JP4174619B2 - ヒートポンプで駆動する外燃機関エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、ヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンに関するもので、更に詳細には、外部熱源の熱エネルギーをヒートポンプで効率的に集め、ヒートポンプからの熱エネルギーの供給によって駆動する外燃機関エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンの熱源は石油、重油、アルコールを燃やして得ており、近年では、二酸化炭素の排出規制の問題等から木材や廃材等を燃やしているものあり、更には、熱媒体に蓄熱させた熱を利用するものもあった。
【０００３】
【解決しようとする課題】
然し乍ら 地球上には外気、太陽光、地熱、海水、廃熱等の多くの熱源が有り、これらの熱源から熱エネルギーが絶えず放射されており、これらの熱エネルギーは熱交換して利用されてきたが、有効な動力としては余り利用されていないのが現実である。
【０００４】
一方、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンは、燃料を燃やして高温側の熱源としたり、熱媒体による蓄熱を利用して高温側の熱源としているが、スターリングエンジンに示されるように理論効率は絶対温度に対し低温側と高温側の差が大きいほど高くなるため一般的に高温側を高くする方が効率的であり、単に熱媒体を使用したものは蓄熱量が少なく不向きと考えられ、又、燃料を用いるものは二酸化炭素の排出が当然の問題と成っている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述を鑑みて、鋭意研鑽の結果、外部熱源から取り入れた熱エネルギーを放熱部と吸熱部に移送させるヒートポンプと、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンとを用いて、外燃機関エンジンの駆動エネルギーをヒートポンプの放熱部と吸熱部から得るものであり、更に、ヒートポンプを金属水素化物ヒートポンプとするものであり、更には、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをスターリングエンジンとするものであり、加えて、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをバイメタルエンジンとするものである。
【０００６】
【発明の作用】
本発明は地球上に存在するこれらの熱源の熱エネルギーをヒートポンプで集めて、高温側と低温側を備えた熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンに供給することにより、前記外燃機関エンジンを駆動させて動力を得るものである。
【０００７】
つまり、近年では技術の進歩により、発生する動カが発生に要する動力を上回りつつあるもので、例えば、ヒートポンプの成績効率が４倍であり、外燃機関エンジンの効率が３５％であり、外燃機関エンジンからヒートポンプのコンプレッサー等への動力伝達効率等が８０％であれば効率１．１２と成り、このように発生する動力が、発生に要する動力より上回れば、発生する動力を発生に要する動力に回しても、余剰動力が得られることから半永久的に動力が得られることになるものであり、又、ヒートポンプの放熱部と吸熱部の再利用によりヒートポンプの成績効率を４以上に上げることが可能と考えられ、より高い余剰動力が得られるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のヒートポンプの熱源で駆動する外燃機関エンジンを図面により具体的に説明する。
【０００９】
図１は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの実施の形態の概念を説明する説明図であり、図２は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの次実施の形態の金属水素化物ヒートポンプとスターリングエンジンとを用いた順フロー時の状態の説明図であり、図３は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの次実施とスターリングエンジンとの形態の金属水素化物ヒートポンプとスターリングエンジンとを用いた逆フロー時の状態の説明図であり、図４は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの他の実施の形態の説明図であり、図５は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの他の実施の形態の駆動時の説明図である。
【００１０】
本発明は、ヒートポンプ１で駆動する外燃機関エンジン２に関するもので、更に詳細には、外部熱源の熱エネルギーをヒートポンプ１を介して熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジン２に供給するヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンに関するものであり、請求項１に記載ヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンは、外部熱源から取り入れた熱エネルギーを放熱部１ａと吸熱部１ｂに移送させるヒートポンプ１と、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジン２とを用いて、前記外燃機関エンジン２の駆動エネルギーをヒートポンプ１の放熱部１ａと吸熱部１ｂから得るものである。
【００１１】
更に、請求項２に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンは、請求項１に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンにおいて、ヒートポンプを水素吸蔵合金を用いた金属水素化物ヒートポンプ１１とするものである。
【００１２】
更には、請求項３に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンは、請求項１乃至請求項２に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンにおいて、前記熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをスターリングエンジン２１とするものである。
【００１３】
加えて、請求項４に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンは、請求項１乃至請求項２に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンにおいて、前記熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをバイメタルエンジン２２とするものである。
【００１４】
即ち、本発明は地球上に多く存在する熱源から、ヒートポンプ１で熱エネルギーを集め、集めた熱エネルギーを熱エネルギーで駆動する外燃機関エンジン２の駆動源とさせ駆動させることにより、効率よく動カを得るものである。
【００１５】
そして、図１に図示する如く、ヒートポンプ１は冷媒等の熱媒体を封人した配管で接続した循環系１ｃを形成させており、該循環系１ｃにコンプレッサー１ｄと膨張弁１ｅを介装させ、該コンプレッサー１ｄと膨張弁１ｅとの間の片側の循環系１ｃには放熱部１ａを設け、前記膨張弁１ｅとコンプレッサー１ｄの間の他側の循環系１ｃには吸熱部１ｂと外部熱源吸熱部１ｆを設けており、該外部熱源吸熱部１ｆの近傍には外部熱源からの熱エネルギーを効率よく得るための強制ファン１ｇを備えているものである。
【００１６】
そして、前記コンプレッサー１ｄを駆動させることにより外部熱源吸熱部１ｆで吸熱した熱エネルギーを循環系１ｃに封入された熱媒体を介して放熱部１ａに移動させるもので、コンプレッサー１ｃで高圧とすることにより熱媒体は更に高温と成り、放熱部１ａでは後述する外燃機関エンジン２の高温側２ａに熱交換により放熱するものであり、次いで、膨張弁１ｅを解放することにより熱媒体の温度は一気に下がり、吸熱部１ｂの温度が下がり、吸熱部１ｂでは後述する外燃機関エンジン２の低温側２ｂに熱交換により吸熱をするもので、更に、吸熱をした循環系１ｃに封入された熱媒体は外部熱源吸熱部１ｆに循環され、再び、外部熱源の熱エネルギーを外部熱源吸熱部１ｆで吸熱させるものである。
【００１７】
次に、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジン２とは、スターリングエンジン、エリクソンエンジン、バイメタルエンジン、金属伸縮エンジン等が考慮されるが、代表的なスターリングエンジン２１とバイメタルエンジン２２で説明する。
【００１８】
つまり、スターリングエンジン２１は図２乃至図３に図示する如く、高温側２１ａと低温側２１ｂの２つのシリンダー２１ｃ．２１ｄを備え、該夫々のシリンダー２１ｃ．２１ｄの内側に夫々ピストン２１ｅ．２１ｆの先端側を可動状態に挿通させると共に、夫々のシリンダー２１ｃ．２１ｄと夫々のピストン２１ｅ．２１ｆの間には夫々膨縮率の大きい気体２１ｇ．２１ｈを封入させており、夫々のピストン２１ｅ．２１ｆの基端側にはクランク機構３ａ．３ａを介装して回転軸３を接続させているものである。
【００１９】
次いで、前記高温側２１ａのシリンダー２１ｃ内に封入させた気体２１ｇを加熱させて気体温度を高温とさせ膨張させるものであるが、高温側２１ａのシリンダー２１ｃごとヒートポンプ１の放熱部１ａによって加熱させるもので、シリンダー２１ｃの高温側２１ａとヒートポンプ１の放熱部１ａとは近設させているものであり、この気体２１ｇの膨張によりピストン２１ｅが外方に可動するものであり、更に、前記低温側２１ｂのシリンダー２１ｄ内に封入させた気体２１ｈを冷却させて気体温度を低温とさせ収縮させるものであるが、低温側２１ｂをシリンダー２１ｄごとヒートポンプ１の吸熱部１ｂによって冷却させるもので、シリンダー２１ｄの低温側２１ｂとヒートポンプ１の吸熱部１ｂとは近設させているものであり、この気体２１ｈの収縮によりピストン２１ｆが内方に可動するものであり、この夫々のピストン２１ｅ．２１ｆの外方と内方との可動によって、ピストン２１ｅ．２１ｆの基端とクランク機構３ａ．３ａを介して接続させた回転軸３を回転させることにより動力を得るものであり、尚、動力は回転力のみではないが、回転力による実施の形態で説明するものである。
【００２０】
そして、バイメタルエンジン２２は図４乃至図５に図示する如く、バイメタル片２２ａは２枚の熱膨張率の相違する金属板を張り合わせたもので、バイメタル片２２ａの熱膨張率の大きい金属板側にヒートポンプの放熱部１ａを配すると共に、熱膨張率の小さい金属板側にヒートポンプ１の吸熱部１ｂを配して、温度を可変させることによってバイメタル片２２ａを可動させ、バイメタル片２２ａに接続させた可動片２２ｂを可動させ、該可動片２２ｂの先端とクランク機構３ａを介して接続させた回転軸３を回転させることにより動力を得るものである。
【００２１】
本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジン２の駆動状態を図１の実施の形態を用いて説明すると、先ず、始動時に外燃機関エンジン２の高温側２ａを予めヒーター、バナー等によって加熱して高温にしておき、冷媒等の熱媒体を封人した配管で接続し循環系１ｃに介装されたコンプレッサー１ｄを駆動させたり、バッテリーに蓄えた電源からモータを介してコンプレッサー１ｄを駆動させ、るもので、このコンプレッサー１ｄの駆動によって、循環系１ｃに封入されている熱媒体が循環して、この循環に伴って外部吸熱部１ｆで熱エネルギーを得た熱媒体は放熱部１ａに移動するものであり、移動によりヒートポンプ１の放熱部１ａと外燃機関エンジン２の高温側２ａとの間で熱交換が行われ、つまり、外燃機関エンジン２の高温側２ａが加熱され高温と成り、シリンダー２ｃ内に封入された気体２ｇが加熱されピストン２ｅが可動して、クランク機構３ａによって回転軸３が回転するものである。
【００２２】
更に、循環系１ｃに封入されている熱媒体を介装された膨張弁１ｅで膨張させることにより熱媒体の温度が下がり、ヒートポンプ１の吸熱部１ｂと外燃機関エンジン２の低温側２ｂとの間で熱交換が行われ、つまり、外燃機関エンジン２の低温側２ｂが冷却され低温となり、シリンダー２ｄ内に封入された気体２ｈが冷却されピストン２ｆが可動して、クランク機構３ａによって回転軸３が回転するものである。
【００２３】
そして、前述の運転を繰り返し、且つ、連続して行うことによって、自然にある熱源から熱エネルギーをヒートポンプ１で集め、熱交換させることで熱エネルギーで駆動する外燃エンジン２は駆動して、動力を得るものである。
【００２４】
次に、金属水素化物ヒートポンプ１１は、図２乃至図３に図示する如く、水素吸蔵合金を用いた高温ヒートポンプであり、水素を好んて吸着する元素に他の金属元素を合わせることにより、水素を多量に吸着させたり放出させたりして、水素吸蔵（吸着）時に大量の熱を発生させる特性を利用するものである。
【００２５】
つまり、一般的に、水素吸蔵能力を持つ材料としては、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ソルコニウム）、Ｕ（ウラン）なと水素を非常に吸いやすい（水素と化合物を作る）物質を利用するものであるが、これらの物質をそのまま使用すると安定な水素化物ができ、吸われた水素が殆ど取り出せなくなることから、これらの物質とＦｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｕ（銅）等殆ど水素を吸わない金属とで合金を作ると、水素を大量に吸着し、且つ、放出が容易な非常に都合の良い水素吸蔵合金ができるもので、この合金を使用するものである。
【００２６】
具体的には、圧力を上げるか冷やす（室温程度にする）ことで水素を吸着し、圧力を下げるか温度を上げること（２００℃程度）で、水素を放出する合金を用いるものであるが、近年、チタン元素にクロム、ニッケル、カルシウム等を加えて化合物を加えたものが摂氏５００度乃至摂氏１０００度で水素を吸着し、高い反応エネルギーを示すことが報告されており、更に、三種類の水素吸蔵合金を使っで、三段階に分けて徐々に温度を高くする方式も報告されており、更には、摂氏３００度乃至５００度ではカルシウムとマグネシウムの合金、それより低温域ではランタン、ニッケル等を用いるものである。
【００２７】
次に、金属水素化物ヒートポンプ１１は、図２乃至図３に図示するスターリングエンジン２１を用いた次実施の形態によって説明すると、一対のケーシング１１ａ．１１ｂを備え、該一対のケーシング１１ａ．１１ｂ内に水素を大量に吸収、放出が可能な前述のような水素吸蔵合金を夫々充填しているものであり、夫々のケーシング１１ａ．１１ｂは相互に配管１１ｃで接続され、該配管１１ｃには水素を高圧で夫々のケーシング１１ａ．１１ｄに相互に出し入れするコンプレッサー１１ｄを介装しているものである。
【００２８】
そして、前記一対のケーシング１１ａ．１１ｂには夫々外部熱源からの熱エネルギーを得るための外部熱源放熱部１１ｅ．１１ｆと、外燃機関エンジン２であるスターリングエンジン２１の高温側２１ａに近設した放熱部１１ｋ．１１ｌと接続させたケーシング内吸熱部１１ｇ．１１ｈと、スターリングエンジン２１の低温側２１ｂに近設した吸熱部１１ｍ．１１ｎと接続させたケーシング内放熱部１１ｉ．１１ｊとを夫々内装しているものである。
【００２９】
次に、夫々の外部熱源放熱部１１ｅ．１１ｆは外部熱源から熱を吸熱する夫々の外部熱源吸熱部１１ｏ．１１ｐと冷媒等の熱媒体を封人した配管で接続して外部熱源循環系１１ｑ．１１ｒを形成させているものであり、該外部熱源循環系１１ｑ．１１ｒには外部熱源循環系ポンプ１１ｓ．１１ｔを介装して熱媒体を循環させるものである。
【００３０】
次いで、夫々のケーシング内吸熱部１１ｇ．１１ｈは夫々のスターリングエンジン２１の高温側２１ａに近設した放熱部１１ｋ．１１ｌと熱媒体を封入した配管で接続させ高温側循環系１１ｕ．１１ｖを形成させており、該高温側循環系１１ｕ．１１ｖには高温側循環系ポンプ１１ｗ．１１ｘを介装しているものである。
【００３１】
更に、夫々のケーシング内放熱部１１ｉ．１１ｊは夫々のスターリングエンジン２１の低温側２１ｂに近設した吸熱部１１ｍ．１１ｎと熱媒体を封入した配管で接続させ低温側循環系１１ｙ．１１ｚを形成させており、該低温側循環系１１ｙ．１１ｚには低温側循環系ポンプ１１ａａ．１１ｂｂを介装しているものである。
【００３２】
そして、金属水素化物ヒートポンプ１１の駆動は、先ず、一対のケーシング１１ａ．１１ｂ間の配管１１ｃに介装されたコンプレッサー１１ｄを駆動させて、水素を高圧で片側のケーシング１１ａから他側のケーシング１１ｂに移送させるもので、この水素の移送により送られた他側のケーシング１１ｂは高温と成り、水素を排出した片側のケーシング１１ａは低温と成るものである。
【００３３】
この場合、片側のケーシング１１ａに内装したケーシング内放熱部１１ｉと吸熱部１１ｍとは低温側循環系１１ｙで接続されており、低温側循環系１１ｙに介装している低温側循環系ポンプ１１ａａを駆動させて吸熱部１１ｍでスターリングエンジン２１の低温側２１ｂの熱を吸熱するもので、スターリングエンジン２１の低温側２１ｂは冷却されるものであり、この時、スターリングエンジン２１の高温側２１ａと接続された高温側循環系ポンプ１１ｗは停止させているものである。
【００３４】
反対に、他側のケーシング１１ｂに内装したケーシング内吸熱部１１ｈと放熱部１１ｌとは高温側循環系１１ｖで接続されており、高温側循環系１１ｖに介装している高温側循環系ポンプ１１ｘを駆動させて他側のケーシング１１ｂ内の熱を放熱部１１ｌで放熱しているもので、スターリングエンジン２１の高温側２１ａは加熱されるものであり、この時、スターリングエンジン２１の低温側２１ｂと接続された低温側循環系ポンプ１１ｂｂは停止させているものである。
【００３５】
次いで、一対のケーシング１１ａ．１１ｂの間に備えたコンプレッサー１１ｄを他側のケーシング１１ｂから片側のケーシング１１ａに水素を逆に送るように駆動させると、前述の逆の作用となり片側のケーシング１１ａが高温と成り、他側のケーシング１１ｂが低温と成るものであり、片側のケーシング１１ａに内装したケーシング内吸熱部１１ｇと放熱部１１ｋとは高温側循環系１１ｖで接続されており、高温側循環系１１ｖに介装している高温側循環系ポンプ１１ｗを駆動させて放熱部１１ｋに片側のケーシング１１の熱を放熱するもので、スターリングエンジン２１の高温側２１ａは加熱されるものであり、この時、スターリングエンジン２１の低温側２１ｂと接続された低温側循環系ポンプ１１ｂｂは停止させているものである。
【００３６】
一方、他側のケーシング１１ｂに内装したケーシング内放熱部１１ｊと吸熱部１１ｎとは低温側循環系１１ｚで接続されており、低温側循環系１１ｚに介装している低温側循環系ポンプ１１ｂｂを駆動させて吸熱部１１ｎでスターリングエンジン２１の低温側２１ｂの熱を吸熱しているもので、外燃機関エンジン２の低温側２ｂは冷却されるものであり、この時、スターリングエンジン２１の高温側２１ａと接続された高温側循環系ポンプ１１ｘは停止させているものである。
【００３７】
本発明はヒートポンプ１を直列に複数組み合わせて高温としたり、並列に複数組み合わせて効率を上げて実施することが可能であり、更には、外燃機関エンジン２の高温側２ａ、低温側２ｂに夫々専用のヒートポンプ１．１の組み合わせて構成しても実施できるものである。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は前述の構成から、従来から用いられている化石燃料等を燃焼せずに、地球上の自然界に多く存在する外気や太陽光、地熱、海水等の熱源や、廃熱等を利用して動力を得ることにより、クリーンて快適な動カを得られるものであり、更には、発生する動力が、発生に要する動力より上回る可能性が有るものであり、発生する動力を発生に要する動力に使用しても余剰の動力が得られる画期的な発明である。
【００３９】
更には、本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンに発電機を設けて発電することにより常時安価な電力を得ることを可能とし、例えば、電力をバッテリーに蓄えることにより家庭での安価でクリーンな電力を供給でき、又、自動車等に装備し常時充電をすることにより電気自動車の動力源とすることもでき、クリーンな動力を得ることを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの実施の形態の概念を説明する説明図である。
【図２】図２は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの次実施の形態の金属水素化物ヒートポンプとスターリングエンジンとを用いた順フロー時の状態の説明図である。
【図３】図３は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの次実施の形態の金属水素化物ヒートポンプとスターリングエンジンとを用いた逆フロー時の状態の説明図である。
【図４】図４は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの他の実施の形態の説明図である。
【図５】図５は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの他の実施の形態の駆動時の説明図である。
【符号の説明】
１ ヒートポンプ
１ａ 放熱部
１ｂ 吸熱部
１ｃ 循環系
１ｄ コンプレッサー
１ｅ 膨張弁
１ｆ 外部熱源吸熱部
１ｇ 強制ファン
１１ 金属水素化物ヒートポンプ
１１ａ ケーシング
１１ｂ ケーシング
１１ｃ 配管
１１ｄ コンプレッサー
１１ｅ 外部熱源放熱部
１１ｆ 外部熱源放熱部
１１ｇ ケーシング内吸熱部
１１ｈ ケーシング内吸熱部
１１ｉ ケーシング内放熱部
１１ｊ ケーシング内放熱部
１１ｋ 放熱部
１１ｌ 放熱部
１１ｍ 吸熱部
１１ｎ 吸熱部
１１ｏ 外部熱源吸熱部
１１ｐ 外部熱源吸熱部
１１ｑ 外部熱源循環系
１１ｒ 外部熱源循環系
１１ｓ 外部熱源循環系ポンプ
１１ｔ 外部熱源循環系ポンプ
１１ｕ 高温側循環系
１１ｖ 高温側循環系
１１ｗ 高温側循環系ポンプ
１１ｘ 高温側循環系ポンプ
１１ｙ 低温側循環系
１１ｚ 低温側循環系
１１ａａ 低温側循環系ポンプ
１１ｂｂ 低温側循環系ポンプ
２ 外燃機関エンジン
２ａ 高温側
２ｂ 低温側
２１ スターリングエンジン
２１ａ 高温側
２１ｂ 低温側
２１ｃ シリンダー
２１ｄ シリンダー
２１ｅ ピストン
２１ｆ ピストン
２１ｇ 気体
２１ｈ 気体
２２ バイメタルエンジン
２２ａ バイメタル片
２２ｂ 可動片
３ 回転軸
３ａ クランク機構
【発明の属する分野】
本発明は、ヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンに関するもので、更に詳細には、外部熱源の熱エネルギーをヒートポンプで効率的に集め、ヒートポンプからの熱エネルギーの供給によって駆動する外燃機関エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンの熱源は石油、重油、アルコールを燃やして得ており、近年では、二酸化炭素の排出規制の問題等から木材や廃材等を燃やしているものあり、更には、熱媒体に蓄熱させた熱を利用するものもあった。
【０００３】
【解決しようとする課題】
然し乍ら 地球上には外気、太陽光、地熱、海水、廃熱等の多くの熱源が有り、これらの熱源から熱エネルギーが絶えず放射されており、これらの熱エネルギーは熱交換して利用されてきたが、有効な動力としては余り利用されていないのが現実である。
【０００４】
一方、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンは、燃料を燃やして高温側の熱源としたり、熱媒体による蓄熱を利用して高温側の熱源としているが、スターリングエンジンに示されるように理論効率は絶対温度に対し低温側と高温側の差が大きいほど高くなるため一般的に高温側を高くする方が効率的であり、単に熱媒体を使用したものは蓄熱量が少なく不向きと考えられ、又、燃料を用いるものは二酸化炭素の排出が当然の問題と成っている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述を鑑みて、鋭意研鑽の結果、外部熱源から取り入れた熱エネルギーを放熱部と吸熱部に移送させるヒートポンプと、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンとを用いて、外燃機関エンジンの駆動エネルギーをヒートポンプの放熱部と吸熱部から得るものであり、更に、ヒートポンプを金属水素化物ヒートポンプとするものであり、更には、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをスターリングエンジンとするものであり、加えて、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをバイメタルエンジンとするものである。
【０００６】
【発明の作用】
本発明は地球上に存在するこれらの熱源の熱エネルギーをヒートポンプで集めて、高温側と低温側を備えた熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンに供給することにより、前記外燃機関エンジンを駆動させて動力を得るものである。
【０００７】
つまり、近年では技術の進歩により、発生する動カが発生に要する動力を上回りつつあるもので、例えば、ヒートポンプの成績効率が４倍であり、外燃機関エンジンの効率が３５％であり、外燃機関エンジンからヒートポンプのコンプレッサー等への動力伝達効率等が８０％であれば効率１．１２と成り、このように発生する動力が、発生に要する動力より上回れば、発生する動力を発生に要する動力に回しても、余剰動力が得られることから半永久的に動力が得られることになるものであり、又、ヒートポンプの放熱部と吸熱部の再利用によりヒートポンプの成績効率を４以上に上げることが可能と考えられ、より高い余剰動力が得られるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のヒートポンプの熱源で駆動する外燃機関エンジンを図面により具体的に説明する。
【０００９】
図１は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの実施の形態の概念を説明する説明図であり、図２は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの次実施の形態の金属水素化物ヒートポンプとスターリングエンジンとを用いた順フロー時の状態の説明図であり、図３は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの次実施とスターリングエンジンとの形態の金属水素化物ヒートポンプとスターリングエンジンとを用いた逆フロー時の状態の説明図であり、図４は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの他の実施の形態の説明図であり、図５は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの他の実施の形態の駆動時の説明図である。
【００１０】
本発明は、ヒートポンプ１で駆動する外燃機関エンジン２に関するもので、更に詳細には、外部熱源の熱エネルギーをヒートポンプ１を介して熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジン２に供給するヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンに関するものであり、請求項１に記載ヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンは、外部熱源から取り入れた熱エネルギーを放熱部１ａと吸熱部１ｂに移送させるヒートポンプ１と、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジン２とを用いて、前記外燃機関エンジン２の駆動エネルギーをヒートポンプ１の放熱部１ａと吸熱部１ｂから得るものである。
【００１１】
更に、請求項２に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンは、請求項１に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンにおいて、ヒートポンプを水素吸蔵合金を用いた金属水素化物ヒートポンプ１１とするものである。
【００１２】
更には、請求項３に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンは、請求項１乃至請求項２に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンにおいて、前記熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをスターリングエンジン２１とするものである。
【００１３】
加えて、請求項４に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンは、請求項１乃至請求項２に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンにおいて、前記熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをバイメタルエンジン２２とするものである。
【００１４】
即ち、本発明は地球上に多く存在する熱源から、ヒートポンプ１で熱エネルギーを集め、集めた熱エネルギーを熱エネルギーで駆動する外燃機関エンジン２の駆動源とさせ駆動させることにより、効率よく動カを得るものである。
【００１５】
そして、図１に図示する如く、ヒートポンプ１は冷媒等の熱媒体を封人した配管で接続した循環系１ｃを形成させており、該循環系１ｃにコンプレッサー１ｄと膨張弁１ｅを介装させ、該コンプレッサー１ｄと膨張弁１ｅとの間の片側の循環系１ｃには放熱部１ａを設け、前記膨張弁１ｅとコンプレッサー１ｄの間の他側の循環系１ｃには吸熱部１ｂと外部熱源吸熱部１ｆを設けており、該外部熱源吸熱部１ｆの近傍には外部熱源からの熱エネルギーを効率よく得るための強制ファン１ｇを備えているものである。
【００１６】
そして、前記コンプレッサー１ｄを駆動させることにより外部熱源吸熱部１ｆで吸熱した熱エネルギーを循環系１ｃに封入された熱媒体を介して放熱部１ａに移動させるもので、コンプレッサー１ｃで高圧とすることにより熱媒体は更に高温と成り、放熱部１ａでは後述する外燃機関エンジン２の高温側２ａに熱交換により放熱するものであり、次いで、膨張弁１ｅを解放することにより熱媒体の温度は一気に下がり、吸熱部１ｂの温度が下がり、吸熱部１ｂでは後述する外燃機関エンジン２の低温側２ｂに熱交換により吸熱をするもので、更に、吸熱をした循環系１ｃに封入された熱媒体は外部熱源吸熱部１ｆに循環され、再び、外部熱源の熱エネルギーを外部熱源吸熱部１ｆで吸熱させるものである。
【００１７】
次に、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジン２とは、スターリングエンジン、エリクソンエンジン、バイメタルエンジン、金属伸縮エンジン等が考慮されるが、代表的なスターリングエンジン２１とバイメタルエンジン２２で説明する。
【００１８】
つまり、スターリングエンジン２１は図２乃至図３に図示する如く、高温側２１ａと低温側２１ｂの２つのシリンダー２１ｃ．２１ｄを備え、該夫々のシリンダー２１ｃ．２１ｄの内側に夫々ピストン２１ｅ．２１ｆの先端側を可動状態に挿通させると共に、夫々のシリンダー２１ｃ．２１ｄと夫々のピストン２１ｅ．２１ｆの間には夫々膨縮率の大きい気体２１ｇ．２１ｈを封入させており、夫々のピストン２１ｅ．２１ｆの基端側にはクランク機構３ａ．３ａを介装して回転軸３を接続させているものである。
【００１９】
次いで、前記高温側２１ａのシリンダー２１ｃ内に封入させた気体２１ｇを加熱させて気体温度を高温とさせ膨張させるものであるが、高温側２１ａのシリンダー２１ｃごとヒートポンプ１の放熱部１ａによって加熱させるもので、シリンダー２１ｃの高温側２１ａとヒートポンプ１の放熱部１ａとは近設させているものであり、この気体２１ｇの膨張によりピストン２１ｅが外方に可動するものであり、更に、前記低温側２１ｂのシリンダー２１ｄ内に封入させた気体２１ｈを冷却させて気体温度を低温とさせ収縮させるものであるが、低温側２１ｂをシリンダー２１ｄごとヒートポンプ１の吸熱部１ｂによって冷却させるもので、シリンダー２１ｄの低温側２１ｂとヒートポンプ１の吸熱部１ｂとは近設させているものであり、この気体２１ｈの収縮によりピストン２１ｆが内方に可動するものであり、この夫々のピストン２１ｅ．２１ｆの外方と内方との可動によって、ピストン２１ｅ．２１ｆの基端とクランク機構３ａ．３ａを介して接続させた回転軸３を回転させることにより動力を得るものであり、尚、動力は回転力のみではないが、回転力による実施の形態で説明するものである。
【００２０】
そして、バイメタルエンジン２２は図４乃至図５に図示する如く、バイメタル片２２ａは２枚の熱膨張率の相違する金属板を張り合わせたもので、バイメタル片２２ａの熱膨張率の大きい金属板側にヒートポンプの放熱部１ａを配すると共に、熱膨張率の小さい金属板側にヒートポンプ１の吸熱部１ｂを配して、温度を可変させることによってバイメタル片２２ａを可動させ、バイメタル片２２ａに接続させた可動片２２ｂを可動させ、該可動片２２ｂの先端とクランク機構３ａを介して接続させた回転軸３を回転させることにより動力を得るものである。
【００２１】
本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジン２の駆動状態を図１の実施の形態を用いて説明すると、先ず、始動時に外燃機関エンジン２の高温側２ａを予めヒーター、バナー等によって加熱して高温にしておき、冷媒等の熱媒体を封人した配管で接続し循環系１ｃに介装されたコンプレッサー１ｄを駆動させたり、バッテリーに蓄えた電源からモータを介してコンプレッサー１ｄを駆動させ、るもので、このコンプレッサー１ｄの駆動によって、循環系１ｃに封入されている熱媒体が循環して、この循環に伴って外部吸熱部１ｆで熱エネルギーを得た熱媒体は放熱部１ａに移動するものであり、移動によりヒートポンプ１の放熱部１ａと外燃機関エンジン２の高温側２ａとの間で熱交換が行われ、つまり、外燃機関エンジン２の高温側２ａが加熱され高温と成り、シリンダー２ｃ内に封入された気体２ｇが加熱されピストン２ｅが可動して、クランク機構３ａによって回転軸３が回転するものである。
【００２２】
更に、循環系１ｃに封入されている熱媒体を介装された膨張弁１ｅで膨張させることにより熱媒体の温度が下がり、ヒートポンプ１の吸熱部１ｂと外燃機関エンジン２の低温側２ｂとの間で熱交換が行われ、つまり、外燃機関エンジン２の低温側２ｂが冷却され低温となり、シリンダー２ｄ内に封入された気体２ｈが冷却されピストン２ｆが可動して、クランク機構３ａによって回転軸３が回転するものである。
【００２３】
そして、前述の運転を繰り返し、且つ、連続して行うことによって、自然にある熱源から熱エネルギーをヒートポンプ１で集め、熱交換させることで熱エネルギーで駆動する外燃エンジン２は駆動して、動力を得るものである。
【００２４】
次に、金属水素化物ヒートポンプ１１は、図２乃至図３に図示する如く、水素吸蔵合金を用いた高温ヒートポンプであり、水素を好んて吸着する元素に他の金属元素を合わせることにより、水素を多量に吸着させたり放出させたりして、水素吸蔵（吸着）時に大量の熱を発生させる特性を利用するものである。
【００２５】
つまり、一般的に、水素吸蔵能力を持つ材料としては、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ソルコニウム）、Ｕ（ウラン）なと水素を非常に吸いやすい（水素と化合物を作る）物質を利用するものであるが、これらの物質をそのまま使用すると安定な水素化物ができ、吸われた水素が殆ど取り出せなくなることから、これらの物質とＦｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｕ（銅）等殆ど水素を吸わない金属とで合金を作ると、水素を大量に吸着し、且つ、放出が容易な非常に都合の良い水素吸蔵合金ができるもので、この合金を使用するものである。
【００２６】
具体的には、圧力を上げるか冷やす（室温程度にする）ことで水素を吸着し、圧力を下げるか温度を上げること（２００℃程度）で、水素を放出する合金を用いるものであるが、近年、チタン元素にクロム、ニッケル、カルシウム等を加えて化合物を加えたものが摂氏５００度乃至摂氏１０００度で水素を吸着し、高い反応エネルギーを示すことが報告されており、更に、三種類の水素吸蔵合金を使っで、三段階に分けて徐々に温度を高くする方式も報告されており、更には、摂氏３００度乃至５００度ではカルシウムとマグネシウムの合金、それより低温域ではランタン、ニッケル等を用いるものである。
【００２７】
次に、金属水素化物ヒートポンプ１１は、図２乃至図３に図示するスターリングエンジン２１を用いた次実施の形態によって説明すると、一対のケーシング１１ａ．１１ｂを備え、該一対のケーシング１１ａ．１１ｂ内に水素を大量に吸収、放出が可能な前述のような水素吸蔵合金を夫々充填しているものであり、夫々のケーシング１１ａ．１１ｂは相互に配管１１ｃで接続され、該配管１１ｃには水素を高圧で夫々のケーシング１１ａ．１１ｄに相互に出し入れするコンプレッサー１１ｄを介装しているものである。
【００２８】
そして、前記一対のケーシング１１ａ．１１ｂには夫々外部熱源からの熱エネルギーを得るための外部熱源放熱部１１ｅ．１１ｆと、外燃機関エンジン２であるスターリングエンジン２１の高温側２１ａに近設した放熱部１１ｋ．１１ｌと接続させたケーシング内吸熱部１１ｇ．１１ｈと、スターリングエンジン２１の低温側２１ｂに近設した吸熱部１１ｍ．１１ｎと接続させたケーシング内放熱部１１ｉ．１１ｊとを夫々内装しているものである。
【００２９】
次に、夫々の外部熱源放熱部１１ｅ．１１ｆは外部熱源から熱を吸熱する夫々の外部熱源吸熱部１１ｏ．１１ｐと冷媒等の熱媒体を封人した配管で接続して外部熱源循環系１１ｑ．１１ｒを形成させているものであり、該外部熱源循環系１１ｑ．１１ｒには外部熱源循環系ポンプ１１ｓ．１１ｔを介装して熱媒体を循環させるものである。
【００３０】
次いで、夫々のケーシング内吸熱部１１ｇ．１１ｈは夫々のスターリングエンジン２１の高温側２１ａに近設した放熱部１１ｋ．１１ｌと熱媒体を封入した配管で接続させ高温側循環系１１ｕ．１１ｖを形成させており、該高温側循環系１１ｕ．１１ｖには高温側循環系ポンプ１１ｗ．１１ｘを介装しているものである。
【００３１】
更に、夫々のケーシング内放熱部１１ｉ．１１ｊは夫々のスターリングエンジン２１の低温側２１ｂに近設した吸熱部１１ｍ．１１ｎと熱媒体を封入した配管で接続させ低温側循環系１１ｙ．１１ｚを形成させており、該低温側循環系１１ｙ．１１ｚには低温側循環系ポンプ１１ａａ．１１ｂｂを介装しているものである。
【００３２】
そして、金属水素化物ヒートポンプ１１の駆動は、先ず、一対のケーシング１１ａ．１１ｂ間の配管１１ｃに介装されたコンプレッサー１１ｄを駆動させて、水素を高圧で片側のケーシング１１ａから他側のケーシング１１ｂに移送させるもので、この水素の移送により送られた他側のケーシング１１ｂは高温と成り、水素を排出した片側のケーシング１１ａは低温と成るものである。
【００３３】
この場合、片側のケーシング１１ａに内装したケーシング内放熱部１１ｉと吸熱部１１ｍとは低温側循環系１１ｙで接続されており、低温側循環系１１ｙに介装している低温側循環系ポンプ１１ａａを駆動させて吸熱部１１ｍでスターリングエンジン２１の低温側２１ｂの熱を吸熱するもので、スターリングエンジン２１の低温側２１ｂは冷却されるものであり、この時、スターリングエンジン２１の高温側２１ａと接続された高温側循環系ポンプ１１ｗは停止させているものである。
【００３４】
反対に、他側のケーシング１１ｂに内装したケーシング内吸熱部１１ｈと放熱部１１ｌとは高温側循環系１１ｖで接続されており、高温側循環系１１ｖに介装している高温側循環系ポンプ１１ｘを駆動させて他側のケーシング１１ｂ内の熱を放熱部１１ｌで放熱しているもので、スターリングエンジン２１の高温側２１ａは加熱されるものであり、この時、スターリングエンジン２１の低温側２１ｂと接続された低温側循環系ポンプ１１ｂｂは停止させているものである。
【００３５】
次いで、一対のケーシング１１ａ．１１ｂの間に備えたコンプレッサー１１ｄを他側のケーシング１１ｂから片側のケーシング１１ａに水素を逆に送るように駆動させると、前述の逆の作用となり片側のケーシング１１ａが高温と成り、他側のケーシング１１ｂが低温と成るものであり、片側のケーシング１１ａに内装したケーシング内吸熱部１１ｇと放熱部１１ｋとは高温側循環系１１ｖで接続されており、高温側循環系１１ｖに介装している高温側循環系ポンプ１１ｗを駆動させて放熱部１１ｋに片側のケーシング１１の熱を放熱するもので、スターリングエンジン２１の高温側２１ａは加熱されるものであり、この時、スターリングエンジン２１の低温側２１ｂと接続された低温側循環系ポンプ１１ｂｂは停止させているものである。
【００３６】
一方、他側のケーシング１１ｂに内装したケーシング内放熱部１１ｊと吸熱部１１ｎとは低温側循環系１１ｚで接続されており、低温側循環系１１ｚに介装している低温側循環系ポンプ１１ｂｂを駆動させて吸熱部１１ｎでスターリングエンジン２１の低温側２１ｂの熱を吸熱しているもので、外燃機関エンジン２の低温側２ｂは冷却されるものであり、この時、スターリングエンジン２１の高温側２１ａと接続された高温側循環系ポンプ１１ｘは停止させているものである。
【００３７】
本発明はヒートポンプ１を直列に複数組み合わせて高温としたり、並列に複数組み合わせて効率を上げて実施することが可能であり、更には、外燃機関エンジン２の高温側２ａ、低温側２ｂに夫々専用のヒートポンプ１．１の組み合わせて構成しても実施できるものである。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は前述の構成から、従来から用いられている化石燃料等を燃焼せずに、地球上の自然界に多く存在する外気や太陽光、地熱、海水等の熱源や、廃熱等を利用して動力を得ることにより、クリーンて快適な動カを得られるものであり、更には、発生する動力が、発生に要する動力より上回る可能性が有るものであり、発生する動力を発生に要する動力に使用しても余剰の動力が得られる画期的な発明である。
【００３９】
更には、本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンに発電機を設けて発電することにより常時安価な電力を得ることを可能とし、例えば、電力をバッテリーに蓄えることにより家庭での安価でクリーンな電力を供給でき、又、自動車等に装備し常時充電をすることにより電気自動車の動力源とすることもでき、クリーンな動力を得ることを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの実施の形態の概念を説明する説明図である。
【図２】図２は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの次実施の形態の金属水素化物ヒートポンプとスターリングエンジンとを用いた順フロー時の状態の説明図である。
【図３】図３は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの次実施の形態の金属水素化物ヒートポンプとスターリングエンジンとを用いた逆フロー時の状態の説明図である。
【図４】図４は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの他の実施の形態の説明図である。
【図５】図５は本発明のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジンの他の実施の形態の駆動時の説明図である。
【符号の説明】
１ ヒートポンプ
１ａ 放熱部
１ｂ 吸熱部
１ｃ 循環系
１ｄ コンプレッサー
１ｅ 膨張弁
１ｆ 外部熱源吸熱部
１ｇ 強制ファン
１１ 金属水素化物ヒートポンプ
１１ａ ケーシング
１１ｂ ケーシング
１１ｃ 配管
１１ｄ コンプレッサー
１１ｅ 外部熱源放熱部
１１ｆ 外部熱源放熱部
１１ｇ ケーシング内吸熱部
１１ｈ ケーシング内吸熱部
１１ｉ ケーシング内放熱部
１１ｊ ケーシング内放熱部
１１ｋ 放熱部
１１ｌ 放熱部
１１ｍ 吸熱部
１１ｎ 吸熱部
１１ｏ 外部熱源吸熱部
１１ｐ 外部熱源吸熱部
１１ｑ 外部熱源循環系
１１ｒ 外部熱源循環系
１１ｓ 外部熱源循環系ポンプ
１１ｔ 外部熱源循環系ポンプ
１１ｕ 高温側循環系
１１ｖ 高温側循環系
１１ｗ 高温側循環系ポンプ
１１ｘ 高温側循環系ポンプ
１１ｙ 低温側循環系
１１ｚ 低温側循環系
１１ａａ 低温側循環系ポンプ
１１ｂｂ 低温側循環系ポンプ
２ 外燃機関エンジン
２ａ 高温側
２ｂ 低温側
２１ スターリングエンジン
２１ａ 高温側
２１ｂ 低温側
２１ｃ シリンダー
２１ｄ シリンダー
２１ｅ ピストン
２１ｆ ピストン
２１ｇ 気体
２１ｈ 気体
２２ バイメタルエンジン
２２ａ バイメタル片
２２ｂ 可動片
３ 回転軸
３ａ クランク機構
Claims (4)
- 外部熱源から取り入れた熱エネルギーを放熱部と吸熱部とに移送させるヒートポンプと、熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンとを用いて、前記外燃機関エンジンの駆動エネルギーをヒートポンプの放熱部と吸熱部から得ることを特徴とするヒートポンプで駆動する外燃機関エンジン。
- 前記ヒートポンプを水素吸蔵合金を用いた金属水素化物ヒートポンプとすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジン。
- 前記熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをスターリングエンジンとすることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジン。
- 前記熱エネルギーによって駆動する外燃機関エンジンをバイメタルエンジンとすることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載のヒートポンプで駆動する外燃機関エンジン。
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