(57)【要約】      （修正有）【課題】小温度差のある二つの熱源から、効率的に機械動力を得る小温度差蒸気機関を提供する。【解決手段】作動流体の液体を加圧するポンプと、加圧した液体を内部に貯え、外部の高温熱源により加熱し、蒸気とするボイラと、抽出した蒸気を等温膨張させるため、複数の外部加熱可能なシリンダとその中で移動可能なピストンを有し、加えた熱エネルギーを機械動力に変えるとともに、変換装置へ安定した作動蒸気を供給する変換装置と、さらに断熱膨張させ機械動力を取り出す変換装置と、蒸気を圧縮し、高温熱源と小温度差のある外気などの低温熱源により冷却できる蒸気条件にするコンプレッサと、排出した蒸気を低温熱源により冷却し、凝縮する凝縮器と、ボイラおよび変換装置を収納し、内部の空間に気体または液体その他の熱媒体を充填して、外部からそれを加熱でき、無駄な放熱を低減させるように断熱した加熱器とから構成する小温度差蒸気機関により構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
小温度差の蒸気サイクルを利用した蒸気機関であって、
作動流体となる液体を加圧し、高圧の液体とするポンプ（１）と、（１）により加圧した液体を内部に貯え、外部の高温熱源により加熱し、高温の蒸気とするボイラ（２）と、（２）から抽出した蒸気を外部から加熱しながら等温膨張させ、加えた熱エネルギーを機械動力に変える変換装置ａ（３）と、（３）から排出した蒸気をさらに断熱膨張させ機械動力を取り出す変換装置ｂ（４）と、（４）から排出した蒸気を圧縮し、高温熱源と小温度差のある外部の空気などの低温熱源により冷却できる蒸気条件にするコンプレッサ（５）と、（５）から排出した蒸気を低温熱源により冷却し、もとの液体に戻す凝縮器（５ａ）とから構成する小温度差蒸気機関
【請求項２】
小温度差の蒸気サイクルを利用した蒸気機関であって、
請求項１に記載の、液体を内部に貯え、外部の高温熱源により加熱し、高温の蒸気とするボイラ（２）と、（２）から抽出した蒸気を等温膨張させるため、複数の外部加熱可能なシリンダ（３ａ）および（３ｂ）とその中で移動可能なピストン（１１）および（１２）を有し、加えた熱エネルギーをクランク軸（１０）を回転させる機械動力に変えるとともに、変換装置ｂ（４）へ安定した作動蒸気を供給する変換装置ａ（３）とを収納し、内部の空間に気体または液体その他の熱媒体を充填し、外部からそれを加熱でき、無駄な放熱を低減させるように断熱した加熱器（６）を有した小温度差蒸気機関
【請求項３】
小温度差の蒸気サイクルを利用した蒸気機関であって
請求項１に記載の、変換装置ｂ（４）から排出した蒸気を圧縮し、高温熱源と小温度差のある外部の空気などの低温熱源により冷却できる蒸気条件にするため、蒸気を加速する羽根車（５ｂ）と、さらに増速するノズル（５ｃ）とを有したコンプレッサ（５）と、（５）から排出した蒸気を低温熱源により冷却し、もとの液体に戻すため、外部から冷却できるとともに、内部にも冷却フィン（５ｅ）を持つディフューザ（５ｄ）を有した凝縮器（５ａ）とを有した小温度差蒸気機関
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、蒸気機関により、小温度差を持った比較的低温の２つの熱源を利用して、その熱エネルギーを取り出し機械動力に変換して有効利用できるようにするための、小温度差蒸気機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  太陽熱、地熱あるいは工場廃熱などの熱源を高温側に、また、これらと温度差の小さい外気、川、海水などを低温側に利用して、蒸気機関や熱電変換器などによって高温側の未利用熱エネルギーを電気エネルギーや機械動力に変換すべく、種々の変換装置が存在する。従来、この変換装置としては、アンモニアなどの冷媒を用いたランキンサイクル、カリーナサイクルなどによる蒸気機関や、空気を用いたカルノーサイクルによるスターリング機関や、金属、半導体などによる熱電対を利用したものがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  しかし、冷媒を用いたランキンサイクルなどによる蒸気機関は、利用する熱源の温度差により、変換効率が制限されるため、小温度差の熱源では効率が低い。効率の低さから低温側熱源に廃棄される熱量が大きく凝縮器が大きくなる。
また、高温側の熱源温度が低い場合は低温側に外気は利用できないので、海水、川など安価で大容量の冷却媒体が得られる場所しか利用できないなど、設置について制限が多く、価格が高い。【０００４】  空気を用いたスターリング機関は小温度差の熱源では効率が低く、小さい出力しか得られない。また、熱電対を利用したものは、装置は簡単であるが、高温側から低温側への熱移動量に対して発生する電力が小さく、発生電圧も低く、高価なので時計など特殊な用途にしか利用できない。【０００５】  本発明はこうした問題に鑑み創案されたもので、液体を沸騰、蒸発させ、その蒸気を等温膨張、断熱膨張、ポリトロープ圧縮、凝縮させて再び液体に帰す蒸気サイクルをもとに、熱エネルギーを機械動力に変えることにより、比較的低温で小温度差の二つの熱源を利用して、どこででも効率的に大きな機械動力を取り出せる小温度差蒸気機関を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  図面を参照して説明する。第一の発明は、
小温度差の蒸気サイクルを利用した蒸気機関であって、作動流体となる液体を加圧し、高圧の液体とするポンプ（１）と、（１）により加圧した液体を内部に貯え、外部の高温熱源により加熱し、高温の蒸気とするボイラ（２）と、（２）から抽出した蒸気を外部から加熱しながら等温膨張させ、加えた熱エネルギーを機械動力に変える変換装置ａ（３）と、（３）から排出した蒸気をさらに断熱膨張させ機械動力を取り出す変換装置ｂ（４）と、（４）から排出した蒸気を圧縮し、高温熱源と小温度差のある外部の空気などの低温熱源により冷却できる蒸気条件にするコンプレッサ（５）と、（５）から排出した蒸気を低温熱源により冷却し、もとの液体に戻す凝縮器（５ａ）とから構成する小温度差蒸気機関により構成する【０００７】  第二の発明は、
小温度差の蒸気サイクルを利用した蒸気機関であって、請求項１に記載の、液体を内部に貯え、外部の高温熱源により加熱し、高温の蒸気とするボイラ（２）と、（２）から抽出した蒸気を等温膨張させるため、複数の外部加熱可能なシリンダ（３ａ）および（３ｂ）とその中で移動可能なピストン（１１）および（１２）を有し、加えた熱エネルギーをクランク軸（１０）を回転させる機械動力に変えるとともに、変換装置ｂ（４）へ安定した作動蒸気を供給する変換装置ａ（３）とを収納し、内部の空間に気体または液体その他の熱媒体を充填し、外部からそれを加熱でき、無駄な放熱を低減させるように断熱した加熱器（６）を有した小温度差蒸気機関により構成する。【０００８】  第三の発明は、
小温度差の蒸気サイクルを利用した蒸気機関であって、請求項１に記載の、変換装置ｂ（４）から排出した蒸気を圧縮し、高温熱源と小温度差のある外部の空気などの低温熱源により冷却できる蒸気条件にするため、蒸気を加速する羽根車（５ｂ）と、さらに増速するノズル（５ｃ）とを有したコンプレッサ（５）と、（５）から排出した蒸気を低温熱源により冷却し、もとの液体に戻すため、外部から冷却できるとともに、内部にも冷却フィン（５ｅ）を持つディフューザ（５ｄ）を有した凝縮器（５ａ）とを有した小温度差蒸気機関により構成する。
【発明の効果】
【０００９】  請求項１に記載の小温度差蒸気機関は、比較的低温で臨界温度となる液体を加圧し、熱源で加熱して蒸気にする。これにより発生した蒸気を、まず熱源を利用しながら等温膨張させて、圧力変化から機械動力を得る。引続き、その蒸気を断熱膨張させて、さらに機械動力を得る。このため、ランキンサイクルのように高温の熱源無しでは効率向上できないものと違い、熱量さえあれば、低温の熱源により効率向上することができる。
また、凝縮器内圧以下にまで膨張させた蒸気をポリトロープ圧縮して圧力回復することにより、変換装置ａ（３）の等温膨張させ得る圧力範囲を拡大し、機関全体として得られる機械動力を増大できる。【００１０】  請求項２に記載の小温度差蒸気機関は、ボイラ（２）と変換装置ａ（３）を加熱器（６）に収納して一体化し、外部から断熱して、内部を１つの熱源で加熱するため、熱エネルギーを効率的に利用でき、小型化できる。
変換装置ａには複数の外部加熱容易なシリンダとその中で移動可能なピストンを使用し、蒸気を高効率に等温膨張させるとともに、後段の変換装置ｂ（４）に最適な蒸気条件で接続するため、出力を増大できる。
また、一体化により、アルミニウムなど熱伝導率の大きい金属を使用して熱媒体から蒸気への熱移動をスムーズにし、蓄熱容量を大きくして蒸気の等温膨張所要時間を短縮できるため、出力を増大できる。【００１１】  請求項３に記載の小温度差蒸気機関は、コンプレッサ（５）内の羽根車（５ｂ）およびノズル（５ｃ）により蒸気を加速し、凝縮器（５ａ）内の冷却フィン（５ｅ）を持ったディフューザ（５ｄ）により、低温熱源を用いて外部から冷却しながら減速して、等温にできるだけ近くポリトロープ圧縮することにより圧縮に要する動力を低減できる。
また、蒸気を圧縮することにより凝縮器に注入する蒸気圧を高くして低温熱源の温度に適した圧力に調整し、凝縮器の凝縮能力を増大させ、凝縮器（５ａ）を小型化することができる。【００１２】  さらに、熱源温度に合わせ、適当な液体を選ぶことにより、広い温度範囲で本システムを構成できる。このように、これまで困難とされてきた、低温の熱源から熱エネルギーを取り出し、効率良く機械動力に変換することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】  本発明に係る小温度差蒸気機関の実施形態を、図１乃至図４にしめす。図１の蒸気機関は、利用する高温熱源温度より高い臨界温度を持ち、できるだけ低い臨界圧力と小さい蒸発熱を持った冷媒を使用する。その冷媒の高温熱源温度に対応する飽和蒸気圧線上の点、図２のＣから、熱源の熱容量によって決まる点Ｄまで等温膨張し、ＤからＥまで断熱膨張する。その後Ｅから冷媒の低温熱源温度に対応する飽和蒸気圧線上の点Ｆまでポリトロープ圧縮する。
通常のランキンサイクルには無い、複数のシリンダを有した等温膨張用の変換装置ａ３を設け、後段の反応速度の速い断熱膨張用の変換装置ｂ４と協調して出力増大をはかるように構成する。また、変換装置ｂ４は後段に圧力調整用のコンプレッサを設け、圧力調整して凝縮器５ａと接続する。
高い動作圧力に対応でき、無駄な放熱を低減するため、できるだけ一体化し、接続部やシール部の数を１つでも少なくするように構成する。【００１４】  ポンプ１は液化した冷媒をボイラ２に注入するための加圧ポンプである。これにより、冷媒液は図２のＡ点の状態になる。【００１５】  ボイラ２は冷媒を加熱し気化させるもので、周囲に充填された気体、液体その他の熱伝導率の良い熱媒体を高温熱源により加熱し、その熱により加熱する。これにより、冷媒は図２のＢ点を通りＣ点の状態になる。【００１６】  変換装置ａ３はボイラ２から来た高圧の冷媒を中圧に等温膨張させる過程で機械動力を得るもので、シリンダーとその中を移動するピストンにより構成する。ボイラ２と同様に周囲に充填された気体、液体その他の熱伝導率の良い熱媒体を高温熱源により加熱し、その熱をシリンダー中の冷媒に伝導し加熱する。これにより、冷媒は図２のＤ点の状態になる。【００１７】  変換装置ｂ４は変換装置ａ３から来た中圧の冷媒を低圧に断熱膨張させ機械動力を得るもので、通常の冷凍機の蒸気条件と同程度の回転型エキスパンダを利用する。これにより、冷媒は図２のＥ点の状態になる。【００１８】  コンプレッサ５は変換装置ｂ４から来た低圧の冷媒をポリトロープ圧縮し、加えた機械動力を熱として廃棄できるようにするもので、圧縮比は小さく、流量の大きいものとする。図４の変換装置ｂ４から来た冷媒の蒸気を羽根車５ｂにより加速する。さらに、ノズル５ｃに通して加速し、静温度を下げて動温度を上げ、静圧を下げて動圧を上げる。これにより、冷媒は図２のＦ点の状態になる。【００１９】  凝縮器５ａはコンプレッサ５から来た高速の蒸気流を図４の冷却フィン５ｅ付のディフューザ５ｄに通し、減速して蒸気圧を回復するとともに冷却媒体入口５ｆから入った媒体により冷却する。コンプレッサ５の羽根車５ｂにより蒸気に加えられた機械力は、温度上昇を抑えながら静圧力に変えられる。その圧力の蒸気をさらに低温熱源にまで冷却し、液体に戻すものである。冷却媒体は冷却媒体出口５ｇから排出する。これにより、冷媒は図２のＧ点の状態になりサイクルが完了する。【００２０】  加熱器６はボイラ２、変換器ａ３のシリンダａ３ａ、シリンダｂ３ｂ、中圧蒸気タンク９、およびそれらに関係する配管を一括内臓し、中に充填する加熱媒体で加熱する。外面は断熱し、熱の放散を防ぐ。加熱媒体は加熱媒体入口６ａから取り入れ、加熱媒体出口６ｂから排出する。【００２１】  ボイラ入口２ａから入った高圧の冷媒液はボイラ２において加熱され、高圧蒸気になる。この蒸気は配管を通ってシリンダａ入口弁７ａ、およびシリンダｂ入口弁８ａに達する。シリンダａとシリンダｂは交互に動作するようにするので、図２においてシリンダａ入口弁７ａは開、シリンダｂ入口弁８ａは閉になっている。このため、高圧蒸気はシリンダａの左の空間に流入する。【００２２】  シリンダａの左の空間の蒸気圧が高圧になると、シリンダａ入口弁７ａを閉にする。以後、等温膨張過程になり、ピストンａ１１は蒸気圧により右方向に押され、移動する。この運動はクランク軸１０に伝えられ、回転動力に変えられる。この間、シリンダａ出口弁７ｂは閉のままである。【００２３】  ピストン���１１が最右点に達した時、シリンダａの左の空間の蒸気圧は中圧に降下している。ここで、シリンダａ出口弁７ｂを開とする。図３のシリンダｂはこの状態を示している。以後の動作をシリンダｂにより説明する。【００２４】  シリンダｂのピストンｂ１２はクランク軸１０の回転により、左方向に移動する。シリンダｂ入口弁８ａは閉、シリンダｂ出口弁８ｂは開となっているのでシリンダｂ内の中圧蒸気をシリンダｂ出口弁８ｂから中圧蒸気タンク９に排出する。【００２５】  シリンダｂのピストンｂ１２が最左点に達した時、シリンダｂ入口弁８ａを開、シリンダｂ出口弁８ｂを閉とすれば、図３のシリンダａと同じ状態になる。これを繰り返すことにより、動力を得ることができる。【００２６】  中圧蒸気タンク９はシリンダａおよびｂから来た中圧蒸気を一時貯蔵し、中圧蒸気タンク出口９ａから変換装置ｂ４に排出するもので、変換装置ｂ４に供給する蒸気圧を安定化するとともに、周囲に充填された気体、液体その他の熱伝導率の良い熱媒体により加熱し出力の増大をはかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明に係る小温度差蒸気機関の実施形態を示すブロック線図である。
【図２】    本発明に係る小温度差蒸気機関の熱力学的動作状況を示すＴ−ｓ線図である。
【図３】    本発明に係る小温度差蒸気機関の加熱器６の実施形態を示す断面図である。
【図４】    本発明に係る小温度差蒸気機関のコンプレッサ５と凝縮器５ａの実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１        ポンプ
２        ボイラ
２ａ      ボイラ入口
３        変換装置ａ
３ａ      シリンダａ
３ｂ      シリンダｂ
４        変換装置ｂ
５        コンプレッサ
５ａ      凝縮器
５ｂ      羽根車
５ｃ      ノズル
５ｄ      ディフューザ
５ｅ      冷却フィン
５ｆ      冷却媒体入口
５ｇ      冷却媒体出口
６        加熱器
６ａ      加熱媒体入口
６ｂ      加熱媒体出口
７ａ      シリンダａ入口弁
７ｂ      シリンダａ出口弁
８ａ      シリンダｂ入口弁
８ｂ      シリンダｂ出口弁
９        中圧蒸気タンク
９ａ      中圧蒸気タンク出口
１０      クランク軸
１１      ピストンａ
１２      ピストンｂ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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