(57)【要約】【課題】上述の難点を克服し、軽量・コンパクトで、簡素な構成により信頼性が高く製造コストも低廉で、かつ耐久性の高い外燃機関の提供を目的としている。【解決手段】加熱源と、作動気体の熱交換・加圧部と、高温高圧の作動気体を貯留する出力部と、高温高圧の作動気体により動作する回転駆動部とを具え、前記加熱源により熱交換・加圧部における作動気体を加熱・加圧するとともに加熱・加圧された作動気体は前記出力部を介して前記回転駆動部に噴出させて回転駆動部を回転動作させるようにした外燃機関を提供して上記課題を解決する【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱源と、作動気体の熱交換・加圧部と、高温高圧の作動気体を貯留する出力部と、高温高圧の作動気体により動作する回転駆動部とを具え、前記加熱源により熱交換・加圧部における作動気体を加熱・加圧するとともに加熱・加圧された作動気体は前記出力部を介して前記回転駆動部に噴出させて回転駆動部を回転動作させるようにしたことを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の外燃機関において、回転駆動部からの排出作動気体を保持する排気貯留部を設け、回転駆動部から排出される作動気体は排気貯留部を介して熱交換・加圧部へ還流するようにしたことを特徴とする外燃機関。
【請求項３】
請求項２記載の外燃機関において、前記熱交換・加圧部は、内部に第1および第2の通路が形成された回転軸と、この回転軸に軸支され回転により前記第1および第2の通路に連結可能な連通路を有する回転体と、この回転体に設けられ前記連通路に連結されて作動気体を保持する作動気体室と、高温域と冷却域とを有して回転軸、回転体、作動気体室を収納する外殻部とを具え、回転体の回転により作動気体室を高温域と冷却域との間で往復回転させ、高温域において前記作動気体室内の作動気体を加熱して回転軸の前記第1通路を介して前記出力部に圧送する一方、加熱された前記作動気体室を冷却域で冷却するとともに前記排気貯留部から回転軸の前記第2通路を介して回転駆動部で排出された作動気体を作動気体室内に還流するようにしたことを特徴とする外燃機関。
【請求項４】
請求項２又は３いずれか記載の外燃機関において、前記加熱源は気体を加熱して熱交換・加圧部の高温域に供給し、出力部は逆止支弁を具えた開口部を介して前記作動気体室の高温加圧作動気体は前記第1通路を経て導入貯留する一方、貯留した高温加圧作動気体をホースを介して回転駆動部へ噴出するように構成したことを特徴とする外燃機関。
【請求項５】
請求項２ないし４いずれか記載の外燃機関において、前記回転駆動部は、シリンダーと、このシリンダーに嵌合されシリンダー内を往復動するピストンと、出力部からの高温高圧作動気体をシリンダー内に噴出するための吸入口と、シリンダー内から膨張した作動気体を排出するための排出口と、吸入口および排出口にそれぞれ設けた逆止弁と、往復動を回転運動に変換するクランクシャフトと、クランクシャフトとピストンの間に介装されるコンロッドとを具えたことを特徴とする外燃機関。
【請求項６】
請求項２ないし５いずれか記載の外燃機関において、排気貯留部は外殻部内の冷却域に収容したことを特徴とする外燃機関。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の外燃機関において、回転体には駆動源を連結して回転可能にしたことを特徴とする外燃機関。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか記載の外燃機関において、作動気体室は回転体周縁に複数設け、前記作動気体室は回転軸を間にそれぞれ対向するようにしたことを特徴とする外燃機関。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか記載の外燃機関において、作動気体室は複数個の独立室で構成し、各独立室の間には間隙を形成したことを特徴とする外燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、熱効率に優れた外燃機関関するものである。
【背景技術】
【０００２】
外燃機関は、バイオマスなどのあらゆる可燃物、地熱、太陽熱など、多様な熱源の利用が可能であり、この外燃機関としてはいわゆるスターリングエンジンが周知である。  スターリングエンジンは、気体の熱膨張・熱収縮を利用するから仕事量に比して必要なき大量は多くなり、出力の割には大型化を要する。  このため、今日では作動気体として大気圧の空気に替えてヘリウムガス等を高圧で充填するなどの措置がとられているが、これに伴い、次のような新たな課題も発生している。
１  機械回転機構が複雑となる。
２  高価な高圧のヘリウムガスを使用するために複雑なシール機構を要しているが、それでも短期間でガスが漏出してしまい、トータルコストの増大を回避できない。
【０００３】
本願に関連する技術文献として以下のものがある。
【特許文献１】特開２００９−１５６２３３号公報
【特許文献２】特開２００９−９２００７号公報
【特許文献３】特開２００９−１２７４７６号公報
【特許文献４】特開２００９−９２０７９号公報
【特許文献５】再表２００４−１０１９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明は、上述の難点を克服し、軽量・コンパクトで、簡素な構成により信頼性が高く製造コストも低廉で、かつ耐久性の高い外燃機関の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、加熱源と、作動気体の熱交換・加圧部と、高温高圧の作動気体を貯留する出力部と、高温高圧の作動流体により動作する回転駆動部とを具え、前記加熱源により熱交換・加圧部における作動気体を加熱・加圧するとともに加熱・加圧された作動気体は前記出力部を介して前記回転駆動部に噴出させて回転駆動部を回転動作させるようにした新規な外燃機関を提供して、上記従来の課題を解決しようとするものである。
【０００６】
また、段落０００５記載の外燃機関において、回転駆動部からの排出作動気体を保持する排気貯留部を設け、回転駆動部から排出される作動気体は排気貯留部を介して熱交換・加圧部へ還流するように構成することがある。
【０００７】
さらに、段落０００６記載の外燃機関において、前記熱交換・加圧部は、内部に第1および第2の通路が形成された回転軸と、この回転軸に軸支され回転により前記第1および第2の通路に連結可能な連通路を有する回転体と、この回転体に設けられ前記連通路に連結されて作動気体を保持する作動気体室と、高温域と冷却域とを有して回転軸、回転体、作動気体室を収納する外殻部とを具え、回転体の回転により作動気体室を高温域と冷却域との間で往復回転させ、高温域において前記作動気体室内の作動気体を加熱して回転軸の前記第1通路を介して前記出力部に圧送する一方、加熱された前記作動気体室を冷却域で冷却するとともに前記排気貯留部から回転軸の前記第2通路を介して回転駆動部で排出された作動気体を作動気体室内に還流するように構成することがある。
【０００８】
また、段落０００６又は段落０００７いずれか記載の外燃機関において、前記加熱源は気体を加熱して熱交換・加圧部の高温域に供給し、出力部は逆止支弁を具えた開口部を介して前記作動気体室の高温加圧作動気体を前記第1通路を経て導入貯留する一方、貯留した高温加圧作動気体をホースを介して回転駆動部へ噴出するように構成することがある。
【０００９】
さらにまた、段落０００６ないし段落０００８いずれか記載の外燃機関において、前記回転駆動部は、シリンダーと、このシリンダーに嵌合されシリンダー内を往復動するピストンと、出力部からの高温高圧作動気体をシリンダー内に噴出するための吸入口と、シリンダー内から膨張した作動気体を排出するための排出口と、吸入口および排出口にそれぞれ設けた逆止弁と、往復動を回転運動に変換するクランクシャフトと、クランクシャフトとピストンの間に介装されるコンロッドとを具えた構成となすことがある。
【００１０】
また、段落０００６ないし段落０００９いずれか記載の外燃機関において、排気貯留部は外殻部内の冷却域に収容する構成となすことがある。
【００１１】
段落０００５ないし段落００１０いずれか記載の外燃機関において、回転体には駆動源を連結して回転可能になすことがある。
【００１２】
段落０００５ないし段落００１１いずれか記載の外燃機関において、作動気体室は回転体周縁に複数設け、前記作動気体室は回転軸を間にそれぞれ対向するようにしたことを特徴とする外燃機関。
【００１３】
また、段落０００５ないし段落００１２いずれか記載の外燃機関において、作動気体室は複数個の独立室で構成し、各独立室の間には間隙を形成する構成となすことがある。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明は、上記構成により製造コスト、運転コストが極めて低廉であり、保守管理も容易で、かつ燃料に再生可能な森林資源等の活用することにより二酸化炭素の排出を抑制して地球環境の維持保全に資することも大きい外燃機関を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本願発明に係る外燃機関の構成を示すブロック図である。
【図２】外燃機関主要部の概略構成に係る１実施例を示す一部断面図である。
【図３】熱交換・加圧部における回転体と回転軸の関連構成の１実施例を示す要部説明図である。
【図４】熱交換・加圧部の作動気体室の１実施例を示す要部断面説明図である。
【図５】回転駆動部の一実施例を示す一部断面図である。
【図６】熱交換・加圧部の作動状態を示す要部説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本願発明は、熱交換・加圧部の作動気体室を急激に加熱して内部の気体を高圧化し、この高圧気体を回転駆動体のシリンダー内に噴射しピストンを駆動させる構成を有している。  回転駆動体において円滑な回転を実現するには、回転体に取り付ける作動気体室は対向する複数対に構成するのが望ましい。
【００１７】
作動気体室に供給される作動気体としては空気が種々の面で好適である。  作動気体室内の空気の加熱は加熱源からの加熱気体、具体的には燃焼高温ガスが望ましく、このガスにより作動気体室内の空気を摂氏約450度程度に加熱する。  作動気体室内の空気は摂氏1度の上昇でその体積の1/273が増加するから、例えば作動気体室内の空気は摂氏２７３度の上昇により約2倍の体積となるが、作動気体室は密閉空間であるから空気の膨張に替り圧力が約2倍となる。
【００１８】
高圧空気は、回転駆動体への噴出前に出力部に貯留してから回転駆動部へ送るようにして供給の円滑化を図る。  高圧空気を放出した気室は冷却して内部の低温低圧化を図り、回転駆動部からの排気を送り込むことにより回転駆動部の回転はいっそうスムーズになるが、高圧空気を放出した作動気体室の冷却は必須ではない。しかし、作動気体室の冷却により再加熱時の空気の急激な膨張が容易になる。  また、作動気体室と回転駆動部の排気を高圧空気が放出された作動気体室に還流させることも必須ではなく、回転駆動部の排気は大気中に放出してもよい。
【実施例】
【００１９】
図面に基づいて、本願発明に係る外燃機関の一実施例を説明する。  図１は本願発明に係る外燃機関の構成を示すブロック図である。
図において、１は加熱源、２は加熱源１からの高温燃焼ガスにより作動気体である空気を密閉空間である後述の作動気体室内で加熱膨張させる熱交換・加圧部、３は熱交換・加圧部２からの高温高圧の作動気体である高温高圧空気を貯留する出力部（高温高圧室）、４は前記出力部３から噴出される高温高圧の空気によりシリンダー内でピストンを往復動させる回転駆動部、５は、回転駆動部４からの排出空気を保持する排気貯留部（高温低圧室）である。
【００２０】
前記加熱源１により熱交換・加圧部２における作動気体室内の空気を加熱して急激に膨張させて高加圧し、高圧化された空気は前記出力部３を介して前記回転駆動部４に噴出されて回転駆動部４におけるシリンダー内のピストンを往復動させるようになっている。そして、回転駆動部４のシリンダーからの排気は排気貯留部５において保持され、保持された排気は熱交換・加圧部２の作動気体室へ還流されることになる。
【００２１】
図２に示すように、前記熱交換・加圧部２は、内部に第1および第2の通路が形成された回転軸２１と、この回転軸２１に軸支され回転により前記第1通路２１aおよび第2通路２１bに連結可能な連通路２２aを有する回転体２２と、この回転体２２に設けられ前記連通路２２aに連結されて作動気体（空気）を保持する作動気体室２３と、高温域と冷却域とを有して回転軸２１、回転体２２、作動気体室２３を収納する外殻部２４とを具えている。
【００２２】
図２において、前記作動気体室２３は回転体２２にあって回転軸２１を中心に対向するように一対設けられているが、図示の関係で一対のみ示しており、作動気体室２３はこの実施例では後述のように、回転体２２の周縁上に等間隔で6個設けられている。  また、図において、２５は前述の加熱源１との連結パイプで、この連結パイプ２５を介して加熱源１から外殻部２４内に高温燃焼ガスが流入し、この高温燃焼ガスは外殻部２４の上部を加熱して高温域を形成して排気筒２６から排出される。  そして、外殻部２４内の下部には水が流通して冷却域が形成され、ここに前記排気貯留部５が設置され、また、作動気体室２３も回転により冷却域に浸漬される。
【００２３】
回転体２２の回転軸２１を中心とする回転により作動気体室２３は高温域と冷却域との間で往復回転し、高温域において前記作動気体室２３内の空気を加熱・高圧化する。
高圧化した空気は、回転体２２の連通路２２a、回転軸２１の前記第1通路２１aを介して出力部３に圧送される。  また、高圧空気を放出した前記作動気体室２３（図で下側）は冷却域で冷却されつつ、後述の回転駆動部４からの排気を集積した前記排気貯留部５から回転軸２１の前記第2通路２１ｂを介し排気が還流される。  なお、回転体２２の回動量により、或る位置、例えば図示の位置関係で、回転体２２の連通路２３aと回転軸２１の第1通路２１a、および連通路２３aと回転軸２１の第２通路２１ｂとがそれぞれ連通するようになっている。
【００２４】
さらに、前記出力部３は逆止支弁を具えた開口部を介して前記作動気体室２３の高温加圧空気を回転軸２１の前記第1通路２１aを経て導入貯留する一方、貯留した高温加圧空気をホース３aを介して回転駆動部４へ噴出する。
【００２５】
図３は、熱交換・加圧部における回転体と回転軸の関連構成の１実施例を示す要部説明図である。  図において、２６は回転軸２１の中央部に形成される耐熱メタルガイドで第1通路２１a、第２通路２１ｂが貫通している。  また、２７は前記耐熱メタルガイド２６が回転可能に嵌合する動メタルガイドであり、回転体２２を支承しつつ前記耐熱メタルガイド２６周りを回転する。  また、２８は回転摺動部分を冷却するための冷却水パイプである。  さらに、図の煩雑化を防止するため符号を付していない網状部分はメカニカルシール部である。  通常の温度環境での気体用メカニカルシールは技術的に容易であるが、本願発明におけるこの部分は高温度であり、一般的な汎用シール部材は使用できない。    
摺動部において想定される温度環境は摂氏約７００度前後でありシール圧力は最大で０．５Ｍヘクトパスカルである。このため、潤滑油は使用出来ず、必然的にドライ型シールとならざるを得ない。  本願発明では、耐熱性とシール精度確保の観点から前記メカニカルシールの部材にアルミナセラミック(又窒化ケイ素)を用いて前記課題を解決している。
【００２６】
図４は、熱交換・加圧部の作動気体室の１実施例を示す要部断面説明図である。  回転体２２の周縁部に取り付けられる作動気体室２３は、複数の気体支室（独立室）２３aを具え、各気体支室（独立室）２３aの下部は空気溜め２３ｂに連結され、さらにこの空気溜め２３ｂは回転体の連通路２２aに連通している。  なお、前記気体支室（独立室）２３aの外側部には冷却フィン２３ｃが設けられている。
【００２７】
図５は、回転駆動部の一実施例を示す一部断面図である。前記回転駆動部（２サイクルエンジン）４は、シリンダー４aと、このシリンダー４aに嵌合されて、シリンダー４a内を往復動するピストン４ｂとを具えている。  また、４１は、前記出力部３からの高温高圧空気をシリンダー４a内に噴出するための吸入口、 ４２はシリンダー４a内から膨張した作動気体としての空気を排出するための排出口であり、排出口４２からの排気は前述のように排気貯留部５に流出する。  吸入口４１および排出口４２にはそれぞれ逆止弁が設けられている。また、図において、４３はクランクシャフト、４４はクランクシャフト４３とピストン４ｂの間に介装されるコンロッドであり、高温高圧空気の吸入・排出によるピストン４ｂの往復動を回転運動に変換する。
【００２８】
図６は、熱交換・加圧部の作動状態を示す要部説明図である。  図において、２４は、前述した外殻部であり、その上部は図外の加熱源１から矢符Aに示すように流入する高温燃焼ガスによる高温域が形成され、下部には流水による低温域が形成されている。なお、前記高温燃焼ガスは外殻部２４の上部空間を加熱後、矢符Bのように外部に排出される。
そして、熱交換・加圧部２において、回転体２２の周縁上には作動気体室２３が等間隔で２３−１から２３−６に示すように6個設置されている。  また、図示しないが回転体２２には、モーター、駆動ギアなどが設置されていて、回転体２２を矢符Cに示すように回転軸２１周りに反時計方向に回転させるようになっている。
【００２９】
作動気体室２３は回転につれて、作動気体室２３−６の位置から高温域に移行して内部空気の加熱による膨張が始まり、２３−２の位置に移行した時点で内部空気は最も高温高圧となる（この実施例では摂氏約450度）。  そして、この２３−２の位置で回転体２２の連通路２３aは回転軸２１の前記第1通路２１aと連通して、高圧空気が前述の出力部３を介して回転駆動部４に送られる。  また、同時に２３−４に位置する作動気体室２３は外殻部２４下部の低温域における冷却水中に浸漬されて内部が冷却されるが、このとき２３−４に示す作動気体室２３に通じる連通路２３aは回転軸２１の前記第２通路２１ｂと連通する。このため、前記排気貯留室５から排気が作動気体室２３内に流入して冷却される。  空気室２３の冷却はその内部の空気の温度差を大きく保持するために有効である。  温度差の大きいほど加熱による高圧化が容易になる。
【００３０】
本願に係る外燃機関は加熱時間や冷却時間の制約を受けず出力部（高温高圧室）の圧力と排気貯留部（高温低圧室）の圧力差が存在する限り膨張動作と収縮動作を繰り返すので高速回転が可能であるため大きな出力を得ることができる。したがって、回転体と出力部（高温高圧室）、排気貯留部（高温低圧室）の大きさに比して回転駆動部（２サイクルエンジン）をスターリングエンジンに代表される外燃機関より著しく小型化することが出来る。
【００３１】
また、本願発明は回転駆動部（２サイクルエンジン）と熱交換加圧部とを必ず一対とする必要がないことも特徴の一つでもある。加熱源である高温燃焼ガスの温度により例えば３台の熱交換加圧部をタンデム(直列)に配置して、高温燃焼ガスはその３台を順次通過してゆくが作動気体室１番機は速く自転し、同２番機は普通に、同３番機は遅く自転するように回転体の駆動モーターとギアの回転数を調整すれば３台とも同じ圧力の加熱加圧高圧空気を出力部（高温高圧貯蔵室）に送り込む事が出来る。この方法は大型の発電装置を駆動させ燃焼熱の高効率変換装置として作動させる事も可能になる手法である。
【図１】
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【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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