JPH08226301A - 熱空気機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は熱空気機関に関するものである。 【構成】 パワーピストン（１）を納めたシリンダーを
複数気筒構成し、それぞれのクランク室同士の通気性を
良くして、クランクが回転したとき、クランク室の内圧
変動が最小になるように、クランクの位相をずらした熱
空気機関。ディスプレーサーピストン（２）は与圧空間
内に設置されたラックアンドピニオン機構を介して電動
モーターで駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 この発明は熱空気機関に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】

（イ） ディスプレーサーピストンを、出力軸に設けら
れたクランクによって駆動していたため、出力ロスが大
きい。また、ディスプレーサーとパワーピストンの、ク
ランクの位相差を設計段階でしか、変更できないので、
一定の回転数以外では効率が悪い。 （ロ） 設計段階でしか、ディスプレーサーピストンの
ストロークを増減できないので、出力や回転数の変更に
たいへん手間がかかる。 （ハ）クランク室とシリンダー内を分離し、パワーピス
トンを、プッシュロッドを介してクランクに接続してい
るため、装置を小型化するのが難しい。また、ロッドシ
ールの耐久性が乏しいのに加えて、ロッドシールの交換
がまた煩雑な作業を要する。さらに、パワーピストンの
背圧をやわらげるために、緩衝空間を設けているが、そ
れでも背圧の抵抗が大きい。 （ニ） 現在普及している原動機などとかけ離れた構造
を採るため、開発にあたって膨大な研究開発費がかか
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題点】本発明は、従来の技
術を根本から見なおし、効率が高く、より単純で、製造
コストが安い、熱空気機関を開発しようとするものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】従来の熱空気機関の欠点
を改善するため、次のような手段を用いた。 （イ） ２気筒、４気筒の４ストロークガソリンエンジ
ンをベースとして、シリンダー、クランクケース、クラ
ンク、コンロッド、ピストンなどを流用する。 （ロ） オイルパンを内圧に耐える構造とし、気密性を
高める。 （ハ） ガソリンエンジンのピストンを、熱空気機関で
云うところのパワーピストンとして、作動させる。 （ニ） それぞれのクランク室同士の、通気性を良くす
る。 （ホ） クランクが回転したとき、クランク室の内圧変
動が最小になるように、クランクの位相をずらす。 （ヘ） シリンダー上部と、ヒーターをパイプでつな
ぎ、順次ヒーターから再生熱交換機、クーラー、ディス
プレーサー、シリンダー上部とヒーターの中間へとパイ
プでつなぐ。 （ト） ディスプレーサーピストンは、与圧空間内に設
置されたラックアンドピニオンを介して電動モーターで
駆動する。 （チ） 回転角度センサーによって、出力軸の回転角度
の情報を制御装置に送り、情報を元に制御装置は、適切
な電流を電動モーターへ送る。電動モーターは、ディス
プレーサーピストンが熱空気機関を作動させるうえで、
もっとも適切であるといえる位置へ動くように、制御装
置によって制御する。

【０００５】

【作用】熱空気機関が、温度差のある媒体から、動力を
取り出す際の作動原理を説明するには、まず、再生熱交
換機の仕組みと役割を知ることが、重要である。再生熱
交換機は、細かい金網や、多数の孔の開いた薄い鉄板な
どを、多数パイプに詰めたもので、熱空気機関では、ヒ
ーターとクーラーの間に設けるものである。再生熱交換
機にヒーターとクーラーを取り付け、ヒーター側から空
気を送ると、空気はヒーターで熱せられ、温度が上が
り、再生熱交換機の内容物を暖めながら冷えて、温度が
下がり、クーラーで、さらに冷やされ、冷たい空気とな
って吐き出される。逆に、クーラー側から空気を送る
と、空気はクーラーで冷やされ、温度が下がり、再生熱
交換機の内容物を冷やしながら暖められ、温度が上が
り、ヒーターで、さらに熱せられ、熱い空気となって吐
き出される。つまり、ヒーター側から空気を送ると、冷
たい空気となって吐き出され、逆に、クーラー側から空
気を送ると、熱い空気となって吐き出されると言うわけ
である。

【０００６】次に、再生熱交換機の役割を踏まえて、仮
に、再生熱交換機とディスプレーサーピストンを境目と
して、ヒーター側を高温空間、クーラー側を低温空間と
して、本発明の熱空気機関が動く仕組みを説明すると、
次のようになる。 （イ）ディスプレーサーピストンが、高温空間に向かっ
て動くと、高温空間にあった内容気体が、再生熱交換機
を通って低温の空気となって低温空間へと押し出され
る。すると、系内の低温の気体の分子数が増えるので、
系内の圧力が下がる。ゆえに、パワーピストンに、負圧
がかかり、パワーピストンが上がる。 （ロ）ディスプレーサーピストンが、低温空間に向かっ
て動くと、低温空間にあった内容気体が、再生熱交換機
を通って高温の空気となって高温空間へと押し出され
る。すると、系内の高温の気体の分子数が増えるので、
系内の圧力が上がる。ゆえに、パワーピストンに、正圧
がかかり、パワーピストンが下がる。

【０００７】次に、始動から、運用、停止までを説明す
ると、次の様な手順となる。 （ハ） 始動するときは、まず、ヒーターを、一定温度
まで暖める。次に、再生熱交換機の温度分布を最適な状
態にするため、ディスプレーサーピストンを、最大振幅
でストロークさせる。すると、再生熱交換機は、ヒータ
ー側がヒーターの熱で、熱くなり、クーラー側が、クー
ラーによって冷やされるので、クーラー側から緩やかに
熱くなり、中央部でヒーターとクーラーの平均の温度と
なり、ヒーター側にかけてヒーターの温度に近い温度と
なる。さらに、制御装置によって、クランク角に応じ
て、ディスプレーサーピストンを作動させる。すると、
クランクのデッドポイントに入っていなければ、出力軸
は、回転数ゼロからでも、回転し始める。

【０００８】（ニ） 次に運用について述べると、アイ
ドリングに入ったあと、出力や回転を増やすときは、デ
ィスプレーサーピストンの振幅を増やすと、出力がふえ
る、その時、負荷が少なければ、回転が増加する。出力
や回転を減らすときは、ディスプレーサーピストンの振
幅を減らせば、出力が減り、回転も減る。 （ホ） 機関を停止するときは、まずヒーターの熱源を
切り、安全な温度になるまで冷やし、つぎにディスプレ
ーサーの電動モーターを停止する。

【０００９】

【実施例】なお、本発明の実施にあたって次のごときこ
とができる。 （イ） 自動車や船舶などに設置し、動力として使用す
る。 （ロ） 自家発電の動力として使用する。 （ハ） 発電所の動力として使用する。 （ニ） 熱空気機関の性質上、温泉の熱や、太陽熱、深
海海底と地上の温度差など、あらゆる自然界の温度差エ
ネルギーを動力として取り出せる。

【００１０】

【発明の効果】本発明の効果としては、つぎのような効
果がある。 （イ）熱空気機関の構造が単純になり、製造開発コスト
が下がる。 （ロ）熱空気機関の出力ロスが減る。 （ハ）熱空気機関の出力や回転数の変更が手軽にでき、
応答も早くなる。 （ニ）広い回転数の帯域で、効率のよい運転ができる。 （ホ）熱空気機関を小型化でき、設置の自由度が増す。 （ヘ）構造が単純なので整備性がよい。 （ト）ロッドシールを使わないので、耐久性が高くな
り、運用コストが下がる。 さらに、熱空気機関の特徴として、石油の燃焼による熱
エネルギーを、現在の火力発電以上に効率よく動力に変
換できる可能性があるので、省エネルギーになる。しか
も、熱源として石油などの燃料を使う場合でも、混合気
圧縮燃焼でないため窒素酸化物などの有害物質の排出を
押さえる効果がある。なお、自然のなかにある温度差を
取り出して動力変換できるため、この動力を使って発電
機をまわせば無尽蔵の電力をえられるだけでなく、それ
は、ほぼ完全なクリーンエネルギーであるため、将来的
な地球環境保護において、おおいに効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を、パワーピストンのシリンダーを２気
筒で構成した場合の、斜視図である。

【図２】本発明を、パワーピストンのシリンダーを２気
筒で構成した場合の、側面図である。

【図３】ａ−ａ’の断面図である。

【図４】本発明のディスプレーサーの拡大断面図であ
る。

【図５】従来の熱空気機関の一例の断面図である。

【符号の説明】

１・・・パワーピストン ２・・・ディスプレーサーピストン ３・・・ヒーター ４・・・再生熱交換気 ５・・・クーラー ６・・・電動モーター ７・・・出力軸 ８・・・緩衝空間 ９・・・プッシュロッド １０・・・ロッドシール １１・・・ラックアンドピニオン機構

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レシプロ機関に、電気モーター駆動のデ
   ィスプレーサーピストンを付けた、熱空気機関。
2. 【請求項２】 ディスプレーサーピストンのストローク
   を増減することによって、出力や回転数を調整する熱空
   気機関。
3. 【請求項３】 次のように構成された熱空気機関 （イ）パワーピストンを納めたシリンダーを、多気筒構
   成する。 （ロ）それぞれのクランク室同士の、通気性を良くす
   る。 （ハ）クランクが回転したとき、クランク室の内圧変動
   が最小になるように、クランクの位相をずらす。