JPS5877108A - 外部冷却される吸収機関 - 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】 この発明は、外燃機関、さらに詳細には閉サイクル、２
流体、外部冷却、蒸気本位機関の装置及び方法に関する
。

従来の外燃機関は、唯一の作動流体を気化するのに外部
燃焼源からエネルギーを受けている。作動流体は膨張機
関装置内で利用され、作動流体の熱エネルギーはそこで
機械的エネルギーに変換する。閉サイクルシステムでは
、作動流体は機械的膨張機関を通過した後に凝縮してボ
イラーに戻り、そこで作動流体は再び蒸発する。作動流
体をボイラーへ戻すことによっていくらかの節約が実現
されることに力るが、大規模な凝縮装置が備えられてい
なければ、作動流体内に実質的な背圧が生じ、それによ
って機械的膨張機関の効率が低下してしまうことがよく
知られている。

二元流体システムはζρ分野において知られており、一
般に低い沸点の作動流体と高い沸点の溶媒とを協働させ
るものである。溶媒は、作動流体に対して比較的吸収力
の高いものが選ばれる。この゛ようなシステムの一つは
、主として冷却の分野ではあるが、数多く適用されて用
いら些ているアンモニア／水シ゛ステムとしてよく知ら
れている。

しかしながら、本発明がなされるまでは、如伺なる先行
技術システムにも、熱エネルギーを機械的エネルギーに
変換するのに閉じた蒸気本位熱機関を利用し、それによ
って作動流体と溶媒とから成る溶液から作動流体が蒸留
され、その後、機械的膨張機関へ送り込まれる前に過熱
されるようにしたものは全くなかった。この排出された
作動流体は溶媒に吸収され、吸収熱は外部冷却源によっ
て回収される。

それゆえ、外部燃焼源からの熱エネルギーを二元流体シ
ステムを利用する機械的エネルギーに変換するのに、閉
サイクル、蒸気本位熱機関を提供することは、当分野に
おいて意義ある進歩であろう。溶媒流体が作動流体に対
して高い吸収力を持ち、そしてシステムの熱吸収が外部
冷却源によって回収されるような二元流体システムを提
供することもまた、当分野における進歩であろう。゛か
かる新規な装置及び方法がここに開示され且つ特許とし
て請求されている。

この発明は、外部燃焼源からの熱エネルギーを利用して
溶媒”内に溶けた作動流体の吸収溶液から作動流体を蒸
留するようにした閉サイクル、二元流体、外部冷却、蒸
気本位機関に関するものである。過熱器において付加的
な熱エネルギーが蒸気化した作動流体に加えられ、それ
によってガスを膨張させ、高圧にする。このガスは機械
的膨張機関内で膨張し、これによってガス内の熱エネル
ギーを機械的エネルギーに変換する。機械的膨張機関の
下流におけるシステムの背圧は、作動流体を蒸留器から
の溶媒に吸収させる一方、その吸収によって生じる吸収
熱を回収し、それによって機械的膨張機関の下流におけ
るーシステムに普通では得られ力い低い背圧を生じさせ
ることによって、有意に減圧されることになる。結果と
して生じた溶液は、逆゛流熱交換器を通してポンプで送
られ、溶媒を吸収装置へ送り込み溶液を蒸発装量べ戻す
前に、溶媒から熱エネルギーを取シ除く。

それゆえ、本発明の目的は、閉サイクルの蒸気本位熱機
関に改良を施こすことである。

本発明の他の目的は、熱エネルギーを機械的エネルギー
に変換する改良された方法を提供することである。

本発明の他の目的は、第一の作動流体が蒸留器で蒸気化
されると共に、機械的膨張機関内に導入される前に過熱
され、そして蒸留器装置からの溶媒に作動流体を吸収す
ることによって機械的膨張機関の下流における背圧を減
圧した、閉サイクルの蒸気本位熱機関を提供することで
ある。

本発明の他の目的は、吸収装置内で発生した熱エネルギ
ーが熱変換装置によって外部から取り除かれる閉サイク
ルの蒸気本位機関装置を提供することである。

本発明の他の目的は、機械的膨張機関の下流において作
動流体を吸収し、それによって発生した嘔収熱を取り除
くだめの新規な装置を提供するととである。

本発明のこれら及び他の目的と特徴は、添付図面と共に
なされた以下の記載及び特許請求の範囲からより完全に
明らかになるであろう。

本発明は、図面を参照して最もよく理解されるが、図面
においては同一の部品には、図面を通して同じ数字が用
いられている。

蒸留は、溶液に含まれる種々の成分を分離するものとし
てよく知られた方法である。蒸留過程は、溶液内の全て
の物質の気相と液相間の分布に基づいており、そして両
成分が共に両相で存在している場合に適用される。蒸留
は、第２の相を与えるために新しい物質が混合物内へ導
入されないという点で吸収や脱着と異なっている。その
代わり、新しい相が気化や凝縮によって元の溶液から作
り出される。蒸留は、それゆえ、全ての成分が感知し得
る程に揮発性を有する溶液の分離に関するものである。

この範晴に入るよく知られた例としてアンモニア（作動
流体）と水（溶媒）の溶液の成分の蒸留による分離が挙
げられる。溶液に熱を加えることによって、溶液に部分
的な蒸発が生じ、水とアンモニアから成る一つの気相が
形成され、そしてこの気相は残留溶液よシもアンモニア
に富んでいるために、ある程度の分離が得られることに
なる。

両相を適当に操作を加え、及び／又は蒸発と凝縮を繰シ
返すことによって、望み通シの完全な分離を行ない、そ
れによって元の溶液の両成分を望み通シの純粋な状態で
取り戻すことは通常は可能である。

それゆえ、蒸留においては、新しい相はその熱容量によ
って元の相とは異なることに、なる。熱は、たやすく加
えられ、困難もなく取り除くことができるが、しかし、
もちろん、そうするのに要するコストを考慮しなければ
ならないということは避けられない。多くの技術文献が
多元成分系、特に２元液体−気体平衡線図に利用するこ
とができる。

圧力、温度、及び混合物の成分間の関係は、数多くの成
分に対して−通り研究と解析が行なわれてきている。こ
のことは、よく知られたアンモニア／水の系に対、して
は特に確かである。

それゆえ、要約すると、蒸留は混合された２元の溶液を
隔離された高圧蒸留器内で蒸留し、秒数溶液から蒸気（
作動流体）を生成して蒸留器の残留生成物として溶媒に
富んだもう一つの流体（溶媒）を残すことによって従来
と同様性なわれる。

熱エネルギーは溶液に伝達されて分離を生じさせ、蒸発
した流体は一方向弁を通って導かれるが、この弁のとこ
ろで、望むなら流体に熱を付は加えても良い。例えば、
これまた外部燃焼源からの熱エネルギーを利用する過熱
装置によって、気化した作動流体に対して熱エネルギー
を付加することができる。

従来の機械的膨張機関装置は、加熱作動流体蒸気の熱エ
ネルギー容量を機械的エネルギーに変換するために利用
することができる。数多くの装置がこの目的のために利
用され、主としてタービン等の形で提供されている。そ
れによって得られる機械的エネルギーは種々の目的のた
めに使われるが、この目的の中には電気エネルギーの発
生が含まれてい曇。重要なことは、吸収装置が、この装
置の内部で作動流体を吸収する目的で機械的膨張機関装
置の下流に設けられていて、それによって機械効率を向
上するだめに機械的膨張機関に対する背圧を実質的に減
圧することである。作動流体の溶媒への溶解度は一般的
に溶液の温度と同様に含まれる分圧によって決定される
。従って、溶媒を吸収装置へ導入する前に溶媒の温度を
下げておくのが有益である。従って、気体の溶解は一般
に熱の発生をもたらすから、それによって発生した熱エ
ネルギーを取り除くことは作動流体の溶媒への吸収を向
上するのに有益力ことはよく知られたことである。

次に、ここに添附の第１図を参照すると、本発明の外部
冷却の我収機関装置は一般に１０で示されておシ、この
装置は、蒸留器１２、過熱器１４、機械的膨張機関１６
、吸収装置２０及び熱交換器６０を含んでいる。周辺装
置としては、発電機１８、ポンプ２２及び制御−弁２４
及び２６が含まれている。各制御弁２４及び２６は、そ
れぞれ制御器２５及び２７によって制御されている。

蒸留器１２を特に参照すると、蒸留器１２Ｊ／ｉ絶縁シ
ース３２によって囲まれた円筒状コラム３０として形成
されており、上方に伸びると共にコラム３０を通して燃
焼室３６から離間した関係にある同軸線の煙道３４を含
んでいる。火炎４０によって概略示されているように、
バーナー３８が燃焼室３６に必要な熱エネルギーを与え
ている。このようにして生じた熱エネ伽ギーは煙道３４
を通して上方に伝達され、そこで温度の下った排気ガス
４２として大気中へ排出される。煙道３４は、それゆえ
、熱エネルギーをコラム３０の内部へ伝達するための熱
交換面として機能している。

コラム３０は一般に上側の蒸留部分と、溶媒５０のだめ
の下側のアフター・ヒータ一部分とに分離されておシ、
これについては次により詳細に記述する。上側の蒸留部
分は、煙道３４の外周面に取り付けられた複数の截頭円
錐形の分散リング４４を含んでいる。各分散リング４４
は、流入管４８によって送り込まれた溶液のだめの一連
の集木霊としての役割を担っている。流入溶液は、煙道
３４に隣接する複数の孔４６を通して、下方にそして連
続して順次分散１Ｊング４４を通過することにより、煙
道３４の外面にわたって分散される。

このようにして、熱エネルギーは溶液５１に効率的に伝
導され、それによって溶液から作動流体を蒸発させる。

蒸発した作動流体は円筒状コラム３０を上に昇って、そ
して逆止弁５８を通って流れ、この弁のところで作動流
体は導管５９によって過熱器１４の逆流熱交換装置へ導
入される。

一連の分散リング４４を順々に通過した後、作動流体は
溶液５１から実質的に蒸発し、残留流体が比較的純粋な
溶媒５０となる。溶媒５０は、蒸留器１２のペースのア
フターヒータ一部分内に溜りとして集まる。煙道３４の
下端部は、流入口５２を有する管のコイル５４によって
熱交換関係に囲まれている。蒸留器１２の下端部近傍か
らの溶媒５０は、導管５６によって逆流熱交換器６０へ
向かう前に、煙道３４の下端部と熱交換関係をもってコ
イル５４全通して汲み出される。熱交換コイル５４の使
用によって付加的な熱エネルギーが溶媒５０に加えられ
るので、溶媒５０は逆流熱交換器６０内で冷却されるの
みならず、蒸留器１２へ導入される前に、導管４８を通
って上方に至る溶媒５１に対して先に述べた熱エネルギ
ーを伝達していることに注意すべきである。次に溶媒５
０は弁２４によって、制御され、流入管５７によって吸
収コラム２０の上端へ導入される。

同様に、第２図を特に参照すると、過熱器１４は、絶縁
層６４によって囲まれた概略円筒状のコラム６２として
輪郭づけられていて、そしてコラム６２とは離間した関
係で上に向って貫通して伸びている同軸線の煙道６６を
含んでいる。燃焼室７０はバーナー７２ｅ含んでいて、
しかも煙道６６に接続されているので、この燃焼室で発
生した熱エネルギーは、火炎７４で概略示されているよ
うに、煙道６６を通って上に昇り、温度の下った排気ガ
ス７６として排出される。煙道６６と円筒殻６２との間
の環状空間は複数の環状ディスク６８によって横に区切
られており、このディスク６８は内部に孔６９を有して
いる。ディスク６８は煙道６６から取シ囲んでいる環状
空間の作動流体蒸気への熱エネルギーの伝導のための熱
伝導フィンとしての役割を担っている。孔６９によって
混合が完全になシ、作動流体が過熱器１４を下方に向っ
て通シ出ロ導管７８へ至る時に、作動流体蒸気とディス
ク６８との間の熱交換接触が親密になる。このようにし
て、過熱器１４によって作動流体に付加的な熱エネルギ
ーが加えられ、それによって作動流体が通過する機械的
膨張機関の効率が向上する。

制御弁２６は制御器２７によって操作されて、高圧、高
温の作動流体蒸気が機械的膨張機関１６へ流入するのを
制御している。機械的膨張機関１６は、好ましくはター
ビン等の形として、従前からの機械的膨張機関として図
示されており、作動流体蒸気の熱エネルギーを機械的エ
ネルギーに変換するものである。機械的エネルギーは、
次に、シープ１７及び１９間で協働する可撓性のベルト
２８によって発電機１８へ伝達される。この発電機１８
について説明するとこれは機械的エネルギーを雷り的エ
ネルギーに変換する。しかしながら、機械的膨張機関１
６によって発生された機械的エネルギーを利用するため
であれば、他の従来の装置も協働させることができる。

機械的膨張機関１６の下流では、この機関から排出され
た作動流体は高圧部７９によって吸収コラム２０へ向け
られる。詳細には、高圧部７９は吸収コラム２０内へ、
複数の孔８１を有する同軸線状の穴あきシリンダとして
下方へ伸びている。高圧部７９の穴あきコラムは吸収コ
ラム２０の円筒状コラム８２の内壁から離間しておシ、
そのまわりの環状空間は、流入管９２と流出管９０間で
伸びる熱交換コイル８４で満たされている。吸収コラム
８２の上端部は、溶媒５０を熱交換コイル８４の上へ降
り注ぐための複数の孔８７を有する分散スクリーン８６
を備えている。下方に通過する溶媒は、孔８１１に：通
過する作動流体蒸気と一緒になって溶液５１を作る。そ
の後、溶液５１は導管４７を通って回収され、流入管４
８ｆｔ通して蒸留器１２へ導かれる前に高圧デンゾ２２
によって逆流熱交換器６０へ汲み出される。

これまで述べてきた吸収過程によって生じた吸収熱は熱
交換コイル８４を通り抜ける流体へ伝達されることによ
って回収される。例えば、低温の冷却剤９３が流入管９
２を通して送シ込まれ、そして熱交換コイルからは流出
管９０を通して加熱を受けた冷却剤９１として回収され
る。好都合なことには、加熱された冷却剤９１によって
運ばれた回収吸収熱は、適当なプロセス又は装置（図示
せず）であれば如何なるものでも熱源として利用できる
。

逆流熱交換器６ｏは、蒸留器１２のアフターヒータ一部
分からの比較的高温の溶媒５０から、吸収コラム２０か
らの比較的低温の溶液５１への熱エネルギーの伝達に用
いられていて、これによって吸収コラム２０の上端部へ
送り込む溶媒を比較的低温にしている。これに応じて、
結果として生じた比較的高温の溶液５１は流入管４“８
を通って蒸留器１２へ送シ込まれることになる。このよ
うにして、作動流体蒸気を作るのに蒸留器１２で必要な
熱エネルギーがずっと少なくなる。加えて、流入管５７
を通って入ってくる溶媒は実質的に温度が下っているの
で、吸収コラム２０に生じる背圧が実質的によシ低くな
る。重要なことは、結果として生じた溶液５１を冷却す
ることによって効率の向上がさらに得られ、この溶媒５
１は、今度は逆流熱交換器６０に入ってくる溶媒５０の
冷却に太いに貢献することである。

本発明は、本発明の精神又は本質的な特徴から逸脱する
ことなく、他の特定の形態に具体化することができる。

ここで記述された実施例は、いかなる点においても、例
を挙げて説明するものであると考えるべきものであって
限定するものとして考えるべきでなく、それゆえ、本発
明の範囲はこれまでの記述によって示されるというより
特許請求の範囲によって示されることになる。特許請求
の範囲と等価な意味及び範囲内となる全ての変更１ は、特許請求の範囲の範囲内に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

添附の図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は
、理解を容易にするために一部を断面でまた破断して示
した本発明の装置の概略図である。 第２図は、第１図の線２−２に、ついての断面図である
。 主要部分の符号の説明 １０・・・外部冷却される吸収機関装置１２・・・蒸留
器　　　　　１４・・・過熱器１６・・・機械的膨張機
関　　　１８・・・発電機２０・・・吸収装置　　　　
３４　、６６・・・煙道３６．７０・・・燃焼室　　　
３８．７２・・・バーナー５０・・・溶媒　　　　　　
５１・・・溶液６０・・・熱交換器　　　　９１，９３
・・・冷却剤特許出願人　　ニューエナージ′ディメン
／−１ンコー昶イシ１ンＦｉに１．１

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）第一の低沸点を有する第一の作動流体と、第二の
   高沸点を有する第二の溶媒流体とから成り、前記第二の
   流体は第一の流体に対して比較的高い吸収力を有してい
   る閉サイクル系と、 外部燃焼源からの熱エネルギーを加えて第一の流体を選
   択的に蒸発させることにより第一の流体を第二の流体か
   ら分離するための蒸留手段と、気化した第一の流体を過
   熱するための過熱器手段と、 該過熱器手段の下流に、あって、第一の流体の熱エネル
   ギーを機械的エネルギーに変換する機械的膨張機関手段
   と、 該機械的膨張機関手段の下流にあって、該機械的膨張機
   関手段からの第一の流体を吸収し、それによって第二の
   流体が第一の流体内の背圧を減じ、第二の流体に吸収さ
   れた第一の流体が第三の溶解流体を形成している外部冷
   却される吸収手段とから成る閉サイクル蒸気本位機関。
2. （２）蒸留手段が、流入口を第二の流体内に浸した熱交
   換コイルから成る第二の流体のだめのアフターヒーター
   から成っている特許請求の範囲第１項に記載の閉サイク
   ル蒸気本位機関。
3. （３）吸収手段は、さらに、第一の流体が第二の流体に
   よって吸収された時に生じる吸収熱を吸収するだめの熱
   交換手段を有していて、該熱交換手段は外部流体を溶液
   と熱交換関係に伝導するための熱交換手段から成ってい
   る特許請求の範囲第１項に記載の閉サイクル蒸気本位機
   関。
4. （４）吸収装量は、さらに吸収手段へ流入する溶媒を吸
   収手段で作られた冷却溶液で冷却するだめの逆流熱交換
   器を有していて、冷却溶液は溶媒によって加熱された後
   で蒸留器へ戻り、それによって蒸留器の熱効率を向上し
   ている特許請求の範囲第１項に記載の閉サイクル蒸艶本
   位機関。
5. （５）第一の作動流体と第二の溶媒流体とを含み、第一
   の流体は第一の比較的低い沸点を有し、第二の流体は第
   二の比較的高い沸点と第一の流体に対する比較的高い吸
   収力とを有していて、第二の流体内に吸収された流体は
   第三の溶解流体を形成している閉サイクル系と、 第一の流体を選択的に蒸発し、それによって第二の流体
   から第一の流体を分離して蒸留器内に第二の残留流体を
   残す蒸留器手段と、 該蒸留器手段からの蒸発した第一の流体の熱エネルギー
   を増大するための過熱器手段と、該過熱器手段の下流に
   あって、該過熱器手段からの第一の流体の熱エネルギー
   を機械的エネルギーに変換する機械的膨張機関手段と、 該機械的膨張機関の下流にあって、第一の流体を第二の
   流体に吸収させて第三の流体を形成することによって、
   機械的膨張機関手段からの第一の流体に対する背圧を低
   下すると共に、外部から冷却されて吸収手段の効率を実
   質的に向上している外部冷却される吸収手段と、 溶媒を吸収手段に送り込む前に蒸留器手段からの溶媒か
   ら熱エネルギーを回収する一方、溶液を蒸留器手段へ送
   り込む前に吸収手段からの溶液を加熱する熱交換手段と
   から成る閉サイクル外部冷却吸収機関装置。
6. （６）作動流体として比較的低い沸点を有する第一の流
   体と、該第−の流体のための溶媒として比較的高い沸点
   を有する第二の流体とから成っていて、第二の流体は第
   一の流体に対して比較的高い吸収力を有し、混合した第
   一の流体と第二の流体はツ三の流体溶液を形成する二元
   流体系を得ることと、 蒸留器、過熱器、機械的膨張機関手段、吸収コラム及び
   熱交換器から成る閉鎖系内に二元流体系を包み込むこと
   と、 第三の流体を蒸留器手段内で蒸留し、それによって第一
   の流体を第二の流体から分離して作動流体を作シ出すこ
   とと、 作動流体を過熱器手段内で過熱することと、作動流体を
   機械的膨張機関手段に通すことによって作動流体内の熱
   エネルギーを機械的エネルギーに変換することと、 機械的膨張機関手段からの作動流体を蒸留器からの溶媒
   に吸収させ、それによって機械的膨張機関手段への背圧
   を減少して機械的膨張機関手段の効率を向上すること、 とから成る熱エネルギーの機械的エネルギーへの変換方
   法。
7. （７）吸収段階は、さらに作動流体の溶媒への吸収時に
   発生する吸収熱を取シ除くことによって吸収器手段を外
   部から冷却することにより、吸収器手段の効率を向上す
   ることを含んでいる特許請求の範囲第６項に記載の変換
   方法。
8. （８）吸収段階は、さらに、蒸留手段からの溶媒を、吸
   収手段からの冷却された溶液で冷却することによって吸
   収手段の効率を向上することを含み、これに応じて、溶
   液を熱交換手段内の蒸留器手段へ送り込む前に溶液を加
   熱することによって蒸留器手段の効率を向上するように
   した特許請求の範囲第６項に記載の変換方法。
9. （９）加熱段階は、さらに、溶媒を熱交換手段に通す前
   に、溶媒を蒸留器内のアフターヒーターに通すことを含
   んでいる特許請求の範囲第８項に記載の変換方法。