JP2007205343A - 回転動力を直接取り出せる容積型の熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の容積型の熱機関は、構成部品や作動流体が往復運動や複雑な運動をするため、振動・エネルギー損失が大きい。
【解決手段】 本発明は、歯状突起のついた直径の違う２個の回転子を大きさが等しい角速度で回転運動するように拘束し、２個の回転子と固定壁と閉塞弁に囲まれた膨張室に作動流体を導入し、加熱又は冷却により作動流体を体積変化させることによって、回転子を一定方向へ回転運動させて動力を得る熱機関である。
【選択図】図８

Description

本発明は、容積型の熱機関に関する。

容積型の熱機関は、内燃機関・外燃機関ともにピストンとシリンダーを用いる形式が一般的である（例えば、非特許文献１参照）。
他に内燃機関としては、回転動力を直接取り出せる特殊な構造のバンケルエンジン（ロータリーピストン機関）も実用化されている（例えば、非特許文献２参照）。
また内燃機関には、実用化はされていないが、フランスのエッセルベの発明による特殊な構造のロータリーエンジンも存在する（例えば、非特許文献３参照）。
外燃機関としては、スターリングエンジンが有名であるが、ディスプレーサーと呼ばれる部品を装備した形式が多い（例えば、非特許文献４参照）。
「要説 機械工学 第３版」理工学社 横井 時秀 編 １９９７年１月２５日第４刷 第１７９頁から第１８４頁 「要説 機械工学 第３版」理工学社 横井 時秀 編 １９９７年１月２５日第４刷 第１８４頁から第１８６頁 「機械の再発見」講談社 中山 秀太郎 著 １９９３年４月３０日第１６刷 第２０８頁 「機械工学概論 第３版」理工学社 草間 英俊 他 著 １９９７年１月２５日第７刷 第２１５頁

ピストンとシリンダーを用いる形式の容積型の熱機関は、ピストンの往復運動を回転運動に変換するためにクランク等の機構を要し、発生する振動が大きい。またピストンは、往復運動するために加減速しエネルギー損失を生じる。
内燃機関のバンケルエンジン（ロータリーピストン機関）は、作動流体の膨張から回転動力を直接取り出しているが、ロータの重心が回転動力軸に対し偏心運動するためロータから振動が発生する。またロータは、偏心運動するために加減速しエネルギー損失を生じる。
内燃機関のエッセルベのロータリーエンジンは、弁の構造が複雑であり、作動流体が変形した流路を通過するためにエネルギー損失を生じる。
外燃機関のスターリングエンジンは、加熱・冷却のためにピストンとシリンダーとディスプレーサを使って作動流体を往復させており、作動流体のエネルギー損失を生じる。

歯状突起のついた直径の違う２個の回転子を大きさが等しい角速度で回転運動するように拘束し、２個の回転子と固定壁と閉塞弁に囲まれた膨張室に作動流体を導入し、加熱又は冷却により作動流体を体積変化させることによって、回転子を一定方向へ回転運動させ動力を得る。

（１） 往復運動を回転運動に変換するクランク等の機構が不要となる。
（２） 動力を発生する部分が回転子であるため、従来のピストンとシリンダーで構成した熱機関では避けられなかったピストンの往復に伴うエネルギー損失が無くなる。
（３） 作動流体が一定方向に移動するため、作動流体のエネルギー損失が小さい。
（４） 作動流体の体積変化が遅い場合でも、一定方向への回転運動を発生するため、高熱源と低熱源の温度差が不均一な場合や僅少な場合にも運転が容易である。
（５） 構造が簡易であるため、製作が容易である。
（６） 回転子の回転運動とともに作動流体が排出されるため、ディスプレーサ等の作動流体を移送する部品が不要となる。

本装置は、内燃機関と外燃機関のどちらも構成可能である。
なお、閉塞弁を開閉する時期には動力を生み出さないため、本機関を複数用意し作動時期をずらして回転軸を共通の動力軸へつなぐか、又ははずみ車を装備する。

外燃機関として構成した場合の応用例としては、温泉と外気温との温度差、日射で暖められた地表と氷雪との温度差等からエネルギー回収を行うことが考えられる。

２つの回転子の回転方向が反対方向で、作動流体が膨張する場合の外燃機関の構成例を図に示した。
閉塞弁は、回転子の回転運動を妨げない形状をしており、作動流体が膨張室から漏れないように回転子に押し付けられている。
作動流体は、装置外部に存在する時には冷却されているが、装置に導入された後に加熱されて膨張する。
排出側回転子２の直径が吸入側回転子１の直径よりも大きいので、排出側膨張室５の最大時の容積は吸入側膨張室６の最大時の容積よりも大きい。
なお、閉塞弁を回転子に押し付ける役割のバネ等の部品は、以下に掲載する図からは説明の便のために省略した。 本発明に関する装置全体の平面図である。 本発明に関する装置全体の下面図である。 本発明に関する装置全体の正面図である。 本発明に関する装置全体の側面図である。 本発明に関する装置の全体斜眼図である。 本発明に関する装置の中で、回転軸に固定されている部品のみを抜き出した斜眼図である。吸入側拘束歯車９と排出側拘束歯車１０は直径・歯数が同じであり、大きさが等しい回転速度で反対方向に回転運動するようにかみ合っている。吸入側回転子１と排出側回転子２は隔壁１５を挟んで異なった平面上に存在する。 本発明に関する装置の中で、固定壁・閉塞弁・隔壁のみを抜き出した斜眼図である。 吸入側回転子１は、吸入側固定壁３と吸入側閉塞弁７と隔壁１５に囲まれた空間に収まっている。排出側回転子２は、排出側固定壁４と排出側閉塞弁８と隔壁１５に囲まれた空間に収まっている。 図８から図１３に本装置の動作を説明する図を時間順に示す。以下の全ての図は固定壁・閉塞弁・回転子・隔壁のみを示した平面図である。 以下の記載においては、装置の動作に伴って回転子が中心軸に対して回転運動する角度を、回転子の回転角と呼ぶことにする。なお、回転子の形状を平面図に投影した場合に、吸入側回転子１の歯状突起と排出側回転子２の歯状突起が重なった時の回転子の回転角を０度とする。 回転子の回転角が１５度の場合の平面図である。 作動流体が膨張室に閉じ込められ膨張を開始し、排出側回転子１の歯状突起と排出側回転子２の歯状突起には等しい大きさの逆方向の力が作用する。回転子の直径が違うため、直径の大きな排出側回転子２には大きなトルクが作用し、直径の小さな吸入側回転子１には小さなトルクが作用する。しかし、２個の回転子は大きさが等しい角速度で回転運動するように拘束されているため、直径の大きい回転子は自己に作用するトルクの方向に回転運動する。 吸入側回転子１は図の中で右回転、排出側回転子２は図の中で左回転する。 回転子の回転角が７５度の場合の平面図である。 図８と比べて作動流体が膨張した。回転子の回転運動に伴って作動流体は流通孔１６を通って吸入側膨張室５から排出側膨張室６へ移動していく。 回転子の回転角が９０度の場合の平面図である。 排出側カム１２によって排出側閉塞弁８が移動する。排出側回転子２の歯状突起が排出側閉塞弁８の位置を通過する。 回転子の回転角が１０５度の場合の平面図である。 吸入側回転子１が流通孔１６を通り抜ける。排出側回転子２が流通孔１６をふさぐ。この時には動力を生み出さない。 回転子の回転角が１２０度の場合の平面図である。 吸入側カム１１によって吸入側閉塞弁７が移動し、吸入側回転子１の歯状突起が吸入側閉塞弁７の位置を通過する。吸入側回転子１が新たな作動流体を閉じ込め、排出側回転子２は新たな排出側膨張室６を構成する。なお、回転子の回転角は０度でもある。 回転子の回転角が１３５度の場合の平面図である。 膨張を終えた作動流体は排出側固定壁４の端に生じた隙間から排出される。なお図１３は、図８と同図である。

符号の説明

１ 吸入側回転子 歯状突起を持ち作動流体の体積変化によって回転運動する部品。 作動流体が膨張する場合には、排出側回転子２よりも直径が小さ い。吸入側回転軸１３に固定されている。
２ 排出側回転子 歯状突起を持ち作動流体の体積変化によって回転運動する部品。 作動流体が膨張する場合には、吸入側回転子１よりも直径が大き い。排出側回転軸１４に固定されている。
３ 吸入側固定壁 吸入側回転子１を収める円形の空間を持つ部品。隔壁１５に固定 されている。
４ 排出側固定壁 排出側回転子２を収める円形の空間を持つ部品。隔壁１５に固定 されている。
５ 吸入側膨張室 吸入側回転子１と吸入側固定壁３と吸入側閉塞弁７と隔壁１５に 囲まれた空間。
６ 排出側膨張室 排出側回転子２と排出側固定壁４と排出側閉塞弁８と隔壁１５に 囲まれた空間。
７ 吸入側閉塞弁 吸入側固定壁３に取り付けられている弁。通常は吸入側回転子１ に押し付けられているが、吸入側カム１１によって吸入側回転子 １から遠ざかる方向に移動させられ、吸入側回転子１の歯状突起 の移動通路を作る。
８ 排出側閉塞弁 排出側固定壁４に取り付けられている弁。通常は排出側回転子２ に押し付けられているが、排出側カム１２によって排出側回転子 ２から遠ざかる方向に移動させられ、排出側回転子２の歯状突起 の移動通路を作る。
９ 吸入側拘束歯車 吸入側回転軸１３に固定されている歯車。排出側拘束歯車１０と かみ合っており、排出側拘束歯車１０と等しい大きさの角速度で 回転運動する。
１０ 排出側拘束歯車 排出側回転軸１４に固定されている歯車。吸入側拘束歯車９とか み合っており、吸入側拘束歯車９と等しい大きさの角速度で回転 運動する。
１１ 吸入側カム 吸入側回転軸１３に固定されているカム。吸入側閉塞弁７を動か す。
１２ 排出側カム 排出側回転軸１４に固定されているカム。排出側閉塞弁８を動か す。
１３ 吸入側回転軸 吸入側回転子１、吸入側拘束歯車９、吸入側カム１１が固定され ている軸。
１４ 排出側回転軸 排出側回転子２、排出側拘束歯車１０、排出側カム１２が固定さ れている軸。
１５ 隔壁 吸入側膨張室５と排出側膨張室６を隔てている板。
１６ 流通孔 隔壁１５に開いている孔。作動流体はこの孔を通って吸入側膨張 室５と排出側膨張室６を流通する。

Claims (1)

1. 歯状突起のついた直径の違う２個の回転子を大きさが等しい角速度で回転運動するように拘束し、２個の回転子と固定壁と閉塞弁に囲まれた膨張室に作動流体を導入し、加熱又は冷却により作動流体を体積変化させることによって、回転子を一定方向へ回転運動させ動力を得る。

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