JP2008516147A - Power generation method and system using Stirling engine principle - Google Patents
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Abstract
ハウジングにおいて室を囲む熱機関は、異なる温度に維持される2つの領域を有する。第1の領域は、外部パワー源から熱エネルギを受ける。第2の領域は、室を満たす流体(例えば、空気、水または他のいかなるガスまたは液体)が2つの領域の間で循環することができるように、2つの導管によって熱領域に連結される。熱領域における流体の膨張および冷領域における流体の圧縮は、パワー出力を提供するためハウジングの回転を駆動する。流体は、効率を向上させるために加圧される可能性がある。固定された貯蔵部において提供される冷却流体は、熱領域および冷領域間の好適な動作温度差を維持する。高い熱容量を有する流体を含む熱蓄積構造は、蓄熱器として提供される。
【選択図】図1The heat engine surrounding the chamber in the housing has two regions that are maintained at different temperatures. The first region receives thermal energy from an external power source. The second region is connected to the thermal region by two conduits so that fluid filling the chamber (eg, air, water or any other gas or liquid) can circulate between the two regions. The expansion of the fluid in the hot region and the compression of the fluid in the cold region drive the rotation of the housing to provide power output. The fluid may be pressurized to improve efficiency. The cooling fluid provided in the fixed reservoir maintains a suitable operating temperature difference between the hot zone and the cold zone. A heat storage structure including a fluid having a high heat capacity is provided as a heat accumulator.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電力変換装置の設計および使用へのスターリング・エンジンの原理の適用に関する。特に、本発明は、例えば機械動力を生成するような動力生成のためのスターリング・エンジンの原理の適用に関する。 The present invention relates to the application of Stirling engine principles to the design and use of power converters. In particular, the invention relates to the application of the Stirling engine principle for power generation, for example to generate mechanical power.
スターリング・エンジンは、異なる温度の領域の間で流れる熱エネルギを有用な作業に転換することによって作動する熱機関である。典型的なスターリング・エンジンは、一組のピストンの調整された往復運動の動作を駆動するために熱エネルギを使用する。ピストンの運動は、機構またはジェネレータを駆動する。また、回転運動する熱機関も公知である。回転運動するスターリング・エンジンの数多くの設計は、米国特許No.6,195,992、3,984,981および5,325,671を含む従来技術で見つけることができる。従来技術においては、スターリング・エンジン作動のための可動部品は、ハウジングに入れられ、外部の機構を駆動するため、機械的に外部の部分に(例えば、駆動軸によって)連結される。このような配置における高効率は、ハウジングが密封されるように閉じられることを必要とする。密封の失敗は、エンジンの破損を導く。 A Stirling engine is a heat engine that operates by converting the heat energy flowing between regions of different temperatures into useful work. A typical Stirling engine uses thermal energy to drive the coordinated reciprocating motion of a set of pistons. The movement of the piston drives the mechanism or generator. Heat engines that rotate are also known. Many designs of rotating Stirling engines are described in US Pat. Can be found in the prior art including 6,195,992, 3,984,981 and 5,325,671. In the prior art, moving parts for Stirling engine operation are placed in a housing and mechanically coupled to an external part (eg, by a drive shaft) to drive an external mechanism. High efficiency in such an arrangement requires that the housing be closed to be sealed. Failure to seal can lead to engine failure.
本発明は、スターリング・エンジン原理に基づいた方法およびロータリーエンジンを提供する。本発明の一実施例によれば、ロータリーエンジンのハウジングは、ハウジングの室の範囲内における異なる温度の2つの領域間の流体流の結果として、回転する。それゆえに、ハウジングの回転運動のトルクは、ハウジングの外側に連結される駆動軸またはギア構造を通じて機構(例えばジェネレータ)を駆動するために使用される可能性がある。従来技術とは異なって、この配置の下で、本発明のロータリーエンジンは、ハウジングを密封する際の漏れに起因する失敗に影響されにくい。
本発明の一実施例によれば、室の熱領域は熱源からのエネルギによって加熱され、冷却装置は冷領域を熱領域よりも低い温度で維持する。冷却流体は、冷却流体の固定された外部の貯蔵部から引かれる可能性がある。一実施例において、ハウジングの回転運動は、冷却流体を引くために使用される可能性がある。この実施例では、ロータリーエンジンに引かれる冷却流体の容積は、順番にロータリーエンジンのパワー出力によって決定される可能性がある回転運動の角速度次第である。自己制御式冷却装置はその結果、達成されることができる。外部の駆動軸(または外歯車構造)が取り付けられることになっている位置で、ハウジングを補強するために使用される構造は、ねじ通路を含む可能性がある。この実施例では、所望の温度範囲内に冷領域を維持するように、冷領域周辺(例えば、冷領域に当接している絶縁体層、流体ガイド構造、または冷領域およびハウジング間の領域)で広がる通路を通じて、回転するねじ通路は、冷却流体をハウジングに付勢する。
本発明の熱機関のタービンは、ハウジングの熱領域または冷領域の内径面上のいかなる適切な場所においても位置する可能性があるが、ハウジングに回転運動を提供するためにハウジングに連結され、ロータリーエンジンの出力パワーを提供するため、駆動軸またはギア構造を直接駆動する必要はない。ロータリーエンジンの室は、圧縮可能な作動流体(例えば空気)で満たされる可能性がある。流体ガイドは、圧縮可能な作動流体の流動を好適な方向に高い効率を提供する流動速度で導くため、室の範囲内で提供される可能性がある。流体ガイドはまた、構造上のまたは機械的なサポートを室に提供する可能性がある。したがって、熱機関の設計は、熱領域、冷領域またはその両方への流体ガイドを通じて冷却供給源または加熱供給源から流体を流動させることによってハウジング101内部で作動流体温度を調整する方法を提供する。これはまた、熱供給源または放熱器を変えずにエンジンのパワー出力を調整するための方法を提供する。
一実施例において、一方向のバルブは、熱領域の作動流体が冷領域に逆流するのを妨げるように、熱領域および冷領域の間で提供される可能性がある。
他の一実施例において、熱源から熱領域までの熱伝達の効率を増加させるため、金属のメッシュが熱領域において提供される。熱蓄積構造もまた、エンジン・サイクルの間のロータリーエンジンのパワー出力において変動している熱源のインパクトを最小化するため、または二次的な熱源を熱機関に提供するために提供されることができる。特定の高い熱容量流体または熱蓄積流体が、熱蓄積構造において使われることができる。熱蓄積は、異なるエネルギ要求の時間の間にエネルギ製造または出力要求を等化するために使用される可能性がある。
一実施例において、所定の動作状態(例えば所定の温度)に達した後、導電プレートは熱領域を接触させるために搭載されたばねによって付勢される。
本発明は、以下の詳細な説明および添付の図面を考慮して、よりよく理解される。
The present invention provides a method and rotary engine based on the Stirling engine principle. According to one embodiment of the present invention, the rotary engine housing rotates as a result of fluid flow between two regions of different temperatures within the housing chamber. Therefore, the torque of the rotational movement of the housing can be used to drive a mechanism (eg, a generator) through a drive shaft or gear structure coupled to the outside of the housing. Unlike the prior art, under this arrangement, the rotary engine of the present invention is less susceptible to failure due to leakage in sealing the housing.
According to one embodiment of the present invention, the hot area of the chamber is heated by energy from the heat source and the cooling device maintains the cold area at a lower temperature than the hot area. The cooling fluid can be drawn from a fixed external reservoir of cooling fluid. In one example, the rotational movement of the housing may be used to draw cooling fluid. In this embodiment, the volume of cooling fluid drawn to the rotary engine depends on the angular velocity of the rotational motion that can in turn be determined by the power output of the rotary engine. A self-controlled cooling device can then be achieved. The structure used to reinforce the housing where the external drive shaft (or external gear structure) is to be attached may include a threaded passage. In this embodiment, in the vicinity of the cold region (eg, an insulator layer abutting the cold region, a fluid guide structure, or a region between the cold region and the housing) so as to maintain the cold region within a desired temperature range. Through the expanding passage, the rotating screw passage urges the cooling fluid into the housing.
The turbine of the heat engine of the present invention may be located at any suitable location on the inner surface of the hot or cold region of the housing, but is connected to the housing to provide rotational movement to the housing, and the rotary There is no need to drive the drive shaft or gear structure directly to provide engine output power. The chamber of the rotary engine can be filled with a compressible working fluid (eg air). The fluid guide may be provided within the chamber to direct the flow of compressible working fluid at a flow rate that provides high efficiency in a suitable direction. The fluid guide may also provide structural or mechanical support to the chamber. Thus, the design of the heat engine provides a way to adjust the working fluid temperature within the
In one embodiment, a one-way valve may be provided between the hot and cold regions to prevent hot working fluid from flowing back to the cold region.
In another embodiment, a metal mesh is provided in the heat region to increase the efficiency of heat transfer from the heat source to the heat region. A heat storage structure may also be provided to minimize the impact of fluctuating heat sources on the rotary engine power output during the engine cycle or to provide a secondary heat source to the heat engine. it can. Certain high heat capacity fluids or heat storage fluids can be used in the heat storage structure. Thermal storage can be used to equalize energy production or power requirements during times of different energy requirements.
In one embodiment, after reaching a predetermined operating condition (eg, a predetermined temperature), the conductive plate is biased by a mounted spring to bring the heat zone into contact.
The present invention is better understood upon consideration of the detailed description below and the accompanying drawings.
本発明は、熱源からの熱エネルギを機械エネルギに転換するためにスターリング・エンジン原理の下で作動する熱機関を提供する。機械的なエネルギは、有用な作業を実行するため、機構およびジェネレータを駆動するために連結されることができる。適切な熱源の例は、ソーラー、地熱、化石、埋め立て、再生されたまたは別の燃料を含む。
図1は、本発明の一実施例によると、冷却流体貯蔵部107を含む熱機関100の横断面図を示す。図1に示すように、熱機関100は囲いまたはハウジング101に入れられる室110を含む。動作中に熱源がハウジング101の上面101aに付随して提供される場合、室110の範囲内において温度差が「熱領域」110aおよび「冷領域」110bの間に存在する。本発明は、以下に記載する方法において‘Y’で示される軸の周りでハウジング101を回転させるためにこの温度差を活用する。エンジン・ハウジングが動作の間、回転し、作業流体の空間は通路、室および回転パワー出力装置間の孔または接合なしで室に入れられるので、エンジン作動流体は、外部の発電ギアまたは機械的な装置から分離される。それゆえに、特別な封孔処理は必要とされない。
回転運動の回転駆動軸109は、外部の機械的な装置の運動を駆動するために使用される可能性がある。図1に示すように、駆動軸109は熱領域110aおよび冷領域110bの間の横断面領域または平面に対して本質的に垂直である。別の適切な構造を使用して、回転パワー出力もまた、達成されることができる(例えばギア構造;このような構造は、ハウジング101の外側のどこでも位置する、またはハウジング101の外壁に構築される可能性がある)。本発明の一実施例によれば、駆動軸109は部分的に回転構造111で覆われ、冷却貯蔵部107を越えて延長する。代替的に、駆動軸109はまた、ハウジング101の天板101aに連結される可能性がある。したがって、熱機関の設計は、熱領域、冷領域またはその両方への流体ガイドを通じて冷却供給源または熱源から流体を作動させることによって、ハウジング101内部での作動流体の温度を調整する方法を提供する。これもまた、熱源または放熱器を変えずにエンジンのパワー出力を調整する方法を提供する。
The present invention provides a heat engine that operates under the Stirling engine principle to convert thermal energy from a heat source into mechanical energy. Mechanical energy can be coupled to drive the mechanism and generator to perform useful work. Examples of suitable heat sources include solar, geothermal, fossil, landfill, regenerated or another fuel.
FIG. 1 illustrates a cross-sectional view of a
The
図1の図示された実施例において、冷却機構は、熱領域110aおよび冷領域110b間の温度差を維持するために提供される。この温度差はハウジング101の回転運動を駆動し、したがって出力パワーを提供する。冷却機構は、冷領域110bおよび熱領域間の110a温度差維持するまたは増加させるため、冷却貯蔵部107、冷領域110b、空間508および絶縁体層104の間で循環する冷却流体を含んでいる冷却貯蔵部107を含む。貯蔵部カバー115は、冷却流体の流出および過剰な蒸着を妨げるため、ハウジング101および冷却貯蔵部107の間で提供される。この詳細な説明において、「熱い」および「冷たい」という用語は、相対的なものである。十分な温度差が熱領域110aおよび冷領域110bの間にある限り、熱機関100は作動する。
ハウジング101内に入れられた要素は、それぞれ、「等積拡大された」側面図および「等積拡大された」斜視図において熱機関100を示す図2および3と共によりよく図示される。ハウジング101の外側の側壁は、示される室110の範囲内で熱機関100の内部構造を可能にするため、図2および3において省略される。図1、2および3に示すように、天板101aおよび下方板101bはそれぞれ、ハウジング101の上部外壁および底部外壁である。本実施例において、熱源(例えば太陽エネルギ)は、天板101aに投射される。以下に記載するように、冷却貯蔵部107の冷却流体は、絶縁体層104および取付板101b間の領域を低温に維持する。熱源および冷却流体の結合された動作は、図1、2および3に示すように熱領域110aおよび冷領域110bを作成する。本実施例において、冷領域110bは、温度調整を達成するために冷却流体が流れる可能性があるディスク108および下方板101b間で空間508を作成するため、ディスク108によって下方板101bから切り離される。(この記述において、図2の上下の部分は、単にこの詳細な説明の参照を容易にするためにのみ、それぞれ「上部」および「底部」と分類される。本発明の熱機関の動作は、その物理的な配向によって制限されない。)図2および3において、熱機関100は、熱機関100の要素間の分離は、図解する目的のために垂直方向において誇張される意味において「分解」図で示される。一実施例において、ディスク108は、ハウジング101の下方板に隣接して提供され、このことにより、下方板101bから冷領域110bを分離する。下方板101bはディスク108を囲み、温度調整を達成するために、冷却流体が流れる可能性がある空間508を作成する。ディスク108は、ハウジング101の底部として示すことができ、下方板101bは、ハウジング101の底部周辺の周囲の囲いとして示すことができ、そのように空間508は形成される。
In the illustrated embodiment of FIG. 1, a cooling mechanism is provided to maintain a temperature difference between the
The elements contained within the
熱領域110aおよび冷領域110bは下記に詳述される絶縁体層104によって互いに絶縁される。最適に配置された支持構造物は、ハウジング101内部における機械的な支持のため、熱領域110aおよび冷領域110bの全体にわたって提供される可能性がある。例えば、このような支持構造物は、ポスト、支柱、梁および柱を含む可能性がある。熱電子および熱電対装置は、同様に絶縁体層104の範囲内で提供される可能性がある。このような装置は、上記の参照に組み込まれる出願中の特許出願において検討されるようにパワー出力を提供するために使用される可能性がある。本実施例において、分離構造105は、熱領域110aおよび絶縁体層104の間でさらに間に入れられる。流体は、中心の開いた軸113および空間121を通じて熱領域110aおよび冷領域110bの間で流れる。空間121は、流体ガイド構造106、分離構造105、絶縁体層104、回転構造111およびハウジング101の外壁間のすべての空間を含む。分離構造105は下記に詳述される任意の蓄積構造である。室110は、所望の流体密度および機械的な、空力のおよび熱的な特性を達成するため、空気、他の流体または流体の混合物であってもよい圧縮可能な作動流体で満たされる。作動流体は、加圧される可能性がある。
熱機関100は、ハウジング101の内部の壁の表面に位置する可能性があるタービン構造によって受容される熱エネルギを集める。例えば、このような場所は、空間121、熱領域110aおよび冷領域の中で110bを含む可能性がある。タービン構造はまた、熱領域110aおよび冷領域110b間の内部構造の表面に位置する可能性がある。例えば、このような場所は、空間121の中、および中心の開いた軸113の範囲内を含む可能性がある。タービン構造は、トルクがハウジング101の所望の回転運動のために生成されることができるいかなる適切な場所においても位置する可能性がある。タービン構造もまた、ハウジング101の内部の壁に構築される可能性がある。これらのタービン構造は、作動流体の膨張および圧縮から最大の急増する動力を抽出するように作動流体速度および圧力を制御し、回転運動のためのトルクを作成するため、作動流体を導くように設計された流体ガイドまたはブレードの1つまたはそれ以上の集合を含む可能性がある。一実施例において、タービン構造の各々の流体ガイドは、ハウジング101の回転の間の作動流体と関連して好ましくは所定の角度を維持する。タービン構造は、熱機関100の用途次第でいかなる適切なサイズもまたは材料であってもよい。
本発明の一実施例によれば、熱機関100は、本願明細書において熱領域110aにおいて流体ガイド構造106として称されるタービン構造を含む。図4は、天板101aの下の熱い領域110aの上面図である。図4に示すように、熱機関100は、プレート401、114‐1から114‐mまで番号付けされる流体ガイド114の第1の集合、および、112‐1から112‐nまで番号付けされる流体ガイド112の第2の集合を含む流体ガイド構造106を含む。ここで、nおよびmは整数である。プレート401は、熱機関100の構造次第である分離構造105または絶縁体層104の天板であってもよい。流体ガイド112および114は、協力してまたは別々に作用するように設計され、熱源または放熱器として余熱移送表面として機能する可能性がある。流体ガイド112および114は、熱機関100の用途次第でいかなる適切なサイズ、湾曲または、いかなる材料であってもよい。一般に、112‐1から112‐nまでの流体ガイドは、熱領域110aおよび冷領域110b(空間121および中心の開いた軸113の範囲内で)間のいかなる構造に取り付けられてもよい。流体ガイド112‐1から112‐nはまた、ハウジング101の内部の壁に取り付けられる可能性がある。一実施例において、112‐1から112‐nまでの流体ガイドはハウジング101に取り付けられ、図4に示すように空間121のプレート401の周辺部周辺で一般に配置される。流体ガイド112はまた、プレート401、流体ガイド構造106、分離構造105にまたは絶縁体層104に取り付けられる可能性がある。流体ガイド112は、空体力学の設計を有する可能性がある。空体力学の設計において、表面に沿った異なる速度の流体流として、圧力差が、流体ガイドの2つの表面の間で作成される。一実施例において、各々の流体ガイドは、流体ガイドの1つの側面が別のものより大きい横断面を有するように丸みのある輪郭が提供され、このことにより、ハウジング101の回転運動を提供するトルクを作成する。
上記のように、流体ガイド112−1から112−nは、各々の流体ガイド112のすぐ近くで作動流体の流れの向きと関連して所定の角度を維持するように設計されている。動作中、熱が熱領域110aにおいて蓄積するので、ハウジング101を回転させるトルクを作成するため、熱領域110aの膨張している作動流体は、流体ガイドの集合112を押す。熱い領域110aの作動流体は、中心の開いた軸113の上の空間から放射状に外側に流れ、環状の空間121を通じて冷たい領域110bに流れる。代替的に、流体ガイド112は、例えば、絶縁体層104への冷却装置の通路、絶縁体層104、分離構造105、一方向のバルブ801および流体ガイド構造106のように中心の開いた軸113の範囲内で構造に取り付けられる可能性がある。
The
The
According to one embodiment of the present invention, the
As described above, the fluid guides 112-1 to 112-n are designed to maintain a predetermined angle in relation to the direction of flow of the working fluid in the immediate vicinity of each
タービンを形成するため、駆動軸を有する流体ガイド構造106の流体ガイド112を使用する一例は、上記の参照によって組み込まれる出願中の特許出願において開示される。回転流体ガイド構造106によって作成されるトルクは、ハウジング101が流体ガイド構造106と一体的に回転するように回転構造111(およびしたがって駆動軸109)にハウジング101の外壁を通じて伝達される。各々の流体ガイド112上の非対称の表面積は必要でないが、いくつかの用途においては、例えば所定の方向の運動での始動の容易さのような利点を提供する可能性がある。流体ガイド112は、熱伝達のための大きい表面積を提供する可能性がある。したがって、効率を向上させるため、熱機関100は体積比に対し高い表面を有する。流体ガイド112−1から112−nもまた、トルク生成を最大化するように、好適な角度で作動流体流を制御するため、流体ガイドとして使われることができる。
流体ガイド114‐1から114‐mは、好適な回転力を達成するため、流体ガイド112の方へ好適な角度において作動流体を導く。流体ガイド114-1から114‐mは、天板101aおよび分離構造105間の支持を提供するための支持構造として形成される可能性がある。流体ガイド114‐1および114‐mが、流体ガイド112の設計を収容するのに使われる可能性がある。流体ガイド114‐1および114‐mは、余熱面または冷却面を熱伝達に提供するように熱的な特性を有する可能性がある。流体ガイド114‐1および114‐mはまた、作動流体循環のための通路を形成する、または作動流体圧力を制御するために使用される可能性がある。流体ガイド114‐1および114‐mは、エンジン室の外側の熱または冷却供給源のアクセスとして使われる可能性がある。したがって、熱機関の設計は、熱領域、冷領域または両方への流体ガイドを通じて冷却供給源または熱源から流体に作動させることによって、ハウジング101内部で作動流体温度を調整する方法を提供する。これはまた、熱源または放熱器を変えずにエンジンのパワー出力を調整する方法を提供する。流体ガイド114‐1から114‐mは、作動流体容積成型、または、作動流体経路の範囲内で変化する別の流体特性を提供して、作動流体の動きを向上させる可能性がある。例えば、このような特性は、作動流体速度、方向および容積を含む可能性がある。本実施例において示されていないが、流体ガイドの対応している集合を有する類似した流体ガイド構造もまた、作動流体の戻り経路を形成するため、冷たい領域110bにおいて提供される可能性がある。代替的に、冷たい領域110bにおける流体ガイド構造は、異なる設計目的を達成するため、異なる構造(例えば、異なる機能を実行する異なる材料、異なって形成された流体ガイド、)において提供される可能性がある。流体ガイド114‐1から114‐mは、ハウジング101を所定の方向において回転させるトルクを作成しているタービン構造を助けるブレードとして、成形され、使われる可能性がある。流体ガイド114‐1から114‐mは、用途の必要条件次第で室110の範囲内でどこにでも配置される可能性がある。流体ガイド構造106は、タービン構造の一部として考えられる可能性がある。
他の実施例によると、流体形成器は、流体または制御流体容積を案内するため、作動流体経路の範囲内で使われる可能性がある。例えば、流体形成器は、円錐、電鈴および漏斗を含む可能性がある。流体形成器は、固体または中空である可能性がある。
流体形成器は、ハウジング101の内部の壁上またはそれに組み込まれる可能性がある。流体形成器は、作動流体空間の中の2つの特定の領域間の中間の空間、または作動流体経路の特定の領域の範囲内の1つまたはそれ以上の位置で実行される可能性がある。例えば、作動流体空間の例は、熱領域110a、冷領域110b、中心の開いた軸113および空間121を含む可能性がある。立体の円錐の形状の流体形成器を使用する例は、図1および図2において示される。そこで、ディスク108は中心の開いた軸113の方へ延長し、ハウジング101の範囲内で円錐の形状の流体形成器200を形成する部分を有する。また、流体形成器200は冷領域110bおよび空間507の間で位置し、熱領域110aの方へ作動流体を案内するために使用され、流体流運動の方向を維持するのを援助する可能性がある。流体形成器200は、流体経路の一部を狭くすることによって作動流体の速度を変える可能性がある。一例では、冷領域110bから中心の開いた軸113に入る作動流体容積を制御するため流体形成器200を使用する。流体形成器200および中心の開いた軸113の開口部の間の作動流体空間が小さいほど、作動流体はより速く流れる。熱領域110aに向かいより小さい端を有する中心の開いた軸113内の漏斗流体ブロックは、内部の作動流体速度を増加させることができる。中心の作動流体出口が軸113を開けるまたは作動流体が熱い領域110aに入るところで流体形成器200が使われる可能性があり、作動流体容積を減少させ、このことにより、作動流体の加速を提供する。流体形成器は、異なる設計目的を達成するため、いかなる適切な材料、形状または機能において提供される可能性がある。流体形成器は、空体力学の設計を有する可能性がある。
An example of using a
The fluid guides 114-1 to 114-m guide the working fluid at a suitable angle toward the
According to other embodiments, the fluid former may be used within the working fluid path to guide the fluid or control fluid volume. For example, the fluid former may include a cone, a power bell and a funnel. The fluid former can be solid or hollow.
The fluid former may be incorporated on or within the internal wall of the
熱領域110aおよび冷領域110bの間に相当な温度差が存在する場合、作動流体(図1の流れ曲線122によって示される)の循環は、確立される。この循環において、作動流体は、円形の運動において、熱領域110aでさらに、放射状に外側に流れ、空間121を通って、冷たい領域110bに(すなわち下方への螺旋形の運動)入り、円形の運動において、冷領域110bで放射状に内部に流れ、および開いた軸113で熱い領域110aに(すなわち、上方への螺旋形の運動で)戻る。熱い作動流体が冷領域110bの方へ循環運動で移動するので、それは、冷たい領域の中央において低圧または圧力の低下を生じる。冷作動流体は引かれ、循環運動において熱領域で上昇する可能性がある。各々の領域の流体流は、したがってハリケーンまたはサイクロン(すなわち、「サイクロンに似た」)の流体の運動に類似している。熱領域において、上昇気流は、作動流体が加熱されると、末端部に向かい外側に螺旋形になり冷領域から強く作動流体を引く。末端部において、強い下降気流は冷領域に作動流体を引き、ここで、それから低い圧点に向かい内側で螺旋形になり、またここで、それは熱領域の中へ戻るように引かれる。
作動流体の流動は、渦巻き運動および渦を有する流動を有する。作業流動は連続的な力を出し、タービン構造上に推進力を伝える。作動流体の循環が対流的な垂直の循環であるので、渦巻き運動は、ほとんど水平である。冷領域110bから熱領域110aへの作動流体の流動は、回転する上昇気流である。同様に、熱領域110aから冷領域110bへの作動流体の流動は、回転する下降気流である。作動流体の推進力はエンジン・サイクルの間、連続的に維持される。ここで、熱い作動流体は冷たい作動流体に合流する。作動流体は、各々のエンジン・サイクルの間、それぞれの領域において連続的に加熱、膨張、冷却および収縮する。それゆえに、完全なエンジン・サイクルおよび完全な作動流体経路は、室110の範囲内で提供される。エンジン・サイクルの間、作動流体は、タービン構造のすべての流体ガイドまたはブレード上に同時に力を出す。タービン構造の各々のガイドまたはブレードは、同時に、作業に関与する。それゆえに、衝撃を提供するようにタービンの特定の部分に作動流体を導くため、流体駆動系において一般に使われる例えばノズルおよび管のような流体制御構造は、本発明の熱機関において必要でない。
上記のように、作動流体は、渦巻き運動を有し、作動流体の加熱および冷却から起こる連続的な推進力および流体ガイドまたはブレードの回転運動を有する。タービン構造は、作動流体の動きによって回転し、交替で、作動流体を回転運動させる。
このエンジン設計において、作動流体の膨張および収縮は、タービン構造に適用される力という結果になり、このことにより、トルクを作成する。各々のサイクルにおいて、作動流体は、膨張している熱い作動流体、熱領域110aから冷領域110bまで作動流体を流れさせる垂直の回転下降気流、冷領域110bの作動流体の収縮、および、冷領域110bから熱領域110aまで作動流体を流れさせる回転上昇の結合された力によって加速される。
それゆえに、この環境下で、エンジンがより長く動作すると、作動流体はより急速に循環する。第1のサイクルの終わりの作動流体の速度は、第2のサイクルの初めの作動流体の速度になり、第2のサイクルの全体にわたって増加する。作動流体速度は運動エネルギによって増加し、それはそれから熱機関によって機械的な作業に変わる。作動流体の速度は、エンジン・サイクルの膨張段階および収縮段階の両方の間、増加する。作動流体は、流体ガイドおよびブレードの回転から推進力を得る。ブレードまたは流体ガイドの形状、および、経絡は、作動流体の回転を助ける。流体ガイドはまた、エンジンの様々な部分の温度を調整する−すなわち、熱領域の温度を減少または増加させる、または、冷領域の温度を減少または増加させる(*訳注1)ために使用されることができる。
熱領域における作動流体の回転および半径方向の外側の流動、冷領域への下方への動き、冷領域における作動流体の回転および半径方向の内側の流動、および、熱領域への上方への動きは、上昇気流に沿って延長する。効果的な円柱の直径が減少すると、回転またはねじりの速度は増加する。冷たい作動流体は、回転している上昇気流の形で空間を通じてより効果的に担持される。高い流体速度は、角運動量保存の結果として起こる。エンジン設計は、作動流体を移動し、作動流体を回転させるために回転タービン・ブレードを使用する(すなわち、作動流体の推進力を維持する)ための連続的な加熱および冷却に基づく。
本発明の熱機関は、冷領域および熱領域が機械動力を提供することによって作成される可能性があるという点で、可逆性がある。エンジン100のハウジング101の回転運動と一緒に、エンジンはまた、風または水によって動かされる可能性がある。したがって、本発明の熱機関が、例えばソーラー動力のような用途において使われる、または原子力プラントからの排出物から電力を供給される可能性がある。機械動力はまた、室内部の熱領域および冷領域を作成するようにエンジンを回転させるために提供される可能性がある。熱領域はそれから別のエンジンに動力を与えるために使われる可能性があり、所望の用途次第で、冷領域は冷却に使用される可能性がある。エンジンは、異なる出力所要動力に対応するために計測可能であり、有意な温度変化を有する場所で使われる可能性がある。
If there is a significant temperature difference between the
The flow of the working fluid has a spiral motion and a flow having a vortex. The work flow produces a continuous force and transmits the propulsive force on the turbine structure. Since the working fluid circulation is a convective vertical circulation, the swirl motion is almost horizontal. The flow of the working fluid from the
As described above, the working fluid has a swirl motion, continuous thrust resulting from the heating and cooling of the working fluid and the rotational motion of the fluid guide or blade. The turbine structure rotates by the movement of the working fluid, and alternately rotates the working fluid.
In this engine design, the expansion and contraction of the working fluid results in a force applied to the turbine structure, which creates torque. In each cycle, the working fluid is an expanding hot working fluid, a vertical rotating downdraft that causes the working fluid to flow from the
Therefore, under this environment, the working fluid circulates more rapidly as the engine runs longer. The working fluid speed at the end of the first cycle becomes the working fluid speed at the beginning of the second cycle and increases throughout the second cycle. The working fluid velocity increases with kinetic energy, which is then converted into mechanical work by a heat engine. The speed of the working fluid increases during both the expansion and contraction phases of the engine cycle. The working fluid derives driving force from the rotation of the fluid guide and blades. The shape of the blade or fluid guide and the meridians help the working fluid rotate. The fluid guide is also used to regulate the temperature of various parts of the engine-i.e. reduce or increase the temperature in the hot zone, or reduce or increase the temperature in the cold zone. Can do.
Working fluid rotation and radial outward flow in the hot zone, downward movement to the cold zone, working fluid rotation and radial inner flow in the cold zone, and upward movement to the hot zone are Extend along the updraft. As the effective cylinder diameter decreases, the speed of rotation or twist increases. The cold working fluid is more effectively carried through the space in the form of a rotating updraft. High fluid velocities occur as a result of angular momentum conservation. The engine design is based on continuous heating and cooling to move the working fluid and use rotating turbine blades to rotate the working fluid (ie, maintain the driving force of the working fluid).
The heat engine of the present invention is reversible in that the cold and hot regions can be created by providing mechanical power. Along with the rotational movement of the
加熱メッシュは、作動流体が加熱される表面積を増加させるため、開いた軸113の付近の上に熱領域110bにおいて提供される可能性があり、このことにより、作動流体の加熱効率を改善する。熱は、集中し、熱領域101aにおいて加熱メッシュに導かれる可能性がある。この加熱メッシュはまた、外部の熱源および分離構造105の蓄熱ヒータ701間の接点として機能することができる。この方法では、熱領域110aにおける比較的熱い作動流体は、膨張し、それが冷やされて圧縮される冷領域110b内に流入する。一方向弁は、熱い領域110aから冷領域110bへの作動流体の逆流を妨げるため、熱領域110aおよび冷領域110b間の開いた軸113において提供される可能性がある。熱機関100の横断面図である図8は、流体ガイド構造106を通じた作動流体の循環経路を示す。図8に示されるように、一方向弁801は、熱い領域110aから冷領域110bへの作動流体の逆流を妨げるため、熱領域110aおよび冷領域110b間の開いた軸113において提供される。
上記したものから分かるように、上記した実施例の流体ガイドのシステムは、複数の課題を実行する可能性がある。例えば、各々の流体ガイドは、流体ガイド構造106の1つまたはそれ以上の壁、回転構造111、回転構造および絶縁体層104間の通路、絶縁体層104および分離構造105に構造的に取り付けられる可能性がある。中心の開いた軸113の各々の流体ガイドは、内部の構造の1つまたはそれ以上の壁に構造的に適応される可能性がある。複数の経絡、通路またはハウジング101(または室110)内の作動流体の流動のための導管は、形成される。これらの通路は、異なる用途のための作動流体の経路のいかなる部分の範囲内においても位置する可能性がある。これらの通路は、作動流体の動きを援助するために作動流体に対して角度をなす可能性がある。隣接した流体ガイド間の流体流のための通路を規定するために流体ガイドまたはブレードを有する1つの利点は、作動流体の乱流を減少させることである。流体ガイドの構造は、例えば作動流体の圧力およびその角速度、作動流体の流動の方向および角度、および、回転運動を引き起こすトルクの大きさのような熱機関100の機械的なパラメータ1に影響を及ぼすように使用することができる。(1:機械的なパラメータの1つの例は、回転の角速度である。)流体ガイドの設計はそれゆえに、熱機関100のパワー出力を改善する。また、流体ガイドは、回転構造111、絶縁体層104および分離構造105に取り付けられる必要はない。この例では、作動流体の流動のための複数の経絡、通路または導管は形成されない。結果として単純になる設計は、より均等な熱分配およびより軽いハウジングを有する。
回転構造111は、開いた軸113の下部に位置し、ハウジング101内で収容される熱機関100の様々な要素を含むハウジング101の重さを支持する。回転構造111は、ハウジング101内のすべてのタービン構造または流体ガイド構造から伝達される結合されたトルクを受けることによって車軸109で回転する。上記したように、熱領域110aおよび冷領域110b間の動作温度の違いは、冷却流体によって維持される可能性がある。図1、2および3の図示された実施例において、冷却流体は固定された冷却貯蔵部107から提供される。本実施例において、回転構造111は冷却流体の取り込みを容易にする。図5は、図1および2の回転構造111をさらに詳細に示す。図5に示されるように、回転構造111は、その一部が貯蔵部カバー115の中心開口部を通じて冷却貯蔵部107に挿入され、冷却貯蔵部107の円柱状の内側の壁502を囲む円柱状の外壁501を有する。冷却貯蔵部107の円柱状の内側の壁502は、回転構造111の上部壁504まで延長する可能性がある。駆動軸109は、回転構造111の上部壁504に取り付けられる可能性がある。回転構造111はまた、ハウジング101の荷重および熱機関100のその含まれた要素を支えることを可能にするように、ハウジング101の下方板101bを補強するために役立つ。駆動軸109は、回転構造111を支持し、駆動されている荷重にハウジング101の回転運動を伝達するように設計される。回転構造111は、冷却貯蔵部107を開けるねじ通路505aを含む。回転構造111が回転するので、冷却流体を室506にねじ通路505aの上で引き、ここで、冷却流体は、絶縁体層104の底部部分において提供される螺旋形の通路601および602(図3)に冷却流体を分配する空間507へ流動する。冷却流体もまた、空間507へあふれ出る可能性があり、ここで、それは、冷領域110bの底面でハウジング101およびディスク108の下方板101bの間に位置する空間508の中で通路に導かれる。絶縁体層104の螺旋形の通路およびディスク108の下の通路空間508の両方は、冷却流体取込み部510で放出口を通じて冷却貯蔵部107に冷却流体を戻す。例えばポスト、壁または梁のような支持要素は、サポートを提供し、所望の方法において流体流を流すため、空間508の中で提供される可能性がある。冷却流体取込み部510は、貯蔵部カバー115を通じて冷却流体を流すために囲まれた導管を含む可能性がある。ハウジング101が回転すると、冷却流体は外部のポンプなしで冷領域110bの温度を維持するために循環する。
図5の図示された実施例によれば、冷却装置の構造はそれゆえに、回転構造111、冷却貯蔵部107、貯蔵部カバー115、冷却流体取込み部510および冷却貯蔵部107から熱を放散させるために提供される放熱器(図示せず)を含む。冷却貯蔵部107、貯蔵部カバー115および冷却流体取込み部510は、固定されていて、外部の構造(図示せず)によって支持されることができる。ハウジング101および冷却貯蔵部107の壁の間において接触が起こる所で、ベアリングは提供される可能性がある。例えば軸受は、ハウジング101の下方板101bおよび冷却流体取込み部510の側壁の間、円柱状の外壁501および貯蔵部カバー115の円柱状の壁511の間、回転構造111の上部壁504および冷却貯蔵部107のうちの502の円柱状の内側の壁の間、および、冷却貯蔵部107の円柱状の内側の壁502および回転構造111の凹部503の壁の間で提供されてもよい。軸受はまた、熱機関100の重さを支持し、回転の間、安定性を提供するために機械的に使われる可能性がある。軸受および貯蔵部カバー115は、冷却流体の流出を妨げる。もちろん、冷却貯蔵部107以外の外部の構造が、機械的にハウジング101を支持するために提供される可能性がある。本発明のこの実施例において、冷却流体の取込み部510は、軸受によって囲まれる可能性がある。冷却流体の取込み部510のための別の構造は可能である。
A heating mesh may be provided in the
As can be seen from the foregoing, the fluid guide system of the above-described embodiment may perform multiple tasks. For example, each fluid guide is structurally attached to one or more walls of the
The rotating structure 111 is located below the
According to the illustrated embodiment of FIG. 5, the structure of the cooling device is therefore for dissipating heat from the rotating structure 111, the cooling
絶縁体層104は、熱的な絶縁材料で満たされる可能性がある。冷却装置の一部は、構造的に絶縁体層104に適応する。図6は、本発明の一実施例によれば、冷領域110bに当接している絶縁体層104の部分における冷却流体のための螺旋形の通路601および602を示す上面図である。(2つの通路のみが図6において示されるにもかかわらず、実際的な実施態様は、後述するように所望の冷却液循環量率に従い、追加的な通路を有する可能性がある)。図6は、開口部601aおよび602aで通路601および602に入り、流体ガイド構造106内の通路を通じて、または、冷領域110bの支持構造を通じて冷却流体取込み部510に戻るため、放出口601bおよび602bで導管に通過する冷却流体をそれぞれ示す。冷領域110bにおける効果的な冷却を達成するため、冷却流体のための通路は、ディスク108および流体ガイド構造の間、専用の導管、支持構造物に沿ったまたはそれに組込まれた通路、または、冷領域110bにおける構造の組合せにおいて提供される可能性がある。一般に、ねじ通路501から、冷却流体は、末端部の方へ放射状に流れ、冷却流体取込み部510に通過する可能性がある。冷領域110bの全体にわたって冷却流体を分配する多くの別の方式は、可能である。一実施例によると、支持構造物は、絶縁体層104への機械的な支持のための絶縁体層104の全体にわたって提供される可能性がある。
冷却流体は好ましくは、作動流体の特定の熱容量より非常に大きい特定の熱容量を有する流体である。冷領域110bを好適な温度に維持するため、冷領域110b内に流入する作動流体の熱は、冷却流体およびハウジング101によって放散しなければならない。ハウジング101内の熱散逸の効率は、例えば、ハウジング101に接触している作動流体から離れて加熱を行うため、冷領域110bにおける流体ガイド構造106の流体ガイドおよびブレードの能力によって決まる。ハウジング101によって放散する熱を上回る作動流体の熱は、冷却流体によって放散する。円柱状の囲いが回転する角速度は、冷却流体が回転構造111のねじ通路505aに引かれる圧力を決定し、したがって冷領域110b内に流入する冷却流体の容積を決定する。より高いエネルギ入力において円柱状の囲いは、より高い角速度で回転し、このことにより、単位時間あたりでより大きな容積の冷却流体を引き、したがって、所望の動作温度範囲内で熱機関100を維持するため、より大きな冷却効果が起こる。通路周囲冷たい領域110bの長さおよび分配は、単位時間につき必要とされる冷却流体の容積、および、冷却流体の熱を周囲の環境に移動する冷却貯蔵部107の能力次第である。通路が長い場合、または単位時間あたりの通路の中を流れる冷却流体の容積が低い場合、冷却貯蔵部107における冷却流体および戻る冷却流体の間の温度差はより大きくなる。逆に、通路の長さが短い場合、または、単位時間あたりの通路の中を流れる冷却流体の容積が高い場合、冷却貯蔵部107における冷却流体および戻る冷却流体の間の温度差はより小さくなる。より小さい温度差は、好ましい。従来の放熱器は、超過した熱を放散させるため、冷却貯蔵部107の外側の壁に提供される可能性がある。
任意の蓄熱ヒータ701は、分離構造105において提供される可能性がある。このような蓄熱ヒータは、たとえ熱源によって提供される熱量がエンジン・サイクルの間、変動する可能性があってもパワー出力の変動を最小化する。蓄熱ヒータ701は、動力需要の変化に対応するために使用される可能性がある。すなわち、蓄熱ヒータ701は、高需要の時間の間不十分であるエネルギ製造を補充し、製造が需要を上回る時に力を蓄える可能性がある。蓄熱ヒータ701はまた、主要な熱源がもはや得られない、または、十分な熱的なエネルギを提供しなくなった後に熱を保持し、作動流体上で加熱するための他の熱源として作用することができる。蓄熱ヒータ701は、熱領域の加熱容積または加熱効率を増加させるため、主要な熱源に連結する可能性がある。蓄熱ヒータ701のための熱蓄積媒体は、相変化材料、または、分離または再結合反応によって貯蔵エネルギをより高い温度に変換する材料であってもよい。分離または再結合反応によって貯蔵エネルギをより低い温度に変換する材料は、絶縁体層104において、または冷却の目的のため、冷領域110bにおいて使われる可能性がある。一実施例において、相変化材料は、蓄熱ヒータ701の熱的なエネルギ密度を増加させ、一定の温度で動力性能を改善するために使用される。
The cooling fluid is preferably a fluid having a specific heat capacity that is much greater than the specific heat capacity of the working fluid. In order to maintain the
An optional heat storage heater 701 may be provided in the
本発明の一実施例によれば、図7は、蓄熱ヒータ701の横断面図を示す。図7に示すように、蓄熱ヒータ701は高い特定の熱容量または熱的な蓄積密度の流体で満たされる空洞、および、ばね703aおよび703bによって支持される金属プレート702を含む。蓄熱ヒータ701の流体は、加圧される可能性があり、好ましくは熱機関100の作動温度の全体の範囲にわたって液体のままである。(2つのばねのみが図7において示されるにもかかわらず、多くのばねは金属プレート702を支持するために使用される可能性がある。)金属支持構造(図示せず)が、蓄熱ヒータ701の上部および下壁を支持し、熱領域110aから加熱を実行するため、蓄熱ヒータ701の全体にわたって提供される可能性がある。最初は、蓄熱ヒータ701の流体は冷たく、金属プレート702は熱領域110aの底部部分と接触していない。熱機関100が作動すると、蓄熱ヒータ701における流体の温度は上昇する。結果として、ばね703aおよび703bは、金属プレート702が、熱領域110aおよび蓄熱ヒータ701の流体間の熱伝達のためのより大きな表面積で熱い領域110aの床面に接触するのを可能にするように膨張する。本発明の一実施例によれば、固体の状態の材料または異なるタイプの材料の混合物は、蓄熱ヒータ701において使われることができる。加熱メッシュもまた、熱伝達を容易にするために使用される可能性がある。流体ガイドは、熱領域110aおよび蓄熱ヒータ701への熱伝達を増加させるため、外部の熱源通路を提供するために使用される可能性がある。このような設計において、一組の熱パイプまたは加熱流体は、流体ガイドで導かれる可能性がある。熱パイプの作動流体は、外部のハウジング101から第1の流体ガイドに入り、蓄熱ヒータ701を通過し、熱領域110aにおける第2の流体ガイド内の通路を通じて外部のハウジングに戻る可能性がある。したがって、熱領域110aは、熱効率を提供するために加熱要素で囲まれる可能性がある。
熱源は、所望の用途次第で中心領域または環状の領域においてハウジング101と接触する可能性がある。熱領域110aの位置および冷領域110bが逆転する場合、冷却装置の構造および熱源は異なる操作構造を形成する可能性がある。これは、作動流体を循環させ、熱領域および冷領域間のより大きい温度差を維持する際に利点を提供する可能性がある。
上記の詳細な説明は、本発明の特定の実施例を図示するために提供され、それを制限する意図を有さない。本発明の範囲内の数多くの修正および変更は、可能である。本発明は、以下の請求項において説明される。
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the heat storage heater 701 according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the regenerative heater 701 includes a cavity that is filled with a fluid of high specific heat capacity or thermal accumulation density, and a metal plate 702 that is supported by
The heat source may contact the
The above detailed description is provided to illustrate specific embodiments of the present invention and is not intended to be limiting. Many modifications and variations within the scope of the present invention are possible. The invention is described in the following claims.
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