JP2004532953A - 気体膨張部材の装置 - Google Patents

Abstract

熱エネルギーを駆動エネルギーに変換する機構、特に熱水原動機用の気体膨張部材の装置であり、前記機構に連結されて作動する気体あるいは気体混合物が充満された２個の閉鎖加圧容器（９，１０）と、温水および冷水用の噴射口（７，８）とを備えたものであって、前記２個の閉鎖加圧容器（９，１０）の間に、前記気体あるいは気体混合物による仕事が達成された後に、加圧容器（９，１０）間の圧力均衡をとるための、少なくとも１個の制御弁（１２，１３）を有する短絡管路（１１）を備える。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱エネルギーを駆動エネルギーに変換する機構、特に熱水原動機用の気体膨張部材の装置であり、この装置は、前記機構に連結されて作動する気体あるいは気体混合物が充満された２個の閉鎖加圧容器と、温水および冷水用の噴射口とを備える気体膨張部材の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体は、それが加熱されて膨張する際に、かなり多量の熱を仕事に変換し、その際例えばスターリング過程に類する急速な過程において、散逸による大きな損失、不適切なピストン操作、熱および振動損失、死空間効果、大きな再生抵抗および大きな速度が発生する。
【０００３】
米国特許第４，２８３，９１５号には、熱水の供給と冷水の供給とを包含する熱エネルギーを駆動エネルギーに変換する装置が開示され、熱水と冷水との間の一定の温度差が支配的である。この熱水と冷水とは、熱交換器の配管を経由して交互に導入されて、作業液体を膨張および圧縮させる。この作業循環過程は、作業液体の沸点以上で実行される。逆止弁により装置を操作するためのかなり高い圧力が保有される。この場合、熱交換器の使用は不利であり、それはこの種の管式熱交換器が、きわめて限定された作動度を有すること、およびそれを貫流ならびに周流する媒質の作動に依存して、かなり故障しやすいことによる。
【０００４】
さらにドイツ特許第１９７ １９ １９０ Ｃ２号には、熱エネルギーを駆動エネルギーに変換する装置が開示され、それは作業流体による作業循環経路から電流機械を駆動するもので、冷却媒質および加熱媒質が交互に貫流する複数個の熱交換器より成るものである。この熱交換器中には、媒質の温度に応じてそれぞれ膨張および圧縮する膨張部材が配置され、その温度条件付けされた膨張および圧縮が、緩衝保存部材によって作業循環経路に供給されるのである。応力を保存するために、熱交換器の各々には、弾性部材として形成された緩衝保存部材が付設され、この場合、各弾性部材は、加圧シリンダのピストンに連結され、その作動空間は、制御弁の各々により、吸入および加圧管路を経由して、タービンを発電機で駆動する油圧回路に連結されている。この装置は、特に弾性部材として形成された緩衝保存部材によってかなり複雑であり、熱交換器の先に説明した欠点を免れないものである。
【０００５】
さらに国際公開文献番号ＷＯ ００／５３８９８号には、気体あるいは混合気体が充満された閉鎖加圧容器を備え、それが変位可能なピストンを介して連結されて作動するように構成され、熱エネルギーを駆動エネルギーに変換する装置、特に熱水原動機用の気体膨張部材が開示されている。この加圧容器は、熱水および冷却水のための上部噴射口と、下部の水排出孔とを備える。熱水原動機は、それぞれ液体ピストンポンプを有する２群の加圧容器を備え、この液体ピストンポンプは、流水タービンの作業循環経路を衝撃駆動する。第１の循環経路中においては、第１の加圧容器中において加熱されて膨張した気体あるいは混合気体が存在し、第２の加圧容器中には、冷却されて圧縮された気体あるいは混合気体が存在する。それに続く第２の循環経路中においては、第１の加圧容器の気体あるいは混合気体は、冷却水が噴射されることによって冷却され、第２の加圧容器の気体あるいは混合気体は加熱水が噴射されることによって加熱され、これにより、気体の容積は対応して変化する。つまり、例えば、第１の加圧容器内にあって依然として熱水を含有する全体の混合気体は、冷却水が噴射されて、ついにこの加圧容器内の温度は、最初の温度の水準に復帰する。この場合、依然として存在する熱エネルギーは失われる。
【発明の開示】
【０００６】
この発明の目的は、少額の技術的な経費でかなり高い効率の達成が可能な、冒頭に記載した気体膨張部材の装置ならびにその装置を駆動するための方法を実現することにある。
【０００７】
この発明によれば、前記課題は、２個の閉鎖加圧容器の間に、気体あるいは気体混合物による仕事が達成された後に前記加圧容器間の圧力均衡をとるための、少なくとも１個の制御弁を有する短絡管路を具備する装置とすることによって解決される。
【０００８】
作業段階の終点において、２個の加圧容器の間には、或る値の圧力差が生成される。一方の加圧容器の温暖混合気体と他方の加圧容器の冷温混合気体との間に存在する圧力差に基づいて、制御弁が開放されたのちに、前記２個の加圧容器の間に圧力均衡が形成され、この際、前記加圧容器内に依然として存在する熱エネルギーが、他方の加圧容器の気体混合物を平衡温度に達するまで加熱させるために消費される。同時に、膨張しつつある気体あるいは気体混合物を含む加圧容器内の気体量は増加し、これにより２個の加圧容器間の圧力差の増大、およびそれによる出力の増加が生起される。制御弁は、適切な膨張あるいは圧縮による気体混合物の仕事が達成されること、およびそれによって熱水原動機の可動なピストンが駆動されることによって開放され、この場合、このピストンは、液体ピストンポンプとして形成されることが可能である。第１の循環経路で加熱された気体混合物は、それに続く第２の循環経路において冷却されるので、この容器内の気体混合物の温度を、平衡温度以下に降下させることが必要であり、この際、気体混合物に残留する熱量は、冷却されて再び加熱されるべき気体混合物を加熱するために消費される。この残留熱量は、不使用で喪失されることがないので、比較的僅かな技術的手間によってかなり大きな出力が得られる。残留熱量は、熱水原動機の循環経路には到達しないで、この熱量はむしろその過程から抽出されねばならない。さらに加熱されるべき加圧容器内には、多量の気体混合物が存在し、それが究極的には、膨張によって熱水原動機を駆動させるための仕事を達成させ、同時に他方の加圧容器内での冷却されるべき気体混合物量は少量であり、従来の装置と比較して出力圧力の低減は大きく、それをｐ−Ｖ（圧力対体積変化）図内で希望の方向に移動させることができる。
【０００９】
この発明の好適な実施例によれば、前記短絡管路は加圧容器の上部区域内に設置される。フランジあるいはカバーが存在する加圧容器の区域内では、熱水のみならず冷水も存在するので、気体混合物は、妨害を受けることなく、開放された弁を通過して短絡管路に到達することができる。さらに気体混合物は、この区域においてほぼ最高温度に達している。
【００１０】
前記加圧容器内における大きな死空間を回避するために、制御弁の各々は、短絡管路内において、所属する加圧容器に連結された区域内に直接に設置される。
【００１１】
熱損失を低減させるためには、前記短絡管路を、制御弁により熱的に遮断させることにより目的が達成される。
【００１２】
請求項１記載の装置を駆動するための方法において、熱水および冷水が前記加圧容器内へ交互に噴入される場合においての課題は、加圧容器の何れか一方の気体あるいは気体混合物による仕事が伝達された後に、前記気体あるいは気体混合物が、制御弁が開放されることにより他方の加圧容器内へ導入されることによって解決される。
【００１３】
加熱あるいは冷却衝撃により、気体混合物が、熱水原動機の液体ピストンポンプとして形成された駆動可能なピストンを設定の位置まで移動させたのち、短絡管路内の制御弁は、加圧容器相互間の圧力均衡のために開放され、かつ加熱気体混合物の支配的な対流により、加圧容器間において釣り合い温度が調整される。その結果、この発明による方法によって駆動される装置の顕著な性能の向上が達成され、それは一方の加圧容器の気体混合物の残留圧力および残留熱エネルギーが、他方の加圧容器の気体混合物の圧力上昇および加熱のために有効に利用されるからである。
【００１４】
この発明の好適な実施形態によれば、加圧容器の何れか一方の気体あるいは気体混合物による利用可能な膨張仕事が伝達されたのちに、前記気体あるいは気体混合物の一部分が、他方の加圧容器内へ導入される。気体混合物の経済的に有意義な作業段階は、気体混合物の総合的な膨張時間には一致しないので、制御弁の開放による作業段階、すなわち前記利用可能な膨張仕事は完了され、その残留エネルギーは、他方の加圧容器の気体混合物の圧力上昇および加熱のために活用される。
【００１５】
この目的のために、前記短絡管路の２個の制御弁は、ほぼ同時に開放および閉鎖される。それゆえ、結果として一方の加圧容器から他方の加圧容器への熱流を伴う圧力均衡は、目的に合わせて制御され、短絡管路内の死空間は最小となる。
【００１６】
前記説明および以下に説明するこの発明の特徴は、前記説明の組み合わせのみならず、この発明の範囲を逸脱しない限り、その他の組み合わせに対しても適用可能であること勿論である。
【００１７】
以下記載の好適な実施例および図面を参照して、この発明を詳細に説明する。
【００１８】
（実施例１）
この装置は、管路３を経由して冷却機構４および加熱機構５に連結された、充満状態表示装置２を備えた用水用の貯蔵容器１を備える。冷却機構４および加熱機構５から、加圧容器９，１０の制御噴射口７，８に流通する各配管６が導出される。閉鎖された加圧容器９，１０は、気体混合物で充満される。加圧容器９，１０の間には、短絡管路１１が設置され、この短絡管路１１は加圧容器９，１０の区域に各１個の制御弁１２，１３を備える。各加圧容器９，１０の下端には、作業循環経路１６に連結された各１個の排出孔１４，１５が設けられ、この循環経路１６には、２個の液体ピストンポンプ１７，１８と発電機を備えた１個のタービン１９とが含まれている。さらに配管２０を経由して貯蔵容器１と連結された作業循環経路１６内には、ポンプ２１が挿入設置されている。
【００１９】
この装置を駆動するためには、加熱機構５内において熱水が再生され、それが第１の噴射口７を経由して第１の加圧容器９に到達する。熱水が第１の加圧容器９内へ噴射されると、第１の加圧容器９内の気体混合物は膨張し、第１の液体ピストンポンプ１７の駆動可能なピストン２２によって仕事が遂行され、この仕事がタービン１９の作業循環経路１６を経由して熱エネルギーを変換するために供給される。第１の液体ピストンポンプ１７内の圧力上昇と、第１の液体ピストンポンプ１７のピストンの移動に対応して第１の加圧容器９内の圧力が降下することにより、熱水は排出され、付属する排出孔１４を経由して排出される。同時に冷却機構４内では冷水が再生され、それが第２の噴射口８を経由して第２の加圧容器１０に到達する。冷水が第２の加圧容器１０内へ噴射されると、気体混合物は圧縮され、この場合も第２の液体ピストンポンプ１８の駆動可能なピストン２２によって仕事が遂行される。気体混合物の利用可能な膨張あるいは圧縮の伝達により、短絡管路１１の制御弁１２，１３が開放され、圧力の均衡により、温度平衡が、第１の加圧容器９と第２の加圧容器１０間の平衡温度に達するまで継続して作用する。それに次いで、第２の加圧容器１０内へは熱水が、第１の加圧容器９内へは冷水が噴射される。加圧容器９，１０の気体混合物が平衡温度に達しているので、気体混合物の不必要な加熱あるいは冷却は不必要となり、これにより、この装置にはかなり大きな出力が付与されるようになる。
【００２０】
図２のｐ−Ｖ（圧力対体積）変化図中では、従来の装置の循環過程が、この発明の装置と例えば機構的に対照して図示され、すなわち従来の装置の圧力対温度曲線は実線で、この発明の曲線は破線で図示されている。これにより従来の装置によって実行される仕事Ｗ′が、この発明によって実行される仕事Ｗよりも小さいことがわかる。
【００２１】
図３の圧力対時間（ｐ−ｔ）変化図は、まず従来の循環過程を図示し、第１の加圧容器９内の最大圧力ｐ′_ｍａｘが最小圧力ｐ′_ｍｉｎまで降下し、この場合時点ｔ_ｅにおいて冷水が噴射され、時間△ｔ_ａの間にわたって気体混合物が仕事を遂行する。第２の加圧容器１０の圧力はｐ′_ｍｉｎからｐ′_ｍａｘまで上昇し、時点ｔ_ｅにおいて第２の加圧容器１０内へ熱水が噴射され、この場合も気体混合物が仕事を遂行して液体ピストンポンプ１８を駆動する。時間△ｔ_１の間は仕事は遂行されないで、加圧容器９，１０内の残留圧力は装置のために喪失される。第１の加圧容器９が第２の加圧容器１０と短絡管路１１によって連結された後、時点ｔ_ｋにおいて制御弁１２，１３が開放され、第１の加圧容器９と第２の加圧容器１０との間の平衡が達成される。それにより第１の加圧容器９内にはさらに膨張されるべき気体混合物があるので、かなり多量の気体混合物が存在し、これに対し第２の加圧容器１０にはかなり少ない量の気体混合物が存在する。同時に加圧容器９，１０内では熱の流れにより、ほぼ平衡温度に達する。２個の加圧容器９，１０が短絡されたのちに、時点ｔ_ｅにおいて熱水および冷水が噴射され、気体混合物の量が種々異なる状態で分布されることにより、対応する加圧容器９，１０内に圧力ｐ_ｍａｘとｐ_ｍｉｎならびにそれにより圧力差△ｐを、従来の循環過程とは異なる状態において生成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明による装置の構造図
【図２】この装置の循環過程を示すグラフ
【図３】この装置の循環過程を表示するための圧力対時間の関係表示図
【符号の説明】
【００２３】
７，８ 噴射口
９，１０ 加圧容器
１１ 短絡管路
１２，１３ 制御弁

Claims (7)

1. 熱エネルギーを駆動エネルギーに変換する機構、特に熱水原動機用の気体膨張部材の装置であり、この装置は、前記機構に連結されて作動する気体あるいは気体混合物が充満された２個の閉鎖加圧容器（９，１０）と、温水および冷水用の噴射口（７，８）とを備えたものであって、前記２個の閉鎖加圧容器（９，１０）の間に、前記気体あるいは気体混合物による仕事が達成された後に加圧容器（９，１０）間の圧力均衡をとるための、少なくとも１個の制御弁（１２，１３）を有する短絡管路（１１）を備えたことを特徴とする気体膨張部材の装置。
2. 短絡管路（１１）が、加圧容器（９，１０）の上部区域内に設置されたことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 制御弁（１２，１３）の各々が、短絡管路（１１）内において所属する加圧容器（９，１０）に直接に設置されたことを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 短絡管路（１１）が、制御弁（１２，１３）により熱的に遮断されたことを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項記載の装置。
5. 熱水および冷水が、加圧容器（９，１０）内へ交互に噴入される際に、加圧容器（９，１０）の何れか一方の気体あるいは気体混合物による仕事が伝達された後に、前記気体あるいは気体混合物が、制御弁（１２，１３）が開放されることにより他方の加圧容器（９，１０）内へ導入されることを特徴とする請求項１記載の装置を駆動するための方法。
6. 加圧容器（９，１０）の何れか一方の気体あるいは気体混合物による利用可能な膨張仕事が伝達されたのちに、前記気体あるいは気体混合物の一部分が、他方の加圧容器（９，１０）内へ導入されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 短絡管路（１１）の２個の制御弁（１２，１３）が、ほぼ同時に開放および閉鎖されることを特徴とする請求項５または６記載の方法。

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