(57)【要約】【課題】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、かつ熱効率の優れた外燃機関の提供を目的とする。【解決手段】加熱気体室と、収納された前記加熱気体室を加熱するケーシングと、前記ケーシングに高温気体を供給して加熱するバイオマス燃焼炉と、加熱気体室から回転切り替え弁と固定弁を有する弁機構を介して送給される加熱気体の貯留室と、貯留室からの高圧高温気体により作動するエンジン部と、加熱気体室の冷却手段と、ケーシングならびに回転切り替え弁を軸支する回転軸と、回転軸の駆動源と、を具え、バイオマス燃焼炉から高温気体をケーシング内に送り加熱気体室を加熱し、加熱により加熱気体室内で高温高圧となった気体を回転切り替え弁の回転により固定弁との間に形成された通路を介して貯留室に放出し、貯留室から前記エンジン部に高温・高圧気体を圧送しエンジン部を駆動させる外燃機関により、上記課題を解決する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱気体室と、収納された前記加熱気体室を加熱するケーシングと、前記ケーシングに高温気体を供給して加熱するバイオマス燃焼炉と、前記加熱気体室から回転切り替え弁と固定弁を有する弁機構を介して送給される加熱気体の貯留室と、前記貯留室からの高圧高温気体により作動するエンジン部と、加熱気体室の冷却手段と、前記ケーシングならびに前記回転切り替え弁を軸支する回転軸と、この回転軸の駆動源と、を具えてなり、バイオマス燃焼炉から高温気体をケーシング内に供給して加熱気体室を加熱し、この加熱により加熱気体室内で高温高圧となった気体を前記回転切り替え弁の回転により固定弁との間に形成された通路を介して前記貯留室に放出するとともに、この貯留室から前記エンジン部のシリンダー内に加熱された高温・高圧気体を圧送してシリンダー内のピストンを作動させてエンジン部を回転駆動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、弁機構は、固定弁と回転軸に取り付けられて前記固定弁に摺接しながら回転する回転切り替え弁とを具えてなり、前記それぞれの弁には複数の通路が形成されていて回転切り替え弁の回転により所定のタイミングで前記各弁の通路が連通することにより、加熱気体室から貯留室へ高温・高圧気体を送給するとともに高温・高圧気体の放出後の加熱気体室に冷却手段からの冷却気体を送給できる構成と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、貯留室と固定弁の通路とを結ぶ連通路にはチェッキ弁を設けて所定圧力以上の高温・高圧気体のみを貯留室に導入する一方、前記冷却手段はコンプレッサーと内部でシリンダーが往復動するシリンダーポンプとを具えてコンプレッサーから冷却用空気をポンプの一端に圧入するとともに貯留室に導入されず加熱気体室に残留した所定圧力未満の気体をポンプの他端に導入してシリンダーポンプ内のシリンダーを動作させて前記冷却用空気を弁機構を介して残留気体を放出した後の加熱気体室に送給して冷却するように構成したことを特徴とする外燃機関。
【請求項４】
請求項３記載の外燃機関において、加熱気体室に残留した加熱気体の還流システムを設け、この還流システムは前記シリンダーポンプで構成して、コンプレッサーから導入された冷却用空気によりシリンダーを動作させてシリンダーポンプ内に導入された所定圧力未満の前記残留気体をバイオマス燃焼炉に還流させるようにしたことを特徴とする外燃機関。
【請求項５】
請求項３又は４記載の外燃機関において、コンプレッサーからシリンダーポンプへ冷却用空気を送る通路には水噴霧装置を設けて冷却用空気に水を噴霧するようにしたことを特徴とする外燃機関。
【請求項６】
請求項１ないし5いずれか記載の外燃機関において、ケーシング内で回転軸に固定される前記加熱気体室は複数を回転軸周りで等間隔に設けるとともに、その両端を回転切り替え弁の通路にそれぞれ連結される金属パイプを多段に折曲して構成し、良好な熱交換効率を得るように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、前記エンジン部は、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、貯留室からの高温高圧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。
【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に関するものである。
【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】
本願発明者は先に、上述の難点を克服するために新規な外燃機関を特願２００９−２３５９３６号において開示したが、本願発明にあってはこれをさらに改善し、より軽量・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、かつ熱効率の優れた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、加熱気体室と、収納された前記加熱気体室を加熱するケーシングと、前記ケーシングに高温気体を供給して加熱するバイオマス燃焼炉と、前記加熱気体室から回転切り替え弁と固定弁を有する弁機構を介して送給される加熱気体の貯留室と、前記貯留室からの高圧高温気体により作動するエンジン部と、加熱気体室の冷却手段と、前記ケーシングならびに前記回転切り替え弁を軸支する回転軸と、この回転軸の駆動源と、を具えてなり、バイオマス燃焼炉から高温気体をケーシング内に供給して加熱気体室を加熱し、この加熱により加熱気体室内で高温高圧となった気体を前記回転切り替え弁の回転により固定弁との間に形成された通路を介して前記貯留室に放出するとともに、この貯留室から前記エンジン部のシリンダー内に加熱された高温・高圧気体を圧送してシリンダー内のピストンを作動させてエンジン部を回転駆動させるようにした外燃機関を提供して、上記課題を解決しようとするものである。
【０００６】
また、上記段落０００５記載の外燃機関において、弁機構は、固定弁と回転軸に取り付けられて前記固定弁に摺接しながら回転する回転切り替え弁とを具えてなり、前記それぞれの弁には複数の通路が形成されていて回転切り替え弁の回転により所定のタイミングで前記各弁の通路が連通することにより、加熱気体室から貯留室へ高温・高圧気体を送給するとともに高温・高圧気体の放出後の加熱気体室に冷却手段からの冷却気体を送給できる構成となすことがある。
【０００７】
さらに、段落０００６記載の外燃機関において、貯留室と固定弁の通路とを結ぶ連通路にはチェッキ弁を設けて所定圧力以上の高温・高圧気体のみを貯留室に導入する一方、前記冷却手段はコンプレッサーと内部でシリンダーが往復動するシリンダーポンプとを具えてコンプレッサーから冷却用空気をポンプの一端に圧入するとともに貯留室に導入されず加熱気体室に残留した所定圧力未満の気体をポンプの他端に導入してシリンダーポンプ内のシリンダーを動作させて前記冷却用空気を弁機構を介して残留気体を放出した後の加熱気体室に送給して冷却するように構成することがある。
【０００８】
またさらに、段落０００７記載の外燃機関において、加熱気体室に残留した加熱気体の還流システムを設け、この還流システムは前記シリンダーポンプで構成して、コンプレッサーから導入された冷却用空気によりシリンダーを動作させてシリンダーポンプ内に導入された所定圧力未満の前記残留気体をバイオマス燃焼炉に還流させるように構成することがある。
【０００９】
また、段落０００７又は０００８記載の外燃機関において、コンプレッサーからシリンダーポンプへ冷却用空気を送る通路には水噴霧装置を設けて冷却用空気に水を噴霧するように構成することがある。
【００１０】
また、段落０００５ないし０００９いずれか記載の外燃機関において、ケーシング内で回転軸に固定される前記加熱気体室は複数を回転軸周りで等間隔に設けるとともに、その両端を回転切り替え弁の通路にそれぞれ連結される金属パイプを多段に折曲して構成し、良好な熱交換効率を得るように構成することがある。
【００１１】
そして、段落０００５ないし００１０いずれか記載の外燃機関において、前記エンジン部は、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、貯留室からの高温高圧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。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明は、上記構成により熱効率に優れ製造コスト、運転コストともに極めて低廉であり、保守管理も容易で、かつ燃料に再生可能な森林資源その他のバイオマスを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】
【００１３】
【図１】本願発明に係る外燃機関の構成概要を示すブロック図である。
【図２】外燃機関に係る１実施例を示す一部断面図である。
【図３】加熱気体室の高温・高圧気体の供給時における弁機構の作動状態を示す一部断面図である。
【図４】加熱気体室への冷却気体の送給時における弁機構の作動状態を示す一部断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本願発明は、バイオマス燃焼炉から高温の気体を回転軸により回転するケーシングに送給してケーシング内部を急激に加熱して内部に設けられた加熱気体室内を高温・高圧化し、これによる高温・高圧気体をエンジン部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。  エンジン部において円滑な回転を実現するには、ケーシング内に設けられる加熱気体室は複数個に構成するのが望ましい。
【００１５】
加熱気体室内およびケーシングに供給される気体すなわち熱交換媒体としての気体は空気が種々の面で好適である。  ケーシング内部の加熱はバイオマス燃焼炉からの燃焼高温ガスが使用され、このガスは、ケーシング内部への放出時に摂氏550−600度程度に設定する。このようなケーシング内部の加熱により加熱気体室内の空気は摂氏約500度程度に加熱される。  加熱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、例えば加熱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、加熱気体室は密閉空間であるから空気の膨張により圧力が約2倍となる。
【００１６】
加熱気体室から放出される高温・高圧空気は、エンジン部への噴出前に貯留室に保持してからエンジン部へ送るようにして供給の円滑化を図る。  高温・高圧空気を放出した加熱気体室内には冷却空気を送って内部の低温低圧化を図る。  これにより、加熱気体室の再加熱時に内部空気の高温・高圧化が容易になる。
【００１７】
加熱気体室からの高温・高圧空気は、いったん貯留室へ送られ、ここでいったん保持されるが、加熱気体室からのすべて加熱空気が貯留室に保持されるのではなく、所定値以下の圧力値の加熱空気はチェッキ弁により排除された後、シリンダーポンプを経てバイオマス燃焼炉に還流される。  還流された加熱空気は十分な酸素ならびに熱量を有するからバイオマス燃焼炉におけるバイオマスの燃焼促進と燃料の節減に寄与することになる。
【００１８】
加熱気体室からの高温・高圧空気の放出や放出後の加熱気体室への冷却空気の導入は弁機構を介してなされる。  この弁機構は、ケーシングにこれと同軸に取り付けられる回転切り替え弁とこれに摺接する固定弁とで構成される。  回転切り替え弁には加熱気体室の排気口（高温・高圧空気の出口）ならびに吸気口（冷却空気の入り口）にそれぞれ接続する通路が形成される。  一方、固定弁には所定のタイミングで回転切り替え弁の前記通路に連通する通路が形成される。  回転切り替え弁と固定弁のそれぞれの通路位置は、例えば、ケーシング内で最大高温・高圧となった加熱気体室の排気口に接続する回転切り替え弁通路と固定弁通路が連通するように、また、加熱空気の放出を完了した加熱気体室の吸気口に接続する回転切り替え弁通路と固定弁通路が連通するように設定される。これによって、ケーシングの回転に伴い、加熱気体室からの高温・高圧空気の放出や放出を完了した加熱気体室への冷却空気の導入がタイミングよく実行されることになる。
【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概要を示すブロック図である。
図において、１は加熱気体室、２は前記加熱気体室１を収納して加熱するケーシング、３は前記ケーシング２に高温気体を供給して加熱するバイオマス燃焼炉、４は前記加熱気体室への気体の出入りに介在制御する弁機構で後述のように回転切り替え弁と固定弁を有している。なお、３１は燃料供給装置である。
【００２０】
また、５は、前記加熱気体室１から弁機構４を介して送給される加熱気体を高圧状態で保持する貯留室、６は前記貯留室５からの高温・高圧気体により作動するエンジン部、７は高温・高圧気体の放出後の加熱気体室の冷却手段である。  なお、８は、前記エンジン部６により駆動される発電機である。  そして、前記ケーシング２ならびに弁機構４の前記回転切り替え弁は、駆動源により回転する回転軸（不図示）において同軸に軸支されている。
【００２１】
バイオマス燃焼炉３からは高温気体（燃焼ガス）がケーシング２内に供給され加熱気体室１内の気体（空気）が加熱され、この加熱により加熱気体室１内で高温高圧となった気体（空気）は前記回転切り替え弁の回転により固定弁との間に形成された通路を介して前記貯留室５に放出され保持される。  そして、貯留室５から前記エンジン部６のシリンダー内に加熱された高温・高圧気体を圧送してシリンダー内のピストンを作動させてエンジン部を回転駆動させるようになっている。
【００２２】
次に、本願発明の１実施例を図面により説明する。図２は、外燃機関に係る１実施例を示す一部断面図であり、構成要素示す符号は前記の図1と同一となっている。
図２において、１はケーシング2内に収納される加熱気体室である。  この加熱気体室１は、相対向する一対の支柱１a,1aとこの支柱1a間に多段にわたり折曲重畳して架設された金属パイプ１ｂを具えている。  この金属パイプの両端は排気口又は吸気口として後述のように弁機構４の回転切り替え弁の通路に連結されている。
【００２３】
この実施例において、12個の加熱気体室１が等間隔で回転軸１１に固定された支承軸１１aに固着されている。
弁機構４は、回転軸１１にケーシング２と同軸で固定される回転切り替え弁４１とこの回転切り替え弁４１に接合し回転切り替え弁４１が摺接しながら回転する固定弁４２とを有している。
【００２４】
前記それぞれの弁には複数の通路が形成されていて、ケーシング2の回転すなわち回転切り替え弁４１の回転により所定のタイミングで前記各弁の通路が連通することにより、加熱気体室１から貯留室５へ高温・高圧気体が送給される一方、高温・高圧気体の放出後の加熱気体室１に冷却手段７からの冷却気体を送給できるように回転切り替え弁４１と固定弁４２との間で相互の通路が連通するようになっている。
【００２５】
すなわち、回転切り替え弁４１と固定弁４２のそれぞれの通路位置は、例えば図３に示すように、ケーシング２内で最大高温・高圧となった加熱気体室１の金属パイプ１ｂの排気側端部口１ｂ１に接続する回転切り替え弁４１の通路４１aと固定弁４２の通路４２aが連通するように、また、図４に示すように加熱空気の放出を完了した加熱気体室１の金属パイプ１ｂの吸気端部口１ｂ２に接続する回転切り替え弁４１の通路と固定弁４２の通路４２ｂが連通するように設定される。これによって、ケーシング２の回転に伴い、加熱気体室１からの高温・高圧空気の放出や放出を完了した加熱気体室１への冷却空気の導入がタイミングよく実行されることになる。
【００２６】
前述のように、加熱気体室１からの高温・高圧気体は貯留室５へ供給されるが、ここですべての加熱気体が貯留室５へ供給されるのではない。  すなわち、固定弁４２と貯留室５とを結ぶ連通路aにはチェッキ弁５aを設けて所定圧力以上の高圧気体のみを貯留室５に導入するようになっている。  この実施例では、２気圧以上の気体を貯留室５に保持するようにしている。  そして、２気圧未満の加熱気体は後述のようにバイオマス燃焼炉３に還流されることになる。
【００２７】
また、図において７は冷却手段であり、コンプレッサー７aと内部でシリンダーが往復動するシリンダーポンプ７bとを具えて、加熱気体放出後の加熱気体室１に冷却気体を送りこれを冷却する。  コンプレッサー７aから冷却用空気がポンプ７bの一端に送給される一方、前述で貯留室５への流入を封止された２気圧未満の残留加熱気体は加熱気体室１から弁機構４を介して通路bを経てシリンダーポンプ７ｂに送られ、これにより先にシリンダーポンプ７ｂに導入されていた冷却気体はシリンダーの動作により通路ｃ、通路弁機構４を介して加熱気体室１に至りこれを冷却することになる。  冷却を終えた冷却気体は弁機構４、通路eを経てケーシング２の排気筒２aに排気される。  なお、通路ｃの冷却気体には噴霧装置Ｓにより水を噴射する構成を採用することもある。
【００２８】
上述で、冷却気体がシリンダーポンプ７ｂから押し出されてポンプ７ｂ内には前記の残留加熱気体が保持されているが、ここで再び、コンプレッサー７aから冷却気体がポンプ７ｂ内に送給され、これによりシリンダーが作動して前記残留加熱気体は通路ｄを経てバイオマス燃焼炉３に還流されて、残留加熱気体の有する酸素、熱量がバイオマス燃焼炉３において再利用される。
【００２９】
貯留室５に保持された高温・高圧（この実施例では2気圧以上）の気体は通路ｆを経てエンジン部６に送られ、エンジン部６を駆動させる。  このエンジン部６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、貯留室からの高温高圧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を有する周知構成になる２サイクルエンジンである。  排出口からの排気は通路ｇを経てバイオマス燃焼炉３に還流され、排気が有する酸素、熱量がバイオマス燃焼炉３において再利用される。
【００３０】
バイオマス燃焼炉３では、間伐材、稲わら、落ち葉その種々のバイオマス燃料が使用されるが、生じた高温の燃焼ガスは通路ｈを経てケーシング２に送られて、前述のようにその内部で加熱気体室１を加熱することになる。
【００３１】
加熱気体室１は、この実施例では１２個が等間隔で回転軸１１の周りに固定され、それぞれの加熱気体室１の出口、入り口は前記のように回転切り替え弁４１に形成された通路に連結され、これらの通路は固定弁に形成された通路に加熱気体室１の回転に応じたタイミングで連通して、加熱気体の排出、冷却気体の導入がなされることは前記の通りである。
そして、この実施例では、気体は空気が使用されていて、回転軸１１は駆動源としてもモーターｍにより2回転／分の設定になっている。
【００３２】
本願発明では、気体、特に空気を熱媒体として使用しており、使用済みの空気すなわちエンジン部から排気された加熱空気、貯留室に導入されず加熱気体室に残留した加熱空気には、高温に加熱された酸素が未だ十分に残っており、これらをバイオマス燃焼炉に還流させて利用することによりバイオマス燃焼炉は少ない燃料で多量の高温ガスを発生することが可能になっている。
【００３３】
加熱気体室１は、上記実施例では銅パイプで形成され、この熱交換器として作用する銅パイプの収納されたケーシング２にはバイオマス燃焼炉３で発生した高温燃焼ガスが導入されて、ケーシング2の下端から上端の排気筒まで移動する間に銅パイプの周囲を通過して加熱気体室1内の空気との熱交換がなされる。
【００３４】
前述の実施例では、エンジン部に発電機を接続して毎時５ｋｗＨの電力を得られるように構成されているが、この場合15万Ｋｃａｌ／Ｈの熱量を要するが、この熱量のうち5万キロカロリー分は、段落００３２その他で説明したような加熱気体の還流分で賄うことができ、これをバイオマス燃料チップに換算すると約２５Ｋｇとなる。
【００３５】
本願発明では、気体（空気）を直接加熱し、その体積膨張力（圧力）を利用しているが、その利点はおよそ以下のようである。
（１）  空気は、1気圧下で比熱0.24kcl／立法メートルであり、温度が1度上昇すると体積は0.3％増えることになるが、この膨張空気をパルス的に連続して取り出し集積して利用できる。  これは、従来技術では実現されていない点である。
（２）  上記の実施例では、1個の加熱気体室の約３３％の加熱高圧空気（大気圧より1気圧以上大である）を取り出せることが可能で、残余の加熱空気（2気圧未満であるが大気圧より高圧である）を冷却空気の吹き込み原動力として利用している。
（３）  従来の蒸気ボイラーのように気化熱が生じることがないので、ほぼ10倍近い熱効率を得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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