JP5403383B1 - クリーンエネルギー発生装置、クリーンエネルギー発生方法及びクリーンエネルギー発生装置を具備した移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー収支比（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐａｙｂａｃｋ Ｒａｔｉｏ）又はエネルギー回収年数（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐａｙｂａｃｋ Ｔｉｍｅ）が高く、何時でも投入エネルギーコストゼロで安定したクリーンエネルギーを連続的に供給可能なクリーンエネルギー発生装置、クリーンエネルギー発生方法及びクリーンエネルギー発生装置を具備した次世代移動体を提供するものである。
【解決手段】 動力サイクル回路１５において低温低圧の作動流体を圧縮して高圧作動流体を供給する圧縮機２７と、所定周期のパルス電力を供給するパルス電源２８と、前記パルス電力に応答して通電することにより発熱して前記高圧作動流体から高温高圧動力ガスを生成する電気式動力ガス発生器４２と、前記高温高圧動力ガスを膨張させてクリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換するロータリピストン本体２００と前記ロータリピストン本体を回転可能に支持していて前記機械エネルギーの一部を前記圧縮機に伝達する出力軸１３２とを備えた回転式流体機械４０と、前記回転式流体機械から出た膨張ガスを冷却して前記低温低圧作動流体を再生して前記動力サイクル回路に循環させる凝縮器４３とを備えたクリーンエネルギー発生装置、クリーンエネルギー発生方法及びクリーンエネルギー発生装置を具備した次世代移動体を得る。
【選択図】図１

Description

本発明はクリーンエネルギー発生装置、クリーンエネルギー発生方法及びクリーンエネルギー発生装置を具備した次世代移動体に関し、特に、大気汚染や地球温暖化対策に有効なクリーンエネルギー発生装置、クリーンエネルギー発生方法及びクリーンエネルギー発生装置を具備した次世代移動体に関する。

近年、大気汚染や地球温暖化問題が顕在化しており、その緊急な対策が望まれている。特許文献１には、ハウジング内の上下離れた位置に上部ウエイトと下部ウエイトとをそれぞれ配置し、下部ウエイトの上面に空気を収納したブラッダーを連結して該ブラッダーにリールを介してロープの一端を締結し、一方、上部ウエイトを前記ロープの他端に連結してリールを介して上部ウエイトを上下動運動可能とし、ハウジング内の水位により変化する空気圧の変化を利用して複数のタービンを駆動することでクリーンエネルギーを発生させるようにしたクリーンエネルギー発生装置が提案されている。特許文献２には、円筒状コラムのほぼ全域に水を充填して、水中に浮き部材を配置し、該浮き部材の周期的な上下運動をロープを介して外部のチェーンとギャに連結して発電機を駆動するようにしたクリーンエネルギー発生装置が提案されている。特許文献３には、太陽熱と風力等の自然エネルギーを利用したクリーンエネルギー発電機が提案されている。特許文献４には、低熱源から熱エネルギーを汲み上げて電力をクリーンエネルギーとして得るようにしたエネルギー変換装置が提案されている。

米国特許公開公報第２００７／０２８４８８３号 米国特許公開公報第２００８／０２８９３２４号 公開特許公報第２００４−０１９５３７号 米国特許第５６１７７３８号

ところで、特許文献１及び２で開示されたクリーンエネルギー発生システム並びにクリーンエネルギー発生装置は、いずれも装置構成が冗長で大型構造を呈するだけでなく、エネルギー出力が小さいため、実用化が困難であった。また、特許文献１で開示されたクリーンエネルギー発生システムでは発電機駆動装置としてタービンが利用されているが、タービンではタービンハウジングとタービンブレード間の空隙が大きいため、未利用の高速作動流体がタービンブレード間の空隙から有効利用されることなく無駄に棄てられ、タービン流量当たりの出力及び熱効率を改善することができなかった。特許文献２で開示されたクリーンエネルギー発生装置では直線運動／回転運動変換機構が採用されているが、この変換機構は構造が複雑であるばかりでなく、機械変換効率も悪く、実用的ではなかった。特許文献３で開示されたクリーンエネルギー発電機では、太陽熱と風力を回収するための設備が大型化するだけでなく、雨天や曇天又は無風時間帯にはクリーンエネルギーを発生させることができなかった。特許文献４で開示されたエネルギー変換装置は、６００〜１０００ｍの深海水を利用した低熱源と表層水を利用した高熱源を備えた海洋温度差発電装置として実用化されている。この装置は、複数のポンプを駆動するための消費電力が大きい上に熱効率が悪く、しかも、大きな設置面積を必要とし、定格出力３０ｋＷで３０億円もの建設費がかかっていた。２０年で建設費を償却したとして、保守・点検コストを無視して控えめな発電単価を試算すると５７０円／ｋＷｈにもなり、エネルギー収支比（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐａｙｂａｃｋ Ｒａｔｉｏ）又はエネルギー回収年数（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐａｙｂａｃｋ Ｔｉｍｅ）が極めて低かった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、エネルギー収支比（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐａｙｂａｃｋ Ｒａｔｉｏ）又はエネルギー回収年数（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐａｙｂａｃｋ Ｔｉｍｅ）が極めて高く、小型・軽量で低コスト生産が可能であり、限られた設置スペースに収納可能であり、安定したクリーンエネルギーを連続的に長期間において供給可能なクリーンエネルギー発生装置、クリーンエネルギー発生方法及びクリーンエネルギー発生装置を具備した次世代移動体を提供することを目的とする。

第１発明によれば、クリーンエネルギー発生装置が、所定圧力で封入された低温低圧作 動流体を有する密閉動力サイクル回路と、前記作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する圧縮機と、所定周期のパルス電力を供給するパルス電源と、前記パルス電力に応答して通電することにより所定温度に発熱して前記高圧作動流体を加熱して高温高圧動力ガスを生成する電気式動力ガス発生器と、前記高温高圧動力ガスを膨張させてクリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換するロータリピストン本体と前記ロータリピストン本体を回転可能に支持していて前記機械エネルギーを取り出すとともにその一部を前記圧縮機に伝達する出力軸とを備えた回転式流体機械と、前記回転式流体機械から出た膨張ガスを冷却して前記低温低圧作動流体として回収して前記密閉動力サイクル回路に循環させる凝縮器と、前記機械エネルギーの一部により駆動されて発電電力を出力する発電機と、前記発電電力の一部を蓄電して前記パルス電源に電力を供給する蓄電システムと、前記回転式流体機械の始動時に、前記パルス電源を起動して前記パルス電力に応答して前記電気式動力ガス発生器を作動させ、前記回転式流体機械を前記高温高圧動力ガスにより起動させるコントローラとを備えることを特徴とする。

この構成によれば、同心的に連結した簡単な構成において圧縮機と、電気式動力ガス発生器と、回転式流体機械とを含む極めて少ない部品点数を利用して一体構造のクリーンエネルギー発生装置を低コストで提供することができる。密閉動力サイクル回路において、圧縮機で生成した高圧作動流体から電気的に高温高圧動力ガスを発生させ、回転式流体機械のロータリピストン本体で未利用動力ガスの無駄な漏洩を発生させることなく、高温高圧動力ガスを効率的に膨張させてクリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換することができる。この機械エネルギーの一部を利用して発電機を駆動して発電電力を出力させ、その一部を蓄電装置に蓄電して蓄電電力をパルス電源に供給する構成を採用している。そのため、投与エネルギーゼロで、即ち、燃料や燃焼用空気、或いは、大容量の蓄電装置等の外部エネルギー源からの外部エネルギーを投与することなく、安定したクリーンエネルギーを供給することができる。したがって、エネルギー収支比（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐａｙｂａｃｋ Ｒａｔｉｏ）又はエネルギー回収年数（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐａｙｂａｃｋ Ｔｉｍｅ）を飛躍的に向上させることができる。さらに、このクリーンエネルギー発生装置は、機械加工の容易な主要部品から構成されるため、数十ｋＷ〜数十万ｋＷの容量まで実用化が可能である。そのため、大気汚染や地球温暖化問題を解消しながら、投与エネルギーコストゼロで安定したクリーンエネルギーを連続的に供給することができる。

好ましくは、前記密閉動力サイクル回路が、前記圧縮機から供給された前記高圧作動流体を一時的に蓄圧するバッファアキュムレータと、前記バッファアキュムレータから前記電気式動力ガス発生器に供給される前記高圧作動流体を制御する制御弁とを備え、前記回転式流体機械の始動時に、前記コントローラから出力された指令信号により前記制御弁が開弁して前記バッファアキュムレータに蓄積された前記高圧作動流体を前記電気式動力ガス発生器に供給することを特徴とする。

この構成によれば、バッファアキュムレータに高圧作動流体を一旦、蓄圧して取り出すため、高圧作動流体の脈動が抑制され、回転式流体機械の回転ムラが防止され、回転式流体機械の出力が安定する。また、前記回転式流体機械の始動時に、前記コントローラからの指令信号により前記制御弁が開弁して前記バッファアキュムレータから前記高圧作動流体を前記電気式動力ガス発生器に供給することにより、回転式流体機械が確実に始動するため、寒冷地用の特別の対策も行う必要がなく、始動時の信頼性が高い。さらに、制御弁は回転式流体機械の膨張行程の全期間中に開弁状態を維持するため、電気式動力ガス発生器で発生した２００〜８００Ｋｇｆ／ｃｍ２の高温高圧動力ガスが回転式流体機械の膨張行程の全期間中においてロータリピストン本体に作用する。したがって、従来の熱機関で得られる出力トルクが正弦波であって正味有効平均圧力が１３〜３０Ｋｇｆ／ｃｍ２であるのに対して、本発明の構成では、回転式流体機械は全回転域において常にほぼ、１００％の最大トルクが得られ、正味有効平均圧力は数百Ｋｇｆ／ｃｍ２に達して極めて大きなクリーンエネルギーが得られる。

好ましくは、さらに、前記密閉動力サイクル回路と熱的に結合されて同期しながら作動するヒートポンプ回路を備え、前記ヒートポンプ回路が前記機械エネルギーの一部を利用して冷媒から冷熱を発生させ、前記凝縮器が前記冷熱を利用して前記膨張ガスを冷却することを特徴とする。

この構成によれば、密閉動力回路と熱的に結合してこれと同期しながら作動するヒートポンプ回路によって冷媒から極低温（例えば、−１０℃）の冷熱を発生させ、この極低温冷熱により回転式流体機械の膨張ガスを冷却することができる。その結果、回転式流体機械の入口と出口との間には大きな圧力差が生じ、回転式流体機械の性能が飛躍的に向上する。そのため、クリーンエネルギー発生装置の運転効率を飛躍的に向上させてクリーンエネルギー発生装置の小型高性能化がさらに容易となる。

前記電気式動力ガス発生器が、好ましくは、前記電気式動力ガス発生器が、前記回転式流体機械に同心的に連結されたリアクタケーシングと、前記リアクタケーシングに形成されている動力ガス発生室と、前記動力ガス発生室に収納されていて前記パルス電力に応答して発熱して前記高圧作動流体から前記高温高圧動力ガスを発生させる通電加熱手段とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、パルス電力のデューティ比を変えることで通電加熱手段の発熱温度を自由に高精度で制御することができる。そのため、化石燃料を燃焼させることなく、高温高圧動力ガスを発生させることができ、クリーンエネルギー発生装置の運転上の信頼性を飛躍的に向上させることができる。しかも、通電加熱手段は、作動流体の流動抵抗を極めて小さくできる環状（パイプ）構造が採用可能なため、電気式動力ガス発生器が回転式流体機械の高速回転に追随して十分な流量で高温高圧動力ガスを供給することができる。この結果、回転式流体機械は高速回転領域においても安定した運転が可能となり、クリーンエネルギー発生装置によって安定したクリーンエネルギーの供給が可能となる。

第２発明によれば、クリーンエネルギー発生方法が、密閉動力サイクル回路に所定圧力で低温低圧作動流体を封入する工程と、圧縮機により前記作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する工程と、パルス電源により所定周期のパルス電力を発生させる工程と、前記パルス電力に応答して電気式動力ガス発生器を通電して所定温度まで昇温させる工程と、前記高圧作動流体を前記電気式動力ガス発生器に通過させて高温高圧動力ガスを発生さぜる工程と、前記高温高圧動力ガスを回転式流体機械のロータリピストン本体で膨張させてクリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換するとともに前記機械エネルギーの一部で前記圧縮機を駆動する工程と、凝縮器により前記回転式流体機械から出た膨張ガスを冷却して前記低温低圧作動流体として回収して前記密閉動力サイクル回路に循環させる工程と、前記機械エネルギーの一部を利用して発電機を駆動することにより発電電力を出力させる工程と、前記発電電力の一部を蓄電システムに蓄電する工程と、前記蓄電システムから蓄電電力を前記パルス電源に供給する工程とを備え、前記回転式流体機械の始動時に、前記パルス電源を起動して前記パルス電力に応答して前記電気式動力ガス発生器を作動させ、前記回転式流体機械を前記高温高圧動力ガスにより起動させることを特徴とする。

この構成によるクリーンエネルギー発生方法では、機械エネルギーの一部を利用して駆動される発電機の発電出力の一部を蓄電装置に蓄電し、その蓄電電力でパルス電源を駆動することにより、外部からのエネルギー投入をゼロにすることができる。パルス電源からのパルス電力に応答して電気的に高温高圧動力ガスを発生させ、回転式流体機械のロータリピストン本体で未利用の動力ガスを無駄に棄てることなく、効率的に高温高圧動力ガスからクリーンエネルギーに変換することができる。このように、クリーンエネルギーを効率的に、そして、安価で長期的に提供することが容易となり、経済市場の活性化と地球環境保全に優れた効果を発揮する。

こ第３発明によれば、移動体が、請求項１〜４のいずれかに記載のクリーンエネルギー発生装置を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、移動体がクリーンエネルギー発生装置を備えることでクリーンエネルギーの自給自足が可能となる。したがって、移動体は燃焼用空気や化石燃料、或いは、リチウムイオンバッテリ等の大型・大重量で高価な蓄電池を必要とせず、自ら発生させたクリーンエネルギーで航続距離を飛躍的に向上させることができる。しかも、移動体は排気ガスを出さないため、大気汚染や地球温暖化の問題を容易に解消できる。なお、移動体は、発電電力を一般家庭や事務所等に供給する移動可能な分散型自家発電設備としても利用可能である。

本発明の実施例によるクリーンエネルギー発生装置を具備した次世代移動体のブロック図を示す。 図１のクリーンエネルギー発生装置の圧縮機の断面図を示す。 図１のクリーンエネルギー発生装置の電気式動力ガス発生器の断面図を示す。

以下、本発明の実施例によるクリーンエネルギー発生装置を次世代移動体に適用した実施態様について図面に基づき詳細に説明する。以下の説明において、クリーンエネルギー発生装置は次世代移動体としての自動車に適用したものとして図示されているが、これは一例であり、本発明は図示された実施態様の移動体に限定されない。本発明によるクリーンエネルギー発生装置は定置型発電プラントを含む各種産業機械を始め、ゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルの動力源や電源として、さらには、船舶、航空機、鉄道機関車、トラック・バス、飛行船、宇宙往還機、惑星探査機、高高度往還・滞空動力気球等の各種移動体や建設機械、農業機械、各種ロボット等の動力源や電源とし広い用途を有する。

図１に示した実施例において、次世代移動体１０は、作動流体を利用して熱エネルギーからクリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換するクリーンエネルギー発生装置１２と、機械エネルギーの一部を動力として複数の駆動輪１４からなる推進手段に伝達する出力装置１６とを備える。出力装置１６はクリーンエネルギー発生装置１２の機械エネルギーを選択的に遮断若しくは締結するクラッチＣＬと、クリーンエネルギー発生装置１２の機械エネルギーを複数の走行速度にシフトするトランスミッションＴＭと、トランスミッションＴＭの出力を駆動輪１４に伝達するためのプロペラシャフトＰＳを備える。プロペラシャフトＰＳはディファレンシャル１８及びアクスルＡｘｌを介して駆動輪１４を駆動する。

クリーンエネルギー発生装置１２は、作動流体Ｗｆを循環させる密閉動力サイクル回路１５と、熱的に密閉動力サイクル回路１５に結合されていて、作動流体と密閉動力サイクル回路１５で発生した機械エネルギーの一部を利用して冷熱を発生させるヒートポンプ回路ＨＰとを備える。密閉動力サイクル回路１５は、低温低圧作動流体Ｗｆを加圧する圧縮機（複合型回転式流体機械）２７と、圧縮機２７から吐出された高圧作動流体Ｗｆｐを逆止弁２９を介して蓄圧する摺動ピストン及びバネ手段３０ａを内蔵した蓄圧室３０ｂを有するバッファアキュムレータ３０と、バッファアキュムレータ３０のアウトレット３０ｃから供給される高圧作動流体Ｗｆｐの流れ（流通期間）を制御する電磁弁（制御弁）３２と、バッファアキュムレータ３０から供給された高圧作動流体Ｗｆｐを加熱して瞬時に高温高圧動力ガスを発生させる電気式動力ガス発生器４２と、高温高圧動力ガスを作動室１１６内において爆発的に膨張させてクリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換するロータリピストン本体２００と該機械エネルギーを取り出すとともにその一部を圧縮機２７に伝達する出力軸１３２とを有する回転式流体機械４０と、ヒートポンプ回路ＨＰで発生した冷熱を利用して回転式流体機械４０の膨張ガスを冷却する凝縮器（冷却器）４３とを備える。バッファアキュムレータ３０のバネ手段３０ａは、蓄圧室３０ｂの作動流体の圧力が、例えば、２０〜６０ＭＰａに維持されるように選択される。したがって、密閉動力サイクル回路１５において、逆止弁２９と電磁弁（制御弁）３２との間の第１蓄圧経路における圧力は２０〜６０ＭＰａに維持され、残部の第２蓄圧経路（回転式流体機械４０の低圧側）は、例えば、３ＭＰａに維持されるように作動流体が密閉動力サイクル回路１５に充填される。圧縮機２７は、例えば、２０〜６０ＭＰａの圧力で高圧作動流体を吐出するので、密閉動力サイクル回路１５の作動中にはバッファアキュムレータ３０のバネ手段３０ａは常時、圧縮された状態に維持されて高圧作動流体Ｗｆｐを蓄圧する。

電磁弁３２は、本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２７０７５６号「超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した次世代移動体」に記載されたものと同一の構造を有するため、詳細な説明を省略する。

ヒートポンプ回路ＨＰは、凝縮器４３を介して密閉動力サイクル回路１５と熱的に結合していて回転式流体機械４０の膨張ガスを冷却して得た低温低圧作動流体を冷媒Ｃｍとして利用する。ヒートポンプ回路ＨＰは、圧縮機２７に組み込まれ（内蔵され）ていて低温低圧冷媒Ｃｍを昇圧して高温高圧冷媒Ｃｍｐを生成する高圧ポンプとして機能する冷媒高圧ポンプ手段Ｐ２（図２参照）と、高温高圧冷媒Ｃｍｐの圧力を減圧して蒸発・膨張させて冷熱を発生させる膨張器４７と、該冷熱を利用して回転式流体機械４０の膨張ガスを冷却する凝縮器４３として機能する第１熱交換器Ｅｖと、周囲環境から熱を吸収して第１熱交換器Ｅｖから出た低温低圧冷媒Ｃｍｏを加熱して低温低圧作動流体Ｗｆとして再生する第２熱交換器ＥＶ２とを備える。第２熱交換器ＥＶ２から出た低温低圧作動流体Ｗｆは密閉動力サイクル回路１５に循環され、以後、同一の動力サイクルが繰り返されてクリーンエネルギーが発生する。

本実施例において、密閉動力サイクル回路１５の作動流体及びヒートポンプ回路ＨＰの冷媒としては、本発明を限定するものではないが、自然界に存在する安全な物質であり、極めて安価に手に入れることができる理由から、オゾン層破壊係数がゼロで地球温暖化係数が１の自然冷媒である二酸化炭素（以下、ＣＯ２と略称する）が利用される。説明の便宜上、密閉動力サイクル回路１５の作動流体をＣＯ２作動流体、ヒートポンプ回路ＨＰの冷媒をＣＯ２冷媒と称する。密閉動力サイクル回路１５及びヒートポンプ回路ＨＰでは、本発明を限定するものではないが、低圧側の圧力が所定圧、例えば、約３ＭＰａとなるように調節されてＣＯ２がそれぞれの系統内において充填される。しかしながら、ＣＯ２以外の媒体を利用する際は、所定圧はその媒体の種類に応じて適切な圧力値に選択される。

図２より明らかなように、圧縮機２７は、好ましくは、所定圧（例えば、３ＭＰａ）のＣＯ２作動流体Ｗｆを臨界圧力（例えば、１０〜６０ＭＰａ）まで圧縮して高圧ＣＯ２作動流体（ＣＯ２超臨界流体）Ｗｆｐを生成する圧縮手段Ｐ１と、低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍ（例えば、０℃：３ＭＰａ）を臨界圧まで昇圧して高圧ＣＯ２冷媒（超臨界冷媒）Ｃｍｐを生成する冷媒高圧ポンプ手段Ｐ２とを備えた複合型回転式流体機械から構成される。圧縮機２７をＣＯ２作動流体及びＣＯ２冷媒の臨界圧以上の条件で運転する理由は、これら流体の圧縮に必要な動力を大幅に低減してクリーンエネルギーの発生効率を向上させるためである。

図１及び図２に示すように、複合型回転式流体機械２７は、電気式動力ガス発生器４２に同心的に連結されたロータハウジング３５２と、密閉動力サイクル回路１５に接続されて低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆを吸引する第１インレット３５６Ａと、高温高圧ＣＯ２作動流体（超臨界流体）Ｗｆｐを吐出する第１アウトレット３５８Ａと、低温低圧冷媒Ｃｍを吸引する第２インレット３５６Ｂと、超臨界冷媒Ｃｍｐを吐出する第２アウトレット３５８Ｂと、インレット３５６Ａ，３５６Ｂ及びアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂが開口するロータ作動室３６０と、回転式流体機械４０の駆動軸１３２に圧入その他の連結手段で駆動連結されていてロータ作動室３６０に回転可能に収納された加圧ロータ３６２とを備える。加圧ロータ３６２は、駆動軸１３２に形成されたメイン潤滑油供給通路１３２Ｌから径方向外側に延びる潤滑油通路３６２ａと、潤滑油供給ポート３６２ｂと、潤滑油供給ポート３６２ｂからローブ３６４の外周端部に微量の潤滑油を供給可能な多孔質プラグ３６２ｃとを備える。メイン潤滑油供給通路１３２Ｌは、本願発明者と同一発明者による日本特許５１０３５７０号「回転式流体機械」に記載された潤滑油ポンプ等により潤滑油が供給される。

複合型回転式流体機械２７は、さらに、ロータ作動室３６０の内周面上を回転移動しながらインレット３５６Ａ，３５６ＢからＣＯ２作動流体Ｗｆ及び冷媒Ｃｍをそれぞれ吸引すると共にこれら流体を超臨界圧まで圧縮しながらアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出する複数のローブ３６４と、ローブ３６４の径方向内側領域において周方向後縁部に形成された曲面摺動凹部３６６と、インレット３５６に隣接して加圧ロータ３６２に対して移動可能な可動弁３６８と、可動弁３６８と曲面摺動凹部３６６との間に形成された加圧チャンバ３７０とを備える。可動弁３６８は、ロータハウジング３５２内に形成されたバルブ膨張室３７２に収納されて、ピボット軸３７４を介して回動するバルブエレメント３７６を備える。バルブエレメント３７６の先端部にはローブ３６４と曲面摺動凹部３６６とに接触しながら摺動する曲面シール部３７６ａと連通開口部３７６ｂとを備える。ロータハウジング３５２に形成されたバネ収納部３７８には押圧バネ３８０がバルブエレメント３７６を加圧ロータ３６２側に押圧している。回転式流体機械４０の起動時に駆動軸１３２が図２において、例えば、時計方向に回転駆動されると、複合型回転式流体機械２７において、加圧チャンバ３７０にはインレット３５６Ａ，３５６ＢからそれぞれＣＯ２作動流体Ｗｆと冷媒Ｃｍが吸引され、それぞれ超臨界作動流体及び超臨界ＣＯ２冷媒としてアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出される。このように、圧縮機２７の加圧ロータ３６２は作動流体圧縮手段Ｐ１と、冷媒高圧ポンプ手段Ｐ２の共通部品として機能する。

なお、複合型回転式流体機械２７は本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２１８０５８号「ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置」に記載されたロータリポンプと同一の構造を有するため、さらなる詳細な説明を省略する。複合型回転式流体機械２７としては、本願と同一発明者による後述の回転式流体機械の第２回転機械部を利用してもよい。

図３に示すように、電気式動力ガス発生器４２は、回転式流体機械４０に対してこれと同心的に連結された円筒状リアクタケーシング１１００を備える。円筒状リアクタケーシング１１００には、円筒状リアクタケーシング１１００の内側とケーシング１１００の中央内周部１１１４の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層１１１６と、絶縁耐熱層１１１６の内側に形成されている動力ガス発生室１１１８が形成されている。円筒状リアクタケーシング１１００の中央内周部１１１４は回転式流体機械４０の出力軸１３２を通過可能にするための直径を有する内周壁部１１１４を備える。

電気式動力ガス発生器４２の吸入ポート１１０２は、径方向壁部１１２０に延びていて電磁弁３２が装着されるとともに、径方向壁部１１２０には周方向に延びる複数の開口部１１２２を有する。動力ガス発生室１１１８のコーナー部１１１８ａ、１１１８ｂには対抗電極１１２４，１１２６がそれぞれ配置される。一対の電極１１２４，１１２６はパルス電源２８に接続される。ケーシング１１００には温度センサＳ２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ６０（図１参照）に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用される。

動力ガス発生室１１１８には、対抗電極１１２４，１１２６の間に介在していて多数の導電性高融点管状加熱手段１１３４が充填されている。パルス電力に応答して、多数の導電性高融点管状加熱手段１１３４は通電発熱して８００〜１２００℃の超高温領域に達するため、パルス電源２８によってパルス電力のデューティサイクルが所定値となるように制御される。これら導電性高融点管状加熱手段１１３４の隙間はアーク放電領域１１３６としても作用させることもできるが、上述の超高温領域が維持できれば、必ずしも、アーク放電を発生させる必要性はない。アーク放電を発生させる場合、導電性高融管状加熱手段１１３４としては、例えば、市販の外径６〜３０ｍｍで所定長さ（例えば、外形の０．５倍〜１．５倍の長さ）の銅タングステンパイプ等が挙げられる。図１において、通電加熱パイプ１１３４は動力ガス発生室１１１８において整列状態で配置されたものとして図示されているが、実際の適用例においては、所定圧力で圧接されて電気的接続関係に維持されていればランダム状態に配置されても良い。動力ガス発生室１１１８においてアーク放電を発生させない場合は、導電性高融点管状加熱手段１１３４として多数の所定長さにカットしたステンレスパイプやその他の高融点金属パイプを使用しても構わない。ＣＯ２超臨界流体は、通電加熱パイプ１１３４の隙間及び通電加熱パイプ１１３４の穴部を通過する。このとき、これら通電加熱パイプ１１３４の各部と衝突しながら加熱されて瞬時に高温高圧ＣＯ２超臨界流体からなる高温高圧動力ガスが生成される。

通電加熱パイプ１１３４として銅タングステンパイプを採用する際には、通電加熱パイプ１１３４が互いに接触した箇所の隣接部分でアーク放電が発生するようにパルス電力のパルス電圧を選定しても良い。アーク放電は、パルス電圧を周期的に発生させるパルス電流の電圧がハイレベルとローレベルとの間で周期的に変化することでより頻繁に発生する。したがって、パルス電流の電圧におけるハイレベルとローレベルとを制御することにより高温高圧動力ガスの圧力と温度をさらに高めることが可能となる。上述の通電加熱パイプは作動流体の流通抵抗を大幅に低下させる点で有利であるが、導電性高融点加熱手段としてはその他の材料から構成しても良い。例えば、銅タングステンボール、カーボンボール、作動流体を通過させるための溝を配置したバルク状導電性金属体、バルク状導電性カーボン、多孔性高融点金属体や高融点ハニカム金属体等を利用しても良い。動力ガス発生室１１１８に隣接してフイルタ部１１０６が配置され、フイルタ部１１０６には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたフイルタ１１１０が充填される。電磁弁３２が所定周期で開弁されると、フイルタ１１１０を通過した高温高圧動力ガスＳｃｆはフィルター１１４２で濾過された後、アウトレット１１４０から回転式流体機械４０のインレット１２４に供給される。

回転式流体機械４０としては、好ましくは、本願発明者と同一発明者による日本特許第５１０３５７０（発明の名称：回転式流体機械）、特願２０１２−１９５５１３号（発明の名称：回転式流体機械）、特願２０１２−１４７７７３号（日本特許第○○○○○○○○号：発明の名称：ロータリ熱機関及びロータリ熱機関駆動発電装置）及び特願２０１２−２１８０５８号（（日本特許第○○○○○○○○号：発明の名称：ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置）に開示された回転式流体機械と同一構造のものを採用するが、その他の回転式流体機械でもよい。

図１に戻って、発電機２５は動力伝達手段４５を介してクリーンエネルギー発生装置１２の出力軸１３２に駆動連結されて発電電力を供給する。発電機２５のパワーラインＰＬに電気機器等の負荷（図示せず）が接続される。パワーラインＰＬにはリレー等から構成される遮断器１９を介して蓄電システム２０が接続される。蓄電システム２０は、遮断器１９を介してパワーラインＰＬに接続される充電器２１と、第１蓄電装置２２と、第２蓄電装置２３と、第１、第２蓄電装置２２、２３を充電器２１に交互に接続する第１切替制御器２４と、第１、第２蓄電装置２２、２３をパルス電源２８に交互に接続する第２切替制御器２６とを備える。図示を省略しているが、充電器２１は公知の構造と同様に交流電力を充電電圧に降圧する変圧器と、低圧の交流電力を直流電力に変換する整流器と、平滑回路とを有する。第１、第２蓄電装置２２、２３にはそれぞれ電圧及び電流を検出するための電圧センサ及び電流センサ（いずれも図示せず）が接続される。これら電圧センサ及び電流センサの電圧検出値Ｖ１及び電流検出値１１はコントローラ６０に出力され、第１、第２蓄電装置２２、２３のそれぞれの残蓄電容量（ＳＯＣ値：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を演算し、それぞれのＳＯＣ値に基づいて遮断器１９や第１、第２切替制御器２４，２６の指令信号を出力するために用いられる。

コントローラ６０は、例えば、所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、例えばＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を用いて構成される。コントローラ６０は各種制御対象の制御パラメータを入力するための入力装置（図示せず）や装置始動用スイッチ等が接続されている。

第１、第２蓄電装置２２、２３としては、望ましくは、パルス充放電サイクル用途に対応可能な市販のウルトラキャパシタモジュール（米国”Ｍａｘｗｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ“社製）が挙げられる。その他の蓄電装置としては、例えば、急速充放電型蓄電池（古河電池社製：商標名「ウルトラバッテリ」）、大容量電気二重層コンデンサからなるスーパーキャパシタ（トーキン製）、ナトリウムイオン電池、リチウムイオン電池やＮｉ−ＭＨ電池（ニッケルー水素電池）やこれら電池と大容量電気二重層コンデンサを組み合わせたものから構成しても良い。なお、第１蓄電装置２２の出力ラインの間にはウルトラキャパシタ（図示せず）を接続しても良い。第１蓄電装置２２及び第２蓄電装置２３から交互に出力電力がパルス電源２８に供給される。

パルス電源２８は第１、第２蓄電装置２２，２３からの供給電力から所定周期（例えば、５０〜２０００ヘルツ）のパルス電力を供給する。パルス電力において、パルス電圧は、好ましくは、５〜４８ボルトの間で設定される。複数の通電加熱体の間でアーク放電を発生させたい場合には、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電流が電気式動力ガス発生器４２に供給されるように回路設計しても良い。この時、クリーンエネルギー発生装置１２の容量に応じて、パルス電流は、好ましくは、ピーク電流通電期間内において流れる５０〜２００アンペアのピーク電流と、ピーク電流の約十分の一の電流値を有し、オフピーク電流通電期間内において流れるベース電流とを有するように構成しても良い。電気式動力ガス発生器４２において、多数の通電加熱パイプ１１３４はパルス電力に応答して通電することにより二酸化炭素の臨界温度３７４℃以上の温度、例えば、８００〜１２００℃の温度に昇温する。この温度は、運転条件に合わせて自由に選択される。高温高圧作動流体が通電加熱パイプ１１３４の外表面に順次接触して通過する過程において、高温高圧動力ガスは超臨界状態下で加熱されて高温の超臨界流体Ｓｃｆとなる。

パルス電源２８は、好ましくは、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電流を発生させるものであれば、直流パルス電源又は交流パルス電源のいずれでも良い。直流パルス電源としては、例えば、日本国特許第２５８７３４３号に開示されたようなパルスアーク溶接用電源装置に使用されるような回路構成が挙げられる。

図１において、バッファアキュムレータの圧力センサＳ１からの圧力信号ＰＳ、電気式動力ガス発生器４２の温度センサＳ２からの温度信号Ｔ（図４参照）と、クリーンエネルギー発生装置１２の出力軸１３２の回転数センサＳ３からの回転数信号ＳＰと、次世代移動体１０の走行速度センサＳ４の走行速度信号ＲＳがコントローラ６０に送信される。入力装置（図示せず）からはカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号が基準信号としてコントローラ６０に入力される。コントローラ６０には、第１、第２蓄電器２２，２３のそれぞれの電圧信号Ｖ１と電流信号１１とが送信され、コントローラ６０はこれら入力信号に応答して第１、第２蓄電器２２，２３の蓄電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を判別して第２切替制御器２６を介して第１、第２蓄電装置２２、２３の一方をパルス電源２８に接続するとともに第１切替制御器２４を介して第１、第２蓄電装置２２、２３の他方を充電器２１により充電する。さらに、コントローラ６０は、センサＳ１〜Ｓ４からの入力信号ＰＳ，Ｔ，ＳＰ，ＲＳに応答して電磁弁３２を制御する。このとき、コントローラ６０は、回転式流体機械４０において膨張行程の全期間中に電磁弁３２を開弁状態に維持するように制御する。したがって、回転式流体機械４０のロータリピストン本体２００には膨張行程の全期間中に高温高圧動力ガスが連続的に作用することになり、回転式流体機械４０からは全回転域（０〜３６０度の回転角度）において正弦波ではなく、１００％の最大トルクが得られる。一方、コントローラ６０は、次世代移動体１０の運転条件に合わせてクラッチＣＬを締結・離脱させるための制御信号Ｃｃを出力する。

次に、本発明によるクリーンエネルギー発生方法について本実施例のクリーンエネルギー発生装置１２の作動に関する記載に関連して説明する。

クリーンエネルギー発生装置１２の作動において、装置始動用スイッチ（図示せず）が投入されると、コントローラ６０によってパルス電源２８が起動され、周期的なパルス電力が電気式動力ガス発生器４２に供給される。このとき、通電加熱パイプ１１３４が通電して、例えば、８００〜１２００℃の温度領域から選択された所望の設定温度に発熱する。電気式動力ガス発生器４２の温度信号Ｔがこの設定温度に達したときに、コントローラ６０から電磁弁３２に指令信号が出力され、電磁弁３２は通電して開弁する。このとき、バッファアキュムレータ３０に蓄圧されていたＣＯ２液化高圧作動流体Ｗｆｐが電気式動力ガス発生器４２に高速度で噴出する。電気式動力ガス発生器４２では液化高圧作動流体Ｗｆｐが通電加熱パイプ１１３４の外表面に順次接触して撹拌されながら均一に昇温し、さらに、これら通電加熱パイプ１１３４の隙間や穴部を通過しながらさらに加温されて超臨界流体ＳＣｆからなる高温高圧動力ガスが発生する。この超臨界流体ＳＣｆは回転式流体機械４０のインレット１２４から膨張室１１６に流入してロータリピストン本体２００に作用して爆発的に膨張し、クリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換されて出力軸１３２にトルクが発生する。

クリーンエネルギー発生装置１２の始動時及び始動完了後において、出力軸１３２に発生したトルクで圧縮機２７が起動し、圧縮機２７内の圧縮手段Ｐ１と冷媒高圧ポンプ手段Ｐ２が同時に作動し、密閉動力サイクル回路１５とヒートポンプ回路ＨＰが互いに同期して起動する。この時、ヒートポンプ回路ＨＰにおいて、冷媒高圧ポンプ手段Ｐ２から吐出した超臨界冷媒Ｃｍｐは、膨張器４７で減圧されて膨張・蒸発して低温低圧ガスとなり、凝縮器４３として機能する第１熱交換器ＥＶ１で冷熱（例えば、−１０℃：３ＭＰａ）を発生して膨張ガスを冷却する。こうして得られた低温低圧液化ガスは、液化冷媒として圧縮機２７の高圧ポンプ手段Ｐ２に循環され、そこで昇圧されて高圧液化冷媒Ｃｍｐとして膨張器４７に供給される。第１熱交換器ＥＶ１を出た液化冷媒Ｃｍｏは第２熱交換器ＥＶ２で周囲熱を利用して加熱された後、低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆとして圧縮機２７のインレット３５６Ａに流入して流体圧縮手段Ｐ１により圧縮され、以後、密閉動力サイクル回路１５が繰り返し、実行される。

上述のように、密閉動力サイクル回路１５とヒートポンプ回路ＨＰが互いに同期しながら繰り返し実行される。この際、コントローラ６０からの指令信号によって電磁弁３２が回転式流体機械４０の膨張行程の全期間中に開弁状態を維持して高温高圧超臨界流体をロータリピストン本体２００に作用させる。このため、回転式流体機械４０の全回転域において連続的に最大トルクが発生するようにクリーンエネルギーに変換される。こうして得られたクリーンエネルギーは出力軸１３２を介して動力として出力され、その動力は出力装置１６を介して駆動輪１４に伝達されて次世代移動体１０の推進用に利用される。一方、発電機２５から得られた発電出力の一部はパワーラインＰＬを介して次世代移動体の電気設備やアクセサリーの電気負荷で消費され、発電出力の一部は充電器２１を介して蓄電システム２０に蓄電されてパルス電源２３の電力として利用される。

なお、コントローラ６０は、移動体１０の停車中に入力装置（図示せず）を操作して外部電力供給モードを選択した場合には、指令信号を出力して外部への電力を供給可能にしても良い。すなわち、外部電力供給モードにおいては、クリーンエネルギー発生装置１２の運転を継続したまま、コントローラ６０から指令信号をクラッチＣＬに出力して、これを解除することにより出力装置１６を遮断状態に保持する。次に、クリーンエネルギー発生装置１２の機械エネルギーにより発電機２５を駆動して、そのパワーラインＰＬを介して移動体１０の外部に発電出力を供給し、家庭用又は事務所用電力の一部として、或いは、緊急時におけるインフラ対策用電力の一部として利用しても良い。

以上、本発明の実施例によるクリーンエネルギー発生装置及びクリーンエネルギー発生方法が記載されたが、本発明はこの実施例に示された構成に限定されず、様々な変更が可能である。

（１）例えば、クリーンエネルギー発生装置は単一の回転式流体機械を有する構造として 示されたが、複数の回転式流体機械をそれぞれ独立した位置（例えば、移動体の駆 動輪等）にそれぞれ直接組み込んで高温高圧動力ガスを配管で供給するとともに膨 張ガスをリターン配管により凝縮器（冷却器）に戻すように密閉動力サイクル回路 を変形しても構わない。
（２）作動流体及び冷媒はＣＯ２以外の媒体を利用しても良い。
（３）圧縮機は、複合型回転式流体機械からなるものとして説明したが、複合型回転式流 体機械をそれぞれの機能に合わせて分離独立させた圧縮機と高圧ポンプからなるよ うに構成しても良い。

１２ クリーンエネルギー発生装置；１５ 密閉動力サイクル回路；１６ 出力装置；２０ 蓄電システム；２１ 充電器；２２，２３ 第１、第２蓄電装置；２４、２６ 第１、第２切替制御器；２５発電機；２７ 圧縮機（複合型回転式流体機械）；２８ パルス電源；３０ バッファアキュムレータ；３２ 電磁弁；４０ 回転式流体機械；４１ 再生器；４２ 電気式動力ガス発生器；４３ 冷却器；４７ 膨張器；６０ コントローラ；ＨＰ ヒートポンプ回路；ＥＶ１ 第１熱交換器；ＥＶ２ 第２熱交換器

Claims (6)

1. 所定圧力で封入された低温低圧作動流体を有する密閉動力サイクル回路と、
   前記作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する圧縮機と、
   所定周期のパルス電力を供給するパルス電源と、
   前記パルス電力に応答して通電することにより所定温度に発熱して前記高圧作動流体を加熱して高温高圧動力ガスを生成する電気式動力ガス発生器と、
   前記高温高圧動力ガスを膨張させてクリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換するロータリピストン本体と前記ロータリピストン本体を回転可能に支持していて前記機械エネルギーを取り出すとともにその一部を前記圧縮機に伝達する出力軸とを備えた回転式流体機械と、
   前記回転式流体機械から出た膨張ガスを冷却して前記低温低圧作動流体として回収して前記密閉動力サイクル回路に循環させる凝縮器と、
   前記機械エネルギーの一部により駆動されて発電電力を出力する発電機と、
   前記発電電力の一部を蓄電して前記パルス電源に電力を供給する蓄電システムと、
   前記回転式流体機械の始動時に、前記パルス電源を起動して前記パルス電力に応答して前記電気式動力ガス発生器を作動させ、前記回転式流体機械を前記高温高圧動力ガスにより起動させるコントローラと、
   を備えることを特徴とするクリーンエネルギー発生装置。
2. 前記密閉動力サイクル回路が、
   前記圧縮機から供給された前記高圧作動流体を一時的に蓄圧するバッファアキュムレータと、
   前記バッファアキュムレータから前記電気式動力ガス発生器に供給される前記高圧作動流体を制御する制御弁とを備え、
   前記回転式流体機械の始動時に、前記コントローラから出力された指令信号により前記制御弁が開弁して前記バッファアキュムレータに蓄積された前記高圧作動流体を前記電気式動力ガス発生器に供給することを特徴とする請求項１記載のクリーンエネルギー発生装置。
3. 前記密閉動力サイクル回路と熱的に結合されて同期しながら作動するヒートポンプ回路を備え、前記ヒートポンプ回路が前記機械エネルギーの一部を利用して冷媒から冷熱を発生させ、前記凝縮器が前記冷熱を利用して前記膨張ガスを冷却することを特徴とする請求項１又は２記載のクリーンエネルギー発生装置。
4. 前記電気式動力ガス発生器が、前記回転式流体機械に同心的に連結されたリアクタケーシングと、前記リアクタケーシングに形成されている動力ガス発生室と、前記動力ガス発生室に収納されていて前記パルス電力に応答して発熱して前記高圧作動流体から前記高温高圧動力ガスを発生させる通電加熱手段とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクリーンエネルギー発生装置。
5. 密閉動力サイクル回路に所定圧力で低温低圧作動流体を封入する工程と、
   圧縮機により前記作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する工程と、
   パルス電源により所定周期のパルス電力を発生させる工程と、
   前記パルス電力に応答して電気式動力ガス発生器を通電して所定温度まで昇温させる工程と、
   前記高圧作動流体を前記電気式動力ガス発生器に通過させて高温高圧動力ガスを発生さぜる工程と、
   前記高温高圧動力ガスを回転式流体機械のロータリピストン本体で膨張させてクリーンエネルギーとしての機械エネルギーに変換するとともに前記機械エネルギーの一部で前記圧縮機を駆動する工程と、
   凝縮器により前記回転式流体機械から出た膨張ガスを冷却して前記低温低圧作動流体として回収して前記密閉動力サイクル回路に循環させる工程と、
   前記機械エネルギーの一部を利用して発電機を駆動することにより発電電力を出力させる工程と、
   前記発電電力の一部を蓄電システムに蓄電する工程と、
   前記蓄電システムから蓄電電力を前記パルス電源に供給する工程とを備え、
   前記回転式流体機械の始動時に、前記パルス電源を起動して前記パルス電力に応答して前記電気式動力ガス発生器を作動させ、前記回転式流体機械を前記高温高圧動力ガスにより起動させることを特徴とするクリーンエネルギー発生方法。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載のクリーンエネルギー発生装置を備えた移動体。

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