。
【図２】実施例２に係る作動媒体特性差発電システムの概略図である。
【図３】実施例３に係る作動媒体特性差発電システムの概略図である。
【図４】実施例４に係る作動媒体特性差発電システムの概略図である。
【図５】第二作動媒体と第三作動媒体の混合手段の概略図である。
【図６Ａ】気体圧シリンダー構造の発電機における第一作動媒体供給時の状態を示す縦断面図である。
【図６Ｂ】気体圧シリンダー構造の発電機における第二作動媒体と第三作動媒体の混合気体供給時の状態を示す縦断面図である。
【図６Ｃ】気体圧シリンダー構造の発電機における第一作動媒体排出時の状態を示す縦断面図である。
【図６Ｄ】気体圧シリンダー構造の発電機における第二作動媒体と第三作動媒体の混合気体排出時の状態を示す縦断面図である。
【図７Ａ】気体圧シリンダー構造の発電機における第二作動媒体と第三作動媒体の混合気体供給時の状態を示す縦断面図である。
【図７Ｂ】気体圧シリンダー構造の発電機における第二作動媒体の追加供給時の状態を示す縦断面図である。
【図７Ｃ】気体圧シリンダー構造の発電機における第二作動媒体と第三作動媒体の混合気体（追加した第二作動媒体を含む）の排出時の状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係る最良の形態を図１乃至図７に基づき説明する。
【００３０】
＜作動媒体特性差発電システムの基本構成＞
本発明に係る作動媒体特性差発電システムは、自然界に存する熱エネルギーを作動媒体の温熱源とすることを前提とするものである。ここで、自然界に存する熱エネルギーとは、海水・河川水・湖水等の水を熱源とする熱、太陽熱、地熱、空気（大気）熱等をいう。つまり自然界に存する、比較的短期間に再生可能な熱エネルギーをいう。
【００３１】
本発明に係る作動媒体特性差発電システムは、図１乃至図４に示すように、第一作動媒体Ｗ１を流通させる第一作動媒体ラインＬ１と、第二作動媒体Ｗ２を流通させる第二作動媒体ラインＬ２とを有する。これら第一・第二作動媒体ラインＬ１・Ｌ２は、既知のダクト、チューブ等から成る配管であり、当該第一・第二作動媒体ラインＬ１・Ｌ２によって、後述するように二つの熱サイクルを利用して発電を行う。
【００３２】
なお、図１乃至図４においては、ハッチングを付した矢印にて第一作動媒体Ｗ１の流通を示し、黒塗りの矢印にて第二作動媒体Ｗ２の流通を示し、白抜きの矢印にて第三作動媒体Ｗ３の流通を示し、グレー塗りの矢印にて第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合流体の流通を示している。
【００３３】
第一作動媒体ラインＬ１上の構成及び第二作動媒体ラインＬ２上の構成について詳述する。まず、第一作動媒体ラインＬ１上には、第一作動媒体Ｗ１と温熱源媒体ｈ間で熱交換を行うための第一熱交換器１Ａと、該第一熱交換器１Ａにて加熱された第一作動媒体Ｗ１から運動エネルギーを取り出す第一熱機関２Ａと、該第一熱機関２Ａにて取り出された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する第一発電機３Ａとを備える構成となっている。
【００３４】
これに対して、第二作動媒体ラインＬ２上には、第二作動媒体Ｗ２と温熱源媒体ｈ間で熱交換を行うための第二熱交換器１Ｂと、該第二熱交換器１Ｂにて加熱された第二作動媒体Ｗ２と混合される第三作動媒体Ｗ３を供給する第三作動媒体供給手段５と、第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３を混合する混合手段６と、該第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合流体(Ｗ２＋Ｗ３)から運動エネルギーを取り出す第二熱機関２Ｂと、該第二熱機関２Ｂにて取り出された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する第二発電機３Ｂを備える構成となっている。
【００３５】
なお、第一作動媒体ラインＬ１上の第一熱機関２Ａと、第二作動媒体ラインＬ２上の第二熱機関２Ｂの双方を外燃機関、例えば既知の蒸気タービン等の外燃構造のタービン、既知のフリーピストン、既知のロータリー等とするのが好ましい。外燃機関は、燃焼を伴わなくとも、作動媒体自身の膨張に基づいて運動エネルギーを取り出すことができ、自然界に存する熱エネルギーのみを有効に活用することができるためである。ただし、第一熱機関２Ａ及び／又は第二熱機関２Ｂを内燃機関とすることを本発明は排除しない。
【００３６】
また、第一作動媒体ラインＬ１上の第一熱機関２Ａの下流側と、第二作動媒体ラインＬ２上の第二熱機関２Ｂの下流側の双方に、第一熱機関２Ａから排出された第一作動媒体Ｗ１と、第二熱機関２Ｂから排出された第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合流体間で熱交換を行うための第三熱交換器１Ｃを備え、該第三熱交換器１Ｃに第三作動媒体Ｗ３を排出するための第三作動媒体排出手段１０を備える構成となっている。
【００３７】
また、第一作動媒体ラインＬ１上の第三熱交換器１Ｃと第一熱交換器１Ａ間には、液体の状態の第一作動媒体Ｗ１を流通させるための第一ポンプ４Ａを備えると共に、第二作動媒体ラインＬ２上の第二熱交換機１Ｂと混合手段６間には、液体の状態の第二作動媒体Ｗ２を流通させるための第二ポンプ４Ｂを備える構成となっている。なお、好ましくは、第二ポンプ４Ｂを加圧ポンプとし、第二作動媒体Ｗ２を加圧した後に混合手段６へ供給する。
【００３８】
ここで、各作動媒体Ｗ１・Ｗ２・Ｗ３について説明する。第一作動媒体Ｗ１としては、第一熱交換器１Ａに流入する温熱源媒体ｈの温度よりも低い沸点を有する流体を用いる。よって、第一作動媒体Ｗ１は第一熱交換器１Ａで加熱されて蒸発し、気体として第一熱機関２Ａに供給される。また、第二作動媒体Ｗ２としては、第二熱交換器１Ｂに流入する温熱源媒体ｈの温度よりも高い沸点且つ低い融点を有する流体を用いる。よって、第二作動媒体Ｗ２は第二熱交換器１Ｂで加熱された後も液体のまま、混合手段６に供給される。また、第三作動媒体Ｗ３としては、第二作動媒体Ｗ２の凝固点よりも低い沸点を有する流体を用いる。よって、第三作動媒体Ｗ３は少なくとも第二作動媒体Ｗ２が液体である温度のときには気体である。
【００３９】
第一作動媒体Ｗ１としては、既知のバイナリ―発電システムに用いられる流体を用いることができ、例えばペンタン又はイソブタン又はアンモニア又はアンモニア・水混合液又は代替フロンを用いる。また、第二作動媒体Ｗ２としては、例えば、水を用いると共に、第三作動媒体としては、例えば、空気（大気）を用いることができる。
【００４０】
前述した混合手段６は、図５に示すように、密閉空間６ａを有し、当該密閉空間６ａ内で、第三作動媒体供給手段５を介して供給される第三作動媒体Ｗ３と、第二作動媒体供給手段７を介して供給される第二作動媒体Ｗ２とを混合する。
【００４１】
好ましくは、第二作動媒体供給手段７はノズル等の噴霧手段を備え、液体としての第二作動媒体Ｗ２の小滴を、気体としての第三作動媒体Ｗ３に噴射することにより、第三作動媒体Ｗ３に第二作動媒体Ｗ２を混合し混合気体とする。すなわち、第三作動媒体Ｗ３内に混合された第二作動媒体Ｗ２の小滴は該第三作動媒体Ｗ３と気液接触して同第三作動媒体Ｗ３の熱エネルギーを奪って蒸発潜熱として保持しつつ当該第三作動媒体Ｗ３内に存することとなる。このとき、第三作動媒体Ｗ３は体積が減り、高密度化する。
【００４２】
また、より好ましくは、混合手段６には差圧補完手段９、つまり、第三作動媒体Ｗ３内への第二作動媒体Ｗ２の混合により減った圧力（差圧）を補完する手段を備える。該差圧補完手段９としては、有圧扇、ファン、ブロワ等の既知の送風機又は既知のコンプレッサーを用いることができる。
【００４３】
また、第二作動媒体ラインＬ２上においては、混合手段６と第二熱機関２Ｂ間に圧縮機８を備え、第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体を適切な圧力に調整し、第二熱機関２Ｂへと供給する構成となっている。ただし、本発明にあっては、混合手段６により、第二作動媒体Ｗ２を内在した第三作動媒体Ｗ３を高密度とすることができ、過大な加圧をせずとも第二熱機関２Ｂにて有効に運動エネルギーを取り出すことができる。なお、本発明にあっては、混合手段６において適切な圧力に調整することができれば、圧縮機８を省略することも実施に応じ任意である。
【００４４】
上記した基本構成を備えた本発明に係る作動媒体特性差発電システムは、第一作動媒体ラインＬ１と第二作動媒体ラインＬ２による二つの熱サイクルと、第一作動媒体Ｗ１、第二作動媒体Ｗ２及び第三作動媒体Ｗ３の三つの作動媒体を複合的に用いる。
【００４５】
そして、各作動媒体Ｗ１・Ｗ２・Ｗ３の特性を活かして、第一作動媒体ラインＬ１を流通する第一作動媒体Ｗ１から第二作動媒体ラインＬ２を流通する第二作動媒体Ｗ２への熱エネルギーの伝達を効果的に行い、この付与された熱エネルギーを第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３が協働して第二熱機関２Ｂにて運動エネルギーに変換し、ひいては第二発電機３Ｂによって電気エネルギーへと変換することができる。
【００４６】
＜作動媒体特性差発電システムの詳細構成＞
図１は本発明に係る作動媒体特性差発電システムの実施例１を示しており、同様に図２は実施例２を、図３は実施例３を、図４は実施例４をそれぞれ示している。これら各実施例においては、自然界に存する熱エネルギーの内、海水等の水を熱源とする熱エネルギーを第一熱交換器１Ａと第二熱交換器１Ｂの共通の温熱源Ｈとし、効率良く自然界の熱エネルギーを利用することができると共にシステム全体をコンパクト化している。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、その他の自然界に存する熱エネルギー、例えば太陽熱、地熱、空気熱を温熱源Ｈとして活用することができると共に、第一熱交換器１Ａにおける温熱源Ｈと、第二熱交換器１Ｂにおける温熱源Ｈとして異なる自然界の熱エネルギーを利用しても良い。以下、各実施例に基づき、詳細構成について説明する。
【００４７】
＜実施例１＞
実施例１の作動媒体特性差発電システムは、既述した基本構成をそのまま備えるものである。なお、第三作動媒体Ｗ３として、大気（空気）を用いることを想定しており、第三作動媒体供給手段５は、大気を取り入れて混合手段６へと供給し、第三作動媒体排出手段１０は、第三作動媒体Ｗ３を第三熱交換機１Ｃからそのまま大気へ放出する。
【００４８】
また、第一発電機３Ａ、第二発電機３Ｂとしては、タービン発電機等の既知の発電機を用いることができる他、後述する実施例３の気体圧シリンダー構造を有する発電機とすることもできる。
【００４９】
第一発電機３Ａを気体圧シリンダー構造を有する発電機とする場合、左気体圧室と右気体圧室に第一作動媒体Ｗ１を交互に供給し、同様に第二発電機３Ｂを気体圧シリンダー構造を有する発電機とする場合、左気体圧室と右気体圧室に第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体（Ｗ２＋Ｗ３）を交互に供給する。
【００５０】
＜実施例２＞
実施例２の作動媒体特性差発電システムは、実施例１のシステムのように第一作動媒体ラインＬ１上と第二作動媒体ラインＬ２上にそれぞれ別個に第一発電機３Ａと第二発電機３Ｂを備える構成に代えて、これら第一・第二発電機３Ａ・３Ｂを兼ねる一つの共通の発電機（第一発電機兼第二発電機：３Ａ＋３Ｂ）３Ｃを備える構成となっている。
【００５１】
当該発電機３Ｃは既知の発電機を用いることができ、第一作動媒体Ｗ１の熱エネルギーから変換された運動エネルギーと、第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混同気体の熱エネルギーから変換された運動エネルギーを利用して電気エネルギーを得る。好ましくは、実施例３にて説明する気体圧シリンダー構造を有する発電機を用いれば、効率良く発電することができる。
【００５２】
また、本実施例にあっては、第二作動媒体Ｗ２を第二作動媒体供給手段７により混合手段６のみならず、圧縮機８へも供給する構成となっている。当該構成は既述の実施例１にも、後述の実施例３や実施例４にも当然に適用できる。
【００５３】
また、本実施例にあっては、第三作動媒体Ｗ３を大気とせず、それ以外の常温では気体で第二作動媒体Ｗ２の凝固点よりも低い沸点を有する流体を用いることを前提として、第三作動媒体ラインＬ３を備える構成となっている。この第三作動媒体ラインＬ３は既述の実施例１にも、後述の実施例３や実施例４にも適用できることは勿論である。なお、第三作動媒体ラインＬ３も既知のダクト、チューブ等から成る配管である。
【００５４】
＜実施例３＞
実施例３の作動媒体特性差発電システムは、実施例１・２よりも更に効率化とシステムのコンパクト化を図るため、第一・第二発電機３Ａ・３Ｂと、第一・第二熱機関２Ａ・２Ｂと、圧縮機８の機能を兼ね備えた発電機（第一・第二発電機兼第一・第二熱機関兼圧縮機：２Ａ＋２Ｂ＋３Ａ＋３Ｂ＋８）３Ｄを備える構成となっている。つまり、発電機に熱機関の機能を内包し、さらに圧縮機の機能を内方する構成とし、その発電機を第一発電機３Ａと第二発電機３Ｂを兼ね備えたものとすることができる。
【００５５】
発電機３Ｄについて詳述すると、図６Ａ乃至図６Ｄに示すように、当該発電機３Ｄは、シリンダー１１の左端壁１２と接する左気体圧室１４内の気体圧と、同右端壁１３と接する右気体圧室１５内の気体圧とをシリンダー１１内のピストン（フリーピストン）１６に交互に印加して同ピストン１６を軸線方向へ往復移動する気体圧シリンダー構造を有している。
【００５６】
また、ピストン１６の左気体圧室１４と接する左受圧面１７と右気体圧室１５と接する右受圧面１８間に永久磁石帯域１９を形成すると共に、シリンダー１１の左右端壁１２，１３間の筒壁に左右気体圧室１４，１５に亘る起電コイル帯域２１を形成し、永久磁石帯域１９を有するピストン１６の軸線方向への往復移動により起電コイル帯域２１における発電を誘起する構成を有する。なお、上記とは逆に、ピストン１６側に起電コイル帯域を備え、シリンダー１１側に永久磁石帯域を備える構成とすることも実施に応じ任意である。
【００５７】
なお、ピストン１６は永久磁石から成る複数のリング１６ａを一体且つ同軸芯に積層した構造の永久磁石筒体１６´を筒形ヨーク２０に外挿し、該筒形ヨーク２０の筒孔２３の両端開口面を受圧端板２４で閉鎖した筒形ピストン構造にする。リング１６ａの積層数の増減によりピストン１６（永久磁石帯域１９）の長さを増減できる。
【００５８】
また、永久磁石筒体１６´の極性は既知の電磁誘導原理に従い、永久磁石の磁力線が起電コイル帯域２１の起電コイルに対し効果的に作用する配置とする。なお、起電コイル帯域２１を形成する起電コイルは上記極配置に従い複数の単位起電コイル群で形成する場合を含む。また、受圧端板２４の外周面にシリンダー１１の内周面との気密封鎖を図る環状シール２５を設ける。なお、具体的には図示しないが、永久磁石筒体１６´の両端外周面に環状シール２５を設けてもよい。好ましくは、受圧端板２４をセラミック板、繊維板、石材板、コンクリート板、カーボン板、金属板等から成る耐熱板で形成する。
【００５９】
そして、左気体圧室１４内への左供給口２６を通じた第一作動媒体Ｗ１の供給と、右気体圧室１５内への右供給口２７を通じた第二作動媒体Ｗ２及び第三作動媒体Ｗ３の混合気体の供給とを交互に行い、該第一作動媒体Ｗ１の気体圧と、第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体の気体圧が協働してピストン１６を軸線方向へ往復移動する構成とする。なお、第一作動媒体Ｗ１はピストン１６が右方への移動を終了した時に左排出口２８から排出され、第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体はピストン１６が作法への移動を終了した時に右排出口２９から排出される。
【００６０】
したがって、発電機３Ｄによって第一作動媒体Ｗ１から運動エネルギーを得て該運動エネルギーを電気エネルギーへと変換することができる。同様に第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体から運動エネルギーを得て該運動エネルギーを電気エネルギーへと変換することができる。そのため、発電機３Ｄは基本構成の第一・第二発電機３Ａ・３Ｂと第一・第二熱機関２Ａ・２Ｂとを兼ねることができる。
【００６１】
さらに、図６Ｂに示すように、左供給口２６から左気体圧室１４へ供給した第一作動媒体Ｗ１によってピストン１６が右方へ移動している時、すなわちピストン１６によって右気体圧室１５の体積が減少していく時に、当該右気体圧室１５に右供給口２７から第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体を供給すれば、当該第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体がピストン１６によって圧縮される。よって発電機３Ｄは基本構成の圧縮機８を兼ねることができる。なお、圧縮機８を省略するときは、具体的には図示しないが、ピストン１６の右方への移動が終了した時に右気体圧室１５に右供給口２７から第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体を供給すれば良い。
【００６２】
また、図７Ａ乃至図７Ｃに示すように、発電機Ｄの右気体圧室１５に追加供給口２７´を設けて第二作動媒体Ｗ２を追加供給すれば、さらに効率良くピストン１６を移動させることができる。
【００６３】
すなわち、図７Ａに示すように、右供給口２７から供給された第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体が圧縮され、その後、図７Ｂに示すように、ピストン１６が左方への移動を開始し追加供給口２７´を通過した時に該追加供給口２７´から第二作動媒体Ｗ２を追加供給すれば、第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体を追加の第二作動媒体Ｗ２が補完しピストン１６の左方への移動を持続させる。
【００６４】
換言すると、このとき第三作動媒体Ｗ３は第二作動媒体Ｗ２の凝縮点で不凝縮の気体又は第二作動媒体Ｗ２の凝固点で不凝縮の気体であるから、第二作動媒体Ｗ２が凝縮点又は凝固点において放出する凝縮熱又は凝固熱を第三作動媒体Ｗ３が回収し、該熱回収により第三作動媒体Ｗ３を膨張させてその気体圧をピストン１６へ印加し当該ピストン１６の移動を持続する。
【００６５】
その後、追加された第二作動媒体Ｗ２を含む第三作動媒体Ｗ３との混合気体は、図７Ｃに示すように、右排出口２９から排出される。
【００６６】
また、具体的には図示しないが、追加供給口２７´を設けた右気体圧室１５は、圧縮機８の機能を兼ね備え得る部分であるから、右供給口２７から第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体を供給すると同時に追加供給口２７´から第二作動媒体Ｗ２を追加供給すれば、実施例２のように、第二作動媒体供給手段７によって圧縮機８へも第二作動媒体Ｗ２を供給する構成とすることができる。
【００６７】
＜実施例４＞
実施例４の作動媒体特性差発電システムは、実施例３のシステム構成と同様であるが、第一作動媒体Ｗ１と第二作動媒体Ｗ２を温熱源Ｈ兼温熱源媒体ｈたる海水等と直接熱交換させる構成となっている。すなわち、第一熱交換器１Ａ及び第二熱交換器１Ｂを温熱源Ｈ内に設置するものである。したがって、システム構成をさらにコンパクトにすることができる。
【００６８】
＜作動媒体特性差発電方法＞
既述した本発明に係る作動媒体特性差発電システムを用いた発電方法について、図１乃至図４をもとに詳述する。既述のとおり、第一作動媒体Ｗ１としては、第一熱交換器１Ａに流入する温熱源媒体ｈの温度よりも低い沸点を有する流体を、第二作動媒体Ｗ２としては、第二熱交換器１Ｂに流入する温熱源媒体ｈの温度よりも高い沸点且つ低い融点を有する流体を、第三作動媒体Ｗ３としては、第二作動媒体Ｗ２の凝固点よりも低い沸点を有する流体を用いる。例示として、第一作動媒体Ｗ１としてペンタン又はイソブタン又はアンモニア又はアンモニア・水混合液又は代替フロンを、第二作動媒体Ｗ２として水を、第三作動媒体Ｗ３として空気（大気）を用いることができる。
【００６９】
まず、第一作動媒体ラインＬ１上では、第一作動媒体Ｗ１が第一熱交換器１Ａにて温熱源媒体ｈと熱交換して加熱され、蒸発する。気体となった第一作動媒体Ｗ１は第一熱機関２Ａへと供給され、保有する熱エネルギーを当該第一熱機関２Ａにて運動エネルギーへと変換し、該運動エネルギーが第一発電機３Ａにて電気エネルギーへ変換される。
【００７０】
第一熱機関２Ａから排出された第一作動媒体Ｗ１、すなわち使用済みの第一作動媒体Ｗ１は、後述する使用済みの第二作動媒体Ｗ２及び第三作動媒体Ｗ３の混合気体（Ｗ２＋Ｗ３）と第三熱交換器１Ｃにて熱交換して冷却され、凝縮する。すなわち、使用済みの第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体（第二作動媒体Ｗ２は液体又は固体となる場合はある）は第一作動媒体Ｗ１の冷熱源媒体である。そして、液体となった第一作動媒体Ｗ１は第一ポンプ４Ａによって再び第一熱交換器１Ａへと供給され、循環する。
【００７１】
これに対して、第二作動媒体ラインＬ２上では、第二作動媒体Ｗ２が第二熱交換器１Ｂにて温熱源媒体ｈと熱交換し、加熱される。第二作動媒体Ｗ２は、既述の如く、温熱源媒体ｈの温度よりも高い沸点且つ温熱源媒体ｈの温度より低い融点を有する流体であるため、第二熱交換器１Ｂを通過した後も液体のままであり、第二ポンプ４Ｂによって流通され、第二作動媒体供給手段７を介して混合手段６へと供給される。また、第二ポンプ４Ｂを加圧ポンプとすれば、第二作動媒体Ｗ２を加圧した後に混合手段６へ供給することができる。
【００７２】
図５に示すように、混合手段６の密閉空間６ａ内では第二作動媒体Ｗ２が第二作動媒体供給手段７により微細な小滴となって噴霧され、第三作動媒体供給手段５によって同密閉空間６ａに供給された第三作動媒体Ｗ３と混合される。第三作動媒体Ｗ３は、既述の如く、第二作動媒体Ｗ２の凝固点よりも低い沸点を有する流体であるから、上述のように第二作動媒体Ｗ２が液体のときには気体である。そのため、第三作動媒体Ｗ３に第二作動媒体Ｗ２の小滴を噴霧すると、第二作動媒体Ｗ２を内在し高密度化した第三作動媒体Ｗ３から成る混合気体が生成される。
【００７３】
この際に第三作動媒体Ｗ３は第二作動媒体Ｗ２の小滴により熱エネルギーが減少し圧力も低下するが、減少した熱エネルギーは蒸発潜熱として第二作動媒体Ｗ２の小滴が保有する。換言すると、第二作動媒体Ｗ２の小滴は第三作動媒体Ｗ３から奪った熱エネルギーを蒸発潜熱として保持しつつ同第三作動媒体Ｗ３内に存する状態となる。なお、本発明にあっては、第三作動媒体Ｗ３内において第二作動媒体Ｗ２の小滴の一部が気化して、湿り蒸気となる場合を排除しない。
【００７４】
上記のように混合された第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体は、好ましくは差圧補完手段９によって差圧（混合により低下した圧力）を補完され、圧縮機８へと供給される。又は圧縮機８を省略するときは第二熱機関２Ｂへと供給される。差圧補完手段９としては、既述の如く、有圧扇、ファン、ブロワ等の既知の送風機又は既知のコンプレッサーを用いることができるが、特に差圧補完手段９として送風機を用いれば、圧縮機８又は第二熱機関２Ｂへの供給過程で差圧を補完できるため、差圧補完と供給とを効率的に行うことができる。
【００７５】
圧縮機８へ供給された第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体は適切な圧力に調整され、第二熱機関２Ｂにて熱エネルギーを運動エネルギーへと変換され、該運動エネルギーを第二発電機３Ｂにて電気エネルギーへと変換される。
【００７６】
第二熱機関２Ｂにおいては、第二作動媒体Ｗ２を内在し高密度となっている第三作動媒体Ｗ３が効果的に膨張し、熱エネルギーを運動エネルギーへ変換する。すなわち、第二熱機関２Ｂにおいて、第二作動媒体Ｗ２は凝固熱又は凝縮熱を放出し、該放出した凝固熱又は凝縮熱を第三作動媒体Ｗ３が回収して効果的に膨張する。したがって、固体又は液体となった第二作動媒体Ｗ２を内在した第三作動媒体Ｗ３が極低温度となって第二熱機関２Ｂから排出される。したがって、上述のとおり、第三熱交換器１Ｃにおいては、第一作動媒体Ｗ１の冷熱源媒体として有効に利用することができる。
【００７７】
第三熱交換器１Ｃで使用済み第一作動媒体Ｗ１によって加熱された、第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体は気液分離し、液体の状態の第二作動媒体Ｗ２は再び第二熱交換器１Ｂへと供給され、気体の状態の第三作動媒体Ｗ３は第三作動媒体排出手段１０により排出される。排出される第三作動媒体Ｗ３は、実施例１・３・４の発電システムで説明したように、大気に放出しても良いし、実施例２の発電システムで説明したように、第三作動媒体ラインＬ３を介して、第三作動媒体供給手段５へ流通させても良い。
【００７８】
また、実施例２の発電システムで説明したように、第二作動媒体Ｗ２を第二作動媒体供給手段７により混合手段６のみならず、圧縮機８へも供給することができる。この場合、混合手段６で生成された第二作動媒体Ｗ２と第三作動媒体Ｗ３の混合気体の圧力を補完することができると共に、当該混合気体における第三作動媒体Ｗ３をさらに高密度化し、第二熱機関２Ｂで確実に運動エネルギーを取り出すことができる。
【００７９】
さらに、実施例２の発電システムのように、第一・第二発電機３Ａ・３Ｂを兼ねる一つの共通の発電機（第一発電機兼第二発電機）３Ｃを用いたり、実施例３・４の発電システムのように、第一・第二発電機３Ａ・３Ｂと、第一・第二熱機関２Ａ・２Ｂと、圧縮機８の機能を兼ね備えた発電機（第一・第二発電機兼第一・第二熱機関兼圧縮機）３Ｄを用いたりすれば、より効率的な発電が可能となる。
【００８０】
本発明は、二つの熱サイクルと三つの作動媒体を複合的に用い、各作動媒体の特性差に着目し、一方の熱サイクルの作動媒体から他方の熱サイクルの作動媒体への熱エネルギーの伝達を効果的に行い、この付与された熱エネルギーを二種類の作動媒体が協働して運動エネルギー、ひいては電気エネルギーへと変換することができる。
【００８１】
したがって、各作動媒体に付与する熱エネルギーを自然界の熱エネルギーのみで賄うと共に、付与された熱エネルギーが低レベルであっても無駄なく活用することができる。すなわち、気温との乖離の少ない比較的低温度の熱エネルギーを温熱源とすることができ、熱エネルギーのロスを極力抑えつつ発電することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係る発電システム及び発電方法は、低コストで安全にしかも環境負荷を与えることのない電力供給を可能とする。よって化石燃料や原子力を利用した発電システムや発電方法の代替として、産業上の利用可能性が頗る高いものである。
【符号の説明】
【００８３】
１Ａ…第一熱交換器、１Ｂ…第二熱交換器、１Ｃ…第三熱交換器、２Ａ…第一熱機関、２Ｂ…第二熱機関、３Ａ…第一発電機、３Ｂ…第二発電機、３Ｃ…発電機（第一発電機兼第二発電機）、３Ｄ…発電機（第一・第二発電機兼第一・第二熱機関兼圧縮機）、４Ａ…第一ポンプ、４Ｂ…第二ポンプ、５…第三作動媒体供給手段、６…混合手段、６ａ…密閉空間、７…第二作動媒体供給手段、８…圧縮機、９…差圧補完手段、１０…第三作動媒体排出手段、１１…シリンダー、１２…左端壁、１３…右端壁、１４…左気体圧室、１５…右気体圧室、１６…ピストン、１６´…永久磁石筒体、１６ａ…リング、１７…左受圧面、
１８…右受圧面、１９…永久磁石帯域、２０…筒形ヨーク、２１…起電コイル帯域、２３…筒孔、２４…受圧端板、２５…環状シール、２６…左供給口、２７…右供給口、２７´…追加供給口、２８…左排出口、２９…右排出口、Ｌ１…第一作動媒体ライン、Ｌ２…第二作動媒体ライン、Ｌ３…第三作動媒体ライン、Ｗ１…第一作動媒体、Ｗ２…第二作動媒体、Ｗ３…第三作動媒体、Ｈ…温熱源、ｈ…温熱源媒体。
【図１】
2019152125.tif 000003
【図２】
2019152125.tif 000004
【図３】
2019152125.tif 000005
【図４】
2019152125.tif 000006
【図５】
2019152125.tif 000007
【図６Ａ】
2019152125.tif 000008
【図６Ｂ】
2019152125.tif 000009
【図６Ｃ】
2019152125.tif 000010
【図６Ｄ】
2019152125.tif 000011
【図７Ａ】
2019152125.tif 000012
【図７Ｂ】
2019152125.tif 000013
【図７Ｃ】
2019152125.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月20日(2018.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１１】
上記第三作動媒体中への上記第二作動媒体の小滴の噴霧により低下した圧力を補完した後に上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体を上記第二熱機関へ供給することを特徴とする請求項１０記載の作動媒体特性差発電方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
上記低下した圧力の補完は、上記混合手段から上記第二熱機関への供給過程で行うことを特徴とする請求項１１記載の作動媒体特性差発電方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
上記第二熱機関への供給過程で上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体を供給すると共にさらに上記第二作動媒体を供給することを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の作動媒体特性差発電方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
好ましくは、上記第三作動媒体中への上記第二作動媒体の小滴の噴霧により低下した圧力を補完した後に上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体を上記第二熱機関へ供給することにより、上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体の熱エネルギーを有効に利用できる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
より好ましくは、上記低下した圧力の補完は、上記混合手段から上記第二熱機関への供給過程で行う。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
また、上記第二熱機関への供給過程で上記第二作動媒体と上記第三作動媒体の混合流体と共にさらに上記第二作動媒体を供給することにより、上記第三作動媒体をより高密度にすることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2019152125.tif 000015