JPH04224277A - 温度差を利用したエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度差を利用したエンジ
ンに係り、さらに詳しくは、ピストンの昇降エネルギと
して高低の温度変化に対応するガスの放出，吸蔵サイク
ルを用いたエンジンに関し、例えば宇宙空間における宇
宙用電源装置等に利用することができるものである。

【０００２】

【従来の技術】近時、石油資源の有限性についての認識
あるいは液体燃料の燃焼等に伴う環境汚染をいかにして
回避するか等の認識が産業界において深化され、エネル
ギ源の有効利用ないし代替エネルギの研究，開発が盛ん
に行われるに至っている。そのため、石油資源等を利用
することなく半永久的に一定の動力を得ることのできる
エンジン等についての開発が要請されている。

【０００３】ところで、近年の宇宙開発の進展に伴い、
宇宙空間における電源として、化学的電源による電池，
燃料電池，原子力利用の原子炉，太陽エネルギを利用し
た太陽炉，ソーラー・セル等が提案され、エネルギ変換
法として動的にはランキンサイクル，ブレイトンサイク
ル，スターリングサイクルを利用し、静的には熱電変換
，サーミオニック交換，光電変換等が一般的に知られて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記エ
ネルギ変換法における方式、例えば熱電交換，光電変換
にあっては、前者の場合重量当たりの出力が２〜３Ｗ／
ｌｂで変換効率が３〜４％、後者の場合では重量当たり
の出力が３Ｗ／ｌｂで変換効率が約８％とされ、重量当
たりの出力は小さく、変換効率も悪いものとされている
。また、特に熱電変換にあっては高温部と低温部との熱
的な分離が難しく、両者間で熱流が発生するという要因
から効率はより悪いとされている。

【０００５】

【発明の目的】ここに本発明の目的は、前記産業界の要
請あるいは既存エネルギ変換方式等における問題点を背
景とし、石油等のエネルギ資源を用いることなく半永久
的に利用することのできるエネルギ変換法を実現し、か
つ、既存方式に比して効率をより向上させることのでき
る新規、かつ有用なエンジンを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
、本発明に係る温度差を利用したエンジンは、周方向に
回転自在に支持されたシリンダと、このシリンダ内に昇
降可能に設けられたピストンと、このピストンの昇降に
より前記シリンダに周方向への回転力を付与する伝達機
構と、前記シリンダに連結され当該シリンダの回転運動
を外部に出力する出力手段と、前記シリンダに連通可能
に連結されるとともに内部に温度差に対応して所定のガ
ス放出，吸蔵を行う材料が収容された熱交換器とを備え
、前記シリンダの周方向における２つの領域で熱交換器
に高低の温度を交互に付与して生ずる前記ガスの放出，
吸蔵作用によりピストンを昇降可能に設けられたことを
特徴として構成されている。

【０００７】

【作用】前記熱交換器が高温側の領域で所定温度下にあ
るときに、当該熱交換器内に収容された材料、好ましく
は水素吸蔵合金（ＭＨ）から水素ガスが放出される。こ
の放出されたガスはシリンダ内へ入り当該シリンダ内を
加圧し、この時の圧力によってピストンが一方向に移動
される。

【０００８】また、前記熱交換器が低温側温度下に移行
したときには、前記シリンダ内に放出された水素ガスは
水素吸蔵合金に再度吸蔵され、この吸蔵作用に追従して
ピストンが前述とは反対方向に移動される。

【０００９】前記ピストンの移動すなわち昇降運動は、
伝達機構を介してシリンダに回転力として伝達され、こ
れに伴うシリンダの回転運動は当該シリンダと連動する
出力手段に伝達される。

【００１０】従って、シリンダの回転によって当該シリ
ンダと連通する状態で連結された熱交換器もシリンダと
共に周方向に回転され、前記２つの領域にて高温度と低
温度に交互にさらされ、かかるサイクルの繰り返しによ
って半永久的に出力を取り出すことが可能となる。

【００１１】

【発明の実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面
に基づいて説明する。

【００１２】図１には、第１および第２のエンジン１，
２が中央部に配置された固定軸３を介して上下に直列配
置された全体構成が示されている。これら第１および第
２のエンジン１，２は、相互に略同一構造とされている
。従って、以下の説明において、同一部分には同一符号
を用いるものとし、説明の便宜上、第１のエンジン１を
基準に説明する。

【００１３】第１のエンジン１はシリンダ５と、このシ
リンダ５内に昇降可能に設けられたピストン６と、この
ピストン６の昇降による運動をシリンダ５に周方向への
回転力として伝達する伝達機構７と、シリンダ５の回転
を外部に出力する出力手段８と、前記シリンダ５の外周
側に配置された熱交換器１０とを含み構成されている。

【００１４】前記シリンダ５は、その軸方向上下２箇所
の位置で周方向に回転自在に支持されている。すなわち
シリンダ５の下壁中央部は貫通孔１１が設けられ、この
貫通孔１１内に前記固定軸３の一端が挿入されていると
ともに、上壁中央部は突出ロッド１３が設けられて当該
ロッド１３が軸受け１４に支持される構成となっている
。

【００１５】また、シリンダ５の周壁部分には径方向外
側に向かって熱交換器１０の連結部１６が突出され、こ
の連結部１６の内側は貫通孔１７に形成され、これによ
りシリンダ５と熱交換器１０との連通がなされるように
なっている。

【００１６】前記ピストン６の外周縁には、本実施例で
は金属製のベローズ１９の一端が固定されているととも
に、このベローズ１９の他端は前記連結部１６の貫通孔
１７よりも下方位置におけるシリンダ５の内壁部分に固
定されている。従って、ベローズ１９の外周面，ピスト
ン６の上端面およびシリンダ５の内壁面によって画成さ
れる空間が圧力室として作用することとなる。

【００１７】前記伝達機構７は、連結ロッド２０と、こ
の連結ロッド２０に連結されたクランクシャフト２１と
、このクランクシャフト２１の一端側に当該クランクシ
ャフト２１と一体的に回転可能に設けられた可動歯車２
２と、この可動歯車２２に噛合する位置において前記固
定軸３の一端に固定された固定歯車２４とを備えて構成
されている。

【００１８】従って、ピストン６が昇降されてクランク
シャフト２１が回転されると、可動歯車２２も回転され
ることとなるが、この可動歯車２２は固定歯車２４に噛
合されているため、クランクシャフト２１を支持するシ
リンダ５全体が固定軸３および前記突出ロッド１３を中
心として回転されることとなる。

【００１９】前記出力手段８は、シリンダ５と一体的に
固定された比較的大径とされた第１のベベルギヤ２６と
、この第１のベベルギヤ２６に噛合する第２のベベルギ
ヤ２７と、この第２のベベルギヤ２７を支持するととも
に、図示しない外部電源装置等の所定機器に動力を出力
する出力軸２８とを備えて構成されている。

【００２０】前記熱交換器１０は、前述のようにシリン
ダ５に連通されており、その内部には温度差に対応して
ガス放出，吸蔵を行う材料である水素吸蔵合金（ＭＨ）
３０が収容されている。この水素吸蔵合金３０は熱交換
器１０が所定の高温度下におかれたときに水素ガスを放
出し、所定の低温度下におかれたときに放出された水素
ガスを吸蔵するよう作用し、前記シリンダ５内への水素
ガスの放出でピストン６を押し下げるとともに、吸蔵の
際にピストン６を上昇させることができるようになって
いる。

【００２１】前記熱交換器１０は図２にも示されるよう
に、上方より見てシリンダ５の外周壁形状に沿う円弧形
状に設けられているとともに、シリンダ５の軸方向長さ
に略対応する長さを有し、所望の受熱および放熱が十分
に達成し得る面積を有するように形成されている。また
、熱交換器１０の周方向長さは、シリンダ５を中心とす
る略９０度の領域に対応するように設定されている。 また、図１および図２の状態では、第１および第２のエ
ンジン１，２における各熱交換器１０は略１８０度間隔
位置で相対している場合を示しているが、これは説明の
便宜上のものであり、初期設定位置は各熱交換器１０が
９０度ずれた状態とされるものである。

【００２２】以上のように構成された第１のエンジン１
と同様に構成された第２のエンジン２は、図１に示され
るような態様で逆向きに配置されるようになっており、
従って、第１および第２の各ベベルギヤ２６，２７の回
転方向変換原理より２系統に分かれた出力を得ることと
なる。なお、第１および第２のエンジン１，２における
各熱交換器１０は、一方が高温度領域に位置するときに
他方が低温度領域に位置する対応関係に設けられるもの
であり、より具体的には、図２におけるシリンダ５の右
半分１８０度領域が高温度領域に設定されるとともに、
左半分が低温度領域に設定された状態となっている。こ
の温度領域は、例えば宇宙空間で利用する場合は、太陽
側が高温度領域とされるものである。もっと適宜な温度
制御手段等を介して高温，低温の各領域を設定すればよ
いことも自明であろう。なお、図中符号３１，３２は固
定軸３，出力軸２８の軸受けであり、この軸受け３１，
３２は前記軸受け１４と共に図示しない保持フレーム等
に連結されるようになっている。

【００２３】次に、前記水素吸蔵合金３０について、図
３を参照して更に詳細に説明する。図３中の曲線は水素
吸蔵量に対する水素吸蔵合金の平衡圧力を示すもので、
Ｔ２，Ｔ１の等温曲線である。

【００２４】水素吸蔵合金の水素吸蔵，放出で一般に使
われるのは図中プラトー領域と呼ばれる平衡圧力がフラ
ットな部分であり、本実施例では熱交換器１０が高温側
に位置した場合、図中Ａ点からＢ点まで吸熱により水素
を放出し、１０ａｔｍまで上昇する。また、低温側にお
いては、Ｂ点からＡ点まで放熱により水素を吸蔵し、１
ａｔｍまで圧力降下する。従って、このようなＡ点，Ｂ
点間の繰り返し作用によってピストンが昇降され、前述
の各部作用を通じて所定の出力を得ることができる。

【００２５】前記Ａ点、Ｂ点間の繰り返しサイクルにお
ける水素圧力変化と各エンジン１，２のクランク角度と
の対応関係は、図４および図５に示されるような状態と
なる。すなわち、第１のエンジン１における熱交換器１
０と第２のエンジン２における熱交換器１０との相対位
置関係は、受熱作用をなす高温側と放熱作用をなす低温
側に９０度ずれて初期設定されるため、両エンジン１，
２における水素圧力変化は相対する曲線で示されるよう
に表れることとなり、これによって双方の動作が干渉す
ることなく連続的な動作がなされ得るようになっている
。

【００２６】また、図４，図５中における上死点（ＴＤ
Ｃ）および下死点（ＢＤＣ）ではトルクがなくなること
になるが、共に慣性により次のサイクルに移行すること
は可能である。この際、エンジン１，２の慣性質量が小
さい場合、質量の大きなフライホィールを用いれば、こ
の問題は難無く解消することができる。

【００２７】なお、シリンダ内径１００ｍｍ，最大水素
平衡圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ２　Ｇ，エンジン最大回転数
４ｒｐｍ，重量１００ｋｇで変換効率を２０％とした場
合、約１２Ｗ／ｋｇ（５．５Ｗ／ｌｂ）となり、従来の
エネルギ変換方式を上回ることができると期待される。 この場合、エンジン回転数は比較的低いが、増速して出
力を取り出すことが可能であるため問題はないと考えら
れる。

【００２８】このような実施例によれば、水素吸蔵合金
３０を熱交換器１０内に収容し、この熱交換器１０をシ
リンダ５と連通する構成とし、かつ、シリンダ５の周方
向における各１８０度の相対する領域を高温側および低
温側としたから、温度変化によって水素吸蔵合金からの
周期的な水素ガス放出ないし吸蔵作用を通じてピストン
６の昇降を半永久的に行わせることが可能になるという
効果がある。

【００２９】また、ピストン６の昇降運動を伝達機構７
を介してシリンダ５の回転運動に変換し、この回転運動
を出力手段８に伝達する構成によって、所定の出力を取
り出すことができ、特に宇宙空間のような特殊な領域に
おける宇宙用電源などに応用することが期待できる。

【００３０】さらに、前記実施例では相対配置された２
つのエンジン１，２を採用し、出力手段８にベベルギヤ
２６，２７を含む構成としたことによって増大された出
力の獲得ができ、また、２系統の出力を取り出すことに
よって、これを個々に応用できることは勿論、適宜合成
することも可能である。出力合成を行う場合、必要とさ
れる出力合成装置等における摩擦抵抗等のエネルギ損失
要因も存在するが、特に宇宙空間等においては、これも
低度の損失で済むから、合成による出力増大効果はより
顕著に発揮できるものと期待される。

【００３１】なお、本発明は、前記実施例のようにエン
ジンは必ずしも２個設けるものに限定されず、単一のエ
ンジンによる構成であっても同一の動作原理によって出
力を取り出すことが可能である。

【００３２】また、伝達機構７の機械的構成も、シリン
ダ５を回転させ得る限り他の構成を採用する等種々設計
の変更が可能である。

【００３３】さらに、温度変化によるガス放出，吸蔵可
能な材料としては、前記水素吸蔵合金の他に、高温時に
気化し低温時に液化する作動流体も考えられる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば石
油等のエネルギ資源を必要とすることなく半永久的に動
力を取り出すことが可能となるとともに、燃料の燃焼等
に起因した大気汚染を回避でき、また、特に宇宙空間等
の特定領域におけるエネルギ変換等に有効に利用するこ
とのできる新規、かつ画期的なエンジンを提供できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る温度差を利用したエンジンの一実
施例を示す縦断面図である。

【図２】図１の上面図である。

【図３】前記実施例における金属水素系の平衡状態図で
ある。

【図４】第１のエンジンにおけるクランク角度に対する
水素圧力の変化を示す線図である。

【図５】第２のエンジンにおける図４と同様の図である
。

【符号の説明】

１　　第１のエンジン ２　　第２のエンジン ５　　シリンダ ６　　ピストン ７　　伝達機構 ８　　出力手段 １０　　熱交換器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　周方向に回転自在に支持されたシリン
   ダと、このシリンダ内に昇降可能に設けられたピストン
   と、このピストンの昇降により前記シリンダに周方向へ
   の回転力を付与する伝達機構と、前記シリンダに連結さ
   れ当該シリンダの回転運動を外部に出力する出力手段と
   、前記シリンダに連通可能に連結されるとともに内部に
   温度差に対応して所定のガス放出，吸蔵を行う材料が収
   容された熱交換器とを備え、前記シリンダの周方向にお
   ける２つの領域で熱交換器に高低の温度を交互に付与し
   て生ずる前記ガスの放出，吸蔵作用によりピストンを昇
   降可能に設けたことを特徴とする温度差を利用したエン
   ジン。