発電システム
【課題】地熱発電システムは、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により加熱された作動媒体のエネルギによって動力が与えられるタービンで発電する発電機と、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作動媒体とし、冷媒をＣＯ２、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、タービン入口における作動媒体圧力をタービン入口温度での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、非定常状態のときには、発電機を電動機として駆動しタービンを非定常状態用循環手段とする。
【解決手段】圧縮機を備えるヒートポンプにより加熱された作動媒体のエネルギによって動力が与えられるタービンで発電する発電機と、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作動媒体とし、冷媒をＣＯ２、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、タービン入口における作動媒体圧力をタービン入口温度での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、非定常状態のときには、発電機を電動機として駆動しタービンを非定常状態用循環手段とする。
【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。
また、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】
しかし、特許文献２ではヒートポンプの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】
つまり、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を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を真空における圧力である、絶対圧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ような０．３の発電効率は得られないのである。
【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、
定常状態においては、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、さらに、
前記回収経路を流れる冷媒、もしくは、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の冷媒、または、前記回収経路を流れる冷媒と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の冷媒とが混合した混合冷媒により、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、前記循環手段が液体を圧送するポンプであり、
前記定常状態に至る前の、前記冷却部における冷却による前記作動媒体の液化が十分ではなく、前記ポンプに流入する前記作動媒体が気体である非定常状態のときには、前記発電機に電力を供給して電動機として駆動することで、前記タービンを非定常状態用循環手段として駆動することにより、前記非定常状態用循環手段によって前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出するように構成されている点を特徴とする。
【００１２】
上記第１特徴構成によれば、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り、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。
【００１３】
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】
さらに、当該発電システムの起動時等を想定した場合、定常状態に至る前の、冷却部における冷却による作動媒体の液化が十分ではなく、ポンプに流入する作動媒体が気体である、非定常状態のときには、発電機に電力を供給して発電機を電動機として駆動することで、タービンを非定常状態用循環手段として駆動することにより、非定常状態用循環手段によって作動媒体を作動媒体流路の入口に送出するから、非定常状態においてポンプによって作動媒体流路の入口に送出した場合に懸念されるポンプのキャビテーションの発生を防止することができるから、発電システムを円滑に定常状態に移行させることができる。
【００１５】
つまり、当該発電システムの起動時等においても、円滑に定常状態に移行させることができるものである。
【００１６】
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。
【００１７】
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、
前記冷媒加熱流路の入り口と出口とをバイパスするバイパスバルブを具備することで、前記冷媒加熱流路と前記バイパスバルブとを並列に接続した並列流路を形成し、
前記回収経路を流れる冷媒が前記並列流路を経由した後に前記冷却部において前記排出口から排出される前記作動媒体を冷却液化し、さらに
前記制御部は、前記外気熱交換器が吸収するシステム外部からの熱の温度に応じて前記バイパスバルブの開度を調節し、前記熱の温度が高いほど前記バイパスバルブの開度を大きくするように制御する点を特徴とする。
【００１８】
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、前記外気熱交換器が吸収するシステム外部からの熱の温度に応じて前記バイパスバルブの開度を調節し、前記熱の温度が高いほど前記バイパスバルブの開度を大きくするように制御するから、冷却部における作動媒体の冷却液化を的確に行えるものとなる。
【００１９】
つまり、システム外部からの熱の温度が高い時には、バイパスバルブの開度を大きくすることで、並列流路から冷却部に流れる冷媒の温度を低くすることができ、冷却部における作動媒体の冷却液化を的確に行えるからポンプによる作動媒体圧送が的確に行えるものとなる。
【００２０】
本発明の第３特徴構成は、上記した第１特長構成または第２特徴構成のいずれかに加えて、排熱発生源から排熱が供給され、前記排熱によって、前記回収経路から前記圧縮機の入り口に至る経路における前記冷媒を加熱する点を特徴とする。
【００２１】
本発明の第３特徴構成によれば、上記の第１特長構成または第２特徴構成のいずれかによる効果に加えて、排熱発生源からの排熱回収を効率よく行えるものとすることができる。
【００２２】
ここで、一般的には、排熱発生源においてはエネルギを消費していることが多く、その場合、排熱発生源におけるエネルギ消費効率は、排熱発生源から排出される排熱の温度が低いほど高くすることができるものであるが、排熱発生源から排出される排熱の温度を低くするには限界がある。
【００２３】
これに対し、前記回収経路から前記圧縮機の入り口に至る経路における前記冷媒を加熱した後の排熱の温度は、前記回収経路から前記圧縮機の入り口に至る経路における前記冷媒の温度近傍まで低下させることになるから、排熱発生源からの排熱を有効に電力に変換できる発電システムが構成可能となる。
【００２４】
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、
前記作動媒体熱交換器の作動媒体流路には気液分離室を具備し、前記気液分離室には、略鉛直方向を回転の中心軸とする回転体を備え、
前記作動媒体流路の出口を前記回転の中心軸の上方に配設され、
前記作動媒体熱交換器の冷媒流路が、前記回転体の径方向外側に配設され、
前記気液分離室を通過する作動媒体は、前記回転体により前記気液分離室内において回転流動し、
前記気液分離室を通過する作動媒体の液相部分は、前記回転流動により生じた遠心力による前記回転体の径方向外側への移動によって前記回転体の径方向外側に配設される冷媒流路を通流する冷媒との熱交換が促進され、
前記気液分離室を通過する作動媒体の気相部分は、前記液相部分の前記回転体の径方向外側への移動に伴い前記回転体の中心近傍に位置し、
前記気液分離室を通過する作動媒体の気相部分が前記作動媒体流路の出口から排出される点を特徴とする。
【００２５】
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、作動媒体熱交換器における、冷媒による作動媒体の加熱、気化を効率よく行えるものとなるから、さらに効率の良い発電システムとすることができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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】
【００２８】
【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
【図４】作動媒体熱交換器３の平面図
【図５】作動媒体熱交換器３の平面断面図
【図６】作動媒体熱交換器３の側断面図
【図７】作動媒体熱交換器３において回転体の記載を省略した側断面図
【図８】作動媒体熱交換器３において冷媒流路ＲＲの記載を省略した側断面図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
〔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。
【００３０】
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。
【００３１】
図１に示すシステムにおいて、当該システムが安定して稼動し、継続的に発電を行う状態である定常状態においては、
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。）
【００３２】
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、その後、排熱発生源Ｈからの熱を排熱回収用熱交換器ＨＮにおいて吸収してさらに温度が上昇する。（例えば３２℃、絶対圧３ＭＰａの気体になる。）
【００３３】
なお、排熱発生源Ｈとしては種々の排熱発生源により構成可能であり、後に詳述する。
【００３４】
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。
【００３５】
つまり、外気熱交換器１で外気Ａから熱を吸収した後、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得て、さらに、排熱回収用熱交換器ＨＮにおいて排熱発生源Ｈからの熱エネルギを得て、温度が上昇した冷媒は、低音・低圧（本実施例では３２℃、絶対圧３ＭＰａ）の気体となっている。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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
【００４１】
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）を後に詳述する作動媒体熱交換器３で高温（本実施例では９０℃）に加熱する。
【００４２】
因みに、制御部ＣＯＮＴは以下のように制御を行い、作動媒体の過度の圧力上昇を制限する。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。）
【００４８】
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Ｏｓ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Ｏｓ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Ｏｓ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Ｏｓ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。
【００４９】
また、作動媒体流路の出口Ｏｓ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Ｏｓ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。
【００５０】
制御部ＣＯＮＴは、作動媒体流路の出口Ｏｓ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。
【００５１】
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Ｏｓ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Ｏｓ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Ｏｓ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
なお、この実施形態では、前記外気熱交換器１をバイパスするバイパスバルブＢｉを備えており、前記外気熱交換器１とバイパスバルブＢｉとによるた並列流路を形成している。
【００６９】
そして、前記外気熱交換器１で外気Ａから熱を吸収した後の冷媒と、前記外気熱交換器１で外気Ａから熱を吸収する前の冷媒とが混合した冷媒によって、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。）
【００７０】
このように構成することで、外気Ａの温度が低い（例えば気温７℃）場合であっても、外気Ａの温度が高い（例えば気温３５℃）場合であっても、冷却部７において作動媒体（例えば４０℃）からの熱を十分吸収することができるように構成されている。
【００７１】
例えば、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（例えば４０℃）より十分に低い場合などは、バイパスバルブＢｉを全閉にして、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。
【００７２】
一方、夏場のように外気Ａの温度が高く（例えば気温３５℃）、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（例えば４０℃）より十分には低くない場合などは、バイパスバルブＢｉを全開にして、膨張弁４からの冷媒が外気熱交換器１外気Ａからの熱を吸収せず、膨張弁４からの冷媒の全量が直接冷却部７に流れるようにして、冷却部７において（例えば４０℃）からの熱を吸収して、作動媒体を確実に液化できるようにしてある。
【００７３】
作動媒体を確実に液化することで、循環手段としてのポンプ５の揚程が十分得られ、作動媒体の圧送が確実にできるとともに、循環手段としてのポンプ５におけるエネルギ消費の増大が防止できるものとなっている。
【００７４】
なお、冬場と夏場の中間期においては、図示しない外気温センサの検出温度に応じてバイパスバルブＢｉの開度が適宜調節され、冷却部７において排出口（タービン６の出口）から排出される作動媒体のからの熱を十分吸収して、作動媒体を確実に液化できるようにし、かつ、ヒートポンプにおける成績係数（ＣＯＰ）ができるだけ高くなるようにバイパスバルブＢｉの開度が適宜調節されるようにしてある。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
〔排熱回収用熱交換器ＨＮにおける、排熱発生源Ｈからの排熱による加熱の効果と効率への影響〕
排熱発生源Ｈからの排熱は、冷却部７から圧縮機２に至る経路において冷媒の加熱に用いられ、冷媒を加熱した後の排熱（さらに残存する排熱）の温度は３５℃程度まで低下させることができ、高効率となる発電システムが構成可能であり、例えば、排熱発生源Ｈとして、天然ガスを燃料とするガスエンジンを用いた場合で、該ガスエンジンの冷却用ラジエターからの熱および該ガスエンジンの排気ガスからの熱の両者共を排熱発生源Ｈとすれば、該ガスエンジンの駆動に係る熱効率は、高位発熱基準で９５％となる高効率とすることが可能である。
【００８３】
〔継続的に発電を行う状態である定常状態に至る前の火定常状態〕
当該発電システムの起動時などは、前記冷却部における冷却による前記作動媒体の液化が十分ではなく、前記ポンプ５に流入する前記作動媒体が気体である非定常状態となっている。
【００８４】
このような、非定常状態において、ポンプ５によって作動媒体流路の入口Ｉｓに送出した場合には、ポンプ５には液体ではなく気体が流入することになるから、十分な揚程が得られない。
【００８５】
そこで、非定常状態においては、発電機Ｇに電力を供給して、発電機Ｇを電動機として駆動し、これによりタービン６を駆動して、作動媒体を循環させる。 すなわち、タービン６を非定常状態用循環手段として駆動することにより、この非定常状態用循環手段によって作動媒体を作動媒体流路の入口Ｉｓに送出する。
【００８６】
その後、冷却部７の温度が低下し、ポンプ５に流入する作動媒体が液体となってから、ポンプ５を駆動し、タービン６による駆動力によって発電機Ｇによって発電を行う定常状態に至る。
【００８７】
〔作動媒体熱交換器３における冷媒から作動媒体への熱交換の促進と作動媒体の気化促進〕
作動媒体熱交換器３における、冷媒から作動媒体への熱交換の促進と作動媒体の気化促進に関し、以下説明する。
【００８８】
図４は作動媒体熱交換器３の平面図、図５は作動媒体熱交換器３の平面断面図、図６は作動媒体熱交換器３の側断面図、図７は作動媒体熱交換器３において回転体の記載を省略した側断面図、図８は作動媒体熱交換器３において冷媒流路ＲＲの記載を省略した側断面図であり、これらの図を引用して以下作動媒体熱交換器３について説明する。なお、図６においては回転体を２点鎖線で表している。
【００８９】
図４から図８に示すように、作動媒体熱交換器３の作動媒体流路には気液分離室Ｋを具備し、気液分離室Ｋには、略鉛直方向を回転の中心軸として回転する回転体Ｒｏｔを備えている。
【００９０】
また、作動媒体流路の出口Ｏｓは前回転の中心軸の上方に配設され、作動媒体熱交換器の冷媒流路ＲＲが、回転体Ｒｏｔの径方向外側に配設されており、回転体Ｒｏｔの底部における作動媒体熱交換器３の底面と対向する箇所には、磁性体Ｊが埋設されている。さらに、作動媒体熱交換器３の底面には、回転磁界発生部ＫＪが埋設されており、回転磁界発生部ＫＪに対して制御部ＣＯＮＴから励磁電流が通電されることにより、回転体Ｒｏｔをその回転方向Ｒｅｖ（図５参照）に回転させる回転磁界が発生することで、回転体Ｒｏｔは回転方向Ｒｅｖ（図５参照）の方向に回転している。なお、回転体Ｒｏｔを回転方向Ｒｅｖの方向に回転させる電力は制御部ＣＯＮＴから供給されるものであり、上述の総和電力に含まれている。
【００９１】
そして、作動媒体であるブタンは、作動媒体流路の入口Ｉｓより作動媒体熱交換器３に流入した後、冷媒流路ＲＲとの熱交換を行いながら作動媒体流路の出口Ｏｓに向かって流れる。
【００９２】
作動媒体流路の出口Ｏｓの下方において、回転体Ｒｏｔに供える複数のブレードに囲繞される部分は気液分離室Ｋとなっており、気液分離室Ｋを通過する作動媒体は、回転体Ｒｏｔの回転方向への回転により気液分離室Ｋ内において回転流動している。気液分離室Ｋを通過する作動媒体の液相部分は、回転流動により生じた遠心力による回転体Ｒｏｔの径方向外側への移動によって回転体Ｒｏｔの径方向外側に配設される冷媒流路ＲＲを通流する冷媒との熱交換が促進され、冷媒流路ＲＲの径方向外側に流動する。
【００９３】
回転体Ｒｏｔは作動媒体熱交換器３の下側に偏って配置されており、回転体Ｒｏｔ上方には回転体Ｒｏｔによる遠心力が作用しないスペースが確保されており、上記冷媒流路ＲＲの径方向外側に流動した、液体と気体の混合物である作動媒体は、上記遠心力が作用しないスペースを経由して再び作動媒体流路の出口Ｏｓの下方の気液分離室Ｋに流入する。
【００９４】
気液分離室Ｋを通過する作動媒体の内の気相部分は、液相部分の前記回転体Ｒｏｔの径方向外側への移動に伴い前記回転体Ｒｏｔの中心近傍に位置し、また、作動媒体の気相の比重が作動媒体の液相の比重より小さいことから、作動媒体の気相には浮力が作用して上方に流動することで、気液分離室Ｋを通過する作動媒体の気相部分が作動媒体流路の出口Ｏｓから排出される。
【００９５】
このようにして、作動媒体熱交換器３における、冷媒から作動媒体への熱交換の促進と作動媒体の気化の促進が図られており、冷媒による作動媒体の加熱、気化を効率よく行われている。
【００９６】
〔別実施形態〕
以下、別実施形態を列記する
［別実施例１］
上記実施例においては、外気前記冷媒加熱流路と前記バイパスバルブとを並列に接続してあるが、複数のバルブを組み合わせて冷媒の配管を配設するにより、
夏場のように外気Ａの温度が高く（例えば気温３５℃）、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（例えば４０℃）より十分には低くない場合などは、バイパスバルブＢｉを全開にして、膨張弁４からの冷媒が外気熱交換器１外気Ａからの熱を吸収せず、膨張弁４からの冷媒の全量が直接冷却部７に流れるようにして、冷却部７において（例えば４０℃）からの熱を吸収して、作動媒体を確実に液化できるように、また、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（例えば４０℃）より十分に低い場合などは、冷媒が外気熱交換器１において外気Ａの熱を吸収して、冷媒の温度が上昇（例えば７℃程度に上昇）した後に、冷媒が冷却部７において作動媒体を冷却液化してその熱を吸収するように流動するように複数のバルブの開度調整を行うように構成してもよい。
【００９７】
［別実施例２］
第１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。
【００９８】
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。
【００９９】
［別実施例３］
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。
【０１００】
また、上記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。
【０１０１】
［別実施例４］
冷媒としてＣＯ２以外の冷媒を用いても良い。
【０１０２】
［別実施例５］
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。
【０１０３】
［別実施例６］
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、タービン６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タービン６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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
［別実施例７］
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
［別実施例８］
上記第１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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
［排熱発生源の列挙］
排熱発生源Ｈとしては、エネルギを消費する機器であって排出される排熱の温度が略４０℃以上であれば、排熱回収用熱交換器ＨＮにおいて排熱発生源Ｈからの熱エネルギを得ることが可能であり、排熱発生源Ｈとその排熱の例を以下に列挙する。
【０１１０】
（１）天然ガスを燃料とするガスエンジンにおける、該ガスエンジンの冷却用ラジエターからの熱、若しくは、該ガスエンジンの排気ガスからの熱のいずれか、または、該ガスエンジンの冷却用ラジエターからの熱および該ガスエンジンの排気ガスからの熱の両方。
【０１１１】
（２）ガソリンを燃料とするガスエンジンにおける、該ガソリンエンジンの冷却用ラジエターからの熱、若しくは、該ガソリンエンジンの排気ガスからの熱のいずれか、または、該ガソリンエンジンの冷却用ラジエターからの熱および該ガソリンエンジンの排気ガスからの熱の両方。
【０１１２】
（３）上記ガソリンエンジンの本体カバー部（ピストン外周部）に直接冷媒の通路を設けて排熱回収用熱交換器ＨＮを構成して熱を取り出す構成も可能である。
【０１１３】
（４）家庭用エアコンにおいて冷房運転を行う場合に、室外機（コンデンサ）から排出される熱を取り出す。この場合、この室外機に直接冷媒の通路を設けて排熱回収用熱交換器ＨＮを構成して熱を取り出す構成も可能である。
【０１１４】
（５）コンピュータ（特に大型コンピュータ）における集積回路が発生する熱を排熱回収用熱交換器ＨＮに導く構成とする。
【符号の説明】
【０１１５】
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
Ｂｉ バイパスバルブ
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 排熱発生源
ＨＮ 排熱回収用熱交換器
ＩＮＶ１ 圧縮機用インバータ
ＩＮＶ２ 外部電源供給用インバータ
Ｉｓ 作動媒体流路の入口
Ｊ 磁性体
Ｋ 気液分離室
ＫＪ 回転磁界発生部
Ｏｓ 作動媒体流路の出口
ＰＳ 圧力センサ
ＰＳ２ 第２圧力センサ
Ｒ レギュレータ
Ｒｅｖ 回転体の回転方向
Ｒｏｔ 回転体
ＲＲ 作動媒体熱交換器の冷媒流路
ＴＨ 温度検出器
【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。
また、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】
しかし、特許文献２ではヒートポンプの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】
つまり、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を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を真空における圧力である、絶対圧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ような０．３の発電効率は得られないのである。
【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、
定常状態においては、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、さらに、
前記回収経路を流れる冷媒、もしくは、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の冷媒、または、前記回収経路を流れる冷媒と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の冷媒とが混合した混合冷媒により、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、前記循環手段が液体を圧送するポンプであり、
前記定常状態に至る前の、前記冷却部における冷却による前記作動媒体の液化が十分ではなく、前記ポンプに流入する前記作動媒体が気体である非定常状態のときには、前記発電機に電力を供給して電動機として駆動することで、前記タービンを非定常状態用循環手段として駆動することにより、前記非定常状態用循環手段によって前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出するように構成されている点を特徴とする。
【００１２】
上記第１特徴構成によれば、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り、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。
【００１３】
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】
さらに、当該発電システムの起動時等を想定した場合、定常状態に至る前の、冷却部における冷却による作動媒体の液化が十分ではなく、ポンプに流入する作動媒体が気体である、非定常状態のときには、発電機に電力を供給して発電機を電動機として駆動することで、タービンを非定常状態用循環手段として駆動することにより、非定常状態用循環手段によって作動媒体を作動媒体流路の入口に送出するから、非定常状態においてポンプによって作動媒体流路の入口に送出した場合に懸念されるポンプのキャビテーションの発生を防止することができるから、発電システムを円滑に定常状態に移行させることができる。
【００１５】
つまり、当該発電システムの起動時等においても、円滑に定常状態に移行させることができるものである。
【００１６】
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。
【００１７】
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、
前記冷媒加熱流路の入り口と出口とをバイパスするバイパスバルブを具備することで、前記冷媒加熱流路と前記バイパスバルブとを並列に接続した並列流路を形成し、
前記回収経路を流れる冷媒が前記並列流路を経由した後に前記冷却部において前記排出口から排出される前記作動媒体を冷却液化し、さらに
前記制御部は、前記外気熱交換器が吸収するシステム外部からの熱の温度に応じて前記バイパスバルブの開度を調節し、前記熱の温度が高いほど前記バイパスバルブの開度を大きくするように制御する点を特徴とする。
【００１８】
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、前記外気熱交換器が吸収するシステム外部からの熱の温度に応じて前記バイパスバルブの開度を調節し、前記熱の温度が高いほど前記バイパスバルブの開度を大きくするように制御するから、冷却部における作動媒体の冷却液化を的確に行えるものとなる。
【００１９】
つまり、システム外部からの熱の温度が高い時には、バイパスバルブの開度を大きくすることで、並列流路から冷却部に流れる冷媒の温度を低くすることができ、冷却部における作動媒体の冷却液化を的確に行えるからポンプによる作動媒体圧送が的確に行えるものとなる。
【００２０】
本発明の第３特徴構成は、上記した第１特長構成または第２特徴構成のいずれかに加えて、排熱発生源から排熱が供給され、前記排熱によって、前記回収経路から前記圧縮機の入り口に至る経路における前記冷媒を加熱する点を特徴とする。
【００２１】
本発明の第３特徴構成によれば、上記の第１特長構成または第２特徴構成のいずれかによる効果に加えて、排熱発生源からの排熱回収を効率よく行えるものとすることができる。
【００２２】
ここで、一般的には、排熱発生源においてはエネルギを消費していることが多く、その場合、排熱発生源におけるエネルギ消費効率は、排熱発生源から排出される排熱の温度が低いほど高くすることができるものであるが、排熱発生源から排出される排熱の温度を低くするには限界がある。
【００２３】
これに対し、前記回収経路から前記圧縮機の入り口に至る経路における前記冷媒を加熱した後の排熱の温度は、前記回収経路から前記圧縮機の入り口に至る経路における前記冷媒の温度近傍まで低下させることになるから、排熱発生源からの排熱を有効に電力に変換できる発電システムが構成可能となる。
【００２４】
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、
前記作動媒体熱交換器の作動媒体流路には気液分離室を具備し、前記気液分離室には、略鉛直方向を回転の中心軸とする回転体を備え、
前記作動媒体流路の出口を前記回転の中心軸の上方に配設され、
前記作動媒体熱交換器の冷媒流路が、前記回転体の径方向外側に配設され、
前記気液分離室を通過する作動媒体は、前記回転体により前記気液分離室内において回転流動し、
前記気液分離室を通過する作動媒体の液相部分は、前記回転流動により生じた遠心力による前記回転体の径方向外側への移動によって前記回転体の径方向外側に配設される冷媒流路を通流する冷媒との熱交換が促進され、
前記気液分離室を通過する作動媒体の気相部分は、前記液相部分の前記回転体の径方向外側への移動に伴い前記回転体の中心近傍に位置し、
前記気液分離室を通過する作動媒体の気相部分が前記作動媒体流路の出口から排出される点を特徴とする。
【００２５】
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、作動媒体熱交換器における、冷媒による作動媒体の加熱、気化を効率よく行えるものとなるから、さらに効率の良い発電システムとすることができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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】
【００２８】
【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
【図４】作動媒体熱交換器３の平面図
【図５】作動媒体熱交換器３の平面断面図
【図６】作動媒体熱交換器３の側断面図
【図７】作動媒体熱交換器３において回転体の記載を省略した側断面図
【図８】作動媒体熱交換器３において冷媒流路ＲＲの記載を省略した側断面図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
〔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。
【００３０】
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。
【００３１】
図１に示すシステムにおいて、当該システムが安定して稼動し、継続的に発電を行う状態である定常状態においては、
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。）
【００３２】
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、その後、排熱発生源Ｈからの熱を排熱回収用熱交換器ＨＮにおいて吸収してさらに温度が上昇する。（例えば３２℃、絶対圧３ＭＰａの気体になる。）
【００３３】
なお、排熱発生源Ｈとしては種々の排熱発生源により構成可能であり、後に詳述する。
【００３４】
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。
【００３５】
つまり、外気熱交換器１で外気Ａから熱を吸収した後、凝縮器７で作動媒体を冷却する際に熱エネルギを得て、さらに、排熱回収用熱交換器ＨＮにおいて排熱発生源Ｈからの熱エネルギを得て、温度が上昇した冷媒は、低音・低圧（本実施例では３２℃、絶対圧３ＭＰａ）の気体となっている。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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
【００４１】
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）を後に詳述する作動媒体熱交換器３で高温（本実施例では９０℃）に加熱する。
【００４２】
因みに、制御部ＣＯＮＴは以下のように制御を行い、作動媒体の過度の圧力上昇を制限する。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。）
【００４８】
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Ｏｓ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Ｏｓ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Ｏｓ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Ｏｓ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。
【００４９】
また、作動媒体流路の出口Ｏｓ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Ｏｓ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。
【００５０】
制御部ＣＯＮＴは、作動媒体流路の出口Ｏｓ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。
【００５１】
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Ｏｓ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Ｏｓ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Ｏｓ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
なお、この実施形態では、前記外気熱交換器１をバイパスするバイパスバルブＢｉを備えており、前記外気熱交換器１とバイパスバルブＢｉとによるた並列流路を形成している。
【００６９】
そして、前記外気熱交換器１で外気Ａから熱を吸収した後の冷媒と、前記外気熱交換器１で外気Ａから熱を吸収する前の冷媒とが混合した冷媒によって、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。）
【００７０】
このように構成することで、外気Ａの温度が低い（例えば気温７℃）場合であっても、外気Ａの温度が高い（例えば気温３５℃）場合であっても、冷却部７において作動媒体（例えば４０℃）からの熱を十分吸収することができるように構成されている。
【００７１】
例えば、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（例えば４０℃）より十分に低い場合などは、バイパスバルブＢｉを全閉にして、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。
【００７２】
一方、夏場のように外気Ａの温度が高く（例えば気温３５℃）、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（例えば４０℃）より十分には低くない場合などは、バイパスバルブＢｉを全開にして、膨張弁４からの冷媒が外気熱交換器１外気Ａからの熱を吸収せず、膨張弁４からの冷媒の全量が直接冷却部７に流れるようにして、冷却部７において（例えば４０℃）からの熱を吸収して、作動媒体を確実に液化できるようにしてある。
【００７３】
作動媒体を確実に液化することで、循環手段としてのポンプ５の揚程が十分得られ、作動媒体の圧送が確実にできるとともに、循環手段としてのポンプ５におけるエネルギ消費の増大が防止できるものとなっている。
【００７４】
なお、冬場と夏場の中間期においては、図示しない外気温センサの検出温度に応じてバイパスバルブＢｉの開度が適宜調節され、冷却部７において排出口（タービン６の出口）から排出される作動媒体のからの熱を十分吸収して、作動媒体を確実に液化できるようにし、かつ、ヒートポンプにおける成績係数（ＣＯＰ）ができるだけ高くなるようにバイパスバルブＢｉの開度が適宜調節されるようにしてある。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
〔排熱回収用熱交換器ＨＮにおける、排熱発生源Ｈからの排熱による加熱の効果と効率への影響〕
排熱発生源Ｈからの排熱は、冷却部７から圧縮機２に至る経路において冷媒の加熱に用いられ、冷媒を加熱した後の排熱（さらに残存する排熱）の温度は３５℃程度まで低下させることができ、高効率となる発電システムが構成可能であり、例えば、排熱発生源Ｈとして、天然ガスを燃料とするガスエンジンを用いた場合で、該ガスエンジンの冷却用ラジエターからの熱および該ガスエンジンの排気ガスからの熱の両者共を排熱発生源Ｈとすれば、該ガスエンジンの駆動に係る熱効率は、高位発熱基準で９５％となる高効率とすることが可能である。
【００８３】
〔継続的に発電を行う状態である定常状態に至る前の火定常状態〕
当該発電システムの起動時などは、前記冷却部における冷却による前記作動媒体の液化が十分ではなく、前記ポンプ５に流入する前記作動媒体が気体である非定常状態となっている。
【００８４】
このような、非定常状態において、ポンプ５によって作動媒体流路の入口Ｉｓに送出した場合には、ポンプ５には液体ではなく気体が流入することになるから、十分な揚程が得られない。
【００８５】
そこで、非定常状態においては、発電機Ｇに電力を供給して、発電機Ｇを電動機として駆動し、これによりタービン６を駆動して、作動媒体を循環させる。 すなわち、タービン６を非定常状態用循環手段として駆動することにより、この非定常状態用循環手段によって作動媒体を作動媒体流路の入口Ｉｓに送出する。
【００８６】
その後、冷却部７の温度が低下し、ポンプ５に流入する作動媒体が液体となってから、ポンプ５を駆動し、タービン６による駆動力によって発電機Ｇによって発電を行う定常状態に至る。
【００８７】
〔作動媒体熱交換器３における冷媒から作動媒体への熱交換の促進と作動媒体の気化促進〕
作動媒体熱交換器３における、冷媒から作動媒体への熱交換の促進と作動媒体の気化促進に関し、以下説明する。
【００８８】
図４は作動媒体熱交換器３の平面図、図５は作動媒体熱交換器３の平面断面図、図６は作動媒体熱交換器３の側断面図、図７は作動媒体熱交換器３において回転体の記載を省略した側断面図、図８は作動媒体熱交換器３において冷媒流路ＲＲの記載を省略した側断面図であり、これらの図を引用して以下作動媒体熱交換器３について説明する。なお、図６においては回転体を２点鎖線で表している。
【００８９】
図４から図８に示すように、作動媒体熱交換器３の作動媒体流路には気液分離室Ｋを具備し、気液分離室Ｋには、略鉛直方向を回転の中心軸として回転する回転体Ｒｏｔを備えている。
【００９０】
また、作動媒体流路の出口Ｏｓは前回転の中心軸の上方に配設され、作動媒体熱交換器の冷媒流路ＲＲが、回転体Ｒｏｔの径方向外側に配設されており、回転体Ｒｏｔの底部における作動媒体熱交換器３の底面と対向する箇所には、磁性体Ｊが埋設されている。さらに、作動媒体熱交換器３の底面には、回転磁界発生部ＫＪが埋設されており、回転磁界発生部ＫＪに対して制御部ＣＯＮＴから励磁電流が通電されることにより、回転体Ｒｏｔをその回転方向Ｒｅｖ（図５参照）に回転させる回転磁界が発生することで、回転体Ｒｏｔは回転方向Ｒｅｖ（図５参照）の方向に回転している。なお、回転体Ｒｏｔを回転方向Ｒｅｖの方向に回転させる電力は制御部ＣＯＮＴから供給されるものであり、上述の総和電力に含まれている。
【００９１】
そして、作動媒体であるブタンは、作動媒体流路の入口Ｉｓより作動媒体熱交換器３に流入した後、冷媒流路ＲＲとの熱交換を行いながら作動媒体流路の出口Ｏｓに向かって流れる。
【００９２】
作動媒体流路の出口Ｏｓの下方において、回転体Ｒｏｔに供える複数のブレードに囲繞される部分は気液分離室Ｋとなっており、気液分離室Ｋを通過する作動媒体は、回転体Ｒｏｔの回転方向への回転により気液分離室Ｋ内において回転流動している。気液分離室Ｋを通過する作動媒体の液相部分は、回転流動により生じた遠心力による回転体Ｒｏｔの径方向外側への移動によって回転体Ｒｏｔの径方向外側に配設される冷媒流路ＲＲを通流する冷媒との熱交換が促進され、冷媒流路ＲＲの径方向外側に流動する。
【００９３】
回転体Ｒｏｔは作動媒体熱交換器３の下側に偏って配置されており、回転体Ｒｏｔ上方には回転体Ｒｏｔによる遠心力が作用しないスペースが確保されており、上記冷媒流路ＲＲの径方向外側に流動した、液体と気体の混合物である作動媒体は、上記遠心力が作用しないスペースを経由して再び作動媒体流路の出口Ｏｓの下方の気液分離室Ｋに流入する。
【００９４】
気液分離室Ｋを通過する作動媒体の内の気相部分は、液相部分の前記回転体Ｒｏｔの径方向外側への移動に伴い前記回転体Ｒｏｔの中心近傍に位置し、また、作動媒体の気相の比重が作動媒体の液相の比重より小さいことから、作動媒体の気相には浮力が作用して上方に流動することで、気液分離室Ｋを通過する作動媒体の気相部分が作動媒体流路の出口Ｏｓから排出される。
【００９５】
このようにして、作動媒体熱交換器３における、冷媒から作動媒体への熱交換の促進と作動媒体の気化の促進が図られており、冷媒による作動媒体の加熱、気化を効率よく行われている。
【００９６】
〔別実施形態〕
以下、別実施形態を列記する
［別実施例１］
上記実施例においては、外気前記冷媒加熱流路と前記バイパスバルブとを並列に接続してあるが、複数のバルブを組み合わせて冷媒の配管を配設するにより、
夏場のように外気Ａの温度が高く（例えば気温３５℃）、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（例えば４０℃）より十分には低くない場合などは、バイパスバルブＢｉを全開にして、膨張弁４からの冷媒が外気熱交換器１外気Ａからの熱を吸収せず、膨張弁４からの冷媒の全量が直接冷却部７に流れるようにして、冷却部７において（例えば４０℃）からの熱を吸収して、作動媒体を確実に液化できるように、また、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（例えば４０℃）より十分に低い場合などは、冷媒が外気熱交換器１において外気Ａの熱を吸収して、冷媒の温度が上昇（例えば７℃程度に上昇）した後に、冷媒が冷却部７において作動媒体を冷却液化してその熱を吸収するように流動するように複数のバルブの開度調整を行うように構成してもよい。
【００９７】
［別実施例２］
第１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。
【００９８】
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。
【００９９】
［別実施例３］
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。
【０１００】
また、上記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。
【０１０１】
［別実施例４］
冷媒としてＣＯ２以外の冷媒を用いても良い。
【０１０２】
［別実施例５］
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。
【０１０３】
［別実施例６］
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、タービン６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タービン６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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
［別実施例７］
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
［別実施例８］
上記第１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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
［排熱発生源の列挙］
排熱発生源Ｈとしては、エネルギを消費する機器であって排出される排熱の温度が略４０℃以上であれば、排熱回収用熱交換器ＨＮにおいて排熱発生源Ｈからの熱エネルギを得ることが可能であり、排熱発生源Ｈとその排熱の例を以下に列挙する。
【０１１０】
（１）天然ガスを燃料とするガスエンジンにおける、該ガスエンジンの冷却用ラジエターからの熱、若しくは、該ガスエンジンの排気ガスからの熱のいずれか、または、該ガスエンジンの冷却用ラジエターからの熱および該ガスエンジンの排気ガスからの熱の両方。
【０１１１】
（２）ガソリンを燃料とするガスエンジンにおける、該ガソリンエンジンの冷却用ラジエターからの熱、若しくは、該ガソリンエンジンの排気ガスからの熱のいずれか、または、該ガソリンエンジンの冷却用ラジエターからの熱および該ガソリンエンジンの排気ガスからの熱の両方。
【０１１２】
（３）上記ガソリンエンジンの本体カバー部（ピストン外周部）に直接冷媒の通路を設けて排熱回収用熱交換器ＨＮを構成して熱を取り出す構成も可能である。
【０１１３】
（４）家庭用エアコンにおいて冷房運転を行う場合に、室外機（コンデンサ）から排出される熱を取り出す。この場合、この室外機に直接冷媒の通路を設けて排熱回収用熱交換器ＨＮを構成して熱を取り出す構成も可能である。
【０１１４】
（５）コンピュータ（特に大型コンピュータ）における集積回路が発生する熱を排熱回収用熱交換器ＨＮに導く構成とする。
【符号の説明】
【０１１５】
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
Ｂｉ バイパスバルブ
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 排熱発生源
ＨＮ 排熱回収用熱交換器
ＩＮＶ１ 圧縮機用インバータ
ＩＮＶ２ 外部電源供給用インバータ
Ｉｓ 作動媒体流路の入口
Ｊ 磁性体
Ｋ 気液分離室
ＫＪ 回転磁界発生部
Ｏｓ 作動媒体流路の出口
ＰＳ 圧力センサ
ＰＳ２ 第２圧力センサ
Ｒ レギュレータ
Ｒｅｖ 回転体の回転方向
Ｒｏｔ 回転体
ＲＲ 作動媒体熱交換器の冷媒流路
ＴＨ 温度検出器
【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、
定常状態においては、
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、さらに、
前記回収経路を流れる冷媒、もしくは、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の冷媒、または、前記回収経路を流れる冷媒と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の冷媒とが混合した混合冷媒により、、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、前記循環手段が液体を圧送するポンプであり、
前記定常状態に至る前の、前記冷却部における冷却による前記作動媒体の液化が十分ではなく、前記ポンプに流入する前記作動媒体が気体である非定常状態のときには、前記発電機に電力を供給して電動機として駆動することで、前記タービンを非定常状態用循環手段として駆動することにより、前記非定常状態用循環手段によって前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記冷媒加熱流路の入り口と出口とをバイパスするバイパスバルブを具備することで、前記冷媒加熱流路と前記バイパスバルブとを並列に接続した並列流路を形成し、
前記回収経路を流れる冷媒が前記並列流路を経由した後に前記冷却部において前記排出口から排出される前記作動媒体を冷却液化し、さらに
前記制御部は、前記外気熱交換器が吸収するシステム外部からの熱の温度に応じて前記バイパスバルブの開度を調節し、前記熱の温度が高いほど前記バイパスバルブの開度を大きくするように制御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】
排熱発生源から排熱が供給され、前記排熱によって、前記回収経路から前記圧縮機の入り口に至る経路における前記冷媒を加熱す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】
前記作動媒体熱交換器の作動媒体流路には気液分離室を具備し、前記気液分離室には、略鉛直方向を回転の中心軸とする回転体を備え、
前記作動媒体流路の出口を前記回転の中心軸の上方に配設され、
前記作動媒体熱交換器の冷媒流路が、前記回転体の径方向外側に配設され、
前記気液分離室を通過する作動媒体は、前記回転体により前記気液分離室内において回転流動し、
前記気液分離室を通過する作動媒体の液相部分は、前記回転流動により生じた遠心力による前記回転体の径方向外側への移動によって前記回転体の径方向外側に配設される冷媒流路を通流する冷媒との熱交換が促進され、
前記気液分離室を通過する作動媒体の気相部分は、前記液相部分の前記回転体の径方向外側への移動に伴い前記回転体の中心近傍に位置し、
前記気液分離室を通過する作動媒体の気相部分が前記作動媒体流路の出口から排出され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。
【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、
定常状態においては、
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、さらに、
前記回収経路を流れる冷媒、もしくは、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の冷媒、または、前記回収経路を流れる冷媒と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の冷媒とが混合した混合冷媒により、、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、前記循環手段が液体を圧送するポンプであり、
前記定常状態に至る前の、前記冷却部における冷却による前記作動媒体の液化が十分ではなく、前記ポンプに流入する前記作動媒体が気体である非定常状態のときには、前記発電機に電力を供給して電動機として駆動することで、前記タービンを非定常状態用循環手段として駆動することにより、前記非定常状態用循環手段によって前記作動媒体を前記作動媒体流路の入口に送出することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記冷媒加熱流路の入り口と出口とをバイパスするバイパスバルブを具備することで、前記冷媒加熱流路と前記バイパスバルブとを並列に接続した並列流路を形成し、
前記回収経路を流れる冷媒が前記並列流路を経由した後に前記冷却部において前記排出口から排出される前記作動媒体を冷却液化し、さらに
前記制御部は、前記外気熱交換器が吸収するシステム外部からの熱の温度に応じて前記バイパスバルブの開度を調節し、前記熱の温度が高いほど前記バイパスバルブの開度を大きくするように制御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】
排熱発生源から排熱が供給され、前記排熱によって、前記回収経路から前記圧縮機の入り口に至る経路における前記冷媒を加熱す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】
前記作動媒体熱交換器の作動媒体流路には気液分離室を具備し、前記気液分離室には、略鉛直方向を回転の中心軸とする回転体を備え、
前記作動媒体流路の出口を前記回転の中心軸の上方に配設され、
前記作動媒体熱交換器の冷媒流路が、前記回転体の径方向外側に配設され、
前記気液分離室を通過する作動媒体は、前記回転体により前記気液分離室内において回転流動し、
前記気液分離室を通過する作動媒体の液相部分は、前記回転流動により生じた遠心力による前記回転体の径方向外側への移動によって前記回転体の径方向外側に配設される冷媒流路を通流する冷媒との熱交換が促進され、
前記気液分離室を通過する作動媒体の気相部分は、前記液相部分の前記回転体の径方向外側への移動に伴い前記回転体の中心近傍に位置し、
前記気液分離室を通過する作動媒体の気相部分が前記作動媒体流路の出口から排出され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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１５０８３（Ｐ２０１３−１５０８３Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８７２９（Ｐ２０１１−１４８７２９）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（７１１００７４９３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（７１１００７４９３）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]