(57)【要約】本発明は、膨張及び圧縮サイクルに用いられる蒸気作業物質に熱を供給すること、及び、前記サイクルの膨張段階でエクセルギーを得ることによって、エネルギーをエクセルギーに変換する方法に関する。前記サイクルは、作業物質の単相領域で行われ、液体状態の作業物質が圧縮段階においてサイクルに供給される。【選択図】図２
2008514864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張（１８）及び圧縮（１９）サイクルで用いられる蒸気作業物質に熱を供給すること、及び、前記サイクルの膨張段階でエクセルギーを得ることによって、エネルギーをエクセルギーに変換する方法であって、
前記サイクルが、前記蒸気作業物質の単相領域で実行されること、及び、
液体状態の作業物質が圧縮段階（１９）で前記サイクルに供給（２０）されることを特徴とする方法。
【請求項２】
供給された液体作業物質の量は、圧縮が、少なくとも部分的に、飽和した乾き蒸気作業物質の凝縮線に沿って行われるように調整される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記作業物質が、膨張段階（１９）の前（２１）に過熱される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記膨張が等温的に行われる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記作業物質が、多段等圧過熱及び多段断熱膨張する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記作業物質が、多段等積過熱及び多段断熱膨張する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
熱力学的Ｔ−Ｓ図に描かれたときに、前記サイクルが、
ポイント２（Ｔ３，Ｓ４）からポイント３（Ｔ１，Ｓ３）への等圧圧縮；
ポイント３からポイント４（Ｔ２，Ｓ１）までの凝縮線に沿った圧縮；
ポイント４からポイント１（Ｔ３，Ｓ２）までの等積過熱；
ポイント１からポイント４までの等温又は多段膨張；
を備えている、請求項４〜６のいずれかに記載の方法。
（Ｔ及びＳはそれぞれ温度及びエントロピーであり、Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ１、Ｐ３及びＰ４は臨界点より低い凝縮線上の点であり、Ｐ１及びＰ２は単相領域にある）
【請求項８】
デタンダー内での膨張後に蒸気作業物質が、他の熱源によって初期状態に環状遷移し、それに伴って、熱交換及び仕事の実行が生じることなく、非相反遷移の熱エクセルギーの理想的な再生、及び、他の熱源の温度場においてそのエントロピーの不可逆的な増加が生じる、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記作業物質が圧縮段階（１９）において臨界点のレベルより低く加熱され、さらに、前記作業物質の加熱、及び、膨張過程前における前記作業物質の等積過熱、及び、膨張過程における前記作業物質の多段等圧過熱が、乾き飽和蒸気の温度場で実行される、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記作業物質のエントロピーの不可逆的で継続した周期的な変化が、他の熱源の温度場においてその熱アネルギーを変更することによって行われる、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記作業物質の体積が他の熱源の温度空間において一定圧力及び温度で不可逆的に変化させられ、非相反遷移の過程での再生熱交換が、蒸気動力サイクルの隣接区間外で、前記作業物質の結合エクセルギー交換として実行される、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
動力熱力学的サイクル内での蒸気作業物質の結合再生熱交換が、蒸気動力サイクル内での隣接区間においてではなく対向する区間において、等圧過程から等積過程への前記作業物質の熱エクセルギーの伝達によって、
１＋ｌｎΠＴ（ΔＰ＝０）＝  ΠＴ（ΔＳ＝０）（１＋（１／ｋ）＊ｌｎΠＴ（ΔＶ＝０））
（ΠＴ（ΔＰ＝０）：等圧過程での温度低下幅、
ΠＴ（ΔＶ＝０）：等積過程での温度増加幅、
ｋ    ：比熱比  ）
という式にしたがって実行される、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
圧縮段階（１９）及び膨張段階（１８）を備えた請求項１〜１１のいずれかに記載の方法を実行する蒸気タービンであって、
前記圧縮段階（１９）が、前記サイクルに液体作業物質を供給する注入手段（２０）を備えており、
前記膨張段階（１９）が、その少なくとも一部において定温を維持するための加熱手段を備えている、蒸気タービン。
【請求項１４】
圧縮段階（１９）及び膨張段階（１８）を備えた請求項１〜１１のいずれかに記載の方法を実行する蒸気タービンであって、
前記圧縮段階（１９）が、前記サイクルに液体作業物質を供給する注入手段（２０）を備えており、
前記膨張段階（１９）が、前記作業物質の断熱膨張を可能とする絶縁手段、及び、前記作業物質を過熱する加熱手段（１７）をそれぞれ備えた複数段膨張段階を備えている、蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力（power）エンジニアリングに関し、特に、熱を有効な機械的又は電気的仕事に変換することでエクセルギー（エネルギーの有効部分）を生成する方法に関する。
【０００２】
より詳細には、本発明は、継続した周期的な（continually-cyclic）熱力学的な力プロセスにおいて膨張及び圧縮する作業物質を介して、熱源のエネルギーを有効な形式に変換する方法に関する。熱は、乾燥蒸気状態の一様な単相作業物質を介して、有効な機械的又は電気的エクセルぎーに変換される。作業物質は、凝集状態に変化することなく常に蒸気（例えば水蒸気）の領域にあって周期的に膨張及び圧縮し、それによって、供給された熱エネルギーを過熱蒸気の膨張の有効仕事に変換することが、大きなエントロピーの領域で実行される。
【０００３】
本発明は、さらに、熱力学的蒸気動力（steam power）サイクルにおいて熱を仕事に変換する熱力学的効率を増加させる方法、及び、この方法が用いられる新規な熱力学的蒸気動力サイクルに関する。本発明は、熱プラント、コジェネレーション装置などの作業物質として蒸気を用いた熱エンジンにおいて、熱を有効仕事に変換することによってエクセルギーを生成することに利用される。
【背景技術】
【０００４】
熱エンジンの蒸気動力熱力学的サイクルにおいてエクセルギーを生成する方法が知られている。この方法では、作業物質の助けを借りて、供給された熱動力を仕事に変換する。熱源から有効なエネルギーを生成するために最も一般的に用いられる熱力学的サイクルは、湿り飽和蒸気を用いたランキン(Rankine)サイクルである。ランキンサイクルでは、水、アンモニア又はフレオン(Freon:商品名)のような作業物質が、利用可能な熱源を用いた蒸発器で蒸発させられる。蒸発した蒸気質の作業物質は、タービンを横切って膨張し、そのエネルギーを仕事に変換する。使用済みの蒸気質の作業物質は、利用可能な冷媒を用いた凝縮器において凝縮させられる。さらに、凝縮物の圧力が、ある増加圧力までポンピングによって上昇させられ、その後高圧の作業物質は再び蒸発させられ、このようにしてサイクルが連続して行われる。ランキンサイクルは広く用いられているが、あまり大きくない飽和温度及び蒸気凝縮におけるかなりの熱損失のために、比較的低い効率しかもたない。
【０００５】
乾き蒸気の単一過熱を用いたガーン(Girn)サイクル（特許Ｎ）や乾き蒸気の連続した又は複数の反復中間過熱のような、改良された熱力学的サイクルが知られており、このサイクルでは、同様の用途に、乾き蒸気過熱が用いられる。蒸気過熱によって、作業物質への熱供給の平均温度が増加し、サイクルの熱効率が上昇する。
【０００６】
熱力学的蒸気動力サイクルにおいて供給された熱を仕事に変換することによってエクセルギーを生成する公知の方法は、熱源のエントロピーの蒸気動力サイクルにおける変化は補償されるが、熱力学的効率に限りがある。なぜなら、凝縮過程での相転移期間における作業物質の熱部分の浪費のような理論的に避けられない熱損失があるからである。ランキンサイクル及びガーンサイクルでの熱効率は、０．３〜０．５に過ぎない。
【０００７】
提案された方法に最も近い技術的解決策は、プロトタイプとしての特許Ｎにしたがって、加熱蒸気を用いた蒸気動力熱力学的サイクルにおいて、熱を仕事に変換することによってエクセルギーを生成する方法である。
【０００８】
加熱蒸気を用いて効率よくエクセルギーを生成する公知の方法は、蒸気凝縮中におけるシステム外へのエクセルギーの廃棄プロセスに起因した多量の熱損失によって変換効率の上昇を妨げ、熱を仕事に変換する熱力学的効率が低いために、限られた技術的可能性しか持たない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、上述した問題のより効率的な解決策を提供する方法及び／又は処理システムが必要とされている。特に、蒸気動力サイクルにおいてエクセルギーをより効率的に生成する方法を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段及び効果】
【００１０】
本発明によると、具体化されて広く説明されるように、本発明の原理に従った方法及びシステムは、膨張及び圧縮サイクルで用いられる蒸気作業物質に熱を供給すること、及び、前記サイクルの膨張過程でエクセルギーを得ることによって、エネルギーをエクセルギーに変換するものであって、
前記サイクルが、蒸気作業物質の単相（single phase）領域で実行されること、及び、
液体状態の作業物質が圧縮過程で前記サイクルに供給されること、を特徴としている。
【００１１】
本発明の方法及びその実施の形態は、蒸気均質作業物質を交互に加熱及び冷却することを利用した熱エンジンの蒸気動力サイクルで、より効率よくエクセルギーを生成し、供給された熱の熱力学的動力サイクルでの有効仕事への再生（regenerative）エクセルギー省力（すなわちエネルギー担体のエクセルギーを節約する）変換に基づいて、作業物質が液体状態に戻ることがない推進力（motive force）を生成するのに有効である。エクセルギー省力サイクルにおいては、サイクルで３つの物理的に異なるもの、つまりエントロピー、エクセルギー及びエネルギーの相互作用が根本的に変更される一方で、熱交換の構成及び熱から仕事への変換効率が熱力学的サイクルにおいて大幅に増加する。このエクセルギー省力サイクルは、２つの熱源の温度レベルの間で、廃熱なく且つ他の熱源の熱（エントロピー）崩壊なく、（熱力学第１及び第２法則のすべての要請を満たしつつ）実行される。これによって、サイクルの熱力学効率が増加する。
【００１２】
他の観点では、本発明は、具体化されて広く説明されるように本発明の原理に従った方法及びシステムであって、請求項１３及び１４にしたがった蒸気タービンを提供する。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利益及び実施の形態は、その一部が明細書中に説明され、本発明の実行によって理解される。目的及び利益は、添付の特許請求の範囲で指摘した要素及び組み合わせによって実現及び達成される。本発明の実施の形態は、詳細な説明の欄及び添付の請求項に開示されている。
【００１４】
上述した一般的説明及び以下の詳細な説明は例示に過ぎないものであり、本発明及びその実施の形態を限定するものではないと理解されるべきである。
【００１５】
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付図面は、本発明の実施の形態の例を示しており、明細書と共に本発明の原理を説明するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面に示された熱力学的蒸気サイクルプロセスに基づいて、本発明の原理を詳細に説明する。ここで言及する例は本発明を説明するためのものであって、いかなる意味においても本発明を限定するものではない。
【００１７】
本発明及びその実施の形態によると、凝集状態（aggregate state）を変化させずに単相領域で蒸気動力サイクルを行うことのできるだけの乾き飽和蒸気作業物質の初期流束（initial flux）が生成される。蒸気作業物質の圧縮過程では、液体状態である作業物質の一部が圧縮空間内に付加的に注入される。注入された作業物質は、圧縮された作業物質の熱の熱除去（heat removal）と共に圧縮空間内で完全に蒸発する。注入された液体作業物質の量は、蒸気品質（vapour quality ）ｘ＝１である蒸気作業物質の圧縮プロセスが蒸気境界線（boundary line of vapour）に沿って、つまり乾き飽和蒸気の凝縮線（line of condensation）に沿って行われるのに有利となるように調整される。ここで、ｘは蒸気量すなわち蒸気品質という無次元量であって、ｘ＝０（沸騰線（boiling line）上で沸騰している液体）からｘ＝１（凝縮線上の乾き飽和蒸気）までの値をとる、湿り蒸気の質量に対する乾き飽和蒸気の質量の関係に等しい。作業物質は、圧縮過程において加熱され、膨張過程の前の再生熱交換過程で過熱される。作業物質は、デタンダー（detander）内で有効仕事を行いつつ膨張する。膨張過程において、蒸気作業物質の圧力が、消費した流束（spent flux）の低圧レベルにまでなることで、そのエネルギーが有効仕事に変換される。同時に、作業物質の環状非相反（nonreciprocal）再生伝達装置（transmission ）が、蒸気動力サイクルの隣接区間においてではなく対向する区間において作業物質の熱エクセルギーによって完全な再生交換を行って初期状態となる。したがって、さらに好ましい実施の形態は、飽和乾き蒸気作業物質の凝縮線に沿って圧縮が少なくとも部分的に行われるように、供給された液体作業物質の量が調整されることを特徴とする。
【００１８】
さらに好ましい実施の形態は、膨張過程（１９）の前（２１）に作業物質が過熱されることを特徴とする。
【００１９】
別の実施の形態では、本発明は、等温的に行われる膨張を備えている。
【００２０】
さらに好ましい実施の形態は、作業物質が多段等圧過熱及び多段断熱膨張することを備えている。
【００２１】
他の実施の形態は、作業物質が多段等積過熱及び多段断熱膨張することを特徴とする。
【００２２】
さらに好ましい実施の形態は、熱力学的Ｔ−Ｓ図に描かれたときに、以下のようなサイクルを備えている。
ポイント２（Ｔ３，Ｓ４）からポイント３（Ｔ１，Ｓ３）への等圧圧縮；
ポイント３からポイント４（Ｔ２，Ｓ１）までの凝縮線に沿った圧縮；
ポイント４からポイント１（Ｔ３，Ｓ２）までの等積過熱；
ポイント１からポイント４までの等温又は多段膨張；
（Ｔ及びＳはそれぞれ温度及びエントロピーであり、Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ１、Ｐ３及びＰ４は臨界点（critical point）より低い凝縮線上の点であり、Ｐ１及びＰ２は単相領域にある）
【００２３】
さらに好ましい実施の形態では、蒸気作業物質がデタンダー内での膨張過程において等温膨張する。
【００２４】
さらに好ましい実施の形態では、蒸気作業物質がデタンダー内での膨張過程において断熱多段膨張する。
【００２５】
さらに好ましい実施の形態では、蒸気作業物質が等積とされた膨張過程において多段過熱される。
【００２６】
さらに好ましい実施の形態では、デタンダー内での膨張後に蒸気作業物質が、他の熱源によって初期状態に環状遷移（circular transition）され、それに伴って、熱交換及び仕事の実行が行われずに、非相反遷移の熱エクセルギーが再生され且つ他の熱源の温度場（temperature field）でのエントロピーの不可逆的に増加する。この過程の例では、作業物質のエクセルギーの再生が、蒸気動力サイクルの隣接区間ではなく対向区間で行われる。このとき、作業物質の境界状態から他の断熱熱源の温度場によって初期状態へと行くときのシステム内の結合熱交換期間内において、蒸気作業物質の熱エクセルギーが均衡している。作業物質のエントロピーの継続した周期的な変化の不可逆過程において、エントロピー変化が補償される。
【００２７】
さらに好ましい実施の形態では、作業物質は、圧縮過程において臨界点のレベルより低く加熱される。さらに、圧縮器内での作業物質の加熱、及び、膨張過程前と膨張過程とにおける作業物質の過熱が乾き飽和蒸気の温度場で等積的に実行される。
【００２８】
さらに好ましい実施の形態では、作業物質のエントロピーの不可逆的で継続した周期的な変化が、他の熱源の温度場においてその熱エネルギーを変更することによって行われる。この目的のために、作業物質の体積が他の熱源の温度空間（temperature space）において一定圧力及び温度で不可逆的に変化させられる。そして、非相反遷移の過程での再生熱交換が、作業物質の熱エクセルギーによる結合交換（combined exchange）として、サイクルの隣接区間においてではなく対向する区間において実行される。
【００２９】
さらに、動力熱力学的サイクル内での蒸気作業物質の結合再生交換が、蒸気動力サイクル内での隣接区間においてではなく対向する区間において、以下の式にしたがって、等圧過程から等積過程への作業物質の熱エクセルギー変換によって実行される。
１＋ｌｎΠＴ（ΔＰ＝０）＝  ΠＴ（ΔＳ＝０）（１＋（１／ｋ）＊ｌｎΠＴ（ΔＶ＝０））
（ΠＴ（ΔＰ＝０）：等圧過程での温度低下幅、
ΠＴ（ΔＶ＝０）：等積過程での温度増加幅、
ｋ    ：比熱比  ）
【００３０】
さらに好ましい実施の形態では、デタンダー内での膨張後に蒸気作業物質が、他の熱源によって初期状態に環状遷移（circular transition）され、それに伴って、熱及び仕事の実行が生じることなく、非相反遷移の熱エクセルギーの理想的な再生、及び、熱源の温度場においてそのエントロピーの不可逆的な増加が生じる。
【００３１】
この実施の形態では、有利なことに、作業物質のエクセルギーの理想的な再生が、蒸気動力サイクルの隣接区間においてではなく対向する区間において行われる。作業物質が境界状態（boundary state）から他の断熱された熱源の温度場によって初期流束の状態へ行くとき、蒸気動力サイクルでの結合熱交換の間には蒸気作業物質の熱エクセルギーが均衡し、作業物質のエントロピーの継続した周期的な変化の不可逆過程において、エントロピー変化が補償される。
【００３２】
以下、添付図面に例を示す熱力学的蒸気サイクル過程に基づいた説明によって本発明及びその実施の形態の原理を詳細に説明する。ここでの例は、説明のためのものであっていかなる意味においても本発明を限定するものではない。
【００３３】
図１、２、３及びブロック図である図４には、等積膨張を行う一般型蒸気動力エクセルギー省力（saving）サイクルにおける、従来に代わる本発明の実現方法が示されている。図１、２、３には、座標系が異なる互いに同じ直接（direct）動力エクセルギー省力サイクルが示されている。図１はＴ（温度）を縦軸に、Ｓ（エントロピー）を横軸にしたＴＳ図であり、図２はＰ（圧力）を縦軸に、Ｖ（体積）を横軸にしたＰＶ図であり、図３はＳ（エントロピー）を縦軸に、Ｉ（エンタルピー）を横軸にしたｉＳ図であって、以下の区間が示されている。
４，１区間の等積過程（等積、ΔＶ＝０）    ＜等圧区間からエクセルギーＱRGを供給することで動作する：ｅ2,3＝ｅ4,1というエクセルギーバランスが達成される＞
２，３区間の等圧過程（等圧、ΔＰ＝０）    ＜等積過程４，１に与える熱エクセルギーＱRGを取り去る、温度範囲Ｔ３〜Ｔ１の過程＞
３，４区間の気相境界圧縮過程    ＜過熱の熱Ｑ1pの吸収によって動作する、少量の液体（liquid fraction）が注入（ｘ＝１に等しい、一定の蒸気品質）される温度範囲Ｔ2−Ｔ1の過程＞
１，２区間の等温膨張過程（一定の蒸気温度Ｔ3）  ＜外部熱Ｑ1pが供給されるデタンダー１８での気相での過程＞
【００３４】
図５及びブロック図である図６には、以下の区間が追加されることによって等積多段加熱及び断熱多段膨張を行う標準型結合蒸気動力エクセルギー省力サイクルにおける、本発明の実現方法が示されている。
１，５区間の等積蒸気過熱過程（ΔＶ＝０という一定体積条件）    ＜熱が供給されるヒータ１６内の過程＞
５，６；５，８；９，１０；１１，１２；１３，１４；１５，２の各区間の多段付加断熱過程（ΔＳ＝０という一定エントロピー）    ＜デタンダー１内での蒸気膨張過程＞
６，７；８，９；１０，１１；１２，１３；１４，１５；の各区間の多段付加等圧過程（ΔＰ＝０という等圧で行われる）    ＜デタンダー１８内での複数の蒸気膨張過程の間における蒸気過熱器１７での蒸気過熱過程＞
【００３５】
均質蒸気の膨張時に等温的な熱供給を伴う蒸気動力熱力学的サイクルでエクセルギーを生成する方法が、以下のように実現される。
【００３６】
乾き飽和蒸気均質作業物質の初期流束が形成され、これが、その凝集状態（aggregate state）を変化させることなく単相領域で蒸気動力サイクルを行う。図１、２、３には、等温熱供給及び膨張を伴う図４の熱装置の動力エクセルギー省力サイクルで本発明の方法を実現する仕組みが示されている。この方法は、ユニット２０の装置を用いた圧縮器へのある程度の水の同時注入を伴う圧縮器１９（区間３，４）での蒸気圧縮と、再生器２１（区間４，１）での蒸気の結合再生加熱と、外部熱Ｑ1pの供給を伴うデタンダー内１８での蒸気の等温膨張とを含んでいる。
【００３７】
区間３，４では、圧縮器１９で行われる蒸気作業物質の圧縮、及び、臨界点よりも低いレベルでの作業物質の加熱が行われる。蒸気境界線（boundary line of vapour）−乾き飽和蒸気（蒸気品質ｘ＝１）の凝縮線に沿った圧縮を行うには、液体状態である作業物質の一部が、ユニット２０によって、圧縮器１９の圧縮空間内に付加的に注入される。加熱の熱が除去されると圧縮器１９の圧縮空間内で作業物質が蒸発するので、注入される液体作業物質の量は、常に調整される。そして、蒸気作業物質の圧縮過程は、蒸気境界線−乾き飽和蒸気（蒸気品質ｒ−１）の凝縮線に沿って行われる。圧縮段階では、蒸気は過熱され、蒸気温度はＴ1から、臨界点ｋのレベルよりも低いＴ2まで上昇する。
【００３８】
再生器２１（区間４、１）での再生熱交換の段階では、蒸気は、膨張段階の前に非相反再生過熱され、これを行うために、区間２，３からの熱がエクセルギー均衡を図るために用いられる。
【００３９】
膨張段階（区間１，２）では、蒸気作業物質がデタンダー１８内で等温膨張し、蒸気の機械的なエクセルギーが有効仕事Ｌｐを行う。膨張過程での蒸気作業物質の圧力は、消費された流束の低圧レベル（図２の点２）まで変化して、そのエネルギーが有効な形式に変換される。
【００４０】
再生交換の段階では、初期状態（デタンダー１８での膨張後）にある蒸気作業物質の環状遷移が、他の熱源によって、非相反遷移の熱エクセルギーの理想的再生を伴いつつ行われる。これを行うために、作業物質のエクセルギーの理想的再生が、蒸気動力サイクルの複数の隣接区間（３，２及び４、１）において、蒸気動力サイクル内での結合熱交換における蒸気作業物質のエクセルギーバランスｅ2,3＝ｅ4,1を取りつつ行われる。他の熱源２２の温度場におけるエントロピーの不可逆的増加は、熱交換及び仕事の実行をいずれも伴うことなく補償される。作業物質が境界状態から断熱熱源２２の温度場を越えて初期流束の状態に遷移するとき、作業物質のエントロピーの継続した周期的な変化の不可逆過程において、エントロピー変化が補償される。
【００４１】
初期状態の作業物質の環状非相反再生遷移の過程において、デタンダー１８後の蒸気の熱エクセルギーは、等圧（ΔＰ＝０）過程２、３から等積（ΔＶ＝０）過程４，１へと運ばれ、作業物質の熱エクセルギーの全交換が蒸気動力サイクルの隣接部分（区間２，３と４，１の間でエクセルギーバランスｅ2,3＝ｅ4,1を保持して）において起こる。
【００４２】
熱機械的エクセルギーは、以下の式で計算される。
ｅ  ＝  Δｉ  −ΔＳＴ1
ここで、Δｉ，ΔＳ  それぞれ、エンタルピー及びエントロピーの変化
Δｉ＝ＣpΔＴ；ΔＳ＝Ｃvｌｎ（Ｔ3／Ｔ2）  等積過程においてΔＶ＝０のとき；
Δｉ＝ＣpΔＴ；ΔＳ＝Ｃpｌｎ（Ｔ3／Ｔ1）  等圧過程においてΔＰ＝０のとき；
Δｉ＝０；ΔＳ＝Ｒｌｎ（Ｐ3／Ｐ1）＝Ｒｌｎ（Ｖ3／Ｖ1）＝ＲｌｎΠＰ＝ＲｌｎΠＶ  等圧過程においてΔＴ＝０のとき；
Δｉ＝ＣpΔＴ；ΔＳ＝０  等エントロピー過程のとき；
Δｉ＝０；ΔＳ＝Ｒ（ΔＶ／Ｖ）＝ｍＲ  ΔＰ＝０，ΔＴ＝０のとき；
Ｔ3，Ｔ1  それぞれ高温及び低温の熱源の温度；
Ｒ＝Ｃp−Ｃv  ガス定数（gaseous constant）；
ｋ＝Ｃp／Ｃv  比熱比；
Ｃv，Ｃp      Ｖ＝一定又はＰ＝一定のときのガス熱容量（gaseous heat capacity）；
Ｕ  作業物質１ｋｇについての内部エネルギー；
である。
【００４３】
図１のサイクル１，２，３，４の互いに対向する２，３部分及び４，１部分において再生が生じると、エクセルギーバランスｅ2,3＝ｅ4,1という等式が、上記等式の観点から、以下のように書き直される。
（ｉ3−ｉ1）−Ｔ1（Ｓ3−Ｓ1）＝（ｉ3−ｉ2）−Ｔ2（Ｓ2−Ｓ1）
これに、上記関係を代入すると、
Ｃp（Ｔ3−Ｔ1）−Ｔ1Ｃpｌｎ（Ｔ3／Ｔ1）＝Ｃp（Ｔ3−Ｔ2）−Ｔ2Ｃvｌｎ（Ｔ3／Ｔ2）
さらに変形すると、
Ｔ1（１＋ｌｎ（Ｔ3／Ｔ1））＝Ｔ2（１＋１／ｋ＊ｌｎ（Ｔ3／Ｔ2））
すなわち、
１＋ｌｎΠT(ΔP＝０）＝ΠＴ（ΔS＝０）（１＋１／ｋ＊ｌｎΠT（ΔＶ＝０））
【００４４】
このように、動力熱力学的サイクル内での蒸気作業物質の結合再生非相反熱交換（combined regenerative nonreciprocal heat exchange）は、以下の等式にしたがった蒸気動力サイクルの隣接区間外において、等圧過程から等積過程への作業物質の熱エクセルギー伝達によって影響される。
１＋ｌｎΠT(ΔP＝０）＝ΠＴ（ΔS＝０）（１＋１／ｋ＊ｌｎΠT（ΔＶ＝０））
（ΠＴ（ΔＰ＝０）：等圧過程２，３での温度低下幅、
ΠＴ（ΔＶ＝０）：等積過程４，１での温度増加幅
ｋ        比熱比）
【００４５】
作業物質のエントロピーの不可逆的な継続した周期的な変化は、他の熱源２２の温度場におけるその熱アネルギー（anergy ）を変えることによって行われる。この目的のために、作業物質の体積が、他の熱源２２の温度場で一定の圧力及び温度下において不可逆的に遷移させられる。さらに、非相反遷移の過程での再生熱交換が、蒸気動力サイクルの隣接区間外における作業物質の結合エクセルギー交換として行われる。
【００４６】
等積加熱及び多段等圧過熱並びに断熱膨張を伴う蒸気動力熱力学的サイクルにおいてエクセルギーを生成する提案された方法は、図５のＴＳ図に示す、図６の閉熱装置の動力エクセルギー省力サイクルにおいて、前記方法を実現する仕組みにしたがって実行される。このサイクルは、再生等圧−等積熱交換区間２，３及び区間４，１と、圧縮器１９で実現される蒸気作業物質の圧縮及び臨界点より低いレベルでの作業物質の等積加熱が行われる区間４，３とを含んでいる。蒸気の境界線−乾き飽和蒸気の凝縮線（蒸気品質ｘ＝１）に沿った圧縮を行うには、液体状態である作業物質の一部がユニット圧縮器１９の圧縮空間内に付加的に注入され、好ましくは過熱の熱の除去と共に圧縮器１９の圧縮空間内で完全に蒸発させられる。注入される液体作業物質の量は常に調整され、蒸気作業物質の圧縮過程が、蒸気の境界線−乾き飽和蒸気の凝縮線（蒸気品質ｘ＝１）に沿ってなされる。圧縮段階では、蒸気が加熱され、蒸気温度がＴ1から臨界点ｋのレベルよりも低いＴ2まで上昇する。
【００４７】
再生器２１（区間４，１）における再生熱交換の段階では、膨張段階の前に、区間２，３からの熱が用いられて、蒸気が温度Ｔ2から温度Ｔ3まで加熱される。再生熱交換の段階では、蒸気作業物質の初期状態への環状遷移（デタンダー１８におけるポイント２までの膨張後に）が、好ましくは、熱交換及び仕事の実行を伴うことなく、非相反遷移の熱エクセルギーの理想的再生及び他の熱源の温度場におけるエントロピーの不可逆増加を伴って、他の熱源２２によって行われる。この目的のために、作業物質のエクセルギーの理想的再生が、動力サイクルの隣接区間２，３及び４，１においてではなく対向する区間において実行される。そして、作業物質の境界状態から初期流束の状態への他の断熱された熱源の温度場による遷移において、蒸気動力サイクルでの結合熱交換の間には蒸気作業物質のエクセルギーがバランスする。作業物質の継続した周期的なエントロピー変化の不可逆過程において、エントロピー変化が補償される。
【００４８】
図５と上述した図１との差異は、区間４，１での再生等積加熱後の蒸気作業物質が、デタンダー１８の段階での断熱膨張（adiabatic extension）段階の前に、区間１，５において、過熱器１６内で温度Ｔ3から温度Ｔ4まで一定体積下で等積過熱されると共に、過熱器１７内で温度Ｔ2から温度Ｔ4まで一定圧力下で（デタンダー１８の区間同士の間にある区間６，７；８，９；１０，１１；１２，１３において）多段等圧過熱され、さらにデタンダー１８の膨張段階で区間５，６；７，８；９，１０；１１，１２；１３，１４１５，２において断熱多段膨張が行われることである。等積過熱及び多段等圧過熱、さらに膨張段階での断熱膨張が、乾き飽和蒸気の場において行われる。外部熱Ｑ1pが、炎加熱（fire heating）の熱源から過熱器１６、１７に供給されてよい。さらに、過熱器の多孔質の金属又はセラミック材料と化学的な相互作用に起因した炭化水素ガス（hydrocarbonic gases）の触媒発熱交換体酸化（catalytic exothermic permutoidal oxidation）の結果として、熱が発生してもよい。また、核熱源、又は、太陽、地球、海洋若しくは回収可能なエネルギーを源とした熱源のような自然な熱源によって、熱が発生してもよい。
【００４９】
膨張段階では、平均温度Ｔcpでに等温膨張に最大限近くなるように、蒸気作業物質がデタンダー１８の複数の段階で膨張し、機械的エクセルギーが有効仕事を行う。膨張過程では、蒸気作業物質の圧力が、消費された流束（図５のポイント２）の低圧レベルＰ1まで変化して、そのエネルギーを有効仕事に変換する。
【００５０】
液体の注入及び大きなエントロピーの場におけるデタンダー仕事（detander work）を伴う凝縮線に沿った蒸気圧縮には、特殊な３Ｄ（三次元）圧縮器及び同様の仕事モードを提供可能なデタンダーが必要となることは重要である。本発明は、等温又は断熱的なエクセルギー生成方法を行ったときのサイクルの熱損失が減少するために、蒸気動力サイクルの熱及びエクセルギー効率を増加させるという利点がある。
【００５１】
本発明は、公知の生産手段及び既存技術を用いて実現可能であり、産業上の利用可能性という条件を満たすものである。
【００５２】
明細書及び上述した本発明の実施を考慮すると、当業者にとって本発明の変形例は明白である。本発明の上述した実施例は、説明のためのものに過ぎない。本発明は開示された実施例そのものに限定されるものでない。上記した各種の教示から、様々な変更又は変形を行うことが可能である。明細書及び実施例は例示だけを目的としており、本発明の観点は特許請求の範囲によって示される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】Ｓ（エントロピー）を横軸にＴ（温度）を縦軸にした座標における、標準型蒸気動力エクセルギー省力（saving）サイクルでの、外部から供給された熱の等温の膨張プロセス及び外部有効仕事（useful work）の実行への熱力学的変換によってエクセルギーを生成する方法の原理を説明するエントロピー図を示している。
【図２】Ｖ（体積）を横軸にＰ（圧力）を縦軸にした座標における、標準型蒸気動力エクセルギー省力等温サイクルでの、熱の仕事への熱力学的変換の原理を説明する図面を示している。
【図３】Ｓ（エントロピー）を横軸にｉ（エンタルピー）を縦軸にした座標における、標準型動力気体エクセルギー省力等温サイクルでの、熱の仕事への熱力学的変換の原理を説明する図面を示している。
【図４】標準型蒸気動力気体エクセルギー省力サイクルでの、外部から供給された熱の仕事への熱力学的多段変換方法を具現化したブロック図を示している。
【図５】Ｓ（エントロピー）を横軸にＴ（温度）を縦軸にした座標における、標準型蒸気動力エクセルギー省力サイクルの断熱プロセスでの、外部から供給された熱の等積−等圧膨張プロセス及び外部有効仕事の実行への熱力学的変換によってエクセルギーを生成する方法の原理を説明するエントロピー図を示している。
【図６】断熱プロセスにおいて多段に膨張する例えば水蒸気のような蒸気の均質作業物質を用いて実行される蒸気動力サイクルにおける、等積−等圧プロセスでの、供給された熱の多段変換によってエクセルギーを生成する方法を具現化した、熱エネルギーの他の有効な形式（機械的仕事及び電気的仕事）への変換が実行されるブロック図を示している。
【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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【国際調査報告】
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