JP4363255B2 - 蒸気エンジン - Google Patents

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。

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）。

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）

ところで、こうした従来の蒸気エンジンにおいては、外部へ出力する機械エネルギを増大するためには、入力されるエネルギを増大させる必要があり、加熱器および冷却器による流体への熱交換量を増大させる必要がある。そして、熱交換量を増大させるための手法としては、例えば、加熱器の温度をより高い温度に設定する手法や、冷却器の温度をより低い温度に設定する手法などが挙げられる。

しかし、このように加熱器の温度を高温に設定する手法や冷却器の温度を低温に設定する手法は、加熱器または冷却器の温度設定に必要なエネルギが増大するため、出力する機械エネルギを増大できるものの、熱エネルギから機械エネルギへのエネルギ変換効率が低い場合には、却ってエネルギ損失量が大きくなる虞がある。

これに対して、例えば、流体容器のうち加熱器および冷却器に対応する部分の表面積を増大させる手法は、加熱器または冷却器の設定温度を変更することなく、出力する機械エネルギを増大できる。

しかしながら、流体容器のうち加熱器および冷却器に対応する部分の径方向断面積を単純に大きくして、表面積を増大させるだけでは、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り、流体容器加熱対応部および流体容器冷却対応部での流体に対する加熱効率および冷却効率が低く（悪く）なるため、エネルギ変換効率を十分に改善することができず、十分には機械エネルギを増大できないという問題がある。

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、エネルギ変換効率改善をし、出力する機械エネルギを増大できる蒸気エンジンを提供することを目的とする。

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。

そして、この蒸気エンジンは、流体容器のうち少なくとも加熱器および冷却器に対応する部分が複数の分岐管で構成されることに特徴がある。
つまり、このような複数の分岐管を備える構成の流体容器は、加熱器および冷却器と接する熱交換面積を大きく確保できるため、加熱器および冷却器による流体への熱交換量を増大でき、エネルギ変換効率が良好となる。このように、エネルギ変換効率に優れた流体容器を備える蒸気エンジンは、加熱器の設定温度および冷却器の設定温度を変更することなく、加熱器および冷却器による流体への熱交換量を増大できることから、エネルギ変換効率の低下を抑制できる
よって、この蒸気エンジンは、エネルギ変換効率改善をし、外部に出力する出力仕事量（出力エネルギ）を増大できる。
また、本発明の蒸気エンジンは、流体容器における複数の分岐管のうち少なくとも２以上の分岐管を連通させる連通部を備えている。
つまり、連通部で互いに連通された分岐管どうしは、連通部を介して流体が移動可能となるため、複数の分岐管におけるそれぞれの内部圧力を略等しくすることができ、発生する圧力が分岐管毎に異なる大きさになるのを防止できる。
なお、気体の移動速度は、液体の移動速度に比べて速く、また、加熱器および冷却器に対応する部分に形成される分岐管のうち高圧の気体が発生するのは、加熱器に対応する部分である。
このことから、連通部は、分岐管のうち加熱器に対応する部分どうしを連通させるように形成すると良い。
つまり、このように連通部を形成することで、分岐管毎に流体の気化タイミングが異なる（換言すれば、分岐管毎に圧力上昇タイミングが異なる）場合であっても、気体状態の流体は、連通部を介して速やかに他の分岐管に移動できる。この結果、連通部を備える蒸気エンジンは、連通部で連通された分岐管どうしの圧力差を迅速に解消することができ、分岐管毎の圧力差を小さくすることができる。
よって、この蒸気エンジンによれば、複数の分岐管を備える流体容器を用いるにあたり、流体の気化タイミングの差に起因して分岐管どうしでエネルギを無駄に消費するのを防止できるため、エネルギ出力用駆動部に対して適切に流体の圧力を伝達できると共に、適切に機械エネルギを出力できる。

次に、上述の蒸気エンジンに備えられる加熱器としては、例えば、外部から熱源物質を取り込み、取り込んだ熱源物質を流体容器に接触させつつ通過させて、流体容器に封入された流体を加熱する構成の加熱器を挙げることができる。

しかし、このような加熱器を用いる場合、熱源物質は、上流側から下流側に移動するに従い、分岐管（詳細には、流体）に熱量を奪われて温度が低下する。このため、複数の分岐管がそれぞれ同一形状である場合（表面積が同一である場合）には、上流側に配置される分岐管と下流側に配置される分岐管とでは、熱源物質から受け取ることができる熱量（換言すれば、流体に供給できる熱量）に差が生じて、発生する圧力の大きさや流体の気化タイミングが分岐管毎に異なる値となってしまう。

そして、分岐管毎に流体の気化タイミングが異なる場合（換言すれば、分岐管毎に圧力上昇タイミングが異なる場合）には、圧力の大きい分岐管における流体の流動変位によるエネルギが、圧力の小さい分岐管で消費されてしまい、エネルギ出力用駆動部に対して適切に流体の圧力を伝達できないという問題が生じる虞がある。

そこて、このような蒸気エンジンは、請求項２に記載のように、熱源物質の通過方向（流れ方向）における下流側に配置される分岐管になるほど表面積が次第に大きくなるように配置された複数の分岐管を備える流体容器を用いて構成すると良い。

つまり、流体容器は、熱源物質の通過方向における上流側から下流側にかけて各分岐管の表面積が次第に大きくなるように構成されており、複数の分岐管は、下流側に配置される分岐管になるに従い、表面積の増大に伴い熱源物質からの熱量回収性能が高くなるという特性を有する。

これにより、上流側から下流側へ移動するに従い熱源物質の温度が低下した場合であっても、上流側の分岐管と下流側の分岐管との間における取得熱量の差を小さくでき、流体の加熱により生じる分岐管の内部圧力が複数の分岐管毎に異なる大きさとなるのを防止できる。

よって、この蒸気エンジンによれば、複数の分岐管を備える流体容器を用いるにあたり、分岐管毎の圧力差を小さくでき、分岐管どうしでエネルギを無駄に消費するのを防止できるため、エネルギ出力用駆動部に対して適切に流体の圧力を伝達できると共に、外部に対して良好に機械エネルギを出力できる。

そして、上述の蒸気エンジンにおいて、連通部を備える場合には、より好ましくは、全ての分岐管を連通させるように連通部を形成すると良い。
これにより、全ての分岐管について、圧力差が生じるのを防止でき、気化タイミングの差に起因して分岐管どうしでエネルギを無駄に消費するのを確実に防止できる。

よって、この発明によれば、エネルギ出力用駆動部に対して効率良く流体の圧力を伝達できると共に、効率良く機械エネルギを出力できる蒸気エンジンを実現できる。

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。

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。

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、本実施形態の蒸気エンジン１０は、水冷型内燃機関に設置されており、加熱器１２は内燃機関から排出される高温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であり、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である。

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。

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。

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。

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。

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。

そして、直線部１１ｂは、流体容器加熱対応部３１、流体容器断熱隙間部３５および流体容器冷却対応部３３に対応する部分が複数の分岐管１５で構成され、流体容器冷却対応部３３よりも屈曲部１１ａに近い部分が単一の集合管１６で構成されている。なお、複数の分岐管１５は、流体容器冷却対応部３３となる側の端部（図における下端部）がそれぞれ集合管１６に連通されており、流体容器加熱対応部３１となる側の端部（図における上端部）が閉塞した状態で形成されている。

次に、加熱器１２は、複数の分岐管１５のうち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、複数の分岐管１５のうち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。
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。

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、まず、加熱器１２により、流体容器１１の直線部１１ｂにおける分岐管１５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（詳細には、分岐管１５）の内部における液体の液面を押し下げる。

ここで、図２に、蒸気エンジン１０のうち流体容器１１の端部、加熱器１２、冷却器１３に相当する部分の断面構造を表すと共に、直線部１１ｂの内部における液面が押し下げられた状態を表す説明図である。なお、図のうち、分岐管１５の内部に記載した下向きの矢印は、気体状態の作動流体２０が液体状態の作動流体２０を押し下げる圧力の向きを表している。

このように、直線部１１ｂの内部における液面が押し下げられた状態になると、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。

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。

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。

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。

また、流体容器１１の直線部１１ｂは、複数の分岐管１５と集合管１６とを備えており、直線部１１ｂのうち複数の分岐管１５を備える部分は、作動流体２０の流動変位方向における単位長さあたりの表面積が大きくなり、加熱器１２や冷却器１３との熱交換面積を大きく確保できる。つまり、本実施形態の流体容器１１は、複数の分岐管を備えることなく集合管のみで構成された直線部を備える流体容器に比べて、加熱器１２や冷却器１３との熱交換面積が大きく確保できるため、加熱器１２および冷却器１３による作動流体２０への熱交換量を増大でき、エネルギ変換効率が良好となる。

このため、蒸気エンジン１０は、エネルギ変換効率に優れた流体容器１１を備えており、加熱器１２の設定温度および冷却器１３の設定温度を変更することなく、加熱器１２および冷却器１３による作動流体２０への熱交換量を増大できる。

よって、蒸気エンジン１０は、エネルギ変換効率改善ができることから、発電機１に出力する出力仕事量（出力エネルギ）を増大できる。
また、複数の分岐管１５を備える流体容器１１は、単数の管からなり径方向寸法を拡大して表面積を増大させた流体容器に比べて、同一の表面積（換言すれば、同一の熱交換量）を確保するために必要な体積が小さくなる。このことから、流体容器１１は、体積の増大を抑制しつつ熱交換面積を大きく確保できる。

このため、蒸気エンジン１０は、複数の分岐管１５を有する流体容器１１を備えることで、熱交換効率の向上により出力仕事量（出力エネルギ）を増大させつつ、小型化を図ることができる。

次に、本実施形態の加熱器１２は、内燃機関から排出される高温の排気ガスを熱源物質として取り込み、その排気ガスを流体容器１１に接触させつつ通過させて、流体容器１１に封入された作動流体２０を加熱するよう構成されている。ここで、図３に、加熱器１２の内部構造の一部を表す説明図を示す。

加熱器１２は、熱源物質の取入部および熱源物質の排出部を備える箱型形状に形成されており、図３に示すような複数のフィン１８を内部に備えている。また、フィン１８は、分岐管１５を挿通するための開口部を備えている。そして、加熱器１２は、複数の分岐管１５のうち流体容器加熱対応部３１となる部分をフィン１８の開口部に挿通する状態で、流体容器１１の一部を内部に収容する状態で備えられる。

しかし、排気ガスを熱源物質として用いる場合、排気ガスは上流側から下流側に移動するに従い分岐管１５に熱量を奪われていき、次第に温度が低下する。
ここで、図９に、加熱器１２を通過する際の排気ガスの温度変化の状態を表す温度変化曲線と、加熱器１２および流体容器１１の一部の断面構造を表した説明図を示す。なお、図９では、表面積が互いに等しい複数の分岐管１５を備える流体容器１１の断面構造を示している。

このような流体容器１１は、排気ガスの温度が次第に低下することに起因して、上流側に配置される分岐管１５と下流側に配置される分岐管１５とで、排気ガスから受け取ることができる熱量に差が生じてしまう。つまり、分岐管１５ごとに内部の作動流体２０に供給できる熱量に差が生じてしまい、内部で発生する圧力の大きさが分岐管１５ごとに異なる大きさとなり、分岐管１５ごとに作動流体２０の気化タイミングが異なる状態（換言すれば、分岐管１５ごとに圧力上昇タイミングが異なる状態）となる。

そして、分岐管１５ごとに作動流体２０の気化タイミングが異なる場合には、圧力の大きい分岐管１５における作動流体２０の流動変位によるエネルギが、圧力の小さい分岐管１５の内部における作動流体２０（気体部分）の体積を減少させるための仕事で消費されることになる。つまり、作動流体２０の気化により発生したエネルギが、内部圧力の異なる分岐管１５どうしの間で消費されることになるため、流体容器１１のうち屈曲部１１ａや直線部１１ｃでは作動流体２０が流動変位せず、ピストン１４に対して適切に作動流体２０の圧力を伝達できないという問題が生じる。

これに対して、本実施形態の流体容器１１は、図３に示すように、排気ガス（熱源物質）の通過方向における下流側の分岐管１５（直径寸法Ｌ２）が、上流側の分岐管１５（直径寸法Ｌ１）に比べて、直径寸法が大きい状態（Ｌ１＜Ｌ２）で形成されるとともに表面積が大きく形成されている。つまり、本実施形態の流体容器１１は、排気ガスの通過方向における下流側に配置される分岐管１５になるほど表面積が次第に大きくなるように配置された複数の分岐管１５を備えて構成されている。このため、複数の分岐管１５のうち下流側に配置される分岐管１５になるに従い、表面積の増大に伴い排気ガスからの熱量回収性能が高くなる。

ここで、図９に示す５本の分岐管１５がそれぞれ取得する熱量の大きさを上流側から下流側の順にＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５とすると、各熱量は、図９に示す数式により表すことが出来る。

なお、ｈは熱伝達率［Ｗ／ｍ２・Ｋ］であり、ＴＷは分岐管１５における熱交換前の温度［Ｋ］である。また、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５は、上流側から下流側に移動したときの各分岐管１５の設置位置における排気ガスの温度であり、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５は、上流側から下流側に配置された５本の分岐管１５のそれぞれの表面積である。

そして、各分岐管１５が排気ガスから取得する熱量を略等しくするには、Ｑ１〜Ｑ５を略同一値に設定する必要がある。なお、熱伝達率ｈおよび熱交換前温度ＴＷは、全ての分岐管１５で同一値として近似でき、また、排気ガスの温度については「Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞Ｔ４＞Ｔ５」という関係があることが明らかである。

このことから、分岐管１５の表面積が「Ａ１＜Ａ２＜Ａ３＜Ａ４＜Ａ５」という関係を満たすことで、Ｑ１〜Ｑ５を略同一値とすることができ、各分岐管１５が排気ガスから取得する熱量を略等しく設定できることが判る。

そして、本実施形態の流体容器１１は、排気ガスの通過方向における下流側に配置される分岐管１５になるほど表面積が次第に大きくなるように配置された複数の分岐管１５を備えて構成されている。

つまり、流体容器１１は、排気ガスの通過方向における下流側になるに従い分岐管１５の熱量回収性能が高くなるよう構成されており、上流側から下流側へ移動するに従い排気ガスの温度が低下した場合であっても、異なる分岐管１５どうしでの取得熱量の差を小さくでき、分岐管１５ごとに内部圧力の不均衡が生じるのを防止できる。

よって、蒸気エンジン１０は、複数の分岐管１５を備える流体容器１１を用いるにあたり、分岐管１５毎の圧力差を小さくでき、分岐管１５どうしでエネルギを無駄に消費するのを防止できるため、ピストン１４に対して適切に作動流体２０の圧力を伝達できると共に、発電機１に対して適切に機械エネルギを出力できる。

なお、上述した実施形態（以下、第１実施形態ともいう）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し、排気ガスが熱源物質に相当している。

次に、第２実施形態として、複数の分岐管１５をそれぞれ連通させる連通部４３を備える第２蒸気エンジン４１について説明する。
なお、第２蒸気エンジンは、上述した第１実施形態の蒸気エンジン１０と比べて、直線部１１ｂの端部形状のみが異なることから、異なる部分を中心に説明する。また、第１実施形態の蒸気エンジン１０と同一箇所については、同一符号を用いて表す。

図５に、第２蒸気エンジン４１のうち流体容器１１の端部、加熱器１２、冷却器１３に相当する部分の断面構造を表すと共に、直線部１１ｂの内部における液面が押し下げられた状態を表す説明図である。

図５に示すように、第２蒸気エンジン４１の流体容器１１は、流体容器加熱対応部３１となる部分の端部（図における上端部）に、全ての分岐管１５に連通する連通部４３を備えて構成されている。そして、連通部４３は、自身の内部空間が全ての分岐管１５の内部空間に連通しており、この結果、全ての分岐管１５は、互いの内部空間が連通部４３を介して連通した状態となる。

このように連通部４３を介して互いに連通された複数の分岐管１５は、連通部４３を介して内部の作動流体２０が移動可能となるため、それぞれの内部圧力を略等しくすることができ、発生する内部圧力が他の分岐管１５と異なる大きさになるのを防止できる。

なお、気体の移動速度は、液体の移動速度に比べて速く、また、加熱器１２および冷却器１３に対応する部分に形成される分岐管１５のうち高圧の気体が発生するのは、加熱器１２に対応する流体容器加熱対応部３１であり、特に、上端部分に高圧の気体が多く発生する。このため、流体容器加熱対応部３１の上端部に形成された連通部４３は、高圧の気体を迅速に他の分岐管１５に移動させることができる。

つまり、このような連通部４３を備える流体容器１１は、分岐管１５毎に作動流体２０の気化タイミング（圧力上昇タイミング）が異なる場合であっても、気体状態の作動流体２０が連通部４３を介して速やかに他の分岐管１５に移動できるため、連通部４３で連通された分岐管１５どうしの圧力差を迅速に解消することができる。

よって、第２蒸気エンジン４１は、連通部４３を備えることにより、作動流体２０の気化タイミングの差に起因して分岐管１５どうしでエネルギを無駄に消費するのを防止できるため、ピストン１４に対して適切に作動流体２０の圧力を伝達できると共に、発電機１に対して適切に機械エネルギを出力できる。

以上、本発明が適用された２つの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。
例えば、複数の分岐管の表面積をそれぞれ異なる大きさに設定するための構成としては、第１実施形態の蒸気エンジン１０のように、作動流体の流動変位方向に垂直な断面における径寸法が異なる複数の分岐管を備える構成に限られることはなく、作動流体の流動変位方向における長さ寸法が異なる複数の分岐管を備える構成としてもよい。

一例として、長さ寸法が異なる複数の分岐管１５を備える蒸気エンジンのうち、流体容器の端部、加熱器、冷却器に相当する部分の断面構造を表した説明図を、図４に示す。
図４に示すように、熱源物質の通過方向における最も上流側の分岐管１５の長さ寸法を最も短く設定し、下流側になるほど次第に長さ寸法が長くなるように分岐管１５を配置し、最も下流側の分岐管１５の長さ寸法を最も長く設定して、流体容器１１を構成するのである。この流体容器１１は、加熱器１２のうち熱源物質の通過方向における下流側になるに従い、分岐管１５の表面積が大きくなると共に熱量回収性能が高くなる構成となる。

これにより、この流体容器１１は、上流側から下流側へ移動するに従い熱源物質の温度が低下した場合であっても、異なる分岐管１５どうしでの取得熱量の差を小さくでき、分岐管１５ごとに内部圧力の不均衡が生じるのを防止できる。

次に、複数の分岐管を連通するための連通部の形成位置は、図５に示すような流体容器加熱対応部３１の端部に限られることはなく、連通部は、流体容器のうち少なくとも流体容器加熱対応部に形成すればよい。つまり、流体容器加熱対応部３１に連通部４３を形成することで、気体状態の作動流体２０が確実に分岐管１５どうしを移動することが可能となり、分岐管１５ごとに内部圧力に差が生じるのを防止できる。

一例として、流体容器加熱対応部３１の端部よりも流体容器冷却対応部３３に近い位置に連通部４３を備える蒸気エンジンのうち、流体容器１１の端部、加熱器１２、冷却器１３に相当する部分の断面構造を表した説明図を、図６に示す。

図６に示すように、流体容器加熱対応部３１の端部よりも流体容器冷却対応部３３に近い位置に、全ての分岐管１５を連通するための連通部４３を備えるように、流体容器１１を構成してもよい。このような流体容器１１を用いることで、分岐管１５ごとに内部圧力差が発生することを防止でき、分岐管１５どうしでエネルギを無駄に消費することを防止できる。

また、連通部４３は、作動流体２０の流動変位方向における形成位置が全ての連通部４３について同一位置とする必要はなく、作動流体２０の移動が可能な状態で分岐管１５どうしを連通する形態であって、形成位置の異なる複数の連通部４３を備えるように、蒸気エンジンを構成しても良い。

一例として、形成位置が異なる複数の連通部４３を備える蒸気エンジンのうち、流体容器１１の端部、加熱器１２、冷却器１３に相当する部分の断面構造を表した説明図を、図７に示す。

図７に示すように、連通部４３ごとに形成位置を異なる位置に設定した蒸気エンジンにおいても、連通部４３が分岐管１５どうしを連通して作動流体２０の移動を可能とすることで、分岐管１５ごとに内部圧力差が発生するのを解消できる。

さらに、連通部は、必ずしも全ての分岐管１５を連通する状態で形成する必要はなく、内部圧力差が生じる一部の分岐管１５について作動流体２０が移動できるように形成し、その結果、流体容器１１に備えられる全ての分岐管１５の内部圧力を略一定に維持するように連通部を形成しても良い。

一例として、全ての分岐管ではなく、一部の分岐管を連通する連通部４５，４６を備える蒸気エンジンのうち、流体容器１１の端部、加熱器１２、冷却器１３に相当する部分の断面構造を表した説明図を、図８に示す。

図８に示すように、熱源物質の通過方向において５列の分岐管１５が配置される場合において、上流側から見て第２列目，第４列目の２本の分岐管１５を連通する第１連通部４５を設け、また、上流側から見て第１列目，第３列目，第５列目の３本の分岐管１５を連通する第２連通部４６を設けて、蒸気エンジンを構成することもできる。

なお、この蒸気エンジンにおいては、第２列目，第４列目の分岐管１５を連通した際の平均内部圧力と、第１列目，第３列目，第５列目の分岐管１５を連通した際の平均内部圧力とが、略同一となる特性を有することが測定により明らかとなっていた。このような特性を有する蒸気エンジンにおいては、全ての分岐管を連通する連通部に限らず、第１連通部４５および第２連通部４６のような一部の分岐管１５を連通する構成の連通部を備えることで、分岐管毎に内部圧力差が生じるのを防止できる。

次に、流体容器１１のうち複数の分岐管が連結される位置は、全ての分岐管において同一位置に限ることはなく、作動流体の流動変位方向において、複数の分岐管が順次枝分かれするように流体容器を構成しても良い。

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。このような加熱器を用いることで、熱源物質を通過させる構成の加熱器に比べて、分岐管ごとに供給可能な熱量にバラツキが生じるのを防止でき、複数の分岐管を均一に加熱することが可能となる。

さらに、蒸気エンジンは、加熱器と冷却器とが必ずしも隙間を隔てた状態で配置される必要はなく、加熱器と冷却器とが隙間無く隣接している構成であっても良い。その場合には、流体容器のうち少なくとも加熱器および冷却器に対応する部分が、複数の分岐管で構成されていることで、効率良く流体を加熱することが出来る。

また、分岐管の本数や配列状態は、上述した本数や配列状態に限られることはなく、流体容器の設置領域の大きさなどの各種条件に応じて、適切な本数や配列状態を設定することで、良好に流体を加熱することができ、蒸気エンジンの出力エネルギの低下を防止することが出来る。

蒸気エンジンおよび発電機からなる発電装置の概略構成図である。 蒸気エンジンのうち流体容器の端部、加熱器、冷却器に相当する部分の断面構造を表す説明図である。 加熱器の内部構造の一部を表す説明図である。 長さ寸法が異なる複数の分岐管を備える蒸気エンジンのうち、流体容器の端部、加熱器、冷却器に相当する部分の断面構造を表した説明図である。 第２蒸気エンジンのうち流体容器の端部、加熱器、冷却器に相当する部分の断面構造を表す説明図である。 流体容器加熱対応部の端部よりも流体容器冷却対応部に近い位置に連通部を備える蒸気エンジンのうち、流体容器の端部、加熱器、冷却器に相当する部分の断面構造を表した説明図である。 形成位置が異なる複数の連通部を備える蒸気エンジンのうち、流体容器の端部、加熱器、冷却器に相当する部分の断面構造を表した説明図である。 全ての分岐管ではなく、一部の分岐管を連通する連通部を備える蒸気エンジンのうち、流体容器の端部、加熱器、冷却器に相当する部分の断面構造を表した説明図である。 加熱器を通過する際の排気ガスの温度変化の状態を表す温度変化曲線と、加熱器および流体容器の一部の断面構造を表した説明図である。

符号の説明

１…発電機、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、１５…分岐管、１６…集合管、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、４１…第２蒸気エンジン、４３…連通部、４５…第１連通部、４６…第２連通部。

Claims (3)

1. 流体が流動可能に封入された流体容器と、
   該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、
   該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駆動され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、少なくとも前記加熱器および前記冷却器に対応する部分が複数の分岐管で構成されており、
   前記流体容器における前記複数の分岐管のうち前記加熱器に対応する部分において、少なくとも２以上の前記分岐管を連通させる連通部を備えること、
   を特徴とする蒸気エンジン。
2. 前記加熱器は、外部から熱源物質を取り込み、取り込んだ前記熱源物質を前記流体容器に接触させつつ通過させて、前記流体容器に封入された前記流体を加熱する構成であり、
   前記流体容器は、前記熱源物質の通過方向における下流側に配置される前記分岐管になるほど表面積が次第に大きくなるように配置された前記複数の分岐管を備えること、
   を特徴とする請求項１に記載の蒸気エンジン。
3. 前記連通部は、全ての前記分岐管を連通させること、
   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。