JP2673335B2 - ガスの吸脱着を利用した動力発生方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はガスの吸脱着剤を利用
した動力発生方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来知られているスターリングエンジン
は、空気の熱膨張を利用した熱空気機関で、近時再び注
目を浴びつつある。その理由の第１は理論的に熱効率が
極めて高いエンジンであり、省石油時代に向いているこ
と。第２に外燃機関であるので、熱源には石油以外のど
んなものでもよく、脱石油の代替エネルギー、新エネル
ギーに向いていること。第３に、無騒音且つ低ＮＯ_ｘ等
の低公害であることが挙げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような利
点を持つスターリングエンジンは、ガスの熱膨張をその
基本原理としているため、出力を大きくするには高温側
温度をできるだけ高くし、低温側温度を下げることが必
要となり、また密閉ガスの平均圧力を大とすることが重
要となる。これまでの一般的仕様例としては、高温側温
度７００℃、使用ガスはヘリウム、ガス平均圧力１５０
気圧である。処でこのような高温、高圧環境下でピスト
ンリングからのヘリウムガス漏れを防止することは非常
に難しく、このことが正にスターリングエンジンの実用
化が困難であったことの大きな理由であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めの本発明は、そのガス圧変動の誘起を促す基本原理を
ガスの熱膨張ではなく、例えば天然ゼオライトであるク
リノプチロライト、モルデナイト及び合成ゼオライト、
活性炭、シリカゲルなどの吸着剤に対する二酸化炭素、
アンモニア、硫化水素、窒素、酸素などのガスの温度変
化によるガス吸着量の変化とすることを特徴とする。こ
のうち窒素，酸素以外は分子が電気的に分極している極
性分子のガスであり、分子の大きさも小さく、ガスの吸
着量も大きい。

【０００５】そして具体的には本発明の方法は、密閉し
たシリンダー１１内にガスとガスを吸脱着する吸着剤１
４を封入し、該吸着剤１４をシリンダー１１内で往復動
させることによって外部エネルギーにより交互に冷却又
は加熱し、該冷却又は加熱によりシリンダー１１内のガ
スの吸脱着を繰り返すとともにシリンダー１１内のガス
圧を変化させ、該ガス圧の変化を他のシリンダー２３と
該シリンダー２３に嵌合されたピストン２４を介して動
力源として取り出すガスの吸脱着を利用したことを特徴
としている。

【０００６】また本発明の装置は、両端にヒーター１６
とクーラー１５を付設し、内部にガスを封入した変圧シ
リンダー１１と、該変圧シリンダー１１内において上記
ヒーター１６とクーラー１５間を相対的に往復移動する
変圧ピストン１２と、該変圧ピストン１２側にあって上
記ヒーター１６又はクーラー１５と近接した時に冷却又
は加熱されて上記ガスを吸着若しくは離脱する吸着剤１
４と、上記変圧シリンダー１１に連通し変圧シリンダー
１１内の圧力変化により往復動するパワピストン２４を
内蔵したパワシリンダー２３とを設け、上記パワピスト
ン２４の往復動によって駆動され且つ前記変圧ピストン
１２とクーラー１５及びヒーター１６の相対的な往復動
をさせる動力取出部を設けたことを第１の特徴とするも
のである。

【０００７】さらに上記装置において、ヒーター１６及
びクーラー１５の変圧ピストン１２側と変圧ピストン１
２のヒーター１６及びクーラー１５側に、変圧ピストン
１２の相対的な往復動時に互いに嵌合し合って吸着剤１
４の加熱又は冷却を行わしめる嵌合部１７，１８，１９
を設けたことを第２の特徴としている。

【０００８】同様に上記装置において、動力取出部がパ
ワピストン２４及び変圧ピストン１２と連結される単一
のクランク軸３２からなることを第３の特徴としてい
る。

【０００９】

【作用】シリンダー１内の吸着剤４は常温又は冷却され
た低温状態では多量のガスを吸着するので、シリンダー
１内のガスを吸着してガス圧を低下させ、逆に加熱され
た高温状態ではガス吸着能の低下又は脱離機能が増大す
るため、吸着されたガスをシリンダー１内に脱離させて
高圧となる。

【００１０】その結果吸着剤４を交互に加熱、冷却する
ことにより、シリンダー１内のガス圧の高低差が生じ、
このガス圧の高低差が動力源として取り出される。

【００１１】ヒーター１６とクーラー１５は変圧シリン
ダー１１内の吸着剤１４を加熱又は冷却することによ
り、吸着剤１４のガス脱離及び吸着を行わせて圧力変化
を生じさせる。変圧ピストン１２は上記吸着剤１４を保
持し、ヒーター１６側又はクーラー１５側のいずれか一
方に吸着剤１４を相対的に移動させることによって加熱
又は冷却を交互に行わせる。パワシリンダー２３は上記
変圧シリンダー１１の圧力変化を受けて内部のパワピス
トン２４を往復動させ、該パワピストン２４の往復動に
より動力取出部（出力部）が作動するとともに、動力取
出部の作動によって変圧シリンダー１１内の変圧ピスト
ン１２が相対的な往復動を行い、上記ヒーター１６によ
る吸着剤１４の加熱とクーラー１５による冷却を行わせ
る。

【００１２】ヒーター１６及びクーラー１５と変圧ピス
トン１２の嵌合部１７〜１９は変圧ピストン１２内の吸
着剤１４の加熱及び冷却効率を高め且つ急速な加熱と冷
却を行わせるもので、この嵌合部１７〜１９によりガス
圧の変化の周期を早め、動力取出部の出力アップを図
る。

【００１３】動力取出部をクランク軸３２とした場合、
パワピストン２４の往復動をクランク軸３２の出力回転
に変換し、併せてその回転を変圧ピストン１２の往復運
動、即ち加熱、冷却作動のための作動に変換する。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の動力発生方法の基本原理を示
す説明図で、ガス吸脱着往復機関を図示しており、一端
が密閉され他端が開放端をなすシリンダー１の開放端側
からは棒状のピストン２がスライド自在に嵌合され、ピ
ストンヘッド２ａとシリンダヘッド１ａとの間の密閉空
間３内には、シリンダヘッド１ａの底部に粒状活性炭よ
りなる所定量の吸着剤４と、所定量のアンモニアガスが
収容されている。

【００１５】そして同図（Ａ）においては吸着剤４を外
部から冷却するための冷却器（クーラー）５が、また同
図（Ｂ）では吸着剤４を加熱するための加熱器（ヒータ
ー）６がシリンダヘッド１ａの外周に配置されている。
図１（Ａ）に示すように上記クーラー５によって吸着剤
４が冷却されるとアンモニアガスは吸着剤４に吸着され
ることによりガス圧が低下してピストン２は下降し、逆
に同図（Ｂ）に示すようにヒーター６により吸着剤４が
加熱されると吸着されたガスは密閉空間３内に脱離して
ガス圧を上昇させ、ピストン２は所定のストローク量ｈ
だけ上昇する。

【００１６】この発明においては上記ピストン２の往復
運動を動力として取り出すもので、この例では上記クー
ラー５とヒーター６が別体のものであり、シリンダー１
に対して交互に両者を変換作動させる必要があり、これ
を冷媒及び熱媒を流通させ得る単一の冷却・加熱器とし
た場合等は冷却と加熱を交互に繰り返し作動させること
になる。

【００１７】図２は前記作動原理によるガスの吸脱着を
利用した動力発生装置（ガス吸脱着エンジン）の基本構
造を示し、内部空間１３にガスを収容したガス圧変動を
生じさせるための変圧シリンダ１１内には、ハニカム状
に多数の熱交換用の孔１７からなる嵌合部を軸心に沿っ
た方向に形成した変圧ピストン１２が軸心方向移動自在
に収容され、該変圧ピストン１２は高熱伝導性吸着剤を
ポーラス状に成形し、あるいは少なくとも多量の吸着剤
を含んだ材質からなっている。そして変圧ピストン１２
の下端側にはピストンロッド２１が連結され、変圧シリ
ンダー１１端部より下方にスライド自在に突出してい
る。

【００１８】これに対し変圧シリンダ１２内の両端に
は、変圧ピストンの各孔１７に挿脱自在に嵌合又は遊嵌
する多数の櫛状の突起１８又は１９からなる嵌合部を突
設した冷却器（クーラー）１５と加熱器（ヒーター）１
６とが、変圧ピストン１２に対向するように設けられ、
クーラー１５の突起１８は外部において冷却された冷媒
が流通し又はそれ自体が冷却部となっており、少なくと
も変圧ピストン１２の嵌合部と嵌合し合い若しくは噛み
合った状態で変圧ピストン１２をできるだけ急速に冷却
するように作用する。

【００１９】他方、ヒーター１６側の突起１９は逆に変
圧ピストン１２が上昇してこれと嵌合し合った時に、変
圧ピストン１２をできるだけ急速に加熱する加熱部を構
成している。そして変圧ピストン１２の吸着剤１４は冷
却されると変圧シリンダー１１内のガスを吸着して内部
のガス圧を低減させ、逆に加熱されることによって吸着
されたガスを脱離させ、内部のガス圧を増大させる。

【００２０】変圧シリンダー１１の下部には接続部
（管）２２を介してパワシリンダー２３が連通して且つ
変圧シリンダー１１と同方向に設けられ、該パワシリン
ダー２３内には、変圧シリンダー１１内の内圧の変化を
受けて変動する圧力変動によってストローク作動するパ
ワピストン２４が嵌合されており、該パワピストン２４
の開放側にはピストンロッド２６が連結されている。

【００２１】ピストンロッド２１，２６の外端側には、
それぞれコネクションロッド２７，２８が連結されると
ともに、該コネクションロッド２７，２８と連結される
クランク部２９，３１を備えた出力軸となるクランク軸
３２が直交方向に軸支され、該クランク軸３２には出力
プーリ３３とフライホイール３４が取り付けられてい
る。

【００２２】上記構成において、変圧ピストン１２内の
吸着剤１４が変圧シリンダー１１のいずれかの側でヒー
ター１６又はクーラー１５により交互に加熱され若しく
は冷却されると、変圧シリンダー１１内のガスが吸着さ
れてガス圧が変動し、これに伴ってパワシリンダー２３
内の圧力が変化するのでパワピストンが往復運動し、ロ
ッド２６，２８及びクランク部３１を介してクランク軸
３２が回転させられる。そしてクランク軸３２はクラン
ク部２９，ロッド２７，２１を介して変圧シリンダー１
１内における変圧ピストン１２を上下に往復動させてク
ーラー１５及びヒーター１６によるガスの吸脱着を交互
に行い、内部のガス圧の変動を発生させる。

【００２３】本実施例に示す装置の作動における始動初
期状態は、変圧ピストン１２の冷却又は加熱のいずれか
一方にセットされる事が望ましく、またクランク２９，
３１間には両方の上死点又は下死点が重ならないように
位相角θを設けておく必要があり且つ位相角θは変圧シ
リンダー１１内のガス圧変化が、パワピストン２４及び
クランク軸３２の駆動に最も効率よく伝動される角度に
設定されることが望ましい。

【００２４】このガス吸脱着を利用した動力発生方法及
び装置においては、吸着剤とガスの組み合わせが極めて
重要となる。即ち、低温において多量のガスを吸着し、
高温において少量のガスしか吸着しないことが要求され
る。図３（Ａ）〜（Ｃ）には圧力１ｍｍＨｇ以下、２０
０℃で１時間脱水活性化されたシリカゲル、活性炭、合
成ゼオライト４Ａの、低温２３℃、高温２００℃におけ
るアンモニアガスの吸着等温線の実測結果を示す。この
結果よりアンモニアガスを使用した場合は活性炭による
吸着の組み合わせが最も有望であるが、活性炭の比重が
軽いことを考慮すれば単位容量当たりの吸脱着量として
はシリカゲル、合成ゼオライト４Ａも十分使用可能で且
つ有望である。上記吸着剤は脱水処理されるとともに熱
伝導性の高い材料と複合的に使用することにより、数秒
以下の加熱又は冷却時間に短縮することが十分に可能で
ある。

【００２５】ちなみに従来のスターリングエンジンに使
用されたガスの熱膨張の場合、２００℃のガスを７００
℃としたことによる膨張量は約２倍である。このため、
高出力とするためには元の密閉圧力を大きくする必要が
生じた。これに対し、例えば脱水処理したシリカゲルは
常温（例えば２３℃）においてアンモニアガスを１ｇ当
たり１６０ｍｌ吸着し、これを２００℃に加熱すると吸
着されたアンモニアガスはほとんど離脱するため、仮に
吸着剤の１ｇの容積を１ｍｌとすれば見かけの膨張量は
約１６０倍となる。

【００２６】この吸脱着現象は密閉系において可逆的で
あり、吸着剤の加熱冷却を交互に行うことによって上述
したようなガス吸着剤往復機関を得ることができる。な
お、この吸着剤の加熱冷却を機敏に行うためには吸着剤
と金属粉のような熱伝導性に優れた材料との複合化材が
有効である。このような機関の大きな利点として次の３
点が挙げられる。第１に見かけの膨張量が極めて大きい
こと。第２に加熱温度が低いこと。第３に元の密閉圧力
を低圧力で運転できることである。

【００２７】本発明のガス吸脱着往復機関においては、
従来のスターリングエンジンで発生したピストンリング
からのガス漏れは、上記の利点を考慮すれば防止するこ
とが十分可能であり且つ実用性の高いものである。ま
た、低温度の熱から簡単なピストン構造を介して往復運
動を得ることができるため、マイクロマシーンのような
動力の微小化が可能となる。

【００２８】

【発明の効果】以上の如く構成される本発明の方法及び
装置によれば、従来のスターリングエンジンの作動温度
に比して上下ともに極めて低い作動温度で作動させるこ
とができるので、エネルギーコストも低くてすむほか、
冷却及び加熱に要する時間も短く、ガス膨張率が大きい
事とあいまって短周期高能率の出力が得られる利点があ
る。

【００２９】その他従来のスターリングエンジンの欠点
である高温下のピストンリングのガス漏れや高密閉圧力
の問題も解消若しくは緩和され且つ安全性が高いという
効果がある。

【００３０】本発明の装置にあっては、圧力変動を生じ
させる変圧シリンダー内の変圧ピストンの冷却、加熱の
ための移動を、出力側のパワピストンの出力を利用して
クランク軸で行わせるため、冷却、加熱とパワピストン
の作動のタイミングを正確に一致させることができ、安
定した高出力を得ることが可能となる。

【００３１】さらに変圧ピストンとクーラー及びヒータ
ーを嵌合部において互いに嵌合させて冷却、加熱するの
で、短時間で効率の良い冷却加熱が実現する利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法及び装置の基本原理を示す説明図で
ある。

【図２】本発明装置の基本構成を示す構成及び作動の原
理図である。

【図３】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ吸着剤としてのシリ
カゲル，活性炭及び合成ゼオライトの低温及び高温にお
けるガス吸着量の差を示すグラフである。

【符号の説明】

１ シリンダー ２ ピストン ４ 吸着剤 １１ 変圧シリンダー １２ 変圧ピストン １４ 吸着剤 １５ クーラー １６ ヒーター １７ 孔（嵌合部） １８，１９ 突起（嵌合部） ２３ パワシリンダー ２４ パワピストン ３２ クランク軸

フロントページの続き (72)発明者 大森 保幸 島根県八束郡東出雲町出雲郷219 島根 県立工業技術センター内 (56)参考文献 特開 昭57−24459（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−145831（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉したシリンダー（１１）内にガスと
   ガスを吸脱着する吸着剤（１４）を封入し、該吸着剤
   （１４）をシリンダー（１１）内で往復動させることに
   よって外部エネルギーにより交互に冷却又は加熱し、該
   冷却又は加熱によりシリンダー（１１）内のガスの吸脱
   着を繰り返すとともにシリンダー（１）内のガス圧を変
   化させ、該ガス圧の変化を他のシリンダー（２３）と該
   シリンダー（２３）に嵌合されたピストン（２４）を介
   して動力源として取り出すガスの吸脱着を利用した動力
   発生方法。
2. 【請求項２】 両端にヒーター（１６）とクーラー（１
   ５）を付設し、内部にガスを封入した変圧シリンダー
   （１１）と、該変圧シリンダー（１１）内において上記
   ヒーター（１６）とクーラー（１５）間を相対的に往復
   移動する変圧ピストン（１２）と、該変圧ピストン（１
   ２）側にあって上記ヒーター（１６）又はクーラー（１
   ５）と近接した時に冷却又は加熱されて上記ガスを吸着
   若しくは離脱する吸着剤（１４）と、上記変圧シリンダ
   ー（１１）に連通し変圧シリンダー（１１）内の圧力変
   化により往復動するパワピストン（２４）を内蔵したパ
   ワシリンダー（２３）とを設け、上記パワピストン（２
   ４）の往復動によって駆動され且つ前記変圧ピストン
   （１２）とクーラー（１５）及びヒーター（１６）の相
   対的な往復動をさせる動力取出部を設けてなるガスの吸
   脱着を利用した動力発生装置。
3. 【請求項３】 ヒーター（１６）及びクーラー（１５）
   の変圧ピストン（１２）側と変圧ピストン（１２）のヒ
   ーター（１６）及びクーラー（１５）側に、変圧ピスト
   ン（１２）の相対的な往復動時に互いに嵌合し合って吸
   着剤（１４）の加熱又は冷却を行わしめる嵌合部（１
   ７），（１８），（１９）を設けてなる請求項２に記載
   のガスの吸脱着を利用した動力発生装置。
4. 【請求項４】 動力取出部がパワピストン（２４）及び
   変圧ピストン（１２）と連結される単一のクランク軸
   （３２）からなる請求項２に記載のガスの吸脱着を利用
   した動力発生装置。