JP5467462B2 - 低温度差動力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度差動力変換装置であって、液化高圧ガスを使用して、１００℃未満の低温度、且つ３０〜４０℃の温度差で駆動する低温度差動力変換装置に関するものである。

従来より、機関内部の気体を機関外部の熱源で加熱・冷却によって膨張・収縮させることにより、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する外燃機関の技術が広く知られている。この技術の代表的なものとして、蒸気機関・蒸気タービン・スターリングエンジンがあり、また原子炉を使った原子力機関も含まれる。これら外燃機関は、熱源が外部にあるため燃料の形態（気体・液体・固体）による選択肢が広く、しかも最適な条件で燃焼させることが可能であるため、大気汚染物質の排出を抑えやすく、化石燃料（石油・天然ガスなど）以外にも原子力・地熱・太陽光など多種多様の熱源を利用できるものである。

しかしながら、これら従来の外燃機関の場合、装置が大型で高価なものとなり、他の熱機関（例えば内燃機関）と比較して装置の大きさに対する出力が小さいという問題があった。

そこで、分子量が４６以上の熱媒体を充填した循環流路内に受熱部と放熱部と動力機構部と循環ポンプ部を設け、放熱部で液化した液相熱媒体を循環ポンプによって放熱部側に移送する外燃装置が提案されている（特許文献１参照。）。

特開２００９−１３８７２９号公報

しかしながら、上記特許文献１に提案されている装置は、特定の熱媒体を用いて外部加熱により気相状態としてタービンを駆動させ、液相状態で小さくなった熱媒体を、ポンプによって循環させるものであり、従来の外燃機関と比較し、低い外部熱源によって駆動するものであるが、受熱部と放熱部間の抵抗によってポンプに負担がかるという問題や、動力機構部内で液化した熱媒体の処理に関しては何らの対応もなされないものであった。

上記の問題点に鑑み本発明者らは、外燃機関であって、比較的に低い温度差で加熱して駆動させることが可能で、シンプルな構造であり、また動力機構部内でガスが液化することがない低温度差動力変換装置を提供するに至った。

このため本発明の低温度差動力変換装置は、気液混合状態の液化高圧ガスを充填した少なくとも２個の密封容器と、該密封容器を夫々冷却叉は加熱する熱源部と、該加熱された一方の密封容器と連通し、流路変更手段を介して接続される往復駆動手段と、該流路変更手段と前記冷却された他方の密封容器とを接続する気相流路と、前記加熱された密封容器と冷却された密封容器とを接続する液相流路とを備え、前記流路変更手段及び往復駆動手段は前記熱源部によって加熱される密封容器と同等の温度で加熱されることを第一の特徴とする。

ここで、気液混合状態で充填される液化高圧ガスとしては、ブタン、エーテルなどが望ましい。

また、前記熱源部によって密封容器を加熱する温度は１００℃未満であり、且つ密封容器を冷却叉は加熱する温度差は、３０度〜４０度であることを第二の特徴とする。

そして、前記流路変更手段及び往復駆動手段も、前記熱源部によって１００℃未満で加熱される。

本発明に係る低温度差動力変換装置によれば、流路変更手段及び往復駆動手段は前記熱源部によって加熱される密封容器と同等の温度で加熱されるため、往復駆動手段内での圧力低下に伴なう飽和蒸気の液化を防止することが可能となり、安定した往復駆動ができるという効果を有する。

そして、熱源部によって密封容器を加熱する温度は１００℃未満であり、且つ密封容器を冷却叉は加熱する温度差は、３０度〜４０度であるため、従来の外燃機関と異なり、非常に低い温度による動作ができる。

本発明に係る低温度差動力変換装置の一実施例を示す構成図である。

以下、本発明を実施例を示す図面を参照しながら説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。図１は本発明の低温度差動力変換装置の一実施例を示す構成図である。

図１は、本発明の低温度差動力変換装置の構成を示しており、図に示すように、本発明の低温度差動力変換装置１は、気液混合状態の液化高圧ガスを充填した２個の密封容器２、３と、加熱によって生じた液化高圧ガスの飽和蒸気を流入して流路を変更させる流路変更手段４と、この流路変更手段４から供給される飽和蒸気によって往復運動する往復駆動手段５と、この往復駆動手段５と連動して回転するフライホイール６とから構成され、後述する気相流路、液相流路、及びバルブを介して循環サイクルを形成しており、密封容器２は冷却手段７によって冷却され、密封容器３、流路変更手段４及び往復駆動手段５は加熱手段８によって加熱される。そして、加熱手段８によって加熱されて生じた飽和蒸気は、密封容器３から流路変更手段４を介して往復駆動手段５に供給され、往復駆動手段５を駆動させた後、再度流路変更手段４を介して密封容器２に流入して冷却され液化する。

密封容器２、３は、熱伝導性に優れる金属からなり、密封容器２の上部及び下部には夫々開口部９ａ、９ｂが形成されており、開口部９ａは流路変更手段４と気相流路１０を介して連通する。また密封容器３には上部に２個の開口部１１ａ、１１ｂ、側面に１個の開口部１１ｃが形成されており、開口部９ｂと開口部１１ｃとは液相流路１２によって連結され、バルブ１３の開閉によって連通する。そして開口部１１ａは上記気相流路１０とバルブ１４を介して連通する。

流路変更手段４は、密封容器３の開口部１１ｂと気相流路１５を介して連結し、バルブ１６の開閉によって液化高圧ガスの飽和蒸気を流入可能とし、後述するフライホイール６の回転と連動するカム駆動（図示せず）によって流路を変更する。そして流路を変更された飽和蒸気は、往復駆動手段５と連結する気相流路１７、１８によって交互に送気及び排気され、ピストン１９を往復駆動する。そして排気された飽和蒸気は流路変更手段４及び気相流路１０を介して密封容器２へ送られる。

往復駆動手段５はパワーシリンダー２０からなり、内部にピストン１９が往復自在に配置されている。またパワーシリンダー２０の両端側面部には上述した気相流路１７、１８を挿通する孔部２１、２２が形成されている。そしてパワーシリンダー２０の端部から延出するピストン１９の一端は、クランク２３を介して、フライホイール６と連結し、ピストン１９の往復駆動に伴ない、フライホイール６が回転する。

冷却手段７は、密封容器２を収容可能な水槽２４からなり、常温の水が投入されており、この常温の水によって密封容器２に流入する飽和蒸気を液化する。

加熱手段８は、密封容器３、流路変更手段４及び往復駆動手段５を収容できる水槽２５からなり、８０℃未満の温水が投入されており、この温水によって密封容器３内の液化高圧ガスを飽和蒸気とすると共に、流路変更手段４及び往復駆動手段５内の飽和蒸気の液化を防止する。

上記の構成からなる本発明の低温度差動力変換装置は、気液混合状態の液化高圧ガスを充填した２個の密封容器の一方を、１００℃未満で加熱し、他方を前記加熱温度との温度差が３０〜４０℃の常温で冷却することで、容易に往復駆動手段を駆動させることができる。しかも流路変更手段及び往復駆動手段は熱源部によって加熱される密封容器と同等の温度で加熱されており、往復駆動手段内での圧力低下に伴なうガスの液化を防止することができる。尚、本実施例においては密封容器を２個使用する例で説明を行なったが、３個以上を連結することも可能である。

次に、本発明の低温度差動力変換装置の動作を、上記実施例に従って説明する。まず液化高圧ガスであるブタンガスを密封容器２、３に気液混合の状態で適量注入する。この際バルブ１３、１４，１６は全て閉めた状態である。次に、密封容器２を入れた水槽２４に常温（２０℃）の水を注入すると共に、密封容器３、流路変更手段４、パワーシリンダー２０を入れた水槽２５に６０℃のお湯を注入する。

この状態でバルブ１６を開けると、密封容器３内で飽和蒸気となった液化高圧ガスが気相流路１５を介して流路変更手段４に送られ、気相流路１７、１８を通してパワーシリンダー２０を駆動させる。パワーシリンダー２０内のピストン１９の往復運動はクランク２３によって回転運動に変換され、フライホイール６が回転する。尚、流路変更手段４の流路変更動作は、フライホイール６と同期して駆動するカム機構（図示せず）によって制御される。

パワーシリンダー２０から排出される飽和蒸気は、流路変更手段４から気相流路１０を介して密封容器２に送られ、水槽２４内の常温水によって冷却されて液化する。

上記の動作において、密封容器３、流路変更手段４、パワーシリンダー２０はいずれも水槽２５内で同じ温度にて加熱されており、パワーシリンダー２０内での圧力低下に伴なうガスの液化を防止することができる。また、水槽２３、２４の温度差は３０〜４０℃であれば良く、密封容器３を加熱する温度は使用する液化高圧ガスの気化に必要な温度によって、適宜選択される。尚、密封容器２、３に充填される液化高圧ガスの要量は固定されており、加熱されて飽和蒸気となった密封容器３内の液化高圧ガスが無くなると、低温度差動力変換装置が停止するため、バルブ１６を閉じると共に、バルブ１４及びバルブ１３を開いて、密封容器２内で液化した液化高圧ガスを密封容器３内に自然落下させることにより、密封容器３内の液化高圧ガスを供給し再駆動させることができる。また、密封容器２と連通する密封容器を複数配置し、密封容器３内の液化高圧ガスの減少を検知することによって、自動的に液化した液化高圧ガスを密封容器３内に自然落下させることも可能である。

以上の構成からなる本発明の低温度差動力変換装置は、流路変更手段及び往復駆動手段は前記熱源部によって加熱される密封容器と同等の温度で加熱されるため、往復駆動手段内での圧力低下に伴なうガスの液化を防止することができる。しかも、熱源部によって密封容器を加熱する温度は１００℃未満であり、且つ密封容器を冷却叉は加熱する温度差は、３０度〜４０度であるため、従来の外燃機関と異なり、非常に低い温度による動作ができる。

１ 低温度差動力変換装置
２、３ 密封容器
４ 流路変更手段
５ 往復駆動手段
６ フライホイール
７ 冷却手段
８ 加熱手段
９ａ、９ｂ 開口部
１０、１５ 気相流路
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 開口部
１２、２７ 液相流路
１３、１４、１６ バルブ
１７、１８ 気相流路
１９ ピストン
２０ パワーシリンダー
２１、２２ 孔部
２３ クランク
２４、２５ 水槽

Claims (2)

1. 温度差動力変換装置であって、気液混合状態の液化高圧ガスを充填した少なくとも２個の密封容器と、該密封容器を夫々冷却叉は加熱する熱源部と、該加熱された一方の密封容器と連通し、流路変更手段を介して接続される往復駆動手段と、該流路変更手段と前記冷却された他方の密封容器とを接続する気相流路と、前記加熱された密封容器と冷却された密封容器とを接続する液相流路とを備え、前記流路変更手段及び往復駆動手段は前記熱源部によって加熱される密封容器と同等の温度で加熱され、流路変更手段内及び往復駆動手段内の液化高圧ガスの再液化を防止することを特徴とする低温度差動力変換装置。
2. 前記熱源部によって、密封容器を加熱する温度は１００℃未満であり、且つ密封容器を冷却叉は加熱する温度差は、３０度〜４０度であることを特徴とする請求項１記載の低温度差動力変換装置。

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