JP2017078568A - 熱を第一媒体から第二媒体に移動させるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に高い温度の媒体及び又は低い温度の媒体を作る方法を提供する。
【解決手段】本発明は、熱を第一の相対的に冷たい媒体から第二の相対的に熱い媒体へと移動させるための方法及び装置１において、フレームに回転可能に搭載された気密性のローター４、及びローター４の中に搭載された、コンプレッサー１０、熱を流体から第二の媒体へ移動させるための第一の熱交換器であって、ローター４の軸から相対的に遠くに配置された熱交換器８、流体を膨張させるための膨張チャンバー１１及び膨張された流体を膨張チャンバーからコンプレッサー１０に運ぶためのチャンネルを含み、第一の熱交換器８がチャンネルから熱的に隔離されている前記方法及び装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱を第一の、相対的に冷たい媒体から第二の相対的に熱い媒体へと移動する方法及び装置に関する。

米国特許第４，１０７，９４４号は、ローターにより運ばれる通路内で、作動流体を循環させることにより加熱し及び冷却し、その中で該作動流体を圧縮し、熱除去熱交換器において該作動流体から熱を除去し、熱付与熱交換器において該作動流体に熱を付与するための方法及び装置であって、すべては該ローターにより行われる方法及び装置に関する。作動流体はその中に封入されており、適切な気体、例えば窒素であり得る。作動流体熱交換器は、該作動流体の２つの流れの間において、ローター内で熱を交換するようにもまた用意されている。

米国特許第４，００５，５８７号は、温度上昇を伴う回転ローター内で遠心力により圧縮された圧縮可能な作動流体を使用して、低温の熱源からより高温の、加熱されたシンクへと移動させる方法及び装置に関する。熱は、加熱された作動流体からより高い温度における熱シンクへと移動され、熱は膨張の後、作動流体へと添加され、より冷たい熱源から冷却する。冷却がローター内において与えられて、作動流体密度を制御して、作動流体の循環を助ける。

類似の方法及び装置が米国特許第３，８２８，５７３号，米国特許第３，９３３，００８号，米国特許第４，０６０，９８９号，及び米国特許第３，９３１，７１３号から公知である。

本願発明の目的は、効率的に高い温度の媒体及び／又は低い温度の媒体を作る方法を提供することである。

この目的に対して、本発明の方法は、圧縮性流体の含まれる量を回転軸の回りで回転させること、該流体を回転軸から離れる方向に圧縮すること、圧縮された流体から熱を第二の相対的に熱い媒体に移動させること、第一の媒体から流体へ熱を移動させるが、膨張された流体と圧縮された流体との間での熱移動を少なくとも実質的に防止しつつ、該流体を回転軸へ向かう方向に膨張させることを含む。

一つの側面において、膨張の間に、熱が第一の媒体から流体へと移動される。

さらなる側面において、該流体は、少なくとも実質的に等エントロピー的に圧縮され、及び／又は少なくとも実質的に等温的に膨張される。

さらにさらなる側面において、熱は圧縮された流体から第二の相対的に熱い媒体へと、少なくとも実質的に等圧的に移動される（即ち該流体の圧力は熱移動の間、少なくとも実質的に一定であり続ける）。

さらなる側面において、該流体は、膨張の後かつ圧縮の前に加熱される。この段階において熱を加えることは、圧縮された流体から第二の媒体へ移動される熱の量に対してローターに供給される仕事の量を減少させる。

さらなる側面において、本方法は、第二媒体に含まれる熱により、例えばスターリングエンジンを使用して、熱転換サイクルにおける仕事を発生させる。

発生される仕事の少なくとも一部は、流体の含まれる量を回転させるために使用されることができる。また、熱転換サイクルの残った熱の少なくとも一部は、膨張の後かつ圧縮の前に流体を加熱するために使用されることができる。従って、発生された仕事：投入された熱の高められた比を有する、複合化された方法が得られる。

さらなる側面において、本方法は冷却、例えば空調システムにおいて冷房を提供するために使用され、熱は圧縮の間に流体から相対的に熱い媒体へ、そして膨張の後、その間又は膨張の後かつ圧縮の前に流体へ移動される。

本発明に従う方法は、相対的に高い効率で、熱、冷たさ及び／又は仕事を発生させることを可能にする。

本発明に従う方法は、少なくとも部分的に、環境に由来する媒体及び／又は環境の温度に少なくとも実質的に等しい温度を有する媒体により運転されることができる。

本発明で得られた熱い媒体及び冷たい媒体は、次に、例えば建物を暖房又は冷房するために、又は大規模に例えばカルノーサイクル又は「スチームサイクル」により発電するために使用されることができる。

本発明は、さらに、第一の相対的に冷たい媒体からの熱を第二の相対的に熱い媒体へ熱を移動させるための装置において、枠に回転可能に搭載された気密性のローター、該ローター内に搭載されたコンプレッサー、熱を流体から第二の媒体へ移動させるためであり、かつ該ローターの回転軸から相対的に遠くに配置された第一熱交換器、流体を膨張させるための膨張チャンバー、及び該膨張チャンバーからコンプレッサーに膨張された流体を運ぶためのチャンネルを含み、ここで該第一の熱交換器は該チャンネルから熱的に隔離されている、該装置に関する。

一つの側面において、該装置は、第二の熱交換機であって、膨張チャンバーに熱的に接続されている又は膨張チャンバーの一部を構成するものを含む。

さらなる側面において、第一の熱交換器は、圧縮された流体から第二の相対的に熱い媒体へ少なくとも実質的に等圧的に（ｉｓｏｂａｒｉｃａｌｌｙ）熱を移動させように適合されている。その目的のために、一つの実施態様では、第一の熱交換器は気密性のローターの回転軸と平行に、即ち該軸から少なくとも実質的に一定の距離において伸びており、そうすることで、ポテンシャルエネルギーの揺らぎを避け又は減らし、その結果流体の圧力の揺らぎを避け又は減らす。一つの側面において、該熱交換器の断面積及び形状はその長さのほとんど又は全部に亘って一定である。

さらなる側面において、該熱交換器の少なくとも一つは、建物、例えば家又はオフィスの暖房システム及び／又は空調システムに結合されている。

さらなる側面において、本発明が工業スケールで使用されるとき典型的に、熱交換器の少なくとも１が仕事を生み出すサイクルに接続される。このサイクルは、高温の熱交換器に接続されているエバポレーター又はスーパーヒーター、低温の熱交換器に熱的に接続されているコンデンサー及びヒートエンジンを含むことができる。環境は、典型的にはヒートシンクとして作用するが、該サイクルの操作温度が十分に低ければ高温源としても作用し得る。

さらにさらなる側面において、圧縮性流体は、原子番号（Ｚ）＞＝１８例えばアルゴン、又は＞＝３６、例えばクリプトン及びキセノンの単原子元素を含むか又は本質的に該単原子元素からなる。

本発明の少なくともいくつかの側面に従うと、地球の重力だけを受けているカラムと比較して、該圧縮性流体のカラムの長さを短くするために人口の重力が使用され、雰囲気は、該流体においてずっと高い温度勾配を許す気体に置き換えられる。混合が使用されて、該流体内の熱の伝導を改善することができる。

図１は、本発明に従う第一の装置の断面図を示す。 図２は、気密性のローターの点で独立して運転されることのできるコンプレッサーを含む本発明に従う第一の装置の断面図を示す。 図３Ａは、本発明に従う方法のダイアグラムである。 図３Ｂは、本発明に従う方法のダイアグラムである。

本発明の枠内において、用語「勾配」は、ある点から他の点への、たとえば円筒の半径に沿っての、通過において観察される性質の強度における連続的又は段階的な増加又は減少として定義される。また、用語「コンプレッサー」は、流体の密度を増すための任意のインペラーを含む。

完全性のために、独国特許第３２３８５６７号は、加熱及び冷却のための温度差を作るためのデバイスに関する。外部の力の影響下、温度差は気体において確立される。遠心力を使用しかつ高分子量の気体を使用して、この効果は技術的利用に興味がわくほどまで増加される。

国際公開第０３／０９５９２０号は、熱エネルギーを伝達する方法において、該熱エネルギーが第一の熱交換器（４，４ａ，４ｂ）を経て回転遠心分離機の内部チャンバー（３）へ伝達され、該内部チャンバー（３）において気体のエネルギー移動媒体が用意されており、熱は第二の熱交換器（５；５ａ，５ｂ）を経て遠心分離機（２）から放出される前記方法に関する。使用されるエネルギーの量は、ローター（１２）の内部の気体のエネルギー伝達媒体を平衡の状態で提供し、熱のフローを外方向において放射状に向けることにより実質的に減少されることができる。国際公開第０３／０９５９２０号の基礎になる本発明にとって対流が防がれることが本質である（第２ページ、最後の文章）。

米国特許第３，９０２，５４９号は、高スピード回転のために搭載されたローターに関する。その中心に熱エネルギーの源が置かれているが、その周辺には熱交換器が置かれている。気体状の物質を収容するチャンバーが用意されており、該チャンバーは、チャンバーにおけるその位置に依存して熱エネルギーの源からの熱を受けるとること又は熱交換器に熱を差し出すことができる。

国際公開第２００６／１１９９４６号は、可動性の（しばしば気体又は蒸気の）原子又は分子（４）を使用して、第一の領域（７１）から第二の領域（７２）へ熱を移動させる装置（７０）及び方法（７１）に関し、その一つの実施態様において、通常、単純な分子運動による熱の移動を挫折させる原子／分子の混沌とした運動が、好ましくは長くされたナノサイズの制約（constraint）（３３）（例えばカーボンナノチューブ）を使用して原子／分子を整列させ、それからそれらを熱が移動される方向の加速力に付すことにより克服される。加速力は、好ましくは求心性である。別の態様において、ナノサイズ化された制約における分子（４ｃ）は、細長い制約（４０）の伸びの横振動により熱を移動させるように配列されていてもよい。

日本国特許出願公開第６１−１６５５９０号及び第５８−０３５３８８号は、回転タイプの熱パイプに関する。米国特許第４，２８５，２０２号は、圧縮又は膨張のいずれかを生み出すような態様で作動流体の存在に作用することに存在する少なくとも１の段階を含むエネルギー変換の工業的方法関する。

小規模な使用、例えば家屋の暖房及び／又は冷房、に適切である本発明に従う装置の断面図を図式的に示す図面を参照して、今、本発明がより詳細に説明される。

図１は、小規模な使用、例えば家屋の暖房及び／又は冷房、に適切である本発明に従う第一の装置の断面図を示す。

図２は、気密性のローターに関して独立して運転されることのできるコンプレッサーを含む本発明に従う第一の装置の断面図を示す。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明に従う方法のダイアグラムである。

図１に示された装置１は、床にしっかりと固定された固定ベースフレーム２、フレーム２に固定して搭載された気密性の外部ケーシング３、及びケーシング３及びベースフレーム２に、例えば中空の軸５及び適切なベアリング、例えばボールベアリング６により搭載されたローター４を含む。ベアリングは、外部ケーシングの外に配置されることもでき、メンテナンス及び交換を容易にすることができる。

ローター４は、３０〜１００センチメートルの範囲、例えば５０ｃｍの直径を有する。ローター４の壁は熱的にそれ自身公知の方法で熱的に隔離されている。装置１は、駆動手段、ローターを１５００〜９０００ＲＰＭの範囲の速度で回転させるための例えば電気モーター７をさらに含む。損失は、外部ケーシング３における圧力を、例えば真空まで下げることにより減らされることができる。

ローター４は、２つの熱交換器８、９、コンプレッサー１０、膨張チャンバー１１、断熱体１２、及び液体を供給するためのパイプ１３を含む。

断熱体１２は、回転軸５と同軸で延びる環状の中空体を含む。断熱を強めるために、該環状体は断熱物質又は真空を含み得る。断熱体１２及び回転軸５は第一の環状かつ同軸のチャンバー１４の輪郭を定め、膨張チャンバー１１の出口とコンプレッサー１０の入口の間の流体の接続を確立する。

コンプレッサー１０は、複数の羽根１５を含み、ローター４の末端の壁及び断熱体１２の湾曲された末端の壁により境界が画される。

断熱体１２及びローター４の内壁は第二の環状かつ同軸のチャンバー１６の輪郭を定め、コンプレッサー１０の出口と膨張チャンバー１１の入口の間の流体の接続を確立する。熱交換器８の一つは、この第二のチャンバー１６の中に搭載される。例えば、熱交換器８はローター４の回転軸（Ｒ）と同軸のコイル状のチューブ１７を含み、回転可能な流体カップリング１８により供給口１３Ａ及び出口１３Ｂに接続されている。

膨張チャンバー１１は、複数の羽根（示されていない）を含み、従ってタービンとして機能する。熱交換器９の他の一つは、膨張チャンバー１１に取り込まれており、回転可能な流体カップリングにより供給口１３Ｃ及び出口１３Ｄに接続されている。

例えば、ローター４は、（環境温度においてかつローターが回転していないとき）６バールの圧力におけるキセノンで満たされている。

ローター４を回転させることは、流体に放射状の、ローター４の角速度に依存して１０〜２００℃の範囲の温度差（ΔＴ）を有する温度勾配を発生させる。勾配は、コンプレッサー１０において実質的に等エントロピーの圧縮により増幅され、そのこともまたローター内の流体の循環を発生させるか、又は維持する。

本発明の方法及び装置において循環を発生させるかあるいは強化する他の方法は、
１以上の軸流ファン、例えば、膨張された流体を膨張チャンバーからコンプレッサーに運ぶチャンネルに配置されているもの；
少なくとも２のステージを含むコンプレッサー、典型的には同軸のサブローターであって、一つのステージが膨張チャンバーと同じ軸に接続されているものを使用すること
例えば１以上のペルチェ要素により、相対的に冷たい第一の媒体を予備加熱すること
を含む。

相対的に熱い、圧縮された流体は、熱を熱交換器８の媒体に移動させながら、第二の環状チャンバー１６を通って流れる。媒体は、例えば、熱交換器８を逆流方向に流れる水である。加熱された水は家屋を集中暖房するために使用されることができる。

熱を移動させた後、流体はローター４の周辺から回転軸の方へ膨張され、温度を環境温度より低くする。膨張の間、流体は、膨張チャンバー１１における熱交換器９及び環境温度における媒体、例えば環境に由来する水、又はより高い温度における媒体、例えば別の装置からの排気ガス、により加熱される。

最後に、膨張された流体は、第一の環状チャンバー１４を通ってコンプレッサー１０の入口へ流動する。追加の熱が、例えば中空の回転軸５を通って流れる媒体から流体に移動されることができる。別の例においては、ローターを駆動させるための少なくとも１の電気モーターが回転軸の中に搭載されて、このモーターにおいて発散された熱は流体に移動される。圧縮された流体と膨張された流体の間の再生可能な熱の移動は、断熱体により実質的に阻止される。

本発明に従う方法及び装置は、熱、冷たさ及び／又は仕事を相対的に高い効率で発生させることを可能にする。

さらなる実施態様において、コンプレッサーは、主ローターより高い角速度で回転することのできるローターを含む。この実施態様において、ローターの平均角速度（両ローターは回転している）は、微分温度（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を決定する、即ち平均角速度が増大した時、加熱された媒体、例えば集中暖房のための水、の温度が上昇する。複数のローターの速度の差は、その装置の熱出力を決定する。従って、例えば相対的に低い温度において熱の高い出力を生むことが可能である。一般的に、もし装置から出る（相対的に熱い）媒体の温度が用途、例えば集中暖房により要求される温度に相当する温度であるならば、効率はより高い。

この実施態様の例は、図２に示されている。以下の説明は、図１に示された実施態様との差に焦点を当てる。

図２に示された装置１の外部ケーシング３は、次に熱的に断熱の物質、例えば繊維で強化されたポリマーから作られた中央部分３Ａを次に含む外部ケーシング３及び、金属、例えばアルミニウムから作られた末端シェル３Ｂを含む。ケーシング３は、回転軸５により回転可能にフレーム（示されていない）に搭載されており、例えば５５ｃｍの直径を有する。ローター４は、外部ケーシング３の中央部分３Ａの構成部分であり、２つの熱交換器８、９、コンプレッサー１０、膨張チャンバー１１、断熱体１２、及び液体を供給するためのパイプ１３を含む。

断熱体１２は、回転軸５と同軸に延在している、環状の中空体を含む。断熱を強化するために、該環状体は、断熱物質を含み得る。回転軸５は、中空であり、その壁の中のスリット５Ａにより膨張チャンバー１１の出口とコンプレッサー１０の入口との間の流体の接続を確立する。コンプレッサー１０は、回転可能に回転軸５に搭載され、複数の羽根１５を含み、ローター４の末端壁により境界を画されている。

中央部分３Ａにおいて境界を定められている同軸チャンバー１６は、コンプレッサー１０の出口と膨張チャンバー１１の間の流体接続を確立する。同軸チャンバーの断面積及び環状の形状はその長さに亘って一定である。熱交換器８の一つは、この第二のチャンバー１６を包む。例えば、熱交換器８は、同軸チャンバー１６の流体と逆流方向の熱交換のための、軸方向に延びる複数のチューブ１７、及び熱的に隔離された戻りのチューブ（示されていない）であって、回転可能な流体カップリグにより供給口１３Ａ及び出口１３Ｂにそれぞれ接続されているものを含む。

膨張チャンバー１１は、複数の羽根（示されていない）を含みその結果タービンとして機能する。熱交換器９の他の一つは、膨張チャンバー１１に統合され、回転可能な流体カップリグにより供給口１３Ｃ及び出口１３Ｄに接続されている。

例えば、ローター４は（環境温度において、ローターが回転していないとき）１０バールの圧力のアルゴンで満たされている。

この装置のサイクルは、図３Ａ及び３Ｂに示されており、コンプレッサー（１０）による等エントロピー的圧縮（１〜２）、第二のチャンバー（１６）における等圧的熱移動（２〜３）、及び膨張チャンバー（１１）における等温膨張（３〜１）を含む。

別の実施態様において、本発明に従う装置は、最初、冷却たとえば空調システムを提供するように準備され、そして流体の循環が逆転される。熱は、流体の圧縮の間に、例えば圧縮チャンバー（１１）の中の熱交換器（９）により流体から相対的に熱い媒体に、そして膨張の後、間又は膨張の後かつ圧縮の前に、例えば装置の回転軸（５）の中又は該軸についての熱交換器（図に示されていない）により移動され、冷却されるべき媒体に接続される。

さらに別の実施態様において、本装置は、直列又は並列に結合された２以上のローターを含む。例えば、直列の２つのローターを含む構成では、第一のローターからの加熱された媒体は、第二のローターの低い温度の熱交換器に供給される。その結果、第一のローターにおける熱の移動と比較されたとき第二のローターにおける高い温度の熱交換器への熱の移動はかなり増加される。第一のローターからの冷却された媒体は、例えばエアコンディショナーにおける冷媒として使用されることができる。

本発明は、上記の実施態様に制限されず、上記の実施態様は請求の範囲内でたくさんの方法で変化されることができる。例えば、他の媒体、例えば二酸化炭素、水素、およびＣＦ_４がローターの熱交換器において使用されることができる。

１： 装置
２： 固定ベースフレーム
３： 外部ケー＾シング
４： ローター
５： 回転軸
６： ボールベアリング
７： モーター
８： 熱交換器
９： 熱交換器
１０： コンプレッサー
１１： 膨張チャンバー
１２： 断熱体
１３： パイプ
１４： チャンネル
１５： 羽根
１６： チャンバー
１７： コイル状のチューブ
１８： 流体カップリング

Claims (15)

1. 熱を、第一の相対的に冷たい媒体から第二の相対的に熱い媒体へと移動する方法において、
   圧縮性流体の含まれる量を回転軸の回りで回転させること、
   そのようにして、該流体を回転軸から離れる方向に圧縮すること、
   圧縮された流体から熱を第二の媒体に移動させること、
   該流体を回転軸へ向かう方向に膨張させること、
   該膨張された流体と該圧縮された流体との間での熱移動を少なくとも実質的に防止しつつ、第一の媒体から該流体へ熱を移動させること、
   を含む前記方法。
2. 膨張の間に、熱が第一の媒体から流体へと移動される、請求項１に記載の方法。
3. 流体が少なくとも実質的に等エントロピー的に圧縮され、及び／又は少なくとも実質的に等温的に膨張される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 熱が、圧縮された流体から、第二の、相対的に熱い媒体へ、少なくとも実質的に等圧的に移動される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 流体が膨張の後かつ圧縮の前に加熱される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 第一の媒体が環境に由来するものである、及び／又は環境の温度に少なくとも実質的に等しい温度を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 圧縮及び膨張が、種々の速度において回転する別々の複数のインペラーにより行われる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 圧縮性流体が、原子番号（Ｚ）＞＝１８、好ましくは＞＝３６を有する単原子元素を含む、又は本質的に該単原子元素からなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 熱を、第一の相対的に冷たい媒体から第二の相対的に熱い媒体へと移動する装置において、フレーム（２）に回転可能に搭載された気密性のローター（４）及び
   ローター（４）の中に搭載された
   コンプレッサー（１０）、
   熱を流体から第二の媒体へ移動させるための第一の熱交換器であって、ローター（４）の回転軸から相対的に遠くに配置された第一の熱交換器（８）、
   該流体を膨張させるための膨張チャンバー（１１）及び
   該膨張された流体を膨張チャンバー（１１）からコンプレッサー（１０）に運ぶためのチャンネル（１４）
   を含み、第一の熱交換器（８）がチャンネル（１４）から熱的に隔離されている前記装置。
10. 膨張チャンバー（１１）に熱的に接続されている又は膨張チャンバー（１１）の一部を構成する第二の熱交換器（９）を含む、請求項９に記載の装置。
11. コンプレッサー（１０）が主ローター（４）に対して回転することができるローターを含む、請求項９又は１０に記載の装置。
12. 圧縮された流体から第二の相対的に熱い媒体へ少なくとも実質的に等圧的に熱を移動させるように第一の熱交換器（８）が適合されている、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 第一の熱交換器（８）が気密性のローター（４）の回転軸に平行に延在している、請求項１２に記載の装置。
14. ローター（ｓ）を駆動させるための少なくとも１のモーター（７）を含み、該モーター（７）は、ローター（３）の内部に搭載されており、かつ膨張された流体を膨張チャンバー（１１）からコンプレッサー（１０）に運ぶためのチャンネル（１４）に熱的に接続されている。
15. 該熱交換器の１以上がプレート熱交換器を含む、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の装置（１）。

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