JP5142522B2 - 熱エネルギーを機械エネルギーに変換する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は作動媒体の体積、圧力および温度を変化させることによって熱エネルギーを機械エネルギーに変換する方法に関し、これと同時にこの方法を実行するための装置にも関する。

熱エネルギーを機械エネルギーに変換する公知の概念があり、温度および圧力が交互に変化する体積を伴う作動空間内で変化される。体積の減少中、温度および圧力の増大はこの体積変化と、主として、最終段における体積減少、または、選択的に、外部からの熱エネルギーの付加的な供給または作動空間内部の熱の付加的な発生（例えば、燃焼）によって、第１段における体積の再増大とによってもたらされる。体積の再増大中、圧力（前回の作動空間体積の減少からもたらされる）が、ロスを差し引いた後、連続する体積減少のために必要とされる操作を実行する。付加的な熱エネルギー供給からもたらされる圧力が、ロスが差し引かれた後、得られた機械的作動を実行する。永久的に制限された作動空間の概念において、作動媒体温度（付加的な熱エネルギー供給による）が体積増加の最終時点において、前回体積増加の開始時の温度よりも高くなる。従って、外部熱供給中、媒体温度は外部から供給された熱による温度に達し、また温度差さらに供給された熱の量もロスの観点においてゼロとなる。媒体内で発生された熱の供給は、不変閉鎖作動空間では酸素欠乏のために停止される。従って、使用された媒体を排出するためと新鮮な媒体を供給するために作動空間をある一定時間の間開ける必要がある。すなわち、体積減少の開始時点またはその前および体積増大の終了時点あるいはその後に必要である。体積の増減している間、圧力と温度変化のパワ・サイクルは二段階で進行する。他の二つの段階が前回の段階に付加されれば（すなわち、使用された媒体供給のための体積増大および使用された媒体排出のための体積減少）、実行される熱エネルギーの機械エネルギーへの変換が４サイクル工程になる。媒体供給と排出が、第１段の開始時点または第２段の終了時点でそれぞれ実行されれば、２サイクル工程になる。これらの工程の全ては、二つに分割されることを除けば、一つの作動空間内で公知の技術に基づいて実行される。

作動媒体の圧力および温度変化によって熱エネルギーを機械エネルギーに変換する本発明によれば、作動媒体は、第１段の体積を増加させると同時に第１段に吸引され、それによって、第１段の体積減少しかつ第２段の体積増加中に第２段に移送され、それによって、第３段に移送され（第２段体積減少中）、これと同時に、第４段に熱が供給されてこの第４段の体積が増大し、それによって、第４段から第５段に移送され（第４段の体積減少中に）、ここで体積を増大させる膨張を可能とする。

この本発明による概念は、作動媒体を第２段の体積減少および暖気と同時に、第３段を通じて第５段に移送されることによって説明されるか、または第１段を介して第２段に移送する間に冷却することによって説明できる。

本発明の他の特徴は、作動媒体がその冷却と同時に第５段から第１段に移送され、同時にこの第１段の体積が増大されることである。本発明によれば、その概念は作動媒体が第５段からその体積減少と同時に第３段に移送されるとともに暖機工程のために使用されるというように、または第５段が第１段と結合と同時にこの結合段の体積が減少し、作動媒体（任意に同時冷却を伴って）が第２段に直接移送され、同時にこの第２段の体積が増大されるように修正することができる。

作動媒体の体積、圧力および温度を変更することによる熱エネルギーを機械エネルギーへ多段変換する装置は、不変体積を伴う作動空間の形態にある第３段を有しており、一方他の段は可変体積を伴う作動空間として（特に回転ピストンを備えたピストン機械として）構成され、作動媒体の移送の意味では、機能的に、一つの段を他の段の後方に、部分的に第３段の前方に、また第３段の後方に配置される。

本発明の概念を実行するための装置は、さらに第１段の最大体積が第２段の最大体積よりも大きく、一方第５段の最大体積が第４段の最大体積よりも大きく、第５段の最大体積が第１段の最大体積よりも大きいか、第１段の最大体積に等しいようにして適用される。本発明によれば、装置はさらに第５段が第１段を同時に形成するように構成される。発明の他の特徴によれば、第３段が燃焼室および（または）熱交換機として生成される。本発明はさらに、第５段がインレット弁を備えているように便宜的に適用される。本発明の最後の特徴によれば、冷却器が第１段と第２段間に挿入され、また第５段と第１段間に、さらに結合段と第２段間にも挿入される。

本発明は添付図面で詳細に見ることができる。基本的な本発明の概念は、図１に見ることができる。図２は第１段と第２段間、また第５段と第１段間の冷却器を備えた変形例を示す。図３は第５段を結合された第１段の概念と第５段と第２段間に冷却器を備えた概念を示す。

作動媒体は第１段の体積が増大中、第１段１に導入され（図１参照）、第１段の体積が減少して第２段の体積が増大すると同時に、第２段に移送される。次に、第２段２の体積減少中、第３段３に移送される。第３段３を介して移送中に、熱が作動媒体の燃料の燃焼による内部から、または例えば外部燃焼による第３段の外部からの加熱のいずれかで作動媒体に供給される。作動媒体は第３段３から第４段４に移送され、その体積が同時に増大され、第４段からその体積減少と同時に第５段５に移送される。この第５段５において、作動媒体がその体積増大内での膨張が許容される。作動媒体はその膨張後、第５段５の体積減少と同時に、外部に導かれるか、あるいは第１段１に戻される。作動媒体として空気が使用され、また第３段への熱供給方法として外部燃焼が使用されるときに、膨張したしかも熱くない空気の使用が外部燃焼のために便利である。従って、本発明の概念は５サイクルの熱力学サイクルを提供する。

ある場合において、第４段４を回避して作動媒体を第５段に直接移送し、この段内で膨張させることは便利である。作動媒体の第１段から第２段２への移送中に、作動媒体が内部段冷却器６内部で冷却されことは便利である（図２参照）。密閉サイクルにおいて、作動媒体が第５段５から第１段１に帰還される場合、他の内部段冷却器７を第５段と第１段間に挿入すると便利である。

さらに便利なのは、ある場合において、本発明の他の概念によれば第５段と第１段を結合させて結合段５１とし、また（この結合段体積再減少中）、作動媒体が、結合段５１の体積増大中に膨張し、第２段２に移送され、これと同時に、任意に結合内部段冷却器７６を介して、第２段が増大する。この場合において、基本的な５ストローク・サイクルが３−ストローク・サイクルに適用される。

上述したように、熱エネルギーの機械エネルギーへの変換を実行する装置は本発明に基づいて以下のように構成され、それは、第３段３が不変体積を有する少なくとも一つの作動空間からなり、一方他の段１，２，４，５，５１は可変体積を有する作動空間として生成される。第３段を除いて、全ての段を回転ピストンのあるピストン機械として生成すると便利である。ピストンの尖端エッジを結ぶ各表面と、シリンダの隣接内面とによって区画される空間の体積は、シリンダ内のピストンの周期的プロセスにおいて、増減する。

ここで、第１段１の最大体積が第２段２の最大体積よりも大きく、またさらに第５段５の最大体積が第４段４の最大体積よりも大きく、また第５段５の最大体積が第１段１の最大体積よりも大きか、等しい。結合段５１の最大体積が第４段４の最大体積よりも大きく、かつ、第２段２の最大体積よりも大きい。第３段３は燃焼室としておよび（または）熱交換機として生成される。

作動媒体がまず（例えば、吸引によって）第１段１の増大する体積内に供給される。最大に達したときにこの段の体積が減少を始め、また作動媒体が第２段の増大する体積内に排気される。第２段の最大体積が第１段の最大体積よりも数倍小さいので、作動媒体が第１段１から第２段２への移送後、この媒体が高い圧力と高い温度を有することになる。必要以上の温度の高まりが望ましくなければ、中間段冷却器６を図２に基づいて段の両者間に挿入することが可能である。第２段２の体積再減少中、作動媒体がそこから第３段３を介して第４段４に移送され、一方その体積が増大する。熱が第３段３内の作動媒体に供給され、これは、熱交換機として作られた段の内部燃焼によるか、またはタービンの燃焼室内における相当高い圧力の内部燃焼による。第４段４の最大体積が第２段２の最大体積にほぼ等しいので、作動媒体が第４段内において、第３段内で暖機後、最終状態で、第２段２内の初期状態と比較して、高圧力と高温になる。作動媒体は第４段４の減少体積から第５段５の増大体積に増大する仕事をする。本発明に基づいてこの装置を以下のように適用することも可能であり、第４段４の最大体積が第２段２の最大体積よりも大きくなり、これによって両段間の部分的等圧膨張から等温膨張が発生し、またこの適用がカルーノ・サイクル概念に達することになる。

極端な場合において、第４段を完全に回避し、作動媒体を第２段２から、第３段３内の暖機中、第５段５に膨張するにまかせる。第３段はノンゼロ体積を有しているので、熱の供給がなければ部分膨張が作動媒体の移送の開始時点と第３段からの移送後で発生し、第２段よりも第４段内で作動媒体が低い圧力と低い温度になる。しかし、この低い圧力のために、第２段から第３段に供給されるよりも作動媒体の比較的低い重み付き量を、第４段が第３段から取得し、また、残留量は、第３段内の残留圧力を発生させるか、増大させる。第３段のサイズにより、また熱供給のないこの方法によれば、第３段内の圧力は急激に上昇し、これによって、第２段から第３段を介して第４段への移送される作動媒体内において、膨張は発生せず、また第１段から第２段まで作動媒体の圧縮によって与えられた圧力下で熱を供給することが可能である。従って、以下のように、第３段を必要な大きさにすることが可能であり、それは、小さい外部領域を有する燃焼室として、熱の漏洩の発生をさせることを無くし、また大きい領域を伴う熱交換機として、可能な最も大きい熱量を供給することができるようにすることである。最も大きい可能な熱量を第３段に供給するとともに、サイクルの圧縮段中に拡張された作動を低減するために、可能ならば、第１段から第２段への移送中、温度を下げる必要がある。本発明によれば、中間段冷却器６を第１段１と第２段２間に挿入することによって可能である。作動媒体が第５段５から第１段１に帰還される閉止サイクルでは、中間段冷却器７がこれら二つの段間に挿入されるのが適切である。本発明による形態において、圧縮率、拡張率の大きさを独立して選択して、圧縮および加熱された作動媒体を周囲環境の圧力に膨張させることが可能であり、これによって優れたサイクル効率が達成される。任意の拡張率において、拡張の終了時点における圧力は、その開始時点の圧力の大きさによって与えられ、この圧力は、従って、小さい熱の供給で、拡張の終了時点で、周囲の環境圧力下に降下させることができる。この現象が望ましくなければ、他の発明の特徴、すなわち、付加的な作動媒体を拡張の終了時点でインレット弁８を通じて吸引することが可能である。従って、本発明の概念と装置に基づいて実現されたパワ・サイクルは、５−ストローク・サイクルである。第５段５内のある大きさの拡張率で（すなわち、第５段と第４段の最大体積間の比）、拡張の終了時点における圧力だけでなく、温度が周囲環境の値まで降下する。従って、閉止サイクルで、外部作動媒体暖機で、本発明の他の特徴によれば、第３段において、図３に示すように、第５段５を第１段１と結合し、拡張後に、作動媒体を、有利には、結合段５１から中間段冷却器７６を介して第２段２にその圧縮と同時に位相することに置き換えることが可能である。この場合において、結合段５１にインレット弁８を装備することが望ましい。従って、ある場合において、本発明内で５−ストローク・サイクルを３−ストローク・サイクルに適用することが可能である。

本発明は設計例に基づくとともに特許条件から得られる他の設計にも基づいており、他の公知の熱エンジンと比較して、より便利である。特に、高い作動圧と温度をタービン・エンジンに許容するその可能性と、これまで公知のピストン・エンジンに許容する拡張の終了時点における圧縮作動媒体のより長い暖機と、低圧力および温度により便利になる。高いサイクル効率と炭素および窒素酸化物の低い放出、外部または内部燃焼による作動媒体の暖機の場合における低雑音が本発明の成果である。さらに、本発明を太陽エネルギーの機械エネルギーへの変換に使用できる。

本発明の基本概念を示す図である。 第１段と第２段間および第５段と第１段間に冷却器を備えた変形例を示す図である。 第１段と第５段を結合した概念および第５段と第２段間に冷却器を備えた概念を示す図である。

Claims (7)

1. ピストン機械のチャンバにおいて、作動媒体の体積、圧力および温度を変化させることによって熱エネルギーを機械エネルギーに変換する方法であって、
   −可変体積の第１段チャンバの体積を増大させることによって、第１段チャンバに作動媒体を吸引するステップと、
   −第１段チャンバの体積を減少させかつ可変体積の第２段チャンバの体積を増大させることによって、作動媒体を第１段チャンバから第２段チャンバに移送するステップと、
   −第２段チャンバの体積の減少させかつ可変体積の第４段チャンバの体積の増加させることによって、作動媒体を第２段チャンバから不変体積の第３段チャンバを通じて第４段チャンバに移送し、一方、第２段チャンバから第３段チャンバを通じて第４段チャンバに現在移送中の作動媒体に熱を供給するステップと、
   −第４段チャンバの体積を減少させかつ可変体積の第５段チャンバの体積を増大させることによって、作動媒体を第４段チャンバから第５段チャンバに移送するステップと、
   −第５段チャンバの体積を減少させることによって、第５段チャンバから作動媒体を排出するステップと、
   を備えており、
   第１段チャンバの最大体積が第２段チャンバの最大体積より大であり、
   第５段チャンバの最大体積が第４段チャンバの最大体積より大であり、
   第４段チャンバの体積が増大されるときおよび第５段チャンバの体積が増大されるときにおけるピストンの移動によって、機械エネルギーが取出される方法。
2. −第１段チャンバから第２段チャンバに移動の間に、作動媒体を冷却するステップをさらに備えている請求項１の方法。
3. −第５段チャンバの体積を減少させかつ第１段チャンバの体積を増大させ、これと同時に、作動媒体を冷却する間に、作動媒体を第５段チャンバから第１段チャンバに移送するステップをさらに備えている請求項１の方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法を実行するための装置であって、
   第５段チャンバの最大体積が第１段チャンバの最大体積より大であるか、または等しい装置。
5. −第５段チャンバに、吸気弁が備えられている請求項４の装置。
6. −第１段チャンバおよび第２段チャンバの間に、作動媒体中間段冷却器が配置されている請求項４の装置。
7. −第３段チャンバは、外部加熱熱交換器である請求項４の装置。

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