JPH05179901A

JPH05179901A - 自然循環熱移動発電高低熱源システム

Info

Publication number: JPH05179901A
Application number: JP3361304A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kuroiwa; 一男黒岩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-20
Also published as: US5467600A

Abstract

(57)【要約】【目的】圧縮性熱媒体を自然循環することによって、
太陽熱、大気熱、排熱、炉熱、地中熱などを自然循環し
たり、風力や水力などでつくられる熱を自然循環して、
熱移動や発電を行い、高温や低温を得るアークロイス機
関を提案し、系外エネルギーを全く与えることなく、容
易に、高熱源や低熱源、及び電力を得るクリーンエネル
ギーシステムを提供する。【構成】蒸発器と凝縮器が設けられた熱媒体の循環系
に、熱媒体を加減圧する加減圧ピストン、熱媒体の高温
高圧蒸気によって、加減圧力と釣り合いながら作動する
釣合作動ピストン、出力を得る出力作動ピストンを設
け、これらを所定の行程体積比で連動させたアークロイ
ス機関に、蒸気上昇サイクル、アークロイス−サイク
ル、過熱過冷却サイクルを適用し、熱媒体の潜熱や顕熱
として熱を自然循環することによって、自然循環熱移動
・自然循環発電・自然循環熱源サイクルを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、圧縮性熱媒体の循環系におい
て、この熱媒体を自然循環し、その潜熱や顕熱として熱
を自然循環することによって、高所にある高温の熱を低
所にある低温側へ自然移動したり、自然発電を行い、高
温側よりも温度の高い熱や低温側よりも温度の低い熱を
得る自然熱源サイクルを行う、自然循環熱移動発電高低
熱源システムに関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】熱は高いところへ集まりやす
く、高低差の大きいところで、大きな温度差をつくりや
すい。この熱をその熱エネルギーによって自然循環する
ことにより、多くのエネルギーが活用される。太陽熱、
大気熱、排熱、炉熱、地中熱などを自然循環し、風力や
水力などでつくられる熱を自然循環して、高所の高温の
熱を低所の低温側に自然移動したり、自然発電を行い、
高温や低温をつくる自然熱源サイクルを行うことによ
り、多量のクリーンエネルギーが得られる。

【０００３】しかし、従来技術により、系外エネルギー
を全く与えることなく、熱媒体を自然循環して、高所に
ある高温の熱を、低所にある低温側へ自然移動すること
はできない。したがって、従来技術では、系外エネルギ
ーを使用して、高所にある高温の熱を、低所にある低温
側へ移動することになるが、従来の熱媒体サイクルで
は、サイクルの低温域で凝縮液に至る過程が避けられな
いため、吸熱量に対する放熱量の割合が大きくなるとと
もに、高低差の大きい循環系において、循環のための圧
力損失が増大し、大きな動力を必要とする。また、従来
の熱媒体サイクルは、熱媒体と共に大量の潤滑油を循環
するため、油膜による熱交換部分での熱通過率が低下す
るとともに、高低差の大きい循環系では、粘度の高い潤
滑油がその低部で分溜滞留して系路を塞ぐようになり、
これを排除するための動力が大きく、これを使用するこ
とによる有利性が得られないため、高低差の大きい循環
系での熱媒体の循環は行われていない。

【０００４】

【発明の目的】以上の問題点に鑑み、本発明では、熱媒
体を自然循環する循環系をつくり、高所にある高温の熱
を低所にある低温側に自然移動して、この熱をそのまま
使用したり、高温側よりも温度の高い熱や低温側よりも
温度の低い熱を得るとともに、発電を行うシステムを提
供する。これにより、太陽熱、大気熱、排熱、炉熱、地
中熱などを自然循環し、風力や水力などでつくられる熱
を自然循環して、容易に必要に応じたクリーンエネルギ
ーを得ることを目的とする。

【０００５】

【発明の方針】上記の目的を達成するため、一方に集熱
器又は蒸発器が設けられ、他方に放熱器（発熱器）又は
凝縮器が設けられている熱媒体の循環系に、熱媒体を加
減圧する加減圧ピストン、熱媒体蒸気によって、加減圧
力と釣り合いながら作動する釣合作動ピストン、作動し
ながら出力を得る出力作動ピストンを設け、これらを連
動させながら、それぞれ所定の行程体積比で運転するこ
とにより、自然循環や加減圧循環を行うアークロイス機
関を提案し、これら自然循環系や加減圧循環系に、蒸気
上昇サイクル、アークロイス−サイクル、及び過熱過冷
却サイクルを適用するとともに、熱媒体と共に大量の潤
滑油を循環させる必要のない循環系を構成する。これに
より、高低差の大きい循環系において、循環圧力損失を
少なくした高効率の自然循環熱移動発電高低熱源サイク
ルを行う。

【０００６】

【発明の概要】“熱”は“分子（原子）を揺り動かす
力”であり、水やその他の液化ガスのような圧縮性熱媒
体は、分子を揺り動かす力が“分子間引力”（ｉｎｔｅ
ｒｍｏｌｅｃｕｌａｒａｔｔｒａｃｔｉｏｎ）で捕ら
えられ、この分子間引力によって“潜熱”（ｌａｔｅｎ
ｔｈｅａｔ）が蓄えられる。本発明は、この潜熱によ
る大きな熱容量を利用し、さらに、顕熱を利用して、高
温の熱も低温の熱も移動するとともに、発電を行う。

【０００７】本発明のピストンは、熱媒体が封入された
循環系にあって、ピストンピンと連接棒を介して、クラ
ンク軸と連結し、クランク軸は、ベアリングで支持さ
れ、これらは弁などと共に、シリンダーに連続するケー
シング内に密閉され、保温されている。

【０００８】本発明において、自然循環とは、循環系の
系内エネルギーによってのみ循環する循環を意味し、自
然循環熱移動発電高低熱源システムとは、熱媒体の自然
循環によって熱を移動し、熱媒体の自然循環によって発
電するシステムと、熱媒体の自然循環によって高温や低
温の熱源を得るシステムを意味する。自然循環には、高
熱下降自然循環と出力自然循環があり、前者は高温の熱
を下降して、高所の高温の熱を低所の低温側に移動する
自然循環であり、後者は熱を高温側から低温側に移動し
ながら出力を得て、発電したり、高温側よりも温度の高
い熱や低温側よりも温度の低い熱を得る自然循環であ
る。したがって、“自然循環系”には、高熱下降自然循
環系も、出力自然循環系も含まれている。なお、本発明
中、“作動ピストン”には、釣合作動ピストンも、出力
作動ピストンも含まれ、これらを兼ねた釣合出力作動ピ
ストンも含まれる。

【０００９】とも、次の要素を満たすものと定義する。｛１｝一つ以上の加減圧ピストン、及びこの加減圧力と
釣り合いながら作動する一つ以上の釣合作動ピストンが
連動し、さらに、一つ以上の作動ピストン又は出力作動
ピストンが連動している。｛２｝作動ピストンと加減圧ピストンとの単位時間当た
りの行程体積比が、所定の比率で運転される。｛３｝加減圧ピストンは、減圧しながら熱媒体を吸入す
る行程と、加圧しながらこの熱媒体を吐き出す行程とを
繰り返す。｛４｝作動ピストンに作用する熱媒体蒸気は、流入しな
がら作用し、或いは、さらに、膨張しながら作用すると
ともに、膨張しながら作用力を開放して流出する。この
とき、熱媒体蒸気の膨張度は０％〜１００％の間で設定
される。｛５｝作動ピストンは、熱媒体蒸気の作用力を受ける行
程と、その作用力が開放される行程とを交互に繰り返
す。｛６｝行程を正しく保ちながら、加速度を変えることに
よって力を吸収分配する慣性回転体が、ストロークを回
転直径としてピストンと連動している。｛７｝加減圧ピストンは、熱媒体を加減圧して、循環し
ながら熱移動を行い、低温又は高温、或いは、低温及び
高温を得る。｛８｝作動ピストンは、釣合作動や出力作動をしなが
ら、熱媒体を循環して熱移動を行う。

【００１０】本発明において、アークロイス機関は、特
に、自然循環系における上昇経路を蒸気（湿り飽和蒸気
を含む）の状態で上昇する“蒸気上昇サイクル”を可能
とし、下降熱媒体と上昇熱媒体との密度の違いを少なく
して、高低差の大きい自然循環を可能とする。

【００１１】このアークロイス機関は、また、新たな
“アークロイス−サイクル（Ｅａｒｃｒｏｙｓｃｙｃ
ｌｅ）”を可能とする。アークロイス−サイクルは、自
然循環系において適用されるサイクルで、少なくとも、
次の要素を満たすサイクルとして定義する。｛１｝熱媒体は、そのサイクルのエントロピー（ｅｎｔ
ｒｏｐｙ）増大過程において、“湿り蒸気の蒸発温度以
上の温度”で吸熱する。｛２｝作動熱媒体と加減圧熱媒体は、その単位時間当た
りの容積比が、所定の比率で循環する。｛３｝吸熱過程での熱媒体の上昇エンタルピー（ｅｎｔ
ｈａｌｐｙ）量と、放熱過程での熱媒体の下降エンタル
ピー量との差を、吸熱過程での熱媒体の上昇エンタルピ
ー量で除した値が最大となる。

【００１２】したがって、アークロイス−サイクルで
は、熱媒体の選定によって、吸熱過程での過熱熱量の増
加の割合よりも、放熱過程での過熱熱量の増加の割合の
方が少なくなるようにする。

【００１３】エントロピーについて、絶対温度Ｔの熱媒
体に、微少熱量ｄｑが出入りするとき、熱媒体のエント
ロピーの微少変化量ｄｓは、ｄｓ＝ｄｑ／Ｔと定義され
る。エントロピーの変化量と絶対温度との積は、熱媒体
に出入りする単位時間当たりの熱量を表している。

【００１４】エンタルピーについて、比容積Ｖで、圧力
Ｐ（単位：ｐａｓｃａｌ）の熱媒体に、微少熱量ｄｑ
（単位＝ｊｏｕｌｅ）が出入りして、微少圧力ｄｐの変
化が生じるとき、熱媒体のエンタルピーの微少変化量ｄ
ｉは、ｄｉ＝ｄｑ＋Ｖｄｐと表される。エンタルピーの
変化量は、圧力に変化がないとき、熱媒体に出入りする
単位時間当たりの熱量を表す。

【００１５】このアークロイス−サイクルでは、熱媒体
が、湿り蒸気の蒸発温度以上の温度Ｔ_１＝ξ_Ｍ（ｓ）で
熱を吸収して、エントロピーがａからｂに増加し、等エ
ントロピー変化をしながら作動ピストンを作動して仕事
をし、熱媒体によって決定される凝縮温度Ｔ_２＝ξ
_２（ｓ）で熱を放出して、エントロピーがｂからａに減
少し、等エントロピー変化をしながら作動ピストンと連
動する加減圧ピストンで圧送されて、元の状態に戻るサ
イクルを繰り返す。熱媒体が循環系を流れるとき、粘性
摩擦などのために、断熱可逆性は崩れるが、流動摩擦を
可及的少なくして、等エントロピー的に変化する流れと
する。

【００１６】

【００１７】アークロイス−サイクルは、循環圧力損失
を大幅に減少して、高低差の大きい自然循環を可能と
し、熱媒体サイクルにおいて最大効率が得られることを
特徴としている。これにより、今まで利用されなかった
熱や余った熱を自然循環して、大量のクリーンエネルギ
ーを得ることができる。

【００１８】本発明の加減圧ピストンには、高熱下降用
及び出力用の加減圧ピストンと、発熱用及び冷却用の加
減圧ピストンがあり、前者は自然循環系を構成し、後者
は加減圧循環系を構成する。自然循環系は作動ピストン
を含み、加減圧循環系は作動ピストンを含まないが、作
動ピストンは、自然循環系の加減圧ピストンとも、加減
圧循環系の加減圧ピストンとも連動している。通常、自
然循環系と加減圧循環系は別系統とし、熱媒体の流量や
圧力に乱れを生じない場合には、同一循環系とする。別
系統の循環系とする場合は、熱媒体の循環量を調整する
ための開閉弁付バイパスが設けられる。なお、本発明
中、“循環系”には、自然循環系も、加減圧循環系も含
まれる。

【００１９】本発明において、過熱過冷却サイクルは、
冷却と発熱を行う加減圧循環系に適用され、過熱過冷却
熱交換器により、加減圧シリンダーに流入する熱媒体の
熱量と、膨張弁又は絞り弁に流入する熱媒体の熱量とを
交換するサイクルで、加減圧シリンダーに流入する熱媒
体を過熱（ｓｕｐｅｒｈｅａｔ）し、膨張弁又は絞り弁
に流入する熱媒体を過冷却（ｓｕｐｅｒｃｏｏｌ）し
て、冷却効果と発熱効果を増大する。この過熱過冷却サ
イクルは、次の要素を満たすサイクルとする。｛１｝冷却サイクルは、吸熱過程での熱媒体の上昇エン
タルピー量を、放熱過程での熱媒体の下降エンタルピー
量と、吸熱過程での熱媒体の上昇エンタルピー量との差
で除した値が最大となる。｛２｝発熱サイクルは、放熱過程での熱媒体の下降エン
タルピー量を、放熱過程での熱媒体の下降エンタルピー
量と、吸熱過程での熱媒体の上昇エンタルピー量との差
で除した値が最大となる。

【００２０】この過熱過冷却サイクルは、熱媒体が、所
定の蒸発温度Ｔ_３＝ξ_３（ｓ）で熱を吸収して、エント
ロピーがｃからｅに増加し、ここで、系内過熱されて、
エントロピーがｅからｆに増加し、等エントロピー変化
をしながら加減圧ピストンで昇温され、さらに、熱媒体
によって決定される凝縮温度Ｔ_４＝ξ_４（ｓ）で熱を放
出して、エントロピーがｆからｄに減少し、ここで、系
内過冷却されて、エントロピーがｄからｃに減少し、等
エントロピー変化をしながら膨張弁又は絞り弁で降温さ
れて、元の状態に戻るサイクルを繰り返す。

【００２１】ある。

【００２２】アークロイス機関は、ピストンの流出入弁
側と反対側、すなわち、クランク室内と循環系を連通し
て、クランク室内の潤滑剤を熱媒体と共に循環したり、
ピストンリングの両側の圧力差を調整するとともに、ク
ランク室内の運動体の加速度運動を容易にする。

【００２３】シリンダーに対するピストンの位置を微調
節するピストン位置調節装置は、排出行程終了時のシリ
ンダーヘッドとピストンとの間隙を可及的狭くする目的
で使用され、体積効率（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｅｆｆ
ｉｃｉｅｎｃｙ）をよくして、アークロイス機関の性能
を向上する。

【００２４】各シリンダーには、間隙を可及的狭くして
体積効率をよくする流出入弁を使用するとともに、作動
シリンダーの流出入弁は、高圧下で滑らかに働く連動弁
とし、加減圧シリンダーの流出入弁は、逆流を完全に防
止する自動弁とする。

【００２５】電子制御は、熱媒体の封入量や循環量、循
環系の温度や圧力、弁の開閉、発電機の回転数、出力電
圧や周波数などを制御する。

【００２６】アークロイス機関は、熱媒体そのものの潤
滑性を利用するとともに、接触部分を無給油材料とし、
固体潤滑剤を使用することによって、潤滑油や保守点検
を必要としないアークロイス機関を提供する。

【００２７】

【発明の実施例】図１は、自然循環熱移動発電高低熱源
システムのうちで、高所にある高温の熱を低所にある低
温側へ自然循環して、熱移動するシステムの全体略図を
示している。このシステムは、主として、冷房用、及び
太陽熱等を地中に蓄熱する場合に使用される高熱下降自
然循環系を構成する。

【００２８】図１において、熱媒体は、高温側の集熱器
又は蒸発器１で集められた熱によって暖められ、そこで
潜熱や顕熱を奪い、エンタルピーの高い高温高圧で体積
の大きい蒸気となる。この高温高圧で体積の大きい蒸気
は、流量調節弁２からアークロイス機関３に供給され、
膨張度０％〜１００％でアークロイス機関３を作動す
る。ここで、高温高圧で体積の大きい蒸気の膨張度が０
％のとき、この蒸気は、そのまま低温側の放熱器又は凝
縮器４に送られるが、膨張度が大きくなると、その膨張
力と膨張量と仕事の熱当量（ｔｈｅｒｍａｌｅｑｕｉ
ｖａｌｅｎｔｏｆｗｏｒｋ）との積だけエンタルピ
ーの低い蒸気となり、放熱器又は凝縮器４に送られる。
この蒸気は、放熱器又は凝縮器４で放熱して凝縮し、さ
らにエンタルピーの低い低温低圧で体積の小さい熱媒体
となってアークロイス機関３へ上昇する。そこでこの低
温定圧で体積の小さい熱媒体は、アークロイス機関３に
よって吸入され、高温側に圧送されて循環する。熱媒体
が放熱器又は凝縮器４から集熱器又は蒸発器１に上昇す
るとき、蒸気の状態で上昇する“蒸気上昇ササクル”を
行い、下降熱媒体と上昇熱媒体との密度の違いを少なく
して、循環のための圧力損失を大幅に減少し、高低差の
大きい自然循環熱移動を可能とする。なお、図１に示す
付属機器５には、不凝縮ガス抜（ｐｕｒｇｅｒｏｆ
ｎｏｎ−ｃｏｎｄｅｎｓｉｂｌｅｇａｓ）・ろ過器・
乾燥器・安全弁などが含まれる。また、受液器は、高圧
側、低圧側、又はその双方に設けられる場合があり、管
路系が受液器を兼ねる場合もある。その位置や大きさ
は、循環系の条件によって決定され、液量はフロート位
置などによって検出される。

【００２９】図２は、自然循環熱移動発電高低熱源シス
テムのうちで、高温側の熱を低温側に自然循環しながら
出力を得るシステムの全体略図を示す。このシステム
は、主として、発電を行う出力自然循環系を構成する。

【００３０】図２に示されている、高温側の集熱器又は
蒸発器１、低温側の放熱器又は凝縮器４、及びアークロ
イス機関３の高低関係には制限がなく、どれが高所にあ
って、どれが低所にあってもよい。このシステムは、図
１のサイクルと同様のサイクルを行いながら出力を得
て、アークロイス機関３内に密閉されている発電機を回
転し、発電するシステムである。このシステムでは、ア
ークロイス機関３を作動する高温高圧で体積の大きい蒸
気の膨張度を１００％とし、発電機には永久磁石形ブラ
シレス発電機を使用して、並列群運転を行い、大電力に
集積する。

【００３１】図３は、自然循環熱移動発電高低熱源シス
テムのうちで、高温側の熱を低温側に自然循環しながら
出力を得て、低温側よりも温度の低い熱をつくるシステ
ムの全体略図を示す。これは、主として、冷凍冷蔵用の
低熱源に使用され、出力自然循環系と、冷却用の加減圧
循環系を構成する。

【００３２】図３において、集熱器又は蒸発器１と放熱
器又は凝縮器４を含む出力自然循環系は、図２の自然循
環系と同様であるが、発電機の代わりに加減圧ピストン
が設けられており、この加減圧ピストンは別系統の加減
圧循環系を構成する。この加減圧循環系の集熱器又は蒸
発器１’内は減圧されて第二の低温側となり、放熱器又
は凝縮器４’内は加圧されて第二の高温側となって、こ
の第二の低温側から第二の高温側に熱移動する。この加
減圧循環系には過熱過冷却熱交換器７が設けられてい
て、蒸発器（集熱器）１’とアークロイス機関３との間
の熱媒体を過熱し、膨張弁（絞り弁）６と凝縮器（放熱
器）４’との間の熱媒体を過冷却して、冷凍効果を増大
している。このシステムは、アークロイス機関を作動す
る高温高圧で体積の大きい蒸気の膨張度を１００％とし
ているとともに、各機器の高低関係に制限はない。

【００３３】図３について、自然循環系と加減圧循環系
との間に、自動開閉弁付バイパス８が設けられていて、
熱媒体の循環量が調整されている。熱媒体は、このバイ
パスを加減圧循環系から自然循環系に流れる。

【００３４】図３は、自然循環系の凝縮器（放熱器）４
と加減圧循環系の凝縮器（放熱器）４’とが同一熱交換
ゾーン（同一蓄熱ゾーン）に設けられている例である
が、加減圧循環系の凝縮器（放熱器）４’を別の熱交換
ゾーンに設けることもできる。また、この熱交換ゾーン
（蓄熱ゾーン）は、高温側が高所にあっても、低温側が
高所にあってもよい。

【００３５】図４と図５は、自然循環熱移動発電高低熱
源システムのうちで、高温側の熱を低温側に自然循環し
ながら出力を得て、高温側よりも温度の高い熱をつくる
システムの全体略図を示す。これらは、主として、給湯
用及び調理用の高熱源に使用され、出力自然循環系と、
発熱用の加減圧循環系を構成する。

【００３６】図４及び図５において、蒸発器（集熱器）
１と凝縮器（放熱器）４を含む出力自然循環系は、図２
の自然循環系と同様であるが、発電機の代わりに加減圧
ピストンが設けられており、この加減圧ピストンは別系
統の加減圧循環系を構成する。この加減圧循環系の蒸発
器（集熱器）１’内は減圧されて第二の低温側となり、
凝縮器（放熱器）４’内は加圧されて第二の高温側とな
って、この第二の低温側から第二の高温側に熱移動す
る。この加減圧循環系には過熱過冷却熱交換器７が設け
られていて、蒸発器（集熱器）１’とアークロイス機関
３との間の熱媒体を過熱し、膨張弁（絞り弁）６と凝縮
器（放熱器）４’との間の熱媒体を過冷却して、発熱効
果を増大している。図４のシステムも、図５のシステム
も、アークロイス機関３を作動する高温高圧で体積の大
きい蒸気の膨張度は１００％としているとともに、各機
器の高低関係に制限はない。

【００３７】図４及び図５は、自然循環系と加減圧循環
系との間に、自動開閉弁付バイパス８が設けられ、熱媒
体の循環量が調整されている。熱媒体は、このバイパス
を自然循環系から加減圧循環系に流れる。

【００３８】図４は、自然循環系の蒸発器（集熱器）１
と加減圧循環系の蒸発器（集熱器）１’とが同一熱交換
ゾーン（同一蓄熱ゾーン）に設けられている例であり、
図５は、自然循環系の凝縮器（放熱器）４と加減圧循環
系の蒸発器（集熱器）１’とが同一熱交換ゾーン（同一
蓄熱ゾーン）に設けられている例である。図５のシステ
ムでは、出力自然循環系の低温側の能力を増大すること
ができる。なお、この熱交換ゾーン（蓄熱ゾーン）は、
高温側が高所にあっても、低温側が高所にあってもよ
い。

【００３９】図６と図７は、高所にある高温の熱を低所
にある低温側ヘ、その熱エネルギーによって自然循環
し、熱移動するアークロイス機関３の断面図であり、図
６は各ピストンの中心を通る断面図、図７は図６に示さ
れているＡ〜Ａ断面図であり、図６は図７のＢ〜Ｂ断面
図である。これらは、図１の循環系で使用されるアーク
ロイス機関３の一例を示す。

【００４０】図６において、加減圧ピストン９と釣合作
動ピストン１０、及び作動ピストン１１、１２は、回転
体であるクランク軸１３で連動しながら、各々そのシリ
ンダー１４〜１７内で往復運動をする。釣合作動シリン
ダー１５ないし作動シリンダー１６、１７内に高温高圧
蒸気（作動蒸気）が流入すると、釣合作動ピストン１０
ないし作動ピストン１１、１２は作動し、クランク軸１
３は、弁２０〜２５の開閉の順序によって、一定の方向
に回転する。このクランク軸１３の回転により、加減圧
ピストン９は、加減圧シリンダー１４内を減圧して熱媒
体を吸入する行程と、熱媒体を加圧して圧送する行程と
を繰り返す。

【００４１】図６において、循環系より、加減圧シリン
ダー１４の流出弁１９に作用している熱媒体の圧力と釣
合作動シリンダー１５の流入弁２０に作用している熱媒
体の圧力、及び加減圧シリンダー１４の流入弁１８に作
用している熱媒体の圧力と釣合作動シリンダー１５の流
出弁２１に作用している熱媒体の圧力は、それぞれ等し
い。したがって、加減圧ピストン９と釣合作動ピストン
１０に働く熱媒体の圧力は常に等しく、加減圧ピストン
９と釣合作動ピストン１０の断面積が等しいときは、こ
れらのピストンは互いに釣り合っている。しかし、本例
では、クランク室内は低圧側に連通し、加減圧ピストン
９の断面積よりも釣合作動ピストン１０の断面積の方が
作動に必要な分だけ大きくなっているため、作動蒸気が
釣合作動シリンダー１５内に流入すると、加減圧ピスト
ン９に働く力よりも釣合作動ピストン１０に働く力の方
が常に大きくなり、作動ピストン１１、１２の作動力と
ともに、アークロイス機関３を作動し、加減圧シリンダ
ー１４内の熱媒体は加圧されて、高圧側に圧送される。
次に、作動蒸気が釣合作動シリンダー１５内から流出す
るときは、作動ピストン１１、１２の作動力によって、
アークロイス機関３が作動し、加減圧シリンダー１４内
は減圧されて熱媒体が流入する。このとき、弁を含む循
環系での熱媒体の流動摩擦、及びアークロイス機関が作
動するための機械摩擦があるため、加減圧ピストン９が
必要とする動力よりも、釣合作動ピストン１０ないし作
動ピストン１１、１２によってつくられる作動力の方が
常に大きくなっている。この作動力は、高温側の熱媒体
が高圧でありながら体積が大きく、低温側の熱媒体が低
圧でありながら体積が小さいことによって得られる。し
たがって、作動力は、高温側と低温側の熱媒体の圧力差
が大きければ大きいほど大きくなり、高温側と低温側の
熱媒体の比容積の差が大きければ大きいほど大きくな
る。これらの差が大きいとき、動力が余って出力を得る
ことができる。しかし、高熱下降サイクルでは、これら
の差をなるべく少なくして、温度の高い熱を高所から低
所へ移動する。このように、釣合作動ピストン１０は、
釣合ピストンと作動ピストンとを兼ねており、作動ピス
トン１１、１２と共に滑らかな回転力をつくる。

【００４２】以上のように、循環系での熱媒体の流動摩
擦とアークロイス機関３の機械摩擦が少ないほど、作動
蒸気圧は小さくて済み、高温側と低温側との温度差が少
なくて済むため、本発明例では、熱媒体の流動摩擦を少
なくする弁１８〜２５を設け、かつ、耐摩耗性低摩擦ピ
ストンを使用しているとともに、耐摩耗性低摩擦ピスト
ンリング２７を設けている。さらに、ピストンとクラン
ク軸１３を連結する連接棒２８とピストンピン２９との
間、及びこの連接棒２８とクランク軸１３との間には、
それぞれ摩擦を少なくするためのベアリングが設けられ
ている。こうして、本例のアークロイス機関３は、熱媒
体として大気中の二酸化炭素を使用し、高低差１００ｍ
のとき、温度差２℃〜３℃で作動する。

【００４３】図６において、各シリンダーと連続してア
ークロイス機関３を密閉するケーシング３０と各シリン
ダーとの間には、シリンダーに対するピストンの位置を
微調節するピストン位置調節装置３１を設けているとと
もに、ここに、Ｏリングが使用されて完全密閉される。
ケーシング３０には、アークロイス機関３を軽量化する
ための穴３２と、アークロイス機関３の全体を保温する
断熱材３３が設けられる。また、本例では、作動シリン
ダー１６、１７に、熱媒体の流出入を滑らかにする拡張
部１６’、１７’が設けられ、クランク軸１３には、強
度を増大する補強部１３’が設けられている。

【００４４】図６に示すアークロイス機関３は、釣合作
動ピストン１０と作動ピストン１１、１２が１２０度の
角度で配置されていて、これらのピストンのシリンダー
１５〜１７に設けられている流入弁２０、２２、２４の
うち、常にいずれかが開いているため、これらのピスト
ンがどこで停止していても、いつでも始動することがで
きる。

【００４５】図７と図６において、クランク軸１３は、
弾み車とカム軸を兼ねており、カム３４に設けられたロ
ブ３５によって、プランジャー３６は、釣合作動シリン
ダー１０の流出入弁２０、２１を開閉し、作動シリンダ
ー１１、１２の流出入弁２２〜２５も、同様にして開閉
される。本例では、釣合作動シリンダー１０の流出入弁
２０、２１を開閉するロブ３５と、作動シリンダー１
１、１２の流出入弁２２〜２５を開閉するロブ３５とが
同一であるが、別々にカムとロブを設けて、これらの弁
の開閉位置や開閉間隔を変えることができる。

【００４６】図７において、クランク軸１３の両端にベ
アリング３７を設けて、アークロイス機関３の機械摩擦
を少なくする。ケーシング３０に設けられている連通管
３８と、ベアリング３７のハウジング部分に設けられて
いる連通孔３８’は、これによってクランク室内の熱媒
体を循環し、熱媒体と共に微量の粉末固体潤滑剤を循環
したり、クランク室内の圧力を調整して、ピストンリン
グに働く圧力を調整するとともに、加速度運動体の抵抗
を少なくする。ただし、連通管３８がなくても、クラン
ク室内の圧力は、高圧側の圧力と低圧側の圧力との間の
圧力に保たれる。クランク室内の圧力が高いか低いか
は、ピストンに働く力については、押す力が大きくなる
か、引く力が大きくなるかの違いだけであって、アーク
ロイス機関３の作動力そのものには影響しない。また、
本例では、潤滑剤として、劣化することがなく、高温に
も低温にも耐え、摩擦係数の小さい固体潤滑剤を使用し
ているため、耐久力の大きい低摩擦のアークロイス機関
３を提供することができる。

【００４７】図７の結合材３９は、装着体であるピスト
ンピン２９と被装着体であるピストンとの境界に、深く
なるにつれて徐々に断面積が大きくなる結合材挿入孔を
設けて挿入されるものであり、緩みなく強固に装着する
ことができる。結合材４０は、連接棒２８がセットされ
た後、クランク軸１３を強固に連結するためのもので、
補強部１３’が設けられている位置に挿入される。

【００４８】図７及び図６において、図１の集熱器（蒸
発器）１から流量調節弁２を通って流れてくる作動熱媒
体の流入管４１は、釣合作動シリンダー１５の流入弁２
０と作動シリンダー１６、１７の流入弁２２、２４に接
続し、さらに、図１の放熱器（凝縮器）４へ流れていく
作動熱媒体の流出管４２は、釣合作動シリンダー１５の
流出弁２１と作動シリンダー１６、１７の流出弁２３、
２５に接続する。本例では、この作動熱媒体流出管４２
に、連通管３８を接続し、クランク室内と循環系を連通
する。また、図１の放熱器（凝縮器）４から流れてくる
加減圧熱媒体の流入管４３は、加減圧シリンダー１４の
流入弁１８に接続し、集熱器（蒸発器）１へ付属機器５
を通って流れていく加減圧熱媒体の流出管４４は、加減
圧シリンダー１４の流出弁１９に接続する。

【００４９】図８〜図１１は、高温側の熱を低温側に自
然循環しながら出力を得て仕事をするアークロイス機関
３の断面図であり、本例は、発電機５３を駆動して電力
を得るアークロイス機関３を示している。図８〜図１０
は各ピストンの中心を通る断面図、図１１は図８〜図１
０に示すＣ〜Ｃ断面図であり、図８は図１１のＤ〜Ｄ断
面、図９は図１１のＥ〜Ｅ断面、図１０は図１１のＦ〜
Ｆ断面である。これらは、図２の循環系で使用されるア
ークロイス機関３の一例を示す。

【００５０】図８及び図９に示すピストンは、すべて、
出力自然循環系を構成する釣合出力作動ピストンであ
る。この基本構成は図６と同じであるが、本例では、熱
媒体の圧力差や比容積の差を大きくし、釣合出力作動シ
リンダー４６内の作動蒸気の膨張度を１００％としてい
るため、作動蒸気は、その膨脹度が０％から１００％に
なるまで、すなわち、高温高圧蒸気から低温低圧蒸気に
なるまでピストンに力を及ぼし、大きな出力を得ること
ができる。本例は、作動蒸気の膨脹度が１００％であ
り、作動蒸気の流入量が少なくなって、流入弁が開いて
いるときの回転角が小さくなるため、図８及び図９に示
すように、各々の釣合出力作動ピストン４５の位相を４
５度としている。こうすれば、８つの釣合出力作動シリ
ンダー４６の流入弁４７のうち、いずれかが常に開いて
おり、アークロイス機関３がどこで停止していても、必
ず始動させることができる。なお、この釣合出力作動ピ
ストン４５は、釣合作動ピストンになったり、出力作動
ピストンになったりする兼用ピストンである。

【００５１】図１０に示すピストンは、すべて出力自然
循環系を構成する加減圧ピストンであり、この加減圧ピ
ストン４９群と、図８〜図９の釣合出力作動ピストン４
５群との間には、回転数を変換する変速機を設けること
もできる。ここでは、４つの加減圧ピストン４９を設け
て行程体積比を設定している。

【００５２】図１１において、出力部分の基本構成は図
７と同じであるが、本例では、加減圧ピストン４９群と
釣合出力作動ピストン４５群を縦型配置とするととも
に、発電機５３の回転は、クランク軸１３の回転を増速
機５４で増速し、組立ベアリング３７’を使用してい
る。図１１の発電機５３では、その冷却タンク５５内
に、冷却熱媒体を封入し、これが自然循環して、発電機
５３全体を速やかに冷却する例を示している。なお、釣
合出力作動シリンダー４６の流入弁４７は、作動熱媒体
流入管４１に接続し、釣合出力作動シリンダー４６の流
出弁４８は、作動熱媒体流出管４２に接続するととも
に、加減圧シリンダー５０の流入弁５１は、加減圧熱媒
体流入管４３に接続し、加減圧シリンダー５０の流出弁
５２は、加減圧熱媒体流出管４４に接続する。

【００５３】図８〜図１１の発電システムの発電量は、
冬の寒さが−５℃になる地域に適用し、集熱能力が平均
６０℃の太陽熱集熱器を使用して、これらの熱を蓄熱す
るとき、集熱器１ｍ^２当たり一年間で、７２ｋｗｈであ
る。

【００５４】図８〜図１０及び図１２と図１３は、高温
側の熱を低温側に自然循環しながら出力を得て、発熱と
冷却を行う高低熱源用のアークロイス機関３の断面図
で、本例は図１１の発電機５３の代わりに、加減圧ピス
トン群を設けて、新たに加減圧循環系を構成し、高温側
よりも温度の高い熱や低温側よりも温度の低い熱を得る
循環系を構成する。図８〜図１０と図１２は各ピストン
の中心を通る断面図で、図１３は図８〜図１０と図１２
に示すＣ〜Ｃ断面図であり、図８は図１３のＤ〜Ｄ断
面、図９は図１３のＥ〜Ｅ断面、図１０は図１３のＦ〜
Ｆ断面、図１２は図１３のＧ〜Ｇ断面である。これらは
図３〜図５の循環系で使用されるアークロイス機関３の
一例を示す。

【００５５】図１２に示すピストンは、すべて加減圧循
環系を構成する加減圧ピストンであり、この加減圧ピス
トン５６群は、順次位相が９０度ずつずれて連動してい
るため、滑らかに回転し、加減圧循環系の熱媒体の圧力
を減圧したり加圧したりすることによって低温や高温を
得る。

【００５６】図１３において、出力部分は図１１と同じ
であるが、図１１の発電機５３の代わりに、加減圧循環
系の加減圧ピストン５６群（図１２に示す）が設けらて
いる。この加減圧ピストン５６群は、クランク軸１３の
回転が変速機５４で変速されて、所定の冷却能力又は発
熱能力で運転される。たとえば、２段圧縮とする図５の
調理用熱源サイクルでは、図１２に示す４つの加減圧ピ
ストン５６のうち、３つの断面積と残りの１つの断面積
との比率を適切に設定し、変速機５４の変速比を適切に
設定して、３つのピストンで圧縮した熱媒体を、さら
に、残りの１つのピストンで圧縮する。また、図３〜図
５の蒸発器（集熱器）１’から過熱過冷却熱交換器７を
通って流れてくる加減圧循環系の熱媒体流入管６０は、
加減圧シリンダー５７の流入弁５８（図１２に示す）に
接続し、図３〜図５の凝縮器（放熱器）４’へ流れてい
く加減圧循環系の熱媒体流出管６１は、加減圧シリンダ
ー５７の流出弁５９（図１２に示す）に接続する。な
お、図１３に示されている連通管３８は、図３の循環系
では加減圧循環系の熱媒体流出管６１に接続し、図４と
図５の循環系では作動熱媒体流出管４２に接続する。

【００５７】図８〜図１０、図１２、及び図１３の冷凍
発熱システムの能力は、冬の寒さが−５℃になる地域に
適用し、集熱能力が平均６０℃の太陽熱集熱器を使用し
て、これらの熱を蓄熱するとき、集熱器１ｍ^２当たり一
年間で、−３０℃の冷凍冷蔵用熱源が９６４ＭＪ、２６
０℃〜１４６℃の調理用熱源が６１８ＭＪ、８６℃の給
湯用熱源が１，２０５ＭＪ得られる。

【００５８】

【発明の効果】本発明は、主として、太陽熱、大気熱、
排熱、炉熱（焼却炉などの熱）、地中熱、及び風力や水
力などでつくられる熱を、熱媒体の潜熱や顕熱として自
然循環し、容易に、発電、冷暖房、給湯、冷凍冷蔵、及
び調理用の熱源を得るもので、循環のための系外エネル
ギーを全く与えることなく、高所にある高温側の熱を低
所にある低温側に自然移動したり、高温側よりも温度の
高い熱や低温側よりも温度の低い熱を得るとともに、自
然発電を行うシステムである。高所から低所への自然循
環熱移動は高低差１００ｍのとき、温度差２℃〜３℃で
行われ、高熱源及び低熱源システムは３００℃〜−９０
℃の範囲で運転される。

【００５９】例えば、本発明のシステムを冬の寒さが−
５℃になる地域に適用し、集熱能力が平均６０℃の太陽
熱集熱器を使用して、これらの熱を蓄熱するとき、集熱
器１ｍ^２当たり一年間で、発電量が７２ｋｗｈ／ｍ^２・
ｙｅａｒ、−３０℃の冷凍冷蔵用の熱源が９６４ＭＪ／
ｍ^２・ｙｅａｒ、２６０℃〜１４６℃の調理用熱源が６
１８ＭＪ／ｍ^２・ｙｅａｒ得られ、８６℃の給湯用熱源
が１，２０５ＭＪ／ｍ^２・ｙｅａｒ得られる。同様に、
自然熱移動して、冬の寒さと夏の暑さを蓄熱し、冷暖房
するとき、これによって節約されるエネルギーは、集熱
器１ｍ^２当たり、原油換算で年間１１３ｌ／ｍ^２・ｙｅ
ａｒ、そのうち節約される電力量は年間２２４ｋｗｈ／
ｍ^２・ｙｅａｒである。人畜無害で、オゾン層に影響の
ない熱媒体を使用し、自然循環によって、多量のクリー
ンエネルギーが得られる。これにより、現在使用されて
いる電力や化石燃料を節約するとともに、大気中の二酸
化炭素、二酸化硫黄、二酸化窒素などを低減して、酸性
雨や温暖化防止にも貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高熱下降自然循環システムの全体略図。

【図２】発電システムの全体略図。

【図３】低熱源システムの全体略図。

【図４】高熱源システムの全体略図。

【図５】出力循環系の低温側能力を増大する高熱源シス
テムの全体略図。

【図６】高熱下降自然循環用アークロイス機関の横断面
図。

【図７】高熱下降自然循環用アークロイス機関の縦断面
図。

【図８】発電発熱冷却用アークロイス機関の横断面図。
ただし、釣合出力作動ピストン部分。

【図９】図８に同じ。ただし、位相変化４５度の釣合出
力作動ピストン部分。

【図１０】発電発熱冷却用アークロイス機関の横断面
図。ただし、自然循環系の加減圧ピストン部分。

【図１１】発電用アークロイス機関の縦断面図。

【図１２】発熱冷却用アークロイス機関の横断面図。た
だし、加減圧循環系の加減圧ピストン部分。

【図１３】発熱冷却用アークロイス機関の縦断面図。

【符号の説明】

１：集熱器又は蒸発器、２：流量調節弁、３：ア
ークロイス機関、４：放熱器又は凝縮器、５：付属機
器、６：膨脹弁又は絞り弁、７：過熱過冷却熱交換器
（ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｆｏｒｓｕｐｅｒ
ｈｅａｔｉｎｇａｎｄｓｕｐｅｒｃｏｏｌｉｎ
ｇ）、８：自動開閉弁付バイパス、９：加減圧ピスト
ン、１０：釣合作動ピストン、１１と１２：作動ピスト
ン、１３：クランク軸、１４：加減圧シリンダー、１
５：釣合作動シリンダー、１６と１７：作動シリンダ
ー、１８：加減圧シリンダー流入弁、１９：加減圧シリ
ンダー流出弁、２０と２２と２４：作動シリンダー流入
弁、２１と２３と２５：作動シリンダー流出弁、２７：
耐摩耗性低摩擦ピストンリング、２８：連接棒、２９：
ピストンピン、３０：ケーシング、３１：ピストン位置
調節装置、３３：断熱材、３４：カム（ｃａｍ）、３
５：ロブ（ｌｏｂｅ）、３６：プランジャー（ｐｌｕｎ
ｇｅｒ）、３７：ベアリング、３８：連通管、３９と４
０：結合材、４１：作動熱媒体流入管、４２：作動熱媒
体流出管、４３：加減圧熱媒体流入管、４４：加減圧熱
媒体流出管、４５：釣合出力作動ピストン、４６：釣合
出力作動シリンダー、４７：釣合出力作動シリンダー流
入弁、４８：釣合出力作動シリンダー流出弁、４９：加
減圧ピストン、５０：加減圧シリンダー、５１：加減圧
シリンダー流入弁、５２：加減圧シリンダー流出弁、５
３：発電機、５４：増速機（変速機）、５５：冷却タン
ク、５６：加減圧循環系の加減圧ピストン、５７：加減
圧循環系の加減圧シリンダー、５８：加減圧循環系の加
減圧シリンダー流入弁、５９：加減圧循環系の加減圧シ
リンダー流出弁、６０：加減圧循環系の熱媒体流入管、
６１：加減圧循環系の熱媒体流出管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮性熱媒体の循環系において、一方に設
けられた集熱器又は蒸発器と、他方に設けられた放熱器
又は凝縮器との間に、熱媒体を加減圧する、加減圧ピストンが、少なくとも、
一つ以上設けられ、熱媒体蒸気により作動する、作動ピストンが、少なくと
も、一つ以上設けられていて、作動ピストンの一つ以上は、その作動力が加減圧ピスト
ンの加減圧力と釣り合う、釣合ピストンを兼ねており、これらピストンは、共に連動しながら、各々そのシリン
ダー内で往復運動し、これらピストンと連動して、その行程を正しく保つとと
もに、加速度を変えることによって力を吸収分配する、
慣性回転体が設けられ、加減圧シリンダーに、加減圧熱媒体の流入弁と流出弁が
設けられて、作動シリンダーに、作動ピストンと連動する、熱媒体蒸
気の流入弁と流出弁が設けられている、アークロイス機
関が設けられていることを特徴とする自然循環熱移動発
電高低熱源システム。
【請求項２】ピストンの断面積が、他のピストンの断面
積と異なっている請求項１に記載の自然循環熱移動発電
高低熱源システム。
【請求項３】自然循環系は、その加減圧ピストンと作動
ピストンとの単位時間当たりの行程体積比が、蒸気上昇
サイクルを構成している請求項１に記載の自然循環熱移
動発電高低熱源システム。
【請求項４】自然循環系は、熱媒体が、そのサイクルの
エントロピー増大過程において、湿り蒸気の蒸発温度以
上の温度で吸熱するアークロイス−サイクルを構成して
いる請求項１に記載の自然循環熱移動発電高低熱源シス
テム。
【請求項５】出力自然循環系と、これと別系統の加減圧
循環系との間に、熱媒体の循環量を調整する、開閉弁付
バイパスが設けられている請求項１に記載の自然循環熱
移動発電高低熱源システム。
【請求項６】加減圧循環系が、過熱過冷却サイクルを構
成している請求項１に記載の自然循環熱移動発電高低熱
源システム。
【請求項７】ピストンの流出入弁側と反対側が、循環系
に連通している請求項１に記載の自然循環熱移動発電高
低熱源システム。
【請求項８】シリンダーに対するピストンの位置を微調
節する、ピストン位置調節装置が設けられている請求項
１に記載の自然循環熱移動発電高低熱源システム。
【請求項９】作動ピストンと加減圧ピストン、又は作動
ピストンと回転体との間に、回転数を変換する、変速機
が設けられている請求項１に記載の自然循環熱移動発電
高低熱源システム。
【請求項１０】回転体が、弾み車である請求項１に記載
の自然循環熱移動発電高低熱源システム。
【請求項１１】回転体が、発電機である請求項１に記載
の自然循環熱移動発電高低熱源システム。
【請求項１２】発電機に、冷却熱媒体が循環する、冷却
タンクが設けられている請求項１１に記載の自然循環熱
移動発電高低熱源システム。
【請求項１３】装着体と被装着体との境界に、深くなる
につれて徐々に断面積が大きくなる、結合材挿入孔が設
けられ、結合材が充填されている請求項１に記載の自然
循環熱移動発電高低熱源システム。
【請求項１４】循環系に、流量調節弁、受液器、膨脹弁
又は絞り弁、過熱過冷却熱交換器、ろ過器、不凝縮ガス
抜、乾燥器、止弁、安全弁、覗き窓、及びサービス弁の
うちの一以上が設けられている請求項１に記載の自然循
環熱移動発電高低熱源システム。
【請求項１５】センサーが設けられ、運転が電子制御さ
れている請求項１に記載の自然循環熱移動発電高低熱源
システム。
【請求項１６】接触部分が、無給油材料である請求項１
に記載の自然循環熱移動発電高低熱源システム。
【請求項１７】潤滑剤が、固体潤滑剤である請求項１に
記載の自然循環熱移動発電高低熱源システム。