(57)【要約】【課題】従来技術では、発電所や工場、内燃機関などの排熱や太陽エネルギー、地熱、バイオマス、海洋温度差などの自然エネルギーなどによって得られる４０℃〜３００℃といった低中温度エネルギーから動力取り出しなどのエネルギー回収を行うことは困難であった。さらにランキンサイクルと冷凍サイクルを同一のシステムで両立することはできなかった。【解決手段】本発明では、小出力エアコン向けの容積型コンプレッサーをランキンサイクルのエキスパンダに採用し、使用温度域に適した有機系熱媒体を使用することによって、従来の技術では回収困難であった低中温度エネルギーを高効率で回収することが可能となる。さらに本発明では、エンジンモードとエアコンモードを任意に選択することが可能となり、エネルギー回収だけではなく、冷暖房・空調にも用いることができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般的な蒸気動力サイクルに用いられているランキンサイクルにおいて、ランキンサイクルを線図上で逆回しすると、通常の冷暖房エアコンに用いられる冷凍サイクルになるという性質と、一般的な冷凍サイクルに用いられる容積型の圧縮機（コンプレッサー）が吸入口と排出口を逆にするだけで、動力取り出し部である膨張機（エキスパンダ）としても機能することを利用し、ランキンサイクルを利用した動力取り出し機関、すなわちエンジンとしての機能と冷凍サイクルを利用したエアコンとしての機能を任意に切り替えることができるという特徴を有する容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システム。ここで、容積型のエキスパンダの例としては、スクロール式、ロータリー式（ロータリーエンジンを含む）、レシプロ式、スクリュー式などが考えられるが、家庭用および自動車用冷房サイクルにおけるコンプレッサーとして普及しているスクロール式は、高効率で小型・軽量であるため本発明に最適である。
【請求項２】
一般的な蒸気動力サイクルに用いられているランキンサイクル機関において、動力取り出し部である膨張機（エキスパンダ）として、容積型のエキスパンダを採用し、蒸発潜熱の小さい熱媒体を用いることによって、従来、効率よく回収できなかった低中温熱源から動力（軸出力、電気）と熱の両方を効率よく回収することが可能であるという特徴を有する請求項１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システム。本発明が対象とする熱源の温度範囲は、おおよそ４０℃〜３００℃であるが、これ以外の温度領域においても、装置の規模や作動熱媒体を替えることによって広範な応用が可能である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、４０℃〜３００℃の低中温度を利用した動力発生機、発電機、および高温熱媒体の製造、さらに冷暖房・冷凍に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電所や工場などの各種産業分野において、低中温度エネルギーの排出は極めて多いにも拘らず、排熱ボイラにより回収して加熱用蒸気や雑用蒸気として工場内のプロセスで使用されたり、工場内冷暖房や給湯に用いられたりすることがほとんどである。また、自動車などの内燃機関においては、排熱の動力利用は現状ではほとんど行われていない。わずかに加給用のターボチャージャーがあるだけである。
【０００３】
また、近年、環境問題の顕在化に伴って、太陽エネルギー、地熱、風力、バイオマス、海洋温度差などの自然エネルギーの利用が化石燃料に替わる代替エネルギー資源として注目されるようになっている。とくに、石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料は今後の急激な人口増加を考えると、おおかたの予測として、今世紀中に枯渇するとみられ、石油の９９．８％を輸入に頼る我が国では、化石燃料に替わるエネルギー源の探索が今世紀最大の課題の１つである。しかしながら、自然エネルギーなどから直接得られるエネルギーは４０℃〜３００℃の低中温度であるため、これらから高効率で動力を取り出す装置が必要となっている。。
【０００４】
従来技術では、化石燃料の使用を大前提としたガスタービンや蒸気タービン、内燃機関が主体となっており、低中温度から効率良く動力を取り出すことは困難である。従来の蒸気タービン、ガスタービンは、化石燃料の燃焼温度（約１５００℃）を基準に設計されており、自然エネルギーがふんだんに得られる上記４０〜３００℃の温度範囲では全く作動しない。したがって、これを解決するには従来と全く異なるコンセプトの基に、新しいサイクルを用いる必要がある。
【０００５】
さらに、従来技術では、蒸気動力サイクルであるランキンサイクルと冷凍サイクルの両方を同一のシステムで実現することは不可能であった。エネルギー密度の小さい、たとえば自然エネルギーを有効に利用するには、このような多機能化が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来技術では、４０℃〜３００℃の低中温度エネルギーから動力、仕事等を効率良く回収することが困難である点である。また、ランキンサイクルとその逆回しである冷凍サイクルを同一システムで両立させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、請求項１の発明は、一般的な蒸気動力サイクルに用いられているランキンサイクルにおいて、ランキンサイクルを線図上で逆回しすると、通常の冷暖房エアコンに用いられる冷凍サイクルになるという性質と、一般的な冷凍サイクルに用いられる容積型の圧縮機（コンプレッサー）が吸入口と排出口を逆にするだけで、動力取り出し部である膨張機（エキスパンダ）としても機能することを利用し、ランキンサイクルを利用した動力取り出し機関、すなわちエンジンとしての機能と、冷凍サイクルを利用したエアコンとしての機能を任意に切り替えることができるという特徴を有する容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムである。
【０００８】
また、請求項２の発明は、一般的な蒸気動力サイクルに用いられているランキンサイクル機関において、動力取り出し部である膨張機（エキスパンダ）として、容積型のエキスパンダを採用し、蒸発潜熱の小さい熱媒体を用いることによって、従来、効率よく回収できなかった低中温熱源から動力（軸出力、電気）と熱の両方を回収することが可能であるという特徴を有する請求項１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムの構成要素と熱媒体およびエネルギーの流れを示している。
図２は、図１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムのエンジンモード時のランキンサイクルの圧力−エンタルピ線図（Ｐ−ｈ線図）の概略を示している。
図３は、図１記載の容積型ランキンエンジン／空調システムのエアコンモード時の冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（Ｐ−ｈ線図）の概略を示している。図４は、容積型エキスパンダの一例としてのスクロール式エキスパンダの作動原理を示している。
【００１０】
図２および図３が示すように、ランキンサイクルを線図上で逆回しすると冷凍サイクルになるという性質と、容積型コンプレッサーが吸入口と排出口を逆にするだけでエキスパンダとしての機能を有するという性質を利用して、任意にエンジンとしての作動形態（エンジンモード）とエアコンとしての作動形態（エアコンモード）を選択できる機関を発明した。
【００１１】
図１に示すように、エンジンモードにおいては、まず、代替フロンなどの有機系熱媒体をポンプ１によって昇圧し、熱交換器８へと送る。熱交換器８はこの場合には蒸発器（エバポレータ）となっており、熱媒体の沸点よりも高温の熱源から吸熱１２し、これによって熱媒体が加熱気化され、バルブ２を経て高圧ガスとなって容積型エキスパンダ３に送り込まれる。この高圧ガスにより容積型エキスパンダ３で動力４（軸出力）を発生させ、場合によっては発電機５で発電を行わせ電力６を得る。容積型エキスパンダ３から排出されたガスは直後の膨張チャンバ７を経て熱交換器８である凝縮器（コンデンサ）で液化される。このとき熱媒体の沸点よりも低温の低熱源側に放熱１３する。その後、ポンプ１で昇圧され液化した熱媒体は、再び蒸発器８に送り込まれて、蒸発→膨張→凝縮→昇圧の密閉サイクルを繰り返す。
【００１２】
通常の蒸気動力ランキンサイクルにおいてエキスパンダとしては衝動・反動型のタービンが用いられる。装置は大型であり、本発明の対象とする低中温度域では、動力を取り出すことは困難である。このため、本発明ではエキスパンダとして、家庭用および自動車用エアコン等に普及している小型の容積型コンプレッサーをそのまま転用する。容積型コンプレッサーの場合、原理的に吸入口と排出口を逆にするだけでエキスパンダとして使用することができる。容積型エキスパンダの例としては、スクロール式、ロータリー式（ロータリーエンジン形式含む）、レシプロ式、スクリュー式などが考えられるが、現状では効率、信頼性、小型・軽量化の観点からスクロール式が適している。
【００１３】
図５にスクロール式コンプレッサーの作動原理を示す。
【００１４】
図４および図５に示すように、容積型エキスパンダであるスクロール式では、図１に示すモーター５によって軸出力を与えることによって、吸入口１５と排出口１４が逆になり、コンプレッサーとしても転用することができる。これは通常の衝動・反動型のタービンでは不可能である。エキスパンダの場合についての動作を説明すると、中心部にある吸入口１５から入った高圧ガスは、旋回スクロール１６と固定スクロール１７によって形成される膨張室１８を押し広げながら膨張し排出口１４へと出る。このとき旋回スクロール１６を旋回させていくため動力を取り出すことができる。逆に動力を与えて逆回しすることによって図５に示すようにコンプレッサーとして機能する。
【００１５】
エアコンモード時には、エンジンモード時におけるポンプ１が膨張弁９に切り替わる。エアコンモード時には、熱媒体の流れとエネルギーの流れがエンジンモード時とは逆になる。つまり、熱媒体は蒸発器８にて吸熱１２し、気化し、圧縮チャンバ７を経て容積型コンプレッサー３で圧縮され高温高圧になり、凝縮器８にて放熱１３する。その後、膨張弁９で膨張し再び蒸発器８に入る。この場合に用いる熱媒体は、エンジンモード時の高温側および低温側熱源、エアコンモード時の高温側および低温側熱源の条件に適した熱物性値を持つものを選択する。
【００１６】
通常の蒸気動力ランキンサイクルでは、熱媒体は水であるが、代替フロンなどの有機系熱媒体は、低温域で密度が大きいので機器や配管がコンパクトになるとともに、潜熱に比べて相対的に顕熱が大きくなるために水の場合より理想的なランキンサイクルに近づけることが可能で、熱回収による動力化の効率は向上する。
【実施例】
【００１７】
前述の実施形態では、容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムの構成要素、作動原理、およびエアコンとしての機能の両立方法について発案し、容積型エキスパンダとしてスクロール式の例を示した。
他の実施例として、ロータリー式（ロータリーエンジン形式含む）、レシプロ式、スクリュー式などの容積型エキスパンダが考えられる。容積型の場合、原理的に吸入口と排出口を逆に使うことによって、エキスパンダとコンプレッサーの両立が可能であるため、この条件を満たす容積型エキスパンダであればよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムでは、小出力エアコン向けの容積型コンプレッサーをランキンサイクルのエキスパンダに採用し、蒸発潜熱の小さい熱媒体を使用することによって、従来の技術では、回収することが困難であった低中温度エネルギーを高効率で回収することが可能となる。
【００１９】
これによって、これまで利用されていなかった自然エネルギーや無為に棄てられていた諸排熱などからエネルギーを効率よく回収することが可能となり、環境問題の緩和に貢献することができる。
【００２０】
とくに本発明は熱媒体を適宜選択することにより、家庭や工場、病院、ホテル、車などの移動体、バイオマス、発酵熱、太陽熱、海洋温度差、地中熱など、あらゆる排熱から動力や熱を取り出すことが可能であり、２１世紀の新しいエネルギー技術として、極めて有望である。
【００２１】
さらに本発明では、エンジンモードとエアコンモードを任意に選択することが可能となり、エネルギー回収だけではなく、冷暖房・冷凍にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムの構成要素と熱媒体およびエネルギーの流れを示す図である。
【図２】図１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムのエンジンモード時のランキンサイクルの圧力−エンタルピ線図（Ｐ−ｈ線図）の概略図である。
【図３】図１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムのエアコンモード時の冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（Ｐ−ｈ線図）の概略図である。
【図４】スクロール式エキスパンダの作動原理である。
【図５】スクロール式コンプレッサーの作動原理である。
【符号の説明】
１　ポンプ
２　バルブ
３　容積型エキスパンダ兼コンプレッサー
４　動力
５　発電機兼モーター
６　電力
７　膨張圧縮チャンバ
８　熱交換器（蒸発器兼凝縮器）
９　膨張弁
１０　エンジンモード時の熱媒体の流れ
１１　エアコンモード時の熱媒体の流れ
１２　吸熱
１３　放熱
１４　排出口
１５　吸入口
１６　旋回スクロール
１７　固定スクロール
１８　膨張室
１９　排出過程
２０　吸入過程
２１　膨張過程
２２　圧縮室
２３　圧縮過程
【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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