JP2010164019A - External combustion type closed cycle thermal engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、簡易構造にして操作、維持容易な外燃式クローズドサイクル熱機関に関するものである。 The present invention relates to an external combustion type closed cycle heat engine that has a simple structure and is easy to operate and maintain.
スターリングエンジンは、熱源の種類を問わず、現在、無駄となっているエネルギーの有効利用が可能であり、静粛で低公害であるので、各種のタイプが研究開発され、重要な将来熱機関の一つと目されている外燃式熱機関である。 Stirling engines, regardless of the type of heat source, can effectively use energy that is currently wasted, and are quiet and low-pollution, so various types have been researched and developed, and are one of the important future heat engines. It is an external combustion type heat engine that is regarded as one of the most important.
スターリングエンジンは、気室内に封入した作動ガスを加熱及び冷却して該ガスを膨張及び収縮させ、動力を得るものである。
従来のディスプレーサ型スターリングエンジンは、ディスプレーサの往復動により、該ガスを加熱部と冷却部との間で往復させて該ガスを加熱及び冷却し、膨張及び収縮させて、パワーピストンを作用させることにより動力を得るものである。ディスプレーサは、パワーピストンと位相をもって連動するように構成されている。
従来のスターリングエンジンは、ピストン、シリンダ等の配置によってα型、β型、γ型の3種類に分類される。それら3種類の動作の詳細については、特許文献1に記載されている。
The Stirling engine heats and cools the working gas sealed in the air chamber to expand and contract the gas to obtain power.
A conventional displacer-type Stirling engine reciprocates the gas between a heating part and a cooling part to heat and cool the gas, and expands and contracts by operating the power piston. It gains power. The displacer is configured to interlock with the power piston in phase.
Conventional Stirling engines are classified into three types, α type, β type, and γ type, depending on the arrangement of pistons, cylinders, and the like. Details of these three types of operations are described in Patent Document 1.
しかしながら、上記の従来のスターリングエンジンでは気室、加熱器および冷却器内の作動ガスが同時に加圧、減圧される。このため加熱時において、気室を加圧するために冷却器内の作動ガスも加圧しなければならず、また冷却時において、気室を減圧するために加熱器内の作動ガスも減圧しなければならない。このため、気室容積に比して加熱器または冷却器の容積が大きくなるとエンジン効率が低下する。従って、エンジン効率を上げるために加熱器及び冷却器を小型化する必要がある。
しかし、エンジンを作動させるには必要な熱量を取り込み、また排出する必要があり、加熱器及び冷却器は十分な能力を持たなければならない。加熱器を小型かつ充分な能力を持たせるには、肉厚を薄くし、また加熱温度を上げて面積当りの伝熱量を増やす方法があるが、精密な工作を要し、高価な耐熱金属を採用する必要があり、また高温による加熱器の腐蝕が促進されるといった弊害がある。
また、冷却期間、加熱器は利用されず、全期間を通じた加熱器の効率は低下し、加熱器に加えられる外部熱量は無駄に消費され利用効率が低下している。加熱期間の冷却器も同様である。
However, in the conventional Stirling engine, the working gas in the air chamber, the heater, and the cooler is simultaneously pressurized and depressurized. Therefore, during heating, the working gas in the cooler must be pressurized in order to pressurize the air chamber, and in cooling, the working gas in the heater must be depressurized in order to depressurize the air chamber. Don't be. For this reason, if the volume of the heater or the cooler is larger than the air chamber volume, the engine efficiency is lowered. Therefore, it is necessary to reduce the size of the heater and the cooler in order to increase the engine efficiency.
However, to operate the engine, it is necessary to take in and discharge the necessary amount of heat, and the heater and cooler must have sufficient capacity. To make the heater small and have sufficient capacity, there are methods to reduce the wall thickness and raise the heating temperature to increase the amount of heat transfer per area, but it requires precise work, and expensive refractory metal is required. There is an adverse effect that it is necessary to adopt, and corrosion of the heater due to high temperature is promoted.
In addition, the heater is not used during the cooling period, and the efficiency of the heater throughout the entire period is reduced, and the amount of external heat applied to the heater is wasted and the utilization efficiency is reduced. The same applies to the cooler during the heating period.
上述するような従来技術に鑑み、本発明では、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、種々の条件下で設計、製作できる、外燃式クローズドサイクル熱機関を提供することを課題とする。 In view of the prior art as described above, the present invention provides an external combustion type closed cycle heat engine in which the volume of the heater or cooler is not related to the efficiency of the engine and can be designed and manufactured under various conditions. Is an issue.
本発明の発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を有する発明を完成するに至った。
請求項1の発明は、密閉された気室と加熱器及び冷却器を設け、該気室と該加熱器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、該気室と冷却器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、それぞれ入り口側及び出口側の流路に開閉弁を設け、作動ガスの移動手段を設け、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として冷却器を密閉し、加熱器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを加熱器を通じて循環させ、気室内の作動ガスを加熱し、また加熱器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として加熱器を密閉し、一方、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを冷却器を通じて循環させて気室内の作動ガスを冷却し、気室内の作動ガスを膨張、収縮させて作用体を駆動することを特徴とするもので、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、種々の条件下で設計、製作できる外燃式クローズドサイクル熱機関を実現できることを見出した。
The inventors of the present invention have intensively studied to solve the above problems, and as a result, have completed the invention having the following configuration.
The invention of claim 1 is provided with a sealed air chamber, a heater, and a cooler, and provided with a flow path that communicates with the air chamber and an inlet side and an outlet side of the heater, and the air chamber and the inlet of the cooler. Provided with a flow path that communicates with the side and the outlet side, provided with on-off valves in the inlet-side and outlet-side flow paths, provided with a moving means for working gas, and closed the on-off valves on the inlet side and the outlet side of the cooler. The opening and closing valves on the inlet and outlet sides of the heater are opened and the working gas in the air chamber is circulated through the heater to heat the working gas in the air chamber, and the opening and closing valves on the inlet and outlet sides of the heater are opened. The heater is sealed as closed, while the opening and closing valves on the inlet side and outlet side of the cooler are opened and the working gas in the air chamber is circulated through the cooler to cool the working gas in the air chamber, It is characterized by driving the acting body by expanding and contracting, The volume of the heat or cooler is not related to the efficiency of the engine, the design under various conditions, was found to be achieved fabrication can outer 燃式 closed cycle heat engine.
請求項2の発明は、請求項1記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記開閉弁を三方弁としたことを特徴とするものである。三方弁とは、流路が3分岐あり、1分岐から入り込む流体を、他の2分岐流路のいずれかを選択的に流路とする、又は2分岐流路のいずれかを選択し、他の1分岐を流路とする切り替え弁と定義する。 A second aspect of the present invention is the external combustion type closed cycle heat engine according to the first aspect, wherein the on-off valve is a three-way valve. The three-way valve has three branches, and the fluid entering from one branch is selectively used as one of the other two branches, or one of the two branches is selected, and the other. Is defined as a switching valve having a branch as a flow path.
請求項3の発明は、請求項1に記載されている外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記気室からの加熱器入り口側流路及び上記気室への冷却器出口側流路の開閉弁を逆止弁としたことを特徴とするものである。 The invention of claim 3 is the external combustion type closed cycle heat engine according to claim 1, wherein the heater inlet side flow path from the air chamber and the cooler outlet side flow path to the air chamber are provided. The on-off valve is a check valve.
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載されている外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記作用体は、ピストンであることを特徴とするものである。該作用体がピストンの場合、気室を気筒、複数の気室を多気筒と定義する。 A fourth aspect of the present invention is an external combustion closed cycle heat engine according to any one of the first to third aspects, wherein the operating body is a piston. When the acting body is a piston, an air chamber is defined as a cylinder, and a plurality of air chambers are defined as a multi-cylinder.
請求項5の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載されている外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記作用体は、往復流型タービンであることを特徴とするものである。往復流型タービンは、作動ガスの流れの方向が逆転しても同一方向に回転トルクを発生する装置である。 The invention of claim 5 is the external combustion closed cycle heat engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the operating body is a reciprocating turbine. . A reciprocating turbine is a device that generates rotational torque in the same direction even when the flow direction of the working gas is reversed.
請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載されている外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記密閉された気室及び作用体を複数設け、加熱器および冷却器を共有することを特徴とするものである。 The invention of claim 6 is the external combustion type closed cycle heat engine according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of the sealed air chambers and working bodies are provided, and a heater and a cooler are provided. It is characterized by sharing.
請求項7の発明は、請求項1〜4、6のいずれかに記載されている外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記密閉された複数の気室(多気筒)にそれぞれ設けたピストンのクランク室を共有したことを特徴とするものである。 A seventh aspect of the present invention is the external combustion type closed cycle heat engine according to any one of the first to fourth and sixth aspects, wherein the piston is provided in each of the plurality of sealed air chambers (multi-cylinders). It is characterized by sharing the crank chamber.
請求項8の発明は、請求項1〜4、6〜7のいずれかに記載されている外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記気室をピストンで仕切るA室とB室へ、加熱器の入り口側及び出口側とそれぞれ導通する流路と、冷却器の入り口側及び出口側とそれぞれ導通する流路とを設けたことを特徴とするものである。 Invention of Claim 8 is an external combustion type closed cycle heat engine as described in any one of Claims 1-4 and 6-7, Comprising: It heats to the A chamber and B chamber which partition the said air chamber with a piston It is characterized in that there are provided flow paths that are respectively connected to the inlet side and the outlet side of the cooler and flow paths that are respectively connected to the inlet side and the outlet side of the cooler.
請求項9の発明は、請求項1〜3、5〜6のいずれかに記載されている外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記気室を1個または複数の往復流型タービンで仕切る各室へ、加熱器の入り口側及び出口側とそれぞれ導通する流路と、冷却器の入り口側及び出口側とそれぞれ導通する流路とを設けたことを特徴とするものである。 The invention according to claim 9 is the external combustion closed cycle heat engine according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 6, wherein the air chamber is partitioned by one or a plurality of reciprocating turbines. Each chamber is provided with a flow path that is electrically connected to the inlet side and the outlet side of the heater, and a flow path that is electrically connected to the inlet side and the outlet side of the cooler.
本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、気室加熱時、冷却器は開閉弁により密閉されているので冷却器内の作動ガスは加圧されず、低温、低圧のままで、気室冷却時、加熱器は開閉弁により密閉されているので加熱器内の作動ガスは減圧されず、高温・高圧のままで、温度・圧力の変化は気室内の作動ガスにのみ生じ、従来生じていた加熱器、冷却器内の作動ガスを加圧、減圧するための無駄なエネルギー消費は加熱器、冷却器の大きさにかかわりなく生じない。このため加熱、冷却の効率が向上し、従来のスターリングエンジンに比し高いエンジン効率を得ることができる。また開閉弁を切り替えることにより、気室内の温度、圧力を急激に変化させることができ、エンジン出力を増加させることができる。 In the external combustion type closed cycle heat engine of the present invention, when the air chamber is heated, the cooler is hermetically sealed by the on-off valve, so the working gas in the cooler is not pressurized, and the air chamber is cooled at a low temperature and low pressure. At that time, since the heater is sealed by an on-off valve, the working gas in the heater is not depressurized, and the temperature / pressure changes occur only in the working gas in the air chamber, and the temperature / pressure changes occur in the past. Wasteful energy consumption for pressurizing and depressurizing the working gas in the heater and cooler does not occur regardless of the size of the heater or cooler. For this reason, the efficiency of heating and cooling is improved, and higher engine efficiency can be obtained as compared with the conventional Stirling engine. Further, by switching the on-off valve, the temperature and pressure in the air chamber can be changed abruptly, and the engine output can be increased.
気室加熱時、冷却器は開閉弁により密閉されているので、冷却器内の作動ガスを有効に冷却し続けることができ、気室冷却時、加熱器は開閉弁により密閉されているので加熱器内の作動ガスを有効に加熱し続けることができ、加熱器・冷却器内を全期間有効に作用させることができるとともに、熱源、冷熱源の利用効率を高めることができる。 When the air chamber is heated, the cooler is sealed by the on-off valve, so that the working gas in the cooler can continue to be cooled effectively, and when the air chamber is cooled, the heater is sealed by the on-off valve. The working gas in the chamber can be effectively heated, the heater and the cooler can be effectively operated for the entire period, and the utilization efficiency of the heat source and the cold source can be increased.
上記するように流路を含めた加熱器、冷却器の容積が効率に影響しなくなるために、加熱器、冷却器とエンジン本体間の流路を長くでき、加熱器、冷却器をエンジン本体と離れて設置することができるため機器配置にも自由度が生じ、エンジン本体の設置しにくい場所の既存廃熱源なども有効に利用できる。 Since the volume of the heater and cooler including the flow path does not affect the efficiency as described above, the flow path between the heater and the cooler and the engine body can be lengthened, and the heater and cooler are connected to the engine body. Since it can be installed remotely, there is a degree of freedom in equipment arrangement, and an existing waste heat source in a place where the engine body is difficult to install can be used effectively.
また加熱器、冷却器を大きくできるため伝熱面積を大きくでき、温度差が小さくても十分な伝熱量が得られ、廃熱等の低温熱源も有効に利用できるとともに、加熱器の設計条件が緩やかになり、加熱器の材料、構造、工作等に関し、目的に合う最適なものを選択できる。 In addition, since the heater and cooler can be enlarged, the heat transfer area can be increased, a sufficient amount of heat transfer can be obtained even if the temperature difference is small, low temperature heat sources such as waste heat can be used effectively, and the design conditions of the heater It becomes gentler and it is possible to select the most suitable one for the purpose regarding the material, structure, work, etc. of the heater.
作動ガスとして稀少なヘリウムを使う必要がなく、作動ガスは窒素、空気等でよい。また二酸化炭素、キセノン等の重比重のガスを使用することにより往復流型タービンを小型化できる。
またディスプレーサを使用しないため気室内に断熱材を設けることができ、気室外郭を通じた熱放散を減じることができるため熱効率を向上でき、さらに気室外郭を低温に保つことができるため、高価な耐熱合金を使用する必要がなくなる。
There is no need to use rare helium as the working gas, and the working gas may be nitrogen, air or the like. In addition, a reciprocating turbine can be miniaturized by using a gas having a heavy specific gravity such as carbon dioxide or xenon.
In addition, since a displacer is not used, a heat insulating material can be provided in the air chamber, heat dissipation through the air chamber outline can be reduced, thermal efficiency can be improved, and furthermore, the air chamber outline can be kept at a low temperature. There is no need to use a heat-resistant alloy.
開閉弁を三方弁形式とし、加熱器、冷却器それぞれの入り口側、出口側に設ければ気室への流路を4本から2本に減ずることができ、構造を簡単にすることができる。
また開閉弁の内、加熱器入り口側のものと冷却器出口側のものを圧力変化で自動的に動作する逆止弁とすれば人為的に操作する必要はなくなり、制御を簡易化できる。
If the on-off valve is a three-way valve type and is provided on the inlet side and outlet side of each heater and cooler, the number of channels to the air chamber can be reduced from four to two, and the structure can be simplified. .
In addition, if the check valve that automatically operates in response to a pressure change is used on the heater inlet side and the cooler outlet side among the on-off valves, it is not necessary to operate manually, and the control can be simplified.
本発明によれば作用体として、ピストンまたは往復流型タービンを採用した外燃式クローズドサイクル熱機関を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the external combustion type closed cycle heat engine which employ | adopted the piston or the reciprocating flow turbine as an effect | action body can be provided.
さらに本発明においては、全サイクルを通じ、加熱器内の作動ガスは高温、高圧のままであり、冷却器内の作動ガスは低温、低圧のままであるため、密閉された複数の気室、及び作用体を設けて多気筒とする場合、大型の加熱器、及び冷却器を設けて複数の気筒で共有できる。従って各々の気筒に対し各1個の加熱器、冷却器を必要とする従来の多気筒スターリングエンジンに比し加熱器、及び冷却器の構造が大幅に簡単化できる。 Furthermore, in the present invention, since the working gas in the heater remains at high temperature and high pressure and the working gas in the cooler remains at low temperature and low pressure throughout the entire cycle, a plurality of sealed air chambers, and When a multi-cylinder is provided by providing an action body, a large heater and a cooler can be provided and shared by a plurality of cylinders. Therefore, the structure of the heater and the cooler can be greatly simplified as compared with the conventional multi-cylinder Stirling engine that requires one heater and one cooler for each cylinder.
本発明において密閉された複数の気室を有し、作用体としてピストンを使用する多気筒の外燃式クローズドサイクル式熱機関とする場合、クランク室を共有し、各々の気筒ピストンが総和360°となる等位相差で動作するようにして、共有するクランク室、及び気筒室内ピストン下の総容積、及び圧力を一定とでき、ピストン裏側に働く力が変動しないことでピストンの作動を円滑とできる。
星形、水平対向型、V型等の配置も可能である。
In the present invention, in the case of a multi-cylinder external combustion type closed cycle heat engine having a plurality of sealed air chambers and using a piston as an operating body, the crank chamber is shared and each cylinder piston has a total of 360 °. The total volume and pressure under the shared crank chamber and piston in the cylinder chamber can be made constant so that the operation of the piston can be smoothly performed without fluctuation. .
Arrangements such as a star shape, a horizontally opposed type, and a V type are also possible.
気筒をピストンで仕切ったA室とB室へ加熱器の入り口側及び出口側を導通する流路と冷却器の入り口側及び出口側を導通する流路をそれぞれ設け、開閉弁の操作によりA室を高温、高圧とするときB室は低温、低圧となるようにし、逆にA室を低温、低圧とするときB室は高温、高圧となるようにして、ピストンに加わる圧力差を増加させることができ、小型で高出力とすることができる。 There are provided a flow path for connecting the inlet side and the outlet side of the heater and a flow path for connecting the inlet side and the outlet side of the cooler to the A chamber and the B chamber in which the cylinder is partitioned by the piston. Increase the pressure difference applied to the piston by setting the chamber B to be low temperature and low pressure when the temperature is high and high, and conversely to set the chamber B to high temperature and high pressure when the temperature is low and low. Can be made small and have high output.
気筒を1個または複数の往復流型タービンで仕切り各室へ加熱器の入り口側及び出口側を導通する流路と冷却器の入り口側及び出口側を導通する流路をそれぞれ設け、開閉弁の操作により隣接する各室の加熱、冷却の過程を逆になるようにすれば、往復流型タービン数の増加とともに各往復流型タービンに加わる圧力差を増加させることができ、小型で高出力とすることができる。 A cylinder is partitioned by one or a plurality of reciprocating turbines, and a flow path that connects the inlet side and the outlet side of the heater and a flow path that connects the inlet side and the outlet side of the cooler are provided to each chamber. If the heating and cooling processes of the adjacent chambers are reversed by operation, the pressure difference applied to each reciprocating turbine can be increased with the increase in the number of reciprocating turbines. can do.
以下、本発明を実施するための具体的な形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific modes for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関100の実施例を示す概略断面図である。
同図において、気室101の下部に隔壁110およびシリンダ111が設けられ、該シリンダ111内側へピストン112が設けられている。113はクランク、114は回転軸、115はフライホイールで構成されている。クランク113、回転軸114、フライホイール115は密閉されたクランク室116内に収められている。これらは、従来公知であるので詳細について言及しない。気室101上端にはファン120を設け、該ファン120下流にはチャンバー130が形成されている。ファン120を駆動する電動機(図示せず)は、気室101上部に設けられ、該ファン120は駆動軸121に固設されている。140は加熱器で、一端がチャンバー130と熱気入り口側流路141を介して導通し、他端が気室の下部と熱気出口側流路142を介して導通している。150は冷却器で、一端がチャンバー130と冷気入り口側流路151を介して導通し、他端が気室101の下部と冷気出口側流路152を介して導通している。143は、熱気入り口側流路141に設けられた開閉弁、144は、熱気出口側流路142に設けられた開閉弁、153は冷気入り口側流路151に設けられた開閉弁、154は冷気出口側流路152に設けられた開閉弁である。
図1の実線で示す開閉弁143、144、153、154の位置は加熱過程で、破線は冷却過程を示している。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of an external combustion type closed
In the figure, a
The positions of the on-off
上記作用は、まずファン120により気室内の窒素ガス等の作動ガスの流れが矢印方向に生じ、チャンバー130へ送り込まれ、開閉弁143、144開、開閉弁153、154閉と制御されているので、作動ガス流が矢印で示すように熱気入り口側流路141へ導かれ、加熱器140を通過して熱気出口側流路142から気室下部へ矢印で示すように流れ込むことにより、気室内の作動ガスが加熱されて高温・高圧となり膨張し、ピストン112を下方へ押し下げ、クランク113を介して回転軸114が回転される。この気室が加熱過程にある時、開閉弁153、154は閉じられた状態で、冷却器150内の作動ガスは冷却され続けている。次に、熱気出口側流路142の開閉弁144と熱気入り口側流路141の開閉弁143を破線で示す閉の位置とし、冷気出口側流路152の開閉弁154と冷気入り口側流路151の開閉弁153を破線で示す開の位置とすれば、気室内の高温・高圧の作動ガスは冷却器150内に流入して、気室内の圧力は急激に低下する。冷却器150内と気室内の圧力がほぼ均等になった時点で、気室、ファン120、冷気入り口側流路151、冷却器150、冷気出口側流路152、気室と作動ガスの循環が作動し、気室内の作動ガスが冷却・減圧され収縮するので、ピストン112はクランク室116内のガスの圧力で押し上げられ、(気室内は高圧であるので冷却時においても圧力は大気圧よりはるかに高い。)クランク113を介して回転軸114が回転される。この気室が冷却過程にある時、開閉弁143、144は閉じられた状態で、加熱器140内の作動ガスは加熱され続けている。従って、気室が加熱過程開始時、冷却過程が終了後の低温・低圧の気室を開閉弁143、144、153、154の切り替えで、急激に上昇させることができる。このように開閉弁143、144、153、154の開閉切り替えを繰り返すことにより、気室内の作動ガスは繰り返して加熱・冷却され、加圧・減圧される。
従来のスターリングエンジンの加熱器、冷却器が一部の期間動作するのに比し、上記したように加熱器140及び冷却器150は、全期間有効に作用しているため、性能は向上する。また加熱するための熱量、冷却するための冷熱量は全期間を通じて有効に利用され、従来のスターリングエンジンのように熱量、冷熱量の一部が無駄に消費されることがないため、システムの熱効率は向上する。
The above-described operation is because the flow of working gas such as nitrogen gas in the air chamber is generated in the direction of the arrow by the
Compared to the case where the conventional Stirling engine heater and cooler operate for a part of the period, as described above, the
図2は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関200の他の実施例を示す概略断面図である。
同図において、図1と共通する構成部品に同一符号を付与し、詳述を省略する。気室101は、隔壁110へ往復流型タービン210が設けられて、気室Aと気室Bに分割されている。往復流型タービン210には駆動軸211が設けられ、気室101下部壁に設けた耐圧貫通部212を貫通して、気室101下部外部に設けた発電機220と連接されている。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing another embodiment of the external combustion closed
In the figure, the same reference numerals are given to the components common to those in FIG. The
上記作用は、図1とほぼ同様であるが、異なる点について述べる。加熱過程の作動ガスが、気室A下部へ矢印で示すように流れ込むことにより、気室A内の作動ガスが加熱されて高温・高圧となり膨張し、往復流型タービン210を通過して気室Bへ流入し、往復流型タービン210を回転させ、回転軸211を介して発電機220が駆動され発電を行う。次に、冷却過程の作動ガスが、気室A下部へ流れ込むことにより、気室A内の高温・高圧の作動ガスは冷却器150内に流入して、気室A内の圧力は急激に低下し、気室A内の作動ガスが収縮するので、気室B内から往復流型タービン210を通過して気室Aへ逆流し、往復流型タービン210を先の過程と同じ方向に回転させ、回転軸211を介して発電機220が駆動され発電を行う。発電機220を運転し電気として動力を得ることができるとしたが、直接回転トルクとして動力を取り出すこともできる。生じる作動ガス気流方向は図で示すように加熱過程と冷却過程で逆方向であるが、往復流型タービン210は同一方向に回転トルクを発生する。
The above operation is almost the same as that shown in FIG. The working gas in the heating process flows into the lower part of the air chamber A as indicated by an arrow, so that the working gas in the air chamber A is heated to expand to a high temperature and a high pressure, and passes through the
図3は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関100、200の他の実施例を示す外燃式クローズドサイクル熱機関300の要部側断面図である。図1、2と共通するものには同じ符号を付与している。
同図において、気室101上部のチャンバー130に1つの開口310が設けられ、流路311と導通し、流路311終端に設けた三方弁320で分岐し、熱気入り口側流路141又は冷気入り口側流路151へ選択的に導通されている。加熱器140の熱気出口側流路142又は冷却器150の冷気出口側流路152は、三方弁321を介して選択的に流路331と導通され、該流路331は、気室101下部に設けた開口330と導通している。流路311と331を短く形成、又は設けないで、三方弁320と321を開口310部と330部に設けることもできる。
上記は、図1と2で述べた開閉弁143と153を一つの三方弁320、開閉弁144と154を一つの三方弁321にしたものである。
FIG. 3 is a side cross-sectional view of a main part of an external combustion type closed
In the figure, a
In the above, the on-off
図3の実線で示す三方弁320と321は、過熱過程の状態で、破線は冷却過程の状態で、切り替えを繰り返すことにより、気室内の作動ガスは繰り返して加熱・冷却され、加圧・減圧される。その作用は、図1と2と同じであるので記述を省略する。
The three-
図4は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関100の他の実施例を示す概略断面図である。
同図において、145と155は逆止弁で、実施例図1と2の熱気入り口側流路141に設けられた開閉弁143を逆止弁145に、冷気出口側流路152に設けられた開閉弁154を逆止弁155としたものである。
加熱過程にある時、気室内圧力と加熱器140内の圧力がほぼ等しくなった時点で、ファン120の圧力で逆止弁145が自動的に開く。この時気室は高圧であるので、冷気出口側流路152に設けられた逆止弁155から、作動ガスは冷却器150へ浸入しない。冷却過程にある時、気室内圧力と冷却器150内の圧力がほぼ等しくなった時点で、ファン120の圧力で逆止弁155が自動的に開く。この時気室は低圧であるので、熱気入り口側流路141に設けられた逆止弁145から、作動ガスは加熱器140へ浸入しない。
上記構造にすることによって、制御と構造を簡易化することができる。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing another embodiment of the external combustion closed
In the drawing,
During the heating process, the
With the above structure, the control and structure can be simplified.
図5は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関400の他の実施例を示す概略平面図である。
同図において、複数の気室(1)〜(4)を配列して多気筒とし、それぞれの気室(気筒)に導通する熱気入り口側流路141と熱気出口側流路142が、一つの加熱器140を共有し、それぞれの気室に導通する冷気入り口側流路151と冷気出口側流路152が、一つの冷却器150を共有している。410は加熱器ヘッダーで、それぞれの気室(気筒)に導通する熱気入り口側流路141を分岐し、420は加熱器ヘッダーで、それぞれの気室(気筒)に導通する熱気出口側流路142を集合している。430は冷却器ヘッダーで、それぞれの気室(気筒)に導通する冷気入り口側流路151を分岐し、440は冷却器ヘッダーで、それぞれの気室(気筒)に導通する冷気出口側流路152を集合している。450は、加熱器140と加熱器ヘッダー420間流路421に設けたファン、460は、冷却器150と冷却器ヘッダー440間流路461に設けたファンである。
FIG. 5 is a schematic plan view showing another embodiment of the external combustion type closed
In the figure, a plurality of air chambers (1) to (4) are arranged to form a multi-cylinder, and a hot air inlet-
加熱器140は、常に高温・高圧、冷却器150は常に低温・低圧に保たれているので、半数の気室(気筒)を冷却過程、他の半数の気室(気筒)を加熱過程となるように開閉弁143、144、153、154を切り替えれば、図1で詳述した作用を得ることができる。
Since the
図6は、図5で複数配置した気室(1)〜(4)部の断面図である。
同図において、気室(1)〜(4)にそれぞれ設けられているクランク室116は導通し、一つのクランク室470を形成している。各クランク113に連接する回転軸114は、中心軸を共有している。同図で示すように、ピストン112は各々の気筒ピストンが総和360°となる等位相差で動作し、気室(気筒)のピストン下部の容積を含む、クランク室470の空間容積が一定となる動作をする。
6 is a cross-sectional view of a plurality of air chambers (1) to (4) arranged in FIG.
In the figure, the crank
図7は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関500の他の実施例を示す要部断面図である。
同図において、ピストン112で気室101を気室Aと気室Bに仕切り、各気室に開口310と330がそれぞれ設けられ、三方弁320、321を介して熱気入り口側流路141、熱気出口側流路142、冷気入り口側流路151、冷気出口側流路152と導通し、さらに加熱器ヘッダー410、420、冷却器ヘッダー430、440と導通して、加熱器140、冷却器150と導通する作動ガスのクローズドサイクル回路を構成している。ファン450は、加熱器ヘッダー420端部に設けられ、高温・高圧の作動ガスを常時循環させ、ファン460は、冷却器ヘッダー440端部に設けられ、低温・低圧の作動ガスを常時循環させている。
図7の実線で示す三方弁321、320は、気室Aが冷却過程、気室Bが加熱過程にあり、気室AとBの間のピストン112は、気室Aが収縮、気室Bが膨張するので矢印方向に作用し、三方弁321,320を破線の位置に切り替えると矢印逆方向に作用し、ピストン112に連接されたクランク113部を介して回転軸114を回転させて、高出力の動力が得られる。
FIG. 7 is a cross-sectional view of an essential part showing another embodiment of the external combustion type closed
In the figure, the
The three-
図8は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関600の他の実施例を示す要部断面図である。
同図において、気室101を1個または複数の往復流型タービン210で仕切り、図では気室A、気室B、気室Cを設け、上記図7と同様の作動ガス流路で構成されている。
図8の実線で示す三方弁321、320は、気室AとCが加熱過程、気室Bが冷却過程にあり、気室間に設けられた往復流型タービン210は、気室AとCが膨張、気室Bが収縮するので作動ガスは矢印方向に移動し、三方弁321,320を破線の位置に切り替えると矢印逆方向に作用し、往復流型タービン210に作用して、駆動軸211が回転し、該駆動軸211一端に連接した発電機220で高出力の動力が得られる。気室Bには、気室A、C双方から作動ガスが流入・流出するので、加熱器、冷却器は、気室Bに対する加熱・冷却能力が、気室A、Cに対する加熱、冷却能力の合計と等しくなるように気室容積が設計されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of an essential part showing another embodiment of the external combustion type closed
In the figure, the
The three-
100 外燃式クローズドサイクル熱機関
101 気室
110 隔壁
111 シリンダ
112 パワーピストン
113 クランク
114 回転軸
115 フライホイール
116 クランク室
120 ファン
121 駆動軸
130 チャンバー
140 加熱器
141 熱気入り口側流路
142 熱気出口側流路
143、144、153、154 開閉弁
145、155 逆止弁
150 冷却器
151 冷気入り口側流路
152 冷気出口側流路
200 外燃式クローズドサイクル熱機関
210 往復流型タービン
211 駆動軸
212 耐圧貫通部
220 発電機
300 外燃式クローズドサイクル熱機関
310 開口
311 流路
320、321 三方弁
330 開口
331 流路
400 外燃式クローズドサイクル熱機関
410、420 加熱器ヘッダー
430、440 冷却器ヘッダー
450、460 ファン
421、461 流路
470 クランク室
500 外燃式クローズドサイクル熱機関
600 外燃式クローズドサイクル熱機関
100 external combustion type closed
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