JPS5938404B2 - 相変化を直接利用した外燃型熱サイクル機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は純粋な流体がある一定の温度領域でその液相と
蒸気相の二相状態で混在する時、外部からの加熱あるい
は冷却によって蒸発あるいは凝縮という相変化を行ない
、それに伴う蒸気圧の変動を直接、仕事として外部に取
り出す熱サイクル機関に関する。

一般に、あらかじめ十分に真空排気された容器内に一定
量の単一種の純粋な流体（これを作動流体と呼ぶ）を封
入し、これを密閉すると、容器内は液体とその蒸気のみ
で満たされた、いわゆる気液二相の状態になる。

ここで容器を外部より加熱し、液体の温度を上げると、
それに相応して蒸気圧も上昇する。

液体が蒸発して容器内の蒸気量が増加するからである。

逆にこれを外部から冷却すると蒸気は気化時に奪った潜
熱を冷却面を介して外界に放出して、凝縮し、液体に戻
る。

従って容器内の蒸気圧も降下する。

流体がこのような蒸発・凝縮の相変化を起こす場合、そ
の温度レベルと潜熱の大きさ、蒸気圧の大きさなどとの
関係はその流体に特徴的な物性値として与えられるもの
である。

本発明の作動原理は以下のように要約される。

すなわち、所定の温度に加熱してもなおかつ容器内に液
体相が残存するような、ある一定量の作動流体を封入し
た密閉容器の一部を常時加熱することにより定常的に蒸
気を生成する一方で、容器の他部で周期的にこの蒸気を
冷却して凝縮・液化させることにより、容器内に蒸気圧
の上昇と降下を交互に生せしめる。

その時、蒸気の高圧時にピストンが仕事を行ない、低圧
時にこれが元の位置に復帰する、というサイクルを作る
とき、定常的に仕事を取り出す熱機関となる。

本発明の主要な構成は以下のようである。

第１図−１において、１は圧力室でその上半分は常に外
界から冷却され、下半分は常に加熱されている状態にあ
る。

２は外界から断熱され、圧力室に直結したシリンダ室で
あり、３のピストンを介して外界に仕事が伝達される。

４は圧力室内に封入された作動流体の液相部を示し、圧
力室内の他の部分およびシリンダ室はその蒸気で占めら
れ、いわゆる気液二相の状態になっている。

５は熱シャッターと呼ばれ、断熱材で出来た上下部の底
面を持たない薄肉の中空円筒である。

この熱シャッターは圧力室内を壁面に接触することなく
、滑らかに上下し、圧力室の冷却部内壁面を蒸気に曝し
たり、遮蔽したりする役割を持つ。

前記のごとくこの熱シャッターには上下の底面がないか
ら、その存在は圧力室内の蒸気流路に何の障害を与えず
、従って熱シャッターの運動が蒸気に仕事をしたり、逆
に蒸気から仕事をされたりすることはない。

なお、この発明の構成で第２図のように圧力室の冷却部
と加熱部の間に断熱部を挿入したり、あるいは第３図の
ようにシステムを横型にしたもの、さらに、これらの構
成で、作動流体の移動を容易にする目的で圧力室内壁や
熱シャッターの側面の構造に工夫を加えたものも、機能
上は第１図の場合と全く同じであるから、それらも第１
図に代表させることが出来る。

またピストンに伝達された仕事を外界に取り出す代りに
その場で発電機構に直結させて電力として取り出すこと
も可能であるし、ピストンや熱シャッターの移動法も電
磁気的な力によるものやリンク機構など種々の手段が考
えられてよい。

従って第１図、第２図、第３図に抽かれているピストン
や熱シャッターの芯枠（ロッド６）は図面の分り易さを
意図したためのものであり、その取付方向や位置、さら
には芯枠の必要性の有無も含めて、この熱サイクル機関
の機能の本質には影響を与えないことも明らかであろう
。

本発明のサイクルは次の順序で行われる。

第１図−１では熱シャッターが最上限に位置し、圧力室
の冷却部を完全に遮蔽（冷却部全閉の状態）しているか
ら、外部からの加熱によって圧力室内の蒸気圧は高まり
、この高圧蒸気は有効に上部のシリンダ室に作用してピ
ストンを上方に押し上げ（第１図−２）、外部に仕事を
する。

第１図３では熱シャッターが下降を始め、蒸気は冷却さ
れ、凝縮し始める。

ピストンは未だ最上部付近に止まっている。

第１図−４では熱シャッターは最下限に移動し、圧力室
内の蒸気は最大限に冷却を受け（冷却部全開の状態）、
蒸気の速やかな凝縮・液化が進行し蒸気圧は最低になる
。

この間、ピストンはシリンダ室を降下し、最下部に位置
する（第１図−５）。

第１図−６では熱シャッターが上昇し、冷却部を再び遮
蔽し始める。

ピストンは最下部に位置したままである。

そして、第１図−１の状態に戻る。このように熱シャッ
ターとピストンはほぼ９０００位相差で同期しながら、
上下に移動を繰り返すことにより、サイクルを形成し継
続的に仕事を取り出すことができる。

この時、熱シャッターは前述のごとく自らは何ら仕事を
しないから、熱シャッターの移動に要する外部からの仕
事は、ピストンから取り出される仕事に比べて十分に小
さいものとなる。

従って、この理想的な熱サイクルを、熱力学線図で図式
的に表示すると、第４図のようになる。

すなわち、作動流体の飽和液線と飽和蒸気線で囲まれた
気液二相の混在する領域内で二つの断熱変化と二つの等
容度化を行うサイクルが完結するところに特徴がある。

一般に、純粋流体の飽和蒸気圧は温度に依存する物性値
であるが、この値は流体によって大きく異なり、２００
〜３００℃程度の比較的低温度領域では、アルコールや
フレオン、アンモニアなど、我々の身近な流体の中で、
単純気体よりはるかに大きい蒸気圧力を示すものが数多
くあることが知られている。

このため、作動流体を適正に選択することにより、低温
度領域で大きな蒸気圧変動が得られ、これを利用して低
温度差のもとで稼動する熱機関が可能となる。

第４図で、この熱サイクルを実線の矢印の向きに実行す
るとエンジンとなり、点線の矢印の向きに実行すると冷
凍機あるいはヒートポンプになることは熱力学上の常識
である。

この熱サイクルは高性能伝熱素子としてのヒートパイプ
の作動原理をも包括した熱力学サイクルと言ってよく、
その観点に立てば、本発明をヒートパイプ熱機関（ヒー
トパイプエンジン、ヒートパイプ冷凍機、ヒートパイプ
式ヒートポンプ）と呼ぶこともできる。

この発明の利点は （１）作動流体の種類を選択することにより、さらには
その流体の使用温度領域を適当に設定することにより、
従来、省りみられることなく廃棄されてきた低温度熱源
を利用して、しかも低温度差のもとで稼動する熱機関と
なること、すなわち、従来の熱機関用熱源の下限界を拡
げる役割を荷なう重要な熱機関となり得ること。

（２）純粋流体の媒質では相変化は極めて速やかに起こ
るため、圧力室内部のどんな小さな熱力学状態の変化も
、相変化を介して温度や圧力の形で顕在化できるので、
既存の熱機関に比べて、汎用性の大きい、任意の規模の
熱機関を設計できること。

（３）一種の外燃機関であるから、これの加熱手段とし
ては多種多様の燃料あるいは熱源を利用でき、しかも、
その燃焼形態が熱機関の性態を左右しないこと。

（４）構造的に単純であり、また、比較的低温度（従っ
て低圧力）領域で動作させるため、設計、製作上の困難
さが小さくなること。

（５）構造上の単純さから、低公害、低騒音の熱機関と
なり得ること。

などが挙げられる。

以上のごとく、本発明を下敷にして実際上、個々の目的
や仕様に応じた熱機関（エンジン、冷凍機、ヒートポン
プ）を設計・開発し、各部分の改良を重ねることにより
、新しいタイプの経済的な省エネルギー型熱機器の出現
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、はいずれも本発明の概念図を
示しており、第１図−１〜６はそのエンジンサイクルの
進行順序を示している。 なお、同図中、矢印は移動の方向を示すものである。 また、第４図は本発明の熱機関が実行する理想熱サイク
ルを熱力学線図上に図式的に示したものである。 図中、Ｌ２，４，５の番号で示される熱力学状態はそれ
ぞれ第１図の同番号の過程に対応している。 １・・・・・・圧力室、２・・・・・・シリンダ室、３
・・・・・・ピストン、４・・・・・・作動液体、５・
・・・・・熱シャッター、６・・・・・・芯枠（ロンド
）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 純粋流体を封入した密閉容器と、その密閉容器の一
   部を加熱して流体を蒸発させる加熱装置と、その密閉容
   器の他部を冷却して流体を凝縮・液化さ１せる冷却装置
   と、その冷却部を熱絶縁する熱シャッターと、その熱シ
   ャッターを加熱部と冷却部１とに交互に移動させる熱シ
   ャッター駆動機構と、前記密閉容器内の圧力変動を仕事
   として取り出す動力取出装置とを備えた、相変化を直接
   利用した外燃型熱サイクル機関。