JPH11502583A - スターリング原理によって作動する熱機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 スターリング原理によって作動する熱機関（１０）であり、動作ガス回路（１２）を有し、この動作ガス回路内で駆動流体を構成する動作ガスが作動を実行できるように第１の熱交換器内で強く加熱され、さらに第２の熱交換器を有する熱移送媒体回路（１４）を有し、第２の熱交換器内で動作ガスが作動の実行に続いて冷却されるようになっており、第１及び第２の熱交換器はそれぞれゼオライト蓄熱器（１６，１８）を有しており、この蓄熱器に対し動作ガス膨張装置（１１）からの動作ガスが反転調節器（６７）によって交互に供給され、あるいはそこから取り去られ、ゼオライト蓄熱器（１６，１８）は反転調節器（６７）によって熱移送媒体回路（１４）と熱移送連結状態に保たれることができる。この熱機関（１０）は従来のスターリングエンジンよりもかなり改良された熱バランスで作動する。なぜならば、従来廃熱として考えられていた排気熱が実際には生成されないからである。熱は、一方のゼオライト蓄熱器内で動作ガスが吸着される過程において熱移送媒体へと移送され、熱移送媒体へと移送された熱は他方の蓄熱器のゼオライトから動作ガスが脱着する過程で再び利用される。熱機関（１０）はブロック状の熱動力プラントに有利に用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 スターリング原理によって作動する熱機関 技術的背景 本発明は請求項１の前段に開示するような型式の熱機関に関する。 従来技術 スターリングエンジンはすでに知られており、例えば「マイヤーの技術辞書及 び正確な自然科学」や、「書籍解題原論」マンハイム／ウイーン／チューリヒ， １９７０，５８９頁や、ジンデルフインゲン所在のソロ・クラインモトーレン・ ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング社の「スターリングエ ンジンについての発展作業」と題する会社案内などによって知られている。この 会社案内は、シュバーベンランドハレのフエルバッハで１９９５年３月９日から １１日まで開催されたイノベーションフエア会場で配布された。 その構造から、かかる公知のスターリングエンジンは高い駆動流体温度と圧力 で運転される必要があり、慣習上それらは１０００℃あるいは３００バールにま で高められていた。さらに、通常はヘリウムガスが動作気体として用いられてい た。高い温度と圧力は、それらに耐える高耐温性と高耐圧性を有するように念入 りに作られた重い構造を必要とした。ヘリウムの使用は必然的に大きなシール問 題を提起した。なぜならば、ヘリウムの拡散割合は非常に高いからである。必要 とされる高温はヒーターの形をした第１の熱交換器を必要とし、この熱交換器は 、駆動流体が十分加熱されるようにするために、かなり高温の排気ガスを放出し た。加えて、かかる公知のスターリングエンジンは、駆動流体が十分に冷却され るようにするために、ラジエータの形をした第２の熱交換器を必要とした。かか るラジエータの排気熱はスターリングエンジンの熱サイクルにとって損失となる 。これら全てによって、周知のスターリングエンジンは貧弱な熱バランスを生じ ていた。公知のスターリングエンジンのために必要とされる高い圧力は、念入り に作られた重いエンジン構造を必要とするだけでなく、これに対応してサービス 寿命が短い結果となっていた。 発明の説明 本発明の目的は、請求項１の前段に記載したような熱機関において、かなり改 良された熱バランスを有し、かつ動作ガスがかなり低い温度と圧力で作動するよ うに作られた熱機関を提供することにある。 この目的は、請求項１に記載された特徴によって達成される。 本発明による熱機関では、高温を発生するヒーターと、廃熱を発生するだけの ラジエータの両方が、ゼオライトの蓄熱器によって置き換えられる。ゼオライト は動作ガスを吸着するという利点があり、ゼオライトは動作ガスと共に供給され 、かつこの動作ガスと共に、本発明による熱機関における動作ガス膨張装置によ って加熱された排気ガスとして放出される。ゼオライトは動作ガスをその分子格 子内へと取り込み、この過程でゼオライトの強い発熱反応が引き起こされ、これ を通じてそこに供給された動作ガスが加熱される。換言すれば、この過程で、動 作ガスは加熱されているにもかかわらず、あたかも過冷却されているかのような 状態に持ち込まれる。それゆえ、ゼオライト蓄熱器内の圧力は、非常に大きく低 下する。この過程で発生するプロセスについてこれまで理解されてきたことによ れば、これによってゼオライト内に大きな流れが生成され、この流れは蓄熱器が 非常に大きな量の、概ね動作ガスの１０倍の容量を吸着するようになる。この貯 蔵プロセスは２つのゼオライト蓄熱器の間で交互に発生する。第２のゼオライト 蓄熱器もまた動作ガスで満たされ、かつこの動作ガスがゼオライトに吸着される ようになった後で、他方のゼオライト蓄熱器内の動作ガスは、それまで満たされ ていたものが、ゼオライトの脱着による加熱状態で除去され、駆動流体として熱 機関へと供給される。熱の供給はこのために必要とされる。かかる目的のため、 熱移送回路内の熱移送媒体が蓄熱器を通過させられ、そこから貯蔵された動作ガ スが除去される。動作ガス膨張装置内の熱及び／又は動作ガスが吸着される他方 の蓄熱器内の熱を取り込んでいた熱移送媒体を、一方のゼオライト蓄熱器を通過 させることにより、後者内で吸熱反応が開始させられ、これにより動作ガスは再 びゼオライトから押し出される。このプロセスで、動作ガスは動作ガス膨張装置 内の駆動流体として動作するために充分なだけ加熱される。吸熱反応の開始は、 熱移送媒体からの熱によって発生する。かくして、本発明によれば、動作ガス膨 張装置からの熱は貯蔵された動作ガスを開放するために完全に利用される。それ ゆえ、本発明による熱機関は、熱の除去がラジエータを介して行われる公知のス ターリングエンジンよりもかなり改良された熱バランスで動作する。本発明の熱 機関による２つのゼオライト蓄熱器は交互に動作し、一方が動作ガス膨張装置の ための駆動流体を構成する加熱された動作ガスを供給している間、他方は動作ガ スを貯蔵してそれを冷却し、これが交互に実行される。動作ガス膨張装置からの 廃熱は、熱移送媒体を介して動作ガスを駆動するのに用いられ、動作ガスはそれ までは蓄熱器内での貯蔵過程において熱を受け取っていたのが、再び蓄熱器から 外へと駆動されることになる。このようにして、熱バランスにおける完全な循環 が達成され、スターリング原理で動作する熱機関のどれもが有していなかった循 環が達成される。 本発明の有利な実施例は付属クレームの主題となっている。 動作ガスとしては低沸点ガスが好適に用いられる。これは、動作を実行しよう と意図する状態において駆動流体が低温を保持できるという利点があるからであ る。これまで知られた動作ガスの中で、本発明による熱機関における使用に適し た低沸点ガスとしては二酸化炭素（ＣＯ₂）が特に好適であることが分かった。 二酸化炭素は、動作ガスを吸着するゼオライト蓄熱器内で特に強力な発熱反応を 生じるゆえに、動作ガスが特に良好に冷却されるという結果を生じる。一般的に 、熱機関の高温側と低温側での温度差が大きいということは有利なことである。 この有利性は二酸化炭素を動作ガスとして用いたときに特に大きい。これは、ゼ オライトの貯蔵能力におけるいわゆる「熱孔（サーマルホール）」によって可能 とされる。この特性により、ゼオライトはそれ自身の容量に対応する以上に多く の量を吸着できることになる。ゼオライトは、動作ガスをその分子格子内へと接 着させることにより、動作ガスのブラウン分子運動（例えば圧縮あるいは過冷却 プロセス中の）を減少させ、蓄熱器がゼオライトなしの通常の温度及び圧力の下 で可能となる量以上に、動作ガスのかなり多くの量を取り込むことを可能にさせ る。 もしも、本発明の追加の実施例において、バーナのような手段、例えば熱バー ナ及び／又は太陽熱設備などにより熱機関に熱が追加されるとすると、この熱機 関は、ブロック状の熱動力プラントにおける連結された動力−熱生成装置として 有利な方法で用いられることになろう。この場合、追加の熱は熱移送回路中の熱 移送媒体へと有利に供給されることになろう。その場合、熱機関からの廃熱と共 に作動するだけでなく、バーナの廃熱と共に作動し、あるいは大陽熱装置によっ て生成される熱と共に作動することになろう。 図面の簡単な説明 本発明の例示的な実施例が、図面を参照しながら以下に詳述される。 図１は本発明による熱機関の線図、 図２は本発明による熱機関を備えたブロック状熱動力プラントの線図である。 発明を実施するための最善の方法 図１の実施例において、スターリング原理に従って動作する熱機関１０は動作 ガス回路１２、熱移送媒体回路１４を有し、これらは共に動作ガス膨張装置１１ に接続されている。動作ガス回路１２は２つの熱交換器を有し、それらはゼオラ イト熱交換器１６又は１８から成る。熱移送媒体回路１４は２つの平行な枝管２ ０，２２を有し、これらは蓄熱器１６又は１８を貫通させられてその上流側及び 下流側の共通の導管２４又は２６へと接続されている。共通導管２４は動作ガス 膨張装置１１の熱移送媒体出口２８から蓄熱器１６，１８へと延伸し、共通導管 ２６は動作ガス膨張装置１１の熱移送媒体入口３０へと延伸している。加えて、 第３の熱交換器３２が、熱移送媒体回路１４内の熱移送媒体を再循環させるため のポンプ３４と共に、共通導管２６内に配置されている。ここで述べる例示的実 施例における熱移送媒体は水である。ソレノイド弁３６又は３８は、これらによ って各導管内の熱移送媒体の流れが阻止されるようになっており、蓄熱器１６， 又は１８を貫通している導管２０，２２内の各蓄熱器の上流側に配置されている 。導管２０の部分２０ａは、図１では蓄熱器１６の底部から蓄熱器内に進入して おり、蓄熱器１６内に配置された管状の熱交換器内へと延伸し、その出口は図示 のように導管２０の連続部分２０ｂへと接続されている。この構造は蓄熱器１８ についても同様である。蓄熱器１６又は１８内の内部隔室１７，１９は、熱移送 媒体回路１４の管状の熱交換器によって取り上げられていない隔室であって、ゼ オライトで満たされている。 動作ガス回路１２は、動作ガス膨張装置１１の出口４２から蓄熱器１６又は１ ８の２つの入口回路４４及び４６へと延伸し、図示のように、これらの入口導管 ４４，４６からさらに共通の出口導管４８へと延伸し、導管４８はバッフア隔室 ５０とさらに導管５２とを介して動作ガス膨張装置１１の入口５４へと延伸して いる。さらにポンプ５６が導管４８内に配置されている。ソレノイド弁５８又は ６０は、それぞれ導管４４，４６へと通じる導管１２内に配置されている。ソレ ノイド弁６２又は６４は、それぞれ入口導管４４，４６から分かれて共通導管４ ８内で終端する導管内に配置されている。最後に、ソレノイド弁６６は、バッフ ア隔室５０から延伸する導管５２内に配置されている。前述したソレノイド弁５ ８乃至６６はまたブロック（止め）弁としても作用し、導管１２と導管４４又は ４６の接続をつないだり切ったりする働きを交互に行なう。バッフア隔室５０の 出口は、バッフア隔室内に充分に高い圧力が生成されるまでは、ソレノイド弁６ ６によってブロックされている。上述した熱機関に用いられる動作ガス膨張装置 １１は通常のスターリングエンジン、例えば最初に述べたような公知のもので良 いが、本発明における重要な相違点は、従来技術が慣習としているヒータとラジ エータの形をした２つの熱交換器を有するようなスターリングエンジンの熱エネ ルギバランスを改良するために、ゼオライト熱交換器を使用し、このゼオライト 熱交換器が熱移送媒体回路と関連して熱損失を最小化し、特に廃熱を全く必要と しない、ということである。 熱機関１０は次のように作動する。 慣習的に動作ガス膨張装置１１は周期的に作動する往復動機関であって、交互 に強力に加熱され冷却される動作ガスを使用し、本発明では動作ガスとして二酸 化炭素ＣＯ₂が好適であり、２つのピストン（図示せず）により後方及び前方へ と押し出され、図１に示すような発電機６８を駆動できるように、供給された熱 エネルギを機械的エネルギに変換する。従来技術において動作ガス膨張装置１１ のシリンダ（図示せず）の外側にある燃焼室内での気まぐれな燃料の燃焼によっ て生成されかつ分離したヒータによってシリンダ内で動作ガスへと移送される必 要な熱は、本発明による熱機関では熱機関を始動させるのに必要な潜伏熱として 供給されるだけである。発電機６８はプロセスを開始させかつ動作ガス膨張装置 １１を駆動するための機関として運転され、動作ガス膨張装置１１はヒートポン プとして作動し、二酸化炭素を一方又は他方の蓄熱器１６，１８へと供給する。 二酸化炭素はこの蓄熱器内で、上述したようにゼオライト内に吸着されることに よる発熱反応で貯蔵される。両方の蓄熱器がいったん満たされると、スターリン グプロセスが開始可能となる。熱機関において熱損失は避けられないものではあ るが、本プロセスでは周囲からの潜伏熱によって補償される。さらに追加の熱エ ネルギが、例えば熱が発電機６８を通じて除去されるために必要となるが、熱交 換器３２を通じて、例えば大気から、追加の太陽熱放射により、あるいは熱交換 器３２をバーナで加熱することなどにより、熱機関へと供給される。従来技術で は熱移送媒体は１０００℃まで加熱しなければならなかったのに比較して、本発 明による熱機関では、動作ガス膨張装置の入口３０と蓄熱器の入口（導管４４， ４６）との間のΔＰ（圧力差）で動作温度は約６０℃程度であり、バッフア隔室 ５０内では１０バールの圧力に達する。この点については後に詳述する。 動作ガス膨張装置１１の始動と、２つの蓄熱器１６，１８内の動作ガスの貯蔵 とに続いて、スターリングプロセスが開始可能となる。最初に述べたように、吸 着容積のために、１つの蓄熱器内での動作ガスの貯蔵の過程で圧力低下が見られ る。発熱反応のために、圧力エネルギは同時に熱として熱移送媒体へと移送され 、この熱移送媒体はこのプロセス中に非常に加熱される。もしも動作ガスが蓄熱 器１６内に貯蔵されているならば、ソレノイド弁３６は閉じ、ソレノイド弁５８ は開き、ソレノイド弁６２は閉じ、ソレノイド弁３８は開く。もしもこのとき動 作ガスが同時に脱着によって蓄熱器１８のゼオライトから除去されるならば、ソ レノイド弁６０は閉じ、ソレノイド弁６４は開く。蓄熱器１８内で脱着プロセス が開始されることにより、ソレノイド弁３６は所定の時間後にソレノイド弁３８ に加えて開き、それまで蓄熱器１６内での吸着相の間加熱されていた熱移送媒体 は、そこでの脱着プロセスに必要とされる熱を供給するために、蓄熱器１８を通 過させられる。必要ならば、ポンプ５６が、動作ガス膨張装置１１に動作ガスを 供給するために、起動させられる。脱着プロセスの過程において、蓄熱器１８か ら駆動される動作ガスは、動作ガス膨張装置１１内の動作流体として動作を実行 できるようになるまで充分に加熱される。熱移送媒体が蓄熱器１８を通過する間 、蓄熱器１８から動作ガスはゼオライトの脱着によって除去されるように意図さ れており、熱移送媒体はまた所定の時間経過後に他方の蓄熱器１６を少なくとも 一時的に通過する。なぜならば、脱着のための熱は蓄熱器１８においても追加し て必要となるからである。脱着プロセスは最初は蓄熱器１６からの追加の熱供給 なしに実行される。なぜならば、蓄熱器１８内のゼオライトは充分な熱の貯蔵を 有しているからである。所定の時間経過後に熱の貯蔵が減少し、脱着プロセスが もはや作動しなくなると、ソレノイド弁３６が開き、蓄熱器１６からの加熱され た状態の熱移送媒体が蓄熱器１８へと通過できるようになる。 しかしながら、もしも蓄熱器１６及び１８内のゼオライトに貯蔵された熱エネ ルギが各脱着プロセスを発生させるのに充分であるならば、熱移送媒体を他方の 蓄熱器から取ってくる必要はない。この場合、蓄熱器１６，１８は、実際は反転 調節器によって交互に熱移送媒体回路と熱移送連結状態に保たれるようになる。 上述したソレノイド弁の制御は、反転調節器６７によって実行される。この制 御は例えばオペレータによる手動操作で実施することもできる。しかしながら、 反転調節器６７は自由にプログラムすることが可能なコンピュータ制御によるこ とが望ましく、コンピュータ制御は測定データによって熱機関を制御する。その 中でも、測定データは特に各種の温度と圧力から成り、図示しない温度センサと 圧力センサによって検出される。ソレノイド弁は、図の破線によって示される回 路を通じて反転調節器によって操作される。 図２は上述した熱機関１０をブロック状の熱動力プラント（火力発電プラント ）に用いた例である。図２において、図１と同じ部材は同じ参照符号が付されて いるので説明は省略する。追加された部材についてだけ説明する。図２によれば 、例えばオイル又はガスなどの燃料７３、及び／又は太陽熱設備７６によって動 作させられる熱バーナ７４によって、熱機関１０に追加の熱が供給される。もし も過剰の電気的エネルギを電力網へと移送することを意図しているならば、発電 機６８は電力網接続部７０を介して公衆電力網Ｎへと接続することができる。熱 バーナ７４はオイル又はガスバーナとすることができる。その排気熱は２００℃ を超えてはならない。なぜならば、さもなくば上述の熱機関において極端に高い 圧力が生成されることになり、蓄熱器１６，１８内のゼオライトを危険にさらす 可能性があるからである。 熱バーナ７４は、ついでに加熱された高温水回路７５を提供することができ、 この高温水はブロック状の熱動力プラントから建物を加熱することができる。熱 移送媒体回路１４から熱を受け取る加熱回路は、符号１５で表されている。動作 回路１２内で用いられる動作ガスは二酸化炭素ＣＯ₂である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，Ｓ Ｅ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ 【要約の続き】 から動作ガスが脱着する過程で再び利用される。熱機関 （１０）はブロック状の熱動力プラントに有利に用いら れる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．スターリング原理によって作動する熱機関（１０）であり、動作ガス回路（ １２）を有し、この動作ガス回路内で駆動流体を構成する動作ガスが作動を実行 できるように第１の熱交換器内で強く加熱され、さらに第２の熱交換器を有する 熱移送媒体回路（１４）を有し、第２の熱交換器内で動作ガスが作動の実行に続 いて冷却されるようになっている熱機関において、 第１及び第２の熱交換器はそれぞれゼオライト蓄熱器（１６，１８）を有して おり、この蓄熱器に対し動作ガス膨張装置（１１）からの動作ガスが反転調節器 （６７）によって交互に供給され、あるいはそこから取り去られ、ゼオライト蓄 熱器（１６，１８）は反転調節器（６７）によって熱移送媒体回路（１４）と熱 移送連結状態に保たれることを特徴とする熱機関。 ２．動作ガスが低沸点ガスであることを特徴とする請求項１記載の熱機関。 ３．動作ガスが二酸化炭素であることを特徴とする請求項２記載の熱機関。 ４．バーナ（７４）及び／又は太陽熱設備（７６）によって追加の熱が供給され ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱機関。