JPS63500047A - ヒ−トエンジンの方法及び構造 - 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】 ヒートエンジンの方法及び構造 この発明は、ヒートエンジンの方法及び構造に関し、詳しくは、外部から熱が供 給されるものに限り、アキュームレータ、原子熱、太陽熱等を熱源として外部が ら供給され、継続して又は間欠して燃焼されて、外部がら及び内部で熱が供給さ れる、フリーピストンタイプのヒートエンジンに関する。

ピストンタイプのヒートエンジンは、発生された機械的出力の利用に関して、以 下のように分類される。第１は、軸に機械的出力が得られるようにクランクとリ ンクとにより構成された運動学的エンジンであり、第２は、ピストンの往復動に より、ガスの圧力、油圧、電流の形態で、又は、エネルギの直接の形態で出力が 取出されるフリーピストンのエンジンである。

一般的なピストンタイプのヒートエンジンである運動学的なピストンエンジンは 、出力発生力が比較的最適な方法で制御されるため、熱効率と出力の大きさとが 最適にされるという利点がある。熱が継続して又は断続して又は他の方法で供給 されるかどうかに拘らず、前記制御は、ディーゼルタイプの内燃機関、スターリ ング又はエリクソン、ランキンタイプの外燃機関に適用される。運動学的エンジ ンの欠点は良く知られており、回転出力の伝達のコストが高いという点にある。

さらに、欠点は、潤滑油を有する潤滑システムが必要であるという点にあり、高 い摩擦力によりエンジン効率が下げられるという点にある。

一方、フリーピストンのエンジンでは、多くの発明及び改良がなされているが、 有効な使い方が見付かっていない。フリーピストンタイプのエンジンを改良する 上での困難性は、摩滅によりピストン力のバランスが変えられたときにエンジン が暫く作動した後における、欠点のあるピストン案内手段、低い出力、および低 信頼性が原因である。

このため、フリーピストンエンジンの固有の簡易さを広く利用することは不可能 である。不可能な原因は、熱力学的行程の圧力発生出力により作動されるピスト ンが損失のある回転機構を媒介とすることなく、電流又は油圧の形態で出力を直 接発生させるということである。フリーピストンエンジンの構造は、適度の効率 、低い出力、出力当りの高いコスト、作動中の振動、及び低信頼性を特徴とする 。

それ故、この発明の目的は、簡易さ、安い製造コスト、及び強固さの利点が維持 される一方、正確なかつ最適なピストンの動きが達成され、これにより、運動学 的ピストンエンジンと同等の高品質が実現されたフリーピストンエンジンを提供 することである。

この目的を達成するために、ピストンからの出力は、クランク作動回転機構を媒 介とすることなく、直接負荷器に受止められる。この負荷器は、例えば、シリン ダ内の磁気領域でピストンが動くことにより作動される線形発電器であり、逆に 、シリンダ内の固定子を作用させる磁気領域をピストン自体がシリンダ内で発生 させ、これにより、電流が得られるものである。または、ピストン自体がガス圧 又は油圧を発生させ、他のピストンがガス圧又は油圧を発生するように他のピス トンを作動させ、このようにして、出力がピストンの往復動により発生される。

エンジンの作動ピストンンが他のピストン又は線形発電器のアーマチャに直接連 結され、出力は、運動学的なエンジンのように回転運動に変換されることなく、 往復動によってのみ伝達される。

このようにして、エンジンの出力発生力は、直接利用され、回転機構を媒介とす ることなく、有効な出力を発生させる。

これにより、簡易さと高い効率とが達成される。有効な出力が得られ、有効に利 用された後、この発明では、以下のためには、単一の重量の軽いリンケージによ って、出力うち若干量が利用される。

、１又は２以上のピストンの動きを熱力学的サイクルで同期させること、 ・１又は２以上のピストンの慣性力をバランスさせること、・熱力学的サイクル による場合には、ピストン間の力を交換すること、 ・もし必要ならば、エンジンの作動に必要とされる補助装置、例えば、冷却用水 ポンプ、燃焼エアーファン、冷却用ファン、燃料ポンプ等を作動させ、及び／又 は、４サイクル内燃機関の弁を作動させること、 一従来のフリーピストンのエンジンのように、摩擦及び摩耗の観点から、１又は ２以上のピストンに作用する自然力を取除くこと。

エンジンの有効な出力に対してこれらの出力の要求は非常に低いため、同期手段 は、小さく、軽く、低出力用に構成されている。伝達される力は小さいため、潤 滑油を循環させる潤滑システムは、省略されている。そのため、エネルギ消費で 大変な利点となる。内部の熱交換器の表面の油の汚染に敏感である外燃機関の機 能の点で利点がある。

高い出力でかつ振動なしにスムーズに作動される、所謂ダブル作動タイプの複数 シリンダのホットガスのエンジンにおいて、同期装置は、ピストン間に正確な位 相角を与える。このような実施例が第２図及び第３図に示されている。この実施 例は、エンジンの往復ピストンが直接又は往復装置に直接連結されて、回転軸を 媒介とすることなく、有効な出力を発生するという、この発明の基づいているこ とを特徴とする。

この発明の原理は、フリーピストンのエンジンの異なったタイプに適用されうる 。

この発明の特徴が第１図乃至第３図に示されている。第１図には、２つのピスト ン２，３を有する単一シリンダのホットガスエンジン１が所謂アルファ原理に基 づいてどのように作用するかが示されている。熱源は継続して燃焼するヒータ４ であり、出力はシールされたハウジング５で発生される。

エンジン１には、予熱ヒータを有するヒータ４により熱が供給される。空気は、 燃焼エアーファン（図示路）を介してインレット６を通して供給される。空気は 、好ましくは向流型である熱交換器で予熱されている。予熱された空気は燃焼室 ８に導入され、好ましい燃料空気比でノズル９からの燃料と混合される。高い温 度の燃焼ガスが燃焼室８で形成され、この燃焼ガスが２列のヒータパイプ１０． １１を通過させられる。これにより、燃焼ガスの温度は、約１８００℃から８０ ０℃に下げられる。排気ガスの残りの熱は、導入燃焼空気を予熱することに利用 され、ガスの温度は、約２００℃に下げられる。ガスはアウトレット１２を通し て排出される。

エンジン１を始動するために、燃焼室８の燃料空気混合は、スパークプラグ１３ により点火される。このスパークプラグ１３は、エンジンが始動した後には、点 火しない。燃焼室と空気予熱ヒータは、包装により取囲まれている層１４により 熱的に遮断されている。ヒータにより吸収された熱は、高い圧力例えば１０ＭＰ ａの下で、例えば、水素、ヘリウム、又は空気からなる、閉込められた作動ガス に供給される。作動サイクルの間に、作動ガスは、摺動ピストン２の上の膨張空 間から、摺動ピストン２の下の冷えた圧縮空間に移動される。

熱は、再生器１６に蓄熱されている。有効なエネルギに変換されない熱は、冷却 器１７で冷却される。冷却器１７は、インレット１８で導入されアウトレット１ ９で排出される水により作動される。作動ガスの加熱及び冷却により発生される 熱の変化は、圧力を増大させる。この圧力が作動ピストン３の低部ピストンを作 動させる。作動ピストン３は、線形発電器２１のアーマチャ２０に直接接続され ている。この線形発電器２１は、軟鉄のコア２２と銅の固定子２３とを備えてい る。このアーマチャ２０は、アーマチャが動くときに固定子２３に電流を発生さ せる１組の永久磁石を備えている。このようにして、エンジン１の出力は、回転 機構を媒介とせず、電力の形態で取出される。このエネルギの変換は、作動ガス の漏れを充分に妨げながら、シールされたハウジング５内で起こる。

ピストン２．３を同期するために、ピストンの移動行程で最適の位相角度が維持 されるように、発電器２１のアーマチャ２０は、ピストン２，３の動きを制御す る同期装置２４に連結されている。そのため、シリンダに対して横向きの力が起 きない。このため、ピストンは、ピストンの最少の漏れに必要な最少の摩擦力で 、シリンダ内を移動する。ピストンとシリンダとの間の低い摩擦力により、及び 同期装置の小さい力により、潤滑油を有する潤滑システムが必要とされない。

このため、潤滑油により熱交換器の作動面が汚染されることが妨げられる。同期 装置２４の２個のクランク２５は、樹脂ギヤ２６により反対方向に回転されるの で、ピストン２．３の慣性力は、ギヤ２６の周辺のカウンターウェイト２７によ りバランスされる。同期装置２４は、エンジン１の補助装置、例えば、燃料及び 水ポンプ（図示路）を作動するために利用される。好ましくは、燃焼空気ファン 及びラジェータファンは、シールされた外軸により作動される。出力軸を使うこ とを避けるために、この直ぐ前に述べた補助手段は、電動モータにより外部から 作動される。このようにして、ハウジング５は、完全にシールされている。同期 装置のタイプは、フリーピストンのエンジンの構造に左右されている。

ハウジング５の高い平均圧力、即ち、作動ピストン３に作用し変化する作動圧力 は、作動ピストン３がシリンダ内を動く間、作動ピストン３に作用する。この構 造により、ホットガスエンジンと同等の出力と熱効率とが与えられる。同時に、 作動ガスは完全にシールされているので、潤滑油による汚染は、フリーピストン エンジンと同様に妨げられる。この新しいエンジンに相応しい名前は、制御され たフリーピストンエンジン又はセミフリーピストンエンジンである。

第２図には、この発明の第２の実施例であって、４個のシリンダ２９を有するダ ブル作動ホットガスエンジン２８が示されている。ホットガスエンジンのこの実 施例では、単一シリンダのエンジン１に比べると、より速い回転力とより大きな 出力とが得られる。勿論、この実施例は、いくつかのシリンダを用いうる出力以 上の出力に最も適している。この実施例は、直列に４個のシリンダを有するセミ フリーエンジンの構造を証明するために選ばれている。バルブ式ディーゼルエン ジンでは、バルブ機構は、ギヤ比１：２の同期軸に連結されたカムシャフトによ り作動される。

ヒータ３０の形態での外部熱供給、空気予熱器３１、燃焼室３２、ハウジング３ ３の形態をした出力発生器、各々のシリンダに１個づつの４個の線形発電器３４ 、を有する４個のシリンダホットガスエンジン２８が第２図に示されている。

燃焼空気ファン（図示路）により燃焼空気がインレット３５を通して導入される 。空気予熱器３１で予熱され、燃料が燃料ノズル３６を介して供給される。燃焼 が燃焼室３２で起り、ホットガスが２つのステージ３７．３８にヒータを介して 案内される。残りの熱が空気予熱器３１で利用され、ガスは、低い温度約２００ °Ｃのアウトレット３９を通して排出される。

燃焼室３２はスパークプラグ４０により点火されると、エンジン２８が始動され る。

ヒータで吸収された熱は、出力発生装置に閉込められた圧力がかけられた作動ガ ス、例えば、水素、ヘリウム、空気に供給される。熱の大部分は、熱が圧力エネ ルギに変換される前に、再生器４１に収容されている。変換されない熱は、冷却 器４２で、例えば水である冷却手段により冷却される。暖かい作動ガスは、高い 温度、例えば約６５０℃で暖かい空間において膨張され、冷たい空間４５におい て低い温度、例えば５０〜７０℃で圧縮される。温度変化により得られるピスト ン４６の差圧により、往復力が起こされる。この往復力がピストンロッド４８を 介してヨーク４７、及び線形発電器３４のアーマチャ４９に伝えられる。線形発 電器３４は、銅の固定子５０と軟鉄の回路５１とを備えている。ヨーク４７は、 同期装置５２を作動させる。同期装置５２は、各々のシリンダ２９について、２ 個のコネクティングロッド５３とクランク５４とを備えている。クランク５４は 、同期軸５５を介して、残りのシリンダと機械的に連結されている。そのため、 最適の位相角度は、４つのエンジンサイクルの間、及び同期する１つの軸端のギ ヤ５６の間で得られる。

第２図に示されるこの発明のヒートエンジンは、シリンダー２９、再生器４１、 冷却器４２、及びヒータ３０とを備えている。第３図に模式的に示されるように 、ホットガスタイプの直列４気筒エンジンに公知の方法で連結されている。高熱 側で、シリンダ２９は、シリンダ２つのための集結パイプ５７により、及び再生 器５１のための集結パイプ５８により、再生器４１に連結されている。集結パイ プ５７と集結パイプ５８との間にヒートパイプ５９が取付けられている。冷却器 ４２とシリンダー２９との間の冷却接続は、６０で示されている。この発明の特 徴であり、ピストン４６を同期する軸５５は、ギヤ５６により相互に連結されて いる。そのため、同期する軸は、反回転される。

ここでは、この発明は、今日的なヒートエンジンに基づいて説明されているが、 この発明は、他のピストンタイプのヒートエンジンに適用されうる。実際のとこ ろ、バルブと補助装置は駆動されるため、全ての運動学的なタイプのヒートエン ジンは、この発明の特徴とするセミフリーピストン原理に基づいて作動させられ る。

国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．１又は２以上の往復ピストンを備えたヒートエンジンの方法において、回転 伝達機構を媒介とせず、この往復ピストンの出力は、負荷装置で直接受取られ、 往復ピストンの動きは、熱力学的サイクルにおいて、同期装置により同期させら れることを特徴とするヒートエンジンの方法。
2. ２．１つ又は２つ以上の往復ピストンを備えるヒートエンジンの構造において、 １つ又は２つ以上のピストンからの出力を直接受取る負荷装置と、熱力学的サイ クルにおいて１つ又は２つ以上のピストンを同期させる同期装置とを具備するこ とを特徴とする、ヒートエンジンの構造。
3. ３．負荷装置は線形発電器により形成され、シリンダでの磁気領域で１つ又は２ つ以上のピストンを往復動させることによって、又は１つ又は２つ以上のピスト ン自体がシリンダで可動磁気領域を発生させることによって、発電器が作動され 、前記磁気領域が発電器の固定子に作用され、電流が発生される、請求の範囲第 ２項に記載のヒートエンジンの構造。
4. ４．１つ又は２つ以上のピストンは、各々、発電器のアーマチャに連結されてい る請求の範囲第３項に記載のヒートエンジンの構造。
5. ５．一端がピストンに連結され、他端がクランクに連結された少なくとも１つの コネクティングロッドによって、前記同期装置が形成されている請求の範囲第２ 項に記載のヒートエンジンの構造。
6. ６．前記ヒートエンジンは、摺動ピストンと作動ピストンとを備える単一シリン ダのホットガスエンジンであり、前記作動ピストンは、発電器のアーマチャに連 結されており、 同期装置には、 一端がアーマチャに連結され、噛合されたギヤにより反対方向に回転されるクラ ンクに他端が連結された２つの第１のコネクティングロッドと、 一端が前記クランクに連結され、摺動ピストンに連結されたピストンロッドに連 結された横材に他端が連結された２つの第２のコネクティングロッドとが備えら れている請求の範囲第１項乃至第５のいづれか１つの項に記載のヒートエンジン の構造。
7. ７．前記ヒートエンジンは、複数シリンダのダブル作動のホットガスエンジンで あり、 各々のピストンは、ピストンロッドと横材を介して、発電器のアーマチャに連結 され、 同期装置には、一方のピストンと協働し、かつ一端が横材に連結され、他端がク ランクに連結された２つのコネクティングロッドが備えられ、 前記クランクは、同期軸を介して、クランク、コネクティングロッド、横材、他 方のピストンのロッドに機械的に連結されており、 前記クランクは、同期軸の端部で噛合されたギヤにより反対方向に回転させられ る請求の範囲第１項乃至第５項のいづれか１つの項に記載のヒートエンジンの構 造。
8. ８．ガスの漏れを妨げるために、負荷装置と同期装置とがシールされたハウジン グに収納されている請求の範囲第１項乃至第７項のいづれか１つの項に記載のヒ ートエンジンの構造。