How to transfer heat from the first medium to the second medium and equipment

本発明は、第１の、相対的に冷たい媒体から、第２の、相対的に熱い媒体へ熱を伝達する方法及び装置に関する。

現在の発電所において、仕事は、通常、高温源及び低温源（ヒートシンク）を使用して、カルノーサイクル又は“蒸気サイクル”によって生成される。 実際には、高温媒体、通常は過熱された蒸気はタービンに供給され、そのタービンが仕事を生成し、それに続いて、その高温媒体は、凝縮され、加熱され（過熱され）、タービンに再供給される。 すなわち、高温媒体に含まれる熱量と低温源に吸収される熱量との差異が、熱力学の第１法則にしたがって仕事に変換される。

高温源と低温源との間の温度差が高くなるほど、より多くの熱を仕事に変換することが可能となり、処理効率が向上する。 通常、環境（地上）は、低温源（ヒートシンク）の役割をし、また、高温媒体は、化石燃料の燃焼によって、又は核分裂によって生成される。

特許文献１は、加熱及び冷却のための温度差を生成する装置に関する。 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及び高分子量の気体を用いることによって、この効果は、それが工業的利用として関心を引く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方法に関する。 特許文献２において、熱エネルギーは第１の熱交換器（４、４ａ、４ｂ）を介して回転遠心分離機の内側チャンバー（３）に伝達され、内側チャンバー（３）内で気体状のエネルギー伝達媒体が提供され、そして、熱は第２の熱交換器（５、５ａ、５ｂ）を介して遠心分離機（２）から放出される。 平衡状態でローター（１２）の内部に気体状のエネルギー伝達媒体を提供し、外向き方向の熱流を放射状に配向させることによって、使用エネルギーの実質的な減少が可能になる。 対流が妨げられることが、特許文献２の基礎をなす発明にとって重要である（２ページ、最後の文）。

特許文献３は、高速回転用として搭載されるローターに関する。 その中心に、熱エネルギー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。 気体状物質が収容されたチャンバーが設けられている。 この気体状物質は、チャンバー内の位置に応じて、熱エネルギー源から熱を受け取ること、又は熱交換器に熱を与えることが可能である。

本発明の目的は、高温媒体を効率的に生成するための方法を提供することである。

この目的を達成するために、本発明に係る方法は、収容された量の圧縮可能な流体（ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｆｌｕｉｄ）を回転軸の周りで回転させ、流体内に放射状の温度勾配を生成するステップと、回転軸から相対的に遠方にある流体の区域の流体によって、第２の媒体を加熱するステップと、を備える。

一形態において、本発明は、さらに、回転軸又は相対的に回転軸の近傍の区域にある流体によって、第１の媒体から熱を除去するステップ、すなわち、第１の媒体を冷却するステップを備える。

このようにして得られた熱媒体と冷媒体は、例えば建築物を加熱若しくは冷却するために、又は、例えばカルノーサイクル若しくは“蒸気サイクル”によって発電するために次々に用いることができる。

半径方向において画定される流体の部分が十分に混合されて、これらの部分内で少なくとも略一定のエントロピーが得られて、流体内で熱伝導が改善された場合には、本発明に係る方法の効率をさらに向上させることが可能になる。

また、熱伝導は、圧力及び流体の密度に応じて増加し、それ故に、効率も、圧力及び流体の密度に応じて向上する。 したがって、回転軸における圧力は、好ましくは２［ｂａｒ］を超えた圧力、より好ましくは１０［ｂａｒ］を超えた圧力とされる。 外周における圧力と回転軸における圧力との比率は、好ましくは５を超えた比率、より好ましくは８を超えた比率とされる。

伝導率によって熱を伝達させる代わりに、伝導率の代わりに又は伝導率に加えて、熱容量及び質量流量よって熱を伝達させることも可能になる。 そのためには、第１の媒体及び／又は第２の媒体は、前記収容された量（ｔｈｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ａｍｏｕｎｔ）の少なくとも１つの半径方向に沿って流れ、流体内に、少なくとも部分的に放射状の循環を生成する。

本発明は、さらに、第１の相対的に冷たい媒体から、第２の相対的に熱い媒体へ熱を伝達する装置に関する。 この装置は、支持構造体（ｆｒａｍｅ）に回転可能に搭載される気密のドラムと、ドラムの回転軸から相対的に遠方にあるドラムの内部、例えばドラムの内壁に搭載される第１の熱交換器と、を備える。

本発明の一形態によれば、この装置は、回転軸又は相対的に回転軸の近傍に配置される第２の熱交換器を備える。

別の形態によれば、この装置は、少なくとも略円筒状及び同軸の壁を１以上備えており、１以上の壁は、半径方向に、ドラムの内部を複数の区画に分割する。

さらなる一形態によれば、熱交換器のうちの少なくとも１つは、仕事を生成するためのサイクルに接続する。 その更なるサイクルは、高温熱交換器に熱的に接続された蒸発器若しくは過熱器、低温熱交換器に熱的に接続された凝縮器、並びに熱機関を備えることができる。

さらに別の一形態によれば、圧縮可能な流体は、気体であって、好ましくは原子番号（Ｚ）が１８以上の単一原子（例えばアルゴンなど）、より好ましくは３６以上の単一原子（例えばクリプトンやキセノンなど）を含有しているか、又は、そのような単一原子から基本的に構成されている。

本発明は、次のような知見に基づいている。 すなわち、通常は、より高いエントロピーからより低いエントロピーへと熱は流れ、それ故、高温から低温へと熱は流れる。 しかしながら、重力場にある等エントロピーの圧縮可能な流体のカラムの中では、より低いエントロピーからより高いエントロピーへと熱は流れるという知見である。 地球の大気圏内では、この効果は、垂直方向の温度勾配を、計算値の１０［℃／ｋｍ］から実際の６．５［℃／ｋｍ］まで減少させる。 水力発電も同じ原理に基づく。

減少した耐熱性はさらに、低温から高温への熱の流れを高める。

本発明の少なくとも幾つかの形態によれば、単に地球の重力のみにさらされるカラムと比較して、圧縮可能な流体のカラムの長さを短縮するために、人工重力が使用され、そして、大気は、流体内で遥かに高い温度勾配を許容している気体に置換される。 混合は、流体内での熱伝導を改善するために用いられる。

本発明の枠組みの範囲内で、「勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ）」という用語は、１つの点から別の点へ通過する際に、例えばシリンダの半径に沿って通過する際に観測される特徴量についての、連続的又は段階的な増減として定義される。

完全を期すために、次の点に注意されたい。 すなわち、特許文献４は、ローターによってもたらされる通路内で作動流体を循環させること、前記作動流体を通路内で圧縮すること、並びに、熱除去用熱交換器内の前記作動流体から熱を除去すること、及び、熱印加用熱交換器内の前記作動流体に熱を印加すること（それら全てが前記ローターによってもたらされる）によって、加熱と冷却を生成するための方法及び装置に関する。 作動流体は中で封入されており、適当な気体、例えば窒素を採用することができる。 作動流体熱交換器も、前記作動流体の２つの流れの間においてローター内の熱を交換するために設けられる。

特許文献５は、温度上昇を伴う回転ローター内で遠心力によって圧縮される圧縮可能な作動流体を使用して、低温の熱源からより高温の加熱されたシンクへ熱を伝達するための方法及び装置に関する。 熱は、加熱された作動流体から、より高温の加熱されたシンクに伝達される。 そして、熱は、膨張及びより冷えた熱源からの冷却の後の作動流体に対して印加される。 冷却は、作動流体の密度を制御し、作業流体の循環を支援するために、ローター内で提供される。

類似の方法及び装置は、特許文献６乃至９により公知になっている。

特許文献１０は、（しばしば気体状又は蒸気状の）可動性の原子又は分子（４）を用いて、第１区域（７１）から第２区域（７２）へ熱を伝達するための装置（７０）及び方法に関する。 この特許文献１０の一実施形態においては、通常は単純な分子運動によって熱の伝達を妨げる原子／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領域（３３）、例えばカーボンナノチューブを用いて原子／分子を整列配置させ、そして、これらの原子／分子に対して伝熱方向への加速力を印加することで、封じられる。 加速力は、好ましくは求心力であると良い。 代替の実施形態によれば、ナノサイズの拘束領域内の分子（４Ｃ）は、細長い拘束領域（４０）の伸長の横断方向の振動によって熱を伝達するように、配列させても良い。

特許文献１１，１２は、回転式ヒートパイプに関する。 特許文献１３は、圧縮や膨張を行うなどの方法で、存在する作動流体に対して作用するステップを、少なくとも１つ含むエネルギー変換のための工業的方法に関する。

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。

本発明の第１実施形態に係る装置の斜視図である。

本発明の第１実施形態に係る装置の側面図である。

本発明の第１実施形態に係る図１の装置で用いられるドラムの横断面図である。

本発明の第２実施形態に係る装置の横断面図である。

本発明の第２実施形態に係る図４の装置を備える発電所の模式的なレイアウトを示す図である。

本発明の第３実施形態に係る装置の側面図と断面図である。

本発明の第３実施形態に係る図６の装置で用いられる熱交換器ユニットの横断面図である。

本発明の第３実施形態に係る図７の熱交換器ユニットで用いられる熱交換器用チューブの横断面図である。

同一要素、並びに、同一若しくは実質的に同一の機能を果たす要素については、同一の符号が付されている。

図１は、本発明の第１実施形態に係る人工重力装置１の実験装置を示している。 人工重力装置１は、床上に堅固に配置されている静的な土台支持構造体２と、土台支持構造体２に搭載される回転板３と、を備えている。 駆動手段、例えば電気モータ４は、土台支持構造体２に搭載されて、回転板３に連結されている。 抗力を減少させるべく、環状壁５は、回転板３の外周に沿って、回転板３に固定される。 さらに、シリンダ６は、回転板３に固定され、その半径に沿って延在する。

図３に示すように、シリンダ６は、中心のリング７と、２つの外側のシリンダ８（Ｐｅｒｓｐｅｘ（商標）製）と、外側のシリンダ８の内部に同軸に搭載された２つの内側のシリンダ９（Ｐｅｒｓｐｅｘ（商標）製）と、２つの端板１０と、複数の止め金具１１と、を備える。 複数の止め金具１１によって、２つの端板１０は、シリンダ８，９に装着され、次に、シリンダ８，９は、中心のリング７に装着される。 シリンダ６は、１．０メートルの全長を有する。 図３は、一定の縮尺で描かれている。

中心のリング７、内側のシリンダ９、及び端板１０によって定義される内腔部（ｌｕｍｅｎ）は、周囲温度及び１．５［ｂａｒ］の圧力で、キセノンにより満たされており、さらに、ミキサ又はベンチレータ１２を含んでいる。 最後に、ペルチェ素子（図示せず）は中心のリング７の内壁に搭載され、温度センサ及び圧力計（図示せず）は、リング７内及び端板１０内のそれぞれに存在する。

動作時、回転板３はほぼ１０００［ｒｐｍ］の速度で回転し、それ故、シリンダ６もほぼ１０００［ｒｐｍ］の速度で回転する。 流体の放射状の各区域は、これらの中で少なくとも略一定のエントロピーが得られるように、ベンチレータ１２によって十分に混合される。 本プロセスが可逆性であるという事実を考慮し、そして、内側のシリンダ８及び外側のシリンダ９によって提供される熱隔離を考慮すると、すなわち、この隔離が実質的に断熱プロセスを実行可能にすることを考慮すると、シリンダ６内の回転軸から外周への伝熱及びその逆の伝熱は、ほぼ等エントロピーである。

回転に応じて、端板１０のキセノンの温度及び圧力は増加し、そして、リング７の温度及び圧力は減少する。 平衡に達した際に、ペルチェ素子によって段階状の熱パルスがリング７の気体に供給されると、リング７の温度及び圧力が増加し、その後、端板１０の温度及び圧力が増加する。 すなわち、相対的に低温度の源（リングの気体）から、相対的に高温度の源（端板の気体）に熱が流れる。

図４は、本発明の第２実施形態に係る人工重力装置１の実験装置を示している。 人工重力装置１は、床上に堅固に配置されている静的な土台支持構造体２と、回転するドラム６と、を備えている。 ドラム６は、例えば、ボールベアリング２０などの適切なベアリングによって、その長手方向の軸の周りを回転可能なように、土台支持構造体２に搭載されている。 ドラム６は、２乃至１０メートルの範囲の適切な直径を有し、例えばこの例では４メートルの直径を有している。 ドラムの壁は、公知の方法で、熱的に分離される。 人工重力装置１は、さらに、５０乃至５００［ｒｐｍ］の範囲の速度でドラムを回転させる駆動手段（図示せず）を備えている。

ドラム６は、少なくとも２つの熱交換器として、第１の熱交換器２２及び第２の熱交換器２３を含んでいる。 第１の熱交換器２２は、ドラムの回転軸から相対的に遠方にあるドラム内部に搭載される。 第２の熱交換器２３は、前記軸又は相対的に前記軸の近傍に配置される。 この例では、熱交換器２２，２３のそれぞれは、回転可能な第１の流体継手２４を介して供給側に接続され、回転可能な第２の流体継手２５を介して排出側に接続されるチューブであって、回転軸と同軸のコイル状のチューブを備えている。

図４に図示した実施形態は、さらに、ドラムの長手方向の軸と同軸のチューブ２６を備えている。 チューブ２６は、ドラムの内容物を強制的に循環させるための軸上のベンチレータ２７を含んでいる。 この例では、ドラムは、（周囲温度で）５［ｂａｒ］の圧力で、キセノンにより満たされており、他方、熱交換器２２，２３は水により満たされている。

図５は、発電所の模式的なレイアウトである。 この発電所は、仕事を生成するためのサイクル（この例ではいわゆる“蒸気サイクル”）に接続される図４の実施形態を備える。 このサイクルは、人工重力装置１の高温の熱交換器２２に接続される過熱器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、人工重力装置１の第２の熱交換器２３に接続される凝縮器３２、ポンプ３３、及び蒸発器３４を備える。 蒸気サイクルはまた、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、キセノン内で放射状の温度勾配が生成され、熱交換器間の温度差（△Ｔ）はそのドラムの角速度に応じて１００［℃］乃至６００［℃］の範囲になる。 この例では、ドラムは３５０［ｒｐｍ］で回転し、その結果、ほぼ３００［℃］の温度差（△Ｔ）をもたらす。 ２０［℃］の水は、熱交換器２２，２３の両者に供給される。 高温の熱交換器２２からの加熱蒸気（３２０［℃］）は過熱器３０に供給されるのに対して、低温の熱交換器２３からの冷却水（１０［℃］）は凝縮器３２に供給される。 蒸気サイクルは、公知の方法で仕事を生成する。

別の実施形態では、装置は、直列又は並列に接続される２以上のドラムを備える。 例えば、直列に接続された２つのドラムを備えているという設定の下では、第１のドラムからの加熱媒体は、第２のドラムの低温の熱交換器に供給される。 その結果、第１のドラム内の伝熱と比較して、第２のドラム内の高温の熱交換器に対する伝熱は相当増大する。 第１のドラムからの冷却媒体は、例えば凝縮器内で冷却剤として用いることが可能である。

別の実施形態では、上述したチューブ（２６）の変形例又は追加例として、装置は、ドラムの内部を複数の区画に分割する、少なくとも略円筒状及び同軸の複数の壁を備えている。 各々の区画内の流体は、例えばベンチレータ又は静的部材によって十分に混合され、これにより、各々の区画内で略一定のエントロピーが確立されて、各々の区画内で質量移動が強化される。 その結果、外向き半径方向に負の段階的なエントロピー勾配が実現され、ドラムの回転軸からドラムの外周までの伝熱が可能になる。

相互に区画を分離している複数の壁は、密に堅固にされて、１つの区画から次の区画への質量移動を阻止するようにても良いし、例えば金網やメッシュのように隙間があけられて、制限ある質量移動を許容するようにしても良い。 複数の壁にはまた、突起部、及び／又は、表面積を増加させて区画間の伝熱を増大させる他の機構が設けられても良い。

伝導率によって熱を伝達させる代わりに、上記実施形態のように、伝導率の代わりに又は伝導率に加えて、熱容量及び質量流量によって熱を伝達させることも可能である。 熱容量及び質量流量に基づく人工重力装置１の実施形態（第３実施形態）は、図６Ａ乃至図８に示されている。 この実施形態では、第１の熱交換器及び第２の熱交換器は、放射状に延在する複数の交換器ユニット２２Ａ，２３Ａを備える。 複数の交換器ユニット２２Ａ，２３Ａは、軸方向及び接線方向ともに均一にドラム６の内壁の表面上に配置される。

図７においてさらに詳細に示すように、各ユニットは、二重の壁の熱交換器用チューブ４０を備えている。 熱交換器用チューブ４０の横断面図は図８に示されている。 熱交換器用チューブ４０は、注入口４１と、中心の供給チューブ４２と、その供給チューブと同心円状の外側の帰還のチューブ４３と、排出口４４と、を備えている。 外側のチューブ４３の外面上には、熱交換を強化させるための手段、例えばフィン４５のような外側のチューブ４３の外面積を増大させる機構が次々に設けられている。

各ユニットは、さらに、サイフォン４６を備えている。 サイフォン４６は、熱交換器用チューブ４０の周りに同心円状に配置され、ドラム６の壁６Ａと壁６Ｂとの間の半径方向の距離の少なくとも７０％、例えば８０％の長さに及んでいる。 サイフォン４６の内外でエントロピーを等しくするために、少なくともサイフォン４６の内面には、熱交換を強化するための手段、例えばフィン４７のようなサイフォン４６の内面積を増大させる機構が設けられている。

動作時、冷却媒体、例えば水は、ドラム６の回転軸から相対的に遠方に配置される熱交換器用チューブ４０に供給され、これにより、ドラム６の流体が局所的に冷却され、密度が局所的に上昇してエントロピーが低下する。 交換器ユニット２２Ａのチューブの周辺の高密度の流体は、人工重力によって強制的に外部に移動し、すなわち、水と並流して、ドラム６の外壁６Ａの方向へ流れ、その結果、外壁６Ａの内面上に拡散する。

加熱媒体、例えば水は、ドラム６の回転軸から相対的に近傍に配置される交換器ユニット２３Ａのチューブに供給され、これにより、ドラム６の流体が局所的に加熱され、密度が局所的に低下してエントロピーが上昇する。 熱交換器用チューブ４０の周辺の流体は、人工重力の結果として内部に移動し（浮力）、すなわち、水と並流して、ドラム６の内壁６Ｂの方向へ流れ、その結果、内壁６Ｂの内面上に拡散する。

これらの２つの現象は協同して熱交換器間に循環を生成する。 この循環によって、ドラム６の回転軸の相対的に近傍の熱交換器２３から外方向への伝熱、及び、ドラム６の回転軸から相対的に遠方の熱交換器２２への伝熱が強化される。

本実施形態において、交換器ユニット２２Ａ，２３Ａのチューブの長さは、例えば、装置の周辺などの関連熱緩衝部の温度とほぼ同一温度となるドラム内部の流体の区域に到達しないように、選択される。

さらなる別の実施形態では、さらなる液体は、例えば放射状に延在するチューブの内部で、ドラムの中心から外周の方へ流れる。 このようにして、位置エネルギーと圧力が得られる。 その高圧の液体は、発電機、例えば（水力）タービンを駆動して、その後、ドラムの内壁又はその近傍における相対的に熱い圧縮可能な流体（例えばキセノン）によって、蒸発する。 このようにして得られた蒸気は、少なくとも部分的にそれ自身の膨張を利用することによって、ドラムの中心に戻るように伝達されて、そして、相対的に冷たい圧縮可能な流体によって凝縮される。 この実施形態は、発電機を直接動かすために用いることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲内で様々な手法により変更することが可能である。 例えば、二酸化炭素、水素、ＣＦ４（四フッ化メタン）等の他の媒体は、ドラムの熱交換器内で用いることが可能である。 また、回転抵抗を減少させるために、ドラムは、低圧又は真空環境において作動させることが可能である。

１ 人工重力装置２ 土台支持構造体３ 回転板４ 電気モータ５ 環状壁６ シリンダ／ドラム６Ａ 外壁６Ｂ 内壁７ リング８ シリンダ９ シリンダ１０ 端板１１ 止め金具１２ ミキサ又はベンチレータ２０ ボールベアリング２２ 熱交換器２２Ａ 交換器ユニット２３ 熱交換器２３Ａ 交換器ユニット２４ 流体継手２５ 流体継手２６ チューブ２７ ベンチレータ３０ 過熱器３１ タービン３２ 凝縮器３３ ポンプ３４ 蒸発器４０ 熱交換器用チューブ４１ 入口４２ 供給チューブ４３ チューブ４４ 放出口４５ フィン４６ サイフォン４７ フィン