JP2006258087A - ロータリー式外燃エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】自然界に豊富にある低温度差エネルギー（海洋温度差・地下温水・太陽光）又は大気中に無駄に放出されているエネルギーを効率よく取出し、動力エンジンとしても使用可能な外燃エンジンを提供する。
【解決手段】エンジンは、ロータリーコンプレッサーの形態で、楕円形のハウジングにベーンタイプのロータリーを配しハウジング内に容積の違う空間を設け、それぞれの給俳口に熱交換器を取り付けた事を特徴とするロータリー式外燃エンジン。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的なロータリーコンプレッサーの形態をなした本体に、熱交換機を取付けた、外燃エンジンに関するものである。

従来、ピストン式の外燃機関があった。（特許文献１参照）（特許文献２参照）
タービン式の外燃エンジンがあった。（特許文献３参照）（特許文献４参照）
特許公開２００３−５６４０２ 特許公開２００４−９２４０６ 特許公開Ｈ１１−３４３９６ 特許公開２００５−２９８５

発明が解決しょうとする課題

今日出願されている外燃エンジンのそのほとんどが、スターリンエンジンをベースとしたピストン式である。
ピストン式は構造が複雑であり、装置も重く大型で、騒音と振動が多く製作コストも高く高速回転での使用に不向きであり、メンテナンスにかかる労力も大きい。
タービン式は液体を蒸気沸騰させるまでのエネルギーと時間が必要で、作り出した蒸気エネルギーは、無駄に大気にそのエネルギーを放出せねばならず、大変非効率でそれに係わる装置が大掛かりなシステムとなっている。
内燃レシプロエンジンではなおさら部品点数が多く、また、圧縮工程があるため始動時に強大なセルモーターが必要となっている。
又、圧縮・爆発により高温で燃焼する為健康を害するガスが生成され、大気汚染の原因となっていて、環境への負担が大きい。
それを除去する装置が高価なため、経済・社会にも負担となっている。
本発明は、これらの欠点を克服したエンジンを提供する事を課題とするものである。

課題を解決するための手段

課題解決の為の手段を以下の構造とした。
図１の様にハウジング（１）は楕円形でハウジングには給入・排出の４つの穴を開ける。
その中にスプリング（４）で押されて出入り自由の６枚のベーン（３）を、ローター（２）に放射状に配する。
ハウジングにはローター軸（７）を入れる穴をあける。
このローターはハウジングの中心からずらした位置に設け、ハウジング内に容積の異なる給入・排出の為の（Ａ）室・（Ｂ）室を二つ設ける。
ハウジングカバー（１２）を取り付ける。
ハウジングカバーの取り付けネジは（１３）は、便宜上１本のみの表示とした。

熱交換器（５）の取り付け方は、図２のように一方をＡ室に至るハウジング（１）の穴へ、もう一方は、Ｂ室に至るハウジングの穴に圧力気体が漏れ無いよう取り付ける。
熱交換器（６）も同様に取り付ける。
以上が図（１）を組み上げた状態である。

本発明の動作原理は以下（透視図）図（２）により説明する。
機関内部は気体（空気）で満たしているものとする。
図２において、ローター（２）をハウジング（１）内の中心よりずらして配置することにより、ハウジング内の空間容量（Ａ）室は空間容量（Ｂ）室より少なくなっている。
この容量の差が本発明の重要なポイントとなっているので、以下注意されたい。

ハウジング（１）の穴に取付けた熱交換器（５）を加熱すると、熱せられた熱交換器（５）の（Ｄ）室内の気体は熱膨張して、Ａ室にもＢ室にも同様の熱膨張圧力が加わる。
するとローター（２）の中に配されたそれぞれの飛び出たベーン（３）は、熱膨張圧力を受け、Ａ室よりＢ室のローターから飛出たベーンの面積が大きいので、この圧力を受ける差によりＢ室の飛び出たベーンは押され、ローターは右回転する。

回転にともない、Ｂ室に導かれた熱膨張気体は、ローター回転により熱交換器（６）へと排出される。
同時に熱交換器（６）を冷却する。
熱交換器（６）の（Ｃ）室内に入ってきた熱膨張気体は、冷却により今度は冷収縮する。
Ａ室にもＢ室にも同様の冷収縮吸引力が加わる。

Ａ室よりＢ室の飛び出たベーン（３）の面積が大きいので、この収縮力を受ける差によりＢ室の飛び出たベーンは引かれ、ローター（２）は同様に右回転する。
回転により冷収縮された気体は、容積が小さくなっているので抵抗なくハウジング（１）内のＡ室へ導かれ、回転により熱交換器（５）に排出される。

排出された冷収縮気体は熱交換器（５）に入り、再び熱せられることにより気体は熱膨張圧力となり、Ｂ室側の飛び出たベーンを押し、それに伴いローター（２）が右回転し、上記の説明より回転サイクルが持続することとなる。
よって、Ａ室とＢ室の飛び出たベーン（３）の圧力を受ける面積の差の効果により回転するのである。

この様にして２つの熱交換器（５）・（６）に加えられる温度差があれば、そのエネルギー差がある限り回転サイクルが持続し、回転軸（７）から回転エネルギーを取り出すことができる。
もし、ここでＡ室とＢ室が同じ容積になる様にローター（２）をハウジング（１）の中心に構築したとすると、Ａ室とＢ室の飛び出たベーン（３）の面積は同じになり、受ける力も同じになるので回転しないのである。
このことからも本件の動作原理を理解する一考となる。

又、図３においては、熱交換器（８）のみの取り付けとなっており、大気との温度差があれば、熱交換器（８）を過熱又は冷却することにより、そのエネルギーを回転エネルギーとして取り出すことが出来る。
今、大気温度よりわずかに熱交換器（８）を熱したとしよう。
熱交換器内（８）の（Ｅ）室の気体は熱膨張する。
Ｂ室の飛び出たベーン（３）がＡ室の飛び出たベーンより面積が多いので、Ａ室よりＢ室の飛び出たベーンの押される力が勝り、その差により右回転する。
回転により熱膨張気体は排出される。
また回転によりＡ室から新しい空気が熱交換器（Ｅ）室に送り込まれる。
すると、気体は熱せられ（Ｅ）室の気体は再び熱膨張し、Ｂ室の飛び出たベーンを押すことになり、大気との温度差がわずかでもある限り、回転力として取り出すことができる。

今度は大気温度よりわずかに熱交換器（８）を冷やしたとしよう。
（Ｅ）室の気体は冷収縮し、負圧となり、Ａ室とＢ室の飛び出たベーン（３）は共に吸引されるが、Ｂ室の飛び出たベーンの面積が大きいので、Ｂ室の飛び出たベーンの引かれる力が勝り左回転する。
回転により冷収縮気体は大気へ排出される。
左回転により、温かい大気がＢ室の飛び出たベーンによってＥ室に送りこまれ冷やされる。
冷やされた気体は冷収縮し、Ｂ室の飛び出たベーンは負圧によって引かれ左回転する。
回転により冷収縮気体はＡ室に導かれ大気へと排出される。
この温度差がある限りこの回転サイクルは持続するのである。

ヒートポンプ・クーラー・空調として使用する場合の説明をする。
図２において、熱交換器（５）・（６）には加熱・冷却しないで回転軸（７）を動力を使い右回転せしめると、Ａ室の排出量よりＢ室の吸入量が多いので、熱交換器（５）のＤ室の気体は負圧になり冷却する。
又、反対に熱交換器（６）のＣ室ではＡの吸入量よりＢの排出量が多いので、Ｃ室の気体は圧縮され発熱する。
逆回転せしめると、上記の説明どおり発熱・冷却はそれに応じて素早く反転する。
いわゆる効率の良いヒートポンプ又はクーラーとしての機能も兼ね合わせている。
図３においても回転軸を動力を使い右回転させれば、上記の説明のとおり熱交換器（８）の（Ｅ）室は気体負圧で冷却し、左回転させれば気体圧縮で熱せられる。
よって熱交換器１つのみでも用途により、ヒートポンプ又はクーラーとして使用できる。

図４は、動力エンジンとして、積極的に高出力回転エネルギーを得ようとするもので熱交換器（１１）内の（Ｆ）室を高温にする為、燃焼バーナーを取付けたものである。
内部に放電点火栓（９）、燃料管（１０）を組み入れる。
放電点火栓（９）の点火の為の装置は省略。
燃料管（１０）の燃料供給の為の装置は省略する。
燃料管から供給された燃料に点火させれば、熱交換器（１１）内部の（Ｆ）室の気体は高温度になり図２・図３の説明動作原理により右回転する。

図４のエンジンに供給する燃料は、構造上燃焼バーナーなので、その種類を選ばず、ガソリン・灯油・軽油・重油・メタノール・天然ガス・バイオガスなどが利用出来る。
この始動の燃焼に必要な酸素取り入れの為、先に熱交換器（１１）に外部から熱を与えて軽く回転させるか、モーターによって前もって軽く回転させておけば、よりスムーズに始動できる。
以上を特徴とする外燃機関であり、上記の特長により極めて使用範囲が広い外燃エンジンである。

発明の効果

上記の説明で、この発明の動作原理・方法により構築した本機関は、発電所及び工場及び内燃機関の排出エネルギー・太陽エネルギー・海洋温度差エネルギー・温泉エネルギー・バイオマス・廃油・ガス・メタノールを燃焼させたエネルギーなどによって得られるマイナス数℃〜数百℃といった低中高温度のエネルギーを回転力として取り出すに問題のない外燃機関として使用できるエンジンであることを御理解できたと思う。
特筆すべきは、機械的摩擦と気体の漏れが無いものとするなら、理論的には温度差１℃でも回転力として取り出すことができるのである、これは上記の動作原理説明によっても矛盾なく理解出来るところである。
今日、自動車などの内燃機関は、燃焼によるエネルギーの５０％以上を無駄に大気に捨てられている。
これを本発明の機関で回収するならば、世界的なＣＯ２削減目標に大いに貢献できる外燃エンジンである。

他の用途として、図２・３の構成で動力を用いて正回転・逆回転させれば、それに応じて素早く各熱交換器の冷却・発熱が反転するので、微妙かつ大胆な温度コントロールを必要とする冷暖房・空調にも用いることが出来る。

図４の構成で、積極的に燃料を燃焼させて動力エンジンとして使用することもできる。
内燃機関は圧縮工程が有るので、初始動には強大なエネルギーが必要であるが、本発明エンジンは空気導入の為だけの軽い回転だけで燃焼し、機械的負担と始動音が少なくスムーズに始動する。
またバーナーによる燃焼なので、クリーンな排気で環境への負担も少なく使用できる。

タービン式は立ち上がり（蒸気沸騰）までのエネルギーと時間が必要であり、このエネルギーを全て放出しないと使用出来ない為、極めて効率が悪く不経済であったが、本機関はこの立ち上がりまでのエネルギーと時間を必要としないのが最大の特徴で、無駄の無い、使い勝手の良い高効率の機関となっている。

本機関は、与えられたエネルギー量に比例し、超低速〜高速回転まで使用出来る。
用途により熱交換器を一つのみ結合させた状態でも動かすことが出来る（図３・図４参照）用途により冷媒を充填して運用出来る。
本機関は始動し始めまでのエネルギー損失がない。
以上の特長があり、利用範囲の広い外燃機関である。
この機関は構造が簡単で部品点数が少なく作れる為、製造コストが低く抑えられ、容易に社会へ提供出来、貢献度が高い外燃エンジンである。

今日、地球環境に貢献されるであろうと注目されている外燃機関であるスターリングエンジンより、小型・超低速回転〜高回転・高効率・低振動・低騒音での使用が可能となっている。

また、地球温暖化対策にＣＯ２削減が世界の課題となっているが、本発明機関を自動車のエンジン排気口に取り付けて発電し、それをバッテリーに蓄え走行モーターへ電気を送れば、かなりの燃費向上が期待できる。
ハイブリット車おいては本機関に取り付けた発電機をバッテリーにつなぐだけで、更なる燃費向上が期待できる。

世界の車の台数を考えるならば、ＣＯ２削減の為大いに貢献できるエンジンである。
本機関は小型でシンプルなので、どの用途でも制約を受けず容易に取り付け可能で広範囲に提供できる。

本発明を実施する為、最良の形態を図１により以下説明する。
ハウジンの形は楕円形とし、ハウジング（１）の材質においては高温度になる為、鉄を主成分とした合金で高耐力の金属とする。
このハウジングに軸受け用の穴があるが、これはハウジングの中心ではなく、吸気・排気用の容量格差は約２対３になるようにわずかにずらしてある。

ハウジング内に開けてある給排気の為の穴は、吸入・排気抵抗減少を目的として大きく穴を開ける。
無給油での使用を目的とし、ローター軸受メタルは高温にも耐えるオイルレスベアリングブッシュとする。
ローター（２）の材質においても鉄を主成分とした合金とする。
ベーン（３）はカーボンを主成分とした合金で、高耐力・低摩擦・耐磨耗性に優れているものを使う。

ローターとベーンの間に組込まれている二つのスプリング（４）は、お互い干渉し合わない様にベーンとローターにスプリング用の窪みをつける。
このローター中に６枚のベーンを差し入れて、ハウジングの軸穴に組み入れ、ハウジングカバー（１２）を取り付ける。

熱交換器においては都合上本体の割りに小さく表示しているが、取り入れられるエネルギー温度差が少ない場合、体表面積の大きい熱交換器を取り付ける。
本機関のローターに内蔵しているベーンの数は６枚となっているが、もしローターの機械的制約が許されてベーンの枚数を多く配置出来たならば、よりスムーズな回転と吸排気音の音圧レベルの低下が期待できる。

本発明を分解した斜視図 熱交換器２つ取り付けた正面透視図 熱交換器１つ取り付けた正面透視図 熱交換器１つ取り付けた中に燃焼バナーを組み込んだ正面透視図

符号の説明

１ ハウジング
２ ローター
３ ベーン
４ スプリング
５ 熱交換器（Ｄ）
６ 熱交換器（Ｃ）
７ ローター回転軸
８ 熱交換器（Ｅ）
９ 放電点火栓
１０ 燃料供給管
１１ 熱交換器（Ｆ）
１２ ハウジングカバー
１３ 取り付けネジ

Claims (4)

1. ロータリー式コンプレッサーの形態をなし、ハウジング内にコンプレッションローターを配し、吸入口・排出口のある容量の異なる室を同軸回転上のハウジング内に設け、それぞれの吸入口・排出口に熱交換器を取り付けて、外燃機関として使用することを特徴とした、ロータリー式外燃エンジン。
2. 請求項１の本体機関に燃焼バーナーを組み込んだ管を取り付け動力エンジンとして使用する、ロータリー式外燃エンジン。
3. 請求項１の回転軸から回転力を得て別の機関と熱交換器を介して本機関に結合させた、ロータリー式外燃エンジン。
4. 請求項１の本機関を使用してヒートポンプ・クーラー・空調に使用する、ロータリー式外燃エンジン。

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