JP2986918B2 - スチームエンジン用スチームバッファ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、閉じた蒸気系を有するスチームエンジン装
置用のスチームバッファに係わり、高圧高温の下で蒸気
の蓄積及び発生を交互に行うように構成されている。

スチームエンジン装置では、標準的な蒸気の発生と利
用が互いに対応しない時点で起こる可能性があるので、
バッファの必要性が切実である。蒸気の蓄積は、従来い
わゆるスチームアキュムレータにより行われている。こ
のスチームアキュムレータは、一部に水が満され、任意
の蒸気量で運転できるボイラーまたは蒸気発生器により
加熱される圧力容器から成る。スチームアキュムレータ
からスチームエンジンに蒸気が供給されると圧力が低下
する。この圧力低下は、自然発生的に熱水からの新たな
蒸気発生を開始させる。このスチームアキュムレータに
より大きな出力を得ることができ、かつ、蒸気発生器に
おける不規則な燃焼とは無関係に出力を得ることが可能
となる。しかし、この種のスチームアキュムレータは重
く、大型であり、多量の熱水や蒸気は、圧力容器ケーシ
ングが損傷したときに深刻な危険要因となるなど、いく
つかの欠点を有する。

スチームアキュムレータでは加圧水中にエネルギーが
蓄積される。熱エネルギーを他の物質中に蓄積すること
も可能である。そこで、固相と液相との間で変化できる
エネルギー蓄積物質（潜熱）を利用することが好ましい
と考えられて来た。しかし、潜熱を利用する場合、相変
化に伴なう収縮、引張り、化学物質の排出などが問題と
なり、これが機械的、化学的、伝熱的、及び、機能的の
問題を惹起する。

スチームバッファはその名が示すように、蒸気発生器
からの蒸気入力とスチームエンジンへの出力とを平準化
することにより、定置プラントにおいて、太陽エネルギ
ーのような間歇的及び確立論的エネルギー源の利用を可
能とし、特に、蒸気発生器の能力に相当する出力よりも
はるかに高いピーク出力を一時的に得ることを可能にす
る。その結果、たとえスチームエンジン出力が大きく変
動しても蒸気発生器のバーナーを低く、一定した出力で
使用することが可能となる。

出力変動の大きい乗物用スチームエンジンの場合、有
効なスチームバッファが開発されれば、（例えば加速時
のように）短時間必要となる瞬間最高出力よりも、はる
かに低い連続最高出力に合わせて蒸気発生器を設計すれ
ばよいことになる。また、スチームバッファはエネルギ
ーを蓄積するので、排気ガスを発生させずに（即ち、点
火せずに）所定距離だけ乗物を走行させることが可能に
なる。

本発明の目的は、小型軽量でありながら、従来では得
られなかった高出力密度及び高エネルギー密度を可能に
し、車輌用スチームエンジンと併用する場合、事故の際
の安全性を高めた構成のスチームバッファを実現するこ
とにある。

この目的は、閉じた蒸気系を有し、高圧高温の下で熱
交換材料に蓄熱し、前記熱交換材料から蒸気の発生を交
互に行うスチームエンジン装置用スチームバッファであ
って、前記スチームバッファは、蒸気のための高温連結
部および吸水のための低温連結部が設けられており、両
連結部間に耐圧壁により包囲された蒸気および吸水のた
めの複数の長い流路が延設されて成るスチームバッファ
において、前記流路は前記熱交換材料内に直接に水力直
径が約0.5mm以下となるように形成されており、前記熱
交換材料は、発生し得る最高温度において個体の材料よ
り成ると共に前記スチームバッファ全体を形成してお
り、前記流路および前記熱交換材料の全体の断面積に対
する前記流路の全断面積の比率が高い値となっているこ
とを特徴とするスチームバッファにより達成される。

このように本発明は、いわゆる顕熱、即ち、固体材料
中の温度変化を利用し、流路の耐圧壁を構成する固体材
料が、スチームバッファの蓄熱能力の主要な要因として
機能する。

本発明は、スチームバッファを水力直径が0.5mm以下
の複数の、実用上使用可能な最大数の流路で構成する、
という寸法上の配慮が特に新規な点である。このように
細い流路は蒸気及び水を流通させるために高い圧力を必
要とする。例えば、容積型の効果的スチームエンジンに
適した少なくとも100バールの圧力が必要となろう。高
圧にもかかわらず、流路を囲む壁材に生ずる伸びひずみ
は軽微である。各流路が、それ自体耐圧壁を具えている
ので、スチームバッファの全直径に加わる高圧を受ける
共通の耐圧容器を設ける必要はない。従って、爆発の危
険は存在せず、スチームバッファが損傷した場合に蒸気
が流出による危険もない。

スチームバッファの好ましい実施態様では、スチーム
エンジンをも含まて、臨界圧以上の圧力、好ましくは、
250バールの圧力と、500℃の蒸気温度、及び流路の水力
直径0.2mmを想定して構成される。このような値であれ
ば、例えば100kJ/kg及び100W/kgのエネルギー密度及び
出力密度しか得られない鉛電池に比較して、スチームバ
ッファでは、その容量に対して500kJ/kgのエネルギー密
度と100kW/kgの出力密度を得ることができる。

さらに他の好ましい実施態様では、相互にかつスチー
ムバッファのケーシング内壁に焼結した、好ましくは、
セラミック材料の微粒子により流路を形成する。流路
は、一部が粒子間に形成され、かつ、一部が粒子とこれ
ら粒子に焼結されているケーシングとの間に形成され、
ケーシングには僅かな伸びひずみが生ずるだけで、ケー
シングは主として密封機能を果すものであるから、壁は
薄くてもよく他の物質と同様の蓄熱機能を果す。

本発明のスチームバッファの複数の実施例を略示する
添付図面に沿って、本発明の詳細を以下に説明する。図
１は、スチームバッファを含むスチームエンジン装置の
構成を示し、図２−５は、流路を形成する種々の態様を
示す部分断面図、図6aは、スチームバッファの模式的側
面図、図6b−ｆは、種々の装填状態におけるスチームバ
ッファ内の物質の温度プロフィールを示し、図7a−ｄ
は、吐出プロセス終了時のスチームバッファ内における
異なる圧力値、及び、流路の異なる直径での、材料の温
度プロフィールと蒸気の温度プロフィールを示す。

図１は、蒸気管２を介してスチームバッファ４の高温
連結部３、及び、多気筒型アキシャルピストンスチーム
エンジン６の入口弁５に接続された蒸気発生器１を略示
する。スチームエンジン６の出口から、管７が復水バッ
ファ８に接続され、管10を介して前記復水バッファ８に
冷却器９が接続されて、復水バッファ８内の給水及びス
チームを冷却する。前記復水バッファから管12がポンプ
13に接続され、該ポンプ13により高圧の給水が供給され
る低温連結部14は、スチームバッファ４並びに管15,16
を介して循環ポンプ17に接続された長い断熱管から成
り、循環ポンプ17の出口は管18を介して蒸気発生器１に
接続されている。

スチームバッファ４の高温連結部３と低温連結部14と
の間には、図２−５に示す多数の流路20が延設されてい
る。これらの流路は多数の毛細管の束で形成され、毛細
管の端部は連結部３及び14内にまで達しており、その外
面は相互にかつ連結部３及び14に密封接着されている。
毛細管21は、図２では円形断面を有するが、図３に示す
管22のように６角形であってもよい。流路20は適当な材
料のブロック23を押出し加工して形成し、ブロック23中
に流路が延設されるようにすることも可能である。管2
1,22及びブロック23は、金属またはセラミックを材料と
して形成すればよい。特に好ましい構成を図５に示し
た。薄壁ケーシング24内の連結部3,14間において、多数
のセラミック材粒子を相互に、かつ、ケーシング24の内
壁に焼結する。この構成では、粒子25間、及び、粒子と
ケーシング24の内壁との間に流路20が形成される。いず
れの場合でも、流路20の水力直径は0.5mm以下である。

スチームエンジン装置の作用を以下に概説する。蒸気
発生器１は、いくつかの不連続な出力、高及び低連続出
力レベル、及び、必要に応じて中間レベルで蒸気を発生
するように構成されている。弁５が閉じた状態では、エ
ンジン６には蒸気が供給されず、蒸気発生器１から発生
する蒸気の全てが、250バールの圧力及び500℃の温度で
スチームバッファ４に流入する。スチームバッファ内で
蒸気が流路20を通過して流路20内の水を押出す。この水
は、管15を通ってバッファ容器26に流入する。該容器26
は前記管と接続されるとともに、容器26へ水が圧入され
る圧入に対するガスクッションを内蔵している。スチー
ムバッファ４内の材料21,22,23,24または25は、接続部
３からバッファ４を横断して連結部14にむかって移動す
る温度フロントによって加熱される。この温度フロント
が連結部14に達すると、スチームバッファ14が完全に飽
和した状態となり、循環ポンプ17が停止する。装置は長
時間に亘ってこの飽和状態を維持することができ、高温
部を構成する蒸気発生器１、連結部14を含むスチームバ
ッファ４、弁５、スチームエンジン６の頂部及び付属管
を収納する有効な断熱材27を具備する一方、装置の残余
の部分は温度が約80℃の低温部を構成する。当然のこと
ながらある程度の熱損失は避け難いが、蒸気発生器１を
始動させることで埋合わせできる程度に小さくすること
ができ、数日間のインターバルで数分程度の始動で所要
の温度レベルを回復することができる。

常用の低負荷では、スチームエンジン６を駆動するた
めに弁５を開らけば、蒸気発生器から連続的に発生する
蒸気で充分である。例えば他の乗物を追い抜くための加
速時に短時間の高負荷でスチームエンジン６を駆動する
ため弁５を開らくと、スチームバッファ４から主蒸気が
供給され、スチームバッファは、例えば、蒸気発生器１
が供給できるスチームの10倍の蒸気を供給する。蒸気
は、連結部３を通って吐出され、バッファ容器26からの
給水は容器内のガスクッションにより連結部14を通って
スチームバッファ４へ圧入される。スチームバッファ４
において、水が周囲の高温材料により気化され、温度フ
ロントがゆっくりと連結部３にむかって移動し、この温
度フロントが連結部３に達するとスチームバッファが完
全に空になり、蒸気発生器１からの蒸気だけしか利用さ
れなくなる。

上記プロセスを図6a−6fに示した。図6aは、スチーム
バッファ４を低温連結部14及び高温連結部３と共に示
す。飽和状態におけるスチームバッファ内の一端から他
端までの温度を図6bに曲線で示した。即ち、断熱材の外
側では約80℃で、スチームバッファ全長に沿っては500
℃である。飽和状態が長時間続いた後の、連続部14にお
ける長尺管に沿った温度分布は図6bに示す通りである。
連結部14における温度勾配は、スチームバッファ４から
の最大の熱損失原因であるが、この熱損失は管14を長く
することで小さくすることができる。蒸気吐出時に、蒸
気は連結部３を通って流出し、水が連結部14を通って流
入し、横断するフロントＴが図6cのように形成される。
温度フロントは連結部３に向かってゆっくりとある伝播
速度で移動する。その伝播速度は常に蒸気及び水の流速
以下であり、かつ、流体の流速に関連している。即ち、
流体の熱容量は流体及び熱交換材料温度の熱容量の合計
に関連するからである。蒸気の吐出は、フロントＴが図
6dに示すように連結部３に達するまで、温度変化を伴な
わず、かつ、吐出蒸気の圧力変化もほとんど伴なわずに
行われる。

伝熱条件が良好で、流速が過度に高くなければ（多数
の流路を設けることで得られる）、スチームバッファの
材質重量に対して規準化された実現可能な実出力と定義
される高エネルギー密度を得るのに必要な条件である極
めて急激な温度フロントの上昇が起こる。実エネルギー
放出は、連結部３において蒸気品質が維持できなくなる
まで飽和状態のスチームバッファから品質を保証された
蒸気により得られるエネルギー放出を意味する。この時
間帯を図6dに示す。図6dの時間帯までの放出では放出さ
れる蒸気は、スチームバッファ中のスチームと同品質で
ある。図6dに示す位置に達したとき、給水は連結部14を
流通してきており、エネルギー量を500℃から80℃まで
失った周囲の材料から伝達される熱により公称蒸気温度
に加熱されている。この伝熱は、温度フロントが通過し
たすべての材料からなされ、エネルギーは図6eにＹで示
す面積に相当する。Ｙと図6bに示す全面積との比が利用
率であり、本発明のスチームバッファでは85−95％に達
する。蒸気系全体をセラミックで構成した場合に得られ
る800−900℃という高い蒸気温度では、約1MJ/kgのエネ
ルギー密度が得られる。

スチームバッファへのエネルギーの充填が再び開始さ
れると、新らたな放出が行われるか、または、スチーム
バッファが再び図6bに示すような飽和状態になるまで、
温度フロントが図6fに示すように逆方向に移動する。

高エネルギー密度を得るための条件として、スチーム
バッファ内で温度フロントは可能な限り急激でなければ
ならない。そのためには、流路の水力直径が10分の数mm
となることが必要である。また、著しい圧力損失を伴な
わずに取出可能な出力/kgと定義される高い出力密度を
得るためには、高い蒸気圧力、流路総断面積と壁材及び
流路の総断面積との比の高い値、高い蒸気温度、セラミ
ック材が好ましいという根拠である材質の低い密度、及
び、小さい水力直径が必要であり、これらは高いエネル
ギー密度を得るための条件と同じである。

水力直径、及び、水力直径が温度フロントの勾配に及
ぼす影響を、種々の運転モードについて図7a−7dに示し
た。図7a,bはそれぞれ水力直径が0.5mmと0.2mmの流路に
おいて、圧力250バール、蒸気温度500℃の場合、相対長
さに沿ったスチームバッファの温度を示す。Tg及びＴ
は、それぞれ壁材と蒸気の温度曲線である。図7c,dは圧
力100バール、蒸気温度450℃の場合の温度曲線を示す。
いずれの場合にも、水力直径が0.5mmから0.2mmに変わる
と、特に圧力及び温度値が高い場合、温度勾配が著しく
増大することが判る。

本発明のスチームバッファは大型の耐圧容器に収納さ
れてはおらず、流路内の高温の蒸気／水は少量であるの
で、スチームエンジン装置が高圧高温状態であっても、
爆発、及び／または、特に、スチームバッファからの高
温の蒸気が流出することにより、周囲に損傷を生ずる危
険は極めて少ない。蒸気は、放出時に給水が流路へ流入
するのと同じ場所で発生し、スチームバッファに異常が
ない場合にのみ発生する。また、放出時にスチームバッ
ファ４へ給水を誘導する与圧管15中に、締切り弁30を設
けることができる。給水の速度が所定値以上となり、例
えば、弁５が完全に開放されると（全負荷）、直ちに弁
30が閉じ、バッファ４における蒸気の発生が停止する。

本発明が以上に述べたスチームバッファの構成及び蒸
気データに限定されないことは言うまでもなく、請求の
範囲に定義する発明の範囲内で種々の変更が可能であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01K 1/08 F01K 3/08

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】閉じた蒸気系を有し、高圧高温の下で熱交
   換材料に蓄熱し、前記熱交換材料から蒸気の発生を交互
   に行うスチームエンジン装置用スチームバッファであっ
   て、前記スチームバッファ（４）は、蒸気のための高温
   連結部（３）および吸水のための低温連結部（14）が設
   けられており、両連結部（３、14）間に耐圧壁（21、2
   2、23、24）により包囲された蒸気および吸水のための
   複数の長い流路（20）が延設されて成るスチームバッフ
   ァにおいて、 前記流路は前記熱交換材料内に直接に水力直径が約0.5m
   m以下となるように形成されており、前記熱交換材料
   は、発生し得る最高温度において固体の材料より成ると
   共に前記スチームバッファ全体を形成しており、前記流
   路および前記熱交換材料の全体の断面積に対する前記流
   路の全断面積の比率が高い値となっていることを特徴と
   するスチームバッファ。
2. 【請求項２】前記スチームバッファ（４）は、臨界圧以
   上の圧力、好ましくは、250バール、500℃の蒸気温度、
   および、流路の水力直径0.2mmとしたことを特徴とする
   請求の範囲第１項に記載のスチームバッファ。
3. 【請求項３】相互に例えば硬質はんだ付けまたは焼結し
   た平行毛細管（21、22）により流路（20）を形成したこ
   とを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の
   スチームバッファ。
4. 【請求項４】ブロック（23）を押出成形することにより
   前記流路（20）を形成したことを特徴とする請求の範囲
   第１項または第２項に記載のスチームバッファ。
5. 【請求項５】金属またはセラミック材料の微粒子（25）
   を交互に、かつ、薄いケーシング（24）の内壁に焼結す
   ることにより前記流路（20）を形成したことを特徴とす
   る請求の範囲第１項または第２項に記載のスチームバッ
   ファ。
6. 【請求項６】スチームバッファ材質の総重量に対して最
   大500kJ/kgのエネルギー密度および10−100kW/kgの出力
   密度が得られるように前記流路（20）および中間材料
   （21、22、23、24、25）を構成したことを特徴とする請
   求の範囲第１項から第５項の何れか１項に記載のスチー
   ムバッファ。
7. 【請求項７】低温連結部（14）と接続する吸水用与圧管
   （15）に、該与圧管（15）内の流速が所定値を越えると
   閉じる弁（30）を設けたことを特徴とする請求の範囲第
   １項から第６項の何れか１項に記載のスチームバッフ
   ァ。
8. 【請求項８】低温連結部（14）が長い断熱管を具備する
   ことを特徴とする請求の範囲第１項から第７項の何れか
   １項に記載のスチームバッファ。