JP4016292B1 - Circulating internal pressure engine and power generation system - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料資源に起因する問題を起こさずに、従来の内燃機関によるのと同等程度以上のエネルギを効率よく取り出すこと
【解決手段】高圧状態で供給される炭酸ガス35aが大気圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動する炭酸ガスエンジン1と、該炭酸ガスエンジン1の排気口側の炭酸ガスの圧力を大気圧にする圧力調整弁70aと、上記炭酸ガスエンジン1から排出される炭酸ガスを回収するタンク67と、該タンク67に回収された炭酸ガス35bを吸引するポンプ61と、該ポンプ61より送給される炭酸ガス35bを冷却する冷却装置57と、該冷却装置57より送給される冷却された炭酸ガスを高圧にて液化する炭酸ガス液化製造機59と、液化炭酸ガスを貯溜する循環タンク73とからなり、上記各部をパイプ33により連結して炭酸ガスが循環する循環回路34を構成する。
【選択図】図1[PROBLEMS] To efficiently extract energy equal to or higher than that of a conventional internal combustion engine without causing a problem caused by fuel resources. When carbon dioxide gas 35a supplied in a high pressure state becomes atmospheric pressure The carbon dioxide engine 1 that drives the actuator by the force due to the volume expansion of the carbon dioxide, the pressure adjusting valve 70a that makes the pressure of the carbon dioxide gas on the exhaust port side of the carbon dioxide engine 1 atmospheric pressure, and the carbon dioxide engine 1 are discharged. A tank 67 for collecting the carbon dioxide gas, a pump 61 for sucking the carbon dioxide gas 35b collected in the tank 67, a cooling device 57 for cooling the carbon dioxide gas 35b fed from the pump 61, and the cooling device 57 A carbon dioxide gas liquefaction manufacturing machine 59 that liquefies the cooled carbon dioxide gas fed at a high pressure, and a circulation tank 73 that stores the liquefied carbon dioxide gas. Carbon dioxide joined by 33 constitute a circulation circuit 34 for circulating.
[Selection] Figure 1
Description
本願発明は、炭酸ガスの物理的性状を最大限に活用した、燃料の燃焼を伴わずにエネルギを取り出す循環式内圧機関及びこれを使用した発電システムに関する。 The present invention relates to a circulation type internal pressure engine that takes out energy without combustion of fuel and makes the best use of the physical properties of carbon dioxide, and a power generation system using the same.
内燃機関は機関の内部で燃料を燃焼させてその熱エネルギを利用する。使用する燃料のちがいによりガソリン機関、ガス機関、石油機関等種々のものがあり、世界中で広く普及し使用されている。 An internal combustion engine burns fuel inside the engine and uses its thermal energy. There are various types such as a gasoline engine, a gas engine, an oil engine, etc. depending on the fuel used, and it is widely used all over the world.
しかしながら、石油資源の枯渇が懸念されており、また燃焼の結果排出される排気ガスによる公害問題を惹起している。 However, there is concern about the exhaustion of petroleum resources, and it causes pollution problems due to exhaust gas emitted as a result of combustion.
外燃機関も燃料を燃焼させるという点で、上記した問題、即ち、資源の枯渇や排気ガスによる公害問題を惹起する。 The external combustion engine also causes the above-described problems, that is, pollution problems due to exhaustion of resources and exhaust gas in that the fuel is burned.
これらを解消すべく、クリーンエネルギとして水素の利用が注目されているが、取扱いが至難のため、開発に行き詰まっているのが現状である。また原子力利用は公害乃至環境問題や安全性の点で懸念がある。 In order to solve these problems, the use of hydrogen as a clean energy has been attracting attention. In addition, the use of nuclear power is a concern in terms of pollution, environmental issues and safety.
このようにエネルギー源の確保が重要である反面、炭酸ガスの増大による弊害とくに地球温暖化問題が指摘されている。日本の炭酸ガス排出量は全世界の5%を占めると言われ、毎年約38100万トンもの膨大な量の炭酸ガスが大気中に排出されている。このうち約3割が発電等のエネルギ転換部門が占めている。このような憂慮すべき状態にあるにもかかわらず、世界経済の活発化・発展途上国の発展等により、京都議定書の如き政治的制約を尻目に炭酸ガスの排出は一層増大すると言われ、その有効利用はおろか増大防止を阻止できないでいる。とくに現代生活を支える電力エネルギは炭酸ガスを大量に発生させる石油等の化石燃料を燃焼する火力発電が中心であるため、上記憂慮は深刻である。 While securing an energy source is important in this way, adverse effects caused by the increase in carbon dioxide, especially the problem of global warming, have been pointed out. Japan's carbon dioxide emissions are said to account for 5% of the world, and an enormous amount of carbon dioxide of about 381 million tons is released into the atmosphere every year. About 30% of this is occupied by energy conversion departments such as power generation. Despite this alarming situation, CO2 emissions are said to increase further due to political constraints such as the Kyoto Protocol due to the global economic revitalization and the development of developing countries. The effective use as well as the prevention of increase cannot be prevented. In particular, the above-mentioned concerns are serious because electric power energy that supports modern life is mainly thermal power generation that burns fossil fuels such as oil that generate a large amount of carbon dioxide.
本願発明はこのような背景の下に、提唱される全く新しい画期的なエネルギシステムである。 The present invention is a completely new and innovative energy system that is proposed under such a background.
本願発明に関し、先行技術文献の調査をしたが、有効な特許文献を発見することができなかった。強いて挙げるとすれば出願人の特許出願に係る次の特許文献である。
本願発明は燃料の燃焼を伴わずにエネルギを取り出すことにより上記欠点を解消する全く新しい画期的な循環式内圧機関及び発電システムを提案する。 The present invention proposes a completely new and innovative circulating internal pressure engine and power generation system that eliminates the above-mentioned drawbacks by extracting energy without burning fuel.
つまり本願発明の目的は、燃料資源に起因する問題を起こさずに、従来の内燃機関によるのと同等程度以上のエネルギを効率よく取り出すことができる循環式内圧機関及び発電システムを供することである。 That is, an object of the present invention is to provide a circulating internal pressure engine and a power generation system that can efficiently extract energy equal to or higher than that of a conventional internal combustion engine without causing problems due to fuel resources.
また他の目的は、エネルギ発生機関乃至発電機関による炭酸ガスの増加を防止することであり、ひいては温暖化現象の防止に寄与することである。 Another object is to prevent an increase in carbon dioxide gas by an energy generation engine or a power generation engine, and thus contribute to prevention of a warming phenomenon.
上記目的達成のため、本願発明による循環式内圧機関は、高圧状態で供給される炭酸ガスが大気圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動する炭酸ガスエンジンと、上記炭酸ガスエンジンの排気口側の炭酸ガスの圧力を大気圧にする炭酸ガス常圧化手段と、上記炭酸ガスエンジンから排出される炭酸ガスを回収するタンクと、該タンクに回収された炭酸ガスを吸引するポンプと、上記ポンプより送給される炭酸ガスを冷却する冷却装置と、上記冷却装置より送給される冷却された炭酸ガスを高圧にて液化する炭酸ガス液化製造機と、液化炭酸ガスを貯溜する循環タンクとからなり、上記各部をパイプにより連結して炭酸ガスが循環する循環回路を構成することを特徴とする。
また、請求項1記載の循環式内圧機関において、上記循環回路の供給系経路と回収系経路との接点に三方切替弁を設け、該三方切替弁を介して初期タンクを連結し、供給系のパイプ及び回収系のパイプに送給されてくる液化炭酸ガスの液化純度を検知するセンサを設け、該センサは上記液化純度が設定範囲内に満たないときは初期切替信号を発し、設定範囲内であるときは循環切替信号を発することを特徴とする。
また、請求項1又は請求項2いずれか一記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガス液化製造機及び上記ポンプを同一の動力源たる上記炭酸ガスエンジンにて駆動することを特徴とする。
また、請求項1乃至請求項3いずれか一記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンの加熱部に熱風を供給する圧縮機を設け、該圧縮機を上記炭酸ガスエンジンの動力により駆動することを特徴とする。
また、請求項1記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンがレシプロ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする。
また、請求項1記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガスエンジンがロータリー型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする。
また、請求項1記載の循環式内圧機関において、上記炭酸ガス液化製造機が複数からなり、各炭酸ガス液化製造機が上記冷却部に接続されることを特徴とする。
また、請求項7記載の循環式内圧機関において、上記各炭酸ガス液化製造機は上記冷却部に直列接続されることを特徴とする。
また、請求項7記載の循環式内圧機関において、上記各炭酸ガス液化製造機は上記冷却部に並列接続されることを特徴とする。
また、本願発明による発電システムは、高圧状態で供給される炭酸ガスが大気圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動する炭酸ガスエンジンと、上記炭酸ガスエンジンの排気口側の炭酸ガスの圧力を大気圧にする炭酸ガス常圧化手段と、上記炭酸ガスエンジンから排出される炭酸ガスを回収するタンクと、該タンクに回収された炭酸ガスを吸引するポンプと、上記ポンプより送給される炭酸ガスを冷却する冷却装置と、上記冷却装置より送給される冷却された炭酸ガスを高圧にて液化する炭酸ガス液化製造機と、液化炭酸ガスを貯溜する循環タンクとからなり、上記各部をパイプにより連結して炭酸ガスが循環する循環回路を構成し、上記炭酸ガスエンジンにより発電することを特徴とする。
また、請求項10記載の発電システムにおいて、上記循環回路の供給系経路と回収系経路との接点に三方切替弁を設け、該三方切替弁を介して初期タンクを連結し、供給系のパイプ及び回収系のパイプに送給されてくる液化炭酸ガスの液化純度を検知するセンサを設け、該センサは上記液化純度が設定範囲内に満たないときは初期切替信号を発し、設定範囲内であるときは循環切替信号を発することを特徴とする。
また、請求項10又は請求項11いずれか一記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガス液化製造機及び上記ポンプを同一の動力源たる上記炭酸ガスエンジンにて駆動することを特徴とする。
また、請求項10乃至請求項12いずれか一記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンの加熱部に熱風を供給する圧縮機を設け、該圧縮機を上記炭酸ガスエンジンの動力により駆動することを特徴とする。
また、請求項10記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンがレシプロ型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする。
また、請求項10記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガスエンジンがロータリー型炭酸ガスエンジンであることを特徴とする。
また、請求項10記載の発電システムにおいて、上記炭酸ガス液化製造機が複数からなり、各炭酸ガス液化製造機が上記冷却部に接続されることを特徴とする。
また、請求項16記載の発電システムにおいて、上記各炭酸ガス液化製造機は上記冷却部に直列接続されることを特徴とする。
また、請求項16記載の発電システムにおいて、上記各炭酸ガス液化製造機は上記冷却部に並列接続されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a circulating internal pressure engine according to the present invention includes a carbon dioxide engine that drives an actuator by a force caused by volume expansion when carbon dioxide supplied in a high pressure state becomes atmospheric pressure, and the carbon dioxide engine. Carbon dioxide normal pressure means for bringing the pressure of the carbon dioxide gas on the exhaust port side to atmospheric pressure, a tank for collecting the carbon dioxide gas discharged from the carbon dioxide engine, and a pump for sucking the carbon dioxide collected in the tank , A cooling device for cooling the carbon dioxide gas fed from the pump, a carbon dioxide liquefaction manufacturing machine for liquefying the cooled carbon dioxide gas fed from the cooling device at a high pressure, and a circulation for storing the liquefied carbon dioxide gas It comprises a tank, and the above-mentioned parts are connected by pipes to constitute a circulation circuit in which carbon dioxide circulates.
Further, in the circulating internal pressure engine according to
The circulating internal pressure engine according to claim 1 or 2, wherein the carbon dioxide liquefaction production machine and the pump are driven by the carbon dioxide engine as the same power source.
Further, in the circulating internal pressure engine according to any one of
The circulating internal pressure engine according to
The circulating internal pressure engine according to
The circulating internal pressure engine according to
Further, in the circulating internal pressure engine according to
Further, in the circulating internal pressure engine according to
Further, the power generation system according to the present invention includes a carbon dioxide engine that drives an actuator by a force due to volume expansion when carbon dioxide supplied in a high pressure state becomes atmospheric pressure, and carbon dioxide gas on an exhaust port side of the carbon dioxide engine. Carbon dioxide normal pressure means for bringing the pressure of the carbon dioxide to atmospheric pressure, a tank for collecting the carbon dioxide gas discharged from the carbon dioxide engine, a pump for sucking the carbon dioxide collected in the tank, and a pump for feeding from the pump A cooling device for cooling the carbon dioxide gas, a carbon dioxide liquefaction manufacturing machine for liquefying the cooled carbon dioxide gas fed from the cooling device at a high pressure, and a circulation tank for storing the liquefied carbon dioxide gas, Each part is connected by a pipe to constitute a circulation circuit in which carbon dioxide circulates, and power is generated by the carbon dioxide engine.
The power generation system according to
Further, in the power generation system according to any one of
Further, in the power generation system according to any one of
The power generation system according to
The power generation system according to
The power generation system according to
The power generation system according to claim 16, wherein each of the carbon dioxide liquefaction manufacturing machines is connected in series to the cooling unit.
The power generation system according to claim 16, wherein each of the carbon dioxide liquefaction manufacturing machines is connected in parallel to the cooling unit.
本願発明は炭酸ガスの有する3つの優れた物理的性状、即ち、ガスの不活性、常温液化性及び高度の体積膨張性を利用し、高圧状態で内室に供給された炭酸ガスが常圧になるときの体積膨張による力により作動子を駆動させ、これにより発生するエネルギを取り出す。よって、燃料の燃焼を伴わずにエネルギを取り出すから、燃料資源に起因する問題、即ち、資源の枯渇や排気ガスによる公害問題を惹起することがない。よって完全なクリーンエネルギである。 The present invention utilizes three excellent physical properties of carbon dioxide, that is, gas inertness, room temperature liquefaction and high volume expansion, so that carbon dioxide supplied to the inner chamber at high pressure is at normal pressure. The actuator is driven by the force due to the volume expansion at the time, and the energy generated thereby is taken out. Therefore, since energy is extracted without fuel combustion, problems caused by fuel resources, that is, resource depletion and pollution problems due to exhaust gas are not caused. Therefore, it is completely clean energy.
上記エネルギの取出しにおいて、循環回路を構成することにより排出された炭酸ガスを回収して再利用するから、エネルギ効率を非常に増大することができる。 In the extraction of the energy, the carbon dioxide gas discharged by configuring the circulation circuit is recovered and reused, so that the energy efficiency can be greatly increased.
また、炭酸ガスを用いるものの炭酸ガスを生じることがないので、現在以上の炭酸ガスの増加を防止することができ、温暖化現象の防止に寄与することができる。 Further, although carbon dioxide is used, carbon dioxide is not generated, so that an increase in carbon dioxide more than the current amount can be prevented, which can contribute to prevention of a warming phenomenon.
エネルギ源は資源枯渇のおそれがない炭酸ガスであり、しかも取り出されるエネルギは後述するようにガソリンエンジンと同等程度以上であるから、エネルギの実行性の点でも問題はない。 Since the energy source is carbon dioxide gas with no fear of resource depletion, and the extracted energy is equal to or higher than that of a gasoline engine as will be described later, there is no problem in terms of energy performance.
次に、実施の形態を示す図面に基づき本願発明による循環式内圧機関をさらに詳しく説明する。なお、便宜上同一の機能を奏する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。また「大気圧」と「常圧」とは同義として用いている。 Next, the circulating internal pressure engine according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings showing embodiments. For convenience, portions having the same function are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. “Atmospheric pressure” and “normal pressure” are used synonymously.
1は炭酸ガスエンジンであり、気化後の高圧状態で供給される炭酸ガス35aの体積膨張による力により作動子を駆動せしめる。炭酸ガスエンジン1は具体的には、図3に例示するレシプロ型炭酸ガスエンジン又は図4及び図5に例示するロータリー型炭酸ガスエンジンである。前者の場合作動子はピストン7であり、後者の場合作動子はロータ105である。
炭酸ガスエンジン1の詳細は後述する。上記炭酸ガスエンジン1に圧料となる炭酸ガス35aを供給する供給経路34Aと、炭酸ガス35bを回収する回収経路34Bを閉回路に接続し、循環回路34を構成する。
Details of the
上記供給経路34Aは、具体的には、バージン液化炭酸ガスを貯溜する圧力容器からなる初期タンク31と、該初期タンク31に切替弁51、三方切替弁54及び流量制御弁55を介してパイプ33a、33b、33cにより連結される冷却装置57と、該冷却装置57のパイプ33dに連結され炭酸ガスエンジン1の給気口13、107、117に接続されるパイプ33eとからなる。
Specifically, the
上記回収経路34Bは、具体的には、炭酸ガスエンジン1の排気口11、109、119から排出される大気圧の炭酸ガス35bを回収する回収タンク67と、大気圧の排出炭酸ガス35bよりエンジンオイル成分を分離するフィルタからなる分離装置68と、該分離装置68による上記分離処理を経た排出炭酸ガス35bを圧送する真空ポンプ61と、上記真空ポンプ61により送給されてくる上記排出炭酸ガス35bを例えば−30℃の排気の気化熱にて冷却する冷却装置57と、上記冷却装置57から送給されてくる上記排出炭酸ガス35bを例えば60気圧に加圧・圧縮して液化炭酸ガス35aを製造する炭酸ガス液化製造機59と、上記炭酸ガス液化製造機59から送給されてくる液化炭酸ガス35aを貯溜する圧力容器からなる循環タンク73と、上記回収タンク67及び上記循環タンク73に夫々圧力調整弁70a、70bを介して連結され炭酸ガスを貯溜する調整タンク72とからなる。上記炭酸ガスエンジン1と上記回収タンク67はパイプ33fにより、上記回収タンク67と上記分離装置68とはパイプ33gにより、上記分離装置68と上記真空ポンプ61とはパイプ33hにより、上記真空ポンプ61と上記冷却装置57とはパイプ33jにより、上記冷却装置57と上記炭酸ガス液化製造機59とはパイプ33lにより、上記炭酸ガス液化製造機59と上記循環タンク73とはパイプ33mにより、さらに上記循環タンク73と上記三方切替弁54とはパイプ33qにより、各連結されている。なお、上記パイプを総称するときは「パイプ33」と表わす。
Specifically, the
上記供給経路34Aと上記回収経路34Bとの接点には上記した三方切替弁54を設けてあり、上記炭酸ガスエンジン1及び上記三方切替弁54を介して両経路34A、34Bが閉回路に接続され、循環回路34を構成する。また、供給経路34Aのパイプ33aと回収経路34Bのパイプ33qには液化炭酸ガス35aの液化純度を検知するセンサ53が接続されている。該センサ53はパイプ33a及びパイプ33q内を送給されてくる液化炭酸ガス35aの液化純度を常に検知し、上記純度が設定範囲内に満たないときは初期切替信号を発し、設定範囲内であるときは循環切替信号を発する。上記分離装置68には逆止弁75が設けられ、分離されたエンジンオイルが該逆止弁75を介して炭酸ガスエンジン1に戻される。
The above-described three-
上記調整タンク72は炭酸ガスエンジン1の排気口11、109、111側の内室の圧力を常圧にする圧力調整弁70aを設けるとともに、炭酸ガスエンジン1の給気口13、107、117側の圧力を高圧にする圧力調整弁70bを設ける。圧力調整弁70aは図示しないコンピュータによる自動制御により調整タンク72内の炭酸ガスの圧力を設定された圧力(例えば1気圧)に調整する。また圧力調整弁70bは炭酸ガスの圧力を設定された圧力(例えば60気圧)に調整する。
The
上記冷却装置57は、上記パイプ33dと上記パイプ33kとが相互に巻き着くような状態で内蔵され、パイプ33dを流れてくる大気圧に曝された炭酸ガスの気化熱によりパイプ33k内を流れる炭酸ガス35bを冷却する。この冷却ステップを経ることにより、次の炭酸ガス液化製造機59による炭酸ガス35bの液化のためのエネルギを小とすることが可能となる。ちなみに、例えば水素ガスの場合、常温液化性を有しないから、この程度の冷却では液化しない。しかしながら、本願発明においては炭酸ガスの有する常温液化性を活用するため、この冷却と次の加圧・圧縮により、回収された炭酸ガス35bの液化を容易にするのである。
The
初期タンク31及び循環タンク73内に貯蔵されている炭酸ガス35aは大部分液体状態であるが、一部がタンク内において気体状態となっている場合がある。この場合は液体の炭酸ガス35aはタンクの下部に、また気体の炭酸ガス35aはタンクの上部に存在する。
The
図2に本願発明による循環式内圧機関の動作のステップを示す。初期始動は、まず切替弁51を「開」とし、初期タンク31よりバージン液化炭酸ガス35aをパイプ33aに流す(S1)。パイプ33aを流れてくるバージン液化炭酸ガス35aの液化純度はセンサ53により検知され(S2)、初期切替信号が発せられる(S3)。これにより三方切替弁54が作動し、パイプ33aとパイプ33bを「開」としパイプ33bとパイプ33qを「閉」とする「第1開」の状態にする(S4)。次いでエンジンスロットル用の流量制御弁55が「開」とされ(S5)、液化炭酸ガス35aはパイプ33cより冷却装置57のパイプ33d内を通って(S6)、パイプ33eより炭酸ガスエンジン1内に供給される(S7)。
FIG. 2 shows the operation steps of the circulating internal pressure engine according to the present invention. In the initial start, first, the switching
炭酸ガスエンジン1が炭酸ガス35aの体積膨張による力により駆動されると、その動力により例えば自動車が駆動される(図示省略)。このとき同時に上記動力がベルト58aにより炭酸ガス液化製造機59に伝動され、該炭酸ガス液化製造機59を作動する(S8)。また上記動力はベルト58bにより圧縮機49に伝動され、該圧縮機49を作動する(S9)。さらに上記動力はベルト58cにより真空ポンプ61に伝動され、該真空ポンプ61を作動する(S10)。
When the
上記真空ポンプ61は、炭酸ガスエンジン1から排出される大気圧の、つまり圧力調整弁70aにより常圧に調整された状態の炭酸ガス35bを吸引し、回収タンク67内に回収する(S11〜S13)。次いで炭酸ガス35bよりオイルを分離した後(S14)、上記排出炭酸ガス35bを冷却装置57に圧送する(S15)。炭酸ガス35bは、ここでパイプ33dを流れてくる大気圧に曝された炭酸ガスの気化熱により冷却される(S16)。冷却された炭酸ガス35bは炭酸ガス液化製造機59に送られ、ここで例えばステップ8で述べた駆動力により60気圧に加圧され液化炭酸ガス35aとされる(S8)。この液化炭酸ガス35aは高純度でありパイプ33mより循環タンク73に送られ、該循環タンク73に貯溜される(S18)。
The
始動後においては、センサ53はパイプ33qとパイプ33aを流れる炭酸ガス35aの濃度を検知している(S2)。この炭酸ガス35aの濃度が設定範囲内であるときは、循環切替信号を発する(S3)。この循環切替信号により三方切替弁54が作動し、パイプ33qとパイプ33bを「開」としパイプ33aとパイプ33bを「閉」とする「第2開」の状態にする(S4)。以降は上記した一連のステップが繰返され、エンジンが連続的に作動する。
After the start-up, the
ステップ9にて駆動される上記圧縮機49は、熱風供給パイプ45、熱風排出パイプ47より炭酸ガスエンジン1に熱風40a、40bを循環供給し(S17)、炭酸ガスエンジン1に供給される高圧状態の炭酸ガス35aの体積膨張を効率的に行わせる。
The
炭酸ガスはパイプ33を通って開弁された給気口13、107、117より密室内に高圧状態35aで供給され、常圧状態で排出・回収される。炭酸ガス35につき、高圧状態の炭酸ガスを「35a」で表わし、常圧状態のものを「35b」で表わす。なお、総称するときは「炭酸ガス35」という。
Carbon dioxide gas is supplied to the closed chamber from the
次に本願発明に用いられる炭酸ガスエンジン1について説明する。図3は炭酸ガスエンジン1をロータリ型炭酸ガスエンジンとする場合である。炭酸ガスエンジン1を構成するハウジング101はアルミニウム合金製の密閉された円筒と、該ハウジング101の内室103に回転可能に設けられるアルミニウム合金製のロータ115とからなる。上記ハウジング101は密閉に形成された円筒が横設され、内部に断面円形に形成される内室103を有する。上記ハウジング101の上部周壁に上記内室103に通ずる給気口117を設け、対向する側の周壁に排気口119を開口する。本実施例の場合、該排気口119は上記給気口117を通る直径線fよりやや2次作動室122側に位置するように設ける。図示例では直径線fに対し角度αが約15°程度としてある。
Next, the
上記ロータ115は図4に示すような略楕円形状の板体からなり、上記ハウジング101の内室103の中央部に回転可能に設けたロータ軸116に複数個位相をずらせて通常2個固設される。上記ロータ115の輪郭には、図4に示すように、圧力保持のための圧力シール115aを設ける。該圧力シール115aはオイルシールも兼ねる。上記ハウジング101の上部周壁には給気口117を被覆するバルブ室124を設け、該バルブ室124に上下動自在の給気弁125を設ける。該給気弁125の弁軸127には上記バルブ室124を閉塞する方向に付勢されるスプリング129を巻着する。131は上記ロータ115に連動するカムであり、該カム131により上記給気弁125を開閉する。130はスプリングカバーである。
The
上記内室103には気化後の高圧状態の炭酸ガス35aが供給され、該炭酸ガス35aが大気圧になるときの体積膨張による力により上記ロータ115がロータ軸116を中心にして矢示する一方向に回転する。上記内室103は上記ロータ115の回転に伴ない、1次作動室121、2次作動室122に区画・形成される。上記各作動室121、122は上記ロータ115の作動面a,bとの関係で、吸入膨張行程、膨張排出行程又は大気圧保持行程のいずれかを担う。
The
吸入膨張行程は炭酸ガス35aが1次作動室121内に供給され、上記ロータ115のいずれかの作動面a又はbを押圧する行程で、このとき給気口117は「開」、排気口119は「閉」となっている(図3A)。膨張排出行程はロータ115の回転に与り大気圧状態となった炭酸ガス35bが排気口119より外部に排出される行程で、このとき給気口117は「閉」、排気口119は「開」となっている(図3B)。大気圧保持行程は、給気口117が「閉」、排気口119が「開」であり、内室103内が作動室121、122ともに大気圧となった炭酸ガス35bを大気圧状態に保持する行程であり、これによりロータ115の回転に円滑性を付与する(図3C)。
The suction expansion stroke is a stroke in which
ハウジング101は、図3のように、アルミニウム合金製のハウジングカバー139にて一体に被覆され、シリンダ本体の側壁の外側に中空体からなる加熱部137を設けることとしてもよい。上記ハウジングカバー139の側壁には熱風供給口141及び熱風排出口143が開口され、夫々、加熱部137を加熱するための熱風40aを供給する熱風供給パイプ45、加熱部137の加熱を終了した熱風40bを排出するための熱風排出パイプ47が連結される。上記熱風供給パイプ45、上記熱風排出パイプ47は別に設ける圧縮機49に循環可能に連結される。
As shown in FIG. 3, the
図5及び図6のロータリ型炭酸ガスエンジンはロータが図7で示すような三面ロータの場合である。図5はハウジングが正円形の場合、図6は楕円形の場合である。図5において、炭酸ガスエンジン1を構成するハウジング101はアルミニウム合金製の密閉された円筒と、該ハウジング101の内室103に回転可能に設けられるアルミニウム合金製のロータ105とからなる。上記ハウジング101は密閉に形成された円筒が横設され、内部に断面円形に形成される内室103を有する。また上記ハウジング101は周壁に給気口107を設け、対向する側の周壁に排気口109を開口する。該排気口109は上記給気口107より下方に位置するように設けるのが望ましい。なお、ここで「対向」とは給気口107と排気口109のこのような位置関係のある設置も含むものとする。
The rotary carbon dioxide engine shown in FIGS. 5 and 6 is a case where the rotor is a three-sided rotor as shown in FIG. FIG. 5 shows a case where the housing is a perfect circle, and FIG. 6 shows a case where it is oval. In FIG. 5, a
上記ロータ105は丸みを帯びた正三角形状の板体からなり、上記ハウジング101の内室103の中央部に回転可能に設けたロータ軸106に複数個位相をずらせて通常2個固設される。上記ロータ105の輪郭には、図7に示すように、圧力保持のための圧力シール105aを設ける。該圧力シール105aはオイルシールも兼ねる。
The
上記内室103には気化後の高圧状態の炭酸ガス35aが供給され、該炭酸ガス35aが大気圧になるときの体積膨張による力により上記ロータ105がロータ軸106を中心にして時計回り方向に回転する。上記内室103は上記ロータ105の回転に伴ない、1次作動室111、2次作動室112及び3次作動室113に区画・形成される。上記各作動室111、112、113は上記ロータ105の作動面a,b,cとの関係で、吸入膨張行程、膨張排出行程又は大気圧保持行程のいずれかを担う。
The
吸入膨張行程は炭酸ガス35aが1次作動室111内に供給され、このときの炭酸ガス35aは「亜膨張」の状態となり、上記ロータ105のいずれかの作動面を押圧する(図5A)。膨張排出行程はロータ105の回転に与り大気圧状態となった炭酸ガス35bが排気口109より外部に排出される。このときの炭酸ガス35aは「連鎖膨張」の状態となる(図5B)。大気圧保持行程は、給気口107及び排気口109が上記ロータ105の他の作動面によりブロックされるため、大気圧となった炭酸ガス35bを保持する行程であり、これによりロータ105の回転に円滑性を付与する。このときの内室103は大気圧(1気圧)となる(図5C)。
During the suction and expansion stroke,
ロータリ型炭酸ガスエンジンの場合、ハウジングの形状は必ずしも断面正円形にする必要がなく、楕円形であってもよい。後者の場合例えば図6に示すように構成することができる。この場合、ハウジング102の内室123が同一径の2個の円が対称に交差して描かれる軌跡に沿って形成されている。ロータ126は丸みを帯びた正三角形状の板体からなり、上記内室123内を中心を移動させながら回転する。上記ロータ126の中央部には、円形のロータ孔126aが設けられ、ここにロータ軸126bが挿通される。該ロータ軸126bは外周にギヤ(図示省略)を設け、ロータ孔126aの内周に設けるギヤ(図示省略)と噛合する。123aは1次作動室、123bは2次作動室、123cは3次作動室である。エネルギは上記ロータ軸126bより適宜手段を介して取り出す。なお、上記ロータ126の輪郭にも、図7と同様、オイルシール兼用の圧力シール(図示省略)を設けてある。
In the case of a rotary type carbon dioxide engine, the shape of the housing does not necessarily need to be a circular shape in cross section, and may be elliptical. In the latter case, for example, it can be configured as shown in FIG. In this case, the
図8は炭酸ガスエンジン1たるレシプロ型炭酸ガスエンジンを示す。炭酸ガスエンジン1を構成するシリンダ2はアルミニウム合金製のシリンダヘッド3とアルミニウム合金製のシリンダ本体5とからなり、シリンダヘッド3がシリンダ本体5に分解可能に固着される。該シリンダ本体5内にはアルミニウム合金製ピストン7が往復動可能に摺接される。上記シリンダ本体5の上部には上記シリンダヘッド3と上記ピストン7とによって密閉構造とされる内室9が形成される。上記シリンダ本体5の側壁にはピストン7の下死点D時に開口する排気口11が設けられる。上記シリンダヘッド3には給気口13が開口され、該給気口13に上下動自在の給気弁15を設ける。該給気弁15の弁軸17には上記給気口13を閉塞する方向に付勢されるスプリング19を巻着する。21は上記ピストン7に連動するカムであり、該カム21により上記給気弁15の開閉をする。23はコネクティングロッドであり、上記ピストン7とクランクシャフト25とを連結する。該クランクシャフト25の一端にはフライホイール27が取り付けられている。26は該クランクシャフト25のバランスウェイトを示す。20はスプリングカバーである。29aは圧力リングであり、上記内室9を密閉するため上記ピストン7の上部に取り付けられる。29bはオイルリングである。
FIG. 8 shows a reciprocating carbon dioxide engine as the
上記シリンダ2は、図3で述べた実施例と同様に、アルミニウム合金製のシリンダカバー39にて一体に被覆され、シリンダ本体5の側壁の外側に中空体からなる加熱部37を設けることにしてもよい。上記シリンダカバー39の側壁上部には熱風供給口41及びその下方には熱風排出口43が開口され、夫々、加熱部37を加熱するための熱風40aを供給する熱風供給パイプ45、加熱部37の加熱を終了した熱風40bを排出するための熱風排出パイプ47が連結される。上記熱風供給パイプ45、上記熱風排出パイプ47は別に設ける圧縮機49に循環可能に連結される。
As in the embodiment described with reference to FIG. 3, the
次に図9に基づき本願発明の作動原理を説明する。図9はロータ115が内室103内で回転するときの位置と炭酸ガスの膨張の様子を模式化した図である。図9のA1(図3(A))及び図9のA2は吸入膨張行程を示し、このときの炭酸ガスは「亜膨張」の状態となる。図9のB1及び図9のB2(図3(B))は膨張排出行程を示し、このときの炭酸ガスは「連鎖膨張」の状態となる。図9のCは大気圧保持行程を示し、図3(C)の直前の状態であり、このときの内室103は大気圧(1気圧)となる。図9のDはロータ115が1回転し他の面(b面)が作動面となった状態を示す。
Next, the operation principle of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram schematically showing the position when the
炭酸ガス35aは初期タンク31又は循環タンク73よりパイプ33a〜33eを経、高圧状態のまま炭酸ガスエンジン1に供給されるのであるが、この炭酸ガス35aが炭酸ガスエンジン1の内室103に流入されるときの様子を図9に基づいて説明してみる。
The
まず始動を図示しないセルスターターにより行ない、ロータ115を強制回転させる。ロータ115が図9のA1の位置即ち給気口117の直前の位置にくると給気弁125が「開」となり、高圧状態の炭酸ガス35aが1次作動室121に流入してくる。この炭酸ガス35aは1次作動室121に流入するとすぐに膨張を開始するが、ロータ115が図9のA2に示すように給気口117を通過する位置にくると給気弁125が「閉」となるため膨張が一旦終了する。これは炭酸ガス35aの膨張が1次作動室121の容積の限度内で行われるためである。これを仮りに「亜膨張」と呼ぶ。亜膨張時にロータ115が受ける圧力エネルギーは、ガソリンエンジンにおける場合と同様、a面全体で圧力を受けることになる。つまり図9のA1及び図9のA2の吸入膨張行程において、炭酸ガス35aは亜膨張エネルギーのストレスを溜め保持した状態で次の膨張排出行程に移行することになる。なお、この吸入膨張行程における他面(b面)側の圧力は大気圧である。
First, starting is performed by a cell starter (not shown), and the
図9のB1及び図9のB2の膨張排出行程において、ロータ115の回転により排気口119が「開」となった瞬間、即ち排気口119がピンホール状態となると調整タンク72由来の常圧炭酸ガスGが流入し35a炭酸ガス35aは大気圧になるため爆発的に膨張する。このとき炭酸ガス35aの動きを中心にみると、膨張した炭酸ガス35aはロータ115の表面に沿って動き「開」となった排気口119に向かって急激に移動する。即ち、膨張排出行程における膨張圧力は吸入膨張行程における場合とは異なり、ロータ115のa面全体に均等にかかるのではなく、ロータ115の排気口119側の半面にだけ集中してかかる。よって排気口119は益々大きく開口し、これにより炭酸ガス35aが益々排気口119に向かって急激に移動するため、炭酸ガス35aの膨張による力(これを「膨張力」と呼ぶ)は一層ロータ115の排気口119側の半面にだけ集中する。この状態は「連鎖膨張」の状態と呼ぶことができ、こうなると炭酸ガス35aは十分に膨張しきり、このためロータ115の排気口119側の半面には十分な回転モーメントを得ることができ、これによりロータ115は回転する。この膨張排出行程における各面の圧力は、図9のB1では他面(b面)側の圧力が大気圧であり、図9のB2(図3(B))ではa、b両面側とも大気圧である。
In the expansion and discharge strokes B1 in FIG. 9 and B2 in FIG. 9, the atmospheric pressure carbonic acid derived from the
次いで図9のB2に示す膨張排出行程の終了時から図9のC及び図3(C)に示す大気圧保持行程において、ロータ115のa、b両面とも大気圧となるため、ロータ115は慣性力により回転し図9のD(図3(D))に示す位置となる。これにより、他面(b面)が作動面となり、今度はロータ115のb面において上記した一連の行程が繰り返されることになる。
Next, in the atmospheric pressure holding process shown in FIG. 9C and FIG. 3C from the end of the expansion / discharge process shown in B2 of FIG. 9, both the surfaces a and b of the
かくして始動が終了すると、その後は上記した一連の行程が連続的に繰り返されることにより炭酸ガスエンジンが本格作動することになるのである。 Thus, when the start is completed, the carbon dioxide engine starts full-scale operation by continuously repeating the above-described series of strokes.
図5及び図6に示す三面ロータの場合の作動原理も上記と同様であり、炭酸ガス35aの膨張は吸入膨張行程、膨張排出行程及び大気圧保持行程をとり、各行程において上記と同様に作用する。図3に示す二面ロータの場合と異なるのは給気弁125がないことであるが、この給気弁125の機能即ち給気口117の開閉はロータ105、126の回転位置によって行なうのである。
The operation principle in the case of the three-surface rotor shown in FIGS. 5 and 6 is the same as described above, and the expansion of the
図5に基づき炭酸ガスエンジン1の動きを詳しくみてみる。
図5(A)に示すように、ロータ105の作動面aが吸入膨張行程をする位置にあるとき、気化後の高圧状態(例えば60気圧)の炭酸ガス35a(気体)が給気口107より1次作動室111内に供給される。上記炭酸ガス35aは1次作動室111内に供給されると、1気圧の大気圧下に曝されるから、一気にその体積を膨張させる。この膨張は「亜膨張」である。
The movement of the
As shown in FIG. 5A, when the working surface a of the
吸入膨張行程では慣性力によりロータ105が押圧されて図5(B)に示す位置に回転する。これにより作動面aは2次作動室112に位置し、排気口109が「開」となるため膨張排出行程となる。ロータ105の回転により排気口109が「開」となった瞬間、即ち排気口109がピンホール状態となると炭酸ガス35aは大気圧になるため爆発的に膨張する。このとき炭酸ガス35aの動きを中心にみると、膨張した炭酸ガス35aはロータ115の表面に沿って動き「開」となった排気口109に向かって急激に移動する。よって二面ロータの場合で述べたように、炭酸ガス35aは2次作動室112内の内部が大気圧となるので爆発的に膨張する「連鎖膨張」となり、この排気口109より噴出する。
In the suction / expansion stroke, the
さらにロータ105が図5(C)に示す位置に回転すると、給気口107と排気口109とがともに「閉」となるので大気圧保持行程となり、炭酸ガス35bを大気圧状態で保持する。
When the
ロータ105はさらに回転し図5(A)に示す位置となる。かくして炭酸ガス35aの体積膨張力と慣性力によりハウジング内をロータが連続的に回転するから、これによるエネルギを適宜手段により取り出す。
The
図8に示すレシプロ型炭酸ガスエンジンの場合の作動原理も上記と同様であり、炭酸ガス35aの膨張は吸入膨張行程、膨張排出行程及び大気圧保持行程をとり、各行程において上記と同様に作用する。ピストン7の下降により吸入膨張行程となり、内室9内は「亜膨張」となる。続いて排気口11の「開」の開始から図8(C)に示す「全開」を経て排気口11の「開」の終了まで膨張排出行程が続き、高圧状態の炭酸ガス35aが大気圧に曝され爆発的に膨張する「連鎖膨張」となる。続いてピストンの上昇による排気口11の「閉」となるまで大気圧保持行程となる。この連鎖膨張の膨張力によりピストン7が作動する。
The operating principle in the case of the reciprocating carbon dioxide engine shown in FIG. 8 is also the same as described above, and the expansion of the
図8に基づき炭酸ガスエンジン1の動きを詳しくみてみる。まず、図示しないスタータモータにより、カム21を回転させる。するとカム21に連動してピストン7が図8(A)に示すように下降するとともに、カム21により給気弁15が押圧される。すると図8(B)に示すように、スプリング19の付勢力に抗して給気弁15が「開」となる。このときピストン7は上死点Uに位置している。次いでカム21がさらに回転すると、回転後すぐに給気弁15の押圧が解除されるから、給気弁15はスプリング19の付勢力により「閉」となる。図8(C)はピストン7が下死点Dまで下降した状態を示す。
Based on FIG. 8, the movement of the
この上死点Uから下死点Dに移行する過程を詳しくみる。給気弁15が「閉」となると、密室内では高圧状態(例えば60気圧)で供給された炭酸ガス35a(気体)は、内室9という限られた空間内において1気圧の大気圧下に曝されるからその体積を膨張させる。この膨張は「亜膨張」である。この体積膨張による力はピストン7に伝動され、ピストン7を下降させるとともに、この力はクランクシャフト25の一端に固着されているフライホイール27にも伝動する。ピストン7が下死点Dに達すると、フライホイール27に伝動している上記力に起因する慣性力によりピストン7は上昇過程に移行する。
The process of shifting from the top dead center U to the bottom dead center D will be described in detail. When the
図8(C)に示すように下死点D時において内室9の排気口11は「開」となるので、ピストン7の押下げに与った炭酸ガス35aは、内室9の内部が大気圧になるので、爆発的に膨張する「連鎖膨張」となり、排気口11より噴出する。この連鎖膨張の膨張力によりピストン7が作動する。次いで上昇過程に移行したピストン7の上死点U時においてはすべての炭酸ガス35bが排気される。
As shown in FIG. 8C, since the
かくして、炭酸ガス35aの体積膨張力と上記慣性力とにより、ピストン7は上記した下降過程及び上昇過程を連続的に繰り返す。よって、炭酸ガスエンジンのピストン7は連続的に往復動するから、これによるエネルギを適宜手段により取り出す。
Thus, the
ここで従来のガソリンエンジンと原理の対比をしてみる。
従来のガソリンエンジンは〈1〉吸入行程、〈2〉圧縮行程、〈3〉燃焼行程及び排気行程の4行程が必要であるが、本願発明による炭酸ガスエンジンは上記〈3〉燃焼行程が不要であり、〈2〉圧縮行程についてはあってもなくてもよいのである。本願発明による炭酸ガスエンジンの行程は、〈a〉吸入膨張行程、〈b〉膨張排出行程及び〈c〉大気圧保持行程である。またエンジン特性についてみれば、従来のガソリンエンジン(内燃機関)の燃焼膨張は一過性エネルギーであるのに対し、本願発明による炭酸ガスエンジン(内圧機関)は連続膨張エネルギーである。このようなエネルギー特性の違いにより、従来のガソリンエンジンでは各行程が明瞭に区別できるのであるが、本願発明による炭酸ガスエンジンの各行程は連続している。
よって従来のガソリンエンジンと本願発明による炭酸ガスエンジンとは原理が全然異なり、ガソリンエンジンに適用される理論をそのまま本願発明による炭酸ガスエンジンに適用することはできないのである。
Let's compare the principle with a conventional gasoline engine.
The conventional gasoline engine requires four strokes of <1> intake stroke, <2> compression stroke, <3> combustion stroke and exhaust stroke, but the carbon dioxide engine according to the present invention does not require the above <3> combustion stroke. Yes, <2> The compression stroke may or may not be present. The strokes of the carbon dioxide gas engine according to the present invention are <a> intake expansion stroke, <b> expansion / discharge stroke, and <c> atmospheric pressure maintaining stroke. Regarding engine characteristics, combustion expansion of a conventional gasoline engine (internal combustion engine) is transient energy, whereas a carbon dioxide engine (internal pressure engine) according to the present invention has continuous expansion energy. Due to the difference in energy characteristics, each stroke can be clearly distinguished in the conventional gasoline engine, but each stroke of the carbon dioxide engine according to the present invention is continuous.
Therefore, the principle is completely different between the conventional gasoline engine and the carbon dioxide engine according to the present invention, and the theory applied to the gasoline engine cannot be directly applied to the carbon dioxide engine according to the present invention.
上記の点をもう少し具体的に見てみる。ガソリンエンジンは爆発燃焼時の瞬間エネルギを利用するため、ロータ面にかかる均等圧力をロータの結合部分を中心軸より偏心させて楕円に回転方向性を与えている。空気と燃料の圧縮行程は必ず必要であり、ロータを偏心させ内室の容積変化を起こさせるためにシリンダを楕円構成とするのである。
これに対し、本願発明による炭酸ガスエンジンにおいては圧縮行程は必ずしも必要でなく、図示実施態様に示すようになくてもよいのである。これは、本願発明においてはガソリンエンジンのように燃焼のための空気と燃料との圧縮行程が不要であるので、大気圧保持行程より吸入膨張行程に移行するとすぐに「亜膨張」となり、ロータの先端が排気口を切った瞬間高圧状態の炭酸ガスが爆発的に膨張する「連鎖膨張」を起こすからである。この結果、排気口119側のロータの半面に膨張圧力が集中し、これによりロータが回転するのである。このように、従来のガソリンエンジンと本願発明による炭酸ガスエンジンとは原理が全然相違するのである。
Let's take a closer look at the above points. Since the gasoline engine uses instantaneous energy at the time of explosion combustion, the equal pressure applied to the rotor surface is decentered from the coupling portion of the rotor from the central axis to give the ellipse rotational directionality. The compression stroke of air and fuel is indispensable, and the cylinder has an elliptical configuration in order to cause the rotor to be eccentric and to change the volume of the inner chamber.
On the other hand, in the carbon dioxide engine according to the present invention, the compression stroke is not necessarily required, and may not be as shown in the illustrated embodiment. This is because, in the present invention, a compression stroke of air and fuel for combustion is not required as in a gasoline engine, so that the sub-expansion occurs immediately after shifting from the atmospheric pressure holding stroke to the suction expansion stroke. This is because the high-pressure carbon dioxide gas undergoes a “chain expansion” that explosively expands at the moment when the tip cuts the exhaust port. As a result, the expansion pressure is concentrated on the half surface of the rotor on the
このように原理が相違する結果、炭酸ガスエンジンの態様も次のように相違することになる。まず、三面ロータについては、従来のガソリンエンジンはシリンダが楕円構成でなければならず、正円構成のシリンダとすることができない。また二面ロータについても、従来のガソリンエンジンはシリンダが楕円構成でなければならず、正円構成のシリンダとすることができない。その理由は前述したように、ガソリンエンジンは爆発燃焼時の瞬間エネルギを利用するため、ロータ面にかかる均等圧力を偏心させて回転方向性を与える必要があるからであり、また吸入、圧縮時の作動室の容積変化が必要だからである。
これに対し、本願発明においては、圧縮行程が不要であるから、三面ロータ、二面ロータともにシリンダは楕円構成であっても正円構成であってもよく、いずれでもロータは回転するのである。
As a result of the difference in principle, the aspect of the carbon dioxide engine is also different as follows. First, regarding the three-sided rotor, the conventional gasoline engine must have an elliptical cylinder, and cannot be a circular cylinder. As for the two-sided rotor, the conventional gasoline engine must have an elliptical cylinder, and cannot be a circular cylinder. The reason for this is that, as described above, the gasoline engine uses instantaneous energy at the time of explosion combustion, so it is necessary to decenter the uniform pressure applied to the rotor surface to give rotational directionality, and at the time of intake and compression This is because it is necessary to change the volume of the working chamber.
On the other hand, in the present invention, since the compression stroke is not necessary, the cylinder may be an elliptical configuration or a perfect circular configuration for both the three-surface rotor and the two-surface rotor, and the rotor rotates in either case.
本願発明による発電システムは上記した循環式内圧機関により発電機を駆動し発電するシステムである。この場合、炭酸ガスエンジン1は出力の大なる大規模のものが用いられる。この場合は炭酸ガス液化製造機も大量の炭酸ガスを容易迅速に処理できるよう3段以上の多段にするのが望ましい。
The power generation system according to the present invention is a system for generating power by driving a generator by the above-described circulating internal pressure engine. In this case, a large-scale
ここで炭酸ガス35について詳しく説明する。炭酸ガス(二酸化炭素 CO2)は次のような物理的性状を有する。
空気との比重 1.529
毒性 無
臭 無臭
性状 不燃性
分子量 44.01
三重点(0.53MPa) −56.6℃
沸点(昇華) −78.5℃
臨界温度 31.1℃
臨界圧 7.38MPa
熱力学的性質 図10の通り
Here, the
Specific gravity with air 1.529
Toxicity Odorless Odorless Property Nonflammability Molecular weight 44.01
Triple point (0.53 MPa) -56.6 ° C
Boiling point (sublimation) -78.5 ° C
Critical temperature 31.1 ℃
Critical pressure 7.38 MPa
Thermodynamic properties As shown in FIG.
また炭酸ガスは物の燃焼や動物の呼吸、有機物の腐敗、発酵等に伴って発生し、空気中に普通に存在する。一方で植物は炭酸ガスを吸収し炭素同化作用を営む。 Carbon dioxide is generated with burning of animals, respiration of animals, decay of organic substances, fermentation, etc., and is normally present in the air. On the other hand, plants absorb carbon dioxide and perform carbon assimilation.
本願発明はこのような物理的性状を有する炭酸ガスの不活性、常温液化性及び高度の体積膨張性に着目し、これを最大限に活用する。 The present invention pays attention to the inertness of carbon dioxide gas having such physical properties, room temperature liquefaction property, and high volume expansion property, and makes maximum use of this.
ここで炭酸ガス35aの膨張率、即ち炭酸ガス35aにより取り出されるエネルギの大きさについてみる。密室たる内室9、1次作動室111、121内に供給される炭酸ガス35aが常温(25℃)の場合、該炭酸ガス35aの圧力は図10より6.432MPa(64.32気圧)であるから、常圧(1気圧)の内室9、1次作動室111、121内にあるピストン7、ロータ105、115には64.32倍の圧力がかかる。よって理論上約64倍の運動エネルギを取り出すことが可能となる。
Here, the expansion rate of the
このエネルギと従来の内燃機関の代表としてガソリンエンジンから取り出されるエネルギとを比較する。 This energy is compared with the energy extracted from a gasoline engine as a representative of a conventional internal combustion engine.
(オープン条件化でのガソリン燃焼)
ガソリンの分子表記は難しいため、ガソリンの平均分子量に比較的近い炭化水素であるオクタン(C8H18)をガソリンの組成と見なして計算する。オクタンの物理的性状は次の通りである。
化学式 C8H18
比重 d=0.7
分子量 M=114.0
燃焼熱 10200kcal/kg=10200×114/1000×4.186≒4868kJ/mol
(Gasoline combustion under open conditions)
Since the molecular notation of gasoline is difficult, octane (C 8 H 18 ), which is a hydrocarbon relatively close to the average molecular weight of gasoline, is calculated as the gasoline composition. The physical properties of octane are as follows.
Chemical formula C 8 H 18
Specific gravity d = 0.7
Molecular weight M = 114.0
Combustion heat 10200kcal / kg = 10200 × 114/1000 × 4.186 ≒ 4868kJ / mol
オクタンの燃焼反応式は(1)式の通りである。
(ガス比容V0の計算)
生成ガスを理想気体として仮定しているので、標準状態で1molの占める容積は22.4lとなる。従って、ガス比容V0は(1)式から
Since the product gas is assumed to be an ideal gas, the volume occupied by 1 mol in the standard state is 22.4 l. Therefore, the gas specific volume V 0 is obtained from the equation (1).
(燃焼温度T1の計算)
爆発温度T1を求めるには、生成ガスのモル数、発熱量、生成ガスの定容比熱が必要となる。ここでは、定容比熱のみ不明であるが、TNTのような火薬類と同じとしてみる。
(Calculation of the combustion temperature T 1)
In order to obtain the explosion temperature T 1 , the number of moles of the product gas, the calorific value, and the constant volume specific heat of the product gas are required. Here, only constant volume specific heat is unknown, but it is assumed that it is the same as explosives such as TNT.
爆発温度T1は(2)式によって求めることができる。
(2)式より爆発温度T1は
つまり、1kgのオクタンは、爆発すると7430(K)(約7100℃)で、90900(l)を占める。反応前の容積は1000/0.7=1430(ml)であるから、反応前の温度を0℃とした場合の膨張率は
しかしながら上記値は、火薬と同じ爆発状態を想定しているため現実以上に爆発温度が高くなっている。現実的には、爆発温度が1500K程度であり、また燃焼に空気が十分ないと反応が進まない。よって、現実には酸素が不足するためTNT火薬のようには反応が起きないのである。 However, since the above value assumes the same explosion state as the explosive, the explosion temperature is higher than actual. Actually, the reaction does not proceed unless the explosion temperature is about 1500K and there is not enough air for combustion. Therefore, in reality, since oxygen is insufficient, the reaction does not occur like TNT explosives.
(空気を考慮したガス比容)
そこで空気を考慮したオクタンの燃焼反応式を考える。(1)式で必要な酸素は12.5molであり、空気の組成を酸素21%、窒素79%とすると、それに伴う窒素は
12.5mol×(79/21)=47.0mol
となる。したがって、燃焼反応式は
Therefore, let us consider the combustion reaction formula of octane considering air. The necessary oxygen in the formula (1) is 12.5 mol. If the composition of air is 21% oxygen and 79% nitrogen, the accompanying nitrogen is 12.5 mol × (79/21) = 47.0 mol.
It becomes. Therefore, the combustion reaction equation is
オクタン1molが燃焼すると空気中の酸素を取り込みながら合計17molのガスが発生し、燃焼に与らない窒素47.0molが存在する。 When 1 mol of octane burns, a total of 17 mol of gas is generated while taking in oxygen in the air, and there is 47.0 mol of nitrogen that does not affect combustion.
生成ガスを理想気体と仮定しているので、標準状態で1molの占める容積は22.4lとなる。したがって、ガス比容V0は(3)式から、
(空気を考慮した燃焼温度T1の計算)
燃焼温度T1を求めるには、生成ガスのモル数、発熱量、生成ガスの定容比熱が必要となる。ここでは、定容比熱のみ不明であるが、TNTのような火薬類と同じとしてみる。燃焼温度T1は次式によって求めることができる。
In order to obtain the combustion temperature T 1 , the number of moles of the product gas, the calorific value, and the constant volume specific heat of the product gas are required. Here, only constant volume specific heat is unknown, but it is assumed that it is the same as explosives such as TNT. The combustion temperature T 1 can be obtained by the following equation.
(4)式より爆発温度T1は
つまり1kgのオクタンは空気の初期体積を考慮すると、瞬間的に燃焼したとして、2175(K)(約1900℃)で100185(l)を占める。反応前の容積は
(12.5+47)×22.4+1/0.7=1334(l)であるから、反応前の温度を0℃とした場合の膨張率は100185/1334≒75倍となる。ただし上記値は実際上は燃焼中に熱が周囲に逸散するので、燃焼温度はさらに低くなる筈である。
That is, considering the initial volume of air, 1 kg of octane occupies 100185 (l) at 2175 (K) (about 1900 ° C.), assuming that it burned instantaneously. Since the volume before the reaction is (12.5 + 47) × 22.4 + 1 / 0.7 = 1334 (l), the expansion rate when the temperature before the reaction is 0 ° C. is 100185 / 1334≈75 times. However, the above values should actually further reduce the combustion temperature because heat is dissipated to the surroundings during combustion.
(ガソリンエンジン内の燃焼)
燃費10km/l、排気量2000cc、平均速度40km/h、平均回転数2000rpm/minの自動車のガソリンエンジンを考える。上記ガソリンエンジンは1時間あたりでは4(l)のガソリンを消費する。また、上記ガソリンエンジンは2000rpm/minであるので、2000×2×60(ストローク/h)となる。また、上記エンジンのボアストロークが直径86mm、ストローク86mmよりシリンダ室内の容積は
S=(8.6)×(4.3)2×π=500(cm3)
となる。
(Combustion in gasoline engine)
Consider an automobile gasoline engine with a fuel consumption of 10km / l, displacement of 2000cc, average speed of 40km / h, and average speed of 2000rpm / min. The gasoline engine consumes 4 (l) of gasoline per hour. Further, since the gasoline engine is 2000 rpm / min, it becomes 2000 × 2 × 60 (stroke / h). Further, since the bore stroke of the engine is 86 mm in diameter and the stroke is 86 mm, the volume in the cylinder chamber is S = (8.6) × (4.3) 2 × π = 500 (cm 3 )
It becomes.
これは1ストロークあたりでは
4000(ml)/(2000×2×60)=1/60(ml)
のガソリンを消費し、そのときの燃焼ガスは500(cm3)になる。
This is 4000 (ml) / (2000 x 2 x 60) = 1/60 (ml) per stroke
Of gasoline is consumed, and the combustion gas at that time becomes 500 (cm 3 ).
次に、圧縮比からこのエンジンの行程を解析してみる。
圧縮比は一般的な乗用車エンジンでは「9」前後である。燃焼室容積をVb(ml)とすると、圧縮比=(Vb+500)/Vbであるので、9Vb=Vb+500となり、これを解くと
Vb=62.5(ml)となる。
Next, let's analyze the stroke of this engine from the compression ratio.
The compression ratio is around “9” in a general passenger car engine. Assuming that the combustion chamber volume is Vb (ml), the compression ratio = (Vb + 500) / Vb, so 9Vb = Vb + 500, and when this is solved, Vb = 62.5 (ml).
以上を詳細を省いて簡単にまとめると、
62.5(ml)の燃焼室と500(ml)のシリンダ室に1/60(ml)(=16.7×10-3(ml)=1.025×10-4(mol)のガソリンが空気約560(ml)(酸素5.25×10-3(mol)と窒素19.75×10-3(mol))と一緒に吸い込まれ(1気圧)、9倍に圧縮されたガソリンと空気(9気圧)に点火される。(3)式から消費される酸素は
1.025×10-4×12.5=1.281×10-3
である。したがって、残りの酸素と窒素は、それぞれ
(5.25−1.28)×10-3=1.97×10-3(mol)、19.75×10-3(mol)
となる。
Summarizing the above without the details,
Gasoline of 1/60 (ml) (= 16.7 x 10 -3 (ml) = 1.025 x 10 -4 (mol) of gasoline in the combustion chamber of 62.5 (ml) and the cylinder chamber of 500 (ml) About 560 (ml) of air (oxygen 5.25 × 10 −3 (mol) and nitrogen 19.75 × 10 −3 (mol)) inhaled together (1 atm), compressed gasoline and
1.025 × 10 -4 × 12.5 = 1.281 × 10 -3
It is. Therefore, the remaining oxygen and nitrogen are (5.25-1.28) × 10 −3 = 1.97 × 10 −3 (mol) and 19.75 × 10 −3 (mol), respectively.
It becomes.
また、発生するガスと熱量は、
H2O:1.025×10-4×9=9.225×10-4(mol)
CO2:1.025×10-4×8=8.200×10-4(mol)
Q=1.025×10-4×4868=0.499kJ
である。
The generated gas and heat quantity are
H 2 O: 1.025 × 10 −4 × 9 = 9.225 × 10 −4 (mol)
CO 2 : 1.025 × 10 −4 × 8 = 8.200 × 10 −4 (mol)
Q = 1.025 x 10 -4 x 4868 = 0.499 kJ
It is.
燃焼温度T1を求めるには、前記のように生成ガスのモル数、発熱量、生成ガスの定容比熱が必要となる。ここでは、定容比熱のみ不明であるが、TNTのような火薬類と同じとしてみる。燃焼温度T1は前記のように次式によって求めることができる。
(4’)より燃焼温度T1は
つまり、2000ccのエンジンでは瞬間的に燃焼したとして、805(K)(約532℃)で23.5×10-3(mol)(=9.225×10-4+8.200×10-4+19.7×10-4+197.5×10-4)のガスが、62.5(ml)を占める。 In other words, it is assumed that the 2000 cc engine burned instantaneously, and at 805 (K) (about 532 ° C.), 23.5 × 10 −3 (mol) (= 9.225 × 10 −4 + 8.200 × 10 −4 +19) 7 × 10 −4 + 197.5 × 10 −4 ) gas occupies 62.5 (ml).
このときの、圧力P1を計算してみると、理想気体として状態方程式から
最後に、この高温高圧のガスがシリンダを押し下げる膨張行程で9倍に膨張すると、
P1V0=一定であるから、9倍に膨張したときの圧力P2は
P2=P1/9=24.8/9=2.7(atm)
となる。
Finally, when this high temperature and high pressure gas expands 9 times in the expansion stroke that pushes down the cylinder,
Since P 1 V 0 = constant, the pressure P 2 when expanded 9 times is P 2 = P 1 /9=24.8/9=2.7 (atm)
It becomes.
このように従来のガソリンエンジンより取り出すエネルギの大きさは、この場合約25倍程度である。 In this case, the amount of energy extracted from the conventional gasoline engine is about 25 times in this case.
よって本願発明による炭酸ガスエンジンから取り出されるエネルギは従来の内燃機関から取り出されるエネルギと比較し、同程度以上である。とくに、上記実施例(25℃のとき64倍の例)及び上記比較例(25倍の例)に限って言えば、従来に比し2.5倍のエネルギを得ることができる。 Therefore, the energy extracted from the carbon dioxide engine according to the present invention is equal to or higher than the energy extracted from the conventional internal combustion engine. In particular, 2.5 times the energy can be obtained as compared with the conventional example (64 times at 25 ° C.) and the comparative example (25 times example).
このように本願発明によるエネルギの発生は燃料の燃焼を伴わないから、燃料資源に起因する資源の枯渇や排気ガスによる公害問題を惹起することがなく安全であり、完全なクリーンエネルギを得ることができる。また、炭酸ガスを生じることがないので、炭酸ガスの増加を防止することができ、温暖化現象の防止に寄与することができる。しかも取り出されるエネルギは上記のようにガソリンエンジンと同等程度以上であるから、エネルギの実行性も担保される。 Thus, since the generation of energy according to the present invention does not involve combustion of fuel, it is safe without causing depletion of resources due to fuel resources and pollution problems due to exhaust gas, and it is possible to obtain complete clean energy. it can. Further, since no carbon dioxide is generated, an increase in carbon dioxide can be prevented, which can contribute to prevention of a warming phenomenon. Moreover, since the extracted energy is equal to or higher than that of the gasoline engine as described above, the energy executability is also ensured.
本願発明による循環式内圧機関によれば、密室(内室9、内室103)の圧縮比に影響されず、供給される炭酸ガス35aの圧力は一定(例えば常温(25℃)の場合約64倍)である。またタンク乃至ボンベに収納される炭酸ガス35aは最後の1molまで有効に使用可能である。よって、エネルギの取出効率が大変よい。
According to the circulating internal pressure engine of the present invention, the pressure of the supplied
上記エネルギの取出しにおいて、循環回路を構成することにより排出された炭酸ガスを回収して再利用するから、エネルギ効率を非常に増大することができる。 In the extraction of the energy, the carbon dioxide gas discharged by configuring the circulation circuit is recovered and reused, so that the energy efficiency can be greatly increased.
また、炭酸ガス35aの常温液化性及び高度の体積膨張性により、密室(内室9、103、123)の設計が容易となる。さらに炭酸ガス35aの不活性により、例えば水素ガスや酸素ガスより遙かに扱い易く、制御性が大である。よって高度の実用性を有する。
Moreover, the design of the closed chamber (
炭酸ガス35の体積膨張率と温度とは相関関係にあり、内室9、103、123、1次作動室111、121内に供給されている高圧状態の炭酸ガス35aは上記加熱部37、137による加熱により一層体積が膨張するから、炭酸ガスエンジンの仕事率は一層向上する。
The volume expansion coefficient of the
この点につき、図10及びボイル・シャルルの法則により内室9、103、123、1次作動室111、121内に供給される炭酸ガス35aの圧力を具体的に算出してみる。
In this regard, the pressure of the
ボイル・シャルルの法則は一定量の気体ではPV/Tは常に一定の値となるという法則で、
また内室9、103、123、1次作動室111、121が100℃に加熱される場合、内室9、103、123、1次作動室111、121の内圧は次の算出値となる。
よって内室9、103、123、1次作動室111、121が加熱部37、137により加熱されると炭酸ガスエンジン1の仕事率は一層向上する。
Therefore, when the
本願発明は上記した実施の形態に限定されない。例えば、炭酸ガス単離装置71と循環タンク73の間に他の循環タンク(図示省略)を設け、循環タンクを1次と2次に分けると、炭酸ガスエンジン1制御のための炭酸ガス35aの流量調整が円滑になることが期待され望ましい。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, if another circulation tank (not shown) is provided between the carbon dioxide gas isolator 71 and the
炭酸ガス液化製造機59は複数とすることができる。これにより、前機による吸引と後機による圧送とのセットとし、両者の相乗作用により炭酸ガスの圧縮液化の処理能力を炭酸ガスの量に応じて容易に増大させることができる。よって、所望の出力に応じて、例えば図11(A)、(B)に示すように炭酸ガス液化製造機59a、59b、59cを3個以上の多段にすることができる。もちろん所望の大出力を得られるのであれば、単一機であることを妨げない。
A plurality of carbon dioxide
また複数個の炭酸ガス液化製造機の相互の接続は、例えば図11(A)に示すように直列接続はもとより、例えば図11(B)に示すように並列接続にすることもできる。 Moreover, the mutual connection of a plurality of carbon dioxide gas liquefaction manufacturing machines can be made not only in series connection as shown in FIG. 11A, for example, but also in parallel connection as shown in FIG. 11B, for example.
冷却装置57は、図11(A)に示すように、ケーシング57aと該ケーシング57a内に幾重にも重なるように内蔵される復路のパイプ33kとから構成し、往路のパイプ33dを省略することとしてもよい。この場合排出炭酸ガス35bは大気圧下に曝されると気化熱により例えば−30℃と低温になるため、ケーシング57aには−30℃の排出炭酸ガス35bが充満している。ここに1次炭酸ガス液化製造機59a、59bにて液化しきれなかった炭酸ガス等35a’がその温度を上昇させた状態で復路のパイプ33k中に流れてくるので、炭酸ガス等35a’の温度上昇を上記−30℃の排出炭酸ガスの気化熱により冷却するのである。
As shown in FIG. 11 (A), the
また圧縮機49及び炭酸ガス液化製造機59の駆動力は、その1として、大気圧に謀され連鎖膨張し排出される炭酸ガスの噴出力及びベルト58a、58bにより伝動される炭酸ガスエンジン1からの駆動力、その2として前者(炭酸ガスの噴出力)のみの駆動力、その3として後者(ベルト58a、58bにより伝動される炭酸ガスエンジン1からの駆動力)のみのの駆動力の3パターンがある。つまり、ベルト58a、58bにより伝動される炭酸ガスエンジン1からの駆動力は場合によりあってもなくてもよい。
Moreover, the driving force of the
初期始動を循環タンク73の残溜分より取り出し、初期タンク31を設けないこととしてもよい。
The initial start may be taken out from the remaining amount of the
炭酸ガスを液化するための炭酸ガス液化製造機59による加圧は、例えば、40気圧位でも可能である。
The pressurization by the carbon dioxide
加熱部37、137による加熱システムは任意であり、加熱しなくても本願発明の目的を達成することができる(図6参照)。
The heating system using the
供給系のパイプの中を流れる炭酸ガスは、気体と粉体としてのドライアイスの混合又は液体の状態での送給もあり得る。どの相をとるかは現場の気圧、温度等の条件による。 Carbon dioxide flowing through the pipe of the supply system may be mixed with dry ice as a gas and powder or supplied in a liquid state. Which phase is taken depends on conditions such as atmospheric pressure and temperature at the site.
ポンプ61は圧送式のポンプでもよい。
The
混合タンク69の設置は任意的である。 Installation of the mixing tank 69 is optional.
内室9、103、123に設ける給気弁15は、図示例とは反対に、内室9、103、123を外側から給気弁15の弁蓋により閉塞または開放するようにしてもよい。また給気弁15の設置はシリンダ本体5の側壁であってもよい。
Contrary to the illustrated example, the
カム機構は他の公知のものも適用可能であり、例えばスプリングを要しないカム機構も考えられる。 Other known cam mechanisms can also be applied. For example, a cam mechanism that does not require a spring is also conceivable.
また炭酸ガスエンジン1を構成する素材も鉄その他適宜に選択することができる。
Moreover, the material which comprises the
取り出したエネルギの適用は任意であり、発電機の駆動乃至発電はもちろん、例えば自動車、電車、航空機、船舶等の駆動、モータの駆動等をすることができる。 Application of the extracted energy is arbitrary, and driving of a generator or power generation, as well as driving of an automobile, train, aircraft, ship, etc., driving of a motor, etc. can be performed.
本願発明において「高圧」とは、炭酸ガスエンジンを作動せしめるに十分な圧力の程度を指称し、例えば40気圧とか70気圧である。 In the present invention, “high pressure” refers to a degree of pressure sufficient to operate the carbon dioxide engine, and is, for example, 40 atmospheres or 70 atmospheres.
本願発明は例えば発電、自動車、電車、航空機、船舶等の駆動、モータの駆動、発電機の駆動に活用することができる。 The present invention can be used for, for example, power generation, driving of automobiles, trains, airplanes, ships, etc., driving of motors, driving of generators.
1 炭酸ガスエンジン
2 シリンダ
3 シリンダヘッド
5 シリンダ本体
7 ピストン
9 内室
11 排気口
13 給気口
15 給気弁
17 弁軸
19 スプリング
20 スプリングカバー
21 カム
23 コネクティングロッド
25 クランクシャフト
26 バランスウェイト
27 フライホイール
29a 圧力リング
29b オイルリング
31 初期タンク
33 パイプ
34 循環回路
34A 供給経路
34B 回収経路
35 炭酸ガス
35a 炭酸ガス
35b 炭酸ガス
37 加熱部
39 シリンダカバー
40 熱風
41 熱風供給口
43 熱風排出口
45 熱風供給パイプ
47 熱風排出パイプ
49 圧縮機
51 切替弁
53 センサ
54 三方切替弁
55 流量制御弁
57 冷却装置
58a ベルト
58b ベルト
58c ベルト
59 炭酸ガス液化製造機
61 真空ポンプ
63 逆止弁
65 大気乾燥装置
67 回収タンク
68 分離装置
69 混合タンク
71 炭酸ガス単離装置
73 循環タンク
75 逆止弁
77 逆止弁
101 ハウジング
103 内室
105 ロータ
105a オイルシール兼用圧力シール
106 ロータ軸
107 給気口
109 排気口
111 1次作動室
112 2次作動室
113 3次作動室
115 ロータ
115a オイルシール兼用圧力シール
116 ロータ軸
117 給気口
119 排気口
121 1次作動室
122 2次作動室
123 内室
123a 1次作動室
123b 2次作動室
123c 3次作動室
124 バルブ室
125 給気弁
126 ロータ
126a ロータ孔
126b ロータ軸
127 弁軸
129 スプリング
130 スプリングカバー
131 カム
137 加熱部
139 ハウジングカバー
141 熱風供給口
143 熱風排出口
145 熱風供給パイプ
147 熱風排出パイプ
149 圧縮機
a 作動面
b 作動面
c 作動面
G 常圧炭酸ガス
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45 Hot
131
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