(57)【要約】【課題】温度差の小さい冷媒を使い、液体を冷やし過ぎずに冷却効率を高める。【解決手段】内部に単一物質の液体と気体だけを詰めて気液平衡にした密閉容器ａ型２個とｂ型２個で４量体を構成する構造体は熱量を移動し、入口から入る温流体と冷流体の温度が出口で逆になり、流体温度の閾値と熱効率を持つ。入口から流入する流体のエネルギーを使い、温流体から効率良く吸熱して温度差の小さな冷流体に放熱する事により、温流体を目的温度に冷やす。【選択図】図２１
2018151154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本発明は、単一物質の液体と気体だけを詰め、内部が気液平衡状態の密閉容器で冷却装置を構成し、単体の密閉容器では、同時に接触する高温側と低温側の面積、形状、経路によらず、容器の形状、構造、熱伝達率とは無関係に高温側から吸熱し、低温側へ放熱する、または吸熱と発熱をしないときは断熱する特性を持ち、吸熱と発熱の方向が異なるａ型とｂ型があり、単体の密閉容器に高温と低温の流体が接触すると流体のエネルギーによって、内部で２つの同じ化学反応が同じ速度で同じ方向へ進行して吸熱と発熱を続け、熱量は移動するが温度の閾値を持たず、ａ型２個とｂ型２個で４量体を構成する構造体は、温流体が温流体入口から流入し、密閉容器ａ１に接触し、次に密閉容器ｂ２に接触して温流体出口から排出される部分と、冷流体が冷流体入り口から流入すると、密閉容器ｂ２とａ２に接触し、次にａ１とｂ１に接触し、１回目の折り返しから２つの密閉容器ｂ１に接触し、次に密閉容器ａ２とｂ２に接触し、２回目の折り返しから密閉容器ｂ２に接触し、次に密閉容器ｂ１に接触して流出する部分を持つ構造とする事により、温度Ｔ１の温流体が温流体入口から流入すると、最初に接触するａ１が吸熱して流体温度はＴｃ１に下がり、次にｂ２に接触して周囲の温度が上昇する一方、流体温度はＴｃ２に下がって温流体出口から流出するように熱流が流れる部分と、温度Ｔ２の冷流体が、冷流体入口から流入してｂ２とａ２に接触し、周囲温度を下げる事によって流体温度が上昇すると同時に、入り口の温度の低い部分へａ２が放熱するので、流体温度はＴｈ１に上がり、次にｂ１とａ１に接触し、ａ１の放熱により温度はＴｈ２に上がると同時にｂ１が吸熱して周囲に放熱するから流体の温度上昇は抑えられてａ１を温流体から吸熱しやすくし、次に折り返して二つのｂ１と接触し、周囲温度よりも流体の温度が高ければ、ｂ１がさらに吸熱して周囲の温度と同じか低い温度で通過し、次にｂ２とａ２に接触し、ａ２は流体から吸熱して冷流体入口から入る温度の低い冷流体に放熱し、ａ２によって流体の温度が下がればｂ２は周囲から吸熱して流体に放熱するので流体の温度は下がりにくくなってａ２が吸熱しやすくなり、ここから２回目を折り返してｂ２に接触し、次にｂ１に接触して周囲の熱によって流体の温度を上げながら冷流体出口から流出するように熱流の回路を構成でき、単体の密閉容器とは特性が変わって出口で温度の閾値を持つから、入口から入る温流体が出口で冷流体になり、冷流体は出口で温流体になり、出口の温度差は入口の温度差に近くなると共に、温流体流量が冷流体流量よりも多ければ、冷流体を目的温度まで加熱する装置になる事と、温流体流量が冷流体流量よりも少なければ温流体を目的温度まで冷やす事ができる液体冷却装置となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、内部が単一物質による気液平衡状態の容器を利用する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】プレート式クーラー
バルククーラーに送る前の牛乳を急速に冷やす装置
ステンレス板をフレームで挟み、互い違いのプレートで流水経路を形成し、ガスケットで仕切っている。温かい牛乳が片方を流れ、もう一方を冷水が流れ落ちて牛乳の熱を奪うことで、牛乳の温度を急速に冷やす。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】化学マスター講座  物理化学  Ｐ６〜７
【非特許文献２】アトキンス物理化学（上）第８版  Ｐ２１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  冷却対象となる液体を急速に冷却するためには冷媒を０℃に近い温度にして温度差を大きくすることが好ましい。しかし、冷媒の温度が低いと液体の成分が変質したりして、液体の品質に影響を与えるおそれがある。一方、冷媒の温度を上げて温度差が小さくなると冷却効率の低下を招く。従来の技術によると、液体を冷やし過ぎずに冷却効率を高めることは難しい。【０００５】  本発明の目的は、温度差の小さな冷媒を使い、効率良く目的温度まで冷やす液体冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明の一実施形態に係る装置を構成する密閉容器は、内部に気液平衡状態の単一物質だけを詰め、内部の気体の状態式はＰＶ＝ｎＲＴである。
１モル当たりの体積は、系のサイズとは無関係な示強変数であり、モル体積と部分モル体積は等しい関係にある。【０００７】  前項の密閉容器は、ルシャトリエの法則により接触する高温物質から吸熱し、同時に接触している低温物質へ放熱する。吸熱と発熱をしないときは、トムソンの原理とクラジウスの原理により断熱している。ルシャトリエの法則による吸熱と発熱によって、気液平衡の容器内部状態を変化させるのには長い時間を要するが、容器外部に接触する熱を、容器内部温度まで吸熱して温度を下げる事と、容器内部温度まで発熱して温度を上げる事は短時間である。
この性質を利用し、前項の密閉容器が外部と断熱した閉鎖系のａ型と、外部と断熱していない開放系のｂ型を構成する。ａ型は接触する高温物質から吸熱し、同時に接触している低温物質へ放熱するが、高温または低温物質だけの接触では吸熱と発熱をせず、トムソンの原理とクラジウスの原理によって断熱している。ｂ型は接触する高温物質から吸熱して周囲へ放熱する場合と、周囲から吸熱して接触する低温物質へ放熱する場合がある。高温物質と低温物質が同時に接触すると、吸熱と発熱をせず、トムソンの原理とクラジウスの原理によって断熱している。吸熱と発熱と断熱は、ヘスの法則により接触する物の接触面積や密閉容器を構成する物質の熱伝達率、形状には影響されない。
容器内部は動的平衡であり、伝導、放射、対流による熱伝達はしない。
ａ型及びｂ型の単体容器の特性は、高温側から吸熱し低温側へ放熱するが、高温側温度が容器内部温度または周囲温度に近いか、低温側の温度が容器内部温度または周囲温度に近いと断熱する。【０００８】  前項の密閉容器に流体を接触させると、一定量の温熱と冷熱が密閉容器内部に供給されるから、容器内部の高温側と低温側で、それぞれ同じ化学反応が同じ速度で同じ方向へ進行し、流体が接触している間は吸熱と発熱を続ける。温流体と冷流体と密閉容器内部温度の三つの温度が出口で一致する方向へ吸熱と発熱を続け、一致する温度は温流体と冷流体の入口温度と流量により決まるが、吸熱と発熱には温度の閾値がなく、三つの温度は収束しない。
密閉容器は、伝導、放射、対流による熱伝達はしないので熱の損失がなく、密閉容器内部で進行する２つの化学反応による吸熱と発熱により、接触した流体の熱量が移動する。【０００９】  本発明の液体冷却装置は、前項に示す密閉容器のａ型ａ１，ａ２とｂ型ｂ１，ｂ２の２個づつ４個の構造体で構成される４量体である。構成するａ型とｂ型の密閉容器の内部には違いがない。ａ型は温水と冷水が接触する単体の容器であり、温水から吸熱して冷水へ放熱する。ｂ型は２つの容器の内部の液体と気体が通るようにパイプでつなぐ事によりｂ型を構成し、構造体の内部から吸熱して流体へ放熱、あるいは流体から吸熱して構造体の内部へ放熱する。【０００１０】  図７に示すａ型２個、ｂ型２個で構成する４量体の構造は、冷却対象となる温流体が温流体入口から流入すると、密閉容器ａ１に接触し、次に密閉容器ｂ２に接触して温流体出口から流出する。
冷流体が冷流体入り口から入ると、密閉容器ｂ２とａ２に接触し、次にａ１とｂ１に接触する。１回目の折り返しから２つの密閉容器ｂ１に接触し、次に密閉容器ａ２とｂ２に接触する。２回目の折り返しから密閉容器ｂ２に接触し、次に密閉容器ｂ１に接触して流出する。
２回目の折り返しがなく、冷流体が流出する構造でも良い。
密閉容器ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は、隣同士で熱の移動をしないように隔壁を設ける。接触する流体は、吸熱あるいは放熱された熱を持って隣の密閉容器に接触できれば良く、液体に限らず粉流体や気体でも良い。【００１１】  ４量体の吸熱と発熱の経路は、温度Ｔ１の温流体が温流体入口から流入すると、ａ１に接触して吸熱され、流体温度はＴｃ１に下がる。次にｂ２に接触して、周囲の温度を上昇させる一方、流体温度はＴｃ２に下がって温流体出口から流出する。
温度Ｔ２の冷流体は、冷流体入口から流入するとｂ２とａ２に接触し、周囲温度を下げる事によって冷流体温度が上昇すると同時に、入り口の温度の低い部分へａ２が放熱するから、流体温度はＴｈ１に上がる。次にｂ１とａ１に接触し、ａ１の放熱により温度はＴｈ２に上がると同時にｂ１に吸熱されて流体の温度上昇は低く抑えられ、ａ１は温流体から吸熱しやすくなる。
次に折り返して二つのｂ１と接触し、周囲温度よりも流体の温度が高ければ、ｂ１がさらに吸熱するが、流体は周囲の温度と同じか低い温度で通過する。
次にｂ２とａ２に接触し、ａ２は流体から吸熱して冷流体入口から入る温度の低い冷流体に放熱する。ａ２によって流体の温度が下がればｂ２は周囲から吸熱し、冷流体に放熱して温度を上昇させるから流体の温度は下がりにくくなり、ａ２は吸熱しやすくなる。ここから２回目を折り返してｂ２に接触し、次にｂ１に接触する。周囲の熱によって流体の温度を上げながら冷流体出口から流出する。
４量体を構成するａ型とｂ型の密閉容器は、構造体の断面形状、大きさ、熱伝達率の大小とは無関係に吸熱と発熱を行う。
本発明の装置は、熱流が電流と同じようにオームの法則にしたがって流れるから、吸熱により温流体を冷やし、発熱により冷流体を加熱するには、ａ型とｂ型の容器を前項のように配列し、温流体と冷流体が順に接触して、吸熱と発熱による熱流が電流と同じように流れる回路を構成している。【００１２】  流量比が１：１で、流体の熱が全て高温側から低温側へ移動する装置であれば、ａ１は温流体からの吸熱を続け、時間の経過とともに温流体の出口温度は下がり続けて冷流体入口温度になり、ａ２は冷流体への放熱を続け、時間の経過とともに冷流体の出口温度は上がり続けて温流体入口温度になり、入口と出口の温度差は一致して熱効率ｅ＝１になる。
流体の熱が全て高温側から低温側へ移動する事は無く、入口から入った温流体は、出口で冷流体入口温度に近くなり、入口から入った冷流体は、出口で温流体入口温度に近くなるから、温流体と冷流体の入口温度の関係は出口で逆になり、出口の温度差が入口の温度差に近くなる方向に向かう。熱効率ｅは、０＜ｅ＜１の範囲になる。
【発明の効果】
【００１３】  閾値を持たない単体の密閉容器ａ型ａ１，ａ２とｂ型ｂ１，ｂ２の２個づつ４個で構成される４量体の装置は、
１．吸熱と発熱による熱移動をする事により、熱効率を持つ。
２．温度の閾値を持ち、入口と出口の温度の関係が逆になって出口の温度差は入口の温度差と一致する方向に向かう。
３．入口から入る温流体と冷流体の温度と流量、装置の熱効率と平衡定数から出口温度が精密に決まる。
４．入口温度、流量が多少変動しても出口温度の変動が抑えられる。
５．熱量が移動するので、温度差が小さくても流量差を大きくすると温度差を大きくしたのと同じ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】真空容器とジャケット付きビーカーをホースでつなぎ、バルブで区切り、それぞれ周囲を断熱した物と断熱しない物と、隣にジャケット付ビーカーと同じ容積のビーカーを置いた図。実施例の圧力はすべて−９７ｋＰａである。
【図２】ジャケット付ビーカーとビーカーをパレットの中に入れる図。
【図３】ａ型とｂ型の密閉容器による吸熱と発熱の方向
【図４】温流体と冷流体を流す流路及び機器配置図
【図５】内部に密閉容器を持たない構造体
【図６】内部にａ型の密閉容器１個を持つ構造体
【図７】本発明の一実施形態に係る装置。
【図８】ａ型の密閉容器に高温が接触するグラフ（１）
【図９】ａ型の密閉容器に高温が接触するグラフ（２）
【図１０】ａ型の密閉容器に低温が接触するグラフ
【図１１】ａ型の密閉容器に高温と低温が接触するグラフ
【図１２】ｂ型の密閉容器に高温が接触するグラフ（１）
【図１３】ｂ型の密閉容器に高温が接触するグラフ（２）
【図１４】ｂ型の密閉容器に低温が接触するグラフ
【図１５】ｂ型の密閉容器に高温と低温が接触するグラフ（１）
【図１６】ｂ型の密閉容器に高温と低温が接触するグラフ（２）
【図１７】図１の装置の内部が気液平衡ではないグラフ
【図１８】図５の装置で温水と冷水が熱交換するグラフ。
【図１９】図６の装置で温水から吸熱して冷水へ放熱するグラフ。
【図２０】図１９から、原理説明による計算結果と実測値を比較する表。
【図２１】図７の装置で温水から吸熱して冷水へ放熱するグラフ。
【図２２】図２１から、原理説明による計算結果と実測値を比較する表。
【図２３】単独の密閉容器と密閉容器４個の構造体の特性を比較するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  実施形態に係る装置を構成する密閉容器は、内部に気液平衡状態の単一物質（水）だけを詰める。容器内部を理想気体とすると状態式はＰＶ＝ｎＲＴである。
１モル当たりの体積は、系のサイズとは無関係な示強変数であり、モル体積と部分モル体積は等しい関係にある。実施形態に係る装置を構成する密閉容器は内部エネルギーであり、可逆反応である。
不可逆反応では熱力学が成立し、内部の気体の状態式はＰＶ＝ＲＴである。
モル体積と部分モル体積は一致して０になるから、体積は示量変数である
【００１６】  １５項の密閉容器は、周囲を断熱材で覆って周囲から断熱するａ型と、周囲を開放するｂ型がある。
図１の装置は、真空ポンプと真空容器、ジャケット付きビーカーをホースでつなぎ、バルブで仕切っている。
熱電対は、Ｎｏ１真空容器内部温度、Ｎｏ２ビーカー温度、Ｎｏ３ジャケット付きビーカー温度、Ｎｏ４外気温度を測定するが、実施例に応じて測定箇所を変更している。各グラフには温度測定箇所が分かるように、図を付けて示している。
水は、温度によって飽和蒸気圧が決まっている為、使用する温度によって圧力を決め、蒸気比体積から容器の水量を求めている。
真空容器には水を入れ、真空ポンプで余剰の水を排出している。
真空容器の圧力は、すべて−９７ｋＰａで温度測定をしている。
真空容器に接触する温水と冷水は、金属カップを使用している。
真空容器とジャケット付きビーカーに断熱材を巻いてａ型を構成し、露出させてｂ型を構成している。
図８から図１１がａ型を示すグラフであり、図１２から図１６はｂ型を示すグラフである。
【００１７】  図１の装置には、同一条件の容器に同量の温水、または冷水が入った容器を置いて、温度を比較している。圧力はすべて−９７ｋＰａである。
図１の装置で、ａ型の真空容器に高温と低温が接触すると、図１１のグラフでは隣に置いたビーカーの温水よりも、真空容器に接触したカップの温水の温度勾配が急になる事から、ルシャトリエの法則により高温側から吸熱して、低温側へ放熱している。
図１の装置で、ａ型の真空容器に高温のみ接触すると、図８のグラフからトムソンの原理により吸熱しない。
図１の装置で、真空部の容積が違うａ型のジャケット付きビーカーに温水を入れると、図９のグラフから、１５項により体積の大きさとは無関係に断熱している事がわかる。
図１の装置で、ａ型のジャケット付きビーカーに冷水を入れると、図１０のグラフから、クラジウスの原理により断熱している事がわかる。
もし図１１のグラフが熱伝達による物だとしたら、高温だけの接触では、真空容器が暖められてトムソンの原理が成立しない。図１１のグラフのように同一条件の温水より早く冷えると考えられるが、図８と図９のグラフではそうなっていない。トムソンの原理が成立するとクラジウスの原理も成立するので、図１０のグラフから低温のみの接触では発熱しない。
周囲を断熱したａ型容器を構成して、温水と冷水が同時に接触すると、温水から吸熱して冷水へ放熱する。温水だけあるいは冷水だけの接触では、断熱する。熱伝達によらず、吸熱と発熱によって熱が移動する。
【００１８】  図１の装置で、圧力はすべて−９７ｋＰａである。
図１の装置で、ｂ型の真空容器に高温が接触すると、図１２のグラフでは隣に置いたビーカーの温水よりも、真空容器に接触したカップの温水の温度勾配が急になる事から、ルシャトリエの法則により高温側から吸熱して、周囲に放熱している。
図１の装置で、ｂ型のジャケット付きビーカーに温水を入れると、図１３のグラフでは高温側から吸熱して周囲へ放熱している。吸熱と発熱は密閉容器の容積の大きさには無関係である。
図１の装置で、ｂ型のジャケット付きビーカーに氷を入れると、図１４のグラフではルシャトリエの法則により周囲から吸熱して低温側へ放熱している。
図１の装置で、ｂ型の真空容器に高温と低温が接触すると図１５のグラフは、トムソンの原理とクラジウスの原理により断熱している。図８のグラフと冷え方が似ているが、クラジウスの原理により冷水は温度上昇していない。クラジウスの原理が成立するとトムソンの原理も成立するので、ｂ型の真空容器は断熱している。
図２の装置は、パレットの中にジャケット付きビーカーと同容積のビーカーを並べ、パレットには氷水を入れている。図１６のグラフから、ビーカーの温水はすぐに冷えるが、ジャケット付きビーカーの温水は冷えていない。高温と低温の接触では断熱している。
周囲を開放するｂ型容器は、温水が接触すると吸熱して、周囲に放熱する。冷水が接触すると発熱して、周囲の熱を吸熱する。温水と冷水の接触では断熱する。
熱伝達によらず、吸熱と発熱によって熱が移動する。
【００１９】  図１の装置で、露出したジャケット付きビーカーに温水を入れると、図１７のグラフでは隣に置いたビーカーと同じ早さで冷えている。容器の中は蒸気が過剰であり、空気も混ざって８０ｋＰａになっているから、吸熱も発熱も断熱もしていない。
【００２０】  図３は、１６項から１８項の実施例により、ａ型とｂ型の吸熱する方向をまとめた図である。
周囲を断熱したａ型の密閉容器は、温水から吸熱し、冷水へ放熱する。温水と冷水の単独の接触では断熱する。
周囲を開放したｂ型の密閉容器は、温水から吸熱し、周囲へ放熱する場合と周囲から吸熱し、冷水へ放熱する場合があり、温水と冷水の接触では断熱する事を示している。
１６項から１８項の実施例とヘスの法則により、内部に気液平衡状態の単一物質（水）だけを詰める密閉容器は、接触する面積、容器の形状、容器の材質による熱伝達率の違いとは無関係に、吸熱と発熱による熱移動をおこなう。
【００２１】図６と７は、密閉容器を筒型に加工して、直径の大きな管に入れた状態である。
図６に示す容器の内側に温水を通し、外側に冷水を通すと、密閉容器は外気に触れないからａ型の容器になる。
ａ型容器の内部は、高温の熱Ｓに水Ｅが作用して、低温の熱Ｐと熱の余りＱができる。
2018151154.tif 000003
温度差は一定として１−１式の化学反応をミカエリスメンテンの式により展開すると、１−２式になる。
2018151154.tif 000004
温水側は、高温の熱Ｓｈに水Ｅが作用して蒸気ＳｈＥができるが、低温の熱Ｐ１になると元の水Ｅと余った蒸気Ｑができる。この反応によって吸熱している。
この反応は不可逆である。温水側で水が蒸気になって吸熱すると、容器内部は温度が低いから蒸気は水に戻る。
温水から吸熱する反応は１−２式を計算する。
高温熱Ｓｈに水Ｅが作用すると蒸気ＳｈＥになるから、
Ｅ＋Ｓｈ＝ＳｈＥ      （１−３）
水分子の総量をＥ０として容器全体の反応は、
2018151154.tif 000005
温水側は水の蒸発により吸熱し、できた蒸気は内部の温度が低いので水になる。
全部水にはならないから蒸気は少し余っている。
冷水側の発熱も１−１式から展開する。
2018151154.tif 000006
冷水側は、内部の温度Ｐ１よりも外部の温度が低いので、蒸気Ｐ１Ｅが低温の熱Ｓ１によって水になり、蒸気の余りと元の水ができる。このときに外部に発熱する。内部の温度Ｐ１は高温だから、高温の熱Ｐ１に水Ｅが作用して元の蒸気Ｐ１Ｅに戻る。
冷水に発熱する反応は外部から冷やされてできた水が蒸気に戻る速度と同じだから、１−５式を計算する。
高温熱Ｐ１に水Ｅが作用すると蒸気Ｐ１Ｅになるから、
Ｅ＋Ｐ１＝Ｐ１Ｅ      （１−６）
水分子の総量をＥ０として容器全体の反応は、
2018151154.tif 000007
密閉容器内部の温度の関係はＳｈ＞Ｐ１＞Ｓ１である。ＳｈとＳ１の側にそれぞれ同じ（１−２）と（１−５）の化学反応があり、同じ速度で同じ方向に進行している。内部の場所や面積、熱伝達率とは無関係に吸熱と発熱をする。ａ型が断熱するときは、（１−２）と（１−５）式の片方が成立せず、ｂ型が断熱するときは、（１−２）と（１−５）式の両方が成立しない。この吸熱と発熱と断熱の関係は、２０項に示すａ型とｂ型の特性と相違ない。
【００２２】  温水と冷水が流入を続ける限り、１−２式による吸熱側と１−５式による発熱側の二つの反応は続く事になる。温水側で水ができる速さと冷水側で蒸気ができる速さは同じなので、容器内部は動的平衡が維持できる。
【００２３】  温水が冷える速度を計算すると、高温の熱量Ｓｈは減っていくが温水が流入して補うから、高温の熱量Ｓｈは一定である。
Ｖ（Ｐ１）＝Ｋ３［ＳｈＥ］    （１−８）
ＳｈＥができる速さＶ（ＳｈＥ）は１−２式から
Ｖ（ＳｈＥ）＝Ｋ１［Ｓｈ］［Ｅ］−Ｋ２［ＳｈＥ］−Ｋ３［ＳｈＥ］    （１−９）
１−９式の第１項が蒸気のできる速さで、第２項と３項は水に戻る速さである。
低温の熱量Ｐ１も時間的に一定量できるから
Ｖ（Ｐ１）＝一定
［ＳｈＥ］＝一定
Ｖ（ＳｈＥ）＝０
容器内部は水と蒸気に分かれていて水の総量は変わらないから（１−２）式と（１−４）式を組み合わせてＶ（Ｐ１）を一定量である［Ｅ］０，［ＳｈＥ］について求めると、
2018151154.tif 000008
ｋ３［ＳｈＥ］は水に戻る早さの最大値なので、Ｖｍとおくと
2018151154.tif 000009
低温側も同じ反応が同じ速度で同じ方向へ進行しているから
装置に流入する温水と冷水の温度と流量を一定にした場合、高温側から
吸熱し低温側へ発熱して熱量が移動する速度は容器内部の水の総量に比例する。
つまり容器の体積に比例するという事になる。
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装置に流入する温水と冷水の温度と流量を一定にした場合、高温側から吸熱し低温側へ発熱して熱量が移動する速度が一定の容積の中で最大になると、接触する熱量を増やしても、熱量の移動する速度は早くならない。
流路の長さを一定にして冷える速さを優先すると、熱移動率は低くなる。
熱移動率を優先すると、冷やす速さが遅くなる。
【００２４】  平衡定数Ｋｍは、容器の中が平衡で温度と圧力が一定のとき
［Ｓｈ］［Ｅ］／［ＳｈＥ］＝Ｋｍ    （１−１２）
Ｋｍは完全な定数として扱う。
水分子の総量は［Ｅ］０で、水分子（液）Ｅと水分子（気）ＳｈＥになっているから、
［Ｅ］＋［ＳｈＥ］＝［Ｅ］＋［Ｐ１］＝［Ｅ］０    （１−１３）
（１−１２）と（１−１３）を連立して解くと、
［ＳｈＥ］／［Ｅ］０＝［Ｓｈ］／Ｋｍ＋［Ｓｈ］    （１−１４）
［Ｅ］／［Ｅ］０＝［Ｐ１］／Ｋｍ＋［Ｐ１］    （１−１５）
（１−１４）の左辺は、水分子全体の中で高温熱量Ｓｈによって蒸気になった割合を示す。
（１−１５）の左辺は、水分子全体の中で低温熱量Ｐ１によって水になった割合を示す。それが内部エネルギーに依存している。
Ｋｍ＝１として［Ｓｈ］又は［Ｐ１］をｘとすると、ｘ／１＋ｘのグラフになる。
入口から入った温水と冷水は容器を通過すると、温水の温度が下がり、冷水の温度は上昇する。温度の閾値を持たないから、出口では、温水と冷水の温度が一致する方向に向かう。
横軸に通過時間、縦軸に熱損失をとった特性のグラフは、
図２３に示すｘ／１＋ｘのグラフと同じになる。
【００２５】  図７に示す２個のａ型ａ１，ａ２と２個のｂ型ｂ１，ｂ２の容器を配列した構造体は、物理化学による４量体と同じであり、生体反応と同じ理由で特性を変える。
よって、単体の容器を４個結合した４量体の構造になると、容器全体の特性が変わる。単体容器が温度の閾値を持たないのに対して、容器４個の構造体は温度の閾値を持つ。
入口から入る温水は、出口で冷水になり、冷水は出口で温水になるから、入口と出口では、温水と冷水の関係が逆になる。したがって、４量体の構造では、入口と出口の温度差は一致する方向に向かう。
この時、温水の流入による熱Ｓｈによって容器の中の水Ｅが蒸気ＳｈＥに変わる様子は
2018151154.tif 000011
平衡定数をＫＨとして、平衡の条件は
［Ｓｈ］［Ｅ］４／［ＳｈＥ４］＝ＫＨ    （１−１７）
４量体の構造に流入する温水の量を一定とすると、熱量も一定だから［Ｓｈ］０とする。
［Ｓｈ］＋［ＳｈＥ４］＝［Ｓｈ］０    （１−１８）
（１−１６）と（１−１７）を連立して解く。
［ＳｈＥ４］／［Ｓｈ］０＝［Ｅ］４／（ＫＨ＋［Ｅ］４）    （１−１９）
ＫＭ＝ＫＨ＝１として［Ｅ］＝ｘとすると
ｙＭ＝ｘ／（１＋ｘ），ｙＨ＝ｘ４／（１＋ｘ４）となる。
これをグラフにすると、横軸に通過時間、縦軸に熱効率をとった特性は、ｘ４／１＋ｘ４のグラフと同じになる。
２４項で単独容器の特性を表すｘ／１＋ｘのグラフと、４量体の特性を表すｘ４／１＋ｘ４のグラフを図２３に示す。この二つのグラフの違いが、単体容器と４量体の特性の違いを示している。
【００２６】  熱は電気と同じエネルギーである。本発明の装置は、吸熱と発熱によって熱量が移動するので、熱流もオームの法則と同じように計算される。密閉容器の表面から接触する物体の高温部分までの距離を熱抵抗として電気と同様に熱が流れる。２０項に示す通り、物体の接触面積や場所、経路によらず、密閉容器の形状や構造とは無関係に熱が流れる。
熱流の計算がオームの法則と同じように計算されるならば、熱と力は等価だから温度もエネルギーの損失から計算される。ｅ＝０の２つの非弾性体が衝突して１体となって進む時の速度ｕは、２つの運動量が質量ｍ１：ｍ２で混ざったと考えるから、同じように温度Ｔ１流量ｑ１の流体と温度Ｔ２流量ｑ２の流体が流量ｑ１：ｑ２で混ざるときの温度は、
ｕ＝（Ｔ１ｑ１＋Ｔ２ｑ２）／（ｑ１＋ｑ２）になる。
弾性体の衝突のようにエネルギーが全く失われないｅ＝１の場合は、吸熱によって高温側が失った温度（Ｔ１−ｕ）が２倍になり、発熱によって低温側が得た温度（ｕ−Ｔ２）も２倍になるから、それぞれの温度は、Ｕ１＝２ｕ−Ｔ１  Ｕ２＝２ｕ−Ｔ２である。
エネルギーが部分的に失われて熱効率ｅが０＜ｅ＜１の範囲になる場合は、高温側が失った温度は（Ｔ１−ｕ）＋ｅ（Ｔ１−ｕ）、低温側の得た温度は（ｕ−Ｔ２）＋ｅ（ｕ−Ｔ２）になる。それぞれの出口温度は、
Ｕ１＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ１，Ｕ２＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ２，出口の温度差はＵ２−Ｕ１＝ｅ（Ｔ１−Ｔ２）になるから熱効率はｅ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｔ１−Ｔ２）である。
【００２７】  ２４項の計算により、単体の密閉容器に流体が接触すると、接触する流体の温度の損失が最大の方向へ向かう。温度の損失が最大で熱効率が０になるのは、高温と低温の流体が混ざって同じ温度になるのと同じである。
温度Ｔ１（Ｋ），流量ｑ１（ｍ／ｓ）の温水を容器に入れて、温度Ｔ２，流量ｑ２（ｍ／ｓ）の冷水と混ぜたときの温度ｕは、外部の影響を無視すると
ｕ＝（Ｔ１ｑ１＋Ｔ２ｑ２）／（ｑ１＋ｑ２）になる。
単体の密閉容器に流体が接触して流量が増えると、高温と低温の流体は出口で温度ｕに近くなるが、２４項の計算ではｕに収束する事はない。
片方の流体がもう片方の流体に比べて流量が十分大きい場合、たとえば
2018151154.tif 000012
立しないが、Ｔ１は流体のエネルギーがあるから、出口温度がＴ２にならない。
２５項と同じ計算式になり、流体のエネルギーを全く失わない場合は熱効率ｅ＝１でＴ１の出口温度Ｕ１は、Ｕ１＝２Ｔ２−Ｔ１になる。
熱効率ｅ＝１では２１項１−１式のＱが０になり成立しないから、熱効率ｅは０＜ｅ＜１の範囲であり、Ｕ１＝（１＋ｅ）Ｔ２−ｅＴ１である。
したがって、２４項の計算通り高温と低温の流体は、出口で温水と冷水が一致する温度ｕに近くなるが、ｕに収束する事はなく、出口温度には閾値がない。
【００２８】  図６が単体の密閉容器の装置の断面図であり、図１９が装置に流体を接触させたグラフで、計算結果が図２０である。
図６の装置で密閉容器の圧力は、−９７ｋＰａである。
図５は、密閉容器を取付けず、熱交換器と同様の装置である。
図５と図６の装置は、図４に示す通り流体の出口にバルブをつけて、流量を調整すると同時に、内部がすべて液体で満たされるようにしている。
図１８は、図５の装置に温水と冷水を流したグラフである。
２４項の計算結果は、図６の装置に温水と冷水を流せば、図１８のグラフと同様になる事を示している。
図５の装置では、流量が増えれば温水と冷水の温度は入口の温度に近くなり、片方の流量が多ければ、多い方の流量の温度に近くなる。
図６の装置では、流量が増えれば密閉容器に供給される熱量が増えて、吸熱と発熱により移動する熱量も増えるから、温水と冷水の温度は収束する温度ｕに近くなるが、片方の流量が多くても２７項の計算により収束はしない。
これを示しているのが図１９のグラフで、外気温度が低いために構造上温水出口温度よりも冷水出口温度が低くなっている。外気温度が上昇すると冷水出口温度は冷水入口温度になっている。温水出口温度は、それよりも低い。熱効率はｅ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｔ１−Ｔ２）で、これを計算したのが図２０である。図２０から２７項の計算温度と実測した温度は、一致する。
【００２９】  ａ型のａ１，ａ２の容器は単独の容器で、温水から吸熱して冷水へ放熱している。
ｂ型のｂ１，ｂ２は、２つの容器をパイプでつなぎ、容器の中の水と蒸気が通り一体の構造とする事で温水から吸熱して周囲に放熱する、または周囲から吸熱して冷水へ放熱できるようにしている。
４量体を構成する図７の装置は、ａ型とｂ型の容器を以下のように配列している。
冷却対象となる温度Ｔ１の温水が温水入口から流入すると、密閉容器ａ１に接触し、次に密閉容器ｂ２に接触して温水出口から排出される。
温度Ｔ２の冷水が冷水入り口から入ると、密閉容器ｂ２とａ２に接触し、次にａ１とｂ１に接触する。１回目の折り返しから２つの密閉容器ｂ１に接触し、次に密閉容器ａ２とｂ２に接触する。２回目の折り返しから密閉容器ｂ２に接触し、次に密閉容器ｂ１に接触して排出される。２回目の折り返しがなく、冷水が排出される構造でも良い。
【００３０】  ２５項が２４項から特性を変える理由は、生体反応と同じである。図７の装置は、電気回路と同様に熱流が流れて特性が変わるように、密閉容器を２９項の順に流体がａ型とｂ型の容器に接触する配列をする。容器の材質、形状、熱伝達率には影響されない。
４量体の吸熱と発熱の経路は、温度Ｔ１の温流体が温流体入口から流入すると、ａ１に接触して吸熱され、流体温度はＴｃ１に下がる。次にｂ２に接触して、周囲の温度を上昇させる一方、流体温度はＴｃ２に下がって温流体出口から流出する。
温度Ｔ２の冷流体は、冷流体入口から流入するとｂ２とａ２に接触し、周囲温度下げる事によって流体温度が上昇すると同時に、入り口の温度の低い部分へａ２が放熱するから、流体温度はＴｈ１に上がる。次にｂ１とａ１に接触し、ａ１の放熱により温度はＴｈ２に上がると同時にｂ１に吸熱されて周囲の温度が上昇するから、流体の温度上昇は低く抑えられ、ａ１は温流体から吸熱しやすくなる。
次に折り返して二つのｂ１と接触し、周囲温度よりも流体の温度が高ければ、ｂ１がさらに吸熱するが、流体は周囲の温度と同じか低い温度で通過する。
次にｂ２とａ２に接触し、ａ２は流体から吸熱して冷流体入口から入る温度の低い冷流体に放熱する。ａ２によって流体の温度が下がればｂ２は周囲から吸熱し、流体温度を上昇させるから流体の温度は下がりにくくなり、ａ２は吸熱しやすくなる。ここから２回目を折り返してｂ２に接触し、次にｂ１に接触する。周囲の熱によって流体の温度を上げながら冷流体出口から流出する。
【００３１】  熱と力は等価であり、熱エネルギーを全く損失しないとして熱効率ｅ＝１の場合には、結果として出てくる高温側の温度はＵ１、低温側の温度をＵ２とすると、高温側が失う温度はＵ１＝２ｕ−Ｔ１  低温側の温度はＵ２＝２ｕ−Ｔ２になる。
しかし、ｅ＝１では２１項の１−１式がＱ＝０となるから成立しない。
移動する熱エネルギーの一部は損失するから、熱効率ｅは０＜ｅ＜１の範囲になる。
高温側が失った温度は、（Ｔ１−ｕ）＋ｅ（Ｔ１−ｕ）低温側の得た温度は、
（ｕ−Ｔ２）＋ｅ（ｕ−Ｔ２）になる。
それぞれの温度は、Ｕ１＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ１，Ｕ２＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ２，出口の温度差は、
Ｕ２−Ｕ１＝ｅ（Ｔ１−Ｔ２）になるからｅ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｔ１−Ｔ２）である。
２５項の計算には平衡定数があり、実際にはＫｍ＝１ではないから、出口の温度はそれぞれ平衡定数を掛けた値Ｋ１・Ｕ１，Ｋ２・Ｕ２  になるので、平衡定数の分が計算値と実測値の誤差になる。
【実施例】
【００３２】  図７が本発明の装置であり、密閉容器の圧力は−９７ｋＰａである。
図７の装置は図４に示す通り、流体の出口にバルブをつけて流量を調整すると同時に、内部がすべて液体で満たされるようにしている。
図２１は、図７の装置に流体を流したグラフで、図２２はその計算結果である。
図２１から温水は冷水によって温度が下がり続け、冷水入口温度よりも温度が下がっている。
２６項の計算では、出口温度は閾値を持ち、温水は出口で冷水になり、冷水は出口で温水になって入口と出口で温度の関係が逆になり、出口の温度差は入口の温度差に近くなる事を示している。２４項の計算から図６の装置は出口温度に閾値を持たないが、図２２の計算結果は、図７の装置が閾値を持つ事を示すから、実施例の結果は２５項と３１項の説明による計算結果と相違ない。【００３３】  ３２項が示す実施例の図７の装置に流した流量は少ないが、２３項の計算から密閉容器の体積と、吸熱と発熱による熱の移動量は比例するので、密閉容器の体積を大きくすると流量が増やせる。【００３４】  図２１のグラフから、流入した温水が出口で目的温度に下がるまでの時間を始動時間とすると、その後温水は図７の装置を通過する間に目的温度に冷えるから、温水を短い時間で冷却する装置となる。
図７の装置は熱量が移動し、温水と冷水の温度差が小さくても、冷水流量を増やす事で温度差を大きくしたのと同じ効果が得られる。
２３項の計算から、図７の装置が長くなれば、出口温度は正確に決まるが冷却時間は長くなる。図７の装置が短くなれば、出口温度は正確に決まらないが、冷却時間は短くなる。【００３５】  ａ型ａ１，ａ２とｂ型ｂ１，ｂ２の２個づつ４個の密閉容器で構成される４量体の装置は２５項の計算が説明する通り、入口と出口の温度の関係が逆になって温度の閾値を持ち、出口の温度差は入口の温度差と一致する方向に向かう事が３２項の実施例で示される。２０項に示す実施例から熱伝達によらない熱移動をする事により、３２項の実施例が示す熱効率を持つ。３１項の計算から、入口から入る温流体と冷流体の温度と流量、装置の熱効率と平衡定数により、出口温度を精密に決める事ができる。入口温度、流量が多少変動しても、出口温度に影響しない事を３２項の実施例が図２１のグラフと図２２の表により示している。【００３６】  雑菌が繁殖する温度帯で冷却効率が良く、早く冷却するために潜熱の大きい純水を容器内部に詰めるが、一定容積で化学変化をしない気体と液体が、動的平衡状態で相変化による潜熱を利用できる物質であれば、水以外の物質を容器に詰めても良い。【００３７】  ２１項に示す計算の通り、密閉容器内部で２つの同じ化学反応が同じ速度で同じ方向へ進むから、密閉容器に接触する流体の冷却と加熱は同じである。
したがって、本発明の液体冷却装置を液体加熱装置とする事もできる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】  流体等の自然エネルギーを使い、必要な時、必要な場所へ、必要な量だけ効率良く熱量を移動させる装置は、熱に弱い食品の加熱や冷却だけではなく、食品加工、医療、新エネルギー等の分野で、新たな省エネルギー技術を開発する事を可能にする。【００３９】  温度計算表の計算式
熱効率            ｅ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｔ１−Ｔ２）
収束温度          ｕ＝（Ｔ１ｑ１＋Ｔ２ｑ２）／（ｑ１＋ｑ２）
温水出口計算温度  Ｔ１ａ＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ１
冷水出口計算温度  Ｔ２ａ＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ２
機械効率          Ｐ１＝Ｕ１／Ｔ１ａ
機械効率          Ｐ２＝Ｕ２／Ｔ２ａ
温水仕事率        Ｅ１＝（Ｔ１−Ｕ１）ｘ４．２／６０
冷水仕事率        Ｅ２＝（Ｔ２−Ｕ２）ｘ４．２／６０
【符号の説明】
【００３９】        １０１  真空容器
１０２  ジャケット付きビーカー（０．１ｌ）
１０３  ビーカー（０．１ｌ）
１０４  真空ポンプ
１０５  バルブ
１０６  バルブ
１０７  バルブ
１０８  圧力計（０〜０．１ＭＰａ）
１０９  断熱材
１１０  断熱材
１１１  熱電対
１１２  熱電対
１１３  熱電対
１１４  熱電対
１１５  パレット（ＳＵＳ３０４）
７１  高温熱源
７２  低温熱源
４０１  温水入口熱電対
４０２  温水出口熱電対
４０３  冷水入口熱電対
４０４  冷水出口熱電対
４０５  バルブ
４０６  流量調整バルブ
４０７  バルブ
４０８  流量調整バルブ
４０９  温水ポンプ（１０ｌ／ｍｉｎｎ）
４１０  冷水ポンプ（２０ｌ／ｍｉｎ）
４１１  温水槽
４１２  流量測定容器
４１３  冷水槽
５００  構造体（容器４個、ａ型１個、容器無し）
５０１  温水入口
５０２  温水出口
５０３  冷水入口
５０４  冷水出口
５０５  ２ｂ通気パイプ
５０６  １ｂ通気パイプ
５０７  断熱材
【図１】
2018151154.tif 000013
【図２】
2018151154.tif 000014
【図３】
2018151154.tif 000015
【図４】
2018151154.tif 000016
【図５】
2018151154.tif 000017
【図６】
2018151154.tif 000018
【図７】
2018151154.tif 000019
【図８】
2018151154.tif 000020
【図９】
2018151154.tif 000021
【図１０】
2018151154.tif 000022
【図１１】
2018151154.tif 000023
【図１２】
2018151154.tif 000024
【図１３】
2018151154.tif 000025
【図１４】
2018151154.tif 000026
【図１５】
2018151154.tif 000027
【図１６】
2018151154.tif 000028
【図１７】
2018151154.tif 000029
【図１８】
2018151154.tif 000030
【図１９】
2018151154.tif 000031
【図２０】
2018151154.tif 000032
【図２１】
2018151154.tif 000033
【図２２】
2018151154.tif 000034
【図２３】
2018151154.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成29年6月13日(2017.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本発明は、単一物質の液体と気体だけを詰め、内部が気液平衡状態の密閉容器で冷却装置を構成し、内部エネルギーによって熱力学による熱移動をしない装置として動作し、装置を構成する単体の密閉容器は、接触する高温側と低温側の物質の面積、形状、熱の経路によらず、密閉容器の形状、構造、熱伝達率とは無関係に高温側から吸熱し、低温側で発熱する、または高温側に熱がない状態か、低温側に熱がある状態の時は、吸熱と発熱をせずに断熱する特性を持ち、高温と低温の流体が接触すると、密閉容器内部では流体のエネルギーを使い、２つの同じ化学反応が同じ速度で同じ方向へ進行して吸熱と発熱を続ける事により、出口温度は収束する温度に向かい、流量に応じて熱量を移動するが、温度の閾値を持たず、密閉容器のａ型２個とｂ型２個を使って温流体と冷流体の流路を作る事により、電気回路のように熱流の回路を構成する本発明の装置は、個々の密閉容器の吸熱と発熱を連携しておこなう生体反応と同じ仕組みの４量体となるから、単体の密閉容器とは特性が変わって流体温度の閾値と熱効率を持ち、熱量を高温側と低温側のどちらでも流体のエネルギーを動力源とするポンプのように移動させる事ができて、温流体と冷流体の温度と流量の比と平衡定数によって出口温度が精密に決められる事を特徴とする、可逆の熱機関となる液体冷却装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2018151154.tif 000036
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2018151154.tif 000037
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９】
2018151154.tif 000038
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２１】
2018151154.tif 000039
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】  前項の密閉容器は、ルシャトリエの法則により接触する高温物質から吸熱し、同時に接触している低温物質へ放熱する。吸熱と発熱をしないときは、トムソンの原理とクラジウスの原理により断熱している。ルシャトリエの法則による吸熱と発熱により、気液平衡の容器内部状態は変化しないが、容器外部に接触する熱と熱平衡になる時間は、熱抵抗によって決まる。
この性質を利用する為、前項の密閉容器を外部と断熱した閉鎖系のａ型と、外部と断熱していない開放系のｂ型にする。ａ型は接触する高温物質から吸熱し、同時に接触している低温物質へ放熱するが、高温または低温物質だけの接触では吸熱と発熱をせず断熱している。ｂ型は接触する高温物質から吸熱して周囲へ放熱する場合と、周囲から吸熱して接触する低温物質へ放熱する場合がある。高温物質と低温物質が同時に接触すると、吸熱と発熱をせず断熱している。吸熱と発熱と断熱は、ヘスの法則により接触する物の接触面積や密閉容器を構成する物質の熱伝達率、形状には影響されない。
容器内部は動的平衡であり、伝導、放射、対流による熱伝達はしない。
ａ型及びｂ型の単体容器の特性は、高温側から吸熱し低温側へ放熱するが、高温側温度が容器内部温度または周囲温度に近いか、低温側の温度が容器内部温度または周囲温度に近いと断熱する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】  ４量体の吸熱と発熱の経路は、温度Ｔ１の温流体が温流体入口から流入すると、ａ１に接触して吸熱され、流体温度はＴｃ１に下がる。次にｂ２に接触して、周囲の温度を上昇させる一方、流体温度はＴｃ２に下がって温流体出口から流出する。
温度Ｔ２の冷流体は、冷流体入口から流入するとｂ２とａ２に接触し、周囲温度を下げる事によって冷流体温度が上昇すると同時に、入り口の温度の低い部分へａ２が放熱するから、流体温度はＴｈ１に上がる。次にｂ１とａ１に接触し、ａ１の放熱により温度はＴｈ２に上がると同時にｂ１に吸熱されて流体の温度上昇は低く抑えられ、ａ１は温流体から吸熱しやすくなる。
次に折り返して二つのｂ１と接触し、周囲温度よりも流体の温度が高ければ、ｂ１がさらに吸熱するが、流体は周囲の温度と同じか低い温度で通過する。
次にｂ２とａ２に接触し、ａ２は流体から吸熱して冷流体入口から入る温度の低い冷流体に放熱する。ａ２によって流体の温度が下がればｂ２は周囲から吸熱し、冷流体に放熱して温度を上昇させるから流体の温度は下がりにくくなり、ａ２は吸熱しやすくなる。ここから２回目を折り返してｂ２に接触し、次にｂ１に接触する。周囲の熱によって流体の温度を上げながら冷流体出口から流出する。
ａ型とｂ型の密閉容器の吸熱と発熱は、形状、大きさ、熱伝達率の大小とは無関係であり、熱流は電流と同じようにオームの法則にしたがって流れるから、４個の密閉容器を組み合わせると、連携して一つの密閉容器のように吸熱と発熱をする熱流の回路ができる。
機械的に動作する構造を持たない示強変数であるａ型２個とｂ型２個の密閉容器を、前項のように配列して組み合わせ、一体となる事で実現する熱流の回路の働きは、機械的に動作する構造を持つ示量変数である４量体と同じである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】  流量比が１：１で、流体の熱が全て高温側から低温側へ移動する装置であれば、ａ１は温流体からの吸熱を続け、時間の経過とともに温流体の出口温度は下がり続けて冷流体入口温度になり、ａ２は冷流体への放熱を続け、時間の経過とともに冷流体の出口温度は上がり続けて温流体入口温度になり、入口と出口の温度差は一致して熱効率ｅ＝１になる。
流体の熱がすべて高温側から低温側へ移動する事は無く、入口から入った温流体は、出口で冷流体入口温度に近くなり、入口から入った冷流体は、出口で温流体入口温度に近くなるから、温流体と冷流体の入口温度の関係は出口で逆になり、出口の温度差が入口の温度差に近くなる方向に向かう。
本発明の装置の熱効率ｅは、０＜ｅ＜１の範囲になる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】  実施形態に係る装置を構成する密閉容器は、内部に気液平衡状態の単一物質だけを詰める。実施例では水を詰めている。容器内部を理想気体とすると状態式はＰＶ＝ｎＲＴである。１モル当たりの体積は、系のサイズとは無関係な示強変数であり、モル体積と部分モル体積は等しい関係にある。実施形態に係る装置を構成する密閉容器は内部エネルギーであり、可逆反応である。
不可逆反応では熱力学が成立し、内部の気体の状態式はＰＶ＝ＲＴである。
モル体積と部分モル体積は一致して０になるから、体積は示量変数である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】  ２４項の計算により、単体の密閉容器に流体が接触すると、接触する流体の温度の損失が最大の方向へ向かう。温度の損失が最大で熱効率が０になるのは、高温と低温の流体が混ざって同じ温度になるのと同じである。
温度Ｔ１（Ｋ），流量ｑ１（ｍ／ｓ）の温水を容器に入れて、温度Ｔ２，流量ｑ２（ｍ／ｓ）の冷水と混ぜたときの温度ｕは、外部の影響を無視すると
ｕ＝（Ｔ１ｑ１＋Ｔ２ｑ２）／（ｑ１＋ｑ２）になる。
単体の密閉容器に流体が接触して流量が増えると、高温と低温の流体は出口で温度ｕに近くなるが、２４項の計算ではｕに収束する事はない。
片方の流体がもう片方の流体に比べて流量が十分大きい場合、たとえばｑ１＜＜ｑ２
2018151154.tif 000040
が、Ｔ１は流体のエネルギーがあるから、出口温度がＴ２にならない。
２６項と同じ計算式になり、流体のエネルギーを全く失わない場合は熱効率ｅ＝１でＴ１の出口温度Ｕ１は、Ｕ１＝２Ｔ２−Ｔ１になる。
熱効率ｅ＝１では２１項１−１式のＱが０になり成立しないから、熱効率ｅは０＜ｅ＜１の範囲であり、Ｕ１＝（１＋ｅ）Ｔ２−ｅＴ１である。
したがって、２４項の計算通り高温と低温の流体は、出口で温水と冷水が一致する温度ｕに近くなるが、ｕに収束する事はなく、出口温度には閾値がない。
【手続補正書】
【提出日】平成29年7月19日(2017.7.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本発明は、単一物質の液体と気体だけを詰め、内部が気液平衡状態の密閉容器で冷却装置を構成し、内部エネルギーによって熱力学による熱移動をしない装置として動作し、装置を構成する単体の密閉容器は、接触する高温側と低温側の物質の面積、形状、熱の経路によらず、密閉容器の形状、構造、熱伝達率とは無関係に高温側から吸熱し、低温側で発熱する、または高温側に熱がない状態か、低温側に熱がある状態の時は、吸熱と発熱をせずに断熱する特性を持ち、高温と低温の流体が接触すると、密閉容器内部では流体のエネルギーを使い、２つの同じ化学反応が同じ速度で同じ方向へ進行して吸熱と発熱を続ける事により、出口温度は収束する温度に向かい、流量に応じて熱量を移動するが、温度の閾値を持たず、密閉容器のａ型２個とｂ型２個を使って温流体と冷流体の流路を作る事により、電気回路のように熱流の回路を構成する本発明の装置は、個々の密閉容器の吸熱と発熱を連携しておこなう生体反応と同じ仕組みの４量体となるから、単体の密閉容器とは特性が変わって入口から入る温流体と冷流体の温度が出口で逆になり、流体温度の閾値と熱効率を持ち、熱量を高温側と低温側のどちらでも流体のエネルギーを動力源とするポンプのように移動させる事ができて、温流体と冷流体の温度と流量の比と平衡定数によって出口温度が精密に決められる事を特徴とする、可逆の熱機関となる液体冷却装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】６項の密閉容器は、ルシャトリエの法則により接触する高温物質から吸熱し、同時に接触している低温物質へ放熱する。吸熱と発熱をしないときは、トムソンの原理とクラジウスの原理により断熱している。ルシャトリエの法則による吸熱と発熱により、気液平衡の容器内部状態は変化しないが、容器外部に接触する熱と熱平衡になる時間は、熱抵抗によって決まる。
この性質を利用する為、６項の密閉容器を外部と断熱した閉鎖系のａ型と、外部と断熱していない開放系のｂ型にする。ａ型は接触する高温物質から吸熱し、同時に接触している低温物質へ放熱するが、高温または低温物質だけの接触では吸熱と発熱をせず断熱している。ｂ型は接触する高温物質から吸熱して周囲へ放熱する場合と、周囲から吸熱して接触する低温物質へ放熱する場合がある。高温物質と低温物質が同時に接触すると、吸熱と発熱をせず断熱している。吸熱と発熱と断熱は、ヘスの法則により接触する物の接触面積や密閉容器を構成する物質の熱伝達率、形状には影響されない。
容器内部は動的平衡であり、伝導、放射、対流による熱伝達はしない。
ａ型及びｂ型の単体容器の特性は、高温側から吸熱し低温側へ放熱するが、高温側温度が容器内部温度または周囲温度に近いか、低温側の温度が容器内部温度または周囲温度に近いと断熱する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】７項の密閉容器に流体を接触させると、一定量の温熱と冷熱が密閉容器内部に供給されるから、密閉容器内部の高温側と低温側で、それぞれ同じ化学反応が同じ速度で同じ方向へ進行し、流体が接触している間は吸熱と発熱を続ける。温流体と冷流体と密閉容器内部温度の三つの温度が出口で一致する方向へ吸熱と発熱を続け、一致する温度は温流体と冷流体の入口温度と流量により決まるが、吸熱と発熱には温度の閾値がなく、三つの温度は収束しない。
密閉容器は、伝導、放射、対流による熱伝達はしないので熱の損失がなく、密閉容器内部で進行する２つの化学反応による吸熱と発熱により、接触した流体の熱量が移動する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】  本発明の液体冷却装置は、７項に示す密閉容器のａ型ａ１，ａ２とｂ型ｂ１，ｂ２の２個づつ４個の構造体で構成される４量体である。構成するａ型とｂ型の密閉容器の内部には違いがない。ａ型は温流体と冷流体が接触する単体の密閉容器であり、温流体から吸熱して冷流体へ放熱する。ｂ型は２つの密閉容器の内部の液体と気体が通るようにパイプでつなぐ事によりｂ型を構成し、構造体の内部から吸熱して流体へ放熱、あるいは流体から吸熱して構造体の内部へ放熱する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】  ４量体の吸熱と発熱の経路は、温度Ｔ１の温流体が温流体入口から流入すると、ａ１に接触して吸熱され、流体温度はＴｃ１に下がる。次にｂ２に接触して、周囲の温度を上昇させる一方、流体温度はＴｃ２に下がって温流体出口から流出する。
温度Ｔ２の冷流体は、冷流体入口から流入するとｂ２とａ２に接触し、周囲温度を下げる事によって冷流体温度が上昇すると同時に、入り口の温度の低い部分へａ２が放熱するから、流体温度はＴｈ１に上がる。次にｂ１とａ１に接触し、ａ１の放熱により温度はＴｈ２に上がると同時にｂ１に吸熱されて流体の温度上昇は低く抑えられ、ａ１は温流体から吸熱しやすくなる。
次に折り返して二つのｂ１と接触し、周囲温度よりも流体の温度が高ければ、ｂ１がさらに吸熱するが、流体は周囲の温度と同じか低い温度で通過する。
次にｂ２とａ２に接触し、ａ２は流体から吸熱して冷流体入口から入る温度の低い冷流体に放熱する。ａ２によって流体の温度が下がればｂ２は周囲から吸熱し、冷流体に放熱して温度を上昇させるから流体の温度は下がりにくくなり、ａ２は吸熱しやすくなる。ここから２回目を折り返してｂ２に接触し、次にｂ１に接触する。周囲の熱によって流体の温度を上げながら冷流体出口から流出する。
ａ型とｂ型の密閉容器の吸熱と発熱は、形状、大きさ、熱伝達率の大小とは無関係であり、熱流は電流と同じようにオームの法則にしたがって流れるから、
４個の密閉容器を組み合わせると、連携して一つの密閉容器のように吸熱と発熱をする熱流の回路ができる。
機械的に動作する構造を持たない示強変数であるａ型２個とｂ型２個の密閉容器を、
１０項のように配列して組み合わせ、一体となる事で実現する熱流の回路の働きは、機械的に動作する構造を持つ示量変数である４量体と同じである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】  流量比が１：１で、流体の熱がすべて高温側から低温側へ移動する装置であれば、ａ１は温流体からの吸熱を続け、時間の経過とともに温流体の出口温度は下がり続けて冷流体入口温度になり、ａ２は冷流体への放熱を続け、時間の経過とともに冷流体の出口温度は上がり続けて温流体入口温度になり、入口と出口の温度差は一致して熱効率ｅ＝１になる。
流体の熱がすべて高温側から低温側へ移動する事は無く、入口から入った温流体は、出口で冷流体入口温度に近くなり、入口から入った冷流体は、出口で温流体入口温度に近くなるから、温流体と冷流体の入口温度の関係は出口で逆になり、出口の温度差が入口の温度差に近くなる方向に向かう。
本発明の装置の熱効率ｅは、０＜ｅ＜１の範囲になる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】  図６と図７は、密閉容器を筒型に加工して、直径の大きな管に入れた状態である。
図６に示す容器の内側に温水を通し、外側に冷水を通すと、密閉容器は外気に触れないからａ型の容器になる。
ａ型容器の内部は、高温の熱Ｓに水Ｅが作用して、低温の熱Ｐと熱の余りＱができる。
2018151154.tif 000041
温度差は一定として１−１式の化学反応をミカエリスメンテンの式により展開すると、１−２式になる。
2018151154.tif 000042
温水側は、高温の熱Ｓｈに水Ｅが作用して蒸気ＳｈＥができるが、低温の熱Ｐｌになると元の水Ｅと余った蒸気Ｑができる。この反応によって吸熱している。
この反応は不可逆である。温水側で水が蒸気になって吸熱すると、容器内部は温度が低いから蒸気は水に戻る。
温水から吸熱する反応は１−２式を計算する。
高温熱Ｓｈに水Ｅが作用すると蒸気ＳｈＥになるから、
Ｅ＋Ｓｈ＝ＳｈＥ    （１−３）
水分子の総量をＥ０として容器全体の反応は、
2018151154.tif 000043
温水側は水の蒸発により吸熱し、できた蒸気は内部の温度が低いので水になる。全部水にはならないから蒸気は少し余っている。
冷水側の発熱も１−１式から展開する。
2018151154.tif 000044
冷水側は、内部の温度Ｐｌよりも外部の温度が低いので、蒸気ＰｌＥが低温の熱Ｓｌによって水になり、蒸気の余りと元の水ができる。このときに外部に発熱する。内部の温度Ｐｌは高温だから、高温の熱Ｐｌに水Ｅが作用して元の蒸気ＰｌＥに戻る。
冷水に発熱する反応は外部から冷やされてできた水が蒸気に戻る速度と同じだから、１−５式を計算する。
高温熱Ｐｌに水Ｅが作用すると蒸気ＰｌＥになるから、
Ｅ＋Ｐｌ＝ＰｌＥ    （１−６）
水分子の総量をＥ０として容器全体の反応は、
2018151154.tif 000045
密閉容器内部の温度の関係はＳｈ＞Ｐｌ＞Ｓｌである。ＳｈとＳｌの側にそれぞれ同じ（１−２）と（１−５）の化学反応があり、同じ速度で同じ方向に進行している。内部の場所や面積、熱伝達率とは無関係に吸熱と発熱をする。ａ型が断熱するときは、（１−２）と（１−５）式の片方が成立せず、ｂ型が断熱するときは、（１−２）と（１−５）式の両方が成立しない。この吸熱と発熱と断熱の関係は、２０項に示すａ型とｂ型の特性と相違ない。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】  温水と冷水が流入を続ける限り、１−２式による吸熱側と１−５式による発熱側の二つの反応は続く事になる。温水側で水ができる速度と冷水側で蒸気ができる速度は同じなので、容器内部は動的平衡が維持できる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】  温水が冷える速度を計算すると、高温熱Ｓｈは減っていくが温水が流入して補うから、高温熱Ｓｈは一定である。
Ｖ（Ｐｌ）＝Ｋ３［ＳｈＥ］    （１−８）
ＳｈＥができる速度Ｖ（ＳｈＥ）は１−２式から
Ｖ（ＳｈＥ）＝Ｋ１［Ｓｈ］［Ｅ］−Ｋ２［ＳｈＥ］−Ｋ３［ＳｈＥ］    （１−９）
１−９式の第１項が蒸気のできる速度で、第２項と３項は水に戻る速度である。
低温熱Ｐｌも時間的に一定量できるから
Ｖ（Ｐ１）＝一定
［ＳｈＥ］＝一定
Ｖ（ＳｈＥ）＝０
容器内部は水と蒸気に分かれていて水の総量は変わらないから（１−２）式と（１−４）式を組み合わせてＶ（Ｐｌ）を一定量である［Ｅ］０，［ＳｈＥ］について求めると、
2018151154.tif 000046
ｋ３［ＳｈＥ］は水に戻る速度の最大値なので、Ｖｍとおくと
2018151154.tif 000047
低温側も同じ反応が同じ速度で同じ方向へ進行しているから
装置に流入する温水と冷水の温度と流量を一定にした場合、高温側から吸熱し低温側へ発熱して熱量が移動する速度は密閉容器内部の水の総量に比例する。つまり密閉容器の体積に比例するという事になる。
2018151154.tif 000048
装置に流入する温水と冷水の温度と流量を一定にした場合、高温側から吸熱し低温側へ発熱して熱量が移動する速度が一定の容積の中で最大になると、接触する熱量を増やしても、熱量の移動する速度は早くならない。
流路の長さを一定にして冷える速度を優先すると、熱移動率は低くなる。
熱移動率を優先すると、冷やす速度が遅くなる。
温度ｋ×流量ｋｇ／ｓ×比熱Ｊ／（ｋｇ・ｋ）＝移動する熱量Ｊ／ｓであり、入口から流入する温流体と冷流体の総熱量は、出口でも変わらない。出口から出る流量は入口から入る流量と同じだから、温流体が熱量を失うと温度が下がり、温流体が失う熱量を冷流体が得ると温度が上がる関係にある。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】  平衡定数ｋｍは、密閉容器の中が平衡で温度と圧力が一定のとき
［Ｓｈ］［Ｅ］／［ＳｈＥ］＝Ｋｍ    （１−１２）
Ｋｍは完全な定数として扱う。
水分子の総量は［Ｅ］０で、水分子（液）Ｅと水分子（気）ＳｈＥになっているから、
［Ｅ］＋［ＳｈＥ］＝［Ｅ］＋［Ｐｌ］＝［Ｅ］０    （１−１３）
（１−１２）と（１−１３）を連立して解くと、
［ＳｈＥ］／［Ｅ］０＝［Ｓｈ］／Ｋｍ＋［Ｓｈ］    （１−１４）
［Ｅ］／［Ｅ］０＝［Ｐｌ］／Ｋｍ＋［Ｐｌ］    （１−１５）
（１−１４）の左辺は、水分子全体の中で高温熱Ｓｈによって蒸気になった割合を示す。
（１−１５）の左辺は、水分子全体の中で低温熱Ｐｌによって水になった割合を示す。それが内部エネルギーに依存している。
Ｋｍ＝１として［Ｓｈ］又は［Ｐｌ］をｘとすると、ｘ／１＋ｘのグラフになる。
入口から入った温水と冷水は密閉容器を通過すると、温水の温度が下がり、冷水の温度は上昇する。温度の閾値を持たないから、出口では、温水と冷水の温度が一致する方向に向かう。横軸に通過時間、縦軸に熱損失をとった特性のグラフは、図２３に示すｘ／１＋ｘのグラフと同じになる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】  図７に示す２個のａ型ａ１，ａ２と２個のｂ型ｂ１，ｂ２の密閉容器を配列した構造体は、物理化学による４量体と同じであり、生体反応と同じ理由で特性を変える。
よって、単体の密閉容器を４個結合した４量体の構造になると、密閉容器全体の特性が変わる。単体の密閉容器が温度の閾値を持たないのに対して、密閉容器４個の構造体は温度の閾値を持つ。
入口から入る温水は、出口で冷水になり、冷水は出口で温水になるから、入口と出口では、温水と冷水の関係が逆になる。したがって、４量体の構造では、入口と出口の温度差は一致する方向に向かう。
温水の流入による高温熱Ｓｈによって密閉容器の中の水Ｅが蒸気ＳｈＥに変わる様子は
2018151154.tif 000049
平衡定数をＫＨとして、平衡の条件は
［Ｓｈ］［Ｅ］４／［ＳｈＥ４］＝ＫＨ    （１−１７）
４量体の構造に流入する温水の量を一定とすると、熱量も一定だから［Ｓｈ］０とする。
［Ｓｈ］＋［ＳｈＥ４］＝［Ｓｈ］０    （１−１８）
（１−１６）と（１−１７）を連立して解く。
［ＳｈＥ４］／［Ｓｈ］０＝［Ｅ］４／（ＫＨ＋［Ｅ］４）    （１−１９）
ＫＭ＝ＫＨ＝１として［Ｅ］＝ｘとすると
ｙＭ＝ｘ／１＋ｘ，ｙＨ＝ｘ４／１＋ｘ４となる。
横軸に通過時間、縦軸に熱効率をとった特性は、ｘ４／１＋ｘ４のグラフと同じになる。
２４項の単体の密閉容器の特性を表すｘ４／１＋ｘ４のグラフと、４量体の特性を表すｘ４／１＋ｘ４のグラフを図２３に示す。図２３の二つのグラフの違いが、単体の密閉容器と４量体の特性の違いを示している。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】  熱は電気と同じエネルギーである。本発明の装置は、吸熱と発熱によって熱量が移動するので、熱流もオームの法則と同じように計算される。密閉容器の表面から接触する物体の高温部分までの距離を熱抵抗として電気と同様に熱が流れる。２０項に示す通り、物体の接触面積や場所、経路によらず、密閉容器の形状や構造とは無関係に熱が流れる。
熱流の計算がオームの法則と同じように計算されるならば、熱と力は等価だから温度もエネルギーの損失から計算される。ｅ＝０の２つの非弾性体が衝突して１体となって進む時の速度ｕは、２つの運動量が質量ｍ１：ｍ２で混ざると考えるから、同じように温度Ｔ１流量ｑ１の流体と温度Ｔ２流量ｑ２の流体が流量ｑ１：ｑ２で混ざるときの温度は、
ｕ＝（Ｔ１ｑ１＋Ｔ２ｑ２）／（ｑ１＋ｑ２）になる。
弾性体の衝突のようにエネルギーが全く失われないｅ＝１の場合は、吸熱によって高温側が失った温度（Ｔ１−ｕ）が２倍になり、発熱によって低温側が得た温度（ｕ−Ｔ２）も２倍になるから、それぞれの温度は、Ｕ１＝２ｕ−Ｔ１  Ｕ２＝２ｕ−Ｔ２である。
エネルギーが部分的に失われて熱効率ｅが０＜ｅ＜１の範囲になる場合は、高温側が失った温度は（Ｔ１−ｕ）＋ｅ（Ｔ１−ｕ）、低温側の得た温度は（ｕ−Ｔ２）＋ｅ（ｕ−Ｔ２）になる。それぞれの出口温度は、
Ｕ１＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ１，Ｕ２＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ２，出口の温度差はＵ２−Ｕ１＝ｅ（Ｔ１−Ｔ２）になるから
熱効率はｅ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｔ１−Ｔ２）である。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】  ２４項の計算により、単体の密閉容器に流体が接触すると、接触する流体の温度の損失が最大の方向へ向かう。温度の損失が最大で熱効率が０になるのは、高温と低温の流体が混ざって同じ温度になるのと同じである。
温度Ｔ１（Ｋ），流量ｑ１（ｍ／ｓ）の温水を容器に入れて、温度Ｔ２，流量ｑ２（ｍ／ｓ）の冷水と混ぜるときの温度ｕは、外部の影響を無視すると
ｕ＝（Ｔ１ｑ１＋Ｔ２ｑ２）／（ｑ１＋ｑ２）になる。
単体の密閉容器に流体が接触して流量が増えると、高温と低温の流体は出口で温度ｕに近くなるが、２４項の計算ではｕに収束する事はない。
片方の流体がもう片方の流体に比べて流量が十分大きい場合、たとえばｑ１＜＜ｑ２のような
2018151154.tif 000050
ネルギーがあるから、出口温度がＴ２にならない。
２６項と同じ計算式になり、流体のエネルギーを全く失わない場合は熱効率
ｅ＝１でＴ１の出口温度Ｕ１は、Ｕ１＝２Ｔ２−Ｔ１になる。
熱効率ｅ＝１では２１項１−１式のＱが０になり成立しないから、熱効率ｅは０＜ｅ＜１の範囲であり、Ｕ１＝（１＋ｅ）Ｔ２−ｅＴ１である。
したがって、２４項の計算通り高温と低温の流体は、出口で温水と冷水が一致する温度ｕに近くなるが、ｕに収束する事はなく、出口温度には閾値がない。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】  図６が単体の密閉容器の装置の断面図であり、図１９が装置に流体を接触させるグラフで、計算結果が図２０である。
図６の装置で密閉容器の圧力は、−９７ｋＰａである。
図５は、密閉容器を取付けず、熱交換器と同様の装置である。
図５と図６の装置は、図４に示す通り流体の出口にバルブをつけて、流量を調整すると同時に、内部がすべて液体で満たされるようにしている。
図１８は、図５の装置に温水と冷水を流したグラフである。
２４項の計算結果は、図６の装置に温水と冷水を流せば、図１８のグラフと同様になる事を示している。
図５の装置では、流量が増えれば温水と冷水の温度は入口の温度に近くなり、片方の流量が多ければ、多い方の流量の温度に近くなる。
図６の装置では、流量が増えれば密閉容器に供給される熱量が増えて、吸熱と発熱により移動する熱量も増えるから、温水と冷水の温度は収束する温度ｕに近くなるが、片方の流量が多くても２７項の計算により収束はしない。
これを示しているのが図１９のグラフで、外気温度が低いために構造上温水出口温度よりも冷水出口温度が低くなっている。外気温度が上昇すると冷水出口温度は冷水入口温度になっている。温水出口温度は、それよりも低い。熱効率はｅ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｔ１−Ｔ２）で、これを計算したのが図２０である。図２０から
２７項の計算温度と実測した温度は、一致する。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】  ａ型のａ１，ａ２の容器は単体の密閉容器で、温水から吸熱して冷水へ放熱している。
ｂ型のｂ１，ｂ２は、２つの容器をパイプでつないで密閉し、つながっている密閉容器の中の水と蒸気が通り一体の構造とする事で温水から吸熱して周囲に放熱する、または周囲から吸熱して冷水へ放熱できるようにしている。
４量体を構成する図７の装置は、ａ型とｂ型の容器を以下のように配列している。
冷却対象となる温度Ｔ１の温水が温水入口から流入すると、密閉容器ａ１に接触し、次に密閉容器ｂ２に接触して温水出口から排出される。
温度Ｔ２の冷水が冷水入り口から入ると、密閉容器ｂ２とａ２に接触し、次にａ１とｂ１に接触する。１回目の折り返しから２つの密閉容器ｂ１に接触し、次に密閉容器ａ２とｂ２に接触する。２回目の折り返しから密閉容器ｂ２に接触し、次に密閉容器ｂ１に接触して排出される。２回目の折り返しがなく、冷水が排出される構造でも良い。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】  ２５項が２４項から特性を変える理由は、生体反応と同じである。図７の装置は、電気回路と同様に熱流が流れて特性が変わるように、密閉容器を２９項の順に流体がａ型とｂ型の密閉容器に接触する配列をする。密閉容器の材質、形状、熱伝達率には影響されない。
４量体の吸熱と発熱の経路は、温度Ｔ１の温流体が温流体入口から流入すると、ａ１に接触して吸熱され、流体温度はＴｃ１に下がる。次にｂ２に接触して、周囲の温度を上昇させる一方、流体温度はＴｃ２に下がって温流体出口から流出する。
温度Ｔ２の冷流体は、冷流体入口から流入するとｂ２とａ２に接触し、周囲温度下げる事によって流体温度が上昇すると同時に、入り口の温度の低い部分へａ２が放熱するから、流体温度はＴｈ１に上がる。次にｂ１とａ１に接触し、ａ１の放熱により温度はＴｈ２に上がると同時にｂ１に吸熱されて周囲の温度が上昇するから、流体の温度上昇は低く抑えられ、ａ１は温流体から吸熱しやすくなる。
次に折り返して二つのｂ１と接触し、周囲温度よりも流体の温度が高ければ、ｂ１がさらに吸熱するが、流体は周囲の温度と同じか低い温度で通過する。
次にｂ２とａ２に接触し、ａ２は流体から吸熱して冷流体入口から入る温度の低い冷流体に放熱する。ａ２によって流体の温度が下がればｂ２は周囲から吸熱し、流体温度を上昇させるから流体の温度は下がりにくくなり、ａ２は吸熱しやすくなる。ここから２回目を折り返してｂ２に接触し、次にｂ１に接触する。周囲の熱によって流体の温度を上げながら冷流体出口から流出する。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】  熱と力は等価であり、流体のエネルギーを全く損失しないとして熱効率ｅ＝１の場合には、結果として出てくる高温側の温度はＵ１、低温側の温度をＵ２とすると、高温側が失う温度はＵ１＝２ｕ−Ｔ１  低温側の温度はＵ２＝２ｕ−Ｔ２になる。
しかし、ｅ＝１では２１項の１−１式がＱ＝０となるから成立しない。
移動する流体のエネルギーの一部は損失するから、熱効率ｅは０＜ｅ＜１の範囲になる。高温側が失った温度は、（Ｔ１−ｕ）＋ｅ（Ｔ１−ｕ）低温側の得た温度は、
（ｕ−Ｔ２）＋ｅ（ｕ−Ｔ２）になる。
それぞれの温度は、Ｕ１＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ１，Ｕ２＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ２，出口の温度差は、
Ｕ２−Ｕ１＝ｅ（Ｔ１−Ｔ２）になるからｅ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｔ１−Ｔ２）である。
２５項の計算には平衡定数があり、実際にはＫｍ＝１ではないから、出口の温度はそれぞれ平衡定数を掛けた値Ｋ１・Ｕ１，Ｋ２・Ｕ２  になるので、平衡定数の分が計算値と実測値の誤差になる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９】
2018151154.tif 000051
【手続補正書】
【提出日】平成29年7月27日(2017.7.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】  ６項の密閉容器は、ルシャトリエの法則により接触する高温物質から吸熱し、同時に接触している低温物質へ放熱する。吸熱と発熱をしないときは、トムソンの原理とクラジウスの原理により断熱している。ルシャトリエの法則による吸熱と発熱により、気液平衡の密閉容器内部状態は変化しないが、密閉容器外部に接触する熱と熱平衡になる時間は、熱抵抗によって決まる。
この性質を利用する為、６項の密閉容器を外部と断熱した閉鎖系のａ型と、外部と断熱していない開放系のｂ型にする。ａ型は接触する高温物質から吸熱し、同時に接触している低温物質へ放熱するが、高温または低温物質だけの接触では吸熱と発熱をせず断熱している。ｂ型は接触する高温物質から吸熱して周囲へ放熱する場合と、周囲から吸熱して接触する低温物質へ放熱する場合がある。高温物質と低温物質が同時に接触すると、吸熱と発熱をせず断熱している。吸熱と発熱と断熱は、ヘスの法則により接触する物の接触面積や密閉容器を構成する物質の熱伝達率、形状には影響されない。
密閉容器内部は動的平衡であり、伝導、放射、対流による熱伝達はしない。
ａ型及びｂ型の単体の密閉容器の特性は、高温側から吸熱し低温側へ放熱するが、高温側温度が密閉容器内部温度または周囲温度に近いか、低温側の温度が密閉容器内部温度または周囲温度に近いと断熱する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】  図７に示すａ型２個、ｂ型２個で構成する４量体の構造は、冷却対象となる温流体が温流体入口から流入すると、密閉容器ａ１に接触し、次に密閉容器ｂ２に接触して温流体出口から流出する。
冷流体が冷流体入り口から入ると、密閉容器ｂ２とａ２に接触し、次にａ１とｂ１に接触する。１回目の折り返しから２つの密閉容器ｂ１に接触し、次に密閉容器ａ２とｂ２に接触する。２回目の折り返しから密閉容器ｂ２に接触し、次に密閉容器ｂ１に接触して流出する。
２回目の折り返しがなく、冷流体が流出する構造でも良い。
密閉容器ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は、隣同士で熱の移動をしないように隔壁を設ける。
接触する流体は、吸熱と発熱により熱量が移動する事によって温度変化し、隣の密閉容器に接触する事により、さらに温度変化できれば良く、液体に限らず粉流体や気体でも良い。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】  ４量体の吸熱と発熱の経路は、温度Ｔ１の温流体が温流体入口から流入すると、ａ１に接触して吸熱され、流体温度はＴｃ１に下がる。次にｂ２に接触して、周囲の温度を上昇させる一方、流体温度はＴｃ２に下がって温流体出口から流出する。
温度Ｔ２の冷流体は、冷流体入口から流入するとｂ２とａ２に接触し、周囲温度を下げる事によって冷流体温度が上昇すると同時に、入り口の温度の低い部分へａ２が放熱するから、流体温度はＴｈ１に上がる。次にｂ１とａ１に接触し、ａ１の放熱により温度はＴｈ２に上がると同時にｂ１に吸熱されて流体の温度上昇は低く抑えられ、ａ１は温流体から吸熱しやすくなる。
次に折り返して二つのｂ１と接触し、周囲温度よりも流体の温度が高ければ、ｂ１がさらに吸熱するが、流体は周囲の温度と同じか低い温度で通過する。
次にｂ２とａ２に接触し、ａ２は流体から吸熱して冷流体入口から入る温度の低い冷流体に放熱する。ａ２によって流体の温度が下がればｂ２は周囲から吸熱し、冷流体に放熱して温度を上昇させるから流体の温度は下がりにくくなり、ａ２は吸熱しやすくなる。ここから２回目を折り返してｂ２に接触し、次にｂ１に接触する。周囲の熱によって流体の温度を上げながら冷流体出口から流出する。
ａ型とｂ型の密閉容器の吸熱と発熱は、形状、大きさ、熱伝達率の大小とは無関係であり、熱流は電流と同じようにオームの法則にしたがって流れるから、
４個の密閉容器を組み合わせると、連携して一つの密閉容器のように吸熱と発熱をする熱流の回路ができる。
機械的に動作する構造を持たない示強変数であるａ型２個とｂ型２個の密閉容器を、１０項のように配列して組み合わせ、一体となる事で実現する熱流の回路の働きは、機械的に動作する構造を持つ示量変数である４量体と同じである。
単体の密閉容器とは特性が変わって温度の閾値を持ち、出口の温度は精密に決められる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】  流量比が１：１で、流体の熱量がすべて高温側から低温側へ移動する装置であれば、ａ１は温流体からの吸熱を続け、時間の経過とともに温流体の出口温度は下がり続けて冷流体入口温度になり、ａ２は冷流体への放熱を続け、時間の経過とともに冷流体の出口温度は上がり続けて温流体入口温度になり、入口と出口の温度差は一致して熱効率ｅ＝１になる。
流体の熱量がすべて高温側から低温側へ移動する事は無く、入口から入った温流体は、出口で冷流体入口温度に近くなり、入口から入った冷流体は、出口で温流体入口温度に近くなるから、温流体と冷流体の入口温度の関係は出口で逆になり、出口の温度差が入口の温度差に近くなる方向に向かう。
本発明の装置の熱効率ｅは、０＜ｅ＜１の範囲になる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】  閾値を持たない単体の密閉容器ａ型ａ１，ａ２とｂ型ｂ１，ｂ２の２個づつ４個で構成される４量体の装置は、
１．吸熱と発熱によって熱量が移動する事により、熱効率を持つ。
２．温度の閾値を持ち、入口と出口の温度の関係が逆になって出口の温度差は入口の温      度差と一致する方向に向かう。
３．入口から入る温流体と冷流体の温度と流量、装置の熱効率と平衡定数から出口温度      が精密に決まる。
４．入口温度、流量が多少変動しても出口温度の変動が抑えられる。
５．熱量が移動するので、温度差が小さくても流量差を大きくすると温度差を大きくし      たのと同じ効果が得られる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】  実施形態に係る装置を構成する密閉容器は、内部に気液平衡状態の単一物質だけを詰める。実施例では水を詰めている。密閉容器内部を理想気体とすると状態式はＰＶ＝ｎＲＴである。１モル当たりの体積は、系のサイズとは無関係な示強変数であり、モル体積と部分モル体積は等しい関係にある。実施形態に係る装置を構成する密閉容器は内部エネルギーであり、可逆反応である。
不可逆反応では熱力学が成立し、内部の気体の状態式はＰＶ＝ＲＴである。
モル体積と部分モル体積は一致して０になるから、体積は示量変数である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】  １５項の密閉容器は、周囲を断熱材で覆って周囲から断熱するａ型と、周囲を開放するｂ型がある。図１と図２の装置は、真空ポンプと真空容器、ジャケット付きビーカーをホースでつなぎ、バルブで仕切っている。
熱電対は、Ｎｏ１真空容器内部温度、Ｎｏ２ビーカー温度、Ｎｏ３ジャケット付きビーカー温度、Ｎｏ４外気温度を測定するが、実施例に応じて測定箇所を変更している。各グラフには温度測定箇所が分かるように、図を付けて示している。
水は、温度によって飽和蒸気圧が決まっている為、使用する温度によって圧力を決め、蒸気比体積から真空容器に詰める水量を求めている。
真空容器には水を入れ、真空ポンプで余剰の水を排出している。
真空容器には水を入れ、真空ポンプで余剰の水を排出している。
真空容器の圧力は、すべて−９７ｋＰａで温度測定をしている。
真空容器に接触する温水と冷水は、金属カップを使用している。
真空容器とジャケット付きビーカーに断熱材を巻いてａ型を構成し、露出させてｂ型を構成している。
図８から図１１がａ型を示すグラフであり、図１２から図１６はｂ型を示すグラフである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】  図１の装置には、同一条件の容器に同量の温水、または冷水が入った容器を置いて、温度を比較している。圧力はすべて−９７ｋＰａである。
図１の装置で、ａ型の真空容器に高温と低温が接触すると、図１１のグラフでは隣に置いたビーカーの温水よりも、真空容器に接触したカップの温水の温度勾配が急になる事から、ルシャトリエの法則により高温側から吸熱して、低温側へ放熱している。
図１の装置で、ａ型の真空容器に高温のみ接触すると、図８のグラフからトムソンの原理により吸熱しない。
図１の装置で、真空部の容積が違うａ型のジャケット付きビーカーに温水を入れると、図９のグラフから、１５項により体積の大きさとは無関係に断熱している事がわかる。
図１の装置で、ａ型のジャケット付きビーカーに冷水を入れると、図１０のグラフから、クラジウスの原理により断熱している事がわかる。
もし図１１のグラフが熱伝達による物だとしたら、高温だけの接触では、真空容器が暖められてトムソンの原理が成立しない。図１１のグラフのように同一条件の温水より早く冷えると考えられるが、図８と図９のグラフではそうなっていない。トムソンの原理が成立するとクラジウスの原理も成立するので、図１０のグラフから低温のみの接触では発熱しない。
周囲を断熱したａ型の密閉容器を構成して、温水と冷水が同時に接触すると、温水から吸熱して冷水へ放熱する。温水だけあるいは冷水だけの接触では、断熱する。熱伝達によらず、吸熱と発熱によって熱が移動する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】  図１の装置で、圧力はすべて−９７ｋＰａである。
図１の装置で、ｂ型の真空容器に高温が接触すると、図１２のグラフでは隣に置いたビーカーの温水よりも、真空容器に接触したカップの温水の温度勾配が急になる事から、ルシャトリエの法則により高温側から吸熱して、周囲に放熱している。
図１の装置で、ｂ型のジャケット付きビーカーに温水を入れると、図１３のグラフでは高温側から吸熱して周囲へ放熱している。吸熱と発熱は密閉容器の容積の大きさには無関係である。
図１の装置で、ｂ型のジャケット付きビーカーに氷を入れると、図１４のグラフではルシャトリエの法則により周囲から吸熱して低温側へ放熱している。
図１の装置で、ｂ型の真空容器に高温と低温が接触すると図１５のグラフは、トムソンの原理とクラジウスの原理により断熱している。図８のグラフと冷え方が似ているが、クラジウスの原理により冷水は温度上昇していない。クラジウスの原理が成立するとトムソンの原理も成立するので、ｂ型の真空容器は断熱している。
図２の装置は、パレットの中にジャケット付きビーカーと同容積のビーカーを並べ、パレットには氷水を入れている。図１６のグラフから、ビーカーの温水はすぐに冷えるが、ジャケット付きビーカーの温水は冷えていない。高温と低温の接触では断熱している。
周囲を開放するｂ型の真空容器は、温水が接触すると吸熱して、周囲に放熱する。冷水が接触すると発熱して、周囲の熱を吸熱する。温水と冷水の接触では断熱する。
熱伝達によらず、吸熱と発熱によって熱が移動する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】  図１の装置で、露出したジャケット付きビーカーに温水を入れると、図１７のグラフでは隣に置いたビーカーと同じ早さで冷えている。密閉容器の中は蒸気が過剰であり、空気も混ざって８０ｋＰａになっているから、吸熱も発熱も断熱もしていない。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】図６と図７は、密閉容器を筒型に加工して、直径の大きな管に入れた状態である。
図６に示す容器の内側に温水を通し、外側に冷水を通すと、密閉容器は外気に触れないからａ型の密閉容器になる。
ａ型の密閉容器の内部は、高温の熱Ｓに水Ｅが作用して、低温の熱Ｐと熱の余りＱができる。
2018151154.tif 000052
温度差は一定として１−１式の化学反応をミカエリスメンテンの式により展開すると、１−２式になる。
2018151154.tif 000053
温水側は、高温の熱Ｓｈに水Ｅが作用して蒸気ＳｈＥができるが、低温の熱Ｐ１になると元の水Ｅと余った蒸気Ｑができる。この反応によって吸熱している。
この反応は不可逆である。温水側で水が蒸気になって吸熱すると、密閉容器内部は温度が低いから蒸気は水に戻る。
温水から吸熱する反応は１−２式を計算する。
高温熱Ｓｈに水Ｅが作用すると蒸気ＳｈＥになるから、
Ｅ＋Ｓｈ＝ＳｈＥ      （１−３）
水分子の総量をＥ０として密閉容器全体の反応は、
2018151154.tif 000054
温水側は水の蒸発により吸熱し、できた蒸気は内部の温度が低いので水になる。全部水にはならないから蒸気は少し余っている。
冷水側の発熱も１−１式から展開する。
2018151154.tif 000055
冷水側は、内部の温度Ｐ１よりも外部の温度が低いので、蒸気Ｐ１Ｅが低温の熱Ｓ１によって水になり、蒸気の余りと元の水ができる。このときに外部に発熱する。内部の温度Ｐ１は高温だから、高温の熱Ｐ１に水Ｅが作用して元の蒸気Ｐ１Ｅに戻る。
冷水に発熱する反応は外部から冷やされてできた水が蒸気に戻る速度と同じだから、１−５式を計算する。
高温熱Ｐ１に水Ｅが作用すると蒸気Ｐ１Ｅになるから、
Ｅ＋Ｐ１＝Ｐ１Ｅ      （１−６）
水分子の総量をＥ０として密閉容器全体の反応は、
2018151154.tif 000056
密閉容器内部の温度の関係はＳｈ＞Ｐ１＞Ｓ１である。ＳｈとＳ１の側にそれぞれ同じ（１−２）と（１−５）の化学反応があり、同じ速度で同じ方向に進行している。内部の場所や面積、熱伝達率とは無関係に吸熱と発熱をする。ａ型が断熱するときは、（１−２）と（１−５）式の片方が成立せず、ｂ型が断熱するときは、（１−２）と（１−５）式の両方が成立しない。この吸熱と発熱と断熱の関係は、２０項に示すａ型とｂ型の特性と相違ない。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】  温水と冷水が流入を続ける限り、１−２式による吸熱側と１−５式による発熱側の二つの反応は続く事になる。温水側で水ができる速度と冷水側で蒸気ができる速度は同じなので、密閉容器内部は動的平衡が維持できる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】  温水が冷える速度を計算すると、高温熱Ｓｈは減っていくが温水が流入して補うから、高温熱Ｓｈは一定である。
Ｖ（Ｐ１）＝Ｋ３［ＳｈＥ］    （１−８）
ＳｈＥができる速度Ｖ（ＳｈＥ）は１−２式から
Ｖ（ＳｈＥ）＝Ｋ１［Ｓｈ］［Ｅ］−Ｋ２［ＳｈＥ］−Ｋ３［ＳｈＥ］    （１−９）
１−９式の第１項が蒸気のできる速度で、第２項と３項は水に戻る速度である。
低温熱Ｐ１も時間的に一定量できるから
Ｖ（Ｐ１）＝一定
［ＳｈＥ］＝一定
Ｖ（ＳｈＥ）＝０
密閉容器内部は水と蒸気に分かれていて水の総量は変わらないから（１−２）式と（１−４）式を組み合わせてＶ（Ｐ１）を一定量である［Ｅ］０，［ＳｈＥ］について求めると、
2018151154.tif 000057
ｋ３［ＳｈＥ］は水に戻る早さの最大値なので、Ｖｍとおくと
2018151154.tif 000058
低温側も同じ反応が同じ速度で同じ方向へ進行しているから装置に流入する温水と冷水の温度と流量を一定にした場合、高温側から吸熱し低温側へ発熱して熱量が移動する速度は密閉容器内部の水の総量に比例する。つまり密閉容器の体積に比例するという事になる。
2018151154.tif 000059
装置に流入する温水と冷水の温度と流量を一定にした場合、高温側から吸熱し低温側へ発熱して熱量が移動する速度が一定の容積の中で最大になると、接触する熱量を増やしても、熱量の移動する速度は早くならない。
流路の長さを一定にして冷える速さを優先すると、熱移動率は低くなる。
熱移動率を優先すると、冷やす速度が遅くなる。
温度ｋ×流量ｋｇ／ｓ×比熱Ｊ／（ｋｇ・ｋ）＝移動する熱量Ｊ／ｓであり、入口から流入する温水と冷水の総熱量は、出口でも変わらない。入口から入る流量は出口から出る流量と同じだから、温水が熱量を失うと温度が下がり、温水が失う熱量を冷水が得ると温度が上がる関係にある。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】  図７に示す２個のａ型ａ１，ａ２と２個のｂ型ｂ１，ｂ２の密閉容器を配列した構造体は、物理化学による４量体と同じであり、生体反応と同じ理由で特性を変える。
よって、単体の密閉容器を４個結合した４量体の構造になると、密閉容器全体の特性が変わる。単体の密閉容器が温度の閾値を持たないのに対して、密閉容器４個の構造体は温度の閾値を持つ。
入口から入る温水は、出口で冷水になり、冷水は出口で温水になるから、入口と出口では、温水と冷水の関係が逆になる。したがって、４量体の構造では、入口と出口の温度差は一致する方向に向かう。
温水の流入による高温熱Ｓｈによって密閉容器の中の水Ｅが蒸気ＳｈＥに変わる様子は
2018151154.tif 000060
平衡定数をＫＨとして、平衡の条件は
［Ｓｈ］［Ｅ］４／［ＳｈＥ４］＝ＫＨ    （１−１７）
４量体の構造に流入する温水の量を一定とすると、熱量も一定だから［Ｓｈ］０とする。
［Ｓｈ］＋［ＳｈＥ４］＝［Ｓｈ］０    （１−１８）
（１−１６）と（１−１７）を連立して解く。
［ＳｈＥ４］／［Ｓｈ］０＝［Ｅ］４／（ＫＨ＋［Ｅ］４）    （１−１９）
ＫＭ＝ＫＨ＝１として［Ｅ］＝ｘとすると
ｙＭ＝ｘ／１＋ｘ，ｙＨ＝ｘ４／１＋ｘ４となる。
横軸に通過時間、縦軸に熱効率をとった特性は、
ｘ４／１＋ｘ４のグラフと同じになる。
２４項の単体の密閉容器の特性を表すｘ／１＋ｘのグラフと、４量体の特性を表す
ｘ４／１＋ｘ４のグラフを図２３に示す。図２３の二つのグラフの違いが、単体の密閉容器と４量体の特性の違いを示している。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】追加
【補正の内容】
【００２６】  熱は電気と同じエネルギーである。本発明の装置は、吸熱と発熱によって熱量が移動するので、熱流もオームの法則と同じように計算される。密閉容器の表面から接触する物体の高温部分までの距離を熱抵抗として電気と同様に熱が流れる。２０項に示す通り、物体の接触面積や場所、経路によらず、密閉容器の形状や構造とは無関係に熱が流れる。
熱流の計算がオームの法則と同じように計算されるならば、熱と力は等価だから温度もエネルギーの損失から計算される。ｅ＝０の２つの非弾性体が衝突して１体となって進む時の速度ｕは、２つの運動量が質量ｍ１：ｍ２で混ざると考えるから、同じように温度Ｔ１流量ｑ１の流体と温度Ｔ２流量ｑ２の流体が流量ｑ１：ｑ２で混ざるときの温度は、
ｕ＝（Ｔ１ｑ１＋Ｔ２ｑ２）／（ｑ１＋ｑ２）になる。
温流体と冷流体の比熱が異なる時は、流量×比熱とする。
弾性体の衝突のようにエネルギーが全く失われないｅ＝１の場合は、吸熱によって高温側が失った温度（Ｔ１−ｕ）が２倍になり、発熱によって低温側が得た温度（ｕ−Ｔ２）も２倍になるから、それぞれの温度は、Ｕ１＝２ｕ−Ｔ１  Ｕ２＝２ｕ−Ｔ２である。
エネルギーが部分的に失われて熱効率ｅが０＜ｅ＜１の範囲になる場合は、高温側が失った温度は（Ｔ１−ｕ）＋ｅ（Ｔ１−ｕ）、低温側の得た温度は（ｕ−Ｔ２）＋ｅ（ｕ−Ｔ２）になる。それぞれの出口温度は、
Ｕ１＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ１，Ｕ２＝（１＋ｅ）ｕ−ｅＴ２，出口の温度差はＵ２−Ｕ１＝ｅ（Ｔ１−Ｔ２）になるから
熱効率はｅ＝（Ｕ２−Ｕ１）／（Ｔ１−Ｔ２）である。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】  ａ型のａ１，ａ２の密閉容器は単体の密閉容器で、温水から吸熱して冷水へ放熱している。ｂ型のｂ１，ｂ２は、２つの容器をパイプでつないで密閉し、つながっている密閉容器の中の水と蒸気が通り一体の構造とする事で温水から吸熱して周囲に放熱する、または周囲から吸熱して冷水へ放熱できるようにしている。
４量体を構成する図７の装置は、ａ型とｂ型の密閉容器を以下のように配列している。
冷却対象となる温度Ｔ１の温水が温水入口から流入すると、密閉容器ａ１に接触し、次に密閉容器ｂ２に接触して温水出口から排出される。
温度Ｔ２の冷水が冷水入り口から入ると、密閉容器ｂ２とａ２に接触し、次にａ１とｂ１に接触する。１回目の折り返しから２つの密閉容器ｂ１に接触し、次に密閉容器ａ２とｂ２に接触する。２回目の折り返しから密閉容器ｂ２に接触し、次に密閉容器ｂ１に接触して排出される。２回目の折り返しがなく、冷水が排出される構造でも良い。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】  ３２項が示す実施例の図７の装置に流した流量は少ないが、２３項の計算から密閉容器の体積と、吸熱と発熱による熱量の移動量は比例するので、密閉容器の体積を大きくすると流量が増やせる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】  雑菌が繁殖する温度帯で冷却効率が良く、早く冷却するために潜熱の大きい純水を密閉容器内部に詰めるが、一定容積で化学変化をしない気体と液体が、動的平衡状態で相変化による潜熱を利用できる物質であれば、水以外の物質を密閉容器に詰めても良い。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】追加
【補正の内容】
【００３７】  ２１項に示す計算の通り、密閉容器内部で２つの同じ化学反応が同じ速度で同じ方向へ進むから、密閉容器に接触する流体の冷却と加熱は同じである。
したがって、本発明の液体冷却装置を液体加熱装置とする事もできる。
実施形態に記載している本発明の装置は、内部に気液平衡状態の単一物質だけを詰め、内部の気体の状態式をＰＶ＝ｎＲＴとする密閉容器が、高温側から吸熱し、低温側で発熱する事と、吸熱と発熱をしない時は断熱する事を利用している。
温度ｋ×流量ｋｇ／ｓ×比熱Ｊ／（ｋｇ・ｋ）＝移動する熱量Ｊ／ｓであり、高温と低温の流体が接触すると流体のエネルギーを使い熱量を移動するが、入口から入る温流体と冷流体の総熱量は出口でも変わらない。入り口から入る流量も出口で変わらないから、熱量が移動すると温度だけが変化する。単体の密閉容器に流体が接触すると、入り口から入る温流体と冷流体の熱量は流体のエネルギーにより、出口で一致する方向に向かう。その結果、出口の温度差は０に近くなる方向へ向かう。
４量体を構成する構造体は、流体のエネルギーにより温流体と冷流体の熱量が一致し、さらに熱効率ｅ倍の熱量が移動する。したがって、入り口から入る温流体と冷流体の温度は出口で逆になり、出口の温度差は入り口の温度差に近くなる。
実施形態で開示している論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施形態、実施例及び運用形態が明らかになる。このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施形態等を含む事はもちろんである。
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月14日(2017.8.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本発明は、単一物質の液体と気体だけを詰め、内部が気液平衡状態の密閉容器で冷却装置を構成し、内部エネルギーによって熱力学による熱移動をしない可逆熱機関の装置として動作し、装置を構成する単体の密閉容器は、接触する高温側と低温側の物質の面積、形状、熱の経路によらず、密閉容器の形状、構造、熱伝達率とは無関係に高温側から吸熱し、低温側で発熱する、または高温側に熱がない状態か、低温側に熱がある状態の時は、吸熱と発熱をせずに断熱する特性を持ち、高温と低温の流体が接触すると、密閉容器内部では流体のエネルギーを使い、２つの同じ化学反応が同じ速度で同じ方向へ進行して吸熱と発熱を続ける事により、出口温度は収束する温度に向かい、流量に応じて熱量を移動するが、温度の閾値を持たず、密閉容器のａ型２個とｂ型２個を使って温流体と冷流体の流路を作る事により、電気回路のように熱流の回路を構成する本発明の装置は、個々の密閉容器の吸熱と発熱を連携しておこなう生体反応と同じ仕組みの４量体となるから、単体の密閉容器とは特性が変わって入口から入る温流体と冷流体の温度が出口で逆になり、流体温度の閾値と熱効率を持ち、熱量を高温側と低温側のどちらでも流体のエネルギーを動力源とするポンプのように移動させる事ができて、温流体と冷流体の入口温度と流量比と熱効率と平衡定数によって出口温度が精密に決められる事を特徴とする液体冷却装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】  ４量体の吸熱と発熱の経路は、温度Ｔ１の温流体が温流体入口から流入すると、ａ１に接触して吸熱され、流体温度はＴｃ１に下がる。次にｂ２に接触して、周囲の温度を上昇させる一方、流体温度はＴｃ２に下がって温流体出口から流出する。
温度Ｔ２の冷流体は、冷流体入口から流入するとｂ２とａ２に接触し、周囲温度を下げる事によって冷流体温度が上昇すると同時に、入り口の温度の低い部分へａ２が放熱するから、流体温度はＴｈ１に上がる。次にｂ１とａ１に接触し、ａ１の放熱により温度はＴｈ２に上がると同時にｂ１に吸熱されて流体の温度上昇は低く抑えられ、ａ１は温流体から吸熱しやすくなる。
次に折り返して二つのｂ１と接触し、周囲温度よりも流体の温度が高ければ、ｂ１がさらに吸熱するが、流体は周囲の温度と同じか低い温度で通過する。
次にｂ２とａ２に接触し、ａ２は流体から吸熱して冷流体入口から入る温度の低い冷流体に放熱する。ａ２によって流体の温度が下がればｂ２は周囲から吸熱し、冷流体に放熱して温度を上昇させるから流体の温度は下がりにくくなり、ａ２は吸熱しやすくなる。ここから２回目を折り返してｂ２に接触し、次にｂ１に接触する。周囲の熱によって流体の温度を上げながら冷流体出口から流出する。
ａ型とｂ型の密閉容器の吸熱と発熱は、形状、大きさ、熱伝達率の大小とは無関係であり、熱流は電流と同じようにオームの法則にしたがって流れるから、４個の密閉容器を組み合わせると熱流の回路ができ、連携して一つの密閉容器のように吸熱と発熱をする。
機械的に動作する構造を持たない示強変数であるａ型２個とｂ型２個の密閉容器を、１０項のように配列して組み合わせ、一体となる事で実現する熱流の回路の働きは、機械的に動作する構造を持つ示量変数である４量体と同じである。
単体の密閉容器とは特性が変わって温度の閾値を持ち、出口の温度は精密に決められる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】  流量比が１：１で、流体のエネルギーによって熱量をすべて移動する装置であれば、温流体と冷流体の熱量は一致し、さらに同じ熱量が移動する。温流体は冷流体入口温度になり、冷流体は温流体入口温度になるから、入口と出口の温度差は一致する。熱効率ｅは１になる。
熱量がすべて移動する事は無いから、温流体と冷流体の熱量は一致し、さらに熱効率ｅ倍の熱量が移動する。入口から入った温流体は、出口で冷流体入口温度に近くなる。入口から入った冷流体は、出口で温流体入口温度に近くなる。
温流体と冷流体の入口温度の関係は出口で逆になり、出口の温度差は入口の温度差の熱効率ｅ倍になる。本発明の装置の熱効率ｅは、０＜ｅ＜１の範囲になる。
出口の温度は、温流体と冷流体の入口温度と流量比と熱効率と平衡定数によって決まる。流量比を変えると、出口の温度調節ができる。
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月10日(2017.10.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本発明は、内部エネルギーによって熱力学による熱移動をしない可逆熱機関であり、内部をすべて単一物質の液体と気体による気液平衡状態にする密閉容器で前記可逆熱機関を構成できて、前記密閉容器の単体は、温物質からの吸熱と温物質よりも温度が低い冷物質への発熱を同時におこなう特性と、吸熱と発熱をしないときは断熱する特性と、前記密閉容器に接触する温流体、及び温流体よりも温度の低い冷流体のエネルギーにより、前記温流体は熱量を失い、冷流体は温流体が失う熱量を得る特性を備える事と、温物質及び冷物質以外の熱は接触しない容器構造により、温物質からの吸熱及び冷物質への発熱、あるいは温物質又は冷物質の片方の熱の接触では断熱する特性を持つａ型密閉容器と、温物質、冷物質、及び温物質よりも温度が低く、冷物質よりも温度が高い第３温度の物質の熱が接触できる容器構造により、温物質からの吸熱、及び第３温度の物質への発熱、もしくは第３温度の物質からの吸熱、及び冷物質への発熱、あるいは温物質と冷物質と第３温度の物質の熱の接触により断熱する特性を持つｂ型密閉容器ができる事と、前記ａ型密閉容器２個、及びａ型密閉容器２個の内部の物質が自由に通るように接続する事により、温度の違う３つの熱が接触する前記ｂ型密閉容器２個で構成する４量体は、温流体と冷流体以外の熱は接触しない構造と、隣り合う２個の密閉容器の間を断熱する構造を備える事と、第１ａ型密閉容器、次に第２ｂ型密閉容器の直列配置、及び流体流路を挟んで向かい側に第１ｂ型密閉容器、次に第２ａ型密閉容器の直列配置、及び流体流路を挟んで向かい側に第１ｂ型密閉容器、次に第２ｂ型密閉容器を直列配置する３行の密閉容器配列を備える事と、温流体が前記第１ａ型密閉容器に接触する入口から入り、次に第２ｂ型密閉容器の順に接触して排出する温流体流路と、冷流体が前期第２ｂ型密閉容器、第２ａ型密閉容器の間を通る入口から入り、次に第１ａ型密閉容器、第１ｂ型密閉容器の間を通り、次に第１ｂ型密閉容器に接触しながら１回目を折り返し、第１ｂ型密閉容器２個の間を通り、次に第２ａ型密閉容器、第２ｂ型密閉容器の間を通って排出する、もしくは第２ｂ型密閉容器に接触しながら２回目を折り返し、第２ｂ型密閉容器、次に第１ｂ型密閉容器に接触して排出する冷流体流路を備える事により、温流体は失う熱量及び熱効率ｅ倍の熱量を失い、冷流体は温流体が失う前記熱量を得る事ができ、流入する温流体と冷流体の入口温度及び流量と前記４量体の熱効率から、温流体と冷流体の出口温度が決まる液体冷却装置。