JP2019044725A - レシプロ式蒸気機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】 作動流体を効率的に加熱して蒸気化する。
【解決手段】
レシプロ式蒸気機関は、シリンダの膨張室を拡張、収縮させることによりピストンを往復運動させるレシプロ式蒸気機関において、前記膨張室に対して作動流体を噴射する噴射部と、前記膨張室に噴射される前の前記作動流体を前記噴射部において加熱する第１加熱部と、を備え、前記膨張室に噴射された前記作動流体が蒸気化して体積が膨張することにより前記膨張室が拡張される、ことを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】
レシプロ式蒸気機関は、シリンダの膨張室を拡張、収縮させることによりピストンを往復運動させるレシプロ式蒸気機関において、前記膨張室に対して作動流体を噴射する噴射部と、前記膨張室に噴射される前の前記作動流体を前記噴射部において加熱する第１加熱部と、を備え、前記膨張室に噴射された前記作動流体が蒸気化して体積が膨張することにより前記膨張室が拡張される、ことを特徴とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、例えば、水等の作動流体をシリンダ内にて蒸気化させてピストンを往復運動させるレシプロ式蒸気機関に関する。
従来、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等に代表される内燃機関はもとより、蒸気タービン等の外燃機関であってもその熱源は化石燃料に依存している。地球資源の保護や排気による大気汚染等を考慮した場合、化石燃料の使用は減少させてゆくことが望ましい。
このため、 内燃機関のシリンダ内にて化石燃料を燃焼させてその体積膨張エネルギを利用する代わりに、シリンダ内にて水等の作動流体を蒸気化させてその体積膨張エネルギを利用する様々な発明が提案されている。
例えば、特許文献１には、シリンダの膨張室に水を噴射する噴射器に対して水を供給する出力管を加熱コイルまたは素子により加熱すること、膨張室にはグロープラグ等の加熱器を設けること等が開示されている。
上述した特許文献１のように、化石燃料の代わりに水等の作動流体を用いる場合であっても、作動流体を蒸気化するには加熱する必要があり、加熱のためには化石燃料等に基づくエネルギを要することになる。したがって、水等の作動流体を蒸気化させてその体積膨張エネルギを利用するに際しては、いかにして作動流体を効率的に加熱して蒸気化させるかが重要な課題となる。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、作動流体を効率的に加熱して蒸気化できるようにすることを目的とする。
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係るレシプロ式蒸気機関は、シリンダの膨張室を拡張、収縮させることによりピストンを往復運動させるレシプロ式蒸気機関において、前記膨張室に対して作動流体を噴射する噴射部と、前記膨張室に噴射される前の前記作動流体を前記噴射部において加熱する第１加熱部と、を備え、前記膨張室に噴射された前記作動流体が蒸気化して体積が膨張することにより前記膨張室が拡張される、ことを特徴とする。
本発明の他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記膨張室に噴射された前記作動流体を前記膨張室内にて加熱する第２加熱部と、を備えることができる。
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記作動流体を高圧化して前記噴射部に供給する高圧化部と、を備えることができる。
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記シリンダの前記膨張室が収縮したときに前記膨張室を負圧にする負圧部と、を備えることができる。
前記負圧部は、真空ポンプによって前記膨張室内の気体を吸引することにより前記膨張室を負圧にすることができる。
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、複数のシリンダを有することができ、前記負圧部は、第１のシリンダの前記膨張室と連結された状態の前記第１のシリンダとは異なる第２のシリンダの膨張室を拡張することにより、前記第１のシリンダの前記膨張室を負圧にすることができる。
前記負圧部は、前記シリンダからの排気を用いて前記膨張室を負圧にすることができる。
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記シリンダからの排気を用いて発電を行う発電部と、を備えることができる。
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記シリンダからの排気を用いて前記作動流体を加熱する第３加熱部と、を備えることができる。
前記作動流体は、水、空気、二酸化炭素、アンモニア、アルコール、ペンタン、または代替フロンとすることができる。
本発明によれば、作動流体を効率的に加熱して蒸気化することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明に係る複数の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。
はじめに、作動流体の一例である水の特性について説明する。なお、本発明に係る各実施の形態で用いる作動流体は水に限られず、空気、二酸化炭素、アンモニア、アルコール、ペンタン、または代替フロン等の可燃性、非可燃性の液体、気体等であってもよい。なお、作動流体を選択するに際しては、蒸発熱の低い物質の方がより効率が良いが、排気が地球環境や人体への健康等に与え得る影響も考慮すべきである。
図１は、作動流体の一例である水の第１の相図を示している。該第１の相図は、温度と圧力と水の相（固相（固体）、液相（液体）、または気相（気体））との関係を示しており、横軸が温度（℃）、縦軸が圧力（ａｔｍ）を示している。
図２は、作動流体の一例である水の第２の相図を示している。該第２の相図は、熱量（エンタルピ）と温度と水の相との関係を示しており、横軸が熱量（ＫＪ／Ｋｇ）、縦軸が温度（℃）を示している。
一般に、水は１００℃で蒸気化する（液相から気相に遷移する）とされている。しかしながら厳密には、図１に示されるように、水が１００℃で蒸気化するのは、圧力が１．０ａｔｍ以下の場合であり、圧力が１．０ａｔｍよりも高い場合、水は１００℃まで加熱しても蒸気化しない（液相から気相に遷移しない）。反対に、圧力が１．０ａｔｍ以下である場合、水は１００℃以下の温度でも蒸気化する。
よって、水を蒸気化する場合、圧力をより下げれば、より蒸気化し易くすることができると言える。
また、一般に、物質の相を遷移させる場合には潜熱が必要であり、特に水の潜熱は大きいことが知られている。具体的には、図２に示されるように、水を液相から気相に遷移させるには、２２５８ＫＪ／Ｋｇの潜熱が必要とされる。
よって、水を蒸気化する場合、潜熱を越える熱量を与える必要があり、潜熱を越える十分な熱量を与えれば、より蒸気化し易くすることができると言える。
したがって、以下に説明する本発明に係る各実施の形態では、作動流体としての水を蒸気化するに際し、圧力を下げるとともに十分な熱量を与えることができる構成を有している。
以下、本発明に係る各実施の形態について具体的に説明する。
＜本発明に係る第１の実施の形態であるレシプロ式蒸気機関の構成例＞
図３は、本発明に係る第１の実施の形態であるレシプロ式蒸気機関１０の構成例を示すブロック図である。
図３は、本発明に係る第１の実施の形態であるレシプロ式蒸気機関１０の構成例を示すブロック図である。
以下、液相に遷移している作動流体３０を液相作動流体３０Ｌ、気相に遷移している作動流体３０を気相作動流体３０Ｇと称する。同図において、実線は液相作動流体３０Ｌの経路、破線は気相作動流体３０Ｇの経路、２点鎖線は制御信号の経路をそれぞれ示している。
レシプロ式蒸気機関１０は、タンク１１、第１フィルタ１２、高圧ポンプ１３、高圧タンク（本発明の高圧化部に相当する）１４、噴射部１８、シリンダ１９、真空ポンプ（本発明の負圧部に相当する）２５、発電部２７、及び制御部２８を有する。
タンク１１は、液相作動流体３０Ｌを保持する。また、タンク１１は、発電部２７及び第３加熱部１７を介して戻される、シリンダ１９から排された気相作動流体３０Ｇを液相作動流体３０Ｌに遷移させて保持する。第１フィルタ１２は、タンク１１から汲み上げられる液相作動流体３０Ｌから不純物を排除する。高圧ポンプ１３は、タンク１１に保持されている液相作動流体３０Ｌを、第１フィルタ１２を介して汲み上げて高圧タンク１４に供給する。
高圧タンク１４は、制御部２８からの制御に従い、タンク内の圧力を高圧に調整し、高圧ポンプ１３から供給された液相作動流体３０Ｌを噴射部１８に供給する。高圧タンク１４は、タンク内の圧力が閾値以上に上がった場合にその圧力を逃がす安全弁１５と、タンク内の圧力を検知する圧力センサ１６を有する。
さらに、高圧タンク１４は、シリンダ１９からの排気である気相作動流体３０Ｇが有する熱量を用いてタンク内の液相作動流体３０Ｌを加熱する第３加熱部１７を有する。なお、第３加熱部１７によって熱量を奪われた気相作動流体３０Ｇはタンク１１に戻される。
上述した高圧タンク１４の構成により、噴射部１８には高温高圧の液相作動流体３０Ｌが供給される。
噴射部１８は、一端がシリンダ１９の膨張室２２に挿入されており、高圧タンク１４から供給される高温高圧の液相作動流体３０Ｌをさらに加熱しつつ、細かな霧状の粒子として膨張室２２に噴射する。噴射部１８の詳細な構成例については図４を参照して後述する。
シリンダ１９は、膨張室２２及びピストン２０を有している。ピストン２０は、コンロッド２１を介してクランクシャフト（不図示）に連結されている。ピストン２０は、膨張室２２に噴射される高温高圧で霧状の液相作動流体３０Ｌが気相作動流体３０Ｇに遷移してその体積を膨張させることにより下死点まで押し下げられる。また、ピストン２０は、クランクシャフトの慣性力によって、下死点から上死点に押し上げられる。これにより、ピストン２０は、シリンダ１９内を往復運動することになる。
膨張室２２には、第２加熱部２３、真空弁２４、及び排気弁２６が設けられている。第２加熱部２３は、噴射部１８から膨張室２２に噴射された高温高圧で霧状の液相作動流体３０Ｌをさらに加熱する。この加熱により、膨張室２２に噴射された霧状の液相作動流体３０Ｌはさらに高温となり蒸気化し、すなわち、気相作動流体３０Ｇに遷移してその体積を膨張させる。
真空弁２４は、ピストン２０が上死点に達したときに開放される。これにより、膨張室２２と真空ポンプ２５とが連結されて液相作動流体３０Ｌが噴射される前の膨張室２２が負圧とされ、膨張室２２が負圧とされたときに噴射部１８から膨張室２２に液相作動流体３０Ｌが噴射される。また、真空弁２４は、噴射部１８から膨張室２２に液相作動流体３０Ｌが噴射される前に閉鎖される。
これにより、液相作動流体３０Ｌが噴射される前の膨張室２２が負圧とされるので、噴射された高温高圧で霧状の液相作動流体３０Ｌを膨張室２２の全体に拡散させることができる。また、噴射された霧状の液相作動流体３０Ｌの圧力を下げることができるので、膨張室２２が負圧とされない場合に比較して、液相作動流体３０Ｌをより低い温度で気相作動流体３０Ｇに遷移させることができる。換言すれば、液相作動流体３０Ｌを気相作動流体３０Ｇにより遷移し易くすることができる。
排気弁２６は、ピストン２０が下死点から上死点まで押し上げられる間に開放される。これにより、膨張室２２に溜まっていた気相作動流体３０Ｇが発電部２７に排気される。
発電部２７は、排気弁２６から排気された気相作動流体３０Ｇを用いてタービンを回転駆動することにより発電を行う。発電部２７にて発電された電力は、例えば、高圧ポンプ１３、高圧タンク１４、噴射部１８、真空ポンプ２５、第１加熱部３５（図４）、第２加熱部２３等の駆動に用いることができる。発電部２７を経た気相作動流体３０Ｇは第３加熱部１７に供給される。
なお、膨張室２２から排気弁２６を介して排気された気相作動流体３０Ｇは、上述した発電部２７以外の駆動に用いてもよい。例えば、真空ポンプ２５の代わりに、排気された気相作動流体３０Ｇを用いてタービンを回転駆動することにより、真空弁２４を介して膨張室２２を吸引して負圧化するようにしてもよい。
制御部２８は、圧力センサ１６の検知結果に基づき、高圧タンク１４の圧力を制御する。また、制御部２８は、噴射部１８による液相作動流体３０Ｌの加熱と噴射タイミングを制御する。さらに、制御部２８は、真空弁２４、及び排気弁２６の開閉タイミングを制御する。なお、真空弁２４、及び排気弁２６の開閉タイミングについては、制御部２８を用いて電子的に制御する代わりに、カムシャフト、カム、及びロッカアーム等（いずれも不図示）を用いて機械的に制御するようにしてもよい。
次に、図４は、噴射部１８の詳細な構成例を示すブロック図である。噴射部１８は、第２フィルタ３１、バルブスプリング３２、ソレノイド３３、プランジャ３４、第１加熱部３５、断熱材３６、ノズル３７、及びコネクタ３９を有する。
第２フィルタ３１は、高圧タンク１４から供給される高温高圧の液相作動流体３０Ｌに含まれる不純物を排除する。第２フィルタ３１を通過した液相作動流体３０Ｌはノズル３７に供給される。バルブスプリング３２は、プランジャ３４の一端がノズル３７に形成されている噴射孔３８を塞ぐようにプランジャ３４の他端を押し付けている。
ソレノイド３３は、制御部２８からの制御に応じて励磁することにより、バルブスプリング３２によってノズル３７の噴射孔３８に押し付けられているプランジャ３４を噴射孔３８から離す方向に移動させる。プランジャ３４は、バルブスプリング３２の弾性力とソレノイド３３の励磁によって噴射部１８の中を往復運動することにより、ノズル３７に供給されている高温高圧の液相作動流体３０Ｌを、噴射孔３８から霧状に噴射する。
第１加熱部３５は、制御部２８からの制御に従い、ノズル３７に供給されている高温高圧の液相作動流体３０Ｌをさらに加熱する。断熱材３６は、噴射部１８において、第１加熱部３５及びノズル３７を囲むように配置されている。コネクタ３９は、制御ラインを介して制御部２８と噴射部１８を接続する。
噴射部１８においては、高圧タンク１４から供給された高温高圧の液相作動流体３０Ｌが第２フィルタ３１を介してノズル３７に供給されている。そして、第１加熱部３５が、制御部２８からの制御に従い、ノズル３７に供給されている高温高圧の液相作動流体３０Ｌをさらに加熱している状態で、ソレノイド３３が励磁することにより、プランジャ３４が噴射孔３８から離れる方向に移動される。これにより、噴射孔３８から、さらに加熱された霧状の液相作動流体３０Ｌが膨張室２２に噴射される。
＜レシプロ式蒸気機関１０の動作＞
次に、レシプロ式蒸気機関１０による動作の一例である２ストローク動作について説明する。図５は、レシプロ式蒸気機関１０による２ストローク動作を示す図である。
次に、レシプロ式蒸気機関１０による動作の一例である２ストローク動作について説明する。図５は、レシプロ式蒸気機関１０による２ストローク動作を示す図である。
レシプロ式蒸気機関１０による２ストローク動作は、ピストン２０が２ストローク（１往復）する期間を１サイクルとして、同図の（Ａ）に示す負圧過程、同図の（Ｂ）に示す噴射過程、同図の（Ｃ）に示す膨張過程、同図の（Ｄ）に示す排気過程の順に行われる４過程から成る。
負圧過程では、ピストン２０が上死点に達したとき、排気弁２６が閉鎖され、真空弁２４が開放されて、真空ポンプ２５により膨張室２２が吸引されて負圧とされる。次に噴射過程では、真空弁２４と排気弁２６が閉鎖された状態で、噴射部１８から膨張室２２に高温高圧の液相作動流体３０Ｌが霧状に噴射される。
次に膨張過程では、膨張室２２に噴射された高温高圧の液相作動流体３０Ｌが第２加熱部２３によりさらに加熱されて気相作動流体３０Ｇに遷移し、その体積が膨張することによってピストン２０を下死点まで押し下げる。次に排気過程では、慣性力によって上昇するピストン２０の動きに合わせて排気弁２６が開放されて、膨張室２２の気相作動流体３０Ｇが発電部２７に排気される。以上で、レシプロ式蒸気機関１０の２ストローク動作の１サイクルが終了する。
以上に説明したレシプロ式蒸気機関１０の２ストローク動作によれば、化石燃料を燃焼消費せず、作動流体を効率的に加熱して蒸気化し、ピストン２０を往復運動させることができる。よって、大気汚染等を発生させないクリーンなレシプロ式蒸気機関を実現することが可能となる。
なお、レシプロ式蒸気機関１０の動作としては、上述した２ストローク動作の他、ピストン２０が４ストローク（２往復）する期間を１サイクルとする４ストローク動作を実行させることも可能である。
＜本発明に係る第２の実施の形態である多気筒レシプロ式蒸気機関の構成例＞
次に、図６は、本発明に係る第２の実施の形態である多気筒レシプロ式蒸気機関５０の構成例を示すブロック図である。多気筒レシプロ式蒸気機関５０の構成要素のうち、レシプロ式蒸気機関１０の構成要素と共通するものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。
次に、図６は、本発明に係る第２の実施の形態である多気筒レシプロ式蒸気機関５０の構成例を示すブロック図である。多気筒レシプロ式蒸気機関５０の構成要素のうち、レシプロ式蒸気機関１０の構成要素と共通するものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。
なお、多気筒レシプロ式蒸気機関５０は、複数のシリンダ１９を有しているが、図６においては、１つのシリンダ１９のみを図示している。また、多気筒レシプロ式蒸気機関５０は、図３に示されたレシプロ式蒸気機関１０と同様、タンク１１、第１フィルタ１２、高圧タンク１４、制御部２８、発電部２７等を有しているが、図６においてはそれらの図示を省略する。
多気筒レシプロ式蒸気機関５０は、レシプロ式蒸気機関１０から真空弁２４及び真空ポンプ２５を削除し、各シリンダ１９に連結弁５１，５２を追加したものである。
連結弁５１，５２は、例えば、制御部２８からの制御にしたがって開閉する。なお、連結弁５１，５２の開閉タイミングについては、制御部２８を用いて電子的に制御する代わりに、カムシャフト、カム、及びロッカアーム等（いずれも不図示）を用いて機械的に制御するようにしてもよい。
連結弁５１，５２は、それぞれが異なる所定のタイミングで開閉することにより、多気筒レシプロ式蒸気機関５０を構成する複数のシリンダ１９の膨張室２２を相互に連結する（詳細後述）。
図７は、多気筒レシプロ式蒸気機関５０を４つのシリンダ１９を有する４気筒とした場合の構成例を示している。なお、多気筒レシプロ式蒸気機関５０の気筒数は任意であって４気筒に限るものではない。
以下、図７に示された構成例を４気筒レシプロ式蒸気機関５０とも称する。また、４気筒レシプロ式蒸気機関５０を構成する４つのシリンダ１９をシリンダ＃１乃至＃４と称し、シリンダ＃１の連結弁５１，５２を連結弁５１１，５２１と称する。シリンダ＃２乃至＃４の連結弁５１，５２についても同様とする。
４気筒レシプロ式蒸気機関５０において、シリンダ＃１の膨張室２２は、連結弁５１１と連結弁５２４とが開放されることにより、シリンダ＃４の膨張室２２と連結される。また、シリンダ＃１の膨張室２２は、連結弁５２１と連結弁５１２とが開放されることにより、シリンダ＃２の膨張室２２と連結される。
シリンダ＃２の膨張室２２は、連結弁５２２と連結弁５１３とが開放されることにより、シリンダ＃３の膨張室２２と連結される。シリンダ＃３の膨張室２２は、連結弁５２３と連結弁５１４とが開放されることにより、シリンダ＃４の膨張室２２に連結される。
＜４気筒レシプロ式蒸気機関５０の動作＞
次に、４気筒レシプロ式蒸気機関５０による動作の一例である４ストローク動作について説明する。図８は、４気筒レシプロ式蒸気機関５０による４ストローク動作を示す図である。
次に、４気筒レシプロ式蒸気機関５０による動作の一例である４ストローク動作について説明する。図８は、４気筒レシプロ式蒸気機関５０による４ストローク動作を示す図である。
４気筒レシプロ式蒸気機関５０による４ストローク動作は、ピストン２０が４ストローク（２往復）する期間を１サイクルとして、拡張＋吸引過程、収縮＋負圧過程、噴射＋膨張過程、排気過程の順に行われる４過程から成る。
なお、図８の（Ａ）は、シリンダ＃１が拡張＋吸引過程、シリンダ＃２が排気過程、シリンダ＃３が噴射＋膨張過程、シリンダ＃４が収縮＋負圧過程を行う状態を示している。図８の（Ｂ）は、シリンダ＃１が収縮＋負圧過程、シリンダ＃２が拡張＋吸引過程、シリンダ＃３が排気過程、シリンダ＃４が噴射＋膨張過程を行う状態を示している。図８の（Ｃ）は、シリンダ＃１が噴射＋膨張過程、シリンダ＃２が収縮＋負圧過程、シリンダ＃３が拡張＋吸引過程、シリンダ＃４が排気過程を行う状態を示している。図８の（Ｄ）は、シリンダ＃１が排気過程、シリンダ＃２が噴射＋膨張過程、シリンダ＃３が収縮＋負圧過程、シリンダ＃４が拡張＋吸引過程を行う状態を示している。
４気筒レシプロ式蒸気機関５０による４ストローク動作の１サイクルは、図８の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の順に進行される。以下、４気筒レシプロ式蒸気機関５０のシリンダ＃１に着目して説明する。
始めに、図８の（Ａ）に示されるように、シリンダ＃１の拡張＋吸引過程として、連結弁５１１を開放、連結弁５２１と排気弁２６を閉鎖し、シリンダ＃１の膨張室２２とシリンダ＃４の膨張室２２とを連結した状態でピストン２０が慣性力により下死点まで下降する。これにより、シリンダ＃１の膨張室２２は拡張されるので、シリンダ＃４の膨張室２２は吸引されて負圧となる。
次に、図８の（Ｂ）に示されるように、シリンダ＃１の収縮＋負圧過程として、連結弁５１１と排気弁２６を閉鎖、連結弁５２１を開放し、開放シリンダ＃１の膨張室２２とシリンダ＃２の膨張室２２とを連結した状態でピストン２０が慣性力により上死点まで上昇する。これにより、シリンダ＃１の膨張室２２は収縮される。さらに、シリンダ＃１の膨張室２２は、シリンダ＃２の膨張室２２の拡張によって吸引されて負圧となる。
次に、図８の（Ｃ）に示されるように、シリンダ＃１の噴射＋膨張過程として、連結弁５１１，５２１と排気弁２６を閉鎖し、噴射部１８がシリンダ＃１の膨張室２２に高温高圧で霧状の液相作動流体３０Ｌを噴射する。噴射された液相作動流体３０Ｌは、膨張室２２の第２加熱部２３でさらに加熱されることにより、その体積を膨張させて気相作動流体３０Ｇに遷移する。これにより、膨張室２２が拡張されてピストン２０が下死点まで押し下げられる。
最後に、図８の（Ｄ）に示されるように、シリンダ＃１の排気過程として、連結弁５１１，５２１を閉鎖、排気弁２６を開放して、ピストン２０が慣性力により上死点まで上昇する。これにより、シリンダ＃１の膨張室２２の気相作動流体３０Ｇが排気される。以上で、シリンダ＃１の４ストローク動作の１サイクルが終了する。
なお、シリンダ＃２乃至＃４の動作についても同様なので、その説明は省略する。
以上に説明した４気筒レシプロ式蒸気機関５０の４ストローク動作によれば、化石燃料を燃焼消費せず、作動流体を効率的に加熱して蒸気化し、ピストン２０を往復運動させることができる。よって、大気汚染等を発生させないクリーンなレシプロ式蒸気機関を実現することが可能となる。
また、４気筒レシプロ式蒸気機関５０によれば、真空ポンプ２５を用いることなく、連結された他のシリンダの膨張室２２からの吸引によって膨張室２２を負圧にすることができる。したがって、真空ポンプ２５を用いるレシプロ式蒸気機関１０に比較して、真空ポンプ２５の駆動に要する電力を削減することができる。
なお、４気筒レシプロ式蒸気機関５０の動作としては、上述した４ストローク動作の他、ピストン２０が２ストローク（１往復）する期間を１サイクルとする２ストローク動作を実行させることも可能である。
＜本発明に係る第３の実施の形態である複動型レシプロ式蒸気機関の構成例＞
次に、図９は、本発明に係る第３の実施の形態である複動型レシプロ式蒸気機関７０の構成例を示すブロック図である。なお、複動型レシプロ式蒸気機関７０の構成要素のうち、レシプロ式蒸気機関１０の構成要素と共通するものについては同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
次に、図９は、本発明に係る第３の実施の形態である複動型レシプロ式蒸気機関７０の構成例を示すブロック図である。なお、複動型レシプロ式蒸気機関７０の構成要素のうち、レシプロ式蒸気機関１０の構成要素と共通するものについては同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
複動型レシプロ式蒸気機関７０は、レシプロ式蒸気機関１０のシリンダ１９の代わりに、膨張室２２Ａ，２２Ｂを有する複動型シリンダ７１を備える。なお、複動型レシプロ式蒸気機関７０には、レシプロ式蒸気機関１０と同様、タンク１１、第１フィルタ１２、高圧タンク１４、真空ポンプ２５、発電部２７等を有しているが、図９においてはそれらの図示を省略する。
複動型シリンダ７１の拡張室２２Ａには、噴射部１８Ａ、第２加熱部２３Ａ、真空弁２４Ａ、及び排気弁２６Ａが設けられている。同様に、膨張室２２Ｂには、噴射部１８Ｂ、第２加熱部２３Ｂ、真空弁２４Ｂ、及び排気弁２６Ｂが設けられている。
複動型レシプロ式蒸気機関７０における高圧タンク１４は、制御部２８からの制御に従い、タンク内を高圧した状態で、高圧ポンプ１３から供給された液相作動流体３０Ｌを噴射部１８Ａ，１８Ｂに供給する。さらに、高圧タンク１４は、第３加熱部１７（不図示）を有する。
噴射部１８Ａは、一端がシリンダ１９の膨張室２２Ａに挿入されており、高圧タンク１４から供給される高温高圧の液相作動流体３０Ｌをさらに加熱しつつ、細かな霧状の粒子として膨張室２２Ａに噴射する。同様に、噴射部１８Ｂは、一端がシリンダ１９の膨張室２２Ｂに挿入されており、高圧タンク１４から供給される高温高圧の液相作動流体３０Ｌをさらに加熱しつつ、細かな霧状の粒子として膨張室２２Ｂに噴射する。
複動型レシプロ式蒸気機関７０においては、複動型シリンダ７１の膨張室２２Ｂが拡張されるとき、膨張室２２Ａはピストン２０の移動に合わせて排気弁２６Ａを開放して排気を行う。ピストン２０が上死点に達した後、排気弁２６Ａが閉鎖されるとともに、真空弁２４Ａが開放されて膨張室２２Ａが負圧とされる。この後、真空弁２４Ａが閉鎖されてから、膨張室２２Ａに噴射部１８Ａから液相作動流体３０Ｌが噴射される。噴射された液相作動流体３０Ｌは、第２加熱部２３Ａによりさらに加熱されて気相作動流体３０Ｇに遷移してその体積を膨張させ、ピストン２０を下死点まで押し下げる。これにより、膨張室２２Ｂでは、上述した膨張室２２Ａと同様の動作が行われる。これにより、膨張室２２Ａと膨張室２２Ｂとが交互に拡張されてピストン２０を移動させるので、複動型シリンダ７１にてピストン２０が往復運動されることになる。
以上に説明した複動型レシプロ式蒸気機関７０によれば、化石燃料を燃焼消費せず、作動流体を効率的に加熱して蒸気化し、ピストン２０を往復運動させることができる。よって、大気汚染等を発生させないクリーンなレシプロ式蒸気機関を実現することが可能となる。
＜各実施の形態の利用例＞
上述した各実施の形態は、例えば、発電機の動力源や、２輪車、４輪車、気動車等の乗り物の駆動源や、モータを駆動源とする気動車等の乗り物の発電機の動力源に用いることができる。
上述した各実施の形態は、例えば、発電機の動力源や、２輪車、４輪車、気動車等の乗り物の駆動源や、モータを駆動源とする気動車等の乗り物の発電機の動力源に用いることができる。
各実施の形態に採用した噴射部１８は、例えば、ロータリ機関や蒸気タービンに適用することができる。
なお、上記した実施形態では本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
１０・・・レシプロ式蒸気機関、１１・・・タンク、１２・・・第１フィルタ、１３・・・高圧ポンプ、１４・・・高圧タンク、１５・・・安全弁、１６・・・圧力センサ、１７・・・第３加熱部、１８・・・噴射部、１９・・・シリンダ、２０・・・ピストン、２１・・・コンロッド、２２・・・膨張室、２３・・・第２加熱部、２４・・・真空弁、２５・・・真空ポンプ、２６・・・排気弁、２７・・・発電部、２８・・・制御部、３０Ｇ・・・気相作動流体、３０Ｌ・・・液相作動流体、３１・・・第２フィルタ、３２・・・バルブスプリング、３３・・・ソレノイド、３４・・・プランジャ、３５・・・第１加熱部、３６・・・断熱材、３７・・・ノズル、３８・・・噴射孔、３９・・・コネクタ、５０・・・多気筒レシプロ式蒸気機関、５１・・・連結弁、５２・・・連結弁、７０・・・複動型レシプロ式蒸気機関、７１・・・複動型シリンダ
Claims (10)
- シリンダの膨張室を拡張、収縮させることによりピストンを往復運動させるレシプロ式蒸気機関において、
前記膨張室に対して作動流体を噴射する噴射部と、
前記膨張室に噴射される前の前記作動流体を前記噴射部において加熱する第１加熱部と、
を備え、
前記膨張室に噴射された前記作動流体が蒸気化して体積が膨張することにより前記膨張室が拡張される、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項１に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記膨張室に噴射された前記作動流体を前記膨張室内にて加熱する第２加熱部と、
を備えることを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項１に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記作動流体を高圧化して前記噴射部に供給する高圧化部と、
を備えることを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項１に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記シリンダの前記膨張室が収縮したときに前記膨張室を負圧にする負圧部と、
を備えることを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項４に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記負圧部は、真空ポンプによって前記膨張室内の気体を吸引することにより前記膨張室を負圧にする、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項４に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記レシプロ式蒸気機関は、複数のシリンダを有し、
前記負圧部は、第１のシリンダの前記膨張室と連結された状態の前記第１のシリンダとは異なる第２のシリンダの膨張室を拡張することにより、前記第１のシリンダの前記膨張室を負圧にする、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項４に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記負圧部は、前記シリンダからの排気を用いて前記膨張室を負圧にする、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項１に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記シリンダからの排気を用いて発電を行う発電部と、
を備えることを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項１または２に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記シリンダからの排気を用いて前記作動流体を加熱する第３加熱部と、
を備えることを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 - 請求項１に記載のレシプロ式蒸気機関であって、
前記作動流体は、水、空気、二酸化炭素、アンモニア、アルコール、ペンタン、または代替フロンである、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。
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