(57)【要約】高圧圧縮機（１５）及び蒸気エンジン（２０）は、環境温熱を機械的エネルギー及び電気に変換する方法（装置）の心臓部である。圧縮機（１５）は、環境温熱の集熱器として機能し、２つの熱源であるａ）圧縮空気の熱による正の熱源（温熱源）（１１）と、ｂ）圧縮空気の膨張による負の熱源（冷熱源）（４０）とを生成するように構成される。蒸気エンジン（２０）は、圧縮機（１５）に機械的に接続されていて、低沸点作動体による温熱源（１１）から冷熱源（４０）への熱移動によって、回転エネルギーを生成する。これにより、低沸点作動体は、液体状態から蒸気状態へ、そして再び戻るというように相変化する。低沸点作動体として、フレオン、アンモニア、エタンなどが使用される。回転エネルギーを生成する際に、装置は、電気、温熱、冷熱、蒸留水を生成することもでき、圧縮空気の形でエネルギーを貯蔵する。本方法は、炭化水素燃料の必要性を低減することに資する。【選択図】図１
2015522113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧空気圧縮機を用いて環境の低ポテンシャル温熱を機械的エネルギーに変換する方法であって、
（ａ）高温エネルギー源及び低温エネルギー源の形成に適合した大気の多段圧縮用の前記高圧空気圧縮機を設けることと、
（ｂ）前記高圧圧縮機に接続されて、前記高温エネルギー源と前記低温エネルギー源との温度差を利用して低沸点作動体で作動するのに適合した回転エネルギーを生成するための蒸気エンジンを設けることと、を有し、
環境の低ポテンシャル温熱以外に他のエネルギーを用いることなく、前記蒸気エンジンによって、前記高圧圧縮機の作動のために消費されるエネルギーよりも実質的に大きい量の回転エネルギーを生成する
ことを特徴とする環境温熱を機械的エネルギー及び電気に変換する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
環境温熱を機械的エネルギー及び電気に変換する方法は、代替エネルギー論の分野に関するものであり、他の再生可能エネルギー源に比していくつかの利点を有し、さらには、いくつかの有用な機能を有する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池及び風力発電機などの再生可能エネルギー源は、それらの使用において、かなりの制限がある。このため、太陽電池は、夜間は発電することができず、また、曇りの天候、暑い天候では、あるいは太陽を追尾して太陽電池パネルを回転させる手段がないことによって、発電量が著しく低下する。風力発電機は、一般的に、風がよく吹く場所に、すなわち海岸沿い、高台などで、居住地から離れた場所によく設置される。しかし、平穏な天候では、風力発電機は無用の高価な設備となる。従って、風力発電機は、風が穏やかに吹く場所、または突風がハリケーン級に達する場所に設置するのは有益ではない。
【０００３】
太陽源及び風力源などの動力源のこのような制限の結果、それらのユーザは、電気を貯蔵しなければならないことになる。このため、それらは、多くの蓄電池を備えること、及び太陽電池の数を増やすこと、または風力発電機の出力を大きくすることが必要である。これらはすべて、設備及びそのメンテナンスの費用の大幅な増加につながり、さらには、回収期間を長引かせる。また、再生可能エネルギー用の上記設備は、大きな設置面積を必要とし、さらには、雹霰及び強い突風などの要素からほとんど保護されることなく、暴風雨で損傷されることがあり、さらには太陽電池パネル及び風力発電機の羽根が完全に破壊されることさえある。
【０００４】
同様に、地熱発電所も、それらによる発電コストは、掘削される井戸の深さに直接依存し、すなわちそのコストは高温層の深さに依存するので、特定の地域性に関係している。現状では、地熱発電所による発電コストは、火力発電所及び原子力発電所の発電コストを超えている。
【０００５】
最近では、石油価格の高騰によって、バイオ燃料などの代替エネルギー源の開発が、ますます注目されている。米国は、２００７年に、まさにエネルギー安全保障法を可決し、バイオエタノールの生産を増加させることにより、１０年間でガソリン消費量を２０％削減するためのプログラムを策定した。しかしながら、バイオエタノールのエネルギー含量は、ガソリンのそれに比べて著しく低い。また、ガソリン需要が減少した場合には、高値の石油価格は、確実に下がることになる。こうして、より安価でエネルギー含量の大きい石油が、以前のように再びバイオ燃料と競合するようになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｐｒｏｆ．Ｎ．Ｇｕｌｉａ著「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃａｐｓｕｌｅ」
【非特許文献２】Ｇ．Ａｌｅｋｓｅｅｖ編「Ｔｏｔａｌ  Ｈｅａｔ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」教科書  モスクワ高等学校  １９８０年
【非特許文献３】「Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｆｏｒ  Ｃｈｉｌｄｒｅｎ」２０００年版  １４巻「Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
バイオ燃料の生産には、２つの重大な問題がある。まず第１に、その生産は、実際には獣類及び鳥類用の飼料作物である原料の栽培に大きな土地面積を必要とする。経済学者によると、バイオ燃料車の１回の燃料補給（１００リットル）に、約４５１ポンドのトウモロコシが必要となる。これは、「第三世界」の人間１人の約１年分の食料である。従って、バイオエタノール用に飼料作物の生産を増加させることは、世界の飢餓人口の増加につながる。
【０００８】
バイオエタノールの第２の問題は、内燃エンジンにおいてそれを酸素で燃焼させる必要があることである。ある予測によると、２０５０年に我々は深刻な酸素不足を経験することになるとされている。実際に、あらゆる種類の燃料の燃焼での酸素消費量が１８６０年には１３億トン、１９６０年には１２０億トン、２０００年には５７０億トンであったが、２０５０年には、酸素消費量が２３００億トンに達することになる。
【０００９】
また、バイオエタノール用の原料の栽培では、酸素を生み出す「地球の肺」である熱帯雨林が伐採されていて、これによって、地球の生物学的均衡を壊している。現在のところ、大気中の酸素の減少が際立っていて、大気中の二酸化炭素が増加している。さらには、同じく環境悪化に関係している飲料水の不足が、世界各地で既に実感されている。
【００１０】
「コンスタンチン・ツィオルコフスキー（Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ  Ｔｓｉｏｌｋｏｖｓｋｉｙ）は、熱を仕事に完全変換する研究を行った。ツィオルコフスキーは、散乱過程の逆過程であるエネルギー集中過程が自然界にあると信じていた。従って、宇宙の「その初期」に永久に現れる「物質の永久循環が得られる」。エネルギー集中機構を発見するために、それらを検証し、エネルギー不足の緩和のために利用する―ツィオルコフスキーが提起した課題でもある（非特許文献１）。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態により環境温熱を電気に変換する方法は、上記の欠点を有していない。本方法の動作原理は、大気の高圧等温圧縮と、その後にそれを断熱膨張することに基づくものである。その結果、温熱流が圧縮（凝縮）されて、２つの熱源であるａ）圧縮空気の熱を消費する正の熱源（温熱源）と、ｂ）断熱膨張による負の熱源（冷熱源）とが形成される。温熱源と冷熱源との間の温度差を利用して、低沸点の作動体（フレオン、アンモニアなど）で作動する蒸気エンジンによって回転エネルギーを生成する。
【００１２】
本特許出願は、少なくとも１つのカラー図面（図式）を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】環境の温熱を機械的エネルギー及び電気に変換する方法の基礎となるハードウェアとしての装置の断面説明図
【図２】２気筒の基本エンジン２０の全体の横断面図
【図３】基本エンジン（蒸気エンジン）２０の吸排気系の横断面図
【図４】基本エンジン２０の排気系の分解斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
環境温熱を機械的エネルギー及び電気に変換する方法の一実施形態を、図１（図式）に示している。
【００１５】
１１：正の熱源（蒸気発生器、高温熱交換器）；蒸気発生器は、縦型設計であって、加熱、気水分離、作動体（フレオン、アンモニアなど）の過熱、銅フィンチューブを提供する。熱の注入は、上部から高温水で行われ、高温水と作動体は互いに対して移動する。蒸気発生器は、断熱性に優れている。
【００１６】
１２：熱交換器は、過剰熱の除去を目的とし、さらに給湯または施設の暖房を目的とするものであり、設計によりａ）給湯及び暖房用のプレート式と、ｂ）放熱用のラジエータ式がある。
【００１７】
１３：熱交換器を用いて、高圧圧縮機１５の各段階の圧縮空気から熱を除去する。チューブ式であって、冷却液と空気は互いに対向して動く。熱交換器は、水分を分離するためのレシーバを有し、また、断熱性に優れたものでなければならない。
【００１８】
１４：圧縮空気系からの水分除去（トラップ）。
【００１９】
１５：高圧圧縮機を用いて、２００バール以上で大気を圧縮する。圧縮機は、液冷による同じ圧縮度の３段以上の段階を備えるものでなければならず、また、断熱性に優れたものでなければならない。
【００２０】
１６：注入器は、低沸点作動体を、必要に応じて圧力を低下させる蒸気体と共に、パイプラインに注入するためのものである。
【００２１】
１７：ポンプ及び制御弁（スロットル）を用いて、冷却液を循環させる。構成は任意である。
【００２２】
１８：ポンプを用いて、液体の低沸点作動体を切り替える。本実施形態では、ポンプは、２つの独立したプランジャを有する。作動体（フレオン）の漏れを防ぐため、ポンプは、モータハウジング内に組み込まれている。
【００２３】
１９：復水タービンが、モータハウジング内に配置されている。
【００２４】
２０：基本エンジン（蒸気エンジン）を用いて回転エネルギーを生成し、これは、低沸点作動体（フレオン、アンモニアなど）で作動するように構成されたものである。詳細は後述する。
【００２５】
２１，２６：始動調整装置。
【００２６】
２２：圧縮機（１５）と基本エンジン（２０）との伝動装置は、機械的に切り離し可能である。本実施形態では、伝動装置は、テンションローラを備えたＶベルトである。
【００２７】
２３：フライホイールは、その共通軸が、伝動装置（２２、２９）によって、高圧圧縮機（１５）、冷却系のポンプ（１７）、基本エンジン（２０）、さらには、デタンダ（２８）及び発電機（３３）に接続されている。フライホイールの重量及びサイズは、装置の出力及びコスト削減に応じて決まる。
【００２８】
２４：再生熱交換器は、液体の低沸点作動体を予備加熱するとともに、圧縮空気を過冷却するためのものであり、チューブ式であって、流れが互いに対して動く。材料は銅である。
【００２９】
２５：ラジエータを含む追加空気装置によって、冷凍室及び冷蔵室、施設の空調に冷気を用いること、ならびに蒸留水を受けることが可能となる。それらは、空調装置、冷凍装置と同様のものである。
【００３０】
２７：高圧バルーンは、圧縮空気を貯蔵するためのものである。
【００３１】
２８：空気タービン（デタンダ）を用いて、圧縮空気のエネルギーにより回転エネルギーを生成してその低温冷却を行い、さらにシステムの作動を開始させる。
【００３２】
２９：機械伝動装置であって、本実施形態ではＶベルトである。
【００３３】
３０：電気始動機であって、システムの作動を開始させるために用いられる機構を備える。
【００３４】
３１：動力取出軸。
【００３５】
３２：空気ファンを用いて、発電機（３３）からの高温空気をラジエータ（３４）に送風する。
【００３６】
３３：ＤＣ発電機であって、本実施形態ではＵ＝２４ｖである。
【００３７】
３４：空気ラジエータは、環境温熱と発電機（３３）からの高温空気とによって、低沸点作動体を予備加熱するためのものである。材料は銅である。
【００３８】
３５：変換器は、（必要に応じて）直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する。
【００３９】
３６：蓄電池は、装置の停止中に、ユーザの電気によって、電力消費のピーク負荷を平滑化するための供給、及びシステムの作動を開始させるときの電気始動機への供給を施すためのものである。
【００４０】
３７：制御弁（スロットル）は、圧縮空気の段階的膨張、ならびに低温熱交換器（４０）内の温度調節のためのものである。
【００４１】
３８：熱交換器は、低沸点作動体の予備冷却のためのものである。材料は、鉄、銅である。設計は、横型または縦型である。
【００４２】
３９：熱交換器は、低沸点作動体を凝縮させるためのものである。材料は、鉄、銅である。設計は、横型または縦型である。
【００４３】
４０：負の熱源（低温熱交換器または凝縮器）は、低温冷却空気を受けて、これにより、低沸点作動体（フレオン）の凝縮が促進される。負の熱源は、本体への断熱性に優れている。
【００４４】
４１：バイパスライン及び保護装置。
【００４５】
［図２，３，４：基本エンジンの詳細な説明］
図２は、基本エンジン２０の全体の横断面図を示している。１８０度でコネクティングロッドのネックが配置された２気筒エンジンを初期設計として採用していて、これにより、
（ａ）ピストンを用いて作動させる低沸点作動体用のシンプルで密閉された吸排気系を適用することと、
（ｂ）ボールベアリングを用いて、ピストン下の空間の一定容積をサポートすることと、
（ｃ）フレオンの漏れから良好に保護された、特定の高容量のコンパクトなエンジンを作製することを可能にする、シリンダの放射状配置方式を適用することと、が可能である。
【００４６】
図３は、エンジン２０の吸排気系の横断面図を示している。
【００４７】
図４は、基本エンジン２０の排気系の分解斜視図を示している。
【００４８】
上死点でのピストン上方の容積は、シリンダの全容積の約１０〜１５％である。排気弁の動きは、約５〜７ｍｍである。吸気弁（ボール）の動きは、約１〜２ｍｍである。シリンダ内の残留圧力を除去するための吐出口は、下死点にある。この態様の実施形態では、エンジン軸の設計速度は、毎分約２０００回転である。
【００４９】
基本エンジン２０として、例えば、ヴァンケルエンジン、タービンなど、低沸点作動体（フレオン、アンモニア、エタンなど）で作動するように構成された他の種類のエンジンを用いることが可能である。
【００５０】
［本方法の基礎となるハードウェアとしての動作］
環境温熱を回転エネルギー及び電気に変換する方法は、高圧圧縮機と蒸気エンジンとを含み、条件的に言えば、空気サイクル、熱除去系、低沸点作動体によるサイクル、という３サイクル間の熱交換として考えることができる。
【００５１】
［空気サイクル］
空気サイクル（図面では青色に着色されている）の基本となるのは、２００バール以上で空気を圧縮する高圧圧縮機１５であり、これによって、環境の温熱を凝縮させて、圧縮空気の温度を２００℃（３９２°Ｆ）より高く上昇させる。圧縮空気からの熱の抽出は、２段階で実施される。まず、冷却液によって熱が温熱源１１に取り出され、これにより、圧縮空気は、約３００°Ｋ（２７℃または８１°Ｆ）の環境温度に冷却される。次に、再生熱交換器２４で、低温の低沸点作動体によって、圧縮空気から温熱が除去される。
【００５２】
熱交換器２４で圧縮空気を過冷却するときには、−１１８℃（−１８０°Ｆ）である酸素の臨界温度を考慮する必要がある。この温度まで圧縮空気が過冷却されると、酸素が液体状態となり、これによって、この特定の実施形態では、全体的なシステムの動作が妨げられる可能性がある。窒素の臨界温度は、−１４７℃（−２３３°Ｆ）である。
【００５３】
過冷却された圧縮空気は、熱交換器２４の後に、制御弁２６を介してデタンダ２８に誘導されて、そこで仕事をし、断熱膨張して、約−１８０℃（−２９２°Ｆ）の温度まで冷却する。断熱膨張は、環境と熱交換しない過程である。次に、低温の空気は、低温熱交換器４０に送られる。低温熱交換器４０における低温冷熱の温度を調整するために、制御弁３７があり、すなわち、これは圧縮空気の段階的膨張のためのものである。
【００５４】
凝縮器４０で低沸点作動体から温熱を抽出したら、さらに低温空気は、追加の熱交換器２５に誘導され、そこで残留冷熱は、冷凍室及び冷蔵室ならびに施設の空調に用いられる。その後、充満空気は、大気中に放出されるか、あるいは、それが十分に加熱されたものである場合は、圧縮機１５に戻すように誘導される。
【００５５】
圧縮機１５の、ひいてはシステム全体の生産性は、（図示していない）ギアボックスまた変速機によって、圧縮機軸の回転速度を変更することによって調整される。
【００５６】
多段圧縮機１５は、３段以上と液冷系とを有するものでなければならない。圧縮機１５の各段で熱の抽出が得られ、これはやはり空気圧縮の等温過程を提供するものである。
【００５７】
多段圧縮機のすべての段階での圧縮度（圧力の増加）が同じである場合に、ガス圧縮の最も効果的な等温過程が実施されることが知られている。等温過程では、温度が一定である。この場合、ガスを圧縮するために費やされる総仕事量は最小限となる。ところで、空気を強く圧縮した場合は、これによって、その熱容量が大きく増大する。その結果、高圧圧縮機の最後の段階では、第１の段階よりも加熱が大きくなる。液冷系によって、圧縮機の最終段階の過熱の問題が解消される。作動見本を作製する際には、このことに留意すべきである。
【００５８】
高圧バルーン２７は、同じく空気サイクルに関連するものであり、圧縮空気の形のエネルギーの追加タンクとして用いられる。このエネルギーは、システム（装置）の作動を、その停止後に開始させるために用いることができ、さらには、エネルギー需要がないことによって基本エンジン２０及び圧縮機１５が作動しない間、低温熱交換器４０において、冷凍室及び冷蔵室ならびに施設の空調で、所要の温度を維持するために用いることができる。
【００５９】
参考として、１０立方メートルの空気が２００バール（５０リットルのバルーン）に圧縮されると、約３６３７０キロジュールの冷熱、すなわち−１０ｋＷｈの温熱を蓄えることができる。
【００６０】
圧縮機１５によって大気を圧縮するときには、空気系内に水分の凝縮が形成されるので、これをトラップ１４により除去しなければならない。
【００６１】
冷熱の損失及び装置の凍結を回避するため、低温熱交換器４０とパイプラインは、十分に断熱されるべきである。
【００６２】
同様に、熱損失を回避するため、圧縮機１５及びパイプラインの高温部分は、圧縮空気と断熱されるべきである。
【００６３】
このように、空気サイクルは、環境温熱の集熱器のように機能して（温熱流の凝縮）、２つの熱源、すなわち正の熱源（温熱源）１１と負の熱源（冷熱源）４０とを生成するものであり、これらは約４００°Ｋ（７００°Ｆ）の温度差がある。
【００６４】
［熱除去系］
本装置に適用される熱除去系（図面では赤色に着色されている）は、周知の冷却系と同様のものであり、詳細な説明は必要ない。冷却系は、圧縮機１５の段階からの熱除去、及び高温熱交換器１１における圧縮空気１３からの熱除去を最大限とするために用いられるものであり、また、既述のように、効果的な空気の等温圧縮過程を提供して、高圧圧縮機１５でのエネルギー消費を削減する。
【００６５】
運転条件に応じて、冷却液として水または不凍液が用いられる。熱除去系には、給湯及び施設の暖房における熱除去のため、さらには必要に応じて過剰熱を環境に放散するための、追加の熱交換器１２が含まれる。
【００６６】
冷却系のポンプ１７は、共通軸２３に接続されている。ポンプ１７の制御弁は、冷却液の流速を変更すること、及び高温熱交換器１１の入口と出口における温度差を変更することを目的とするものである。
【００６７】
熱損失を回避するために、冷却系のパイプラインの高温部分はすべて、十分に断熱されるべきである。
【００６８】
言及すべきことは、本実施形態において低沸点作動体として使用されるフレオンは、（２５０℃または４８２°Ｆを超える）高温に耐えることができないので、これを圧縮機１５の冷却に用いると、マイナスの結果となる。
【００６９】
［低沸点サイクル］
低沸点作動体によるサイクル（図面では緑色に着色されている）は、マイヤー（Ｍａｙｅｒ）のサイクルを表していて、凝固点が−８０℃（−１７６°Ｆ）以下である物質で作動している。そのような物質には、フレオン、アンモニア、エタンなどが含まれる。この特定の実施形態では、フレオンが低沸点作動体として用いられる。
【００７０】
フレオンは、低温熱交換器４０内では液体状態であり、そこからポンプ１８によって蒸気発生器１１に、ａ）伝熱式熱交換器２４経由と、ｂ）空気ラジエータ３４経由の２方向で、圧送される。伝熱式熱交換器２４は、液体フレオンの予備加熱と、圧縮空気の過冷却のためのものである。これによって、基本的に、環境温熱を回転エネルギー及び電気に変換するプロセスの効率を向上させる。
【００７１】
空気ラジエータ３４は、同じく、作動中の発電機３３及び環境からの熱によって、液体フレオンを予備加熱するためのものである。蒸気エンジン２０の作動中に低温熱交換器４０で生じる熱損失を、フレオンの追加加熱によって補償することが可能である。
【００７２】
低温液体フレオンの流れの部分を、圧縮機１５において圧縮された大気の脱水に用いることができる（図示せず）。
【００７３】
予備加熱されたフレオンは、高温熱交換器１１において６０〜７０℃（１４０〜１５８°Ｆ）の温度に加熱されて蒸気に変わり、約２０〜３０バールの圧力で圧力調整器２１を介して蒸気機械（基本エンジン）２０に送られる。仕事をしたフレオンは０℃（３２°Ｆ）近い温度まで冷却されて、凝縮器４０に送られ、そこで液体状態まで冷却される。その後、再び加熱のために、熱交換器１１に圧送される。
【００７４】
蒸気エンジン２０の本体は、低沸点作動体の冷却及び凝縮を防ぐために、加熱されなければならない（図示せず）。
【００７５】
蒸気発生器１１及び凝縮器４０は、縦型または横型配置のチューブ式やラメラ式とすることができる。これらの熱交換器、及び低沸点サイクルの系全体は、必要な強度を有して、少なくとも４０バールの圧力に耐えるものでなければならない。
【００７６】
フレオン蒸気の圧力を調整するために、注入器１６が設けられて、これにより、低温フレオンが基本エンジン２０の前の蒸気ラインに注入される。
【００７７】
バイパスライン４１は、緊急時にフレオン蒸気を凝縮器４０と環境に放出するためのものである。
【００７８】
ポンプ１８は、液体フレオンを圧送するために用いられるものであり、同様にその圧力（４０バール）に耐えるものでなければならず、その設計は、ピストン式、歯車式、回転式、または渦巻き式とすることができる。
【００７９】
フレオンの漏れを防ぐためには、ポンプ１８は、基本エンジン２０の本体内に設置する必要がある。
【００８０】
フレオンの凝縮を促進して、低温熱交換器４０のサイズを削減するために、復水タービン１９が追加して設けられる。
【００８１】
［作動の開始］
システム（装置）は、電気始動機３０と空気タービン２８によって作動状態にされる。装置の始動を容易にするために、動力取出軸３１から負荷が除去されなければならない。圧縮機１５及び基本エンジン２０を、共通軸２３から切り離す必要がある。このために、切り離し可能な伝動装置２２が設けられる。発電機３３を、ネットワークから切り離す必要がある。タービン２８の制御弁２６が始動モードに切り替えられる。
【００８２】
フライホイール２３のねじれを戻してから、圧縮機１５が伝動装置２２を介して共通軸２３に接続される。圧縮空気が、圧縮機１５からタービン２８に移動を開始する。次に、圧縮空気は、低温熱交換器４０に送られて、これにより冷却を開始する。圧縮空気からの熱によって、蒸気発生器１１の加熱を開始する。圧力が最小値（６〜８バール）に達するときであって、熱交換器１１と４０の温度差が６０〜７０℃であるときに、基本エンジン２０が共通軸２３に接続されなければならない。始動機３０が切断されて、システム（装置）は、基本エンジン２０による動作モード（約２５バールの圧力）に入る。次に、発電機３３がネットワークに接続されて、負荷が動力取出軸３１に接続される。空気タービン２８は、弁２６によって通常の動作モードに戻される。
【００８３】
電気始動機３０は、蓄電池３６と、外部からの電気エネルギー源の両方に接続することができる。
【００８４】
場合によっては、システムの作動を開始させる前に、蒸気発生器１１を予備加熱する必要があり得る。しかし、周囲温度によって２５℃（７７°Ｆ）近くになる場合には、低温熱交換器４０を−４０℃（−４０°Ｆ）まで冷却した後に、基本エンジン２０の作動を開始させることができる。
【００８５】
本装置（システム）の動作モードの概略は以下の通りである。
−フレオンの圧力は、約２０〜３０バールであり、
−蒸気発生器１１の入口における温度は、６０〜８０℃（１４０〜１７６°Ｆ）とされ、
−凝縮器４０の入口における温度は、−１６０〜−１８０℃（−２５６〜−２９２°Ｆ）とされる。
【００８６】
発電機３３から蓄電池３６を充電し、圧縮機１５からバルーン２７を充填した後に、圧力調整器２１及び切り離し可能な伝動装置２２によって、装置（システム）を停止させることができる。
【００８７】
その後の装置（システム）の作動開始は、以下の条件から実行される。
−蒸気発生器（高温熱交換器）１１において、最小設定値までの温度の低下がある。
−低温熱交換器（凝縮器）４０において、最大設定値までの温度の上昇がある。
−蓄電池が許容レベル未満となる放電がある。
−高圧バルーン２７内において、最小設定値までの圧力の低下がある。
−ネットワークにおける負荷の増加、または機械的エネルギーの必要性がある。
【００８８】
蒸気発生器１１及び凝縮器４０における所要の温度レベルは、運転条件から、ユーザにより設定される。
【００８９】
システム（装置）の作動を再開させるためには、電気始動機３０または空気タービン２８によって、まず、フライホイール２３のねじれを戻し、調整器２１を開き、そして伝動装置２２と接続させる必要がある。
【００９０】
システムは、作動、始動及び停止の自動制御のための装置を備えることができる。
【００９１】
［熱設計］
環境の温熱を機械的エネルギー及び電気に変換するプロセスのための熱設計は、３段階で実施される。
【００９２】
［第１段階］１０立方メートルの大気を２００バールまで等温圧縮して得られる熱エネルギー量の計算。
【００９３】
空気圧縮の等温過程―これは、環境から高圧圧縮機に流入する空気の温度と、その空気の２００バールの圧力下での温度が一致している、すなわち温度が一定であるプロセスである。計算を簡単化するために、周囲温度が約３００°Ｋ（２７℃または８１°Ｆ）であるという条件を採用する必要がある。
【００９４】
化石燃料から環境の低ポテンシャル熱への移行では、１リットルの化石燃料（灯油）の燃焼による熱量と、それと同量の熱を圧縮により得るために２００バールに圧縮する必要のある空気量との間に、エネルギー消費プロセスにおける何らかのパリティを設定する必要がある。
【００９５】
このための基本データは、非特許文献２のセクション７３から取得することができる。
−灯油１リットルの燃焼によるカロリー量は、３７，０００ｋＪである。
−１リットルの灯油を２００バールに圧縮された空気中に燃焼することによるカロリー量は、同様に６３０ｋＪである。
−灯油の密度は０．８６ｋｇ／リットルであり、３００°Ｋ（２７℃または８１°Ｆ）の周囲温度での空気密度は約１．２９３ｋｇ／ｍ３である。
【００９６】
１リットルの灯油を、圧縮空気（２００バール）中に燃焼すると、得られた熱の略すべてが、圧縮空気の膨張中に奪われる：３７，０００ｋＪ−６３０ｋＪ＝３６，３７０ｋＪ。
【００９７】
１ｋｇの液体燃料の完全燃焼には、約１５ｋｇの空気が必要であることが知られている。灯油１リットルの完全燃焼には、１２．９ｋｇの空気（０．８６×１５ｋｇ＝１２．９ｋｇ）または約１０ｍ３の空気（１２．９／１．２９＝１０）がそれぞれ必要である。
【００９８】
圧縮空気（２００バール）は、１リットルの灯油が燃焼するときと同じ熱量を奪うので、エネルギー保存の法則によると、１０ｍ３の空気の２００バールへの等温圧縮では、約３６，３７０ｋＪの熱エネルギーが得られると結論付けることができる。
【００９９】
このようにして、１リットルの化石燃料（灯油）と、２００バールに圧縮された１０ｍ３の空気との間に何らかのパリティを設定した。３６００ｋＪは１ｋＷｈに等しいので、３６３７０ｋＪは１０ｋＷｈであり（３６３７０／３６００＝１０ｋＷｈ）、そしてこれは、１リットルの灯油の燃焼による熱量、すなわち１０ｍ３の空気を２００バールに圧縮して得られる熱量に相当する。つまり、１０ｍ３の空気を２００バールに圧縮すると、約１０ｋＷｈの熱エネルギーを得ることが可能である。
【０１００】
参考として、熱の仕事当量は、１ｋｃａｌ＝４．１９ｋＪ＝４２７ｋｇ×ｍに等しい。つまり、１ｋｇ（１リットル）の水を１°Ｋ（または１℃）加熱するには、４．１９ｋＪの熱を消費する必要があり、これは、４２７ｋｇの重量の荷重を１メートル持ち上げることに相当する。
【０１０１】
［第２段階］１０ｍ３の空気を２００バールに等温圧縮する際に圧縮機１５で消費されるエネルギー量の計算。
【０１０２】
２００バールへの空気の等温圧縮で消費される機械的エネルギー量は、例えばダイビング用の実際の高圧圧縮機の技術的特性に基づき、ある程度の詳細（条件）によって計算することができる。イタリアの会社「Ｃｏｌｔｒｉ−Ｓａｂ」の圧縮機であるＭＣＨ１３／ＳＨのように、３段圧縮であって、単相電動機の動力は４ｋＷであり、毎時１３ｍ３の空気という生産性で動作する。作動圧力は２５０バールである。圧縮機軸は１３５０ｒｐｍの速度で回転する。
【０１０３】
以下の重要な条件は、計算において考慮されなければならない。
ａ）圧縮機１５が２００バールまでの圧力を生成するために消費するエネルギーの計算。
ｂ）圧縮機１５の伝動装置が共通軸２３に直接接続されている。すなわち、電気エンジンにおけるエネルギー損失がなく、その動力の２０％までを取り込むことができる。
ｃ）デタンダ２８において仕事をする圧縮空気は、機械的エネルギーの一部が共通軸２３を介して圧縮機１５に戻される。
【０１０４】
従って、本実施形態で使用される圧縮機１５による電力消費は、エンジンの表示電力（４ｋＷ）の３０〜４０％を削減することができ、軸において約２．５ｋＷであると言える。
【０１０５】
高圧圧縮機Ｃｏｌｔｒｉ−Ｓａｂは、上記の条件で１時間作動して、１３ｋＷｈの熱エネルギーをまさに環境から絞り出して、同時に約２．５ｋＷｈの機械的エネルギーを消費し、あるいは４６分間（３／４時間）で１０ｋＷｈの熱エネルギーを得て、これにより約１．８ｋＷｈの機械的エネルギーを消費する。この場合の熱利用率は、５．２（１３ｋＷｈ／２．５ｋＷｈ＝５．２）である。
【０１０６】
ただし、それだけではない。ダイビング用の圧縮機は、空気冷却を用いるので、その作動中にすべての作動シリンダの均一加熱が必ず確保されるように構成されているということを考慮する必要がある。ところが、高圧圧縮機のシリンダ（段）の均一加熱は、シリンダ内での空気の不均一な圧縮（圧力上昇）によってのみ得ることが可能であり、このことが、追加のエネルギー消費につながる。
【０１０７】
圧縮機１５における空気の不均一な圧縮が解消され、効果的な熱除去が確保される場合には、熱利用率を６以上にまで向上させることが可能である。
【０１０８】
このように、計算によって、１０ｍ３の空気を２００バールに等温圧縮した場合の熱エネルギー量は１０ｋＷｈ程度であることが分かる。それと同時に、高圧圧縮機は、約１．６ｋＷｈ（１０ｋＷｈ／６＝１．６ｋＷｈ）の機械的エネルギーを消費する。エネルギー保存の法則によると、システム（装置）は、同じ量の冷熱エネルギー（−１０ｋＷｈ）を生成する。
【０１０９】
ヒートポンプの理論熱利用率は５．２に等しい（非特許文献２、セクション２４）。これは、ヒートポンプを用いると、消費されるエネルギー（機械的、電気的など）が熱に直接変換される場合に比べて、加熱システムは、５．２倍大きい熱を得ることを意味している。
【０１１０】
［第３段階］本方法（実施形態）の効率を向上させるための追加の正及び負の熱エネルギー量を取得する。
【０１１１】
上述のように、空気を２００バールに圧縮すると、高圧圧縮機１５により消費される１キロワットの機械的動力ごとに、システム（装置）は、環境温熱によって約６ｋＷの熱エネルギーを生成することができる。ところが、この熱エネルギーの約半分は、それを蒸気エンジン２０で機械的エネルギーに変換する際に、低温交換器４０で失われる（非特許文献３、２５４頁、セクション「Ｍａｔｔｅｒ  ａｎｄ  Ｅｎｅｒｇｙ（物質とエネルギー）」）。
【０１１２】
低温交換器４０でのこの熱損失を補償して、環境温熱を機械的エネルギーに変換する方法（装置）の効率を向上させるためには、高温熱交換器１１において環境からの温熱を追加的に取り込む必要がある。このためには、環境への冷熱源として液体フレオンを使用するべきである。
【０１１３】
蒸気エンジン２０において仕事をした後のフレオンの温度は、約０℃（３２°Ｆ）である。低温交換器４０の後の液体フレオンの温度は、−４５〜−５５℃（−６５°Ｆ）であり、周囲温度は、上述のように３００°Ｋ（２７℃または８１°Ｆ）である。従って、高温熱交換器１１に入る前の液体フレオンを、圧縮空気の温熱（熱交換器２４）と、周囲空気で冷却される発電機３３（ラジエータ３４）からの熱とによって、１０〜１５℃（５０°Ｆ）の温度に加熱することができる。圧縮空気（２００バール）における温熱の量は、その熱容量係数がかなり増加しているため、極めて大きい。
【０１１４】
また、熱交換器２４において低温フレオンにより圧縮空気を過冷却すると、低温交換器（冷熱源）４０は、さらなる冷熱を得る。このように、システムが追加の温熱及び冷熱を得ることで、蒸気エンジン２０を作動させる際の低温交換器４０における熱損失が完全に補償される。これに関連して、熱利用率は１０以上にまで向上する。
【０１１５】
最終的に、環境の温熱を機械的エネルギー及び電気に変換する方法のための熱設計は次のようになる。
ａ）本実施形態（またはシステム）では、約６．５ｍ３の空気を圧縮するために１ｋＷの機械的動力を消費する。
ｂ）システムは、約１０ｋＷの熱動力を生成する（そのうち３．５ｋＷの熱動力は、追加的に取り込まれる）。
ｃ）蒸気エンジン２０は、約５ｋＷの機械的動力を生成する（５０％の損失）。
ｄ）（５ｋＷのうちの）１ｋＷの機械的動力は、圧縮機１５に戻される。
ｅ）出力において、約４ｋＷの余剰の機械的動力、または２．５ｋＷの電力（電気への変換係数は約６０％）を得る。
【０１１６】
このように、本装置（方法）では、化石燃料を用いることなく、環境の低ポテンシャル温熱によって電気エネルギーを生成することが可能である。
【０１１７】
環境の温熱を仕事に変換することができる本実施形態の実現モデルを構築及び試験することで、より正確なデータを得ることができるだろう。
【０１１８】
上記の計算を裏付ける追加データを、非特許文献２のセクション７３、表４−１２「Ｅｎｅｒｇｙ−ｃｏｎｔｅｎｔ  Ｈｅａｔ−Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈｅａｔ（負の蓄熱器のエネルギー含量）」から得ることができる。そこでは、特に、１ｋｇの酸素を３０°Ｋ（−２４３℃または−４０５°Ｆ）から３００°Ｋ（２７℃または８１°Ｆ）に加熱する際に７９００ｋＪの熱を費やす必要があることが認められる。本発明の場合は、１２．９ｋｇの空気（１０ｍ３）を加熱する際の熱量は、１０１９１０ｋＪまたは２８．３ｋＷｈ（１２．９×７９００ｋＪ＝１０１９１０ｋＪ、さらに１０１９１０／３６００＝２８．３ｋＷｈ）となる。この場合、酸素の熱容量は、２９．３ｋＪ×ｋｇ／Ｋである。
【０１１９】
エネルギー保存の法則によると、これは、１２．９ｋｇ（１０ｍ３）の空気を２７℃（８１°Ｆ）から−２４３℃（−４０５°Ｆ）に冷却する際に、約２８ｋＷｈの熱エネルギーを除去する必要があることを意味する。しかしながら、１２．９ｋｇの空気の２００バールへの等温圧縮中には、ほんの約１０ｋＷｈの熱エネルギーしか得られず、これは約３分の１である。
【０１２０】
酸素の物理データに基づいて熱設計を実施したが、空気による熱設計は、窒素の物性が酸素とあまり違いがないことから、上記とほとんど違いがない。
【０１２１】
グラフ４．４（非特許文献２、セクション７３）は、ガスの断熱膨張の際の温度の低下を示している。
【０１２２】
これらのデータは、太陽によって絶えず加熱される周囲空気中に、どれほどの低ポテンシャルエネルギーが含まれているのかを明確に示している。
【０１２３】
熱力学第二法則は、冷却装置（冷熱源）の温度が絶対零度（−２７３℃または−４５９°Ｆ）に等しい場合に、熱が完全に仕事に変換されるとしている。従って冷却装置（冷熱源４０）の温度が絶対零度に近いほど、熱機械（蒸気エンジン２０）の効率は高くなる。
【０１２４】
［熱設計の成果］
１リットルの化石燃料（灯油）を燃焼することにより生成される熱量は、１０立方メートルの空気を２００バールに圧縮した結果得られる熱量に相当し、それは約１０ｋＷｈの熱エネルギーである。
【０１２５】
６．５ｍ３の空気を圧縮機１５で２００バールに圧縮する場合、環境の温熱を仕事に変換する方法を用いる装置では、約５ｋＷの機械的動力または２．５ｋＷの電力を生成する。それと同時に、高圧圧縮機１５では、約１ｋＷの機械的動力を消費する。
【０１２６】
参考として、ディーゼル発電所の技術的特性から、５ｋＷｈの電気エネルギーを生成する際に少なくとも１．８３リットルのディーゼル燃料を費やす必要があること、あるいは燃料１リットルごとに２．７３ｋＷｈの電気エネルギーが得られることが知られている。
【０１２７】
これは、環境の温熱を利用して電気に変換する本実施形態の場合の計算結果（２．５ｋＷ）とおおよそで一致していて、その違いは、ユーザが化石燃料の購入のために資金を使わないということのみである。また、これによると、電気の形でクリーンなエネルギーを得るために、酸素を燃焼して環境を汚染する必要もない。
【０１２８】
このように、環境の温熱を仕事に変換する本実施形態（方法）を用いることで、化石燃料への依存を軽減することができる。また、これは、ガソリン消費量の削減のためのプログラム、及び２００７年に可決された米国のエネルギー安全保障法とも合致するものである。
【０１２９】
［結論、変形例、ならびに対象範囲］
これで、読者は、様々な実施形態の環境温熱を機械的エネルギーに変換する方法（装置）によって、一日の時間帯及び季節にかかわりなく、環境の無償の低ポテンシャル温熱によって電気を使用する機会を、その所有者に提供できることが理解できるであろう。本装置は、移動性を有することによって任意の場所で、近年次第に内燃エンジンの車両に取って代わり始めた電気自動車の充電のためなど、消費側の要求に応じた電気を供給するために使用することが可能である。無公害で安価な電気エネルギーによって、エコロジカルな輸送機関の開発が促進されるであろう。これにより、炭化水素燃料の需要を減らして、人間環境に良い影響を与えることになる。
【０１３０】
さらに、本装置は、以下の点で有用な追加機能を有するものである。
−  例えばボート及びヨットにおいて、エンジンとして使用することができる。ダイビング用の圧縮機、水ポンプ、揚荷装置、工作機械などの装置を、動力取出軸に接続する可能性が考えられる。
−  圧縮空気のエネルギーを空気工具に用いることが可能であり、また、高圧バルーンを、電気の節約を目的として電気自動車の車室内の空調に用いることが可能である。
−  温熱を、給湯及び暖房のために用いることが可能である。
−  冷熱を、食品冷凍室及び冷蔵室、ならびに施設の空調に用いることが可能である。
−  蒸留水を得ることが可能である。
【０１３１】
家庭では、本装置を、電気エネルギーにより、無停電電源装置として用いることが可能である。
【０１３２】
有用な追加機能は、特定の条件に応じてユーザにより判断される。高温気候では冷熱の必要性が大きくなり、逆に寒冷気候では温熱が優先因子となる。
【０１３３】
業務用に関しては、環境の温熱を変換する本装置を、燃料補給所において電気自動車に追加充電するための独立の発電装置として用いることができる。
【０１３４】
本装置を、精励アルテリにおいて例えば金採鉱で使用すると、その抽出費用を実質的に削減することが可能であり、これにより生産利益が向上する。これは、そのような貴金属の価格が十分に高い現今では、特にそうである。
【０１３５】
また、提案した装置を漁船においてエンジンとして適応させれば、魚介類の採取、輸送、冷凍の過程でのコストを削減することもできる。
【０１３６】
本実施形態を、高緯度地方及び低緯度地方を訪れる長旅をするヨットに搭載することで、上記の有用な機能のすべてを実現することができる。そのようなヨットによる旅行では、ヨット上でかなりの場所を占める燃料は、１グラムも必要ない。このヨットは、十分な冷熱があるので、熱帯での航行において快適な条件が得られる。また、食品貯蔵、さらには温水も含む新鮮な水の豊富な安定供給についても、良好な条件が作り出される。ユーザは、希望に応じて、スキューバダイビングを楽しむことができる。シリンダに充填する圧縮空気を、その細かい浄化のためのエアフィルタがあれば、高圧バルーンから取り出すことができる。ヨットでは、調理用ならびにナビゲーション装置及び通信チャネル用の電気が、２４時間絶えず供給される。ヨットが高緯度地方に移ると、装置は、新たな条件に容易に適応することができる。作動中の圧縮機からの温熱を、暖房及び給湯に用いることができる。本実施形態をヨットに搭載する際には、空気サイクルを、閉鎖式で作動するように切り替えることができ、低ポテンシャル温熱は、海水から取得される。そのためには、８０ｋＷ（１００馬力）の出力のヨット用エンジンで、毎時約１３０ｍ３の空気の生産性を有する圧縮機を備える必要がある。そのような高圧圧縮機の寸法は、実質的に、時としてヨットの重量の４分の１を占めるディーゼル燃料と予備の飲料水とによって占有される体積よりも小さい。
【０１３７】
別の興味深い変形例では、実施形態（装置）は、潜水艦に搭載される。そのような潜水艦は、長時間水中にいることができるように自律性を有し、乗組員の食事の回数によってのみ制限される。酸素を含む生命維持のために必要な他のすべての条件は、装置を活用して潜水艦上で作り出すことができる。装置に必要なエネルギーは、海水から取り出され、冷熱は海中に戻すように放出される。同じく、人間の排泄物も、環境を損なわない廃棄物に潜水艦上で変換されて、海中に投棄される。
【０１３８】
上記説明は多くの具体性を含んでいるが、それらは実施形態の範囲を限定するものではなく、単にいくつかの実施形態の一部の例示を提供するものにすぎない。数多くの他の変形及び変更が可能である。例えば、基本エンジン２０として、ヴァンケルエンジンまたは蒸気タービンが使用される。凝縮過程を改善するため、低沸点作動体用の追加の低圧圧縮機による実施形態の変形が可能である。従って、本実施形態の範囲は、提示した例によってではなく、添付の請求項及びその法的均等物によって規定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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