JP2010112177A - 外燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スターリングエンジン、蒸気機関などの外燃機関において、小型軽量化および高効率化を実現する。
【解決手段】シリンダー２と、シリンダー２内に摺動自在に嵌着された出力ピストン３と、蒸気２１を加熱する蒸気加熱器７とを備えたシリンダーアセンブリー４を有している。蒸気加熱器７によって加熱された蒸気２１をシリンダー２内に供給して出力ピストン３を押し出し、シリンダー２内に供給された蒸気２１を排出して出力ピストン３を引き戻す。排気動作時に蒸気２１から熱を奪うとともに、給気動作時に蒸気２１に熱を与える熱再生器１２が設けられている。これにより、ディスプレーサピストンを省けるとともに、シリンダー２内の死空間を減らせるため、外燃機関１を小型軽量化できる。熱再生器１２の熱交換作用により、蒸気２１を常に高温に保てるため、外燃機関１の熱効率を改善できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スターリングエンジン、蒸気機関などの外燃機関に関するものである。

従来、この種の外燃機関、特にスターリングエンジンにおいては、出力ピストンの他にディスプレーサピストンを設置し、シリンダー（気筒）内の作動流体をディスプレーサピストンで交互に加熱したり冷却したりすることにより、作動流体の膨張・収縮によって出力ピストンを往復運動させる技術が提案されていた（例えば、非特許文献１参照）。

また、蒸気機関においては、熱再生器を持っていなかった。
兵働務・米田裕彦『スターリングエンジン−その生い立ちと原理−』（株式会社パワー社、平成２年１月発行）第10頁

しかしながら、上記のスターリングエンジンでは、次のような課題があった。第１に、ディスプレーサピストンを併用する必要があることと、シリンダー内の死空間が大きいことから、外燃機関が重くて、かつ複雑で大型のものにならざるを得ない。第２に、ガソリンエンジンなどに比べると熱効率が原理的に高いとはいえ、実際の熱効率はまだまだ十分なものではなく、熱効率の一層の改善が求められている。

一方、上記の蒸気機関では、過熱蒸気を用いても熱再生器を有せず、熱効率が不十分であった。

本発明は、このような事情に鑑み、小型軽量化および高効率化を実現することが可能な外燃機関を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シリンダーと、このシリンダー内に摺動自在に嵌着された出力ピストンと、作動流体を加熱する流体加熱手段とを備えたシリンダーアセンブリーを有し、前記流体加熱手段によって加熱された作動流体を前記シリンダー内に供給して前記出力ピストンを押し出す給気動作と、前記シリンダー内に供給された作動流体を排出する排気動作とが交互に繰り返して実行されることにより、前記出力ピストンの直線往復運動が行われる外燃機関であって、前記排気動作時には前記作動流体から熱を奪うとともに前記給気動作時には前記作動流体に熱を与える熱再生器が設けられ、前記作動流体は、前記給気動作時には前記熱再生器、前記流体加熱手段、前記シリンダーの順に通過するとともに、前記排気動作時には前記シリンダー、前記流体加熱手段、前記熱再生器の順に通過してから凝縮器または大気に導かれるように構成されている外燃機関としたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、作動流体を発生させる流体発生手段が設けられ、前記流体発生手段で発生した作動流体を前記熱再生器に供給する給気経路と、前記熱再生器から排出された作動流体を凝縮器または大気に導く排気経路とを切り替える給排気切替弁が設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の構成に加え、前記出力ピストンの直線往復運動を回転体の回転運動に変換する運動変換装置を備え、前記給排気切替弁は、前記回転体の回転運動に連動させて弁体を回転させることにより、前記給気経路と前記排気経路とを切り替えるように構成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の構成に加え、前記シリンダーアセンブリーは複数個あり、これらのシリンダーアセンブリーには、それぞれ前記熱再生器が設けられていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれかに記載の構成に加え、前記シリンダーアセンブリーと前記流体発生手段とが一体に近接構成され、前記シリンダーアセンブリーの流体加熱手段および前記流体発生手段の加熱部が、同一の発熱源により一体となって加熱されるように構成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、給気時には、作動流体が流体加熱手段で加熱されるとともに熱再生器から熱を奪って昇温し、排気時には、作動流体が熱再生器に熱を与える。したがって、ディスプレーサピストンを省くとともに、シリンダー内の死空間を減少させることができるため、外燃機関を小型軽量化することが可能となる。また、熱再生器の熱交換作用により、作動流体を常に従来より十分に高温に保つことができるので、外燃機関の熱効率を改善することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、流体発生手段によって作動流体を発生させ、給排気切替弁により、給気時に作動流体を熱再生器に供給するとともに、排気時に作動流体を凝縮器に引き込むか、もしくは大気に放出することができる。そのため、出力ピストンの直線往復運動を円滑に行わせることが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、運動変換装置によって出力ピストンの直線往復運動を回転体の回転運動に変換し、この回転体の回転運動に連動させて給排気切替弁の切替動作を実行することができる。そのため、回転体の回転速度が変動する場合であっても、出力ピストンの直線往復運動を常に円滑に行わせることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、シリンダーアセンブリーが複数個であることから、外燃機関の大出力化が可能になると同時に、小型軽量化および高効率化をますます推進することができる。

請求項５に記載の発明によれば、シリンダーアセンブリーと流体発生手段とを一体化して両者の加熱源を同一のものとすることにより、全システムを小型軽量化し、かつ熱の外部への放射損失を減少させることができる。そのため、この外燃機関を自動車に搭載して使用することも可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］

図１および図２には、本発明の実施の形態１を示す。この実施の形態１では、作動流体として蒸気２１を用い、流体加熱手段として蒸気加熱器７を用い、流体発生手段としてボイラー１５を用い、回転体として回転クランク６を用いている。

まず、構成を説明する。

外燃機関１は、図１に示すように、シリンダーアセンブリー４を有している。シリンダーアセンブリー４は、円筒状のシリンダー２を備えており、シリンダー２内には出力ピストン３が上下方向に摺動自在に嵌着されている。出力ピストン３の下方には、直線往復運動を回転運動に変換するクランク式の運動変換装置２２が取り付けられており、運動変換装置２２は、ピストンロッド５および回転クランク（回転体）６から構成されている。

ここで、ピストンロッド５は、図１に示すように、出力ピストン３にピン接合で吊り下げられているとともに、回転クランク６は軸心ＣＴ１を中心として矢印Ｍ方向に回転自在に支持されている。そして、ピストンロッド５は回転クランク６にその軸心ＣＴ１から偏心した点でピン接合されている。さらに、回転クランク６にはフライホイール（図示せず）が取り付けられている。

また、シリンダー２の上側には、図１に示すように、二重管形式の蒸気加熱器（流体加熱手段）７が、シリンダー２内の作動空間（膨張空間）８にその上面の通気孔１１を介して連通する形で冠着されており、蒸気加熱器７の近傍にはバーナー９が、この蒸気加熱器７に火炎１０を当てて加熱しうるように配置されている。

ところで、シリンダー２の上部外周面には、図１に示すように、金網などを円環状に形成した熱再生器１２が蒸気加熱器７に連通する形で周設されている。熱再生器１２には、回転クランク６の回転運動に連動して給気経路と排気経路とを択一的に切り替える給排気切替弁１３が接続されており、給排気切替弁１３には、蒸気（作動流体）２１を発生させるボイラー（流体発生手段）１５が接続されている。

ここで、給排気切替弁１３は、図１に示すように、円筒状のケーシング１３ａを有しており、ケーシング１３ａ内には円柱状の弁体１３ｂが、軸心ＣＴ１を中心として矢印Ｍ方向に回転自在に嵌着されている。弁体１３ｂの周面には、給気連通溝１３ｃおよび排気連通溝１３ｄが互いに所定の角度（位相差）で形成されている。そして、図１および図２（ａ）に示すように、給排気切替弁１３とボイラー１５との間には導入管１７が、給気連通溝１３ｃに対応して取り付けられている。また、給排気切替弁１３と熱再生器１２との間には通気管１９が、給気連通溝１３ｃおよび排気連通溝１３ｄに対応して取り付けられている。さらに、給排気切替弁１３には放出管２０が、その先端開口部を大気に開放した形で排気連通溝１３ｄに対応して取り付けられている。

そのため、図２（ｂ）に示すように、弁体１３ｂが給気位置にあるときには、導入管１７と通気管１９とが給気連通溝１３ｃを経由して互いに連通した状態となる。一方、図２（ｃ）に示すように、弁体１３ｂが排気位置にあるときには、通気管１９と放出管２０とが排気連通溝１３ｄを経由して互いに連通した状態となる。なお、給排気切替弁１３の弁体１３ｂは、連結軸１６を介して回転クランク６に直結されており、回転クランク６が回転すると、その回転に同期して回転する。そして、出力ピストン３が上死点にあるときは、給排気切替弁１３の弁体１３ｂが給気位置に位置決めされ、導入管１７と通気管１９とが給気連通溝１３ｃを経由して互いに連通して給気経路が開放された状態となっている。また、出力ピストン３が下死点にあるときは、給排気切替弁１３の弁体１３ｂが排気位置に位置決めされ、通気管１９と放出管２０とが排気連通溝１３ｄを経由して互いに連通して排気経路が開放された状態となっている。

次に、作用について説明する。

以上のような構成を有する外燃機関１を作動させる際には、次の手順による。

上述したとおり、ここでは蒸気２１が作動流体であるので、ボイラー１５において、水を加熱して所定の温度（例えば、約１２０℃）の蒸気２１を発生させる。

次に、この蒸気２１を利用して、出力ピストン３を直線往復運動させることにより、回転クランク６を回転させる。

すなわち、出力ピストン３が上死点にあるときに、シリンダー２内の作動空間８に蒸気２１を給気すべく、ボイラー１５から導入管１７を介して給排気切替弁１３に蒸気２１を供給する。すると、このとき、給排気切替弁１３の弁体１３ｂが給気位置にあり、給気経路が開放されているので、この蒸気２１は、通気管１９を介して熱再生器１２に供給された後、蒸気加熱器７を経由してシリンダー２内の作動空間８に至る。このとき、蒸気加熱器７はバーナー９の火炎１０によって加熱されているので、この蒸気加熱器７を経由するときに蒸気２１は加熱されて所定の温度（例えば、約５００℃）に達する。その結果、シリンダー２内の作動空間８が高温高圧となり、出力ピストン３が押し出されて下降する。この出力ピストン３の下降動作に伴い、回転クランク６が軸心ＣＴ１を中心として矢印Ｍ方向に回転し、これに連動して給排気切替弁１３の弁体１３ｂが軸心ＣＴ１を中心として矢印Ｍ方向に回転する。そのため、それまで開放されていた給気経路が閉塞される。

そして、出力ピストン３が下死点に達すると、シリンダー２内の作動空間８から蒸気２１を排気すべく、給排気切替弁１３の弁体１３ｂが排気位置に移動して排気経路が開放されるので、作動空間８内の蒸気２１は、蒸気加熱器７を経由して熱再生器１２に供給された後、通気管１９を介して給排気切替弁１３に至り、さらに、放出管２０から大気に放出される。その結果、シリンダー２内の作動空間８が低圧となり、かつフライホイールの慣性モーメントの両者により、出力ピストン３が引き戻されて上昇する。この出力ピストン３の上昇動作に伴い、回転クランク６が軸心ＣＴ１を中心として矢印Ｍ方向に回転し、これに連動して給排気切替弁１３の弁体１３ｂが軸心ＣＴ１を中心として矢印Ｍ方向に回転する。そのため、それまで開放されていた排気経路が閉塞される。

こうして、出力ピストン３が直線往復運動して回転クランク６が１回転すると、回転クランク６に連結された出力軸（図示せず）が軸心ＣＴ１を中心として矢印Ｍ方向に同期的に１回転する。

ここで、外燃機関１の１サイクルが終了する。そして、こうしたサイクルを繰り返すことにより、出力ピストン３が直線往復運動を繰り返し、回転クランク６が回転運動を繰り返すようにして、外燃機関１が作動することになる。

なお、作動空間８内の蒸気２１が熱再生器１２を経由して排気されるとき、熱再生器１２はこの蒸気２１から熱を奪って蓄える。そして、次のサイクルで蒸気２１がボイラー１５から熱再生器１２を経由して給気されるとき、熱再生器１２はこの熱を蒸気２１に与える。このようにして、外燃機関１は、熱再生器１２の熱交換作用により、各サイクルで蒸気２１を常に高温に保つことができる。そのため、外燃機関１の熱効率を改善することが可能となる。

また、この外燃機関１では、スターリングエンジンにおいては、ディスプレーサピストンを省くことができるので、その分だけ作動流体、つまり蒸気２１の死空間を減少させることができる。また、蒸気機関では、従来より高温で作動される。したがって、外燃機関１を小型軽量化することが可能となる。

さらに、この外燃機関１では、上述したとおり、回転クランク６にフライホイールが設けられているため、回転クランク６の回転を持続させると同時に、その回転動作を滑らかにすることができる。

また、この外燃機関１では、給排気切替弁１３により、給気時に蒸気２１を熱再生器１２に供給するとともに、排気時に蒸気２１を大気に放出することができる。そのため、出力ピストン３の直線往復運動を円滑に行わせることが可能となる。しかも、この給排気切替弁１３の切替動作は、回転クランク６の回転運動に連動させて実行されるので、回転クランク６の回転速度が経時的に変動する場合であっても、出力ピストン３の直線往復運動を回転クランク６の回転速度の如何にかかわらず常に円滑に行わせることが可能となる。
［発明の実施の形態２］

図３には、本発明の実施の形態２を示す。この実施の形態２では、作動流体として蒸気２１を用い、流体加熱手段として蒸気加熱器７を用い、流体発生手段としてボイラー１５を用い、回転体としてＺ型軸２３を用いている。

まず、構成を説明する。

外燃機関１は、図３に示すように、正三角形の３頂点に位置するように並列された３個のシリンダーアセンブリー４を有している。各シリンダーアセンブリー４はそれぞれ、円筒状のシリンダー２を有しており、各シリンダー２内にはそれぞれ出力ピストン３が上下方向に摺動自在に嵌着されている。これらの出力ピストン３の下方には、直線往復運動を回転運動に変換するＺクランク式の運動変換装置２２を介して出力軸２７が、上下方向（つまり、出力ピストン３の摺動方向）の回転軸線Ｚ１を中心として矢印Ｎ方向に回転自在に連結されており、運動変換装置２２は、３本のピストンロッド５、Ｚ型軸（回転体）２３、傾斜部材２５、３本のアーム２６、フライホイール２９から構成されている。

ここで、各ピストンロッド５は、図３に示すように、各出力ピストン３にピン接合で吊り下げられており、これらのピストンロッド５に包囲された位置には、Ｚ型軸２３が回転軸線Ｚ１を中心として矢印Ｎ方向に回転自在に支持されている。このＺ型軸２３は、回転軸線Ｚ１に対して所定の傾斜角度（例えば、２０〜３０°）だけ傾斜した傾斜軸線Ｚ２に沿って設けられた傾斜軸部２３ａを有しており、傾斜軸部２３ａの両端には一対の接続軸部２３ｂ、２３ｂが互いに平行となる形で水平に連設されている。また、Ｚ型軸２３の傾斜軸部２３ａには、ほぼ半球状の傾斜部材２５が、回転軸線Ｚ１回りの回転を拘束された形で傾斜軸線Ｚ２を中心として回転自在に支持されている。傾斜部材２５の側面には３本のアーム２６が、３個の出力ピストン３の配置に対応して等角度間隔（つまり、１２０°間隔）で配置された形で遠心方向に突設されており、各アーム２６の先端は各ピストンロッド５の先端にピン接合されている。また、Ｚ型軸２３の下側には出力軸２７が、回転軸線Ｚ１に沿って上下方向に連結されている。

さらに、出力軸２７には、図３に示すように、フライホイール２９が取り付けられている。

また、各シリンダー２の上側にはそれぞれ、図３に示すように、蒸気加熱器（流体加熱手段）７が、シリンダー２内の作動空間（膨張空間）８にその頂部の通気孔１１を介して連通する形で冠着されており、各蒸気加熱器７の近傍にはそれぞれバーナー９が、この蒸気加熱器７に火炎１０を当てて加熱しうるように配置されている。

ところで、各シリンダー２の上部外周面にはそれぞれ、図３に示すように、金網などを円環状に形成した熱再生器１２が各蒸気加熱器７に連通する形で周設されている。これらの熱再生器１２には、Ｚ型軸２３の回転運動に連動してシリンダーアセンブリー４ごとに給気経路と排気経路とを択一的に切り替える給排気切替弁１３が接続されており、給排気切替弁１３には、蒸気（作動流体）２１を発生させるボイラー（流体発生手段）１５が接続されている。

ここで、給排気切替弁１３は、図３に示すように、運動変換装置２２の上方で３個のシリンダーアセンブリー４に包囲された形で配置されており、円筒状のケーシングと、このケーシング内に回転自在に嵌着された弁体とから構成されている。そして、給排気切替弁１３は、その弁体が連結軸１６を介して運動変換装置２２のＺ型軸２３に直結されており、運動変換装置２２のＺ型軸２３の回転運動に連動させて弁体を回転させることにより、給気時には給気経路を開放して、ボイラー１５から導入管１７を介して供給された蒸気２１を給排気切替弁１３に導き、この蒸気２１を各給気管３０から熱再生器１２を介して３個のシリンダー２内の作動空間８に順に配分して供給するとともに、排気時には排気経路を開放して、３個のシリンダー２内の作動空間８から順に蒸気２１を熱再生器１２を介して各排気管（図示せず）から給排気切替弁１３に導き、この蒸気２１を放出管２０から大気に放出するように構成されている。

次に、作用について説明する。

以上のような構成を有する外燃機関１を作動させる際には、次の手順による。

まず、ボイラー１５において、水を加熱して所定の温度（例えば、約１２０℃）の蒸気２１を発生させる。

次に、この蒸気２１を利用して、３個の出力ピストン３を順に直線往復運動させることにより、出力軸２７を回転させる。

すなわち、各出力ピストン３が上死点にあるときに、各シリンダー２内の作動空間８に蒸気２１を給気すべく、ボイラー１５から導入管１７を介して給排気切替弁１３に蒸気２１を供給し、さらに、各給気管３０から各蒸気加熱器７を介して３個のシリンダー２内の作動空間８に蒸気２１を順に供給する。このとき、各蒸気加熱器７は各バーナー９の火炎１０によって加熱されているので、各蒸気加熱器７を経由するときに蒸気２１は加熱されて所定の温度（例えば、約４５０℃）に達する。その結果、各シリンダー２内の作動空間８が高温高圧となり、各出力ピストン３が順に押し出されて下降する。

そして、各出力ピストン３が下死点に達すると、各シリンダー２内の作動空間８から蒸気２１を排気すべく、３個のシリンダー２内の作動空間８内の蒸気２１を各蒸気加熱器７を介して各熱再生器１２に供給した後、前記各排気管から給排気切替弁１３に導き、さらに、放出管２０から大気に放出する。その結果、各シリンダー２内の作動空間８が低圧となり、かつフライホイール２９の慣性モーメントの両者により、各出力ピストン３が順に引き戻されて上昇する。

こうして３個の出力ピストン３が順に直線往復運動すると、Ｚクランク式の運動変換装置２２により、これらの出力ピストン３の直線往復運動がＺ型軸２３の回転運動に変換され、出力軸２７が回転軸線Ｚ１を中心として矢印Ｎ方向に１回転する。なお、Ｚクランク式の運動変換装置２２による運動変換機構の原理は、特開平１１−３４３９２３号公報などの公知文献に記載されているため、ここではその説明を省略する。

ここで、外燃機関１の１サイクルが終了する。そして、こうしたサイクルを繰り返すことにより、３個の出力ピストン３が順に直線往復運動を繰り返し、出力軸２７が回転運動を繰り返すようにして、外燃機関１が作動することになる。

なお、作動空間８内の蒸気２１が各熱再生器１２を経由して排気されるとき、各熱再生器１２はこの蒸気２１から熱を奪って蓄える。そして、次のサイクルで蒸気２１がボイラー１５から各熱再生器１２を経由して給気されるとき、各熱再生器１２はこの熱を蒸気２１に与える。このようにして、外燃機関１は、各熱再生器１２の熱交換作用により、各サイクルで蒸気２１を常に高温に保つことができる。そのため、外燃機関１の熱効率を改善することが可能となる。

また、この外燃機関１では、スターリングエンジンにおいては、ディスプレーサピストンを省くことができるので、その分だけ作動流体、つまり蒸気２１の死空間を減少させることができる。また、蒸気機関では、従来より高温で作動される。したがって、外燃機関１を小型軽量化することが可能となる。

さらに、この外燃機関１では、上述したとおり、出力軸２７にフライホイール２９が設けられているため、出力軸２７の回転を持続させると同時に、その回転動作を滑らかにすることができる。

また、この外燃機関１では、給排気切替弁１３により、給気時に蒸気２１を熱再生器１２に供給するとともに、排気時に蒸気２１を大気に放出することができる。そのため、出力ピストン３の直線往復運動を円滑に行わせることが可能となる。しかも、この給排気切替弁１３の切替動作は、Ｚ型軸２３の回転運動に連動させて実行されるので、Ｚ型軸２３の回転速度が経時的に変動する場合であっても、出力ピストン３の直線往復運動をＺ型軸２３の回転速度の如何にかかわらず常に円滑に行わせることが可能となる。

また、この外燃機関１では、３個のシリンダー２が並列されているので、全行程容積が等しいときは、シリンダー２の容積が単シリンダーの約１／３で足り、外燃機関１の小型軽量化および高効率化をますます推進することが可能となる。一般に、Ｎ個のシリンダー２が並列されていれば、全行程容積が等しいときは、シリンダー２の容積が単シリンダーの約１／Ｎで足りる。
［発明の実施の形態３］

図４には、本発明の実施の形態３を示す。

この外燃機関１では、図４に示すように、単気筒のシリンダーアセンブリー４と水管ボイラー３３とが一体に近接構成されている。水管ボイラー３３は、多数のコイル状水管群（加熱部）３２を有している。また、水管ボイラー３３には、圧力計４０が取り付けられているとともに、気水分離器３９が接続されている。さらに、シリンダーアセンブリー４の蒸気加熱器７および水管ボイラー３３のコイル状水管群３２の近傍には、オイルバーナー（発熱源）３５が設置されている。

そして、オイルバーナー３５より生じる火炎３６は、まずシリンダーアセンブリー４の蒸気加熱器７を加熱した後、上方の水管ボイラー３３のコイル状水管群３２を加熱して、シリンダーアセンブリー４へ所要蒸気を供給する。空冷凝縮器３８は、シリンダーアセンブリー４の出口蒸気を凝縮再循環させる。

このように、外燃機関１おいては、シリンダーアセンブリー４の蒸気加熱器７および水管ボイラー３３のコイル状水管群３２が、同一のオイルバーナー３５により一体となって加熱される。そのため、全システムを小型軽量化し、かつ熱の外部への放射損失を減少させることができる。
［発明の実施の形態４］

図５には、本発明の実施の形態４を示す。

この外燃機関１では、図５に示すように、４気筒のシリンダーアセンブリー４と水管ボイラー３３とが一体に近接構成されている。水管ボイラー３３は、多数の重ね折り型水管（加熱部）４３を有している。また、シリンダーアセンブリー４の蒸気加熱器７および水管ボイラー３３のコイル状水管群３２の近傍には、火炉（発熱源）４８が設置されている。

そして、燃料として廃材や中期枝下ろし材等より作ったバイオペレット４６を使用し、下込めストーカー４７にて火炉４８の中央の下より上に送り込み、主機関で駆動される送風機より風管５０を通じて送り込まれる燃焼用空気によって火炎５１が形成される。この火炎５１は、シリンダーアセンブリー４の蒸気加熱器７を加熱して蒸気を発生し、その蒸気は制御弁５３を経て各シリンダーアセンブリー４を駆動する。

このように、外燃機関１おいては、シリンダーアセンブリー４の蒸気加熱器７および水管ボイラー３３の重ね折り型水管４３が、同一の火炉４８により一体となって加熱される。そのため、全システムを小型軽量化し、かつ熱の外部への放射損失を減少させることができる。
［発明のその他の実施の形態］

なお、上述した実施の形態１、２では、作動流体として用いる蒸気２１が最終的に大気に放出される場合について説明したが、この蒸気２１を凝縮器（図示せず）に引き込むようにしても構わない。また、蒸気２１以外の作動流体（例えば、風力、波力などで圧縮された圧縮空気など）を代用することもできる。

また、上述した実施の形態１、２では、流体加熱手段として蒸気加熱器７を用いる場合について説明したが、蒸気加熱器７以外の流体加熱手段（例えば、太陽熱、バイオマス燃焼装置や廃棄物燃焼炉など）を代用することもできる。

さらに、上述した実施の形態１、２では、流体発生手段としてボイラー１５を用いる場合について説明したが、ボイラー１５以外の流体発生手段（例えば、風力、波力などで圧縮された圧縮空気など）を代用することもできる。

また、上述した実施の形態１では、回転体として回転クランク６を用いる場合について説明し、上述した実施の形態２では、回転体としてＺ型軸２３を用いる場合について説明したが、回転クランク６やＺ型軸２３以外の回転体（例えば、従来の多気筒内燃機関と同様な星形や並列多気筒クランクなど）を代用することもできる。

また、上述した実施の形態１、２では、機械的な給排気切替弁１３を用いる場合について説明したが、必ずしも機械的な給排気切替弁１３を用いる必要はなく、例えば、従来の内燃機関のようなきのこ型弁や電磁弁などを代用することも可能である。

また、上述した実施の形態１では、クランク式の運動変換装置２２を備えた外燃機関１について説明し、上述した実施の形態２では、Ｚクランク式の運動変換装置２２を備えた外燃機関１について説明したが、運動変換装置２２の形式は、クランク式やＺクランク式に限るわけではない。

また、上述した実施の形態１では、単気筒の外燃機関１について説明し、上述した実施の形態２では、３気筒の外燃機関１について説明したが、気筒数はいくつでも構わない。気筒数が複数である場合、シリンダーアセンブリー４の配置は、星形、環状型、並列型など任意の配置とすることができる。

本発明は、ごみやバイオマス廃棄物を燃やすときに廃熱が生じる産業廃棄物処理業や、砂漠のソーラボイラー関連産業その他の産業に適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る外燃機関を示す図である。 同実施の形態１に係る給排気切替弁の作用を示す図であって、（ａ）は給排気切替弁の正面図、（ｂ）は弁体が給気位置にあるときの側面図、（ｃ）は弁体が排気位置にあるときの側面図である。 本発明の実施の形態２に係る外燃機関を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る外燃機関を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る外燃機関を示す斜視図である。

符号の説明

１……外燃機関
２……シリンダー
３……出力ピストン
４……シリンダーアセンブリー
５……ピストンロッド
６……回転クランク（回転体）
７……蒸気加熱器（流体加熱手段）
８……作動空間
９……バーナー
１０……火炎
１１……通気孔
１２……熱再生器
１３……給排気切替弁
１３ａ……ケーシング
１３ｂ……弁体
１３ｃ……給気連通溝
１３ｄ……排気連通溝
１５……ボイラー（流体発生手段）
１６……連結軸
１７……導入管
１９……通気管
２０……放出管
２１……蒸気（作動流体）
２２……運動変換装置
２３……Ｚ型軸（回転体）
２３ａ……傾斜軸部
２３ｂ……接続軸部
２５……傾斜部材
２６……アーム
２７……出力軸
２９……フライホイール
３０……給気管
３２……コイル状水管（加熱部）
３３……水管ボイラー
３５……オイルバーナー（発熱源）
３６……火炎
３８……空冷凝縮器
３９……気水分離器
４０……圧力計
４３……重ね折り型水管（加熱部）
４６……バイオペレット
４７……下込めストーカー
４８……火炉（発熱源）
５０……風管
５３……制御弁

Claims (5)

1. シリンダーと、このシリンダー内に摺動自在に嵌着された出力ピストンと、作動流体を加熱する流体加熱手段とを備えたシリンダーアセンブリーを有し、
   前記流体加熱手段によって加熱された作動流体を前記シリンダー内に供給して前記出力ピストンを押し出す給気動作と、前記シリンダー内に供給された作動流体を排出する排気動作とが交互に繰り返して実行されることにより、前記出力ピストンの直線往復運動が行われる外燃機関であって、
   前記排気動作時には前記作動流体から熱を奪うとともに前記給気動作時には前記作動流体に熱を与える熱再生器が設けられ、
   前記作動流体は、前記給気動作時には前記熱再生器、前記流体加熱手段、前記シリンダーの順に通過するとともに、前記排気動作時には前記シリンダー、前記流体加熱手段、前記熱再生器の順に通過してから凝縮器または大気に導かれるように構成されていることを特徴とする外燃機関。
2. 作動流体を発生させる流体発生手段が設けられ、
   前記流体発生手段で発生した作動流体を前記熱再生器に供給する給気経路と、前記熱再生器から排出された作動流体を凝縮器または大気に導く排気経路とを切り替える給排気切替弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
3. 前記出力ピストンの直線往復運動を回転体の回転運動に変換する運動変換装置を備え、
   前記給排気切替弁は、前記回転体の回転運動に連動させて弁体を回転させることにより、前記給気経路と前記排気経路とを切り替えるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の外燃機関。
4. 前記シリンダーアセンブリーは複数個あり、これらのシリンダーアセンブリーには、それぞれ前記熱再生器が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の外燃機関。
5. 前記シリンダーアセンブリーと前記流体発生手段とが一体に近接構成され、前記シリンダーアセンブリーの流体加熱手段および前記流体発生手段の加熱部が、同一の発熱源により一体となって加熱されるように構成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の外燃機関。

Images