JP2004084523A

JP2004084523A - 蒸気エンジン

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Publication number: JP2004084523A
Application number: JP2002245165A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yatsuka; 八束　真一; Yasumasa Ogiwara; 荻原　康正
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: DE10339003A1; US6931852B2; US20040060294A1; FR2846032A1; JP4411829B2; FR2846032B1; CN1240937C; CN1485526A; DE10339003B4

Abstract

【課題】蒸気圧を受ける部分の腐食及び摩耗等といった問題を解決しながら、蒸気エンジンの効率を向上させる。
【解決手段】Ｕ字状の流体容器１１の一方側に加熱器１２及び冷却器１３を設けて、他方側に出力用のピストン１４を設ける。これにより、加熱器１２により加熱されて気化した作動流体の蒸気は、その膨脹圧力により第１鉛直部１１ｂ側の液面を押し下げるため、作動流体のうち液体部分は、第１鉛直部１１ｂから第２鉛直部１１ｃ側に流動変位してピストン１４を押し上げる向きの圧力をピストン１４に作用させる。このとき、作動流体のうち液体部分が蒸気の膨脹圧力を直接的に受ける液体ピストンとして機能するので、蒸気圧を受ける部品の腐食及び摩耗等といった問題は、原理的に発生しない。また、予め蒸気の過熱度を高くするといった手段を講じる必要がなく、エネルギ変換効率をカルノーサイクルと同等程度まで高めることが可能となる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギを機械的エネルギに変換する蒸気エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
火力発電所等で採用されているランキンサイクルを用いた蒸気エンジンでは、過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気を蒸気タービンにて等エントロピ膨脹させて機械的エネルギを取り出すとともに、蒸気タービンにて膨脹を終えた蒸気を冷却凝縮（復水）させ、この復水した液を等エントロピ圧縮した後、加熱気化させて再び過熱蒸気を生成している。
【０００３】
ところで、上記の蒸気エンジンでは、蒸気タービンにて蒸気が等エントロピ膨脹する際に、蒸気タービン内で作動流体の乾き度が減少して蒸気の一部が液化することを防止するために、膨脹工程前に蒸気の過熱度を増大させているものの、図１２に示すように、蒸気タービン内で水滴が発生することを完全に防止することは難しい。
【０００４】
そして、蒸気タービン等の膨脹エネルギを機械的エネルギに変化するする工程にて水滴が発生すると、タービンブレードやピストン等の蒸気圧を受ける部品の腐食及び摩耗を誘発してしまう。
【０００５】
そこで、ランキンサイクルを用いた蒸気エンジン（動力プラント）では、通常、乾き度が９０％以下とならないように蒸気を膨脹させざるを得ないので、熱エネルギから取り出すことができる機械的エネルギ、つまりエネルギ変換効率を高くすることが難しい。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な新規な蒸気エンジンを提供し、第２には、蒸気圧を受ける部分の腐食及び摩耗等といった問題を解決することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、熱エネルギを機械的エネルギに変換する蒸気エンジンであって、流体が流動可能に封入された流体容器（１１）と、流体容器（１１）内の流体を加熱する加熱器（１２）と、加熱器（１２）にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器（１３）とを有し、蒸気の膨脹圧力により液体を流動変位させて機械的エネルギを出力するとともに、蒸気を冷却器（１３）にて冷却して液化することにより流体容器（１１）内の流体を自励振動変位させることを特徴とする。
【０００８】
これにより、流体のうち液体部分が蒸気の膨脹圧力を直接的に受ける液体ピストンとして機能するので、蒸気圧を受ける部品の腐食及び摩耗等といった問題は、原理的に発生しない。
【０００９】
また、流体のうち液体部分、つまり液体ピストンにて蒸気の膨脹圧力を受けるので、蒸気が膨脹した際に過熱度が低下して液滴が発生してしまうことを防止するために、予め蒸気の過熱度を高くするといった手段を講じる必要性がなく、エネルギ変換効率をカルノーサイクルと同等程度まで高めることが可能となる。
【００１０】
なお、本発明は、過熱蒸気を生成しなくても、エネルギ変換効率をカルノーサイクルと同等程度まで高めることが可能とするもので、過熱蒸気の生成を否定するものではない。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、加熱器（１２）は、冷却器（１３）より上方側に位置していることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、加熱器（１２）側には、流体容器（１１）内の流体に周期的な加振力を作用させる加振手段（１５）が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、流体の共振を利用して効率よく機械的エネルギを出力として取り出すことが可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、加振手段（１５）は、密閉容器内に充填された気体の圧縮反力を加振力として流体容器（１１）内の流体に作用させることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、加振手段（１５）は、流体容器（１１）内で発生する自励振動の周期とずれた周期にて流体容器（１１）内の流体に力を作用させることを特徴とする。
【００１６】
これにより、加熱器（１２）又は冷却器（１３）と流体との熱交換時間を長くすることができ得るので、加熱器（１２）又は冷却器（１３）と流体との熱交換量を増大させることができ、蒸気エンジンの運転効率（エネルギ変換効率）を高めることができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、加振手段（１５）は、流体容器（１１）内で発生する自励振動の周期に対して１／４周期ずれた周期にて流体容器（１１）内の流体に力を作用させることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、加振手段は、流体容器（１１）内の流体に直接的に加振力を作用させる気体が封入された第１ガス室（１５）、及び所定の流通抵抗を発生させる絞り手段（１５ｂ）を介して第１ガス室（１５）と連通する第２ガス室（１５ａ）を有して構成されていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、加熱器（１２）又は冷却器（１３）と流体との熱交換時間を長くすることができ得るので、加熱器（１２）又は冷却器（１３）と流体との熱交換量を増大させることができ、蒸気エンジンの運転効率（エネルギ変換効率）を高めることができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明では、加熱器（１２）と冷却器（１３）との間には、流体容器（１１）内の流体との間で熱の授受を行う再生器（１６）が設けられていることを特徴とする。
【００２１】
加熱器（１２）にて流体に与えられた熱エネルギのうち機械的エネルギとして取り出すことができるのは、蒸気圧、つまり膨脹圧力となったエネルギであり、冷却器（１３）により流体から吸熱された熱エネルギは機械的エネルギとして取り出すことができない。
【００２２】
これに対して、本発明では、加熱器（１２）と冷却器（１３）との間に流体との間で熱の授受を行う再生器（１６）を設けたので、気化した流体は再生器（１６）に熱を与えながら膨脹して加熱器（１２）側から冷却器（１３）に流動し、一方、冷却器（１３）にて冷却された流体は、膨脹時に再生器（１６）に与えた熱を熱源として再生器（１６）にて加熱されながら冷却器（１３）側から加熱器（１２）側に流動する。
【００２３】
したがって、本発明では、冷却器（１３）にて廃熱として放出さていた熱エネルギを加熱用に再利用することができるので、蒸気エンジンに投入する熱エネルギ量を少なくすることができ、蒸気エンジンの運転効率（エネルギ変換効率）を高めることができる。
【００２４】
請求項９に記載の発明では、流体容器（１１）は、屈曲部（１１ａ）が最下部に位置するように略Ｕ字パイプ状に形成されており、さらに、液体は屈曲部（１１ａ）を行き帰りするように自励振動変位することをを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１０に記載の発明では、流体容器（１１）は、外筒部（１１ｄ）と内筒部（１１ｅ）とが下方側で連通するように二重筒状に構成されており、さらに、液体は外筒部（１１ｄ）と内筒部（１１ｅ）との連通部（１１ｆ）を行き帰りするように自励振動変位することをを特徴とする。
【００２６】
これにより、流体容器（１１）の小型化を図ることができる。
【００２７】
請求項１１に記載の発明では、熱エネルギを機械的エネルギに変換する蒸気エンジンであって、環状の流体通路を構成する流体容器（１１）と、流体容器（１１）内の流体を加熱する加熱器（１２）と、加熱器（１２）より上方側に配置され、加熱器（１２）にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器（１３）と、流体容器（１１）に設けられ、流体容器（１１）の液体に発生する自励振動変位を機械的エネルギとして出力する出力部（１４、１４ａ、１４ｂ）とを有することを特徴とする。
【００２８】
これにより、加熱器（１２）に過熱されて沸騰気化した蒸気は、膨脹しながら上方側に移動していき、冷却器（１３）にて冷却されて凝縮して液化する。このため、流体容器（１１）内の流体が膨脹・縮小を繰り返すため、微視的に自励振動変位する。
【００２９】
一方、冷却器（１３）にて蒸気は冷却されて液化するものの、加熱器（１２）側から蒸気が連続的に冷却器（１３）側に移動してくるため、作動流体全、つまり巨視的に作動流体を観察すると、流体は、加熱器（１２）側から冷却器（１３）側に移動するように流体容器（１１）内を循環する。
【００３０】
以上に述べたように、本発明においても、流体のうち液体部分が蒸気の膨脹圧力を直接的に受ける液体ピストンとして機能するので、蒸気圧を受ける部品の腐食及び摩耗等といった問題は、原理的に発生しない。
【００３１】
また、流体のうち液体部分、つまり液体ピストンにて蒸気の膨脹圧力を受けるので、蒸気が膨脹した際に過熱度が低下して液滴が発生してしまうことを防止するために、予め蒸気の過熱度を高くするといった手段を講じる必要性がなく、エネルギ変換効率をカルノーサイクルと同等程度まで高めることが可能となる。
【００３２】
請求項１２に記載の発明では、流体容器（１１）内を循環する流体の流速を周期的に変化させる流速制御手段（１７）を有することを特徴とする。
【００３３】
これにより、加熱器（１２）又は冷却器（１３）と流体との熱交換時間を長くすることができ得るので、加熱器（１２）又は冷却器（１３）と流体との熱交換量を増大させることができ、蒸気エンジンの運転効率（エネルギ変換効率）を高めることができる。
【００３４】
請求項１３に記載の発明では、流体容器（１１）は、外筒部（１１ｄ）と内筒部（１１ｅ）とが上端側及び下端側で連通するように二重筒状に構成されていることを特徴とする。
【００３５】
これにより、流体容器（１１）の小型化を図ることができる。
【００３６】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、発電機１内の可動子２を振動変位させるリニアモータに本発明に係る蒸気エンジンを適用したものであり、図１は本実施形態に係る蒸気エンジン１０及び発電機１からなる発電装置の概念図であり、図２は蒸気エンジン１０のみの概念図である。
【００３８】
なお、本実施形態に係る発電機１は、永久磁石が埋設された可動子２を振動変位させるこにより起電力を発生させるリニア振動電機である。
【００３９】
蒸気エンジン１０は、作動流体が流動可能に封入された流体容器１１、流体容器１１内の流体を加熱する加熱器１２、及び加熱器１２にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器１３等からなるものである。
【００４０】
なお、流体容器１１は、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位を除き、断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本実施形態では、作動流体を水としているので、流体容器１１をステンレス製とし、加熱器１２及び冷却器１３部分を流体容器１１（ステンレス）より熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム製としている。
【００４１】
そして、流体容器１１は、屈曲部１１ａが最下部に位置するように第１、２鉛直部１１ｂ、１１ｃを有する略Ｕ字状に形成されたパイプ状の圧力容器であり、流体容器１１のうち屈曲部１１ａを挟んで水平方向一端側（紙面右側）の第１鉛直部１１ｂには、加熱器１２が冷却器１３より上方側に位置するように加熱器１２及び冷却器１３が設けられている。
【００４２】
一方、流体容器１１のうち屈曲部１１ａを挟んで水平方向他端側（紙面左側）の第２鉛直部１１ｃの上端部には、作動流体から圧力を受けて変位するピストン１４がシリンダ部１４ａに摺動可能に配置されている。
【００４３】
なお、ピストン１４は、図１に示すように、可動子２のシャフト２ａに連結されており、可動子２を挟んでピストン１４と反対側には、可動子２をピストン１４側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすバネ３が設けられている。
【００４４】
また、流体容器１１の加熱器１２側には、窒素やヘリウム等の作動流体と反応しない不活性ガスが封入された密閉容器をなすガス室１５が設けられており、このガス室１５内に充填された気体の圧縮反力により流体容器１１内の流体に周期的な加振力（弾性力）を作用させている。つまり、本実施形態では、ガス室１５が流体容器１１内の流体に周期的な加振力を作用させる加振手段として機能する。
【００４５】
次に、本実施形態に係る蒸気エンジン１０の作動原理及びその特徴を述べる。
【００４６】
図３は蒸気エンジン１０の作動原理を示す説明図である。
【００４７】
加熱器１２により加熱されて気化した作動流体の蒸気は、その膨脹圧力により第１鉛直部１１ｂ側の液面を押し下げるため、作動流体のうち液体部分は、第１鉛直部１１ｂから第２鉛直部１１ｃ側に流動変位してピストン１４を押し上げる向きの圧力をピストン１４に作用させる。
【００４８】
したがって、ピストン１４は、バネ３の弾性力及び可動子２に作用する磁力に逆らって変位することとなるので、蒸気エンジン１０から機械的エネルギが発電機１に出力されたこととなる。
【００４９】
このとき、本実施形態では、作動流体のうち液体部分が蒸気の膨脹圧力を直接的に受ける液体ピストンとして機能するので、蒸気圧を受ける部品の腐食及び摩耗等といった問題は、原理的に発生しない。
【００５０】
なお、ここで、「作動流体のうち液体部分が蒸気の膨脹圧力を直接的に受ける」とは、作動流体のうち蒸気となる部分と液体ピストンとして機能する部分とを薄膜にて区画して状態で蒸気圧を液体ピストン部分に作用させる場合等も含む意味である。
【００５１】
また、作動流体のうち液体部分、つまり液体ピストンにて蒸気の膨脹圧力を受けるので、蒸気が膨脹した際に過熱度が低下して液滴が発生してしまうことを防止するために、予め蒸気の過熱度を高くするといった手段を講じる必要がなく、エネルギ変換効率をカルノーサイクルと同等程度まで高めることが可能となる。
【００５２】
因みに、本実施形態では、作動流体のうち蒸気となる部分と液体ピストンとして機能する部分とを薄膜にて区画していないので、流体容器１１内の作動流体が全て気化しない限り、発生した蒸気は飽和蒸気であり、過熱蒸気となることはない。
【００５３】
そして、加熱器１２により発生した蒸気が膨脹して冷却器１３に至ると、蒸気は冷却器１３により冷却されて凝縮液化されるため、第１鉛直部１１ｂ側の液面を押し下げる力（膨脹圧力）が消滅し、第１鉛直部１１ｂ側の液面が上昇する。
【００５４】
したがって、流体容器１１内の作動流体は、屈曲部１１ａを行き帰りするように自励振動変位しながら、外部（本実施形態では、発電機１）に機械的エネルギを出力する。
【００５５】
また、本実施形態では、ガス室１５により形成される気体バネ及び液体ピストンにより構成される振動系の固有振動数、つまり液体ピストンの自励振動数を発電機１を作動させるに適した振動数に設定することにより効率よく発電装置が稼動するように設定している。
【００５６】
（第２実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、加熱器１２と冷却器１３との間に、作動流体との間で熱の授受を行う再生器１６を設けたものである。
【００５７】
なお、再生器１６は、所定の熱容量を有するとともに、作動流体の振動方向と直交する方向の熱伝導率が作動流体の振動方向の熱伝導率より大きく、かつ、作動流体との熱伝達率が大きいものが望ましく、本実施形態では、金属メッシュを作動流体の振動方向に積層する、金属球を流体容器１１内に詰める、又はハニカム形状の金属材を作動流体の振動方向に積層する等して再生器１６を構成している。
【００５８】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００５９】
加熱器１２にて作動流体に与えられた熱エネルギのうち機械的エネルギとして取り出すことができるのは、蒸気圧（蒸発圧力）、つまり膨脹圧力となったエネルギであり、冷却器１３により作動流体から吸熱された熱エネルギは機械的エネルギとして取り出すことができず、第１実施形態では、冷却器１３により作動流体から吸熱された熱エネルギは廃熱として大気中等に放出される。
【００６０】
これに対して、本実施形態では、加熱器１２と冷却器１３との間に作動流体との間で熱の授受を行う再生器１６を設けたので、気化した作動流体は再生器１６に熱を与えながら膨脹して加熱器１２側から冷却器１３に流動し、一方、冷却器１３にて冷却された作動流体は、膨脹時に再生器１６に与えた熱を熱源として再生器１６にて加熱されながら冷却器１３側から加熱器１２側に流動する。
【００６１】
したがって、本実施形態では、冷却器１３にて廃熱として大気中等に放出されていた熱エネルギを加熱用に再利用することができるので、蒸気エンジン１０に投入する熱エネルギ量を第１実施形態より少なくすることができ、蒸気エンジン１０の運転効率（エネルギ変換効率）を高めることができる。
【００６２】
（第３実施形態）
本実施形態は、ガス室１５が作動流体に作用させる加振力の周期が、流体容器１１内で発生する自励振動の周期とずれるようにしたものである。具体的には、図５に示すように、流体容器１１内の作動流体に直接的に加振力を作用させる気ガス室１５（以下、第１ガス室１５と表記する。）と第２ガス室１５ａとを所定の流通抵抗を発生させるオリフィス１５ｂやキャピラリーチューブ等の絞り手段を介して連通させたものである。
【００６３】
なお、本実施形態では、第２ガス室１５ａの圧力変動がオリフィス１５ｂで平均圧力に比べて十分に小さくなるように、第２ガス室１５ａの体積を第１ガス室１５に比べて大きくして、第１ガス室１５が作動流体に作用させる加振力の周期が、流体容器１１内で発生する自励振動の周期に対して約１／４周期ずれるようにしている。
【００６４】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００６５】
本実施形態は、ガス室１５が作動流体に作用させる加振力の周期が、流体容器１１内で発生する自励振動の周期とずれるようにしているので、加熱器１２又は冷却器１３と作動流体との熱交換時間を上述の実施形態に比べて長くすることができ得る。したがって、加熱器１２又は冷却器１３と作動流体との熱交換量を増大させることができるので、蒸気エンジン１０の運転効率（エネルギ変換効率）を高めることができる。
【００６６】
なお、図５は第１実施形態（図２参照）に対して本実施形態を適用したものであったが、第２実施形態（第４実施形態）に対して本実施形態を適用してもよいことは言うまでもない。
【００６７】
（第４実施形態）
上述の実施形態では、流体容器１１を略Ｕ字状としたが、本実施形態は、図６に示すように、流体容器１１を外筒部１１ｄと内筒部１１ｅとが下方側で連通するように二重円筒状に構成したものである。なお、作動液体は外筒部１１ｄと内筒部１１ｅとの連通部１１ｆを行き帰りするように自励振動変位する。
【００６８】
なお、内筒部１１ｅ内の作動流体と内筒部１１ｅと外筒部１１ｄとの間に存在する作動流体とが熱交換してしまうと、膨脹量が減少して出力される機械的エネルギ量が低下してしまうので、内筒部１１ｅをステンレスやチタン等の熱伝導率の低い材質で構成する、又は内部が真空となった二重管とする等の対策を施すことが望ましい。
【００６９】
（第５実施形態）
上述の実施形態では、作動流体全体を自励振動させるものであったが、本実施形態は、作動流体を沸騰・冷却させることにより微視的に作動流体を自励振動させて、作動液体に発生する自励振動変位を機械的エネルギとして出力するものである。
【００７０】
具体的には、図７に示すように、流体容器１１を環状として環状の流体通路を構成するとともに、加熱器１２より上方側に加熱器１２にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器１３を配置したものである。
【００７１】
なお、図７では、自励振動変位を機械的エネルギとして出力する出力部をなすピストン１４が流体容器１１の上部に設けられているが、ピストン１４、つまり出力部の位置は、加熱器１２と冷却器１３との間を除き、いずれの部位であってもよい。
【００７２】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００７３】
加熱器１２に過熱されて沸騰気化した蒸気は、膨脹しながら上方側に移動していき、冷却器１３にて冷却されて凝縮して液化する。このため、流体容器１１内の作動流体が膨脹・縮小を繰り返すため、微視的に自励振動変位する。
【００７４】
一方、冷却器１３にて蒸気は冷却されて液化するものの、加熱器１２側から蒸気が連続的に冷却器１３側に移動してくるため、作動流体全、つまり巨視的に作動流体を観察すると、作動流体は、加熱器１２側から冷却器１３側に移動するように流体容器１１内を一方向に循環する。
【００７５】
以上に述べたように、本発明においても、作動流体のうち液体部分が蒸気の膨脹圧力を直接的に受ける液体ピストンとして機能するので、蒸気圧を受ける部品の腐食及び摩耗等といった問題は、原理的に発生しない。
【００７６】
また、作動流体のうち液体部分、つまり液体ピストンにて蒸気の膨脹圧力を受けるので、蒸気が膨脹した際に過熱度が低下して液滴が発生してしまうことを防止するために、予め蒸気の過熱度を高くするといった手段を講じる必要性がなく、エネルギ変換効率をカルノーサイクルと同等程度まで高めることが可能となる。
【００７７】
因みに、本実施形態では、作動流体は流体容器１１内を循環しているので、流体容器１１内の作動流体が全て気化しない限り、発生した蒸気は飽和蒸気であり、過熱蒸気となることはない。
【００７８】
（第６実施形態）
第５実施形態に示す蒸気エンジン１０は、巨視的に観察すると、作動流体は略一定流速で流体容器１１内を一方向に循環するものであるが、本実施形態は、流体容器１１内を循環する流体の巨視的な流速を周期的に変化させる流速制御手段をなすバルブ１７を流体容器１１内に設けたものである。
【００７９】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００８０】
作動流体が略一定流速で流体容器１１内を循環すると、加熱器１２又は冷却器１３と作動流体との熱交換時間を長くすることが難しい。これに対して、流体容器１１内を循環する流体の巨視的な流速を周期的に増減変化（流速０を含む。）させれば、加熱器１２又は冷却器１３と作動流体との熱交換量を増大させることができるので、蒸気エンジン１０の運転効率（エネルギ変換効率）を高めることができる。
【００８１】
（第７実施形態）
第５、６実施形態では、パイプ状の流体容器１１を環状に構成したが、流体容器１１は、本実施形態は、図９に示すように、外筒部１１ｄと内筒部１１ｅとを上端側及び下端側で連通するような二重円筒状として環状の流体通路を構成したものである。
【００８２】
なお、内筒部１１ｅ内の作動流体と内筒部１１ｅと外筒部１１ｄとの間に存在する作動流体とが熱交換してしまうと、膨脹量が減少して出力される機械的エネルギ量が低下してしまうので、内筒部１１ｅをステンレスやチタン等の熱伝導率の低い材質で構成する、又は内部が真空となった二重管とする等の対策を施すことが望ましい。
【００８３】
（第８実施形態）
上述の実施形態では、発電機１内のバネ３にて蒸気エンジン１０で発生した蒸気の膨脹エネルギの一部を蓄えて押し出されたピストン１４を元の位置に戻したが、本実施形態は、図１０に示すように、フライホィール３ａにて蒸気エンジン１０で発生した蒸気の膨脹エネルギの一部を蓄えて押し出されたピストン１４を元の位置に戻すものである。
【００８４】
なお、図１０は、第１実施形態に対して本実施形態を適用したものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、その他の実施形態に対しても適用することができる。
【００８５】
（第９実施形態）
上述の実施形態では、ピストン１４及びシリンダ部１４ａ等から励振動変位を機械的エネルギとして出力する出力部を構成したが、本実施形態は、図１１に示すように、流体容器１１内の圧力により変位可能な膜材１４ｂにて出力部を構成したものである。
【００８６】
なお、図１１では膜材１４ｂを蛇腹状としたベローズであるが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、単純な膜状としたダイヤフラムとしてもよい。
【００８７】
因みに、図１１は第８実施形態に対して本実施形態を適用したものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、その他の実施形態に対しても適用することができる。
【００８８】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、ガス室１５に気体を封入して得られる気体バネにて加振手段を構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コイルバネ等の弾性力を発生する弾性手段により加振手段を構成してもよい。
【００８９】
また、上述の実施形態では発電装置の駆動源に本発明を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、その他の駆動源にも適用するこができる。
【００９０】
第１〜５実施形態では、加熱器１２と冷却器１３とが鉛直方向に並んでいたが、本発明はこれに限定されるものではなく、作動流体の振動方向において、加熱器１２、冷却器１３及び出力部（ピストン１４）が加熱器１２、冷却器１３、出力部（ピストン１４）の順に並び、かつ、発生した蒸気が出力部（ピストン１４）まで流動しない構成であればよく、例えば加熱器１２及び冷却器１３を水平方向又は斜めに並んで配置し、出力部（ピストン１４）を加熱器１２及び冷却器１３より下方側に配置してもよい。
【００９１】
また、第１〜５実施形態では、加振手段をなすガス室１５が設けられいたが、本発明はこれに限定されるものではなく、加振手段を構成するものを廃止してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る蒸気エンジンの模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る蒸気エンジンの作動説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る蒸気エンジンの模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る蒸気エンジンの模式図である。
【図６】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る蒸気エンジンの模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る蒸気エンジンの模式図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係る蒸気エンジンの模式図である。
【図９】本発明の第７実施形態に係る蒸気エンジンの模式図である。
【図１０】本発明の第８実施形態に係る蒸気エンジンの模式図である。
【図１１】本発明の第９実施形態に係る蒸気エンジンの模式図である。
【図１２】Ｔ−Ｓ線図である。
【符号の説明】
１…発電機、２…可動子、３…バネ、１０…蒸気エンジン、
１１…流体容器、１２…加熱器、１３…冷却器、１４…ピストン。

Claims

熱エネルギを機械的エネルギに変換する蒸気エンジンであって、
流体が流動可能に封入された流体容器（１１）と、
前記流体容器（１１）内の流体を加熱する加熱器（１２）と、
前記加熱器（１２）にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器（１３）とを有し、
前記蒸気の膨脹圧力により液体を流動変位させて機械的エネルギを出力するとともに、前記蒸気を前記冷却器（１３）にて冷却して液化することにより前記流体容器（１１）内の流体を自励振動変位させることを特徴とする蒸気エンジン。
前記加熱器（１２）は、前記冷却器（１３）より上方側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の蒸気エンジン。
前記加熱器（１２）側には、前記流体容器（１１）内の流体に周期的な加振力を作用させる加振手段（１５）が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気エンジン。
前記加振手段（１５）は、密閉容器内に充填された気体の圧縮反力を前記加振力として前記流体容器（１１）内の流体に作用させることを特徴とする請求項３に記載の蒸気エンジン。
前記加振手段（１５）は、前記流体容器（１１）内で発生する自励振動の周期とずれた周期にて前記流体容器（１１）内の流体に力を作用させることを特徴とする請求項３に記載の蒸気エンジン。
前記加振手段（１５）は、前記流体容器（１１）内で発生する自励振動の周期に対して１／４周期ずれた周期にて前記流体容器（１１）内の流体に力を作用させることを特徴とする請求項３に記載の蒸気エンジン。
前記加振手段は、前記流体容器（１１）内の流体に直接的に加振力を作用させる気体が封入された第１ガス室（１５）、及び所定の流通抵抗を発生させる絞り手段（１５ｂ）を介して前記第１ガス室（１５）と連通する第２ガス室（１５ａ）を有して構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の蒸気エンジン。
前記加熱器（１２）と前記冷却器（１３）との間には、前記流体容器（１１）内の流体との間で熱の授受を行う再生器（１６）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の蒸気エンジン。
前記流体容器（１１）は、屈曲部（１１ａ）が最下部に位置するように略Ｕ字パイプ状に形成されており、
さらに、液体は前記屈曲部（１１ａ）を行き帰りするように自励振動変位することをを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の蒸気エンジン。
前記流体容器（１１）は、外筒部（１１ｄ）と内筒部（１１ｅ）とが下方側で連通するように二重筒状に構成されており、
さらに、液体は前記外筒部（１１ｄ）と前記内筒部（１１ｅ）との連通部（１１ｆ）を行き帰りするように自励振動変位することをを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の蒸気エンジン。
熱エネルギを機械的エネルギに変換する蒸気エンジンであって、
環状の流体通路を構成する流体容器（１１）と、
前記流体容器（１１）内の流体を加熱する加熱器（１２）と、
前記加熱器（１２）より上方側に配置され、前記加熱器（１２）にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器（１３）と、
前記流体容器（１１）に設けられ、前記流体容器（１１）の液体に発生する自励振動変位を機械的エネルギとして出力する出力部（１４、１４ａ、１４ｂ）とを有することを特徴とする蒸気エンジン。
前記流体容器（１１）内を循環する流体の流速を周期的に変化させる流速制御手段（１７）を有することを特徴とする請求項１１に記載の蒸気エンジン。
前記流体容器（１１）は、外筒部（１１ｄ）と内筒部（１１ｅ）とが上端側及び下端側で連通するように二重筒状に構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の蒸気エンジン。