JP5497455B2 - 第１の媒体から第２の媒体へ伝熱するためのプロセスおよび装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１の、比較的冷たい媒体から第２の、比較的熱い媒体へ伝熱するためのプロセスおよび装置に関する。

現在の発電所では、仕事は、通常、高温供給源および低温供給源（ヒートシンク）を採用して、カルノーサイクルすなわち「水蒸気サイクル」によって発生される。現実には、通常は過熱された水蒸気である高温媒体がタービンに供給され、そのタービンが仕事を発生し、そしてその後、その高温媒体は凝縮され、熱せられ（過熱され）、もう一度そのタービンに供給される。すなわち、その高温媒体に含まれる熱量とその低温供給源に吸収される熱量との間の差が、熱力学の第１法則に従って仕事に変換される。

高温供給源と低温供給源との間のより高い温度差では、より多くの熱を仕事に変換することができ、このプロセスの効率は改善する。通常、環境（地球）は低温供給源（ヒートシンク）としての役割を果たし、高温媒体は化石燃料を燃焼させることによるか、または核***によって発生される。

特許文献１は、加熱および冷却のための温度差を発生させるための装置に関する。外部の力の影響の下で、温度差は気体によって確立される。遠心力を使用することによって、かつ高分子量の気体を用いて、この効果は、それが工業的利用について興味深い程度まで高められる。

特許文献２は、熱エネルギーを伝達するための方法であって、その熱エネルギーが第１の熱交換器（４、４ａ、４ｂ）を経由して回転する遠心機の内側チャンバ（３）へと伝達され、その内側チャンバ（３）には気体状のエネルギー移動媒体が提供されており、かつその熱が第２の熱交換器（５；５ａ、５ｂ）を経由して遠心機（２）から放出される方法に関する。使用されるエネルギーの量は、平衡状態で気体状のエネルギー伝達媒体を回転子（１２）の内部に提供し、かつ外側方法へ熱流を半径方向に配向させることによって、実質的に減少させることができる。対流が妨げられていることが、特許文献２の基礎をなす発明にとって本質的である（第２頁、最後の文章）。

特許文献３は、高速回転のために取り付けられた回転子に関する。その中心に、熱エネルギーの供給源が配置されており、他方、その周囲に熱交換器が配置されている。チャンバでのその位置に依存して、熱エネルギーの供給源から熱を受け取ることができるか、またはその熱交換器へ熱を与えることができる気体状物質を収容するチャンバが提供される。

***国特許第３２３８５６７号明細書 国際公開第０３／０９５９２０号パンフレット 米国特許第３，９０２，５４９号明細書

高温媒体を効率よく発生させるためのプロセスを提供することが本発明の目的である。

この目的を達成するために、本発明に係るプロセスは、
収容された量の圧縮性流体を回転軸の周りで回転させ、こうしてその流体中に半径方向の温度勾配を発生させる工程と、
第２の媒体を、上記回転軸から比較的離れた流体の区域にある上記流体によって加熱する工程と
を含む。

一態様では、本発明はさらに、上記回転軸の、または上記回転軸に比較的近接したある区域の流体によって、第１の媒体から熱を引き抜く、すなわち冷却する工程を含む。

こうして得られた熱い媒体および冷たい媒体は、次に、例えば、建物を加熱もしくは冷却するため、または例えばカルノーサイクルすなわち「水蒸気サイクル」によって電気を発生させるために用いることができる。

上記流体の、半径方向に画定される一部分が十分に混合されて、これらの一部分において少なくとも実質的に一定のエントロピーが得られ、従ってその流体内での熱伝導の改善が得られる場合には、本発明に係るプロセスの効率は、さらに高められ得る。

また、熱伝導およびひいては効率は、流体の圧力および密度とともに上昇する。従って、圧力は、（回転軸において）２ｂａｒ（０．２ＭＰａ）を超えることが好ましく、（回転軸において）１０ｂａｒ（１ＭＰａ）を超えることがより好ましい。外周における圧力と回転軸における圧力との比は、５を超えることが好ましく、８を超えることがより好ましい。

本発明はさらに、第１の比較的冷たい媒体から第２の比較的熱い媒体へと伝熱するための装置であって、
フレームに回転可能に取り付けられた気密のドラムと、
このドラムの回転軸から比較的離してこのドラム（６）の内部に、例えばこのドラムの内壁に、取り付けられた第１の熱交換器（２２）と
を備える装置に関する。

本発明の一態様では、上記装置は、上記回転軸に、または上記回転軸に比較的近接して配置された第２の熱交換器を備える。

別の態様では、上記装置は、上記ドラムの内部を複数の区画に、半径方向に分離する１つ以上の少なくとも実質的にシリンダー状かつ同軸の壁を備える。

さらなる態様では、上記熱交換器のうちの少なくとも１つは、仕事を発生するためのサイクルに結合されている。このさらなるサイクルは、高温熱交換器に熱的に結合された蒸発器または過熱器、低温熱交換器に熱的に結合された凝縮器、および熱機関を備えることができる。通常、環境はヒートシンクとしての役割を果たすが、このサイクルの動作温度が十分に低い場合には、高温供給源としての役割も果たし得る。

なおさらなる態様では、上記圧縮性流体は気体であり、１８以上の原子番号（Ｚ）を有する単原子元素（アルゴンなど）を含有するか、または実質的に１８以上の原子番号（Ｚ）を有する単原子元素（アルゴンなど）からなることが好ましく、３６以上の原子番号（Ｚ）を有する単原子元素（クリプトンおよびキセノンなど）を含有するか、または実質的に３６以上の原子番号（Ｚ）を有する単原子元素（クリプトンおよびキセノンなど）からなることが好ましい。

熱は通常、より高いエントロピーからより低いエントロピーへと流れ、従ってより高温からより低温へと流れるが、重力場に置かれた等エントロピーの圧縮性流体のカラムにおいては、熱は、より低いエントロピーからより高いエントロピーへも流れるという知見に、本発明は基づいている。地球の大気において、この効果は、鉛直方向の温度勾配を、１０℃／ｋｍの計算値から現実の６．５℃／ｋｍまで減少させる。水力発電は、同じ原理に基づいている。

減少した熱抵抗はさらに、より低温からより高温への熱流を高める。

本発明の少なくともいくつかの態様によれば，単に地球の重力にのみにさらされたカラムと比べて、圧縮性流体のカラムの長さを短くするために人工重力が用いられ、大気は、流体中ではるかに高い温度勾配を許容する気体で置き換えられる。その流体内の熱伝導を改善するために、混合が用いられる。

本発明の枠組みの範囲内では、用語「勾配」は、１つの点から別の点へと、例えばシリンダーの半径に沿って移る際に観察される性質の大きさの連続的または段階的な増加もしくは減少として定義される。

完全を期すために、米国特許第４，１０７，９４４号は、回転子によって運ばれる通路内の作動流体を循環させること、その通路内の前記作動流体を圧縮すること、ならびに除熱用熱交換器の中の前記作動流体から熱を除去することおよび熱付加用熱交換器の中の前記作動流体に熱を加えること（すべて上記回転子によって運ばれる）によって、加熱および冷却を発生させるための方法および装置に関することに留意されたい。この作動流体は封入されており、そしてそれは適切な気体（窒素など）であってよい。作動流体熱交換器はまた、前記作動流体の２つのストリーム間で、回転子内の熱を交換するためにも提供される。

米国特許第４，００５，５８７号は、付随する温度上昇とともに回転する回転子内の遠心力によって圧縮された圧縮性作動流体を用いる、低温の熱源からより高温の加熱されたシンクへの熱輸送のための方法および装置に関する。熱は、加熱された作動流体からより高温のヒートシンクへと移され、熱は膨張およびより冷たい熱供給源からの冷却の後の作動流体へと加えられる。冷却は、作動流体密度を制御するため、作動流体の循環を支援するために、回転子内で提供される。

類似の方法および装置は、米国特許第３，８２８，５７３号、同第３，９３３，００８号、同第４，０６０，９８９号、および同第３，９３１，７１３号から公知である。

国際公開第２００６／１１９９４６号は、可動性の（気体状もしくは蒸気状であることが多い）原子または分子（４）を用いる、第１の区域（７１）から第２の区域（７２）へと伝熱するための装置（７０）および方法に関する。この国際公開第２００６／１１９９４６号では、一実施形態において、通常は単純な分子運動によって熱の移動を妨げる原子／分子のカオス的運動は、好ましくは細長いナノサイズの拘束状態（３３）（カーボンナノチューブなど）を使用して原子／分子を整列させ、そして次いで熱が移動されるべき方向の加速力にそれらをさらすことにより、克服される。この加速力は、求心性であることが好ましい。代替の実施形態では、ナノサイズの拘束状態にある分子（４ｃ）は、細長い拘束状態（４０）の伸長の横断方向の振動によって、熱を移動させるように構成されてもよい。

特開昭６１−１６５５９０号公報および特開昭５８−０３５３８８号公報は、回転式ヒートパイプに関する。米国特許第４，２８５，２０２号は、圧縮または膨張のいずれかを生み出すような様式で、作動流体の存在に対して作用することにある少なくとも一工程を含む、エネルギー変換のための工業的プロセスに関する。

本発明は、ここで、目下好ましい実施形態を概略的に示す図面を参照して、より詳細に説明される。

本発明に係る装置の第１の実施形態の斜視図である。 本発明に係る装置の第１の実施形態の側面図である。 図１および図２の実施形態で使用されるドラムの断面図である。 本発明に係る装置の第２の実施形態の断面図である。 図４の実施形態を備える発電装置の概略図である。

同一の部品および同じまたは実質的に同じ機能を果たす部品は、同じ数字によって示される。

図１は、本発明に係る人工重力装置１の実験設備を示す。装置１は、床にしっかりと置かれた固定式ベースフレーム（ｂａｓｅ ｆｒａｍｅ）２、およびこのベースフレーム２上に取り付けられたロータリーテーブル３を備える。駆動手段、例えば電気モーター４が、ベースフレーム２に取り付けられており、ロータリーテーブル３に結合されている。抗力（ｄｒａｇ）を減少させるために、環状壁５が、ロータリーテーブル３の外周に沿ってロータリーテーブル３に対して固定されている。さらに、シリンダー６は、ロータリーテーブル３に対して固定されており、かつその半径に沿って延在する。

図３に示すように、シリンダー６は、中央リング７、２つの（パースペックス（商標））製外側シリンダー８、外側シリンダー８の内側で同軸に取り付けられた２つの（パースペックス（商標））製内側シリンダー９、２つの端板１０、および複数の止め金具１１を備え、このスタッド１１を用いて、端板１０はシリンダー８、９の上へと引き寄せられ、シリンダー８、９は、今度は中央リング７の上へと引き寄せられる。シリンダー６は１．０ｍの全長を有する。図３は、一定の縮尺で描かれている。

中央リング７、内側シリンダー９、および端板１０によって画定される管腔は、常温および１．５ｂａｒ（０．１５ＭＰａ）の圧力のキセノンで満たされており、それはさらに複数の混合器またはベンチレータ１３を収容する。最後に、ペルティエ素子（示さず）がリング７の内壁に取り付けられており、そして温度センサおよび圧力計（これらも示さず）がリング７および端板１０の両方に存在している。

動作中、ロータリーテーブル３、および従ってシリンダー６は、およそ１０００ＲＰＭの速度で回転される。上記流体の半径方向部分はベンチレータ１２によって十分に混合され、これらの部分では少なくとも実質的に一定のエントロピーが得られる。本プロセスが可逆的であるという事実を考慮して、および内側および外側のシリンダー８、９によって提供される熱的隔離（この隔離は実質的に断熱プロセスを実施することを可能にする）を考慮して，シリンダー６内の、回転軸から外周への、および外周から回転軸への伝熱は、実質的に等エントロピー的である。

回転の際は、端板１０におけるキセノンの温度および圧力は上昇し、リング７における温度および圧力は低下する。平衡に達した際に、段階的な熱パルスがペルティエ素子によってリング７でその気体に供給されると、リング７における温度および圧力は上昇し、その後、端板１０における温度および圧力は上昇する、すなわち熱は、比較的低温を有する供給源（リングにおける気体）から比較的高温を有する供給源（端板における気体）へと流れる。

図４は、本発明に係る第２の人工重力装置１の断面図である。装置１は、床にしっかりと置かれた固定式ベースフレーム２、および例えば適切な軸受け（玉軸受２０など）によってベースフレーム２に、回転式ドラム６の長手方向軸の周りに回転可能に取り付けられた回転式ドラム６を備える。ドラム６は２〜１０ｍの範囲、この例では４ｍの直径を有することが適切である。ドラムの壁は、それ自体は公知の様式で熱的に隔離されている。装置１はさらに、５０〜５００ＲＰＭの範囲の速度でこのドラムを回転させるための駆動手段（示さず）を備える。

ドラム７は、（少なくとも）２つの熱交換器、ドラム７の回転軸から比較的離れてそのドラムの内部に取り付けられた第１の熱交換器２２およびその軸にまたはその軸に比較的近接して配置された第２の熱交換器２３を収容する。この例では、熱交換器２２、２３はともに、上記回転軸と同軸であり、かつ第１の回転可能な流体継手２４を介して供給部に、および第２の回転可能な流体継手２５を介して出口に接続されたコイル状のチューブを備える。

図４に示された実施形態はさらに、ドラム７の長手方向軸と同軸でありかつドラムの内容物を強制的に循環させるための軸方向のベンチレータ２７を収容するチューブ２６を備える。この例では、このドラムは（常温で）５ｂａｒ（０．５ＭＰａ）の圧力のキセノンで満たされており、他方、熱交換器２２、２３は、水で満たされている。

図５は、仕事を発生させるためのサイクル、この例ではいわゆる「水蒸気サイクル」に結合された、図４の実施形態を含む発電装置の概略図である。このサイクルは、装置１の高温熱交換器２２に結合された過熱器３０、それ自体公知でありかつこの例ではタービン３１を備える熱機関、装置１の第１の熱交換器２３に結合された凝縮器３２、ポンプ３３、および蒸発器３４を備える。この水蒸気サイクルもまた、水で満たされている。他の適切な媒体は、当該技術分野で公知である。

このドラムを回転させることで、キセノンに半径方向の温度勾配を発生させ、熱交換器間の温度差（ΔＴ）は、そのドラムの角速度に依存して１００℃〜６００℃の範囲になる。この例では、このドラムは３５０ＲＰＭで回転され、およそ３００℃の温度差（ΔＴ）をもたらす。２０℃の水が熱交換器２２、２３の両方に供給される。高温熱交換器２２からの加熱水蒸気（３２０℃）が過熱器３０に供給され、他方、低温熱交換器２３からの冷却された水（１０℃）が凝縮器３２に供給される。この蒸気サイクルは、それ自体公知の様式で仕事を発生させる。

別の実施形態では、この装置は、直列または並列に結合された２つ以上のドラムを備える。例えば、直列の２つのドラムを備える構成では、第１のドラムからの加熱された媒体が第２のドラムの低温熱交換器に供給される。結果として、第２のドラムの高温熱交換器への伝熱は、第１のドラムの伝熱に比べた場合、かなり増加する。第１のドラムからの冷却された媒体は、例えば凝縮器における冷媒として使用することができる。

別の実施形態では、そして上述のチューブ（２６）の代替物または上述のチューブ（２６）への付加物として、上記装置は、このドラムの内部を複数の区画に分離する、複数の少なくとも実質的にシリンダー状かつ同軸の壁を備える。区画の各々の中の流体は、その区画の各々の内側で実質的に一定のエントロピーを確立し、従って区画の各々の内側での物質輸送を高めるように、例えばベンチレータまたは固定式要素によって十分に混合される。結果として、外側方向の半径方向に段階的かつ負のエントロピー勾配が達成され、これがドラムの回転軸からそのドラムの外周への伝熱を可能にする。

上記区画を相互に分離する壁は中実であって、従って１つの区画から次の区画への物質移動を妨げてもよいし、または例えば金網様もしくはメッシュ様に開いており、限定された物質移動を許容してもよい。この壁はまた、表面積、従って区画間の伝熱を増やす突起および／または他の特徴を備えていてもよい。

さらに別の実施形態では、さらなる液体が、例えば半径方向に延びるチューブの内部を、上記ドラムの中央から外周に向かって流れ、こうしてポテンシャルエネルギーおよび圧力を獲得する。高圧液体は発電機、例えば（水力）タービンを駆動し、そしてその後に、このドラムの内壁で、またはドラムの内壁の近くで比較的熱い圧縮性流体（例えば、キセノン）によって蒸発される。こうして得られた蒸気は、少なくとも部分的にはそれ自身の膨張を採用することによって、ドラムの中央へと再び輸送され、そして比較的冷たい圧縮性流体によって凝縮される。この実施形態は、発電機を直接駆動するために使用することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、上述の実施形態は、特許請求の範囲の範囲内の多くの方法で変更されてよい。例えば、他の媒体（二酸化炭素、水素、およびＣＦ_４など）が、ドラムの熱交換器において使用することができる。

Claims (15)

1. 第１の冷たい媒体（２３）から第２の熱い媒体（２２）へと伝熱するプロセスであって、
   収容された量（６）の圧縮性流体を回転軸の周りで回転させ、こうして前記流体中に半径方向の温度勾配を発生させる工程と、
   前記第２の媒体（２２）を、前記回転軸から離れた前記流体の区域にある前記流体によって加熱する工程と
   を含み、
   前記圧縮性流体が前記回転軸において２ｂａｒを超える圧力にある、
   プロセス。
2. 前記回転軸の、または前記回転軸に近接したある区域の前記流体によって、前記第１の媒体（２３）から熱を引き抜く工程を含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記流体の一部分が十分に混合される（１２；２７）、請求項１または請求項２に記載のプロセス。
4. 前記圧縮性流体が１０ｂａｒを超える圧力にある、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプロセス。
5. 前記圧縮性流体が、少なくとも１．５ｍの直径を有するドラムの中に収容され、かつ少なくとも５０ＲＰＭで回転される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプロセス。
6. 仕事が、少なくとも前記第１の媒体（２３）によって、前記第１および第２の媒体（２２、２３）の両方によって、かつカルノーサイクル、すなわち水蒸気サイクル（３０−３４）によって発生される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプロセス。
7. 収容された量（６）の前記圧縮性流体を、回転軸の周りで回転させるという２つ以上の工程を直列または並列に含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプロセス。
8. さらに、
   さらなる液体が前記回転軸から離れるように流れるのを許容する工程と、
   前記液体を用いて発電機を駆動する工程と、
   前記回転軸から離れた前記流体の区域にある前記流体によって、前記液体を蒸発させる工程と、
   前記蒸気を前記回転軸に向かってポンプ輸送する工程と、
   前記回転軸の、または前記回転軸に近接したある区域の前記流体によって、前記蒸気を凝縮する工程と
   を含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプロセス。
9. 前記圧縮性流体が、１８以上の原子番号（Ｚ）を有する単原子元素を含有するか、または１８以上の原子番号（Ｚ）を有する単原子元素からなる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のプロセス。
10. 第１の冷たい媒体から第２の熱い媒体へと伝熱するための装置（１）であって、
    フレームに回転可能に取り付けられた気密のドラムと、
    前記ドラムの回転軸から離して前記ドラム（６）の内部に取り付けられた第１の熱交換器（２２）と
    を備え、
    前記ドラムは、圧縮性流体を収容し、
    前記装置は、前記流体中において、前記回転軸において２ｂａｒを超える圧力にするように構成される、
    装置（１）。
11. 前記回転軸に、または前記回転軸に近接して配置された第２の熱交換器（２３）を備える、請求項１０に記載の装置（１）。
12. 前記ドラム（６）の内部を複数の区画に分離する１つ以上の少なくとも実質的にシリンダー状かつ同軸の壁を備える、請求項１０または請求項１１に記載の装置（１）。
13. 前記熱交換器（２２、２３）のうちの少なくとも１つが、前記回転軸と同軸のコイル状のチューブを備える、請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の装置（１）。
14. 前記熱交換器（２２、２３）のうちの少なくとも１つが、仕事を発生するためのサイクル（３０−３４）に結合されている、請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の装置（１）。
15. 前記サイクルが、前記高温熱交換器（２２）に熱的に結合された蒸発器（３４）または過熱器（３０）、前記低温熱交換器（２３）に熱的に結合された凝縮器（３２）、および熱機関（３１）を備える、請求項１４に記載の装置（１）。

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