JP2013113235A - 冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】外気などのシステム外からの熱を効率よく汲み上げて昇温した熱エネルギを用いて効率よく発電できる発電システムを提供する。
【解決手段】気体の作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器３１の作動媒体流路を流れる作動媒体がヒートポンプにより加熱され、加熱された作動媒体のエネルギが膨張タービン６０に与える動力によって発電を行い、膨張タービンから排出される低温低圧の作動媒体の圧力を上昇させて送出して循環させる循環手段には、低温低圧の作動媒体を収容する圧力容器３４、３５と、圧力容器に収容された低温低圧の作動媒体を圧縮された冷媒により加熱する加熱部とを備え、加熱部において低温低圧の作動媒体の圧力が上昇して、圧力容器の出口から送出される。
【選択図】図１

Description

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気体の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膨張タービンと前記膨張タービンの排出口から排出される前記作動媒体を循環させる循環手段と前記タービンの動力により発電する発電機を備え、前記循環手段には、前記排出口から排出される前記低温低圧の作動媒体を収容する圧力容器と、この圧力容器に収容された前記低温低圧の作動媒体を、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒により加熱する加熱部とを備え、前記加熱部において圧力が上昇した作動媒体が前記導入口に向けて前記圧力容器の出口から送出される、冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクルに関する。

従来から、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タービンに動力を与え、この動力によって発電を行い、タービンから排出され復水器によって液化された作動媒体をポンプによって循環する発電システムが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００９−２２１２３号公報

特許文献１ではエネルギの利用効率の向上が図れるものであるが、以下の課題がある。
特許文献１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おり、タービンから排出された気体は復水器によって液体に戻した後に液体返送ポンプによって循環させている。すなわち、特許文献１に示されている技術は、ヒートポンプを熱源とするランキンサイクルを用いた発電システムである。

しかし、特許文献１ではヒートポンプを熱源としており、加熱温度があまり高くするとＣＯＰが低下しシステム効率が低下するので加熱温度があまり高く出来ないため、加熱源から得られた熱エネルギを動力に変換して発電するランキンサイクルにおけるエネルギ回収効率が高く出来ない。

つまり、ヒートポンプによる加熱温度が高いとＣＯＰが低下するため、ある程度のＣＯＰを確保しながらヒートポンプによって加熱するためにはヒートポンプによる加熱温度はあまり高くできないのであり、加熱温度を高く設定した場合にも他の冷媒を用いる場合に比べて比較的高いＣＯＰが得られるＣＯ２（二酸化炭素）を冷媒とするヒートポンプの場合であっても、ＣＯＰを３〜４程度とするためには、加熱温度は９０℃程度に制限しなければならない。

一方、ランキンサイクルでは、加熱過程（図４に示すランキンサイクルにおけるＰ−ｈ線図における点４から点１）において、液体を気体へと相変化させるためにはエネルギを要し、タービンにおける動力回収過程（図４の点１から点２）においては、ほぼ気体の状態でのエンタルピー減少分（図４の点１と点２のエンタルピー差）に相当する動力エネルギしか回収できないため、ランキンサイクルにおいて加熱源から得られた熱エネルギを動力に変換して発電するエネルギ回収効率を高くするためには、タービンに入る気体のエンタルピーをできるだけ高くしておき、液体を気体へ相変化させたときのエンタルピーの上昇値に対する、気体へ相変化した後のタービンに入るまでのエンタルピーの上昇値の比率が高くなるように、気体へ相変化した後にもさらに加熱して高温の過熱蒸気とする必要があるが、上述のように、ヒートポンプを熱源とした場合には、ヒートポンプのＣＯＰの低下を回避するために加熱温度は９０℃程度に制限しなければならず、ランキンサイクルにおけるエネルギ回収効率が高く出来ないため、ヒートポンプを熱源とするランキンサイクルを用いた発電システムのシステム効率は低くなってしまう。

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、ランキンサイクルにおけるエネルギの回収効率の低さを解消し、ヒートポンプのような冷媒サイクルを熱源とした場合にも高いシステム効率が得られるエネルギ回収システムである、非ランキンサイクルを提供する点にある。

本発明の第１特徴構成は、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て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流れ出る前記冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された前記冷媒により気体の作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器と、前記作動媒体を加熱した後に前記作動媒体熱交換器から流れ出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膨張タービンを備え、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り加熱され、加熱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た後に、圧力と温度が低下して、低温低圧の作動媒体として前記排出口から排出されることで、前記作動媒体の持つエネルギによって前記膨張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低温低圧の作動媒体の圧力を上昇させて前記導入口に向けて送出して循環させる循環手段を備え、前記循環手段は、前記排出口から排出される前記低温低圧の作動媒体を収容する圧力容器と、この圧力容器の入口から流入してこの圧力容器に収容された前記低温低圧の作動媒体を、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒により加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部において前記低温低圧の作動媒体の圧力が上昇して、この圧力が上昇した作動媒体が前記導入口に向けて前記圧力容器の出口から送出されるものである点を特徴とする。

上記第１特徴構成によれば、ＣＯ２（二酸化炭素）などを冷媒とする冷媒サイクルによるヒートポンプを熱源として発電サイクルを構成した場合にも、この発電サイクルにおけるエネルギ回収効率が高くでき、効率のよい発電システムを構成することができるようになる。

つまり、ＣＯ２（二酸化炭素）などを冷媒とする冷媒サイクルによるヒートポンプにより外気などシステム外の熱を汲み上げ昇温したものを熱源とする場合、ヒートポンプのＣＯＰは、外気などの温度をｔ１、ヒートポンプによる加熱温度をｔ２としたとき、ｔ２−ｔ１が小さいほどＣＯＰは大きく、ｔ２−ｔ１が大きいほどとＣＯＰは低下するため、上記熱源の温度を低くすることでＣＯＰが高くでき（図３に、冷媒をＣＯ２（二酸化炭素）としたときの、ｔ２−ｔ１とＣＯＰの関係の一例を示す。）、また、本発明における”非ランキンサイクル”は、一般に発電サイクルとして多く用いられているランキンサイクルのように膨張タービンから排出される作動媒体を復水器で凝縮して液体に戻す構成としておらず、図４を用いて説明すると、図４における点３および点４の状態を経る構成としていないので、ランキンサイクルでは図４における点２から点３の状態に移行する過程で減少する、エンタルピーの低下分を補う必要がないから、膨張タービンにおいて動力を得ることで減少した、作動媒体のエンタルピーの減少分を作動媒体熱交換器において加熱によって補えばよいため、作動媒体熱交換器における加熱温度は気体の作動媒体を昇温できる程度で十分であって、作動媒体蒸気の飽和温度より少し高い程度であれば良いことになり、結局、冷媒サイクルによるヒートポンプのＣＯＰが高い状態で熱源と用いることができ、すなわち、”非ランキンサイクル”による発電サイクルにおいては、ランキンサイクルのようにポンプによる昇圧後の加熱によって作動媒体を気化させて、復水器で低下したエンタルピーの減少分を上昇させることに伴うロスがないから、発電サイクルにおけるエネルギ回収効率も高くできる。

要するに、本発明の第１特徴構成によれば外気などのシステム外からの熱を効率よく汲み上げて昇温した熱エネルギを用いて効率よく発電できる発電システムが構築できる。

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、前記作動媒体熱交換器の一部または全部が前記加熱部を構成する点を特徴とする。

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、記作動媒体熱交換器の一部または全部と加熱部を共用することができるから、低コストで省スペースな発電システムが構築できる。

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、前記作動媒体の流入を許容し前記作動媒体の流出を牽制する逆止弁を前記圧力容器の入口に具備し、前記作動媒体の流出を許容し前記作動媒体の流入を牽制する逆止弁を前記圧力容器の出口に具備する逆止弁付圧力容器を複数並列に接続したものを前記循環手段とし、これら複数並列に接続した逆止弁付圧力容器における各々の加熱部による加熱を時間の経過と共に切り替えて行い、これら複数並列に接続した逆止弁付圧力容器における圧力が最も高い圧力容器の出口から前記圧力が上昇した作動媒体が送出され、これら複数並列に接続した逆止弁付圧力容器における圧力が最も低い圧力容器の入口から前記低温低圧の作動媒体が収容される点を特徴とする。

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、前記圧力容器とこの圧力容器の入口および出口に備える逆止弁とによる簡単な構成と、複数並列に接続したこれらの逆止弁付圧力容器における各々の加熱部による加熱を時間の経過と共に切り替えて行うこと、とによる簡単な構成で、前記循環手段を構成することができる。

本発明の第４特徴構成は、上記した第１特長構成から第３特徴構成のいずれかに加えて、前記低温低圧の作動媒体を収容するときに、前記圧力容器が前記回収経路を流れる前記冷媒によって冷却される点を特徴とする。

本発明の第４特徴構成によれば、上記の第１特長構成から第３特徴構成のいずれかによる効果に加えて、前記圧力容器の温度を下げることによってこの圧力容器内の圧力を低下させることができるから、前記排出口から排出される低温低圧の作動媒体を前記圧力に確実に収容することができ、当該非ランキンサイクルの、より一層安定した稼動が可能となる。

上述のように、本発明の第１特徴構成によれば外気などのシステム外からの熱を効率よく汲み上げて昇温した熱エネルギを用いて効率よく発電できる発電システムが構築できる。
また、本発明の第２特徴構成によれば、記作動媒体熱交換器の一部または全部と加熱部を共用することができ、低コストで省スペースな発電システムが構築できる。
また、本発明の第３特徴構成によれば、簡単な構成で、前記循環手段を構成することができる。
また、本発明の第４特徴構成によれば、当該非ランキンサイクルの、より一層安定した稼動が可能となる。

第１実施形態における構成を示す図 別の実施形態における構成を示す図 ヒートポンプのＣＯＰを示す図 従来のランキンサイクルの圧力Ｐとエンタルピーｈの関係を示す図 本発明による非ランキンサイクルの圧力Ｐとエンタルピーｈの関係を示す図

以下、図面に基づいて、本発明の一例である実施形態を説明する。 なお、以下に説明する実施形態においては、冷媒としてＣＯ２（二酸化炭素）を、作動媒体としてｎ−ブタン（ノルマルブタン）を用いているが、冷媒または作動媒体として他の物質を用いてもよく適宜変更可能である。

〔第１実施形態〕
第１実施形態においては、図１に示すシステムにおいて、
ＨＰ１）低温・低圧の冷媒（本実施例ではＣＯ２）が、外気熱交換器１０で外気Ａから熱を吸収して低温・低圧の気体になる。

ＨＰ２）低温・低圧の気体の冷媒が圧縮機２０で断熱圧縮され高温・高圧の超臨界状態になる。（高温冷媒の流れＲＨ参照。）

ＨＰ３）超臨界状態の冷媒の熱エネルギが作動媒体熱交換器３１、３２のいずれかで気体の作動媒体（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、冷媒の温度が低下する。

ＨＰ４）膨張弁４０で冷媒が減圧し、低温・低圧）になり、外気熱交換器の冷媒加熱流路の入口に回収される。（膨張弁を通過する冷媒の流れＲＡ、低温冷媒の流れＲＣ、戻り冷媒の流れＲＲ、戻りバイパス冷媒の流れＲＢ参照。）

上記ＨＰ１）〜ＨＰ４）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ＨＰ１）〜ＨＰ４）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

図１に示す第１実施形態においては、作動媒体熱交換器３１を兼ねる圧力容器３４、および、作動媒体熱交換器３２を兼ねる圧力容器３５を備えている。そして、図示しない制御部ＣＯＮＴによって高温冷媒通流制御弁Ｖ１、Ｖ３の開閉が制御されて、作動媒体熱交換器３１（圧力容器３４）および作動媒体熱交換器３２（圧力容器３５）のうちの一方が加熱部Ｈ１とＨ２のうちの一方を流れる、高温の冷媒（高温冷媒の流れＲＨ参照）による加熱状態にある時、作動媒体熱交換器３１（圧力容器３４）および作動媒体熱交換器３２（圧力容器３５）のうちの他方は加熱部Ｈ１とＨ２のうちの他方には高温の冷媒が供給されず加熱されない。

これによって、作動媒体熱交換器３１（圧力容器３４）および作動媒体熱交換器３２（圧力容器３５）のうちの一方が動媒体熱交換器３１（圧力容器３４）および作動媒体熱交換器３２（圧力容器３５）に備える加熱部Ｈ１のＨ２のうちの一方を流れる高温の冷媒によって作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器３１、３２として作用し、作動媒体熱交換器３１（圧力容器３４）および作動媒体熱交換器３２（圧力容器３５）のうちの他方が膨張タービン６０から排出される作動媒体を収容する圧力容器３４、３５として作用する。

つまり、図示しない制御部ＣＯＮＴによって、高温冷媒通流制御弁Ｖ１が開弁されて高温冷媒通流制御弁Ｖ３が閉弁された時には、作動媒体熱交換器３１によって作動媒体が加熱されて、圧力容器の入り口Ｉ２を経由して圧力容器３５に作動媒体が収容され、高温冷媒通流制御弁Ｖ３が開弁されて高温冷媒通流制御弁Ｖ１が閉弁された時には、作動媒体熱交換器３２によって作動媒体が加熱されて、圧力容器の入り口Ｉ１を経由して圧力容器３４に作動媒体が収容される。

そして、圧力容器３４または圧力容器３５が膨張タービン６０から排出される作動媒体を収容するとき、膨張タービン６０から排出される作動媒体は乾き度が１未満の湿り蒸気であり、作動媒体を収容する圧力容器３４、圧力容器３５には湿り蒸気の作動媒体が満たされることになる。

そして、作動媒体熱交換器３１および作動媒体熱交換器３２のうちの一方が加熱部Ｈ１、Ｈ２を流れる高温の冷媒によって作動媒体を加熱する時には、湿り蒸気である作動媒体中の液滴が高温の冷媒による加熱によって気化された後さらに高温の冷媒による加熱によって過熱蒸気となり、作動媒体熱交換器３１（圧力容器３４）および作動媒体熱交換器３２（圧力容器３５）のうちの一方の内圧が上昇して過熱蒸気となった作動媒体が排出される。

作動媒体熱交換器３１（圧力容器３４）または作動媒体熱交換器３２（圧力容器３５）のうちの上記一方の圧力容器３４、３５の中の圧力が上昇して過熱蒸気となった作動媒体が排出されるとき、圧力容器３４、３５の入口Ｉ１、Ｉ２には夫々、作動媒体の流入を許容し作動媒体の流出を防止する逆止弁ＣＨを備えており、圧力容器３４、３５の出口Ｏ１、Ｏ２には夫々、作動媒体の流出を許容し作動媒体の流入を防止する逆止弁ＣＨを備えているから、高温の冷媒による加熱によって過熱蒸気となった作動媒体は、膨張タービン６０の排出口に向かって逆流することなく、膨張タービン６０の導入口（入口）に向けて送出される。

圧力容器３４、３５に備える冷却部Ｃ１、Ｃ２には膨張弁４０を通過して圧力と温度が下がった低温の冷媒を流すことで圧力容器内３４、３５のうちの上記一方とは異なる側である他方の圧力容器３４、３５の温度を下げてこの他方の圧力容器３４、３５の圧力を低下させて、膨張タービン６０の排出口からの作動媒体の収容を円滑に行うようにしてある。

なお、加熱部Ｈ１、Ｈ２への高温の冷媒の通流と遮断は、図示しない制御部ＣＯＮＴによる高温冷媒通流制御弁Ｖ１、Ｖ３の開閉制御によって行われ、冷却部Ｃ１、Ｃ２への低温の冷媒の通流と遮断は、図示しない制御部ＣＯＮＴによる低温冷媒通流制御弁Ｖ２、Ｖ４の開閉制御によって行われる。なお、膨張弁４０の出口と外気熱交換器１０の冷媒加熱流路１１の入口との間には、膨張弁４０の出口から外気熱交換器１０の冷媒加熱流路１１の入口に低温の冷媒をバイパスさせるバイパスバルブＢｉを備えてあり、図示しない制御部ＣＯＮＴにより低温冷媒通流制御弁Ｖ２、Ｖ４とバイパスバルブＢｉの開度が調節されることで、冷却部Ｃ１、Ｃ２における冷却能力が適宜調節される。

そして、図示しない制御部ＣＯＮＴによって、作動媒体熱交換器３１（圧力容器３４）および作動媒体熱交換器３２（圧力容器３５）のうちの加熱されている側と加熱されていない側を適宜変更制御されることで、作動媒体熱交換器３１または作動媒体熱交換器３２から過熱蒸気となった作動媒体が膨張タービン６０の導入口（入口）に向けて送出されることが継続され、膨張タービン６０の排出口（出口）から圧力容器３４または圧力容器３５への作動媒体の収容が継続される。

つまり、高温冷媒通流制御弁Ｖ１、Ｖ３、および、低温冷媒通流制御弁Ｖ２、Ｖ４、および、バイパスバルブＢｉの、開閉および開度が、図示しない制御部ＣＯＮＴによって調節制御されることで、作動媒体の流入を許容し作動媒体の流出を防止する逆止弁ＣＨを入口に具備し作動媒体の流出を許容し作動媒体の流入を防止する逆止弁ＣＨを出口Ｏ１、Ｏ２に具備する圧力容器３４、３５（動媒体熱交換器３１、３２）が、膨張タービン６０の排出口から排出される作動媒体を膨張タービン６０の導入口（入口）に向けて循環させる、循環手段５０として作用する。

このときに、膨張タービン６０の導入口（入口）や膨張タービン６０の排出口（出口）において作動媒体の圧力変動が伴うが、膨張タービン６０の導入口（入口）や膨張タービン６０の排出口（出口）に上記圧力変動を緩和する圧力緩和容器を具備することで上記圧力変動が低減できる。これは、電気回路における全波整流回路において平滑コンデンサを具備することで出力電圧に含まれるリプルが低減することに似ている。

なお、この循環手段５０によって作動媒体を循環させる循環力は、高温の冷媒が持つ熱エネルギによって与えられるものであり、気体を循環させる循環手段５０を構成する場合に、ＣＯＰが３〜４程度であるヒートポンプのような冷媒サイクルを熱源とすることができ、電力を用いて外気熱や種々の排熱などを高温に汲み上げることで得られる、消費した電力の３〜４倍の熱エネルギによって循環力を与えることができるから、電力で駆動される電動の作動媒体用圧縮機によって作動媒体を循環する場合と比較して、効率のよい循環手段とすることができる。

また、冷却部Ｃ１、Ｃ２における冷却によっても作動媒体が極力液化されないようにすることで、後述する非ランキンサイクルにおける動力変換効率を高効率に維持できるものであり、以下この非ランキンサイクルについて説明を加える。

Ｓ１）作動媒体熱交換器３１、３２（循環手段５０）により高温（本実施例では９０℃）に加熱され圧力が上昇（例えば、絶対圧１．２２７ＭＰａ）した作動媒体（本実施例ではｎ−ブタン）が、膨張タービン６０の導入口（入口）に向けて圧送される。（図５における、３→１。）

Ｓ２）圧力が高圧（例えば、絶対圧１．２２７ＭＰａ）になった作動媒体は、膨張タービン６０（本実施例ではスクロールタービン）の導入口（入口）に圧送され、互いに噛み合った固定スクロール（図示せず）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。

因みに、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り、こ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。

上述のように、膨張タービン６０の導入口（入口）に流入した作動媒体は、出力軸を回転させて膨張して圧力とエンタルピーが減少して、吐出口（排出口）から排出され、この間に回転力として動力回収が行われ、この回収した動力を用いて発電機Ｇによって発電が行われる。（図５における、１→２。）

Ｓ３）上記のように熱エネルギによって膨張タービン６０の出力軸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膨張タービン６０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℃、絶対圧０．３７８ＭＰａ）の気体となる。因みに本実施例では、上述のように膨張タービン６０の導入口（入口）の圧力が膨張タービン６０の出口（排出口）の圧力より０．８５ＭＰａ程度高い状態である。

なお、本実施例では、圧力容器３４、３５に作動媒体を収容するときに、図示しない制御部ＣＯＮＴによって低温冷媒通流制御弁Ｖ２、Ｖ４の開閉制御が行われて、上述のＣＯ２ヒートポンプサイクルにおける膨張弁４０で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒を冷却部Ｃ１または冷却部Ｃ２に通流する。

また、図示しない制御部ＣＯＮＴによって低温冷媒通流制御弁Ｖ２、Ｖ４、および、バイパスバルブＢｉの開度が調節されて、作動媒体を収容するときの圧力容器３４、３５内の温度が膨張タービン６０の出口（排出口）の温度より低い温度（本実施例では２５℃）になる。

そして、作動媒体を収容するときの圧力容器３４、３５内の温度が膨張タービン６０の出口（排出口）の温度より低い温度（本実施例では２５℃）になることで、作動媒体を収容するときの圧力容器３４、３５内の作動媒体が収縮することでその圧力が膨張タービン６０の出口（排出口）の圧力より低い圧力となる状態が安定的に維持されて、作動媒体を収容する圧力容器３４、３５への作動媒体の収容が円滑に行われる。（図５における、２→３。）

なお、本実施例では、作動媒体を収容する圧力容器３４、３５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４０で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒が用いられており、図５における、２→３の過程で作動媒体のエネルギは減少するものの、この減少した作動媒体のエネルギは上述のＣＯ２ヒートポンプサイクルにおいて冷媒によって回収されることになり、冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクルにより構成される発電システムの効率を高く維持することに有効である。

説明を加えると、上述したように、膨張タービン６０から排出される作動媒体は乾き度が１未満の湿り蒸気であるから、図５における点２および点３は厳密には気液混合状態の領域に存在することになるが、図５における点２および点３が気液混合状態の領域に存在したときであっても、従来のランキンサイクルを示す図４における点３や点４のように、膨張タービン６０から排出される作動媒体が、エンタルピーより大幅にエンタルピーが減少した液相や液相に近い状態に相変化しないことで、冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクルにより構成される発電システムの効率は高く維持することができる。

ここで、作動媒体を収容する圧力容器３４、３５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４０で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒を用いない構成も可能であるが、この場合、冷媒の配管や圧力容器３４、３５の構成は簡素化できるものの、図５における、２→３の過程で減少した作動媒体のエネルギは上述のＣＯ２ヒートポンプサイクルにおいて冷媒によって回収されない

上記Ｓ１）〜Ｓ３）により作動媒体を用いた非ランキンサイクルを構成する。なお、以下の説明において、上記Ｓ１）〜Ｓ３）の作動媒体を用いた非ランキンサイクルを単に非ランキンサイクルと呼び、上述のＣＯ２ヒートポンプサイクルと非ランキンサイクルと発電機Ｇとを含め総括して、非ランキン発電サイクルと呼ぶことがある。

ここで、非ランキン発電サイクルのエネルギ収支について説明を加える。

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３１、３２によって加熱されて作動媒体熱交換器３１、３２から流れ出る作動媒体の温度ｔ２との関係に関し、実測によって得られた一例を表している。なお、図３では、圧力容器３４、３５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、圧力容器３４、３５で作動媒体を冷却する際に冷媒が作動媒体から得る熱エネルギがゼロとした場合のＣＯＰを表している。

図３は、ｔ２−ｔ１=８３℃以下のときにはＣＯＰが３以上になることを示しており、これは、外気温７℃の場合、作動媒体熱交換器３１、３２から流れ出る作動媒体の温度ｔ２を９０℃以下にすれば、圧力容器３４、３５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。

もちろん、圧力容器３４、３５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、図５における２→３で減少する作動媒体のエネルギ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り、ＣＯＰは４程度となる。

このように、非ランキン発電サイクルを構成した場合、
（ａ）上述のようにＣＯ２ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）が４の場合、圧縮機２０の入力が例えば２ｋＷのとき、
（ｂ）図５の３→１の過程で、作動媒体が得るエネルギ率（仕事率）は２ｋＷ×４＝８ｋＷである。
（ｃ）図５の１→２の過程で、作動媒体の比エントロピーｈが減少することで作動媒体のエネルギ減少分が６ｋＷのとき、
（ｄ）膨張タービン６０として例えばスクロールタービンのような容量式タービンを用いた場合、作動媒体のエネルギ減少分に対する膨張タービン６０の動力回収効率と、発電機Ｇの発電効率と、の積であるエネルギ回収効率として０．６が得られ、この場合、
（ｅ）発電機Ｇにより発電される電力は、６ｋＷ×０．６＝３．６ｋＷとなる。

上述のａ）〜ｅ）は、図５の２→３の過程における、作動媒体のエネルギの減少分を２ｋＷに抑制すれば、圧縮機２０を駆動する電力として２ｋＷを消費して、非ランキン発電サイクルによって３．６ｋＷの電力が得られることを示しており、外気Ａの熱や排熱を汲み上げてその熱によって発電を行う、そして、システム外からのエネルギ供給を必要としない、自立型の外気熱発電システムが非ランキン発電サイクルによって構成可能であることを表している。

〔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、作動媒体熱交換器３１を兼ねる圧力容器３４、および、作動媒体熱交換器３２を兼ねる圧力容器３５を備えており、作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器を２組備える実施形態を示したが、作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器を３組以上備え、各々の圧力容器の入口に、作動媒体の流入を許容し作動媒体の流出を牽制する逆止弁を具備し、また、各々の圧力容器の出口に、作動媒体の流出を許容し作動媒体の流入を牽制する逆止弁を前記圧力容器の出口に具備しておき、これら３組以上の作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器内の加熱と冷却を、高温の冷媒と低温の冷媒の通流を適宜切り替え調節して行い、これら３組以上の作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器のうち作動媒体の圧力が最も高い圧力容器の出口から作動媒体が送出され、これら３組以上の作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器のうち作動媒体の圧力が最も低い圧力容器の入口から作動媒体が収容されるように構成してもよい。

このように構成した場合の一例として、作動媒体熱交換器３１を兼ねる圧力容器３４、および、作動媒体熱交換器３２を兼ねる圧力容器３５、および、作動媒体熱交換器３３を兼ねる圧力容器３６を備え、作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器を３組備える場合の実施形態の一例を図２に示す。

因みに、図２の別実施形態では、作動媒体熱交換器３１を兼ねる圧力容器３４、および、作動媒体熱交換器３２を兼ねる圧力容器３５、および、作動媒体熱交換器３３を兼ねる圧力容器３６を備え、作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器を３組備え、これに伴い、第１実施形態と比較して、高温冷媒通流制御弁Ｖ５、低温冷媒通流制御弁Ｖ６、二組の逆止弁ＣＨが追加されているが、作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器を４組以上備える場合には、高温冷媒通流制御弁、低温冷媒通流制御弁、逆止弁は作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器の組数に応じて適宜追加される。

上述のように作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器を３組以上備えた場合にも、膨張タービン６０の導入口（入口）や膨張タービン６０の排出口（出口）において作動媒体の圧力変動が伴うが、作動媒体熱交換器を兼ねる圧力容器を３組以上の多数備えた場合には、電気回路における多相整流回路において相数が多いときには出力電圧に含まれるリプルが低減することに似て、圧力変動が低減できるものであり、第１実施形態において説明した圧力変動を緩和する圧力緩和容器を備えることなくこの圧力変動を抑制することができる。

［別実施例２］
作動媒体熱交換器３１、作動媒体熱交換器３２または作動媒体熱交換器３３を圧力容器３４、３５、３６の後に圧力容器３４、３５、３６とは別体に設けてもよい。

［別実施例３］
圧力容器の入口Ｉ１、Ｉ２および／または圧力容器の出口Ｏ１、Ｏ２に逆止弁ＣＨを備えず、圧力容器の入口Ｉ１、Ｉ２および／または圧力容器の出口Ｏ１、Ｏ２において作動媒体の断続および通流を制御する逆流防止バルブを設けて、この逆流防止バルブにより作動媒体の断続および通流を切り替えて逆止弁ＣＨの代用としてもよい。

［別実施例４］
圧力容器３４、３５、３６に冷却部Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を備えない構成としてもよい。この場合、空冷や他の手段により圧力容器３４、３５、３６を冷却することで、圧力容器３４、３５、３６への作動媒体の収容を安定して行うことができる。

［別実施例５］
冷媒としてＣＯ２（二酸化炭素）以外の冷媒を用い、また、作動媒体としてｉ−ブタン（イソブタン）、アンモニア、プロパン、フロンなど、ｎ−ブタンとは異なる他の物質を用いてもよく、冷媒および作動媒体はそれぞれＣＯ２（二酸化炭素）およびｎ−ブタンに限定されず適宜変更可能である。

［別実施例６］
上記実施形態においては、作動媒体を収容する圧力容器３４、３５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４０で減圧し低温・低圧の液体となった後、外気熱交換器１０を通過する前の冷媒が用いられているが、作動媒体を収容する圧力容器３４、３５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外気熱交換器１０の冷媒流路を通過した後の低温・低圧の気体状態の冷媒を用いてもよい。
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、膨張弁４０で減圧し低温・低圧の液体となった冷媒が、作動媒体の冷却によって温度上昇する前に、外気熱交換器１０において外気Ａと熱交換できて、冷媒が外気Ａから得るエネルギが多くなり、冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクルにより構成される発電システムの効率を高く維持できるものとなる。

［別実施例７］
上記実施形態では、膨張タービン６０をスクロールタービンとする実施形態を示したが、膨張タービン６０をスクリュータービン、または、ローターが三葉式或いは二葉式のルーツ式流体機械とするなど、適宜変更可能である。

［別実施例８］
排熱発生源Ｈによって作動媒体や冷媒を加熱する補助熱源を備えてもよい。
なお、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、上記ヒートポンプサイクルにおいて、夏場であっても排熱発生源Ｈからの熱エネルギを有効に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。
（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。
（２）ガソリンを燃料とするガソリンエンジンにおける、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。
（３）上記ガスエンジンまたは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。
（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。
（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。

１０ 外気熱交換器
１１ 冷媒加熱流路
２０ 圧縮機
３１、３２、３３ 作動媒体熱交換器
３４、３５、３６ 圧力容器
４０ 膨張弁
５０ 循環手段
６０ 膨張タービン
Ａ 外気
Ｂｉ バイパスバルブ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 冷却部
ＣＨ 逆止弁
ＣＯＮＴ 制御部
Ｇ 発電機
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３ 加熱部
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３ 圧力容器の入口
Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３ 圧力容器の出口
ＲＡ 膨張弁を通過する冷媒の流れ



ＲＢ 戻りバイパス冷媒の流れ



ＲＣ 低温冷媒の流れ



ＲＨ 高温冷媒の流れ



ＲＲ 戻り冷媒の流れ



Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５ 高温冷媒通流制御弁



Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６ 低温冷媒通流制御弁

Claims (4)

1. 
   
   
   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て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流れ出る前記冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機によって圧縮された前記冷媒により気体の作動媒体を加熱する作動媒体熱交換器と、前記作動媒体を加熱した後に前記作動媒体熱交換器から流れ出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膨張タービンを備え、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り加熱され、加熱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た後に、圧力と温度が低下して、低温低圧の作動媒体として前記排出口から排出されることで、前記作動媒体の持つエネルギによって前記膨張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低温低圧の作動媒体の圧力を上昇させて前記導入口に向けて送出して循環させる循環手段を備え、
   
   
   
   前記循環手段は、前記排出口から排出される前記低温低圧の作動媒体を収容する圧力容器と、この圧力容器の入口から流入してこの圧力容器に収容された前記低温低圧の作動媒体を、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒により加熱する加熱部と、を備え、
   
   
   
   前記加熱部において前記低温低圧の作動媒体の圧力が上昇して、この圧力が上昇した作動媒体が前記導入口に向けて前記圧力容器の出口から送出されるものであることを特徴とする、冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクル。
   
   
   
2. 
   
   
   前記作動媒体熱交換器の一部または全部が前記加熱部を構成することを特徴とする請求項１に記載の冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクル。
   
   
   
3. 
   
   
   前記作動媒体の流入を許容し前記作動媒体の流出を牽制する逆止弁を前記圧力容器の入口に具備し、前記作動媒体の流出を許容し前記作動媒体の流入を牽制する逆止弁を前記圧力容器の出口に具備する逆止弁付圧力容器を複数並列に接続したものを前記循環手段とし、これら複数並列に接続した逆止弁付圧力容器における各々の加熱部による加熱を時間の経過と共に切り替えて行い、これら複数並列に接続した逆止弁付圧力容器における圧力が最も高い圧力容器の出口から前記圧力が上昇した作動媒体が送出され、これら複数並列に接続した逆止弁付圧力容器における圧力が最も低い圧力容器の入口から前記低温低圧の作動媒体が収容されることを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載の冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクル。
   
   
   
4. 
   
   
   前記低温低圧の作動媒体を収容するときに、前記圧力容器が前記回収経路を流れる前記冷媒によって冷却されることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の冷媒サイクルを熱源とする非ランキンサイクル。

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