JP2007187160A - 熱エネルギを運動エネルギに変換する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構造でありながら熱を運動エネルギに高効率に変換する方法および装置を提供する。
【解決手段】第１熱交換器１ａの第１作動チャンバ２ａに供給した熱伝達媒体によって、第１熱交換器１ａの第２作動チャンバ３ａ内の作動媒体を等容加熱したのち、この第１熱交換器１ａを含む前段の熱交換器１ａ；１ｂの第２作動チャンバ３ａ；３ｂから、後段の別の熱交換器１ｂ；１ｃの第２作動チャンバ３ｂ；３ｃへ、作動媒体の少なくとも一部を移送し、後段熱交換器１ｂ；１ｃの第１作動チャンバ２ｂ；２ｃ内の熱伝達媒体によって、後段熱交換器１ｂ；１ｃの第２作動チャンバ３ｂ；３ｃ内の作動媒体を等容加熱し、この作動媒体を空気圧−油圧コンバータ１７に供給してコンバータ１７から油圧媒体を排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギを運動エネルギに変換する方法および装置に関する。

熱エネルギを運動エネルギに変換し、その後、オプションとして、それを電流に変換するのに使用される循環プロセス及び方法として多種多様なものが知られている。それらは蒸気動力プロセス、スターリング（Sterling）プロセス、等に関するものである。これらの方法を使用する１つの可能性は、排熱を利用することによって内燃エンジンの効率を高めることである。しかし、内燃エンジンの冷却循環は通常１００℃に近い温度で作動するものであるため、利用可能な温度レベルが比較的不利なものであるという問題がある。ソーラープラントからの熱を機械的作用に変換する場合にも類似の問題が生じる。
従来、熱エネルギを運動エネルギに変換する技術としては、例えば、以下に示す技術が知られている。

ＷＯ ０３／０８１０１１Ａ ＤＥ ３２ ３２ ４９７Ａ ＵＳ ４，６１７，８０１Ａ ＵＳ ４，２８３，９１５Ａ ＧＢ １ ５３６ ４３７Ａ ＵＳ ５，５４８，９５７Ａ

ＷＯ ０３／０８１０１１Ａには、火力プロセスに関する特殊な解決手段が示されている。その明細書には、エンジン内で処理される作動媒体を複数のブラダ型アキュムレータ中で加熱することによって油圧媒体を加圧する方法が記載されている。このような方法は基本的には有効なものではあるが、その効率は低く、作り出すことが可能なエネルギの質の割には機械の複雑性が比較的高いものであることがわかっている。

ＤＥ ３２ ３２ ４９７Ａには、熱エネルギを運動エネルギに変換する方法と装置であって、高温の熱伝達媒体が熱交換器の第１作動チャンバに運ばれ、作動媒体の第１量部分が前記高温熱伝達媒体によって前記熱交換器の第２作動チャンバ内で加熱され、この熱交換器の第２作動チャンバが空気圧−油圧コンバータに接続され、このコンバータからの油圧媒体が前記作動媒体の圧力によって排出される方法と装置が記載されている。この装置では、シリンダを交互に加熱・冷却する必要があり、シリンダの熱容量のためにこれには時間がかかる。従って、この装置の効率は限られたものである。

ＵＳ ４，６１７，８０１Ａには、自由移動ピストンを備える熱動力エンジンが開示されている。圧力をシステムに送り込むために空気圧−油圧コンバータが使用される。この装置は複雑な構造を有し、その効率は限られている。

熱を運動エネルギに変換するためのその他の解決構造がＵＳ ４，２８３，９１５Ａ，ＧＢ １ ５３６ ４３７Ａ及びＵＳ ５，５４８，９５７Ａに開示されている。しかしこれらの解決構造の全てに対して上述したコメントが当てはまる。

本発明の課題は、上述したタイプの方法であって、装置構造を可能な限り単純なものに維持しながら、たとえ不利な熱条件下においても、高い効率を達成することが可能な方法を提供することにある。

本発明によれば、前記方法は以下の工程を有する、
− 高温熱伝達媒体を第１熱交換器の第１作動チャンバに供給する、
− 前記熱伝達媒体によって、前記第１熱交換器の第２作動チャンバ内にて第１量の作動媒体を等容（isochoric）加熱する、
− 以下の副工程を反復実施する、
前記第１熱交換器又は前段の熱交換器の前記第２作動チャンバから、後段の別の熱交換器の第２作動チャンバへの、前記作動媒体の前記第１量のうちの少なくとも一部の移送を許容する、
前記後段熱交換器の第１作動チャンバ内に存在する熱伝達媒体によって、前記後段熱交換器の前記第２作動チャンバ内で、前記第１量の作動媒体のうちの前記移送された部分を等容（isochoric）加熱する、
− 前記後段又は最終段の熱交換器の前記第２作動チャンバを、空気圧−油圧コンバータに接続し、前記作動媒体の圧力によって前記コンバータから油圧媒体を排出する。

第１工程において、内燃エンジンによって、例えば１００℃に加熱された熱伝達媒体が第１熱交換器の第１作動チャンバに導入される。好ましくは、前記第１熱交換器はフレキシブル膜によって互いに分離された二つの作動チャンバを備える圧力容器である、所謂ブラダ型アキュムレータとして構成される。これは前記二つの作動チャンバの総容量が比較的一定に維持されるが、これらのチャンバの個々の容量は可変であるということを意味する。上述の比較的大きなフレキシブル膜を介して、前記第１作動チャンバと第２作動チャンバ内に存在する媒体間において熱交換を比較的容易に行うことができる。前記第１熱交換器は、そのピストンが熱交換が比較的容易に可能であることを条件として、ピストンによって互いに分離された二つの作動チャンバを有するシリンダとして構成することも可能である。前記第１工程において、熱伝達媒体は、第１熱交換器内に、前記第１作動チャンバがこの熱交換器の総容量の約半分に達する程度に導入される。

第２工程において、前記第１熱交換器の前記第２作動チャンバ内に存在する作動媒体は、前記第１熱伝達媒体によって加熱される。これが加熱の主要部分である。というのは、当然、前記第１作動チャンバへの熱伝達媒体の供給中に、ある程度の加熱が既に生じているからである。前記加熱の主要部分は、前記第２作動チャンバに連通する全てのバルブが閉じられているため等容状態で行われる。第２作動チャンバ内で温度が上昇する結果、これに伴って作動媒体の圧力も上昇する。

第３の工程において、前記第１熱交換器の前記第２作動チャンバは、前記第２熱交換器の前記第２作動チャンバに接続され、これによって作動媒体はこの作動チャンバへと流れることが可能となる。弛緩の結果、移送された作動媒体は冷却し、同時に、第２熱交換器の第２作動チャンバの容量が増大する結果、熱伝達媒体が第２作動チャンバから移動される。このプロセスは、例えば、前記第２熱交換器の第１及び第２作動チャンバが、ほぼ同じ大きさの容量になるまで続く。各バルブの閉鎖後、第２熱交換器の第２作動チャンバ内で作動媒体の等容（isochoric）加熱が再び行われ、これが第４工程である。

本発明の方法の実施例によっては、２つ、３つ以上の熱交換器が順次スイッチングされる。このような作動媒体の等容加熱を２〜４回行う。特には４回の等容加熱を行うのが好ましい。二つの熱交換器しか存在しない場合は、第５工程において、前記第２熱交換器の第２作動チャンバは空気圧−油圧コンバータに接続され、このコンバータも、好ましくはブラダ型アキュムレータとして構成される。作動媒体が膨張する結果、油圧媒体は、例えば、エンジンを駆動するべく前記空気圧−油圧コンバータから放出される。

三つ以上の熱交換器を使用する方法の実施例の場合、前記方法の第３及び第４工程は、それぞれ頻繁に繰り返される。これにより、２００バールから３００バールの非常に高い圧力を達成することができ、非常に高い効率を達成することができる。前段の熱交換器の第２作動チャンバと後段の熱交換器の第２作動チャンバとの間において圧力補償が達成された後、前記第１又は前段熱交換器の第２作動チャンバから後段の熱交換器の第２作動チャンバへ作動媒体を送るべく、追加の熱伝達媒体が前段熱交換器に押し込まれるように構成すると特に効率を増大させることができる。前記移送流プロセス後に各熱交換器の第２作動チャンバから作動媒体を完全に排出するためには、勿論、機械的作用が必要である。しかし、この追加の要件はそれぞれ効率を増大させる高いエネルギ産出高によって相殺される。この点に関して、熱交換器の第２作動チャンバを完全に空にすると特に有利である。

冷却された熱伝達媒体を第１作動チャンバから取り除く。つまり、効率ロスを回避するためには、上述の諸工程の通過後に前記第１作動チャンバを完全に空にすることが特に好ましい。これは各熱交換器の第２作動チャンバに作動媒体を流し込むことによって行われ、実質的に無圧状態で行うことが可能である。

さらにこれに関して、前記作動媒体は圧縮可能である。気体状作動媒体と、液／気相混合物との両方が使用可能である。前記作動媒体が環境圧において−６０℃〜−２０℃である沸点を有するものとして構成すると特に好ましい。

本発明の前記方法の特に好適な実施例において、複数の循環プロセスが時間シフトされた状態で規則的間隔で実行される。これは、マルチシリンダ型内燃エンジンにおいてと同様に、循環変動を補償することが可能であり、特に油圧システムにおいて圧力の均一化（evening）を実現することが可能であるということを意味する。

前記油圧システムに供給されるエネルギは、様々な方法で使用することが可能である。例えば、油圧エンジンを駆動するために、油圧回路網への供給を行うことができる。主として、油圧エンジンによって駆動される発電機による電気エネルギの発生が提供される。

最終段の熱交換器の第２作動チャンバからの作動媒体の弛緩中に、大幅な冷却が発生するため、前記プロセスをこの時点において比較的低い温度になるように案内することが可能である。これによって、例えば、倉庫・冷却装置などのためにそれぞれ適した冷却用循環を供給することが可能となり、その結果、追加の利点が達成される。

本発明は、更に、熱エネルギを運動エネルギに変換する装置であって、少なくもと二つの熱交換器を備え、各熱交換器が第１及び第２作動チャンバを有し、第１作動チャンバが高温熱伝達媒体源に接続されている装置にも関する。

本発明によれば、この装置は、前記両熱交換器が互いに対して接続可能であるとともに作動媒体源にも接続可能な第２作動チャンバを有し、１つの熱交換器の第２作動チャンバが空気圧−油圧コンバータに接続されていることを特徴とする。

この点に関して、前記複数の熱交換器が前記第１熱交換器から始まり、漸進的に減少する容量を有するものとして構成することが好ましい。これにより、特に高い効率を達成することが可能となる。

以下、添付の図１、本発明の実施例のブロック図を参照しながら、本発明の実施例についてより詳細に説明する。

本発明による装置は、三つの熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃを有し、これらはブラダ型アキュムレータとして構成されている。各熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃは、第１作動チャンバ２ａ，２ｂ，２ｃと第２作動チャンバ３ａ，３ｂ，３ｃとを備え、これらチャンバはフレキシブル膜４によって互いに分離されている。この膜４の薄壁構造のフレキシビリティにより、各熱交換器の第１又は第２作動チャンバ２ａ，２ｂ，２ｃ，３ａ，３ｂ，３ｃ内において、常に同じ圧力、そして、少なくとも短い過渡的な期間の後において、実質的に同じ温度となるように保障される。前記熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃの第１作動チャンバ２ａ，２ｂ，２ｃは、バルブ５を介して熱伝達媒体が循環する経路６に接続されている。前記熱伝達媒体はポンプ７によって循環され、この熱伝達媒体を例えば冷却水として使用する内燃エンジン９から排出される。オプションとして、前記熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃの第１作動チャンバ２ａ，２ｂ，２ｃに熱伝達媒体を押し込むことによって、各熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃの第２作動チャンバ３ａ，３ｂ，３ｃを完全に空にするべく高圧ポンプ（図示せず）を設けることも可能である。

尚、内燃エンジンのその他の接続は、例えば、排熱をも利用するべく熱交換器によって可能である。本発明を実施するに当たって、本発明の方法において、地熱・太陽熱等のその他の熱源を使用することも可能である。それぞれの所望圧力を設定するためにバッファストレージ８が使用される。

前記熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃの第２作動チャンバ３ａ，３ｂ，３ｃは、バルブ１０を介して作動媒体用の経路１１に接続され、個々の熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃ間には別のバルブ１２が設けられている。別構成として、前記バルブ１０を多方向バルブとして構成することも可能である。前記作動媒体はポンプ１４によってストーレジ容器１５から搬送される。空気圧−油圧コンバータ１７が、更に別のバルブ１３及び１６を介して経路１１と接続される。このコンバータ１７は、これらも又フレキシブル膜４によって互いに分離されている油圧チャンバ１８と作動チャンバ１９とを有する。

前記作動媒体用の経路１１は、前記空気圧−油圧コンバータ１７への分岐とは別に、間にスロットル２２が配設されている第１冷却器２０と第２冷却器２１とを介して更に延出している。作動媒体は、前記第２冷却器２１の後にストーレジ容器１５へと移動する。前記空気圧−油圧コンバータ１７から始まる油圧回路は第１逆止バルブ２３を含み、その後方には、電力を発生する発電機２５に接続されたエンジン２４が設けられている。このエンジン２４の下流側で油圧媒体がストーレジ容器２６に供給され、それは第２逆止バルブ２７を介して前記空気圧−油圧コンバータ１７へと再び戻される。

前記システムは２５０バールの最大圧に構成され、前記第１熱交換器１ａは２００リットルの総容量を有する。前記第２熱交換器１ｂは１６０リットルの総容量を有し、前記第３熱交換器１ｃは１２０リットルの総容量を有する。前記空気圧−油圧コンバータ１７は８０リットルの容量を有する。

実際の構成では、図１に図示した装置が、例えば５台、互いに並列に設けられる。これらの装置は同時に運転される。各装置に於いては、作動媒体等の循環プロセスは規則的間隔で行われる。ただし、５シリンダ式内燃エンジンと同様に、各装置おける作動のサイクルが互いに時間的にシフトするように運転される。このような並列運転は３〜７台の装置を用いて行うが、特に５台で行うのが好ましい。

次に本発明による方法を図１のブロック図を参照しながら詳述する。

最初の状態において、前記第１作動チャンバ２ａ，２ｂ，２ｃは最小容量になっている。これは、前記膜４が熱伝達媒体の側に実質的に完全に位置し、第２作動チャンバ３ａ，３ｂ，３ｃが熱交換器１ａ，１ｂ，１ｃの実質的に全内容量を占め、作動媒体によって満たされているということを意味する。第１熱交換器１ａ内の作動媒体は実質的に周囲温度であり、その圧力はシステム内の最低圧として維持される例えば５バールである導入圧に対応する。

前記第１熱交換器１ａに属する前記バルブ５が第１工程において開放され、例えば、１００℃である温度の高温熱伝達媒体が第１作動チャンバ２ａに流し込まれる。この供給は、第１及び第２作動チャンバ２ａ，３ａがほぼ同じ容量であることを意味する前記膜４が中間位置に位置する時に終了する。余分の作動媒体は第１熱交換器１ａと連動する前記第１バルブ１０を介して前記ストレージ容器１５に戻される。

前記中間位置に達した後、前記バルブ５及び１０は閉じられ、これにより、第２作動チャンバ３ａ内の作動媒体が第１作動チャンバ２ａ内の高温熱伝達媒体によって等容（isochoric）的に加熱される。数秒後に温度補償が達成されると、第２作動チャンバ３a内の作動媒体は、温度８０℃、圧力８０バールとなる。

第３の工程において、第１熱交換器１ａと第２熱交換器１bとの間の前記バルブ１０, １２が開放される。これによって作動媒体は第１熱交換器１ａの第２作動チャンバ３ａから第２熱交換器１ｂの第２作動チャンバ３ｂへ流れることが可能となる。この結果、前記膜４はバルブ５の側に移動する。しかし、さらに熱伝達媒体を、前記膜４の中間位置がほぼ到達されるまで、第２熱交換器１ｂに連動する前記バルブ５を介して通路６から押し込む。次に、全てのバルブ５，１０，１２が閉じられ、第２熱交換器１ｂの第２作動チャンバ３ｂ内で作動媒体の等容（isochoric）加熱が再び行われる。この加熱の前の伝送流プロセスによって、作動媒体は５０℃の温度にまで冷却されており、その圧力は６０バールにまで低下している。等容（isochoric）加熱後、その圧力は１２０バール、温度は８５℃となる。

その後、第２及び第３熱交換器１ｂ，１ｃ間で類似の伝達加熱プロセスが行われる。作動媒体は最終的には２５０バールの圧力で９０℃に達する。最終工程後、第３熱交換器１ｃと空気圧−油圧コンバータ１７間でバルブ１０，１３及び１６が開放され、それにより、作動媒体は空気圧−油圧コンバータ１７の作動チャンバ１９に流入する。これにより、油圧媒体は前記第１逆止バルブ２３を超えてエンジン２４を通して案内され、その内部において機械的作用が得られ、前記発電機２５が駆動される。

本発明の解決構造によれば、機械的作用、従って、電力を得ることが可能であるばかりでなく、冷却器２０，２１の内部において必要な冷却も得ることが可能である。冷却器２０内の作動媒体が、高温において周囲温度にまで冷却され、それによって前記スロットル２２の後に、冷却プロセスのために利用することが可能な、例えば−４０℃といった極めて低い温度が得られる場合に、最適な冷却作用を得ることができる。

本発明の前記方法及び装置の特に有利な点は、制御を異ならせることによって広い幅の作動パラメータを設定し、それによって非常に高い効率で非常に高いフレキシビリティを達成することが可能なことにある。

本発明に係る方法および装置は、熱を発生させる装置あるいは太陽エネルギ・地熱等の熱発生源に付随して動力を取り出す装置であれば、各種のアクチュエータあるいは発電機など様々な装置に利用することができる。
また、熱交換の過程における作動媒体の弛緩に際して有効な冷却効果が得られるため、例えば、倉庫・冷却装置等に利用することもできる。

本発明に係る装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ 熱交換器
２ａ，２ｂ，２ｃ 第１作動チャンバ
３ａ，３ｂ，３ｃ 第２作動チャンバ
７ コンプレッサ
９ 内燃エンジン
１７ 空気圧−油圧コンバータ
２４ エンジン
２５ 発電機

Claims (25)

1. 熱を運動エネルギに変換する方法であって、以下の工程を有する、
   − 高温熱伝達媒体を第１熱交換器の第１作動チャンバに供給する、
   − 前記熱伝達媒体によって、前記第１熱交換器の第２作動チャンバ内にて第１量の作動媒体を等容加熱する、
   − 以下の副工程を反復実施する、
   前段の熱交換器の前記第２作動チャンバから、後段の別の熱交換器の第２作動チャンバへの、前記作動媒体の前記第１量のうちの少なくとも一部の移送を許容する、
   前記後段熱交換器の第１作動チャンバ内に存在する熱伝達媒体によって、前記後段熱交換器の前記第２作動チャンバ内で、前記第１量の作動媒体のうちの前記移送された部分を等容加熱する、
   − 前記後段又は最終段の熱交換器の前記第２作動チャンバを、空気圧−油圧コンバータに接続し、前記作動媒体の圧力によって前記コンバータから油圧媒体を排出する。
2. 前記前段の熱交換器の第２作動チャンバと後段の熱交換器の第２作動チャンバとの間において圧力補償が達成された後、前段の熱交換器の第２作動チャンバから後段の熱交換器の第２作動チャンバへ作動媒体を送るべく、追加の熱伝達媒体が前段熱交換器に押し込まれる請求項１に記載の方法。
3. 前記前段の熱交換器の第２作動チャンバと後段の熱交換器の第２作動チャンバとの間において圧力補償が達成された後、前記前段の熱交換器の第２作動チャンバは完全に空にされる請求項２に記載の方法。
4. 油圧媒体の放出後、全ての熱交換器の前記第１作動チャンバは完全に空にされる請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記作動媒体の２〜４回、好ましくは４回の等容加熱が行われる請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記作動媒体は気体状である請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記作動媒体は液／気相混合物として存在する請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
8. 等容加熱後、前記第１熱交換器内の作動媒体の圧力は５０〜１００バールである請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 圧力補償達成後、前記第１熱交換器内の作動媒体の圧力は２５〜５０バールである請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記作動媒体は、周囲圧で−６０℃〜−２０℃の沸点を有する請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 規則的間隔の循環プロセスが時間シフト状態で同時に行われる請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. ３〜７の、好ましくは５つの循環プロセスが同時に行われる請求項１１に記載の方法。
13. 前記熱伝達媒体は、内燃エンジンの排熱、又は、太陽エネルギ、又は地熱によって加熱される請求項１１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記油圧媒体は、好ましくは電力発生用の発電機に接続されたエンジン内で処理される請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記作動媒体は、冷熱を発生するべく、前記油圧媒体の排出後に弛緩される請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 熱エネルギを運動エネルギに変換する装置であって、少なくもと二つの熱交換器を備え、各熱交換器が第１及び第２作動チャンバを有し、第１作動チャンバが高温熱伝達媒体源に接続されている装置であって、
    前記熱交換器が、互いに接続可能であるとともに作動媒体源にも接続可能な第２作動チャンバを有し、１つの熱交換器の第２作動チャンバが空気圧−油圧コンバータに接続されていることを特徴とする装置。
17. 前記熱交換器はブラダ型アキュムレータとして構成されている請求項１６に記載の装置。
18. 前記熱交換器の前記第１作動チャンバに熱伝達媒体を供給するためのコンプレッサが設けられている請求項１６又は１７に記載の装置。
19. 前記空気圧−油圧コンバータは、ブラダ型アキュムレータとして構成されている請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の装置。
20. 複数の熱交換器と空気圧−油圧コンバータとから成る複数のグループが互いに並列に設けられている請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の装置。
21. 複数の熱交換器と空気圧−油圧コンバータとから成る３〜７の、好ましくは５つのグループが互いに並列に設けられている請求項２０に記載の装置。
22. 熱交換器は、好ましくは電力発生用の発電機に接続されたエンジンに接続可能である請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の装置。
23. 熱交換器は、冷却装置に接続可能である請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の装置。
24. 熱伝達媒体の循環は、内燃エンジン、ソーラープラント、又は、前記熱伝達媒体を加熱する地熱エネルギを利用するためのプラントに接続されている請求項１６〜２３のいずれか一項に記載の装置。
25. 各熱交換器はそのそれぞれの後段の熱交換器よりも大きな容量を有する請求項１６〜２４のいずれか一項に記載の装置。

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