JP4449014B2 - 熱気式ロータリー外燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、作動流体を外部から加熱，冷却し膨張，収縮させることによって、熱を運動に変換する外燃機関に関する。

近年、地球環境に対する意識の向上により、熱源を選ばず低騒音で、排気に汚染物質の少ない外燃機関が注目されている。

図７に従来の熱気式外燃機関の構成をしめす。熱気式の外燃機関を動作させるためには２つのシリンダと加熱機構が必要であり、構造が複雑になりやすく、内燃機関のような爆発的なエネルギーが出せないので高出力化が難しい。出力を高めるには多くのシリンダを配置するため複雑化したり、機関を大きくする必要があるという問題点があった。

本発明では、外燃機関にロータリーエンジンの構成を用いることにより、小型化，高出力化を実現する。
図１に本発明の構成をしめす。偏心回転するルーローの三角形を用いたローター１と、それに適合するペリトロコイド曲線を用いたハウジングによるロータリーユニットを、膨張側と圧縮側の２つを配置し、圧縮側ハウジング２の排気口から加熱器４と遮断弁５を含む流路を通して膨張側ハウジング３の吸気口に接続し、膨張側ハウジング３の排気口から冷却器６を含む流路を通して圧縮側ハウジング２の吸気口に接続する。ハウジングに対するローター回転角は、膨張側を圧縮側より９０°先行させる。ハウジング内部および流路は、作動流体で満たされており、各吸気口，排気口はローター１の側面により開閉する。

図２に本発明の動作をしめす。ロータリーエンジン同様、本機関は複数の行程を同時におこなうが、ここでは網掛け部分の作動流体と点をつけたローター面の部分に注目して説明する。
図２（ａ）は、膨張側ハウジング３が最大容積となり、圧縮側ハウジング２が最小容積となっている状態である。ローターを回転させると、作動流体は膨張側ハウジング３から圧縮側ハウジング２に移動するとともに、冷却器６により冷却される。
図２（ｂ）は、作動流体の移動冷却が完了した状態である。続いて断熱圧縮をおこなうが、このままローターを回転させるとすぐに圧縮側の排気口が開いて、加熱器４を含む流路で作動流体が膨張側ハウジング３に移動してしまうので、遮断弁５を閉じハウジングと流路を切り離して断熱圧縮をおこなう。
図２（ｃ）は、断熱圧縮が完了した状態である。ここで遮断弁５を開き、作動流体を圧縮側ハウジング２から膨張側ハウジング３に移動させるとともに、加熱器４により加熱をおこなう。
図２（ｄ）は、作動流体の移動加熱が完了した状態である。続いて断熱膨張をおこなうが、このままローターを回転させると、膨張側の吸気口が閉じる前に圧縮側の排気口が開いてしまうので、遮断弁５を閉じハウジングと流路を切り離して断熱膨張をおこなう。
断熱膨張が完了すると図２（ａ）の状態に戻り、以上の繰り返しにより本機関は動作する。

図３に本発明の動作チャートをしめす。本機関は図１のように上半分と下半分が同じ構成になっているので、本チャートを簡略にするため下半分の動作の記述を省略する。
各ハウジングの内部空間はローターの３面によって区切られ、複数の行程が同時におこなわれているが、ここでは太線でしめした１サイクルに注目して説明する。ローターの回転により、ハウジング内の各空間の容積は正弦波状に変化する。吸気口，排気口の表示はローター側面により閉じられていない期間をしめす。遮断弁の表示は、閉じている期間をしめす。ローター回転角は、図２のローターに付けた点をローター中心から見た角度に対応する。
ローター回転角０°は、図２（ａ）の状態に対応する。膨張側の排気口と圧縮側の吸気口が同時に開き、各ハウジングの容積変化に伴い、作動流体が膨張側から圧縮側に移動しながら冷却される。
ローター回転角９０°は、図２（ｂ）の状態に対応する。圧縮側の排気口と膨張側の吸気口は共に開いているが、遮断弁が閉じているので断熱圧縮がおこなわれる。
ローター回転角１５０°は、図２（ｃ）の状態に対応する。遮断弁が開き容積変化に伴って、作動流体が圧縮側から膨張側に移動しながら加熱される。
ローター回転角１８０°は、図２（ｄ）の状態に対応する。遮断弁が閉じられ、断熱膨張がおこなわれる。
ローター回転角２４０°は、図２（ａ）の状態に戻るが移動冷却した作動流体は、圧縮側ローターの先ほどとは別の面で受けられて、サイクルを続行する。

遮断弁は作動流体の移動を止めるだけでなく、断熱変化時の容積の変化比が大きいほど効率が高くなるので、流路の容積の影響が出にくくなるよう、流路の両側にできるだけハウジングに近くなるように配置している。
移動加熱，移動冷却時の作動流体の状態変化は、圧縮側，膨張側の容積比や流路の容積によって異なる。流路の容積が大きいと作動流体の移動中、容積の変化率が小さいので等容変化に近づき、膨張側容積を圧縮側容積より大きくとって、作動流体の移動開始時と完了時の圧力が同じになるようにすると等圧変化に近づく。
冷却側の流路がない場合、本機関は開放形として動作する。図２（ａ）の状態から移動冷却なしで、圧縮側吸気口から外気を取り込み作動流体とし、前記と同様に断熱圧縮−移動加熱−断熱膨張をおこない、最後に膨張側排気口より作動流体を外気に戻す。

本発明はロータリー構成により、従来の外燃機関の４シリンダに相当する行程をおこなう機関を、２つのハウジングにコンパクトに収めている。
従来の外燃機関では、作動流体が外に漏れないようピストンのロッドをシーリングしたり、クランクボックスを加圧したりするが、本発明では余計な加圧部がなく、シーリングすべき個所も最小限で済む。（もちろん同一ハウジング内での吸気口，排気口の筒抜けを防ぐため、ローター側面のシーリングは必要である。）またロータリー構成には、静音，低振動という特長もある。

可逆形の熱気機関の出力軸を外部から駆動すると、ヒートポンプになることは周知の事実なので、その応用例および説明は省略する。ここではさらに出力を高めるため、ロータリーユニットを増設した場合の構成の最適化について説明する。

図４に膨張側，圧縮側のロータリーユニットが、２つづつのときの構成をしめす。
加熱側の流路は、圧縮側ハウジング２ａ，２ｂから４本が排気され膨張側ハウジング３ａ，３ｂに４本が吸気されるが、４本の流路を集約し切替えることによって加熱器４を共通化し、加熱器４に常に作動流体を流すことができる。また図４では流路の集約に伴い、遮断弁を切替弁とした例をしめしている。
図５に弁構造をしめす。図５（ａ）は遮断弁の構造であり、高圧の作動流体を用いても応力が最小になるよう、弁の開口が軸対称となるようにしている。図５（ｂ）は切替弁の構造であり、遮断弁と同様に開口を軸対称にし、弁の回転角によって４本の流路のうち１つが選択され加熱器に接続される。選択されていない流路は、遮断状態となる。本弁はシーリングを考慮し、電磁弁を用いることが望ましい。
図６に実施例の動作チャートをしめす。細長い矩形は各吸気口，排気口の開いている期間をしめす。２ａ，３ａのペアと２ｂ，３ｂのペアが同じ方向にそろっていると、各行程が重なってしまうのでローター回転角にして３０°ずらし、加熱期間がａ上−ｂ上−ａ下−ｂ下と順繰りになるようにする。また振動の相殺にはローター回転角を１８０°反転させた形が望ましいので、ハウジングごと３０°ひねった形で配置すると良い。

本発明の構成図である。 本発明の動作図である。 本発明の動作チャート図である。 本発明の実施例の構成図である。 本発明の実施例の構成図である。 本発明の実施例の動作チャート図である。 従来の方式の構成図である。

符号の説明

１．ローター
２．圧縮側ハウジング
３．膨張側ハウジング
４．加熱器
５．遮断弁
６．冷却器

Claims (2)

1. 偏心回転するルーローの三角形を用いたローター（１）に適合するペリトロコイド曲線を用いた２つのハウジングである、圧縮側ハウジング（２）と膨張側ハウジング（３）に各々ローター（１）を内蔵し、ハウジングには各々吸気口と排気口を設け、圧縮側ハウジング（２）の排気口と膨張側ハウジング（３）の吸気口を、加熱器（４）と遮断弁（５）を含む流路で接続し、ハウジングに対するローター回転角を膨張側が圧縮側より、９０°先行する位相関係になるようローターを配置し、遮断弁（５）を閉じて圧縮側ハウジング（２）内で作動流体の断熱圧縮をおこなった後、遮断弁（５）を開いて作動流体を圧縮側ハウジング（２）から膨張側ハウジング（３）に移動させながら加熱器（４）によって加熱し、その後、遮断弁（５）を閉じて膨張側ハウジング（３）内で作動流体の断熱膨張をおこない、流路には一方向のみに作動流体が流れることを特徴とするロータリー外燃機関。
2. 膨張側ハウジング（３）の排気口と圧縮側ハウジング（２）の吸気口を冷却器（６）を含む流路で接続し、作動流体を膨張側ハウジング（３）から圧縮側ハウジング（２）に移動させながら冷却する請求項１記載のロータリー外燃機関。

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