(57)【要約】本発明が提供するのは、流体を圧縮して熱を発生する主熱発生手段（１）と熱交換器（２）とを流路（３）によって相互連結された形で組み合わせて成る閉回路熱力学システムに設置される補助的熱発生装置（５）である。本補助的熱発生装置（５）は、同軸上にある入口室（１１）と出口室（１３）との間に配設された複数の個別流路（８，９）を備え、入口室（１１）は入口管（１０）を出口室（１３）は出口管（１２）をそれぞれ有すると共に、入口管（１０）と出口管（１２）とは同一の主断面を有し、当該主断面の面積は複数の個別流路の断面積の合計と一致している。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を圧縮して熱を発生する主熱発生手段（１）と熱交換器（２）とを組み合わせて成る閉回路熱力学システムに設置される補助的熱発生装置（５）であって、
主熱発生手段（１）と熱交換器（２）とは流路（３）によって相互連結されており、
補助的熱発生装置は、入口室（１１）と出口室（１３）との間に配設された複数の個別流路（８，９）を備え、入口室（１１）は入口管（１０）を出口室（１３）は出口管（１２）をそれぞれ有すると共に、入口管（１０）と出口管（１２）とは同一の主断面を有し、当該主断面の面積は複数の個別流路の断面積の合計と一致し、
個別流路には周辺個別流路（８）が含まれ、当該周辺個別流路は、同軸上に配された入口管（１０）と出口管（１２）との共通軸（Ａ）の周りであって当該共通軸から径方向に外れた位置にあること、
を特徴とする補助的熱発生装置。
【請求項２】
個別流路には更に、入口管（１０）および出口管（１２）と同軸上に位置する中央個別流路（９）が含まれること、
を特徴とする請求項１に記載の補助的熱発生装置。
【請求項３】
入口室（１１）には、入口管（１０）の出口位置において個別流路（８，９）に通じるフレア部（２０）が形成されていること、
を特徴とする請求項１または２に記載の補助的熱発生装置。
【請求項４】
入口室（１１）には、入口管（１０）に面する複数の周辺個別流路（８）の入口によって斜面（２１）が形成されており、当該斜面の傾斜の向きは、入口管（１０）の出口位置におけるフレア部（２０）の傾斜の向きと反対であること、
を特徴とする請求項３に記載の補助的熱発生装置。
【請求項５】
出口室（１３）は全体的にベンチュリ効果を用いる装置として構成されていること、
を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の補助的熱発生装置。
【請求項６】
出口室（１３）にはフレア部（２２）が形成されており、当該フレア部は、個別流路（８，９）に面する出口管（１２）への入口を構成していること、
を特徴とする請求項５に記載の補助的熱発生装置。
【請求項７】
出口管（１２）に面する複数の周辺個別流路（８）の出口によって形成された斜面(２３)が出口室（１３）に形成されており、当該斜面の傾斜の向きは、出口管（１２）の入口におけるフレア部（２２）の傾斜の向きと同じであること、
を特徴とする請求項６に記載の補助的熱発生装置。
【請求項８】
単一の部品として作っても、複数の部材を組み合わせて作ってもよいこと、
を特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の補助的熱発生装置。
【請求項９】
入口側本体（６）と出口側本体（７）との２つの本体（６，７）を有し、２つの本体（６，７）はそれぞれ、入口管（１０）が入口側本体（６）の内部に延びた先が入口室（１１）となっている構成、出口管（１２）が出口側本体（７）の内部に延びた先が出口室（１３）となっている構成を有し、
これら２つの本体（６，７）は、個別流路（８，９）によって相互連結されており、それぞれ、加圧された流体を通す流路（３）の連結部に組み付けるための組付手段を備えていること、
を特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の補助的熱発生装置。
【請求項１０】
組付手段は、取り外し可能な組付手段であっても、永続的な組付手段であってもよく、２つの本体（６，７）と対応する流路（３）の連結部との間に配置される断熱性の連結部材（１４）で成ること、
を特徴とする請求項９に記載の補助的熱発生装置。
【請求項１１】
流体を圧縮する形で動作する主熱発生手段（１）と熱交換器（２）とを加圧された流体を通すための流体流路（３）によって相互連結した形で組み合わせて成る閉回路熱力学システムであって、
請求項１乃至１０に記載の補助的熱発生装置（５）を少なくとも１つ有し、前記補助的熱発生装置（５）は、流体の流れる方向において主熱発生手段（１）と熱交換器（２）との間の流路（３）の途中に配設されていること、
を特徴とする閉回路熱力学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱力学の分野に関し、より具体的には、加圧した流体を利用して熱を発生させる装置の分野に関する。本発明は、加圧した流体を内部で流すことで熱を発生させる装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
熱力学の分野でよく知られたシステムは、第１の流体（特に気体）を圧縮することで熱を発生させる手段（コンプレッサを用いるもの）と発生させられた熱を利用する手段とを組み合わせたものであり、熱を利用する手段は、加圧状態に保たれる第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器を実装している。より具体的に言えば、こうしたシステムは、第１の流体を高圧（例えば、約３０気圧）の状態にするコンプレッサと、圧縮された第１の流体をコンプレッサと熱交換器との間で移動させるための流路と、前記熱交換器とを有する。本システムは、具体的には閉回路として構成されており、加圧された第１の流体が内部で循環する。前記閉回路は、前記流路によって相互連結されたコンプレッサと熱交換器とから成る。理解されるであろうが、流路には、流体の流れる方向においてコンプレッサと熱交換器との間に配置されている配送管と、やはり流体の流れる方向において熱交換器とコンプレッサとの間に配置されている戻り管とがある。一般に、コンプレッサの出口における第１の流体の温度は、流体の性質と、流体にかかる圧力とによって決まる。こうしたシステムは、例えば、冷蔵設備（具体的は、ヒートポンプを実装している設備）の下流、または地熱設備の下流に置くのに適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許第８２９１７３号明細書
【特許文献２】米国特許第２００５／０４００２３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、流体を圧縮することで熱を発生させる主熱発生手段と熱交換器とを流体用流路によって相互連結した形で組み合わせた熱力学システムに設置する装置を提供することである。本発明の装置は、具体的には、システムを通る流体の流れ方向の、熱交換器の下流の位置に、圧縮された流体の温度を更に上げる働きをする補助的熱発生装置である。より具体的には、本発明の装置は、コンプレッサからの出口において、そして熱交換器の下流において、第１の流体から放出される熱を大きくしようとするものであり、しかも、システムの主要部分の内部で流体の基準圧を大きく変えることがない。なお、前記基準圧はコンプレッサの作用で得られる圧力に対応している。
【０００５】
本発明の進歩性は、その全体的な特徴として、流体の流れ方向においてコンプレッサと熱交換器との間で圧縮された流体を運ぶ流路の少なくとも一部を、複数の個別流路の形で構成する点にある。システムによって運ばれる流体の速度および／または基準圧の大幅な変化を回避する目的で、第１に、コンプレッサからの出口流路の主断面の面積と熱交換器への入口流路の主断面の面積とを同一にしており、第２に、個別流路の断面積の合計を可能な限り前記主断面の面積に近くしてある。
【０００６】
驚くべきことに、流体用の流路をこのように構成することで、流体の熱の量は、補助的流路の入口および出口における流体と比較して、少なからぬ増加が生じることが分かった。計測結果に見られるこうした増加の比率は、システム内部の流体の性質および圧力によって決まり、コンプレッサからの出口における流体の当初の温度の５０％にもなる場合がある。一例として、流体が３０気圧程度の圧力に維持されたフロンである場合、個別流路への入口における流体の温度が約１００℃であるのに対し、個別流路からの出口における流体の温度は約１５０℃である。しかし、これによって、克服しなければならない新たな問題が生じる。それは、主断面を備えた１本の管から個別の断面を備えた複数の管へと（あるいはその逆の形で）流路の形が変わるという、幾何学的構造があるにもかかわらず、流体の圧力を基準圧に維持しなければならないという問題である。より具体的に言えば、流体が補助的流路を通過した結果として、流体の圧力がシステムの他の部分を流れる流体に対する基準圧と異なる値になってしまう可能性を排除する必要がある。こうした圧力の変化は、流路の形が変化する部分（主断面から個別の断面に変わる部分、そして、その逆の形で変わる部分）において、室の収縮や膨張という結果を生じかねない。
【０００７】
上記目的の達成のために本発明が提案するのは、こうした形の変化する部分について補助的に、流体の圧力に上述したような変化が生じる事態を回避できるような幾何学的構造にすることである。
第１に、主断面を有する入口管から個別流路に通じる入口の位置にあって流路の形が変化する部分（主たる流路に接続されていると共に複数の個別の断面にも通じる部分）は、入口室として作られている。この入口室は先ず、入口管の主断面（main section）を漸進的に大きくしていく。そのために、入口室はフレア部（flare）の形を取り、当該フレア部の出口が個別流路に面している。次いで、入口室は、入口管からの出口に面する個別流路への入口の側に上記フレア部とは反対向きの斜面を備えている。反対向きの斜面の傾斜については、並置された個別流路の対応する入口の全てに共通するものと考えるのが好ましい。ただし、異なる実施の形態では、個別流路に通じる入口の斜面は個別化される。しかし、その場合でも、個別流路の各々の傾斜の向きは、対応する入口管からの出口にあるフレア部とは反対向きになっている。
【０００８】
個別流路の並置構造は、具体的には、入口管の軸を中心に、当該軸から径方向に外れた位置に周辺個別流路を並置した形で成る。周辺個別流路のこうした並置構造には、好ましい構成として、入口管と軸が一致する中央個別流路を更に組み合わせてある。この場合、より具体的に言えば、入口管からの出口にあるフレア部は、およそ４５〜７５度の範囲にあり、周辺個別流路および中央個別流路（存在する場合のみ）の入口に全体が面する形に作られている。周辺個別流路の側にある反対向きの斜面の傾斜は、およそ９０〜１６０度の範囲にある。この角度は、入口管の軸を中心にした複数の個別流路全体が成す角度として考えることが好ましい。適切であることが確認された値は、入口管の出口の位置にあるフレア部では６０度程度であり、周辺個別流路の側の反対向きの斜面が有する傾斜の角度については１２０度である。
【０００９】
第２に、個別流路からの出口の側（主断面を有する出口管に通じる側）において流路の形が変化する部分は、出口室の形に作られており、全体的にベンチュリ効果を用いる装置として構成されている。より具体的に言えば、周辺個別流路の出口の側（出口管への入口に面する側）にある斜面の傾斜の向きは、出口管への入口の側にあるフレア部の傾斜と同じ向きになっている。周辺個別流路の出口の側にある斜面の傾斜は、複数ある周辺個別流路の出口の全体の傾斜と考えることが好ましい。ただし、別の実施の形態として、周辺個別流路の出口の斜面を個別化する場合もあるが、その場合でも、個別流路の各々の傾斜の向きは、出口管への入口の側にある対応するフレア部の傾斜と同じ向きとする。より具体的に言えば、出口管への入口の側にあるフレア部は、約３０〜５０度の範囲にあり、全ての周辺個別流路および中央個別流路（存在する場合のみ）の出口に全体が面するように構成されている。複数ある周辺個別流路が成す斜面の傾斜は、出口管の軸を中心に複数の個別流路の全体が成す角度と見なすのが好ましく、およそ１８０〜２７０度の範囲にある。適切であることが確認された値は、出口管の入口の側にあるフレア部では４０度であり、周辺個別流路の斜面の傾斜については２４０度の角度である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一般的に言えば、本発明の装置は、流体を圧縮して熱を発生する主熱発生手段と熱交換器とを組み合わせて成る閉回路熱力学システムに設置される補助的熱発生装置である。主熱発生手段と熱交換器とは、特に、加圧された流体を通す流路によって相互連結されている。
本発明では、当該装置は、入口室と出口室との間に配設された複数の個別流路を備え、入口室は入口管を出口室は出口管をそれぞれ有すると共に、入口管と出口管とは同一の主断面を有し、当該主断面の面積は複数の個別流路の断面積の合計と一致する、という形に構成を変えてある。
【００１１】
そして、好ましい構成として、個別流路は、間に隙間を開けた形で並置されている。これらの個別流路には周辺個別流路が含まれ、当該周辺個別流路は、同軸上に配された入口管と出口管との共通軸の周りであって当該共通軸から径方向に外れた位置にある。それと共に、個別流路には更に、入口管および出口管と同軸上に位置する中央個別流路が含まれる、とすることもできる。
【発明の効果】
【００１２】
より具体的には、入口室には、入口管の出口位置において個別流路に通じるフレア部が形成されていること、とする。更に、より具体的には、入口室には、入口管に面する複数の周辺個別流路の入口によって斜面が形成されており、当該斜面の傾斜の向きは、入口管の出口位置におけるフレア部の傾斜の向きと反対であること、とする。上述した通り、個別流路への入口の側にある斜面は、個別流路ごとに個別化してもよいし、複数ある周辺個別流路の入口の全部が同じ傾斜を成す形にしてもよい（個別化とは、具体的には、入口管の軸に対する各々の位置関係に応じて各周辺個別流路が個別の傾斜を有する形とすることである）。例えば上記の構成の場合、入口室には周辺個別流路が開口する第２のフレア部が形成され、当該第２のフレア部の傾斜の向きは、入口管の出口の側にあるフレア部の傾斜の向きと反対になる。
【００１３】
好ましい構成として、出口室は全体的にベンチュリ効果を用いる装置として構成されている。より具体的には、出口室にはフレア部が形成されており、当該フレア部は、個別流路に全体が面する出口管への入口を構成している。そして更に具体的には、出口管に面する複数の周辺個別流路の出口によって形成された斜面が出口室に形成されており、当該斜面の傾斜の向きは、出口管の入口におけるフレア部の傾斜の向きと同じである。上述した通り、個別流路の出口の側の斜面は、個別流路ごとに個別化してもよいし、複数ある周辺個別流路の入口の全体が同じ傾斜をなす形にしてもよい（個別化とは、具体的には、入口管の軸に対する各々の位置関係に応じて各周辺個別流路が個別の傾斜を有する形とすることである）。例えば上記構成の場合、出口室には周辺個別流路が開口する第２のフレア部が形成され、当該第２のフレア部の傾斜の向きは、出口管の入口の側にあるフレア部の傾斜の向きと同じになる。
【００１４】
本装置は、単一の部品として作っても、複数の部材を組み合わせて作ってもよい。上記の構成要素を組み立てて一体化するには、ネジ留めをするか、装着または組み込みされた組立用部材を用いる。構成要素を一体化して１つのユニットとする場合、こうした一体化は、接着剤、溶接、または類似の他の技術を用いて実現される。
本発明の１つの実施の形態では、本装置は、入口側本体と出口側本体との２つの本体を有する。入口管が入口側本体の内部に延びた先は入口室となっている。そして、出口管が出口側本体の内部に延びた先は出口室となっている。本体内部のこうした構造は、例えば、機械加工や成形加工、またはこれらに類似の技術を用いて作ることができる。これら２つの本体は、個別流路によって連結されている。また、効果的な構成として、これらの流路は、材料図面法（material-drawing）やそれに類似の技術で作られたダクトで構成されている。少なくともダクト（そして、場合によっては本体も）を構成する材料は、熱効率の高い金属（例：銅、真鍮）とする。これら本体はそれぞれ、加圧された流体を通す流路の連結部に組み付けるための組付手段を備えている。こうした組付手段は、ネジ留めやそれに類似の技術を用いた取り外し可能な組付手段であっても、接着材、溶接やそれらに類似の技術を用いた永続的な組付手段であってもよい。好ましい構成として、組付手段は、２つの本体と対応する流路の連結部との間に配置される断熱性の連結部材で成る。
【００１５】
好ましい構成として、断熱性シース（sheath）が個別流路をまとめて囲んでおり、当該断熱性シースは、効果的な構成として、個別流路から放射される熱に対する障害物となる。それによって、先ず装置を外部から保護し、次いで熱の不必要な損失を回避することで、個別流路と流体との間の熱交換を促進する。
本発明はまた、流体を圧縮する形で動作する主熱発生手段と熱交換器とを加圧された流体を通すための流体流路によって相互連結した形で組み合わせて成る閉回路熱力学システムを提供する。本発明によれば、この熱力学システムは、主要な構成として、これまでに述べた補助的熱発生装置を少なくとも１つ有する。更に具体的には、本補助的熱発生装置は、流体の流れる方向において主熱発生手段と熱交換器との間の流路の途中に配設されている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の装置が設置された熱力学システムを示す概略図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態による装置を示す軸方向における断面図である。
【図３】図２に示す装置が有する入口室の詳細を示す図である。
【図４】図２に示す装置が有する出口室の詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付図面を参照しながら示す本発明の好適な実施の形態に関する以下の詳細な説明を読むことで、本発明をより深く理解でき、さらに、本発明の詳細も明らかになるであろう。
図１における熱力学システムの主要部は、主熱発生手段１と熱交換器２との組み合わせである。主要部である閉回路では先ず、第１の流体用流路３によって相互連結された主熱発生手段１と熱交換器２との間を、第１の伝熱流体（例：フロン、または、それに類似の流体）が流される。第１の流体が熱交換器２を通過することで第２の流体が加熱され、加熱された第２の流体は加熱装置などで利用される。主熱発生手段１は、コンプレッサ４または類似の装置（具体的にはヒートポンプ型の装置）を利用して、第１の流体を高圧（例えば、３０気圧程度）になるまで圧縮する。
【００１８】
本発明の装置５は、第１の流体の発熱を大きくする目的で流路３の途中に置かれており、その位置は、流体の流れ方向においてコンプレッサ４と熱交換器２との間である。装置５は補助的熱発生装置であり、第１の流体が本装置を通過する際に、当該流体の熱を増大させる。
図２に示すように、本発明の装置５は、主要部として２つの本体６、７を有し、これら本体の各々が流路３の連結部に接続される。これらの本体はそれぞれ、流体の流れる方向に見て入口側にある入口側本体６、そして出口側にある出口側本体７となっており、個別流路８、９によって相互連結されている。個別流路の断面積の合計は、流路３の主断面の面積と同じである。これらの本体６、７のうち、入口側本体６については入口管１０および入口室１１、出口側本体７については出口管１２および出口室１３が、それぞれ内部に設けられている。入口管１０と出口管１３とは同軸上にあり、それぞれの断面積は流路３の断面積とほぼ同じになっている。入口側本体６、出口側本体７はそれぞれ、流路３の側の対応する連結部への組み付けのために組付手段を備えており、具体的には、断熱性の連結部材１４を有する。これらの連結部材１４は、断熱性の材料（例：ベークライト、または、これに類似の材料）で作られた中間リングによって構成されている。こうした組付手段については、装置５の既存の熱力学システムへの取り付けを可能にするために、取り外し可能とするのが好ましい。
【００１９】
個別流路８、９は複数存在する。周辺個別流路８は、入口管６、出口管７の一般軸（general axis）Ａを中心に径方向に分散配置されている。これら周辺個別流路８の数は、個別流路８、９に関連して複数の個別の断面に分割される流路３の主断面と、装置５の全体的な寸法と、その効率との間の折り合いによって選択される。こうした折り合いの結果、周辺個別流路８の数は３〜１２の範囲となることが分かっており、理想的な数は８である。好ましい構成として、個別流路には、入口管１０、出口管１２と同軸上にある中央個別流路９が含まれる。
【００２０】
断熱性シース１５が少なくとも個別流路８、９を囲んでおり、当該断熱性シースに入口側本体６、出口側本体７が嵌合されている。この断熱性シース１５は、本体６、７へのネジ留めによって所定位置に配置され、好ましくは永続的な状態または取り外し可能な状態で固定される。そのため、望むのであれば、個別流路８、９および入口側本体６、出口側本体７への接触も可能である。入口側本体６、出口側本体７はそれぞれ、本体構成要素１６、１７、本体構成要素１８、１９から成り、それらを組み立てて一体化するため、簡単に入口室１１、出口室１３を形成することができる。本体構成要素１６、１７、本体構成要素１８、１９は、固定手段によって組み立てられて一体化されるが、当該固定手段については、取り外し可能な手段（例：ネジ留め、または、それに類似の技術）としても、永続的な手段（例：接着材や溶接、または他の類似の技術）としてもよい。
【００２１】
個別流路８、９は、両端のそれぞれが接続手段によって入口側本体６または出口側本体７に接続されている。当該接続手段は、取り外し可能な手段（例：相互嵌合、または、それに類似した技術）であっても、永続的な手段であってもよい。上記の嵌合は、接着や溶接、あるいは他の類似した技術を含む操作と組み合わせることができる。
図３に示す入口室１１は、流体が入口管１０から個別流路８、９に流れる際の水頭損失を小さくするように構成されている。第１に、個別流路８、９に面する入口管１０の出口には、おおよそ６０度に等しい角度Ｂ１を有する第１のフレア部２０が設けられている。この第１のフレア部２０は、具体的には、入口側本体６の第１の本体構成要素１６によって形成されている。第２に、個別流路の入口（より具体的には、入口管１０に面する周辺個別流路８の入口）の側には斜面２１があり、当該斜面２１の向きは、入口管１０の出口に設けられた第１のフレア部２０の傾斜の向きと反対になっている。斜面２１は、入口側本体６の第２の本体構成要素１７に形成された第２のフレア部が有するものである。入口側本体６の第１および第２のフレア部２０、２１の軸は、入口管１０と出口管１２とに共通の軸Ａと一致している。こうした構成では、周辺個別流路８に通じる入口の斜面２１については、複数ある入口が全体で１つの斜面を成すものと見なす。斜面２１の傾斜は、入口側本体６における第２のフレア部の傾斜と一致し、その全体が成す角度Ｂ２は、入口管の軸を中心に約１２０度となっている。角度Ｂ１に対する角度Ｂ２の適当な比率は２倍程度である。
【００２２】
図４に示す出口室１３は、ベンチュリ効果を利用する装置として構成されている。より具体的に言えば、第１に、個別流路８、９に面する出口管１２への入口には、おおよそ３０〜４０度の角度Ｂ３を有する第１のフレア部２２が形成されている。この第１のフレア部２２は、具体的には、出口側本体７の第１の本体構成要素１８の内側に設けられている。第２に、個別流路の出口（より具体的には、出口管１２に面する周辺個別流路８の出口）には斜面２３があり、当該斜面２３の向きは、出口管１２の入口にある第１のフレア部２２の傾斜の向きと同じになっている。こうした斜面２３の角度は、出口側本体７の第２の本体構成要素１９に形成された第２のフレア部に基づいて決められる。出口側本体７の第１および第２のフレア部２２、２３の軸は、入口管１０と出口管１２とに共通する軸Ａと一致している。こうした構成では、周辺個別流路８の出口の斜面２３については、複数ある出口が全体で１つの斜面を成すものと見なす必要がある。斜面２３の傾斜は、出口側本体７に形成された第２のフレア部の傾斜と一致し、その全体が成す角度Ｂ４は、出口管１２の軸Ａを中心に約２４０°となっている。角度Ｂ３に対する角度Ｂ４の適当な比率は約６倍である。
【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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【国際調査報告】
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2010532456.tif 000010
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