特許 5816106 発電装置及び発電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5816106

(24)【登録日】2015年10月2日

(45)【発行日】2015年11月18日

(54)【発明の名称】発電装置及び発電方法

(51)【国際特許分類】

   F02G 1/044 20060101AFI20151029BHJP

   F02G 1/053 20060101ALI20151029BHJP

   F02G 1/055 20060101ALI20151029BHJP

【ＦＩ】

   F02G1/044 Z

   F02G1/053 A

   F02G1/053 D

   F02G1/053 G

   F02G1/055 A

   F02G1/055 F

   F02G1/055 G

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-11915(P2012-11915)

(22)【出願日】2012年1月24日

(65)【公開番号】特開2013-151873(P2013-151873A)

(43)【公開日】2013年8月8日

【審査請求日】2014年10月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000173809

【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】松村 哲夫

【審査官】 佐藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特公昭３６−０２１９０４（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００８−２２３６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２３７１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００１−５１８５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０８２２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１７９９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２０６８１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｇ １／００−１／０６

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

下層に温水を有し、上層に冷水を有し、前記温水はヒートポンプにより所定の温度に維持されている水槽と、
外壁と内壁の間に空間を有し、一部が前記温水に浸ることで前記一部に熱が加えられ、他の一部が前記冷水に浸かることで前記他の一部から熱が奪われる回転部材と、
前記回転部材を回転可能に支持する支持部材と、
一端が前記回転部材の前記空間と連結して密封空間を形成し、他端が前記内壁の内側の回転軸と異なる位置に固定され、前記温水からの加熱による前記密封空間の気体の膨張により伸び、前記冷水からの冷却による前記密封空間の前記気体の収縮により縮むことで、前記支持部材を中心として前記回転部材を回転させる伸縮部材と、
前記回転部材の回転から電気を生成する発電部と
を備えたことを特徴とする発電装置。

【請求項2】

前記伸縮部材は、伸縮部分が蛇腹で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。

【請求項3】

前記支持部材は、クランク形状を有しており、
前記伸縮部材は、前記他端が前記支持部材のクランク部分に固定されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。

【請求項4】

前記伸縮部材及び回転部材の空間によって形成された密封空間にはヘリウムが充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の発電装置。

【請求項5】

前記回転部材は、前記空間を複数有しており、
前記伸縮部材は、複数の前記空間に連結するように複数設けられており、隣接する伸縮部材は回転軸を中心として回転方向に均等に分割した角度を有するように設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の発電装置。

【請求項6】

下層に温水を有し、上層に冷水を有し、前記温水はヒートポンプにより所定の温度に維持されている水槽における前記温水に回転するドラムの一部を浸らせることで、前記温水により前記一部に熱を加え、前記ドラムの内壁と外壁の間の密封空間に充填された気体を膨張させ、前記内壁の内側の回転軸と異なる固定点を押して、前記内壁を前記固定点から離すことで前記ドラムをさらに回転させる押回転ステップと、
前記冷水に前記ドラムの他の一部を浸らせることで、前記冷水により前記他の一部から熱を奪い、前記ドラムの前記密封空間に充填された前記気体を収縮させ、前記固定点を引いて、前記内壁を前記固定点に近づけることで前記ドラムをさらに回転させる引回転ステップと、
前記押回転ステップと前記引回転ステップとを繰り返すことで前記ドラムの回転から電気を生成する電気生成ステップと
を有することを特徴とする発電方法。

【請求項7】

下層に温水を有し、上層に冷水を有し、前記温水は温泉により所定の温度に維持されている水槽と、
外壁と内壁の間に空間を有し、一部が前記温水に浸ることで前記一部に熱が加えられ、他の一部が前記冷水に浸かることで前記他の一部から熱が奪われる回転部材と、
前記回転部材を回転可能に支持する支持部材と、
一端が前記回転部材の前記空間と連結して密封空間を形成し、他端が前記内壁の内側の回転軸と異なる位置に固定され、前記温水からの加熱による前記密封空間の気体の膨張により伸び、前記冷水からの冷却による前記密封空間の前記気体の収縮により縮むことで、前記支持部材を中心として前記回転部材を回転させる伸縮部材と、
前記回転部材の回転から電気を生成する発電部と
を備えたことを特徴とする発電装置。

【請求項8】

下層に温水を有し、上層に冷水を有し、前記温水は太陽熱により所定の温度に維持されている水槽と、
外壁と内壁の間に空間を有し、一部が前記温水に浸ることで前記一部に熱が加えられ、他の一部が前記冷水に浸かることで前記他の一部から熱が奪われる回転部材と、
前記回転部材を回転可能に支持する支持部材と、
一端が前記回転部材の前記空間と連結して密封空間を形成し、他端が前記内壁の内側の回転軸と異なる位置に固定され、前記温水からの加熱による前記密封空間の気体の膨張により伸び、前記冷水からの冷却による前記密封空間の前記気体の収縮により縮むことで、前記支持部材を中心として前記回転部材を回転させる伸縮部材と、
前記回転部材の回転から電気を生成する発電部と
を備えたことを特徴とする発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電装置及び発電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、エネルギー資源の枯渇や環境保護といったさまざまな要因から、地熱発電や排熱利用などの１００℃内外の低温熱源を利用した発電技術の開発が望まれている。このような低温熱源を利用した発電技術は、１００℃内外の温水を利用したエネルギーの備蓄や再生可能エネルギーなどの貯蔵技術としても利用が考えられる。このような低温熱源を利用した発電技術としては、炭化水素やアンモニアなど沸点の低い液体を利用したバイナリー発電方式が知られている。

【0003】

また、低温熱源を利用した発電技術に用いる他の技術として、気体の膨張及び収縮を利用したカルノーサイクルが考えられる。カルノーサイクルは、理論効率として非常に高い熱効率を有する。カルノーサイクルを実現する技術の一つにスターリングエンジンがある。スターリングエンジンは、外部から熱を供給しエンジン内部で膨張・収縮を行う作動ガスを必要な温度まで加熱することにより動作する外燃機関である。スターリングエンジンには、ディスプレーサ型と呼ばれる方式や２ピストン型と呼ばれる方式などがある。

【0004】

スターリングエンジンには、気体の膨張及び収縮により伸縮する容器の形状を蛇腹にすることで、ガス漏れを防ぎ、熱損失を軽減する従来技術がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−９０６０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、バイナリー発電方式では、発電効率の向上の困難性や、アンモニアなどを用いた場合の臭気対策など高い生産コストといった問題がある。また、ディスプレーサ型及び２ピストン型のいずれのスターリングエンジンにおいても、気体の加熱及び冷却のために、容器内の加熱部分と冷却部分との間において気体の移動が発生する。このような容器内での気体の移動により、熱効率が低下してしまうおそれがある。また、気体を移動させるために構造が複雑になり、生産工程の複雑化や生産コストの増大のおそれがある。

【0007】

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、単純な構造で熱効率が高い発電装置及び発電方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願の開示する発電装置及び発電方法は、一つの態様において、下層に温水を有し、上層に冷水を有し、前記温水はヒートポンプにより所定の温度に維持されている。回転部材は、外壁と内壁の間に空間を有し、一部が前記温水に浸ることで前記一部に熱が加えられ、他の一部が前記冷水に浸かることで前記他の一部から熱が奪われる。支持部材は、前記回転部材を回転可能に支持する。伸縮部材は、一端が前記回転部材の前記空間と連結して密封空間を形成し、他端が前記内壁の内側の回転軸と異なる位置に固定され、前記温水からの加熱による前記密封空間の気体の膨張により伸び、前記冷水からの冷却による前記密封空間の前記気体の収縮により縮むことで、前記支持部材を中心として前記回転部材を回転させる。発電部は、前記回転部材の回転から電気を生成する。

【発明の効果】

【0009】

本願の開示する発電装置及び発電方法の一つの態様によれば、単純な構造で熱効率を高くすることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施例１に係る発電装置の概念図である。

【図2】図２は、実施例１に係るドラム及び回転軸の斜視図である。

【図3】図３は、実施例１に係るドラム及び回転軸の透視斜視図である。

【図4】図４は、実施例１に係るドラム及び回転軸を側板側からみた概念図である。

【図5】図５は、実施例１に係るドラム及び回転軸を側面側からみた概念図である。

【図6】図６は、実施例１に係る回転軸の平面図である。

【図7A】図７Ａは、外胴の側面図である。

【図7B】図７Ｂは、外胴の平面図である。

【図8A】図８Ａは、内胴の側面図である。

【図8B】図８Ｂは、内胴の平面図である。

【図8C】図８Ｃは、内胴の円周方向展開図である。

【図9A】図９Ａは、ドラムの側板の構造及びドラムの回転による発電を説明するための図である。

【図9B】図９Ｂは、歯車機構の平面図である。

【図10】図１０は、実施例１に係る発電装置の回転動作のフローチャートである。

【図11】図１１は、実施例１に係る発電装置とカルノーサイクルとの比較図である。

【図12】図１２は、ソーラーポンドを利用した設置例を示す図である。

【図13】図１３は、温泉を利用した設置例を示す図である。

【図14】図１４は、原子力発電使用済燃料の発熱を利用した設置例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本願の開示する発電装置及び発電方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する発電装置及び発電方法が限定されるものではない。

【実施例1】

【0012】

図１は、実施例１に係る発電装置の概念図である。図１に示すように、本実施例に係る発電装置は、ドラム１、回転軸２、冷却部３、加熱部４、歯車機構５及び発電機６を有している。そして、発電装置は、土台７に設置されている。回転軸２は、土台７に固定されている。

【0013】

ここで、図２を参照して、ドラム１の回転の概要を説明する。図２は、実施例１に係るドラム及び回転軸の斜視図である。図２では、図１のドラム１、回転軸２、冷却部３及び加熱部４の部分を抜き出して示している。

【0014】

回転軸２は、ドラム１の側板１Ａの中心及び側板１Ｂの中心を回転可能に支持している。すなわち、ドラム１は、側板１Ａの中心及び側板１Ｂの中心を通過する軸を中心として円周方向、例えば矢印Ｐの方向に回転する。このドラム１が、「回転部材」の一例にあたる。また、回転軸２が、「支持部材」の一例にあたる。

【0015】

また、回転するドラム１の冷却領域３１に位置する部分が、冷却部３により冷却される。また、回転するドラム１の加熱領域４１に位置する部分が、加熱部４により加熱される。冷却部３は、加熱部４より低い温度でドラム１を外部から冷却する機構であれば特に制限はなく、例えば、水などを用いても良い。また、加熱部４は、ドラム１を外部から加熱する機構であれば特に制限はなく、例えば、温かいお湯やガスなどを燃焼させて発生する熱源などでもよい。この加熱及び冷却により、ドラム１は回転力を得る。このドラム１の回転については次に詳述する。

【0016】

図３は、実施例１に係るドラム及び回転軸の透視斜視図である。また、図４は、実施例１に係るドラム及び回転軸を側板側からみた概念図である。図４は、図３における矢印Ｓの向きに見た状態を表している。また、図５は、実施例１に係るドラム及び回転軸を側面側からみた概念図である。図５は、図３において側面方向から見た状態を表している。

【0017】

図３及び図５に示すように、回転軸２は、クランク部２１を有する。ここでは、クランク部２１として、クランク形状を有する回転軸２の回転軸とずれた位置における回転軸と平行な軸となる部分を指すものとする。例えば、本実施例では、回転軸２は、図６で表される形状を有している。図６は、実施例１に係る回転軸の平面図である。本実施例では、回転軸２は、長さ１．２ｍ、直径０．０１ｍである。また、クランク部２１は、高さ０．０５ｍ、長さ０．３ｍのクランク形状を有している。さらに、クランク部には、軸受部２２Ａ及び２２Ｂが設けられている。この軸受部２２Ａ及び２２Ｂには、後述する蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄから延びる蛇腹接合棒１１Ａ〜１１Ｄの軸受が配置される。また、軸受部２２Ｃ及び２２Ｄは、ドラム１の側板１Ａ及び１Ｂを回転可能に支持する軸受である。さらに、回転軸２は、両端に土台との固定用金具２４を有する。回転軸２は、この固定用金具２４により土台に対して固定される。

【0018】

軸受２３Ａ及び２３Ｂは、筒状をしており、クランク部２１のドラム１の回転方向の全周を覆い、且つクランク部２１の長手方向（ドラム１の回転方向と直交する方向）の一部を覆うように軸受部２２Ａ及び２２Ｂの位置にそれぞれ配置される。ここで、本実施例では、軸受２３Ａ及び２３Ｂの２つの軸受を配置したが、蛇腹接合棒１１Ａ〜１１Ｄが接続できればいくつでもよい。例えば、軸受は１つでもよい。その場合、１つの軸受に蛇腹接合棒１１Ａ〜１１Ｄが接続される。また、軸受は、クランク部２１の長手方向の一部を覆うように配置したが、例えば、軸受を１つにした場合、クランク部２１の長手方向の全部を覆うようにしてもよい。そして、軸受２３Ａ及び２３Ｂは、ドラム１の回転方向に回転可能である。軸受２３Ａ及び２３Ｂは、ベアリングなどを用いてなるべく回転を滑らかにすることが好ましい。この軸受部２２Ａ及び２２Ｂ並びに軸受２３Ａ及び２３Ｂが、「固定点」の一例にあたる。

【0019】

ここで、本実施例では、回転軸２はクランク形状を有しているが、蛇腹接合棒１１Ａ〜１１Ｄの一端を回転軸からずれた位置に固定でき、且つドラム１の回転時に回転軸２に蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄ又は蛇腹接合棒１１Ａ〜１１Ｄが接触しなければ他の形状でもよい。

【0020】

図３に示すように、ドラム１は、外胴１２及び内胴１３を有している。さらに、ドラム１は、外胴１２及び内胴１３の筒の端部は、側板１Ａと側板１Ｂが設けられている。そして、ドラム１は、外胴１２と内胴１３との間に空間１４を有している。実際には、図４に示すように、空間１４は、いくつかの空間に分割されている。例えば、本実施例では、空間１４は、後述する蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄに対応するように、空間１４Ａ〜１４Ｄの４つの空間に分割されている。例えば、本実施例では、空間１４は、ゴム製の仕切り１５で仕切られており、仕切り１５により空間１４Ａ〜１４Ｄに分割されている。ただし、図３では、説明の便宜上、空間１４の分割は図示していない。

【0021】

ここで、図７Ａ〜図８Ｃを参照して、本実施例に係るドラム１の外胴１２及び内胴１３について詳細に説明する。図７Ａは、外胴の側面図である。図７Ｂは、外胴の平面図である。図８Ａは、内胴の側面図である。図８Ｂは、内胴の平面図である。図８Ｃは、内胴の円周方向展開図である。

【0022】

例えば、本実施例では、外胴１２は、厚さ０．３ｍｍ程度の鉄製の円筒である。そして、本実施例では、図７Ａに示すように、外胴１２の開口部の直径は、０．３ｍである。また、図７Ｂに示すように、外胴１２の長さは１ｍである。そして、外胴１２の表面には撥水塗料の塗布又は撥水膜のコーティングを施す。

【0023】

また、例えば、本実施例では、内胴１３は、厚さ１０ｍｍ程度の硬質プラスチックスで生成された円筒である。そして、本実施例では、図８Ａに示すように、内胴１３の開口部の直径は、０．２８ｍである。また、内胴１３の長さは１ｍである。そして、図８Ｃに示すように、内胴１３には角度９０度毎に直径０．１ｍの円形の穴１３１と直径１０ｍｍの円形の穴１３２とが４つずつ穿たれている。図８Ｃの矢印は円周方向を表している。穴１３２は、蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄを差し込む穴である。また、穴１３２は、ヘリウムなどのガス封入用の穴である。穴１３２は、ガス封入後プラグなどで密封する。

【0024】

さらに、図９Ａに示すように、側板１Ａには内胴１３の差込用の溝１０１が設けられており、側板１Ｂにも同様に内胴１３の差込用の溝１０２が設けられている。図９Ａは、ドラムの側板の構造及びドラムの回転による発電を説明するための図である。そして、溝１０１及び溝１０２に内胴１３の両端の開口部がそれぞれ差し込まれる。さらに、側板１Ａ及び１Ｂの外周と外胴１２の両端の開口部が接合される。また、本実施例では、例えば、側板１Ａ及び１Ｂは、厚さ１０ｍｍ程度の硬質プラスチックス板である。

【0025】

ドラム１の全体の説明に戻る。ドラム１が回転することにより、空間１４Ａ〜１４Ｄを形成するドラム１の外胴１２が加熱部４により順次加熱され、反対側に位置する空間１４Ａ〜１４Ｄを形成するドラム１の外胴１２が冷却部３により順次冷却される。具体的に加熱及び冷却のサイクルを説明すると、空間１４Ａの外胴１２の加熱及びに空間１４Ｃの外胴１２の冷却が行われる。次に、空間１４Ｂの外胴１２の加熱及び空間１４Ｄの外胴１２の冷却が行われる。次に空間１４Ｃの外胴１２の加熱及び空間１４Ａの外壁の冷却が行われる。次に空間１４Ｄの外胴１２の加熱及び空間１４Ｂの外胴１２の冷却が行われる。そして、この空間１４Ａ〜１４Ｄの外胴１２の加熱及び冷却のサイクルが繰り返される。

【0026】

蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄは、ゴムなどの伸縮性を有する部材で形成されている。以下では、蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄを特に区別しない場合には、単に「蛇腹管１０」という。例えば、本実施例では、蛇腹管１０は、端部の外径が０．１ｍ、標準長さ０．１ｍのゴム製であり、０．０５ｍ〜０．１５ｍの範囲で伸縮するものを用いる。そして、蛇腹管１０は、内部に空間を有し、蛇腹の伸縮する方向の一端に開口部を有している。

【0027】

蛇腹管１０は、内胴１３の穴１３１にそれぞれ差し込まれ、蛇腹管１０の内部の空間は空間１４と連結されている。具体的には、図４のように、蛇腹管１０Ａは空間１４Ａと連結されており、蛇腹管１０Ｂは空間１４Ｂと連結されており、蛇腹管１０Ｃは空間１４Ｃと連結されており、蛇腹管１０Ｄは空間１４Ｄと連結されている。また、本実施例では蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄのうち隣り合うもの同士が９０度の角度をなすように、配置されている。すなわち、蛇腹管１０Ａと蛇腹管１０Ｃとは対向する位置に配置され、蛇腹管１０Ｂと蛇腹管１０Ｄとは対向する位置に配置される。

【0028】

さらに、空間１４Ａ〜１４Ｄと蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄとで形成される空間について詳細に説明する。ここでは空間１４Ａ及び蛇腹管１０Ａを例に説明する。図４に示すように、空間１４Ａ及び蛇腹管１０Ａによって密閉された空間が形成されている。そして、空間１４Ａ及び蛇腹管１０Ａによって形成された空間に気体が充填されている。例えば、ヘリウムガスが空間１４Ａ及び蛇腹管１０Ａによって形成された空間に充填されている。充填されたヘリウムガスは、空間１４Ａを構成する外胴１２が冷却部３によって冷却されると収縮する。また、空間１４Ａ及び蛇腹管１０Ａによって形成された空間に充填されたヘリウムガスは、空間１４Ａを構成する外胴１２が加熱部４によって加熱されると収縮する。ここでは、空間１４Ａ及び蛇腹管１０Ａが形成する内部空間を例に説明したが、空間１４Ｂ〜１４Ｄ及び蛇腹管１０Ｂ〜１０Ｄについても同様である。蛇腹管１０の内部の空間に充填されたヘリウムガスが膨張すると、蛇腹管１０は伸びる。また、蛇腹管１０の内部の空間に充填されたヘリウムガスが収縮すると、蛇腹管１０は縮む。以下では、蛇腹管１０Ａ及び空間１４Ａによって形成された空間も充填されたヘリウムガスの加熱及び冷却を空間１４Ａの加熱及び冷却という。また、「空間１４Ｂ〜１４Ｄの加熱」についても同様とする。このように、蛇腹にすることで、シリンダーを用いた場合に比べて、気体の漏洩を防ぐシール部の数を低減でき、気体の漏洩を軽減することができ、また構造も単純なものにすることができる。

【0029】

ドラム１の回転により、加熱位置及び冷却位置が変わっていくことで、蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄは順次伸び縮みを繰り返す。ここで、蛇腹管１０Ａの伸縮のサイクルを具体的に説明する。空間１４Ａが加熱されることで蛇腹管１０Ａが伸び、空間１４Ｃの冷却が行われ蛇腹管１０Ｃが縮む。次に、空間１４Ｂが加熱され蛇腹管１０Ｂが縮み、空間１４Ｄが冷却され蛇腹管１０Ｄが縮む。次に、空間１４Ｃが加熱され蛇腹管１０Ｃが伸び、空間１４Ａが冷却され蛇腹管１０Ａが縮む。次に、空間１４Ｄが加熱され蛇腹管１０Ｄが伸び、空間１４Ｂが冷却され蛇腹管１０Ｂが縮む。そして、この蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄの伸縮のサイクルが繰り返される。

【0030】

蛇腹接合棒１１Ａ〜１１Ｄは、棒状の部材である。以下では、蛇腹接合棒１１Ａ〜１１Ｄを区別しないときは、単に「蛇腹接合棒１１」という。例えば、本実施例では、蛇腹接合棒１１は、鉄製の直径５ｍｍ程度の棒状の部材である。そして、図３及び図５に示すように、蛇腹接合棒１１Ａは、一端が蛇腹管１０Ａの伸縮方向の面に接続され、他端が軸受２３Ａに接続されている。蛇腹接合棒１１Ｃは、一端が蛇腹管１０Ｃの伸縮方向の面に接続され、他端が軸受２３Ａに接続されている。また、蛇腹接合棒１１Ｂは、一端が蛇腹管１０Ｂの伸縮方向の面に接続され、他端が軸受２３Ｂに接続されている。蛇腹接合棒１１Ｄは、一端が蛇腹管１０Ｄの伸縮方向の面に接続され、他端が軸受２３Ｂに接続されている。

【0031】

ここで、蛇腹管１０の膨張及び収縮による力の伝達について説明する。例えば、蛇腹管１０Ａ及び蛇腹接合棒１１Ａを例に説明すると、蛇腹管１０Ａが伸びることで、蛇腹接合棒１１Ａは軸受２３Ａを介して回転軸２のクランク部２１を押す。この蛇腹接合棒１１Ａがクランク部２１に加えた力の反作用を蛇腹接合棒１１Ａ及び蛇腹管１０が受け、蛇腹管１０はドラム１の内胴１３を押す。また、蛇腹管１０Ａが縮むことで、蛇腹接合棒１１Ａは軸受２３Ａを介して回転軸２のクランク部２１を引く。この蛇腹接合棒１１Ａがクランク部２１に加えた力の反作用を蛇腹接合棒１１Ａ及び蛇腹管１０が受け、蛇腹管１０はドラム１の内胴１３を引く。ここでは、蛇腹管１０Ａ及び蛇腹接合棒１１Ａを例に説明したが、蛇腹管１０Ｂ〜１０Ｄ及び蛇腹接合棒１１Ｂ〜１１Ｄも同様の動作を行う。この蛇腹管１０によるドラム１を押す力および引く力により、ドラム１が回転する。この蛇腹管１０及び蛇腹接合棒１１が、「伸縮部材」の一例にあたる。

【0032】

さらに、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、本実施例に係る発電装置における発電機構について説明する。図９Ｂは、歯車機構の平面図である。歯車機構５は、図９Ｂに示すように、大歯車５１と小歯車５２とが噛み合っている。そして、大歯車５１はドラム１の側板１Ａに連結されている。

【0033】

ドラム１が回転すると、図９Ａに示す側板１Ａ及び１Ｂが回転軸２と共に回転する。そして、回転軸２の回転が歯車機構５に伝わり、大歯車５１が回転する。大歯車５１が回転すると、噛み合っている小歯車５２が回転する。そして、発電機６は、小歯車５２の回転を受けて発電を行う。ここで、発電機６はドラム１の外側に設置されているが、大歯車５１、小歯車５２を含めてドラム１の内側に設置する事も可能である。

【0034】

次に、図１０を参照して、発電装置の回転の１サイクルにおける動作の流れについて説明する。図１０は、実施例に係る発電装置の回転動作のフローチャートである。ここで、図１０のフローチャートでは、空間１４Ａが暖められる状態から１サイクルが開始するように記載しているが、実際には１サイクルはいずれの空間の暖めから開始してもよい。

【0035】

空間１４Ａに充填されている気体が、加熱部４により暖められ膨張する。さらに、空間１４Ｃに充填されている気体が、冷却部３により冷やされ収縮する（ステップＳ１）。

【0036】

空間１４Ａに充填された気体の膨張により、蛇腹管１０Ａが延びる。また、空間１４Ｃに充填された気体の収縮により蛇腹管１０Ｃが縮む（ステップＳ２）。

【0037】

蛇腹管１０Ａが接続されている部分のドラム１の内胴１３がクランク部２１からの押力で押され、さらに、蛇腹管１０Ｃが接続されている部分のドラム１の内胴１３がクランク部２１からの引力により引かれることにより、ドラム１が回転する（ステップＳ３）。

【0038】

空間１４Ｂに充填されている気体が、加熱部４により暖められ膨張する。さらに、空間１４Ｄに充填されている気体が、冷却部３により冷やされ収縮する（ステップＳ４）。

【0039】

空間１４Ｂに充填された気体の膨張により、蛇腹管１０Ｂが延びる。また、空間１４Ｄに充填された気体の収縮により蛇腹管１０Ｄが縮む（ステップＳ５）。

【0040】

蛇腹管１０Ｂが接続されている部分のドラム１の内胴１３がクランク部２１からの押力で押され、さらに、蛇腹管１０Ｄが接続されている部分のドラム１の内胴１３がクランク部２１からの引力により引かれることにより、ドラム１が回転する（ステップＳ６）。

【0041】

空間１４Ｃに充填されている気体が、加熱部４により暖められ膨張する。さらに、空間１４Ａに充填されている気体が、冷却部３により冷やされ収縮する（ステップＳ７）。

【0042】

空間１４Ｃに充填された気体の膨張により、蛇腹管１０Ｃが延びる。また、空間１４Ａに充填された気体の収縮により蛇腹管１０Ａが縮む（ステップＳ８）。

【0043】

蛇腹管１０Ｃが接続されている部分のドラム１の内胴１３がクランク部２１からの押力で押され、さらに、蛇腹管１０Ａが接続されている部分のドラム１の内胴１３がクランク部２１からの引力により引かれることにより、ドラム１が回転する（ステップＳ９）。

【0044】

空間１４Ｄに充填されている気体が、加熱部４により暖められ膨張する。さらに、空間１４Ｂに充填されている気体が、冷却部３により冷やされ収縮する（ステップＳ１０）。

【0045】

空間１４Ｄに充填された気体の膨張により、蛇腹管１０Ｄが延びる。また、空間１４Ｂに充填された気体の収縮により蛇腹管１０Ｂが縮む（ステップＳ１１）。

【0046】

蛇腹管１０Ｄが接続されている部分のドラム１の内胴１３がクランク部２１からの押力で押され、さらに、蛇腹管１０Ｂが接続されている部分のドラム１の内胴１３がクランク部２１からの引力により引かれることにより、ドラム１が回転する（ステップＳ１２）。

【0047】

次に、図１１を参照して、本実施例に係る発電装置の熱効率について説明する。図１１は、実施例１に係る発電装置とカルノーサイクルとの比較図である。図１１は、縦軸を蛇腹又はシリンダーの長さとし、横軸をドラムの回転とする。

【0048】

グラフ２００は、カルノーサイクルを想定した場合の理想的な蛇腹又はシリンダーの伸縮とドラムの回転との関係を示すグラフである。そして、グラフ２０１は、本実施例に係る発電装置による蛇腹又はシリンダーの伸縮とドラムの回転との関係を示すグラフである。

【0049】

グラフ２０１では、蛇腹が伸びだす時点での蛇腹の動き及び蛇腹の伸びが停止するまでの蛇腹の動きが、グラフ２００に比べて緩やかになっているが、非常にカルノーサイクルの理論的な動作に近似していることが分かる。

【0050】

このように、本実施例に係る発電装置を用いた場合、カルノーサイクルの理論値に近い動作を行うことができ、熱効率が非常に高いカルノーサイクルに近づけることができる。

【0051】

次に、本実施例に係る発電装置による発電量及び発電効率についてより具体的に説明する。ここでは、ドラム１の開口の直径が０．３ｍ、高さが１ｍである。この場合、ドラム１の表面積はおよそ１ｍ^３となる。また、外胴１２と内胴１３との間の幅が０．０１ｍであり、蛇腹管１０Ａ〜１０Ｄ及び空間１４Ａ〜１４Ｂのそれぞれで形成される空間のガス容積が０．０１ｍ^３である。さらに、ガス温度で３０℃から８０℃への５０℃の幅の温度変化が起こる場合で説明する。

【0052】

熱伝導率は、空気は２．４１×０．０１Ｗ／ｍ／Ｋであり、ヘリウムは１７．７７×０．０１Ｗ／ｍ・Ｋである。そこで、容器内の気体への熱伝達量は、気体が空気の場合２４１Ｗであり、気体がヘリウムの場合１７７７Ｗとなる。ここで、ヘリウムは大気圧と同じ０．１ＭＰａとする。

【0053】

さらに、定圧比熱は、空気は１．００７ｋＪ/ｋｇ/Ｋであり、ヘリウムは５．１９３ｋＪ/ｋｇ/Ｋである。また、空気は密度１．２４４１ｋｇ／ｍ^３であり、ヘリウムは０．１６０４ｋｇ／ｍ^３である。そこで、５０℃のガス温度上昇（３０℃〜８０℃）に必要な熱量は、空気では０．６２６ＫＪとなり、ヘリウムでは０．４１６ＫＪとなる。したがって、５０℃のガス温度上昇に必要な時間は、空気では２．６秒、ヘリウムでは０．２３秒となる。

【0054】

そして、空間１４Ａ〜１４Ｄに充填されるガスが大気の場合には、伝熱量は２４０Ｗとなり、発電量は２０Ｗとなる。また、空間１４Ａ〜１４Ｄに充填されるガスがヘリウムの場合には、伝熱量は１．８ｋＷとなり、発電量は１４０Ｗとなる。

【0055】

このように、充填するガスとして大気又はヘリウムのいずれを用いても、発電効率は概ね８％程度となる。ただし、ガスとして大気を用いた場合には、発電量が小さいため、充填するガスにはヘリウムを用いることがより好ましい。

【0056】

また、単体の発電装置では、ここで示した概算通りヘリウムガスを用いた場合にも１４０Ｗと少ないが、発電装置自体の製造費用を数千円以下に抑えることができる。その場合、複数の発電装置を用いて発電を行うことで、１ｋＷあたり数万円程度のコストとなると考えられ、低コストで発電を行うことができる。

【0057】

また、以上の説明では、回転を行う部材が円柱形のドラム１の場合で説明したが、この回転を行う部材は、内部に設けられた蛇腹管の伸縮により回転すればどのような形でもよく、例えば、多角柱や円錐台などでもよい。さらに、以上の説明では、ドラム１の回転力を発生させる蛇腹管１０及び蛇腹接合棒１１を４つ配置したがこれは回転力さえ得られれば特に制限はなく、例えば１つでもよいし、５つ以上配置してもよい。

【0058】

以上に説明したように、本実施例に係る発電装置は、容器内に充填させた気体に対して加熱又は冷却して気体を膨張又は収縮させることにより、ドラムを回転させて発電を行うことができる。そして、本実施例に係る発電装置では、容器内の加熱部分と冷却部分との間において気体の移動を行わないので、容器内での気体の移動による熱効率の低下を軽減することができる。また、気体の移動が不要であるので、発電装置の構造を単純にすることができ、生産工程の簡略化や生産コストの低減が可能となる。

【実施例2】

【0059】

次に、実施例２に係る発電装置について説明する。図１２は、ソーラーポンドを利用した設置例を示す図である。図１２に示すように、本実施例に係る発電装置は、加熱及び冷却機構としてソーラーポンドを用いている。

【0060】

本実施例では、ソーラーポンドは、水槽５の下部に８５℃の温塩水を注ぎ、その上に２０℃の冷水を注ぎ込むことで造られている。そして、温塩水と冷水とは比重が異なるため、交じり合わず、下部の温塩水の熱の放出を抑えることができる。さらに、本実施例では、ヒートポンプ６によって温塩水が加熱され８５℃に維持されている。これにより、エネルギー貯蔵を行うことができる。なお、温塩水を使用しないソーラーポンドもあり、適用先としては温塩水に限らず、例えば温水などでもよい。

【0061】

ヒートポンプ６の代わりに、電気を自装置に通電することにより、自装置をモーターとして利用し、このモーターの駆動力を用いてドラム１を回転させることで、蛇腹１０を伸縮させることができる。そして、蛇腹１０が伸縮することにより気体が発吸熱する。このように、本発電装置にヒートポンプの役割を持たせることもできる。

【0062】

そして、ドラム１は、一部が冷水に浸かり、他の部分が温塩水に浸かるように配置される。そして、温塩水が加熱部４となり、冷水が冷却部３となる。このとき、ドラム１は、回転軸２によって回転可能に支持されている。ここで、本実施例では、回転軸２を冷水側に配置して、ドラム１の冷水に浸かる部分が、温塩水に浸かる部分よりも大きくなるように配置しているが、加熱及び冷却の効率を考慮して適切な位置にドラム１を配置することが好ましい。

【0063】

そして、ドラム１の温塩水に浸された部分が温められ、温められた領域に配置されている蛇腹管１０が伸び、ドラム１の冷水に浸された部分が冷やされ、冷やされた領域に配置されている蛇腹管１０が縮む。これにより、ドラム１が回転し発電を行うことができる。

【0064】

以上に説明したように、本実施例に係る発電機では、ソーラーポンドを利用して容器内の気体の加熱及び冷却を行い発電することができる。このように、ソーラーポンドを利用することで、加熱及び冷却の機構を単純にすることができる。

【実施例3】

【0065】

次に、実施例３に係る発電装置について説明する。図１３は、温泉を利用した設置例を示す図である。図１３に示すように、本実施例に係る発電装置は、加熱機構として温泉を用いており、また、冷却機構として加水せずに空気により冷却を行っている。温泉は、矢印Ｑ１で示されるように流れており、温度は８５℃程度に維持される。この温泉が、加熱部４となる。

【0066】

本実施例では、ドラム１は、一部が温泉に浸され、他の部分が外気に触れるように配置される。このとき、ドラム１は、回転軸２によって回転可能に支持されている。ここで、本実施例では、回転軸２を温泉に浸らないように配置して、ドラム１の外気に触れる部分が、温泉に浸される部分よりも大きくなるように配置しているが、加熱及び冷却の効率を考慮して適切な位置にドラム１を配置することが好ましい。

【0067】

そして、ドラム１の温泉に浸かった部分が温められ、温められた領域に配置されている蛇腹管１０が伸び、ドラム１の外気に触れている部分が冷やされ、冷やされた領域に配置されている蛇腹管１０が縮む。これにより、ドラム１が回転し発電を行うことができる。

【0068】

以上に説明したように、本実施例に係る発電機では、温泉の熱及び外気を利用して容器内の気体の加熱及び冷却を行い発電することができる。このように、温泉を利用することで、再生可能エネルギーを利用した発電を実現することができる。

【実施例4】

【0069】

次に、実施例４に係る発電装置について説明する。図１４は、原子力発電使用済燃料の発熱を利用した設置例を示す図である。図１４に示すように、本実施例に係る発電装置は、加熱機構として原子力発電使用済燃料の貯蔵時の発熱を用いており、また、冷却機構として加水せずに空気により冷却を行っている。

【0070】

本実施例では、ドラム１の一部が、１５０℃程度に温度が維持されるシリコンオイルに浸され、他の部分が外気に触れるように配置される。このシリコンオイルが加熱部４となる。このとき、ドラム１は、回転軸２によって回転可能に支持されている。シリコンオイルは、使用済燃料を２０体程度収納した使用済燃料キャニスター３０１の周囲に熱交換器３０２を設ける。熱交換器３０２としては、例えば、鉄などを使用済燃料キャニスター３０１の周囲に巻きつけるなどで実現できる。そして、熱交換器３０２を通過させてシリコンオイルを循環させる。これにより、シリコンオイルは１５０℃程度に温度が維持される。ここで、本実施例では、回転軸２をシリコンオイルに浸らないように配置して、ドラム１の外気に触れる部分が、シリコンオイルに浸される部分よりも大きくなるように配置しているが、加熱及び冷却の効率を考慮して適切な位置にドラム１を配置することが好ましい。

【0071】

そして、ドラム１のシリコンオイルに浸かった部分が温められ、温められた領域に配置されている蛇腹管１０が伸び、ドラム１の外気に触れている部分が冷やされ、冷やされた領域に配置されている蛇腹管１０が縮む。これにより、ドラム１が回転し発電を行うことができる。

【0072】

以上に説明したように、本実施例に係る発電機では、原子力発電使用済燃料を用いて容器内の気体を加熱し発電することができる。このように、原子力発電使用済燃料の発熱を利用することで、核燃料サイクルの中で発生する熱を効率的に使用することができる。

【符号の説明】

【0073】

１ ドラム
１Ａ、１Ｂ 側板
２ 回転軸
３ 冷却部
４ 加熱部
５ 歯車機構
６ 発電機
７ 土台
１０Ａ〜１０Ｄ 蛇腹管
１１Ａ〜１１Ｄ 蛇腹接合棒
１２ 外胴
１３ 内胴
１４ 空間
２１ クランク部
２２Ａ〜２２Ｂ 軸受部
２３Ａ、２３Ｂ 軸受

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】