JPH02153267A

JPH02153267A - ジュールサイクル機関

Info

Publication number: JPH02153267A
Application number: JP30672188A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Nishi; 西　武宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-03
Filing date: 1988-12-03
Publication date: 1990-06-12

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】（産業上の利用分野）本発明はジュールサイクル機関に係り、特に、大気（こ
こに大気とは空気又は水をいう）中のエネルギを有効利
用するものであって、ガスタービンで仕事をなしたガス
状冷媒を、膨張シリンダに導入して、この膨張シリンダ
にてジュール・トムソン効果を発揮させて、冷媒を低温
の液状冷媒としてサイクルを形成し、自動車の駆動や発
電その他に利用する機械出力を発生するものに関する。

加圧して上記熱交換器に移送する循環ポンプとを具備し
たことを特徴とするジュールサイクル機関（２）請求項
１記載のジュールサイクル機関において、膨張シリンダ
の吹出口は吹出方向にその流路面積を拡大するものであ
ることを特徴とするジュールサイクル機関。

分に相当するといわれている。この太陽エネルギは、大
地や海水との授受の結果、最終的には大気が７０％保有
することになる。

しかしながら、このような大気の保有するエネルギを効
率良く利用する機関はながった。僅かに、逆カルノーサ
イクルの冷暖房装置が大気のエネルギを利用するもので
あるが、この場合には、１ＫＷの電力を利用して３ＫＷ
程度の熱出力を得るものである。これは成績係数はよい
が、熱に対してのみ低温を得たり、５０℃程度の温度を
得るものであるに過ぎず、エクセルギ８程度の熱エネル
ギしか得られない。そこで、機械動力や電力のようにエ
クセルギ１００のエネルギを得られるように、大気中の
エネルギをさらに有効利用できる機関の実現が要求され
ていた。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目
的とするところは、大気が保有している多大なエネルギ
を有効に利用して、エクセルギ１゜Ｏの機械動力や電力
として利用することが可能なジュールサイクル機関を提
供することにある。

（課題を解決するための手段）一般に、大気のエネルギを機械的エネルギに変換する方
法としては、大気に溶解された水蒸気が保有する潜熱と
ともに水蒸気分圧を機械的エネルギに変換する方法と、
大気の保有するエンタルピを熱交換器等で吸収する方法
とがある。前者については既に龍巻現象を利用する回転
体として出願しており、本発明は、後者の方法によるも
のである。

実存の気体が断熱膨張した場合にはその温度は低下する
。その際、比熱比とガス定数によって低下率が大きく変
化する。これは、ジュールとトムソン（ケルビン）によ
って気体の種類別に解析されていて、その関係式はジュ
ール・トムソン効果と称されている。本発明は、このジ
ュールトムソン効果を膨張シリンダでなすものである。

すなわち、本発明の第１請求項によるジュールサイクル
機関は、低温の液状冷媒を空気又は水と熱交換させて気
化させて高圧ガスとしてガスタービンに供給する熱交換
器と、上記ガスタービンの二次側にガスタービンと一体
に回転可能に配置され冷媒流通方向にその流路面積を拡
大させた膨張胴及びこの膨張側内に放射状に取付けられ
た複数の翼とからなり上記ガスタービンで仕事をなした
ガス状の冷媒を導入して断熱膨張させて凝縮・液化させ
て低温の液状冷媒とする膨張シリンダと、上記液状冷媒
を加圧して上記熱交換器に移送する循環ポンプとを具備
したことを特徴とするものである。

又、第２請求項によるジュールサイクル機関は、請求項
１記載のジュールサイクル機関において、膨張シリンダ
の吹出口は吹出方向にその流路面積を拡大するものであ
ることを特徴とするものである。

（作用）第１請求項によるジュールサイクル機関は、熱交換器に
おいて、低温の液状冷媒と空気又は水とが熱交換して、
低温の液状冷媒は気化して高圧ガスとなる。この高圧ガ
スはガスタービンに供給され、ガスタービンを駆動する
。このガスタービンの駆動により、例えば、発電機を回
転させたり、あるいは各種機器を直接駆動する。

上記タービンで仕事をなした冷媒は、膨張シリンダに導
入され、そこで断熱膨張されジュールトムソン効果によ
り、低温の液状冷媒となる。ずなわち、膨張シリンダは
膨張胴とこの膨張胴に設けられた複数の翼から構成され
ていて、導入された冷媒は遠心力の作用により、外側で
高圧となり、内側で低圧となって吹出される。その際、
断熱膨張がなされ、冷媒は低温の液状冷媒となる。

上記液状冷媒は循環ポンプによって加圧され、上記熱交
換器に供給される。以下同様のサイクルを繰り返す。

又、第２請求項によるジュールサイクル機関の場合には
、膨張シリンダの吹出口を吹出方向にその流路面積が大
きくなるようにしたものである。

よって、より効果的に断熱膨張をなすことができる。

（実施例）以下第１図ないし第３図を参照して本発明の第１の実施
例を説明する。第１図は本実施例によるジュールサイク
ル・タービン発電装置の全体構成を示す構成図であり、
図中符号１は熱交換器である。この熱交換器１の二次側
は循環配管３を介してガスタービン５に接続されている
。上記ガスタービン５はガスタンク７内に収容されてい
て、ノズル部９及び動翼部１１とから構成されている。

上記ガスタービン５の二次側には膨張シリンダ１３が接
続されている。この膨張シリンダ１Ｂは、膨張側１５と
、吹出口１７とから構成されている。上記吹出口１７は
」１記ガスタンク７内に開放されている。

上記ガスタンク７には循環配管１つが接続されていて、
この循環配管１つは上記熱交換器］の一次側に接続され
ている。上記循環配管］９には、ガスタンク７側から、
液バルブ２１、逆止弁２３、循環ポンプ２５が順次介装
されている。又、前記循環配管３には、ガスバルブ２７
か介装されており、又、このガスバルブ２７の二次側と
カスタンク７との間には配管２つが介装されていて、こ
の配管２９には起動用バルブ３１が介装されている。

前記ガスタービン５と膨張シリンダ１３は軸３３を介し
て同軸に設置されており、さらに、ガスタンク７の外に
配置されたモータ３５も同軸に連結されている。上記モ
ータ３５は起動時に動作するとともに、発電機として機
能する。尚、上記軸３３のガスタンク７の貫通部には、
メカニカルシール３７．３７が設置されており、又、軸
３３の両端部は軸受３９．３９により回転可能に支持さ
れている。又、図中符号４１はカップリングであり、こ
のカップリング４１を介して上記軸３３とモータ３５の
回転軸４３とが一体化されている。

次に前記膨張シリンダ］３の構成をさらに詳細に説明す
る。既に述べたように、膨張シリンダ１３は、膨張側１
５と、吹出口１７とから構成されており、膨張側１５は
略円錐形をなしていて、冷媒流通方向に向かってその流
路面積が拡大されている。又、その内部には複数枚の翼
４５が放射状に設置されている。又、吹出口］７は円筒
状をなしていて、翼４５が延長して設置されている。

尚、前記タンク７の底部には、液化冷媒を溜めておく液
溜が設置されている。

以上の構成を基にその作用を説明する。

熱交換器１には、Ｐｌの圧力が常時作用している。この
圧力Ｐ１は、作業流体のその時点における大気の温度に
相当する圧力である。循環ポンプ２５により加圧された
低温の液状冷媒は、上記熱交換器１にてファン２により
供給される大気と熱交換して、大気温度近くまで加熱さ
れる。加熱されな冷媒は高圧のガス状冷媒となる。上記
熱交換器］の熱貫流率は風速によって異なるが、略１３
〜３０Ｋｃａｌ／　℃＋ｎ”　ｈ程度である。又、ガス
状冷媒は、大気の温度と冷媒の種類にも左右されるが、
Ｒ−２２のとき略０℃〜２０℃、５　ｋｇ　／　ｃｌ、
　〜１０　ｋｇ　／　ｃ％の内部エネルギを保有してい
る。

上記ガス状冷媒は、循環配管３、ガスバルブ３７を介し
てガスタービン５に供給される。このとき、ガスタービ
ン５のノズル部９からの噴出速度は、２００〜４００ｍ
／ｓ程度である。これによってガスタービン５の動翼１
１は回転し、発電機として機能するモータ３５を回転さ
ぜる。

ガスタービン５で仕事をなした冷媒は、膨張シリンダ１
３内に導入される。この膨張シリンダー３にて、既に述
べたジュール・トムソン効果が行われ、圧力Ｐ２まで低
下される。そして、膨張シリンダ１３にて、遠心力の作
用により、冷媒は中６部で低圧となり、周辺部で高圧と
なって、ガスタンク７内に噴出される。このとき、断熱
膨張が行われ、冷媒は低温の液状冷媒となる。

この断熱膨張をさらに詳細に説明する。膨張シリンダ１
３内に導入されたガス状冷媒は、膨張シリンダ１３とと
もに回転する。その際、流通方向に向かって半径か大き
くなっているので周速が早くなり、速度が速くなれば圧
力が低下する。これはベルヌーイの定理より明らかであ
る。この圧力が低下した方向に向かって流れが発生する
。このとき、入口から自由にガス状冷媒を供給すれば断
熱膨張は起こらないか、流量か入口で絞られ、かつ流路
断面積が拡大されているので、断熱膨張が起こる。又、
その際、機械エネルギの消費がなされる。ちなみに、従
来のように圧縮機を使用する場合には、圧縮機により機
械エネルギを与えておき、自ら膨張しようとする高圧の
条件を予め作っているものである。又、高圧部から低圧
部に開放して膨張させ、その際、熱の補給・供給を行わ
ないものを断熱膨張というのに対して、本実施例の膨張
胴１３におけるものを特に強制断熱膨張と称す。

又、断熱膨張を起こさせる要因を整理してみると、次の
■ないし■となり、これらによって効果的な断熱膨張が
なされる。

■タービン５のノズル部９の絞り効果。

■膨張シリンダ１３が流通方向に拡径されていること。

■膨張シリンダ１３の回転により翼４５を介してガス状
冷媒に回転が付与される。

■ガス状冷媒に流れが発生すること及び遠心力による外
周への圧縮作用。

■機械的エネルギの付与。

又、膨張は、膨張シリンダ１３側でのものと、膨張シリ
ンダ１３を出るときのものとの２つがあり、前者が既に
述べた強制断熱膨張（−次膨張）で、後者が二次膨張で
ある。

そして、低温の液状冷媒は循環配管１９、液バルブ２１
、逆止弁２３を介して、循環ポンプ２５に吸引され、加
圧されて上記熱交換器１に供給される。以下同様のサイ
クルを繰り返す。

尚、本機関の起動は、ポンプの停止中、起動バルブ３１
を開いてモータ３５に他の電源を供給し、予め冷媒を液
化させて、その後に平常のサイクルに移行する。

以上の作用をモリエル線図に示すと、第５図のようにな
る。図中符号■で示す位置が熱交換器１の入口であり、
符号■で示す位置が熱交換器１の出口である。■〜■は
熱交換器１内での作用であり、液体冷媒を気化させるの
に要する気化潜熱の補給をなしている部分であり、エン
タルピ増加工程である。又、符号■で示す位置が膨張シ
リンダ１３の入口であり、■〜■はタービン５内での作
用である。ここで線図が傾斜しているのは、単なるエン
タルピの変化だけではなく、機械的出力が含まれている
ことを示す。又、符号■で示す位置が計算上の膨張終止
点、さらに符号■で示す位置が膨張シリンダ１３の出口
であるとともに、タンク７内の状態でもある。■〜■は
、膨張シリンダ１３の内部と、吹出口１７の周辺におけ
る冷媒が、ジュール・トムソン効果によって低温となり
液化する状態を示しており、液化に必要な凝縮熱の放出
をなしているとともに機械的仕事をしている又、本実施
例によるジュールサイクル・タービン発電装置のＰ・Ｖ
線図を第６図に示し、又、Ｔ・Ｓ線図を第７図に示す。

ここで第７図を参照して理論成績係数について述べる。

まず、理論成績係数を考える前提として、循環ポンプ２
５、熱交換器１、ファン２が消費するエネルギは僅かな
ものであるので考えないこととする。そして、熱交換器
１からの入力エネルギ、換言すればガスタービン５の出
力と、冷媒を液化するために膨張シリンダ１３が使用す
る負荷との差が発電電力になるものとする。

理論吸収熱量ｑ１ｔｈは次のような値となる。

ｑ１ｔｈ＝面積ｄｃｆｅ＝Ｃｐ　−（Ｔｃ　−Ｔｄ　）
理論使用熱量ｑ２ｔｈは次のような値となる。

ｑ２ｔｈ＝面積ａ　ｂ　ｆ　ｅ　＝Ｃｐ　・（Ｔｂ　−
Ｔａ　）理論所得仕事量Ａｊｔｈは次のような値となる
。

Ａｊｔｈ二面積ａｂｃｄ −ｑ、Ｌ）Ｉ　　Ｑ２ｔｈ＝ＣＰ　　（Ｔｃ　−Ｔｄ　　）　−Ｃｐ　　（Ｔｂ　
　−Ｔａ　　）面積ｄｃｆｅ−面積ａｂｆｅ＝圧縮仕事ＡＬｃｔ−膨張仕事ＡＬｅｔｈ−熱交換器吸
収エネルギー膨張液化エネルギそして、理論成績係数ε
ｔｈは次のようなものである。

εｔｈ−理論所得エネオルギ／膨張液化エネルギこの理
論成績係数は、圧縮比（Ｐｉ／Ｐ２＞が小さくなればな
るほど向上する。又、逆ジュール・サイクルからの類推
と膨張によるエネルギの返還を含めれば、５〜１．５の
範囲の値となる。又、循環ポンプ２５、ファン２等のエ
ネルギ損失を考慮すれば、３〜１程度の値になる。

以上本実施例によると以下のような効果を奏することが
できる。

まず、大気中のエネルギを有効的に使用して発電をなす
ことができ、その際、各種燃料等を何等消費するもので
はなく、発電コストを大幅に下げることができる。これ
は、膨張シリンダ１３の採用により可能になったもので
あり、この膨張シリンダ１３を使用して、冷媒を断熱膨
張させて、低温の液状冷媒とすることができるからであ
る。

又、構成も簡単であって、コンパクトであるので、自家
発電装置として手軽に使用することができる。

次に、第８図を参照して第２の実施例を説明する。これ
は、膨張シリンダ１３の吹出口４９を、その流路面積が
吹出方向に向かって拡大されるように形成したものであ
る。

したがって、前記第１の実施例と同様の効果を奏する事
ができるとともに、さらに効果的に断熱膨張をなすこと
ができる。

尚、前記各実施例では、発電機としてのモータ３５を回
すようにしたが、これに限定されるものではなく、機械
的動力として直接各種機器を駆動するようにしてもよい
。

又、前記各実施例では、膨張シリンダ自体を回転させる
構成としているが、これに限定されるものではなく、翼
を軸に固定しておき、この翼だけを回転させて、膨張シ
リンダ自体は固定としておいてもよい。

又、前記各実施例における翼は平面的になっているが、
これを軸方向に所定のピッチで捩じって設置してもよい
ｌ旋状に設置する）。そうすることにより、軸方向流れ
の発生を促進することができ、膨張シリンダの作用・効
果をさらに高めることができる。

さらに、既に述べたように、大気とは水をも含んだもの
であり、よって空気から熱を吸収するのではなく、水、
例えば海水等から熱を吸収する構成でもよい。ちなみに
、このときの熱交換器１の熱貫流率は略５００〜７００
Ｋｃａ　ｌ／℃ｒｎ２ｈ程度であり、空気に比べて効率
的である。

（発明の効果）以上詳述したように本発明によるジュールサイクル機関
によると、大気中のエネルギを有効的に利用して、所望
の機械的エネルキを極めて安価に提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図は本発明の第１の実施例を示す図で
、第１図はジュールサイクル　ターヒン発電装置の全体
構成図、第２図は膨張シリンダの正面図、第３図は第２
図のＩＩＩ　−ＩＩＩ断面図、第４１り１は膨張シリン
ダの斜視図、第５図はモリエル線図、第６図はＰＶＶＨ
２第７図はＴＳ線図、第８図は第２の実施例を示す膨張
シリンダの正面図である。１・・・熱交換器、２・・・ファン、５・・・ガスター
ビン、１３・・・膨張シリンダ、１５・・・膨張胴、１
７・・・吹出口、４５・・・翼。出願人代理人　弁理士　石垣遠度 −Ｖ第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）低温の液状冷媒を空気又は水と熱交換させて気化
させて高圧ガスとしてガスタービンに供給する熱交換器
と、上記ガスタービンの二次側にガスタービンと一体に
回転可能に配置され冷媒流通方向にその流路面積を拡大
させた膨張胴及びこの膨張胴内に放射状に取付けられた
複数の翼とからなり上記ガスタービンで仕事をなしたガ
ス状の冷媒を導入して断熱膨張させて凝縮・液化させて
低温の液状冷媒とする膨張シリンダと、上記液状冷媒を
加圧して上記熱交換器に移送する循環ポンプとを具備し
たことを特徴とするジュールサイクル機関。
（２）請求項１記載のジュールサイクル機関において、
膨張シリンダの吹出口は吹出方向にその流路面積を拡大
するものであることを特徴とするジュールサイクル機関
。