JP4625029B2 - 熱を動力に変換するシステム - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一つの圧力容器を備える、熱を動力に変換するためのシステムに関する。この圧力容器は、温及び又は冷流体用の少なくとも一つの上部注入開口部を持ち、また圧力容器内に、運転サイクル（ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｙｃｌｅ）に連結された液体ピストンポンプを備える。

下記特許文献１には、熱を動力に変換するシステム用のガス膨張部材が開示されている。このガス膨張部材は、単体のガスあるいはガス混合体で満たされた密閉圧力容器から成り、可動ピストンを介して効果的に前記システムに接続され、温水用上部注入開口部及び冷水用上部注入開口部と、下部液体排出開口部とを有する。下部排出開口部は、圧力容器を下方に突出させる水だめの下端に位置し、圧力容器よりも大幅に小さい直径を有する。また、前記ピストンは液体ピストンポンプとして形成されており、注入口側で、圧力容器の液体排出開口部に接続され、運転サイクルの液体流入が前記ピストンと関連付けられ、排出口側で、運転サイクルの液体排出口に接続される。

さらに、下記特許文献２には、熱を動力に変換するシステム用のガス膨張部材が開示されている。このガス膨張部材は、ガス混合体で満たされた密閉圧力容器から成り、液体ピストンを介して効果的に前記システムに接続され、温水用上部注入開口部及び冷水用上部注入開口部と、運転サイクルに接続された液体排出開口部を備えた下部開口部とを有する。液体ピストンは圧力容器内に備えられ、単体のガスあるいはガス混合体により影響を受ける耐圧離層が液体ピストンの圧力作用面に浮いている。このようなガス膨張部材はまた、下記特許文献３からも分かる。液体ピストンは、開口部を介して、運転サイクルのフォワードストローク及びバックストロークに接続され、また温水及び冷水用注入開口部に接続される。これらのガス膨張部材は、温水の流入で膨張するガスが液体ピストンに十分には作用せず、注入された温水の比較的大量の熱が液体ピストンに導入されるために前記ガスの膨張にもはや使用できず、このため、熱を動力に変換するシステムは比較的低効率であった点で不都合である。
欧州特許第１１５９５１２号明細書 独国特許出願公開第１０２０９９９８号明細書 米国特許第３６０８３１１号明細書

本発明の目的は、冒頭に示したタイプの熱を動力に変換するシステムを創出することにある。

本発明にしたがって、本発明の目的は、圧力容器が試錐孔（ボアホール：Ｂｏｒｅｈｏｌｅ）を備えた水平壁を有し、単体のガスあるいはガス混合体が前記壁の上側に、液体ポンプが前記壁の下側にあることで、達成される。

水平壁により、温あるいは冷流体に作用するか、交互に影響しあうガスと、液体ピストンポンプとの間の熱分離が達成される。この結果、ボアホールはある種の水だめを形成し、液体ピストンポンプの領域内へのガス状媒質のオーバーフローを減少させ、これにより気体と液体ピストンとの間の熱移動を減少させる。ここでその結果生じた凝縮物はボアホールを通って液体ピストンに達する。さらに、前記壁による局所的限界が、気体の膨張あるいは収縮のための温あるいは冷流体を伴うガスの急速な侵入を確実にする。

好ましくは、ボアホールはガスで満たされた圧力容器の区域の方向に円錐状に広がる。圧力容器の前記壁に近接して広がるボアホールの円錐形形状が、ガスで満たされた圧力容器の区域から凝縮物を回収し導くのに好ましい。ここでボアホールは、その円筒部のために、ガスと液体ピストンとの間の熱移動に有効に働く。

有利な成果によれば、液体ピストンポンプの充填レベル制限のためのボアホールを伴うフロート弁が前記壁内に挿入される。フロート弁は、液体ピストンポンプの衝突が行われるようにするために、圧力容器中でのガスの膨張期間中ボアホールを開き、ガスで満たされた圧力容器の領域中への液体のオーバーフローを防ぐために、液体ピストンポンプの最大充填レベルに達したらボアホールを閉じる。

好ましくは、フロート弁は前記壁にネジ止めされる、プラスチック球を保持するためのパスケットを含み、ここでバスケットはボアホールの円筒部を含む。プラスチック球は液体ピストンポンプの液体よりも低密度であり、ボアホールを閉鎖するように寸法合わせされている。

ガスの温液体との衝突の間、熱損傷からフロート弁のプラスチック球を保護するために、前記構造におけるバスケットはディスタンススリーブを介して配設されるスクリーンを有する。スクリーンはガスあるいはガス混合体で満たされた圧力容器の領域中に突出する。例えば、スクリーンは金属材料で作られ、プラスチック球への流体の直接的な影響を防ぐことができる。さらに、スクリーンは圧力容器中に注入された流体の分配にも寄与し、したがって、流体は圧力容器内でガス中に比較的速く浸透する。

適切には、圧力容器はその下端に、運転サイクルの流路に接続するための接続部を有する。より有効なものとして、接続部は運転サイクルの還流（ｂａｃｋｆｌｏｗ）に連結される。この連結において、運転サイクルの流路及び還流路の双方が接続部に接続され、液体ピストンポンプ内の液体ピストンあるいは充填レベル高は比較的簡単なフロートスイッチにより検出可能であり、あるいはフロート弁で制限可能である。これに代わる手段として、特に、制御可能弁の介在を伴う運転サイクルの還流路が、冷流体用注入開口部あるいは流体用供給容器に至る経路に接続される。運転サイクルの還流路中の流体は比較的低温であり、ガスの収縮をもたらすために、圧力容器中に冷流体として導入することができる。

液体ピストンポンプの直線運動を回転運動に変換するために、流路はタービンに至り、そこから戻り経路が現れる。

給水サイクルの搭載及びシステム内の圧力補正のために、好ましくは、流路は導管を介して供給容器に接続される。供給容器の充填レベルは、挿入されたフロート弁で調整することができる。

本発明の他の構造によれば、供給容器から出る導管は、弁の介在を伴い、流体用加熱及び冷却装置に分岐する。例えば前記弁は、温流体あるいは冷流体を交互に用いる圧力制御方法にて圧力容器内のガスに作用するために、比較的簡単な逆止弁として設計することができる。ここで勿論、制御多岐弁の配置もまたあり得る。適切には、加熱及び冷却装置はそれぞれ、制御弁の介在を伴う注入開口部の一つに連結される。

好ましくは、流体は水、あるいはペンタン、トルエン若しくはシリコーン油を含む有機物質である。この有機物質は、いわゆるオーガニック ランキン サイクル（ＯＲＣ）における動力装置運転（パワープラントオペレーション）に用いられ、環境気圧下で、これらの有機物質が比較的低温で蒸発するという利点を有する。

配列性能のさらなる向上のために、本発明の有利な改良において、ガスの運動が行われた後の圧力容器間の圧力補正のための少なくとも一つの制御可能弁を備えた、二つの圧力容器の間の短絡輸送管路が備えられる。運動段階の終わりに、二つの圧力容器間で圧力差が生じるが、これは一方の圧力容器の温ガスと他方の圧力容器の冷ガスとにより引き起こされる。圧力補正とともに熱流れが起こり、ここで一つの圧力容器にまだ残っている熱エネルギーが、他の圧力容器のガスを補正温度まで熱するために利用される。同時に、圧力容器中のガスの量がガス膨張とともに増加し、ここで、二つの圧力容器間での圧力差における増加が起こり、したがって性能強化も起こる。

前述の特徴及び未だ説明されていない後述の特徴が、示唆された組み合わせにおいてだけでなく、他の組み合わせにおいても利用可能であることは、理解することができる。考慮される本発明の構成は、請求の範囲によってのみ定義される。

本発明は、対応する図面を参照した例示される実施例によって、以下により詳細に説明される。

図１は、本発明にしたがった熱を動力に変換するためのシステムの概略配置図である。図２は、図１における領域ＩＩの一部断面拡大図である。図３は、図２における領域ＩＩＩの拡大断面図である。図４は、図３にしたがった平面図である。図５は、図１にしたがったシステムの圧力−時間ダイアグラムの概略図である。

本発明に係るシステムは、温水用上部注入開口部５及び冷水用上部注入開口部６、及びその下端に運転サイクル８に接続するための接続部７を有する４つの圧力容器１、２、３、４を含む。温水用注入開口部５は、導管９を介して挿入された加熱装置１０、逆止弁として構成された相関弁（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｖａｌｖｅ）１１に連結され、導管１４を介して、オーバーフロー容器として用いられるローディングサイクル用供給容器１５に連結される。さらに、導管１４は、逆止弁として構成された他の弁３７及び冷却装置１３に連結される導管１２を介して冷水用注入開口部６に接続される。各圧力容器１、２、３、４の接続部７は、一方では逆止弁１６の介在を伴う流路１７中に、また他方では逆止弁１８を持つ運転サイクル８の還流路１９中に放出し、ここで流路１７は、タービン２０及び、逆止弁２４の介在を伴う供給容器１５の両方に連結される。圧力容器１、２、３、４を接続する還流路１９は、二方弁としての制御可能弁２２の介在を伴ってタービンに接続される。

運転サイクル８に連結された液体ピストンポンプ２５は、各圧力容器１、２、３、４内に構成される。さらに、各圧力容器１、２、３、４はボアホール２６を備えた水平壁２７を有し、水平壁２７の上部にはガスが存在し、水平壁２７の下部には液体ピストンポンプ２５が存在する。ボアホール２６は、結果として生じる凝縮物を回収し、それを液体ピストンポンプ２５に導くために、圧力容器１、２、３、４のガスで満たされた区域の方向に、圧力容器１、２、３、４の内壁に至るまで、水平壁２７内に円錐状に広がる。フロート弁２８は、水平壁２７にねじ込まれ、圧力容器１、２、３、４中に溶接される。フロート弁は液体ピストンポンプ２５の領域内に、その充填レベルを制限するために、突出する。フロート弁２８の上部正面３０は、ボアホール２６の円錐形状に対応するように設計され、同一平面で閉鎖する。さらに、ボアホール２６の円筒部２９が、フロート弁２８の中央に設置される。ネジ具用の二つの止まり穴３１が、お互い距離を置いて、フロート弁２８の上部正面３０上に配設される。プラスチック球３４は、フロート弁２８のバスケット３２中に配置され、カバー３３で閉鎖される。プラスチック球３４は、液体ピストンポンプ２５の最大充填レベルに達したときに、ボアホール２６を閉じるために用いられる。圧力容器１、２、３、４への温流体の注入の間、熱負荷からプラスチック球３４を保護するために、基本的に長方形のスクリーン３５がディスタンススリーブ３６を介してフロート弁２８の上部正面３０にネジ止めされる。

システムの運転開始時に、図５の矢印Ａで表すように、弁制御方法で圧力容器１及び２間の圧力補正が最初に行われる。矢印Ｂは、温水が圧力容器３に注入される時点を示し、これによりこの圧力容器３中に存在するガスの膨張が引き起こされる。膨張したガスを用いて、液体ピストンポンプ２５の可動ピストンが動き、したがって直動運動が行われ、運転サイクル８の流路１７を介して、回転運動に変換するためのタービン２０に供給される。圧力上昇と、圧力容器３の液体ピストンポンプ２５のピストン運動後の圧力容器３における対応する圧力減少との後に、ボアホール２６を介して液体ピストンポンプ２５に導かれる水が停止する。同時に、矢印Ｃで示されるように、冷却装置１３で調整された冷水が対応する注入開口部６を介して圧力容器４に注入される。この圧力容器４への冷水の注入の間、ガスが収縮し、対応する液体ピストンポンプ２５の可動ピストンを介して運動を行う。この段階の間に、圧力容器１、２はそれらの補正圧力に一致する圧力レベルになる。ガスの有用な膨張あるいは収縮運動の移送後、圧力容器３、４間の圧力補正があり、ここで同時に、冷水が圧力容器１に導入され、温水が圧力容器２に導入され、そのためそれらの相関する液体ピストンポンプ２５が収縮あるいは膨張運動を行う。圧力容器１への冷水の注入の時点が矢印Ｄで示され、圧力容器２への温水の注入の時点が矢印Ｅで示される。

還流路１９の制御可能弁２２は、二つの圧力容器１、２、３、４のそれぞれの間で圧力補正が広がっている間、水が圧力容器１、２、３、４に達するのを阻止するように、接続される。

本発明にしたがった熱を動力に変換するためのシステムの概略配置図 図１における領域ＩＩの一部断面拡大図 図２における領域ＩＩＩの拡大断面図 図３にしたがった平面図 システムの圧力−時間ダイアグラムの概略図

符号の説明

１、２、３、４ 圧力容器
５、６ 上部注入開口部
８ 運転サイクル
１５ 供給容器
１７ 流路
１９ 還流路
２０ タービン
２５ 液体ピストンポンプ
２６ ボアホール
２７ 水平壁
２８ フロート弁
２９ 円筒部
３２ バスケット
３５ スクリーン
３６ ディスタンススリーブ

Claims (14)

1. 少なくとも一つの圧力容器（１、２、３、４）を備えた熱を動力に変換するシステムであって、
   前記圧力容器（１、２、３、４）が、温及び又は冷流体用の少なくとも一つの上部注入開口部（５、６）を有し、また圧力容器（１、２、３、４）内に液体ピストンポンプ（２５）を備え、運転サイクル（８）に連結され、
   前記圧力容器（１、２、３、４）が、ボアホール（２６）を備えた水平壁（２７）を有し、前記水平壁（２７）の上部に単体のガスあるいはガス混合体が存在し、前記水平壁（２７）の下部に前記液体ピストンポンプ（２５）が存在することを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
2. 請求項１に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記ボアホール（２６）が、前記圧力容器（１、２、３、４）のガスで満たされた区域の方向に円錐状に広がることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
3. 請求項１又は２に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記液体ピストンポンプ（２５）の充填レベル制限のためのボアホール（２６）を備えたフロート弁（２８）が、前記水平壁（２７）に挿入されることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
4. 請求項３に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記フロート弁（２８）が、前記水平壁（２７）にネジ止めされる、プラスチック球（３４）を保持するためのバスケット（３２）を含み、
   前記バスケット（３２）が、前記ボアホール（２６）の円筒部（２９）を有することを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
5. 請求項４に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記バスケット（３２）が、ディスタンススリーブ（３６）を介して配設されるスクリーン（３５）を有し、
   前記スクリーン（３５）が、前記圧力容器（１、２、３、４）の単体のガスあるいはガス混合体で満たされた領域に突出することを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
6. 請求項１に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記圧力容器（１、２、３、４）が、その下端に、前記運転サイクル（８）の流路（１７）に接続するための接続部（７）を有することを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
7. 請求項６に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記接続部（７）が、前記運転サイクル（８）の還流路（１９）に連結されることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
8. 請求項７に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記運転サイクル（８）の前記還流路（１９）が、制御可能弁の介在を伴い、前記冷流体用注入開口部（６）か、あるいは流体用供給容器（１５）に至る導管に接続されることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
9. 請求項７又は請求項８に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記流路（１７）がタービン（２０）に至り、前記環流路（１９）が前記タービン（２０）から出ることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
10. 請求項６乃至９のいずれかに記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記流路（１７）が、導管を介して供給容器（１５）に接続されることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
11. 請求項８又は請求項１０に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、導管（１４）が供給容器から出て、前記導管が弁（１１、３７）の介在を伴って、流体用加熱装置（１０）及び流体用冷却装置（１３）に分岐することを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
12. 請求項１１に記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記加熱装置（１０）及び前記冷却装置（１３）が、それぞれ制御弁の介在を伴って前記注入開口部（５、６）の一つに連結されることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、前記流体が、水、あるいはペンタン、トルエン若しくはシリコーン油を含む有機物質であることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。
14. 請求項１乃至１３のいずれかに記載の熱を動力に変換するシステムにおいて、ガスの運動が行われた後の前記圧力容器（１、２、３、４）間の圧力補正のための少なくとも一つの制御可能弁を備えた短絡輸送管路が、二つの圧力容器（１、２、３、４）間にそれぞれ備えられることを特徴とする熱を動力に変換するシステム。

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