CN101228352A - 旋转式蒸汽机 - Google Patents

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Abstract

本发明的旋转式蒸汽机为，通过简单的结构，不限于高温热源、从内燃机的废热等各种低温状态的热源有效率地得到机械能。在该发动机中，在充满液体的密闭容器(2)内可旋转地配置有设置了多个容积室(11)的转子(1)。在转子(1)的下方设置有蒸汽产生部(4)，由内燃机的废热等加热的液体在此蒸发，产生的蒸汽从流出路(42)向转子的容积室(11)喷出。由于蒸汽蓄存在容积室(11)内，因此在转子(1)一侧的容积室(11)作用有浮力，转子(1)旋转而产生刚体动能。随着转子(1)的旋转，容积室(11)内的蒸汽被放出到密闭容器(2)内而被导入冷凝器(3)，并在此冷凝而回流到密闭容器(2)。密闭容器(2)内的压力通过真空泵(34)保持在饱和蒸汽压，由此即使液体为低温也能成为蒸汽并使转子(1)旋转。

Description

旋转式蒸汽机
技术领域
本发明涉及一种将热能转换成刚体动能等机械能的蒸汽机，尤其是关于从温度较低的热源有效地产生机械能的、具有简单结构的蒸汽机。
背景技术
根据环境对策或省资源、节能的观点，近年来，推进多样能源的利用技术的开发，其中，存在从太阳能等存在于自然界的热能取出机械能的技术。并且，还开发有如下技术：通过利用被废弃到柴油机等内燃机的废气和冷却水中的废热而产生动力、并回收该动力，由此提高内燃机的热效率。
在将热能转换成刚体动能等机械能时使用热机(发动机)。使用石油、天然气等通常的燃料的内燃机或汽轮机等热机，是通过燃料的燃烧来产生高温高压的工作流体而将热能转换成机械能，由于是从高温状态的热源取出机械能，因此热效率高。然而，自然界的热能和内燃机的废热等一般不是那种程度的高温，即、是低温状态的热能，在从这种热源有效地取去机械能时，需要适用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3所示，该发动机具有蒸汽产生部101和冷却部102，它们之间通过喷嘴103连接。在冷却部102的与喷嘴103相对的位置上配置有涡轮106，涡轮106与磁体107成为一体地旋转。在磁体107的内侧相对地配置有静止的发电线圈110，磁体107和发电线圈110构成发电装置。蒸汽产生部101和冷却部102分别被密封，在其内部封入作为工作流体的水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。
蒸汽产生部101和冷却部102作为整体成为热管，在蒸汽产生部101中被从下方加热并成为水蒸汽的水104，成为高速流并从喷嘴103喷向涡轮106的叶片。由此，涡轮106以及磁体107旋转而产生刚体动能，刚体动能通过磁体107和发电线圈110最终被转换成电能的形式而输出到外部。驱动涡轮106后的蒸汽随着热管105的散热作用被冷却而恢复为水。该冷凝水通过重力向冷却部102的下方落下，并从中央部回流到蒸汽产生部101。
利用被封入密封容器内的液体的蒸发和凝结的热管，一般被用作为热的输送机构、即热传递装置。其中，被封入热管内的液体的蒸汽伴随较大的速度能地进行移动，所以能够如上所述地从其中取出动力，在该情况下，能够从低温状态的热源取出机械能。
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，但为了使涡轮有效率地工作，需要使涡轮的转速上升，并增大到使其圆周速度与蒸汽的速度匹配的值。在将涡轮小型化并缩小直径时，涡轮转速变为非常高转速，在涡轮上作用较大的离心力，从而可能发生破损，并且在通过高速旋转的发动机驱动负载时，通常设置减速机来降低转速是不可缺少的。在利用发电机而以电能的形式取出动力的情况下，高速的发电机是控制装置等复杂、高价的发电机。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，因此通过冷却容易产生水滴。当产生水滴时，以高速与涡轮叶片碰撞，在涡轮叶片上产生水滴的碰撞导致的浸蚀、即所谓的冲蚀(erosion)。
并且，在将热机收容在密闭容器中并使其旋转时，旋转轴必须通过具有密封性的轴承支承。为了对涡轮那样的进行高速旋转的旋转轴进行支承，需要精密的轴承，为了确保密封性地进行支承，轴承部要采用复杂高价的轴承，维护管理的费用增加。
发明内容
本发明的课题为，提供一种不限于高温热源、也能够从内燃机的废热等低温状态的各种热源得到机械能的热机，并且解决现有热机中的上述问题。
为了解决现有热机中的上述问题，本发明的蒸汽机为，在充满液体的密闭容器内配置设置了多个容积室的转子，并利用作用于该容积室的浮力使转子旋转，由此通过简单的构造、即使为低速旋转也有效地取出动力。即，本发明为一种蒸汽机，其特征如技术方案1所记载：“设置封入了液体的密闭容器，使产生液体蒸汽的蒸汽产生部与上述密闭容器连通地设置在该密闭容器的下方，并且使冷凝液体的蒸汽的冷凝器与上述密闭容器连通地设置在上述密闭容器的上方，在上述密闭容器的内部设置形成多个容积室的转子，将上述转子浸渍在液体中而可旋转地支承在上述密闭容器上，将加热上述蒸汽产生部而产生的液体的蒸汽供给到上述容积室，使浮力作用在上述转子的一侧，而使上述转子旋转”。
在上述构成的本发明的蒸汽机中，在封入了液体的密闭容器内，将形成多个容积室的转子浸渍在液体中地设置，向该转子一侧的容积室供给由蒸汽产生部产生的蒸汽。蒸汽推压容积室内的液体而充满一侧的容积室，该蒸汽的比重与液体相比小很多，因此在转子的一侧作用密度差导致的浮力而在转子上作用有转矩。由于容积室是在转子上连续地设置有多个，因此转子连续地旋转，由此能够取出动力。由于作用在转子上的浮力的大小与转子的转速无关，因此即使在转子以低速旋转时也能得到一定的转矩。因此，该发动机与将蒸汽的速度能转换成刚体动能的涡轮不同，即使低速也能高效率地工作。转子的容积室内的蒸汽随着转子的旋转而被排出到密闭容器内的液体中，并被送入配置在密闭容器的上部的冷凝器内。蒸汽在此被冷凝而成为液体，并回流到密闭容器内。
该蒸汽机的转子是只在外周形成多个容积室的构造，不需要设置相对活动的可动部件和密封部件等。即，由于是构造简单、简易的构造，因此耐久性良好并能够大幅削减维护管理费用。而且，由于转速也是低速，因此不需要像涡轮那样采用高转速用的高精度的轴承作为支承旋转轴的轴承，并且不会发生水滴的碰撞导致的冲蚀。
如技术方案2所记载，优选构成为，在上述转子的多个上述容积室之间形成分隔壁，从上述蒸汽产生部朝向上述转子的旋转方向喷出液体的蒸汽而供给到上述容积室。如此供给的蒸汽具有速度能地与分隔壁碰撞，并将容积室内的液体朝向转子的旋转方向后方进行排出。转子受到伴随蒸汽的碰撞的冲击作用，并且从所排出的液体受到反推作用，由此，作用于转子的旋转方向的转矩被加强，能够进一步提高蒸汽机的输出以及效率。
并且，如技术方案3所记载，优选在上述冷凝器上连接真空泵，而使上述密闭容器以及上述冷凝器内的压力成为液体的饱和蒸汽压。在通过真空泵从冷凝器内排出空气等气体时，液体的沸点降低，即使为低温液体也能成为蒸汽状态。结果，即使在加热部的温度不是那么高温的情况下，液体也能够容易地成为蒸汽，并能够使发动机有效率地工作而取出刚体动能。
附图说明
图1是本发明的蒸汽机的剖视图。
图2是表示本发明的蒸汽机的工作状态的图。
图3是表示现有的蒸汽机的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。图1是本发明的蒸汽机的剖视图，(a)表示与转子的旋转轴正交的面，(b)表示含有转子的旋转轴的面。图2表示工作时转子的放大剖视图。
本发明的蒸汽机具有收容转子1的密闭容器2，在其内部封入有作为工作流体的水，水大致充满密闭容器2。如图1(a)所示，密闭容器2的截面为矩形，但也可以为沿转子1的外周那样的圆形截面。在密闭容器2的上部设置有冷凝水蒸汽并成为冷凝水的冷凝器3，密闭容器2与冷凝器通过连接用短管以及连接器连接。在密闭容器2的下部设置有由外部的热源加热的蒸汽产生部4。
蒸汽产生部4由在内部具有蒸发空间的大致圆筒形状的壳体构成，在其下部具有水的流入路41，在上部具有蒸汽的流出路42。在本实施例中，蒸汽产生部4内置在密闭容器2内，但也可以构成为，将蒸汽产生部4与密闭容器2分离，并通过管路进行连接。并且，冷凝器3具有水平截面为圆形的蒸汽蓄存部31，在蒸汽蓄存部31的上部配置成圆形状地安装有多个管体32，该多个管体32用于通过散热冷却蒸汽并进行冷凝，并与蒸汽蓄存部31连通，该管体32的上端封闭。并且，在冷凝器3的蒸汽蓄存部31上经由止回阀33连接有真空泵34，排出空气等气体，将冷凝器3以及密闭容器2的内部保持为饱和蒸汽压。
在密闭容器2中，设有多个容积室11的转子1浸渍在水中地设置。容积室11作为凹陷形成在转子1的周围，其两端由侧壁12封闭，并且外侧开放在密闭容器2内。在多个容积室11之间形成有叶片状的分隔壁13，分隔壁13相对于转子1的半径方向、向转子旋转方向后方倾斜地从根部分直线状延伸，因此，转子1的截面成为水车状。根据情况的不同，也可以使分隔壁13成为曲线形状。转子1的两端轴支承在密闭容器2的侧壁上，转子1可旋转地被支承。
如图1(b)所示，在转子1的一个端部的附近，埋入固定有多个磁体5，其与转子1一体地旋转。在与磁体5相对的位置上设置有多个铁心7以及卷绕在其上的发电用线圈6，它们被固定在设置有磁体5的端部侧的密闭容器2的侧壁上。虽然未图示，但在发电用线圈6上连接有取出发电电力的电线，磁体5以及发电线圈6被收容在防止水的侵入的盒内。本实施例是将刚体动能作为电能输出的例子，但也可以通过在转子1上固定安装齿轮，并将与其啮合的齿轮可旋转地支承在密闭容器2的侧壁上，由此以刚体动能的形式取出动力。
其次，说明本发明的蒸汽机的工作。
在封入有水的密闭容器2的下方配置的蒸汽产生部4中，从流入路41向空间部供给水。空间部的下方成为例如由内燃机的废热等热源加热的加热部，所供给的水在此处被加热并成为高压的蒸汽。该高压蒸汽从设置在蒸汽产生部4的上方的流出路42向转子1的切线方向喷出。
如图2的虚线的箭头所示，所喷出的蒸汽被送入存在于流出路42正上方的转子1的容积室11中，推开该容积室内的水并充满容积室11内。由此，在图2中，在中心轴的左侧的容积室11中作用有基于蒸汽与水的密度差的浮力，在转子1上作用有顺时针方向的转矩，转子1沿空白箭头所示的方向旋转。并且，在转子1的切线方向上朝向旋转方向进行蒸汽的喷出，由此该蒸汽对分隔壁13赋予冲击的转矩，如图2的实线箭头所示，被推开的水被向旋转方向的后方排出，并对转子赋予反推的转矩。这样，通过将蒸汽的流出路42设定在切线方向上，能够加强基于浮力的转矩。
容积室11内的蒸汽随着转子1的旋转而逐渐被放到密闭容器2的水中，当分隔壁13成为水平状态时，容积室11再次被水充满。此时，当使分隔壁13成为向上凸的曲线状时，能够将蒸汽长时间蓄存在容积室11内。放出到水中的蒸汽成为气泡而在密闭容器2内上升，经由密闭容器2上方的短管，被送入冷凝器3的蒸汽蓄存部31。蒸汽进一步进入冷却管32，在此被冷却而成为冷凝水，冷凝水通过重力向下方移动，并经由短管回流到密闭容器2内。该蒸发、冷凝的过程与热管类似。
在冷凝器3上连接有排出空气等的真空泵34，由此，冷凝器3以及密闭容器2的内部的压力降低而被保持在饱和水蒸汽压。由此，密闭容器2内的水的沸点降低，即使加热部的温度是不那么高的低温状态，水也能够蒸发而成为水蒸汽，并产生使转子1旋转的转矩。
通过由于与转子1一体旋转的磁体5而在铁心7中产生的变动磁场、与发电用线圈6的相互电磁作用，由此转子1的刚体动能作为电能被取出到外部。根据该输出取出方法，在输出取出机构与密闭容器2之间不需要配置密封装置。并且，本发明的转子1为只形成有容积室11和分隔壁13的简单构成，而不具备相对移动的可动部件和复杂的密封装置。由此，能够容易地使发动机成为牢固的构造，结果，使发动机具有良好的耐久性。
工业实用性
如上所述，本发明的蒸汽机为，在充满液体的密闭容器内配置设置了多个容积室的转子，利用作用于该容积室的浮力使转子旋转，通过简单的构造将施加到加热部的热量转换成刚体动能。因此，本发明的蒸汽机能够用作为从各种热源取出动力的热机。在上述实施例中，虽然对将内燃机的废热等低温状态的热量转换成刚体动能的情况进行了说明，但在本发明的蒸汽机中，当然也可以使用燃烧等的高温热源来取出动力。并且，作为成为工作流体的液体不限于水，当然也可以使用例如氨、酒精和氟利昂等冷媒。

Claims (3)

1.一种蒸汽机，其特征在于，
设置有封入液体的密闭容器(2)，使产生液体的蒸汽的蒸汽产生部(4)与上述密闭容器(2)连通地配置在该密闭容器(2)的下方，并且使冷凝液体的蒸汽的冷凝器(3)与上述密闭容器(2)连通地配置在上述密闭容器(2)的上方，
在上述密闭容器(2)的内部设置形成了多个容积室(11)的转子(1)，
将上述转子(1)浸渍在液体中而可旋转地支承在上述密闭容器(2)上，
将加热上述蒸汽产生部(4)而产生的液体的蒸汽供给到上述容积室(11)，
使浮力作用在上述转子(1)的一侧，而使上述转子(1)旋转。
2.如权利要求1所述的蒸汽机，其特征在于，
在上述转子(1)的多个上述容积室(11)之间形成有分隔壁(13)，液体的蒸汽从上述蒸汽产生部(4)朝向上述转子(1)的旋转方向喷出，而被供给到上述容积室(11)。
3.如权利要求1或2所述的蒸汽机，其特征在于，
在上述冷凝器(3)上连接有真空泵(34)，使上述密闭容器(2)以及上述冷凝器(3)内的压力成为液体的饱和蒸汽压。
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