JP5280325B2

JP5280325B2 - 熱回収装置付多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関

Info

Publication number: JP5280325B2
Application number: JP2009215115A
Authority: JP
Inventors: 俊光海法; 省三鶴野; 宗平関根
Original assignee: Yokohama Seiki Co Ltd
Current assignee: Yokohama Seiki Co Ltd
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: JP2011064121A

Description

本発明は、簡易構造にして効率が高く、操作、維持容易な外燃式クローズドサイクル熱機関に関するものである。
詳しくは、本発明は、多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関であって、熱を回収し熱効率を向上させる方式に関するものである。

スターリングエンジンは、熱源の種類を問わず、現在、無駄となっているエネルギーの有効利用が可能であり、静粛で低公害であるので、各種のタイプが研究開発され、重要な将来熱機関の一つと目されている外燃式熱機関である。

スターリングエンジンは、気室内に封入した作動ガスを加熱及び冷却して該作動ガスを膨張及び収縮させ、動力を得る外燃式熱機関である。
従来のディスプレーサ型スターリングエンジンは、ディスプレーサの往復動により、該作動ガスを加熱部と冷却部との間で往復させて該作動ガスを加熱及び冷却、即ち膨張及び収縮させて、パワーピストンを作用させることにより動力を得るものである。ディスプレーサは、パワーピストンと位相をもって連動するように構成されている（特許文献２)。

しかしながら、従来のスターリングエンジンでは、気室、加熱器及び冷却器内の作動ガスが同時に加圧、減圧され、このため加熱時において、気室を加圧するために冷却器内の作動ガスも加圧しなければならず、また冷却時において、気室を減圧するために加熱器内の作動ガスも減圧しなければならない。このため、気室容積に比して加熱器又は冷却器の容積が大きくなるとエンジン効率が低下する。従って、エンジン効率を上げるために加熱器及び冷却器を小型化する必要がある。

しかし、エンジンを作動させるには必要な熱量を取り込み、また排出する必要があり、加熱器及び冷却器は十分な能力を持たなければならない。加熱器を小型かつ充分な能力を持たせるには、伝熱面の肉厚を薄くし、また加熱温度を上げて面積当りの伝熱量を増やす手段があるが、精密な工作を要し、高価な耐熱金属を使用する必要があり、また高温により加熱器の腐蝕が促進されるといった弊害がある。
また、冷却期間中、加熱器は利用されず、全期間を通じた加熱器の効率は低下し、加熱器に加えられる外部熱量は無駄に消費され利用効率が低下している。加熱期間の冷却器も同様である。

上述するような従来技術に鑑み、加熱器又は冷却器の容積がエンジンの効率に関係せず、多気筒化、大型化、高出力化が可能で、低温熱源を有効に利用することができ、種々の条件下で設計、製作できる外燃式クローズドサイクル熱機関を、本発明の発明者らは開発し、先に出願した（特許文献1）（以下、「本発明者の先願発明」という）。
先の本発明者の先願発明では、特に、従来技術（特許文献２）で用いられているディスプレーサーピストンを用いることなく、加熱器と冷却器が全期間を通じて利用される外燃式クローズドサイクル熱機関を提案した。
すなわち、図２において、密閉された気室３０と加熱器２０及び冷却器１０を設け、該気室３０と該加熱器２０の入り口側及び出口側と導通する流路２５、２６を設け、該気室３０と冷却器１０の入り口側及び出口側と導通する流路１５、１６を設け、それぞれ入り口側及び出口側の流路１５、２５、１６、２６に開閉弁１１、２１、１２，２２を設け、作動ガスの移動手段５０を設け、冷却器１０入り口側及び出口側の開閉弁１１、１２を閉として冷却器１０を密閉し、加熱器２０入り口側及び出口側の開閉弁２１、２２は開として気室３０内の作動ガスを、加熱器２０を通じて循環させて気室３０内の作動ガスを加熱し、加熱器２０入り口側及び出口側の開閉弁２１、２２を閉として加熱器２０を密閉する一方、冷却器１０入り口側及び出口側の開閉弁１１，１２は、開として気室３０内の作動ガスを、冷却器１０を通じて循環させて気室３０内の作動ガスを冷却し、気室３０内の作動ガスを膨張、収縮させて作用体を駆動する外燃式クローズドサイクル熱機関で、サイクル過程において、加熱器２０は自動的に高圧になり、冷却器１０は自動的に低圧になることを特徴としている。

４１は、気室３０下部に設けたピストンシリンダー、４０は、該ピストンシリンダー４１内を摺動するピストン、４２は、出力軸４６に固設されたフライホイール、クランク室４５のクランク機構４３を介してピストン４０と出力軸４６が連接され作用体を構成している。気室及び作用体を有するものを気筒と定義する。５０は、気室３０上部に設けた作動ガスを移動する手段のファンである。
図３の構成は、図２の構成に対し、作動ガスの移動手段であるファン５０を気室３０と冷却器１０の入り口側と導通する流路１５と気室３０と加熱器２０の入り口側と導通する流路２５に設け、加熱器２０入り口側及び出口側の開閉弁２１、２２を一つの三方弁２６に置き換え、冷却器１０入り口側及び出口側の開閉弁１１，１２を一つの三方弁２５に置き換え、配管を変更したものである。三方弁とは、一方向からの流れを選択的に二方向いずれか、または二方向からの流れを選択的にいずれか一方向を選択して一方向に切り替える開閉弁であり、図３の構成は図２の構成と同等の作用を有する。

加熱器２０及び冷却器１０と導通する気室３０への開口を少なくし気室３０内作動ガスの流れを滑らかとすることが目的である。
上記構成で、加熱器２０は常時高圧、冷却器１０は常時低圧であってサイクル中の圧力変化は小さいため、加熱器２０及び冷却器１０を大きくしてもエンジンの効率低下は少ない。このため加熱器２０及び冷却器１０の大型化を図ることができる。

さらに加熱器２０は常時高圧であり、冷却器１０は常時低圧であるため、気室３０を複数設けて多気筒化し、加熱器２０および冷却器１０を共有できる。また、その場合、気筒の半数は加熱期間であり他の半数は冷却期間とすることが可能であるため、共有する加熱器２０及び冷却器１０は常時使用されており、全期間を通じ加熱器２０と冷却器１０の利用効率を上げている。さらにまた、各気筒のクランク室４５を共有一体化することにより、背圧の影響を受けないようにすることができる。

図４の構成は、本発明者の先願発明を多気筒化した構成を説明するものである。
同図において、複数の気筒Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが一つの加熱器２０と冷却器１０を共有するもので、加熱器２０入り口側のヘッダーとして加熱器入口側集合流路２７、加熱器出口側のヘッダーとして加熱器出口側集合流路２８、冷却器１０入口側のヘッダーとして冷却器入口側集合流路１３、冷却器出口側のヘッダーとして冷却器出口側集合流路１４がそれぞれ設けられ、各気筒出口側に加熱器入口側集合流路２７または冷却器入口側集合流路１３へ選択的に作動ガスを流す三方弁２３が設けられ、各気筒入口側に加熱器出口側集合流路２８または冷却器出口側集合流路１４から選択的に作動ガスを流す三方弁２４が設けられている。

５１は、冷却器１０と冷却器入口側集合流路１３を導通する流路１５に設けられたファン、５２は、加熱器２０と加熱器入口側集合流路２７を導通する流路２５に設けられたファンで、作動ガスを移動する手段である。図５は、図４のＶ−Ｖにおける断面図で、気筒Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは各々気室３０と作用体を備えている。図４では、４気筒を例示しているが、２気筒以上で奇数筒であっても良い。

上記作用について詳述する。
半数の気筒Ａ，Ｃが加熱過程にあり、他の半数の気筒Ｂ、Ｄが冷却過程にあるとする。図４において、作動ガスの流れを矢印で示している。気筒Ａは加熱過程にあり、気筒Ａ出口側三方弁２３、及び気筒Ａ入口側三方弁２４により、作動ガスは、気筒Ａ→気筒Ａ出口側三方弁２３→加熱器入口側集合流路２７→加熱器側ファン５２→加熱器２０→加熱器出口側集合流路２８→気筒Ａ入口側三方弁２４→気筒Ａの流路を流れ、気筒Ａ内の作動ガスは、加熱開始時においては冷却過程終了後であるため低温であるが、加熱器側ファン５２の作用によりこの流路を循環し、加熱器２０により熱せられて気筒Ａに戻る。気筒Ｃも同様である。

気筒Ｂは冷却過程にあり、気筒Ｂ出口側三方弁２３、及び気筒Ｂ入口側三方弁２４により、作動ガスは、気筒Ｂ→気筒Ｂ出口側三方弁２３→冷却器入口側集合流路１３→冷却器側ファン５１→冷却器１０→冷却器出口側集合流路１４→気筒Ｂ入口側三方弁２４→気筒Ｂの流路を流れ、気筒Ｂ内の作動ガスは、冷却開始時においては加熱過程終了後であるため高温であるが、冷却器側ファン５１の作用によりこの流路を循環し、冷却器１０により冷却されて気筒Ｂに戻る。気筒Ｄも同様である。

気筒Ａ、Ｃが加熱過程を終了し冷却過程に入れば、気筒Ｂ、Ｄが加熱過程に入る。気筒Ａは冷却過程にあり、気筒Ａ出口側三方弁２３、及び気筒Ａ入口側三方弁２４により、作動ガスは、気筒Ａ→気筒Ａ出口側三方弁２３→冷却器入口側集合流路１３→冷却器側ファン５１→冷却器１０→冷却器出口側集合流路１４→気筒Ａ入口側三方弁２４→気筒Ａの流路を流れ、気筒Ａ内の作動ガスは、冷却開始時においては加熱過程終了後であるため高温であるが、冷却器側ファン５１の作用によりこの流路を循環し、冷却器１０により熱せられて気筒Ａに戻る。気筒Ｃも同様である。

気筒Ｂは加熱過程にあり、気筒Ｂ出口側三方弁２３、及び気筒Ｂ入口側三方弁２４により、作動ガスは、気筒Ｂ→気筒Ｂ出口側三方弁２３→加熱器入口側集合流路２７→加熱器側ファン５２→加熱器２０→加熱器出口側集合流路２８→気筒Ｂ入口側三方弁２４→気筒Ｂの流路を流れ、気筒Ｂ内の作動ガスは、加熱開始時においては冷却過程終了後であるため低温であるが、加熱器側ファン５２の作用によりこの流路を循環し、加熱器２０により熱せられて気筒Ｂに戻る。気筒Ｄも同様である。

特願２００９−００８５７０号特開２００６−２７５０１８号公報

上記外燃式クローズドサイクル熱機関において、加熱時、冷却器１０入り口側及び出口側の開閉弁１１、１２を閉として冷却器１０を密閉し、加熱器２０入り口側及び出口側の開閉弁２１、２２は開として気室３０内の作動ガスを加熱器２０を通じて循環させ、気室３０内の作動ガスを加熱して膨張させる際、ピストン４０が下死点に達するまで作動ガスの循環を続け、冷却時は加熱器２０入り口側及び出口側の開閉弁２１、２２を閉として加熱器２０を密閉し、冷却器１０入り口側及び出口側の開閉弁１１、１２は開として気室３０内の作動ガスを冷却器１０を通じて循環させて気室３０内の作動ガスを冷却して収縮させる際、ピストン４０が上死点に達するまで作動ガスの循環を続ければ熱力学的サイクルは等温過程（加熱時、作動ガスが等温膨張、冷却時、作動ガスが等温圧縮される。）となるが、発生する圧力差は低くなる。

上記機関においては、ピストンストロークの途中において加熱器２０及び冷却器１０の開閉弁２１、２２、１１、１２を閉鎖して、気室３０を加熱器２０及び冷却器１０から隔離し、作動ガスの循環を停止して以降は、気室３０内の作動ガスのみの断熱変化によりピストン４０を押し下げ、又は押し上げることができる。加熱時、冷却時ともピストンストロークの同じ位置において開閉弁２１、２２、１１、１２を閉鎖し、作動ガスの循環を停止すれば発生する圧力差は高くなるが、熱力学的サイクルは一部断熱過程となる。

上記機関においては、熱力学的サイクルは等温過程、一部断熱過程を含むサイクル等、多種のサイクルで構成することが可能であり、これが該機関の特徴でもある。
いずれのサイクルにおいても、加熱過程終了時に気室３０及びピストンシリンダー４１内に存在する高温の作動ガスは、冷却過程開始とともに冷却器１０内に移動し、冷却される。この過程において、高温の作動ガスの持っていた熱量は系外に運び去られることになる。この熱量の一部を回収し、加熱過程にフィードバックし、熱効率の向上を図る外燃式クローズドサイクル熱機関を提供することを課題とする。

本発明の発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を有する発明を完成するに至った。
請求項１の発明は、密閉された気室と加熱器及び冷却器を設け、該気室と該加熱器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、該気室と該冷却器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、気室それぞれの入り口側及び出口側の流路に開閉弁を設け、作動ガスの移動手段を流路に設け、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として冷却器を密閉し、加熱器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを加熱器を通じて循環させ、気室内の作動ガスを加熱し、また加熱器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として加熱器を密閉する一方、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを冷却器を通じて循環させて気室内の作動ガスを冷却し、気室内の作動ガスを膨張、収縮させて作用体を駆動する単気筒の外燃式クローズドサイクル熱機関の気筒を複数配列した多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関であって、各気筒が、加熱器および冷却器を共有し、加熱器入り口側および冷却器入り口側の流路間に熱交換器を設けたことを特徴とするもので、上記課題を実現できることを見出した。

本発明の熱回収装置付多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関は、気筒を複数配列した多気筒が加熱器および冷却器を共有し、加熱器入り口側および冷却器入り口側の流路間に熱交換器を設けたので、冷却器に供給される加熱終了後の高温作動ガスにより、加熱器に供給される冷却終了後の低温作動ガスに熱を移動するので、低い作動ガス温であっても、冷却器から本来外部に流出する熱量の一部を効率よく回収し、再利用できるために熱効率を高めることができる。

本発明の熱回収装置付多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図本発明者の先願発明にかかる外燃式クローズドサイクル熱機関の説明図本発明者の先願発明にかかる外燃式クローズドサイクル熱機関の説明図本発明者の先願発明にかかる外燃式クローズドサイクル熱機関の説明図図４のＶ-Ｖにおける概略断面図

以下、本発明を実施するための具体的な形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図中、先願発明で付与した符号と同じ部位には同一符号を付与する。また、図中の矢印は、開閉弁等が実線状態にある時の作動ガスの流れ方向を示す。

図１は、本発明の熱回収装置付多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関の実施例を示す概念図である。
同図において、複数の気筒Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが一つの加熱器２０と冷却器１０を共有するもので、加熱器２０入り口側のヘッダーとして加熱器入口側集合流路２７、加熱器出口側のヘッダーとして加熱器出口側集合流路２８、冷却器１０入り口側のヘッダーとして冷却器入口側集合流路１３、冷却器出口側のヘッダーとして冷却器出口側集合流路１４がそれぞれ設けられ、各気筒出口側に加熱器入口側集合流路２７または冷却器入口側集合流路１３へ選択的に作動ガスを流す三方弁２３が設けられ、各気筒入口側に加熱器出口側集合流路２８または冷却器出口側集合流路１４から選択的に作動ガスを流す三方弁２４が設けられている。５１は、冷却器１０と冷却器入口側集合流路１３を導通する流路１５に設けられたファン、５２は、加熱器２０と加熱器入口側集合流路２７と導通する流路２５に設けられたファンで、作動ガスを移動する手段である。７０は、内部に熱交換器７１が設けられ、冷却器入口側集合流路１３と流路１５と導通する流路７２、加熱器入口側集合流路２７と流路２５と導通する流路７３が設けられた熱回収装置である。ファン５１，５２の設置位置は、熱回収装置７０の上流側でも下流側でもよい。また、ここでは４気筒（偶数）を例示しているが、気筒数を３以上の奇数とすることも原理的には可能である。即ち、気筒容積の合計が、加熱過程と冷却過程でバランスがとれていれば良い。

図１の各気筒の概略断面は、図４のＶ−Ｖにおける断面図（図５）と同じである。
同図において、４１は、気筒上部の気室３０下部に設けたピストンシリンダー、４０は、該ピストンシリンダー４１内を摺動するピストン、４２は、出力軸４６に固設されたフライホイール、クランク室４５のクランク機構４３を介してピストン４０と出力軸４６が連接され作用体を構成している。クランク機構４３、回転軸４６、フライホイール４２は密閉されたクランク室４５内に収められている。前記気室３０が、加熱器２０と導通されれば気室３０内は高温、高圧となり、ピストン４０は下降する。また気室３０が、冷却器１０と導通されれば気室３０内は低温、低圧となり、ピストン４０は上昇する。

上記作用について述べる。半数の気筒Ａ、Ｃが加熱過程にあり、他の半数の気筒Ｂ、Ｄが冷却過程にあるとする。
気筒Ａは加熱過程にあり、気筒Ａ出口側三方弁２３、及び気筒Ａ入口側三方弁２４により、気筒Ａ→気筒Ａ出口側三方弁２３→加熱器入口側集合流路２７→加熱器側ファン５２→加熱器２０→加熱器出口側集合流路２８→気筒Ａ入口側三方弁２４→気筒Ａの流路が形成されている。気筒Ａ内の作動ガスは、加熱開始時においては冷却過程終了後であるため低温であるが、加熱器側ファン５２の作用により該流路を循環し、加熱器２０により熱せられて気筒Ａに戻る。気筒Ｃも同様である。
気筒Ｂは冷却過程にあり、気筒Ｂ出口側三方弁２３、及び気筒Ｂ入口側三方弁２４により、気筒Ｂ→気筒Ｂ出口側三方弁２３→冷却器入口側集合流路１３→冷却器側ファン５１→冷却器１０→冷却器出口側集合流路１４→気筒Ｂ入口側三方弁２４→気筒Ｂの流路が形成されている。気筒Ｂ内の作動ガスは、冷却開始時においては加熱過程終了後であるため高温であるが、冷却器側ファン５１の作用により該流路を循環し、冷却器１０により冷却されて気筒Ｂに戻る。気筒Ｄも同様である。

気筒Ａ、Ｃが加熱過程を終了し冷却過程に入れば、気筒Ｂ、Ｄが加熱過程に入る。気筒Ａは冷却過程にあり、気筒Ａ出口側三方弁２３、及び気筒Ａ入口側三方弁２４により、気筒Ａ→気筒Ａ出口側三方弁２３→冷却器入口側集合流路１３→冷却器側ファン５１→冷却器１０→冷却器出口側集合流路１４→気筒Ａ入口側三方弁２４→気筒Ａの流路が形成される。気筒Ａ内の作動ガスは冷却開始時においては加熱過程終了後であるため高温であるが、冷却器側ファン５１の作用により該流路を循環し、冷却器１０により熱せられて気筒Ａに戻る。気筒Ｃも同様である。

気筒Ｂは加熱過程にあり、気筒Ｂ出口側三方弁２３、及び気筒Ｂ入口側三方弁２４により、気筒Ｂ→気筒Ｂ出口側三方弁２３→加熱器入口側集合流路２７→加熱器側ファン５２→加熱器２０→加熱器出口側集合流路２８→気筒Ｂ入口側三方弁２４→気筒Ｂの流路が形成される。気筒Ｂ内の作動ガスは加熱開始時においては冷却過程終了後であるため低温であるが、加熱器側ファン５２の作用により該流路を循環し、加熱器２０により熱せられて気筒Ｂに戻る。気筒Ｄも同様である。
従って加熱器入口側集合流路２７には常時、低温の作動ガスが流れ、冷却器入口側集合流路１３には常時、高温の作動ガスが流れる。熱回収装置７０内に熱交換器７１が、加熱器入口側集合流路２７と冷却器入口側集合流路１３の間に設けられているため加熱器入口側集合流路２７を流れる低温の作動ガスは、冷却器入口側集合流路１３を流れる高温の作動ガスにより加熱されて加熱器２０に供給され、加熱器の負荷が低減される。同様に冷却器の負荷も軽減され、システムの熱効率が改善される。

図１の作動ガスの移動手段であるファン５１、５１を他の移動手段、ルーツブロア等の容積圧縮機（図示せず）とすれば、該ルーツブロア等を当該多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関の出力軸４６により駆動することによりサイクル当りの作動ガス移動量を一定とすることができる。加熱過程終了後に気筒内に存在する高温高圧ガスが、気筒から三方弁２３を通過し冷却器１０に移動し、同時に冷却器１０から供給される低温低圧ガスが、三方弁２４を通過し気筒を充満通過して三方弁２３に到達以前に三方弁２３を切り替える冷却過程を行い、また冷却過程終了後に気筒内に存在する低温低圧ガスが、気筒から三方弁２３を通過し過熱器２０に移動し、同時に加熱器２０から供給される高温高圧ガスが、三方弁２４を通過し気筒を充満通過して三方弁２３に到達以前に三方弁２３を切り替える加熱過程を行うことにより、冷却器入口側集合流路１３には常に高温の作動ガスが流れ、加熱器入口側集合流路２７には常に低温の作動ガスが流れるため、冷却器入口側集合流路１３と加熱器入口側集合流路２７の出口側に設けられた熱回収装置７０の熱交換器７１により加熱器２０に供給される低温作動ガスを加熱して熱量を効率よく回収することができる。

１０冷却器
１１、１２、２１、２２開閉弁
１３冷却器入口側集合流路
１４冷却器出口側集合流路
１５、１６、２５、２６流路
２０加熱器
２７加熱器入口側集合流路
２８加熱器出口側集合流路
２３、２４、２５、２６三方弁
３０気室
４０ピストン
４１ピストンシリンダー
４２フライホイール
４３クランク機構
４５クランク室
４６出力軸
５０、５１、５２ファン
７０熱回収装置
７１熱交換器
７２、７３流路

Claims

密閉された気室と加熱器及び冷却器を設け、該気室と該加熱器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、該気室と該冷却器の入り口側及び出口側と導通する流路を設け、気室それぞれの入り口側及び出口側の流路に開閉弁を設け、作動ガスの移動手段を流路に設け、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として冷却器を密閉し、加熱器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを加熱器を通じて循環させ、気室内の作動ガスを加熱し、また加熱器入り口側及び出口側の開閉弁を閉として加熱器を密閉する一方、冷却器入り口側及び出口側の開閉弁は開として気室内の作動ガスを冷却器を通じて循環させて気室内の作動ガスを冷却し、気室内の作動ガスを膨張、収縮させて作用体を駆動する単気筒の外燃式クローズドサイクル熱機関の気筒を複数配列した多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関であって、各気筒が、加熱器および冷却器を共有し、加熱器入り口側および冷却器入り口側の流路間に熱交換器を設けたことを特徴とする熱回収装置付多気筒外燃式クローズドサイクル熱機関。