(57)【要約】本発明は、エネルギー変換及び生成システムに関し、より具体的には、作動流体内の圧力差によってエネルギーを生成及び変換するためのユニットに関する。圧力パワーユニットが開示され、圧力パワーユニットは、閉ループで配列される凝縮器及び気化器を備え、凝縮器及び気化器は、それぞれ、互いに対して低い温度及び高い温度で維持される。作動流体は、閉ループを通じて循環され、作動流体は、２つの異なるレベルの弾性ポテンシャルエネルギーを示すそれぞれの状態関数に従って、凝縮器及び気化器内で異なる平衡蒸気圧を有する。これは、凝縮器と気化器との間に圧力差をもたらす。仕事抽出システムは、気化器の出口と凝縮器の入力との間に配置されて、弾性ポテンシャルエネルギー／圧力差を運動エネルギーに変換する。本発明の他の実施形態もまた記述される。
2015518935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力パワーユニットであって、
閉ループで配列される蒸気回収ユニット／冷熱サブシステム、及び熱回収ユニット／温熱サブシステムであって、冷熱サブシステムの出力が温熱サブシステムの入力に供給され、温熱サブシステムの出力が冷熱サブシステムの入力に供給される、蒸気回収ユニット／冷熱サブシステム、及び熱回収ユニット／温熱サブシステムと、
前記温熱サブシステムの出口と前記冷熱サブシステムの入口との間に配置された仕事抽出器ユニットであって、弾性ポテンシャルエネルギー／圧力差を運動エネルギーに変換するように動作可能である仕事抽出器ユニットと、を備え、
前記冷熱サブシステム及び前記温熱サブシステムは、それぞれ、互いに対して低い温度及び高い温度で維持され、前記圧力パワーユニットは、更に、
前記冷熱サブシステムの出口と前記温熱サブシステムの入口との間に配置された油圧ポンプであって、作動流体を循環させ、冷熱及び温熱の両サブシステム内で液体部分の体積を一定に維持するように動作可能である油圧ポンプと、
前記閉ループ内で循環する作動流体と、
を備え、前記作動流体は、両サブシステム内で維持される雰囲気温度に起因し、前記冷熱サブシステムと前記温熱サブシステムとの間の圧力差をもたらす２つの異なるレベルの弾性ポテンシャルエネルギーを示すそれぞれの状態関数に従って、前記冷熱サブシステム及び前記温熱サブシステム内で異なる平衡蒸気圧を有する圧力パワーユニット。
【請求項２】
前記蒸気回収ユニットは、
膨張チャンバと、
バキュームポンプと、
凝縮器と、
外部冷却システムと、
を備える請求項１に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３】
前記熱回収ユニットは、
気化器と、
周囲熱収集器と、
任意には予熱器と、
を備える請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４】
前記仕事抽出器ユニットは、
油空圧エンジンを備え、
前記油空圧エンジンは、
気体分配器と、
一連の油空圧シリンダと、
油圧整流器と、
油圧モータと、
を含む請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５】
前記作動流体は、前記冷熱サブシステムよりも前記温熱サブシステムにおいて温かい温度で貯蔵され、前記温熱サブシステム内の前記作動流体の前記平衡蒸気圧対前記冷熱サブシステム内の前記作動流体の前記平衡蒸気圧は、仕事の抽出を可能にする利用可能な圧力差をもたらす請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項６】
前記膨張チャンバは、前記冷熱サブシステム１００の容積効率を増大させる圧力容器を備え、およそ大気圧までの、それにより前記作動流体の標準沸点までの、前記作動流体の気体形態での自由膨張を可能にする請求項２に記載の圧力パワーユニット。
【請求項７】
前記バキュームポンプは、ガス状作動流体を、前記膨張チャンバから前記凝縮器まで移送するためのポンプ／バキュームシステムを備え、前記移送は、少しの圧縮効果をもたらし、前記ガス状作動流体の大部分が前記凝縮器内に吐出されるときに液化し、前記作動流体が少し体積の気体しか残らない蒸気−液体混合物になるようにする請求項２に記載の圧力パワーユニット。
【請求項８】
ガス状作動流体の残りの部分は、前記バキュームポンプによって注入されると、前記凝縮器デバイスにおいて既に貯蔵されている液相の前記作動流体内で液化し、前記作動流体が標準沸点より少し上の雰囲気温度で、その蒸気／液体平衡を一定に保持することを可能にする請求項２に記載の圧力パワーユニット。
【請求項９】
前記冷熱サブシステムは、貯蔵コンテナとして部分的に機能する請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１０】
前記冷熱サブシステムは、断熱される請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１１】
前記作動流体は、前記冷熱サブシステムにおいて前記作動流体の標準沸点に近く標準沸点より上の温度で貯蔵される請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１２】
前記外部冷却システムが、前記冷熱サブシステムの雰囲気温度を前記作動流体の標準沸点の近くに維持するのを助ける請求項２に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１３】
液体状態の前記作動流体を前記冷熱サブシステムの出力から前記温熱サブシステムの入力まで移送するポンプを更に備える請求項１に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１４】
前記気化器は、貯蔵コンテナとして機能する圧力容器を含む請求項３に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１５】
前記気化器は、熱伝達流体（ＨＴＦ）によって温められる１つ又は複数の熱交換器として設計され、それにより、前記作動流体の雰囲気温度を一定に維持する請求項３に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１６】
前記熱収集器は、遠隔の熱エネルギー源又は周辺温度によって前記ＨＴＦを温めるための一連の熱交換器を備える請求項１５に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１７】
エネルギーは、前記熱収集器から前記気化器へと第２の閉ループ及び前記第２の閉ループ内で循環する熱伝達流体を介して伝達される請求項１６に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１８】
前記気化器及び／又は前記熱収集器は、太陽熱、地熱、風、バイオマス、燃料電池、川、海底、帯水層又は地下水源等の水流、例えば縦抗内及び建物のベースメント内等の地下で見出される熱勾配、商業用又は産業用熱回収システム、グリーンハウス、及び、産業用建物を直近で囲む若しくは産業用建物から離れた又は産業用建物内の大気において見出される雰囲気温度からなる群から選択されるエネルギー源によって温められる請求項１６に記載の圧力パワーユニット。
【請求項１９】
前記熱交換器は、前記作動流体及び前記ＨＴＦをそれぞれ循環させるための一連のチューブを備える請求項１５〜請求項１８のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２０】
前記チューブは、前記熱交換面を増大し、熱エネルギーの伝達を改善するために外部フィン又はベーンを備える請求項１９に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２１】
前記チューブは、熱エネルギーの伝達を改善するために内部フィン又はベーンを備える請求項１９に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２２】
前記チューブは、押出しアルミニウム構造物である請求項１９に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２３】
前記温熱サブシステム内で作動流体を加熱するために、場合によりプロパン、天然ガス、又は、別の燃料で燃料供給される外部加熱器を、任意には更に備える請求項１４〜請求項２２のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２４】
前記気化器及び前記周囲熱収集器は、場合により、前記圧力パワーユニットから離れて位置し得る複数の周辺熱エネルギー源からエネルギーを収集し、前記圧力パワーユニットがハイブリッドとして動作することを可能にする請求項１４〜請求項２３のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２５】
前記作動流体は、有機材料、化合物、化合物の混合物、冷媒、アンモニア、二酸化硫黄、フルオリル、プロパン、及びメタン等の非ハロゲン化炭化水素、窒素のような化学元素、並びに、二酸化炭素及び亜酸化窒素等の化合物からなる群から選択される請求項１〜請求項２４のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２６】
前記冷熱サブシステム及び前記温熱サブシステムの両方の状態関数は、前記作動流体の揮発性が、気相（「蒸気」）が前記作動流体の液相と平衡状態にあるそれぞれの蒸気／液体平衡に留まるように、一定に維持され、その結果、前記作動流体は、物質の液体状態で前記圧力容器を部分的に満たすだけで、各容器の残りは、加圧された気体状態の前記作動流体によって満たされる請求項１〜請求項２５のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２７】
前記作動流体は、「ＩＳＭＣ」温度（温度、圧力、及び湿度又は飽和状態の国際標準メトリックコンディション：２８８．１５Ｋ［１５℃］及び１０１．３２５ｋＰａ［１Ａｔｍ］）より著しく低い標準沸点（ＮＢＰ）を有する請求項１〜請求項２６のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２８】
前記仕事抽出器は、一連の油空圧リニアアクチュエータを基本的に備える油空圧エンジンとして機能する請求項１及び請求項４に記載の圧力パワーユニット。
【請求項２９】
前記油空圧リニアアクチュエータはそれぞれ、ダブルアクション油空圧シリンダを備え、前記ダブルアクション油空圧シリンダは、
−第１の空気圧シリンダ及び第２の油圧シリンダと、
−前記第１及び第２のシリンダを共に連結する共通シャフトと、
−前記第１のシリンダ内で前後に摺動する共通ピストンと、からなり、
−それにより、前記第１のシリンダに入る第１の流体流の低圧ヘッドは、第２の高圧流体流として前記第２のシリンダによって置換される異なる圧力及び体積をもたらすことになる請求項１及び請求項４に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３０】
前記仕事抽出器は、線形運動エネルギーを回転運動エネルギーに変換し、圧力ヘッドを有効な機械的エネルギーに変換するために、前記第２の高圧流体流によって作動される油圧モータを更に備える請求項１及び請求項４に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３１】
前記仕事抽出器は、
−加圧流の方向の周期的な反転を可能にする気体流反転器として働く気体分配器であって、前記気化器によって生成される作動流体の連続流を、前記空気圧シリンダを作動させるための交互流に変換する気体分配器と、
−油圧分配器（油圧整流器とも呼ばれる）と、
を備え、前記油圧分配器は、連続流の形態で、油圧／オイルモータの入口への、油圧シリンダによって生成される交互の油圧／オイル流の再配向をもたらす一方、前記モータによって吐出される連続流を関連する油圧シリンダに交互に戻すスイッチとして、２対の逆止弁を使用する請求項１及び請求項４に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３２】
前記油圧モータは、ピストン無し回転ジロータエンジンからなる、又は、ギア、ラジアルピストン、及びベーンモータからなる群から選択される請求項１及び請求項４に記載の仕事抽出器。
【請求項３３】
前記仕事抽出システムは、電気を発生するための発電機に連結される請求項１から３２のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３４】
圧力パワーユニットであって、
閉ループで配列される凝縮器及び気化器であって、凝縮器の出力が気化器の入力に供給され、気化器の出力が凝縮器の入力に供給される、凝縮器及び気化器を備え、
前記凝縮器及び気化器は、それぞれ、互いに対して低い温度及び高い温度で維持され、前記圧力パワーユニットは、更に、
前記閉ループ内で循環する作動流体であって、前記凝縮器と前記気化器との間の圧力差をもたらす２つの異なるレベルの弾性ポテンシャルエネルギーを示すそれぞれの状態関数に従って、前記凝縮器及び前記気化器において異なる平衡蒸気圧を有する作動流体と、
前記気化器の出口と前記凝縮器の入力との間に配置された仕事抽出システムであって、前記弾性ポテンシャルエネルギー／圧力差を運動エネルギーに変換するように動作可能である仕事抽出システムと、を備える圧力パワーユニット。
【請求項３５】
前記作動流体は、前記凝縮器よりも前記気化器において温かい温度で貯蔵され、前記気化器内の前記作動流体の平衡蒸気圧対前記凝縮器内の前記作動流体の平衡蒸気圧は、仕事の抽出を可能にする利用可能な圧力差をもたらす請求項３４に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３６】
前記凝縮器は、圧力容器を備える請求項３４及び請求項３５のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３７】
前記凝縮器は、およそ大気圧までの、前記作動流体の気体形態での自由膨張を可能にする膨張チャンバを備える請求項３４〜請求項３６のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３８】
前記作動流体を、前記膨張チャンバから前記凝縮器まで移送するためのポンプ／バキュームシステムを更に備える請求項３７に記載の圧力パワーユニット。
【請求項３９】
前記ガス状作動流体の一部は、前記凝縮器内で気化し、前記作動流体が標準沸点より少し上の雰囲気温度で、その蒸気／液体均衡を一定に維持することを可能にする請求項３４〜請求項３８のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４０】
前記凝縮器は、貯蔵コンテナとして部分的に機能する請求項３４〜請求項３９のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４１】
前記凝縮器は、断熱される請求項３４〜請求項４０のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４２】
前記作動流体は、前記凝縮器において前記作動流体の標準沸点に近く標準沸点より上の温度で貯蔵される請求項３４〜請求項４１のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４３】
液体状態の前記作動流体を前記凝縮器の出力から前記気化器の入力まで移送するポンプを更に備える請求項３４〜請求項４２のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４４】
前記気化器は、貯蔵コンテナとして機能する圧力容器を備える請求項３４〜請求項４１のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４５】
前記凝縮器及び前記気化器の両方の状態関数は、前記作動流体の揮発性が、気相（「蒸気」）が前記作動流体の液相と平衡状態にあるそれぞれの蒸気／液体平衡に留まるように、一定に維持され、その結果、前記作動流体は、物質の液体状態で前記圧力容器を部分的に満たすだけで、各容器の残りは、加圧された気体状態の前記作動流体によって満たされる請求項４４に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４６】
前記気化器の温度を維持するために熱エネルギーを収集する熱収集器を更に備える請求項３４〜請求項４１のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４７】
前記熱収集器は、１つ又は複数の熱交換器を備える請求項４６に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４８】
前記１つ又は複数の熱交換器は、その周辺温度によって温められる請求項４７に記載の圧力パワーユニット。
【請求項４９】
前記熱収集器は、太陽熱、地熱、風、燃料電池、バイオマス、川、海底、帯水層又は地下水源等の水流、例えば縦抗内及び建物のベースメント内等の地下で見出される熱勾配、商業用又は産業用熱回収システム、グリーンハウス、及び、産業用建物を直接は囲まない又は産業用建物内の大気において見出される雰囲気温度からなる群から選択されるエネルギー源によって温められる請求項４６に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５０】
前記気化器内で作動流体を加熱するために、場合によりプロパン、天然ガス、又は別の化石燃料で燃料供給される外部加熱器を、更に備える請求項４４〜請求項４９のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５１】
前記気化器は、場合により、圧力パワーユニットから離れて位置し得る複数の周辺熱エネルギー源からエネルギーを収集し、圧力パワーユニットがハイブリッドとして動作することを可能にする請求項４４〜請求項５０のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５２】
前記気化器は、直近の周辺環境の温度で維持される請求項４４〜５０のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５３】
前記作動流体は、有機材料、化合物、化合物の混合物、冷媒、アンモニア、二酸化硫黄、フルオリル、プロパン、及びメタン等の非ハロゲン化炭化水素、窒素のような化学元素、並びに、亜酸化窒素等の化合物からなる群から選択される請求項３４〜請求項５２のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５４】
前記作動流体は、「ＩＳＭＣ」温度（温度、圧力、及び湿度又は飽和状態の国際標準メトリックコンディション：２８８．１５Ｋ［１５℃］及び１０１．３２５ｋＰａ［１Ａｔｍ］）より低い標準沸点（ＮＢＰ）を有する請求項３４〜請求項５３のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５５】
エネルギーは、前記熱収集器から前記気化器へと第２の閉ループ及び前記第２の閉ループ内で循環する熱伝達媒体を介して伝達される請求項４７に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５６】
前記仕事抽出器は、油空圧リニアアクチュエータを備える請求項３４〜請求項５５のいずれか一項に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５７】
前記油空圧リニアアクチュエータは、ダブルアクション油空圧シリンダを備え、前記ダブルアクション油空圧シリンダは、
−第１の空気圧シリンダ及び第２の油圧シリンダと、
−前記第１及び第２のシリンダを共に連結する共通シャフトと、
−前記第１のシリンダ内で前後に摺動する共通ピストンと、からなり、
−それにより、前記第１のシリンダに入る第１の流体流の低圧ヘッドは、第２の高圧流体流として前記第２のシリンダによって置換される異なる圧力及び体積をもたらすことになる請求項５６に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５８】
前記仕事抽出器は、線形運動エネルギーを回転運動エネルギーに変換し、圧力ヘッドを有効な機械的エネルギーに変換するために、前記第２の高圧流体流によって作動される油圧モータを更に備える請求項５６に記載の圧力パワーユニット。
【請求項５９】
前記仕事抽出器は、
−加圧流の方向の周期的な反転を可能にする気体流反転器として働く気体分配器であって、前記気化器によって生成される作動流体の連続流を、空気圧シリンダを作動させるための交互流に変換する気体分配器と、
−油圧分配器と、
を備え、前記油圧分配器は、連続流の形態で、油圧／オイルモータの入口への、油圧シリンダによって生成される交互の油圧／オイル流の再配向をもたらす一方、前記モータによって吐出される連続流を関連する油圧シリンダに交互に戻すスイッチとして、２対の逆止弁を使用する請求項５６に記載の圧力パワーユニット。
【請求項６０】
前記油圧モータは、ピストン無し回転ジロータエンジンからなる、又は、ギア、ラジアルピストン、及びベーンモータからなる群から選択される請求項５９に記載の仕事抽出器。
【請求項６１】
前記凝集器は、前記冷熱サブシステムの雰囲気温度を前記作動流体の標準沸点の近くに維持するのを助ける外部冷却システムによって囲まれる請求項４５に記載の圧力パワーユニット。
【請求項６２】
前記凝集器は、前記膨張チャンバからのガス状作動流体に、前記凝縮器内に既に貯蔵されている液体作動流体を横断させる気泡凝縮器を更に備え、それにより、前記ガス状作動流体の液化を補助する請求項４５に記載の圧力パワーユニット。
【請求項６３】
前記熱交換器は、前記熱伝達流体を循環させるための一連のチューブを備える請求項４５に記載の圧力パワーユニット。
【請求項６４】
前記チューブは、前記熱交換面を増大し、熱エネルギーの伝達を改善するために外部フィン又はベーンを備える請求項６３に記載の圧力パワーユニット。
【請求項６５】
前記チューブは、熱エネルギーの伝達を改善するために内部フィン又はベーンを備える請求項６３に記載の圧力パワーユニット。
【請求項６６】
前記チューブは、押出しアルミニウム構造物である請求項６３に記載の圧力パワーユニット。
【請求項６７】
前記仕事抽出システムは、電気を発生するための発電機に連結される請求項３４〜請求項６６のいずれか１項に記載の圧力パワーユニット。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本発明は、エネルギー変換及び生成システムに関し、より具体的には、作動流体内の圧力差によってエネルギーを生成及び変換するためのユニットに関する。
【０００２】
［背景技術］
逆方向への努力があるにもかかわらず、人類は、地球規模で益々多くのエネルギーを消費し続ける。一般に、地球規模の温暖化、汚染、化石燃料の可用性の減少、及びエネルギーの高コストに関する懸念の結果として、クリーンで再生可能で費用がかからないエネルギー源及びエネルギーを変換する方法を提供する努力が行われている。風力及びソーラーパワー等の幾つかのクリーンエネルギー源が入手可能であるが、廃熱等の依然として大幅に未利用である他のエネルギー源が存在する。例えば、多くの発電システムは、廃棄蒸気内の価値あるエネルギーを抽出することなく、蒸気タービンを使用する。
【０００３】
同様に、知られている発電システムの多くは、非常に大規模に構築される場合に実用的かつ効率的であるだけである。
したがって、クリーンで、費用効果的で、効率的であるエネルギーを生成及び変換するための改良型ユニットであって、小型システムを含む種々のサイズで配置し得る改良型ユニットについての必要性が存在する。
【０００４】
［発明の概要］
エネルギーを生成及び変換するための改良型ユニットを提供することが本発明の目的である。
【０００５】
本文書は、「圧力差によるパワージェネレーション(Power Generation by Pressure Differential)」システム（同時係属中の特許出願シリアル番号ＰＣＴ／ＣＡ２０１３／ｘｘｘｘ号に記載される「圧力パワーシステム(Pressure Power System)」）に基づくパワーユニット（「圧力パワーユニット(Pressure Power Unit)」として以降で言及される）を記載し、そこでは「蒸気回収ユニット(Vapor Recovery Unit)」（すなわち、「冷熱サブシステム(cold sub-system)」）対「熱回収ユニット(Heat Recovery Unit)」（すなわち、「温熱サブシステム(warm sub-system)」）における異なる状態関数（１）が、合成物質、しばしば有機物質で作られ、低い標準沸点（Ｎ．Ｂ．Ｐ）を特徴とする作動流体の特性の利用を可能にする。これは、２つのサブシステム間に圧力差を生成することによって行われ、その圧力差が「仕事抽出器ユニット(Work Extractor Unit)」内での仕事の抽出（すなわち、パワー生成）を可能にする。
【０００６】
・圧力パワーシステムのパターン
図１に示すように、圧力パワーシステム１００は、概して、冷熱サブシステム１０５と温熱サブシステム１１０との間の閉ループ内で作動流体が循環するサイクルを含み、そこでは、作動流体が別々に貯蔵され、低い雰囲気温度及び高い雰囲気温度でそれぞれ維持される。こうした構成は、作動流体が各サブシステム１０５、１１０内で異なる平衡蒸気圧（２）を呈する状態をもたらし、それが異なる弾性ポテンシャルエネルギーレベルを示す作動流体の気体形態を作り出し、それにより、仕事の抽出に利用し得る２つのサブシステム１０５、１１０間の圧力差をもたらす。
【０００７】
・圧力パワーユニットの経路
例示的な圧力パワーユニット２００のブロック図が図２に示されており、例示的な圧力パワーユニット２００は、作動流体が液化される蒸気回収ユニット２０５（すなわち、冷熱サブシステム１０５）と、その液体が気化される熱回収ユニット２１０（すなわち、温熱サブシステム）との間の閉ループ内で作動流体が循環するサイクルを含み、これは、作動流体を低い雰囲気温度及び高い雰囲気温度にそれぞれ維持する。こうしたフロースキームは、システムの状態関数が冷熱サブシステム１０５及び温熱サブシステム１１０のコンポーネントにおいて異なる状態をもたらし、すなわち、物質の特性は、変化し、作動流体の異なるレベルの弾性ポテンシャルエネルギー（すなわち、異なる雰囲気圧）をもたらし、これは、閉ループ内の仕事抽出器ユニット２１５がパワーを生成することを可能にする圧力差に対応する。
【０００８】
したがって、「圧力パワーユニット」２００は、原理的に、仕事の抽出によるパワー生成を対象としており、電気の生成を可能にする発電所等の産業用施設であり得るが、それに限定されない。したがって、こうした圧力パワーユニット２００の構造設計は、それぞれ以下の処理を実行する主に３つの特定部品を備える。
・「熱回収ユニット」２１０の周辺環境（すなわち、周辺温度（５））において見出される熱エネルギーの利用及び／又は回収、並びに、周辺温度から生じる雰囲気温度に従って、この温熱サブシステム１１０内に特定の平衡蒸気圧で貯蔵される作動流体の（液体物資の気化による）弾性ポテンシャルエネルギーへの変換。
・温熱サブシステム１１０と冷熱サブシステム１０５との間で、前記サブシステム１０５、１１０において満たされる作動流体の異なる平衡蒸気圧に起因する圧力差を利用する「仕事抽出器ユニット」２１５におけるパワー生成。仕事抽出器ユニット２１５によって抽出される運動エネルギーは、例えば、発電機又はオルタネータ２２０によって電気エネルギーに変換され得る。
・「蒸気回収ユニット」２０５であって、そこでは、低い雰囲気温度が、この冷熱サブシステム１０５内で異なる平衡蒸気圧をもたらし、その蒸気圧が、低い雰囲気圧に対応し、及び、作動流体の再液化を可能にする「蒸気回収ユニット」２０５への気体形態での作動流体の回収。
【０００９】
これらの３つの部品を製造するための幾つかの方法は、当業者に明らかになり、本発明の基本概念から逸脱することなく、本技術を展開可能にする様々な構造的フレームワーク又は実施形態をもたらし得る。
【００１０】
設計
図３に示す例示的な圧力パワーユニット３００は、主に以下のＡ）、Ｂ）、及びＣ）から構成される幾つかの特別に設計されたコンポーネントを備える。
【００１１】
Ａ）作動流体の貯蔵を可能にし、熱伝達流体（例えば、周辺大気、蒸気、及び／又は液体）によって作動流体を温める熱交換器として機能する圧力容器からなり、液体作動流体の一部が、蒸気化し、周辺熱エネルギーを前記蒸気内の弾性ポテンシャルエネルギーに変換するようにさせる「熱回収ユニット」３１０（すなわち、温熱サブシステム１１０）。
【００１２】
したがって、熱回収ユニットは、（ｉ）、（ｉｉ）、及び（ｉｉｉ）を含む。
（ｉ）周囲熱収集器３２５：
一般に、一連の熱交換器で作られ、周囲熱収集器３２５は、熱回収ユニット３１０内で使用される熱伝達流体を循環させて、前記熱伝達流体と、直接的に周辺エリア又はルームの温度に起因する、又は、外部熱エネルギー源の利用に起因する、又は、その両方（その場合、圧力電力ユニット３００はハイブリッドユニットになる）に起因する周辺温度（５）との間での熱交換を可能にする。好ましくは、周囲熱収集器３２５は、熱伝達流体を、ＩＳＣＭ（６）に近いか又はそれをわずかに超える雰囲気温度で維持する大きさに作られる。エアブロワ３３０が同様に使用され得て、周囲熱収集器３２５を横切る周囲空気の流れを増加させ得る。
【００１３】
（ｉｉ）予熱器３３５：
周辺温度が一定でなく、気化器３４０内の作動流体の雰囲気温度が、必要とされる体積の加圧蒸気（すなわち、雰囲気圧）を生成するのに十分でないであろう状況での作動期間を引き起こし得る場合、補助的な熱収集器が使用されて（おそらく、更なる熱エネルギーを提供するためガスバーナ３４５を使用して）、熱伝達流体を予熱し得る。
【００１４】
（ｉｉｉ）気化器３４０：
作動流体が温熱サブシステム１１０内で貯蔵される貯蔵コンテナは、上述の熱伝達流体を使用して、その雰囲気温度をＩＳＣＭの近くに維持する熱交換器としてだけでなく、気化器デバイス（７）であって、作動流体が、相（１０）変化して、液体から加圧蒸気に変態することを可能にし、それにより、外部熱エネルギーを内部エネルギー（その一部は、圧力の増加をもたらす弾性ポテンシャルエネルギーでできており、その圧力の増加は、冷熱サブシステム１０５と共に圧力差をもたらす）に変換する、気化器デバイス（７）としてもまた利用される。
【００１５】
しかし、利用可能であるとき、外部熱源もまた、熱伝達流体として使用して、作動流体を直接的に又は間接的に温め、また、気化器３４０内の作動流体を、ＩＳＣＭに近いか又はそれよりわずかに高い雰囲気温度に維持してもよく、その場合、周囲熱収集器３２５及び／又は予熱器３３５は、熱回収ユニット３１０から除去され得ることに、留意すべきである。
また、ポンプ３５０は、周囲熱収集器３２５、予熱器３３５、及び気化器３４０を通して熱伝達流体を循環させるために必要とされ得る。
【００１６】
Ｂ）前記圧力差を利用し、以下によって、前記圧力差をより好都合に利用可能な仕事に変換するように設計される「仕事抽出器ユニット」３１５。
ａ．熱回収ユニット３１０によって吐出されるガス状作動流体の雰囲気圧（飽和蒸気圧とも呼ばれる蒸気圧の形態）が、可動面（場合により、図３に示す気体分配器３６０及び油空圧シリンダ３５５、回転ベーンモータ、又は空気タービン）を押圧し、変位させることを通じて、膨張可能圧力容器に応力を加えることを可能にすることによる。これは次に、この仕事をパワー（例えば、電気）の生成に変換する油圧分配器３６５及び発電機２２０に結合されてもよく、
ｂ．この加圧蒸気を冷熱サブシステム１０５内に放出することによる。
【００１７】
Ｃ）仕事抽出器ユニット３１５によって吐出される加圧蒸気が物質の液体状態（１１）を回復することを連続的に可能にする以下の３つの要素を含む「蒸気回収ユニット」３０５（すなわち、冷熱サブシステム１０５）。
【００１８】
（ｉ）膨張チャンバ３７０：
膨張チャンバ３７０は、加圧蒸気が、仕事抽出器ユニット３５５から吐出され、自由膨張する圧力容器を備え得る。一般的に等エントロピーであるこの自由膨張プロセス（８）は、外部エネルギー源を全く必要としない。
【００１９】
このプロセスは、ガス状作動流体の自然冷却をもたらし、一般的に−２０℃（−４°Ｆ）と−８０℃（−１１２°Ｆ）との間の範囲にある露点に近い、物質の性質に関連する冷たい雰囲気温度を生成し、作動流体を部分的に再液化させる。
【００２０】
（ｉｉ）バキュームポンプ３７５：
ガス状作動流体は、その後、バキュームポンプ３７５（例えば、液体作動流体が圧縮チャンバ封止を形成する液体リングポンプ、又は、より簡単には回転ベーンポンプ）によって、膨張チャンバ３７０から貯蔵コンテナに入るよう再配向され、バキュームポンプ３７５は、膨張チャンバ３７０から蒸気を引き寄せ、蒸気を貯蔵コンテナ／気泡形成凝縮器３８０内に付勢する。
【００２１】
この注入プロセスは、ガス状作動流体の小さな圧縮をもたらし、結果得られる飽和蒸気のほとんどを液化させる。また、このプロセスは、膨張チャンバの雰囲気圧を０．１バールと２バールとの間のゲージ圧で維持する。
【００２２】
（ｉｉｉ）気泡形成凝縮器３８０：
蒸気の作動流体の液相への回収を達成するため、プロセスは、冷貯蔵コンテナ内に既に存在する液体作動流体を横断するとき、最小量の残留飽和蒸気に気泡形成させることによって完了する（それゆえ「気泡形成凝縮器(Bubbling Condenser)」３８０と呼ばれる）。こうした動作は、直接接触式熱交換をもたらし、蒸気の液化を達成する。
【００２３】
液体作動流体は、その後、その標準状態関数におよそ対応する冷たい雰囲気温度及び雰囲気圧で冷熱サブシステム１０５内に貯蔵され、ついには、ポンプ３８５を介して熱回収ユニット３１０に戻るよう圧送され、ループを閉じて、プロセスを再初期化する。
【００２４】
・作動流体の選択
上で見られるように、圧力パワーユニット３００は、作動流体に関して以下の３つのプロセスのパフォーマンスに依存する。
−気化
−仕事抽出
−液化
【００２５】
これらの全ては、主に作動流体の物質の性質に起因し、そのＮ．Ｂ．Ｐ．及び基準値は、冷熱サブシステムと温熱サブシステムの両方において異なる状態関数をもたらし、その状態関数は、以下の作動流体の複数の物理的特性によって決定される。
【００２６】
揮発性
物質の気化する傾向、誤り!参照情報源が見出されない。
膨張率
揮発性が体積の著しい増大をもたらす、誤り!参照情報源が見出されない。
蒸気／液体平衡
蒸気／液体平衡において、「飽和する（saturated)」まで、作動流体は自然に気化し／凝縮する。
標準状態関数
基準値は標準沸点（１５）。
臨界点
臨界点にて、相境界が存在しなくなる（１６）。
【００２７】
物質の性質
作動流体は、一般に、合成物質、しばしば有機物質又は冷媒で作られ、気体から液体へのまたその逆への可逆的な相変化と関連する、雰囲気温度及び雰囲気圧に従って変化する物質の状態によって特徴付けられる。
多くの合成物質及び冷媒は、様々な化合物の混合物である。混合物の特性は、構成要素の割合を変更することによって容易に修正される。多くの国において、作動流体としての冷媒の使用が規制されている。冷媒は、従来、フルオロカーボン、特にクロロフルオロカーボンであったが、これらは、オゾン層破壊作用のため、段階的に廃止されている。種々の用途で現在使用される他の一般的な冷媒は、（Ｒ−４１０Ａ＝ＨＦＣ−３２／ＨＦＣ−１２５のような）近共沸混合物、フルオリル（fluoryl）、アンモニア、二酸化硫黄、及び非ハロゲン化炭化水素である。もちろん、ブタン、プロパン、又はメタン、或いは、窒素及び酸素のような化学元素、及び、亜酸化窒素及び二酸化炭素等の化合物等の、他の標準的な合成物質及び有機物質が、代わりに使用され得て、新しい作動流体が、（例えば、冷熱及び温熱サブシステムにおいて低い又は高い雰囲気温度を可能し、一方で依然として同様の使用可能な雰囲気圧を提供するための）圧力パワーシステムの特定の設計シナリオに対して最適化された特性を持つようにエンジニアリングされ得る。幾つかの適した作動流体の特性が、以下の「用語集及びデータ」（１７）に提示される。
【００２８】
・エネルギー源
温熱サブシステム１１０において
温熱サブシステム１１０の雰囲気温度は、直接的に周辺エリア若しくはルームの温度に起因するか、又は、外部熱エネルギー源の利用のいずれかに起因し、これは、以下を含むが、それに限定されない。
・（直近で囲む又は囲まない）大気において見出される雰囲気温度、地熱、太陽熱、バイオマス、燃料電池、例えば、海、湖、川、海底、帯水層、又は地下水源等の水流、縦抗内及び建物のベースメント内で見出される熱勾配、グリーンハウス、したがって圧力パワーユニットから離れた場所からなる群から選択される遠隔のグリーンエネルギー源の再配向、
・商業又は産業廃水のような廃エネルギー及び熱回収システム、又は、
・更に、場合によってはプロパン、天然ガス、化石燃料、若しくは、他のものによって燃料供給される外部加熱器、ボイラ、又は気化器、バッテリ又は電気による。
残りの唯一の条件は、仕事抽出のために、温熱サブシステム１１０と冷熱サブシステム１０５との間の十分な圧力差を可能とする状態関数を得ることである。
【００２９】
冷熱サブシステム１０５において
冷熱側で、自由膨張プロセスは、作動流体が自動的に冷却されることを可能にする。このプロセスは、ほぼ等エントロピーであり、したがって、自然に、冷熱サブシステムの雰囲気圧を、概して０．１バールと２バールとの間の（大気圧に近い）ゲージ圧で、及びＮ．Ｂ．Ｐ．温度の近くで維持するために、ほぼ全く外部エネルギー源を必要としない。
【００３０】
実際には、圧力パワーユニット３００は、どんな状況（例えば、圧力パワーユニット３００が、いずれかの理由で正常に機能しないとき）でも、補助的な別個の冷却源又はデバイスを使用することによって、貯蔵コンテナ（すなわち、気泡形成凝縮器３８０）をこのノミナル雰囲気温度で保持するバックアップ機構を必要とするだけである。
【００３１】
エネルギーを消費するこれらの補助デバイス（冷却システム及びバキュームポンプ３７５）を作動させるために必要とされるエネルギーが、仕事抽出プロセスの非常にわずかのパーセンテージしか示さないため、圧力パワーユニット３００生産によって供給され得ることに留意されたい。
【００３２】
また、作動流体として二酸化炭素を使用するとき、蒸気回収ユニット３０５内で維持すべき最小ゲージ圧が、蒸気の物質の液相への変態を可能にするために５バールを超えるべきであることに留意されたい。
【００３３】
本発明の他の様々なシステム、方法、特徴、及び利点は、以下の図及び詳細な説明の精査に際して当業者に明らかであるか又は明らかになるであろう。全てのこうした更なるシステム、方法、特徴、及び利点が、この説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、また、下記の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
本発明は、図面を参照して以下の詳細な説明から更に理解されるであろう。
【図１】本発明の一実施形態における圧力パワーシステムの概念図を示す。
【図２】本発明の圧力パワーユニットの種々の実施形態のブロック図を示す。
【図３】本発明の圧力パワーユニットの種々の実施形態のブロック図を示す。
【図４】本発明の圧力パワーユニットの種々の実施形態のブロック図を示す。
【図５】本発明の一実施形態における熱回収ユニットのブロック図を示す。
【図６】本発明の一実施形態における熱回収ユニットの詳細を示す。
【図７】本発明の一実施形態における熱収集器用の押出しチューブのプロファイル断面図を示す。
【図８】本発明の一実施形態における一連の押出しチューブを備える熱交換器パネルの詳細を示す。
【図９】本発明の一実施形態における熱交換器パネルの押出しチューブのキャップ及びシールの詳細を示す。
【図１０】本発明の一実施形態における熱交換器パネルの押出しチューブのキャップ及びシールの詳細を示す。
【図１１】本発明の一実施形態における熱交換器パネルの押出しチューブのキャップ及びシールの詳細を示す。
【図１２】本発明の一実施形態における仕事抽出器ユニットの概略図を示す。
【図１３】本発明の一実施形態におけるダブルアクション油空圧リニアアクチュエータの概略図を示す。
【図１４Ａ−１４Ｂ】本発明の一実施形態における空気分配器の断面図を示す。
【図１５】本発明の一実施形態における油圧整流器の概略図を示す。
【図１６】本発明の一実施形態における例示的な蒸気回収ユニットの概略図を示す。
【図１７】本発明の一実施形態におけるバキュームポンプの断面図を示す。
【図１８】本発明の一実施形態における気泡形成凝縮器の断面図を示す。
【図１９】本発明の一実施形態における例示的な圧力パワーユニットのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
［発明の好適な実施形態の簡単な説明］
本明細書で述べる圧力パワーユニットの基本的な実施形態は、この発明の新規な概念を利用するための１つの製造方法を示す。もちろん、パーツ及びそのコンポーネントの他のフレームワーク、デザイン、及びモデル、又は、様々な実施形態が、当技術分野における技術を有する開発者によってエンジニアリングされ得る。これらの他の改良及び製造手段もまた、同じ発明の技術を利用する方法を表すことになる。
【００３６】
設計の主要な基準は、パワーを生成するために、温熱サブシステム１１０から冷熱サブシステム１０５まで循環するときに、圧力パワーユニットが、エネルギー収集及び変換の循環経路の連続ステップによって必要とされるそれぞれの特定のレベルに、作動流体の蒸気／液体平衡を維持することを可能にすることである。この点に関して、例示的な圧力パワーユニット２００は、基本的に３つの主要な部品（図２参照）、即ち、
−以下を備える「熱回収ユニット」２１０
○「気化器(Vaporizer)」、
○「周囲熱収集器(Ambient Heat Collector)」、及び、場合によって、
○「予熱器(Pre-Heater)」、
−「仕事抽出器ユニット」２１５、及び、
−以下を備える「蒸気回収ユニット」２０５
○「膨張チャンバ(Expansion Chamber)」、
○「バキュームポンプ(Vacuum Pump)」、及び、
○「気泡形成凝縮器(Bubbling Condenser)」
で作られる。
【００３７】
油圧ポンプ２２５は、この基本的なフレームワークを完成させて、液体作動流体を蒸気回収ユニット２０５から熱回収ユニット２１０に戻す。これらの目的を達成するためには、様々な特異性及び制約を考慮して、その特定の機能にかかる圧力パワーユニット２００の各コンポーネントのデザインを決定しなければならない。
【００３８】
・熱回収ユニット２１０、３１０
図５を参照すると、熱回収ユニット２１０、３１０の核心、すなわち温熱サブシステム１１０は、作動流体の貯蔵を可能にする圧力容器によって代表され、また、熱交換器３２５を含み、熱交換器３２５は、作動流体を温め、液体の一部を気化させ、それにより、周辺熱エネルギー源を、ガス状作動流体内の弾性ポテンシャルエネルギーに変換し、本質的には、温熱サブシステム１１０内で圧力ヘッドを生成する。この機能を実施するため、熱回収ユニット２１０、３１０は、以下のＡ、Ｂ、及びＣを備える。
【００３９】
Ａ．気化器３４０：
気化器は、ダブルアクション熱交換器として機能するように特別に設計され、ダブルアクション熱交換器は、
・冷熱サブシステム１０５から循環される作動流体と、気化器３４０に既に貯蔵されている作動流体と、の間での直接接触式熱交換器として機能し、
・周辺熱伝達流体から、室温又は室内温度で熱を抽出し、それにより、気化器３４０内の作動流体の雰囲気温度を一定に維持する伝導性熱交換器として機能する。
【００４０】
気化器３４０は、好ましくは、以下を可能とする「ダブルアクション圧力容器(double action pressure vessel)」として設計される。
−強遮断貯蔵
作動流体用の貯蔵コンテナとして、
○０．１バール／１．５ｐｓｉ（ゲージ圧）から６４バール／９２８ｐｓｉまで変化し得る雰囲気圧を有し、
○−１０℃／１４°Ｆから＋８０℃／１７６°Ｆまで変化し得る雰囲気温度を有し、
○平衡蒸気圧（以降で「蒸気(vapor)」と呼ぶ）で蒸気／液体の飽和混合物を形成し得るが、概して−２０℃／−４°Ｆ未満の標準沸点（「ＮＢＰ」)をそれぞれが有する種々の作動流体を有する。
【００４１】
−熱交換器
以下のダブルアクションで機能するように設計された熱交換器として。
（ｉ）直接接触式熱交換器カラム
液体が温熱サブシステム１１０内に圧送されるとき、作動流体の直接接触式熱交換を可能にする。したがって、気化器３４０は、気化プロセスを容易にするサイズに作られた熱交換器カラムであるように特別に設計される。
【００４２】
（ｉｉ）シェル及びチューブ熱交換器
また、作動流体の物質の状態を一定値に維持するため、気化器３４０は、交換面が最大限まで最適化された伝導性熱交換器であって、作動流体の雰囲気温度と周辺熱伝達流体の温度との間で温度平衡を維持する伝導性熱交換器として機能するように設計される。
【００４３】
Ｂ．周囲熱収集器３２５：
所望されるとき、周辺物から又は遠隔の熱エネルギー源からの熱の収集を可能にし、作動流体の物質の状態の蒸気／液体平衡についての気化器３４０内のバランスを高めるため、他の熱交換器、すなわち、「周囲熱収集器」３２５が熱回収ユニット２１０、３１０内に付加され得る。
【００４４】
周囲熱収集器３２５は、例えば、グリーンエネルギー、地熱、太陽熱、バイオマス、水流、地下で見出される熱勾配、それだけでなく、商業用若しくは産業用廃エネルギー及び熱回収システム、又はガスバーナ等の更なる供給源から熱エネルギーを収集するように設計された熱交換器から概して構成される。そして、この熱エネルギーは、気化器３４０の熱エネルギー源として機能する熱伝達流体の２次回路を使用することによって気化器３４０に導かれる。また、こうした熱伝達流体を使用することによって、遠隔の熱エネルギー源は、圧力パワーユニット２００、３００から離れた場所に位置し得て、「ハイブリッドエネルギー圧力パワーユニット(Hybrid Energy Pressure Power Unit)」として機能するようなデバイスの利用を可能とする。
熱伝達流体のフローを温めるためにだけ働くこれらの熱交換器は、デバイスが十分な圧力に耐え得るような特定の設計を全く必要としないことに注目すべきである。
【００４５】
Ｃ．予熱器３３５：
熱回収ユニット２１０、３１０は、補助的な周囲熱収集器、すなわち、「予熱器」３３５によって補完され得て、「予熱器」３３５は、例えばガスバーナ３４５（図３参照）によって、より温かい熱伝達流体をパンクチュアルに生成するために使用され得る。
【００４６】
こうした補助デバイスは、熱エネルギーの標準供給源が、熱回収ユニット２１０、３１０内の作動流体が必要とされる雰囲気圧に達することを気化器３４０が可能にするであろう範囲に、雰囲気温度を上げるのに十分に、熱回収ユニット２１０、３１０を温めるのに時々十分でない可能性が存在するときに設置されるべきである。
【００４７】
・仕事抽出器ユニット２１５、３１５
圧力を、機械的な、電気的な、又は他の有用なエネルギーに変換し、それにより、仕事抽出及びパワー生成を可能にするため、仕事抽出器ユニット２１５、３１５の様々な実施形態が、例えば、タービン、圧力変換器、又は、加圧ガス流を利用して圧力を機械的運動に変換し、それにより運動エネルギーを生成する他のあらゆる機械を使用して、多くの方法でエンジニアリングされ得る。仕事抽出器ユニット２１５、３１５のデザインをエンジニアリングするために採用される最も効率的なアプローチは、以下のＡ、Ｂ、及びＣのいずれかを含む。
【００４８】
Ａ．空気タービン：
空気タービンは、膨張によって、ガス流である加圧された作動流体のエネルギーを、機械的仕事に変換し、それにより、パワージェネレータを作動させる回転運動を生成する空気圧モータである。
【００４９】
しかしながら、膨張／回転運動のプロセスが以下を必要とするので、こうした技術が圧力パワーユニット２００、３００内で有するであろう効率因子が考慮されるべきである。
【００５０】
−衝撃タービンに関しては、弾性ポテンシャルエネルギーを運動エネルギーに変換するために、速度ヘッドに事前変更される流体圧力ヘッドが、作動流体の早い冷却及び作動体積の減少を生じさせる。
−反動タービンに関しては、複数のステージが、膨張する気体を効率的に利用するために使用されなければならず、それが、作動流体を徐々に冷却し、作動流体の部分的液化をもたらし、そのことが効率低下を生じさせる。
【００５１】
また、いずれのタービンも概して、蒸気回収ユニット２０５、３０５によって下流に導入される自由膨張プロセスの効率を下げ、したがって、必要とされる自然冷却を妨げる場合があることを考慮すべきである。
【００５２】
Ｂ．レシプロエンジン：
レシプロエンジンは、ガス状作動流体の圧力を回転運動に変換するために１つ又は複数のピストンを使用する。
【００５３】
線形運動又は回転運動を通じて、加圧された気体エネルギーを機械的な仕事に変換する２つのタイプのレシプロエンジンが考慮され得る。即ち、線形運動は、ダイヤフラム又はピストンアクチュエータから起こる可能性があり、一方、回転運動は、ベーンタイプエアモータ又はピストンエアモータによって供給される。
【００５４】
しかし、回転運動技術は、何らかの形態の潤滑剤を必要とし、その潤滑剤は、圧力パワーユニット２００、３００内で使用される有機作動流との適合性の問題を引き起こし、また、作動流体に損傷を与える場合がある濾過機構を必要とし、それは、作動流体の特性のより早い損失を引き起こす。
【００５５】
Ｃ．リニアアクチュエータ：
これは、圧力パワーユニット２００、３００の仕事抽出器ユニット２１５、３１５が、自由膨張プロセスの全体の利益を維持することを可能にしながら、圧力パワーユニット２００、３００内での使用中に作動流体の気化に起因する蒸気圧で働くときに潤滑剤を必要とせず、より容易に設計され得るリニアアクチュエータのシリーズを、好ましくは使用することを可能にする。図１２及び図１３は、こうしたデバイスの例示的な概略図を示す。
【００５６】
・蒸気回収ユニット
蒸気回収ユニット２０５、３０５の核心、すなわち冷熱サブシステム１０５は、作動流体の再液化及び貯蔵を可能にする圧力容器に代表される。
圧力パワーユニット内でこれらの機能を実施するため、（例えば、図１６に示すような）特定のデバイスによってそれぞれ示される３つのプロセスが必要とされる。
【００５７】
Ａ．膨張チャンバ３７０
単に圧力容器（すなわち、貯蔵コンテナ）から構成され、膨張チャンバ３７０は、仕事抽出器ユニット２１５、３１５から吐出される加圧蒸気が自由に自然に膨張することを可能にする。
【００５８】
圧力パワーユニット２００、３００内で、この自由膨張プロセスは、ガス状作動流体の自然冷却をもたらし、それは、概して−２０℃（−４°Ｆ）と−８０℃（−１１２°Ｆ）との間の作動流体の露点を少し超える値に対応する冷たい雰囲気温度を生成する。
【００５９】
前記冷却は、作動流体に、この低い温度に対応する特定の平衡蒸気圧を獲得させ、それが、部分的な液化をもたらし、それにより、蒸気／液体の特定の飽和混合物（すなわち、蒸気）を形成する。
【００６０】
Ｂ．バキュームポンプ３７５
気化器３０５内の雰囲気圧をおよそ大気圧で維持するため、バキュームポンプ３７５は、作動流体の蒸気を、自由膨張プロセスによって生成されるのと同じ割合で膨張チャンバ３７０から引出す。蒸気は、その後、バキュームポンプ３７５によって気泡形成凝縮器３８０内に再配向される。
【００６１】
気泡形成凝縮器３８０内に流体を吐出するため、バキュームポンプ３７５は、下流のデバイス内での雰囲気圧に打ち勝つように蒸気を少しだけ圧縮する必要がある。
しかし、蒸気の雰囲気圧を増加させることによって、バキュームポンプ３７５は、作動流体の蒸気／液体平衡を修正し、自動的に相変化を引き起こし、相変化は、その物質の状態を調整し、それにより、作動流体が凝縮し液化する。
【００６２】
この制限された圧縮プロセスは、流体のほとんどを液化させるのに十分であるが、そのプロセスを完全には完了せず、その結果、蒸気／液体の一部の飽和混合物が吐出流体に残る。
【００６３】
Ｃ．気泡形成凝縮器３８０
蒸気回収ユニット２０５、３０５の液化プロセスを終了させるため、第２の圧力容器、すなわち、気泡形成凝縮器３８０が、液体作動流体の貯蔵コンテナとして使用される。
【００６４】
気泡形成凝縮器３８０（９）は、特定のタイプの直接接触式凝縮器として働く。残留するあらゆる作動流体の蒸気／液体の飽和混合物は、バキュームポンプ３７５によって、気泡形成凝縮器３８０に貯蔵された液体内に注入されると気泡を形成する。温度／圧力平衡は、自然と、これらの気泡が直接接触式熱交換によって液体と完全に混合することを引き起こし、それにより、再液化を達成する。プロセスは、作動流体の標準沸点（「Ｎ．Ｂ．Ｐ」）に近い、膨張チャンバ３７０と同様の雰囲気温度（すなわち、−２０℃と−８０℃との間／−４０°Ｆと−１１２°Ｆとの間）、及び、その結果としての同様の雰囲気圧（すなわち、０．１バールと２バールとの間／１．５ｐｓｉと２９ｐｓｉとの間）で気泡形成凝縮器３８０を自然に維持することを可能にする。
【００６５】
・油圧ポンプ２２５、３８５
作動流体サイクルのループを閉じるため、本質的には、圧力パワーユニット回路内の作動流体の循環を調節するために、油圧ポンプ２２５、３８５が、冷熱サブシステム１０５と温熱サブシステム１１０との間に設置されて、液体作動流体を気化器３４０内に圧送する。
【００６６】
例示的な実施形態
以降で述べる圧力パワーユニットの例示的な実施形態は、パーツ及びコンポーネントの特定の選択に基づいており、本発明の基本的な概念から逸脱することなく、当技術分野の技術を有する開発者によって場合によりエンジニアリングされる他のデザイン又はフレームワークアプローチの代替使用を排除しない。
【００６７】
・構造設計
この例示的な実施形態の構造は、以下の４つのコンポーネントから構成される（図３参照）。
熱回収ユニット３１０
例示的な熱回収ユニット３１０は、主要な熱源として周辺空気を利用可能とするように設計される。これは、以下のコンポーネントによって達成される。
【００６８】
○気化器３４０内で達しなければならない雰囲気温度より好ましくは高い周辺温度で、収集器を通って流れる水（第２の熱伝達流体として使用される）を維持するため、空気（第１の熱伝達流体として使用される）を循環させるエアブロワ３３０をそれぞれが装備する、（一連の熱交換器モジュールで作られる）一連の周囲熱収集器３２５。
○必要であるときにはいつでも（例えば、周辺温度が前記雰囲気温度を達成するのに十分でない夜間又は冬に）第２の熱伝達流体の更なる温めを可能にするための前記熱収集回路を完成させる（例えば、ガスバーナ又は他の熱源によって加熱される）パルス温熱空気３４５を使用する予熱器３３５（同様に、一連の熱交換器で作られる）。
○別の一連の熱交換器モジュールから構成され、次に、第２の熱伝達流体を使用して、作動流体を温め、必要とされる雰囲気温度で維持する気化器３４０。
○回路を通じて第２の熱伝達流体を循環させる油圧ポンプ３５０。
【００６９】
仕事抽出ユニット３５５
例示的な仕事抽出プロセスは、油空圧エンジンによって達成され、油空圧エンジンは、気化器３４０によって生成される加圧蒸気の雰囲気圧を利用して、この中間圧力（４バールと６４バールとの間）を、こうした力を倍増させることによって、発電機２２０を作動可能にする高圧の油圧流（例えば、１００バールと３００バールとの間の範囲の油流）に変換する。したがって、油空圧エンジンは、以下を備える。
【００７０】
○気化器によって生成される蒸気の体積に合うように特別に設計され、油空圧シリンダのそれぞれに、加圧蒸気流を交互に導く気体分配器３６０。
○その空気圧ピストンを変位させることによって、加圧蒸気の弾性ポテンシャルエネルギー（すなわち、圧力ヘッド）を線形運動に変換する空気圧アクチュエータとして主に機能する油空圧シリンダ３５５。より小さなピストンを有する２つの油圧アクチュエータと共通のシャフト上に直接搭載される前記大きなピストンは、したがって、油圧流体（例えばオイル）の交互の流れを生成する圧力倍増器として２次的に働く。
○一連の逆止弁で作られ、交互の油圧流を連続流に変換し、それにより発電機に動力供給することを可能にする油圧分配器３６５（油圧整流器とも呼ばれる）。
【００７１】
蒸気回収ユニット３０５
加圧蒸気の再液化は、自由膨張の原理に基づく。例示的な蒸気回収ユニット３０５は、以下を含む。
【００７２】
○大きな圧力容器で作られ、油空圧シリンダ３５５から吐出される加圧蒸気が、作動流体の物質のおよそ標準状態に、すなわち、大気圧の近くに自由膨張し得て、それにより作動流体のＮ．Ｂ．Ｐ．の近くに自然冷却する膨張チャンバ３７０。
○バキュームポンプ３７５であって、この例示的な実施形態の場合には、膨張チャンバ３７０から蒸気を吸引し、それにより、蒸気をおよそ大気圧に維持し、その後、蒸気を少し圧縮し、それにより、結果として得られる蒸気／液体混合物を気泡形成凝縮器３８０内に吐出する前に作動流体を液化するための回転ベーンポンプとして設計されるバキュームポンプ３７５。
○カラムとしてデザインされる１つ又は一連の圧力容器を含む気泡形成凝縮器３８０であって、蒸気／液体混合物が、一連の弁又はポーラスプラグを介して、多数の開口（ギャプ／キャップ注入開口）を通過することによって注入され、混合物内に残る蒸気を、気泡形成凝縮器３８０に既に貯蔵されている液体作動流体を強制的に貫流させ、それにより、液化プロセスを達成する気泡形成凝縮器３８０。
【００７３】
循環ポンプ３８５
作動流体回路を閉じ、圧力パワーユニットプロセスの再初期化を可能にするため、標準的な油圧ポンプ３８５が、気泡形成凝縮器３８０と気化器３４０との間に設置されて、再凝縮された作動流体を循環させる。
【００７４】
・実施形態の設計
図４に示すように、圧力パワーユニット４００の例示的なフレームワークは、以下を含む。
【００７５】
熱回収ユニット４００
熱交換器として機能し、熱回収ユニット４００のこの例示的な実施形態において提案される気化器３４０、周囲熱収集器３２５、及び予熱器３３５は、いかなる溶接についての必要性も排除する又は減少させる強固なシールを有する精密なエンジニアリング及び製造によって、漏洩のリスク無しで、稼動又は輸送コンディションにかかわらず、何年もの連続稼動を可能にする特定の設計に基づく。
【００７６】
図５及び図６に示すように、熱回収ユニット４００は、一連の熱交換器チューブのセットを備える。熱交換器チューブは、図７の断面において示す革新的な押出しアルミニウムプロファイルとして製造される。各押出しチューブ７００は、チューブ７００の内側と外側の両方にベーン７０５を含む。各ベーン７０５は、ベーン７０５の平面に対して全体的に垂直に延びる付加的なフィンを有する。これは、押出しチューブ７００の全体の表面積を増加させ、押出しチューブ７００の与えられた直径に対してよりよい熱伝達をもたらす。
【００７７】
図７に示すように、ベーン７０５の長さは、異なり、互いに干渉することなく、そのそれぞれの長さを最大にする。例えば押出しチューブ７００の外側で、複数のベーン長の全体のパターンは、正方形状を満たすプロファイルを有するように確立される。もちろん、更なるパターンもまた、同じ効果を達成するために使用され得る。
【００７８】
図８に示すように、押出しチューブ７００は、共に組立てられて、インテークマニホールド８０５及びアウトレットマニホールド８１０を有するパネル８００にされる。これらのパネル８００の他のパラメータは、以下の通りである。
【００７９】
○押出しチューブ７００は低コストで製造され得る。
○材料（アルミニウム）は有利な熱慣性比を有する。
○図７に示すように、押出しチューブ７００のデザインは、押出しチューブ７００の内側及び外側にパドルを有するプロファイルを使用しており、それが、交換面を拡張するフィン、リッジ、及び溝を備え、より良い交換係数を提供する。
○各押出しチューブ７００は、図９の各末端上のキャップ９０５（「スリーブ(sleeve)」とも呼ばれる）を用いて、押出しチューブ７００をパネル８００にまとめることを容易にする、独立したモジュールとして組立てられる。
○特別に設計されたキャップ９０５は、図９及び図１０に示す金属バネクリップ９１０を使用して、溶接無しで押出しチューブ７００上に固定され、２重Ｏリング封止９１５、９２０が、６４バール（９２８ｐｓｉ）までの雰囲気圧及び１８０℃（３６０°Ｆ）を超える雰囲気温度を与えることができるシールを提供する。また、押出しチューブ７００を組立てるためのこの技術は、それら自身が別のＯリング１０１０で強固に遮断される２つのキャップ９０５を共に取付けるために、「メカニンダス(Mecanindus)」ピンを使用して簡単に、複数のモジュールを束（バンドル）にまとめることを可能にする。
これらのＯリング用の溝がそうであるように、メカニンダスピン用の孔１００５は、図１０に示される。図１１は、キャップ９０５、メカニンダスピン、及びＯリングを用いて共に組立てられた一連の押出しチューブ７００を示す。
【００８０】
○例示的な押出しチューブ７００のプロファイル（外形）の形状は、液体／液体熱交換に関して特に効率的であるが、任意の種類の液体及びガス状作動流体と熱伝達流体（ＨＴＦ）との使用もまた可能にする。
○カラムとして垂直に使用される押出しチューブ７００の断面のサイズは、作動流体の蒸発を容易にする。
○押出しチューブ７００の長さ（流体の経路長を決定する）は、アルミニウム押出しプロファイルについて標準的な寸法である最大６メートルに合わせられ得るが、場合により、更に長く製造され得る。
○各パネル８００が、幾つかのプロファイルモジュールの「シェル及びチューブ(shell and tubes)」バンドルアセンブリを使用して別個のモジュールを形成し、それらパネル８００を、ユーザのニーズに適合するサイズに形成可能にする。
○熱交換器を形成するためにまとめられるモジュールの数がニーズに応じて変化し得る。
○同様に、共に使用される熱交換器パネル８００の数が、正確に所望の熱交換容量を与えるように適合され得る。
【００８１】
仕事抽出器ユニット４１５
圧力パワーユニット４００のこの例示的な実施形態は、ピストンアクチュエータとして一連の油空圧シリンダ１３００を使用する、図１２に示す線形運動を利用する仕事抽出器ユニット４１５を採用する。この油空圧エンジン１２００は、潤滑剤無しでの使用のために設計され得る。
【００８２】
主回路内の気化器３４０によって生成される加圧蒸気の形態で、作動流体は、一連の油空圧シリンダ１３００に循環され、油空圧シリンダ１３００のそれぞれは、２つの油圧アクチュエータ１３０５と空気圧アクチュエータ１３１０とを、図１３に示すように共通シャフト１３１５上でそれらを連結することによって線形に結合する。蒸気流は、それぞれの空気圧アクチュエータ１３１０の側に交互に配向され、それにより、往復する力をピストンに加え、弾性ポテンシャルエネルギーを運動エネルギーに変換する。
【００８３】
小さな断面表面を呈する油圧アクチュエータ１３０５に対してシャフト１３１５によって直接伝達されるこの力は、倍増した力を生成して、発電機を作動するために使用されるオイル又は油圧流体が高圧下で２次回路内を循環する状態をもたらす。
【００８４】
往復運動を可能にするため、油空圧エンジン１２００はまた、以下を備える。
−気化器３４０からの加圧蒸気流を、空気圧アクチュエータ１３１０の異なる入口に交互に配向する「気体分配器(Gas Distributor)」１４００。図１４に示すように、一連のアパーチャを備えるステータ１４１０内で、ロータ１４０５からなるスイッチを使用することによって、加圧蒸気は、空気圧アクチュエータ１３１０の各入口に連続的にあてられ、一方、対向する空気圧アクチュエータの出口の同時排気を可能にする。可変速電動モータによって作動されるロータ運動は、空気圧アクチュエータ１３１０に供給される流速の変更を可能にし、それにより、結果として得られる油圧流を、発電機２２０が要求するＲＰＭの数値に合わせるように、調節する。
【００８５】
−油圧アクチュエータ１３０５の各対によって吐出される油圧流を交互に収集し、逆止弁１５０５を使用することによって、その流れを２次油圧回路内で同じ方向に再配向する「油圧整流器(Hydraulic Rectifier)」又は図１５の油圧分配器１５００。
【００８６】
その後、２次油圧回路内で、油空圧エンジン１２００は、場合により発電機２２０を作動させるために、高圧液体流の運動エネルギーを利用して、油圧モータ１２１０に動力供給することができる。
【００８７】
蒸気回収ユニット４０５
蒸気回収ユニット４０５の例示的な実施形態が図１６に示され、そこでは、仕事抽出器ユニット４１５によって吐出される加圧蒸気の形態の作動流体が、その第１のコンポーネント内に吐出される。
【００８８】
○膨張チャンバ３７０：
蒸気の自由膨張を可能にするため、このデバイスは、そのＮ．Ｂ．Ｐ．値で、本質的には大気圧で、計算されると、毎秒当たり、仕事抽出器ユニット４１５によって吐出される蒸気の流量と同等の容量を提供する寸法に作られる大きな容積を有する圧力容器として設計される。例えば、仕事抽出器が、−４０℃／−４０°Ｆにおいて値２４９の液体／気体体積占有割合によって特徴付けられる作動流体として１ｋｇ／秒のフレオンＲ４１０Ａを放出する場合、膨張チャンバ３７０の最小容量は約２５０Ｌであるべきである。
【００８９】
膨張チャンバ３７０は、仮に雰囲気温度が増加し、それにより雰囲気圧が増大する場合、例えば、圧力パワーユニット４００が何らかの理由で故障するときに、デバイスが、最大６４バール（圧力パワーユニット内のガス状作動流体によって達成され得る最大雰囲気圧）の応力に耐えることができることを保証する圧力容器として好ましくは製造される。したがって、気体及び／又は液体を、大気圧とは実質的に異なる圧力で保持するように設計された閉じたコンテナの最良形態を表し、実施される最大安全動作圧力及び温度規制等のパラメータに応答するものとして、シリンダ形状が使用されるべきである。
【００９０】
場合により、非常に大きな容量を有するシリンダの製造を助けるために、膨張チャンバ３７０は、並列に組み立てられた、縮小された断面径を有する小さなシリンダのバンドル（一団）を備え得る。
【００９１】
○バキュームポンプ３７５：
膨張チャンバ３７０内の雰囲気圧を維持するため、バキュームポンプ３７５が設置されて、デバイスが満たされるのと同じ速さで膨張蒸気を吸い出す。この例示的な実施形態では、図１７に示す種類の回転ベーンポンプが使用される。
【００９２】
上記例の場合と同様に、２５０Ｌ／秒が膨張チャンバ３７０内で膨張する場合、同じ体積が、バキュームポンプ３７５によって吸出されなければならず、それは、雰囲気圧を０．１バールと２バールとの間のゲージ圧で維持することによって、チャンバ内にマウントされる圧力検出器によって調節される。
【００９３】
○気泡形成凝縮器１８９０：
バキュームポンプ３７５によって吐出される蒸気／液体混合物の残りの液化を可能にするため、気泡形成凝縮器１８００が、図１８に示すように垂直圧力容器１８０５として設計される。この垂直圧力容器１８０５は、冷熱サブシステムの液体作動流体の貯蔵コンテナとして機能するのに十分な容量を有するが、それだけでなく、ある程度の加圧蒸気を保持するように設計され、液化プロセスが、デバイス内で満たされる雰囲気温度でその蒸気／液体平衡を達成することを可能にする。ここでまた、最大６４バールの考えられる雰囲気圧を意味する可能性がある、周辺温度レベルに対する（例えば、デバイスが或る理由で故障し、周辺冷却システムが働かないときの）雰囲気温度の考えられる増加に起因して、この圧力容器は、好ましくは、シリンダ形状のコンテナを使用する。
【００９４】
共に垂直にバンドルされた、各垂直圧力容器１８０５は、特定のインジェクタスリーブ１８１０であって、バキュームポンプ３７５の出口に直接接続され、液体作動流体の浴槽の水位より下に位置決めされる特定のインジェクタスリーブ１８１０を備え、それにより、バキュームポンプ３７５によって吐出される蒸気／液体混合物が、拡散して（及び気泡を形成して）、液化プロセスを達成することを可能にする。もちろん、液体作動流体に対する出口１８１５は、垂直圧力容器１８０５の底部に位置決めされる。
【００９５】
設置を完了するため、独立した冷却システムは、気泡形成凝縮器１８００（図示せず）を囲んで、圧力パワーユニット４００内で使用される作動流体のＮ．Ｂ．Ｐ．の近くでの安定した冷たい雰囲気温度の維持を保証する。
【００９６】
油圧ポンプ４８５
任意のモデルの標準油圧ポンプ４８５は、作動流体のＮ．Ｂ．Ｐ．の特性によって決定される冷熱サブシステムの貯蔵コンテナ（すなわち、気泡形成凝縮器３８０）内の雰囲気温度に従う、例えば−５０℃／−５８°Ｆ程度の低い温度下で機能するという唯一の条件下で使用され得る。
【００９７】
・機能的制御
この例示的な実施形態の圧力パワーユニットを動作させるためには、
−気化
−仕事の抽出
−凝縮
−再初期化
というプロセスのそれぞれを、その人の特定の要件に基づいて、個別に調節できなければならない。
図１９を参照すると、これは、次のように達成され得る。
【００９８】
加圧蒸気流
○円錐弁１９０５：
熱回収ユニット４１０によって吐出される加圧蒸気流の仕事抽出器４１５内への流入量は、弁、好ましくは円錐弁１９０５によって制御される。これは、利用される加圧蒸気量を単に変えて状態関数Ｗ＝ＰＶを変更することによって生産されるパワーの調整を可能にする。例えば、円錐弁１９０５は、発電機の電力生産量（ワット）を制御することによって自動的に調節され得る。アンペアが必要以上に大きい場合、空気圧シリンダにあてられる加圧蒸気量を減らすことで十分であり、また、その逆も同様である。
【００９９】
仕事の抽出
○気体分配器１４００：
油空圧シリンダ１２００内のピストンの動作速度を制御するため、各空気圧アクチュエータ１３１０の両端に入る前記加圧蒸気流の交互の分配もまた調節される必要がある。したがって、回転デバイスである気体分配器１４００は、油圧モータ１２１０のＲＰＭによって要求される油圧流体の流速を生成するように回転速度を調整し得るような、可変性の回転速度を必要とする。例えば、回転速度は、発電機２２０によって生成される電圧を制御することによって自動的に調節され得る。電圧が必要以上に大きい場合、気体分配器１４００の回転速度を落とすことで十分であり、また、その逆も同様である。
【０１００】
凝縮
○バキュームポンプ４７５：
前記プロセスが変更されるときに、自由膨張蒸気の体積が変動し得るので、膨張チャンバ４７０内の雰囲気圧を維持するため、バキュームポンプ４７５は、適宜コントロールされる必要があり、それは、単にベーンの回転速度を調節することによって可能である。蒸気回収ユニット４０５内の雰囲気圧及び雰囲気温度を制御するため、センサ（すなわち、圧力計Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３、並びに、温度計Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３）は、サブシステムのノミナル値を制御し、バキュームポンプ４７５の自動調整を可能にする。
【０１０１】
再初期化
○移送ポンプ４８５：
システムが、冷熱と温熱の両サブシステムにおける蒸気／液体平衡を変更するにつれて、気化器４４０では、液量が連続的に減少し、一方、気泡形成凝縮器４８０では、液量が連続的に増加するが、回路内に存在する総量は一定のままである。したがって、液体のノミナル量を再平衡させるためには、移送ポンプ４８５の働きを調節するための計器１９１０を用いて気化器４４０内の水位を制御することで十分であり、その結果として、移送ポンプ４８５は、気泡形成凝縮器４８０から液体を圧送し、その液体を気化器４４０に再注入することによってシステムを再初期化することになる。
【０１０２】
結論
１つ又は複数の好ましい実施形態がこれまで例として述べられた。多くの変形及び修正が、特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることが当業者に明らかになるであろう。
全ての引用は参照により組込まれる。
【０１０３】
用語集及びデータ
（１）状態関数
熱力学において、状態関数は、システムの現在の状態だけに依存し、システムがその状態を獲得した方法に依存しない（経路に無関係な）システムの特性(property)である。状態関数は、システムの平衡状態を記述する。
【０１０４】
状態関数は、システムのパラメータの関数であり、経路の終点におけるパラメータ値に依存するだけである。温度、圧力、内部又は弾性ポテンシャルエネルギー、エンタルピー、及びエントロピーは、システムがその状態にどのようにして到達したかによらず、熱力学的システムの平衡状態を定量的に記述することから、状態量である。
【０１０５】
熱力学的システムの量又は特性として状態関数を考えることが最良であり、一方、非状態関数は、状態関数がその間に変化するプロセスを表す。
例えば、本文書では、状態関数Ｗ＝ＰＶ（「ＰＶ」＝圧力に体積を乗じた値）は、システム内の経路の間においての従来の内部エネルギーに比例して変化するが、仕事「Ｗ」は、システムが仕事を行うときに伝達されるエネルギーの量である。即ち、弾性ポテンシャルエネルギーのような内部エネルギーは識別可能であり、それは特定の形態のエネルギーであり、仕事は、その形態又は場所を変えたエネルギーの量である。
【０１０６】
注意：
本文書の読解を簡単にするため、前記状態関数Ｗ＝ＰＶにおいて、
−ＰＶは、サブシステムの内部エネルギーと見なされる。気化のプロセスは、前記内部エネルギーの一部を、通常ジュールで測られる、本文書では「弾性ポテンシャルエネルギー(Elastic Potential Energy)」と呼ばれる別の形態に変換する。
−Ｗは、対応する抽出可能な仕事とされ、通常、ワットで測られる。
【０１０７】
（２）平衡蒸気圧
平衡蒸気圧は、閉じたシステムにおける所与の温度で、その凝縮相（固体又は液体）と熱力学的平衡にある蒸気によって加えられる雰囲気圧である。平衡蒸気圧は、液体の気化速度の表れである。それは、液体（又は固体）から逃げる粒子の傾向に関係する。標準温度において高い蒸気圧を有する物質は、しばしば揮発性と呼ばれる。
【０１０８】
あらゆる物質の蒸気圧は、クラウジウス−クラペイロンの関係に従って温度に非線形に増加する。液体の大気圧沸点（標準沸点としても知られる）は、蒸気圧が周囲大気圧に等しい温度である。その温度の任意の漸次増加に伴って、蒸気圧は、大気圧に打ち勝ち、液体を持ち上げ、物質のバルク(bulk)内部で蒸気気泡を形成するのに十分になる。液体内のより深いところでの気泡形成は、より大きな圧力、したがって、より高い温度を必要とする。その理由は、深さが増すにつれて、液圧が大気圧を超えて増加するからである。
【０１０９】
（３）雰囲気温度
以下の説明及び言及では、雰囲気温度は、プロセス又はシステムにおける、コンテナ、機器の部分、若しくはコンポーネント内の温度等の、周辺デバイス内の作動流体の温度を意味する。
【０１１０】
（４）雰囲気圧
以下の説明及び言及では、システムの雰囲気圧は、プロセス又はシステムにおける、コンテナ、特定のデバイス、機器の部分、若しくはコンポーネントであり得る、直近の周辺物に加えられる作動流体の圧力である。
雰囲気圧は、作動流体の雰囲気温度に直接関係して変化し、物質の相変化特性によって決定される平衡蒸気圧の物質の特定の状態において物質が与える弾性ポテンシャルエネルギーに対応する。
【０１１１】
（５）周辺温度
以下の説明及び言及では、周辺温度は、以下を意味する。
（ｉ）１日の任意の特定の時間若しくは夜間の環境における屋外の現在温度、又は、海、湖、川、海底、帯水層若しくは地下水源等の水流において見出される温度、及び、
（ｉｉ）以下の温度を含むがそれに限定されない屋内部屋温度（しばしば「室温」と呼ばれる）。
−温度制御式であるかもしれないし、そうではないかもしれないオフィスビル、団地又は住宅内等の、建物又は構造物内の温度。
−鋳造、製造、パルプ及びペーパ、テキスタイル、商用キッチン及びベーカリ、又はランドリー及びドライクリーニング等の作業から生成される熱のせいで温度が熱い場所を含む製造設備又は産業施設内の温度。
−アクティブな採鉱作業を有する又は有さない縦抗内の或る深さの温度。
−住宅設備に対して特に構築されるグリーンハウス、小屋、又は他の複合施設内の温度。
【０１１２】
（６）ＩＳＭＣ＝ＩＳＯ  １３４４３：
天然ガス、天然ガスの代替物、及び、気体状態の同様な流体に関して実施される測定及び計算のために使用される、温度、圧力、及び湿度（飽和状態）の国際標準メトリックコンディションは、２８８．１５Ｋ（１５℃）及び１０１．３２５ｋＰａ（１Ａｔｍ）である。
【０１１３】
（７）気化
元素又は化合物の気化は、液相から気相への相変化である。２つのタイプの気化、すなわち、蒸発及び沸騰が存在する。しかし、圧力パワーシステムでは、主に、蒸発は、所与の圧力において沸騰温度より低い温度で起こる液相から気相への相変化として考えられる。蒸発は、通常、表面で起こる。
【０１１４】
（８）自由膨張
自由膨張は、加圧気体を、およそ大気圧で断熱排気チャンバ(insulated evacuation chamber)内に膨張させるプロセスである。それにより、流体は、自然な冷却を受け、それが、流体の温度を、物質の露点を少し超える値に減少させる。
【０１１５】
自由膨張中、容器によって仕事は行われず、プロセスをほぼ等エントロピーにする。蒸気は、最終状態に達する前に、熱力学的平衡でない状態を経験し、そのことは、総じて蒸気の値として熱力学的パラメータを定義できないことを示唆する。
【０１１６】
例えば、圧力は、ポイントからポイントへと局所的に変化し、粒子で形成される蒸気によって占められる体積は、明確に定義される量ではなく、ここでは、冷熱サブシステムの蒸気回収ユニット全体にわたる、周辺システムの状態関数を直接的に反映する。
【０１１７】
（９）気泡形成凝縮
気泡形成凝縮は、気相の凝縮可能流体が、液相の同じ物質の浴槽で既に部分的に満たされた圧力容器として使用されるときの「気泡カラム蒸気混合物凝縮器(bubble-column vapor mixture condenser)」内に注入されるときに起こる。
【０１１８】
蒸気は、カラムの底部で液体内に直接注がれ、それが蒸気に気泡を形成させ、気泡は、浴槽の雰囲気温度及び雰囲気圧に対するそれらの温度／圧力平衡を調整し、蒸気を直接接触式凝縮によって液体と完全に混合させる。
【０１１９】
（１０）相
バルク内において物質は、雰囲気圧、雰囲気温度、及び体積に応じて、相として知られる集団の幾つかの異なる形態又は状態で存在し得る。相は、特定のシステムにおいてその状態関数を決定する、比較的均一な化学的組成及び（密度、比熱、屈折率、圧力等のような）物理的特性を有する物質の形態である。
【０１２０】
相は、物質の状態と呼ばれることがあるが、この用語は、熱力学的状態との混同をもたらす可能性がある。例えば、異なる圧力に維持される２つの気体は、異なる熱力学的状態（異なる圧力）にあるが、同じ相にある（両方とも気体である）。物質の所与のセットの状態又は相は、状態関数の特定の状態によって決定される雰囲気圧及び雰囲気温度の状態に応じて変化し、これらの状態がその存在に有利になるよう変化するにつれて、他の相に転移し得る。例えば、液体は、温度の上昇に伴って気体に転移する。
【０１２１】
（１１）物質の状態
物質の状態は、物質の異なる相が呈する区別可能な形態である。固体、液体、及び気体は、最も一般的な物質の状態である。
【０１２２】
物質の状態はまた、相転移の点から定義され得る。相転移は、構造の変化を示し、特性の急激な変化によって認識され得る。この定義によれば、物質の区別可能な状態は、相転移によって任意の他の状態のセットから区別される任意の状態のセットである。
【０１２３】
物質の所与のセットの状態又は相は、システムの状態関数（雰囲気圧及び雰囲気温度の状態）に応じて変化し、これらの状態が物質の存在に有利になるよう変化するにつれて他の相に転移し得る。例えば、雰囲気温度又は雰囲気圧の減少／増加に伴う液体の気体への転移及びその逆への転移である。
【０１２４】
状態間の区別は、分子の相互関係の差に基づく。すなわち、液体は、分子間力が分子を近接した状態に維持するが、分子を固定関係で維持しない状態であり、液体は、そのコンテナの形状に従うことができるが、圧力に無関係に（ほぼ）一定の体積を保持する。気体は、分子がかなり分離し、分子間力が分子のそれぞれの運動に対して比較的少ない作用を有する状態であり、気体は、明確な形状又は体積を持たないが、圧力デバイス全体を占有し、そこにおいて、気体は、その雰囲気圧／温度を減少／増加させて閉じ込められる。
【０１２５】
（１２）揮発性
作動流体の物質の状態は、その揮発性として知られる、物質が気化する傾向によって主に決定され、物質の平衡蒸気圧に直接関連する。
【０１２６】
所与の温度において、システムの状態関数は、定められた体積内に貯蔵される流体又は合成物質の平衡蒸気圧を決定し、平衡蒸気圧において、その気相（「蒸気(vapor)」）は、その液相と平衡状態にある。
【０１２７】
（１３）膨張率
作動流体の揮発性は、作動流体に対して選択される物質、その液体形態の標準体積に応じて、約２００倍から４００倍、更に高い倍率までの範囲の体積の著しい増大をもたらす。
【０１２８】
例（ＩＳＣＭコンディションで）：
○Ｒ−４１０Ａに対して、その膨張率は約２５６倍であり、
○プロパンに対して、その膨張率は約３１１倍であり、
○二酸化炭素に対して、その膨張率は約８４５倍である。
【０１２９】
圧力パワーユニットの各サブシステム内で、作動流体の平衡蒸気圧が、温度に線形に変化しない前記膨張率に依存するため、状態関数Ｗ＝ＰＶ（圧力を体積で乗じた値）もまた、関連する雰囲気温度を考慮しなければならない。
【０１３０】
したがって、物質の選択は、根本的であり、冷熱及び温熱サブシステムで維持され得る雰囲気温度の動作条件に従って行われなければならない。例として、本文書で行われる言及のほとんどは、概して、作動流体としてＲ−４１０Ａの使用に基づくものであり、温熱サブシステム内の雰囲気温度をおよそＩＳＭＣに維持可能に、温熱サブシステムの周辺温度が変化し、冷熱サブシステムが、−４０℃（−４０°Ｆ）と−３０℃（−２２°Ｆ）との間の雰囲気温度で維持されるモデルを描く。
【０１３１】
（１４）蒸気／液体平衡
物質の蒸気圧又は平衡蒸気圧の特性は、閉じたシステム内で、本質的には、作動流体がコンテナに貯蔵されているとき、所与の温度においてその凝縮相と熱力学的平衡状態にある蒸気によって加えられる圧力を表し、そのコンテナの容量は、サブシステムにおいて満たされる温度／圧力の特定の条件において液体流体体積相当量より大きいが、蒸気圧体積相当量より小さい。その結果、コンテナ内で、作動流体は、その蒸気／液体平衡で「飽和する(saturated)」まで、自然に気化し／凝縮する。
【０１３２】
（１５）標準状態関数
圧力パワーユニットにおいて、その基準値は、作動流体の標準沸点であり、標準沸点は冷熱サブシステム内の標準状態関数に厳密に対応すべきである。そのため、流体は、冷熱サブシステムの利用基準に従って選択されなければならない。状態関数が作動流体のＮ．Ｂ．Ｐ．にできる限り近くなるように、選択される物質の性質を決定するのは、冷熱サブシステム内の雰囲気温度である。
【０１３３】
例
−Ｒ２３／フルオリルのＮ．Ｂ．Ｐ．は、−８２．１℃／−１１５．７８Ｋの温度に対応し、
−冷媒Ｒ−４１０ＡのＮ．Ｂ．Ｐ．は、−５２．２℃／−６１．９６°Ｆの温度に対応し、
−Ｒ１３４ＡのＮ．Ｂ．Ｐ．は、−２６．３℃／−１５．３４°Ｆの温度に対応する。
【０１３４】
（１６）臨界点
しかしながら、物質を選択するとき、「臨界点(Critical Point)」もまた参照されなければならない。考えられる各作動流体は、液体／気体の相境界が存在しなくなり物質がその気体形態でのみ存在する、その相転移のまさに臨界点に対応する或る沸点において特定の飽和状態を示し、それは、温熱サブシステムの状態関数によって達成される必要がある最大温度／圧力、本質的には、概して雰囲気圧が３２バールと６４バールの範囲にあり、前記温熱サブシステム内で維持する雰囲気温度の最大レベルに対応する最大温度／圧力を、作動流体の材料の温度／圧力チャートによって定められるように制限する。
【０１３５】
例
−Ｒ２３／フルオリルの臨界点は、２５．６℃／７８°Ｆにおいて４８．３７バール（７０１．５５ｐｓｉ）の圧力に対応し、
−冷媒Ｒ−４１０Ａの臨界点は、７２．５℃／１６２．５°Ｆの温度において４９．４バール（７１６．４９ｐｓｉ）の圧力に対応し、
−Ｒ１３４Ａの臨界点は、１００．９℃／２１３．６°Ｆにおいて４０．６バール（５８８．８５ｐｓｉ）の圧力に対応する。
【０１３６】
（１７）作動流体の例（圧力／温度チャート）
【０１３７】
【表１】
2015518935.tif 000003
【図７】
2015518935.tif 000004
【図１】
2015518935.tif 000005
【図２】
2015518935.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015518935.tif 000009
【図６】
2015518935.tif 000010
【図８】
2015518935.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2015518935.tif 000015
【図１３】
2015518935.tif 000016
【図１４Ａ−１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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