JP2015502482A - 空気熱エネルギーを利用して仕事、冷却、および水を出力するための低温状態エンジン - Google Patents

Abstract

第１サイクルと第２サイクルとを包含する、空気熱エネルギーを利用して仕事、冷却、および水を出力する低温状態エンジンまたは装置。第１サイクルは、気化器と膨張器と作動流体ポンプとを包含する。第２サイクルは、気化器と循環ポンプと空気熱交換器とを包含する。二つのサイクルは、気化器、配管、バルブ、センサ、および発電機等を介して動作相互接続されている。極低温作動流体熱力学的冷却サイクルおよび防霜二段階熱交換サイクルに基づいて、空気または水を高温熱源として、膨張器により発生された極低温液体を低温熱源として使用し、自然気体（Ｎ２、Ｈｅ、空気、ＣＯ２等）を作動流体として使用し、極低温作動液体または高圧気体が作動流体および起動出力として第１サイクルへ１回注入され、熱伝達液体が第２サイクルへ１回注入されると、極低温作動流体は空気熱エネルギーを吸収し、気化して高圧蒸気となり、次に膨張器へ流入して断熱膨張し、機械的仕事および極低温冷却能力を出力し、空気熱交換器は冷却、凝縮液、および乾燥空気を出力する。本発明は、環境流体の熱エネルギーを利用して、動力、真水、および冷却を発生させる方法および装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、新エネルギー源の分野に関する。これは、特に「極低温作動流体熱力学的冷却サイクル」、「防霜二段階熱交換サイクル」、および他の基本的な方法、並びに「高圧膨張器」および他の主要デバイスを包含する、空気熱エネルギーを簡便且つ効率的に使用して仕事、冷却、および水を出力できるタイプの低温状態エンジンまたは装置である。

大気は、かなりの大気熱エネルギーを含む低温蓄熱体である。大気熱エネルギーは主として太陽エネルギーから生じ、そして地熱エネルギーと、人間の様々なエネルギー消費活動（石炭、石油、気体、電気等の使用など）からの排熱の大気への散逸がこれに続く。そのため、大気はほぼ無尽蔵の「エネルギーの海」と言われる。

しかし、現在の熱力学的理論、方法、およびデバイスは、このエネルギー貯蔵体からの常に存在するかなりの環境熱エネルギーを仕事の実施または電気エネルギーの出力に利用することができない。従来、仕事の実施および動力の出力に環境熱エネルギーを使用しようとする多くの方法および装置が存在した。しかし、いずれも成功しなかった。今までのところ、本発明と類似の方法および装置は報告されていない。本明細書では、文献、作用、または知識項目について引用または記載される場合には、反対のことがらが明記されない限り、この引用または記載は、文献、作用、または知識項目、あるいはその組み合わせが優先日において公衆に利用可能であるか、周知となっているか、共通の一般知識の一部であった、あるいは本明細書の関連する何らかの問題を解決しようとの試みに関係していることが周知であったことを認めるものではない。

周知の技術の短所および制約のいくつかを克服するか実質的に改善する装置および方法を提供するか、少なくとも公衆に有益な選択を提供することが、本発明の目的である。様々な機能上の必要性のいずれかに適用可能である装置および方法を提供することが、本発明の代替的な目的である。

したがって、第一の態様において、本発明は、第１サイクルと第２サイクルとを包含する低温状態エンジンまたは装置に存在し、第１サイクルが、気化器と、膨張器と、膨張器と気化器とを通る巡回路で極低温作動流体（第１流体）を圧送するように構成されたポンプとを包含するため、第１流体が膨張器の中で断熱膨張して仕事および極低温液体を出力し、第２サイクルが、気化器と、周囲熱交換器と、気化器と周囲熱交換器とを通る巡回路で熱伝達液体（第２液体）を圧送するように構成された循環ポンプとを包含し、気化器が、熱交換器として作用して第２液体から第１流体へ熱を伝達するように構成され、周囲熱交換器が、熱交換ユニットとして作用して、外部エネルギー源（水または周囲空気など）から第２液体へ熱を伝達するように構成される。

第二の態様において、本発明は、周囲空気または水熱エネルギーを変換して機械的仕事、冷却、および／または水を二つのサイクルで出力するのに低温状態エンジンまたは装置を使用する方法に存在し、この方法は、第１サイクルと第２サイクルとを包含し、第１サイクルでは、第１流体が気化器で高圧蒸気状態まで加熱されてから膨張器へ移送されてここで断熱膨張し、仕事および／または極低温液体を出力するのに使用されて、液化するまで蒸気の温度低下を生じさせ、結果的に得られる極低温液体が次に気化器へ再び圧送され、また第２サイクルでは、第２液体が気化器から周囲熱交換器へ圧送されて周囲空気から熱を受け取り、空気の温度を低下させて冷却能力を出力し、冷却機能を付与する。気温が露点まで低下すると、空気中の水分が凝縮し、これが真水として収集されることで真水を発生させる機能を付与する。同時に、これは乾燥空気を発生させて除湿の機能を付与する。空気熱を吸収した後に第２液体の温度が上昇して温まった液体に変化し、これは気化器へ循環されて第１流体に熱を伝達することで、第２液体の温度が低下して低温液体に変化する。

本発明は、以下の方法および装置を提供する。
１．空気または水を高温熱源として、膨張器により発生される極低温液体を低温熱源として使用すること。
２．作動流体としての自然気体（窒素、ヘリウム、空気、ＣＯ２等）の使用と、熱伝達液体としての水または低凝固点不凍液の使用。
３．極低温作動流体熱力学的冷却サイクル方法。
４．作動流体の気体／液体相変化サイクル方法。
５．防霜二段階熱交換サイクル方法。
６．特に可動デバイスによる発電のための動力発生方法。
７．熱エネルギー再循環方法。
８．別々の段階での冷却能力の使用。
９．空気から水を生成すること。
１０．除湿方法。
１１．水熱エネルギー利用方法。
１２．高圧膨張器。
１３．フィン管およびシェル気化器。

ａ）新たな極低温作動流体熱力学的冷却サイクルを創出する。
ｂ）新たな防霜二段階熱交換サイクルを創出する。
ｃ）自然気体を作動流体として、また水または低凝固点不凍液を熱伝達液体として使用する。
ｄ）流体の圧力エネルギーを機械的仕事またはトルクに、また極低温液体に変換できる新たな高圧膨張器を創出する。
ｅ）膨張器が無段変速機である機械的仕事を出力する。
ｆ）気化器が、極低温および高圧作動条件で作動するように設計される。
ｇ）空気熱エネルギーを使用して機械的仕事と冷却能力と真水とを出力する。
ｈ）発生される冷却能力が優れており、多くの冷却分野で使用されうる。
ｉ）新たな熱エネルギー再循環を創出する。
ｊ）除湿機能を有する。 ｋ）空気中水分から真水を生成する方法を創出する。
ｌ）本発明は、すべての季節にわたって、地上、海中、および空中で使用されうる。
ｍ）本発明は、水熱エネルギーも使用できる。
ｎ）本発明は、巨大産業および密閉熱エネルギー再循環に使用されうる。
ｏ）本発明は、電力、水、冷却、および空調を家庭に提供するのにも使用されうる。
ｐ）エネルギー源および水源の不足と汚染の問題を完全に解決する。

本発明の「低温状態エンジン」または「装置」あるいは「防霜二段階サイクル熱力学的冷却システム」の好適な実施形態の概略図を示す。 気化器により組み合わされて図１の低温状態エンジンまたは装置を形成する第１サイクルおよび第２サイクルを示すブロック図である。 作動流体としての窒素に基づく極低温作動流体熱力学的冷却サイクルのグラフ表示（圧力対比エンタルピー）を示す。 図１の第１サイクルでの使用のための高圧膨張器の斜視図である。 図１の膨張器で使用されるピストンホイールの斜視図を示す。 Ａ‐Ａ軸線に沿った図４および５の膨張器の軸方向断面図である。 Ｂ‐Ｂ軸線に沿った図４および５の膨張器（タイプ１）の軸方向断面図である。 Ｂ‐Ｂ軸線に沿った図４および５の膨張器（タイプ２）の軸方向断面図である。 （ａ）は、帯状シールリング（タイプ１）の斜視図であり、（ｂ）は、Ｂ‐Ｂ軸線に沿った帯状シールリング（タイプ１）の軸方向断面図であり、（ｃ）は、Ａ‐Ａ軸線に沿った帯状シールリング（タイプ１）の軸方向断面図である。 （ａ）は、帯状シールリング（タイプ２）の斜視図であり、（ｂ）は、Ｂ‐Ｂ軸線に沿った帯状シールリング（タイプ２）の軸方向断面図であり、（ｃ）は、Ａ‐Ａ軸線に沿った帯状シールリング（タイプ２）の軸方向断面図である。 （ａ）は、ガスケットリングの斜視図であり、（ｂ）は、Ａ‐Ａ軸線に沿った図１１（ａ）のガスケットリングの軸方向断面図であり、（ａ）は、図１の低温状態エンジンまたは装置での使用のための気化器の斜視図である。 （ｂ）は、Ａ‐Ａ軸線に沿った図１２（ａ）の気化器の軸方向断面図であり、（ｃ）は、Ｂ‐Ｂ軸線に沿った図１２（ａ）の気化器の軸方向断面図である。

図面の説明
これから添付図面を参照して本発明が例としてのみ説明される。

最初に図１および２を参照すると、本発明は、「極低温作動流体熱力学的冷却サイクル」、以下では「第１サイクル」と、「防霜二段階熱交換サイクル」、以下では「第２サイクル」とを包含する。第１サイクルと第２サイクルとは一緒に結合されて、以下では「低温状態エンジン」または「装置」と呼ばれる「防霜二段階サイクル熱力学的冷却システム」を形成する。

図１および２に見られるように、第１サイクルは三つの主要区分、すなわち気化器（１）と、高圧膨張器（４）と、少なくとも一つの高圧作動流体ポンプ（６）とを含む。これらの三つの区分は、図１に示されているように配管（２）により動作接続されている。また図１に見られるように、少なくとも一つのバルブ（３）と保管タンク（７）と温度計（１１）と圧力計（１２）と安全バルブ（１３）と放出バルブ（１４）と一方向バルブ（１５）と発電機（５）など、他の補助装置が設けられる。膨張器（４）と作動流体ポンプ（６）とその間の配管との表面は、絶縁層（１６）によりコーティングされる。

第２サイクルは、図１に示されているように配管（２）により一緒に動作接続される循環ポンプ（８）と周囲熱交換器（９）と気化器（１）とを主として含む。この第２サイクルの一次的な目的は、周囲熱交換器での霜形成という難題を克服することである。第２サイクルの二次的な目的は、冷却と除湿と水生成能力とを含む。

二つのサイクル、すなわち第１サイクルおよび第２サイクルは、気化器（１）を通して一緒に結合されて低温状態エンジンまたは装置を形成する。気化器（１）は、液体窒素、液体空気、または液体二酸化炭素（ＣＯ_２）等のような極低温作動流体または第１流体を含有する。液体状態の第１流体または高圧気体は、気化器（１）のポート（１４）から第１サイクルへ手作業で注入されて、作動流体および始動動力として作用する。同時に、熱伝達液体または第２液体も、第２サイクルへ手作業で注入される。

第１サイクルプロセスは、接続された以下の三つの熱力学的プロセス（図２参照）から成る。

ＩＶ‐Ｖ；等圧吸熱（気化）プロセス：
これは、気化器の中で周囲熱エネルギーを高圧蒸気に変換する。気化器の第１流体は第２サイクルの第２液体との熱交換を実行して、第２液体の熱エネルギーを吸収する。（これは第１サイクルの熱入力である。温度差により自然発生的に発生する。そのため熱伝達は仕事を消費しない。）次に、第１流体が気化して蒸気となり、その温度が周囲温度（例えばＴ_１＝３００ｋ）の付近まで上昇し、その圧力は設定最大作動圧力（例えばＰ_１＝１２Ｍｐａ）まで上昇する。この高圧蒸気は、保管タンクとバルブ（３）までの配管をも満たす。

Ｉ‐ＩＩ；断熱膨張（仕事実施）プロセス：
これは、膨張器内の高圧蒸気を機械的仕事および／または極低温液体に変換する。気化器および保管タンクの内側の高圧蒸気（一次状態パラメータ：Ｔ_１＝３００ｋ、Ｐ_１＝１２Ｍｐａ）は、配管を通って高圧膨張器へ流入してピストンホイールを推進して回転させ、機械的仕事および極低温液体を出力する。ここで断熱エンタルピー低下が発生し、その温度低下はその圧力降下に正比例する。蒸気の液化範囲（例えばＮ２、Ｐ_２＝０．１Ｍｐａ、Ｔ２＝６３Ｋ〜７６Ｋ）まで温度が低下すると、気体／液体相変化が発生する。膨張器を出る液体状態作動流体は極低温液体を有するため、膨張器は機械的仕事を出力しながら優れた冷却能力も出力する。

ＩＩ‐ＩＩＩ；等エントロピー圧縮（圧力上昇）プロセス：
このプロセスは、高圧作動流体ポンプの中で発生して仕事を消費する。第１流体の圧力を上昇させてこれを気化器へ圧送する。第１流体は、配管を通じて高圧作動流体ポンプに流入する。第１流体は次に気化器へ圧送され、再び等圧吸熱プロセスを受けて気化し高圧蒸気となる。高圧作動流体ポンプはエネルギーを消費して仕事を行う。しかし、液体状態作動流体はほぼ非圧縮性であり、圧力が上昇しやすい。作動流体ポンプはエネルギーを消費するが、膨張器により出力される仕事の５％に過ぎないと計算される。プロセス全体が繰り返されることで、「極低温作動流体熱力学的冷却サイクル」（本発明の「第１サイクル」）を形成する。

図１および２の左側に見られるように、第２サイクルは防霜二段階熱交換サイクルである。この第２サイクルでは、水であることが好ましく、低凝固点（例えば−５０℃）を有する不凍液であるとさらに良い熱伝達液体（第２液体）が、循環ポンプによって循環される。第２液体は第１流体に熱を与える。第２液体の温度は、決定された温度（例えば−２０℃）まで低下する。低温の第２液体は空気熱交換器へ流入して外部熱源（例えば空気または水）と熱を交換する。この交換の後に、空気温度は約−２０℃まで低下する。この時、空気熱交換器により放出される低温空気は優れた冷却能力を提供し、様々な冷却分野に使用されうる。空気温度が露点まで低下すると、凝縮が発生し、凝縮液が収集されて真水として精製されうる。第２液体が周囲空気熱を吸収すると、その温度は周囲温度（例えば２５℃）まで上昇する。この液体は気化器へ流入して熱交換を再び実行し、第１サイクルで熱エネルギーが第１流体へ（第１サイクルの熱入力として）伝達される。それから第２液体がもう一度低温液体となる。このプロセスが繰り返され、第２サイクルを包含する。

上で説明されたように、二つのサイクル、すなわち第１サイクルと第２サイクルとは気化器（１）を通して一緒に結合されて、「防霜二段階サイクル熱力学的冷却システム」、あるいは「低温状態エンジン」または「装置」を形成する。液体状態の極低温作動流体（第１流体）または高圧気体が、気化器（１）のポート（１４）から第１サイクル（１）へ手作業で注入されて、作動流体および始動動力として作用する。同時に、熱伝達流体（第２液体）も第２サイクルへ手作業で注入される。動作安全性のため、使用される第１流体の量は、気化器（１）と保管タンク（７）とバルブ（３）までの配管（２）とを包含する総気化量と、気化温度（熱源の温度）とにより決定されるべきであるため、第１流体が完全に気化および膨張した場合でも、第１サイクルシステムの最大作動圧力にまでしか到達しない。高圧気体が気化器（１）を通して第１サイクルシステムへ注入される場合であっても、依然として第１サイクルシステムの最大作動圧力にまでしか到達しない。第１サイクルシステムに漏出が見られないと仮定すると、最初の第１流体（注入された極低温作動流体または高圧気体）は常に、（冷却剤が冷却機械に長時間残るのと同じように）第１サイクルシステムに残り、これはバルブ（３）を開放して動作を開始することと、バルブ（３）を閉鎖して装置を停止させることに使用されうる。バルブ（３）の開度は第１流体の流動を直接制御することにより、膨張器（４）の回転速度およびシャフトトルクを直接制御する。こうして、無段変速機となり、ギヤボックスの必要がない。

第２サイクルにおいて、第２液体は水、または好ましくは低凝固点（例えば−５０℃）を有する不凍液である。周囲熱交換器（９）の作動温度は、循環ポンプ（８）の速度を調節する制御デバイス（不図示）を使用することにより調節され、これが循環中の第２液体の流動を制御する。

熱交換プロセスの効率を向上させるため、第２サイクルの循環ポンプ（８）およびファン（１０）もエネルギーを消費するため、消費される仕事は少なくなる。理論的計算によると、膨張器により出力される仕事のおよそ１％である。そのため、作動流体ポンプ（６）と循環ポンプ（８）とファン（１０）と電気制御手段等によるエネルギー消費の後に、膨張器（４）から出力される正味仕事量は依然として大きい。

本発明では、膨張器（４）から出力される機械的仕事は高品質エネルギーであり、車両、船舶、航空機、および他の動力機械に動力を供給するのに直接使用され、電気エネルギー、熱エネルギー、または他の使用のための形のエネルギーに変換されうる。散逸効果のため、機械エネルギー、電気エネルギー、熱エネルギー等のような異なるタイプのエネルギーはすべて、使用された後に「排熱」として大気に散逸される。大気熱エネルギーが本発明により回収および使用され、そのため、熱エネルギーの上昇または低下を伴うことなくバランス熱エネルギーを維持する「熱エネルギー再循環方法」を実現する。これは、自由で達成容易な無尽蔵の環境保護エネルギーという新時代を切り拓く。

断熱膨張の後、膨張器（４）により生成される液体状態作動流体は極低温であるため、対応する熱交換技術およびデバイスが適用されて、「別々の段階での冷却能力の使用」（例えば、２０℃〜２５℃での空調、８℃での保管、４℃での冷却、−４℃〜−８０℃での冷凍、−１２０℃〜１６０℃での極低温使用、−１８６℃〜−２１０℃での空気液化等）が得られる。

自然発生する気体（窒素および空気など）が作動流体として選択されるので、使用中に発生する漏出は汚染を生じない。そのため、現在の冷却剤が環境に与える有害な作用が解消される。これは事実上、環境保護的な自由冷却技術という新時代を切り拓く。

すべての空気は水蒸気を含有するが、水分のレベルは異なる。空気が熱交換器を通して熱を交換してその温度が露点まで低下すると、空気中の水蒸気が凝縮する。収集および精製の後、これは高品質の真水となる。これは、空気を使用して真水を生成する方法を開発し、真水不足の問題を解決できる。砂漠および他の渇水地域での居住環境の創出を促進する信頼できる技術も提供する。空気中の水蒸気が凝縮して除去されると、空気は乾燥空気となる。そのため本発明は、除湿能力も有する。

すべての空気は水分を含有する。空気が極低温作動流体と熱を直接交換する時には、熱交換器（９）の表面に霜が形成しやすい。霜は熱伝導率を妨害し、熱交換効率を低下させる。霜が多く形成されるにつれて、熱交換器はついには完全に機能しなくなる。「防霜二段階熱交換サイクル」はこの問題を解決するために設計されたものである。水は大きな比熱を有して流動しやすい。水と熱を交換するのに極低温作動流体が使用されてから、空気と熱を交換するのに水が使用され、こうして、「極低温作動流体‐水‐空気」二段階熱交換方法を構成する。水温は、交換される熱量に正比例するが、流量には反比例する。交換される熱量は、出力される仕事の大きさに正比例する。出力される仕事の大きさを決定する時には、交換される熱量は調整されないが、水循環の流れは調節されうる。循環水が凍結しないことと、熱交換器の表面に霜が形成されないこととを保証するため、必要な水温に達するように流れが調節されうる。循環ポンプ（８）により使用される動力を最小にして優れた冷却能力を出力するため、そして本発明が低温地域で効果的に作動されうるように、低凝固点（−５０℃など）不凍液を熱伝達液体として使用すると、より良いだろう。

例１：作動流体としての窒素の使用
窒素は、作動流体（図１，２，３参照）として使用されうる。窒素の熱力学的特性表によれば、 液化温度範囲について：６３．１５１Ｋ〜７７．３３５Ｋ
臨界点では：Ｔ＝１２６．１９Ｋ、Ｐ＝３．３９７８ＭＰａ
点Ｉでは：Ｔ１＝３００Ｋ、Ｐ１＝１２Ｍｐａ、ｈ１＝２９１．９４Ｋｊ／Ｋｇ、ρ１＝１２２．８８ｋｇ／ｍ^３
点ＩＩでは：Ｔ２＝７６Ｋ、Ｐ２＝０．１Ｍｐａ、ｈ２＝−１２４．８６Ｋｊ／Ｋｇ、ρ２＝８１２．８８ｋｇ／ｍ^３
点ＩＩＩでは：Ｔ３＝８２Ｋ、Ｐ３＝１２Ｍｐａ、ｈ３＝−１０５．８２ｋｊ／ｋｇ、ρ３＝８１０．９ｋｇ／ｍ^３
点ＩＶでは：熱的特性は点ＩＩＩとほぼ等しい。
点Ｖでは：熱的特性は点Ｉとほぼ等しい。上記において、Ｔ＝温度、Ｐ＝圧力、ｈ＝比エンタルピー、ρ＝密度。

図３は、上記データのグラフ表示である。

熱伝達液体（第２液体）は、第２サイクルシステムへ手作業で注入される。同時に、計算量の液体窒素がポート（１４）で気化器（１）から第１サイクルシステムへ注入された後に、液体窒素は、ほぼ周囲温度Ｔ１＝３００Ｋにおいて気化器（１）で熱を吸収し、次に気化し、Ｐ１＝１２Ｍｐａで膨張して高圧蒸気となる。この高圧蒸気も、保管タンク（７）とバルブ（３）までの配管（２）とを満たす。高圧蒸気は次に、配管（２）に沿ってバルブ（３）を通り高圧膨張器（４）まで流動し、ここで断熱膨張を受け、ピストンホイールを推進して回転させ、シャフトの仕事を出力する。その後、高圧蒸気の圧力が０．１Ｍｐ（Ｐ２）まで低下するとともに蒸気の温度は比例して７６Ｋ（Ｔ２）まで低下し、これは窒素の液化温度範囲（６３．１５１Ｋ〜７７．３３５Ｋ）に含まれる。窒素蒸気は液化して極低温液体窒素を形成する。

例：気体窒素は、理想気体断熱膨張状態方程式により計算された理想気体と見なされる。Ｔ_１＝３００ｋ、Ｐ_１＝１２Ｍｐａ、Ｐ_２＝０．１Ｍｐａ、κ（比熱比）＝１．４である時に、最終状態温度Ｔ_２は下記のように計算されうる。

それから極低温液体である窒素の圧力が上昇し、高圧作動流体ポンプ（６）により１２Ｍｐａの圧力で気化器（１）へ再び圧送され、ここで等圧吸熱プロセスを受け、気化して、最初の液体窒素容積の６．２６倍で圧力が１２Ｍｐａの高圧窒素蒸気となる。このプロセスが繰り返されて「極低温作動流体熱力学的冷却サイクル」または「第１サイクル」を形成する。この第１サイクルでは、高圧膨張器（４）が機械的仕事および極低温液体を出力する。高圧作動流体ポンプ（６）は仕事を消費するが、液体状態作動流体はほぼ非圧縮性であるため、理論的計算により消費される仕事は、膨張器（４）により出力される仕事の５％である。熱交換を向上させるため、第２サイクルで使用される循環ポンプ（８）およびファン（１０）により消費されるエネルギーは、理論的計算によれば、膨張器（４）により出力される仕事のおよそ１％である。

例えば、保証された２０ｋＷの仕事出力率を持つ装置を設計するには、仕事の理論的計算は以下の通りである。

機器効率が１００％に達することはほぼないという事実を考慮すると、電気制御手段もいくらかの電力（約１％）を消費する。我々の制御を超える要因に加えて、１３パーセントポイントが消費されるだろう。そのため、低温状態エンジンまたは装置全体はおよそ８０％の正味動力出力を依然として有し、第１サイクルは自己維持プロセスとして機能しうる。図３のＰ‐ｈ図は、第１サイクルが連続的な自己維持プロセスであることを示している。空気熱エネルギーからの高圧蒸気のエンタルピーは、膨張器（４）により機械的仕事に変換される。

人が居住する大部分の地域では、周囲温度は通常−３０℃から＋３５℃の範囲である。低温地域（例えば温度が−５０℃であるところ）でも、液体窒素（−１９６℃）と空気との間には大きな温度差が存在し、そのため液体窒素はやはり空気熱エネルギーを吸収して気化し、膨張して高圧蒸気となり、仕事を行いうる。夏期に、また熱帯および温帯地域で使用される場合、エネルギーが発生されるばかりでなく、同時に冷却および空調機能が容易に達成されることで、環境保護的な自由冷却および空調を提供する。

作動流体の気体／液体相変化サイクル：
（２５℃の）室温で熱を吸収し、気化し、膨張する液体窒素の（−１９６℃〜−２１０℃の温度範囲での）極圧は非常に高く、７５ＭＰａに達しうる。これは、「作動流体の気体／液体相変化サイクル」を適用する根拠を提供する。

高圧窒素蒸気が断熱状態で膨張した後の理想気体の断熱膨張状態方程式：Ｔ２／Ｔ１＝（Ｐ２／Ｐ１）κ−１／κによれば、温度低下は圧力低下に正比例する。そのため、低温状態エンジンまたは装置の第１サイクルの一次圧力（Ｐ１）を設定する基準は、断熱状態で膨張した後の作動流体の最終温度（Ｔ２）が液化温度範囲に包含されるようなものであるべきである。そうでない場合には、一次圧力（Ｐ１）は高過ぎ、最終温度（Ｔ２）低下は低過ぎ、Ｔ２は液化温度範囲（例えばＮ２，６３．１５１Ｋ〜７７．３５５Ｋ）を超えて、凝固温度範囲（＜６３．１５１Ｋ）に入り、この場合には、液体窒素は凝固して配管（２）を閉塞することで、第１サイクルを妨害する。

同じようにして、Ｐ１が低過ぎる場合には、Ｔ２は液化温度範囲まで低下せず、作動流体は液化できず、気体状態のままとなる。作動流体ポンプ（６）は液体を圧送するのみで気体を圧送できないため、第１サイクルも妨害される。このような事例では、作動流体ポンプ（６）を圧縮器で置き換えると、第１サイクルは理論的には継続しえる。しかし、第１サイクル効率と正味仕事出力とは大きく低下するだろう。

作動流体または物質の選択：
本発明は、自然気体（例えば窒素、ヘリウム、空気、ＣＯ２等）を作動流体として使用することができる。これは、第一に、これらの気体が周囲温度を充分下回る液体状態で優れた極低温特性を有し、ゆえに気化して高圧蒸気となるように大量の周囲熱エネルギーを吸収できるからである。高圧蒸気は仕事を発生させることができ、断熱状態で膨張して仕事を行った後、その温度が低下して液体状態に復帰することで、自発的な熱力学的冷却サイクルを発生させる。第二に、このような物質の熱吸収特性および比熱は優れており、エネルギー密度は高い（３００Ｋｊ／Ｋｇに達しうる）。第三に、このような物質は天然で無害であり、容易に入手される。

用途
上に説明された本発明は、異なる要件に従って多様な方法で使用されうる。用途のいくつかが下で説明される。

冷却能力の使用：第２サイクルでは、熱交換システムが（−５０℃の低凝固点を有する）不凍液を熱伝達液体として使用することができ、熱交換器（９）を出る低温空気の温度は以下の機能のために調節されうる。ＣＰＵなどの電子機器を冷却するため、空調（約２０℃〜２５℃）のため、低温保管（約８℃〜１４℃）のため、冷却（約４℃）のため、冷凍（約−８℃から−２５℃）のためなど。

同様に、第１サイクルは、気化器での熱交換に使用された乾燥空気を使用する（気化器はこの作動条件のために特に設計される）。結果的に得られる低温空気は温度調節の後、冷凍（約−３０℃〜−８０℃）、材料処理、機械類の冷却、凍結粉砕（約−１２０℃〜−１６０℃）等に使用されうる。また、空気を直接に液化（約−１９６℃〜−１２０℃）して空気生成物を生成するのにも使用されうる。

動力の利用：高圧膨張器（４）により出力される機械的仕事は高品質エネルギーであり、車両、船舶、および航空機などだがこれらに限定されない単数または複数のすべての機械的動力機械類のための動力源として使用されうる。代替的に、高圧膨張器（４）により出力される機械的仕事がさらに電気、熱エネルギー、および他の用途のための他のタイプのエネルギーに変換されうる。例えば、本発明は、動力、冷却、空調、および真水生成の必要性を提供するのに使用されうる家庭用または業務用の２０ＫＷモデルを提供できる。構成要素および低温状態エンジンまたは装置全体の大きさは、用途にしたがって設計されうる。本発明の低温状態エンジンまたは装置は、電子デバイス（例えばコンピュータ、携帯電話等）、ロボット、屋外機器等に動力供給するためのマイクロ発電デバイスとして設計されうる。

熱エネルギー再循環：空気熱エネルギーは、膨張器により出力される仕事に変換された後、さらに、電気、熱、または他の使用のための形のエネルギーに変換されうる。散逸効果のため、このエネルギーは大気中で排熱に変化するだろう。大気熱エネルギーがやはり本発明により利用されうるため、「熱エネルギー再循環方法」を創出する。このようにして、低温状態エンジンまたは装置は、全体量が増加して地球温暖化を悪化させることも枯渇することもなく、エネルギー源不足および汚染の問題を完全に解決する。

しかし、大規模で集中的な動力の使用を伴う（セメントまたは鉄鋼製造業などの）産業の事例では、これらのタイプの工場を囲繞する空気の熱エネルギーが使用された時には、熱交換器から大量の低温空気が出て、エネルギーが利用された後には大量の排熱気体が生じるだろう。熱気体の比重は低温空気の比重より低いため、排熱気体は大気中で上昇するのに対して低温空気は底部に残ったままである。停滞気流の条件では、工場を囲繞するエリアに大量の低温空気が集中して、低温および不要な微気候条件を招く。そのため、大口のエネルギーユーザは工場の建物を包囲するシェルターを設計して密閉式熱エネルギー再循環方法を使用し、ここで本発明の低温状態エンジンまたは装置と他の様々な動力デバイスは、シェルター内に設置される。低温状態エンジンまたは装置は熱を吸収して、電気、熱、または他のタイプのエネルギーに変換されるエネルギーを発生させ、その後、排熱および低温気体がシェルター内部に放出される。これは、有益な密閉式熱エネルギー再循環方法を創出する。

空気および水の発生：本発明は、空気から真水を生成するのに使用されうる。このような事例では、空気熱交換器（９）が、良好な気流、高効率の熱交換、および好都合な凝縮液収集の要件により具体的に設計されるべきである。空気湿度にしたがって熱交換器の作動温度を調節することにより、露点温度への到達および空気中水分の最大凝縮が得られる。収集された凝縮液を精製および／またはミネラル化することにより、高品質の真水が得られる。例えば、２５℃の室温、７０％の相対湿度（空気湿気：１４ｇ／Ｋｇ）、＋／−２０℃の熱交換温度差で作動する本発明の家庭用モデル（２０ＫＷモデル）は、毎時４８Ｋｇの率で真水を発生させることができる。真水が飲用、調理、掃除、灌漑等に使用された後で、排水が蒸発のため再び環境へ放出され、自然水循環に再び加わる。空気中水分は本発明により再び利用され、これにより真水不足問題を完全に解決する、空気から真水を直接発生させる方法を提供する。

除湿用途：空気が熱交換器（９）を通る時には、水蒸気が凝縮して空気が除湿される。空気を循環させて必要な湿度に達するのに本発明の装置が使用されることで、除湿機能が得られる。

水域の熱エネルギー利用：河川、湖沼、海水、地下水等の水域は、大量の熱エネルギーを含有する。しかし、この水は、空気として簡便には使用されえないので、本発明は主な熱源として大気に注目する。水の熱エネルギーを利用するため、閉システムである第２サイクルは開システムに変更可能である。すなわち、循環ポンプ（８）の入口ポートが水源に直接接続されて、この水が熱交換のため気化器（１）へ循環される。このような設計は、船舶または他の海事用途に適している。

膨張器の設計
上の第１サイクルに使用される膨張器（４）を、詳細に説明する。

図４から図１１に示されたピストンホイール膨張器は、上述した高圧膨張器（４）の一実施形態である。

図４から図１１は、膨張器の様々な構成要素を示す。膨張器（４）は、外側円筒形ケーシング（１７）と、端部（１８）と、Ｕ字形断面を有するガスケットリング（１９）と、ピストンホイール（２０）と、帯状シールリング（２１，２１′）と、シャフト（２２）等で構成される。膨張器は、ケーシング（１７）の少なくとも一つの作動流体入口（２３）および出口（２４）と、接続管（２５）と、支持体（２６）とを含む。作動流体入口（２３）および出口（２４）はケーシング（１７）に接面で接続され、入口（２３）および出口（２４）のベース（２７）の断面積はスラスト面（３４）の面積に等しい。ベース（２７）にこのように広い断面積を有すると、作動流体がより効果的に出入することが可能となるとともに、「始動スラストが向上する」。図４および６に示されているように、膨張器（４）の各端部（１８）はベアリング（２８）およびボルト孔（２９）と端部（１８）の凸状ベース構造（３０）とを有する。端部（１８）の凸状ベース構造（３０）は、図６に、より明白に見られる。組立中に、凸状ベース構造（３０）は、「安定的配置」のためケーシング（１７）の端部に埋め込まれて「高精度の同心度を保証するためシールされる」。組立中に、ケーシング（１７）の各端部と各端部（１８）との間の間隙は、Ｕ字形断面を有するガスケットリング（１９）でシールされる。ガスケットリング（１９）の構造は、図１１（ａ）および（ｂ）に、明白に見られる。

ここで、ピストンホイール（図５）を詳細に説明する。図５および６に見られるように、ピストンホイール（２０）の外周面は、複数のピストン室（３１）からなる３つの円環を有する。しかし、このような円環は、機械本体の小型性の基準と充分な有効排出量とに従って設計されうる。接続管（２５）は複数のピストン室（３１）からなる３つの円環を直列に接続して、「高圧膨張器の等圧作動プロセスに充分な有効排出量が得られる」。ピストン室（３１）の外周面は、図９および１０に示されるような少なくとも一つの帯状シールリング（２１，２１′）のための、図５および６に見られるようなシールリング溝（３３）を有する。

全体的な構造強度を保証するため、各単一ピストン室（３２）の容積（Ｖ）は可能な限り小さくすべきである。すなわち、ピストン室の数量は可能な限り多くすべきで、数量が増加するにつれて各室の容積が比例的に減少する。スラスト面（３４）の面積は可能な限り大きくすべきであり、辺の長さ（Ｌ）は可能な限り長くする必要がある。

これは、Ｈ（エンタルピー）＝Ｕ＋ＰＶ，Ｗ（仕事）＝ＦＳ，Ｆ（力）＝ＰＡによる。（Ｈ＝Ｗ、Ｕ＋ＰＶ＝ＦＳ、Ｕ（内部エネルギー）およびＰ（圧力）が高圧作動流体の一次状態パラメータ（Ｈ１，Ｐ１）であると仮定すると）、最大作動圧力が決定されてしまうと、その調節は不可能であるが、高圧気体のエンタルピー（Ｈ）が充分な有効排出量（Ｓ）の中の仕事に完全に変換されることを保証するため、Ｖ（容積）、Ｆ（力）、Ａ（面積）、および他のパラメータは、本発明のモデルを設計する時に適宜選択されうる。機械本体が小型で実用的であるように、Ｖを最小にすることにより、Ｌ（長さ）→Ａ（面積）→Ｆ（力）と増加させて可能な限り最短の充分な有効排出量（Ｓ）を達成する。

図９（ａ）〜（ｃ）は、各々が方形のスロットまたは孔を有する多数の実質的に方形のシールリンク（３５）により形成される第１タイプの帯状シールリング（タイプ１、２１）の第１例を示す。シールリンク（３５）はジグザグ状に接続されている。ピストン室（３１）の外周面は、図５および６に示されているようにシールリング溝（３３）を有する。リンク（３５）は一つずつ溝（３３）に嵌着されて円を形成すべきである。ピストン室（３１）の各円環は、多数の成形リンク（３５）により形成される帯状シールリング（２１）の円形と整合している。図９に示された帯状シールリング（２１）の外径（Ｒ１）は、図６に示されているように、ケーシング（１７）の内径（Ｒ２）と実質的に同じである。帯状シールリング（２１）の外側は、図６に示されているようにケーシング（１７）の内部に密着状態で当接する。同様に、図９に示された帯状シールリング（２１）の内径（Ｒ３）と図６に示されたピストン室（３１）のシールリング溝（３３）の周面の直径（Ｒ４）とは、実質的に同じである。

シールリンク（３５）の二つの端部は、ほぞ穴（３７）（図５参照）に嵌着することにより帯状シールリング（２１）のシールリンク（３５）が動作中に外れないことを保証するのに適した固定ほぞ（３６）を有する。シールリンク（３５）の内側は、図９に見られるように周囲自己シール間隙（３８）を有する。

図９に見られるように、シールリンク（３５）の自己シール間隙（３８）の内壁は、若干突出する板ばねまたは薄壁（３９，４０）である。シールリンクがフープ応力により設置されると、各シールリンク（３５）の薄壁（３９，４０）が、ピストン室（３１）のシールリング溝（３３）の周面と平らに密着状態で当接する。

動作中には、高圧気体が、ピストン室（３２）と、帯状リング（２１）のシールリンク（３５）の各々の自己シール間隙（３８）とを充填する。流体圧力を受けて、シールリンク（３５）の自己シール間隙（３８）の上部、底部、および外側が相互に当接するように押圧されることにより、優れた可撓性自己シールを達成する。

シールリンク（３５）の外周面（４２）は摩擦面である。装置の長期運転の後に、シールリンク（３５）の摩擦面（４２）に摩耗が生じると、これは構成要素の高精度測定における偏差を招く。このような事例では、自己シール間隙（３８）の薄壁（３９，４０）の弾性と作動流体圧力との二重作用を受けた円形シールリンク（３５）または帯状シールリング（２１）は、円筒形ケーシング（１７）の内壁とピストン室（３１）のシールリング溝（３３）の周面とに密着して径方向に膨張することにより、優れた弾性／可撓性シールを創出するとともに、摩耗を自動的に補正する。

図９（ａ）に示されているように、シールリンク（３５）の二つの端部はほぞ穴（４４）とほぞ（４３）とにより接続されて帯状シールリングを形成し、ほぞ穴（４４）の内部の二つの側の各々に位置する可撓性ばね（４５）が設けられ、これは設置後にほぞ（４３）を密着状態で押圧する。これは流体圧力を受けて優れた自己シールを有し、ほぞ穴（４４）とほぞ（４３）との間の間隙からの漏出を解消する。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、異なるタイプの帯状シールリング（タイプ２，２１′）を示す。図９の帯状シールリング（タイプ１，２１）とは違い、図１０のこの帯状シールリング（タイプ２，２１′）は加工金属の単一部材である。帯状シールリング（２１′）の外径（Ｒ５）とケーシングの内径（Ｒ２）とは、実質的に同じである。帯状シールリング（２１）の外側は、ケーシング（１７）の内部と密着状態で当接する。図１０に示された帯状シールリング（２１′）の内径（Ｒ６）と、図６に示されたピストン室（３１）のシールリング溝（３３）の周面の直径（Ｒ４）とは、実質的に同じである。帯状シールリング（タイプ２，２１′）の構造は、図９の帯状シールリング（タイプ１，２１）の構造と類似している。図９の帯状シールリング（２１）に方形の孔を均一に形成するシールリンク（３５）の方形孔と同じく、図１０に示されているように帯状シールリング（２１）の周面に均一に形成される方形孔が設けられる。

図１０に示されているように、帯状シールリング（２１′）は、ジョイントまたはコネクタにより接続された二つの端部を有する割りリングである。ジョイントまたはコネクタは、一端部のほぞ穴（４７）と他端部のほぞ（４６）の形である。図９の帯状シールリング（２１）と同じく、帯状シールリング（２１′）のほぞ穴（４７）の内部の二つの側の各々にも、設置後にほぞ（４６）を密着状態で押圧する可撓性ばね（４８）が嵌着されている。これは流体圧力を受けてシールを形成し、ほぞ穴（４７）とほぞ（４６）との間の間隙からの漏出を解消する。

図１０に見られるように、帯状シールリング（タイプ２，２１′）は、一端部の両側に多くの半円形固定キー孔（５０）を有する。ピストン室（３１）のシールリング溝（３３）の壁面は（帯状シールリング（２１′）の設置後に半円形固定キー孔（５０）が溝（３３）の壁面の対応する半円形キー孔とともに完全な円（５１）を形成するように）半円形キー孔も有しうる。固定キー（不図示）が挿入されると、回転時に帯状シールリング（２１′）の外れは生じない。

ピストンホイールシャフト（２２）は外向きに延出する二つの端部（５３，５４）を有し、一端部（５３）は高圧作動流体ポンプを駆動するのに使用され、他端部（５４）は仕事を出力するのに使用される。この膨張器（４）の設計は、好都合で小型である。

気化器の設計 図１２に示されているように、気化器（１）は、高圧シェル構造（５７）の内側に配置されるフィン管（５５）を使用する。本発明における気化器（１）は極低温および高圧の条件で使用されるため、気化器（１）のすべての構成要素は、極低温および高強度に耐えることができる材料から製作されるべきである。このような材料の例は、極低温鋼、ステンレス鋼、高強度アルミニウム合金等である。フィン管（５５）は、溶接によりクラスタ構造（５８）で組み立てられる高圧端部（５６）および高圧シェル（５７）を有する、銅、アルミニウム合金等のような熱伝導材料を含みうる。気化器（１）の二つの側の上部および底部にある入口（５９）および出口（６０）用のポートは、前述の第２サイクルに使用されたか使用される第２液体のためのものである。

気化器（１）の反対側の上部および底部にある入口（６１）および出口（６２）用のポートは、前述の第１サイクルで使用されたか使用される第１流体のためのものである。液体窒素（６２．１５Ｋ〜７７．３５Ｋ、１２ＭＰａ）など高圧の第１流体がシェル（５７）側の内側を流動すると、フィン管（５５）の外側は、アーチを支える作動応力に類似した圧力に耐える必要がある。こうして、フィン管（５５）は、広い熱交換表面積と圧力支持状態で良好に機能する。＜０．１Ｍｐａの水または不凍液などの低圧第２液体は、フィン管（５５）の内側を流動する。フィン管（５５）の内壁は狭い熱交換表面積を有するが、水などの熱伝達液体の比熱が高いため、流動しやすく、交換される熱量は多い。こうしてこのように構成される気体‐液体熱交換方法は比較的協調的である。その結果、優れた熱交換が見られる。

空気熱交換器（９） 空気と第２液体とが空気熱交換器を通して熱を交換し、ここで空気熱が第２液体に吸収される。空気温度は低下して第２液体温度は上昇する。空気温度が低下するので、冷却能力を発揮する。空気温度が露点まで低下すると、空気中の水分が凝縮する。これは真水を発生させる。空気中の水分が凝縮液に変化するので、この時に空気が乾燥する。これは除湿機能である。第２液体が温まるので、気化器へ循環され、ここで第１サイクルの第１流体と熱を交換することにより、第１流体に熱エネルギーを伝達する。

図２に示されているように、典型的な相の各段階の例での様々な位置での、温度および圧力が説明および図示される。

第１サイクル： Ｉ‐温まった蒸気、３００Ｋの温度、１２ＭＰａの圧力、１１２．８８ｋｇ／ｍ^３の密度、および２９１．９４ｋｊ／ｋｇの比エンタルピー ＩＩ‐極低温液体、７６Ｋの温度、０．１ＭＰａの圧力、８１２．８ｋｇ／ｍ^３の密度、および−１２４．８６ｋｊ／ｋｇの比エンタルピー ＩＩＩ‐極低温液体、８２Ｋの温度、１２ＭＰａの圧力、８１０．９ｋｇ／ｍ^３の密度、および−１０５．８２ｋｊ／ｋｇの比エンタルピー

気化器と膨張器の間において、ＶはＩにほぼ等しく、作動ポンプと気化器との間においてＩＶはＩＩＩにほぼ等しい。

第２サイクル： ａ‐温まった液体、３００Ｋの温度、および０．０４Ｍｐａの圧力 ｂ‐低温液体、２５０Ｋの温度、および０．０１ＭＰａの圧力 ｃ‐低温液体、２５０Ｋの温度、および０．０５ＭＰａの圧力
［変形］

本明細書の記載を通して、「装置」および「低温状態エンジン」の語は互換的に使用され、「極低温作動流体熱力学的冷却サイクル」または「第１サイクル」と「防霜熱交換サイクル」または「第２サイクル」とを包含する「防霜二段階サイクル熱力学的冷却システム」を指す。さらに、「極低温作動流体」および「第１流体」の語は互換的に使用され、「熱伝達液体」および「第２液体」は互換的に使用される。

発明の趣旨および以下の請求項の範囲を逸脱することなく様々な変更が採用されうることが理解されるべきである。

１ 気化器
２ 配管
３ バルブ
４ 膨張器
５ 発電機
６ 作動流体ポンプ
７ 保管タンク
８ 循環ポンプ
９ 周囲熱交換器／熱交換器
１０ ファン
１１ 温度計
１２ 圧力計
１３ 安全バルブ
１４ 放出バルブ
１５ 一方向バルブ
１６ 絶縁層
１７ 円筒形ケーシング
１８ 端部
１９ ガスケットのＵ字形断面
２０ ピストンホイール
２１ 帯状シールリング（タイプ１）
２１′ 帯状シールリング（タイプ２）
２２ シャフト
２３ 作動流体入口ポート
２４ 作動流体出口ポート
２５ 接続管
２６ 支持体
２７ ベース
２８ ベアリング
２９ ボルト孔
３０ 凸状ベース構造
３１ ピストン室の３つの円環
３２ 単一ピストン室
３３ シールリング溝
３４ スラスト面
３５ シールリンク
Ｒ１ 帯状シールリング（タイプ１）の外径
Ｒ２ ケーシングの内径
Ｒ３ 帯状リング（タイプ１）の内径
Ｒ４ 溝の周面の直径
Ｒ５ 帯状シールリング（タイプ２）の外径
Ｒ６ 帯状シールリング（タイプ２）の内径
３６ ほぞ
３７ ほぞ穴
３８ 自己シール間隙
３８′ 自己シール間隙
３９ 薄壁
３９′ 薄壁
４３ ほぞ
４３′ ほぞ
４４ ほぞ穴
４５ 可撓性ばね
４６ ほぞ
４７ ほぞ穴
４８ 可撓性ばね
５０ キー孔（半円）
５１ キー孔（円）
５３ ピストンシャフトの端部
５４ ピストンシャフトの端部
５５ フィン管
５７ （気化器の）高圧シェル構造
５８ （気化器の）クラスタ構造
５９，６１ （気化器の）入口ポート
６０，６２ （気化器の）出口ポート
Ｉ 気化器の出口ポートにある時の作動流体の状態パラメータ
ＩＩ 膨張器の出口ポートにある時の作動流体の状態パラメータ
ＩＩＩ 作動流体ポンプの出口ポートにある時の作動流体の状態パラメータ
ａ 空気熱交換器と気化器との間の温まった液体
ｂ 気化器と循環ポンプとの間の低温液体
ｃ 循環ポンプと空気熱交換器との間の低温液体

Claims (15)

1. 空気熱エネルギーを利用して仕事、冷却、および水を出力するための装置であって、第１サイクルと第２サイクルとを包含し、前記第１サイクルが、気化器と、膨張器と、前記膨張器と前記気化器とを通る巡回路内において極低温作動流体を圧送するように構成された作動流体ポンプとを包含し、前記第２サイクルが、前記気化器と、周囲熱交換器と、前記気化器と前記周囲熱交換器とを通る巡回路内において熱伝達液体を圧送するように構成された循環ポンプとを包含し、前記気化器が、熱交換器として作用して前記熱伝達液体から前記極低温作動流体へ熱を伝達するように構成され、前記極低温作動流体が前記熱を吸収し、気化して高圧蒸気となり、前記膨張器内で断熱膨張が発生して仕事および極低温液体を発生させ、前記周囲熱交換器が、熱交換ユニットとして作用して、外部熱源である水または周囲空気から前記熱伝達液体へ熱を伝達するとともに冷却能力と凝縮液と乾燥空気とを出力するように構成される、装置。
2. 前記気化器は、前記高圧蒸気を発生させるために使用され、前記作動流体ポンプと前記膨張器との間に設置され、前記気化器のシェル側が高圧の前記極低温作動流体を流通させて管側が低圧の前記熱伝達液体を流通させる、請求項１に記載の装置。
3. 前記膨張器は、前記気化器と前記作動流体ポンプとの間に設置されて前記高圧蒸気を機械的仕事および前記極低温液体に変換し、円筒形ケース、ピストンホイール、帯状シールリング、シャフト、ベアリング、ベース、端部で構成され、前記円筒形ケースが、前記極低温作動流体のための入口および出口と、直列の接続管とを有し、前記ピストンホイールが、複数のピストン室としての巣箱状の室による一つまたは複数の円環を有し、前記複数のピストン室の前記一つまたは複数の円環が直列接続されて充分な有効排出量が得られる、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記ピストンホイールの各ピストン室が開口部を有し、前記帯状シールリングの設置のための溝が設けられ、前記帯状シールリングが、自己シール機能を有するＵ字形断面の間隙を内周全体に有する、請求項３に記載の装置。
5. 前記作動流体ポンプが前記膨張器と前記気化器との間に設置され、前記膨張器を出て前記気化器へ再び圧送される前記極低温液体の圧力を上昇させ、前記膨張器、前記作動流体ポンプ、及び前記膨張器と前記作動流体ポンプとの間の接続管の外側はすべて、熱伝達を減少させる少なくとも一つの絶縁層を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 自然気体であるＮ２、Ｈｅ、空気、ＣＯ２が前記第１サイクルの前記極低温作動流体として使用され、前記第２サイクルの前記熱伝達液体として水または低凝固点の不凍液が使用される、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 装置を使用して周囲空気または水熱エネルギーを変換して機械的仕事、冷却、および水の少なくとも一つを２回のサイクルで出力する方法であって、第１サイクルと第２サイクルとを包含する方法であり、前記第１サイクルにおいて、極低温作動流体が気化器内で高圧蒸気状態まで加熱されてから膨張器に伝達されて断熱膨張し、仕事および極低温液体の少なくとも一方を出力するのに使用されることで、液化するまで前記高圧蒸気状態の温度を低下させ、結果的に生じる前記極低温液体が次に前記気化器へ再び圧送され、前記第２サイクルにおいて、熱伝達液体が前記気化器から周囲熱交換器へ圧送されて前記周囲空気から熱を受け取って前記周囲空気の温度を低下させるとともに前記熱伝達液体の温度を上昇させ、前記熱伝達液体が次に、前記気化器へ循環されて前記極低温作動流体へ前記熱を伝達して気化させることにより、前記熱伝達液体の前記温度を低下させる、方法。
8. 極低温作動流体熱力学的冷却サイクルまたは前記第１サイクルが、接続された三つの熱力学的プロセスである、前記気化器による等圧吸熱（気化）プロセスと、前記膨張器による断熱膨張（仕事）プロセスと、作動流体ポンプによる等エントロピー圧縮プロセス（圧力上昇）とから成る、請求項７に記載の方法。
9. 使用される技術が作動流体気体液体相変化サイクルであり、気体状の前記作動流体の液化温度（Ｔ２）と高い膨張比（Ｎ２；Ｐ１：Ｐ２）≧１２０）とにしたがって前記第１サイクルの一次圧力パラメータ（Ｐ_１）が設定される、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記第２サイクルの循環する前記熱伝達液体の流量を調節することにより前記周囲熱交換器の作動温度が達成される、請求項７から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 車両、船舶、航空機、および様々な機械に動力供給するのに直接使用されうるか、電気または熱エネルギーに変換されうる前記機械的仕事を前記膨張器が出力し、散逸効果のため大気への排熱となり、前記排熱が再使用されて熱エネルギーの再循環を実現する、請求項７から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記膨張器が、対応する熱交換技術およびデバイスを使用して前記極低温液体を出力して、極低温冷却能力の別々の段階を利用し、様々な冷却機械が製作されうる、請求項７から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記周囲熱交換器が、収集されて高品質の真水として精製される大量の凝縮液を発生させることにより、前記装置が空気水生成デバイスとなり、生成された前記真水が使用後に環境へ放出されてから大気中へ気化して、有益な水循環を創出する、請求項７から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 用途に応じ、前記装置のサイズが要件にしたがって設計され、可搬式発電機、大規模発電所となるように製造されるか、電力、冷却および空調、そして水を供給するため各家庭に装備される発電機となるように製造されうる、請求項７から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記装置が水域である河川、湖沼、海洋で熱エネルギーを使用して仕事を行うことができ、船舶および潜水艦を駆動する動力デバイスに製作されうる、請求項７から１４のいずれか１項に記載の方法。

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