(57)【要約】本発明はエネルギーの変換及び生成システムに関し、より詳細には、作動流体における圧力差によりエネルギーを生成及び変換するシステム及び方法に関する。圧力発電システムは、閉ループ内にそれぞれ配置されている冷温サブシステムと、暖温サブシステムと、仕事抽出システムと、液圧ポンプとを備える。冷温サブシステム及び暖温サブシステムは、互いに対して低い温度及び高い温度でそれぞれ保持されており、ポンプによって閉ループ内を通って循環される作動流体は、２つのサブシステム内において異なる平衡蒸気圧を有している。作動流体のそれぞれの状態関数が異なっている結果、２つの異なるレベルの弾性ポテンシャルエネルギーが生じ、次いで、２つのサブシステム間で圧力差が生じる。仕事抽出システムは２つのサブシステムの間に位置し、弾性ポテンシャルエネルギー／圧力差を有効な運動エネルギーに変換する。【選択図】図１
2015522740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷温サブシステムと、暖温サブシステムと、仕事抽出システムと、液圧ポンプとを備えた圧力発電システムであって、
前記冷温サブシステム、前記暖温サブシステム、前記仕事抽出システム、及び前記液圧ポンプは閉ループ内に配置されており、
前記冷温サブシステム及び前記暖温サブシステムは、互いに対して低い温度及び高い温度でそれぞれ保持されており、
前記閉ループ内において前記冷温サブシステムと暖温サブシステムとの間で、作動流体が繰り返し循環し、前記作動流体は、前記冷温サブシステム内と前記暖温サブシステム内とにおいて、それぞれの状態関数に応じて異なる平衡蒸気圧を有しており、前記状態関数は、前記冷温サブシステムと前記暖温サブシステムとの間で圧力差を生じさせる、２つの異なるレベルの弾性ポテンシャルエネルギーを表し、
前記仕事抽出システムは、前記暖温サブシステムの出口と前記冷温サブシステムの入口との間に位置しており、かつ、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へと変換するように動作可能であり、
前記液圧ポンプは、前記冷温サブシステムの出口と前記暖温サブシステムの入口との間に位置しており、かつ、液状作動流体を循環させて前記冷温サブシステムから前記暖温サブシステムへ戻らせるように動作可能である、圧力発電システム。
【請求項２】
前記作動流体は、前記暖温サブシステム内では前記冷温サブシステム内よりも暖温の温度で収容されており、前記冷温サブシステム内の前記作動流体の平衡蒸気圧に対する前記暖温サブシステム内の前記作動流体の平衡蒸気圧が、仕事の抽出を可能にする利用可能な圧力差を生じさせる場合に、冷温サブシステムと暖温サブシステムとの間の温度差は異なる２つの状態関数を決定するのに十分な値である、請求項１に記載の圧力発電システム。
【請求項３】
前記作動流体の物質（又は化合物）は、その物質の状態が可逆性の相変化によって気体から液体へ、又はその逆方向へと変化することを可能にする、請求項１又は２に記載の圧力発電システム。
【請求項４】
前記冷温サブシステムは前記作動流体の大部分を液化させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項５】
前記冷温サブシステムは圧力容器を備えている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項６】
前記圧力容器は前記冷温サブシステムの容積を増加させて、気体形態の前記作動流体が大気圧程度にまで自由膨張することを可能にする、請求項５に記載の圧力発電システム。
【請求項７】
前記冷温サブシステムは膨張チャンバを備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項８】
前記冷温サブシステムは凝縮器を備えており、気体状作動流体の一部が液化することによって、前記作動流体がそのＮＢＰよりも少しだけ高い周囲温度で気液平衡の状態を一定に保つことを可能にする、請求項７に記載の圧力発電システム。
【請求項９】
前記冷温サブシステムの前記凝縮器は、収容容器として機能する圧力容器を備えている、請求項８に記載の圧力発電システム。
【請求項１０】
前記冷温サブシステムは断熱されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１１】
前記冷温サブシステムはアクティブな噴霧システムを備えている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１２】
前記冷温サブシステムは、前記作動流体を前記膨張チャンバから前記凝縮器へと移送するための圧送／真空システムを備えている、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１３】
前記作動流体は、前記冷温サブシステム内においてそのＮＢＰに近いがそれよりも高い温度で収容されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１４】
液相状態の前記作動流体を、前記冷温サブシステムの出力部から前記暖温サブシステムの入力部へと移送するポンプをさらに備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１５】
前記暖温サブシステムは前記作動流体の大部分を気化させる、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１６】
前記暖温サブシステムは、収容容器として機能する圧力容器を備えている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１７】
前記暖温サブシステムと前記冷温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をそれぞれ気相（「蒸気」）が液相と平衡状態にある気液平衡の状態のままとするように、一定に保持されており、前記作動流体は、液状の物質状態では部分的にしか前記圧力容器を満たしておらず、各容器の残りの部分は加圧された気体状の前記作動流体で充満されている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１８】
前記暖温サブシステムは、周りの熱エネルギーを収集して、暖温サブシステムの周囲温度を保持するとともに、液相にある前記作動流体の一部を気化して加圧蒸気にすることによって前記作動流体に弾性ポテンシャルエネルギーをもたらす、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項１９】
前記暖温サブシステムは１つ以上の熱交換器を備えている、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項２０】
前記１つ以上の熱交換器は、その環境温度によって温められている、請求項１９に記載の圧力発電システム。
【請求項２１】
前記暖温サブシステムは、太陽熱、地熱、風力、バイオマス、燃料電池、河川、海底、帯水層又は地下水源等の水流、例えば坑道や建造物の地下室といった地下で検出される熱勾配、商業用又は産業用の熱回収システム、温室、及び、産業用建造物のすぐ周りや内部ではない雰囲気で検出した周囲温度からなる群から選択されたエネルギー源によって温められている、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項２２】
前記１つ以上の熱交換器は、プロパン、天然ガス、又は他の化石燃料で燃料供給される可能性のある外部加熱器によって温められている、請求項１９に記載の圧力発電システム。
【請求項２３】
前記暖温サブシステムは、前記圧力発電システムから隔てて配置することができる複数の周囲の熱エネルギー源からエネルギーを収集する可能性があり、前記圧力発電システムをハイブリッド型として作動するように利用することを可能にする、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項２４】
前記暖温サブシステムは隣接環境の温度で保持されている、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項２５】
前記暖温サブシステムは前記作動流体の臨界点よりも低い温度で保持されている、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【請求項２６】
前記作動流体は、有機物質、化合物、化合物の混合物、冷媒、アンモニア、二酸化硫黄、トリフルオロメタン、プロパン、メタンといった非ハロゲン化炭化水素類、窒素のような化学元素、及び二酸化炭素や亜酸化窒素といった化合物からなる群から選択される、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【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の計測条件であり、２８８．１５°Ｋ（１５°Ｃ）で１０１．３２５ｋＰａ（１ａｔｍ）である）よりも著しく低い通常沸点（ＮＢＰ）を有している、請求項１〜２６のいずれか１項に記載の圧力発電システム。
【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の変換及び生成システムに関し、より詳細には、作動流体内での圧力差によりエネルギーを生成及び変換するシステム及び方法に関する。
［背景技術］
人類は、エネルギー消費を削減しようと努力しているにもかかわらず、地球規模でより一層のエネルギーを消費し続けている。地球温暖化、環境汚染、化石燃料の利用可能性の減少、エネルギー全般のコスト高についての懸念の結果、クリーンで再生可能であり、よりコストの低いエネルギー源を提供するための努力がなされている。
【０００２】
風力エネルギー源や太陽エネルギー源等の、いくつかのクリーンなエネルギー源も利用可能であるが、廃熱等の、大部分が未だに利用されていない他のエネルギー源も存在する。例えば、多くの発電システムが蒸気タービンを使用しているが、廃棄蒸気内の有用なエネルギーの抽出は行っていない。
【０００３】
その上、既知の発電システムの多くは、非常に大規模に建設された場合にしか実用的かつ効率的にはならない。
したがって、クリーンでコスト効果が高く、効率的で、小規模システムを含む様々な規模で導入可能である、改良されたエネルギー生成（及び変換）方法及びシステムを提供する必要がある。
［発明の概要］
本発明の目的は、改良されたエネルギー生成及び変換方法及びシステムを提供することにある。
【０００４】
本明細書では、「暖温サブシステム」と「冷温サブシステム」においてそれぞれ異なる状態関数（１）を示すシステム（つまり「圧力差による発電」、以下において「圧力発電システム」と称する）について説明している。このシステムは、通常沸点（３）（「ＮＢＰ（Ｎｏｒｍａｌ  Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｐｏｉｎｔ）」とも称する）が低いことを特徴とする化合物物質、多くの場合有機物質からなる作動流体（２）の特性を利用して、エネルギーを変換するとともに仕事を抽出することを可能にする。
【０００５】
本質的には、圧力発電システムにおいて、作動流体を、主に収容容器で構成された２つの別個の閉鎖サブシステム内に、それぞれ異なる周囲温度（５）で別々に収容した場合、これらの互いに独立した熱力学的サブシステムの状態関数は異なるものになり、その物質の２つの異なる物質状態に対応する異なる条件下で、流体を一部だけ気化させることになる。各サブシステムでは、この気化は、流体（９）の特定の平衡蒸気圧をもたらすが、これは圧力差を生じさせる互いに異なる周囲圧力（８）に相当し、仕事を抽出するために利用される。
【０００６】
圧力発電システムの構想は、周知の作動流体の物理学に基づき、数種の基本的な機能原理に依存している。この原理は主に作動流体の物質に依存し、以下の物理的特性を決定する：
１．揮発性
２．膨張係数
３．気液平衡
４．自由膨張
５．凝縮
６．通常状態での状態関数
７．臨界点。
【０００７】
上記の機能原理は、冷温サブシステムと暖温サブシステムにそれぞれ適用可能な状態関数を定量化し、これらの関数は作動流体の物質の性質、特に揮発性に起因する物理的特性に直接関係する。これらの関数によって、仕事の抽出に利用することができる、２つのサブシステム間に圧力差を生じさせる平衡蒸気圧が決まる。
【０００８】
圧力発電システムの各サブシステムの内部では、作動流体の平衡蒸気圧は温度に対して直線的には変化しない上述の揮発度因子によって決まるため、状態関数Ｗ＝ＰＶ（圧力に体積を乗じたもの）も関連する周囲温度を考慮しなければならない。本明細書の解釈を平易化するために、状態関数Ｗ＝ＰＶにおいて、
・ＰＶをサブシステムの内部エネルギーとみなす。気化プロセスでは、この内部エネルギーの一部を、本明細書では「弾性ポテンシャルエネルギー」（７）と称される他の形態に変換する。弾性ポテンシャルエネルギーの値は通常ジュールで示す（図５及び図６に示されているようなフロンＲ−４１０Ａの例を参照）。
【０００９】
・Ｗを相当する抽出可能な仕事とみなし、そのため、その大きさを通常はワットで表す（図５及び図７参照）。
よって、圧力発電システムの適用方針は、作動流体が２つのサブシステムの間の閉ループ内で循環するサイクルを備えた装置によって表され、流体は別々に収容され、それぞれが互いに対して低い周囲温度と高い周囲温度とに保持されている。この構成により状態関数が各サブシステムで異なる状態となり、これは異なる気化レベルに相当するため、流体のうちの気体状の部分（「飽和蒸気」と呼ばれる）が異なる平衡蒸気圧を呈するようになり、これにより、冷温サブシステムと暖温サブシステムとの間に、仕事の抽出に利用される圧力差が生じる。
【００１０】
圧力発電システムは、電池のように、熱力学を利用した２つのセルからなる装置として構成されており、該セルは、蓄積された弾性ポテンシャルエネルギーを力学的エネルギーに変換し、家庭や産業上の多様な用途における一般的な電源となることを可能にする。
【００１１】
したがって、圧力発電システム（つまり「圧力発電ユニット」であり、この実施形態は出願人番号ＰＣＴ／ＣＡ２０１３／ｘｘｘｘｘにて出願された別の特許に説明されており、参照により本明細書に援用される）の実用化は、仕事の抽出を主な狙いとして行われる。このシステムは発電が行えるパワープラント（発電所、発電プラント、又は発電設備とも称される）等の産業施設になり得るが、それに限定されるものではない。
【００１２】
他の熱力学系（例えばランキンサイクル）と比較した圧力発電システムの主な違いは、圧力差が、作動流体の臨界点を超えての（例えば、３００°Ｃ／５４０°Ｆを超える、さらには５００°Ｃ／９３０°Ｆさえ超える範囲の温度での）蒸気の加熱に起因するのではなく、臨界点より低い温度、概ね約２０°Ｃ〜３０°Ｃ（６８〜８６°Ｆ）までの範囲の周囲温度における、異なる２つの相転移状態での物質の自然な物質状態に起因することに基づいている。したがって、要する周囲圧力は１ｂａｒから６４ｂａｒの範囲が用いられており、これは、ボイラーによって作動流体の気化エネルギーの「事実上」ほとんどが消費され、ある程度は損失する従来のシステムよりも低い。このことにより、本発明のシステムが、再生可能なエネルギー源（例えば周囲の雰囲気からの熱エネルギー）のみを完全に利用することによって電力を生成することが可能になる。
【００１３】
当然ながら、上述の動作を実現するためには、仕事を抽出するプロセスを、高圧蒸気流ではなく低程度から中程度に加圧された大量の蒸気を利用するように適宜に設計しなければならない。
【００１４】
圧力発電ユニットの構造的な構成は、主に３つの特有の要素を備えており、それぞれが上述の適用方針を実行している。
・暖温サブシステムの周りの環境で検出される熱エネルギー（つまり環境温度（６））の利用及び／又は回収、ならびに、暖温サブシステムを実現している構成要素（つまり「温度回収部」。同時係属出願番号第ＰＣＴ／ＣＡ２０１３／ｘｘｘｘｘ号にて説明されており、その内容が参照により本明細書に援用される）内に周囲温度に応じて特定の平衡蒸気圧で収容された作動流体の弾性ポテンシャルエネルギーへの熱エネルギーからの変換（物質の気化（１０）による）。
【００１５】
・この弾性ポテンシャルエネルギーの力学的エネルギーへの変換。つまり、上述の両サブシステムにおいて適合されるような、暖温サブシステムと冷温サブシステムの間における、物質の異なる平衡蒸気圧に起因する圧力差を利用する構成要素（つまり「仕事抽出部」。同時係属出願番号第ＰＣＴ／ＣＡ２０１３／ｘｘｘｘｘ号にて説明されており、その内容が参照により本明細書に援用される）内で実現された仕事の抽出。
【００１６】
・冷温サブシステムを実現する構成要素内へのこの蒸気の回収。一方で、より低い周囲圧力に対応するより低い周囲温度によって、異なる平衡蒸気圧がもたらされ、これにより物質の液化（１１）が可能になる（つまり「蒸気回収部」。同時係属出願番号第ＰＣＴ／ＣＡ２０１３／ｘｘｘｘｘ号にて説明されており、その内容は参照により本明細書に援用される）。
【００１７】
これら３つの構成要素を製造する数々の方法は、当業者には明らかになるであろう。またその結果、本発明の基礎となる概念から逸脱することなくこの技術を可能にする種々の構造や物理的な実施形態が得られ得る。
【００１８】
本発明の他のシステム、方法、特徴、及び効果は、以下の図面と詳細な説明を検討すれば当業者には明らかであり、もしくは明らかになるであろう。このような付加的なシステム、方法、特徴、及び効果はすべて本説明の中に包含されるものであり、本発明の範囲内であり、以下の請求項によって保護されることが意図される。
【００１９】
本発明は、各図面を参照した以下の詳細な説明から更に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態の圧力発電システムの概念図を示したものである。
【図２】本発明の実施形態の圧力発電システムの作動プロセス図を示したものである。
【図３】本発明の実施形態の作動流体例の圧力／温度グラフを示したものである。
【図４】本発明の実施形態の作動流体例の圧力／温度表を示したものである。
【図５】本発明の実施形態における作動流体例としての冷媒（Ｒ−４１０Ａ）の状態関数表を示したものである。
【図６】本発明の実施形態における作動流体例としての冷媒（Ｒ−４１０Ａ）の弾性ポテンシャルエネルギーのグラフを示したものである。
【図７】本発明の実施形態における作動流体例としての冷媒（Ｒ−４１０Ａ）の抽出可能な仕事のグラフを示したものである。
【図８】圧力発電システムの例示的実施形態のブロック図を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［発明の好適な実施形態の簡単な説明］
［作動流体の物質］
［周囲温度及び周囲圧力の考察］
上述したように、圧力発電システムは主に以下の３つのプロセスの働きに依存している。
・気化
・仕事の抽出
・液化
これらはすべて、冷温サブシステムと暖温サブシステムの両方において適合する周囲温度値と周囲圧力値に起因している。したがって、圧力発電システムの概念的なパターンは、各プロセスが機能する条件とそれらの条件が示す制約を主に考慮する：
・暖温サブシステム内で利用可能な周囲温度。これは、多くの場合環境温度に相当し、エネルギー資源を消費する任意の形態の外部加熱の使用は避けるよう試みるべきである。
【００２２】
・その結果暖温サブシステム内で生じる周囲圧力。これは、十分な弾性ポテンシャルエネルギーを生成するのに足りる値でなければならない。
・最も効率的な量の弾性ポテンシャルエネルギーを生成するために、暖温サブシステム内の最適な範囲の周囲温度を温めるのに利用可能な環境温度（例えば図６及び図７では、Ｒ−４１０Ａを用いた場合０°Ｃから５５°Ｃの間）。これにより圧力発電システムの性能を高める。
【００２３】
・冷温サブシステム内で保持すべき周囲圧力。これは、起こり得る圧力差のみならず、その結果として、自由膨張と凝縮による蒸気回収プロセスと液化のために用いる周囲温度にも相当する。
【００２４】
また、圧力発電システムの概念的なパターンは、システムの状態関数が互いに異なる結果をもたらすようなＮＢＰ及び基準値を持つ作動流体の物質を考慮しなければならない。例えば、
・暖温サブシステムと冷温サブシステムの両方の内部にある作動流体の液体／気体の体積に相当するもの（膨張係数）。これが、十分なエネルギーの変換（仕事の抽出）をもたらすための、システム内を循環する流体の体積を決定する。
【００２５】
・冷温サブシステムと暖温サブシステムの両方において利用可能な蒸気圧の平衡状態。
結果として、これらの考慮すべき事項は、下記に展開するように、作動流体が構成されている物質にも依存する。
【００２６】
［物質の選択］
作動流体は暖温サブシステムと冷温サブシステムに部分的にしか充填されないため、これら暖温サブシステムと冷温サブシステムのそれぞれにおいて状態関数が異なるということは当然、物質の平衡蒸気圧が異なる傾向にある。その一方で、それぞれの加圧蒸気が液相と熱力学的平衡状態である特定のレベルになっていることにより、２つの物質状態、つまり気体と液体が存在することが可能になる。
【００２７】
・［冷温サブシステムにおいて］
作動流体の沸点は、冷温サブシステム内部の作動中の周囲温度に相当するが、圧力発電システムの基準レベル（システムの「通常状態での状態関数」）を決定する。好適には、冷温サブシステム内の作動中の周囲温度は、物質のＮＢＰに可能な限り近い値にすべきである。なぜならば、暖温サブシステムとの圧力差をより大きくすること、本質的には抽出可能な仕事をより多く発生させることが可能になるからである。
【００２８】
・［暖温サブシステムにおいて］
周りの熱条件は、暖温サブシステムの作動中の周囲温度と、その結果として作動中の周囲圧力を決定する。圧力発電システムがより良好に動作するためには、暖温サブシステムの作動中の周囲温度は、物質の臨界点に可能な限り近い値にすべきである。
【００２９】
［仕事抽出プロセスにおいて］
暖温サブシステムと冷温サブシステムの間に結果として生じた圧力差によって、利用可能な弾性ポテンシャルエネルギー量が定量化されるとともに、圧力発電システムの利用可能なエネルギー効率が制限される。
【００３０】
しかしながら、圧力発電システム内で作動流体として使用するために選択し得る各物質は、温度／圧力の挙動に関連する物質の状態（１４）に関して、異なる基準を示す。以下において、「圧力／温度表」の例（図４参照）は、圧力発電システム内で使用可能な数種の作動流体の数値を提供し、圧力発電システムが動作可能な周囲温度とそれに応じた周囲圧力を示している。
【００３１】
したがって、物質の選択は根本となるところであり、冷温サブシステムと暖温サブシステムにおいて保持可能な周囲温度の作動条件に応じて行われなければならない。
例として、本明細書において言及した参照値の大部分が、作動流体としてＲ−４１０Ａを使用することに概ね基づいており、また、ＩＳＭＣ程度の暖温サブシステム内の周囲温度を保持することが可能になるように暖温サブシステムの環境温度が変化し、かつ冷温サブシステムが−４０°Ｃ（−４０°Ｆ）と−３０°Ｃ（−２２°Ｆ）の間の周囲温度で保持されている数値モデルに概ね基づいている。
［作動流体の物理学］
上記から分かるように、圧力発電システムは、暖温サブシステムに対する冷温サブシステムにおける作動流体自体の物質状態によって条件付けられる。この状態関数は、特に作動流体の揮発性と膨張係数、及びその通常沸点と臨界点に依存する。
【００３２】
［揮発性］
作動流体の物質の状態は主に、揮発性（１３）として知られる物質の気化しやすさによって決定され、物質の平衡蒸気圧に直接関係する。
【００３３】
所与の温度において、システムの状態関数は、決められた体積にて収容されている流体又は化合物物質の平衡蒸気圧を決定する。この圧力において、気相（１２）（「蒸気」）は液相と平衡状態にある。
【００３４】
収容されている作動流体は同一であるが２つの周囲温度は異なる（よって異なる状態関数を示す）互いに独立した閉鎖サブシステムと見なされる２つの熱力学系を比較すると、周囲圧力に打ち勝って液体が蒸気を生成するような状態にするために各サブシステム内で必要とされる揮発性（又は平衡蒸気圧）が異なる。
【００３５】
常温で蒸気圧が高い物質は、揮発性があると称されることが多い。揮発性が高いほど、所与の温度での液体の蒸気圧は高く、液体の通常沸点は低い。このような特性は一般に、液体物質の蒸気圧依存性を周囲温度の関数として表示した蒸気圧表（図３及び図４参照）によって表される。
【００３６】
［膨張係数］
暖温サブシステムにおいて、周りの熱エネルギーは、より一般的には熱交換によって液状作動流体へと移動し、このことが、液体を気化させて体積の著しい増加をもたらす：
・ＩＳＭＣで大気圧に相当する圧力（１５）にて開放空間に放出された場合において、利用可能な様々な作動流体の気体形態の体積膨張は、通常は、その液体形態での標準体積の約２００倍から４００倍の範囲の膨張係数に相当する。例えばＩＳＭＣ状態において、
・Ｒ−４１０Ａの場合、膨張係数は約２５６倍
・プロパンの場合、膨張係数は約３１１倍
・二酸化炭素の場合、膨張係数は約８４５倍である。
【００３７】
・限られた容積内に閉じ込められた場合、このようなプロセスは蒸気の圧力水頭を増加させる結果となり、これにより内部エネルギーが弾性ポテンシャルエネルギーに変換される。上述のように、この制御された物質の状態の変化（相転移）によって、容器内の作動流体の平衡蒸気圧のバランスをとることにより、液体の一部分のみを気体に変換させる。
【００３８】
圧力発電システムにおいて、暖温サブシステムは、概して、所定の体積の作動流体を収容する。この流体は、システムの状態関数を安定的に保つように、（真空ポンプシステムを用いて）一定に保持されなければならない。
【００３９】
気化プロセスに起因して気相状態にある作動流体が膨張することにより、加圧気体の利用可能な有効体積を徐々に増加させることができるが、圧力差を運動エネルギー（つまり仕事）へと変換する仕事抽出プロセスによって、今度は膨張が縮小されてしまう。これにより、システムがそれ自体の状態関数の平衡を保つことが可能になる。
【００４０】
圧力発電システムの概念的なパターンはまた、気液平衡にも基づいている。
［気液平衡］
本質的には、作動流体が容器に収容されていて、その容量がサブシステム内で適合する特定の温度／圧力条件で液状流体体積に相当するものよりは大きいが、蒸気圧体積に相当するものよりは小さい場合、物質の蒸気圧特性又は平衡蒸気圧は、閉鎖系内で所与の温度で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た圧力を表している。よって、容器内では、気液平衡の状態で「飽和する」まで、作動流体は自然に気化／凝縮する。
【００４１】
平衡蒸気圧は液体の気化速度を示すものであり、クラウジウス−クラペイロンの関係（１６）に従って、温度とともに非線形的に増加する。これは、液体からの粒子の放出されやすさ（揮発性）と関連がある。
【００４２】
両サブシステムにおいて、状態関数は、作動流体の物質がどのようにして加圧蒸気の体積と液体の体積を常に平衡化するかを決定する。液状作動流体の体積は両サブシステムの収容可能容量よりも小さいため、収容可能容量の一部しか占有しておらず、残りの部分には蒸気が充満している。両サブシステムでは、作動流体は自然に加圧蒸気／液体の平衡状態に達する。サブシステム内の周囲圧力の状態関数が低くなった場合には、作動流体が平衡蒸気圧に達するまで、液体の一部が自動的に気化し、これにより、収容可能容量の残り部分が加圧蒸気で充満する。サブシステム内の周囲圧力の状態関数が高くなった場合には、加圧蒸気の一部が自動的に液化する。
【００４３】
重力により、より重い液体部分は容器装置の下部を占有し、より軽い加圧気体は上部に閉じ込められているため、
・暖温サブシステムでは、加圧気体は仕事抽出装置内で上部から膨張することができる。
【００４４】
・冷温サブシステムでは、液体は下部から圧送されて暖温サブシステムへと送り込まれることができる。
［自由膨張］
冷温サブシステムにおいて、自由膨張は、気体が膨張して断熱真空チャンバ（つまり膨張チャンバ）に入る不可逆プロセスであるため、周囲圧力を低下させる。実在気体は自由膨張中には温度変化が生じ、大きな膨張チャンバ内部で周囲圧力が低下するほど、膨張気体の温度も下がっていき（大気圧では気体温度は時として露点、本質的にはほぼＮＢＰまで低下してしまう）、これにより蒸気から液体へと相転移が少しだけ生じる。
【００４５】
自由膨張中、気体によってなされる仕事はなく、これはエネルギーが全く消費されないことを意味する。気体は最終的な状態に達する前は熱力学的平衡状態を経ないが、これは全体として熱力学的パラメータを気体の値として規定することができないことを意味している。例えば、周囲圧力は次から次へと局所的に変化し、気体（粒子で構成されている）が占める体積は明確な量で表せない。このことは、このプロセスが周囲温度の低下によって自然にバランスをとっていることを意味する。
【００４６】
このスロットリングプロセス（「ジュール−トムソン効果」（１７）とも呼ばれる）は技術的に重要である。なぜならば、このプロセスは冷温サブシステム内での気体状作動流体の再液化の最初の主要工程に相当するからである。
【００４７】
［凝縮］
冷温サブシステム内で再液化を実現する第２の工程は、凝縮プロセスで構成されている。温度の下がった膨張蒸気は膨張チャンバから圧送されて、好適には多数の開口（隙間／蓋の吸気口）を通過することによって、本質的には一連の弁又は多孔質栓を介して、凝縮器へと放出され、蒸気を流して上記装置に既に収容されている液状作動流体を通過させる。このようにするためには、蒸気を動かして吸気口を通すために、圧縮係数が０．２ｂａｒよりも小さい値を示す状態にて、温度の下がった蒸気の周囲圧力をポンプで少しだけ上昇させる必要があり、この結果蒸気が凝縮する。
【００４８】
残留蒸気の一部がこのようにアクティブな噴霧システムによって留まっている場合、蒸気から小さな気泡が形成される。この気泡が収容されている低温の作動流体の表面に上がってくると、低温の周囲温度に起因して、凝縮プロセスを自然に実現させる。
【００４９】
よって、冷温サブシステム全体を、作動流体の通常状態での状態関数に近い周囲圧力と周囲温度において自己安定化することが可能である。
［通常状態での状態関数］
圧力発電システムにおいて、基準値は、冷温サブシステム内において通常状態での状態関数に近い状態を表す、作動流体の通常沸点である。したがって、作動流体は、冷温サブシステムの利用基準に応じて選択されなければならない。状態関数を作動流体のＮＢＰに可能な限り近くするために、選択されるべき物質の性質を決定するのは、冷温サブシステムの周囲温度である。例えば、
・Ｒ２３／トリフルオロメタン（Ｆｌｕｏｒｙｌ）のＮＢＰは−８２．１°Ｃ／−１１５．７８Ｋの温度に相当する。
【００５０】
・冷媒Ｒ−４１０ＡのＮＢＰは−５２．２°Ｃ／−６１．９６°Ｆの温度に相当する。
・Ｒ１３４ＡのＮＢＰは−２６．３°Ｃ／−１５．３４°Ｆの温度に相当する。
［臨界点］
しかしながら、作動流体の選択の際には、その「臨界点」にも注意を向けなければならない。利用可能な作動流体はそれぞれ、液相／気相の境界が存在しなくなり、物質が気体形態のみで存在する相転移の正確な臨界点に一致する特定の沸点で、固有の飽和状態を示す。これは、作動流体の物質の温度／圧力表によって決定されるように、暖温サブシステムの状態関数、実体としては通常は３２ｂａｒから６４ｂａｒの間の範囲にある周囲圧力によって得られる必要があり、かつ上記暖温サブシステム内で保持する最大レベルの周囲温度に相当する、最大温度／圧力を制限する。例えば、
・Ｒ２３／トリフルオロメタンの臨界点は２５．６°Ｃ／７８°Ｆで４８．３７ｂａｒ（７０１．５５ｐｓｉ）の圧力に相当する。
【００５１】
・冷媒Ｒ−４１０Ａの臨界点は７２．５°Ｃ／１６２．５°Ｆの温度で４９．４ｂａｒ（７１６．４９ｐｓｉ）の圧力に相当する。
・Ｒ１３４Ａの臨界点は１００．９°Ｃ／２１３．６°Ｆで４０．６ｂａｒ（５８８．８５ｐｓｉ）の圧力に相当する。
［構成の好ましい実施形態］
図１及び図８を参照すると、圧力発電システム１００の例示的実施形態における閉ループの概念的な構成は、冷温サブシステム１０５（つまりＡ−蒸気回収部）と、暖温サブシステム１１０（つまりＢ−熱回収部）と、仕事抽出プロセス１１５（つまりＣ−仕事抽出部）と、移送ポンプ１２０（つまりＤ−液圧ポンプ）とを備える。
【００５２】
冷温サブシステム１０５の通常状態での状態関数は、作動流体の平衡蒸気圧の基準レベルを表す。
作動流体の一部は、冷温サブシステム１０５内に永久的に収容されており、冷温サブシステムは、流体物質のＮＢＰに可能な限り近い、通常は−８０°Ｃから−２０°Ｃの間の範囲にある冷温周囲温度で一定に保持されている。上記の周囲温度での作動流体の状態関数に応じて、作動流体の周囲圧力は通常、０．１ｂａｒから２ｂａｒのゲージ圧（つまり局所大気圧を基準とした圧力）の範囲にある。
【００５３】
上記の冷温周囲温度を一定に保持するためには、冷温サブシステム１０５は好適には以下のものを備える：
・冷温サブシステム１０５の体積効率を高める膨張チャンバ１３０。これにより、作動流体を気体形態で大気圧程度まで自由膨張させることを可能にするとともに、ＮＢＰにおいて体積的に占有することを可能にする。これにより、蒸気の液化が開始される。
【００５４】
・膨張チャンバ１３０の周囲圧力を大気圧程度に保持することにより、冷温サブシステム１０５が周囲温度条件を作動流体の露点程度に保持することが可能になり、他方で、凝縮器１４０へと放出された蒸気／液体の混合物を少しだけ圧縮する真空システム１３５。
【００５５】
・収容装置として機能する凝縮器１４０。ここで、気体状作動流体の残りの部分は液化し、よって作動流体は、ＮＢＰより少しだけ高い周囲温度で気液平衡の状態を一定に保つことが可能になる。これにより、蒸気の液化が実現される。
【００５６】
動作中の場合、圧力発電システム１００は、可能な限り低い周囲圧力を保持すればよく、これにより、自由膨張プロセスに起因して、単純に冷却することにより、冷温周囲温度を実現することが自然に可能となる。
【００５７】
システムが何らかの理由で作動を止めた場合、上記の冷温周囲温度を保持することによって周囲圧力を低く保つために、冷温サブシステム１０５は、密閉された外部冷却装置（図示せず）を必要とする。システムが何らかの理由で作動を止めた場合、冷温サブシステム内の温度が上昇し始め、その結果冷温サブシステム内の圧力も上昇する。この場合、冷温サブシステム１００は、上記の冷温周囲温度を保持することによって周囲圧力を低く保つために、外部冷却装置を必要とする。それとは関係なく、万一システムが長時間停止し、外部冷却装置が存在しないか、又は何らかの理由で外部冷却装置が作動していない場合に備えて、冷温サブシステムは安全上の理由から３０ｂａｒまでの圧力に耐えるように製造されなければならない。
【００５８】
［暖温サブシステム］
作動流体の一部は暖温サブシステム１１０内にも永久的に収容されており、そこで通常は−１０°Ｃから＋８０°Ｃの間の範囲にある高めの周囲温度で一定に保持されている。作動流体の揮発性に応じて、暖温サブシステム内の作動流体の周囲圧力は通常、４ｂａｒから３２ｂａｒのゲージ圧の範囲にある。
【００５９】
上記の周囲温度は、周り（室内、容器、建造物、施設、又は屋外）において利用可能な媒体からの熱の移動によって得られる。これは、概して、周りの熱エネルギーを作動流体の内部エネルギーに変換し、さらには内部エネルギーの大部分を弾性ポテンシャルエネルギーに変換する熱交換器（つまり気化器）２０５を用いることによって行われる。
【００６０】
・上記の熱交換器は、場合によっては、太陽熱、地熱、風力、バイオマス、燃料電池、河川、海底、帯水層又は地下水源等の水流、例えば坑道や建造物の地下室といった地下で見られる熱勾配、商業用又は産業用の熱回収システム、温室、及び、産業用建造物のすぐ周りや内部ではない雰囲気で検出した周囲温度からなる群を含むがこれには限定されない遠隔エネルギー源によって温められてもよい。
【００６１】
・上記の熱交換器は、場合によってはプロパン、天然ガス、又は他の燃料で燃料供給される外部加熱器によってさらに温められてもよい。
また、暖温サブシステム１１０は、場合に応じて、周囲熱収集器２１０及び／又は予熱器（複数であってもよい）２１５を用いて、周りにある複数の熱エネルギー源からエネルギーを収集してもよいことに留意すべきである。周囲熱収集器２１０及び／又は予熱器２１５は、圧力発電システム１００から離間させて配置し、圧力発電システム１００がハイブリッドの作動プロセスとして動作するように利用することを可能にしてもよい。
【００６２】
［仕事抽出プロセス］
仕事抽出プロセスは、圧力を液圧モータ３１０の運動へと変換することが可能なハイドロニューマチックエンジン３０５等の可変容量装置を実現するように特別に構成しなければならない。その結果、このプロセスは、暖温サブシステム１１０内での作動流体の気化に起因する体積の膨張を利用することによって、冷温サブシステム１０５と暖温サブシステム１１０との間の圧力差を利用し変換している。本質的には、仕事抽出装置１１５は、暖温サブシステム内部で生成された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。ただし、タービン等の他の装置を用いてもよいことは当然である。
［作動プロセス］
したがって、圧力発電システムの作動プロセスは、相互に依存する４つの特徴で構成されている（図２参照）。
【００６３】
［（１）仕事の抽出］
作動流体の気体状態物質を暖温サブシステム１１０から仕事抽出装置１１５を介して冷温サブシステム１０５へと循環させることにより、暖温サブシステム１１０と冷温サブシステム１０５との間の周囲圧力差を生じさせる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こと、つまり仕事の抽出が可能になる。
【００６４】
したがって、弾性ポテンシャルエネルギーの運動エネルギーへの変換は、以下の手段によって、暖温サブシステム１１０と冷温サブシステム１０５との間における気体状作動流体の圧力差を利用している。
【００６５】
１Ａ）気体状作動流体の周囲圧力が伸張式圧力装置に、可動面を押し動かして応力をかけることを可能にすることによって（例えばシリンダー内のピストンからなる仕事抽出器２０５）。
【００６６】
１Ｂ）気体状作動流体を冷温サブシステム１０５内に放出することによって。なお、気体状作動流体は単純な自由膨張によって放出する。
［（２）暖温サブシステム１１０内における物質の気体／液体状態の平衡化］
上述のプロセスは、暖温サブシステム１１０内の平衡蒸気圧を、液体の体積に対する加圧蒸気の体積を減少させることにより変更するため、暖温サブシステム１１０内で適合された状態関数は、液体の一部を気化して加圧蒸気にすることにより、作動流体の物質の状態の再平衡化を自動的に生じさせる。
【００６７】
仕事抽出プロセスで用いられる物質の量により、暖温サブシステム１１０内の作動流体の全体体積が一時的に減少することに留意されたい。このように作動流体の体積が減少することで、状態関数が周囲圧力もわずかに減少させ、それに応じて周囲温度が少しだけ低くなる。
【００６８】
［（３）冷温サブシステム内における物質の気体／液体状態の平衡化］
仕事抽出プロセスはまた、仕事抽出装置１１５が放出した物質の量を用いて液体の体積に対する加圧蒸気の体積を一時的に増加させることにより、冷温サブシステム１０５内の平衡蒸気圧を変更し、これにより状態関数が周囲圧力をわずかに増加させ、それに応じて少しだけ高くなった周囲温度が得られる。したがって、冷温サブシステム１０５において適合する状態関数は、作動流体の物質の状態を蒸気の液化により再平衡化することを必要とする。これは、冷温サブシステム１０５において実現される凝縮プロセスによって達成される。
【００６９】
［（４）再初期化］
仕事の抽出に関する上述の特徴はシステム基準の変化をもたらすが、一方で、暖温サブシステム１１０及び冷温サブシステム１０５の両方において、収容されている作動流体の元々の体積も変化している。
【００７０】
圧力発電システムがその基本条件を取得して作動プロセスを再初期化するために、液状作動流体の一部を、ポンプ１２０（つまりＤ−液圧ポンプ）を用いて冷温サブシステム１０５から圧送して暖温サブシステム１１０へ向かわせる。
［作動条件］
［圧力差］
上記から分かるように、圧力発電システム１００の概念的な構成は、１番目の冷温サブシステム１０５において通常状態での状態関数を利用するように構想・構成されている。これにより、作動流体が、ほぼ大気圧の周囲圧力に対応する「ＩＳＭＣ」温度（１５）よりもかなり低い通常沸点（−２０°Ｃより低いことが好適であるが必須ではない）を示すようにし、そして再液化させる。
【００７１】
次に、この冷温サブシステム１０５から、周囲温度を「ＩＳＭＣ」温度程度に保持する２番目の暖温サブシステム１１０を通って、圧力発電システム１００内を通る閉ループ内で液状物質を循環させることで、状態関数が作動流体の揮発性を自然に変化させ、これにより弾性ポテンシャルエネルギー及び平衡蒸気圧を、数ｂａｒの周囲圧力の増加とバランスをとるようにする。この結果、暖温サブシステム１１０と冷温サブシステム１０５との間に、仕事の抽出に利用するために十分な圧力差が発生する。
【００７２】
［利用可能なエネルギー］
作動流体として用いられる物質によって決まり、暖温サブシステム１１０内部で気化した際には体積が約２００倍から４００倍、もしくはそれ以上の値に達する作動流体の体積膨張係数のために、蒸気が加える圧力による力の合計は、仕事抽出装置２０５へと放出された時において、より体積の小さい液状作動流体を冷温サブシステム１０５から圧送で戻すのに必要な圧力による力の合計よりも約２００倍から４００倍大きい。したがって、圧力発電システム１００に、冷温サブシステム１０５から暖温サブシステム１１０へと作動流体を循環させて戻すのに必要なエネルギーよりも多くの利用可能なエネルギーを生成させることが可能になる。
【００７３】
さらに、周りの熱エネルギーは無限で何からも独立しているとみなしてもよいので、上記の熱エネルギーを作動流体の弾性ポテンシャルエネルギーに変換した結果生じる利用可能なエネルギーはただ、十分に熱交換ができる暖温サブシステム１１０の実施形態に与えられた寸法の問題のみとなる。
【００７４】
［外部エネルギー］
圧力発電システム１００の作動プロセスでは、仕事の抽出によって、冷温サブシステム１０５及び暖温サブシステム１１０双方の作動条件が変化することが示されている。
【００７５】
・暖温サブシステム１１０では、再び温めない限り周囲温度が低下する。
・冷温サブシステム１０５では、周囲温度は保持しない限り上昇する。
したがって、圧力発電システム１００をその基本条件へと再平衡化するためには、外部エネルギー（つまり周りの熱エネルギーと圧縮動作）が必要となる場合があり、これによって圧力発電システム１００の各構成要素に与えられるべき性質や寸法を決定してもよい。
【００７６】
本質的に、作動条件は圧力発電システム１００の効率因子を表しており、これは、関わりのある様々なエネルギーや後に続くそれらの変換の定量化、つまり、システムの循環路全体にわたるエネルギーバランスの分析によって、計算可能である。
【００７７】
［エネルギーバランス］
１ｋｇの作動流体Ｒ−４１０Ａを用いた例を考察する（図５参照）。
［１．気化］
冷温サブシステム１０５（例えば−３０°Ｃ／−２２°Ｆの周囲温度にある）からもたらされると、冷温の液状作動流体は、（例えば周りの熱エネルギーを作動流体の内部エネルギーへと変換する熱交換によって）暖温サブシステム１１０の作動中の周囲温度（例えば２０°Ｃ／６８°Ｆ）まで温めなければならない。
【００７８】
気化プロセスは、内部エネルギーの一部を弾性ポテンシャルエネルギーへと変換するものである。つまり、飽和蒸気、言い換えれば２０°Ｃ、１４．４ｂａｒにおいて１７．６Ｌ（６２．１５ｆｔ３）の蒸気になるためには、１ｋｇの液状作動流体は、２５．３ｋＪの内部エネルギーを弾性ポテンシャルエネルギーへと変換し、これによって圧力差を発生させている。
【００７９】
［２．仕事の抽出］
この圧力差によって、仕事の抽出が可能になる。−３０°Ｃで保持されている冷温サブシステム内の周囲圧力を用いると、圧力差は１１．７ｂａｒ（１４．４ｂａｒ−２．７ｂａｒ）を示し、１７．６Ｌの加圧蒸気は２０．５７ｋＷ（１１．７ｂａｒ×１７．６Ｌ）に等しい値の抽出可能仕事量に相当する。
【００８０】
［３．凝縮］
加圧蒸気を仕事抽出プロセスから（例えば１７．６Ｌ）放出すると、いかなる仕事も必要としない自由膨張プロセスが体積を膨張させ（例えば２．７ｂａｒで９４．２Ｌ／３．３３ｆｔ３の飽和蒸気）、これによって周囲温度を露点（例えば冷温サブシステム内で保持されているような約−３０°Ｃ）まで自然に低下させる。なお、沸点と露点の間の違いは非常に小さなものである。
【００８１】
凝縮プロセスの第２の工程中に、蒸気を圧縮するために仕事（例えば０．２ｂａｒであり、１．９ｋＷ（９４．２Ｌ×０．２ｂａｒ）に相当する）がなされなければならず、蒸気のすべてを液体として回収する。この結果、凝縮容器内に収容されている作動流体の周囲温度の上昇は、例えば膨張チャンバ内部の周囲温度と比較して約０．２°Ｃの差であり、ほんのわずかである。
【００８２】
［４．再初期化］
冷温サブシステム１０５において、凝縮プロセスの結果、約２００倍から４００倍の範囲にある気体状作動流体が大幅に減少して液体になる（例えば周囲温度が−３０°Ｃ、周囲圧力が２．７ｂａｒにおいて、１ｋｇのＲ−４１０Ａが、気相状態では９４．２Ｌ／３．３３ｆｔ３を占有するが、液相状態では約０．７７４Ｌにしかならない）。
【００８３】
したがって、この液体を圧送して周囲圧力がより高い暖温サブシステム１１０へと戻すために、必要とされる外部エネルギーは抽出された仕事と比べて著しく低い。冷温サブシステム１０５内では周囲圧力が２．７ｂａｒであり、暖温サブシステム１１０では周囲圧力が１４．４ｂａｒである場合、行うべき仕事は０．９０６ｋＷ（１１．７ｂａｒ×０．７７４Ｌ）として計算可能である。
［実施例］
１ｋｇ（２．２ｌｂ）の液状の冷媒流体Ｒ−４１０Ａ（図５，図６及び図７を参照）を循環することにより、以下のことが得られる。
【００８４】
［−４０°Ｃ／−４０°Ｆの冷温サブシステム内］
１．７６ｂａｒの周囲圧力で保持されている（１ｂａｒ＝１００ｋＰａすなわち１００キロパスカル＝１４．５ｐｓｉすなわち１４．５ポンド毎平方インチ）。
【００８５】
・上記の周囲圧力において、自由膨張プロセスは作動流体の状態関数を自然に冷却するようにしており、これにより物質の平衡蒸気圧を−４０°Ｃ／−４０°Ｆの周囲温度で保持することを可能にしている。
【００８６】
・加圧蒸気の形態では、流体は１４１．９Ｌ（５．０１ｆｔ３）の体積に相当する。
ａ）２０°Ｃ／６８°Ｆの暖温サブシステム内
２０°Ｃ／６８°Ｆの周囲温度で保持されている。
【００８７】
・上記の周囲温度において、作動流体の状態関数は、物質の平衡蒸気圧を１４．４３ｂａｒの周囲圧力に相当するものにしている。
・加圧蒸気の形態では、流体は１７．６Ｌ（０．６２ｆｔ３）の体積に相当する。
【００８８】
・暖温サブシステムにおける状態関数ＰＶは、１７．６Ｌ×１４．４３ｂａｒ＝２５．４ｋＪと同等の弾性ポテンシャルエネルギーということになる。
・２つのサブシステムでは、１７．６Ｌの加圧蒸気から仕事を抽出するために利用可能な１２．６７ｂａｒの圧力差が生じている。
【００８９】
１７．６Ｌ×１２．６７ｂａｒ＝２２．２３ｋＷ
これは、圧力発電システムにとって、推定効率比率が（機械的な損失なしで）８７．５％であるということを表している。
【００９０】
ｂ）３０°Ｃ／８６°Ｆの暖温サブシステム内
３０°Ｃ／８６°Ｆの周囲温度で保持されている。
・周囲圧力は１８．８３ｂａｒである。
【００９１】
・加圧蒸気は体積が１３．１Ｌ（０．４６ｆｔ３）である。
・弾性ポテンシャルエネルギーは１３．１Ｌ×１８．８３ｂａｒ＝２４．７ｋＪと同等である。
【００９２】
・圧力差は１７．０７ｂａｒで、１３．１Ｌの加圧蒸気から抽出可能な仕事は１３．１Ｌ×１７．０７ｂａｒ＝２２．２８ｋＷに等しい。
これは、圧力発電システムにとって、推定効率比率が（機械的な損失なしで）９０．２％であるということを表している。
【００９３】
［−３０°Ｃ／−２２°Ｆの冷温サブシステム内］
２．７ｂａｒの周囲圧力で保持されている。
・上記の周囲圧力において、サブシステムは−３０°Ｃ／−２２°Ｆの周囲温度で平衡化する。
【００９４】
・加圧蒸気の形態では、流体は９４．２Ｌ（３．３３ｆｔ３）の体積に相当する。
ａ）２０°Ｃ／６８°Ｆの暖温サブシステム内
２０°Ｃ／６８°Ｆの周囲温度で保持されている。
【００９５】
・周囲圧力は１４．４３ｂａｒである。
・加圧蒸気は体積が１７．６Ｌ（０．６２ｆｔ３）である。
・弾性ポテンシャルエネルギーは１７．６Ｌ×１４．４３ｂａｒ＝２５．４ｋＪと同等である。
【００９６】
・圧力差は１１．７３ｂａｒであり、１７．６Ｌの加圧蒸気から抽出可能な仕事は１７．６Ｌ×１１．７３ｂａｒ＝２０．５７ｋＷに等しい。
これは、圧力発電システムにとって、推定効率比率が（機械的な損失なしで）８１％ということを表している。
【００９７】
ｂ）３０°Ｃ／８６°Ｆの暖温サブシステム内
３０°Ｃ／８６°Ｆの周囲温度で保持されている。
・周囲圧力は１８．８３ｂａｒである。
【００９８】
・加圧蒸気は体積が１３．１Ｌ（０．４６ｆｔ３）である。
・弾性ポテンシャルエネルギーは１３．１Ｌ×１８．８３ｂａｒ＝２４．７ｋＪと同等である。
【００９９】
・圧力差は１６．１３ｂａｒであり、１３．１Ｌの加圧蒸気から抽出可能な仕事は１３．１Ｌ×１６．１３ｂａｒ＝２１．０５ｋＷに等しい。
これは、圧力発電システムにとって、推定効率比率が（機械的な損失なしで）８５．２％ということを表している。
【０１００】
［効率］
図７に示すように、１キログラムのフロンＲ−４１０Ａについて、圧力発電システム１００は、暖温サブシステム１１０に含まれている弾性ポテンシャルエネルギーの大部分を仕事の抽出（つまり電力の生成）に利用することを可能にしている。しかしながら、暖温サブシステム１１０内部で適合される状態関数が弾性ポテンシャルエネルギーの変数の最大値を決定するため、圧力発電システム１００はこれらの制限の範囲内で仕事を抽出するのみである可能性がある。
【０１０１】
ある値を上回っても下回っても、仕事の抽出の効率因子は好ましいものではないことを考慮しなければならず、したがって、最良の条件から利益を得るようにシステムを構成することにより、本質的には、暖温サブシステムと冷温サブシステムの両方における周囲温度の利用基準に最もよく合う作動流体の物質を用いることにより、各パラメータの調整を行うべきである。
【０１０２】
Ｒ−４１０Ａを用いた上述の例では、２０ｋＷ／ｋｇを超える仕事の抽出を可能にするためには、
・冷温サブシステム１０５が約−４０°Ｃで保持されている場合、暖温サブシステム１１０の周囲温度の範囲が０°Ｃから５５°Ｃの間になければならない。
【０１０３】
・冷温サブシステム１０５が約−３０°Ｃで保持されている場合、暖温サブシステム１１０の周囲温度の範囲が１５°Ｃから５０°Ｃの間になければならない。
［効率比率］
上記の例で分かるように、圧力発電システム１００は、処理されるＲ−４１０Ａの１ｋｇあたりに対して、以下に記すエネルギーバランスをもたらす（生じ得る機械的な損失は計算せず）。
【０１０４】
・２５．３ｋＪの熱エネルギーを内部エネルギーに交換。これはさらに弾性ポテンシャルエネルギーへと変換される。
・２０．５７ｋＷに等しい、抽出された仕事。しかし、
・約１．９ｋＷに相当する圧縮動作
・１．１１５ｋＷに匹敵する循環圧送動作
によって、効果的に利用された仕事は約１７．５５ｋＷと計算されることになる。
【０１０５】
したがって、エネルギーバランスは６９．４％の効率比率を示す。
［結論］
１つ以上の現在好ましい実施形態を例として説明してきた。数多くの変更や改変を、請求項にて定義されるような本発明の範囲から逸脱することなく実行可能であることは、当業者には明らかであろう。
【０１０６】
全ての引用は、参照により本明細書に援用される。
［用語及びデータ］
［（１）状態関数］
熱力学において、状態関数とは、ある系において、その系の現在の状態のみによって決まり、その系がその状態を獲得した過程には依らない（経路に左右されない）特性である。状態関数は系の平衡状態を表している。
【０１０７】
状態関数は、系の各パラメータの関数であり、経路の終点での各パラメータ値のみによって決まる。温度、圧力、内部エネルギーもしく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、その系がどのようにしてその状態に到達したかには関係なく、熱力学系の平衡状態を定量的に表しているので、状態量である。
【０１０８】
状態関数を熱力学系の量又は特性として考察することが最適であり、一方、状態関数ではない関数は、状態関数が変化する間のプロセスを表している。
例えば、本明細書において、状態関数Ｗ＝ＰＶ（「ＰＶ」は圧力に体積を乗じたもの）は、系内の経路の間に流体の内部エネルギーに比例して変化するが、仕事「Ｗ」は系が仕事を行った際に移動したエネルギーの量である。つまり、弾性ポテンシャルエネルギーと同等の内部エネルギーは識別可能であり、エネルギーの特定の形態である。一方、仕事は、形態や位置を変化させたエネルギーの量である。
［（２）作動流体］
以下の説明及び参照において、作動流体は一般的に、多くの場合有機物や冷媒である化合物物質でできており、気体から液体へ、及び液体から気体への可逆性の相変化に関連した周囲温度及び周囲圧力に応じて変化する物質の状態を特徴としている。
【０１０９】
［例］
多くの化合物物質及び冷媒は、他の複数の化合物を混合したものである。混合物の特性は構成物質の割合を変えることによって容易に変更される。
【０１１０】
多くの国では、冷媒の作動流体としての使用を規制している。冷媒は、従来はフルオロカーボン類、特にクロロフルオロカーボン類であったが、これらはそのオゾン層破壊作用のために段階的に廃止されてきている。現在様々な用途に用いられている他の一般的な冷媒は、近共沸（ｎｅａｒ−ａｚｅｏｔｒｏｐｉｃ）混合物（Ｒ−４１０Ａ、つまりＨＦＣ−３２／ＨＦＣ−１２５等）、トリフルオロメタン、アンモニア、二酸化硫黄、及び非ハロゲン化炭化水素類である。
【０１１１】
当然ながら、ブタン、プロパン、もしくはメタン、又は、窒素及び酸素等の化学元素並びに亜酸化窒素及び二酸化炭素等の化合物といった、他の標準的な化合物及び有機物質を代わりに使用してもよく、また、圧力発電システム１００の特定の構成想定（例えば冷温サブシステム１０５と暖温サブシステム１１０内の周囲温度を低めにする、又は高めにすることができるが、同様の作動可能な周囲圧力も供給する）に最適化された特性を有する新たな作動流体を設計してもよい。
【０１１２】
多くの好適な作動流体の特性は、本明細書にて提示されている。
［（３）通常沸点］
液体の沸点とは、その液体の蒸気圧が周囲圧力（つまり液体を取り囲む環境圧）に等しくなり、液体が蒸気に変化する温度である。
【０１１３】
・液体の通常沸点は、液体の蒸気圧が、海抜０メートルの高さで定義された大気圧、つまり１気圧（１．０１３ｂａｒ）に等しくなる特別な場合である。この温度において、液体の蒸気圧は、大気圧に打ち勝って液体のバルクの内部において蒸気の気泡の形成（つまり気化）が可能になるのに足りる値になる。
【０１１４】
・圧力発電システム１００において、冷温サブシステム１０５内の沸点を決定する作動流体の周囲温度及び周囲圧力は、システムの「通常状態での状態関数」の基準レベルとみなされる。
［（４）仕事の抽出］
状態関数とは異なり、力学的な仕事及び熱は、その値が２つの平衡状態の間の特定の遷移（又は経路）によって決まるため、プロセス量である。
【０１１５】
換言すれば、圧力システム内部の仕事の抽出は、体積膨張時におけるシステムの状態関数の変化によって決定されるような、内部エネルギーの負の変化に相当する。つまりシステムは、その周囲に対して仕事を行う時に、蓄積された内部エネルギーを放出する。
【０１１６】
物理学において、仕事とは、力とその力が作用した距離との積として表すことが可能なスカラー量であり、その力の仕事量と呼ばれている。
熱力学第１法則にはエネルギーは変換可能（つまりある形態から別の形態に変化させることが可能）であると述べられているように、システムの内部エネルギーの変化は、システムに供給された熱の量（熱エネルギー）から、周囲に対して仕事を行っているシステムによってなされた仕事抽出の量を引いたものに等しい。
【０１１７】
圧力システムでは、温度と圧力が一定に保たれている場合、抽出し得る有効な仕事の量は、そこに収容している物質の体積と物質状態に相当するシステムの状態関数によって決定される。
［（５）周囲温度］
以下の説明及び参照において、周囲温度とは、周囲を囲む装置内にある作動流体の温度、例えば、あるプロセス又はシステムにおける容器内、設備の一部分内、又は構成要素内の温度を意味する。
［（６）環境温度］
以下の説明及び参照において、環境温度とは、以下に記す温度を意味する。
【０１１８】
（ｉ）日中又は夜間の任意の特定の時刻における大気中での屋外の現在温度、もしくは、海、湖、河川、海底、帯水層、又は地下水源といった水流において検出される温度、及び
（ｉｉ）屋内の室温（「室温」と呼ばれることが多い）であり、以下のことを含むがこれらに限定されない。
【０１１９】
・オフィスビル、共同住宅、又は家屋等の建造物又は構造物内の温度。この温度は制御されていてもいなくてもよい。
・鋳造、製造、紙パルプ、繊維素材、商用調理及びパン製造、又は洗濯及びドライクリーニング等の作業から発生する熱のために温度が高めである場合を含む、製造施設又は産業施設内の温度。
【０１２０】
・採掘作業が稼働中かどうかにかかわらず、坑道内のある深さにおける温度。
・温室、納屋、又は家屋設備専用に建設された他の複合施設内の温度
［（７）エネルギーの形態］
・熱エネルギーは熱とは異なるものである。物理学での厳密な用法では、熱はプロセスのみの特性である、つまり、エネルギー交換として吸収又は生成されるが、物質の静的特性ではない。物質は、熱ではなく熱エネルギーを含有している。熱は、物質の一領域の境界を超えて別の領域へ遷移又は変換するプロセスにおける熱エネルギーである。
【０１２１】
・内部エネルギーは、熱力学において、熱力学系が包含する全エネルギーである。内部エネルギーは、系を形成するのに必要なエネルギーであるが、系の周囲を置換するためのエネルギー、全体としての動きに関連した任意のエネルギー、もしくは外部力場に起因するエネルギーは含まれていない。内部エネルギーは２つの主成分、運動エネルギーと位置エネルギーを有している。系の内部エネルギーは、その系を加熱することによって、又は系に対して仕事をすることによって変化させることができる。熱力学第１法則は、内部エネルギーの増加は周囲によって加えられた総熱量となされた仕事量に等しいと述べている。系が周囲から隔離されている場合は、その内部エネルギーは変化できない。
【０１２２】
・ある物体又は物質の運動エネルギーは、自身の運動に起因して保有している力学的エネルギーの一部である。運動エネルギーは、所与の質量の物体を静止状態から規定された速度にまで加速するために必要な仕事として定義されている。加速中にこのエネルギーが得られると、物体はこの運動エネルギーを、その速度が変化しない限り維持する。現在の速度から静止状態へと減速する際には、同量の仕事が物体によってなされる。
【０１２３】
物質の速度、したがって運動エネルギーは、基準系に依存する（相対的である）。つまり、適切な慣性基準系を選択することにより、任意の非負値をとることができる。
・位置エネルギーは、ある物質、物体、又は系内に、その物質の状態や力場における位置に起因して、もしくはその構成に起因して蓄積されたエネルギーである。様々な種類の位置エネルギーが存在し、各々が特定の種類の力と関連している。具体的には、いずれの保存力も位置エネルギーを生じさせる。例えば、弾性力の仕事は弾性ポテンシャルエネルギーと呼ばれている。
【０１２４】
・弾性エネルギーは一般的に、ある系内、又は物理的な系によって包含された物質内に蓄積された（その状態関数に相当する）位置に関する力学的エネルギーを、体積や形状を変形させることによる仕事としてみなしている。弾性エネルギーの概念は、固体や固体物質の力学の分析的な認識を主として発展させてきた正式な弾性理論に限定されない。
【０１２５】
弾性の本質は可逆性である。弾性物質に加わった力によって、エネルギーが物質内へと移動し、そのエネルギーを周囲に与えると、それによって元の形状や体積を回復することができる。
【０１２６】
弾性は固体や固体物質の力学と最も広く関連しているが、古典熱力学の初期の文献でも、上記で述べた広義の定義と合致する方法で「流体の弾性」を定義し、使用している。
［加圧された圧縮性の気体及び液体における弾性ポテンシャルエネルギー］
本発明は、弾性ポテンシャルエネルギーの仕事への変換と合致する方法で、この「流体の弾性」に基づいている。
【０１２７】
・ある系における流体の挙動は、その周囲圧力／温度が弾性ポテンシャルエネルギーを示している場合には、流体の液相状態（以下「液体」とも称される）から気相状態（以下「蒸気」又は「気体」とも称される）への相転移、及び逆方向の相転移が系の状態関数を変更することを意味している。
【０１２８】
・２つの別個の系（例えば個々の周囲温度／圧力関係を持つ異なる状態関数を有する）におけるある物質の相対する２つの異なる物質状態は、２つの系を共に接続することによって、伸張式圧力装置（例えばシリンダー内のピストンで構成されている）を押すことによりエネルギーの変換（つまり仕事の発生）が可能になる圧力差を生じさせる。これは、機械的に圧縮された気体を用いてエンジンを始動することによって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系と類似している。
［（８）周囲圧力］
以下の説明及び参照において、系の周囲圧力とは、隣接した周囲に及ぼされた作動流体の圧力である。隣接した周囲は、あるプロセス又は系における容器、特定の装置、設備の一部分、又は構成要素であってもよい。
【０１２９】
周囲圧力は作動流体の周囲温度と正比例して変化し、物質の相変化特性によって決まるように、平衡蒸気圧という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相当する。
［（９）平衡蒸気圧］
平衡蒸気圧とは、閉鎖系内で所与の温度で凝縮相（固体又は液体）と熱力学的平衡状態にある蒸気によって加えられた周囲圧力である。平衡蒸気圧は液体の気化速度を示すものであり、液体（又は固体）からの粒子の放出されやすさと関連がある。標準温度において蒸気圧が高い物質は、揮発性があると称されることが多い。
【０１３０】
いかなる物質の蒸気圧も、クラウジウス−クラペイロンの関係に従って、温度とともに非線形的に増加する。液体の大気圧沸点（通常沸点としても知られている）は、蒸気圧が周囲の大気圧と等しくなる温度である。その温度の漸進的な増加により、蒸気圧は、大気圧に打ち勝って液体を物質のバルク内部において蒸気の気泡を形成するような状態にするのに足りる値になる。液体内のより深いところまで気泡を形成するには、より高い圧力、したがってより高い温度が必要である。これは、深さが深くなるほど、流体圧が大気圧を超えて増加するからである。
［（１０）気化］
元素あるいは化合物の気化とは、液相から気相への相転移である。気化には２種類、すなわち蒸発と沸騰がある。しかしながら、圧力発電システム１００では、主として、蒸発は、所与の圧力において沸騰温度より低い温度で生じる、液相から気相への相転移とみなされる。蒸発は通常表面で生じる。
［（１１）液化］
液化は気体の液化と称され、つまり、気体を凝縮して液体にするプロセスのことである。圧力発電システム１００では、液化は、たいていは少量の圧縮プロセスと組み合わせた冷却によって、作動流体が凝縮を通じて気体形態から液体形態へと変化することに相当する。
［（１２）相］
バルクにおいて、物質は、周囲圧力、温度、及び体積によって決まる、相として知られている異なる数種の形態、もしくは凝集の状態で存在することができる。相とは、比較的均一な化学組成と、特定の系では状態関数を決定する物理的特性（例えば密度、比熱、屈折率、圧力等）を有する物質の形態である。
【０１３１】
相は物質の状態と呼ばれることもあるが、この語は熱力学的状態との混同を招き得る。例えば、異なる圧力で保持されている２つの気体は互いに異なる熱力学的状態（異なる圧力）にあるが、相は同一（両方とも気体）である。所与の組の物質の状態又は相は、状態関数の特定の条件によって決定されるような周囲圧力条件や周囲温度条件に依存して変化することが可能であり、これらの条件が物質の実存に有利に働くように他の相に転移する。例えば、液体は温度の上昇に伴って気体に転移する。
［（１３）揮発性］
揮発性とは、物質が気化しようとする傾向である。揮発性は、物質の蒸気圧に直接関係する。所与の温度において、蒸気圧の高い物質は蒸気圧の低い物質と比べてより容易に気化するため、所与の温度において液体の蒸気圧が高いほど揮発性も高く、液体の通常沸点は低い。
［（１４）物質の状態］
物質の状態とは、物質の様々な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。
【０１３２】
物質の状態はまた、相転移の観点から定義してもよい。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することができる。この定義により、物質の区別可能な状態とは、相転移によって他の状態の組から区別される、任意の状態の組である。
【０１３３】
物質の所与の組の状態又は相は、その系の状態関数（周囲圧力条件及び周囲温度条件）に依存して変化することができ、これらの条件が物質の実存に有利に働くように変化すると、他の相に転移する。例えば、周囲温度又は周囲圧力が上昇／下降するにつれて、液体が気体に転移し、また気体が液体に転移する。
【０１３４】
各状態の区別は、分子の相互関係の違いに基づいている。つまり、液体は、分子間引力によって分子同士が近接した状態で保たれているが、固定された関係で保たれているわけではない状態であり、よって容器の形状に形状を合わせることができるが、圧力に関係なく（ほぼ）一定の体積を保っている。一方、気体は、分子同士が比較的離れていて、分子間引力は分子それぞれの動きには相対的にはほとんど影響を及ぼさない状態であり、特に決まった形状も体積もないが、周囲圧力／温度を増加／減少させることにより、閉じ込められている圧力装置全体を占拠する。
［（１５）ＩＳＭＣ＝ＩＳＯ１３４４３］
天然の気体、天然気体の代替物、及び気相状態にある同様の流体に対して行う測定及び計算に用いられる温度、圧力、及び湿度（飽和状態）の国際標準の計測条件（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｍｅｔｒｉｃ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：ＩＳＭＣ）は、２８８．１５Ｋ（１５°Ｃ）で１０１．３２５ｋＰａ（１ａｔｍ）である。
［（１６）クラウジウス−クラペイロンの関係］
ルドルフ・クラウジウスとブノワ・ポール・エミール・クラペイロンにちなんで名付けられており、この関係は、１つの物質の２つの物質相の間の不連続な相転移を特徴づける方法である。圧力／温度（Ｐ−Ｔ）図において、２つの相を隔てる線は共存曲線として知られている。クラウジウス−クラペイロンの関係は、この曲線に対する接線の傾きを表している。数式で表すと、
【０１３５】
【数１】
2015522740.tif 000003
【０１３６】
式中、ｄＰ／ｄＴは任意の点における共存曲線に対する接線の傾きであり、Ｌは固有の潜熱、Ｔは温度、Δｖは相転移における固有の体積変化分である。
［（１７）ジュール−トムソン効果］
熱力学では、ジュール−トムソン効果、もしくはジュール−ケルビン効果、ケルビン−ジュール効果、ジュール−トムソン膨張は、減圧状態で気体が自由膨張するという現象であり、弁又は多孔質栓を強制的に通されるが、一方で断熱は保たれているため、環境との熱の交換は起こらない場合における、気体又は液体の温度変化を説明している。この手順はスロットリングプロセス又はジュール−トムソンプロセスと呼ばれている。室温において、水素、ヘリウム、及びネオンを除く全ての気体は、ジュール−トムソンプロセスによって、膨張すると温度が下がる。
【図１】
2015522740.tif 000004
【図２】
2015522740.tif 000005
【図３】
2015522740.tif 000006
【図４】
2015522740.tif 000007
【図５】
2015522740.tif 000008
【図６】
2015522740.tif 000009
【図７】
2015522740.tif 000010
【図８】
2015522740.tif 000011
【国際調査報告】
2015522740.tif 000012
2015522740.tif 000013
2015522740.tif 000014