JP2007107490A - 外燃機関及びその構成 - Google Patents

Abstract

【課題】
加熱部を外付けとし冷却部の無い外燃機関を構成する。
【解決手段】
回転軸を同じくする小排気量の圧縮機と大排気量の膨張機を連結し、圧縮機により圧縮した空気を外付けの熱交換機に送り加熱する。体積が増加した空気により膨張機で回転動力を得、これで圧縮機と発電機を駆動する。
【選択図】
図１

Description

本発明は外燃機関と外燃機関への熱供給方法に関するものである。

外燃機関の代表的なものとして、動作気体密閉型のスターリング機関があるが機関そのものに加熱部と冷却部を設ける必要がある。又、開放型や又弁機構を持つ外燃機関として普及しているものはない。
特開平１１−１８２２１1公報 特開平２００３−０５６４０２公報

しかしながら、動作気体密閉型の外燃機関は気体圧力を高め出力を大きくできる長所を持つ反面、冷却過程においては熱交換機を用いた熱交換が必要で、冷却水給水系、ラジエター等の外付けの機器及びそれを駆動するための動力が必要である。

そこで、本発明は、外燃機関の過熱過程を外付けの熱交換機により行い、回転軸を持つ圧縮機と膨張機を連結し回転動力を得るようにし、圧縮機から熱交換機、膨張機を経由した動作気体は高温空気のまま外燃機関より排気する。

本外燃機関は動作気体の冷却を必要としないことも特徴で、排気された動作気体は高温に過熱された空気であり、外燃機関の熱源となる外付けの燃焼部の燃料を燃やす燃焼用高温空気としてそのまま利用することができる。

本発明の外燃機関及び熱源との関連は以上に述べたように構成されており、簡単な仕組みで回転動力を得ることができる他、外燃機関より排気された高温空気を熱源の燃焼用空気とすることで高温の燃焼温度を得ることができ、機関の熱効率を高めることができる。又燃焼温度を得るための燃料として化石燃料は言うまでも無く、木質系の燃料、可燃性廃棄物、可燃ガス等多岐に利用することができる。

以下、実施例に関する図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図1は本発明の装置の基本構成図である。外燃機関として回転動力を発生する機構と外部への出力は、クランク軸4にコネクティングロッドを介して連結された圧縮機1と膨張機3及び回転動力を電力変換する発電機５により構成されている。又、外燃機関の熱源部２は燃焼部２１と熱交換機２２で構成され、熱交換機２２への気体入側は圧縮機１の排気弁１４に、熱交換機２２からの気体出側は膨張機３の給気弁３３に配管で結合されている。

圧縮機１と膨張機３はシリンダとピストンにより構成されているが膨張機３の方が圧縮機１よりもシリンダ径を大きくし排気量を大きくしてある。

そして適宜な手段でクランク軸４をスタートさせると、圧縮機１はクランク軸４の回転を受け、ピストン１２の下降により吸気弁１３から常温・常圧の空気を吸い込み、ピストン１２の上昇により吸気弁１３を閉じ排気弁１４から圧縮空気を熱交換機２２へ送り込む。

熱源部２の熱交換機２２に送り込まれた圧縮空気は高温に加熱され、膨張機３の給気弁３３からシリンダ３１に入りピストン３２を押し下降させる。ピストン３２が下死点に達すると給気弁３３を閉じ排気弁３４が開きピストン３２の上昇により空気を排気し、ピストン３２が上死点に至った時排気弁３４を閉じ給気弁３３が開き、この動作を繰り返す。

今、仮に圧縮機1の吸気温度が２７℃（＝３００Ｋ ：Ｋは絶対温度）（Ｔ１）、熱源部２で加熱された膨張機３への給気温度が５２７℃（＝８００Ｋ）（Ｔ２）、配管で結合された圧縮機１、熱交換機２、膨張機３にかかる圧力を（Ｐ）、クランク軸１回転による圧縮機１の吸気量（Ｖ１）、膨張機３への給気量（Ｖ２）としたとき、動作気体の空気を理想気体とし全ての損失を無視して考察すると、ボイル・シャルルの法則より
Ｐ・Ｖ１／Ｔ１＝Ｐ・Ｖ２／Ｔ２であり、圧力Ｐを一定とした定圧変化とすると
Ｖ２＝Ｖ１・Ｔ２／Ｔ１ ＝Ｖ１×８００／３００ ≒２．７Ｖ１となる。
このことは圧縮機１で吸気した空気が熱を得て２．７倍に体積を増し膨張機3に入るということである。

ここで、ピストン１２及びピストン３２のストロークを同じとし、ピストン１２の受圧面積を１、ピストン３２の受圧面積を２．７とした場合、ピストン１２及びピストン３２の単位面積にかかる圧力は同一であるので膨張機３のピストン３２は圧縮機１のピストン１２の２．７倍の力でクランク軸４を回転させることができ、圧縮機１の駆動に要した力を差し引いた残りの力は回転動力として外部へ取り出すことが可能で、発電機５により電気出力を得ることができる。

熱を得るための燃料は化石燃料によらないカーボンニュートラルなもの例えば木質系燃料を想定しているが、直接燃焼により蒸気を製造しこれを利用した蒸気タービン発電は実用化されている。一方木質系燃料から可燃ガスを取り出し、これを燃料とした内燃力発電も実用化間近と考えられているがタール除去や内燃機関の維持メンテナンス等課題も多いのが現状である。本発明の外燃機関の燃焼部２１は単純に燃焼ができればよく、木質系燃料やタール分を含んだ可燃ガスも問題無く使用できる。

膨張機３の排気弁３４より排気された空気は高温であり、そのままで燃焼用空気として使用でき上記の燃料の燃焼温度を高めることができる。余剰の高温空気がある場合は木質燃料の乾燥やガス化に伴うガス化材等として使用することもできる。又、高温排気空気中のオイルミスト等不純物を除去すれば暖房用の熱源としても利用可能である。

熱交換機２２内の空気の流れは熱源部２の排気側から取り入れ、燃焼部２１側から取り出すことで燃焼ガスの流れと対向するようにし、伝熱面積を大きくとることにより燃焼による熱を最大限取り込むことができる。

図２は図１に示す圧縮機及び膨張機を複数台連結したものである。動作原理は同じであるがクランク軸に位相差を持たせることにより回転を滑らかにすることができる。

図３は同様な原理により回転動作する外燃機関をタービンとしたもので、圧縮機１0、熱源部２、膨張機３０、及び発電機５により構成されている。圧縮、膨張過程をタービンとしたため弁類は不要である。

図1〜図３に示した熱源部は供給した燃料により熱を発生させる構成としているが、焼却炉や熱源を備える各種プラントで熱の冷却過程、排熱・放熱部等に熱交換機を設けて熱回収し本発明の外燃機関を駆動することにより、無駄に廃棄されていた熱エネルギーを有効に利用することが可能になる。

外燃機関と熱源の基本構成図である。 複数のシリンダで構成した外燃機関を示す図である。 タービンで構成した外燃機関を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
１１ シリンダ（圧縮機）
１２ ピストン（圧縮機）
２ 熱源部
２１ 燃焼部
２２ 熱交換機
３ 膨張機
３１ シリンダ（膨張機）
３２ ピストン（膨張機）
４ クランク軸
５ 発電機
１０ 圧縮機（タービン）
３０ 膨張機（タービン）

Claims (2)

1. 往復動作するピストン若しくはタービンを持つ圧縮機と膨張機を同一のクランク軸若しくは回転軸に連結し、圧縮機により空気を加圧し熱交換機へ送り込み熱交換機により加熱し体積を増した高温空気を膨張機に送り回転動力として取り出すことを特徴とした外燃機関。
2. 動作気体は常温常圧の空気を使用し、吸気−圧縮−加熱−膨張−排気の過程から生じた高温空気を加熱用熱源の燃焼用空気等として使用することを特徴とした請求項１に記載の外燃機関。
   

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