JP3832496B1 - 噴流式蒸気エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成の蒸気エンジンにより、高温の熱源に限らず、内燃機関の排熱や太陽熱等各種の低温状態の熱源からも効率的に機械的エネルギを得る。
【解決手段】液体を充満させた密閉容器１内に屈曲した噴出管５１を有するロータ５を回転可能に支持する。ロータ中心部の中心円筒５０には加熱部９を挿入して高温の流体を通過させ、ロータ５の吸入管５２から吸入した液体を蒸発させる。蒸発した蒸気の圧力で蒸気と液体の混合体を噴出管５１から噴出することによりロータ５を回転させる。噴出管５１と吸入管５２の先端部には、噴出用逆止弁５３と吸入用逆止弁５４とがそれぞれ配置されている。噴出された蒸気は、密閉容器１の上方に設置されたコンデンサ２に導かれ、ここで凝縮して密閉容器１に還流する。コンデンサ２には真空ポンプ２３が接続され、密閉容器内の圧力は飽和蒸気圧に保持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギを回転エネルギ等の機械的エネルギに変換するための蒸気エンジン、殊に比較的低温の熱源から効率的に機械的エネルギを発生させる蒸気エンジンに関するものである。

環境対策あるいは省資源、省エネルギの観点から、近年、多様なエネルギ資源の利用技術の開発が進んでおり、その中には、太陽熱等自然界に存在する熱エネルギから機械的エネルギを取り出す技術がある。また、ディーゼル機関等の内燃機関の排気ガスや冷却水中に廃棄される排熱を利用して動力を発生させ、その動力を回収することにより内燃機関の熱効率を向上させる技術も開発されている。

熱エネルギを回転エネルギ等の機械的エネルギに変換するには熱機関（エンジン）が使用される。石油、天然ガス等、通常の燃料を用いる内燃機関あるいは蒸気タービンなどの熱機関は、燃料の燃焼により高温高圧の作動流体を発生させて熱エネルギを機械的エネルギに変換するものであリ、高温状態の熱源から機械的エネルギを取り出すので熱効率が高い。しかし、自然界の熱エネルギや内燃機関の排熱などは一般的にそれほど高温ではない、つまり低温状態の熱エネルギであって、このような熱源から機械的エネルギを効率的に取り出すには、低温状態の熱源に適した熱機関が必要となる。

低温状態の熱源から機械的エネルギを発生させる熱機関として、特開２００１−２０７０６号公報に示されるエンジンがある。このエンジンは、図４に示されるように、加熱部１０１と冷却部１０２とを備え、それらの間はノズル１０３で連結される。冷却部１０２のノズル１０３と対向する位置にはタービン１０６が配置してあり、タービン１０６はマグネット１０７と一体となって回転する。マグネット１０７の内側には、静止した発電コイル１１０が対向するように配置され、マグネット１０７と発電コイル１１０は発電装置を構成する。加熱部１０１と冷却部１０２とはそれぞれ密閉され、その内部には作動流体である水１０４が封入されるとともに、内部の空気等は真空ポンプにより排気されている。また、冷却部１０２の上方には放熱のための多数のヒートパイプ１０５が取付けられている。

加熱部１０１と冷却部１０２とは全体としてヒートパイプをなしており、加熱部１０１で下方から加熱され水蒸気となった水１０４は、高速流となりノズル１０３からタービン１０６のブレードに噴出する。これにより、タービン１０６及びマグネット１０７が回転して回転エネルギが生じ、回転エネルギはマグネット１０７と発電コイル１１０により最終的には電気エネルギの形に変換されて外部に出力される。タービン１０６を駆動した後の蒸気は、ヒートパイプ１０５の放熱作用に伴い冷却されて水に戻る。この復水は重力によって冷却部１０２の下方に落下し、中央部から加熱部１０１に還流される。

密封容器内に封入された液体の蒸発と凝縮とを利用するヒートパイプは、一般的には熱の輸送手段つまり熱伝達装置として用いられるものである。しかし、ヒートパイプ内に封入された液体の蒸気は大きな速度エネルギを伴って移動するから、上記のとおりこれから動力を取り出すことが可能であって、この場合には、低温状態の熱源から機械的エネルギを取り出すことができるようになる。
特開２００１−２０７０６号公報

特許文献１に示されるタービンは、作動流体の速度エネルギを利用するいわゆる速度型機関であるが、タービンを効率的に作動させるには、タービンの回転数を上昇させその周速を蒸気の速度に匹敵するような値まで増大させる必要がある。タービンを小型化し直径を小さくしたときは、タービン回転数は非常に高回転となり、タービンには大きな遠心力が作用して破損の虞れが生じる。さらに、加熱部の温度が低く蒸気が低温であるときは、蒸気の過熱度が低いので冷却により水滴が生じやすい。水滴が発生すると高速でタービンブレードに衝突し、タービンブレードには水滴の衝突による浸食、いわゆるエロージョンが起こる。

また、密閉容器の中に熱機関を収容しこれを回転させるときは、回転軸はシール性を備えた軸受により支持しなければならない。タービンのような高速回転を行う回転軸を支持するには精密な軸受が必要であって、シール性を確保しながら支持するには、その軸受部に複雑かつ高価なものを採用することとなる。
本発明の課題は、高温の熱源に限らず、内燃機関の排熱等低温状態の各種の熱源から機械的エネルギを得ることが可能な蒸気エンジンであって、しかも、排熱等で加熱された流体を熱源とするに適した蒸気エンジンを提供し、従来の熱機関における上述の問題点を解決することにある。

上記の課題に鑑み、本発明の蒸気エンジンは、液体を充満させた密閉容器内に噴出管を有するロータを回転可能に支持し、ロータ中心部に挿入した加熱部に熱流体を通過させることにより、液体を蒸発させて噴出管から噴出させ、ロータを回転させて熱エネルギを回転エネルギに変換するものである。すなわち、本発明は、
「液体を封入した密閉容器を設置するとともに、その密閉容器の上部には前記密閉容器と連通して液体の蒸気を凝縮するコンデンサを設置し、
前記密閉容器の内部には、中心部に加熱部を備え、さらに、中心部から放射状に延び先端部には噴出用逆止弁を有する屈曲した噴出管と、中心部から放射状に延び先端部には吸入用逆止弁を有する屈曲した吸入管とを備えたロータを設け、
加熱部には高温の流体が通過する連通管を接続するとともに、前記ロータが前記連通管を中心として回転可能なように、前記ロータを液体中に浸漬して前記密閉容器に支持し、
前記加熱部に加えられた熱により前記ロータを回転させ、動力を取り出す」
ことを特徴とする蒸気エンジンとなっている。

請求項２に記載のように、前記コンデンサには真空ポンプが接続されており、前記密閉容器及び前記コンデンサ内の圧力が液体の飽和蒸気圧とされていることが好ましい。

請求項３に記載のように、前記加熱部の内部には、高温の流体が通過する孔を備えた複数の伝熱板を設置することができる。

また、前記噴出管及び前記吸入管は、請求項４に記載のように、その断面が流線形となるよう形成することが好ましい。

本発明の蒸気エンジンでは、液体を充満させた密閉容器内に噴出管を有するロータを設け、ロータ中心部の加熱部の周囲に吸入管から液体を吸入して蒸発させる。そして、蒸発させた高圧の蒸気により、液体と蒸気が混合した状態である混合体を噴出管から噴出させ、このときの反動によって回転力を得る。噴出する混合体には液体が多く含まれており、その質量は蒸気に比べはるかに大きいから、反動により得られる回転力、つまり回転トルクは蒸気のみを噴出する場合よりも非常に大きくなる。そのため、ロータが低速で回転する際にも大きなトルクを得ることができ、蒸気の速度エネルギを回転エネルギに変換するタービンとは異なり、低速でも効率よく作動させることが可能である。

さらに、この蒸気エンジンは、中心部から放射状に延びる噴出管と吸入管を備えたロータを回転させるものであって、通常のタービンのようにノズルや静翼を備えておらず、構成が簡易なものである。回転速度もタービンと比較すれば低速であるから、回転軸を支持するベアリングには高回転用の精度の高いものを採用する必要はなく、また、水滴の衝突に起因するエロージョンは発生しない。
中心部に設けられる加熱部には連通管が接続され、これを通して、例えば内燃機関の排気ガス、地熱によって高温となった熱流体等が加熱部に導かれる。連通管はロータの回転中心を貫通しているので、連通管をロータの回転支持軸として利用することが可能であるとともに、連通管を密閉容器に固定することが可能であって、連通管と密閉容器の間における液体のシール構造は単純なものとなる。

本発明の蒸気エンジンの吸入管には吸入用逆止弁が、また、噴出管には噴出用逆止弁が設置されている。吸入管から吸入された液体は、ロータ中心部の加熱部により加熱され蒸気となって圧力が上昇するが、吸入管の先端部には吸入用逆止弁が設置してあるので、吸入管から逆流を生じることはない。蒸気の圧力が十分に高まったときには、蒸気は噴出管内で膨張しながら液体と蒸気の混合体として噴出用逆止弁を経て液体中に噴出され、ロータに回転トルクを付与する。つまり、液体は高圧の蒸気となるまでの間加熱部付近で滞留することができるので、加熱部が低温の状態にあったとしても十分な伝熱を行うことができる。

請求項２の発明のように、コンデンサに真空ポンプを接続してコンデンサ内から空気等のガスを排気し、密閉容器及びコンデンサ内の圧力を封入された液体の飽和蒸気圧としたときは、液体の沸点が低下して低温でも液体が蒸気状態となる。その結果、加熱部の温度がそれほど高温でない場合でも、液体は容易に蒸気となり、エンジンを効率的に作動させ回転エネルギを取り出すことが可能である。

本発明の蒸気エンジンの加熱部には温度の高い流体が流れ、これにより加熱部周囲の液体が加熱される。請求項３の発明のように、加熱部の内部に高温の流体が通過する孔を備えた複数の伝熱板を設置したときは、流体の熱が伝熱板を介して加熱部の管路壁から液体に伝達され、良好な熱伝達を実現できる。また、高温の流体が孔を通過する際には乱流を発生するため、流体から伝熱板等への熱伝達が一層向上する。

本発明の蒸気エンジンでは、噴出管と吸入管とを備えたロータを液体中で回転させる。請求項４の発明のように、噴出管と吸入管の断面を流線形に形成したときは、ロータが液体から受ける流体抵抗の減少に伴い動力損失が減少するため、エンジンの熱効率を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。図１には、本発明の蒸気エンジンの断面図を中央に示し、右側にはそのA−A断面図を示す。また、噴出管の断面拡大図（B−B断面）を左側に示している。図２は、蒸気エンジンのロータ中心部及び加熱部の詳細図であり、図３は、加熱部及び連通管の一部破断斜視図である。

蒸気エンジンは断面円形の密閉容器１を有し、その内部には、加熱される液体（作動流体）として水が封入されており、水は密閉容器１内にほぼ充満している。密閉容器１の上部には水蒸気を凝縮し復水とするコンデンサ２が設置してあり、コンデンサ２は短管３により密閉容器１に連結される。短管３内には複数の邪魔板４が間隔を開けて取付けられ、これによって液体状態の水がコンデンサ２に入り込むのを防止するが、コンデンサ２からの復水は密閉容器１に還流することが可能である。

円形の密閉容器１には、ロータ５が水中に浸漬して設置されている。ロータ５はその中心部分に中心円筒５０を有し、中心円筒５０には放射方向に延びる噴出管５１と吸入管５２とが接続される。噴出管５１と吸入管５２とは、図１の中央の図に示すとおり、１８０度の角度で互いに反対方向に延びており、先の部分は直角に屈曲している。この実施例では直角に屈曲させているけれども、滑らかに屈曲させることもできる。
噴出管の先端には、噴出管５１から蒸気と水の混合体を噴出する方向にのみ流れを許容する噴出用逆止弁５３が取付けられ、吸入管の先端には、水を中心円筒５０に向けてのみ流す吸入用逆止弁５４が取付けられる。吸入用逆止弁５４を取付けるため、吸入管５２の先端部には吸入管よりも径の大きい吸入室５５が形成されている。また、噴出管５１及び吸入管５２の断面は、図１の左の図に示されるように、流線形に形成されている。流線型の断面とするには、断面円形の管に流線形の覆い部材を固着するようにしてもよい。

ロータ５の中央円筒５０は、図１の右の図及び図２に示されるとおり、密閉容器１の左右の側壁に固着したスリーブ６に、シール機能を付加したベアリング７を介して回転可能に支持される。中央円筒５０には、その軸心を一致させて加熱部９を構成する円管が挿入されている。加熱部９の円管の両端には、図３にも示すとおり、連通管９１、９２が溶接等によって固着されており、この連通管９１、９２は、左右のスリーブ６に挿入されスリーブ６の内面と密接に嵌合する。これにより、連通管９１、９２はスリーブ６を補強する役目を果たし、スリーブ６に作用するロータ５の軸荷重の一部を負担する。

連通管９１からは、例えば内燃機関の排気ガス等、高温の流体が加熱部９に供給され、中央円筒５０に吸入された水が加熱されて蒸気が発生する。加熱部９の内部には、流体が通過する孔を形成した複数の伝熱板９３が配置されている。高温の流体は、伝熱板９３の孔を通過して流れるときに乱れを生じ、また、伝熱面積も大幅に増加しているため、高温の流体の熱を中央円筒５０内の水に伝える熱伝達が促進される。熱伝達を行った後の流体は連通管９２から外部に排出される。なお、この実施例では、連通管９１、９２として加熱部９の円筒よりも小径の管を用いているが、場合によっては、同じ径の管を使用することができる。

中央円筒５０の左側端部には、マグネット１０が周方向に間隔を隔てて複数個固定され、これはロータ５と一体に回転する。密閉容器１の左側側壁のマグネット１０と対向する位置には、複数個の発電用コイル１１が取り付けてある。ロータ５の回転エネルギは、マグネット１０と発電用コイル１１との相互作用により、電気的エネルギとして外部に出力される。ここでは図示を省略するが、マグネット１０及び発電用コイル１１は、水等の侵入を防止するため、これらを取り囲むケース内に収容されている。

密閉容器１の上方に設置されるコンデンサ２は、放熱性能の向上のため、伝熱性の良好なアルミニュウム等からなる外壁を有し、その内部には多数の板状の伝熱用フィン２１が縦方向に設けられる。場合によっては、図１の右の図に２点鎖線で示すように、放熱用のフィンを外壁に取付けてもよい。コンデンサ２の底壁は、凝縮した復水を短管３に集めるよう傾斜が施されている。また、コンデンサ２の内部は、空気等のガスを排出してコンデンサ２及び密閉容器１の圧力を飽和蒸気圧に保持するため、逆止弁２２を介して真空ポンプ２３に接続されている。

次いで、本発明の蒸気エンジンの作動について説明する。
回転可能に支持されたロータ５の中央円筒５０には、吸入用逆止弁５４及び吸入管５２を介して密閉容器１内の水が供給される。中央円筒５０内に挿入された加熱部９には、連通管９１から高温の流体が送り込まれてその温度が上昇しており、供給された水は加熱部９に接触してその一部が水蒸気となる。水蒸気の発生に伴い中央円筒５０の内部の圧力は増加し、圧力が一定値を超えると噴出用逆止弁５３が開き、水蒸気は膨張しながら屈曲した噴出管５１を通過し、水と混合した状態でその先端から高速で噴出される。噴出された蒸気と水の混合体の慣性により、中央円筒５０内の圧力は低下して吸入管５２から再び水が吸入され、以降、このような噴出、吸入作用が周期的に繰り返される。

噴出された混合体の反動によってロータ５には回転トルクが作用し、ロータ５は図１において時計方向に回転する。噴出される混合体には液体である水が大量に含まれており、水の比重は水蒸気に比べ非常に大きいから、混合体の運動量及びロータ５に作用する回転トルクは大きなものとなる。したがって、ロータ５の低速回転時にあっても所要の動力を取り出すことが可能である。ロータ５の回転エネルギは、ロータ５と一体に回転するマグネット１０と静止した発電用コイル１１との相互電磁作用により、電気的エネルギとして外部に取り出される。

ロータ５は密閉容器１内で水に浸漬され水中を回転するので、水の流体抵抗を受ける。その抵抗を減少させるため、噴出管５１及び吸入管５２の断面は流線形に形成されており、流体抵抗に起因する動力損失を減少させている。また、ロータ５の回転に伴い密閉容器１内の水も回転するが、密閉容器１の断面は円形となっているため水の回転は円滑に行われ、水の乱れによる動力損失が減少する。

噴出管５１から噴出された水蒸気は、水中を上昇して短管３からコンデンサ２に送られ、放熱フィン２１により冷却されて凝縮し復水となる。復水は壁面に沿って下方に流れ短管３から密閉容器１に還流する。コンデンサ２には空気等を排出する真空ポンプ２３が接続され、これによりコンデンサ２及び密閉容器１の内部の圧力は低下して飽和水蒸気圧に保持されている。そのため、密閉容器１内の水の沸点は低下しており、加熱部９の温度がそれほど高くない状態であっても、水が蒸発して水蒸気となリロータ５を回転させる回転トルクを発生させることができる。内燃機関等の排熱は、流体に伝熱されて廃棄されることが多いが、この蒸気エンジンは、加熱部９に流体を流すことによって直接水を加熱しているから、排熱の回収のために特に好適なものである。

以上詳述したように、本発明の蒸気エンジンは、液体を充満させた密閉容器内に噴出管を有するロータを設け、ロータ中心部に挿入した加熱部に高温の流体を通過させて液体を蒸発させ、液体と蒸気の混合体を噴出管から噴出させることによりロータを回転させて、加熱部に加えられた熱を回転エネルギに変換するものである。前記の実施例では、主に低温状態の熱を回転エネルギに変換する場合について述べているけれども、本発明の蒸気エンジンにおいては、例えば燃焼等による高温の熱源を使用して動力を取り出すことが可能であるのは言うまでもない。また、作動流体となる液体としては、水に限らず例えばフロン等の冷媒を用いることができるのは明らかである。

本発明の蒸気エンジンの断面図である。 本発明の蒸気エンジンの加熱部近傍を示す詳細図である。 本発明の蒸気エンジンの加熱部を示す一部破断斜視図である。 従来の蒸気エンジンの一例を示す図である。

符号の説明

１ 密閉容器
２ コンデンサ
２３ 真空ポンプ
３ 短管
５ ロータ
５０ 中央円筒
５１ 噴出管
５２ 吸入管
５３ 噴出用逆止弁
５４ 吸入用逆止弁
６ スリーブ
９ 加熱部
９１、９２ 連通管
９３ 伝熱板
１０ マグネット
１１ 発電用コイル

Claims (4)

1. 液体を封入した密閉容器（１）を設置するとともに、その密閉容器（１）の上部には前記密閉容器（１）と連通して液体の蒸気を凝縮するコンデンサ（２）を設置し、
   前記密閉容器（１）の内部には、中心部に加熱部（９）を備え、さらに、中心部から放射状に延び先端部には噴出用逆止弁（５３）を有する屈曲した噴出管（５１）と、中心部から放射状に延び先端部には吸入用逆止弁（５４）を有する屈曲した吸入管（５２）とを備えたロータ（５）を設け、
   前記加熱部（９）には高温の流体が通過する連通管（９１，９２）を接続するとともに、前記ロータ（５）が前記連通管（９１，９２）を中心として回転可能なように、前記ロータ（５）を液体中に浸漬して前記密閉容器（１）に支持し、
   前記加熱部（９）に加えられた熱により前記ロータ（５）を回転させ、動力を取り出すことを特徴とする蒸気エンジン。
2. 前記コンデンサ（２）には真空ポンプ（２３）が接続されており、前記密閉容器（１）及び前記コンデンサ（２）内の圧力が液体の飽和蒸気圧とされている請求項１に記載の蒸気エンジン。
3. 前記加熱部（９）の内部には、高温の流体が通過する孔を備えた複数の伝熱板（９３）が設置されている請求項１又は請求項２に記載の蒸気エンジン。
4. 前記噴出管（５１）及び前記吸入管（５２）は、その断面が流線形に形成されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の蒸気エンジン。

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