WO2012017849A1

WO2012017849A1 - 外燃式クローズドサイクル熱機関

Info

Publication number: WO2012017849A1
Application number: PCT/JP2011/066849
Authority: WO
Inventors: 俊光海法; 省三鶴野; 幾生小井田; 宗平関根
Original assignee: 横浜製機株式会社
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2012-02-09
Also published as: JP5525371B2; JP2012031804A

Abstract

本発明は、作動ガス移動手段を流量が大きく移動流量が回転数に対し一定で、高温・高圧環境下で作動するものとし、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、種々の条件下で設計、製作でき、簡易構造にして、より効率が良い、操作、維持容易な外燃式クローズドサイクル熱機関を提供することを課題とする。そのために、作動ガス移動手段を気室内に設けたディスプレーサとし、ディスプレーサの移動と開閉弁の連動により作動ガスの移動を行うこととする。

Description

外燃式クローズドサイクル熱機関

　本発明は、簡易構造にして操作、維持容易な外燃式クローズドサイクル熱機関に関するものである。

　スターリングエンジンは、熱源の種類を問わず、現在、無駄となっているエネルギーの有効利用が可能であり、静粛で低公害であるので、各種のタイプが研究開発され、重要な将来熱機関の一つと目されている外燃式熱機関である。

　スターリングエンジンは、気室内に封入した作動ガスを加熱及び冷却して該作動ガスを膨張及び収縮させ、動力を得る外燃式熱機関である。
　従来のディスプレーサ型スターリングエンジンは、ディスプレーサの往復動により、該作動ガスを加熱部と冷却部との間で往復させて該作動ガスを加熱及び冷却、即ち膨張及び収縮させて、パワーピストンを作用させることにより動力を得るものである。ディスプレーサは、パワーピストンと位相をもって連動するように構成されている（特許文献１）。

　しかしながら、従来のスターリングエンジンでは、気室、加熱器及び冷却器内の作動ガスが同時に加圧、減圧され、このため加熱時において、気室を加圧するために冷却器内の作動ガスも加圧しなければならず、また冷却時において、気室を減圧するために加熱器内の作動ガスも減圧しなければならない。このため、気室容積に比して加熱器又は冷却器の容積が大きくなるとエンジン効率が低下する。従って、エンジン効率を上げるために加熱器及び冷却器を小型化する必要がある。

　しかし、エンジンを作動させるには必要な熱量を取り込み、また排出する必要があり、加熱器及び冷却器は十分な能力を持たなければならない。加熱器に小型かつ充分な能力を持たせるには、伝熱面の肉厚を薄くし、また加熱温度を上げて面積当りの伝熱量を増やす手段があるが、精密な工作を要し、高価な耐熱金属を使用する必要があり、また高温により加熱器の腐蝕が促進されるといった弊害がある。
　また、冷却期間中、加熱器は利用されず、全期間を通じた加熱器の効率は低下し、加熱器に加えられる外部熱量は無駄に消費され利用効率が低下している。加熱期間中の冷却器も同様である。

　上述するような従来技術に鑑み、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、多気筒化、大型化、高出力化が可能で、低温熱源を有効に利用することができ、種々の条件下で設計、製作できる外燃式クローズドサイクル熱機関を、本発明の発明者らは開発し、先に出願した（特許文献２、特許文献３、特許文献４）（以下、「本発明者の先願発明」という）。

　即ち、密閉された気室と加熱器及び冷却器を設け、該気室と該加熱器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、該気室と冷却器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、それぞれ入り口側及び出口側の流路に開閉弁を設け、作動ガスの移動手段を設け、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として冷却器を密閉し、加熱器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを加熱器を通じて循環させ、気室内の作動ガスを加熱し、また加熱器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として加熱器を密閉し、一方、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを冷却器を通じて循環させて気室内の作動ガスを冷却し、気室内の作動ガスを膨張、収縮させて気室下部に連接した作用体を駆動する外燃式クローズドサイクル熱機関で、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、種々の条件下で設計、製作でき、また加熱器、冷却器各１台に複数の気室、作用体を設けることができる外燃式クローズドサイクル熱機関を提案した（特許文献２）。

　更に特許文献２の外燃式クローズドサイクル熱機関に対し、作用体から冷却器に向かう流路、及び気室から冷却器に向かう流路を高温部とし、気室から加熱器に向かう流路を低温部として、高温部と低温部の間に熱交換器を設けて加熱器に流入する作動ガスを加熱することにより冷却器から本来外部に流出する熱量の一部を効率よく回収し、再利用できるために、熱効率を向上することができる熱回収装置付多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関を提案した（特許文献３）。

　また気室と作用体を分離することにより複数の作用体が一つの気室を共有できるため構造を簡易にすることができ、また作用体に対する作動ガスの流れは一方向であるため各作用体に対する開閉弁は２個、又は三方弁１個ですみ、作用体周りの構造を簡易にすることができ、特に多気筒の場合は弁の総数を少なくでき、また作用体の温度は一定となるため作用体の熱設計が容易になる外燃式クローズドサイクル熱機関を提案した（特許文献４）。

　しかしながら、上記従来の気室内から加熱器、又は冷却器を通じて循環する作動ガス移動手段は、原理的には等圧下で行われるためファンや送風機等としていたが、大容量の作動ガス移動流量を回転数に対し一定にすることが困難で、熱効率低下の一因となっていた。作動ガス移動流量が回転数に対し一定の大容量の作動ガスを移動する手段として、ルーツブロア等容積形の送風機を使用することができるが、高温・高圧環境下で使用するため容積形送風機側面の機密性や潤滑油による熱交換器に与える伝熱効率低下等の技術的課題を解決しなければならない問題があった。

特開２００６－２７５０１８号公報特願２００９－００８５７０号特願２００９－２１５１１５号特願２００９－２７７３２９号

　上述するような本発明者の先願発明に鑑み、本発明では、作動ガス移動手段を改良し、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、種々の条件下で設計、製作でき、簡易構造にして、より効率が高く、操作、維持容易な外燃式クローズドサイクル熱機関を提供することを課題とする。

　本発明の発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を有する発明を完成するに至った。
　請求項１の発明は、密閉された気室と加熱器及び冷却器を設け、該気室と該加熱器の入り口部及び出口部と導通する流路を設け、該気室と冷却器の入り口部及び出口部と導通する流路を設け、それぞれ入り口部側及び出口部側の流路に開閉弁を設け、更に、加熱器と導通する流路と該流路に開閉弁を設け、冷却器と導通する流路と該流路に開閉弁を設けて、加熱器と冷却器それぞれと導通する作用体を設けた外燃式クローズドサイクル熱機関であって、気室と冷却器間及び気室と加熱器間の開閉弁と連動するディスプレーサを少なくとも１個気室内に設けたことを特徴とするものである。ディスプレーサとは、前記気室内の作動ガスを移動させるピストンと定義する。

　請求項２の発明は、請求項１記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、開閉弁の流路が３分岐あり、１分岐から入り込む流体を、他の２分岐流路のいずれかを選択的に流路とする、又は２分岐流路のいずれかを選択し、他の１分岐を流路とする三方弁としたことを特徴とするものである。三方弁は全閉とする機能を含むものとする。

　請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、作用体が、ピストンであることを特徴とするものである。

　請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、作用体がタービン等であることを特徴とするものである。

　請求項５の発明は、請求項１～４のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、作用体を複数設け、加熱器及び冷却器を共有することを特徴とするものである。

　請求項６の発明は、請求項１～５のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、複数設けた作用体の駆動軸を共有することを特徴とするものである。

　請求項７の発明は、請求項１～３、５、又は６のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、複数設けたピストンのクランク室を共有したことを特徴とするものである。

　請求項８の発明は、請求項１～３、又は５～７のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、複数設けたピストンが、クランクシャフトを介して総和が３６０°、又はその倍数となる位相差をもって共有する駆動軸に連接することを特徴とするものである。

　請求項９の発明は、請求項１～８のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、加熱器入り口部側及び冷却器入り口部側の流路間、又は開閉弁を設けた流路に熱交換器を設けたことを特徴とするものである。

　請求項１０の発明は、請求項１～９のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、気室を加熱器と冷却器に並列して２個を１組として、１組又は複数組設けたことを特徴とするものである。

　請求項１１の発明は、請求項１～１０のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関であって、内部にディスプレーサを設けた気室に替えて内部にピストンを設けた気筒（シリンダー）の２個を１組として、１組又は複数組設け、該１組のピストンが１８０°の位相差とするクランク機構を設け、それぞれのシリンダーヘッドと加熱器及び冷却器と導通する流路を設け、該流路に開閉弁を設けたことを特徴とするものである。

　本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、本発明者の先願発明が流路に作動ガスの移動手段を設けたのに対し、気室と作動ガス移動手段を一体化させたので構造を更に簡易化でき、該作動ガス移動手段をディスプレーサ（ピストン）としたため気室内の作動ガスを確実に循環させ、更に過循環等を生じないために、安定的に熱量を回収し、再利用して熱効率を向上させ、高温・高圧環境下で潤滑に問題も無く運転することができる。
　ディスプレーサを用いて作動ガスの移動を行うことは従来のスターリングエンジンと同様であるが、従来のスターリングエンジンは、気室と加熱器及び冷却器が連結されているため、気室、加熱器及び冷却器内の作動ガスが同時に加圧、減圧されてエネルギーの損失が生じるのに対し、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、気室と加熱器及び冷却器が開閉弁により遮断されており、気室と冷却器、及び気室と加熱器間の開閉弁と連動させてディスプレーサが移動することにより、加熱器及び冷却器内の圧力は大きく変化することなく、下記する本発明者の先願発明の利点を保っている。
　即ち、気室加熱時、冷却器は開閉弁により加熱器から密閉分離されているので冷却器内の作動ガスは加圧されず、低温・低圧のままで、気室冷却時、加熱器は開閉弁により冷却器から密閉分離されているので加熱器内の作動ガスは減圧されず、高温・高圧のままで、温度・圧力の変化は気室内の作動ガスにのみ生じ、スターリングエンジンが従来生じさせていた加熱器、冷却器内の作動ガスを加圧、減圧するための無駄なエネルギー消費は加熱器、冷却器の大きさにかかわりなく生じない。

　従って、加熱器、冷却器を大きくすることが可能である。加熱器、冷却器を大きくできるため伝熱面積を大きくでき、温度差が小さくても十分な伝熱量が得られ、廃熱等の低温熱源も有効に利用できるとともに、加熱器の設計条件が緩やかになり、加熱器の材料、構造、工作等に関し、目的に合う最適なものを選択できる。作動ガスとして稀少なヘリウムを使う必要がなく、作動ガスは窒素、空気等でよい。
　また、気室加熱時、冷却器は開閉弁により加熱器から密閉分離されているので冷却器内の作動ガスを有効に冷却し続けることができ、気室冷却時、加熱器は開閉弁により冷却器から密閉分離されているので加熱器内の作動ガスを有効に加熱し続けることができ、加熱器、冷却器内を全期間有効に作用させることができるとともに、熱源、冷熱源の利用効率を高めることができる。このため加熱、冷却の効率が向上し、従来のスターリングエンジンに比し高いエンジン効率を得ることができる。

　また、作用体に対する作動ガスの流れは一方向であるため各作用体に対する開閉弁は２個、又は三方弁１個ですみ、作用体周りの構造を簡易にすることができ、特に、多気筒の場合は弁の総数を少なくできる。

　また、作用体を通過する作動ガスの流れが一方向（従来のスターリングエンジンの作動ガスの流れは、往復方向）であるので、ピストンの他、タービン、ローター（回転子）を使用できる。タービン形式に対しては、二酸化炭素、キセノン等の重比重のガスを使用することが可能で、発生圧力差を仕事量に効率よく変換することができると同時にタービンを小型化できる。

　また、流路を含めた加熱器、及び冷却器の容積が効率に影響しなくなるために、加熱器、冷却器及び気室と作用体間の流路を長くでき、加熱器、冷却器及び気室を作用体本体と離れて設置することができるため機器配置にも自由度が生じ、作用体本体の設置しにくい場所の既存廃熱源等も有効に利用でき、ひとつの加熱器と冷却器及び気室を複数の作用体が共有することができ、構造を簡易にすることができ、作用体の多用途化が図れる。

　また、複数の作用体を同一場所に設け、該作用体の駆動軸を共有することによって、装置のコンパクト化が図れると同時に大きな動力（出力）を得ることができ、複数設けたピストン（作用体）のクランク室を共有し、複数設けたピストンの位相差総和を３６０度、又は３６０度の倍数とすることにより、クランク室及びピストン裏側の体積を一定として背圧の変化を無くし、ピストン動作を円滑に行わせることができる。

　また、加熱器入り口側及び冷却器入り口部側の流路間、又は開閉弁を設けた流路に熱交換器を設けたので、冷却器に供給される加熱終了後の高温作動ガスにより、加熱器に供給される冷却終了後の低温作動ガスへ熱を移動するので、冷却器から本来外部に流出する熱量の一部を効率よく回収し、再利用できるために熱効率を高めることができる。

　また、気室を加熱器と冷却器に並列して２個を１組として、１組又は複数組設けたので、気室と加熱器間の循環、気室と冷却器間の循環が並行して行われ、加熱器及び冷却器は全サイクルを通じて作動しているため作動効率、及び熱効率を向上できるとともに、設置場所等の設計条件に応じ装置のコンパクト化が図れると同時に、大容量の作動ガスを移動することができる。

　また、内部にディスプレーサを設けた気室に替えて内部にピストンを設けた気筒（シリンダー）２個を設け、該ピストンを１８０°の位相差とするクランク機構を設け、それぞれのシリンダーヘッドと加熱器及び冷却器と導通する流路を設け、該流路に開閉弁を設けたので、気室即ち気筒高さを低くコンパクト化することができ、開閉弁をシリンダーヘッド同一端へ設置することができるため、構造を簡略化することができメンテナンスを容易にすることができる。

　上記のように、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、多くの効果を有するものである。

本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図本発明の異なる種類の作用体を用いた要部断面図本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図

１０　　加熱器
１１　　加熱器出口部
１２　　加熱器入り口部
１３、１４、１８、２３、２４、２８　　流路
１７　　出口部
１５、１６、１９、２５、２６、２９　　開閉弁
２０　　冷却器
２１　　冷却器入り口部
２２　　冷却器出口部
２７　　入り口部
３０　　気室
３１、３２　　気室の出入り口部
３３　　ディスプレーサ
３４　　貫通部
３５　　ディスプレーサロッド
３６　　ディスプレーサ上方空間
３７　　ディスプレーサ下方空間
４０　　作用体
４１　　ピストンシリンダー
４２　　ピストン
４３　　フライホイール
４４　　駆動軸
４５　　クランク
４６　　クランク室
４７　　出入り口部
４８　　ピストントップ
５０、５１、５２　　三方弁
５９　　タービン
６０　　往復流型タービン
６１　　上部気室
６２　　下部気室
６３　　回転軸
６４　　軸封装置
６５　　ローター（回転子）
６６　　ケーシング
７０、７１　　熱交換器
７５　　蓄熱器
７６、７７　　開閉弁
８０、８５　　シリンダー
８１、８６　　ピストン
８２、８７　　ピストンロッド
８３、８８　　出入り口
９０　　クランクシャフト

　以下、本発明を実施するための具体的な形態について、図１～７を参照しながら詳細に説明する。図１以降と共通する構成部品に同一符号を付与し、詳述を省略する。

　図１は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
　同図において、加熱器１０、冷却器２０、密閉された気室３０、作用体４０を設け、該気室３０の上部に設けた出入り口部３１及び下部に設けた出入り口部３２と該加熱器１０の出口部１１及び入り口部１２と導通する流路１３、１４をそれぞれ設け、該気室３０の出入り口部３１及び出入り口部３２と冷却器２０の入り口部２１及び出口部２２と導通する流路２３、２４をそれぞれ設け、それぞれの流路１３、１４、２３、２４に開閉弁１５、１６、２５、２６を設け、気室３０の内部へ作動ガスの移動手段であるディスプレーサ（ピストン）３３を設けている。

　該ディスプレーサ３３は、気室３０の上部又は下部に軸封装置を設けた貫通部３４が設けられ、ディスプレーサ３３と連接するディスプレーサロッド３５が貫通して気室３０の外部へ位置する。外部へ位置したディスプレーサロッド３５は、ディスプレーサ３３が気室３０内部で上下方向に前記開閉弁１５、１６、２５、２６と連動して駆動する駆動装置（図示せず）が設けられている。

　作用体４０は、公知のピストンシリンダー４１、該ピストンシリンダー４１内を上下に摺動するピストン４２、駆動軸４４に固設されたフライホイール４３、ピストン４２とフライホイール４３を連接するクランク４５、クランク室４６で構成されている。駆動軸４４は、クランク室４６外へ軸封装置（図示せず）を介して外部へ出力する。ピストンシリンダー４１トップへ作動ガスの出入り口部４７を設け、加熱器１０の出口部１７及び冷却器２０の入り口部２７と導通する流路１８、２８をそれぞれ設け、該流路１８、２８にそれぞれ開閉弁１９、２９が設けられている。作動ガスは、窒素ガス等が封入されている。

　上記作用について詳述する。
　図１で示す気室３０内の実線で示すディスプレーサ３３の位置は下死点にあり、開閉弁１５、１６、２５、２６は破線の位置で、加熱過程が終了した状態である。
　即ち、冷却器２０の入り口部２１側及び出口部２２側の開閉弁２５、２６を破線で示すように閉として冷却器２０を気室３０及び加熱器１０から密閉分離し、加熱器１０の入り口部１２側及び出口部１１側の開閉弁１６、１５を破線で示すように開とし、ディスプレーサ３３は下死点の位置で加熱過程が終了した状態において、加熱器１０の入り口部１２側及び出口部１１側の開閉弁１６、１５を実線で示すように閉とし、加熱器１０を冷却器２０及び気室３０から密閉分離し、冷却器２０の入り口部２１側及び出口部２２側の開閉弁２５、２６を実線で示すように開とすればディスプレーサ３３上下の圧力は等しくなり、該ディスプレーサ３３を上方に移動すれば、ディスプレーサ３３上方空間３６（図１の気室３０中央部に位置する破線ディスプレーサ３３上部側）の作動ガスは、実線矢印で示すように開閉弁２５→流路２３→冷却器２０の経路により冷却器２０内に移動し冷却され、冷却器２０内の作動ガスは、流路２４→開閉弁２６の経路によりディスプレーサ３３下方空間３７（図１の気室３０中央部に位置する破線ディスプレーサ３３下部側）に移動し、冷却過程を行い、気室３０最上部の破線で示すディスプレーサ３３は上死点に至り冷却過程を終了する。

　ディスプレーサ３３は、図１の気室３０最上部の破線で示す上死点の位置に至るまで移動した後、冷却過程を終了する。
　次に開閉弁２５、２６を破線で示す閉とし、開閉弁１５、１６を破線で示す開とすれば、ディスプレーサ上下の圧力は等しくなり、該ディスプレーサを下方に移動すれば、ディスプレーサ３３下方空間３７（図１の気室３０中央部に位置する破線ディスプレーサ３３下部側）の作動ガスは、破線矢印で示すように開閉弁１６→流路１４→加熱器１０の経路により加熱器１０内に移動し加熱され、加熱器１０内の作動ガスは、流路１３→開閉弁１５の経路によりディスプレーサ３３上方空間３６に移動し、加熱過程を行い、ディスプレーサ３３は下死点に至り加熱過程を終了する。

　上記過程において、冷却器２０はｍHのガス量を取り込みｍLのガス量を放出する。従ってｍL＞ｍHであれば冷却器２０内のガス量は減少し圧力は低下する。一方、加熱器１０はｍHのガス量を放出し、ｍLのガス量を取り込む。従って加熱器１０内のガス量は増加し圧力は上昇する。この過程において、サイクルあたり「ｍL－ｍH」のガス量が冷却器２０から加熱器１０に移動する。この過程はｍL＝ｍHとなった時点で平衡に達するが、ボイル・シャルルの法則によれば平衡条件は「加熱器１０内圧力／冷却器２０内圧力＝加熱内温度／冷却内温度」である。即ち「加熱内温度／冷却内温度」で規定される、平衡条件以下の「加熱器１０内圧力／冷却器２０内圧力」の比以下であれば上記サイクルにより冷却器２０内のガスは加熱器１０に移動し続ける。

　一方、加熱器１０の出口部１７と作用体４０の出入り口部４７と導通する流路１８に設けた開閉弁１９を実線で示すように閉とし、冷却器２０の入り口部２７と作用体４０の出入り口部４７と導通する流路２８に設けた開閉弁２９を実線で示すように開とすれば、シリンダー４１は冷却器２０と導通されて低温・低圧になりピストン４２は上昇する。尚、図中ピストン４２は、上死点に位置している。

　また、冷却器２０の入り口部２７と作用体４０の出入り口部４７と導通する流路２８に設けた開閉弁２９を破線で示すように閉とし、加熱器１０の出口部１７と作用体４０の出入り口部４７と導通する流路１８に設けた開閉弁１９を破線で示すように開とすれば、シリンダー４１は、加熱器１０と導通されて高温・高圧になりピストン４２は下降する。
　この過程において、ピストン４２を介し、「ｍP」のガス量が加熱器１０から冷却器２０に移動する。従って、「ｍP＝ｍL－ｍH」、即ち気室３０を介した冷却器２０から加熱器１０への作動ガス量が、ピストンシリンダー４１を介した加熱器１０から冷却器２０への移動に等しい圧力差で、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は作動する。

　上記加熱過程において開閉弁２５、２６を破線で示す閉とし、開閉弁１５、１６を破線で示す開とすれば、ディスプレーサ３３上下の圧力は等しくなり、ディスプレーサ３３を下方に移動すれば、ディスプレーサ３３下方空間３７（図１の気室３０中央部に位置する破線ディスプレーサ３３下部側）の作動ガスは、破線矢印で示すように開閉弁１６→流路１４→加熱器１０の経路により加熱器１０内に移動し加熱され、加熱器１０内の作動ガスは、流路１３→開閉弁１５の経路によりディスプレーサ３３上方空間３６に移動し、加熱過程を行い、ディスプレーサ３３は下死点に至り加熱過程を終了するが、ディスプレーサ３３が下死点に至る以前に開閉弁１５を実線で示す閉とすれば、ディスプレーサ３３上方空間３６の作動ガスは加熱過程を終了するまで断熱過程となる。
　また、冷却器２０の入り口部２７と作用体４０の出入り口部４７と導通する流路２８に設けた開閉弁２９を破線で示すように閉とし、加熱器１０の出口部１７と作用体４０の出入り口部４７と導通する流路１８に設けた開閉弁１９を破線で示すように開とすれば、シリンダー４１は、加熱器１０と導通されて高温・高圧になりピストン４２は下降するが、ピストン４２が下死点に至る以前に開閉弁１９を実線で示す閉とすれば、シリンダー４１内の作動ガスはピストン４２が下死点に至るまで断熱過程となる。この結果、出力は低下するが、加熱器１０から冷却器２０に移動する高温作動ガス量、即ち消費熱量も減少し、開閉弁２９及び開閉弁１９を閉とするタイミング時期を選ぶことにより熱効率を向上することができる。

　周知の如く内燃式エンジン（内燃式熱機関）は、シリンダー内で霧化したガソリン等に点火爆発させて高圧を発生し、ピストンの上下駆動をさせて動力を発生させているが、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は、気室３０を介しての熱力学サイクル過程において、加熱器１０は自動的に高圧になり、冷却器２０は自動的に低圧になることを特徴とするものである。

　図２は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
　同図において、５０、５１、５２は、流路が３分岐あり、１分岐から入り込む流体を、他の２分岐流路のいずれかを選択的に流路とする（２分岐流路のいずれも選択しないことも含む（後述））、又は２分岐流路のいずれかを選択し（２分岐流路のいずれも選択しないことも含む（後述））、他の１分岐を流路とする三方弁である。即ち、図１における開閉弁１５と２５を三方弁５０に置き換え、開閉弁１６と２６を三方弁５１に置き換え、開閉弁１９と２９を三方弁５２に置き換え、これに従って配管を変更したものである。
　尚、上記括弧内意味は、図１の開閉弁１５と２５、開閉弁１６と２６、開閉弁１９と２９が、それぞれ同時に開又は閉となる状態に作用させることができることに呼応するものである。例えば、作用体４０への作動ガス導通を、加熱器１０と冷却器２０から一時的に遮断する場合や、加熱器１０と冷却器２０から気室３０への作動ガス導通を一時的に遮断する場合等である。即ち、上記三方弁５０、５１、５２は、図１の開閉弁１５と２５、１６と２６、１９と２９と等機能を有するものである。

　上記図２の作用について詳述する。
　図２で示す気室３０内の実線で示すディスプレーサ３３の位置は下死点にあり、三方弁５０、５１は破線の位置で、加熱過程が終了した状態である。
　即ち、三方弁５０、５１を破線で示す位置として、冷却器２０を気室３０及び加熱器１０から密閉分離し、ディスプレーサ３３は下死点の位置で加熱過程が終了した状態において、三方弁５０、５１を実線で示す位置とし、加熱器１０を冷却器２０及び気室３０から密閉分離すればディスプレーサ３３上下の圧力は等しくなり、該ディスプレーサ３３を上方に移動すれば、ディスプレーサ３３上方空間３６の作動ガスは、実線矢印で示すように三方弁５０→流路２３→冷却器２０の経路により冷却器２０内に移動し冷却され、冷却器２０内の作動ガスは、流路２４→三方弁５１の経路によりディスプレーサ３３下方空間３７に移動し、冷却過程を行う。

　ディスプレーサ３３は、図２の気室３０最上部の破線で示す上死点の位置に至るまで移動した後、冷却過程を終了する。次に三方弁５０、５１を破線で示す位置とすれば、ディスプレーサ上下の圧力は等しくなり、該ディスプレーサを下方に移動すれば、ディスプレーサ３３下方空間３７の作動ガスは、破線矢印で示すように三方弁５１→流路１４→加熱器１０の経路により加熱器１０内に移動し加熱され、加熱器１０内の作動ガスは、流路１３→三方弁５０の経路によりディスプレーサ３３上方空間３６に移動し、加熱過程を行い、ディスプレーサ３３は下死点に至り加熱過程を終了する。

　一方、三方弁５２を実線の位置とすれば、シリンダー４１は冷却器２０と導通されて低温・低圧になりピストン４２は上昇する。尚、図中ピストン４２は、下死点に位置しており加熱器１０の加熱過程終了状態にある。また、三方弁５２を破線の位置とすれば、シリンダー４１は、加熱器１０と導通されて高温・高圧になりピストン４２は下降する。
　この過程において、ピストン４２を介し、ガス量が加熱器１０から冷却器２０に移動する。従って、気室３０を介した冷却器２０から加熱器１０への作動ガス量が、ピストン４２を介した加熱器１０から冷却器２０への移動に等しい圧力差で、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関は作動する。
　上記作用は、図１で詳述した作用と等価で、機能も等価であり、構造を簡略化することができ、故障等を少なくすることができる。

　図３は、本発明の異なる種類の作用体を用いた要部断面図である。
　図３（ａ）は、作用体４０を図１におけるピストン４２に替えて往復流型タービン６０とし、高圧の加熱器１０と低圧の冷却器２０間に生じる作動ガス流が、三方弁５２の切り替えにより上部気室６１と下部気室６２を移動することで回転トルクを発生させ、軸封装置６４を介して回転軸６３を外部に出し、回転動力を得るように構成したものである。
　図３（ｂ）は、作用体４０をタービン５９とし、高圧の加熱器１０と低圧の冷却器２０間に生じる作動ガス流により回転トルクを発生させ、軸封装置６４を介して回転軸６３を外部に出し、回転動力を得るように構成したものである。作動ガス流の流れ方向は、一方向の定常流であるため加熱器１０→流路１８→タービン５９→流路２８→冷却器２０間の作動ガス流路には開閉弁を必要としない。また、本エンジンでは発生圧力差が大きい反面、ガス流量が少ないため特殊なタービンが必要になるが、重比重ガスの使用により発生圧力差を運動量に効率よく変換することができる。
　図３（ｃ）は、作用体４０として２個のローター（回転子）６５をケーシング６６内に設け、高圧の加熱器１０と低圧の冷却器２０間に生じる作動ガス流により回転トルクを発生させ、軸封装置（図示せず）を介して回転軸（図示せず）をケーシング６６外部に出し、回転動力を得るように構成したものである。

　図４及び図５は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
　図４は、図１の作用体４０を流路１８と２８に並列に２台設けたもので、複数の作用体４０を設け、一台の加熱器１０及び冷却器２０を共有する構成である。
　上部側の作用体４０（１）のピストン４２は下死点に位置し、下部側の作用体４０（２）のピストン４２は上死点に位置し、ピストントップ４８が上下死点中間の位置になるように、駆動軸４４を共有している。更に作用体４０の数を増加させた多気筒とする場合は各ピストンの位相差が同じで、該位相差の総和を３６０度、又は３６０度の倍数とすれば、スムーズに稼動させることができる。
　尚、気筒は偶数でなくてもピストンシリンダー４１容積を勘案すれば奇数でもよい。
　図５は、図４の実施例に加えて、気室３０を流路１３、１４と２３、２４に並列に２台設け、一台の加熱器１０及び冷却器２０を共有する構成である。
　作用体４０の駆動軸４４とクランク室４６を複数の作用体４０で共有しているため駆動軸４４は大きな動力を得ることができ、作用体４０を複数台の群に分けて複数の動力を得ることもできる。

　また、クランク室４６を複数の作用体４０が共有し、ピストン４２の位相差の総和を３６０度又は３６０度の倍数とすることにより、ピストンシリンダー４１のピストン下部、及びクランク室４６の容積の総和を一定とすることができ、ピストン４２の背圧が定常となるためピストン４２の作動を円滑にすることができる。
　ピストンシリンダー４１（１）と４１（２）のいずれかが上昇過程にあるため流路２８にはピストンシリンダー４１から冷却器２０に向かう高温作動ガスが常時流れる。
　気室３０（１）内のディスプレーサ３３（１）と気室３０（２）内のディスプレーサ３３（２）の位相差を１８０度とすることにより、気室３０（１）又は気室３０（２）のいずれかが必ず加熱過程にあり、他は冷却過程にある。従って気室３０を介した冷却器２０から加熱器１０への作動ガスの移動が連続して行われるので、加熱器１０及び冷却器２０は全サイクルを通じて作動するため作動効率、及び熱効率を向上できるとともに、冷却器２０内及び加熱器１０内の圧力変動が少なくなる。

　気室３０内のディスプレーサ３３は、ディスプレーサクランク室（図示せず）内に設けられたディスプレーサクランク（図示せず）、ディスプレーサ駆動軸（図示せず）等のディスプレーサクランク機構により駆動されており、ディスプレーサ駆動軸はピストン４２の駆動軸４４に直結されている。このため気室３０とピストンシリンダー４１、クランク室４６、及びディスプレーサクランク室を一体構造として構成できるので、別動力源、又は動力伝達装置を必要とせずコンパクトな構造とすることができる。
　また、ディスプレーサ３３をピストン４２と同一サイクル数で駆動する必要はなく、ディスプレーサ３３を別動力源、又は増速装置を介して高サイクル数で駆動すれば気室３０を小型化することが可能である。

　図６は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
　図６（ａ）は、図５の流路２３へ高温部である熱交換器７０を設け、流路１４へ低温部である熱交換器７１を設け、同図では分離設置に見えるが、一体構成で形成されて熱回収装置としたものである。
　本実施例では２気室であるため気室３０（１）又は気室３０（２）のいずれかが必ず加熱過程にあり、他は冷却過程にある。従って流路２３には冷却過程の時、ディスプレーサ上方空間３６の加熱過程を終了した加熱された高温作動ガスが常時通過し、流路１４には加熱過程の時、ディスプレーサ３３によりディスプレーサ下方空間３７の冷却過程を終了した冷却された低温作動ガスが常時通過している。従って流路１４、及び流路２３にまたがる熱交換器７１、７０により、流路２３に流れる高温作動ガスにより流路１４に流れる低温作動ガスを加熱し、加熱過程の一部とすることにより熱回収を行うものである。
　本方式は気体間の伝熱を利用したもので、伝熱効率が悪く、大型化する必要があり、また複数の気室が必要である。

　図６（ｂ）は、図１に図６（ｂ）破線で囲む蓄熱器７５と開閉弁７６，７７を付加したものである。即ち、図１に示す開閉弁２５と導通する流路２３へ蓄熱器７５、開閉弁７７、流路２３、冷却器入り口部２１の流路と、開閉弁２５と導通する流路２３へ開閉弁７６、流路１４、加熱器入り口部１２の流路を構成し、また、図１に示す開閉弁１６と導通する流路１４へ蓄熱器７５、開閉弁７６、流路１４、加熱器入り口部１２の流路を構成したものである。
　冷却過程の時は開閉弁の切り替えにより、ディスプレーサ上方空間３６の加熱過程を終了した加熱された高温作動ガスは、図中実線矢印で示すディスプレーサ上方空間３６→開閉弁２５→流路２３→蓄熱器７５→開閉弁７７→流路２３→冷却器入り口部２１の流れで蓄熱器７５を加熱する。加熱過程の時は弁の切り替えにより、ディスプレーサ下方空間３７の冷却過程を終了した冷却された低温作動ガスは、図中破線矢印で示すディスプレーサ下方空間３７→開閉弁１６→流路１４→蓄熱器７５→開閉弁７６→流路１４→加熱器入り口部１２の流れで、加熱器１０に入る前に蓄熱器７５により加熱される。本方式は気体と蓄熱材間の伝熱を利用したもので、伝熱効率が高く、一個の気室にも応用できる。

　図７は、本発明の外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
　同図は、図１の内部にディスプレーサ３３を設けた気室３０に替えて内部にピストン８１、８６を設けたシリンダー８０、８５の２個を使用し、各シリンダートップにはそれぞれ作動ガスの出入り口８３、８８が設けられ、ピストンロッド８２、８７を介してピストン８１、８６を１８０°の位相をもってクランクシャフト９０で連動する構成としたものである。図１の内部にディスプレーサ３３を設けた気室３０と同等の作用を行わせるものである。

　同図の開閉弁及び加熱器、冷却器に対する流路を含む気室Ａは、図１のディスプレーサ３３を設けた気室３０のディスプレーサ３３及び開閉弁１６、２６、加熱器１０、冷却器２０に対する流路１４、２４を含む下部に相当し、開閉弁及び加熱器、冷却器に対する流路を含む気室Ｂは、図１のディスプレーサ３３を設けた気室３０のディスプレーサ３３及び開閉弁１５、２５、加熱器１０、冷却器２０に対する流路１３、２３を含む上部に相当する。気室Ａ及び気室Ｂは、ピストン８１、８６を１８０°の位相をもって移動させることにより、図１のディスプレーサ３３を設けた気室３０と同等に作動ガスの移動を行う。従って、本発明の作用は、ディスプレーサ３３を設けた気室３０と同等であるが、気室３０の高さ寸法を小さくできること、また開閉弁１５、２５、１６、２６を気室３０の同一端に設置できるため構造を簡略化できる利点がある。

　また、加熱過程の始まりにおいて、気室Ｂのピストン８１が上死点にあり、気室Ａのピストン８６が下死点にあり、気室Ａに低温・低圧の作動ガスが充満している状態において、気室Ａの加熱器１０側及び冷却器２０側の開閉弁を閉とし、気室Ｂの冷却器２０側の開閉弁を閉とし加熱器１０側の開閉弁を開とすれば、気室Ｂのピストン８１には加熱器１０内の高圧が加わり、気室Ａのピストン８６には低圧が加わっているので、気室Ｂのピストン８１に加わる力は、気室Ａのピストン８６に加わる力より大きく、動力が発生する。

　気室Ａのピストン８６が上昇するに従って、気室Ａ内の作動ガスは高圧になる。気室Ａ内の作動ガス圧が、加熱器１０内の圧力と等しくなった時点で、気室Ａの加熱器１０側の開閉弁を開とすれば、気室Ｂのピストン８１に加わる力は、気室Ａのピストン８６に加わる力と等しくなる。サイクルの他の部分でも気室Ｂのピストン８１に加わる力は、気室Ａのピストン８６に加わる力とバランスしており、ピストン８１、８６の駆動に動力を要しない。
　従って図７の方式によれば、作動ガスの循環のみならず動力を発生できる利点がある。

Claims

　密閉された気室と加熱器及び冷却器を設け、該気室と該加熱器の入り口部及び出口部と導通する流路を設け、該気室と冷却器の入り口部及び出口部と導通する流路を設け、それぞれ入り口部側及び出口部側の流路に開閉弁を設け、更に、加熱器と導通する流路と該流路に開閉弁を設け、冷却器と導通する流路と該流路に開閉弁を設けて、加熱器と冷却器それぞれと導通する作用体を設けた外燃式クローズドサイクル熱機関であって、気室と冷却器間及び気室と加熱器間の開閉弁と連動するディスプレーサを少なくとも１個気室内に設けたことを特徴とする外燃式クローズドサイクル熱機関。
　開閉弁の流路が３分岐あり、１分岐から入り込む流体を、他の２分岐流路のいずれかを選択的に流路とする、又は２分岐流路のいずれかを選択し、他の１分岐を流路とする三方弁としたことを特徴とする請求項１記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　作用体が、ピストンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　作用体が、タービン等であることを特徴とする請求項１又は２に記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　作用体を複数設け、加熱器及び冷却器を共有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　複数設けた作用体の駆動軸を共有することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　複数設けたピストンのクランク室を共有したことを特徴とする請求項１～３、５、又は６のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　複数設けたピストンが、クランクシャフトを介して総和が３６０度又は３６０度の倍数となる位相差をもって共有する駆動軸に連接することを特徴とする請求項１～３、又は５～７のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　加熱器入り口部側及び冷却器入り口部側の流路間、又は開閉弁を設けた流路に熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　気室を加熱器と冷却器に並列して２個を１組として、１組又は複数組設けたことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。
　内部にディスプレーサを設けた気室に替えて内部にピストンを設けた気筒（シリンダー）の２個を１組として、１組又は複数組設け、該１組のピストンが１８０°の位相差とするクランク機構を設け、それぞれのシリンダーヘッドと加熱器及び冷却器と導通する流路を設け、該流路に開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の外燃式クローズドサイクル熱機関。