JP2011017268A - 冷媒循環動力変換方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱された高圧超臨界冷媒エネルギを無動力循環方式で回転動力に変換する低コスト、低騒音、安全性及び汎用性の高い冷媒循環動力変換方法及びシステムを提供する。
【解決手段】 本発明は、高圧超臨界冷媒を排出する複数の加熱炉１ａ〜１ｄからなる超臨界冷媒発生部１と、超臨界冷媒から膨張タービン３１により回転動力に変換する動力変換機構３と、膨張機からの冷媒ガスを液化するコンデンサ４と、液化冷媒を貯留する貯留タンク２と、前記各機器間を連結し冷媒を循環する循環流路とを備え、各加熱炉を冷却し冷媒を流入する冷間サイクル及び冷媒を加熱し超臨界冷媒を排出する熱間サイクルの順次切替えを繰返し、膨張機に超臨界冷媒を略連続的に供給することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＯ_２、その他の冷媒を媒体とする動力変換に関し、特に冷媒が熱源で加熱されて形成される超臨界冷媒の高圧エネルギを他の外部動力を用いない閉ループで電気エネルギなどに変換する冷媒循環動力変換方法及びシステムに関する。

近年、地球温暖化防止など地球環境問題が世界的にクローズアップされ、工場や家庭などから排出される低熱源の有効利用、余剰夜間電力の有効利用、あるいはＣＯ_２ガスの大気排出量の削減、回収等が重要視されている。

特に、省エネルギ化を図ることや火力発電所などＣＯ_２排出量の大きい施設から排出されるＣＯ_２ガスを回収して大気への排出を防止するなどによりＣＯ_２排出量を削減することが人類の一つの大きな課題となっている。

さらに、オゾン層保護の要求も高まり、フロン等の人為的に合成された冷媒ではなく、ＣＯ_２、水、空気、アンモニア、ハイドロカーボン等の自然界に存在する自然冷媒を用いた熱システムが注目されている。

自然冷媒は、自然界に元々存在する物質で冷媒としての性質を持つもので、上記の他、炭化水素単体もしくは混合ガスで、主にアンモニアやイソブタン、イゾブタンとプロパンの混合物のほか、プロパンやプロピレン等があり、自然界に大量に存在する物質である。オゾン破壊係数がゼロであるのはもちろん、代替フロンと違って地球温暖化係数も低いため、最近ではオゾン層破壊問題、地球温暖化問題から再び見直されている。炭化水素ガスは、可燃性のため安全性を懸念する声もあったが、近年の技術の進歩により、ドイツなどヨーロッパの冷蔵庫メーカーが製品の実用化、拡販に成功しており、日本でも入手可能となっている。

自然冷媒を用いた熱システムの一例として、冷媒の超臨界ＣＯ_２を相変化を伴わずに、冷媒を高温にする必要がなく、温度の低い熱エネルギを動力に変換することを狙いとしたもので、図４に示すように、熱を受熱する受熱部２０２と、熱を放熱する放熱部２０３と、受熱部２０２と放熱部２０３と結んで閉ループを形成し、冷媒（ＣＯ_２）を封入した循環パイプ２０１と、循環パイプ２０１に設けられ、冷媒を超臨界領域で使用したときに発生する冷媒の対流を動力に変換する変換部２０５とを備える熱エネルギ変換装置が提案されている（特許文献１参照）。

また、最近、自然冷媒を使用した家庭用や業務用の自然冷媒ヒートポンプシステム、例えば自然冷媒ヒートポンプ給湯器が、多くの企業で商品化されている。

経済性や運用性を改善した自然冷媒ヒートポンプシステムの一例として、図５に示すように、蒸発器３１１で気化されたＣＯ_２等の自然冷媒を、コンプレッサー３１２で超臨界状態として熱交換器３１４に送り、熱交換器３１４を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張させるサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプにおいて、自然冷媒を膨張させる機構として膨張タービン３５１を用い、膨張タービン３５１へ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることでそのロータを高速回転させ、この回転力で発電機３５２を駆動して高周波電力を発電し、この発電電力をインバータ３１６で商用周波数の電力に変換し、コンプレッサー３１２の動力源である電動機３１３へ給電する構成が提案されている（特許文献２参照）。

また、設備コストを低コストに抑えるとともに、省エネルギ性の高い高収率のドライアイス製造方法及び装置の一例として、図６及び７に示すように、工場排熱を利用して回収される高濃度ＣＯ_２ガスを冷媒として使用し、圧縮機４１２、ＣＯ_２ガス冷却器４２６、４２７、４２８により過冷却状超臨界ＣＯ_２を形成させ、過冷却状超臨界ＣＯ_２を第１の気液分離減圧手段である高段二相流膨張機４３１により液化ＣＯ_２とＣＯ_２ガスに分離させ、ＣＯ_２ガスを圧縮機４１２に還流させて液化ＣＯ２サイクル４１１を形成し、液化ＣＯ_２を、第２の気液分離減圧手段である低段二相流膨張機４３３によりドライアイスの形成とともにＣＯ_２ガスを分離させ、ＣＯ_２ガスを液化ＣＯ２サイクル４１１に還流させ、高段二相流膨張機４３１の上流側に液化ＣＯ_２を貯める高圧液化ＣＯ_２タンク４２９を配置し、高段二相流膨張機４３１の下流側であって低段二相流膨張機４３３の上流側に液化ＣＯ_２を貯める低圧液化ＣＯ２タンク４３７を配置し、低圧液化ＣＯ２タンク４３７では三重点圧力（５．２８Ｋｇ／ｃｍ^２ａｂｓ）以上の圧力でＣＯ_２液が溜められる構成であって、液化ＣＯ２サイクル４１１は、圧縮機４１２とガス冷却器４１３と二相流膨張機４１４と気液分離器５１５とから構成され、二相流膨張機４１４、高段及び低段二相流膨張機４３１、４３３にはそれぞれ発電機Ｇを直結して動力回収が可能な構成が提案されている（特許文献３参照）。

特開２００１−１４７０８６号公報 特開２００５−１７２３３６号公報 特開２００８−２１４１９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱エネルギ変換装置は、循環パイプ２０１内に封入されたＣＯ_２が、圧力が７．３ＭＰａ以上でかつ温度が約３１℃以上となると超臨界冷媒となり、流体の粘度が低下し、対流が発生し易い状態となる。そこで、循環パイプ２０１内の超臨界冷媒に温度差が生じると超臨界冷媒内で密度差が生じ、この密度差により駆動力なしに対流が発生して循環パイプ２０１内の循環を開始する。したがって、受熱部２から放熱部３に熱を搬送して循環パイプ２０１内を循環する超臨界冷媒が、変換部２０５に設けられた軸流ファン又はファンに当接してファンを回転させる。

この熱エネルギ変換装置は、一種のヒートパイプである循環パイプ２０１内の超臨界冷媒の対流が動力となる変換部２０５のファンの回転力に変換されることから、例えばパソコンのマザーボードのようなプリント基板上に設けられ、発熱部品の発熱により受熱部２の熱を放熱部３に搬送して変換部２０５に取り付けたファンを回し、このファンにより強制的に風の流れを形成して、放熱フィンから放熱効果を促進させるという小規模の動力変換に限定され、大規模な動力変換システムには効率的に適用できない等の問題点がある。

また、特許文献２に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム及び特許文献３に記載のドライアイス製造方法／装置における膨張タービン３５１、二相流膨張機４１４、高段及び低段二相流膨張機４３１、４３３駆動による発電方式は、いずれも超臨界ＣＯ_２の相変化を利用し、電動式のコンプレッサー３１２、圧縮機４１２で高温高圧化して熱交換器３１４、ＣＯ_２ガス冷却器４２６、４２７、４２８に送り、これらの熱交換器を経て低温高圧状態となった超臨界ＣＯ_２を膨張タービン３５１、二相流膨張機４１４、高段及び低段二相流膨張機４３１、４３３により膨張させ回転して熱エネルギを回転力に変換する、いわば従来一般的なランキンサイクル方式によるものである。

したがって、このような従来のランキンサイクルによる発電方式は、コンプレッサー３１２、圧縮機４１２あるいは図示しないポンプを駆動するために電力が必要となり、その分トータルエネルギ効率も低下するとともに騒音発生の問題や、これらを含む設備コストも嵩む等々の問題点がある。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、工場、一般家庭、温泉あるいは各種車両や航空機などから排出される排熱さらには太陽熱や地熱などによる低熱源やその他広範な熱源を利用し、冷媒が加熱されて形成される超臨界冷媒の高圧エネルギを他の外部動力を用いない閉ループで電気エネルギなどに変換する低コスト、低騒音で、安全性及び汎用性の高い冷媒循環動力変換方法及びシステムを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明の冷媒循環動力変換システムは、外部動力を用いずに閉ループ内を循環する冷媒が熱源により加熱されて形成される超臨界冷媒の高圧エネルギを動力に変換する冷媒循環動力変換システムであって、前記冷媒が熱源により加熱されて超臨界冷媒が排出される複数の加熱炉が並列状に連結された超臨界冷媒発生部と、前記加熱炉からの高圧状態の超臨界冷媒を膨張させる膨張機を介して前記超臨界冷媒の高圧エネルギを回転動力に変換する動力変換機構と、前記膨張機で超臨界冷媒が膨張して気化した冷媒ガスを冷却して液化するコンデンサと、該コンデンサで液化した冷媒を貯留する貯留タンクと、前記加熱炉、膨張機、コンデンサ及び貯留タンクの各機器間に連結されて閉ループを形成し、前記冷媒を封入して循環させる循環流路と、を備え、前記超臨界冷媒発生部において、各加熱炉の、内部が冷却されて冷媒が所定量流入される冷間サイクルと、前記内封された冷媒が加熱されて超臨界冷媒が形成され排出される熱間サイクルとの順次切替え操作が繰返し行われることにより、前記膨張機に超臨界冷媒が略連続的に供給されることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の冷媒循環動力変換システムであって、前記各加熱炉は、冷媒流入側及び超臨界冷媒排出側の循環流路にそれぞれ電磁制御により開閉する流入電磁弁及び排出電磁弁が設けられ、前記冷間サイクル時に、先ず排出電磁弁が閉、流入電磁弁が開の状態で内部に冷媒が所定量流入された後に流入電磁弁が閉となり、前記熱間サイクル時に、前記内封された冷媒が加熱されて超臨界冷媒が形成された時点で排出電磁弁が開となって超臨界冷媒が排出し終える時点で排出電磁弁が閉となり、前記膨張機に超臨界冷媒が略連続的に供給されるように順次電磁制御により前記各流入電磁弁及び排出電磁弁の切替え操作が繰返し行われることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の冷媒循環動力変換システムであって、前記各加熱炉には、熱間サイクル時の加熱用熱源と冷間サイクル時の冷却用冷却媒体とを交互に切替えて供給する電磁切替弁を備えた加熱及び冷却媒体供給路が設けられ、前記熱間サイクル終了時点で加熱炉への熱源を遮断すると同時に前記冷間サイクル時に冷却媒体が供給され、冷却された加熱炉内に冷媒が所定量流入された時点で冷却媒体を遮断すると同時に再度前記熱間サイクルに切り替えられるように順次電磁制御により前記各電磁切替弁の切替え操作が繰返し行われることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の冷媒循環動力変換システムであって、前記膨張機の出力軸に発電機が連結されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１記載の冷媒循環動力変換システムであって、前記コンデンサは、前記冷媒ガスをファンレスの自然空冷により冷却して液化することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１記載の冷媒循環動力変換システムであって、前記貯留タンクには、チェック弁を介して冷媒を初期充填及び中間補充する冷媒充填流路が設けられていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の冷媒循環動力変換システムであって、前記冷媒は二酸化炭素（ＣＯ_２）であることを特徴とする。

請求項８の発明の冷媒循環動力変換方法は、外部動力を用いずに閉ループ内を循環する冷媒を熱源により加熱して形成した超臨界冷媒の高圧エネルギを動力に変換する冷媒循環動力変換方法であって、並列状に連結して超臨界冷媒発生部を構成する複数の加熱炉内に前記冷媒を封入し、熱源により加熱して超臨界冷媒を形成する超臨界冷媒発生段階と、前記加熱炉から高圧状態となって排出する超臨界冷媒を膨張する膨張機を備えた動力変換機構により前記超臨界冷媒の高圧エネルギを回転動力に変換する回転動力変換段階と、前記膨張機で超臨界冷媒を膨張して気化した冷媒ガスをコンデンサにより冷却して液化する冷媒液化段階と、前記コンデンサで液化した冷媒を貯留タンクに貯留する冷媒貯留段階と、前記加熱炉、膨張機、コンデンサ及び貯留タンクの各機器間に連結した循環流路により形成した閉ループ内に前記冷媒を封入して循環させる冷媒循環段階と、を有し、前記超臨界冷媒発生部において、各加熱炉の、内部を冷却して冷媒を所定量流入する冷間サイクルと、前記内封した冷媒を加熱して超臨界冷媒を形成し排出する熱間サイクルとの順次切替え操作を繰返し行うことにより、前記膨張機に超臨界冷媒を略連続的に供給することを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項８記載の冷媒循環動力変換方法であって、前記各加熱炉は、冷媒流入側及び超臨界冷媒排出側の循環流路にそれぞれ電磁制御により開閉する流入電磁弁及び排出電磁弁を設け、前記冷間サイクル時に、先ず排出電磁弁を閉、流入電磁弁を開の状態で内部に冷媒を所定量流入した後に流入電磁弁を閉とし、前記熱間サイクル時に、前記内封された冷媒を加熱して超臨界冷媒を形成した時点で排出電磁弁を開として超臨界冷媒を排出し終える時点で排出電磁弁を閉とし、前記膨張機に超臨界冷媒を略連続的に供給するように順次電磁制御により前記各流入電磁弁及び排出電磁弁の切替え操作を繰返し行うことを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項８又は請求項９記載の冷媒循環動力変換方法であって、前記各加熱炉には、熱間サイクル時に加熱する熱源と冷間サイクル時に冷却する冷却媒体とを交互に切替えて供給する電磁切替弁を備えた加熱及び冷却媒体供給路を設け、前記熱間サイクル終了時点で加熱炉への熱源を遮断すると同時に、前記冷間サイクル時に冷却媒体を供給して冷却した加熱炉内に冷媒を所定量流入した時点で冷却媒体を遮断すると同時に、再度前記熱間サイクルに切り替えるように順次電磁制御により前記各電磁切替弁の切替え操作を繰返し行うことを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項８乃至請求項１０のいずれか１項記載の冷媒循環動力変換方法であって、前記膨張機の出力軸に発電機を連結したことを特徴とする。

請求項１２の発明は、請求項８記載の冷媒循環動力変換方法であって、前記コンデンサで、前記冷媒ガスをファンレスの自然空冷により冷却して液化することを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項８記載の冷媒循環動力変換方法であって、前記貯留タンクに、チェック弁を介して冷媒を初期充填及び中間補充する冷媒充填流路を設けることを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項８乃至請求項１３のいずれか１項記載の冷媒循環動力変換方法であって、前記冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いることを特徴とする。

請求項１及び請求項８の発明によれば、工場、一般家庭、温泉あるいは各種車両や航空機などから排出される排熱さらには太陽熱や地熱などの低熱源やその他広範な熱源を利用して、超臨界冷媒発生部における各加熱炉の、内部が冷却されて冷媒が所定量流入される冷間サイクルと、内封された冷媒が加熱されて超臨界冷媒が形成され排出される熱間サイクルとの順次切替え操作が繰返し行われることにより、前記膨張機に超臨界冷媒が略連続的に供給されることから、従来の電動式圧縮機を用いた一般的なランキンサイクル方式による冷媒循環動力変換方法に対して、電動式圧縮機あるいはポンプを用いずに閉ループ内を循環する冷媒が熱源により加熱されて形成される超臨界冷媒の高圧エネルギを動力に変換することができるため、騒音を最小限に止め、低コストで安全性及び汎用性の高い画期的な冷媒循環動力変換方法及びシステムを提供することが可能となる効果がある。

請求項２及び請求項９の発明によれば、請求項１及び請求項８の発明と同様な効果を有するのに加えて、各加熱炉の冷媒流入側及び超臨界冷媒排出側の循環流路にそれぞれ流入電磁弁及び排出電磁弁が設けられたことから、膨張機に超臨界冷媒が略連続的に供給されるように冷間サイクルと熱間サイクルとの切替え操作が電磁制御により順次適切に繰返し行われる操作性及び信頼性が向上する効果がある。

請求項３及び請求項１０の発明によれば、請求項１又は請求項２、請求項８又は請求項９の発明と同様な効果を有するのに加えて、熱間サイクル終了時点で加熱炉への熱源を遮断すると同時に冷間サイクル時に冷却媒体が供給されて加熱炉内が冷却され減圧されることから、加熱炉内に冷媒が流入されるまでの時間、すなわち複数の加熱炉への冷媒流入と加熱による超臨界冷媒形成との切替えサイクル時間が短縮されることから、最小限数量の加熱炉により動力変換機構に超臨界冷媒を略連続的に供給することができ、経済性を向上させるとともに、冷間サイクルと熱間サイクルとの切替え操作が電磁制御により電磁切替弁を介して順次適切に繰返し行われることができるので操作性及び信頼性を向上させる効果がある。

請求項４及び請求項１１の発明によれば、請求項１乃至請求項３、請求項８乃至請求項１０のいずれか１項の発明と同様な効果を有するのに加えて、膨張機の出力軸に発電機が連結され、低熱源やその他広範な熱源を利用して超臨界冷媒の高圧エネルギが電気エネルギに変換されるため、一層汎用性を向上させる効果がある。

請求項５及び請求項１２の発明によれば、請求項１及び請求項８の発明と同様な効果を有するのに加えて、コンデンサが自然空冷方式で電動式ファンを用いないことから、一層低騒音、低コストで、安全性も向上させる効果がある。

請求項６及び請求項１３の発明によれば、請求項１及び請求項８の発明と同様な効果を有するのに加えて、貯留タンクにチェック弁付き冷媒充填流路を設けることにより、貯留タンクへの冷媒の初期充填及び中間補充時の外部への冷媒流出又は内部への空気流入防止等の操作性を向上させる効果がある。

請求項７及び請求項１４の発明によれば、請求項１乃至請求項６、請求項８乃至請求項１３のいずれか１項の発明と同様な効果を有するのに加えて、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）を用いることにより、３０数℃から６０℃程度の工場、一般家庭、温泉あるいは各種車両や航空機などから排出される排熱さらには太陽熱や地熱など幅広い低熱源を利用して低コストで安全性及び汎用性の高い画期的な冷媒循環動力変換方法及びシステムを提供することが可能となる効果がある。

本発明の一実施形態の冷媒循環動力変換システムの概念構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態の冷媒循環動力変換システムの作動状態を概念的に示すモリエル（Ｐ−ｈ）線図である。 本発明の一実施形態の冷媒循環動力変換方法を概念的に示すブロック図である。 従来の熱エネルギ変換装置の概念構成の一例を示すブロック図である。 従来の自然冷媒ヒートポンプシステムの概念構成の一例を示すブロック図である。 従来の工場排熱利用液化ＣＯ_２・ドライアイス・水素の製造・貯蔵・利用システムの概念構成の一例を示すブロック図である。 図６のドライアイス製造装置の概念構成を示すブロック図である。

以下、本発明の冷媒循環動力変換方法及びシステムを最良に実施するための形態の具体例を、添付図面を参照しながら説明する。

本発明の冷媒循環動力変換システムは、従来の一般的なランキンサイクル方式の動力変換システムに用いられる外部動力駆動式の圧縮機あるいはポンプを用いずに、閉ループ内を循環する冷媒が熱源により加熱されて形成される超臨界冷媒の高圧エネルギを動力に変換する画期的な動力変換システムである。

本発明の一実施形態の冷媒循環動力変換システムは、図１に示すように、冷媒として例えば二酸化炭素（ＣＯ_２）が用いられ、低熱源により加熱されて超臨界ＣＯ２が形成される複数（図示では４セット）の加熱炉１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが並列状態で連結される超臨界ＣＯ_２発生部１と、加熱炉１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから高圧状態となって排出される超臨界ＣＯ_２を膨張させる膨張タービン３１を介して超臨界ＣＯ_２の高圧エネルギを回転動力に変換する動力変換機構３と、膨張タービン３１で超臨界ＣＯ_２が膨張して減圧されたＣＯ_２ガスを冷却して液化するコンデンサ４と、コンデンサ４で液化したＣＯ_２を貯留する貯留タンク２と、加熱炉１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、膨張タービン３１、コンデンサ４及び貯留タンク２の各機器間に連結されて閉ループを形成し、前記ＣＯ_２を封入して循環させる流路２１、２２、２３、２４からなる循環流路２０と、を備える。

各加熱炉１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの冷媒（ＣＯ_２）流入流路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ及び超臨界冷媒（ＣＯ_２）排出流路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄには、電磁制御により開閉する流入電磁弁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ（総称して、流入電磁弁１２）及び排出電磁弁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ（総称して、排出電磁弁１３）がそれぞれ設けられている。

ＣＯ_２流入流路２１ａ、２１ｂ、２１ｃは貯留タンク２からの流路２１に、超臨界ＣＯ_２排出流路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは膨張タービン３１への流路２２にそれぞれ並列状に分岐し連結されている。

ここで、加熱炉１ｂ、１ｃ、１ｄは、加熱炉１ａと同様の構成であるため、内部構成を省略して図示されている。

この実施形態の加熱炉１ａは、図１に示すように、熱源として例えば６０℃以上の排温泉水が電磁切替弁１０１を介して供給される加熱媒体供給路１００と冷却媒体として例えば冷却水が電磁切替弁１１１を介して供給される冷却媒体供給路１１０とが連結された加熱及び冷却媒体供給路１０２が、炉体１１の例えば外周面に螺旋状に回巻されて加熱及び冷却媒体が外部に排出される排水路１０３に連通されている。

また、炉体１１には内部の圧力及び温度を監視する圧力計Ｐ１、温度計Ｔ１が設けられ、加熱媒体供給路１００、冷却媒体供給路１１０及び排水路１０３には温度を監視する温度計Ｔがそれぞれ設けられている。

さらに、炉体１１と排出電磁弁１３ａとの間の超臨界ＣＯ_２排出流路２２ａから分岐して設けられた流路１４は、炉体１１内圧力が所定値を超える高圧になった場合に過大圧を防止するための安全弁１４ａが設けられており、過大圧のＣＯ_２が安全弁１４ａから外気に放出されるように開放されている。

この実施形態の動力変換機構３は、膨張機である膨張タービン３１、膨張タービン３１の出力軸に電力周波数に一致させるための増速機又は減速機などの変速機３２を介して例えばＡＣ３相誘導式などの発電機３３からなり、加熱炉１ａ等からの例えば９５ｋｇ／ｃｍ^２程度の超臨界ＣＯ_２を断熱膨張させその高圧エネルギを回転エネルギに変換して回転出力を生成することにより定格出力例えば１０ＫＷの電力に変換する。発電機３３の回転軸には回転計Ｒを備える。ここで、超臨界ＣＯ_２は、臨界点（臨界温度は３１．１℃、臨界圧力は７．３８ＭＰａ＝７５．３ｋｇ／ｃｍ^２）以上に加熱されたガス状であるが、充分に加熱され高圧化された超臨界ＣＯ_２とすることが望ましい。

膨張タービン３１は、例えばラジアルタービン、その他のブレード回転型タービンあるいはガスエンジンのようなピストンが往復動するレシプロ型タービンなど公知の各種形態の小型タービンを適用することができる。膨張タービン３１のケーシングには、圧力計Ｐが適宜設けられる。

この実施形態のコンデンサ４は、例えばファンレスのプレートフィン型構造であり、高圧の超臨界ＣＯ_２が膨張タービン３１により断熱膨張され減圧されて排出されたＣＯ_２ガスが外気の自然対流及び放熱による自然空冷により冷却されて液化する。

貯留タンク２は、コンデンサ４で液化されたＣＯ_２を貯留する容器で、チェック弁５を介してＣＯ_２を初期充填及び中間補充するＣＯ_２充填流路２５、圧力計Ｐ４及び温度計Ｔ４が設けられている。

貯留タンク２と加熱炉１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとの間の流路２１には圧力計Ｐ４ａ、温度計Ｔ４ａ、加熱炉１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと膨張タービン３１との間の流路２２には圧力計Ｐ１ａ、温度計Ｔ１ａ、膨張タービン３１とコンデンサ４との間の流路２３には圧力計Ｐ２、温度計Ｔ２、コンデンサ４と貯留タンク２との間の流路２４には圧力計Ｐ３、温度計Ｔ３がそれぞれ設けられている。

なお、流路２１から分岐して設けられた流路２６及び２７はそれぞれ加熱炉１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ及び貯留タンク２からのドレン抜き用で、初期準備段階における前記閉ループ内真空置換のためのエア抜き用としてもよい。

以上のように構成された本発明の一実施形態の冷媒循環動力変換システムの作動及び冷媒循環動力変換方法について、図１、２及び３を参照し以下に説明する。

先ず、電磁切替弁１０１が閉で排温泉水が遮断され、排出電磁弁１３ａ及び流入電磁弁１２ａが閉の状態で電磁切替弁１１１が開き冷却水が加熱炉１ａの内部を冷却し（冷間サイクル段階）、加熱炉１ａ内のＣＯ_２が図２のＡ点（Ｔ１≒２５℃、Ｐ１≒６．６ＭＰａ近辺）相当に冷却されると、流入電磁弁１２ａが開き貯留タンク２からの例えばＴ４ａ≒２５℃、Ｐ４ａ≒６．６ＭＰａ近辺の液体ＣＯ_２（図２のＡ点）を加熱炉１ａ内に所定量流入させて流入電磁弁１２ａを閉じ液体ＣＯ_２を封入するとともに及び電磁切替弁１１１を閉じ冷却水を遮断する。これと同時に、電磁切替弁１０１を開き例えば６０℃の排温泉水により加熱炉１ａ内の液体ＣＯ_２（図２のＡ点）を加熱し（熱間サイクル段階）、図２のＡ点から臨界点Ｂを経てＣ点の超臨界ＣＯ_２を形成する（超臨界冷媒発生段階Ｓ１）。

ここで、Ａ点の液体ＣＯ_２（Ｔ１≒Ｔ４ａ≒２５℃、Ｐ１≒Ｐ４ａ≒６．６ＭＰａ近辺）は、Ｂ点の臨界点（３１．１℃、７．３８ＭＰａ）を経て、Ｃ点の超臨界ＣＯ_２（Ｐ１≒６０℃、Ｔ１≒９．５ＭＰａ近辺）まで加熱及び高圧化される。

加熱炉１ａ内のＣＯ_２がＣ点の超臨界ＣＯ_２ガス状態まで加熱された時点で、排出電磁弁１３ａを開き加熱炉１ａから排出された例えばＰ１ａ≒９．５ＭＰａの高圧状態の超臨界ＣＯ_２ガスが膨張タービン３１に供給されて断熱膨張され（図２のＣ点→Ｄ点）、その高圧エネルギが回転エネルギに変換されて回転出力が生成され（回転動力変換段階Ｓ２）、発電機３３を介して出力例えば１０ＫＷの電力に変換される。

このＤ点では、例えばＰ２≒６．６ＭＰａまで減圧され、Ｔ２≒２５℃近辺のＣＯ_２ガス状態となる。

膨張タービン３１から排出されたＤ点のＣＯ_２ガスは、コンデンサ４に流入し、例えば自然空冷によりＡ点まで冷却されて液化する（冷媒液化段階Ｓ３）。このＡ点では、例えばＰ３≒６．６ＭＰａ、Ｔ３≒２５℃近辺の液体ＣＯ_２状態となる。

コンデンサ４で冷却され液化されたＣＯ_２は、貯留タンク２内に流入し貯留される（冷媒貯留段階Ｓ４）。

上記したように、ＣＯ_２は、加熱炉１ａ、膨張タービン３１、コンデンサ４及び貯留タンク２の各機器間に連結した循環流路２１、２２、２３、２４により形成した閉ループ内に封入されて循環される（冷媒循環段階Ｓ０）。

この場合、コンデンサ４出口、貯留タンク２内及び冷間サイクル時の加熱炉１ａ内の液体ＣＯ_２はいずれもＡ点すなわち略同一圧力Ｐ３≒Ｐ４ａ≒Ｐ１≒６．６ＭＰａ近辺の状態にあるので、循環をスムースに行わせるよう、加熱炉１ａ等の超臨界ＣＯ_２発生部１より貯留タンク２を高く、さらに貯留タンク２よりコンデンサ４を高い位置に配置することが望ましい。これら機器間の重力による落差を利用してコンデンサ４→貯留タンク２→加熱炉１ａ等の超臨界冷媒発生部１への液体ＣＯ_２の流動を順調に行わせることができる。

ところで、前記加熱炉１ａ内の超臨界ＣＯ_２が排出し終わる時点で、加熱炉１ａ内圧力Ｐ１が低下し始めるのを感知して、電磁切替弁１０１、排出電磁弁１３ａ及び流入電磁弁１２ａを閉じて排温泉水の供給を遮断すると同時に、電磁切替弁１１１を開き冷却水を供給して加熱炉１ａの内部を冷却する。すなわち、前記冷間サイクル、熱間サイクルを経て超臨界冷媒発生段階Ｓ１を再度繰り返す。

一方、他の複数の加熱炉１ｂ、１ｃ、１ｄ等も前記加熱炉１ａと全く同様に、冷間サイクル、熱間サイクルを経て超臨界冷媒発生段階Ｓ１を行うよう、電磁制御により各電磁切替弁１０１、１１１、排出電磁弁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ等及び流入電磁弁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ等の順次切替え操作を繰返し行うことにより、膨張タービン３１に超臨界ＣＯ_２が略連続的に供給される。

上記したように、この実施形態によれば、工場、一般家庭、温泉あるいは各種車両や航空機などから排出される排熱さらには太陽熱や地熱などの低熱源やその他広範な熱源を利用して、超臨界ＣＯ_２発生部１における各加熱炉１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ等の、内部が冷却されてＣＯ_２が所定量流入される冷間サイクルと、内封されたＣＯ_２が加熱されて超臨界ＣＯ_２が形成され排出される熱間サイクルとの順次切替え操作が繰返し行われることにより、膨張タービン３１に超臨界ＣＯ_２が略連続的に供給されることから、従来の電動式の圧縮機あるいはポンプを用いた一般的なランキンサイクル方式による冷媒循環動力変換方法に対して、電動式の圧縮機やポンプを用いずに閉ループ内を循環するＣＯ_２が熱源により加熱されて形成される超臨界ＣＯ_２の高圧エネルギを動力に変換することができるため、騒音を最小限に止め、低コストで安全性及び汎用性の高い画期的な冷媒循環動力変換方法及びシステムを実現することができる。

以上に記した実施形態の他に、各部材の構成は任意に変更することができる。例えば、加熱炉１ａ等は、図示しないが、加熱及び冷却媒体供給路１０２が炉体１１内に例えば螺旋状に回巻されたフィン付き管状体に連結された構成とすることもできる。また、この場合の管状体として、平滑管に螺旋状の溝を設け、内外面に波形のスパイラル構造を有する高性能伝熱管であるコルゲート管を採用することが望ましい。

また、比較的小容量の膨張タービン３１としては、例えば、効率、構造、サイズ、トルク変動など基本性能面で優れるスクロール型タービンとすることもできる。スクロール型タービンは、いずれも図示しない渦巻型の固定スクロールと、固定スクロールと同形状の可動スクロールにより構成される。可動スクロールが同じ姿勢を保ちながら公転するため、両スクロールで仕切られる空間の容積が変化し、作動流体の吸入、膨張、吐出を行う。

また、コンデンサ４としては、例えば、コルゲート高性能伝熱管を使用し、作動流体分配性及び耐圧性がよく、かつ市場実績の有る多管式熱交換器構造とすることもできる。この実施形態の冷媒循環動力変換システム全体が例えば６．６ＭＰａ近辺以上の比較的高圧の状態にあるので、むしろ、コンデンサ４は前記プレートフィン型構造よりも多管式熱交換器構造の方が耐圧性、安全性の面で優れているといえる。

また、排温泉水及び冷却水用の各電磁切替弁１０１及び１１１に換えて、加熱媒体供給路１００と冷却媒体供給路１１０との交叉する連結部１０２ａに図示しない３方向切替え電磁弁を設けてもよい。

さらに、変速機３２を省いて発電機３３を膨張タービン３１の出力軸に直結する構成とすることもできる。この場合、発電機３３は膨張タービン３１により駆動されて交流電力を発電するが、この交流電力は、発電機３３の回転子回転数により様々な周波数となり、そのままでは一般用電源として用いることが困難であることから、発電機３３の出力端に図示しないインバータが接続される。このインバータにより、発電機３３で発電された交流電力が６０Ｈｚ若しくは５０Ｈｚの良質な商用周波数電力に変換される。

本発明は、工場、一般家庭、温泉あるいは各種車両や航空機などから排出される排熱さらには太陽熱や地熱などの低熱源やその他広範な熱源を利用して、超臨界冷媒発生部における複数の各加熱炉の、内部が冷却されてＣＯ_２などの冷媒が所定量流入される冷間サイクルと、内封された冷媒が加熱されて超臨界冷媒が形成され排出される熱間サイクルとの順次切替え操作が繰返し行われることにより、膨張機に超臨界冷媒が略連続的に供給されることから、従来の電動式の圧縮機あるいはポンプを用いた一般的なランキンサイクル方式による冷媒循環動力変換方法に対して、電動式の圧縮機やポンプを用いずに閉ループ内を循環する冷媒が熱源により加熱されて形成される超臨界冷媒の高圧エネルギを動力に変換することができるため、騒音を最小限に止め、低コストで安全性の高い画期的な冷媒循環動力変換方法及びシステムとして各種熱源を伴う各種産業分野や一般家庭などに広く汎用的に適用することができる。

１ 超臨界冷媒（ＣＯ_２）発生部
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 加熱炉
２ 貯留タンク
３ 動力変換機構
４ コンデンサ
５ チェック弁
１１ 炉体
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 流入電磁弁
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ 排出電磁弁
１４、２１、２２、２３、２４、２６、２７ 流路
１４ａ 安全弁
２０ 循環流路
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 冷媒（ＣＯ_２）流入流路
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 超臨界冷媒（ＣＯ_２）排出流路
２５ 冷媒（ＣＯ_２）充填流路
３１ 膨張機（膨張タービン）
３２ 変速機
３３ 発電機
１００ 加熱媒体供給路
１０１、１１１ 電磁切替弁
１０２ 加熱及び冷却媒体供給路
１０２ａ 連結部
１０３ 排水路
１１０ 冷却媒体供給路
Ｐ、Ｐ１、Ｐ１ａ、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ４ａ 圧力又は圧力計
Ｓ０ 冷媒循環段階
Ｓ１ 超臨界冷媒発生段階
Ｓ２ 回転動力変換段階
Ｓ３ 冷媒液化段階
Ｓ４ 冷媒貯留段階
Ｔ、Ｔ１、Ｔ１ａ、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ４ａ 温度又は温度計

Claims (14)

1. 外部動力を用いずに閉ループ内を循環する冷媒が熱源により加熱されて形成される超臨界冷媒の高圧エネルギを動力に変換する冷媒循環動力変換システムであって、
   前記冷媒が熱源により加熱されて超臨界冷媒が排出される複数の加熱炉が並列状に連結された超臨界冷媒発生部と、
   前記加熱炉からの高圧状態の超臨界冷媒を膨張させる膨張機を介して前記超臨界冷媒の高圧エネルギを回転動力に変換する動力変換機構と、
   前記膨張機で超臨界冷媒が膨張して気化した冷媒ガスを冷却して液化するコンデンサと、
   該コンデンサで液化した冷媒を貯留する貯留タンクと、
   前記加熱炉、膨張機、コンデンサ及び貯留タンクの各機器間に連結されて閉ループを形成し、前記冷媒を封入して循環させる循環流路と、を備え、
   前記超臨界冷媒発生部において、各加熱炉の、内部が冷却されて冷媒が所定量流入される冷間サイクルと、前記内封された冷媒が加熱されて超臨界冷媒が形成され排出される熱間サイクルとの順次切替え操作が繰返し行われることにより、前記膨張機に超臨界冷媒が略連続的に供給されることを特徴とする冷媒循環動力変換システム。
2. 前記各加熱炉は、冷媒流入側及び超臨界冷媒排出側の循環流路にそれぞれ電磁制御により開閉する流入電磁弁及び排出電磁弁が設けられ、
   前記冷間サイクル時に、先ず排出電磁弁が閉、流入電磁弁が開の状態で内部に冷媒が所定量流入された後に流入電磁弁が閉となり、
   前記熱間サイクル時に、前記内封された冷媒が加熱されて超臨界冷媒が形成された時点で排出電磁弁が開となって超臨界冷媒が排出し終える時点で排出電磁弁が閉となり、
   前記膨張機に超臨界冷媒が略連続的に供給されるように順次電磁制御により前記各流入電磁弁及び排出電磁弁の切替え操作が繰返し行われることを特徴とする請求項１記載の冷媒循環動力変換システム。
3. 前記各加熱炉には、熱間サイクル時の加熱用熱源と冷間サイクル時の冷却用冷却媒体とを交互に切替えて供給する電磁切替弁を備えた加熱及び冷却媒体供給路が設けられ、
   前記熱間サイクル終了時点で加熱炉への熱源を遮断すると同時に前記冷間サイクル時に冷却媒体が供給され、冷却された加熱炉内に冷媒が所定量流入された時点で冷却媒体を遮断すると同時に再度前記熱間サイクルに切り替えられるように順次電磁制御により前記各電磁切替弁の切替え操作が繰返し行われることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷媒循環動力変換システム。
4. 前記膨張機の出力軸に発電機が連結されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の冷媒循環動力変換システム。
5. 前記コンデンサは、前記冷媒ガスをファンレスの自然空冷により冷却して液化することを特徴とする請求項１記載の冷媒循環動力変換システム。
6. 前記貯留タンクには、チェック弁を介して前記冷媒を初期充填及び中間補充する冷媒充填流路が設けられていることを特徴とする請求項１記載の冷媒循環動力変換システム。
7. 前記冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ_２）であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の冷媒循環動力変換システム。
8. 外部動力を用いずに閉ループ内を循環する冷媒を熱源により加熱して形成した超臨界冷媒の高圧エネルギを動力に変換する冷媒循環動力変換方法であって、
   並列状に連結して超臨界冷媒発生部を構成する複数の加熱炉内に前記冷媒を封入し、熱源により加熱して超臨界冷媒を形成する超臨界冷媒発生段階と、
   前記加熱炉から高圧状態となって排出する超臨界冷媒を膨張する膨張機を備えた動力変換機構により前記超臨界冷媒の高圧エネルギを回転動力に変換する回転動力変換段階と、
   前記膨張機で超臨界冷媒を膨張して気化した冷媒ガスをコンデンサにより冷却して液化する冷媒液化段階と、
   前記コンデンサで液化した冷媒を貯留タンクに貯留する冷媒貯留段階と、
   前記加熱炉、膨張機、コンデンサ及び貯留タンクの各機器間に連結した循環流路により形成した閉ループ内に前記冷媒を封入して循環させる冷媒循環段階と、を有し、
   前記超臨界冷媒発生部において、各加熱炉の、内部を冷却して冷媒を所定量流入する冷間サイクルと、前記内封した冷媒を加熱して超臨界冷媒を形成し排出する熱間サイクルとの順次切替え操作を繰返し行うことにより、前記膨張機に超臨界冷媒を略連続的に供給することを特徴とする冷媒循環動力変換方法。
9. 前記各加熱炉は、冷媒流入側及び超臨界冷媒排出側の循環流路にそれぞれ電磁制御により開閉する流入電磁弁及び排出電磁弁を設け、
   前記冷間サイクル時に、先ず排出電磁弁を閉、流入電磁弁を開の状態で内部に冷媒を所定量流入した後に流入電磁弁を閉とし、
   前記熱間サイクル時に、前記内封された冷媒を加熱して超臨界冷媒を形成した時点で排出電磁弁を開として超臨界冷媒を排出し終える時点で排出電磁弁を閉とし、
   前記膨張機に超臨界冷媒を略連続的に供給するように順次電磁制御により前記各流入電磁弁及び排出電磁弁の切替え操作を繰返し行うことを特徴とする請求項８記載の冷媒循環動力変換方法。
10. 前記各加熱炉には、熱間サイクル時の加熱用熱源と冷間サイクル時の冷却用冷却媒体とを交互に切替えて供給する電磁切替弁を備えた加熱及び冷却媒体供給路を設け、
    前記熱間サイクル終了時点で加熱炉への熱源を遮断すると同時に、前記冷間サイクル時に冷却媒体を供給して冷却した加熱炉内に冷媒を所定量流入した時点で冷却媒体を遮断すると同時に、再度前記熱間サイクルに切り替えるように順次電磁制御により前記各電磁切替弁の切替え操作を繰返し行うことを特徴とする請求項８又は請求項９記載の冷媒循環動力変換方法。
11. 前記膨張機の出力軸に発電機を連結したことを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか１項記載の冷媒循環動力変換方法。
12. 前記コンデンサで、前記冷媒ガスをファンレスの自然空冷により冷却して液化することを特徴とする請求項８記載の冷媒循環動力変換方法。
13. 前記貯留タンクに、チェック弁を介して冷媒を初期充填及び中間補充する冷媒充填流路を設けることを特徴とする請求項８記載の冷媒循環動力変換方法。
14. 前記冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いることを特徴とする請求項８乃至請求項１３のいずれか１項記載の冷媒循環動力変換方法。

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