JPS58155286A - 伝熱液とカムを組み合せた熱エネルギ−変換装置 - 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】 本発明は熱機関、熱ポンプに関する。

本発明は作業ガスを等温変化させる場合、運動のエネル
ギーよりもボテン７ヤルエネルキ−にて対応させた方が
合理的である事に着目し、熱エネルギーとポテンンヤル
エネルギー全相豆に変換出来るメカニズムヶ工夫したも
のである。

従来の熱機関のメヵニスムでは等温変化の行程を遂行す
る事が出来ないが、これは熱エネルギーケ運動のエネル
ギーに変換しようとしているからである。

熱エネルギーを一担ボテンノヤルエネルギーに変換し、
それを運動のエネルギーに変換する手順を取れば、従来
仮空にしか存在し得ながうカルノーザイクルも実用機関
として作る事が出来るのである。

気体はシリンター内で急激に圧縮すると、圧力が高くな
ると共に温１政も高くなるが、これを冷却しながら圧縮
すると、温度を一定に保ちながら圧縮する事が出来る。

その冷却方法と１〜では圧縮されるガスの中に冷媒とな
る液体を霧状にして吹込み、ガスの分子と液体粒とが動
的に接触させて冷却する方法が有効である。

第１図に於て、１は作業ガスの圧縮シリンダーである。

この中には作業ガスと冷却用の液体が入っている。２と
３は補助シリンダーとピストンで、１内の液面を一ヒ下
させる。

作業ガスを圧縮する時、ピストン３を押すと７リングー
２内の液は１に圧入され、１内に於ける液面を上昇させ
て、ガスの占める空間全縮少しガスを圧縮する。

この時ガスは温度が上昇するので、熱交換器５で冷却し
た液を噴霧ノヅル６から噴出し、ガスを冷却しながらゆ
っくり圧縮すれば等耐圧縮が出来るのである。

一方等温膨張の場合は第２図の様にシリンダー７内の液
を７リンダー８へ抜き取り、液面を下げてガスを膨張さ
せる。その場合液は熱交換器１１で加熱され、噴霧ノヅ
ル１２から噴出して、ガスを加熱しながらゆっくり膨張
を行なうと、等温膨張をする事が出来る。

ガスは圧縮、又は膨張すると必ず圧力が変化するが、噴
霧ポンプ４、及び１０の場合はポンプの入口側と出１］
側が常に等圧になるので、ガスの圧力の変動に対し、理
論的には負荷の変動は殆どない。

第１図の圧縮と第２図の膨張の行程を、液体の噴霧全１
丁なわないで、その作動を、狛激に行なうと、これは断
熱圧縮及び断熱膨張する事になる。

ガスの断熱変化、及び等温変化のいずれの方法に於ても
、ガスの圧力の変化はピストン３に加える力、或はピス
トン９に出て来る力の変動となって現われる。

この変動する力を油圧の様な一定の大きさの力で対応す
る事を考える。詰１す、ピストン３に加える力を圧カ一
定の油圧シリンターで行なう様にし、ピストン９に出て
来るカケ使って圧力が一定の油を吐出する油圧ポンプを
作動させる様にするのである。

その為には油圧シリンダーで得られる一定の大きさの力
を、ピストン３が受ける変動する力に合致する様にしな
ければならないし、反対にピストン９に出て来る変動す
る力を変動のない一定の力に変えなければならない。

その為のメカニズムとしては第３図及び第５図の様なカ
ムを使う。

ピストン３が受ける力の変動はピストンのストロークと
の関係で見ると第４図の様になる。

ピストンが受ける力ｆＦ、ストロークＩｓとすると、断
熱変化では曲＋１ｉｉｌｊ！１６の様に、等温変化では
曲線１７の様になる。この曲線は理論的にも、実験的に
も求められる。

この様に変化する力をカム１３０曲面を使って一定の力
に変えるのである。詰捷り、ピストン３の位置に関係な
く、カムに直結した油圧シリンダー１５のピストン１４
が受ける力は一定の値となる様にカム曲面を作るのであ
る。

これはカム曲面の接線と水平分力ｆとの成す角をθとす
ると、Ｆとｆの間にはＦ　＝　ｆｔａｎθと云う関係が
あり、Ｆの連続的変動に対し、ｆが一定になる様にθを
自由選択すれば目的の曲面が得られる。

この様にして得られるカムの曲面を使うと、油圧シリン
ダー１５が出す力は、その垂直分力Ｆを変化曲線１６又
は１７の様に変化する力に変える事が出来るのである。

従って、カムを介在させると、一定の力を出す油圧シリ
ンダーで、シリンター１内のガスを断熱圧縮、又は等温
圧縮する事が出来るのである。この原理はそのま＼断熱
膨張、等温膨張に使う事が出来る。

第５図の様にピストン９に出て来る力はカム１８によっ
て一定化し、油圧ポンプ１９のピストン２０ヲ作動し、
圧カ一定の油を吐出する事が出来る。

この場合のピストン９の受ける力は断熱変化では曲線１
６、等温変化では１７と同じ変化をするので、カム１８
の曲面はカム１３の形状と似た様な形状となる。

油圧のエネルギーはボテン７ヤルエネルギーであるから
、シリンダー７に於ける等温膨張では、熱交換器１１で
供給される熱エネルギーの一部が油圧ポンプ１９から吐
出される油にポテンシャルエネルギーに変換されて出て
来るのである。

この様な作動原理を使うと、理論的には理想的可逆サイ
クルとされているカルノーサイクルも実用機関にする事
が出来る。

第７図にそのメカニズムの構成を示す。

カルノーサイクルはｐｖ線図では第６図の様に表わされ
る。ここでｐは作業ガスの圧力、■は比容積、添数字は
サイクルの過程に於ける各市、のそれぞれの変化値を示
す。

このサイクルは■−■が等温膨張、（３）−■が断熱膨
張、■→■が等温圧縮、０）→■が断熱圧縮と云う様に
４つの行程から成っている。

この各行程を遂行するのにシリンター２１と２２を組み
合せて行なうが、これは２１が第２図のシリンターフと
同じ原理で働き、２２はシリンター１と同じ原理で作動
する。

この図で使う制御弁は第８図の様に２３は矢印の方向た
け流れる逆止弁、２４は開閉を行なう制御弁、２５は流
量を制御する流量調整弁である。

又流路の流体による識別はイが作業ガス、口が伝熱液体
、ハが油圧用油である。

第６図のメカニズムの作動要領は、シリンダー２１でサ
イクルの圧縮行程■→■→■の行程を行い、高圧になっ
たガスを７リンター２２に移動して膨張行程■−■−■
を行って、再びシリンター２１へガスを戻すと云うサイ
クルを繰返すと云うのである。

そしてエネルギー変換の要領は、膨張行程で油圧ポンプ
３２と３３より吐出される高圧油は蓄圧タンク３４に蓄
積し、この油圧エネルギーを使って油圧シリンダー２６
と２７を使って圧縮行程を行なうのである。

この過程に於て圧縮行程で使う油量より、膨張行程で吐
出される量が多いので、その差に相当する油が蓄圧タン
ク調に残る事になる。これは圧力の高いポテンシャルエ
ネルギー’に持った油なので、油圧モーター３５を使っ
て運動のエネルギーに変換し、発電機３６等を駆動する
事が出来る。これがこのメカニズムの作動原、理である
が、各行程に従って各部の作動を説明すると次の様にな
る。

第７図のサイクル線上に於ける■の状態はシリンター２
２は伝熱液で充満し、シリンター２１は液面がＬＫある
。詰まり作業ガスは圧力がｐ３、体積がｖ３と云う状態
でシリンター２にのみ入った状態である。

この状態よりサイクルが開始したとすると、先づ噴霧ポ
ンプ３８が作動し、熱交換器３９で冷却した′ｒｉヲ噴
霧ノヅル４０より噴出し、ガス全冷却しながらポンプ３
０のｏ、ケゆっくりとシリンダー２１内に圧入する。詰
捷りガスの温度上昇を防ぐ様に、油圧シリンダー２６の
作動を流量調整弁で調節しながら行う。そして液面がｖ
４に達すると、即ちガスの体積がｖ４に、圧力がｐ４に
なった所で、噴霧ポンプ３８を停止し、今度は油圧シリ
ンダ２７の急激外作動でポンプ３］内の油を瞬時にシリ
ンダー２１に圧入する。

この時ガスの体積はｖｌ、圧力ｕｐＡｃなって断熱圧縮
が終る。

続いてガス移動シリンター３７によって商工になったガ
スをシリンター２１から２２へ移動する。

この機構は仕切り弁４１を開くとシリンター２１と２２
は同圧になり、ピストン４２の両側（Ｃ掛る圧力は同じ
になる。そこで弁４９ヲ開いて右の方へ動かすのである
。するとピストン４２の左側の液はシリンター２１に入
り、右側はシリンター２２から四１の液全抜き取る。シ
リンター２１が液で充満シた時、シリンター２２へのガ
スの移動が完了するわけである。

シリンダー２２へのガスの移動が完了すると、弁４１．
４９は再び閉じてポンプ４３が作動し、熱交換器４４で
加熱した液をシリンクー２２内に噴霧してガスを加熱す
る。

そして液をシリンター−２８に除々に導入し、ガスの等
温膨張を行なう。

液面がｖ２になった所、即ちガスの体積がｖ２、圧力が
ｐ２ニなった所で、ポンプ４３の作動は停止し１１等温
膨張は終る。

続いてシリンダ−２９に液を導き、液面がｖ３になる迄
、即ちガスの体積がｖ３、圧力がｐ３になる迄急激に断
熱膨張を行なう。

この等温、断熱膨張行程のガスのエネルギーは−ｈム５
２．５３に介して油圧ポンプ３２と３３ケ駆動し、高圧
油を蓄圧タンク３４へ送り込む。

このシリンター２２での膨張行程が進行している間に、
ポンプ３０．３１はタンク４６より液分吸入して次の作
動の為に始めの位置へ戻して置き、移動／リンター３７
のピストン４２の位置も中間の位置に戻して置く。

１ シリンター２２に於ける膨張行程が終ると、弁４１を開
き、ガス移動シリンダー３７によって、体積ｖ１、圧力
ｐ、となったガスを再びシリンダー２１へ戻す。そして
同じ圧縮サイクルを繰り返すのであるが、この間にシリ
ンダー２８と２９は液をタンク４７に排出して、油圧ポ
ンプ３２と田のピストンの位置を元に戻し、次の膨張行
程に備える。

又ガス移動シリンダー３７のピストン４２も次の移動の
為中間の位置に戻す。

この様にして同じサイクルを繰り返すのであるが、その
間に第６図に於て、曲線■−■−■−■で囲まれる面積
に相当するポテンシャルエネルギーを持った油が蓄圧タ
ンク３４に蓄積される。そしてこれは油圧モーター５全
駆動する事が出来、発電機３６全回転させる様な機械的
仕事をする事が出来るのである。

カルノーサイクルは熱力学上、これ以上の熱効率を示す
熱機関は存在しないと云う理想的熱機関である。

この熱機関が上述した様に現実のメカニズム２ として作る事が出来る様にした本発明は、熱エネルギー
と機械的エネルギーの相互変換に、高い利用価値がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は冷却液を使った等温圧縮方法を示し、第２図は
加熱液を使って等温加熱する方法を示す○ 第３図は第１図のピストン３を作動させるのに油圧シリ
ンターの出力をカムによって変換スる方法を示し、第５
図は第２図のピストン９に出て来る力をカムによって変
へ、油圧ポンプを作動させる方法を示す。 第４図はピストン３又は９のストロークとガスの圧力に
よる力の関係を断熱圧縮と等温圧縮についてグラフにし
たものである。 第６図はカルノーサイクルの圧力、体積の変化を表わす
線図。第７図はカルノーサイクルの作動説明図。第８図
は第７図の制御弁の説明と流路の識別の説明図である。 １等温圧縮シリンターー　　２補助シリンター３ピスト
ン　　４冷却液循還ポンプ　　５冷却用熱交換器　　６
噴霧ノヅル　　７１等温膨張シリンター　　８．補助シ
リンター　　９ピストン１０加熱液循還ポンプ　　１１
加熱用熱交換器１２噴霧ノヅル　　１３カム　　１４油
圧ピストン１５、油圧シリンター　　１６断熱変化曲線
１７等温変化曲線　　１８カム　　１９油圧ポンプ加ピ
ストン　　２１等温断熱圧縮用シリンダー２２等温断熱
膨張用シリンダー　　２３逆１ト弁２４、開閉制御弁　
　２５流量調整弁　　２６等温圧縮用油圧シリンダー　
　２７断熱圧縮用シリンタ一路等温膨張補助シリンダー
　　２９断熱膨張補助シリンダー　　３０等温圧縮補助
シリンダー３１断熱圧縮補助シリンダー　　３２油圧ポ
ンプ３３油圧ポンプ　　３４蓄圧タンク　　３５油圧モ
ーター　　３６発電機　　３７ガス移動シリンダー３８
循還ポンプ　　３９冷却用熱交換器　　４ｏ噴霧ノヅル
　　４１開閉弁　　４２移動用ピストン４３循還ポンプ
　　４４加熱用熱交換器　　４５．噴霧ノヅル　　４６
冷却液用タンク　　４７加熱液用タンク　　４８油圧油
タンク　　４９．移動シリンダ作動用油圧シリンダー　
　５０等温圧縮用カム５１断熱圧縮用カム　　５２等温
膨張用カム５３．４イ作業ガス流路　　口、伝熱液体流
路　ハ、油圧用油流路 ｆ、水平分力　　Ｆ、垂直分力　　Ｐ圧力　　Ｓ、ピス
トンのストローク　　θ、角度　　Ｖ１体積■■■■、
ザイクルの行程の区切り点 特許出願人　岡　本　光　雄 ４８５− 特許庁長官　　　　　殿 １　事件の表示　　昭和５７年特許願第３８３６４号２
　発明の名称　　伝熱液とカムを組み合せた熱エネルギ
ー変換装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所（居所）　　浜松市寺脇町１５１１番地４　補正命
令の日付　昭和５７年６月１１日５、　補正の対象　　
図　　ｆ ６　補正の内容　　図面浄書 ４８７−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 次の作動作用の全部又は一部を必須作動原理として使う
   熱機関及び熱ポンプ。 （イ）　シリンター１の中へ熱交換器５で冷却した液を
   霧状に噴射し、ガスの温度を等温に保ちながらシリンダ
   ー２の液をシリンダーｌに除々に圧入する等温圧縮作用
   。 （ロ）　シリンター−７の中へ熱交換器１１で加熱した
   液を霧状に噴射し、ガスの温度を等温に保ちながらシリ
   ンダー７のＩ’にシリンター８に除々に受出して行なう
   等温膨張作用。 ｅ−１ピストン１４の力をカム１３によって、変動する
   ガスの圧力に合致する様に変え、油圧シリンダー１５が
   出す一定の力によってガスの圧力を行なう様にする圧縮
   力変形作用。 に）　ヒプトン９に出て来るガスの膨張と共に変化する
   力を、カム１８を使って一定の力に変えこれをピストン
   ２０に伝えて油圧ポンプ１９より圧力が一定の作動油を
   吐出させる膨力変形作用。