CN1699727A - 蒸汽发动机 - Google Patents

Abstract

一种蒸汽发动机，具有管形液体容器，加热和冷却装置分别设置在液体容器的加热和冷却部分，而输出装置连接到液体容器，以便输出装置通过液体容器中的液体压力变化操作，以产生电力。在此蒸汽发动机中，冷却部分的内半径“r1”制作为接近等于热渗透(在低压)的深度“δ1”，其通过下列公式(1)计算：

…(1)，其中，“a1”为工作液体在其低压的热扩散率，而“ω”为工作液体运动的角频率。

Description

蒸汽发动机

技术领域

本发明涉及一种具有液体容器的蒸汽发动机，其中填充了工作液体，并通过加热和冷却工作液体对工作液体进行汽化和液化的重复操作，以自激励振动的方式在液体容器中振动工作液体。通过在液体容器中进行液体振动操作，在蒸汽发动机的输出装置产生机械能。

背景技术

本领域的技术人员已经熟知用于蒸汽发动机的设备，例如，日本专利公开申请号No：S58-057014中的公开申请，其中工作液体填充在液体容器中，工作液体通过加热装置加热并汽化，而工作液体通过冷却装置冷却并液化，并通过工作液体重复进行汽化和液化获得能量。

即，在上述蒸汽发动机中的输出装置获得机械能，其通过工作液体在液体容器中的压力变化进行操作，其中压力变化通过工作液体的状态变化(汽化和液化)产生。

本发明的发明者已经在日本专利局申请了涉及蒸汽发动机的另一个专利，其以2004-84523的公开号进行了公开。

先前专利申请的蒸汽发动机500的结构显示在图24中。

蒸汽发动机500包括填充工作液体的U型液体容器502、用于加热液体容器502中工作液体的加热装置504、用于冷却和液化通过加热装置504加热产生的蒸汽的冷却装置506、以及输出装置508。

输出装置508包括汽缸510、在汽缸510中往复移动的活塞512、在其一端与活塞512连接的移动轴514、以及连接到移动轴514的另一端的弹簧516，其中活塞512通过接受液体容器502中的工作液体的液体压力在汽缸510中往复移动。

在上述蒸汽发动机500中，当液体容器502中的工作液体通过加热装置504加热并汽化时，产生了工作液体(蒸汽)的体积膨胀。产生的蒸汽在容器502中向下移动并通过冷却装置506冷却并液化。然后，液体容器502中工作液体的体积收缩。活塞512和输出装置508的移动轴514接受由于工作液体的体积膨胀和收缩造成的液体容器502中的压力变化，从而往复移动活塞512。

当将永久磁铁设置到移动轴514并将电磁线圈设置为面对磁铁时，根据活塞512和移动轴514的往复运动，在线圈中产生电动势，并产生电力。

然而，上述蒸汽发动机具有一些缺点或问题，说明如下：

(1)首先，当液化工作液体蒸汽的液体容器冷却部分的截面面积设计的不合适时，蒸汽发动机输出能量将变得很小。

例如，在液体容器冷却部分的截面面积(设置冷却装置处)制作得过小的情况下，用于在截面方向从冷却部分的内表面将热量传递到液体容器中的工作液体的中心的热传递时间变得很短。结果，用于冷却部分工作液体的冷却效率变得很高，以便气相的工作液体(蒸汽)在很短的时间内液化。

在此蒸汽发动机中，加热装置处产生的蒸汽移向冷却装置，而蒸汽在冷却部分立刻液化。工作液体的体积膨胀抑制到很小的量，降低了蒸汽发动机的输出能量。上述情况的p-v图显示在图23B中，其中工作液体的压力和体积之间的关系通过实线表示。

图23A显示了正确进行工作液体的汽化和液化情况下的p-v图，图23A中的需求值通过图23B和23C中的虚线表示。如图23B所示，p-v图的面积变得小于所需值的面积，且输出能量相应减少。

另一方面，在液体容器中冷却部分的截面面积制作得过大的情况下，用于从冷却部分的内表面将热量传递到工作液体的中心的热传递时间变得很长。结果，用于冷却部分处工作液体的冷却效率变得很低，以便需要更长的时间液化气相的工作液体(蒸汽)。

在此情况下，即使通过加热装置产生的蒸汽移动到冷却装置，则由于长时间周期的液化，气相的工作液体也保持更长的时间周期且液体容器内的液体压力保持在高值。结果，如图23C所示，p-v图的面积变得较小，同样也降低了输出能量。此外，当气相的工作液体保持在加热装置处时，液相的工作液体很难汽化。结果，不能增加通过汽化产生的液体压力，从而使蒸汽发动机的操作不规律地停机。

此外，在液体容器的连接通道部分的截面面积(其为加热装置和冷却装置之间的通道部分)制作为较小的情况下，用于在截面方向从连接通道部分的内表面将热量传递到液体容器中工作液体的中心的热传递时间变得很短。结果，用于冷却连接通道部分工作液体的冷却效率变得很高。

在此情况下，当蒸汽移向冷却装置时，加热装置处产生的蒸汽在连接通道部分处液化。如图23B所示的p-v图，由于汽化的工作液体体积膨胀抑制到很小量，减少了蒸汽发动机的输出能量。

(2)为了增加蒸汽发动机产生的输出机械能，不仅需要将输入能量增加到蒸汽发动机，而且需要增加从加热和冷却装置传递到工作液体的热交换量。例如，通过设定加热装置的温度在较高值以及通过设定冷却装置的温度在较低值，可以增加热交换的量。

然而，在增加加热装置温度和降低冷却装置温度的上述方法中，不可避免的需要将输入能量增加到加热和冷却装置。因此，如果从热能到机械能的能量传递效率较低，则一方面增加了通过蒸汽发动机获得的输出机械能，而另一方面，能量损失将副面地变大。

蒸汽发动机产生的机械能可以通过增加各个加热和冷却装置的液体容器的加热和冷却部分的表面面积增加，而不改变(增加或减少)加热和冷却装置的预设温度。

在简单地增大装置的加热和冷却部分的截面面积以增加表面面积的情况下，从内表面到工作液体的中心的液体容器截面方向的热传递时间变长。由此，降低了在各个加热和冷却部分的加热和冷却效率，从而不能充分地改进能量传递效率。结果，不能充分地在蒸汽发动机中产生机械能。

(3)在图24中所示的蒸汽发动机500中，如此形成加热装置504以环绕液体容器502的加热部分，以便其从其外围加热液体容器502中的工作液体。然而，其问题在于，在此蒸汽发动机中加热效率不是充分地高。

在如上所述加热装置504中，如图25所示，即工作液体从液体容器502的外围加热时，存在温度梯度。随着与加热装置504的距离变长，工作液体的温度变低。

因此，作为通过加热装置504进行加热操作的结果，液体容器502中的工作液体由“汽化的气相(蒸汽)工作液体”和“加热但不汽化的液相工作液体”组成。与蒸汽一起移向冷却装置506的液相工作液体通过冷却装置506冷却，而不在液体振动中起作用(工作液体的膨胀和收缩)。因此，此种蒸汽发动机具有更大的热损失。

发明内容

本发明就是鉴于上述问题提出的。本发明的目的之一在于提供一种蒸汽发动机，其中液体容器中的工作液体作为工作液体汽化和液化重复操作的结果，以适当的振动方式振动，以防止输出机械能的减少。

本发明的另一目的在于提供一种蒸汽发动机，其中改进了能量传递效率以增加输出机械能。

本发明的还一个目的在于提供一种蒸汽发动机，其中增加了加热和冷却效率。

根据本发明的特征，蒸汽发动机具有填充工作液体的管形液体容器，加热装置和冷却装置分别设置在液体容器的加热部分和冷却部分，而输出装置连接到液体容器以便输出装置通过液体容器中的液体压力变化操作以产生能量(电能)，其中工作液体通过加热和冷却装置汽化和液化以通过工作液体的体积变化产生液体振动。在此蒸汽发动机中，冷却部分的内半径“r1”制作为接近等于热渗透的深度“δ1”(在低压时)，其通过下列公式(1)计算：

$\mathrm{\δ}1=\sqrt{\frac{2a1}{\mathrm{\ω}}}---\left(1\right)$

其中，“a1”为工作液体在其低压的热扩散率，以及

“ω”为液体容器中工作液体运动的角频率，以及

其中热扩散率“a1”从对应于工作液体的压力变化范围的那些值中选择，其为从下极限到高于下限25％的液体压力的液体压力范围。

根据本发明的另一特征，液体容器还包括用于将加热部分与冷却部分连接的连接部分，其中连接部分的内半径“r2”制作为满足下列公式(2)和(3)：

$\frac{{\left(r2\right)}^2}{2\·a2}=\mathrm{\τ}---\left(2\right)$

ω·τ≥10                 (3)

其中，“a2”为工作液体在其高压时的热扩散率，以及

“ω”为液体容器中工作液体运动的角频率，以及

根据本发明的进一步的特征，在具有管形液体容器的蒸汽发动机中，加热和冷却装置分别设置在液体容器的加热和冷却部分，而输出装置连接到液体容器，每个加热部分和冷却部分都包括多个小管部分。

根据本发明的另一特征，在具有管形液体容器的蒸汽发动机中，加热和冷却装置分别设置在液体容器的加热和冷却部分，而输出装置连接到液体容器，加热装置设置为垂直方向高于冷却装置，气体填充在液体容器的加热部分以便加热部分的内空间不会填充有液相工作液体，工作液体供给装置设置在加热部分以将液相的工作液体供给到加热部分。

工作液体供给装置包括形成于加热部分内表面的多个窄槽和/或多个微槽。工作液体供给装置还可以替代地通过形成于加热部分内表面的吸水表面形成。

附图说明

参照相应的附图对下面优选实施方式进行具体说明，将使本发明的前述和其它目的、特征和优点变得更加清晰和容易理解。在图中：

图1是显示根据本发明第一实施方式的蒸汽发动机的简图；

图2是显示蒸汽发动机操作原理的简图；

图3是显示第一实施方式中的冷却装置的截面简图；

图4是显示第一实施方式中的加热装置的截面简图；

图5是显示能量损失和参数“ωτ”之间关系的曲线；

图6是显示根据本发明第二实施方式的蒸汽发动机的简图；

图7是显示第二实施方式中的加热和冷却装置的截面简图；

图8是显示第二实施方式中的加热装置的透视图；

图9是显示加热装置的温度变化曲线和截面视图；

图10是显示第三实施方式中的加热和冷却装置的截面简图；

图11到14是分别显示第三实施方式的改进方式的加热和冷却装置的截面简图；

图15是显示根据本发明第四实施方式中的蒸汽发动机的简图；

图16A和16B是显示图15中所示第四实施方式的加热装置的透视图；

图17和18是显示根据第四实施方式的改进方式的加热装置的透视图；

图19A是显示根据本发明第五实施方式的蒸汽发动机的简图；

图19B是显示图19A中所示第五实施方式的加热装置的透视图；

图20A和20B是显示第五实施方式中的加热装置一部分的平面视图；

图21是显示根据本发明第五实施方式中的改进方式的加热装置的透视图；

图22是显示根据本发明第六实施方式中的蒸汽发动机一部分的透视图；

图23A、23B和23C是显示液体压力和工作液体体积之间关系的p-v图表；

图24是显示根据现有技术中的蒸汽发动机的简图；以及

图25是显示图24加热装置的放大视图。

具体实施方式

(第一实施方式)

下面将参照附图对本发明的第一实施方式进行说明。

在图1所示的第一实施方式中，蒸汽发动机110施用到线性电动机，其中输出装置(发电机)101的移动件102振动。电力装置包括蒸汽发动机110和发电机101。

发电机101为线性振动发生器，其中永久磁铁(未示出)固定到移动件102，而电动势通过振动(摆动)移动件102产生。

如图1所示，蒸汽发动机110包括填充有预定压力的工作液体120的液体容器111、用于加热液体容器111中工作液体120的加热装置112、以及用于冷却在加热装置112产生的蒸汽的冷却装置113。

加热装置112和冷却装置113设置为彼此分离，以便加热和冷却装置彼此不直接接触。

在蒸汽发动机110用于水冷型内燃机的情况下，加热装置112可以作为加热装置设计，其通过使用从内燃机喷射出的废气加热工作液体120。而冷却装置113可以作为冷却装置设计，其通过使用发动机的冷却水冷却工作液体120。

液体容器111形成具有底管部分111a和一对(第一和第二)从底管部分111a两端延伸的垂直延伸的直管部分111b和111c。

第一直管部分111b包括在其处设置加热装置112的加热部分131、在其处设置冷却装置113的冷却部分133、以及用于使以上加热和冷却部分131和133彼此连接的连接部分135。

液体容器111的加热和冷却部分131和133由具有高热传导性的金属制作，而液体容器111的其他部分优选由高热绝缘特性的材料制作。液体容器111还由相对于填充在液体容器111中的工作液体具有高抗腐蚀特性的材料制作。

在此实施方式中，水用作工作液体120，而液体容器111的加热和冷却部分131和133由铜或铝制作，而其他部分由不锈钢制作。

如上所述，液体容器111由不锈钢和铜(或铝)制作并形成U型管，其中底管部分111a设置在最底下的位置，而两个直管部分111b和111c为垂直并从底管部分111a向上延伸。

液体容器111的加热部分131的位置形成于在垂直方向高于冷却部分133的位置，且第一直管部分的顶端封闭。

加热装置112设置到第一管部分以环绕加热部分131，而冷却装置113设置到第一管部分以环绕冷却部分133。

活塞114设置在第二管部分111c的顶端，活塞114可移动地保持在汽缸115中以根据液体压力向上和下移动。

活塞114连接到输出装置101中的移动件102的移动轴102a。弹簧103设置输出装置101中，在移动件102和与移动件102相对的端部之间，以便其通过其弹簧力向下激励活塞114。

如图2所示，当蒸汽发动机110的加热和冷却装置112和113开始其操作时，液体容器111中液相的工作液体在加热装置112处进行其第一次加热并汽化(等温膨胀)。汽化的工作液体(蒸汽)进一步膨胀(绝热膨胀)，向下推动第一管部分111b中的液相工作液体。液相工作液体120在液体容器111中从第一管部分111b向第二管部分111c移动，以向上推动活塞114。

第一管部分111b中的工作液体的液体表面(液相和气相工作液体之间)向下推到冷却装置113的冷却部分133。当蒸汽进入冷却部分133时，蒸汽通过冷却装置113冷却并液化。用于向下推动第一管部分111b中液相工作液体的压力消失，从而使液体表面在第一管部分111b中向上移动(从等温压缩到绝热压缩过程)。发电机101的活塞114相应地向下移动。

在液体容器111中的工作液体120周期振动(自激励振动方式)期间，继续以上工作液体的膨胀和收缩操作直到加热和冷却装置112和113停止为止。如上所述，在蒸汽发动机110中产生工作液体120的压力变化，而压力变化转换成为机械能以向上和下移动活塞114。

在上述蒸汽发动机110中，高温和高压的工作液体(蒸汽)不直接与活塞114接触，因此，蒸汽发动机110具有高的耐久性。

液体容器111的冷却部分133设计为以便冷却部分133的内半径“r1”等于热渗透(在低压)的深度“δ1”，其通过下列公式(1)计算：

$\mathrm{\δ}1=\sqrt{\frac{2a1}{\mathrm{\ω}}}---\left(1\right)$

图3是显示液体容器111的冷却部分133的放大截面简图，其中“Φd”为冷却部分133的内直径，而“r1”为其内半径。

在上述公式(1)中，“a1”为工作液体120在低压的热扩散率[m²/sec.]，而“ω”为表示液体容器111中工作液体120特性(即，表示活塞114往复运动特性)的角频率[rad/sec.]。

液体容器111中工作液体120的液体压力在其下限的工作液体的热扩散率作为热扩散率“a1”使用。液体容器111的内部液体压力根据工作液体状态(汽化和液化)的变化发生改变。即，热扩散率“a1”为当内部液体压力为压力变化范围内的最小值(压力范围从工作液体120的液体压力的最大到最小值)时的值。而热渗透(在低压)的深度“δ1”定义为由公式(1)计算的值，其中使用上述热扩散率“a1”。

热渗透的深度“δ1”为用于表示工作液体中热传递条件的参数之一，其在液体容器中以角频率“ω”振动。当液体容器111的内半径“r1”设计为等于热渗透(在低压)的深度“δ1”时，工作液体120和冷却装置113之间的冷却部分133处的热交换量可以控制在预定的范围。

根据本发明的蒸汽发动机110，冷却部分133处的冷却效率防止变得过高或过低，从而使气相工作液体(蒸汽)可以在适当的时间液化。

具体地说，由于液体容器111中工作液体120的液体压力在其下限的工作液体120的热扩散率用作本实施方式蒸汽发动机110中的热扩散率“a1”，所以，冷却效率在液体容器111的内部液体压力(工作液体120的压力)变到其下限时变到最大。即，当工作液体120的体积变为其最大值时，气相工作液体120以最大效率液化，以便可以利用工作液体的膨胀能量而没有能量损失。

如上所述，根据本实施方式的蒸汽发动机110，气相工作液体(蒸汽)可以在适当的时间液化。工作液体120可以适当地振动，以防止通过活塞114的往复运动在输出装置101产生的输出能量减少。另外，由于气相工作液体120的液化不会过分延迟，所以，防止了由于液体容器111中液体振动的停止造成的蒸汽发动机110不正常停机。

根据上述实施方式，液体容器111连接部分135的内半径“r2”还设计为以便满足下列公式(2)和(3)：

$\frac{{\left(r2\right)}^2}{2\·a2}=\mathrm{\τ}---\left(2\right)$

ω·τ≥10             (3)

图4是显示液体容器111的加热部分131和连接部分135的放大截面视图，其中“r2”为连接部分135的内半径。

在上述公式(2)中，“a2”为工作液体在其高压的热扩散率，其中高压意味着液体压力在压力变化范围的上限。即，液体容器中的液体压力在其最大值时，热扩散率“a2”(在高压处)为工作液体的热扩散率值。

图5显示了公式(3)的左部分“ωτ”和通过从工作液体120到连接部分135的热传递产生的热损失比率之间的关系。从图5可以看出，热损失比率随着“ωτ”值的增加而减少。

在图5中，当“ωτ”值为10时，热损失比率大约为16％。因为连接部分135的内半径“r2”设计为满足公式(2)和(3)，所以，蒸汽发动机110的连接部分135的热损失可以适当地抑制到小于20％的值，其中“ωτ”大于10。

作为连接部分135的热损失比率小于20％的结果，防止了气相工作液体(蒸汽)120在连接部分135处的液化。工作液体120的蒸汽可以在冷却部分133液化，以便在液体容器111中获得充分量的工作液体的体积膨胀。

液体容器111中工作液体120内部液体压力可以充分增加到高值，以有效地操作活塞，从而防止输出装置101处产生的输出能量的减少。

如图4所示，加热部分131的内半径设计为等于连接部分135的内半径“r2”。即，加热部分131的内表面平滑地连接到连接部分135的内表面，而没有任何阶梯部分，以便加热部分131和连接部分135之间的工作液体120的运动可以平滑进行。

可以防止在阶梯部分形成于其间的情况下，当工作液体从加热部分131移动到连接部分135时产生的工作液体的任何能量损失。相应地，也可以防止在输出装置101处输出能量减少的可能。

如图3或图1所示，加热部分131的内半径、以及冷却部分133的内半径“r1”设计为等于连接部分135的内半径“r2”。即，加热和冷却部分131和133的内表面与连接部分135的内表面彼此平滑连接，以便工作液体120可以在液体容器111中平滑移动。

然而，加热和/或冷却部分131和133的内半径不是必须设计为精确地等于连接部分135的内半径。只要当加热和/或冷却部分131和133的内半径接近等于(几乎等于)连接部分135的内半径时，就可以获得液体容器111中工作液体120的平滑运动。

本发明不局限于上述实施方式，任何改进方式都在本发明的保护范围内。

例如，在上述实施方式中，热扩散率“a1”定义为当内部液体压力在压力变化范围最小值(下限)时的值。当从压力变化范围的下限到高于整个压力变化范围下限的25％的值的压力范围定义为下压力范围时，热扩散率“a1”可以从下压力范围中的热扩散率任意选择一个，以便气相的工作液体可以在适当的时间汽化。

因此，在冷却部分133的内半径“r1”设计为等于或接近等于热渗透的深度“δ1”(在低压范围处)，且深度“δ1”由公式(1)用热扩散率“a1”(在低压范围)计算的液体容器111中，冷却部分133处的工作液体120和冷却装置113之间的热交换量可以控制在预定范围内。

根据具有以上液体容器111的蒸汽发动机110，气相工作液体(蒸汽)120可以在适当的时候液化，从而可以防止在输出装置101处输出能量的减少。

在以上实施方式中，连接部分135的内半径设计为“ωτ”值设定为大于“10”。在需要进一步减少热损失的情况下，通过获得更高值处“ωτ”值达到要求。

例如，如图5所示，如果要求热损失比率小于10％，则连接部分135的内半径“r2”如此设计以便“ωτ”值设定为大于“20”。如果要求热损失比率小于5％，则连接部分135的内半径“r2”如此设计以便“ωτ”值设定为大于“30”。另外，如果要求热损失比率小于2％，则连接部分135的内半径“r2”如此设计以便“ωτ”值设定为大于“100”。

加热装置112不局限于来自发动机的废气用于热源的装置。电加热装置或使用气体燃烧的加热装置都可以用作加热装置112。

(第二实施方式)

下面将参照图6到9说明本发明的第二实施方式，其中同样的标号用于标明与第一实施方式同样或相似的部分。

在图6中，第一直管部分111b的加热部分131、连接部分135以及冷却部分133都由多个小管部分215构成，而第一直管部分111b的下部分由集中管部分216构成。小管部分215的每个下端都与集中管部分216连通，而小管部分215的每个上端都封闭。

加热装置112和冷却装置113分别形成为环绕多个小管部分215的加热部分131和冷却部分133。

图7显示了加热和冷却装置112和113的放大截面简图，其中各个小管部分215中的工作液体120液面向下推动。各个小管部分215(图7中)中的箭头表示用于向下推动液相工作液体120的气相工作液体的压力方向。

如图7所示，当向下推动液相工作液体120的液面时，液相工作液体从第一直管部分111b向第二直管部分111c移动，以向上移动活塞114。

当液面向下移动到冷却部分133时，蒸汽进入冷却部分133环绕的管部分，蒸汽通过冷却部分133冷却并液化。用于向下推动第一直管部分111b中液相工作液体的压力消失，从而使第一管部分111b的液面向上移动(从等温压缩到绝热压缩的过程)。发电机(输出装置)101的活塞114相应地向下移动。

由于冷却和加热部分112和113由多个小管部分215组成，所以，增加了与工作液体120接触的那些部分的表面面积；增加了加热/冷却装置112/113和工作液体120之间的热交换面积。增进了热交换量，从而增加了热传递效率。

因此，可以增加热交换量，而不改变用于加热和冷却装置112和113的预设温度(即，不增加用于加热装置112的温度，且不降低用于冷却装置113的温度)。

因此，作为改进能量传递效率的结果，增加了由输出装置101输出的能量。

当将本实施方式与放大用于热交换的表面面积以便表面面积变为等于本实施方式中表面面积的单管部分的情况相比较时，本发明液体容器111的实体内容(具有多个小管部分)可以制作为小于单管部分的实体内容。

因此，根据第二实施方式，可以通过增加热交换效率增加输出能量，同时，蒸汽发动机可以制作为小尺寸。

在第二实施方式中，从发动机排出的高温废气用于加热装置112的热源(加热液体)，其中废气与液体容器111的加热部分131接触，以加热液体容器111中的工作液体120。

图8显示了加热装置112的内部结构的透视图以及热源(废气)的流动方向。

加热装置112包括具有入口和出口(未示出)的箱形壳体(未示出)。加热装置112还包括在壳体内的多个散热片218，其中多个通孔形成于散热片218中，以便小管部分215插入通孔。加热气体(废气)通过入口流进壳体，并在图8中的箭头指示方向流过壳体的内部。

当废气在壳体中从上游侧(入口侧)流向下游侧(出口测)时，因为废气的热量被小管部分215中的工作液体吸收，所以，废气的温度从上游侧到下游侧逐渐下降。

如图9所示，在其上部分，显示了废气相对流动方向(从上游到下游)的温度变化曲线。在其下部分，显示了加热装置112的放大截面视图。在图9中，显示了彼此具有同样表面面积的多个小管部分215。

在图9所示的加热装置112的情况下，在上游侧小管部分215处吸收的热量不同于在下游侧小管部分215处吸收的热量。各个小管部分产生的压力也不同，从而使各个管部分中汽化的时间彼此也不同。换言之，液体压力在各个管部分215中增加的时间也彼此不同。

当汽化时间彼此不同时，与以上图9的加热装置一样，用于具有较高液体压力的小管部分215中的工作液体120的液体运动的能量消耗用于减少具有低液体压力的其他小管部分215中的气相工作液体的体积。由此，使通过工作液体汽化产生的能量消耗在具有不同内部液体压力的小管部分215中。液体运动不在底管部分111a和第二直管部分111c中发生，而加热装置112中的液体压力变化不完全地传递到活塞114。

根据本发明的实施方式，如图8所示，废气流下游侧的小管部分215的直径“L2”制作为大于上游侧的小管部分215的直径“L1”(L1＜L2)，以便下游管部分的表面面积大于上游管部分的表面面积。随着管部分与废气流方向的上游管部分分离时，小管部分的表面面积逐渐增加，以便随着小管部分与上游管部分分离时，增加从废气的热收集性能。

图9显示了加热装置112的曲线和截面视图，其中可以在各个(五个不同的)小管部分215收集的热量Q1到Q5通过公式表示。

在图9所示的公式中，“h”为热传递系数[W/m²×k]，而“TW”为加热前小管部分215的温度“K”。“T1”到“T5”为已经从上游侧到下游侧通过各个小管部分215的废气温度。“A1”到“A5”为各个小管部分215的加热部分的表面面积。

为了使从各个小管部分的废气收集的热量接近彼此相等，要求使“Q1”到“Q5”彼此相等。应该清晰，加热前小管部分215的热传递系数“h”和温度“TW”在这五个小管部分中接近彼此相等。也应该清晰，废气的温度“T1”到“T5”之间存在关系：T1＞T2＞T3＞T4＞T5。

因此，可以通过使各个小管部分的面积满足关系A1＜A2＜A3＜A4＜A5，使“Q1”到“Q5”接近彼此相等。

根据本发明的实施方式，液体容器111的小管部分215如此形成以便这些小管部分的表面面积从废气流的上游到下游侧的方向逐渐增加。

在以上液体容器111中，各个小管部分215的热收集性能从上游到下游侧增加。结果，即使在废气的温度从上游到下游侧降低的情况下，在各个小管部分215收集的热量的差异可以减少到很小的量，并可以使各个小管部分215中液体内压的不平衡最小化。

如上所述，通过将小管部分中的液体压力差降低到最小量，具有多个小管部分215的蒸汽发动机110的液体容器111防止了能量在其他小管部分215中的不经济消耗。工作液体120的液体压力可以适当地施加到活塞114，并可以在输出装置101处获得适当的机械能。

(第三实施方式)

下面将参照附图10说明根据第三实施方式的蒸汽发动机110，其中连通部分243设置成与小管部分215彼此连通。

蒸汽发动机110在第一直管部分111b顶端部分的结构上与第二实施方式(图6到8)不同。

图10显示了第一直管部分111b、加热装置112以及冷却装置113顶端部分的截面视图，其中通过液体容器111中蒸汽的液体压力向下推动液相工作液体120。

如图10所示，连通部分243形成于液体容器111的顶端以彼此连通小管部分215(在加热部分131的上端)，以便连通部分243的内部空间与所有小管部分215的内部空间连通。

由于工作液体(气相)120可以在小管部分215中移动，所以，各个小管部分的内部液体压力可以制作为彼此相等或基本相等。

气相的工作液体可以移动得比液相工作液体快，而大多数高压气相工作液体在小管部分215的上部分(在液体容器111的加热部分131)产生。因此，高压气相工作液体可以通过连通部分243在小管部分215中移动。

在以上结构中，即使在每个小管部分215中的汽化时间(压力增加时间)彼此不同，小管部分215中的压力差也可以通过连通部分243立即消除。

(第二和第三实施方式的改进方式)

可以对以上实施方式进行各种改进。

在图11显示的蒸汽发动机中，随着小管部分215与加热装置112上游侧的距离变长，小管部分215的加热部分131的长度制作为更长。加热部分131的表面面积从加热装置112的上游到下游侧逐渐增加。

如图12所示，连通部分243不是必须设置在小管部分215的顶端，而是可以设置在加热部分131的任何其他部分。

此外，如图13所示，连通部分243不是必须设置在加热部分131的同样高度，而是可以设置在小管部分215的不同高度。

此外，如图14所示，连通部分243不是必须设置为与所有的小管部分215彼此连通，而可以设置为使一组小管部分与另一组彼此连通，而使另一组小管部分与独立于第一组小管部分的其他组的小管部分彼此连通。

在图14中，第一连通部分245与第二和第四小管部分彼此连通，第二连通部分246与第一、第三和第五小管部分彼此连通。

根据本发明者的实验，可以肯定，以上第一组(245)小管部分中的平均液体压力接近等于第二组(246)小管部分中的平均液体压力。

加热装置112不局限于上述说明的由外部加热源(如内燃机)提供加热气体的加热装置，而可以包括电加热器和气体燃烧器。在此改进的蒸汽发动机中，加热装置的各个小管部分都可以单独加热以降低供给到各个小管部分的热量变化。

加热装置112和冷却装置113可以设置为彼此靠近，而没有连接部分。小管部分的数量不局限于五个。

(第四实施方式)

下面将参照附图15、16A和16B说明本发明的第四实施方式。

下面将参照附图15、16A和16B说明加热装置112的第一直管部分111b，其中图16A和16B显示了加热部分(112)的内部结构，其设置在第一直管部分111b的顶端318。

多个窄槽340形成于管部分111b的加热部分(112)的内表面。窄槽340向管部分111b的冷却部分(113)纵向延伸。窄槽340如此形成以通过管部分111b中的液相工作液体产生毛细管现象。防水表面342在管部分111b的加热部分(112)和冷却部分(113)(在窄槽340的下端)之间的位置形成于管部分111b的内表面。

在第四实施方式的蒸汽发动机110中，气体填充在第一直管部分111b，以便加热部分(112)的内部空间不会填充有液相的工作液体。

与第一实施方式的方式相同，活塞114可移动地保持在汽缸115中。当液体容器111中的液体压力增加时，活塞114向上移动到其顶端死点，而当液体容器111中的液体压力减少时，活塞114向下移动到其底端死点。

当活塞114向下移动时，第一直管部分111b中的液相工作液体的液体表面向上移动。而当活塞114到达其底端死点时，第一直管部分111b的液面到达其最高位置。

根据本实施方式，如图16A所示，当液面到达第一直管部分111b中的最高位置时，液面到达窄槽340的下端。

然后，由于毛细管现象，液相工作液体通过窄槽340供给到加热部分(112)的内表面。然后，工作液体通过加热装置112加热并汽化，并在液体容器111中通过汽化使工作液体的体积膨胀。

如图16B所示，工作液体的液体表面向下推到低于防水表面342的位置。从而向上推动第二直管部分111c的上端320处的液体表面。活塞114和输出装置101的移动件102向上移动。

气相工作液体的下部分通过汽化的体积膨胀进一步向下移动，并进入冷却装置113的冷却部分的空间。

气相工作液体在冷却部分(113)冷却并液化，而液体容器111中的工作液体体积收缩。

由于工作液体的体积收缩，第一直管部分111b中的液面向上移动，而第二直管部分111c中的液面向下移动。活塞114以及移动件102通过弹簧103的弹力向下推动。当活塞114移动到其底端死点时，第一直管部分111b中的液面向上移动到窄槽340(图16A)。

以上体积的膨胀和收缩重复进行以往复移动活塞114和移动件102，以便产生电力。

在以上蒸汽发动机110中，第一直管部分111b中液面的最高位置在窄槽340的下位置，而通过加热装置112加热的液相工作液体只是通过窄槽340供给到加热部分(112)内表面的工作液体。从而完全汽化加热部分(112)的液相工作液体。

如上所述，通过加热装置112加热但不汽化的液相工作液体的量为最小。即，热损失为最小。

由于防水表面342形成于窄槽340的下部分，所以，可以更正确地进行液体容器111中工作液体的运动(工作液体的自激励振动)。

当工作液体通过工作液体的汽化在第一直管部分111b中向下推动时，液面通过防水表面342进一步移动到低于防水表面342的位置(图16B)。

当工作液体如上所述向下推动时，在窄槽340和液面之间具有防水表面342。因此，防止了液相工作液体通过毛细管现象穿过窄槽340继续向上到达加热部分(112)。

即使液面已经向下推动后，在保持在加热部分(112)的窄槽340中的液相工作液体继续加热并汽化的情况下，也不可能进行工作液体自激励振动的稳定操作。然而，根据本实施方式，通过防水表面342防止了液相工作液体的继续汽化。

加热部分(112)内表面的结构不局限于图16A的多个窄槽340。

图17显示了加热部分内表面结构改进方式的视图。在图17中，多个窄槽340a形成于第一直管部分111b的内表面，与图16A的方式相同，在加热部分的垂直方向延伸。此外，由窄槽340a分出的大量微槽340b形成于内表面。因此增加了窄槽340a和微槽340b的表面面积，以便可以将相对大量的液相工作液体供给到加热部分(112)。

由于可以增加液相工作液体的量，即通过汽化的气相工作液体的量，所以，可以相应地增加蒸汽发动机110的输出。

规律地形成于内表面的窄槽340(340a)可以通过机加工或化学处理如蚀刻加工形成。不规律地形成于内表面的微槽340b同样也可以通过化学处理如蚀刻加工形成，以便使内表面变粗糙。微槽340b可以替代地通过形成不规律的微凸表面形成，其中金属分离通过将管部分111b浸渍进电解溶液中形成。

如图18所示，防水表面343可以形成于加热部分(112)的内表面，而不是形成于窄槽340(340a)和微槽340b。

例如，防水表面343可以通过下列方法形成：

(1)保护层由吸水陶瓷材料如CaF₂、CaO、MgO、Al₂O₃、BeO、ZnO、TiO₂、SiO₂、SnO₂、Cu₂O、Na₂S、B₂O₂、CaS、CuO等形成。

在保护层由SiO₂(玻璃)的吸水陶瓷材料形成，而第一管部分111b的加热部分由铝形成的情况下，保护层可以以此方式形成以便加热部分(其上粘附由液体玻璃)加热。

(2)组合亲水基如氢氧基(-OH基)、羧基(-COOH基)。

(3)在管部分111b由金属如铜制作的情况下，泡沫金属的烧结金属材料或扩散粘结材料粘附到管部分111b加热部分(112)的内表面。粘附材料优选与管部分111b同样的原材料。

(4)在管部分111b由碳的烧结材料制作的情况下，将(-Si-O-H基)组合到管部分111b的内表面。

以上吸水表面343也可以形成在窄槽340(340a)和微槽340b的表面上，以便可以更快地将液相工作液体供给到加热部分(112)。可以增加蒸汽发动机110的响应，即液体容器中工作液体的自激励振动的频率可以分离为更高的频率范围。

具有比水更低表面张力的液体如乙醇可以用作工作液体，以便可以快速地将液相工作液体供给到加热部分(112)。在使用水作为工作液体的情况下，可以将清洁剂混合到水中以降低表面张力。

(第五实施方式)

下面将参照附图19A、19B到21说明本发明的第五实施方式。

图19A显示了第五实施方式的蒸汽发动机110的简图，图19B显示了通过图19A中的虚线圈出的加热装置112A的放大透视图，而图20A和20B显示了加热装置112A的加热部分的顶面视图。

第五实施方式不同于以上第四实施方式之处在于加热装置112A的加热部分由圆盘型的加热部分322形成，其设置在第一直管部分111b的顶端，并具有水平延伸的圆盘型内表面324。加热装置112A设置在加热部分322的外围。

在第五实施方式中，通过最大限度地减少在加热装置112A加热和汽化的工作液体的量，加热装置112A的垂直厚度“T1”制作为较小以增加蒸汽发动机110的热效率。例如，如图19A所示，厚度“T1”制作为小于第一直管部分111b的直径“T2”。

如图20A所示，从与第一直管部分111b的顶端连通中心开口326的径向向外延伸(有规律地)的多个窄槽327a形成于内表面324。多个微槽327b还形成于(不规律地)内表面324。窄槽327a和微槽327b如此形成以便通过管部分111b中的液相工作液体产生毛细管现象。与以上第四实施方式的方式相同，窄槽327a和微槽327b可以通过机械加工和化学蚀刻加工形成。

形成于内表面324的槽(327a和327b)的结构不局限于图20A所示的结构。例如，槽的结构可以制作为图20B所示的结构，其中窄槽328规律地形成。窄槽328a从中心开口326的径向向外延伸，而窄槽328b形成为相对中心开口326具有不同直径的同心圆。

在第五实施方式的蒸汽发动机110中，气体填充在加热部分322中，以便加热部分的内部空间不会填充有液相工作液体。

当活塞114移动到其底端死点时，第一直管部分111b中的液面移动到其中心孔326填充有工作液体的最高位置。

由于毛细管现象，液相工作液体通过窄槽327(328)蔓延到整个内表面324。通过加热装置112A加热并汽化，使液体容器111中工作液体的体积膨胀。

由于形成于加热部分322的窄槽327(328)水平延伸，因为液相工作液体的水平运动受到重力的影响很小，所以，液相工作液体通过槽327(328)的供给速度高于第四实施方式(图15到18)的蒸汽发动机。相应地增加了蒸汽发动机110的响应。

如图21所示，吸水表面329可以形成于加热部分的内表面324，而不是窄槽327(328)，以促进工作液体供给到加热部分。吸水表面也可以以第四实施方式同样的方式形成。

吸水表面329还可以形成于窄槽327和328的表面，以进一步增加工作液体的供给速度。

(第六实施方式)

下面将参照附图22说明本发明的第六实施方式。

图22为第四实施方式(图15到18)的改进方式并显示了第一直管部分111b的上部分。第六实施方式与第四实施方式的不同之处在于支管350设置在第一直管部分111b的上部分，其中支管350的上端连接到加热部分(112)的部分“A”并在其下端连接到低于加热装置112的直管部分的部分“B”。支管350的内直径如此设计，以便液相工作液体通过毛细管现象供给到加热部分(部分A)。

在第六实施方式的蒸汽发动机110中，气体填充在加热部分(112)中，以便加热部分的内部空间不会填充有液相工作液体。

当设置在第二直管部分的活塞移动到其底端死点时，第一直管部分111b中的液面在稍微高于支管350的部分“B”的位置，以便由于毛细管现象液相工作液体通过支管350向上供给到加热部分(112)。

根据第六实施方式，在加热装置112处加热和汽化的液相工作液体的量限于通过支管350将工作液体供给到加热部分的量。从而完全汽化液相工作液体。

如上所述，加热但不汽化并移向冷却装置的工作液体量可以为最小，以便热损失最小。

窄槽(340)和/或吸水表面(343)也可以形成于支管350的内表面。

Claims (20)

1.一种蒸汽发动机，包括：

其中填充有工作液体且工作液体可以移动的液体容器(111)；

用于加热液体容器(111)中的工作液体并汽化工作液体以产生蒸汽的加热装置(112)；

用于冷却和液化通过加热装置(112)汽化的蒸汽的冷却装置(113)；以及

输出装置(101)，其具有通过液体容器(111)中工作液体的压力变化往复移动的移动件(102)，并输出由移动件(102)的往复运动转换的能量，

其中液体容器(111)包括管形部分(111a)，所述管形部分具有加热部分(131)，其中在加热部分处设置有加热装置(112)，以及冷却部分(133)，其中在冷却部分处设置有冷却装置(113)；

其中冷却部分(133)的内半径“r1”制作为接近等于热渗透(在低压时)的深度“δ1”，其通过下列公式(1)计算：

$\mathrm{\δ}1=\sqrt{\frac{2a1}{\mathrm{\ω}}}---\left(1\right)$

“a1”为工作液体在其低压的热扩散率，以及

“ω”为液体容器(111)中工作液体运动的角频率，以及

其中热扩散率“a1”从对应于工作液体的压力变化范围的那些值中选择，其为从下极限到高于下限25％的液体压力的液体压力范围。

2.根据权利要求1所述的蒸汽发动机，其特征在于：

热扩散率“a1”为当液体压力在下限时的值。

3.根据权利要求1所述的蒸汽发动机，其特征在于：

液体容器(111)还包括用于将加热部分(131)与冷却部分(133)连接的连接部分(135)，

其中连接部分(135)的内半径“r2”制作为满足下列公式(2)和(3)：

$\frac{{\left(r2\right)}^2}{2\·a2}=\mathrm{\τ}---\left(2\right)$

ω·τ≥10             (3)

其中，“a2”为工作液体在其高压时的热扩散率，以及

“ω”为液体容器(111)中工作液体运动的角频率。

4.根据权利要求3所述的蒸汽发动机，其特征在于：

连接部分(135)的内半径“r2”等于或接近等于冷却部分(133)的内半径“r1”。

5.根据权利要求3所述的蒸汽发动机，其特征在于：

连接部分(135)的内半径“r2”、冷却部分(133)的内半径“r1”以及加热部分(131)的内半径彼此相等或接近相等。

6.一种蒸汽发动机，包括：

其中填充有工作液体且工作液体可以移动的液体容器(111)；

用于加热液体容器(111)中的工作液体并汽化工作液体以产生蒸汽的加热装置(112)；

用于冷却和液化通过加热装置(112)汽化的蒸汽的冷却装置(113)；以及

输出装置(101)，其具有通过液体容器(111)中工作液体的压力变化往复移动的移动件(102)，并输出由移动件(102)的往复运动转换的能量，

其中液体容器(111)包括管形部分(111a)，所述管形部分具有加热部分(131)，其中在加热部分处设置有加热装置(112)，以及冷却部分(133)，其中在冷却部分处设置有冷却装置(113)，以及用于将加热部分(131)与冷却部分(133)连接的连接部分(135)，

其中连接部分(135)的内半径“r2”制作为满足下列公式(2)和(3)：

$\frac{{\left(r2\right)}^2}{2\·a2}=\mathrm{\τ}---\left(2\right)$

ω·τ≥10          (3)

其中，“a2”为工作液体在其高压时的热扩散率，以及

“ω”为液体容器(111)中工作液体运动的角频率。

7.根据权利要求6所述的蒸汽发动机，其特征在于：

连接部分(135)的内半径“r2”等于或接近等于冷却部分(133)的内半径“r1”。

8.根据权利要求6所述的蒸汽发动机，其特征在于：

连接部分(135)的内半径“r2”、冷却部分(133)的内半径“r1”以及加热部分(131)的内半径彼此相等或接近相等。

9.一种蒸汽发动机，包括：

其中填充有工作液体且工作液体可以移动的液体容器(111)；

用于加热液体容器(111)中的工作液体并汽化工作液体以产生蒸汽的加热装置(112)；

用于冷却和液化通过加热装置(112)汽化的蒸汽的冷却装置(113)；以及

输出装置(101)，具有通过液体容器(111)中工作液体的压力变化往复移动的移动件(102)，并输出由移动件(102)的往复运动转换的能量，

其中液体容器(111)包括管形部分(111a)，所述管形部分具有加热部分(131)，在加热部分处设置有加热装置(112)，以及冷却部分(133)，在冷却部分处设置有冷却装置(113)，以及

其中加热部分(131)和冷却部分(133)中的每个都包括多个小管部分(215)。

10.根据权利要求9所述的蒸汽发动机，其特征在于：

加热装置(112)包括环绕液体容器(111b)的加热部分(131)的壳体，以便加热部分(131)的多个小管部分(215)设置在壳体中，加热的液体流动通过壳体的内部以加热液体容器(111b)的加热部分(131)，以及

设置在加热液体下游侧的小管部分(215)的表面面积制作为大于设置在加热液体上游侧的小管部分(215)的表面面积。

11.根据权利要求9所述的蒸汽发动机，其特征在于：

液体容器(111b)还包括用于将小管部分(215)之一与在其加热部分(131)处的另一小管部分(215)连通的连通部分(243)。

12.根据权利要求9所述的蒸汽发动机，其特征在于：

液体容器(111b)还包括用于将所有小管部分(215)在其加热部分(131)处彼此连通的连通部分(243)。

13.一种蒸汽发动机，包括：

其中填充有工作液体且工作液体可以移动的液体容器(111)；

用于加热液体容器(111)中的工作液体并汽化工作液体以产生蒸汽的加热装置(112)；

用于冷却和液化通过加热装置(112)汽化的蒸汽的冷却装置(113)；以及

输出装置(101)，其具有通过液体容器(111)中工作液体的压力变化往复移动的移动件(102)，并输出由移动件(102)的往复运动转换的能量，

其中液体容器(111)包括管形部分(111a)，所述管形部分具有加热部分(131)，其中在加热部分处设置有加热装置(112)，以及冷却部分(133)，其中在冷却部分设置有冷却装置(113)，

其中气体填充在液体容器(111)中的加热部分(131)处，以便加热部分(131)的内部空间不会填充有液相工作液体，以及

其中工作液体供给装置(340、340a、343、327、328、350)设置在加热部分(131)处以将液相工作液体供给到加热部分(131)。

14.根据权利要求13所述的蒸汽发动机，其特征在于：

工作液体供给装置(340、340a、343、327、328)形成于加热部分(131)的内表面。

15.根据权利要求13所述的蒸汽发动机，其特征在于：

工作液体供给装置(340、340a、343、327、328)包括形成于加热部分(131)的内表面的多个窄槽。

16.根据权利要求13所述的蒸汽发动机，其特征在于：

工作液体供给装置(340、340a、343、327、328)包括形成于加热部分(131)的内表面的吸水表面(343)。

17.根据权利要求14所述的蒸汽发动机，其特征在于：

防水表面(342)形成于加热部分(131)和冷却部分(133)之间的液体容器(111b)的内表面。

18.根据权利要求13所述的蒸汽发动机，其特征在于：

工作液体供给装置包括支管(350)，其一端在填充液相工作液体的位置(B)连接到液体容器(111b)，而其另一端在填充气体的加热部分(131)的位置(A)连接到液体容器(111b)，以及

支管(350)的内直径如此制作以产生毛细管现象，以便液相工作液体通过支管(350)供给到加热部分(131)。

19.根据权利要求13所述的蒸汽发动机，其特征在于：

加热装置(112A)的加热部分包括水平延伸的圆盘型加热部分(322)。

20.根据权利要求13所述的蒸汽发动机，其特征在于：

加热装置(112)、冷却装置(113)以及输出装置(101)以此顺序设置在液体容器(111)处，以便加热装置(112)设置为在垂直方向高于冷却装置(113)。

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