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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-11-08
(54)【発明の名称】熱振動システム
(51)【国際特許分類】
F28D 15/02 20060101AFI20241031BHJP
F25B 1/047 20060101ALI20241031BHJP
F28F 5/06 20060101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
F28D15/02 101D
F25B1/047 Z
F28F5/06
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2024527513
(86)(22)【出願日】2022-11-10
(85)【翻訳文提出日】2024-05-20
(86)【国際出願番号】 IL2022051202
(87)【国際公開番号】W WO2023084520
(87)【国際公開日】2023-05-19
(31)【優先権主張番号】2116171.6
(32)【優先日】2021-11-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524173785
【氏名又は名称】エクセンシー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】エリヤフ，ニツァン
(57)【要約】
サイクルストリームの液体分画と蒸気分画との間に強制振動熱伝達を作り出すことにより、その相転移エンベロープ内で動作するサイクル液体－蒸気流体の蒸気および液体分画を調節するための方法およびシステム。液体ストリームセグメントは、膨張冷却されて、蒸気ストリームセグメントと熱連通するようにされる。膨張冷却された液体との接触は、分子間力が、凝縮を駆動して、膨張冷却されたストリームセグメントの温度よりも高い凝縮温度で凝縮熱を放出するのを可能にする。結果として生じる温度勾配は、膨張冷却されたセグメントが一定体積で維持されて、サイクル液体－蒸気流体内で振動熱サイクルを形成するために、凝縮熱を捕捉し、再度、強制的に凝縮される蒸気ストリームセグメント中に等積気化するのを可能にする。
【選択図】図１３
【選択図】図１３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
サイクル液体－蒸気ストリーム内での熱管理の方法であって、凝縮物を第１の温度および第１の圧力で生成するために前記サイクル液体－蒸気ストリームの蒸気から凝縮熱を等圧放出することと、
同時に、前記液体－蒸気ストリームの凝縮物を、前記第１の温度より低い第２の温度および前記第１の圧力より低い第２の圧力を有する凝縮物に冷却することであって、前記冷却は断熱冷却または等エンタルピー冷却として実現されることと、
前記凝縮物を熱で等積気化させることと
を含む、方法。
【請求項2】
前記冷却が膨張冷却として実現される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記熱は前記凝縮熱である、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項4】
外部熱機関を前記凝縮熱で駆動することと、前記凝縮物を前記外部熱機関に対するヒートシンクとして使用することとをさらに含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項5】
蒸留ユニットのボイラーを前記凝縮熱で加熱することと、前記膨張冷却された凝縮物を、蒸留物を形成する凝縮において生成された熱で等積加熱することとをさらに含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項6】
前記膨張冷却された凝縮物において冷却空間から、または周囲環境から外部熱を受け取ることをさらに含み、前記外部熱は前記膨張冷却された凝縮物の気化を補う、請求項３に記載の方法。
【請求項7】
前記凝縮熱の一部を加熱空間または周囲環境に排出することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項8】
前記混合された振動－仕事ストリームの一部から仕事を抽出することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項9】
凝縮物の前記冷却は、定容ポンプ内へのフラッシュ膨張として実現される、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記等積気化させることは、前記定容ポンプ内で実現される、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記熱は、前記サイクル液体－蒸気ストリームの１つ以上の非循環ストリームセグメント内で捕捉された前記凝縮熱である、請求項９または請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記熱は、外部熱源から捕捉された熱を含む、請求項９または請求項１０に記載の方法。
【請求項13】
サイクル液体－蒸気ストリーム内の熱容量を管理するための熱発振器であって、凝縮物を第１の温度および第１の圧力で形成するために前記サイクル液体－蒸気流体ストリームの蒸気成分から凝縮熱を放出するように動作する、複数の等圧熱伝導性冷却チャネルを有する凝縮器と、
前記凝縮物を、前記第１の温度より低い第２の温度および前記第１の圧力より低い第２の圧力まで断熱的または等エンタルピー的に冷却するように構成された凝縮物膨張装置と、
熱によって加熱された複数の定容加熱チャンバを有する等積加熱器ポンプであって、前記ポンプ内での搬送中に前記凝縮物を蒸気に気化する、等積加熱器ポンプと
を含む、熱発振器。
【請求項14】
前記凝縮物膨張装置は膨張弁として実現される、請求項１３に記載の熱発振器。
【請求項15】
前記等積加熱器ポンプは、二重反転インターリーブ式スクリューの２軸スクリュードライブを含む、請求項１３または請求項１４に記載の熱発振器。
【請求項16】
前記凝縮物膨張装置は前記等積加熱器ポンプとして実現される、請求項１３に記載の熱発振器。
【請求項17】
前記等積加熱器ポンプと熱連通した仕事抽出装置をさらに含む、請求項１３に記載の熱発振器。
【請求項18】
前記加熱器ポンプは、外部熱交換器と熱連通した定容ポンプとして実現される、請求項１３に記載の熱発振器。
【請求項19】
蒸留ユニットのボイラーを前記凝縮熱で加熱することと、前記膨張冷却された凝縮物を、蒸留物を形成する凝縮において生成された熱で等積加熱することとをさらに含む、請求項１３～請求項１６のいずれか１項に記載の熱発振器。
【請求項20】
前記熱は、外部熱源から捕捉された熱である、請求項１３～請求項１６のいずれか１項に記載の熱発振器。
【請求項21】
前記加熱器ポンプ熱は、前記サイクル液体－蒸気流体ストリームの１つ以上の非循環ストリームセグメントから凝縮熱を受け取る、請求項１３～請求項１６のいずれか１項に記載の熱発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は一般に、熱振動システムの分野に関し、詳細には、サイクル液体－蒸気ストリームにおける熱振動に関する。
【背景技術】
【0002】
技術者および科学者は、太陽で熱せられた環境の環境熱エネルギーは無尽蔵の無料の熱エネルギーを含むことに数百年間、気付いている。残念ながら、自然環境をその高温熱源として利用する閉サイクル凝縮熱機関を通して、この自然熱エネルギーを利用し、それを高出力密度で有用な機械仕事に変換する全ての商業的および実用的な以前の試みは、失敗している。
【0003】
気化の潜熱を吸収して、膨張装置によって生成する仕事から放出された蒸気を再液化するための周囲温度を下回る自然のヒートシンクはないので、閉サイクルの、凝縮熱機関は、周囲温度以上で作動する。従って、閉サイクル凝縮熱機関は、高温熱が高価で環境的に有害な燃料燃焼を通して維持される、周囲温度以上で動作する必要がある。高温の「高品質」熱の使用およびより低温の「より低品質」熱の排除の必要性は、仕事抽出効率を低下させる。
【0004】
大抵の雑貨屋で見られる、おもちゃの「水飲み鳥」、米国特許第２４０２４６３Ａ号は、周囲環境をその高温熱源として使用して、水を蒸発させることにより低温ヒートシンクを生成する閉サイクル凝縮熱機関である。
【0005】
１９６６年８月にＲａｎｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって発行された、「Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｈｅａｔ Ｅｎｇｉｎｅ ｏｆ Ｐｏｓｓｉｂｌｅ Ｕｔｉｌｉｔｙ ｉｎ Ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ」、Ｒａｎｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．Ｐ－３３６７というタイトルの技術報告書において、Ｒｉｃｈａｒｄ Ｍｕｒｒｏｗは、ナイル川からの水をポンプで汲み上げるためにこの機関のより大規模なバージョンを構築することを提案した。基本的な水飲み鳥機関の拡大モデルが７フィート（２．１３メートル）の高さで構築されて、かなりの量の自然熱エネルギーを周囲環境から抽出し、それを機械仕事に直接変換することができた。Ｒｉｃｈａｒｄ Ｍｕｒｒｏｗによる「Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｒｏｎｔｉｅｒ－Ｗｈｅｒｅ ｉｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔａｋｉｎｇ Ｕｓ」Ｓａｔｕｒｄａｙ Ｒｅｖｉｅｗ，Ｖｏｌ．５０，Ｊｕｎ．３，１９６７，ｐｐ．５１－５５で考察されているとおり、機関は無尽蔵の自然熱エネルギーを抽出し、それを無尽蔵の機械仕事に変換することが可能であろう。
【0006】
明らかに、環境の自然熱エネルギーを周囲温度で機械仕事に変換するかかる機関は、エネルギーの一定入力に依存するので、「永久運動機関」ではない。これらの機関は、自然熱エネルギーを環境から周囲温度で抽出し、その一部を、周囲温度を下回る人工的な低温ヒートシンクを作成することによって機械仕事に変換することが本当に可能であることを示す。
【0007】
これらの環境で動作する機関の欠点は、それらは極めて低い出力密度しか有していないので、実用的ではないことである。
【0008】
従って、周囲環境熱を捕捉して、仕事抽出のために十分な出力密度を効率的に提供できるシステムに対する必要性がある。
【発明の概要】
【0009】
本発明の教示によれば、サイクル液体－蒸気ストリーム内での熱管理の方法が提供され、本方法は、凝縮物を第１の温度および第１の圧力で生成するためにサイクル液体－蒸気ストリームの蒸気から凝縮熱を等圧放出すること、同時に、液体－蒸気ストリームの凝縮物を第１の温度より低い第２の温度および第１の圧力より低い第２の圧力を有する凝縮物に冷却することであって、冷却は断熱冷却または等エンタルピー冷却として実現されること、ならびに凝縮物を熱で等積気化させることを含む。
【0010】
本発明の更なる特徴によれば、冷却は膨張冷却として実現される。
【0011】
本発明の更なる特徴によれば、熱は凝縮熱である。
【0012】
本発明の更なる特徴によれば、外部熱機関を凝縮熱で駆動すること、および凝縮物を外部熱機関に対するヒートシンクとして使用することも提供される。
【0013】
本発明の更なる特徴によれば、蒸留ユニットのボイラーを凝縮熱で加熱すること、および膨張冷却された凝縮物を、蒸留物を形成する凝縮において生成された熱で等積加熱することも提供される。
【0014】
本発明の更なる特徴によれば、膨張冷却された凝縮物において冷却空間から、または周囲環境から外部熱を受け取ることも提供され、外部熱は膨張冷却された凝縮物の気化を補う。
【0015】
本発明の更なる特徴によれば、凝縮熱の一部を加熱空間または周囲環境に排出することも提供される。
【0016】
本発明の更なる特徴によれば、混合された振動－仕事ストリームの一部から仕事を抽出することも提供される。
【0017】
本発明の更なる特徴によれば、凝縮物の冷却が、定容ポンプ内へのフラッシュ膨張として実現される。
【0018】
本発明の更なる特徴によれば、等積気化させることは、定容ポンプ内で実現される。
【0019】
本発明の更なる特徴によれば、熱は、サイクル液体－蒸気ストリームの１つ以上の非循環ストリームセグメント内で捕捉された凝縮熱である。
【0020】
本発明の更なる特徴によれば、熱は、外部熱源から捕捉された熱を含む。
【0021】
本発明の教示に従い、サイクル液体－蒸気ストリーム内の熱容量を管理するための熱発振器も提供され、本発振器は、凝縮物を第１の温度および第１の圧力で形成するためにサイクル液体－蒸気流体ストリームの蒸気成分からの凝縮熱を放出するように動作する複数の等圧熱伝導性冷却チャネルを有する凝縮器、凝縮物を第１の温度より低い第２の温度および第１の圧力より低い第２の圧力まで断熱的または等エンタルピー的に冷却するように構成された凝縮物膨張装置、ならびに熱によって加熱された複数の定容加熱チャンバを有する等積加熱器ポンプであって、ポンプ内での搬送中に凝縮物を蒸気に気化させる加熱器ポンプ、を含む。
【0022】
本発明の更なる特徴によれば、凝縮物膨張装置は膨張弁として実現される。
【0023】
本発明の更なる特徴によれば、等積加熱器ポンプは、二重反転インターリーブ式スクリューの２軸スクリュードライブを含む。
【0024】
本発明の更なる特徴によれば、凝縮物膨張装置は等積加熱器ポンプとして実現される。
【0025】
本発明の更なる特徴によれば、等積加熱器ポンプと熱連通した仕事抽出装置も提供される。
【0026】
本発明の更なる特徴によれば、加熱器ポンプは、外部熱交換器と熱連通した定容ポンプとして実現される。
【0027】
本発明の更なる特徴によれば、蒸留ユニットのボイラーを凝縮熱で加熱すること、および膨張冷却された凝縮物を、蒸留物を形成する凝縮において生成された熱で等積加熱することも提供される。
【0028】
本発明の更なる特徴によれば、熱は、外部熱源から捕捉された熱である。
【0029】
本発明の更なる特徴によれば、加熱器ポンプ熱は、サイクル液体－蒸気流体ストリームの１つ以上の非循環ストリームセグメントから凝縮熱を受け取る。
【0030】
本発明の教示によれば、サイクル液体－蒸気ストリーム内での熱管理の方法が提供され、本方法は、凝縮物を第１の温度および第１の圧力で生成するためにサイクル液体－蒸気ストリームの蒸気から凝縮熱を等圧放出すること、同時に、液体－蒸気ストリームの凝縮物を第１の温度より低い第２の温度および第１の圧力より低い第２の圧力を有する膨張冷却された凝縮物に膨張冷却すること、ならびに膨張冷却された凝縮物を凝縮熱で等積気化させることを含む。
【0031】
本発明の更なる特徴によれば、膨張冷却中の仕事抽出も提供される。
【0032】
本発明の更なる特徴によれば、膨張冷却された凝縮物を、等積気化の前に、凝縮熱で等圧加熱することも提要される。
【0033】
本発明の更なる特徴によれば、膨張冷却された凝縮物の等積気化が完了すると、圧縮仕事を、等積気化された膨張冷却凝縮物に適用することも提供される。
【0034】
本発明の更なる特徴によれば、外部熱機関を凝縮熱で駆動すること、および膨張冷却された凝縮物を外部熱機関に対するヒートシンクとして使用することも提供される。
【0035】
本発明の更なる特徴によれば、蒸留ユニットのボイラーを凝縮熱で加熱すること、および膨張冷却された凝縮物を、蒸留物を形成する凝縮において生成された熱で等積加熱することも提供される。
【0036】
本発明の更なる特徴によれば、膨張冷却された凝縮物において冷却空間から、または周囲環境から外部熱を受け取ることも提供され、外部熱は膨張冷却された凝縮物の気化を補う。
【0037】
本発明の更なる特徴によれば、凝縮熱の一部を加熱空間または周囲環境に排出することも提供される。
【0038】
本発明の更なる特徴によれば、仕事液体－蒸気ストリームを膨張冷却された凝縮物と等積混合して混合された振動－仕事ストリームを形成することも提供される。
【0039】
本発明の更なる特徴によれば、混合された振動－仕事ストリームの一部から仕事を抽出することも提供される。
【0040】
本発明の更なる特徴によれば、膨張冷却された凝縮物において周囲環境から外部熱を受け取ることも提供される。
【0041】
本発明の更なる特徴によれば、膨張冷却された凝縮物において冷却空間または廃熱排出から外部熱を受け取ることも提供される。
【0042】
本発明の更なる特徴によれば、加熱空間を凝縮熱の一部で加熱することも提供される。
【0043】
本発明の教示に従い、サイクル液体－蒸気ストリーム内の熱容量を管理するための熱発振器も提供され、本発振器は、凝縮物を第１の温度および第１の圧力で形成するためにサイクル液体－蒸気流体ストリームの蒸気成分から凝縮熱を放出するように動作する複数の等圧熱伝導性冷却チャネルを有する凝縮器、凝縮物を、第１の温度より低い第２の温度および第１の圧力より低い第２の圧力の膨張冷却された凝縮物に膨張冷却するように構成された凝縮物膨張装置、ならびに複数の一定容積、凝縮器からの凝縮熱によって加熱された加熱チェンバを有する等積加熱器ポンプであって、搬送中に膨張冷却された凝縮物を蒸気に気化する加熱器ポンプ、を含む。
【0044】
本発明の更なる特徴によれば、凝縮物膨張装置は膨張弁として実現される。
【0045】
本発明の更なる特徴によれば、等積加熱器ポンプは、二重反転インターリーブ式スクリューの２軸スクリュードライブを含む。
【0046】
本発明の更なる特徴によれば、等積加熱器ポンプは、加熱チェンバを形成する複数の格納式羽根を含み、羽根は、加熱チェンバ体積が表面幾何形状に従った羽根格納の程度によって定義されるように、羽根回転中、表面幾何形状に従うようにバイアスされる。
【0047】
本発明の更なる特徴によれば、凝縮物膨張装置は、等積加熱器ポンプ内で実現される。
【0048】
本発明の更なる特徴によれば、等積加熱器ポンプは熱交換器を含む。
【0049】
本発明の更なる特徴によれば、等積加熱器ポンプと熱連通した仕事抽出装置も提供される。
【0050】
本発明の更なる特徴によれば、熱連通は、定積チェンバの１つ以上の各々内において、膨張冷却された凝縮物と作業サイクルの作業流体との等積混合を通して実現される。
【0051】
本発明の教示に従い、サイクル液体－蒸気ストリーム内の熱容量を管理するための熱発振器も提供され、本発振器は、凝縮物を第１の温度および第１の圧力で形成するためにサイクル液体－蒸気流体ストリームの蒸気成分を等圧凝縮するための凝縮器手段、凝縮物を、第１の温度より低い第２の温度および第１の圧力より低い第２の圧力の膨張冷却された凝縮物に膨張冷却するための凝縮物膨張装置、ならびに搬送中に膨張冷却された凝縮物を蒸気に気化するための等積加熱器ポンプを含む。
【0052】
本発明の更なる特徴によれば、サイクル液体－蒸気ストリームから仕事を抽出するための仕事抽出手段も提供され、仕事抽出手段は、等積加熱器ポンプと熱連通している。
【発明の効果】
【0053】
本発明の教示に従い、埋め込み熱交換チャネルおよび多孔内表面を有する加熱シェルを含む、等積加熱器／ボイラーポンプも提供され、多孔内表面は、加熱チェンバ内に配置された流体を、加熱シェルを通して搬送中に、加熱チャネル内に配置された熱源によって等積気化させるために、流体と、熱交換チャネルと熱連通した複数の駆動された定容加熱チェンバとの間の非接触を保ちながら、熱伝達を促進する。
【0054】
発明と見なされる主題は、本明細書の終結部分で具体的に指摘されて明瞭にクレームされている。本発明は、添付の図面を考慮して最も良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】単純ランキンサイクルを、一般的な冷却剤に対する圧力－エンタルピー（PH）相図上に示す。
【図2】一実施形態に従った、定容蒸発サイクルを示す。
【図3B】非効果的なサイクルを示す。
【図3C】非効果的なヒートポンプサイクルを示す。
【図3D】一実施形態に従った、非効果的なヒートポンプサイクルの効果的なヒートポンプへの仕事入力修正を示す。
【図4A】一実施形態に従った、強制熱振動サイクルをｐ－ｈ図上に示す。
【図5A】一実施形態に従った、強制熱振動サイクルにおける処理ステップおよび熱伝達段階を示す流れ図である。
【図5B】一実施形態に従った、出入りする熱伝達および振動サイクルに熱的に結合された外部熱機関からの仕事出力を示す、強制熱振動サイクルをｐ－ｈ図上に示す。
【図6A】一実施形態に従った、結合された熱振動および仕事サイクルをｐ－ｈ図上に示す。
【図7】一実施形態に従った、処理ステップの各々における結合された強制振動サイクルと仕事サイクルのやり取りを示す流れ図である。
【図9A】変形実施形態に従った、結合された振動および仕事サイクルを示す。
【図9B】第３の実施形態に従った、ディスクベースの発振器仕事抽出システムの分解、部分斜視図である。
【図10】一実施形態に従った、等積加熱が１．０未満の乾き度まで実施されている、結合された振動および仕事サイクルを示す。
【図11A】変形実施形態に従った、フラッシュ膨張を採用している、結合された振動および仕事サイクルを示す。
【図12A】一実施形態に従った、等積フラッシュおよび非循環等積加熱を採用する、結合された熱発振器および仕事抽出器のＰ－Ｈ図である。
【図13】一実施形態に従った、等積フラッシュおよび非循環等積加熱を採用している、結合された熱発振器および仕事抽出器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0056】
明瞭にするために、図面内に示されている要素は、原寸に比例して描かれていない可能性があり、参照番号は対応するか、または類似した要素を示すために異なる図面内で繰り返され得ることが理解されるであろう。
【0057】
以下の詳細な説明では、本発明の理解を容易にするために特定の詳細が記載されているが、当業者により、本発明はこれらの特定の詳細なしで実施され得ることが理解されるはずである。
【0058】
開示されるのは、固体－蒸気系、固体－気体系、固体－液体系、液体－液体系、気体－気体系、イオン系、およびサイクル蒸気－液体系などの、様々なエネルギーシステム内での熱管理のための方法およびシステムである。範囲を縮小することなく、本説明はサイクル液体－蒸気系に重点を置く。
【0059】
具体的には、熱エネルギーはサイクル液体－蒸気ストリーム内で異なる流体状態間で振動する。第１のストリームセグメントは、第２のストリームセグメントに対して高温で供給される。第１のストリームセグメントは比較的高温であるが、温度は依然として、蒸気を凝縮させて凝縮熱を等圧条件において第１のストリームセグメントの高温で放出する、分子間力を蒸気分子が被るためには十分に低い。この高温熱は、以前に、その高温より低い温度まで膨張冷却された第２のセグメントの等積蒸発を駆動するために使用できる。第２のストリームセグメントは、等積蒸発を通して実質的に第１の温度における第１のストリームセグメントにされる。この時点で、第１のストリームセグメントの蒸気から以前に放出された凝縮熱が、第２のストリームセグメントの蒸発を通して捕捉されている。ストリームセグメント間での放熱および捕捉のこの反復プロセスは、強制熱振動サイクルを形成し、そのサイクル内で、サイクル液体－蒸気混合物の液体ストリームセグメントと蒸気ストリームセグメントとの間の最初の定常状態は、膨張冷却およびそれに続く気化によって継続的に定常状態を外れることを強制される。膨張冷却された液体は、蒸気セグメントと熱連通して、蒸気を等圧凝縮し、放出された凝縮熱は膨張冷却された液体を等積蒸発させる。熱損失は、振動サイクル動作をその元の高温で維持するための外部源からの追加の熱入力および連続的な等積処理を達成するための追加のポンプ注入仕事を必要とすることが理解されるべきである。ある実施形態では、第１のストリームセグメントの高温は、環境の周囲温度で、低温は周囲以下であり、さらに説明されるように、熱力学の第２法則に従い、第１のストリームセグメントから第２のストリームセグメントへの自発的な熱の流れを可能にする。
【0060】
仕事抽出装置と結合される場合、第２のサイクルが、冷却された第２のストリームセグメントと等積混合する作業サイクルとして採用されて、さらに対処されるように、混合された振動ストリームセグメントおよび作業ストリームとして等積加熱される。
【0061】
熱振動ストリームは好都合に、作業サイクルと結合または混合される場合、仕事抽出の効率を高める。高められた効率は、振動サイクルからの排熱の否定の結果であり、それに応じて、サイクル流体内にエネルギー量を保持する。さらに、振動サイクルは、凝縮を達成するために分子間力を利用する温度で動作し、それにより相当な外部圧縮仕事に対する必要性をなくす。著しい熱入力の削減および相当な外部供給される圧縮仕事の否定は運用コストを減少させる。
【0062】
その上、結合された振動および仕事サイクルは、周囲温度における仕事抽出を可能にし、それにより、燃料コストをさらに節約して汚染を減らす。「高」および「低」は、システムの相対的な動作パラメータを指し、前述のとおり、凝縮は上限で生じて、等積気化は下限で生じることが理解されるべきである。
【0063】
別の実施形態では、熱振動は、凝縮熱が環境中に排除されて等積混合を駆動する熱が環境から捕捉される周囲環境を用いて実現される。排除される凝縮熱の量、および同様に、環境熱入力の量は、動作条件に従って別々に構成可能である。
【0064】
図１は、単純ランキンサイクルを圧力－エンタルピー（ＰＨ）相図上に、当技術分野で周知のように、一般的な冷却剤に対する等エントロピー、等温、および等比体積線と共に示す。
【0065】
図示のように、作業流体を状態１から加熱すると、状態２における完全気化まで一定の圧力でエンタルピーが増大する。結果として生じる作業流体は、タービンまたは他の仕事抽出手段内で状態２における高温、高圧流体から状態３まで膨張する。熱は、状態４における完全凝縮まで、周囲環境などのヒートシンク内に排出されて、次いで実質的に一定のエンタルピーおよびエントロピーで状態１に戻るまでポンプで送り込まれる。ポンプ注入は、一般に高度に非圧縮性液体として流体に適用されるので、ポンプ注入と関連付けられる仕事の量はごくわずかであり、それにより効率η１を、有効仕事Ｗｏｕｔの、状態点１から２／（Ｑｉｎｌ＋Ｑｉｎ２）までに与えられた熱エネルギーに対する比とする；
η１＝Ｗｏｕｔ／（Ｑｉｎｌ＋Ｑｉｎ２）（式１）
η１＝Ｗｏｕｔ／（Ｑｉｎｌ＋Ｑｉｎ２）（式１）
【0066】
図２は、流体の一定体積が点３′から点２へ至るまで加熱されて、仕事が、タービンまたは他の仕事抽出手段内で膨張を通して、２から３へ至るまで抽出される、定容蒸発サイクルを示す。膨張した作業流体が低温槽との接触を通して点３から３′へ凝縮されて点３′に戻る。それに応じて、このサイクルの効率は、少ない熱入力で同じ仕事量Ｗｏｕｔを生成するので、図１の正規ランキンサイクルよりも大きい。
【0067】
図３Ａは、比較のために、図１のランキンサイクルを、図２の定容サイクルの上に重ね合わせて示す。ランキンサイクルの網掛け領域は、熱入力Ｑｉｎｌが、生成された仕事量Ｗｏｕｔに何の効果もないという意味で、「無駄な努力」を強調する。
【0068】
図３Ｂは、図１の標準ランキンサイクルで実現されるような、熱が高温で与えられて低温で排除される完全に非効果的なサイクルを示す。図のように、減圧および冷却が一定体積線３′～２に沿って生じ、従って、仕事はＲｄＶの積分であるので、仕事を生成しない。
【0069】
図３Ｃは、流体が一定エンタルピーで１から４へ減圧され、次いで低温で４から３′へ加熱されて、次いで更に、外部熱Ｑｉｎ２で一定体積の線に沿って３′から２へ加熱される、サイクルを示す。この時点で、熱Ｑｏｕｔ１が、２から１へ高温で排除されて、サイクルが完了する。本質的に、冷蔵庫やエアコンのようなヒートポンプにおいて見られるように、熱は、低温で吸収されて、高温で排除される。しかし、点２において最も熱い温度でサイクルを完了するために、熱が、等圧凝縮で排出された熱の温度よりも高い温度で液体を等積蒸発させるために供給されて熱伝達を確実にする必要があり、それによりサイクルを非効果的にする。
【0070】
図３Dは、図３Ｃに示されたものとは対照的に効果的なヒートポンプを示す。図３Ｃおよび図３Ｄのサイクルは、実質的に類似している。しかし、図３Ｄのサイクルは、図３Ｃのサイクルで採用された追加の熱の代わりに、サイクルを閉じるために点２と２′との間に、追加の仕事Ｗｉｎを入力することによってサイクルが完結されるので、効率において重大な飛躍を具現化する。このサイクルは、サイクルを完結するために高温熱に依存しないので、それは効率的なヒートポンプとして機能できる。図のように、外部熱Ｑｉｎが冷却空間、廃熱排出、環境から取り出されて、凝縮中に排出された振動熱Ｑｏｓｃを補い、３′と２との間で膨張冷却された凝縮物を加熱する。外部熱Ｑｉｎの方が熱い用途では、それは等積気化に寄与できることが理解されるべきである。さらに、振動熱管理システムはある実施形態では、凝縮熱の一部を加熱空間への熱出力として外に出す。振動熱管理システムは好都合に、冷却、加熱のいずれか、または冷却および加熱の両方を提供するヒートポンプとして機能するように構成可能であることが理解されるべきである。冷却空間の例は、冷蔵、冷凍、または空調のために熱が抽出される空間である。加熱空間の例は、蒸気ボイラーである。実施において、等積加熱器ポンプのうちの説明される３つの実施形態のいずれかが採用できる。ある実施形態では、振動熱管理システムは、複数の連続的に結合されたユニットとして実現されて、それにより、入力熱と出力熱との間の温度勾配を増大させる。かかる連続配置では、上流ユニットで排出された凝縮熱が下流ユニットの膨張冷却された凝縮物を等積気化させるために使用される。ある他の実施形態では、本システムは、説明されるように、仕事抽出装置を有する仕事サイクルにさらに結合される。
【0071】
振動サイクルにおける熱伝達は、圧縮のための著しい仕事備給なしで、圧力および温度を高めることを可能にする。ポンプ仕事を与えることだけを必要とし、それ故に、同じ温度範囲で作動するヒートポンプのそれよりも著しく高効率である。
【0072】
図４Ａは、熱力学の第二法則に従い、熱が高温で排除され、低温で吸収されて、低温加熱および気化を駆動する強制熱振動サイクルを示す。放熱は、潜熱エネルギーが、結果として生じる蒸気内に放出される、高温凝縮およびその凝縮物の同時膨張冷却を通して実現される。気化は残りの凝縮物において温度降下を引き起こす。凝縮熱はサイクルの最高温度Ｔｈｉｇｈで排除されるので、ストリームセグメント間の温度勾配が作り出され、それにより、前述のとおり、低温処理を駆動するための高温凝縮熱を可能にする。
【0073】
具体的には、図４ＡのＰ－Ｈ図上の熱振動サイクルに示されるとおり、熱は、サイクル流体ストリームの２つのストリームセグメントＩとＩＩとの間で振動する。ストリームセグメントＩは、ある実施形態では、状態６で周囲温度に近い高温および圧力として始まる。周囲温度は、例えば、摂氏１５度～２５の間の範囲である。ストリームセグメントＩは、状態６から８へ一定温度および圧力の凝縮ならびに幾分の追加冷却を経る。
【0074】
第１のストリームセグメントＩの凝縮中、ストリームセグメントＩＩＡは、状態８における冷却された液体から状態５における液体－蒸気混合物へ膨張する。膨張は、前述のとおり、ストリームセグメントＩＩＡの温度降下を生じ、それにより、凝縮しているストリームセグメントＩとストリームセグメントＩＩＢおよびＩＩＣとの間で熱伝達を引き起こす温度勾配を作り出す。凝縮および冷却熱ＱｏｓｃがストリームセグメントＩＩＢにより状態５から５′まで等圧捕捉されて、加熱され、次いで、５′から等積気化し、状態６においてセグメントＩの元々の温度および圧力に近づく。状態６におけるストリームセグメントＩの開始状態に対する近接度合いは、当技術分野で周知のように、システム損失の関数である。熱振動サイクルは好都合に、サイクル６－８－５－５′内で熱を保存し、それにより、後に説明されるように、仕事抽出装置に結合される場合に仕事を抽出するために必要な熱入力、またはヒートポンプ、脱塩もしくは蒸留システム、もしくは他の熱装置に熱的に結合される場合に仕事入力を削減する。ストリームセグメントＩＩＡの膨張は、ある実施形態では等エンタルピー的に実現されて、別の実施形態では、膨張は等エントロピー的または断熱的に実現される。発振器は好都合に、蒸気分率および液体分率の調節を可能にし、その結果、質量流量および膨張度を変更することにより結合されたシステムにおいて温度勾配を安定させて確立できる。
【0075】
図４Ｂは、図４Ａのサイクルを実現する熱発振器９の実施形態を示す。図のように、熱発振器９は、２軸スクリュー１３、スクリュー１３を駆動するための始動モーター１５、凝縮および冷却中に一定圧力を維持するために２軸スクリュー１３の流体出力と流体連結した蒸気貯蔵器１７、交換機シェル１１に埋め込まれた熱交換チャネル１２からの凝縮物出力と流体連結した液体貯蔵器１７Ａ、およびストリームセグメントＩＩＡの等エンタルピーまたは等エントロピー膨張のいずれかのための膨張弁１４を備えた等積熱交換器ポンプ１０を含む。
【0076】
図４Ｃは、一実施形態に従った、等積熱交換器ポンプ１０のデュアルスクリュードライブ１３の断面端面図を示す。図のように、２軸スクリュードライブ１３は、流体をスクリュー長に沿って押すように適合される、左巻きヘリシティの１つおよび右巻きヘリシティの他方の、二重反転インターリーブ式スクリューのセットである。流体は、スクリュー１３内に形成された定積チェンバ１６の間で押されて、ストリームＩＩＣと交換機ハウジング１１との間の高い度合いの熱的接触も提供する。図のように、交換機ハウジング１１は、埋め込みチャネル１２および多孔内表面１９を有して、チャネル１２を通してポンプで送られている間に凝縮／蒸発および冷却中のセグメントストリームIと、定積チェンバ１６内で２軸スクリュー１３により熱交換器１１を通して駆動された膨張冷却後ストリームセグメントＩＩＣとの間の熱交換を最大限にする。
【0077】
動作中、発振器９は、２つの異なる熱力学的状態における１つの流体ストリームのストリームセグメントＩおよびストリームセグメントＩＩＢから開始する。セグメントストリームＩは、状態６に示されるように高温、高圧蒸気から始まり、セグメントストリームＩＩＡは、状態８に示されるように、高温、高圧凝縮物から始まる。
【0078】
セグメントＩが交換器チャネル１２内で冷却されると、セグメントＩＩＡは膨張弁１４を通して急速膨張する。膨張はセグメントＩＩＡを、冷却された二相セグメントＩＩＢに変換する。サイクル流体ストリームのセグメントＩとセグメントＩＩＢおよびＩＩＣとの間の結果として生じる温度差は、セグメントＩの冷却中に放出される凝縮熱を、熱連通したストリームセグメントＩＩＢおよびＩＩＣにより、両方のストリームが等積熱交換器１０を通過するとき捕捉させる。具体的には、セグメントＩはチャネル１２を通してポンプで送られている間に冷却され、他方、セグメントＩＩＣは、駆動されたスクリュードライブ１３の定積チェンバ１６内で搬送されている間に凝縮熱を捕捉する。セグメントＩＩＣが進むにつれて、それは追加の熱を捕捉して気化し、定積チェンバ１６内で追加の熱捕捉の影響下で、温度および圧力が上昇し続ける。温度および圧力が開始点６に達すると、セグメントＩＩＣは、セグメントＩになり、チャネル１２内で冷却されるか、または将来の冷却のために貯蔵器１７内に貯蔵される。凝縮物は、膨張弁１４を通して膨張冷却されるか、または将来の膨張のために凝縮物貯蔵器１７Ａ内に貯蔵される。
【0079】
サイクル流体ストリームの２つの異なるストリームセグメント間の反復的な熱伝達は、サイクルストリーム全体内で熱振動を作り出す。サイクル流体ストリーム内の結果として生じる熱エネルギーの貯蔵は好都合に、後に説明されるように、流体ストリームから仕事を抽出するために必要な熱入力を減らす。
【0080】
【0081】
図のように、サイクル流体ストリームは、２つの同期されたサイクルストリームセグメント、セグメントＩおよびセグメントＩＩとして扱われる。前述のとおり、各ストリームセグメントは異なる熱力学的状態で始まり、１つのストリームセグメントにより凝縮熱として放出される高温熱が、他のセグメントによって捕捉され、逆の場合も同じであることを確実にするために同期される。ストリームセグメント間の各反復する熱伝達は、当技術分野で周知のように、熱を受け取っているセグメントが、熱が放出されているストリームの温度よりも低い温度であることを必要とする。具体的には、高い温度および圧力のストリームセグメントＩは、ステップＡで状態６から８へ等圧凝縮される（ある構成ではその後に冷却が続く）。並行して、ストリームセグメントＩＩは、ステップＥで状態８から５へ急速膨張して、関連冷却は、セグメントＩからの熱伝達がステップＦで状態５から５′へセグメントＩＩを等圧加熱するのを可能にし、次いで、ステップＧでセグメントＩＩを等積気化させる。セグメントＩを続けて、それは、ステップＢで膨張を通して状態８から５へ冷却され、そのことは、ステップＨでセグメントＩＩの等圧凝縮からの熱を受け取るために必要な温度降下も引き起こす。ステップＣでセグメントＩを等圧加熱し、次いで、ステップDでセグメントＩＩを等積気化させた後、サイクルはステップＡに進み、セグメントＩＩに対してステップＥでの等圧凝縮および同時膨張を伴う。ステップＣにおけるセグメントＩの等圧加熱およびステップＦにおけるセグメントＩＩの類似した等圧加熱は任意選択であり、ある実施形態では、等圧加熱がない場合、ステップＤおよびＧで等積加熱が採用されることが理解されるべきである。
【0082】
図５Ｂは、有機ランキンサイクル機関、蒸気機関、スターリングエンジン、または他のタイプの熱機関などの外部熱機関Ｇｎに熱的に結合された強制熱振動サイクルを示す。例えば、図４Ｂのシステムによって実現される、振動サイクルは、機関Ｇｎに対する熱源およびヒートシンクの両方として機能する。図のように、状態６～６８の等圧凝縮中に放出された高温凝縮熱Ｑ１ｏｓｃは、熱振動サイクルの等積セグメント５′～５″で捕捉されて、状態６８～８の等圧凝縮中に放出されたＱ２ｏｓｃは、仕事出力Ｗｅｎｇｉｎｅのために機関Ｇｎを駆動する熱源である。排除された低温機関熱Ｑｅｎｇｉｎｅは、熱力学の第二法則に従い、振動サイクル内で状態５～５′まで膨張冷却された凝縮物を等圧加熱する。振動サイクル内の排除された低温機関熱Ｑｅｎｇｉｎｅの捕捉および活用は、低温熱が典型的には廃熱と考えられて、その次のサイクル中に機関仕事機能に寄与しない、熱機関効率に大きな前進をもたらす。図のように、排除された低温機関熱Ｑｅｎｇｉｎｅの捕捉は好都合に、振動サイクルの適切な機能および結果として生じる仕事出力Ｗｅｎｇｉｎｅを維持するために次のサイクル内で供給する必要がある外部熱の量を減らす。変形実施形態は、図３Ｄおよび図９Ａに示されるように圧縮仕事を適用して、温度勾配を増大させて等積加熱のための凝縮熱の伝達を促進する。
【0083】
図６Ａは、一実施形態に従い、結合された振動および仕事サイクルをＰ－Ｈ図上に示す。図のように、流体ストリームセグメントＩ、ＩＩ、およびＶの振動サイクルは、点６－８－５－５′－５″－６を循環し、仕事の流体ストリームは、状態点５′－５″－６－７－５′を循環する。状態点５における膨張冷却の後、ストリームセグメントＩＩは、点７における仕事抽出後の作業ストリームＩＶと等積混合して、状態５′－５″－６の等積加熱のために５′の平均エンタルピーの単一ストリームＶになる。５′～５″の等積加熱は、セグメントＩの凝縮から放出された捕捉された凝縮熱からの加熱を強調し、他方、５″～６の加熱は、外部熱源から供給された熱Ｑｉｎからの加熱を強調する。仕事抽出Ｗｏｕｔは、振動ストリームセグメント６のストリームセグメントＩの開始熱力学的状態を達成するために、混合された振動－仕事ストリームＶの等積加熱を完了するための外部的に供給された熱Ｑｉｎを必要とする。等積加熱の後、ストリームセグメントＶは、構成オプションに従い、振動サイクル内での凝縮のためのストリームセグメントＩおよび仕事サイクル内での仕事抽出のためのストリームＶＩに分割される。
【0084】
図６Ｂは、一体的に結合された熱発振器およびタービン、または図６Ａのサイクルを全体として実現する他の仕事抽出装置２０から形成された熱振動仕事抽出器の一実施形態を示す。図４Ｂに示されるシステムに加えて、振動仕事抽出器９Ａは、高エネルギーストリームＶの分画を膨張することにより仕事Ｗｏｕｔを出力するために動作する膨張器２０および図６Ａの５″～６のサイクルに示されるように等積加熱中に外部熱を供給するために動作する熱交換器１８を含む。
【0085】
動作中、ストリームセグメントＩは、等積加熱器ポンプ１０のチャネル１２を通した搬送中に凝縮する。同時に、振動ストリームセグメントＩＩの凝縮物は、前述のとおり、熱流を駆動するために凝縮しているストリームＩの温度よりも著しく低い温度まで、膨張弁１４を通してほぼ瞬間的に膨張する。ストリームセグメントＩＩは、状態５′において作業ストリームＩＶと等積混合して、点５におけるストリームＩＩおよび点７におけるＩＶの結合された質量の加重平均エンタルピーを有する混合ストリームＶを形成する。点５′における混合ストリームＶは、ある実施形態では、チャネル１２内の凝縮物ストリームＩよりも２５～３０℃低い温度を有する。前述のとおり、強制温度勾配は好都合に、流体サイクルの異なるセグメント間で熱振動を可能にする。ある他の実施形態では、温度勾配は２０～２５℃または３０～３５℃の間の範囲であり、さらに別の実施形態では、温度勾配は１５～２０℃の間の範囲である。連続的に結合された加熱器ポンプを採用する実施形態では、温度勾配は、各追加の加熱器ポンプの数に比例して増大する。混合された振動－仕事ストリームVは、スクリュー１３の定積チェンバ１６内で等積加熱器ポンプ１０を通して駆動されて、多孔内表面１９の拡張接触表面と接触すると、凝縮熱によって気化される。表面多孔性は交換器壁をトラバース（ｔｒａｖｅｒｓｅ）せず、凝縮および気化ストリームの相互混合はないことが理解されるべきである。外部熱交換器１８は、外部熱Ｑｉｎを交換器チャネル１２を通して混合ストリームVに供給して、今や、主に、または完全に蒸気である、発振器ストリームセグメントＩの温度および圧力を、状態６における開始温度および圧力まで押し上げる。熱Ｑｉｎは、環境熱、燃焼熱、電熱、太陽熱、または他の熱供給技術のような様々な熱源のいずれかを通して供給される。
【0086】
等積加熱の完了後、ストリームは、構成パラメータに従い制御弁（図示せず）を通して２つの分画に分割されて、１つの分画は振動サイクルのストリームセグメントIになり、他方、第２の分画は、仕事抽出のために状態６から７へ膨張する仕事サイクルストリームIＶになる。振動ストリームセグメントＩＩおよび作業ストリームＩＶの両方は、等積サイクルＶに再結合されて、説明のとおり等積加熱を繰り返す。
【0087】
熱発振器の熱機関システムへの結合は、プロセス効率Ｗ／Ｑｉｎにおいて大きな改善をもたらし、それにより有用な仕事を抽出するための外部熱入力を減らす。
【0088】
以下は、各々１．０ｋｇ／サイクルの膨張器流ｍ１および発振器流ｍ２の等比の質量流ならびに混合されたポンプ体積流量３６０ｍ３／時を所与として、図６Ａの一体的に結合されたサイクルに対するシミュレーション結果である。
【表1】
【0089】
【0090】
図のように、熱振動サイクル内で、前述のとおり、凝縮物がステップＩで膨張冷却される。同時に、仕事抽出サイクル内で、仕事が、ステップＫで混合された振動－仕事ストリームＩＶの分画から抽出される。ステップＪで、振動サイクルの膨張冷却された凝縮物および作業サイクルの膨張した作業流体がステップＪで等積混合されて、次いで、ステップＬで混合ストリームＶとして等積加熱される。等積混合および等積気化は、流体ストリーム上の集中的な機械仕事を防いで、任意のプロセスと関連付けられた熱損失を除き、明確な熱排出を好都合に除外して、全ての熱容量をサイクル流体内に保存する。等積混合が状態５′で生じて、５および７の平均状態を、凝縮熱が放出された温度よりも低い温度で有する混合ストリームＶを形成し、それにより、前述のとおり、凝縮熱の捕捉を可能にする。混合すると、振動および仕事サイクルは図６Ａに示されるように重なる。混合ストリームＶは、前述のとおり、等積気化されて、状態５′～５″から６まで放出された凝縮熱および外部熱でさらに加熱される。
【0091】
【0092】
図のように、システム９Ｂは、図６Ｂに示されているシステムに類似しており、等積加熱器ポンプ１０Ｂ、蒸気貯蔵器１７、液体貯蔵器１７Ａ、および膨張弁１４、および加熱器１８を含む。しかし、羽根ベースの等積加熱器ポンプ１０Ｂは、ハウジング２１内に取り付けられた偏心ローター２２を有する改変された羽根ポンプとして実現される。複数の伸縮式羽根２３がローター２２Ａ上に取り付けられて、ハウジング壁２１の内壁との接触を維持するために偏向される。回転中、羽根２３は、内壁表面幾何形状に従って伸び縮みする。羽根２３が伸びると、羽根２３の間のチェンバ体積が増大し、逆に、羽根２３が収縮すると、チェンバ体積は減少する。図のように、等積ハウジング壁２１は、沸騰および二相等積加熱からの熱伝達および乱流のための表面積を増やすために、高度多孔質表面１９を含む。羽根加熱器１０Ｂは、前述のとおり、凝縮および冷却中のストリームセグメントIの搬送のための埋め込まれたチャネル１２も含む。
【0093】
動作は一般に、前述のとおり、スクリュー駆動実施形態の状況で実現される。混合された振動－仕事ストリームVが、ローターの回転中に、増大するチェンバサイズに従い、マルチ供給として羽根加熱器１０Ｂに送り込まれる。ローターの回転中、混合ストリームVは、チャネル１２を通した搬送中にストリームセグメントIによって放出された凝縮熱および加熱器１８によって供給された任意の追加の外部熱Ｑｉｎで、多孔質表面１９と接触している間に気化および加熱される。ローター回転がさらに進むと、必要な等積加熱を確実にするために機械的圧縮の前に、羽根２３が収縮し始めてチェンバ１６ａの体積が減少して、気化したストリームセグメントVを排除する。それに応じて、気化したストリームは、チェンバサイズに従い複数の出口を通って羽根加熱器１０Ｂを出て、等積加熱を確実にする。加熱後、高温および高圧のストリームが、タービン２０または仕事Ｗｏｕｔを状態７に抽出するための同等の膨張器内で膨張され、次いで、前述のとおり、弁膨張されたストリームセグメントＩＩと等積に再結合されてサイクルを繰り返す。ある変形実施形態では、加熱器ポンプ出口ポートは、出口弁を用いて調節されて、流体に対する機械的圧縮が振動サイクルの完結を可能にする。
【0094】
変形実施形態では、凝縮物の膨張は、タービンまたは類似の仕事抽出装置を通して実現されて、発振器－機関システム１０Ｂから追加の仕事を好都合に抽出する。
【0095】
変形実施形態は、例えば、プログレッシブキャビティポンプ、ピストンポンプ、ローブポンプ、および／またはギアポンプなどの、様々な形式の定積加熱器定容ポンプを採用する。ある実施形態では、等積気化は、気化中にポンピングがない場合に、閾値圧力に応答して蒸気を放出するように動作する弁付き加熱チェンバなどの、他の手段を通して実現されて、気化中に弁に対する蒸気への圧縮仕事を最小限にすることが理解されるべきである。
【0096】
図９Ａは、結合された振動および仕事抽出サイクルの変形実施形態を示す。図のように、ｍ１およびｍ２の混合ストリームが、状態６への等積加熱を完了するために、外部Ｑｉｎに加えて、Ｑｏｓｃ１およびＱｏｓｃ２として示されている２つの凝縮熱から気化される。図のように、点６において、ｍ１およびｍ２の混合ストリームは、３つのストリーム分画に分割されて、１つのストリーム分画は状態８へ凝縮され、第２のストリーム分画は、状態６′へ外部適用仕事Ｗｉｎを通して圧縮されて、第３のストリーム分画は、状態７へ仕事抽出のために膨張される。状態６′に圧縮されたストリーム分画は、状態６から８への凝縮よりも高い温度で状態８′へ凝縮されて、その結果、ｍ１およびｍ２の混合ストリームの等積加熱のために、より大きな温度勾配を提供する。ｍ１の質量を有する膨張された仕事ストリームは、８および８′から状態５への質量ｍ２の膨張冷却された振動セグメントと等積混合される。状態５′における等積混合は、混合ストリームをＨｍｉｘの平均エンタルピーにする。
【0097】
図９Ｂは、第３の実施形態に従った、ディスクベースの発振器仕事抽出ユニットの主要な構成要素をそれらのハウジング内に配置した分解、部分斜視図である。本ユニットは、仕事抽出装置２０に全て結合されて配備される場合に垂直に積み重ねられる、凝縮器３０および垂直羽根－加熱器ポンプ２５を含む。凝縮器３０は、高温作業流体が冷却チャネルを通過中に冷えるので、熱伝達を促進するために追加の表面積を提供する、次第に狭くなる円周チャネルの１つ以上のセットを含む。垂直羽根加熱器２５は、配備において凝縮器３０と熱連通した熱伝達ディスク２５Ｃを含む。加熱板２５Ｃは、銅、窒化アルミニウムなどの高熱伝導性材料、およびかかる機能を提供する他の材料から構築されて、表面積ならびに結果として生じる熱伝達および蒸発を増大させるために多孔質表面を有する。ディスク２５Ｃは、さらに説明されるように、回転中にウェッジ表面幾何形状に従って羽根を開閉するように構成されたウェッジも取り付けられる。垂直羽根加熱器２５は、軸２５Ｂによって駆動される羽根板２５Ａ内に摺動自在に取り付けられた複数の放射状羽根も含む。軸回転中、羽根はディスク２５Ｃの表面に従い、ディスクウェッジの輪郭に従って上下する。回転中の羽根の上昇および下降は、弁機能を提供して、動作中に羽根加熱器への流体注入および排除を可能にする。流体流との同期は、さらに説明される。
【0098】
【0099】
図のように、この実施形態は、２つの凝縮ディスク３０ｉおよび３０ｉｉ、２つの垂直羽根熱交換器ポンプ２５ｉおよび２５ｉｉ、膨張器２０、膨張弁１４ｉおよび１４ｉｉ、ならびに外部熱源１８に連結された熱交換器を含む。羽根組立体だけが示されており、図９Ｂに示されている加熱板２５Ｃは、液体および蒸気貯蔵器と一緒に、全て明確にするために、省略されている。２つの凝縮器３０ｉおよび３０ｉｉ内で放出された熱は、そのそれぞれの凝縮器上に取り付けられた各熱交換ディスク２５Ｃを通して伝導されることが理解されるべきである。ある実施形態では、羽根２５ｉｉは、２つ以上のセットで実現されて、他の変形実施形態では、複数の調整された羽根加熱器ポンプも採用されることがさらに理解されるべきである。
【0100】
動作中、最大限の高温および高圧の流体が、凝縮器３０ｉおよび３０ｉｉの第１の吸入口３１Ａへ（状態６′において）供給され、流体は、図９Ｄに示されるように次第に狭くなる凝縮器チャネルの第１のセットを通って進む。凝縮の後、各凝縮器からの凝縮物は、８′の状態から５へ各それぞれの膨張弁１４ｉを通して膨張される。同時に、高温および高圧の流体が第２の凝縮器吸入口３１Ａ２へ（状態６）供給されて、流体は、８の状態から５へ膨張弁１４ｉｉを通して膨張される。補助加熱も外部熱交換器から供給されて、補助熱ストリームが冷えて、熱が加熱板２５Ｃへ伝達される凝縮器３０ｉおよび３０ｉｉの各々内で冷却される。加熱板２５Ｃを通して伝達された凝縮熱は、さらに説明されるように、２つの垂直羽根加熱器２５ｉおよび２５ｉｉの各々内で振動ストリームの第２のストリームセグメントによって捕捉される。同時に、仕事が、状態７から６へ膨張器２０内で抽出される。次いで、ストリームは、２つのストリームに分割されて、膨張されたストリームの各々は、垂直羽根加熱器２５ｉおよび２５ｉｉの各々内の膨張冷却された、振動ストリームセグメントの各々と等積混合される。図９Ａに示されるように、混合された振動および仕事ストリームの等積加熱は、２つの凝縮器３０ｉおよび３０ｉｉの各々から放出された凝縮熱から、および高温ガスもしくは液体などの熱伝達材料として実現された外部熱源と、または周囲空気、太陽熱ヒーター、もしくは燃焼室などの熱源と直接、熱連通した熱交換器１８によって供給された補助熱からも、加熱される。
【0101】
凝縮器３０ｉおよび３０ｉｉの外表面は、熱損失を最小限にして熱伝達を最大限にするために、加熱板２５Ｃと熱接触した表面を除いて断熱されていることが理解されるべきである。
【0102】
図９Ｄは、一実施形態に従った、ディスク凝縮器３０の概略上面図である。図のように、凝縮器３０は、複数の冷却チャネルセット３１および３２ならびに断熱セグメント３４を含む。図のように、冷却チャネルセット３１は、高温注入口３１Ａ、３１Ａ２および、縮幅チャネル分岐と連通したチャネル３１Ｂを含んで、蒸気－液体サイクル流体が、チャネル３１Ｂを通って搬送されて凝縮物として排出口３１Ｃを通って出るときに、その凝縮および冷却のための熱伝達面積を最大限にする。凝縮器３０は、例えば、点５″から６への図９Ａのサイクルを完了するために外部生成された熱を作業流体に取り込むための外部的に加熱されたストリームを凝縮または冷却するための専用チャンネルセット３２も含む。ここでも、高温加熱ストリームが注入口３２Ａを通して注入されて、チャネル３２Ｂを通して排出口３２Ｃまで搬送され、それにより、チャネル３２Ｂの壁および、組み立てられた場合の図９Ｂの熱交換板２５Ｃへの熱伝達を可能にする。全てのチャネル壁は、銅、アルミニウム、窒化アルミニウムなどの高熱伝導性材料、かかる高熱伝導性を提供する他の材料から構築される。それに対して、セクション３４は、ある実施形態では、各々異なる高さの、２つのセクション、３３および３３Ａを含む、非導電性セクションである。凝縮器セグメント３４は、図９Ｆ～図９Ｈに最も明瞭にみられる非熱伝導性加熱ウェッジ２５Ｄと位置合わせされると考える。
【0103】
ある実施形態では、冷却チャネルは分岐なしで実現されて、チャネルは次第に幅が狭くなることが理解されるべきである。その上、ある実施形態では、追加の冷却セットが、全て冷却要件に従って、採用される。
【0104】
図９Ｅは、一実施形態に従った、垂直羽根加熱器ポンプ２５の羽根組立体２５Ａのその円筒状羽根ハウジングのない、部分斜視図である。図のように、羽根組立体２５Ａは、膨張冷却された振動流体を仕事抽出後の膨張後作業流体と一緒に等積混合および加熱するための定積チェンバを画定する複数の放射状羽根２７を含む。図のように、一実施形態では、膨張冷却された振動流体５が注入口２９を通して加熱器に供給されて、羽根ブレード２７が時計回りの方向に回転すると、膨張後作業流体７が注入口３０を通って入る。加熱後、羽根回転中に、等積気化を駆動する凝縮熱に加えられた外部仕事入力に応じて、流体は、最大高温流体６′または高温流体６のいずれかとして、排出口２８を通って押し出される。ある実施形態に従い、仕事が、図９Ｃに示されるような弁、弁２６の弁抵抗に打ち勝つ形で生成される。他の実施形態では、仕事は圧縮器を用いて入力されることが理解されるべきである。
【0105】
【0106】
具体的には、回転中、羽根２７は、加熱板２５Ｃおよびプレートウェッジ２５Ｄの表面幾何形状に従う。羽根２７の間の体積は、振動および作業流体の混合ストリームが、加熱板２５Ｃを通して伝導された凝縮熱から等積気化される、一定容積を画定する。振動および作業流体は、加熱板２５Ｃおよび加熱ウェッジ２５Ｄの上面の輪郭に従う垂直に摺動可能な羽根２７によって画定された容量可変チェンバ内に振動流体および作業流体を別々に送り込むことによって等積混合される。図９Ｇに示されるようにプレートの回転中に、羽根２７が、ウェッジ傾斜２５Ｅによってそのスロット２７Ａ内に押し込まれるにつれて、チェンバ体積が次第にゼロ体積まで減少すると、高温の混合流体が、出口ポート２８から押し出される。
【0107】
図９Ｇに示されるように、チェンバ分離が、羽根板２５Ａに隣接したウェッジによって維持される。羽根２７はさらに、第１の吸入口ポート２９に進み、膨張冷却された振動流体５の、膨張冷却された凝縮物の体積に対応する減少された体積内への吸入を可能にする凹部２５Ｅに従って、膨張冷却された振動流体が圧縮も膨張もされない等積吸入を確実にする。
【0108】
図９Ｈで、注入口２９を通して送り込まれた膨張冷却された振動ストリーム５および注入口３０を通して送り込まれた膨張後仕事ストリーム７が等積混合されるように、羽根２７がウェッジ２５Ｄの下向き傾斜２５Ｆに従うにつれて更に伸びると、羽根２７は、より大きな吸入口３０に更に進む。
【0109】
図１０は、図９Ａの結合された熱振動および仕事抽出サイクルの異なる形式を示す。図のように、振動および仕事サイクルは、ｍ１およびｍ２の混合された振動－仕事ストリームが、１．０よりもかなり低い乾き度まで等積加熱されて振動サイクルが相転移エンベロープ内に留まることを確実にすることを除いて、図９Ａのものに類似しており、ｍ２は振動サイクルの質量流で、ｍ１は仕事サイクルであり、分率（ａ）は、膨張後ストリーム７～５′および５～５′の膨張冷却された振動ストリームセグメントｍ２の比エンタルピー比を定義する。例えば、ｍ２＝（ａ）ｍ１および混合ストリームは、ｍ２＋ｍ１または（ａ＋ｌ）ｍ１の質量を有する。点８における乾き度（ｑ）は０で、点６におけるｑは１．０であり、点５″において、ｑａは、０．０５＜ｑａ≦１．０の範囲内で、点６″における分率（ｂ）乾き度は、０．００＜ｂ≦０．５の範囲内で全質量の分率を定義する。それぞれのフローストリームでは、質量は、例えば、次のとおりである：
・５″－６″－８′：０．Ｚｍ２＝ｂ（ｍ２＋ｍ１）＝ｂ（（ａ＋ｌ）ｍ１（ｋｇ）
・５″－６：ｑ（ｌ－ｂ）（ｍ２＋ｍ１）＝ｑａ（ｌ－ｂ）（ａ＋ｌ）ｍ１（ｋｇ）
・５″－８：０．Ｘｍ２＝（ｌ－ｑａ）（１－ｂ）（ｍ２＋ｍ１）＝（１－ｑａ）（ｌ－ｂ）（ａ＋ｌ）ｍ１（ｋｇ）
・７－５′：m１（ｋｇ）
・６－８″：０．Ｙｍ２＝（ｌ－ｑａ）（ｌ－ｂ）（ｍ２＋ｍ１）－ｍ１＝０．Ｙｍ２（ｌ－ｑａ）（ｌ－ｂ）（ａ＋ｌ）ｍ１－ｍ１（ｋｇ）
式中、「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」は各それぞれの指定されたストリーム内のｍ２の分率である。
・５″－６″－８′：０．Ｚｍ２＝ｂ（ｍ２＋ｍ１）＝ｂ（（ａ＋ｌ）ｍ１（ｋｇ）
・５″－６：ｑ（ｌ－ｂ）（ｍ２＋ｍ１）＝ｑａ（ｌ－ｂ）（ａ＋ｌ）ｍ１（ｋｇ）
・５″－８：０．Ｘｍ２＝（ｌ－ｑａ）（１－ｂ）（ｍ２＋ｍ１）＝（１－ｑａ）（ｌ－ｂ）（ａ＋ｌ）ｍ１（ｋｇ）
・７－５′：m１（ｋｇ）
・６－８″：０．Ｙｍ２＝（ｌ－ｑａ）（ｌ－ｂ）（ｍ２＋ｍ１）－ｍ１＝０．Ｙｍ２（ｌ－ｑａ）（ｌ－ｂ）（ａ＋ｌ）ｍ１－ｍ１（ｋｇ）
式中、「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」は各それぞれの指定されたストリーム内のｍ２の分率である。
【0110】
実施態様では、ストリームは、転移エンベロープ内の点５″において２つの部分に分割される。一部分の液体と蒸気が、分離器を用いて相互から分離される。分離された蒸気は、点６に搬送されて、そこでそれは、膨張前に再度分割される。仕事部分が膨張されて、非膨張部分は点８″に凝縮される。分割点５″における残りの非分離ストリームは、外部的に供給された仕事から状態６″に圧縮されて、状態８′に凝縮される。２つの凝縮の各々から放出される凝縮熱は、混合点５′～５′″から、さらに５′″から５″″へ、等積加熱するために使用され、外部熱Ｑｉｎが、点５″への等積加熱を完了するために供給される。仕事Ｗｉｎが、混合ストリームの分画を点６′にさらに圧縮するために供給される。１．０の値よりも低い乾き度に等積気化することは好都合に、偶発等積過熱を防ぐ。過熱された蒸気分子の高い運動エネルギーは、凝縮を引き起こす分子間結合を阻止するので、過熱は熱の排除を必要とする。凝縮物内のこの分子間結合は好都合に、準周囲ヒートシンクへの膨張冷却において後に放出される熱エネルギーの貯蔵を可能にする。
【0111】
シミュレーション結果
次は、３６０ｍ３／時の結合されたポンプ体積流量を所与として、仕事出力レベルを、作業流体Ｒ７１７を採用している図１０の完全に結合されたサイクルに対する質量流量の関数として示す、シミュレーション結果である。ＴｈｉｇｈおよびＰｈｉｇｈは、最も熱い凝縮セグメント６″～８′を指し、ＴｍｉｄおよびＰｍｉｄは、冷たい凝縮セグメントおよび６～８″を指す。「Ｈ」はエンタルピーおよび指定された状態を指す。
次は、３６０ｍ３／時の結合されたポンプ体積流量を所与として、仕事出力レベルを、作業流体Ｒ７１７を採用している図１０の完全に結合されたサイクルに対する質量流量の関数として示す、シミュレーション結果である。ＴｈｉｇｈおよびＰｈｉｇｈは、最も熱い凝縮セグメント６″～８′を指し、ＴｍｉｄおよびＰｍｉｄは、冷たい凝縮セグメントおよび６～８″を指す。「Ｈ」はエンタルピーおよび指定された状態を指す。
【表2】
【表3】
【0112】
【0113】
図のように、点８および８′における凝縮物が状態５にフラッシュ冷却され、同時に５′で膨張後作業流体と混合される。作業流体の点７′への過熱およびそれに続く点５′での混合は、実際には、それらは、前述のとおり、膨張弁１４ｉおよび１４ｉｉを除いて、図９Ｃに示されたシステム内で同時に達成される状態であるが、関連する熱力学的状態を示すために描かれている。
【0114】
図１１Ｂ～図１１Ｄは、図１１Ａに示されたフラッシュ蒸発を通した等積混合を実現する回転の様々な段階における図９Ｆ～図９Ｈの垂直羽根加熱器ポンプ２５の変形実施形態の概略断面側面図である。この変形実施形態は、同様に上向きおよび下向きの傾斜ならびに羽根板２５Ａに完全に隣接した頂点を有する加熱板ウェッジ４５を使用する。仕事抽出後の膨張後作業流体が、注入口４０を通して送り込まれて、羽根が前進している間、液状凝縮物がポート注入口４１を通して低圧加熱器環境に送り込まれ、それによりフラッシュ蒸発を引き起こして、膨張後仕事流体と混合する。等積加熱は、羽根が加熱板２５Ｃの周りを回転するときに実現され、羽根２７がプレートウェッジ４５の上向き傾斜を辿るにつれてチェンバ体積が減ると、高温および高圧の混合流体が出口ポート２８から押し出される。
【0115】
図１２Ａ～図１２Ｂは、仕事抽出サイクルに一体的に結合された強制熱振動サイクルの変形実施形態を示す。他の実施形態で説明のとおり、熱は高温で排除され、低温で吸収されて、低温加熱および気化を駆動する。放熱が、第１のストリームセグメント内で高温凝縮を通して、同時に、潜熱エネルギーが結果として生じる蒸気中に放出される第２のストリームセグメント内で凝縮物のフラッシュ冷却を通して、実現される。処理ステップの説明は、図１４に示される流れ図の文脈で提示される。ストリームが接触または分割すると、ほぼ瞬間的に生じる多数の処理ステップがあることが理解されるべきである。かかるストリームは、破線または点線のいずれかで提示される。さらに、ある線は、明瞭にするためだけに、それらのパラメータを特徴付けるＰ－Ｈ図内のそれらの実際の位置からシフトされた位置に示されていることが理解されるべきである。例えば、破線５４～５６および５４～５５は、下方にシフトされており、実際には、５１～５６に及ぶＩａと同じ高さに配置されるべきである。同様に、５１″～５７″に及ぶＩｃは、上方にシフトされており、実際には、Ｉｂと同じ高さに配置されるべきである。さらに、圧縮線５６～５７は、右方向にシフトされており、実際には、一定エントロピー線に従うべきである。
【0116】
図１２Ｂは、図１２Ａに示されたＰ－Ｈ図の一部の拡大図である。より近接した拡大図は、図１４の文脈でさらに説明されるように、ポンプ定容ポンプの出口弁６９Ｃに対する仕事を通して達成された５６と５７との間の圧縮を示す。同様に、より明瞭に見えるのは、Ｉｂと融合した後に、ストリームＩｂから分かれるストリームセグメントＩｃの循環であり、外部蒸発器６７によって５１′－５１″－５７″－５７の間を、超低圧力ポンプ（ＶＬＰ）７６によって搬送されている。
【0117】
図１３は、図１２Ａに示されたサイクルを全体として実現する、仕事抽出装置６３に一体的に結合された定容ポンプ６１の変形実施形態から形成された熱振動仕事抽出器６０の変形実施形態の概略図である。定容ポンプ６１は、回転中に、内側ハウジング表面幾何形状の輪郭に従うように動作する格納式羽根６４を有するモーター駆動ローター６２を含む。羽根間隔は、入力および出力体積を画定して、ポンプを通した流体搬送中、流体は、出口６５Ａより前に、圧縮されない。ポンプハウジング６６は、吸入口ポート６９および６９ａを有しており、１つは混合された熱振動ストリームＩａ＋Ｉｂの入力用、および第２は、混合ストリームＩｃｏｍｂを形成するための作業ストリームＩｗの入力用である。ハウジング６１ａは、２つの出口ポート６９Ｂおよび６９Ｃも含み、１つは非弁付きで、他方は弁付きである。２つのポートは、２つの出口ストリーム、Ｉａ＋Ｉｗおよびｌｂに入る、等積混合されて加熱される流体に効率的に分割する。ストリームＩａ＋Ｉｗは、非弁付きポート６９Ｂを通って自由に放出され、他方、Ｉｂは、それが弁付きポート６９Ｃを通って放出されるときに圧縮される。さらに、ある実施形態では、定容ポンプ６１は、一実施形態に従い、ポンプ壁６１ａ内に埋め込まれた加熱チェンバ６６″を含む。加熱チェンバ６６″は、ポンプ空洞７８と連通したチャンバ注入口ポート６５ａおよび加熱後ポンプ空洞７９と連通したチャンバ出口ポート６５ｂを有する。さらに、ポンプ壁６１ａは、一実施形態に従い、加熱チェンバ６６″と熱連通した埋め込みポンプ熱交換器６６および６６′を有する。ポンプ熱交換器６６は、熱振動ストリームＩａから熱を受け取り、交換器６６′は、より熱い熱振動ストリームＩｂ＋Ｉｃから熱を受け取る。両方の熱は、熱交換器６６および６６′から、加熱チェンバ６６″内に永久的に配置された質量ｍ３の非循環静的ストリームＩｓに伝達される。そこで、Ｉｓは、例えば、羽根６４が反時計方向に回転するときに、加熱器注入口ポート６５Ａを通って接触すると、混合ストリームＩｃｏｍｂの液化－蒸気混合物と混ざる。ポンプ熱交換器６６′は、断熱材要素７７を備え、熱振動ストリームＩｂから受け取った熱を遮断して、より冷たい振動ストリームＩａを加熱し、それによりチェンバ６６″を加熱するための熱伝達を最大限にする。
【0118】
非循環体積Ｉｓの熱伝導剤としての使用は好都合に、サイクルストリームが過熱するのを防ぎ、それによりＰ－Ｈエンベロープ内の液体－蒸気混合物の分子間力が、凝縮を促進するために利用できることを確実にする。さらに、加熱前に、ポンプの定積チェンバ内でフラッシュ膨張を通して達成された膨張が好都合に、膨張弁を通した事前の膨張冷却に対する必要性をなくす。膨張の減少は好都合に、仕事抽出のために追加の膨張能力を保持する。
【0119】
別の実施形態では、両方の加熱チェンバ６６″ならびに熱交換器６６および６６′は、それぞれ、等積および等圧ポンプチェンバ７８および７９内に配置された混合ストリームＩｃｏｍｂとの熱連通を維持しながら、ポンプ壁６１ａの外側の外部熱交換器として実現されることが理解されるべきである。記述どおり、ストリームＩａ＋Ｉｗは、非弁付き出口ポート６９Ｂから自由に出る。システム６０は、ストリームＩａ＋Ｉｗを作業ストリームＩｗおよび熱振動ストリームＩａに分割するように動作するスプリッタ７１を含む。システム６０は、膨張器または、仕事抽出のために作業ストリームＩｗを膨張させるように動作する他の仕事抽出装置を有する。システム６０は、熱振動ストリームＩａを熱交換器６６に方向付けるように構成され、熱交換器６６で、熱が加熱チェンバ６６″に伝達されてストリームコンバイナ６８に循環し、そこでそれは熱振動ストリームＩｂと混ざる。
【0120】
説明のとおり、ストリームＩｂは、弁付き出口ポート６９Ｃを通ってポンプ６１から出て、そこで圧縮される。システム６０は、Ｉｂを熱交換器６６′に方向付けるように動作し、熱交換器６６′で熱は加熱チェンバ６６″にも伝達され、次いでストリームＩｂをストリームコンバイナ６８に循環させ、そこでそれは熱振動ストリームＩｂと混ざり、ポート６９で定容ポンプ空洞７８に流れ込み、再度Ｉｗと混ざる。図のように、熱交換器６６′内での熱伝達の前に、ＩｂはサイクルＩｃと合流する。ストリームＩｃは、加熱器６７で外部熱源から熱を受け取り、次いで、Ｉｂ＋Ｉｃは６６′内で集合的熱負荷を排出する。その後、ストリームＩｃは、ストリームＩｂから分かれて、超低圧ポンプ（ＶＬＰ）６７によって駆動されると再循環する。このように、外部熱が好都合に、運用ニーズに従ってシステム６０に供給される。全ての実施形態は、運用上のニーズに従い、外部熱源からの熱を追加する選択肢を有することが理解されるべきである。
【0121】
ある状況下で、Ｉｂは、システム運用に伝導されない熱容量を有しており、システム６０は、ストリームＩｂをバイパスループ内に方向付けるように構成可能であり、そこでそれは、さらに説明されるように、冷却器７４により、熱をより冷たい周囲に排出することによって冷却される。ストリームＩｂは次いで、弁７２および７５に従い、加熱器６６′に方向付けられる。
【0122】
液体貯蔵器７０ならびに蒸気貯蔵器７０Ａおよび７０Ｂは、当技術分野で周知のように、必要な液体圧および蒸気圧を供給することによって始動を促進するか、または他の運用の厄介な問題を克服するために採用される。
【0123】
さらに別の実施形態では、第１の定容ポンプから自由に出ている振動熱ストリームＩａ＋Ｉｗが、ストリームＩｂと一緒に第２のポンプに送り込まれて、そこで、ストリームが非循環ストリームＩｓとの接触を通して等積混合および加熱されるように、２つ以上の定容ポンプが直列に結合される。加熱後、熱ストリームＩｂが、弁付きポンプ出口を通って圧縮されて、第２のポンプ内に配置されたポンプ熱交換器に方向付けられ、そこでそれは、非循環ストリームＩｓ２ストリームを加熱して、第２のポンプ内でストリームＩａ＋Ｉｗと再度混ざるように向けられる。連続内の第２のポンプは、作業ストリームを分割し、それは、自由に出て、膨張器または他の仕事抽出装置を通って膨張されて、ストリームＩｂのスプリットオフ（ｓｐｌｉｔ ｏｆｆ）と等積混合するために第１のポンプに向けられる。第１のポンプでは、２つのストリームが、別の非循環ストリームセグメントＩｓ１と接触すると、等積混合および加熱される。非循環ストリームセグメントＩｓ１は、第２のポンプから出ると、作業ストリームからのストリームスプリットオフによって加熱される。連続定容ポンプ方式および関連した二重等積加熱方式は、より大規模な混合、加熱、および圧縮能力のために、好都合により高い効率をもたらす。
【0124】
【0125】
この説明のために、処理は、連続モードで説明されて、ステップIでポンプ出口６９Ｂおよび弁付きポート６９Ｃから出る、熱力学的状態５６および５７における２つの熱振動ストリームセグメントＩａおよびＩｂのポンプ出力から始まる。集合的な質量ｍ２およびそれらそれぞれの分画質量を有する２つの熱振動ストリームセグメントＩａおよびＩｂは、Ｉｂに対して（０．ｘ）ｍ２であり、Ｉａに対して（１．０－０．ｘ）ｍ２である。仕事抽出セグメントＩｗは、振動ストリームセグメントＩａから分割され、スプリッタ７１を通してＰ－Ｈ図上の点５６において示されるように分割される。
【0126】
ステップＪで、仕事抽出セグメントＩｗから膨張器６３または他の仕事抽出装置を通して仕事が抽出される。仕事抽出に続き、ステップＫでストリームセグメントＩｗの一定体積がポート６９Ａを通して定容ポンプ６１に向けられる。同時に、熱振動ストリームセグメントＩａおよびＩｂの処理が、次のように進められる。
【0127】
ステップＬで、ストリームセグメントＩａは、ポンプ熱交換器６６を通して状態５１に、等圧凝縮されて、ポンプ熱交換器６６で、それはポンプ加熱チェンバ６６″内に配置された作業流体を加熱するために使用される凝縮熱ＱＯＳＣ－Ａを放出する。
【0128】
ステップＭで、熱振動ストリームセグメントＩｂは、羽根６４によって状態５７に断熱して圧縮されて、作業流体を弁６９Ｃを通して駆動し、それにより、ストリーム温度を上げて、熱交換器６６′内で放出される場合に凝縮熱の伝達を容易にする。ストリームセグメントＩｂが過剰な熱を含んでいる状況または、熱が適切なシステム機能のために排除される必要がある状況では、出口弁６９Ｃは、ポンプ６１から出ると、セグメントＩｂをさらに圧縮して、それが周囲温度を上回るようにストリーム温度を上げるように調整される。次いで、セグメントＩｂは、冷却器７４によって熱Ｑｏｕｔがより冷たい周囲に放出され、それにより、ストリームセグメントＩｂを５７″の状態にするバイパスループに方向付けられる。図のように、流れ方向は、弁７２および７５の弁構成を通して実現される。過剰な熱の排除後、ストリームセグメントＩｂは交換器６６′に進む。ステップＯで、熱振動セグメントＩｂ＋Ｉｃは、熱交換器６６′において等圧凝縮または凝縮されて状態５１′に冷却される。ストリームセグメントＩｃは、さらに説明される。放出された凝縮熱ＱＯＳＣ－Ｂは、後で説明されるように、混合ストリームセグメントを等積加熱するために使用される。
【0129】
ステップＮで、自己完結型サイクルストリームが、蒸発器６７において外部熱Ｑｉｎを使用して、状態５１′から状態５７″へ等圧蒸発される。Ｉｃは、明瞭にする目的だけのためにＩｂの上に示されているが、実際には、状態５７′および５７″は同一であることが理解されるべきである。気化されたストリームＩｃは、ストリームセグメントＩｂと混合して、ステップＯで、熱交換器６６′において状態５１′に等圧凝縮されて冷却される。凝縮後、Ｉｃは、低圧ポンプ７６を通して蒸発器６７に再循環され、他方、ストリームセグメントＩｂは、以前に等圧凝縮されたストリームＩａと混ざる。
【0130】
ステップＰで、Ｐ－Ｈ図の点５８において示されるように、膨張された仕事ストリームＩｗから以前に分割された仕事ストリームＩｗの一部が、説明のとおり、両方の熱振動ストリームＩａ＋Ｉｂと混合されて、混合ストリームＩｃｏｍｂを形成する。図１２Ａおよび図１２ＢのＰ－Ｈ図内に点線または破線で示されているプロセスは、ストリームが接触するか、または分割すると生じる、ほぼ瞬間的なプロセスを示すことが理解されるべきである。ｍ２の混合熱振動ストリームおよび質量ｍ１の仕事ストリーム体積は、Ｐ－Ｈ図内の点５２において、定容ポンプ空洞７８へ入ると、等積混合および／または等エンタルピー的に混合する。ステップＱで、ステップＴで混合ストリームから以前に分割されて、加熱チェンバ６６″内に永久的に配置された質量ｍ３の静的ストリームＩｓは、熱振動熱ＱＯＳＣ－ＡおよびＱＯＳＣ－Ｂ＋入力熱Ｑｉｎを受け取る。
【0131】
ステップＲで、ポンプ羽根６４が回転して、混合ストリームＩｃｏｍｂを、ポンプ加熱チェンバ６６″内に配置された質量ｍ３を有する非循環、静的体積Ｉｓとポート６５Ａを通して接触させて、状態５３への等積混合を可能にする。ステップＳで、ストリームＩｓから以前に放出された凝縮熱ＱＯＳＣ－ＡおよびＱＯＳＣ－Ｂは、ストリームＩｂ＋Ｉｃからの入力熱Ｑｉｎと一緒に混合ストリームＩｃｏｍｂおよび静的体積Ｉｓを第１の温度および圧力まで等積加熱および／または蒸発させる。全ての凝縮熱および入力熱は、加熱チェンバ６６″内に配置された静的体積Ｉｓとの混合を通して混合ストリームＩｃｏｍｂに伝達される。
【0132】
ステップＴで、質量ｍ３の非循環静的ストリームＩｓは、前述されて、Ｐ－Ｈ図の点５４に示されるように、混合ストリームＩｃｏｍｂから分割される。羽根６４は、ストリームを加熱チェンバ体積６６″内に搬送する。
【0133】
変形実施形態および用途
【0134】
振動熱管理システムおよび熱的振動仕事抽出器の説明された実施形態は、変形実施形態および用途に従って動作するように構成可能である。
【0135】
熱的振動仕事抽出器のある変形実施形態では、追加の熱または仕事が、元の高温および高圧への等積加熱を完了するために入力される。
【0136】
熱的振動仕事抽出器の一変形実施形態は、不活性ガスと混合された作業流体を採用する。等積加熱器ポンプ内での混合物の非不活性画分の凝縮後、凝縮物からの不活性ガスは分離器を通過し、膨張器を駆動するために使用される。凝縮物は、液体蒸気混合物へ膨張冷却されて、前述のとおり等積加熱される。
【0137】
熱的振動仕事抽出器のある変形実施形態は、前述のように結合された作業サイクルに加えて膨張された不活性ガスを持つ振動サイクルから仕事を好都合に引き出すために、膨張弁の代わりに膨張冷却凝縮物への膨張器を採用する。
【0138】
熱的振動仕事抽出器のある変形実施形態では、混合ストリームは、振動サイクルの凝縮蒸気、ならびに外部熱源および、その最も熱い温度において混合ストリームの温度よりも高い温度を有する熱排出源から復熱装置を通して回収された熱から過熱された仕事サイクルに分割される。
【0139】
発振器－機関システムのある実施形態は、混合された振動－仕事ストリームを進行段階において一連の凝縮から放出された凝縮熱を用いて、等積気化するように動作する等積加熱器ポンプの連続配置として実現される。
【0140】
具体的には、第１の乾き度を有する混合された振動－仕事ストリームが第１の凝縮から放出された熱で等積加熱され、次いで、第１の乾き度よりも高い第２の乾き度に等圧冷却されて、別の凝縮において放出された凝縮熱で等積に再加熱される。より高い乾き度への等圧冷却およびその後の等積加熱が、連続配置での加熱器ポンプの数に従って繰り返される。外部熱が、所望の温度および圧力への等積加熱を完了するために追加される。混合された振動－仕事ストリームは次いで、仕事抽出のための仕事分画および振動サイクル内での凝縮のための分画に分割される。前述の３つの等積加熱器ポンプのいずれかが連続配置において採用できることが理解されるべきである。
【0141】
連続加熱器ポンプ配置の別の変形実施形態は、複数の混合された振動－仕事ストリームを形成するために、膨張冷却された凝縮物および仕事後－膨張作業流体の複数の混合段階を採用する。混合された振動－仕事ストリームの各々は、単一の凝縮において放出された熱から等積気化される。
【0142】
具体的には、第１の混合の後、第１の乾き度を有する結果として生じる第１の振動－仕事ストリームが、単一の凝縮において放出された凝縮熱の一部から等積気化される。第１の振動－仕事ストリームは、等圧冷却されて、膨張冷却された凝縮物と混合されて第２の振動－仕事ストリームを形成する。結果として生じる第２の振動－仕事ストリームも、単一の凝縮において放出された凝縮熱の一部から等積気化される。所望の温度および圧力までの等積加熱を完了するために外部熱が追加される。混合された振動－仕事ストリームは次いで、仕事抽出のための仕事分画および振動サイクル内での凝縮のための分画に分割される。前述の３つの等積加熱器ポンプのいずれかが、前述のように、連続配置において採用できることが理解されるべきである。
【0143】
ある冷却用途では、振動熱管理システムは、空調、冷蔵、または冷凍を冷却空間に提供し、そこから熱が伝えられて、振動サイクル内で膨張冷却された凝縮物の等圧熱交換器および／または等積加熱器ポンプ内で等圧および／または等積加熱において凝縮熱を補うために使用される。
【0144】
ある加熱用途では、振動熱管理システムは、脱塩または蒸留ユニットのボイラーに熱的に結合されている。振動サイクル中に放出された凝縮熱は、脱塩または蒸留を駆動し、蒸留物の製造で放出される凝縮熱は、振動サイクル内での等積加熱のために等積加熱器ポンプに向け直される。
【0145】
熱伝達用途では、振動熱管理システムは、前述の加熱および冷却機能の両方を、説明のとおり冷却装置およびボイラーへの結合を通して提供するように動作する。
【0146】
別の用途では、振動熱管理システムは、外部熱機関に結合されるか、または前述のように仕事抽出装置と一体的に結合されて、冷却および／または加熱に加えて、仕事を提供する。
【0147】
全ての説明された実施形態は、熱損失を被ることが理解されるべきである。これらの熱損失は分かりやすくするために示されていない。同様に、余分を排除するための余分な熱の排除の提供が全ての実施形態に含まれる。ある実施形態は、同じく分かりやすくするために、これらの提供を示していない。さらに、始動およびトラブルシューティング手順で使用される制御装置が全ての実施形態に含まれ、いくつかの実施形態では、それらは、同じく分かりやすくするために、示されていない。
【0148】
本発明のある特徴が本発明で例示されて説明されているが、修正、置換、変更、および同等物は、当業者に知られているように、本発明の範囲内に含まれる。それ故に、添付のクレームは、かかる全ての修正および変更を本発明の真の精神に含まれるとしてカバーすることを意図することが理解される。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図9F】
【図9G】
【図9H】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【国際調査報告】