专利名称：旋转热力发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及热动力发动机，尤其涉及利用外部温度差的旋转热力发动机。
背景技术：
理论上，作为具有非常高热效率并且对环境也有利的热发动机，斯特 林发动机是众所周知的。该斯特林发动机虽然通常的结构是往复驱动称为 置换器的动力活塞，但近年来，也在研究利用隔膜构造的斯特林发动机等 改良的斯特林发动机。
然而，这些斯特林发动机中需要用于进行往复运动的置换器，而且， 为了持续连续圆滑的旋转，需要设置给予惯性的飞轮等，在机械效率方面 不利之处较多。
进一歩地，在改良的斯特林发动机中，象特开2003 — 83166号公报记 载那样，开发出圆盘形状的置换器，能够实现不是往复运动而以旋转运动 直接获得体积变化的旋转型斯特林发动机。
这样，由于在上述类型的旋转型斯特林发动机中，能够省略动力活塞 或飞轮等机械效率差的构成部件，因此期望实现热效率非常高的斯特林循 环，但是另一方面，在该类型发动机中，具有为了利用气体的体积变化而 需要大的温度差之类的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种旋转热力发动机，其即使温度差小也能够实 现由大的体积变化引起的驱动。
为了达到上述目的，在本发明中利用机械损失少的旋转热力发动机的 特性的同时，在该发动机的气体循环路径上设置提高热回收和气化效率等 的工作液储存部，进一步，通过在工作液中使用低沸点的醇类，相对于温度低的热流的输入也能够得到大的体积变化，使得能够实现热效率非常高 的斯特林循环。
具体地说，技术方案l所述的发明， 一种旋转热力发动机，其由气缸 和转子构成，所述转子旋转自如地配置在所述气缸内且具有旋转轴，所述 旋转热力发动机的特征在于，气缸具有用于向内部供给热量的受热部和用 于从内部放出热量的放热部，所述旋转热力发动机包括发动机部本体， 其分别在所述气缸的受热部侧和放热部侧设置有与气缸内部连通的气化 气体供给流路和气体回收流路；和工作液储存部，其为了使回收气体凝 集 液化，在气化气体供给流路和气体回收流路之间流体连通地连接气化 气体供给流路和气体回收流路，并且为了防止通过内部的流体的逆流，配 置了设有贯通孔的绝热堰。
在气缸内部设置的大致三角形的转子考虑到平滑地并且密封性高地 旋转，优选设定气缸内壁面与转子前端部之间的间隙处于0.01mm到 0.3mm之间，在前端部上配置缓冲部件并且与气缸内壁面接触。而且，在 伴随着转子的旋转而移动轴心的情况下，考虑到轴心的移动距离和旋转半 径，良好地设计使得维持所述间隙，迸一步，通过使转子前端部的材料的 比重比中心部材料的比重大，惯性重量增加，能够得到更平稳的转子的旋 转。
这样根据技术方案1所述发明，通过使得作为置换器发挥功能的热力 发动机的转子在气缸内旋转，气化气体在受热部(高温)侧和放热部(低 温)侧之间交替地循环，由此，能够得到作为斯特林发动机的驱动力。而 且，排除了由置换器的往复驱动引起的机械损失，而且，由于在气体循环 路径上设置了提高热回收和气化效率等的工作液储存部，因此能够提供热 效率非常高的旋转热力发动机。
技术方案2所述的发明，为了使受热部和放热部之间热绝缘，位于受 热部侧和放热部侧之间的气缸壁的全部或一部分由绝热材料形成。由此， 在受热部侧和放热部侧分别在气缸内部受加热的高温气体和受冷却的低 温气体的保持性高，进一步，在受热部和放热部之间产生的热损失也降低。
技术方案3所述的发明，安装放热部使其与气缸壁成一体或相接，气 缸在安装放热部的区域内的气缸内壁面和转子前端部之间具有从气缸内壁面大致垂直地延伸的热交换用翅。
结果，根据技术方案3所述的发明，由于向放热部侧气缸内部移动的 气体与气缸内壁面之间的接触面积增加，因此能够效率良好地回收凝结 热，进一步，凝集*液化的工作液通过与气缸内部连通的气体回收流路能 够无浪费地回收到工作液储存部中。
技术方案4所述的发明，为了利用毛细管现象吸引工作液储存部内的 工作液并使其气化，气化气体供给流路内配置有从工作液储存部延伸的纤 维状和/或管状的毛细管。
艮口，技术方案4所述的发明，在气缸内部和工作液储存部之间设置连 通两者的气化气体供给流路，该气化气体供给流路作为工作液储存部内的 工作液气化并且移动到气缸内时的通路。因此，通过在气化气体供给流路 内配置由纤维状和/或管状的毛细管等构成的材料，能够效率良好地促进工 作液的运送和气化。另外，使用纤维和/或毛细管等的场合下，该材料优选 使用玻璃纤维等耐腐蚀性优良的材料。
技术方案5的发明，上述工作液使用低沸点的醇类。即，根据技术方 案5的发明，为了即使相对于温度低的热输入，工作液也容易超过沸点， 该情况下，工作液从液相到气相容易相变并产生大的体积变化，进一步地， 即使由小的温度差也能够进行潜热的回收。而且，由于一旦在工作液中使 用低沸点的醇类等，所回收的工作液通过从受热部供给的热量容易再蒸发 并会有在气体回收流路中逆流的担心，因此本发明中为了防止逆流，在工 作液储存部中设置由绝热材料构成的具有圆锥形状贯通孔的堰。
技术方案6所述的发明，转子的旋转轴通过动力传递机构与设置在外 部的电动机的输出轴或发电机的输入轴相连接。S卩，根据本发明，虽然热 能也可以只是全部机械地转换为转子的旋转驱动力，但是通过在转子的旋 转轴上连接电动机或发电机的旋转轴，也能够作为电力使用。例如，通过 将上述发电机得到的电力向电动机进行反馈，能够构成能量损失极少的旋 转热力发动机系统。
技术方案7所述的发明，作为连接转子的旋转轴和电动机等的旋转轴 的动力传递机构，使用了利用永久磁铁的磁力能够相互协作而旋转的非接 触地对面配置的输入和输出耦合器。即，根据技术方案7所述的发明，由于旋转轴彼此的连接不是直接类型而是利用磁力的非接触类型，所以安装 在转子的旋转轴上的输出耦合器能够密闭于设置在气缸上的壳体内，因 此，不存在由来自气缸的工作液和/或气体泄漏等引起的压力损失，能够提 供耐久性和可靠性非常高的发电系统等。
技术方案8所述的发明，为了由旋转热力发动机直接发电，在转子的 周缘部配置多个永久磁铁，在所述转子的旋转区域以外且永久磁铁的磁力 所及的区域内配置发电用的线圈。根据技术方案8所述的发明，由于旋转 热力发动机自身构成发电机，因此能够提供比技术方案6的发明的发电系 统进一步降低机械损失的旋转热力发动机发电系统。
这样，本发明的旋转热力发动机由必要的最小限度的驱动部件构成， 而且，由于采用通过利用工作液的相变化的体积变化而转换热能来进行旋 转驱动的构造，相对于输入的热量的温度有效地产生工作液的相变化，结 果，对于各种温度能够实现接近理想的斯特林循环。
图1是示意性示出具有大致三角形转子的根据本发明实施例1的热力 发动机的一部分内部构造的主视图。
图2是实施例2的侧视图，其示出在实施例1的热力发动机上组合外 部电动机或者发电机的概要。
图3是示意性示出具有十字形转子并且具备发电机构的根据本发明实 施例3的热力发动机的一部分内部构造的主视图。
图4是示意性示出分别设置气化气体供给流路和气体回收流路两系统 的根据本发明实施例4的热力发动机的一部分内部构造的主视图。
具体实施例方式
下文将通过实施例说明本发明。另外，本发明不限于以下示出的实施 例，在不脱离本发明技术思想的范围内可以进行各种修改。 实施例1
图1是示意性示出根据本发明的旋转热力发动机的一实施例的主要部 件的构造的视图，下文将参照附图进行说明。实施例l的旋转热力发动机具有在气缸内部旋转自如地设置的大致三角形的转子4，在该气缸5的外 周部一体地或接触地设置安装受热部1和放热部2。而且，为了使受热部 1和放热部2之间热绝缘，用位于所述受热部侧和放热部侧的气缸壁夹持 绝热材料8，由此形成中间部的气缸壁。另外，在本实施例中，虽然使用 大致三角形的转子，但是只要是能够确保用于收容气化的气体的空间的实 例的转子，则不特别地限于该实例，例如，也能够使用十字形的转子或者 具有弯曲面的其它转子等。
进一步地，用于旋转驱动转子4的工作液循环路径由与气缸内部连通 的气化气体供给流路17和气体回收流路18以及流体连通地连接所述气化 气体供给流路17和气体回收流路18的工作液储存部7构成。
在工作液储存部7内部设置用于防止通过的流体逆流的绝热堰6，并 且填充工作液而密闭，该工作液的沸点最好比受热部1的温度低io'c到 5(TC，另外，在绝热堰上设置的贯通孔优选具有圆锥形状等沿着工作液的 流动方向孔径变小地带锥形的形状，也可以是能够流体力学地阻止在受热 侧加热、升温的工作液向放热部侧流入的其他形状。
在本实施例中，在受热部侧附近滞留的工作液储存部7内的工作概通 过从受热部1输入的热量而气化。然后，该气化后的气体通过气化气体供 给流路17送入气缸内，进一歩，由因所述气化气体的体积膨胀而旋转的 转子4进行保持，同时送入位于放热部区域的气缸内。在位于所述放热部 区域的气缸4和气体回收流路18中，气化气体通过放热部2引起的冷却 作用而凝集 液化，进一步，通过气体回收流路18而回收到工作液储存 部7中，实现本发明的旋转热力发动机的热循环。另外，该情况下，与气 缸内部连通的气化气体供给流路17和气体回收流路18只要是能够利用重 力或压力进行回收的形状即可，对其形状不作特别地限定。
结果，本发明的旋转热力发^机机械损失极少，而且，能够以小的温 度差将低温的热量有效地转换成动力，能够积极地应用于近年来社会关注 的排热再利用等。
实施例2
图2是实施例2的侧视图，其示出在实施例1的热力发动机上组合外 部发电机的概要。下文将同样参照附图进行说明。图2中的符号4、 5、 7与图l一样，分别示出转子、气缸和工作液储存部。而且，9示出安装在 转子的旋转轴3上的永久磁铁，其与在发电机11的输入轴上安装的永久 磁铁10磁力连接并且能够非接触地相互旋转。为此，通过将在转子的旋 转轴3上安装的永久磁铁9密闭于设置在气缸5上的壳体内，能够完全防 止来自气缸5的工作液和/或气体漏出。另外，转子的旋转轴和发电机等的 外部机器的连接不限于如上述那样使用磁力的非接触类型的连接，也能够 使用通常直接类型的各种动力传递机构。
这样，在本实施例中，能够将实施例1的旋转热力发动机得到的旋转 动力容易地传递给发电机，能够提供耐久性和可靠性非常高的发电系统。 另外，与转子的旋转轴连接的机器也可以是驱动用的电动机，该情况通过 将在后述实施例3的发电机中得到的电力向电动机反馈，能够构成能量转 换效率极高的旋转热力发动机系统。
实施例3
如图3所示的实施例3为本发明的旋转热力发动机发电系统，其具备 在连通受热部1和工作液储存部7的气化气体供给回路17内配置毛细管 16，在与放热部2相接的气缸5的内部壁面上安装朝向转子的旋转轴3从 气缸内壁面大致垂直地延伸的热交换用翅片15，提高旋转热力发动机的输 出的构造；以及在十字形转子4的前端部以圆周方向相邻的磁铁彼此的极 性为S极、N极交替排列的方式配置极性不同的永久磁铁12、 13，而且， 通过在所述转子4的旋转区域外并且永久磁铁12、 13的磁力所及的区域 内配置发电用线圈14而能够自己发电的构造。另外，在本实施例中虽然 使用热交换用翅片作为热交换机构，但如果具有金属网眼等能够扩大与流 体的热交换接触面积的构造，也不特别限定于翅片型，能够采用一般公知 的热交换机构。
根据本实施例，通过毛细管16的设置，高效率地吸引滞留在工作液 储存部内的工作液并促进工作液的气化，进一步，由于通过在气缸内壁面 设置热交换用翅片15，朝向放热部侧气缸内部移动的气体和气缸内壁面之 间的接触面积增加，所以，相对于温度低的热流的输入能够得到气化后的 气体的大的体积变化，能够实现热效率非常高的旋转热力发动机。而且， 由于非接触而显著减少转子的旋转运动引起的直接发电的能量损失，能够提供非常高效率的旋转热力发动机发电系统，结果，能够实现接近理想的 斯特林循环。
实施例4
图4是示意性示出分别设置气化气体供给流路17和气体回收流路18 两系统的根据本发明实施例4的热力发动机的一部分内部构造的视图。在 本实施例中与其它实施例不同的是使用如下类型的旋转热力发动机，即在 转子4上具有设置在其中心部的开口部内的内齿齿轮(未图示)，并与从 气缸5的侧壁延伸的旋转轴3的外齿齿轮(未图示)协动地旋转。而且， 在本实施例中，配置两对流入口和流出口，使得由配置在夹持包含转子轴 心的平面大致对置的位置上的气化气体供给流路17的流入口和气体回收 流路18的流出口构成的一对流入口和流出口与分别相邻的另一流入口或 流出口交替配置。结果，在根据本发明的旋转热力发动机中，能够高效率 地将气化气体的压力转换成动力，进一步，只要受热部和放热部(未图示) 适宜地配置在连接气缸5和具有绝热堰的工作液储存部的路径上即可，因 此发动机的设计自由度大幅度提高。而且，气化气体也可以由各个气化气 体供给流路17交替地供给， 一旦与转子的旋转连动地切换供给路径，则 进一步提高效率。
产业上的应用可能性
根据本发明的旋转热力发动机也可以在例如实施例1和3中的旋转轴 3的端部配置动力传递用的永久磁铁9，该情况下能够实现传递风力等动 力的发电、由气化热和凝结热的回收引起的冷热和温热的同时供给，并能 够实现高效的热电联产。
同样地，在从电动机传递实施例3的旋转热力发动机的旋转驱动力的 情况下，由于回收冷热和温热之后的能量再次变换为电力，因此也能够提 供效率良好的冷温箱。
由此，由于本发明的旋转热力发动机能够实现低温运行的温度差发电 系统，所以例如也能够用于热电联产的效率改善、工厂的排热发电等。
而且，由于本发明的旋转热力发动机也能够实现利用人造卫星等的宇 宙空间的温度差的发电，因此可以用于宇宙科学领域等非常广泛的领域。
权利要求
1、一种旋转热力发动机，其由气缸和转子构成，所述转子旋转自如地配置在所述气缸内且具有旋转轴，所述旋转热力发动机的特征在于，所述气缸具有用于向内部供给热量的受热部和用于从内部放出热量的放热部，所述旋转热力发动机包括发动机部本体，其分别在所述气缸的受热部侧和放热部侧设置有与所述气缸内部连通的气化气体供给流路和气体回收流路；和工作液储存部，其为了使所述回收气体凝集·液化，在所述气化气体供给流路和气体回收流路之间流体连通地连接所述气化气体供给流路和气体回收流路，并且为了防止通过内部的流体的逆流，配置了设有贯通孔的绝热堰。
2、 根据权利要求1所述的旋转热力发动机，其特征在于，为了使所述受热部和放热部之间热绝缘，位于所述受热部侧和放热部 侧之间的气缸壁的全部或一部分由绝热材料形成。
3、 根据权利要求1所述的旋转热力发动机，其特征在于， 安装所述放热部使其与所述气缸壁成一体或相接，所述气缸在安装放热部的区域内的所述气缸内壁面和所述转子前端部之间具有从所述气缸 内壁面大致垂直地延伸的热交换用翅片。
4、 根据权利要求1所述的旋转热力发动机，其特征在于， 为了利用毛细管现象吸引所述工作液储存部内的工作液并使其气化，所述气化气体供给流路在其内部包含从所述工作液储存部延伸的纤维状 和/或管状的毛细管。
5、 根据权利要求4所述的旋转热力发动机，其特征在于，所述工作液是低沸点的醇类。
6、 根据权利要求1所述的旋转热力发动机，其特征在于， 所述转子的旋转轴通过动力传递机构与设置在外部的电动机的输出轴或发电机的输入轴相连接。
7、 根据权利要求6所述的旋转热力发动机，其特征在于，所述动力传递机构包括利用永久磁铁的磁力能够相互协作而旋转的 非接触地对面配置的输入和输出耦合器。
8、根据权利要求l所述的旋转热力发动机，其特征在于， 为了由所述旋转热力发动机直接发电，在所述转子的周缘部配置多个永久磁铁，在所述转子的旋转区域以外且所述永久磁铁的磁力所及的区域内配置发电用的线圈。
全文摘要
一种旋转热力发动机，其由气缸和转子构成，所述转子旋转自如地配置在所述气缸内且具有旋转轴，气缸具有用于向内部供给热量的受热部和用于从内部放出热量的放热部，并且该发动机包括分别在所述气缸的受热部侧和放热部侧设置有与气缸内部连通的气化气体供给流路和气体回收流路的发动机部本体；为了使回收气体凝集·液化，在气化气体供给流路和气体回收流路之间流体连通地连接气化气体供给流路和气体回收流路，并且为了防止通过内部的流体的逆流，配置了设有贯通孔的绝热堰的工作液储存部。
文档编号F02G1/053GK101300417SQ20068003229
公开日2008年11月5日 申请日期2006年9月5日 优先权日2005年9月6日
发明者东谦治, 中须贺真一, 佐原宏典 申请人:达芬奇株式会社;国立大学法人东京大学