(57)【要約】【課題】  本発明は、いわゆるランキンサイクルを応用した外燃機関において、熱エネルギーの増減と必要とする動力エネルギーの関係を任意に制御することを可能とし、更に臨界状態を超える超音速領域においても熱エネルギーの動力エネルギーへの変換効率を大幅に高めることを可能とした外燃機関の動力機構を提供するものである。【解決手段】  受熱部側に連通する第１の空間部と、放熱部に連通する第２の空間部とを隔壁で仕切り、該隔壁を連通する流路を設け、該流路内に外部から電磁制御可能とした開閉弁を設け、中空の回転軸から中空腕への流路を選択的に開閉することが出来るピストンを設け、中空腕の先端に設けたノズルの外周側に円周方向に延びた壁面を設け、中空腕を回転方向の後方に傾けた外燃機関の動力機構。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相と液相が共存する状態で熱媒体を充填した循環流路内に受熱部と放熱部と動力機構部と循環ポンプ部を設け、動力機構部内において受熱部側に連通する流路から流入する気相媒体を受容する第１の空間部と、放熱部に連通する流路を有する第２の空間部とを設け、該第１の空間部と第２の空間部とを隔壁で仕切り、該第１の空間部内に開口部を有する中空の回転軸を設ける。  該中空の回転軸は前記第1の空間部と第２の空間部との間の隔壁を貫通し、前記第２の空間内で前記中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕の先端に気相熱媒体を該中空腕の回転円周方向に向けて噴出すべきノズルを形成している。  受熱部で加熱されて気化した気相媒体を第２の空間部内に噴出せしめ、放熱部に連通する流路を介して放熱部に流入せしめて、放熱部内で冷却されて液化した液相熱媒体を前記中空の回転軸の回転力によって駆動する循環ポンプを通って受熱部側に移送するごとく構成し、前記第１の空間部と前記第２の空間部を連通する流路を設け、該流路内に外部から電磁制御可能とした開閉弁を設けたことを特徴とする外燃機関の動力機構。
【請求項２】
中空の回転軸に半径方向に伸びた複数の中空腕を固着し、該中空の回転軸内に凹部を設けた軸方向に移動し得るピストンを設け、該ピストンの軸方向の位置によって中空の回転軸から中空腕への流路を選択的に開閉することが出来るごとくなした請求項１記載の外燃機関の動力機構。
【請求項３】
動力機構部内において中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕の先端に気相熱媒体を該中空腕の回転円周方向に向けて噴出すべきノズルを形成して、該ノズルの外周側に円周方向に延びた壁面を設けたことを特徴とする請求項１記載の外燃機関の動力機構。
【請求項４】
動力機構部内において中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕を回転方向の後方に傾けたことを特徴とする請求項１記載の外燃機関の動力機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機関内部での燃焼を行なわず、外部から供給される熱エネルギーによって動くと言う意味で、いわゆる外燃機関に類するものの一種である。  熱媒体への外部からの熱量の授受により液体と気体とに変化することを利用することで、気相状態における大きな体積から生じる流動エネルギーによってタービンを駆動し、冷却されて液相状態となり体積が小さくなった熱媒体をポンプで循環する方式のいわゆるランキンサイクルを応用した外燃機関に関するものである。  該外燃機関において、熱エネルギーの増減と必要とする動力エネルギーの関係を任意に制御することを可能とし、更に臨界状態を超える超音速領域においても熱エネルギーの動力エネルギーへの変換効率を大幅に高めることを可能とした外燃機関の動力機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで、外燃機関としてはその熱効率を向上させることが第１の目的であり、入力としての熱エネルギーの増減に対する出力としての動力エネルギーの増減を制御することはあまり検討されてこなかった。  従って、出力エネルギーに関しては特に制御せずに電力として蓄電池に蓄えるごとき方式を選択してきた。  
しかし、一般に排熱又は太陽熱を利用する装置においては、受熱エネルギーは外部条件に依存して決定される場合が多い。  従って、受熱エネルギーが充分に多くこれを電力に変換せずに熱源として温水の量を増加したい場合もあるが、逆に受熱エネルギーが少ない場合には動力機構部の効率が低下してしまう場合もある。  受熱エネルギーの増減によって動力機構部の効率が変化し、最適状態での運転には適していない状態を強いられることが多く、受熱エネルギー増減の広い範囲で臨界状態を超える超音速領域においても高速でまた効率良く運転できる動力機構が望まれているが現状ではこのような状況への対応が困難である。  
【０００３】
このような状態における対策として本出願人の特許がある。
【特許文献１】特許第４１６１９７８号  しかしこれは、受熱部側での対策であるが動力機構部での対策ではないので、受熱量を有効に生かして出力を向上させることは出来るが、負荷状態に応じた動力機構の制御については限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記背景の下に成立したものであり、動力機構部内での出力制御及び向上に関するものであり、制御の自由度を高め停止状態までを含めて安全な制御を可能にし、更に効率の高い状態での運転範囲を広げるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の手段は、気相と液相が共存する状態で熱媒体を充填した循環流路内に受熱部と放熱部と動力機構部と循環ポンプ部を設け、動力機構部内において受熱部側に連通する流路から流入する気相媒体を受容する第１の空間部と、放熱部に連通する流路を有する第２の空間部とを設け、該第１の空間部と第２の空間部とを隔壁で仕切り、該第１の空間部内に開口部を有する中空の回転軸を設ける。  該中空の回転軸は前記第1の空間部と第２の空間部との間の隔壁を貫通し、前記第２の空間内で前記中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕の先端に気相熱媒体を該中空腕の回転円周方向に向けて噴出すべきノズルを形成している。  受熱部で加熱されて気化した気相媒体を第２の空間部内に噴出せしめ、放熱部に連通する流路を介して放熱部に流入せしめて、放熱部内で冷却されて液化した液相熱媒体を前記中空の回転軸の回転力によって駆動する循環ポンプを通って受熱部側に移送するごとく構成し、前記第１の空間部と前記第２の空間部を連通する流路を設け、該流路内に外部から電磁制御可能とした開閉弁を設けたことを特徴とする外燃機関の動力機構を提供するものである。
【０００６】
本発明の第２の手段は、中空の回転軸に半径方向に伸びた複数の中空腕を固着し、該中空の回転軸内に凹部を設けた軸方向に移動し得るピストンを設け、該ピストンの軸方向の位置によって中空の回転軸から中空腕への流路を選択的に開閉することが出来るごとくなした上記の外燃機関の動力機構を提供するものである。
【０００７】
本発明の第３の手段は、動力機構部内において中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕の先端に気相熱媒体を該中空腕の回転円周方向に向けて噴出すべきノズルを形成して、該ノズルの外周側に円周方向に延びた壁面を設けたことを特徴とする上記の外燃機関の動力機構を提供するものである。
【０００８】
本発明の第４の手段は、動力機構部内において中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕を回転方向の後方に傾けたことを特徴とする上記の外燃機関の動力機構を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の外燃機関の動力機構は、熱媒体への外部からの熱量の授受により温度上昇なしに液体と気体とに変化することを利用することで、気相状態における大きな体積から生じる流動エネルギーによってタービンを駆動し、液相状態で小さくなった熱媒体をポンプで循環する方式のいわゆるランキンサイクルを応用した外燃機関において、主に動力機構部の改良によって、受熱エネルギーが充分に多くこれを電力に変換せずに熱源として温水の量を増加したい場合にも対応できる。
【００１０】
逆に受熱エネルギーが少ない場合など、最適状態での運転には適していない状態を強いられる場合でも、動力機構部の効率が大きく変化せず、受熱エネルギー増減の広い範囲で効率良く運転することができるものである。
【００１１】
更に、本発明の外燃機関の動力機構は、臨界状態を超える超音速領域においても受熱エネルギーを効率良く動力に変換できるものである。
【００１２】
更にまた、本発明の外燃機関の動力機構は、中空腕が音速を超える回転周速度においても受熱エネルギーを効率良く動力に変換できるものである。
【００１３】
以上の説明で明らかなごとく、本発明の外燃機関の動力機構は、電磁制御可能とした開閉弁を設けたことにより、外部からの受熱エネルギーをタービン出力ゼロの状態まで含めて安全に温水加熱用として切り替えることを極めて容易に可能とすることが出来るものである。  一方噴出口の数を切り替えることで外部からの受熱エネルギーの広い範囲で、負荷変動にも対応してタービン出力を極めて高い状態で制御することを可能にするものであり、更にノズルの外周側に円周方向に延びた壁面を設けたことにより臨界状態を超える超音速領域においても受熱エネルギーを効率良く動力に変換できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の構造は、気相と液相が共存する状態で熱媒体を充填した循環流路内に受熱部と放熱部と動力機構部と循環ポンプ部を設け、動力機構部内において受熱部側に連通する流路から流入する気相媒体を受容する第１の空間部と、放熱部に連通する流路を有する第２の空間部とを設け、該第１の空間部と第２の空間部とを隔壁で仕切り、該第１の空間部内に開口部を有する中空の回転軸を設ける。  該中空の回転軸は前記第1の空間部と第２の空間部との間の隔壁を貫通し、前記第２の空間内で前記中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕の先端に気相熱媒体を該中空腕の回転円周方向に向けて噴出すべきノズルを形成している。  受熱部で加熱されて気化した気相媒体を第２の空間部内に噴出せしめ、放熱部に連通する流路を介して放熱部に流入せしめて、放熱部内で冷却されて液化した液相熱媒体を前記中空の回転軸の回転力によって駆動する循環ポンプを通って受熱部側に移送するごとく構成し、前記第１の空間部と前記第２の空間部を連通する流路を設け、該流路内に外部から電磁制御可能とした開閉弁を設けたごとく構成したものである。
【００１５】
また、中空の回転軸に半径方向に伸びた複数の中空腕を固着し、該中空の回転軸内に凹部を設けた軸方向に移動し得るピストンを設け、該ピストンの軸方向の位置によって中空の回転軸から中空腕への流路を選択的に開閉することが出来るごとくなした上記の外燃機関の動力機構である。
【００１６】
更に、上記の外燃機関の動力機構部内において中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕の先端に気相熱媒体を該中空腕の回転円周方向に向けて噴出すべきノズルを形成して、該ノズルの外周側に円周方向に延びた壁面を設けたことを特徴とする上記の外燃機関の動力機構である。
【００１７】
更にまた、動力機構部内において中空の回転軸から半径方向に伸びるごとく形成した中空腕を固着して設け、該中空腕を回転方向の後方に傾けたことを特徴とする上記の外燃機関の動力機構を提供するものである。
【実施例１】
【００１８】
以下図について本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態の構造を示す模式構成図であり、図２は本発明における動力機構部の一実施例の部分側断面図、図３は本発明における動力機構部の一実施例の部分上断面図である。
図１、図２及び図３において、気相熱媒体１と液相熱媒体２が共存する状態で熱媒体を充填した循環流路内に受熱部３と放熱部４と動力機構部５と循環ポンプ部６を設け、動力機構部５内において受熱部３側に連通する流路７から流入する気相媒体１を受容する第１の空間部８と、放熱部４に連通する流路９を有する第２の空間部１０とを設け、該第１の空間部８と第２の空間部１０とを隔壁１１で仕切り、該第１の空間部８内に開口部１２を有する中空の回転軸１３を設ける。  該中空の回転軸１３は前記第1の空間部８と第２の空間部１０との間の隔壁１１を貫通し、前記第２の空間部１０内で前記中空の回転軸１３から半径方向に伸びるごとく形成し、航空機の翼型断面を有する中空腕１４を固着して設け、該中空腕１４の先端に気相熱媒体１を該中空腕１４の回転円周方向に向けて噴出すべきノズル１５を形成している。  更に第１の空間部８と第２の空間部１０には両者を連通する流路１６を設け、該流路１６内に開閉弁１７を設けたものである。  開閉弁１７にはマグネット１８が固着され動力機構部５の外部に設けられたコイル１９の電流を制御することによって流路１６の開度を制御することが出来る。
【００１９】
上記構造の外燃機関の動力機構においてその作用を説明する。  通常運転の場合には開閉弁１７は閉じた状態になっており、この状態はコイル１９には無通電の状態で第１の空間部８が第２の空間部１０よりも圧力が高いことによって保たれている。  冬季などに電力を暖房などの熱エネルギーとして使用する場合には発電装置によって電力に変換する必要はなく、直接水を温めて温水とする方が有効である。  このような場合にはコイル１９に通電して開閉弁１７を開き、流路１６を通して気相熱媒体１を第１の空間部８から第２の空間部１０に流出させる。  第２の空間部１０に流れ込んだ気相熱媒体１は流路９を通って放熱部４で放熱して液相熱媒体２となる。  その潜熱で冷却用の水を温めて温水とする。  この間に動力機構部５は機能していないが流路７や流路９を発電状態と給湯状態で共用することが出来る他開閉弁１７の動作のみで瞬時に動作状態を切り替えることが出来る。  開閉弁１７が開いているときは空間部８と空間部１０との圧力差は少ないので開閉弁１７を開いている為に必要なコイル１９の電流はわずかなものでよい。
【実施例２】
【００２０】
図４は本発明の外燃機関の動力機構の部分断面斜視図で図５は本発明の外燃機関の動力機構の部分側断面図である。
図４、図５において動力機構部５内の中空の回転軸１３に半径方向に伸び航空機の翼型断面を有する複数の中空腕１４を固着し、該中空の回転軸１３内に凹部２０、２０’、２０”を設けた軸方向に移動し得るピストン２１を設け、該ピストン２１の軸方向の位置によって中空の回転軸１３から中空腕１４への流路を選択的に開閉することが出来るごとくなしたものである。  ピストン２１にはマグネット２２が設けられ動力機構部５の外部に設けられた複数のコイル２３、２３’、２３”に選択的に通電することによってマグネット２２に働く吸引力によってピストン２１の位置を移動し、凹部２０、２０’、２０”と複数の中空腕１４との流路を選択的に開閉出来るごとくなしている。
【００２１】
上記構造の外燃機関の動力機構においてその作用を説明する。  受熱部３からの熱エネルギーが通常の場合、ピストン２０はＡ点の位置にあり、この場合凹部１９は中空腕１４うち１個に連通している。  従って、該１個の中空腕１４の先端にあるノズル１５から気相熱媒体が噴出される。  受熱部３からの熱エネルギーが増加した場合、コイル２２’に通電することによってピストン２０はＢ点の位置にあり、凹部１９及び１９’が夫々の対応する中空腕１４への流路に連通する。  従って、該２個の中空腕１４の先端にあるノズル１５から気相熱媒体が噴出される。  更に受熱部３からの熱エネルギーが増加した場合、コイル２２”に通電することによってピストン２０はＣ点の位置にあり、凹部１９、１９’及び１９”が夫々の対応する中空腕１４への流路に連通する。  従って、該３個の中空腕１４の先端にあるノズル１５から気相熱媒体が噴出される。  ３個のノズルの噴出し断面積は異なっていても良い。  熱エネルギーの増加量によって発生する気相熱媒体１の量は増加するので噴出するノズル１５の数が増加することで最適な圧力範囲を保ちながら噴出する気相熱媒体１の量を増減することが出来る。  仮に前述の１個のノズル１５のみからの噴出で良好な量の熱媒体を３個のノズル１５から噴出させると噴出速度は１／３となり、その２乗に比例する動圧で発生する推力は１／９となる。  ３個のノズル１５で発生する推力を加算しても１／３となり大幅な効率ダウンとなってしまう。  上記説明において中空腕１４及び凹部２０、２０’、２０”の数は３個としているがこの個数に制限がないのは云うまでもない。
【実施例３】
【００２２】
図６は本発明の外燃機関の動力機構の部分断面斜視図である。
図６において、中空の回転軸１３から半径方向に伸びるごとく形成し航空機の翼型断面を有する中空腕１４を固着して設け、該中空腕１４の先端に取り付けたノズル１５の外周側に円周方向に延びた壁面２４を設け、受熱部で加熱されて気化した気相熱媒体１を第２の空間部１０内に噴出せしめ、放熱部４に連通する流路９を介して放熱部４に流入せしめて、放熱部４内で冷却されて液化した液相熱媒体２を前記中空の回転軸１３の回転力によって駆動する循環ポンプ６を通って受熱部３側に移送するごとく構成したものである。
【００２３】
上記構造の外燃機関の動力機構においてその作用を説明する。  気相熱媒体１がノズル１５から噴出するときに臨界状態以下の場合噴出速度は音速以下である。  この場合は噴出した気相熱媒体１は円周方向に延びた壁面２４に沿って流れる。  この噴流は外部の気相熱媒体１との接触によって減速するがその際壁面２４によって外周部は遮断されているので結果的に内径側の減速によって回転円周の内側に曲げられる。  この方向変化によって生じる外周方向の力が壁面２４に与える力が中空腕１４を回転させる駆動力となる。
【００２４】
気相熱媒体１がノズル１５から噴出するときに臨界状態以上の場合噴出速度は音速に達する。  この場合は噴出した気相熱媒体１はノズル１５から噴出した後ノズル１５の断面積が広がっている場合は膨張しながら更に増速して音速を超える。  そうすれば中空腕１４の駆動力は更に高まる。  しかし、前述のごとく臨界状態以下の場合はこのように断面積が広がるノズルは噴出速度を減速して駆動力を弱めることになる。  円周方向に延びた壁面２４は中空腕１４外周側のみに有るので臨界状態以上においては内周側が開放されていることで断面積が広がったノズルと同様な効果を得ることが出来、気相熱媒体１はノズル１５から噴出した後膨張しながら更に増速して音速を超えることが出来る。  その膨張によって噴出方向が回転円周の内側に曲げられるがその反力が壁面２４に働くことで中空腕１４を回転させる駆動力が増加する。  このような臨界状態上下の両方の条件において噴出速度を有効に駆動力に変換することが出来る。
【００２５】
更に又、図５において、動力機構部５内において中空の回転軸１３から半径方向に伸びるごとく形成し航空機の翼型断面を有する中空腕１４を固着して設け、該中空腕１４を回転方向の後方に傾けたことを特徴とする上記の外燃機関の動力機構を提供するものである。
【００２６】
上記構造の外燃機関の動力機構においてその作用を説明する。  ノズル１５から噴出する気相熱媒体１の噴出速度が音速を超えると、この反作用で回転する中空腕１４の回転速度も高速とる。  中空腕１４の断面は航空機の翼断面の形状をなしており流体抵抗が少ないように成型されているが、回転面の外周近くではその周速が音速を超える状態になると衝撃波が発生して各部に強い圧力波の影響を受けることになる。  これを防止するためには航空機の翼と同様に後退角をつけるのが有効である。  上記のごとく中空腕１４を回転方向の後方に傾けることでこのことを実現することが出来る。
【００２７】
以上の説明で明らかなごとく、本発明の外燃機関の動力機構は、いわゆるランキンサイクルを応用した外燃機関において、主に動力機構部の改良によって、受熱エネルギーが充分に多くこれを電力に変換せずに熱源として温水の量を増加したい場合にも対応できる上、逆に受熱エネルギーが少ない場合など、最適状態での運転には適していない状態を強いられる場合でも、動力機構部の効率が大きく変化せず、受熱エネルギー増減の広い範囲で効率良く運転することができるものである。  更に、本発明の外燃機関の動力機構は、臨界状態を超える超音速領域においても受熱エネルギーを効率良く動力に変換でき、  更にまた、中空腕が音速を超える回転周速度においても運転できるものである外燃機関の動力機構を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態の構造を示す模式構成図である。
【図２】本発明の動力機構部の一実施形態の構造を示す部分側断面図である。
【図３】本発明の動力機構部の一実施形態の構造を示すの部分上断面図である。
【図４】本発明の動力機構部の一実施形態の構造を示すの部分断面斜視図である。
【図５】本発明の動力機構部の一実施形態の構造を示すの部分側断面図である。
【図６】本発明の動力機構部の一実施形態の構造を示す部分断面斜視図である。
【符号の説明】
【００２９】
１：気相熱媒体
２：液相熱媒体
３：受熱部
４：放熱部
５：動力機構部
６：循環ポンプ部
７：流路
８：第１の空間部
９：流路
１０：第２の空間部
１１：隔壁
１２：開口部
１３：中空の回転軸
１４：中空腕
１５：ノズル
１６：流路
１７：開閉弁
１８：マグネット
１９：コイル
２０、２０’、２０”：凹部
２１：ピストン
２２：マグネット
２３、２３’、２３”：コイル
２４：壁面
Ａ、Ｂ、Ｃ：ピストン停止位置
【図１】
2010144643.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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