JP2006523278A - 熱エネルギーを機械エネルギーに変換する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いサイクル効率と炭素および窒素酸化物の低い放出とする。外部または内部燃焼による作動媒体の暖機の場合における低雑音とする。
【解決手段】熱エネルギーを作動媒体、主としてガスの体積、圧力および温度を変化させることによって機械エネルギーに多段変換する方法は、作動媒体が第１段に吸引され、同時に第１段の体積が拡大され、作動媒体が移送されると同時に第１段の体積が第２段の体積の拡大を伴って第２段に縮小され、ここで作動媒体がさらに移送されると同時に第２段の体積が減少すると同時に、熱が第３段から第４段に供給され、この段の体積が増大し、作動媒体がさらに第４段から第５段に移送されると同時に第４段の体積が減少し、最終的に第５段内で拡張され、同時にその体積が増大されることを特徴とするものである。

Description

本発明は作動媒体の体積、圧力および温度を変更することによって熱エネルギーを機械エネルギーに変換する方法に関し、およびこれと同時にこの方法を実行するための装置にも関する。

熱エネルギーを機械エネルギーに変換する公知の概念があり、温度および圧力が交互に変化する体積を伴う作動空間内で変化される。体積の減少中、温度および圧力はこの体積変化および主として最終段における変化のためと、外部からの熱エネルギーの付加的な供給または作動空間内部の熱の付加的な発生（例えば、燃焼）によって体積の減少または任意に体積の再増加の第１段における増大の両者のために増大する。体積の再増大中、圧力（前回の作動空間体積の減少からもたらされる）が、ロスを差し引いた後、連続する体積減少のために必要とされる操作を実行する。付加的な熱エネルギー供給からもたらされる圧力が、ロスが差し引かれた後、得られた機械的作動を実行する。永久的に制限された作動空間の概念において、作動媒体温度（付加的な熱エネルギー供給のために）が操作周期の最終時点において、前回体積の開始時の温度よりも高くなる。従って、外部熱供給中、媒体温度は外部から供給された熱による温度に達し、また温度差さらに供給された熱の量もロスの観点においてゼロとなる。媒体内で発生された熱の供給は、主として閉鎖作動空間による酸素欠乏のために停止される。従って、使用された媒体を排出するためと新鮮な媒体を供給するために作動空間をある一定時間の間開ける必要がある。すなわち、体積減少の開始時点またはその前および体積増大の終了時点あるいはその後に必要である。体積の増減している間、圧力と温度変化のパワ・サイクルは二段階で進行する。他の二つの段階が前回の段階（すなわち、使用された媒体供給のために増大する体積および使用された媒体排出のために減少する体積）に付加されれば、実行される熱エネルギーの機械エネルギーへの変換が４サイクル工程になる。媒体供給と排出が、第１段の開始時点または第２段の終了時点でそれぞれ実行されれば、２サイクル工程になる。これらの工程の全ては、二つに分割されることを除けば、一つの作動空間内で公知の技術に基づいて実行される。

作動媒体は、作動媒体の圧力および温度変化によって熱エネルギーを機械エネルギーに変換する本発明に基づいて第１段に吸引すると同時にこの段の体積を増加させ、ここで第１段の体積減少中第２段に移送し、（第２段体積減少中に）第３段に移送させると同時に、またこの第４段の体積増大と同時に、第４段（その段の体積減少中に）から第５段に移送し、ここで体積を増大させる。この概念は、第２段の減少と同時に第３段を介する作動媒体を第５段に移送することによって説明した本発明に基づくか、または第１段を介して第２段に移送する間に冷却することによって説明できる。本発明の他の特徴は、作動媒体がその冷却と同時に第５段から第１段に移送され、同時にこの第１段の体積が増大される。本発明によれば、その概念は作動媒体がその体積減少と同時に第１段から第３段に移送されるとともに暖機工程のために使用されるというように、または第５段が第１段と結合と同時にこの結合段の体積減少が作動媒体（任意に同時冷却を伴って）が第２段に直接移送され、同時にこの第２段の体積が増大されるように修正することができる。作動媒体の体積、圧力および温度を変更することによる熱エネルギーを機械エネルギーへ多段変換する装置は、不変体積を伴う作動空間の形態にある第３段を有してり、一方他の段は可変体積を伴う作動空間として（特に回転ピストンを備えたピストン機械として）構成され、また機能的に一つの段を他の段の後方に、部分的に第３段の前方に、また第３段の後方に配置して作動媒体を移送するようにして、配置される。本発明の概念を実行するための装置は、さらに第１段の最大体積が第２段の最大体積よりも大きく、一方第５段の最大体積が第４段の最大体積よりも大きく、第５段の最大体積が第１段の最大体積よりも大きいか、第１段の最大体積に等しいようにして適用される。本発明によれば、装置はさらに第５段が第１段を同時に形成するように構成される。次の発明の特徴によれば、第３段が燃焼室および（または）熱交換機として生成される。本発明はさらに、第５段がインレット弁を備えているように便宜的に適用される。本発明の最後の特徴によれば、冷却器が第１段と第２段間に挿入され、また第５段と第１段間に、さらに結合段と第２段間にも挿入される。

本発明は添付図面で詳細に見ることができる。基本的な本発明の概念は、図１に見ることができる。図２は第１段と第２段間、また第５段と第１段間の冷却器を備えた変形例を示す。図３は第５段を結合された第１段の概念と第５段と第２段間に冷却器を備えた概念を示す。

作動媒体は第１段の体積が増大中、第１段１に導入され（図１参照）、第１段の体積が減少中、第２段に移送されると同時にその体積が増大する。次に、第２段２の体積減少中、第３段３に移送される。第３段３を介して移送中に、熱が燃料の燃焼による内部から、または第３段の加熱によって、例えば外部燃焼による外部からのずれかで作動媒体に供給される。作動媒体は第３段３から第４段４に移送され、その体積が同時に増大され、その体積減少と同時に第４段から第５段５に移送される。この第５段５において、作動媒体がその体積増大内での膨張が許容される。作動媒体はその膨張後、第５段５の体積減少と同時に、外部で実行されるか、あるいは内部に第１段１に戻される。作動媒体として空気が使用され、また熱の第３段への供給概念として外部燃焼が使用されたときに、膨張したしかも熱い空気を内部燃焼のために便利である。従って、本発明の概念は５サイクルの熱力学サイクルを提供する。ある場合において、第４段４を回避して作動媒体を第５段に移送し、この段内で膨張させるのに便利である。作動媒体が内部段冷却器６内部で冷却されるときに、媒体の第１段から第２段２への移送が便利である（図２参照）。密閉サイクルにおいて、作動媒体が第５段５から第１段１に帰還される場合、他の内部段冷却器７を第５段と第１段間に挿入すると便利である。さらに便利なのは、ある場合において、本発明の他の概念によれば第５段と第１段を結合させ結合段５１とし、また（この結合段体積再減少中）、結合段５１の体積増大中に膨張し、作動媒体が第２段２に移送され、任意に結合内部段冷却器７６を介して同時にこの第２段が増大する。この場合において、基本的な５ストローク・サイクルが３−ストローク・サイクルに適用される。

上述したように、熱エネルギーの機械エネルギーへの変換を実行する装置は本発明に基づいてある方法で構成され、従って第３段３が不変体積を有する少なくとも一つの作動空間からなり、一方他の段１，２，４，５，５１は可変体積を有する作動空間として生成される。第３段は別にして全ての段を回転ピストンのあるピストン機械として生成すると便利である。このような概念において、尖端エッジが各平面上方でピストン回転中、互いに結合され、この領域と傾斜した内部シリンダー平面によって囲まれた空間体積が減少する。この空間内でピストンが回転する。ここで、第１段１の最大体積が第２段２の最大体積よりも大きく、またさらに第５段５の最大体積が第４段４の最大体積よりも大きく、また第５段５の最大体積が第１段１の最大体積よりも大きい。結合段５１の最大体積が第４段４の最大体積よりも大きく、かつ、第２段２の最大体積よりも大きい。第３段３は燃焼室としておよび（または）熱交換機として生成される。作動媒体がまず（例えば、吸引によって）第１段１の増大する体積内に供給される。最大に達したときにこの段の体積が減少を始め、また作動媒体が第２段の増大する体積内に排気される。第２段の最大体積が第１段の最大体積よりも数倍小さいので、作動媒体の状態が変化し、その第１段１から第２段２への移送後、この媒体が高い圧力と高い温度を有することになる。温度の高まりが望ましくなければ、中間段冷却器６を図２に基づいて段の両者間に挿入することが可能である。第２段２の体積再減少中、作動媒体がそこから第３段３を介して第４段４に移送され、一方その体積が増大する。段が熱交換機として作られた内部燃焼によるか、またはタービンの燃焼室内における内部燃焼であるが相当高い圧力によって熱が第３段３内の作動媒体に供給される。第４段４の最大体積が第２段２の最大体積にほぼ等しいので、作動媒体が第４段内にあり、第３段内で暖機後、最終段において高圧力と高温が第２段２内の初期状態と逆になる。作動媒体が第４段４の減少体積から第５段５の増大体積に増大し、ここで作動が実行される。本発明に基づいてこの装置を適用することも可能であり、第４段４の最大体積が第２段２の最大体積よりも大きくなり、これによって両段間の部分的等圧膨張から等温膨張が発生し、またこの適用がカルーノ・サイクル概念に達することになる。極端な場合において、第４段を完全に回避し、作動媒体を第２段２から、第３段３内の暖機中、第５段５に膨張するにまかせる。第３段はノンゼロ体積を有しているので、熱の供給がなければ部分膨張が作動媒体の移送の開始時点と第３段から第４段への移送後で発生し、第２段内で作動媒体が低い圧力と低い温度を有する。しかし、この低い圧力のために、第４段が第２段から第３段に供給されるよりも作動媒体の比較的低い重り付き量を保持する。また、残留量が発生し、または第３段内の残留圧力が任意に増大する。第３段のサイズによれば、熱供給のないこの方法において第３段内の圧力は急激に上昇し、これによって作動媒体内での第２段から第３段への移送の膨張は発生せず、また第１段から第２段への圧縮作動媒体によって与えられた圧力下で熱を供給することが可能である。従って、熱の漏洩の発生をさせることのない小さい外部領域を有する燃焼室として、また大きい領域を伴う熱交換機として可能な最も大きい熱量を供給することができるように第３段を必要な大きさにする。最も大きい可能な熱量を第３段に供給するとともに、サイクルの圧縮段中に拡張された作動を低減する。可能ならば、第１段から第２段への移送中、温度を下げる必要がある。本発明によれば、中間段冷却器６を第１段１と第２段２間に挿入することによって可能である。閉止サイクルで、作動媒体が第５段５から第１段１に帰還されると、中間段冷却器７がこれら二つの段間に挿入されるのが適切である。本発明による形態において、圧縮率、拡張率の大きさを独立して選択することができるので、周囲環境の圧力に圧縮された拡張と加熱された作動媒体が可能であり、これによって優れたサイクル効率が達成される。任意の拡張率において、拡張の終了時点において、その開始時点の圧力の大きさとその圧力によって与えられ、従って拡張の終了時点で小さい熱の供給で、圧力が周囲の環境圧力より下に降下される。この現象が望ましくなければ、他の発明の特徴、すなわち、付加的な作動媒体インレットを拡張の終了時点でインレット弁８を使用することが可能である。従って、本発明の概念と装置に基づいて実現されたパワ・サイクルは、５−ストローク・サイクルである。ある拡張率で、第５段５の大きさ（すなわち、第５段と第４段の最大体積間の比は、拡張の終了時点における圧力だけでなく、温度が周囲環境の値まで降下する。従って、閉止サイクルと、外部作動媒体暖機で可能であり、本発明の他の特徴に基づいた第３段で発生され、図３による第５段５が第１段１と結合され、また従来の方法で拡張後、作動媒体が結合段５１から中間段冷却器７６を介して第２段２に移送されると同時に圧縮される。この場合において、結合段５１はインレット弁８によって設けることが望ましい。従って、ある場合において、本発明内で５−ストローク・サイクルを３−ストローク・サイクルに適用することが可能である。

本発明は設計例に基づくとともに特許条件から得られる他の設計にも基づいており、他の公知の熱エンジンと比較して、より便利である。特に、高い作動圧と温度をタービン・エンジンに許容するその可能性と、これまで公知のピストン・エンジンに許容する拡張の終了時点における圧縮作動媒体のより長い暖機と、低圧力および温度により便利になる。高いサイクル効率と炭素および窒素酸化物の低い放出、外部または内部燃焼による作動媒体の暖機の場合における低雑音が本発明の成果である。さらに、本発明を太陽エネルギーの機械エネルギーへの変換に使用できる。

本発明の基本概念を示す図である。 第１段と第２段間および第５段と第１段間に冷却器を備えた変形例を示す図である。 第１段と第５段を結合した概念および第５段と第２段間に冷却器を備えた概念を示す図である。

Claims (12)

1. 熱エネルギーを作動媒体、主としてガスの体積、圧力および温度を変化させることによって機械エネルギーに多段変換する方法であって、
   作動媒体が第１段に吸引され、同時に第１段の体積が拡大され、作動媒体が移送されると同時に第１段の体積が第２段の体積の拡大を伴って第２段に縮小され、ここで作動媒体がさらに移送されると同時に第２段の体積が減少すると同時に、熱が第３段から第４段に供給され、この段の体積が増大し、作動媒体がさらに第４段から第５段に移送されると同時に第４段の体積が減少し、最終的に第５段内で拡張され、同時にその体積が増大されることを特徴とする熱エネルギーを機械エネルギーに変換する方法。
2. 第３段から直接第４段に移送されると同時に第２段の体積が減少する同時に暖められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１段から第２段への移送中作動媒体を冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 作動媒体が第５段から第１段に移送されると同時に冷却され、第５段の体積縮小と第１段の体積膨張を伴うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 作動媒体が第５段から第３段に移送されると同時に第５段の体積減少と暖機工程に使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
6. 作動媒体が第５段から直接第２段に移送されると同時に第５段の体積が減少および（または）冷却され第２段の体積が増大されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 請求項１から６の一つに基づく作動媒体の体積、圧力および温度を変更することによって熱エネルギーを機械エネルギーに多段変換する装置であって、
   第３段（３）が不変体積を伴う少なくとも一つの作動媒体として生成され、他方他の段間（１，２，４，５）が可変体積を伴う作動空間、すなわち、回転ピストンを備えたピストン機械として生成され、機能的に（作動媒体の移送の観点で）一つの段が第３段（３）の前方に部分的に他の段の後方に、また部分的にこの段の後方に配置されることを特徴とする熱エネルギーを機械エネルギーに多段変換する装置。
8. 第１段（１）の最大体積が第２段（２）の最大体積よりも大きく、第５段（５）の最大体積が第４段（４）の最大体積よりも大きく、また第５段（５）の最大体積が第１段（１）の最大体積より大きいかまたはこれに等しいことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 第５段（５）が第１段（１）と結合されていることを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
10. 第３段（３）が燃焼室および／または、熱交換機として生成されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の装置。
11. 第５段（５）が吸気弁（８）を備えていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の装置。
12. 中間段冷却器（６，７）が第１段（１）と第２段（２）間および第５段（５）と第１段（１）にも配置され、また冷却器（７６）が結合段（５１）と第２段（２）間に配置されていることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一つに記載の装置。
    

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