JP2009539005A - 熱エネルギを機械的仕事に変換する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱エネルギを機械的仕事に変換する方法に関する。本方法は、液体の作動媒体を供給容器（１）から加工容器（３）へと供給する工程と、加工容器（３）内の作動媒体を、第１熱交換器（５）によって加熱する工程と、作動媒体の相当量を前記加工容器（３）から空油変換器（８）へと流し込み、油圧媒体の油圧作用を機械的仕事に変換する工程と、
作動媒体を前記空油変換器（８）から供給容器（１）にフィードバックし、油圧媒体が空油変換器（８）へと戻る工程を備え、各工程が循環プロセスとして実施される。本発明はさらに、この方法を実施するための装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギを機械的仕事に変換する方法及び装置に関する。

熱エネルギを機械的仕事に変換する、また必要に応じて機械的仕事から電力に変換するための循環プロセスや装置として、多種多様なものが知られている。これらプロセスは、例えば蒸気動力プロセスやスターリングプロセス等が挙げられる。これら方法を使用することによる実現性の１つは、排熱の利用により内燃機関の効率が高められることである。しかしながら、内燃機関の冷却循環は通常約１００℃で作動するため、利用可能な温度レベルが非常に不利なものであるという問題がある。また、太陽熱発電所からの熱を機械的仕事に変換する場合にも類似の問題が生じる。

特許文献１には、このような火力発電プロセスに関する特殊な解決手段が示されている。この文献には、作動流体を複数のブラダ型アキュムレータ装置中で加熱することによって油圧流体を加圧する方法が記載されており、油圧流体は作業機械内で処理されている。このような方法は基本的には有効なものではあるが、その効率は高いものではなく、作り出されるエネルギ量に対して設備費用がかなり高い。

さらに、特許文献２には、不連続的に操作される方法が開示されており、この方法は適度な効率性で熱変換により仕事を生成することが可能である。

ＷＯ０３／０８１０１１Ａ 米国特許第３,８０３,８４７Ａ号

本発明の目的は、本明細書で上述したタイプの方法を、熱的に不利な条件下においても高効率が達成でき且つ設備費用を出来る限り安く抑えるように構成することである。

本発明によると、このような方法は下記の工程を備える。これら工程は、循環プロセスとして実施される。
・液体の作動流体を貯蔵容器から作業槽へと供給する工程
・作業槽内の作動流体を、第１熱交換器によって加熱する工程
・作動流体の留分を作業槽から空油変換器へとオーバーフローさせることにより、空油変換器から作業機械へと油圧流体を促し、油圧流体の油圧作用を機械的仕事に変換する工程
・油圧流体を空油変換器に再循環させることにより、作動流体を空油変換器から貯蔵容器に戻す工程

第１工程では、適切な蒸気圧曲線を有する作動流体、例えばＲ１３４ａ（1,1,1,2-テトラフルオロエタン）が貯蔵容器から得られる。この貯蔵容器中の作動流体は液相と気相間で平衡状態にある。そして、この平衡が維持されるような圧力が選択される。Ｒ１３４ａを用い且つ周囲温度が約２０℃である場合には、この第１圧力は約６バールとなる。作動流体は作業槽に移動し、作業槽内には、好ましくは第２のより高い圧力が使用される。この第２圧力は例えば４０バールである。より好適には、液体の作動流体のみがポンプにより作業槽に移動する場合には、移動に要するエネルギを最小限化することができる。

第２工程では、作動流体が作業槽内で加熱される。加熱により圧力がさらに増大することになり、作動流体が部分的に蒸発する。好ましくは、加熱は、排熱例えば内燃機関からの排熱によって生じたものである。作動流体が１００℃まで加熱されると、排熱は最も有効に利用される。

第３工程では、作動流体が空油変換器へとオーバーフロー（流出）することが可能となる。このオーバーフローは第２工程の後に生じる。即ち、まず熱が完全に与えられ、その後、作業槽と空油変換器との間の接続部が構築される。しかしながら、これら工程は、部分的又は全てが同時に実施されてもよい。即ち、作業槽の流体は、空油変換器に流れ込む間に加熱されてもよい。この方法によると、作動流体の膨張によって生じる冷却がすぐに調整作用を発揮し、能率性が最適化される。さらに、１サイクル（循環）の時間が短縮される。例えばブラダ型アキュムレータとして実施される空油変換器では、流入した作動流体が油圧チャンバ内に存在する油圧流体を変位する。その作動流体が適した作業機械内で処理されることにより、機械的仕事が作り出される。作業機械としては例えば油圧モータが挙げられる。この機械的仕事は、順次電気エネルギを生成するために用いられてもよい。

第４工程では、小型のポンプによって空油変換器に油圧流体が補給され、作動流体が変位されて貯蔵容器へと再循環する。この結果、必要に応じて、作動流体は第２熱交換器を通るように方向付けられる。これにより、温度を周囲温度に適合させることが可能となる。

第４工程の後、循環プロセスは第１工程へと続くことになる。

本システムの効率性と性能は、状況に応じて最善の相転移が利用された場合に最適化されたものとなる。詳細には、第１工程では作動流体が液状のみとなるべきである。一方で、第３工程では、気相のみが空油変換器に移動する。

好ましくは、作動流体が空油変換器から貯蔵容器へと再循環する間、作業槽と空油変換器との間の接続部が遮断されている構成とする。この構成により、流出損失を最小限化することができる。

作動流体が貯蔵容器から作業槽へと供給される間に作動流体が冷却される場合には、効率性が最適化されうる。冷却は、周囲熱交換器、即ち流冷却器によって行うことが可能である。しかしながら、第２熱交換器によって生成された冷気が、その他の目的、例えば空調装置又は冷却集合体に必要とされない場合には、その冷気を使用することも可能である。

油圧流体が空油変換器内の作動流体の平均温度に一致する温度に維持される場合には、特に効果的な利点が達成される。このようにして、効果を相殺する望ましくない温度を回避することが可能となる。

上記説明したように、作動流体は空油変換器から第２熱交換器を通るように方向付けられてもよい。本方法を実施する方法に応じて、作動流体の膨張によってもたらされる低温は第２熱交換器内で発生させてもよい。これら低温は冷却用に用いられてもよく、これにより必要なエネルギを節減することが可能となる。

低温生成におけるその他の改良点は、空油変換器からの作動流体を膨張圧まで膨張させることによって達成される。この膨張圧とは、貯蔵容器内の第１圧力よりも低く、次に第１圧力まで圧縮されたものである。

本発明はさらに、熱エネルギを機械的仕事に変換する装置に関する。この装置は、貯蔵容器、作業槽及び油圧作用を機械的仕事に変換するための作業機械を備える。

本発明によると、作業槽は作動流体を加熱するための第１熱交換機に接続している。作業槽はさらに、作動流体の圧力を油圧流体へと移すための空油変換器に接続される。そして、作動流体を空油変換器から貯蔵容器まで再循環するための再循環経路が提供される。

特に好ましい改良実施形態としては、複数の作業槽と複数の空油変換器が並列接続される。

実用的な実施においては、例えば、図１に図示される装置が５つ互いに並列平行に配され、時差的に操作される。この方法は、例えば５つのシリンダ型内燃機関の実例として挙げられる。これにより、顕著な循環変動を行うことなく、連続運転を達成することが可能となる。

本発明の方法と本発明の装置について、図１の回路図を参照して以下さらなる詳細を説明する。

貯蔵容器（１）は、作動流体を収容する。例えば、Ｒ１３４ａのような冷却剤が用いられてもよい。貯蔵容器（１）内の作動流体は、周囲温度且つ６バールの圧力下で平衡状態にある。貯蔵容器（１）は給水ポンプ（２）を経由して作業槽（３）に接続される。この接続は、バルブ（４）によって切替え可能である。作業槽（３）内には、第１熱交換器（５）が配される。第１熱交換器（５）は作業槽（３）内の作動流体を加熱する役割を有する。例えば、熱交換器（５）には、内燃機関（図示せず）からの排熱がブースターポンプ（６）によって供給され、第１熱交換器（５）を通るように方向付けられた１００℃の水が供給される。オーバーフロー経路（７）を経由して、作業槽（５）は空油変換器（８）の第１作業チャンバ（８ａ）に通じている。この空油変換器（８）はブラダ型アキュムレータとして形成される。第１作業チャンバ（８ａ）は、柔軟膜（８ｃ）によって第２作業チャンバ（８ｂ）から分離されている。この柔軟膜（８ｃ）は、圧力補正が可能である間、２つの作業チャンバ（８ａ）（８ｂ）を分離する。空油変換器（８）の第２作業チャンバ（８ｂ）は油圧回路に通じている。油圧回路は、フランジを有する発電機（１０）を備える作業機械（９）、油槽（２０）、再循環ポンプ（１７）及び第３熱交換器（１１）からなる。第３熱交換器（１１）はポンプ（１２）からの供給を受ける。その他の作業経路（１９）は、空油変換器（８）の第１作業チャンバ（８ａ）を第２熱交換器（１６）に接続する。第２熱交換器（１６）はブースターポンプ（１４）を経由して貯蔵容器（１）へと通じている。その他の点に関しては、経路（７）（１９）はバルブ（７ａ）（１９ａ）によって選択的に閉鎖されてもよい。

本発明の装置の操作形態について、以下詳細を説明する。

第１工程では、液体の作動流体が、圧力を６バールから４０バールに増大させて供給ポンプ（２）を使用することにより、貯蔵容器（１）から作業槽（３）へと移動する。

作業槽（３）が液体の作動流体で完全に満たされると、バルブ（４）が閉鎖し、第１熱交換器（５）によって熱が発生する。この熱は、第２工程の構成要素となる。その他プロセスからの排熱も第２工程の構成要素として使用されてもよい。

作動流体を１００℃まで加熱することにより、その流体の一部が作業槽（３）で蒸発する。そして、この蒸気が第３工程において、バルブ（７ａ）を開放した状態の経路（７）を経由して、空油変換器（８）の第１作業チャンバ（８ａ）へと移動する。第１熱交換器（５）によりさらに加熱することにより、圧力降下が補償される。同時に、空油変換器（８）の膜（８ｃ）が第２作業チャンバ（８ｂ）の方向へ移動することにより、油圧流体が作業機械（９）を通るように促されることとなる。作業機械（９）は、発電機（１０）を駆動するものである。第３工程は、空油変換器（８）の第２作業チャンバ（８ｂ）内の大部分が空になった時点ですぐに終了する。

第４工程において、油圧流体は、槽（２０）から空油変換器（８）の第２作業チャンバ（８ｂ）まで、ポンプ（１７）によって再循環される。そして、作動流体は、第１作業チャンバ（８ａ）から、経路（１９）のこの間開放されるバルブ（１９ａ）を通り、第２熱交換器（１６）を通るように方向付けられ、膨張する。ブースターポンプ（１４）は作動流体を再循環して貯蔵容器（１）まで戻す。矢印（２１）によって示される如く、第２熱交換器（１６）内において作動流体によって吸収された熱は、冷却システムや空調システムを操作するための冷却能力として、排出される。しかしながら、熱交換器（１５）を経由する部分流が、圧縮中の作動流体を冷却するために用いられてもよい。

図２は、上述した循環プロセスの使用に適応した作動流体の典型的な蒸気圧曲線を図示する。この作動流体は、Ｒ１３４ａであり、冷却剤として知られており、1,1,1,2-テトラフルオロエタンである。図に見られるように、周囲温度且つ６バールの圧力下で、液相は気相と平衡状態にある。１００℃の温度では平衡圧は約４０バールである。

本発明は、簡単な設備構造でありながら、他のプロセス、例えば内燃機関の操作から生じる排熱を最適に利用することを可能とする。

装置の主要部品を図示した回路図である。 作動流体の典型的な蒸気圧曲線を示す。

Claims (22)

1. 熱エネルギを機械的仕事に変換する方法であって、循環プロセスとして実行される工程を備え、該循環プロセスとして実行される工程は、
   液体の作動流体を貯蔵容器（１）から作業槽（３）へと供給する工程と、
   前記作業槽（３）内の前記作動流体を、第１熱交換器（５）によって加熱する工程と、
   前記作動流体の留分を前記作業槽（３）から空油変換器（８）へとオーバーフローさせることにより、前記空油変換器（８）から作業機械（９）へと油圧流体を促し、前記油圧流体の油圧作用を機械的仕事に変換する工程と、
   前記油圧流体を前記空油変換器（８）に再循環させることにより、前記作動流体を前記空油変換器（８）から前記貯蔵容器（１）に戻す工程からなることを特徴とする方法。
2. 前記作動流体が、前記貯蔵容器（１）内で第１の低圧で圧縮された後、前記作業槽（３）内で第２の高圧で圧縮されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記作動流体が、前記貯蔵容器（１）から前記作業槽（３）まで液状で移動することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記作動流体が、前記作業槽（３）内で加熱される間に部分的に蒸発し、気体状態で前記作業槽（３）から前記空油変換器（８）へと向かうことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の方法。
5. 前記作動流体が、前記作業槽（３）内で一定体積を保ちながら加熱されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の方法。
6. 前記作動流体が前記空油変換器（８）から前記貯蔵容器（１）に戻る間は、前記作業槽（３）と前記空油変換器（８）との間の接続部がバルブ（７a）等で遮断されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の方法。
7. 前記作動流体が、前記貯蔵容器（１）から前記作業槽（３）に供給される間は、熱交換器（１５）により冷却されることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の方法。
8. 前記油圧流体が、熱交換器によって、前記空油変換器（８）内の前記作動流体の平均温度に一致する温度に維持されることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の方法。
9. 前記作動流体が、前記空油変換器（８）から第２熱交換器（１６）を通るように方向付けられることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の方法。
10. 前記空油変換器（８）からの前記作動流体が膨張圧まで膨張し、
    前記膨張圧が前記貯蔵容器（１）内の前記第１圧力よりも低く、その後前記第１圧力まで圧縮されることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の方法。
11. 熱エネルギを機械的仕事に変換する装置であって、該装置は、
    貯蔵容器（１）と、
    作業槽（３）と、
    前記油圧作用を機械的仕事に変換するための作業機械（９）とを備え、
    前記作業槽（３）が第１熱交換器（５）に連通することにより前記作動流体を加熱し、
    前記作業槽（３）が、さらに、前記作動流体の圧力を油圧流体に移すための空油変換器（８）に連結され、
    前記装置はさらに、
    前記作動流体を前記空油変換器（８）から前記貯蔵容器（１）へ再循環するための再循環経路を備えることを特徴とする装置。
12. 前記作動流体を前記貯蔵容器（１）から前記作業槽（３）へ供給するための供給ポンプ（２）を備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 前記第１熱交換器（５）が前記作業槽（３）内に取り付けられることを特徴とする請求項１１又は１２記載の装置。
14. 前記作業機械（９）が油圧モータとして形成されることを特徴とする請求項１１乃至１３いずれかに記載の装置。
15. 前記空油変換器（８）がブラダ型アキュムレータとして形成されることを特徴とする請求項１１乃至１４いずれかに記載の装置。
16. 前記第２熱交換器（１６）が前記空油変換器（８）と前記貯蔵容器（１）との間に配されることを特徴とする請求項１１乃至１５いずれかに記載の装置。
17. 前記第２熱交換器（１６）が冷却器として形成されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記第２熱交換器（１６）の下流側にブースターポンプが配されることを特徴とする請求項１７乃至１７いずれかに記載の装置。
19. 前記作業槽（３）が蒸発器として形成されることを特徴とする請求項１１乃至１８いずれかに記載の装置。
20. 第３熱交換器（１１）が油圧流体の回路内に配されることを特徴とする請求項１１乃至１９いずれかに記載の装置。
21. 冷却システムを有する内燃機関を備え、
    前記内燃機関が前記作業槽（３）に連通することを特徴とする請求項１１乃至２０いずれかに記載の装置。
22. 複数の作業槽（３）と複数の空油変換器（８）が並列接続されることを特徴とする請求項１１乃至２１いずれかに記載の装置。

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