JP2002539351A - 熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための特に熱水電動機用の気体膨張装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための装置用、特に熱水電動機用の気体膨張装置に関し、この装置は、気体あるいは混合気体が充填された閉鎖加圧容器（１）を備え、この加圧容器（１）が圧縮運動可能なピストン（５）を介して装置に連結されて構成されている。前記加圧容器（１）は、温水および冷水用の上部噴出孔（２）および制御可能な下部排水孔（８）を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

この発明は、熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための特に熱水電動
機用の気体膨張装置であって、この装置は、気体あるいは混合気体が充填された
閉鎖加圧容器を備え、この加圧容器が圧縮運動可能なピストンを介して装置に連
結されて構成された、熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための気体膨
張装置に関する。

【０００２】

【背景の技術】

種々の気体は加熱されて膨張する際に熱を仕事に変換するが、この際、例えば
スターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）過程等の急速な過程により、散逸、不適切な
ピストン制御、熱損失および振動損失、死空間効果、再生抵抗等による大きな損
失および大きな速度が発生する。

【０００３】 米国特許第４，２８３，９１５号明細書には、熱エネルギーから電動エネルギ
ーに変換するための装置が開示され、温水を供給するものと、冷水使用のものと
が包含され、この場合、温水と冷水の間の特定の温度差が支配的である。温水と
冷水とが交互に熱交換機の配管を経由して導入され、作業液体を膨張させ収縮さ
せる。作業サイクルは作業液体の沸騰点より上で実行される。逆止弁の使用によ
り装置操作用のかなり高い圧力が確保される。このような管式熱交換機はきわめ
て技術的に困難なために効率が極度に制約され、また熱交換機を通過流通する媒
質の性質に依存してかなり故障が多いので、かかる熱交換機の使用は有効ではな
い。

【０００４】 さらにドイツ特許第１９７ １９ １９０ Ｃ２号明細書には、熱エネルギー
から電動エネルギーに変換するための装置が開示され、この装置は、電流機械を
駆動するための作業流体による作業循環路と、冷媒と温媒とが交互に流通する多
数の熱交換機とから成る。各熱交換機内には、媒質の温度に応じて膨張収縮する
各１個の膨張部材が設置され、その温度管理された膨張と収縮とが、緩衝記憶体
を経由して作業循環路に供給される。力を記憶させるために各熱交換機には、ば
ね材として形成された緩衝記憶体が付設され、各ばね材は、加圧シリンダのピス
トンに連結され、その作動室は、吸入および加圧管の制御弁を介して作業油圧回
路に連結され、これで発電機付きのタービンを駆動する。この装置は、特にばね
材として形成された緩衝記憶体によって構造がかなり複雑であり、やはり熱交換
機に存在する前述の欠点が不可避である。

【０００５】 この発明の課題は、前記種類の気体膨張装置を構成し、それによって少ない技
術的経費で十分に大きな成果を達成しようとするものである。

【０００６】 発明の前記課題は、加圧容器に温水および冷水用の上部噴射孔および制御可能
な下部排水孔を設けることによって解決される。

【０００７】 前記手法により、気体膨張装置の室内において媒質（すなわち気体）の膨張お
よび圧縮が生起されることが保証され、この際、気体膨張装置が最小の技術的経
費によって実現される。従って冷水の供給により圧縮され、温水の供給により膨
張された媒質が、熱交換機その他における損失を生ぜしめることなくピストンを
駆動する。これにより、加圧容器内で空気その他の気体を加熱するために、高温
の水が直接に加圧容器内に噴射され、この際、膨張した気体を急速に十分に浸透
させる。

【０００８】 この発明の好適な実施例では、温水および冷水に対して加圧容器の内部方向を
向いた噴射および除塵用のノズルを有する各１個の噴射孔が設けられる。この噴
射および除塵用のノズルは、加圧容器内に温水および冷水を均等に分布させ、気
体の浸透を急速ならしめる。付設された除塵用のノズルを有する分離された噴射
孔により、冷水噴射時には加圧容器の内部に温水が残留することなく、また温水
噴射時には冷水が残留することなく作動される。

【０００９】 熱損失を大幅に低減させるために、好ましくは加圧容器の少なくとも内壁部が
非吸熱性の材質より成るか、あるいは断熱性材質によって被覆される。

【００１０】 加圧容器内へ噴射された温水および冷水をかなり急速に下方へ誘導するために
、加圧容器の少なくとも内壁部が非吸水性の材質より成るか、あるいは同様の材
質によって被覆される。

【００１１】 この発明の思想のさらに他の形態においては、制御可能な下部排水孔が、加圧
容器の下端において下方へ突出した狭窄部を備える。好ましくは狭窄部は加圧容
器よりも小さい直径を有する。狭窄部内では、気体状成分の加圧容器の内部から
の流出が阻止されるので、凝縮液が蓄積される。狭窄部の直径をかなり細くした
ことにより、それがかなり長い場合は加圧容器の内部と凝縮液の排出管、あるい
は流出する凝縮液自体との間の熱伝導が低減される。

【００１２】 この発明の異なる形態においては、ピストンが液体ピストンポンプとして形成
され、流入側では作業循環路の流入管に付設された加圧容器の排水孔に、流出側
では前記作業循環路の流出管に連結される。液体ピストンポンプは摩擦損失が少
ないので、シリンダ内にガイドされたピストンを使用した場合と比較して効率が
高められる。

【００１３】 温水または冷水の噴射時間制御する目的に対応するために、液体ピストンポン
プの各々が、この液体ピストンポンプの内部における上限水準と下限水準とのた
めの液面センサを備える。上限水準に達すると、計算機制御により加圧容器内へ
温水の噴射が実行され、それに次いで加圧容器内の気体状媒質が膨張し、液体ピ
ストンポンプ内の水の水準が下がり、下限水準に達すると、液面センサが、気体
状媒質を収縮させるための冷水の噴射を計算機制御により通報する。

【００１４】 好ましくない圧力降下を防止し、作業循環路内での流通方向をあらかじめ規制
するために、好ましくは流出管と流入管とに、各々１個の逆止弁が内設される。

【００１５】 狭窄部内方向あるいは流入管の方向に向かって、加圧容器が漏斗状に形成され
ることは種々の利点がある。このような形状は、温水または冷水の下方への急速
な流通を可能ならしめる。

【００１６】 前記ならびに以下説明の各特徴は、この発明の範囲を逸脱しない限り、前記各
組み合わせのみならず、他の組み合わせにおいても適用可能であること勿論であ
る。

【００１７】

【発明を実施するための最良の形態】

以下、この発明を、添付の図面を参照して２つの実施例について詳細に説明す
る。

【００１８】 図１は、この発明による気体膨張装置および付属構成成分の断面図、図２は、
気体膨張装置の他の実施例の構成図である。

【００１９】 図１によるほぼ円筒状ないしは球状の気体膨張装置は、その上部側に、温水お
よび冷水に対して加圧容器１の内部方向を向いた噴射および除塵用のノズル３を
有する各１個の噴射孔２を備える。付属の弁４を介して加圧容器１内へ温水と冷
水とが交互に噴射される。

【００２０】 気体または混合気体が充填された加圧容器１は、その器壁内において、圧縮運
動可能なピストン５に連結され、このピストンは熱エネルギーを変換するための
装置９、特に温水電動機への連結を構成する。

【００２１】 加圧容器１は、その下部の区画６において漏斗状に形成され、下方に突出した
狭窄部７の方向に細くなり、その下端に制御可能な下部排水孔８を備える。

【００２２】 加圧容器１の空気あるいは他の気体を加熱するために、熱水が直接に弁４に、
次いで噴射孔２および噴射ノズル３を介して加圧容器１に噴射され、ここを膨張
中の気体が直ちに通過する。加圧容器１は、熱が材質内に吸収されないように、
少なくとも内壁部が壁面全体にわたって熱絶縁されている。さらに内壁部は撥水
性で、侵入した水分を急速に下方へ排出するようになっている。

【００２３】 空気は温水の噴射によって加熱され、膨張し、圧縮運動可能なピストン５を介
して、仕事を遂行し、それが装置９の熱エネルギーを変換するための作業循環路
２０に供給される。この際、温水が噴射されて、水が保有した熱または冷温が直
接に加圧容器１内に分布される。これにより高い行程反復動作が可能となる（１
ないし３秒間に約１サイクル）。

【００２４】 加圧容器１内における圧力上昇、およびピストン変位による圧力降下、ならび
にそれによる冷却により、水は降下して狭窄部７内に溜まる。ここで制御可能な
下部排水孔８は、狭窄部７が乾燥しない程度で気体／空気の流下が避けられる程
度の水を排出するように計算機制御される。狭窄部７は、長くかつ狭く形成され
、廃棄水への熱の移動が起こらないようにする。

【００２５】 加熱に必要な水の量はきわめて少量である。１００リットルの空気を０℃から
１００℃まで加温するのに必要な熱量は、２２ｇの水に対して９．１ｋＪで可能
である。この場合、３．６ｋＪの仕事量が使用可能である（空気を使用した場合
、効率は約４０％）。

【００２６】 加圧容器１内で空気（または気体）の冷却とそれによる収縮のためには、冷水
が噴射される。減圧が起こって圧縮運動可能なピストン５が初期位置に復帰する
。特殊な気体または混合気体を使用すれば効率を向上させ得る。

【００２７】 図２の加圧容器の上部には弁４が付設され、一方の弁４は、連結管１０を経由
して冷却装置１１で冷却水を生成するために、他方の弁４は、連結管１０を経由
して加温装置１２で加温水を生成するために、連結される。温水と冷却水は共に
、噴射および除塵用のノズル３を備えた分離噴射孔２に到達する。

【００２８】 冷却装置１１および加温装置１２は、ポンプ１４からの分枝配管１３を経由し
て供給され、配管１３は平衡容器１５に連結されている。配管１３には、冷却装
置１１または加温装置１２の前に直接に逆止弁２７、２６が挿入され、逆止弁２
７、２６は、冷却装置１１または加温装置１２からの緩冷水の流出を防止する。
場合によっては、逆止弁２５が、ポンプ１４と、配管１３への平衡容器１５の流
入管３２との間に設置される。装置全体に水を充填させるためには、平衡容器１
５に、流入弁３０を通じて適切な水供給装置を連結させる。さらに平衡容器１５
を、圧力センサ３１を介してポンプ１４に連結させる。

【００２９】 図２の加圧容器１の下部において、水１６によって充填された液体ピストンポ
ンプ１７が、流入側では作業循環路２０の流入管２３に付設された加圧容器１の
排水孔８に、流出側では前記作業循環路２０の流出管３３に連結されている。加
圧容器１内での気体状媒質の膨張時、すなわち温水の噴射時点において、液体ピ
ストンポンプ１７内の水１６が対応して加圧され、水準面１８が下部終点位置に
到達し、液面センサ２９によって監視され、このセンサが温水噴射ステップの終
了を制御する。この際、排水孔８に付属した逆止弁１９が開き、生じた圧力が作
業循環路２０内において矢印２１の方向に伝達される。作業循環路２０内で圧力
が構成される間において、逆止弁２２が、加圧容器１と液体ピストンポンプ１７
との間の給水管２３内において閉じられるが、暫時ののち、すなわち加圧容器１
内で気体状媒質が収縮する際に、媒質１６を液体ピストンポンプ１７内に流入さ
せるため、および作業循環路２０を形成するために開かれる。

【００３０】 冷水の噴射によって加圧容器１内で気体状媒質が収縮する際に、排水孔８に付
設された逆止弁１９が閉鎖され、液体ピストンポンプ１７の媒質１６の水準面１
８が上部終点位置に到達し、これが液面センサ２８によって監視される。液面セ
ンサ２８による対応信号発生に応じて、冷水の噴射過程が終了する。

【００３１】 作業循環路２０を貫流する間は、水１６が、熱エネルギーを変換するために作
業循環路２０に接続された装置９を駆動する。作業循環路２０を作動させるため
には、言うまでもなく水１６以外の液体媒質も使用可能とである。

【００３２】 凝縮液または廃棄水は、液体ピストンポンプ１７によってポンプ１４に連結さ
れた作業循環路２０に到達し、このポンプは、適切な制御により、平衡容器１５
の圧力センサ３１を通過して、冷却装置１１、加温装置１２および平衡容器１５
の廃棄水を流下させる。

【００３３】 流出を制御するために、弁４、液面センサ２８、２９、液体ピストンポンプ１
７、平衡容器１５の圧力センサ３１、および／またはポンプ１４を、図示してい
ないコンピュータに連結させ、これによって噴射過程、水準面１８ならびに圧力
を監視し、かつ前記に列挙した各構成部材を適切に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明による気体膨張装置および付属構成成分の断面図

【図２】 気体膨張装置の他の実施例の構成図

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年３月７日（２００１．３．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項１】 熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための装置（９
）用、特に熱水電動機用の気体膨張装置であって、この装置は、気体あるいは混
合気体が充填された閉鎖加圧容器（１）を備え、この加圧容器（１）が圧縮運動
可能なピストン（５）を介して装置（９）に連結されると共に、温水用の上部噴 射孔（２）および下部排水孔（８）を備え て構成された装置であって、 前記加圧容器（１）が冷水用の上部噴射孔（２）を備え、 下部排水孔（８）が、加圧容器（１）の下端において下方へ突出した狭窄部（ ７）を備え、狭窄部（７）が加圧容器（１）よりもかなり小さい直径を有し、 前記ピストン（５）が液体ピストンポンプ（１７）として形成され、流入側で は作業循環路（２０）の流入管（２３）に付設された加圧容器（１）の排水孔（ ８）に、流出側では前記作業循環路（２０）の流出管（３３）に連結された ことを特徴とする熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための特に熱水電
動機用の気体膨張装置。

【請求項５】 液体ピストンポンプ（１７）の各々が、この液体ピストンポ
ンプ（１７）の内部における上限水準と下限水準（１８）とのための液面センサ
（２８、２９）を備えることを特徴とする請求項１記載の気体膨張装置。

【請求項６】 流出管（８）と流入管（２３）とに、各々１個の逆止弁（１
９、２２）が内設されることを特徴とする請求項１記載の気体膨張装置。

【請求項７】 狭窄部（７）内方向あるいは流入管（２３）の方向に向かっ
て、加圧容器（１）が漏斗状に形成されたことを特徴とする請求項１ないし６の
何れか１項記載の気体膨張装置。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 この発明は、熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための、特に熱水電
動機用の気体膨張装置であって、この装置は、気体あるいは混合気体が充填され
た閉鎖加圧容器を備え、この加圧容器が圧縮運動可能なピストンを介して装置に
連結されると共に、温水用の上部噴射孔および下部排水孔を備えて構成されて、
熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための気体膨張装置に関する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００５】 さらにヨーロッパ特許公開ＥＰ ０ ０４３ ８７９ Ａ１号明細書には、円 筒体として形成されて、熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための気体 膨張装置が開示されている。円筒体を装置に機能的に連結させるために、空気で 充填された円筒体には、ピストンが圧縮動作可能に配置されている。この円筒体 は、温水用の上部噴射孔と制御可能な下部排水孔とを備える。 この発明の課題は、前記種類の気体膨張装置を構成し、それによって少ない技
術的経費で十分に大きな成果を達成しようとするものである。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００６】 発明の前記課題は、 前記加圧容器が冷水用の上部噴射孔を備え、 下部排水孔が、加圧容器の下端において下方へ突出した狭窄部を備え、狭窄部 が加圧容器よりもかなり小さい直径を有し、 前記ピストンが液体ピストンポンプとして形成され、流入側では作業循環路の 流入管に付設された加圧容器の排水孔に、流出側では前記作業循環路の流出管に 連結される ことによって解決される。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００７】 前記手法により、気体膨張装置の室内において媒質（すなわち気体）の膨張お
よび圧縮が生起されことが保証され、この際、気体膨張装置が最小の技術的経費
によって実現される。従って冷水の供給により圧縮され、温水の供給により膨張
された媒質が、熱交換機その他における損失を生ぜしめることなく、液体ピスト ンポンプとして構成された ピストンを駆動する。これにより、加圧容器内で空気
その他の気体を加熱するために、高温の水が直接に加圧容器内に噴射され、この
際、膨張した気体を急速に十分に浸透させる。狭窄部内では、気体状成分の加圧 容器の内部からの流出が阻止されるので、凝縮液が蓄積される。狭窄部の直径を かなり細くしたことにより、それがかなり長い場合は加圧容器の内部と凝縮液の 排出管、あるいは流出する凝縮液自体との間の熱伝導が低減される。さらに加え て、液体ピストンポンプは摩擦損失が少ないので、シリンダ内にガイドされたピ ストンを使用した場合と比較して効率が高められる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】削除

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】削除

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱エネルギーから電動エネルギーに変換するための装置（９
   ）用、特に熱水電動機用の気体膨張装置であって、この装置は、気体あるいは混
   合気体が充填された閉鎖加圧容器（１）を備え、この加圧容器（１）が圧縮運動
   可能なピストン（５）を介して装置（９）に連結されて構成された装置であって
   、前記加圧容器（１）が、温水および冷水用の上部噴出孔（２）および制御可能
   な下部排水孔（８）を備えることを特徴とする熱エネルギーから電動エネルギー
   に変換するための特に熱水電動機用の気体膨張装置。
2. 【請求項２】 温水および冷水に対して加圧容器（１）の内部方向を向いた
   噴射および除塵用のノズル（３）を有する各１個の噴射孔（２）を備えることを
   特徴とする請求項１記載の気体膨張装置。
3. 【請求項３】 加圧容器（１）の少なくとも内壁部が非吸熱性の材質より成
   るか、あるいは断熱性材質によって被覆されていることを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の気体膨張装置。
4. 【請求項４】 加圧容器（１）の少なくとも内壁部が非吸水性の材質より成
   るか、あるいは同様の材質によって被覆されていることを特徴とする請求項１な
   いし３の何れか１項記載の気体膨張装置。
5. 【請求項５】 制御可能な下部排水孔（８）が、加圧容器（１）の下端にお
   いて下方へ突出した狭窄部（７）を備えることを特徴とする請求項１ないし４の
   何れか１項記載の気体膨張装置。
6. 【請求項６】 狭窄部（７）が加圧容器（１）よりも小さい直径を有するこ
   とを特徴とする請求項５記載の気体膨張装置。
7. 【請求項７】 ピストン（５）が液体ピストンポンプ（１７）として形成さ
   れ、流入側では作業循環路（２０）の流入管（２３）に付設された加圧容器（１
   ）の排水孔（８）に、流出側では前記作業循環路（２０）の流出管（３３）に連
   結されたことを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項記載の気体膨張装置。
8. 【請求項８】 液体ピストンポンプ（１７）の各々が、この液体ピストンポ
   ンプ（１７）の内部における上限水準と下限水準（１８）とのための液面センサ
   （２８、２９）を備えることを特徴とする請求項７記載の気体膨張装置。
9. 【請求項９】 流出管（８）と流入管（２３）とに、各々１個の逆止弁（１
   ９、２２）が内設されることを特徴とする請求項７記載の気体膨張装置。
10. 【請求項１０】 狭窄部（７）内方向あるいは流入管（２３）の方向に向か
    って、加圧容器（１）が漏斗状に形成されたことを特徴とする請求項１ないし９
    の何れか１項記載の気体膨張装置。