熱空気機関

本発明は、外燃機関、内燃機関、太陽エネルギーまたは他の熱源からの熱を機械的仕事に変換する熱空気機関に関する。

本発明は、様々な熱源からの低位熱から中位熱を機械的エネルギーに変換する際に使用するために主として開発された。1つの具体的に有益な用途は、太陽エネルギーから電気を生成することである。しかし、本発明はこの具体的な用途に限定されず、また、輸送機、およびハイブリッド車を含む他の自動車用途にも適していると理解されたい。

熱空気機関は周知である。最も初期の熱空気機関の例として、1807年にSir George Cayleyによって提案されたものがあり、その例ではピストン往復膨張エンジンに結合された往復ピストン圧縮機を使用していた。より近代的な型の周知の熱空気機関としては、熱空気タービンエンジンがある。

周知の熱空気機関は、特に比較的低温のエネルギー源によって駆動される場合、機械効率が低いこと、熱効率が低いこと、出力量に対して相対的に物理的な大きさが大きいこと、およびコストが比較的高いことなどの、多くの不都合がある。

本発明の目的は、1つまたは複数の上記の不都合を実質的に克服し、または少なくとも改良することである。

そのため、第一の態様において、本発明は、入口および出口を備える圧縮機と、前記圧縮機の前記出口に該出口からの流体が流れるように接続する入口と、出口と、を備える加熱室と、前記加熱室の前記出口に該出口からの流体が流れるように接続する入口と、出口軸と、を備えるロータリ容積型作動エンジンと、前記作動エンジンの作動によって前記圧縮機が作動するように、前記作動エンジンを前記圧縮機に接続する駆動手段とを備える熱空気機関を提供する。

一形態では、前記ロータリ容積型作動エンジンはルーツ式ブロワ作動エンジンである。ルーツ式ブロワ作動エンジンは、ポンプまたは圧縮機として作動する場合に使用される方向とは逆の方向に作動するルーツ式ブロアポンプまたは圧縮機であると理解されるであろう。

別の形態では、ロータリ容積型作動エンジンはスクリュー式作動エンジンである。スクリュー式作動エンジンは、逆方向に作動されるスクリュー式圧縮機またはポンプであると理解されるであろう。

別の形態では、ロータリ容積型作動エンジンは、改良型ルーツ式ブロワ(例えば、イートン式(Eaton type))またはスクロール式圧縮機である。改良型ルーツ式ブロワ作動エンジンまたはスクロール式圧縮機作動エンジンは、逆方向に作動されるルーツ式ブロワスクリュー式圧縮機またはポンプ、あるいはスクロール式圧縮機であることを理解されたい。

一形態では、圧縮機はロータリ式圧縮機である。この形態の一例では、ロータリ式圧縮機は2つのロータを有する圧縮機である。2つのロータを有する圧縮機は、好適には、ルーツ式ブロワ圧縮機、改良型ルーツ式ブロワ圧縮機またはスクリュー式圧縮機である。この形態の別の例では、ロータリ式圧縮機は単一のロータを有する圧縮機である。単一のロータを有する圧縮機は、好適には、軸流型タービン、径流型タービン、ベーン圧縮機またはスクロール式圧縮機である。

別の形態では、圧縮機はピストン往復圧縮機である。

作動エンジンが、好適には、圧縮機の容量(capacity)より約20〜50%大きい容量(capacity)を含む。

一形態では、加熱室は燃焼室であり、内燃機関または外燃機関によって加熱されることが好ましい。別の形態では、加熱室は、ソーラパネルなど、1つまたは複数の太陽熱収集器によって加熱される。

作動エンジンは、好適には、出口を備える。作動エンジンの出口が、好適には、圧縮機の入口と流体連通している。

この熱空気機関は、好適には、圧縮機の出口と加熱室の入口との間に少なくとも1つの第1のダクトを備える。この熱空気機関は、好適には、加熱室の出口と作動エンジンの入口との間に少なくとも1つの第2のダクトを備える。

この熱空気機関は、好適には、作動エンジンの出口と圧縮機の入口との間に少なくとも1つの第3のダクトを備え、それによって、この熱空気機関が閉鎖型サイクルで作動することができる。

この熱空気機関は、好適には、圧縮機の入口の上流において、第3のダクト内に残留熱除去熱交換器を備える。一方、この熱空気機関は、好適には、作動エンジンの出口と大気との間に少なくとも1つの第3のダクトを備える。熱空気機関は、好適には、前記少なくとも1つの第1のダクトの一部分と前記少なくとも1つの第3のダクトの一部分との間に熱交換器を備える。

次に、添付の図面を参照して、単なる例示として、本発明の好ましい実施形態を説明する。

本発明の熱空気機関の第1の実施形態の概略横側面図である。

本発明の熱空気機関の第2の実施形態の概略横側面図である。

本発明の熱空気機関の第3の実施形態の概略横側面図である。

本発明の熱空気機関の第4の実施形態の概略横側面図である。

本発明の熱空気機関の第5の実施形態の概略横側面図である。

本発明の熱空気機関の第6の実施形態の概略横側面図である。

本発明の熱空気機関の第7の実施形態の概略横側面図である。

図1は、ルーツ式ブロア圧縮機12と、燃焼室14の形態の加熱室と、ルーツ式ブロワ容積型作動エンジン16とを備える熱空気機関10の第1の実施形態を概略的に示す。ルーツ式ブロワ変位作動エンジン16が、ポンプまたは圧縮機として作動する場合に使用される方向とは逆方向に作動されるルーツ式ブロワポンプまたは圧縮機であることを当業者なら理解するであろう。

燃焼室14は、外燃機関の工程を使用して空気を加熱する。しかし、内燃機関もまた使用可能である。燃焼室14は、圧縮機12によって供給される空気の圧力および体積を増加させ、次いでその空気が作動エンジン16に作用する。

作動エンジン16の容量は、用途に応じて異なる。具体的な動力出力に対して、作動エンジン16の容量は、一般的に、より低温の用途に対しては大きく、より高温の用途(自動車の用途など)に対しては小さい。

加えて、作動エンジン容量の圧縮機容量に対する比率は、用途、特に作動温度によって変化する。例えば、最大動力を生成するために、約300℃で作動する作動エンジン16は、圧縮機12の容量より約30%大きい容量を有するであろう。別の例として、最大動力を生成するために、約800℃から1000℃で作動する作動エンジン16は、圧縮機12の容量より約50%大きい容量を有するであろう。

圧縮機は、入口12aおよび出口12bを備え、燃焼室は入口14aおよび出口14bを備え、作動エンジン16は入口16aおよび出口16bを備える。第1のダクト18は、出口12bを入口14aに接続し、第2のダクト20は、出口14bを入口16aに接続する。

作動エンジン16は、機械的に圧縮機12に結合されている駆動軸22を備え、これにより、作動エンジン16の作動が圧縮機12を作動させる。作動エンジン16は、例えば、発電のための発電機に接続することができる出力軸24を更に備える。

次に、熱空気機関(hot−air engine)10の作動を説明する。最初に、燃焼室14が起動されて、その中の空気を約300℃まで加熱し、燃焼室14内の圧力を増加させる。加熱された空気、および加熱された燃焼生成物は、燃焼室14の出口14bから作動エンジン16の入口16aに第2のダクト20を通って連通されて、作動エンジン16に作用し、作動エンジン16を回転させる。作動エンジン16の回転によって、圧縮機12が回転し、更にそれによって空気が入口12aに引き込まれ、次いでその空気が圧縮機12内で圧縮され、その後、出口12bから入口14aに第1のダクト18を通って運ばれる。

この熱空気機関10の利点は、作動エンジン16が、冷却をほとんどされずに、または冷却をまったくされずに比較的に高温で作動することができるので、熱効率が改善されたということである。このことは、ルーツ式ブロワ作動エンジン16が相対的に低い摩擦を有し、ほとんどまたはまったく潤滑を必要とせず(したがって、潤滑油冷却の必要による、熱損失がほとんどない、あるいはまったくない)、その外面を冷却する必要がまったくない。圧縮機12のために、および作動エンジン16のために、ルーツ式ブロワ圧縮機を使用することもまた、摩擦を最小にすることができ、これによって機械的効率を効果的に改善することができる。ルーツ式ブロワ圧縮機(および他のロータリ式圧縮機)は、より大きなエンジンに合わせて容易に大きさを調整可能であるという点と、非常に低いレベルの振動を生ずるという点で、圧縮機12のためにルーツ式ブロワ圧縮機(および他のロータリ式圧縮機)を使用することは、更に有利である。

図2は、第2の実施形態の熱空気機関(hot−air engine)30を概略的に示す。熱空気機関10に関して説明される特徴と同様の特徴が、同様の参照符号で示されている。熱機関30が、作動エンジン16の出口16bを圧縮機12の入口12aに接続する第3のダクト32を備える点を除いて、熱空気機関30の構成および作動は、熱空気機関10の構成および作動に類似している。エンジン30は、第1のダクト18の一部分と第3のダクト32の一部分との間に熱交換器34を更に備える。エンジン30は、圧縮機12の入口12aの上流において、第3のダクト32中に残留熱除去熱交換機36を更に備える。

熱交換器34は、燃焼室14に供給される空気の温度を上昇させることによって熱効率を改善する。熱交換器34を使用することによって、熱空気機関30の理論上の熱効率が最大約28%から最大約72%まで上げることが可能になり、または動力消費においてより高い効率となるよう構成されるのであれば、より高くすることが可能である。

残留熱除去熱交換機36は、燃焼室14に供給される空気の温度を加熱するために熱交換器34で使用することができない熱を除去して、その結果、圧縮機12の入口12aに入る空気の温度を周囲空気の温度または周囲空気の温度近くに低下させる。

この熱空気機関30は、閉鎖型サイクルで作動する。作動ガスが圧縮可能であるので、熱空気機関30の動力は、所与のエンジンの大きさに対して効率的に増加される。

図3は、第3の実施形態の熱空気機関(hot−air engine)50を概略的に示す。前述の実施形態の特徴の説明で使用される特徴に対する参照符号が、再び同様の特徴を示すために使用される。熱空気機関50では、燃焼室14は熱交換機52に置き換えられており、熱交換機52は、入口54および出口56を介して、1つまたは複数の太陽パネル(図示せず)などの太陽エネルギー源に接続されている。太陽エネルギーが利用できない場合は、熱交換機52は貯蔵された太陽熱エネルギーまたは他の熱エネルギー源によって加熱され得る。

加えて、第1のダクト18、第2のダクト20および第3のダクト32は、それぞれ絶縁体58、60および62によって被覆されている。このことによって、熱損失を回避し、効率を改善する。

この熱空気機関50は、熱交換器34、熱交換機52および作動エンジン16を1つの絶縁された筐体内に格納して、熱損失を防止する。熱空気機関50は、更に有利なことに、熱交換器34および熱交換機52を垂直方向の温度勾配を利用して配置する。この熱空気機関50は、作動エンジン16からの圧縮された空気が膨張することができる膨張領域を更に含む。このことによって、空気からの任意の運動エネルギーを増加した熱エネルギーに効率的に変換することができる。

図4は、図3に示す熱空気機関50に非常に類似する第4の実施形態の熱空気機関(hot−air engine)70を概略的に示す。同様の特徴が、同様の参照符号で示される。しかし、熱機関70では、圧縮機は径流式タービン圧縮機72の形態である。軸流式タービン圧縮機もまた使用可能である。

図5は、図4に示す熱空気機関70に非常に類似する第5の実施形態の熱空気機関(hot−air engine)90を概略的に示す。同様の特徴が、同様の参照符号で示される。しかし、熱空気機関90では、圧縮機はベーン圧縮機92の形態である。

図6は、図1および図2に示す熱空気機関10および熱空気機関30に非常に類似する第6の実施形態の熱空気機関(hot−air engine)110を概略的に示す。同様の特徴が、同様の参照符号で示される。しかし、熱空気機関110は、開放型サイクルで作動し、残留熱除去熱交換機36を使用しない。

図7は、図1に示す熱空気機関10に非常に類似する第7の実施形態の熱空気機関(hot−air engine)130を概略的に示す。同様の特徴が、同様の参照符号で示される。しかし、熱空気機関130は、ピストン往復圧縮機132を使用する。

上記に説明する熱空気機関の各実施形態は、ピストン往復熱空気エンジンおよび熱空気タービンエンジンの両方に、多くの利点をもたらす。ピストン往復膨張エンジンに結合されるピストン往復圧縮機を使用する熱空気機関と比較すると、上記に説明する実施形態は、改善された効率、より低い維持管理要求、より高い耐久性、より低い生産コストをもたらす。ガス・タービン・エンジンと比較すると、上記に説明する実施形態は、低い、または中間程度の温度で運転可能であり、固形(再生可能)燃料で運転可能であり、最大出力での改善された効率を有し、最大出力未満の作動時に熱効率を維持、または増大することが可能である。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明が多くの他の形態で実施可能であることを当業者なら理解するであろう。

例えば、150℃を超える温度で燃焼室を使用する適用例では、作動エンジンは軸受潤滑油のための冷却器を利用することができ、ならびに/あるいは外部の連動ギヤまたは外部の軸受(すなわち、作動エンジンの高温領域の外側に配置されている)を有することができ、ならびに/あるいは絶縁体、および/または熱障壁をロータと軸受との間に備えて、ロータから軸受へのヒートソークを防止することができる。絶縁体および/または熱障壁は、軸受のハウジングと作動エンジン本体との間にも使用することができて、ハウジングから軸受へのヒートソークを防止することができる。これらの特徴は、燃焼室温度が150℃未満である場合にも使用可能である。

一方向弁を圧縮機の出口に使用して、圧縮機に戻る、作動エンジンからの逆流を止めることができる。

例えば、連続可変型のギヤボックスを膨張エンジンと圧縮機との間に嵌合して、作動エンジン速度に対して圧縮機速度を制御することができる。

空気よりも低いガンマ線比率を有する空気以外の気体(例えば、アンモニア、二酸化炭素またはブタノール)もまた、閉鎖型サイクルの実施形態内で使用可能であり、約15%から20%まで効率を高めることができる。

圧縮機を、ヴァンケル式(Wankel type)ロータリ圧縮機とすることもできる。