JP2013250022A - 加熱器利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置および蒸気ボイラーの使用エネルギーの削減。
【解決手段】低圧気体の吸入口を低部に高圧気体の吐出口を高部に配置した圧力容器と加熱熱源を有する加熱器で気体を加熱し、軽くなった気体を上昇させ圧力容器内を負圧にして低圧の気体を連続的に加熱器に吸入させる。この結果低圧気体を連続的に昇温できる。また、気体を膨張器で膨張して液化、凝縮させ機械エネルギーを抽出し発電する。サイクルの起動力には液体高圧ポンプを使用する。また蒸気を膨張して動力を得て発電できる。
【選択図】図９

Description

本発明は乾燥機及び蒸気ボイラー及び冷凍サイクル発電装置に関する

高温蒸気生成装置として蒸気ボイラーがある。
真空蒸気発生装置がある。
真空乾燥装置がある。
冷凍サイクル装置として蒸気圧縮冷凍サイクル装置がある。
蒸気圧縮冷凍サイクルの動力は主に電力である。
冷凍サイクル装置は食品の冷凍、冷蔵に使用されている。
またエアコンとして多数使用されている。
冷凍サイクルの効率向上策としてインバーター制御技術や液ガス熱交換、エジェクター等がある。

よくわかる最新冷凍空調の基本と仕組み 高石吉登著 ゼロから学ぶ熱力学 小暮陽三著 上級 冷凍受験テキスト 社団法人 日本冷凍空調学会 やさしいボイラーの教科書 南雲健治著 火力発電総論 瀬間 徹 監修

冷凍サイクル装置および蒸気ボイラーの使用エネルギー削減が求められている。
蒸気ボイラーでは液体の水から水蒸気を生成しており、予め水蒸気にすると使用エネルギーが削減できることが知られている。
そこで低圧の水蒸気を連続的に高温の水蒸気にする技術が求められている。
気水火力発電のエネルギー効率の向上が求められている。
蒸気圧縮冷凍サイクル装置には断熱圧縮機が使用され大部分は電力で駆動されている。
断熱圧縮機を使わない冷凍サイクルが求められている。
再生可能エネルギーの利用が求められている。
冷凍サイクル装置の節電が求められている。
電力供給力が不足し電力以外のエネルギーで運転できる冷凍サイクルがもとめられている。
又、再生可能エネルギー発電が求められている。

本目的を達成するための加熱器利用装置であって
作動流体と、
圧力容器と作動流体の気体を加熱する加熱熱源からなる加熱器と、
加熱器の低温気体入り口を高温気体出口より低い位置に配置する事を特徴とするものである。
作動流体とは冷凍サイクル装置では冷媒、蒸気ボイラーでは水、気水発電では水である。
加熱器は気体を加熱によって圧力一定で高温にする。
所謂過熱蒸気にする。
過熱蒸気は比体積が増し軽くなる。
加熱器の出口を入り口より高くし自由端にすると加熱された気体は上昇し加熱器から流出し加熱器の下部は負圧となる。
いわゆる煙突効果である。
この現象を利用すると低温の気体を連続的に高温にする事ができる。
加熱熱源は燃焼熱熱源、電気抵抗発熱熱源、太陽熱集熱熱源、外気熱源、水道水熱源、エンジン燃焼排熱熱源などである。
熱交換器も加熱器の一種である。

また、更に前記作動流体を前記加熱器に供給する作動流体供給手段を備える事を特徴とするものである。
作動流体供給手段とは水であれば給水装置、乾燥機であれば被乾燥物の衣類、食品である。

また、更に前記作動流体の気体を最終加熱温度に加熱する最終加熱器を備える事を特徴とするものである。
ボイラーであれば水蒸気、冷凍サイクル装置であれば冷媒を最終吐出温度まで加熱する加熱器が最終加熱器ある。低圧で蒸発した蒸気は過熱蒸気になる
低温で蒸発した蒸気を外気温、外水温まで熱交換で加熱すると最終加熱するエネルギーが削減できる。
熱交換器でも加熱器の下部が低温部で上部が高温になるように配置する。

また、更に前記最終加熱器の最終加熱温度以下の予熱熱源を備える予熱加熱器を備える事を特徴とするものである。
冷凍サイクルで蒸発した冷媒を、予熱加熱器を使用して外気で外気温まで加熱して過熱蒸気にする。
これを膨張手段で断熱膨張させると、蒸発器の蒸気をそのまま膨張させるより大きなエネルギーを取り出せる。

また、更に前記最終加熱器を上部構造とし、前記予熱加熱器を下部構造とする事を特徴とするものである。
加熱された過熱気体は軽くなるので温度の高低と位置の高低を合わせる。予熱加熱器より最終加熱器を上部に配置する。

また、更に前記作動流体の気体を膨張する膨張手段を備える事を特徴とするものである。
作動流体とは冷凍サイクルでは冷媒で、蒸気ボイラー、気水発電では水である。
気体を膨張すると仕事を生む事が出来る。
熱力学によると膨張過程には断熱膨張過程と等温膨張過程がある。
断熱膨張過程では
仕事 W は
仕事量は熱力学によると
W= log（V_B／V_A）×R×｛（Ｔ₁−Ｔ₂）／（K−１）｝
Kは比熱比
Rは気体定数 （９６Ｊ／ｋｇ・Ｋ）
Ｔ₁は膨張前温度
Ｔ₂は膨張後温度
V_B／V_Aは膨張比
等温膨張過程では気体を膨張して仕事を取り出す効率は断熱圧縮過程より良くなる。
仕事量は
W= log（V_B／V_A）×R×Ｔであるから。
V_B／V_Aは膨張比
Ｒ は 気体定数
Ｔ は 等温膨脹温度
気体が蒸発温度以上の温度の場合はその気体は過熱蒸気である。
過熱蒸気を膨張すると蒸発温度まで温度が下がる。
蒸発した気体を予熱加熱器を使用して外気等を熱源にして加熱して過熱蒸気にする。過熱蒸気を断熱膨張すると
蒸気が液化せずにエネルギーが取り出せる。
この過程は断熱膨張過程となる。
冷凍サイクルにおいて凝縮過程とは気体が放熱して液化する二相変化過程である。
そこで蒸発器で蒸発した蒸気を膨張手段で膨張させると蒸気は蒸発温度では徐々に液化されその過程は蒸気側からみると等温膨張過程となる。
冷凍サイクルとしてみると凝縮過程すなわち等温圧縮過程となる。
ここで作動流体を冷媒R２２、蒸発温度−３０度C、膨張比 VB／VA=５００
気体定数 ９９J／ｋｇ・K −３０度Cの冷凍効果 ２２６，０００J とすると
取り出せる仕事量は
W＝RTLOG ５００＝９９×２４３．１５×６．２１＝１４９，４８６J
この結果 １４９，４８６J／２２６Ｊ／ｇ＝６６１ｇ が液化される。
残りの蒸気３３９ｇは断熱圧縮機で圧縮して通常サイクルの凝縮器で凝縮する。
圧縮機仕事量は吐出温度 ５０度Cとすると
W＝０．３３９×R×８０／０．２５ ここでＲ２２の比熱比 １．２５とする
２１，４７９Jである。
差引き １２８，００７Jの仕事が取り出せ発電に使用できる。
また、蒸発した蒸気を外気温が２０度Cとすると予熱加熱器で外気温まで加熱するとＲ２２の比熱は０．７KJ／ｋg・Ｋ であるので ５０度分のエネルギー３５ｋｗが取り出せる。
膨張手段とはデフューザーなどの拡がり管やスクロール膨張機などである。
デフューザーの膨張比を大きくしたものが膨張器である。
膨張比を５０から１０００程度にした膨張器を使用して液化して取り出したエネルギーを速度エネルギーにしてタービンを動かし発電する。
膨張比が小さい膨張機たとえば空調用の圧縮機を膨張機に転用したものであれば小さい膨張比のものを複数台直列すると膨張比は大きくなる。
膨張比４の膨張機を2台直列にすると膨張比１６、３台直列にすると膨張比６４、４台直列にすると膨張比２５６、５台直列にすると膨張比１０２４となる。
この場合、徐々に液化されて、蒸気量が減少するので膨張機の吸い込み量はその割合で減少させるとよい。

また、更にラバルノズルを備える事を特徴とするものである。
膨張手段で液化されなかった残りの気体は液化分のエネルギーを得て、膨張器の出口では音速を超える。
冬の暖房時にはラバルノズルで圧力を高めて、室内機に送る。
その後膨張器で液化する。
この時は抽出したエネルギーの一部を放出するので発電はできないことになる。

また、更に複数の膨張手段を備える事を特徴とするものである
過熱蒸気を液化させるためには最初は断熱膨張過程で蒸発温度以下では等温膨張過程となる。
等温膨張過程では、
気体のエネルギーが取り出せ液化凝縮させる事ができる。
しかし、最終的に液化する為には何回も等温膨張させる必要がある。
又、液化された分の気体の循環量が減少するので液化に応じて膨張手段を選択する。
複数の等温膨張機又は膨張器を設置する事で
完全に液化する事ができ従来の冷凍サイクルで必要な断熱圧縮機と凝縮器が不要となる。
又、凝縮過程の最終では、気体の量が少なくなるので断熱圧縮機を用いて凝縮器で凝縮しても良い。
又、気液混合凝縮器で液化しても良い。

また、更に前記膨張手段で抽出された気体のエネルギーを他のエネルギーに変換する気体エネルギー変換手段を備える事を特徴とするものである。
気体を膨張させると仕事が取り出せるがタービンや膨張機の軸などのような動力に変換することと、タービン等を利用しない場合は管を長くして摩擦による圧力損失でエネルギーを減少させる方法もある。

また、更に前記気体エネルギー変換手段で変換された機械エネルギーで気体を圧縮する圧縮手段を備える事を特徴とするものである。
気体を膨張させてエネルギーを取り出し液化し液化されなかった気体を抽出した機械エネルギーで断熱圧縮機を動かして圧縮する。

また、更に前記気体機械エネルギー変換手段で変換された機械エネルギーで発電する発電手段を備える事を特徴とするものである。
液化の際に抽出したエネルギーでタービンを回して発電する。

また、更に断熱圧縮機を備える事を特徴とするものである。
膨張手段で等温膨張を繰り返すと徐々に液化されるが液化されるごとに気体量が減少しエネルギー取り出し効率が悪くなるので最後に残った気体を断熱圧縮機を使用して凝縮液化する。

また、更に前記膨張手段で生成されたしめり蒸気の気体と液体を分離する気液分離器を備える事を特徴とするものである。
蒸発温度での等温膨張では気体が徐々に液化されて湿り蒸気になるので気液を分離する。

また、更に前記作動流体の液体を蒸発させる蒸発器を備える事を特徴とするものである。
通常の冷凍サイクルの蒸発器である。
気水発電では蒸気ボイラーである。

また、更に前記作動流体の液体を絞り膨張させる絞り膨張手段を備える事を特徴とするものである。
冷凍サイクルの絞り膨張手段である。
キャピラリーチューブや膨張弁のことである。

また、更に前記作動流体の気体を凝縮させる凝縮手段を備える事を特徴とするものである。
凝縮手段とは膨張機や膨張器による液化凝縮と、気液混合凝縮器による凝縮と通常の断熱圧縮機を使用する凝縮器による液化凝縮の事である。
本発明では主に膨張手段、膨張機や膨張器による液化を行い、最終段階で気液混合凝縮器や断熱圧縮機による凝縮をくみあわせる。

また、更に前記作動流体の液体を送出する液体送出手段を備える事を特徴とするものである。
本発明では断熱圧縮機を使用しないで冷凍サイクルを動かすが断熱圧縮機にはポンプ機能もあるので、サイクルの始動時には液体の冷媒を蒸発器に送液しなければならない。
そのためのポンプである。

また、更に液体を貯蔵する液体貯蔵手段を備えることを特徴とするものである。
膨張器や膨張機で液化された液体を貯める低圧受液器や凝縮器で液化された液体を貯める高圧受液器や最終受液器のことである。

また、更に圧力容器と液体と気体と気体の吸入弁と気体の吐出弁と液体の吸入弁と液体と吐出弁と弁の制御手段からなる液体往復式圧縮機を備える事を特徴とするものである。
液体をピストンの代用とする往復式気体圧縮機である。
圧力容器に気体を充填するにはポンプを使用する。
液体は予め貯蔵しておく。
液体を蒸発圧力の非常に小さい油にし、気体を空気にすると真空ポンプとして使用できる。
油は真空ポンプ用のフッ素系油を使用するとよい。
気体を冷媒にして、液体を同じ液体の低温冷媒にすると気液混合凝縮器となる。

また、更に
冷媒と、
圧力容器と、
液体冷媒を高圧で送出する高圧ポンプと、
前記凝縮手段で液化された冷媒と、
液体冷媒の吸入弁と吐出弁と、
冷媒蒸気の吸入弁と、
液体の吸入弁と液体の吐出弁と冷媒蒸気の吸入弁の制御手段からなる気液混合凝縮器を備える事を特徴とするものである。
膨張手段で液化された低温冷媒をピストンにした往復式圧縮器である。
冷媒蒸気の吸入弁を開けて圧力容器の中に冷媒蒸気を吸入する。
吸入後冷媒蒸気の吸入弁を閉じて液体冷媒の吸入弁を開けて圧力容器内へ液体冷媒を充填する。
圧力容器に気体を充填するには高圧ポンプを使用する。
液体を充填すると圧力容器内の液面が上昇する。
液面が上昇すると冷媒蒸気は圧縮され圧力温度が上昇する。
この時液冷媒は低温なので高温の冷媒蒸気と熱交換され冷媒蒸気は液化凝縮される。
圧縮凝縮後に液体の吐出弁と冷媒蒸気の吸入弁を開くと液面の低下と伴に冷媒蒸気が吸入される。
冷凍サイクルを間断なく回す為には気液混合凝縮器は２台設置するとよい。
高圧ポンプで十分高圧に液を充填すれば凝縮できる。
膨張手段で９９％程度を液化凝縮して最終液化凝縮を気液混合凝縮器で行うと液体と気体の比体積の差程度になり液温の上昇抑えられ液体の送出量も少なくなる。
液体は予め貯蔵しておく。

また、更に前記気体エネルギー変換手段をタービンとする事を特徴とするものである。
膨張手段として膨張器で冷媒蒸気を液化するとエネルギーが抽出でき液化されなかった気体は速度エネルギーが大きくなりタービンを動かす事ができる。

また、更に前記膨張手段を気体を膨張させる拡がり管の膨張器とする事を特徴とするものである。
膨張器の膨張比を５００倍にすると冷媒をR２２、蒸発温度 −３０度C、とすると
約６５％の液化率となる。

また、更に前記膨張手段と気体エネルギー変換手段を膨張機とする事を特徴とするものである。
スクロール膨張機などの断熱圧縮機を逆使用するものである。
断熱圧縮機の吐出口を膨張機の吸入口にして逆回転して使用する。
圧縮機の電動機を発電機にする事も可能である。

また、更に前記気体エネルギー変換手段を細管によるエネルギー損失および放熱とする事を特徴とするものである。
膨張器で液化すると気体のエネルギーが抽出出来るが、液化されない気体はそのエネルギーを吸収して非常に高速になる。
タービンなどエネルギーを消費する装置がない場合に細管で摩擦をおこして過熱蒸気にして速度をおとして再度膨張器にかける。
冷凍サイクルの節電のみの目的の場合には有効である。

また、更に作動流体の液体を高圧で送出する高圧ポンプを備える事を特徴とするものである。

また、更に前記膨張手段で液化凝縮された液体を貯蔵する低圧受液器を備える事を特徴とするものである。

また、更に凝縮器を備える事を特徴とするものである。
通常の冷凍サイクルの凝縮器である。

また、更に凝縮器で凝縮された液を貯蔵する高圧受液器を備える事を特徴とするものである。

また、更に前記絞り膨張手段に送液する最終受液器を備える事を特徴とするものである。

また、更に気体を収容する圧力容器と、
液体と気体の熱伝達率差を補う伝熱プレートを取り付けた液体を収容する圧力容器からなる気液熱交換器を備える事を特徴とするものである。
液体と気体の熱交換である。
気体が大気以外の冷媒や水の場合は気体を密閉する必要があるのでこの構造とする。
拡大伝熱面としてアルミのプレートフィンを使用すると熱伝導率が低い気体でも熱交換できる。

また、更に低温気体と
液体と
高温気体と
低温気体と液体を熱交換する前記気液熱交換器と
気液熱交換で熱交換された液体と高温気体とを
熱交換する前記気液熱交換を備える事を特徴とするものである。
気体と、気体の熱交換は熱伝導率が低く大変なので気体と気体の間に液体を介在させて熱交換を行う。
液体としては熱伝達率が高く常温では低圧の水を使うと良い。

また、更に前記蒸発器に気化熱を供給する気化熱供給手段を備えることを特徴とするものである。
気化熱供給手段とは冷凍サイクルの乾式蒸発器ではファンとプレートフィンによる外気の吸熱である。
既存の蒸気ボイラーでは低温の液体の水から高温高圧の水蒸気を生成している。
よって使用熱量は潜熱の気化熱と顕熱の合計である。
そこで予め液体の水を蒸発器で蒸発させる。蒸発器の上部に配置された加熱器を加熱して煙突効果で下部の蒸発器内を負圧にして低圧で蒸発させる。水を低圧下で気化させ気化熱を燃料以外の外部熱源である地下水や水道水や海水または外気で供給することで気化熱分の燃料エネルギーが削減される。
これで過熱蒸気生成の際のエネルギーが気化熱分削減できる。
気化熱供給を水で行う場合は蒸発器の熱源は水となる。
水は冷却される。雰囲気の空気を熱源とすれば冷房となる。
また高圧の湿り蒸気を生成する時は高圧ポンプで液体を高圧にして過熱蒸気と熱交換すればよい。
１ｇの摂氏０度の液体の水を摂氏１００度の過熱蒸気にする場合
水の気化熱 摂氏０度 ２４００J 外部より供給
ゆえに ０J
１００度分の顕熱 ２J×１００＝２００J
従来の場合 ２６００J
今回 ２００J
削減効果 １ｇあたり ２４００J
となり大幅にエネルギーが削減される。
水不足の土地では水蒸気と空気との熱交換でも良い。
高温熱源は電気抵抗発熱、燃焼熱熱源、太陽熱集熱熱源などである。

また、更に前記蒸発器を下部構造とし、
前記加熱器を上部構造とする事を特徴とするものである。
加熱器は過熱蒸気になり軽くなるので煙突効果を生むために蒸発器の上に配置する

また、更に前記加熱器を過熱度の大きい加熱器を上部に配置する事を特徴とするものである。
過熱度が大きいほど軽くなるので上部に配置する。

また、更に前期最終加熱器で加熱された気体を外部に放出する気体放出手段を備える事を特徴とするものである。
過熱蒸気ボイラーでは過熱蒸気の放出管の事である。
乾燥機では蒸気放出管である。

また、更に移動手段と、
移動手段で発生する熱を前記気化熱供給手段とする事を特徴とするものである。
移動手段とは自動車、船舶、鉄道車両、建設機械等である。取り出した機械エネルギーで移動手段を動かす。
又、発電をして電動機で車を走らせても良い。
また加熱器を利用した冷凍サイクル装置を車、船舶、鉄道車両、建設機械に搭載する。
車、鉄道車両で発生するブレーキや油圧、モーターの発生熱を熱源とし、車等の発熱部の冷媒を押えるものである。

また、更に通信手段を備える事を特徴とするものである。

また、更に前記蒸発器の出口に取り付けた圧力スウィッチと、
前記液体減圧手段の出口に取り付けられた電磁弁を備える事を特徴とするものである。
上部を加熱器で加熱すると煙突効果で下部が負圧になる。
圧力スウィッチを任意の蒸発圧力に設定して煙突効果で所定の圧力に下がると電磁弁を開き液体を供給する。
これで煙突効果を利用した蒸発圧力制御ができる。

また、更に前記蒸発器の出口に逆止弁を備える事を特徴とするものである。

また、更に前記断熱圧縮機の電動機の出力を調整する電動機出力制御手段を備える事を特徴とするものである。
膨張機による気体の凝縮過程で残った気体を断熱圧縮して液化してサイクルにするが当初の始動の時と気体の量が大巾に違うので出力変換機能いわゆるインバーターをつけ、出力を調整する。

また、更に加熱器利用装置を備えた建築物及び工作物である。

また、更に海水吸入手段と、
前記蒸発器で水分が蒸発して塩分濃度が上昇した海水を排水する海水排水手段を備える事を特徴とするものである。
海水淡水化装置である。

また、更に前記気液混合凝縮器の液面を検出する液面検出手段を備える事を特徴とするものである。

また、更に前記液面検出手段と前記弁制御手段をフロート弁制御とする事を特徴とするものである。

また、更に前記蒸発器で蒸発した低温蒸気と、
前記作動流体の液体を熱交換する気液熱交換器を備える事を特徴とするものである。
液体は凝縮器で凝縮された高温の液体気液混合凝縮器で凝縮された液体である。

また、更に作動流体を水とする事を特徴とするものである。
冷凍サイクルを構成しようとすると断熱圧縮過程が必要になるので冷媒を水として水を循環しないで放出する。
この事により加熱のみで冷房、暖房ができる。
蒸発器で水を蒸発させて、加熱器で過熱蒸気にして、煙突効果で蒸発圧力を制御して、連続的に昇温する。
水は気化熱が大きく、環境に無害で無尽蔵で安価な資源であるので放出しても良い。
又、過熱蒸気と低温の液体の水を熱交換して温水にして、蒸発した低温水蒸気と熱交換する事でエネルギー効率が向上する。

また、更に作動流体を冷媒とすることを特徴とするものである。

また、更に蓄電手段を備える事を特徴とするものである。
蓄電手段とは電池とかキャパシターの事である。
高圧ポンプや蒸発器のファン等の電動機を回すために、電力が必要になるので蓄電池で発電した電気を貯めて置く。

液体を低温低圧で蒸発させ低圧のまま加熱して連続的に昇温して過熱蒸気を生成できる。
この結果気化熱従来技術と比べて過熱蒸気生成エネルギーが大幅に削減できる。
過熱蒸気または蒸気を膨張させて機械エネルギーを取り出し、蒸気を低温低圧にする事ができる。
冷凍サイクルにおいては蒸気がすべて液化されるまで膨張させると凝縮器が不要となる。その過程で機械エネルギーが抽出され発電もできる。
又気液混合凝縮器を用いる事で断熱圧縮機が不要となる。
また沸点が低い冷媒、二酸化炭素を使用して摂氏−６０度位で蒸発させ外部の自然熱源である外気、海水などを熱源にして蒸気を生成し断熱膨張する事で発電が可能となる。化石燃料などのエネルギーを全く使用しない発電が可能となる

加熱器である。１は圧力容器で２は電気抵抗発熱である。３の圧力容器入口は４の圧力容器出口より低く配置する。 気液熱交換器である。１の圧力容器内に気体と６の伝熱プレートと７の液管を収容する。６の伝熱プレートは多くはアルミ板である。７の液管は多くは銅管である。液体と気体の熱伝達率の差をプレートの拡大面積とする。 乾燥機である。１２は乾燥室で圧力容器内に水を含んだ１３の衣類、食品等を収容する。１８の最終加熱器の加熱熱源が２の電気ヒーターである。最終加熱器を加熱すると加熱器内の空気が加熱され過熱蒸気になり煙突効果で下部の予熱器内が負圧になる。１５は圧力スウィッチで圧力が所定の蒸発圧力にまで下がると１４の電磁弁を開く。乾燥室内の圧力が下がり衣類などの水分が蒸発する。蒸発の際には気化熱分の熱量が必要であるが、外部熱源である１７の地下水で供給する。熱源は蒸発温度より高温の熱源が必要である。高温熱源として外気、水道水、地下水を利用する為、蒸発温度は外気温等より低温にする。水を摂氏零度で蒸発させるためには５００パスカルに設定し、煙突効果で５００パスカル以下で電磁弁を開く。外気温、地下水温度まで１６の予熱加熱器で加熱すると最終加熱器の消費エネルギーが削減される。従来の乾燥機に比して本発明では気化熱を外部熱源から吸熱するので気化熱分、水であれば１ｇあたり２４００J節減できる。各加熱器の配置は蒸気の温度の上下で配置する。下から乾燥室、予熱加熱器、最終加熱器の順である。 気水発電サイクル装置である。１９の蒸発器の蒸発圧力を１６の予熱加熱器と１８の最終加熱器の加熱によるエントツ効果で制御する。エントツ効果で１５の圧力が下がると１４の電磁弁を開く。これで蒸発圧力制御が可能となる。１９の蒸発器で蒸発した蒸気を１７の地下水を熱源に１６の予熱加熱器で過熱蒸気にし、更に１８の最終加熱器で所定の温度まで加熱する。熱源は２７の燃焼熱熱源である。４６はタービンや断熱器である。膨張して液化されたものは２４の受液器に貯める。受液した液体は低圧なので２５の高圧ポンプで高圧にする。それでも液化しない蒸気は２８の気液混合凝縮器で凝縮させる。 冷凍サイクルである。19の蒸発器で蒸発した冷媒を（膨張機+気液混合凝縮器）２１の膨張機に吸入させる。膨張機は既存の圧縮機を利用したもので、圧縮機の電動モーターを発電機に圧縮機の吐出口を膨張機の吸入口にしたものである。圧縮比１０の圧縮機は膨張比１０の膨張機になる。２１の膨張機を通過した冷媒は断熱膨張及等温膨脹に蒸発温度で液化される。液化されなかった冷媒蒸気を再び２１の膨張機に導く。膨張比１０の膨張機を２回使用すると膨張比は１００となる。このサイクルを３回すると膨張比は１０００となる。これでも液化されない冷媒は２８の気液混合凝縮器で凝縮する。気液混合凝縮をすると気化熱分温度が上昇するので２９の冷却器で放熱する。 膨張器である。膨張器はゆるやかな３１の拡がり管と緩やかな３３の縮小管から構成される。図では３０のガス吸入管内径１１．１ｍｍ、３２の最拡大面積φ２５０ｍｍである。ゆえに拡大率は約５００である。気体が３０のガス吸入管から膨張器に入り等温膨脹し、一部の気体は液化される。そして５の液体吐出管で低圧受液器におくられる。エネルイギーと気体は３５の気体機械エネルギー変換手段で動力に変換される・ 液体往復式圧縮機または液体圧縮式真空ポンプである。３６の液体吸入弁を開いて２５の高圧ポンプで液体を高圧で１の圧力容器内に送液する。液体の送液中、気体吸入弁と気体吐出弁を閉じていると、液体の液面上昇につれ気体が圧縮される。また、気体吐出弁を開くと気体が排出される。気体の圧縮比は３９のフロートスウィッチの高さで調整する。気体の吸入時は３７の気体吸入弁を開きながら４０の液体吐出弁を開いて液体を排出する。液面の低下と共に圧力容器内は負圧になり気体が吸入される。液体を往復してピストンにする。使用例として気体を空気、液体を蒸気圧の低いフッ素系油、真空ポンプ用油を使用すると真空ポンプとして使用できる。また流体を冷凍サイクルに使用する冷媒として、気体を蒸発器戻り蒸気とし、液体を凝縮液とすると気液混合凝縮器となる。液体は４１に貯めておき２５のポンプで送る。 気液混合凝縮器である。（ａ）は３６の液体吸入弁と４２の液体排出弁を閉じて３７の気体吸入弁を開け気体を１の圧力容器内に吸入させる。この時液体吸入弁を圧力容器上部に液体排出弁を圧力容器下部に配置する。（ｂ）は４３の気体が圧力容器内に充填されたら３７の気体吸入弁を閉じる。液体吸収弁を開き４４の液体を圧力容器内に注入する。液体が注入されるに伴い液面が上昇し気体が圧縮され高温高圧になる。この高温高圧の気体は低温の液体によって冷却され凝縮する。（ｃ）は１の圧力容器をすべて液体で満たすと気体はすべて凝縮され液体は気体のエネルギーを吸収して温度が上昇する。（ａ）の時の気体の質量（比体積）と（ｃ）の時の液体の質量（比体積）とは大巾に違うので液体の温度上昇はわずかである。（ｄ）（ｃ）での凝縮が終了すると４２の液体排出弁を開き液体を排出する。同時に気体吸入弁を開く。この時液面は下降し圧力容器内は負圧になり気体が吸入される。 膨張冷凍サイクル発電（膨張器＋タービン＋発電機＋断熱圧縮機+凝縮器）である。通常の冷凍サイクル同様に、断熱圧縮機を始動し最終受液器にためておいた冷媒を蒸発器に送液し蒸発器で蒸発させる。断熱圧縮機を始動すると、湿り蒸気の冷媒を気液分離器で気体と液体に分離し、気体を吸込み凝縮器で液化され最終受液器に送られるので、蒸発器に送られる。蒸発器で蒸発された気体を４５の膨張器で等温膨張させ、気体の一部を液化させる。液化の際、液化された分のエネルギーを気体が吸収するので、４６のタービンを用いて気体のエネルギーを変換し２２の発電機で発電する。４５の膨脹器で液化されなかった残りの気体は従来の断熱圧縮機を用いて、４８の凝縮器で液化し、５０の高圧受液器へ入れ、５３の液体管へ送液し重力で５１の最終受液器へ落とし、４５の膨脹器で液化した液体と合流させる。この時、膨張器で液化された液は低圧であるため最終受液器は高圧受液器より下部に位置させる。また５０の高圧受液器を直接５１の最終受液器に入れると、４５の膨張器より圧力が高くなるので、５３の液体管と接続させる。また膨張器を複数使用することにより、気体の量が減っていくので、断熱圧縮機の出力も小さくできる。 膨張冷凍サイクル発電（タービン＋発電機＋気液混合凝縮器）である。このサイクルの起動力は２５の高圧ポンプである。起動時は２４の受液器に冷媒の液体を貯めておき、１４‐bの電磁弁及び１４‐ｃの電磁弁を閉じ、１４‐aの電磁弁及び14‐ｄの電磁弁を開いて最終受液器の液体を高圧ポンプで１１の蒸発器に送液する。２５の高圧ポンプは起動後、気液混合凝縮器への送液手段とするので、１４‐aの電磁弁及び１４‐dの電磁弁を閉じ、１４‐cの電磁弁開ける。また起動後は２４の受液器から１９の蒸発器へ送液するため１４‐bの電磁弁を開ける。蒸発器で蒸発された気体を４５の膨張器で等温膨張させ、気体の一部を液化させる。液化の際、液化された分のエネルギーを気体が吸収するので、４６のタービンを用いて気体のエネルギーを変換し２２の発電機で発電する。膨張器で液化されなかった一部の気体は気液混合凝縮器で液化する。４５の膨脹器で液化されなかった残りの気体を凝縮するため、４６のタービンを通し、２８‐aの気液混合凝縮器へ入れる。この時１４‐eの電磁弁及び１４‐ｇの電磁弁、１４‐ｈの電磁弁は閉じておく。４５の膨張器で液化された液体を２５の高圧ポンプで昇圧して２８‐aの気液混合凝縮器へ送液する。この時１４‐ｆの電磁弁を閉じて１４‐ｈの電磁弁を開き気体を２８‐ｂの気液混合凝縮器へ入れる。液体の送液中、１４‐ｆの電磁弁及び１４‐ｈの電磁弁を閉じていると、液体の液面が上昇し圧縮された気体は温度が上がる。液体の温度が気体の温度より低温なため凝縮されて液化される。２８‐aの気液混合凝縮器の液体の水位は高水位を検知する３９‐aのフロートスウィッチと低水位を検知する３９‐bのフロートスウィッチで管理し、１４‐eの電磁弁を閉じ、１４‐iの電磁弁を開いて２４の受液器へ移動させる。２８‐aの気液混合凝縮器から２４の受液器への液体移動中は、１４−ｈの電磁弁を閉じ、１４‐ｇの電磁弁を開けて、２５の高圧ポンプで昇圧して２８‐ｂの気液混合凝縮器へ送液する。この時１４‐ｆの電磁弁を開けて気体を２８‐aの気液混合凝縮器へ入れる。２８‐ｂの気液混合凝縮器の液体の水位は高水位を検知する３９‐ｃのフロートスウィッチと低水位を検知する３９‐ｄのフロートスウィッチで管理し、１４‐ｇの電磁弁を閉じ、１４‐ｊの電磁弁を開いて２４の受液器へ移動させる。２８‐aと２８‐ｂの気液混合凝縮器での液面の上昇による気体圧縮の過程を交互に繰り返す。４５の膨張器で液化された分のエネルギーを気体が吸収するので、４６のタービンを用いて気体のエネルギーを変換し２２の発電機で発電する。また膨張器を複数使用することにより、気体の量が減っていくので、気液混合器のサイズを小さくできる。 膨張冷凍サイクル発電（膨張機のみ）である。１９の蒸発器で蒸発した蒸気を２１の膨張機で膨張させエネルギーを取り出し２２の発電機で発電する。膨張比４冷媒Ｒ２２、蒸発温度０℃とすると取り出せるエネルギーは気体の冷凍効果の約１２％である。膨張１回毎に気体の１２％が液化され気体の量が減っていく。理論的には２０回で残りの気体は８％となる。１２回以上では効率が悪くなるので１２回目位で断熱圧縮機を使用して液化する。 膨張冷凍サイクル発電（断熱圧縮機付）である。１９の蒸発器は２１の膨張機で膨張されてしめり蒸気になる。しめり蒸気を２３の気液分離器で蒸気と液に分離する。液化率は膨張比で違ってくるが蒸気量を２０％くらいにするにはＲ２２、膨張比４で８回位膨張機を通る必要がある。液化効率は液化率が高くなると次第に悪くなるので最後は従来の４７の断熱圧縮機を用い４８の凝縮器で液化する。２３の気液分離器で分離された液は４９の低圧受液器に重力で落ちる。その後５０の高圧受液器に液を重力で落す。そして２５の高圧ポンプで昇圧して５１の最終受液器に送液する。液体の移動の時は５３の均圧管を用いて均圧にして重力で移動させる。５１の最終受液器と４９の低圧受液器には高水位と低水位を検知する３９のフロートスウィッチを用いて液量の管理を行う。このサイクルの起動力は２５の高圧ポンプである。 膨張冷凍サイクル発電（気液混合凝縮器付）である。図１２の４７の断熱圧縮機の代わりに２８の気液混合凝縮器を用いたものである。 乾燥機ｐ−ｈ線図である。５７で蒸発が始まり５８で蒸発が完了し５９まで加熱され過熱蒸気になり放出される。 膨張冷凍サイクル発電（膨張機のみ）ｐ−ｈ線図、膨張冷凍サイクル発電（膨張器のみ）ｐ−ｈ線図である。６０から蒸発器で蒸発する。６１で蒸発終了する。６１から６２まで膨張機で気体を等温膨張させ一部の気体を液化させる。６２〜６３は2回目の等温膨脹である。冷媒がＲ２２でも膨張比が４の場合で７〜８回膨張させると液化される。膨張を繰り返すと二相の内の気体部分が減少しエネルギー抽出量と液化量は徐々に減っていく。６０で完全に液化されると受液器に低圧の液体がたまるので高圧ポンプで６７まで圧力を高め循環させる。６７〜６０は絞り膨張過程である。 膨張冷凍サイクル発電（膨張機又は膨張器）断熱圧縮機付及、膨張冷凍サイクル発電（膨張機又は膨張器）気液混合凝縮器付ｐ−ｈ線図である。５７は蒸発開始点である。６１は蒸発終了点及第1回膨張開始点である。６２は第1回膨張終了点である。６３は第２回膨張終了点である。６４は第３回膨張終了点である６８は第４回膨張終了点及断熱圧縮開始点である。６９は断熱圧縮終了点及絞り膨張開始点である。７０は再蒸発開始点である。

１ 圧力容器
２ 電気抵抗発熱
３ 圧力容器入口
４ 圧力容器出口
５ 液体吐出管
６ 伝熱プレート
７ 液管
８ 気体入口
９ 気体出口
１０ 液管入口
１１ 液管出口
１２ 乾燥室
１３ 水を含んだ衣類
１４ a〜j 電磁弁
１５ 圧力スウィッチ
１６ 予熱加熱器
１７ 地下水
１８ 最終加熱器
１９ 蒸発器
２０ 外気
２１ 膨張機
２２ 発電機
２３ 気液分離器
２４ 受液器
２５ 高圧ポンプ
２６ キャピラリーチューブ
２７ 燃焼熱熱源
２８ a〜b 気液混合凝縮器
２９ 液体冷却器
３０ ガス吸入管
３１ 拡がり管
３２ 最拡大面積
３３ 縮小管
３４ 気体吐出管
３５ 気体機械エネルギー変換手段
３６ 液体吸入弁
３７ 気体吸入弁
３８ 気体吐出弁
３９ a〜f フロートスウィッチ
４０ 液体吐出弁
４１ 液体貯蔵手段
４２ 液体排出弁
４３ 気体
４４ 液体
４５ 膨張器
４６ タービン
４７ 断熱圧縮機
４８ 凝縮器
４９ 低圧受液器
５０ 高圧受液器
５１ 最終受液器
５２ 気体管
５３ 液体管
５４ 膨張弁
５５ 均圧管
５６ 真空ポンプ
５７ 蒸発開始点
５８ 蒸発終了点及過熱開始点
５９ 過熱終了点及放出点
６０ 蒸発開始点及第６回膨張終了点及高圧化開始点
６１ 蒸発終了点及第１回膨張開始点
６２ 第１回膨張終了点
６３ 第２回膨張終了点
６４ 第３回膨張終了点
６５ 第４回膨張終了点
６６ 第５回膨張終了点
６７ 高圧化終了点及絞り膨張開始点
６８ 第４回膨張終了点及断熱圧縮開始点
６９ 断熱圧縮終了点及絞り膨張開始点
７０ 再蒸発開始点

Claims (48)

1. 加熱器利用装置であって
   作動流体と、
   圧力容器と作動流体の気体を加熱する加熱熱源からなる加熱器と、
   加熱器の低温気体入り口を高温気体出口より低い位置に配置する事を特徴とする加熱器利用装置
2. 更に前記作動流体を前記加熱器に供給する作動流体供給手段を備える事を特徴とする請求項１の加熱器利用装置
3. 更に前記作動流体の気体を最終加熱温度に加熱する最終加熱器を備える事を特徴とする請求項１または２の加熱器利用装置
4. 更に前記最終加熱器の最終加熱温度以下の予熱熱源を備える予熱加熱器を備える事を特徴とする請求項１〜３いずれかの加熱器利用装置
5. 更に前記最終加熱器を上部構造とし、前記予熱加熱器を下部構造とする事を特徴とする請求項１〜４いずれかの加熱器利用装置
6. 更に前記作動流体の気体を膨張する膨張手段を備える事を特徴とする請求項１〜５いずれかの加熱器利用装置
7. 更にラバルノズルを備える事を特徴とする請求項１〜６いずれかの加熱器利用装置
8. 更に複数の膨張手段を備える事を特徴とする請求項１〜７いずれかの加熱器利用装置
9. 更に前記膨張手段で抽出された気体のエネルギーを他のエネルギーに変換する気体エネルギー変換手段を備える事を特徴とする請求項１〜８いずれかの加熱器利用装置
10. 更に前記気体エネルギー変換手段で変換された機械エネルギーで気体を圧縮する圧縮手段を備える事を特徴とする請求項１〜９いずれかの加熱器利用装置
11. 更に前記気体機械エネルギー変換手段で変換された機械エネルギーで発電する発電手段を備える事を特徴とする請求項１〜１０いずれかの加熱器利用装置。
12. 更に断熱圧縮機を備える事を特徴とする請求項１〜１１いずれかの加熱器利用装置。
13. 更に前記膨張手段で生成されたしめり蒸気の気体と液体を分離する気液分離器を備える事を特徴とする請求項１〜１２いずれかの加熱器利用装置。
14. 更に前記作動流体の液体を蒸発させる蒸発器を備える事を特徴とする請求項１〜１３いずれかの加熱器利用装置。
15. 更に前記作動流体の液体を絞り膨張させる絞り膨張手段を備える事を特徴とする請求項１〜１４いずれかの加熱器利用装置。
16. 更に前記作動流体の気体を凝縮させる凝縮手段を備える事を特徴とする請求項１〜１５いずれかの加熱器利用装置。
17. 更に前記作動流体の液体を送出する液体送出手段を備える事を特徴とする請求項１〜１６いずれかの加熱器利用装置。
18. 更に液体を貯蔵する液体貯蔵手段を備える事を特徴とする請求項１〜１７いずれかの加熱器利用装置。
19. 更に圧力容器と液体と気体と気体の吸入弁と気体の吐出弁と液体の吸入弁と液体と吐出弁と弁の制御手段からなる液体往復式圧縮機を備える事を特徴とする請求項１〜１８いずれかの加熱器利用装置。
20. 更に冷媒と、
    圧力容器と、
    液体冷媒を高圧で送出する高圧ポンプと、
    前記凝縮手段で液化された冷媒と、
    液体冷媒の吸入弁と吐出弁と、
    冷媒蒸気の吸入弁と、
    液体の吸入弁と液体の吐出弁と冷媒蒸気の吸入弁の制御手段からなる気液混合凝縮器を備える事を特徴とする請求項１〜１９いずれかの加熱器利用装置。
21. 更に前記気体エネルギー変換手段をタービンとする事を特徴とする請求項１〜２０いずれかの加熱器利用装置。
22. 更に前記膨張手段を気体を膨張させる拡がり管の膨張器とする事を特徴とする請求項１〜２１いずれかの加熱器利用装置。
23. 更に前記膨張手段と気体エネルギー変換手段を膨張機とする事を特徴とする請求項１〜２２いずれかの加熱器利用装置。
24. 更に前記気体エネルギー変換手段を細管によるエネルギー損失および放熱とする事を特徴とする請求項１〜２３いずれかの加熱器利用装置。
25. 更に作動流体の液体を高圧で送出する高圧ポンプを備える事を特徴とする請求項１〜２４いずれかの加熱器利用装置。
26. 更に前記膨張手段で液化凝縮された液体を貯蔵する低圧受液器を備える事を特徴とする請求項１〜２５いずれかの加熱器利用装置。
27. 更に凝縮器を備える事を特徴とする請求項１〜２６いずれかの加熱器利用装置。
28. 更に凝縮器で凝縮された液を貯蔵する高圧受液器を備える事を特徴とする請求項１〜２７いずれかの加熱器利用装置。
29. 更に前記絞り膨張手段に送液する最終受液器を備える事を特徴とする請求項１〜２８いずれかの加熱器利用装置。
30. 更に気体を収容する圧力容器と、
    液体と気体の熱伝達導率の差を補う伝熱プレートを取り付けた液体を収容する圧力容器からなる気液熱交換器を備える事を特徴とする請求項１〜２９いずれかの加熱器利用装置。
31. 更に低温気体と
    液体と
    高温気体と
    低温気体と液体を熱交換する前記気液熱交換器と
    気液熱交換で熱交換された液体と高温気体とを
    熱交換する前記気液熱交換を備える事を特徴とする請求項１〜３０いずれかの加熱器利用装置
32. 更に前記蒸発器に気化熱を供給する気化熱供給手段を備えることを特徴とする請求項１〜３１いずれかの加熱器利用装置
33. 更に前記蒸発器を下部構造とし、
    前記加熱器を上部構造とする事を特徴とする請求項１〜３２いずれかの加熱器利用装置
34. 更に前記加熱器を過熱度の大きい加熱器を上部に配置する事を特徴とする請求項１〜３３いずれかの加熱器利用装置
35. 更に前期最終加熱器で加熱された気体を外部に放出する気体放出手段を備える事を特徴とする請求項１〜３４いずれかの加熱器利用装置
36. また、更に移動手段と、
    移動手段で発生する熱を前記気化熱供給手段とする事を特徴とする請求項１〜３５いずれかの加熱器利用装置。
37. 更に通信手段を備える事を特徴とする請求項１〜３６いずれかの加熱器利用装置
38. 更に前記蒸発器の出口に取り付けた圧力スウィッチと、
    前記液体減圧手段の出口に取り付けられた電磁弁を備える事を特徴とする請求項１〜３７いずれかの加熱器利用装置
39. 更に前記蒸発器の出口に逆止弁を備える事を特徴とする請求項１〜３８いずれかの加熱器利用装置
40. 更に前記断熱圧縮機の電動機の出力を調整する電動機出力制御手段を備える事を特徴とする請求項１〜３９いずれかの加熱器利用装置
41. 更に請求項１〜４０の加熱器利用装置を備えた建築物及び工作物
42. 更に海水吸入手段と、
    前記蒸発器で水分が蒸発して塩分濃度が上昇した海水を排水する海水排水手段を備える事を特徴とする請求項１〜４１いずれかの加熱器利用装置
43. 更に前記気液混合凝縮器の液面を検出する液面検出手段を備える事を特徴とする請求項１〜４２いずれかの加熱器利用装置
44. 更に前記液面検出手段と前記弁制御手段をフロート弁制御とする事を特徴とする請求項１〜４３いずれかの加熱器利用装置
45. 更に前記蒸発器で蒸発した低温蒸気と、
    前記作動流体の液体を熱交換する気液熱交換器を備える事を特徴とする請求項１〜４４いずれかの加熱器利用装置
46. 更に作動流体を水とする事を特徴とする請求項１〜４５いずれかの加熱器利用装置
47. 更に作動流体を冷媒とする事を特徴とする請求項１〜４６いずれかの加熱器利用装置。
48. 更に蓄電手段を備える事を特徴とする請求項１〜４７いずれかの加熱器利用装置
    

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