JP2019078179A - 動力生成システム及び同動力生成システムを用いた発電システム - Google Patents

動力生成システム及び同動力生成システムを用いた発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】効率的に動力の生成を行うことが可能な動力生成システムを提供する。【解決手段】蒸発室と、往路側膨縮室及び復路側膨縮室を備える往復断熱シリンダと、供給流路形成動作と共に排出流路形成動作を行い、これを往復交互に行う作動流体供給排出手段と、断熱膨張室と、液化作動流体還流手段と、圧搾液化還流手段と、を有することとした。また、前記断熱膨張室は、前記往路側膨縮室の排出流路下流側と前記復路側膨縮室の排出流路下流側との両方にそれぞれ別個に設けられていることとしても良い。【選択図】図２

Description

本発明は、動力生成システム及び同動力生成システムを用いた発電システムに関する。
２０１１年３月１１日に発生した大地震は原子力発電の脅威を全世界に知らしめ、又化石燃料の使用による地球温暖化は、人類のみならず地球に住む生物全体に大きな影響を与えてきている。人類は今こそ地球にやさしいクリーンで安全な再生可能エネルギーの開発が急務である。
熱機関による代表的なエネルギーの回収法として、例えば、火力発電や原子力発電などが挙げられる。これらは火力や原子力で高温高圧の水蒸気を作りその蒸気でタービンを回し発電する方法であり、熱エネルギーをいったん運動エネルギーに変換し仕事をさせ、電気エネルギーとして回収しているが、物理的に束縛された系から内部エネルギーを解き放ち運動エネルギーに変換する際エントロピーの増大などにより、今までの技術では熱エネルギーの回収効率を上げる事が困難であった。通常の火力発電や原子力発電では熱エネルギーの３０パーセントから４０パーセント程度の回収効率でしかない。
また、その他のエネルギーの回収法として、再生可能エネルギーの回収により発電を行う方法が知られており、例えば、海洋温度差発電や太陽熱発電などが従来より提案されている。
しかしながら、これらの発電方法も、火力発電や原子力発電と比べると熱エネルギーの回収効率はさらに悪く、低温低圧な蒸気圧と高熱源と低熱源両方の海水の供給に大きなエネルギーロスが発生し、実質回収効率はかなり低く火力発電や原子力発電にとって代わるものとは言い難い。また、発電量が気象状況など自然環境に左右されやすいという問題も有している。
そこで本発明者は、常温の熱源から作動流体の気化潜熱を吸収し、その過程で熱エネルギーを力学的エネルギーに変換し効率よく回収し、仕事を終えた作動流体を加圧しながら冷却して熱エネルギーを常温へ放出し易くする方法により、常温へ液化潜熱を放出させサイクルを一巡させるシステムを過去に提案している（特許文献１参照。）。
そして、このシステムによれば、例えば風力発電や太陽光発電の如く自然環境に左右されることなく、熱エネルギーを安定して回収でき、更にはこの熱エネルギーを利用して効率良く発電を行うこともできる。
特開２０１３−０４０６０６号公報
過去に本発明者が提案したこのシステムは、上記特許文献１の各実施例にも記載されているように、海や河川などより得た常温の水や大気由来の常温の空気を熱源として運動エネルギーに変換し、これを利用して発電を行うことができるという点で極めて優れたシステムであると言える。
しかしながら、この優れたシステムにおいても効率化の観点から未だ改良の余地が残されていた。
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、従来に比してより効率的な発電を行うことが可能な動力生成システムを提供する。また、同動力生成システムを用いた発電システムについても提供する。
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る動力生成システムでは、（１）耐圧密閉回路の系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する動力生成システムにおいて、前記耐圧密閉回路は、作動流体の気相及び液相が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加熱用流体と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室と、往路側膨縮室と復路側膨縮室との圧力差で移動するピストンと、同ピストンより伸延し動力を出力させるロッドとを備える往復断熱シリンダと、前記蒸発室の気相部の作動流体を前記往復断熱シリンダの一方の膨縮室へ供給する流路の形成を行う供給流路形成動作と共に他方の膨縮室からの作動流体の排出流路を形成する排出流路形成動作を行い、これを往路側膨縮室と復路側膨縮室とについて交互に行う作動流体供給排出手段と、前記他方の膨縮室から排出された作動流体を断熱膨張に伴う温度低下により液化する断熱膨張室と、断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流する液化作動流体還流手段と、を有することとした。
また、本発明に係る動力生成システムでは、以下の点にも特徴を有する。
（２）断熱膨張室で液化されなかった作動流体の残部を圧搾して液化し前記蒸発室へ還流させる圧搾液化還流手段を有すること。
（３）前記断熱膨張室は、前記往路側膨縮室の排出流路下流側と前記復路側膨縮室の排出流路下流側との両方にそれぞれ別個に設けられていること。
（４）各断熱膨張室の気相部と前記圧搾液化還流手段とを連通する作動流体流路は他方の断熱膨張室内を貫通させており、この貫通させた作動流体流路部分には膨縮室から排出された作動流体の液化を促進させるための熱交換部をそれぞれ設けていること。
（５）前記耐圧密閉回路は、前記断熱膨張室の気相部と前記圧搾液化還流手段とを連通する作動流体流路の中途に介設した開閉弁を更に備え、前記作動流体供給排出手段は、前記ロッドの往復運動の切り替わり時に前記膨縮室への作動流体の供給及び排出の流路を一時的に閉塞し、前記開閉弁を開放して前記断熱膨張室の気相部を更に断熱膨張させて温度を低下させつつ作動流体を前記圧搾液化還流手段へ導く減圧送給動作を行うこと。
（６）前記作動流体は常温常圧下で気体であり、前記開閉弁と前記圧搾液化還流手段との間に前記作動流体を冷媒とする冷蔵又は冷凍設備を介設したこと。
（７）前記耐圧密閉回路は、前記圧搾液化還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される冷却用流体との間で熱交換を行って作動流体を凝縮させる凝縮器を備えること。
（８）前記冷却用流体は、前記蒸発室で熱交換された後の加熱用流体であること。
（９）前記耐圧密閉回路は、前記液化作動流体還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されていること。
（１０）前記耐圧密閉回路は、前記液化作動流体還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されており、この多段に介設された加温用熱交換器のうち最終段の熱交換器に供給される加温用流体は、前記凝縮器で熱交換された後の冷却用流体であること。
（１１）前記凝縮器で凝縮された作動流体は、前記加温用熱交換器よりも上流側で前記液化作動流体還流手段よりも下流側の作動流体流路の中途にて前記液化作動流体還流手段により前記蒸発室へ還流させる液化した作動流体と合流させること。
（１２）前記耐圧密閉回路は、前記液化作動流体還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されており、この多段に介設された加温用熱交換器のうち初段の熱交換器に供給された加温用流体の排出液を前記凝縮器に冷却用流体として供給すること。
（１３）前記多段に介設された加温用熱交換器のうち最終段の熱交換器に供給される加温用流体は、前記蒸発室内にて作動流体の液相と熱交換を行わせるための加熱用流体の一部を流入させたものであること。
（１４）前記断熱膨張室には、前記他方の膨縮室から導入される作動流体と接触可能な位置に前記作動流体の液化を補助する補助熱交換器が配設されており、前記蒸発室と前記往復断熱シリンダとを連通する作動流体流路の中途より分流した作動流体を減圧弁を介して前記補助熱交換器へ導入することで前記往復断熱シリンダから前記断熱膨張室に導入された作動流体を冷却して液化を補助すると共に、前記補助熱交換器より排出された作動流体を圧搾液化還流手段により圧搾し、凝縮させて前記蒸発室へ還流させるべく構成したこと。
また、本発明に係る発電システムでは、（１５）上記（１）〜（１４）のいずれかに記載の動力生成システムを用いた発電システムであって、前記ピストンより伸延するロッドは、発電機の受動部へ動力を伝達可能に連結させていることとした。
また、上記従来の課題を解決するために、本発明に係る動力生成システムでは、（１６）耐圧密閉回路の系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する動力生成システムにおいて、前記耐圧密閉回路は、作動流体の気相及び液相が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の外系より供給される加熱用流体と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室と、同蒸発室から供給された作動流体を断熱膨張に伴う温度低下により液化する断熱膨張室と、前記蒸発室と前記断熱膨張室との間を連通する作動流体流路の中途に介設されたタービン室内にて前記蒸発室側の圧力と前記断熱膨張室側の圧力との圧力差で流動する作動流体との接触により回転するタービンと、同タービンより伸延し動力を出力させるロッドを備えるエネルギー伝達機と、断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流する液化作動流体還流手段と、を備え、前記断熱膨張室には、前記タービン室から導入される作動流体と接触可能な位置に前記作動流体の液化を補助する補助熱交換器が配設されており、前記蒸発室と前記タービン室とを連通する作動流体流路の中途より分流した作動流体を減圧弁を介して前記補助熱交換器へ導入することで前記タービン室から前記断熱膨張室に導入された作動流体を冷却して液化を補助すると共に、前記補助熱交換器より排出された作動流体を圧搾液化還流手段により圧搾し、凝縮させて前記蒸発室へ還流させるべく構成した。
また、上述の本発明に係る動力生成システムは、下記の点にも特徴を有する。
（１７）前記耐圧密閉回路は、前記圧搾液化還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される冷却用流体との間で熱交換を行って作動流体を凝縮させる凝縮器を備えること。
（１８）前記耐圧密閉回路は、前記液化作動流体還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されており、この多段に介設された加温用熱交換器のうち初段の熱交換器に供給された加温用流体の排出液を前記凝縮器に冷却用流体として供給すること。
（１９）前記多段に介設された加温用熱交換器のうち最終段の熱交換器に供給される加温用流体は、前記蒸発室内にて作動流体の液相と熱交換を行わせるための加熱用流体の一部を流入させたものであること。
また、本発明に係る発電システムでは、（２０）上記（１６）〜（１９）に記載の動力生成システムを用いた発電システムであって、前記タービンより伸延するロッドは、発電機の受動部へ動力を伝達可能に連結させていることとした。
本発明によれば、耐圧密閉回路の系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する動力生成システムにおいて、前記耐圧密閉回路は、作動流体の気相及び液相が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加熱用流体と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室と、往路側膨縮室と復路側膨縮室との圧力差で移動するピストンと、同ピストンより伸延し動力を出力させるロッドとを備える往復断熱シリンダと、前記蒸発室の気相部の作動流体を前記往復断熱シリンダの一方の膨縮室へ供給する流路の形成を行う供給流路形成動作と共に他方の膨縮室からの作動流体の排出流路を形成する排出流路形成動作を行い、これを往路側膨縮室と復路側膨縮室とについて交互に行う作動流体供給排出手段と、前記他方の膨縮室から排出された作動流体を断熱膨張に伴う温度低下により液化する断熱膨張室と、断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流する液化作動流体還流手段と、を有することとしたり、また、耐圧密閉回路の系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する動力生成システムにおいて、前記耐圧密閉回路は、作動流体の気相及び液相が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の外系より供給される加熱用流体と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室と、同蒸発室から供給された作動流体を断熱膨張に伴う温度低下により液化する断熱膨張室と、前記蒸発室と前記断熱膨張室との間を連通する作動流体流路の中途に介設されたタービン室内にて前記蒸発室側の圧力と前記断熱膨張室側の圧力との圧力差で流動する作動流体との接触により回転するタービンと、同タービンより伸延し動力を出力させるロッドを備えるエネルギー伝達機と、断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流する液化作動流体還流手段と、を備え、前記断熱膨張室には、前記タービン室から導入される作動流体と接触可能な位置に前記作動流体の液化を補助する補助熱交換器が配設されており、前記蒸発室と前記タービン室とを連通する作動流体流路の中途より分流した作動流体を減圧弁を介して前記補助熱交換器へ導入することで前記タービン室から前記断熱膨張室に導入された作動流体を冷却して液化を補助すると共に、前記補助熱交換器より排出された作動流体を圧搾液化還流手段により圧搾し、凝縮させて前記蒸発室へ還流させるべく構成したため、従来に比してより効率的な発電を行うことが可能な動力生成システムを提供することができる。
また、本発明に係る発電システムでは、前記ピストンや前記タービンより伸延するロッドは、発電機の受動部へ動力を伝達可能に連結させていることとしたため、従来に比してより効率的な発電を行うことが可能となる。
本実施形態に係る発電システムの概念図である。 本実施形態に係る発電システムの構成を示した説明図である。 発電システムの電気的構成を示したブロック図である。 制御部にて実行される処理を示したフローである。 第２実施形態に係る発電システムの構成を示した説明図である。 第３実施形態に係る発電システムの構成を示した説明図である。 第４実施形態に係る発電システムの構成を示した説明図である。
本発明は、耐圧密閉回路の系内で作動流体を液体や気体などに状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する動力生成システムや、この動力（運動エネルギー）で発電機を駆動させて発電する発電システム（以下、総称して本システムともいう。）に関するものであり、従来に比してより効率的な発電を行うことが可能な動力生成システム及び発電システムの提供を目的とするものである。
本システムにおいて、耐圧密閉回路内で循環させる作動流体は特に限定されるものではなく、一般的に冷媒として使用される物質、具体的には化学的安定性に富み、常温常圧下で気体であり、液化しやすい性質を有する物質を好適に用いることができる。このような作動流体について敢えて例示するならば、プロパンやブタン、フロン、アンモニアを挙げることができる。
また、外来熱エネルギーの大きさは特に限定されるものではないが、後述する蒸発室に貯留された作動流体の液相へ熱を与えることが可能な程度の温度差が必要である。
外来熱エネルギーの供給媒体の状態、すなわち、気体・液体・固体の別は特に限定されるものではないが、多くの場合流動性を有する液体や気体が有利である。このような外来熱エネルギーの供給媒体としては、例えば、海や河川、ダムなどの水としたり、大気中の空気とすることも可能である。
このような供給媒体より供給された外来熱エネルギーを保有する作動流体を循環させて動力を生成したり発電を行う本システムは、耐圧密閉回路に、蒸発室と、往復断熱シリンダと、作動流体供給排出手段と、断熱膨張室と、液化作動流体還流手段と、圧搾液化還流手段と、を備えることでその構成を実現している。なお、本願は従来に比してより効率的な発電を行うことが可能な動力生成システム用の耐圧密閉回路構造を提供するものでもある。
蒸発室は、断熱構造が施された圧力容器内に沸点近傍温度の作動流体が気相と液相とを気液平衡状態で収容して構成している。蒸発室内における気相の容量と液相の容量との割合は、使用する作動流体の種類や供給媒体の温度等によって左右されるものの、概ね、気相：液相＝10容量部：1容量部〜5容量部：1容量部の範囲内とするのが望ましい。
また蒸発室は、耐圧密閉回路の系外より供給される加熱用流体、すなわち、前述の外来熱エネルギー供給媒体と作動流体の液相との間で熱交換可能に構成しており、外来熱エネルギー供給媒体が有する作動流体との温度差分の熱エネルギーを作動流体に付与可能としている。付言すれば、本システムにおいてこの蒸発室は、外来熱エネルギーの入口となる部位の中で最も主要な部位であると言える。
蒸発室内の作動流体は、例えば海水など一定の温度が比較的保たれた加熱用流体が常時流通されることで、蒸発室気相の圧力変化がない場合、加熱用流体と作動流体との間で温度平衡が、また、作動流体の気相と液相との間で気液平衡が（熱のロスなどを無視すれば）実質的に保たれた状態となっている。
その一方で、後述する作動流体供給排出手段が機能することにより、蒸発室内の気相圧力が低下した場合には、気液平衡となるよう液相の作動流体が蒸発して気相圧力の補填がなされ、液相の気化に伴って低下した温度分のエネルギーは熱交換によって供給媒体から与えられる。
すなわち、多少の温度や圧力変動はあるものの、次に述べる往復断熱シリンダの膨縮室の体積分だけ容量が拡張しても、供給媒体と作動流体の液相との温度平衡や、蒸発室内の気液平衡は可及的保たれるよう構成している。
なお一例として、外来熱エネルギー供給媒体として20〜30℃（例えば、25℃）の海水を採用し、作動流体としてプロパンを採用した場合（以下、プロパン条件ともいう。）、蒸発室内における作動流体の液相温度は20〜30℃（例えば、25℃）、気相圧力は7〜9.5気圧（例えば、8.2気圧）とすることができる。
往復断熱シリンダは、断熱構造が施された往復動作可能なシリンダであり、蒸発室から供給される気相作動流体により駆動して運動エネルギーを得るための部位である。
往復断熱シリンダは、１つの機構部品に２つの気室を備えた所謂両ロッドのシリンダであっても良く、また、１つの機構部品に１つの気室を備えた所謂片ロッドシリンダを２つ組み合わせ、ロッド同士を連結して構成したものであっても良い。前者の場合、各気室がそれぞれ往路側膨縮室、復路側膨縮室に該当し、後者の場合は一方の片ロッドシリンダの気室が往路側膨縮室、他方の片ロッドシリンダの気室が復路側膨縮室として機能することとなる。
すなわち、往復断熱シリンダは、往路側膨縮室と復路側膨縮室との圧力差で移動するピストンと、同ピストンより伸延させたロッドとを備えている。
蒸発室の気相作動流体が往路側膨縮室へ供給されると、その圧力によりピストンが移動して往路側膨縮室が拡張すると共に、復路側膨縮室は縮小し同復路側膨縮室内に収容されていた作動流体は往復断熱シリンダから排出されることとなる。その逆も同様に、蒸発室の気相作動流体が復路側膨縮室へ供給されると、その圧力によりピストンが移動して復路側膨縮室が拡張すると共に、往路側膨縮室は縮小し同往路側膨縮室内に収容されていた作動流体は排出されることとなる。
また、ピストンより伸延させたロッドは、動力の出力部として機能する。このロッドを発電機の受動部へ動力を伝達可能に連結することで、本実施形態に係る動力生成システムを発電システムとし、電力を得ることが可能となる。ロッドと発電機の受動部との連結は、例えばラックアンドピニオン等の機構によりロッドが進退する動きを直接的に発電機の受動軸に伝達させても良いし、所定のギアボックス等を介して間接的に伝達を行うようにしても良い。なお、発電によって生じた電力の一部は、本システムを駆動するのに必要な電力として使用されても良い。
作動流体の一例として、先のプロパン条件による場合には、7〜9.5気圧（例えば、8.2気圧）の気体状プロパンが、往路死点から復路死点の間でピストンをシリンダ筒に沿って移動させることとなる。
また、各膨縮室の容量は、使用する作動流体の種類や供給媒体の温度等によって左右されるものの、概ね、蒸発室の気相部容量に比して1〜2容量％の範囲内とするのが望ましい。
作動流体供給排出手段は、蒸発室の気相部の作動流体を往復断熱シリンダの一方の膨縮室へ供給する流路の形成を行う供給流路形成動作と、他方の膨縮室からの作動流体の排出流路を形成する排出流路形成動作とを行うものである。
前述した蒸発室と断熱往復シリンダとの間には、蒸発室からの気相作動流体を断熱往復シリンダの往路膨縮室又は復路膨縮室のいずれか一方に導くバルブの如き供給流路切替手段が配設されており、作動流体供給排出手段は、この供給流路切替手段の切替制御を行うことにより供給流路形成動作を実現する。なお、供給流路切替手段は、所謂三方バルブのようなものであっても良く、また、２つのバルブを用いて構成しても良い。
また、断熱往復シリンダと、後述する断熱膨張室との間には、往路膨縮室と断熱膨張室とを連通させる往路膨縮室排出流路と、復路膨縮室と断熱膨張室とを連通させる復路膨縮室排出流路との２つの流路が備えられており、それぞれの流路に連通状態と閉鎖状態とを切り替えるバルブの如き排出流路切替手段が備えられている。
そして、作動流体供給排出手段は、この排出流路切替手段の切替制御を行うことにより排出流路形成動作を実現する。
また、作動流体供給排出手段は、例えば往路膨縮室へ気相作動流体を導く供給流路形成動作を行うときは、往路膨縮室排出流路の排出流路切替手段を閉鎖状態とし、復路膨縮室排出流路の排出流路切替手段を連通状態として、復路膨張室内に存する作動流体の断熱膨張室への排出流路形成を行う。なお、以下の説明においてこのような各切替手段の切替状態により往路膨縮室が拡張してピストン及びロッドが移動する動作を往路動作と称する。
その一方、例えば復路膨張室へ気相作動流体を導く供給流路形成動作を行うときは、復路膨縮室排出流路の排出流路切替手段を閉鎖状態とし、往路膨縮室排出流路の排出流路切替手段を連通状態として、往路膨張室内に存する作動流体の断熱膨張室への排出流路形成を行う。なお、以下の説明においてこのような各切替手段の切替状態により復路膨縮室が拡張してピストン及びロッドが移動する動作を復路動作と称する。
そして、作動流体供給排出手段は、このような供給流路形成動作と排出流路形成動作とを、往路側膨縮室と復路側膨縮室とについて交互に行い、往路動作と復路動作を繰り返すことで、蒸発室内の気相作動流体が有する圧力により、断熱往復シリンダの駆動による動力の生成や発電機の稼動を実現している。
断熱膨張室は、断熱往復シリンダの往路膨張室又は復路膨張室からそれぞれの膨張室排出流路を介して排出された作動流体の大半を断熱膨張に伴う温度低下により液化する部位である。
すなわち、断熱膨張室は、断熱往復シリンダのピストンが往復いずれかの死点に達した状態における膨縮室の内圧よりも低圧としており、その圧力差は気体状の作動流体が断熱膨張によって液化できる程度の気圧差としている。
例えば、先に言及したプロパン条件にあっては、断熱膨張室内に収容された作動流体の温度が大凡-42〜-10℃（例えば、-10℃）、気相圧力が約1.7〜2.5気圧（例えば、２気圧）となるよう構成し、各膨縮室より排出された作動流体が液化するようにしている。
また特に、本システムにおいて断熱膨張室は、往路側膨縮室の排出流路下流側と復路側膨縮室の排出流路下流側との両方にそれぞれ別個に設けられている点で特徴的である。
このような構成とすることにより、断熱往復シリンダより排出される作動流体を膨縮室別にそれぞれ独立した状態で十分な圧力差を持って受け入れて液化することができ、往復断熱シリンダの動きを妨げることなく、従来に比してより効率的に動力を生成したり発電を行うことが可能となる。
また、各膨張室排出流路から断熱膨張室へ流入する作動流体の吹出部近傍には、別途発電用のタービンなどを配設することも可能である。このような構成とすることにより、更なる発電を行うことができる。
なお、各断熱膨張室の容量は、使用する作動流体の種類や供給媒体の温度等によって左右されるものの、概ね、各膨縮室の最大容量（ピストンが死点に達した時の容量）に対して4.5〜9倍の範囲内とするのが望ましい。また、断熱膨張室内における気相の容量と液相の容量との割合は、気相：液相＝250：1〜250：2の範囲内とするのが望ましい。
液化作動流体還流手段は、断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流するものである。
液化作動流体還流手段は、断熱膨張室内の作動流体の液相であったり、断熱膨張室から液相を流下させて収容したバッファータンク内の作動流体の液相を、蒸発室との圧力差に抗して還流させるものであり、液密性や耐圧性に優れた液送ポンプなどを採用することができる。
例えば、前述のプロパン条件にあっては、断熱膨張室やバッファータンクにおける約1.7〜2.5気圧と、蒸発室における約7〜9.5気圧との圧力勾配に抗して液化した作動流体を蒸発室へ送給する。なお、断熱膨張室と作動流体還流手段との間にバッファータンクを設けた場合には、このバッファータンクの容量は、断熱膨張室内で生成された液相の全量を1〜数回分受容できる容量であれば良い。
圧搾液化還流手段は、断熱膨張室で液化されなかった作動流体の残部を圧搾して液化し前記蒸発室へ還流させるものである。
圧搾液化還流手段は、断熱膨張室の気相部と蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に設けられ、気体状の作動流体を圧搾液化し、断熱膨張室と蒸発室との圧力差に抗して液化した作動流体を蒸発室へ還流させる。
そして、これらの構成を備えた本システムによれば、先に本発明者が提案した発電システムに比して、より効率的に動力を生成し、ひいては発電を行うことが可能となる。
また、本システムでは、上述のような基本システムに対し、更なる構成を加えることも可能である。
例えば、耐圧密閉回路は、断熱膨張室の気相部と圧搾液化還流手段とを連通する作動流体流路の中途に介設した開閉弁を更に備え、作動流体供給排出手段は、ロッドの往復運動の切り替わり時に膨縮室への作動流体の供給及び排出の流路を一時的に閉塞し、開閉弁を開放して断熱膨張室の気相部を更に断熱膨張させて温度を低下させつつ作動流体を圧搾液化還流手段へ導く減圧送給動作を行うこととしても良い。
このような構成とすることにより、断熱膨張室の圧力管理をより堅実なものとして、効率的な作動流体の液化を実現することができる。
また、作動流体は常温常圧下で気体であり、開閉弁と圧搾液化還流手段との間に作動流体を冷媒とする冷蔵又は冷凍設備を介設しても良い。
このような構成とすることにより、電力の供給は勿論のこと、冷熱の供給も行うことができ、極めて汎用性に富んだ動力生成システムや発電システムとすることができる。なお、断熱膨張室を往路側と復路側との両方に設けた場合、冷凍設備や冷蔵設備は、各断熱膨張室から各圧搾液化還流手段に至る各作動流体流路の両方に設けても良いし、一方にのみ設けることもできる。
また、耐圧密閉回路は、圧搾液化還流手段と蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、耐圧密閉回路の系外より供給される冷却用流体との間で熱交換を行って作動流体を凝縮させる凝縮器を備えることとしても良い。このような構成とすることにより、効率的な作動流体の液化を実現することができる。
また、冷却用流体は、蒸発室で熱交換された後の加熱用流体であることとしても良い。このような構成とすることにより、蒸発室で熱交換された後の加熱用流体、すなわち、蒸発室にて外来熱エネルギーとしての熱が奪われて温度低下した供給媒体により圧搾された作動流体の凝縮を行うことができ、作動流体の液化を効率的に行うことができる。
耐圧密閉回路には、液化作動流体還流手段と蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されていても良い。
このような構成とすることにより、断熱膨張による液化で冷えた液状の作動流体を加温して蒸発室へ還流させることが可能となるのは勿論のこと、熱交換によって冷えた加温用流体を冷熱源として別途利用することができる。
また、多段に介設された加温用熱交換器のうち最終段の熱交換器に供給される加温用流体は、凝縮器で熱交換された後の冷却用流体であることとしても良い。
このような構成とすることにより、圧搾液化還流手段が作動流体を液化させるために費やしたエネルギーの一部を回収することができ、動力生成システムや発電システムとしての効率を更に高めることができる。
また、各断熱膨張室の気相部と圧搾液化還流手段とを連通する作動流体流路は他方の断熱膨張室内を貫通させており、この貫通させた作動流体流路部分には膨縮室から排出された作動流体の液化を促進させるための熱交換部をそれぞれ設けることとしても良い。このような構成とすることにより、断熱膨張室内における作動流体の液化効率をより向上させることができる。
また、耐圧密閉回路の系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する熱動力生成システムにおいて、前記耐圧密閉回路は、作動流体の気相及び液相が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の外系より供給される加熱用流体と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室と、同蒸発室から供給された作動流体を断熱膨張に伴う温度低下により液化する断熱膨張室と、前記蒸発室と前記断熱膨張室との間を連通する作動流体流路の中途に介設されたタービン室内にて前記蒸発室側の圧力と前記断熱膨張室側の圧力との圧力差で流動する作動流体との接触により回転するタービンと、同タービンより伸延し動力を出力させるロッドを備えるエネルギー伝達機と、断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流する液化作動流体還流手段と、を備え、前記断熱膨張室には、前記タービン室から導入される作動流体と接触可能な位置に前記作動流体の液化を補助する補助熱交換器が配設されており、前記蒸発室と前記タービン室とを連通する作動流体流路の中途より分流した作動流体を減圧弁を介して前記補助熱交換器へ導入することで前記タービン室から前記断熱膨張室に導入された作動流体を冷却して液化を補助すると共に、前記補助熱交換器より排出された作動流体を圧搾液化還流手段により圧搾し、凝縮させて前記蒸発室へ還流させるべく構成しても良い。このような構成とすることにより、より効率的且つ連続して動力を生成することができ、また、動力は回転力として得ることが可能となる。
以下、本実施形態に係る動力生成システム、及び本実施形態に係る発電システムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、作動流体としてプロパンが採用された場合を例に説明するが、先に述べたように作動流体の種類はこれに限定されるものではない。
図１は、本実施形態に係る発電システムＡの全体構成に関し、各構成や配管等を省略しつつ単純化して示した概念図である。図１に示すように本実施形態に係る発電システムＡは、系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換する耐圧密閉回路１と、耐圧密閉回路１に対して系外から熱エネルギーの授受を行う熱交換機構２と、耐圧密閉回路１が備えるバルブ類やポンプ類などの制御を行う制御部３とで構成している。なお、この図１に示した概念は、発電システムＡの他、後述する発電システムＢ〜発電システムＤにも適用されるものである。
図２は、本実施形態に係る発電システムＡの耐圧密閉回路１及び熱交換機構２に関し、より具体的な構成を交えつつ記載した説明図である。図２に示すように耐圧密閉回路１は、蒸発室１０と、断熱往復シリンダ１１と、往路側断熱膨張室１２及び復路側断熱膨張室１３と、往路側バッファータンク１４及び復路側バッファータンク１５と、循環ポンプ１６と、往路側液化ポンプ１７及び復路側液化ポンプ１８とを備え、これらを作動流体流路で連通接続することにより構成している。
また、作動流体流路は、蒸発室１０の気相流出口１０ａと断熱往復シリンダ１１の往路供給口１１ａ及び復路供給口１１ｂとの間を接続する作動流体ガス供給管１９と、断熱往復シリンダ１１の往路排出口１１ｃと往路側断熱膨張室１２の膨張室流入口１２ａとを接続する往路側作動流体ガス排出管２０と、復路排出口１１ｄと復路側断熱膨張室１３の膨張室流入口１３ａとを接続する復路側作動流体ガス排出管２１と、往路側断熱膨張室１２の作動流体液流下口１２ｂと往路側バッファータンク１４の作動流体液流入口１４ａとを接続する作動流体液流下管２２と、復路側断熱膨張室１３の作動流体液流下口１３ｂと復路側バッファータンク１５の作動流体液流入口１５ａとを接続する作動流体液流下管２３と、往路側バッファータンク１４の作動流体液流出口１４ｂ及び復路側バッファータンク１５の作動流体液流出口１５ｂと循環ポンプ１６の流入口１６ａとを接続する循環ポンプ供給管２４と、循環ポンプ１６の送出口１６ｂと蒸発室１０の循環ポンプ送給液流入口１０ｂとを接続する循環ポンプ還流管２５と、往路側断熱膨張室１２の気相排出口１２ｃと往路側液化ポンプ１７の流入口１７ａとを接続する往路側気相送給管２６と、復路側断熱膨張室１３の気相排出口１３ｃと復路側液化ポンプ１８の流入口１８ａとを接続する復路側気相送給管２７と、往路側液化ポンプ１７の送出口１７ｂと蒸発室１０の往路側圧搾液流入口１０ｃとを接続する往路側圧搾液送給管２８と、復路側液化ポンプ１８の送出口１８ｂと蒸発室１０の復路側圧搾液流入口１０ｄとを接続する復路側圧搾液送給管２９とを備えている。
また発電システムＡは、耐圧密閉回路１を循環する作動流体に対し、耐圧密閉回路１の系外の流体と熱エネルギーの授受を行わせるための熱交換機構２を備えている。
熱交換機構２は、外来熱エネルギー供給媒体取込部３０と、蒸発室１０の内底部にて作動流体の液相中に浸漬するよう配設した熱交換器からなる外来エネルギー付与部３１と、往路側圧搾液送給管２８の中途に配設した往路側凝縮器３２と、復路側圧搾液送給管２９の中途に介設した復路側凝縮器３３と、循環ポンプ還流管２５の中途において上流側から順に直列多段に介設した第１〜第３加温用熱交換器３４,３５,３６とを備え、これらを熱交換媒体流路で連通接続することにより構成している。
また、熱交換媒体流路は、外来熱エネルギー供給媒体取込部３０と外来エネルギー付与部３１の流入口３１ａとを接続する供給媒体送給管４０と、外来エネルギー付与部３１の流出口３１ｂと往路側凝縮器３２、復路側凝縮器３３、第１加温用熱交換器３４、第２加温用熱交換器３５のそれぞれの流入口３２ａ,３３ａ,３４ａ,３５ａとを接続する供給媒体排出流路４１と、往路側凝縮器３２及び復路側凝縮器３３の流出口３２ｂ,３３ｂと第３加温用熱交換器３６の流入口３６ａとを接続する冷却用流体排出流路４２と、第１加温用熱交換器３４、第２加温用熱交換器３５、第３加温用熱交換器３６の各流出口３４ｂ,３５ｂ,３６ｂから加温用流体を排出させる第１〜第３加温用流体排出流路４４,４５,４６とで構成している。
次に、耐圧密閉回路１及び熱交換機構２の各構成について説明する。蒸発室１０は、断熱処理が施された気相部容量が約100容量部の密閉耐圧容器にて形成されており、内部に作動流体としての液体状のプロパン（以下、液化プロパンという。）と、気体状のプロパン（以下、プロパンガスという。）とが収容されている。また、収容された液化プロパンとプロパンガスとの容量比は、概ね10〜1：5〜1としており、プロパンガスの圧力は大凡7〜9.5気圧としている。
蒸発室１０の底部近傍、すなわち、収容された液化プロパンに没する部位には、熱交換によって液化プロパンの温度を加熱用流体の温度に近づけるための外来エネルギー付与部３１が配設されている。
外来エネルギー付与部３１を流れる加熱用流体は、外来熱エネルギー供給媒体取込部３０を介して取り込まれた海水であり、本実施形態では約20〜30℃の海水を用いている。
外来熱エネルギー供給媒体取込部３０は、例えば取込ポンプ４７により外来熱エネルギー供給媒体取込部３０内に海Ｓから得られる海水を取り込むようにしている。なお、外来熱エネルギー供給媒体の取込は、必ずしも取込ポンプ４７等による必要はなく、例えば山などの高低差を利用して流れ降りる河川Ｒの河川水を取り込んだりすることも可能である。
外来熱エネルギー供給媒体取込部３０に取り込まれた外来熱エネルギー供給媒体としての海水は、蒸発室１０内の液化プロパンを海水の温度に近づけるべく加熱するための加熱用流体として供給媒体送給管４０を介し外来エネルギー付与部３１へ流入口３１ａから流入し流出口３１ｂより流出する。
また、蒸発室１０のプロパンガスが充満する気相領域には、作動流体ガス供給管１９の基端を臨ませて気相流出口１０ａを形成している。
また、作動流体ガス供給管１９の先端側は分岐部１９ｃより二叉状に分岐させており、それぞれ断熱往復シリンダ１１の往路側膨縮室１１ｅに形成した往路供給口１１ａに接続する往路側枝管１９ａと、復路側膨縮室１１ｆに形成した復路供給口１１ｂに接続する復路側枝管１９ｂとしている。
また、作動流体ガス供給管１９の分岐部１９ｃと往路供給口１１ａとの間を結ぶ往路側枝管１９ａの中途には往路側供給弁５０ａを設け、また、分岐部１９ｃと復路供給口１１ｂとの間を結ぶ復路側枝管１９ｂの中途には復路側供給弁５０ｂを設けている。
この往路側供給弁５０ａ及び復路側供給弁５０ｂは、蒸発室１０にて発生させたプロパンガスを断熱往復シリンダ１１の往路側膨縮室１１ｅ又は復路側膨縮室１１ｆに供給したり停止するための弁であり、後述する制御部３に電気的に接続することで制御可能としている。
断熱往復シリンダ１１は、筒状に形成したシリンダ本体５２と、シリンダ本体５２内で往復摺動するピストン５３とを備えており、ピストン５３を隔てたシリンダ本体５２の内部空間をそれぞれ往路側膨縮室１１ｅ及び復路側膨縮室１１ｆとしている。ピストン５３が死点に達した際の往路側膨縮室１１ｅ又は復路側膨縮室１１ｆの最大容量は大凡1〜2容量部（例えば、10m3）としており、この時の各膨縮室の圧力は蒸発室１０の気相領域の圧力と略同じ圧力となる。
また、ピストン５３には、シリンダ本体５２の長手方向に伸延する往路側ロッド５４ａ及び復路側ロッド５４ｂを配設している。各ロッド５４はラック状に形成しており、変速機５５に備えられたピニオンと歯合させることによりラックアンドピニオン構造を形成している。
変速機５５は、ピニオンの回転を増速（又は減速）するための機構であり、変速機５５の出力軸を発電機５６の受動軸と連動連結させて発電可能としている。
往路側膨縮室１１ｅには、内部のプロパンガスを排出するための往路排出口１１ｃが形成されており、同往路排出口１１ｃと往路側断熱膨張室１２の膨張室流入口１２ａとの間を往路側作動流体ガス排出管２０により連通接続させている。
また、往路側作動流体ガス排出管２０の中途部には、往路側排出弁６０ａを配設している。往路側排出弁６０ａは、往路側膨縮室１１ｅ内のプロパンガスの往路側断熱膨張室１２への排出・停止を行うための弁であり、後述する制御部３に電気的に接続することで制御可能としている。
往路側断熱膨張室１２は断熱処理が施された約4.5〜18容量部の密閉耐圧容器にて形成されており、往路側膨縮室１１ｅより排出されたプロパンガスを断熱膨張させて液化させるための部位である。
往路側作動流体ガス排出管２０を介して往路側断熱膨張室１２に導入されたプロパンガスは、大凡1.7〜2.5気圧にまで減圧されると共に、温度が-42〜-10℃にまで低下してその大半が液化され、往路側断熱膨張室１２の内部には、断熱膨張によって生じた液化プロパンよりなる液相と、その上部領域に形成される気相とが存在することとなる。
また、往路側断熱膨張室１２の内部において、膨張室流入口１２ａより流入するプロパンの流れに接触可能な気相領域部分には、タービン６１を配設している。
このタービン６１は、回転力を伝達する伝達軸６２ａを介して発電機６２に連動連結されており、往路側断熱膨張室１２内へ圧力差により流入するプロパンの運動エネルギーを利用して更なる発電を可能としている。
往路側断熱膨張室１２の底部には作動流体液流下口１２ｂが形成されており、同作動流体液流下口１２ｂからは往路側バッファータンク１４の作動流体液流入口１４ａと連通する作動流体液流下管２２が設けられている。
往路側バッファータンク１４は、往路側断熱膨張室１２にて生じた液化プロパンを回収し、一時的にストックしておくタンクであり、作動流体液流下口１２ｂよりも低い位置に作動流体液流入口１４ａが位置するよう、往路側断熱膨張室１２よりも低位置に往路側バッファータンク１４が配置されている。
また、作動流体液流下管２２の中途部には、作動流体液流下管２２の流路を開放又は閉鎖する往路側流下弁６３ａが介設されている。この往路側流下弁６３ａは後述する制御部３に電気的に接続することで制御可能としている。制御部３により往路側流下弁６３ａが開状態に制御されると、往路側断熱膨張室１２内の底部に存在する液化プロパンは、自重により往路側バッファータンク１４内へ流下し貯留される。
ここで、本実施形態に係る発電システムＡの耐圧密閉回路１に特徴的な点の一つとして、上述した往路排出口１１ｃから、往路側排出弁６０ａを介設した往路側作動流体ガス排出管２０、往路側断熱膨張室１２までの構成と同様の構成を、図２に示すように復路排出口１１ｄ側にも設けている点が挙げられる。
それぞれの特徴は往路側と同様であるため具体的な説明は省略するが、このような構成を備えることで、断熱往復シリンダ１１において往路側膨縮室１１ｅにプロパンガスが導入されてピストン５３が移動する動作（以下、往路動作ともいう。）に伴い復路側膨縮室１１ｆより排出されたプロパンガスは復路側断熱膨張室１３にて液化し、復路側膨縮室１１ｆにプロパンガスが導入されてピストン５３が移動する動作（以下、復路動作ともいう。）に伴い往路側膨縮室１１ｅより排出されたプロパンガスは往路側断熱膨張室１２で液化することができる。
仮に、往復兼用の断熱膨張室が１つだけ設けてある場合には、例えば往路動作によって復路側膨縮室１１ｆより排出されたプロパンガスの圧力が十分低下するのを待って復路動作に伴う往路側膨縮室１１ｅからのプロパンガスの受入を行わなければ液化効率が低下してしまい、また、速やかな復路動作への移行が困難となり動力生成効率や発電効率が低下するところであるが、本実施形態に係る発電システムＡにあっては、往路側膨縮室１１ｅの往路側作動流体ガス排出管２０の下流側と、復路側膨縮室１１ｆの復路側作動流体ガス排出管２１の下流側との両方に、それぞれ別個に往路側断熱膨張室１２や復路側断熱膨張室１３を設けているため、プロパンガスの効率的な液化を実現し、また、速やかな往復動作を実現して効率的な動力の生成及び発電を行うことができる。
また、本実施形態に係る発電システムＡでは、往路側流下弁６３ａを介設した作動流体液流下管２２や往路側バッファータンク１４の構成についても同様に、復路側流下弁６３ｂを介設した作動流体液流下管２３や復路側バッファータンク１５を設けているため、往路側断熱膨張室１２や復路側断熱膨張室１３内の圧力を、断熱往復シリンダ１１の各膨出室から排出されるプロパンガスを受け入れ可能な状態に速やかにリセットすることができる。
耐圧密閉回路１の説明に戻り、往路側バッファータンク１４及び復路側バッファータンク１５の底部には、作動流体液流出口１４ｂ,１５ｂが設けられており、二叉状に形成した循環ポンプ供給管２４の枝管部分を基端としてそれぞれ作動流体液流出口１４ｂ,１５ｂに連結すると共に、合流先端部分を循環ポンプ１６の流入口１６ａに接続している。
また、循環ポンプ１６の送出口１６ｂは、蒸発室１０の循環ポンプ送給液流入口１０ｂに循環ポンプ還流管２５を介して連通連結させており、循環ポンプ１６を作動させることにより、往路側バッファータンク１４及び復路側バッファータンク１５内に貯留されている液化プロパンが蒸発室１０へ還流されるよう構成している。
また、循環ポンプ還流管２５の中途には、第１〜第３加温用熱交換器３４,３５,３６を配設しており、加温用流体との間で熱交換を行って、循環ポンプ１６によって送給される液化プロパンの温度（大凡-42〜-10℃）を徐々に加温し、前述した加熱用流体としての海水の温度に近づけて蒸発室１０内へ還流させるようにしている。
第１及び第２加温用熱交換器３５は、蒸発室１０の外来エネルギー付与部３１にて熱交換により温度低下した加熱用流体を、供給媒体排出流路４１を介し、循環ポンプ還流管２５を流れる液化プロパンの加温に供する加温用流体として受け入れて熱交換を行う。
これにより、循環ポンプ還流管２５を流れる液化プロパンの温度は、第１加温用熱交換器３４により-42〜-10℃から2〜5℃に、第２加温用熱交換器３５により2〜5℃から10〜15℃に暖められる。
その一方で、第１加温用熱交換器３４の第１加温用流体排出流路４４からは2〜5℃の海水が排出され、第２加温用熱交換器３５の第２加温用流体排出流路４５からは10〜15℃の海水が排出される。
これらの冷水は、冷熱源として利用することも可能である。すなわち、本実施形態に係る発電システムＡは、冷水を供給するシステムとしての側面も有していると言える。
第３加温用熱交換器３６は、後述の往路側凝縮器３２及び復路側凝縮器３３にて熱交換された冷却用流体を、冷却用流体排出流路４２を介し、第１加温用熱交換器３４及び第２加温用熱交換器３５を経た液化プロパンの加温に供する加温用流体として受け入れて熱交換を行う。
これにより、循環ポンプ還流管２５を流れる液化プロパンの温度は、第２加温用熱交換器３５にて加温された10〜15℃から、より加熱用流体の温度に近い20〜30℃に加温されて蒸発室１０へ還流される。
この第３加温用熱交換器３６においても、第３加温用流体排出流路４６からは20〜30℃の海水が排出され、この海水もまた適宜熱源として利用することもできる。
ここで再度、往路側断熱膨張室１２及び復路側断熱膨張室１３近傍の構成に話を移すと、往路側断熱膨張室１２及び復路側断熱膨張室１３の内部の気相領域には、それぞれ往路側気相送給管２６及び復路側気相送給管２７の基端側を臨ませて、気相排出口１２ｃ,１３ｃを形成している。
往路側気相送給管２６及び復路側気相送給管２７の先端は、それぞれ往路側液化ポンプ１７及び復路側液化ポンプ１８の流入口１７ａ,１８ａに連結されており、往路側断熱膨張室１２及び復路側断熱膨張室１３内の気相を構成するプロパンガスを往路側液化ポンプ１７及び復路側液化ポンプ１８へ送給可能としている。
また、往路側気相送給管２６及び復路側気相送給管２７の中途には、それぞれ往路側送気弁６５及び復路側送気弁６６を介設している。
これら送気弁６５,６６は、それぞれ制御部３に電気的に接続されており、所定のタイミングで開動作がなされることにより、往路側断熱膨張室１２及び復路側断熱膨張室１３のプロパンガスを更に減圧させつつ温度低下させて往路側液化ポンプ１７及び復路側液化ポンプ１８へ導く。
往路側液化ポンプ１７及び復路側液化ポンプ１８は、プロパンガスを圧搾して液化した上で送出するポンプである。
また、本実施形態に係る発電システムＡに特徴的な構成の一つとして、往路側送気弁６５と往路側液化ポンプ１７との間、及び復路側送気弁６６と復路側液化ポンプ１８との間には、冷凍室７０及び冷蔵室７１がそれぞれ設けられている。
冷凍室７０及び冷蔵室７１の内部には、熱交換効率の高い形状に形成した往路側気相送給管２６及び復路側気相送給管２７が露出しており、冷凍室７０や冷蔵室７１にそれぞれ配設されたファン７２を駆動させることで、往路側断熱膨張室１２や復路側断熱膨張室１３内にて断熱膨張で冷えたプロパンガスにより、冷凍室７０や冷蔵室７１内を冷却可能としている。
往路側液化ポンプ１７及び復路側液化ポンプ１８の送出口１７ｂ,１８ｂより送出された液化プロパンは、往路側圧搾液送給管２８及び復路側圧搾液送給管２９を介し、蒸発室１０の底部の形成された往路側圧搾液流入口１０ｃ及び復路側圧搾液流入口１０ｄより蒸発室１０内に送給される。
また、往路側圧搾液送給管２８及び復路側圧搾液送給管２９の中途には、往路側凝縮器３２及び復路側凝縮器３３が配設されており、冷却用流体との間で熱交換を行って、往路側液化ポンプ１７や復路側液化ポンプ１８によって送出されるプロパンガスの液化潜熱を回収し、前述した加熱用流体としての海水の温度に近づけて蒸発室１０内へ還流させるようにしている。
この往路側凝縮器３２及び復路側凝縮器３３にて熱交換に使用される冷却用流体は、蒸発室１０の外来エネルギー付与部３１にて熱交換により温度低下した加熱用流体を用いることとしている。
従って、海水をそのまま往路側凝縮器３２や復路側凝縮器３３へ冷却用流体として供給する場合に比して、液化効率をより良好なものとすることができる。
また、先述したように、往路側凝縮器３２及び復路側凝縮器３３にて熱交換に使用された冷却用流体は、第３加温用熱交換器３６において加温用流体として使用される。
それゆえ、循環ポンプ還流管２５を流れる液化プロパンの温度を、より効率的に上昇さて、蒸発室１０における蒸発効率の維持を図ることができる。
次に、発電システムＡの電気的構成について、図３を参照しつつ説明する。図３は、本実施形態に係る発電システムＡの電気的構成を示した説明図である。
制御部３は、内部にＣＰＵ８０、ＲＯＭ８１、ＲＡＭ８２等を備えており、発電システムＡの稼動に必要なプログラムを実行可能としている。また、制御部３内のＲＡＭ８２は、ＣＰＵ８０にてプログラムを実行するに際し、必要な変数等を記憶させる一時記憶領域として機能する。また、ＲＯＭ８１には、発電システムＡの稼動に必要なプログラム等が格納されている。
また、制御部３には、図３に示すように、往復死点到達センサ７５や、往路側供給弁５０ａ、復路側供給弁５０ｂ、往路側排出弁６０ａ、復路側排出弁６０ｂ、往路側流下弁６３ａ、復路側流下弁６３ｂ、往路側送気弁６５、復路側送気弁６６が電気的に接続されており、制御部３におけるプログラムの実行状況に応じて参照されたり、制御駆動するよう構成している。
往復死点到達センサ７５は、断熱往復シリンダ１１のピストン５３が往路動作によって死点（往路死点）に達したか、又は、復路動作によって死点（復路死点）に達したかを検出するセンサであり、同往復死点到達センサ７５より出力される検出データは、前述のＲＡＭ８２の所定アドレスに死点到達フラグとして随時格納される。死点到達フラグは、ピストン５３が往路死点又は復路死点に到達したか否かを示し、「０」〜「２」の値をとるフラグであり、「０：死点に到達していない」、「１：往路死点」、「２：復路死点」を意味している。
往路側残液検出センサ７６ａは、作動流体の液相が往路側断熱膨張室１２内に存在するか否かを検出するセンサである。前述したように、往路側断熱膨張室１２内の気相は、往路側送気弁６５を介して冷凍室７０や冷蔵室７１に供給されるのであるが、往路側断熱膨張室１２内に液相が存在すると、往路側送気弁６５の開放に伴って減圧した気相を補うように液相が蒸発し、円滑な気相減圧が阻害されてしまう。そこで、往路側流下弁６３ａを開放して液相を流下させて往路側断熱膨張室１２内から往路側バッファータンク１４へ排出を行う際、往路側残液検出センサ７６ａは、円滑な気相減圧が阻害されない程度の液量まで往路側断熱膨張室１２内の液相が排出され減少した状態、すなわち、実質的に液相が存在していない状態（以下、残液なし状態ともいう。）であるか、それとも、往路側断熱膨張室１２内に液相が未だ存在している状態（以下、残液有り状態とも言う。）であるかに応じて信号を出力する。
往路側残液検出センサ７６ａから出力される信号は、ＲＡＭ８２の所定アドレスに往路側残液フラグとして随時格納される。往路側残液フラグは、残液の有無を示し、「０」又は「１」の値をとるフラグであり、「０：残液なし状態」、「１：残液あり状態」を意味している。
また、復路側断熱膨張室１３にも同様に、残液なし状態と残液あり状態とを検出可能な位置に復路側残液検出センサ７６ｂが配設されており、この復路側残液検出センサ７６ｂより出力される信号は、ＲＡＭ８２の所定アドレスに復路側残液フラグとして随時格納されるよう構成している。
次に、制御部３において実行される各供給弁５０ａ,５０ｂ、排出弁６０ａ,６０ｂ、流下弁６３ａ,６３ｂ、送気弁６５,６６の開閉制御処理（以下、弁制御処理という。）について、図４を参照しつつ説明する。制御部３にて実行される弁制御処理は、発電システムＡの各ポンプの制御や発電量の制御、使用者の操作応答などの装置全体を統括する処理（以下、メインルーチンという。）の一部として実行される。ここでは、弁制御処理について具体的に説明し、メインルーチンにおけるその他の各種処理についての説明は省略する。
図４に示すように、弁制御処理では、まずＣＰＵ８０は、ＲＡＭ８２の所定アドレスに記憶されている死点到達フラグの値を参照する（ステップＳ１０）。
次にＣＰＵ８０は、参照した死点到達フラグの値が０であるか否か、すなわち、断熱往復シリンダ１１のピストン５３が死点に到達していない状態であるか否かの判断を行う（ステップＳ１１）。ここで、死点到達フラグが０であると判断した場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ８０は処理を再びステップＳ１０へ戻す。一方、死点到達フラグが０ではないと判断した場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）には、ＣＰＵ８０は処理をステップＳ１２へ移す。
ステップＳ１２においてＣＰＵ８０は、往路側供給弁５０ａと復路側供給弁５０ｂとの両供給弁、及び、往路側排出弁６０ａと復路側排出弁６０ｂとの両排出弁を閉状態とする。
次にＣＰＵ８０は、死点到達フラグが１であるか否か、すなわち、ピストン５３が往路死点に到達している状態か否かの判断を行う（ステップＳ１３）。ここで死点到達フラグが１であると判断した場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ８０は処理をステップＳ１４へ移す。
ステップＳ１４においてＣＰＵ８０は復路側流下弁６３ｂを開状態とし、ＲＡＭ８２の所定アドレスに記憶されている復路残液フラグの値を参照する。
次にＣＰＵ８０は、参照した復路残液フラグの値が０であるか否かの判断を行う（ステップＳ１５）。ここで、復路残液フラグが０ではないと判断した場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）には、ＣＰＵ８０は処理を再びステップＳ１４へ戻す。一方、復路残液フラグが０であると判断した場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ８０は処理をステップＳ１６へ移す。
ステップＳ１６においてＣＰＵ８０は復路側流下弁６３ｂを閉状態とした上で復路側送気弁６６を開状態とし、復路側断熱膨張室１３内の気相を構成するプロパンガスが復路側気相送給管２７を通じて送給されるのに十分な所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１７）。
ここで所定時間が経過していないと判断した場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）には、ＣＰＵ８０は、所定時間が経過するまでステップＳ１６を実行し、復路側送気弁６６の開状態を維持する。一方、所定時間が経過したと判断した場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ８０は、復路側送気弁６６を閉状態とし、復路側供給弁５０ｂを開状態とし、往路側排出弁６０ａを開状態として（ステップＳ１８）、復路側膨縮室１１ｆへプロパンガスを流入させ、断熱往復シリンダ１１に復路動作を行わせる。本ステップＳ１８を終えると、ＣＰＵ８０は再びステップＳ１０へ処理を戻す。
一方、ステップＳ１３において、死点到達フラグが１ではないと判断した場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）には、ＣＰＵ８０は処理をステップＳ１９へ移す。
ステップＳ１９においてＣＰＵ８０は往路側流下弁６３ａを開状態とし、ＲＡＭ８２の所定アドレスに記憶されている往路残液フラグの値を参照する。
次にＣＰＵ８０は、参照した往路残液フラグの値が０であるか否かの判断を行う（ステップＳ２０）。ここで、復路残液フラグが０ではないと判断した場合（ステップＳ２０：Ｎｏ）には、ＣＰＵ８０は処理を再びステップＳ１９へ戻す。一方、往路残液フラグが０であると判断した場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ８０は処理をステップＳ２１へ移す。
ステップＳ２１においてＣＰＵ８０は往路側流下弁６３ａを閉状態とした上で往路側送気弁６５を開状態とし、往路側断熱膨張室１２内の気相を構成するプロパンガスが往路側気相送給管２６を通じて送給されるのに十分な所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２２）。
ここで所定時間が経過していないと判断した場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）には、ＣＰＵ８０は、所定時間が経過するまでステップＳ２１を実行し、往路側送気弁６５の開状態を維持する。一方、所定時間が経過したと判断した場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ８０は、往路側送気弁６５を閉状態とし、往路側供給弁５０ａを開状態とし、復路側排出弁６０ｂを開状態として（ステップＳ２３）、往路側膨縮室１１ｅへプロパンガスを流入させ、断熱往復シリンダ１１に往路動作を行わせる。本ステップＳ２３を終えると、ＣＰＵ８０は再びステップＳ１０へ処理を戻す。
このように、本実施形態に係る発電システムＡでは、上述のような処理を行うことにより、効率の良い断熱往復シリンダ１１の連続的な稼動を行っている。
特に、ＣＰＵ８０が、ステップＳ１８やステップＳ２３を実行して供給流路形成動作と共に排出流路形成動作を行い、更にステップＳ１３で判断しつつ往路側と復路側とについて交互に行って作動流体供給排出手段を実現しており、往路側断熱膨張室１２と復路側断熱膨張室１３との２つの断熱膨張室を備えた発電システムＡにおいて、効率的な動力の生成及び発電が行えるようにしている。
また、ＣＰＵ８０が、ステップＳ１１でＮｏの判断をした場合、すなわち、ピストンが往復いずれかの死点に達し、ロッドの往復運動の切り替わりのタイミングである時には、ステップＳ１２を実行して膨縮室への作動流体の供給及び排出の流路を一時的に閉塞し、次いでステップＳ１６やステップＳ２１を実行することで開閉弁としての送気弁６５,６６を開放して断熱膨張室の気相部を更に断熱膨張させて温度を低下させつつプロパンガスを圧搾液化還流手段としての往路側液化ポンプ１７へ導く減圧送給動作を行うこととしており、断熱膨張室の圧力管理をより堅実なものとして、効率的な作動流体の液化を実現することが可能となり、ひいては、極めて効率的な動力の生成及び発電が行われるようにしている。
次に、第２の実施例に係る発電システムＢについて図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、既出の構成については同じ符号を付して説明を省略する場合がある。また、作動流体や各加熱・加温・冷却媒体の温度や圧力等は、概ね発電システムＡの例によるが、必要に応じて変更することも可能である。
発電システムＢは、前述の発電システムＡと略同様の構成を有しているが、主に下記の点で構成を異にしている。
・往路側断熱膨張室１２や復路側断熱膨張室１３の下流側にバッファータンクを介設していない点
・往路側断熱膨張室１２の気相部より延出させた往路側気相送給管２２６が復路側断熱膨張室１３内を貫通し、復路側断熱膨張室１３の気相部より延出させた復路側気相送給管２２７が往路側断熱膨張室１２内を貫通しており、この各断熱膨張室１２,１３内を貫通させた作動流体流路部分には熱交換部２２６ａ,２２７ａを配している点
・往路側凝縮器３２や復路側凝縮器３３にて液化された作動流体を、第１加温用熱交換器３４よりも上流側で循環ポンプ１６よりも下流側の位置で、循環ポンプ１６により蒸発室１０へ還流中の循環ポンプ還流管２５を流れる液化作動流体に合流させている点
・第１加温用熱交換器３４の第１加温用流体排出流路４４を、往路側凝縮器３２の流入口３２ａや復路側凝縮器３３の流入口３３ａに接続している点
・冷凍室７０や冷蔵室７１を、往路側気相送給管２２６と復路側気相送給管２２７との一方にのみ設けている点
・外来エネルギー付与部３１よりも上流側の供給媒体送給管４０の中途より分岐させた加温用熱媒体送給管２４０を流入口３６ａに接続して第３加温用熱交換器３６の加温用熱媒体を得ている点
これらの各構成について具体的に説明すると、まず、発電システムＢでは、往路側断熱膨張室１２や復路側断熱膨張室１３の下流側にバッファータンクが介設されていない。これは、発電システムＡの如くバッファータンクの設置を妨げるものではないが、後述の如く各断熱膨張室１２,１３内に熱交換部２２６ａ,２２７ａを配設しており、往路側送気弁６５や復路側送気弁６６を開放しても断熱膨張室１２,１３内に残留する液化した作動流体の再蒸発が妨げられるため、往路側送気弁６５や復路側送気弁６６の開放に際し、断熱膨張室１２,１３内をできるだけ空の状態にしておく必要がないからである。従って、発電システムＢ全体の構成をよりシンプルなものとすることができる。
また、発電システムＢでは、往路側断熱膨張室１２の気相部より延出させた往路側気相送給管２２６が復路側断熱膨張室１３内を貫通し往路側液化ポンプ１７の流入口１７ａに接続され、その一方で復路側断熱膨張室１３の気相部より延出させた復路側気相送給管２２７が往路側断熱膨張室１２内を貫通し復路側液化ポンプ１８の流入口１８ａに接続されている。
また、各断熱膨張室１３,１２内を貫通する往路側気相送給管２２６及び復路側気相送給管２２７の中途であって膨張室流入口１３ａ及び膨張室流入口１２ａより流入する作動流体と接触可能な位置には、熱交換部２２６ａ,２２７ａを形成している。
従って、例えば往路側送気弁６５が開放されて往路側断熱膨張室１２内の気相が減圧されつつ往路側気相送給管２２６に流入すると、熱交換部２２６ａは冷却される。
次いで、往路動作に伴い膨張室流入口１３ａから復路側断熱膨張室１３内に作動流体が流入すると断熱膨張によりその大半が液化すると共に、液化しきれなかった作動流体もまた冷えた熱交換部２２６ａと接触して液化され、復路側断熱膨張室１３内でのより堅実な液化を実現することができる。同様に、復路側送気弁６６が開放されて２２７ａが冷却され、復路動作に伴って膨張室流入口１２ａから往路側断熱膨張室１２内に作動流体が流入した際も堅実な液化を図ることができる。
また、発電システムＢでは、往路側凝縮器３２にて液化された作動流体を合流ポンプ２２８ａで圧送することにより、第１加温用熱交換器３４よりも上流側で循環ポンプ１６よりも下流側の位置に配した合流部２２５ａで、蒸発室１０へ還流中の循環ポンプ還流管２５を流れる液化作動流体に合流させている。復路側も同様に、復路側凝縮器３３にて液化された作動流体を合流ポンプ２２９ａで圧送することにより、合流部２２５ａで蒸発室１０へ還流中の循環ポンプ還流管２５を流れる液化作動流体に合流させている。従って、液化した作動流体の蒸発室１０への還流に際し、配管系統をよりシンプルにすることができる。
また、発電システムＢでは、第１加温用熱交換器３４の第１加温用流体排出流路４４を、往路側凝縮器３２の流入口３２ａや復路側凝縮器３３の流入口３３ａに接続している。
従って、発電システムＡの如く外来エネルギー付与部３１にて熱交換された後の加熱用流体を往路側凝縮器３２や復路側凝縮器３３の冷却用流体として用いる場合に比して、より効率的な凝集を行わせることができる。なお、往路側凝縮器３２や復路側凝縮器３３にて熱交換を終えた後の冷却用流体は、流出口３２ｂや流出口３３ｂを介して排水配管４８より排出される。
また、発電システムＢでは、復路側気相送給管２２７の中途に冷凍室７０や冷蔵室７１を設ける一方、往路側気相送給管２２６の中途には、冷凍室７０や冷蔵室７１を設けていない。これは往路側気相送給管２２６と復路側気相送給管２２７との双方に冷凍室７０や冷蔵室７１を設けることを妨げるものではなく、必ずしも双方に冷凍室７０や冷蔵室７１を設けなくても良いことを例示するものである。
また、発電システムＢでは、外来エネルギー付与部３１よりも上流側の供給媒体送給管４０の中途に位置する分岐部２４０ａより分岐させた加温用熱媒体送給管２４０を流入口３６ａに接続し、供給媒体送給管４０を流れる加熱用流体の一部を第３加温用熱交換器３６の加温用熱媒体として得ている。
このような構成とすることにより、熱交換機構２の配管系統をよりシンプルな構成としつつ、蒸発室１０へ還流させる作動流体の堅実な昇温を行うことができる。
このような構成を備える発電システムＢによっても、効率的な発電を行うことが可能な動力生成システムや、同動力生成システムを用いた発電システムを構築することができる。
次に、第３の実施例に係る発電システムＣについて図６を参照しながら説明する。発電システムＣは、前述の発電システムＡや発電システムＢと略同様の構成を有しているが、主に下記の点で構成を異にしている。
・断熱膨張室１２,１３から作動流体の気相を送出する配管系統を設けていない点
・作動流体ガス供給管１９上の分岐部１９ｃよりも下流側に第２の分岐部３１９ａを設けて作動流体ガス供給管１９から冷却用配管３８５を分岐し、各断熱膨張室１２,１３内に配した熱交換部３８８ａ,３８９ａと、冷凍室７０や冷蔵室７１の冷却とに用いている点
これらの各構成について具体的に説明すると、まず、発電システムＣでは、発電システムＡや発電システムＢにおける往路側気相送給管２６や往路側気相送給管２２６、復路側気相送給管２７や復路側気相送給管２２７に相当するような、断熱膨張室１２,１３の気相部を圧搾液化手段に導く配管系統を備えていない。これは、次に述べる第２分岐部３１９ａで分岐させた冷却用配管３８５により、断熱膨張室１２,１３内での作動流体の液化をより堅実に行うことができるためである。
発電システムＣでは、作動流体ガス供給管１９上の分岐部１９ｃよりも下流側に第２分岐部３１９ａを設け、作動流体ガス供給管１９から冷却用配管３８５を分岐させている。
冷却用配管３８５は、第３分岐部３８５ａにて保冷設備冷却系統配管３８６と液化補助系統配管３８７とに分岐する。
保冷設備冷却系統配管３８６は冷却系統液化ポンプ３１８の流入口３１８ａに接続されており、その中途には冷凍室７０及び冷蔵室７１が介設されている。冷却系統液化ポンプ３１８により圧搾された作動流体は、送出口３１８ｂより吐出され、冷却系統凝縮器３３３にて凝縮液化された後、冷却系統圧搾液送給管３２９を介し、合流ポンプ３２９ａによって循環ポンプ還流管２５を流れる作動流体と合流部３２５ａにて合流する。
また、保冷設備冷却系統配管３８６の中途に介設された流量調節バルブ３８６ａは減圧して作動流体を温度低下させるものであって制御部３に電気的に接続されており、冷凍室７０や冷蔵室７１内に設けられた図示しない温度センサ等からのフィードバック制御により開閉度が調節されることで庫内温度の調整を行う。
一方、第３分岐部３８５ａにて分岐した液化補助系統配管３８７は、第４分岐部３８７ａにて往路側液化補助配管３８８と、復路側液化補助配管３８９とに分岐する。なお、液化補助系統配管３８７に介設している減圧バルブ３８７ｂは、液化補助系統配管３８７に流れる作動流体を減圧（例えば１気圧程度）して温度低下（例えば、-42℃程度）させるためのバルブである。
往路側液化補助配管３８８は往路側断熱膨張室１２内を貫通しており、その下流端部は合流部３９０にて復路側液化補助配管３８９と合流すると共に、液化補助系統液化ポンプ３１７の流入口３１７ａに連結されている。
また、往路側断熱膨張室１２の貫通部分に相当する往路側液化補助配管３８８の中途部には発電システムＢと同様に熱交換部３８８ａが形成されており、往路側液化補助配管３８８を流れる冷えた作動流体により、往路側断熱膨張室１２内での作動流体の液化を補助するよう構成している。すなわち、往路側断熱膨張室１２内に導入された作動流体の大半を断熱膨張によって液化する一方、断熱膨張で温度低下したものの液化にまでは及ばなかった気体状の作動流体を熱交換部３８８ａにより更に補助冷却することで、作動流体の略全量を液化可能に構成している。
復路側液化補助配管３８９も往路側液化補助配管３８８と同様の構成としており、復路側断熱膨張室１３内を貫通し、その下流端部は合流部３９０にて合流する。また、復路側断熱膨張室１３の貫通部分には熱交換部３８９ａが形成されており、復路側断熱膨張室１３内での作動流体の液化を補助するよう構成している。
液化補助系統液化ポンプ３１７により圧搾された作動流体は、送出口３１７ｂより吐出され、液化補助系統凝縮器３３２にて凝縮液化された後、液化補助系統圧搾液送給管３２８を介し、合流ポンプ３２８ａによって循環ポンプ還流管２５を流れる作動流体と合流部３２５ａにて合流する。一例としては、液化補助系統液化ポンプ３１７は制御部３により液化補助系統配管４８７内の作動流体圧力が略１気圧を保つように稼動制御され、圧搾により作動流体を４気圧程度として液化補助系統圧搾液送給管３２８に供給し、更に合流ポンプ３２８ａにより約４気圧から約９気圧に圧力を高めて循環ポンプ還流管２５に合流させる。前述の冷却系統液化ポンプ３１８及び合流ポンプ３２９ａも略同様である。
このような構成を備える発電システムＣによっても、効率的な発電を行うことが可能な動力生成システムや、同動力生成システムを用いた発電システムを構築することができる。
次に、第４の実施例に係る発電システムＤについて図７を参照しながら説明する。なお、図７中四角で囲った圧力や温度は、矢印で示す部位の目安の温度や圧力である。
発電システムＤは、前述の発電システムＡ〜発電システムＣ、特に発電システムＣと略同様の構成を有しているが、主に下記の点で構成を異にしている。
・断熱往復シリンダ１１に代えて、タービン４１１ｂを用いている点
・断熱膨張室が１つである点
これらの各構成について具体的に説明すると、まず、発電システムＤでは、作動流体ガス供給管１９の下流端部をタービン室４１１の供給口４１１ａに接続して、タービン４１１ｂを回転可能としこのタービン４１１ｂの軸を動力の出力部として機能させ生成される動力を回転力とし、連続的な発電を可能としている。なお符号４５０ａは、タービン室４１１に供給する作動流体の量を調節するための流量調整バルブである。
タービン室４１１に供された作動流体は往路排出口４１１ｃより排出され、作動流体ガス排出管４２０を介して膨張室流入口４１２ａから断熱膨張室４１２内に導入される。
一方、冷却用配管３８５の第３分岐部３８５ａからは液化補助系統配管４８７が分岐しており、この液化補助系統配管４８７は断熱膨張室４１２内を貫通し、その下流端部は液化補助系統液化ポンプ３１７の流入口３１７ａに連結されている。なお、液化補助系統配管４８７に介設している減圧バルブ４８７ｂは、液化補助系統配管４８７に流れる作動流体を減圧して温度低下させるためのバルブである。
また、断熱膨張室４１２の貫通部分に相当する液化補助系統配管４８７の中途部には発電システムＣと同様に熱交換部４８７ｃが形成されており、液化補助系統配管４８７を流れる冷えた作動流体により、断熱膨張室４１２内での作動流体の液化を補助するよう構成している。
従って、膨張室流入口４１２ａより断熱膨張室４１２内に導入された作動流体は、断熱膨張による温度低下と熱交換部４８７ｃによる冷却によって、堅実な液化が行われる。
断熱膨張室４１２にて液化された作動流体は、作動流体液流下口４１２ｂより循環ポンプ供給管２４を介して循環ポンプ１６の流入口１６ａに供給され、蒸発室１０へ還流することとなる。
このような構成を備える発電システムＤによっても、効率的な発電を行うことが可能な動力生成システムや、同動力生成システムを用いた発電システムを構築することができる。
また特に、発電システムＤでは起電手段としてタービン４１１ｂを採用しているため、連続的な発電が可能とのメリットを有している。
次に、本実施形態に係る発電システムＡ〜Ｄの応用例について言及する。上述してきた実施例では、所定温度の海水を外来熱エネルギーの供給媒体として使用する例について述べたが、この外来熱エネルギー供給媒体を海水ではなく他の媒体としたり、また、発電システムＡ〜Ｄ自体を特定の場所に設置することで、さまざまな応用が可能となる。
（１．発電所付帯設備としての発電システムＡ〜Ｄ）
本発電システムＡ〜Ｄは、火力発電所や原子力発電所、地熱発電所など、冷却水が使用され温排水を排出するような発電所に付帯させて、本発電システムＡ〜Ｄと発電所との複合的な発電構造を構築することも可能である。
この場合、発電所から排出される温排水を外来熱エネルギーの供給媒体として使用することで、発電所で生成した電力に加え、更なる電力を供給することが可能となる。
（２．船舶の付帯設備としての発電システムＡ〜Ｄ）
発電システムＡ〜Ｄは、船舶に付帯させるようにしても良い。特に船舶は、発電所など陸上のエネルギー供給設備からは隔絶された海上を航行するものであるため、エネルギーの効率的な利用は極めて重要な課題である。
その点、発電システムＡ〜Ｄを船舶に付帯すれば、船舶内でのエネルギーの利用効率化を図ることができる。
この場合、海水を外来熱エネルギーの供給媒体として使用し船の推進エネルギーとして利用したり、船舶の内燃機関の冷却に用いられた温排水を使用することで、効率的な発電を行うことが可能である。
また特に発電システムＡ〜Ｄは、前述の如く、冷凍設備や冷蔵設備を設けることも可能である。従って、船舶内における食糧等の貯蔵に有用であるのは勿論のこと、冷凍船や冷蔵船の構築に多大な寄与をもたらすことができる。
上述してきたように、本実施形態に係る動力生成システム（例えば、発電システムＡ〜Ｃ）は、耐圧密閉回路（例えば、耐圧密閉回路１）の系内で作動流体（例えば、プロパン）を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する動力生成システムにおいて、前記耐圧密閉回路は、作動流体の気相（例えば、プロパンガス）及び液相（例えば、液化プロパン）が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加熱用流体（例えば、海水）と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室（例えば、蒸発室１０）と、往路側膨縮室（例えば、往路側膨縮室１１ｅ）と復路側膨縮室（例えば、復路側膨縮室１１ｆ）との圧力差で移動するピストン（例えば、ピストン５３）と、同ピストンより伸延し動力を出力させるロッド（例えば、ロッド５４）とを備える往復断熱シリンダ（例えば、断熱往復シリンダ１１）と、前記蒸発室の気相部の作動流体を前記往復断熱シリンダの一方の膨縮室へ供給する流路の形成を行う供給流路形成動作と共に他方の膨縮室からの作動流体の排出流路を形成する排出流路形成動作を行い、これを往路側膨縮室と復路側膨縮室とについて交互に行う作動流体供給排出手段（例えば、制御部３）と、前記他方の膨縮室から排出された作動流体を断熱膨張に伴う温度低下により液化する断熱膨張室と、断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流する液化作動流体還流手段（例えば、循環ポンプ１６）と、を有することとしたため、従来に比して効率的な動力の生成を行うことが可能な動力生成システムを提供することができる。
また、耐圧密閉回路の系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する熱動力生成システム（例えば、発電システムＤ）において、前記耐圧密閉回路は、作動流体の気相及び液相が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の外系より供給される加熱用流体と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室と、前記蒸発室と膨張室の圧力の差で回転するタービン（例えば、タービン４１１ｂ）と、同一タービンにより伸延する動力を出力させるロッド（例えば、ロッド５４）を備えるエネルギー伝達機と、前記蒸発室から前記タービンへの流路の中途を二股に分け、一方をエネルギー回収回路（例えば、液化補助系統）と他方を冷却回路（例えば、保冷設備冷却系統）とし、前記エネルギー回収回路の前記膨張室内部に前記冷却回路の一部の冷却用熱交換機を配置することにより、前記断熱膨張器内に流入した前記作動流体の凝縮熱を回収して液化し前記蒸発室へ還流させる液化作動流体還流手段と、前記冷却回路の前記冷却用熱交換器で凝縮熱を回収し終えた作動流体を加圧冷却し前記蒸発室へ還流させる圧搾液化還流手段と、を有することとしたため、従来に比して効率的な動力の生成を行うことが可能な動力生成システムを提供することができる。
最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
例えば、発電システムＡ〜発電システムＤのうちいずれかの発電システムにおける構成は、目的とする機能を阻害しない範囲内において、他の発電システムの構成として適用しても良いのは言うまでもない。
１ 耐圧密閉回路
２ 熱交換機構
３ 制御部
１０ 蒸発室
１１ 断熱往復シリンダ
１１ｅ 往路側膨縮室
１１ｆ 復路側膨縮室
１２ 往路側断熱膨張室
１３ 復路側断熱膨張室
１６ 循環ポンプ
１７ 往路側液化ポンプ
１８ 復路側液化ポンプ
２５ 循環ポンプ還流管
２６ 往路側気相送給管
２７ 復路側気相送給管
２８ 往路側圧搾液送給管
２９ 復路側圧搾液送給管
３２ 往路側凝縮器
３３ 復路側凝縮器
３４ 第１加温用熱交換器
３５ 第２加温用熱交換器
３６ 第３加温用熱交換器
５０ａ,５０ｂ 供給弁
５３ ピストン
５４ ロッド
５６ 発電機
６０ａ,６０ｂ 排出弁
６５,６６ 送気弁
７０ 冷凍室
７１ 冷蔵室
Ａ 発電システム

Claims (20)

  1. 耐圧密閉回路の系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する動力生成システムにおいて、
    前記耐圧密閉回路は、
    作動流体の気相及び液相が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加熱用流体と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室と、
    往路側膨縮室と復路側膨縮室との圧力差で移動するピストンと、同ピストンより伸延し動力を出力させるロッドとを備える往復断熱シリンダと、
    前記蒸発室の気相部の作動流体を前記往復断熱シリンダの一方の膨縮室へ供給する流路の形成を行う供給流路形成動作と共に他方の膨縮室からの作動流体の排出流路を形成する排出流路形成動作を行い、これを往路側膨縮室と復路側膨縮室とについて交互に行う作動流体供給排出手段と、
    前記他方の膨縮室から排出された作動流体を断熱膨張に伴う温度低下により液化する断熱膨張室と、
    断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流する液化作動流体還流手段と、を有することを特徴とする動力生成システム。
  2. 断熱膨張室で液化されなかった作動流体の残部を圧搾して液化し前記蒸発室へ還流させる圧搾液化還流手段を有することを特徴とする請求項１に記載の動力生成システム。
  3. 前記断熱膨張室は、前記往路側膨縮室の排出流路下流側と前記復路側膨縮室の排出流路下流側との両方にそれぞれ別個に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の動力生成システム。
  4. 各断熱膨張室の気相部と前記圧搾液化還流手段とを連通する作動流体流路は他方の断熱膨張室内を貫通させており、この貫通させた作動流体流路部分には膨縮室から排出された作動流体の液化を促進させるための熱交換部をそれぞれ設けていることを特徴とする請求項３に記載の動力生成システム。
  5. 前記耐圧密閉回路は、前記断熱膨張室の気相部と前記圧搾液化還流手段とを連通する作動流体流路の中途に介設した開閉弁を更に備え、
    前記作動流体供給排出手段は、前記ロッドの往復運動の切り替わり時に前記膨縮室への作動流体の供給及び排出の流路を一時的に閉塞し、前記開閉弁を開放して前記断熱膨張室の気相部を更に断熱膨張させて温度を低下させつつ作動流体を前記圧搾液化還流手段へ導く減圧送給動作を行うことを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載の動力生成システム。
  6. 前記作動流体は常温常圧下で気体であり、前記開閉弁と前記圧搾液化還流手段との間に前記作動流体を冷媒とする冷蔵又は冷凍設備を介設したことを特徴とする請求項５に記載の動力生成システム。
  7. 前記耐圧密閉回路は、前記圧搾液化還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される冷却用流体との間で熱交換を行って作動流体を凝縮させる凝縮器を備えることを特徴とする請求項２〜６いずれか１項に記載の動力生成システム。
  8. 前記冷却用流体は、前記蒸発室で熱交換された後の加熱用流体であることを特徴とする請求項７に記載の動力生成システム。
  9. 前記耐圧密閉回路は、前記液化作動流体還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の動力生成システム。
  10. 前記耐圧密閉回路は、前記液化作動流体還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されており、この多段に介設された加温用熱交換器のうち最終段の熱交換器に供給される加温用流体は、前記凝縮器で熱交換された後の冷却用流体であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の動力生成システム。
  11. 前記凝縮器で凝縮された作動流体は、前記加温用熱交換器よりも上流側で前記液化作動流体還流手段よりも下流側の作動流体流路の中途にて前記液化作動流体還流手段により前記蒸発室へ還流させる液化した作動流体と合流させることを特徴とする請求項１０に記載の動力生成システム。
  12. 前記耐圧密閉回路は、前記液化作動流体還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されており、この多段に介設された加温用熱交換器のうち初段の熱交換器に供給された加温用流体の排出液を前記凝縮器に冷却用流体として供給することを特徴とする請求項７に記載の動力生成システム。
  13. 前記多段に介設された加温用熱交換器のうち最終段の熱交換器に供給される加温用流体は、前記蒸発室内にて作動流体の液相と熱交換を行わせるための加熱用流体の一部を流入させたものであることを特徴とする請求項１２に記載の動力生成システム。
  14. 前記断熱膨張室には、前記他方の膨縮室から導入される作動流体と接触可能な位置に前記作動流体の液化を補助する補助熱交換器が配設されており、
    前記蒸発室と前記往復断熱シリンダとを連通する作動流体流路の中途より分流した作動流体を減圧弁を介して前記補助熱交換器へ導入することで前記往復断熱シリンダから前記断熱膨張室に導入された作動流体を冷却して液化を補助すると共に、前記補助熱交換器より排出された作動流体を圧搾液化還流手段により圧搾し、凝縮させて前記蒸発室へ還流させるべく構成したことを特徴とする請求項１に記載の動力生成システム。
  15. 請求項１〜１４いずれか１項に記載の動力生成システムを用いた発電システムであって、前記ピストンより伸延するロッドは、発電機の受動部へ動力を伝達可能に連結させていることを特徴とする発電システム。
  16. 耐圧密閉回路の系内で作動流体を状態変化させつつ循環させて作動流体に与えた外来熱エネルギーを運動エネルギーに変換し動力を生成する動力生成システムにおいて、
    前記耐圧密閉回路は、
    作動流体の気相及び液相が沸点近傍温度で収容され、前記耐圧密閉回路の外系より供給される加熱用流体と前記作動流体の液相との間で熱交換可能に構成した蒸発室と、
    同蒸発室から供給された作動流体を断熱膨張に伴う温度低下により液化する断熱膨張室と、
    前記蒸発室と前記断熱膨張室との間を連通する作動流体流路の中途に介設されたタービン室内にて前記蒸発室側の圧力と前記断熱膨張室側の圧力との圧力差で流動する作動流体との接触により回転するタービンと、
    同タービンより伸延し動力を出力させるロッドを備えるエネルギー伝達機と、
    断熱膨張室で液化した作動流体を前記蒸発室へ還流する液化作動流体還流手段と、を備え、
    前記断熱膨張室には、前記タービン室から導入される作動流体と接触可能な位置に前記作動流体の液化を補助する補助熱交換器が配設されており、
    前記蒸発室と前記タービン室とを連通する作動流体流路の中途より分流した作動流体を減圧弁を介して前記補助熱交換器へ導入することで前記タービン室から前記断熱膨張室に導入された作動流体を冷却して液化を補助すると共に、前記補助熱交換器より排出された作動流体を圧搾液化還流手段により圧搾し、凝縮させて前記蒸発室へ還流させるべく構成したことを特徴とする動力生成システム。
  17. 前記耐圧密閉回路は、前記圧搾液化還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される冷却用流体との間で熱交換を行って作動流体を凝縮させる凝縮器を備えることを特徴とする請求項１６に記載の動力生成システム。
  18. 前記耐圧密閉回路は、前記液化作動流体還流手段と前記蒸発室とを連通する作動流体流路の中途に、前記耐圧密閉回路の系外より供給される加温用流体との間で熱交換を行って作動流体を加温する複数の加温用熱交換器が直列多段に介設されており、この多段に介設された加温用熱交換器のうち初段の熱交換器に供給された加温用流体の排出液を前記凝縮器に冷却用流体として供給することを特徴とする請求項１７に記載の動力生成システム。
  19. 前記多段に介設された加温用熱交換器のうち最終段の熱交換器に供給される加温用流体は、前記蒸発室内にて作動流体の液相と熱交換を行わせるための加熱用流体の一部を流入させたものであることを特徴とする請求項１８に記載の動力生成システム。
  20. 請求項１６〜１９いずれか１項に記載の動力生成システムを用いた発電システムであって、前記タービンより伸延するロッドは、発電機の受動部へ動力を伝達可能に連結させていることを特徴とする発電システム。
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