JP2008528863A - 熱交換型パワープラント - Google Patents
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Abstract
Description
本発明において利用される熱機関は、外部熱源で作動し、スターリングサイクル(Stirling cycle)にクラウジウス−ランキンサイクル(Clausius Rankine cycle)と同様のサイクルを複合させた原理にしたがって作動する。
各サイクルは6個の状態変化、すなわち、2個の等圧変化、2個の定容変化及び2個の等温変化からなる。
経時的に変わるが、上述したサイクルのいくつかは本熱機関で同時に起こる。状態変化すなわち各サイクルの膨張及び収縮により共通の作動シリンダが動く。
これらすべての熱機関には一つの共通点がある、すなわちこれらは単に利用エネルギーの比較的少量、およそ30―40%のみを電力と等価な機械的仕事に転換できるという点である。一次エネルギーの残りの60−70%は、熱的加熱に利用されないならば、熱エネルギーとして失われる。
太陽熱を電気に転換するという要求は、スターリング機関の発展の促進と深く結びついている。
高温ガス機関としてのスターリング機関及びクラウジウス−ランキンサイクルによる蒸気プラント(ORCを含む)は、一般的に使用されている外部への熱生成を伴う唯一の熱機関である。
現在では、低温度レベルなため経済的な観点から利用されていないが、熱機関を使用することによって、失った熱の大部分は電力に転換される。
使用される熱交換器(広い伝熱面を備えた密閉された容器)は、二つの半分体に分けられている。この二つの半分体は、一方の半分体から他の半分体への熱の流れが最小になるような方法で、半分体の間に断熱層を介して一緒に接合されている。しかしながら、作動流体は液体や気体のように妨げられずに一方の半分体から他方の半分体に流れることができる。
熱交換器は星型形状で作動シリンダの回りに設置され、作動シリンダにしっかりと連結している。作動シリンダとともに熱交換器はロータを形成し、ロータは定常的に縦軸(長手軸)の回りを回転する。各一回転の間に、完全なサイクルが各熱交換器において形成される。
状態の6変化が順序通りに起こる(図17のP−v線図または図18のt−s線図を参照)。
作動流体は一定容積のもとで熱交換器内で冷却される。熱交換器は、断熱層によって中央部で熱的に区分けされた二つの部分からなっている。熱交換器のその一つの部分のみが、作動流体の凝縮温度まで冷却される。
凝縮温度に到達すると、作動流体の蒸気は一定圧力、一定温度のもとで凝縮し始める。作動シリンダと熱交換器の間にあるバルブが開き、圧縮によりさらなる作動流体の蒸気が流れこみ、熱交換器への流れができる。これは、一つは同一の熱交換器における負の圧力により、また作動シリンダにおいてピストンにかかる外的圧力によるものである。連続的冷却により、さらに一層の作動流体の蒸気が凝縮される。
作動シリンダから作動気体が熱交換器に流れ込む間、熱は熱交換器から放出される。作動流体の蒸気は完全には凝縮せず、放熱を伴い密度が高くなる。バルブは閉じる。
等温圧縮により大量の作動流体が熱交換器に入り込んだ状態にある。連続したローテーション(回転)の間、作動流体の凝縮物は熱交換器の冷却部の半分体からもう一方の半分体に流れ込み、加熱媒体により高温レベルまで加熱される。この温度は作動流体の沸点より高温である。作動流体の一部は蒸発する。熱交換器の冷却部の半分体において凝縮が同時に起こるのを避けるために、両部分間の連結部は機械的に閉じられるか、または熱交換器の冷却部は再生プロセスで加熱される。
熱交換器を高い温度レベルに加熱すると作動流体は蒸発する。流体の凝縮物は、熱交換器内の圧力が作動流体の蒸気圧に達するまで蒸発する。バルブは再び開けられる。すると圧力により作動流体は熱交換器から作動シリンダに移動し、一方、より多くの熱が熱交換器に移動する。圧力低下と連続的熱供給によりさらに凝縮物が蒸発する。
凝縮物が残らず蒸発した後、作動流体の蒸気は熱供給されながら作動シリンダ内に膨張し続ける。バルブは閉じられる。
本発明は熱機関に関するものであるが、図19から図21にあるように特に熱移動を伴うパワープラントに関する。
先行技術においては、スターリングエンジンによって生成熱の一部が電力に転換されるヒーティングプラントに関して言及されている。
以下の記載において、低温の媒体を“冷却媒体”と称し、高温の媒体を“加熱媒体”と称する。
以下の記載において、“加熱する”という表現は、加熱する工程と加温する工程に関しても使用される。
熱力学的プロセスは、対応するスターリングサイクルの順序を有する状態の4変化からなる。
広い熱交換表面を有する閉空間(以下、熱交換器1という)において、作動気体は、閉空間の回りを流れる(液体または気体の)媒体によって周期的に加熱または冷却される。また放射エネルギー(例えば太陽エネルギー)によって作動流体の温度を上げることも可能である。熱交換器1の閉空間とシリンダの行程容積との間にあるバルブ5が開かれた後、加熱または冷却によって生じる圧力差は、作動ピストン3上に転換される。
作動流体の状態の4変化は、以下の通りである。
1.一定体積の下で(定容)の熱供給−バルブ5が閉じる
2.一定温度の下で(等温)の膨張(吸熱あり)−バルブ5は開く
3.一定体積の下で(定容)の熱供給−バルブ5が閉じる
4.一定温度の下で(等温)の圧縮(放熱あり)−バルブ5は開く
共通の作動シリンダ2とピストン3と協働して一つ一つの熱交換器1において、個別のサイクル的プロセスが起こるが、このプロセスは経時的に全ての他の熱交換器1に入れ替わる。
共通の作動シリンダ2において、個々のスターリングサイクルプロセスは、ある熱交換器1の等温膨張のあとに別の熱交換器1の等温圧縮が続くように調整されている。この圧縮の後にさらなる熱交換器1の等温膨張が再び続く。
圧縮と膨張は主にピストン変位スペースの外部で起こるため、フライホイールまたはその同等物は不要である。機器の効率を損なう摩擦損失に煩わされる機械的リンク機構が不要である。従来の熱機関と反対にピストン3の動きは直接電気に転換される。このため、非金属製作動シリンダ2の回りの電気巻線及び磁性ピストン3が必要となる。
熱機関を図1、図2及び図8に模式的に示す。
基本的に図示される熱機関は以下のものからなる。
1.熱交換器1A,1B及び1Cは、作動シリンダ2の回りに星形状に配置されたロータの形をなし、縦軸(長手軸)の回りを作動シリンダと共に回転する。熱交換器1A,1B,1Cその他は全て1で示される。回転動作をするため個別の熱交換器1は一回転のうち半分は冷却媒体(冷却セクション)を通り、また一回転の半分は加熱媒体(加熱セクション)を通る、したがって熱交換器は交互に冷却媒体と加熱媒体にさらされる。
各熱交換器1は、一カ所の開口部以外は完全に密封されている。開口部はパイプ4とバルブ5で作動シリンダに連結し、パイプ4とバルブ5を介して作動気体が流出入する。
熱交換器1は熱伝導性が高い(例えば、銀、銅、アルミニウム)材料により製造される。
発電用に電気コイル8を作動シリンダ2の回りに設置する。作動シリンダ2それ自体は、非金属性材料(ガラス、セラミックス、プラスチックまたはこれと同様の材料)から製造されている。作動シリンダの片側または両側に開口部が設けられ、開口部に連結パイプ4が接続され作動シリンダ2の内部にスペースを構成する。
効率性を高めるために、作動気体に接触するピストン3の表面は、熱容量が低く熱伝導性が悪い表面からなっている。加速的仕事を最小にするため、ピストン3の質量をできるだけ小さくすることは有用である。
ピストンの動きから直接的に電力を得ることができるようにするために、ピストン3は磁性を帯びていなくてはならない。この磁性体を符号7で示している。
各熱交換器1A,1B,1Cについて、バルブ5A,5B,5Cが設けられている。バルブ5A,5B,5Cなどを全体として符号5で示す。各熱交換器1の内部と作動シリンダ2の内部とを接続したり分離するために、バルブ5は交互に開いたり閉じたりする。バルブ5が開かれたときに、各熱交換器1の空間は直接作動シリンダ2の空間と接続する。バルブ5は気密密閉され熱交換器1と作動シリンダ2との間の最大圧力差に対応できるように設計されている。
エネルギー源として温空気を用いるモデルに基づいて、プロセスサイクルを説明する。本モデルを模式的に図8に示す。プロセスの順序を模式的に図9A,9B,9Cに示す。
熱交換器1Aはすでに熱空気流中に存在し、封入されている作動気体はすでに暖められている。制限されたスペース内で加熱されることによって熱交換器1A内の圧力は一定容積で(定容変化)増大する。カムプレート6が回転することによってバルブ5Aを開く。圧力がかかった作動気体は、作動シリンダ2の方向に膨張してピストン3を動かすことで仕事をする。膨張している間、熱交換器1Aは依然として熱空気中に存在している。その結果、等温膨張が起こる。
ピストン3がバルブ5Aから離れた方に移動する間、作動シリンダ2及び熱交換器1は回転を続けバルブ5Aが閉じる。それと同時に別のバルブ5Bが開き、バルブ5Bは作動シリンダ2のスペースを熱交換器1Bのスペースに接続する。熱交換器1Bは冷却媒体に曝されている。熱交換器1Bに関しては、密封気体は一定容積のもとで冷却され結果として負圧になっている。バルブ5Bを開くことによって作動シリンダ2からの気体が熱交換器1B側で圧縮され、差圧によりピストン3はバルブ5B側に戻るように移動する。熱交換器1Bは定常的に冷却媒体の流れ中に存在するので圧縮行程の間、作動気体は熱を奪われ、等温圧縮する。
このとき熱交換器1Aは既に一部冷空気の流れの中に存在している。
熱交換器が回転しピストン3が往復運動する間に、3番目の熱交換器1Cが加熱媒体中に存在する。一定容積のもとで熱交換器1C内の作動気体の圧力は増大する。バルブ5Cを開くことによって、作動気体は熱交換器1Cから作動シリンダ2内へ等温的に膨張しピストン3をバルブ5から離れた方向に押す。
ピストン3が移動し熱交換器が回転している間、熱交換器1Aは冷却媒体中に存在する。バルブ5Aが閉じているので、一定容積のもとで(定容変化)作動気体から熱が取られる。したがって、熱交換器1A内で作動気体の負圧度が増大する。更なる回転の後に、バルブ5Aが開き、作動気体が負圧のためピストン3は再び元に戻る。
加熱媒体によって熱交換器1B内の作動気体に熱が供給され、一定容積であるため、熱交換器1B内の圧力(正圧)が増大し、バルブ5Bを開くことによって作動シリンダ2の方向に膨張する。ピストン3は、この(等温)膨張によって再び押し離される。
冷却媒体によって熱交換器1C内の作動気体から熱が取られ、熱交換器1C内は一定容積であり、負圧が増大する。バルブ5Cを開くと、作動シリンダ2内から作動気体が熱交換器1C内に入り圧縮される。ピストン3は、この(等温)圧縮のために再び元に戻る。
様々なサイクルの効率を最大にするために、外的作用によって、例えば加熱媒体または冷却媒体のパラメータを変えることによって、ロータの速度を調整することが可能である。
(図3参照)
基本モジュールに関して述べたように、熱機関は作動シリンダ2とともに非金属性の材料(ガラス、セラミックス、プラスチックまたはこれらと同様の物)からなる。ワイヤコイル8が、発電のために作動シリンダ2の回りに付けられている。
自由移動ピストン3は永久磁石7または電気的によって励磁される。ピストン3を往復運動することによって、作動シリンダ2の回りのコイル8に電気が生成される。
(図4参照)
作動シリンダ2が大気圧に通じている場合には、作動気体の静圧が大気圧と相違すると、ピストン3の一方側荷重は、作動気体によって影響を受ける。作動気体の選択がこれによってかなり制限される。もし大気圧以外の圧力で作動させる必要がある場合には圧力調整槽がピストン3の“開いた”側に付けられ、必要なカウンタ−圧力を供給する。
(図5及び図13参照)
上述した圧力調整槽9の代わりに、作動シリンダ2の両側に対称的に熱交換器1,連結パイプ4,バルブ5を配列する。
この場合には、ピストン3の両側にあるバルブ5の連続操作はピストン3の一方側で膨張し、同時にもう一方側で圧縮するように共働している。
かかるダブル作用集合体のプロセスを図13に示すが、作動シリンダ2の両側に5個の熱交換器が存在している。
(図6及び図13参照)
この変形例は、主に変形例3に対応しており、作動シリンダ2の後側にある熱交換器1は、直接作動シリンダの前側にある熱交換器の裏に直接イン−ラインでつながれ、加熱媒体/冷却媒体が、後側の熱交換器と同様に前側にある熱交換器1を通過するようにしている点が異なっている。このようにすることにより、加熱媒体及び冷却媒体は、連続して位置している熱交換器1を常に同時に通過する(図13)。
(図10及び図14参照)
作動シリンダ2及びピストン3また熱交換器1の連結部4に関しては、この変形例は変形例3及び変形例4のものに対応している。この変形例では、全ての熱交換器1は作動シリンダ2の回りに星形状に配列されている。バルブアクチュエータ6は作動シリンダ2の両側で必要である。熱交換器1は、作動シリンダ2の前側と後側に交互に付いている。すべての熱交換器1の総数の半分が奇数である場合には、ロータの各回転角度毎に、一方の熱交換器1は常に作動シリンダ2の一方側に連結し、別の熱交換器1は作動シリンダ2の対向側に連結している。図14に示すように、バルブ5により常に異なる状態の作動気体を有する熱交換器1が作動シリンダ2に連結している。図14に示すようにプロセスが進行する。
(図11参照)
作動気体の実際の容器である熱交換器1それ自体を交互に加熱し冷却するには、作動気体そのものを加熱し冷却するよりも、実質的により多くのエネルギーを必要とする。それゆえ、実際に回復しなければならない多くの熱量が損なわれている。このエネルギーの無駄を減らすために、変形例5として示されるモジュールのための再生器が必要となる。
再生器は、気体状の加熱/冷却媒体の場合にはファン10からなり、液体状の媒体の場合にはポンプ10と、再循環ダクトまたはパイプ11とからなる。再循環ダクトまたはパイプ11は、加熱セクションを通過するロータの一つの区分から冷却セクションを通過する別の区分に媒体を戻し、再び元に戻す。
(図15参照)
基本モジュールの原理はそのまま維持される。加熱媒体及び冷却媒体のダクトの代わりに熱交換器1が輻射アブソーバとして設計されている。作動シリンダ2、ピストン3及びバルブ5の機能は基本モジュールで記述されたものと変わらない。
(図14及び図15参照)
変形例7で述べた例とは、熱交換器1の半分側が作動シリンダの片方側に付けられ熱交換器1の残り半分側が作動シリンダ2の他方側に付いている点がさらに変更されている熱機関である。熱交換器1は全て作動シリンダ2の同一側にあり、シリンダの回りにディスク形状を形成しながら星形状に配列されている。プロセスの流れは変更例5で述べたもの及び図14に示すものに対応している。
クラウジウス−ランキンサイクル
作動流体そのものを加熱・冷却するのと比較して、作動流体の実際の入れ物である熱交換器を冷却したり加熱するのに必要な熱量がかなり膨大な量であるため、作動流体の熱容量の倍数で表される蒸発潜熱が使用される。単に作動流体を加熱・冷却する場合よりも、熱交換器の壁部で作動流体を凝縮したり蒸発させたりするのに、より多大な量のエネルギーの流れが要求される。
熱交換器1の加熱された部分に関しては、事情が異なる。もし作動流体が定常的な熱供給によって蒸発するならば、(上述したように)冷却部分に連結するように接続しているので蒸気は再び凝縮するであろう。この行程は、熱交換器(ここでは放熱なし)の壁部が作動流体の蒸気圧温度に到達するまで続く。このことを避けるために、次の3つの可能性が考えられる。
2.“変更例6”で既に述べたように再生器のようなものが考えられる。ここでは “膨張バルブ”5を閉じた後の加熱セクションの内部環間にある冷却/加熱媒体が、ファン10またはポンプ10によって、“圧縮バルブ”5に連なる冷却セクションで熱交換される。これによって、熱交換器壁の加熱部分の熱量は、冷却された熱交換器壁を加熱するのに利用される。この再生の効率次第では、凝縮する作動流体の量を減らすことができる。
3.上記の2つの方法の組み合わせ。
加熱された半分体と冷却された半分体の間の連結部は再び機械的に開けられる。
バルブ5を閉じた後にプロセスは初めから開始する。
変形例9において述べられた熱機関とは、熱交換器1の加熱された部分が熱交換器としてではなく輻射エネルギーのアブソーバとして設計されている点で異なる。冷却された部分は熱伝達体のいかなる形態としても設計することができる、例えば自由対流、水冷却、気体状または液体状の冷却媒体などの熱交換器などである。作動シリンダ2、ピストン3、連結パイプ4、バルブ5、バルブアクチュエータ6などは、変形例9で述べられた機能と同じ機能を有している、すなわち熱交換器1とともに共通の軸の回りを回転する。この変形例では、熱交換器1の加熱された部分と冷却された部分との間の連結部は、加熱プロセスの間、閉じている。
この変形例では、熱交換器1と一体のロータ、連結パイプ4,バルブ5、バルブアクチュエータ6が変形例9で述べられたように使用されるが、作動シリンダ2及びピストン3は使用されない。これは、(作動シリンダ2の両側に配列されている)2個ではなくただ1個のバルブアクチュエータ6が必要であるが、全ての熱交換器1の圧縮と膨張は同一のバルブアクチュエータ6で起こる。
本発明の熱機関は外的熱源によって作動する、したがって、内的燃焼を伴うあらゆる内燃機関とは異なっている。
本熱機関の変更点は、スターリングサイクルとクラウジウス−ランキンサイクルとが組み合わさり、状態変化が6つ存在する。したがって、本発明は、スターリングサイクルのみかまたはクラウジウス−ランキンサイクルのみかで稼働する従来のものとは異なっている。
Claims (45)
- 密封された作動気体の2段階の温度レベルの間で起こる4つの状態変化、すなわち、1)定容加熱、2)等温膨張、3)定容冷却、4)等温圧縮によって仕事を行う熱機関であって、
少なくとも3個の熱交換器(1A,1B,1C)を備え、熱機関は、各熱交換器毎に作動シリンダ(2)に連結する一つの連結部、特に一つの連結パイプ(4A,4B,4C)を有し、各連結部はバルブ(5A,5B,5C)を備え、熱交換器(1A,1B,1C)は交互に加熱媒体流と冷却媒体流とによって封入されることを特徴とする熱機関。 - 熱交換器(1A,1B,1C)、連結パイプ(4A,4B,4C)及び作動シリンダ(2)が作動気体で満たされ、作動シリンダ(2)内に位置する自由移動ピストン(3)が作動気体の膨張及び圧縮によって仕事を行う請求項1に記載の熱機関。
- 作動気体は第1の熱交換器(1A)内で外部熱源によって上限温度レベルまで加熱され、連携している第1のバルブ(5A)を開くことによって、前記気体が作動シリンダ(2)まで膨張していき連続して熱供給する間、作動シリンダ内で仕事を行い、
膨張行程を終了した後に前記バルブ(5A)を再び閉じて、バルブ(5A)が閉じられている間、外部熱源によって第1熱交換器(1A)は下限温度レベルまで引き続き冷却される請求項1または2に記載の熱機関。 - 作動気体は、第1熱交換器の隣に系統的に配置された第2の別の熱交換器(1B)内で下限温度まで冷却され、
第2のバルブ(5B)を開いた後、熱交換器(1B)への熱移動を伴いながら作動気体は圧縮され、
膨張した作動気体は作動シリンダ(2)から第2の熱交換器(1B)へ流れ、再び作動ピストン(3)によって仕事を行い、
熱交換器(1B)内の圧縮行程の膨張の際に、熱交換器(1B)に割り当てられた第2のバルブ(5B)は閉じられ、第2のバルブ(5B)を閉じた状態で熱交換器(1B)は次のプロセスにおいて上限温度レベルまで加熱される請求項1から3のいずれか1項に記載の熱機関。 - 第3の熱交換器(1C)内で作動気体が外部熱源により上限温度レベルまで加熱され、熱交換器(1C)に割り当てられた第3のバルブ(5C)を開いた後、作動気体は熱供給を同時に伴いながら膨張し、
圧縮された作動気体は第3の熱交換器(1C)から作動シリンダ(2)の方に流れ仕事を行い、第3の熱交換器(1C)は、第3のバルブ(5C)を閉じた状態で外部熱源によって下限温度レベルまで続いて冷却される請求項1から4のいずれか1項に記載の熱機関。 - 第1の熱交換器(1A)内に封入された作動気体は下限温度レベルまで冷却され、第1の熱交換器(1A)に割り当てられた第1のバルブ(5A)を開くことにより圧縮され、第1の熱交換器(1A)の圧縮行程の間、熱は放出され、
圧縮により作動シリンダ(2)内で仕事がなされ、第1のバルブ(5A)を閉じた後、第1の熱交換器(1A)が再び加熱され、
第2のバルブ(5B)を同様に開くことにより、作動流体は、加熱された第2の熱交換器(1B)から外に膨張し、次にしばらく冷却された第3の熱交換器(1C)内の圧縮が続く請求項1から5のいずれか1項に記載の熱機関。 - 作動流体を加熱しまた冷却するために、ある加熱媒体または冷却媒体に最適な熱交換器(1)が使用される請求項1に記載の熱機関。
- バルブ(5A,5B,5C)は、カムシャフト(6)、電気的駆動またはこれと同等なバルブアクチュエータ(6)によって特定の順序で特定の周期運動で開いたり閉じたりする請求項1から7のいずれか1項に記載の熱機関。
- 作動ピストン(3)は仕事を伝達するために永久磁石または励磁磁石(7)によって磁性化され、作動シリンダ(2)には、作動ピストン(3)の動きによって発電されるように、すなわちピストン(3)の仕事が直接的に電力に転換されるように、電気コイル(8)が取付けられる請求項2から8のいずれか1項に記載の熱機関。
- 圧力調整槽(9)が、作動シリンダ連結部とは反対側の作動シリンダ(2)に取付けられた請求項1から9のいずれか1項に記載の熱機関。
- 圧力調整槽(9)は、熱交換器(1)と同じ作動気体が充填される請求項10に記載の熱機関。
- 圧力調整槽(9)の圧力は、熱交換器(1A,1B,1C)の静圧を採用する請求項10に記載の熱機関。
- 熱機関は大気圧とは独立して各作動気体に適切な圧力で作動することができる請求項10に記載の熱機関。
- 奇数個からなる熱交換器を有し、これらの熱交換器は、連結パイプ(4)及びバルブ(5)によって共通の作動シリンダ(2)に連結する請求項1に記載の熱機関。
- 同数の奇数個の熱交換器(1)を有し、バルブ(5)及び連結部すなわち連結パイプ(4)が作動シリンダ(2)の両側に接続し、
作動シリンダの両側のサイクルの期間は同一であり、両側に配置されたバルブ(5)は一方側では圧縮が起こり、同時にもう一方側では膨張がおこるように起動する請求項1から14のいずれか1項に記載の熱機関。 - 奇数個の熱交換器(1)と、連結部特に連結パイプ(4)とそれに対応するバルブ(5)とを有し、これらが同一の作動シリンダ(2)の両側に付いている請求項15に記載の熱機関。
- 加熱媒体と冷却媒体は個別に、しかし同時に熱交換器(1)を流れ、作動シリンダ(2)の対向側に並ぶように配列された請求項1に記載の熱機関。
- 数個の作動シリンダ(2)、ピストン(3)、連結部(4)、バルブ(5)及びバルブアクチュエータ(6)が配列され、対応する数の熱交換器(1)に平行に連結している請求項1から16のいずれか1項に記載の熱機関。
- 作動気体が使用され、選択圧力に応じて沸点が下限温度レベルと上限温度レベルの間にくるようにし、凝縮が定容放熱と圧縮の間に起こり、蒸発が定容加熱と膨張の間に起こる請求項15に記載の熱機関。
- 全ての熱交換器1が作動シリンダ(2)の縦軸(長手軸)の回りに星形状に配置され、連結パイプ(4)は交互に作動シリンダ(2)の両側に接続し、
熱交換器(1)は、剛に作動シリンダ(2)に連結して作動シリンダと共に共通の縦軸(長手軸)の回りを回転し、各熱交換器(1)は回転の半分は冷却媒体にさらされ、残りの半分は加熱媒体にさらされる請求項15に記載の熱機関。 - 熱交換器(1)は、平らな構造を有しディスクセグメントの形状であり、輻射熱アブソーバを提供し、ディスクを形成するように作動シリンダ(2)の縦軸(長手軸)の回りに配列されており、
輻射熱吸収面を備え、得られた熱を環境に再び戻す必要があるため、対流により冷却を行うように構成され、
熱交換器(1)、連結パイプ(4)及びバルブ(5)は、作動シリンダ(2)に剛に連結し、共通の中心軸の回りを作動シリンダとともに回転する請求項20に記載の熱機関。 - 熱交換器(1)の半分は輻射熱にさらされ、一方熱交換器(1)の残りの半分は遮蔽されている請求項21に記載の熱機関。
- 遮蔽要素は異なる層からなり、輻射源に面する部分は反射面(23)(例えば、鏡)とカバー層(24)の下側及び反対側にある灰色または暗色面の断熱層(21)とを有し、カバー層は、遮蔽された後に熱交換器(1)の輻射熱を吸収し、対流による熱の除去に貢献する請求項21に記載の熱機関。
- 輻射熱にさらされる熱交換器(1)は、対流と輻射による熱損失に対してカバーで保護され、
前記カバーは、正面側(輻射源に面する)にガラス(19)と多層(20から22)になっている側壁及び後壁とから構成され、
層(22)に面する熱交換器(1)に面するカバーの内部は、カーブして反射し、中間層(21)は断熱層であり、外側層(20)は囲み層である請求項21に記載の熱機関。 - 熱交換器(1)は、アブソーバ環の中心の回りを回転し、それによって各熱交換器(1)は交互に遮蔽部とカバー部を通過し、
熱交換器は、環境に熱を運ぶことによって、交互に、輻射によって加熱されたり、遮蔽されている間に冷却されたりする請求項21に記載の熱機関。 - バルブ(5)は、冷却されたり加熱されたりする熱交換器(1)が交互に作動シリンダ(2)に連結するように調整し、膨張または圧縮によって仕事をおこなう請求項21に記載の熱機関。
- 作動シリンダ(2)の一方側と他方側にそれぞれ奇数個の熱交換器(1)が交互に接続している請求項15から21に記載の熱機関。
- 外部熱源を利用し、封入された作動気体を有し交互に冷却されたり加熱されたりする少なくとも3個の熱交換器(1)であって、
各熱交換器(1)における熱力学的状態変化は、作動シリンダ(2)、バルブアクチュエータ(5)(6)に関連し、a)定容加熱、b)等温膨張、c)定容冷却、d)等温圧縮であり、
連続的に続く状態変化、膨張と圧縮が同一の作動気体では起こらず、
加熱された熱交換器(1)から作動シリンダ(2)の方向に膨張した後、冷却された別の熱交換器(1)内で圧縮が起こり、加熱行程/冷却行程に応じて、膨張と圧縮は、各熱交換器(1)と作動シリンダ(2)の間にあるバルブによって行われることを特徴とする熱機関。 - 少なくとも3個以上の閉熱交換器(1)を備え、かかる熱機関は作動シリンダ(2)及び作動ピストン(3)とともに仕事を行い、
作動シリンダ(2)及び作動ピストン(3)を備えた各熱交換器(1)内でスターリングサイクルが起こり、作動ピストン(3)は順次別の熱交換器(1)に向かって変位する熱機関。 - 各サイクルはバルブ(5)を使用することにより分離されている請求項28に記載の熱機関。
- 熱交換器(1)は作動流体を提供する閉スペースを形成し、さらに閉スペースは作動流体と環境との間の熱交換を最適化するように設計され、断熱層(25)が熱交換器(1)の一部とその他の部分の間に挿入されており、熱交換器(1)の一部は、断熱層(25)によってその他の部分と熱的に分離(ディカップリング)され、
熱交換器(1)の一部は冷却され、熱交換器(1)のその他の部分は加熱され、
必要に応じて熱交換器(1)の密閉空間を2つの空間に分割するために冷却部分と加熱部分の間に機械的閉鎖装置(26)を挿入し、
熱交換器(1)の加熱部分の壁部にある連結開口は、作動流体が中に入ったり外に出たりすることができる場所に存在する請求項28に記載の熱機関。 - 星形状で作動シリンダ(2)の回りに対称的に配置され作動シリンダに剛に連結したいくつかの熱交換器(1)を有し、
作動ガスが熱交換器と作動シリンダとの間で交換されるように、熱交換器(1)の連結開口は作動シリンダ(2)と連結部または連結パイプ4によって接続し、
熱交換器(1)の半分は作動シリンダ(2)に面する側についており、残りの半分の熱交換器はその反対側についており、
常に一つの熱交換器(1)が交互に一方側に接続し、次の熱交換器(1)は他方側に接続しており、
バルブ(5)は熱交換器(1)と作動シリンダ(2)との連結部(4)にあり、
バルブは、請求項2にあるように、バルブアクチュエータ(6)によって開いたり閉じたりするように操作され、
作動シリンダ(2)、熱交換器(1)、連結パイプ(4)およびバルブ(5)は、作動シリンダ(2)の縦軸(長手軸)の回りを回転しロータを描く請求項31に記載の熱機関。 - 定容冷却及び圧縮であるときに凝縮が起こり、定容加熱及び膨張であるときに蒸発が起こるように、選択圧力によって低い方の温度レベルと高い方の温度レベルとの間に沸点がくる作動気体を使用する請求項32に記載の熱機関。
- 熱交換器(1)の冷却された部分は、外側であり、加熱された部分は内側(作動シリンダ(2)に向かって)であり、
(熱交換器(1)、作動シリンダ(2)、ピストン(3)、連結パイプ(4)及びバルブ(5)からなる)ロータが回転している間、半分幅の冷却部分は冷却媒体によって冷却され、残りの半分の加熱部分は加熱される請求項32に記載の熱機関。 - 各熱交換器(1)と作動シリンダ(2)との間で、一度は冷却行程の間に、もう一度は加熱行程の間に、ロータの一回転の間に2回、開いたり閉じたりするバルブ(5)を有する請求項32に記載の熱機関。
- 熱交換器(1)の冷却部と加熱部との間で閉じられた連結部を有し、加熱行程の間の閉鎖装置(26)を有する請求項32に記載の熱機関。
- 加熱行程が完了した直後の一区分内で熱交換器(1)の冷却部分を加熱するために、冷却行程が完了した直後の一区分内で加熱部分を加熱する間、冷却部分での凝縮を最小化するために、熱交換器(1)の加熱部分の材質の内部熱を加熱媒体及び冷却媒体の循環によって利用する請求項31から36のいずれか1項に記載の熱機関。
- 作動シリンダ(2)とピストン(3)は用いずに、
全熱交換器(1)のバルブ(5)が唯一のバルブアクチュエータ(6)で駆動され、
熱交換器に付いたバルブ(5)を開くことにより、仕事を行うためにガスの二つの圧力レベルの圧力の差を利用した回転原動機に熱交換器(1)を接続し、
回転原動機の高圧側の接続部内で膨張が起こり、低圧側の接続部内で圧縮が起こり、
回転原動機の回転エネルギーの一部は、本熱機関の駆動力として伝達することによって利用される請求項31から37のいずれか1項に記載の熱機関。 - 熱交換器(1)の加熱部分は輻射熱アブソーバとして設計され、
熱交換器(1)の加熱部分は平でディスク状セグメントであり、これによりディスクが形成される中心の回りに環状物を形成し、
輻射熱アブソーバ表面を備え、
これらの輻射熱アブソーバは、対流によるまたは輻射による損失から請求項24に記載される適切な方法により保護される請求項31から37のいずれか1項に記載の熱機関。 - 少なくとも3以上の閉じた熱交換器(1)を有し、共通の作動シリンダ(2)及び作動ピストン(3)で共に仕事を行い、
クラウジウス−ランキンと同様のサイクルと複合した独自のスターリングサイクルが作動シリンダ(2)と作動ピストン(3)を備える各熱交換器(1)で起こり、他の熱交換器(1)に向かって変位する請求項31から36のいずれか1項に記載の熱機関。 - サイクルの以下のような状態変化
1.定容冷却、
2.等圧凝縮
3.等温圧縮
4.定容加熱
5.等圧蒸発
6.等温膨張
に基づく衝撃力を有する請求項31から36のいずれか1項に記載の熱機関。 - 直列に配列した任意の数の熱機関(A)を有し、
燃焼過程で生じる排ガス(30)からなる加熱媒体(30)は分離した熱機関(A)をカスケードのように続いて通過し、
熱機関(AnからA1)の熱交換器(1)を通過する間に加熱媒体(30)の温度は減少し、
大気または他の空気からなる冷却媒体(22)は、逆方向に逆の順序で同じ熱機関(A1からAn)をカスケードのように通過し、
熱機関(A)の熱交換器(1)を通過する間に冷却媒体温度は増加し、
加熱媒体と冷却媒体の温度差はほぼ一定であり、各熱機関(A)は仕事を行い、それによって発電を行い、
冷却媒体は、最後の熱機関(A)のカスケードを出たあと燃焼過程における燃焼用空気(22)として利用され、
加熱媒体(30)は、加熱目的のためまたは他の熱消費のため最後の熱機関(A)のカスケードを出たあと利用されることを特徴とする熱交換型パワープラント。 - 燃焼過程を有しない請求項42に記載のパワープラントと熱プラントの熱・パワー複合プラントであって、他の過程からでた廃熱を利用する熱・パワー複合プラント。
- 請求項42に記載のパワープラントと熱プラントの熱・パワー複合プラントであって、請求項1から請求項41のいずれかに記載された種々の異なる熱機関(A)が用いられる熱・パワー複合プラント。
- 本明細書で記載され図1から18に示された任意の数の熱機関によって電力が生成され、
熱機関(A)は直列に配置され、冷却媒体(22)と加熱媒体(30)が逆流式に熱機関を通り、
最後の熱機関を出たあと加熱された冷却媒体は燃焼用空気として利用され、
冷却媒体と逆方向で最後の熱機関(A)を出た加熱媒体は、さらに加熱の目的のためにまたは他の熱消費で使用されることを特徴とする熱移動を伴うパワープラント。
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