JP2014148910A

JP2014148910A - 発電装置

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Publication number: JP2014148910A
Application number: JP2013017009A
Authority: JP
Inventors: Kan Kushiro; 款久城; Tomokimi Mizuno; 智公水野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP6070224B2

Abstract

【課題】低温排熱を利用する場合であっても、発電出力を維持することができる発電装置を提供する。
【解決手段】本発明の発電装置は、冷媒循環回路１に設置され冷媒を循環させるポンプ２と、外部熱源から供給される液体である第一流体と冷媒とを熱交換させる第一熱交換器３と、冷媒よりも比熱が高く且つ使用温度下で液体であるオイルが流通するオイル循環回路４と、外部熱源から供給され且つ第一流体よりも高温の気体である第二流体とオイル循環回路４を流通するオイルとを熱交換させる第二熱交換器５と、オイル循環回路４を流通するオイルと第一熱交換器３を通った冷媒とを熱交換させる第三熱交換器６と、第三熱交換器６を通って蒸発した冷媒が流入して回転動力を発生させる膨張機７と、発電機８と、凝縮器９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱、特に低温排熱を利用した発電装置に関する。

低温排熱（例えば２００℃以下）を利用する可搬型発電装置として、特開２００９−２０９７０６号公報には、低温排熱と冷媒とを熱交換させる熱交換器と、膨張機と、発電機と、凝縮器と、を備えた発電装置が記載されている。これによれば、冷媒は、熱交換器で蒸気となり、膨張機に流入して発電機を駆動し、凝縮器で凝縮されて環流する。

特開２００９−２０９７０６号公報

しかしながら、上記可搬型発電装置では、単に熱交換器に低温排熱を導入して冷媒を気化させようとしている。低温の排熱を利用しているため、当該構成では、冷媒の蒸発が不十分になるおそれがある。冷媒を確実にさらには均一に蒸発させないと、膨張時のエンタルピーが小さくなり、膨張機における冷媒の仕事率が低下する。冷媒の仕事率が低下すると発電機の発電出力も低下する。つまり、上記可搬型発電装置では、発電出力を維持することが困難である。低温排熱に対しても発電出力を維持できる小型発電装置の開発が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、低温排熱を利用する場合であっても、発電出力を維持することができる発電装置を提供することを目的とする。

本発明の様相１に係る発電装置は、冷媒循環回路と、前記冷媒循環回路に設置され冷媒を循環させるポンプと、外部熱源から供給される液体である第一流体と前記冷媒循環回路を流通する前記冷媒とを熱交換させる第一熱交換器と、前記冷媒よりも比熱が高く且つ使用温度下で液体であるオイル流体が流通するオイル循環回路と、外部熱源から供給され且つ前記第一流体よりも高温の気体である第二流体と前記オイル循環回路を流通する前記オイル流体とを熱交換させる第二熱交換器と、前記オイル循環回路を流通する前記オイル流体と前記第一熱交換器を通った前記冷媒とを熱交換させる第三熱交換器と、前記第三熱交換器を通って蒸発した前記冷媒が流入して回転動力を発生させる膨張機と、前記膨張機で発生した回転動力によって発電する発電機と、前記膨張機から流出した前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、を備える。

本発明の様相２に係る発電装置は、上記様相１において、前記膨張機は、固定スクロールと旋回スクロールを有するスクロール膨張機である。

本発明の様相３に係る発電装置は、上記様相１又は２において、前記第一流体は、エンジンの冷却水であり、前記第二流体は、前記エンジンの排気ガスである。

本発明の様相４に係る発電装置は、上記様相１〜３の何れかにおいて、前記冷媒の流れ方向における前記ポンプの後方で且つ前記膨張機の前方の前記冷媒循環回路に設けられて前記冷媒からオイルを分離するオイルセパレータと、前記ポンプにオイルを供給するオイル供給部と、をさらに備え、前記ポンプは、円筒状空間を形成するケーシングと、前記円筒状空間に回転自在に配設され、内歯を有するアウタロータと、前記内歯と係合する外歯を有し、前記アウタロータ内に回転自在に配設されると共に前記アウタロータとの間で膨張及び圧縮を繰り返す複数のポンプ室を形成するインナロータと、前記冷媒循環回路と前記円筒状空間とを連通させる吸入ポート及び吐出ポートと、前記アウタロータの内周面で形成された内部空間と前記オイル供給部とを連通させるオイル供給ポートと、を有するトロコイドポンプである。

本発明の様相５に係る発電装置は、上記様相４において、前記オイル供給ポートは、入口が前記ケーシングに形成され、出口が前記アウタロータの内周面に形成されている。

本発明の様相６に係る発電装置は、上記様相４又は５において、前記オイル供給ポートは、前記ケーシングに設けられ、前記ケーシングの内周面と前記アウタロータの外周面に形成されたクリアランスと、前記オイル供給部とを連通させる第一オイル流路と、前記アウタロータに設けられ、前記クリアランスと前記内部空間を連通させる第二オイル流路と、を備える。

本発明の様相７に係る発電装置は、上記様相６において、前記第二オイル流路は、前記アウタロータを外周面から内周面まで貫通した貫通孔である。

本発明の様相８に係る発電装置は、上記様相６又は７において、前記第二オイル流路は、前記アウタロータの周方向に間隔を空けて複数設けられている。

本発明の様相９に係る発電装置は、上記様相１〜３の何れかにおいて、前記冷媒の流れ方向における前記ポンプの後方で且つ前記膨張機の前方の前記冷媒循環回路に設けられて前記冷媒からオイルを分離するオイルセパレータと、前記冷媒の流れ方向における前記凝縮器の後方で且つ前記ポンプの前方の前記冷媒循環回路に接続され、前記ポンプにオイルを供給するオイル供給部と、をさらに備え、前記ポンプは、円筒状空間を形成するケーシングと、前記円筒状空間に回転自在に配設され、内歯を有するアウタロータと、前記内歯と係合する外歯を有し、前記アウタロータ内に回転自在に配設されると共に前記アウタロータとの間で膨張及び圧縮を繰り返す複数のポンプ室を形成するインナロータと、前記冷媒循環回路と前記円筒状空間とを連通させる吸入ポート及び吐出ポートと、を有するトロコイドポンプである。

本発明の様相１０に係る発電装置は、上記様相４〜９の何れかにおいて、前記オイルセパレータは、前記冷媒の流れ方向における前記ポンプの後方で且つ前記第一熱交換器の前方に位置する前記冷媒循環回路に設けられる。

本発明の様相１１に係る発電装置は、上記様相１〜１０の何れかにおいて、前記オイルセパレータは、分離したオイルを前記オイル供給部に流出させる。

本発明の上記様相１に係る発電装置によれば、第一熱交換器において第一流体と熱交換して加熱され、さらに第三熱交換器においてオイル流体と熱交換して加熱される。比熱が高い液体のオイル流体は、気体である第二流体の熱エネルギーを貯留し、第三熱交換器で冷媒を均一に加熱する。これにより、冷媒の蒸発は、全体的に促進される。この結果、低温の排熱を利用する場合であっても、より均一に冷媒を蒸発させて、より確実に気体状態の冷媒を膨張機に導入することができる。これにより、膨張機による冷媒の仕事率の低下を抑制することができ、発電機の発電出力を維持することができる。

本発明の上記様相２に係る発電装置によれば、スクロール膨張機は小型化が可能であるため、装置全体の小型化が可能となる。低温排熱を利用可能とする発電装置は、スペースの有効活用（発電量に対する設置スペースの割合）や可搬性の観点から、発電出力の維持を前提として小型化も求められる。

本発明の上記様相３に係る発電装置によれば、１つの外部熱源であるエンジンから第一流体と第二流体を得るため、他の熱源を必要とせず効率的である。

本発明の上記様相４に係る発電装置によれば、ポンプがトロコイドポンプであるため、液ポンプに比較して小型化及び低コスト化が可能となる。トロコイドポンプは、本来、オイルを流通させるポンプであるが、上記様相４では、アウタロータの内部空間にオイルを供給してアウタロータとインナロータの接触面の耐久性を向上させ、トロコイドポンプでのオイル以外の流体の流通を可能としている。そして、オイルセパレータにより冷媒からオイルが分離されるため、膨張機への液体オイルの流入は抑制される。

本発明の上記様相５に係る発電装置によれば、オイル供給部から吐出されるオイルが直接アウタロータの内周面に供給されるため、当該内周面に効果的に油膜を形成することができる。これにより、より確実にポンプの耐久性を向上させることができる。

本発明の上記様相６に係る発電装置によれば、オイル供給部から吐出されるオイルがクリアランスを介してアウタロータ内部に供給される。これにより、アウタロータとケーシングとの間の潤滑が良好となり、より効率良くポンプを駆動させることができる。

本発明の上記様相７に係る発電装置によれば、第二オイル流路が貫通孔であるため、製造が容易となる。本発明の上記様相８に係る発電装置によれば、複数の第二オイル流路によって、効率良くアウタロータ内周面に油膜を形成することができる。

本発明の上記様相９に係る発電装置によれば、オイル供給部から吐出されたオイルは、吸入ポートからケーシング内部（円筒状空間）に流入する。ケーシング内部に流入したオイルは、アウタロータ内周面に油膜を形成することができる。

本発明の上記様相１０に係る発電装置によれば、オイルを含有した冷媒が第一熱交換器に流入する前に、冷媒からオイルを分離することができる。これにより、余分な熱交換（第一流体とオイルの熱交換）を抑制することができ、より確実に冷媒の蒸発を促進することができる。

本発明の上記様相１１に係る発電装置によれば、分離したオイルを利用することでオイルを環流させ、余分な装置や動力を削減し、効率の良い系を形成することができる。

本実施形態の発電装置の構成を示す構成図である。本実施形態の膨張機と発電機の構成を示す構成図である。本実施形態のメインポンプの構成を示す構成図である。本実施形態のアウタロータを示す断面図である。本実施形態のメインポンプの構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、説明に用いる各図は概念図であり、各部の形状は必ずしも厳密なものではない場合がある。本実施形態の発電装置は、ランキンサイクルを利用した発電装置である。

本実施形態の発電装置は、図１に示すように、冷媒循環回路１と、メインポンプ２と、オイルセパレータ２ａと、配管２ｂと、第一熱交換器３と、オイル循環回路４と、第二熱交換器５と、第三熱交換器６と、膨張機７と、発電機８と、第四熱交換器９と、を備えている。

冷媒循環回路１は、冷媒が循環する配管である。本実施形態では、冷媒としてフロンを用いている。メインポンプ２は、冷媒循環回路１に設けられた電動のトロコイドポンプであって、冷媒循環回路１で冷媒を循環させる。オイルセパレータ２ａは、冷媒循環回路１を流通する冷媒からオイルを分離する装置である。配管（「オイル供給部」に相当する）２ｂは、オイルセパレータ２ａから流出されたオイルをメインポンプ２に供給する流路形成部材である。メインポンプ２の詳細は後述する。

第一熱交換器３は、外部熱源から供給される液体である第一流体と冷媒循環回路１を流通する冷媒とを熱交換させる熱交換器である。第一熱交換器３は、冷媒循環回路１に設けられている。第一流体は、第一加熱回路３０を流通する。本実施形態において、第一流体はエンジン（図示せず）の冷却水であり、第一加熱回路３０は当該エンジンの冷却水回路である。第一熱交換器３に流入する冷却水（第一流体）の温度は、夏季でおよそ８０〜９０℃、冬季でおよそ６５〜７０℃である。なお、第一加熱回路３０は、主に、配管３１と、配管３１に第一流体を流通させるポンプ３２と、ラジエータ３３と、第一熱交換器３を通る流路とラジエータ３３を通る流路とを切り替える三方弁３４と、エンジンジャケット３５と、を備えている。

オイル循環回路４は、オイル（オイル流体）が循環する流路である。具体的に、オイル循環回路４は、配管４１と、ポンプ４２と、タンク４３と、を備えている。配管４１は、オイル流体が循環する流路形成部材である。ポンプ４２は、配管４１でオイル流体を循環させる電動ポンプである。タンク４３は、配管４１に接続された容器であって、配管４１にオイル流体を供給する。オイルは、冷媒よりも比熱が高く且つ使用温度下で液体である作動流体である。オイル流体は、例えば天ぷら油であっても良い。

第二熱交換器５は、第二流体と、オイル循環回路４を流通するオイル流体とを熱交換させる熱交換器である。第二流体は、外部熱源から供給され且つ第一流体よりも高温の気体である。第二流体は、第二加熱回路５０を流通する。本実施形態において、第二流体はエンジンの排気ガスであり、第二加熱回路５０はエンジンの排気流路（排気管）である。第二熱交換器５に流入する排気ガス（第二流体）の温度は、夏季でおよそ１３０〜１５０℃であり、冬季でおよそ８０〜９０℃である。

第三熱交換器６は、オイル循環回路４を流通するオイルと、第一熱交換器３を通った冷媒とを熱交換する熱交換器である。第三熱交換器６は、冷媒循環回路１に設けられ、冷媒の流れ方向において第一熱交換器３の後方に位置している。第三熱交換器６は、液体の冷媒と液体のオイル流体とを熱交換させ、冷媒を蒸発させる。

膨張機７は、第三熱交換器６を通って蒸発した冷媒が流入して回転動力を発生させる装置である。膨張機７は、冷媒循環回路１に設けられ、冷媒の流れ方向において第三熱交換器６の後方に位置している。膨張機７は、蒸気となった冷媒を膨張させ、当該膨張による力を回転動力に変換する。膨張機７は、膨張して温度が低下した冷媒を流出する。

本実施形態の膨張機７は、スクロール膨張機である。スクロール膨張機は公知のものであり簡単に説明する。膨張機７は、図２に示すように、主に、ハウジング７０と、固定スクロール７１と、旋回スクロール７２と、シャフト７３と、を備えている。固定スクロール７１は、底板７１１と、渦巻状に形成され底板７１１の表面に立設された固定側ラップ７１２と、を有している。固定スクロール７１は、ハウジング７０に固定されている。

旋回スクロール７２は、表面が底板７１１の表面に対向して配置される底板７２１と、渦巻状に形成され底板７２１の表面に立設された旋回側ラップ７２２と、を有している。固定スクロール７１と旋回スクロール７２により膨張室７ａが区画される。

シャフト７３は、一端が発電機８の駆動軸８１に連結された第一軸部７３１と、表面に第一軸部７３１の他端が固定された円盤状のクランク部７３２と、一端がクランク部７３２の裏面に第一軸部７３１から偏心して固定された第二軸部７３３と、を備えている。第二軸部７３３の他端は、旋回スクロール７２の底板７２１の裏面に自転可能に支持されている。第一軸部７３１の軸心は、旋回スクロール７２の回転中心（回転軸）と一致している。

蒸気の冷媒は、固定スクロール７１の中央部位に設けられた貫通孔７１ａを通って膨張室７ａに流入し膨張する。冷媒の膨張に伴って膨張室７ａが膨張し、固定スクロール７１に対して旋回スクロール７２が旋回する。旋回スクロール７２が旋回すると、シャフト７３が回転する。つまり、膨張機７は、回転動力を発生させる。当該回転動力は、シャフト７３に連結された発電機８の駆動軸８１を回転させ、発電機８を駆動させる。膨張室７ａで膨張された冷媒は、温度が低下し、固定スクロール７１外周部に設けられた排出流路７１ｂを通って膨張機７から流出する。

発電機８は、膨張機７で発生した回転動力によって発電する装置である。発電機８は、図２に示すように、ハウジング８０と、駆動軸８１と、ハウジング８０内に配置された円筒状のステータ８２と、駆動軸８１に固定されステータ８２に対向配置されたロータ８３と、を備えている。駆動軸８１は、ステータ８２の内周側に配置されている。発電機８は、駆動軸８１が回転するとロータ８３がステータ８２に対して回転し、発電する。

なお、シャフト７３は、クランク部７３２がない直線状のものでも良い。この場合、シャフト７３と駆動軸８１とが直線状に連結されると、駆動軸８１の軸心は駆動軸８１の回転中心（回転軸）に対して偏心する。これによっても、駆動軸８１の回転により発電機８は発電する。また、シャフト７３は、駆動軸８１との連結部分にクランク部が位置する構成でも良い。

第四熱交換器（「凝縮器」に相当する）９は、膨張機７とメインポンプ２の間の冷媒循環回路１を流通する冷媒と、冷却回路９０を流通する第三流体とを熱交換する熱交換器である。本実施形態の第三流体は、冷却水（ここでは水道水）である。冷却回路９０は、冷却水が流れる配管９１と、配管９１に設けられたポンプ９２と、配管９１に設けられ冷却水が貯められているタンク９３と、を備えている。第四熱交換器９は、冷媒と冷却水を熱交換させて冷媒を冷却し凝縮させる。

冷媒循環回路１内の冷媒は、メインポンプ２の出口から流出すると、流れ方向の順に、オイルセパレータ２ａ、第一熱交換器３、第三熱交換器６、膨張機７、第四熱交換器９を通過してメインポンプ２の入口に環流する。

（メインポンプ２について）
ここで、メインポンプ２の詳細構成について説明する。メインポンプ２は、図３〜図５に示すように、トロコイドポンプであって、ケーシング２０と、アウタロータ２１と、インナロータ２２と、吸入ポート２３と、吐出ポート２４と、オイル供給ポート２５と、を備えている。

ケーシング２０は、内側に円筒状空間２０ａを形成する有底円筒状の容器である。アウタロータ２１は、ケーシング２０に収容された円筒部材であって、円筒状空間２０ａに回転自在に配設されている。アウタロータ２１の外周面は、ケーシング２０の内周面に接触し、ケーシング２０に対して摺動可能となっている。アウタロータ２１は、複数の内歯２１ａを有している。

インナロータ２２は、アウタロータ２１の内周側に回転自在に配設されている。インナロータ２２は、アウタロータ２１の内歯２１ａに係合する複数の外歯２２ａを有している。インナロータ２２は、ケーシング２０に軸支された回転軸２０１により駆動される。インナロータ２２の回転中心は、アウタロータ２１の回転中心に対して偏心している。アウタロータ２１とインナロータ２２の間には、複数のポンプ室Ａが形成される。ポンプ室Ａは、両ロータ２１、２２が回転することで、膨張（容積増大）と圧縮（容積減少）を繰り返す。

吸入ポート２３は、ケーシング２０の端面（軸方向の端面）部分に形成された円弧状の貫通孔である。換言すると、ケーシング２０は、端面部分に吸入ポート２３を形成する貫通孔形成部２０ｂを有する。本実施形態において、吸入ポート２３は、冷媒循環回路１と円筒状空間２０ａとを連通させる配管部材（図５の２３）をも構成している。

吐出ポート２４は、ケーシング２０の端面部分に形成された円弧状の貫通孔である。換言すると、ケーシング２０は、端面部分に吐出ポート２４を形成する貫通孔形成部２０ｃを有する。本実施形態において、吐出ポート２４は、冷媒循環回路１と円筒状空間２０ａとを連通させる配管部材（図５の２４）をも構成している。

メインポンプ２は、一般のトロコイドポンプ同様、両ロータ２１、２２の回転に伴うポンプ室Ａの容積変化により、吸入ポート２３から円筒状空間２０ａに吸入された流体を吐出ポート２４から吐出する。１つのポンプ室Ａが両ロータ２１、２２の回転に伴って回転移動すると考えると、当該ポンプ室Ａは、吸入ポート２３に沿って移動するときに容積を拡大させて流体を吸入し、容積が最大となった後、吐出ポート２４に沿って移動するときに容積を減少させて流体を吐出するようになっている。回転軸２０１の駆動源は、電気モータである。

オイル供給ポート２５は、ケーシング２０外部から、アウタロータ２１内周面で形成された内部空間にオイルを供給する流路である。内部空間は、複数のポンプ室Ａで構成されている。オイル供給ポート２５は、第一オイル流路２５１と、複数の第二オイル流路２５２と、を備えている。

第一オイル流路２５１は、オイルが吐出される配管２ｂと、ケーシング２０内周面とアウタロータ２１外周面とで形成されたクリアランスＤとを連通させる流路である。本実施形態の第一オイル流路２５１は、ケーシング２０の側面部分に形成された、ケーシング２０の外周側と内周側を連通させる貫通孔である。換言すると、ケーシング２０は、側面部分に第一オイル流路２５１を形成する貫通孔形成部２０ｄを有する。

第二オイル流路２５２は、アウタロータ２１に形成された、アウタロータ２１の外周側と内周側を連通させる流路である。具体的に、第二オイル流路２５２は、アウタロータ２１の外周面から内周面まで貫通した貫通孔である。換言すると、アウタロータ２１は、第二オイル流路２５２を形成する貫通孔形成部２１ｂを有する。第二オイル流路２５２は、アウタロータ２１の径方向に直線的に延びている。第二オイル流路２５２は、アウタロータ２１に対して、周方向に間隔を空けて複数設けられている。

オイルセパレータ２ａは、メインポンプ２と第一熱交換器３の間の冷媒循環回路１に設置されている。オイルセパレータ２ａは、一般的なものであり、冷媒循環回路１を流れる冷媒からオイルを分離して取り除き、オイルを配管２ｂに流出させる。つまり、オイルセパレータ２ａは、オイルを溜める貯留部Ｂと、貯留部のオイルを配管２ｂに送り出す送り機構Ｃと、を備えている。メインポンプ２が作動すると、オイルセパレータ２ａは、オイルを配管２ｂに供給する。

配管２ｂは、オイルセパレータ２ａとオイル供給ポート２５を接続する流路形成部材である。オイルセパレータ２ａから流出したオイルは、配管２ｂを通ってオイル供給ポート２５に流入する。オイルは、配管２ｂ、第一オイル流路２５１、及び第二オイル流路２５２を介して、アウタロータ２１の内周面、すなわちアウタロータ２１とインナロータ２２の接触面に直接供給される。なお、オイルセパレータ２ａ及び配管２ｂが供給するオイルは、オイル循環回路４を流通するオイル流体とは異なり、潤滑油として機能するオイルである。オイルは、ある程度の粘性を有している。

オイルは、オイルセパレータ２ａから配管２ｂに流出され、第一オイル流路２５１と第二オイル流路２５２が接続していない状態ではある程度高圧となっている。そして、オイルは、アウタロータ２１の回転により両流路２５１、２５２が接続された際に、アウタロータ２１内に流出する。

また、オイルは、第一オイル流路２５１と第二オイル流路２５２の間から、クリアランスＤにも供給される。オイルセパレータ２ａの設置位置は、メインポンプ２出口から膨張機７入口までの間に設置すれば良いが、オイルを熱交換対象から除外し余分な熱交換をなくす観点から、メインポンプ２出口から第一熱交換器３入口までの間に設置することが好ましい。

本実施形態の発電装置によれば、冷媒は、第一熱交換器３において第一流体（エンジン冷却水）と熱交換して加熱され、さらに第三熱交換器６においてオイル流体と熱交換して加熱される。オイル流体は、比熱が高い液体のオイルであり、エネルギー密度の低い気体である第二流体（排気ガス）の熱エネルギーを貯留し、高密度の熱エネルギーとして第三熱交換器６で冷媒を均一に加熱する。これにより、冷媒の局部沸騰が抑制されると共に、第二流体から冷媒への熱移動が容易となる。

さらに、冷媒は、第一熱交換器３による一次加熱と、高密度の熱エネルギーを蓄えた第二流体との熱交換（二次加熱）により、全体的に蒸発が促進される。この結果、低温の排熱を利用する場合であっても、より均一に冷媒を蒸発させて、より確実に気体状態の冷媒を膨張機７に導入することができる。これにより、膨張機７による冷媒の仕事率（膨張時のエンタルピー）の低下を抑制でき、発電機８の発電出力を維持することができる。

また、本実施形態は、オイル循環回路４を備えるため、排気ガス等の気体の第二流体を高圧にする必要もなく、第二流体を大気圧のまま利用でき、余分な電力消費を抑制することもできる。

また、発電装置は、低温の排熱でも利用可能とすることを考慮すると、スペースの有効利用や可搬性の観点から、発電出力の維持と同時に小型化も課題となる。本実施形態の発電装置によれば、膨張機７がスクロール膨張機であるため、スクリュー型など他のタイプに比較して小型化が可能となる。低温排熱利用でも膨張機７により確実に蒸気冷媒を導入することができる本実施形態であるため、スクロール膨張機であっても発電電力を維持することができ、小型化が可能となる。

また、オイル以外の冷媒（液体）を流通させる液ポンプは、例えばダイアフラム式など耐久性がそれほど高くなくコストが高いものが多い。また、冷媒を精度良く蒸気にできない場合でスクリュー型の膨張機を用いる場合などは、冷媒の流量を大きくする必要があるため、液ポンプが大型化して高コストとなる。本実施形態では、メインポンプ２がトロコイドポンプであるため、さらなる小型化が可能となる。

トロコイドポンプは、一般にオイルを流体対象とするオイルポンプとして開発されている。トロコイドポンプでオイル以外の流体を流通させるには、トロコイドポンプのチップクリアランス（ロータ２１、２２同士のクリアランス）とサイドクリアランス（クリアランスＤ）を小さくして昇圧できる状態にしなければならない。しかし、クリアランスを小さくすると潤滑性が悪くなり、耐久性が低下する。このように、トロコイドポンプは、オイル以外の液冷媒に対しては耐摩耗性もなく、オイル以外の液冷媒の流通には不適であり実用は困難であった。

しかし、本実施形態では、トロコイドポンプ２にオイル供給ポート２５が形成されており、オイルセパレータ２ａからアウタロータ２１の内周面に直接オイルが供給される。つまり、本実施形態によれば、アウタロータ２１の内周面、すなわちアウタロータ２１とインナロータ２２の接触面に油膜を少なくとも局部的に形成することができる。これにより、オイル以外の流体の流通に対しても、メインポンプ２の耐摩耗性が向上して耐久性が向上する。また、油膜形成により高圧時の冷媒のリークを抑制することも可能となる。このように、冷媒を流通させる場合でも、トロコイドポンプの高圧作動が可能となる。したがって、冷媒を流通させるメインポンプ２としてトロコイドポンプを用いることができ、発電装置の小型化が可能となる。

また、本実施形態では、第二オイル流路２５１の入口がアウタロータ２５の外周面に形成されているため、アウタロータ２５とケーシング２０との間の摺動面にオイルを供給することができ、さらにメインポンプ２の耐久性を向上させることができる。また、第二オイル流路２５１は、直線的な貫通孔であるため、メインポンプ２の製造が容易となる。また、複数の第二オイル流路２５１が設けられているため、アウタロータ２５の内周面により広範囲な油膜形成が可能となる。

また、オイルセパレータ２ａが、冷媒の流れ方向における膨張機７の前方に位置しているため、冷媒にオイルが含有することによる膨張効率の低下は抑制される。さらに、本実施形態では、オイルセパレータ２ａが、冷媒の流れ方向における第一熱交換器３の前方に位置しているため、冷媒中のオイルが加熱されることによる熱の損失を抑制することができる。また、オイルセパレータ２ａで分離されたオイルは、直接トロコイドポンプにリターンされるため、効率的にオイルを利用することができる。

＜その他の変形態様＞
本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、メインポンプ２にはオイル供給ポート２５を設けず、配管２ｂをメインポンプ２の入口側の冷媒循環回路１に接続し、メインポンプ２にオイル含有冷媒を供給しても良い。この構成によっては、上記実施形態のように直接的にアウタロータ２１内周面に油膜を形成できないが、トロコイドポンプにオイル以外の流体を流通させることが可能となる。

また、第一オイル流路２５１は、入口がケーシング２０内周面以外の外表面に設けられ、出口がケーシング２０内周面に設けられた流路であっても良い。また、第二オイル流路２５２は、入口がアウタロータ２１内周面以外の外表面に設けられ、出口がアウタロータ２１内周面に設けられた流路であっても良い。また、オイル供給ポート２５の入口は、アウタロータ２１の内周面を除く外表面、すなわちアウタロータ２１の一端面、他端面、及び外周面の何れかに開口していれば良い。

また、オイルをアウタロータ２１内部（ポンプ室Ａ）に噴霧しても良い。また、オイルセパレータ２ａは、ケーシング２０と一体的に形成されても良い。オイルセパレータ２ａは、吐出ポート２４に設けられても良い。また、排熱源としては、エンジンの排熱でも工場内の排熱でも良い。エンジンであれば、例えばトラック等の車両のエンジンや、ガスヒートポンプ空気調和装置のガスエンジンなども発電装置の排熱源として利用できる。本実施形態の発電装置は、小型化が可能であるため、車両に搭載することも可能である。また、冷媒循環回路１には、適宜、バルブ、温度計、又は流量計等が配置されている。回転軸２０１の駆動源は、エンジンであっても良い。

１：冷媒循環回路、２：ポンプ、２０：ケーシング、２１：アウタロータ、
２２：インナロータ、２３：吸入ポート、２４：吐出ポート、
２５：オイル供給ポート、２５１：第一オイル流路、２５２：第二オイル流路、
２ａ：オイルセパレータ、２ｂ：配管（オイル供給部）、
３：第一熱交換器、４：オイル循環回路、５：第二熱交換器、
６：第三熱交換器、７：膨張機、７０：ハウジング、７１：固定スクロール、
７２：旋回スクロール、７３：シャフト、８：発電機、
９：第四熱交換器（凝縮器）、Ａ：ポンプ室、Ｄ：クリアランス

Claims

冷媒循環回路と、
前記冷媒循環回路に設置され冷媒を循環させるポンプと、
外部熱源から供給される液体である第一流体と前記冷媒循環回路を流通する前記冷媒とを熱交換させる第一熱交換器と、
前記冷媒よりも比熱が高く且つ使用温度下で液体であるオイル流体が流通するオイル循環回路と、
外部熱源から供給され且つ前記第一流体よりも高温の気体である第二流体と前記オイル循環回路を流通する前記オイル流体とを熱交換させる第二熱交換器と、
前記オイル循環回路を流通する前記オイル流体と前記第一熱交換器を通った前記冷媒とを熱交換させる第三熱交換器と、
前記第三熱交換器を通って蒸発した前記冷媒が流入して回転動力を発生させる膨張機と、
前記膨張機で発生した回転動力によって発電する発電機と、
前記膨張機から流出した前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
を備える発電装置。
請求項１において、
前記膨張機は、固定スクロールと旋回スクロールを有するスクロール膨張機である発電装置。
請求項１又は２において、
前記第一流体は、エンジンの冷却水であり、
前記第二流体は、前記エンジンの排気ガスである発電装置。
請求項１〜３の何れか一項において、
前記冷媒の流れ方向における前記ポンプの後方で且つ前記膨張機の前方の前記冷媒循環回路に設けられて前記冷媒からオイルを分離するオイルセパレータと、
前記ポンプにオイルを供給するオイル供給部と、
をさらに備え、
前記ポンプは、
円筒状空間を形成するケーシングと、
前記円筒状空間に回転自在に配設され、内歯を有するアウタロータと、
前記内歯と係合する外歯を有し、前記アウタロータ内に回転自在に配設されると共に前記アウタロータとの間で膨張及び圧縮を繰り返す複数のポンプ室を形成するインナロータと、
前記冷媒循環回路と前記円筒状空間とを連通させる吸入ポート及び吐出ポートと、
前記アウタロータの内周面で形成された内部空間と前記オイル供給部とを連通させるオイル供給ポートと、
を有するトロコイドポンプである発電装置。
請求項４において、
前記オイル供給ポートは、入口が前記ケーシングに形成され、出口が前記アウタロータの内周面に形成されている発電装置。
請求項４又は５において、
前記オイル供給ポートは、
前記ケーシングに設けられ、前記ケーシングの内周面と前記アウタロータの外周面に形成されたクリアランスと、前記オイル供給部とを連通させる第一オイル流路と、
前記アウタロータに設けられ、前記クリアランスと前記内部空間を連通させる第二オイル流路と、
を備える発電装置。
請求項６において、
前記第二オイル流路は、前記アウタロータを外周面から内周面まで貫通した貫通孔である発電装置。
請求項６又は７において、
前記第二オイル流路は、前記アウタロータの周方向に間隔を空けて複数設けられている発電装置。
請求項１〜３の何れか一項において、
前記冷媒の流れ方向における前記ポンプの後方で且つ前記膨張機の前方の前記冷媒循環回路に設けられて前記冷媒からオイルを分離するオイルセパレータと、
前記冷媒の流れ方向における前記凝縮器の後方で且つ前記ポンプの前方の前記冷媒循環回路に接続され、前記ポンプにオイルを供給するオイル供給部と、
をさらに備え、
前記ポンプは、
円筒状空間を形成するケーシングと、
前記円筒状空間に回転自在に配設され、内歯を有するアウタロータと、
前記内歯と係合する外歯を有し、前記アウタロータ内に回転自在に配設されると共に前記アウタロータとの間で膨張及び圧縮を繰り返す複数のポンプ室を形成するインナロータと、
前記冷媒循環回路と前記円筒状空間とを連通させる吸入ポート及び吐出ポートと、
を有するトロコイドポンプである発電装置。
請求項４〜９の何れか一項において、
前記オイルセパレータは、前記冷媒の流れ方向における前記ポンプの後方で且つ前記第一熱交換器の前方に位置する前記冷媒循環回路に設けられる発電装置。
請求項１〜１０の何れか一項において、
前記オイルセパレータは、分離したオイルを前記オイル供給部に流出させる発電装置。