JPH02291478A - 排熱の少ない熱と機械エネルギの変換装置 - 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】 本発明は，石炭や石油などの燃焼熱エネルギや，工場排
熱などの熱エネルギより機械エネルギのエネルギ変換に
際しての能率を上げるものである。また，逆に機械エネ
ルギを使って熱を吸み上げるヒートボンプ，冷凍機およ
び冷房装置など機械エネルギより熱エネルギのエネルギ
変換の能率の向上に関するものである。以下の説明にお
いては，熱より機械エネルギの変換について述べており
，ヒートポンプや冷凍機など（よ全く逆の原理で作用す
るので重復を除けて説明を省略した。

第１図に，従来のエネルギ変換の一例としてランキンサ
イクルを示した。同図の横軸は比容積で，縦軸は圧力で
ある。ランキン理論サイクルの出入の熱エネルギの関係
を式で示せｆｆ式（１）となる。

ＱＩＲ＝ＱＲ＋Ｑ２Ｒ−・・−・−　（１）ここで，Ｑ
ＩＲは外部からサイクルへ加えられる熱エネＪレギ７で
．この中から有効に機械エネルギＬｃ変換されたものが
，ＱＲでＱ２Ｒは外部へ徘棄される熱エネルギである。

ｍｌ図で問題なのは，Ｑ２Ｒが非常に大きいことである
。

第２図で，ランキンサイクルとカルノーサイクルを比較
した．周知のように従来のエネルギ変換サイクルはカル
ノーサイクルが最良である。周知の式であるが，カルノ
ーサイクノレの効率を式（２）　に示す。

ｌｃ＝　］Ｔ−−−−−−　−（２） ここで，′ｌｃ：カルノーサイクルの効”ＥＴ＋　，Ｔ
ｆｆｉ高熱源および低熱源絶体温度Ｋである。

このため，理論効率を上げるため従来採用されてレ１る
万法は２つあり１つは熱源を高温（したがって高圧）に
することと，第２は，低温源の温度を低くすることであ
ったが，この発明は従来の方法と異った別の方法につい
てのものである。

式（２）で示す熱サイクルの効率を熱量表現にすれば式
（３）ここで＋Ｑ＋ｃ二高熱源よりカルノーサイクルが
受け取る熱ｆｆｉＱｚｃ低熱源へカルノーサイクルが排
棄する量である。

第２図は，ランキンとカルノーサイクルを比較したｐ−
Ｖ線図である。同図において，１−２−３−４はカルノ
ーで，１−２’−３’−４′はランキンである。３ｔ′
−３’−４′は飽和液線，ｌ−２は断熱膨張２−３は等
温等圧の圧縮，３−４は断熱圧１ｇ，４−１は等温等圧
膨張である。ランキンがカルノーと異なるのは３−４′
が等容圧縮である点である。

第２図の両サイクルの比較でカルノーの効率が良いのは
排熱の違いである点に着目した。すなわち，ランキンで
は，同図の２−２ｏ−３ｏ３の、５８Ｎに相当する４１
ｒ訪があるのに反し，カルノーでは，２−２ｏ−３．−
３であり，面積３−３，−３ｏ−３だけ少ない。これを
式で示せば式（４）　ｌ：なる。

Ｑ２Ｒ＝Ｑ２Ｃ＋ＱＳＣ　−　−　−　−　−　一（４
）ここで発明者は，ＱＳｃなる熱量は作動熱媒体の飽和
液の中へ閉じこめられる点に注目した。このことは，本
発明の核心をなすものなので，つぎの第３図を月いて更
に説明する。

第３図は，話を具体的にするため熱媒体として水（Ｈ２
０）を用い，温度範囲を１００〜σＣ（以下・す６てこ
の温度を用いる）・舅３図は，第２図の３−４の変化を
感覚的に理解し易すくするために示した。同図で，１は
シリンダで．２はピストンである。

３は水で．４は水蒸気である。第３図の（ａ）は第２図
の３点の状態で，（Ｃ）　は犯２図の４点で，（ｂ）は
，３−４の間の状態を示す。

第３図の（ａ）状態（すなわち，２ｇ２図の３点）では
，作ＩｌｌｌＩｇＸ体の乾き度がｘ＝ｏ．ｔ４３である
。温度は１，＝　Ｏ’　Ｃであり，（ａ）に示すシリン
ダーに１４３ｇの水蒸気が入っており，シリンダーの下
部には８６７ｇの水の飽和蔽がある。（ここでは，作動
媒体，水，ｌｋｇについて考えている）シリンダーには
摩擦のないピストンがついており，これを用いて準静的
（除徐に）圧縮すれば，上部の水蒸気が水の中へ押し込
められる。圧縮の進后とともに飽和液の温度が上昇し，
（Ｃ）図（すなわち４点）では，蔽温はｌＯＯ°Ｃに上
昇する。もちろんこのとき，ピストンに外部より圧縮機
械仕事（工業仕事Ｗｖｓ）を加える必要がある。ここで
，第２図で比較した等温等圧のカルノーサイクル＋　（
１−２−３−４）がランキンより有利な点は，カルノー
の圧ｉｊｇ３−４がランキンの圧縮３’−４’−４より
温度上昇に必要なエネルギが少ないためである。以下，
これを数値的に説明する。ランキンで３−４’−４に変
化させるには，１００°Ｃと０９Ｃの水の熱量差１００
ｋｃａｌに３−４の等容圧縮に必要な機械エネルギ（こ
こでは，数値的に小さいので，このエネルギは首略して
考える）が必要である９すなわち．ランキンでは１００
ｋｃａｌ以上のエネルギが必要であるが，これに反して
，カルノーでは，３点で何する水蒸気１ｋｇ当りｉ’？
　＝　８５．４　ｋｃａｌ　（水の物゛）！を示す水蒸
気表を用い１の計算値）に外部より圧縮工業仕事Ｗｖｓ
＝１４．６　ｋｃａｌを加えて，３一４の変化でＩＯＱ
″Ｃの熱水を作る。ここで，水蒸気が低温で有する８５
．４　ｋｃａｌはランキンサイクルでは利用出来ないエ
ネルギの排熱（潜熱の形の排熱なので排潜熱とも呼ばれ
る）であるので，カルノーでは３−４で必要なエネルギ
は排熱の８５．４ｋｃａｌは考える必要はな＜　１４．
６　ｋｃａｌですむ。ここで，ｊ３＝８５．４　ｋｃａ
ｌを排（潜）熱と以下呼ぶことにする。また，この過程
で必要な圧縮工業仕事Ｗｖｓを後で説明する理由により
．カルノーのスプリング工業仕事を呼ぶことにした。ま
た，このような３−４の過程をカルノーの閉じ込め（カ
ルノークローズ）と呼ぶことにした。

等温等圧のカルノーサイクルにおいて，第２図の３−４
の圧縮で，通常は徘潜熱であるΔｉ’３　＝８５．４　
ｋｃａｌに外部工業仕事Ｗｖｓだけを加えてＩＯＯ’Ｃ
の熱水を作ることが何利なことを，まえに，述べたが，
熱水中に閉じ込められる排潜熱へ１３は，３−４過程の
あと４点では，熱水のｉ４の中に貯えられており，この
エネルギは４−１過程のあとｌ点で，蒸気のエネルギ，
／７の中へ吐き出される。一方．３−４で外部より加え
られたＷｖｓは，１−２の過程で膨張工業仕事の中に吐
き出して取り出される．以上のように，ｉ′３やＷｖｓ
はカルノーサイクルの圧縮過程では貯えられ，また，膨
張過程で吐き出される。これは，機械的スプリングが圧
縮では，機械エネルギが貯えられ，伸長時に同じ量のエ
ネルギが取り出されるのと同じようなので，ここで，ｌ
３左へ　ν７ク　潜熱と呼び．また，Ｗｖｓをスプリン
グ工業仕事と呼ぶことにした。

この発明は，等温等圧のカルノーサイクルの圧縮過程（
第２図の３−４過程）で，ランキンサイクルでは，排棄
される熱量を閉じ込める点に着目した。等温等圧カルノ
ーサイクルとランキンサイクルとの構成の違いを男４図
と第５図で，その違いを説明した。

第４図は，等温等圧のカルノーサイクルを実行させる機
関］ｌはシリンダ，２はピストン，３は制御弁，４はカ
ルノーの蒸発凝！？ｆｉ！ｉ，５は加熱管，６は冷却管
，を示す。また，第５図はランキンのエネルギ変換装置
を示す。同図において，ｌはシリンダ，２はピストン，
３．４は制御弁，５は蒸発器，６は加熱管，７は凝縮器
，８は冷却管，９は加圧液ポンプを示す。カルノーとラ
ンキンで大幅に異るのは排熱過程で，第５図のランキン
では，蒸発は５で外部から加熱（ＱＩＲ　）　　されて
行われ，凝縮は７の内部の８の冷却管で外部へ排熱され
て実行される。第４図のカルノーが第５図と興なる点は
，同図の４なるカルノー蒸発・凝縮器がある点である。

外部加熱Ｑｌ（，と行うことおよび外部への排熱冷却（
ｈ（を実行させることはランキンと同じであるめ第２図
の３−４の圧縮過程では，第４図の５なる加熱ｆｆｉＶ
ｉＦの加熱もやめ，また，６なる冷却管での排熱もやめ
て，ピストン２より外部工業仕事を加えて，シリンダ内
の排ガスを４なる蒸発・凝縮器の下部の飽和水の中へ圧
入させる。この過程でカルノーのスプリング潜熱Ｑｓｃ
が飽和水の中へ閉じ込められる。両サイクルの排熱の関
係を示したのは前述の式（４）　であり，ここで式（２
）　の形でカルノーとランキンの効１．ｉ丞せば，っぎ
つ欠（鑓）Ｙ々５５ ここで，ｌＲはランキンの効率を示す。

ｔＪ（５）（６）においてＩＱＩｃ　＝ＱＩＲとしても
カルノーのスプリング潜熱Ｑｓｃだけ，カルノーの方が
ランキンより排熱が少ないので，それだけ効率が良いこ
とになる。この発明は，熱サイクルの排熱の中で現在の
ところ一番少ないカルノー排熱Ｑ２Ｃより．更に小さく
することは出来ないかと考えた。周知のように，熱サイ
クルの中で式（５）に示されるＱ２Ｃが最ガ＼で，これ
より小さくすることは従来は困難であった。

発明者は，現在カルノーの排熱Ｑｚｃより少なく出来な
いかと考えた。熱媒体１つでは，カルノー排熱より小さ
くすることは困難であるがこれは熱媒体が１つなので，
これを２つ以上に組合せたらどうかと考えた。

発明者は組合せる２つの熱媒体としてフロンｌ１４（以
下Ｒｌｌ中と略）とＮ１１３を選定した。これら両媒体
を選定した理由は断熱膨張時の乾き（又は，湿り）特性
の違いからである。すなわち，前者のＲ　ｎｔｐは断熱
膨張時に乾爆するのに反し，後者の間３は断熱膨張時に
温める。このことは簡単なことではあるが，本発明に重
要な意味を持つので，以下更に詳述する。

発明を理解し易くするため，高温を１００°Ｃとし，ま
た，低温を０″Ｃと仮定し計算した結果について述べる
。

第６図に，両熱媒体Ｒ鴎およびＮＨ３の熱媒体の性能の
比較をｐ−ｉ，ｔＲ図で比較した。縦軸はＲｕ４および
ＮＨ３の圧力で，両媒体の１００’Ｃおよび０６Ｃの圧
力の位置をそれぞれ合せて示した。また．横軸は，　Ｎ
Ｈ３については比エンタルピ（１）で示し，Ｒ＋ｕ＋に
ついてエンタルピ（１）を採って示した。同図において
，Ｉ−２Ｒ−３Ｒ−４はＲｈ＋の等温等圧のカルノーサ
イクルであり，３Ｒ−４はＲｕｌ＋飽和液線であり，２
Ｒ−２ＲＸはＲｌ海の飽和蒸気線である。また，　ｌ−
　２Ｎ　−　３Ｎ　−　４はＮＨ３の等温等圧のカルノ
ーサイクルである。３’Ｎ−４は，ＮＨ，の胞和液線で
ある。同図において，１−２Ｒ−３Ｒ−４および１−２
Ｎ−３Ｎ−４はいづれも理論カルノーサイクルなので，
サイクル効率は両者とも等しく，この場合＋　’ｌＣＮ
Ｈ３　＝々ＣＲ，．ド２ｓ．ａ９６である。両者の比較
に当って，ＮＨ，の作動質量７））　Ｎ：　１　．０　
ｋｇとしｒ　ＲＩｌｌ｝のそれは’Ｉ）７Ｒ＝ｌＣ）・
２　７　’）　ｌ＝２とした・これは両者をカルノーサ
イクルを実行させ比較するに当って両者のカルノ一人カ
エシタルビ差（すなわち，外部よりの加熱量）を一致さ
せるためで，これを式で示せば次の通りである。

第６図の両熱媒体の特性の比較において発明者は次の３
つの大幅に興なる点に着目した。

ｉ）　ＮＨ３　ハＷ　’Ｊｒ　４：　Ｊ−　ッテ＊　Ｘ
ｉ　Ｎ＝１　−　０　カ６　Ｘ　２Ｎ＝０．７５７０　
ト醒めるが＋Ｒ＋叶はＸＩＲ：０．７８５２からＸ２Ｒ
：１．０と乾のする。

このことは，簡単な事実であるがこの発明に重要な意味
を持つので，第７図に用いて更に説明を追加する。同図
においてｌはシリンダ，２はピストンである。同図の（
ａ−ｂ）のＮＨ３は膨張によって．χＩＮ＝＝１．０か
らＸ２Ｎ：０．７５７０と湿めることを示し，一方＋Ｉ
ＩＩＩ＋は同図の（　ｅ　−　ｄ　）に示しているよう
に，膨張にＪ：　ッテ，　）（＋ｎ＝ｏ．７ａｓｚ　〜
Ｘ２Ｒ：１．０　ト乾ａｔル。

；；》膨張過程で外部に取り出せる工業仕事がＦｂｌ４
の方が大きい。すなわち，　’ＷＶＲ　）　ＷＶＮであ
る。このことより発明者は次のように考えた。Ｒ＋＋＋
とＮＨ１１＋＋を組合せたサイクルを考え，断熱膨張に
はＲ晴を用い，また，断熱圧縮にはＮＨ３を用いたら良
いのではないか（これについて以下に更に詳述する）ｉ
ｉｉ）　４Ｎ点でＮＨｓ液が持っているΔｉ’４Ｎより
，４ｎ点でＲ叫液のΔ！′４Ｒの方が大きい。すなわち
，ΔＩ’４Ｒ〉Δｉ’４Ｎで゛，同じことを熱量で言え
ば，４Ｎおよび４Ｒで飽和液が持つ熱量はＲｌｌ’ｔの
方がＮＨ３より大きい。Ｒｌ吟の膨張工業仕事ＷＶＲ　
（第６図，参照》はＮ１１３のＷＶＮより大きいことは
前に述べたが，その理由は＋　Ｒｌｌｌ＋およびＮＨ３
がＩＲ点およびＩＮ点で脊する全エネルギの中で．ａ和
液エネルギと蒸発潜熱エネルギを比較しよう。

ＮＨ５ではΔｉ４Ｎ／７　＋３／　＝０．７２６であり
，また，　Ｒｌｌ１＋　では，Δ白Ｒ／　Ｒ１ｒｌ＝　
１　．４７８　　である。すなわち，ＩＮ点およびＩＲ
点で，それぞれが有するエネルギの中身は＋ＲＩＩＱ−
の飽和液が有するエネルギの方が，　（　１．４７８／
　０．７２６＝　２．０４）約２倍程多い，ｌ−２１ｉ
１および１−２Ｎのそれぞれの膨張においてｌＲＩ＋４
のＷＶＲの方が，ＮＨｉのＷＶＮより大きいのは，飽和
液の葡するエネルギがＲＩ１＋の方がＮＨ３より約２倍
多いためである。

以上のような考えのもとでの実施例の１つを第８図に示
した。

同図の，ｌはシリンダで，２はこれに滑合するＩＩＩ擦
のないピストンで，これによって外部との工業仕事の受
授を行わせる。

３および４は弁でこれによってＲｏｔ＋熱媒体のシリン
ダ内への出入りを制御させる。（以下図８の，ｌおよび
２をＲｈ＋ＰＣと略す）　Ｒｎ４．ＰＣと連結した蒸発
器５があり，この中に６なるＲｌ１’１凝縮管があり，
Ｎ鼻排ガスはここで凝縮して，その潜熱はＮ喝液体の蒸
発熱へ伝える（ＮＨ３の流れについては後述》。凝縮管
６を出たＲ１１：＋ガスは冷！０液となるが，１１およ
びｌ２の弁で制御されて２つに分かれる。１つはｌ５な
るカルノーの蒸発・凝縮器に直接（同図の実施例で，　
ＩＴ）ｔＲ＝　１．０２　ｋｇ）入るものと，他は，２
０なる熱交バイブを通して１５に入る右一（　７７７２
Ｒ＝＝　２．７７　ｋｇ）の２つに分かれる。ｌ８は熱
交換器で，ここで，後述するＮＨ３高温液との熱交換を
行い，Ｒ冊冷液の温度（θ〜ｔｏｏ°Ｃ）が行われ，一
万ＮＩＩ３高温液（１００〜０°Ｃ）は冷却される．ｌ
５は，カルノーの蒸発・ｉｔ［器と呼ぶことにした。こ
こでの作用は大きく分けて５つの作用が実イテされる。

第１の過程は，第４図で説明したカルノーのクローズで
，弁１２を通して直接容器ｌ５に入った冷却液に，弁４
を通してピストン２より，Ｒ＋＋４の低圧，低温のガス
をＲＩＩＬＦ液へ圧入される。このガスの圧入により，
冷却液は高温（したがって高圧）の１００°Ｃ　ＲｕＱ
−　液となり，カルノーのクローズが終了する。第２の
過程はカルノークローズの終了後弁１ｌ　の制御で，１
８なる熱交換器を通して２０のＲ＋１＋熱交管を出た高
温Ｒ１１＋＋液が１５の中へ圧入される。圧入にはボン
ブｌ３を用いる。１４はＮｌ｛３高温高圧液の持ってい
る圧力エネルギを回収するタービンで，ボンプｌ３の圧
入に用いた機械エネルギと排圧タービンの回収エネルギ
の差し引きをｔｔＷせねばならぬが，この値は，他の熱
エネルギに較べて数値的に小さいので通常行われるよう
に，ここでも省略した。第２の過程の終了後，容器ｌ５
の中にはＲｌｌ号の全量る。第３の過程は，　ＮＨ３高
温ガスの凝縮管ｌ６内のＮＨ３のガスの凝縮で，このと
き発生する凝縮の潜熱でＲｌ＋午液を蒸発させる。この
過程が本発明の最大のポイントで，第３の過程は，従来
の等温等圧カルノーサイクルのＲ＋＋１＋の飽和液への
排潜熱の閉じ込め（クローズ）であるが，第４の過程は
，従来のカルノークローズをオーバーして排潜熱をＲｌ
ｌ１＋の蒸気の中へ閉じ込める。このような意味で，こ
の過程の排潜熱の閉じ込めをオーバーカルノークローズ
と呼ぶことにする。第５の過程は外部加熱管ｌ７による
外部加熱で，この過程の終了径は＋　ＲＩ１．は全部高
圧のガスとなる。高温高圧のＲｌｌ＋＋ガスはＲ１１＋
＋ＰＣ内で膨張して，この過程で外部へ仕事を出す。こ
の膨張は通常の熱機関の作用と全く同じなので，詳細説
明を省略する。以上で，第８図の構造上からの説明を終
え，次は熱媒体の特性を示すサイクル線図を用いた説明
に移る。

第９０ｉｉｆｆは＋Ｒ＋ｌｊ＋の特性を示すｐ−Ｉ線図
で，同じ（３１０図はＮＨ３のｐ−１線図である。これ
ら両図と第８図の構成図を用いて，本発明の原理の説明
を行う。第９〜ｌＯ図の説明では，高温を１００●Ｃ，
また，低温を０°Ｃとして説明する。

第９図のＩＲ点を出発点として説明を進める。ＩＲ点で
は＋Ｒｌｌ４ＰＣ内には１００°ＣのＲ１１＋＋ガスの
全量が入っており，ここから，ＩＲ−２Ｒなる断熱膨張
が行われる。ＩＲ−２Ｒは全く通常の熱機関と同じ膨張
で，ここで，Ｔ；ｆＶＲなる工業仕事が外部へ取り出さ
れる。この発明は２Ｒ以降が違っており，現在最良のカ
ルノーサイクルでも，２Ｒ−３Ｒは外部へＲＣＲ熱エネ
ルギを排熱して，３Ｔ？−４Ｒなる断熱圧縮を実行させ
る。本発明は？ｃＲなる排熱をしないで，これを第８図
の５なるＮＨＢ用蒸発器内の下部へ導き，　Ｒｌ！Ｉｆ
用凝縮管の中で凝縮させる。このとき発生するＲｌ＋’
？の凝縮熱で，　ＮＨ３を蒸発させる。この関係を第９
図と第１０図の特性で説明すれば，２Ｒ−３Ｒで熱ＲＣ
Ｒは，５の中で，熱交換がイテれてＲＣＲ→Ｒ２Ｎへと
伝えられる。第ｌｏ図の３’Ｎ−２Ｎの変化は５の中で
行われる。２Ｎ点よりは，　ＮＨ３　ＰＣを用いて２Ｎ
　−ＩＮと断熱圧縮する。ＩＮ点では高温高圧となって
おり．高温ＮＨクガスは，容器１５の下部へ導き，１７
なる凝縮管の中で凝縮させて，ＮＨ３の凝縮熱は＋Ｒｌ
ｌ４，の蒸発熱へ伝える。２Ｒ−３１でのＲＩ＋’＋の
排熱は，結局のところ，ＲＩＩＩ．ｔ．の高温ガスの中
へ閉じ込められたことになる。ここで，４Ｒ点の飽和液
の中の排潜のクローズが従来のカルノーサイクルで最大
の排熱の閉じ込め量であったが，４Ｒ−ＩＮ　（　ＲＮ
Ｒなる高温の閉じ込めが行われたことになる）。ここで
，　ＦＮＲは，これをオーバーした潜熱のクローズであ
るので，ここでは，これをオーバーカルノークローズさ
れた排潜熱を呼ぶことにした。第１０図に示されるＮＨ
３の作用は３Ｎ−２８間で低温の熱をＩＮ−４Ｎ間で高
温側へ吐き出したことになる。２Ｎ−ＩＮの圧縮には仕
事が必要でこれは小さい方が良い。ＮＨ３の特性上乾燥
圧縮となるため。乾燥時の潜熱が吸熱作用をしてＷＶＮ
の減少に寄与する。Ｗ系とＷｖの関係は相対的のもので
あり，前者が後者より小さいことが必要。

ｇｔｔ図は，Ｒｌ１４の膨張にＮＨ３の圧縮を加えた作
用の説明をけったものである。

Ｒｌｌ＆｝の排ガスは，弁３，４の制御で，第８図の５
へ入るものと，　１５へ入るものに２分される。先づ５
へ入ったものから説明するが，５の中で冷却されるので
，５を出た後では，　Ｒｕ＋液は低温液であるが，これ
は更に弁１１．１２で２分される。その中で直接冷却液
の状態で１５に入れるものと，熱交ｌ８を介して１５に
入れるもの２つに分れる。この制御は弁口と１２による
，先づ，　１５に入った冷却液に２１１４　ＰＣ内の残
存排ガスのカルノークローズについて述べる。残存ＲＩ
１争排ガスが育する潜熱は，これをＲｌｌＩ＋ＰＣのピ
ストンで，　１５内へ圧入する。

このときの圧大の機械仕事はＭｖＳが必要である。カル
ノークローズの終了後は，１５内には高温のＲ叫液にな
っており，この液に，熱交１８を介して，Δ１ｋＮ　ｒ
ｚＪエンタルビ｛をＮＨ３液よりＲＩｌ＋＋の高温液へ
伝える。この状態で４点にはＲｌｌ’ｔの全量が高温液
となる。次に，ＮＨＢの流れの説明に移る。５なるＮＨ
９用蒸発器の中でＲＩｌ７＋の凝縮熱を受けて蒸発した
ＮＨ３は２Ｎ（第１０図，参照）点に達する。２Ｎ−Ｉ
Ｎの断熱圧縮が従来の熱エネルギ変換器にない過程で，
２Ｎ−ＩＮそのものは，　ＲＣＲなる低温熱量をＷＶＮ
なる圧縮外部仕事を使ってヒートアツブすることである
が，ヒートアツプの後１５内で，これを凝縮させて，凝
縮潜熱を利用してＲｌ１午を蒸発させる。

ここで，このエネルギ変換の効率について考えよう。従
来の等飄等圧のカルノーでは，高温加熱　ＲｘＢ第９図
，参照》が必要であるが，この変換で，高温クローズ熱
量ＲＮＲだけ減少する。これを式で示せば式（８）とな
る。

Ｒ’Ｐ＝　ＲＩＲ　−　ＲＮＲ−−−−−−　−−（ｓ
）すなわち，高温加熱はＲｐに減少する。一万，機械仕
事は，ＩＲ−２Ｒ　テ，　ＷＶＲ外部へ取り出セルカ，
２Ｎ−ＩＮ（７）圧縮テＷＶＲが減少し，更に，従来の
カルノークローズでｖｖＳを消費する。

したがって，機械仕事は， Ｗ＝　ＷＶＲ−　ＴｖＮ−　Ｗ／Ｖｓ−−−−−　−　
４９）（９）式となる。したがって，変換郊率は，７＝
ｗ／Ｒｐ−−−−−−−（１０） （ｌＯ）式の々は， カルノー効ｍ１ｃを超えることが出来る。

等温等圧カルノーサイクルの各点の乾き度Ｘの計算この
発明は熱サイクルの各点の乾き度が非常に重要な意味を
持クている。ここで，これを計算しておいて後の説明に
使う。ａＥ７３図は，Ｎｌ｛３等温等圧のカルノーサイ
クルを示したＰ一ｉ線図である。縦軸は圧力Ｐで，横軸
は比エンタルビである。同図の３’Ｎ−ＴＯ−イＮｏ−
４Ｎ１００は飽和液で，　ｔ　Ｎｌ　００　−　６ｏ　
−２Ｎ−７０は飽和蒸気線を示している。４Ｎ１００　
−　ＩＮＩＯＯ　−　２ＮＯ　−”ＮＯ＋よ１００°Ｃ
へｏ’ｃ間のＮＨ３の等温等圧のカルノーで，４Ｎ＋０
０−ＩＮＩＯＯは等温等圧の膨張，　Ｉ　ＮＩ　ＯＯ　
−．　２ＮＯは断熱せｌ，省である。

また，４Ｎ１００　　１ＮＩＯ０　，２Ｎづｌ），３Ｎ
−７０は，１００／−７０°Ｃ間のカル！ ノーで，２Ｒ−７０ノ３Ｒ−７０が−７０°Ｃの等温等
圧の圧縮であるのが，前と異る。

第／ｆ図はＲ，ｌ斗のＰ−１ａ！図で，前の第ｌ３図と
異るのは添字のＮがＲに代っただけ，　ＮＨ３とＲｈＩ
Ｆの違いを示している。

ＮＨ３ ×ｔｓｌｏｏ＝１．ｏｏ Ｘ２ＮＯ　　：　（ＳＩＮ”ｌＯＯ−Ｓ’２ＮＯ）　　
／　（Ｓ”２ＮＯ−Ｓ’２ＮＯ）＝　　（１．８３５３
−１．００００）　　／　　（２．０３３５−１．００
０）＝０．７５７０ Ｘ２Ｎ−７Ｑ＝　（Ｓ”ＮＩＯＯ−Ｓ’２Ｎ−７０）　
／　（Ｓ’２Ｎ−７０−Ｓ’２Ｎ−７０）＝＝　　（１
．８３５３２−０．６８６１７）　　／　　（２．４．
１２９９−０．６８６１７）＝＝０．６６５５ ＝　（ＳＦ’４Ｎ１００−Ｓ３ＮＯ）　／　（Ｓ’３Ｎ
Ｏ−Ｓ’３ＮＯ）＝＝　　（１．３９６８７−１．００
０００）　　／　　（２．１０３３５−１．００００）
＝０．３４１５７ メ３Ｎ−７０：　（Ｓ”４ＮＩＯＯ−Ｓ’３Ｎ−７０）
　／　（Ｓ”１Ｎ−７０−Ｓ’３Ｎ−７０）＝＝　　（
１．３９６８７−０．６８６１７）　　／　　（２．４
１２９９−０．６８６１７）ス３ＮＯ ：０．７１０７０／１．７２６８２ ：０．４１＋５７ Ｘ４Ｎ１００　＝Ｑ 一 ＞（ＩＲｔｏｏ／ｏ　　＝　（ｓ２Ｒｏ−ｒｔｒｕｏｏ
）　／　　（Ｓ’ｌＲ１００−ＳＩＲＩＯＯ）＝＝　　
（１．１２０５−１．０７５６）／　　１．１３２４−
１＋０７５６：０．７８５２ ＝＝１．００００ ＝：　（Ｓ’４Ｒ１００−Ｓ’３ＲＯ）　／＝＝　　（
１．０７５６−１．００００）＝：０．６２８９５ ＝：　１　．０００００ ゾ２Ｒ０ （Ｓ”ｌＲＯ　−　Ｓ’３Ｒ） ／　　（１．１２０２−１．００００）ス３ＲＯ メ２Ｒ−７０ ＩＸＩＲＩＯＯ／−７０：　（Ｓ’２Ｒ−７ｏ−Ｓ’ｌ
Ｒ１００）　／（Ｓ′１ｔ＋ｔｏｏ−ｓ’ｌＲＩｏｏ）
＝：　　（１．１２５−１．０７３）　　／　　（１．
１３２４−１．０７５６）＝＝０．８７５０ Ｘ３Ｒ−７０　　＝＝　（Ｓ’４Ｒ１００−Ｓ’３Ｒ−
７０＞　／　（Ｓ”３Ｒ−７０−Ｓ’３Ｒ−７０）＝：
　　（１．０７５６−０．９４１５）　　／　　（１．
１２５３−０．９４１５）：：０．７２９６ Ｘ４ＲＩＯＯ　　　　　＝Ｑ ここで，Ｓは熱媒体の物性を示すエントロビである。

Ｓの添字の説明をするが， Ｓの物性値は日本冷凍協力会発后の冷凍空調便覧資料編
（改訂四版昭和５５年８月発行）に記載の数値を用いた
。

以下のこの文に記裁の物性値（エンタルビ．など）も上
記資料のものを採用している。

第８図による変換で，高温加熱（１６による）を１００
°Ｃとして第８図の変換装置の２つの熱奴体Ｒｌｌ倖も
間３も物理的に完全に密閉されており，また，全装置は
熱的にも断熱されている。

したがって，熱的に外部と取り引き出来るのは，１６の
外部よりの加熱管が主であり，また．ＩＭ械仕事の外部
との受授は，Ｒｌ１４ＰＣのピストンとＮＨ３ＰＣのピ
ストンだけである。第１の運転例は，第８図の２１の冷
却量があり，ここでの冷却で少量の外部排熱を行い調整
する。したがって，この運転例では完全に排熱が零でな
い。この配管で小量の排熱を行う。

Ｎｌｌ図は，　ＮＨ３のＰ−１線図で，第１２図はＲ１
１４のＰ−Ｉ線図である。両図ともカルノーサイクルを
示しているが，１００−へ０＠Ｃ間のカルノーと１００
へ−７０’Ｃ間のカルノーを比較し示している。第１の
運転例は１００一〇＠Ｃ間で運転させた場合である。

運転例の１１算 Ｒ！１４　ノ作動質料’＋７Ｊ　Ｒ＝１０．２７７　ｋ
ｇＲｌ　１４のカルノー排熱　ＲＣＲ：７１１ＲＸ　（
１−Ｘ３Ｒ）　Ｘ　ｒｚＱ＝１０．２７７　（１〒０．
６２９０）　Ｘ３２．８２＝＝１２５．２２　ｋｃａｌ ３Ｉ？−４Ｒでカルノークローズを実行させるに　３Ｒ
点で必要な７７７３ＲＬ＝’７１Ｒ　　（Ｉ　　Ｘ３Ｒ
）　　＝＝＋０．２７７　（＋　　０．６２９０）＝３
＋８１３　　ｋｇ ７７７３ＲＣ；＝Ｉ０．２７７　　３．８１３＝６．４
６４　ｋｇカルノー排熱ＲＣＲをＮＨ３の冷凍サイクル
で吸み上げるに必要なＮＨ３の質量 ７７７Ｎ＝ＲＣＲ／　（ｒｚＰ／ＸＸ２Ｎ）　：＝１２
５．．２２／　（３０１．３７９Ｘ帆７５７０）＝：０
．５５０　ｋｇ 第１０図の４Ｒ点でＮＨ３の飽和液が有するエンタルビ
差△ｌ’４Ｎ＝Δｉ’４ＮＸ　７７１Ｎ＝　（２２４．
２６５−１００）　Ｘ０．５５＝６８．３４６　ｋｃａ
ｌ 第８図のＮＨ３熱交管ｌ９との熱交換でＲ１１４熱交換
管ｌ８によって作られるＲ１１４の高温液の量７７１Ｒ
２＝△ｌ’４Ｎ／Δｉ’４Ｒ＝６８．１７／２４．５９
＝２．７７２　ｋｇ冷却液　１．８２４　ｋｇ ガス　　５．６８１　ｋｇ　　　　　ジあ６。

上記の混合液（１．８２４　ｋｇ　ＲＩ１４液と５．６
８１　ｋｇのガス）を圧ｌ１ｔＱ（カルノークローズ＞
＋導”　　．ｄＲ点ｒ　１００’Ｃ　（Ｍ２［１２にな
るが，第８図の弁ｌ２を通して［接得られる冷却液は１
．０２　ｋｇ　”Ｃ％１．８２４−１．０２＝０．８０
４　ｋｇの冷却液が不足する。

このため，２１なるｖａ整冷却管で調整冷却を行ってｌ
ｍを外部へ排熱させる必要がある。

調整液の量はＲＩ１４で０．８０４　ｋｇである。この
ため，外部排熱は，０．８０１Ｘ　３２．４２＝２６．
０７　ｋｃａｌ　である．これは，カルノー排熱ＲＣＲ
＝＝　１２５．２２　ｋｃａｌより大昭に少ない。

この運転例の熱より機械エネルギへの変換効率式（１ｏ
）より　　　Ｚ　　＝＝　　（ＷＶＲ−ＩＦＶＮ−１１
１’ｖｓ）　　／ＲＰ＝＝　（８６．５０−３６．８５
−２９．６３）　／７７．２２：０．２５９この変換効
率と温泉発電での得られた結果ｔｒ第１表で比較した。

２．７７２　ｋｇは高温の８１１４液なので，カルノー
クローズに必要なＲｌ＋４の量は減少する。すなわち，
　１　０．２７７　−　２．７７２＝＝　７．５０５ｋ
ｇで良い。　この７．５０５　ｋｇの内訳ハ，同表の’
７ｄｌｌはエネルギ変換の綜合＄で６．３４％と低い。

低い理由の最大はｌｃ．ｃが低いことが最大の原因であ
る。

ここで，ηＣ．Ｃはカルノー効率であり，運転例のｔは
ｌｃ．ｃより大きいことに注目した。

運転例の２ （１００〜ｏ″ｃ）の運転より，更に排熱を減少させた
のが運帖例の２である。例２では（１００〜−７０°Ｃ
）の運転にした。すなわち，第１１〜＋２Ｑｌに示した
ように，高温側は１００’Ｃにしておき，Ｎ｝＋３の蒸
発温度を−７０”Ｃにした運転である。−７０＠Ｃにし
た理由はＲＩ１４の性質であり安定した運転が可能なの
は大体この辺までの温度だからである。

カルノー排熱の減少 ＋００−−，−０９Ｃの運転では　ＩＩＣＲ　（１００
〜ｏ）　＝１２５．２２　ｋｃａｌであったが，　ＮＩ
＋３の運転温度の低下によりこれがＲＣＲ　（＋００−
一−７０）　＝ＲＩＲＸ　（１−　ｌｃ　（Ｉｏｏ〜−
７０））　＝９３．０６ｋｃａｌに減少する。

排熱を少なくするため，一連の数値計算とそれを確める
研究を行ったが，ここでは最終結果をお載する。

先づ，Ｒ１１４の−７０＠Ｃでの排熱ＲＣＲ＝１８６．
１２　ｋｃａｌをＮＨ３の低温（−　７０＠Ｃ）の蒸気
の中に閉じ込める。

ｒｌｃＩ？を閉じ込めるに必要なＮＨ３の作動質量Ｔｎ
Ｎ＝ＲｃＲ／　ｒｒａｗ　ＸＸａ＋ｖ　Ｊ　１００／−
７０＋８６．１２／　（３５０．８０３Ｘ０．６６５５
）　＝０．７９７２　ｋｇＮｌ１３の飽和液が４Ｎ点で
持っているエンタルピ差へー、＝　ＩＮ　（ｉ’４Ｎ１
００　　ｉ’３’Ｈ　−７０）＝０．７９７２　（２２
４．２６５−２５．５５８）　＝１５８．４０９　ｋｃ
ａｌΔ＋４Ｎと熱交で作られるＲ１１４の高温液の質量
’ｌｌ７２Ｒ　（＋００／　　７０）　”ΔＩｑｕ　／
　（１４？Ｒ１００−ピ３’Ｒ　−　７０）＝１５８．
４０９／　（１２４．５９−８６．０９）　＝４．Ｉ１
５　ｋｇ一方，排熱ＲＣＲＩＯＯ／−７０：１８６．１
２０　ｋｃａｌ　４．：相当すルｒｌｌｌ４の質量 ＴｎＲｃ−ｔｏ＝Ｆ？ｓＢＩＯｃ１／　（ｉｉＩｏｏ−
ｉ籍−ｖｏ）：１５８．４０９／　（１２４．５９−８
６．０９）　　＝＝４．９８５８　ｋｇしたがって，熱
交によって得られるＲｌ　１４の冷却液は理論上の冷却
液より少ない。これは，Ｒ１１４とＮＨ３の熱媒体の性
質に起因するものである。この数値は， ４．９８５８−４．１１５＝０．８７０８　ｋｇ　　　
　テある。

カルノークローズの減少 △ｒ，，　＋−４Δ鴎尺の熱交によって＋．＋１ダｋｇ
の高温Ｒｏｔｅ液が作られるため，カルノークローズの
唆屹４ノ≦２風と少する。１０．２７７−４．１１５　
＝　６．＋６２　Ｊに減少する。このため，１０．２７
７　ｋｇのクローズの質量が！−１６Ｌ　ｋｇに減少す
るために，これに必要な外部圧縮仕事もＷｖｓよりｉｃ
へ減少する。

以下，第１５図のｐ−１線図と前述の計算値を用いて，
運転例２の説明を行う。

？転例１は温度が１００−１−ケＣの運転であるが，例
２では温度が１００％−７０’Ｃへ大扇に温度が停下し
たため，有利な点が多数生ずる。

ｉ）　＃にも述べているが，カルノー排熱がＲＣＲＩＯ
Ｏ／　Ｏ→ＲＣＲＩ　００／−７０＝　１２５．　２２
−＋９３　．０６　ｋｃａｌへ減少する。

ｉｉ）カルノークローズの減少 １０．２７７−４，１１ｒ　＝　６−１６１　ｋｇ　　
トＫ少シ．Ｌｔタカッテ，圧縮仕事も減少する。Ｎｌｓ
図で順に説明するが，膨張工業仕事が大幅に増大する。

　ＩＲＩＯＯ−Ｐ２Ｒ　−．７０ｔＶｑ　　　　＝　Ｔ
ＩＲＸ　（ｉ”ｌＲ１ｓφｉ”−ｑ。　）＝　ｌｏ．２
７７　（１２４．５９　＋２１　．２０Ｘ　Ｏ．８７ｓ
−１２３．４２）＝　２０２．６６２　ｋｃａｌ Δｉ’ｌＲ１００＝　ｉ４ｇｌ００＋　ｒ　，Ｒ，。。

　　×ＸアＲ／０６／−’７。　　　　　　　Ｌ３ｇ−
７。

＝＝１２４．５９＋２１．２０Ｘ０．８７５−８６．０
９：５６．６６８４　−ｇ．■（．，Ｉ／第１５図の３
Ｒ−７０点のＸ３尺−７０は，Ｘ３Ｒ−７Ｑ＝　　（５
．２９１２−０．８７０８）／５．２９１２＝０．８３
５４３Ｒ−７０−→２３ＲＵの断熱圧縮 ３Ｒ−７０点のエントロピ５３尺−７０Ｓ３Ｒ−７０＝
　Ｓ’３ｊ−　７０＋　Ｘ　（　Ｓ’２Ｒ−　７０　−
　Ｓ’３ｇ−　７６）：０．９４１５−｝−０．８３５
４　（１．１２５３−０．９４１５）：１　．０９５０ Ｘ２３ＲＯ　　＝＝　（ｓ３Ｒ−７０−Ｓ’０）　／　
（Ｓ”２ＲＯ−Ｓ’０）＝：　　（１．０９５０−１．
０）　　／　　（１．１２０２−１．０）＝０．７９１
７３Ｒ−７０　　２３ＲＯの断熱圧縮の質量は≦．ｌκ
Ｚ　　ｋｇに減少してイル（Ｆ）ｔ’，　ＷＲ−７０／
０＝＝ム．／ｔＺ　　（ｉ２３ＲＯ−１３Ｒ−７０）＝
（，．Ｉ＆ｚ　Ｘ　（１０Ｇ＋３２．８２Ｘ０．７９１
７−３７．３３Ｘ　Ｏ．８３５４　−　８６．０９） ＝　４．／ＩＬ　Ｘ　　（１００＋２５．９８３９−３
１．１８５５−８６．０９）＝４６．０７８　　ｋｃａ
ｌ ２３ＲＯ−３ＲＯ　１７）等温（ｏ’　ｃ）等圧の圧縮
１１２３ＲＯ−３ＲＯ＝５＋２９１２　ｒ，，．ＸΔＸ
＝５．２９１２Ｘ３２．８２　（０．７９１７−６．６
２８９５）＝２８．２６３　ｋｃａｌ　（調整排黒》Ｗ
２３ＲＯ−　３ＲＯ＝　ＲＬ ３ＲＯ−４ＲＩＱＯの断熱圧縮 ｖｆｖｓｏ＝　６．　／Ｌ　ｚ　（ｉａＲｌｏｏ　−　
ｔ３Ｒｏ）＝ｌ，ｒ１２−　（１２４．５９　　３２．
８２ＸＯ．６２８９５　　＋００）＝２０．９０　　ｋ
ｃａｌ ＮＨ３の断熱圧縮 ＮＨ３の作動質量 ’ｒｒｌＮ＝ＲｃＲ／　（ｒ２Ｎ−７０ＸＸ２Ｎ−７０
）＝＝１８６．１２／　　（３５０．８０３Ｘ０．６６
５５）　　＝０．７９８２　ｋｇＷｗ−７０／ｌ０Ｇ＝
’ｌＴＩＮ　（ｉｌＮ１００　　１２Ｎ−７０）＝＝０
．７９８２　（３９５．３３７−３５０．８６３Ｘ０．
６６５５−２５．５５８）＝１０８．８１１　ｋｃａｌ Ｗ４ｖＲｌ０Ｇ）　−　　（ｗｖＮ−ＴＯ）　−　（Ｗ
ｖＲ−７０）　−　直り＝　２０２．６６２−１０８．
８１１−　４６．０７８　−　２０．９００　＝　２６
．８７３　ｋｃａ　ＩＲｐ＝ＲＩＲ−ＲＮＲ＝１７１．
ＯＯフ２−０．７９８２Ｘ　１７１．０７２＝３４．５
２２ｋｃａｌ１＝Ｗ／　Ｒｐ＝０．７７８４ Ｌ１１』ｔＤ計算では’２＝＝　０．７７８と，第！表
ノ’７Ｃ．Ｃ＝＝０．２２０　Ｊ：り大幅に大きい。こ
れの最大の理由は運転例の２は１００〜一７０°Ｃの間
の運転であることである。また，調整排熱　尺Ｌ（ｌｌ
ｇｌ５図および運転例の２，参照》も２８．２６３　ｋ
ｃａｌ　で，これも，１００〜ＯａＣ間でのカルノー排
熱１２５．２２　ｋｃａｌより大幅に少ない。

本発明の効果の第１に上げられることは，エネルギ変換
の能率が良いことである。このことを具体的に述べると
，石油や石炭など燃料を用いる発電プラントの燃料が減
少することである。また，自動車に応用すれば，自動車
がｎ費する燃料の量が少なくなる。航空機や船舶の運航
に必要な燃料が減少出来る。また，家庭用の冷凍機や空
調機に応用すれば，消費する電力が少なくて良い。効果
の第２は，排熱が大錨に少ないため，排熱設備の小型化
出来ること１゛゜ある。これの具体例の２．３を述べる
。家庭用の空調機は，Ｎ外の排熱設備が必要であるが，
この排熱設備が大幅に小容量化出来て甚だ都合が良い。

現在の自動車には排熱装置（ラジエーター）が必要であ
るが，この排熱装置を大幅に小型化出来る。エンジンは
高温であるので，これよりの自然放熱があるので，ラジ
エーターなしの自動車が可能である。火力発電プラント
や原子力発電プラントでは大量の排熱のため，河川，湖
およ因番水の温度が上昇し，環境の破壊につながってい
るが，この発明により消エネルギと合せてこの問題が解
消する。

【図面の簡単な説明】

ｇｔ図は，ランキンサイクルのｐ−ｔｒ　ａ図で従来の
熱サイクルでは排熱が多いことを示したもの，第２図は
，ランキンサイクルとカルノーサイクルの比較したｐ−
ＶＷａ図で，カルノーがランキンより排熱が少ないこと
を説明したもの。 第３図は，カルノーサイクルの圧縮時に排熱が熱媒体の
飽和液の中へ閉じ込められる作用を説朗したもの。 第４図は，カルノーサイクル機陽の作用を説明したもの
。 第５図はランキンサイクル機関の作月を説明したもの。 第６図は，Ｎ｝３とＲ１１４のカルノーサイクルを比較
したもの．第７図は，熱媒体ＮＨ３は膨張によって瀉め
り，Ｒ１１４は乾熾することを説明したもの。 Ｍ８図は，本発明のエネルギ変換装置。 第９〜ｌＯ図は，本発明の原理を説明した＋１−ＩＩ１
図で，第９図は，Ｒ１１４の膨張作用の説明で，従来の
変換サイクルでの排熱されるものを，第ｌＯ図のＮＨ３
のヒートボンブ作用へ熱交換さぜる作用の説明。第１０
図は，ＮＨ３のｐ−１線図で，第９図のＲ１１４の排熱
を熱交換により，ＮＨ３の中へ取り込みヒートアップす
る原理の説明図。 第１１図は，間３とＲｌ　１４の熱交換の原理を説明し
たもの。 第１２図は，　ＮＨ３の高温飽和液とＲ１１４の低温液
との熱交換によりＲ１１４のカルノークローズの量が減
少することを説明し第１３図は，　ＮＨ３のカルノーサ
イクルを示したｐ−ｉ線図で，サイクルの温度範囲が１
００〜０１Ｃの間と，１００〜７０’Ｃが異る様子を示
したもの。 第１４図は，第ｌ３図がＮＨ３であるのに，これがＲ１
１４に変ったものを示した。 第１５図は，ＲＩ１４　ｔ７）　ｐ−ｒ線図であるが温
度が１００〜−７０’Ｃ間のＲ１１４の変化を示したも
の。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　熱エネルギと機械エネルギの変換過 程において、膨張と圧縮の２つの過程があるが、この２
   つに過程で違った性質の熱媒体を利用するが、熱より機
   械エネルギに変換の場合は、膨張時には膨張仕事の大き
   い熱媒体を利用し、また、圧縮には圧縮仕事の小さい熱
   媒体を利用することを特長とするエネルギ変換装置であ
   る。また、機械エネルギより熱エネルギへ変換する場合
   は、膨張時には膨張仕事の小さいものを、また、圧縮時
   には圧縮仕事の大きいものを利用するもので、前述の性
   質を本文に説明した原理によって、外部排熱を少くした
   エネルギの変換を行う装置。