(57)【要約】【課題】簡単な構成で漏洩防止を図れ、蒸発器や凝縮器などの構成を必要としない温度差発電装置を提供すること。【解決手段】本発明の温度差発電装置は、高温側空間３と低温側空間４との間にピストン２を配置し、高温側空間３に封入する作動媒体の状態変化によってピストン２を動作させ、作動媒体として、低沸点のアンモニア水（アンモニア水溶液）又は低沸点のイオン性液体を用い、高温側空間３を下方に、低温側空間４を上方に配置したことを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側空間と低温側空間との間にピストンを配置し、前記高温側空間に封入する作動媒体の状態変化によって前記ピストンを動作させる温度差発電装置であって、前記作動媒体として、低沸点のアンモニア水（アンモニア水溶液）又は低沸点のイオン性液体を用い、前記高温側空間を下方に、前記低温側空間を上方に配置したことを特徴とする温度差発電装置。
【請求項２】
前記低沸点の温度域を０℃から６０℃としたことを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項３】
前記高温側空間に吸熱材を配置したことを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項４】
前記吸熱材としてカーボンや珪素などの複合材を用いたことを特徴とする請求項３に記載の温度差発電装置。
【請求項５】
前記高温側空間の外周をガラスにて覆うことを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項６】
前記高温側空間を、集光材にて集光し又は集熱材にて集熱することを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項７】
前記低温側空間を海洋深層水にて冷却することを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項８】
前記低温側空間を地下水にて冷却することを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項９】
前記高温側空間を廃熱にて加熱し、前記低温側空間を大気により冷却することを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項１０】
前記ピストンの上方にピストンロッドを介して発電部を設け、前記ピストンロッドの外周を冷却することを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項１１】
前記ピストンロッドの外周部と前記作動媒体を装填するシリンダの内周部との隙間に金属メッシュを充填することを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項１２】
前記ピストン外周部と前記作動媒体を装填するシリンダの内周部とのシール隙間を非接触としたことを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置
【請求項１３】
前記ピストンの上面をなだらかな凸面状に形成し、液化した前記作動媒体が前記ピストンの上面外周から前記高温側空間に流下することを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【請求項１４】
前記ピストンロッドに連結する発電部をリニア発電機部とすることを特徴とする請求項１に記載の温度差発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば大気と海洋深層水との温度差によって発電できる温度差発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる発電装置の開発が進められており、温度差を利用した発電装置としては、スターリングエンジンの他に、アンモニア水を用いたものも提案されている（特許文献１、特許文献２）。
特許文献１では、アンモニア水を、高温部で気化し、低温部で液化させて温度差発電を行う方法を開示している。
また、特許文献２では、蒸発部、凝縮部とを配管で環状に連結したヒートパイプによる太陽光発電装置が提案され、ヒートパイプ内で２０℃から４０℃に沸点を有する液体としてアンモニア水を用いたものが開示されている。
なお、アンモニアを用いたランキンサイクルやアンモニア水溶液を用いたカリーナサイクルによる発電システムが従来より提案されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００４−３６４４８３号公報
【特許文献２】特開２００４−３２７５９４号公報
【特許文献３】特開２００８−１０１５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
アンモニア水（アンモニア水溶液）を利用した発電装置としては、特許文献３に示されるように、蒸発器や凝縮器の他にタービンやポンプを回路中に備えたサイクルか、特許文献２に示されるように、少なくても蒸発器や凝縮器を必要とするヒートパイプを用いたシステムである。ここで特許文献１では、具体的な構成は示されていないが、パイプを用いることが記載されている（段落番号００２５）ことから、特許文献２と同様なヒートパイプを用いたシステムと考えられる。
しかし、アンモニア水（アンモニア水溶液）は毒性が強いために漏洩性の問題があるとともに、金属に対する腐食性が強いために、使用できる金属が限られる。
従って、蒸発器や凝縮器などの構成を必要とするシステムでは、漏洩防止や耐腐食性などの問題や、発電部のタービン部でのアンモニア水（アンモニア水溶液）のミストによるエロージョンの発生等の問題から装置の実現が困難であった。
【０００４】
そこで本発明は、簡単な構成で漏洩防止を図れ、蒸発器や凝縮器などの構成を必要としない温度差発電装置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】
【０００５】
請求項１記載の本発明の温度差発電装置は、高温側空間と低温側空間との間にピストンを配置し、前記高温側空間に封入する作動媒体の状態変化によって前記ピストンを動作させる温度差発電装置であって、前記作動媒体として、低沸点のアンモニア水（アンモニア水溶液）又は低沸点のイオン性液体を用い、前記高温側空間を下方に、前記低温側空間を上方に配置したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記低沸点の温度域を０℃から６０℃としたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記高温側空間に吸熱材を配置したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の温度差発電装置において、前記吸熱材としてカーボンや珪素などの複合材を用いたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記高温側空間の外周をガラスにて覆うことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記高温側空間を、集光材にて集光し又は集熱材にて集熱することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記低温側空間を海洋深層水にて冷却することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記低温側空間を地下水にて冷却することを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記高温側空間を廃熱にて加熱し、前記低温側空間を大気により冷却することを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記ピストンの上方にピストンロッドを介して発電部を設け、前記ピストンロッドの外周を冷却することを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記ピストンロッドの外周部と前記作動媒体を装填するシリンダの内周部との隙間に金属メッシュを充填することを特徴とする。
請求項１２記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記ピストン外周部と前記作動媒体を装填するシリンダの内周部とのシール隙間を非接触としたことを特徴とする。
請求項１３記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記ピストンの上面をなだらかな凸面状に形成し、液化した前記作動媒体が前記ピストンの上面外周から前記高温側空間に流下することを特徴とする。
請求項１４記載の本発明は、請求項１に記載の温度差発電装置において、前記ピストンロッドに連結する発電部をリニア発電機部とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、作動媒体をピストンより下方に配置される高温側空間に封入することで、作動媒体がピストンの隙間から低温側空間に漏れたとしても、低温側空間で冷却されて液化し、高温側空間に流下するため、作動媒体が高温側空間から外部に漏れることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態による温度差発電装置は、作動媒体として、低沸点のアンモニア水（アンモニア水溶液）又は低沸点のイオン性液体を用い、高温側空間を下方に、低温側空間を上方に配置したものである。本実施の形態によれば、作動媒体をピストンより下方に配置される高温側空間に封入することで、作動媒体がピストンの隙間から低温側空間に漏れたとしても、低温側空間で冷却されて液化し、高温側空間に流下するため、作動媒体が高温側空間から外部に漏れることを防止できる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、低沸点の温度域を０℃から６０℃としたものである。本実施の形態によれば、大気温度領域を沸点とすることで、大気温度によって作動媒体の状態を変化させることができる。また、例えばアンモニア水（アンモニア水溶液）を用いる場合には、その濃度が５％から４０％程度となるために、毒性による危険性を防止することができる。さらに二酸化窒素を用いる場合には、相対蒸気密度が空気より重いことと、不揮発性に近く、沸点近辺での応答性に優れるので、漏れとういう点ではアンモニア以上の効果が見込める。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、高温側空間に吸熱材を配置したものである。本実施の形態によれば、高温側空間に吸熱材を配置することで、高温側空間の温度を長期間維持することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による温度差発電装置において、吸熱材としてカーボンや珪素などの複合材を用いたものである。本実施の形態によれば、カーボンや珪素などの複合材を用いることで、耐腐食性、吸熱性、密封性に優れた吸熱材とすることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、高温側空間の外周をガラスにて覆うものである。本実施の形態によれば、高温側空間の温度を大気温度以上に高めることができるとともに、大気温度が低下しても高温を維持することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、高温側空間を、集光材にて集光し又は集熱材にて集熱するものである。本実施の形態によれば、集光、集熱によって、高温側空間の温度を高めることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、低温側空間を海洋深層水にて冷却するものである。本実施の形態によれば、海洋深層水を冷却水として利用することで、安定した冷却温度を維持することができ、低温側空間の温度を、５℃から０℃程度の温度域とすることができる。また、海洋深層水を冷却水として利用することで、離島などにおける発電システムとして利用することができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、低温側空間を地下水にて冷却するものである。本実施の形態によれば、地下水を冷却水として利用することで、安定した冷却温度を維持することができる。
本発明の第９の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、高温側空間を廃熱にて加熱し、低温側空間を大気により冷却するものである。本実施の形態によれば、寒冷地においても、大気冷却を利用して発電を行うことができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、ピストンの上方にピストンロッドを介して発電部を設け、ピストンロッドの外周を冷却するものである。本実施の形態によれば、作動媒体が低温側空間で液化しなかった場合であっても、ピストンロッドの空間にて液化するために、ガス化した状態で作動媒体が流出することを防止することができる。
本発明の第１１の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、ピストンロッドの外周部と作動媒体を装填するシリンダの内周部との隙間にメッシュを充填するものである。本実施の形態によれば、金属メッシュに作動媒体が衝突することにより、ガス化した作動媒体を確実に液化することができ、さらに信頼性の高くすることができる。
本発明の第１２の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、ピストン外周部と作動媒体を装填するシリンダの内周部とのシール隙間を非接触とするものである。本実施の形態によれば、作動媒体が液体であるため、非接触とすることでも十分なシール性能を得ることができ、非接触とすることで、ピストンの往復駆動にかかる機械効率も高くできるので、効率の高い温度差発電ができる。
本発明の第１３の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、ピストンの上面をなだらかな凸面状に形成し、液化した作動媒体がピストンの上面外周から前記高温側空間に流下するものである。本実施の形態によれば、低温側空間で液化した作動媒体を高温側空間に戻しやすくすることができる。
本発明の第１４の実施の形態は、第１の実施の形態による温度差発電装置において、ピストンロッドに連結する発電部を、リニア発電機部とするものである。本実施の形態によれば、ピストンの往復運動をダイレクトドライブにて電気変換することができる。
【実施例】
【０００８】
以下本発明の一実施例による温度差発電装置について説明する。
図１は本実施例による温度差発電装置の第１の状態を示す構成図、図２は同装置の第２の状態を示す構成図である。なお、第１の状態はピストンが下死点に位置する状態を、第２の状態はピストンが上死点に位置する状態を示している。
図に示すように、本実施例による温度差発電装置は、シリンダ１内には、ピストン２が配置され、このピストン２によって、シリンダ１の下部には高温側空間３が、シリンダ１の上部には低温側空間４がそれぞれ形成される。
ピストン２は、ピストンロッド５の下端に設けられ、ピストンロッド５の上端は、発電部６に連結されている。ここで発電部６としては、リニア発電機が適している。
シリンダ１、ピストン２、及びピストンロッド５は、カーボンや珪素などの複合材で構成することが好ましい。
高温側空間３には、作動媒体が封入されている。作動媒体としては、低沸点のアンモニア水（アンモニア水溶液）又は低沸点のイオン性液体を用いる。低沸点の温度域は、０℃から６０℃である。アンモニア水（アンモニア水溶液）の場合にはおおよそ、５％濃度での沸点は６０℃、１５％濃度での沸点は４８℃、３０％濃度での沸点は３３℃、４５％濃度での沸点は１８℃、５５％濃度では１０℃、６０％濃度で５℃程度となる。毒性による影響及び大気熱との温度差発電機能から、アンモニア水（アンモニア水溶液）の濃度は６０％以下とすることが好ましく、この場合の沸点は５℃程度となる。また、液体から気体への膨張による駆動力を考慮すると、アンモニア水（アンモニア水溶液）の濃度は１０％以上であることが好ましい。
低沸点のイオン性液体としては、例えば無機イオン性液体としての二酸化窒素を利用することができる。二酸化窒素の沸点は２１．２℃である。
高温側空間３には、吸熱材７を配置することが好ましく、吸熱材７としては、例えば、ＣＦあるいはＣＣ、あるいはグラファイトの作動媒体と接する面にＮｉを含浸させ、その上にＴｉと化合あるいは接合させたＴｉカーボン複合材（高価だが、熱伝導に優れる）、また、ＣＦあるいはＣＣ、あるいはグラファイトの作動媒体と接する面にＮｉを溶射した基材とＴｉを配置したカーボン複合材、もしくはＮｉ溶射なしの基材とＴｉを配置したカーボン複合材、ポリイミド系ＣＦＲＰやＳｉＣ複合材、ガラス繊維複合材が適している。高温側空間３に吸熱材７を配置することで、高温側空間３の温度を長期間維持することができる。カーボン複合材は、耐腐食性、吸熱性、密封性に優れている。
高温側空間３の外周は、ガラスにて覆われた蓄熱空間８を設けることが好ましい。蓄熱空間８内は、空気のような気体の他、液体を封入してもよい。蓄熱空間８によって、高温側空間３の温度を大気温度以上に高めることができるとともに、大気温度が低下しても高温を維持することができる。蓄熱空間８は、ピストン２が下死点に位置する時のピストン２の下面以下の位置に設ける。
【０００９】
蓄熱空間８の下部及び外周には、集光／集熱材９が配置されている。ここで集光／集熱材９としては、例えば凹面状の反射鏡を用いることができる。このような集光／集熱材９を用いることで、高温側空間３の温度を更に高めることができる。
低温側空間４の外周及び上面には、海洋深層水による第１の冷却空間１０が設けられている。第１の冷却空間１０の下方には、海洋深層水を導入する導入管１０Ａが、第１の冷却空間１０の上方には海洋深層水を導出する導出管１０Ｂが設けられ、第１の冷却空間１０内には、常に海洋深層水が流れている。このように、海洋深層水を冷却水として利用することで、安定した冷却温度を維持することができ、低温側空間の温度を、５℃から０℃程度の温度域とすることができる。また、海洋深層水を冷却水として利用することで、離島などにおける発電システムとして利用することができる。第１の冷却空間１０は、ピストン２が下死点に位置する時のピストン２の下面と同じ位置を最下面とし、ピストン２が下死点より上方へ移動した場合には、作動媒体を冷却するように配置することが好ましい。
なお、冷却水として、海洋深層水に代えて、地下水、河川水、湖畔水を用いることもできる。
ピストンロッド５の外周には、第２の冷却空間１１が設けられている。第２の冷却空間１１の下方には、海洋深層水を導入する導入管１１Ａが、第２の冷却空間１１の上方には海洋深層水を導出する導出管１１Ｂが設けられ、第２の冷却空間１１内には、常に海洋深層水が流れている。なお、第２の冷却空間１１についても、冷却水として、海洋深層水に代えて、地下水、河川水、湖畔水を用いることができる。また、本実施例では第１の冷却空間１０と第２の冷却空間１１とを独立して設けた場合で説明したが、第１の冷却空間１０と第２の冷却空間１１とを連続した水系で構成してもよい。
ピストンロッド５の外周部と作動媒体を装填するシリンダ１の内周部との隙間に金属メッシュ１２を充填することが好ましい。この金属メッシュ１２は、シリンダ１の上端に設けることが好ましく、耐腐食性の高いチタンが適している。このように金属メッシュ１２を設けることで、作動媒体が万一ガス化した状態でピストンロッド５の隙間から上昇したとしても、金属メッシュ１２にガスが衝突することで、作動媒体を確実に液化することができ、作動媒体の流出を防ぐことができる。なお、金属メッシュ１２の装填密度を低くすることで、ピストンロッド５の摺動ロスを増大することがないので、効率の高い温度差発電が可能である。また、冷却空間１０及び１１の冷却効果を高めるために、シリンダ外周壁面を凹凸形状並びにフィン形状によって、伝熱面積を拡大することで、熱交換効率を高めることができ、高効率な温度差発電が実現できる。
【００１０】
本実施例によれば、作動媒体をピストン２より下方に配置される高温側空間３に封入することで、作動媒体がシリンダ１とピストン２との隙間から低温側空間４に漏れたとしても、低温側空間４で冷却されて液化するため、高温側空間３に流下する。従って、作動媒体が高温側空間３から外部に漏れることを防止できる。
また、作動媒体が低温側空間４で液化しなかった場合であっても、ピストンロッド５の外周空間にて液化するために、ガス化した状態で作動媒体が流出することを防止することができる。
ガス化した状態の作動媒体が流出することを防止できるので、上部に位置する発電部６を特に腐食性を考慮した材料並びに構造にする必要がないので、信頼性を高くさらにはシンプル構成となり、低コスト化に寄与できる。
また、ピストン２の上面を凸面状に形成することで、液化した作動媒体がピストン２の上面外周から高温側空間３に流下しやすい。また、ピストン２とシリンダ１との間に、サイドクリアランスとして１ｍｍ程度以下の隙間を設けても、十分な圧縮膨張力をピストンに往復駆動力を伝えることができる。本実施例では、作動媒体が液体であるため、非接触構成とすることでも十分な性能を得ることができ、ピストン２の外周に積極的に空間を設けることで、ピストン２とシリンダ１とが摺動レスとなり、ピストン２の往復駆動にかかる機械効率も高くできるので、効率の高い温度差発電ができる。
特に本実施例のように、ピストンロッド５の外周に積極的に空間を設け、この空間を冷却することで作動媒体を液化させる構成とするため、ピストンロッド５におけるシール機構（ピストンリングやオイルシール）を必要としない。
従って、ピストンロッド５における摺動摩擦をなくすことができる。
また、本実施例のように、シリンダ１の外周全てを、蓄熱空間８及び第１の冷却空間１０で覆うことで、シリンダ１の万一の破損によっても、作動媒体が漏れることを防止することができる。なお、発電部をリニア発電機としたが、回転型発電機として設置可能なことは言うまでもない。
本実施例における複合材は、外層にCCコンポジット、CF、グラファイト、次層にＮｉをＣＣコンポジットに含浸させ、イオン性液体、アンモニア水（アンモニア水溶液）と接する部分を耐腐食性の優れたＴｉをＮｉと反応あるいは接合させた構造材料（高価だが、熱伝導性に優れる）、CCコンポジット、CF、グラファイト、次層にNiを溶射し、イオン性液体、アンモニア水（アンモニア水溶液）と接する部分を耐腐食性の優れたＴｉを配置したカーボン複合材、もしくはＮｉ溶射なしの基材とＴｉを配置したカーボン複合材、ポリイミド系ＣＦＲＰ、ＳｉＣコンポジット、ガラス繊維コンポジット構造材である。
本実施例では、高温側空間３に大気熱を利用し、低温側空間４に海洋深層水を利用する場合で説明したが、例えば寒冷地においては、工場や家庭で発生する廃熱を高温側空間３に利用し、低温側空間４の冷却に大気熱を利用してもよい。また、高温側空間３に相対するシリンダ１外周壁面を凹凸形状並びにフィン形状を形成することによって、伝熱面積を拡大することで、特に、廃熱などの温水廃熱、排気ガス等の場合、熱伝達を高め、熱交換効率を高めることができる。そのため、高効率な温度差発電が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
本発明の温度差発電装置は、海洋深層水による冷却が可能な離島での発電装置として利用できる他、工場や家庭での低温廃熱を利用した発電装置としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施例による温度差発電装置の第１の状態を示す構成図
【図２】同装置の第２の状態を示す構成図
【符号の説明】
【００１３】
１  シリンダ
２  ピストン
３  高温側空間
４  低温側空間
５  ピストンロッド
６  発電部
７  吸熱材
８  蓄熱空間
９  集光／集熱材
１０  第１の冷却空間
１１  第２の冷却空間
【図１】
2009270548.tif 000003
【図２】
2009270548.tif 000004