古代神都・東三河
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（３）
新規熱サイクルのエクセルギー解析とその考察
A New Heat-Cycle Which has Ability of Producing Exergy from Room Temperature Material
(3)
The Exergy Analysis and Consideration of The New Heat-Cycle
There exist a new heat cycle that creates the exergy from room temperature materials.
This is composed of a unique heat cycle of CO2,as heat medium .
The mechanism is shown through exergy analysis as to the heat cycle which creates valid
work,.
Using this cycle, there are discussions about proper systems on generation of electricity,
warm heat and cold
use.
Keywords: New Heat-Cycle, Exergy, CO2, Heat-pump,
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。
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、CO2（炭酸ガス）を熱媒とした新規な熱サイクルが存在することを第２１回エネルギー資源
学会等において発表したが、本報告では、この熱サイクルの構成要件が、有効仕事を発現す
るメカニズムについて、エクセルギーを指標として解析し、発電、温･冷熱利用を図る場合の適
性システムについて提言する。
２．物質熱エネルギーから有効仕事を取り出す
新規熱サイクルの概要
2.1 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。
最近、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。
2.2. 常温熱源からエクセルギーを取り出す現象例
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。 人間の活動に大きな影響を与える台風
の活動メカニズムは、水・空気を媒体とした、１）熱移動、２）気化、３）凝縮・発熱、４）冷却 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。
2.3. 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（TMサイクル）
CO2など、常温付近での高圧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
膨張する媒体において、膨張冷却した気液を分離後、両状態の熱媒を、環境を形成する常温
物質熱で加温・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が存在
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
においては、圧縮動力を上回る総合膨張エクセルギーが得られる条件がある。
CO2熱媒の該熱サイクルはモリエル(ｉ－p) 線図上に示され、図２の通りとなり、また、温度－
エントロピー（T－Ｓ）線図は概略図３に示す通りである。
即ち、その工程の詳細は、以下のとおりである。
初期条件が、常温高圧飽和蒸気で、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し、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。この常温物質熱による定積加熱は、冷熱利用につながる。
サイクル２ １ サイクル１ ６熱交換器
→高圧蒸気 ←
ﾀﾝｸ ５ｺﾝﾌﾟﾚｯｻ
２蒸気ﾀｰﾋﾞﾝ
P2
４定容加熱
熱交換器
大気等
蒸発器 ７熱交換器 気体分
P1
８ ← ３低圧気液分離ﾀﾝｸ
熱交換器 大気 海水 河川
図１ 新規熱サイクルとクリーンエネルギー生成システム図
ｐ圧力
気圧
ｻｲｸﾙ2 ｻｲｸﾙ1
60 8 → 1 ← 6
7 ↑ 2↓ 5↑
30 ４
３" ３ ３'
3"
70 150
ｴﾝﾀﾙﾋﾟｰ,i kcal/kg
図２CO2のモリエール(ｉ－p)線図と新規熱サイクル
温度T 1`
60
1"
℃ １ ↑
20
4' → ４
2↓ ↓
→
-20 3" ← 3 3" 3'
-50
0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
エントロピーS（Kcal／kg）
図３ 新規熱サイクルのＴ－Ｓ線図
冷却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、エクセルギー解析によれば、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、移送口を通り、定積加熱工程を経たあと、更に圧縮することに
より、圧力と温度上昇を起こすので、これを有効熱として利用することにより初期条件に戻すこ
とができる。
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。
つまり、この熱サイクルは、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
きるシステムに活用できるものであり、有効仕事を創成できるシステムとなる。
2.4. 熱媒の選定
室温付近での飽和蒸気が、等エントロピー膨張した場合、冷却と共に液化する熱媒をモリエル
線図をもとに、探索したところ、次表Aに示した通り、水蒸気、炭酸ガス、亜硫酸ガス、アンモニ
アなどが、該当し、炭化水素やフッ化炭化水素ガス、ハロンガス等は殆ど液化が起こらないこ
とが判明した。
表A 常温付近での飽和蒸気の断熱膨張時の液化率
液化比率（25℃→ 0℃） 圧
大気／水 ８０ ％ 24 → 5 mmHg
炭酸ガス ２５ 65.6 →35.5 atm
アンモニア ７ 0.5 → 4.5
亜硫酸ガス ６．５ 4.0 → 1.6
プロパン １－２ 9.5 → 4.8
n-ブタン ０ 2.4 → 1.0
134a ０ 7 → 3
R12 １－２ 6.6 → 3.1
R22 ４ 10.7 → 5.1
特に、液化比率の大きいものは、水蒸気であり、ついで、炭酸ガスの液化傾向が大きく、アン
モニアが続く。ただ、水蒸気は常温付近で飽和蒸気圧を高くすることが出来ず、体積利用効率
が低い。水蒸気・アンモニア系なども候補に上がるが、低温で水蒸気は固化するため、扱いが
難しく、炭酸ガスが、最適の熱媒として選定される。
2.5. CO2利用の新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結果は、次
の理論式に基づき、コンピューター計算（Microsoft Excelによる）より実施したものである。
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における５－１系は、環境温度１０℃で飽和蒸気状態の炭酸ガスを、外部仕事をさせつ
つ、－１０℃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。
環境物質熱10.95Kcal/Kgを得て、圧縮動力3.67 Kcal／Kgのエクセルギーを用いて、4.59 Kcal
／Kgの膨張エクセルギーを得、-5.87Kcal／Kgの冷熱と10.03 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、1.32 Kcal／Kgであり、有効仕事に対する熱効率
は1.32／10.95＝0.12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大きくなってい
る。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
の比率に変化がある（表１）が、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。
３．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。
３．新熱サイクルシステム用装置の構成要件
3.1 装置構成
基本概念を表すシステム図は、図１の通りであるが、効果を発現しやすくするため、圧縮工
程と膨張工程を同軸ないし、連動させることが望ましい。図４
ガスタービンのように、圧縮と膨張を同一マシンの中で実現できることが望ましい。
3.2. 螺旋構造膨張タービン
図１における発電タービン（2）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
ビンとする必要がある。
既存装置として気液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。
しかし本報告者は、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)
図-5の膨張系を参考
3.3. 螺旋構造圧縮機
コンプレッサ－については、小型のシステムの場合、螺旋式（図-5）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。
3.4. 螺旋構造定積移送機
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）
3.5. 構成ユニットの材料
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。
４．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。
５．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
１高圧蒸気ﾀﾝｸ
サイクル２ サイクル１ ６熱交換器
→ ←
５ｺﾝﾌﾟﾚｯｻ
２蒸気ﾀｰﾋﾞﾝ
P2
４定容加熱
熱交換器
大気等
蒸発器 ７熱交換器 気体分
P1
８ ← ３低圧気液分離ﾀﾝｸ
熱交換器 大気 海水 河川
図１新規熱サイクルとクリーンエネルギー生成システム概念図
ｐ圧力
気圧
ｻｲｸﾙ2 ｻｲｸﾙ1
60 8 → 1 ← 6
7 ↑ 2↓ 5↑
30 ↑ ４
３" ３ ３'
3"
70 150
ｴﾝﾀﾙﾋﾟｰ,i kcal/kg
図２CO2のモリエール(ｉ－p)線図と新規熱サイクル
温度T 1`
60
1"
℃ １ ↑
21
4' → ４
2↓ ↓
→
-20 3" ← 3 3" 3'
-50
0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
エントロピーS（Kcal／kg）
図３ 新規熱サイクルのＴ－Ｓ線図
|
|
