(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、前記ヒートポンプにより加熱され気化された前記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、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、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。【選択図】図１６
2012007604.tif 000002
【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。
【請求項２】
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前記発電電力が供給され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】
前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が液体で、前記循環手段がポンプであることを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の発電システム。
【請求項４】
前記排出口から排出される前記作動媒体を冷却液化する冷却部を備えることを特徴とする請求項３記載の発電システム。
【請求項５】
前記排出口から排出される前記作動媒体を、前記冷却部において、前記回収経路を流れる冷媒により冷却することを特徴とする請求項４記載の発電システム。
【請求項６】
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冷却することを特徴とする請求項５記載の発電システム。
【請求項７】
前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が前記作動媒体の液相を含む気体で、前記循環手段が作動媒体用圧縮機であることを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の発電システム。
【請求項８】
前記冷媒をＣＯ２、前記作動媒体をブタン、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請求項１〜７記載の発電システム。
【請求項９】
前記冷媒をＣＯ２、前記作動媒体をペンタン、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１００℃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て、かつ、前記導入口圧力を前記排出口の圧力より略０．６ＭＰａ高くした運転条件に設定されることを特徴とする請求項１〜７記載の発電システム。
【請求項１０】
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１〜９記載の発電システム。
【請求項１１】
前記発電電力を蓄電するバッテリーを備え、前記バッテリーから前記総和電力が供給されることを特徴とする請求項２〜１０記載の発電システム。
【請求項１２】
前記総和電力の電力系統および前記発電電力の電力系統と外部商用電源とを結合するパワーコンディショナーを設け、外部商用電源と逆潮流自在に接続されることを特徴とする請求項２〜１１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、発電システムの設備コストを低く抑えて熱源エネルギの利用効率，発電出力の向上が図れるように改良した発電システム、および、膨張効率（動力変換効率）が向上したスクリュータービン発電装置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】特開平０９−０８８５０２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、特許文献２の構成により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。
【０００６】
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。
【０００７】
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１を超えるシステム効率が得られる発電システムの提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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点を特徴とする。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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前記発電電力が供給される点を特徴とする。
【００１３】
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、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前記発電電力が供給されるから、当該システム外部からの電力供給を必要としない独立した発電システムとすることができる。
【００１４】
本発明の第３特徴構成は、上記した第１特徴構成、または、第２特徴構成に加えて、前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が液体で、前記循環手段がポンプである点を特徴とする。
【００１５】
本発明の第３特徴構成によれば、上記の第１特徴構成、または、第２特徴構成による効果に加えて、前記循環手段が前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出する際に前記作動媒体に対して熱力学的仕事を行わないから、作動媒体発電サイクル部の効率を高いものとすることができるので発電電力と総和電力の差を大きくすることができ、システム外において利用できる前記電気エネルギを大きくすることができる。
【００１６】
つまり、前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が気体である場合には、前記循環手段が前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出する際に気体である前記作動媒体を圧縮することになり前記作動媒体に対して熱力学的仕事を行うことになり、ここで作動媒体が得た熱力学的エネルギは前記タービンにおいて１未満の変換効率で動力に変換されて、この動力が前記発電機によって１未満の変換効率で電力に変換され、この電力により循環手段が駆動されるものであるから、作動媒体発電サイクル部の効率を低下させる原因となり、発電電力と総和電力の差が小さくすることになり、システム外において利用できる前記電気エネルギが小さくなることになる。
【００１７】
一方、前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が非圧縮性流体である液体の場合には、前記循環手段は前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出するために加圧しても、前記循環手段が前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出する際に前記作動媒体に対して熱力学的仕事を行わないから、作動媒体発電サイクル部の効率を高いものとすることができるので発電電力と総和電力の差を大きくすることができ、システム外において利用できる前記電気エネルギを大きくすることができるものとなる。
【００１８】
本発明の第４特徴構成は、上記した第３特徴構成に加えて、前記排出口から排出される前記作動媒体を冷却液化する冷却部を備える点を特徴とする。
【００１９】
本発明の第４特徴構成によれば、上記の第３特徴構成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を冷却液化する冷却部を備えるから、前記循環手段としてのポンプの入口側に流入する前記作動媒体を十分に液化することができ、前記循環手段としてのポンプによる前記作動媒体の送出を確実に行えるものとなる。
【００２０】
つまり、前記循環手段としてのポンプの入口側に流入する前記作動媒体が十分に液化されず作動媒体の気相を含む場合には、前記循環手段としてのポンプにおいてキャビテーションに起因して揚程が低下することが考えられ、揚程が低下した場合には、前記循環手段としてのポンプによる前記作動媒体の送出が確実に行えない不安定な状態に至り、正常に発電できない事態となってしまうこととなるが、このようなことが防止できるものになる。
【００２１】
要するに、第４特徴構成によれば、前記排出口から排出される前記作動媒体を冷却液化する冷却部を備えることで、前記循環手段としてのポンプによる前記作動媒体の送出を確実に行えるから、前記循環手段としてのポンプによる前記作動媒体の送出が確実に行えない不安定な状態に至り、正常に発電できない事態となってしまうことが防止できるものとなる。
【００２２】
本発明の第５特徴構成は、上記した第４特徴構成に加えて、前記排出口から排出される前記作動媒体を、前記冷却部において、前記回収経路を流れる冷媒により冷却する点を特徴とする。
【００２３】
本発明の第５特徴構成によれば、上記の第４特徴構成による効果に加えて、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、十分低い温度である前記回収経路を流れる冷媒により冷却することができる。
【００２４】
つまり、前記ヒートポンプにおいて、前記回収経路を流れる冷媒は減圧することになるが、このとき冷媒の温度は十分低い温度に低下することになり、この前記回収経路を流れる十分低い温度に低下した冷媒により、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できるものとなる。
【００２５】
また、前記排出口から排出される作動媒体を前記回収経路を流れる冷媒により冷却する際に前記排出口から排出される作動媒体の熱エネルギは冷媒に移動することになり、効率の良い発電システムの稼働が可能になる。
【００２６】
すなわち、前記タービンにおいて発電用の動力として有効に利用できなかった、低温である作動媒体の熱エネルギを前記ヒートポンプで高温の熱エネルギへと変換するために有効に利用できることができる。
【００２７】
要するに、第５特徴構成によれば、この十分低い温度に低下した前記回収経路を流れる冷媒により、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好適に冷却でき、また、効率の良い発電システムの稼働が可能になるものとなる。
【００２８】
本発明の第６特徴構成は、上記した第５特徴構成に加えて、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冷却する点を特徴とする。
【００２９】
本発明の第６特徴構成によれば、上記の第５特徴構成による効果に加えて、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。
【００３０】
つまり、冬場のように上記システムの外部からの熱の温度が低く、上記システムの外部からの熱の温度が、前記排出口から排出される前記作動媒体の温度より低い場合などは、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状態で、冷媒が前記外気熱交換器においてシステムの外部からの熱を吸収して、冷媒の温度が多少上昇した後であっても、冷媒はさらに、前記冷却部において作動媒体からの熱を吸収することができるから、上記ヒートポンプにおける成績係数（ＣＯＰ）が高くなり、効率の良い発電システムとなるのである。
【００３１】
要するに、第６特徴構成によれば、上記システムの外部からの熱の温度が低い場合にも効率の良い発電システムとすることが可能となる。
【００３２】
本発明の第７特徴構成は、上記した第１特徴構成、または第２特徴構成に加えて、前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が前記作動媒体の液相を含む気体で、前記循環手段が作動媒体用圧縮機である点を特徴とする。
【００３３】
本発明の第７特徴構成によれば、上記の第１特徴構成、または第２特徴構成による効果に加えて、前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体を液体とすることができない場合にも、前記循環手段としての作動媒体用圧縮機により前記作動媒体の送出を確実に行えるものとなる。
【００３４】
つまり、本願による発電システムにおいて、前記真発生電力獲得条件で運転されるように構成するためには、前記排出口における前記作動媒体の圧力や温度が、前記冷却部によっても十分液化できない場合が考えられる。
【００３５】
このような場合には、前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が気体であることに起因して、前記循環手段が前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出する際に気体である前記作動媒体を圧縮することで前記作動媒体に対して熱力学的仕事を行うことになり、発電電力と総和電力の差を小さくすることになるから、システム外において利用できる前記電気エネルギが小さくなるものの、前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が前記作動媒体の液相を含むことで、前記真発生電力獲得条件で運転されるように構成できるものとなる。
【００３６】
要するに、本発明の第７特徴構成によれば、前記循環手段の入り口に流入する前記作動媒体が気体であっても、前記作動媒体の液相を含むことで、前記真発生電力獲得条件で安定して運転されるように構成できるものとなる。
【００３７】
本発明の第８特徴構成は、上記した第１特徴構成〜第７特徴構成のいずれかに加えて、前記冷媒をＣＯ２、前記作動媒体をブタン、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。
【００３８】
本発明の第８特徴構成によれば、上記した第１特徴構成〜第７特徴構成による作用効果のいずれかに加えて、ＣＯＰ（成績係数）が３以上のヒートポンプと発電効率が０．６５程度（または０．６５以上）の作動媒体発電サイクル部とにより、真発生電力獲得条件を満足する発電システムが構成することができ、かつ、作動媒体流量を小さい値とすることができるので、作動媒体熱交換器や循環手段が小型化でき循環手段の設計を容易に行うことができるものとなる。
【００３９】
つまり、前記冷媒をＣＯ２（二酸化炭素）とすることでＣＯＰ（成績係数）が３以上のヒートポンプは得られるものであり、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た場合には、作動媒体の持つ熱エネルギから電力への変換効率である発電効率が０．６５となるように構成できるものであり、
前記作動媒体をブタンとして、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℃とした場合には、ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）を３程度に維持しながら、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、前記作動媒体であるブタンが前記作動媒体熱交換器において気化しヒートポンプから熱エネルギが十分与えられた気体となるように構成することが可能であるから、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運転条件で運転されるように構成できる。
【００４０】
因みに、前記導入口温度を高くしすぎるとヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）が低下し、前記導入口温度を低くしすぎると作動媒体が完全に気化されにくいからヒートポンプから熱エネルギが十分与えられ難いものとなり、作動媒体として沸点の低い物質を用いた場合には前記作動媒体熱交換器の入り口において作動媒体中に含まれる液相の割合が低下することで当該発電システムにおける効率の低下を招くことになる。
【００４１】
また、前記導入口温度を低くしすぎると、作動媒体が完全に気化されたとしても作動媒体の単位質量当りの熱エネルギ搬送量が低下するから、作動媒体流量が大きい値となることに起因して、作動媒体熱交換器や循環手段の大型化を招く。
【００４２】
要するに、第８特徴構成によれば、真発生電力獲得条件を満足する発電システムが構成することができ、かつ、作動媒体熱交換器や循環手段が小型化でき循環手段の設計を容易に行うことができるものとなる。
【００４３】
本発明の第９特徴構成は、上記した第１特徴構成〜第７特徴構成のいずれかに加えて、前記冷媒をＣＯ２、前記作動媒体をペンタン、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１００℃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て、かつ、前記導入口圧力を前記排出口の圧力より略０．６ＭＰａ高くした運転条件に設定されることを特徴とする。
【００４４】
本発明の第９特徴構成によれば、上記した第１特徴構成〜第７特徴構成による作用効果のいずれかに加えて、ＣＯＰ（成績係数）が３程度のヒートポンプと発電効率が０．６５程度の作動媒体発電サイクル部とにより、真発生電力獲得条件を満足する発電システムが構成することができ、かつ、作動媒体流量を小さい値とすることができるので、作動媒体熱交換器や循環手段が小型化でき循環手段の設計を容易に行うことができるものとなる。
【００４５】
要するに、第９特徴構成によれば、真発生電力獲得条件を満足する発電システムが構成することができる。
【００４６】
本発明の第１０特徴構成は、上記した第１特徴構成〜第９特徴構成のいずれかに加えて、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。
【００４７】
本発明の第１０特徴構成によれば、上記した第１特徴構成〜第９特徴構成による作用効果のいずれかに加えて、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。
【００４８】
本発明の第１１特徴構成は、上記した第２特徴構成〜第１０特徴構成のいずれかに加えて、前記発電電力を蓄電するバッテリーを備え、前記バッテリーから前記総和電力が供給される点を特徴とする。
【００４９】
本発明の第１１特徴構成によれば、上記した第２特徴構成〜第１０特徴構成による作用効果のいずれかに加えて、前記発電電力と前記総和電力の差の電力を蓄電しておくことで、本発電システムに対する負荷が過渡的に上昇した場合にも安定して本発電システム外部に電力供給ができるものとなる。また、当該発電システムの起動時に外部商用電源との接続などを必要としない、自力始動可能な発電システムが構成できるものとなる。
【００５０】
また、電気自動車に本発電システムを搭載する場合に、本発電システムのバッテリーと電気自動車のバッテリーとを共用できるから、省資源であり低コストに構成可能となる。
【００５１】
本発明の第１２特徴構成は、上記した第２特徴構成〜第１１特徴構成のいずれかに加えて、前記総和電力の電力系統および前記発電電力の電力系統と外部商用電源とを結合するパワーコンディショナーを設け、外部商用電源と逆潮流自在に接続される点を特徴とする。
【００５２】
本発明の第１２特徴構成によれば、上記した第２特徴構成〜第１１特徴構成による作用効果のいずれかに加えて、前記発電電力が前記総和電力より大きいときには余剰電力を逆潮流により外部商用電源に回生することで外部商用電源側における発電負荷が減少され、本発電システムに対する負荷が過渡的に上昇した場合には商用電源から安定した電力供給が可能となる構成とすることができる。また、バッテリーの搭載の有無に関わらず安定な発電システムが構成できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第１実施形態における構成を示す図
【図２】別実施例における構成を示す図
【図３】別実施例における構成を示す図
【図４】第１実施形態における冷媒の状態説明図
【図５】第１実施形態における作動媒体の状態説明図
【図６】実施例における発電機の効率を示す図
【図７】ヒートポンプのＣＯＰを示す図
【図８】第１実施形態における作動媒体のポンプ流量を示す図
【図９】第１実施形態での外気温７℃の種々条件におけるポンプの入出力、真発生電力を示す図表
【図１０】第１実施形態での外気温７℃の種々条件におけるポンプの入出力、真発生電力を示す図表
【図１１】第１実施形態での外気温１７℃の種々条件におけるポンプの入出力、真発生電力を示す図表
【図１２】第２実施形態における冷媒の状態説明図
【図１３】第２実施形態における作動媒体の状態説明図
【図１４】第２実施形態における作動媒体のポンプ流量を示す図
【図１５】第２実施形態での外気温７℃の種々条件におけるポンプの入出力、真発生電力を示す図表
【図１６】第２実施形態における構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００５４】
〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明において、ｉ−ペンタン（イソペンタン）を作動媒体とし、スクリュー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、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。
【００５５】
図１、図４に示すように、
Ｈ１）低温・低圧（例えば０℃、絶対圧３ＭＰａ）の冷媒（本実施例ではＣＯ２）が、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得た後、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、０℃の冷媒が７℃の気体になる。）
【００５６】
なお、本実施例における上記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を冷媒と称しており、本願明細書における冷媒という語句を熱媒という語句に置き換えた発明も同じ発明である。
【００５７】
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１０７℃、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。なお、この実施例では、バッテリーから、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。
【００５８】
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ｉ−ペンタン（イソペンタン））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１５℃、絶対圧１０ＭＰａ）になる。
【００５９】
Ｈ４）膨張弁４で冷媒が減圧し、低温・低圧（例えば０℃、絶対圧３ＭＰａ）になる。
【００６０】
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。
【００６１】
図１、図５に示すように、
Ｓ１）ポンプ５により圧送された液体（本実施例では２５℃）の作動媒体（本実施例ではｉ−ペンタン）を作動媒体熱交換器３で高温（本実施例では１００℃）に加熱する。
【００６２】
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の温度が１１１℃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、温度センサＴＨの温度が１１１℃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はインバータＩＮＶ１を制御する。
なお、温度センサＴＨの温度が１１１℃以下となるように制御する理由は、作動媒体の飽和蒸気圧がゲージ圧０．８ＭＰａとなる温度が１１１℃であることから、温度センサＴＨの温度が１１１℃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０．８ＭＰａ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。
【００６３】
すなわち、温度センサＴＨの温度が１１１℃より低いときは圧縮機用インバータＩＮＶ１の出力を２ｋＷの一定出力となるようにし、温度センサＴＨの温度が１１１℃より高いときは圧縮機用インバータＩＮＶ１の出力を減少させることで圧縮機２の出力が調整されるから、ＣＯ２ヒートポンプサイクルにおいて冷媒が断熱圧縮され高温・高圧になったときの冷媒の温度が、後述する作動媒体との熱交換により調整されることになり、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１１１℃以下になるよう制御されている。
【００６４】
さらに、制御部ＣＯＮＴは温度検出器ＴＨの検出温度Ｔ１が一定（本実施例ではｉ−ペンタンの飽和蒸気圧がゲージ圧０．６２５ＭＰａとなる温度である１００℃）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０．６２５ＭＰａ）に保たれる。（ｉ−ペンタンはゲージ圧０．６２５ＭＰａ（＝絶対圧０．７２５ＭＰａ）が１００℃における飽和蒸気圧である。）
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の検出温度Ｔ１は１００℃に維持されることになるものである。
【００６５】
また、作動媒体流路の出口における温度検出器ＴＨ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性能の低下が防止できる。
【００６６】
制御部ＣＯＮＴは、作動媒体流路の出口における圧力センサＰＳ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による検出圧力ｐ２との差圧Δｐ＝ｐ１−ｐ２が０．６ＭＰａ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０．６ＭＰａ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０．６ＭＰａ高くなる状態に維持する。
【００６７】
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の出力を増加するように、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の出力を減少するように、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１００℃の一定に保たれることになる。
【００６８】
Ｓ２）圧力が略一定で高圧（ゲージ圧０．６２５ＭＰａ）になった作動媒体は、スクリュータービン６の吸込口（導入口）側に導かれ、互いに噛み合った一対のスクリューロータ（図示せず）によって形成される歯形空間内で膨張することで一対のスクリューロータ（図示せず）を回転させる。
【００６９】
ここで、さらに詳しく説明すると、一対のスクリューロータは雄スクリューロータと雌スクリューロータからなり、雄スクリューロータと雌スクリューロータの噛合いによって両者とスクリュータービンケーシング内壁との間に生じる歯形空間は、両スクリューロータが回転して噛合いが吸入側から吐出側へ移動するに従って容量が増大するように、両スクリューロータの歯形形状を設定してある。また、スクリュータービンケーシングの一端に取り付けた高圧側妻板に設けた吸込口（導入口）および他端の低圧側妻板に設けた吐出口（排出口）は、雄スクリューロータおよび雌スクリューロータの端面に開口するようにしてあり、かつ、雄スクリューロータおよび雌スクリューロータの外周は、スクリュータービンケーシング内壁によって囲繞されている。
【００７０】
また、スクリュータービンの吸込口（導入口）に流入した作動媒体は、雄スクリューロータと雌スクリューロータとスクリュータービンケーシング内壁（妻板を含む）との間に形成された歯形空間内に流入して、同空間の容積を押し拡げるように作用し、そのため雄スクリューロータおよび雌スクリューロータを回転させて、歯形空間内で気化膨張した後、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。
【００７１】
Ｓ３）上記のように熱エネルギによってスクリュータービンを回転させ仕事を終えて低温低圧の気体の状態となってスクリュータービンの吐出口（排出口）から排出された作動媒体（本実施例では、３６℃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０．６ＭＰａ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０．０２５ＭＰａに維持され、（作動媒体ｉ−ペンタンの飽和蒸気圧がゲージ圧０．０２５ＭＰａとなる温度は３３℃であるから、０．０２５ＭＰａ、３６℃では気体の状態を維持する。）作動媒体ｉ−ペンタンは凝縮器７で冷却され液体（本実施例では２５℃）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。
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、外気Ａを用いるなど、別の方法を用いても良い。
【００７２】
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０．６２５ＭＰａ＋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の検出圧力ｐ１が一定（本実施例ではゲージ圧０．６２５ＭＰａ）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０．６ＭＰａ＋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。
なお、作動媒体流路からポンプへの作動媒体の逆流を阻止する逆止弁を具備しており、何らかの要因により作動媒体熱交換器においてヒートポンプによる加熱により上昇した作動媒体の圧力がポンプ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。
【００７３】
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ぶことがある。
【００７４】
Ｇ１）スクリュー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。
【００７５】
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。
【００７６】
Ｇ３）この実施例では、ポンプ５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。
すなわち、  本発明の第１特徴構成における前記制御部用電力には、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含まれる。
【００７７】
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。
【００７８】
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おり、後述する図２、図３においても同様である。なお、上記実施形態における温度、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。
【００７９】
エネルギ収支を検証するために、作動媒体としてｉ−ペンタンを用いた場合の各部における仕事率の収支を以下に示す。なお、下記のＣＯＰが小さくなる外気温が７℃において検証する。
【００８０】
ここで、
Ｗｚ：真発生電力（＝Ｗ２−Ｗ１）［ｋＷ］
Ｗ１：圧縮機２で消費される電力［ｋＷ］（実施例では、２ｋＷとしている。）
Ｗ２：発電機Ｇで発生する電力［ｋＷ］
ＣＯＰ：ＣＯ２ヒートポンプサイクルの成績係数
Ｗｐ：発電のためにスクリュータービン６で消費されるｉ−ペンタンの熱エネルギ消費率［Ｗ］
Ｑｐ：作動媒体サイクルにおけるｉ−ペンタン（作動媒体）の循環流量［ｋｇ／ｈ］
Ｌｐ：ｉ−ペンタンの潜熱（Ｌａｔｅｎｔ  ｈｅａｔ）＝０．１００［ｋＷｈ／ｋｇ］（＝３５７．９［Ｊ／ｇ］）
Ｃｐ：ｉ−ペンタンの比熱＝０．０００６２２［ｋＷｈ／ｋｇ・℃］（＝２．２４０［Ｊ／ｇ・℃］）
η：発電効率＝Ｗ２／Ｗｐ（スクリュータービンの場合、スクリューの隙間漏れに伴う熱エネルギの損失、メカ損失、電気的ロスなどにより１より小さい値となる。）
ρ：損失（放熱ロス＋管抵抗ロス＋ポンプ消費電力に伴うロスなどによる。）
ｔ１：外気温＝７［℃］（外気温が低く悪条件となる冬場を想定している。）
ｔ２：作動媒体熱交換器３の出口におけるｉ−ペンタンの温度［℃］
ｔ３：作動媒体熱交換器３の入口におけるｉ−ペンタンの温度＝２５［℃］
Δｔ：ｔ２とｔ１の差（＝ｔ２−ｔ１）［℃］
とすると、以下のようになる。
【００８１】
ｉ−ペンタンが作動媒体熱交換器３で得る単位時間当たりのエネルギ、すなわちｉ−ペンタンがＣＯ２ヒートポンプサイクルから得る単位時間当たりの熱エネルギは、
Ｗ１＊ＣＯＰ・・・・・（１）
である。また、図７から、
ＣＯＰ＝−０．０５１＊Δｔ＋７．２３
＝−０．０５１＊（ｔ２−ｔ１）＋７．２３
＝−０．０５１＊（ｔ２−７）＋７．２３
ＣＯＰ＝７．５９−０．０５１＊ｔ２・・・・・・・・・（２）
であり、損失（放熱ロス＋管抵抗ロス＋ポンプ駆動エネルギ消費率）や冷却部７における熱の授受が無いとするとこの、ｉ−ペンタンが作動媒体熱交換器３で得る単位時間当たりのエネルギ（熱エネルギ）は、発電のためにスクリュータービン６で消費されるｉ−ペンタンの熱エネルギ消費と等しい。
なお、冷却部７における熱の授受に関しては、損失や上述の発電効率に関連する熱エネルギの損失に含められていると考えることができる。
【００８２】
ここで、液体のｉ−ペンタンがｔ２になった状態で上述のように気体であるとして、その乾き度を１（湿り度＝０）とすると、ｉ−ペンタンが作動媒体熱交換器３で得る単位時間当たりの熱エネルギは、
Ｃｐ＊Ｑｐ＊（ｔ２−ｔ３＋１＊Ｌｐ／Ｃｐ）・・・・・（３）
であり、システムが継続して稼働する定常状態においてはｉ−ペンタンが作動媒体熱交換器３で得る単位時間当たりの熱エネルギは発電のためにスクリュータービン６で消費されるｉ−ペンタンの熱エネルギ消費率と等しいから（１）（３）式より
Ｗ１＊ＣＯＰ＝Ｗｐ＝Ｃｐ＊Ｑｐ＊（ｔ２−ｔ３＋１＊Ｌｐ／Ｃｐ）・・・・・・・・（４）
ここで、Ｑｐとｔ２の関係を（２）（４）から求めると、
Ｃｐ＊Ｑｐ＊（ｔ２−ｔ３＋１＊Ｌｐ／Ｃｐ）＝（７．５９−０．０５１＊ｔ２）＊Ｗ１
だから、
Ｑｐ＝〔（７．５９−０．０５１＊ｔ２）＊Ｗ１〕／〔（ｔ２−ｔ３）Ｃｐ＋１＊Ｌｐ〕
これに、Ｗ１＝２ｋＷ、ｔ３＝２５℃、Ｃｐ＝０．０００６２２、Ｌｐ＝０．１００を代入すると、
Ｑｐ＝〔（７．５９−０．０５１＊ｔ２）＊２〕／〔（ｔ２−２５）０．０００６２２＋１＊０．１００〕
＝（１５．１８−０．１０２＊ｔ２）／（０．０００６２２＊ｔ２−０．０１５５５＋０．１００）
＝（１５．１８−０．１０２＊ｔ２）／（０．０００６２２＊ｔ２＋０．０８４４５）・・・・・（５）
（５）により、作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２（℃）と作動媒体ｉ−ペンタンの流量Ｑｐ（ｋｇ／ｈ）との関係が求まる。（図８参照。）
【００８３】
なお、上記においては、液体のｉ−ペンタンがｔ２になった状態で気体でありその乾き度を１としたが、この乾き度が１より小さくなれば作動媒体が蓄える熱エネルギに占める潜熱の割合が小さくなるからＱｐ（ｋｇ／ｈ）は大きくなることになる。
また、上記において、ないものとした損失を考慮すると、発電機Ｇで発生する電力は、
Ｗ２＝η＊（１−ρ）＊Ｗｐ
＝η＊（１−ρ）＊Ｗ１＊ＣＯＰ・・・・・・（６）
（６）に（２）を代入して、
Ｗ２＝η＊（１−ρ）＊Ｗ１＊（７．５９−０．０５１＊ｔ２）・・・・・（７）
だから、真発生電力は、
Ｗｚ＝Ｗ２−Ｗ１＝〔η＊（１−ρ）＊（７．５９−０．０５１＊ｔ２）−１〕Ｗ１・・・・・（８）
【００８４】
上述のように式（５）により、作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２（℃）と作動媒体ｉ−ペンタンの流量Ｑｐ（ｋｇ／ｈ）と７とを表している。因みに、ｉ−ペンタンがゲージ圧０．６２５ＭＰａにおいて気体であるためには、ｔ２は９９℃以上である必要があろうから、図８においてｔ２が１００℃未満の部分では気化され難いものであるから実用化との関連が薄い。
また、作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２が小さいときは作動媒体ｉ−ペンタンの流量Ｑｐが大きくなるためｉ−ペンタン用配管における圧力損失が大型化すると共にポンプ５が大型化することとなってしまうため、装置小型化の観点からは、作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２は高くすることが望ましい。
【００８５】
式（２）により作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２（℃）の値に対するＣＯＰの値が求まり、式（８）にＷ１（＝２ｋＷ）を代入し、ｔ２として種々の値を代入することでｔ２（℃）の値が種々異なる場合において、η＊（１−ρ）に対するＷｚの値が求まる。（図９参照。）
発電効率ηは図６のようにスクリュータービンの入口（導入口）と出口（排出口）の圧力差（入口圧−出口圧）に応じて変化し、図９においては、η＊（１−ρ）として０．４、０．５、０．６、０．７のそれぞれについてＷｚを求めてある。（後述の図１０も同様。）
図９において太い罫線で囲んだＷｚの値が正の値となっている升目が真発生電力獲得条件を満足する運転条件によるＷｚの値である。
因みに、ｉ−ペンタンがゲージ圧０．６２５ＭＰａにおいて気体であるためには、ｔ２は９９℃以上である必要があろうから、図９においてｔ２が１００℃未満の部分では気化され難いものであるから実用化との関連が薄いため斜線を付してある。
図６から、スクリュータービンの入口（導入口）と出口（排出口）の圧力差（入口圧−出口圧）が０．６ＭＰａ付近で発電効率ηが略０．６５の値となるピークとなることに基づき本実施例における発電システムの運転状態が定められている。
【００８６】
なお、図９においてポンプ出力は、
ポンプ出力〔ｋＷ〕＝（ポンプ揚程〔ＭＰａ〕／ｉ−ペンタン比重（＝０．６２）＊ｉ−ペンタン質量流量〔ｋｇ／ｈ〕）／３６００により求まり、ポンプ入力〔ｋＷ〕を求めるにあたりポンプ効率（ポンプ出力／ポンプ入力）を０．３としている。
また、図９においては、損失ρにポンプ入力が含まれるとしてＷｚの値を示しているが、ポンプ入力の影響の程度が確認できるように上記のようにして求めたＷｚの値からさらにポンプ入力を差し引いた値（Ｗｚ〔ｋＷ〕−ポンプ入力〔ｋＷ〕）も参考として併記してある。（後述の図１０も同様。）
【００８７】
Ｗｚ〔ｋＷ〕の値が正の値となっている条件が、「真発生電力獲得条件」であり、「真発生電力獲得条件」を満足するとき、システムは外部からの電力や燃料などのエネルギの供給がない状態で外気が持つ熱エネルギを電力に変換して電力を継続的に発生できる。
したがって、「真発生電力獲得条件」においてはＣＯ２の発生を伴わず。電力を継続的に発生できる。
【００８８】
さらに、図１０には作動媒体熱交換器３の設計の都合により作動媒体経路の圧力損失が大きくなった場合を想定し、作動媒体熱交換器３の出口圧力として大気との相対圧０．７ＭＰａを得るために作動媒体熱交換器３の入口圧力として１ＭＰａ必要になったとき、すなわちポンプ揚程が０．９ＭＰａ（＝１−０．１〔ＭＰａ〕）としたときで、ポンプ効率（ポンプ出力／ポンプ入力）をＯ．３としたときの値を表している。因みに、ｉ−ペンタンがゲージ圧０．６２５ＭＰａにおいて気体であるためには、ｔ２は９９℃以上である必要があろうから、図１０においてｔ２が１００℃未満の部分では気化され難いものであるから実用化との関連が薄いため斜線を付してある。
【００８９】
図９と図１０とで「真発生電力獲得条件」は大きく変わらないものであり、ポンプ揚程が０．９ＭＰａとなっても「真発生電力獲得条件」においては、外部からの燃料や電源供給を受けない状態であるから、ＣＯ２の発生を伴わず。電力を継続的に発生できることを表している。
【００９０】
上記では、ＣＯＰが小さくなる、外気温を７℃とした時の検証であるが、外気温を１７℃とした時について更に検証する。
【００９１】
上記と同様に、    Ｗ１＊ＣＯＰ・・・・・（１）
である。また、図７におけるｔ１に１７（℃）を代入すると、
ＣＯＰ＝−０．０５１＊Δｔ＋７．２３
＝−０．０５１＊（ｔ２−ｔ１）＋７．２３
＝−０．０５１＊（ｔ２−１７）＋７．２３
ＣＯＰ＝８．１０−０．０５１＊ｔ２・・・・・・・・・（２）’
同様に、
Ｗｚ＝Ｗ２−Ｗ１＝〔η＊（１−ρ）＊（８．１０−０．０５１＊ｔ２）−１〕Ｗ１・・・・・（８）’
式（２）’により作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２（℃）の値に対するＣＯＰ（外気温１７℃のとき）の値が求まり、式（８）’にＷ１（＝２ｋＷ）を代入し、ｔ２として種々の値を代入することでｔ２（℃）の値が種々異なる場合において、η＊（１−ρ）に対するＷｚ（外気温１７℃のとき）の値が求まる。（図１１参照。）因みに、ｉ−ペンタンがゲージ圧０．６２５ＭＰａにおいて気体であるためには、ｔ２は９９℃以上である必要があろうから、図１１においてｔ２が１００℃未満の部分では気化され難いものであるから実用化との関連が薄いため斜線を付してある。
【００９２】
前述の図９では、外気温７℃の時には、作動媒体熱交換器３の出口におけるｉ−ペンタンの温度ｔ２を１００℃としたとき、ＣＯ２ヒートポンプサイクルの成績係数ＣＯＰは２．５程度であり、η＊（１−ρ）が０．６のとき、真発生電力Ｗｚとして得られる電力は１ｋＷ程度であったが、図１１は、外気温１７℃の時には、ＣＯ２ヒートポンプサイクルの成績係数ＣＯＰが３に上昇することにより、作動媒体熱交換器３の出口におけるｉ−ペンタンの温度ｔ２を１００℃としたとき、η＊（１−ρ）が０．６のとき、真発生電力Ｗｚとして１．６ｋＷ程度得られることを表している。
【００９３】
すなわち、本発明による発電システムの特徴は、気温が低いときに比べて気温が高いほど真発生電力Ｗｚが大きくなることであり、気温が高くなり電力需要が増大する夏季にこそ該発電システムが効率よく稼動するものであることを示唆している。
【００９４】
〔第２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２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。
【００９５】
上記第１実施形態においては、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、先ず、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得た後、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）の気体になるように構成してあるが、この第２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１６参照。）
【００９６】
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、さらに効率の良い（高い）発電システムが構成できる。
【００９７】
また、第１実施形態と同様に、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。
【００９８】
図１６、図１２に示すように、
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。）
【００９９】
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。）
【０１００】
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。
【０１０１】
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。なお、この実施例では、バッテリーから、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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
図１６、図１３に示すように、
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。
【０１０６】
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、温度センサＴＨ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はインバータＩＮＶ１を制御する。
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。
【０１０７】
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の出力を減少させることで圧縮機２の出力が調整されるから、ＣＯ２ヒートポンプサイクルにおいて冷媒が断熱圧縮され高温・高圧になったときの冷媒の温度が、後述する作動媒体との熱交換により調整されることになり、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。
【０１０８】
さらに、制御部ＣＯＮＴは温度検出器ＴＨ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。）
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の検出温度Ｔ１は９０℃に維持されることになるものである。
【０１０９】
また、作動媒体流路の出口における温度検出器ＴＨ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性能の低下が防止できる。
【０１１０】
制御部ＣＯＮＴは、作動媒体流路の出口における圧力センサＰＳ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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
旋回スクロールと主軸受部材（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。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。
【０１１５】
上述のように、スクロールタービンの吸込口（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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
なお、作動媒体流路からポンプへの作動媒体の逆流を阻止する逆止弁を具備しており、何らかの要因により作動媒体熱交換器においてヒートポンプによる加熱により上昇した作動媒体の圧力がポンプ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。
【０１１９】
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ぶことがある。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
なお、図１６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点は、前述した図１〜図３と同様である。なお、本実施形態においても、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。
【０１２５】
エネルギ収支を検証するために、作動媒体としてｎ−ブタンを用いた場合の各部における仕事率の収支を以下に示す。なお、下記のＣＯＰが小さくなる外気温が７℃において検証する。
【０１２６】
ここで、
Ｗｚ：真発生電力（＝Ｗ２−Ｗ１）［ｋＷ］
Ｗ１：圧縮機２で消費される電力［ｋＷ］（実施例では、２ｋＷとしている。）
Ｗ２：発電機Ｇで発生する電力［ｋＷ］
ＣＯＰ：ＣＯ２ヒートポンプサイクルの成績係数
Ｗｂ：発電のためにスクロールタービン６で消費されるｎ−ブタンの熱エネルギ消費率［Ｗ］
Ｑｂ：作動媒体サイクルにおけるｎ−ブタン（作動媒体）の循環流量［ｋｇ／ｈ］
Ｌｂ：ｎ−ブタンの潜熱（Ｌａｔｅｎｔ  ｈｅａｔ）＝０．１０７［ｋＷｈ／ｋｇ］（＝３８５．３［Ｊ／ｇ］）
Ｃｂ：ｎ−ブタンの比熱＝０．０００４６０［ｋＷｈ／ｋｇ・℃］（＝１．６５８１［Ｊ／ｇ・℃］）
ここで、ｎ−ブタンのガス比熱＝０．０００６６８［ｋＷｈ／ｋｇ・℃］（＝２．４０５［Ｊ／ｇ・℃］）、ｎ−ブタンの液比熱＝０．０００４６０［ｋＷｈ／ｋｇ・℃］（＝１．６５８１［Ｊ／ｇ・℃］）であるが、以下の計算ではｎ−ブタンが温度上昇して気化した後はその圧力（絶対圧１．２２７ＭＰａ）における沸点（９０℃）付近の温度を概ね維持するから、比熱としては液比熱を用いている。
η：発電効率＝Ｗ２／Ｗｐ（スクロールタービンの場合、スクロールの隙間漏れに伴う熱エネルギの損失、メカ損失、電気的ロスなどにより１より小さい値となる。）
ρ：損失（放熱ロス＋管抵抗ロス＋ポンプ消費電力に伴うロスなどによる。）
ｔ１：外気温７℃のときに冷媒のＣＯ２が冷却部７において作動媒体（例えば４０℃）からの熱を吸収して３０℃に上昇する場合の、ＣＯ２ヒートポンプサイクルにおける外気温相当温度（＝３０［℃］）
ｔ２：作動媒体熱交換器３の出口におけるｎ−ブタンの温度［℃］
ｔ３：作動媒体熱交換器３の入口におけるｎ−ブタンの温度＝３０［℃］
Δｔ：ｔ２とｔ１の差（＝ｔ２−ｔ１）［℃］
とすると、以下のようになる。
【０１２７】
ｎ−ブタンが作動媒体熱交換器３で得る単位時間当たりのエネルギ、すなわちｎ−ブタンがＣＯ２ヒートポンプサイクルから得る単位時間当たりの熱エネルギは、
Ｗ１＊ＣＯＰ・・・・・（ｂ１）
である。また、図７から、
ＣＯＰ＝−０．０５１＊Δｔ＋７．２３
＝−０．０５１＊（ｔ２−ｔ１）＋７．２３
＝−０．０５１＊（ｔ２−３０）＋７．２３
ＣＯＰ＝８．７６−０．０５１＊ｔ２・・・・・・・・・（ｂ２）
であり、損失（放熱ロス＋管抵抗ロス＋ポンプ駆動エネルギ消費率）が無いとするとこの、ｎ−ブタンが作動媒体熱交換器３と冷却部７で得る単位時間当たりのエネルギ（熱エネルギ）は、発電のためにスクロールタービン６で消費されるｎ−ブタンの熱エネルギ消費と等しい。
【０１２８】
ここで、液体のｎ−ブタンがｔ２になった状態で上述のように気体であるとして、その乾き度を１（湿り度＝０）とすると、ｎ−ブタンが作動媒体熱交換器３で得る単位時間当たりの熱エネルギは、
Ｃｂ＊Ｑｂ＊（ｔ２−ｔ３＋１＊Ｌｂ／Ｃｂ）・・・・・（ｂ３）
であり、システムが継続して稼働する定常状態においてはｎ−ブタンが作動媒体熱交換器３で得る単位時間当たりの熱エネルギは発電のためにスクロールタービン６で消費されるｎ−ブタンの熱エネルギ消費率と等しいから（ｂ１）（ｂ３）式より
Ｗ１＊ＣＯＰ＝Ｗｂ＝Ｃｂ＊Ｑｂ＊（ｔ２−ｔ３＋１＊Ｌｂ／Ｃｂ）・・・・・・・・（ｂ４）
ここで、Ｑｂとｔ２の関係を（ｂ２）（ｂ４）から求めると、
Ｃｂ＊Ｑｂ＊（ｔ２−ｔ３＋１＊Ｌｂ／Ｃｂ）＝（８．７６−０．０５１＊ｔ２）＊Ｗ１
だから、
Ｑｂ＝〔（８．７６−０．０５１＊ｔ２）＊Ｗ１〕／〔（ｔ２−ｔ３）Ｃｂ＋１＊Ｌｂ〕
これに、Ｗ１＝２ｋＷ、ｔ３＝３０℃、Ｃｂ＝０．０００４６０、Ｌｂ＝０．１０７を代入すると、
Ｑｐ＝〔（８．７６−０．０５１＊ｔ２）＊２〕／〔（ｔ２−３０）０．０００４６０＋１＊０．１０７〕
＝（１７．５２−０．１０２＊ｔ２）／（０．０００４６０＊ｔ２−０．０１３８＋０．１０７）
＝（１７．５２−０．１０２＊ｔ２）／（０．０００４６０＊ｔ２＋０．０８８２）・・・・（ｂ５）
（ｂ５）により、作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２（℃）と作動媒体ｎ−ブタンの流量Ｑｂ（ｋｇ／ｈ）との関係が求まる。（図１４参照。）
【０１２９】
なお、上記においては、液体のｎ−ブタンがｔ２になった状態で気体でありその乾き度を１としたが、この乾き度が１より小さくなれば作動媒体が蓄える熱エネルギに占める潜熱の割合が小さくなるからＱｂ（ｋｇ／ｈ）は大きくなることになる。
また、上記において、ないものとした損失を考慮すると、発電機Ｇで発生する電力は、
Ｗ２＝η＊（１−ρ）＊Ｗｂ
＝η＊（１−ρ）＊Ｗ１＊ＣＯＰ・・・・・・（ｂ６）
（ｂ６）に（ｂ２）を代入して、
Ｗ２＝η＊（１−ρ）＊Ｗ１＊（８．７６−０．０５１＊ｔ２）・・・・・（ｂ７）
だから、真発生電力は、
Ｗｚ＝Ｗ２−Ｗ１＝〔η＊（１−ρ）＊（８．７６−０．０５１＊ｔ２）−１〕Ｗ１・・・・（ｂ８）
【０１３０】
上述のように式（ｂ５）により、作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２（℃）と作動媒体ｎ−ブタンの流量Ｑｂ（ｋｇ／ｈ）との関係が求まり（図１４参照。）、図１４は、ｔ２が低いほど大きいポンプ流量が要求されることを表している。因みに、ｎ−ブタンがゲージ圧０．９ＭＰａにおいて安定して気体であるためには、ｔ２は９０℃以上であれば十分であるが、図１４においてｔ２が９０℃未満の部分では、部分的圧力上昇がある場合には作動媒体熱交換器３の出口で作動媒体が気化され難い場合がある点に留意する必要がある。
また、作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２が小さいときは作動媒体ｎ−ブタンの流量Ｑｂが大きくなるためｎ−ブタン用配管における圧力損失が大型化すると共にポンプ５が大型化することとなってしまうため、装置小型化の観点からは、作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２は高くすることが望ましい。
【０１３１】
式（ｂ２）により作動媒体熱交換器３の出口温度ｔ２（℃）の値に対するＣＯＰの値が求まり、式（ｂ８）にＷ１（＝２ｋＷ）を代入し、ｔ２として種々の値を代入することでｔ２（℃）の値が種々異なる場合において、η＊（１−ρ）に対するＷｚの値が求まる。（図１５参照。）
スクロールタービンの発電効率も前述のスクリュータービンと同様に図６のようにスクロールタービンの入口（導入口）と出口（排出口）の圧力差（入口圧−出口圧）に応じて変化し、図１５においては、η＊（１−ρ）として０．４、０．５、０．６、０．７のそれぞれについてＷｚを求めてある。
【０１３２】
図１５において太い罫線で囲んだＷｚの値が正の値となっている升目が真発生電力獲得条件を満足する運転条件によるＷｚの値である。
因みに、ｎ−ブタンがゲージ圧０．９ＭＰａにおいて気体であるためには、ｔ２は、ゲージ圧１．１２７ＭＰａにおいて気体である温度９０℃以上であれば十分であるが、図１５においては、ｔ２が９０℃未満の部分では気化され難い場合もあるとの配慮から、実用化には緻密な制御を要するものとして斜線を付してある。
【０１３３】
本実施形態においても、スクロールタービンの入口（導入口）と出口（排出口）の圧力差（入口圧−出口圧）に応じた発電効率ηがピークの値となる状態で本発電システムが稼動するように、本発電システムの運転状態が定められるのであるが、作動媒体としてペンタンを用いる場合と比較して、作動媒体として高圧においても気体の状態となり、しかも、常温付近で液化し得るｎ−ブタンを用いた場合の方が、タービンの入口（導入口）と出口（排出口）の圧力差（入口圧−出口圧）を大きく設定できるから、高効率な発電システムを構成しやすい。
【０１３４】
なお、図１５においてポンプ出力は、
ポンプ出力〔ｋＷ〕＝（ポンプ揚程〔ＭＰａ〕／ｎ−ブタン液比重（＝０．５８４７）＊ｎ−ブタン質量流量〔ｋｇ／ｈ〕）／３６００により求まり、ポンプ入力〔ｋＷ〕を求めるにあたりポンプ効率（ポンプ出力／ポンプ入力）を０．３としている。
また、図１５においては、損失ρにポンプ入力が含まれるとしてＷｚの値を示しているが、ポンプ入力の影響の程度が確認できるように上記のようにして求めたＷｚの値からさらにポンプ入力を差し引いた値（Ｗｚ〔ｋＷ〕−ポンプ入力〔ｋＷ〕）も参考として併記してある。
【０１３５】
Ｗｚ〔ｋＷ〕の値が正の値となっている条件が、「真発生電力獲得条件」であり、「真発生電力獲得条件」を満足するとき、システムは外部からの電力や燃料などのエネルギの供給がない状態で外気が持つ熱エネルギを電力に変換して電力を継続的に発生できる。
したがって、「真発生電力獲得条件」においてはＣＯ２の発生を伴わず。電力を継続的に発生できる。
【０１３６】
第２実施形態においても、外気温ｔ１が高い場合ほどＣＯＰが大きくなるから、多くの真発生電力が得られることに関しては第１実施形態と同様であるが、詳しい説明は省略する。
【０１３７】
〔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の検出圧力ｐ１と第２圧力センサＰＳ２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。（図２参照）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。
【０１３８】
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の検出圧力ｐ１と第２圧力センサＰＳ２の検出圧力ｐ２との差圧を一定（本実施例では０．６ＭＰａ）に保つ制御を制度よく行うことができる。
【０１３９】
［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。（図３参照。）
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
［別実施例３］
ＣＯ２以外の冷媒やｉ−ペンタン以外の作動媒体を用いても良い。たとえば作動媒体をｎ−ペンタン（ノーマルペンタン）とした場合は、飽和蒸気圧がゲージ圧０．６２５ＭＰａとなる温度が、ｉ−ペンタンにおいて１００℃であるのに対しｎ−ペンタンにおいては１０９．６℃と高いので、作動媒体としてｉ−ペンタンを用いる第１実施形態に比べ、ＣＯ２ヒートポンプサイクルの成績係数ＣＯＰが低下することになるものであるが、液化する温度はｎ−ペンタンの方がｉ−ペンタンと比べて高いため、凝縮器７における液化が容易になるとともに、ポンプ５におけるキャビテーションに起因するポンプ性能の低下が発生しなくなるため有利な点を備える。
【０１４２】
［別実施例４］
また、作動媒体を複数の異なる種類の炭化水素の混合物など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。
【０１４３】
［別実施例５］
図１〜図３、図１６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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
［別実施例６］
第１実施形態では、作動媒体をペンタンとしてタービン６をスクリュータービンとし、第２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、作動媒体をペンタンとしてタービン６をスクロールタービンとする、または、作動媒体をブタンとしてタービン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。
【０１４６】
さらに、作動媒体として他の物質を用い、タービン６として他の形式のものを用いる等、作動媒体とタービン６は適宜選択可能である。
【０１４７】
［別実施例７］
上記第１実施形態においては、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、先ず、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得た後、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）の気体になるように構成してあるが、上記第１実施形態においても、第２実施形態と同様に、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もよい。
【０１４８】
［別実施例８］
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。
【０１４９】
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】
【０１５０】
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（スクリュータービン、または、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
Ｄ    ＤＣリンク
ＥＸＰＷ    外部商用電源
Ｇ    発電機
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】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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