JP5317942B2 - External combustion type closed cycle heat engine - Google Patents
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Description
本発明は、簡易構造にして操作、維持容易な外燃式クローズドサイクル熱機関に関するものである。 The present invention relates to an external combustion type closed cycle heat engine that has a simple structure and is easy to operate and maintain.
スターリングエンジンは外燃式クローズドサイクル熱機関の一種であり、熱源の種類を問わず、現在、無駄となっているエネルギーの有効利用が可能であり、静粛で低公害であるので、各種のタイプが研究開発され、重要な将来熱機関の一つと目されている。 The Stirling engine is a type of external combustion closed cycle heat engine. Regardless of the type of heat source, the energy that is currently wasted can be used effectively, and it is quiet and has low pollution. It has been researched and developed and is regarded as one of the important future heat engines.
スターリングエンジンは、気室内に封入した作動ガスを加熱及び冷却して該作動ガスを膨張及び収縮させ、動力を得る外燃式熱機関である。
従来のディスプレーサ型スターリングエンジンは、ディスプレーサの往復動により、該作動ガスを加熱部と冷却部との間で往復させて該作動ガスを加熱及び冷却、即ち膨張及び収縮させて、パワーピストンを作用させることにより動力を得るものである。ディスプレーサは、パワーピストンと位相をもって連動するように構成されている(特許文献1)。
A Stirling engine is an external combustion heat engine that obtains power by heating and cooling a working gas sealed in an air chamber to expand and contract the working gas.
In a conventional displacer type Stirling engine, the working gas is reciprocated between a heating part and a cooling part by reciprocating the displacer to heat and cool the working gas, that is, expand and contract, thereby operating a power piston. To gain power. The displacer is configured to interlock with the power piston in phase (Patent Document 1).
しかしながら、従来のスターリングエンジンでは、気室、加熱器及び冷却器内の作動ガスが同時に加圧、減圧され、このため加熱時において、気室を加圧するために冷却器内の作動ガスも加圧しなければならず、また冷却時において、気室を減圧するために加熱器内の作動ガスも減圧しなければならない。このため、気室容積に比して加熱器又は冷却器の容積が大きくなるとエンジン効率が低下する。従って、エンジン効率を上げるために加熱器及び冷却器を小型化する必要がある。 However, in the conventional Stirling engine, the working gas in the air chamber, the heater and the cooler is pressurized and depressurized at the same time. Therefore, during heating, the working gas in the cooler is also pressurized to pressurize the air chamber. Also, during cooling, the working gas in the heater must be depressurized in order to depressurize the air chamber. For this reason, when the volume of the heater or the cooler is larger than the air chamber volume, the engine efficiency is lowered. Therefore, it is necessary to reduce the size of the heater and the cooler in order to increase the engine efficiency.
しかし、エンジンを作動させるには必要な熱量を取り込み、また排出する必要があり、加熱器及び冷却器は十分な能力を持たなければならない。加熱器を小型かつ充分な能力を持たせるには、伝熱面の肉厚を薄くし、また加熱温度を上げて面積当りの伝熱量を増やす手段があるが、精密な工作を要し、高価な耐熱金属を使用する必要があり、また高温により加熱器の腐蝕が促進されるといった弊害がある。
また、冷却期間中、加熱器は利用されず、全期間を通じた加熱器の効率は低下し、加熱器に加えられる外部熱量は無駄に消費され利用効率が低下している。加熱期間の冷却器も同様である。
However, to operate the engine, it is necessary to take in and discharge the necessary amount of heat, and the heater and cooler must have sufficient capacity. In order to make the heater small and have sufficient capacity, there are means to reduce the thickness of the heat transfer surface and increase the heat transfer amount per area by raising the heating temperature, but it requires precise work and is expensive. It is necessary to use a new refractory metal, and the high temperature promotes corrosion of the heater.
In addition, the heater is not used during the cooling period, and the efficiency of the heater throughout the entire period is reduced, and the amount of external heat applied to the heater is wasted and the utilization efficiency is reduced. The same applies to the cooler during the heating period.
上述するような従来技術に鑑み、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、多気筒化、大型化、高出力化が可能で、低温熱源を有効に利用することができ、種々の条件下で設計、製作できる外燃式クローズドサイクル熱機関を、本発明の発明者らは開発し、先に出願した(特許文献2)(以下、「本発明者の先願発明」という)。 In view of the prior art as described above, the volume of the heater or cooler is not related to the efficiency of the engine, can be multi-cylinder, large, and high output, and can effectively use a low-temperature heat source, The inventors of the present invention developed an external combustion type closed cycle heat engine that can be designed and manufactured under various conditions, and filed it earlier (Patent Document 2) (hereinafter referred to as “the invention of the present invention of the present inventor”). ).
即ち、密閉された気室と加熱器及び冷却器を設け、該気室と該加熱器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、該気室と冷却器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、それぞれ入り口側及び出口側の流路に開閉弁を設け、作動ガスの移動手段を設け、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として冷却器を密閉し、加熱器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを加熱器を通じて循環させ、気室内の作動ガスを加熱し、また加熱器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として加熱器を密閉し、一方、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを冷却器を通じて循環させて気室内の作動ガスを冷却し、気室内の作動ガスを膨張、収縮させて気室下部に連接した作用体を駆動する外燃式クローズドサイクル熱機関で、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、種々の条件下で設計、製作できる外燃式クローズドサイクル熱機関を提案した。 That is, a sealed air chamber, a heater and a cooler are provided, and a flow path is provided to communicate with the air chamber and the inlet side and the outlet side of the heater, and the air chamber and the inlet side and the outlet side of the cooler are provided. Provide a flow path that conducts, provide an open / close valve in the flow path on the inlet side and the outlet side, provide a means for moving the working gas, close the open / close valve on the cooler inlet side and the outlet side, seal the cooler, and heat Open / close valves on the inlet side and outlet side are opened and the working gas in the air chamber is circulated through the heater to heat the working gas in the air chamber, and the on / off valves on the inlet and outlet sides of the heater are closed. On the other hand, the opening and closing valves on the inlet side and outlet side of the cooler are opened and the working gas in the air chamber is circulated through the cooler to cool the working gas in the air chamber, and the working gas in the air chamber is expanded and contracted. An external combustion closed sensor that drives an action body connected to the lower part of the air chamber In cycle heat engine, the volume of the heater or cooler not related to the efficiency of the engine, the design under various conditions, and proposed fabrication can outer 燃式 closed cycle heat engine.
しかしながら、加熱過程終了時に気室及びピストンシリンダー内に存在する高温の作動ガスは、冷却過程開始とともに冷却器内に移動し冷却され、この過程において、高温の作動ガスの持っていた熱量は系外に運び去られることになり、熱効率低下の一因となっていた。 However, the hot working gas present in the air chamber and the piston cylinder at the end of the heating process moves into the cooler at the start of the cooling process and is cooled. In this process, the amount of heat that the hot working gas has is outside the system. It was carried away and contributed to the decrease in thermal efficiency.
上述するような従来技術に鑑み、本発明では、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、種々の条件下で設計、製作でき、簡易構造にして、より効率が高く、操作、維持容易な外燃式クローズドサイクル熱機関を提供することを課題とする。 In view of the prior art as described above, in the present invention, the volume of the heater or cooler is not related to the efficiency of the engine, and can be designed and manufactured under various conditions. It is an object of the present invention to provide an external combustion type closed cycle heat engine that is easy to maintain.
本発明の発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を有する発明を完成するに至った。
請求項1の発明は、密閉された気室と加熱器及び冷却器を設け、該気室と該加熱器の入り口部及び出口部と導通する流路を設け、該気室と冷却器の入り口部及び出口部と導通する流路を設け、それぞれ入り口部側及び出口部側の流路に開閉弁を設け、作動ガスの移動手段を設け、加熱器と導通する流路と該流路に開閉弁を設け、冷却器と導通する流路と該流路に開閉弁を設けて、加熱器と冷却器それぞれと導通する作用体を設けたことを特徴とするもので、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、種々の条件下で設計、製作でき、簡易構造にして、より効率が高く、操作、維持容易な外燃式クローズドサイクル熱機関を実現できることを見出した。特に、特許文献2では、気室と作用体を一体で構成していたが、本発明は、気室と作用体を分離することにより、更なる熱効率の向上を図れる外燃式クローズドサイクル熱機関を実現できることを見出したものである。
The inventors of the present invention have intensively studied to solve the above problems, and as a result, have completed the invention having the following configuration.
The invention of
請求項2の発明は、請求項1記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、上記開閉弁の内、冷却器の出口部、加熱器の入り口部の開閉弁が逆止弁であることを特徴とするものである。
Invention of
請求項3の発明は、請求項1記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、開閉弁の流路が3分岐あり、1分岐から入り込む流体を、他の2分岐流路のいずれかを選択的に流路とする、又は2分岐流路のいずれかを選択し、他の1分岐を流路とする三方弁としたことを特徴とするものである。
The invention according to claim 3 is the external combustion closed cycle heat engine according to
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、作用体が、ピストンであることを特徴とするものである。
The invention of claim 4 is the external combustion type closed cycle heat engine according to any one of
請求項5の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、作用体がタービンであることを特徴とするものである。本方式では作用体を通過する流れは一方向であり通常型のタービンが使用でき、必ずしも、往復流型である必要はない。本エンジンでは発生圧力差が大きい反面、ガス流量が少ないため特殊なタービンが必要になる。重比重ガスの使用は、発生圧力差を運動量に効率よく変換することができる。 A fifth aspect of the present invention is the external combustion closed cycle heat engine according to any one of the first to third aspects, wherein the operating body is a turbine. In this system, the flow passing through the working body is unidirectional, and a normal type turbine can be used, and it is not always necessary to be a reciprocating flow type. Although this engine has a large pressure difference, a special turbine is required because the gas flow rate is small. The use of heavy specific gravity gas can efficiently convert the generated pressure difference into momentum.
請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、作用体を複数設け、加熱器および冷却器を共有することを特徴とするものである。
The invention of claim 6 is the external combustion type closed cycle heat engine according to any one of
請求項7の発明は、請求項1〜6のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、複数設けた作用体の駆動軸を共有することを特徴とするものである。 A seventh aspect of the present invention is the external combustion type closed cycle heat engine according to any one of the first to sixth aspects, wherein the drive shaft of a plurality of operating members is shared.
請求項8の発明は、請求項1〜4、6、7のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、複数設けたピストンのクランク室を共有したことを特徴とするものである。
The invention of claim 8 is the external combustion type closed cycle heat engine according to any one of
請求項9の発明は、請求項1〜4、6〜8のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、複数設けたピストンが、クランクを介して総和が360°となる位相差をもって共有する駆動軸に連接することを特徴とするものである。ピストン下及びクランク室の容積、及び圧力を一定としている。
The invention of claim 9 is the external combustion type closed cycle heat engine according to any one of
請求項10の発明は、請求項1〜9のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、加熱器入り口部側及び冷却器入り口部側の流路間に熱交換器を設けたことを特徴とするものである。
Invention of
請求項11の発明は、請求項1〜10のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、気室を加熱器と冷却器に並列して2個設けたことを特徴とするものである。
Invention of
本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、気室加熱時、冷却器は開閉弁により加熱器から密閉分離されているので冷却器内の作動ガスは加圧されず、低温、低圧のままで、気室冷却時、加熱器は開閉弁により冷却器から密閉分離されているので加熱器内の作動ガスは減圧されず、高温・高圧のままで、温度・圧力の変化は気室内の作動ガスにのみ生じ、従来生じていた加熱器、冷却器内の作動ガスを加圧、減圧するための無駄なエネルギー消費は加熱器、冷却器の大きさにかかわりなく生じない。即ち、気室加熱時、冷却器は開閉弁により加熱器から密閉分離されているので、冷却器内の作動ガスを有効に冷却し続けることができ、気室冷却時、加熱器は開閉弁により冷却器から密閉分離されているので加熱器内の作動ガスを有効に加熱し続けることができ、加熱器・冷却器内を全期間有効に作用させることができるとともに、熱源、冷熱源の利用効率を高めることができる。このため加熱、冷却の効率が向上し、従来のスターリングエンジンに比し高いエンジン効率を得ることができる。
また、本発明者の先願発明に比し、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、加熱器と冷却器と開閉弁を介してそれぞれと導通する作用体を設けたので、それぞれの作用体が気室を共有できるため構造を簡易にすることができ、また作用体に対する作動ガスの流れは一方向であるため各作用体に対する開閉弁は2個、または三方弁1個ですみ、作用体周りの構造を簡易にすることができ、多気筒の場合は弁の総数を少なくできる。また作用体の温度は一定となるため作用体の熱設計が容易になる。
上記するように流路を含めた加熱器、冷却器及び気室の容積が効率に影響しなくなるために、加熱器、冷却器及び気室と作用体間の流路を長くでき、加熱器、冷却器及び気室を作用体本体と離れて設置することができるため機器配置にも自由度が生じ、作用体本体の設置しにくい場所の既存廃熱源なども有効に利用できる。
また加熱器、冷却器を大きくできるため伝熱面積を大きくでき、温度差が小さくても十分な伝熱量が得られ、廃熱等の低温熱源も有効に利用できるとともに、加熱器の設計条件が緩やかになり、加熱器の材料、構造、工作等に関し、目的に合う最適なものを選択できる。
作動ガスとして稀少なヘリウムを使う必要がなく、作動ガスは窒素、空気等でよい。また二酸化炭素、キセノン等の重比重のガスを使用することによりタービンを小型化できる。
またディスプレーサを使用しないため気室内に断熱材を設けることができ、気室外郭を通じた熱放散を減じることができるため熱効率を向上でき、さらに気室外郭を低温に保つことができるため、高価な耐熱合金を使用する必要がなくなる。
In the external combustion type closed cycle heat engine of the present invention, when the air chamber is heated, the cooler is hermetically separated from the heater by an on-off valve, so the working gas in the cooler is not pressurized, and remains at low temperature and low pressure. When the air chamber is cooled, the heater is hermetically separated from the cooler by an on-off valve, so the working gas in the heater is not depressurized. The wasteful energy consumption for pressurizing and depressurizing the working gas in the heater and cooler, which has occurred in the past, does not occur regardless of the size of the heater or cooler. That is, when the air chamber is heated, the cooler is hermetically separated from the heater by the on-off valve, so that the working gas in the cooler can be continuously cooled effectively. Since it is hermetically separated from the cooler, the working gas in the heater can continue to be heated effectively, the heater / cooler can be effectively operated for the entire period, and the utilization efficiency of the heat source and cold source Can be increased. For this reason, the efficiency of heating and cooling is improved, and higher engine efficiency can be obtained as compared with the conventional Stirling engine.
Further, as compared with the prior invention of the inventor of the present inventor, the external combustion type closed cycle heat engine of the present invention is provided with the operating body that is electrically connected to each other through the heater, the cooler, and the on-off valve. Since the body can share the air chamber, the structure can be simplified, and the flow of working gas to the working body is unidirectional, so there are only two on-off valves or one three-way valve for each working body. The structure around the body can be simplified, and in the case of multiple cylinders, the total number of valves can be reduced. Further, since the temperature of the working body is constant, the thermal design of the working body is facilitated.
Since the volume of the heater, cooler, and air chamber including the flow path does not affect the efficiency as described above, the flow path between the heater, the cooler, and the air chamber and the working body can be lengthened. Since the cooler and the air chamber can be installed apart from the working body, the arrangement of the equipment is also free, and the existing waste heat source in a place where the working body is difficult to install can be used effectively.
In addition, since the heater and cooler can be enlarged, the heat transfer area can be increased, a sufficient amount of heat transfer can be obtained even if the temperature difference is small, low temperature heat sources such as waste heat can be used effectively, and the design conditions of the heater It becomes gentler and it is possible to select the most suitable one for the purpose regarding the material, structure, work, etc. of the heater.
There is no need to use rare helium as the working gas, and the working gas may be nitrogen, air or the like. Moreover, the turbine can be reduced in size by using a gas having a heavy specific gravity such as carbon dioxide or xenon.
In addition, since a displacer is not used, a heat insulating material can be provided in the air chamber, heat dissipation through the air chamber outline can be reduced, thermal efficiency can be improved, and furthermore, the air chamber outline can be kept at a low temperature. There is no need to use a heat-resistant alloy.
開閉弁を三方弁形式とすれば、開閉弁数を二分の一に減ずることができて構造を簡易にすることができると同時に、作動ガス切り替え同期をタイミング良く行え、また開閉弁の制御装置を簡易化することができる。 If the on-off valve is a three-way valve type, the number of on-off valves can be reduced to one-half, the structure can be simplified, and at the same time the operation gas switching can be synchronized with good timing. It can be simplified.
作用体を公知のピストンやタービンとすれば、膨張・収縮する作動ガスから容易に動力として利用できる外燃式クローズドサイクル熱機関を提供することができる。 If the working body is a known piston or turbine, it is possible to provide an external combustion closed cycle heat engine that can be easily used as power from the working gas that expands and contracts.
本発明においては、全サイクルを通じ、加熱器内の作動ガスは高温、高圧のままであり、冷却器内の作動ガスは低温、低圧のままであるため、加熱器、冷却器及び気室各1台に複数の作用体を設けることができ、各々の作用体に対し各1個の加熱器、冷却器及び気室を必要とする従来の外燃式クローズドサイクル熱機関に比し加熱器、冷却器及び気室の構造が大幅に簡単化できる。 In the present invention, the working gas in the heater remains at a high temperature and a high pressure throughout the entire cycle, and the working gas in the cooler remains at a low temperature and a low pressure. A plurality of operating bodies can be provided on the base, and each operating body has one heater, one cooler and one air heater. The structure of the vessel and the air chamber can be greatly simplified.
複数の作用体の駆動軸を共有すれば、大きな動力を得ることができ、また、作用体をコンパクトにすることができ、複数の作用体を複数の群に分割し、それぞれの分割された群が駆動軸を共有すれば複数の動力を得ることができ、利用できる熱源や設備する場所、用途の諸条件により種々の設計に対応することができる。 If the drive shafts of a plurality of operating bodies are shared, a large power can be obtained, and the operating bodies can be made compact. The plurality of operating bodies are divided into a plurality of groups, and each divided group is divided. However, if a drive shaft is shared, a plurality of powers can be obtained, and various designs can be handled according to available heat sources, installation locations, and various conditions of use.
作用体としてピストンを使用する多気筒の外燃式クローズドサイクル式熱機関とする場合、クランク室を共有し、各々の気筒ピストンが総和360°となる位相差で動作するようにして、共有するクランク室、及び気筒室内ピストン下の総容積、及び圧力を一定とでき、ピストン裏側に働く力(背圧)が変動しないことでピストンの作動を円滑にできる。 In the case of a multi-cylinder external combustion type closed cycle heat engine that uses a piston as an operating body, the crank chamber is shared so that each cylinder piston operates with a phase difference of 360 ° in total. The total volume and pressure under the piston in the chamber and the cylinder chamber can be made constant, and the operation of the piston can be made smooth by the fact that the force (back pressure) acting on the back side of the piston does not fluctuate.
作用体から冷却器に向かう流路、および気室から冷却器に向かう流路を高温部とし、気室から加熱器に向かう流路を低温部として、高温部と低温部の間に熱交換器を設けて加熱器に流入する作動ガスを加熱することにより冷却器から本来外部に流出する熱量の一部を効率よく回収し、再利用できるために、熱効率を向上することができる。 The flow path from the operating body to the cooler and the flow path from the air chamber to the cooler are the high temperature part, and the flow path from the air chamber to the heater is the low temperature part. By heating the working gas flowing into the heater by providing a part of the amount of heat originally flowing out from the cooler to the outside, it can be efficiently recovered and reused, so that the thermal efficiency can be improved.
気室を加熱器と冷却器に並列して2個設け、開閉弁によりどちらかの気室が必ず加熱過程にあり、また、どちらかの気室が必ず冷却過程にあるようにすることにより加熱器に向かう低温部には低温ガスが常時流れ、冷却器に向かう高温部には高温ガスが常時流れるため、更なる熱エネルギー回収の効率を向上させることができる。 Heating by providing two air chambers in parallel with the heater and the cooler, and making sure that one of the air chambers is in the heating process by the open / close valve, and that one of the air chambers is always in the cooling process Since the low temperature gas always flows in the low temperature part toward the cooler and the high temperature gas always flows in the high temperature part toward the cooler, it is possible to further improve the efficiency of thermal energy recovery.
上記するように、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、多くの効果を有するものである。 As described above, the external combustion type closed cycle heat engine of the present invention has many effects.
以下、本発明を実施するための具体的な形態について、図1〜7を参照しながら詳細に説明する。図1以降と共通する構成部品に同一符号を付与し、詳述を省略する。 Hereinafter, specific modes for carrying out the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The same reference numerals are given to components common to those in FIG.
図1は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
同図において、加熱器10、冷却器20、密閉された気室30、ファン1、作用体40を設け、該気室30の出口部32及び入り口部31と該加熱器10の入り口部11及び出口部12と導通する流路13、14をそれぞれ設け、該気室30の出口部32及び入り口部31と冷却器20の入り口部21及び出口部22と導通する流路23、24をそれぞれ設け、それぞれの流路13、14、23、24に開閉弁15、16、25、26を設け、気室30の出口部32流路へ作動ガスの移動手段1を設けている。該移動手段1は、気室30の入り口部31への流路に設けてもよい。移動手段1は、ファン1やポンプ等であり、作動ガスを強制的に移動できるものであればよい。尚、図中で電動機を図示せず、以下移動手段1をファン1と表記する。
作用体40は、41はピストンシリンダー、42は該ピストンシリンダー41内を摺動するピストン、43は駆動軸44に固設されたフライホイール、45はピストン42とフライホイール43を連接するクランク、クランク室46で構成されている。駆動軸44は、クランク室46外へ軸封装置(図示せず)を介して外部へ出力する。ピストンシリンダー41トップへ入り口部兼出口部47を設け、加熱器10の出口部17及び冷却器20入り口部27と導通する流路18、28をそれぞれ設け、該流路18、28にそれぞれ開閉弁19、29が設けられている。
作動ガスは、窒素ガス等が封入されている。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an embodiment of an external combustion type closed cycle heat engine of the present invention.
In the figure, a
The working
The working gas is sealed with nitrogen gas or the like.
上記作用について詳述する。
冷却器20入り口部21及び出口部22の開閉弁25、26を実線で示すように閉として冷却器20を加熱器から密閉分離し、加熱器10入り口部11側及び出口部12側の開閉弁15、16を実線で示すように開として、気室30内の作動ガスを加熱器10→開閉弁16→気室30→ファン1→開閉弁15→加熱器10と図中実線矢印で示すように循環させて加熱する。このため気室30内の温度・圧力は加熱器10内の温度・圧力と等しくなる。この時の気室30内のガス量をmHとする。
つぎに加熱器10入り口部11側及び出口部12側の開閉弁15、16を破線で示すように閉として加熱器10を冷却器20から密閉分離する一方、冷却器20入り口部21側及び出口部22側の開閉弁25、26を破線で示すように開として、気室30内の作動ガスを冷却器20→開閉弁26→気室30→ファン1→開閉弁25→冷却器20と図中破線矢印で示すように循環させて冷却する。このため気室30内の温度・圧力は冷却器20内の温度・圧力と等しくなる。この時の気室30内のガス量をmLとする。
この過程において冷却器20はmHのガス量を取り込みmLのガス量を放出する。従ってmL>mHであれば冷却器20内のガス量は減少し圧力は低下する。一方、加熱器10はmHのガス量を放出し、mLのガス量を取り込む。従って加熱器10内のガス量は増加し圧力は上昇する。この過程においてサイクルあたり「mL−mH」のガス量が冷却器20から加熱器10に移動する。
この過程はmL=mHとなった時点で平衡に達するが、ボイル・シャルルの法則によれば平衡条件は「加熱器10内圧力/冷却器20内圧力=加熱内温度/冷却内温度」である。
一方、加熱器10の出口部17と作用体40の入り口部兼出口部47と導通する流路18に設けた開閉弁19を実線で示すように閉とし、冷却器20の入り口部27と作用体40の入り口部兼出口部47と導通する流路28に設けた開閉弁29を実線で示すように開とすれば、シリンダー41は冷却器20と連結されて低温・低圧になりピストン42は上昇する。尚、図中ピストン42は、上死点に位置しており加熱器10の加熱過程終了状態にある。
また、冷却器20の入り口部27と作用体40の入り口部兼出口部47と導通する流路28に設けた開閉弁29を破線で示すように閉とし、加熱器10の出口部17と作用体40の入り口部兼出口部47と導通する流路18に設けた開閉弁19を破線で示すように開とすれば、シリンダー41は、加熱器10と連結されて高温・高圧になりピストン42は下降する。
この過程において、ピストン42を介し、ガス量が加熱器10から冷却器20に移動する。従って、気室30を介した冷却器20から加熱器10への作動ガス量が、ピストン42を介した加熱器10から冷却器20への移動に等しい圧力差で、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は作動する。
周知の如く内燃式エンジン(内燃式熱機関)は、シリンダー内で霧化したガソリン等に点火爆発させてピストンの上下駆動をさせて動力を発生させているが、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、気室30を介してのサイクル過程において、加熱器10は自動的に高圧になり、冷却器20は自動的に低圧になることを特徴とするものである。
The above operation will be described in detail.
The on-off
Next, the
In this process, the cooler 20 takes in the m H gas amount and releases the m L gas amount. Therefore, if m L > m H , the amount of gas in the cooler 20 decreases and the pressure decreases. On the other hand, the
This process reaches equilibrium when m L = m H , but according to Boyle-Charle's law, the equilibrium condition is “
On the other hand, the on-off
In addition, the on-off
In this process, the amount of gas moves from the
As is well known, an internal combustion engine (internal combustion heat engine) generates power by igniting and exploding gasoline or the like atomized in a cylinder to drive a piston up and down, but the external combustion closed cycle of the present invention. The heat engine is characterized in that the
図2は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
同図において、50、51、52は、流路が3分岐あり、1分岐から入り込む流体を、他の2分岐流路のいずれかを選択的に流路とする、又は2分岐流路のいずれかを選択し、他の1分岐を流路とする三方弁である。即ち、図1における開閉弁16と26を三方弁50に置き換え、開閉弁15と25を三方弁51に置き換え、開閉弁19と29を三方弁52に置き換えたものである。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an embodiment of the external combustion type closed cycle heat engine of the present invention.
In the figure,
上記図2の作用について詳述する。
加熱器10出口部12及び入り口部11と導通する三方弁50と51を実線で示すように閉として加熱器10を冷却器20から密閉分離し、冷却器20入り口部21及び出口部22と導通する三方弁51と50を実線で示すように開として、気室30内の作動ガスを冷却器20→三方弁50→気室30→ファン1→三方弁51→冷却器20と図中実線矢印で示すように循環させて冷却し、同時に冷却器20の入り口部27と作用体40の入り口部兼出口部47と導通する流路28に設けた三方弁52を実線で示すように閉とし、シリンダー41の作動ガスを流路18実線矢印で示すように流す。この際、三方弁51を三方弁50より早く開とし、気室30内の高温・高圧ガスを冷却器20内に導くことによりファン1に対する逆流を防ぐ。図中ピストン42は、下死点に位置しており冷却器20の冷却過程終了状態にある。
冷却器20出口部22及び入り口部21と導通する三方弁50と51を破線で示すように閉として冷却器20を加熱器10から密閉分離する一方、加熱器10出口部12及び入り口部11と導通する三方弁50、51を破線で示すように開として、気室30内の作動ガスを加熱器10→三方弁50→気室30→ファン1→三方弁51→加熱器10と図中破線矢印で示すように循環させて加熱し、同時に加熱器10の出口部17と作用体40の入り口部兼出口部47と導通する流路18に設けた三方弁52を破線で示すように閉とし、冷却器20の入り口部27と作用体40の入り口部兼出口部47と導通する流路28に設けた三方弁52を破線で示すように開として、冷却器20へ作動ガスを流路28破線矢印で示すように流す。この際、三方弁50を三方弁51より早く開とし、加熱器10内の高温・高圧ガスを気室30内に導くことによりファン1に対する逆流を防ぐ。
The operation of FIG. 2 will be described in detail.
The three-
While the three-
三方弁50と51は連動して動作することが望ましいが、三方弁52はピストン42が上死点または下死点を過ぎてから切り替わることが望ましく、三方弁50、51と連動して動作する必要はない。
The three-
図3は、要部断面図を示し、図3(a)は、作用体40を往復流型タービン60とし、高圧の加熱器10と低圧の冷却器20間に生じる作動ガス流により回転トルクを発生させ、軸封装置64を介して回転軸63を外部に出し、回転動力を得るように構成したものである。
図3(b)は、作用体40を通常型タービン59とし、高圧の加熱器10と低圧の冷却器20間に生じる作動ガス流により回転トルクを発生させ、軸封装置64を介して回転軸63を外部に出し、回転動力を得るように構成したものである。作動ガス流の流れ方向は、一方向である。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the main part, and FIG. 3A shows the working
In FIG. 3B, the working
図4は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
同図は、図2の作用体40を流路18と28に並列に2台設けたもので、図に示さない複数の作用体40を設け、一台の加熱器10及び冷却器20を共有する構成である。
上部側の作用体40(1)のピストン42は下死点に位置し、下部側の作用体40(2)のピストン42は上死点に位置し、ピストントップ48が上下死点中間の二点鎖線で示す位置になるように更に2台の作用体を設けた多気筒とすれば、スムーズに稼動させることができる。尚、気筒は偶数でなくてもピストンシリンダー41容積を勘案すれば奇数でもよい。
図4で示す作用体40の駆動軸44とクランク室46を複数の作用体40で共有することは、図4で示す作用体40上下を重ね合わせてみれば想像に難くないので図示せず。駆動軸44を共有することにより、大きな動力をえることができ、作用体40を複数台の群に分けて複数の動力を得ることもできる。また、クランク室46を複数の作用体40が共有し、ピストン42がクランク45を介して総和が360°となる位相差をもって駆動軸44と連接することにより、ピストン42の背圧を一定としてピストン42の作動を円滑にすることができる。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an embodiment of the external combustion type closed cycle heat engine of the present invention.
In FIG. 2, two working
The
Sharing the
図5は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の熱回収に関する実施例を示す概念図である。
同図は、図4で示す冷却器20の入り口部21と三方弁51を導通する流路23を、冷却器20の入り口部21と切り離し、図5で示すように流路28と導通させ、該流路合流点70と冷却器20の入り口部27を導通する流路71を高温部72とし、加熱器10
入り口部11と三方弁51を導通する流路13を低温部73として、図示しない熱交換器74を設けたものである。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an embodiment relating to heat recovery of the external combustion closed cycle heat engine of the present invention.
In the figure, the
A heat exchanger 74 (not shown) is provided with the
図5において、三方弁50、51が実線の位置にある時、冷却器20→三方弁50→気室30→ファン1→三方弁51→冷却器20と作動ガスが循環している。次に三方弁50、51が、三方弁50、51の破線の位置へ切り替わった瞬間、気室30容積分の冷却された作動ガスが流路13を流れて加熱器10へ向かう。従って、この時流路13は、低温部73を呈する。同時に図で示す上部側の作用体40(1)の三方弁52は、実線の位置から破線の位置に切り替わり、作用体40(1)に示すピストンシリンダー41内の高温作動ガスが流路28へ流れ、流路71を経て冷却器20へ向かう。従って、この時流路71において高温部72を呈し、また同時に、図で示す下部側の作用体40(2)の三方弁52は実線の位置で、ピストンシリンダー41内の高温作動ガスを流路28へ流し切り、三方弁52は破線の位置となり流路28への高温作動ガスの流れは停止される。
三方弁50、51が破線の位置にある時、加熱器10→三方弁50→気室30→ファン1→三方弁51→加熱器10と作動ガスが循環している。次に三方弁50、51が、三方弁50、51の実線の位置へ切り替わった瞬間、気室30容積分の加熱された作動ガスが流路23を流れて、流路71を経て冷却器20へ向かう。従って、この時流路71は高温部72を呈する。
従って低温部73は、常時低温に保たれ、高温部72は、常時高温に保たれるので、低温部73と高温部72間に熱交換器74(図示せず)を設けて、高温部72から低温部73へ熱移動を行うことができ、系外へ廃棄される熱を効率的に回収することができる。
In FIG. 5, when the three-
When the three-
Therefore, the
図6は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の熱回収に関する実施例を示す概念図である。
同図は、図5の気室30を2個30(1)、30(2)とし、加熱器10と冷却器20に並列して設けて構成したものである。共通する構成部品に同一符号を付与し、さらに(1)、(2)を付与した。
図6において、三方弁50(1)(2)と51(1)(2)が図示の実線の位置から破線の位置に変った瞬間、気室30(1)から低温の作動ガスが流路13(1)を流れ、低温部73を呈し、気室30(2)から高温の作動ガスが流路71に流れ、高温部72を呈し、三方弁50(1)(2)と51(1)(2)が図示の破線の位置から実線の位置に変った瞬間、気室30(1)から高温の作動ガスが流路71に流れ、高温部72を呈し、気室30(2)から低温の作動ガスが流路13(2)を流れ、低温部73を呈する。即ち加熱及び冷却過程全過程で、低温の作動ガスが流路13を流れ、低温部73を呈し、高温の作動ガスが流路71を流れて高温部72を呈する。言い換えると、どちらかの気室30が必ず加熱過程にあり、従って低温部には常時、加熱器に向かう低温ガスが流れ、また、どちらかの気室30が必ず冷却過程にあり、従って高温部には常時、冷却器に向かう高温ガスが流れているため熱エネルギー回収の効率を向上できる。
また、気室30(1)及び30(2)出口部34(1)及び34(2)側にそれぞれファン1を設けているので、加熱器10及び冷却器(2)内の作動ガスを全過程において停滞させることが無く、加熱器10及び冷却器20での熱交換効率の向上を図ることができる。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing an embodiment relating to heat recovery of the external combustion closed cycle heat engine of the present invention.
In FIG. 5, two air chambers 30 (1) and 30 (2) in FIG. 5 are provided in parallel with the
In FIG. 6, at the moment when the three-way valves 50 (1) (2) and 51 (1) (2) change from the solid line position to the broken line position, the low-temperature working gas flows from the air chamber 30 (1). 13 (1), presents a
In addition, since the
1 移動手段(ファン、ポンプ等)
10 加熱器
11、21、27、31 入り口部
12、17、22、32 出口部
13、14、18、23、24、28 流路
15、16、19、25、26、29 開閉弁
20 冷却器
30 気室
40 作用体
41 ピストンシリンダー
42 ピストン
43 フライホイール
44 駆動軸
45 クランク
46 クランク室
47 入り口部兼出口部
48 ピストントップ
50、51、52 三方弁
59 タービン
60 往復流型タービン
61 上部気室
62 下部気室
63 回転軸
64 軸封装置
70 流路合流点
71 流路
72 高温部
73 低温部
74 熱交換器(図示せず)
1 Moving means (fan, pump, etc.)
10
Claims (11)
The external combustion type closed cycle heat engine according to any one of claims 1 to 10, wherein two air chambers are provided in parallel with a heater and a cooler.
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