DE102005022846B4

DE102005022846B4 - Dampfmaschine

Info

Publication number: DE102005022846B4
Application number: DE102005022846.1A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Yatsuzuka; Shuzo Oda; Yasumasa Hagiwara; Toshiyuki Morishita; Katsuya Komaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: DE102005022846A1; US20050257524A1; US7905090B2; US20080307790A1; US7424802B2

Abstract

Eine Dampfmaschine hat einen rohrförmigen Fluidbehälter, eine Heiz- und eine Kühlvorrichtung, die an einem Heiz- bzw. einem Kühlabschnitt des Fluidbehälters vorgesehen sind, und eine mit dem Fluidbehälter verbundene Ausgabevorrichtung, sodass die Ausgabevorrichtung durch die Fluiddruckänderung in dem Fluidbehälter betätigt wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Bei einer solchen Dampfmaschine ist ein Innenradius „r1” des Kühlabschnitts etwa gleich einer Wärmeeindringtiefe „δ1” gemacht, die durch die folgende Gleichung (1) berechnet wird:wobei „a1” eine Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids bei seinem niedrigen Druck ist, und „ω” eine Winkelfrequenz der Bewegung des Arbeitsfluids ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfmaschine mit einem Fluidbehälter, in den ein Arbeitsfluid gefüllt ist und in dem das Arbeitsfluid als Ergebnis eines wiederholten Vorgangs einer Verdampfung und einer Verflüssigung des Arbeitsfluids durch Heizen und Kühlen des Arbeitsfluids in einer selbsterregt schwingenden Weise oszilliert. Eine mechanische Energie wird an einer Ausgabevorrichtung der Dampfmaschine erzeugt, welche durch die Fluidoszillation in dem Fluidbehälter betätigt wird.
DE 103 39 003 A1 beschreibt eine Dampfmaschine zum Umsetzen von Wärmeenergie in mechanische Energie an einem Ausgabeabschnitt, wobei ein Fluidbehälter einen Heizer zum Heizen des Fluids und einen Kühler zum Kühlen von Dampf, der durch Erhitzen des Fluids verdampft wird, umfasst, wobei der Kühler unter dem Heizer in Richtung der Schwerkraftbeschleunigung angeordnet ist, und der Expansionsdruck des Dampfes des Fluids das Fluidniveau zur Abgabe von mechanischer Energie verdrängt, während durch Kühlen des Dampfes eine selbsterregte Vibration im Fluid erzeugt wird.
JP S61-79843 A beschreibt einen Kühler für die Flüssigkeit in einer Stirling-Maschine, bei der auf der Niedertemperaturseite eines Kolbens die Flüssigkeit gekühlt wird und ein Wärmeaustauschelement innerhalb des Hubbereichs angeordnet ist.
In der Technik ist eine Vorrichtung für eine Dampfmaschine bekannt, wie zum Beispiel in der japanischen Patentveröffentlichung JP S58-57014 A offenbart, bei der ein Arbeitsfluid in einen Fluidbehälter gefüllt ist, das Arbeitsfluid durch eine Heizvorrichtung geheizt und verdampft wird, und das Arbeitsfluid durch eine Kühlvorrichtung abgekühlt und verflüssigt wird, und bei welcher Energie durch eine wiederholte Verdampfung und Verflüssigung des Arbeitsfluids erhalten wird.
Insbesondere erhält man bei der obigen Dampfmaschine an einer Ausgabevorrichtung, welche durch eine Druckänderung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter betrieben wird, wobei die Druckänderung durch eine Zustandsänderung (Verdampfung und Verflüssigung) des Arbeitsfluids erzeugt wird, eine mechanische Energie.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung meldeten ein weiteres Patent bezüglich einer Dampfmaschine beim japanischen Patentamt an, welches als Veröffentlichungsnummer JP 2004-84523 A veröffentlicht ist.
Ein Aufbau der Dampfmaschine 500 der früheren Patentanmeldung ist in 24 gezeigt.
Die Dampfmaschine 500 weist einen U-förmigen Fluidbehälter 502, in den ein Arbeitsfluid gefüllt ist, eine Heizvorrichtung 504 zum Heizen des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter 502, eine Kühlvorrichtung 506 zum Abkühlen und Verflüssigen eines durch die Wärme an der Heizvorrichtung 504 erzeugten Dampfes, und eine Ausgabevorrichtung 508 auf.
Die Ausgabevorrichtung 508 weist einen Zylinder 510, einen sich in dem Zylinder 510 hin und her bewegenden Kolben 512, eine an ihrem einen Ende mit dem Kolben 510 verbundene Bewegungswelle 514, und eine mit dem anderen Ende der Bewegungswelle 514 verbundene Feder 516 auf, wobei der Kolben 512 in dem Zylinder 510 durch Empfangen eines Fluiddrucks des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter 502 hin und her bewegt wird.
In der obigen Dampfmaschine 500 wird eine Volumenerweiterung des Arbeitsfluids (Dampf) erzeugt, wenn das Arbeitsfluid in dem Fluidbehälter 502 durch die Heizvorrichtung 504 geheizt und verdampft wird. Der erzeugte Dampf bewegt sich in dem Behälter 502 nach unten und wird durch die Kühlvorrichtung 506 abgekühlt und verflüssigt. Dann zieht sich das Volumen des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter 502 zusammen. Der Kolben 512 und die Bewegungswelle 514 der Ausgabevorrichtung 508 empfangen die in dem Fluidbehälter 502 durch die Volumenerweiterung und -verkleinerung des Arbeitsfluids erzeugte Druckänderung, und dadurch wird der Kolben 512 hin und her bewegt.
Wenn an der Bewegungswelle 514 ein Permanentmagnet vorgesehen ist und eine elektromagnetische Spule dem Magneten zugewandt angeordnet ist, wird in der Spule entsprechend der Hubbewegung des Kolbens 512 und der Bewegungswelle 514 eine elektromotorische Kraft erzeugt, und eine elektrische Energie wird erzeugt.
Die obige Dampfmaschine hat jedoch einige Nachteile oder Probleme, wie nachfolgend beschrieben:

(1) Zuerst würde eine Ausgangsenergie der Dampfmaschine kleiner werden, wenn eine Querschnittsfläche eines Kühlabschnitts des Fluidbehälters, an dem der Dampf des Arbeitsfluids verflüssigt wird, nicht geeignet konstruiert ist.

Falls zum Beispiel eine Querschnittsfläche des Kühlabschnitts des Fluidbehälters (an dem die Kühlvorrichtung vorgesehen ist) extrem klein gemacht ist, wird eine Wärmeübertragungszeit zum Übertragen der Wärme in einer Querschnittsrichtung von einer Innenfläche des Kühlabschnitts zu einer Mitte des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter kleiner. Als Ergebnis wird eine Kühlleistung für das Arbeitsfluid an dem Kühlabschnitt höher, sodass ein Gasphasen-Arbeitsfluid (der Dampf) in einer kurzen Zeit verflüssigt wird.
In einer solchen Dampfmaschine bewegt sich der an der Heizvorrichtung erzeugte Dampf zur Kühlvorrichtung, und der Dampf wird einmal am Kühlabschnitt verflüssigt. Eine Volumenerweiterung des Arbeitsfluids wird auf ein kleines Maß gedrückt, um die Ausgabeenergie an der Dampfmaschine zu reduzieren. Ein p-V-Diagramm des obigen Falls ist in 23B gezeigt, wo eine Beziehung zwischen dem Druck und dem Volumen des Arbeitsfluids durch eine durchgezogene Linie angezeigt ist.
23A zeigt ein p-V-Diagramm in dem Fall, dass die Verdampfung und Verflüssigung des Arbeitsfluids geeignet durchgeführt wird, und der gewünschte Wert von 23A ist in 23B und 23C durch eine gestrichelte Linie angegeben. Wie in 23B gezeigt, wird eine Fläche des p-V-Diagramms kleiner als jene des gewünschten Werts, und die Ausgabeenergie wird entsprechend vermindert.
Falls dagegen eine Querschnittsfläche des Kühlabschnitts des Fluidbehälters extrem groß gemacht wird, wird die Wärmeübertragungszeit zum Übertragen der Wärme von der Innenfläche des Kühlabschnitts zur Mitte des Arbeitsfluids länger. Als Ergebnis wird die Kühlleistung für das Arbeitsfluid am Kühlabschnitt verringert, sodass eine längere Zeit zum Verflüssigen des Gasphasen-Arbeitsfluids (des Dampfes) notwendig ist.
In einem solchen Fall wird, selbst wenn sich der durch die Heizvorrichtung erzeugte Dampf zur Kühlvorrichtung bewegt, das Gasphasen-Arbeitsfluid für eine längere Zeitdauer beibehalten und der Fluiddruck in dem Fluidbehälter bleibt durch die längere Zeitdauer für die Verflüssigung auf einem höheren Wert. Als Ergebnis wird eine Fläche des p-V-Diagramms kleiner, wie in 23C dargestellt, um in ähnlicher Weise die Ausgabeenergie zu vermindern. Außerdem kann das Flüssigphasen-Arbeitsfluid, wenn das Gasphasen-Arbeitsfluid an der Heizvorrichtung bleibt, kaum verdampft werden. Als Ergebnis kann der Fluiddruck durch die Verdampfung nicht erhöht werden, und dadurch kann der Betrieb der Dampfmaschine irregulär gestoppt werden.
Außerdem wird in dem Fall, dass eine Querschnittsfläche eines Verbindungskanalabschnitts des Fluidbehälters (der ein Kanalabschnitt zwischen der Heizvorrichtung und der Kühlvorrichtung ist) klein gemacht ist, die Wärmeübertragungszeit zum Übertragen der Wärme in einer Querschnittsrichtung von der Innenfläche des Verbindungskanalabschnitts zur Mitte des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter kürzer. Als Ergebnis wird die Kühlleistung für das Arbeitsfluid an dem Verbindungskanalabschnitt höher.
In einem solchen Fall wird der an der Heizvorrichtung erzeugte Dampf an dem Verbindungskanalabschnitt verflüssigt, wenn sich der Dampf zur Kühlvorrichtung bewegt. Eine Volumenerweiterung des Arbeitsfluids durch die Verdampfung wird auf ein kleines Maß gedrückt, um die Ausgabeenergie an der Dampfmaschine zu reduzieren, wie durch das p-V-Diagramm von 23B dargestellt.

(2) Es ist nicht nur notwendig, eine Eingabeenergie zur Dampfmaschine zu erhöhen, sondern auch eine von der Heiz- zu der Kühlvorrichtung des Arbeitsfluids zu übertragende Wärmetauschmenge zu erhöhen, um die an der Dampfmaschine zu erzeugende mechanische Ausgabeenergie zu erhöhen. Es kann möglich sein, das Wärmetauschmaß zum Beispiel durch Setzen einer Temperatur der Heizvorrichtung auf einen höheren Wert und durch Setzen einer Temperatur der Kühlvorrichtung auf einen niedrigeren Wert zu erhöhen.

Es ist jedoch in dem obigen Verfahren zum Erhöhen der Temperatur an der Heizvorrichtung und Verringern der Temperatur der Kühlvorrichtung unvermeidbar notwendig, die Eingabeenergie zu der Heiz- und der Kühlvorrichtung zu erhöhen. Die durch die Dampfmaschine erhaltene mechanische Ausgabeenergie wird dadurch einerseits erhöht, aber der Energieverlust würde andererseits nachteilig größer werden, falls eine Energieübertragungseffizienz von der Wärmeenergie in die mechanische Energie gering ist.
Die an der Dampfmaschine zu erzeugende mechanische Energie kann durch Erhöhen von Oberflächenbereichen eines Heiz- und eines Kühlabschnitts des Fluidbehälters an der Heiz- bzw. der Kühlvorrichtung erhöht werden, ohne voreingestellte Temperaturen der Heiz- und der Kühlvorrichtung zu verändern (zu erhöhen oder zu verringern).
Falls die Querschnittsflächen des Heiz- und des Kühlabschnitts der Vorrichtungen einfach vergrößert werden, um die Oberflächen zu vergrößern, wird die Wärmeübertragungszeit in der Querschnittsrichtung des Fluidbehälters von der Innenfläche zur Mitte des Arbeitsfluids größer. Die Heizleistung und die Kühlleistung an dem Heiz- bzw. dem Kühlabschnitt werden dadurch verringert, sodass die Energieübertragungseffizienz nicht zufriedenstellend verbessert werden kann. Als Ergebnis kann die mechanische Energie nicht zufriedenstellend an der Dampfmaschine erzeugt werden.

(3) In der in 24 gezeigten Dampfmaschine 500 ist die Heizvorrichtung 504 so ausgebildet, dass sie den Heizabschnitt des Fluidbehälters 502 umgibt, sodass sie das Arbeitsfluid in dem Fluidbehälter 502 von seinem Außenumfang heizt. Es ist jedoch ein Problem in einer solchen Dampfmaschine, dass die Heizleistung nicht zufriedenstellend hoch ist.

In der obigen Heizvorrichtung 504, d. h. bei der das Arbeitsfluid vom Außenumfang des Fluidbehälters 502 geheizt wird, gibt es einen Temperaturgradienten, wie in 25 dargestellt. Die Temperatur des Arbeitsfluids wird niedriger, wenn ein Abstand von der Heizvorrichtung 504 länger wird.
Demgemäß besteht das Arbeitsfluid in dem Fluidbehälter 502 als Ergebnis eines Heizvorgangs durch die Heizvorrichtung 504 aus einem „verdampften Gasphasen(Dampf)-Arbeitsfluid” und einem „geheizten, aber nicht verdampften Flüssigphasen-Arbeitsfluid”. Das Flüssigphasen-Arbeitsfluid, das sich zusammen mit dem Dampf zur Kühlvorrichtung 506 bewegt, wird durch die Kühlvorrichtung 506 abgekühlt, ohne zur Fluidoszillation (Erweiterung und Kontraktion des Arbeitsfluids) beizutragen. Deshalb hat die Dampfmaschine dieser Art einen größeren Wärmeverlust.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der obigen Probleme gemacht. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dampfmaschine vorzusehen, bei der ein Arbeitsfluid in einem Fluidbehälter in einer geeignet schwingenden Weise als Ergebnis eines wiederholten Vorgangs einer Verdampfung und einer Verflüssigung des Arbeitsfluids oszilliert, um eine Verringerung einer mechanischen Ausgabeenergie zu verhindern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dampfmaschine vorzusehen, bei der eine Energieübertragungseffizienz verbessert ist, um die mechanische Ausgabeenergie zu erhöhen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dampfmaschine vorzusehen, bei der eine Heiz- und eine Kühlleistung erhöht sind.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung hat eine Dampfmaschine einen rohrförmigen Fluidbehälter, in den ein Arbeitsfluid gefüllt ist, eine Heizvorrichtung und eine Kühlvorrichtung, die an einem Heizabschnitt bzw. einem Kühlabschnitt des Fluidbehälters vorgesehen sind, und eine mit dem Fluidbehälter so verbundene Ausgabevorrichtung, dass die Ausgabevorrichtung durch die Fluiddruckänderung in dem Fluidbehälter betrieben wird, um eine Energie (elektrische Energie) zu erzeugen, wobei das Arbeitsfluid durch die Heiz- und die Kühlvorrichtung verdampft und verflüssigt wird, um durch die Volumenänderung des Arbeitsfluids eine Fluidoszillation zu erzeugen. Bei einer solchen Dampfmaschine ist einen Innenradius „r1” des Kühlabschnitts beinahe gleich einer Wärmeeindringtiefe „δ1” (bei einem niedrigen Druck), die durch die folgende Gleichung (1)
berechnet wird, gemacht, wobei in „a1” eine Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids bei seinem niedrigen Druck ist, und „ω” eine Winkelfrequenz der Bewegung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter ist, und wobei die Wärmeleitfähigkeit „a1” aus jenen Werten entsprechend einem Druckänderungsbereich des Arbeitsfluids ausgewählt ist, welcher ein Bereich des Fluiddrucks von der unteren Grenze zu einem Fluiddruck um 25% höher als die untere Grenze ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist der Fluidbehälter ferner einen Verbindungsabschnitt zum Verbinden des Heizabschnitts mit dem Kühlabschnitt auf, wobei ein Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts so gemacht ist, dass er den folgenden Gleichungen (2) und (3) genügt:
ω·τ ≥ 10 (3) wobei „a2” eine Wärmleitfähigkeit des Arbeitsfluids bei seinem hohen Druck ist, und „ω” eine Winkelfrequenz der Bewegung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist bei einer Dampfmaschine mit dem rohrförmigen Fluidbehälter, der Heiz- und der Kühlvorrichtung, die an dem Heiz- bzw. dem Kühlabschnitt des Fluidbehälters vorgesehen sind, und der mit dem Fluidbehälter verbundenen Ausgabevorrichtung jeder des Heizabschnitts und des Kühlabschnitts mehrere kleine Rohrabschnitte auf.
Gemäß einem noch weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist in einer Dampfmaschine mit dem rohrförmigen Fluidbehälter, der Heiz- und der Kühlvorrichtung, die an dem Heiz- bzw. dem Kühlabschnitt des Fluidbehälters vorgesehen sind, und der mit dem Fluidbehälter verbundenen Ausgabevorrichtung die Heizvorrichtung so angeordnet, dass sie vertikal höher als die Kühlvorrichtung ist, ein Gas ist in den Fluidbehälter an dem Heizabschnitt so gefüllt, dass der Innenraum des Heizabschnitts nicht mit dem Flüssigphasen-Arbeitsfluid gefüllt ist, und eine Arbeitsfluid-Zuführeinrichtung ist an dem Heizabschnitt vorgesehen, um das Flüssigphasen-Arbeitsfluid dem Heizabschnitt zuzuführen.
Die Arbeitsfluid-Zuführeinrichtung weist mehrere enge Nuten und/oder mehrere Mikronuten auf, die an einer Innenfläche des Heizabschnitts ausgebildet sind. Die Arbeitsfluid-Zuführeinrichtung kann alternativ durch eine wasseranziehende Oberfläche ausgebildet sein, die an der Innenfläche der Heizfläche ausgebildet ist.
Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Dampfmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Funktionsprinzips der Dampfmaschine;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Kühlvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer Heizvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels;
5 ein Diagramm einer Beziehung zwischen einem Energieverlust und einem Parameter „ωτ”;
6 eine schematische Darstellung einer Dampfmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Querschnittsansicht einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels;
8 eine Perspektivansicht einer Heizvorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels;
9 ein Diagramm einer Temperaturänderung sowie eine Querschnittsansicht der Heizvorrichtung;
10 eine schematische Querschnittsansicht einer Heiz- und einer Kühlvorrichtung eines dritten Ausführungsbeispiels;
11 bis 14 schematische Querschnittsansichten, die jeweils eine Heiz- und eine Kühlvorrichtung von Modifikationen des dritten Ausführungsbeispiels zeigen;
15 eine schematische Darstellung einer Dampfmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16A und 16B Perspektivansichten einer Heizvorrichtung des in 15 dargestellten vierten Ausführungsbeispiels;
17 und 18 Perspektivansichten einer Heizvorrichtung gemäß einer Modifikation des vierten Ausführungsbeispiels;
19A eine schematische Darstellung einer Dampfmaschine gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
19B eine Perspektivansicht einer Heizvorrichtung gemäß dem in 19A dargestellten fünften Ausführungsbeispiel;
20A und 20B Draufsichten eines Teils der Heizvorrichtung des fünften Ausführungsbeispiels;
21 eine Perspektivansicht einer Heizvorrichtung gemäß einer Modifikation des fünften Ausführungsbeispiels;
22 eine Perspektivansicht eines Teils einer Dampfmaschine gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
23A, 23B und 23C p-V-Diagramme einer Beziehung zwischen einem Fluiddruck und einem Volumen eines Arbeitsfluids;
24 eine schematische Darstellung einer Dampfmaschine gemäß einer anderen Bauform; und
25 eine vergrößerte Darstellung einer Heizvorrichtung von 24.
DETAIILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen erläutert.
In dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist eine Dampfmaschine 110 auf einen Linearmotor angewendet, bei dem ein Bewegungselement 102 eine Ausgabevorrichtung (ein elektrischer Generator) 101 schwingt. Eine elektrische Energievorrichtung weist die Dampfmaschine 110 und den elektrischen Generator 101 auf.
Der elektrische Generator 101 ist ein Linearschwingungsgenerator, in dem ein Permanentmagnet (nicht dargestellt) an dem Bewegungselement 102 befestigt ist und eine elektromotorische Kraft durch Schwingen (Oszillieren) des Bewegungselements 102 erzeugt wird.
Wie in 1 dargestellt, weist die Dampfmaschine 110 einen Fluidbehälter 111, in den ein Arbeitsfluid 120 mit einem bestimmten Druck gefüllt ist, eine Heizvorrichtung 112 zum Heizen des Arbeitsfluid 120 in dem Fluidbehälter 111 und eine Kühlvorrichtung 113 zum Abkühlen eines an der Heizvorrichtung 112 erzeugten Dampfes auf.
Die Heizvorrichtung 112 und die Kühlvorrichtung 113 sind separat voneinander so angeordnet, dass die Heiz- und die Kühlvorrichtung nicht direkt miteinander in Kontakt sind.
Falls die Dampfmaschine 110 für einen wassergekühlten Verbrennungsmotor verwendet wird, kann die Heizvorrichtung 112 als eine Heizvorrichtung konstruiert sein, welche das Arbeitsfluid 120 mittels einer von dem Verbrennungsmotor ausgegebenen Abwärme heizt. Und die Kühlvorrichtung 113 kann als eine Kühlvorrichtung konstruiert sein, welche das Arbeitsfluid 120 mittels eines Motorkühlwassers abkühlt.
Der Fluidbehälter 111 ist in ein U-förmiges Rohr mit einem unteren Rohrabschnitt 111a und einem Paar von (ersten und zweiten) sich vertikal erstreckenden geraden Rohrabschnitten 111b und 111c, die sich von den Enden des unteren Rohrabschnitts 111a erstrecken, geformt.
Der erste gerade Rohrabschnitt 111b weist einen Heizabschnitt 131, an dem die Heizvorrichtung 112 vorgesehen ist, einen Kühlabschnitt 133, an dem die Kühlvorrichtung 113 vorgesehen ist, und einen Verbindungsabschnitt 135 zum Verbinden der obigen Heiz- und Kühlabschnitte 131 und 133 miteinander auf.
Die Heiz- und Kühlabschnitte 131 und 133 des Fluidbehälters 111 sind aus einem solchen Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gemacht, wohingegen der übrige Teil des Fluidbehälters 111 vorzugsweise aus einem solchen Material mit einer hohen Wärmeisolationseigenschaft gemacht ist. Der Fluidbehälter 111 ist ferner aus einem solchen Material gemacht, das eine hohe Korrosionsbeständigkeitseigenschaft bezüglich des in den Fluidbehälter 111 gefüllten Arbeitsfluids besitzt.
In dem Ausführungsbeispiel wird als Arbeitsfluid 120 Wasser benutzt, und die Heiz- und Kühlabschnitte 131 und 133 des Fluidbehälters 111 sind aus Kupfer oder Aluminium gemacht, während der übrige Teil aus rostfreiem Stahl gemacht ist.
Wie oben beschrieben, ist der Fluidbehälter 111 aus dem rostfreien Stahl und dem Kupfer (oder dem Aluminium) gemacht und in das U-förmige Rohr geformt, wobei der untere Rohrabschnitt 111a an einer untersten Position angeordnet ist und sich zwei gerade Rohrabschnitte 111b und 111c von dem unteren Rohrabschnitt 111a vertikal und nach oben erstrecken.
Der Heizabschnitt 131 des Fluidbehälters 111 ist an einer Position vertikal höher als jene des Kühlabschnitts 133 ausgebildet, und ein oberes Ende des ersten geraden Rohrabschnitts ist geschlossen.
Die Heizvorrichtung 112 ist an dem ersten Rohrabschnitt so vorgesehen, dass sie den Heizabschnitt 131 umgibt, während die Kühlvorrichtung 113 an dem ersten Rohrabschnitt so vorgesehen ist, dass sie den Kühlabschnitt 133 umgibt.
Ein Kolben 114 ist an einem oberen Ende des zweiten Rohrabschnitts 111c vorgesehen, an dem der Kolben 114 in einem Zylinder 115 bewegbar gehalten ist, um sich entsprechend dem Fluiddruck nach oben und unten zu bewegen.
Der Kolben 114 ist mit der Bewegungswelle 102a des Bewegungselements 102 in der Ausgabevorrichtung 101 verbunden. Eine Feder 103 ist in der Ausgabevorrichtung 101 zwischen dem Bewegungselement 102 und einem dem Bewegungselement 102 abgewandten Ende vorgesehen, sodass sie den Kolben 114 durch ihre Federkraft nach unten drückt.
Wenn die Heiz- und Kühlvorrichtungen 112 und 113 der Dampfmaschine 110 ihren Betrieb starten, wird, wie in 2 dargestellt, das Flüssigphasen-Arbeitsfluid in dem Fluidbehälter 111 zuerst an der Heizvorrichtung 112 geheizt und verdampft (isotherme Expansion). Das verdampfte Arbeitsfluid (Dampf) wird weiter erweitert (adiabatische Expansion), um das Flüssigphasen-Arbeitsfluid in dem ersten Rohrabschnitt 111b nach unten zu drücken. Das Flüssigphasen-Arbeitsfluid 120 bewegt sich in dem Fluidbehälter 111 von dem ersten Rohrabschnitt 111b zum zweiten Rohrabschnitte 111c, um den Kolben 114 nach oben zu bewegen.
Eine Flüssigkeitsoberfäche (zwischen dem Flüssigphasen- und dem Gasphasen-Arbeitsfluid) des Arbeitsfluids im ersten Rohrabschnitt 111b wird zum Kühlabschnitt 133 der Kühlvorrichtung 113 nach unten gedrückt. Wenn der Dampf in den Kühlabschnitt 133 gelangt, wird der Dampf durch die Kühlvorrichtung 113 abgekühlt und verflüssigt. Der Druck zum Niederdrücken des Flüssigphasen-Arbeitsfluids im ersten Rohrabschnitt 111b verschwindet, und dadurch wird die Flüssigkeitsoberfläche im ersten Rohrabschnitt 111b nach oben bewegt (in einem Prozess von der isothermen Kompression zur adiabatischen Kompression). Der Kolben 114 des Generators 101 wird entsprechend nach unten bewegt.
Der obige Vorgang der Expansion und Kontraktion des Arbeitsfluids wird bis zum Abschalten der Heiz- und Kühlvorrichtungen 112 und 113 fortgesetzt, während das Arbeitsfluid 120 in dem Fluidbehälter 111 periodisch oszilliert (in einer selbsterregt schwingenden Weise). Wie oben erläutert, wird die Druckänderung des Arbeitsfluids 120 in der Dampfmaschine 110 erzeugt, und die Druckänderung wird in mechanische Energie umgesetzt, um den Kolben 114 nach oben und unten zu bewegen.
In der obigen Dampfmaschine 110 wird das Hochtemperatur- und Hochdruck-Arbeitsfluid (der Dampf) nicht direkt mit dem Kolben 114 in Kontakt gebracht. Die Dampfmaschine 110 besitzt deshalb eine hohe Haltbarkeit.
Der Kühlabschnitt 133 des Fluidbehälters 111 ist so ausgebildet, dass ein Innenradius „r1” des Kühlabschnitts 133 gleich einer Wärmeeindringtiefe „δ1” (bei einem niedrigen Druck) gemacht ist, die durch die folgende Gleichung (1) berechnet wird:
3 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht des Kühlabschnitts 133 des Fluidbehälters 111, wobei „ϕd” ein Innendurchmesser des Kühlabschnitts 133 ist und „r1” der Innenradius davon ist.
In der obigen Gleichung (1) ist „a1” eine Wärmeleitfähigkeit [m²/s] des Arbeitsfluids 120 bei niedrigem Druck, und „ω” ist eine Winkelfrequenz [rad/s], die eine Eigenschaft des Arbeitsfluids 120 in dem Fluidbehälter 111 darstellt (d. h. eine Eigenschaft einer Hubbewegung des Kolbens 114 darstellt).
Eine Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids, bei der der Fluiddruck des Arbeitsfluids 120 in dem Fluidbehälter 111 an seiner unteren Grenze ist, wird als die Wärmeleitfähigkeit „a1” benutzt. Der innere Fluiddruck des Fluidbehälters 111 variiert in Abhängigkeit von der Zustandsänderung (Verdampfung und Verflüssigung) des Arbeitsfluids. D. h. die Wärmeleitfähigkeit „a1” ist ein Wert, wenn der innere Fluiddruck auf dem kleinsten Wert in einem Druckänderungsbereich (einem Druckbereich vom maximalen zum minimalen Wert des Fluiddrucks des Arbeitsfluids 120) ist. Und die Wärmeeindringtiefe „δ1” (bei einem niedrigen Druck) ist als ein Wert definiert, der aus der Gleichung (1) berechnet wird, wobei die obige Wärmeleitfähigkeit „a1” benutzt wird.
Die Wärmeeindringtiefe „δ1” ist einer der Parameter zum Darstellen einer Wärmeübertragungsbedingung in dem Arbeitsfluid, das in dem Fluidbehälter mit der Winkelfrequenz von „ω” oszilliert. Eine Wärmetauschmenge am Kühlabschnitt 133 zwischen dem Arbeitsfluid 120 und der Kühlvorrichtung 113 kann auf einen bestimmten Bereich gesteuert werden, wenn der Innenradius „r1” des Fluidbehälters 111 gleich der Wärmeeindringtiefe „δ1” (bei dem niedrigen Druck) konstruiert ist.
Gemäß der Dampfmaschine 110 der vorliegenden Erfindung wird verhindert, dass die Kühlleistung am Kühlabschnitt 133 extrem hoch oder niedrig wird, und dadurch kann das Gasphasen-Arbeitsfluid (der Dampf) in einem geeigneten Takt verflüssigt werden.
Insbesondere wird, da die Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids 120, bei der der Fluiddruck des Arbeitsfluids 120 in dem Fluidbehälter 111 auf seiner unteren Grenze ist, als die Wärmeleitfähigkeit „a1” in der Dampfmaschine 110 des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendet wird, die Kühlleistung zu einem solchen Zeitpunkt maximal, zu dem der innere Fluiddruck des Fluidbehälters 111 (der Druck des Arbeitsfluids 120) zu seinem unteren Grenzwert wird. Insbesondere kann das Gasphasen-Arbeitsfluid 120 höchst effizient verflüssigt werden, wenn das Volumen des Arbeitsfluids 120 zu seinem Maximalwert wird, sodass die Expansionsenergie des Arbeitsfluids ohne Energieverlust genutzt werden kann.
Wie oben beschrieben, kann das Gasphasen-Arbeitsfluid (der Dampf) gemäß der Dampfmaschine 110 des vorliegenden Ausführungsbeispiels in einem geeigneten Takt verflüssigt werden. Das Arbeitsfluid 120 kann geeignet oszillieren, um den Abfall der durch die Hubbewegung des Kolbens 114 erzeugten Ausgabeenergie an der Ausgabevorrichtung 101 zu verhindern. Und außerdem wird, da die Verflüssigung des Gasphasen-Arbeitsfluids 120 nicht besonders verzögert ist, verhindert, dass die Dampfmaschine 110 durch den Stopp der Fluidoszillation in dem Fluidbehälter 111 irregulär heruntergefahren wird.
Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel ist ein Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts 135 des Fluidbehälters 111 ferner so konstruiert, dass die folgenden Gleichungen (2) und (3) erfüllt sind:
ω·τ ≥ 10 (3)
4 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht des Heizabschnitts 131 und des Verbindungsabschnitts 135 des Fluidbehälters 111, wobei „r2” ein Innenradius des Verbindungsabschnitts 135 ist.
In der obigen Gleichung (2) ist „a2” eine Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids bei einem hohen Druck, wobei der hohe Druck eine obere Grenze des Fluiddrucks in dem Druckänderungsbereich bedeutet. Insbesondere ist die Wärmeleitfähigkeit „a2” (bei dem hohen Druck) ein Wert der Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids, wenn der Fluiddruck in dem Fluidbehälter auf seinem maximalen Wert ist.
5 zeigt eine Beziehung zwischen einem linken Teil „ωτ” der Gleichung (3) und einem Wärmeverlustanteil, der durch eine Wärmeübertragung vom Arbeitsfluid 120 zum Verbindungsabschnitt 135 auftreten würde. Wie man aus 5 sehen kann, wird der Wärmeverlustanteil kleiner, wenn der Wert von „ωτ” größer wird.
In 5 beträgt der Wärmeverlustanteil etwa 16%, wenn der Wert von „ωτ” „10” beträgt. Der Wärmeverlust am Verbindungsabschnitt 135 der Dampfmaschine 110 kann sicher auf einen Wert kleiner als 20% gedrückt werden, weil der Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts 135 so konstruiert ist, dass er die Gleichungen (2) und (3) erfüllt, bei denen „ωτ” größer als „10” ist.
Als Ergebnis, dass der Wärmeverlustanteil am Verbindungsabschnitt 135 kleiner als 20% gemacht ist, wird eine Verflüssigung des Gasphasen-Arbeitsfluids (des Dampfes) 120 am Verbindungsabschnitt 135 verhindert. Der Dampf des Arbeitsfluids 120 kann am Kühlabschnitt 133 verflüssigt werden, sodass ein zufriedenstellendes Maß der Volumenerweiterung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter 111 erzielt werden kann.
Der innerer Fluiddruck des Arbeitsfluids 120 in dem Fluidbehälter 111 kann zufriedenstellend auf einen hohen Wert erhöht werden, um den Kolben effektiv zu betätigen und dadurch den Abfall der an der Ausgabevorrichtung 101 erzeugten Ausgabeenergie zu verhindern.
Wie in 4 dargestellt, ist ein Innenradius des Heizabschnitts 131 gleich dem Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts 135 konstruiert. Insbesondere ist die Innenfläche des Heizabschnitts 131 ohne irgendeine Stufe gleichmäßig mit der Innenfläche des Verbindungsabschnitts 135 verbunden, sodass die Bewegung des Arbeitsfluids 120 zwischen dem Heizabschnitt 131 und dem Verbindungsabschnitt 135 ruhig erfolgen kann.
Ein Energieverlust des Arbeitsfluids, der erzeugt werden könnte, wenn das Arbeitsfluid vom Heizabschnitt 131 zum Verbindungsabschnitt 135 in dem Fall, dass die Stufe dazwischen ausgebildet ist, bewegt wird, kann verhindert werden. Der mögliche Abfall der Ausgabeenergie an der Ausgabevorrichtung 101 kann demgemäß verhindert werden.
Wie in 3 oder 1 dargestellt, sind der Innenradius des Heizabschnitts 131 sowie der Innenradius „r1” des Kühlabschnitts 133 gleich dem Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts 135 konstruiert. Insbesondere sind die Innenflächen der Heiz- und Kühlabschnitte 131 und 133 und die Innenfläche des Verbindungsabschnitts 135 gleichmäßig miteinander verbunden, sodass das Arbeitsfluid 120 in dem Fluidbehälter 111 ruhig bewegt werden kann.
Der Innenradius des Heiz- und/oder des Kühlabschnitts 131 und 133 ist jedoch nicht notwendigerweise exakt gleich jenem des Verbindungsabschnitts 135 konstruiert. Die ruhige Bewegung des Arbeitsfluids 120 in dem Fluidbehälter 111 kann auch erzielt werden, wenn der Innenradius der Heiz- und/oder Kühlabschnitte 131 und 133 nahe dem (beinahe gleich dem) Innenradius des Verbindungsabschnitts 135 konstruiert ist.
Die vorliegende Erfindung soll nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt sein, sondern in der Bedeutung der vorliegenden Erfindung können Modifikationen möglich sein.
In dem obigen Ausführungsbeispiel ist zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit „a1” als der Wert definiert, wenn der innere Fluiddruck auf dem kleinsten Wert (der unteren Grenze) in dem Druckänderungsbereich ist. Wenn ein Druckbereich von der unteren Grenze des Druckänderungsbereichs zu einem Wert, der um 25% des gesamten Druckänderungsbereichs höher als die untere Grenze ist, als ein Niederdruckbereich definiert ist, kann die Wärmeleitfähigkeit „a1” aus irgendeiner der Wärmeleitfähigkeiten in dem Niederdruckbereich ausgewählt werden, sodass das Gasphasen-Arbeitsfluid zu geeigneten Takten verdampft werden kann.
Demgemäß kann in dem Fluidbehälter 111, bei dem der Innenradius „r1” des Kühlabschnitts 133 gleich oder beinahe gleich der Wärmeeindringtiefe „δ1” (in dem Niederdruckbereich) konstruiert ist und die Tiefe „δ1” aus der Gleichung (1) mit der Wärmeleitfähigkeit „a1” (in dem Niederdruckbereich) berechnet wird, die Wärmetauschmenge am Kühlabschnitt 133 zwischen dem Arbeitsfluid 120 und der Kühlvorrichtung 113 auf einen bestimmten Bereich gesteuert werden.
Gemäß der Dampfmaschine 110 mit dem obigen Fluidbehälter 111 kann das Gasphasen-Arbeitsfluid (der Dampf) 120 in einem geeigneten Takt verflüssigt werden, und dadurch kann der Abfall der Ausgabeenergie an der Ausgabevorrichtung 101 verhindert werden.
In dem obigen Ausführungsbeispiel ist der Innenradius des Verbindungsabschnitts 135 so konstruiert, dass der Wert von „ωτ” auf mehr als „10” eingestellt ist. Falls der Wärmeverlust weiter gesenkt werden muss, kann die Anforderung erreicht werden, indem der Wert von „ωτ” auf einen noch höheren Wert gesetzt wird.
Falls zum Beispiel, wie in 5 dargestellt, der Wärmeverlustanteil niedriger als 10% sein muss, muss der Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts 135 so konstruiert werden, dass der Wert von „ωτ” auf mehr als „20” gesetzt wird. Falls der Wärmeverlustanteil niedriger als 5% sein muss, muss der Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts 135 so konstruiert werden, dass der Wert von „ωτ” auf mehr als „30” gesetzt wird. Und weiter muss, falls der Wärmeverlustanteil niedriger als 2% sein muss, der Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts 135 so konstruiert werden, dass der Wert von „ωτ” auf mehr als „100” gesetzt wird.
Die Heizvorrichtung 112 sollte nicht auf eine solche Vorrichtung beschränkt sein, bei der das Abgas vom Motor als Wärmequelle benutzt wird. Eine elektrische Heizvorrichtung oder eine Heizvorrichtung zur Verwendung einer Gasverbrennung können ebenso als Heizvorrichtung 112 verwendet werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 6 bis 9 erläutert, wobei die gleichen Bezugsziffern benutzt werden, um die gleichen oder ähnlichen Abschnitte des ersten Ausführungsbeispiels zu bezeichnen.
In 6 sind ein Heizabschnitt 131, ein Verbindungsabschnitt 135 und ein Kühlabschnitt 133 eines ersten geraden Rohrabschnitts 111b aus mehreren kleinen Rohrabschnitten 215 ausgebildet, und ein unterer Teil des ersten geraden Rohrabschnitts 111b ist aus einem Sammelrohrabschnitt 216 gebildet. Jedes der unteren Enden der kleinen Rohrabschnitte 215 steht mit dem Sammelrohrabschnitt 216 in Verbindung, während jedes der oberen Enden der kleinen Rohrabschnitte 215 geschlossen ist.
Eine Heizvorrichtung 112 und einen Kühlvorrichtung 113 sind so ausgebildet, dass sie den Heizabschnitt 131 bzw. den Kühlabschnitt 133 der mehreren kleinen Rohrabschnitte 215 umgeben.
7 zeigt schematisch eine vergrößerte Querschnittsansicht der Heiz- und Kühlvorrichtungen 112 und 113, wobei Flüssigkeitsoberflächen des Arbeitsfluids 120 in den jeweiligen kleinen Rohrabschnitten 215 nach unten gedrückt sind. Pfeile in den jeweiligen kleinen Rohrabschnitten 215 (in 7) zeigen Richtungen eines Drucks des Gasphasen-Arbeitsfluids zum Niederdrücken des Flüssigphasen-Arbeitsfluids 120.
Wenn die Flüssigkeitsoberfläche des Flüssigphasen-Arbeitsfluids 120 herunter gedrückt wird, wie in 7 dargestellt, wird das Flüssigphasen-Arbeitsfluid von dem ersten geraden Rohrabschnitt 111b zum zweiten geraden Rohrabschnitt 111c bewegt, um einen Kolben 114 nach oben zu bewegen.
Wenn die Flüssigkeitsoberfläche zum Kühlabschnitt 133 nach unten bewegt wird und der Dampf in einen vom Kühlabschnitt 133 umgebenen Rohrabschnitt gelangt, wird der Dampf durch die Kühlvorrichtung 133 abgekühlt und verflüssigt. Der Druck zum Herunterdrücken des Flüssigphasen-Arbeitsfluids im ersten Rohrabschnitt 111b verschwindet und dadurch wird die Flüssigkeitsoberfläche im ersten Rohrabschnitt 111b nach oben bewegt (in einem Prozess von der isothermen Kompression zur adiabatischen Kompression). Der Kolben 114 eines Generators (der Ausgabevorrichtung) 101 wird dementsprechend nach unten bewegt.
Da die Kühl- und Heizabschnitte 112 und 113 aus den mehreren kleinen Rohrabschnitten 215 gebildet sind, werden die Oberflächen jener Abschnitte in Kontakt mit dem Arbeitsfluid 120 vergrößert; die Oberflächen für den Wärmeaustausch zwischen der Heiz/Kühlvorrichtung 112/113 und dem Arbeitsfluid 120 werden vergrößert. Die Wärmetauschmenge wird vergrößert und dadurch wird eine Energieübertragungseffizienz erhöht.
Demgemäß kann die Wärmetauschmenge erhöht werden, ohne die voreingestellten Temperaturen für die Heiz- und Kühlvorrichtungen 112 und 113 zu verändern (d. h. ohne die Temperatur für die Heizvorrichtung 112 zu erhöhen und die Temperatur für die Kühlvorrichtung 113 zu verringern).
Die Ausgabeenergie von der Ausgabevorrichtung 101 wird somit als Ergebnis der Verbesserung der Energieübertragungseffizienz erhöht.
Beim Vergleich des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit einem solchen Fall eines einzelnen Rohrabschnitts, in dem eine Oberfläche für den Wärmeaustausch vergrößert ist, sodass die Oberfläche gleich jener des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird, kann der feste Anteil des Fluidbehälters 111 der vorliegenden Erfindung (mit mehreren kleinen Rohrabschnitten) kleiner als jener des einzelnen Rohrabschnitts gemacht werden.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann deshalb die Ausgabeenergie durch Erhöhen der Wärmetauscheffizienz erhöht werden, und gleichzeitig kann die Dampfmaschine 110 klein gemacht werden.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wird das vom Motor abgegebene Abgas hoher Temperatur als Wärmequelle (Heizfluid) für die Heizvorrichtung 112 benutzt, wobei das Abgas mit dem Heizabschnitt 131 des Fluidbehälters 111 in Kontakt gebracht wird, um das Arbeitsfluid 120 in dem Fluidbehälter 111 zu heizen.
8 zeigt eine Perspektivansicht eines Innenaufbaus der Heizvorrichtung 112 und eine Strömungsrichtung der Heizquelle (Abgas).
Die Heizvorrichtung 112 weist ein kastenförmiges Gehäuse (nicht dargestellt) mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung (nicht dargestellt) auf. Die Heizvorrichtung 112 weist ferner mehrere Rippen 218 in dem Gehäuse auf, wobei mehrere Durchgangslöcher in den Rippen 218 ausgebildet sind, sodass die kleinen Rohrabschnitte 215 durch die Durchgangslöcher gesetzt sind. Das Heizgas (das Abgas) strömt durch die Einlassöffnung in das Gehäuse und strömt durch das Innere des Gehäuses in einer durch einen Pfeil in 8 angegebenen Richtung.
Wenn das Abgas in dem Gehäuse von einer stromaufwärtigen Seite (der Einlassöffnungsseite) zu einer stromabwärtigen Seite (der Auslassöffnungsseite) strömt, sinkt die Temperatur des Abgases von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite, weil die Wärme des Abgases durch das Arbeitsfluid in den kleinen Rohrabschnitten 215 absorbiert wird.
9 zeigt in ihrem oberen Teil ein Diagramm einer Temperaturänderung des Abgases bezüglich einer Strömungsrichtung (von stromaufwärtig zu stromabwärtig) und in ihrem unteren Teil eine vergrößerte Querschnittsansicht der Heizvorrichtung 112. In 9 sind die mehreren kleinen Rohrabschnitte 215 so gezeigt, dass sie die gleichen Oberflächen zueinander haben.
Im Fall der in 9 dargestellten Heizvorrichtung 112 unterscheidet sich die an den kleinen Rohrabschnitten 215 der stromaufwärtigen Seite zu absorbierende Wärmemenge von der an den kleinen Rohrabschnitten 215 auf der stromabwärtigen Seite zu absorbierenden. Die in den jeweiligen kleinen Rohrabschnitten zu erzeugenden Drücke sind unterschiedlich und dadurch sind analog die Takte der Verdampfung in den jeweiligen Rohrabschnitten zueinander verschieden. Mit anderen Worten sind die Takte der Fluiddruckerhöhung in den jeweiligen Rohrabschnitten 215 zueinander verschieden.
Wenn die Verdampfungstakte zueinander verschieden sind, wie bei der obigen Heizvorrichtung von 9, wird Energie für eine Fluidbewegung des Arbeitsfluids in den kleinen Rohrabschnitten 215 mit einem höheren Fluiddruck zum Verkleinern eines Volumens des Gasphasen-Arbeitsfluids in den anderen kleinen Rohrabschnitten 215 mit einem niedrigeren Fluiddruck verbraucht. Die durch die Verdampfung des Arbeitsfluids erzeugte Energie wird dadurch zwischen den kleinen Rohrabschnitten 215 mit unterschiedlichen Fluidinnendrücken verbraucht. Die Fluidbewegung kann nicht in dem unteren Rohrabschnitt 111a und dem zweiten geraden Rohrabschnitt 111c auftreten, und die Fluiddruckänderung der Heizvorrichtung 112 kann nicht richtig auf den Kolben 114 übertragen werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 8 dargestellt ist, ist ein Durchmesser „L2” der kleinen Rohrabschnitte 215 auf der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms größer als ein Durchmesser „L1” der kleinen Rohrabschnitte 215 auf der stromaufwärtigen Seite gemacht (L1 < L2), sodass Oberflächen der stromabwärtigen Rohrabschnitte größer als jene der stromaufwärtigen Rohrabschnitte werden. Die Oberflächen der kleinen Rohrabschnitte werden allmählich größer, wenn sich die Rohrabschnitte von den stromaufwärtigen Rohrabschnitten in der Richtung des Abgasstroms entfernen, sodass die Wärmesammelleistung aus dem Abgas erhöht wird, wenn sich die kleinen Rohrabschnitte von den stromaufwärtigen Rohrabschnitten entfernen.
9 zeigt das Diagramm und die Querschnittsansicht der Heizvorrichtung 112, wobei Wärmemengen Q1 bis Q5, die an den jeweiligen (fünf verschiedenen) kleinen Rohrabschnitten 215 gesammelt werden, durch Gleichungen angegeben sind.
In den in 9 gezeigten Gleichungen ist „h” ein Wärmeübertragungskoeffizient [W/m² × K], und „TW” ist eine Temperatur [K] der kleinen Rohrabschnitte 215 vor dem Heizen. „T1” bis „T5” sind Temperatur des Abgases nach der Leitung durch die jeweiligen kleinen Rohrabschnitte 215 von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite. „A1” bis „A5” sind Oberflächen der Heizabschnitte der jeweiligen kleinen Rohrabschnitte 215.
Es ist notwendig, „Q1” bis „Q5” gleich zueinander zu machen, um die aus dem Abgas an den jeweiligen kleinen Rohrabschnitten zu sammelnden Wärmemengen beinahe gleich zueinander zu machen. Es ist klar, dass die Wärmeübertragungskoeffizienten „h” und die Temperaturen „TW” der kleinen Rohrabschnitte 215 vor dem Heizen zwischen diesen fünf kleinen Rohrabschnitten beinahe gleich zueinander sind. Und es ist auch klar, dass es eine Beziehung zwischen den Temperaturen „T1” bis „T5” des Abgases gibt: T1 > T2 > T3 > T4 > T5.
Es ist deshalb möglich, „Q1” bis „Q5” beinahe gleich zueinander zu machen, indem die Oberflächen der jeweiligen kleinen Rohrabschnitte einer Beziehung wie A1 < A2 < A3 < A4 < A5 genügen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die kleinen Rohrabschnitte 215 des Fluidbehälters 111 so ausgebildet, dass die Oberflächen dieser kleinen Rohrabschnitte in der Richtung von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite des Abgasstroms allmählich größer werden.
In dem obigen Fluidbehälter 111 werden die Heizsammelleistungen an den jeweiligen kleinen Rohrabschnitten 215 von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite größer. Als Ergebnis kann selbst in dem Fall, dass die Temperatur des Abgases von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite sinkt, ein Unterschied zwischen den an den jeweiligen Rohrabschnitten 215 zu sammelnden Wärmemengen auf ein kleines Maß reduziert werden, und ein Ungleichgewicht der Fluidinnendrücke zwischen den jeweiligen kleinen Rohrabschnitten 215 kann minimiert werden.
Wie oben erläutert, verhindert der Fluidbehälter 111 der Dampfmaschine 110 mit den mehreren kleinen Rohrabschnitten 215, dass die Energie zwischen den anderen kleinen Rohrabschnitten 215 verschwenderisch verbraucht wird, indem der Unterschied des Fluiddrucks zwischen den kleinen Rohrabschnitten auf das kleine Maß reduziert wird. Der Fluiddruck des Arbeitsfluids 120 kann richtig auf den Kolben 114 ausgeübt werden, und die mechanische Energie kann richtig an der Ausgabevorrichtung 101 erzielt werden.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Die Dampfmaschine 110 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem ein Verbindungsabschnitt 243 zum Verbinden der kleinen Rohrabschnitt 215 miteinander vorgesehen ist, wird Bezug nehmend auf 10 erläutert.
Die Dampfmaschine 110 unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel (6 bis 8) in einem Aufbau eines oberen Endabschnitts des ersten geraden Rohrabschnitts 111b.
Eine Querschnittsansicht des oberen Endabschnitts des ersten geraden Rohrabschnitts 111b, der Heizvorrichtung 112 und der Kühlvorrichtung 113 ist in 10 gezeigt, wobei das Flüssigphasen-Arbeitsfluid 120 durch den Fluiddruck des Dampfes in dem Fluidbehälter 111 nach unten gedrückt wird.
Wie in 10 dargestellt, ist der Verbindungsabschnitt 243 am oberen Ende des Fluidbehälters 111 ausgebildet, um die kleinen Rohrabschnitte 215 (an oberen Enden der Heizabschnitte 131) miteinander zu verbinden, sodass ein Innenraum des Verbindungsabschnitts 243 mit allen Innenräumen der kleinen Rohrabschnitte 215 in Verbindung steht.
Da das Arbeitsfluid (Gasphase) 120 sich zwischen den kleinen Rohrabschnitten 215 bewegen kann, kann der Fluidinnendruck der jeweiligen kleinen Rohrabschnitte gleich oder im Wesentlichen gleich zueinander gemacht werden.
Das Gasphasen-Arbeitsfluid kann sich schneller als das Flüssigphasen-Arbeitsfluid bewegen, und das meiste des Hochdruck-Gasphasen-Arbeitsfluids wird an den oberen Abschnitten der kleinen Rohrabschnitte 215 (an den Heizabschnitten 131 des Fluidbehälters 111) erzeugt. Das Hochdruck-Gasphasen-Arbeitsfluid kann sich deshalb durch den Verbindungsabschnitt 243 zwischen den kleinen Rohrabschnitten 215 bewegen.
Bei der obigen Konstruktion kann der Druckunterschied zwischen den kleinen Rohrabschnitten 215 durch den Verbindungsabschnitt 243 sofort beseitigt werden, selbst wenn ein Verdampfungstakt (der Takt des Druckanstiegs) in jedem der kleinen Rohrabschnitte 215 voneinander verschieden ist.
(Modifikationen der zweiten & dritten Ausführungsbeispiele)
Verschiedene Arten von Modifikationen der obigen Ausführungsbeispiele können möglich sein.
In einer in 11 dargestellten Dampfmaschine ist eine Länge des Heizabschnitts 131 der kleinen Rohrabschnitte 215 länger gemacht, wenn ein Abstand der kleinen Rohrabschnitte 215 von der stromaufwärtigen Seite der Heizvorrichtung 112 größer wird. Die Oberfläche des Heizabschnitts 131 wird von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite der Heizvorrichtung 112 größer.
Der Verbindungsabschnitt 243 ist nicht notwendigerweise an den oberen Enden der kleinen Rohrabschnitte 215 vorgesehen, sondern er kann an irgendeinem anderen Abschnitt der Heizabschnitte 131 vorgesehen sein, wie in 12 dargestellt.
Außerdem ist der Verbindungsabschnitt 243 nicht notwendigerweise in der gleichen Höhe der Heizabschnitte 131 vorgesehen, sondern kann an verschiedenen Höhen in den kleinen Rohrabschnitten 215 vorgesehen sein, wie in 13 dargestellt.
Ferner ist der Verbindungsabschnitt 243 nicht notwendigerweise so vorgesehen, dass er alle kleinen Rohrabschnitte 215 miteinander verbindet, sonder er kann auch so vorgesehen sein, dass er eine Gruppe der kleinen Rohrabschnitte miteinander verbindet und die andere Gruppe der kleinen Rohrabschnitte unabhängig von der ersten Gruppe der kleinen Rohrabschnitte miteinander verbindet, wie in 14 dargestellt.
In 14 verbindet ein erster Verbindungsabschnitt 215 den zweiten und den vierten kleinen Rohrabschnitt miteinander, während ein zweiter Verbindungsabschnitt 246 den ersten, den dritten und den fünften kleinen Rohrabschnitt miteinander verbindet.
Gemäß den Experimenten durch die Erfinder ist es bestätigt, dass ein mittlerer Fluiddruck in der obigen ersten Gruppe (245) der kleinen Rohrabschnitte beinahe gleich einem mittlere Fluiddruck in der zweiten Gruppe (246) der kleinen Rohrabschnitte ist.
Die Heizvorrichtung 112 ist nicht auf die oben beschriebene Heizvorrichtung beschränkt, der das Heizgas von der äußeren Heizquelle (wie beispielsweise dem Verbrennungsmotor) zugeführt wird, sondern kann auch einen elektrischen Heizer oder einen Gasbrenner aufweisen. Bei einer solchen modifizierten Dampfmaschine können die jeweiligen kleinen Rohrabschnitte der Heizvorrichtung unabhängig geheizt werden, um eine Schwankung der den kleinen Rohrabschnitten zuzuführenden Wärmemenge zu reduzieren.
Die Heizvorrichtung 112 und die Kühlvorrichtung 113 können nahe beieinander angeordnet sein, ohne die Verbindungsabschnitte. Die Anzahl der kleinen Rohrabschnitte ist nicht auf fünf beschränkt.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird Bezug nehmend auf 15, 16A und 16B erläutert.
Der erste gerade Rohrabschnitt 111b an der Heizvorrichtung 112 wird Bezug nehmend auf 15, 16A und 16B erläutert, wobei 16A und 16B eine Innenkonstruktion des Heizabschnitts 112 zeigen, der an dem oberen Ende 318 des ersten geraden Rohrabschnitts 111b angeordnet ist.
Mehrere enge Nuten 340 sind an einer Innenfläche des Heizabschnitts 112 des Rohrabschnitts 111b ausgebildet. Die engen Nuten 340 erstrecken sich in Längsrichtung zum Kühlabschnitt 113 des Rohrabschnitts 111b. Die engen Nuten 340 sind so ausgebildet, dass sie durch das Flüssigphasen-Arbeitsfluid in dem Rohrabschnitt 111b ein Kapillarphänomen bewirken. Eine wasserabweisende Oberfläche 342 ist an der Innenfläche des Rohrabschnitts 111b an einer solchen Position zwischen dem Heizabschnitt 112 und dem Kühlabschnitt 113 des Rohrabschnitts 111b (an einem unteren Ende der engen Nuten 340) ausgebildet.
In der Dampfmaschine 110 des vierten Ausführungsbeispiels wird ein Gas in den ersten geraden Rohrabschnitt 111b gefüllt, sodass der Innenraum des Heizabschnitts 112 nicht mit dem Flüssigphasen-Arbeitsfluid gefüllt ist.
In der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Kolben 114 in dem Zylinder 115 bewegbar gehalten. Der Kolben 114 wird zu seinem oberen Totzentrum bewegt, wenn der Fluiddruck in dem Fluidbehälter 111 größer wird, wohingegen der Kolben 114 zu seinem unteren Totzentrum nach unten bewegt wird, wenn der Fluiddruck sinkt.
Die Flüssigkeitsoberfläche des Flüssigphasen-Arbeitsfluids in dem ersten geraden Rohrabschnitt 111b wird nach oben bewegt, wenn der Kolben 114 nach unten bewegt wird. Und wenn der Kolben 114 sein unteres Totzentrum erreicht, kommt die Flüssigkeitsoberfläche in dem ersten Rohrabschnitt 111b zu ihrer höchsten Position.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erreicht die Flüssigkeitsoberfläche, wenn die Flüssigkeitsoberfläche zur höchsten Position in dem ersten Rohrabschnitt 111b kommt, die unteren Enden der engen Nuten 340, wie in 16A dargestellt.
Das Flüssigphasen-Arbeitsfluid wird dann aufgrund des Kapillarphänomens durch die engen Nuten 340 zur Innenfläche des Heizabschnitts 112 geleitet. Das Arbeitsfluid wird dann durch die Arbeitsvorrichtung 112 geheizt und verdampft, und die Volumenerweiterung des Arbeitsfluids durch die Verdampfung wird in dem Fluidbehälter 111 erzeugt.
Die Flüssigkeitsoberfläche des Arbeitsfluids wird zu einer Position, welche niedriger als die wasserabweisende Oberfläche 342 ist, nach unten gedrückt, wie in 16B dargestellt. Die Flüssigkeitsoberfläche an einem oberen Ende 320 des zweiten geraden Rohrabschnitts 111c wird dadurch nach unten gedrückt. Der Kolben 114 und das Bewegungselement 102 der Ausgabevorrichtung 101 werden nach oben bewegt.
Ein unterer Teil des Gasphasen-Arbeitsfluids wird durch die Volumenerweiterung der Verdampfung weiter nach unten bewegt und kommt in den Raum des Kühlabschnitts der Kühlvorrichtung 113.
Das Gasphasen-Arbeitsfluid wird in dem Kühlabschnitt 113 abgekühlt und verflüssigt, und das Arbeitsfluid in dem Fluidbehälter 111 zieht sich im Volumen zusammen.
Die Flüssigkeitsoberfläche in dem ersten geraden Rohrabschnitt 111b bewegt sich aufgrund der Volumenkontraktion des Arbeitsfluids nach oben, und die Flüssigkeitsoberfläche in dem zweiten geraden Rohrabschnitt 111c wird dadurch nach unten bewegt. Der Kolben 114 sowie das Bewegungselement 102 werden durch die Federkraft der Feder 103 nach unten gedrückt. Wenn der Kolben zu seinem unteren Totzentrum bewegt wird, bewegt sich die Flüssigkeitsoberfläche in dem ersten geraden Rohrabschnitt 111b zu den engen Nuten 340 nach oben (16A).
Die obige Volumenexpansion und -kontraktion wird wiederholt, um den Kolben 114 und das Bewegungselement 102 hin und her zu bewegen, sodass elektrische Energie erzeugt wird.
In der obigen Dampfmaschine 110 ist die höchste Position der Flüssigkeitsoberfläche in dem ersten geraden Rohrabschnitt 111b an der unteren Position der engen Nuten 340, und das durch die Heizvorrichtung 112 zu heizende Flüssigphasen-Arbeitsfluid ist nur das Arbeitsfluid, das durch die engen Nuten 340 zur Innenfläche des Heizabschnitts 112 geleitet wird. Das Flüssigphasen-Arbeitsfluid an dem Heizabschnitt 112 wird dadurch vollständig verdampft.
Wie oben erläutert, ist die Menge des Flüssigphasen-Arbeitsfluids, die durch die Heizvorrichtung 112 geheizt aber nicht verdampft wird, minimiert. Das heißt, der Wärmeverlust ist minimiert.
Da die wasserabweisende Oberfläche 342 an dem unteren Abschnitt der engen Nuten 340 ausgebildet ist, kann die Bewegung des Arbeitsfluids (die selbsterregte Oszillation des Arbeitsfluids) in dem Fluidbehälter 111 besser durchgeführt werden.
Wenn die Flüssigkeitsoberfläche durch die Verdampfung des Arbeitsfluids in dem ersten geraden Rohrabschnitt 111b nach unten gedrückt wird, wird die Flüssigkeitsoberfläche durch die wasserabweisende Oberfläche 342 weiter zur Position niedriger als die wasserabweisende Oberfläche 342 bewegt (16B).
Wenn die Flüssigkeitsoberfläche wie oben erläutert nach unten gedrückt wird, gibt es die wasserabweisende Oberfläche 342 zwischen den engen Nuten 340 und der Flüssigkeitsoberfläche. Deshalb wird verhindert, dass das Flüssigphasen-Arbeitsfluid durch das Kapillarphänomen durch die Innennuten 340 zum Heizabschnitt 112 aufsteigt.
Falls das in dem Innennuten 340 am Heizabschnitt 112 verbleibende Flüssigphasen-Arbeitsfluid kontinuierlich geheizt und verdampft wird, selbst nachdem die Flüssigkeitsoberfläche nach unten gedrückt worden ist, kann der stabile Vorgang der selbsterregten Oszillation des Arbeitsfluids nicht möglich sein. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch die kontinuierliche Verdampfung des Flüssigphasen-Arbeitsfluids durch die wasserabweisende Oberfläche 342 verhindert.
Die Konstruktion der Innenfläche des Heizabschnitts 112 ist nicht auf die mehreren engen Nuten 340 von 16A beschränkt.
17 zeigt eine Modifikation der Konstruktion der Innenfläche des Heizabschnitts. In 17 sind mehrere enge Nuten 340a in der Innenfläche des ersten geraden Rohrabschnitts 111b so ausgebildet, dass sie sich in der gleichen Weise wie jene in 16A im Heizabschnitt vertikal erstrecken. Zusätzlich ist eine große Anzahl von Mikronuten 340b, die sich von den engen Nuten 340a verzweigen, in der Innenfläche ausgebildet. Die Oberflächen der engen Nuten 340a und der Mikronuten 340b sind somit vergrößert, sodass eine relativ große Menge des Flüssigphasen-Arbeitsfluids zum Heizabschnitt 112 geleitet werden kann.
Da die Menge des Flüssigphasen-Arbeitsfluids, d. h. die Menge des Gasphasen-Arbeitsfluids durch die Verdampfung vergrößert werden kann, kann die Ausgabe der Dampfmaschine 110 entsprechend erhöht werden.
Die engen Nuten 340 (340a), die regelmäßig an der Innenfläche ausgebildet sind, können durch eine maschinelle Bearbeitung oder eine chemische Behandlung, wie beispielsweise einen Ätzprozess, gebildet werden. Die Mikronuten 340b, die unregelmäßig an der Innenfläche ausgebildet sind, können analog durch die chemische Behandlung, wie beispielsweise einen Ätzprozess, gebildet werden, sodass die Innenfläche aufgeraut ist. Die Mikronuten 340b können alternativ durch Bilden unregelmäßiger konvexer Mikroflächen gebildet werden, bei denen eine Metalltrennung durch Eintauchen des Rohrabschnitts 111b in eine elektrolytische Lösung gebildet wird.
Eine wasseranziehende Oberfläche 343 kann anstelle der engen Nuten 340 (340a) und der Mikronuten 340b an der Innenfläche des Heizabschnitts 112 ausgebildet sein, wie in 18 dargestellt.
Die wasseranziehende Oberfläche 343 kann zum Beispiel durch die folgenden Verfahren gebildet werden:

(1) Eine Deckschicht wird durch ein wasseranziehendes Keramikmaterial, wie beispielsweise CaF₂, CaO, MgO, Al₂O₃, BeO, ZnO, TiO₂, SiO₂, SnO₂, Cu₂O, Na₂S, B₂O₂, CaS, CuO, usw. gebildet.

Falls eine Deckschicht durch das wasseranziehende Keramikmaterial SiO₂ (Glas) gebildet ist und der Heizabschnitt des ersten Rohrabschnitts 111b aus Aluminium gemacht ist, kann die Deckschicht in einer solchen Weise gebildet werden, dass der Heizabschnitt (auf dem das flüssige Glas anhaftet) erwärmt wird.

(2) Ein hydrophile Gruppe, wie beispielsweise eine Hydroxylgruppe (-OH – Gruppe), eine Carboxyl-Gruppe (-COOH – Gruppe), wird kombiniert.
(3) Ein gesintertes Metallmaterial oder ein Diffusionskontaktmaterial eines geschäumten Metalls wird an der Innenfläche des Heizabschnitts 112 des Rohrabschnitts 111b angehaftet, falls der Rohrabschnitt 111b aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer gemacht ist. Das anhaftende Material ist vorzugsweise das gleiche Rohmaterial wie jenes des Rohrabschnitts 111b.
(4) Falls der Rohrabschnitt 111b aus dem gesinterten Material von Kohlenstoff gemacht ist, wird ein (-Si-O-H – Gruppe) mit der Innenfläche des Rohrabschnitts 111b kombiniert.

Die obige wasseranziehende Oberfläche 343 kann auch auf den Oberflächen der engen Nuten 340 (340a) und der Mikronuten 340b gebildet werden, sodass die Zufuhr des Flüssigphasen-Arbeitsfluids zum Heizabschnitt 112 schneller erfolgen kann. Das Reaktionsvermögen der Dampfmaschine 110 wird erhöht, d. h. eine Frequenz der selbsterregten Oszillation des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter 111 kann zu einem höheren Frequenzbereich verschoben werden.
Ein Fluid mit einer niedrigeren Oberflächenspannung als Wasser, wie beispielsweise Ethanol, kann als Arbeitsfluid verwendet werden, sodass die Zufuhr des Flüssigphasen-Arbeitsfluids zu dem Heizabschnitt 112 schnell erfolgen kann. Ein Detergens kann zu dem Wasser gemischt werden, um die Oberflächenspannung zu verringern, falls das Wasser als Arbeitsfluid verwendet wird.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
Ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird Bezug nehmend auf 19A, 19B bis 21 erläutert.
19A zeigt eine schematische Darstellung der Dampfmaschine 110 des fünften Ausführungsbeispiels, 19B zeigt eine vergrößerte Perspektivansicht einer Heizvorrichtung 112A, die durch eine gestrichelte Linie in 19A eingekreist ist, und L 20A und 20B sind Draufsichten des Heizabschnitts der Heizvorrichtung 112A.
Das fünfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem obigen vierten Ausführungsbeispiel darin, dass der Heizabschnitt der Heizvorrichtung 112A durch einen scheibenförmigen Heizabschnitt 322 gebildet ist, der am oberen Ende des ersten gerade Rohrabschnitts 111b vorgesehen ist und eine scheibenförmige Innenfläche 324 besitzt, die sich waagrecht erstreckt. Die Heizvorrichtung 112A ist an einem Außenumfang des Heizabschnitts 322 vorgesehen.
Im fünften Ausführungsbeispiel ist eine vertikale Dicke „T1” der Heizvorrichtung 112A kleiner gemacht, um die thermische Effizienz der Dampfmaschine 110 zu erhöhen, indem die Menge des an der Heizvorrichtung 112A zu heizenden und zu verdampfenden Arbeitsfluids minimiert wird. Zum Beispiel ist die Dicke „T1” kleiner als ein Durchmesser „T2” des ersten geraden Rohrabschnitts 111b gemacht, wie in 19A dargestellt.
Wie in 20A dargestellt, sind mehrere enge Nuten 327a, die sich (regelmäßig) in radialen Richtungen von einer Mittelöffnung 326, die mit dem oberen Ende des ersten geraden Rohrabschnitts 111b in Verbindung steht, nach außen erstrecken, an der Innenfläche 324 ausgebildet. Mehrere Mikronuten 327b sind ferner (unregelmäßig) an der Innenfläche 324 ausgebildet. Die engen Nuten 327a und die Mikronuten 327b sind so ausgebildet, um ein Kapillarphänomen durch das Flüssigphasen-Arbeitsfluid in dem Rohrabschnitt 111b zu bewirken. Die engen Nuten 327a und die Mikronuten 327b können in der gleichen Weise wie bei dem obigen vierten Ausführungsbeispiel durch die maschinelle Bearbeitung und den chemischen Ätzprozess gebildet werden.
Die Konstruktion der an der Innenfläche 324 auszubildenden Nuten (327a und 327b) ist nicht auf die in 20A gezeigte beschränkt. Zum Beispiel kann die Konstruktion der Nuten gemacht werden, wie in 20B gezeigt, bei der enge Nuten 328 ausgebildet sind. Die engen Nuten 328a erstrecken sich von der Mittelöffnung 326 in den radialen Richtungen nach außen, während die engen Nuten 328b als konzentrische Kreise mit verschiedenen Durchmessern um die Mittelöffnung 326 ausgebildet sind.
Bei der Dampfmaschine 110 des fünften Ausführungsbeispiels ist ein Gas in den Heizabschnitt 322 gefüllt, sodass der Innenraum des Heizabschnitts nicht mit dem Flüssigphasen-Arbeitsfluid gefüllt ist.
Wenn der Kolben 114 zu seinem unteren Totzentrum bewegt wird, wird die Flüssigkeitsoberfläche in dem ersten geraden Rohrabschnitt 111b zu ihrer höchsten Position bewegt, wo die Mittelöffnung 326 mit dem Arbeitsfluid gefüllt wird.
Das Flüssigphasen-Arbeitsfluid wird aufgrund des Kapillarphänomens durch die engen Nuten 327 (328) über die Innenfläche 324 verteilt. Das Arbeitsfluid wird durch die Heizvorrichtung 112A geheizt und verdampft, um die Volumenerweiterung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter 111 zu bewirken.
Da die in dem Heizabschnitt 322 ausgebildeten Innennuten 327 (328) horizontal verlaufen, wird die Zuführgeschwindigkeit des Flüssigphasen-Arbeitsfluids durch die Nuten 327 (328) höher als bei der Dampfmaschine des vierten Ausführungsbeispiels (15 bis 18), weil die waagrechte Bewegung des Flüssigphasen-Arbeitsfluids weniger durch die Schwerkraft beeinflusst wird. Das Reaktionsvermögen der Dampfmaschine 110 wird dementsprechend erhöht.
Eine wasseranziehende Oberfläche 329 kann an der Innenfläche 324 des Heizabschnitts anstelle der engen Nuten 327 (328) ausgebildet sein, um die Zufuhr des Arbeitsfluids zum Heizabschnitt zu erleichtern, wie in 21 dargestellt. Die wasseranziehende Oberfläche kann in der gleichen Weise wie beim vierten Ausführungsbeispiel gebildet werden.
Die wasseranziehende Oberfläche 329 kann ferner an Oberflächen der engen Nuten 327 und 328 gebildet werden, um die Zuführgeschwindigkeit des Arbeitsfluids weiter zu erhöhen.
(Sechstes Ausführungsbeispiel)
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 22 erläutert.
22 ist eine Modifikation des vierten Ausführungsbeispiels (15 bis 18) und zeigt einen oberen Teil des ersten geraden Rohrabschnitts 111b. Das sechste Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vierten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Verzweigungsrohr 350 am oberen Teil des ersten geraden Rohrabschnitts 111b vorgesehen ist, wobei ein oberes Ende des Verzweigungsrohrs 350 mit einem Teil „A” des Heizabschnitts 112 verbunden ist und an seinem unteren Ende mit einem Teil „B” des geraden Rohrabschnitts, der niedriger als die Heizvorrichtung 112 ist, verbunden ist, ein Innendurchmesser des Verzweigungsrohrs 350 so konstruiert ist, dass das Flüssigphasen-Arbeitsfluid durch das Kapillarphänomen zum Heizabschnitt (den Teil A) geleitet wird.
In der Dampfmaschine 110 des sechsten Ausführungsbeispiels ist ein Gas in den Heizabschnitt 112 gefüllt, sodass der Innenraum des Heizabschnitts nicht mit dem Flüssigphasen-Arbeitsfluid gefüllt ist.
Wenn der am zweiten geraden Rohrabschnitt vorgesehene Kolben zu seinem unteren Totzentrum bewegt wird, ist die Flüssigkeitsoberfläche im ersten geraden Rohrabschnitt 111b an einer solchen Position etwas höher als der Teil „B” des Verzweigungsrohrs 350, sodass das Flüssigphasen-Arbeitsfluid durch das Kapillarphänomen durch das Verzweigungsrohr 350 nach oben zum Heizabschnitt 112 geleitet wird.
Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ist die Menge des Flüssigphasen-Arbeitsfluids, das an der Heizvorrichtung 112 geheizt und verdampft wird, auf eine solche Menge des Arbeitsfluids begrenzt, die dem Heizabschnitt durch das Verzweigungsrohr 350 zugeleitet wird. Das Flüssigphasen-Arbeitsfluid wird dadurch vollständig verdampft.
Wie oben erläutert, kann die Menge des Arbeitsfluids, die geheizt aber nicht verdampft wird und zur Kühlvorrichtung bewegt wird, minimiert werden, sodass der Wärmeverlust minimiert werden kann.
Enge Nuten 340 und/oder eine wasseranziehende Oberfläche 343 können an der Innenfläche des Verzweigungsrohrs 350a ausgebildet sein.

Claims

Dampfmaschine, mit einem Fluidbehälter (111), in den ein Arbeitsfluid gefüllt ist und in dem sich das Arbeitsfluid bewegen kann; einer Heizvorrichtung (112) zum Heizen des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) und Verdampfen des Arbeitsfluids, um einen Dampf zu erzeugen; einer Kühlvorrichtung (113) zum Abkühlen und Verflüssigen des durch die Heizvorrichtung (112) verdampften Arbeitsfluids; und einer Ausgabevorrichtung (101) mit einem Bewegungselement (102), das sich durch eine Druckänderung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) hin und her bewegt, zum Ausgeben einer von der Hubbewegung des Bewegungselements (102) umgesetzten Energie, wobei der Fluidbehälter (111) einen rohrförmigen Abschnitt (111a) mit einem Heizabschnitt (131), an dem die Heizvorrichtung (112) vorgesehen ist, und einem Kühlabschnitt (133), an dem die Kühlvorrichtung (113) vorgesehen ist, aufweist, wobei ein Innenradius „r1” des Kühlabschnitts (133) etwa gleich einer Wärmeeindringtiefe „δ1” gemacht ist, welche durch die folgende Gleichung (1) berechnet wird:
wobei „a1” eine Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids in einem Niederdruckbereich ist, und „ω” eine Winkelfrequenz der Bewegung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) ist, und wobei die Wärmeleitfähigkeit „a1” aus jenen Werten in dem Niederdruckbereich von der unteren Grenze zu einem Fluiddruck um 25% höher als die untere Grenze ist, wobei das Arbeitsfluid in dem Fluidbehälter (111) zum Verdampfen geheizt und zum Verflüssigen gekühlt wird, um den Fluiddruck innerhalb eines Druckbereichs zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze zu ändern, sowohl der Heizabschnitt (131) wie auch der Kühlabschnitt (133) mehrere kleine Rohrabschnitte (215) umfassen, und wobei der Fluidbehälter (111b) ferner einen Verbindungsabschnitt (243) zum Verbinden aller der kleinen Rohrabschnitte (215) miteinander an deren Heizabschnitten (131) umfasst, so dass ein Innenraum des Verbindungsabschnitts (243) mit allen Innenräumen der kleinen Rohrabschnitte (215) in Verbindung steht.
Dampfmaschine nach Anspruch 1, bei welcher die Wärmeleitfähigkeit „a1” ein Wert ist, wenn der Fluiddruck an der unteren Grenze ist.
Dampfmaschine nach Anspruch 1, bei welcher der Fluidbehälter (111) ferner einen Verbindungsabschnitt (135) zum Verbinden des Heizabschnitts (131) mit dem Kühlabschnitt (133) aufweist, wobei ein Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts (135) den folgenden Gleichungen (2) und (3) genügt:
ω·τ ≥ 10 (3) wobei „a2” eine Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids bei seinem hohen Druck ist, und „ω” eine Winkelfrequenz der Bewegung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) ist.
Dampfmaschine nach Anspruch 3, bei welcher der Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts (135) gleich oder beinahe gleich dem Innendurchmesser „r1” des Kühlabschnitts (133) ist.
Dampfmaschine nach Anspruch 3, bei welcher der Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts (135), der Innendurchmesser „r1” des Kühlabschnitts (133) und ein Innenradius des Heizabschnitts (131) gleich oder beinahe gleich zueinander sind.
Dampfmaschine, mit einem Fluidbehälter (111), in den ein Arbeitsfluid gefüllt ist und in dem sich das Arbeitsfluid bewegen kann; einer Heizvorrichtung (112) zum Heizen des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) und Verdampfen des Arbeitsfluids, um Dampf zu erzeugen; einer Kühlvorrichtung (113) zum Abkühlen und Verflüssigen des durch die Heizvorrichtung (112) verdampften Arbeitsfluids; und einer Ausgabevorrichtung (101) mit einem Bewegungselement (102), das sich durch eine Druckänderung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) hin und her bewegt, zum Ausgeben einer aus der Hubbewegung des Bewegungselements (102) umgesetzten Energie, wobei der Fluidbehälter (111) einen rohrförmigen Abschnitt (111a) mit einem Heizabschnitt (131), an dem die Heizvorrichtung (112) vorgesehen ist, einem Kühlabschnitt (133), an dem die Kühlvorrichtung (113) vorgesehen ist, und einem Verbindungsabschnitt (135) zum Verbinden des Heizabschnitts (131) mit dem Kühlabschnitt (133) aufweist, wobei ein Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts (135) so gemacht ist, dass er den folgenden Gleichungen (2) und (3) genügt:
ω·τ ≥ 10 (3) wobei „a2” eine Wärmeleitfähigkeit des Arbeitsfluids bei seinem hohen Druck ist, und „ω” eine Winkelfrequenz der Bewegung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) ist, wobei sowohl der Heizabschnitt (131) wie auch der Kühlabschnitt (133) mehrere kleine Rohrabschnitte (215) umfassen, und wobei der Fluidbehälter (111b) ferner einen Verbindungsabschnitt (243) zum Verbinden aller der kleinen Rohrabschnitte (215) miteinander an deren Heizabschnitten (131) umfasst, so dass ein Innenraum des Verbindungsabschnitts (243) mit allen Innenräumen der kleinen Rohrabschnitte (215) in Verbindung steht.
Dampfmaschine nach Anspruch 6, bei welcher der Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts (135) gleich oder etwa gleich dem Innendurchmesser „r1” des Kühlabschnitts (133) ist.
Dampfmaschine nach Anspruch 6, bei welcher der Innenradius „r2” des Verbindungsabschnitts (135), der Innendurchmesser „r1” des Kühlabschnitts (133) und ein Innenradius des Heizabschnitts (131) gleich oder etwa gleich zueinander sind.
Dampfmaschine, mit einem Fluidbehälter (111), in den ein Arbeitsfluid gefüllt ist und in dem sich das Arbeitsfluid bewegen kann; einer Heizvorrichtung (112) zum Heizen des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) und Verdampfen des Arbeitsfluids, um Dampf zu erzeugen; einer Kühlvorrichtung (113) zum Abkühlen und Verflüssigen des durch die Heizvorrichtung (112) verdampften Arbeitsfluids; und einer Ausgabevorrichtung (101) mit einem Bewegungselement (102), das sich durch eine Druckänderung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) hin und her bewegt, zum Ausgeben einer aus der Hubbewegung des Bewegungselements (102) umgesetzten Energie, wobei der Fluidbehälter (111) einen rohrförmigen Abschnitt (111a) mit einem Heizabschnitt (131), an dem die Heizvorrichtung (112) vorgesehen ist, und einem Kühlabschnitt (133), an dem die Kühlvorrichtung (113) vorgesehen ist, aufweist, und wobei jeder des Heizabschnitts (131) und des Kühlabschnitts (133) mehrere kleine Rohrabschnitte (215) aufweist, wobei der Fluidbehälter (111b) ferner einen Verbindungsabschnitt (243) zum Verbinden aller der kleinen Rohrabschnitte (215) miteinander an deren Heizabschnitten (131) umfasst, so dass ein Innenraum des Verbindungsabschnitts (243) mit allen Innenräumen der kleinen Rohrabschnitte (215) in Verbindung steht.
Dampfmaschine nach Anspruch 9, bei welcher die Heizvorrichtung (112) ein den Heizabschnitt (131) des Fluidbehälters (111b) umgebendes Gehäuse aufweist, sodass die mehreren kleinen Rohrabschnitte (215) des Heizabschnitts (131) in dem Gehäuse angeordnet sind und ein Heizfluid durch das Innere des Gehäuses strömt, um den Heizabschnitt (131) des Fluidbehälters (111b) zu heizen, und eine Oberfläche der kleinen Rohrabschnitte (215), die an einer stromabwärtigen Seite des Heizfluids angeordnet sind, größer gemacht ist, als jene der kleinen Rohrabschnitte (215), die an einer stromaufwärtigen Seite des Heizfluids angeordnet sind.
Dampfmaschine, mit einem Fluidbehälter (111), in den ein Arbeitsfluid gefüllt ist und in dem sich das Arbeitsfluid bewegen kann; einer Heizvorrichtung (112) zum Heizen des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) und Verdampfen des Arbeitsfluids, um einen Dampf zu erzeugen; einer Kühlvorrichtung (113) zum Abkühlen und Verflüssigen des durch die Heizvorrichtung (112) verdampften Arbeitsfluids; und einer Ausgabevorrichtung (101) mit einem Bewegungselement (102), das sich durch eine Druckänderung des Arbeitsfluids in dem Fluidbehälter (111) hin und her bewegt, zum Ausgeben einer von der Hubbewegung des Bewegungselements (102) umgesetzten Energie, wobei der Fluidbehälter (111) einen rohrförmigen Abschnitt (111a) mit einem Heizabschnitt (131), an dem die Heizvorrichtung (112) vorgesehen ist, und einen Kühlabschnitt (133), an dem die Kühlvorrichtung (113) vorgesehen ist, aufweist, und wobei ein Gas in dem Fluidbehälter (111) an dem Heizabschnitt (131) gefüllt ist, sodass der Innenraum des Heizabschnitts (131) nicht mit dem Flüssigphasen-Arbeitsfluid gefüllt ist, und wobei eine Arbeitsfluid-Zuführeinrichtung (340, 340a, 343, 327, 328, 350) an dem Heizabschnitt (131) vorgesehen ist, um das Flüssigphasen-Arbeitsfluid zum Heizabschnitt (131) zu leiten, wobei sowohl der Heizabschnitt (131) wie auch der Kühlabschnitt (133) mehrere kleine Rohrabschnitte (215) umfassen, und wobei der Fluidbehälter (111b) ferner einen Verbindungsabschnitt (243) zum Verbinden aller der kleinen Rohrabschnitte (215) miteinander an deren Heizabschnitten (131) umfasst, so dass ein Innenraum des Verbindungsabschnitts (243) mit allen Innenräumen der kleinen Rohrabschnitte (215) in Verbindung steht.
Dampfmaschine nach Anspruch 11, bei welcher die Arbeitsfluid-Zuführeinrichtung (340, 340a, 343, 327, 328) an einer Innenfläche der Heizabschnitte (131) ausgebildet ist.
Dampfmaschine nach Anspruch 11, bei welcher die Arbeitsfluid-Zuführeinrichtung (340, 340a, 343, 327, 328) mehrere enge Nuten aufweist, die an einer Innenfläche der Heizabschnitte (131) ausgebildet sind.
Dampfmaschine nach Anspruch 11, bei welcher die Arbeitsfluid-Zuführeinrichtung (340, 340a, 343, 327, 328) eine wasseranziehende Oberfläche (343) aufweist, die an einer Innenfläche der Heizabschnitte (131) ausgebildet ist.
Dampfmaschine nach Anspruch 12, bei welcher eine wasserabweisende Oberfläche (342) an einer Innenfläche des Fluidbehälters (111b) zwischen dem Heizabschnitt (131) und dem Kühlabschnitt (133) ausgebildet ist.
Dampfmaschine nach Anspruch 11, bei welcher die Arbeitsfluid-Zuführeinrichtung ein Verzweigungsrohr (350) aufweist, das an seinem einen Ende mit dem Fluidbehälter (111b) an einer solchen Position (B) verbunden ist, an der das Flüssigphasen-Arbeitsfluid eingefüllt ist, und an seinem anderen Ende mit dem Fluidbehälter (111b) an einer solchen Position (A) des Heizabschnitts (131) verbunden ist, an der das Gas eingefüllt ist, und ein Innendurchmesser des Verzweigungsrohrs (350) so gemacht ist, um ein Kapillarphänomen zu bewirken, sodass das Flüssigphasen-Arbeitsfluid durch das Verzweigungsrohr (350) zum Heizabschnitt (131) geleitet wird.
Dampfmaschine nach Anspruch 11, bei welcher der Heizabschnitt der Heizvorrichtung (112A) einen scheibenförmigen Heizabschnitt (322) aufweist, der sich horizontal erstreckt.
Dampfmaschine nach Anspruch 11, bei welcher die Heizvorrichtung (112), die Kühlvorrichtung (113) und die Ausgabevorrichtung (101) an dem Fluidbehälter (111) in dieser Reihenfolge angeordnet sind, sodass die Heizvorrichtung (112) vertikal höher als die Kühlvorrichtung (113) angeordnet ist.