JPS6013905A - エクセルギ−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】 本発明は熱機関に関する。

石炭や石油の燃焼ガス、或は温水等が持っている熱エネ
ルギーは顕熱といわれるものであるが、これを理想的に
機械的エネルギーへ変換するには一段のカルノーサイク
ルでは難しい。本発明は熱媒体への伝熱と共に、熱源物
質の温度が低下する顕熱から理想的に機械的エネルギー
を取り出す事を目的とする。

大気中にある燃焼ガスが持っている熱エネルギーは、放
熱によって時間の経過と共に温度が下って行くが、この
温度の低下を伴う熱を全て受熱してことごとく機械的エ
ネルギーにするには、第１図の様な指圧線図で示される
所のエクセルギーサイクルしかない。

この図に於てｐは作業ガスの圧力、Ｖは比容積を表わす
。このサイクルは１→２が等温圧縮、２→３が等圧加熱
、３−１が断熱膨張の３つの行程の組立てで成り立つ。

このサイクルをＴＳ線図で表わすと第２図の様になる。

但しＴは作業ガスの絶対温度。Ｓはエントロピーを表わ
す。

先づ顕熱の受熱の方法であるが、第３図の様な向流形の
熱交換器を使う。

伝熱管■の中は加熱用の熱源である燃焼ガスや熱水を通
し、外筒■内は作業ガスを通す、熱源の方ば■から入っ
て■へ出る。一方作業ガスは■から入って■へ出て来る
様にし、それぞれの流れが対向する方向に流れる様にす
る。

この場合、熱源側の物質と作業ガスの温度の分布は第３
図の下側に示すグラフの様になる。

作業ガスは熱源より受熱して、入口でＴ１であった温度
が出口ではＴ２に迄高まる。

一方熱源物質の方は入口でｔｌであった温度が作業ガス
に伝熱する事によって、ｔ２に下って出て来る。

今この熱交換器を完全に保温して置けば、加熱ガスが温
度ｔ１からｔ２になる迄に放出する熱は全て作業ガスに
伝熱される。なお温度ｔ２とＴ、ｔ、とＴ２の差は伝熱
落差で、伝熱時間と伝熱面積を大きく取れば取る程その
差は縮める事が出来る。

この様に作業ガスが熱交換器を通過する間に受熱した熱
を全て機械的エネルギーに変換する為に第４図の様なメ
カニズムを考える。

膨張シリンダー■内に給気弁［相］から熱交換器で温度
Ｔ２迄加熱した高圧空気を導入する。

給気弁［相］はクランク軸■と１対１の歯車［相］で連
結した給気カム０によって開閉する。この給気はピスト
ン■が上死点にある所から始めて、あらかじめ設計され
た給気量が満される線［相］の新造ピストン■が来た所
で閉じる様になるが、このタイミングの調節はカム０の
形状で決まる。給気されたガスはピストン■が下降する
と共に断熱膨張して、圧力及び温度が低下するが、この
場合の指圧線図は左側に示したグラフの様になる。

排気側の圧力をｐｌ、温度をＴ、とすると、圧力ｐ２、
温度Ｔ２の給気ガスは体積ｖ３だけ給気された後、給気
弁［相］が締切られると同時に断熱膨張を開始し、圧力
及び温度は低下が始まる。

ピストン■のストロークを充分大きく設計しておくと、
圧力及び温度がｐ、、Ｔ、に達しても下死点に達せず、
そのま＼ではピストン■が下死点に達し力がｐ８以下に
なると排気側からガスが流入し、ｐｌを保つ様にする。

この様なメカニズムにするのは、圧力ドが加熱温度Ｔ２
によって変化した場合、膨張体積Ｖ、が変化しても、完
全にｐ１迄膨張が出来る様にする為である。

ピストン■が下死へに来た時、排気カム■によって開閉
する排気弁０を開き、ピストンが上死点に達して排気が
完全に終る逸聞いている。そして排気弁■の閉止と同時
に給気弁［相］が開き同じサイクルを繰返す。

この場合作業ガスのする仕事はａｂｃｄで囲まれる面積
に相当し、１サイクル当り体積ｖ３のガスが使われる。

次に圧力Ｐい温度Ｔ１になったガスを、熱交換器で受熱
させる状態にする為に、温度はＴ、の捷＼、圧力だけを
ｐ２迄高め庁ければならない。詰り等温圧縮をする必要
がある。

ガスを等温圧縮するには圧縮過程に於て発生するジーー
ル熱を全て外部へ放出しなければならない。

その為には圧縮速度を極力落し、シリンダーの放熱面積
を出来るだけ多くなる様な設計にする必要がある。そこ
で第５図の様なメカニズムを考える。

シリンダ゛−［相］は冷却面積を多くする為に、細いシ
リンダーに細分化し、ピストンＯもそれに合せる。

作動は一般の往復動圧縮機と同じ様に、吸入弁［相］か
らガスを吸入して、吐出弁［相］から吐出する。その場
合の指圧線図は左側のグラフの様になる。

シリンダーナの外側は冷却装曾［相］を設け、ジーール
熱を全て吸収し、ｉ→ｈの過程が等温圧縮になる様にす
る。

しかるに、一つの熱機関として機能させるメカニズムに
するには、第３図、第４図、第５図の装置が一体になら
なければならないが、圧縮機のピストン＠の往復運動は
クランク軸＠の回転運動を極めて低速にさせる事になり
、一方圧縮機の方は断熱膨張をさせる為高速回転をしな
ければならないので、両方のクランク軸■と＠は直結す
る事は出来ない。又圧縮機と膨張機及び熱交換器で作ら
れる作業ガスの循環回路の中で滞流があってはならない
。

詰り、圧縮機から吐出されるガスと、膨張機で使うガス
の量とバランスしなければならないという基本的な問題
と解しなければ熱機関として機能しない。

そこでこれを機能させる方法を考えると、第６図の様な
ダイヤグラムで表わされるメカニズムに々出する。この
タンクはガスの吐出時の圧力の脈動を緩和させる事が目
的のクッションタンクで、ピストン＠のストローク体積
の１０倍以上にする。高圧化したガスは熱交換器内で加
熱されて温度Ｔ２になり、給気弁［相］よりシリンダー
■に導入されて断熱膨張する。

そしてガスは再び圧力ｐ８、温度Ｔ、となって、排気弁
０よりタンクＪ１戻る。このタンクはノ孔クッションタ
ンクと同じく、圧力の脈動を押える事を目的とするもの
で、体積も同じ程必要である。

このメカニズムが熱機関として機能する為には、作業ガ
スの温度Ｔ２とＴ１を一定値に設定した場合、機関の連
続運転の過程では、作業ガスは吐出弁［相］から給気弁
［相］迄の系では圧力ｐ３、排気弁■から吸入弁［相］
迄の系では圧力ｐｌの状態が安定して保たれながら循環
する必要がある。

その為にはシリンダー［相］から吐出されるガスの量と
、シリンダー〇で断熱膨張させる量とがバランスしなけ
ればならない。そこでクランク軸■と＠の回転速度比を
ピストン■と０のストローク体積比から割り出し、歯車
［相］と［相］の比を決定する。そして充分な重量のフ
ライホイール［相］を回転速度の速いクランク軸■に取
付け、作動運転を円滑化すクルは１対１で対応させる事
が出来るので、それを指圧線図に表わすと第７図の様に
なる。

圧縮機のサイクルは１→２→５→６→１、膨張機のサイ
クルは６→４→２→３→］→６という行程となる。

そして２．４．５で四重れる斜線を施した部分の面積が
このメカニズムの出力となるのである。なお圧力ｐ、は
給気弁の給気締切りの時期の調整（これはシリンダー〇
へのガスの給気量の調整を意味する）によって変えられ
るので、温度Ｔ、の高さによって圧力比ｐ２／ｐＩを給
気カム＠の設計によって変る事が出来、最適の断熱膨張
をさせる事が可能と度Ｔ、が低い場合は圧力比が小さく
なる様に熱源の状態に合せてカム［相］の形を設計する
という事である。

第８図は断熱膨張にガスタービンを使った場合の原理図
を示す。向流形態交換器［相］より出たガスは流量制御
弁［相］を通ってガスタービン［相］に入る。

り出された出力の一部は、軸■に設けた伝達歯車［相］
から減速歯車［相］を通じて、等温圧縮機のクランク軸
＠に伝達し、ガスの等温圧縮を行なう様にする。

このシステムはガスの流量制御弁［相］によって高圧側
の圧力を加熱温度によって制御し、最も理想的な状態で
作動する様にする。

本発明の特長は気体や液体が持っている顕熱を、その性
質に合せて作業ガスが完全に受熱し、それを断熱膨張に
よってことごとく機械的仕事に変換出来る所にあり、こ
れによって得られる出力はエクセルギーの定義に該幽す
る。そして熱交換器は来るので、広い範囲の熱源に対応
出来る外燃機関となる。

【図面の簡単な説明】

第１図　エクセルギーサイクルの指圧線図第２図　エク
セルギーサイクルのＴＳ線図第５図　等温圧縮機の原理
図と指圧線図第６図　エクセルギーエンジンの原理説明
用ダイヤグラム 第７図　エクセルギーエンジンの指圧線図第８図　ガス
タービンを使ったエクセルギーエンジンのダイヤグラム 図中の符号の説明 ■伝熱管、■外筒、■作業ガス入口、■作業ガス出口、
■伝熱管入口、■膨張シリンタ゛−１■ピストン、■ク
ランク軸、■連接棒、［相］カム駆動歯車、■排気カム
、［相］給気カム、［相］給気弁、■排気弁、［相］給
気弁締切時のピストン■の上面の位置、［相］等温圧縮
シリンダー、Ｏ等温圧縮ピストン、［相］吸入弁、［相
］吐出弁、［相］シリングー冷却装置、■クランク軸、
［相］受動歯車、［相］駆動歯車、■フライホイール、
［相］平衝弁、［相］高圧クッションタンク、■低圧ク
ッションタンク、［相］連接棒、［相］タービン伝動歯
車、［相］タービン軸、［相］タービンローター、［相
］作業ガス制御弁、■タービン入口、［相］タービン出
口、［相］減速歯車、［相］断熱膨張機、［相］等温圧
縮機、［相］ガスタービン、［相］向流形熱交換器、［
相］発電機ｐ　作業ガスの圧力、Ｖ　作業ガスの比容積
、Ｔ　絶対温度、Ｓ　エントロピー、 ｔ　加熱ガスの温度 特許出願人　岡　本　光　雄 才１図　矛２面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 】　圧縮によって発生するガスのジーール熱ヲ完全に放
   出する様にした圧縮機［相］を、熱交換器［相］で受熱
   した熱を全て断熱膨張によって動力に変換する様に設計
   した断熱膨張機［相］又はガスタービン［相］で、減速
   歯車［相］を通じて駆動し、高温から低温へ温度が低下
   して行く顕熱を連続的に受熱して、ことごとく機械的仕
   事に変換出来る様にした熱機関。