JPH09125913A

JPH09125913A - 全熱効率タービン

Info

Publication number: JPH09125913A
Application number: JP31942995A
Authority: JP
Inventors: Toshiyasu Indo; 敏泰引頭
Original assignee: TECHNIC KK
Current assignee: TECHNIC KK
Priority date: 1995-11-01
Filing date: 1995-11-01
Publication date: 1997-05-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】熱サイクル効率が１００％のタービンを提供
する。【解決手段】本体１に作動流体を封入する。外部熱源
２０の熱エネルギーを，加熱部受熱面３により吸収し加
熱気体とする。加熱気体は気体量制御弁６を経由して噴
口ノズル７より断熱膨張させタービン回転子９を回転さ
せて潜熱の一部を仕事に変換する。膨張気体となった作
動気体を凝縮部１１に導く。凝縮部と蒸発部１５を区切
る伝熱隔壁１２には凝縮ウイック部１３および蒸発ウイ
ック部１６を設ける。凝縮部に導いた膨張気体は凝縮ウ
イック部において復液させる。復液した作動液体は位置
ヘッド部１４を経由して蒸発部１５に送る。凝縮部で発
生した凝縮熱は伝熱隔壁により蒸発部に熱伝達する。蒸
発部に送られた作動液体は蒸発ウイック部により蒸発さ
せる。蒸発した作動気体は，蒸発気体通路１７および音
速制御弁１８を経て加熱部２に導き，加熱気体として循
環させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，タービンを使用する発
電機・エンジン，および冷却・冷凍・冷蔵・冷房・温度
調節用装置に関するもので，電力会社の火力発電所ある
いは原子力発電所等の大電力生産から，ガソリン・重油
・廃熱利用発電機等の直流あるいは交流発電機，工業用
冷凍機，家庭用冷蔵庫・空調用冷房機器等に関するもの
である。

【０００２】本発明は，熱源の近辺に設置して熱エネル
ギーを吸収し，タービンの回転力に変換して，電気エネ
ルギーあるいは軸回転力エネルギーとするものである。

【０００３】本発明の対象とする分野は次の通りであ
る。

【０００４】発電関係火力・原子力・海洋・河川・地熱・廃熱・太陽熱その他
のあらゆる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発
電機。

【０００５】エンジン関係自動車・船舶・航空機その他のエンジンで，電動機によ
り代替が可能なエンジン。

【０００６】冷凍・冷蔵関係冷凍機・冷蔵庫その他の冷凍・冷蔵に関する諸機械・機
器。

【０００７】冷房・冷却・温度調節関係自動車・建築物・電子部品，その他の冷房・冷却・温度
調節用諸機械・機器。

【０００８】

【従来の技術】従来の火力発電所では，発電機効率は１
００％に近く，またボイラ室での効率やタービン効率も
９０％に近いが，熱サイクル効率，タービン室効率は５
０％以下であり，発電所送電端熱効率では４０％を割っ
ている。この原因は，タービンに仕事をした蒸気を復液
するために熱エネルギーを冷却水に捨てる，すなわち蒸
気のもつ潜熱を外部に捨てて復水するためである。冷却
のために捨てられる熱エネルギーの回収を目的として，
再熱式タービンあるいは給液の加熱に温度が上昇した冷
却水の利用が図られている。しかし，熱サイクル効率を
５０％以上に上げることはできない。従来の蒸気タービ
ンの各種効率は次の通りである。

【０００９】

【００１０】従来の火力発電所の蒸気タービンは，石炭
あるいは石油などを燃焼してボイラの水に熱エネルギー
を与えて蒸気とし，さらに加熱して過熱蒸気としてター
ビン発電機に送りタービンを回転させて発電している。
ボイラの加熱は作動液体および作動蒸気に対して行なわ
れており，その蒸気温度は５３０〜５７０℃である。燃
焼ガスの温度が高いために窒素酸化物等の発生量が多い
欠点および設備機器の熱損傷が大きい欠点がある。ガス
タービンもほぼ同じような欠点がある。

【００１１】太陽熱の電力変換方法としては，太陽熱発
電パネルが開発されている。しかし太陽熱エネルギーの
電気エネルギーへの変換効率は最大でも３０％以下であ
る。

【００１２】ガソリン・重油発電機は，緊急発電用・現
場工事用・船舶用・レジャー用に使用されているが，発
電効率が悪く，ランニングコストが高くつく欠点があ
る。

【００１３】ガソリン・重油エンジンを利用して軸駆動
する方法も同様で，エネルギーの変換効率は決して良い
とは言えない。

【００１４】冷凍機・冷蔵庫あるいは空調用冷房機など
は，いずれも冷凍サイクルを利用している。ガス吸収式
冷凍機などもあるが，作動のためには電気エネルギーが
必要であり，また，大量の熱エネルギーを外部に放出し
なければならず，効率が良いとはいえない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の優秀性は，低
品質の熱エネルギーを高品質の電気エネルギーに変換す
るにあたり，理論的には１００％の変換効率で変換する
ことである。また，電力生産における作動時の温度域が
現行の発電用蒸気タービンと比較して低いことである。
高い熱サイクル効率と低温度域での作動は，地球上での
資源の消費および環境の悪化の問題，すなわち，化石燃
料資源の消費量低減，二酸化炭素・窒索酸化物・硫黄酸
化物等の発生量の低減による地球環境の改善を図ること
ができる。さらに，装置の生産性も良く，設備の簡素
化，生産コストの低減，電力コストの低減を図ることが
できる。また，太陽熱利用あるいは廃熱利用による電気
エネルギーの生産においては，最大効率のエネルギー変
換装置で，生産の合理化，省資源化，地球資源の消費削
減，地球環境の汚染防止等に大きく貢献するものであ
る。

【００１６】本発明は，燃料すなわち投入エネルギーに
対する熱サイクル効率が，従来の火力発電所では最大で
も４８％であったが，これを理論的には１００％とする
発明である。熱サイクル効率を理想の効率とするため
に，仕事をした蒸気のもつ潜熱を外部に捨てることな
く，サイクルの中で循環させている。

【００１７】本発明は，小型発電機においては，燃料あ
るいは太陽熱・廃熱等の熱エネルギーにより発電機を作
動させて，熱サイクル効率の良い発電機を提供しようと
するものである。また，大型発電機においては，発電す
る電気エネルギーに見合う燃焼装置より熱エネルギーを
供給し，装置内部の加熱部温度は１００℃以下，蒸発部
の蒸発温度は２０℃近辺で稼働する発電機を提供しよう
とするものである。

【００１８】本発明は，冷房装置として使用する場合
は，装置の初動操作には一時的な加熱のための電力等の
エネルギーを必要とするが，連続操作に入ると冷房のた
めの電気エネルギー等の他のエネルギーは不必要で，逆
に電力を生産する装置を提供しようとするものである。
年間の電力需要を見ると夏期がピークとなっているが，
冷房用途の需要が電力消費のピークを形成している。冷
房に電力を使用しない本発明により，電力需要のピーク
をなくすことができる。

【００１９】本発明は，冷凍装置として使用する場合
は，フレオンガス等の地球環境を悪化する物質は不必要
で，アンモニア・アセトン・メタノール等の無害な物質
を使用して，冷房装置の場合と同様の操作により冷凍す
るとともに，電力を生産する装置を提供するものであ
る。

【００２０】本発明は，超低温の冷凍装置として使用す
る場合は，装置自体の材質・構造等に超低温における問
題による制約があり，これらの問題を解決する必要があ
るが，理論的には作動物質に酸素あるいは水素・ヘリウ
ム等の物質を使用すれば，それらの物質の液相・気相の
相転移を利用して，超低温の冷凍装置として利用するこ
とができる。

【００２１】本発明は，超高温熱源等を使用して発電機
として使用する場合は，装置自体の材質・構造等に超高
温における問題による制約があり，これらの問題を解決
する必要があるが，理論的には作動物質に超高温の熱源
に見あう各種の金属を使用すれば，それらの物質の液相
・気相の相転移を利用して，超高温の発電装置として利
用することができる。また，高温熱源の熱エネルギーの
計算から，その熱エネルギーに見合う単体の装置あるい
は熱エネルギーを分散して低温の複数の装置を作動させ
て，効率よく熱エネルギーを電気エネルギーに変換する
装置を提供するものである。

【００２２】

【問題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にあっては，本体内部に加熱部・タービン部・
凝縮部・位置ヘッド部・蒸発部の作動域を設け，同一物
質の作動液体および作動気体を封入し，他の液体・気体
を含まない作動環境として，作動液体および作動気体を
循環させることを特徴とする。

【００２３】外部熱源より供給される熱エネルギーを加
熱部において吸収し，蒸発部より送られる作動気体を加
熱して加熱気体とする。温度の上昇した加熱気体をター
ビン噴口ノズルで断熱膨張させ，潜熱の一部を放出して
タービン回転子を回転させる。断熱膨張と仕事をした作
動気体は凝縮部に導いて復液させる。復液した作動液体
は，位置ヘッド部を経由して蒸発部に送る。また，凝縮
部で発生した凝縮熱を蒸発部に熱伝達し，蒸発熱として
作動液体を蒸発させて作動気体とする。蒸発した作動気
体は加熱部に送り外部熱源よりの熱エネルギーにより加
熱して加熱気体とし，タービンサイクルとして循環させ
るようにしたことを特徴とする。

【００２４】また，本体には加熱部・加熱気体通路部・
気体量制御弁・タービン噴口ノズル・タービン部・複数
個の永久磁石を取付けたタービン回転子・膨張気体通路
部・凝縮部・伝熱隔壁・凝縮ウイック部・位置ヘッド部
・蒸発部・蒸発ウイック部・蒸発気体通路部・音速制御
弁および誘導電線を配した発電機部または外部に複数個
の永久磁石を取付けた回転体を設けることを特徴とす
る。

【００２５】また，本体の内部には，同一物質の作動液
体および作動気体のみを封入し，これら以外の油等の液
体，空気等の気体，特に作動液体・気体に対する活性ガ
ス等，作動物質以外の液体・気体を全く含まない作動環
境であることを特徴とする。

【００２６】また，作動液体および作動気体に使用する
物質は，液相・気相の相転移が可能な同一物質であるこ
とを特徴とする。

【００２７】また，各部の作動の過程と状態変化の内容
が，凝縮部に設けた凝縮ウイック部で復液した［状態
１］の作動液体が，凝縮ウイック部の毛細管力と位置ヘ
ッド部の作用により，位置ヘッド部を経由して蒸発部に
送られ，蒸発ウイック部で蒸発熱により冷却されて温度
が低下して［状態２］の作動液体となる過程で，状態変
化は凝縮部から位置ヘッド部へは等圧変化，位置ヘッド
部から蒸発部へは等積変化であるのと，［状態２］の蒸
発ウイック部の作動液体が，伝熱隔壁を経由して熱伝達
された凝縮部の凝縮熱を蒸発熱として蒸発し，［状態
３］の作動気体となる過程で，状態変化は等圧変化で，
蒸発による液相より気相への相転移であるのと，［状態
３］の作動気体が，加熱部で外部の熱エネルギーを吸収
し，温度・圧力・比エンタルピは上昇・増加し，比容積
・比エントロピは減少して，［状態４］の加熱気体とな
る過程で，加熱による状態変化であるのと，［状態４］
の加熱気体が，タービン噴口ノズルで断熱膨張し，ター
ビン回転子に仕事をして回転力を与え，［状態５］の膨
張気体となる過程で，この状態変化は等エントロピ変化
であるのと，［状態５］の膨張気体が，凝縮部の凝縮ウ
イック部で凝縮し，凝縮熱を放出して，［状態１］の作
動液体に復液する過程で，状態変化は等圧変化で，凝縮
による気相より液相への相転移であるのと，からなるこ
とを特徴とする。

【００２８】また，蒸発気体通路部の出口近辺に音速制
御弁を設けて，初動操作においては加熱部の作動気体を
封止して，加熱部の容積を一定にして加熱する。また，
加熱された加熱気体が気体量制御弁を経由して噴口ノズ
ルよりタービン回転子に噴出し，断熱膨張と仕事をし，
凝縮部において凝縮して復液することにより生じた背圧
により，加熱部の圧力が減少し蒸発部の作動気体との間
に圧力勾配が発生する。圧力勾配の発生とともに音速制
御弁を開き，蒸発部の作動気体を加熱部に流入させて連
続操作を開始する。連続操作の開始とともに，音速制御
弁を通過する作動気体の気体流速度が音速あるいは超音
速となるように制御して，加熱部の圧力・密度等の状態
値が蒸発部の状態値と異なることにより，状態値の変化
が蒸発部に伝播することを防止するごとくにした音速制
御弁を設けることを特徴とする。

【００２９】また，加熱気体通路部の出口近辺に気体量
制御弁を設けて，初動操作においては音速制御弁と同様
に加熱部の加熱気体を封止して，加熱部の容積を一定に
して連続操作のための温度・圧力の加熱気体となるまで
加熱する。加熱気体の温度・圧力が上昇し連続操作の可
能な状態値に到達した時点で気体量制御弁を開き，加熱
気体をタービン噴口ノズルよりタービン回転子に噴出し
て断熱膨張と仕事をさせ，連続操作を開始する。連続操
作の開始とともに，加熱部で吸収する熱エネルギー量の
変化により変化する加熱気体の温度・圧力に応じて，タ
ービンサイクルが順調に循環するように加熱気体の流量
を調整し，気体量制御弁を通過する加熱気体の気体流速
度が常に音速あるいは超音速となるように制御して，凝
縮部の圧力・密度等の状態値が加熱部と異なることによ
る状態値の変化が加熱部に伝播することを防止するごと
くにした気体量制御弁を設けることを特徴とする。

【００３０】また，タービン回転子端部に取付けた複数
個の永久磁石により磁場を形成し，タービンの回転にと
もなう磁場の変化により，本体内部あるいは外部に設け
た電線またはコイルに電磁誘導により電力を発生させて
発電機とするか，あるいは外部にも永久磁石を適宜取付
けた回転体を設けて，タービン回転子の永久磁石と外部
回転体の永久磁石との相互の磁力により外部の回転体を
回転させ，回転エネルギーを直接外部に取り出すように
することを特徴とする。

【００３１】また，本体内部に熱伝導率の良い材質の伝
熱隔壁を設け，その表裏面を凝縮部と蒸発部とし，各面
に毛細管力のある構造体のウイックを設けて凝縮ウイッ
ク部・蒸発ウイック部とし，凝縮ウイック部では凝縮し
た作動液体をウイックにより集め，位置ヘッド部を経由
して蒸発部に送り，蒸発部では送られた作動液体を蒸発
ウイック部に拡散して蒸発するごとく伝熱隔壁を設ける
ことを特徴とする。また，伝熱隔壁に設けた凝縮部側と
蒸発部側のウイックの端末の断面積をそれぞれ単位時間
に流れる作動液体の量による所定の最大断面積とし，凝
縮部および蒸発部の作動液体の流路とすることを特徴と
する。

【００３２】また，凝縮部の作動気体が凝縮ウイック部
において毛管凝縮して復液し，作動液体となる際に放出
する凝縮熱を，熱伝導率の良い伝熱隔壁を経由して蒸発
ウイック部に熱伝達し，凝縮ウイック部より位置ヘッド
部を経由して送られる作動液体が蒸発ウイック部におい
て蒸発する際の蒸発熱とすることを特徴とする。

【００３３】また，位置ヘッド部を凝縮ウイック部と蒸
発ウイック部の間に設け，作動液体を凝縮ウイック部の
一端より位置ヘッド部の作動液体溜に送り，作動液体溜
近辺に流路抵抗を設けて凝縮部側の位置ヘッドを放出す
る。凝縮部と位置ヘッド部の温度・圧力は同一である。
作動液体溜液面より蒸発ウイック部入口までの高さある
いはその間に設けた流路抵抗を蒸発部側の位置ヘッドと
し，蒸発ウイック部に連結して作動液体の通路とする。
凝縮ウイック部および蒸発ウイック部に出入する両作動
液体の状態値および高さまたは流路抵抗より，速度ヘッ
ド，圧力ヘッドおよび位置ヘッドを算出し，それらの合
計である全ヘッドを位置ヘッド部により等しくなるよう
にし，凝縮部と蒸発部の圧力差による蒸発部における作
動液体および作動気体の噴出を防止するごとく位置ヘッ
ド部を設けることを特徴とする。

【００３４】また，本体加熱部外部の受熱面に赤外線吸
収塗料を塗布して，燃焼ガス・太陽熱等の外部熱源から
供給される放射熱・伝導熱・対流熱による熱エネルギー
の熱伝達効率を向上させ，効率良く熱伝達させることを
特徴とする。

【００３５】また，外部熱源から本体加熱部外部受熱面
を通して供給される熱エネルギーを効率よく作動気体に
熱伝達するために，本体加熱部の内部加熱面全面に赤外
線放射・吸収塗料を塗布して，内部加熱面からの放射熱
・伝導熱・対流熱による作動気体への熱伝達効率を向上
させることを特徴とする。

【００３６】また，本体各部の作動気体および作動液体
の温度が，その物質の凝固点温度以上，臨界点温度以
下，すなわち作動物質の液相と気相の間で作動すること
を特徴とする。

【００３７】また，本体各部の作動液体および作動気体
の温度を０〜３７４℃で作動させる場合は，作動液体に
純水を使用することを特徴とする。

【００３８】また，凝縮部および蒸発部での作動液体の
凝縮・移動・蒸発に使用する毛細管力を有する構造体の
ウイックとして，毛細管力の大きい金属，あるいは吸水
性高分子ポリマー樹脂または合成樹脂を原材料とする極
細繊維または多孔性成形品を使用することを特徴とす
る。

【００３９】また，発電等を用途目的として，連続操作
において外部熱源温度が外部環境温度よりも高い場合
は，蒸発部の作動気体温度を外部環境温度近辺となるご
とくすることにより，外部熱源温度の上昇とともに作動
を開始し，外部熱源温度が低下して外部環境温度と同じ
となる時点では，タービンサイクルが停止するごとくに
したタービンサイクルであることを特徴とする。

【００４０】また，冷房・冷却等を用途目的として，熱
エネルギーを吸収して外部環境温度を低下させる場合に
は，初動操作において加熱部の内部あるいは外部に電熱
線等を設けた熱源を設置して初動加熱部とし，加熱部内
部の作動気体を一時的に加熱する。加熱により，加熱気
体の温度が一時的に外部環境温度より高い温度となりタ
ービンサイクルの循環が可能となる。サイクル循環の開
始とともに初動加熱部よりの熱エネルギーの供給を停止
する。初動加熱部により供給する熱エネルギーは，最初
のタービンサイクルを循環させるのみで，タービンサイ
クルの循環とともに次第に作動気体の各部の温度が低下
して連続操作に移行し，次第に外部環境よりの熱エネル
ギーを吸収することができるようになる。すなわち，冷
房・冷却等の目的では，一時的に初動加熱部より熱エネ
ルギーを供給するのみでタービンサイクルが循環を開始
し，次第に外部環境より熱エネルギーを吸収し，温度を
低下させ，連続操作のタービンサイクルとなることを特
徴とする。

【００４１】

【作用】本発明は，蒸気タービン発電所においては仕事
をした蒸気を復水のために冷却して熱エネルギーを外部
に捨てる必要がなく，熱エネルギーを電気エネルギーあ
るいは回転エネルギーに変換するもので，低価格な設備
費・燃料費・ランニングコストにより熱エネルギーを電
気エネルギーに変換しようとするものである。

【００４２】本発明は，自動車，船舶，航空機用エンジ
ンにおいては，公害の少ない効率の高い発電機を提供し
ようとするもので，燃料を燃焼して発生した熱エネルギ
ーを電気エネルギーに変換して電動機を作動させ，また
は軸駆動力としてエンジンに代わる動力を得ようとする
ものである。

【００４３】本発明は，冷凍機・冷蔵庫などの冷凍用と
して，外部環境温度を０℃以下とする目的の場合は，作
動物質に凝固点が０℃以下のアンモニア等の物質を使用
し，初動操作においては少量の熱エネルギーが必要であ
るが，連続操作では外部からのエネルギーは全く不用
で，外部環境の熱エネルギーを吸収して冷却・冷凍する
とともに，吸収した熱エネルギーを電力に変換するもの
である。

【００４４】本発明は，常温近辺の温度を目標温度とす
る冷房・冷却・温度調節として使用する場合は，作動液
体に純水を使用し，初動操作においては少量の熱エネル
ギーが必要であるが，連続操作では外部からの電気エネ
ルギー等は全く不用で，冷房・冷却・温度調節すべき外
部環境温度が目標温度より高いときには，外部環境の熱
エネルギーを吸収して目標温度になるように作動すると
ともに，吸収した熱エネルギーを電力に変換するもので
ある。

【００４５】本発明の全熱効率タービンは，外部熱源よ
り供給される熱エネルギーを吸収して加熱部内部の作動
気体を加熱して加熱気体とし，タービン噴口ノズルより
放出して断熱膨張させ，その潜熱の一部を仕事としてタ
ービン回転子を回転させて運動エネルギーとし，仕事を
した作動気体を凝縮部で凝縮させて作動液体とするとと
もに，発生した凝縮熱を凝縮部から蒸発部に熱伝達し，
復液した作動液体は凝縮部に設けたウイックの毛細管作
用により集め，位置ヘッド部を経由して蒸発部に送り，
蒸発部に設けたウイックの毛細管作用によりウイック面
に拡散させ，熱伝達された凝縮熱を蒸発熱として作動液
体を蒸発させ作動気体として加熱部に送り，外部熱源の
熱エネルギーを吸収して加熱部内部の作動気体を加熱し
て加熱気体とし，サイクルとして楯環するごとくにした
タービンである。

【００４６】一般にタービン発電所では，復液した作勤
液体をポンプでボイラに送り，その途中で廃熱利用が行
なわれている。本発明では作動気体を凝縮ウイック部で
凝縮させて作動液体とし，毛細管作用のある構造体のウ
イックにより集め，位置ヘッド部を経由して蒸発部に送
り，蒸発部では作動液体を蒸発ウイック部により蒸発面
に拡散する。また，凝縮部で放出する凝縮熱は熱伝達効
率の良い伝熱隔壁を経由して凝縮部から蒸発部に熱伝達
し，蒸発ウイック部で蒸発熱として，蒸発ウイック部の
作動液体を蒸発させる。復液に際して熱エネルギーを外
部に捨てる工程および作動液体をポンプで送る工程は不
要である。

【００４７】従来のエンジンの代表的な方式は，空気を
混合したガソリン等を爆発させピストンを動かし動力と
している。本発明をエンジンに替えて使用する場合は，
ガソリンなどの燃料を燃焼して熱エネルギーとし，全熱
効率タービンの加熱部で作動気体を加熱し，供給した熱
エネルギーの殆んどを電気エネルギーあるいは回転力に
変換する。電気エネルギーは電動モーターを回転させて
軸動力とし，回転力はそのまま軸動力として使用する。
燃料効率が大きく向上することは明白である。

【００４８】従来の冷凍機・冷蔵庫では，コンプレッサ
ーを動かして冷媒蒸気を圧縮し，さらに冷却して熱エネ
ルギーを外部に放出して冷媒液とし，冷媒液を冷却室で
蒸発させ，その蒸発熱で冷却している。コンプレッサー
による圧縮のためのエネルギーを必要とし，また，圧縮
により温度上昇した冷媒ガス冷却のために大量の熱エネ
ルギーを外部に捨てる必要があった。本発明を０℃以下
の冷却・冷凍等に使用する場合は，冷却すべき対象物の
温度域により作動液体とする無害な物質を定め，必要に
応じて初動加熱部を作動させて初動操作を行なうが，連
続操作では，蒸発部において作動液体を蒸発させ，加熱
部で冷却すべき物体の熱エネルギーを奪って冷却し，そ
の熱エネルギーにより加熱部の作動気体を加熱して加熱
気体とし，タービン噴口ノズルで断熱膨張させてタービ
ンを回転させ，タービンに仕事をさせるとともに，断熱
膨張した作動気体を凝縮部で凝縮させ，凝縮した作動液
体を位置ヘッド部を経由して蒸発部に送り，凝縮部で放
出する凝縮熱の熱エネルギーを蒸発部での蒸発熱とし
て，作動液体を蒸発させて順次サイクルを循環させるの
で，外部より吸収した熱エネルギーは電気エネルギーに
変換するが，外部に廃棄する熱エネルギーは皆無であ
り，コンプレッサーなどは必要としない。

【００４９】本発明を冷房あるいは常温近辺の温度調節
等に使用する場合は，作動液体に純水を使用し，必要に
応じて初動加熱部を作動させて初動操作を行なうが，連
続操作では，外部環境温度あるいは温度調節対象物の温
度が目標温度よりも高い場合，周辺の熱エネルギーを吸
収して常に目標温度になるように作動し，作動とともに
吸収した熱エネルギーを電力に変換する。冷房のための
電気エネルギーは，初動操作のみに必要であるが，連続
運転では不要で，吸収した熱エネルギーは電気エネルギ
ーに変換する。

【００５０】本発明を理論通りに作動させるためには，
本体容器内に同一物質の作動液体および作動気体のみが
存在するようにする。作動液体に純水を使用する場合に
は，潤滑油等の油類や空気・酸素などの活性ガス等をま
ったく含まないようにし，また，作動中に外部から浸入
しないことが必要条件である。

【００５１】本発明では，蒸発気体通路部の出口近辺に
音速制御弁，加熱気体通路部の出口近辺に気体量制御弁
を設けている。初動時には，装置内は初期状態として外
部環境温度と同じ温度の状態値による作動液体，作動気
体が存在している。初動操作において，音速制御弁およ
び気体量制御弁を閉じ，加熱部の作動気体の流動を封止
し容積を一定にして外部熱源の熱エネルギーにより加熱
し加熱気体とする。

【００５２】本発明は，発電機等の用途で外部熱源温度
が外部環境温度より高い場合，初動操作において，加熱
部の作動気体の流動を封止して一定容積とした作動気体
に外部熱源より供給される熱エネルギーを伝達して加熱
気体とする。

【００５３】本発明は，冷房・冷却等の用途とする場合
で，連続操作時に加熱気体の温度が外部熱源温度すなわ
ち外部環境温度より低くする必要のある場合は，初動操
作において，加熱部の作動気体の流動を封止して一定容
積とした作動気体に，加熱部内部あるいは外部に電熱線
等を配した初動加熱部により，一時的に熱エネルギーを
与えて加熱気体とし，タービンサイクルを循環させ，サ
イクル循環とともに順次作動気体・作動液体の温度を降
下させて，最終的に所定のタービンサイクルとなるごと
くにすることにより，外部環境温度の熱源より熱エネル
ギーを吸収して加熱気体とするごとく作動する。

【００５４】本発明は，初動操作において加熱部の作動
気体を計画値の加熱気体とし，気体量制御弁を開きター
ビン噴口ノズルに送り断熱膨張させ，タービン回転子に
仕事をさせるとともに膨張気体とする。膨張気体は凝縮
ウイック部で凝縮し復液する。

【００５５】本発明は，連続操作において，初動操作に
より凝縮部で凝縮が開始されると，作動気体の凝縮によ
り背圧が生じ，凝縮部の圧力は蒸発部の圧力よりも降下
する。圧力差の発生にともない気体量制御弁および音速
制御弁を開き蒸発部の作動気体を加熱部・凝縮部に送
る。両制御弁を通過する作動気体の速度は，音速あるい
は超音速となるように制御して加熱部および凝縮部に作
動気体を供給する。

【００５６】本発明で，音速制御弁あるいは気体量制御
弁により作動気体の速度を音速あるいは超音速とするの
は，加熱部において加熱された加熱気体の圧力・密度等
の状態値は，蒸発部および凝縮部の作動気体の圧力・密
度等の状態値と異なる。それらの状態値の変化が加熱部
より蒸発部あるいは凝縮部へ伝播する速度は，音速によ
り行なわれるため，蒸発部より加熱部あるいは加熱部よ
り凝縮部に流入する作動気体の速度を音速あるいは超音
速として，その伝播を防止している。

【００５７】その理論は次の通りである。蒸発部におい
ては，ある温度で作動液体が蒸発する場合，蒸発した作
動気体は蒸発温度の飽和蒸気となるが，作動液体の最大
の蒸発速度はその温度における飽和蒸気の音速である。

【００５８】また，静止流体の蒸気等の中の１点に攪
乱，すなわち加熱等による状態変化が与えられると，そ
れによって生じた圧力・密度等の状態値の変化は，攪乱
を与えられた点を中心とする球面状の音波として広がっ
て行く。

【００５９】また，気流が一定速度で進行しているとき
の音波との関係は，音速と気流の速度との大小関係によ
って２通りの場合ができる。気流の速度が音速よりも遅
い場合は，音波は全空間に伝わる。気流の速度が音速あ
るいは音速よりも早い場合には，音源の影響は攪乱点を
頂点とする流体の進行方向の円錐状の領域の内部に限ら
れる。以上の理論を用いて，音速制御弁により加熱部と
蒸発部，気体量制御弁により加熱部と凝縮部のそれぞれ
の圧力・密度等の状態値の変化の伝播を防止し，タービ
ンサイクルが順調に循環するようにしている。

【００６０】本発明の音速制御弁および気体量制御弁
は，外部熱源から供給される熱エネルギーの増減により
変化する加熱気体の圧力・密度等の状態値を常に計画し
た値となるように制御するために，作動気体の流量を制
御することにより，循環する加熱気体の単位時間当たり
の流量を加熱部で吸収する熱エネルギーに応じて増減
し，発電容量あるいは冷房負荷の変動に対する調整を行
なうようにしている。

【００６１】本発明のタービン回転子には，その端部に
複数個の永久磁石を設け，タービン部近辺あるいは本体
外部に設けた電線またはコイルに電磁誘導により発電さ
せるか，あるいは外部に設けた回転体に取付けた複数個
の永久磁石との磁力により外部回転体を回転させて動力
エネルギーに変換する。

【００６２】本発明の凝縮部と蒸発部は，伝熱性のよい
伝熱隔壁の両面に設けられている。伝熱隔壁の両面には
毛細管力を有する構造体のウイックが設けられ，凝縮ウ
イック部より位置ヘッド部を経由して蒸発ウイック部に
作動液体が流れるようにするとともに，凝縮熱が伝熱隔
壁を経由して蒸発部に熱伝達し，蒸発部の作動液体は蒸
発熱を得て蒸発する。

【００６３】本発明の凝縮部から蒸発部への作動液体の
流路には，凝縮部の圧力が蒸発部の圧力より高いので，
作動液体の全ヘッドが凝縮部側と蒸発部側で同じとなる
ように，位置ヘッド部を設けている。

【００６４】本発明の位置ヘッド部では，凝縮ウイック
部で凝縮した作動液体が，ウイックにより集められ位置
ヘッド部に送られるが，凝縮部と位置ヘッド部の温度・
圧力は同一である。凝縮ウイック部と位置ヘッド部の作
動液体溜との高さによる位置ヘッドは，作動液体溜近辺
に設けた流路抵抗により放出し，凝縮部側位置ヘッドは
０となるようにする。

【００６５】本発明の位置ヘッド部作動液体溜の液面か
ら蒸発ウイック部入口までの高さ，あるいは流路に設け
た流路抵抗が蒸発部側の位置ヘッドとなり，凝縮部側の
全ヘッドと蒸発部側の全ヘッドを同一として，蒸発部へ
の作動液体回送に際して，圧力差による蒸気の噴き出し
を防止している。

【００６６】本発明の加熱部外部受熱面は赤外線吸収塗
料を塗布し，外部熱源からの熱エネルギーの吸収に際
し，放射熱・伝導熱・対流熱により効率良く受熱あるい
は吸熱するようにしている。

【００６７】本発明の加熱部内部加熱面は，全ての部分
に赤外線放射・吸収塗料を塗布し，加熱部受熱面より吸
収した外部熱源よりの熱エネルギーを，加熱部内部加熱
面の各面の間で放射熱による熱伝達を促進させて，各面
より作動気体に放射・伝導・対流により効率良く熱伝達
するようにしている。

【００６８】本発明による全熱効率タービンの作動温度
の範囲は，用いる作動物質により異なるが，各作動液体
の凝固点温度以上の温度であるとともに，作動気体の臨
界点温度以下の温度である。純水を使用する場合は，０
℃以上で３７４．１５℃以下である。即ち一般の蒸気タ
ービンでは５３０〜５７０℃という過熱蒸気が使用され
ているが，本発明では臨界点温度以下で作動させる。

【００６９】本発明で使用する作動液体は，表面張力を
大きくするとともにウイックの浸透率も大きくすること
が好ましい。作動液体に水を使用する場合は純水を使用
して作動液体の表面張力およびウイックの浸透率も大き
くすることが好ましい。

【００７０】本発明に使用するウイックの材料として
は，毛細管力の大きい金属，あるいは高分子ポリマーの
吸水性樹脂または合成樹脂を原材料とする極細繊維また
は多孔性成型品を使用することが好ましい。

【００７１】本発明を冷房・冷却等に使用する場合は，
連続操作における加熱気体の温度が外部環境温度より低
くする必要がある。この場合には，加熱部の内部あるい
は外部に電熱線等を配した初動加熱部を設け，初動操作
において，作動気体を強制加熱し，外部環境温度より高
い温度の加熱気体とし，気体量制御弁を開いて断熱膨張
とタービン仕事によって膨張気体とする。膨張気体の温
度は連続操作の時よりも高い温度である。凝縮部で膨張
気体を凝縮させ，位置ヘッド部を経由して蒸発部に送り
蒸発させる。蒸発温度は連続操作の時よりも高い温度で
ある。蒸発した作効気体は，加熱部に向かうが，加熱部
では初動加熱部よりの熱エネルギーの供給を停止して加
熱をせず，そのまま気体量制御弁を制御して断熱膨張と
タービン仕事をさせる。断熱膨張した膨張気体の温度は
次第に低下する。これを繰り返して所定の連続操作時の
作動気体温度とすることにより，連続操作に移行する。

【００７２】本発明の全熱効率タービンの連続操作にお
いては，外部熱源に面している加熱部の内部で作動気体
が加熱されて加熱気体となる。加熱気体は加熱部からタ
ービン噴口ノズルに向かい断熱膨張して膨張気体とな
る。膨張気体の通路は外部には接していない。本体の外
部に接している部分の内部の作動気体は，加熱部を除き
蒸発部の作動気体のみである。一般的に本体容器の表面
からの熱的損失となるのは加熱部分である。蒸発部の作
動気体は，作動液体に水を使用して発電等に使用する場
合は，常温またはそれ以下であり，冷房などに使用する
場合はさらに低い温度となり，外部の熱は吸収するが，
外部への熱放出は皆無である。ただし，蒸発部の作動気
体温度が常温より高い場合は当然本体容器からの熱放射
があり，熱損失は発生する。従って蒸発部の気体温度
は，外部環境温度より低くすることが好ましい。

【００７３】

【実施例】以下に本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。

【００７４】図１は本発明の一実施例に係る発電用全熱
効率タービンの原理を模式的に示したもので，本体内部
に加熱部２，気体量制御弁６，タービン部８，凝縮部１
１，伝熱隔壁１２，位置ヘッド部１４，蒸発部１５，音
速制御弁１８を設ける。本体１の外部には加熱部２の近
辺に外部熱源２０を設ける。また，誘導電線を内部また
は外部に配した発電機部，あるいは外部に回転体を設け
るようにしてもよい。

【００７５】図２は発電用全熱効率タービンのＰ−ｖ線
図で，図３は同Ｔ−ｓ線図，図４は同ｈ−ｓ線図，図５
は同Ｐ−ｈ線図である。

【００７６】図６は本発明の一実施例に係る冷房用全熱
効率タービンの原理を模式的に示したもので，各番号は
図１の原理図と同じであるが，冷房用の場合であるの
で，加熱部２の内部あるいは外部に初動加熱部１９を設
ける。

【００７７】図７は冷房用全熱効率タービンのＰ−ｖ線
図で，図８は同Ｔ−ｓ線図，図９は同ｈ−ｓ図線，図１
０は同Ｐ−ｈ線図である。

【００７８】図１１は本発明の冷房用全熱効率タービン
の概略図で，本体１内部に加熱部２，加熱部受熱面３，
加熱部内部受熱面４，加熱気体通路５，気体量制御弁
６，噴口ノズル７，タービン部８，タービン回転子９，
膨張気体通路１０，凝縮部１１，伝熱隔壁１２，凝縮ウ
イック部１３，位置ヘッド部１４，蒸発部１５，蒸発ウ
イック部１６，蒸発気体通路１７，音速制御弁１８を設
ける。本体１の外部には加熱部２の近辺に外部熱源２０
を設けるようにする。冷房用であるので加熱部２の内部
あるいは外部に初動加熱部１９を設ける。また，誘導電
線を内部または外部に配した発電機部，あるいは外部に
回転体を設けるようにしてもよい。

【００７９】本実施例の作動の内容は，本体１の加熱部
２の外面に設けた加熱部受熱面３により，外部熱源２０
よりの熱エネルギーを受熱し，蒸発気体通路１７により
導かれた作動気体を加熱部２の内部加熱面４で加熱し，
加熱気体とする。加熱気体は，加熱気体通路５により導
かれ，気体量制御弁６を経由してタービン噴口ノズル７
より噴出し断熱膨張してタービン部８に設けたタービン
回転子９を回転させるとともに，膨張気体となり，膨張
気体通路１０を経由して凝縮部１１に導かれて復液す
る。凝縮部１１は伝熱隔壁１２により区切られて蒸発部
１５と接しており，伝熱隔壁１２の両面の凝縮部１１と
蒸発部１５に毛細管力のある構造体のウイックを設けて
凝縮ウイック部１３および蒸発ウイック部１６とし，凝
縮ウイック部１３の一端より位置ヘッド部１４を経由し
て蒸発ウイック部１６に作動液体を回送する。位置ヘッ
ド部１４は，凝縮部１１と蒸発部１５の圧力差を，それ
それの作動気体の速度ヘッド，圧力ヘッドを計算し，全
ヘッドを同一とするように位置ヘッドを計算して，圧力
差による蒸気の噴出を抑えている。凝縮部１１の凝縮熱
は伝熱隔壁１２を経由して蒸発部１５に熱伝達し，蒸発
部１５に回送された作動液体を蒸発させて作動気体と
し，蒸発気体通路１７・音速制御弁１８を経由して加熱
部２に導いてサイクルを循環させるようにしている。

【００８０】また，本体１には，凝縮ウイック部１３と
蒸発ウイック部１６，凝縮部１１より位置ヘッド部１４
への作動液体通路，位置ヘッド部１４，位置ヘッド部１
４より蒸発部１５への作動液体通路にある作動液体と，
蒸発気体通路１７，加熱部２，加熱気体通路５，膨張気
体通路１０にある作動気体のみが存在し，これら以外の
液体および気体，特に作動液体および作動気体に対する
活性ガスを全く含まないことが好ましい。

【００８１】また，全熱効率タービンの作動の過程と状
態変化の内容は，凝縮部１１の凝縮ウイック部１３に設
けたウイックで復液した［状態１］の作動液体が，凝縮
ウイック部１３に設けたウイックの毛細管力により吸引
され，凝縮ウイック部１３の一端より位置ヘッド部１４
を経由して蒸発部１５の蒸発ウイック部１６に送られ
る。蒸発ウイック部１６の作動液体は，蒸発熱により冷
却されて温度が低下して［状態２］の作動気体となる過
程で，この状態変化は，凝縮部１１から位置ヘッド部１
４へは等圧変化，位置ヘッド部１４から蒸発部１５へは
等積変化であるのと，［状態２］の蒸発ウイック部１６
の作動液体が，伝熱隔壁１２を経由して熱伝達された凝
縮部１１の凝縮熱を吸収し蒸発熱として蒸発し，［状態
３］の作動気体となる過程で，この状態変化は等圧変化
で，蒸発による液相より気相への相転移であるのと，
［状態３］の作効気体が，蒸発気体通路１７および音速
制御弁１８を経由して加熱部２に送られ，加熱部２で外
部熱源２０より熱エネルギーを吸収し，加熱されて温度
・圧力・比エンタルピは上昇・増加し，比容積・比エン
トロピは減少して，［状態４］の加熱気体となる過程
で，加熱による状態変化であるのと，［状態４］の加熱
気体が加熱気体通路５および気体量制御弁６を経由し
て，タービン噴口ノズル７より噴出してタービン部８に
入って断熱膨張し，タービン回転子９に仕事をして回転
力を与え，［状態５］の膨張気体となる過程で，この状
態変化は等エントロピ変化で，外部に仕事をするのと，
［状態５］の膨張気体が，膨張気体通路１０により凝縮
部１１に導かれ，凝縮ウイック部１３で凝縮し，凝縮熱
を放出して［状態１］の作動液体に復液する過程で，こ
の状態変化は等圧変化で，凝縮による気相より液相への
相転移であるのと，から成る。

【００８２】また，熱発部１５より加熱部２に流れる蒸
発気体通路１７の出口近辺に音速制御弁１８を設けて，
初動操作においては加熱部２を加熱することにより加熱
気体の圧力・密度等の状態値が変化し，蒸発部１５に伝
播するのを防ぐために，音速制御弁１８により封止す
る。連続操作では加熱部２に供給される熱エネルギーに
より加熱気体の圧力・密度等の状態値の変化が蒸発部１
５に伝播するのを防ぐとともに，作動気体を必要量加熱
部２に供給するために，音速制御弁１８を制御して作動
気体の速度を音速あるいは超音速として必要量を供給す
る。制御は，最大出力の作動気体の流量より計算した最
大断面積およびそれより狭めた流線形の流路とすること
により行なう。

【００８３】音速制御弁１８により作動気体の速度を音
速あるいは超音速とするのは，加熱部２において加熱さ
れた加熱気体の圧力・密度等の状態値が作動気体の圧力
・密度等の状態値と異なり，その伝播が音速により行な
われるため，作動気体の速度を音速より早くして伝播を
防止することを目的とする。

【００８４】また，加熱気体通路５の出口近辺に気体量
制御弁６を設けて，初動操作においては加熱気体の封
止，連続操作においては外部熱源２０から供給される熱
エネルギーの増減により変化する加熱気体の温度・圧力
等の状態値の変化に応じ，気体量制御弁６を通過する加
熱気体の流量を制御し，発電容量の調整あるいは冷房負
荷の変動に対する調整をすることが望ましい。

【００８５】また，タービン回転子９の端部に取付けた
複数個の永久磁石により磁場を形成し，タービンの回転
にともなう磁場の変化により，本体内部あるいは外部に
設けた電線またはコイルに電磁誘導により電力を発生さ
せて発電機とするか，あるいは外部にも永久磁石を適宜
取付けた回転体を設けて，タービン回転子の永久磁石と
外部回転体の永久磁石との相互の磁力により外部の回転
体を回転させ，回転エネルギーを直接外部に取り出すよ
うにして，タービン回転による出力は，電力による出力
あるいは軸回転による出力何れでもよい。

【００８６】また，熱伝導率の良い伝熱隔壁１２の両面
を凝縮部１１と蒸発部１５とし，凝縮部１１において膨
張気体が凝縮して復液する際に放出する凝縮熱を，伝熱
隔壁１２を経由して蒸発部１５に熱伝達し，蒸発部１５
において作動液体が蒸発する際に吸収する蒸発熱となる
ようにすることが好ましい。

【００８７】また，伝熱隔壁１２の両面に毛細管力を有
するウイックを設け，凝縮ウイック部１３．蒸発ウイッ
ク部１６とし，凝縮部１１では復液した作動液体を凝縮
ウイック部１３により集めて位置ヘッド部１４に送り，
蒸発部１６では位置ヘッド部１４から送られた作動液体
を蒸発ウイック部１６により拡散することが望ましい。

【００８８】また，凝縮部１１と蒸発部１５の圧力差に
よる作動気体および作動液体の噴出を防止するために，
両者の間に位置ヘッド部１４を設けて全ヘッドが同一と
なるようにすることが望ましい。

【００８９】また，凝縮ウイック部１３の一端より，作
動液体を位置ヘッド部１４の作動液体溜に送り，作動液
体溜近辺に設けた流路抵抗により凝縮部１１側の位置ヘ
ッドを放出し，作動液体溜液面より蒸発ウイック部１６
入口までの高さあるいは流路に設けた流路抵抗を蒸発部
１５側の位置ヘッドとし，蒸発ウイック部１６に連結し
て，作動液体の通路として位置ヘッド部１４を設けるこ
とが望ましい。

【００９０】また，本体１の加熱部２の外面の加熱部受
熱面３に赤外線吸収塗料を塗布し，一般の燃焼ガスおよ
び燃焼室周壁，太陽熱等の外部熱源２０から放射・対
流，伝導による熱エネルギーの熱伝達の効率を向上させ
るようにするのが好ましい。

【００９１】本実施例の全熱効率タービンに使用する熱
源は，火力，海流・河川の水流熱，原子力による熱，ボ
イラ熱，太陽熱，廃熱の何れでもよい。

【００９２】また，外部熱源２０から加熱部受熱面３を
通して受熱する熱エネルギーを効率良く作動気体に熱伝
達するために，本体加熱部２の加熱部内部受熱面４に，
赤外線放射・吸収塗料を塗布して，加熱部内部受熱面４
からの放射・伝導・対流による熱エネルギーの熱伝達の
効率を向上させることが好ましい。

【００９３】本実施例による作動温度の範囲は，作動液
体の種類により異なるが，使用する作動液体の凝固点温
度以上の温度であるとともに作動気体の臨界点温度以下
で使用するのが望ましい。例えば水を使用する場合は，
０℃以上で３７４．１５℃以下で使用する。即ち一般の
蒸気タービンでは５３０〜５７０℃という加熱蒸気が使
用されているが，本実施例では各部の温度が作動液体の
凝固点温度以上の温度であるとともに作動気体の臨界点
温度以下で作動させるようにするのが好ましい。

【００９４】本実施例で使用する作動液体は，表面張力
が大きく，ウイックの浸透率も大きいことが好ましい。
作動液体に水を使用する場合は，純水を用いて作動液体
の表面張力を大きくし，また，ウイックの浸透率も大き
くすることが好ましい。

【００９５】また，凝縮ウイック部１３および蒸発ウイ
ック部１６のウイックの材料としては，毛細管力の大き
い金属，あるいは高分子ポリマーの吸水性樹脂または合
成樹脂を原材料とする極細繊維または多孔性成形品を使
用することが望ましい。

【００９６】また，冷房・冷却等に使用する場合で，連
続操作における加熱気体の温度が外部環境温度より低い
場合は，加熱部２の内部あるいは外部に電熱線等による
初動加熱部１９を設け，作動気体を加熱することによ
り，初動操作において環境温度のもとにタービンサイク
ルを循環させ，次第に作動気体の温度を低下させて速続
操作に移行することが望ましい。

【００９７】また，本体１の表面からの熱的損失は，外
部環境温度より高い温度の加熱気体の通路部分である
が，本実施例では加熱気体通路５は外部に接していな
い。本体１の外部に接している部分の内部作動気体の温
度は，加熱部２を除き蒸発部１５の作動気体温度であ
る。発電等に使用する場合，蒸発気体通路１７での外部
環境との間で熱エネルギーの授受をなくするために，蒸
発部１５の温度は外部環境温度と等しくすることが望ま
しい。蒸発部１５の作動気体温度が外部環境温度より高
い場合は，当然本体容器からの熱放散があり，熱損失は
発生する。

【００９８】本実施例を冷却に使用する場合，冷却すべ
き対象物の温度域範囲より作動液体を定め，加熱部２に
おいて冷却すべき対象物の熱エネルギーを吸収して加熱
気体とし，気体量制御弁６を経由して噴口ノズル７によ
り断熱膨張させてタービン回転子９を回転させ，運動エ
ネルギーを放出した膨張気体を凝縮部１１で凝縮させ
る。凝縮部１１で放出する凝縮熱エネルギーは，伝熱隔
壁１２により蒸発部１５に熱伝達し，位置ヘッド部１４
より送られる作動液体の蒸発熱とし，順次サイクルを循
環させるので，外部から受熱した熱エネルギーは装置の
機械的損失を除けば，すべてタービン仕事となり，外部
に捨てる熱エネルギーは皆無である。

【００９９】上記構成の本発明に係る実施例は，火力発
電所，原子力発電所等の発電機，および自動車，船舶，
航空機用エンジンで電動機により代替が可能な全てのエ
ンジンに応用して，熱エネルギーを電気エネルギーある
いは軸回転エネルギーに変換するに際し，理論的には１
００％の変換効率をもつ，公害の少ない，発電機あるい
はタービンを提供しようとするものである。

【０１００】本実施例は，熱エネルギーを電力に変換す
る蒸気タービン発電所において，蒸気を冷却する冷却水
等を必要とせず，低価格な設備費，燃料費およびランニ
ングコストにより発電しようとするものである。

【０１０１】本実施例の全熱効率タービンサイクルは，
加熱部２において，蒸発部１５より蒸発気体通路１７を
経由して音速制御弁１８により音速で供給される作動気
体を外部熱源２０により加熱して，温度を上昇させて加
熱気体とする。加熱気体は加熱気体通路５により導か
れ，気体量制御弁６を経由して噴口ノズル７より噴出し
断熱膨張してタービン部８に設けたタービン回転子９を
回転させて，加熱気体の持つ潜熱の一部を機械的エネル
ギーに変換するとともに，膨張気体となり，膨張気体通
路１０を経由して凝縮部１１に至り，凝縮ウイック部１
３で凝縮して復液する。凝縮部１１は伝熱隔壁１２によ
り区切られて蒸発部１５と接している。凝縮ウイック部
１３は，復液した作動液体を集め，凝縮ウイック部１３
の一端より位置ヘッド部１４を経由して蒸発ウイック部
１６に作動液体を送る。位置ヘッド部１４は，凝縮部１
１と蒸発部１５の圧力差を，それぞれの作動気体の速度
ヘッド，圧力ヘッドを計算し，全ヘッドを同一とするよ
うに位置ヘッドを計算して，圧力差による蒸気の噴き出
しを防止する。凝縮部１１の凝縮熱は，電熱隔壁１２を
経由して蒸発部１５に熱伝達し，蒸発部１５に送られた
作動液体を蒸発させて作動気体とし，蒸発気体通路１７
を経由して加熱部２に導かれて循環させるようにしたサ
イクルである。

【０１０２】本実施例の全熱効率タービンは，熱エネル
ギーの循環および断熱膨張によるタービン回転の仕事
が，作動液体・作動気体のみが存在する容器中で行なわ
れ，作動気体の凝縮熱は作動液体の蒸発熱に転換され，
外部に捨てる熱エネルギーはなく，また作動気体・作動
液体の循環にポンプなどの供給・循環装置を必要とせ
ず，各部の作動液体・作動気体および断熱膨張による状
態変化の状態値の値を計画した値とすることにより，熱
サイクル効率の良いサイクルとなっている。

【０１０３】本発明の実施例として，表１〜表３に発電
への応用例で，作動液体に純水を使用し，蒸発部１５の
作動気体の温度が２０．８℃で，加熱部２の加熱気体の
温度が，４０．０℃における各状態値，設計諸元および
その効率について計算した。表１は，使用した定数，各
状態変化における共通状態値，真空理論より計算した状
態値計算表である。表２は，各状態変化でのヒートパイ
プ，ボイラ，流体力学，熱力学等に関する理論より計算
した状態値および関連する項目の計算表である。表３
は，各状態変化での蒸気タービン理論より計算した状態
値および関連する項目の計算表である。

【０１０４】

【表１】

【０１０５】

【表２】

【０１０６】

【表３】

【０１０７】本発明の実施例として，表４〜表６に冷房
への応用例で，作動液体に純水を使用し，蒸発部１５の
作動気体の温度が４．０℃で，加熱部２の加熱気体の温
度が，１０．８℃における各状態値，設計諸元およびそ
の効率について計算した。表４は，使用した定数，各状
態変化における共通状態値，真空理論より計算した状態
値計算表である。表５は，各状態変化でのヒートパイ
プ，ボイラ，流体力学，熱力学等に関する理論より計算
した状態値および関連する項目の計算表である。表６
は，各状態変化での蒸気タービン理論より計算した状態
値および関連する項目の計算表である。

【０１０８】

【表４】

【０１０９】

【表５】

【０１１０】

【表６】

【０１１１】

【発明の効果】本発明の全熱効率タービンは，全く新し
いサイクルのタービンである。加熱・断熱膨張・凝縮・
蒸発のサイクルにおいて，外部に熱エネルギーを廃棄・
放出することなく，理論的熱サイクル効率が１００％の
タービンサイクルである。

【０１１２】本発明の全熱効率タービンは，熱エネルギ
ーの循環および断熱膨張によるタービン回転の仕事が，
作動液体・作動気体のみが存在する容器中で行なわれて
いて，作動気体の凝縮熱は作動液体の蒸発熱に転換さ
れ，外部に捨てる熱エネルギーはなく，また作動気体・
作動液体の循環にポンプなどの供給・循環装置を必要と
せず，各部の作動液体・作動気体および断熱膨張による
状態変化の状態値の値を計画した値とすることにより，
熱サイクル効率の良いサイクルとなっている。

【０１１３】本発明の全熱効率タービンに使用する熱源
は，火力，地熱，海流・河川の熱エネルギー，原子力，
ボイラ熱，太陽熱，廃熱，室内に存在する熱エネルギー
等，全て作動が可能で，吸収した熱エネルギー電力ある
いは軸駆動力に変換する。

【０１１４】本発明の全熱効率タービンの出力は，電力
あるいは軸回転の何れでもよい。

【０１１５】本発明の利点は，下記の通りである。

【０１１６】１．全熱効率タービンの理論的熱サイクル
効率は１００％で，復水のために外部に捨てる熱エネル
ギーは皆無である。

【０１１７】２．投入する熱エネルギーの量と加熱部の
受熱量により，高温部である加熱気体の温度が定まる
が，一般に外部熱源の温度よりも低く，従来のタービン
のように高温にする必要が無いので，全熱効率タービン
の外部受熱部を除き，タービン内部は高温耐熱材料の使
用や高温腐食に対する対策は不用である。

【０１１８】３．ウイックの毛細管現象と位置ヘッド部
による作動液体の流路抵抗による圧力調整を利用するの
で，従来のタービン発電機用給水ポンプは必要としな
い。

【０１１９】４．初動操作時あるいは熱源の熱エネルギ
ーの変化にともなう微調整は，音速制御弁および気体量
制御弁により可能である。

【０１２０】５．作動液体あるいは作動気体の単位時間
当たり流れる流量すなわち熱エネルギー量は，音速制御
弁および気体量制御弁により制御可能である。

【０１２１】６．発電等の目的で使用する場合は，外部
熱源よりの熱エネルギーの供給量を制御して，作動液体
・作動気体の単位時間当たりの流量を変化させることに
より，電気エネルギーあるいは機械エネルギーの出力量
を制御することができる。

【０１２２】７．冷房等の目的で使用する場合は，全熱
効率タービンの各部の状態値は，当初に計画値として設
定した状態値と常に同一となるように制御することによ
り，外部熱源よりの熱エネルギーの変化を，作動液体・
作動気体の単位時間当たりの流量の変化として制御し，
冷房等を行なうことができる。

【０１２３】８．容器中には作動液体および作動気体の
みが存在し，空気に含まれる酸素，その他腐食性ガス，
活性ガスは存在しないので，機器の腐食は発生しない。

【０１２４】９．常温域で作動させる場合は，各部材の
材料は常温域の材料が使用でき，タービン回転子の材質
も常温域で強度がある合成樹脂成形品等で十分である。

【０１２５】１０．使用するウイックは，金属あるいは
吸水性高分子ポリマー樹脂または合成樹脂を原材料とす
る極細繊維または多孔性成形品が使用できる。

【０１２６】１１．空調などに使用する場合は，室内空
気温度あるいは室内壁面温度等と連係して，作動の制御
を行なうことができる。

【０１２７】１２．作動液体の選択により，構成する部
材の耐熱温度が作動液体・作動気体の温度域に耐えるこ
とができれば，理論的には−２７０℃近辺から＋２００
０℃近辺までの温度域で作動させることができる。

【０１２８】１３．宇宙のような真空中でも，熱源さえ
あれば位置ヘッド部から蒸発部までの作動液体の流路に
流路抵抗を設けることにより作動させることができる。

【０１２９】１４．計算例では，作動の目的，使用温
度，作動液体の種類，出力，各部の寸法等の諸源を入れ
ることにより，自動的に各部の設計諸元の決定が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る発電用全熱効率タービン
の原理を説明する図である。

【図２】本発明の実施例に係る発電用全熱効率タービン
のＰ−ｖ線図である。

【図３】本発明の実施例に係る発電用全熱効率タービン
のＴ−ｓ線図ある。

【図４】本発明の実施例に係る発電用全熱効率タービン
のｈ−ｓ線図である。

【図５】本発明の実施例に係る発電用全熱効率タービン
のＰ−ｈ線図である。

【図６】本発明の実施例に係る冷房用全熱効率タービン
の原理を説明する図である。

【図７】本発明の実施例に係る冷房用全熱効率タービン
のＰ−ｖ線図である。

【図８】本発明の実施例に係る冷房用全熱効率タービン
のＴ−ｓ線図である。

【図９】本発明の実施例に係る冷房用全熱効率タービン
のｈ−ｓ線図である。

【図１０】本発明の実施例に係る冷房用全熱効率タービ
ンのＰ−ｈ線図である。

【図１１】本発明の実施例に係る冷房用全熱効率タービ
ンの概略図である。

【符号の説明】

１本体２加熱部３加熱部受熱面４加熱部内部加熱面５加熱気体通路６気体量制御弁７噴口ノズル８タービン部９タービン回転子１０膨張気体通路１１凝縮部１２伝熱隔壁１３凝縮ウイック部１４位置ヘッド部１５蒸発部１６蒸発ウイック部１７蒸発気体通路１８音速制御弁１９初動加熱部２０外部熱源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本体内部に加熱部・タービン部・凝縮部
・位置ヘッド部・蒸発部の作動域を設け，作動液体およ
び作動気体を封入して循環させることを特徴とする全熱
効率タービン。
【請求項２】外部の熱エネルギーにより加熱部内部の
作動気体を加熱して加熱気体とし，タービン噴口ノズル
で断熱膨張させ，潜熱の一部を放出してタービン回転子
を回転させ，仕事をした作動気体は凝縮部で復液させ，
復液した作動液体は位置ヘッド部を経由して蒸発部に送
るとともに，凝縮部で発生した凝縮熱を蒸発部に熱伝達
し，凝縮熱を蒸発熱として作動液体を蒸発させて作動気
体とし，加熱部に送るタービンサイクルであることを特
徴とする全熱効率タービン。
【請求項３】本体には加熱部・加熱気体通路部・気体
量制御弁・タービン噴口ノズル・タービン部・複数の永
久磁石を取付けたタービン回転子・膨張気体通路部・凝
縮部・伝熱隔壁・凝縮ウイック部・位置ヘッド部・蒸発
部・蒸発ウイック部・蒸発気体通路部・音速制御弁およ
び誘導電線を配した発電機部または外部に複数の永久磁
石を取付けた回転体を設けることを特徴とする請求項１
記載の全熱効率タービン。
【請求項４】本体内部には，同一物質の作動液体およ
び作動気体のみを封入することを特徴とする請求項１記
載の全熱効率タービン。
【請求項５】使用する作動液体・作動気体は，液相・
気相の相転移が可能な同一物質であることを特徴とする
請求項１記載の全熱効率タービン。
【請求項６】各部の作動の過程と状態変化の内容が，
凝縮ウイック部で復液した［状態１］の作動液体が，位
置ヘッド部を経て蒸発ウイック部に送られ，蒸発熱によ
り冷却されて温度が低下して［状態２］の作動液体とな
る過程で，状態変化は凝縮部から位置ヘッド部へは等圧
変化，位置ヘッド部から蒸発部へは等積変化であるの
と，［状態２］の蒸発ウイック部の作動液体が，伝熱隔
壁を経由して熱伝達された凝縮部の凝縮熱を蒸発熱とし
て蒸発し，［状態３］の作動気体となる過程で，状態変
化は等圧変化で，蒸発による液相より気相への相転移で
あるのと，［状態３］の作動気体が，加熱部で外部の熱
エネルギーを吸取し，温度・圧力・比エンタルピは上昇
・増加し，比容積・比エントロピは減少して，［状態
４］の加熱気体となる過程で，加熱による状態変化であ
るのと，［状態４］の加熱気体が，タービン噴口ノズル
で断熱膨張し，タービン回転子に仕事をして回転力を与
え，［状態５］の膨張気体となる過程で，状態変化は等
エントロピ変化であるのと，［状態５］の膨張気体が，
凝縮ウイック部で凝縮し，凝縮熱を放出して，［状態
１］の作動液体に復液する過程で，状態変化は等圧変化
で，凝縮による気相より液相への相転移であるのと，か
らなることを特徴とする請求項１記載の全熱効率タービ
ン。
【請求項７】蒸発気体通路部の出口近辺に音速制御弁
を設け，初動操作では加熱部の作動気体を封止する。ま
た，加熱気体の断熱膨張・凝縮の状態変化・相転移によ
る背圧の発生にともない音速制御弁を開き連続操作を開
始する。さらに，蒸発部より加熱部に作動気体を送るに
際して，音速制御弁を通過する気体流速度を音速または
超音速となるように制御して，連続操作となるごとくに
した音速制御弁を設けることを特徴とする請求項１記載
の全熱効率タービン。
【請求項８】加熱気体通路部の出口近辺に気体量制御
弁を設け，初動操作では加熱部の作動気体が連続操作の
ための温度・圧力となるまで，作動気体を封止する。ま
た，加熱気体の温度・圧力が上昇して連続操作の可能な
状態値に到達した時点で気体量制御弁を開き，加熱気体
をタービン噴口ノズルに送り連続操作を開始する。さら
に，連続操作の開始とともに，加熱部に供給される熱エ
ネルギーに応じて加熱気体の流量を調整し，気体量制御
弁を通過する加熱気体の気体流速度を音速あるいは超音
速となるように制御して，連続操作となるごとくにした
気体量制御弁を設けることを特徴とする請求項１記載の
全熱効率タービン。
【請求項９】タービン回転子端部に取付けた複数の永
久磁石により磁場を形成し，タービンの回転にともなう
磁場の変化により，本体内部あるいは外部に設けた電線
またはコイルに電磁誘導により電力を発生させるか，あ
るいは外部にも永久磁石を適宜取付けた回転体を設け
て，タービン回転子の永久磁石と外部回転体の永久磁石
との磁力により外部の回転体を回転させ，回転エネルギ
ーを直接外部に取り出すようにすることを特徴とする請
求項１記載の全熱効率タービン。
【請求項１０】本体内部に熱伝導率の良い材質の伝熱
隔壁を設けて凝縮部と蒸発部を区切り，各面に毛細管力
を有する構造体のウイックを設けて凝縮ウイック部およ
び蒸発ウイック部とし，凝縮部および蒸発部の作動液体
の流路とするごとく伝熱隔壁を設けることを特徴とする
請求項１記載の全熱効率タービン。
【請求項１１】凝縮部の作動気体が凝縮ウイック部に
おいて毛管凝縮して復液し，作動液体となる際に放出す
る凝縮熱を，伝熱隔壁を経由して蒸発ウイック部に熱伝
達し，蒸発ウイック部において作動液体が蒸発する際の
蒸発熱とすることを特徴とする請求項１記載の全熱効率
タービン。
【請求項１２】凝縮ウイック部の一端より，作動液体
を位置ヘッド部の作動液体溜に送り，作動液体溜近辺に
流路抵抗を設けて凝縮部側の位置ヘッドを放出し，作動
液体溜液面より蒸発ウイック部入口までの高さあるいは
流路に設けた流路抵抗を蒸発部側の位置ヘッドとし，蒸
発ウイック部に連結して作動液体の通路とすることによ
り，凝縮部および蒸発部のウイックに出入する両作動液
体の，速度ヘッド，圧力ヘッドおよび位置ヘッドの合計
である全ヘッドを等しくするごとく，位置ヘッド部を設
けることを特徴とする請求項１記載の全熱効率タービ
ン。
【請求項１３】燃焼ガス，太陽熱等の外部熱源から供
給される放射熱・伝導熱・対流熱の熱伝達効率を向上さ
せるために，本体加熱部外部の受熱面に赤外線吸収塗料
を塗布することを特徴とする請求項１記載の全熱効率タ
ービン。
【請求項１４】外部熱源から供給される熱エネルギー
を効率よく作動気体に熱伝達するために，本体加熱部内
部の全面に赤外線放射・吸収塗料を塗布して，内部加熱
面からの放射熱・伝導熱・対流熱による作動気体への熱
伝達効率を向上させることを特徴とする請求項１記載の
全熱効率タービン。
【請求項１５】本体各部の作動気体および作動液体の
温度が，その物質の凝固点温度以上，臨界点温度以下で
作動することを特徴とする請求項１記載の全熱効率ター
ビン。
【請求項１６】本体各部の作動液体および作動気体の
温度を０〜３７４℃で作動させる場合は，作動液体に純
水を使用することを特徴とする請求項１記載の全熱効率
タービン。
【請求項１７】凝縮部および蒸発部での作動液体の凝
縮・移動・蒸発に使用する毛細管力を有する構造体のウ
イックとして，毛細管力の大きい金属，あるいは吸水性
高分子ポリマー樹脂または合成樹脂を原材料とする，極
細繊維または多孔性成形品を使用することを特徴とする
請求項１記載の全熱効率タービン。
【請求項１８】発電等を用途とし，連続操作において
外部熱源温度が外部環境温度よりも高い場合は，蒸発部
の作動気体温度を外部環境温度近辺とすることにより，
外部熱源よりの熱エネルギー供給による温度の上昇とと
もに作動を開始し，温度が低下して外部環境温度となる
時点ではサイクルが停止するごとくにしたタービンサイ
クルであることを特徴とする請求項１記載の全熱効率タ
ービン。
【請求項１９】冷房・冷却等を用途とし，熱エネルギ
ーを吸収して外部環境温度を低下させる場合は，初動操
作において，加熱部の内部あるいは外部に電熱線等を設
置した初動加熱部を設けて，加熱部内部の作動気体を一
時的に加熱し，外部環境温度のもとにタービンサイクル
を循環させ，サイクル循環の開始とともに初動加熱部よ
りの熱エネルギーの供給を停止し，循環するサイクルの
各部温度を順次低下させて，外部よりの熱エネルギーを
吸収して連続操作に移行するタービンサイクルであるこ
とを特徴とする請求項１記載の全熱効率タービン。