JPS62502652A - 往復式液体金属ｍｈｄ発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 往復式液体金属ＭＨＤ発電機 本発明は、従来のエネルギー変換システムに用いられていたタービンやエンジン を不要とするようなＭＨＤ原理に基づく熱エネルギーを電気エネルギーに変換す るための技術に関する。

ＭＨＤ発電機に於いては、電磁石の両極間に設けられた通路内を導電性流体が流 通する。流体の流れる方向及び磁束の方向の両者に対して直交する向きの電流が 流体内に惹起され、この電流が、流体に接触するように設けられた電極間に接続 された外部負荷により利用される。

種々の形式のＭＨＤ発電機が知られている。

１、プラズマ イオン化要素を含む燃料と空気との混合体が燃焼され、高温の導電性ガス（プラ ズマ）となり、このガスがＭＨＤ通路内にて膨張する。（一般に約３，０００℃ であるような）高い作動温度下に於いてもプラズマの導電率が比較的低いため、 出力をブーストするためには（６７程度までの磁束密度を発生する電磁石のため に）超伝導を利用しなければならない。このように、プラズマ発電機は、作動温 度が高く、磁束密度が高いため、大規模なシステムにのみ適用可能であると考え られている。

２、液体金属 この場合、導電性流体が液体金属からなり、それとともに、液体金属をＭ　ＨＤ 通路内にて移動させるために別の熱力学的作動流体が用いられる。プラズマ発電 機の場合と異なり、流体に導電性を付与するために高温を必要とせず、低温の熱 源及び比較的弱い磁束を用いることが出来るため、この方式は小規模のＦＭ設に 一層適していると考えられる。

これらの２つの形式の発電機は、ＭＨＤ通路内に於いて単相または二相の媒体を 用いることが出来る。

二相 熱力学的流体が、Ｍ　ＨＤ通路の前方のミキサに於ける高温の液体金属内に注入 される。ここで用いられる流体の組合せは、低温度システムに於いては、有機流 体とナトリウム−カリウム共融混合体、中程度の温度を用いるシステムの場合、 水と錫、そして高温のシステムに於いてはヘリウムとナトリウムまたはリチウム との組合わせが用いられる。

作動流体が膨張し、このようにして形成されたガスと液体金属とからなる二相混 合物はＭＨＤ通路内に於いて加速され、電力を発生する。この混合物は、ＭＨＤ 通路からノズルに流入すると、さらに加速され、その次に回転分離機により両要 素に分離される。金属は、ディフューザを通過し、その運動エネルギーの一部が ポテンシャルエネルギーとしての圧力に変換され、第１の熱交換器内に向けて流 入し得るようになり、この第１の熱交換器に於いて再加熱され、次いで再びミキ サに戻り前記した過程を繰返す。

分離機から送り出された依然高温である蒸気またはガスが熱りジェネレータ（熱 交換器）を通過しミキサに至る過程の間その熱の一部が作動流体に伝達される。

リジェネレータから送り出された部分的に冷却された蒸気またはガスはさらにリ ジェクト熱交換器によりざらに冷却され、その蒸気が凝縮し、凝縮液はりジェネ レータを経てミキサに向【プて圧送される。ガス状の作動流体を用いる場合、リ ジェクト熱交換器からの低温ガスは圧縮され、リジェネレータを経てミキサに戻 される。

これらの形式の発電機の主な問題点は以下の通りでおる。

（ａ＞電気出力が直流であって、その電圧が低くしかもその電流値及び電圧値の 変動が大きいため、一般的に用いられる交流に変換することが困難である。

（ｂ）液体金属内に非導電性の蒸気またはガスの泡が存在し、また液体金属の温 度が高いためにＭＨＤセルの内部抵抗損失が大きい。

（Ｃ）ノズル、分離機及びディフューザが熱損失の原因とこの形式の発電機の１ つが１９６９年５月６日に付与された米国特許第３，４４３，１２９号明細書に 記載されている。これは、各端がタンクに接続された垂直０字管を有し、これら の管及びタンクを液体金属により満したものからなる。液体金属は、０字管の湾 曲部にて加熱され、熱力学的作動流体が、一方の枝管の基部から金属内に注入さ れる。作動流体は蒸発し、他方の枝管内の内容物よりも密度の小さい二相混合体 を形成し、上向きに移動する。蒸気と液体金属とはタンク内にて分離し、蒸気が 凝縮し、再び液に向かって流れ循環することとなる。

ＭＨＤ通路は、第２の枝管の一部をなし、タンク内の液体金属のポテンシャルエ ネルギーを電気エネルギーに変換する。

Ｍ　ＨＤ通路内にて流れる流体が（液体金属のみからなる）単相であるため、電 流及び電圧の大きな変動といった二相式のシステムに附随した問題の幾つかが解 消される。また、蒸気の泡が存在しないため、ＭＨＤセルの内部抵抗による損失 が軽減され、セル内の流体の導電率が高いため比較的弱い磁束を用いることが出 来る。しかも、大きな損失の原因となるノズル、分離機及びディフューザが不要 となる。

しかしながら、以下のような技術的及び経済的問題が存在する。

（ａ）電気出力が極めて低い電圧の直流からなる。

（ｂ）液体金属の温度が上昇するに従ってＭＨＤセルの内部抵抗による損失が増 大する。

（Ｃ）泡が、液体金属に対して滑ること（ｂｕｂｂ　ｌ　ｅｓｌｉｐ）により、 効率が低下する。

（ｄ）高価な液体金属を大量に必要とする。

（ｅ）発電プラントが大型化する。

上記したシステムの主な欠点の１つは、電力の伝送及び一般的な使用の便宜のた めには高圧の交流に変換されなければならない低圧の直流を発生することであっ て、このことにより、システムが複雑化し、損失が発生する原因となる。

１９６８年４月２日に付与された米国特許第３．３７６゜４４０号明細書には、 一定の磁束を保持し、ＭＨＤ通路内の液体金属の流れ方向を周期的に変化させる ことにより交流を発生するための手段が開示されている。これは、ＭＨＤセルを 内蔵する水平管により底部にて互いに接続された一対の垂直閉塞シリンダを用い ることにより達成される。

これらのシリンダ内には、導電性流体として機能する液体カリウムが部分的に充 填されている。主な熱源は核エネルギーであって、第１の熱交換器が、熱力学的 作動流体として機能するカリウムを蒸発させるために用いられる。この蒸気を凝 縮させるためにリジェクト熱交換器が用いられる。

実際の作動に際して、第１の熱交換器から得られた高圧のカリウム蒸気は、両シ リンダに給送され、入口バルブを介していづれか一方のシリンダ内の液体カリウ ムの液面の上側に向けて導入される。同時に、第２のシリンダの出口バルブが開 かれる。これにより、液体カリウムは、第１のシリンダから、ＭＨＤ通路を経て 第２のシリンダに向けて一方向に流れる。第２のシリンダから取出された蒸気は りジエクト熱交換器に送られ、凝縮され、再加熱のために第１の熱交換器に向け てポンプにより戻される。第１のシリンダの入口バルブが閉じられ、第２のシリ ンダの出口バルブも閉じられると、第２のシリンダのヘッド圧により液体金属の 運動が停止する。同時に、第２のシリンダの入口バルブが開かれ、第１のシリン ダの出口バルブも開かれ、液体カリウムがＭ　ＨＤ通路内を逆向きに流れるよう になる。この過程が連続的に繰返され、交流が発生する。

この方式の問題は、カリウム蒸気の多くの部分が何ら有用な仕事をすることなく 低温の液体、シリンダの濡れた壁面と接触することにより凝縮してしまう点にあ ると考えられる。そのため、熱力学的効率が低下する。また、液体金属の保持す る運動量のため、各行程の終了時に液体金属がシリンダヘッドに激しく衝当し、 破壊が発生しないとしても、エネルギーの損失の原因となる。また、入口及び出 口バルブが、高温のカリウム蒸気雰囲気内にて作動することにより幾つかの機械 的問題が発生することが予想される。

本発明の目的は、熱エネルギーを、大量にかつ高い効率をもって電気エネルギー に変換し、中程度または高度の質を有する熱源からの熱エネルギーを利用し得る ような単純であってしかも廉価な手段を提供することにある。

このような目的は、スター１万ング熱力学サイクルの一般原理に基づく単相ＭＨ Ｄ発電機を稼動することにより達成される。

スターリングサイクルは効率的であって、その機械的構成も原理的には極めて単 純である。その基本的な形態に於いては、共通のクランク軸に結合された一対の ピストンがそれぞれ対応する２つのシリンダに受容され、両ピストンのクランク 角度間に９０度の位相差が設けられている。両シリンダは互いに連通管により接 続され、これら両シリンダは、この連通管を介して移動可能な一定量のガスを貯 容している。一方のシリンダは高温にされ、他方のシリンダは低温にされる。ク ランク軸が回転するに伴いピストンの上面側の空室の容積が周期的に増減し、そ の内部のガスが膨張収縮を交互に行なう。クランク軸が上記したように構成され ているため、膨張行程が開始する時には、大部分のガスが高温のシリンダ内にあ り、従ってその圧力が高い。

逆に、圧縮行程が開始する時にはガスの大部分が低温側のシリンダ内にあり、従 って圧力が低い。仕事は、容積変化とその変化が発生する圧力との積で表される 。容積が増大する時の平均圧が、容積が収縮する時の平均圧よりも高いため、１ サイクルの間に成る量の仕事が行われ、この仕事の量が、高温のシリンダに与え られた熱量と低温側のシリンダから奪われた熱量との間の差に対応する。

熱力学的効率を改善するために、両シリンダ間を接続する連通ガス管路内にリジ ェネレータが設けられ高温のガスが高温のシリンダから低温のシリンダに移動す るに際して高温のガスから熱を吸収し、低温のガスが低温のシリンダから高温の シリンダに向けて移動する際にこの熱量がガスに戻される。

上記したような構造に於いては、主に、外部の熱交換器を介して作動ガスの熱伝 達を許容出来る効率をもって行う上での実用上の問題が存在する。この過程は、 発生する仕事量（即ちエンジンの動力）の大きざを支配する。

本発明のある側面によれば、液体金属を含む成る量の導電性流体を貯容しかつ熱 源により加熱される一対の第１の空室を有し、前記第１の空室がＭ　ＨＤセルを 有する通路により下端にて互いに接続されており、前記各第１の空室が、熱りジ ェネレータを介して個別のガス状作動流体源と連通していることにより、前記第 １の空室内の導電性流体の液面がその最大値であって、該作動流体を排出し得る ときに、前記作動流体が、前記導電性流体の液面の下側であってその下端よりも 上側の中間位置に向けて注入され、排出された前記作動流体は、再び第１の空室 に注入される前に、前記熱りジェネレータにより冷却され、かつ圧縮され、圧縮 された前記作動流体が、再び第１の空室に注入される前に前記熱りジェネレータ により加熱され、この時、前記両室への作動流体の注入が約１８０度の位相差を もって行なわれるようにしてなることを特徴とするＭｌ−ＩＤ発電機が提供され る。

以下本発明の好適実施例を添付の図面を参照して詳しく説明する。以下に説明す る実施例の特徴は本発明の範囲を限定するものではない。

添付の図面は次の通りである。

第１図は主要な部分の全体的な配置を示す本発明に基づく装置の平面図である。

第２図は作動空間の４つの部分の内の２つの部分を構成する各部の配置を示す縦 断面図である。

第３図は幾つかの水平断面の合成図である。

第４図は燃焼システムの幾つかの部分を示す側面図である。

第５図は本実施例のためのＭＨＤ通路の１つの態様を示す断面斜視図である。

第６図は作動空間へのガスの分配のための構造及び機械的なポンプ構造に代えて 用いることの出来るＭＨＤ式ポンプユニットの構造を示す。

第７図は一対の第１の空室から得られる総動力を示す総動力曲線である。

第８図は第１の空室の下端の一態様を示す部分縦断面図である。

本実施例は導電性流体として液体金属を用い熱力学的作動流体として非活性ガス を用いるＭＨＤ発電機に関する。

この発電機は、２対の第１の空室１ａ、１ｄ、１ｂ、１Ｇを有し、これら第１の 空室の内、互いに対を構成するもの同士がそれぞれの空室の下端間に延在するＭ ＨＤ通路７８により互いに接続されている。各部の第１の空電には成る量の液体 金属が貯容され、この液体金属がＭＨＤ通路７８を介して雨空室間を流通するこ とが出来る。４つの第１の空室は、燃料噴射ノズル１８及び強制空気入口開口１ ６を有する燃焼室２内に受容されている。燃焼室２からの排気ガスは、各燃焼室 の内部の上下端間に延在する煙管５を介して行なわれる。各第１の空室の上部に は、排気ダクト９に向けて開かれたヘッダ８が設けられている。排気ダクト９は 、燃焼室のための空気予熱至１０に接続されており、気管１３を内蔵する空室１ ４を備えている。空気は、ファン１２から予熱器に供給され、予熱された空気は 空気人口１５を経て燃焼￥２内の空気入口開口１６に９送り込まれる。

本実施例の場合、用いられる燃料は液状のもので、フィルター２１及び、燃焼室 ２からの排気ガスと熱交換するように適合されたヒータ２２を経て燃料タンク２ ０から供給される。しかしながら、燃料噴射ノズル１８に代えて、ガス燃料また は固体燃料に適合されたものと置換することが出来る。あるいは、燃焼室を、ソ ーラコレクタ、地熱コレクタ、あるいは核エネルギー熱交換器などと置換するこ とも出来る。

第１の空室１ａ〜１ｄはそれぞれ熱りジェネレータ３１ａ〜３１ｄに接続されて おり、これらの熱りジェネレータは、熱導体＠利からなる細いワイヤのメツシュ が充填された空室を有する。第１の空室１ａ〜１ｄとリジェネレータ３１８〜３ １ｄとの間の接続は、排気ライン２４ａ〜２４ｄ及び吸気ライン２３ａ〜２３ｄ により達成される。排気ライン２４ａ〜２４ｄと対、応する第１の空室１ａ〜１ ｄとの間の接続は、スプラッシュ防止バリア３２を介して行なわれる。吸気ライ ン２３ａ〜２３ｄは、第１の空室内の上下方向について中間部に設けられた噴射 ヘッド３３に接続されている。各噴射ヘッド３３は、中央ボスを介して各吸気ラ インに接続された穿孔された複数の半径方向アームを有する。各排気ライン２４ ａ〜２４ｄには、それぞれ対応する第１の空室からの流れを一方向のみからとす るために逆止弁５８ａ〜５８ｄが設けられ、吸気ライン２３ａ〜２３ｄにも、同 じく対応する第１の空室１からの流れを一方向のみとするための逆止弁５７ａ〜 ５７ｄが設けられている。

各第１の空室１ａ〜１ｄは、それぞれ第２の空Ｗ４２ａ〜４２ｄと対応している 。第１の空室１と第２の空室４２とは、熱りジェネレータ３１により互いに接続 されている。

第２の吸気ライン３５ａ〜３５ｄが、第２の空室４２８〜４２ｄと、対応する熱 りジェネレータ３１との間に接続されている。逆止弁５６ａ〜５６ｄが、対応す る第２の吸気ライン３５ａ〜３５ｄに設けられ、第２の空室４２から対応する熱 りジェネレータ３１への流体の流れの一方向のみとなるようにしである。第２の 排気ライン３４ａ〜３４ｄが、第２の空２４２　ａ〜４２ｄと対応する熱りジェ ネレータ３１との間に接続されている。逆止弁５５ａ〜５５ｄが、対応する第２ の排気ライン３４ａ〜３４ｄに設けられ、第２の空室４２から熱りジェネレータ ３１への流体の流れの方向を一方向のみとするようにしである。

各第２の空室４２には、第１の空室内に貯留されているものと同一または異なる ものであって良い成る量の熱交換流体が貯容されている。第２の吸気ライン３５ が、第２の空室４２内の液面より下の部分に於いて開口している。さらに、第２ の排気ライン３４の第２の空室の４２への突入端には、第１の空室１に設けられ たスプラッシュバリア３２と同様のスプラッシュバリアが設けられている。

各第２の空室４２ａ〜４２ｄはそれぞれ第３の空室４４ａ〜４４ｄに対応する。

各第３の空室は、その容積を可変にし得るようにピストン４３８〜４３ｄを摺動 自在に受容している。第３の空室４４は、第２の空室と同様の熱交換流体を貯容 し、その下端同士が、第２の空室４２から第３の空室４４に向かう流れのみを許 容する逆止弁４６゛ａ〜４６ｄを内蔵する管路により互いに接続されている。さ らに別のラインが、各第２の空室４２を対応する第３の空室４４に接続し、これ らのラインの内部に設けられた逆止弁４５ａ〜４５ｄが、第３の空室４４から対 応する第２の空室４２に向かう熱交換流体の流れのみを貯容するようにしている 。さらに別のラインが、第３の空室４３の下端と、第２の空室４２内の熱交換流 体の最大及び最小の液面間の空間に向けて接続されている。このラインの第２の 空室４２内の出口開口端にはスプレーヘッド５４が設けられている。

第２の空室４２の熱交換流体を貯容する各部分には、第２の空室４２内の導電性 の流体の冷却を促進するためのラピストン４３は共通の駆動モータ７２により駆 動される一対のクランク軸６５．６６により往復運動を行なう。一方のクランク 軸６５は、６対の第１の空室１ａ、１ｂの一方にそれぞれ対応する第３の空室４ ４ｂ、４４ａのピストン４３ｂ、４３ａを駆動し、同様に、他方のクランク軸６ ６は第１の空室の６対の他方のものに対応する他方の第３の空室のピストン４３ ｃ、４３ｄを駆動する。第１の空室の６対に対応する第１の空室のピストンは互 いに１８０度の位相差を有し、各クランク軸により駆動されるピストンは互いに ９０度の位相差を有する。

第１及び第２の空室１．４２の導電性流体により占められていない自由空間及び 熱りジェネレータ３１の自由空間は、エンジンの作動空室を構成し、ヘリウムな どの非活性ガスを含む作動流体により満されている。第２の空室４２内の導電性 流体の表面は、第３の空室４４内のピストン４３の運動に従って上下し、冷却さ れた導電性流体が第２の空室４２から第３の空室４４に向けて送出され、かつ第 ２の空室内の導電性流体の液面の最高位置及び最低位置間に設けられたスプレー ヘッドから第２の空室４２内に向けて注入される。

実際の作動に際して、摩擦或いは電磁性負荷によるＭＨＤ通路７８内に於ける損 失がないものとし、一対の空室１　′ａ、１ｄに注目すると、これらの空室内の 導電性流体の液面がそれぞれ最大及び最小の容積に対応する場合、対応する第３ の空室４４ａ、４４ｄ内の容積の大きさが最大値及び最小値を取るようになる。

１つの・第３の空室４４の容積の減少に伴い、１つの第２の空室４２内に向かう 熱交換流体の運動は、この第２の空室４２ａ内の作動流体を熱リジェネレータ３ １ａに向けて送り出させることとなり、該作動流体は、熱りジェネレータ３１ａ 内にて熱を吸収し、入口ライン２３ａ及び１つの第１の空室１ａのインジェクタ ３３を経て、第１の空室１ａ内にて導電性流体の上側部分内を泡として通過し、 概ね定温膨張を行なう。このようにして、第１の空室１ａ内の導電性流体の上方 に於いて得られたガス体の圧力の上昇により、その内部の導電性流体がＭＨＤ通 路７８を経て他方の第１の空室に向けて送込まれるようになる。このような導電 性流体の運動により、他方の第１の空ｌｉｄ内の作動流体が、他方の熱りジェネ レータ３１ｄに向けて送り出され、その熱の多くを吸収された後に他方の第２の 空室４２ｄの低温の導電性液体内に向けて注入され、その内部に残されていた熱 を完全に放出することとなる。作動流体の他方の第２の空室４２ｄに向かう運動 は、他方の第３の空Ｗ４４ｄ内のピストン４３ｄの運動により可能となる。この 過程は、一方及び他方の第１の空室１ａ、１ｄの導電性流体の液面がそれぞれ最 低及び最高となるまで継続する。他方のピストン３ｄの下降運動により他方の第 ３の空室４４ｄ内の容積が収縮すると、ＭＨＤ通路７８内の導電性流体の流れの 方向が逆転する。このような流れの往復運動は、燃焼室内に於いて熱が発生する 限り継続する。ＭＨＤ通路７８内の流体の往復運動は、ＭＨＤセル内に交流電流 を発生する。

実際の作動に際して、ＭＨＤ通路７８内に惹起される負荷により、第１の空室１ ａ、１ｄ内の導電性流体の運動とピストン４３ａ、４３ｄの往復運動との間、即 ち、対応する第２及び第３の空室間の導電性流体の流れとの間に時間遅れが発生 し、この時間遅れが９０度である時に最も多くの仕事が発生し、その一部がエン ジンの必要を満たし、残りが外部に於いて利用される。

第１の空室が導電性流体の最大量を貯容しており、第１の空室内の作動空間が外 部から隔絶されかつ全負荷状態にあるときの作動流体のガス圧は、ＭＨＤ通路７ ８などの内部に発生した導電性流体の流れに抗する力を十分克服することができ ない。しかしながら、２つの第１の空室間のＭＨＤ通路を流れる導電性流体の流 れの中間点に於いて、ガス圧は、ＭＨＤ通路７８内の流れの速度を所望値とする のに余りあるレベルとなっている。

相互接続された２対の第１の空室が設けられているのはこのような理由に基づく ものである。１対の第１の空室の動作は、他方の対の第１の空室に対して９０度 の位相差をもって行われ、従って一方の１対の一方の第１の空室がその作動空間 内に最も低いガス圧を有する時、他方の対の一方の第１の空室内のガス圧が最大 値となる。１つの第１の空室内の下降行程の開始を促すため、一方の対の第１の 空室と他方の対の第１の空室との間にラインが設けられている。第１の空室間の 作動流体の流れは、第１の空室間に所定値以上の圧力差がある時のみに開く差圧 逆止弁６７〜７０により制御される（第６図）。差圧弁６７〜７０の開弁圧は、 エンジンの必要に従って、カム軸７１の作動により調節される。これらの差圧弁 により第１空室が互いに接続されていることにより、作動流体は、１つの第１の 空室に於ける下降行程に伴いその作動空間内に所定の圧力を形成した後、同第１ の空室内の圧力を所定位置に保持するために排出される。排出された作動流体は 、最も低いガス圧を有する第１の空室に向は導入され、同第１の空室内に於ける 下降行程の開始を促す。６対の第１の空室間の作動流体の流れにより、ＭＨＤ通 路７８を流れる流体の流速に正弦的な変化を確実に惹起させることが出来る。

第２図に示されたように、Ｍ）−ＩＤ通路７８は、該通路の両側に位置する磁極 ６０．６１を有する電磁石５９に対応している。通路７８内を流れる導電性流体 の流れは電磁石５９の磁界の方向に対して直交する。さらに、電磁石５９により 発生した磁界内におって、通路７８の自由な側の面には一対の電極６０．６１が 設けられている。電磁石５９の磁界内の導電性流体が流れることにより、同電極 ６０．６１間に起電力（ｅｍｆ）が発生する。第５図に示されたＭＨＤ通路の形 状によれば、電磁石５９の磁界に対して直交しかつ流体の流れに対して平行をな すような隔壁６２により通路を区分するように通路７８の態様を適宜変更するこ とが出来る。これらの隔壁６２は、高い透磁性を有する材料からなり、かつ導電 性流体に対して電気的に絶縁されるようなコーティングを備えている。所望に応 じて、隔壁を永久的に磁化しておくことも出来る。これらの隔壁により郭成され た通路は、それぞれ導電性流体と接触する６対の電極６３に対応している。従っ て、各通路は個別のＭＨＤセルを構成する。対をなす電極６３を直列接続すれば 、一対の大きな電極を用いる場合よりも高い電圧を得ること、が出来る。高い電 圧を得ることは、その反面導電性流体の内部抵抗を増大させる。この内部抵抗を 減少させるために、電磁石の前後にあって通路を囲繞する冷却ジャケット６４に よりＭＨＤ通路７８内の導電性流体を冷却することが出来る。ざらに、熱損失を 最小化するために、６第１の空室１及び煙管６５の下端を耐火材を用いて燃焼室 に対して断熱し、第１の空室の導電性流体の下部が加熱されないようにすること が出来る（第８図を参照せよ）。熱損失をざらに低減するために、第８図に示さ れたような真空化された中空のシリンダ８１を、各ＭＨＤセルに通じるダクトの 真直部分内に配置することが出来る。これらのシリンダは、一端から他端に向け て力を伝達するように所定のストローク長に亘って自由に振動することができ、 また、容器１内の高温の金属からＭ）−ＩＤ通路内の低温の金属に向けて流れる 熱に対する抵抗として機能する。液体金属の膜により潤滑が行なわれる。液体金 属がナトリウムまたはリチウムからなる場合には始動時に際してジャケット６４ に加熱流体を流通させることにより予熱する必要がある。液体金属が、空温下に 於いて液状をなすＮａＫ共融共融体物合物る場合には予熱が必要でない。これが 、熱力学的作動流体を液体金属に注入するための構造とともに第８図に図式的に 示されている。

所望に応じて、第３の空室４４及び対応するピストンに代えて、（第６図に示さ れているような）６対の第１の空室１の第２の空室４２間に設けられた第２のＭ ＨＤ通路７８ａ、７８ｂを用いることも出来る。２次的なＭＨＤ発電機の電極に 交流電力を加えることにより、導電性流体を第２の空室間にて往復運動をさせる ようなポンプとしての機能が得られる。

上記した構成によれば従来技術に見られた幾つかの問題を回避することが出来る 。

１、商業的に満足出来るＡＣ電源を最小限の調整努力を持って発生することが出 来る。Ｍ　ＨＤ通路が磁束の方向に対して直交する向きの高い透磁率を有するか 又は永久的に磁化された材料からなる隔壁により複数のセルに区分されているた め、従来よりも高い開回路ＭＨＤセル電圧を得ることが出来る。

また、第１の空宇内の液体金属（リチウム、ナトリウムまたはＮａＫ共融共融体 物合物振動する円柱状部分の質量が小さいため、絶対的な質量値が過大でない限 り、作動流体が通常の差圧条件下に於いて２５〜３Ｑザイクルの周期で運動する ことが出来る。この出力を適宜調整することにより、最終的には変圧器により所 望の電圧値にブーストし得るような５０〜６０サイクルの商用周波数を有する２ ５ポルトの三相交流を得ることが出来る。

２、セル内の液体金属をその融点よりも僅かに高い温度にまで冷却することによ りＭＨＤセルの内部抵抗損失を減少させ、しかも適切な低い粘性を維持すること が出来る。これは、一方向流れを用いる従来のＭＨＤ発電機に於いては実現し得 なかったことでめる。端部効果（即ち渦流）及び濡れ皮膜損失が依然発生するが 、前者は、磁界に対して平行をなす隔壁により通路の入口部分の流れを層流化す ることにより最小化することが出来、後者は重要な損失の原因とはならない。

３、ガス及び液体の流速が比較的低いため、流路抵抗が小さくて済み、剥離損失 が抑制され、従来の二相装置に比較して高い損失要素を有ざない。

４、泡スリップ（ｂｕｂｂｌｅ　５ｌｉｐ）が損失の原因とならない。

５、少量の液体金属を用いるため、コストが低く、特にナトリウムは、その体積 当り最も廉価な金属であるため、一層コス１〜が低減される。空温下に於いて液 状をなすカリウム−ナトリウム共融体混合物を用いると良いが、熱りジェネレー タなどに向けて侵入することのないように注意をすれば他の非金属熱伝達流体を 用いることも出来る。非金属熱伝達流体が用いられた場合、ＭＨＤシステムをポ ンプとして用いることが出来なくなる。

６、熱力学的作動流体が肖ガス（好ましくは、比較的高い熱伝導率を有するヘリ ウム）を用いるため、作動流体が液体金属として接触して凝縮することによる損 失が発生しない。

７、ピストンの前半のストロークの間に円柱状の液体金属を加速するために用い られたエネルギーは、運動量として作動ガスを圧縮するために利用されることか ら、ストロークの後半に於いて完全に取戻される。即ち、円柱上の液体金属は、 容器により停止されその運動エネルギーを放出することなく、ガスのクッション により減速し停止する。

８、入口及び出口バルブが不要とされ、幾つかの単純な逆止弁を除いて高温ガス 中に於いて作動するバルブが用いられない。

９、逆止弁の好適な配置により、作動流体は、作動空間の高温或いは低温領域に 導入される際、液体金属中に注入され、作動流体から導出される際には液体金属 の液面の上側から取出される。これにより、ガスと液体金属との間の熱伝達が効 率化され、出力が増大するとともに、はぼ定温圧縮及び膨張条件を実現すること により効率を向上させることが出来る。

また、第２の空室及び第３の空空間に導電製金属を移送するための管路中にポー ル弁を設けることにより、作動流体が第２の空室に導入される際、液体金属が第 ２の空室の底部から引出されるようにし、また作動流体は、冷媒が流通するコイ ルにより冷却された後に液体金属の液面の上方に位置する圧縮状態の（しかしな がら排出されない）作動流体中に向けてスプレーされるようにすることができる 。

これにより、熱伝達効率が改善され、膨張収縮過程がほぼ定温過程として行なわ れる。

１０、ＭＨＤシステムをピストンを用いるかわりにポンプとして用いる場合には 、ガスの漏洩の可能性及ゼ潤滑剤が作動空間中に浸入する可能性を解消すること が出来る。機械的なポンプ構造が用いられた場合、低温の導電性液体金属を駆動 するためのピストン４３を有する機械部分のために荀滑剤が必要となる。この潤 滑は、ピストンのヘッドと液体金属との間の鉱物油の皮膜により達成され、この 皮膜は導電性流体を外部からの物質に対してシールする働きをも有する。潤滑油 は、ピストンリングを通過して、低温の熱交換流体が移動することが考えられる が、これは、ピストンのヘッドと背部との間を接続する小型の偏心式プランジャ ポンプを用いることにより潤滑油を定期的に戻すことにより回避することが出来 る。

１１、空室のシールは、液体ナトリウム及びカリウムを核エネルギー産業などに 於いて熱伝達材料として従来から広く用いていたいたことにより、それ程やっか いなことではない。また、本発明の装置は、概后配管からなるものであって単純 であり、液体リチウムを１，０７３°Ｋに於いて用いるとした場合の予備的な計 算によればシステム損失を除く熱力学的効率が４８％となることが示されたが、 これはカルノー効率の６６％である。このカルノー効率とは、同様な温度限界間 に於いて稼動する熱機関にとって理論的に可能な最高の効率を示すものである。

尚、本発明は上記実施例に限定されないことを了解されたい。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ＭＨＤ発電機であって、 液体金属を含む或る量の導電性流体を貯容しかつ熱源により加熱される一対の第 １の空室を有し、前記第１の空室がＭＨＤセルを有する通路により下端にて互い に接続されており、前記各第１の空室が、熱リジェネレータを介して個別のガス 状作動流体源と連通していることにより、前記作動流体が、前記導電性流体の液 面の下側であってその下端よりも上側の中間位置に向けて注入され、しかもその 注入過程が、前記第１の空室内の導電性流体の液面がその最大値に近付き、該液 面が下降する間に開始し、前記作動流体が、前記導電性流体の液面の上側の第１ の空室部分から排出され、さらに、前記作動流体の前記第１の空室に向けて注入 されるように、排出された前記作動流体を冷却しかつ圧縮するための手段が備え られ、前記熱リジェネレータが、排出された前記作動流体から熱を奪い、前記第 １空室に向けて注入される前の前記作動流体を加熱するようにしてなることを特 徴とするＭＨＤ発電機。 ２．前記作動流体が概ね非活性なガスを含むことを特徴とする請求の範囲第１項 に記載のＭＨＤ発電機。 ３．前記作動流体がヘリウムを含むことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の ＭＨＤ発電機。 ４．前記各第１の空室のための前記作動流体源が熱交換流体を有する第２の空室 を含み、前記第１の空室について前記作動流体を注入及び排出させるべく前記第 ２の空室内に貯容されている導電性流体の容積を変化させるための手段を備える ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のＭＨＤ発電機。 ５．前記導電性流体により前記作動流体から熱を奪うように、前記導電性流体か ら熱を奪うための冷却手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第４項 に記載のＭＨＤ発電機。 ６．前記第２の空室が、それぞれ前記導電性流体を互いに移送するために第３の 空室に接続されており、前記第３の空室が、互いに１８０度の位相差を有するよ うにして変化する容積を有することを特徴とする請求範囲第５項に記載のＭＨＤ 発電機。 ７．前記第３の空室が円筒形をなし、第３の空室内にて往復運動をするべく適合 されたピストンをシールされた状態で摺動可能に受容していることを特徴とする 請求の範囲第６項に記載のＭＨＤ発電機。 ８．前記第２の空室が導電性流体を移送するべく通路により互いに接続されてお り、前記通路が第２のＭＨＤセルを有し、前記ＭＨＤセルの電極が、第２の空室 内の導電性流体の容積を変化させるべく前記第１のＭＨＤセルから得られた電力 の供給を受けることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のＭＨＤ発電機。 ９．２対の前記第１の空室が、導電性流体の液面の上側の部分にて差圧弁を介し て相互接続されており、１つの第１の空室内に所定の最大ガス圧が得られた時に 作動流体が該第１の空室から排出され、最も低いガス圧を有する第１の空室に向 けて導入されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のＭＨＤ発電機。 １０．前記差圧弁を介して行なわれる前記第１の空室間の作動流体の移動が、Ｍ ＨＤセルを通過する導電性流体の速度が正弦的に変化するように行なわれること を特徴とする請求の範囲第９項に記載のＭＨＤ発電機。１１．前記差圧弁が開弁 するような所定差圧が、発電機の稼動条件に応じて調節し得るようにされている ことを特徴とする請求の範囲第９項に記載のＭＨＤ発電機。 １２．前記ＭＨＤセルの通路が、磁界に対して直交しかつ流体の流れ方向に対し て平行をなす隔壁により仕切られており、前記隔壁が、前記導電性流体から電気 的に絶縁的されかつ高い透磁性を有する材料からなり、これら隔壁により仕切ら れた各流路について個別に対をなすＭＨＤ電極が設けられていることを特徴とす る請求の範囲第１項に記載のＭＨＤ発電機。 １３．前記隔壁が永久的に磁化されていることを特徴とする請求の範囲第１２項 に記載のＭＨＤ発電機。 １４．前記通路内の前記導電性流体が、前記ＭＨＤセルの両側にて冷却されてい ることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載のＭＨＤ発電機。 １５．前記第１の空室の下端が前記熱源に対して断熱されていることを特徴とす る請求の範囲第１４項に記載のＭＨＤ発電機。 １６、密閉された円筒形部材が前記ＭＨＤセルの両側の通路内に受容されている ことを特徴とする請求の範囲第１４項に記載のＭＨＤ発電機。 １７．添付の図面に記載されたＭＨＤ発電機。