(57)【要約】【課題】外気温度の変動に際しても、膨張機を効率的に駆動させつつ、受動機を安定して運転可能なランキンサイクル型の動力発生装置を提供する。【解決手段】作動媒体が蒸発される蒸発器と、該蒸発された作動媒体が膨張される膨張機と、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの作動媒体を前記蒸発器へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に受動機を連結して作動媒体の膨張仕事を受動機の動力として出力するようにした動力発生装置において、前記膨張機の出力を検出する出力検出手段と検出出力に応じて受動機側の負荷を調整可能な負荷調整手段を設けるとともに、前記循環ポンプに前記検出出力に応じて作動媒体の流量を調整する流量調整手段を設けたことを特徴とする動力発生装置。【選択図】図１
2005351094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体が蒸発される蒸発器と、該蒸発された作動媒体が膨張される膨張機と、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの作動媒体を前記蒸発器へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に受動機を連結して作動媒体の膨張仕事を受動機の動力として出力するようにした動力発生装置において、前記膨張機の出力を検出する出力検出手段と検出出力に応じて受動機側の負荷を調整可能な負荷調整手段を設けるとともに、前記循環ポンプに前記検出出力に応じて作動媒体の流量を調整する流量調整手段を設けたことを特徴とする動力発生装置。
【請求項２】
作動媒体が蒸発される蒸発器と、該蒸発された作動媒体が膨張される膨張機と、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの作動媒体を前記蒸発器へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に受動機を連結して作動媒体の膨張仕事を受動機の動力として出力するようにした動力発生装置において、前記膨張機の出力を検出する出力検出手段と検出出力に応じて受動機側の負荷を調整可能な負荷調整手段と、蒸発器の出口側および／または凝縮器の出口側の作動媒体の温度を検出する温度検出手段を設けるとともに、前記循環ポンプに前記検出出力と検出温度に応じて作動媒体の流量を調整する流量調整手段を設けたことを特徴とする動力発生装置。
【請求項３】
前記作動媒体が蒸発器内において超臨界状態にされる、請求項１または２の動力発生装置。
【請求項４】
前記作動媒体がＲ−２４５ｆａ、Ｒ−２４５ｃａ、水、水とアンモニアの混合物、プロピレン、プロパン、イソブタンの中から選択された一つからなる、請求項１ないし３のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項５】
前記膨張機が、ランキンサイクル内に複数組み込まれている、請求項１ないし４のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項６】
前記膨張器がスクロール型膨張機からなる、請求項１ないし５のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項７】
前記膨張機が定容積型膨張機である、請求項１ないし６のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項８】
前記受動機が発電機からなる、請求項１ないし７のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項９】
前記作動媒体を蒸発させるための熱源が太陽熱である、請求項１ないし８のいずれかに記載の動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルを利用した動力発生装置に関し、たとえば太陽熱を流体蒸発のための熱源とするランキンサイクルを利用した動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルは、たとえば、作動媒体としての冷媒を循環させる回路を有し、熱源として機能し冷媒を蒸発させる蒸発器、その蒸発器から冷媒が供給されて膨張仕事による出力が取り出される膨張機、該膨張機で仕事をした冷媒を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を蒸発器へと循環させる循環ポンプを備えたものに構成されている。このような基本構成を有するランキンサイクルの膨張機に発電機を連結することにより、冷媒の膨張仕事をたとえば電力として出力させることが可能である（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
上記のようなランキンシステムにおいては、冷媒を凝縮させる熱源には外気を利用するとともに、冷媒を蒸発させる熱源には太陽熱を用いるのが省エネ等の観点からも有利である。
【０００４】
しかし、外気温度は時刻、季節、地域等により大きく変動する。このため、冷媒を外気により凝縮させる場合においては、凝縮器における凝縮温度は大幅に変動するおそれがある。たとえば、夏期等において外気温度が上昇すると、凝縮器における凝縮温度も当然上昇する。凝縮温度が上昇すると、蒸発器の入口側の温度、圧力も上昇する。一方、冬期等において外気温度が低下すると、凝縮器における凝縮温度も低下する。凝縮温度が低下すると、蒸発器の入口側の温度、圧力も低下する。したがって、たとえば膨張比が一定の定容量型膨張機においては、効率的な膨張機の駆動が阻害されるおそれがある。また、外気温度が変動すると、膨張機の入口部の温度、圧力が変動するため発電機等の受動機側への出力が変動するおそれがある。
【特許文献１】特開２００２−２９５２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の課題は、外気温度の変動に際しても、膨張機の効率的な駆動を確保しつつ、しかも受動機を常時安定して運転可能なランキンサイクル型の動力発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る動力発生装置は、作動媒体が蒸発される蒸発器と、該蒸発された作動媒体が膨張される膨張機と、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの作動媒体を前記蒸発器へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に受動機を連結して作動媒体の膨張仕事を受動機の動力として出力するようにした動力発生装置において、前記膨張機の出力を検出する出力検出手段と検出出力に応じて受動機側の負荷を調整可能な負荷調整手段を設けるとともに、前記循環ポンプに前記検出出力に応じて作動媒体の流量を調整する流量調整手段を設けたことを特徴とするものからなる。このような、動力発生装置においては、膨張機の出力が検出され検出出力に応じて作動媒体の流量が適宜最適な量に調整される。このため、たとえば夏期等において、膨張機の出力が増大した場合には、これに応じて受動機側の負荷を増加させるとともに作動媒体の流量が減少される。一方、冬期等において、膨張機からの出力が減少した場合には受動機側の負荷を減少させるとともに作動媒体の流量が増加される。したがって、膨張機の効率的な駆動を確保しつつ受動機を安定して運転できる。
【０００７】
また、上記課題を解決するために、本発明に係るもう一つの動力発生装置は、作動媒体が蒸発される蒸発器と、該蒸発された作動媒体が膨張される膨張機と、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器からの作動媒体を前記蒸発器へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に受動機を連結して作動媒体の膨張仕事を受動機の動力として出力するようにした動力発生装置において、前記膨張機の出力を検出する出力検出手段と検出出力に応じて受動機側の負荷を調整可能な負荷調整手段と、蒸発器の出口側および／または凝縮器の出口側の作動媒体の温度を検出する温度検出手段を設けるとともに、前記循環ポンプに前記検出出力と検出温度に応じて作動媒体の流量を調整する流量調整手段を設けたことを特徴とするものからなる。このような動力装置においては、検出出力および検出温度に応じて流量調整手段により作動媒体の流量が調整される。したがって、夏期等において、蒸発器の出口側および／または凝縮器の出口側の作動媒体の温度が上昇し、膨張機の出力が増大した場合には、受動機側の負荷を増加させるとともに作動媒体の流量が減少される。一方、冬期等において、蒸発器の出口側および／または凝縮器の出口側の作動媒体の温度が低下し、膨張機からの出力が減少した場合には受動機側の負荷を減少させるとともに作動媒体の流量が増加される。したがって、膨張機の効率的な駆動を確保しつつ受動機を安定して運転できる。
【０００８】
上記負荷調整手段は、たとえば膨張機に該膨張機を補助的に駆動可能なモータを接続し、膨張機の入口側の流体の圧力によりモータの駆動を制御すれば、膨張機の出力に応じて発電機等の受動機側の負荷を可変できる。また、上記流量調整手段は、たとえば循環ポンプの回転数を制御可能な手段として構成できる。
【０００９】
上記作動媒体は、蒸発器内において超臨界状態にされることが好ましい。作動媒体を蒸発器内において超臨界状態にすれば、蒸発器の入口側と出口側のエンタルピー差を大きくすることができるので、そのエンタルピー差に対応する、取出可能エネルギーが増大し、動力発生装置の効率を向上できる。
【００１０】
また、上記作動媒体は、とくに限定されるものではないが、たとえばＲ２４５−ｆａ、Ｒ２４５−ｃａ、水、水とアンモニアとの混合物、プロピレン、プロパン、イソブタンの中から選択された一つを用いることが好ましい。
【００１１】
上記膨張機は、とくに限定されるものではないが、たとえばスクロール型膨張機を用いることが好ましい。また、上記膨張機は膨張比の一定な定容量型膨張機であってもよく、膨張比が可変可能な可変容量型膨張機であってもよい。
【００１２】
上記作動媒体を蒸発させるための熱源は、とくに限定されるものではないが、たとえば太陽熱、地熱等の自然エネルギーを用いることが可能である。自然エネルギーの有効利用は、近年の地球環境保護の方向性に沿うものである。
【発明の効果】
【００１３】
上記のような本発明に係る動力発生装置によれば、膨張機の出力に応じて受動機側の負荷が変更されるとともに作動流体の流量が調整されるので、外気温度の変動等に関わらず装置を効率的に駆動しつつ、発電機等の受動機を安定して運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の動力発生装置の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明第１実施態様に係る動力発生装置を示している。図１において、１は動力発生装置を示している。動力発生装置１は、作動媒体（たとえば、冷媒）を太陽熱を集熱して蒸発可能な第１蒸発器２、第１蒸発器２で蒸発された作動媒体を膨張する第１膨張機３、該膨張機３で膨張された作動媒体をさらに再蒸発させる第２蒸発器４、該第２蒸発器４で再蒸発された作動媒体を膨張させる第２膨張機５を有している。第２膨張機５で膨張された作動流体は、凝縮器６で凝縮された後、循環ポンプ７により再び第１蒸発器２に戻されるようになっている。上記のような機器を備えた循環回路８は、ランキンサイクルとして構成されている。
【００１５】
本実施態様における作動媒体（冷媒）は、たとえばプロピレンを用いることができる。該冷媒は少なくとも第１蒸発器２内においては超臨界状態まで加熱されるようになっている。
【００１６】
上記第１膨張機３には、受動機としての発電機９が接続されている。第１膨張機３による作動媒体の膨張仕事が発電機９を介して電力として出力されるようになっている。上記循環回路８および発電機９により動力発生装置１が構成されている。
【００１７】
本実施態様においては、第１膨張機３および第２膨張機５は、膨張比が一定な定容積型膨張機（スクロール型膨張機）からなっているが、膨張比が可変可能な可変容量型膨張機であってもよい。なお、本実施態様においては第１膨張機３および第２膨張機５が設けられているが、第２膨張機５および第２蒸発器４は省略することも可能である。
【００１８】
また、上記第１膨張機３は、該第１膨張機３の出力（たとえば、第１膨張機３の入口側の流体の圧力）を検出する出力検出手段２７に接続されている。出力検出手段２７は制御手段１０に接続されている。また、制御手段１０は、発電機９に接続されている。そして、本実施態様においては、制御手段１０により第１膨張機３の出力が検出され、該検出出力に応じて発電機９の負荷が調整されるようになっている。たとえば、発電機９に該発電機９を補助的に駆動可能な駆動用のモータ１１を連結し、該モータ１１を制御手段１０により検出された第１膨張機３の出力に応じて駆動させれば、発電機９の負荷を自在に変更可能な負荷調整手段１２を構成できる。
【００１９】
制御手段１０は循環ポンプ７に接続されている。そして、制御手段１０からの信号に基づき循環ポンプ７の回転数が変更され作動流体の流量が調整されるようになっている。本実施態様においては、循環ポンプ７が流量調整手段１３として構成されている。
【００２０】
本実施態様のような動力発生装置１においては、夏期等において外気温度が高くなると、凝縮器６における凝縮温度が上昇する。また、太陽熱を熱源とする蒸発器２においては蒸発温度も上昇する。一方、冬期等において外気温度が低い場合には、凝縮温度、蒸発温度は低下する。このため、第１膨張機３が、膨張比が固定された定容積型膨張機である場合には、夏期の方が流体は、より高温・高圧になるから膨張機による出力も増大する。つまり、夏期等におけるサイクルＢと冬期等におけるサイクルＣとのエンタルピーの差（Ｂ−Ｃ）分だけ第１膨張機３の出力が変動する。
【００２１】
しかし、本実施態様においては、第１膨張機３の検出出力は制御手段１０により検出されており、該制御手段１０による検出出力に応じて発電機９の負荷が調整されるようになっている。したがって、サイクルＢ（たとえば夏期等）において、第１膨張機３の出力が増加する場合には、モータ１１の駆動を停止あるいは回転数を低減させ、発電機９側の負荷を増大させる。また、サイクルＢで運転されている状態では、第１膨張機３は比較的大きな出力を有しているので、制御手段１０により循環ポンプ７の回転数を減少させ流体の循環量を減少させる。一方、サイクルＣ（冬期等）において、第１膨張機３の出力が減少した場合には、モータ１１の駆動を駆動させ回転数を増加させ、発電機９側の負荷を減少させる。また、サイクルＣで運転されている状態では、第１膨張機３の出力は減少しているので、制御手段１０により循環ポンプ７の回転数を上昇させ流体の循環量を増加させる。したがって、外気温度の変化に応じて、膨張機を効率的に駆動しつつ、発電機９に常時サイクルＡ（中間期）の場合と同等の動力が供給され、発電量を安定させることができる。
【００２２】
図２は、本発明の第２実施態様に係る動力発生装置を示している。図２において、１４は動力発生装置を示している。動力発生装置１４は、作動媒体（たとえば、冷媒）を太陽熱を集熱して蒸発可能な第１蒸発器１５、第１蒸発器１５で蒸発された作動媒体を膨張する第１膨張機１６、該膨張機１６で膨張された作動媒体をさらに再蒸発させる第２蒸発器１７、該第２蒸発器１７で再蒸発された作動媒体を膨張させる第２膨張機１８を有している。第２膨張機１８で膨張された作動流体は、凝縮器１９で凝縮された後、循環ポンプ２０により再び第１蒸発器１５に戻されるようになっている。上記のような機器を備えた循環回路２１は、ランキンサイクルとして構成されている。
【００２３】
上記第１膨張機１６には、受動機としての発電機２２が接続されている。第１膨張機１６による作動媒体の膨張仕事が発電機２２を介して電力として出力されるようになっている。上記循環回路２１および発電機２２により動力発生装置１４が構成されている。
【００２４】
第１膨張機１６は、該第１膨張機１６の出力（たとえば、第１膨張機３の入口側の流体の圧力）を検出する出力検出手段２８に接続されている。出力検出手段２８は制御手段２３に接続されている。また、制御手段２３は、発電機２２に接続されている。そして、本実施態様においては、制御手段２３により第１膨張機１６の出力が検出され、該検出出力に応じて発電機２２の負荷が調整されるようになっている。たとえば、発電機２２に該発電機２２を補助的に駆動可能な駆動用のモータ２４を連結し、該モータ２４を制御手段２３により検出された第１膨張機１６の出力に応じて駆動させれば、発電機２２の負荷を変更可能な負荷調整手段２５を構成できる。
【００２５】
本実施態様においては、第１膨張機１６の出口側には作動媒体の温度を検出する温度検出手段２９が接続されている。温度検出手段２９は制御手段２３に接続されている。また、凝縮器１９の出口側には作動媒体の温度を検出する温度検出手段３０が接続されている。温度検出手段３０は制御手段２３に接続されている。
【００２６】
制御手段２３は循環ポンプ２０に接続されている。そして、制御手段２３からの信号に基づき循環ポンプ２０の回転数が変更され作動流体の流量が調整されるようになっている。本実施態様においては、循環ポンプ２０が流量調整手段２６として構成されている。
【００２７】
本実施態様においては、出力検出手段２８により検出された膨張機１６の検出出力、および温度検出手段２９により検出された蒸発器１５の出口側および温度検出手段３０により検出された凝縮器１９の出口側の作動媒体の検出温度に応じて流量調整手段２６により作動媒体の流量が調整される。したがって、夏期等において、蒸発器１５の出口側および凝縮器１９の出口側の作動媒体の温度が上昇し、膨張機１６の出力が増大した場合には、受動機側の負荷を増加させるとともに作動媒体の流量が減少される。一方、冬期等において、蒸発器１５の出口側および凝縮器１９の出口側の作動媒体の温度が低下し、膨張機１６からの出力が減少した場合には受動機側の負荷を減少させるとともに作動媒体の流量が増加される。したがって、膨張機の効率的な駆動を確保しつつ受動機を安定して運転できる。
【００２８】
なお、本実施態様においては、蒸発器１５の出口側および凝縮器１９の出口側の作動媒体の温度が検出されているが、いずれか一方の温度のみを検出し、該検出温度に応じて流量調整手段２６を制御するような構成においても本願発明の目的を十分達成できる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る動力発生装置は、たとえば太陽熱を利用する発電システムの動力源等に利用できるが、これに限定されるものではなく、たとえば冷凍サイクルの圧縮機の動力源等として広範な産業分野に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施態様に係る動力発生装置の概略機器系統図である。
【図２】図１の装置のランキンサイクルを表す、圧力−エンタルピー線図である。
【図３】本発明の第２実施態様に係る動力発生装置の概略機器系統図である。
【符号の説明】
【００３１】
１、１４  動力発生装置
２、１５  第１蒸発器
３、１６  第１膨張機
４、１７  第２蒸発器
５、１８  第２膨張機
６、１９  凝縮器
７、２０  循環ポンプ
８、２１  循環回路
９、２２  発電機
１０、２３  制御手段
１１、２４  駆動用のモータ
１２、２５  負荷調整手段
１３、２６  流量調整手段
２７、２８  出力検出手段
２９、３０  温度検出手段
【図１】
2005351094.tif 000003
【図２】
2005351094.tif 000004
【図３】
2005351094.tif 000005