JPS61500622A - エネルギ−変換系 - 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】 エネルギー変換系 本発明は熱エネルギーとくに太陽光線、地熱カン水および工業排熱、さらに核お よび常用燃料のような比較的少ししか利用されて（・ないソースからの熱エネル ギーを電気エネルギーへ変換する系に関する。

蒸気−液体サイクルを使用する変換系は米国特許第３．４４３，１２９号明細書 （Ａ、Ｇ、　ハミット、Ｈａ！！１ｍ１ｔ　）に提案されている。

しかしこの公知系はその実用性を著しく低下する多数の欠点を有する。この系は 一定直径のただ１つの“共通脚”または”気泡管”１４を有し、この中で液体／ 蒸気泡混合物が力の場（重力または電磁力）に抗して動（。このため系は非常に 高さくすべての構造上の問題を含む）が大きくなるだけでなく、さらに重要なこ とに次の理由により非常に効率が低くなる。系が適当に異なる沸点と凝縮点の間 で作動する。ものと前提して、蒸気の膨張率が高い。そこでミクサ１６の付近で ざイド比（ｖｏｉａ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　）　（蒸気体積と液体＋蒸気全体積の 比）が低いとしても、蒸気がミクサでその初めの体積の数倍に膨張した後、気泡 管１４の中部および上部でその体積が非常に大きくなることは明らかである。そ こでこのような２相流れにおいて高いボイド比は高いスリン７°（スリップは蒸 気泡の流速と液体の流速の比）のど因となることが明らかである。

パワーの抽出が気泡管１４と下降管１０の間の圧力差に基く系で、高いスリップ は必然的に低効率をもたらす。原則としてスリップは比較的狭い気泡管を使用し て流速を上昇することによって減少できるけれど、これは必然的に他の２つのタ イプの損失すなわち調速損失（気泡管に沿って重い液体金属を調速するために消 費したエネルギーに基く損失）および同様流速の関数である摩擦損失を増大する 。この公知系によれば状態は非常に低い２相流体クォリティ（クォリティはガス 相の質量流速と液相およびガス相の質量流速の和との比）で作業することによっ てのみ改善することができる。これは直径を著しく大きくした気泡管を使用する ことによって達成しうるげれど、液体金属の所要量も非常に大きくなり、その結 果としてパワー比出力すなわち高価な液体金属の単位質量当り発生するパワーが 非常に低くなり、単位パワー当りの系の費用が経済的に不採算の点まで上昇する 。

本発明の１つの目的は公知系の不利および欠点を克服し、熱力学的に効率が高く 、構造的に融通性のあるエネルギー変換系を得ることである。すなわちこの系は 高さが問題とならない場合、たとえば既存の高い構造に取付ける場合、比較的高 く、または大きい高さにより困難が生ずる場合比較的低く形成することができ、 比較しうる出力に対し公知系よりはるかに少ない液体を使用し、コスト的に著し く効果的でなければならない。

この目的は本発明により比較的高沸点の第１流体のための容器、上端でこの容器 に通ずる下降管、上端でこの容器に通じ、下端で下降管に通ずる上昇管、および 上昇管の下端に配置した混合室を有し、この混合室を介して比較的低沸点の第２ 流体が、第１流体と接触する際この第１流体とともに第１流体より低い密度を有 する２相流体を形成する多数の１１！２ヲ発生させるため、上昇管へ導入され、 さらに下降管を降下する第１流体によってパワーを発生する下降管と共動するパ ワー発生装置を有する、熱エネルギーを他の形のエネルギーに変換する系におい て、上昇管の断面積が混合室より上の高さの増大とともにスリップ、茄速および 摩擦損失が小さくなるように増加する特ａ１ｋＷすることによって達成される。

本発明のもう１つの態様によれば比較的高沸点の第１流体のための容器、上端で この容器に通ずる下降管、上端でこの容器に通じ、下端で下降管に通ずる上昇管 、および上昇管の下端に配置した混合室を有し、この混合室を介して比較的低沸 点の第２流体が、第１流体と接触する際この第１流体とともに第１流体より密度 の低い２相流体を形成する多数の泡を発生させるため、上昇管へ導入され、さら に下降管を降下する第１流体によってパワーを発生する下降管と共動するパワー 発生装置を有する、熱エネルギーを他の形のエネルギーに変換する系において、 系が多数のステージからなり、各ステージが１つのこのような下降管、１つのこ のような上昇管、１つのこのような容器およびパワー発生装置を駆動するため接 続した１つのこのような混合室を有し、第２およびそれ以後のステージが先行ス テージに接続され、それによって低沸点第２流体がステージからステージへ逐次 高い温度で作動し、逐次続く上昇Ｗの横断面積がステージからステージへスリッ プ、茄速および摩擦損失を低下するように増大することを特徴とする熱エネルギ ーを他の形のエネルギーに変換する系が得られる。

本発明の第３の態様によれば比較的高沸点の第１流体のための少な（とも１つの 容器、上端でそれぞれの容器に通ずる少なくとも１つの下降管、上端でそれぞれ の容器に通じ、下端を介してそれぞれの下降管に通ずる少なくとも１つの上昇管 、およびそれぞれの上昇管の下端に配置した少なくとも１つの混合室を有し、こ の混合室を介して比較的低沸点の第２流体が、第１流体と接触する際この第１流 体とともに第１流体より低い密度の２相流体を形成する多数の泡を発生させるた め、それぞれの上昇管へ導入され、さらにそれぞれの下降管を降下する第１流体 によってパワーを発生するそれぞれの下降管と共動するパワー発生装置を有する 、熱エネルギーを他の形のエネルギーに変換する装置において、第２流体が閉回 路で１つだけの上昇管または順次に続く少なくとも２つの上昇管を通過するよう に配置され、この回路の通路を仕切る上昇管の横断面積が第２流体の流れの方向 に増大することを特徴とする装置が得られる。

本発明をさらによく理解しうるように有利な実施例を説明のためのみに添付図面 を参照して説明する：第１図は本発明を実施する１ステージ系、第２図は本発明 を実施する系（実線曲線）および公知系（破線曲線）の温度−エントロピー座標 によるサイクル図、 第３図は本発明を実施するマルチステージ系、第４図は各上昇管が円錐形である マルチステージ系の隣接する２つのステージ、 第５図は上昇管が塔のように配置した数ステージまたはセクションを有するも５ １つの実施例、第６図は最後のステージが異なる熱力学的流体を使ｔｊるマルチ ステージ系の最後の２つのステージ、第７図は上昇管が２つのステージ内にあり 、熱力学的流体がガスである系、 第８図は地熱カン水を使用するために適する系、第９図はタービンに使用するパ ワー発生装置の実施例を示す図である。

図面を参照して第１図には液体金属４のような比較的高（・沸点を有する導電性 液体物質たとえば水銀のための容器２が示される。以下には下降管と称する下降 する管６が備えられ、その上端は容器２に通ずる。その下端を介して下降管は以 下には上昇管と称する上昇する管８に通じ、上昇管の上端は容器２に通ずる。後 述の理由により上昇管８はこの特殊な実施例では円錐形であり、その下端が狭（ 、上端で広い。下降管６に沿った点に電磁流体（ＭＨＤ）発電機１０が配置され 、これによって導電性液体４が下降管６に沿って流れ、磁場１２ｔ−横切る際電 流が発生する。このような流れを発生させるため液体金属４を循環させ、容器２ から下降管６を介して下降させ、上昇管８を介して再び容器へ上昇させることが 必要なことは明らかである。これはいわゆる気ｍリフトによって達成され、その 際標準温度または圧力で液体またはガスである低沸点流体はノズル１４および混 合室１６を介して上昇管８へ導入され、ヒータ１８により調熱された液体金属と 接触する際液体金属とともに液体金属より低密度の２相流体を形成する蒸気泡が 発生する。純液体呟属金含む下降管６とはるかに軽い２相流体を含む上昇管８０ 間にその際得られる圧力差により２相流体は上昇させられ、液体金属によって置 替えられ、液体金属は混合室１６を通過するとそれ自体浮上する２相フオームに なる。

容器２内で、熱力学的流体は分離し、ダクト２０金介して去り、その顕熱を抽出 する熱交換器２４を通過する（ここに顕熱とは相変化なしの温度変化に伴なう熱 と定義される）。熱交換器２４から蒸気は凝縮器２２へ入り、ここでその潜熱を 放出し、その液体状態に戻る。ボン−ｊ′２６は今や液体の熱力学的流体を熱交 換器２４へ送り戻し、ここでこの流体は凝縮前に蒸気から回収する顕熱によって 予熱される。ポンプ２６によって駆動される予熱した熱力学的流体はもう１つの ダクト２８を介して、ボイラ３ｏによって蒸発した後ノズル１４へ戻される。液 体金属を熱力学的流体の沸点を十分超える温度に加熱しくヒータ１８）、熱力学 的流体を混合室１６へ注入する前に蒸発させる（ボイラ３０）ために必要な熱エ ネルギーは有利に前記熱エネルギーンースのいずれかによって供給される。７レ オン（その適用は後述する。）のような低沸点熱力学的流体によりボイラ３０ｔ −なしで済ますことができる。

図示のように混合室１６は上昇管８の下端部よりはるかに大きい。液体金属の流 速を減少することによって熱力学的流体と加熱した液体金属の間の接触時間が長 くなり、蒸発していない流体を注入する場合でも、上昇管８への入口より丁でに 上流で熱力学的流体の完全な蒸発が保証される。

円錐形の上昇管６は次第に膨張する蒸気泡に対して増大するスペースを与えるこ とにより前記高スリップの問題を考慮している。長さの大きい円錐管の製造が困 難な場合、次第に増大する直径の多数の円筒形セクションから組立てた段付管を 使用することによって同じ効果を得ることができる。

本発明の有利な実施例による系の熱力学的サイクルは第２図に温度−エントロピ ー座標で示される。これは改善されたランキンサイクルであり、太い実線曲線３ ２は本発明を実施する系によって果されるような完全なサイクルを示し、破線曲 線３４は前記公知系によって果されるような不完全サイクルを表わす。曲線３６ は飽和蒸気曲線である。矢印Ａは熱交換器で回収され、熱力学的流ｐｔ予熱する ため戻される顕熱を示し、矢印Ｂは凝縮器内で放出される潜熱を示す。

第３図に示すように２つ以上の前記系を”ステージ”に配置するのが有利である ことが明らかになった。容器２内で２相フオームから分離したステージｌがらの 蒸気はステージ■の混合室１６′へ導入され、ステージ■からの蒸気はステージ ■の混合室１６“へ導入される。

図から明らかなように３つのステージは１つのみの凝縮器２２、熱交換器２４、 ポンプ２６およびボイラ３０によって作動される。３つのＭＨＤ発電機は出力電 圧が上昇するよ５に有利に直列に接続される。

熱は蒸気へ順次に続く各ステージで導入されるので、その温度はステージからス テージへ上昇する。この特殊な実施例の場合上昇管８は円筒形であり、その直径 はステージからステージへ増大する。この配置は上昇管８が比較的短い限りスリ ップ問題を解決する。長い上昇管の場合第４図に示すように円錐形上昇管８が必 要である。ここに第（ｎ＋１）ステージの上昇管８′の下端直径は第ｎステージ の上昇管８の上端直径と少な（とも同じ大きさであることが指摘される。

構造高さが問題にならない場合、たとえば系が、高い構造がすでに存在し、この 構造へ系を容易に取付けられる太陽基糸によって捕集される太陽エネルギーの利 用を目的とする場合、第５図に示すように異なる夕・イブの”ステージ化”を使 用することができ、その際次第に直径が大きくなる上昇管円筒部８が円錐形移行 部材によって接続した塔の形で、１つの円筒部が他の円筒部の頂部に支持される 。この実施例の場合流れの適当な連続性が各ステージをそれぞれ下降管６に接続 するバイパス管３８によって保証されることが指摘される。このバイパス管３８ を通る流れは弁３９により調節することができる。

ステージ化原理を使用して第６図に示すように最後のステージ（または２つのス テージの第２ステージ）に先行ステージのそれより低い沸点を有する異なる熱力 学的流体を使用する場合、さらに高い効率を達成することもできる。それによっ て最後の上昇管の上部における高真空が避けられ、最後のステージのスリップが 著しく減少する。たとえば熱力学的流体として水を使用しく水は一般に最善の熱 力学的流体の１つである。）、凝縮ｔ−６５°Ｃで実施する場合、最終ステージ の上部の圧力は０．０５バール（５０００Ｐａ　）程度に低く、泡の膨張は非常 に大きい。しかしフレオン１１３を最終ステージの熱力学的流体として使用すれ ば３５℃の絶対圧力は１　バール（１０００００Ｐａ）　ｊｉ下テア’）、高い スリップを伴なう高率の膨張が避けられる。

図面は最後の２つのステージを示し、第ｎ−１ステージはたとえば水で作動し、 第ｎステージは熱力学的流体として７レオンを使用する。第Ω−１ステーゾには 第Ω−２ステージからくる水蒸気が供給され、矢印Ａから入る。第ｎ−ｉステー ジから分離した水蒸気は凝縮器／熱交換器４０に入り、ここで凝縮蒸気から放出 された熱がフレオンポンプ４２により熱交換器蛇管全通して駆動される液体フレ オンを気化するため使用される。フレオン蒸気は次に最後の第Ωステージの混合 室１６′へ導入され、凝縮器４４ｔ−介してこのステージを去り、液体としてフ レオンポンプ４２へ戻る（水および７Ｖオンは多（の可能な組合せの１つである ことが指摘される。）。

第７図に示ｊ笑施例は２セクシヨンの１つの上昇管を有する２ステーゾ系であり 、熱力学的流体として不活性ガス（たとえばチッ素）を使用し、前記実施例の改 良ランキンサイクル特性の代りにプレイトンサイクルを遂行する。

図示のように上昇管８はもう１つの上昇管の頂部に支持され、上の上昇管セクシ ョン８′ヲ下降管セクション６へ接続する、弁３９によって制御しうるバイパス 管３８を備える。熱交換器（図示せず）で予熱した後ガスは混合室１６へ注入さ れる。凝縮器の代りに熱交換器４６、ポンプの代りにコンプレッサ４８が備えら れる。ガスを使用するのでサイクルの温度に制限がない。丁ぺての温度でヒート シンク（ｈｅａｔ　ｓｉΩｋ）ＫＸ空が発生しないので、低温（シンク温度）も 問題とならない。ゾＶイトンサイクルは太陽塔、咳熱源および常用燃料とともに 使用するために有利である。

地熱カン水で使用する系を第８図に示す。これは粗製カン水を直接Ａから注入す る開放サイクル系であり、その流れは弁５０によって制御可能である。水蒸気は 容器２内で分離した後大気へ放出されるけれど、汚れ、塩などは容器２の液体金 属表面に浮いて残り、周期的に補光を要する少量の液体金属４とともに容器から 除去しなければならない。現在まで地熱カン水の使用は粗製カン水を熱交換器、 タービン等に導入する前に精製しなければならない事実により制限されたことが 指摘される。これに反し杢糸は粗製カン水から電気を得、同時にカン水が精製さ れる。大気へ放出した水蒸気は環境問題を生じない。

最後にＭ９図はＭＨＤ発電機１０を電力を発生するターボ発電機またはたとえば ポンプ用の機械的シャフト力を発生する簡単なタービンの形のタービン装置５２ で置替えた実施例′ｔ−略示する。ターボ発電機への変化は直接使用しつるまた は少なくとも容易に変圧しうる高圧交流を発生するので、とくに有利である。タ ービン装置５２はもちろん前記すべての実施例でＭＨＤ発電機の代りにまたはこ れとの組合せでも使用することができる。

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Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．比較的高沸点の第１流体のための容器（２）、上端でこの容器に通ずる下降 管（６）、上端でこの容器に通じ、下端で下降管（６）に通ずる上昇管（８）お よび上昇管（８）の下端に配置した混合室（１６）を有し、この混合室を介して 比較的低沸点の第２流体が第１流体と接触する除、この第１流体とともに第１流 体より低密度の２相流体を形成する多数の泡を発生させるため上昇管（８）へ導 入され、さらに下降管を降下する第１流体によってパワーを発生する下降管（６ ）と共動するパワー発生装置（１２）を有する、熱エネルギーを他の形のエネル ギーに変換する系において、上昇管（８）の横断面積が混合室上の高さの増大と ともにスリツプ、加速および摩擦損失を減少するように増大していることを特徴 とするエネルギー変換系。
2. ２．上昇管（８〜８′′、第５図）が塔の形に直列に配置した多数のほぼ円筒形 の管セクシヨンからなり、順に続くセクシヨンの直径が最下セクシヨンから最上 セクシヨンへと増大している請求の範囲第１項記載の系。
3. ３．比較的高沸点の第１流体のための容器（２）、上端でこの容器に通ずる下降 管（６）、上端でこの容器に通じ、下端で下降管（６）に通ずる上昇管（８）お よび上昇管（８）の下端に配置した混合室（１６）を有し、この混合室を介して 比較的低沸点の第２流体が、第１流体と接触する除この第１流体とともに第１流 体より低密度の２相流体を形成する多数の泡を発生させるため、上昇管（８）へ 導入され、さらに下降管を降下する第１流体によってパワーを発生する下降管（ ６）と共動するパワー発生装置（１２）を有する、熱エネルギーを他の形のエネ ルギーに変換する系において、多数のステージからなり、各ステージが１つのこ のような下降管（６）、１つのこのような上昇管（８，８′，８′′）、１つの このような容器（２）およびパワー発生装置（１２）を駆動するため接続した１ つの二のような混合室（１６，１６′，１６′′）を有し、第２およびそれ以後 のステージが先行ステージに接続され、それによって低沸点第２流体がステージ からステージへ逐次高い温度で作動し、逐次続く上昇管（８，８′，８′′）の 横断面積がスリツプ、加速および摩擦損失を減少するように増大していることを 特徴とするエネルギー変換系。
4. ４．各上昇管（８，８′、第４図）の横断面積が混合室上の高さの増大とともに スリツプ、加速および摩擦損失を減少するように増大していることを特徴とする 請求の範囲第３項記載の系。
5. ５．さらに少なくとも１つのステージ（Ｉ，ＩＩ）の容器を次のステージ（ＩＩ ，ＩＩＩ）の混合室（１６′，１６′′）へ接続するダクト（２０）を有する請 求の範囲第３項または第４項記載の系。
6. ６．少なくとも１つの熱交換器（４０、第６図）を有し、これによって１つのス テージ（第ｎ−１）の低沸点第２流体からの熱が次のステージ（第ｎ）の低沸点 第２流体へ伝達され、このステージ（第ｎ）の第２流体がこのステージ内を循環 するように制限されている請求の範囲第３項、第４項または第５項記載の系。
7. ７．少なくともこの第２流体の導入点（１４）で各混合室（１６）の横断面積が 連続的上昇管（８）の少なくとも下部の横断面積より著しく大きい請求の範囲第 １項から第６項までのいずれか１項に記載の系。
8. ８．第１流体を第２流体の沸点より高温へ加熱するための加熱装置（１８）を有 する請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項に記載の系。
9. ９．各上昇管（８）と共動する第２流体の頭熱を回収する熱交換器（２４）を有 する請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に記載の系。
10. １０．比較的高沸点の第１流体のための少なくとも１つの容器、上端でそれぞれ の容器に通ずる少なくとも１つの下降管（６）、上端でそれぞれの容器に通じ、 下端でそれぞれ下降管（６）に通ずる少なくとも１つの上昇管（８）およびそれ ぞれの上昇管（８）の下端に配置した少なくとも１つの混合室（１６）を有し、 この混合室を介して比較的低沸点の第２流体が、第１流体と接触する際この第１ 流体とともに第１流体より低密度の２相流体を形成する多数の泡を発生させるた め、それぞれの上昇管（８）へ導入され、さらに各下降管を降下する第１流体に よってパワーを発生する各下降管（６）と共動するパワー発生装置（１２）を有 する、熱エネルギーを他の形のエネルギーに変換する系において、第２流体が閉 回路でただ１つの上昇管または順次に続く少なくとも２つの上昇管を貫流するよ うに配置され、この回路の通路を仕切る上昇管の横断面積が第２流体の流れの方 向に増大していることを特徴とするエネルギー変換系。