JP2010144520A - External combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、作動媒体の蒸気の発生と液化とによって生じる作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する外燃機関に関する。 The present invention relates to an external combustion engine that converts a displacement of a liquid portion of a working medium caused by generation and liquefaction of a working medium into mechanical energy and outputs the mechanical energy.
従来、この種の外燃機関が特許文献1にて開示されている。この従来技術では、作動媒体が液体状態で流動可能に封入された管状の容器と、容器のうち一端部側に配置され、作動媒体の一部を加熱して作動媒体の蒸気を発生させる加熱器と、容器のうち加熱器よりも他端部側に配置され、作動媒体の蒸気を冷却して液化する冷却器と、容器の他端部に配置され、作動媒体の蒸気の発生と液化によって生じる作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部とを有している。
Conventionally, this type of external combustion engine is disclosed in
出力部は、容器の他端部と連通するシリンダと、シリンダに摺動可能に支持されるピストンと、ピストンに連結されたクランク機構と、クランク機構に取り付けられたフライホイールとを有している。 The output unit includes a cylinder that communicates with the other end of the container, a piston that is slidably supported by the cylinder, a crank mechanism that is coupled to the piston, and a flywheel that is attached to the crank mechanism. .
この従来技術における作動を簡単に説明すると、まず容器のうち加熱器が配置された部位である加熱部で液体状態の作動媒体が加熱されて作動媒体の蒸気が発生し、この蒸気の発生に伴う圧力上昇によって作動媒体の液面が出力部側へと押し下げられ、作動媒体の液体部分が出力部側へ押し出される。 The operation in this prior art will be briefly described. First, the working medium in the liquid state is heated by the heating unit, which is the part of the container where the heater is disposed, to generate the steam of the working medium. Due to the pressure increase, the liquid level of the working medium is pushed down to the output unit side, and the liquid part of the working medium is pushed out to the output unit side.
出力部側へ押し出された作動媒体の液体部分は出力部のピストンを押圧して押し出してピストンを変位させる。このピストンの変位がクランク機構によって回転運動に変換され、フライホイールが回転駆動されることとなる。 The liquid portion of the working medium pushed out to the output unit side presses and pushes the piston of the output unit to displace the piston. This displacement of the piston is converted into rotational motion by the crank mechanism, and the flywheel is rotationally driven.
この次に作動媒体の蒸気が容器のうち冷却器が配置された部位である冷却部に進入すると、蒸気が冷却器によって冷却されて液化するので、圧力が低下してピストンを押し出す力が消滅する。このため、一旦押し出されたピストンがフライホイールのイナーシャ(慣性力)によって押し戻されるので、一旦押し出された作動媒体の液体部分もピストンとともに加熱器側に押し戻されることとなる。 Next, when the vapor of the working medium enters the cooling part of the container where the cooler is disposed, the steam is cooled and liquefied by the cooler, so that the pressure drops and the force pushing the piston disappears. . For this reason, since the piston once pushed out is pushed back by the inertia (inertial force) of the flywheel, the liquid portion of the working medium once pushed out is pushed back together with the piston to the heater side.
このような動作の繰り返しによりピストンが往復運動するので、作動媒体の蒸気の発生と液化によって生じる作動媒体の液体部分の変位が機械的エネルギに変換されて出力されることとなる。
上記従来技術では、ピストンが押し戻されることで作動媒体の液体部分も加熱器側に押し戻されるので、ピストンが最も押し戻されて上死点に達したときに作動媒体の液体部分も最も加熱器側に押し戻されて上死点に達することになる。つまり、上記従来技術ではピストンの上死点と作動媒体の液体部分の上死点とが一致することとなる。 In the above prior art, when the piston is pushed back, the liquid part of the working medium is also pushed back to the heater side. Therefore, when the piston is pushed back most and reaches the top dead center, the liquid part of the working medium also moves to the most heater side. It is pushed back and reaches top dead center. In other words, in the above prior art, the top dead center of the piston and the top dead center of the liquid portion of the working medium coincide.
また上記従来技術では、作動媒体の液体部分は上死点に達する直前から容器の加熱部に進入するので、作動媒体の液体部分が上死点に達する直前から作動媒体の液体部分が加熱されて蒸気が発生して作動媒体の圧力が上昇することとなる。 In the above prior art, since the liquid portion of the working medium enters the heating portion of the container immediately before reaching the top dead center, the liquid portion of the working medium is heated immediately before the liquid portion of the working medium reaches the top dead center. Steam is generated and the pressure of the working medium increases.
このことを図7に基づいて詳細に説明する。図7は上記従来技術におけるクランク角と作動媒体の圧力との関係を示すタイミングチャートの一例である。この図7の例では、ピストンが上死点になるときのクランク角を180degとしている。 This will be described in detail with reference to FIG. FIG. 7 is an example of a timing chart showing the relationship between the crank angle and the pressure of the working medium in the prior art. In the example of FIG. 7, the crank angle when the piston is at the top dead center is 180 deg.
上記従来技術ではピストンの上死点と作動媒体の上死点とが一致し、かつ作動媒体が上死点に達する直前から作動媒体の蒸気が発生するので、図7のハッチング領域に示すようにピストンが上死点に達する直前から作動媒体の圧力が上昇することとなる。 In the above prior art, the top dead center of the piston coincides with the top dead center of the working medium, and the working medium vapor is generated immediately before the working medium reaches the top dead center. Therefore, as shown in the hatched area of FIG. The pressure of the working medium will increase immediately before the piston reaches top dead center.
このため上記従来技術では、ピストンが作動媒体の圧力に抗して上死点に到達しなければならなくなるのでピストンを上死点まで押し戻すために必要な動力が大きくなってしまい、ひいては出力の低下を招いてしまうという問題がある。 For this reason, in the above prior art, since the piston must reach the top dead center against the pressure of the working medium, the power required to push the piston back to the top dead center becomes large, and as a result, the output decreases. There is a problem of inviting.
本発明は上記点に鑑みて、ピストンを上死点まで押し戻すために必要な動力を低減することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to reduce the power required to push the piston back to top dead center.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、作動媒体(11、111〜115)が液体状態で流動可能に封入された管状の容器(12、121〜125)と、
容器のうち一端側の部位に形成され、容器内の作動媒体の一部を加熱して作動媒体の蒸気を発生させる加熱部(12a、121a〜125a)と、
容器のうち加熱部よりも他端側の部位に形成され、容器内の蒸気を冷却して液化させる冷却部(12b、121b〜125b)と、
容器の他端部に配置され、作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する膨張機(15、30)とを備え、
容器のうち冷却部と膨張機との間の部位は、主管部(12a、121a〜125a)と副管部(12b、121b〜125b)とに分岐して形成され、
膨張機は、主管部の作動媒体から圧力を受けて変位する主ピストン(17、331〜335)と、副管部の作動媒体から圧力を受けて変位する副ピストン(22、341〜345)とを有し、
主ピストンが最も加熱部側に変位したときの位置を主ピストン上死点とし、
副ピストンが最も加熱部側に変位したときの位置を副ピストン上死点とし、
作動媒体の液体部分が最も加熱部側に変位したときの位置を作動媒体上死点としたとき、
副ピストン上死点のタイミングは主ピストン上死点のタイミングよりも後になっており、
作動媒体上死点のタイミングは主ピストン上死点のタイミングと副ピストン上死点のタイミングとの間になっていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the invention described in
A heating unit (12a, 121a to 125a) that is formed in a portion on one end side of the container and generates a vapor of the working medium by heating a part of the working medium in the container;
A cooling part (12b, 121b to 125b) that is formed in a part on the other end side of the heating part in the container and cools and liquefies the vapor in the container;
An expander (15, 30) disposed at the other end of the container, which converts the displacement of the liquid portion of the working medium into mechanical energy and outputs the mechanical energy.
The part between the cooling part and the expander in the container is formed by branching into a main pipe part (12a, 121a to 125a) and a sub pipe part (12b, 121b to 125b),
The expander includes a main piston (17, 331 to 335) that is displaced by receiving pressure from the working medium of the main pipe portion, and a sub piston (22, 341 to 345) that is displaced by receiving pressure from the working medium of the sub pipe portion. Have
The position when the main piston is displaced to the most heated part side is the main piston top dead center,
The position when the sub piston is displaced to the most heating side is the sub piston top dead center,
When the position when the liquid part of the working medium is displaced to the most heating part side is the top dead center of the working medium,
The secondary piston top dead center timing is later than the main piston top dead center timing,
The working medium top dead center timing is between the main piston top dead center timing and the sub piston top dead center timing.
これによると、作動媒体上死点のタイミングを主ピストン上死点のタイミングよりも後にすることができるので、主ピストンが上死点に達する前に作動媒体の圧力上昇が始まることを抑制できる(後述の図3(a)を参照)。 According to this, since the timing of the top dead center of the working medium can be made later than the timing of the top dead center of the main piston, it is possible to suppress the pressure rise of the working medium from starting before the main piston reaches the top dead center ( (See FIG. 3A described later).
このため、作動媒体の圧力上昇によって主ピストンが上死点に到達しづらくなることを抑制できるので、主ピストンを上死点まで押し戻すための動力を低減することができる。 For this reason, it is possible to prevent the main piston from reaching the top dead center due to the increase in the pressure of the working medium, and therefore it is possible to reduce the power for pushing the main piston back to the top dead center.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の外燃機関において、膨張機は、主ピストンの直線運動および副ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換部材(19、36)を有しており、
変換部材は、主ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換効率が主ピストン上死点のタイミングで最小になり、副ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換効率が副ピストン上死点のタイミングで最小になるように構成されており、
主ピストンが最も加熱部と反対側に変位したときの位置を主ピストン下死点としたとき、
副ピストン上死点のタイミングは作動媒体上死点のタイミングと主ピストン下死点のタイミングとの間になっていることを特徴とする。
In the invention according to
The conversion member minimizes the conversion efficiency for converting the linear piston linear motion to rotational motion at the timing of the main piston top dead center, and the conversion efficiency for converting the secondary piston linear motion to rotational motion is It is configured to be minimal at timing,
When the position where the main piston is displaced to the opposite side of the heating part is the main piston bottom dead center,
The sub-piston top dead center timing is between the working medium top dead center timing and the main piston bottom dead center timing.
これにより、作動媒体の圧力が上昇し始めてから副ピストンが上死点に達するまでの間に発生するマイナスの出力を小さく抑えることができるので、副ピストンが主ピストンの出力を打ち消してしまうことを抑制することができる(後述の図3(f)を参照)。 As a result, the negative output generated from when the pressure of the working medium starts to rise until the sub piston reaches the top dead center can be kept small, so that the sub piston cancels out the output of the main piston. (Refer to FIG. 3 (f) described later).
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の外燃機関において、変換部材は、主ピストンおよび副ピストンに連結されたクランク軸(19)であることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the external combustion engine according to
請求項4に記載の発明では、請求項2に記載の外燃機関において、変換部材は、主ピストンの直線運動および副ピストンの直線運動によって摺動回転する斜板(36)であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the external combustion engine according to the second aspect, the conversion member is a swash plate (36) that is slidably rotated by the linear motion of the main piston and the linear motion of the auxiliary piston. And
請求項5に記載の発明では、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の外燃機関において、膨張機は、主ピストンの行程容積が副ピストンの行程容積よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the external combustion engine according to any one of the first to fourth aspects, the expander is configured such that the stroke volume of the main piston is larger than the stroke volume of the sub-piston. It is characterized by.
これにより、副ピストンによるマイナスの出力を主ピストンのプラスの出力に比べて小さく抑えることができるので、副ピストンが主ピストンの出力を打ち消してしまうことを抑制することができる。 Thereby, since the negative output by the sub piston can be suppressed smaller than the positive output of the main piston, it is possible to suppress the sub piston from canceling the output of the main piston.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について説明する。図1は本実施形態による外燃機関10の全体構成を模式的に示す断面図である。本実施形態による外燃機関10は駆動対象機器、例えば発電装置の駆動源として用いられるものである。
(First embodiment)
The first embodiment of the present invention will be described below. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the
外燃機関10は作動媒体11が液体状態で流動可能に封入された容器12と、容器12内の作動媒体11の一部を加熱して蒸発させる加熱器13と、加熱器13によって発生した作動媒体11の蒸気を冷却して凝縮させる冷却器14とを備えている。本例では作動媒体11として水を用いているが、作動媒体11として冷媒等を用いてもよい。
The
容器12は管状の圧力容器であり、その一端側の部位に加熱器13が配置され、加熱器13よりも他端側の部位に冷却器14が配置されている。本例では、容器12のうち加熱器13および冷却器14の配置部位が上下方向に延びる形状に形成されており、冷却器14が加熱器13の下方側に配置されている。
The
本実施形態の加熱器13は高温ガス(例えば、自動車の排気ガス)と熱交換するものであるが、加熱器13を電気ヒータ等で構成してもよい。また本実施形態の冷却器14には冷却水が循環するようになっている。図示を省略しているが、冷却水の循環回路中には冷却水が作動媒体11の蒸気から奪った熱を放熱する放熱器が配置されている。
Although the
容器12のうち加熱器13の配置部位である加熱部12a、および容器12のうち冷却器14が配置された部位である冷却部12bは熱伝導率に優れた材料とすることが望ましく、本例では、当該部位を銅又はアルミニウム製としている。なお、加熱部12a、冷却部12bに加熱器13、冷却器14を一体に形成してもよい。
It is desirable that the
一方、容器12のうち加熱部12aおよび冷却部12b以外の部位は断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本例では、作動媒体11を水としていることから当該部位をステンレス製としている。
On the other hand, parts other than the
容器12の一端部(加熱部12a側の上端部)には所定体積の気体(例えば、空気)が封入されており、これにより作動媒体11が蒸発するのに必要な空間を確保している。
A predetermined volume of gas (for example, air) is sealed at one end of the container 12 (upper end on the
容器12のうち冷却部12bよりも他端側の部位は主管部12cと副管部12dとに分岐する形状に形成されている。主管部12cおよび副管部12dの先端部(冷却部12bと反対側の端部)は互いに向かい合うように配置されている。そして主管部12cおよび副管部12dの先端部同士の間には、作動媒体11の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部をなす膨張機15が配置されている。
The part of the
本実施形態では膨張機15としてクランク式膨張機を用いている。具体的には、膨張機15は、主管部12cと連通する主シリンダ16と、主シリンダ16に摺動可能に支持された主ピストン17と、主ピストン17に連結された主ロッド18と、主ロッド18に連結されたクランク軸19と、クランク軸19を収納するクランクハウジング20とを有している。
In this embodiment, a crank type expander is used as the
また膨張機15は、副管部12dと連通する副シリンダ21と、副シリンダ21に摺動可能に支持された副ピストン22と、副ピストン22およびクランク軸19に連結された副ロッド23とを有している。副シリンダ21、副ピストン22および副ロッド23はクランクハウジング20の背面側(主シリンダ16、主ピストン17および主ロッド18と反対側)に配置されている。
The
クランク軸19は、主ピストン17の圧力および副ピストン22の圧力を回転トルクに変換する変換部材としての役割を果たすものである。換言すればクランク軸19は、主ピストン17の直線運動および副ピストン22の直線運動を回転運動に変換する変換部材としての役割を果たすものである。クランク軸19は、副ピストン22の位相が主ピストン17の位相に対して所定角度(本例では108deg)遅角するように形成されている。
The
そしてクランク軸19はクランクハウジング20に対して回転可能に支持されており、その一端部がクランクハウジング20の図示しない貫通孔からクランクハウジング20外部に突出し、図示しないフライホイールを介して駆動対象機器(例えば発電装置)に連結されている。なお、クランクハウジング20に対するクランク軸19の回転支持構造としてマグネットカップリング方式を用いてもよい。
The
上記構成における基本作動を簡単に説明すると、加熱器13が作動媒体(水)11を加熱して蒸発させると、高温・高圧の作動媒体11の蒸気によって作動媒体11の液面11aが押し下げられる。
The basic operation in the above configuration will be briefly described. When the
蒸気の膨張圧力によって押し下げられた作動媒体11の液体部分は主管部12cを通じて主ピストン17側に押し出されるとともに副管部12dを通じて副ピストン22側に押し出される。
The liquid portion of the working
これにより主ピストン17および副ピストン22がクランク軸19に近づく方向に押し出されるので、この主ピストン17および副ピストン22の直線運動が主ロッド18および副ロッド23を介してクランク軸19に伝達されてクランク軸19を図1の反時計回りに回転させる。
As a result, the
作動媒体11の液面11aが冷却部12b内まで押し下げられると蒸気が冷却器14により冷却されて液化するので、作動媒体11の液体部分をクランク軸19側に押し出す圧力が消滅する。一方、クランク軸19はフライホイール(図示せず)の慣性力によって回転する。このため、主ピストン17および副ピストン22がクランク軸19から遠ざかる方向に押し戻され、作動媒体11の液体部分が加熱部12a内まで押し戻される。
When the
こうした動作は加熱器13および冷却器14の作動を停止させるまで繰り返し実行される。その間、容器12内の作動媒体11の液体部分は周期的に変位(いわゆる自励振動)して主ピストン17および副ピストン22を往復駆動させ、クランク軸19を連続的に回転させることになる。これにより作動媒体11の液体部分の自励振動をクランク軸19の回転運動として取り出すことができる。
Such an operation is repeatedly executed until the operations of the
本実施形態では上述のように、副ピストン22の位相を主ピストン17の位相に対して所定角度(本例では108deg)遅角させているので、作動媒体11の液体部分の自励振動の位相は主ピストン17の位相と副ピストン22の位相との中間になる。
In the present embodiment, as described above, the phase of the
このような主ピストン17、副ピストン22および作動媒体11の位相関係を図2、図3に基づいて詳細に説明する。図示の都合上、図2では符号を省略している。
The phase relationship between the
以下では、主ピストン17が最も加熱部12a側に変位したときの位置のことを主ピストン上死点と言い(図2(d)を参照)、主ピストン17が最も加熱部12aと反対側に変位したときの位置のことを主ピストン下死点と言う(図2(a)を参照)。
In the following, the position when the
同様に、副ピストン22が最も加熱部12a側に変位したときの位置のことを副ピストン上死点と言い(図2(f)を参照)、副ピストン22が最も加熱部12aと反対側に変位したときの位置のことを副ピストン下死点と言う(図2(c)を参照)。
Similarly, the position when the
また、作動媒体11の液体部分が最も加熱部12a側に変位したときの位置のことを作動媒体上死点と言い(図2(e)を参照)、作動媒体11の液体部分が最も加熱部12aと反対側に変位したときの位置のことを作動媒体下死点と言う(図2(b)を参照)。
Further, the position when the liquid portion of the working
図2、図3では主ピストン下死点におけるクランク角を0degとしている。したがって主ピストン上死点におけるクランク角は180degである。本例では、副ピストン22の位相が主ピストン17の位相に対して108deg遅角しているので、副ピストン下死点におけるクランク角は108degであり、副ピストン上死点におけるクランク角は288degである。
2 and 3, the crank angle at the bottom dead center of the main piston is 0 deg. Therefore, the crank angle at the top dead center of the main piston is 180 deg. In this example, since the phase of the
そして本例では、作動媒体11の位相は主ピストン17の位相に対して54deg遅角し、副ピストン22の位相に対して54deg進角している。
In this example, the phase of the working
図2(a)に示すクランク角=0degの状態では、主ピストン17が主ピストン下死点に位置しているが、作動媒体11の液体部分は作動媒体下死点に向かって押し下げられる方向に変位しており、副ピストン22は副ピストン下死点に向かって押し出される方向に変位している。
In the state of the crank angle = 0 deg shown in FIG. 2A, the
図2(b)に示すクランク角=54degの状態では、作動媒体11の液体部分は作動媒体下死点に位置しているが、主ピストン17は主ピストン上死点に向かって押し戻される方向に変位しており、副ピストン22は副ピストン下死点に向かって押し出される方向に変位している。
In the state of crank angle = 54 deg shown in FIG. 2B, the liquid portion of the working
図2(c)に示すクランク角=108degの状態では、副ピストン22が副ピストン下死点に位置しているが、主ピストン17は主ピストン上死点に向かって押し戻される方向に変位しており、作動媒体11の液体部分は作動媒体上死点に向かって押し上げられる方向に変位している。
In the state of crank angle = 108 deg shown in FIG. 2C, the
図2(d)に示すクランク角=180degの状態では、主ピストン17が主ピストン上死点に位置しているが、作動媒体11の液体部分は作動媒体上死点に向かって押し上げられる方向に変位しており、副ピストン22は副ピストン上死点に向かって押し戻される方向に変位している。
In the state of crank angle = 180 deg shown in FIG. 2D, the
図2(e)に示すクランク角=234degの状態では、作動媒体11の液体部分は作動媒体上死点に位置しているが、主ピストン17は主ピストン下死点に向かって押し出される方向に変位しており、副ピストン22は副ピストン上死点に向かって押し戻される方向に変位している。
In the state of crank angle = 234 deg shown in FIG. 2 (e), the liquid portion of the working
図2(f)に示すクランク角=288degの状態では、副ピストン22が副ピストン上死点に位置しているが、主ピストン17は主ピストン下死点に向かって押し出される方向に変位しており、作動媒体11の液体部分は作動媒体下死点に向かって押し下げられる方向に変位している。
In the state of crank angle = 288 deg shown in FIG. 2 (f), the
図3(a)に示すように、作動媒体11の圧力は作動媒体上死点の直前から上昇を始め、作動媒体上死点の近傍で最高圧力に達する。この理由は、作動媒体11の液体部分は作動媒体上死点の直前から加熱部12aに進入するようになっており、このために作動媒体11は作動媒体上死点の直前から加熱器13で加熱されて蒸発を始めることとなるからである。
As shown in FIG. 3A, the pressure of the working
本実施形態では作動媒体11の位相を主ピストン17の位相に対して遅角させているので、作動媒体上死点のタイミングが主ピストン上死点のタイミングよりも後になる。このため作動媒体11の圧力が上昇し始めるタイミングを遅らせることができるので、主ピストン17が上死点に達する前に作動媒体11の圧力上昇が始まることを抑制できる。
In the present embodiment, since the phase of the working
このため、作動媒体11の圧力上昇によって主ピストン17が上死点に到達しづらくなることを抑制できるので、主ピストン17を上死点まで押し戻すための動力を低減することができる。
For this reason, it is possible to prevent the
本例では、図3(a)のハッチング領域に示すように、作動媒体11の圧力上昇を主ピストン上死点のタイミングよりも後にしている。このため、主ピストン17が上死点に達する前に作動媒体11の圧力上昇が始まることをより抑制でき、ひいては主ピストン17を上死点まで押し戻すための動力をより低減することができる。
In this example, as shown in the hatched area of FIG. 3A, the pressure of the working
図3(b)はクランク機構23において主ピストン17の直線運動をクランク軸19の回転運動に変換する変換効率(以下、主ピストン側変換効率と言う。)を示し、図3(d)はクランク機構23において副ピストン22の直線運動をクランク軸19の回転運動に変換する変換効率(以下、副ピストン側変換効率と言う。)を示している。
FIG. 3B shows conversion efficiency (hereinafter referred to as main piston side conversion efficiency) for converting the linear motion of the
図3(b)のように主ピストン側変換効率はクランク角によって変化し、主ピストン17の下死点および上死点で最小になる。この理由は次の通りである。
As shown in FIG. 3B, the main piston side conversion efficiency varies depending on the crank angle, and becomes minimum at the bottom dead center and the top dead center of the
まず、主ピストン下死点と主ピストン上死点との中間(クランク角=90deg、270deg)では、主ロッド18とクランク軸19との連結部位において主ロッド18とクランク軸19との間に作用する力の方向とクランク軸19の回転方向とが平行に近くなるので主ピストン側変換効率がほぼ1になる。
First, in the middle of the main piston bottom dead center and the main piston top dead center (crank angle = 90 deg, 270 deg), an action is exerted between the
これに対し、主ピストン17の下死点および上死点(クランク角=0deg、180deg)では、主ロッド18とクランク軸19との連結部位において主ロッド18とクランク軸19との間に作用する力の方向がクランク軸19の回転方向に対して直交する方向になるので主ピストン側変換効率が零になるからである。
On the other hand, at the bottom dead center and top dead center of the main piston 17 (crank angle = 0 deg, 180 deg), the
主ピストン側変換効率と同様に、図3(d)に示す副ピストン側変換効率はクランク角によって変化し、副ピストン下死点(クランク角=108deg)および副ピストン上死点(クランク角=288deg)で最小になる。 Similar to the main piston side conversion efficiency, the sub piston side conversion efficiency shown in FIG. 3D varies depending on the crank angle, and the sub piston bottom dead center (crank angle = 108 deg) and sub piston top dead center (crank angle = 288 deg). ) To minimize.
本例では図3(a)、(b)からわかるように、主ピストン側変換効率がほぼ1になっているときに作動媒体11の圧力が高くなる。このため図3(c)のハッチング領域M1に示す主ピストン17の出力の波形は図3(a)に示す作動媒体11の圧力の波形とほぼ同じになる。
In this example, as can be seen from FIGS. 3A and 3B, when the main piston side conversion efficiency is approximately 1, the pressure of the working
これに対し、副ピストン22は、図3(e)のハッチング領域S1に示すように、作動媒体11の圧力が上昇し始めてから副ピストン上死点までの間はマイナスの出力を発生し、図3(e)のハッチング領域S2に示すように、副ピストン上死点から作動媒体11の圧力が大気圧(1atm)まで低下するまでの間はプラスの出力を発生する。この理由は次の通りである。
On the other hand, as shown in the hatching region S1 in FIG. 3E, the
すなわち、図3(a)、(d)からわかるように、副ピストン22は作動媒体11の圧力が高くなっているときに作動媒体11の圧力に抗して副ピストン上死点に向かって変位することとなるので、図3(e)のハッチング領域S1に示すようにマイナスの出力を発生することとなる。
That is, as can be seen from FIGS. 3A and 3D, the
また、副ピストン22は、副ピストン上死点に達した後は作動媒体11の圧力を受けて副ピストン下死点に向かって変位することとなるので、図3(e)のハッチング領域S2に示すようにプラスの出力を発生することとなる。
Further, since the
本例では、副ピストン側変換効率が副ピストン上死点で最小になり、かつ副ピストン上死点のタイミングが作動媒体上死点のタイミングと主ピストン下死点のタイミングとの間になっているので、副ピストン22によるマイナスの出力S1を小さく抑えることができる。
In this example, the secondary piston side conversion efficiency is minimized at the secondary piston top dead center, and the secondary piston top dead center timing is between the working medium top dead center timing and the main piston bottom dead center timing. Therefore, the negative output S1 by the
その結果、副ピストン22が主ピストン17の出力を打ち消してしまうことを抑制することができるので、図3(f)の太線に示すように主ピストン17および副ピストン22のトータルの出力をプラスにすることができ、ひいては従来よりも大きな出力を得ることができる。
As a result, it is possible to prevent the
(第2実施形態)
上記第1実施形態では出力部をなす膨張機15としてクランク式膨張機を用いているが、本第2実施形態では図4、図5に示すように、出力部をなす膨張機30として斜板式膨張機を用いている。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, a crank type expander is used as the
図4は本実施形態の外燃機関10の全体構成の概略を示す模式図であり、図5は図4の膨張機30を示す断面図である。膨張機30は、第1〜第5の5つの容器121〜125が接続された5気筒型になっている。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an outline of the overall configuration of the
第1〜第5容器121〜125のそれぞれの構成は上記第1実施形態の容器12の構成と同様である。具体的には、第1〜第5容器121〜125は、加熱器131〜135および冷却器141〜145が配置される一端側の部位が上下方向に延び、他端側の部位が主管部121c〜125cと副管部121d〜125dとに分岐している。
Each structure of the 1st-5th containers 121-125 is the same as that of the
膨張機30は、第1〜第5の主シリンダ311〜315と、第1〜第5副シリンダ321〜325とを有している。図4では図示の都合上、第1〜第5副シリンダ321〜325を第1〜第5主シリンダ311〜315の外側に図示しているが、実際には図5に示すように第1〜第5副シリンダ321〜325は膨張機30の背面側(第1〜第5主シリンダ311〜315と反対側)に配置されている。
The
第1〜第5容器121〜125と、膨張機30の第1〜第5主シリンダ311〜315および第1〜第5副シリンダ321〜325との接続関係は図4に示す通りである。
The connection relationship between the first to
具体的には、第1容器121は、主管部121cが第1主シリンダ311に接続され、副管部121dが第5副シリンダ325に接続されている。第2容器122は、主管部122cが第2主シリンダ312に接続され、副管部122dが第1副シリンダ321に接続されている。
Specifically, in the
第3容器123は、主管部123cが第3主シリンダ313に接続され、副管部123dが第2副シリンダ323に接続されている。第4容器124は、主管部124cが第4主シリンダ314に接続され、副管部124dが第3副シリンダ323に接続されている。第5容器125は、主管部125cが第5主シリンダ315に接続され、副管部125dが第4副シリンダ324に接続されている。
The
図5に示すように、第1主シリンダ311内には第1主ピストン331が配置され、第5主シリンダ315内には第5主ピストン335が配置されている。また、第1副シリンダ321内には第1副ピストン341が配置され、第5副シリンダ325内には第5副ピストン345が配置されている。
As shown in FIG. 5, the first
図示を省略しているが、同様に、第2〜第4主シリンダ312〜314内にも第2〜第4主ピストン332〜334が配置され、第2〜第4副シリンダ322〜324内にも第2〜第4副ピストン342〜345が配置されている。なお、第2〜第4主ピストン332〜334および第2〜第4副ピストン342〜345については、図4の括弧内に符号のみを示している。
Although not shown, similarly, the second to fourth
第1〜第5主ピストン331〜335および第1〜第5副ピストン341〜345は円盤状の斜板35を摺動回転させるようになっている。斜板35は、第1〜第5主ピストン331〜335の圧力および第1〜第5副ピストン341〜345の圧力を回転トルクに変換する変換部材としての役割を果たすものである。
The first to fifth
第1〜第5主シリンダ311〜315および第1〜第5副シリンダ321〜325は斜板35の回転方向(図4の時計回り方向)に等間隔、つまり72deg間隔で配置されている。したがって、第1〜第5主ピストン331〜335は位相が72degずつずれており、第1〜第5副ピストン341〜345も位相が72degずつずれることとなる。
The first to fifth
図5に示すように第1副ピストン341は第1主ピストン331と一体に変位するように構成されている。したがって第1副ピストン341の位相は第1主ピストン331の位相に対して180degずれて正反対の位相になる。
As shown in FIG. 5, the
第2〜第5主ピストン332〜335および第2〜第5副ピストン342〜345についても同様に、副ピストンは主ピストンと一体に変位して主ピストンと正反対の位相になる。
Similarly, with respect to the second to fifth
第1主シリンダ311および第1副シリンダ321の具体的構成例を図5に基づいて説明する。第1主シリンダ311の内部空間は第1容器121の主管部121cと連通して第1容器121の作動媒体111が充満する空間と、作動油361が封入されて第1主ピストン331が往復移動する空間とにダイアフラム371によって仕切られている。膨張機30内には、作動油361の余剰分を貯留する空間381が形成されている。
A specific configuration example of the first
第1副シリンダ321の内部空間は第2容器122の副管部122dと連通して第2容器122の作動媒体112が充満する空間と、作動油391が封入されて第1副ピストン341が往復移動する空間とにダイアフラム401によって仕切られている。膨張機30内には、作動油391の余剰分を貯留する空間411が形成されている。
The internal space of the
第1主ピストン331の行程容積は第1副ピストン341の行程容積よりも大きくなっている。
The stroke volume of the first
図5に示すように、第5主シリンダ315および第5副シリンダ325も上記した第1主シリンダ311および第1副シリンダ321の具体的構成例と同様に構成することができる。
As shown in FIG. 5, the fifth
すなわち、第5主シリンダ315の内部空間は第5容器125の主管部125cと連通して第5容器125の作動媒体115が充満する空間と、作動油365が封入されて第5主ピストン335が往復移動する空間とにダイアフラム375によって仕切られている。膨張機30内には、作動油365の余剰分を貯留する空間385が形成されている。
That is, the internal space of the fifth
第5副シリンダ325の内部空間は第1容器121の副管部121dと連通して第1容器121の作動媒体111が充満する空間と、作動油395が封入されて第5副ピストン345が往復移動する空間とにダイアフラム405によって仕切られている。膨張機30内には、作動油395の余剰分を貯留する空間415が形成されている。
The internal space of the
第5主ピストン335の行程容積は第5副ピストン345の行程容積よりも大きくなっている。
The stroke volume of the fifth
図示を省略しているが、第2〜第4主シリンダ312〜314、第2〜第4副シリンダ322〜324も、上記した第1、第5主シリンダ311、315および第1、第5副シリンダ321、325の具体的構成例と同様に構成することができる。
Although not shown, the second to fourth
なお、斜板35は、シュー42を介して第1〜第5主ピストン331〜335および第1〜第5副ピストン341〜345と摺動するようになっている。また、膨張機30は、斜板35の回転運動を伝達するシャフト43を有しており、このシャフト43は駆動対象機器(例えば発電装置)に連結されている。
The
図6(a)は第1容器121の作動媒体111の圧力を受けて変位する第1主ピストン331および第5副ピストン345と、第1容器121の作動媒体111との位相関係を示すグラフである。
FIG. 6A is a graph showing the phase relationship between the first
図6(a)中、1点鎖線は第1主ピストン331の位相を示し、2点鎖線は第5副ピストン345の位相を示し、実線は第1容器121の作動媒体111の位相を示している。なお、図6(a)では、参考として第5主ピストン335の位相を破線で示している。図6(a)では第1主ピストン331が上死点に位置しているときの斜板35の回転角を0degとしている。
In FIG. 6A, the one-dot chain line indicates the phase of the first
上述のように第5副ピストン345は第5主ピストン335に対して180deg遅角しており、第5主ピストン335は第1主ピストン331に対して72deg進角している。したがって、第5副ピストン345は第1主ピストン331に対して108deg遅角することとなる。
As described above, the
第1主ピストン331および第5副ピストン345は第1容器121内の作動媒体111の圧力を受けて変位するので、第1容器121の作動媒体111の位相の波形は第1主ピストン331の位相の波形と第5副ピストン345の位相の波形とを合成した波形となる。
Since the first
したがって、第1容器121の作動媒体111の位相は第1主ピストン331の位相に対して54deg遅角することとなるので、作動媒体上死点のタイミングは第1主ピストン上死点のタイミングよりも後になる。
Therefore, the phase of the working
このため上記第1実施形態と同様に、第1主ピストン331が上死点に達する前に作動媒体111の圧力上昇が始まることを抑制できるので、作動媒体111の圧力上昇によって第1主ピストン331が上死点に到達しづらくなることを抑制でき、ひいては第1主ピストン331を上死点まで押し戻すために必要な動力を低減できる。
Therefore, similarly to the first embodiment, since it is possible to suppress the pressure increase of the working
同様の理由により、第2〜第5主ピストンを上死点まで押し戻すために必要な動力も低減することができる。 For the same reason, the power required to push the second to fifth main pistons back to top dead center can also be reduced.
図6(b)は膨張機30において第1主ピストン331の直線運動を斜板35の回転運動に変換する変換効率(以下、第1主ピストン変換効率と言う。)を示している。図6(b)の例では、斜板35の傾斜角度を20degとし、斜板35とシュー42との摩擦係数を0.02にしている。
FIG. 6B shows the conversion efficiency for converting the linear motion of the first
図6(b)からわかるように第1主ピストン変換効率は、斜板35の回転角によって変化し、第1主ピストン上死点および第1主ピストン下死点で最小になる。この理由は、第1実施形態における主ピストン側変換効率が図3(b)に示すように変化する理由と同様である。
As can be seen from FIG. 6B, the first main piston conversion efficiency varies depending on the rotation angle of the
図6(a)、(b)からわかるように、第1主ピストン変換効率が高くなるクランク角=54deg近傍にて作動媒体111が作動媒体上死点に達して作動媒体111の圧力が最高圧力になる。
As can be seen from FIGS. 6A and 6B, the working
このため、第1主ピストン変換効率が高くなる位相で第1主ピストン331に高い圧力を加えることができるので、第1主ピストン331によって大きな出力を得ることができる。
For this reason, since a high pressure can be applied to the first
第2〜第5主ピストンについても、第1主ピストン331と同様の理由により、直線運動から回転運動への変換効率が大きくなる位相で第2〜第5主ピストンに高い圧力を加えることができる。
Also for the second to fifth main pistons, high pressure can be applied to the second to fifth main pistons for the same reason as the first
しかも、第1〜第5主ピストン331〜335の行程容積を第1〜第5副ピストン341〜345の行程容積よりも大きくしているので、第1〜第5副ピストン341〜345によるマイナスの出力を第1〜第5主ピストン331〜335のプラスの出力に比べて小さく抑えることができる。
In addition, since the stroke volume of the first to fifth
これらの結果、上記第1実施形態と同様に、副ピストン341〜345が主ピストン331〜335の出力を打ち消してしまうことを抑制してトータルの出力をプラスにすることができので、従来よりも大きな出力を得ることができる。
As a result, similar to the first embodiment, it is possible to suppress the
(他の実施形態)
なお、上記第1実施形態では、副ピストン22と作動媒体11との位相差を54degに設定した例を示したが、副ピストン22と作動媒体11との位相差を54degよりも小さくすれば副ピストン22によるマイナスの出力S1をより小さく抑えることができる。
(Other embodiments)
In the first embodiment, the example in which the phase difference between the
また、上記各実施形態では、容器12のうち加熱器13および冷却器14の配置部位を1本の管状に形成しているが、容器12の当該部位を複数本の分岐管状に形成してもよい。
Moreover, in each said embodiment, although the arrangement | positioning site | part of the
また、上記各実施形態では、容器12のうち加熱器13および冷却器14の配置部位が上下方向に延びているが、加熱器13によって発生した作動媒体11の蒸気が膨張機15まで流動しない構成であればよく、例えば容器12の当該部位が上下方向に対して傾斜した方向または水平方向に延びていてもよい。
Moreover, in each said embodiment, although the arrangement | positioning site | part of the
11 作動媒体
12 容器
12a 加熱部
12b 冷却部
12c 主管部
12d 副管部
15 膨張機
17 主ピストン
19 クランク軸(変換部材)
22 副ピストン
DESCRIPTION OF
22 Secondary piston
Claims (5)
前記容器のうち一端側の部位に形成され、前記容器内の前記作動媒体の一部を加熱して前記作動媒体の蒸気を発生させる加熱部(12a、121a〜125a)と、
前記容器のうち前記加熱部よりも他端側の部位に形成され、前記容器内の前記蒸気を冷却して液化させる冷却部(12b、121b〜125b)と、
前記容器の他端部に配置され、前記作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する膨張機(15、30)とを備え、
前記容器のうち前記冷却部と前記膨張機との間の部位は、主管部(12a、121a〜125a)と副管部(12b、121b〜125b)とに分岐して形成され、
前記膨張機は、前記主管部の前記作動媒体から圧力を受けて変位する主ピストン(17、331〜335)と、前記副管部の前記作動媒体から圧力を受けて変位する副ピストン(22、341〜345)とを有し、
前記主ピストンが最も前記加熱部側に変位したときの位置を主ピストン上死点とし、
前記副ピストンが最も前記加熱部側に変位したときの位置を副ピストン上死点とし、
前記作動媒体の液体部分が最も前記加熱部側に変位したときの位置を作動媒体上死点としたとき、
前記副ピストン上死点のタイミングは前記主ピストン上死点のタイミングよりも後になっており、
前記作動媒体上死点のタイミングは前記主ピストン上死点のタイミングと前記副ピストン上死点のタイミングとの間になっていることを特徴とする外燃機関。 Tubular containers (12, 121-125) in which the working medium (11, 111-115) is encapsulated so as to be able to flow in a liquid state;
A heating unit (12a, 121a to 125a) that is formed in a portion on one end side of the container and generates a vapor of the working medium by heating a part of the working medium in the container;
A cooling unit (12b, 121b to 125b) that is formed in a portion of the container on the other end side than the heating unit and cools and liquefies the vapor in the container;
An expander (15, 30) disposed at the other end of the container and converting the displacement of the liquid portion of the working medium into mechanical energy and outputting the mechanical energy.
The part between the cooling part and the expander in the container is formed by branching into a main pipe part (12a, 121a to 125a) and a sub pipe part (12b, 121b to 125b),
The expander includes a main piston (17, 331 to 335) that is displaced by receiving pressure from the working medium in the main pipe portion, and a sub piston (22, that is displaced by receiving pressure from the working medium in the sub pipe portion). 341-345)
The position when the main piston is displaced to the most heating part side is the main piston top dead center,
The position when the sub-piston is displaced most to the heating part side is the sub-piston top dead center,
When the position when the liquid part of the working medium is displaced to the most heating part side is the working medium top dead center,
The timing of the sub-piston top dead center is later than the timing of the main piston top dead center,
The external combustion engine characterized in that the timing of the top dead center of the working medium is between the timing of the top dead center of the main piston and the timing of the top dead center of the sub piston.
前記変換部材は、前記主ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換効率が前記主ピストン上死点のタイミングで最小になり、前記副ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換効率が前記副ピストン上死点のタイミングで最小になるように構成されており、
前記主ピストンが最も前記加熱部と反対側に変位したときの位置を主ピストン下死点としたとき、
前記副ピストン上死点のタイミングは前記作動媒体上死点のタイミングと前記主ピストン下死点のタイミングとの間になっていることを特徴とする請求項1に記載の外燃機関。 The expander has a conversion member (19, 36) for converting the linear motion of the main piston and the linear motion of the sub-piston into rotational motion,
The conversion member has a minimum conversion efficiency for converting the linear motion of the main piston to a rotational motion at the timing of the top dead center of the main piston, and a conversion efficiency for converting the linear motion of the secondary piston to a rotational motion is the secondary motion. It is configured to be minimized at the timing of the top dead center of the piston,
When the position when the main piston is displaced to the side opposite to the heating part is the main piston bottom dead center,
The external combustion engine according to claim 1, wherein the timing of the top dead center of the sub piston is between the timing of the top dead center of the working medium and the timing of the bottom dead center of the main piston.
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