JP2003013701A - 新規熱圧動力変換システムおよびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 クリーンな熱機関の有効仕事効率の向上、排
気ガスの清浄化度向上、燃料系の選択種増大、騒音振動
の低減などの可能性を与える新規機構の熱圧動力変換シ
ステムおよび装置の提供。 【解決手段】熱媒導入部４と排出部５をもつ外部シリン
ダー１と、該シリンダー１に配置された軸受けで支持さ
れる動力伝達用の公転軸をもち、かつ、内部シリンダー
２の自転軸となし得る１体の曲状シャフトに取り付けた
内部シリンダー２からなり、内外シリンダー１、２の中
間に実質的に気密接触かつ摺動可能な状態で介在する可
動性らせん状連続隔壁から構成され、外部シリンダー１
内壁に内部シリンダー２が接触しながら遊星回転運動
し、公転することにより、シリンダー長手方向に重層す
る隔壁と内外シリンダー１、２で形成される空間が、公
転によって変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、気体、液体など各種物質がもつ
熱圧エネルギーを、実用可能な運動エネルギーもしくは
電気エネルギーとして資源化したり、また、気体もしく
は液体からなる燃料と、これを酸化燃焼させる燃焼剤と
共に、内外シリンダーと、らせん隔壁で構成された燃焼
空間内に取り込み燃焼して、燃焼系流体の体積膨張を起
こし、その膨張エネルギーを、自公転運動により拡大す
る空間の回転に変換し、実用可能な運動エネルギーもし
くは電気エネルギーとして資源化する新規熱圧動力変換
システムおよび、その装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、エネルギーや環境の問題が人類の
最大の課題として取り挙げられるようになっている。

【０００３】エネルギー問題については、火力発電、燃
料電池などに用いる化石燃料は、資源枯渇と環境問題か
ら永続性に疑問があるものの、燃料の多様化や、エネル
ギー効率の向上、排気ガスのクリーン化が達成できれ
ば、循環型社会へのソフトランデイングに大いに貢献す
ると考えられる。

【０００４】従来、人類が有効に利用できる動力や電気
エネルギーは、主として石炭や重油を燃料とするボイラ
ーを用いた蒸気機関や蒸気タービンから調達したり、石
油を起源とするガソリンエンジンや軽油を用いたデイー
ゼルエンジン、ガスタービンなどの内燃機関によって、
調達してきた。

【０００５】最近は、内燃機関の効率向上と、ガスター
ビンとその排ガスエネルギーを用いた蒸気タービンの併
用によるコジェネレーションによる総合効率の向上が図
られてきている。

【０００６】しかし、内燃機関の排ガスの浄化、効率の
向上の技術は、限界に近づいてきており、更なるクリー
ン排ガスの達成、エネルギー効率達成には、燃料電池な
ど、思い切ったエネルギー変換系の変更が必要とも、考
えられるようになってきた。

【０００７】そこで、多様な燃料の利用が可能で、クリ
ーンな排ガス、有効エネルギーへの変換効率の高い内燃
機関が開発できれば、革新的なエネルギーシステムの基
盤になると期待されてきた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決するために鋭意検討した結果、物質熱源に、その温度
近辺で蒸発する液体熱媒を熱交換器を通して接触させる
ことにより気化する工程（１）と、気化熱媒を加圧下で
前記熱交換器とは別の熱交換器を通して加熱対象物質を
加熱することによって放熱液化させる工程（２）とを連
結循環させ、工程（１）の液体熱媒気化時の体積膨張エ
ネルギー及び工程（２）の放熱エネルギーを取り出し、
有効熱エネルギーと、電気エネルギー又は、運動エネル
ギー等として資源化することを特徴とする物質熱エネル
ギーの資源化システムが存在することを見出し、既に特
許出願済み（特願平１１−３３８３２０、特願平３７５
９６２、特願２０００−３５８４０、特願２０００−４
０３５４５）である。

【０００９】本発明は、上記発明技術の中、気液熱媒の
断熱状態変化もしくは、系外からの熱の授受による状態
変化における熱、圧、体積変化を有効仕事エネルギー
（エクセルギー）として取り出す改良法を検討した結
果、到達した発明に関するもので、また、従来取り上げ
られてこなかった、新規な内燃機関の提案によって、燃
料系の多様化、排ガスのクリーン化、エネルギー変換効
率の向上を達成し、さらに、コジェネレーションシステ
ムの採用によって、総合効率の大幅向上を図る基本技術
を提供するものである。

【００１０】即ち、本発明は、所定温度と圧力を有する
気体及び／又は液体からなる熱媒を、断熱状態もしく
は、系内外から熱の授受を行いながら膨張又は収縮さ
せ、その際生じる体積と圧力の変化を運動又は電気エネ
ルギー（エクセルギー）として取り出すことを可能とす
る熱圧動力変換システムにおいて、熱媒導入部と排出部
をもつ外部シリンダーと、該シリンダーの両端又は一端
に配置された軸受けで支持される動力伝達用の公転軸を
もち、かつ、１ないし複数の内部シリンダーの自転軸と
なし得る１体の曲状シャフトに取り付けた内部シリンダ
ーからなり、内外シリンダーの中間に実質的に気密接触
かつ摺動可能な状態で介在する可動性らせん状連続隔壁
から構成され、外部シリンダー内壁に内部シリンダーが
接触しながら遊星回転運動し、公転することにより、シ
リンダー長手方向に重層する隔壁と内外シリンダーで形
成される空間が、公転によって変化するようになし、シ
リンダー一端の導入部から熱媒を取り込み、他端に排出
することによって、公転回転軸から正または負のエクセ
ルギーを取り出すことを特徴とする新規熱圧動力変換シ
ステムを、第１の要旨とする。また、上記における新規
熱圧動力変換システムにおいて、所定の温度と圧力を有
する気体及び／又は液体からなる熱媒が、燃料と燃焼剤
としての機能を有し、システム内で形成されるシリンダ
ー長手方向に重層する隔壁と内外シリンダーで形成され
る空間内で燃焼させ、発生熱エネルギーで生じる熱媒の
圧力と体積の変化を運動又は電気エネルギー（エクセル
ギー）として取り出すことを可能とする新規熱圧動力変
換システムを第２の要旨とする。更に、上記における新
規熱圧動力変換システムにおいて、内部シリンダーが１
体の曲状シャフトによって、直列に複数段連結され、か
つ自転軸が公転軸に対して互いに反対の位置に配列させ
ることにより、内外シリンダーの接触による一体軸の応
力変形が生じ難いように設計された新規熱圧動力変換シ
ステムを第３の要旨とする。また、上記における新規熱
圧動力変換システムにおいて、外部シリンダー外側に系
外との熱エネルギーの授受が可能なるよう熱交換機能を
もたせたことを特徴とする新規熱圧動力変換システムを
第４の要旨とする。さらに、上記における新規熱圧動力
変換システムにおいて、外部シリンダー内壁もしくは内
部シリンダー外壁に設計されたピッチのらせん形状溝を
形成し、らせん状隔壁が内部シリンダーの自公転にあわ
せて摺動しつつ、出入り可能な形態で設置し、シリンダ
ー長手方向に重層する隔壁と内外シリンダーで形成され
る空間が、実質的に気密状態で、同一内シリンダーの範
囲で連続的に定容ないし変化するようになしたことを特
徴とする新規熱圧動力変換装置を、第５の要旨とする。

【００１１】本発明の基本システムは、所定温度と圧力
を有する気体及び／又は液体からなる熱媒を、断熱状態
もしくは、系内外から熱の授受を行いながら膨張又は収
縮させ、その際生じる体積と圧力の変化を運動又は電気
エネルギー（エクセルギー）として取り出すことを可能
とする熱圧動力変換システムであるが、上記熱媒が、燃
料と空気等の燃焼剤で構成され、摺動隔壁をもち自公転
する内外２重シリンダー内で、燃焼・体積膨張させ、そ
の際生じる体積と圧力の変化を運動又は電気エネルギー
（エクセルギー）として取り出す場合、いわゆる内燃機
関（エンジン）と呼称される機関の１種となる。

【００１２】また、系外から熱を受け取りながら、熱媒
が膨張するシステムについては、外部熱が、燃料の燃焼
によって得られる場合、いわゆる外燃機関となる。

【００１３】従来、同様の熱圧動力変換機能をもつ公知
のシステムとしては、１）ピストン／シリンダー系内
（外）燃機関、２）回転羽根つきガスタービンなどがあ
る。ピストン／シリンダーは、バッチ式であり、燃料系
の吸入、圧縮、点火、膨張のサイクルによって、燃焼系
の膨張エネルギーを回転運動エネルギーに変換してい
る。このため、吸入・圧縮工程では仕事的に無駄な動作
となっており、摩擦エネルギーロスや往復運動による騒
音、回転運動への変換ロスによる膨張仕事の有効エネル
ギー変換率は低くなる。また、回転羽根つきタービン
は、蒸気発電やガスタービンなどで多用されているが、
燃焼流体の熱、圧エネルギーを流体運動エネルギーに換
えて、回転羽根に反動ないし揚力を与え回転運動エネル
ギーに変換するため、有効仕事効率は低くなる。

【００１４】本発明の新規熱圧動力変換システムは、２
重シリンダー自公転らせん隔壁式熱圧動力変換方式であ
って、例えば、摺動らせん隔壁を内シリンダー溝に装着
した場合には、燃料系の吸入は内シリンダーの自転によ
って、無弁で自然に取り入れられ、圧縮工程の無駄が不
要になる。内シリンダーの１回転によって重層するらせ
ん隔壁と内外シリンダー間に独立室が形成され、燃料系
の吸入された独立室の中で、外シリンダー壁を通して導
入した着火装置を用いて着火を行うと、燃焼により昇温
昇圧する。これにより独立室内の排出側への総圧力が吸
入側への総圧力を上回り、差圧で内シリンダーの自公転
が起こる。この繰り返しによって回転が継続し、スムー
ズで騒音は小さい回転動力が取り出される。このときガ
スタービンのように燃焼系の運動エネルギーを介在させ
ることなく、圧力差と体積膨張のエネルギーを直接回転
仕事に転換できるため、らせん隔壁の重層量を適切に設
定すれば、摺動の摩擦ロスを除き、膨張エネルギーの有
効仕事変換効率は、１００％近いものが得られる。

【００１５】また、らせん隔壁の設置は、内シリンダー
又は、外シリンダーに溝をつけて挿入することによって
達成できる。そのピッチ等のプロフィルは、設計するこ
とができ、体積膨張プロセスを適宜設定することが可能
である。らせん隔壁の重層数は、２回以上好ましくは、
３−１５回程度が推奨できる。また、らせん隔壁を複数
設置して仕事効率を上げることも可能であり、シリンダ
ーの形状も円筒、円錐要因を取り入れて、各種設計によ
り最適化を図ることができる。

【００１６】本発明においては、内部シリンダーの外部
シリンダーへの接触状態が、長尺化した場合でも、均一
かつ安定に維持できるように、単一曲状軸に内部シリン
ダーを配置して自転させると共に、直列に複数段連結さ
れ、かつ自転軸が公転軸に対して互いに反対の位置に配
列させる方法を採用している。単一曲状軸は、金属の鍛
造、切削加工、溶接加工により製造できるし、炭素繊維
複合材料などで型を用いた成形によっても製造できる。
内部シリンダーは、単一曲状軸にベアリングを介して取
り付けることで、スムーズな自転公転を可能になし得
る。必要に応じて、複数内部シリンダー間に外部シリン
ダーで支持された曲状軸の軸受けを設けることも可能で
ある。

【００１７】特に、外部熱交換能力を設けた本発明のシ
ステムでは、長尺、多段化することによって、放熱、外
部加熱等のエネルギー授受効率が上がる特徴がある。ら
せんピッチや隔壁の高さについては、エネルギー授受効
率と体積変化率の影響を考慮してプロフィル設計が可能
であることは、仕事効率向上の面で、極めて有利であ
る。

【００１８】シリンダー材料は、シリンダー温度が比較
的低温の場合、有機高分子樹脂、フッ素含有樹脂、炭素
繊維樹脂複合材料等有機材料が使用でき、比較的高温用
には、各種金属、セラミックッス、セラミック表面処理
した炭素繊維複合材料などが、使用可能である。

【００１９】らせん状隔壁材料は、シリンダー温度が比
較的低温の場合、摺動性材料として、有機高分子樹脂、
フッ素含有樹脂、炭素繊維樹脂複合材料、シリンダーよ
り軟質の金属などから選ばれる平帯状材、各種断面形状
材、もしくは気体封入を含むチューブ状材を使用するこ
とができる。燃焼熱を用いるような高温を発生するシス
テムでは、鋼、ステンレス、アルミ、チタン、マグネシ
ウム等金属が好ましいが、セラミックッス、セラミック
表面処理した炭素繊維複合材料などが、燃料系によって
は使用可能である。

【００２０】特に、低温燃焼が可能な触媒燃焼を行う燃
料や、希薄大容量の燃焼システムにおいては、らせん状
隔壁材として、気体圧を掛け得るチューブを用いると有
利である。この場合、自動車や自転車のタイヤの接地状
態のように、内シリンダーと外シリンダー間で隔壁が接
触し、弾性的に元形状に復帰するので、溝壁でのシリン
ダーと隔壁の摩擦を起こすことなく、熱媒膨張室を形成
することができる。

【００２１】燃料を用いない場合の熱媒は、炭酸ガス、
水、アンモニア、炭化水素、フッ素系有機熱媒、および
これらの併用系が挙げられる。

【００２２】燃料使用する場合には、ガソリン、軽油、
重油、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルなど
の液体燃料や、天然ガス、液化石油ガス、水素などの気
体燃料を用いることができる。即ち、使用可能な燃料選
択種が極めて広い。しかし、石炭や微粉炭などの固体燃
料は、シリンダーの回転運動を阻害するので好ましくな
い。

【００２３】燃焼剤には、空気、酸素ガスを用いること
ができる。燃料と燃焼剤は、ガス状で前混合して導入し
たり、液体燃料の場合、霧状で投入することが望まし
い。

【００２４】また、燃焼剤を導入口から通し、燃料を外
部シリンダー側部から、独立室が形成されたところに圧
入するという、分離投入法の採用によって、バックファ
イヤの危険を避けることができる。

【００２５】必要に応じ、燃料系に水、液化炭酸ガスな
どの不燃性液体を所定量（１０−６０％）配合して投入
することが可能である。その効果は、これら液体が、燃
焼系の着火発熱によって気化し、体積膨張したり、極度
の昇温を抑制できるところにある。 これにより、燃料
単位当たりの出力を大幅に向上させることが可能である
ばかりか、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＰＭなどの有害排出物を減
少させることができる。

【００２６】また、投入燃焼を局在状態化して着火し、
大量の空気や炭酸ガス中で希釈された状態を選ぶことに
より、極度の昇温を防ぎ、ＮＯｘ、ＳＯＸ、ＰＭなどを
減少する方法などが取りうる。

【００２７】本発明における熱圧動力変換システムは、
回転動力が利用できる装置、機器に使用できるほか、排
出系の運動エネルギーを反動力として使用する用途に使
用できる。前者の例としては、自動車、航空機、船舶な
どの移動体の回転式エンジン、大形発電機、分散型発電
機、各種動力機械の動力が挙げられる。後者の例として
は、ジェットエンジンが挙げられる。この場合、通常の
ジェットエンジンのように、燃料系の圧縮工程が不要に
なるので、出力効率を高くすることができる。

【００２８】本発明のシステムは、内燃機関や、シリン
ダー外部から熱を導入することにより、独立室に導入し
た気体／液体系を加熱し、気化・熱膨張させ動力を取り
出す外燃機関のほか、系外熱源として、太陽熱や地熱、
大気・海水、流水などの持つ熱を利用する場合は、自然
エネルギーを用いた、再生クリーンエネルギー活用動力
システムとなる。大気、河川、海水等の流動性物質を使
用する場合、これらの物質が太陽エネルギー（熱・光）
を吸収して、対流することによって連続的にエネルギー
が供給される。つまり、効果的な総合太陽エネルギー有
効活用システムとなる。

【００２９】本発明のシステム装置作動による排気熱を
利用して、従来同様の蒸気発電システムを作動させた
り、本発明の別システムを加熱する事によって、多重シ
ステムを構成し、熱エネルギーの有効仕事変換効率を上
げることができる。

【００３０】以下本発明を図に従って詳細に説明する。

【００３１】図１は本発明の新規熱圧動力変換システム
・装置の内部シリンダーが１つの場合の例を示す概略図
である。

【００３２】図２は本発明の別システムの一例の概略図
である。同図において、内部シリンダーが２段になって
おり、内外シリンダーの接触部が公転軸に対して反対側
に位置しており、公転の軸ぶれが小さくなっている。

【００３３】

【発明の効果】本発明の新規熱圧動力変換システムとそ
の装置は、複数の内シリンダーが使用される場合、相互
に公転軸に対して反対側に配置され、内外シリンダーと
重層するらせん隔壁が構成する独立室を複数形成ように
なっている。また、らせん状隔壁のピッチが入り口から
出口側に向けて変化しており、熱媒ないし燃料と燃焼剤
等の熱供給源が導入口から、内シリンダーの自転によっ
て自然に独立室に取り込まれる。この時点で外系からの
熱伝達ないし燃料の着火をすると、独立室の内圧が高ま
り、広がった出口側への内シリンダーの押圧が働き、内
シリンダーの公転動力が発生する。この回転動力は膨張
比率の大きな内燃機関（ミラーサイクル）の動力に相当
し、燃焼系の体積膨張がつづく限りを回転エネルギーに
変換することが可能で、自動車等移動体の回転動力エン
ジンとして使用可能であり、発電機に接続することによ
り高効率で発電することができる。また、通常の内燃機
関より、燃料選択性が少なく、各種の気体、液体燃料を
採用することが可能で、動力変換効率が高く、排ガスも
ＮＯＸ、ＳＯＸ、ＰＭ等を極度に低下することができ
る。また、排気熱を用いて、他の熱機関の動力源や熱源
として活用できる。しかも、外シリンダーの外側に系外
熱源を併用し、熱交換することによって、各種熱資源エ
ネルギーを、有効動力（エクセルギー）に変えることが
できる。これらのエネルギー発生に際して汚染物質が生
じないので、地球環境を守る点からも極めて有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシステム・装置の例を示す概略図であ
る。

【図２】本発明のシステム・装置の別の例を示す概略図
である。

【符号の説明】

１ 外シリンダー ２ 内シリンダー ３ 外部熱交換機能 ４ 燃料系導入口 ５ 排出口 ６ 着火点 ７ 分離燃料噴入口

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定温度と圧力を有する気体及び／又は液
   体からなる熱媒を、断熱状態もしくは、系内外から熱の
   授受を行いながら膨張又は収縮させ、その際生じる体積
   と圧力の変化を運動又は電気エネルギー（エクセルギ
   ー）として取り出すことを可能とする熱圧動力変換シス
   テムにおいて、 熱媒導入部と排出部をもつ外部シリンダーと、該シリン
   ダーの両端又は一端に配置された軸受けで支持される動
   力伝達用の公転軸をもち、かつ、１ないし複数の内部シ
   リンダーの自転軸となし得る１体の曲状シャフトに取り
   付けた内部シリンダーからなり、内外シリンダーの中間
   に実質的に気密接触かつ摺動可能な状態で介在する可動
   性らせん状連続隔壁から構成され、外部シリンダー内壁
   に内部シリンダーが接触しながら遊星回転運動し、公転
   することにより、シリンダー長手方向に重層する隔壁と
   内外シリンダーで形成される空間が、公転によって変化
   するようになし、シリンダー一端の導入部から熱媒を取
   り込み、他端に排出することによって、公転回転軸から
   正または負のエクセルギーを取り出すことを特徴とする
   新規熱圧動力変換システム。
2. 【請求項２】請求項１における新規熱圧動力変換システ
   ムにおいて、所定の温度と圧力を有する気体及び／又は
   液体からなる熱媒が、燃料と燃焼剤としての機能を有
   し、システム内で形成されるシリンダー長手方向に重層
   する隔壁と内外シリンダーで形成される空間内で燃焼さ
   せ、発生熱エネルギーで生じる熱媒の圧力と体積の変化
   を運動又は電気エネルギー（エクセルギー）として取り
   出すことを可能とする新規熱圧動力変換システム。
3. 【請求項３】請求項１および２における新規熱圧動力変
   換システムにおいて内部シリンダーが１体の曲状シャフ
   トによって、直列に複数段連結され、かつ自転軸が公転
   軸に対して交互に反対の位置に配列させることにより、
   内外シリンダーの接触による一体軸の応力変形が生じ難
   いように設計された新規熱圧動力変換システム。
4. 【請求項４】請求項１、２および３における新規熱圧動
   力変換システムにおいて、外部シリンダー外側に系外と
   の熱エネルギーの授受が可能なるよう熱交換機能をもた
   せたことを特徴とする新規熱圧動力変換システム。
5. 【請求項５】請求項１、２、３、および４における新規
   熱圧動力変換システムにおいて、外部シリンダー内壁も
   しくは内部シリンダー外壁に設計されたピッチのらせん
   形状溝を形成し、らせん状隔壁が内部シリンダーの自公
   転にあわせて摺動しつつ、出入り可能な形態で設置し、
   シリンダー長手方向に重層する隔壁と内外シリンダーで
   形成される空間が、実質的に気密状態で、同一内シリン
   ダーの範囲で連続的に定容ないし変化するようになした
   ことを特徴とする新規熱圧動力変換装置。