WO2007029662A1 - ロータリー熱エンジン - Google Patents

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rotary
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Shinichi Nakasuga
Hironori Sahara
Kenji Higashi
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Da Vinci Co., Ltd.
The University Of Tokyo
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    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
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    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier
    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the present invention relates to a thermopower engine, and more particularly to a rotary heat engine using an external temperature difference.
  • Stirling engine is widely known as a heat engine that theoretically has very high thermal efficiency and is friendly to the environment.
  • This Stirling engine is generally a force that reciprocally drives a single piston called a displacer.
  • an improved Stirling engine such as a Stirling engine using a diaphragm structure has been studied.
  • the displacer has a disk shape as described in JP 2003-83166, and the volume change is directly extracted as a rotational motion rather than a reciprocating motion.
  • a rotary-type Stirling engine has been developed that enables this.
  • an object of the present invention is to provide a single tally heat engine that can be driven by a large volume change even if the temperature difference is small.
  • a rotary heat engine having a rotor force having a cylinder and a rotating shaft rotatably disposed in the cylinder, wherein the cylinder supplies heat to the inside.
  • the vaporized gas supply flow path and the gas recovery flow path are in fluid communication between the engine body provided with the gas and the vaporized gas supply flow path and the gas recovery flow path.
  • the engine was configured to include a hydraulic fluid storage section in which a heat insulating weir provided with a through hole was disposed in order to communicate with the fluid and to prevent backflow of fluid passing through the interior.
  • the approximately triangular rotor installed inside the cylinder has a clearance between O.Olmm and 0.3mm between the inner wall of the cylinder and the rotor tip in consideration of smooth and highly sealing rotation. It is also possible to place a cushioning material at the front end where it is preferable to make contact with the inner wall surface of the cylinder.
  • the shaft when the shaft moves along with the rotation of the rotor, it may be designed to maintain the gap in consideration of the moving distance of the shaft and the radius of rotation, and the specific gravity of the material at the rotor tip is the center. By making it greater than the specific gravity of the material, an increase in inertia weight makes it possible to obtain a smoother rotor rotation.
  • all or part of the cylinder wall located between the heat receiving portion side and the heat radiating portion side is made of a heat insulating material. Formed with.
  • the heat dissipating part is attached so as to be integrated with or in contact with the wall of the cylinder, and the cylinder includes an inner wall surface of the cylinder in the area where the heat dissipating part is attached, and one end of the rotor.
  • the inner wall force of the cylinder was fitted with heat exchange fins extending almost vertically.
  • the contact area between the gas moved to the inside of the heat radiating portion side cylinder and the inner wall surface of the cylinder can be increased, so that the condensation heat can be efficiently recovered, and further ⁇ It is possible to recover the hydraulic fluid stored in the hydraulic fluid reservoir without waste through the gas recovery passage communicating with the inside of the cylinder.
  • a vaporized gas supply passage communicating with both is provided between the inside of the cylinder and the hydraulic fluid reservoir, and the vaporized gas supply passage is provided in the hydraulic fluid reservoir. It becomes a passage when the hydraulic fluid is vaporized and moves into the cylinder. Therefore, by disposing a powerful material such as fibrous and Z or tubular capillaries in the vaporized gas supply channel, the transfer and vaporization of the working fluid can be efficiently promoted.
  • a powerful material such as fibrous and Z or tubular capillaries
  • low-boiling alcohols are used in the hydraulic fluid.
  • the hydraulic fluid easily exceeds the boiling point even with a low temperature heat input.
  • the hydraulic fluid is easily phased from the liquid phase to the vapor phase.
  • the change causes a large volume change, and furthermore, the latent heat can be recovered even with a small temperature difference.
  • the recovered hydraulic fluid may easily re-evaporate due to the heat supplied from the heat-receiving section, causing the gas recovery flow path to flow backward.
  • a weir having a conical through hole made of a heat insulating material is provided in the hydraulic fluid reservoir.
  • the rotating shaft of the rotor is connected to the output shaft of the electric motor provided outside or the input shaft of the generator via the power transmission means. That is, according to the present invention, all of the heat energy may be mechanically converted into the rotational driving force of the rotor.
  • It can also be used as electric power by connecting the rotating shaft of the electric motor or generator to the rotating shaft of the rotor.
  • a rotary heat engine system with very little energy loss can be configured by feeding back the electric power obtained by the generator to an electric motor.
  • a plurality of permanent magnets are arranged on the peripheral edge of the rotor, outside the rotation region of the rotor, and by the permanent magnets. It was set as the structure which arrange
  • the rotary heat engine itself constitutes a generator, a rotary heat engine power generation system in which mechanical loss is further reduced as compared with the power generation system of the invention of claim 6. Can be provided.
  • the rotary heat engine of the present invention is constituted by the minimum necessary drive parts, and the force is also converted to a rotational drive by changing the heat energy by the volume change utilizing the phase change of the hydraulic fluid.
  • the phase of the hydraulic fluid is effectively changed with respect to the temperature of the input heat, and as a result, a nearly ideal Stirling cycle can be realized for various temperatures.
  • FIG. 1 is a front view schematically showing an internal structure of a part of a heat engine of Example 1 having a substantially triangular rotor according to the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the second embodiment showing an outline of the combination of the external heat motor or the generator with the heat engine of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a front view schematically showing a partial internal structure of a heat engine of Example 3 according to the present invention having a cross-shaped rotor and including a power generation mechanism.
  • FIG. 4 is a front view schematically showing a partial internal structure of a heat engine of Example 4 according to the present invention in which two systems of vaporized gas supply channels and gas recovery channels are arranged.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of main components of an embodiment of a rotary heat engine according to the present invention, which will be described below with reference to the drawings.
  • the rotary heat engine of Example 1 has a substantially triangular rotor (4) rotatably installed inside a cylinder, and is integrally or in contact with the outer periphery of the cylinder (5).
  • the heat receiving part (1) and the heat radiating part (2) are provided.
  • the heat insulating material (8) is sandwiched between the heat receiving part side and the cylinder wall located on the heat radiating part side. An intermediate cylinder wall is formed.
  • the force using a substantially triangular rotor is not particularly limited to this form as long as it is a form in which a space for accommodating vaporized gas is secured. It is also possible to use a mold rotor or other rotor with a curved surface.
  • the hydraulic fluid circulation path for rotating the rotor (4) includes a vaporized gas supply channel (17) and a gas recovery channel (18) communicating with the inside of the cylinder, and the vaporized gas supply channel. Consists of a hydraulic fluid reservoir (7) that communicates fluid communication between (17) and the gas recovery channel (18).
  • a heat insulating weir (6) is provided inside the hydraulic fluid reservoir (7) to prevent backflow of the fluid passing therethrough, and is preferably 10 ° C with respect to the temperature of the heat receiver (1). Low boiling point below 50 ° C Filled with a hydraulic fluid with dots and sealed.
  • the through hole provided in the heat insulating weir is heated on the heat receiving side, preferably having a tapered shape such as a conical shape along the forward flow of the hydraulic fluid. Any other shape may be used as long as it is a shape that can hydrodynamically block the flow of the heated hydraulic fluid into the heat radiating portion.
  • the working fluid in the working fluid reservoir (7) is vaporized by the heat input from the heat receiving portion (1).
  • the vaporized gas is fed into the cylinder through the vaporized gas supply flow path (17), and further held in the rotor (4) rotated by the volumetric expansion of the vaporized gas, while being in the heat dissipation area. Sent in.
  • the vaporized gas is condensed and liquefied by the cooling action of the heat dissipation section (2), and the working fluid is stored through the gas recovery passageway (18).
  • the shape of the vaporized gas supply channel (17) and the gas recovery channel (18) communicating with the inside of the cylinder is not particularly limited as long as it can be recovered by gravity or pressure. It is not something.
  • the rotary heat engine according to the present invention has very little mechanical loss and can efficiently convert the heat quantity at a low temperature into power with a small temperature difference. It can be actively used to recycle waste heat.
  • Example 2
  • FIG. 2 is a side view of the second embodiment showing an outline of the combination of the heat engine of the first embodiment and an external generator.
  • Reference numerals (4), (5), and (7) in FIG. 2 are the same as those in FIG. 1, and respectively indicate a rotor, a cylinder, and a hydraulic fluid reservoir.
  • (9) shows a permanent magnet attached to the rotor's rotating shaft (3), which is magnetically coupled to the permanent magnet (10) attached to the input shaft of the generator (11) and is non-contacting. Can rotate with each other.
  • the rotational power obtained by the rotary heat engine of Embodiment 1 can be easily transmitted to the generator, and a highly durable and reliable power generation system can be obtained.
  • the device connected to the rotating shaft of the rotor may be an electric motor for driving.In this case, by feeding back the electric power obtained by the generator of Example 3 described later to the electric motor, A rotary heat engine system with high energy conversion efficiency can be configured.
  • Example 3 shown in Fig. 3 a capillary tube (16) is arranged in a vaporized gas supply channel (17) communicating with a heat receiving part (1) and a hydraulic fluid storage part (7), and a heat radiating part (
  • the inner wall surface of the cylinder (5) in contact with 2) is fitted with heat exchange fins (15) extending almost vertically toward the rotor's rotating shaft (3) to improve the output of the rotary heat engine.
  • the permanent magnets (12) and (13) with different polarities are arranged at the tip of the cross rotor (4) so that the polarities of the magnets adjacent to each other in the circumferential direction are alternately arranged with the S and N poles.
  • the power generation coil (14) is arranged outside the rotating region of the rotor (4) and within the region where the permanent magnets (12) and (13) reach the magnetic force, thereby enabling self-power generation.
  • a rotary heat engine power generation system according to the present invention.
  • fins for heat exchange are used as heat exchange means.
  • the heat exchange contact area with a fluid such as a metal mesh can be expanded, the fin type is particularly limited. In general, a widely known heat exchange means can be employed.
  • the installation of the capillary tube (16) efficiently sucks the working fluid staying in the working fluid reservoir, promotes the vaporization of the working fluid, and further heats the inner wall surface of the cylinder.
  • the installation of the replacement fin (15) increases the contact area between the gas that has moved into the heat sink side cylinder and the cylinder inner wall surface, so that the volume of the gas that has vaporized changes greatly with the input of low-temperature heat flow.
  • a very heat efficient rotary heat engine can be realized.
  • non-contact and direct power generation by rotor rotation can significantly reduce energy loss, thus providing a highly efficient rotary heat engine power generation system, resulting in a nearly ideal Stirling cycle. Can be realized wear.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a partial internal structure of a heat engine of Example 4 according to the present invention in which two vaporized gas supply channels (17) and two gas recovery channels (18) are arranged. It is.
  • the rotor (4) has an internal gear (not shown) in the opening provided at the center thereof, and the side wall force of the cylinder (5) is extended.
  • a rotary heat engine that rotates in cooperation with an external gear (not shown) of the rotating shaft (3) is used. Further, in this embodiment, it is composed of an inflow port of the vaporized gas supply channel (17) and an outflow port of the gas recovery channel (18) which are disposed substantially opposite to each other across the plane including the rotor axis.
  • the pressure of the vaporized gas can be efficiently converted into power.
  • the heat receiving part and the heat radiating part include the cylinder (5) and the heat insulating weir. Therefore, the degree of freedom in designing the engine is greatly increased. In addition, the efficiency can be further improved by switching the supply path in conjunction with the rotation of the rotor, which can be supplied alternately from the respective gas supply paths (17).
  • a permanent magnet (9) for power transmission may be disposed at the end of the rotating shaft (3) in the first and third embodiments. It is possible to generate electricity by transferring heat, and to supply cold and hot heat simultaneously by collecting vaporization heat and condensation heat, thereby realizing highly efficient cogeneration.
  • the rotary heat engine according to the present invention can realize a temperature difference power generation system that operates at a low temperature, so that it can be used for, for example, improving cogeneration efficiency and exhaust heat power generation in a factory. Can do.
  • the rotary heat engine according to the present invention has a temperature of outer space in an artificial satellite or the like. Since power generation using the difference is also possible, it can be used in a wide variety of fields such as the space science field.

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Abstract

シリンダーと前記シリンダー内に回転自在に配置された回転軸を有するローターからなるロータリー熱エンジンであって、シリンダーは内部へ熱を供給するための受熱部と内部から熱を放出するための放熱部とを備え、前記シリンダーの受熱部側及び放熱部側のそれぞれにはシリンダー内部と連通する気化ガス供給流路及びガス回収流路が設けられたエンジン部本体と、そして回収ガスを凝集・液化させるため、気化ガス供給流路とガス回収流路との間には気化ガス供給流路とガス回収流路とを流体連通に連絡させ、かつ、内部を通過する流体の逆流を防止するために貫通孔が設けられた断熱堰が配置された作動液貯留部を含むようにエンジンを構成した。

Description

明 細 書
ロータリー熱エンジン 技術分野
[0001] 本発明は熱動力機関に関し、特に外部温度差を利用したロータリー熱エンジンに関 する。
背景技術
[0002] 理論的に非常に高い熱効率を有し環境にも優しい熱機関として、スターリングェンジ ンが広く知られている。このスターリングエンジンは、ディスプレーサ一と呼ばれるパヮ 一ピストンをレシプロ駆動するものが一般的である力 近年ではダイヤフラム構造を利 用したスターリングエンジンなど、改良されたスターリングエンジンも検討されて 、る。
[0003] しかしながら、これらのスターリングエンジンでは往復運動を行うためのディスプレー サ一が必要であり、また、継続的で、かつ、円滑な回転を持続するために慣性を付与 するフライホイールの設置が必要であるなど、機械効率の面で不利な点が多力つた。
[0004] さら〖こ、改良されたスターリングエンジンでは、特開 2003— 83166号公報〖こ記載さ れているようにディスプレーサーを円盤形状とし、体積変化を往復運動ではなく回転 運動として直接取り出すことを可能としたロータリー型のスターリングエンジンが開発 されている。
[0005] このように、上記のタイプのロータリー型スターリングエンジンではパワーピストンゃフ ライホイール等の機械効率の悪い構成部品を省略することが出来るので、非常に熱 効率の高 、スターリングサイクルを実現することが期待される力 その一方でこのタイ プのエンジンでは気体の体積変化を利用するために大きな温度差を必要とすると ヽ つた問題があった。
発明の開示
[0006] そこで、本発明では、温度差が小さくても大きな体積変化による駆動を可能とする口 一タリー熱エンジンを提供することを目的とする。
[0007] 上記の目的を達成するため、本発明では機械的損失が少ないというロータリー熱ェ ンジンの特性を利用しながら、このエンジンのガス循環経路に熱回収及び気化効率 などを向上させる作動液貯留部を設け、さらに、作動液には低沸点のアルコール類 を使用することにより、温度の低い熱流の入力に対しても大きな体積変化が得られ、 非常に熱効率の高いスターリングサイクルを実現させた。
[0008] 具体的には、請求項 1に係る発明では、シリンダーと前記シリンダー内に回転自在に 配置された回転軸を有するローター力 なるロータリー熱エンジンであって、シリンダ 一は内部へ熱を供給するための受熱部と内部力 熱を放出するための放熱部とを備 え、前記シリンダーの受熱部側及び放熱部側のそれぞれにはシリンダー内部と連通 する気化ガス供給流路及びガス回収流路が設けられたエンジン部本体と、そして回 収ガスを凝集，液化させるため、気化ガス供給流路とガス回収流路との間には気化ガ ス供給流路とガス回収流路とを流体連通に連絡させ、かつ、内部を通過する流体の 逆流を防止するために貫通孔が設けられた断熱堰が配置された作動液貯留部を含 むようにエンジンを構成した。
[0009] シリンダー内部に設置される略三角形のローターは、円滑で、かつ、シール性の高い 回転を考慮してシリンダー内壁面とローター先端部との間隙を O.Olmmから 0.3mm の間で設定することが好ましぐ先端部に緩衝材を配置してシリンダー内壁面と接触 させるようにしても良い。また、ローターの回転に伴い軸心が移動する場合は、軸心 の移動距離と回転半径を考慮して前記間隙を維持するように設計すれば良ぐさらに 、ローター先端部の材料の比重を中心部材料の比重より大きくなるようにすることで 慣性重量の増加により、よりスムーズなローターの回転が得られるようになる。
[0010] このように請求項 1に係る発明よれば、ディスプレーサ一として機能する熱エンジンの ローターをシリンダー内で回転させることにより気化ガスが受熱部（高温)側と放熱部（ 低温)側との間を交互に周回し、これにより、スターリングエンジンとしての駆動力を得 ることができる。また、ディスプレーサ一のレシプロ駆動による機械的損失が排除され 、また、ガス循環経路に熱回収及び気化効率などを向上させる作動液貯留部を設け たので、非常に熱効率が高 、ロータリー熱エンジンを提供することが可能となる。
[0011] 請求項 2に係る発明では、受熱部と放熱部との間を熱的に絶縁するため、受熱部側 と放熱部側との間に位置するシリンダー壁の全部又は一部を断熱材料で形成した。 これにより、受熱部側及び放熱部側それぞれのシリンダー内部で加熱された高温ガ ス及び冷却された低温ガスの保持性が高まり、さら〖こ、受熱部と放熱部との間で生じ る熱的損失も低減される。
[0012] 請求項 3に係る発明では、放熱部をシリンダーの壁と一体的に又は接するように取り 付け、シリンダーには、放熱部が取り付けられた区域内のシリンダー内壁面とロータ 一先端部との間にシリンダー内壁面力 略垂直に延びた熱交換用のフィンを取り付 けた。
[0013] この結果、請求項 3に係る発明によれば、放熱部側シリンダー内部へ移動したガスと シリンダー内壁面との接触面積が増えるので効率良く凝結熱を回収することができ、 さらに、凝集 ·液ィ匕された作動液をシリンダー内部と連通するガス回収流路を介して 無駄なく作動液貯留部に回収することが可能となる。
[0014] 請求項 4に係る発明では、作動液貯留部内の作動液を毛細管現象により吸引し気化 させるため、気化ガス供給流路内に作動液貯留部力 延びた繊維状及び Z又は管 状の毛細管を配置した。
[0015] すなわち、請求項 4に係る発明では、シリンダー内部と作動液貯留部との間に両者と 連通する気化ガス供給流路が設けられるが、この気化ガス供給流路は、作動液貯留 部内の作動液が気化してシリンダー内に移動する際の通路となる。したがって、気化 ガス供給流路内に繊維状及び Z又は管状の毛細管など力 なる材料を配置すること で、作動液の移送及び気化を効率よく促進させることができる。なお、繊維及び Z又 は毛細管などを使用する場合は、その材料はガラス繊維などの耐腐食性に優れたも のを使用することが好まし 、。
[0016] 請求項 5に係る発明では、上記の作動液に低沸点のアルコール類を用いた。すなわ ち、請求項 5に係る発明によれば、温度の低い熱入力に対しても作動液は沸点を超 え易くなるため、この場合、作動液は液相から気相へと容易に相変化して大きな体積 変化を生じ、さらには、小さな温度差でも潜熱の回収を行うことができるようになる。ま た、作動液に低沸点のアルコール類等を用いると、回収された作動液が受熱部側か ら供給される熱により容易に再蒸発してガス回収流路を逆流してしまう恐れがあるた め、本発明ではこの逆流を防止するため、作動液貯留部の中に断熱材で構成された 円錐形状の貫通孔を有する堰を設けた。 [0017] 請求項 6に係る発明では、ローターの回転軸を動力伝達手段を介して外部に設けら れた電動モーターの出力軸又は発電機の入力軸と連結させた。すなわち、本発明に よれば熱エネルギーのすべてを機械的にローターの回転駆動力へ変換してもよいが
、ローターの回転軸に電動モーターや発電機の回転軸を連結することにより電力とし て使用することも可能となる。例えば、上記発電機で得られる電力を電動モーターへ フィードバックすることにより、極めてエネルギー損失の少ないロータリー熱エンジン システムを構成することができる。
[0018] 請求項 7に係る発明では、ローターの回転軸と電動モーター等の回転軸とを連結す る動力伝達手段として、永久磁石の磁力により相互に協働して回転することができる 非接触に対面配置された入力及び出力カップリングを使用した。すなわち、請求項 7 に係る発明によれば、回転軸同士の連結を直結タイプとはせずに磁力を利用した非 接触タイプとしたため、ローターの回転軸に取り付けられる出力カップリングをシリン ダ一に設けられたノ、ウジング内へ密閉することが可能となり、このため、シリンダーか らの作業液及び Z又はガス漏れなどによる圧力損失がなぐ非常に耐久性及び信頼 性の高 、発電システム等を提供することができる。
[0019] 請求項 8に係る発明では、ロータリー熱エンジンで直接的に発電するため、ローター の周縁部に複数の永久磁石を配置し、前記ローターの回転領域外であって、かつ、 永久磁石による磁力が及ぶ領域内に発電用のコイルを配置する構成とした。請求項 8に係る発明によれば、ロータリー熱エンジン自体が発電機を構成しているため、請 求項 6に係る発明の発電システムよりさらに機械的損失が低減されたロータリー熱ェ ンジン発電システムを提供することができる。
[0020] このように、本発明のロータリー熱エンジンは必要最小限の駆動部品で構成され、し 力も、作動液の相変化を利用した体積の変化により熱エネルギーを変換して回転駆 動させる構造を採用したため、入力される熱量の温度に対して効果的に作動液の相 変化が生じ、その結果、様々な温度に対して理想に近いスターリングサイクルを実現 することができる。
発明の実施の形態
[0021] 以下、本発明を実施例により説明する。なお、本発明は以下に示される実施例に限 定されるものではなぐ本発明の技術的思想を逸脱しな 、範囲内で各種の変更が可 能である。
図面の簡単な説明
[0022] [図 1]図 1は、略三角形のローターを有する本発明による実施例 1の熱エンジンの一 部内部構造を模式的に示した正面図である。
[図 2]図 2は、実施例 1の熱エンジンに外部電動モーター又は発電機を組合せた概要 を示す実施例 2の側面図である。
[図 3]図 3は、十文字型のローターを有し、かつ、発電機構を備えた本発明による実 施例 3の熱エンジンの一部内部構造を模式的に示した正面図である。
[図 4]図 4は、気化ガス供給流路及びガス回収流路をそれぞれ 2系統配置した本発明 による実施例 4の熱エンジンの一部内部構造を模式的に示した正面図である。
実施例 1
[0023] 図 1は、本発明によるロータリー熱エンジンの一実施例の主要部品の構成を模式的 に示した図であり、以下、図面を参照しながら説明する。実施例 1のロータリー熱ェン ジンは、シリンダー内部に回転自在に設置された略三角形のローター (4)を有してお り、そのシリンダー (5)の外周部には一体的に若しくは接触して受熱部（1)と放熱部（ 2)が備え付けられている。また、受熱部（1)と放熱部（2)との間を熱的に絶縁するた め、前記受熱部側及び放熱部側に位置するシリンダー壁で断熱材料 (8)を挟持する ようにして中間部のシリンダー壁が形成される。なお、本実施例では略三角形のロー ターを使用している力 気化したガスを収容するための空間が確保される形態のロー ターであれば特にこの形態に制限されるものでなぐ例えば、十文字型のローターや 湾曲面を有する他のローターなどを使用することもできる。
[0024] さらに、ローター (4)を回転駆動させるための作動液循環経路は、シリンダー内部と 連通する気化ガス供給流路（17)及びガス回収流路（18)と、前記気化ガス供給流路 (17)とガス回収流路（18)とを流体連通に連絡する作動液貯留部（7)より構成される
[0025] 作動液貯留部（7)の内部には通過する流体の逆流を防止するための断熱堰 (6)が 設けられており、受熱部（1)の温度に対して好ましくは 10°Cから 50°C以下の低い沸 点を有する作動液が充填され密閉される。なお、断熱堰に設けられる貫通孔は、円 錐形状など作動液の順フローに沿って孔径カ 、さくなるようにテーパーが付けられた 形状を有していることが好ましぐ受熱側で加熱、昇温された作動液の放熱部側への 流入を流体力学的に阻止できる形状であれば他の形状であってもよい。
[0026] 本実施例では、受熱部側近傍に滞留して！/ヽる作動液貯留部（7)内の作動液は、受 熱部（1)から入力される熱により気化される。そして、この気化されたガスは気化ガス 供給流路（17)を通してシリンダー内へ送り込まれ、さらに、前記気化ガスの体積膨 張により回転されるローター (4)に保持されながら放熱部区域にあるシリンダー内へ 送り込まれる。前記放熱部区域にあるシリンダー (4)及びガス回収流路（18)では、 気化ガスは放熱部（2)による冷却作用により凝集，液化され、さらに、ガス回収流路（ 18)を通して作動液貯留部（7)へ回収されて本発明によるロータリー熱エンジンの熱 サイクルを達成する。なお、この場合、シリンダー内部に連通される気化ガス供給流 路（ 17)及びガス回収流路（ 18)は、重力若しくは圧力による回収が可能である形状 であれば良ぐ特にその形状が限定されるものではない。
[0027] この結果、本発明によるロータリー熱エンジンは、機械的損失が極めて少なぐかつ、 低い温度の熱量を小さな温度差で効率良く動力に変換することが可能となり、近年、 社会的に注目されている排熱の再利用などへ積極的に利用することが可能となる。 実施例 2
[0028] 図 2は、実施例 1の熱エンジンに外部発電機を組合せた概要を示す実施例 2の側面 図である。以下、同様に図面を参照しながら説明する。図 2の中の符号 (4)、（5)、 (7 )は図 1と同様で、それぞれにローター、シリンダー及び作動液貯留部を示している。 また、（9)はローターの回転軸（3)に取り付けられた永久磁石を示しており、発電機（ 11)の入力軸に取り付けられた永久磁石（10)と磁力的に連結して非接触で相互に 回転することができる。このため、ローターの回転軸（3)に取り付けられた永久磁石（ 9)をシリンダー（5)に設けられたハウジング内へ密閉することにより、シリンダー（5)か らの作業液及び Z又はガスが漏れ出ることを完全に防止できる。なお、ローターの回 転軸と発電機等の外部機器との接続は上記のような磁力を用いた非接触のタイプの ものに限られるものではなぐ通常の直結タイプの各種の動力伝達手段を使用するこ とちでさる。
[0029] このように、本実施例では、実施例 1のロータリー熱エンジンで得られる回転動力を発 電機へ容易に伝達することが可能となり、非常に耐久性及び信頼性の高い発電シス テムを提供することができる。なお、ローターの回転軸に連結される機器は駆動用の 電動モーターであってもよぐこの場合は、後述される実施例 3の発電機で得られる 電力を電動モーターへフィードバックすることにより、極めてエネルギー変換効率の 高いロータリー熱エンジンシステムを構成することができる。
実施例 3
[0030] 図 3に示される実施例 3は、受熱部（1)と作動液貯留部（7)を連通する気化ガス供給 流路（17)内に毛細管（16)を配置し、放熱部（2)と接するシリンダー（5)の内部壁面 にはローターの回転軸（3)に向けてシリンダー内壁面力 略垂直に延びた熱交換用 のフィン（15)を取り付けてロータリー熱エンジンの出力を向上させる構成と、および 十文字ローター (4)の先端部に円周方向に隣り合う磁石同士の極性が S極、 N極と 交互に並ぶように極性の異なる永久磁石（12)、 （13)を配置し、かつ、前記ローター (4)の回転領域外であつて永久磁石（ 12)、 （ 13)による磁力が及ぶ領域内に発電用 コイル（14)を配置することにより自己発電を可能とした構成とを兼ね備えた本発明に よるロータリー熱エンジン発電システムである。なお、本実施例では熱交換手段として 熱交換用のフィンを使用したが、金属メッシュなど流体との熱交換接触面積を拡大で きる構造を有しておれば、特にフィンタイプに限定されることなく一般的に広く知られ ている熱交換手段を採用することができる。
[0031] 本実施例によれば、毛細管（16)の設置により作動液貯留部内に滞留している作動 液が効率良く吸引されて作動液の気化が促進され、さらに、シリンダー内壁面への熱 交換用のフィン（ 15)の設置により、放熱部側シリンダー内部へ移動したガスとシリン ダー内壁面との接触面積が増えるので、温度の低い熱流の入力に対して気化したガ スの大きな体積変化が得られ、非常に熱効率の高いロータリー熱エンジンを実現す ることができる。また、非接触でローターの回転運動による直接的な発電はエネルギ 一損失を著しく軽減するため、非常に高効率なロータリー熱エンジン発電システムを 提供することができ、この結果、理想に近いスターリングサイクルを実現することがで きる。
実施例 4
[0032] 図 4は、気化ガス供給流路（17)及びガス回収流路（18)をそれぞれ 2系統配置した 本発明による実施例 4の熱エンジンの一部内部構造を模式的に示した図である。本 実施例では他の実施例と異なり、ローター (4)には、その中心部に設けられた開口部 内に内歯歯車（図示せず)を有し、シリンダー (5)の側壁力 延びた回転軸 (3)の外歯 歯車（図示せず）と協働して回転するタイプのロータリー熱エンジンを使用している。 また、本実施例では、ローターの軸心を含む平面を挟んで略対向する位置に配置さ れた気化ガス供給流路（17)の流入口及びガス回収流路（18)の流出口からなる 1対 の流入口及び流出口をそれぞれ隣り合う他の流入口又は流出口とは交互配置となる ように 2対配置した。この結果、本実施例によるロータリー熱エンジンでは気化ガスの 圧力を効率良く動力に変換することができるようになり、さらに、受熱部と放熱部（図 示せず）は、シリンダー (5)と断熱堰を有する作動液貯留部とが連結されて!ヽる経路 上に適宜配置すれば良いので、エンジンの設計の自由度が大幅に高くなる。また、 気化ガスは各々の気化ガス供給流路（ 17)より交互に供給しても良ぐローターの回 転に連動して供給路を切り替えると効率はさらに向上する。
産業上の利用可能性
[0033] 本発明によるロータリー熱エンジンは、例えば実施例 1及び 3において回転軸（3)の 端部に動力伝達用の永久磁石（9)を配置しても良ぐこの場合、風力などの動力を 伝達することによる発電と、気化熱と凝結熱の回収による冷熱及び温熱の同時供給 が可能となり、非常に効率の良いコージェネレーションを実現することができる。
[0034] 同様に、実施例 3のロータリー熱エンジンの回転駆動力を電動モーター力 伝達させ た場合は、冷熱と温熱を回収した後のエネルギーは再度電力に変換されるので効率 の良い冷温蔵庫などを提供することも可能となる。
[0035] このように、本発明によるロータリー熱エンジンは低温度で作動する温度差発電シス テムを実現することができるので、例えばコージェネレーションの効率改善、工場の 排熱発電などにも利用することができる。
[0036] また、本発明によるロータリー熱エンジンは人工衛星などにおける宇宙空間の温度 差を利用した発電も可能であるため、宇宙科学分野など非常に多岐にわたる広い分 野での利用が可能である。

Claims

請求の範囲
[1] シリンダーと、前記シリンダー内に回転自在に配置された回転軸を有するローターか らなるロータリー熱エンジンであって、
前記シリンダーは、内部へ熱を供給するための受熱部と内部から熱を放出するため の放熱部とを備え、
前記シリンダーの受熱部側及び放熱部側のそれぞれには、前記シリンダー内部と連 通する気化ガス供給流路及びガス回収流路が設けられたエンジン部本体と、そして 前記回収ガスを凝集，液化させるため、前記気化ガス供給流路とガス回収流路との 間には前記気化ガス供給流路とガス回収流路とを流体連通に連絡させ、かつ、内部 を通過する流体の逆流を防止するために貫通孔が設けられた断熱堰が配置された 作動液貯留部を含んでいることを特徴とする前記ロータリー熱エンジン。
[2] 前記受熱部と放熱部との間を熱的に絶縁するため、前記受熱部側と放熱部側との間 に位置するシリンダー壁の全部又は一部は断熱材料で形成されていることを特徴と する請求項 1に記載のロータリー熱エンジン。
[3] 前記放熱部は前記シリンダーの壁と一体的に又は接するように取り付けられており、 前記シリンダーは放熱部が取り付けられた区域内の前記シリンダー内壁面と前記口 一ター先端部との間に、前記シリンダー内壁面から略垂直に延びた熱交換用のフィ ンを備えて 、ることを特徴とする請求項 1に記載のロータリー熱エンジン。
[4] 前記作動液貯留部内の作動液を毛細管現象により吸引し気化させるため、前記気 化ガス供給流路はその内部に前記作動液貯留部から延びた繊維状及び Z又は管 状の毛細管を含んでいることを特徴とする請求項 1に記載のロータリー熱エンジン。
[5] 前記作動液は、低沸点のアルコール類であることを特徴とする請求項 4に記載のロー タリー熱エンジン。
[6] 前記ローターの回転軸は、動力伝達手段を介して外部に設けられた電動モーターの 出力軸又は発電機の入力軸と連結されて 、ることを特徴とする請求項 1に記載の口 一タリー熱エンジン。
[7] 前記動力伝達手段は、永久磁石の磁力により相互に協働して回転することができる 非接触に対面配置された入力及び出力カップリングを含んでいることを特徴とする請 求項 6に記載のロータリー熱エンジン。
前記ロータリー熱エンジンで直接的に発電するため、前記ローターの周縁部に複 数の永久磁石が配置され、前記ローターの回転領域外であって、かつ、前記永久磁 石による磁力が及ぶ領域内に発電用のコイルが配置されていることを特徴とする請 求項 1に記載のロータリー熱エンジン。
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