JP2013185467A - Heat engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蒸気の膨張によって液体ピストンを変位させ、液体ピストンの変位を機械的エネルギに変換して出力する熱機関に関する。 The present invention relates to a heat engine that displaces a liquid piston by expansion of steam, converts the displacement of the liquid piston into mechanical energy, and outputs the mechanical energy.
従来技術として、下記特許文献1に開示された熱機関がある。この熱機関は、液相状態の作動媒体からなる液体ピストンが流動可能に封入された管状の容器と、容器の外部で作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器と、容器の一端側部位に配設されて外部蒸発器で発生した蒸気を容器に吸気させる吸気手段と、容器の他端側部位に配設されて容器の内部に吸気された蒸気の膨張によって生じる液体ピストンの変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部と、を備えている。 As a prior art, there is a heat engine disclosed in Patent Document 1 below. This heat engine is arranged in a tubular container in which a liquid piston made of a liquid-phase working medium is flowably enclosed, an external evaporator that generates vapor of the working medium outside the container, and one end side portion of the container. An intake means for sucking the steam generated by the external evaporator into the container, and the displacement of the liquid piston, which is disposed at the other end portion of the container and caused by the expansion of the steam sucked into the container, And an output unit for converting the data into an output.
しかしながら、上記従来技術の熱機関では、容器内に蒸気を取り込んだ際に、液体ピストンに吸熱されて蒸気の一部が凝縮してしまう。このような吸気時の蒸気の凝縮が多量に発生すると、入力する熱エネルギが増大したり、出力部で取り出せる機械的エネルギが減少したりして、エネルギ損失が大きくなるという問題がある。 However, in the conventional heat engine, when the steam is taken into the container, the liquid piston absorbs heat and part of the steam is condensed. When such a large amount of vapor condensation occurs during intake, there is a problem that the input heat energy increases or the mechanical energy that can be extracted at the output section decreases, resulting in a large energy loss.
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、容器内に蒸気を取り込んだ際の蒸気の凝縮を抑制して、エネルギ損失を低減することが可能な熱機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a heat engine capable of suppressing the condensation of steam when the steam is taken into the container and reducing energy loss. To do.
上記目的を達成するため、本発明では、容器(10)の一端側の部位(11)に配設された吸気手段(31)と容器内の液体ピストン(20)との間に設けられ、吸気手段により吸気された蒸気の容器軸線方向(XX)の速度成分の分布を容器軸線方向に直交する直交方向(YY)において均一化する速度均一化手段(30a、130a、80)を備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, in the present invention, an intake means (31) disposed in a portion (11) on one end side of the container (10) and the liquid piston (20) in the container are provided. Velocity equalizing means (30a, 130a, 80) for equalizing the distribution of the velocity component in the container axial direction (XX) of the steam sucked by the means in the orthogonal direction (YY) perpendicular to the container axial direction is provided. It is said.
これによると、速度均一化手段によって、吸気された蒸気の容器軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。したがって、容器内の一端側の液体ピストンの端面に作用する蒸気による動圧を端面内において均一化し、液面の乱れを抑制することができる。これにより、蒸気と液体ピストンとの接触面積の増大を抑制し、蒸気から液体ピストンへの熱伝達を抑制することができる。このようにして、容器内に取り込んだ蒸気の凝縮を抑制して、エネルギ損失を低減することができる。 According to this, the distribution of the velocity component of the inhaled steam in the container axial direction can be made uniform in the orthogonal direction orthogonal to the axis by the velocity uniformizing means. Therefore, the dynamic pressure due to the vapor acting on the end face of the liquid piston on one end side in the container can be made uniform in the end face, and the disturbance of the liquid level can be suppressed. Thereby, an increase in the contact area between the steam and the liquid piston can be suppressed, and heat transfer from the steam to the liquid piston can be suppressed. In this way, it is possible to suppress the condensation of the steam taken into the container and reduce the energy loss.
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。 In addition, the code | symbol in the parenthesis attached | subjected to each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。 A plurality of modes for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In each embodiment, parts corresponding to the matters described in the preceding embodiment may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. In the case where only a part of the configuration is described in each embodiment, the other parts of the configuration are the same as those described previously. In addition to the combination of parts specifically described in each embodiment, the embodiments may be partially combined as long as the combination is not particularly troublesome.
(第1の実施形態)
本発明を適用した第1の実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。
(First embodiment)
A first embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS.
図1に示すように、本実施形態の熱機関1は、容器10、冷却器19、液体ピストン20、吸気配管30、排気配管40、出力部50および液体ピストン排出部60等を備えている。熱機関1は、液体ピストン式蒸気エンジンとも呼ばれるものである。
As shown in FIG. 1, the heat engine 1 of the present embodiment includes a
容器10は、液体の状態の作動媒体(本例では水)からなる液体ピストン20が流動可能に封入されたシリンダをなす筒状のものである。容器10は、最下部に位置する屈曲部10bと、屈曲部10bの両側に配置される第1、2直線部10a、10cとを有し、略U字状に形成された円筒パイプ状の圧力容器である。
The
第1直線状部10aは、屈曲部10bよりも図示右方側で上下方向(図示XX方向)に延設されている。第1直線状部10aの上部は、容器10の一端側の部位に相当する一端部11である。一端部11には、吸気配管30および排気配管40が接続している。
The first
吸気配管30は、容器10の外部に設けられた蒸気供給源である蒸気発生器2から供給される作動媒体の蒸気を容器10内に吸気する吸気経路を形成する。蒸気発生器2は、例えば内燃機関の排ガス等の高温ガスの熱により蒸気を生成する。吸気配管30には、吸気経路を開閉する吸気バルブ31が設けられている。吸気バルブ31は、本実施形態における吸気手段に相当する。
The
排気配管40は、容器10内で凝縮しなかった蒸気を容器10の外部へ排出する排気経路を形成する。排気配管40には、排気経路を開閉する排気バルブ41が設けられている。排気バルブ41は、本実施形態における排気手段である。吸気バルブ31および排気バルブ41は、例えばロータリ弁やポペット弁等で構成することができる。
The
冷却器19は、第1直線状部10aのうち、吸気配管30および排気配管40の接続部位よりも下方に設けられている。冷却器19には、例えば冷却水が循環するようになっている。図示を省略しているが、冷却水が作動媒体の蒸気から奪った熱を放熱する放熱器が、冷却水の循環回路中に配置されている。
The
容器10は、比較的断熱性に優れたステンレス製としている。容器10のうち冷却器19と接触して作動媒体を凝縮させる部位である冷却部18は熱伝導率に優れた材料とすることが望ましい。本例では、冷却部18を銅またはアルミニウム製としている。
The
第2直線状部10cは、屈曲部10bよりも図示左方側で上下方向(図示XX方向)に延設されている。第2直線状部10cの上部は、容器10の他端側の部位に相当する他端部12である。他端部12には、出力部50が設けられている。出力部50は、容器10内の液体ピストン20の変位を機械的エネルギに変換して出力する。
The second
出力部50は、第2直線状部10c内を往復動可能な固体ピストン51と、固体ピストン51に連結したコネクティングロッド52とを有している。コネクティングロッド52には、動力変換機構の一部をなす慣性力発生部材としてのフライホイール3が連結している。フライホイール3の回転軸には、図示を省略した駆動対象機器が接続している。駆動対象機器は、例えば発電機である。
The
液体ピストン排出手段である液体ピストン排出部60は、容器10内から液体ピストン20の一部を排出することによって、容器10内の液体ピストン20の量を所定量に維持する。具体的には、液体ピストン排出部60は、容器10のうち冷却部18と出力部50との間の部位に接続された排出管61と、排出管61を開閉するリリーフ弁62とで構成されている。リリーフ弁62は、容器10の内部圧力が所定圧力以上になると開弁する。
The liquid
次に、上記構成における基本的な作動を、図3も参照して説明する。 Next, the basic operation in the above configuration will be described with reference to FIG.
図3の(a)に示す容積Vは容器10の容積のことであり、固体ピストン51の変位に伴って変動する。図3の(d)に示す圧力Pは容器10の内部圧力のことである。図3に示す上死点とは、液体ピストン20が最も一端部11側にきた状態のことを意味している。図3に示す下死点とは、液体ピストン20が最も他端部12側にきた状態のことを意味している。
The volume V shown in FIG. 3A is the volume of the
液体ピストン20が上死点に到達した直後の状態において、吸気バルブ31が開くと一端部11内に蒸気発生器2からの蒸気が吸気される。以下、吸気バルブ31を開いて蒸気を吸気する行程を、吸気行程という場合がある。
When the
吸気バルブ31が所定時間開いた後に閉じられると、一端部11に供給された高温・高圧の蒸気が膨張して液体ピストン20が出力部50側に押し出される。このときの液体ピストン20の変位方向を以下、膨張方向という場合がある。また、液体ピストン20が膨張方向に変位する行程を以下、膨張行程という場合がある。膨張行程では、液体ピストン20が膨張方向に変位することによって出力部50から機械的エネルギが出力される。
When the
一端部11内で膨張した蒸気が冷却部18に進入して液体ピストン20の液面が冷却部18まで下がると、冷却部18にて蒸気が冷却されて凝縮し内部圧力が低下する。以下、蒸気が冷却部18で冷却され凝縮する行程を凝縮行程という場合がある。凝縮行程が行われると、液体ピストン20を出力部50側へ押し出す力が消滅するので、固体ピストン51はフライホイール3の慣性力によって上死点側へ戻る。このときの液体ピストン20の変位方向を以下、圧縮方向という場合がある。また、液体ピストン20が圧縮方向に変位する行程を以下、圧縮行程という場合がある。
When the vapor expanded in the one
圧縮行程では、排気バルブ41が所定タイミングで開き、冷却部18で凝縮し切れなかった蒸気や不凝縮ガス(例えば混入空気)が排気配管40を介して排気される。排気バルブ41は、例えば内部圧力が大気圧と同等となったところで開くように設定されている。排気バルブ41は、液体ピストン20が上死点に到達する少し前に閉じられる。以下、排気バルブ41を開いて蒸気を排気する行程を、排気行程という場合がある。凝縮しなかった蒸気や不凝縮ガスが少ない場合には、排気行程を省略することも可能である。
In the compression stroke, the
このような動作が繰り返し行われることで容器10内の液体ピストン20が周期的に往復変位(いわゆる自励振動)して、出力部50からの出力により駆動対象機器を連続的に駆動することになる。
By repeating such an operation, the
ここで、凝縮行程において、蒸気発生器2から供給された蒸気が冷却部18で凝縮するので、その分、容器10内の液体ピストン20の量が増加することとなる。容器10内の液体ピストン20の量が増加すると液体ピストン20の液面位置が上昇するので、その分、容器10内の蒸気の容積が小さくなる。
Here, in the condensation process, the steam supplied from the
このため、排気バルブ41が閉じられてから上死点に到達するまでの蒸気の圧縮により圧力Pが上昇する場合がある。圧力Pが所定圧力以上になると、リリーフ弁62が開弁し、排出管61を介して液体ピストン20の一部が排出される。液体ピストン20の一部が排出されて圧力Pが所定圧未満になるとリリーフ弁62が閉弁する。このようにして液体ピストン20の量が所定量以下に維持される。
For this reason, the pressure P may increase due to the compression of the steam from when the
なお、作動サイクルにおける圧力Pの最低圧力が大気圧を下回るような場合には、リリーフ弁62は、排出管61における流体の逆流を防止する役割をも果たしている。
Note that when the minimum pressure P in the operation cycle is lower than the atmospheric pressure, the
熱機関1では、液体ピストン20の位相と同期して吸気バルブ31および排気バルブ41の開閉を行うことによって、膨張行程と圧縮行程とを繰り返し行うという作動サイクルが成立する。
In the heat engine 1, an operation cycle of repeatedly performing an expansion stroke and a compression stroke is established by opening and closing the
作動媒体を容器内に封入したまま加熱部で加熱して蒸気とする熱機関では、加熱部で沸騰しきれなかった作動媒体が冷却部へ熱輸送する損失が発生する。本実施形態の熱機関1では、外部から作動媒体の蒸気を取り込み作動するので、上記した熱輸送損失は発生し難く、熱動力変換効率を向上することができる。また、排気バルブ41を開くことによって、冷却部18で凝縮し切れなかった蒸気および不凝縮ガスを排気することができるので、熱動力変換効率を一層向上することができる。
In a heat engine in which the working medium is heated in the heating unit while being encapsulated in the container to be steamed, a loss occurs in which the working medium that cannot be boiled in the heating unit is transported to the cooling unit. In the heat engine 1 of the present embodiment, the operation is performed by taking in the steam of the working medium from the outside, so that the heat transport loss described above hardly occurs and the thermopower conversion efficiency can be improved. Further, by opening the
次に、本実施形態の熱機関1の要部について、図2も参照して説明する。 Next, the principal part of the heat engine 1 of this embodiment is demonstrated with reference also to FIG.
図2に示すように、第1直線状部10aの天井部13は、ドーム形状をなしている。吸気配管30のうち、吸気バルブ31よりも容器10側に位置して一端部11への接続部位となる導入管部30aは、第1直線状部10aの中心に向かう方向、かつ、天井部13の接線方向に延びている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、導入管部30aは複数(本例では2つ)設けられている。複数の導入管部30aの下流端にそれぞれ形成された吸気口32は、第1直線状部10aの軸線をはさんで互いに対向する位置に開口している。
As shown in FIG. 2, a plurality of (two in this example)
また、第1直線状部10a内には、液体ピストン20よりも上方となる部位に整流部材に相当する整流体90が配設されている。整流体90は、外形が平板状をなし、容器10を形成する材料よりも熱伝導率および比熱がいずれも小さい材料の多孔体、例えば樹脂材やセラミックス材等の多孔体により形成されている。
In the first
整流体90は、メッシュ状をなして上下方向にのみ蒸気を流通可能な多孔体、もしくは、連泡構造を有して、上下方向に流通する蒸気が分流および合流を繰り返す多孔体等からなる。整流体90は、第1直線状部10a内を横方向(水平方向)に横切るように全域に配設されている。これにより、整流体90の上面から内部へ進入した蒸気の第1直線状部10aの軸線方向(図示XX方向)の流れは、第1直線状部10aの軸線方向に直交する水平方向(図示YY方向)には大きく変化し難い。したがって、整流体90を通過する蒸気は、第1直線状部10aの軸線方向に整流される。
The rectifying
整流体90は、第1直線状部10a内において、吸気口32の開口位置と液体ピストン20との間に配設される。整流体90は、液体ピストン20の上死点位置に配設されることが好ましい。具体的には、整流体90の下面が液体ピストン20の上死点位置となるように配設されることが好ましい。
The
上述した要部構成によれば、吸気行程では、複数の吸気口32から一端部11内に蒸気が吸気される。図2に矢印で示すように、複数の吸気口32から吸気された蒸気は、それぞれ天井部13の下面に沿って流れ、第1直線状部10aの中心で互いに衝突する。蒸気同士が衝突することで、蒸気流れが混合されて流れ方向が下方に変更され、蒸気の下方に向かう流れが水平方向において均一化される。下方に向かう速度が均一化された蒸気は、整流体90内を通過し、液体ピストン20の上面(作動媒体の液相部と気相部との界面)を押し付ける。
According to the main configuration described above, steam is sucked into the one
本実施形態では、図2に示すように配設された導入管部30aが、容器の吸気手段と液体ピストンとの間に設けられ、吸気手段により吸気された蒸気の容器の軸線方向(XX方向)の速度成分の分布を軸線方向に直交する直交方向(YY方向)において均一化する速度均一化手段に相当する。
In the present embodiment, the
この導入管部30aの配置構成により、吸気された蒸気の容器10の(具体的には、第1直線状部10aの)軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。したがって、一端部11において液体ピストン20の端面に作用する蒸気による動圧を端面内において均一化し、液面が大きく乱れたり、蒸気が界面を突き抜けたりすること(蒸気の気泡が液体ピストン内に進入すること)を抑制することができる。
With the arrangement configuration of the
これにより、蒸気と液体ピストン20との接触面積の増大を抑制し、蒸気から液体ピストン20への熱伝達を抑制することができる。このようにして、容器10内に取り込んだ蒸気の凝縮を抑制して、エネルギ損失を低減することができる。
Thereby, an increase in the contact area between the steam and the
本実施形態のような速度均一化手段を備えない熱機関では、吸気行程において、蒸気の供給能力に余裕がある場合には、蒸気から液体ピストン20への熱伝達により凝縮した分だけ過剰に蒸気を吸気させることになり、入力熱量の損失が大きくなってしまう。また、吸気行程において、蒸気の供給能力に余裕がなく、供給能力以上の凝縮損失が発生した場合には、図4に破線で示すように、サイクルの最大圧力が蒸気供給圧よりも低下してしまい出力部からの出力が低下する。本実施形態によれば、図4に実線で示すように、サイクルの最大圧力を蒸気供給圧とすることができる。
In a heat engine that does not include speed uniformizing means as in the present embodiment, if there is a surplus in steam supply capacity in the intake stroke, the steam is excessively increased by the amount condensed by heat transfer from the steam to the
また、本実施形態における導入管部30aの配置構成は、吸気手段により吸気された蒸気を被衝突物に衝突させる衝突手段に相当する。一端部11内へ吸気した蒸気を衝突させて流れ方向を変更することで、容易に、吸気された蒸気の第1直線状部10aの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。
In addition, the arrangement configuration of the
そして、一方の導入管部30aから吸気される蒸気にとっては、他方の導入管部30bから吸気される蒸気が被衝突物に相当する。蒸気同士が衝突するように複数の導入管部30aを配設するだけで、一端部11内へ吸気した蒸気を衝突させ流れ方向を容易に変更することができる。
For the steam sucked from one
また、吸気口32と液体ピストン20との間には、整流体90が配設されている。これによると、第1直線状部10aの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する水平方向において均一化された蒸気流れは、整流体90により軸線方向の速度分布が均一化された状態を維持しつつ、液体ピストン20の端面に押し付けられる。したがって、一端部11において液体ピストン20の端面に作用する蒸気による動圧を端面内において確実に均一化することができる。
Further, a rectifying
また、整流体90は、容器10を構成する金属材料よりも熱伝導率が小さい材料により形成されている。したがって、整流体90を通過する蒸気から整流体90を介して容器10に吸熱され難く、蒸気の凝縮を抑制することができる。また、整流体90は、容器10を構成する金属材料よりも比熱が小さい材料からなるとともに、平板状で比較的薄い。したがって、整流体90は比較的熱容量が小さい。これにより、整流体90を通過する蒸気から整流体90に吸熱され難く、蒸気の凝縮を確実に抑制することができる。
The rectifying
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について図5に基づいて説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described based on FIG.
第2の実施形態は、前述の第1の実施形態と比較して、導入管部30aの配置構成が異なる。なお、第1の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
The second embodiment differs from the first embodiment in the arrangement configuration of the
図5に示すように、本実施形態では、多数の導入管部30aが、天井部13の内側の曲面の中心に向かうように延設されている。本実施形態では、図5に示すように配設された導入管部30aが、速度均一化手段および衝突手段に相当する。多数の吸気口32から吸気された蒸気は一端部11の中心部で互いに衝突し、第1直線状部10aの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。これにより、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, a large number of
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について図6に基づいて説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
第3の実施形態は、前述の第1、第2の実施形態と比較して、導入管部30aの配置構成が異なるとともに、吸気した蒸気を衝突させる対象物が異なる。なお、第1、第2の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
The third embodiment differs from the first and second embodiments described above in the arrangement configuration of the
図6に示すように、本実施形態では、複数の(本例では2つの)導入管部30aが、天井部13の側方において上下方向に延設されている。導入管部30a下端の吸気口32の下方には、排ガス配管70が配設されている。排ガス配管70は、容器10と一体的に接合されている。排ガス配管70の上面部は、容器10を構成する壁面部のうち吸気口32に対向する対向壁面部14となっている。
As shown in FIG. 6, in the present embodiment, a plurality of (two in this example)
排ガス配管70内には、例えば内燃機関の高温の排ガスが流通し、対向壁面部14を加熱できるようになっている。排ガス配管70は、対向壁面部14を加熱する加熱手段に相当する。
In the
上述した要部構成によれば、吸気行程では、複数の吸気口32から一端部11内に蒸気が吸気される。図6に矢印で示すように、複数の吸気口32から吸気された蒸気は、一旦対向壁面部14に衝突して流れの向きを変え、天井部13の下面に沿って流れた後に一端部11内を下方へ向かって流れる。
According to the main configuration described above, steam is sucked into the one
蒸気が対向壁面部14に一旦衝突して流れの向きを変更することで、蒸気の下方へ向かう速度成分は大きく減少する。これにより、蒸気の下方に向かう流れが水平方向において均一化される。
When the steam once collides with the opposing
本実施形態では、図6に示すように配設された導入管部30aと対向壁面部14とが、容器の吸気手段と液体ピストンとの間に設けられ、吸気手段により吸気された蒸気の容器の軸線方向(XX方向)の速度成分の分布を軸線方向に直交する直交方向(YY方向)において均一化する速度均一化手段に相当する。
In the present embodiment, the
この導入管部30aおよび対向壁面部14の配置構成により、吸気された蒸気の第1直線状部10aの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。これにより、第1、第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。
With the arrangement configuration of the
また、本実施形態における導入管部30aおよび対向壁面部14の配置構成は、吸気手段により吸気された蒸気を被衝突物に衝突させる衝突手段に相当する。一端部11内へ吸気した蒸気を衝突させて流れ方向を変更することで、容易に、吸気された蒸気の第1直線状部10aの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。
In addition, the arrangement configuration of the
そして、導入管部30aから吸気される蒸気にとって、対向壁面部14が被衝突物に相当する。吸気口32から吸気される蒸気が衝突するように対向壁面部14を配設するだけで、一端部11内へ吸気した蒸気を衝突させて流れ方向を容易に変更することができる。
And for the vapor | steam inhaled from the
また、対向壁面部14を加熱する排ガス配管70を備え、対向壁面部14を比較的高温に保つことで、蒸気が対向壁面部14に衝突する際に凝縮することを抑止することができる。
Further, the
なお、導入配管30aは、複数設けられていたが、これに限定されるものではなく、1つであってもかまわない。 In addition, although the introduction piping 30a was provided with two or more, it is not limited to this, One may be sufficient.
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について図7に基づいて説明する。図7は、容器10の一端部11の内部構成を透視状態で示している。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the internal configuration of the one
第4の実施形態は、前述の第1〜第3の実施形態と比較して、導入管部の配置構成が異なる。なお、第1〜第3の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。 4th Embodiment differs in the arrangement configuration of an introductory pipe part compared with the above-mentioned 1st-3rd embodiment. In addition, about the part similar to the 1st-3rd embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
図7に示すように、本実施形態では、複数の(本例では2つの)導入管部130aが、一端部11の側壁面部の軸直交断面における接線方向に延設されている。
As shown in FIG. 7, in the present embodiment, a plurality of (two in this example)
上述した要部構成によれば、吸気行程では、複数の吸気口32から一端部11内に蒸気が吸気される。図7に矢印で示すように、複数の吸気口32から吸気された蒸気は、一端部11の側壁面部に沿って流れ、一端部11の内部に旋回流を形成する。そして、この蒸気の旋回流が徐々に下方へ移動していく。
According to the main configuration described above, steam is sucked into the one
蒸気が第1直線状部10aの軸線周りに旋回流を形成することで、蒸気の移動速度のうち、下方に向かう速度成分は極めて小さくなり、水平方向の速度成分が極めて大きくなる。したがって、蒸気の第1直線状部10a軸線方向の速度成分が比較的小さくなり、これに伴い、蒸気の軸線方向の速度成分が水平方向において均一化される。
As the steam forms a swirl flow around the axis of the first
本実施形態では、図7に示すように配設された導入管部130aが、容器の吸気手段と液体ピストンとの間に設けられ、吸気手段により吸気された蒸気の容器の軸線方向(XX方向)の速度成分の分布を軸線方向に直交する直交方向(YY方向)において均一化する速度均一化手段に相当する。
In the present embodiment, the
この導入管部130aの配置構成により、吸気された蒸気の第1直線状部10aの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。したがって、第1〜第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。
With the arrangement configuration of the
また、本実施形態における導入管部130aの配置構成は、吸気手段により吸気された蒸気の容器軸線方向に直交する直交方向の速度成分が容器軸線方向の速度成分よりも大きくなるような蒸気の流れを形成する蒸気流形成手段に相当する。蒸気の第1直線状部10a軸線方向に直交する直交方向の速度成分が第1直線状部10a軸線方向の速度成分よりも大きくなるような蒸気の流れを形成することで、軸線方向の速度成分を抑制することができる。これにより、容易に、吸気された蒸気の第1直線状部10aの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。
Further, the arrangement configuration of the
また、導入管部130aは、第1直線状部10aの軸線方向に対してねじれの位置関係にある方向の1つである側壁面部の接線方向から、一端部11の内部に蒸気を吸気する吸気経路部に相当する。導入配管130aを介して吸気された蒸気が第1直線状部10aの軸線周りに旋回流を形成することで、容易に、第1直線状部10aの軸線方向に直交する直交方向の蒸気の速度成分を軸線方向の蒸気の速度成分よりも大きくすることができる。
Further, the
なお、導入配管130aは、一端部11の側壁面部の接線方向に延設されていたが、これに限定されるものではない。導入配管は、第1直線状部10aの軸線方向(一端部11の軸線方向でもある)に対してねじれの位置関係にある方向に延設されていればよく、これにより、一端部11内に旋回流を形成することができる。
In addition, although the
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について図8に基づいて説明する。図8は、容器10の一端部11の内部構成を透視状態で示している。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows the internal configuration of the one
第5の実施形態は、前述の第4の実施形態と比較して、旋回流の形成手段が異なる。なお、第1〜第4の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。 The fifth embodiment is different from the fourth embodiment described above in the means for forming the swirling flow. In addition, about the part similar to 1st-4th embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
図8に示すように、本実施形態では、導入管部30aが、第1直線状部10aの中心に向かう水平方向に延設されている。一端部11内において吸気口32と液体ピストン20との間には、ガイド部材に相当するガイド板80が配設されている。ガイド板80は、例えば螺旋形状をなす薄板材からなり、一端部11内を上方から下方へ流れる蒸気を、螺旋状に案内するようになっている。
As shown in FIG. 8, in this embodiment, the
ガイド板80は、容器10を形成する材料よりも熱伝導率および比熱がいずれも小さい材料、例えば樹脂材やセラミックス材等により形成されている。なお、ガイド板80は、螺旋形状をなすものに限定されず、蒸気の流れを螺旋状に案内するものであればよい。例えば、ガイド板を周方向に複数に分割形成した複数の羽根部材により構成してもかまわない。
The
上述した要部構成によれば、吸気行程では、吸気口32から一端部11内に蒸気が吸気される。図8に矢印で示すように、吸気口32から吸気された蒸気は、ガイド板80の両面に沿って螺旋状に流れ、一端部11内に旋回流を形成する。
According to the main configuration described above, steam is sucked into the one
本実施形態では、ガイド板80が、速度均一化手段に相当し、吸気手段により吸気された蒸気の容器軸線方向に直交する直交方向の速度成分が容器軸線方向の速度成分よりも大きくなるような蒸気の流れを形成する蒸気流形成手段に相当する。このガイド板80により、吸気された蒸気の第1直線状部10aの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。したがって、第4の実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, the
また、ガイド板80は、容器10を構成する金属材料よりも熱伝導率が小さい材料により形成されている。したがって、ガイド板80に沿って流れる蒸気からガイド板80を介して容器10に吸熱され難く、蒸気の凝縮を抑制することができる。また、ガイド板80は、容器10を構成する金属材料よりも比熱が小さい材料からなるとともに、薄板状で比較的体積が小さい。したがって、ガイド板80は比較的熱容量が小さい。これにより、ガイド板80に沿って流れる蒸気からガイド板80に吸熱され難く、蒸気の凝縮を確実に抑制することができる。
Further, the
(他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
(Other embodiments)
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
上記各実施形態では、容器10の一端部11内において吸気口32の開口位置と液体ピストン20との間に整流体90を配設していたが、整流体90は設けなくてもかまわない。例えば、図9に示すように、第1の実施形態の構成に対して整流体を廃止した熱機関であってもかまわない。なお、図2、図5〜図9では、排気配管40の図示を省略している。
In each of the above-described embodiments, the
また、上記各実施形態では、容器10は略U字形状をなしていたが、これに限定されるものではない。例えば、容器の全体がL字形状や一直線形状であってもかまわない。液体ピストン20の一端部11側の端面が往復動する領域、すなわち、上記各実施形態における第1直線状部10aに相当する部分が、上下方向に延設されていることが好ましい。また、第1直線状部10aは、軸線方向が完全に上下方向に一致しているものに限定されず、例えば、第1直線状部10aの軸線方向が上下方向から若干傾斜していてもかまわない。
In each of the above embodiments, the
また、上記第4、第5の実施形態では、一端部11内に蒸気の螺旋流を形成することで、蒸気の第1直線状部10aに軸線方向の速度成分を直交方向の速度成分よりも小さくしていたが、これに限定されるものではない。螺旋流以外の流れの形成により、蒸気の第1直線状部10aに軸線方向の速度成分を直交方向の速度成分よりも小さくするものであってもよい。
Further, in the fourth and fifth embodiments, by forming a spiral flow of steam in the one
1 熱機関
10 容器
11 一端部(容器の一端側の部位)
12 他端部(容器の他端側の部位)
20 液体ピストン
30a、130a 導入配管部
50 出力部
80 ガイド板
1
12 Other end (part on the other end of the container)
20
Claims (11)
前記容器のうち一端側の部位(11)に配設され、前記容器の外部で発生した前記作動媒体の蒸気を前記容器の内部に吸気させる吸気手段(31)と、
前記容器のうち他端側の部位(12)に配設され、前記容器の内部に吸気された前記蒸気の膨張によって生じる前記液体ピストンの変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(50)と、
前記容器の前記吸気手段と前記液体ピストンとの間に設けられ、前記吸気手段により吸気された前記蒸気の前記容器の軸線方向(XX)の速度成分の分布を前記軸線方向に直交する直交方向(YY)において均一化する速度均一化手段(30a、130a、80)と、を備えることを特徴とする熱機関。 A container (10) that forms a cylinder in which a liquid piston (20) made of a working medium in a liquid phase is enclosed in a reciprocating manner;
An intake means (31) disposed at one end portion (11) of the container, and sucking the vapor of the working medium generated outside the container into the container;
An output unit (50) disposed in the other end portion (12) of the container and converting the displacement of the liquid piston caused by the expansion of the vapor sucked into the container into mechanical energy and outputting the mechanical energy. )When,
A distribution of velocity components in the axial direction (XX) of the vapor of the vapor, which is provided between the intake means and the liquid piston of the container and is sucked by the intake means, is orthogonal to the axial direction ( YY), a heat equalizing means (30a, 130a, 80) for equalizing.
前記被衝突物に前記蒸気を衝突させて前記吸気手段による前記蒸気の吸気流れ方向を変更することで、前記蒸気の前記軸線方向の速度成分の分布を前記直交方向において均一化することを特徴とする請求項1に記載の熱機関。 The speed uniformizing means has a collision means (30a) for causing the steam sucked by the suction means to collide with a colliding object (14),
The steam is made to collide with the colliding object and the direction of the intake air flow of the steam by the intake means is changed to make the distribution of the velocity component of the steam in the axial direction uniform in the orthogonal direction. The heat engine according to claim 1.
前記被衝突物は、前記複数の吸気口のそれぞれから吸気される前記蒸気において他の前記吸気口から吸気される前記蒸気であることを特徴とする請求項2に記載の熱機関。 The collision means includes a plurality of air inlets (32),
The heat engine according to claim 2, wherein the collision object is the steam sucked from each of the plurality of air intake ports, and the steam sucked from the other air intake ports.
前記被衝突物は、前記容器を構成する壁面部のうち前記吸気口に対向する対向壁面部(14)であることを特徴とする請求項2に記載の熱機関。 The collision means includes an air inlet (32),
3. The heat engine according to claim 2, wherein the colliding object is an opposing wall surface portion (14) facing the intake port among wall surface portions constituting the container.
前記蒸気流形成手段によって前記蒸気の前記軸線方向の速度成分を抑制して、前記蒸気の前記軸線方向の速度成分の分布を前記直交方向において均一化することを特徴とする請求項1に記載の熱機関。 The speed uniformizing means is a steam flow forming means (130a, 130a, 130b) for forming the steam flow such that a speed component in the orthogonal direction of the steam sucked by the suction means is larger than a speed component in the axial direction. 80)
The velocity component in the axial direction of the steam is suppressed by the steam flow forming means, and the distribution of the velocity component in the axial direction of the steam is made uniform in the orthogonal direction. Heat engine.
前記吸気経路部を介して吸気された前記蒸気が前記容器の軸線周りに旋回流を形成することで、前記蒸気の前記直交方向の速度成分を前記軸線方向の速度成分よりも大きくすることを特徴とする請求項6に記載の熱機関。 The steam flow forming means has an intake passage part (130a) for sucking the steam into the container from a direction in a twisted positional relationship with respect to the axial direction,
The steam sucked through the suction passage portion forms a swirling flow around the axis of the container, thereby making the velocity component in the orthogonal direction of the steam larger than the velocity component in the axis direction. The heat engine according to claim 6.
前記ガイド部材によって前記蒸気が前記容器の軸線周りに旋回流を形成することで、前記蒸気の前記直交方向の速度成分を前記軸線方向の速度成分よりも大きくすることを特徴とする請求項6に記載の熱機関。 The steam flow forming means has a guide member (80) disposed inside the container and guiding the steam flow in a spiral shape,
7. The steam component according to claim 6, wherein the steam forms a swirling flow around the axis of the container by the guide member, whereby the velocity component in the orthogonal direction of the steam is larger than the velocity component in the axis direction. The listed heat engine.
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