JP2010265808A - 廃熱ボイラーの廃棄蒸気を利用するフリーピストン型廃棄エネルギー再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】廃熱ボイラーの廃棄蒸気を活用してエネルギーの有効利用を図ることができ且つ構成の簡単なフリーピストン型廃棄エネルギー再生装置を提供する。
【解決手段】廃棄エネルギー再生装置は、シリンダー２外へと延出したピストンロッド４２の端部に取り付けられた磁石４３ａ，４３ｂと、シリンダー２に対するピストンロッド４２の往復移動の際の磁石４３ａ，４３ｂの移動経路の近傍に配置された発電コイル４４ａ，４４ｂとを有し、発電コイル４４ａ，４４ｂに対する磁石４３ａ，４３ｂの移動に基づき電気エネルギーを発生させる発電手段を備える。廃棄エネルギー再生装置は、更に、シリンダー２の内部の第１室２ａと第２室２ｂとに交互に廃棄蒸気の供給を行うように弁切換を制御する弁切換制御手段８を有する、シリンダー２への廃棄蒸気の供給及びシリンダー２からの減圧蒸気の排出のための給排気機構６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃熱ボイラーの廃棄蒸気を利用するフリーピストン型廃棄エネルギー再生装置に関するものである。このフリーピストン型廃棄エネルギー再生装置は、たとえば、発電装置または空気圧縮装置として具体化される。

近年、エネルギー資源を有効に利用すべく、各種の発熱装置において発生する廃熱を再利用することが要請されている。廃熱の再利用のために、該廃熱をボイラーの熱源として利用することが一般的に行われている。

ところで、ボイラーで発生せしめられる蒸気（水蒸気）の圧力は、一般に所要の圧力より高い。このため、その利用に際しては、高圧蒸気を所要の圧力に減圧して使用するのが一般的である。この圧力調整のための減圧の際には、余剰蒸気が大気中へと廃棄される。

而して、エネルギーの有効利用の観点からは、この大気中へと廃棄される余剰蒸気のエネルギーをも再利用することが望ましい。

一方、特開２００１−２４１３０２号公報には、フリーピストンエンジン駆動のリニア発電装置が開示されている。

特開２００１−２４１３０２号公報

しかるに、上記の特許文献１に記載のリニア発電装置におけるフリーピストンエンジンは、ディーゼルエンジンなどの内燃機関であり、廃棄蒸気などの廃棄エネルギーを用いたものではない。従って、特許文献１には、廃棄蒸気の活用によるエネルギー有効利用の意図は記載されていない。

本発明の目的は、廃熱ボイラーの廃棄蒸気を活用してエネルギーの有効利用を図ることができ且つ構成の簡単なフリーピストン型廃棄エネルギー再生装置を提供することにある。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
廃熱ボイラーの廃棄蒸気により駆動されるフリーピストン型の廃棄エネルギー再生装置であって、
シリンダー外へと延出したフリーピストンのピストンロッドの端部に取り付けられた可動部材と、前記シリンダーに対する前記ピストンロッドの往復移動の際の前記可動部材の移動経路の近傍に配置された固定部材とを有し、該固定部材に対する前記可動部材の移動に基づき再生エネルギーを発生させる、再生エネルギー発生手段、及び、
前記フリーピストンのピストン体により区画される前記シリンダーの内部の第１室と第２室とに交互に前記廃棄蒸気の供給を行うように弁切換を制御する弁切換制御手段を有する、前記シリンダーへの前記廃棄蒸気の供給及び前記シリンダーからの減圧蒸気の排出のための給排気機構、
を備えることを特徴とする、フリーピストン型の廃棄エネルギー再生装置、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記再生エネルギー発生手段は発電手段であり、前記可動部材は磁石からなり、前記固定部材は発電コイルからなる。本発明の一態様においては、前記再生エネルギー発生手段は空気圧縮手段であり、前記可動部材は空気ピストンからなり、前記固定部材は空気シリンダーからなる。本発明の一態様においては、前記弁切換制御手段はカム機構により弁の開閉を行うものである。

本発明の廃棄エネルギー再生装置によれば、再生エネルギー発生手段の運動機構として往復運動のみ行うものを用いているので構成が簡単であり、しかも再生エネルギー発生手段の駆動を廃熱ボイラーの廃棄蒸気を用いたフリーピストンの往復移動に基づき行うので効率的に廃棄蒸気エネルギーの有効利用を図ることができる。

本発明によるフリーピストン型廃棄エネルギー再生装置の第１の実施形態を示す模式的縦断面図である。 図１の装置の模式的縦断面図である。 図１の装置の模式的斜視図である。 図１の装置の給排気機構の模式的透過斜視図である。 図１の装置の給排気機構の模式的断面図である。 本発明によるフリーピストン型廃棄エネルギー再生装置の第２の実施形態を示す模式的部分構成図である。

以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施の形態を説明する。

図１及び図２は、いずれも本発明によるフリーピストン型廃棄エネルギー再生装置の第１の実施形態を示す模式的縦断面図であり、これらの図は互いに直交する断面を示す。図３は本実施形態の装置の模式的斜視図である。本実施形態では、再生エネルギーは電気エネルギーの形態で取り出され、廃棄エネルギー再生装置は発電装置である。

図１及び図２に示されているように、本実施形態の装置は、ケーシング１、並びに該ケーシング１に収納された上下方向のシリンダー２とフリーピストン４とを備える。フリーピストン４は、シリンダー２内に上下方向移動可能なように収容されたピストン体４１と、該ピストン体４１に固定されその上側及び下側の双方に上下方向に延びるピストンロッド４２とを有する。シリンダー２の内部空間はピストン体４１により第１室２ａと第２室２ｂとに区画される。ピストンロッド４２の上端部及び下端部は、それぞれシリンダー２の上端壁及び下端壁を気密に貫通してシリンダー２外へと延出している。ピストンロッド４２の上端部には可動部材としての磁石４３ａが取り付けられており、ピストンロッドの下端部には可動部材としての磁石４３ｂが取り付けられている。シリンダー２に対するピストンロッド４２の上下方向往復移動の際の磁石４３ａ，４３ｂの移動経路の近傍には、それぞれ固定部材としての発電コイル４４ａ，４４ｂが配置されている。従って、発電コイル４４ａ，４４ｂに対する磁石４３ａ，４３ｂの上下方向移動に基づき、発電コイル４４ａ，４４ｂには再生エネルギーとしての誘導起電力が発生する。本実施形態では、固定部材に対する可動部材の移動に基づき再生エネルギーを発生させる再生エネルギー発生手段は発電手段であり、該発電手段は可動部材としての磁石４３ａ、４３ｂ、及び固定部材としての発電コイル４４ａ，４４ｂを有する。

本実施形態の装置は、また、シリンダー２への廃熱ボイラーの廃棄蒸気の供給及びシリンダー２からの減圧蒸気の排出のための給排気機構６を備える。図４に給排気機構６の模式的透過斜視図を示し、図５にその模式的断面図を示す。図１、図２、図４及び図５に示されているように、給排気機構６において、廃棄蒸気源から供給される廃棄蒸気は、蒸気入口６１、蒸気供給流通路６２ａ，６２ｂ、蒸気供給弁ケース６３ａ，６３ｂ、及び供給排出共用ポート６４ａ，６４ｂを経て、シリンダー２の第１室２ａ及び第２室２ｂへと供給される。この蒸気供給は、蒸気供給弁ケース６３ａ，６３ｂ内の蒸気供給弁６３ａ’，６３ｂ’が開状態とされることで実現する。一方、シリンダー２の第１室２ａ及び第２室２ｂ内に供給されフリーピストン４の駆動に供された蒸気は圧力低下により減圧蒸気とされる。第１室２ａ及び第２室２ｂ内の減圧蒸気は、供給排出共用ポート６４ａ，６４ｂ、減圧蒸気排出弁ケース６５ａ，６５ｂ、減圧蒸気排出流通路６６ａ，６６ｂ、及び減圧蒸気出口６７を経て、大気中へと排出される。この減圧蒸気排出は、減圧蒸気排出弁ケース６５ａ，６５ｂ内の減圧蒸気排出弁６５ａ’，６５ｂ’が開状態とされることで実現する。

蒸気供給弁６３ａ’，６３ｂ’及び減圧蒸気排出弁６５ａ’，６５ｂ’の開閉の制御のために、カム機構により弁の開閉を行う弁切換制御手段８が設けられている。弁切換制御手段８は、モーター８０により駆動回転せしめられる水平方向の回転軸８１に固定された第１のカム８２ｘ及び第２のカム８２ｙを備える。弁切換制御手段８は、更に、第１のカム８２ｘの外周カム面に先端が当接するようにコイルバネ８３ａｘ，８３ｂｘにより付勢された蒸気供給弁６３ａ’，６３ｂ’の弁軸８４ａｘ，８４ｂｘ、及び、第２のカム８２ｙの外周カム面に先端が当接するようにコイルバネ８５ａｙ，８５ｂｙにより付勢された減圧蒸気排出弁６５ａ’，６５ｂ’の弁軸８６ａｙ，８６ｂｙを備える。弁軸８４ａｘ，８４ｂｘ及び弁軸８６ａｙ，８６ｂｙは、いずれも回転軸８１に向かって上下方向に延びている。

第１及び第２のカム８２ｘ，８２ｙの外周カム面は、形状が同等であり、相対的位相が互いに１８０度ずれている。これらカムの外周カム面の形状は、蒸気供給弁６３ａ’，６３ｂ’及び減圧蒸気排出弁６５ａ’，６５ｂ’の開閉が以下の表１の通りになるようにして、設定されている。

表１において、第１状態では、蒸気供給弁６３ａ’及び減圧蒸気排出弁６５ｂ’が開状態であり、蒸気供給弁６３ｂ’及び減圧蒸気排出弁６５ａ’が閉状態であり、供給排出共用ポート６４ａを介してシリンダー第１室２ａへと蒸気が供給され、供給排出共用ポート６４ｂを介してシリンダー第２室２ｂから減圧蒸気が排出され、かくしてフリーピストン４は下向きに移動する。第３状態では、蒸気供給弁６３ｂ’及び減圧蒸気排出弁６５ａ’が開状態であり、蒸気供給弁６３ａ’及び減圧蒸気排出弁６５ｂ’が閉状態であり、供給排出共用ポート６４ｂを介してシリンダー第２室２ｂへと蒸気が供給され、供給排出共用ポート６４ａを介してシリンダー第１室２ａから減圧蒸気が排出され、かくしてフリーピストン４は上向きに移動する。第２状態は第１状態から第３状態への過渡状態であり、第４状態は第３状態から第１状態への過渡状態であり、これらの過渡状態では、各弁の開閉状態の逆転がなされ、フリーピストン４は下死点及びその近傍または上死点及びその近傍にある。以上の第１状態から第４状態までを繰り返すことで、フリーピストン４の上下方向往復移動がなされる。

本実施形態では、以上のような弁切換制御手段８の動作により、ピストンロッド４２が上下方向に往復移動せしめられ、磁石４３ａ，４３ｂがそれぞれ発電コイル４４ａ，４４ｂに対して上下方向に往復移動し、その際に発電コイル４４ａ，４４ｂに誘導起電力が発生する。発電された電力はそのまま交流電力として消費することもできるし、適宜の整流手段により整流することで直流電力として消費することも可能である。さらには、適宜の蓄電手段に充電することで、電気エネルギーを保存することも可能である。以上のような発電の原理、整流及び電気エネルギーの保存については、公知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

かくして、本実施形態においては、単純な運動機構を用いた簡単な構成で、廃棄蒸気を用いた発電が可能となり、エネルギー資源の有効活用の点で、極めて好ましい。

図６は、本発明によるフリーピストン型の廃棄エネルギー再生装置の第２の実施形態を示す模式的部分構成図である。これらの図において、図１乃至５におけると同様の機能を有する部材または部分には同一の符号が付されている。本実施形態では、再生エネルギーは圧縮空気エネルギーの形態で取り出され、廃棄エネルギー再生装置は空気圧縮装置である。

本実施形態において、フリーピストンの駆動のための構成は、上記第１の実施形態のものと同様である。本実施形態においては、固定部材に対する可動部材の移動に基づき再生エネルギーを発生させる再生エネルギー発生手段として空気圧縮手段が用いられている。この空気圧縮手段は、可動部材としてピストンロッドの先端部に取り付けられた空気ピストン１０２を用いており、固定部材として空気ピストン１０２を上下方向移動可能に収容してなる空気シリンダー１０４を用いている。

空気圧縮手段において、図６に示されるように、空気シリンダー１０４の内部空間は、空気ピストン体により第１室１０４ａ及び第２室１０４ｂに区画されている。大気中の空気が第１室１０４ａ内へと吸入され、該第１室１０４ａ内で一次圧縮された空気が排水器を介して第２室１０４ｂ内へと吸入され、該第２室１０４ｂ内で二次圧縮された高圧空気が逆止弁を介して高圧空気配管１０６へと供給される。

従って、第１の実施形態と同様にして、フリーピストン４の上下方向往復移動がなされると、空気シリンダー１０４内で空気ピストン１０２が上下方向に繰り返し往復移動して、２段階での空気圧縮が行われ、高圧空気配管１０６にて高圧空気が得られる。この高圧空気は、高圧空気配管１０６を空気圧回路に接続しておくことでそのまま使用してもよいし、適宜の貯蔵手段内に貯蔵しておくことも可能である。

かくして、本実施形態においては、単純な運動機構を用いた簡単な構成で、廃棄蒸気を用いた空気圧縮が可能となり、エネルギー資源の有効活用の点で、極めて好ましい。

１ ケーシング
２ シリンダー
２ａ 第１室
２ｂ 第２室
４ フリーピストン
４１ ピストン体
４２ ピストンロッド
４３ａ，４３ｂ 磁石
４４ａ，４４ｂ 発電コイル
６ 給排気機構
６１ 蒸気入口
６２ａ，６２ｂ 蒸気供給流通路
６３ａ，６３ｂ 蒸気供給弁ケース
６３ａ’，６３ｂ’ 蒸気供給弁
６４ａ，６４ｂ 供給排出共用ポート
６５ａ，６５ｂ 減圧蒸気排出弁ケース
６５ａ’，６５ｂ’ 減圧蒸気排出弁
６６ａ，６６ｂ 減圧蒸気排出流通路
８ 弁切換制御手段
８０ モーター
８１ 回転軸
８２ｘ 第１のカム
８２ｙ 第２のカム
８３ａｘ，８３ｂｘ コイルバネ
８４ａｘ，８４ｂｘ 弁軸
８５ａｙ，８５ｂｙ コイルバネ
８６ａｙ，８６ｂｙ 弁軸
１０２ 空気ピストン
１０４ 空気シリンダー
１０４ａ 第１室
１０４ｂ 第２室
１０６ 高圧空気配管

Claims (4)

1. 廃熱ボイラーの廃棄蒸気により駆動されるフリーピストン型の廃棄エネルギー再生装置であって、
   シリンダー外へと延出したフリーピストンのピストンロッドの端部に取り付けられた可動部材と、前記シリンダーに対する前記ピストンロッドの往復移動の際の前記可動部材の移動経路の近傍に配置された固定部材とを有し、該固定部材に対する前記可動部材の移動に基づき再生エネルギーを発生させる、再生エネルギー発生手段、及び、
   前記フリーピストンのピストン体により区画される前記シリンダーの内部の第１室と第２室とに交互に前記廃棄蒸気の供給を行うように弁切換を制御する弁切換制御手段を有する、前記シリンダーへの前記廃棄蒸気の供給及び前記シリンダーからの減圧蒸気の排出のための給排気機構、
   を備えることを特徴とする、フリーピストン型の廃棄エネルギー再生装置。
2. 前記再生エネルギー発生手段は発電手段であり、前記可動部材は磁石からなり、前記固定部材は発電コイルからなることを特徴とする、請求項１に記載のフリーピストン型の廃棄エネルギー再生装置。
3. 前記再生エネルギー発生手段は空気圧縮手段であり、前記可動部材は空気ピストンからなり、前記固定部材は空気シリンダーからなることを特徴とする、請求項１に記載のフリーピストン型の廃棄エネルギー再生装置。
4. 前記弁切換制御手段はカム機構により弁の開閉を行うものであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフリーピストン型の廃棄エネルギー再生装置。

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