JP2010159732A - Ｓｔｒ熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関内部で燃焼によって発生する熱や機関外部からの熱による機関内部の流体の膨張力と、これによって熱膨張した内部流体の機関外部への放熱による収縮力とを有効に利用できる熱効率の良いＳＴＲ熱機関を提供する。
【解決手段】高温室１内の流体を加熱もしくは燃焼し、低温室３内の流体を冷却すると、分割板付きピストンＡが押力と引力で上方に移動し、これが上部に達したとき高低温室連通通路９を開通し、高温室１と低温室３の内圧が均等化することにより分割板付きピストンＡが下方に移動すると、高温室１内に外部の流体を導入しながら、高温室内気を低温室内に流動し、同時に低温室内の流体を排出できるような構造にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、外燃機関としても内燃機関としても利用できるＳＴＲ熱機関に関するものである。

現在の移動車両に搭載されている動力源は内燃機関であるが、発生する膨大な熱エネルギーはラジエーターや、排気ガスなどから、未使用の状態で排出されている。また、内燃機関では圧縮した燃料ガスを爆発させることによって人体に有害である多くの窒素酸化物を発生している。このようなことから、理論熱効率に優れ、窒素酸化物を発生しないスターリングエンジンと呼ばれる熱機関が注目されているが、外燃機関であり実用的な出力を得られないためまだ普及していない。

特開２００６−２９１９０２号公報

解決しようとする問題点は、熱エネルギーを未使用の状態で放出しているため、熱効率を向上できない点である。

次に解決しようとする問題点は、燃焼させる前に圧縮しているため、多くの窒素酸化物を発生している点である。

次に解決しようとする問題点は、廃熱を利用するためには廃熱回収装置を必要としている点である。

空気のような熱膨張しうる作動流体は、吸熱時に膨張し、放熱時に収縮する。この原理を利用すれば、高温室内に常温の空気を導入し、密閉加熱すればピストンを押し上げる力を得られ、加熱した空気を低温室に移動して密閉放熱すれば、ピストンを吸引する力を得られる。これを合理的に実現する熱機関を提供すれば、本発明の課題を解決できる。

上記目的を達成するために、本発明に係るＳTＲ熱機関は、高温室１と低温室３をシリンダー２で接続し、高温室１には逆止弁１０を設けた外部流体導入通路６を接続し、低温室３には逆止弁１１を設けた内部流体排出通路７を接続する。そして、高温室１上部と下部とを加温流体流通通路８Ｈで接続し、低温室３上部と下部とを冷却流体流通通路８Ｃで接続し、さらに高温室下面部と低温室上面部とを高低温室連通通路９で接続していることを特徴とする。

次に本発明に係るＳＴＲ熱機関は、シリンダー２内を往復運動しうるピストン４の上面と下面にそれぞれ、分割板５Ｃと分割板５Ｈとを同心円で一体化させた連動しうる分割板付きピストンＡを有することを特徴とする。

次に本発明に係るＳＴＲ熱機関は、この分割板５Ｃ上部に設けた突起１４が低温室３内上面に達したとき、低温室３上部に接続した高低温室連通通路９に設けた弁１３を押し上げ、高温室１と低温室３とを開通させる機能を果たすことを特徴とする。

本発明のＳＴＲ熱機関では、未燃焼の空気が豊富にある高温室１内で燃料を燃焼させる事ができるため、不完全燃焼はきわめて少なくできる。また、燃料を圧縮しないため、窒素酸化物の発生もきわめて少なくできる。そして、高温室１内では燃焼による爆発エネルギーと発熱エネルギーから密閉膨張力が得られ、さらに高温室１で加熱膨張した加熱流体を低温室３内に流動し、そこで外部へ放熱することにより、密閉収縮力が得られ、後の排出流体温度は既存の内燃機関よりも低く、エネルギーを有効に利用したこととなり、本発明の目的を達成できる。

図１はＳＴＲ熱機関の説明図である。（実施例１） 図２はＳＴＲ熱機関の作動流体と分割板付きピストンおよび弁の動きを現す説明図である。（実施例１） 図３はＳＴＲ熱機関の説明図である。（実施例２） 図４はＳＴＲ熱機関の説明図である。（実施例３） 図５はＳＴＲ熱機関の説明図である。（実施例４）

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための構成要素には、当方が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

なお、以下においては、燃料を燃焼させて機関を動作させる内燃機関として取り上げるが、本発明のＳＴＲ熱機関は、どのような熱源でも高温室１を加熱することが出来るならば、高温室１周辺外部からの伝熱でも動作することや、低温室３を冷却する機構であっても動作することは容易に想定できる。そして、高温室１と低温室３は単独でも動作できるので、高温室１と低温室３は一対である必要はない。また、本発明の説明のため上下を決めて説明するが、本体の上下を逆にしたり、横転した構造であっても、バネなどの部品を使用することにより本発明の熱機関を機能させられることは容易に想定できる。

本発明の実施形態を、図を参照しながら説明する。まず図１に示すように上部を低温室３、下部を高温室１とした温度差を発生する２つの空間をピストンが往復運動可能なシリンダー２で接続する。シリンダー２を通して１つの空間となっている。このシリンダー２の上部には低温室３を上下に往復運動可能な突起１４を設けた分割板５Ｃを一体化し、下部には高温室１を上下に往復運動可能な分割板５Ｈを一体化した分割板付きピストンＡを内部空間に密閉する。これにより、分割板５Ｃの上部と下部、分割板５Ｈの上部と下部の４つ空間を形成している。そしてこの４つの空間の流体が移動できるように通路を設ける。高温室１上面部には外部から高温室１内へのみ流体が進入できるように逆止弁１０を設けた外部流体導入通路６を接続し、低温室３下面部には低温室３から外部へのみ流体が排出できるように逆止弁１１を設けた内部流体排出通路７を接続し、高温室１上部から高温室１下部へのみ流体が移動できるように逆止弁１２Ｈを設けた加温流体流通通路８Ｈと低温室３上部から低温室３下部へのみ流体が移動できるように逆止弁１２Ｃを設けた冷却流体流通通路８Ｃを接続する。さらに高温室１下部と低温室３上部とを高低温室連通通路９を接続し、突起１４が低温室３内部上面に達したときに開通できうる弁１３を設ける。それぞれの室内に設けた分割板の上面と下面が、それぞれの室内上面および下面に密着しないような構造にする。

このような特徴を持つＳＴＲ熱機関の動作サイクルを、図２を参照して説明する。まずＦ１の状態から高温室１内の熱膨張する流体を密閉加熱する事によりピストン２を上方に押し上げる力が働きＦ２の状態となる。さらに加熱し分割板付きピストンＡが上死点付近に達すると突起１４が弁１３を押し上げＦ３の状態となる。そして高低温室連通通路９が開通すると高温室１内の高圧加熱流体が分割板付きピストンＡの自重と流体の膨張力によって低温室３に流入しＦ４の状態となる。高温室１の内圧と低温室３の内圧がほぼ等しくなるまで分割板付きピストンＡは下がり、高温室１底面に達し、弁１３は高低温室連通通路９を流れる流体の圧力がなくなるため重力によって高低温室連通通路９を閉鎖し、Ｆ１の状態に戻る。このとき、高温室１内上部空間には外部流体導入流通路６から外部流体が流入しており、高温室１で加熱された流体は熱膨張し、分割板付きピストンＡを押し上げる。同時に低温室３に流入した加熱流体は外部に放熱しながら密閉収縮し、分割板付きピストンＡを吸い上げるのでＦ５の状態となる。高温室１と低温室３は密閉状態で分割板付きピストンＡは上死点付近に達し、突起１４が弁１３を押し上げＦ５の状態となる。その後、Ｆ４からＦ１の状態となり、Ｆ１→Ｆ５→Ｆ６→Ｆ４→Ｆ１で示すサイクルで動作する。

本発明のＳＴＲ熱機関は、膨張力と収縮力の両方でピストンを上昇させ、ピストンの下降によって吸気と排気を同時に行うことが出来る。

本発明のＳＴＲ熱機関の動作からはいくつかの動力を得られる。

図３の実施例は、高温室と低温室にそれぞれピストンとシリンダーを設けて分離し、それぞれのピストンをクランクにアームで連結し、クランクを回転させて動力を得ることができる。当然、複数のＳＴＲ熱機関を連結し動力を得ることもできる。また、高温室では燃料ノズルと点火装置を設け、低温室の冷却流体流通通路を冷却器で冷やすことにより、大きな出力を得ることが出来る。このような構造にすると、現在の移動車両に本発明のＳＴＲ熱機関を搭載することが出来る。さらに高温室を耐熱性の断熱材で覆い、無駄な熱放出を防ぐことも出来る。

図４の実施例は、加温流体流通通路８と高低温室連通通路９とに、単一もしくは複数の出力風車を設けることで、流体の運動エネルギーを回転力として得ることができる。このような構造にすると、より簡便に動力を得ることが出来る。

図５の実施例は、ピストンを永久磁石とし、シリンダー外部にコイルを設け、リニア発電し電力を得ることができる。このような構造にすると、より効率よく電力を得ることが出来る。

本発明のＳＴＲ熱機関は、既知の内燃機関よりも高効率で窒素酸化物の発生の少ない内燃機関として移動車両などに搭載でき、太陽熱、地熱、工場などの廃熱などを利用した外燃機関発電装置としても利用可能である。熱膨張と熱収縮を学ぶ教材としても使用できる。

１ 高温室
２ シリンダー
３ 低温室
４ ピストン
５Ｈ 高温室分割板
５Ｃ 低温室分割板
６ 外部流体導入通路
７ 内部流体排出通路
８Ｈ 加温流体流通通路
８Ｃ 冷却流体流通通路
９ 高低温室連通通路
１０ 逆止弁
１１ 逆止弁
１２Ｈ 逆止弁
１２Ｃ 逆止弁
１３ 弁
１４ 突起

Claims (7)

1. 高温室１内には往復運動可能な高温室分割板５Ｈを設け、低温室３内には往復運動可能な低温室分割板５Ｃを設けることにより、合計４つの空間を形成出来、この２つの分割板がピストン４の往復運動と連動しうることを特徴とするＳＴＲ熱機関
2. 高温室１を加熱すると分割板付きピストンＡが上方に移動し、高温室分割板５Ｈ上部の流体が加熱流体流通通路８Ｈを通り、高温室分割板５Ｈ下部へ流動することを特徴とする請求項１に記載のＳＴＲ熱機関
3. 低温室分割板５Ｃ上部に設けた突起１４が、低温室３上面に達したとき、高温室１と低温室３とを接続した高低温室連通通路９に設けた弁１３を開通させると、分割板付きピストンＡが下方に移動することを特徴とする請求項１に記載のＳＴＲ熱機関
4. 上面に達した分割板着きピストンＡが下方に移動するとき、高温室分割板５Ｈ下部の流体を低温室分割板５Ｃ上部へと押し出し、低温室分割板５Ｃ下部にあった低温流体を内部流体排出通路７から排出し、高温室分割板５Ｈ上部に外部流体導入通路６から外部流体を吸入することを同時に行えることを特徴とする請求項１に記載のＳＴＲ熱機関
5. 上面に達した分割板着きピストンＡが下面に達すると高低温室連通通路９に施した弁１３が閉じる事を特徴とする請求項１に記載のＳＴＲ熱機関
6. 高低温室連通通路９に設けた弁１３が閉じると低温室分割板５Ｃ上部に流入した高温流体が密閉冷却収縮し、分割板付きピストンＡを吸い上げ、低温室分割板５Ｃ上部の流体が冷却流体流通通路８Ｃを通り、低温室分割板５Ｃ下部へ流入すると同時に、高温室分割板５Ｈ上部に流入した外部流体が密閉熱膨張し、高温室分割板５Ｈ上部の流体が高温室分割板５Ｈ下部へ流入し分割板付きピストンＡを押し上げることを特徴とする請求項１に記載のＳＴＲ熱機関
7. 高温室分割板５Ｈが高温室１下面にある時、高温室１内の高温室分割板５Ｈ上部空間もしくは高温室分割板５Ｈ上部空間と連通しうる別空間で燃料ガスを燃焼させると、高温室１の内圧が上がり、燃焼ガスが流体となり、加温流体流通通路８を通り、高温室分割板５Ｈの上部から下部へ流動すると高温室分割板５Ｈ下部の内圧が上がり、高温室分割板５Ｈが上方に押し上げられることを特徴とする請求項１に記載のＳＴＲ熱機関
   

Images