JP3521183B2 - Heat engine with independently selectable compression ratio and expansion ratio - Google Patents
Heat engine with independently selectable compression ratio and expansion ratioInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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- F02B41/02—Engines with prolonged expansion
- F02B41/04—Engines with prolonged expansion in main cylinders
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は熱機関の熱効率を向
上させ、利用可能な熱エネルギーを有効に利用できるも
のである。エネルギーは産業の基礎となるもので、発電
機、自動車、船舶など現在使われているあらゆる動力源
として利用できる。自然エネルギーである太陽熱、海洋
温度差、その他の温度差の小さいエネルギをも有効利用
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention improves the thermal efficiency of a heat engine and makes effective use of available heat energy. Energy is the basis of industry, and can be used as a power source for all current generators, automobiles, ships, etc. Solar energy, which is natural energy, ocean temperature difference, and other energy with small temperature difference are also effectively used.
【0002】[0002]
【従来の技術】熱力学ではカルノーサイクルが熱効率最
高の熱機関であるとなっている。理由は密閉容器内での
可逆機関であるからである。しかしカルノー機関は実現
されていない。スターリングエンジンもこのカルノーサ
イクルと同じように密閉容器内でディスプレーサが往復
し、その過程はどちらの方向にも運転できるから可逆機
関である。したがってカルノーサイクルと同じ熱効率に
なるとされる。しかし実際は熱効率は非常に低い。理由
はいろいろあるが、一番大きい理由は行程容積以外の死
空間が大きいからである。しかし死空間は動作流体の通
路であり、加熱器、熱交換器、冷却器がある限り零に出
来ない。熱交換をよくするためこれらの装置を大きくす
ればそれだけ死空間内の動作流体を無駄に膨張収縮させ
るだけである。このような理由でスターリングエンジン
の熱効率はよくならない。しかし、スターリングエンジ
ンは外燃式であるから燃焼による排ガス汚染の影響は少
なく、爆発燃焼による衝撃音もなく騒音の少ない特徴を
持っている。2. Description of the Related Art In thermodynamics, the Carnot cycle is the heat engine with the highest heat efficiency. The reason is that it is a reversible engine in a closed container. However, the Carnot Institute has not been realized. The Stirling engine is a reversible engine because the displacer reciprocates in a closed container in the same way as this Carnot cycle, and the process can be operated in either direction. Therefore, it is said that the thermal efficiency will be the same as the Carnot cycle. However, in reality, the thermal efficiency is very low. There are various reasons, but the biggest reason is that the dead space other than the stroke volume is large. However, the dead space is a passage for the working fluid and cannot be zero as long as there is a heater, a heat exchanger, and a cooler. Increasing the size of these devices to improve heat exchange would wastelessly expand and contract the working fluid in the dead space. For this reason, the Stirling engine does not have good thermal efficiency. However, since the Stirling engine is an external combustion type, it is less affected by exhaust gas pollution due to combustion, and has the characteristic that there is no impact noise due to explosive combustion and little noise.
【0003】ガソリンエンジンやディーゼルエンジンは
死空間はほとんどないのでこの点熱効率はよい。しかし
熱機関でありながら冷却している。そのため熱力学によ
る理論熱効率と実機による熱効率はかけ離れている。現
在のエンジンの主流であるオットーサイクルの理論熱効
率は高温低温間で働くカルノーサイクルの熱効率に相当
する(参考文献 図解熱力学の学び方 北山直方著 オ
ーム社 P108)。しかし高温側温度は燃焼温度であり、
材料が耐えられないため冷却する。排ガス温度もそれに
つれて高い。が熱効率は25%から30%である。高温
側温度が低くなると圧力が低くなり出力が落ちる。温度
が高ければそれだけ圧力も高くなり出力もでる。Since the gasoline engine and the diesel engine have almost no dead space, this point heat efficiency is good. However, although it is a heat engine, it is cooling. Therefore, the theoretical thermal efficiency due to thermodynamics and the thermal efficiency due to the actual machine are far from each other. The theoretical thermal efficiency of the Otto cycle, which is the mainstream of the current engine, is equivalent to the thermal efficiency of the Carnot cycle, which works at high temperatures and low temperatures (Reference: How to Learn Thermodynamics, Naokata Kitayama, Ohmsha P108). However, the high temperature is the combustion temperature,
Cool because the material cannot withstand. Exhaust gas temperature is correspondingly high. However, the thermal efficiency is 25% to 30%. When the temperature on the high temperature side becomes low, the pressure becomes low and the output drops. The higher the temperature, the higher the pressure and output.
【0004】ガソリンエンジンやディーゼルエンジンは
動作流体の吸入、圧縮、点火燃焼加熱膨張、排気の4行
程を1個のシリンダピストンで行っている。したがって
圧縮比=膨張比となる。そのためエンジンの排気ガスは
充分に膨張されず高温高圧のエネルギを持ちながら放出
される。この排気ガスのエネルギを有効利用するため排
気路にタービンを設け、その動力で吸入空気を圧縮し出
力や熱効率を高めている。この装置をターボと呼んでい
る。しかしターボ自身の熱効率はよくない。またエンジ
ンで充分に膨張させればターボは必要なくなる。In a gasoline engine and a diesel engine, one cylinder piston performs four strokes of intake, compression, ignition combustion heating and expansion of working fluid, and exhaust. Therefore, the compression ratio = expansion ratio. Therefore, the exhaust gas of the engine is not sufficiently expanded and is discharged while having high temperature and high pressure energy. In order to effectively use the energy of this exhaust gas, a turbine is provided in the exhaust passage, and the power of the turbine is used to compress the intake air to improve the output and thermal efficiency. This device is called a turbo. However, the thermal efficiency of the turbo itself is not good. Also, if the engine is fully expanded, a turbo is not needed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】カルノーサイクルより
高い理論熱効率の熱機関を作る。オットーサイクルの熱
効率がカルノーサイクルの熱効率に相当するならば、オ
ットーサイクルの断熱膨張を断熱圧縮より大きくすれば
カルノーサイクルの熱効率より大きくできる。オットー
サイクルは等容加熱に特徴がある。等容加熱は少ない熱
エネルギで高温高圧が得られる。膨張機構と圧縮機構を
専用とする。膨張完了後の動作流体の圧力が吸入前の圧
力になるように膨張比を大きくする。エンジンの冷却を
しない。保温し熱損失を防止する。エンジンを冷却する
と圧縮比を上げても高温側温度を上げても効果は半減す
る。材料の持つ耐熱温度一杯に最高温度を決め保温をし
て熱の損出を防ぐ。内燃機間では燃焼温度が高いので外
燃機関とし熱交換器を付ける。外燃機関は常圧で燃焼す
るので燃焼温度も低く排気ガスの汚染も少ない。また熱
交換器を熱源にしているので廃熱、反応熱、温泉熱等の
あらゆる熱源が利用できる。A heat engine having a theoretical thermal efficiency higher than that of the Carnot cycle is produced. If the thermal efficiency of the Otto cycle corresponds to that of the Carnot cycle, the thermal efficiency of the Otto cycle can be made higher than that of the Carnot cycle by making the adiabatic expansion larger than the adiabatic compression. The Otto cycle is characterized by isochoric heating. Isothermal heating can obtain high temperature and high pressure with less heat energy. The expansion mechanism and compression mechanism are dedicated. The expansion ratio is increased so that the pressure of the working fluid after the expansion is completed becomes the pressure before the suction. Do not cool the engine. Insulates and prevents heat loss. When the engine is cooled, the effect is halved even if the compression ratio is increased or the temperature on the high temperature side is increased. The maximum temperature is set to the maximum heat resistant temperature of the material to keep it warm to prevent heat loss. Since the combustion temperature is high between internal combustion engines, an external combustion engine is used and a heat exchanger is attached. Since the external combustion engine burns at normal pressure, the combustion temperature is low and the exhaust gas is less contaminated. Further, since the heat exchanger is used as the heat source, all heat sources such as waste heat, reaction heat, hot spring heat, etc. can be used.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】図9は本発明の動作原理
図である。熱機関は密閉サイクルで行う。シリンダを4
個置きピストンを1本のロッドでつなぐ。ストロークは
同じとする。左から順に低温シリンダ(10)、圧縮シ
リンダ(12)、高温シリンダ(30)、膨張シリンダ
(32)とする。圧縮シリンダ(12)と高温シリンダ
(30)との間に加熱器(1)を置く。膨張シリンダ
(32)と低温シリンダ(10)との間に冷却器(2)
を置く。高温シリンダ(30)と圧縮シリンダ(12)
の断面積は同じとする。他の各シリンダの断面積は次の
ように算出する。各シリンダのストロークが同じなら断
面積比=容積比である。エンジンはサイクル運転するた
め各行程の動作流体の移動する質量は同一とする。動作
流体は理想気体とし、数1の理想気体の状態式に従うも
のとする。式中p=圧力、V=容積、m=質量、R=ガ
ス定数、T=絶対温度とする。FIG. 9 is a diagram showing the principle of operation of the present invention. The heat engine is a closed cycle. 4 cylinders
Connect separately placed pistons with one rod. The stroke is the same. The low temperature cylinder (10), the compression cylinder (12), the high temperature cylinder (30), and the expansion cylinder (32) are arranged in this order from the left. Place the heater (1) between the compression cylinder (12) and the hot cylinder (30). A cooler (2) between the expansion cylinder (32) and the cryogenic cylinder (10)
Put. High temperature cylinder (30) and compression cylinder (12)
Have the same cross-sectional area. The cross-sectional area of each of the other cylinders is calculated as follows. If the stroke of each cylinder is the same, the cross-sectional area ratio = volume ratio. Since the engine is cycled, the moving mass of the working fluid in each stroke is the same. The working fluid is an ideal gas and follows the equation of state of the ideal gas of Equation 1. Where p = pressure, V = volume, m = mass, R = gas constant, T = absolute temperature.
【0007】[0007]
【数1】 [Equation 1]
【0008】各シリンダに於ける動作流体の状態式には
添字を付けて表す。圧縮前の低温シリンダ=1、圧縮後
の圧縮シリンダ=2、膨張前の高温シリンダ=3、膨張
後の膨張シリンダ=4とする。圧縮前の低温シリンダの
動作流体の状態を基準とする。各行程の質量mが同一で
ガス定数Rは共通であるから数2が成立する。The state equation of the working fluid in each cylinder is represented by adding a subscript. The low temperature cylinder before compression = 1, the compression cylinder after compression = 2, the high temperature cylinder before expansion = 3, and the expansion cylinder after expansion = 4. It is based on the state of the working fluid in the cold cylinder before compression. Since the mass m of each process is the same and the gas constant R is common, the formula 2 is established.
【0009】[0009]
【数2】 [Equation 2]
【0010】数2の内V1 /V2 =圧縮比=ε2
である。低温シリンダ(10)と圧縮シリンダ(12)
の断面積の比はε2 である。動作流体の比熱比をκと
して断熱圧縮すると圧縮後の圧力p2 は数3、温度T
2 は数4で表される。In the equation 2 , V 1 / V 2 = compression ratio = ε 2
Is. Low temperature cylinder (10) and compression cylinder (12)
The cross-sectional area ratio of is ε 2 . If adiabatic compression is performed with the specific heat ratio of the working fluid as κ, the pressure p 2 after compression is Equation 3 and the temperature T
2 is represented by Equation 4.
【0011】[0011]
【数3】 [Equation 3]
【0012】[0012]
【数4】 [Equation 4]
【0013】加熱器(1)の容積が一定で圧縮シリンダ
(12)と高温シリンダ(30)の断面積が等しければ
ピストン移動による容積の変化はない。動作流体は等容
加熱され加熱温度が与えられて温度T3 が決まると気
圧P3 は数5で表される。If the volume of the heater (1) is constant and the compression cylinder (12) and the hot cylinder (30) have the same cross-sectional area, there is no change in volume due to piston movement. When the working fluid is heated to the same volume and the heating temperature is given to determine the temperature T 3 , the atmospheric pressure P 3 is expressed by the equation 5.
【0014】[0014]
【数5】 [Equation 5]
【0015】数5による圧力p3 は加熱器(1)が全
体にT3 に加熱された状態であり、高温シリンダ(3
0)内の初期状態である。圧力p3 を断熱膨張させp
4とする。p4 =p1 とすれば膨張圧は断熱圧縮の
吸入圧になる。その断熱膨張比ε4 は数6で表され
る。The pressure p 3 according to equation (5) is the condition in which the heater (1) is totally heated to T 3 , and the high temperature cylinder (3)
It is the initial state in 0). Adiabatic expansion of pressure p 3 p
Set to 4 . If p 4 = p 1 , the expansion pressure becomes the suction pressure for adiabatic compression. The adiabatic expansion ratio ε 4 is expressed by Equation 6.
【0016】[0016]
【数6】 [Equation 6]
【0017】p4 =p1 =大気圧=1atmとすれ
ばp3 は数7のようになる。If p 4 = p 1 = atmospheric pressure = 1 atm, then p 3 becomes as shown in Equation 7.
【0018】[0018]
【数7】 [Equation 7]
【0019】高温シリンダ(30)と膨張シリンダ(3
2)の断面積の比はε4 となる。断熱膨張後の温度T
4 は数8で表される。The high temperature cylinder (30) and the expansion cylinder (3
The cross-sectional area ratio of 2) is ε 4 . Temperature T after adiabatic expansion
4 is represented by Equation 8.
【0020】[0020]
【数8】 [Equation 8]
【0021】p4 =p1 であるから膨張シリンダ
(32)と低温シリンダ(10)の断面積の比ε5 は
数9で表される。Since p 4 = p 1 , the ratio ε 5 of the cross-sectional areas of the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) is expressed by the equation 9.
【0022】[0022]
【数9】 [Equation 9]
【0023】まとめてみると各シリンダの断面積は次の
ようにする。低温シリンダ(10)より圧縮シリンダ
(12)の断面積を小さくし、断面積の比は圧縮比ε
2 とする。圧縮シリンダ(12)と高温シリンダ(3
0)の断面積は等しくする。高温シリンダ(30)より
膨張シリンダ(32)の断面積を大きくし、断面積の比
は膨張比ε4 とする。膨張シリンダ(32)と低温シ
リンダ(10)は同圧であり、断面積の比は膨張後の温
度と冷却後の温度の比ε5 とする。各ストロークが同
じであるから断面積は行程容積に置き換えることが出来
る。In summary, the cross-sectional area of each cylinder is as follows. The cross-sectional area of the compression cylinder (12) is made smaller than that of the low-temperature cylinder (10), and the cross-sectional area ratio is the compression ratio ε.
Set to 2 . Compression cylinder (12) and high temperature cylinder (3
The cross-sectional areas of 0) are made equal. The cross-sectional area of the expansion cylinder (32) is made larger than that of the high-temperature cylinder (30), and the cross-sectional area ratio is the expansion ratio ε 4 . The expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) have the same pressure, and the ratio of the cross-sectional areas is the ratio ε 5 of the temperature after expansion and the temperature after cooling. Since each stroke is the same, the cross-sectional area can be replaced by the stroke volume.
【0024】図9ではピストンは抵抗なく動き、ロッド
によるシリンダ内の容積占有はないものとする。このよ
うな装置でピストンを左端に置く。図9は左端より少し
右へ移動した位置である。各シリンダ内の動作流体は次
のような状態である。低温シリンダ(10)内は冷却後
の温度で無圧縮の動作流体で置換されている。圧縮シリ
ンダ(12)内は加熱器(1)内と同圧で、断熱圧縮後
の温度と加熱器内の温度と混合した温度になっている。
高温シリンダ(30)内は加熱後の圧力、温度になって
いる。膨張シリンダ(32)内は断熱膨張後の温度で圧
力は冷却器(2)、低温シリンダ(10)と同圧になっ
ている。In FIG. 9, it is assumed that the piston moves without resistance and that the rod does not occupy the volume in the cylinder. Place the piston at the left end with such a device. FIG. 9 shows a position slightly moved to the right from the left end. The working fluid in each cylinder is in the following state. The inside of the low temperature cylinder (10) is replaced with an incompressible working fluid at a temperature after cooling. The inside of the compression cylinder (12) has the same pressure as the inside of the heater (1) and has a temperature mixed with the temperature after adiabatic compression and the temperature inside the heater.
The inside of the high temperature cylinder (30) is at the pressure and temperature after heating. The pressure inside the expansion cylinder (32) is the same as that of the cooler (2) and the low temperature cylinder (10) at the temperature after adiabatic expansion.
【0025】ピストンをフリーにする。ピストンは膨張
ピストン(33)の両面の圧力差で右へ移動する。圧縮
ピストン(13)と高温ピストン(31)は同じ断面積
で同圧であり、力の作用は互いに逆方向に働くので相殺
される。しかし圧縮シリンダ(12)内の動作流体は押
されて加熱器(1)内に入り加熱され圧力は上昇してい
く。膨張シリンダ(32)内の動作流体は押されて冷却
器(2)に入り冷却圧縮され低温シリンダ(10)には
いる。両者のシリンダの容積比は温度比になっているか
ら温度の低下により体積が小さくなるが圧力に変化はな
い。低温ピストン(11)の前後は初めは同圧だから動
きはフリーである。結果ピストンは右へ動く。ピストン
が右へ動くにしたがって膨張中の動作流体の圧力は下が
り、圧縮中の動作流体の圧力は高くなる。やがて圧力は
バランスするがピストンは慣性で右端に達する。動作流
体は1シリンダの容積分移動したことになる。動作流体
を変化させずにピストンだけを左端にすると初期の状態
になる。これで1行程を終わる。Free the piston. The piston moves to the right due to the pressure difference across the expansion piston (33). The compression piston (13) and the high-temperature piston (31) have the same cross-sectional area and the same pressure, and the action of the force acts in the opposite direction to each other, which cancels each other out. However, the working fluid in the compression cylinder (12) is pushed into the heater (1) and heated, and the pressure rises. The working fluid in the expansion cylinder (32) is pushed, enters the cooler (2), is cooled and compressed, and enters the cold cylinder (10). Since the volume ratio of both cylinders is the temperature ratio, the volume becomes smaller due to the temperature decrease, but the pressure does not change. The pressure is the same before and after the low temperature piston (11), so the movement is free. As a result, the piston moves to the right. As the piston moves to the right, the pressure of the working fluid during expansion decreases and the pressure of the working fluid during compression increases. The pressure eventually balances, but the piston reaches the right end due to inertia. The working fluid has moved by the volume of one cylinder. If only the piston is moved to the left end without changing the working fluid, it will be in the initial state. This completes one stroke.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を実施例にもと
ずき図面を参照して説明する。図1は請求項1の説明図
であり、図9の動作原理に基づいて連続運転できるよう
にした熱機関である。動作流体が流れる順に低温シリン
ダ(10)、圧縮シリンダ(12)、加熱器(1)、高
温シリンダ(30)、膨張シリンダ(32)、冷却器
(2)を設け、動作流体を低温シリンダに返すサイクル
運転をする装置で隣接シリンダのピストン位相差を18
0°として運転する。各シリンダの行程容積比は、低温
シリンダ(10)より圧縮シリンダ(12)の行程容積
を小さくして容積比を圧縮比とし、ピストン(11、1
3)の移動により動作流体を断熱圧縮し、低温シリンダ
(10)から圧縮シリンダ(12)に移動させる。圧縮
シリンダ(12)と高温シリンダ(30)とは同じ行程
容積とし、ピストン(13、31)の移動により動作流
体を加熱器を通し等容加熱し、圧縮シリンダ(12)か
ら高温シリンダ(30)に移動させる。高温シリンダ
(30)より膨張シリンダ(32)の行程容積を大きく
して容積比を膨張比とし、ピストン(31、33)の移
動により動作流体を断熱膨張させ、高温シリンダ(3
0)から膨張シリンダ(32)に移動させる。膨張シリ
ンダ(32)と低温シリンダ(10)の行程容積比は冷
却器(2)の入口出口の温度比とする。ピストン(3
3、11)の移動により動作流体を冷却圧縮し、膨張シ
リンダ(32)から低温シリンダ(10)に移動させ
る。ピストン(11、13、31、33)が上死点、又
は下死点で弁(14〜18、34〜38)を開閉し、動
作流体の通路を切り替えサイクル運転をする熱機関。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described based on examples with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view of claim 1, and is a heat engine that can be continuously operated based on the operation principle of FIG. A low-temperature cylinder (10), a compression cylinder (12), a heater (1), a high-temperature cylinder (30), an expansion cylinder (32) and a cooler (2) are provided in the order in which the working fluid flows, and the working fluid is returned to the low-temperature cylinder. Use a device that performs cycle operation to reduce the piston phase difference between adjacent cylinders to 18
Operate at 0 °. As for the stroke volume ratio of each cylinder, the stroke volume of the compression cylinder (12) is made smaller than that of the low temperature cylinder (10), and the volume ratio is set to the compression ratio.
The movement of 3) compresses the working fluid adiabatically and moves it from the cold cylinder (10) to the compression cylinder (12). The compression cylinder (12) and the high-temperature cylinder (30) have the same stroke volume, and the working fluid is heated through the heater by the movement of the pistons (13, 31) to the same volume to heat the compression cylinder (12) to the high-temperature cylinder (30). Move to. The stroke volume of the expansion cylinder (32) is made larger than that of the high temperature cylinder (30) so that the volume ratio becomes an expansion ratio, and the working fluid is adiabatically expanded by the movement of the pistons (31, 33).
0) to the expansion cylinder (32). The stroke volume ratio between the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) is the temperature ratio at the inlet and outlet of the cooler (2). Piston (3
The movement of 3, 11) cools and compresses the working fluid and moves it from the expansion cylinder (32) to the cold cylinder (10). A heat engine in which a piston (11, 13, 31, 33) opens / closes a valve (14-18, 34-38) at a top dead center or a bottom dead center to switch a passage of a working fluid to perform a cycle operation.
【0027】低温ピストン(11)と高温ピストン(3
1)は下死点にあるとする。圧縮ピストン(13)と膨
張ピストン(33)は上死点にあるとする。弁は全部閉
じている。クランク軸(3)が少し右回転をする。圧縮
通気弁(16)、膨張通気弁(36)が開く。低温ピス
トン(11)は上昇し、圧縮ピストン(13)は下降し
動作流体は少しづつ断熱圧縮される。高温ピストン(3
1)は上昇し、膨張ピストン(33)は下降し動作流体
は最高の圧力差で断熱膨張する。この膨張が原動力にな
る。低温ピストン(11)と高温ピストン(31)が上
死点となり、圧縮ピストン(13)と膨張ピストン(3
3)が下死点となると圧縮及び膨張が完了する。圧縮通
気弁(16)、膨張通気弁(36)は閉じる。The low temperature piston (11) and the high temperature piston (3
1) is at bottom dead center. It is assumed that the compression piston (13) and the expansion piston (33) are at top dead center. All valves are closed. The crankshaft (3) rotates slightly to the right. The compression vent valve (16) and the expansion vent valve (36) open. The cold piston (11) rises, the compression piston (13) descends, and the working fluid is gradually adiabatically compressed. High temperature piston (3
1) rises, the expansion piston (33) descends and the working fluid expands adiabatically with the highest pressure differential. This expansion is the driving force. The low temperature piston (11) and the high temperature piston (31) become the top dead center, and the compression piston (13) and the expansion piston (3
When 3) becomes the bottom dead center, compression and expansion are completed. The compression vent valve (16) and the expansion vent valve (36) are closed.
【0028】クランク軸(3)がさらに右回転する。低
温入口弁(14)、圧縮出口弁(18)、高温入口弁
(34)、膨張出口弁(38)が開く。膨張ピストン
(31)は上昇し、低温ピストン(11)は下降する。
動作流体は膨張シリンダ(30)から冷却器(2)を通
って低温シリンダ(10)に移動する。動作流体は冷却
圧縮され、圧力はそのままで比容積は小さくなり、密度
が高くなる。また、圧縮シリンダ(12)では圧縮出口
弁(18)が開くと圧力の高い加熱器(1)側から動作
流体は逆流する。加熱器(1)の圧力は低下し、圧縮シ
リンダ(12)内の圧力は上昇し同圧になる。圧縮ピス
トン(13)と高温ピストン(31)は同面積で同圧で
あるから外部に対する力は相殺される。圧縮ピストン
(13)は上昇し、高温ピストン(31)は下降する。
動作流体は圧縮シリンダ(12)から加熱器(1)を通
って高温シリンダ(30)に移動する。動作流体は移動
中の容積変化はなく、定容加熱され圧力、温度が上昇す
る。低温ピストン(11)、高温ピストン(31)は下
死点になり、圧縮ピストン(13)、膨張ピストン(3
3)は上死点となり、弁(14、18、34、38)は
閉止して1サイクルが完了する。さらにクランク軸
(3)が右回転しサイクルが持続する。The crankshaft (3) further rotates to the right. The cold inlet valve (14), compression outlet valve (18), hot inlet valve (34), expansion outlet valve (38) open. The expansion piston (31) rises and the cold piston (11) descends.
The working fluid travels from the expansion cylinder (30) through the cooler (2) to the cold cylinder (10). The working fluid is cooled and compressed, and the specific volume becomes small and the density becomes high while keeping the pressure. In the compression cylinder (12), when the compression outlet valve (18) is opened, the working fluid flows backward from the high pressure heater (1) side. The pressure in the heater (1) decreases and the pressure in the compression cylinder (12) rises to the same pressure. Since the compression piston (13) and the high temperature piston (31) have the same area and the same pressure, the external force is canceled. The compression piston (13) rises and the hot piston (31) descends.
The working fluid moves from the compression cylinder (12) through the heater (1) to the hot cylinder (30). The working fluid does not change in volume during movement, and is heated to a constant volume and its pressure and temperature rise. The low temperature piston (11) and the high temperature piston (31) reach the bottom dead center, and the compression piston (13) and the expansion piston (3
3) becomes the top dead center and the valves (14, 18, 34, 38) are closed to complete one cycle. Further, the crankshaft (3) rotates right and the cycle continues.
【0029】図2は請求項2の説明図であり、図1の各
ピストンの両面を使用した熱機関である。ピストンロッ
ドを軸封したシリンダを動作流体の流れる順に低温シリ
ンダ(10)、圧縮シリンダ(12)、加熱器(1)、
高温シリンダ(30)、膨張シリンダ(32)、冷却器
(2)を設け、動作流体を低温シリンダ(10)に返す
サイクル運転をする装置の動作流体の流れをシリンダヘ
ッド側のシリンダ室(以下「ヘッド側」とする)とピス
トンロッド側のシリンダ室(以下「ロッド側」とする)
の2系統として、隣接のピストンの位相差を180゜で
運転する。加熱器(1)、冷却器(2)は2系統共通と
する。各シリンダの行程容積は低温シリンダ(10)よ
り圧縮シリンダ(12)の行程容積を小さくして容積比
を圧縮比とする。圧縮シリンダ(12)と高温シリンダ
(30)とは同じ行程容積とする。高温シリンダ(3
0)より膨張シリンダ(32)の行程容積を大きくして
容積比を膨張比とする。膨張シリンダ(32)と低温シ
リンダ(10)の行程容積比は冷却器(2)の出口入口
の温度比とする。ピストン(11、13、31、33)
が上死点、又は下死点で弁(14〜19、34〜39)
を開閉する。熱機関の半サイクルで動作流体を低温シリ
ンダ(10)ではヘッド側で圧行程縮中、ロッド側で冷
却器(2)から吸入を行い、圧縮シリンダ(12)では
ヘッド側で圧縮行程中、ロッド側で加熱器(1)への放
出を行う。一方高温シリンダ(30)ではヘッド側で膨
張行程中、ロッド側で冷却器(2)から吸入を行い、膨
張シリンダ(32)ではヘッド側で膨張行程中、ロッド
側で冷却器(2)側への排気を行い、次の半サイクルで
この逆の動作をする。低温シリンダ(10)ではロッド
側で圧縮行程中、ヘッド側で冷却器(2)吸入を行い、
圧縮シリンダ(12)ではロッド側で圧縮行程中、ヘッ
ド側で加熱器(1)への放出を行う。一方高温シリンダ
(30)ではロッド側で膨張行程中、ヘッド側で冷却器
(2)から吸入を行い、膨張シリンダ(32)ではロッ
ド側で膨張行程中、ヘッド側で冷却器(2)側への排気
を行う。このようにシリンダ室のヘッド側とロッド側で
交互に運転を行いサイクル運転をする熱機関である。運
転は図1の運転方法と同じである。FIG. 2 is an explanatory view of claim 2 and is a heat engine using both sides of each piston of FIG. A low temperature cylinder (10), a compression cylinder (12), a heater (1), in the order in which a working fluid flows through a cylinder in which a piston rod is sealed.
A high temperature cylinder (30), an expansion cylinder (32) and a cooler (2) are provided, and the flow of the working fluid of a device that performs a cycle operation of returning the working fluid to the low temperature cylinder (10) is changed to a cylinder chamber on the cylinder head side (hereinafter referred to as “ "Head side") and piston rod side cylinder chamber (hereinafter "rod side")
The two pistons are operated at a phase difference of 180 ° between adjacent pistons. The heater (1) and the cooler (2) are common to the two systems. Regarding the stroke volume of each cylinder, the stroke volume of the compression cylinder (12) is made smaller than that of the low temperature cylinder (10), and the volume ratio is taken as the compression ratio. The compression cylinder (12) and the high temperature cylinder (30) have the same stroke volume. High temperature cylinder (3
0), the stroke volume of the expansion cylinder (32) is made larger and the volume ratio becomes the expansion ratio. The stroke volume ratio between the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) is the temperature ratio at the outlet inlet of the cooler (2). Piston (11, 13, 31, 33)
Valve at top dead center or bottom dead center (14-19, 34-39)
Open and close. In a half cycle of the heat engine, the working fluid is sucked from the cooler (2) on the head side in the low temperature cylinder (10) during the compression stroke on the head side, and the working fluid is compressed on the head side in the compression cylinder (12) during the compression stroke on the head side. Discharge to the heater (1) on the side. On the other hand, in the high temperature cylinder (30), suction is performed from the cooler (2) on the head side during the expansion stroke on the head side, and in the expansion cylinder (32) to the cooler (2) side on the head side during the expansion stroke on the head side. The exhaust is performed and the reverse operation is performed in the next half cycle. In the low-temperature cylinder (10), the cooler (2) is sucked in on the head side during the compression stroke on the rod side,
The compression cylinder (12) discharges to the heater (1) on the head side during the compression stroke on the rod side. On the other hand, in the high temperature cylinder (30), suction is performed from the cooler (2) on the head side during the expansion stroke on the rod side, and in the expansion cylinder (32) to the cooler (2) side on the rod side during the expansion stroke on the rod side. Exhaust. In this manner, the heat engine is a cycle engine in which the head side and the rod side of the cylinder chamber are alternately operated to perform a cycle operation. The operation is the same as the operation method of FIG.
【0030】図3は請求項3の説明図であり、図2の圧
縮シリンダ(12)を省いた図である。ピストンロッド
を軸封したシリンダを動作流体の流れる順に低温シリン
ダ(10)、加熱器(1)、高温シリンダ(30)、膨
張シリンダ(32)、冷却器(2)を設け、低温シリン
ダ(10)に返すサイクル運転をする装置の動作流体の
流れをヘッド側とロッド側の2系統に分け、隣接のピス
トンの位相差を180゜で運転する。加熱器(1)、冷
却器(2)は2系統共通とする。各シリンダの行程容積
は低温シリンダ(10)と高温シリンダ(30)とは同
じ行程容積とする。高温シリンダ(30)より膨張シリ
ンダ(32)の行程容積を大きくして容積比を膨張比と
する。膨張シリンダ(32)と低温シリンダ(10)の
行程容積比は冷却器(2)の出口入口の温度比とする。
ピストン(11、31、33)が上死点、又は下死点で
弁(14〜19、34〜39)を開閉する。低温ピスト
ン(11)下降の半サイクルで動作流体を低温シリンダ
(10)ではへッド側で冷却器(2)から吸入を行い、
ロッド側で加熱器(1)への放出を行う。一方高温シリ
ンダ(30)ではヘッド側で膨張行程中、ロッド側で加
熱器(1)から吸入を行い、膨張シリンダ(32)では
ヘッド側で膨張行程中、ロッド側で冷却器(2)への放
出を行う。次の低温ピストン(11)上昇の半サイクル
でこの逆の動作をする。低温シリンダ(10)ではロッ
ド側で冷却器(2)から吸入を行い、へッド側で加熱器
(1)への放出を行う。一方高温シリンダ(30)では
ロッド側で膨張行程中、へッド側で加熱器(1)から吸
入を行い、膨張シリンダ(32)ではロッド側で膨張行
程中、へッド側で冷却器(2)側への排気を行う。この
ようにシリンダ室のヘッド側とロッド側で交互に運転を
行い圧縮行程を省いたサイクル運転をする熱機関であ
る。運転は圧縮行程を省き、低温シリンダ(10)では
低温ピストン(11)で無圧縮の動作流体を一定量冷却
器(2)側から加熱器(1)側に移動させる。その他は
図1と同じである。FIG. 3 is an explanatory view of claim 3 and is a view in which the compression cylinder (12) of FIG. 2 is omitted. A low temperature cylinder (10), a heater (1), a high temperature cylinder (30), an expansion cylinder (32) and a cooler (2) are provided in the order in which a working fluid flows through a cylinder in which a piston rod is sealed, and a low temperature cylinder (10). The flow of the working fluid of the device which performs the cycle operation is returned to two systems, the head side and the rod side, and the adjacent pistons are operated at a phase difference of 180 °. The heater (1) and the cooler (2) are common to the two systems. The stroke volume of each cylinder is the same as that of the low temperature cylinder (10) and the high temperature cylinder (30). The expansion volume of the expansion cylinder (32) is made larger than that of the high temperature cylinder (30) to make the volume ratio the expansion ratio. The stroke volume ratio between the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) is the temperature ratio at the outlet inlet of the cooler (2).
The pistons (11, 31, 33) open and close the valves (14-19, 34-39) at the top dead center or the bottom dead center. In the half cycle of the lowering of the low temperature piston (11), the working fluid is sucked from the cooler (2) on the head side of the low temperature cylinder (10),
Discharge to the heater (1) on the rod side. On the other hand, in the high temperature cylinder (30), suction is performed from the heater (1) on the head side during the expansion stroke on the head side, and in the expansion cylinder (32) to the cooler (2) on the head side during the expansion stroke on the head side. Release. The opposite operation is performed in the next half cycle of rising the cold piston (11). In the low temperature cylinder (10), suction is performed from the cooler (2) on the rod side and discharge to the heater (1) is performed on the head side. On the other hand, in the high temperature cylinder (30), suction is performed from the heater (1) on the rod side during the expansion stroke, on the head side, and in the expansion cylinder (32), the rod side is performing the expansion stroke on the rod side and the cooler (on the head side). 2) Exhaust to the side. In this manner, the heat engine is operated alternately on the head side and the rod side of the cylinder chamber, and performs a cycle operation without a compression stroke. In the operation, the compression stroke is omitted, and in the low temperature cylinder (10), the low temperature piston (11) moves the uncompressed working fluid from the cooler (2) side to the heater (1) side. Others are the same as those in FIG.
【0031】当発明の熱機関は加熱器(1)、冷却器
(2)の容積はスターリングエンジンのように死空間と
はならないが、圧縮通気路(20、21)容積や、膨張
通気路(40、41)容積が死空間になりやすい。その
ためこの容積をなるべく小さくする。また通気弁(1
6、17、36、37)を通気路(20、21、40、
41)の下流側に設けることで死空間の影響を少なくす
る。死空間は特に低温度差熱機関には大きな要素とな
る。この場合回転数を下げ、動作流体の時間当たりの移
動量を少なくする。そして、シリンダ容積を大きくし、
膨張通気路(40、41)を細くして死空間を総体的に
小さくする。In the heat engine of the present invention, the volumes of the heater (1) and the cooler (2) do not become dead spaces like the Stirling engine, but the volumes of the compression air passages (20, 21) and the expansion air passages ( 40, 41) The volume tends to become a dead space. Therefore, this volume is made as small as possible. The ventilation valve (1
6, 17, 36, 37) through the ventilation passages (20, 21, 40,
By providing it on the downstream side of 41), the influence of the dead space is reduced. The dead space becomes a big factor especially in the low temperature differential heat engine. In this case, the number of rotations is reduced to reduce the movement amount of the working fluid per unit time. And increase the cylinder volume,
The expansion vent passages (40, 41) are narrowed to generally reduce the dead space.
【0032】図4は請求項4の説明図であり、大小2個
のシリンダにより構成した熱機関である。ピストンロッ
ドを軸封したシリンダ径の大きいシリンダ(以下「大」
とする)とシリンダ径の小さいシリンダ(以下「小」と
する)の2個のシリンダでヘッド側とロッド側とで4個
のシリンダ室を作る。この4個のシリンダ室を動作流体
の流れる順に大のロッド側を低温シリンダ(10)、小
のロッド側を圧縮シリンダ(12)、加熱器(1)を通
し、小のヘッド側を高温シリンダ(30)、大のヘッド
側を膨張シリンダ(32)、冷却器(2)を通し低温シ
リンダ(10)に返す。両ピストンの位相差を180゜
で運転する。各シリンダの行程容積は圧縮シリンダ(1
2)と高温シリンダ(30)とは同じシリンダであるか
らロッドの占める容積の差だけ異なるが大凡同じ行程容
積となる。高温シリンダ(30)より膨張シリンダ(3
2)の行程容積を大きくし、この行程容積比を膨張比と
する。膨張シリンダ(32)と低温シリンダ(10)は
同じシリンダであるから容積比を冷却器(2)の入口出
口の温度比とするようロッドを太くする。ピストン(3
1、33)が上死点、又は下死点で弁(14〜18、3
4〜38)を開閉する。膨張ピストン(33)の上昇の
半サイクルで、動作流体を膨張シリンダ(32)から冷
却器(2)を通して冷却圧縮しながら低温シリンダ(1
0)へ移す。一方圧縮シリンダ(12)から加熱器
(1)を通して高温シリンダ(30)へ移し、次の半サ
イクルで動作流体を低温シリンダ(10)から圧縮しな
がら圧縮シリンダ(12)へ移す。一方高温シリンダ
(30)から膨張しながら膨張シリンダ(32)へ移
し、この行程を交互に行いサイクル運転をする熱機関。FIG. 4 is an explanatory view of claim 4, which is a heat engine composed of two large and small cylinders. A cylinder with a large diameter cylinder that seals the piston rod (hereinafter referred to as "large").
And a cylinder with a small cylinder diameter (hereinafter referred to as "small") form four cylinder chambers on the head side and the rod side. The large rod side is passed through the low temperature cylinder (10), the small rod side is passed through the compression cylinder (12) and the heater (1), and the small head side is passed through the high temperature cylinder ( 30), the large head side is returned to the low temperature cylinder (10) through the expansion cylinder (32) and the cooler (2). Operate with a phase difference of 180 ° between both pistons. The stroke volume of each cylinder is the compression cylinder (1
Since 2) and the high temperature cylinder (30) are the same cylinder, they differ in the difference in the volume occupied by the rods but have approximately the same stroke volume. From the high temperature cylinder (30) to the expansion cylinder (3
The stroke volume in 2) is increased and this stroke volume ratio is taken as the expansion ratio. Since the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) are the same cylinder, the rod is thickened so that the volume ratio becomes the temperature ratio of the inlet and outlet of the cooler (2). Piston (3
1, 33) is at the top dead center or the bottom dead center.
4-38) is opened and closed. In the half cycle of rising of the expansion piston (33), the working fluid is cooled and compressed from the expansion cylinder (32) through the cooler (2) while the cold cylinder (1
Move to 0). On the other hand, it is transferred from the compression cylinder (12) through the heater (1) to the high temperature cylinder (30), and in the next half cycle, the working fluid is transferred from the low temperature cylinder (10) to the compression cylinder (12) while being compressed. On the other hand, a heat engine that moves from the high temperature cylinder (30) to the expansion cylinder (32) while expanding, and alternately performs this process to perform cycle operation.
【0033】図5は図9の原理図を回転ピストンとした
熱機関である。左が圧縮機、右が原動機である。圧縮機
では圧縮機ケーシング(60)内を圧縮機ロータ(6
1)が回転する。圧縮機ロータ(61)には3個の圧縮
機ベーン(63)を設ける。ケーシングとロータの間の
空間をベーンで仕切る。この空間を動作室とする。動作
室の2つを低温動作室(64)、圧縮動作室(65)と
する。他の1つを加熱器(1)、冷却器(2)への入口
出口室とする。またこの両者の仕切室にもなる。原動機
でも圧縮機と同じ構造を持っている。動作室の2つを高
温動作室(74)、膨張動作室(75)とする。他の1
つを加熱器(1)、冷却器(2)への入口出口室とす
る。またこの両者の仕切室にもなる。軸は直結されて同
期回転する。図5は図9の原理図のピストンが左端また
は右端にある場合を示している。各動作室はベーンで仕
切られ独立している。加熱器(1)につながる動作室は
ロータが回転するためケーシングとの間にわづかな隙間
を作られるが、動作流体は入口と出口に2分されてい
る。圧力差は加熱器(1)圧力と冷却器(2)圧力の差
となる。この圧力差は大きいため常にベーンが中間にあ
るようにする。そのため入口室(63、73)、出口室
(66、76)は小さく作られる。各動作室の容積は図
9の考え方と同じである。回転ピストン熱機関は往復動
熱機関にある通気路がないので死空間は出来ないのが特
徴である。また弁がないので構造が簡単である。FIG. 5 shows a heat engine in which the principle diagram of FIG. 9 is used as a rotary piston. The compressor is on the left and the prime mover is on the right. In the compressor, the compressor rotor (6
1) rotates. The compressor rotor (61) is provided with three compressor vanes (63). A vane separates the space between the casing and the rotor. This space is used as an operation room. Two of the operation chambers are a low temperature operation chamber (64) and a compression operation chamber (65). The other one is used as an inlet / outlet chamber for the heater (1) and the cooler (2). It also serves as a partition room for both. The prime mover has the same structure as the compressor. Two of the operation chambers are a high temperature operation chamber (74) and an expansion operation chamber (75). The other one
One is used as an inlet / outlet chamber for the heater (1) and the cooler (2). It also serves as a partition room for both. The shafts are directly connected and rotate synchronously. FIG. 5 shows a case where the piston of the principle diagram of FIG. 9 is at the left end or the right end. Each operating room is separated by a vane and is independent. The working chamber connected to the heater (1) forms a small gap with the casing because the rotor rotates, but the working fluid is divided into an inlet and an outlet. The pressure difference is the difference between the heater (1) pressure and the cooler (2) pressure. Since this pressure difference is large, always keep the vanes in the middle. Therefore, the inlet chamber (63, 73) and the outlet chamber (66, 76) are made small. The volume of each operation chamber is the same as the concept shown in FIG. The rotary piston heat engine is characterized by the fact that there is no air passage in the reciprocating heat engine, so no dead space can be created. Moreover, since there is no valve, the structure is simple.
【0034】図6はベーン(62、72)を4個として
入口室、出口室を大きくしベーン(62、72)の動き
を緩やかにした熱機関である。図6は図9の原理図のピ
ストンが左端にある場合を示している。出口室(66、
76)ではベーン(62、72)がこの位置から中間位
置に回転するまで動作流体を圧縮しないようにケーシン
グ(60、70)に点線のようにバイパスを設け動作流
体は自由に流動させる。したがって動作流体の通路とな
りベーンがないのと同じになる。さらに右回転するとベ
ーンは入口室(63、73)にはいる。入口室(63、
73)では同じようにケーシング(60、70)に中間
位置までバイパスを設け動作流体が自由に流動できるよ
うにする。各動作室の容積は図9の考え方と同じであ
る。FIG. 6 shows a heat engine in which the number of vanes (62, 72) is four, and the inlet chamber and the outlet chamber are enlarged to make the movement of the vanes (62, 72) gentle. FIG. 6 shows a case where the piston in the principle diagram of FIG. 9 is at the left end. Exit chamber (66,
In 76), the casing (60, 70) is provided with a bypass as indicated by the dotted line so that the working fluid is not compressed until the vanes (62, 72) rotate from this position to the intermediate position, and the working fluid is allowed to flow freely. Therefore, it serves as a passage for the working fluid and is the same as having no vane. When it rotates further to the right, the vane enters the inlet chamber (63, 73). Entrance room (63,
In 73), the casing (60, 70) is likewise provided with a bypass to an intermediate position so that the working fluid can freely flow. The volume of each operation chamber is the same as the concept shown in FIG.
【0035】図7は1個のケーシング(50)とロータ
(51)で圧縮、膨張を行う熱機関である。ケーシング
(50)内をロータ(51)が回転する。図7は矢印の
ように右回転するようにしてある。ロータには6個のベ
ーン(52)を設ける。加熱器(1)につながる動作室
は、圧縮出口室(66)と高温入口室(73)に2分さ
れている。両者の圧力差は加熱器(1)の圧力降下分と
なる。図7のベーン(52)の位置から仕切までの間は
ケーシングにバイパスを設け動作流体は自由に流動させ
る。冷却器(2)につながる動作室も同じである。しか
し、圧縮比膨張比が大きくなると低温入口室(63)、
膨張出口室(76)でのベーン(52)の動きが大きく
なり、これを円滑にするため、ベーン(52)を数個増
やしケーシング(50)の曲線を緩やかにする。冷却器
(2)につながる動作室の左上側は低温動作室(64)
となる。さらに右側は圧縮動作室(65)となる。右端
は加熱器(1)につながる通路である。右下は高温動作
室(74)、左下は膨張動作室(75)となる。各動作
室の容積は図9の考え方と同じである。FIG. 7 shows a heat engine that compresses and expands with one casing (50) and a rotor (51). The rotor (51) rotates in the casing (50). In FIG. 7, it is arranged to rotate clockwise as indicated by the arrow. The rotor is provided with 6 vanes (52). The working chamber connected to the heater (1) is divided into a compression outlet chamber (66) and a high temperature inlet chamber (73). The pressure difference between the two becomes the pressure drop of the heater (1). Between the position of the vane (52) in FIG. 7 and the partition, a bypass is provided in the casing to allow the working fluid to flow freely. The same applies to the working chamber connected to the cooler (2). However, when the compression ratio expansion ratio becomes large, the low temperature inlet chamber (63),
The movement of the vane (52) in the expansion outlet chamber (76) is increased, and in order to smooth the movement, the number of the vanes (52) is increased to make the curve of the casing (50) gentle. The upper left side of the operation room connected to the cooler (2) is the low temperature operation room (64)
Becomes Further on the right side is a compression working chamber (65). The right end is the passage leading to the heater (1). The lower right is the high temperature working chamber (74) and the lower left is the expansion working chamber (75). The volume of each operation chamber is the same as the concept shown in FIG.
【0036】図8は図7の圧縮行程を省いた回転ピスト
ン熱機関である。動作は図3と同じである。ロータ(5
1)には5個のベーン(52)が取り付けら5個の動作
室がある。2個は熱交換器との動作流体の出入口室に、
2個は膨張行程に使用するのは図7の考え方と同じであ
る。1個は動作流体を低温部から高温部に移動させるの
みである。各動作室の容積は次のようになる。低温動作
室(64)と高温動作室(74)の容積は同じとする。
高温動作室(74)と膨張動作室(75)の容積比は膨
張比とする。膨張動作室(75)と低温動作室(64)
の容積比は温度比とする。動作室の容積を大きくすると
ベーンの(52)動きが大きくなる。この場合もベーン
(52)の動きを緩やかにするためベーン(52)を数
個増やしケーシング(50)の曲線を緩やかにする。FIG. 8 shows a rotary piston heat engine in which the compression stroke of FIG. 7 is omitted. The operation is the same as in FIG. Rotor (5
In 1) there are 5 working chambers with 5 attached vanes (52). Two are in the inlet and outlet chamber of the working fluid with the heat exchanger,
The two are used in the expansion stroke in the same way as the concept of FIG. 7. One only moves the working fluid from the cold section to the hot section. The volume of each working chamber is as follows. The volumes of the low temperature operation chamber (64) and the high temperature operation chamber (74) are the same.
The volume ratio between the high temperature working chamber (74) and the expansion working chamber (75) is the expansion ratio. Expansion working chamber (75) and low temperature working chamber (64)
The volume ratio of is the temperature ratio. Increasing the volume of the working chamber increases the (52) movement of the vane. Also in this case, in order to make the movement of the vane (52) gentle, the number of vanes (52) is increased by several to make the curve of the casing (50) gentle.
【0037】図3の熱機関は圧縮行程がないので再生器
(7)を設けることが出来るが省略してある。図1、図
4の熱機関も低温シリンダ(10)と圧縮シリンダ(1
2)の容積を同じにすれば、低温度差熱機関として再生
器(7)を設けることが出来るが省略してある。断熱膨
張を終えた動作流体はある温度を持っている。また加熱
器(1)にはいる動作流体は冷却器(2)出口温度のま
まである。この両者を熱交換し膨張後の温度で加熱前の
動作流体を暖める。その分加熱器(1)、冷却器(2)
共に負担が減り熱効率が上昇する。Since the heat engine of FIG. 3 has no compression stroke, a regenerator (7) can be provided, but it is omitted. The heat engine shown in FIGS. 1 and 4 also includes a low temperature cylinder (10) and a compression cylinder (1
If the volume of 2) is the same, the regenerator (7) can be provided as a low temperature difference heat engine, but it is omitted. The working fluid that has undergone adiabatic expansion has a certain temperature. Also, the working fluid entering the heater (1) remains at the outlet temperature of the cooler (2). The two are heat-exchanged to warm the working fluid before heating at the temperature after expansion. That much heater (1), cooler (2)
Both reduce the burden and increase the thermal efficiency.
【0038】図12は高温度差熱機関の廃熱を低温度差
熱機関の熱源にして利用し、総合熱効率を上げる方法で
ある。高温度差熱機関の断熱膨張後の温度は充分に高く
低温度差熱機関の熱源として利用できる。図12で右の
熱機関の高温度差熱機関より排出された断熱膨張後の動
作流体は熱交換器(8)を通って冷却器(2)に入り低
温動作室に入って行く。一方左の低温度差熱機関より出
た動作流体は再生器(7)を通って熱交換器(8)に入
り、加熱されて低温度差熱機関の高温動作室にはいる。
熱効率は熱交換器(8)で熱回収された分上昇する。ま
た再生器(7)の設置により低温度差熱機関の冷却器
(2)の負担が軽くなる。FIG. 12 shows a method in which the waste heat of the high temperature differential heat engine is used as a heat source of the low temperature differential heat engine to improve the total thermal efficiency. The temperature after adiabatic expansion of the high temperature differential heat engine is sufficiently high and can be used as a heat source for the low temperature differential heat engine. The working fluid after adiabatic expansion discharged from the high temperature difference heat engine of the right heat engine in FIG. 12 enters the cooler (2) through the heat exchanger (8) and enters the low temperature operation chamber. On the other hand, the working fluid discharged from the low temperature differential heat engine on the left enters the heat exchanger (8) through the regenerator (7), is heated, and enters the high temperature working chamber of the low temperature differential heat engine.
The thermal efficiency is increased by the amount of heat recovered by the heat exchanger (8). Further, the installation of the regenerator (7) reduces the load on the cooler (2) of the low temperature differential heat engine.
【0039】図13のように再生器(7)を無くした場
合は熱交換機(8)で100%熱交換できると高温度差
熱機関の冷却器(2)の負担が軽くなるが低温度差熱機
関の熱効率しか熱回収できず総合熱効率は図12の方法
と同じとなる。しかし熱源がある限り低温度差熱機関を
数個使えば総合熱効率は上昇する。When the regenerator (7) is eliminated as shown in FIG. 13, if the heat exchanger (8) can perform 100% heat exchange, the load on the cooler (2) of the high temperature difference heat engine is light, but the low temperature difference. Only the heat efficiency of the heat engine can be recovered, and the total heat efficiency is the same as the method shown in FIG. However, as long as there is a heat source, using several low temperature differential heat engines will increase the total thermal efficiency.
【0040】当発明の熱機関は負荷変動に対して内圧を
変化させる。当発明の熱機関は外燃機関であり動作流体
は密閉されている。高温側の動作流体は高圧になり、低
温側では低圧となる。密閉された動作流体の質量は一定
である。膨張比、圧縮比は変わらない。また温度比も一
定である。したがって負荷変動に対しては負荷に応じて
熱機関内の動作流体の質量を変える。質量を変えると一
定温度では熱交換する熱量が変わる。一定容積内の動作
流体の質量を変えると圧力が変わる。結局負荷に応じて
熱機関内の圧力を変える。圧力は膨張後の圧力か、又は
圧縮前の圧力を検出する。The heat engine of the present invention changes the internal pressure with respect to load fluctuations. The heat engine of the present invention is an external combustion engine, and the working fluid is sealed. The working fluid on the high temperature side has a high pressure, and the working fluid on the low temperature side has a low pressure. The mass of the sealed working fluid is constant. The expansion ratio and compression ratio do not change. The temperature ratio is also constant. Therefore, with respect to load fluctuation, the mass of the working fluid in the heat engine is changed according to the load. When the mass is changed, the amount of heat exchanged at a constant temperature changes. The pressure changes when the mass of the working fluid in a given volume is changed. After all, the pressure in the heat engine is changed according to the load. For the pressure, the pressure after expansion or the pressure before compression is detected.
【0041】図14は制御系の系統図である。熱機関内
の動作流体を貯蔵する圧力タンク(85)を設ける。負
荷が増えると昇圧用調整弁(86)を開き冷却器(2)
入口に動作流体を注入する。動作流体は直ちに冷却器
(2)、低温シリンダ(10)、圧縮シリンダ(12)
を通って熱機関の内圧を上昇させる。逆に負荷が下がる
と降圧用調整弁(87)を開き加熱前の動作流体を圧力
タンク(85)に回収する。熱機関の内圧は低下する。
このように負荷に応じて熱機関の内圧を増減させるが、
同時に外燃機関として燃料も温度一定になるよう燃料調
整弁(81)で増減させる。しかし過度的変化による温
度変化やその他の外乱による温度変化に対しても燃料調
整弁(81)で調整する。温度一定の熱機関で冷却器
(2)側の圧力が2倍に変化すると加熱器(1)側の圧
力も2倍変化する。冷却器(2)側圧力が1atmから
2atmに変化した場合、加熱器(1)側の圧力を初期
圧4.66atmとすると9.32atmとなる。出力
もそれに応じて変化する。このように出力は熱機関の内
圧を制御し、使用温度に於ける許容圧力まで出力を高め
ることができる。FIG. 14 is a system diagram of the control system. A pressure tank (85) is provided to store the working fluid in the heat engine. When the load increases, the pressure regulating valve (86) is opened and the cooler (2) is opened.
Inject working fluid into the inlet. Working fluid immediately cooler (2), cold cylinder (10), compression cylinder (12)
To increase the internal pressure of the heat engine. On the contrary, when the load decreases, the pressure reducing regulating valve (87) is opened and the working fluid before heating is collected in the pressure tank (85). The internal pressure of the heat engine drops.
In this way, the internal pressure of the heat engine is increased or decreased according to the load,
At the same time, as the external combustion engine, the fuel is adjusted by the fuel adjusting valve (81) so that the temperature of the fuel becomes constant. However, the fuel adjustment valve (81) also adjusts for temperature changes due to transient changes and other disturbances. When the pressure on the cooler (2) side doubles in a heat engine of constant temperature, the pressure on the heater (1) side also doubles. When the pressure on the cooler (2) side is changed from 1 atm to 2 atm, the pressure on the heater (1) side is 9.32 atm when the initial pressure is 4.66 atm. The output also changes accordingly. In this way, the output can control the internal pressure of the heat engine and increase the output up to the allowable pressure at the operating temperature.
【0042】[0042]
【発明の効果】図10は当発明の熱機関による理論pV
線図の1例である。図10のグラフに於ける動作流体の
状態を表す数字は次の通りである。圧縮前の低温シリン
ダ=1、圧縮後の圧縮シリンダ=2、膨張前の高温シリ
ンダ=3、膨張後の膨張シリンダ=4とする。圧縮前の
低温シリンダの動作流体の状態を基準とする。この数字
は次の計算式の添え字としても使用される。一例として
動作流体を空気とする。FIG. 10 shows the theoretical pV by the heat engine of the present invention.
It is an example of a diagram. The numbers showing the state of the working fluid in the graph of FIG. 10 are as follows. The low temperature cylinder before compression = 1, the compression cylinder after compression = 2, the high temperature cylinder before expansion = 3, and the expansion cylinder after expansion = 4. It is based on the state of the working fluid in the cold cylinder before compression. This number is also used as a subscript in the following formula. As an example, the working fluid is air.
【0043】仮に各行程に次のような数字を入れてみ
る。
常圧常温の基準値
圧力 P1 =1atm=101.33kPa
温度 T1 =300 ゜K=27℃
比熱比 κ=1.4
比容積 v1 =RT1/P1=0.85 kL/kg
圧縮比 ε2 =3
加熱後の温度T3 =600 ゜K
膨張比 ε4 =3.6Let us put the following numbers in each process. Normal pressure Reference value at normal temperature Pressure P 1 = 1 atm = 101.33 kPa Temperature T 1 = 300 ° K = 27 ° C Specific heat ratio κ = 1.4 Specific volume v 1 = RT1 / P1 = 0.85 kL / kg Compression ratio ε 2 = 3 Temperature after heating T 3 = 600 ° K Expansion ratio ε 4 = 3.6
【0044】圧縮比ε2 =3で断熱圧縮すると圧力は
数10のようにP2 =4.66atm、同じく温度は
数11のようにT2 =466 ゜Kとなる。また比容積
は数12のようにv2 =0.283kL/kgとなる。When adiabatic compression is performed with the compression ratio ε 2 = 3, the pressure becomes P 2 = 4.66 atm as in the equation 10, and the temperature becomes T 2 = 466 ° K as in the equation 11. Further, the specific volume is v 2 = 0.283 kL / kg as shown in Expression 12.
【0045】[0045]
【数10】 [Equation 10]
【0046】[0046]
【数11】 [Equation 11]
【0047】[0047]
【数12】 [Equation 12]
【0048】断熱圧縮後圧縮出口弁(18)が開くと圧
縮シリンダ(12)内に動作流体が流入する。加熱器
(1)の圧力は低下し、圧縮シリンダ(12)内の圧力
は上昇する。その値は加熱器(1)と圧縮シリンダ(1
2)の容積比による。加熱後の温度T3 =600 ゜K
とすると加熱後の圧力は数13のようにP3 =6at
mとなる。When the compression outlet valve (18) is opened after the adiabatic compression, the working fluid flows into the compression cylinder (12). The pressure in the heater (1) drops and the pressure in the compression cylinder (12) rises. Its values are heater (1) and compression cylinder (1
According to the volume ratio of 2). Temperature after heating T 3 = 600 ° K
Then, the pressure after heating is P 3 = 6 at
m.
【0049】[0049]
【数13】 [Equation 13]
【0050】膨張比ε4 =3.6で断熱膨張すると圧
力は数14のようにP4 =1atm、同じく温度は数
15のようにT4 =359 ゜Kとなる。比容積はv
2 =v3 であるから数16のようにv4 =1.0
2kLとなる。When adiabatic expansion is performed with the expansion ratio ε 4 = 3.6, the pressure becomes P 4 = 1 atm as shown in equation 14, and the temperature becomes T 4 = 359 ° K as shown in equation 15. Specific volume is v
Since 2 = v 3 , v 4 = 1.0 as shown in Expression 16.
It becomes 2kL.
【0051】[0051]
【数14】 [Equation 14]
【0052】[0052]
【数15】 [Equation 15]
【0053】[0053]
【数16】 [Equation 16]
【0054】膨張後の動作流体を冷却する。当発明の熱
機関の冷却器は容積一定であり、膨張シリンダ容積と低
温シリンダ容積とは温度比にしてある。動作流体の圧力
はそのままでP5 =P4 =1atm=P1 であ
る。圧力が1atmであるから膨張シリンダ出口から圧
縮シリンダ入口までの間の配管のどの部分に穴をあけて
大気と通じても空気の出入りはない。したがってこの間
は開放系となり仕事は零である。温度はT5 =300
゜K=T1 とする。比容積は数17のようにv6 =
0.85kL/kg=v1 となる。冷却により比容積が縮
小し、内部エネルギが小さくなり、熱効率は温度のみに
依存する。熱効率は数18のように56%である。The working fluid after expansion is cooled. The cooler of the heat engine of the present invention has a constant volume, and the expansion cylinder volume and the low temperature cylinder volume have a temperature ratio. The pressure of the working fluid remains P 5 = P 4 = 1 atm = P 1 . Since the pressure is 1 atm, no air flows in or out even if a hole is opened in any portion of the pipe between the expansion cylinder outlet and the compression cylinder inlet to communicate with the atmosphere. Therefore, during this period, the system is open and the work is zero. The temperature is T 5 = 300
Let K = T 1 . The specific volume is v 6 =
0.85 kL / kg = v 1 . Cooling reduces specific volume, reduces internal energy, and thermal efficiency depends only on temperature. The thermal efficiency is 56% as shown in Equation 18.
【0055】[0055]
【数17】 [Equation 17]
【0056】[0056]
【数18】 [Equation 18]
【0057】カルノサイクルの熱効率は圧縮比=膨張比
の断熱変化の高温側温度と低温側温度に依存する。当発
明の熱機関は圧縮比<膨張比でありカルノサイクルとは
比較できない。仮に圧縮比ε2 =3=膨張比とすると
熱効率は数19のようにηL =35.6%となる。また
膨張比に合わせてε4 =3.6=圧縮比とすると、熱
効率は数20のようにηH =40.1%となる。また
高温側温度を600゜K、低温側温度を300 ゜Kとし
てカルノサイクルの熱効率を計算すると数21のように
εK =5.66となりηK =50%となる。The thermal efficiency of the Carno cycle is the compression ratio = expansion ratio
The adiabatic change of is dependent on the high temperature side and low temperature side. Departure
Ming heat engine has a compression ratio <expansion ratio
I can't compare. If the compression ratio εTwo= 3 = expansion ratio
The thermal efficiency isL = 35.6%. Also
Ε according to the expansion ratioFour= 3.6 = compression ratio, heat
The efficiency is ηH= 40.1%. Also
The high temperature side is 600 ° K and the low temperature side is 300 ° K.
When calculating the carnocycle thermal efficiency,
εK= 5.66 and ηK= 50%.
【0058】[0058]
【数19】 [Formula 19]
【0059】[0059]
【数20】 [Equation 20]
【0060】[0060]
【数21】 [Equation 21]
【0061】当発明のエンジンはカルノサイクルより圧
縮比、膨張比共に小さいが熱効率はよくなる。オットー
サイクルは圧縮比=膨張比であるからカルノサイクルの
計算による熱効率になる。数21の熱効率より数18の
熱効率が高いのは圧縮エネルギが少ないからである。The engine of the present invention has a smaller compression ratio and expansion ratio than the Carno cycle, but has better thermal efficiency. Since the Otto cycle has a compression ratio = expansion ratio, the thermal efficiency is calculated by the Carno cycle. The thermal efficiency of the equation 18 is higher than the thermal efficiency of the equation 21 because the compression energy is small.
【0062】図11は低温度差熱機関のpV線図の一例
である。海洋温度差発電では低温度差運転となり断熱圧
縮行程を省く。図11のグラフに於ける動作流体の状態
を表す数字は次の通りである。圧縮前の低温シリンダ=
1、膨張前の高温シリンダ=2、膨張後の膨張シリンダ
=3とする。移送前の低温シリンダの動作流体の状態を
基準とする。この数字は次の計算式の添え字としても使
用される。一例として動作流体を空気とする。FIG. 11 is an example of a pV diagram of a low temperature differential heat engine. Ocean temperature difference power generation results in low temperature difference operation, eliminating the adiabatic compression process. The numbers representing the state of the working fluid in the graph of FIG. 11 are as follows. Low temperature cylinder before compression =
1, high temperature cylinder before expansion = 2, expansion cylinder after expansion = 3. It is based on the state of the working fluid in the cold cylinder before transfer. This number is also used as a subscript in the following formula. As an example, the working fluid is air.
【0063】この運転の各行程を見てみる。仮に各行程
に次のような数字を入れてみる。
常圧常温の基準値
圧力 P1 =1atm=101.33kPa
低温温度T1 =10℃(283 ゜K)
高温温度T2 =30℃(303 ゜K)
比熱比 κ=1.4
比容積 v1 =RT1/P1=0.802kL/kg
膨張比 ε4 =1.05
加熱後の温度T2 =303 ゜Kとすると、圧力は数2
2のようにP2 =1.07atmとなる。比容積は変
わらずv1 =v2 。Let us look at each stroke of this operation. Let's put the following numbers in each process. Normal pressure Standard value pressure at normal temperature P 1 = 1 atm = 101.33 kPa Low temperature T 1 = 10 ° C. (283 ° K) High temperature T 2 = 30 ° C. (303 ° K) Specific heat ratio κ = 1.4 Specific volume v 1 = RT 1 / P 1 = 0.802 kL / kg Expansion ratio ε 4 = 1.05 When the temperature after heating T 2 = 303 ° K, the pressure is 2
As in 2, P 2 = 1.07 atm. The specific volume remains unchanged v 1 = v 2 .
【0064】[0064]
【数22】 [Equation 22]
【0065】断熱膨張比をε4 =1.05とすると圧
力は数23のようにP3 =1atm。同じく温度は数
24のようにT3 =297 ゜Kとなる。比容積は数2
5のようにv3 =0.842kL/kgとなる。When the adiabatic expansion ratio is ε 4 = 1.05, the pressure is P 3 = 1 atm as shown in equation 23. Similarly, the temperature becomes T 3 = 297 ° K as shown in Equation 24. Specific volume is a few
As in 5, v 3 = 0.842 kL / kg.
【0066】[0066]
【数23】 [Equation 23]
【0067】[0067]
【数24】 [Equation 24]
【0068】[0068]
【数25】 [Equation 25]
【0069】冷却すると圧力P4 =P3 =1atm
=p1 。温度T4 =283 ゜K=T1 となる。比
容積は温度比であるから数26のようにv4 =0.8
02kL/kg=v1 となり基準値に戻る。When cooled, the pressure P 4 = P 3 = 1 atm
= P 1 . The temperature becomes T 4 = 283 ° K = T 1 . Since the specific volume is the temperature ratio, v 4 = 0.8
02kL / kg = v 1 Back next reference value.
【0070】[0070]
【数26】 [Equation 26]
【0071】以上で圧縮行程が無くてもサイクル運転が
出来る。熱効率は数27のように30%である。As described above, the cycle operation can be performed without the compression stroke. The thermal efficiency is 30% as shown in Equation 27.
【0072】[0072]
【数27】 [Equation 27]
【0073】カルノサイクルの熱効率は温度のみに依存
する。したがって熱効率は数28のように6.6%とな
る。The thermal efficiency of a carnocycle depends only on temperature. Therefore, the thermal efficiency is 6.6% as shown in Equation 28.
【0074】[0074]
【数28】 [Equation 28]
【0075】断熱圧縮行程がないと加熱器入口温度は冷
却後の温度T1 =283 ゜Kである。この温度は断熱
膨張後の温度T3 =297 ゜Kより低い。この両者を
再生器(7)で熱交換する。動作流体質量は両者同一で
あるから熱交換効率は両者の温度変化のみに表れる。熱
交換効率を100%とすると、膨張後の温度T3 =2
97 ゜Kは冷却されてT4 =283 ゜Kになる。冷却
後の温度T1 =283 ゜Kは過熱されてT1'=29
7 ゜Kとなる。熱効率は数29のように理論上100%
となる。Without the adiabatic compression stroke, the heater inlet temperature is the temperature after cooling T 1 = 283 ° K. This temperature is lower than the temperature after adiabatic expansion T 3 = 297 ° K. Both of them are heat-exchanged by the regenerator (7). Since both working fluid masses are the same, the heat exchange efficiency appears only in the temperature change of both. If the heat exchange efficiency is 100%, the temperature after expansion T 3 = 2
97 ° K is cooled to T 4 = 283 ° K. The temperature after cooling T 1 = 283 ° K is overheated and T 1 ′ = 29
It becomes 7 ° K. Thermal efficiency is 100% theoretically as shown in equation 29
Becomes
【0076】[0076]
【数29】 [Equation 29]
【0077】熱効率が理論上100%になることはこの
低温度差熱機関の特徴である。特に海洋温度差発電にこ
の熱機関を用いると表層水の温度低下は上記の条件では
6℃以下であり、低温の深層水の使用水量は最低限にな
る。この低温度差熱機関は熱源を循環しして使用する用
途に適している。熱効率100%は熱機関として受け取
った熱量を100%変換できるのであり、加熱側の熱効
率を含めた数値ではない。The theoretical thermal efficiency of 100% is a feature of this low temperature difference heat engine. In particular, when this heat engine is used for ocean thermal energy conversion, the temperature drop of surface water is 6 ° C or less under the above conditions, and the amount of low-temperature deep water used is minimized. This low temperature differential heat engine is suitable for use by circulating a heat source. The thermal efficiency of 100% can convert 100% of the amount of heat received by the heat engine, and is not a numerical value including the heating side thermal efficiency.
【0078】図12のように熱機関を2個連結し、圧縮
機構を持つ高温度差熱機関の断熱膨張後の排気温度を熱
源とし、低温度差熱機関を運転した場合を計算してみ
る。高温度差熱機関の数値、及び計算値を数10から数
18までの数値を当てはめる。低温度差熱機関の熱源は
数15で計算された排気温度359 ゜Kとなる。低温側
温度を300 ゜Kとして数22から数27までの計算を
して見ると次のようになる。
T1 =300 ゜K
T2 =359 ゜K
T3 =341 ゜K
T4 =300 ゜K=T1
η=30.5%As shown in FIG. 12, a case where two heat engines are connected and the exhaust temperature after adiabatic expansion of a high temperature differential heat engine having a compression mechanism is used as a heat source to operate the low temperature differential heat engine will be calculated. . The numerical values of the high temperature differential heat engine and the calculated values are applied to the numerical values from 10 to 18. The heat source of the low temperature difference heat engine is the exhaust gas temperature of 359 ° K calculated in Eq. When the temperature on the low temperature side is set to 300 ° K and the calculations from Formulas 22 to 27 are performed, the results are as follows. T 1 = 300 ° K T 2 = 359 ° K T 3 = 341 ° K T 4 = 300 ° K = T 1 η = 30.5%
【0079】図12では熱交換機(8)により低温度差
熱機関側で受け取った熱量は、高温度差熱機関の排気熱
量の30.5%である。この熱量が全部出力になると総
合熱効率は理論上数30のように69.4%となる。In FIG. 12, the heat quantity received by the heat exchanger (8) on the low temperature difference heat engine side is 30.5% of the exhaust heat quantity of the high temperature difference heat engine. When all of this heat amount is output, the total thermal efficiency is 69.4% as in theory 30.
【0080】[0080]
【数30】 [Equation 30]
【0081】図13では図12より再生器(7)を省い
ている。したがって熱交換機(8)では100%熱交換
できることになる。しかし低温度差熱機関では冷却器へ
の放熱があり熱効率は30.5%になる。結局総合熱効
率は数30と同じ式となり69.4%となる。In FIG. 13, the regenerator (7) is omitted from FIG. Therefore, 100% heat can be exchanged in the heat exchanger (8). However, in a low temperature differential heat engine, heat is radiated to the cooler and the thermal efficiency is 30.5%. Eventually, the total thermal efficiency will be the same formula as several 30 and will be 69.4%.
【0082】図3または図8の熱機関は温度が少し変わ
っても熱効率にあまり影響しない。排気熱量の全てが再
生器(7)によって供給熱量に理論上変われば、この熱
機関は理論上熱効率100%の熱機関になる。実機では
機械損、漏れ、風損、放熱、熱交換器の変換効率等があ
って熱効率は100%にならない。しかし故意に捨てて
いた冷却熱量、排気熱量等が無くなる。In the heat engine of FIG. 3 or FIG. 8, even if the temperature slightly changes, the thermal efficiency is not so much affected. If all of the exhaust heat amount is theoretically changed to the supplied heat amount by the regenerator (7), this heat engine theoretically becomes a heat engine of 100% thermal efficiency. In an actual machine, there are mechanical loss, leakage, wind loss, heat radiation, conversion efficiency of the heat exchanger, etc., and the thermal efficiency does not reach 100%. However, the amount of cooling heat, the amount of exhaust heat, etc. that were intentionally discarded are lost.
【図1】シリンダとピストンによる熱機関の原理図を示
す。FIG. 1 shows a principle diagram of a heat engine including a cylinder and a piston.
【図2】図1の熱機関でピストンの両面を使用する熱機
関の原理図である。FIG. 2 is a principle diagram of a heat engine that uses both sides of a piston in the heat engine of FIG.
【図3】低温度差熱機関で図2の原理図から圧縮シリン
ダを省いた原理図である。FIG. 3 is a principle diagram of a low temperature differential heat engine in which the compression cylinder is omitted from the principle diagram of FIG.
【図4】シリンダを2気筒にした熱機関である。FIG. 4 is a heat engine having two cylinders.
【図5】直動ピストンを回転ピストンにして弁機構を無
くした熱機関である。圧縮機とタービンを別々に置き、
ベーンを3枚にした熱機関の断面原理図である。FIG. 5 is a heat engine in which a direct acting piston is a rotating piston and a valve mechanism is eliminated. Put the compressor and turbine separately,
It is a cross-section principle view of the heat engine which has three vanes.
【図6】図5の熱機関のベーンを4枚にした熱機関の断
面原理図である。6 is a cross-sectional principle view of the heat engine of FIG. 5 having four vanes.
【図7】1個のケース及び回転ピストンで圧縮及び膨張
を行わせるため、ロータに6枚のベーンを設置した熱機
関の断面原理図である。FIG. 7 is a cross-sectional principle view of a heat engine in which six vanes are installed on a rotor in order to perform compression and expansion with one case and a rotating piston.
【図8】低温度差熱機関で図7の熱機関から圧縮動作室
を省き、ロータに5枚のベーンを設置した熱機関の断面
原理図である。8 is a cross-sectional principle view of a low temperature differential heat engine in which the compression operation chamber is omitted from the heat engine of FIG. 7 and five vanes are installed on the rotor.
【図9】当発明の基本原理図を示す。FIG. 9 shows a basic principle of the present invention.
【図10】当発明による熱機関のpV線図の1例であ
る。FIG. 10 is an example of a pV diagram of a heat engine according to the present invention.
【図11】当発明による低温度差熱機関のpV線図の1
例である。FIG. 11 is a pV diagram of a low temperature difference heat engine according to the present invention.
Here is an example.
【図12】当発明による高温度差、低温度差熱機関を組
み合わせた熱機関システムである。FIG. 12 is a heat engine system in which high temperature difference and low temperature difference heat engines according to the present invention are combined.
【図13】当発明による高温度差、低温度差熱機関を組
み合わせた熱機関システムである。FIG. 13 is a heat engine system in which high temperature difference and low temperature difference heat engines according to the present invention are combined.
【図14】当発明による熱機関の出力制御の系統線図で
ある。FIG. 14 is a system diagram of output control of a heat engine according to the present invention.
1 加熱器 2 冷却器 3 クランク軸 4 クランク 5 カム 6 カムシャフト 7 再生器 8 熱交換器 10 低温シリンダ 11 低温ピストン 12 圧縮シリンダ 13 圧縮ピストン 14 低温入口弁 15 低温入口弁2 16 圧縮通気弁 17 圧縮通気弁2 18 圧縮出口弁 19 圧縮出口弁2 20 圧縮通気路 21 圧縮通気路2 30 高温シリンダ 31 高温ピストン 32 膨張シリンダ 33 膨張ピストン 34 高温入口弁 35 高温入口弁2 36 膨張通気弁 37 膨張通気弁2 38 膨張出口弁 39 膨張出口弁2 40 膨張通気路 41 膨張通気路2 50 ケーシング 51 ロータ 52 ベーン 53 軸 60 圧縮機ケーシング 61 圧縮機ロータ 62 圧縮機ベーン 63 低温入口室 64 低温動作室 65 圧縮動作室 66 圧縮出口室 70 膨張機ケーシング 71 膨張機ロータ 72 膨張機ベーン 73 高温入口室 74 高温動作室 75 膨張動作室 76 膨張出口室 80 温度検出器 81 燃料調整弁 82 温度調節器 83 速度検出器 84 圧力検出器 85 圧力タンク 86 昇圧用調整弁 87 降圧用調整弁 88 圧力調節器 1 heater 2 cooler 3 crankshaft 4 cranks 5 cams 6 camshaft 7 regenerator 8 heat exchanger 10 low temperature cylinder 11 low temperature piston 12 compression cylinders 13 compression piston 14 low temperature inlet valve 15 Low temperature inlet valve 2 16 Compression vent valve 17 Compression vent valve 2 18 Compression outlet valve 19 Compression outlet valve 2 20 compressed air passage 21 Compressed air passage 2 30 high temperature cylinder 31 high temperature piston 32 expansion cylinder 33 Expansion piston 34 High temperature inlet valve 35 High temperature inlet valve 2 36 Expansion vent valve 37 Expansion vent valve 2 38 Expansion outlet valve 39 Expansion outlet valve 2 40 expansion ventilation passage 41 Expansion ventilation passage 2 50 casing 51 rotor 52 vanes 53 axes 60 compressor casing 61 compressor rotor 62 compressor vanes 63 Low temperature entrance room 64 cold room 65 Compression room 66 Compression outlet chamber 70 Expander casing 71 expander rotor 72 Expander vane 73 High temperature entrance room 74 High Temperature Operating Room 75 Expansion chamber 76 Expansion outlet chamber 80 temperature detector 81 Fuel regulator 82 Temperature controller 83 Speed detector 84 Pressure detector 85 Pressure tank 86 Booster regulator 87 Pressure reducing regulator 88 Pressure regulator
Claims (4)
0)、圧縮シリンダ(12)、加熱器(1)、高温シリ
ンダ(30)、膨張シリンダ(32)、冷却器(2)を
設け、低温シリンダに返すサイクル運転をする装置の隣
接シリンダのピストン位相差を180°として、各シリ
ンダの行程容積比は低温シリンダ(10)と圧縮シリン
ダ(12)の容積比を圧縮比として、ピストン(11、
13)の移動により動作流体を断熱圧縮し、低温シリン
ダ(10)から圧縮シリンダ(12)に移動させ、圧縮
シリンダ(12)と高温シリンダ(30)とは同じ容積
とし、ピストン(13、31)の移動により動作流体を
等容加熱し、圧縮シリンダ(12)から高温シリンダ
(30)に移動させ、高温シリンダ(30)と膨張シリ
ンダ(32)の容積比を膨張比とし、ピストン(31、
33)の移動により動作流体を断熱膨張させ、高温シリ
ンダ(30)から膨張シリンダ(32)に移動させ、膨
張シリンダ(32)と低温シリンダ(10)の容積比を
冷却器(2)前後の温度比とし、ピストン(33、1
1)の移動により動作流体を冷却圧縮し、膨張シリンダ
(32)から低温シリンダ(10)に移動させ、ピスト
ン(11、13、31、33)が上死点、又は下死点で
弁(14〜18、34〜38)を開閉し、動作流体の通
路を切り替えサイクル運転をする熱機関。1. A low temperature cylinder (1) in the order in which a working fluid flows.
0), a compression cylinder (12), a heater (1), a high temperature cylinder (30), an expansion cylinder (32), and a cooler (2) are provided, and the piston position of the adjacent cylinder of the device which performs a cycle operation to return to the low temperature cylinder. The phase difference is 180 °, and the stroke volume ratio of each cylinder is the same as the compression ratio of the volume ratio of the low temperature cylinder (10) and the compression cylinder (12).
The working fluid is adiabatically compressed by the movement of 13) and moved from the low temperature cylinder (10) to the compression cylinder (12) so that the compression cylinder (12) and the high temperature cylinder (30) have the same volume, and the pistons (13, 31). Move the working fluid to an equal volume and move it from the compression cylinder (12) to the high temperature cylinder (30). The volume ratio of the high temperature cylinder (30) and the expansion cylinder (32) is taken as the expansion ratio, and the piston (31,
33) moves the working fluid adiabatically and moves it from the high temperature cylinder (30) to the expansion cylinder (32), and the volume ratio of the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) is set to the temperature before and after the cooler (2). And the piston (33, 1
The working fluid is cooled and compressed by the movement of 1) and is moved from the expansion cylinder (32) to the low temperature cylinder (10), and the pistons (11, 13, 31, 33) move to the valve (14) at the top dead center or the bottom dead center. ~ 18, 34-38) are opened and closed to switch the passage of the working fluid to perform a cycle operation.
作流体の流れる順に低温シリンダ(10)、圧縮シリン
ダ(12)、加熱器(1)、高温シリンダ(30)、膨
張シリンダ(32)、冷却器(2)を設け、低温シリン
ダ(10)に返すサイクル運転をする装置の動作流体の
流れをシリンダヘッド側のシリンダ室(以下「ヘッド
側」とする)とピストンロッド側のシリンダ室(以下
「ロッド側」とする)の2系統として、隣接のピストン
の位相差を180゜で運転させ、加熱器(1)、冷却器
(2)は2系統共通として、各シリンダの行程容積は低
温シリンダ(10)より圧縮シリンダ(12)の容積を
小さくし、その容積比を圧縮比とし、圧縮シリンダ(1
2)と高温シリンダ(30)とは同じ容積とし、高温シ
リンダ(30)より膨張シリンダ(32)の容積を大き
くし、容積比を膨張比とし、膨張シリンダ(32)と低
温シリンダ(10)の容積比を冷却器(2)前後の温度
比とし、ピストン(11、13、31、33)が上死
点、又は下死点で弁(14〜19、34〜39)を開閉
し、動作流体を低温シリンダ(10)ではヘッド側で圧
縮行程中、ロッド側で吸入行程を行い、圧縮シリンダ
(12)ではヘッド側で圧縮行程中、ロッド側で加熱器
(1)への放出を行い、一方高温シリンダ(30)では
ヘッド側で膨張行程中、ロッド側で吸入行程を行い、膨
張シリンダ(32)ではヘッド側で膨張行程中、ロッド
側で冷却器(2)側への排気行程を行い、シリンダ室の
ヘッド側とロッド側で交互に運転を行いサイクル運転を
する熱機関。2. A low temperature cylinder (10), a compression cylinder (12), a heater (1), a high temperature cylinder (30), an expansion cylinder (32) and a cooler in the order in which a working fluid flows through a cylinder having a piston rod sealed therein. (2) is provided, and the flow of the working fluid of the device that performs the cycle operation of returning to the low temperature cylinder (10) is the cylinder chamber on the cylinder head side (hereinafter referred to as “head side”) and the cylinder chamber on the piston rod side (hereinafter referred to as “rod”). Side)), the adjacent pistons are operated with a phase difference of 180 °, the heater (1) and the cooler (2) are common to the two systems, and the stroke volume of each cylinder is the low temperature cylinder (10). ), The volume of the compression cylinder (12) is made smaller, and the volume ratio is taken as the compression ratio.
2) and the high-temperature cylinder (30) have the same volume, the expansion cylinder (32) has a larger volume than the high-temperature cylinder (30), and the volume ratio is an expansion ratio. The volume ratio is the temperature ratio before and after the cooler (2), the piston (11, 13, 31, 33) opens and closes the valve (14 to 19, 34 to 39) at the top dead center or the bottom dead center, and the working fluid In the low temperature cylinder (10), the head side performs the compression stroke and the rod side performs the suction stroke, and in the compression cylinder (12), the head side performs the compression stroke and the rod side discharges to the heater (1). In the high temperature cylinder (30), the head side performs the expansion stroke, the rod side performs the suction stroke, and the expansion cylinder (32) performs the head side in the expansion stroke, the rod side performs the exhaust stroke to the cooler (2) side, On the head side and rod side of the cylinder chamber Each other heat engine to the cycle operation is performed the operation.
作流体の流れる順に低温シリンダ(10)、加熱器
(1)、高温シリンダ(30)、膨張シリンダ(3
2)、冷却器(2)を設け、低温シリンダ(10)に返
すサイクル運転をする装置の動作流体の流れをヘッド側
のシリンダ室とロッド側のシリンダ室と2系統に分け、
隣接のピストンの位相差を180゜で運転させ、加熱器
(1)、冷却器(2)は2系統共通として、各シリンダ
の行程容積は低温シリンダ(10)と高温シリンダ(3
0)とは同じ容積とし、高温シリンダ(30)より膨張
シリンダ(32)の容積を大きくし、容積比を膨張比と
し、膨張シリンダ(32)と低温シリンダ(10)の容
積比を冷却器(2)前後の温度比とし、ピストン(1
1、31、33)が上死点、又は下死点で弁(14〜1
9、34〜39)を開閉し、動作流体を低温シリンダ
(10)ではヘッド側で吸入行程中、ロッド側で加熱器
(1)への放出を行い、一方高温シリンダ(30)では
ヘッド側で膨張行程中、ロッド側で吸入行程を行い、膨
張シリンダ(32)ではヘッド側で膨張行程中、ロッド
側で冷却器(2)側への排気行程を行い、ヘッド側とロ
ッド側で交互に運転を行い圧縮行程を省いたサイクル運
転をする熱機関。3. A low temperature cylinder (10), a heater (1), a high temperature cylinder (30) and an expansion cylinder (3) in the order in which a working fluid flows through a cylinder in which a piston rod is sealed.
2), the cooler (2) is provided, and the flow of the working fluid of the device which performs the cycle operation for returning to the low temperature cylinder (10) is divided into two systems, a head side cylinder chamber and a rod side cylinder chamber,
The adjacent pistons are operated with a phase difference of 180 °, the heater (1) and the cooler (2) are common to the two systems, and the stroke volume of each cylinder is a low temperature cylinder (10) and a high temperature cylinder (3).
0), the expansion cylinder (32) has a larger volume than the high temperature cylinder (30), the volume ratio is the expansion ratio, and the volume ratio of the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) is the cooler ( 2) The temperature ratio before and after the piston (1
1, 31, 33) are valves (14 to 1) at the top dead center or the bottom dead center.
9, 34 to 39) are opened and closed, and the working fluid is discharged to the heater (1) on the rod side during the intake stroke on the head side in the low temperature cylinder (10), while it is discharged on the head side in the high temperature cylinder (30). During the expansion stroke, the rod side performs the intake stroke, and in the expansion cylinder (32), the head side performs the expansion stroke and the rod side performs the exhaust stroke to the cooler (2) side, and the head side and the rod side operate alternately. A heat engine that performs a cycle operation without performing a compression stroke.
大きいシリンダ(以下「大」とする)とシリンダ径の小
さいシリンダ(以下「小」とする)の2個のシリンダで
ヘッド側とロッド側とで4個のシリンダ室を作り、この
4個のシリンダ室を動作流体の流れる順に大のロッド側
を低温シリンダ(10)、小のロッド側を圧縮シリンダ
(12)、小のヘッド側を高温シリンダ(30)、大の
ヘッド側を膨張シリンダ(32)、圧縮シリンダ(1
2)と高温シリンダ(30)の間に加熱器(1)を設
け、膨張シリンダ(32)と低温シリンダ(10)の間
に冷却器(2)を設け、両ピストンの位相差を180゜
で運転し、各シリンダの行程容積は圧縮シリンダ(1
2)と高温シリンダ(30)とは同じシリンダであるか
らロッドの占める容積の差だけ異なるが大凡同じ容積と
し、高温シリンダ(30)より膨張シリンダ(32)の
容積を大きくし、容積比を膨張比とし、膨張シリンダ
(32)と低温シリンダ(10)は同じシリンダである
から容積比を冷却器(2)の入口出口の温度比とするよ
うロッドを太くし、ピストン(31、33)が上死点、
又は下死点で弁(14〜18、34〜38)を開閉し、
クランク軸(3)の半サイクルで、動作流体を膨張シリ
ンダ(32)から冷却器(2)を通して冷却圧縮しなが
ら低温シリンダ(10)へ移し、一方圧縮シリンダ(1
2)から加熱器(1)へ移し、次の半サイクルで動作流
体を低温シリンダ(10)から圧縮しながら圧縮シリン
ダ(12)へ移し、一方高温シリンダ(30)から膨張
しながら膨張シリンダ(32)へ移し、この行程を交互
に行いサイクル運転をする熱機関。4. The head side and the rod side are composed of two cylinders, a cylinder having a piston rod sealed in a large diameter (hereinafter referred to as "large") and a cylinder having a small diameter (hereinafter referred to as "small"). To make four cylinder chambers, the large rod side is the low temperature cylinder (10), the small rod side is the compression cylinder (12), and the small head side is the high temperature cylinder. (30), the expansion head (32), the compression cylinder (1
The heater (1) is installed between the 2) and the high temperature cylinder (30), the cooler (2) is installed between the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10), and the phase difference between both pistons is 180 °. When operating, the stroke volume of each cylinder is
Since 2) and the high temperature cylinder (30) are the same cylinder, they differ in volume difference occupied by the rods, but have approximately the same volume, and the volume of the expansion cylinder (32) is made larger than that of the high temperature cylinder (30) to expand the volume ratio. Since the expansion cylinder (32) and the low temperature cylinder (10) are the same cylinder, the rods are thickened so that the volume ratio becomes the temperature ratio of the inlet and outlet of the cooler (2), and the pistons (31, 33) rise. Dead point,
Or open and close valves (14-18, 34-38) at bottom dead center,
In the half cycle of the crankshaft (3), the working fluid is transferred from the expansion cylinder (32) through the cooler (2) to the cold cylinder (10) while being cooled and compressed, while the compression cylinder (1) is moved.
2) to the heater (1) and in the next half cycle the working fluid is transferred from the cold cylinder (10) to the compression cylinder (12) while being compressed, while it is expanded from the hot cylinder (30) to the expansion cylinder (32). ), A heat engine that performs cycle operations by alternately performing this process.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2015124008A1 (en) * | 2014-02-21 | 2015-08-27 | 虞一扬 | Programmed switch type temperature difference engine |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2905728B1 (en) * | 2006-09-11 | 2012-11-16 | Frederic Thevenod | HYBRID ENGINE WITH EXHAUST HEAT RECOVERY |
| US8028660B2 (en) * | 2006-10-10 | 2011-10-04 | Hawaii Oceanic Technology, Inc. | Automated positioning and submersible open ocean platform |
| EP2217800A2 (en) * | 2007-01-24 | 2010-08-18 | TOROK, Arpad | Progressive thermodynamic system |
| JP5272266B2 (en) * | 2009-02-06 | 2013-08-28 | 国際技術開発株式会社 | Light engine |
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| FR2954799B1 (en) * | 2009-12-28 | 2012-10-19 | Frederic Olivier Thevenod | EXTERNAL HOT SOURCE THERMAL MACHINE, POWER GENERATION GROUP AND VEHICLE THEREOF. |
| WO2011151888A1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-12-08 | 横浜製機株式会社 | External-combustion, closed-cycle thermal engine |
| CN103147878A (en) * | 2012-02-11 | 2013-06-12 | 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 | Phase cycling engine for hot cylinder |
| CN103089482B (en) * | 2012-02-12 | 2015-05-20 | 摩尔动力(北京)技术股份有限公司 | Air injection unit heat engine |
| CN109983216A (en) * | 2016-11-20 | 2019-07-05 | 约书亚·M·施米特 | High Dynamic Density Range Thermal Cycle Engine |
| WO2024098349A1 (en) * | 2022-11-11 | 2024-05-16 | 邓明浩 | Piston heat engine based on check valves |
| CN118008615A (en) * | 2024-03-20 | 2024-05-10 | 刘卓 | A Carnot heat engine |
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1999
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015124008A1 (en) * | 2014-02-21 | 2015-08-27 | 虞一扬 | Programmed switch type temperature difference engine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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