(57)【要約】【課題】冷凍サイクル装置使用エネルギーの削減が求められている。冷凍サイクル装置には断熱圧縮機が使用され大部分は電力で駆動されている。電力供給力が不足し冷凍サイクル装置の節電と再生可能エネルギーでの発電、技術が求められている。【解決手段】臨界温度未満の気体を体積膨張させて液化する。又、液化時に抽出したエネルギーで発電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の気体を体積膨張させて気体を液化する気体膨張液化手段を備える事を特徴とする気体体積膨張利用装置
【請求項２】
更に前記作動流体は体積膨張液化時に液体気体の２相状態で存在する事を特徴とする請求項１の気体体積膨張利用装置
【請求項３】
更に複数の前記気体膨脹液化手段を備える事を特徴とする請求項１〜２の気体体積膨張利用装置
【請求項４】
更に前記気体膨張液化手段で抽出されたエネルギーを利用する抽出エネルギー利用手段を備える事を特徴とする請求項１〜３の気体体積膨張利用装置
【請求項５】
更に前記気体膨脹液化手段で抽出されたエネルギーを機械エネルギーに変換する機械エネルギー変換手段を備える事を特徴とする請求項１〜４の気体体積膨張利用装置
【請求項６】
更に前記気体膨張液化手段で抽出された速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する圧力エネルギー変換手段を備える事を特徴とする請求項１〜５の気体体積膨張利用装置
【請求項７】
更に前記機械エネルギー変換手段で変換された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段を備える事を特徴とする請求項１〜６の気体体積膨張利用装置
【請求項８】
更に前記作動流体の高温高圧の気体を凝縮する凝縮手段を備える事を特徴とする請求項１〜７の気体体積膨張利用装置
【請求項９】
更に前記作動流体の液体を送出するポンプを備える事を特徴とする請求項１〜８の気体体積膨張利用装置
【請求項１０】
更に前記作動流体の液体を蒸発させる蒸発手段を備えることを特徴とする請求項１〜９の気体体積膨張利用装置
【請求項１１】
更に前記作動流体の液体を所定の蒸発圧力に低下させる液体低圧化手段を備えることを特徴とする請求項１〜１０の気体体積膨張利用装置
【請求項１２】
更に前記液体低圧化手段を切替える低圧化切替手段を備えることを特徴とする請求項１〜１１の気体体積膨張利用装置
【請求項１３】
更に前記作動流体を冷凍サイクル用冷媒とする事を特徴とする請求項１〜１２の気体体積膨張利用装置
【請求項１４】
更に前記作動流体を水とする事を特徴とする請求項１〜１３の気体体積膨張利用装置
【請求項１５】
更に前記気体膨張液化手段を
気体体積膨張部と、
気体吸入部と、
気体の体積膨張により液化された作動流体の液体と液化されなかった気体を気液分離する気液分離部と、
気体吐出部
を備える膨張器とする事を特徴とする請求項１〜１４の気体体積膨張利用装置
【請求項１６】
更に前記気体膨張液化手段と機械エネルギー変換手段と発電手段を断熱圧縮機を転用した膨張機とする事を特徴とする請求項１〜１５の気体体積膨張利用装置
【請求項１７】
更に前記気体膨張液化手段で液化された作動流体を貯液する低圧受液器を備える事を特徴とする請求項１〜１６の気体体積膨張利用装置
【請求項１８】
更に前記作動流体の液体を貯液する最終受液器を備える事を特徴とする請求項１〜１７の気体体積膨張利用装置
【請求項１９】
更に移動手段を備える事を特徴とする請求項１〜１８の気体体積膨張利用装置
【請求項２０】
更に建築物を備える事を特徴とする請求項１〜１９の気体体積膨張利用装置
【請求項２１】
更に蓄電手段を備える事を特徴とする請求項１〜２０の気体体積膨張利用装置
【請求項２２】
更に電子式電力変換装置を備えることを特徴とする請求項１〜２１の気体体積膨張利用装置
【請求項２３】
更に前記圧力変換手段をラバルノズルとする事を特徴とする請求項１〜２２の気体体積膨張利用装置
【請求項２４】
前記圧力変換手段をデフューザーする事を特徴とする請求項１〜２３の気体体積膨張利用装置
【請求項２５】
更に前記蒸発手段を冷凍サイクルに使用される蒸発器とする事を特徴とする請求項１〜２４の気体体積膨張利用装置
【請求項２６】
更に前記蒸発手段をボイラーとする事を特徴とする請求項１〜２５の気体体積膨張利用装置
【請求項２７】
更に前記機械エネルギー変換手段をタービンとする事を特徴とする請求項１〜２６の気体体積膨張利用装置
【請求項２８】
更に前記タービンの部材を繊維強化プラスチックとするとする事を特徴とする請求項１〜２７の気体体積膨張利用装置
【請求項２９】
更に前記液体低圧化手段をキャピラリーチューブとする事を特徴とする請求項１〜２８の気体体積膨張利用装置
【請求項３０】
更に前記タービンの軸受けを流体軸受けとし流体を作動流体とする事を特徴とする請求項１〜２９の気体体積膨張利用装置
【請求項３１】
更に前記凝縮手段を冷凍サイクルに使用する凝縮器とする事を特徴とする請求項１〜３０の気体体積膨張利用装置
【請求項３２】
更に異なる蒸発圧力の前記蒸発手段を備える事を特徴とする請求項１〜３１の気体体積膨張利用装置
【請求項３３】
更に異なる蒸発圧力毎に前記気体膨張液化手段を備える事を特徴とする請求項１〜３２の気体体積膨張利用装置
【請求項３４】
更に前記低圧受液器の液体の圧力を検出する低圧受液器圧力検出手段を備える事を特徴とする請求項１〜３３の気体体積膨張利用装置
【請求項３５】
更に前記低圧受液器の液面を検出する低圧受液器液面検出手段を備える事を特徴とする請求項１〜３４の気体体積膨張利用装置
【請求項３６】
更に前記ポンプの送液元を前記低圧受液器または最終受液器に切り替えるポンプ送液元切り替え手段を備える事を特徴とする請求項１〜３５の気体体積膨張利用装置
【請求項３７】
更に前記膨張器と前記低圧受液器の圧力を等圧にする第１均圧管を備える事を特徴とする請求項１〜３６の気体体積膨張利用装置
【請求項３８】
更に前記低圧受液器と前記高圧受液器の圧力を等圧にする第２均圧管を備える事を特徴とする請求項１〜３７の気体体積膨張利用装置
【請求項３９】
更に作動流体の気体を加熱する加熱熱源を備える事を特徴とする請求項１〜３８の気体体積膨張利用装置
【請求項４０】
更に真空ポンプを備える事を特徴とする請求項１〜３９の気体体積膨張利用装置
【請求項４１】
更に被冷却物の温度を検出する被冷却物温度検出手段を備える事を特徴とする請求項１〜４０の気体体積膨張利用装置
【請求項４２】
更に作動流体を地熱水蒸気とする事を特徴とする請求項１〜４１の気体体積膨張利用装置
【請求項４３】
更に圧力容器と、
圧力容器内を往復する往復用液体と、
往復用液体の吸入弁と、
往復用液体の吐出弁と、
気体の吸入弁と
気体の吐出弁と、
往復用液体を高圧で送出するポンプからなる液体往復式圧縮機を備える事を特徴とする請求項１〜４２の気体体積膨張利用装置
【請求項４４】
更に前記往復用液体を真空ポンプ用油とし、
前記気体を空気とする事を特徴とする請求項１〜４３の気体体積膨張利用装置
【請求項４５】
更に断熱圧縮機を備える事を特徴とする請求項１〜４４の気体体積膨張利用装置
【請求項４６】
更に前記往復用液体を冷凍サイクル用液体冷媒とし、
前記気体を冷凍サイクル用気体冷媒とする事を特徴とする請求項１〜４５の気体体積膨張利用装置
【請求項４７】
更に前記凝縮器で液化された作動流体の液体と
前記蒸発手段で蒸発された作動流体の気体を熱交換する気液熱交換器を備える事を特徴とする請求項１〜４６の気体体積膨張利用装置
【請求項４８】
更に前記気液熱交換器は気体の逆流を防止する逆止弁を備える事を特徴とする請求項１〜４７の気体体積膨張利用装置
【請求項４９】
更に加熱熱源を備える事を特徴とする請求項１〜４８の気体体積膨張利用装置
【請求項５０】
更に通信手段を備える事を特徴とする請求項１〜４９の気体体積膨張利用装置
【請求項５１】
更に前記加熱熱源をコンピューター発熱熱源とする事を特徴とする請求項１〜５０の気体体積膨張利用装置
【請求項５２】
更に前記加熱熱源の熱を前記蒸発手段に輸送するヒートパイプを備える事を特徴とする請求項１〜５１の気体体積膨張利用装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
冷凍サイクル装置及発電装置に関る
【背景技術】
【０００２】
冷凍サイクル装置として蒸気圧縮冷凍サイクル装置がある。
蒸気圧縮冷凍サイクルの動力は主に電力である。
冷凍サイクル装置は食品の冷凍、冷蔵に使用されている。
またエアコンとして多数使用されている。
冷凍サイクルの効率向上策としてインバーター制御技術や液ガス熱交換、エジェクター等がある。再生可能エネルギーによる発電として、風力発電、太陽光発電、バイオマス発電、地熱発電がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】よくわかる最新冷凍空調の基本と仕組み  高石吉登著
【非特許文献２】ゼロから学ぶ熱力学  小暮陽三著
【非特許文献３】上級  冷凍受験テキスト  社団法人  日本冷凍空調学会
【非特許文献４】やさしいボイラーの教科書  南雲健治著
【非特許文献５】火力発電総論    瀬間  徹  監修
【非特許文献６】ＪＳＭＥテキストシリーズ  熱力学  一般社団法人  日本機械学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷凍サイクル装置の使用エネルギーの削減が求められている。
気水火力発電のエネルギー効率の向上が求められている。
蒸気圧縮冷凍サイクル装置には断熱圧縮機が使用され大部分は電力で駆動されている。
断熱圧縮機を使わない冷凍サイクルが求められている。
再生可能エネルギーの利用が求められている。
冷凍サイクル装置の節電が求められている。
電力供給力が不足し再生可能エネルギーでの発電が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本目的を達成するための気体体積膨張利用装置であって
作動流体の気体を体積膨張させて気体を液化する気体膨張液化手段を備える事を特徴とするものである。
従来の技術では等温膨張には仕事又は熱が必要とされており、事前に仕事を加える。すなわち圧縮するかカルノーサイクルの等温膨張のような吸熱過程とされていた。
しかし本発明は、気体を体積膨張させる際に仕事を加えず逆に仕事を取り出すものである。
気体を体積膨張させるには仕事Ｗが必要である。
周囲との熱の出入がない条件での気体の体積膨張時の仕事量Ｗは作動流体によって違いがある。
ケース１  体積膨張時の気体の温度が臨界点以上
この場合は仕事Ｗは気体自身から調達され、気体の温度・圧力が低下する。
Ｗ  ＝  Ｒ（Ｔ１−Ｔ２）ｌｏｇ（ＶＢ／ＶＡ）
Ｒは気体定数  Ｊ／ｋｇ・Ｋ
Ｔ１は膨張前温度
Ｔ２は膨張後温度
いわゆる断熱膨張である。
ケース２  体積膨張時の気体の温度が臨界点未満
この場合も仕事Ｗは気体自身から得られるが、臨界点温度以下の気体は液相、気相の２相状態が存在し２相の相変化は等温等圧で行われるので、等温膨張となる。
よって、仕事  Ｗ  ＝  ＲＴｌｏｇ（ＶＢ／ＶＡ）
Ｔは蒸発温度
よって、仕事  Ｗ  と熱、の変換効率は１００％となる。
熱とは蒸発で吸収した熱量である。
体積膨張時に臨界点以下の作動流体としては
Ｒ２２，Ｒ４０４，Ｒ４０７、Ｒ４１０、Ｒ１３４ａ等の代替フロン系冷媒や、水、アンモニア、二酸化炭素、イソブタン等の自然冷媒がある。
等温膨張に必要な仕事 Ｗ は気体自身から得られて気体から抽出された仕事
Ｗ が気化熱相当になった時に液化される。
よって、臨界点以下の温度の気体を体積膨張させると蒸発温度で液化することができる。
液化量は気化熱をｑとすると、
液化量  ＝  Ｗ／ｑ  ＝  {ＲＴｌｏｇ（ＶＢ／ＶＡ）／ｑ}
次に質量保存則により
流入気体質量  ＝  流出液体質量  ＋  流出気体質量
である。
又、エネルギー保存則により熱の出入りがないので
流出液体エネルギー減少  +  流出気体のエネルギー増  ＝  ０
流出液体のエネルギー減は体積膨張仕事Wであるので気体のエネルギー増はWである。
ここで流入気体の速度エネルギーは通常の冷凍サイクルでは流速１０ｍ／ｓくらいなのでエネルギーは（１／２）１０２＝５０Jで無視できる。
又、流入気体の吸入口と流出気体の吐出口の断面積を等しくすると圧力項も等温等圧なので無視できる。
よって流出気体のエネルギー増は速度エネルギーとなる。
流出気体の速度をVとして
体積膨張仕事をW
気化熱をｑとすると
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となる。
体積膨張仕事は流入気体の速度エネルギー分だけ小さくなる。
よって、体積膨張液化時の流入気体の速度は１０ｍ／ｓ程度と充分速度が小さい必要がある。
１０ｍ／ｓ時の１ｋｇ当りの速度エネルギーは５０Ｊとなり非常に小さい。
【０００６】
また、更に前記作動流体は体積膨張液化時に液体気体の２相状態で存在する事を特徴とするものである。
冷凍サイクル用の冷媒、たとえばＲ２２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０４、Ｒ４１０、Ｒ４０７、Ｒ７１７、水などは常温で
液体と気体の２相状態で存在している。この性質を冷凍サイクルは利用している。
気体膨張液化手段で液化するためには体積膨張時の圧力温度条件で作動流体が２相状態で存在する作動流体である事が必要である。つまり体積膨張時に作動流体が臨界温度以下である事が液化の条件である。
【０００７】
また、更に複数の前記気体膨脹液化手段を備える事を特徴とするものである。
膨張比には限界があるので複数の気体膨張液化手段を直列または並列使用して気体をすべて液化する。完全に液化するには直列にすると良い。
【０００８】
更に前記気体膨張液化手段で抽出されたエネルギーを利用する抽出エネルギー利用手段を備える事を特徴とするものである。
【０００９】
また、更に前記気体膨脹液化手段で抽出されたエネルギーを機械エネルギーに変換する機械エネルギー変換手段を備える事を特徴とするものである。
所謂タービンである。気体膨張液化手段で抽出したエネルギーは圧力と温度が一定なので
速度エネルギーとなる。
タービンについて
体積膨張手段によって蒸発温度でエネルギーが抽出され気体は、低温高速の気体となっている。
故に従来のタービンの様な高温高圧に耐える材料でタービン素材を選択する必要はない。
又、タービンの形式は衝動タービンとなる。
発電機の効率、タービンの効率を考慮すると１００ｋｗの発電には、１４０ｋｗ程度のエネルギー抽出が必要。
発電効率        ９０％
タービン効率    ８５％    とすると、
又、蒸発温度、流量、膨張比、作動流体を選択する事により抽出エネルギーは調整できる。
何故なら、
Ｗ  ＝  ＲＴｌｏｇ（ＶＢ／ＶＡ）      
であるから。
【００１０】
また、更に前記気体膨張液化手段で抽出された速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する圧力エネルギー変換手段を備える事を特徴とするものである。
デフューザーや渦巻き室やラバルノズルなどで速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して温度圧力をあげて暖房や給湯やでフロストなどに使用する。
「  暖房の計算  」
０℃、１ｋｇの気体の温度を５０℃にするためには
定圧比熱をＣｐとすると
Ｃｐ  ×  ５０Ｋの仕事量が必要である。
Ｒ２２のＣｐは  ０．６８１なので
必要エネルギーは  ０．６８１  ×  ５０Ｋ  ＝３４．０５ｋＪ必要である。
１ｋｇの蒸気のエネルギーは約２００ｋＪなので
５０ｋ温度を上昇するためには約４０ｋＪエネルギーを抽出し、圧力変換をすれば良い。
よって液化率２０％となる。
この場合の暖房能力      ２００ｋｗ  ＋  ４０ｋｗ  ＝  ２４０ｋｗ／ｋｇ
ラバルノズルなので減速。
すると圧力が上昇し、暖房として使える。
又、給湯等で８０℃のものにする為には、
８０ｋ  ×  ０．６８１  ＝５４．５ｋＪ  必要で
液化率を５４５÷２００  ＝  ２７．２５％
給湯能力  ２００  +  ５４．５  ＝  ２５４．５ｋｗ  となる。
この様に液化率を変える事で、温度制御が出来る。
液化率の計算では
０．       ６４６ｋｇの気体は気体のエンタルピーと
速度エネルギーＷ  ７２，４８６Ｊを持っている。
この速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して温度を上げる。
Ｒ２２の低圧比熱Ｃｐは０．６８１ｋＪ／ｋｇＫ
であるので７２．４８６ｋＪの速度エネルギーは
気体の質量  ×  Ｃｐ  ×  Ｋ（温度差）となる。
よって、０．６４６×０．６８１×Ｋ＝７２．４８６
∴  Ｋ＝１６４Ｋの温度上昇が可能である。
しかし、これでは温度差が大きすぎるので抽出エネルギーＷを小さくする。
抽出エネルギーを小さくするには膨張比を小さくする。
よって、膨張比を４にする。
よって、膨張器の拡大部は１３０ｍｍとなる。
・抽出エネルギーは
Ｗ＝ＲＴｌｏｇ（ＶＢ／ＶＡ）  であるので
Ｗ＝９６×２１３．１５×ｌｏｇ４
＝３６，１８６Ｊ          
液化量は  Ｗ／ｑ  なので
３６，１８６÷２０４．５９ 
= ０．１７６ｋｇである。
残りの気体量は０．８２４ｋｇである。
よって、０．８２４×０．６８１×Ｋ＝３６．１８６
よって、Ｋ＝６４．４８となり
温度は６４．４８℃上る。
この時の冷凍効果は０．８２４ｋｇの気化熱分
０．       ８２４×２０４．５９+３６．１８６
＝１６８．５８+３６．１８６
＝２０４．７６６ｋｗである。
この結果
２０４．５９ｋｗの冷凍効果で冷房しながら２０４．７６６ｋｗの暖房が可能となる。
【００１１】
また、更に前記機械エネルギー変換手段で変換された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段を備える事を特徴とするものである。
【００１２】
また、更に前記作動流体の高温高圧の気体を凝縮する凝縮手段を備える事を特徴とするものである。
暖房やデフロスト回路の為に作動流体を外気や水で冷却して液化する。
冷凍サイクルでは凝縮器である。
汽水発電では復水器である。
【００１３】
また、更に前記作動流体の液体を送出するポンプを備える事を特徴とするものである。
サイクルを回すために起動力としてポンプが必要である。
また配管の圧力損失や絞り膨張やノズルで蒸発圧力を下げるためにも圧力差が必要である。
この昇圧の為にポンプが必要である。
通常は冷凍サイクルの冷媒ではキャンドポンプを使用する。
ボイラーでは高圧ポンプを使用する。
【００１４】
また、更に前記作動流体の液体を蒸発させる蒸発手段を備えることを特徴とするものである。
汽水発電ではボイラーであり、冷凍サイクルでは蒸発器である。
冷凍サイクルでは蒸発は冷媒の液体がエネルギーを吸収して液体が気体となる。
蒸発は吸熱すなわちエネルギー吸収である。
変化としては等温膨張である。
蒸発手段で吸収したエネルギーを気体膨張液化手段で抽出すると外部燃焼熱源なしエネルギーが取り出せる。
【００１５】
また、更に前記作動流体の液体を所定の蒸発圧力に低下させる液体低圧化手段を備える事を特徴とするものである。
通常の冷凍サイクルでは絞り膨張手段である。膨張弁のオリフィスやキャピラリーチューブなどである。
本発明では圧力損失低減の為にノズルを使う。
【００１６】
また、更に前記液体低圧化手段を切り替える低圧化切替手段を備える事を特徴とするものである。
【００１７】
また、更に前記作動流体を冷凍サイクル用冷媒とする事を特徴とするものである。
Ｒ２２、Ｒ４０４、Ｒ４０７、Ｒ４１０、アンモニア、二酸化炭素、イソブタン、等である。
【００１８】
また、更に前記作動流体を水とする事を特徴とするものである。
水は気化熱も大きく高温でも安定しているので作動流体として最適である。
火力発電でよく使用されている。
【００１９】
また、更に前記気体膨張液化手段を
気体体積膨張部と、
気体吸入部と、
気体の体積膨張により液化された作動流体の液体と液化されなかった気体を気液分離する気液分離部と、
気体吐出部
を備える膨張器とする事を特徴とするものである。
【００２０】
また、更に前記気体膨張液化手段と機械エネルギー変換手段と発電手段を、断熱圧縮機を転用した膨張機とする事を特徴とするものである。
スクロール膨張機などの断熱圧縮機を逆使用するものである。
断熱圧縮機の吐出口を膨張機の吸入口にして逆回転して使用する。
圧縮機の電動機を発電機にする事も可能である。
【００２１】
また、更に前記気体膨張液化手段で液化された作動流体を貯液する低圧受液器を備える事を特徴とするものである。
気体膨張液化手段での液化は蒸発温度でおこなわれるので低圧になる。
【００２２】
また、更に前記作動流体の液体を貯液する最終受液器を備える事を特徴とするものである。
サイクル稼働しない時、作動流体は常温になる。故に始動時は最終受液器からポンプで送液する。
【００２３】
また、更に移動手段を備える事を特徴とするものである。
移動手段とは自動車、船舶、電車などである。
【００２４】
また、更に建築物を備える事を特徴とするものである。
建築物とはデータセンター、工場、集合住宅、事務所ビル等である。
【００２５】
また、更に蓄電手段を備える事を特徴とするものである。
この装置では発電が燃料なしで出来るがサイクル始動時には外部電源が必要であるので蓄電手段を取り付ける。
蓄電池やキャパシタなどである。
【００２６】
また、更に電子式電力変換装置を備えることを特徴とするものである。
電力変換装置とはインバーター、コンバーターの事である。
【００２７】
また、更に前記圧力変換手段を先細末広がりとする事を特徴とするものである。
気体膨張液化手段でエネルギーを抽出すると液化されなかった作動流体の気体は高速になる。
圧力変換手段で音速をこえる場合と超えない場合で装置が変わる。
音速をこえる時は先細末広がりノズルを使用する。
【００２８】
また、更に前記圧力変換手段をデフューザーする事を特徴するものである。
気体膨張液化手段で液化されなかった気体の速度が音速以下の場合はデフューザーを使う。
【００２９】
また、更に前記蒸発手段を冷凍サイクルに使用される蒸発器とする事を特徴とするものである。
【００３０】
また、更に前記蒸発手段をボイラーとする事を特徴とするものである。
【００３１】
また、更に前記機械エネルギー変換手段をタービンとする事を特徴とするものである。
気体膨張液化手段で抽出したエネルギーで液化されなかった気体は高速の気体になるのでタービンで速度エネルギーを機械エネルギーに変換する。
これにより蒸発手段で吸収した熱エネルギーを機械エネルギーに変換できる。
【００３２】
また、更に前記タービンの部材を合成樹脂とする事を特徴とするものである。
作動流体の温度は蒸発温度でするので蒸発圧力温度を制御する事ができる。
よって蒸発温度を０℃にするとタービンに流入する作動流体の温度を０℃にできる。
よって従来技術のように高温高圧に耐える素材ではなく熱に弱い合成樹脂をタービンのインペラ、ブレード、ローターに使用できる。
合成樹脂はプラスチックであり、エンジニアプラスチックのような強度のあるものがタービン素材には最適である。
又、繊維強化プラスチックをしても良い。
鉄合金を較べてプラスチックは軽量なのでタービンに使用すると、機械ロスが少なくなる。
プラスチック軸受には磁気軸受は使用できないので流体を作動流体にした流体軸受を使用すると良い。
【００３３】
また、更に前記液体低圧化手段をノズルとする事を特徴とするものである。
【００３４】
また、更に前記タービンの軸受けを流体軸受けとし流体を作動流体とする事を特徴とするものである。
タービンは高速で回転するので軸受けの選択は重要である。
マイクロガスタービンでは空気軸受けが使用されている。
通常空気軸受けには空気を送るコンプレッサーが必要である。
しかし体積膨張液化後の気体は高速なので作動流体を流体軸受けの流体とできる。
【００３５】
また、更に前記凝縮手段を冷凍サイクルに使用する凝縮器とする事を特徴とするものである。
【００３６】
また、更に異なる蒸発圧力の前記蒸発手段を備える事を特徴とするものである。
【００３７】
また、更に異なる蒸発圧力毎に前記気体膨張液化手段を備える事を特徴とするものである。
【００３８】
また、更に前記低圧受液器の液体の圧力を検出する低圧受液器圧力検出手段を備える事を特徴とするものである。
【００３９】
また、更に前記低圧受液器の液面を検出する低圧受液器液面検出手段を備える事を特徴とするものである。
【００４０】
また、更に前記ポンプの送液元を前記低圧受液器または最終受液器に切り替えるポンプ送液元切り替え手段を備える事を特徴とするものである。
【００４１】
また、更に前記膨張器と前記低圧受液器の圧力を等圧にする第１均圧管を備える事を特徴とするものである。
【００４２】
また、更に前記低圧受液器と前記高圧受液器の圧力を等圧にする第２均圧管を備える事を特徴とするものである。
【００４３】
また、更に作動流体の気体を加熱する加熱熱源を備える事を特徴とするものである。
【００４４】
また、更に真空ポンプを備える事を特徴とするものである。
液体の低温低圧化の補助のため真空ポンプを使用する。
作動流体が水の時には真空ポンプ蒸発させる。
【００４５】
また、更に被冷却物の温度を検出する被冷却物温度検出手段を備える事を特徴とするものである。
被冷却物とは冷蔵庫、冷凍庫では庫内の空気温度、庫内温度のことである。
温度検出手段とはサーモスタット等である。
【００４６】
また、更に作動流体を地熱水蒸気とする事を特徴とするものである。
【００４７】
また、更に圧力容器と、
圧力容器内を往復する往復用液体と、
往復用液体の吸入弁と、
往復用液体の吐出弁と、
気体の吸入弁と
気体の吐出弁と、
往復用液体を高圧で送出するポンプからなる液体往復式圧縮機を備えることを特徴とするものである。
液体をピストンの代用とする往復式気体圧縮機である。
圧力容器に液体を充填するにはポンプを使用する。
液体は予め貯蔵しておく。
液体を蒸発圧力の非常に小さい油にし、気体を空気にすると真空ポンプとして使用できる。
油は真空ポンプ用のフッ素系油を使用するとよい。
気体を冷媒にして、液体を同じ液体の低温冷媒にすると気液混合凝縮器となる。
気体の吸入弁を閉じて液体を下降させると真空ポンプになり、気体の吸入弁を開いて液体を下降させると気体の圧縮機となる。
【００４８】
また、更に前記往復用液体を真空ポンプ用油とし、
前記気体を空気とする事を特徴とするものである。
いわゆる空気コンプレッサーである。真空ポンプ用油は低蒸気圧であるので液体往復式圧縮機の液体ピストンとして使用できる。
【００４９】
また、更に断熱圧縮機を備える事を特徴とするものである。
気体膨張液化手段で液化されなかった作動流体を断熱圧縮機で高温高圧にして凝縮器で液化する。
【００５０】
また、更に前記往復用液体を冷凍サイクル用液体冷媒とし、
前記気体を冷凍サイクル用気体冷媒とする事を特徴とするものである。
【００５１】
また、更に前記凝縮器で液化された作動流体の液体と
前記蒸発手段で蒸発された作動流体の気体を熱交換する気液熱交換器を備える事を特徴とするものである。
【００５２】
また、更に前記気液熱交換器は気体の逆流を防止する逆止弁を備える事を特徴とするものである。
【００５３】
また、更に加熱熱源を備える事を特徴とするものである。
作動流体を
圧力変換手段で高温高圧にするがより高温を得たい場合に燃焼熱熱源などの加熱熱源を使用する。
【００５４】
また、更に通信手段を備える事を特徴とするものである。
【００５５】
また、更に前記加熱熱源をコンピューター発熱熱源とする事を特徴とするものである。
データセンターではコンピューターのＣＰＵが加熱熱源となる。
蒸発器の気化熱熱源とする。
【００５６】
また、更に前記加熱熱源の熱を前記蒸発手段に輸送するヒートパイプを備える事を特徴とするものである。
ＣＰＵの発熱を蒸発器に輸送するために、ヒートパイプでＣＰＵと蒸発器の蒸発管を接続してＣＰＵ発熱を蒸発器に輸送する。
【発明の効果】
【００５７】
冷凍サイクルにおいて、冷媒蒸気を膨張器で体積膨張させて液化する事が出来る。
複数回体積膨張させると、すべての冷媒蒸気を液化する事が可能となる。
この事で、断熱圧縮機と凝縮器が不要となる。
サイクルの循環用に液体ポンプは必要であるが同じ循環量の断熱圧縮機の動力よりポンプの動力は大巾に小さく、大巾なエネルギー削減になる。
又、液化により抽出したエネルギーで発電も可能となる。
これは蒸発器で吸熱したエネルギーを従来技術のように凝縮器で放熱する事なく利用するので、ヒートアイランド現象の防止ＣＯ２排出量の削減に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】膨脹器である。膨脹器は圧力容器である。基本的には鋼製である。温度によって低温脆弱性も考慮する。膨張器は１４の気体吸入口と１９の液体吐出口と１７の気体吐出口を有している。全体の構成は１５のゆるやかな拡大部と１６の縮小部からなる。１５の拡大部で気体を体積膨張させ、仕事を取り出し液化する。膨張比を大きくすることは難しいので、複数回膨張器で体積膨張させる。気体の液化は一部であるので体積膨張した作動流体は液体と気体の湿り蒸気となる。湿り蒸気は最終的に１６の縮小部に衝突して器液分離される。液体は１９の気体吐出口に気体は１７の気体吐出口に導かれる。吐出する気体は仕事Ｗを吸収して高速の気体となる。１８の均圧管は液体を２０の低圧受液器に重力で落とすときに、膨張器内と２０の低圧受液器内の圧力を等しくするために使われる。
【図２】蒸気膨張冷凍サイクル発電（膨脹器のみ）のｐ−ｈ線図である。１から蒸発器で蒸発する。２で蒸発終了する。２から３まで膨張器で気体を等温膨張させ一部の気体を液化させる。３〜４は２回目の等温膨脹で更に一部の気体を液化させる。４〜５は３回目の等温膨脹で更に一部の気体を液化させる。５〜６は４回目の等温膨脹で更に一部の気体を液化させる。６〜７は５回目の等温膨脹で更に一部の気体を液化させる。膨張を繰り返すと二相の内の気体部分が減少しエネルギー抽出量と液化量は徐々に減っていく。７で完全に液化されると受液器に低圧の液体がたまるので高圧ポンプで８まで圧力を高め循環させる。８〜９は絞り膨張過程である。
【図３】蒸気膨脹冷凍サイクル発電（膨脹器のみ）である。このサイクルの起動力は２１の高圧ポンプである。サイクル始動時２２の最終受液器に貯めておいた冷媒の液体を、２１の高圧ポンプで送液し、２３のキャピラリーチューブで絞り膨脹し減圧して２４の蒸発器で蒸発させる。２４の蒸発器で蒸発させた冷媒の気体を２５ａの膨脹器で体積膨脹させ、気体の一部を液化させる。残りの気体を２５ｂの膨脹器でさらに気体の一部を液化させる。複数回体積膨脹を繰り返すことで、気体は全て液化される。気体が液化される際抽出されたエネルギーは、エネルギー保存の法則により速度エネルギーとなる。速度エネルギーを持った冷媒の気体を２６ａ〜ｄのタービンで機械エネルギーに変換し、２７ａ〜ｄの発電機で電気エネルギーに変換し発電する。２５ａ〜ｅの膨脹器で液化された冷媒を２８ａの電磁弁を開き２９の第１均圧管を用いて、２０の低圧受液器へ重力で落とす。２０の低圧受液器は３１のフロートスイッチ高位で液面を検知し、２８ｄ，２８ｅの電磁弁を開き３０の第２均圧管を用いて２２の最終受液器へ重力で落とす。このとき２８ｃ，２８ｄの電磁弁は閉じる。また３２のフロートスウィッチ低位で液面を関知したら、２８ｄ、２８ｅの電磁弁を閉じ、２８ａ、２８ｂの電磁弁を開けて、膨脹器で液化した液体を低圧受液器に貯める。サイクルの終了時は２８ｃ，２８ｄ，２８ｅの電磁弁を開き３０の第２均圧管を用いて２０の低圧受液器より２２の最終受液器へ冷媒の液体を重力で落とす。この時２８ａ，２８ｂ、２８ｃの電磁弁は閉じる。
【図４】蒸気膨張冷凍サイクル発電（気体膨張液化手段＋タービン＋発電機＋高圧ポンプ＋凝縮器）蒸気膨張冷凍サイクル発電（気体膨張液化手段＋タービン＋発電機＋高圧ポンプ＋凝縮器）である。このサイクルの起動力は２１の高圧ポンプである。サイクル始動時２２の最終受液器に貯めておいた冷媒の液体を、２１の高圧ポンプで送液し、２３のキャピラリーチューブで絞り膨張し減圧して２４の蒸発器で蒸発させる。２４の蒸発器で蒸発させた冷媒の気体を、２５ａの膨張器で体積膨張させ、気体の一部を液化させる。残りの気体を２５ｂの膨張器でさらに気体の一部を液化させる。気体が液化される際、抽出されたエネルギーはエネルギー保存の法則により速度エネルギーとなる。速度エネルギーを持った冷媒の気体を２６ａ，２６ｂのタービンで機械エネルギーに変換し、２７ａ，２７ｂの発電機で電気エネルギーに変換し発電する。また、２６ｂのタービンを出た気体を２５ｃの膨張器で体積膨張させ、３５のラバルノズルを用いて、速度エネルギーを熱エネルギーに変換させ３６の凝縮器へ導く。３６の凝縮器に導かれた高温高圧の冷媒の気体は、凝縮の際に周囲の外気や水等と熱交換する事で暖房・デフロスト・湯沸かし等に利用する。３６の凝縮器で熱交換により液化した冷媒は２２の最終受液器へ導かれる。２５ａ〜ｃの膨張器で液化された冷媒を２８ａの電磁弁を開き、２９の第1均圧管で２０の低圧受液器へ重力で落とす。２０の低圧受液器は３１のフロートスイッチ高位で液面を検知し、２８ｄ，２８ｅの電磁弁を開き３０の第２均圧管で２２の最終受液器へ重力で落とし、３６の凝縮器で液化された冷媒と合流させる。このとき２８ａ、２８ｂの電磁弁は閉じる。また３２のフロートスウィッチ低位で液面を関知したら、２８ｄ、２８ｅの電磁弁を閉じ、２８ａ、２８ｂの電磁弁を開けて、膨脹器で液化した液体を低圧受液器に貯める。サイクルの終了時は２８ｄ、２８ｅの電磁弁を開き、３０の第２均圧管を用いて２０の低圧受液器より２２の最終受液器へ冷媒の液体を重力で落とす。このとき２８ａ、２８ｂ、２８ｃの電磁弁は閉じる。
【図５】蒸気ボイラー蒸気膨脹発電蒸気ボイラー蒸気膨脹発電である。３７の給水タンクより３８の給水ポンプで３９のボイラーに送水する。３９のボイラーで加熱された水は蒸気となり、蒸気のエネルギーを２６ａのタービンで機械エネルギーに変換し、２７ａの発電機で電気エネルギーに変換し発電する。そして２６ａのタービンから出た蒸気を２５の膨脹器で体積膨脹させ、気体を液化させる。気体が液化される際抽出されたエネルギーは、エネルギー保存の法則により速度エネルギーとなる。速度エネルギーを持った蒸気を２６ｂのタービンで機械エネルギーに変換し、２７ｂの発電機で電気エネルギーに変換し発電する。２５の膨脹器で液化された水は３７の給水タンクへ重力で落とす。この事で従来復水器で捨てていた蒸気エネルギーが、膨脹器によって抽出され、発電効率が大幅に向上する。
【図６】蒸気膨張冷凍サイクル発電（膨脹機＋断熱圧縮機＋凝縮器）である。このサイクルの起動力は２１の高圧ポンプである。サイクル始動時２２の最終受液器に貯めておいた冷媒の液体を、２１の高圧ポンプで送液し、２３のキャピラリーチューブで絞り膨張し減圧して２４の蒸発器で蒸発させる。２４の蒸発器で蒸発した冷媒の気体を２５の膨張機で膨張させエネルギーを取り出し発電する。膨脹機はスクロール膨脹機、断熱圧縮機の逆使用である。断熱圧縮機の吐出口を膨脹機の吸入口にして逆回転して使用するのでモーターが発電機となる。２４の蒸発器で蒸発させた冷媒の気体は、２５の膨張機で膨張されてしめり蒸気になる。しめり蒸気を４０の気液分離器で気体と液体に分離する。液化率は膨張比で違ってくるが気体量を２０％くらいにするにはＲ２２、膨張比４で８回位膨張機を通る必要がある。液化効率は液化率が高くなると次第に悪くなるので最後は４１の断熱圧縮機を用い３６の凝縮器で液化し最終受液器に入れる。４０の気液分離器で分離された液は２０の低圧受液器に重力で落ちる。２０の低圧受液器は３１のフロートスウィッチ高位で液面を検知し、１８の均圧管を用い、２８ｂの電磁弁を開き最終受液器との圧力を均圧にして２８ｃの電磁弁を開いて重力で移動させる。この時２８ａの電磁弁は閉じるまた３２のフロートスウィッチ低位で液面を関知したら、２８ｂ，２８ｃの電磁弁を閉じ、２８ａの電磁弁を開けて、４０の気液分離器で分離された液体を低圧受液器に貯める。サイクルの終了時は２８ａの電磁弁を開き１８の均圧管を用いて２０の低圧受液器より２２の最終受液器へ冷媒の液体を重力で落とす。この時２８ａ、２８ｄの電磁弁は閉じる。
【図７】低圧受液器である。低圧受液器とは、膨張器で液化された低圧の冷媒の液体を貯めるものである。４２の圧力容器と、４３ａ、４３ｂの液管および２９の第1均圧管，３０の第２均圧管からなる。膨張器で液化された液体を低圧受液器に入れる為には、２９の均圧管を開いて低圧受液器と膨張器の圧力を等しくして、液体の重力を利用して低圧受液器に液体を入れる。又３０の均圧管は最終受液器に低圧受液器内の液体を重力で落とす時に使用する。３１のフロートスウィッチは低圧受液器が満杯になって液体が低圧受液器内の気体を圧縮しない様に容器の半分程度液体が貯まった事を検出して最終受液器に落とす為である。又、３２のフロートスウィッチは最終受液器に液体を落とすのをやめる為液面を検知するものである。
【図８】最終受液器である。最終受液器は始動時に冷媒液を貯めておく受液器であり又、低圧受液器の液や凝縮器で液化された液を合流して、貯める受液器である。４２の圧力容器と４３ａの液管と４３ｂの液管と４３ｃの液管と３０の第２均圧管からなる。４３ａの液管は低圧受液器と接続され４３ｂの液管は凝縮器に接続され、４３ｃの液管はポンプに接続される。又、凝縮器で液化された冷媒の液体は４３ｂの液管で最終受液器に入る。この為最終受液器の圧力は高くなるので低圧受液器内の液体を最終受液器に入れる為に第２の均圧管が必要である。最終受液器内の液体はポンプで絞り膨張に送液される。
【符号の説明】
【００５９】
１        蒸発開始点
２        蒸発完了及び第1回膨脹器による液化開始点           
３        第1回膨脹器による液化終了点及び第2回膨脹器による液化開始点
４        第2回膨脹器による液化終了点及び第3回膨脹器による液化開始点
５        第3回膨脹器による液化終了点及び第4回膨脹器による液化開始点
６        第4回膨脹器による液化終了点及び第5回膨脹器による液化開始点
７        第5回膨脹器による液化終了点及びポンプによる昇圧開始点
８        ポンプによる昇圧終了点及び絞りによる膨脹開始点
９        絞りによる膨張終了点
１０        液相
１１        液相及び気相
１２        気相
１３        臨界点（ｃ、ｐ）
１４        気体吸入口
１５        拡大部
１６        縮小部
１７        気体吐出口
１８        均圧管
１９        液体吐出口
２０        低圧受液器
２１        高圧ポンプ
２２        最終受液器
２３        ノズル
２４        蒸発器
２５ａ〜ｅ  膨張器
２６ａ〜ｄ  タービン
２７ａ〜ｄ  発電機
２８ａ〜ｅ  電磁弁  
２９        第１均圧管
３０        第２均圧管
３１        フロートスウィッチ高位
３２        フロートスウィッチ低位
３３        液体
３４        気体
３５        ラバルノズル
３６        凝縮器
３７        給水タンク
３８        給水ポンプ
３９        ボイラー
４０        気液分離器
４１        断熱圧縮機
４２        圧力容器
４３ａｂｃ  液管        
４４        水
４５        蒸気
【図１】
2014062703.tif 000004
【図２】
2014062703.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014062703.tif 000008
【図６】
2014062703.tif 000009
【図７】
2014062703.tif 000010
【図８】
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