(57)【要約】熱力学サイクル内の作動流体を処理する１以上の回路を有し、回転軸（１２）を中心に回転可能な枠体（１１Ａ）に設置される、仕事を生成するプロセス及び装置（１０）であって、上記１以上の回路が、上記作動流体内の圧力を上昇させる圧縮部（１３）と、上記圧縮部（１３）の内部、上部、又は下流側に設置され、接線成分を有する方向に拡張する１以上の拡張部（１７）と、上記作動流体用の１以上のチャネル（２２）と、上記チャネル（２２）内の加速する上記作動流体を加熱する熱交換器（１８）と、仕事を生成するタービン（１６）と、を含むことを特徴とする装置。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に低温の第一の媒質から相対的に高温の第二の媒質へ熱を伝達する、及び／又は熱力学サイクルにより仕事を生成する、プロセスであって、該サイクルが、
膨張によって作動流体を加速するステップと、
加熱によって前記作動流体を更に加速するステップと、
前記作動流体を減速するステップと、
前記減速された作動流体から熱を抽出するステップと、
を含むことを特徴とするプロセス。
【請求項２】
請求項１に記載のプロセスであって、前記減速された流体と前記加速する流体との間で熱交換を行うステップを更に含むことを特徴とするプロセス。
【請求項３】
請求項２に記載のプロセスであって、前記減速された流体から抽出した熱によって前記流体を加熱した後に、外部熱源からの熱により前記作動流体を更に加熱するステップを更に含むことを特徴とするプロセス。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のプロセスであって、二相熱伝達流体により前記作動流体を加熱するステップを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の仕事を生成するプロセスであって、
含まれる分の前記作動流体を回転軸を中心に回転させるステップと、
前記回転軸から離れる方向に前記作動流体を圧縮するステップと、
膨張により、前記流体を接線成分を有する方向に加速するステップと、
前記作動流体を加熱するステップと、
前記流体の運動エネルギーの少なくとも一部を仕事に変換するステップと、
を含むことを特徴とするプロセス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプロセスであって、前記加速する作動流体の加熱は、定圧にて行われることを特徴とするプロセス。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプロセスであって、加熱中、前記作動流体はチャネルを通過し、該チャネルの周速は下流方向に増加し、前記加速する流体の速度と２０％以内、好ましくは１０％以内、より好ましくは５％以内の差異で一致することを特徴とするプロセス。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一項に記載のプロセスであって、加熱中、前記流体の速度の接線成分が、軸方向成分に対して漸増することを特徴とするプロセス。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一項に記載のプロセスであって、前記作動流体は、複数の回転ステージにおいて加熱され、その速度が増加することを特徴とするプロセス。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のプロセスであって、前記作動流体は圧縮可能であり、好ましくはガスであることを特徴とするプロセス。
【請求項１１】
熱力学サイクル（１）内の作動流体を処理する１以上の回路を有し、回転軸（１２）を中心に回転可能な枠体（１１Ａ）に設置される、仕事を生成する装置（１０）であって、前記１以上の回路が、
前記作動流体内の圧力を上昇させる圧縮部（１３）と、
前記圧縮部（１３）の内部、上部、又は下流側に設置され、接線成分を有する方向に拡張する１以上の拡張部（１７）と、
前記作動流体用の１以上のチャネル（２２）と、
前記チャネル（２２）内の加速する前記作動流体を加熱する第一の熱交換器（１８）と、
仕事を生成するタービン（１６）と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置（１０）であって、相対的に前記回転軸（１２）に近接して設けられる第二の熱交換器（１９）であって、前記第一の熱交換器（１８）と連通し、前記回転軸（１２）に相対的に近接した前記１以上の回路内の前記作動流体から、相対的に前記回転軸（１２）から離間した前記加速する作動流体へ熱を伝達する第二の熱交換器（１９）、及び／又は、外部熱源からの熱で前記加速する作動流体を加熱する追加の熱交換器（２３）を含むことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の装置（１０）であって、前記作動流体用の前記１以上のチャネル（２２）、及び／又は、前記チャネル（２２）内の前記加速する作動流体を加熱するための前記熱交換器（１８）がらせん状であることを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の装置（１０）であって、前記らせん状のチャネル（２２）は、下流方向に周径が増加する、及び／又は、周同士の間隔が狭まることを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の装置（１０）であって、前記作動流体用の前記チャネル（２２）と、前記第一の熱交換器（１８）とは、複数の回転ステージ（１４）を含むことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第一の相対的に冷たい媒質から第二の相対的に暖かい媒質へ熱を伝達する、及び／又は、熱力学サイクルによって仕事を生成するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱機関は、相対的に高温の熱源から相対的に低温のヒートシンクへエネルギーを伝達し、この過程でエネルギーの一部を仕事に変換する。このサイクルは逆であってもよく、この場合、システムは外力によって駆動され、この過程で、より低温のシステムからより高温のシステムへ熱エネルギーを伝達することで、熱機関ではなくヒートポンプとして機能する。一般的に、高温の熱源と低温のヒートシンクとの温度差が大きくなるほど、熱機関の効率は向上する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、熱伝達及び／又は仕事の生成を効率的に行うプロセス、例えば比較的低温の熱源を用いるプロセス、を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的を達成するため、熱力学サイクルは、膨張により作動流体を加速し、ベルヌーイの法則に従って作動流体の速度を増加しかつ圧力を低下させるステップと、該作動流体を加熱によって更に加速するステップと、該作動流体を減速するステップと、該流体から熱を抽出するステップと、を含む。減速された作動流体から抽出された熱の少なくとも一部は、加速する作動流体に供給される熱よりも高温である。
【０００５】
効率向上のため、一の実施形態において、本プロセスは、相対的に高温の減速された作動流体と相対的に低温の加速する作動流体との間で（内部）熱交換を行うステップを含む。
【０００６】
別の実施形態では、作動流体は、減速された流体から抽出した熱で加熱された後、外部熱源からの熱によって更に加熱される。この外部熱源は、例えば、製造工程からの排気ガスや、上記プロセスの動作温度が十分に低い場合には、環境熱である。
【０００７】
内部熱伝達と、外部熱源からサイクルへの熱注入は、二相熱伝達流体、つまり潜熱で作動流体を加熱することで増加できる。
【０００８】
上記サイクルをより小型の装置で実施するために、一の実施形態において、仕事を生成するプロセスは、ここに含まれる分の上記作動流体を回転軸を中心に回転させるステップと、上記回転軸から離れる方向に上記作動流体を圧縮するステップと、上記流体を接線成分（周方向の成分）を有する方向に加速（例えば膨張）するステップと、上記作動流体を加熱して更に加速するステップと、上記（加速された）作動流体の運動エネルギーの少なくとも一部を仕事に変換するステップと、を含む。
【０００９】
一の実施形態において、加熱中、上記作動流体はチャネルを通過する。該チャネルの周速は下流方向に増加し、上記加速する流体の速度と２０％以内、好ましくは１０％以内、より好ましくは５％以内の差異で一致する。これにより、チャネルの壁に対する流体の速度、及び発生する流動抵抗が低く抑えられ、プロセス全体の効率が向上する。
【００１０】
一の実施形態において、上記作動流体は、複数の回転ステージにおいて加熱され、加速される。
【００１１】
本発明は、更に、熱力学サイクル内の作動流体を処理する１以上の回路を有し、回転軸を中心に回転可能な枠体に設置される、仕事を生成する装置であって、上記１以上の回路が、上記作動流体内の圧力を上昇させる圧縮部と、上記圧縮部の内部、上部、又は下流側に設置され、接線成分を有する方向に拡張する１以上の拡張部（ノズル等）と、上記作動流体用のチャネルと、上記チャネル内の上記加速する作動流体を加熱する熱交換器と、仕事を生成するタービンと、を含むことを特徴とする装置に関する。
【００１２】
一の実施形態において、上記装置は、相対的に上記回転軸に近接して設けられる第二の熱交換器であって、上記熱交換器に接続し、相対的に上記回転軸に近接した上記１以上の回路内の上記作動流体から、相対的に上記回転軸から離間した上記加速する作動流体へ熱を伝達する第二の熱交換器、及び／又は、外部熱源からの熱で上記加速する作動流体を加熱する追加の熱交換器を含む。
【００１３】
別の実施形態において、上記作動流体用の上記１以上のチャネル、及び／又は、上記チャネル内の上記加速する作動流体を加熱するための上記熱交換器はらせん状である。
【００１４】
別の実施形態において、上記らせん状のチャネルは、下流方向に周径が増加する、及び／又は、周同士の間隔が狭まる。
【００１５】
更に別の実施形態において、上記１以上のチャネルと、上記（第一の）熱交換器とは、異なる速度で回転可能な複数のステージを含む。
【００１６】
また別の実施形態において、作動流体に供給される熱の温度は、例えば、国際特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０５８４２６号（国際公開第ＷＯ２０１０／０００８４０号）に記載のプロセスによって上昇される。
【００１７】
より具体的な実施形態において、上述の主プロセスは１以上の補助プロセスと連結し、該補助プロセスは、ここに含まれる分の圧縮可能な補助作動流体（通常はガス）を回転軸を中心に回転させることで、該回転軸から離れる方向に該補助作動流体を圧縮するステップと、圧縮された補助作動流体から、主プロセスの加速する作動流体へ熱を伝達するステップと、補助作動流体を補助プロセスの回転軸に向かう方向に膨張させるステップと、好ましくは膨張した補助作動流体と圧縮された補助作動流体との間の熱伝達を少なくとも大幅に抑制しつつ、主プロセスの減速された作動流体、又は外部熱源から熱を取り出すステップと、を含む。
【００１８】
一の実施形態において、作動流体は超臨界流体やガス等の圧縮可能な流体であり、好ましくは単相ガスである。圧縮可能な作動流体の例としては、炭酸ガス、ハロゲン化アルキル（ＣＦ４のように塩素やフッ素等のハロゲンを１以上持つメタン又はエタン）、原子番号（Ｚ）が１８以上の単原子元素（アルゴン、クリプトン、キセノン等）又はその混合物のガス、が挙げられる。
【００１９】
熱伝達流体は、例えば、水、アルコール（より具体的には、メタノール、エタノール、又はイソプロピルアルコール）、アセトン等のケトン、アンモニア、水とアンモニア又は水とメタノールの混合物、プロパンやブタンなどの炭化水素、もしくは、水素やヘリウムなどのその他のガス、を含むか、又はそれからなる。
【００２０】
本発明の枠組みにおいて、用語「タービン」は、加速された流体から仕事を生成するのに適したあらゆる装置又は構造を指す。
【００２１】
完全を期すために述べると、米国特許第４，２８５，２０２号は、圧縮又は膨張のいずれかを起こすような方法で作動流体のあり方を操作するステップを少なくとも１つ含む、エネルギー変換を行う工業プロセスに関する。
【００２２】
米国特許第４，１０７，９４４号は、ローターが支持する通路内で作動流体を循環させ、通路内で作動流体を圧縮し、上記ローターが支持する熱除去熱交換器において作動流体から熱を取り出し、かつ同じく上記ローターが支持する熱付加熱交換器において作動流体を加熱することにより、加熱または冷却を行う方法及び装置に関する。
【００２３】
米国特許第４，００５，５８７号は、回転するローター内で遠心力により圧縮された圧縮可能な作動流体を用い、温度上昇を伴って低温の熱源からより高温のヒートシンクに熱を輸送する方法及び装置に関する。熱は、加熱された作動流体から、より高温のヒートシンクへ伝達され、膨張及びより低温の熱源による冷却後の該作動流体に付加される。ローター内で冷却を行い、作動流体の密度を制御することにより、作動流体の循環を補助する。
【００２４】
同様の方法及び装置が、米国特許第３，８２８，５７３号、米国特許第３，９３３，００８号、米国特許第４，０６０，９８９号、及び米国特許第３，９３１，７１３号に記載されている。
【００２５】
国際公開第ＷＯ２００６／１１９９４６号は、（通常、ガス状又は蒸気質の）可動原子又は分子（４）を用いて第一の領域（７１）から第二の領域へ熱を伝達する装置（７０）及び方法に関し、一の実施形態において、単純分子運動による熱伝達を一般的に妨げる原子／分子のカオス的運動を、好ましくは細長の、ナノサイズの拘束（３３）を用いて防止する。日本国特許第６１１６５５９０号及び日本国特許第５８０３５３８８号は、回転式ヒートパイプに関する。米国特許第３，９０２，５４９号は、高速回転用に設けられたローターに関する。
【００２６】
米国特許第３，４７０，７０４号は、熱力学装置に関する。該装置は米国特許第３，４７０，７０４号の図２に図示されるとおり管（３７）を含み、該管は熱力学ポンプとして機能する区域（５１；３８、４０、４２）と、冷却部として機能する区域（５３；４６、４８、５０）とを含む。
【００２７】
以下、図示される本発明のプロセス及び装置の例を参照し、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の熱力学サイクルの模式図である。
【図２】本発明の第一の動力ローターの断面図である。
【図３】本発明の第二の動力ローターの斜視図及びその詳細図である。
【図４】図４、図４Ａ、図４Ｂは本発明の第二の動力ローターの斜視図及びその詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の理解に必須でない詳細は省略される場合がある。同じ、又は事実上同じ機能を果たす要素は、同じ番号で参照する。
【００３０】
図１は、本発明の熱力学サイクルを示す図である。このサイクルにおいて、初期速度（Ｖ０）、圧力（Ｐ０）、密度（ρ０）、及び温度（Ｔｏ）でチャネル２を通過する作動流体は、チャネル２の断面積の減少部３により加速される。加速の結果、ベルヌーイの法則に従って速度が増加し（Ｖ１）、圧力（Ρ１）、密度（ρ１）、温度（Ｔ１）が減少する。
【００３１】
加速された作動流体は、続いて、第一の温度（ＴＱｉｎ＞Τ１）の加熱手段によって加熱され、速度が更に増加する。この例では、加熱及びそれによる加速の間、ガス圧を略一定に保つように、チャネルの断面積が漸増する。
【００３２】
続いて、チャネルの断面積の拡大部４により、ベルヌーイの法則に従って圧力（Ｐ２）及び運動エネルギー（１／２ρ２Ｖ２＾２）が初期圧力（Ｐ０）及び初期運動エネルギー（１／２ρ０Ｖ０＾２）と等しく、温度は初期温度よりも高くなる（Ｔ２＞Ｔ１）ように、作動流体は減速される。
【００３３】
最後に、相対的に高い温度を有する熱（ＴＱｏｕｔ＞ＴＱｉｎ）をサイクルから回収する。この熱は、建物の暖房や仕事の生成に用いることができる。
【００３４】
この例において、作動流体を更に加速するために用いる熱の供給元は、減速された流体と加速する流体との間で熱交換を行う第一及び第二の熱交換器５、６、ならびに、製造工程からの排気ガス等の外部熱源と接続する第三の熱交換器７であり、主に第三の熱交換器７である。
【００３５】
図２は、本発明の第一の装置１０の断面図であって、該第一の装置１０は、固定された基礎枠体（図示せず）と、該基礎枠体に設置された、玉軸受等の適切な軸受によって長手軸１２を中心に回転可能なローター１１とを含む。
【００３６】
ローター１１の直径は、０．５メートルから１．０メートルの範囲内が好ましく、この例では５メートルである。ローター１１の壁は既知の方法で断熱されている。装置１０は、発電機等の他の機器を駆動するため、また、任意で、該装置を起動するための動力取出部（図示せず、周知のもの）を更に含む。ローター１１は、作動流体の圧力を上昇させる圧縮部１３と、加速する作動流体を加熱する複数の熱交換ステージ１４１〜１４Ｎと、仕事を生成するタービン１６と、を含む複数の回転ステージを含む。
【００３７】
より具体的には、圧縮部１３は、遠心力によって作動流体を圧縮する放射状に延びる湾曲したチャネル１３Ａと、その下流側端部に設置され、圧縮された作動流体を膨張させて加速し、軸方向と接線方向を組み合わせた方向（周方向）に配向する複数のノズル１７とを含む。
【００３８】
圧縮部の下流側には、第一の回転式熱交換ステージ１４１が配置される。該ステージは、作動流体のための、より合わせられた複数のらせん状チャネル（図示せず）を含み、該らせん状チャネルは下流方向に周同士の間隔が狭まる。上記ステージは、更に、チャネル内で加速する作動流体を加熱する第一の熱交換器１８と、相対的に回転軸に近接した第二の熱交換器１９と、熱伝達流体のためのダクト２０と、を含む。各チャネルは、膨張する作動流体をノズル１７から受け入れるため、ノズル１７と同じだけ回転軸から径方向に離間して配置されるポート２１を有する。
【００３９】
この例では、らせん状のチャネルの周同士の間隔が下流方向に漸減する。言い換えると、該チャネルの接線成分が漸増する。周同士の間隔が狭まり、回転速度が増加することで、加速する流体の周速を１０％以内の差異で一致させることができる。
【００４０】
第一の回転式熱交換ステージ１４１の下流側には、複数の熱交換ステージ１４Ｎが更に配置される。これらは第一のステージと概同一であるが、より速い回転速度で動作する。また、これらのステージ１４のうち最も下流側に位置するものは、加速する作動流体を外部熱源の熱で加熱する熱交換器を含む。
【００４１】
熱交換器の下流側には、仕事を生成するタービン１６が配置される。上記タービンで生成された仕事は、ローターを回転駆動するのに用いられ、動力取出部によって本装置から他の機器へ伝達される。
【００４２】
図３は、本発明の第二の装置１０の断面を示す図である。第一の装置と同様に、床面に固定された基礎枠体１１Ａ（図４）と、該基礎枠体１１Ａに設置された、長手軸１２を中心に回転可能なローター１１とを含む。ローター１１は、下流方向に広がった円錐台形である。特に指定がない限り、第二の装置の特徴は図２に示した装置の対応する特徴と概同一である。
【００４３】
ローター１１は、圧縮部１３を含み、該圧縮部１３は、遠心力によって作動流体を圧縮する放射状に延びる湾曲したチャネル１３Ａと、その下流側端部に設置され、圧縮された作動流体を膨張させて加速し、軸方向成分が全く又はほとんどない状態で接線方向（周方向）に配向する複数のノズル１７とを含む。
【００４４】
圧縮部１３の下流側には、回転式熱交換ステージ１４が配置される。該ステージは、作動流体のための、より合わせられた複数のらせん状チャネル２２を含む。各チャネル２２は、膨張する作動流体をノズル１７から受け入れるため、ノズル１７と同じだけ回転軸から径方向に離間して配置されるポート２１を有する。
【００４５】
この例では、らせん状のチャネルの周同士の間隔が下流方向に漸増し、チャネルの壁の周速と加速する流体の速度とを、５％以内の差異で継続的に一致させることができる。
【００４６】
上記熱交換ステージ１４は、更に、チャネル２２内で加速する作動流体を加熱する第一の熱交換器１８と、相対的に回転軸１２に近接した第二の熱交換器１９であって一般的に中心ダクト１２Ａを含む第二の熱交換器１９と、熱伝達流体のためのダクト２０と、を含む。熱交換ステージ１４は、更に、加速する作動流体を外部熱源からの熱で加熱する第三の熱交換器２３を含む。
【００４７】
熱交換ステージ１４の下流側には、仕事を生成する２段タービン１６が配置される。上記タービンで生成された仕事はローターを回転駆動するのに用いられ、動力取出部によって本装置から他の機器へ伝達される。
【００４８】
動作中、中心軸１２Ａに流入した作動ガス（この例では炭酸ガス）（図４中の位置Ａ、及び表を参照）は、第二の熱交換器（Ａ＞Ｂ）によって該軸内で冷却される。作動ガスの量は表に示す。冷却後、作動ガスは、回転軸から離れる方向に遠心力によって圧縮され（Ｂ＞Ｃ）、作動ガスの温度、圧力、密度が上昇する。圧縮（Ｃ）直後、作動ガスが等エントロピー的に接線方向に膨張（Ｃ＞Ｄ）することにより、圧力が速度に変換され、作動ガスの温度は中心軸内のガスの温度を下回る温度まで低下する。このように内部熱交換が可能となる。
【００４９】
膨張したガスは、より合わせられたチャネルに流入し、チャネル内を循環する間に、該一定の圧力下で加熱される。つまり、作動流体が加熱により更に加速される（Ｄ＞Ｅ）。
【００５０】
続いて、作動流体が等エントロピー的に減速される（Ｅ＞Ｆ）ことにより、速度が圧力に変換され、タービンを超えるように膨張する（Ｆ＞Ｇ＞Ｈ）ことで仕事を生成する。
【００５１】
本発明のプロセスは、相対的に低い温度の熱から、高温の熱及び／又は仕事を生成することを可能にする。
【００５２】
本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものではなく、請求項の範囲内で種々の変形が可能である。
【００５３】
【表１】
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【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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