(57)【要約】液体作動媒体で3行程の作動サイクル(等積、加熱、等温膨張、再生的冷却を介する収縮)において有効な作用を実行する熱-流体力増幅器機は、外部熱源および外部冷却源を使用する。ディスプレイサ(11)における補助駆動(12)によって実行される作用は、その結果、変換システム(18、19)(力増幅)で生じた作用よりも非常に小さい。外部動力源によって駆動される逆に動作している機械はヒート・ポンプ/リフレジレータとして機能する。
2005537433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒーター-ジェネレータ-冷却器配列またはヒーター-復熱装置-冷却器配列を介して、補助ピストンによって強固なシリンダ内で、液体が循環的に熱から低温およびこの逆に移行され、液体のコラムを熱的しかも循環的に収縮および膨張することによりその結果生じた動的力が、補助ピストンの駆動力よりも高いことを特徴とする、熱-流体力増幅器(「THFA」)。
【請求項２】
液体の熱膨張により解放されたエネルギーが、適切な技術装置を介して有効な機械的作用に変換されることを特徴とする、請求項1記載のTHFA。
【請求項３】
熱的に膨張する液体は油圧機関を介して循環的に流れ、その軸で回転エネルギーを発生させることを特徴とする、請求項1及び2記載のTHFA。
【請求項４】
大気圧または僅かに上昇した圧力まで加圧されている膨張タンクが油圧機関の下流に取り付けられていることを特徴とする、請求項1及び3記載のTHFA。
【請求項５】
切り換え可能シャットオフ要素によって時間及び量の両面で、液体の膨張コラムによって生じた圧力を調整されることを特徴とする、請求項1乃至4記載のTHFA。
【請求項６】
達成された所望の液体圧が、油圧機関の吸収量に対する膨張液体の体積流量の比により、請求項5の調節可能シャットオフ要素を用いたこの効果の組合せにより、定義されることを特徴する、請求項1乃至5記載のTHFA。
【請求項７】
液体が膨張中に作用を生じ、前記液体は周囲圧力または僅かに上昇した圧力まで膨張され、液体は可逆的冷却手順を使用して収縮を介して達成される初期状態に戻されることを特徴とする、請求項1乃至6記載のTHFA。
【請求項８】
膨張および収縮を受ける液体は同時に油圧機関の油圧液であることを特徴とする、請求項項1乃至7記載のTHFA。
【請求項９】
作動及び油圧液に異なる媒体が使用され、前記媒体は弾性要素によってお互いに分離されていることを特徴とする請求項1乃至6記載のTHFA。
【請求項１０】
作動液体の移動中に生じる流体力摩擦を最小限に抑えるため、ヒーターを介する流れの断面積、蓄熱器-復熱装置、冷却器は作動液の温度-粘性動作と適合することを特徴とする、請求項1乃至9記載のTHFA。
【請求項１１】
液体の膨張コラムによって生じた発振線形力は、回転エネルギーに変換することなく、空気を圧縮する、逆の浸透システムで圧力を生じるため、冷却コンプレッサを動作することで、適切な圧力コンフォメータを間に入れることにより、線形運動エネルギー変換機と直接連結されることを特徴とする、請求項1乃至10記載のTHFA。
【請求項１２】
圧力コンフォメータおよび線形常圧カップリングを具備する機械は、外部のパワーとリフレジレータ・ヒート・ポンプのような機能により動作することを特徴とする、請求項1乃至11記載のTHFA。
【請求項１３】
駆動力がTHFA駆動機で構成されることを特徴する請求項12記載のTHFA。
【請求項１４】
リフレジレータ・ヒート・ポンプでは、シリンダの熱の一部で動作するTHFA機が圧力拍動機として機能し、その一方でシリンダの冷却部が位相外れで動作し、逆にサイクルを動作する第2のTHFA機1シリンダ配列は、リフレジレータ・ヒート・ポンプとして動作することを特徴とする、請求項1乃至10記載のTHFA。
【請求項１５】
時間の点からお互いに位相が外れて駆動される複数のシリンダによって電源を一定に保つことができることを特徴とする、請求項1乃至10記載のTHFA。
【請求項１６】
複数のシリンダ配列の場合、リフレジレータを逆流れの熱交換機と交換し、シリンダ間に配置しても構わないことを特徴とする、請求項15記載のTHFA。
【請求項１７】
作動シリンダに入れられた液体は、ディスプレイサ・ピストンによって熱再生を介して熱源と低温源との間で循環的に移動され、また、作用を機関に伝達した後、再び蓄熱器で再生的に冷却され、結果として作動シリンダが元の通りとなるよう体積が減少することによる、加熱中の圧力下で膨張体積流量の増大が、下流で液体と連結される油圧機関によって機械的回転エネルギーに変換されることを特徴とするTHFA。
【請求項１８】
作動シリンダに入れられた液体は、熱源と低温源との間で蓄熱器往復によって浸透され、また、作用を機関に伝達した後、再び蓄熱器で再生的に冷却され、この結果、作動シリンダが元の通りとなるよう体積が減少することによる、加熱中の圧力下で膨張体積流量の増大が、下流で液体と連結される油圧機関によって機械的回転エネルギーに変換されることを特徴とするTHFA。
【請求項１９】
液体が再生的に加熱され、次にサイクルにおいて再び冷却されるため、加熱によって生じた膨張圧体積流量は、作動機で機械的作用を実行し、次に続く冷却中に起こる体積収縮により液体は循環熱流体力行程の初期点に戻されることを特徴するとTHFA。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
気体と比較して、液体は事実上、非圧縮性で、熱によりほとんど膨張することはなく、相当に高い比熱容量は相当に高く、熱交換改善の可能性を提供する。20世紀の中ごろ、ニューキャスル出身のJ.F.Maloneはタイン川(イングランド)で、熱機関において作動ガスの代わりに液体の使用を試みた。
【背景技術】
【０００２】
彼は、ホットガススターリング機と同様であるが、空気の代わりに作動媒体として加圧水を満たした再生機械を開発した(1924年3月18日付けの米国特許第1,487,664号、1929年6月11日付け米国特許第1,717,161号)
【発明の開示】
【０００３】
彼は、温度差305Kで、54％の理想的なカルノー・サイクルの性能の相当なパーセントに対応する、27％を達成できたことを証明し、これは現在の蒸気機関のほぼ2倍に相当するものである。
【０００４】
この良好な効率の理由は、スターリング機のようにこの機械には蓄熱器が装着されていて、特に気体よりも液体の熱交換特性が大幅に改善されたという事に依る。マローン機の概略図を図1に示し、(1)この図で作動シリンダを示し、(2)はディスプレサー・シリンダを示し、(3)は外部(炎)熱源(3a)によって常に加熱されるヒーターを示し、(4)は冷却器を示し、(5)は作動ピストン(6)と90°の位相外れとなるようホット状態から低温状態までジェネレータ(2a)を変換するディスプレイサ・ピストンを示す。連接棒(7a)を介してフライホイール(7)と連結された作動ピストン(16)は、位相外れ振動運動を二次接続棒(8a)と偏心(8)を介して蓄熱器経路(2a)に伝える。
【０００５】
図2は理想的なスターリング・サイクル(10)とマローン機によって実行されるサイクル(9)の両方を示すPV図である。
【０００６】
100バール以上の非常に高圧なレベルまで加圧されたとき、必要な作業温度範囲で水だけが液体のままであるため、マローン機は大変な圧力抵抗であったシリンダを使用する必要があった。さらに、クランク軸と作動ピストンを利用して、液体で熱的に発生させた圧力揺らぎを回転軸エネルギーに変換したことで、従来の作動機械と同様に、液体を作動サイクルに変えて、これにより作動ピストンおよび膨張段階(ホット)のクランク軸フライホイール・システムを介して有効な作動機能が伝達され、その一方でフライホイールに蓄積された膨張作動機能の一部から発する作動機能が再圧縮段階(低温)のシステムにもたらされる。
【０００７】
気体または液体-蒸気混成と比べて液体は実質的に非圧縮であるため、作動ピストン、ディスプレイサ、クランク軸、およびフライホイールは、再圧縮段階中に必然的に発生した非常に高圧である柔軟性のない強固な連結の結果として必然的に液体を押し付ける。これは圧力変化による非常に高い負荷となり、非常に高いフライホイール質量を必要とし、次に非常に高い動的負荷を軸受けおよび構造全体に伝える。
【０００８】
この結果、マローン機の基本的な長所(実質的な熱交換特性の向上、高い熱容量、およびその結果による気体での出力密度)が、この構築原理から生じる耐用年限圧力の変動によって妨げられる。したがって、これらの機械は、優れたサーモダイナミックスであるにも係わらず通常の実施において許容を満たすことができない。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、記述された負の側面が生じないような方法で、新規のエンジニアリング設計において熱力学作動流体として使用される液体のマローンによって、すでに発見された基本的長所を活用することにある。
【００１０】
以下に記述する発明の機械は、熱流体力増幅器(THFA)として機能する。
【００１１】
PV図(図3)において、THFAは、古典的な熱機関とは基本的に異なるサイクルを実行する。液体はaからbまで等積的に加熱される。したがって、初期圧力P0は周囲圧力(または僅かに上昇した圧力)に対応している。所望の圧力P1は液体で達成されると、シャットオフ要素(17)が開き、液体が膨張し、システム取り付けダウンストリームで作動機能aを生じる。(水力機関、コンプレッサ・ピストン等)。容積が大きくなり、温度が初期状態aより高くなり、P0がeで再び達成されまで、この膨張が起こる。機械的再圧縮によって初期状態aまで液体が戻される従来の機械と比べて、THFAは液体を収縮させるための熱抽出に依存している。本発明によれば、大きな長所は、膨張段階でbからcにすべての有益なエネルギーが抽出されるため、いずれかの方法でも機械的エネルギーを一時的に蓄えてはいけない(フライホイール、エア・チャンバー等)。さらに、この原理は、以下で説明するように、本発明に準ずると、液体への抑制力を出すクランク軸機構により完全な分配の可能性を提供する。
【００１２】
作動機能段階中a→bおよびc→aにジェネレータまたは復熱装置を熱交換プロセスに追加する場合と、液体の膨張が等温である場合、コーナー点a、b、cによって決定された作動機能プロセスは、液体の不可逆的損失および熱損失を除いて、熱動力学的には理想的である。
【００１３】
図4は油圧機関と組み合わせたTHFAの基本構成を示す。
【００１４】
(11)は、線形駆動(12)による圧力シリンダ(13)内で上下に移動するディスプレイサ・ピストンを示す。ヒーター(14)、ジェネレータ(15)、および冷却器(16)経路において(11)が循環的に作動液を前後に移動させる。油圧バルブは切り換え可能なシャットオフ要素(17)として機能する。サイクルの最初(図3、経路a→b)に、ディスプレイサ・ピストンが下方に移動するとき、前記のシャットオフ要素は閉じられ、このため液体はシステムのホット側に移動される。PV図のb点で所望の圧力P1に到達すると、バルブが開き液体が高圧で膨張し、フライホイール(19)が結合されている油圧機関(18)は作動を生じる。膨張した液体は次にコレクタ・タンク(20)に集められる。逆止め弁(21)を具備する循環ラインによって、油圧機関が運転されている限り、油圧機関を通じてコレクタ・タンクからの液体の循環を一定に保つことができる。液体の作動機能により生じた膨張(PV図のc点、図3)が完了すると、バルブ(17)が閉じられ、ディスプレイサ(11)が上方に移動し、システムの低温側に液体を移動させる(図3における経路c→a)。冷却された液体は、サイクルの初期点a(図3)の方向に収縮し、これにより導管(22)導管および逆止め弁(23)を介してコレクタ・タンク(20)から液体が取り出される。
【００１５】
蓄熱器(15)を介して相互方向で熱および低温液体が流れるようになるため、蓄熱器は一時的にエントロピーを損失することなくほとんどの熱を蓄える(熱および低温が線形温度プロフィールに沿って回収されるため)、事象が起こるための時間になると前記の熱が液体に戻される。
【００１６】
ディスプレイサ(11)の発振周波数およびヒーター蓄熱冷却器経路を介して流れの断面の正しい寸法の選択において、ディスプレイサ・ピストンによって生じた作動機能と比較して、膨張液体によって生じた作動機能の量は何回も増大することを達成している。したがって、このような方法で動作するため、この機械を熱-流体力増幅器(THFA)の発明と呼ぶ。
【００１７】
本発明をより詳細に理解するため、図4a、4b、4cでは、PV図の対応する断面に割り当てられた3つの作動機能ストロークを系統的に示す。→は加圧液体の流れ、---→は静止加圧液体、・・・→は低圧での流体動作を示す。
【００１８】
図4aでは、液体は等積的に圧縮される。線形駆動(12)によって駆動されるディスプレイサ・ピストン(11)は下降する途中にある。油圧バルブ(17)は閉じられている。移動は経路a→bに沿って起こる。膨張タンク(20)の液体レベルは最低の状態にある。
【００１９】
図4bにおいて、ディスプレイサ・ピストン(11)が下死点に到達している。線形駆動(12)の状態が継続している。油圧バルブ(17)が開いている。PV図において、b→cに沿った移動が起こる。油圧機関(18)は膨張液体によって駆動される。膨張タンク(20)の液面が上昇する。
【００２０】
図4cにおいて、ディスプレイサ・ピストン(11)が線形駆動(12)によって上方に移動させられる。油圧バルブ(17)は閉じられている。非加圧熱液体は蓄熱器(15)および冷却器(16)を介して初期温度まで冷却される。その結果、収縮される。この結果生じた負圧は導管(22)を介して膨張タンク(20)から液体を取り出す。前記タンク内の液体は最低レベルまで低下する。PV図において、経路c→aに沿って移動が生じる。この時点で、サイクルの初期状態aにもう一度達する。
【００２１】
前途で説明した3つのサイクルTHFA機の基本機能原理は、様々な方法に応じて異なる。本発明に準ずると、1つの可能性は、油圧バルブ(17)に代えて油圧機関(18)によって生じた圧力の使用から成る。前記圧力の蓄積は、油圧機関(18)の吸収容積が、PV図の経路a→bで加熱される液体によって生じる液体の体積流量よりも極めて少なくなるよう選択されるという事実によるものである。図5はこのようなTHFAプロセスから生じるPV図を示す。本発明に準ずると、液体が圧力状態P0のときプロセスが再起動する。液体が低温状態から熱状態に移行される結果として膨張する媒体は、bにおけるP'1においてディプレイサ・ピストン(11)が下死点に到達するまで、圧力上昇により油圧機関(17)を介して流れる。次に、保持されているディスプレイサ・ピストンにより、液体は再生冷却によってc→aから収縮される前にP0におけるc点まで膨張する。油圧バルブ(17)はサイクル部a→b→c中は閉じられており、c→bで開放されている。
【００２２】
THFAのこのような改良型は各サイクルにおいて効率は低いが、特に滑らかな連続運転を特徴とし、減少最大圧の結果としての圧力に対する抵抗が少ない。
【００２３】
別の有利な設計可能性は、油圧バルブ(17)のシャットオフ特性と油圧機関のシャットオフ特性を組み合わせることにある。図6はこのようなTHFA改良型のインジケータ・ダイアグラムを示す。初めは圧力がP0である液体は等積的に中間圧P1まで圧縮される(バルブ17は閉じられている)。bからb'まで、液体は油圧機関(18)を介して等積的に膨張する(バルブ18は開)。ディスプレイサ・ピストン(11)が下死点に到達したら、液体はb'からcまで膨張する(バルブ18は開いている)。次に、閉じられているバルブ(18)を用いて可逆的熱抽出を介してcから初期状態aまで液体が収縮される。THFAのこのような改良型は、良好なサイクル・パフォーマンスを達成し、基本改良型と比較して最大減圧の結果として圧力シリンダを守る。
【００２４】
本発明のTHFAの別の有利な設計は、個々の機能が要求される作動機能サイクル部中のみ、ヒーター(14)および冷却器(16)を液体回路のみと一体化できる可能性にある。一方の側で、
【００２５】
これは液体デッド・ボリュームの負の影響を最小限にし、その一方で粘性と最適な熱伝達特性を通じて小さな原動力に関するサイクルに対して悪影響を与えることなく、ヒーターと冷却器の流動断積を設計できる。図7は概略的にシャットオフ弁およびPV図のタイミングを用いた対応する必要なバイパス・ラインを示す。
【００２６】
ディスプレイサ・ピストンによるa→bの液体の移動に際して、つまり液体の加熱中の意味で、冷却器(16)によって熱を取り除くことは望ましいことではない。バルブ(24a、24b)を閉じることにより、液体は蓄熱器(15)およびヒーター(14)を介して流れる前に、バイパス(24c)において冷却器周囲に運ばれる。b→cからの液体の以降の膨張中、冷却は望ましくない(24a、24bは閉じた状態、液体は24cを介して流れる)。
【００２７】
b→cから達成しようとする等温膨張のためヒーター(14)による以降の加熱は望ましい。a→b→cから、液体はバイパス(24c)を介して流れる。これはPV図に示されている。次に液体が可逆的にc→aから冷却されると、その結果として収縮し、冷却器(16)の作用のみが望ましく、ヒーター(14)の作用は望ましくない。したがって、ヒーターは2つのバルブ25a、25bによって遮断され、液体はバイパス(25c)を経由して蓄熱器(15)および冷却器(16)を介して直接導かれる(バルブ24a、24bは再び開かれる)。シャットオフ・バルブ24a、24bおよび25a、25bがそれぞれ開いているとき液体をそれぞれ(16)および(14)を介して流すため、バイパス・ライン24cラインおよび25cには逆止め弁24dおよび25ｄが具備されている。
【００２８】
これまで、THFA機について説明してきたが、ここで回転デカップリングは油圧機関によって実行される。作動機能液体の膨張中にサイクル・エネルギーは一定して減少し続けるので、この不安定な性能に「順応」させる必要がある。回転機を用いて、最適なフライホイール(19)を使用することでこれが最適に達成される。
【００２９】
膨張段階中のみ片側エネルギーが外側に送られ、その一方でTHFA機の作動周波数は効率の面から可能な限り低く抑える必要があるという事実の結果として、フライホールは膨張中の不安定なエネルギーに適合する必要があるだけでなく、機械がエネルギーを放出していない間、相当に長時間ギャップを埋めなければならない。本来、このためにフライホイールは大型になっている。
【００３０】
したがって、THFA機の本発明に準ずる別の設計では、マルチシリンダ機(シリンダ数n≧2)として実現し、サイクルの得られたオーバラップが滑らかな駆動トルクとなるような方法で、様々なシリンダの線形駆動(12)のタイミングをとる。これにより実質的に小型のフライホールが可能となる。
【００３１】
しかしながら、本発明に準じても、液体のコラムを膨張したり収縮させたりする純粋な直進運動を、一般的にはエア・コンプレッサ、ヒートポンプ・リフレジレータ、コンプレッサ、逆浸透システム等の駆動サブシステムのために使用することを目的とする。
【００３２】
図8は線形力デカップリングおよび線形コンフォメータを用いた本発明のTHFA機を示す。このような場合、サブシステムは強固な作動ピストンを必要とするため(前途の「液体の」作動ピストンの代わり)、本発明の課題のこの改良型の有効な実施は、圧力シリンダ(13)内およびディスプレイサ・ピストン(11)における作動ピストン(26)の往復を一体化することにより実現される。この構造では、作動ピストン下のエア・クッション(27)により膨張タンク(図3、26)が不用となる。この場合、力が発生している間の膨張段階中、同様に循環的に下方に移動する作動ピストンは、切り換え可能シャットオフ要素(29)によって保持され、この場合、所望の最大圧(PV指示図のb点)に達するまで、ピストン・ロッド周囲にギャップを形成するシュー・ブレーキとなる構成が長所である。次に、平行四辺形となるよう幾何学的に構成されているフォース・コンフォメータ(30)を介して力がデカップリングされる。4つのコーナーに、平行四辺形はロータリー・ジョイントが具備され、分与された移動(30、31の表示)の下でその形状を永続的に変形させる。線形力によって駆動される所望のサブシステムのピストン・ロッドがコーナー・ポイントの作動ピストンによって与えられる軸の垂線となる方向の軸でデカップリングされる場合、等温膨張のためb→cから漸近曲線を有するTHFAの作動ピストンの動的効果が確認されている。つまり、作動機能ストローク全体を通じて平均化されるということである。膨張中はTHFAだけが機械的作動機能を外側に伝達するため、サブシステムの作動ピストンは膨張中のみピストン・ロッド(33)を介してしっかり連結される。言い替えると、コンフォメータによって「移動」させられるだけで、分離点(33a)でゆるく着座している(常圧カップリング)。
【００３３】
本発明に準ずると、THFAのこの種の構造は図5および図6で示すサイクル改良型でも動作が可能となる場合があり、図7で示す「バイパス」配置を利用して最適化することも可能である。
【００３４】
THFAは可逆的な熱力学機械を構成するため、特に本発明の有利な改良点は、リフレジレータ・ヒート・ポンプとして機械を構成することにある。
【００３５】
図9a、9b、9cでは、駆動THFA機およびドリブンTHFAリフレジレータ・ヒート・ポンプ3つの個々の作動機能段階中の対応する作動機能ステップを用いたTHFA機を示す。
【００３６】
その結果、駆動THFA機は原理上、図8に示し上記で説明するような同一の構造を有する。ドリブン・リフレジレータ・ヒート・ポンプの作動ピストン(26a)は、記述した常圧カップリング(13a)を介してコンフォメータ機構(30)により駆動機を用いて、位相外れのシリンダ(13a)に循環的に押し込まれる。本発明に準ずれば、原理上、リフレジレータは作動機械と同じ要素を持つため、指標aが後に続く同じ数字を使用して、前記の要素を特定する(14a=ヒーター、15a=リフレジレータ、16a=冷却器、11a=ディスプレイサ、12a=ディスプレイサ・ピストンの線形駆動、29a=切り換え可能シャットオフ要素)。右上のPV図では、図9aはTHFA作動機械(_線)およびTHFAリフレジレータ(---線)の位相オフセット作動サイクルを示す。その左側では、図9a〜9cだけが作動機械およびリフレジレータの個々に対応する作動ストロークを示す。以下の図では位置、移動の方向、または作動ピストンの停止および2台の機械のディスプレイサ・ピストン(26、26a、11、11a)の停止、および切り換え可能シャットオフ要素(29、29a)の状態に関する情報を示す。後者については、閉じられた状態は≡0=で示し、開いた状態は≡1=で示す。
【００３７】
さらに、コンフォメータ(30)の位置および常圧カップリング(33a)の作動ピストン・ロッドの位置は、作動機械がリフレジレータを駆動しているか否かを示す。液体およびピストンの移動方向は矢印により示される。
【００３８】
3つの作動段階中に以下の事が起こる。
図9a、作動機械  液体はaからbに等積的に加熱される。ディスプレイサ(11)は固定作動ピストン(26)より下側に移動する。
【００３９】
リフレジレータ  液体はディスプレイサをa'からc'に移動することによって等積的に冷却される。作動ピストン(26a)は固定されている。常圧カップリング(33a)は係合が外れている。
【００４０】
図9b、作動機械  液体はbからcまで等積的に膨張する。作動ピストン(26)およびディスプレイサ・ピストン(11)はともに下方に移動する。常圧カップリング(30)は係合されている。シャットオフ要素(29)は開いている。
【００４１】
リフレジレータ  作動ピストン(26a)は液体を圧縮する。ディスプレイサ・ピストンは上死点に固定される。シャットオフ要素(29a)は開いている。
【００４２】
図9c作動機械  液体はcからaまで再生冷却で収縮する。作動ピストンおよびディスプレイサ・ピストン(26、11)は平行に上方に移動する。シャットオフ要素(29)は開いている。常圧カップリング(30)は係合が外れている。
【００４３】
リフレジレータ  作動ピストン(26a)はシャットオフ要素(29a)によって下死点に固定される。ディスプレイサ・ピストンはb'からa'(等積的冷却)まで液体を移動させる。
【００４４】
したがって、リフレジレータ・ヒート・ポンプは(16a)(冷却器)を介して周囲の熱を吸収し、同様に等温的に圧縮し、(14a、ヒーター)を介して再び熱を放出する。原則として、実行された3ストローク-サイクルは本発明で説明した作動機械のサイクルと同じであるが、「逆に」実行され、低温で動作する。
【００４５】
可逆高効率サイクルに加えて、特に長所としては、熱交換手順のすべてを液体から液体で行うことができる。古典的なリフレジレータの通常の2段混成とは対照的に、これによって非常に経済的で効率的な冷却器/ヒーター熱交換器を提供できるようになる。本発明に準ずると、図7(24c、25c)に示す配置と類似のバイパス回路をリフレジレータに利用しても構わないため、冷却された液体は透き間容積の影響を受けることなく対応する冷却本体を直接介して流れることができる。
【００４６】
駆動THFA機およびドリブンTHFAリフレジレータは異なる温度レベルで動作するため、圧力が一致しなければならない。本発明に準ずると、作動機シリンダ(13)のボリューム・レシオをリフレジレータ・シリンダ(13a)に対応させる、またはコンフォメータ(30)とリフレジレータ間のステップ作動ピストンによって減圧することで達成できる。
【００４７】
THFAリフレジレータ・ヒート・ポンプの発明による別の実現では、スターリング原理に従って動作する既知のVuilleumierリフレジレータ・ヒート・ポンプを使用し、THFA機の特殊サイクルに適用するようにしている。この改良型の概略を図10に示す。
【００４８】
熱を遮断した壁および圧力抵抗壁(34)により2つの作動スペースに分割されている共通のシリンダにおいて(I=「熱」シリンダ；II「低温」シリンダ)、ヒーター・ジェネレータ冷却器経路と連結された1つの線形ドリブン・ディスプレイサ・ピストンが、前記2つの作動スペースの個々の一方に配置されている。「熱」シリンダと関連する要素は指標aを生じ、「低温」シリンダと関連する要素は指標bを生じる。事象が起こる所望の時間に到達すると、時間被制御バルブ(35)により、シリンダIおよびシリンダIIからの液体が混合される。
【００４９】
動作の始め、両シリンダの半分に同一の圧力で同じ液体が満たされる(好ましくは；1バール)。ディスプレイサ12a、12bによりディスプレイサ・ピストン11a、11bが90°の位相オフセットで移動する。
【００５０】
熱シリンダIにおいて、液体は14aを用いて加熱することにより等積的に高圧条件の下に置かれる。この圧力に到達したら、バルブ(35)が開き、シリンダＩからの加圧液体はシリンダIIの液体を圧縮し、その結果として熱が発生する。この圧力が補正されると、ディスプレイサ・ピストン(11a)は「熱」シリンダにおいて上方に移動し、これに対してディスプレイサ・ピストンは下方に移動する。
【００５１】
シリンダＩおよびシリンダII両方の個々の熱容量は再生的に蓄熱器15aおよび15bに伝えられ、ここで、個々の熱容量は次のサイクル部のために蓄えられる。第3の作動行程において、(11a)および(11b)は同時に上方に移動する。両方が上死点に到達すると、ただちにバルブ(35)が閉じて記述されたように新たにサイクルが始動する。
【００５２】
原理上、本発明のこの改良型において、シリンダＩは再生圧力の鼓動装置として機能する一方で、シリンダIIはリフレジレータ・ヒート・ポンプとして、シリンダＩの右側で機能されるTHFA鼓動装置のサイクルの左側で機能する。したがって、熱は低温(リフレジレータ)で(14b)を介して所望の容量だけ取り出され、平均温度レベル(ヒート・ポンプ)で(16c)によって再び放出される。ヒート・ポンプとして、または結合ユニット(同時に熱発生と冷却を行う)として動作する場合は、(16c)および(16a)を用いて直列に熱フローを連結することが適切である。
【００５３】
原理上、記述された「Villeumier THFA」リフレジレータ・ヒート・ポンプは、バルブ(35)がなくても動作することも可能である。本発明に準ずると、この場合バルブ(35)は壁(34)の穴を介して永続的な小型のものと置き換えられる。この場合、ディスプレイサ(11a、11b)は90°の位相オフセットで不連続で移動されることはないが、90°の位相オフセットで連続して移動される。しかしながら、有効な圧力バリエーションが低いため、本発明のこの簡素化されたサイクルは出力密度が低い。原理上、これは作動周波数の増大によって補正することも可能であるが、しかしながら、油圧損失を不釣り合いに大きくするため効率が悪くなる。
【００５４】
可能な作動液の選択の幅を広げる可能性がある。主要な選択基準は以下の通りである。温度およびサイクル安定性、強力な熱容量の膨張、低い圧縮率、高い熱容量、cvよりも相当に高いcp、高い沸点、低い凝固点、生態的適合性とコストが挙げられる。
【００５５】
ここに記述するマローンで使用する水は多くの長所があるが、作動サイクル全体中に液体を維持するため100バールを超える圧力まで事前に圧力をかけなければならないという根本的な欠点もある。原理上、ここに記述するTHFA機を使用して実現可能であるが、膨張タンクおよび事前に加圧されたエア・チャンバーを用意することも必要となる。
【００５６】
したがって、実際の先行技術では、特に合成油が望ましく、既に述べたように大気圧に対して機能することができ、また粘性、温度抵抗、圧縮率、および他の主要なパラメータをTHFAの熱動力学に適応するように工夫することができる。
【００５７】
THFA機は約100℃から約400℃の平均温度範囲で良好な効率で動作するため、また液体の加熱(および冷却)は特に実現が容易であるため、以下の動力源はTHFAを動作するための特に該当するものである。熱コレクタを介する夜間動作を含めた太陽エネルギー、バイオジェニック燃料、対象の温度範囲の廃棄熱が挙げられる。THFA機および複合THFAリフレジレータ・ヒート・ポンプは特に、建物の力-熱カップリングに対して、太陽エネルギーおよび/または生物資源を用いた分散動力源に対して、および(産業)廃棄物の熱を電気エネルギーに変換するのに適している。
【００５８】
新規のサイクルによって構造が容易で小型化することがでることで、経済的なシステムの構築が可能となる。液体の高出力密度により、明らかに1Hz以下の作動周波数はシステムの道理に適った重量(静止利用)で動作できる。これはディスプレイサ・ピストンの駆動力を最小限に抑えるだけでなく、システムの寿命を延ばす。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】マローン機の概略図
【図２】理想的なスターリング・サイクル(10)とマローン機によって実行されるサイクル(9)の両方を示すPV図
【図３】PV図
【図４】油圧機関と組み合わせたTHFAの基本構成
【図４ａ】PV図の対応する断面に割り当てられた3つの作動機能ストロークを系統的に示す
【図４ｂ】PV図の対応する断面に割り当てられた3つの作動機能ストロークを系統的に示す
【図４ｃ】PV図の対応する断面に割り当てられた3つの作動機能ストロークを系統的に示す
【図５】THFAプロセスから生じるPV図
【図６】THFA改良型のインジケータ・ダイアグラム
【図７】概略的にシャットオフ弁およびPV図のタイミングを用いた対応する必要なバイパス・ライン
【図８】線形力デカップリングおよび線形コンフォメータを用いた本発明のTHFA機
【図９ａ】駆動THFA機およびドリブンTHFAリフレジレータ・ヒート・ポンプ3つの個々の作動機能段階中の対応する作動機能ステップを用いたTHFA機
【図９ｂ】駆動THFA機およびドリブンTHFAリフレジレータ・ヒート・ポンプ3つの個々の作動機能段階中の対応する作動機能ステップを用いたTHFA機
【図９ｃ】駆動THFA機およびドリブンTHFAリフレジレータ・ヒート・ポンプ3つの個々の作動機能段階中の対応する作動機能ステップを用いたTHFA機
【図１０】改良型の概略
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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