JPH01502923A - 熱力学的循環過程 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱力学的循環過程 本発明は、圧縮と膨張を交互に繰り返すガス状作動媒体による執刀学的循環過程 に関する。この方法に用いられるガス状作動媒体は、圧縮後高温時に化学的プロ セスによって体積を膨張させ、膨張後低温で膨張した体積と同じ体積の収縮が起 こる。

一般に循環過程には、その効率に限界があるという問題が存在する。この効率は 、一方に於いては物理法則により決定されるが、他方では構造的な要因により決 定される。このような技術的理由から、多くの場合比較的低い効率でのみこれら の装置を作動することが出来る。

この効率の向上が、上述の型の循環過程において目的とされている（ＵＫ−Ａ２ ，０１７．２２６）ｅそこで述べられている循環過程では、エネルギーを発生さ せるために、供給された熱エネルギーは従来的な加熱により気体の膨張に使われ るのみならず、吸熱的な化学的プロセスによるガスの放出、即ちより一層の体積 の膨張をもんらすＬめに使用される。高温時に於いてより多くの作動気体を得る という利点は、逆にこの熱循環に於ける低温時の膨張に対応する量の発熱的体積 収縮過程で、より多くの熱を低熱源に与えるという欠点をともなう。

本発明の目的は、非常に高い効率を有する最初に述べた型の循環過程を提供する ことである。

本発明によれば、上記目的は体積膨張が発熱的で且つ体積収縮が吸熱的である場 合に達成される。

既知の循環過程とは異なって、付加的な気体を得るためにエネルギーを更に加え る必要がない。それどころか、付加的な気体を発生させるための特定の化学的プ ロセスは発熱的であり、それ故この過程はガスが実際に適当な温度に達したら自 動的に進行する。このように熱エンジンにおいて、高温で供給される熱量が少な いと、効率が向上する。他方、体積収縮は吸熱的であるので、低温時に於いて低 温熱源に与えられるエネルギー量はより少なくて済み、このことも更に効率を向 上させる。この場合熱は低温でも環境から吸収され　６さえする。

この循環過程が熱ポンプに用いられても、同様に効率は上昇する。

熱ポンプでは、熱は低温熱源から吸収され、機械的エネルギーによって高温熱源 に放出される。作動媒体の発熱的化学膨張が高温に於いて起これば、より多くの 熱が高温に於いて放出される。しかしながら、低温に於いては、吸熱化学的体積 収縮のために、より多くの熱量が吸収される。使用された機帷的エネルギーの量 が等しいなら、より多くの熱が得られ、その結果効率は向上する。

このような循環過程を行なえる可能性のある１つの方法は例えば、高温に於いて は個々の成分、極端な場合は個々の原子にまで分解されてしまうような分子状ガ スを使用することである。他の可能性ある方法としては、以下に述べるような、 ガスを吸着する若しくは吸着した金属粉末を加熱することである。

作動媒体は高温に於いてより大きな体積を占めるために、このガスは他の場合よ りもより多くの仕事を行なえる。低温ては、この化学反応及び／又は放出プロセ スとは逆の過程、即ち吸収若しくは吸着プロセスが起こり、その結果このガスは 再び元の体積に戻って、再びその循環を繰り返す。

本発明に使用する作動媒体は、高温時体積膨張の過程で発熱するので、熱エンジ ンの場合は、供給される熱量は非常に少なくて済む。

このことは可成りのエネルギーの節約になる。

好ましい態様では、その化学的プロセスは吸着／放出プロセスである。

特に有利な態様では、少なくともガス状作動媒体の一部分の吸着／放出は、高温 および低温でガスと交互に接触する表面材上でおこる。

この表面材は、高温及び低温のガス体積に達し回転する円盤上に配置されてもよ い。この円盤は、たとえば複数のセクターから成ってもよく、例えば回転軸の上 部のセクターを高温ガスが通過し、回転軸の下部のセクターを低温ガスが通過す る。この場合勿論、高圧ガスが循ＩＩＩ過程の低圧額板にこの円形円盤を越えて 若しくは透過して流入しないように、適当なセクター壁を設けなければならない 。

二〇態様に代わり同様に有利なものとして、作動媒体か互いに化学反応しない２ 成分から成り、この２成分のうちの１成分は通常のガスで残りの１成分は化学反 応及び／又は放出プロセスにより体積膨張／体積収縮を行なうものであってもよ い。勿論化学反応の両タイプを互いに結び合わせてもよい。

２成分の混合系のうち化学反応にあずからない作用ガスは、熱量の、及び／又は 金属粉末をこの循環に従って循環させ又吸着／放出を行なう場所に運ぶ１；めの 、輸送手段としての機能を育する。

吸着／放出を引き起こす金属が円盤上に載置される場合、あるいは粉末の形でガ ス流に乗って移動する場合のいずれにおいても、ガスは水素であってもよい。水 素を吸収する金属として、白金、パラジウム若しくは他の触媒金属を用いてもよ い。

この循環過程が熱エンジンに使用されるならば、膨張エンジンを発電機に接続す ることがより有利である。この発電機は機械的エネルギーに代わって電気エネル ギーを供給する。この場合、加熱容器の熱エネルギーの少なくとも一部分は、こ の発電機から供給されてもよい。特にガスか化学反応及び／又は放出プロセスに よりその体積を増加させる際に強く加熱される場合−その加熱エネルギーの全量 をこの発電機から供給することも出来る。しかし多くの場合、この目的のために 既に存在する熱源を使った方がより容易である。

更に好ましくは、作動媒体の循環用の各部品は、体積膨張／体積収縮をもにらず 反応を促進又は強化する表面を有してもよい。特に加熱容器、熱交換器またはそ れらの部品はそのような表面を有してもよい。

熱交換器は、周囲大気と熱交換を行なうことができる。しかしながら、多量の水 と熱交換も可能である。この目的のためには、必要により水を供給するポンプが 必要である。しかし、これは成る特殊な場合に役に立つが、例えば、熱交換器中 の作動媒体が過剰に低温になることを避けるために、熱交換器を経て外部から送 られてくる空気を最初に圧縮することも可能である。これによりその空気は加熱 される。次いで、その排気ガスは膨張エンジンを経て送られ、その結果周囲空気 の圧を増加するのに使用されたエネルギーを少なくとも部分的に回復する。この ようにして装置全体の効率が更に上昇する。

以下、本発明を具体例により添付図面を参照して説明する。図中第１図は、本発 明の循環過程に従って作動する熱エンジンの構造を図式的に表わした図である。

第２図は、第１図のエンジンの作動モードを説明するためのＰ／Ｖ図である。

第３図は、本発明の循環過程に従って作動する熱ポンプの構造を図式的に表わし た図である。

第４図は、第３図の熱ポンプを説明するためのＰ／Ｖ図である。

第５図は、本発明の循環過程に従って作動する他の熱エンジンを第６図は、数値 例のＰ／ｖ図である。

第１図のエンジンにおいて、ガス状作動媒体は最初に圧縮機ｌにより圧縮され、 次いで矢印に従って加熱容器２に送られる。この加熱容器２は３で示される発熱 体を有し、この発熱体は熱源４により加熱される。勿論この発熱体３は、発熱容 器２の外壁であってもよい。しかし多くの場合、例えば電気加熱の場合、分離し ―発軌体３が用いられる。

圧縮により加熱されｔ二作動媒体は、円盤状エレメント２０の上部を通過する。

この円盤状エレメント２０は軸方向にガス透過性である。他方、周方向へのガス の動きは円盤状エレメント２０上に設けられたセクターによ°り完全に不可能に することはないが、極力制限する。この円盤状エレメント２０はさらにハウジン グにより囲まれており、これにより一方からこの円盤状エレメントに入ってきた 全てのガスは、他方に排出される。円盤状エレメントには水素ガスを吸着した微 粉末が供給される。金属微粉末は、例えば微細状態でシリコーン発泡体上に配置 されていてもよい。本発明に特に好適な金属粉末は、水素を吸着する際に特定範 囲まで冷え、放出する際に熱くなるものである。更に、金属粉末は最大量の水素 を吸着しなければならない。

ガスの温度：よ熱源３により上昇しているのて、水素ガスか金属粉末から放出さ れる。従ってより多量のガスを得、それか膨張エンジン５内で膨張し機械的仕事 を行なう。加えて、この過程が全私的である結果、もとのガスと発生し１：水素 ガスとから成るこの作動媒体は更に加熱される。

この膨張ガス若しくは他の作動媒体は、膨張エンジン５の下方に進んで制御バル ブ６を経て熱交換器７に入る。この熱交換器７の中でこのガスと周囲との熱交換 が起こり、再びもとの温度になる。

この工程に於いてガスは、熱交換器７を何度も通過する。この熱交換器の通過前 後に、ガスは何度も円盤２０の下方領域を通過する。

円盤２０はその間に回転していたので、この低領域にある金属は最初水素を含ま ない。円盤通過時点で金属は水素を再吸着し、この吸着が吸熱的であるので作用 ガスの冷却が同時に起こる。このようにして、より少ないエネルギーが周囲に放 出され、最も好ましい場合では、熱エネルギーが周囲から吸収されることもある 。こうして非常に高い効率が達成される。

次いでこのガスは、再び圧縮機ｌで圧縮される。

周囲との熱交換はモーター９で駆動する換気扇８によって補助してもよい。

圧縮機ｌと膨張エンジン５は、同一シャフトｌＯ上に設置されているので、この 圧縮機は、一旦作動した後はこの回路自体により、即ち膨張エンジン５により作 動させることが出来る。更に得られた機械的エネルギーは、発ｉｆ機１１に送ら れ、その生成電力の一部はライン１２を経て換気扇８のモーター９に送られる。

残りの電力はライン１３により使用可能に取り出すことができる。これに加えて 若しくはこれに代わって、機械的エネルギーもシャフトｌＯより１４において取 り出してもよい。

図：よシャフトｌＯか円盤２０を回転させることも示している。しかしながら、 この場合、円盤２０は圧縮機１、膨張エンジン５及び発電機１１よりも通常低い スピードで回転する。この目的の１こめに減速ギア（図示されていない）が取付 けられる。

次に第２図を用いて操作モードを説明する。水素のない最初の作動媒体は、２７ １７図の１−２の部分で圧縮機ｌにより圧縮され、加熱容器２に送られる。この 加熱容器の中で、ガスは発熱体３で加熱されて、圧力が一定のまま膨張する（Ｐ 　／Ｖ図の２−３の部分）Ｃ次いで円盤状エレメント２０の中で水素ガスが放出 されて、その間エネルギーが放出される（Ｐ／Ｖ図の３−３°の部分）Ｃ更に、 Ｐ／Ｖ図の点３′に於いて、最初のガス（点３の体積）と初め点３では体積０で あったが点３゛で実際の体積になった水素ガスとから作動ガスが構成される。従 って、このＰ／Ｖ図は２つのガスの体積の合計を表わす。

次に、最初の作動媒体と水素は膨張エンジン５内で、仕事をするような方法で膨 張する（Ｐ／Ｖ図で３゛−４°の部分）。この場合、機械的仕事がされる。

次いて水素ガスの吸着が、円盤状エレメントの低圧・低温部で熱の吸収と共に起 こる（Ｐ／Ｖ図の４゛−４０部分）ｅその後最初の作動ガスも冷却される（Ｐ／ Ｖ図で４−１の部分）ｅこの熱は少なくとも部分的に、吸熱的な水素の吸着プロ セスにより吸収される。こうして、ガスは再びもとの状態に戻り（点ｌ）新几な 循環過程を始めることが出来る。

第３図は本発明の循環過程に従って作動する熱ポンプを表わす。

原理的には第３図の熱ポンプと第１図の熱エンジンとは、加熱容器２、発熱体３ 及び熱源４の代わりに熱交換器２１（これにより加熱されるべき媒体、例えば周 囲空気が加熱される）を備える点だけが異なる。

作動に際し、第３図に於ける熱ポンプのシャフト１０は、モーター／発電機１１ によって１３に於いて供給される電気エネルギーにより、又は１４に於いて付与 される機械的エネルギーにより駆動する。圧縮機ｌの中で加熱圧縮されたガスは 、円盤状エレメント２０■中で水素の放出に伴って、更に加熱されるＣ熱は熱交 換器２１９中で加熱されるべき媒体に移される。膨張エンジン５てエネルギーの 一部を回収し１ニ後、ガスの中の水素ガス成分は円盤状エレメント２０の低部に 於いて、熱を吸収し戸から吸着される。膨張により冷却し几ガスは循環を繰り返 すために再び加熱される必要があるので、この時点に於いて更に熱が吸収される 。これに対応する熱は熱交換器７中で周囲から受け取る。

第４図はこの熱ポンプの作用モードを表わすＰ／Ｖ図である。１−２の部分で中 性の作動ガスは断熱圧縮され、水素化物の分解温度、つまり吸着した水素ガスか 放出される温度以上の温度に達する。２−３の部分でガスは円盤状エレメントに 送：）ね、加執を伴う水素の放出が始まるまでこの円盤状エレメントの素材に熱 を放出する。２−３°の部分で水素ガスが発生し、生成熱を放出する。

３−４の部分は作動ガスの断熱膨張を表わす。３゛−４′の部分は作動ガスと水 素との混合ガスの断熱膨張を表わす。水素が存在するために、３−４の部分は３ ゛−４°の部分に変化する。

４°−１の部分で、水素が熱を吸収しつつ再び吸着され、開始点１、即ち、水素 の体積が０に達する。４二ｌの部分で中性作動ガスは熱を吸収し、開始点１に戻 る。

第５図で示される熱エンジンでは、円盤状エレメント２０は使用されていない。

この代わりに金属粉末は循環ガス流に乗って循環する。この熱エンジンでは、作 動媒体の体積膨張を伴う水素ガスの発熱的脱着は、加熱容器２の中で起こる。も ともとある中性作動ガス、水素及び金属粉末は、水素ガスが熱交換器７の中で吸 熱的過程により再び金属に吸着されるまで、この循環回路に沿って運ばれる。し かしながら、発熱及び吸熱過程と、それに対応する体積膨張及び体積収縮の利点 はそのままひきついでいる。不利な点は単に、金属粉末を作動媒体で運ばねばな らないということである。このことはライン、圧縮機及び膨張エンジンの器壁の 摩耗現象をひきおこす可能性がある。

この驚くべき効率の向上は、水素がこの循環過程で不必要なエネルギーの消費を することなく吸着により体積０にまで「圧縮」される、という事実によっても説 明される。

実施例 数値を用いて実施例で、この驚くべき高効率を説明する。この実施例では、１ｋ ｇの窒素ガスのＯ、ｌ　ｋｇの水素ガスを用いる。以下の数値か与えられ、第６ 図のグラフに表わす。

１ｋｇＮｔ＝０．１ｋｇＨｚのＰｌＶ図１　ｋｇｈｔ　−０，１ｋｇＥｔ １１＝０．２９フｋＪ／ｋｇＫ　Ｒ＝４．１２４ｋＪ／ｋｇＫｃｐ＝　１．０３ ９ｋＪ／ｋｇＫ　ｃｐ＝　１４．３８ｋＪ／ｋｇＫｃｖ＝　０．７４３ｋＪ／ｋ ｇＥ　ｃｖ＝　１０．２６ｋＪ／ｋｇＫｖｌ−０，２１０ｍ”　Ｔｌ＝２８３． ＯＯｏＫ　Ｐ１＝４００ｋＰａｖ２−０．１０９ｍ”　Ｔ２＝３６７．８８°Ｋ 　Ｐ２＝　１０００ｋＰａｖ３＝０．１１４ｉ’　Ｔ３＝３８５．ＯＯｏＫ　Ｐ ３＝　１０００ｋＰａｖ３’　＝０．２７３ｉ”　Ｔ３°＝３８５．００°Ｋ　 Ｐ３°＝１０００ｋＰａｖ４°＝０．５２５ｉ’　Ｔ４°＝２９６．１８°Ｋ　 Ｐ４°＝４００ｋＰａｖ４＝０．２２０＋ａ”　Ｔ４＝２９６．１８８Ｋ　Ｐ４ ＝４００ｋＰａ見分」二」ユ 作動媒体１ｋｇを素の断熱圧縮。体積変化仕事（ｃｈａｇｅ　−ｏｆ　−ｓ・ｏ ｌｕｍｅｗｏｒｋ）は、Ｗ＝６３Ｎｍ／ｋｇでるる。

部分２−３： 等圧熱供給量Ｑ＝　１７．７８ｋＪ／ｋｇ、体積変化仕事Ｗ＝５．０８ｋＮａ／ ｋｇである。

部分３−３’： 発熱的化学過程、ガス生成、等圧的充填過程、体積変化仕事Ｗ＝１５８　、８　 ｋＮ／　０　、１　ｋｇＨｔｅ部分３°−４゛： １　ｋｇＮ　ｔ＋０　、１　ｋｇＨｔの断熱膨張、Ｗ＝６５．９５＋９１．５７ 、つまりＷ＝ｌ　５７．５ｋＮ＋ａｅ 部分４’−４： 吸熱的化学過程、ガス吸着、部分３−３°及び３°−４°に於けるＨ２によりな された仕事に相当する熱の畷収Ｗ＝１５８．８−９１゜５７、即ち、Ｗ＝２５０ ．３７ｋＮｍ１０．１ｋｇＨｚ、これには部分４−１かろ０１３．６９ｋＪの消 費熱と熱交換器の周囲かろの２３６６８ｋＪを含む。

部分４−１： 等圧、熱放出Ｑ＝１３．６９ｋＪ／ｋｇＮ、体積変化仕事Ｗ　＝　３　、９　ｋ Ｎ＋ｅ／ｋｇＮｃ 技術仕事（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｗｏｒｋ）：Ｉｔ”　Ｌ−ｔ　＝Ｌ−ｓ−Ｗｓ −ｓ’−，Ｌ’−”−Ｌ−ｒ＝−６３−５，Ｆ−１５８，８＝１５７．５−３． ９＝２５４．５ｋＮ＋ｅ Ｅ＝Ｗｅｘ 発熱化学過程： 技術仕事に関する要求生成エネルギー５ＨｓＨ＝２５０ｋＪ１０．１ｋｇＨｔ、 活性貯蔵前面（ａｃｔｉｖｅ　ｓｔｏｒａｇｅｓｕｒｆａｃｅ）の熱に関する生 成エネルギーｓＨ（概算）ｓＨ＝＋　４０ｋＪ１０　、１　ｋｇＨｔ。生成エネ ルギー５Ｈｔｏｔ＝　３９００　ｋＪ　／　ｋＬす辷ＬＬ」ｊ１１虹 輸送体積（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｖｏｌｕｍｅ）に関する仕事性能ＷｔＬｔｒ＝ ４８４．７６％ｍ／ｌｉｔｒｅ国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ムＥ＝　ＩＮ置’ＪＡＴＩＯＮＡＬ　ＳＬ”、ＲＣＨＲＥＤ ’ＯＲ：　ＯＮ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．交互に圧縮と膨張を繰り返し、作動媒体として圧縮後高温で化学的プロセス により体積膨張し、膨張後低温で対応する体積収縮するガス状作動媒体を用いる 熱力学的循環過程において、前記体積膨張が発熱的であり、かつ前記体積収縮が 吸熱的であることを特徴とする熱力学的循環過程。
2. ２．該化学的プロセスが吸着／放出プロセスである請求項１記載の循環過程。
3. ３．少なくとも該ガス状作用媒体の一部分の吸着／放出が高温ガスと低温ガスと に交互に接触する表面材上でおこる請求項２記載の循環過程。
4. ４．該表面材が高温及び低温のガス体積中に達し、回転する円形円盤上に配置さ れている請求項３記載の循環過程。
5. ５．ガス状作動媒体が互いに化学反応を起こさない２成分から成り、これらのう ちの１つは通常のガスで、もう一方のガスは化学反応及び／又は放出プロセスに より体積膨張／体積収縮を行なうものである請求項１〜４のいずれか１つに記載 の循環過程。
6. ６．ガスと粉末の混合物が作動媒体として使用され、化学反応及び／又は放出プ ロセスにより体積膨張を行なう請求項１、２若しくは５いずれか１つに記載の循 環過程。
7. ７．金属粉末が粉末として使用される請求項６記載の循環過程。
8. ８．水素がガスとして使用される請求項１〜７いずれか１つに記載の循環過程。
9. ９．機械的エネルギーを発生させるために、作動媒体用の圧縮機、圧縮された作 動媒体を加熱するための加熱容器、機械的エネルギーを発生させるための膨張エ ンジン及び熱エネルギーを周囲と交換するための熱交換器を用いる請求項１〜８ いずれか１つに記載の循環過程。
10. １０．機械的エネルギーから熱を得るために低熱源を冷却して行なわれることを 特徴とする請求項１〜８のうちの１つに記載の循環過程（熱ポンプ）。
11. １１．作用媒体の循環容器の部品が、体積膨張／収縮をもたらす反応を促進し若 しくは強める表面を有する請求項１〜８いずれか１つに記載の循環過程。
12. １２．作動媒体の温度が周囲温度よりも低い場合、熱エネルギーが熱交換器を経 て吸収される請求項１〜１１いずれか１つに記載の循環過程。
13. １３．少なくとも１つのガスは合成的に作られ且つもう一方のガスに対し触媒の ような働きをする２種類のガスの混合物が作動媒体として使用され、化学反応及 び／又は脱着過程により体積膨張を行なう請求項１〜１２いずれか１つに記載の 循環過程。