(57)【要約】【課題】  簡素な構成によりバイオマス燃料による比較的低温の燃焼ガスにより駆動する熱効率の優れた外燃機関発電装置の提供を目的とする。【解決手段】圧縮空気を加熱して熱膨張させその体積膨張を利用して駆動させる外燃機関を具え、ケーシングとこれに収納されるタービンからなる空気圧縮機と、この空気圧縮機から送給される空気を加熱膨張させる空気加熱部と、ケーシングとこれに収納されるタービンからなり前記空気加熱部から流入する加熱膨張空気をエネルギー源とする回転駆動部と、空気加熱部における空気加熱に用いられる熱源と、を具え、前記空気圧縮機と前記回転駆動部の回転軸は同軸に形成されるとともに、圧縮機側の回転軸端部には発電電動機を設けてエンジンスタート時には発電電動機により始動させ外燃機関の駆動後は発電電動機により発電をするようにした外燃機関発電装置により、上記課題を解決する。【選択図】    図１
2013119795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を加熱して熱膨張させその体積膨張を利用して駆動させる外燃機関を具えた外燃機関発電装置であって、ケーシングとこれに収納されるタービンからなる空気圧縮機と、この空気圧縮機から送給される空気を加熱膨張させる空気加熱部と、ケーシングとこれに収納されるタービンからなり前記空気加熱部から流入する加熱膨張空気をエネルギー源とする回転駆動部と、空気加熱部における空気加熱に用いられる熱源と、を具え、前記空気圧縮機と前記回転駆動部の回転軸は同軸に形成されるとともに、圧縮機側の回転軸端部には発電電動機を設けてエンジンスタート時には発電電動機により回転軸を回転させて外燃機関を始動させ、外燃機関の駆動後は発電電動機により発電をするようにしたことを特徴とする外燃機関発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の外燃機関発電装置において、空気圧縮機へ流入する空気に水を添加するための給水器を設け、前記空気加熱部における加熱により蒸気を発生させて圧縮空気の熱膨張率を高めるようにしたことを特徴とする外燃機関発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部は、多段に積層される筐体で形成され、各筐体は連結されていて最上段の筐体は前記空気圧縮機に連通し、最下段の筐体は前記回転駆動部に連結されていることを特徴とする外燃機関発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部を構成する多段積層の筐体を貫通するガス流路を複数設けて、熱源からの加熱ガスを流通させて各筐体を流通する空気圧縮機からの空気を加熱してこれを熱膨張させその体積膨張した空気を回転駆動部に送給するようにしたことを特徴とする外燃機関発電装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の外燃機関発電装置において、前記熱源はバイオマス燃料であり、前記空気加熱部はバイオマス燃料炉内部に設置したことを特徴とする外燃機関発電装置。
【請求項６】
請求項５記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部から回転駆動部に送給されてタービン回転に使用された空気を再度バイオマス燃料炉内部に吹き込み燃焼用酸化剤として使用するよう構成としたことを特徴とする外燃機関発電装置。
【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とこの外燃機関を利用した発電装置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２０１０−９４６３２号、特願２０１０−２７５４７６号、特願２０１１−８６９６４号等において開示した。  これらにおいて提案された外燃機関は、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、かつ熱効率に優れているが、構造上製作コストが高くなり、発電の効率が設計値より低くなる、運転の安定性に欠けるなどの問題があった。
本願発明は、前記出願に係る発明より更に熱効率に優れ、しかも製造コストが安価であり、安定的な運転も容易である外燃機関に係る技術を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、圧縮空気を加熱して熱膨張させその体積膨張を利用して駆動させる外燃機
関を具えた外燃機関発電装置であって、ケーシングとこれに収納されるタービンからな
る空気圧縮機と、この空気圧縮機から送給される空気を加熱膨張させる空気加熱部と、ケーシングとこれに収納されるタービンからなり前記空気加熱部から流入する加熱膨張空気をエネルギー源とする回転駆動部と、空気加熱部における空気加熱に用いられる熱源と、を具え、前記空気圧縮機と前記回転駆動部の回転軸は同軸に形成されるとともに、圧縮機側の回転軸端部には発電電動機を設けてエンジンスタート時には発電電動機により回転軸を回転させて外燃機関を始動させ、外燃機関の駆動後は発電電動機により発電をするようにした外燃機関発電装置を提供して、上記従来の課題を解決しようとするものである。
【０００６】
また、上記段落０００５記載の外燃機関発電装置において、空気圧縮機へ流入する空気に水を添加するための給水器を設け、前記空気加熱部における加熱により蒸気を発生させて圧縮空気の熱膨張率を高めるように構成することがある。
【０００７】
さらに、段落０００５又は０００６記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部は、多段に積層される筐体で形成し、各筐体は互いに連結されていて最上段の筐体は前記空気圧縮機に連通し、最下段の筐体は前記回転駆動部に連結されて加熱されて体積膨張した空気により回転駆動部を動作させる構成となすことがある。
【０００８】
またさらに、段落０００５ないし０００７いずれか記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部を構成する多段積層の筐体を貫通するガス流路を複数設けて、熱源からの加熱ガスを流通させて各筐体を流通する空気圧縮機からの空気を加熱してこれを熱膨張させその体積膨張した空気を回転駆動部に送給する構成となすことがある。
【０００９】
また、段落０００５ないし０００８いずれか記載の外燃機関発電装置において、前記熱源はバイオマス燃料であり、前記空気加熱部はバイオマス燃料炉内部に設置した構成となすことがある。
【００１０】
さらに、段落０００９記載の外燃機関発電装置において、前記空気加熱部から回転駆動部に送給されてタービン回転に使用された空気を再度バイオマス燃料炉内部に吹き込み燃焼用酸化剤として使用する構成となすことがある。
【００１１】
石油を燃料とする従来一般の火力発電所では、燃焼エネルギーを発電に使用した後、摂氏６００度程度の排ガスが煙突から大気中の排気されている。  すなわち、この排気ガスの有するエネルギーは有効利用されることなく排気されている。  本願発明は、バイオマス燃料特有の爆発的な燃焼力を有しない低温度燃焼ガス火力を使うことができることを特徴としており、したがって、上記のような摂氏６００度程度の低温の排気ガスからでも、さらに機関を作動させて出力を発電等に利用できる新規な外燃機関であり、高圧蒸気を作れないバイオマス燃料のような燃料に適した装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明は、低温度（摂氏１０００度以下）の燃焼温度しか期待できないバイオマス燃焼ガスや上記のような低温度の排気ガスを使い高効率で機械的出力に変換できる。
すなわち、熱源として石油や石炭等を使う火力発電所やコークス炉や転炉等の物体加熱用や発電用に使った後の排気ガスの有する熱をも利用できる。  これらの排気ガス熱は、だいたい摂氏６００度程度であり、従来は全て排気ガスとして捨て去られている。このような大量のエネルギーロスを、本願発明の導入より解消することができる。  回収可能な排気ガス熱量は、石油、石炭全消費量の１０％を下らない膨大な量といわれているが、本願発明は、利用するには経済的に困難であった摂氏６００度程度の排気ガスの有する熱量を高効率で機械的出力に変換して有効利用できる。
【００１３】
本願発明の趣旨は、元々気体である空気を加熟し膨張させ、その膨張利得で機械的出力を得て発電機機関等を駆動する点にある。空気を加熟しその体積を３倍量にまで持ってゆく温度は819度の昇温度で良く、それに要するカロリーは空気１立ｍあたり約２００ｋclである。この温度帯の燃焼ガスならば少し乾かしたバイオマス燃料ならばどの様な草、や木、や皮、や葉、でも出しうる燃焼温度であり何ら問題が無いといえる。
【００１４】
ちなみにバイオマス燃料を１２００度以上の高温度で燃焼させられない理由をここで説明すると、バイオマス燃料にはリン酸成分を多く含む焼却灰が重量比で約１％弱程度存在する。  そして、摂氏１２００度以上で燃焼させるとこの灰が溶けて流れ出る。そしてその温度以下の部分に付着し固まる性質がある。このため、ボイラー管体や炉体、煙道等が故障しその各機能が失われるので、高温度燃焼が出来ないのである。
このため、バイオマス燃料は利用価値が低く生産性としては最悪の燃料となり化石燃料に取って代わられた歴史がある。現今の地球温暖化対策として又持続可能なリサイクルエネルギーとして再びかえり見られてはいるが、この燃料に適した機関は今だ無く、この状態では再び葬られる勿体無いエネルギーとえるのである。
本願発明は、従来利用が難しかったバイオマスエネルギーの効率的利用を可能とする技術をここにあらためて提案するものである。
【００１５】
要すれば本願発明にあっては、低温度(摂氏１２００度以下)で燃やし摂氏８００度から１０００度程度の燃焼ガスを得て、それを用いて空気を加熱し、これにより熱電変換効率の高い機関を作るが可能である。
このためには、何よりも動作域に至る必要カロリーが少なくてすむ事である。因みに３立方メートルの蒸気〈気体〉を得るには最低でも９００ｋｃｌが必要なのであるが空気を加熱し３立方メートルにするのに必要する力ロリーは２００ｋｃｌである。      
【００１６】
本願発明では、口述の実施例に示すように、少量の水ミストを加える装置を提案しているが現在開発済みの高温小型ガスタービンブレードを効率良く稼動させるには少なくとも４倍体積増以上の気体変化(体積増殖)が最も高い熱電変換効率を示しその熱電変換効率は既存最新式バイオマス発電装置の約４倍を優に超える性能なのである。
又、実施例にある様にこれを巨大化させる為の技術的障害や障壁は現時点では見つかっていないので直ぐにも巨大化装置の製作が可能である。
【実施例】
【００１７】
図面に従って実施例を説明する。  図１は本願発明の１実施例の全体構成図であり、  図において、１は圧縮空気を加熱して熱膨張させその体積膨張を利用して駆動させる外燃機関を具えた外燃機関発電装置であって、２は空気圧縮機であり、この空気圧縮機２はケ−シング２１とこれに収納されるタービン２２からなっている。  また、３は前記空気圧縮機２から送給される空気を加熱膨張させる空気加熱部である。
【００１８】
４は、前記前記空気加熱部３から流入する加熱されて膨張した空気をエネルギー源とする回転駆動部であり、タービン４１とこれが収納されるケーシング４２とからなっている。
この実施例では、熱源すなわち前記空気加熱部３の加熱源としてはバイオマス燃料が使用されている。  すなわち、図示のように空気加熱部３は、バイオマス燃焼炉５内部に設けられてバイオマスチップタンク６から供給される木材チップなどのバイオマス燃料の燃焼により前記空気圧縮機２から空気加熱部３に送られてその内部を流通する低温高圧空気を加熱する。
【００１９】
また、前記空気圧縮機２と前記回転駆動部４とは回転軸７により同軸に連結されている。  
そして、空気圧縮機２側の回転軸端部には高速高周波(１０００ＨＺ)発電電動機８が設けられていて、エンジンスタート時には前記発電電動機８の電動機機能により回転軸７を回転させて外燃機関を始動させ、外燃機関の駆動後は前記発電電動機８の発電機能により発電をするようになっている。  
【００２０】
また、９は空気圧縮機２の空気吸い込み口に設けられた空気フィルターであり、この空気フィルター９を介して新鮮な低温度の空気が吸い込まれるようになっていて、前記空気吸い込み口には給水器１０が設けられていて、適度な量の水滴が空気と同時に吸い込まれる構造を有し、前記空気加熱部３における加熱により蒸気を発生させて圧縮空気の熱膨張率を高めるようになっている。  このような水の添加は、空気の体積膨張率が低い場合に、蒸気を発生させて空気の体積膨張増殖を助長させるためである。
なお、図１の実施例において、回転駆動部４のタービン４１を駆動通過して膨張した使用済みリーンスチーム空気｛混入していた少しの水ミストは気化し蒸気に変化｝はまだ高温度｛摂氏３００度程度｝で、しかも高濃度の酸素を含んだ空気であるからバイオマス燃焼炉５に再度直接吹き込み燃焼用酸化剤として使う。  
【００２１】
図２は、バイオマス燃料炉５内における前記空気加熱部３とこれを加熱するための燃焼ガスの流路１１の関連構成を示す一部断面図である。空気加熱部３は、多段に積層される筐体３１で形成され、各筐体３１は連結されていて最上段の筐体３１はパイプ１２により前記空気圧縮機２に連通し、最下段の筐体３１はパイプ１３により前記回転駆動部４に連結されている。  バイオマス燃料の燃焼により、燃焼ガスは炉内の下方から前記流路１１を通過して空気加熱部３内を流通する圧縮空気を加熱し、空気に水が添加されている場合はこれを蒸気化して上方に至り大気中に放散される。
【００２２】
最上段の筐体３１を加熱する燃焼ガス）は下段から多段の筐体３１を加熱しつつ流れて来るので各段でそれ相当の熱を奪われ最上段に至った時の温度は摂氏約２５０度程度である。この段の温度交換気体相互の温度差は摂氏２００度程度に設定する事が望ましい。従って次段は１５０度と３５０度と言う様に最下段では摂氏８５０度程度であるのに対して、空気加熱部３内部の気体温度は出口付近では相互差温度は摂氏１
０ ０度以下になる。
【００２３】
この実施例で、炉５内の下方で最下段の前記筐体３１内の空気は摂氏８５０度でまで加熱される。  すると、空気は約３．１１倍の体積膨張になるが、この空気は元々空気圧縮機２で圧縮されていて約１．８気圧となっている。  したがって、８５０／１．８＝摂氏４７２．２度しか上がったことにはならない。  すなわち、１．８気圧空気は加熱後の膨張増殖は１．７倍にしかならない。もちろん、加熱温度帯も摂氏８５０度なので、低温度といえるし、加熱膨張に要する熱量も水の気化熱量にくらべれば１０％程度であるが、力を取り出す回転駆動部４のタービンブレードの効率が１．７倍程度では圧縮機の負の出力を賄えない。
そこで、少量の水ミストを混入し空気温度と同時に気化し、体積を補う。このミスト比が大きいと従来の蒸気機関と同様に熱効率が低下するが、再度回収してバイオマスチップの燃焼用空気として利用することもできない。  このため、せいぜい３０％程度の蒸気と加熱膨張した空気が理想的な値となる。こうすると加熱膨張増殖率（実際の高温タービンブレート通過気体体積量）が２．７から３．１倍程度が確保できるためである。
つまり３の力で回転駆動部４のタービン４１を回し、同軸の空気圧縮機２の不出力を差し引いて残り１の力で発電する。これが本件発明の趣旨でもある。
【００２４】
図３は、多段に積層されて空気加熱部３を構成する前記筐体３１とこの筐体３１を貫通してその内部を流通する空気圧縮機２からの空気を加熱する燃焼ガスの流路１１の関連構成を示す一部切欠斜視図であり、図において、３１は耐熱鋼板で形成された筐体で、側面に接続用のフランジＦを具えている。  燃焼ガスの流路１１は、図示のように上下方向に筐体３１を貫通して多数設置されている。  この燃焼ガスは炉５内において、筐体３１の外部を通過しつつ熱交換するとともに前記流路１１を通過して筐体３１内の空気と効率的に熱交換しつつ炉内を下方から上方へ移動して熱交換をした後、気中に放散される。
【００２５】
図４は、図３に示す筐体３１の一部切欠平面図である。  入り口としての一方のフランジＦから矢符のように流入した空気は案内板Ｇに誘導されて筐体３１内部を出口としての他方のフランジＦに流通する。  この間、流通する空気は流路１１を通過する燃焼ガスならびに筐体３１の外部に沿ってながれる燃焼ガスにより加熱されることになる。
【００２６】
図１に示す外燃機関発電装置１を動作させるには、先ずバイオマスチップを燃やし炉５の加熱を始めて、バイオマス燃焼炉５全体に燃焼ガスを充満させるとともに空気加熱部２を加熱し、空気加熱部２、バイオマス燃焼炉５などが暖まった時点で、電動発電機８をモーターとして電源バッテリー（図示セズ）と接続し起勣させ回転軸７を起動回転させる。
【００２７】
回転軸７などの回転数が上がり低温空気圧が圧縮機２で高められて空気加熱部３に送られる。この空気圧縮機２はパイプ１２により空気加熱部３の最上段の筐体３１に接続されているのでこの最上段の筐体３１に入り加熱が始まる。この段の加熱バイオマス火炎ガスは炎が直接接触する最下段の筐体３１と違い多層の筐体３１により構成された空気加熱部３を通過貰通して熱エネルギーを各段の筐体３１に与えるため、最も冷めたガス温度であり、この実施例では最上段の筐体３１を通過後に約摂氏２５０度となり大気中に放出された。この上から一段目の気体相互の温度差は披加熱される低温ミスト混入空気とは、したがって摂氏約２００度の温度差となる。  ２段目もほぼ同等の温度差である。最下段の温度差もほぼ同等の温度差である。  もっとも、バイオマス燃焼炉５内の燃焼状態により最下層の筐体３１における温度差は場合により短時間内には摂氏３００度から４００度になり得るので、筐体３１は耐熟鋼板による構成が望ましい。
【００２８】
現時点において、この種の実用的な従来技術にはスチームタービン発電と最新のスチームスクリュウーローター発電装置がある。このうち、スチームタービン発電が最もポピラーな装置で最も優れた変換効率を有する。この最新の単独機の熱電変換効率は３７％程度で使用圧力は２２ＭＰＳと言う超高圧超高温度な蒸気を使う方式である。必要な炉内温度は摂氏１８００度を下らない。この意味するところは、蒸気を発生させるまでは低温度（摂氏１００度）で作れるが、高圧にするには、その後どうしても摂氏１７００度以上の高温ガスが必要な事を意味する。低温度では作れる蒸気の圧力が極度に下がるからに他ならない。外燃機関は特に前記した様に使用する蒸気圧力に出力が正比例するからである。これまで説明したように、本願発明では、このような高温条件は必要ではない。バイオマス燃料の燃焼による比較的低温でも効率的に出力を得ることができる。  また、これまで廃棄するしかなかった比較的低温（ほぼ摂氏６００度前後）の排気によっても本願発明に係る外燃機関を駆動させることができる。
また、摂氏６００度に達しない排気熱も、バイオマス燃焼炉に導入して有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本願発明の１実施例の全体構成図である。
【図２】バイオマス燃料炉５内における前記空気加熱部３とこれを加熱するための燃焼ガスの流路１１の関連構成を示す一部断面図である。
【図３】多段に積層されて空気加熱部３を構成する前記筐体３１とこの筐体３１を貫通してその内部を流通する空気圧縮機２からの空気を加熱する燃焼ガスの流路１１の関連構成を示す一部切欠斜視図である。
【図４】図３に示す筐体３１の一部切欠平面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１．．．．．．．．．．．  外燃機関発電装置
２．．．．．．．．．．．  空気圧縮機
２１．．．．．．．．．．．タービン
２２．．．．．．．．．．．ケーシング
３．．．．．．．．．．．  空気加熱部
３１．．．．．．．．．．．筐体
４．．．．．．．．．．．  回転駆動部
４１．．．．．．．．．．．タービン
４２．．．．．．．．．．．ケーシング
５．．．．．．．．．．．  バイオマス燃焼炉
６．．．．．．．．．．．  バイオマスチップタンク
７．．．．．．．．．．．  回転軸
８．．．．．．．．．．    発電電動機
９．．．．．．．．．．．  フィルター
１０．．．．．．．．．．．給水器
１１．．．．．．．．．．．燃焼ガスの流路
Ｇ．．．．．．．．．．．  案内板
ＣＨ．．．．．．．．．．．木材チップ
【図１】
2013119795.tif 000003
【図２】
2013119795.tif 000004
【図３】
2013119795.tif 000005
【図４】
2013119795.tif 000006