JP4614290B2 - ロータリー熱エンジン - Google Patents

Description

本発明は熱動力機関に関し、特に外部温度差を利用したロータリー熱エンジンに関する。

理論的に非常に高い熱効率を有し環境にも優しい熱機関として、スターリングエンジンが広く知られている。このスターリングエンジンは、ディスプレーサーと呼ばれるパワーピストンをレシプロ駆動するものが一般的であるが、近年ではダイヤフラム構造を利用したスターリングエンジンなど、改良されたスターリングエンジンも検討されている。

しかしながら、これらのスターリングエンジンでは往復運動を行うためのディスプレーサーが必要であり、また、継続的で、かつ、円滑な回転を持続するために慣性を付与するフライホイールの設置が必要であるなど、機械効率の面で不利な点が多かった。

さらに、改良されたスターリングエンジンでは、特開２００３−８３１６６号公報に記載されているようにディスプレーサーを円盤形状とし、体積変化を往復運動ではなく回転運動として直接取り出すことを可能としたロータリー型のスターリングエンジンが開発されている。

このように、上記のタイプのロータリー型スターリングエンジンではパワーピストンやフライホイール等の機械効率の悪い構成部品を省略することが出来るので、非常に熱効率の高いスターリングサイクルを実現することが期待されるが、その一方でこのタイプのエンジンでは気体の体積変化を利用するために大きな温度差を必要とするといった問題があった。

そこで、本発明では、温度差が小さくても大きな体積変化による駆動を可能とするロータリー熱エンジンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明では機械的損失が少ないというロータリー熱エンジンの特性を利用しながら、このエンジンのガス循環経路に熱回収及び気化効率などを向上させる作動液貯留部を設け、さらに、作動液には低沸点のアルコール類を使用することにより、温度の低い熱流の入力に対しても大きな体積変化が得られ、非常に熱効率の高いスターリングサイクルを実現させた。

具体的には、請求項１に係る発明では、シリンダーと前記シリンダー内に回転自在に配置された回転軸を有するローターからなるロータリー熱エンジンであって、シリンダーは内部へ熱を供給するための受熱部と内部から熱を放出するための放熱部とを備え、前記シリンダーの受熱部側及び放熱部側のそれぞれにはシリンダー内部と連通する気化ガス供給流路及びガス回収流路が設けられたエンジン部本体と、そして回収ガスを凝集・液化させるため、気化ガス供給流路とガス回収流路との間には気化ガス供給流路とガス回収流路とを流体連通に連絡させ、かつ、内部を通過する流体の逆流を防止するために貫通孔が設けられた断熱堰が配置された作動液貯留部を含むようにエンジンを構成した。

シリンダー内部に設置される略三角形のローターは、円滑で、かつ、シール性の高い回転を考慮してシリンダー内壁面とローター先端部との間隙を０.０１ｍｍから０.３ｍｍの間で設定することが好ましく、先端部に緩衝材を配置してシリンダー内壁面と接触させるようにしても良い。また、ローターの回転に伴い軸心が移動する場合は、軸心の移動距離と回転半径を考慮して前記間隙を維持するように設計すれば良く、さらに、ローター先端部の材料の比重を中心部材料の比重より大きくなるようにすることで慣性重量の増加により、よりスムーズなローターの回転が得られるようになる。

このように請求項１に係る発明よれば、ディスプレーサーとして機能する熱エンジンのローターをシリンダー内で回転させることにより気化ガスが受熱部（高温）側と放熱部（低温）側との間を交互に周回し、これにより、スターリングエンジンとしての駆動力を得ることができる。また、ディスプレーサーのレシプロ駆動による機械的損失が排除され、また、ガス循環経路に熱回収及び気化効率などを向上させる作動液貯留部を設けたので、非常に熱効率が高いロータリー熱エンジンを提供することが可能となる。

請求項２に係る発明では、受熱部と放熱部との間を熱的に絶縁するため、受熱部側と放熱部側との間に位置するシリンダー壁の全部又は一部を断熱材料で形成した。これにより、受熱部側及び放熱部側それぞれのシリンダー内部で加熱された高温ガス及び冷却された低温ガスの保持性が高まり、さらに、受熱部と放熱部との間で生じる熱的損失も低減される。

請求項３に係る発明では、放熱部をシリンダーの壁と一体的に又は接するように取り付け、シリンダーには、放熱部が取り付けられた区域内のシリンダー内壁面とローター先端部との間にシリンダー内壁面から略垂直に延びた熱交換用のフィンを取り付けた。

この結果、請求項３に係る発明によれば、放熱部側シリンダー内部へ移動したガスとシリンダー内壁面との接触面積が増えるので効率良く凝結熱を回収することができ、さらに、凝集・液化された作動液をシリンダー内部と連通するガス回収流路を介して無駄なく作動液貯留部に回収することが可能となる。

請求項４に係る発明では、作動液貯留部内の作動液を毛細管現象により吸引し気化させるため、気化ガス供給流路内に作動液貯留部から延びた繊維状及び／又は管状の毛細管を配置した。

すなわち、請求項４に係る発明では、シリンダー内部と作動液貯留部との間に両者と連通する気化ガス供給流路が設けられるが、この気化ガス供給流路は、作動液貯留部内の作動液が気化してシリンダー内に移動する際の通路となる。したがって、気化ガス供給流路内に繊維状及び／又は管状の毛細管などからなる材料を配置することで、作動液の移送及び気化を効率よく促進させることができる。なお、繊維及び／又は毛細管などを使用する場合は、その材料はガラス繊維などの耐腐食性に優れたものを使用することが好ましい。

請求項５に係る発明では、上記の作動液に低沸点のアルコール類を用いた。すなわち、請求項５に係る発明によれば、温度の低い熱入力に対しても作動液は沸点を超え易くなるため、この場合、作動液は液相から気相へと容易に相変化して大きな体積変化を生じ、さらには、小さな温度差でも潜熱の回収を行うことができるようになる。また、作動液に低沸点のアルコール類等を用いると、回収された作動液が受熱部側から供給される熱により容易に再蒸発してガス回収流路を逆流してしまう恐れがあるため、本発明ではこの逆流を防止するため、作動液貯留部の中に断熱材で構成された円錐形状の貫通孔を有する堰を設けた。

請求項６に係る発明では、ローターの回転軸を動力伝達手段を介して外部に設けられた電動モーターの出力軸又は発電機の入力軸と連結させた。すなわち、本発明によれば熱エネルギーのすべてを機械的にローターの回転駆動力へ変換してもよいが、ローターの回転軸に電動モーターや発電機の回転軸を連結することにより電力として使用することも可能となる。例えば、上記発電機で得られる電力を電動モーターへフィードバックすることにより、極めてエネルギー損失の少ないロータリー熱エンジンシステムを構成することができる。

請求項７に係る発明では、ローターの回転軸と電動モーター等の回転軸とを連結する動力伝達手段として、永久磁石の磁力により相互に協働して回転することができる非接触に対面配置された入力及び出力カップリングを使用した。すなわち、請求項７に係る発明によれば、回転軸同士の連結を直結タイプとはせずに磁力を利用した非接触タイプとしたため、ローターの回転軸に取り付けられる出力カップリングをシリンダーに設けられたハウジング内へ密閉することが可能となり、このため、シリンダーからの作業液及び／又はガス漏れなどによる圧力損失がなく、非常に耐久性及び信頼性の高い発電システム等を提供することができる。

請求項８に係る発明では、ロータリー熱エンジンで直接的に発電するため、ローターの周縁部に複数の永久磁石を配置し、前記ローターの回転領域外であって、かつ、永久磁石による磁力が及ぶ領域内に発電用のコイルを配置する構成とした。請求項８に係る発明によれば、ロータリー熱エンジン自体が発電機を構成しているため、請求項６に係る発明の発電システムよりさらに機械的損失が低減されたロータリー熱エンジン発電システムを提供することができる。

このように、本発明のロータリー熱エンジンは必要最小限の駆動部品で構成され、しかも、作動液の相変化を利用した体積の変化により熱エネルギーを変換して回転駆動させる構造を採用したため、入力される熱量の温度に対して効果的に作動液の相変化が生じ、その結果、様々な温度に対して理想に近いスターリングサイクルを実現することができる。

発明の実施の形態

以下、本発明を実施例により説明する。なお、本発明は以下に示される実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で各種の変更が可能である。

図１は、略三角形のローターを有する本発明による実施例１の熱エンジンの一部内部構造を模式的に示した正面図である。 図２は、実施例１の熱エンジンに外部電動モーター又は発電機を組合せた概要を示す実施例２の側面図である。 図３は、十文字型のローターを有し、かつ、発電機構を備えた本発明による実施例３の熱エンジンの一部内部構造を模式的に示した正面図である。 図４は、気化ガス供給流路及びガス回収流路をそれぞれ２系統配置した本発明による実施例４の熱エンジンの一部内部構造を模式的に示した正面図である。

図１は、本発明によるロータリー熱エンジンの一実施例の主要部品の構成を模式的に示した図であり、以下、図面を参照しながら説明する。実施例１のロータリー熱エンジンは、シリンダー内部に回転自在に設置された略三角形のローター（４）を有しており、そのシリンダー（５）の外周部には一体的に若しくは接触して受熱部（１）と放熱部（２）が備え付けられている。また、受熱部（１）と放熱部（２）との間を熱的に絶縁するため、前記受熱部側及び放熱部側に位置するシリンダー壁で断熱材料（８）を挟持するようにして中間部のシリンダー壁が形成される。なお、本実施例では略三角形のローターを使用しているが、気化したガスを収容するための空間が確保される形態のローターであれば特にこの形態に制限されるものでなく、例えば、十文字型のローターや湾曲面を有する他のローターなどを使用することもできる。

さらに、ローター（４）を回転駆動させるための作動液循環経路は、シリンダー内部と連通する気化ガス供給流路（１７）及びガス回収流路（１８）と、前記気化ガス供給流路（１７）とガス回収流路（１８）とを流体連通に連絡する作動液貯留部（７）より構成される。

作動液貯留部（７）の内部には通過する流体の逆流を防止するための断熱堰（６）が設けられており、受熱部（１）の温度に対して好ましくは１０℃から５０℃以下の低い沸点を有する作動液が充填され密閉される。なお、断熱堰に設けられる貫通孔は、円錐形状など作動液の順フローに沿って孔径が小さくなるようにテーパーが付けられた形状を有していることが好ましく、受熱側で加熱、昇温された作動液の放熱部側への流入を流体力学的に阻止できる形状であれば他の形状であってもよい。

本実施例では、受熱部側近傍に滞留している作動液貯留部（７）内の作動液は、受熱部（１）から入力される熱により気化される。そして、この気化されたガスは気化ガス供給流路（１７）を通してシリンダー内へ送り込まれ、さらに、前記気化ガスの体積膨張により回転されるローター（４）に保持されながら放熱部区域にあるシリンダー内へ送り込まれる。前記放熱部区域にあるシリンダー（４）及びガス回収流路（１８）では、気化ガスは放熱部（２）による冷却作用により凝集・液化され、さらに、ガス回収流路（１８）を通して作動液貯留部（７）へ回収されて本発明によるロータリー熱エンジンの熱サイクルを達成する。なお、この場合、シリンダー内部に連通される気化ガス供給流路（１７）及びガス回収流路（１８）は、重力若しくは圧力による回収が可能である形状であれば良く、特にその形状が限定されるものではない。

この結果、本発明によるロータリー熱エンジンは、機械的損失が極めて少なく、かつ、低い温度の熱量を小さな温度差で効率良く動力に変換することが可能となり、近年、社会的に注目されている排熱の再利用などへ積極的に利用することが可能となる。

図２は、実施例１の熱エンジンに外部発電機を組合せた概要を示す実施例２の側面図である。以下、同様に図面を参照しながら説明する。図２の中の符号（４）、（５）、（７）は図１と同様で、それぞれにローター、シリンダー及び作動液貯留部を示している。また、（９）はローターの回転軸（３）に取り付けられた永久磁石を示しており、発電機（１１）の入力軸に取り付けられた永久磁石（１０）と磁力的に連結して非接触で相互に回転することができる。このため、ローターの回転軸（３）に取り付けられた永久磁石（９）をシリンダー（５）に設けられたハウジング内へ密閉することにより、シリンダー（５）からの作業液及び／又はガスが漏れ出ることを完全に防止できる。なお、ローターの回転軸と発電機等の外部機器との接続は上記のような磁力を用いた非接触のタイプのものに限られるものではなく、通常の直結タイプの各種の動力伝達手段を使用することもできる。

このように、本実施例では、実施例１のロータリー熱エンジンで得られる回転動力を発電機へ容易に伝達することが可能となり、非常に耐久性及び信頼性の高い発電システムを提供することができる。なお、ローターの回転軸に連結される機器は駆動用の電動モーターであってもよく、この場合は、後述される実施例３の発電機で得られる電力を電動モーターへフィードバックすることにより、極めてエネルギー変換効率の高いロータリー熱エンジンシステムを構成することができる。

図３に示される実施例３は、受熱部（１）と作動液貯留部（７）を連通する気化ガス供給流路（１７）内に毛細管（１６）を配置し、放熱部（２）と接するシリンダー（５）の内部壁面にはローターの回転軸（３）に向けてシリンダー内壁面から略垂直に延びた熱交換用のフィン（１５）を取り付けてロータリー熱エンジンの出力を向上させる構成と、および十文字ローター（４）の先端部に円周方向に隣り合う磁石同士の極性がＳ極、Ｎ極と交互に並ぶように極性の異なる永久磁石（１２）、（１３）を配置し、かつ、前記ローター（４）の回転領域外であって永久磁石（１２）、（１３）による磁力が及ぶ領域内に発電用コイル（１４）を配置することにより自己発電を可能とした構成とを兼ね備えた本発明によるロータリー熱エンジン発電システムである。なお、本実施例では熱交換手段として熱交換用のフィンを使用したが、金属メッシュなど流体との熱交換接触面積を拡大できる構造を有しておれば、特にフィンタイプに限定されることなく一般的に広く知られている熱交換手段を採用することができる。

本実施例によれば、毛細管（１６）の設置により作動液貯留部内に滞留している作動液が効率良く吸引されて作動液の気化が促進され、さらに、シリンダー内壁面への熱交換用のフィン（１５）の設置により、放熱部側シリンダー内部へ移動したガスとシリンダー内壁面との接触面積が増えるので、温度の低い熱流の入力に対して気化したガスの大きな体積変化が得られ、非常に熱効率の高いロータリー熱エンジンを実現することができる。また、非接触でローターの回転運動による直接的な発電はエネルギー損失を著しく軽減するため、非常に高効率なロータリー熱エンジン発電システムを提供することができ、この結果、理想に近いスターリングサイクルを実現することができる。

図４は、気化ガス供給流路（１７）及びガス回収流路（１８）をそれぞれ２系統配置した本発明による実施例４の熱エンジンの一部内部構造を模式的に示した図である。本実施例では他の実施例と異なり、ローター(４)には、その中心部に設けられた開口部内に内歯歯車（図示せず）を有し、シリンダー（５）の側壁から延びた回転軸(３)の外歯歯車（図示せず）と協働して回転するタイプのロータリー熱エンジンを使用している。また、本実施例では、ローターの軸心を含む平面を挟んで略対向する位置に配置された気化ガス供給流路（１７）の流入口及びガス回収流路（１８）の流出口からなる１対の流入口及び流出口をそれぞれ隣り合う他の流入口又は流出口とは交互配置となるように２対配置した。この結果、本実施例によるロータリー熱エンジンでは気化ガスの圧力を効率良く動力に変換することができるようになり、さらに、受熱部と放熱部（図示せず）は、シリンダー（５）と断熱堰を有する作動液貯留部とが連結されている経路上に適宜配置すれば良いので、エンジンの設計の自由度が大幅に高くなる。また、気化ガスは各々の気化ガス供給流路（１７）より交互に供給しても良く、ローターの回転に連動して供給路を切り替えると効率はさらに向上する。

本発明によるロータリー熱エンジンは、例えば実施例１及び３において回転軸（３）の端部に動力伝達用の永久磁石（９）を配置しても良く、この場合、風力などの動力を伝達することによる発電と、気化熱と凝結熱の回収による冷熱及び温熱の同時供給が可能となり、非常に効率の良いコージェネレーションを実現することができる。

同様に、実施例３のロータリー熱エンジンの回転駆動力を電動モーターから伝達させた場合は、冷熱と温熱を回収した後のエネルギーは再度電力に変換されるので効率の良い冷温蔵庫などを提供することも可能となる。

このように、本発明によるロータリー熱エンジンは低温度で作動する温度差発電システムを実現することができるので、例えばコージェネレーションの効率改善、工場の排熱発電などにも利用することができる。

また、本発明によるロータリー熱エンジンは人工衛星などにおける宇宙空間の温度差を利用した発電も可能であるため、宇宙科学分野など非常に多岐にわたる広い分野での利用が可能である。

Claims (8)

1. シリンダーと、前記シリンダー内に回転自在に配置された回転軸を有するローターからなるロータリー熱エンジンであって、
   前記シリンダーは、内部へ熱を供給するための受熱部と内部から熱を放出するための放熱部とを備え、
   前記シリンダーの受熱部側及び放熱部側のそれぞれには、前記シリンダー内部と連通する気化ガス供給流路及びガス回収流路が設けられたエンジン部本体と、そして
   前記回収ガスを凝集・液化させるため、前記気化ガス供給流路とガス回収流路との間には前記気化ガス供給流路とガス回収流路とを流体連通に連絡させ、かつ、内部を通過する流体の逆流を防止するために貫通孔が設けられた断熱堰が配置された作動液貯留部を含んでいることを特徴とする前記ロータリー熱エンジン。
2. 前記受熱部と放熱部との間を熱的に絶縁するため、前記受熱部側と放熱部側との間に位置するシリンダー壁の全部又は一部は断熱材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリー熱エンジン。
3. 前記放熱部は前記シリンダーの壁と一体的に又は接するように取り付けられており、前記シリンダーは放熱部が取り付けられた区域内の前記シリンダー内壁面と前記ローター先端部との間に、前記シリンダー内壁面から略垂直に延びた熱交換用のフィンを備えていることを特徴とする請求項１に記載のロータリー熱エンジン。
4. 前記作動液貯留部内の作動液を毛細管現象により吸引し気化させるため、前記気化ガス供給流路はその内部に前記作動液貯留部から延びた繊維状及び／又は管状の毛細管を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のロータリー熱エンジン。
5. 前記作動液は、低沸点のアルコール類であることを特徴とする請求項１に記載のロータリー熱エンジン。
6. 前記ローターの回転軸は、動力伝達手段を介して外部に設けられた電動モーターの出力軸又は発電機の入力軸と連結されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリー熱エンジン。
7. 前記動力伝達手段は、永久磁石の磁力により相互に協働して回転することができる非接触に対面配置された入力及び出力カップリングを含んでいることを特徴とする請求項６に記載のロータリー熱エンジン。
8. 前記ロータリー熱エンジンで直接的に発電するため、前記ローターの周縁部に複数の永久磁石が配置され、前記ローターの回転領域外であって、かつ、前記永久磁石による磁力が及ぶ領域内に発電用のコイルが配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロータリー熱エンジン。

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