JP6154967B1 - 平行運動の熱エネルギー動力機械及びその動作方法 - Google Patents

平行運動の熱エネルギー動力機械及びその動作方法 Download PDF

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Abstract

【課題】平行運動の熱エネルギー動力機械及びその動作方法を提供することを課題とする。
【解決手段】平行運動の熱エネルギー動力機械及びその動作方法であって、集熱器（１）と保温管（２）とガス化反応器（３）と霧化装置（４）とシリンダー（５）とピストン（６）とピストンリング（７）と自動排気弁（８）とクーラー（９）と貯液タンク（１０）と圧力ポンプ（１１）とプッシュプルロッド（１２）と保温層（１３）と筐体（１４）とを含み；筐体（１４）上に平行に対向して２個のシリンダー（５）を設け、シリンダー（５）内にピストン（６）を設け、ピストン（６）にピストンリング（７）を設け、ピストン（６）がプッシュプルロッド（１２）両端に設けられ；集熱器（１）は保温管（２）を通じてガス化反応器（３）に連接され、ガス化反応器（３）の吸気側に霧化装置（４）を設け、霧化装置（４）がパイプを通じて圧力ポンプ（１１）に連接し、圧力ポンプ（１１）がパイプを通じて貯液タンク（１０）に連接し；ガス化反応器（３）はシリンダー（５）の上死点に設けられ；シリンダー（５）の下死点に自動排気弁（８）を設けており、自動排気弁（８）がパイプを通じてクーラー（９）に連接する。該平行運動の熱エネルギー動力機器及びその動作方法の熱エネルギー変換効率が高く；出力が調整でき；機械構造が簡単で、製造コストが低く、仕事率が単気筒仕事率の２倍あり；従来のエネルギー消費に代替でき、経済便益が高く、省エネ・環境に配慮し、騒音も小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱エネルギー動力機械分野に属し、特に、太陽エネルギー、地熱、可燃物の燃焼で発生した高温ガス、内燃機関の熱エネルギー或いはオフガス、工場から排出された高温ガス等の熱エネルギーを運動エネルギーに変換して利用する動力機械に関する。
従来の動力機械には、蒸気機関、内燃機関、外燃機関を有する。
蒸気機関：必ずボイラがあり、機関全体が重く巨大であり；新蒸気の圧力及び温度が高すぎることや、排気圧力が低すぎると、熱効率向上が難しく；蒸気機関は、往復式機械で、慣性力により回転数向上を抑御し；仕事過程が不連続で、蒸気の流量制限を受けるため、工率の向上が制限されている。
内燃機関：構造は複雑で、燃料に対する要求が比較的高く、燃料清浄度に対する要求も厳しく、環境を汚染してしまう。
外燃機関は、例えばスターリングエンジンのうちの１つで、スターリングエンジンと内燃機関を比較すると、次の利点があり、つまり、
液体状態、気体状態或いは固体状態の燃料を問わず、各種エネルギーに適用し、熱輸送システム（例えばヒートパイプ）で間接加したる時、ほぼいかなる高温熱源（太陽エネルギーの放射性同位体及び核反応等）を使用でき、エンジン自体（ヒータが除外）をいかなる変更する必要もない。同時にスターリングエンジンは、圧縮機の増圧の必要がなく、一般的なファンでも要求を満たすことができ、また燃料に比較的高い不純物の含有量があることも容認し；スターリングエンジン単体機の容量が小さく、ユニットの容量が２０〜５０ｋｗで、地域の状況によってシステム容量を増減でき；構造が簡単で、部品数が内燃機関より４０％少なく、値下げ幅大きく；メンテナンスコストも安い。
スターリングエンジンの運転時、燃料がシリンダー外の燃焼室内で連続燃焼し、燃焼ガスから独立した作動媒体はヒータを通じて吸熱し、またスターリングサイクルによって外部に対して仕事をするため、内燃機関に類したノック・仕事及び間欠燃焼過程を避けることで、高効率、低騒音及び低排出ガスの運転を実現できる。高効率：全エネルギー効率が８０％以上に達し；低騒音：１ｍ箇所でベアマシン騒音が６８ｄＢＡより低く；低排出ガス：オフガス排出がＥＵ５基準に達する。
作動媒体が燃焼しないため、外燃機関は従来内燃機関のノック・仕事問題を避けることで、高効率、低騒音、低汚染及び低運転コストを実現する。外燃機関は、例えば天然ガス、バイオガス、石油ガス、水素ガス、石炭ガス等の各種可燃ガスを燃焼でき、軽油、液化石油ガス等の液体燃料も燃焼でき、更に木材の燃焼及び太陽エネルギー等の利用も可能である。ヒートキャビティが７００℃に達すと、機械が仕事をして運転でき、環境温度が低ければ低いほど、発電効率が高くなる。外燃機関の最大の利点は、出力及び効率が海抜高度の影響を受けず、非常に高海抜地域の使用にも適している。
同時にスターリングエンジンに存在する主要問題及び欠点は、製造コストが比較的高く、作動媒体のシール技術が比較的難しく、シール材の信頼性及び寿命にまだ問題が存在し、材料コストが高く、工率調整・制御システムが比較的複雑で、機械が比較的重く；膨張室、圧縮室、ヒータ、冷却室、再生器等のコストが高く、熱損失が内燃機関の２〜３倍等ある。
有機ランキンサイクルシステムは、ポンプ、蒸発器、膨張機、発電機及び凝縮器等を備えている。集熱器が太陽放射熱を吸収し、集熱器内の伝熱媒体温度が上昇し、伝熱媒体が蒸発器を通じて熱量を有機作動媒体に伝送する。有機作動媒体は蒸発器内で定圧加熱され、高圧気体状態の有機作動媒体が膨張機に入って膨張して仕事をし、エンジンを駆動して発電し；膨張機の尾部から排出された有機作動媒体が凝縮器内に入って定圧凝縮され、凝縮器出口の有機作動媒体がポンプ加圧を経た後、蒸発器に入って１発電サイクルを完了する。
有機ランキンサイクルシステムは、変換効率が高くなく、体積が大きく、構造が複雑な膨張機を介して仕事をする必要がある問題が存在する。
本発明は、膨張室、圧縮室、ヒータ、冷却室、再生器等に存在するコストが高く、熱損失が内燃機関の２〜３倍等の問題を克服し；有機ランキンサイクルシステムに必要な膨張機又は蒸気タービンの製造コストが高い技術的難題を克服した。本発明が提供する平行運動の熱エネルギー動力機械は、スターリングエンジン及び有機ランキンサイクルシステムの利点を結合したものである。集熱器で熱エネルギーを吸収した後ガス化反応器を加熱し、作動媒体を高温ガス化・彭脹してピストンを押して運動エネルギーを発生して動作する。
本発明は、熱エネルギー変換効率が高く、作動媒体がサイクル使用可能で、最大工率範囲内で作動媒体数量の調整によって出力を調整でき、温度調整によって出力を調整でき、機械の出力が安定した熱エネルギー動力機械を提供する。
本発明が用いる実施形態としては、平行運動の熱エネルギー動力機械であり、集熱器と保温管とガス化反応器と霧化装置とシリンダーとピストンとピストンリングと自動排気弁とクーラーと貯液タンクと圧力ポンプとプッシュプルロッドと保温層と筐体とを含み；筐体上に平行に対向して２個のシリンダーを設け、シリンダー内にピストンを設け、ピストンにピストンリングを設け、ピストンがプッシュプルロッド両端に設けられ；集熱器は保温管を通じてガス化反応器に連接され、ガス化反応器の吸入側に霧化装置を設け、霧化装置がパイプを通じて圧力ポンプに連接し、圧力ポンプがパイプを通じて貯液タンクに連接し；ガス化反応器はシリンダーの上死点に設けられ；シリンダーの下死点に自動排気弁を設けており、自動排気弁がパイプを通じてクーラーに連接し、クーラーがパイプを通じて貯液タンクに連接し；筐体外層に保温層を設けることを特徴とする。
好ましくは、集熱器は、太陽エネルギー、地熱、可燃物の燃焼で発生した高温ガス、内燃機関オフガス、工場から排出された高温ガス等の熱エネルギーを吸収できる。
好ましくは、ガス化反応器は、圧力シェルと気化熱伝導シートと空気孔とを含み、気化熱伝導シートが圧力シェル上に設けられ、気化熱伝導シート上に空気孔を配列し、圧力シェルの吸入側に霧化装置を設ける。
好ましくは、圧力ポンプはプッシュプルロッドと連動し、１サイクルを完了する度に、圧力ポンプを１回オンオフにする。
好ましくは、前記プッシュプルロッド上に伝動軸を設けて発電機回転子のカット磁力線に接続し、平行運動の熱エネルギー動力機械の発電装置を構成する。
上記平行運動の熱エネルギー動力機器の動作方法は、集熱器が太陽エネルギー、地熱、可燃物の燃焼で発生した高温ガス、内燃機関オフガス、工場から排出された高温ガス等の熱エネルギーを吸収して直接或いは保温管を通じて熱量をガス化反応器に伝達し、保温管内に流動の熱伝導媒体を設け；液体の作動媒体は圧力ポンプを通じてガス化反応器に注入して霧化され、ガス化反応器が霧化した作動媒体に対し気化膨張を行い；ピストンがシリンダーの下死点到達時、仕事をする気体は自動排気弁を通じて排出され、排出された気体状態の作動媒体がクーラーによって冷却され、この場合、別のピストンがシリンダー上死点到達時、このシリンダーの圧力ポンプがオンにされ、液体作動媒体が霧化装置を通じてガス化反応器内に注入して気化膨張してピストンを押して仕事をし；圧力ポンプは順番にオンオフにされ、２個のシリンダー内のピストンが順番に仕事をし、運動エネルギーがプッシュプルロッドを通じて出力される。
本発明の利点としては、１．作動媒体がサイクル使用され、汚染がない；２．熱エネルギー変換効率が６５％〜９８％である；３．必要な工率に応じて機械のシリンダー容量及び数量を調整して出力を調整できる；４．最大工率範囲内に注液を調整して出力を調整できる；５．該機械は作動媒体に対し気化して仕事をし、全過程においてノックが起きない；６．機械構造が簡単で、製造コストが低く、自動排気機能を利用してエネルギー消費を減らす；７．仕事率が単気筒仕事率の２倍あり；８．従来のエネルギー消費に代替でき、経済便益が高く、省エネ・環境に配慮し、騒音も小さい。
本発明の構造を示す模式図である。 本発明のガス化反応器の構造を示す模式図である。
図１乃至図２を参照すると、本発明の実施形態としては、
実施例１
平行運動の熱エネルギー動力機械であって、集熱器１と保温管２とガス化反応器３と霧化装置４とシリンダー５とピストン６とピストンリング７と自動排気弁８とクーラー９と貯液タンク１０と圧力ポンプ１１とプッシュプルロッド１２と保温層１３と筐体１４とを含み；筐体１４上に平行に対向して２個のシリンダー５を設け、シリンダー５内にピストン６を設け、ピストン６にピストンリング７を設け、ピストン６がプッシュプルロッド１２両端に設けられ；集熱器１は保温管２を通じてガス化反応器３に連接され、ガス化反応器３の吸気側に霧化装置４を設け、霧化装置４がパイプを通じて圧力ポンプ１１に連接し、圧力ポンプ１１がパイプを通じて貯液タンク１０に連接し；ガス化反応器３はシリンダー５の上死点に設けられ；シリンダー５の下死点に自動排気弁８を設けており、自動排気弁８がパイプを通じてクーラー９に連接し、クーラー９がパイプを通じて貯液タンク１０に連接し；筐体１４外層に保温層１３を設ける。
実施例２
実施例１における平行運動熱エネルギー動力機器のように、前記ガス化反応器は、圧力シェル１５と気化熱伝導シート１６と空気孔１７と霧化装置４とを含み、気化熱伝導シート１６が圧力シェル１５上に設けられ、気化熱伝導シート１６上に空気孔１７を配列し、圧力シェル１５の吸気側に霧化装置４を設け；前記圧力ポンプ１１はプッシュプルロッド１２と連動し、１サイクルを完了する度に、圧力ポンプ１１を１回オンオフにし；前記プッシュプルロッド１２上に伝動軸を設けて発電機回転子のカット磁力線に接続し；クーラー９は自然水冷或いは凝縮器の方式を用いる。
１ 集熱器
２ 保温管
３ ガス化反応器
４ 霧化装置
５ シリンダー
６ ピストン
７ ピストンリング
８ 自動排気弁
９ クーラー
１０ 貯液タンク
１１ 圧力ポンプ
１２ プッシュプルロッド
１３ 保温層
１４ 筐体
１５ 圧力シェル
１６ 気化熱伝導シート
１７ 空気孔

Claims (6)

  1. 平行運動の熱エネルギー動力機械であって、集熱器（１）と保温管（２）とガス化反応器（３）と霧化装置（４）とシリンダー（５）とピストン（６）とピストンリング（７）と自動排気弁（８）とクーラー（９）と貯液タンク（１０）と圧力ポンプ（１１）とプッシュプルロッド（１２）と保温層（１３）と筐体（１４）とを含み；前記筐体（１４）上に平行に対向して２個の前記シリンダー（５）を設け、前記シリンダー（５）内に前記ピストン（６）を設け、前記ピストン（６）に前記ピストンリング（７）を設け、前記ピストン（６）が前記プッシュプルロッド（１２）両端に設けられ；前記集熱器（１）は前記保温管（２）を通じて前記ガス化反応器（３）に連接され、前記ガス化反応器（３）の吸入側に前記霧化装置（４）を設け、前記霧化装置（４）がパイプを通じて前記圧力ポンプ（１１）に連接し、前記圧力ポンプ（１１）がパイプを通じて前記貯液タンク（１０）に連接し；前記ガス化反応器（３）は前記シリンダー（５）の上死点に設けられ；前記シリンダー（５）の下死点に前記自動排気弁（８）を設けており、前記自動排気弁（８）がパイプを通じて前記クーラー（９）に連接し、前記クーラー（９）がパイプを通じて前記貯液タンク（１０）に連接し；前記筐体（１４）外層に前記保温層（１３）を設けることを特徴とする平行運動の熱エネルギー動力機械。
  2. 前記集熱器(１)は、太陽エネルギー、地熱、可燃物の燃焼で発生した高温ガス、内燃機関オフガス、工場から排出された高温ガスのいずれかの熱エネルギーを吸収できることを特徴とする請求項1に記載の平行運動の熱エネルギー動力機械。
  3. 前記ガス化反応器は、圧力シェル（１５）と気化熱伝導シート（１６）と空気孔（１７）とを含み、前記気化熱伝導シート（１６）が前記圧力シェル（１５）上に設けられ、前記気化熱伝導シート（１６）上に前記空気孔（１７）を配列し、前記圧力シェル（１５）の吸入側に前記霧化装置（４）を連設することを特徴とする請求項1に記載の平行運動の熱エネルギー動力機械。
  4. 前記圧力ポンプ（１１）は、前記プッシュプルロッド（１２）と連動し、１サイクルを完了する度に、圧力ポンプを１回オンオフにすることを特徴とする請求項1に記載の平行運動の熱エネルギー動力機械。
  5. 前記プッシュプルロッド（１２）上に伝動軸を設けて発電機回転子のカット磁力線に接続することを特徴とする請求項1に記載の平行運動の熱エネルギー動力機械。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の平行運動の熱エネルギー動力機器の動作方法であって、集熱器が太陽エネルギー、地熱、可燃物の燃焼で発生した高温ガス、内燃機関オフガス、工場から排出された高温ガスのいずれかの熱エネルギーを吸収して直接或いは保温管を通じて熱量をガス化反応器に伝達し、前記保温管内に流動の熱伝導媒体を設け；液体の作動媒体は圧力ポンプを通じて前記ガス化反応器に注入して霧化され、前記ガス化反応器が霧化した作動媒体に対し気化膨張を行い；ピストンがシリンダーの下死点到達時、仕事をする気体は自動排気弁を通じて排出され、排出された気体状態の作動媒体がクーラーによって冷却され、この場合、別のピストンがシリンダー上死点到達時、前記シリンダーの圧力ポンプがオンにされ、液体作動媒体が霧化装置を通じて前記ガス化反応器内に注入して気化膨張してピストンを押して仕事をし；前記圧力ポンプは順番にオンオフにされ、２個の前記シリンダー内の前記ピストンが順番に動作をし、運動エネルギーがプッシュプルロッドを通じて出力されることを特徴とする動作方法。
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