JPH08226301A - Hot-air engine - Google Patents

Abstract

PURPOSE: To simplify a structure, reduce the manufacturing cost, and improve engine efficiency by providing electric motor-driven displacer pistons on a reciprocating engine. CONSTITUTION: Multi-cylinder gasoline engine pistons 1 are operated as power pistons, and the cranks of individual cylinders are shifted in phase so that the internal pressure fluctuation of a crank chamber becomes the minimum. The cylinder upper section of the power pistons and heaters 3 are connected via pipes, and the cylinder upper section and the intermediate portions of the heaters 3 are communicated via reproducing heat exchangers 4, coolers 5, and displacers 2. The pistons of the displacers 2 are reciprocated by electric motors via rack-and-pinions installed in pressurized spaces, and the revolving speeds of the electric motors are controlled by a control device based on the information of the rotation angles of output shafts.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[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。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hot air engine.

【０００２】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

（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。(B) Since the displacer piston was driven by the crank provided on the output shaft, the output loss was large. Also, since the phase difference between the crank of the displacer and the power piston can be changed only at the design stage,
The efficiency is poor except for a certain number of rotations. (B) Since the stroke of the displacer piston can be increased or decreased only at the design stage, it takes a lot of time and effort to change the output and the rotation speed. (C) Since the crank chamber and the cylinder are separated and the power piston is connected to the crank via the push rod, it is difficult to downsize the device. In addition to the poor durability of the rod seal, replacement of the rod seal also requires complicated work. Furthermore, a buffer space is provided to reduce the back pressure of the power piston, but the back pressure resistance is still large. (D) A huge amount of R & D cost is required for development because it has a structure that is far from the currently popular motors.

【０００３】[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。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention seeks to develop a hot-air engine which is a high-efficiency, simpler, and cheaper manufacturing method by radically reviewing the prior art.

【０００４】[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。In order to overcome the drawbacks of the conventional hot air engine, the following means were used. (A) Based on a 2-cylinder, 4-cylinder 4-stroke gasoline engine, the cylinder, crankcase, crank, connecting rod, piston, etc. are diverted. (B) The oil pan has a structure that can withstand the internal pressure and enhances air tightness. (C) The piston of the gasoline engine is operated as a power piston, which is the so-called hot air engine. (D) Improve the ventilation between the crank chambers. (E) When the crank rotates, shift the phase of the crank so that the internal pressure fluctuation in the crank chamber is minimized. (F) Connect the upper part of the cylinder and the heater with a pipe, and then sequentially connect the heater with the regenerative heat exchanger, cooler, displacer, and between the upper part of the cylinder and the heater. (G) The displacer piston is driven by an electric motor via a rack and pinion installed in the pressurizing space. (H) The rotation angle sensor sends information on the rotation angle of the output shaft to the control device, and the control device sends an appropriate current to the electric motor based on the information. The electric motor is used by the displacer piston to operate the hot air engine.
It is controlled by the controller to move to the most suitable position.

【０００５】[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。In order to explain the operating principle when the hot air engine takes out power from a medium having a temperature difference, it is important to know the mechanism and role of the regenerative heat exchanger. The regenerative heat exchanger is made by packing a large number of pipes with fine wire mesh or a thin iron plate with many holes. In a hot air engine, it is provided between a heater and a cooler. When a heater and cooler are attached to the regenerative heat exchanger and air is sent from the heater side, the air is heated by the heater, the temperature rises, the contents of the regenerative heat exchanger cool down while warming, and the cooler cools further. Then, it becomes cold air and is exhaled. On the contrary, when air is sent from the cooler side, the air is cooled by the cooler, the temperature drops, and the contents of the regenerative heat exchanger are warmed while cooling, the temperature rises, the heater further heats it, and it becomes hot air. Be exhaled. That is, when air is sent from the heater side, it is exhaled as cold air, and conversely, when air is sent from the cooler side, it is exhaled as hot air.

【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。Next, considering the role of the regenerative heat exchanger, a mechanism for operating the hot air engine of the present invention with the regenerative heat exchanger and the displacer piston as a boundary, with the heater side as a high temperature space and the cooler side as a low temperature space. Explain,
It looks like this: (A) When the displacer piston moves toward the high temperature space, the content gas in the high temperature space passes through the regenerative heat exchanger to become low temperature air and is pushed out to the low temperature space. Then, the number of low-temperature gas molecules in the system increases,
The pressure in the system drops. Therefore, negative pressure is applied to the power piston, and the power piston moves up. (B) When the displacer piston moves toward the low temperature space, the content gas in the low temperature space passes through the regenerative heat exchanger to become hot air and is pushed out to the high temperature space. Then, the number of hot gas molecules in the system increases,
The pressure in the system rises. Therefore, positive pressure is applied to the power piston, and the power piston moves down.

【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。Next, the procedure from start to operation and stop will be described as follows. (C) When starting, first warm the heater to a certain temperature. Next, in order to optimize the temperature distribution of the regenerative heat exchanger, the displacer piston is stroked with the maximum amplitude. Then, in the regenerative heat exchanger, the heater side becomes hot by the heat of the heater, and the cooler side is cooled by the cooler, so it gradually becomes hot from the cooler side, and the average temperature of the heater and cooler becomes in the center part, and the heater side is heated. The temperature is close to the temperature of. Further, the controller activates the displacer piston according to the crank angle. Then
The output shaft starts to rotate even if the number of revolutions is zero, unless the crank dead point is entered.

【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。(D) Next, regarding the operation, when the output and the rotation are increased after the idling, the output is increased by increasing the amplitude of the displacer piston. At that time, if the load is small, the rotation is increased. To do. To reduce the power and rotation, reduce the amplitude of the displacer piston, which reduces the power and rotation. (E) When stopping the engine, first turn off the heat source of the heater, cool it to a safe temperature, and then stop the electric motor of the displacer.

【０００９】[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。EXAMPLES In carrying out the present invention, the following can be done. (B) Installed in automobiles and ships, and used as power. (B) It will be used as power for private power generation. (C) It will be used as power for the power plant. (D) Due to the nature of the hot-air engine, it is possible to take out energy from any natural temperature difference, such as heat from hot springs, solar heat, and temperature difference between the deep sea floor and the ground.

【００１０】[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。The effects of the present invention are as follows. (B) The structure of the hot air engine is simplified and the manufacturing and development costs are reduced. (B) The output loss of the hot air engine is reduced. (C) You can easily change the output and speed of the hot air engine,
The response will be faster. (D) Efficient operation can be performed in a wide rotation speed band. (E) The hot air engine can be downsized, and the degree of freedom in installation increases. (F) The structure is simple and maintainability is good. (G) Since no rod seal is used, the durability is high and the operating cost is low. Further, as a feature of the hot air engine, there is a possibility that the thermal energy generated by the combustion of petroleum can be converted into the power more efficiently than the present thermal power generation, so that the energy can be saved. Moreover, even when a fuel such as petroleum is used as a heat source, it is effective in suppressing the emission of harmful substances such as nitrogen oxides because it is not a mixture compression combustion. In addition, since it is possible to take out the temperature difference in nature and convert power, it is not only possible to obtain inexhaustible power by using this power to rotate the generator, but it is almost completely clean energy, so in the future It is very effective in protecting the global environment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。FIG. 1 is a perspective view of the present invention when a power piston cylinder is composed of two cylinders.

【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。FIG. 2 is a side view of the present invention when the cylinder of the power piston is composed of two cylinders.

【図３】ａ−ａ’の断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line aa ′.

【図４】本発明のディスプレーサーの拡大断面図であ
る。FIG. 4 is an enlarged sectional view of the displacer of the present invention.

【図５】従来の熱空気機関の一例の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of an example of a conventional hot air engine.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 1 ... Power piston 2 ... Displacer piston 3 ... Heater 4 ... Regenerative heat exchange air 5 ... Cooler 6 ... Electric motor 7 ... Output shaft 8 ... Buffer space 9・ ・ ・ Push rod 10 ・ ・ ・ Rod seal 11 ・ ・ ・ Rack and pinion mechanism

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。1. A hot air engine comprising a reciprocating engine and a displacer piston driven by an electric motor. 【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。2. A hot air engine in which the output and the rotational speed are adjusted by increasing and decreasing the stroke of the displacer piston. 【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。3. A hot air engine having the following structure: (a) A cylinder accommodating a power piston has a multi-cylinder structure. (B) Improve the ventilation between the crank chambers. (C) When the crank is rotated, the phase of the crank is shifted so that the fluctuation of the internal pressure of the crank chamber is minimized.