JPH0156271B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 発明の目的 ［産業上の利用分野］ この発明は外燃式エンジンに関するものであ
る。

［従来の技術及び発明が解決しようとする問題
点］ 近来、ヒートパイプ式エンジンと称された新た
な外燃式エンジンが開発されて来ている。

その原理は加熱シリンダと冷却シリンダとを連
通して備え、その内に作動流体を封入し、冷却シ
リンダの伝熱面を熱遮蔽体で閉じたり開いたりす
ることによつて、加熱シリンダ内の作動流体に状
態変化を生じさせ、その時の圧力変化をピストン
で取り出して動力を取り出すものである。この原
理はすでに公知になつており（例えば宇宙科学研
究所報告1982年３月号）、工場廃熱等の低温熱源
を利用し得る新たなエンジンとして有望視されて
いるものである。

しかるに、この新たに開発されつつあるエンジ
ンは未だ実用段階に達していない。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、構造が簡単で確実に作作動して動力
を取り出すことができ、実用化が可能な外燃式エ
ンジンを提供することを目的とするものである。

(ロ) 発明の構成 ［問題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明の外燃式エンジ
ンは、作動流体を収容し外部から加熱される加熱
シリンダと、前記加熱シリンダに連通し外部から
冷却される冷却シリンダと、前記冷却シリンダに
連通する圧力シリンダと、前記冷却シリンダの壁
内面を覆う位置と壁内面を露出させる位置との間
に変位可能な熱遮蔽体と、前記圧力シリンダ内に
摺動可能に位置するピストンと前記ピストンの動
きに連動して前記熱遮蔽体を変位させる熱遮蔽体
駆動機構部と及び前記ピストンに復動を強制する
復動装置、とを備えることを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。

第１図及び第２図において、１は外燃式エンジ
ンであり、外燃式エンジン１は作動部２と復動部
３と熱遮蔽体駆動機構部４とを備えている。

作動部２は後述するピストン１１の往復動のう
ちの主として往動を行なわせるためのものであつ
て、加熱シリンダ５、冷却シリンダ６、圧力シリ
ンダ７、熱遮蔽体８及びピストン１１を備えてい
る。

加熱シリンダ５は一端１２が閉じ他端が開放し
ている鋼製の円筒状をなし、外周を囲んで加熱部
１３を備えている。加熱シリンダ５の内部空間１
４はシリンダ壁を介して加熱部１３と熱伝達可能
である。加熱部１３は高温側となる部分であつ
て、工場廃熱やその他任意の熱源を利用し得る
が、この実施例では実験の便宜上、電気ヒータを
加熱部１３として使用している。

冷却シリンダ６は両端が開放した鋼製の円筒状
をなし、外周を囲んで冷却部１５を備えている。
冷却シリンダ６の内部空間１６は加熱シリンダ５
の内部空間１４と同径で、内部空間１４と隣り合
い、かつ内部空間１４と連通している。この内部
空間１６はシリンダ壁を介して冷却部１５と熱伝
達可能である。冷却部１５は低温側となる部分で
あつて、水冷や空冷の冷却装置で構成する。

圧力シリンダ７は鋼製の円筒状をなし、外周に
冷却フイン１７を備えている。圧力シリンダ７の
内部空間１８は一端で冷却シリンダの内部空間１
６と連通し、したがつてまた、加熱シリンダ５の
内部空間１４と連通している。内部空間１８の他
端は仕切り壁２１によつて閉じられている。仕切
り壁２１にも冷却装置２２が設けられている。こ
の仕切り壁２１を介して、作動部２に復動部３が
隣り合つて位置している。

復動部３は後述するピストン１１の往復動のう
ちの主として復動を行なわせるためのものであつ
て、他の加熱シリンダ２３、他の冷却シリンダ２
４、他の圧力シリンダ２５、他の熱遮蔽体２６及
び他のピストン２７を備えている。

他の加熱シリンダ２３は一端が仕切り壁２１で
閉じられ、他端が開放している鋼製の円筒状をな
し、外周を囲んで他の加熱部２８を備えている。
他の加熱シリンダ２３の内部空間３１はシリンダ
壁を介して他の加熱部２８と熱伝達可能である。
他の加熱部２８は高温側となる部分であつて、工
場廃熱やその他任意の熱源を利用し得るが、この
実施例では実験の便宜上、電気ヒータを他の加熱
部２８として使用している。

他の冷却シリンダ２４は鋼製の円筒状をなし、
外周を囲んで冷却部３２を備えている。他の冷却
シリンダ２４の内部空間３３は他の加熱シリンダ
２３の内部空間３１と同径で、内部空間３１と隣
り合い、かつ内部空間３１と連通している。また
内部空間３３の他端は仕切り壁３４で閉じられて
いる。この内部空間３３はシリンダ壁を介して冷
却部３２と熱伝達可能である。冷却部３２は低温
側となる部分であつて、水冷や空冷の冷却装置で
構成する。

他の圧力シリンダ２５は鋼製の円筒状をなし、
外周に冷却フイン３５を備えている。他の圧力シ
リンダ２５の内部空間３６の一端は仕切り壁３４
で閉じられ、また他端は仕切り壁３７で閉じられ
ている。

圧力シリンダ７内にはピストン１１が摺動可能
に配設されており、また他の圧力シリンダ２５内
には他のピストン２７が摺動可能に配設されてい
る。

このピストン１１と他のピストン２７はピスト
ンロツド３８によつて固定連結されている。ピス
トンロツド３８は第１図、第２図及び特に第３図
に示すように、同心状の連結する両端の小径部４
１，４２及び中間の大径部４３とからなつてお
り、小径部４１は圧力シリンダ７内から仕切り壁
２１を摺動可能に貫通して他の加熱シリンダ２３
内に達し、大径部４３は他の加熱シリンダ内から
仕切り壁３４を摺動可能に貫通して他の圧力シリ
ンダ２５内に達し、また、小径部４２は他の圧力
シリンダ２５内から仕切り壁３７を摺動可能に貫
通して熱遮蔽体駆動機構部４を貫通して外部に延
長している。小径部４１と仕切り壁２１との間、
大径部４３と仕切り壁３４との間及び小径部４２
と仕切り壁３７との間にはそれぞれガスシール４
４，４５，４６が配設されて、貫通路の気密を保
つている。

小径部４１には後述する熱遮蔽体駆動用ロツド
４８を摺動可能に挿通させ得る貫通孔５１が軸方
向に形成されており、大径部４３には熱遮蔽体駆
動用ロツド４８を挿通させることができ、かつ作
用流体の通路となり得る大径の貫通孔５２が軸方
向に形成されており、また小径部４２には熱遮蔽
体駆動用ロツド４８を摺動可能に挿通させ得る貫
通孔５３が軸方向に形成されている。

大径部４３に形成された大径の貫通孔５２は前
記の通り作動流体の通路としての機能をも持つも
ので、この貫通孔５２の両端はガス出入口５６，
５７によつて他の加熱シリンダ２３の内部空間３
１と他の圧力シリンダ２５の内部空間３６に開口
している。したがつて、内部空間３１と内部空間
３６とは大径部４３の貫通孔５２を通して連通し
ている。ただし、後述する熱遮蔽体駆動用ロツド
４８が小径部４１を挿通する部分にはガスシール
５８が設けられているので、冷却シリンダ６の内
部空間１６と他の加熱シリンダ２３の内部空間３
１とが小径部４１の貫通孔５１を通して連通する
ことはなく、両内部空間１６，３１は気密に隔離
されている。また、他のピストン２７は他の圧力
シリンダ２５内にあつてピストンロツド３８の大
径部４３の端部近傍に固着しているのであるが、
この他のピストン２７はガス出入口５７よりも仕
切り壁３４側に固定されており、したがつてガス
出入口５７は、他のピストン２７が他の圧力シリ
ンダ２５の内部空間３６を区切つて形成する２つ
の内部空間３６ａ，３６ｂのうち、仕切り壁３７
側の空間３６ｂに開口しており、したがつてこの
空間３６ｂが他の加熱シリンダ２３の内部空間３
１と連通し、仕切り壁３４側の内部空間３６ａは
気密を保たれている。

熱遮蔽体８は、第１図、第２図及び特に第８
図、第９図に示すように、両端開口の円筒状で、
冷却シリンダ６内に密に摺動可能に位置してお
り、冷却シリンダ６内に位置する場合には冷却シ
リンダ６の壁内面を覆つて、冷却シリンダ６の内
部空間１６と冷却部１５との間の伝熱を遮断し、
また加熱シリンダ５内に変位した場合は、冷却シ
リンダ６の壁内面を開放し、かつ加熱シリンダ５
の壁内面を覆つて、加熱シリンダ５の内部空間１
４と加熱部１３との間の伝熱を遮断する。

一方他の熱遮蔽体２６は、両端開口の円筒状
で、他の冷却シリンダ２４内に密に摺動可能に位
置しており、他の冷却シリンダ２４内に位置する
場合には他の冷却シリンダ２４の壁内面を覆つ
て、他の冷却シリンダ２４の内部空間３３と冷却
部３２との間の伝熱を遮断し、また他の加熱シリ
ンダ２３内に変位した場合は、他の冷却シリンダ
２４の壁内面を開放し、かつ他の加熱シリンダ２
３の壁内面を覆つて、他の加熱シリンダ２３の内
部空間３１と他の加熱部２８との間の伝熱を遮断
する。

熱遮蔽体８はナツト６１によつて熱遮蔽体駆動
用ロツド４８の先端に固着している。熱遮蔽体駆
動用ロツド４８はピストンロツド３８の貫通孔５
１，５２，５３を貫通し、その後端６２は熱遮蔽
体駆動機構部４の後方に延出している。したがつ
て、ピストン１１、ピストンロツド３８は熱遮蔽
体８、熱遮蔽体駆動用ロツド４８と軸方向に相対
変位可能である。

他の熱遮蔽体２６はピストンロツド３８の大径
部４３に固着されている。

熱遮蔽体駆動機構部４の構成は次の通りであ
る。すなわち、第１図、第２図、第４図、第５
図、第６図及び第７図に示すように、ピストンロ
ツド３８の熱遮蔽体駆動機構部４に対応する部分
にラツク６３が形成されており、このラツク６３
がピニオン６４と噛合つている。ピニオン６４の
回転軸６５にタイミングギアラチエツト６６が固
定取付けられており、タイミングギアラチエツト
６６にタイミングギア６７が係合している。タイ
ミングギアラチエツト６６の軸部に軸受６８を介
してタイミングギア６７が遊合していて、タイミ
ングギア６７はタイミングギアラチエツト６６に
対して遊隙５４において一定の回転角度範囲で遊
転自在である。タイミングギアラチエツト６６の
外周には一定の角度範囲で１個の外歯７１が形成
されており、一方、タイミングギア６７の内周に
は一定の角度範囲で内歯７２が形成されており、
内歯７２と外歯７１とが噛み合う場合には、タイ
ミングギアラチエツト６６がタイミングギア６７
を駆動し、噛合わない範囲ではタイミングギア６
７はタイミングギアラチエツト６６に対して遊転
する。その結果、ピストンロツド３８が所定の軸
方向位置に変位する範囲内でのみタイミングギア
６７は駆動され、ピストンロツド３８のそれ以外
の軸方向位置での変位ではタイミングギア６７は
回転しない。タイミングギア６７の外周には外歯
７３が形成されていてアイドラギア７４と噛み合
い、アイドラギア７４は駆動ギア７５ａと噛み合
つている。したがつてタイミングギア６７はアイ
ドラギア７４を介して駆動ギア７５ａと回転伝達
関係にある。一方、タイミングギア６７はその外
周７３においてアイドラギア７６と噛み合い、ア
イドラギア７６は摩擦ブレーキを備えたアイドラ
ギア７７と噛み合い、さらにアイドラギア７７は
駆動ギア７５ｂと噛み合つている。したがつてタ
イミングギア６７はアイドラギア７６，７７を介
して駆動ギア７５ｂと回転伝達関係にある。それ
ぞれの駆動ギア７５ａ，７５ｂには腕７８が固着
しており、この腕７８は軸８２を介してコネクテ
イングロツド８１と相対回転可能に連結してお
り、また、コネクテイングロツド８１の他端は軸
８３を介して支持レバー８４がに連結している。
この支持レバー８４がナツト８５によつて熱遮蔽
体駆動用ロツド４８の後端６２に連結する。した
がつて、熱遮蔽体８はピストン１１の連結的な往
復動に連動して間欠的に駆動される。本実施例で
は、第１０図に示すように、ピストン１１のスト
ロークを100mmとし、そのピストン１１のストロ
ークの両端部において熱遮蔽体８がストローク15
mmだけ変位するように構成されている。

［作 用］ 次に、以上のように構成され、縦型に組み立て
られた外燃式エンジンの動作を第１１図について
説明する。

(1) まず、ピストン１１が圧力シリンダ７の下端
部にあるとして、かつ熱遮蔽体８が冷却シリン
ダ６内にある場合は、加熱シリンダ５内の作動
流体は加熱部１３から受熱し、蒸発潜熱を吸収
して蒸発し、断熱膨脹によつて加熱シリンダ５
内が高圧となりピストン１１を押し上げる（第
１１図ａ〜ｂ）。この場合は冷却シリンダ６の
壁内面は熱遮蔽体８で覆われているため、作動
流体の熱は冷却部１５に逃げることはない。ま
た、ピストン１１の上昇にともなつて、ピスト
ンロツド３８によつて連結している他のピスト
ン２７も他の圧力シリンダ２５内で上昇する
が、他の加熱シリンダ２３の壁内面は他の熱遮
蔽体２６でほとんど覆われているために、他の
加熱部２８から熱が他の圧力シリンダ２５内に
作動流体に入ることがなく低圧に保たれ、か
つ、他の圧力シリンダ２５の内部空間３６のう
ちの他のピストン２７の後端面に面している内
部空間３６ｂ内の作動流体は他のピストン２７
の上昇とともにガス出入口５７、貫通孔５２、
ガス出入口５６を通して他の冷却シリンダ２４
の内部空間３３内に逃げるので、他のピストン
２７がピストン１１の上昇（往動）を阻害する
ことはない。

(2) ピストン１１が圧力シリンダ７の上端近傍ま
で上昇した時に、ピストン１１は作動流体の断
熱膨脹によつてさらに上昇を続けるが、熱遮蔽
体駆動機構部４によつて熱遮蔽体駆動用ロツド
４８の変位方向の切り替えがタイミングギアラ
チエツト６６の外歯７１とタイミングギア６７
の内歯７２との噛合い開始によつて開始される
（第１１図ｂ）。

(3) ピストン１１が圧力シリンダ７の上端に達し
た時には、熱遮蔽体８は下降し、加熱シリンダ
５の壁内面が熱遮蔽体８で覆われて作動流体へ
の加熱部１３からの入熱は遮蔽され、かつ冷却
シリンダ６の壁内面は露出して冷却部１５によ
る冷却が開始されるのて、冷却シリンダ６の内
部空間１６内の気相の作動流体は凝縮し、圧力
は低下する。これによつてピストン１１は自重
によつて下降する傾向を生じる。これと同時
に、他の冷却シリンダ２４の壁内面は他の熱遮
蔽体２６によつて覆われて冷却部３２による冷
却は遮断され、かつ他の加熱シリンダ２３の壁
内面は露出して、他の加熱部２８から他の加熱
シリンダ２３内の作動流体に授熱が行なわれ、
作動流体は蒸発潜熱により蒸発し、断熱膨脹に
よつて、他の加熱シリンダ２３内の内部空間３
１は高圧となる。この高圧はガス出入口５６、
貫通孔５２、ガス出入口５７を通つて他の圧力
シリンダ２５の内部空間３６ｂに導かれ、内部
空間３６ｂの高圧に押されて他のピストン２７
が下降する。この他のピストン２７の下降はピ
ストンロツド３８を介してピストン１１の下降
（復動）を強制する（第１１図ｃ）。

(4) ピストン１１及び他のピストン２７がそれぞ
れの下死点近傍に達すると他の加熱シリンダ２
３の壁内面が他の熱遮蔽体２６で覆われて作動
流体への他の加熱部２８からの入熱は遮断さ
れ、かつ、他の冷却シリンダ２４の壁内面は露
出して、冷却部３２による冷却が開始されるの
で、他の冷却シリンダ２４の内部空間３３の気
相の作動流体は凝縮して、圧力は低下する（第
１１図ｄ）。次に熱遮蔽体８が上昇して第１１
図ａに示す初めの状態にもどる。

〔実施例〕

ピストン１１の直径 100mm 他のピストン２７の直径 100mm ピストン１１，２７のストローク 100mm 作動流体 フロン11 冷却水温度 常温 加熱シリンダ温度 80℃〜160℃ としたとき、 加熱シリンダ５，２３の作動流体の圧力は0.5〜
2.5Kg／cm²となり、ピストン速度約10mm／秒でピ
ストンロツド３８から最高130Kgの力を出力した。

(ハ) 発明の効果 以上の説明から明らかな通り、この発明によれ
ば構造が簡単で確実に作動して動力を取出すこと
ができ、実用化が可能な外燃式エンジンを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は外燃式エンジンの熱遮蔽体が冷却シリ
ンダを覆つた状態の組立説明図、第２図は外燃式
エンジンの熱遮蔽体が冷却シリンダからはずれた
状態の組立説明図、第３図はピストンロツドの正
面説明図、第４図はピニオンとタイミングギアラ
チエツトとタイミングギアの組立状態を示す正面
説明図、第５図はタイミングギアラチエツトとタ
イミングギアの組立状態を示す側面説明図、第６
図はタイミングギアラチエツトの側面説明図、第
７図はタイミングギアの側面説明図、第８図は熱
遮蔽体と熱遮蔽体駆動用ロツドの組立状態を示す
正面説明図、第９図は熱遮蔽体の側面説明図、第
１０図はタイミングギアラチエツトとタイミング
ギアの動作タイミングを示す線図、及び第１１図
は外燃式エンジンの動作を示す説明図である。 １…外燃式エンジン、２…作動部、３…復動
部、４…熱遮蔽体駆動機構部、５…加熱シリン
ダ、６…冷却シリンダ、７…圧力シリンダ、８…
熱遮蔽体、１１…ピストン、１３…加熱部、１４
…内部空間、１５…冷却部、２１…仕切り壁、２
２…冷却装置、２３…他の加熱シリンダ、２４…
他の冷却シリンダ、２５…他の圧力シリンダ、２
６…他の熱遮蔽体、２７…他のピストン、２８…
他の加熱部、３２…冷却部、３４…仕切り壁、３
５…冷却フイン、３７…仕切り壁、３８…ピスト
ンロツド、４８…熱遮蔽体駆動用ロツド、５２…
貫通孔、５４…遊隙、５６…ガス出入口、５７…
ガス出入口、６３…ラツク、６４…ピニオン、６
６…タイミングギアラチエツト、６７…タイミン
グギア、８１…コネクテイングロツド、８４…支
持レバー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 作動流体を収容し外部から加熱される加熱シ
   リンダと、前記加熱シリンダに連通し外部から冷
   却される冷却シリンダと、前記冷却シリンダに連
   通する圧力シリンダと、前記冷却シリンダの壁内
   面を覆う位置と壁内面を露出させる位置との間に
   変位可能な熱遮蔽体と、前記圧力シリンダ内に摺
   動可能に位置するピストンと前記ピストンの動き
   に連動して前記熱遮蔽体を変位させる熱遮蔽体駆
   動機構部と及び前記ピストンに復動を強制する復
   動装置、とを備えることを特徴とする外燃式エン
   ジン。 ２ 前記復動装置は作動流体を収容し外部から加
   熱される他の加熱シリンダと、前記他の加熱シリ
   ンダに連通し外部から冷却される他の冷却シリン
   ダと、他の圧力シリンダと、前記他の冷却シリン
   ダの壁内面を覆う位置と壁内面を露出させる位置
   との間に変位可能な他の熱遮蔽体と、前記他の圧
   力シリンダ内に摺動可能に位置する他のピストン
   と、を備え、前記他の圧力シリンダの前記他のピ
   ストンによつて区画される２個の内部空間のうち
   の一方の内部空間と前記他の加熱シリンダとを連
   通させてなるものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の外燃式エンジン。