(57)【要約】【課題】地熱を用いる発電システムは、地熱が得られる地域でないと使用できない。【解決手段】圧縮機を備えるヒートポンプと、ヒートポンプにより加熱され気化された作動媒体の持つエネルギによって動力が与えられるタービンの動力により発電電力を供給する発電機と、タービンからの作動媒体を送出する循環手段と、制御部とを備え、９０℃における飽和蒸気圧の絶対圧が０．３ＭＰａ以上である有機化合物を前記作動媒体とし、前記冷媒をＣＯ２とし、タービンをスクロールタービンまたはスクリュータービンとし、前記導入口における前記作動媒体の圧力である導入口圧力を前記導入口温度における前記作動媒体の飽和蒸気圧以下にし、圧縮機駆動用電力と循環手段駆動用電力と制御部用の制御部用電力との総和である総和電力としての電力が供給され、総和電力より発電電力が大きくなるように設定される条件で運転される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒加熱流路を備えシステムの外部からの熱を吸収し冷媒加熱流路を流れる冷媒に伝え冷媒を気化する外気熱交換器と、前記冷媒加熱流路の出口からの前記冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記冷媒により作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器と、作動媒体を加熱した後に前記作動媒体熱交換器から排出される前記冷媒を回収し前記外気熱交換器の冷媒加熱流路の入口に導く回収経路と、を備え、前記外気熱交換器と前記圧縮機と前記作動媒体熱交換器の冷媒流路と前記回収経路と前記冷媒とからなるヒートポンプを構成し、
さらに、導入口と排出口を具備するタービンを備え、前記作動媒体熱交換器の作動媒体流路を流れる前記作動媒体が前記ヒートポンプによる加熱により気化され、気化された後に前記作動媒体流路の出口から排出される前記作動媒体が前記導入口に導入され前記排出口から排出されることで、気化された前記作動媒体の持つ熱エネルギによって前記タービンに動力が与えられ、前記動力により発電を行う発電機を備え、前記排出口から排出される前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出する循環手段を備え、前記作動媒体流路と前記タービンと前記循環手段と前記発電機とからなる作動媒体発電サイクル部を構成し、
前記ヒートポンプと前記作動媒体発電サイクル部とを制御する制御部を備え、
前記圧縮機を駆動するための圧縮機駆動電力、および、前記循環手段を駆動するための循環手段駆動電力、および、前記制御部に供給される制御部用電力としての電力が供給され、
前記圧縮機駆動電力と前記循環手段駆動電力と前記制御部用電力との総和である総和電力より、前記発電機により発電される発電電力が大きくなるように設定される運転条件である真発生電力獲得条件で運転されるように構成されている発電システムであって、
９０℃における飽和蒸気圧の絶対圧が０．３ＭＰａ以上である有機化合物を前記作動媒体とし、前記冷媒をＣＯ２とし、前記タービンをスクロールタービンまたはスクリュータービンとし、
前記真発生電力獲得条件が、前記導入口における前記作動媒体の温度である導入口温度を略９０℃として、かつ、前記導入口における前記作動媒体の圧力である導入口圧力を前記導入口温度における前記作動媒体の飽和蒸気圧以下にした運転条件に設定されることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記導入口に導入される前の前記作動媒体を加熱する補助熱源を具備することを特徴とする請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
前記補助熱源が前記導入口に導入される前の前記作動媒体を加熱した後において残存する排熱によって、前記回収経路を流れる冷媒を加熱することを特徴とする請求項２記載の発電システム。
【請求項４】
前記回収経路を流れる冷媒が前記外気熱交換器によってシステムの外部からの熱を吸収した後に、前記排出口から排出される前記作動媒体を前記冷媒によって冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項１〜３記載の発電システム。
【請求項５】
前記作動媒体流路から前記循環手段への前記作動媒体の逆流を阻止する逆止弁を具備することを特徴とする請求項１〜４記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を加熱気化する外気熱交換器と前記冷媒を圧縮する圧縮機と圧縮された前記冷媒により作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器と前記作動媒体熱交換器からの前記冷媒を減圧回収し前記外気熱交換器の冷媒加熱流路の入口に導く回収経路と前記冷媒とからなるヒートポンプと、前記ヒートポンプにより加熱された前記作動媒体の持つ熱エネルギによって動力が与えられるタービンと前記タービンの排出口から排出される前記作動媒体を前記作動媒体熱交換器に送出する循環手段と前記タービンの動力により発電電力を供給する発電機を備える作動媒体発電サイクル部と、前記ヒートポンプと前記作動媒体発電サイクル部とを制御する制御部とを備え、前記圧縮機の駆動用電力と前記循環手段の駆動用電力と前記制御部へ供給される制御部用電力との総和である総和電力としての電力が供給され、前記総和電力より前記発電電力が大きくなるように設定される真発生電力獲得条件で運転される発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から効率よく発電を行う発電システムが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００３】
特許文献１、特許文献２においては、熱源エネルギの利用効率の向上が図れるように改良した発電システムの構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２１９６１号公報
【特許文献２】特開２００９−２２１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では熱源エネルギの利用効率，発電出力の向上が図れるものであるが、以下の課題がある。
たとえば、熱源エネルギとして地熱を用いる場合は、地熱が得られる地域でないと使用できない。
因みに、発電機を駆動するタービンの膨張効率（動力変換効率）を向上しても、０．６〜０．７程度の効率しか得られないから、熱源エネルギを得るために当該システム外からの電力や燃料供給によるエネルギによって賄われる場合には、１を超えるシステム効率が得られない。
【０００６】
これに対し、特許文献２ではヒートポンプにより液体を蒸発させて気体にし、この気体の持つエネルギを動力とするタービンで発電機を駆動し発電を行っている。
【０００７】
特許文献２にはヒートポンプのＣＯＰと、タービンで発電機を駆動し発電を行うときの効率ηの積、ＣＯＰ×ηの値が１を超える場合には、発電に要した電力より大きい電力が得られることを示唆されているものの、実施可能な程度の実施例は記載されていない。
【０００８】
すなわち、ヒートポンプによる加熱温度が例えば１００℃以下である場合、真空中で水を沸騰させた場合沸点は１００℃より低くすることはできるものの、タービンの出口圧力ゼロより低くできないからタービンにおける入り口と出口との差圧はせいぜい０．１ＭＰａとすることができる程度であり、入り口と出口との差圧が０．１ＭＰａである場合には特許文献２の実施例で示されている０．３の発電効率は得られない。
【０００９】
また、タービンにおける入り口と出口との差圧を大きくするためにヒートポンプにおける高温側の熱交換器の温度を高くするとヒートポンプのＣＯＰは低下してしまうから、結局、ヒートポンプのＣＯＰと、タービンで発電機を駆動し発電を行うときの効率ηの積、ＣＯＰ×ηの値が１を超える構成とはならないことになる。
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑みて為されたものであって、その目的は、地域によらず効率よく発電が行える発電システムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１特徴構成は、冷媒加熱流路を備えシステムの外部からの熱を吸収し冷媒加熱流路を流れる冷媒に伝え冷媒を気化する外気熱交換器と、前記冷媒加熱流路の出口からの前記冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記冷媒により作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器と、作動媒体を加熱した後に前記作動媒体熱交換器から排出される前記冷媒を回収し前記外気熱交換器の冷媒加熱流路の入口に導く回収経路と、を備え、前記外気熱交換器と前記圧縮機と前記作動媒体熱交換器の冷媒流路と前記回収経路と前記冷媒とからなるヒートポンプを構成し、
さらに、導入口と排出口を具備するタービンを備え、前記作動媒体熱交換器の作動媒体流路を流れる前記作動媒体が前記ヒートポンプによる加熱により気化され、気化された後に前記作動媒体流路の出口から排出される前記作動媒体が前記導入口に導入され前記排出口から排出されることで、気化された前記作動媒体の持つ熱エネルギによって前記タービンに動力が与えられ、前記動力により発電を行う発電機を備え、前記排出口から排出される前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出する循環手段を備え、前記作動媒体流路と前記タービンと前記循環手段と前記発電機とからなる作動媒体発電サイクル部を構成し、
前記ヒートポンプと前記作動媒体発電サイクル部とを制御する制御部を備え、
前記圧縮機を駆動するための圧縮機駆動電力、および、前記循環手段を駆動するための循環手段駆動電力、および、前記制御部に供給される制御部用電力としての電力が供給され、
前記圧縮機駆動電力と前記循環手段駆動電力と前記制御部用電力との総和である総和電力より、前記発電機により発電される発電電力が大きくなるように設定される運転条件である真発生電力獲得条件で運転されるように構成されている発電システムであって、
９０℃における飽和蒸気圧の絶対圧が０．３ＭＰａ以上である有機化合物を前記作動媒体とし、前記冷媒をＣＯ２とし、前記タービンをスクロールタービンまたはスクリュータービンとし、
前記真発生電力獲得条件が、前記導入口における前記作動媒体の温度である導入口温度を略９０℃として、かつ、前記導入口における前記作動媒体の圧力である導入口圧力を前記導入口温度における前記作動媒体の飽和蒸気圧以下にした運転条件に設定されるように構成されている点を特徴とする。
【００１２】
すなわち、この発電システムを稼動するためにこの発電システムにおいて消費される電力より大きな発電電力が得られるように前記運転条件が設定されることになるものである。
【００１３】
本発明の第１特徴構成によれば、実質的に外部からの電力や燃料の供給なしで、特に高温でない外気などであっても、システムの外部からの熱を電力に変換できるから、特別な地域的な制約なしに、また、地球温暖化ガスを排出することなく電気エネルギを得ることができるようになる。また、冷媒としてはヒートポンプに適した冷媒を用い、そして、作動媒体としては作動媒体発電サイクル部に適した作動媒体を用い、冷媒と作動媒体としてそれぞれ異なる物質を用いることができるから最適な発電システムが構成しやすい。
【００１４】
因みに、この発明による発電システムは、決して自然法則に反するような永久機関ではなく、ソーラーパネルが太陽光のエネルギを電気のエネルギに変換するものであるのに対し、この発明による発電システムは、大気熱のエネルギを電気のエネルギに変換する技術を提供するものである。
【００１５】
本発明の第２特徴構成は、上記した第１特徴構成に加えて、前記導入口に導入される前の前記作動媒体を加熱する補助熱源を具備する点を特徴とする。
【００１６】
本発明の第２特徴構成によれば、上記の第１特徴構成による効果に加えて、補助熱源の加熱により、作動媒体を十分な過熱蒸気とすることができるから、タービン内において作動媒体が湿り蒸気になることによる作動媒体の液相比率の増加に起因する悪影響が低減できる。また、沸点が多少高い作動媒体であっても使用できるから、作動媒体を選定する際の条件が緩和される。
【００１７】
本発明の第３特徴構成は、上記した第２特徴構成に加えて、前記補助熱源が前記導入口に導入される前の前記作動媒体を加熱した後において残存する排熱によって、前記回収経路を流れる冷媒を加熱する点を特徴とする。
【００１８】
本発明の第３特徴構成によれば、上記の第２特徴構成による効果に加えて、補助熱源が作動媒体を加熱した後に残存する排熱が前記回収経路を流れる冷媒の加熱に用いられ、作動媒体を加熱した後において残存していた排熱は冷媒を加熱することによって減少するから、補助熱源の加熱による熱効率が高くなるように構成可能となる。
【００１９】
本発明の第４特徴構成は、上記した第１特徴構成から第３特徴構成のいずれか加えて、前記回収経路を流れる冷媒が前記外気熱交換器によってシステムの外部からの熱を吸収した後に、前記排出口から排出される前記作動媒体を前記冷媒によって冷却する冷却部を備える点を特徴とする。
【００２０】
本発明の第４特徴構成によれば、上記の第１特徴構成から第３特徴構成のいずれかによる効果に加えて、前記排出口から排出される前記作動媒体の持つ残存エネルギを有効に再利用できるものとなる。さらに、冷媒が、前記排出口から排出される作動媒体を前記冷却部において冷却する前に前記外気熱交換器によってシステムの外部からの熱を吸収ことができるから、前記外気熱交換器における上記システムの外部からの熱と冷媒との温度差が大きいものとなり、上記ヒートポンプにおける成績係数（ＣＯＰ）が高くなることで、さらに効率の良い発電システムとすることができる。
【００２１】
本発明の第５特徴構成は、上記した第１特徴構成から第４特徴構成のいずれか加えて、前記作動媒体流路から前記循環手段への前記作動媒体の逆流を阻止する逆止弁を具備する点を特徴とする。
【００２２】
本発明の第５特徴構成によれば、上記の第１特徴構成から第４特徴構成のいずれかによる効果に加えて、前記作動媒体熱交換器において前記ヒートポンプによる加熱により上昇した前記作動媒体の圧力が前記循環手段の吐出圧力よりも高くなった場合に、前記作動媒体が逆流することにより発生する不都合が回避できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態における構成を示す図
【図２】実施例における発電機の効率を示す図
【図３】ヒートポンプのＣＯＰを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明において、ｎ−ブタン（ノルマルブタン）を媒体とし、スクロール式のタービンを用いた場合である第１実施形態を説明する。なお、ｉ−ブタン（イソブタン）を作動媒体とした場合、ｉ−ブタンはｎ−ブタンと多少物性値が異なるものの、ほぼ同様の結果となるから、作動媒体としては、ｎ−ブタンとｉ−ブタンの何れを用いてもよく、ｎ−ブタンとｉ−ブタンとを混合して用いても良い。
【００２５】
なお、以下の説明において圧力を表す場合、絶対圧とは真空を基準にした絶対圧力を表しゲージ圧とは大気圧を基準にした相対圧力を表し、このとき基準とする大気圧としては標準気圧（１ａｔｍ）を用いず、以下の説明において極力端数のない数値により説明できるように便宜的に、基準とする大気圧を絶対圧０．１ＭＰａとしたときの相対圧力で表している。
【００２６】
図１に示すシステムにおいて、
Ｈ１）低温・低圧（例えば−１０℃、絶対圧３ＭＰａ）の冷媒（本実施例ではＣＯ２）が、外気熱交換器１で外気Ａから熱を吸収して低温・低圧（例えば７℃、絶対圧３ＭＰａ）の気体になる。（本実施例ではヒートポンプのＣＯＰが低下する冬場を想定しており、−１０℃の冷媒が７℃の気体になる。）
【００２７】
その後、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得て温度が上昇する。（例えば３０℃、絶対圧３ＭＰａの気体になる。）
【００２８】
なお、本実施形態における上記ＣＯ２は、後述する作動媒体を加熱する用途に使用することから熱媒と称することも考えられるところ、ヒートポンプにおいて一般的に用いられている用語を用いることとし、本願では、上記ＣＯ２を冷媒と称している。
【００２９】
その後、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得て温度が上昇した冷媒は、後述するバーナ（補助熱源Ｈ）の排気ガスにより作動媒体を加熱した後の排ガス（残存する排熱）によってさらに温度が上昇する。（例えば３２℃になる。）
【００３０】
Ｈ２）低温・低圧の気体の冷媒が圧縮機２で断熱圧縮され高温・高圧（例えば９７℃、絶対圧１０ＭＰａ）の超臨界状態（超臨界状態とは、気体と液体の中間のような状態）になる。
【００３１】
なお、この実施例では、バッテリーＢから、制御部ＣＯＮＴにより出力制御される圧縮機用インバータＩＮＶ１を経由して圧縮機２用の電力が供給される。
【００３２】
Ｈ３）超臨界状態の冷媒の熱エネルギが作動媒体熱交換器３で作動媒体（本実施例ではｎ−ブタン（ノルマルブタン））に熱エネルギとして伝えられ、冷媒の温度が低下し常温・高圧（例えば３５℃、絶対圧１０ＭＰａ）になる。
【００３３】
Ｈ４）膨張弁４で冷媒が減圧し、低温・低圧（例えば−１０℃、絶対圧３ＭＰａ）になる。
【００３４】
上記Ｈ１）〜Ｈ４）によりヒートポンプサイクルを構成する。なお、以下の説明において上記Ｈ１）〜Ｈ４）のヒートポンプサイクルを以降においてＣＯ２ヒートポンプサイクルと呼ぶことがある。
【００３５】
Ｓ１）ポンプ５により圧送された液体（本実施例では３０℃）の作動媒体（本実施例ではｎ−ブタン）を作動媒体熱交換器３で高温（本実施例では９０℃）に加熱する。
【００３６】
さらに、作動媒体（本実施例ではｎ−ブタン）は、バーナ（補助熱源Ｈ）によって加熱され、過熱蒸気となる。
【００３７】
このとき、作動媒体熱交換器３で加熱された後の作動媒体温度検出用の温度センサＴＨ（図示せず）の温度が１００℃を超えない場合には制御部ＣＯＮＴに備える電力検出部（図示せず）によるＩＮＶ１の出力が定格電力である２ｋＷとなるように制御部ＣＯＮＴは圧縮機用インバータＩＮＶ１を制御し、バーナ（補助熱源Ｈ）のインプットが定格インプットである２ｋＷとなるようにバーナ（補助熱源Ｈ）のインプット制御器（図示せず）を制御する。
【００３８】
一方、温度センサＴＨ（図示せず）の温度が１００℃を超えた場合にはＩＮＶ１の出力を低下させるように制御部ＣＯＮＴは圧縮機用インバータＩＮＶ１を制御するとともにバーナ（補助熱源Ｈ）のインプット制御器（図示せず）を制御する。
【００３９】
なお、温度センサＴＨの温度が１００℃以下となるように制御するとともにバーナ（補助熱源Ｈ）のインプット制御器（図示せず）を制御する理由は、作動媒体の飽和蒸気圧がゲージ圧１．３９ＭＰａ（＝絶対圧１．４９ＭＰａ）となる温度が１００℃であることから、温度センサＴＨの温度が１００℃以下となるように制御することで、作動媒体の飽和蒸気圧の大気圧に対する相対圧力がゲージ圧１．３９ＭＰａを大きく上回らないようにし、作動媒体の過度の圧力上昇を制限するためである。
【００４０】
すなわち、温度センサＴＨの温度が１００℃より低いときは圧縮機用インバータＩＮＶ１の出力を２ｋＷの定格出力となるように、また、バーナ（補助熱源Ｈ）のインプットを２ｋＷの定格インプットとなるようにし、温度センサＴＨの温度が１００℃より高いときは圧縮機用インバータＩＮＶ１の出力およびバーナ（補助熱源Ｈ）のインプットを減少させることで、作動媒体が気化されたときの作動媒体の温度が本実施例では１００℃以下になるよう制御されている。
【００４１】
さらに、制御部ＣＯＮＴは温度検出器ＴＨ（図示せず）の検出温度Ｔ１が一定（本実施例ではｎ−ブタンの飽和蒸気圧がゲージ圧１．１２７ＭＰａとなる温度である９０℃）に保つようにモータバルブ８の開度を調節することで、作動媒体は温度が略一定で高圧（本実施例ではゲージ圧力０．９ＭＰａ）に保たれる。（ｎ−ブタンはゲージ圧１．１２７ＭＰａ（＝絶対圧１．２２７ＭＰａ）が９０℃における飽和蒸気圧であるから十分気化している。）
【００４２】
詳述すると、作動媒体熱交換器３におけるＣＯ２ヒートポンプサイクルによる加熱量は圧縮機用インバータＩＮＶ１の出力２ｋＷおよび、バーナ（補助熱源Ｈ）のインプット２ｋＷに対応する定格加熱量であるから、モータバルブ８の開度を小さくすることで作動媒体熱交換器３における作動媒体流路を流れる作動媒体の時間当たり流量が低減し作動媒体流路の出口における温度検出器ＴＨ（図示せず）による作動媒体の検出温度Ｔ１が高くなると共に作動媒体流路の出口における圧力センサＰＳ（図示せず）による作動媒体の検出圧力を高くなるように調節でき、モータバルブ８の開度を大きくすることで作動媒体熱交換器３における作動媒体流路を流れる作動媒体の時間当たり流量が増加し作動媒体流路の出口における温度検出器ＴＨ（図示せず）による作動媒体の検出温度Ｔ１が低くなると共に作動媒体流路の出口における圧力センサＰＳ（図示せず）による作動媒体の検出圧力を低くなるように調節でき、温度検出器ＴＨ（図示せず）の検出温度Ｔ１は９０℃に維持されることになるものである。
【００４３】
また、作動媒体流路の出口における温度検出器ＴＨ（図示せず）による作動媒体の検出温度Ｔ１および作動媒体流路の出口における圧力センサＰＳ（図示せず）による作動媒体の検出圧力ｐ１をモータバルブ８の開度によって制御する一方、タービン６の出口（排出口）における第２圧力センサＰＳ２（図示せず）による検出圧力ｐ２を以下のように制御する。なお、この場合、モータバルブ８はポンプ５の下流に配置することが好ましく、モータバルブ８をポンプ５の上流側に配置した場合と比較して、ポンプ５の吸い込み部における圧力低下によるキャビテーションが発生しにくいものとなり、前記キャビテーションに起因するポンプ５性能の低下が防止できる。
【００４４】
制御部ＣＯＮＴは、作動媒体流路の出口における圧力センサＰＳ（図示せず）による作動媒体の検出圧力ｐ１（＝タービン６の入口（導入口）における圧力）とタービン６の出口（排出口）における第２圧力センサＰＳ２（図示せず）による検出圧力ｐ２との差圧Δｐ＝ｐ１−ｐ２が０．６７ＭＰａより小さいときはモータバルブ８の開度を大きくなるように、また、前記差圧Δｐ＝ｐ１−ｐ２が０．６７ＭＰａより大きいときはモータバルブ８の開度を小さくなるように制御することで、タービン６の入口（導入口）の圧力がタービン６の出口（排出口）の圧力より０．６７ＭＰａ高くなる状態に維持して前記差圧Δｐを０．６ＭＰａ以上に保ち、タービン６の効率を維持する。
【００４５】
このとき、モータバルブ８の開度が変更されて作動媒体熱交換器３の作動媒体流路を流れる作動媒体の時間当たり流量が増加して作動媒体流路の出口における温度検出器ＴＨ（図示せず）による作動媒体の検出温度Ｔ１が低くなったときには圧縮機用インバータＩＮＶ１の定格出力を徐々に増加させるように変更設定するように、また、モータバルブ８の開度が変更されて作動媒体熱交換器３の作動媒体流路を流れる作動媒体の時間当たり流量が減少して作動媒体流路の出口における温度検出器ＴＨ（図示せず）による作動媒体の検出温度Ｔ１が高くなったときには圧縮機用インバータＩＮＶ１の定格出力を徐々に減少させるように変更設定するように、制御部ＣＯＮＴにより制御されるから、作動媒体流路の出口における温度検出器ＴＨ（図示せず）による作動媒体の検出温度Ｔ１（＝タービン６の入口（導入口）における温度）は略９０℃の一定に保たれることになる。
【００４６】
Ｓ２）圧力が略一定で高圧（ゲージ圧０．９ＭＰａ）になった作動媒体は、スクロールタービン６の吸込口（導入口）側に導かれ、互いに噛み合った固定スクロール及び旋回スクロール（図示せず）によって形成される渦巻状空間内で膨張することで旋回スクロール（図示せず）を旋回させる。
【００４７】
ここで、さらに詳しく説明すると、スクロールタービンは、密閉容器の内部に、鏡板から渦巻き状に立ち上がる固定スクロール及び旋回スクロールを噛み合わせて双方間に膨張室を形成し、上記旋回スクロールを自転規制機構による自転の規制のもとに円軌道に沿って旋回させたとき上記膨張室が容積を変えながら移動することで、吸入、膨張、吐出を行う膨張機構部を備えたスクロール膨張機によって、作動媒体が持つ熱エネルギを機械エネルギに変換するものである。
【００４８】
旋回スクロール（図示せず）と主軸受部材（図示せず）との間に旋回スクロールの自転を防止して円軌道運動するように案内する自転規制機構（図示せず）を設けて、クランク軸（図示せず）の上端にある偏心軸部（図示せず）にて旋回スクロールを偏心駆動することにより旋回スクロールを円軌道運動させている。これにより固定スクロールと旋回スクロールとの間に形成している膨張室が中央部から外周側に移動しながら容積が大きくなるのを利用して作動媒体の膨張を行い、上記クランク軸を回転させる。
【００４９】
なお、この種のスクロールタービンは、エアコンディショナにおいて冷凍サイクル装置を構成する膨張機、圧縮機に用いられているものと同等の原理により作動するように構成されているものである。
【００５０】
上述のように、スクロールタービン６の吸込口（導入口）に流入した作動媒体は、上記クランク軸を回転させて膨張した後に吐出口（排出口）から排出されることになり、この間で回転力としての動力回収が行われるものである。
【００５１】
Ｓ３）上記のように熱エネルギによってスクロールタービンを旋回させ仕事を終えて低温低圧の気体の状態となってスクロールタービンの吐出口（排出口）から排出された作動媒体（本実施例では、４０℃の気体となる。因みに本実施例では、上述のようにタービン６の入口（導入口）の圧力がタービン６の出口（排出口）の圧力より０．６７ＭＰａ高くなる状態に維持されることによりタービン６の出口（排出口）の圧力はゲージ圧０．２３ＭＰａに維持され、（作動媒体ｎ−ブタンの飽和蒸気圧がゲージ圧０．２３ＭＰａ（＝絶対圧０．３３ＭＰａ）となる温度は３５℃であるから、ゲージ圧０．２３ＭＰａ、４０℃では気体の状態を維持する。）作動媒体ｎ−ブタンは凝縮器７で冷却され液体（本実施例では３０℃）になる。本実施例では、凝縮器７を冷却するために上述のＣＯ２ヒートポンプサイクルにおける膨張弁４で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒が用いられている。
【００５２】
因みに、上述のＣＯ２ヒートポンプサイクルにおける膨張弁４で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒は、凝縮器７を冷却した後は気相を含む液体の状態であるが７℃より十分低い０℃近い温度を維持している。
なお、本実施例では、凝縮器７を冷却するために上述のＣＯ２ヒートポンプサイクルにおける膨張弁４で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒が用いられているが、凝縮器７を冷却するために別の方法を用いても良い。
【００５３】
Ｓ４）液体になった作動媒体は繰り返しポンプ５により高圧（本実施例ではゲージ圧０．９ＭＰａ＋作動媒体熱交換器３における圧力損失）に加圧されて作動媒体熱交換器３に圧送される。
因みに、上述のように作動媒体熱交換器３の出口側で圧力センサＰＳ（図示せず）の検出圧力ｐ１が一定（本実施例ではゲージ圧０．９ＭＰａ）に保たれるようにモータバルブ８の開度が調節されるから、本実施例ではポンプ５の吐出側圧力は、ゲージ圧０．９ＭＰａ＋作動媒体熱交換器３における圧力損失に制御されることとなる。
【００５４】
なお、作動媒体流路からポンプ５への作動媒体の逆流を阻止する逆止弁ＣＨを具備しており、何らかの要因により作動媒体熱交換器３においてヒートポンプおよび補助熱源Ｈによる加熱により上昇した作動媒体の圧力がポンプ５の吐出圧力よりも高くなった場合にも、作動媒体が逆流することにより発生する不都合が回避できるようにしてある。
【００５５】
上記Ｓ１）〜Ｓ４）により作動媒体の循環サイクルを構成する。なお、以下の説明において、上記Ｓ１）〜Ｓ４）の作動媒体のサイクルを以降において作動媒体サイクルと呼び、発電機Ｇを含めて作動媒体発電サイクルと呼ぶことがある。
【００５６】
Ｇ１）スクロールタービンの回転力により発電機Ｇが回転し、作動流体から回収されたエネルギにより発電が行われる。
【００５７】
Ｇ２）発電機Ｇにより発生した電気エネルギはレギュレータＲを経由して、バッテリーＢに蓄電される。
【００５８】
Ｇ３）この実施例では、ポンプ５駆動用モータとして、制御部ＣＯＮＴにより出力制御される直流駆動式のブラシレスモータが用いられており、上述のように圧縮機２用の電力がバッテリーＢから供給されていることに加えて、ポンプ５用の電力もバッテリーＢから供給される。さらに、制御部ＣＯＮＴ用の電力もバッテリーＢから供給され、制御部ＣＯＮＴに接続されるセンサ類や、ポンプ５および圧縮機２以外のアクチュエータ類で消費される電力もバッテリーＢから供給される。
【００５９】
Ｇ４）また、外部電源供給用インバータＩＮＶ２によりバッテリーＢからの直流電力を商用周波数（たとえば６０Ｈｚ）の交流に変換し、システム外部に商用周波数の交流電力が供給される。
【００６０】
なお、図１において矢印を含んだ細い実線は冷媒または作動媒体の流れを、破線の矢印は主に信号の流れを、太い実線の矢印は電力の流を示している。なお、本実施形態において、温度、圧力等は一例を示すものであって、本発明は上記数値に限定されるものではない。
【００６１】
なお、この実施形態では、冷媒が前記外気熱交換器１で外気Ａから熱を吸収した後に、排出口（タービン６の出口）から排出される作動媒体を冷却するように構成してある。（図１参照。）
【００６２】
このように構成することで、冬場のように外気Ａの温度が低く（例えば気温７℃）、外気Ａの温度が、排出口（タービン６の出口）から排出される作動媒体の温度（第２実施例の場合で、例えば４０℃）より低い場合などは、外気Ａと冷媒（例えば−１０℃）との温度差が大きい状態で、冷媒が外気熱交換器１において外気Ａの熱を吸収して、冷媒の温度が多少上昇（例えば７℃程度に上昇）した後であっても、冷媒はさらに、冷却部７において作動媒体（例えば４０℃）からの熱を吸収することができるから、ヒートポンプにおける成績係数（ＣＯＰ）が高くなり、効率の良い（高い）発電システムが構成できる。
【００６３】
ここで、図２、図３を用いて、タービン６に入力された熱力学的エネルギから発電機Ｇによる発電エネルギへの変換効率（発電効率η）、および、ＣＯ２ヒートポンプサイクルのＣＯＰ（成績係数）に基づく発電システム全体のエネルギ収支について説明を加える。
【００６４】
図２は、実施例における発電機Ｇの効率を示す図であり、タービン６の導入口と排出口との圧力差（導入口の圧力−排出口の圧力）とタービン６に入力された熱力学的エネルギから発電機Ｇによる発電エネルギへの変換効率（発電効率η）の実測によって得られた一例を表している。
図２は、タービン６の導入口と排出口との圧力差が０．３ＭＰａ以上であれば０．４以上の発電効率ηが得られることを示している。
【００６５】
図３は、ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）を示す図であり、ＣＯ２ヒートポンプサイクルにおける外気Ａの温度ｔ１と作動媒体熱交換器３によって加熱されて作動媒体熱交換器３から流れ出る作動媒体の温度ｔ２との関係関し、実測によって得られた一例を表している。
なお、図３では、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得て冷媒ＣＯ２の温度が上昇することによる影響は加味されておらず、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に冷媒が得る熱エネルギがゼロとしたＣＯＰを表している。
図３は、ｔ２−ｔ１=８３℃以下のときにはＣＯＰが３以上になることを示しており、これは、外気温７℃の場合、作動媒体熱交換器３から流れ出る作動媒体の温度ｔ２を９０℃以下にすれば、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に冷媒が得る熱エネルギがゼロであってもＣＯＰが３以上になることを示している。
【００６６】
もちろん、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に冷媒ＣＯ２が熱エネルギを得て冷媒ＣＯ２の温度が上昇する場合には、タービン６からの排熱をヒートポンプが回収することによりＣＯＰはさらに大きな値となる。
【００６７】
上述のように、ＣＯ２ヒートポンプサイクル、および、作動媒体をｎ−ブタンとした作動媒体発電サイクルを構成した場合、上述のようにＣＯ２ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）が３の場合、圧縮機２の入力が例えば２ｋＷのとき、作動媒体が得るエネルギ率（仕事率）は６ｋＷであるから、タービン６〜発電機Ｇの発電効率が０．６５のとき発電機Ｇにより発電される電力は、３．９ｋＷである。
したがって、圧縮機２の消費電力の２ｋＷに加え、ポンプ５（循環手段）とその他のアクチュエータおよび制御部ＣＯＮＴにおける消費電力と配管損失等のロスを考慮して０．２ｋＷの消費電力を余分に見込んでも、３．９−２−０．２＝１．７［ｋＷ］の電力を当該発電システム外に供給することが可能である。
【００６８】
〔バーナ（補助熱源Ｈ）の加熱による効果と効率への影響〕
バーナの加熱により、作動媒体を十分な過熱蒸気とすることができるから、タービン６内において作動媒体が湿り蒸気になることによる悪影響が低減できる。
【００６９】
また、沸点が多少高い作動媒体であってもバーナ（補助熱源Ｈ）の加熱により気化できるから、ＣＯ２ヒートポンプの特性に起因する条件に応じて作動媒体を選定する際の条件が緩和され、様々な作動媒体が使用可能となる。
【００７０】
バーナが作動媒体を加熱した後の排ガス（残存する排熱）は、凝縮器７（冷却部）において熱を得た後の冷媒の加熱に用いられ、冷媒を加熱した後の排ガス（残存する排熱）の温度は３５℃程度まで低下するから、高効率となる発電システムが構成可能であり、例えば、補助熱源Ｈとして天然ガスを燃料とするガスバーナを用いた場合には、該ガスバーナの加熱による熱効率は、高位発熱基準で９５％となる高効率に構成可能である。
【００７１】
したがって、補助熱源Ｈ（バーナ）へのインプットを２ｋＷ（１７２０ｋｃａｌ／ｈ）とした場合、作動媒体に与えられる仕事率は、２×０．９５＝１．９ｋＷとなり、さらにこれが、０．６５の発電効率によって１．２３５ｋＷの電力に変換されるから、上述のＣＯ２ヒートポンプによって当該発電システム外に供給することが可能な１．７ｋＷにさらにこの１．２３５ｋＷを加えた２．９３５ｋＷの電力がシステムによって得られる供給可能電力となる。
したがって、総合的な効率は、
２．９３５ｋＷ（供給可能電力）／２ｋＷ（補助熱源Ｈへのインプット）＝約１．５
となり、多少のＣＯ２の排出を伴うものの高効率な発電が可能であり、ＣＯ２の排出量を大幅に減少できるものである。
【００７２】
もちろん、補助熱源Ｈを用いない場合には、ＣＯ２の排出量がゼロであることはいうまでもない。
【００７３】
〔別実施形態〕
以下、別実施形態を列記する。
［別実施例１］
第１実施形態や第２実施形態のように、モータバルブ８の開度の調節により圧力センサＰＳ（図示せず）の検出圧力が一定（本実施例では０．６ＭＰａ）に保つようにするのではなく、モータバルブ８は備えず、制御部ＣＯＮＴからの指令によりポンプ５の速度制御を行うことで圧力センサＰＳ（図示せず）の検出圧力ｐ１と第２圧力センサＰＳ２（図示せず）の検出圧力ｐ２との差圧（＝ｐ１−ｐ２）が一定（本実施例では０．６ＭＰａ）に保たれるようにすることも可能である。このようにした場合、作動媒体用の配管回路圧力損失が低減できる。この場合のポンプ５の駆動用モータＭＴとしては、ＤＣブラシレスモータを用いることで速度制御を容易に行うことが可能である。
【００７４】
また、ポンプ５の駆動用モータとして一般に普及しているＡＣモータを用いる場合であっても制御部ＣＯＮＴにおけるモータＭ用の駆動回路をＶＶＶＦ（可変電圧、可変周波数）インバータで構成しておくことにより優れた速度制御性が得られ、圧力センサＰＳ（図示せず）の検出圧力ｐ１と第２圧力センサＰＳ２（図示せず）の検出圧力ｐ２との差圧を一定（０．６ＭＰａ程度以上の値が好ましい）に保つ制御を制度よく行うことができる。
【００７５】
［別実施例２］
実施形態として、バッテリーＢを搭載しないシステムも可能である。
この場合、第１実施形態や第２実施形態におけるバッテリーＢの箇所は単なるＤＣリンクＬＮとしておき外部電源供給用インバータＩＮＶ２に代え、外部商用電力系統ＥＸＰＷからリンクに電力供給可能で、かつ、ＤＣリンクＬＮから外部商用電力系統ＥＸＰＷに対し逆潮流可能なパワーコンディショナーＰＷＣＮを備えることで、本システムで得られる電力と本システム外部での消費電力に差が生じた場合にも問題なく用いることができるシステムとなる。
【００７６】
また、ＤＣリンクＬＮと並列にバッテリーＢを搭載しておき、バッテリーＢから外部電源供給用インバータＩＮＶ２に給電するように構成することも可能で、この場合、外部商用電力系統ＥＸＰＷで停電があった場合でも、外部電源供給用インバータＩＮＶ２から安定して電力供給が継続できるものとなる。
【００７７】
［別実施例３］
ＣＯ２以外の冷媒を用いても良い。
【００７８】
［別実施例４］
また、作動媒体はブタンに限定されず、作動媒体を単体の有機化合物、または、複数の異なる種類の有機化合物の混合物で構成することにより、作動媒体熱交換器３からスクリュータービン６に導かれる作動媒体に含まれる蒸気と気体の比率を変更することができるものであり、作動媒体は適宜変更可能である。
【００７９】
［別実施例５］
図１において、ポンプ５を出力が可変制御可能な作動媒体用圧縮機に置き換え、スクリュータービンの吐出口（排出口）からは作動媒体が液相を含む気体が排出されるようにスクリュータービンの吐出口（排出口）の圧力（前述の第２圧力センサＰＳ２（図示せず）における検出圧力ｐ２）が低くなるように運転条件を設定しておくことも可能である。
【００８０】
この場合、作動媒体サイクルにおける効率は低下するものの、凝縮器７が不要となり、また、凝縮器７が不要となることに伴い配管も簡素化され、作動媒体として複数の炭化水素などによる混合物が使用されて作動媒体を液体とすることが困難な場合にも、作動媒体用圧縮機により作動媒体の送出を確実に行えるものとなる。
【００８１】
［別実施例６］
第１実施形態では、作動媒体をブタンとしてタービン６をスクロールタービンとする実施例を示したが、タービン６をスクリュータービンとするなど適宜変更可能である。
【００８２】
さらに、タービン６として他の形式の容量型タービンを用いる等、作動媒体とタービン６は適宜選択可能である。
【００８３】
［別実施例７］
上記第１実施形態や第２実施形態では、圧縮機２、ポンプ５、制御部ＣＯＮＴなど用の、本発電システムで消費される電力（総和電力）として、発電機Ｇによって発電した電力が供給されているが、圧縮機２、ポンプ５、制御部ＣＯＮＴなど用の、本発電システムで消費される電力を本発電システム外部から供給してもよい。
【００８４】
なお、上記の各実施例において、外気熱交換器１における外気Ａと作動媒体との熱交換を促進する送風機を設ける場合、該送風機の運転に伴う消費電力（総和電力）の増加分よりも、熱交換の促進によるヒートポンプのＣＯＰ上昇に伴う発電電力の増加分が大きくなる場合は、真発生電力Ｗｚが大きくなることになるから、効率の良い発電システムを構成するために、上記送風機を備えて該送風機を適宜運転することは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８５】
１    外気熱交換器
２    圧縮機
３    作動媒体熱交換器
４    膨張弁
５    ポンプ（循環手段）
６    タービン（スクロールタービン）
７    凝縮器（冷却部）
８    モータバルブ
Ａ    外気
Ｂ    バッテリー
ＣＨ    逆止弁
ＣＯＮＴ    制御部
ＬＮ    ＤＣリンク
ＥＸＰＷ    外部商用電力系統
Ｇ    発電機
Ｈ    補助熱源
ＩＮＶ１    圧縮機用インバータ
ＩＮＶ２    外部電源供給用インバータ
ＰＳ    圧力センサ
ＰＳ２    第２圧力センサ
Ｒ    レギュレータ
ＴＨ    温度検出器
【図１】
2012251456.tif 000003
【図２】
2012251456.tif 000004
【図３】
2012251456.tif 000005