(57)【要約】　　　（修正有）【課題】有効仕事効率の向上、排気ガスの清浄化度向上、燃料系の選択肢増大、騒音振動の低減など新機構の熱圧動力変換システムの提供。【解決手段】所定温度と圧力を有する気体及び／又は液体からなる熱媒を膨張又は収縮させ、その際生じる体積と圧力の変化を運動又は電気エネルギー（エクセルギー）として取り出すことを可能とする熱圧動力変換システムにおいて、外部シリンダーと、これより小径の内部シリンダーおよび、内部シリンダー外層に設けられた溝に摺動可能状態ではめ込まれたらせん状連続隔壁から構成され、シリンダー長手方向に重層する隔壁と内外シリンダーで形成される空間が、内部シリンダーの回転によって連続的に移動すると共に変化するようになし、外部シリンダー一端の導入部から熱媒を取り込み、他端に排出することによって、内部シリンダーの回転軸から正または負のエクセルギーを取り出すことを可能とする、熱圧動力変換システム。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定温度と圧力を有する気体及び／又は液体からなる熱媒を、断熱状態もしくは、系外から熱の授受を行いながら膨張又は収縮させ、その際生じる体積と圧力の変化を運動又は電気エネルギー（エクセルギー）として取り出すことを可能とする熱圧動力変換システムにおいて、
熱媒導入部と排出部をもつ外部シリンダーと、これより小径で外部シリンダーに内接して摺動回転する内部シリンダーおよび、内部シリンダー外層に設けられた溝に摺動可能状態ではめ込まれたらせん状連続隔壁から構成され、
該らせん状連続隔壁が外部シリンダーと実質的に気密接触かつ摺動可能な状態で介在し、シリンダー長手方向に重層する隔壁と内外シリンダーで形成される空間が、内部シリンダーの回転によって連続的に移動すると共に、必要に応じて設計された割合で変化するようになし、外部シリンダー一端の導入部から熱媒を取り込み、他端に排出することによって、内部シリンダーの回転軸から正または負のエクセルギーを取り出すことを可能とした熱圧動力変換システム。
【請求項２】
請求項１における熱圧動力変換システムにおいて、外部シリンダー外側に系外との熱エネルギーの授受が可能なるよう熱交換機能をもたせたことを特徴とする熱圧動力変換システム。
【請求項３】
請求項１、２における熱圧動力変換システムにおいて、熱媒として気体及び／又は液体からなる燃料と燃焼剤を用い、該システムにおいて内部シリンダーの回転で移動する空間の内部で燃焼させ、その際生じる圧力と体積の変化を内部シリンダーの回転運動又は電気エネルギー（エクセルギー）として取り出すことを可能とした熱圧動力変換システム（らせん式エンジン）。
【請求項４】
請求項１、２、３における熱圧動力変換システムにおいて、
内部シリンダー外壁に設計されたピッチのらせん形状溝を形成し、らせん状隔壁が内部シリンダーの回転にあわせて摺動しつつ、出入り可能な形態で設置され、シリンダー長手方向に重層する隔壁と内外シリンーで形成される空間が、実質的に気密状態で、連続的に定容ないし変化するようになしたことを特徴とする熱圧動力変換装置。
【請求項５】
請求項１、２、３、４記載のシステムおよび装置において、らせん状摺動隔壁の摺動性材料として、耐熱性有機高分子樹脂、フッ素含有樹脂、炭素繊維樹脂　複合材料、シリンダーより軟質の金属などから選ばれる各種断面形状の帯状材、もしくはチューブ状材を使用することを特徴とする熱圧動力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、気体、液体など各種物質がもつ熱圧エネルギーを、実用可能な運動エネルギーもしくは電気エネルギーとして資源化する熱圧動力変換システム、および、その装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギーや環境の問題が人類の最大の課題として取り挙げられるようになっている。エネルギー問題については、火力発電、燃料電池などに用いる化石燃料は、資源枯渇と環境問題から永続性に疑問がある。
【０００３】
原子力の利用は、放射性汚染物質の問題から、立地に制約があり、大幅な拡大は難しい。核融合エネルギーの活用は、技術面で見通しが立っていない。
【０００４】
他のエネルギーとしては、例えば水力、太陽電池、風力、波力、又は地熱などのエネルギーの活用がある。これらは、クリーンで分散できるところが有利であり、利用技術の向上と実用化の拡大が望まれるが、エネルギー密度が低いか、熱源が局在している。
【０００５】
また熱媒体の蒸発、液化サイクルを連結することによって、クリーンな有効エネルギーを創出できることは、既に自然現象によって実証済みである。
【０００６】
即ち、膨大なエネルギーを放出する台風や低気圧、竜巻などがそれであり、その出力エネルギーは計り知れないものがある。台風こそ水と空気を熱媒体とする巨大な熱機関＝ヒートボンプ・クリーンエネルギー発生システムである。また、火山の水蒸気爆発は、熱エネルギーから巨大なエクセルギーが取り出し得ることを証明している。
【０００７】
また、地球に１時間降り注ぐ太陽の輻射エネルギーは、全人類の１年間の消費エネルギーに匹敵するとされているが、大地、海水、外気、河川水等は太陽輻射エネルギーの大部分を蓄える熱エネルギーの貯蔵庫である。
【０００８】
これらに備えられた熱エネルギーを熱媒体に作用させて、気化、液化サイクルによって、潜熱を有劾活用できれば、人類のエネルギー問題は解消するとさえ考えられるほど莫大なエネルギー発生システムとなる。
【０００９】
このような原理を実現化するシステムは、ヒートポンプとして公知であり、温熱空調機、暖房機、温水貯蔵器などとして商品化されている。また集熱装置と連結されて、地域暖房や融雪装置としての利用も、考えられている。
【００１０】
これらのヒートポンプシステムは、熱媒液化用コンプレッサー作動のために供給した加圧エネルギーの３−８倍の熱エネルギーを発生させることができることがわかっている。しかし、そこでは従来、熱エネルギーとしての利用に留まっている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、物質熱源に、その温度近辺で蒸発する液体熱媒を熱交換器を通して接触させることにより気化する工程（１）と、気化熱媒を加圧下で前記熱交換器とは別の熱交換器を通して加熱対象物質を加熱することによって放熱液化させる工程（２）とを連結循環させ、工程（１）の液体熱媒気化時の体積膨張エネルギー及び工程（２）の放熱エネルギーを取り出し、有効熱エネルギーと、電気エネルギー又は、運動エネルギー等として資源化することを特徴とする物質熱エネルギーの資源化システムが存在することを見出し、既に特許出願済み（特願平１１−３３８３２０、特願平３７５９６２、特願２０００−３５８４０、特願２０００−４０３５４５）である。
【００１２】
本発明は、上記発明技術の中、気液熱媒の断熱状態変化もしくは、系外からの熱の授受による状態変化、、混合熱媒の燃焼などによる熱、圧、体積変化を有効仕事エネルギー（エクセルギー）として取り出す改良法を検討した結果、到達した発明に関するものである。
【００１３】
即ち、本発明は、所定温度と圧力を有する気体及び／又は液体からなる熱媒を、断熱状態もしくは、系外から熱の授受を行いながら膨張又は収縮させ、その際生じる体積と圧力の変化を運動又は電気エネルギー（エクセルギー）として取り出すことを可能とする熱圧動力変換システムにおいて、
熱媒導入部と排出部をもつ外部シリンダーと、これより小径で外部シリンダーに内接して摺動回転する内部シリンダーおよび、内部シリンダー外層に設けられた溝に摺動可能状態ではめ込まれたらせん状連続隔壁から構成され、
該らせん状連続隔壁が外部シリンダーと実質的に気密接触かつ摺動可能な状態で介在し、シリンダー長手方向に重層する隔壁と内外シリンダーで形成される空間が、内部シリンダーの回転によって連続的に移動すると共に、必要に応じて設計された割合で変化するようになし、外部シリンダー一端の導入部から熱媒を取り込み、他端に排出することによって、内部シリンダーの回転軸から正または負のエクセルギーを取り出すことを可能とした熱圧動力変換システムを第一の要旨とする。
また、上記熱圧動力変換システムにおいて、外部シリンダー外側に系外との熱エネルギーの授受が可能なるよう熱交換機能をもたせたことを特徴とする熱圧動力変換システムを第二の要旨とする。
さらにこれら熱圧動力変換システムにおいて、熱媒として気体及び／又は液体の燃料と燃焼剤という混合熱媒を用い、該システムにおいて内部シリンダーの回転で移動する空間の内部で燃焼させ、その際生じる圧力と体積の変化を内部シリンダーの回転運動又は電気エネルギー（エクセルギー）として取り出すことを可能とした熱圧動力変換システムを第三の要旨とする。
又、これら熱圧動力変換システムにおいて、内部シリンダー外壁に設計されたピッチのらせん形状溝を形成し、らせん状隔壁が内部シリンダーの回転にあわせて摺動しつつ、出入り可能な形態で設置され、シリンダー長手方向に重層する隔壁と内外シリンーで形成される空間が、実質的に気密状態で、連続的に定容ないし変化するようになしたことを特徴とする熱圧動力変換装置を第四の要旨とし、これらのシステムおよび装置において、らせん状摺動隔壁の摺動性材料として、耐熱性有機高分子樹脂、フッ素含有樹脂、炭素繊維樹脂複合材料、シリンダーより軟質の金属などから選ばれる各種断面形状の帯状材、もしくはチューブ状材を使用することを特徴とする熱圧動力変換装置を第五の要旨とするものである。
【００１４】
本発明の基本システムは、所定温度（Ｔｏ）と圧力（Ｐｏ）を有する気体及び／又は液体からなる熱媒を、断熱状態もしくは、系外から熱の授受を行いながら或は、複合熱媒の燃焼熱を用いて、膨張又は収縮させ、その際生じる体積と圧力の変化を運動又は電気エネルギー（エクセルギー）として取り出すことを可能とする熱圧動力変換システムであるが、上記熱媒が、燃料と空気等の燃焼剤で構成され、膨張するシステムは、いわゆる内燃機関（エンジン）と呼称される機関の一種となる。
また、系外から熱を受け取りながら、熱媒が膨張するシステムについては、外部熱が、燃焼によって得られる場合、いわゆる外燃機関となる。
【００１５】
従来、同様の熱圧動力変換機能をもつ公知のシステムとしては、１）ピストン／シリンダー系内・外燃機関、２）回転羽根つきガスタービンなどがある。
ピストン／シリンダーは、バッチ式であり、燃料系の吸入、圧縮、点火、膨張のサイクルによって、燃焼系の膨張エネルギーを回転エネルギーに変換しているが、吸入・圧縮工程は仕事的には無駄な動作となっており、摩擦エネルギーロスや往復運動による騒音、回転運動への変換ロスによる膨張仕事の有効エネルギー変換率は低くなる。
また、回転羽根つきタービンは、蒸気発電やガスタービンなどで多用されているが、熱媒の熱、圧エネルギーを流体運動エネルギーに換えて、回転羽根に反動ないし揚力を与え回転運動エネルギーに変換するため、少量圧力差の少ない熱媒系では、有効仕事効率は極めて低くなる。
【００１６】
本発明の熱圧動力変換システムでは、２重シリンダー間と「らせん隔壁」の構成する空間膨張を内部シリンダーの回転運動として取り出す新規熱圧動力変換方式であって、ピストン系のように弁は不要、回転はスムーズで騒音は小さくタービンのように熱媒の運動エネルギーを介在させることなく、圧力差と体積膨張を直接回転仕事に転換できるため、摩擦ロスを除けば、膨張エネルギーの有効仕事変換効率は、ほぼ１００％近いものが得られる。
【００１７】
また、らせん隔壁の設置は、内シリンダー外層に溝をつける挿入することによって達成できる。そのピッチ等のプロフィルは、設計することができ、体積膨張プロセス、定積プロセス、体積縮小プロセスを適宜設定することが可能である。
らせん隔壁の重層数は、２回以上、好ましくは３−１５回程度が推奨できる。シリンダーの形状も円筒、円錐要因を取り入れて、各種設計により最適化を図ることができる。
特に、外部熱交換能力を設けた本発明のシステムでは、プロフィル設計が可能であることは、仕事効率向上の面で、極めて有利である。
【００１８】
シリンダー材料は、シリンダー温度が比較的低温の場合、有機高分子樹脂、フッ素含有樹脂、炭素繊維複合材料など、有機材料が使用でき、比較的高温用には、鋼、アルミ、チタン、マグネシウム等各種金属やセラミック、セラミック表面処理した炭素繊維複合材料などが使用可能である。
【００１９】
らせん状隔壁材料は、シリンダー温度が比較的低温の場合、摺動性材料として、有機高分子樹脂、フッ素樹脂、炭素繊維樹脂複合材料、シリンダーより軟質のアルミ、銅などの金属から選ばれる各種断面の帯状材や気体封入を含む樹脂エラストマーやこれらのチューブを用いることも可能である。このとき不揮発性油等の潤滑剤を並用することが出来る。
燃焼熱を用いるような、高温を発生するシステムでは、鋼、ステンレス、アルミ、チタン、マグネシウムなど金属が望ましいが、セラミックス、セラミック表面処理した炭素繊維複合材料などが、燃料系によっては使用可能である。
【００２０】
熱媒には、本発明のシステムが使用される系によって規定されるが、熱源温度を選べば、炭酸ガス、水、アンモニア、水・アンモニア混合系、炭化水素ガス、フロン系ガスその他が活用できる。
【００２１】
燃料を使用する場合には、ガソリン、軽油、重油、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどの液体燃料や、天然ガス（メタン）、液化石油ガス、水素などの気体燃料と、空気、酸素ガスなどの燃焼剤を用いることができる。
燃料と燃焼剤は、ガス状で前混合して導入したり、液体燃料の場合、霧状で投入することが望ましい。
また、燃焼剤を導入口から通し、燃料を外部シリンダー側部から、独立室が形成されたところに圧入するという、分離投入法によって、バックファイヤーの危険を避けることができる。
【００２２】
必要に応じ、燃料系に水、液化炭酸ガスなどの不燃性液体を所定量（１０−６０％）配合して投入することが可能である。その効果は、これら液体が、燃焼系の着火発熱によって気化し、体積膨張したり、極度の昇温を抑制できるところにある。　これにより、燃料単位当たりの出力を大幅に向上させることが可能であるばかりか、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＰＭなどの有害排出物を減少させることができる。
【００２３】
また、投入燃焼を局在状態化して着火し、大量の空気や炭酸ガス中で希釈された状態を選ぶことにより、極度の昇温を防ぎ、ＮＯｘ、ＳＯＸ、ＰＭなどを減少する方法などが取りうる。
【００２４】
本発明における熱圧動力変換システムは、回転動力が利用できる装置、機器に使用できるほか、排出系の運動エネルギーを反動力として使用する用途に使用できる。
前者の例としては、自動車、航空機、船舶などの移動体の回転式エンジン、大形発電機、分散型発電機、各種動力機械の動力が挙げられる。
後者の例としては、ジェットエンジンが挙げられる。この場合、通常のジェットエンジンのように、燃料系の圧縮工程が不要になるので、出力効率を高くすることができる。
【００２５】
尚、本発明のシステムの系外熱源として、太陽熱や地熱、大気・海水、流水などの持つ熱を利用する場合は、自然エネルギーを用いた、再生クリーンエネルギー活用動力システムとなる。
大気、河川、海水等の流動性物質を使用する場合、これらの物質が太陽エネルギー（熱・光）を吸収して、対流することによって連続的にエネルギーが供給される。つまり、効果的な総合太陽エネルギー有効活用システムとなる。
【００２６】
本発明のシステム装置作動による排気熱を利用して、従来同様の蒸気発電システムを作動させたり、本発明の別システムを加熱する事によって、多重システムを構成し、熱エネルギーの有効仕事変換効率を上げることができる。
【００２７】
本発明において、熱圧動力変換システムの適用系は、ヒートポンプの熱媒液蒸
発系や、第
【００１１】項で記した、本発明者の提案する物質熱エネルギーの資源化システムの熱媒蒸発系、圧縮系、熱交換系などに活用して発電を行うことができる。また、本システム装置における熱授受に付随して発生する冷熱および、温熱を有効資源として活用することも可能である。
【００２８】
以下本発明を図に従って詳細に説明する。
【００２９】
図１は本発明の熱圧動力変換システム・装置の一例を示す概略図である。
外内シリンダーが接触し、内シリンダーが回転する状態で、内シリンダーの外層に有する溝にはめ込まれたピッチの変化するらせん状隔壁をもち、隔壁と内外シリンダーで構成する独立気密室を形成しながら熱媒を吸入孔から排出孔に移動させる機構をもっている。
【００３０】
図２は本発明の装置適用システム例の概略図である。
同図において、液状物の気化、高圧蒸気の断熱膨張低圧化、定積加熱、断熱圧縮などの例を表示している。
ここで、系外熱源は、大気、海水、河川などの自然環境物質であり、この温度で常態となる高圧炭酸ガスを熱媒として設定している。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の熱圧動力変換システムとその装置は、らせん状隔壁のピッチを入り口から出口に向けて広げる場合、高圧ガスから断熱膨張によって低圧ガスに変換し、液状物質を加熱して蒸発させて体積膨張する系または、燃料・燃焼剤混合系で燃焼熱膨張系に使用でき、その体積膨張を内シリンダーの回転エネルギーに変換して、高効率で発電することができる。
また、らせん隔壁のピッチを変えない場合には、定積加熱が可能であり、らせん隔壁のピッチを縮める装置によれば、圧縮が可能である。しかも、外シリンダーの外側に系外熱源を用いて熱交換することによって、各種熱資源エネルギーを、有効動力（エクセルギー）に変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱圧動力変換システム・装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の装置の適用例を示す概略図である。
【符号の説明】
１　外シリンダー
２　内シリンダー
３　らせん隔壁
４　熱交換機能
５　熱圧動力変換器
６　低圧気液分離タンク
７　環境熱源による定積加熱熱交換器
８　コンプレッサー
９　熱交換・蒸発器
１０　発電電動機
【図１】
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【図２】
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