【手続補正書】
【提出日】平成16年9月28日(2004.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に封入された作動ガスを加熱又は冷却することによりその作動ガスの圧力を上昇又は降下させることが出来る一連の装置（以下揺圧器１という）を複数個備え、これらの揺圧器１の圧力をその変動がすべて重なった同一の動きとなることがないように上昇降下させ、他と比較して圧力が高い揺圧器１から他と比較して圧力が低い揺圧器１に向かって生じる作動ガスの流れを一定の方向に流れる作動ガスの流れに整流し、この整流した作動ガスの流れによりタービンホイール４を回転させるガスタービン装置であって揺圧器１の個数が３個以上であるガスタービン装置。
【請求項２】
３個以上の揺圧器１の圧力を同一の周期で各々３６０°を揺圧器１の個数で除した値の位相差を保って周期的に上昇降下させた請求項１記載のガスタービン装置。
【請求項３】
６個以上の揺圧器１を一つの群内の揺圧器１の個数が２個以上である３群以上の群に群分けし、同一の群に属する揺圧器１の圧力は同一の動きをし、各々の群の揺圧器１の圧力を同一の周期で各々３６０°を群分けした揺圧器１の群の数で除した値の位相差を保って周期的に上昇降下させた請求項１記載のガスタービン装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】外燃式ガスタービン装置
【技術分野】
【０００１】  本発明は外部の熱源により作動ガスを加熱してタービンホイール４を回転させる外燃式ガスタービン装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  通常ガソリンエンジンやディーゼルエシジン等の内燃機関に使用可能な燃料は気体燃料、液体燃料に限られている。これに対し外燃機関の場合には燃料に対する制限は大幅に緩和され排ガス処理に十分注意をはらっておれば燃えるものであれば殆ど使用可能である。更には太陽熱、地熱、原子力等狭義の燃焼を伴わない熱源も使用可能である。
一般的にガスタービンといえば内燃式のものを指すことが殆どであり、その燃料は上記のように良質なものに限定される。しかしながら外燃式のガスタービンというものも存在しない訳ではない。その例として密閉サイクルガスタービンというものがある。文献には「空気圧縮機ＡＣにより圧縮された空気は熱交換器ＨＥでタービン排気により予熱された後に空気加熱気ＡＨ（空気ボイラーともいわれる）にはいり加熱されてタービンＴに導かれ、タービン内で膨張させて機械的エネルギーを得る。タービンよりの排気は前記の熱交換器で熱交換を行った後空気圧縮機前の前置冷却器Ｐでさらに冷却した上、ふたたび空気圧縮機にはいる。このサイクルの場合も所要動力はタービン出力の約２／３程度である。」（千葉幸著  最新高級電験講座第１２巻  火力発電所  Ｐ４５９電気書院  昭和６０年刊）と記されている。
確かにこのような形式のガスタービンであれば殆どの燃料が使用可能と考えられる。しかしながら上記の引用文献にもあるようにこの外燃式密閉ガスタービンでは空気圧縮機が不可欠なものであり、これにタービン出力の約３分の２が消費され動力として利用出来るのはタービン出力の約３分の１である。通常の内燃式ガスタービンでも同様のことが言える。この圧縮機が必要なためにガスタービンの熱効率は蒸気タービンに比べると大きく劣るものとなっている。かといって圧縮機をなくせば希薄なガスを加熱することになり、膨張してもタービンを回転させる強力な気流を得ることは不可能である。このような理由から大きなロスを伴うことがわかっていても空気圧縮機をとり去ることが出来ないのが現状である。
上記のように従来方式のガスタービンでは内燃式外燃式を問わず圧縮機が不可欠なものであるが、これによるロスが大きく熱効率が低いという欠点が避けられないものである。
【非特許文献１】千葉幸著、  最新高級電験講座第１２巻  火力発電所、  電気書院  昭和６０年発行、  Ｐ．４５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  本発明においては燃料に対する制約が殆どないという外燃機関の特徴を持つものであって、且つ、従来のガスタービンに不可欠とされて来た圧縮機をなくすことで、あらゆる種類の燃料が使用可能で、且つ小型で熱効率が高いガスタービン装置を実現することをその課題とした。【０００４】  本発明者は圧縮機を使用せず、それでいてタービンホイール４を回転させ得る強力な気流を連続的に得る方法について鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成させるに至ったものである。
本発明の基本的な原理は、容器に密閉したガスを加熱すると温度が上がり圧力が上昇し、容器に密閉したガスを冷却すると温度が下がり圧力が降下するという現象に基づくものである。圧力が上昇した容器と圧力が降下した容器とをパイプで接続すると圧力が上昇した容器から圧力が降下した容器に向かってガスの流れが発生する。このガスの流れは双方のガスの間の圧力差が大きい程大きくなる。本発明はこのガスの流れを利用してタービンホイール４を回転させようとするものである。【０００５】  ただ、このままでは高圧側から低圧側にガスが流れるに従って圧力差がなくなりガスの流れは途絶するのでこれを如何にして途切れず継続させるかという点と、ガスの流れる方向が変わった場合にもタービンホイール４の回転が逆転することなく絶えず一定方向に回転するようにするにはどのようにすれば良いかという点が本発明に於いて最も苦労したところである。
本発明者は種々の方法について多くの試行錯誤を重ねた結果遂に本発明を完成させるに至ったものである。その具体的な手段は以下に示す通りである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明はシリンダ内部に封入した作動ガスをガス加熱器又はガス冷却器に揺動して作動ガスの温度を上昇又は降下させることによりその作動ガスの圧力を上昇又は下降させることができる揺圧器１を少なくとも２個必要とする。その個数については２個以上であればよく上限はない。この揺圧器１については段落番号００１３〜００１５のところで詳しく説明するが、これ自体は現在スターリングエンジンに使用されている公知の技術である。【０００７】  これらの揺圧器１の圧力は圧力変動制御装置７により制御されるが、これらの揺圧器１の圧力をその変動がすべて重なった同一の動きとなるとどの二つを比べても常に同じ圧力となり、揺圧器１間に圧力差が生ぜず一つの揺圧器１から他の揺圧器１に向かう作動ガスの流れが発生することはない。
しかし、揺圧器１の圧力変動がすべて重なった同一の動きでなければ揺圧器１間で圧力差が生じ、他と比較して圧力が高い揺圧器１から他と比較して圧力が低い揺圧器１に向かう作動ガスの流れが発生する。このようにして発生した作動ガスの流れを往流流路制御弁５及び復流流路制御弁６により一方向に流れる作動ガスの流れに整流し、この作動ガスの流れによりタービンホイール４を回転させることで圧縮機が不要なガスタービン装置を実現したものである。尚、整流のメカニズムについては後程詳しく説明する。【０００８】  この揺圧器１に与える圧力変動のパターンは、それぞれの揺圧器１が異なる圧力となり差圧が得られれば良いのでランダムな動きでもよく、それでもタービンホイール４は十分回転する。しかしながらこれらの揺圧器１の圧力を同一の周期で各々３６０度を揺圧器１の個数で除した値の位相差を保って周期的に変化させれば、圧力が高い揺圧器１と圧力が低い揺圧器１が順次出現し、効率よく強力で安定した作動ガスの流れをつくることが出来る。【０００９】  更に本発明になるガスタービン装置は揺圧器１に付属する再生熱交換器の働きで作動ガスが持つ熱を回収することが出来るので、熱効率の向上を図れるという特徴を持っている。揺圧器１が外壁加熱型の場合には再生熱交換器が付属していない場合があるが、この場合でもディスプレーサシリンダの内壁とディスプレーサピストンがこの働きをし熱回収がなされている。【００１０】  図１は本発明になる外燃式ガスタービン装置の原理説明図である。本発明になる外燃式ガスタービン装置は、作動ガス出入口２を備え内部に封入された作動ガスの圧力を上昇降下させることが出来る複数個の揺圧器１、内部にその出力を負荷装置８に伝達することが出来るタービンホイール４を持つタービン室３、揺圧器１の圧力がタービン室３の作動ガス入口の圧力より高いときのみに開く往流流路制御弁５、タービン室３の作動ガス出口の圧力が揺圧器１の圧力より高いときのみに開く復流流路制御弁６、揺圧器１の作動ガスの圧力をその変動がすべて重なった同一の動きとなることがないように上昇降下させる圧力変動制御装置７を図１に示すように接続して構成されている。【００１１】  複数個ある揺圧器１の圧力変動がすべて重なった動きをすると揺圧器１間に圧力差が生ぜず作動ガスの流れが生じないため本装置はガスタービンとして機能しなくなる。しかしながら複数個ある揺圧器１のうち少なくとも１個が異なる動きをしておればその圧力に高低の差がつくため作動ガスの流れが生じガスタービン装置として機能する。しかしガスタービン装置としての機能を高めるには圧力変動のパターンについても配慮しなければならない。それぞれの揺圧器１の圧力を同一の周期で各々３６０°を揺圧器１の個数で除した値の位相差を保って上昇降下させたときに非常に強力な作動ガスの流れを得ることが出来る。
尚、図１では揺圧器１がこの装置がガスタービンとして機能する最低の個数である２個の場合を実線で示している。揺圧器１が２個の場合にはこれらの間の差圧が０になるときが１周期の間に２度存在し作動ガスの流れに脈動をもたらすこととなる。この脈動を少なくするためには揺圧器１の数を３個以上に増すことが効果的である。揺圧器１の数を増すことは出力を大きくするという点でも効果がある。揺圧器１の個数を３個以上とするには点線で示したように追加してゆけば良い。揺圧器１を多数個接続することでより滑らかな脈動の少ない連続した作動ガスの流れをつくることが出来、ガスタービン装置としての出力も増大する。
但し揺圧器１の数が６個以上の場合にはそれぞれの揺圧器１が全て３６０°を揺圧器１の個数で除した値の位相差を保って異なった位相になっている必要はなく、これらの揺圧器１を一つの群内の揺圧器１の個数が２個以上である群に群分し、同一の群内にある揺圧器１の圧力は同一の動きをし、それぞれの群の揺圧器１の圧力を同一の周期で各々３６０°を群分けした揺圧器１の群の数で除した値の位相差を保って周期的に上昇降下させれば良い。このように群分けした場合でも群の数が３群以上であれば揺圧器１をすべて異なった位相差で圧力を変動させたときと実質的には殆ど差は認められない。このように群分けすれば、同じ群に属する揺圧器１に対しては往流流路制御弁５を共通化することが出来部品点数を減少させることが出来る。この場合往流流路制御弁５の容量は当然大きいものが必要である。復流流路制御弁６についても同様に共通化が可能である。【００１２】  本発明を構成する構成要素及び条件
ここで本発明を構成する構成要素及び条件について説明する。【００１３】  揺圧器１
ここで揺圧器１とは、内部に封入した作動ガスを加熱又は冷却することでその作動ガスの圧力を上昇又は降下させることが出来る一連の装置の事をいう。この作動ガスの加熱冷却は迅速にしかもエネルギーロスを出来るだけ少なくすることが要求される。このため揺圧器１は常時加熱されて高温になっているガス加熱器と常時冷却されて低温になっているガス冷却器を持ち、作動ガスの圧力を上昇させる必要があるときは作動ガスをガス加熱器の方に送り、作動ガスの圧力を降下させる必要があるときは作動ガスをガス冷却器の方に送るようになっている。作動ガスの圧力を上昇させる場合でも作動ガスをガス加熱器の方に送って加熱し膨張させるだけであり圧縮する訳ではない。一般的に作動ガスの揺動はディスプレーサピストンをつかって行われるが、上記のように作動ガスの圧縮を伴わないためそれを駆動するための動力は非常に小さなものである。また揺圧器１の一部であるディスプレーサシリンダは高温の作動ガス或いは低温の作動ガスのタンクとしての役割も兼ねている。【００１４】  この揺圧器１に使用されるガス加熱器、ガス冷却器には２つのタイプがある。その一つはディスプレーサシリンダの外壁の一端を直接加熱しディスプレーサシリンダの外壁の他端を直接冷却する外壁加熱冷却方式である。本明細書では、加熱する側の壁面を高温壁、冷却する側の壁面を低温壁と記す。この方式ではディスプレーサピストンとディスプレーサシリンダの内壁との間には僅かな間隙があり、作動ガスはこの間隙を通って加熱側から冷却側へ或いはこの逆方向に揺動される。もうひとつはディスプレーサシリンダの外壁自体を直接加熱冷却することはせず、ガス加熱用熱交換器及びガス冷却用熱交換器を別に設けこれらをそれぞれガス加熱器、ガス冷却器として使用する独立加熱冷却方式である。
通常この独立加熱冷却方式の揺圧器１は再生熱交換器を置くことで熱効率の向上が図られている。これに対し外壁加熱冷却方式の揺圧器１には再生熱交換器のないものがある。この場合はディスプレーサピストンとディスプレーサシリンダの内壁が再生熱交換器としての役割を担っている。【００１５】  いずれの方式においてもディスプレーサピストンを動かすことで作動ガスをガス加熱器又はガス冷却器に揺動することによってその圧力を上昇又は降下させることが出来る。この揺圧器１の作動ガス出入口２はディスプレーサシリンダの加熱側、冷却側のいずれに設けても良いが、冷却側に設けると低温の作動ガスを取り出すことが出来タービン室３やタービンホイール４の耐熱性に対する要求が緩くなり好都合である。尚、ピストン方式の揺圧器１は作動ガスのシールが困難であるため、本発明者は新方式を研究中である。【００１６】  圧力変動制御装置７
次に本発明に必要な複数個の揺圧器１の圧力を一定の位相差を保って同一の周期で周期的に変動させる方式及び装置について説明する。
使用する揺圧器１の圧力を周期的に変動させることは揺圧器１のディスプレーサピストンを周期的に往復させることで可能である。複数個の揺圧器１を同一の周期で一定の位相差を保って周期的に変動させるためにはそれぞれの揺圧器１のディスプレーサピストンを同一の周期で一定の位相差を保って周期的に往復させてやれば良い。具体的な方法として、各揺圧器１のディスプレーサピストン毎にそれぞれリニアモータ或いは油圧シリンダ等を取り付けそれらの動きを電気信号で制御する方法、ディスプレーサピストンをクランクシャフトで駆動する方法、スワッシュプレートを用いる方法等いろいろあるが、クランクシャフトを用いる方法が最も簡単で一般的である。
圧力変動周期は速ければそれだけ多量の作動ガスが送られることとなり出力が増大するが、余り速すぎても装置が熱的、機械的に応答出来ない。毎分数千回転が限界と考える。クランクシャフトの駆動はタービンホイール４から減速機を介して行っても良く、別個のモータを設けて行ってもよい。【００１７】  タービン室３およびタービンホイール４
タービン室３及びタービンホイール４は動力を取り出すための重要な部分であるが、作動ガスの種類、流量、温度、差圧等によって形状や材質等が変ってくる。これらについては多くの公知技術があるのでそれらの中から適切なものを選定することで目的を達成できる。【００１８】  往流流路制御弁５
往流流路制御弁５は揺圧器１の圧力がタービン室３の入口の圧力より高いときのみに開くようにした制御弁である。これはそれぞれの揺圧器１ごとに揺圧器１からタービン室３の入口に至る流路の途中に設ける必要がある。但し揺圧器１を群分した場合には同一の群内にある揺圧器１はまとめて共通の往流流路制御弁５に接続することが出来る。
この往流流路制御弁５はこれが設けられている揺圧器１の圧力がタービン室３の作動ガス入口の圧力より低くなったとき、他の圧力が高い揺圧器１から作動ガスがタービン室３を通らず直接この圧力が低くなった揺圧器１に入ろうとするのを阻止するためのものである。【００１９】  この往流流路制御弁５として用いることが出来るものの一つに逆止弁がある。作動ガスが揺圧器１からタービン室３の入口に向かって流れることが出来る方向にこの逆止弁を取り付ければ良い。【００２０】  逆止弁以外の方法としてはそれぞれの揺圧器１ごとにその圧力を計測し、その圧力と別に計測したタービン室３の入口の圧力とを比較し、揺圧器１の圧力が高いときのみに開くようにした制御弁を使用しても良い。このようにすると弁の開度を大きくすることが可能となり流動抵抗を小さく出来るが、制御弁のシール性や装置が複雑化する等実施する上で高度な技術が要求される。【００２１】  復流流路制御弁６
これは往流流路制御弁５とは逆にタービン室３の出口の圧力が揺圧器１の圧力より高いときのみ開くようにした制御弁である。これはそれぞれの揺圧器１ごとにタービン室３の出口から揺圧器１に至る流路の途中に設ける必要がある。但し往流流路制御弁５と同様に揺圧器１を群分けした場合には同一の群内であれば共用出来る。
この復流流路制御弁６はこれが設けられている揺圧器１の圧力がタービン室３の出口の圧力より高くなったとき、その揺圧器１から作動ガスがタービン室３を通らず直接圧力が低い揺圧器１に入るのを阻止するためのものである。この復流流路制御弁６と上記往流流路制御弁５の働きによりタービン室３を流れる作動ガスの方向を常に一定に出来るわけで本発明において重要な役割を果たしている。
復流流路制御弁６についても往流流路制御弁５と同様、逆止弁タイプのもの或いは圧力を計測して開閉する制御弁タイプのもののいずれを使用することも可能である。【００２２】  作動ガスとして使用可能なガスの種類
本発明になる外燃式ガスタービンの作動ガスとして使用可能なガスは熱力学的な見地だけからみれば運転条件下において分解したり凝縮したりするものでなければどのようなガスでも使用可能である。しかし実際的には塩素ガスや弗素ガスのように毒性の強いもの、ラドンや六弗化ウランのように放射性物質であるもの、その他法律で使用が禁止されているものは使用できない。これらのガス以外のものであれば、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン等の不活性ガス、水素、酸素、窒素等の単一元素からなる二原子分子ガス、炭酸ガス、メタン、六弗化硫黄等の化合物、空気のような混合物、その他多くのガスが使用可能である。但しこれらのものの中には地球温暖化やオゾン層破壊に大きな作用を及ぼすものがあるのでそれらに対する十分な注意が必要である。【００２３】  ただここで注意しなければならないことは本発明では作動ガスによってタービンホイール４を回転させなければならないという点である。水素やヘリウムのように分子量が小さく軽いガスの場合には流動抵抗による損失は小さいがタービンホイール４を回転させる能力に劣っている。逆に六弗化硫黄のように分子量の大きいガスの場合には流動抵抗による損失は大きくなるがタービンホイール４を回転させる能力は優れている。但し環境に及ぼす影響は大きい。空気はタービンホイール４を回転させる能力はそれ程大きくなく流動抵抗も比較的大きいが、最も安価で地球温暖化やオゾン層破壊の心配もなく引火や毒性の危険性が全くないという点で捨て難い魅力がある。作動ガスの種類は運転条件、設備の構造、タービンの特性、安全性、環境問題、経済性等に配慮して最も適したものを選択すればよい。【００２４】  作動ガスの封入圧力
作動ガスの封入圧力を高くすることは通常のガスタービンの圧縮率を高くするのと同じような意味があり、作動ガスが液化しない範囲において出来る限り高くする方が大きい出力を得ることが出来る。
今仮に０．１ＭＰａで封入した３００Ｋ（２７℃）の作動ガスを９００Ｋ（６２７℃）に加熱したとするとその圧力は０．３ＭＰａとなり０．２ＭＰａの差圧しか得られないが、封入圧力を１ＭＰａとするとその圧力は３ＭＰａとなり２ＭＰａの差圧が得られることとなりタービンホイール４をより大きな力で回転させることが出来る。但し実際にはシリンダのクリアランスや配管等の死空間のため加熱したときの実際の圧力は単純計算通りにならず大幅に低くなることが多い。【００２５】  従来のガスタービンでは圧縮機の圧力比をある程度以上大きくすると圧縮機によるロスが大きくなり熱効率がかえって低くなるが、本発明になるガスタービン装置では作動ガスの流動抵抗とタービン効率に注意すれば封入圧力を高くしたからといって熱効率が低下することはない。但し封入圧力を高くすると作動ガスの漏洩、装置の爆発や破損、ガス加熱器やガス冷却器用部材の肉厚化による熱伝導性の低下等の問題が発生する恐れがあるので製作に当ってはこれらの点に十分注意する必要がある。
革新的な技術開発が行なわれれば別であるが、現段階の技術では作動ガスの封入圧力は２０ＭＰａ程度が限界であると考える。【００２６】  使用可能な熱源
本発明になる外燃式ガスタービン装置はその燃料として、ＬＮＧ、ＬＰＧのような気体燃料をはじめ、ガソリン、灯油、重油等の液体燃料、石炭やＲＤＦ（廃棄物利用燃料）等の固体燃料に至るまで燃えるものであれば何でも使用可能である。さらには太陽熱、地熱、原子力等狭義の燃焼によらない熱源も使用可能である。
本発明ではその名称を外燃式ガスタービン装置としているが、これは熱機関の一般的な分類方式である外燃機関、内燃機関という分類に従ったものである。しかしながら上述のように本発明では太陽熱や地熱等狭義の燃焼によらない熱源も使用可能であり、外熱式ガスタービン装置という方が適切かとも考える。しかし本発明では従来の分類方式を尊重し外燃式ガスタービン装置とする。【００２７】  作動ガスの温度
作動ガスの温度は高くすればする程熱効率が上がり出力が大きくなるが、技術的な困難さは増大する。将来セラミックピストンやセラミックシリンダの性能の向上と価格の低下が実現されれば別であるが、現段階の技術では作動ガスの温度は７００℃〜８００℃迄加熱するのが限界と考える。
冷却温度については低い方が良いが通常の空冷方式或いは水冷方式で十分である。【００２８】  本発明になる外燃式ガスタービン装置の作動メカニズム
先ず揺圧器１が３個の場合について説明する。この原理説明図を図２に示す。揺圧器１Ａ，揺圧器１Ｂ、揺圧器１Ｃは圧力変動制御装置７Ａにより各々１２０°の位相差を保って周期的に圧力変動させているものとする。
いま揺圧器１Ａの圧力が最大の、揺圧器１Ｂの圧力はそれより位相が１２０°遅れ最低の状態より少し高くなったところ、揺圧器１Ｃの圧力は揺圧器１Ｂより位相が更に１２０°遅れ最低の状態になる少し前でこれから最低の圧力になろうとしている状態にあるものとする。この状態では揺圧器１Ａの圧力が最も高いため作動ガスは揺圧器１Ａから往流流路制御弁５Ａを通りタービン室３Ａに入りタービンホイール４Ａを回転させた後、圧力の低い揺圧器１Ｂ、揺圧器１Ｃに分かれて入って行く。今の場合揺圧器１Ｂはこれから圧力が上昇するところ、揺圧器１Ｃはこれから圧力が降下するところであるが、この時点の圧力は両者同圧力であるからタービン室３Ａを出た作動ガスは均等に分かれてそれぞれに接続されている復流流路制御弁６Ｂ，同６Ｃを通って揺圧器１Ｂと揺圧器１Ｃに入る。しかし揺圧器１Ｂの圧力は上昇過程に、揺圧器１Ｃの圧力は降下過程にあるため、時間の経過と共に揺圧器１Ｃの圧力の方が低くなり揺圧器１Ｃの方により多くの作動ガスが入るようになり、揺圧器１Ｂの方は圧力が上がって来て逆に作動ガスが流れ出すようになってくる。【００２９】  最初の状態より１／３周期の時間が経過すると揺圧器１Ｂの圧力が最高に、揺圧器１Ｃの圧力は最低より少し上がった状態に、揺圧器１Ａの圧力は最低の状態に向う途中でその少し手前の状態にとなる。このとき作動ガスは揺圧器１Ｂから出て往流流路制御弁５Ｂを通ってタービン室３Ａに入りタービンホイール４Ａを回転させた後揺圧器１Ｃ及び揺圧器１Ａに復流流路制御弁６Ｃ及び同６Ａを通ってはいる。【００３０】  更に１／３周期の時間が経過すると揺圧器１Ｃの圧力が最高となり、揺圧器１Ａの圧力は最低より少し上がった状態に、揺圧器１Ｂの圧力は最低の状態に向う途中でその少し手前の状態にとなる。このとき作動ガスは揺圧器１Ｃから出て往流流路制御弁５Ｃを通ってタービン室３Ａに入りタービンホイール４Ａを回転させた後揺圧器１Ａ及び揺圧器１Ｂに復流流路制御弁６Ａ及び同６Ｂを通って入る。【００３１】  このサイクルの繰り返しによりタービン室３Ａには常に一定方向の作動ガスが流れタービンホイール４Ａは連続して回転し負荷装置８Ａに動力を供給する。揺圧器１を３個とし各々１２０°の位相差をつけて内部の作動ガスの圧力を揺動させると、常にすくなくともいずれか１つは平均圧力より高く常にすくなくともいずれか１つは平均圧力より低くなっているため、タービン室３Ａを通る作動ガスの流れは途切れることがなく揺圧器１が２個の場合に比べると脈動は小さくなり出力は増大する。【００３２】  揺圧器１の個数をふやし、４個、５個、６個とする場合には、図１の点線で示すように追加してゆき、それぞれの圧力揺動周期を同一にしその位相差を３６０°を揺圧器の個数で除した値とすることで常にタービン室３を一定方向に流れる作動ガスの流れが発生し、効率良くタービンホイール４を回転させることが出来る。タービン室３を流れる作動ガスの脈動は揺圧器１の個数を増す程減少し均一な流れに近くなり出力も増大する。ただ作動ガスの脈動についてはタービンホイール４や負荷装置８が持つ慣性モーメントにより平滑化されるためそれ程神経質になる必要はない。【００３３】  揺圧器１が４個以上の場合のタービンホイール４が回転するメカニズムについての細かい説明は省略するが、揺圧器１が３個の場合と同様のメカニズムによってタービンホイール４を回転させているものである。
【発明の効果】
【００３４】  本発明により従来ガスタービン装置には不可欠とされてきた圧縮機をなくすことが可能となり、タービン室３及びタービンホイール４を小型化するとともに圧縮機によるエネルギーロスをなくすことが可能となった。更に揺圧器１では熱回収を図っているため高い熱効率が期待出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】  かくして圧縮機を使用しないガスタービン装置を運転することが可能となり、ガスタービン装置の小型化と圧縮機によるロスを０とすることが実現可能となったわけである。
【実施例１】
【００３６】  次に本発明になる外燃式ガスタービン装置の実施例について説明する。
内径５０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの鉄製シリンダを使い外壁加熱冷却方式の揺圧器を３個製作しそれぞれ揺圧器１Ａ，同１Ｂ，同１Ｃとした。揺圧器１Ａ，同１Ｂ，同１Ｃのディスプレーサピストンをそれぞれ１２０°の位相差を持ったクランクシャフトによる圧力変動制御装置７Ａに接続し、揺圧器１Ａ，同１Ｂ，同１Ｃの圧力をそれぞれ１２０°の位相差を持って周期的に変動するようにしておく。【００３７】  タービン室３Ａは縦９０ｍｍ、横１３０ｍｍ、高さ３７ｍｍでその中に直径７０ｍｍの３枚の羽根を持ったプロペラ型のタービンホイール４Ａを置き作動ガスをノズルから吹き出し回転させる構造とした。
往流流路制御弁５Ａ，同５Ｂ，同５Ｃ及び復流流路制御弁６Ａ，同６Ｂ，同６Ｃについてはリードバルブ式逆止弁を使用した。これらを図２に示すように接続し外燃式ガスタービン装置を製作した。【００３８】  作動ガスは特別な注意をはらっていないため大気圧の空気が作動ガスとなる。タービンホイール４Ａの負荷は無負荷である。
尚ここで使用したディスプレーサピストンは直径４ｍｍ、長さ２００ｍｍの真鍮棒にスチールウール（商品名  ボンスターＮｏ．２  製造元  日本スチールウール株式会社）を堅く巻き付け直径４５ｍｍ、長さ５０ｍｍの円筒状にしたものである。ピストンストロークは５０ｍｍである。クランクシャフトの回転はタービンホイール４Ａの回転出力とは別に外部から与えるものとした。【００３９】  揺圧器１Ａ，同１Ｂ，同１Ｃの高温壁の部分をブタンガスバーナーで加熱し、低温壁の部分を水道水で冷却して運転に入った。揺圧器１Ａ，同１Ｂ，同１Ｃの壁面が加熱されて来たところでクランクシャフトを回転させるとタービンホイール４Ａが回転し外燃式ガスタービン装置が設計通り作動していることが確認出来た。タービンホイール４Ａの回転むらは全く目立たなかった。クランクシャフトの回転速度を毎分１２０回転程度に速くするとタービンホイール４Ａの回転速度は速くなり、クランクシャフトの回転を停止するとタービンホイール４Ａの回転も停止することが確認出来た。但しこれは一種の空焚きであり注意が必要である。また念のためバーナーによる加熱を行わず揺圧器１Ａ，同１Ｂ，同１Ｃのいずれもが常温状態のままでクランクシャフトを回転してみたがタービンホイール４Ａは回転しなかった。このことはタービンホイール４Ａの回転が作動ガスの熱膨張によるものであることに間違いないことを示しているものである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】  本発明になる外燃式ガスタービン装置は外燃式なるが故に、燃料として気体燃料、液体燃料はもとより、石炭や薪、コークス等の固体燃料やＲＤＦ（廃棄物利用燃料）或いは可燃性廃棄物そのもの等、極めて広い範囲から選択することが可能である。更には太陽熱や地熱、原子力等、狭義の燃焼を伴わない熱源を利用することも可能である。
二酸化炭素による地球温暖化が社会問題となっている時代にあって、ＲＤＦや可燃性廃棄物等、これ迄無駄に捨てられ焼却されていたものを燃料として利用したり、二酸化炭素の発生がゼロである太陽熱を利用してガスタービン装置が運転出来るということは極めて意義深いものであり、環境保全に寄与するところが極めて大きいものであると考える。【００４１】  本装置の用途としては従来のガスタービン装置が用いられている据置型発電機以外にも、小型軽量であるという特徴から自動車用原動機、小型船舶用原動機、その他多くの用途が考えられる。なかでも揺圧器１の圧力変動速度を制御することによってタービンホイール４の回転速度を簡単に制御し得ることは、機動性が要求される自動車用原動機として極めて適したものである。【００４２】  また本装置を発電機の原動機として使用する場合、その構造を完全に密閉化することで新たな展開がなされるものである。すなわち揺圧器１のハウジングに界磁用コイルを埋め込みディスプレーサピストンをリニアモータ形式で駆動し、タービンホイール４のシャフトに直接発電機の界磁となる永久磁石を接続し、出力は固定子コイルから電力の形で取り出すようにすると、外部とのインターフェースは電極と熱伝導部分だけで済むこととなる。
スターリングエンジンが３８％の熱効率を達成しながら普及しない原因として作動ガスのシール性の問題がある。すなわち、スターリングエンジンではピストンリングのシール、ピストンロッドのシール、クランクシャフトのシールといった摺動面に対する作動ガスのシールが必要となりそれらのメンテナンスが大変であると言われている。
本発明になるガスタービン装置を上記のように完全密閉化した状態で運転しこの電力でモータを回して自動車を走らせると、スターリングエンジンの難題であった摺動面のシールが全く不要となる。最近電気自動車が復活して来ているが、本発明になる外燃式ガスタービン装置は電気自動車の動力源としても極めて適したものであると考える。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一般的な原理説明図である。
【図２】揺圧器１を３個使用した本発明の原理説明図である。
【符号の説明】
【００４４】１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ揺圧器
２、２Ａ    作動ガス出入口
３、３Ａ    タービン室
４、４Ａ    タービンホイール
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ    往流流路制御弁
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ    復流流路制御弁
７、７Ａ    圧力変動制御装置
８、８Ａ    負荷装置
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005023919.tif 000001
【図２】
2005023919.tif 000002