CN101198767B - 喷射式蒸汽发动机 - Google Patents

Abstract

本发明的蒸汽发动机为，通过简单的结构不仅从高温热源、从内燃机的废热或太阳能等各种低温状态的热源也可有效地得到机械能。在该发动机中，在充满了液体的密闭容器(1)内可旋转地支承具有弯曲的喷出管(51)的转子(5)。在转子中心部的中心圆筒(50)中插入加热部(9)并使高温流体通过，并使从转子(5)的吸入管吸入的液体蒸发。通过蒸发的蒸汽的压力使蒸汽和液体的混合体从喷出管(51)喷出，由此使转子(5)旋转。在喷出管(51)和吸入管(52)的前端部分别配置有喷出用止回阀(53)和吸入用止回阀(54)。喷出的蒸汽被导入设置在密闭容器(1)的上方的冷凝器(2)，在此冷凝并回流到密闭容器(1)中。在冷凝器(2)上连接真空泵(23)，使密闭容器内的压力保持为饱和蒸汽压。

Description

喷射式蒸汽发动机

技术领域

本发明涉及一种用于将热能转化为刚体动能等机械能的蒸汽发动机，尤其涉及从比较低温的热源有效地产生机械能的蒸汽发动机。

背景技术

近年来，从环境保护或者省资源、省能源的观点，多种能源资源的利用技术的开发正在发展，其中，存在从太阳能等自然界中存在的热能取得机械能的技术。并且，如下的技术也被开放：利用柴油机等内燃机的废气或被废弃到冷却液中的废热来产生动力，并将该动力回收，由此提高内燃机的热效率。

在将热能转化为刚体动能等机械能时使用热机(发动机)。使用石油、天然气等通常燃料的内燃机或者蒸汽涡轮等热机，通过燃料的燃烧来产生高温高压的工作流体而将热能转化为机械能，由于从高温状态的热源取得机械能，因此热效率较高。但是，自然界的热能和内燃机的废热等一般不是那种高温，也就是说是低温状态的热能，在从这种热源有效地取得机械能时，需要适合于低温状态的热源的热机。

作为从低温状态的热源产生机械能的热机，存在日本特开2001-20706号公报所示的发动机。如图4所示，该发动机具有加热部101和冷却部102，它们之间由喷嘴103连接。在冷却部102的与喷嘴103相对的位置上设置有涡轮106，涡轮106与磁铁107一体地旋转。静止的发电线圈110相对地配置在磁铁107的内侧，磁铁107和发电线圈110构成发电装置。加热部101和冷却部102分别密闭，其内部封入有作为工作流体的水104，并且内部的空气等通过真空泵被排气。并且，在冷却部102的上方安装有用于散热的多个热管105。

加热部101和冷却部102作为整体形成为热管，由加热部101从下方加热而成为水蒸汽的水104，成为高速流并从喷嘴103向涡轮106的叶片喷出。由此，涡轮106及磁铁107旋转而生成刚体动能，刚体动能通过磁铁107和发电线圈110最终转化为电能的形式而输出到外部。驱动了涡轮106之后的蒸汽，随着热管105的散热作用被冷却并复原成水。该冷凝水由于重力落到冷却部102的下方，并从中央部回流到加热部101。

利用被封入密封容器内的液体的蒸发和冷凝的热管，一般被用作热的输送机构即热传递装置。但是，由于被封入热管内的液体的蒸汽具有较大的速度能地移动，所以如上所述可以从其中取得动力，在该情况下，可以从低温状态的热源取得机械能。

上述日本特开2001-20706号公报所示的涡轮，是利用工作流体的速度能的所谓速度型发动机，但为了使涡轮有效地工作，需要使涡轮的转速上升并使其圆周速度增大到与蒸汽的速度相当的值。在使涡轮小型化并缩小直径时，涡轮转速成为非常高的转速，可能对涡轮作用较大的离心力而产生破损。并且，在加热部的温度较低、蒸汽为低温时，由于蒸汽的过热度较低所以容易因冷却而产生水滴。当产生水滴时水滴与涡轮叶片高速碰撞，在涡轮叶片上产生水滴的碰撞导致的侵蚀、即腐蚀。

并且，在将热机收纳在密闭容器中并使其旋转时，旋转轴必须由具有密封性的轴承支承。为了支承涡轮那样的进行高速旋转的旋转轴，需要精密的轴承，为了确保密封性地进行支承，其轴承部采用复杂且高价的部件。

发明内容

为解决现有热机中的上述问题，本发明的蒸汽发动机为，通过在充满了液体的密闭容器内可旋转地支承具有喷出管的转子，并使热流体通过插入到转子中心部的加热部，由此使液体蒸发而从喷出管喷出，使转子旋转而使热能转化为刚体动能。即，如技术方案1所记载的，本发明为一种蒸汽发动机，其特征在于“设置封入了液体的密闭容器，并且在该密闭容器的上部设置与上述密闭容器连通而将上述液体的蒸汽冷凝的冷凝器，在上述密闭容器的内部设置转子，该转子为，在中央部具有加热部，并且具有从中心部呈放射状延伸并在前端部具有喷出用止回阀的弯曲的喷出管和从中心部呈放射状延伸并在前端部具有吸入用止回阀的弯曲的吸入管；在加热部上连接高温流体通过的连通管，并且将上述转子支承在上述密闭容器上，且上述转子浸渍在上述液体中，以便上述转子能够以上述连通管为中心旋转，通过施加到上述加热部的热使上述转子旋转，并取得动力”。

在本发明的蒸汽发动机中，在充满了液体的密闭容器内设置具有喷出管的转子，在转子中心部的加热部的周围，从吸入管吸入液体并使其蒸发。然后，通过所蒸发的高压的蒸汽，使液体和蒸汽混合的状态的混合体从喷出管喷出，并通过此时的反作用获得回转力。喷出的混合体中含有较多液体，其质量远大于蒸汽，所以通过反作用获得的回转力、即转矩，与仅喷出蒸汽时比较变得非常大。因此，即使在转子低速旋转时也可以获得较大的转矩，与将蒸汽的速度能转化为刚体动能的涡轮不同，即使低速也能够高效地工作。

并且，该蒸汽发动机为，使具有从中心部呈放射状延伸的喷出管和吸入管的转子旋转，不像通常的涡轮那样具有喷嘴和静叶片，结构简单。由于旋转速度与涡轮相比也为低速，所以支承旋转轴的轴承不需要采用高旋转用的精度高的轴承，并且，不会发生水滴的碰撞导致的腐蚀。

在设置在中心部的加热部上连接连通管，通过该连通管将例如内燃机的废气、通过地热成为高温的热流体等导入加热部。由于连通管贯通转子的旋转中心，所以可以将连通管用作为转子的旋转支承轴，并且可以将连通管固定在密闭容器上，连通管和密闭容器之间的液体的密封结构变得简单。

在本发明的蒸汽发动机的吸入管上设置有吸入用止回阀，并且在喷出管上设置有喷出用止回阀。从吸入管吸入的液体由转子中心部的加热部加热并成为蒸汽而压力上升，但由于在吸入管的前端部设置有吸入用止回阀，所以不会从吸入管产生逆流。在蒸汽的压力充分升高时，蒸汽一边在喷出管内膨胀一边作为液体和蒸汽的混合体经由喷出用止回阀喷出到液体中，并赋予转子转矩。也就是说，由于液体在成为高压的蒸汽之前的期间可以滞留在加热部附近，所以即使加热部处于低温的状态也可以进行充分的传热。

如技术方案2记载的那样，优选在上述冷凝器上连接真空泵，使上述密闭容器和上述冷凝器内的压力成为液体的饱和蒸汽压。这样，在将真空泵连接到冷凝器上而从冷凝器内排出空气等气体，并使密闭容器和冷凝器内的压力成为所封入的液体的饱和蒸汽压时，液体的沸点降低而即使在低温时液体也成为蒸汽状态。其结果，即使在加热部的温度不是那么高温的情况下，液体也容易成为蒸汽，并能够使发动机有效地工作并取得刚体动能。

如技术方案3记载的那样，在上述加热部的内部可以设置多个具有高温流体通过的孔的传热板。在本发明的蒸汽发动机的加热部中流过温度高的流体，由此加热部周围的液体被加热。因此，当在加热部的内部设置多个具有高温流体通过的孔的传热板时，流体的热经由传热板从加热部的管路壁传递给液体，可以实现良好的热传递。并且，由于在高温流体通过孔时产生紊流，所以进一步提高从流体向传热板等的热传递。

并且，如技术方案4记载的那样，优选上述喷出管和上述吸入管的截面形成为流线型。在本发明的蒸汽发动机中，由于使具有喷出管和吸入管的转子在液体中旋转，所以在喷出管和吸入管的截面形成为流线型时，随着转子从液体受到的流体阻力的减少动力损失也减少，因此可以使发动机的热效率提高。

附图说明

图1为本发明的蒸汽发动机的剖面图。

图2为表示本发明的蒸汽发动机的加热部附近的详细图。

图3为表示本发明的蒸汽发动机的加热部的局部剖开立体图。

图4为表示现有的蒸汽发动机的一例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1中，在中央表示本发明的蒸汽发动机的剖面图，在右侧表示其A-A剖面图。并且，在左侧表示喷出管的剖面放大图(B-B剖面)。图2为蒸汽发动机的转子中心部及加热部的详细图，图3为加热部和连通管的局部剖开立体图。

蒸汽发动机具有截面圆形的密闭容器1，在其内部封入有作为被加热液体(工作流体)的水，水几乎充满密闭容器1内。在密闭容器1的上部设置有冷凝水蒸气以使其成为冷凝水的冷凝器2，冷凝器2通过短管3与密闭容器1连接。在短管3内隔开间隔地安装多个挡板4，由此来防止液体状态的水进入冷凝器2，但来自冷凝器2的冷凝水可回流到密闭容器1。

在圆形的密闭容器1中，以浸渍在水中的方式设置有转子5。转子5在其中心部分具有中心圆筒50，在中心圆筒50上连接有沿放射方向延伸的喷出管51和吸入管52。如图1的中央的图所示，喷出管51和吸入管52以180度的角度相互向相反方向延伸，前端的部分弯曲成直角。在本实施例中弯曲成直角，但也可以圆滑地弯曲。

在喷出管的前端安装有仅允许蒸汽和水的混合体向从喷出管51喷出的方向流动的喷出用止回阀53，并且在吸入管的前端安装有使水仅向中心圆筒50流动的吸入用止回阀54。为了安装吸入用止回阀54，在吸入管52的前端部形成有比吸入管直径大的吸入室55。并且，如图1的左图所示，喷出管51和吸入管52的截面形成流线型。为了成为流线型截面也可以在截面圆形的管上固定安装流线型的覆盖部件。

如图1的右图及图2所示，转子5的中央圆筒50通过附加了密封功能的轴承7可旋转地支承在固定安装在密闭容器1左右侧壁的套筒6中。在中央圆筒50中使其轴心一致地插入有构成加热部9的圆管。如图3所示，在加热部9的圆管的两端通过焊接等固定安装有连通管91、92，该连通管91、92被插入左右的套筒6中并与套筒6的内面紧密连接地嵌合。由此，连通管91、92起到加强套筒6的作用，并负担作用于套筒6的转子5的轴负载的一部分。

例如内燃机的废气等高温气体从连通管91供给到加热部9，被吸入到中央圆筒50的水被加热而产生蒸汽。在加热部9的内部配置有多个形成了流体通过的孔的传热板93。高温流体在通过传热板93的孔流动时产生紊乱，并且传热面积也大幅度增加，所以促进将高温流体的热传递给中央圆筒50内的水的热传递。进行了热传递之后的流体从连通管92排出到外部。另外，在本实施例中，作为连通管91、92使用比加热部9的圆筒的直径小的管，但可以根据情况的不同使用相同直径的管。

在中央圆筒50的左侧端部，在圆周方向上隔开间隔地固定有多个磁铁10，其与转子5一体地旋转。在密闭容器1的左侧壁的与磁铁10相对的位置上安装有多个发电用线圈11。通过磁铁10和发电用线圈11的相互作用，转子5的刚体动能作为电能输出到外部。这里省略了图示，但是磁铁10和发电用线圈11为了防止水等的侵入而被收纳在包围它们的壳体内。

设置在密闭容器1上方的冷凝器2，为了提高散热性能而具有由传热性良好的铝等形成的外壁，并在其内部沿纵向设置多个板状的传热用散热片21。如图1右图中的双点划线所示，根据情况不同也可以在外壁上安装散热用散热片。冷凝器2的底壁倾斜，以便将冷凝后的冷凝水集中到短管3。并且，冷凝器2的内部经由止回阀22连接有真空泵23，以便排出空气等气体而将冷凝器2和密闭容器1的压力保持为饱和蒸汽压。

下面，对本发明的蒸汽发动机的动作进行说明。

密闭容器1内的水经由吸入用止回阀54和吸入管52被供给到被可旋转地支承的转子5的中央圆筒50中。高温流体被从连通管91送入到插入在中央圆筒50内的加热部9中，所供给的水接触加热部9而其一部分变成水蒸汽。随着水蒸汽的产生中央圆筒50的内部压力增加，当压力超过一定值时喷出用止回阀53打开，水蒸汽一边膨胀一边通过弯曲的喷出管51，并以与水混合的状态从其前端高速喷出。由于所喷出的蒸汽和水的混合体的惯性，中央圆筒50内的压力下降而再次从吸入管52吸入水，之后，周期性地重复这种喷出、吸入作用。

通过所喷出的混合体的反作用，在转子5上作用有转矩，转子5沿图1中的顺时针方向旋转。所喷出的混合体中含有大量的作为液体的水，水的比重比水蒸汽大很多，所以混合体的运动量和作用于转子5的转矩变得较大。因此，即使在转子5的低速旋转时也可以取得所需的动力。通过与转子5一体地旋转的磁铁10和静止的发电用线圈11的相互电磁作用，转子5的刚体动能作为电能被取出到外部。

由于转子5在密闭容器1内被浸渍在水中并在水中旋转，所以受到水的流体阻力。为了减少该阻力，喷出管51和吸入管52的截面形成为流线型，而减少流体阻力的动力损失。并且，随着转子5的旋转密闭容器1内的水也旋转，但由于密闭容器1的截面为圆形，所以水的旋转可平滑地进行，而减少水的紊乱的动力损失。

从喷出管51喷出的水蒸汽在水中上升而从短管3送到冷凝器2，并由散热片21冷却而冷凝并成为冷凝水。冷凝水沿壁面向下方流动并从短管3回流到密闭容器1。在冷凝器2上连接有排出空气等的真空泵23，由此冷凝器2和密闭容器1的内部压力降低而保持为饱和水蒸汽压。因此，密闭容器1内的水的沸点降低，即使在加热部9的温度不是那么高的状态，也可以使水蒸发而成为水蒸汽并产生使转子5旋转的转矩。内燃机等的废热大多被传热到流体而废弃，但该蒸汽发动机通过使流体在加热部9中流动而直接加热水，所以特别适于废热的回收。

产业上的可利用性

如上所述，本发明的蒸汽发动机为，在充满液体的密闭容器内设置具有喷出管的转子，使高温流体通过插入在转子中心部的加热部而使液体蒸发，并通过使液体和蒸汽的混合体从喷出管喷出来使转子旋转，而将施加到加热部的热转化为刚体动能。因此，本发明的蒸汽发动机可以用作从各种热源取得动力的热机。在上述实施例中，主要说明了将低温状态的热转化为刚体动能的情况，但在本发明的蒸汽发动机中当然也可以使用例如燃烧等的高温热源而取得动力。并且，作为成为工作流体的液体明显不限于水，也可以使用例如氟利昂等制冷剂。

Claims (4)

1.一种蒸汽发动机，其特征在于，

设置封入有液体的密闭容器(1)，并且在该密闭容器(1)的上部设置与上述密闭容器(1)连通而冷凝上述液体的蒸汽的冷凝器(2)，

在上述密闭容器(1)的内部设置有转子(5)，转子(5)中心部具有加热部(9)，并且该转子(5)具有从中心部放射状延伸并在前端部具有喷出用止回阀(53)的弯曲的喷出管(51)和从中心部放射状延伸并在前端部具有吸入用止回阀(54)的弯曲的吸入管(52)，

在上述加热部(9)上连接高温流体通过的连通管(91、92)，并且将上述转子(5)支承在上述密闭容器(1)上，且上述转子(5)浸渍在上述液体中，以便上述转子(5)能够以上述连通管(91、92)为中心旋转，

通过施加到上述加热部(9)的热使上述转子(5)旋转，并取得动力。

2.如权利要求1所述的蒸汽发动机，其特征在于，

在上述冷凝器(2)上连接有真空泵(23)，使上述密闭容器(1)和上述冷凝器(2)内的压力为液体的饱和蒸汽压。

3.如权利要求1或2所述的蒸汽发动机，其特征在于，

在上述加热部(9)的内部设置有多个具有高温流体通过的孔的传热板(93)。

4.如权利要求1或2所述的蒸汽发动机，其特征在于，

上述喷出管(51)和上述吸入管(52)的截面形成为流线型。

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