(57)【要約】【課題】  構造が簡単で、環境に優しいサーモダイナミックエンジンを提供すること。【解決手段】  固定中心軸１１に回転可能なシリンダ１４，１４ａを半径方向に対向させて少なくとも一対配置するとともに、これらシリンダ１４，１４ａ内にそれぞれ媒体の受熱と放熱とによる体積変化で往復移動可能なピストン１５，１５ａを設ける一方、固定中心軸１１を挟んで媒体を加熱する加熱部２０と冷却する放熱部２１とを設け、ピストン１５，１５ａの往復移動をシリンダ１４，１４ａの固定中心軸１１回りの回転出力に変換する回転出力手段１６を設ける。これにより、シリンダ１４，１４ａ内の媒体を加熱・放熱することによる体積変化でピストン１５，１５ａを移動させ、これを回転出力手段１６でシリンダ１４，１４ａ自体を固定中心軸１１回りに回転させて出力軸１９から出力を取り出す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定中心軸に回転可能なシリンダを半径方向に対向させて少なくとも一対配置するとともに、これらシリンダ内にそれぞれ媒体の受熱と放熱とによる体積変化で往復移動可能なピストンを設ける一方、前記固定中心軸を挟んで前記シリンダ内の媒体を加熱する加熱部と冷却する放熱部とを設け、前記ピストンの往復移動を前記シリンダの前記固定中心軸回りの回転出力に変換する回転出力手段を設けてなることを特徴とするサーモダイナミックエンジン。
【請求項２】
前記回転出力手段を、前記固定中心軸に設けた一方向回転手段と、この一方向回転手段を介して設けたピニオンと、このピニオンに噛み合い前記ピストンに連結されたラックとで構成したことを特徴とする請求項１記載のサーモダイナミックエンジン。
【請求項３】
前記シリンダに、前記加熱部からの受熱と前記放熱部への放熱を行うヒートパイプを設けたことを特徴とする請求項１または２記載のサーモダイナミックエンジン。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれかに記載のサーモダイナミックエンジンを、前記固定中心軸回りに複数連結して設けて構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサーモダイナミックエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、サーモダイナミックエンジンに関し、温度差による媒体の体積変化を機械的なエネルギに変換して回転力として取り出すことができるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
温度差による熱エネルギを機械的なエネルギに変換する熱変換装置はその種類も多く、実用化されているものや開発段階のものなど種々提案されている。
【０００３】
例えばカルノーサイクルを利用したスターリングエンジンは、温度差による作動媒体の膨張圧を利用する機関として古くから知られているが、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関に比べ、装置が大型化することや装置の大きさに比べ出力が小さいことからほとんど実用化されていない。
【０００４】
そこで、出力を大きくするため、熱の移動が早い、分子量の小さいヘリウムガスを作動媒体として使用することや高圧にする方法があるが、作動媒体のシールが困難になったり、製作が難しくなる。
【０００５】
一方、スターリングエンジンのような機関では、内燃機関に比べ、炭酸ガスや窒素酸化物の発生が少ないなど地球の温暖化などの問題が少なく、環境に優しい機関として注目されている。
【０００６】
また、熱エネルギーを有効に利用する機関として、特許文献１〜４にヒートパイプを利用してタービンなどを駆動して機械的なエネルギに変換するものがある。
【特許文献１】特開平０６−２５７４１７号公報
【特許文献２】特開平０７−９１３６０号公報
【特許文献３】特開平０７−１１９６１８号公報
【特許文献４】特開２００１−２０７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来の機関では、構造が複雑であるなど改良が望まれている。
【０００８】
この発明は、かかる従来技術の課題と要望に問題に鑑みてなされたもので、構造が簡単で、環境に優しいサーモダイナミックエンジンを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためこの発明の請求項１記載のサーモダイナミックエンジンは、固定中心軸に回転可能なシリンダを半径方向に対向させて少なくとも一対配置するとともに、これらシリンダ内にそれぞれ媒体の受熱と放熱とによる体積変化で往復移動可能なピストンを設ける一方、前記固定中心軸を挟んで前記シリンダ内の媒体を加熱する加熱部と冷却する放熱部とを設け、前記ピストンの往復移動を前記シリンダの前記固定中心軸回りの回転出力に変換する回転出力手段を設けてなることを特徴とするものである。
【００１０】
このサーモダイナミックエンジンによれば、固定中心軸に回転可能なシリンダを半径方向に対向させて少なくとも一対配置するとともに、これらシリンダ内にそれぞれ媒体の受熱と放熱とによる体積変化で往復移動可能なピストンを設ける一方、前記固定中心軸を挟んで前記シリンダ内の媒体を加熱する加熱部と冷却する放熱部とを設け、前記ピストンの往復移動を前記シリンダの前記固定中心軸回りの回転出力に変換する回転出力手段を設けてあり、固定中心軸回りに回転する一対のシリンダ内の媒体を加熱・放熱することによる体積変化でピストンを移動させ、これを回転出力手段でシリンダ自体を固定軸回りに回転させて出力を取り出すことができ、簡単な構造で熱エネルギを回転力として取り出すようにしている。
【００１１】
また、この発明の請求項２記載のサーモダイナミックエンジンは、請求項１記載の構成に加え、前記回転出力手段を、前記固定中心軸に設けた一方向回転手段と、この一方向回転手段を介して設けたピニオンと、このピニオンに噛み合い前記ピストンに連結されたラックとで構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
このサーモダイナミックエンジンによれば、前記回転出力手段を、前記固定中心軸に設けた一方向回転手段と、この一方向回転手段を介して設けたピニオンと、このピニオンに噛み合い前記ピストンに連結されたラックとで構成しており、簡単な機構でピストンの往復移動を一方向の回転に変換して出力として取り出すことができるようになる。
【００１３】
さらに、この発明の請求項３記載のサーモダイナミックエンジンは、請求項１または２記載の構成に加え、前記シリンダに、前記加熱部からの受熱と前記放熱部への放熱を行うヒートパイプを設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
このサーモダイナミックエンジンによれば、前記シリンダに、前記加熱部からの受熱と前記放熱部への放熱を行うヒートパイプを設けており、効率良く受熱および放熱を行なうことができ、出力の増大を図るようにしている。
【００１５】
また、この発明の請求項４記載のサーモダイナミックエンジンは、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加え、前記請求項１〜３のいずれかに記載のサーモダイナミックエンジンを、前記固定中心軸回りに複数連結して設けて構成したことを特徴とするものである。
【００１６】
このサーモダイナミックエンジンによれば、前記請求項１〜３のいずれかに記載のサーモダイナミックエンジンを、前記固定中心軸回りに複数連結して設けて構成しており、一層滑らかな回転と出力の増大を図るようにしている。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の請求項１記載のサーモダイナミックエンジンによれば、固定中心軸に回転可能なシリンダを半径方向に対向させて少なくとも一対配置するとともに、これらシリンダ内にそれぞれ媒体の受熱と放熱とによる体積変化で往復移動可能なピストンを設ける一方、前記固定中心軸を挟んで前記シリンダ内の媒体を加熱する加熱部と冷却する放熱部とを設け、前記ピストンの往復移動を前記シリンダの前記固定中心軸回りの回転出力に変換する回転出力手段を設けたので、固定中心軸回りに回転する一対のシリンダ内の媒体を加熱・放熱することによる体積変化でピストンを移動させることで、これを回転出力手段でシリンダ自体を固定軸回りに回転させて出力を取り出すことができ、簡単な構造で熱エネルギを回転力として取り出すことができる。
【００１８】
また、この発明の請求項２記載のサーモダイナミックエンジンによれば、前記回転出力手段を、前記固定中心軸に設けた一方向回転手段と、この一方向回転手段を介して設けたピニオンと、このピニオンに噛み合い前記ピストンに連結されたラックとで構成したので、簡単な機構でピストンの往復移動を一方向の回転に変換して出力として取り出すことができる。
【００１９】
さらに、この発明の請求項３記載のサーモダイナミックエンジンによれば、前記シリンダに、前記加熱部からの受熱と前記放熱部への放熱を行うヒートパイプを設けたので、一層効率良く受熱および放熱を行なうことができ、出力の増大を図ることができる。
【００２０】
また、この発明の請求項４記載のサーモダイナミックエンジンによれば、前記請求項１〜３のいずれかに記載のサーモダイナミックエンジンを、前記固定中心軸回りに複数連結して設けて構成したので、一層滑らかな回転と出力の増大を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明の一実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。  
図１および図２はこの発明のサーモダイナミックエンジンの一実施の形態にかかり、図１は概略平断面図、図２は図１中のＣ−Ｃ断面図である。
【００２２】
このサーモダイナミックエンジンＥには、垂直な固定中心軸１１の上下に設けた軸受１２を介して上下の回転連結板１３が回転可能に設けられており、これら上下回転連結板１３の両端部に固定中心軸１１を挟む対称位置に一対のシリンダ１４、１４ａが取り付けられ、シリンダ１４、１４ａ内にピストン１５、１５ａが往復移動可能に装着してある。これにより、ピストン１５，１５ａが装着されたシリンダ１４、１４ａは固定中心軸１１を中心に半径方向で対向して、固定中心軸１１を中心に回転でき、ピストン１５、１５ａがシリンダ１４、１４ａの中を往復移動する様になっている。
【００２３】
このようなピストン１５、１５ａの往復移動をシリンダ１４、１４ａの固定中心軸回りの回転出力として、回転連結板１３を回転させる回転出力手段１６がある。
【００２４】
この回転出力手段１６として、対向するピストン１５、１５ａ同士がラック１７ａ、１８ａを備えた上下の連結ロッド１７，１８で連結されるとともに、これら連結ロッド１７，１８が固定中心軸１１を挟む対称位置に配置され、ラック１７ａ、１８ａが内側を向くようにしてある。これら上下に配置され、しかも内側を向いたラック１７ａ、１８ａと噛み合うピニオン１７ｂ，１８ｂが、固定中心軸１１の上下に一方向回転手段としてのワンウェイクラッチ１７ｃ、１８ｃを介して取り付けられ、いずれのピストン１５、１５ａも固定中心軸１１に近づく方向に向って移動する場合にピニオン１７ｂ、１８ｂの回転を阻止し、逆にピストン１５、１５ａが固定中心軸１１から離れる方向に向って移動する場合には、ピニオン１７ｂ、１８ｂの回転が自由になるように回転方向を規制するようにしてある。そして、連結ロッド１７、１８の往復移動をガイドするガイドローラ１７ｄ、１８ｄがラック１７ａ、１８ａと反対の外側に設けられ、ピニオン１７ｂ、１８ｂとの噛み合いを保持できるようにしてある。
【００２５】
すなわち、この回転出力手段１６では、図１におけるラック１７ａと、ワンウェイクラッチ１７ｃを介して取り付けられたピニオン１７ｂの噛み合いに注目すると、ピストン１５が図１の矢印Ｘの方向、すなわち固定中心軸１１に近づく方向に移動した場合、ピニオン１７ｂを反時計方向に回す力が働く。ワンウェイクラッチ１７ｃは、反時計方向には回転しないセットでピニオン１７ｂに取り付けられているため、反動で、ラック１７は時計回りに回転する力が生じ、回転連結板１３を含むサーモダイナミックエンジンＥが、図１の回転矢印Ｒの如く時計回りに回転する。
【００２６】
このとき、サーモダイナミックエンジンＥの全体に注目すると、ピニオン１７ｂの下方の対称位置には、ピニオン１８ｂがラック１８ａとも噛み合っており、同様にワンウェイクラッチ１８ｃは、反時計方向には回転しないが時計方向には自由に回るセットでピニオン１８ｂに取り付けられている。このためサーモダイナミックエンジンＥが、時計方向に回された場合、ピニオン１８ｂとラック１８ａが噛み合ったままで、時計方向に回転することに抵抗を生じない。
【００２７】
一方、１８０度回転すると上記のピストン１５、ラック１７ａ、ピニオン１７ｂ、ワンウェイクラッチ１７ｃに替わり、ピストン１５ａ、ラック１８ａ、ピニオン１８ｂ、ワンウェイクラッチ１８ｃが回転出力の主役となる。
【００２８】
また、この回転出力を回転連結板１３を介して取り出すため、回転連結板１３の固定中心軸１１の外側に出力軸１９が取り付けてあり、歯車機構などを介して発電機などを駆動できるようにしてある。
【００２９】
さらに、このサーモダイナミックエンジンＥでは、シリンダ１４、１４ａ内に作動媒体として空気が入れられ、固定中心軸１１を挟む両側に加熱部２０と放熱部２１が設けられ、例えば加熱源として地熱等による温水や蒸気さらには工場や他の機関の廃熱が用いられ、放熱源として冷水や冷気などが用いられる。
【００３０】
また、このサーモダイナミックエンジンＥでは、シリンダ１４、１４ａ内の作動媒体の受熱や放熱を効率良く行うため、ヒートパイプ２２、２２ａが取り付けてある。
【００３１】
このように，構成したサーモダイナミックエンジンＥでは、図１および図２に示すように、シリンダ１４が加熱部２０に入った場合、シリンダ１４内の作動媒体（空気）がシリンダ１４の壁面からの伝熱や、ヒートパイプ２２を介しての供給で加熱され、膨張し、ピストン１５およびこれに連結してある連結ロッド１７のラック１７ａを，固定中心軸１１の中心方向に移動させようとする力が働く。以上の力が働くと、前述のとおり、サーモダイナミックエンジンＥは時計回りの回転を始める。
【００３２】
サーモダイナミックエンジンＥがさらに回転すると、シリンダ１４と、もう一方のシリンダ１４ａの作動が入れ替わり、シリンダ１４は、温度の低い放熱域に入り、シリンダ１４の壁が冷やされ、ヒートパイプ２２を介して、シリンダ１４の内部の作動媒体の熱も放出され、冷やされ収縮し始める。同時に、対向するシリンダ１４ａは温度の高い加熱域に入り、作動媒体（空気）が、シリンダ１４ａの壁面からの伝熱や、ヒートパイプ２２ａを介しての熱の供給で加熱され、膨張し、ピストン１５ａおよびこれに連結してある連結ロッド１８のラック１８ａを、固定中心軸１１の中心方向に移動させようとする力が働き、やはり、前述のとおり、サーモダイナミックエンジンＥは時計回りに回転を続ける。
【００３３】
したがって、１／２回転ごとに、明確な回転出力が生じる。そこで、この固定中心軸１１を中心に、回転を出力軸１９から、熱エネルギが機械エネルギに変換された回転出力を取り出すことができる。
【００３４】
このようなサーモダイナミックエンジンＥによれば、作動媒体を介して直接ピストン１５、１５ａを動作させるため、確実に作動させることができ、しかも構造が簡単である。
【００３５】
また、このサーモダイナミックエンジンＥでは、回転出力の取り出しもピストン１５、１５ａの往復移動をラック１７ａ、１８ａ、ピニオン１７ｂ、１８ｂおよびワンウェイクラッチ１７ｃ，１８ｃで回転運動に変換するようにしており、簡単な構造にでき、効率良く回転出力を出力軸１９から取り出すことができる。
【００３６】
さらに、このサーモダイナミックエンジンＥによれば、加熱部２０と放熱部２１との温度差を利用して熱エネルギを得ることから、比較的低い温度差でも作動させることができ、地熱などの温水や蒸気を熱源として利用することもでき、環境に優しいものとなる。
【００３７】
なお、上記実施の形態では、固定中心軸を挟んで一対のシリンダなどを設けたもので説明したが、固定中心軸に複数対のシリンダなどを設けてサーモダイナミックエンジンを連結して構成することで、出力の増大を図ることができるとともに、固定中心軸に対して位相を変えてシリンダなどを設けることで回転を滑らかにすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明のサーモダイナミックエンジンの一実施の形態にかかる概略平断面図である。
【図２】この発明のサーモダイナミックエンジンの一実施の形態にかかる図１中のＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
Ｅ              サーモダイナミックエンジン
１１            固定中心軸
１２            軸受
１３            回転連結板
１４、１４ａ    一対のシリンダ
１５、１５ａ    ピストン
１６            回転出力手段
１７，１８      連結ロッド
１７ａ、１８ａ  ラック
１７ｂ，１８ｂ  ピニオン
１７ｃ、１８ｃ  ワンウェイクラッチ
１７ｄ、１８ｄ  ガイドローラ
１９            出力軸
２０            加熱部
２１            放熱部
２２，２２ａ    ヒートパイプ
【図１】
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【図２】
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