JP3122335U - 蒸気機関を利用した動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型の蒸気機関を利用した動力発生装置に構成し、山間部等電力供給の出来ない地域でのハウス栽培などへの利用も可能にした動力発生装置である。
【解決手段】
ボイラーを隣接した蒸気機関を利用した動力発生装置を小型に構成し、山間地で多く発生するバイオマス系燃料素材を燃料として効率的に運転可能とし、メンテナンスが容易な蒸気機関を運転することにより、発電機、温水ポンプ等を駆動し、ハウス加温栽培等にも活用できる装置にできる。
【選択図】 図２

Description

本考案は、木材や竹材、乾燥畜糞等のバイオマス燃料系を燃料として活用したボイラーにて温水及び水蒸気を作り、水蒸気を利用して蒸気機関を運転することを第１の特徴とし、更に前記ボイラーにて水蒸気と共に温水を作り、その動力を例えば、温水の循環駆動に、また、発電機を駆動することで電力を供給し、照明、栽培管理制御の電源として使用する構成とした、電力供給のされてない山間地向けのハウス栽培装置などに利用できることも可能にした蒸気機関を利用した動力発生装置に関するものである。

従来の蒸気機関を利用した動力発生装置は蒸気機関車や発電所の高速蒸気タービンを有するものなど鉄道、工場などでの大型タイプのものが多く、また模型の蒸気機関車等では蒸気発生燃料にバイオマス系の素材を活用する考えは見られないものであった。また小型の発電装置として例えば引用文献１などが示されているがバイオマス系の素材を活用しやすい山間地などでは使用できないものである。山間地は、農地までの電力供給がなされてない地域が多く、この地の産業は林業と季節に応じた露地栽培、椎茸栽培等電力を使用しない農業が主体である。
特開平１１−４１９０７号公報

椎茸栽培は、多くの「ほだ木」（椎茸菌を植え付け、椎茸の栽培に使用する木）を使用して栽培するが、ほだ木は数年で効力を失い、ほだ木は廃棄されることとなるが、廃棄方法は、腐敗を待って、土地に還元するか、焼却等を行っている。

ほだ木の腐敗は、ほだ木が直径１０ｃｍ以上と大きいため、そのままでは腐敗までの時間が係り、狭い山間地の平坦部にほだ木を山積みにしている。またほだ木の焼却は、専用の焼却炉を必要とし、焼却のみの目的では焼却炉の投資効果がなく、大規模な椎茸栽培農家は、ほだ木の処分に苦慮している状況である。

また林業は、山林の管理のため、間伐作業が必要で、多くの間伐材が発生するが、間伐材は市場での価値が低く、市場へ出荷のための工賃、運搬費が回収できず、廃棄する事例が多く、廃棄処分方法に苦慮している。また竹林繁茂に伴う竹材の処理や畜糞を乾燥処理して燃料に利用する工夫も各方面で進められている。

山間地での加温ハウスを設置する場合、化石燃料をバーナーにて燃焼させ、加温された温水をポンプにてハウス内に循環し、ハウス内を栽培に適した温度に管理することとなるが、ボイラーの運転、循環ポンプの駆動、温度管理制御、室内照明等、電力が欠かせない条件である。

山間部の農地には電力供給がなされてなく、開けた平坦地で行われているハウス加温栽培による付加価値の高い農産物の栽培が出来ず、低価格の農産物しか生産できない状況にある。

本考案は、山間地の農業振興を図るため、電力供給のない地域で、電力供給のための投資をせず、開けた平坦地と同様な加温ハウス栽培が可能なハウス栽培装置として、山間地の資源である木材を燃料としたボイラーと、温水循環装置の駆動源、及び、温度管理制御、室内照明等の電力の供給源として、ボイラーから発生する蒸気を利用した蒸気機関とで構成したハウス栽培装置であることを要旨としている。

山間地農業では付加価値の高い農産物栽培のため、ハウス栽培を望まれているが、前記した通り加温ハウスの設置を企てても、電力の供給インフラがなく、新たに電力供給を受ける電線の設置を設備投資し、加温ハウスの設立を行うには、採算が伴なわず、計画を断念するケースが多い。

山間地は、林業の関係で、間伐木材、椎茸栽培のほだ木屑、製材木屑等処分を要する木材屑が多く発生しており、この処分を要する木材の有効活用が望まれている。

現在枯渇が心配される化石燃料は、開発途上国の発展に伴ない、需要が急増し、化石燃料が異常な高騰となっており、平地でのハウス栽培も農家の収益を圧迫している状況にある。

そこで本考案者は、上記問題に鑑み鋭意研究の結果、本考案をなしえたものであり、その特徴とするところは、発生した過熱蒸気を高温、高圧状態を維持して効果的に使用できる小型タイプの蒸気機関を利用した動力発生装置を構成し、更にこれらの動力発生装置を山間地にある豊富な木材廃材資源を有効活用し、加温ハウスの燃料として活用することにより、木材の燃焼エネルギーを加温水、水蒸気に変換し、蒸気機関を運転することによる駆動力を、ハウスを加温するための加温水循環ポンプの駆動力として、また、電力を発生させる発電機の駆動力を利用して、ハウス温度制御電源、室内照明電源として利用することにより、外部電力の供給を受けずに加温ハウスでの農作物栽培を可能にするハウス栽培装置を供給するものである。

農業用ハウスにボイラーを設置し、燃焼熱を利用して温水を作り、ハウス内の温度を適宜加温し、加温栽培における付加価値の高い農作物を栽培することは一般的である。
このボイラーの燃料は、主に化石燃料を使用したもので、近年の化石燃料の高騰で、栽培農家の収益が悪化し、改善の見込みが立たない状況になっている。

本発明のハウス内に設置するボイラーは、山間地の処分に困っている多量の木材系のくず（間伐木材、椎茸栽培のほだ木屑、製材木屑等）や竹材、乾燥畜糞等のバイオマス燃料系を活用して燃料とする燃焼可能なボイラーとし、あわせて、燃焼熱を循環水の加温と、蒸気を発生させる装置を内装した構造としている。

このボイラーで発生した温水は、ハウス内を加温するため、ハウス内に配管されたパイプを通り、ハウス内を加温後、再びボイラー内の温水タンクに還元する構造になっている。
また、ボイラーで発生した蒸気は、蒸気圧で作動する蒸気機関に接続され、すべり弁を経由して往復シリンダーに供給され、往復シリンダーで動力に変換され、ボイラーの煙突内にて排出される構造となっている。

この蒸気機関には回転動力取り出し装置が複数設けられており、一つには、前記したハウス加温のための循環水を循環させるためのポンプが接続され、蒸気機関の回転に伴ない、循環水をハウス内に送っている。もうひとつには、電力を発生させる発電機に増速機を介して接続され、蒸気機関の運転に伴ない、発電が出来る構造となっている。

請求項１、２の考案によれば、本考案に使用した蒸気機関の原型は、内燃機関の発達、電気動力の普及から、鉄道などの大型なものは歴史的な存在となっているが、近年普及されている化石燃料系の内燃機関に比べて、取り扱いが簡単で故障が少ない特徴を有するものであり、本考案の如くボイラー装置を隣接配置して小型化に構成すると発生した過熱蒸気の高温、高圧状態を維持して効率的に運転稼働することができるので、山間地での保守サービスの行き届かないところでの蒸気機関を利用した動力発生装置の原動機として、活用しやすいものが提供できる利便性がある。

内燃機関の場合は、化石燃料が必要で、始動時には蓄電池でスターター（電気モーター）を回転始動させる外部動力が必要であり、蓄電池が放電した場合は始動が出来ない欠点がある。また、使用する燃料は、ガソリン、軽油等の化石燃料であり、運転を継続するために、燃料の供給が必要となる。これに対し、蒸気機関は蒸気の圧力で運転するため、水を加熱することで容易に運転が可能であり、水と木材は、山間部ではどこにでもあるため、山間部で使用する動力としても利用しやすい原動機といえる。

請求項３の考案によれば、山間地の処分に困っている多量の木材屑（間伐木材、椎茸栽培のほだ木屑、製材木屑等）や竹材、乾燥畜糞等のバイオマス燃料系を活用して燃料として燃焼可能なボイラーとしたことにより、従来処分に困っている木材屑や竹材、乾燥畜糞等をハウス加温の熱源として有効利用することが出来、あわせて蒸気を発生し、蒸気機関の燃料としても利用することが出来ることとなる。また焼却した灰は、自然のままの木材屑の焼却灰であり、有害な物質の混入もなく、農家の圃場へ安心して還元することが出来ることから、これらバイオマス系燃料素材の理想的なリサイクルが行えることとなる。

以下、本考案の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、ハウス内に設置した本考案のハウス栽培装置と、関連機器を設置した一例を示す。

図１において、農産物を栽培するハウス（１）の室内に、温水を発生するタンクと、蒸気を発生させるタンクを一体成形したボイラー（２）を近接設置し、発生した蒸気を蒸気機関（３）に蒸気供給のための配管（４）と、使用後の蒸気をボイラーの排煙部に排出する排出管（５）で配管接続されている。ボイラー（２）は、木材を燃料とした燃焼構造を有し、手操作での燃焼材料を供給する方式と、粉砕した木材燃料を自動供給する方式の２方式の供給方式がアタッチメントで選択できる構造となっており、本図は手操作での供給方式を図示している。木材燃料を燃焼した排煙は、使用後の蒸気とともに煙突（６）でハウス外に放出される構造としている。

蒸気機関（３）には、ハウスを加温するための温水供給ポンプ（７）が蒸気機関の運転動力を利用して作動し、ハウス内の加温装置に温水を供給する。
温水は、ポンプ（７）から圧送され、ハウス室内温度の制御のため温水流量をコントロールするバルブ（８）を経由して、ハウス内に設置した熱交換器（９）にて、ハウス室内を加温後、ボイラー（２）の温水タンクに還元されるよう配管がなされている。

また、蒸気機関には回転速度を変えて伝達する増速機（１１）を介して発電機（１０）に回転力を伝達する構造となっている。

ハウス（１）内には、ハウス内の温度を検知するセンサー（１２）が設けられ、ハウス室内の温度を検知し、設定温度に対しての温度差を制御盤（１３）に電気信号で送信し、制御盤内の制御システムにて、設定された室温になるよう温水流量をコントロールするバルブ（８）で制御している。

また、花木栽培において、開花時期を出荷時期にあわせるため、夜間電気照明にて開花時期をコントロールする電照栽培が実施されているが、電照栽培には、ハウス内の花木に照明が必要で、ハウス内には多量の照明具（１４）が必要となる。この照明器具の点灯時間、照度の制御も制御盤（１３）を介して行うことが出来る。

温度制御、照明制御は、電気による制御が最適で、この電力を、前記した発電機（１０）の発電で供給している。

図２及び図３はボイラー（２）と蒸気機関（３）との接続を示す図である。
ボイラー（２）の内部には、蒸気発生タンク（２３）と過熱蒸気発生パイプ（２５）が内装され、蒸気発生タンク（２３）で発生した蒸気は、上部の圧力ゲージ付き安全弁（Ｖ）を経由して燃焼室（２２）内に葛折り状に配管した過熱蒸気発生パイプ（２５）にて、さらに加熱され過熱蒸気となって過熱蒸気供給パイプ（２８）により蒸気機関（３）に供給される構造となっている。一般に過熱蒸気供給パイプ（２８）は外部露出構造が多く外気に触れるため、加熱蒸気が供給途中に冷やされることとなり、過熱蒸気の高温、高圧状態が低下して蒸気機関の効率低下を及ぼす恐れがある。

そのために、燃焼室（２２）の上部に、内部に煙突（６）に連通する円筒パイプからなる煙管（２６ａ）を複数内装した蒸気発生タンク（２３）を配設して蒸気を発生させ、発生した蒸気を燃焼室（２２）内に配管した過熱蒸気発生パイプ（２５）により加熱して過熱蒸気に変換させるボイラー（２）と、該ボイラー（２）の隣に可及的に近接させてピストン式の蒸気機関（３）を配設することにより、前記過熱蒸気発生パイプ（２５）に接続した過熱蒸気供給パイプ（２８）の長さを可及的に短く構成して配設することが可能になり、前記過熱蒸気発生パイプ（２５）で発生させた過熱蒸気を、過熱時の高温、高圧状態に維持した状態で蒸気機関（３）を駆動させて回転動力を取り出せるように構成し、該蒸気機関の動力を、発電機、又は循環ポンプ等の駆動源に利用することを特徴とする蒸気機関を利用した動力発生装置にしてある。

そして、本考案では、ボイラーを蒸気発生タンク（２３）に、煙管（２６ａ）を複数内装した温水発生タンク（２４）を上下一体的に付属構成する装置に変換して採用することも可能であり、この温水発生タンク（２４）付き構成を採用することにより、ボイラー幅を小さくし、蒸気機関（３）を近接配置することが可能な構造としている。これにより、過熱蒸気供給パイプ（２８）を可及的に最短で接続することの本考案の特徴が保持することが出来、上記前提基本構成同様に過熱蒸気の供給時の熱損失を最小限にすることが出来ることとなる。

ボイラー（２）には、木材燃料を投入する投入口（２１）、燃焼室（２２）、蒸気発生タンク（２３）、温水発生タンク（２４）、過熱蒸気発生パイプ（２５）、排煙部（２６）、燃焼用空気導入口を兼ねた燃焼灰取り出し部（２７）から構成されている。なお、本考案の実施形態では過熱蒸気発生パイプ（２５）を燃焼室（２２）内にむき出し状態で配管して直火を受ける構成とされているが、この配管を燃焼室（２２）の炉壁内側に沿わせてカバー被覆する構成、若しくは炉壁内に内蔵する構成にして、被覆カバー若しくは炉壁の伝達熱で過熱蒸気発生パイプ（２５）を加熱するようにしても良い。このようにすると配管が直火を受けることなく過熱蒸気発生パイプ（２５）の配管寿命が伸びることになる。

投入した木材燃料は、投入口（２１）から燃焼室（２２）内に投入され燃焼する。燃焼により発生する燃焼熱は、蒸気発生タンク（２３）、温水発生タンク（２４）、過熱蒸気発生パイプ（２５）のパイプ及びパイプ間を通り、排煙部（２６）を通過して煙突（６）から排出される。燃焼熱により、蒸気発生タンク（２３）、では蒸気を、温水発生タンク（２４）では温水を、過熱蒸気発生パイプ（２５）では過熱蒸気を発生させる。

過熱蒸気発生パイプ（２５）で作られた過熱蒸気は、可及的に短く構成された過熱蒸気供給パイプ（２８）にて、過熱蒸気発生時の高温、高圧状態を維持して蒸気機関のすべり弁（３９）を通り、蒸気機関のシリンダー（３３）、（３４）に供給され動力に変換される。
また、温水発生タンク（２４）で作られた温水は、温水供給パイプ（２９）により、蒸気機関の動力で作動するポンプ（７）で圧送され、温水流量をコントロールするバルブ（８）で流量を制御されて、熱交換器（９）にてハウス室内空気を加温し、温水発生タンク（２４）に、温水戻りパイプ（３０）から送られ、再び加温されることとなる。

図４、５は蒸気機関の横断図、正面図を示す。
ボイラーで発生した過熱蒸気は、蒸気供給パイプ（２８）で、すべり弁室（３１）に送られ、すべり弁（３９）の作動によりピストン（３２）で仕切られた、シリンダー室A（３３）、シリンダー室B（３４）に供給される。

図５では、過熱蒸気は、シリンダー室B（３４）に供給され、ピストン（３２）を蒸気圧で上方に移動させることとなる。 ピストン（３２）は、ロッド（３５）が固着され、スライダー部（３６）で、揺動自在にコネクチングロッド（３７）と結合されている。コネクチングロッド（３７）の下端部は、クランクシャフト（３８）に回転自在に結合されており、ピストン（３２）の上下運動をクランクシャフト（３８）で回転運動に変換している。

クランクシャフト（３８）には、すべり弁（３９）をクランクシャフト（３８）の回転に同期させて上下に作動させるためカム（４０）が固着されている。

カム（４０）の外周には、すべり弁用のコネクチングロッド（４１）が、回転自在に結合されコネクチングロッド（４１）の上方は、すべり弁用スライダー（４２）に揺動自在に結合されている。

すべり弁用スライダー（４２）の他端には、すべり弁（３９）に固着されたロッド（４３）が固着され、クランクシャフト（３８）の回転に同期した上下動を行い、すべり弁（３９）を作動させている。このことにより、加熱蒸気は
クランクシャフト（３８）の回転に伴ない、シリンダー室A（３３）、シリンダー室B（３４）に交互に過熱蒸気を供給することが出来、連続的にクランクシャフト（３８）を過熱蒸気供給中は回転し続ける事が出来る。

たとえば、シリンダー室B（３４）に過熱蒸気が供給される場合、シリンダー室A（３３）は容積が減少し、内部の蒸気は室外に排出しなければならないが、すべり弁（３９）の蒸気排出室（４４）が、シリンダー室A（３３）と連通状態となり、蒸気をボイラーの排煙部に排出する排出管（５）を通って煙突（６）で大気に排出される。

図６は本考案に使用する増速機の断面を示す。
一般に蒸気機関は、回転数が低く、発電機が必要とする回転数が直接入手できない、このため発電機を作動させ、電力を得るためには、回転数を増加させる必要があり、増速機が必要となる。一方、送水を行うポンプは、一般的に低回転の仕様のポンプが多く、回転数の異なった出力が必要となる。この課題を解決するため図示のごとく入力軸からの回転をそのまま出力する軸（５１）と発電機の要求する回転数に増速した出力軸（５２）のように複数の異なった出力軸を有する増速機を装備することにより、小型タイプの蒸気機関を利用した動力発生装置を具現することができたものであり、この動力発生装置を活用して山間部に適したハウス栽培装置を構成することが出来る。

本考案は、バイオマス系燃料を燃料として活用できるボイラーを付設するものでありながら、ボイラーで発生した過熱蒸気の高温、高圧状態を保持した状態で駆動できる小型タイプの蒸気機関を利用した動力発生装置を具現するものであり、小型であるが故に特別のボイラー免許資格を有さなくとも使用が可能とされており、山間地の無限に存在する木材資源を燃料として電力供給の出来てない地区での農業栽培において、加温、電照栽培等、電力が必要な付加価値の高い農産物の生産が行える施設装置であり、農産物の付加価値の高い産物の生産、及び、成長を促進するため、加温による淡水魚の養殖等、山間地の産業振興に大きく寄与する装置として有効に活用できる装置である。

本考案の蒸気機関を利用した動力発生装置をハウス栽培装置に配置した事例を示した説明図である。 図１に示したボイラーと蒸気機関の接続を示す説明図である。 図１に示したボイラーの実施例を示す要部の横断図である。 本考案に使用する蒸気機関の横断図である。 本発明に使用する蒸気機関の一例の正面図である。 本発明に使用する増速機の断面図である。

符号の説明

（１）ハウス
（２）ボイラー
（３）蒸気機関
（４）蒸気供給のための配管
（５）蒸気をボイラーの排煙部に排出する排出管
（６）煙突
（７）温水供給ポンプ
（８）温水流量をコントロールするバルブ
（９）熱交換器
（１０）発電機
（１１）増速機
（１２）ハウス内の温度を検知するセンサー
（１３）制御盤
（１４）照明具
（２１）木材燃料を投入する投入口
（２２）燃焼室
（２３）蒸気発生タンク
（２４）温水発生タンク
（２５）過熱蒸気発生パイプ
（２６）排煙部
（２７）燃焼用空気導入口を兼ねた燃焼灰取り出し部
（２８）過熱蒸気供給パイプ
（２９）温水供給パイプ
（３０）温水戻りパイプ
（３１）すべり弁室
（３２）ピストン
（３３）シリンダー室A
（３４）シリンダー室B
（３５）ロッド
（３６）スライダー部
（３７）コネクチングロッド
（３８）クランクシャフト
（３９）すべり弁
（４０）カム
（４１）すべり弁用のコネクチングロッド
（４２）すべり弁用スライダー
（４３）ロッド
（４４）蒸気排出室
（５１）出力軸
（５２）増速した出力軸

Claims (3)

1. 燃焼室の上部に、内部に煙突に連通する煙管を複数内装した蒸気発生タンクを配設して蒸気を発生させ、発生した蒸気を燃焼室内に配管した過熱蒸気発生パイプにより加熱して過熱蒸気に変換させるボイラーと、該ボイラーの隣に可及的に近接させてピストン式の蒸気機関を配設することにより、前記過熱蒸気発生パイプに接続した過熱蒸気供給パイプからの過熱蒸気を過熱時の高温、高圧状態に維持した状態で蒸気機関を駆動させて回転動力を取り出せるように構成し、該蒸気機関の動力を、発電機、又は循環ポンプ等の駆動源に利用することを特徴とする蒸気機関を利用した動力発生装置。
2. 温水と蒸気を発生させるボイラー構成とし、発生した蒸気により回転動力を取り出せる蒸気機関と、蒸気機関の動力を、発電機、又は循環ポンプ等の駆動源に利用する機器を接続し、ハウス内の加温栽培装置として構成したことを特徴とする請求項１に記載の蒸気機関を利用した動力発生装置。
3. 温水と蒸気を発生させるため、蒸気発生ボイラーと、温水発生ボイラーを個別に小型一体化し、両方のボイラーの燃料を、木材や竹材、乾燥畜糞等のバイオマス燃料系を活用したことを特徴とする請求項２に記載の蒸気機関を利用した動力発生装置。
   
   

Images