(57)【要約】      （修正有）【課題】未利用低位熱エネルギーを高い成績係数（ＣＯＰ）で回収することが可能な低位熱エネルギー回収方法及び低位熱発電システムを提供する。【解決手段】低位熱エネルギー源Ｅｓにより低位熱回収熱交換器ＥＶｏを介して冷媒蒸気を生成し、冷媒圧縮機Ｐ２により圧縮して高温高圧冷媒を生成し、高温高圧冷媒の熱を密閉動力サイクル１５の作動流体に放熱するとともに高圧冷媒を生成し、高圧冷媒を第１膨張機４０Ａにより減圧・膨張させて第１機械エネルギーを回収する。また、蓄電電力をパルス電源２８に供給してパルス電力を生成し、パルス電力により高エンタルピー変換器４２を通電することにより作動流体の受熱温度よりも高い所定温度に加熱し、高温高圧作動流体を高エンタルピー変換器４２と接触させることにより高エンタルピー動力流体を生成し、第２膨張機４０Ｂで高エンタルピー動力流体を膨張させながら第２機械エネルギーを回収する。【選択図】図１
2015017599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定圧で封入することにより低沸点で蒸発可能な作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクル及びヒートポンプと、該密閉動力サイクルに蓄電電力を供給する蓄電ユニットとを備えたエネルギー変換装置を準備し、該ヒートポンプにおいて大気熱源及び大地熱源から選ばれた少なくとも１つの低位熱エネルギー源により低位熱回収熱交換器を介して該冷媒から冷媒蒸気を生成し、冷媒圧縮機により該冷媒蒸気を圧縮して高温高圧冷媒を生成し、該高温高圧冷媒の熱を該密閉動力サイクルの該作動流体に放熱するとともに高圧冷媒を生成し、該高圧冷媒を第１膨張機により減圧・膨張させて第１機械エネルギーを回収するとともに低温低圧冷媒を生成し、該低温低圧冷媒を蒸発させて冷熱を生成し、該密閉動力サイクルにおいて該高温高圧冷媒から吸熱した作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、該蓄電電力をパルス電源に供給してパルス電力を生成し、該パルス電力により高エンタルピー変換器を通電することにより該作動流体の受熱温度よりも高い所定温度に加熱し、該高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器と接触させることにより高エンタルピー動力流体を生成し、該第１膨張機に出力軸を介して連結された第２膨張機で該高エンタルピー動力流体を膨張させながら第２機械エネルギーを回収し、該出力軸を介して該第１及び第２機械エネルギーを出力させながらその一部で該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機を駆動し、該冷熱を利用して該第２膨張機の膨張ガスを冷却することにより該冷媒と該作動流体とを再生することを特徴とする低位熱エネルギー回収方法。
【請求項２】
該大気熱源が空気熱及び工場排熱並びに建物の排気熱を含み、該大地熱源が地面の熱、地中熱及び土壌熱を含み、該エネルギー変換装置において、該出力軸を介して該第１及び第２機械エネルギーを発電機に供給して電力を発生させ、該電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに供給し、さらに、該高温高圧作動流体をバネの力に抗してバッファアダンパーで一時的に貯蔵し、該第２膨張機の膨張行程の略全期間中に亘って制御弁を開放して該高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器に供給し、該バッファアダンパーと該制御弁とを該第１及び第２膨張機のスタータとして機能させることを特徴とする請求項１記載の低位熱エネルギー回収方法。
【請求項３】
所定圧で封入することにより低沸点で蒸発可能な作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクル及びヒートポンプと、該密閉動力サイクルに蓄電電力を供給する蓄電ユニットとを有するエネルギー変換装置を備え、該ヒートポンプが大気熱源及び大地熱源から選ばれた少なくとも１つの低位熱エネルギーとの熱交換により該冷媒を加熱・蒸発させて冷媒蒸気を生成する低位熱回収熱交換器と、該冷媒蒸気を圧縮して高温高圧冷媒を生成する冷媒圧縮機と、該高温高圧冷媒の熱を該密閉動力サイクルの該作動流体に放熱して高圧冷媒を生成する放熱器と、該高圧冷媒を減圧・膨張させて第１機械エネルギーを回収するとともに低温低圧冷媒を生成する第１膨張機と、該低温低圧冷媒を蒸発させて冷熱を生成する蒸発用熱交換器とを備え、該密閉動力サイクルが該高温高圧冷媒から吸熱した作動流体を圧縮して高温高圧作動流体を生成する流体圧縮機と、該蓄電電力を利用してパルス電力を生成するパルス電源と、該パルス電力により通電して該作動流体の受熱温度よりも高い所定温度に発熱して該高温高圧作動流体から高エンタルピー動力流体を生成する高エンタルピー変換器と、該第１膨張機と出力軸を介して連結されていて該高エンタルピー動力流体を膨張させることにより第２機械エネルギーを回収する第２膨張機と、該蒸発用熱交換器を備えていて該冷熱により該第２膨張機の膨張ガスを冷却しながら該作動流体と該冷媒を再生する冷却器と、該該出力軸から取り出された該第１及び第２機械エネルギーにより駆動されて電力を発生する発電機とを備え、該出力軸を介して該第１及び第２機械エネルギーの一部を該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機に供給して駆動し、該作動流体が該放熱器を経由して該流体圧縮機に還流することを特徴とする低位熱発電システム。
【請求項４】
該エネルギー変換装置が、さらに、該電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに充電する充電器と、該高温高圧作動流体をバネの力に抗して一時的に貯蔵するバッファアダンパーと、該第２膨張機の膨張行程の略全期間中に亘って該高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器に供給する制御弁とを備えることを特徴とする請求項３記載の低位熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【技術分野】
【０００１】  本発明は低位熱エネルギー回収方法及び低位熱発電システムに関し、特に、自然エネルギーを利用した低位熱エネルギー回収方法及び低位熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、地球温暖化による気候変動が原因となって熱波、洪水、竜巻等による大規模な被害が地球規模で頻発し、その緊急な対策が課題となっている。その解決策として、地球上に膨大な量で存在している大気熱、地中熱、土壌熱等の低位熱エネルギーの有効利用が注目されている。【０００３】  特許文献１には、低位熱回収熱交換器を利用して低位熱エネルギー媒体により密閉動力サイクルの作動流体を蒸発させ、一方、ヒートポンプにより生成した高温ガスにより作動流体の蒸気を加熱して得た過熱蒸気をタービンで膨張させることにより動力に変換し、また、ヒートポンプにより生成した冷熱によりタービンの膨張ガスを冷却するようにした低位熱エネルギー回収方法及びプラントが提案されている。【０００４】  特許文献２には、第１高度位置において外気熱等の低位熱エネルギーを利用してボイラーの液体を加熱することにより蒸気を発生させ、該蒸気を第２高度位置で冷却器により凝縮して液体を生成し、該液体をタービンまで落下させてタービンを駆動することにより発電するようにしたエネルギー発生装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４２９２８０９号
【特許文献２】米国特許第５４８８８２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  ところで、特許文献１で開示された低位熱エネルギー回収方法及びプラントではヒートポンプで得られる高温ガスの温度は約１１０〜１３０℃であるため、高エンタルピーの作動流体をタービンに供給することが不可能であり、実用可能な機械エネルギーの出力を得ることができなかった。しかも、ヒートポンプで生成した高温高圧冷媒の熱を有効利用することなく、低位熱源の排流に遺棄しているため、低位熱回収効率を向上させることができなかった。また、ヒートポンプの低温高圧冷媒を膨張弁で減圧・膨張させているが、低温高圧冷媒の膨張エネルギーを有効利用していないため、低位熱エネルギー回収方法及びプラントの成績係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ＣＯＰ）を向上させることが困難であった。【０００７】  特許文献２で開示されたエネルギー発生装置は構造が複雑で部品点数が多く、生産コストが高く、しかも、エネルギー出力が極めて小さいため、各種低位熱発電システムで利用可能な新エネルギー発生装置として実用化することができなかった。【０００８】  地球上には屋内空気、屋外空気などの大気熱及びビルや工場等の排気熱等（以下、「大気熱源」と称する）や地中熱、土壌熱及び砂漠熱等（以下、「大地熱源」と称する）が大量の未利用エネルギーとして存在している。しかしながら、上述の低位熱エネルギー回収方法及びプラント並びにエネルギー発生装置ではこれら未利用の低位熱エネルギーを有効活用することができなかった。【０００９】  本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、地球上の未利用低位熱エネルギーを高い成績係数（ＣＯＰ）で回収することが可能な低位熱エネルギー回収方法及び低位熱発電システム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】
【００１０】  請求項１に記載された第１発明によれば、低位熱エネルギー回収方法において、所定圧で封入することにより低沸点で蒸発可能な作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクル及びヒートポンプと、該密閉動力サイクルに蓄電電力を供給する蓄電ユニットとを備えたエネルギー変換装置を準備し、該ヒートポンプにおいて大気熱源及び大地熱源から選ばれた少なくとも１つの低位熱エネルギー源により低位熱回収熱交換器を介して該冷媒から冷媒蒸気を生成し、冷媒圧縮機により該冷媒蒸気を圧縮して高温高圧冷媒を生成し、該高温高圧冷媒の熱を該密閉動力サイクルの該作動流体に放熱するとともに高圧冷媒を生成し、該高圧冷媒を第１膨張機により減圧・膨張させて第１機械エネルギーを回収するとともに低温低圧冷媒を生成し、該低温低圧冷媒を蒸発させて冷熱を生成し、該密閉動力サイクルにおいて該高温高圧冷媒から吸熱した作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、該蓄電電力をパルス電源に供給してパルス電力を生成し、該パルス電力により高エンタルピー変換器を通電することにより該作動流体の受熱温度よりも高い所定温度に加熱し、該高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器と接触させることにより高エンタルピー動力流体を生成し、該第１膨張機に出力軸を介して連結された第２膨張機で該高エンタルピー動力流体を膨張させながら第２機械エネルギーを回収し、該出力軸を介して該第１及び第２機械エネルギーを出力させながらその一部で該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機を駆動し、該冷熱を利用して該第２膨張機の膨張ガスを冷却することにより該冷媒と該作動流体とを再生することを特徴とする。【００１１】  請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、好ましくは、該大気熱源が空気熱及び工場排熱並びに建物の排気熱を含み、該大地熱源が地面の熱、地中熱及び土壌熱を含み、該エネルギー変換装置において、該出力軸を介して該第１及び第２機械エネルギーを発電機に供給して電力を発生させ、該電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに供給し、さらに、該高温高圧作動流体をバネの力に抗してバッファアダンパーで一時的に貯蔵し、該第２膨張機の膨張行程の略全期間中に亘って制御弁を開放して該高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器に供給し、該バッファアダンパーと該制御弁とを該第１及び第２膨張機のスタータとして機能させる【００１２】  請求項３に記載された第２発明によれば、低位熱発電システムが、所定圧で封入することにより低沸点で蒸発可能な作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクル及びヒートポンプと、該密閉動力サイクルに蓄電電力を供給する蓄電ユニットとを有するエネルギー変換装置を備え、該ヒートポンプが大気熱源及び大地熱源から選ばれた少なくとも１つの低位熱エネルギーとの熱交換により該冷媒を加熱・蒸発させて冷媒蒸気を生成する低位熱回収熱交換器と、該冷媒蒸気を圧縮して高温高圧冷媒を生成する冷媒圧縮機と、該高温高圧冷媒の熱を該密閉動力サイクルの該作動流体に放熱して高圧冷媒を生成する放熱器と、該高圧冷媒を減圧・膨張させて第１機械エネルギーを回収するとともに低温低圧冷媒を生成する第１膨張機と、該低温低圧冷媒を蒸発させて冷熱を生成する蒸発用熱交換器とを備え、該密閉動力サイクルが該高温高圧冷媒から吸熱した作動流体を圧縮して高温高圧作動流体を生成する流体圧縮機と、該蓄電電力を利用してパルス電力を生成するパルス電源と、該パルス電力により通電して該作動流体の受熱温度よりも高い所定温度に発熱して該高温高圧作動流体から高エンタルピー動力流体を生成する高エンタルピー変換器と、該第１膨張機と出力軸を介して連結されていて該高エンタルピー動力流体を膨張させることにより第２機械エネルギーを回収する第２膨張機と、該蒸発用熱交換器を備えていて該冷熱により該第２膨張機の膨張ガスを冷却しながら該作動流体と該冷媒を再生する冷却器と、該該出力軸から取り出された該第１及び第２機械エネルギーにより駆動されて電力を発生する発電機と、該電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに充電する充電器とを備え、該出力軸を介して該第１及び第２機械エネルギーの一部を該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機に供給して駆動し、該作動流体が該放熱器を経由して該流体圧縮機に還流することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】  本発明の低位熱エネルギー回収方法及び低位熱発電システムでは、ヒートポンプにおいて大気熱源及び大地熱源から選ばれた少なくとも１つの低位熱エネルギー源により低位熱回収熱交換器を介して冷媒から冷媒蒸気を生成してこれを冷媒圧縮機で圧縮して高温高圧冷媒を生成し、その熱を密閉動力サイクルの作動流体に放熱して低位熱エネルギー由来の熱を回収している。この時生成した高圧冷媒を第１膨張機により減圧・膨張させて第１機械エネルギーを回収するとともに、密閉動力サイクルではヒートポンプから吸熱した作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、これを、例えば、約８００℃前後に発熱した高エンタルピー変換器と接触させることにより高エンタルピー動力流体に変換している。第２膨張機でこの高エンタルピー動力流体を膨張させることにより第２機械エネルギーを回収し、ヒートポンプで生成した冷熱を利用して第２膨張機の膨張ガスを冷却することにより冷媒と作動流体とを再生している。このように、低位熱エネルギーから極めて高い成績係数（ＣＯＰ）で第１及び第２機械エネルギーを回収することが可能となる。高エンタルピー動力流体は第２膨張機に連続的（膨張行程の全期間に亘って）に供給されるため、第２膨張機の正味有効平均圧力は約２５０〜４５０Ｋｇｆ／ｃｍ２もの高圧になり、既存のレーシングカーの正味有効平均圧力１３．５Ｋｇｆ／ｃｍ２に比べて数十倍の大きさになる。したがって、低位熱エネルギーを利用して極めて大きな機械エネルギーを取り出すことが可能となり、これを発電機に供給して数十キロワットから数百メガワットの安定した質の高い電力を連続的に得ることができ、球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。【００１４】  また、電力の一部を蓄電用電力として蓄電ユニットに供給することによって、低位熱発電システムは自立可能となり、外部から電気エネルギーの供給がなくても、自立して連続的に低位熱エネルギーから機械エネルギーと電気エネルギーを回収することが可能となる。さらに、高温高圧作動流体をバネの力に抗してバッファアダンパーで一時的に貯蔵し、これを制御弁によって開放する構成となっている。そのため、エネルギー変換装置の起動時には制御弁を開弁するだけでバッファアダンパーから高圧作動流体を高エンタルピー変換器に吐出して高エンタルピー動力流体を発生させて第２膨張機で膨張させることを可能としている。したがって、単純なキースイッチのＯＮ動作により、何時でも必要なときに低位熱発電システムを始動させることができ、利便性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例による低位熱エネルギー回収方法を実行するための低位熱発電システムのブロック図を示す。
【図２】図１の低位熱発電システムの複合型圧縮機の断面図を示す。
【図３】図１の低位熱発電システムの高エンタルピー変換器の断面図を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００１６】  以下、本発明の実施例による低位熱エネルギー回収方法を実行するための低位熱発電システムについて図面に基づき詳細に説明する。以下の説明において、低位熱発電システムは定置型構造に適用したものとして記載するが、低位熱エネルギーとして大気熱源を利用した場合には、船舶、航空機、鉄道列車、自動車等の揺動体や建設機械、港湾機械等動力源で駆動される機械装置に適用可能である。【００１７】  図１に示した実施例において、低位熱発電システム１０は、所定圧でそれぞれ封入することにより低沸点で蒸発可能にされた作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰと、密閉動力サイクル１５に蓄電電力を供給する蓄電ユニット２０とを備えていて低位熱エネルギーから機械エネルギーを回収するエネルギー変換装置１２と、該機械エネルギーを伝達する出力装置１６とを備える。出力装置１６はエネルギー変換装置１２の機械エネルギーを選択的に遮断若しくは締結するクラッチＣＬと、該機械エネルギーにより駆動されて電力を生成する発電機ＧＥとを有する。【００１８】  作動流体及び冷媒としては、本発明を限定するものではないが、自然界に存在する安全な物質であり、極めて安価に手に入れることができる理由から、オゾン層破壊係数がゼロで地球温暖化係数が１の自然冷媒である二酸化炭素（以下、ＣＯ２と定義する）が挙げられる。説明の便宜上、密閉動力サイクル１２の作動流体をＣＯ２作動流体、ヒートポンプＨＰの冷媒をＣＯ２冷媒と称する。このように、作動流体と冷媒とは共通の成分である二酸化炭素を利用するが、それぞれ異なる媒体を利用しても良い。密閉動力サイクル１５及びヒートポンプＨＰでは、本発明を限定するものではないが、低圧側の圧力がＣＯ２の超臨界点以下の所定圧、例えば、２〜５．７ＭＰａとなるようにそれぞれの系統内に充填される。この場合、利用しようとする低位熱エネルギーの採熱温度に応じてＣＯ２冷媒の充填圧が選択される。例えば、ＣＯ２冷媒の低圧側の圧力を２．５ＭＰａとなるように充填すると、ＣＯ２冷媒は約−１１℃で蒸発するため、液化ＣＯ２冷媒は−１１℃以上である大気熱源と熱交換することで容易に蒸発して過熱蒸気（冷媒蒸気）を得ることができ、低位熱エネルギーを汲み上げることが可能になる。【００１９】  密閉動力サイクル１５は、低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆを超臨界点（３１．１℃、７．４ＭＰａ）以上の圧力、所謂、超臨界状態で圧縮する圧縮機（複合型回転式流体機械）２７と、圧縮機２７から吐出された高温高圧ＣＯ２作動流体（超臨界流体）Ｗｆｐを逆止弁２９を介して一時的に貯蔵して超臨界流体の脈動を抑制しながら吐出させるための摺動ピストン及びバネ手段３０ａを内蔵した貯蔵室３０ｂを有するバッファアダンパー３０と、バッファアダンパー３０のアウトレット３０ｃから供給される超臨界流体Ｗｆｐの流れ（流通期間）を制御する電磁弁（制御弁）３２と、バッファアダンパー３０から供給された超臨界流体Ｗｆｐをその超臨界点（３１．１℃）以上の温度（例えば、６００〜１２００℃）に発熱して高エンタルピー動力流体（高エンタルピー超臨界流体）を発生させる高エンタルピー変換器４２と、ヒートポンプＨＰの高圧冷媒Ｃ���ｈと超臨界流体Ｓｃｆを作動室１１６内に導入してそれぞれ膨張させて第１及び第２機械エネルギーを生成する第１及び第２回転式流体機械部（第１、第２膨張機）４０Ａ，４０Ｂからなる回転式流体機械４０と、該第１、第２機械エネルギーを取り出すとともにその一部を圧縮機２７に伝達する出力軸１３２とを備える。第１、第２膨張機４０Ａ，４０Ｂは出力軸１３２に支持されていて作動室１１６に回転可能に収納された共通のロータリピストン本体）２００を備え、作動室１１６内に高圧冷媒Ｃｍｈと超臨界流体Ｓｃｆをそれぞれ供給するインレット１２４Ａ，１２４Ｂと、低温低圧冷媒Ｃｍｅと膨張ガスＥｇとをそれぞれ排出するアウトレット１２６Ａ，１２６Ｂとを有する。【００２０】  バッファアダンパー３０のバネ手段３０ａは、貯蔵室３０ｂの高圧ＣＯ２作動流体（超臨界流体）の圧力が、例えば、２０〜６０ＭＰａに維持されるように選択される。したがって、密閉動力サイクル１５において、逆止弁２９と電磁弁（制御弁）３２との間の第１流体圧経路における圧力は２０〜６０ＭＰａに維持され、残部の第２流体圧経路（回転式流体機械４０の低圧側）は、例えば、４．４ＭＰａ（冷媒の蒸発温度（採熱温度）は１０℃）に維持されるようにＣＯ２作動流体が密閉動力サイクル１５に充填される。圧縮機２７は、例えば、２０〜６０ＭＰａの圧力で超臨界流体を吐出するので、密閉動力サイクル１５の作動中にはバッファアダンパー３０のバネ手段３０ａは常時、圧縮された状態に維持されて超臨界流体Ｗｆｐを貯蔵する。【００２１】  電磁弁３２は、本願発明者と同一発明者による特許第５２７２２７８号「超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した低位熱発電システム」に記載されたものと同一の構造を有するため、詳細な説明を省略する。【００２２】  ヒートポンプＨＰは、大気熱源又は大地熱源等の低位熱エネルギーＥｓとの熱交換により冷媒を加熱・蒸発させて過熱蒸気（冷媒蒸気）Ｃｍを生成する低位熱回収熱交換器ＥＶｏと、過熱蒸気Ｃｍを圧縮して高温高圧冷媒Ｃｍｐを生成する冷媒圧縮手段Ｐ２と、高温高圧冷媒Ｃｍｐの熱を密閉動力サイクル１５の作動流体Ｗｆｏに放熱して高圧冷媒Ｃｍｈを生成する放熱器ＥＶ２と、高圧冷媒Ｃｍｈを減圧・膨張させて第１機械エネルギーを回収する第１膨張機４０Ａと、第１膨張機４０Ａから出た低温高圧冷媒Ｃｍｅを蒸発させて冷熱を生成して第２膨張機４０Ｂの膨張ガスＥｇを冷却する冷却器４３として機能する蒸発器（熱交換器）ＥＶ１とを備える。冷却器４３から出た低温低圧膨張ガスＷｆｏは放熱器ＥＶ２で高温高圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｐから吸熱することにより過熱蒸気Ｗｆを低温低圧作動流体として生成して密閉動力サイクル１５の圧縮機２７の流体圧縮手段Ｐ１のインレット３５６Ａに導入する。一方、低位熱回収熱交換器ＥＶｏから出た過熱蒸気Ｃｍは冷媒圧縮手段Ｐ２のインレット３５６Ｂに導入される。以後、同一のヒートポンプサイクル及び動力サイクルが繰り返し実行される。【００２３】  ここで、低位熱回収熱交換器ＥＶｏはこれら低位熱熱源の形態に合わせて適切に配置される。例えば、大地熱源から採熱する場合は、低位熱回収熱交換器ＥＶｏを金属製コイルで構成して内部にＣ��２冷媒を流通させるようにした低位熱回収熱交換器ＥＶｏを地面、土壌、地中残層部或いは砂漠等の表面或いはその残層部に載置し或いは埋設してこれら大地熱源と接触するように配置すればよい。大気熱源から採熱する場合は、金属製コイルからなる低位熱回収熱交換器ＥＶｏを空気中或いは工場、建物等の排気流に設置すればよい。【００２４】  図２より明らかなように、圧縮機２７は、好ましくは、所定圧（例えば、４．４ＭＰａ）のＣＯ２作動流体（過熱蒸気）Ｗｆを超臨界点以上の圧力で圧縮して超臨界流体（ＣＯ２超臨界流体）Ｗｆｐを生成する流体圧縮手段Ｐ１と、低温低圧ＣＯ２冷媒（過熱蒸気）Ｃｍを臨界点以上で圧縮して高温高圧ＣＯ２冷媒（超臨界流体）Ｃｍｐを生成する冷媒圧縮手段Ｐ２とを備えた複合型回転式流体機械から構成される。圧縮機２７でＣＯ２作動流体及びＣＯ２冷媒の過熱蒸気を圧縮する理由は、これら流体の圧縮に必要な動力を大幅（通常のガス圧縮に比べて約５分の一）に低減して成績係数（ＣＯＰ）を飛躍的に向上させるためである。【００２５】  図１及び図２に示すように、複合型圧縮機２７は、回転式流体機械４０と高エンタルピー変換器４２に同心的に連結されたロータハウジング３５２と、密閉動力サイクル１５に接続されて低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆを導入する第１インレット３５６Ａと、超臨界ＣＯ２作動流体（超臨界流体）Ｗｆｐを吐出する第１アウトレット３５８Ａと、低温低圧冷媒Ｃｍを導入する第２インレット３５６Ｂと、超臨界ＣＯ２冷媒Ｃｍｐを吐出する第２アウトレット３５８Ｂと、インレット３５６Ａ，３５６Ｂ及びアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂが開口するロータ作動室３６０と、回転式流体機械４０の出力軸１３２に圧入その他の連結手段で駆動連結されていてロータ作動室３６０に回転可能に収納されたクランクロータ３６２とを備える。【００２６】  クランクロータ３６２は、出力軸１３２に形成されたメイン潤滑油供給通路１３２Ｌから径方向外側に延びる潤滑油通路３６２ａと、潤滑油供給ポート３６２ｂと、潤滑油供給ポート３６２ｂからローブ３６４の外周端部に微量の潤滑油を供給可能な多孔質プラグ３６２ｃとを備える。メイン潤滑油供給通路１３２Ｌは、本願発明者と同一発明者による日本特許５１０３５７０号「回転式流体機械」に記載された潤滑油ポンプ等により潤滑油が供給される。複合型圧縮機２７は、さらに、ロータ作動室３６０の内周面上を回転揺動しながらインレット３５６Ａ，３５６ＢからＣＯ２作動流体Ｗｆ及び冷媒Ｃｍをそれぞれ吸引すると共にこれら流体を超臨界圧まで圧縮しながらアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出する複数のローブ３６４と、ローブ３６４の径方向内側領域において周方向後縁部に形成された曲面摺動凹部３６６と、インレット３５６に隣接してクランクロータ３６２に対して揺動可能な揺動ピストン３６８と、揺動ピストン３６８と曲面摺動凹部３６６との間に形成された圧縮室３７０とを備える。【００２７】  揺動ピストン３６８は、ロータハウジング３５２内に形成されたピストン揺動室３７２に収納されていて、ピボット軸３７４を介して回動するピストンエレメント３７６を備える。ピストンエレメント３７６の先端部にはローブ３６４と曲面摺動凹部３６６とに接触しながら摺動する曲面シール部３７６ａと連通開口部３７６ｂとを備える。ロータハウジング３５２に形成されたバネ収納部３７８には押圧バネ３８０がピストンエレメント３７６をクランクロータ３６２側に押圧している。回転式流体機械４０の起動時に出力軸１３２が図２において、例えば、時計方向に回転駆動されると、複合型圧縮機２７において、圧縮室３７０にはインレット３５６Ａ，３５６ＢからそれぞれＣＯ２作動流体Ｗｆと冷媒Ｃｍが吸引され、それぞれ超臨界流体及び超臨界ＣＯ２冷媒としてアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出される。このように、圧縮機２７のクランクロータ３６２は作動流体圧縮手段Ｐ１と、冷媒圧縮手段Ｐ２の共通部品として機能する。【００２８】  なお、複合型圧縮機２７は本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２１８０５８号「ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した低位熱発電システム」に記載されたロータリポンプと同一の構造を有するため、さらなる詳細な説明を省略する。複合型圧縮機２７としては、本願と同一発明者による後述の回転式流体機械を利用してもよい。【００２９】  図３に示すように、高エンタルピー変換器４２は、複合型圧縮機２７と回転式流体機械４０に同心的に連結された円筒状リアクタケーシング１１００を備える。円筒状リアクタケーシング１１００には、円筒状リアクタケーシング１１００の内側とケーシング１１００の中央内周部１１１４の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層１１１６と、絶縁耐熱層１１１６の内側に形成されているエンタルピー増幅室１１１８が形成されている。円筒状リアクタケーシング１１００の中央内周部１１１４は回転式流体機械４０の出力軸１３２を通過可能にするための直径を有する内周壁部１１１４を備える。【００３０】  高エンタルピー変換器４２の吸入ポート１１０２は、径方向壁部１１２０に延びていて電磁弁３２が装着されるとともに、径方向壁部１１２０には周方向に延びる複数の開口部１１２２を有する。エンタルピー増幅室１１１８のコーナー部１１１８ａ、１１１８ｂには対抗電極１１２４，１１２６がそれぞれ配置される。一対の電極１１２４，１１２６はパルス電源２８に接続される。ケーシング１１００には温度センサＳ２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ６０（図１参照）に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用される。【００３１】  エンタルピー増幅室１１１８には、対抗電極１１２４，１１２６の間に介在していて多数の銅タングステンパイプ又はステンレスパイプ等の管状通電発熱体１１３４が充填されている。パルス電力に応答して、多数の管状通電発熱体１１３４は通電発熱して６００〜１２００℃の超臨界領域に維持する。この温度領域はパルス電源２８によってパルス電力のデューティサイクルが所定値となるように可変制御することによって達成される。ＣＯ２超臨界流体は、通電発熱パイプ１１３４の隙間及び通電発熱パイプ１１３４の穴部を通過する。このとき、これら通電発熱パイプ１１３４の各部と衝突しながら加熱されて瞬時に高エンタルピー超臨界流体が動力流体として生成される。【００３２】  通電発熱パイプ１１３４の代わりに導電性高融点��熱手段を用いても良い。例えば、銅タングステンボール、カーボンボール、作動流体を通過させるための溝を配置したバルク状導電性金属体、バルク状導電性カーボン、多孔性高融点金属体や高融点ハニカム金属体等を利用しても良い。エンタルピー増幅室１１１８に隣接してフイルタ部１１０６が配置され、フイルタ部１１０６には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたフイルタ１１１０が充填される。電磁弁３２が所定周期で開弁されると、フイルタ１１１０を通過した動力流体Ｓｃｆはフィルター１１４２で濾過された後、アウトレット１１４０から回転式流体機械４０のインレット１２４に供給される。【００３３】  回転式流体機械４０としては、好ましくは、本願発明者と同一発明者による日本特許第５１０３５７０（発明の名称：回転式流体機械）及び日本特許第５２１８９２９号（発明の名称：ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した低位熱発電システム）に開示された回転式流体機械と同一構造のものが挙げられる。他の例としては本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２５９０９０号（発明の名称：回転式流体機械）に記載された構造のものを利用してもよい。【００３４】  図１に戻って、発電機ＧＥは出力装置１６を介してエネルギー変換装置１２の出力軸１３２に駆動連結されて交流電力を発生する。発電機ＧＥのパワーラインＰＬに電気機器等の負荷（図示せず）が接続される。パワーラインＰＬには変圧器５０及びリレー等から構成される遮断器１９を介して蓄電ユニット（蓄電システム）２０が接続される。変圧器５０は発電機ＧＥから出力された交流電圧（例えば、２００〜２４０Ｖ）を低圧の交流電圧、例えば、１２又は２４ボルトの交流電圧に降圧する。蓄電ユニット２０は、遮断器１９を介してパワーラインＰＬに接続されていて発電電力の一部が供給される充電器２１と、第１蓄電装置２２と、第２蓄電装置２３と、第１、第２蓄電装置２２、２３を充電器２１に交互に接続する第１切替制御器２４と、第１、第２蓄電装置２２、２３をパルス電源２８に交互に接続する第２切替制御器２６とを備える。図示を省略しているが、充電器２１は公知の構造と同様に低圧の交流電力を直流電力に変換する整流器と、平滑回路とを有する。第１、第２蓄電装置２２、２３にはそれぞれ出力電圧及び出力電流を検出するための電圧センサ及び電流センサ（いずれも図示せず）が接続される。これら電圧センサ及び電流センサの電圧検出値Ｖ１及び電流検出値Ｉ１はコントローラ６０に出力され、第１、第２蓄電装置２２、２３のそれぞれの残蓄電容量（ＳＯＣ値：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）を演算し、それぞれのＳＯＣ値に基づいて遮断器１９や第１、第２切替制御器２４，２６の指令信号を出力するために用いられる。【００３５】  コントローラ６０は、例えば、所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、例えばＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）を用いて構成される。コントローラ６０は各種制御対象の制御パラメータを入力するための入力装置（図示せず）や装置始動用スイッチ（図示せず）等が接続されている。【００３６】  第１、第２蓄電装置２２、２３としては、望ましくは、パルス充放電サイクル用途に対応可能な市販のウルトラキャパシタモジュールを利用したエンジン起動用バッテリ（部品番号：ＥＳＭ１２３０００−３１）（米国”Ｍａｘｗｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ“社製）が挙げられる。このバッテリは１５分間での短時間充電が可能であり、出力電圧が１２ボルトで出力電流が１５００〜１７００Ａであるため適している。その他の蓄電装置としては、例えば、急速充放電型蓄電池（古河電池社製：商標名「ウルトラバッテリ」）、大容量電気二重層コンデンサからなるスーパーキャパシタ（トーキン製）、ナトリウムイオン電池、リチウムイオン電池やＮｉ−ＭＨ電池（ニッケルー水素電池）やこれら電池と大容量電気二重層コンデンサを組み合わせたものから構成しても良い。なお、第１蓄電装置２２の出力ラインの間にはウルトラキャパシタ（図示せず）を接続しても良い。第１蓄電装置２２及び第２蓄電装置２３から交互に出力電力がパルス電源２８に供給される。【００３７】  パルス電源２８は第１、第２蓄電装置２２，２３からの供給電力から所定周期（例えば、５０〜２０００ヘルツ）のパルス電力を供給する。パルス電力において、パルス電圧は、好ましくは、例えば、１２〜２４ボルトの間で設定される。エネルギー変換装置１２の容量に応じて、パルス電流は、好ましくは、ピーク電流通電期間内において流れる２０〜２００アンペアのピーク電流と、ピーク電流の約十分の一の電流値を有し、オフピーク電流通電期間内において流れるベース電流とを有するように構成しても良い。高エンタルピー変換器４２において、多数の通電発熱パイプ１１３４はパルス電力に応答して通電することにより二酸化炭素の臨界温度３７４℃以上の温度、例えば、６００〜１２００℃の温度に昇温する。この温度は、運転条件に合わせて自由に選択される。超臨界流体が通電発熱パイプ１１３４の外表面に順次接触して通過する過程において、動力流体は超臨界状態下で加熱されて高エンタルピー超臨界流体Ｓｃｆとなる。【００３８】  パルス電源２８は、好ましくは、パルス電流を発生させるものであれば、直流パルス電源又は交流パルス電源のいずれでも良い。直流パルス電源としては、例えば、日本国特許第２５８７３４３号に開示されたようなパルスアーク溶接用電源装置に類似した回路構成が挙げられる。【００３９】  図１において、バッファアダンパーの圧力センサＳ１からの圧力信号ＰＳ、高エンタルピー変換器４２の温度センサＳ２からの温度信号Ｔ（図４参照）と、エネルギー変換装置１２の出力軸１３２の回転数センサＳ３からの回転数信号ＳＰがコントローラ６０に送信される。入力装置（図示せず）からはカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号が基準信号としてコントローラ６０に入力される。コントローラ６０には、第１、第２蓄電器２２，２３のそれぞれの電圧信号Ｖ１と電流信号Ｉ１とが送信され、コントローラ６０はこれら入力信号に応答して第１、第２蓄電器２２，２３の蓄電状態（残蓄電容量）（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を判別して第２切替制御器２６を介して第１、第２蓄電装置２２、２３の一方をパルス電源２８に接続するとともに第１切替制御器２４を介して第１、第２蓄電装置２２、２３の他方を充電器２１により充電する。さらに、コントローラ６０は、センサＳ１〜Ｓ３からの入力信号ＰＳ，Ｔ，ＳＰに応答して電磁弁３２を制御する。このとき、コントローラ６０は、回転式流体機械４０において第２回転式流体機械部４０Ｂの膨張行程の全期間中に電磁弁３２を開弁状態に維持するように制御する。したがって、第２回転式流体機械部４０Ｂには膨張行程の全期間中に動力流体が連続的に作用することになる。一方、コントローラ６０は、低位熱発電システム１０の運転条件に合わせてクラッチＣＬを締結・離脱させるための制御信号Ｃｃを出力する。【００４０】  次に、本発明による低位熱エネルギー回収方法について本実施例のエネルギー変換装置１２の作動に関する記載に関連して説明する。【００４１】  エネルギー変換装置１２の作動において、先ず、装置始動用スイッチ（図示せず）が投入される。この時、コントローラ６０によってパルス電源２８が起動され、周期的なパルス電力が高エンタルピー変換器４２に供給される。すると、通電発熱パイプ１１３４が通電して所望の設定温度（例えば、８００℃）に発熱する。高エンタルピー変換器４２の温度信号Ｔがこの設定温度に達したときに、コントローラ６０から電磁弁３２に指令信号が出力され、電磁弁３２が通電して開弁する。このとき、バッファアダンパー３０に貯蔵されていたＣＯ２作動流体Ｗｆｐが高エンタルピー変換器４２に供給される。高エンタルピー変換器４２ではＣＯ２作動流体Ｗｆｐが発熱パイプ１１３４の外表面に順次接触して撹拌されながら均一に昇温し、さらに、これら発熱パイプ１１３４の隙間や穴部を通過しながらさらに加温されながら超臨界流体ＳＣｆが高エンタルピー動力流体として発生する。この高エンタルピー動力流体ＳＣｆは第２回転式流体機械部４０Ｂのインレット１２４Ｂから膨張室１１６に流入してロータリピストン本体２００に作用して爆発的に膨張して機械エネルギーを発生して出力軸１３２に伝達する。【００４２】  エネルギー変換装置１２の始動時及び始動完了後において、出力軸１３２に発生したトルクで複合型圧縮機２７が起動し、圧縮機２７内の流体圧縮手段Ｐ１と冷媒圧縮手段Ｐ２が同期的に作動し、密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰが互いに同期して起動する。この時、ヒートポンプＨＰにおいて、低位熱回収熱交換器ＥＶｏを介して大気熱源又は大地熱源等の低位熱エネルギーＥｓから汲み上げた熱で生成した冷媒蒸気Ｃｍを冷媒圧縮手段Ｐ２で超臨界状態で圧縮して超臨界冷媒（高温高圧ＣＯ２冷媒）Ｃｍｐを生成する。この超臨界冷媒（高温高圧ＣＯ２冷媒）Ｃｍｐは放熱器ＥＶ２で低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆｏと熱交換して放熱することにより低温高圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｈを生成する。低温高圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｈは第１膨張機４０Ａで減圧膨張して第１機械エネルギーに変換されるとともに低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｅを生成する。この低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｅは冷却器４３（熱交換器ＥＶ１��で蒸発して冷熱（例えば、−１０℃：４．４ＭＰａ）を発生して膨張ガスＥｇを冷却する。冷却器４３から吐出した低温低圧冷媒Ｃｍｏは低位熱回収熱交換器ＥＶｏで低位熱エネルギーＥｓにより冷媒蒸気（低温低圧ＣＯ２冷媒）Ｃｍとなって圧縮機２７の冷媒圧縮機手段Ｐ２に循環される。一方、蒸発器ＥＶ１で冷却されて生成した低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆｏは放熱器ＥＶ２で超臨界冷媒Ｃｍｐから受熱して過熱蒸気からなるＣＯ２作動流体Ｗｆとして圧縮機２７のインレット３５６Ａに流入して流体圧縮手段Ｐ１により圧縮され、以後、密閉動力サイクル１５が繰り返し、実行される。【００４３】  上述のように、密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰが互いに同期しながら繰り返し実行される。この際、高温高圧ＣＯ２冷媒の熱が密閉動力サイクル１５の低温低圧ＣＯ２作動流体に放熱され、次いで、低温高圧ＣＯ２冷媒が第１膨張機で膨張することにより第１機械エネルギーを発生させ、一方、高エンタルピー変換器４２により生成した高エンタルピー動力流体（高エンタルピー超臨界流体）が第２膨張機で膨張して第２機械エネルギーを回収する。このように大気熱源又は大地熱源等の低位熱エネルギーから効率的に熱エネルギーを回収して第１機械エネルギー及び第２機械エネルギーを回収する。こうして得られた機械エネルギーは出力軸１３２及び出力装置１６を介して発電機ＧＥに供給されて電力が発生する。この電力の一部はパワーラインＰＬから変圧器５０及び充電器２１を介して蓄電ユニット２０に蓄電されてパルス電源２３の供給電力として利用される。【００４４】  以上、本発明の実施例による低位熱エネルギー回収方法及び低位熱発電システムが記載されたが、本発明はこの実施例に示された構成に限定されず、様々な変更が可能である。例えば、圧縮機は、複合型圧縮機からなるものとして説明したが、複合型圧縮機をそれぞれ分離独立した作動流体圧縮機と冷媒圧縮機からなるように構成しても良い。また、冷媒圧縮手段と作動流体圧縮手段とはそれぞれ単段式のものとして記載したが、複数段で冷媒及び作動流体をそれぞれ圧縮するように変形しても良い。
【符号の説明】
【００４５】１２  エネルギー変換装置；１５  密閉動力サイクル；１６  出力装置；２０  蓄電ユニット（蓄電システム）；２１  充電器；２２，２３  第１、第２蓄電装置；２４、２６  第１、第２切替制御器；２５  発電機；２７  圧縮機（複合型回転式流体機械）；２８  パルス電源；３０  バッファアダンパー；３２  電磁弁；４０  回転式流体機械；４０Ａ  第１膨張機（第１回転式流体機械部）；４０Ｂ  第２膨張機（第２回転式流体機械部）；４２  高エンタルピー変換器；４３  冷却器；６０  コントローラ；ＨＰ  ヒートポンプ；ＥＶｏ  低位熱回収熱交換器；ＥＶ１  冷却器（熱交換器）；ＥＶ２  放熱器
【図１】
2015017599.tif 000003
【図２】
2015017599.tif 000004
【図３】
2015017599.tif 000005