JP4363254B2 - Steam engine - Google Patents

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Description

本発明は、加熱器および冷却器による流体の気化および液化の繰り返しにより、流体容器の内部において流体が流動変位することに伴い、流体から圧力を受けて駆動されるエネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する蒸気エンジンに関する。   The present invention provides a mechanical output from a drive unit for energy output that is driven by receiving pressure from the fluid as the fluid flows and displaces inside the fluid container due to repeated vaporization and liquefaction of the fluid by the heater and the cooler. The present invention relates to a steam engine that outputs energy.

従来より、蒸気エンジンの一つとして、流体容器の内部に流体を封入し、加熱器を用いて容器内の流体を加熱して気化させると共に、その気化した流体を冷却器を用いて冷却して液化させることで、外部にエネルギを出力する構成の蒸気エンジンが知られている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。   Conventionally, as one of steam engines, a fluid is enclosed in a fluid container, and the fluid in the container is heated and vaporized using a heater, and the vaporized fluid is cooled using a cooler. A steam engine configured to output energy to the outside by being liquefied is known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

つまり、この蒸気エンジンは、流体を状態変化(気化、液化)させることで流体容器内の圧力を変化させ、その圧力変化によって駆動されるエネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力するよう構成されている。
特開昭58−057014号(図1) 特開2004−084523号(図1,図3)
In other words, this steam engine is configured to change the pressure in the fluid container by changing the state (vaporization or liquefaction) of the fluid, and to output mechanical energy from the energy output drive unit driven by the pressure change. ing.
JP 58-057014 (FIG. 1) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-084523 (FIGS. 1 and 3)

しかし、このような蒸気エンジンにおいては、流体容器のうち流体が液化する部分の断面積が不適切な大きさに設定されると、蒸気エンジンによる外部への出力仕事量(出力エネルギー)が小さくなるという問題がある。   However, in such a steam engine, if the cross-sectional area of the portion of the fluid container where the fluid liquefies is set to an inappropriate size, the output work (output energy) to the outside by the steam engine becomes small. There is a problem.

例えば、流体容器のうち冷却器に対応する部分(流体容器冷却対応部)の断面積が過度に小さく形成される(流体容器冷却対応部の内側半径寸法が過度に小さく形成される)と、流体容器の断面方向において流体容器の内壁から流体の中心部分までの熱伝達時間が短くなる。これにより、流体容器冷却対応部での流体に対する冷却効率が高く(良く)なるため、気体状態の流体が極めて短い時間内に液化することになる。   For example, if the cross-sectional area of the part corresponding to the cooler (fluid container cooling corresponding part) of the fluid container is formed too small (the inner radial dimension of the fluid container cooling corresponding part is formed too small), the fluid The heat transfer time from the inner wall of the fluid container to the center portion of the fluid is shortened in the container cross-sectional direction. Thereby, since the cooling efficiency with respect to the fluid in the fluid container cooling corresponding part becomes high (good), the fluid in the gaseous state is liquefied within a very short time.

この場合、流体容器のうち加熱器に対応する部分(流体容器加熱対応部)で気化された流体は、流体容器のうち流体容器冷却対応部に移動すると共に瞬時に液化されるため、気化による流体の体積膨張量が小さくなり、蒸気エンジンにおける膨張仕事量が小さくなる。このような蒸気エンジンは、PV線図(圧力と体積との関係を表す線図)が図6(b)に示すような形状になり、PV線図の面積が小さくなるため、外部への出力仕事量(出力エネルギー)が小さくなるという問題がある。   In this case, since the fluid vaporized in the part corresponding to the heater (fluid container heating corresponding part) in the fluid container moves to the fluid container cooling corresponding part in the fluid container and is instantly liquefied, The volume expansion amount of the steam engine becomes smaller, and the work of expansion in the steam engine becomes smaller. In such a steam engine, the PV diagram (diagram representing the relationship between pressure and volume) has a shape as shown in FIG. 6B, and the area of the PV diagram is reduced. There is a problem that the amount of work (output energy) is reduced.

なお、図6(a)に示すPV線図は、流体の液化および気化が理想的に行われた場合の理論値としてのPV線図を示しており、図6(b)および図6(c)では理論値としてのPV線図を点線で表している。   Note that the PV diagram shown in FIG. 6A shows a PV diagram as a theoretical value when fluid liquefaction and vaporization are ideally performed, and FIG. 6B and FIG. ) Shows a PV diagram as a theoretical value by a dotted line.

また、流体容器冷却対応部の断面積が過度に大きく形成される(流体容器冷却対応部の内側半径寸法が過度に大きく形成される)と、流体容器の断面方向において流体容器の内壁から流体の中心部分までの熱伝達時間が長くなる。これにより、流体容器冷却対応部での流体に対する冷却効率が低く(悪く)なるため、気体状態の流体が液化するまでの時間が長くなる。   In addition, when the cross-sectional area of the fluid container cooling corresponding part is formed to be excessively large (the inner radial dimension of the fluid container cooling corresponding part is excessively large), the fluid flows from the inner wall of the fluid container in the cross sectional direction of the fluid container. The heat transfer time to the central part becomes longer. Thereby, since the cooling efficiency with respect to the fluid in a fluid container cooling corresponding | compatible part becomes low (bad), the time until the fluid of a gaseous state liquefies becomes long.

この場合、流体容器加熱対応部で気化された流体が流体容器冷却対応部に移動しても、気体状態の流体が液化するまでの時間が長くなるため、気体が長い時間残留して流体容器の内部圧力が高圧状態に維持されてしまう。この結果、図6(c)に示すようにPV線図の面積が小さくなり、外部への出力仕事量(出力エネルギー)が小さくなるという問題がある。さらに、気体状態の流体が流体容器加熱対応部に集中した場合には、液体状態の流体を加熱できず流体の気化による圧力上昇が生じなくなり、蒸気エンジンの動作が異常停止する虞がある。   In this case, even if the fluid vaporized by the fluid container heating corresponding part moves to the fluid container cooling corresponding part, the time until the fluid in the gaseous state is liquefied becomes long. The internal pressure is maintained at a high pressure. As a result, as shown in FIG. 6C, there is a problem that the area of the PV diagram is reduced and the output work (output energy) to the outside is reduced. Furthermore, when the fluid in the gas state concentrates on the fluid container heating corresponding part, the fluid in the liquid state cannot be heated, and the pressure increase due to the vaporization of the fluid does not occur, and the operation of the steam engine may be abnormally stopped.

他方、加熱器と冷却器とが隙間を隔てて配置される蒸気エンジンにおいては、流体容器のうち加熱器と冷却器との間の隙間に対応する部分(流体容器断熱隙間部)の断面積が小さく形成されると、流体容器の断面方向において流体容器断熱隙間部の内壁から中心部分までの距離が短くなり熱伝達時間が短くなるため、流体容器(詳細には、流体容器断熱隙間部)と流体との間での熱交換効率が高く(良く)なる。   On the other hand, in a steam engine in which a heater and a cooler are arranged with a gap therebetween, the cross-sectional area of a portion (fluid container heat-insulating gap) corresponding to the gap between the heater and the cooler in the fluid container is If it is formed small, the distance from the inner wall of the fluid container heat insulation gap to the center portion in the cross section direction of the fluid container is shortened and the heat transfer time is shortened, so the fluid container (specifically, the fluid container heat insulation gap) and The efficiency of heat exchange with the fluid is high (good).

そして、このような構成の蒸気エンジンでは、気体状態の流体が流体容器加熱対応部から流体容器冷却対応部に移動する際に、移動途中の流体容器断熱隙間部で液化してしまい、気化による流体の体積膨張量が小さくなり、蒸気エンジンにおける膨張仕事量が小さくなる。このような蒸気エンジンは、PV線図が図6(b)に示すようになり、PV線図の面積が小さくなるため、外部への出力仕事量(出力エネルギー)が小さくなるという問題がある。   In the steam engine having such a configuration, when the fluid in the gaseous state moves from the fluid container heating corresponding part to the fluid container cooling corresponding part, the fluid is liquefied in the fluid container heat insulating gap part during the movement, and the fluid caused by the vaporization The volume expansion amount of the steam engine becomes smaller, and the work of expansion in the steam engine becomes smaller. Such a steam engine has a problem that the output work (output energy) to the outside becomes small because the PV diagram becomes as shown in FIG. 6B and the area of the PV diagram becomes small.

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、流体容器の内部での流体の状態変化(気化、液化)により流体が適切に流動変位して、外部への出力仕事量(出力エネルギー)が低下することを防止できる蒸気エンジンを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of these problems, and the fluid is appropriately displaced by the change in the state of the fluid (vaporization, liquefaction) inside the fluid container, and the output work (output energy) to the outside It is an object of the present invention to provide a steam engine that can prevent a decrease in the temperature.

かかる目的を達成するためになされた請求項1に記載の蒸気エンジンは、流体容器に流体が流動可能に封入されており、流体容器に封入された流体を加熱器が加熱して気化させ、加熱器にて加熱されて気化した流体を冷却器が冷却して液化させている。つまり、この蒸気エンジンは、加熱器および冷却器による流体の気化および液化の繰り返しにより流体が流動変位することに伴い、エネルギ出力用駆動部が流体から圧力を受けて駆動されることで、エネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する。   The steam engine according to claim 1, which has been made to achieve such an object, includes a fluid container in which fluid can flow so that the fluid sealed in the fluid container is heated and vaporized by a heater. The cooler cools and liquefies the fluid that is heated and vaporized in the vessel. That is, in this steam engine, the energy output drive unit is driven by receiving pressure from the fluid as the fluid flows and displaces due to the repeated vaporization and liquefaction of the fluid by the heater and the cooler, so that the energy output The mechanical energy is output from the driving unit.

そして、この蒸気エンジンは、流体容器が、冷却器に対応する部分である流体容器冷却対応部と、加熱器に対応する部分である流体容器加熱対応部と、を備えており、流体容器冷却対応部の内側半径寸法が、次式(1)にて表される低圧時熱浸透深さδ1と同一寸法となるように規定されていることに特徴がある。 The steam engine includes a fluid container cooling corresponding part, which is a part corresponding to a cooler, and a fluid container heating corresponding part, a part corresponding to a heater. This is characterized in that the inner radial dimension of the portion is defined to be the same as the low-pressure heat penetration depth δ1 expressed by the following equation (1).

Figure 0004363254
Figure 0004363254

なお、上記(1)式においては、「a1」は低圧時における流体の温度伝導率(低圧時温度伝導率)を表し、「ω」は流体の流動変位の角周波数を表している。
ここで、低圧時温度伝導率a1における低圧の数値範囲は、流体容器の内部における流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち低圧側の範囲であって、範囲の大きさが圧力上限値と圧力下限値との差分の25%に相当する範囲である。つまり、低圧時温度伝導率a1は、流体容器の内部における流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち圧力下限値から25%値までの圧力範囲を低圧数値範囲とした場合に、この低圧数値範囲に含まれるいずれかの圧力値における流体の温度伝導率である。
In the above formula (1), “a1” represents the temperature conductivity of the fluid at low pressure (temperature conductivity at low pressure), and “ω” represents the angular frequency of the fluid flow displacement.
Here, the numerical value range of the low pressure in the low temperature temperature conductivity a1 is a low pressure side range of the pressure range from the upper pressure limit value to the lower pressure limit value of the fluid inside the fluid container, and the size of the range is the pressure. This is a range corresponding to 25% of the difference between the upper limit value and the pressure lower limit value. That is, the low-temperature temperature conductivity a1 is obtained when the pressure range from the pressure lower limit value to the 25% value in the pressure range from the pressure upper limit value to the pressure lower limit value of the fluid inside the fluid container is a low pressure value range. It is the temperature conductivity of the fluid at any pressure value included in this low pressure numerical range.

このように構成された蒸気エンジンにおいては、流体容器は、流体の低圧時熱浸透深さδ1に基づいて流体容器冷却対応部の内側半径寸法(流体容器冷却対応部の断面積)が規定される。なお、熱浸透深さは、角周波数ωで往復移動する流体における熱の伝わり易さを表す指標の1つであるため、上記のように構成された流体容器は、流体容器冷却対応部での流体との熱交換量を一定範囲内に規定することが出来る。   In the steam engine configured as described above, the fluid container has an inner radius dimension (a cross-sectional area of the fluid container cooling corresponding part) of the fluid container cooling corresponding part based on the low-pressure heat penetration depth δ1 of the fluid. . In addition, since the heat penetration depth is one of the indexes that represent the ease of heat transfer in the fluid that reciprocates at the angular frequency ω, the fluid container configured as described above is a fluid container cooling unit. The amount of heat exchange with the fluid can be defined within a certain range.

これにより、この蒸気エンジンは、流体容器冷却対応部での流体に対する冷却効率が過度に高く(良く)なることや過度に低く(悪く)なることを防止でき、気体状態の流体を適切なタイミングで液化できる。   Thereby, this steam engine can prevent the cooling efficiency with respect to the fluid in the fluid container cooling corresponding part from becoming excessively high (good) or excessively low (bad), and the fluid in the gaseous state can be prevented at an appropriate timing. It can be liquefied.

よって、本発明の蒸気エンジンによれば、流体容器の内部において気体状態の流体を適切なタイミングで液化できるため、流体を適切に流動変位させることができ、外部への出力仕事量(出力エネルギー)の低下を防止できる。また、気体状態の流体が液化するタイミングが遅すぎることに起因して蒸気エンジンの動作が異常停止するのを回避することができる。   Therefore, according to the steam engine of the present invention, the fluid in the gaseous state can be liquefied at an appropriate timing inside the fluid container, so that the fluid can be appropriately displaced and the output work (output energy) to the outside. Can be prevented. In addition, it is possible to avoid an abnormal stop of the operation of the steam engine due to the fact that the timing at which the gaseous fluid is liquefied is too late.

そして、上述の蒸気エンジンにおいては、請求項2に記載のように、低圧時温度伝導率a1が、流体容器の内部における流体の圧力下限値における流体の温度伝導率であるとよい。   In the above-described steam engine, as described in claim 2, the low-temperature temperature conductivity a1 is preferably the fluid temperature conductivity at the lower pressure limit value of the fluid inside the fluid container.

このように低圧時温度伝導率a1を設定することで、流体の圧力が圧力下限値となるタイミングで流体を最も効率良く冷却でき、流体の体積が最も大きくなるときに気体状態の流体を液化できるため、流体の膨張エネルギを無駄なく利用することが出来る。   By setting the low-temperature temperature conductivity a1 in this way, the fluid can be cooled most efficiently at the timing when the pressure of the fluid reaches the lower pressure limit, and the gaseous fluid can be liquefied when the volume of the fluid becomes the largest. Therefore, the expansion energy of the fluid can be used without waste.

よって、このような蒸気エンジンによれば、流体の気化により生じる膨張エネルギを無駄なく利用でき、流体を適切に流動変位させることができるため、外部への出力仕事量(出力エネルギー)の低下を防止できる。   Therefore, according to such a steam engine, the expansion energy generated by the vaporization of the fluid can be used without waste, and the fluid can be displaced and flowed appropriately, thereby preventing a decrease in output work (output energy) to the outside. it can.

次に、上述の目的を達成するためになされた請求項3に記載の蒸気エンジンは、流体容器に流体が流動可能に封入されており、流体容器に封入された流体を加熱器が加熱して気化させ、加熱器にて加熱されて気化した流体を冷却器が冷却して液化させている。つまり、この上記エンジンは、加熱器および冷却器による流体の気化および液化の繰り返しにより流体が流動変位することに伴い、エネルギ出力用駆動部が流体から圧力を受けて駆動されることで、エネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する。   Next, in order to achieve the above-mentioned object, the steam engine according to claim 3, wherein a fluid is sealed in a fluid container so that the fluid can flow, and a heater heats the fluid sealed in the fluid container. The fluid which is vaporized and heated by the heater is vaporized, and the cooler cools and liquefies the fluid. In other words, the engine is driven by receiving the pressure from the fluid as the fluid is displaced by repeated vaporization and liquefaction of the fluid by the heater and the cooler. The mechanical energy is output from the driving unit.

そして、加熱器と冷却器とは隙間を隔てて配置されており、流体容器は、冷却器に対応する部分である流体容器冷却対応部と、加熱器に対応する部分である流体容器加熱対応部と、加熱器と冷却器との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部と、を備えている。   The heater and the cooler are arranged with a gap therebetween, and the fluid container includes a fluid container cooling corresponding part that is a part corresponding to the cooler and a fluid container heating corresponding part that is a part corresponding to the heater. And a fluid container heat insulating gap that is a portion corresponding to the gap between the heater and the cooler.

ここで、流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法を「r2」、当該蒸気エンジンの作動時において前記流体容器の内部における圧力上限値となるときの前記流体の温度伝導率である高圧時温度伝導率を「a2」としたときに、変数τを次式(2)で表すように規定する。 Here, the inner radial dimension of the heat insulation gap of the fluid container is “r2”, and the temperature conductivity of the fluid when the steam engine is at the upper limit of the pressure inside the fluid container when the steam engine is operating. the pressure during the thermal diffusivity is when the "a2", defined to represent the variables τ in the following equation (2).

Figure 0004363254
Figure 0004363254

なお、高圧時温度伝導率a2における高圧の数値範囲は、流体容器の内部における流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち最も高圧側となる圧力上限値に相当する圧力である。つまり、高圧時温度伝導率a2は、流体容器の内部における圧力上限値となるときの流体の温度伝導率である。   In addition, the numerical value range of the high pressure in the high temperature temperature conductivity a2 is a pressure corresponding to the pressure upper limit value on the highest pressure side in the pressure range from the fluid pressure upper limit value to the pressure lower limit value inside the fluid container. That is, the high temperature temperature conductivity a2 is the temperature conductivity of the fluid when the pressure is the upper limit value inside the fluid container.

そして、この蒸気エンジンは、流体容器が、流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法r2が次式(3)を満たすように形成されている点に特徴がある。   The steam engine is characterized in that the fluid container is formed such that the heat insulation gap inner radius r2 that is the inner radius of the fluid container heat insulation gap satisfies the following expression (3).

Figure 0004363254
Figure 0004363254

なお、上記の(3)式においては、「ω」は流体の流動変位の角周波数を表している。
ここで、式(3)における左辺(ωτ)と熱損失の割合(詳細には、流体から流体容器断熱隙間部への熱伝導による熱損失の割合)との関係を表す曲線を、図5に示す。なお、図5では、ωτを対数軸とする片対数座標平面上に、曲線を表している。そして、図5に示すように、ωτの値が大きくなるほど熱損失の割合が低下することが判る。
In the above equation (3), “ω” represents the angular frequency of fluid flow displacement.
Here, a curve representing the relationship between the left side (ωτ) in Equation (3) and the rate of heat loss (specifically, the rate of heat loss due to heat conduction from the fluid to the fluid container thermal insulation gap) is shown in FIG. Show. In FIG. 5, a curve is represented on a semilogarithmic coordinate plane having ωτ as a logarithmic axis. And as shown in FIG. 5, it turns out that the ratio of a heat loss falls, so that the value of (omega) tau becomes large.

一般に、蒸気エンジンの出力仕事量(出力エネルギ)の低下を防止するためには、流体容器断熱隙間部での熱損失の割合を少なくとも20%以下とする必要がある。そして、図5によれば、ωτの値が約7であるときの熱損失の割合が20%であり、また、ωτの値が10であるときの損失の割合が約16%となる。このことから、ωτを10以下に設定することで確実に熱損失の割合を20%以下に抑えることができる。   Generally, in order to prevent a decrease in output work (output energy) of the steam engine, it is necessary to set the rate of heat loss in the fluid container heat insulation gap to at least 20% or less. According to FIG. 5, the rate of heat loss when the value of ωτ is about 7 is 20%, and the rate of loss when the value of ωτ is 10 is about 16%. Therefore, by setting ωτ to 10 or less, the rate of heat loss can be reliably suppressed to 20% or less.

このことから、式(2)および式(3)に基づき断熱隙間部内半径寸法r2が規定された流体容器を備える蒸気エンジンは、流体容器断熱隙間部での熱損失を低減できるため、気体状態の流体が流体容器断熱隙間部で液化されるのを防止できる。これにより、気体状態の流体は、流体容器断熱隙間部で液化されることなく流体容器冷却対応部で液化するため、流体容器の内部における流体の体積膨張量を十分に確保できる。   From this, since the steam engine provided with the fluid container in which the radial dimension r2 in the heat insulation gap is defined based on the expressions (2) and (3) can reduce the heat loss in the heat insulation gap in the fluid container, It is possible to prevent the fluid from being liquefied in the fluid container heat insulating gap. Thereby, since the fluid in a gaseous state is liquefied in the fluid container cooling corresponding part without being liquefied in the fluid container heat-insulating gap, the volume expansion amount of the fluid inside the fluid container can be sufficiently secured.

よって、この蒸気エンジンによれば、流体が十分に体積膨張することにより流体容器の内部圧力が十分に上昇するため、その内部圧力で確実にエネルギ出力用駆動部を駆動できることから、外部への出力仕事量(出力エネルギ)が低下するのを防止できる。   Therefore, according to this steam engine, since the internal pressure of the fluid container is sufficiently increased due to sufficient volume expansion of the fluid, the energy output drive unit can be reliably driven by the internal pressure. It is possible to prevent the work amount (output energy) from decreasing.

次に、上述(請求項1または請求項2)の蒸気エンジンにおいては、請求項4に記載のように、加熱器と冷却器とは隙間を隔てて配置されており、流体容器は、加熱器と冷却器との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部を備えるとよい。   Next, in the steam engine described above (claim 1 or claim 2), as described in claim 4, the heater and the cooler are arranged with a gap therebetween, and the fluid container is a heater. It is good to provide the fluid container heat insulation clearance part which is a part corresponding to the clearance gap between a heat exchanger and a cooler.

そして、流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法を「r2」としたときに、断熱隙間部内半径寸法r2が式(4)および式(5)を満たすように、流体容器が形成されるとよい。   And when the radius dimension in the heat insulation gap part which is an inner radius dimension of the fluid container heat insulation gap part is set to “r2,” the fluid container so that the radius dimension r2 in the heat insulation gap part satisfies the expressions (4) and (5). Should be formed.

Figure 0004363254
Figure 0004363254

Figure 0004363254
Figure 0004363254

なお、式(4)は上述した式(2)と同一式であり、式(5)は上述した式(3)と同一式であり、式(4)および式(5)で用いられる各変数は、上述した式(2)および式(3)で用いられる各変数と同一である。   In addition, Formula (4) is the same formula as Formula (2) mentioned above, Formula (5) is the same formula as Formula (3) mentioned above, Each variable used by Formula (4) and Formula (5) Is the same as each variable used in the above-described equations (2) and (3).

このように構成された流体容器は、流体容器冷却対応部および流体容器断熱隙間部の内側半径寸法がそれぞれ一定範囲内に規定されることから、流体容器冷却対応部での流体との熱交換量が適切に設定されることに加えて、流体容器断熱隙間部における熱損失を低減することが出来る。   In the fluid container configured in this way, the inner radial dimensions of the fluid container cooling corresponding part and the fluid container heat insulation gap are each defined within a certain range, so the heat exchange amount with the fluid in the fluid container cooling corresponding part In addition to being appropriately set, heat loss in the heat insulation gap of the fluid container can be reduced.

このような流体容器を備える蒸気エンジンは、流体容器冷却対応部にて気体状態の流体を適切なタイミングで液化できるため、流体を適切に流動変位させることができると共に、流体容器断熱隙間部での熱損失の低減により、流体が十分に体積膨張して流体容器の内部圧力が十分に上昇する。   In the steam engine including such a fluid container, the fluid in the gaseous state can be liquefied at an appropriate timing in the fluid container cooling corresponding part, so that the fluid can be appropriately flow-displaced, By reducing the heat loss, the fluid is sufficiently expanded in volume and the internal pressure of the fluid container is sufficiently increased.

よって、この蒸気エンジンによれば、流体を適切に流動変位させることができることに加えて、さらに、流体容器の内部圧力が十分に上昇して確実にエネルギ出力用駆動部を駆動できることから、外部への出力仕事量(出力エネルギ)が低下するのを防止できる。   Therefore, according to this steam engine, in addition to being able to appropriately flow and displace the fluid, the internal pressure of the fluid container can be sufficiently increased to reliably drive the energy output drive unit. It is possible to prevent the output work amount (output energy) from decreasing.

また、流体容器断熱隙間部を有する流体容器を備える蒸気エンジンについては、請求項5に記載のように、流体容器加熱対応部の内側半径寸法が、断熱隙間部内半径寸法と同一寸法であるとよい。 Moreover, about the steam engine provided with the fluid container which has a fluid container heat insulation clearance part, the inside radial dimension of the fluid container heating corresponding | compatible part is good to be the same dimension as the radial dimension in a heat insulation clearance part, as described in Claim 5. .

つまり、このように構成された流体容器は、少なくとも流体容器加熱対応部と流体容器断熱隙間部との境界部分における内壁に段差が無い状態で形成されるため、流体容器加熱対応部と流体容器断熱隙間部との間での流体の移動が円滑となる。これにより、流体が流動変位する際に、段差部分等で無駄にエネルギが消費されるのを防止でき、エネルギ損失を低減できる。   In other words, the fluid container configured in this way is formed with no step on the inner wall at the boundary portion between at least the fluid container heating support part and the fluid container heat insulation gap, so the fluid container heating support part and the fluid container heat insulation The fluid moves smoothly between the gaps. As a result, when the fluid is fluidly displaced, it is possible to prevent wasteful consumption of energy at the stepped portion and the like, and energy loss can be reduced.

よって、この蒸気エンジンによれば、流体が流動変位する際のエネルギ損失を低減でき、外部への出力仕事量(出力エネルギ)が低下するのを防止できる。
さらに、流体容器断熱隙間部を有する流体容器を備える蒸気エンジンについては、請求項6に記載のように、流体容器加熱対応部の内側半径寸法と、流体容器冷却対応部の内側半径寸法と、断熱隙間部内半径寸法とが、全て同一寸法であるとよい。
Therefore, according to this steam engine, the energy loss at the time of fluid displacement can be reduced, and the output work (output energy) to the outside can be prevented from decreasing.
Furthermore, for a steam engine including a fluid container having a fluid container heat insulation gap, as described in claim 6, the inner radius dimension of the fluid container heating corresponding part, the inner radius dimension of the fluid container cooling corresponding part, and the heat insulation It is preferable that the radial dimension in the gap is the same .

つまり、このように構成された流体容器は、流体容器加熱対応部から流体容器断熱隙間部を介して流体容器冷却対応部までの領域について、この領域の内壁に段差が無い状態で形成される。このような流体容器の内部では、少なくとも流体容器加熱対応部から流体容器断熱隙間部を介して流体容器冷却対応部までの領域において、流体が円滑に移動できるため、段差部分などでの無駄なエネルギ消費を防止できる。   That is, the fluid container configured in this way is formed in a state where there is no step on the inner wall of this region from the fluid container heating corresponding part to the fluid container cooling corresponding part via the fluid container heat insulation gap. In such a fluid container, since the fluid can smoothly move at least in the region from the fluid container heating support part to the fluid container cooling support part through the fluid container heat-insulating gap part, wasted energy at the stepped part or the like. Consumption can be prevented.

よって、この蒸気エンジンによれば、流体が流動変位する際のエネルギ損失を低減でき、外部への出力仕事量(出力エネルギ)が低下するのを防止できる。   Therefore, according to this steam engine, the energy loss at the time of fluid displacement can be reduced, and the output work (output energy) to the outside can be prevented from decreasing.

以下に本発明が適用された実施形態を図面を用いて説明する。
本実施形態は、発電機1内の可動子2を振動変位させるリニアモータに本発明に係る蒸気エンジンを適用したものであり、図1は本実施形態に係る蒸気エンジン10および発電機1からなる発電装置の概略構成図を表す。
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
In the present embodiment, the steam engine according to the present invention is applied to a linear motor that vibrates and displaces the mover 2 in the generator 1, and FIG. 1 includes the steam engine 10 and the generator 1 according to the present embodiment. The schematic block diagram of a power generator is represented.

なお、本実施形態に係る発電機1は、永久磁石が埋設された可動子2を振動変位させることにより起電力を発生するリニア振動発電機である。
図1に示すように、蒸気エンジン10は、作動流体20が流動可能に封入された流体容器11と、流体容器11の内部の作動流体20を加熱する加熱器12と、加熱器12にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器13とを備える。
In addition, the generator 1 which concerns on this embodiment is a linear vibration generator which generate | occur | produces an electromotive force by carrying out the vibration displacement of the needle | mover 2 with which the permanent magnet was embed | buried.
As shown in FIG. 1, the steam engine 10 includes a fluid container 11 in which a working fluid 20 is enclosed so as to flow, a heater 12 that heats the working fluid 20 inside the fluid container 11, and heating by the heater 12. And a cooler 13 for cooling the vaporized vapor.

なお、加熱器12と冷却器13とは、互いに直接接触しないように、一定の隙間を隔てて配置されている。
また、例えば、蒸気エンジン10を水冷型内燃機関に設置する場合には、加熱器12は内燃機関の排気ガスを利用して作動流体20を加熱する構成の加熱器とすることができ、冷却器13は、内燃機関の冷却水を利用して作動流体20を冷却する構成の冷却器とすることができる。
The heater 12 and the cooler 13 are arranged with a certain gap so as not to be in direct contact with each other.
For example, when the steam engine 10 is installed in a water-cooled internal combustion engine, the heater 12 can be a heater configured to heat the working fluid 20 using the exhaust gas of the internal combustion engine. Reference numeral 13 may be a cooler configured to cool the working fluid 20 using the cooling water of the internal combustion engine.

流体容器11は、加熱器12に対応する部分である流体容器加熱対応部31と、冷却器13に対応する部分である流体容器冷却対応部33と、加熱器12と冷却器13との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部35と、を備えている。   The fluid container 11 includes a fluid container heating corresponding part 31 corresponding to the heater 12, a fluid container cooling corresponding part 33 corresponding to the cooler 13, and the heater 12 and the cooler 13. And a fluid container heat-insulating gap 35 which is a part corresponding to the gap.

そして、流体容器11のうち流体容器加熱対応部31および流体容器冷却対応部33については熱伝導性に優れた材料で形成されており、流体容器11のうちその他の部分については、断熱性に優れた材料で形成されている。また、流体容器11は、内部に封入される作動流体20に対する耐腐食性に優れた材料で形成されている。   The fluid container heating corresponding part 31 and the fluid container cooling corresponding part 33 of the fluid container 11 are formed of a material having excellent thermal conductivity, and the other parts of the fluid container 11 are excellent in heat insulation. Made of different materials. Further, the fluid container 11 is formed of a material having excellent corrosion resistance against the working fluid 20 sealed inside.

なお、本実施形態では、作動流体20を水としており、流体容器11は、熱伝導性に優れた材料として銅又はアルミニウムを使用し、断熱性に優れた材料としてステンレスを使用して構成されている。   In the present embodiment, the working fluid 20 is water, and the fluid container 11 is configured using copper or aluminum as a material having excellent thermal conductivity and using stainless steel as a material having excellent heat insulation. Yes.

そして、流体容器11は、例えば、ステンレスと銅(またはアルミニウム)とからなるパイプを略U字状に屈曲させることにより、略U字パイプ状に形成されており、その屈曲部11aが最下部に位置し、屈曲部11aより延びた2つの直線部11b、11cが鉛直線上に位置するように配置されている。   The fluid container 11 is formed into a substantially U-shaped pipe by bending a pipe made of stainless steel and copper (or aluminum) into a substantially U-shape, for example, and the bent portion 11a is at the lowermost part. The two straight portions 11b and 11c that are positioned and extend from the bent portion 11a are arranged so as to be positioned on the vertical line.

また、流体容器11を構成している2つの直線部11b、11cの内、一方の直線部11bは、流体容器加熱対応部31および流体容器冷却対応部33が、流体容器加熱対応部31が流体容器冷却対応部33よりも上方側に位置するように形成されると共に、上端が閉塞されている。   Of the two straight portions 11b and 11c constituting the fluid container 11, one of the straight portions 11b is the fluid container heating corresponding portion 31 and the fluid container cooling corresponding portion 33, and the fluid container heating corresponding portion 31 is the fluid. It is formed so as to be positioned above the container cooling counterpart 33 and its upper end is closed.

そして、加熱器12は、流体容器加熱対応部31を取り囲むように設けられ、冷却器13は、流体容器冷却対応部33を取り囲むように設けられている。
一方、流体容器11を構成している他方の直線部11cの上端部には、作動流体20から圧力を受けて変位するピストン14が摺動可能に設けられている。
The heater 12 is provided so as to surround the fluid container heating corresponding part 31, and the cooler 13 is provided so as to surround the fluid container cooling corresponding part 33.
On the other hand, a piston 14 that is displaced by receiving pressure from the working fluid 20 is slidably provided at the upper end portion of the other linear portion 11c constituting the fluid container 11.

なお、このピストン14は、発電機1の可動子2のシャフト2aに連結されている。また、発電機1において、可動子2を挟んでピストン14とは反対側には、可動子2をピストン14側に押圧付勢するバネ3が設けられている。   The piston 14 is connected to the shaft 2 a of the mover 2 of the generator 1. In the generator 1, a spring 3 that presses and urges the mover 2 toward the piston 14 is provided on the side opposite to the piston 14 across the mover 2.

このように構成された本実施形態の蒸気エンジン10においては、加熱器12および冷却器13を作動させると、図2に示すように、まず、加熱器12により、流体容器11の直線部11bのうち上端部付近の液体(水)が加熱されて気化し(等温膨張)、その気化した蒸気が更に膨張して(断熱膨張)、直線部11bの内部における液体の液面を押し下げる。このため、流体容器11の内部に封入された作動流体20の液体部分は、直線部11bから直線部11cに向けて流動変位して、ピストン14を押し上げる。   In the steam engine 10 of the present embodiment configured as described above, when the heater 12 and the cooler 13 are operated, first, as shown in FIG. Among them, the liquid (water) in the vicinity of the upper end is heated and vaporized (isothermal expansion), and the vaporized vapor further expands (adiabatic expansion) to push down the liquid level inside the linear portion 11b. For this reason, the liquid portion of the working fluid 20 enclosed in the fluid container 11 is fluidly displaced from the straight portion 11b toward the straight portion 11c, and pushes up the piston 14.

また、流体容器11の直線部11bの内部における液体の液面が流体容器冷却対応部33まで下がり、流体容器冷却対応部33の内部に蒸気が進入すると、蒸気が流体容器冷却対応部33を介して冷却器13により冷却されて液化されるため、直線部11b内の液体の液面を押し下げる力が消滅し(等温圧縮→断熱圧縮)、直線部11b側の液面が上昇する。この結果、蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機1側のピストン14は下降する。   Further, when the liquid level of the liquid inside the linear portion 11 b of the fluid container 11 falls to the fluid container cooling corresponding portion 33 and the steam enters the fluid container cooling corresponding portion 33, the steam passes through the fluid container cooling corresponding portion 33. Then, since the liquid is cooled and liquefied by the cooler 13, the force to push down the liquid surface in the straight portion 11b disappears (isothermal compression → adiabatic compression), and the liquid surface on the straight portion 11b side rises. As a result, the piston 14 on the generator 1 side once pushed up by the expansion of the steam descends.

そして、こうした動作は、加熱器12および冷却器13の作動を停止させるまで繰り返し実行され、その間、流体容器11内の作動流体20は周期的に流動変位(所謂、自励振動)する。つまり、蒸気エンジン10は、作動流体20の状態変化(液化、気化)に伴う流体容器11の内部圧力の変化を発生させ、その圧力変化によって流動変位する作動流体20により駆動されるピストン14から機械的エネルギを外部に出力するよう構成されている。そして、蒸気エンジン10から出力されるエネルギは、発電機1の可動子2を上下動させるためのエネルギとして用いられる。   Such an operation is repeatedly executed until the operations of the heater 12 and the cooler 13 are stopped. During this time, the working fluid 20 in the fluid container 11 is periodically displaced (so-called self-excited vibration). That is, the steam engine 10 generates a change in the internal pressure of the fluid container 11 in accordance with a change in state (liquefaction, vaporization) of the working fluid 20, and starts from the piston 14 driven by the working fluid 20 that is fluidly displaced by the pressure change. It is configured to output the dynamic energy to the outside. The energy output from the steam engine 10 is used as energy for moving the mover 2 of the generator 1 up and down.

なお、本実施形態の蒸気エンジン10は、ピストン14を高温・高圧の蒸気に直接晒すことなく発電機1を駆動できるため、ピストン14が劣化しがたい構造であることから、耐久性に優れている。   The steam engine 10 according to the present embodiment can drive the generator 1 without directly exposing the piston 14 to high-temperature and high-pressure steam. Yes.

また、流体容器11は、流体容器冷却対応部33の内側半径寸法r1が、上述した式(1)で表される低圧時熱浸透深さδ1と同一寸法となるように構成されている。
なお、流体容器11のうち流体容器冷却対応部33に相当する部分の概略構成を表した断面図を、図3に示す。図中、φdは流体容器冷却対応部33の内側直径寸法を表しており、r1は流体容器冷却対応部33の内側半径寸法を表している。
The fluid container 11 is configured such that the inner radius r1 of the fluid container cooling corresponding portion 33 is the same as the low-pressure heat penetration depth δ1 expressed by the above-described formula (1).
3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a portion corresponding to the fluid container cooling corresponding portion 33 in the fluid container 11. In FIG. In the figure, φd represents the inner diameter dimension of the fluid container cooling corresponding portion 33, and r 1 represents the inner radius dimension of the fluid container cooling corresponding portion 33.

そして、低圧時熱浸透深さδ1は、上述した式(1)からも明らかなように、低圧時における作動流体20の温度伝導率(低圧時温度伝導率a1)[m2/sec.]と、流体容器11の内部での作動流体20の流動変位の特性(換言すれば、ピストン14の往復運動の特性)を表す角周波数ω[rad/sec.]とで決まる値である。   The low-temperature heat penetration depth δ1 is the temperature conductivity of the working fluid 20 at low pressure (low-temperature temperature conductivity a1) [m2 / sec. ], And an angular frequency ω [rad / sec.] Representing the characteristics of the flow displacement of the working fluid 20 inside the fluid container 11 (in other words, the characteristics of the reciprocating motion of the piston 14). ].

なお、本実施形態では、低圧時温度伝導率a1として、流体容器11の内部圧力が圧力下限値となるときの作動流体20の温度伝導率を用いている。つまり、流体容器11の内部圧力は、作動流体20の状態変化(気化、液化)に伴い変化しており、その圧力変動範囲(作動流体20の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲)のうち圧力下限値となるときの温度伝導率を低圧時温度伝導率a1として低圧時熱浸透深さδ1を規定する。そして、流体容器冷却対応部33の内側半径寸法r1は、その低圧時熱浸透深さδ1と同一寸法となるように規定されている。   In the present embodiment, the temperature conductivity of the working fluid 20 when the internal pressure of the fluid container 11 becomes the pressure lower limit value is used as the low-temperature temperature conductivity a1. That is, the internal pressure of the fluid container 11 changes with the state change (vaporization and liquefaction) of the working fluid 20, and the pressure fluctuation range (the pressure range from the pressure upper limit value to the pressure lower limit value of the working fluid 20). Of these, the low temperature thermal penetration depth δ1 is defined with the temperature conductivity at the pressure lower limit as the low temperature thermal conductivity a1. The inner radius r1 of the fluid container cooling corresponding portion 33 is defined to be the same as the low-pressure heat penetration depth δ1.

熱浸透深さは、角周波数ωで往復移動する流体における熱の伝わり易さを表す指標の1つであるため、流体容器冷却対応部33の内側半径寸法r1が低圧時熱浸透深さδ1と同一寸法に設定された流体容器11は、流体容器冷却対応部33での作動流体20との熱交換量を一定範囲内に規定することが出来る。   Since the heat penetration depth is one of the indices representing the ease of heat transfer in the fluid reciprocating at the angular frequency ω, the inner radial dimension r1 of the fluid container cooling corresponding portion 33 is the low pressure heat penetration depth δ1. The fluid containers 11 set to the same size can regulate the amount of heat exchange with the working fluid 20 in the fluid container cooling corresponding portion 33 within a certain range.

これにより、蒸気エンジン10は、流体容器冷却対応部33での流体に対する冷却効率が過度に高く(良く)なることや過度に低く(悪く)なることを防止でき、気体状態の作動流体20を適切なタイミングで液化できる。   Thereby, the steam engine 10 can prevent that the cooling efficiency with respect to the fluid in the fluid container cooling corresponding part 33 is excessively high (good) or excessively low (bad), and the working fluid 20 in the gas state is appropriately selected. It can be liquefied at the right time.

とりわけ、この蒸気エンジン10は、流体容器11の内部圧力が圧力下限値となるときの作動流体20の温度伝導率を低圧時温度伝導率a1として設定していることから、流体容器11の内部圧力(換言すれば、作動流体20の圧力)が圧力下限値となるタイミングで作動流体20を最も効率良く冷却できる。つまり、蒸気エンジン10は、作動流体20の体積が最も大きくなるときに気体状態の作動流体20を液化できるため、作動流体20の膨張エネルギを無駄なく利用することが出来る。   In particular, the steam engine 10 sets the temperature conductivity of the working fluid 20 when the internal pressure of the fluid container 11 reaches the lower pressure limit as the low-temperature temperature conductivity a1, and thus the internal pressure of the fluid container 11 In other words, the working fluid 20 can be cooled most efficiently at the timing when the pressure of the working fluid 20 reaches the pressure lower limit value. That is, the steam engine 10 can liquefy the working fluid 20 in a gaseous state when the volume of the working fluid 20 becomes the largest, and thus can utilize the expansion energy of the working fluid 20 without waste.

よって、本実施形態の蒸気エンジン10によれば、流体容器11の内部において気体状態の作動流体20を適切なタイミングで液化できるため、作動流体20を適切に流動変位させることができ、ピストン14の往復運動による発電機1への出力仕事量(出力エネルギー)の低下を防止できる。また、蒸気エンジン10は、気体状態の作動流体20が液化するタイミングが過度に遅れることがないため、作動流体20の液化タイミングが大幅に遅延することに起因して作動流体20の自励振動が停止して、エンジンが異常停止してしまうのを回避できる。   Therefore, according to the steam engine 10 of the present embodiment, since the working fluid 20 in a gas state can be liquefied at an appropriate timing inside the fluid container 11, the working fluid 20 can be appropriately fluidly displaced, and the piston 14 A decrease in output work (output energy) to the generator 1 due to reciprocating motion can be prevented. In addition, since the timing at which the gaseous working fluid 20 is liquefied is not excessively delayed in the steam engine 10, the self-excited vibration of the working fluid 20 is caused by the fact that the liquefaction timing of the working fluid 20 is significantly delayed. It can be stopped and the engine can be prevented from abnormally stopping.

また、流体容器11は、流体容器断熱隙間部35の断熱隙間部内半径寸法r2が、上述した式(2)および式(3)を満たすように構成されている。
なお、流体容器11のうち流体容器断熱隙間部35および流体容器加熱対応部31に相当とする部分の概略構成を表した断面図を、図4に示す。図中、r2は流体容器断熱隙間部35の内側半径寸法(以下、断熱隙間部内半径寸法ともいう)を表している。
In addition, the fluid container 11 is configured such that the heat insulation gap inner radius dimension r2 of the fluid container heat insulation gap 35 satisfies the above-described expressions (2) and (3).
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a portion of the fluid container 11 corresponding to the fluid container heat insulating gap 35 and the fluid container heating corresponding portion 31. In the figure, r2 represents the inner radius dimension of the fluid container heat insulation gap 35 (hereinafter also referred to as the heat insulation gap inner radius dimension).

そして、式(3)における左辺(ωτ)と作動流体20から流体容器断熱隙間部35への熱伝導による熱損失の割合との関係を表す曲線(図5参照)に示すように、ωτの値が大きくなるほど熱損失の割合が低下することが判る。   Then, as shown in the curve (see FIG. 5) representing the relationship between the left side (ωτ) in equation (3) and the rate of heat loss due to heat conduction from the working fluid 20 to the fluid container thermal insulation gap 35 (see FIG. 5), It can be seen that the ratio of heat loss decreases with increasing.

また、図5によれば、ωτの値が10であるときの損失の割合が約16%となることから、本実施形態のようにωτが10以下となる条件を満たすように流体容器断熱隙間部35の断熱隙間部内半径寸法r2が規定される流体容器11は、流体容器断熱隙間部35における熱損失の割合を確実に20%以下に抑えることができる。   Further, according to FIG. 5, since the loss ratio when the value of ωτ is 10 is about 16%, the fluid container adiabatic gap is satisfied so as to satisfy the condition that ωτ is 10 or less as in this embodiment. In the fluid container 11 in which the radius dimension r2 in the heat insulating gap of the portion 35 is defined, the rate of heat loss in the heat insulating gap 35 of the fluid container can be reliably suppressed to 20% or less.

このような流体容器11を備える蒸気エンジン10は、熱損失の割合を確実に20%以下に抑制できるため、流体容器断熱隙間部35での熱損失を低減でき、気体状態の作動流体20が流体容器断熱隙間部35で液化されるのを防止できる。これにより、気体状態の作動流体20は、流体容器断熱隙間部35で液化されることなく流体容器冷却対応部33で液化する。このため、蒸気エンジン10は、流体容器11の内部における作動流体20の体積膨張量を十分に確保できる。   Since the steam engine 10 including such a fluid container 11 can reliably suppress the heat loss ratio to 20% or less, the heat loss in the fluid container heat-insulating gap 35 can be reduced, and the working fluid 20 in the gas state is fluid. It is possible to prevent liquefaction at the container heat insulating gap 35. As a result, the working fluid 20 in the gaseous state is liquefied by the fluid container cooling corresponding portion 33 without being liquefied by the fluid container heat insulation gap portion 35. For this reason, the steam engine 10 can sufficiently secure the volume expansion amount of the working fluid 20 inside the fluid container 11.

したがって、蒸気エンジン10は、作動流体20が十分に体積膨張することにより流体容器11の内部圧力が十分に上昇する構成となるため、その内部圧力で確実にピストン14を駆動できることから、発電機1への出力仕事量(出力エネルギ)が低下するのを防止できる。   Therefore, since the steam engine 10 is configured to sufficiently increase the internal pressure of the fluid container 11 when the working fluid 20 is sufficiently expanded in volume, the piston 14 can be reliably driven by the internal pressure. It is possible to prevent the output work amount (output energy) from being reduced.

また、流体容器11は、図4に示すように、流体容器加熱対応部31の内側半径寸法が、流体容器断熱隙間部35の断熱隙間部内半径寸法r2と同一寸法となるように構成されている。つまり、この流体容器11は、流体容器加熱対応部31と流体容器断熱隙間部35との境界部分における内壁に段差が無い状態で形成されており、流体容器加熱対応部31と流体容器断熱隙間部35との間での作動流体20が流動変位するにあたり、作動流体20の移動が円滑となる。   Further, as shown in FIG. 4, the fluid container 11 is configured such that the inner radius dimension of the fluid container heating corresponding portion 31 is the same as the inner radius dimension r <b> 2 of the heat insulation gap portion of the fluid container heat insulation gap portion 35. . That is, the fluid container 11 is formed in a state where there is no step on the inner wall at the boundary portion between the fluid container heating corresponding part 31 and the fluid container heat insulating gap part 35, and the fluid container heating corresponding part 31 and the fluid container heat insulating gap part When the working fluid 20 is displaced with respect to the flow 35, the working fluid 20 moves smoothly.

これにより、蒸気エンジン10は、作動流体20が流動変位する際に、段差部分等で無駄にエネルギが消費されるのを防止でき、エネルギ損失を低減できることから、作動流体20の自励振動により発電機1に対して出力する仕事量(出力エネルギ)が低下するのを防止できる。   Thereby, when the working fluid 20 is displaced, the steam engine 10 can prevent wasteful consumption of energy at the stepped portion and the like, and energy loss can be reduced. Therefore, the steam engine 10 generates power by self-excited vibration of the working fluid 20. It can prevent that the work amount (output energy) output with respect to the machine 1 falls.

さらに、流体容器11は、図1に示すように、流体容器加熱対応部31の内側半径寸法と、流体容器冷却対応部33の内側半径寸法r1と、流体容器断熱隙間部35の断熱隙間部内半径寸法r2とが、全て同一寸法で形成されている。   Further, as shown in FIG. 1, the fluid container 11 includes an inner radius dimension of the fluid container heating corresponding section 31, an inner radius dimension r <b> 1 of the fluid container cooling corresponding section 33, and an inner radius of the heat insulating clearance section of the fluid container insulating clearance section 35. The dimension r2 is all formed with the same dimension.

つまり、流体容器11は、流体容器加熱対応部31から流体容器断熱隙間部35を介して流体容器冷却対応部33までの領域について、この領域の内壁に段差が無い状態で形成される。このような流体容器11の内部では、少なくとも流体容器加熱対応部31から流体容器冷却対応部33までの領域において、作動流体20が円滑に移動できるため、流動変位する作動流体20が段差部分などから受ける抵抗の大きさを低減できる。   That is, the fluid container 11 is formed in a state where there is no step on the inner wall of this region from the fluid container heating corresponding portion 31 to the fluid container cooling corresponding portion 33 via the fluid container heat insulation gap portion 35. In such a fluid container 11, the working fluid 20 can smoothly move at least in the region from the fluid container heating corresponding part 31 to the fluid container cooling corresponding part 33. The magnitude of the resistance received can be reduced.

よって、この蒸気エンジン10は、作動流体20が流体容器加熱対応部31から流体容器冷却対応部33までの領域を流動変位する際に、作動流体20が流体容器11の内壁から受ける抵抗の大きさが小さく抑制されることから、無駄なエネルギの消費を防止でき、発電機1に対して効率良くエネルギを出力できる。   Therefore, in the steam engine 10, the magnitude of the resistance that the working fluid 20 receives from the inner wall of the fluid container 11 when the working fluid 20 flows and displaces in the region from the fluid container heating corresponding portion 31 to the fluid container cooling corresponding portion 33. Therefore, useless energy consumption can be prevented, and energy can be efficiently output to the generator 1.

なお、本実施形態においては、ピストン14が特許請求の範囲に記載のエネルギ出力用駆動部に相当する。
以上、本発明が適用された実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内にて、種々の態様を採ることができる。
In the present embodiment, the piston 14 corresponds to the energy output drive unit described in the claims.
The embodiment to which the present invention is applied has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modes can be adopted within the technical scope of the present invention.

例えば、低圧時温度伝導率a1における低圧の数値範囲は、流体容器11の内部圧力範囲における圧力下限値に限られることはなく、少なくとも流体容器11の内部において気体状態の作動流体20を適切なタイミングで液化できるように流体容器冷却対応部33の内径寸法が規定される数値範囲であればよい。つまり、流体容器の内部における流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち圧力下限値から25%値までの圧力範囲を低圧数値範囲とした場合において、低圧時温度伝導率a1は、この低圧数値範囲に含まれるいずれかの圧力値における流体の温度伝導率を設定すればよい。   For example, the numerical value range of the low pressure in the low-temperature temperature conductivity a1 is not limited to the lower pressure limit value in the internal pressure range of the fluid container 11, and at least the gaseous working fluid 20 is appropriately timed inside the fluid container 11. As long as the inner diameter dimension of the fluid container cooling corresponding portion 33 is defined so that it can be liquefied by the above-mentioned numerical value range. That is, when the pressure range from the pressure lower limit value to the 25% value in the pressure range from the upper pressure limit value to the lower pressure limit value of the fluid inside the fluid container is a low pressure numerical value range, the low-temperature temperature conductivity a1 is What is necessary is just to set the temperature conductivity of the fluid in any pressure value included in this low-pressure numerical range.

このように低圧時温度伝導率a1を設定し、上述した式(1)を用いて低圧時熱浸透深さδ1を定め、この低圧時熱浸透深さδ1と同一寸法または略同一寸法となるように、流体容器冷却対応部33の内側半径寸法r1が規定された流体容器11は、流体容器冷却対応部33での作動流体20との熱交換量を一定範囲内に規定することが出来る。   In this way, the low-temperature temperature conductivity a1 is set, the low-pressure heat penetration depth δ1 is determined using the above-described equation (1), and the low-pressure heat penetration depth δ1 is the same or substantially the same size. In addition, the fluid container 11 in which the inner radius r1 of the fluid container cooling corresponding portion 33 is defined can regulate the heat exchange amount with the working fluid 20 in the fluid container cooling corresponding portion 33 within a certain range.

このような流体容器11を備える蒸気エンジン10は、少なくとも気体状態の作動流体20を適切なタイミングで液化できるため、作動流体20を適切に流動変位させることができ、発電機1への出力仕事量(出力エネルギー)の低下を防止できる。   Since the steam engine 10 including such a fluid container 11 can liquefy at least the working fluid 20 in a gaseous state at an appropriate timing, the working fluid 20 can be appropriately flow-displaced, and output work to the generator 1 can be changed. A decrease in (output energy) can be prevented.

次に、上述した実施形態では、ωτの値が10以上となるように断熱隙間部内半径寸法が設定された蒸気エンジンについて説明したが、流体容器断熱隙間部での熱損失割合をさらに低減するためには、ωτの値がさらに大きくなるように断熱隙間部内半径寸法を設定すると良い。   Next, in the above-described embodiment, the steam engine in which the radius dimension in the heat insulation gap is set so that the value of ωτ is 10 or more has been described, but in order to further reduce the heat loss ratio in the heat insulation gap in the fluid container It is preferable to set the radius dimension in the heat insulating gap so that the value of ωτ is further increased.

例えば、図5に示す曲線に基づき判断すると、流体容器断熱隙間部での熱損失割合を10%以下とするためには、ωτの値が20以上となるように断熱隙間部内半径寸法r2の値を設定するとよく、流体容器断熱隙間部での熱損失割合を5%以下とするためには、ωτの値が30以上となるように断熱隙間部内半径寸法r2の値を設定するとよい。さらに、熱損失を低減するべく流体容器断熱隙間部での熱損失割合を2%以下とするためには、ωτの値が100以上となるように断熱隙間部内半径寸法r2の値を設定することが望ましい。   For example, judging based on the curve shown in FIG. 5, in order to make the heat loss ratio in the heat insulation gap of the fluid container 10% or less, the value of the radius dimension r2 in the heat insulation gap so that the value of ωτ is 20 or more. In order to set the heat loss ratio in the heat insulation gap portion of the fluid container to 5% or less, the value of the radial dimension r2 in the heat insulation gap portion may be set so that the value of ωτ is 30 or more. Furthermore, in order to reduce the heat loss ratio in the heat insulation gap portion of the fluid container to 2% or less in order to reduce heat loss, the value of the radial dimension r2 in the heat insulation gap portion is set so that the value of ωτ becomes 100 or more. Is desirable.

次に、流体容器11は、流体容器加熱対応部31の内側半径寸法が流体容器断熱隙間部35の断熱隙間部内半径寸法r2と同一寸法である場合に限られることはなく、略同一寸法であればよい。つまり、略同一寸法であれば、流体容器11の内壁に段差がほとんど無い状態となるため、流体容器加熱対応部31と流体容器断熱隙間部35との間における作動流体20の移動に対して大きな抵抗とはならず、無駄なエネルギの消費を低減できるからである。   Next, the fluid container 11 is not limited to the case where the inner radius dimension of the fluid container heating corresponding portion 31 is the same as the inner radius dimension r2 of the heat insulating gap portion 35 of the fluid container heat insulating gap portion 35. That's fine. That is, if the dimensions are substantially the same, there is almost no step on the inner wall of the fluid container 11, which is large with respect to the movement of the working fluid 20 between the fluid container heating corresponding portion 31 and the fluid container heat insulation gap portion 35. This is because it is not a resistance, and wasteful energy consumption can be reduced.

また、流体容器11は、流体容器冷却対応部33の内側半径寸法が流体容器断熱隙間部35の断熱隙間部内半径寸法r2と同一寸法である場合に限られることはなく、略同一寸法であればよい。つまり、略同一寸法であれば、流体容器11の内壁に段差がほとんど無い状態となるため、流体容器冷却対応部33と流体容器断熱隙間部35との間における作動流体20の移動に対して大きな抵抗とはならず、無駄なエネルギの消費を低減できるからである。   Further, the fluid container 11 is not limited to the case where the inner radius dimension of the fluid container cooling corresponding portion 33 is the same dimension as the radius dimension r2 in the heat insulation gap portion of the fluid container heat insulation gap portion 35. Good. That is, if the dimensions are substantially the same, there is almost no step on the inner wall of the fluid container 11, which is large with respect to the movement of the working fluid 20 between the fluid container cooling support portion 33 and the fluid container heat insulation gap portion 35. This is because it is not a resistance, and wasteful energy consumption can be reduced.

また、加熱器は、外部から熱源物質(排気ガスなど)を取り込む構成に限られることはなく、例えば、電気通電により発熱する加熱器(電気ヒータなど)やガスなどの燃料の燃焼により熱を発生する加熱器などを用いて構成しても良い。   In addition, the heater is not limited to a configuration that takes in a heat source material (exhaust gas, etc.) from the outside. For example, a heater (electric heater, etc.) that generates heat when energized or combustion of fuel such as gas generates heat. You may comprise using the heater to do.

蒸気エンジンおよび発電機を備える発電装置の概略構成を表す概略構成図である。It is a schematic block diagram showing schematic structure of a power generator provided with a steam engine and a generator. 蒸気エンジンの動作原理を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the operation principle of a steam engine. 流体容器のうち流体容器冷却対応部に相当する部分の概略構成を表した断面図である。It is sectional drawing showing schematic structure of the part corresponded to the fluid container cooling corresponding | compatible part among fluid containers. 流体容器のうち流体容器断熱隙間部および流体容器加熱対応部に相当する部分の概略構成を表した断面図である。It is sectional drawing showing schematic structure of the part corresponded to a fluid container heat insulation clearance gap part and a fluid container heating corresponding | compatible part among fluid containers. 変数ωτと熱損失の割合(流体から流体容器断熱隙間部への熱伝導による熱損失の割合)との関係を表す曲線を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the curve showing the relationship between the variable (omega) tau and the rate of heat loss (ratio of the heat loss by the heat conduction from the fluid to the fluid container heat insulation clearance). (a)は、流体の液化および気化が理想的に行われた場合の理論値としてのPV線図であり、(b)は、流体容器冷却対応部の断面積が小さく形成された場合のPV線図であり、(c)は、流体容器冷却対応部の断面積が大きく形成された場合のPV線図である。(A) is a PV diagram as a theoretical value when fluid liquefaction and vaporization are ideally performed, and (b) is a PV diagram when the cross-sectional area of the fluid container cooling counterpart is formed small. It is a diagram and (c) is a PV diagram when the cross-sectional area of the fluid container cooling corresponding part is formed large.

符号の説明Explanation of symbols

1…発電機、2…可動子、10…蒸気エンジン、11…流体容器、11a…屈曲部、11b…直線部、11c…直線部、12…加熱器、13…冷却器、14…ピストン、20…作動流体、31…流体容器加熱対応部、33…流体容器冷却対応部、35…流体容器断熱隙間部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Generator, 2 ... Movable element, 10 ... Steam engine, 11 ... Fluid container, 11a ... Bending part, 11b ... Linear part, 11c ... Linear part, 12 ... Heater, 13 ... Cooler, 14 ... Piston, 20 ... working fluid, 31 ... fluid container heating support part, 33 ... fluid container cooling support part, 35 ... fluid container heat insulation gap part.

Claims (6)

流体が流動可能に封入された流体容器と、
前記流体容器に封入された前記流体を加熱して気化させる加熱器と、
前記加熱器にて加熱されて気化した前記流体を冷却して液化させる冷却器と、
前記加熱器および前記冷却器による前記流体の気化および液化の繰り返しにより前記流体が流動変位することに伴い、前記流体から圧力を受けて往復運動するエネルギ出力用駆動部と、
を備えて、前記エネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する蒸気エンジンであって、
前記流体容器は、前記冷却器に対応する部分である流体容器冷却対応部と、前記加熱器に対応する部分である流体容器加熱対応部と、を備えており、
前記流体容器冷却対応部の内側半径寸法は、低圧時における前記流体の温度伝導率である低圧時温度伝導率を「a1」、前記流体の流動変位の角周波数を「ω」としたとき、次式(1)
Figure 0004363254
にて表される低圧時熱浸透深さδ1と同一寸法となるように規定されており、
前記低圧時温度伝導率a1は、前記流体容器の内部における前記流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち圧力下限値から25%値までの圧力範囲のいずれかの圧力値における前記流体の温度伝導率であること、
を特徴とする蒸気エンジン。
A fluid container in which fluid can be flowed, and
A heater that heats and vaporizes the fluid enclosed in the fluid container;
A cooler that cools and liquefies the fluid heated and vaporized by the heater;
An energy output drive unit that reciprocates under pressure from the fluid as the fluid flows and displaces due to repeated vaporization and liquefaction of the fluid by the heater and the cooler; and
A steam engine that outputs mechanical energy from the energy output drive unit,
The fluid container includes a fluid container cooling corresponding part which is a part corresponding to the cooler, and a fluid container heating corresponding part which is a part corresponding to the heater.
The inner radial dimension of the fluid container cooling corresponding part is as follows when the low-temperature temperature conductivity, which is the temperature conductivity of the fluid at low pressure, is “a1”, and the angular frequency of the fluid flow displacement is “ω”: Formula (1)
Figure 0004363254
It is specified to be the same size as the heat penetration depth δ1 at low pressure represented by
The low-temperature temperature conductivity a1 is the pressure value in any one of the pressure ranges from the pressure lower limit value to the 25% value in the pressure range from the pressure upper limit value to the pressure lower limit value of the fluid inside the fluid container. The temperature conductivity of the fluid,
A steam engine characterized by.
前記低圧時温度伝導率a1は、前記流体容器の内部における前記流体の圧力下限値における前記流体の温度伝導率であること、
を特徴とする請求項1に記載の蒸気エンジン。
The low-temperature temperature conductivity a1 is the temperature conductivity of the fluid at the pressure lower limit value of the fluid inside the fluid container,
The steam engine according to claim 1.
流体が流動可能に封入された流体容器と、
前記流体容器に封入された前記流体を加熱して気化させる加熱器と、
前記加熱器にて加熱されて気化した前記流体を冷却して液化させる冷却器と、
前記加熱器および前記冷却器による前記流体の気化および液化の繰り返しにより前記流体が流動変位することに伴い、前記流体から圧力を受けて往復運動するエネルギ出力用駆動部と、
を備えて、前記エネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する蒸気エンジンであって、
前記加熱器と前記冷却器とは隙間を隔てて配置されており、
前記流体容器は、前記冷却器に対応する部分である流体容器冷却対応部と、前記加熱器に対応する部分である流体容器加熱対応部と、前記加熱器と前記冷却器との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部と、を備えており、
前記流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法を「r2」、当該蒸気エンジンの作動時において前記流体容器の内部における圧力上限値となるときの前記流体の温度伝導率である高圧時温度伝導率を「a2」としたときに、次式(2)のように変数τを規定した場合において、
Figure 0004363254
前記流体容器の前記断熱隙間部内半径寸法r2は、前記流体の流動変位の角周波数を「ω」としたとき、次式(3)
Figure 0004363254
を満足すること、
を特徴とする蒸気エンジン。
A fluid container in which fluid can be flowed, and
A heater that heats and vaporizes the fluid enclosed in the fluid container;
A cooler that cools and liquefies the fluid heated and vaporized by the heater;
An energy output drive unit that reciprocates under pressure from the fluid as the fluid flows and displaces due to repeated vaporization and liquefaction of the fluid by the heater and the cooler; and
A steam engine that outputs mechanical energy from the energy output drive unit,
The heater and the cooler are arranged with a gap between them,
The fluid container includes a fluid container cooling corresponding part that is a part corresponding to the cooler, a fluid container heating corresponding part that is a part corresponding to the heater, and a gap between the heater and the cooler. A fluid container insulation gap that is a corresponding part, and
The inner radial dimension of the heat insulation gap of the fluid container is “r2”, which is the temperature conductivity of the fluid when the steam engine is at the upper limit of the pressure inside the fluid container when the steam engine is operating. When the temperature conductivity at high pressure is “a2” and the variable τ is defined as in the following equation (2),
Figure 0004363254
The radius r2 in the heat insulating gap of the fluid container is expressed by the following equation (3) when the angular frequency of the fluid flow displacement is “ω”.
Figure 0004363254
Be satisfied,
A steam engine characterized by.
前記加熱器と前記冷却器とは隙間を隔てて配置されており、
前記流体容器は、前記加熱器と前記冷却器との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部を備えており、
前記流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法を「r2」、当該蒸気エンジンの作動時において前記流体容器の内部における圧力上限値となるときの前記流体の温度伝導率である高圧時温度伝導率を「a2」としたときに、次式(4)のように変数τを規定した場合において、
Figure 0004363254
前記流体容器の前記断熱隙間部内半径寸法r2は、前記流体の流動変位の角周波数を「ω」としたとき、次式(5)
Figure 0004363254
を満足すること、
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の蒸気エンジン。
The heater and the cooler are arranged with a gap between them,
The fluid container includes a fluid container heat insulation gap that is a portion corresponding to a gap between the heater and the cooler;
The inner radial dimension of the heat insulation gap of the fluid container is “r2”, which is the temperature conductivity of the fluid when the steam engine is at the upper limit of the pressure inside the fluid container when the steam engine is operating. When the temperature conductivity at high pressure is “a2” and the variable τ is defined as in the following equation (4),
Figure 0004363254
The radius r2 in the heat insulating gap of the fluid container is expressed by the following equation (5) when the angular frequency of the fluid flow displacement is “ω”.
Figure 0004363254
Be satisfied,
The steam engine according to claim 1 or 2, characterized in that.
前記流体容器加熱対応部の内側半径寸法は、前記断熱隙間部内半径寸法と同一寸法であること
を特徴とする請求項3または請求項4に記載の蒸気エンジン。
The inner radius dimension of the fluid container heating corresponding part is the same dimension as the inner radial dimension of the heat insulating gap,
The steam engine according to claim 3 or 4, characterized by the above-mentioned.
前記流体容器加熱対応部の内側半径寸法と、前記流体容器冷却対応部の内側半径寸法と、前記断熱隙間部内半径寸法とが、全て同一寸法であること
を特徴とする請求項3から請求項5のいずれかに記載の蒸気エンジン。
The inner radius dimension of the fluid container heating corresponding portion, the inner radius dimension of the fluid container cooling corresponding portion, and the radius dimension in the heat insulating gap portion are all the same dimension ,
The steam engine according to any one of claims 3 to 5, wherein
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