機械エネルギーによって低温の熱エネルギーを高温の熱エネルギーに変換する方法、及びその逆の変換をする方法

本発明は、機械エネルギーによって低温の熱エネルギーを高温の熱エネルギーに変換する方法、及びその逆の変換すなわち機械的エネルギーを放出するときに高温の熱エネルギーを低温の熱エネルギーに変換する方法、に関し、閉じた熱力学的循環プロセスを介して移動する作動媒体を備え、この循環プロセスには、以下の作動工程が含まれる。すなわち、 −作動媒体の可逆的な等エントロピー圧縮と、 −作動媒体からの等圧熱伝達と、 −作動媒体の可逆的な等エントロピー膨張と、 −作動媒体への等圧熱伝達と、 が含まれる。

更に、本発明は、圧縮機と、膨張ユニットと、熱の供給又は除去を行うそれぞれの熱交換器と、を備える、本発明の方法を実施する装置に関する。

様々な装置が公知であり、いわゆるヒートポンプとして知られており、ヒートポンプでは、圧力を増加することによって低温の作動媒体の熱を比較的高温に運搬するのに、普通、モーターが用いられている。公知のヒートポンプでは、作動媒体は、熱力学的循環プロセスを介して移動し、熱力学的循環プロセスは、熱交換器での作動媒体の、蒸発と、圧縮と、液化と、膨張と、を含み、作動媒体の全体的な条件が変化する。

公知のヒートポンプでは、冷媒として、R134a、又はR134aと他の成分との混合、を通常利用しており、R134aは、オゾンに有害な影響を与えないが、同じ量のCO2よりも1300倍も大きい温室効果を有している。このような方法は、カルノープロセスによって実施され、性能の理論値又はCOP(成績係数)、すなわち消費した電気エネルギーに対する放出した熱量の間の相関関係が、約5.5(作動媒体を0℃から35℃まで「ポンピング」したとき)を示す。しかし、現在までに達成された最高の成績係数は、4.9にすぎず、概して、良好なヒートポンプは、現在約4.7の成績係数を生じる。

特許文献1からは、冷凍機又はモーターとして利用できる装置が公知であり、ここでは空気が作動媒体として利用され、空気は、環境から吸い込まれ、圧縮又は膨張した後に、環境中に再び放出される。このようなオープンシステムにおいては、作動媒体が機械の中に入ると、角運動量が増加し、作動媒体が機械を出ると、角運動量が減少し、これによって大きな摩擦損失を発生する。

特許文献2からは、中空ローターを備える装置が公知であり、ここでは、案内通路又はガイドベーンが回転体の外周に配置され、高速の相対速度が案内通路と作動媒体との間で発生する。このようなガイドベーンは、流れのエネルギーにおいて非常に大きな損失を生じ、この損失は、比較的低い成績係数の原因となる。

特許文献3は、単に従来のターボ圧縮機又は容積型圧縮機を備える別のタイプのヒートポンプを開示しているだけである。更に、特許文献4からは、遠心力を利用する熱力学的装置が公知であるが、この装置はまた、絞り装置を備えており、これによって大きな摩擦損失を発生する。

他方、多くの方法が、先行技術から公知であり、特に地熱流体と地熱蒸気からの熱を電気エネルギーに変換する技術が公知である。いわゆるカリーナ(KALINA)プロセスでは、熱は水から、アンモニアと水の混合物に与えられ、これによって、かなり低い温度で蒸気を生じ、この蒸気が、タービンを動かすのに利用される。例えば、このようなカリーナプロセスは、特許文献5に記載されている。

様々な熱交換方法において、非常に高い成績係数の達成が、理論的に可能であるのに対し、作動媒体がガスの領域で圧縮され、膨張する、従来の圧縮機と膨張ユニットは、比較的低い効率を有する。

WO 1998/30846 A1

DE 27 29 134 A1

FR 2 749 070 A1

GB 1 217 882 A

US 4 489 563

従って、本発明の目的は、機械エネルギーによって低温の熱エネルギーを高温の熱エネルギーに変換し、また、その逆の変換をする場合に、効率又は成績係数の改善を行うことである。

この目的は、本発明によって、作動媒体に作用する遠心力を増加するか、又は遠心力を引き出すことによって圧縮又は膨張を行う場合に、作動媒体の圧力を増加するか又は減少させることによって、達成され、作動媒体の流れのエネルギーは、圧縮又は膨張の間、失われない。従来の圧縮機と比較して、明らかに高い効率が、作動媒体における遠心加速の利用と流れのエネルギーの保存によって達成されるが、従来の圧縮機では、圧縮機の周囲における作動媒体の速い速度が圧力に変換され、それによって低い効率を生じる。同様に、効率は、遠心力を減少させることによる膨張の間に作動媒体の圧力を減少させることによって、膨張の間、上昇する。これは、プロセス全体の成績係数又は効率を大幅に向上させる。

更に、ガス状の作動媒体が膨張し、仕事がエネルギーの見地から理屈に合った方法で回収できるので、作動媒体が全循環プロセスにわたってガス状であることは、効率改善のために有利であり、液体媒体に関するエネルギーには無関係である。更に、ガス領域における効率に対する影響は、2相領域における効率に対する影響よりも大きい。

遠心加速による圧縮性の高さに関しては、定圧(cp)比熱の小さいガスを利用するか、又は、高密度のガスを利用すると、有利である。従って、利用される作動媒体は、不活性ガスであることが好ましく、特にクリプトン、キセノン、アルゴン、又はラドン、又はこれらの混合ガスであることが好ましい。更に、閉じた循環プロセスの圧力が、少なくとも50bar以上であることが好ましく、特に70bar以上であることが好ましく、約100barであることが好ましいことが実証され、このことは、全プロセスにわたって比較的高圧であることが好ましいことを示している。比較的高圧であることは、熱交換器での圧力損失を低く保つことを可能とするが、これは、熱の移動が、比較的低流量で比較的大きいからである。

ガス状の作動媒体の、臨界点の近くでの循環プロセスを実行することは、全体的な効率を更に改善するか、又は、成績係数を上昇させ、この臨界点は、使用する作動媒体の変動する圧力又は温度の関数である。全体的な成績係数又は全体的な効率は、臨界点のエントロピーにできるだけ近いエントロピー範囲で膨張させることによって、最大にされる。更に、膨張温度を、臨界点のすぐ上の低い温度にすると、有利である。臨界点は、ガスの混合を利用して、望ましいプロセス温度に合わせることができる。

作動媒体の、構造的に簡単で効果的な冷却又は過熱は、等エントロピー比熱比κが約1である熱交換媒体を利用して、熱量を取り去り又は供給することによって、達成することができる。

本発明による方法を実施する装置では、圧縮機又は膨張ユニットが、ガイドベーンを備えず、作動媒体の圧力は、作動媒体に作用する遠心力を増加又は減少させることによって増減されるように構成される。本発明による方法に関連して上述したように、この構成は、作動媒体の圧縮と膨張の間、効率の顕著な改善を生み、それによって、公知の装置と比較して、本発明による装置の成績係数又は効率を、顕著に改善する。

熱交換器の構造的に簡単な構成という観点において、熱交換器が、液体伝熱媒体を送る少なくとも1つの配管を備えると、有利である。

圧縮機から膨張ユニットへ、小さい摩擦で移動できるようにするには、すなわち、作動媒体の流れのエネルギーを維持するためには、膨張ユニットが熱交換器を介して直接圧縮機に接続されていると、有利である。装置の構造を簡単な構成にするには、圧縮機と膨張ユニットの羽根車を同一回転軸に取り付けると、有利である。

遠心加速によって作動媒体の圧力を増加させる、構造的に簡単な方法の1つは、圧縮機と膨張ユニットの羽根車と共に回転するケーシングを備えることである。

圧縮された作動媒体の効果的な冷却を行うためには、ケーシングが、共に回転する熱交換器を収容すると、有利である。共に回転する熱交換器は、外側の周囲に配置すると、有利である。

しかしながら、ケーシングが羽根車と共に回転する代わりに、羽根車が固定ケーシングに収容されるほうが、考えやすい。この構成は、構造上の経費の削減を可能にする。固定ケーシングに接続された熱交換器の配管での、作動媒体の摩擦損失を避けるためには、熱交換器の配管が、部分的に固定ケーシングに組み込まれ、作動媒体と接触する固定ケーシングの表面ができるだけなめらかになるようにすると、有利である。

外側に回転部分を設けることを避けるためには、圧縮機と膨張ユニットとを取り囲む、回転しないケーシングを備えると、有利である。

作動媒体に効果的な熱の供給を行うためには、上述の2つの熱交換器がこのケーシングに組み込まれると、有利である。

作動媒体を循環させる少なくとも1つの回転可能に取り付けられた配管システムを備えることは、作動媒体を送る配管の壁厚を、作動媒体を収容しているケーシングの壁厚よりも小さくすることができるので、装置の全体的な重量を比較的小さくすることができる。

配管システム内の作動媒体を、遠心力によって圧縮することに関しては、配管システムが、半径方向に延びる直線状の圧縮配管を備えると、有利である。

配管システム内で作動媒体を確実に循環させるためには、配管システムが、回転軸の回転方向に対して反対方向に曲げられている膨張配管を備えると、有利である。膨張配管は、円形状に曲がった断面を有することができ、構造を簡単にすることができる。或いは、膨張配管はまた、回転中心に向かって次第に減少する断面半径を有する曲がりを備えることができる。この構成は、配管システムに生じる乱流を減少させることができる。

更に、配管システム内の作動媒体の流れは、配管システムに、配管システムに対して回転する翼車(31)を組み込むことによって、信頼性を高めることができる。翼車は、圧縮機、又は膨張タービン、又はガイドベーンとして設計され、回転しないように配置することができ、この回転しない配置は、回転する配管システムに対して、相対的な運動を発生させる。この翼車は、例えば、発電用、又は、配管システム又は発電機に相対的な運動を引き起こす、モーターを備えることも考えられ、このモーターは、翼車の相対的な運動を介して、発生した軸出力を電気エネルギーに変換する。

簡単で効果的な熱供給又は熱の除去に関して、配管システムの軸方向に延びる部分が、熱交換器の、同軸配置された配管で取り囲まれていると、有利である。

ヒートポンプとして作動中に、圧縮に必要なエネルギーと、膨張によって回収されたエネルギーとの間のエネルギーの差を補うためには、モーターが回転軸又は配管システムと接続されていると、有利である。

温度レベルの違いによって得られたエネルギーを電気エネルギーに変換するためには、すなわち、この装置を熱機関として利用する場合には、発電機が回転軸に接続されていると、有利である。

本発明は、図面中に示された好ましい実施形態に基づいて、以下で更に詳細に記載されるが、これらに制限されるものではない。記載された実施形態を組合せることができることもまた、明らかである。

図1は、本発明による装置又は本発明による方法の、ヒートポンプとして作動中の、プロセスブロックダイヤグラムである。

図2は、共に回転するケーシングを備える、本発明による装置の断面図である。

図3は、固定ケーシングを備える、本発明による装置の断面図である。

図4は、図3に類似した断面図であるが、内部にモーターが組み込まれている。

図5は、作動媒体を運ぶ配管を備える、別の実施形態の断面図である。

図6は、図5中の直線VI〜VIによる断面図である。

図7は、図5中の直線VII〜VIIによる断面図である。

図8は、作動媒体を収容する配管システムを備える別の実施形態の断面図である。

図9は、図8による装置の斜視図である。

図10は、図5に類似した装置の断面図であるが、タービンが静止している図である。

図11は、図10に類似した断面図であるが、タービンが、配管システムに対して回転している図である。

図1は、先行技術から公知である熱力学循環プロセスの、プロセスブロックダイヤグラムを示す。図示のヒートポンプとしての応用では、圧縮機1は、まず最初に、ガス状の作動媒体を等エントロピー的に圧縮するのに利用される。次に、等圧の熱除去が、熱交換器2によって行われ、高温による熱エネルギーが放出され、(水、又は水と不凍液、又は他の液体伝熱媒体によって)熱循環システムに循環される。

次に、等エントロピー膨張が、タービンで構成される膨張ユニット3で実行され、これによって機械的エネルギーを回収する。次に、もう一つの熱交換器4が、等圧の熱供給に利用され、これによって(水、水と不凍液、塩水、又は他の液体伝熱媒体を備えた)循環システムとして、このシステムに低温の熱エネルギーを供給する。この場合、熱エネルギーは、普通、井戸水から取り出されるが、いわゆる深さの調査から、熱が地下最高200mの深さに位置する熱交換器から取り出され、ヒートポンプに供給されるか、又は、地面のすぐ下に配置された大型熱交換器(配管)から取り出されるか、又は、空気から取り出される。上述のように、圧縮機1による等エントロピー圧縮に続いて、この等圧の熱供給が行われる。

本発明による装置又は本発明による方法が、高温の熱エネルギーから低温の熱エネルギーに変換するのに利用される場合には、前述の循環プロセスは、逆の順序で実施される。ヒートポンプとしての作動中、モーター5は、回転軸5’を駆動するために利用され、熱機関としての作動中は、モーターは、発電機5又はモーター発電機5に置き換えられる。

図2は、モーター5が回転軸5’を介して、共に回転するケーシング6を備える圧縮機1を駆動する、本発明による装置を示している。更に、圧縮機1の羽根車1’は、電動モーター5で駆動される回転軸5によって駆動され、不活性ガスが、シールされ、静止したケーシング8に収容され、不活性ガスは、クリプトン、又はキセノンであることが好ましく、共に回転するケーシング6内で、遠心加速によって圧縮される。

共に回転するケーシング6には、熱交換器2の螺旋配管9が組み込まれており、螺旋配管9には、熱交換媒体、例えば水、が保持されている。比較的冷たい水が、入口10を通して流れ方向10’の方向に、共に回転するケーシング6内の、外周部に配置された螺旋配管9内に取り入れられ、可能な限り高圧のもとで作動媒体から熱の等圧除去を行い、出口11から比較的暖かい水を排出する。

次に、作動媒体は、膨張ユニット3の羽根車3’に、損失なしで流れ込み、羽根車3’によって機械的エネルギーが回収される。次に、静止したケーシング8の中で、外側の熱交換器4の螺旋配管12によって、等圧の熱の供給が行われ、次に、作動媒体は、圧縮機1の羽根車1’によって断熱等エントロピー圧縮を再び受ける。

しかし、重要なのは、作動媒体のエネルギーが、圧縮機1における圧縮又は膨張ユニット3における膨張の間、流体のエネルギーを保持するシールシステムを備える装置内に保存され、作動媒体の圧力の増加又は減少が、作動媒体のガス分子の遠心加速だけによって得られるということである。その結果、電気エネルギー又は機械エネルギーによって低温の熱エネルギーを高温の熱エネルギーに変換する間、又はその逆の変換を行う間、効率又は成績係数は、大幅に向上することができる。

図3は、別の実施形態を示し、そこでは、静止した内部ケーシング6’が備えられている。この構成は、構造設計を簡単にする。ガス状の作動媒体の流れ損失を抑制するか、作動媒体の角運動量をできるだけ保存するために、作動媒体が接触する静止した表面は、できるだけなめらかであり、圧力損失を増加するような、流れに対して直角をなす伝熱配管がない。熱交換器2の螺旋配管9は、自立しているのではなく、なめらかな表面2’を有する静止したケーシング6’に組み込まれている。全体的な装置の成績係数又は効率を向上させるために、絶縁材料13は、静止したケーシング6’の内側に組み込まれている。

図4は更に別の実施形態を示し、これは図3と基本的に同一であるが、唯一の違いは、モーター5の配置であり、この実施形態のモーター5は、固定ケーシング6の中に収容されている。

モーター軸16に対して相対的に静止した、圧縮に耐えるブッシュ15の中を延びる配線14は、モーター5に電力を供給するために設けられている。モーター5は、圧縮機1又は膨張ユニット3と共に回転するために、圧縮機1又は膨張ユニット3に接続されている。この構成は、運動用ガスケット(ガスと液体用のガスケット)を不要にし、それによってメンテナンス作業を減少させる。

図5から7は、本発明による装置の別の実施形態を示し、ここでは、作動媒体の圧力にさらされる各部が、配管又は配管システム17として設計され、これによって、装置の全体的な重畳さを低減し、図2から4に示すケーシング6、6’及び8の肉厚に比べて、配管17の肉厚を、より薄くすることができる。

ここでは、作動媒体は、初めに、圧縮機ユニット1の配管システム17の放射状に延びる圧縮配管18で、遠心加速によって圧縮される。熱交換器2は、軸方向に延びる配管17の外側の部分に関して同軸に配置されている配管19を備え、配管17を取り囲み、圧縮され作動媒体の熱は、熱交換器2の液体熱交換媒体に対して向流となって放出される。

作動媒体は、次に、(膨張ユニット3の)膨張配管20で膨張する。膨張配管20は、装置の回転方向21に対しての反対方向に曲げられており、後方への配管曲がり(図7参照)によって、作動媒体の循環が、確実に起こる。

図7に示すように、膨張配管20は、半円形の態様で曲げることができ、構造設計において、製造容易にすることができる。次に、作動媒体は、配管システム17において軸方向に流れ、ここでもまた、低圧の熱交換器4が、同軸に配置された配管19を備え、液体熱交換器媒体からの熱が、冷えた膨張した作動媒体に放出される。

図7に示すように、この構成は、作動媒体に対して上から見た場合に、8の字のような形状をした、2つの閉じた配管システム17を形成し、これらは、互いに対して90°ずれている。配管システム17は、更に多くの配管20を備えることができ、回転対称な配置だけが、バランスを容易にするために維持されなければならない。

配管17の軸方向に延びる部分に対して同軸に配置されている熱交換器2と4の配管19は、配管22、23、24、25によって相互に接続されており、配管22、23、24、25は、液体を運び、この配管システム22〜25は、装置の他の部分と強固に固定され、共に回転する。液体の伝熱媒体は、静止供給器26の供給部26’を介して、配管システム17に供給される。熱交換媒体は、次に、共に回転する供給器27によって、配管22を通して熱交換器2に送られ、そこで加熱され、配管23を通して供給器27に戻される。加熱された伝熱媒体は、次に、静止供給器26又は排出部26”によって、熱循環システムに接続される。

熱交換器4の冷えた熱交換媒体は、静止供給器28の供給部28’を介して案内され、この共に回転する配管25の、別の共に回転する供給器29によって低圧の熱交換器4に送られ、低圧の熱交換器4において、熱が、ガス状の作動媒体に放出される。 熱交換媒体は、次に、共に回転する配管25によって、共に回転する供給器29に送られ、次に、静止供給器28に送られ、その後、供給部28’によって排出される。

モーター5が、圧縮機1と、熱交換器2、4と、膨張ユニット3と、を駆動するために、ここでも備えられている。

図8と9は、図5〜7のうちの1つに類似する実施形態であるが、膨張配管20は、断面が半円形でなく、回転軸30の中心の方に向かって連続的に小さくなる半径を有している。これは、作動媒体の、単調に低下する、減速する動きを与え、発生した乱流を減少させることができる。更に、図8と9に示されている実施形態は、互いに対して60度ずれた2つの独立した配管システム17を示し、そこでは、3つの圧縮、膨張等が、配管システム17ごとに行われる。

図10は、別の実施形態を示し、大部分が図5〜7と同じであるが、作動媒体の循環が、回転方向とは反対方向に曲げられた配管20によって行われるのではなく、圧縮機又はタービンのように作動する翼車31によって行われる。翼車31は、固定されており、翼車31では、翼車31を囲んでいる配管17への相対的な回転運動が、配管17内の作動媒体の流れを発生させる。

この場合、作動媒体は膨張ユニット3の配管17で膨張し、翼車31に送られ、翼車31は、翼車ケーシング32に収容され、翼車ケーシング32は、カバー33によって閉じられている。翼車31は、軸受34によって回転できるように取り付けられているが、永久磁石35を備え、永久磁石35は、翼車ケーシング32の外側に回転しないように配置された永久磁石36と、相互作用を行い、それによって翼車31を固定する。磁石36は、静止軸37に着座している。

図11は、図10の中で示された実施形態に非常に類似した装置を示すが、圧縮機と膨張ユニット1と3の配管17に対する翼車31の相対的な回転運動は、モーター38によって発生される。モーター38は、共に回転する供給器27に対して回転しないように固定される。電力は、配線39によって供給され、配線39は、軸40内に収容されている。軸40は、電力供給のために、接点41を有する。この実施形態では、モーター5によって供給される駆動力は、回転システムの空気抵抗に打ち勝つだけを目的としている。

モーター5は、従って、液体伝熱媒体の循環システムでタービンを利用することによって、省略することができ、タービンは循環からこの動力を得る。空気抵抗に打ち勝つために必要な動力は、更にポンプによって供給され、ポンプは、循環する液体伝熱媒体を駆動する。