古代神都・東三河
常温物質熱エネルギーから有効仕事を取り出す、新規熱サイクルについて紹介します。
A New Heat-Cycle Which has Ability of Producing Exergy from Room Temperature
Material
１．はじめに
太陽エネルギーを人間生活に有効活用する方法は、従来、太陽直射光を用いて、太陽電池
で発電し、電気エネルギーを得る方法と、太陽の輻射熱を用い、場合によっては集光して物体
を暖めて熱エネルギーを利用する方法が主流であった。
しかし、地球に降り注ぐ太陽エネルギーの大部分は、海水や大地を加熱し蓄熱に利用されて
いるのが実状である。このような熱エネルギーは、気象現象の源泉となり、付随して生ずる雨
水からの水力や、風力がクリーンエネルギーとして発電に利用されるものの、地球に直接蓄え
られた常温付近の熱エネルギーを有効仕事として活用するという考え方は、従来、存在しなか
ったと思われる。
本報告では、殆どが無為に打ち捨てられている地球に蓄えられた熱エネルギーを有効活用
する方法として、炭酸ガスを熱媒とした新規な熱サイクルを提案する。 また、この熱サイクル
のエクセルギー解析を行い、常温物質の熱エネルギーから有効仕事を取り出し得る諸条件に
関し、探索と理論的解析を行った。
これにより、提案熱サイクルの活用において、気液共存系で作動する高効率発電システムの
導入によって、単に熱利用だけでなく、生成するエクセルギーを電力として利用するシステムが
あり得ることを提言する。
２．熱エネルギーから有効仕事を取り出す指導原理
熱エネルギーから有効仕事を取り出すシステムは、熱機関である。
熱機関により発電システムを構成する場合、熱→仕事のエネルギー変換効率が重要な指標と
なる。
その指導原理の代表は、従来、カルノーサイクルからの類推にあるとされ、カルノーサイクル
については、①最高性能を示す理想機関、②本サイクルを超える熱機関は存在しない、③他
の熱機関の性能向上のための目標となる、などのイメージが定着してきた。
しかし、カルノーの主張は、温度一定の２つの熱源の間で動く熱機関に限定して、非可逆機関
に比べて、可逆機関の性能が高いことを示したに過ぎない。
例えば、ガスタービンの効率向上のためには入口温度の上昇が最も重要であるとされてきた
が、ガスタービンの可逆サイクルの理論効率は、基本的には入口温度と直接関係がなく、圧
力比が重要である。しかし、このギャップを埋める議論は行われていないといわれる。
そこで、越後亮三氏は、新たな指導原理は、カルノーサイクルの呪縛から解き放たれたところ
にあるとし、エクセルギー（有効仕事エネルギー）を指標として、新たな高効率、超効率の熱サ
イクルの可能性について提言されている。1)
即ち、加熱源の種類や加熱方法を変えれば、熱機関の仕事効率は、カルノーの制約を受け
ることはない。 ただ、このことは一般に余り理解されてこなかった。
例えば、燃焼によって実現できる体積一定あるいは圧力一定の加熱源・加熱方法はカルノー
効率の制限を受けないばかりか、これを上回るサイクルも既に提案されている。例えばミラー
サイクル2）、その他、従来の高効率熱サイクル「ランキンサイクル」を上回るサイクルとして、カ
リーナサイクルが提案され3)、また、熱効率を高度に発揮できるスーパーヒートポンプシステム
などが、出現してきた。4)
３．常温熱エネルギーからエクセルギーを取り出すメカニズム
太陽エネルギーは、昼間地球全土および海洋に降り注ぎ、熱エネルギーとして蓄えられてい
る。この熱エネルギーは夜間に輻射放熱したり、熱伝導によって分散し、極端な温度上昇が起
こらないように調節されているかにみえる。しかし、その調節が崩れたとき、例えば、海洋の水
温が、ある一定の限度を越すと、台風を発生させることがある。地上で高温状態が発生する
と、局部上昇気流による低気圧性雷雨や竜巻となる。
これらの気象現象は、基本的に同一の原理で発生している。そこで、人間の活動に、最も影
響の大きい台風について考えてみると、そのメカニズムは次のように説明される。
１．太陽熱による物質系の加熱 （加熱、熱移動）
２．水・空気系の気化と上昇気流の発生 （蒸発、風の発生による仕事）
３．断熱膨張による冷却 （膨張、冷却）
４．水蒸気の凝縮・潜熱発生 （凝縮、発熱）
５．降雨 （液化、水流による仕事）
６．坦体大気の循環 １．へ
このメカニズムは、水・空気を媒体とした、１）熱移動、２）気化、３）凝縮・発熱、４）冷却、５）
⇔１）加熱・蒸発 のサイクルシステムであって、これは空調機などのヒートポンプシステムの原
理と同一である。
つまり、台風は、太陽熱エネルギーを利用した大自然という特大のヒートポンプシステムであ
って、媒体の循環により発生したエクセルギーが、風力や水力の電気エネルギーとして人間に
活用されているのである。
因みに、１気圧３０℃の飽和水蒸気（約4%）を含む大気が、上昇気流に乗って、０℃、０．５気
圧となり、途中で水蒸気が液化分離すると仮定すると、流れ系の熱力学の法則により、最大有
効仕事Eは、Ｅ＝H－Ho－To（S－So）の式から、（注 H=100ＫＪ／kg・DA、Ho＝9.7ＫＪ／kg・
DA、T=298K、Ｓ＝0.238ＫＪ／kg･DA、So＝０を代入して、）湿潤大気1m3当り約２０kJ/m3のエ
クセルギー変化を生じることがわかる。
例えば、１平方ｋｍの面積で秒速１０mの上昇気流の目をもつ台風の場合、１０*7m3/secの飽
和水蒸気の熱機関として働き、２×１０*8KW、つまり、100万KWの発電所200基を稼動させる
のに匹敵する最大有効仕事能力をもっている。
もし、この巨大ヒートポンプシステムに相当するエクセルギー発生システムを、人間がコントロ
ールできる規模で実用化することができれば、我々は、地球に貯蔵された莫大な太陽熱エネ
ルギーを昼夜に関係なく、常温付近で、人間活動に有効な電気エネルギーや温・冷熱エネル
ギーに変えることができる。
このことは即ち、地球温暖化を抑制し、化石燃料や原子力エネルギーにつきまとう問題を回避
するキー技術を手にすることを意味する。
４．物質熱エネルギーから有効仕事を取り出す新規熱サイクルの提案
本発表では、CO2など、高圧熱媒体飽和蒸気を体積膨張させたとき、冷却され気液共存系と
なって膨張する媒体を用いるものであって、気液分離後、両状態の熱媒を、環境を形成する常
温物質の熱で加温してエネルギー供給したのち、初期条件の高圧飽和蒸気に戻す熱サイクル
を提案する。
すなわち、図１に示すような発電系と温・冷熱供給を兼ねた装置システムを用いる熱サイクル
に関する。
CO2熱媒の場合の本提案の熱サイクルはモリエル(ｉ－p) 線図上に示され、図２の通りとな
る。 また温度－エントロピー（T－Ｓ）線図は図３に示す通りである。
工程の詳細を述べると以下の通りである。
初期条件は、常温高圧飽和蒸気である。 体積膨張する工程で、タービンなどの出力装置と
連結させて、外部運動エネルギーや電気エネルギーとして取り出しながら冷却する。次いで、
媒体の気液を分離する。
その後、気体系は常温物質熱により定積加熱し、次いで所定の高圧ガスとなるまでの圧縮を
行い、圧縮昇温熱を有効温熱として利用し、初期の常温高圧蒸気に戻すサイクル１を採る。
常温物質熱による定積加熱は、見方によれば、冷熱の利用につながる。
液体系は常温物質熱による加熱（冷熱利用）により気化させ初期の常温高圧蒸気に戻すサイ
クル２を採る。
このようにして、再度、両者の飽和蒸気が混合されて初期条件に戻り、本提案の熱サイクルが
形成される。
この新規複合サイクルの、液体系サイクルでは、移送の僅かなポンプ動力を要するだけで、本
質的には動力なしで、初期条件の高圧飽和蒸気に戻すことができる。また、気体系のサイクル
では、移送する門を通り、定積加熱工程に経たあと、更に圧縮することにより、圧力と温度上
昇を起こす。ついで、これを有効熱として放熱することにより初期条件に戻る。
本提案は、上記熱サイクルにおいて液体系と気体系サイクルで循環した総合蒸気の膨張エク
セルギー変化が、サイクル循環に必須の圧縮動力を上回る条件があることを発見したことに
端を発している。
つまり、本提案の熱サイクルは、常温物質の熱エネルギーを得て、熱媒体のエクセルギーが
増大できるシステムであり、有効仕事を創成できるシステムとなることが判明した。
５．新規熱サイクルのエクセルギー解析
新規熱サイクルのユニット工程毎エクセルギー変化量を求めるエクセルギー解析は、次の理
論式に基づき、コンピューター計算（Microsoft Excelによる）より実施した。
即ち、熱サイクルに於ける状態１から状態２への変化において熱媒の外界に与える最大仕
事W1,2（＝エクセルギー変化量）の計算式は、次の通りである。5,6)
W1,2＝H1－H2－To（S1－S2） （１）
ここに、H1,H2は、状態１，２のエンタルピー
S1,S2は､状態１，２のエントロピー
Toは、環境温度（K）を表す。
又、エンタルピーＨ、エントロピーＳのデータは、CO2のモリエル(ｉ－ｐ)線図および表から求め
た。
表１は、環境温度２５℃で飽和蒸気状態の炭酸ガスを、外部仕事をさせつつ、－２０℃になる
まで断熱膨張させた場合のエクセルギー変化の理論計算例である。
CO2のｉ－ｐ線図から、－２０℃での気体／液体比率は0.7402／0.2598となり、気体サイクルで
は、膨張過程で8.18×0.7402＝6.05 Kcal／Kgのエクセルギーが発生する。
この冷却CO2ガスは定積加熱工程で、２５℃の環境温度から8.30Kcal／Kgの熱エネルギーを
得て、1.07Kcal／Kgのエクセルギーを獲得している。 次いで、更に断熱圧縮により9.47 Kcal
／Kgのエクセルギーを受けることにより、99℃の高温ガスとなり、このガスが、環境温度物質
を加熱することで、24.77Kcal／Kgの熱エネルギー（2.39 Kcal／Kgのエクセルギー）を放出し
て、出発時点の飽和蒸気に戻るというサイクルを形成する。
液体サイクルでは、膨張過程で8.18×0.2598＝2.12Kcal／kgのエクセルギーを発生する。そし
て、加熱過程で－0.33 Kcal／Kgの動力（エクセルギー）を投入、環境から15.17 Kcal／Kg の熱
エネルギー（+0.58 Kcal／Kgのエクセルギー）を得て、常温の液体CO2を経由、蒸発して初期
の飽和蒸気となる。この過程でのエクセルギー変化は＋0.25Kcal/kgとなる。この液体サイクル
では、環境物質から15.17 Kcal／Kgの熱エネルギーを得て、トータル＋1.8 Kcal／Kgのエクセ
ルギーと冷熱7.76 Kcal／Kgを獲得することができる。
気液総合サイクルでは、環境物質から23.48Kcal／Kgの熱エネルギーと圧縮動力9.47 Kcal／
Kgのエクセルギーを用いて、8.18 Kcal／Kgの膨張エクセルギーを得、-16.07 Kcal／Kgの冷熱
と24.77 Kcal／Kgの温熱を得ることができるサイクルである。
このサイクルでの増加生成エクセルギーは、1.33 Kcal／Kgであり、有効仕事に対する熱効率
は1.33／23.48＝0.057である。
また、この条件の場合、膨張エクセルギーは、圧縮に要するエクセルギーより小さくなっている
が、初期条件、膨張冷却温度の条件、気体サイクルの定容、定圧加温の条件差、気液分離
の有無、など条件変更により、圧縮に要するエクセルギーと膨張により取り出せるエクセルギ
ーの比率に変化があり、この状況を表２に示した。
６．エクセルギー解析結果の考察
表２において、条件変更に伴う注目すべき特性値を表３に抜粋した。
興味深いことに、気体系定積加熱シリーズ条件4-1、5-1-5-3，では、１０－２０℃の環境温度
のCO2飽和ガスを－１０℃まで仕事をさせつつ断熱膨張冷却させた場合、圧縮動力に必要な
エクセルギーを上回るエクセルギーが膨張仕事として取り出せる条件（1.1－1.25倍）があること
が、判明した。
又、温・冷熱エクセルギーを有効に取り出せるとして算入すれば、圧縮工程で投入する理論エ
クセルギーの1.36倍という、更に大きなエクセルギーの生成が可能の条件がある。
従って、高効率の膨張発電機、圧縮機、熱媒ポンプ等、適切な設備を開発・構成することによ
り、常温付近の熱エネルギーを用いて、有効仕事を取り出す可能性があることが判明した。
尚、1-1、2-1、2-3条件のように、膨張後、気液を分離せず、圧縮工程に入った場合、膨張エ
クセルギーは、圧縮エクセルギーの９０％以下と低い。しかし、条件2-2、3-1、6-1のように定
積加熱を行った場合には、温・冷熱エクセルギーを算入すると、圧縮エクセルギーより大きくな
っており、環境条件物質による加熱が、熱媒のエクセルギー増加に寄与するものであることが
分かる。
又、気液分離によっても、熱媒系にエクセルギーが取り入れられることが判明した。これは、重
力加速や、遠心分離などの操作が、エクセルギー増大に寄与するものと考えられる。
７．新規熱サイクルシステムを実現する装置の構成
図１において、２の発電タービンについては、低温・気液共存系での膨張に耐える高効率のタ
ービンが望ましい。
気液２相の膨張仕事で発電力を取り出す方式には、地熱発電で検討されている、容積変化の
圧力エネルギー取り出し式の２相回転膨張機やスクリューエキスパンダーがあるが、提案者
は、速度形と容積形の利点を兼ね備えた螺旋構造の運動・膨張タイプのタービンを提案する。
7,8)
定積加熱工程は、伝熱と定積移送を実現するため、上記と同様のピッチ均一螺旋構造の特
殊旋回パイプを提案する。（バッチ式では弁の開閉が困難、単なるパイプでは定積加熱困難）
コンプレッサ－については、小型のシステムの場合、螺旋式またはスクロール式や、ピストン
式が用いられるが、中型・大型のシステムでは、スクリュ－方式やタ－ボ方式のコンプレッサ
－を採用することが可能である。
蒸発器等熱交換器については、大気熱に適応した集熱・放熱効果の優れた薄手放熱金属
襞熱交換器を用いることができる。水熱を適用する場合には、従来公知の水冷用熱交換器を
用いたり、改良装置を適用する事ができる。
装置構成部材としては、従来公知のものが使用できるが、更に、材料適性があり、量産加工
が可能な各種先端材料を使用できる。 先進複合材料としては炭素繊維樹脂複合材料や炭
素繊維・炭素複合材料の他、アラミド繊維や高性能ガラス繊維を基材として用いることが可能
である。
８．新規熱サイクルシステムの効果
図１において、２の蒸気タービンで発電用のエクセルギーを生み出し、３の低温・低圧気液分
離タンクを出た媒体は、低温冷却熱源として有効に利用することが可能であるし、５のコンプレ
ッサー圧縮後の熱媒は高温加温熱源として利用できる。
この熱サイクルシステムの特徴は、１）気液共存系での体積膨張エネルギーを取り出す、２）
気液を分離する、３）気液の加熱は常温物質（大気、流水、海水など）による、４）気体系の加
熱は常温まで定容積で行ったのち、コンプレッサー圧縮を行う、ところにある。
本提案のサイクルは、記述のエクセルギー解析によって判明した通り、電力として取り出し得
る熱媒膨張のエクセルギー変化が、外部投入を必要とする断熱圧縮と熱媒循環ポンプの作動
エクセルギー変化を上回ることが可能となっており、更に、冷熱・温熱エネルギーの有効利用
が可能な系となっている。
大気、河川、海水等の流動性物質を熱源として使用する場合、これらの物質が太陽エネルギ
－（熱・光）を吸収して、対流することによって連続的にエネルギ－が供給される。つまり、効果
的な総合太陽エネルギ－有効活用システムとなる。またこれらのエネルギ－発生に際して汚
染物質が生じないので、地球環境を守る点からも極めて有効である。
尚、1998年時点での世界の総エネルギー需要は、約０．４Ｑ（石油換算、約８０億トン）であ
り、世界の非更新性エネルギー資源の公式に認められている可採年数は、石油：40-45年、石
炭：210-280年、天然ガス：60-65年、ウラン235：70-100年である。総合的にみると1998年ベー
スで可採年数127年、３％／年増で53年と言われている。
これに対し、太陽エネルギーが地球に降り注ぐ量は、10*13Ｑであり、まず無尽蔵のエネルギ
ー源である。
本提案の熱サイクルにより生ずるエクセルギーは、空調機のような、分散型発電・温冷熱発
生装置で、発生させることができ、立地を問わない分散発電装置として利用することができる。
本提案の物質熱エネルギーの資源化システムについては、特開2001-123936、特開2001-
152813、特開2001-193419、特願2000-403545などで、既に特許出願済みである。
９．結語
従来、太陽エネルギーの人間生活への有効活用法として採られていた方法は、太陽の直射
光を用いて、太陽電池で発電し、電力エネルギーを得る方法と、太陽直射熱を用いて、物体を
暖めたり、集光して暖める方法で熱エネルギーを利用する方法が主流であった。
しかし、地球に降り注ぐ太陽エネルギーの大部分は、海水や大地を加熱し蓄熱されているの
が実状で、このような熱エネルギーは、気象現象に反映され、人類の利用する水力発電や、
風力発電に利用することはあっても、直接地球に蓄えられた熱エネルギーを活用するという思
想は、存在しなかった。
本発表者は、殆どが無為に打ち捨てられている地球に蓄えられた常温付近の熱エネルギー
を有効資源として活用する方法として、CO2を用いる新規熱サイクルを提言し、そのエクセル
ギー解析を行うことによって、常温物質からエクセルギーを創出する条件を見出した。
また、この新規熱サイクルを実現する高性能発電システムの開発によって、従来のヒートポン
プのように単なる熱利用を行うだけでなく、電力を創成するシステムとなりうることを提言した。
以上
参考文献
１）越後亮三、日本機械学会誌2001.4 Vol.104 No.989,p209
２）藤若貴生ら、JETI 2000,Vol.48,No.4(2000),p44-
３）Uehara,H, Ikegami,Y.,ASME Joint Solar Engineering Conference.,(1993),203; 日本機械学会
第72期通常総会講演論文集(Ⅲ)(1995-3.29,p528)
４）亀山秀雄、ヒートポンプ技術、化学工学Vol62,No.12、
1998,pp718-721
５）吉田邦夫編、エクセルギー工学・理論と実際,1999.2
共立出版、（亀山秀雄、エクセルギーの基礎,p16-42）
６）藤田秀臣・加藤征三著、熱エネルギーシステム,1999.4
共立出版
７）NIKKEI MECHNICAL 2000.12 No.555,p64-65
８）前田豊、特願2001-180819
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