JP2017008762A - 外燃式ロータリーエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率を向上させた外燃式ロータリーエンジンを提供する。【解決手段】本発明は、ハウジング１の内部空間Ｓ１にローター２を収容した外燃式ロータリーエンジンである。ハウジング１は、内部空間Ｓ１に連通する第一導入路１１１、第一排出路１１２、第二導入路１２１及び第二排出路１２２を備える。第一導入路１１１を通じて内部空間Ｓ１に導入した蒸気が第一排出路１１２から排出され、第二導入路１２１を通じて内部空間Ｓ１に導入した蒸気が第二排出路１２２から排出される。本発明においては、第一導入路１１１の開閉を制御する第一制御弁３１と、第二導入路１２１の開閉を制御する第二制御弁３２を、更に具備する。【選択図】図３

Description

本発明は、外燃式ロータリーエンジンに関し、詳しくは、ハウジングに収容したローターが偏心回転するように設けた外燃式ロータリーエンジンに関する。

特許文献１には、バンケル型の外燃式ロータリーエンジンが記載されている。この外燃式ロータリーエンジンは、ハウジングの内部空間にローターを収容した構造であり、該ハウジングには、流体導入口と流体排出口を二対形成している。作動流体は、流体導入口から内部空間に導入され、該流体導入口と対をなす流体排出口を通じて、ハウジングの外部に排出される。この導入及び排出される作動流体の圧力によって、ローターが内部空間で偏心回転する。

特開２０１０−５３８６０号公報

外燃式ロータリーエンジンを用いて、低温領域の排熱を高効率で回収するためには、外燃式ロータリーエンジンのエネルギー効率を高めることが要求される。

本発明が解決しようとする課題は、エネルギー効率を向上させた外燃式ロータリーエンジンを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明の一態様に係る外燃式ロータリーエンジンは、内部空間を設けたハウジングと、前記内部空間に収容されるローターを具備する。前記ハウジングは、前記内部空間に連通する第一導入路、第一排出路、第二導入路及び第二排出路を備える。

本発明の一態様に係る外燃式ロータリーエンジンにおいては、前記第一導入路を通じて前記内部空間に導入した蒸気が前記第一排出路から排出され、前記第二導入路を通じて前記内部空間に導入した蒸気が前記第二排出路から排出されることで、前記ローターを偏心回転させるように構成されている。

更に、本発明の一態様に係る外燃式ロータリーエンジンは、前記第一導入路の開閉を制御する第一制御弁と、前記第二導入路の開閉を制御する第二制御弁を具備する。

本発明は、エネルギー効率を向上させた外燃式ロータリーエンジンを提供することができるという効果を奏する。

一実施形態の外燃式ロータリーエンジンを示す斜視図である。 一実施形態の外燃式ロータリーエンジンを示す正面図である。 一実施形態の外燃式ロータリーエンジンを示す正面断面図である。 図４Ａは、一実施形態の弁装置の斜視図であり、図４Ｂは、一実施形態の弁装置の正面図であり、図４Ｃは、図４Ｂのａ−ａ線断面図であり、図４Ｄは、図４Ｃのｂ−ｂ線断面図であり、図４Ｅは、図４Ｃのｃ−ｃ線断面図である。 図５Ａは、一実施形態の弁装置が備える筒体の斜視図であり、図５Ｂは、一実施形態の弁装置が備える筒体の側面図であり、図５Ｃは、図５Ｂのｄ−ｄ線断面図であり、図５Ｄは、図５Ｂのｅ−ｅ線断面図である。 図６Ａと図６Ｂは、一実施形態の弁装置でオーバーラップ現象を抑える様子を示す模式図であり、図６Ｃは、開弁を始める別のタイミングを説明する模式図である。 一実施形態の弁装置でスルーパス現象を抑える様子を示す模式図である。 図８Ａと図８Ｂは、一実施形態の弁装置で断熱膨張を生じさせる様子を示す模式図である。 図９Ａは、一実施形態の弁装置が備える筒体の変形例を示す斜視図であり、図９Ｂは、一実施形態の弁装置が備える筒体の変形例を示す側面図であり、図９Ｃは、図９Ｂのｆ−ｆ線断面図である。

図１〜図３には、本発明の一実施形態の外燃式ロータリーエンジンを示している。以下においては、外燃式ロータリーエンジンを、単に「ロータリーエンジン」と称する。

本実施形態のロータリーエンジンは、ハウジング１と、ハウジング１に収容されたローター２（図３参照）を備える、二節三葉のバンケル型のロータリーエンジンである。

本実施形態のロータリーエンジンは、ハウジング１の外面１３に装着された第一制御弁３１と、ハウジング１の外面１３に装着された第二制御弁３２と、第一制御弁３１と第二制御弁３２を開閉駆動させる連動機構６を、更に備える。

まず、ハウジング１の構成について説明する。

図３に示すように、ハウジング１には、ローター２を収容可能な内部空間Ｓ１を設けている。内部空間Ｓ１は、ハウジング１の内面１４に囲まれる空間である。

ハウジング１の内面１４は、ペリトロコイド曲線に沿って形成される繭型の断面形状を有する。即ち、ハウジング１の内面１４に囲まれる内部空間Ｓ１は、中央にくびれ部分を設けた繭型の断面形状を有する。

内部空間Ｓ１は、互いに直交する長手方向ｄ１と短手方向ｄ２を有する。内部空間Ｓ１は、長手方向ｄ１の一方の半部に第一空間Ｓ１１を有し、長手方向ｄ２の他方の半部に第二空間Ｓ１２を有する。第一空間Ｓ１１と第二空間Ｓ１２の境界領域に、くびれ部分が位置する。

本実施形態では、内部空間Ｓ１の長手方向ｄ１が、ハウジング１の上下方向であり、内部空間Ｓ１の短手方向ｄ２が、ハウジング１の左右方向である。

ハウジング１は、内部空間Ｓ１に連通する第一導入路１１１、第一排出路１１２、第二導入路１２１及び第二排出路１２２を、更に備える。

第一導入路１１１と第一排出路１１２は、内部空間Ｓ１のうち第一空間Ｓ１１と連通する位置にある。第二導入路１２１と第二排出路１２２は、内部空間Ｓ１のうち第二空間Ｓ１２と連通する位置にある。第一導入路１１１と第二排出路１２２が長手方向ｄ１に並んで位置し、第一排出路１１２と第二導入路１２１が長手方向ｄ１に並んで位置する
次に、ローター２の構成について説明する。

図３に示すように、ローター２の外面２１は、ペリトロコイド曲線の内包絡線に沿って形成される略三角形状の断面形状を有する。外面２１の断面形状は、正三角形の各辺を膨らませたような形状である。外面２１は、三箇所の頂部２２を有する。本実施形態では、ローター２が有する三箇所の頂点にそれぞれ設けたシールによって、三箇所の頂部２２を形成している。

ローター２は、ニードルベアリング４２を介して、駆動軸４が有する偏心部４１まわりに回転自在である。偏心部４１は、駆動軸４の回転中心Ａ１から所定の偏心量Ｅ１だけ偏心した円柱状の形状を有する。

ローター２は、三箇所の頂部２２をハウジング１の内面１４に接触させながら、回転中心Ａ１から所定の偏心量Ｅ１で偏心回転することができる。ローター２とハウジング１の間の空間は、ローター２の三箇所の頂部２２を境として、三つの作動室に区分される。

本実施形態において、ローター２を偏心回転させるために内部空間Ｓ１に供給する蒸気は、水、代替フロン系冷媒、アンモニア等の低沸点の作動流体を、加熱により蒸発させた蒸気である。即ち、蒸気は、水を蒸発させたものに限らない。蒸気は、第一導入路１１１と第二導入路１２１を通じて内部空間Ｓ１に導入される。

第一導入路１１１を通じて内部空間Ｓ１（第一空間Ｓ１１）に導入された蒸気は、前記三つの作動室のいずれかを経由して、第一排出路１１２から排出される。第二導入路１２１を通じて内部空間Ｓ１（第二空間Ｓ１２）に導入された蒸気は、前記三つの作動室のいずれかを経由して、第二排出路１２２から排出される。

このときの蒸気の圧力がローター２に作用することで、ローター２は回転方向ｒ２に偏心回転する。ローター２の偏心回転は、駆動軸４の回転中心Ａ１まわりの回転として出力される。回転方向ｒ２を基準としたとき、第一導入路１１１、第一排出路１１２、第二導入路１２１及び第二排出路１２２は、この順に位置する。

次に、第一制御弁３１と第二制御弁３２の構成について説明する。

本実施形態のロータリーエンジンにおいては、第一制御弁３１と第二制御弁３２を備え、蒸気を内部空間Ｓ１に供給するタイミングや供給量を制御することで、エネルギー効率を向上させる。

第一制御弁３１は、ローター２の偏心回転に連動して第一導入路１１１を開閉し、内部空間Ｓ１の第一空間Ｓ１１に蒸気を供給するタイミングや供給量を制御する。第二制御弁３２は、ローター２の偏心回転に連動して第二導入路１２１を開閉し、内部空間Ｓ１の第二空間Ｓ１２に蒸気を供給するタイミングや供給量を制御する。

第一制御弁３１と第二制御弁３２は共に、図４Ａ〜図４Ｅに示す弁装置５を用いて構成する。

以下、弁装置５の構造について説明する。

図４Ａ〜図４Ｅに示すように、本実施形態の弁装置５は、蒸気を内部５１１に導入するように設けた円筒状の筒体５１と、筒体５１を収容するケース５２を備える。ケース５２内において、筒体５１は軸まわりに回転自在である。

図５Ａ〜図５Ｄに示すように、筒体５１は、軸方向の一方が開口し、軸方向の他方が閉塞した有底円筒状の形状を有する。筒体５１の前記開口が、筒体５１の軸方向に沿って蒸気を導入する導入口５１４である。

筒体５１は更に、径方向に貫通する一対の通気孔５１２と、径方向に貫通する一対の補助通気孔５１３を有する。

通気孔５１２は、筒体５１を構成する周壁５１５の一部の領域（以下「第一領域」という。）において、軸方向に並んで位置する矩形状の孔である。補助通気孔５１３は、周壁５１５のうち前記第一領域とは別の領域（以下「第二領域」という。）において、軸方向に並んで位置する。

前記第一領域と前記第二領域は、周壁５１５において周方向に距離を隔てて位置する。前記第一領域にある通気孔５１２と、前記第二領域にある補助通気孔５１３とは、筒体５１の内部５１１を挟んで互いに反対側に位置する。各補助通気孔５１３は、各通気孔５１２よりも大幅に小さな開口面積を有する。

通気孔５１２は一対に限定されず、一つ或いは三以上の複数でもよい。同じく、補助通気孔５１３は一対に限定されず、一つ或いは三以上の複数でもよい。

図４Ａ〜図４Ｅに示すように、ケース５２は、筒体５１を回転自在に収容することのできる断面円形状の収容空間５２１を備える。ケース５２は、収容空間５２１に連通する一対のポート５２２と、開口５２４を有する。

一対のポート５２２は、ケース５２を構成する周壁５２５を、径方向に貫通する。一対のポート５２２は、軸方向に並んで位置する。一対のポート５２２は、筒体５１が所定の回転位置にあるときに、筒体５１が有する一対の通気孔５１２と一対一で連通する。ポート５２２は一対に限定されず、一つ或いは三以上の複数でもよい。

開口５２４は、ケース５２の軸方向に貫通し、筒体５１の回転位置に関わらず、筒体５１が有する導入口５１４と連通する。

本実施形態の弁装置５においては、ケース５２に対する筒体５１の回転位置が、通気孔５１２とポート５２２が連通する回転位置であるときに、蒸気を通過させる開弁状態となる。図４Ｃに白抜き矢印で示すように、蒸気は、軸方向に沿って弁装置５に導入され、径方向に沿って弁装置５から排出される。蒸気の導入方向と排出方向は、互いに直交する。

一方、ケース５２に対する筒体５１の回転位置が、通気孔５１２とポート５２２が連通しない回転位置であるときに、蒸気を遮断する閉弁状態となる。

更に、本実施形態の弁装置５においては、筒体５１を無潤滑でも円滑に回転させるための構造として、筒体５１とケース５２の間に隙間５３を形成し、隙間５３に蒸気を送り込む流路５４を設けている。

隙間５３は、筒体５１が周壁５１５に有する面５１６と、ケース５２の内面との間に形成される。周壁５１５の面５１６は、周壁５１５の外面の一部を周囲よりも一段凹ませた面である。

図５Ｃに示すように、周壁５１５のうち面５１６以外の外面は、点Ｐ１を中心とした半径Ｒ１の断面円形状の形状を有する。周壁５１５の面５１６は、点Ｐ１を中心とした半径Ｒ２の断面円弧状の形状を有する。半径Ｒ２は、半径Ｒ１よりも僅かに小さく設けている。

筒体５１の面５１６は、補助通気孔５１３と同じく前記第二領域に位置する。筒体５１の面５１６とケース５２の内面に囲まれる隙間５３と、筒体５１の前記第一領域に存在する通気孔５１２とは、筒体５１の内部５１１を挟んで互いに反対側に位置する。

流路５４は、筒体５１の周壁５１５を径方向に貫通する。流路５４の一端が筒体５１の内部５１１に連通し、他端が隙間５３に連通することができる。本実施形態では、一対の流路５４を軸方向に距離をあけて設けているが、流路５４は一つ或いは三以上の複数でもよい。

ケース５２の内面には、隙間５３の一部を径方向に拡張させる溝部５２３を、軸方向に距離をあけて一対設けている。溝部５２３は、収容空間５２１を挟んでポート５２２とは反対側に位置する。弁装置５が開弁しているとき、流路５４は隙間５３に連通する。特に、弁装置５が全開状態にあるとき、一対の流路５４は、一対の溝部５２３に対して一対一で連通する。

したがって、本実施形態の弁装置５において、開弁時には、筒体５１の内部５１１と隙間５３とが、流路５４を介して連通し、蒸気の一部が隙間５３に送り込まれる。これにより、筒体５１の内部５１１と隙間５３の間に圧力差が生じることを抑制し、筒体５１を回転させる際の抵抗を極小化することができ、筒体５１を円滑に回転させることが可能となり、また、筒体５１の摩耗を大幅に抑制することが可能となる。

仮に、隙間５３や流路５４を設けない場合は、筒体５１の前記第一領域では通気孔５１２から蒸気が抜けていくのに対して、筒体５１の前記第二領域には蒸気の圧力がかかり、ケース５２に押し付けられる。これに対して、本実施形態の弁装置５では隙間５３に蒸気を送り込むことで、筒体５１をケース５２に押し付ける力を極小化する。

なお、開弁時に隙間５３からポート５２２に蒸気が漏れることを避けるため、溝部５２３を、ケース５２の内面の周方向の一部にだけ形成し、溝部５２３とポート５２２の間には、周方向に十分な距離を設けている。また、筒体５１の面５１６を周方向の一部にだけ形成し、面５１６と通気孔５１２の間には周方向に距離を設けている。

次に、連動機構６について説明する。

図１や図２に示す連動機構６は、弁装置５で構成した第一制御弁３１と、同じく弁装置５で構成した第二制御弁３２を、ローター２の偏心回転に連動して開閉駆動する機構である。

連動機構６は、駆動プーリー６０、第一受動プーリー６１１、第一タイミングベルト６１２、第一アイドラー６１３、第二受動プーリー６２１、第二タイミングベルト６２２及び第二アイドラー６２３を備える。

駆動プーリー６０は駆動軸４に固定されており、駆動プーリー６０と駆動軸４は一体に回転する。

第一受動プーリー６１１は、第一制御弁３１を構成する弁装置５に装着され、該弁装置５の筒体５１と一体に回転する。第一タイミングベルト６１２は、駆動プーリー６０と第一受動プーリー６１１との間に架け渡され、駆動プーリー６０が一回転する毎に第一受動プーリー６１１を一回転させる。第一アイドラー６１３は、第一タイミングベルト６１２にテンションを与える。

第二受動プーリー６２１は、第二制御弁３２を構成する弁装置５に装着され、該弁装置５の筒体５１と一体に回転する。第二タイミングベルト６２２は、駆動プーリー６０と第二受動プーリー６２１との間に架け渡され、駆動プーリー６０が一回転する毎に第二受動プーリー６２１を一回転させる。第二アイドラー６２３は、第二タイミングベルト６２２にテンションを与える。

本実施形態の連動機構６を備えることで、駆動軸４を回転させる出力の一部を、第一制御弁３１と第二制御弁３２に分散して伝達し、各制御弁３１，３２を、ローター２の偏心回転とタイミングを合わせて開閉させることができる。

二節三葉のバンケル型のロータリーエンジンでは、ローター２が一回転する間に、駆動軸４が三回転する。したがって、連動機構６は、ローター２が内部空間Ｓ１内で一回転する毎に、第一制御弁３１を構成する弁装置５の筒体５１を三回転させるとともに、第二制御弁３２を構成する弁装置５の筒体５１を三回転させる。筒体５１が一回転する毎に、弁装置５の開弁状態と閉弁状態が交互に切り替わる。

即ち、内部空間Ｓ１に形成される三つの作動室のそれぞれに対応して、弁装置５の筒体５１が一回転し、弁装置５の開閉動作が一回行われることになる。

ところで、本実施形態のロータリーエンジンを始動させるタイミングで、第一制御弁３１と第二制御弁３２を構成する弁装置５が共に閉弁した状態にあると、ロータリーエンジンを始動せることができない虞がある。つまり、第一制御弁３１と第二制御弁３２が共に閉弁しており、内部空間Ｓ１に蒸気を供給することができないと、ローター２が回転を始めないことから、第一制御弁３１と第二制御弁３２は閉弁状態を維持し、ロータリーエンジンを始動させることができないという虞がある。

これに対して、本実施形態の弁装置５では、筒体５１の通気孔５１２がポート５２２に連通しない閉弁状態で、通気孔５１２の反対側に位置する微小な補助通気孔５１３がポート５２２に連通し、補助通気孔５１３を通じて、閉弁状態であっても僅かな蒸気が内部空間Ｓ１に供給されるように設けている。

これにより、第一制御弁３１と第二制御弁３２が共に閉弁していても、本実施形態のロータリーエンジンを始動させることが可能である。なお、補助通気孔５１３は微小孔であるから、閉弁時の遮蔽性には殆ど影響を及ぼさない。

本実施形態のロータリーエンジンは、前記した各構成を具備することから、ローター２の偏心回転とタイミングを合わせて第一制御弁３１と第二制御弁３２を自動的に開閉させ、蒸気供給のタイミングや供給量をコントロールすることで、エネルギー効率を向上させることができる。

具体的には、第一制御弁３１と第二制御弁３２を用い、ローター２の死点付近では蒸気を十分に供給したうえで、適切なタイミングで蒸気の供給を中断することによって、ロータリーエンジンで生じるオーバーラップ現象とスルーパス現象を抑制し、且つ断熱膨張が生じる期間を増大させる。

以下においては、オーバーラップ現象の抑制について説明する。

図６Ａと図６Ｂには、本実施形態の弁装置５を用いてオーバーラップ現象を抑える様子を、模式的に示している。

オーバーラップ現象は、第一導入路１１１と第二排出路１２２の間で生じ得る現象であり、同様に、第二導入路１２１と第一排出路１１２の間で生じ得る現象である。

第一導入路１１１と第二排出路１２２の間で生じるオーバーラップ現象は、ローター２の外面２１とハウジング１の内面１４との間に形成された作動室７１が、第一導入路１１１と第二排出路１２２に連通するタイミングで、作動室７１を介して、第一導入路１１１から第二排出路１２２に蒸気が抜ける現象である。ハウジング１の内面１４は中央にくびれ部分を有するが、該くびれ部分とローター２との間には僅かな隙間が存在し、該隙間を通じて蒸気は移動可能である。第二導入路１２１と第一排出路１１２の間で生じるオーバーラップ現象も、同様のメカニズムである。

これに対して、本実施形態のロータリーエンジンでは、図６Ａと図６Ｂに示すように、弁装置５で構成された第一制御弁３１を第一導入路１１１に装着し、作動室７１が第一導入路１１１と第二排出路１２２に連通するタイミングで、第一制御弁３１が閉弁するように設けている。これにより、第一導入路１１１から第二排出路１２２に蒸気が抜けるオーバーラップ現象を抑え、エネルギー効率を向上させることができる。

図６Ａと図６Ｂに示す回転方向ｒ５は、筒体５１が回転する方向である。図６Ｂは、第一制御弁３１が開弁を始めるタイミングを示している。図６Ｂのように、ローター２が死点(上死点)付近にあり且つ作動室７１の容積がなるべく小さいタイミングで、第一制御弁３１が開弁を始め、これにより作動室７１に蒸気を十分に供給し、適切なタイミングで蒸気の供給を中断することによって、供給する蒸気量を抑えながら効率的にローター２を回転させることが可能となる。

第二導入路１２１と第一排出路１１２の間でのオーバーラップ現象を抑えるために、第二制御弁３２で第二導入路１２１を開閉するタイミングは、第一制御弁３１と同様である。つまり、第一制御弁３１の場合と同様であるため図示を省略しているが、ローター２とハウジング１の間に形成される作動室が、第二導入路１２１と第一排出路１１２に連通するタイミングで、第二制御弁３２が閉弁するように設けることで、第二導入路１２１から第一排出路１１２に蒸気が抜けるオーバーラップ現象を抑え、エネルギー効率を向上させることができる。

図６Ｃには、第一制御弁３１が開弁を始める別のタイミングを示している。図６Ｃに示すように、作動室７１が第一導入路１１１と第二排出路１２２に連通する状態で、第一制御弁３１が開弁を始めるように設定することも可能である。

図６Ｃに示すタイミングでは、オーバーラップ現象を防止できないように見えるが、第一制御弁３１を開弁してから実際に蒸気が作動室７１に流入するまでにはタイムラグがあり、また、筒体５１が回転して通気孔５１２とポート５２２が完全に重なる（つまり弁装置５が全開になる）までにもタイムラグがあるため、実用的にはオーバーラップ現象を防止する効果が得られる。

一方、図６Ｃに示すタイミングで第一制御弁３１が開弁を始めるように設定した場合には、死点付近で、高い圧力で作動室７１に蒸気を供給することができ、給気時間も長くなるため、ローター２を効率的に回転させることができる。

なお、作動室７１が第一導入路１１１と第二排出路１２２に連通する状態で、第一制御弁３１が開弁を始めるように設定する場合、開弁を始めるタイミングは、駆動軸４の回転角を基準として、死点前約６０°〜死点の間であることが好ましい。図６Ｃには、死点前６０°の位置にあるローター２を想像線で示し、符号２Ａを付している。同じく、死点の位置にあるローター２を想像線で示し、符号２Ｂを付している。

第一制御弁３１を開弁してから実際に蒸気が作動室７１に流入するまでのタイムラグは、蒸気として用いる作動流体の種類によって異なる。そのため、作動流体の種類に応じて、第一制御弁３１が開弁を始めるタイミングを設定することが好ましい。

第二制御弁３２においても、開弁後に蒸気が流入するまでのタイムラグを考慮して、第一制御弁３１と同様のタイミングで開弁を始めることが可能である。

次に、スルーパス現象の抑制について説明する。

図７には、本実施形態の弁装置５を用いてスルーパス現象を抑える様子を、模式的に示している。

スルーパス現象は、第一導入路１１１と第一排出路１１２の間で生じ得る現象であり、同様に、第二導入路１２１と第二排出路１２２の間で生じ得る現象である。

第一導入路１１１と第一排出路１１２の間で生じるスルーパス現象は、ローター２の外面２１とハウジング１の内面１４との間に形成された作動室７２が、第一導入路１１１と第一排出路１１２に連通するタイミングで、作動室７２を介して、第一導入路１１１から第一排出路１１２に蒸気が抜ける現象である。第二導入路１２１と第二排出路１２２の間で生じるスルーパス現象も、同様のメカニズムである。

これに対して、本実施形態のロータリーエンジンでは、図７に示すように、弁装置５で構成された第一制御弁３１を第一導入路１１１に装着し、作動室７２が第一導入路１１１と第一排出路１１２に連通するタイミングで、第一制御弁３１が閉弁するように設けている。これにより、第一導入路１１１から第一排出路１１２に蒸気が抜けるスルーパス現象を抑え、エネルギー効率を向上させることができる。図７中の回転方向ｒ５は、筒体５１が回転する方向である。

第二導入路１２１と第二排出路１２２の間でのスルーパス現象を抑えるために、第二制御弁３２で第二導入路１２１を開閉するタイミングは、第一制御弁３１と同様である。つまり、第一制御弁３１の場合と同様であるため図示を省略しているが、ローター２とハウジング１の間に形成される作動室が、第二導入路１２１と第二排出路１２２に連通するタイミングで、第二制御弁３２が閉弁するように設けることで、第二導入路１２１から第二排出路１２２に蒸気が抜けるスルーパス現象を抑え、エネルギー効率を向上させることができる。

次に、断熱膨張について説明する。

図８Ａと図８Ｂには、本実施形態の弁装置５を用いて断熱膨張を生じさせる様子を、模式的に示している。

本実施形態のロータリーエンジンでは、図８Ａや図８Ｂに示すように、弁装置５で構成された第一制御弁３１を第一導入路１１１に装着しており、ローター２の外面２１とハウジング１の内面１４との間に形成される作動室７３が、第一導入路１１１に連通し且つ第一排出路１１２に連通しない膨張過程にあるタイミングで、第一制御弁３１が閉弁するように設けている。

これにより、作動室７３において断熱膨張を生じさせ、エネルギー効率を向上させることができる。図８Ａ、図８Ｂ中の回転方向ｒ５は、筒体５１が回転する方向である。

断熱膨張のために第一制御弁３１を閉弁するタイミングは、駆動軸４の回転角を基準として、死点後約９０°〜死点後約１８０°の間であることが好ましい。図８Ａには、死点後９０°の位置にあるローター２を想像線で示して符号２Ｃを付し、死点後１８０°の位置にあるローター２を想像線で示して符号２Ｄを付している。

第一制御弁３１を閉弁するタイミングが早いと、断熱膨張の期間が長くなってエネルギー効率が向上する反面、出力は出にくくなる。閉弁のタイミングが遅いと、出力が出やすくなる反面、断熱膨張の期間が短くなってエネルギー効率は向上しにくくなる。閉弁のタイミングは、蒸気に用いる作動流体の種類も考慮して、出力とエネルギー効率が両立されるタイミングで設定することが好ましい。

断熱膨張を生じさせるために第二制御弁３２を閉弁するタイミングは、第一制御弁３１と同様である。つまり、第一制御弁３１の場合と同様であるため図示を省略しているが、ローター２とハウジング１の間に、第二導入路１２１に連通し且つ第二排出路１２２に連通しない膨張過程の作動室が形成されるタイミングで、第二制御弁３２を閉弁させることで、該作動室において断熱膨張を生じさせ、エネルギー効率を向上させることができる。

以上、説明したように、本実施形態のロータリーエンジンでは、第一制御弁３１と第二制御弁３２をハウジング１に装着し、これらをローター２の偏心回転に合わせたタイミングで開閉させることで、ローター２の死点付近では速やかに圧力を上げながら蒸気を供給し、更に、オーバーラップ現象を抑制するという第一の作用と、スルーパス現象を抑制するという第二の作用と、断熱膨張を生じさせるという第三の作用を、共に及ぼすように構成している。

このため、本実施形態のロータリーエンジンにおいては、定格出力時に必要な蒸気量を極力小さくし、且つ、最大出力を極力大きくすることができる。

スルーパス現象については、完全に防止することも可能である。また、第一制御弁３１と第二制御弁３２の開閉するタイミングを、前記した第一、第二及び第三の作用のうち、いずれか一つ又は二つを及ぼすように構成することも可能である。

また、本実施形態のロータリーエンジンでは、第一導入路１１１に第一制御弁３１を装着し、第二導入路１２１に第二制御弁３２を装着しているが、更に、第一排出路１１２に第三制御弁を装着するとともに第二排出路１２２に第四制御弁を装着し、第三及び第四制御弁を、ローター２の偏心回転に合わせて開閉するように構成することも可能である。第三及び第四制御弁は、第一及び第二制御弁３１，３２と同様に、弁装置５により構成することが可能である。また、第三及び第四制御弁を開閉駆動させるために、連動機構６と同様の機構を備えることも可能である。

第三及び第四制御弁を更に備えることで、蒸気を供給するタイミングと排出するタイミングを共に制御し、更にエネルギー効率を高めることができる。特に、オーバーラップ現象を完全に防止することが可能となる。

次に、本実施形態のロータリーエンジンの変形例について説明する。

図９Ａ〜図９Ｃには、筒体５１の変形例を示している。

この変形例では、筒体５１に形成する一対の通気孔５１２を、共に五角形状に設けている。各通気孔５１２において、筒体５１の回転方向ｒ５に位置する端縁５１２ａは一直線状であり、回転方向ｒ５の逆方向に位置する端縁５１２ｂは、Ｖ字状である。

これに対して、ケース５２に形成する一対のポート５２２は、共に矩形状である（図４Ａ参照）。そのため、図９Ａ〜図９Ｃに示す筒体５１を用いて弁装置５を構成すれば、筒体５１が回転方向ｒ５に回転して開弁状態から閉弁状態に切り替わる際の振動を、抑制することができる。

つまり、通気孔５１２がＶ字状の端縁５１２ｂを有することで、開弁状態から閉弁状態に切り替わる際に、蒸気が急激に遮断されることを避け、弁装置５に生じる振動を抑制することができる。

なお、各通気孔５１２において、筒体５１の回転方向ｒ５に位置する端縁５１２ａをＶ字状に設け、回転方向ｒ５の逆方向に位置する端縁５１２ｂを一直線状に設けることも可能である。また、両側の端縁５１２ａ，５１２ｂをＶ字状に設けることも可能である。

通気孔５１２の端縁５１２ａをＶ字状に設けた場合には、弁装置５が閉弁状態から開弁状態に切り替わる際の振動を、抑えることができる。

また、この変形例では、周壁５１５の面５１６以外の外面が、点Ｐ１を中心とした断面円形状の形状を有するのに対して、周壁５１５の面５１６は、点Ｐ２を中心とした断面円弧状の形状を有する（図９Ｃ参照）。点Ｐ１と点Ｐ２とは、偏心量Ｅ２だけ互いにずれて位置する。これにより、周壁５１５の面５１６は、周壁５１５の外面の一部を周囲よりも一段凹ませた面となっている。

次に、本実施形態のロータリーエンジンの特徴について、改めて述べる。

前述したように、本実施形態のロータリーエンジンは、内部空間Ｓ１を設けたハウジング１と、内部空間Ｓ１に収容されるローター２を具備する。ハウジング１は、内部空間Ｓ１に連通する第一導入路１１１、第一排出路１１２、第二導入路１２１及び第二排出路１２２を備える。

本実施形態のロータリーエンジンでは、第一導入路１１１を通じて内部空間Ｓ１に導入した蒸気が第一排出路１１２から排出され、第二導入路１２１を通じて内部空間Ｓ１に導入した蒸気が第二排出路１２２から排出されることで、ローター２を偏心回転させる。

第１の特徴として、本実施形態のロータリーエンジンは、第一導入路１１１の開閉を制御する第一制御弁３１と、第二導入路１２１の開閉を制御する第二制御弁３２を具備する。

そのため、本実施形態のロータリーエンジンでは、第一制御弁３１によって、第一導入路１１１を通じて内部空間Ｓ１に蒸気を供給するタイミングと、供給を中断するタイミングをコントロールし、且つ、第二制御弁３２によって、第二導入路１２１を通じて内部空間Ｓ１に蒸気を供給するタイミングと、供給を中断するタイミングをコントロールすることによって、エネルギー効率を向上させることが可能となる。エネルギー効率を向上させたロータリーエンジンを提供し、該ロータリーエンジンに熱交換器や凝縮器を組み合せてランキンサイクルを構成することで、低温領域（例えば４０°〜２００°）の排熱を高効率で回収して、機械的エネルギーや電気的エネルギーに変換する排熱回収システムが実現される。

第２の特徴として、本実施形態のロータリーエンジンにおいては、ローター２の偏心回転に連動して第一制御弁３１と第二制御弁３２を開閉させる連動機構６を、更に具備する。

そのため、本実施形態のロータリーエンジンでは、ローター２が偏心回転する動力を、連動機構６を介して第一制御弁３１と第二制御弁３２に伝達し、第一導入路１１１と第二導入路１２１の開閉をローター２の偏心回転に合わせて自動的に切り替えることが可能となる。

第３の特徴として、本実施形態のロータリーエンジンにおいては、ローター２とハウジング１との間に、第一導入路１１１と第二排出路１２２に連通する作動室が形成されるタイミングで、第一制御弁３１を閉弁させてオーバーラップ現象を抑える。また、ローター２とハウジング１との間に、第二導入路１２１と第一排出路１１２に連通する作動室が形成されるタイミングで、第二制御弁３２を閉弁させてオーバーラップ現象を抑える。

そのため、本実施形態のロータリーエンジンでは、第一制御弁３１と第二制御弁３２を用いてオーバーラップ現象を抑制し、エネルギー効率を向上させることが可能となる。

第４の特徴として、本実施形態のロータリーエンジンにおいては、ローター２とハウジング１との間に、第一導入路１１１と第一排出路１１２に連通する作動室が形成されるタイミングで、第一制御弁３１を閉弁させてスルーパス現象を抑える。また、ローター２とハウジング１との間に、第二導入路１２１と第二排出路１２２に連通する作動室が形成されるタイミングで、第二制御弁３２を閉弁させてスルーパス現象を抑える。

そのため、本実施形態のロータリーエンジンでは、第一制御弁３１と第二制御弁３２を用いてスルーパス現象を抑制し、エネルギー効率を向上させることが可能となる。

第５の特徴として、本実施形態のロータリーエンジンにおいては、ローター２とハウジング１との間に、第一導入路１１１に連通し且つ第一排出路１１２に連通しない膨張過程の作動室が形成されるタイミングで、第一制御弁３１を閉弁させて断熱膨張を生じさせる。また、ローター２とハウジング１との間に、第二導入路１２１に連通し且つ第二排出路１２２に連通しない膨張過程の作動室が形成されるタイミングで、第二制御弁３２を閉弁させて断熱膨張を生じさせる。

そのため、本実施形態のロータリーエンジンでは、第一制御弁３１と第二制御弁３２を用いて断熱膨張を生じさせ、エネルギー効率を向上させることが可能となる。

第６の特徴として、本実施形態のロータリーエンジンにおいて、第一制御弁３１と第二制御弁３２は、蒸気が内部５１１に導入される筒体５１と、筒体５１を回転自在に収容するケース５２を備えた弁装置５である。第一制御弁３１と第二制御弁３２の一方だけを弁装置５で構成することも可能である。筒体５１は、径方向に貫通する通気孔５１２を備える。ケース５２は、通気孔５１２と連通することのできるポート５２２を備える。筒体５１が、通気孔５１２とポート５２２が連通する回転位置にあるときに、弁装置５が開弁する。筒体５１が、通気孔５１２とポート５２２が連通しない回転位置にあるときに、弁装置５が閉弁する。

そのため、本実施形態のロータリーエンジンでは、ローター２の偏心回転に合わせて筒体５１を回転させることで弁装置５の開閉を制御し、エネルギー効率を向上させることができる。

第７の特徴として、本実施形態のロータリーエンジンにおいては、弁装置５が、筒体５１とケース５２との間に介在する隙間５３に対して蒸気の一部を送り込む流路５４を、更に備える。

そのため、本実施形態のロータリーエンジンでは、無潤滑であっても筒体５１を円滑に回転させることができ、また、筒体５１の摩耗を大幅に低減させることができる。筒体５１の摩耗低減のために潤滑油を用いる必要がないため、蒸気中に潤滑油が混入して障害の原因となることも防止される。

第８の特徴として、本実施形態のロータリーエンジンにおいては、筒体５１が、通気孔５１２よりも微小な補助通気孔５１３を更に備える。そして、筒体５１が、通気孔５１２とポート５２２が連通しない回転位置にあるときに、補助通気孔５１３がポート５２２と連通するように設けている。

そのため、本実施形態のロータリーエンジンでは、エンジン始動のタイミングで、弁装置５が閉弁した状態にあるときでも、補助通気孔５１３を通じて僅かな蒸気を内部空間Ｓ１に供給し、ローター２を回転させることで、エンジンを始動させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されない。本発明の意図する範囲内であれば、適宜の設計変更を行うことが可能である。

１ ハウジング
１１１ 第一導入路
１１２ 第一排出路
１２１ 第二導入路
１２２ 第二排出路
３１ 第一制御弁
３２ 第二制御弁
２ ローター
４ 駆動軸
５ 弁装置
５１ 筒体
５２ ケース
５３ 隙間
５４ 流路
５１１ 内部
５１２ 通気孔
５１３ 補助通気孔
５２１ 収容空間
５２２ ポート
６ 連動機構
Ｓ１ 内部空間

Claims (8)

1. 内部空間を設けたハウジングと、
   前記内部空間に収容されるローターを具備し、
   前記ハウジングは、前記内部空間に連通する第一導入路、第一排出路、第二導入路及び第二排出路を備え、
   前記第一導入路を通じて前記内部空間に導入した蒸気が前記第一排出路から排出され、前記第二導入路を通じて前記内部空間に導入した蒸気が前記第二排出路から排出されることで、前記ローターを偏心回転させるように構成された外燃式ロータリーエンジンであって、
   前記第一導入路の開閉を制御する第一制御弁と、
   前記第二導入路の開閉を制御する第二制御弁を具備することを特徴とする外燃式ロータリーエンジン。
2. 前記ローターの偏心回転に連動して前記第一制御弁と前記第二制御弁を開閉させる連動機構を、更に具備することを特徴とする請求項１に記載の外燃式ロータリーエンジン。
3. 前記ローターと前記ハウジングとの間に、前記第一導入路と前記第二排出路に連通する作動室が形成されるタイミングで、前記第一制御弁を閉弁させてオーバーラップ現象を抑え、
   前記ローターと前記ハウジングとの間に、前記第二導入路と前記第一排出路に連通する作動室が形成されるタイミングで、前記第二制御弁を閉弁させてオーバーラップ現象を抑えるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の外燃式ロータリーエンジン。
4. 前記ローターと前記ハウジングとの間に、前記第一導入路と前記第一排出路に連通する作動室が形成されるタイミングで、前記第一制御弁を閉弁させてスルーパス現象を抑え、
   前記ローターと前記ハウジングとの間に、前記第二導入路と前記第二排出路に連通する作動室が形成されるタイミングで、前記第二制御弁を閉弁させてスルーパス現象を抑えるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の外燃式ロータリーエンジン。
5. 前記ローターと前記ハウジングとの間に、前記第一導入路に連通し且つ前記第一排出路に連通しない膨張過程の作動室が形成されるタイミングで、前記第一制御弁を閉弁させて断熱膨張を生じさせ、
   前記ローターと前記ハウジングとの間に、前記第二導入路に連通し且つ前記第二排出路に連通しない膨張過程の作動室が形成されるタイミングで、前記第二制御弁を閉弁させて断熱膨張を生じさせるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の外燃式ロータリーエンジン。
6. 前記第一制御弁と前記第二制御弁の少なくとも一方は、
   蒸気が内部に導入される筒体と、前記筒体を回転自在に収容するケースとを備えた弁装置であり、
   前記筒体は、径方向に貫通する通気孔を備え、
   前記ケースは、前記通気孔と連通することのできるポートを備え、
   前記筒体が、前記通気孔と前記ポートが連通する回転位置にあるときに前記弁装置が開弁し、
   前記筒体が、前記通気孔と前記ポートが連通しない回転位置にあるときに前記弁装置が閉弁することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の外燃式ロータリーエンジン。
7. 前記弁装置は、前記筒体と前記ケースとの間に介在する隙間に対して蒸気の一部を送り込む流路を、更に備えることを特徴とする請求項６に記載の外燃式ロータリーエンジン。
8. 前記筒体は、前記通気孔よりも微小な補助通気孔を更に備え、
   前記筒体が、前記通気孔と前記ポートが連通しない回転位置にあるときに、前記補助通気孔が前記ポートと連通するように設けたことを特徴とする請求項６又は７に記載の外燃式ロータリーエンジン。

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