JP4760777B2 - External combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、作動媒体の蒸発と凝縮によって作動媒体の液相部分を変位させ、作動媒体の液相部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する外燃機関に関する。 The present invention relates to an external combustion engine that displaces a liquid phase portion of a working medium by evaporation and condensation of the working medium, converts the displacement of the liquid phase portion of the working medium into mechanical energy, and outputs the mechanical energy.
従来、この種の外燃機関は、液体ピストン蒸気エンジンとも呼ばれ、管状の容器内に作動媒体を液体状態で流動可能に封入し、容器の一端部に形成された蒸発部にて液体状態の作動媒体の一部を加熱して蒸発させ、容器の中間部に形成された凝縮部にて作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させ、この作動媒体の蒸発と凝縮とを交互に繰り返すことによって作動媒体の液相部分を周期的に変位(いわゆる自励振動)させ、この作動媒体の液相部分の自励振動を出力部にて機械的エネルギとして取り出すように構成されている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, this type of external combustion engine, also called a liquid piston steam engine, encloses a working medium in a tubular container so as to be able to flow in a liquid state, and is in a liquid state at an evaporation section formed at one end of the container. A part of the working medium is heated and evaporated, the working medium vapor is cooled and condensed in the condensing part formed in the middle part of the container, and the working medium is operated by repeating evaporation and condensation alternately. The liquid phase portion of the medium is periodically displaced (so-called self-excited vibration), and the self-excited vibration of the liquid phase portion of the working medium is extracted as mechanical energy at the output unit (for example, Patent Documents). 1).
つまり、液体ピストン蒸気エンジンは、液体状態の作動媒体の一部を蒸発部で蒸発させて作動媒体の液相部分を蒸発部側から出力部側に向かって変位させる第1行程と、第1行程にて発生した作動媒体の蒸気を凝縮部で凝縮させて作動媒体の液相部分を出力部側から蒸発部側に向かって変位させる第2行程とを交互に繰り返し行うことによって、作動媒体の液相部分を液体ピストンとして自励振動させて出力を得るものである。 That is, the liquid piston steam engine has a first stroke and a first stroke in which a part of the working medium in a liquid state is evaporated in the evaporation section and the liquid phase portion of the working medium is displaced from the evaporation section side toward the output section side. By repeating the second step of alternately condensing the vapor of the working medium generated in the above in the condensing unit and displacing the liquid phase portion of the working medium from the output unit side toward the evaporation unit side. The phase part is self-excited and oscillated as a liquid piston to obtain an output.
この液体ピストン蒸気エンジンにおいては、第1行程では容器の内部圧力が作動媒体の蒸発によって上昇し、第2行程では容器の内部圧力が作動媒体の凝縮によって低下することから、容器の内部圧力が周期的に変動することとなる。
ところで、特願2006−78802号(以下、先願例と言う。)には、液体ピストン蒸気エンジンの性能(出力及び効率)の向上を図るものが提案されている。 By the way, Japanese Patent Application No. 2006-78802 (hereinafter referred to as a prior application example) proposes an improvement in performance (output and efficiency) of a liquid piston steam engine.
この先願例では、容器の内部圧力の平均値が所定の理想値(以下、理想平均値と言う。)になっているときに液体ピストン蒸気エンジンの性能が最も高くなること、および、容器の内部圧力の理想平均値が蒸発部の温度変動に伴って変化することに鑑みて、容器の内部圧力の平均値を蒸発部の温度に基づいて適宜調整できるようになっている。 In this prior application example, the performance of the liquid piston steam engine is highest when the average value of the internal pressure of the container is a predetermined ideal value (hereinafter referred to as the ideal average value), and the inside of the container In view of the fact that the ideal average value of pressure changes with the temperature fluctuation of the evaporation section, the average value of the internal pressure of the container can be adjusted as appropriate based on the temperature of the evaporation section.
より具体的には、作動媒体が封入された主容器とは別個に、液体と気体または液体のみが封入された補助容器を設け、この補助容器を絞り部を介して主容器と連通させている。そして、電動アクチュエータで駆動されるピストン機構によって補助容器内の液体または気体またはその両方を圧縮または膨張させることによって補助容器の内部圧力を制御し、その結果として、主容器の内部圧力の平均値が適宜調整される。 More specifically, an auxiliary container in which only a liquid and a gas or only a liquid are sealed is provided separately from the main container in which the working medium is sealed, and the auxiliary container is communicated with the main container through the throttle portion. . Then, the internal pressure of the auxiliary container is controlled by compressing or expanding the liquid and / or gas in the auxiliary container by the piston mechanism driven by the electric actuator, and as a result, the average value of the internal pressure of the main container is Adjust as appropriate.
しかしながら、上記先願例では、第2行程の前半では主容器の内部圧力が補助容器の内部圧力よりも低くなり、第2行程の後半では主容器の内部圧力が補助容器の内部圧力よりも高くなることから(後述の図2を参照)、第2行程の前半時に補助容器内の液体が補助容器内に流入し、第2行程の後半時に主容器内の作動媒体の液相部分の一部が補助容器内に流入することとなる。 However, in the prior application example, the internal pressure of the main container is lower than the internal pressure of the auxiliary container in the first half of the second stroke, and the internal pressure of the main container is higher than the internal pressure of the auxiliary container in the second half of the second stroke. Therefore, the liquid in the auxiliary container flows into the auxiliary container in the first half of the second stroke and a part of the liquid phase portion of the working medium in the main container in the second half of the second stroke. Will flow into the auxiliary container.
このため、第2行程を1回行う間における主容器から補助容器内に流入する作動媒体の液相部分の体積が、補助容器から主容器内に流入する液体の体積よりも大きい場合には、自励振動する液体ピストンの体積が減少してしまうので、第2行程の終了時に作動媒体の液相部分が蒸発部に到達しずらくなる。 For this reason, when the volume of the liquid phase part of the working medium flowing into the auxiliary container from the main container during the second stroke is larger than the volume of the liquid flowing into the main container from the auxiliary container, Since the volume of the self-excited liquid piston is reduced, the liquid phase portion of the working medium is difficult to reach the evaporation section at the end of the second stroke.
その結果、第1行程において作動媒体の蒸発が不十分になり、液体ピストン蒸気エンジンの性能が低下してしまう。最悪の場合には、第2行程の終了時に作動媒体の液相部分が蒸発部に到達しなくなって第1行程において作動媒体の蒸発が行われなくなり、作動媒体の液相部分の自励振動が停止してしまう。 As a result, the working medium is insufficiently evaporated in the first stroke, and the performance of the liquid piston steam engine is degraded. In the worst case, the liquid phase portion of the working medium does not reach the evaporation section at the end of the second stroke, and the working medium is not evaporated in the first stroke. It will stop.
本発明は、上記点に鑑み、補助容器への作動媒体の流入に起因する作動媒体の自励振動の停止を防止することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to prevent the self-excited vibration of the working medium from stopping due to the inflow of the working medium into the auxiliary container.
上記目的を達成するため、本発明は、作動媒体(15)が液体状態で流動可能に封入された管状の主容器(11)と、
主容器(11)のうち一端部側の部位に形成され、主容器(11)内の作動媒体(15)の一部を加熱して蒸発させる蒸発部(11d)と、
主容器(11)のうち蒸発部(11d)よりも他端部側の部位に形成され、蒸発部(11d)にて蒸発した作動媒体(15)の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮部(11e)と、
主容器(11)の他端部と連通し、作動媒体(15)の液相部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(12)と、
主容器(11)のうち凝縮部(11e)と出力部(12)との間の部位と連通部(22)を介して連通し、液体(23)が封入された補助容器(21)と、
補助容器(21)の内部圧力(P2)を調整する圧力調整手段(26)とを備え、
蒸発部(11d)で作動媒体(15)を蒸発させて作動媒体(15)の液相部分を蒸発部(11d)側から出力部(12)側に向かって変位させる第1行程と、第1行程にて蒸発した作動媒体(15)を凝縮部(11e)で凝縮させて作動媒体(15)の液相部分を出力部(12)側から蒸発部(11d)側に向かって変位させる第2行程とを交互に繰り返し行う外燃機関において、
第2行程を1回行う間における主容器(11)から補助容器(21)内に流入する作動媒体(15)の液相部分の体積と補助容器(21)から主容器(11)内に流入する液体(23)の体積との差が蒸発部(11d)の容積(Vh)よりも小さくなるように、連通部(22)の流量係数(Cv)が設定されていることを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention includes a tubular main container (11) in which a working medium (15) is encapsulated in a liquid state so as to be flowable.
An evaporation section (11d) that is formed at one end of the main container (11) and evaporates by heating a part of the working medium (15) in the main container (11);
A condensing part (11e) that is formed in a part of the main container (11) on the other end side of the evaporation part (11d) and cools and condenses the vapor of the working medium (15) evaporated in the evaporation part (11d). )When,
An output unit (12) that communicates with the other end of the main container (11), converts the displacement of the liquid phase portion of the working medium (15) into mechanical energy, and outputs the mechanical energy;
Auxiliary container (21) in which liquid (23) is sealed, communicating with a portion between main condenser (11) between condensing part (11e) and output part (12) via communication part (22),
Pressure adjusting means (26) for adjusting the internal pressure (P2) of the auxiliary container (21),
A first step of evaporating the working medium (15) by the evaporation section (11d) and displacing the liquid phase portion of the working medium (15) from the evaporation section (11d) side toward the output section (12) side; Secondly, the working medium (15) evaporated in the process is condensed in the condensing part (11e), and the liquid phase part of the working medium (15) is displaced from the output part (12) side toward the evaporating part (11d) side. In the external combustion engine that repeats the process alternately,
The volume of the liquid phase portion of the working medium (15) flowing into the auxiliary container (21) from the main container (11) and the auxiliary container (21) into the main container (11) during the second stroke. The flow coefficient (Cv) of the communication part (22) is set so that the difference from the volume of the liquid (23) to be reduced is smaller than the volume (Vh) of the evaporation part (11d).
これによると、第2行程の終了時に、蒸発部(11d)内に作動媒体(15)の液相部分が到達しなくなることを回避できるので、第1行程における作動媒体の蒸発を維持することができる。そのため、作動媒体(15)の自励振動の停止を防止することができる。 According to this, at the end of the second stroke, it is possible to avoid the liquid phase portion of the working medium (15) from reaching the evaporation section (11d), so that evaporation of the working medium in the first stroke can be maintained. it can. Therefore, the stop of the self-excited vibration of the working medium (15) can be prevented.
本発明は、具体的には、連通部(22)に配置された電気式の可変絞り機構(25)と、
流量係数(Cv)が請求項2に記載の数式1を満たすように、可変絞り機構(25)の絞り開度を制御する制御手段(27)とを備え、
可変絞り機構(25)および制御手段(27)によって流量係数(Cv)を設定するようになっている。
Specifically, the present invention includes an electric variable throttle mechanism (25) disposed in the communication portion (22),
Control means (27) for controlling the throttle opening of the variable throttle mechanism (25) so that the flow coefficient (Cv) satisfies
The flow coefficient (Cv) is set by the variable throttle mechanism (25) and the control means (27).
なお、本発明における「流量係数(Cv)が数式1を満たす」とは、厳密に数式1を満たすことのみを意味するものではなく、近似的に数式1を満たすことをも意味するものである。 In the present invention, “the flow coefficient (Cv) satisfies Formula 1” does not mean that Formula 1 is strictly satisfied, but it also means that Formula 1 is approximately satisfied. .
また、本発明は、具体的には、蒸発部(11d)と熱的に連結され、蒸発部(11d)から伝えられる熱によって変形して連通部(22)の流路径を変化させる変化手段(30、31)を備え、
変化手段(30、31)は、蒸発部(11d)の温度(T1)が上昇すると連通部(22)の流路径を小さくし、蒸発部(11d)の温度(T1)が低下すると連通部(22)の流路径を大きくするように構成され、
変化手段(30、31)によって流量係数(Cv)を設定するようにしてもよい。
Further, the present invention specifically includes a changing means (thermally connected to the evaporation section (11d) and deformed by heat transmitted from the evaporation section (11d) to change the flow path diameter of the communication section (22). 30, 31),
The change means (30, 31) reduces the flow path diameter of the communicating portion (22) when the temperature (T1) of the evaporating portion (11d) increases, and reduces the communicating portion (22) when the temperature (T1) of the evaporating portion (11d) decreases. 22) is configured to increase the flow path diameter,
The flow coefficient (Cv) may be set by the changing means (30, 31).
また、本発明は、具体的には、流量係数(Cv)が請求項4に記載の数式2を満たすように、連通部(22)が形成されている。 Further, in the present invention, specifically, the communication portion (22) is formed so that the flow coefficient (Cv) satisfies Formula 2 according to claim 4.
これによると、流量係数(Cv)が一定である簡素な構成によって作動媒体(15)の自励振動を良好に維持することができるので、コストを低減できる。 According to this, since the self-excited vibration of the working medium (15) can be satisfactorily maintained by a simple configuration with a constant flow coefficient (Cv), the cost can be reduced.
なお、本発明における「流量係数(Cv)が数式2を満たす」とは、厳密に数式2を満たすことのみを意味するものではなく、近似的に数式2を満たすことをも意味するものである。また、本発明における「蒸発部(11d)の温度(T1)の最高温度」とは、通常の使用条件において想定される蒸発部(11d)の温度(T1)の最高温度のことを意味するものである。 In the present invention, “the flow coefficient (Cv) satisfies Expression 2” does not mean that expression 2 is strictly satisfied, but also that expression 2 is approximately satisfied. . Further, the “maximum temperature of the temperature (T1) of the evaporating part (11d)” in the present invention means the maximum temperature of the temperature (T1) of the evaporating part (11d) assumed under normal use conditions. It is.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図1〜図6に基づいて説明する。図1は本実施形態による外燃機関(液体ピストン蒸気エンジン)10の概略構成を表す構成図であり、図1中の上下の矢印は液体ピストン蒸気エンジン10の設置状態における上下方向を示している。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of an external combustion engine (liquid piston steam engine) 10 according to the present embodiment, and the up and down arrows in FIG. 1 indicate the vertical direction in the installed state of the liquid
本実施形態による液体ピストン蒸気エンジン10は、主容器11と、出力部をなす発電機12とを有している。発電機12は、ケーシング13内に永久磁石が埋設された可動子14を収納しており、可動子14が振動変位することによって起電力を発生する。
The liquid
主容器11は、作動媒体(本例では水)15が液体状態で流動可能に封入された圧力容器である。主容器11の外面には、主容器11内部の液体状態の作動媒体15の一部を加熱して蒸発させる加熱器16と、加熱器16にて加熱されて蒸発した作動媒体15を冷却して凝縮させる冷却器17とが接触配置されている。
The
本実施形態の加熱器16は高温ガス(例えば、自動車の排気ガス)と熱交換するものであるが、加熱器16を電気ヒータで構成してもよい。また、本実施形態の冷却器17には冷却水が循環するようになっている。図示を省略しているが、冷却水が作動媒体15の蒸気から奪った熱を放熱する放熱器が、冷却水の循環回路中に配置されている。
Although the
そして、主容器11は、屈曲部11aが最下部に位置するように第1、2直線部11b、11cを有する略U字状に形成されたパイプ状の圧力容器であり、主容器11のうち屈曲部11aを挟んで水平方向一端側(紙面右側)の第1直線部11bには、加熱器16が冷却器17より上方側に位置するように加熱器16及び冷却器17が設けられている。
And the
本例では、作動媒体15を水としているので、主容器11をステンレスにて形成しているが、主容器11のうち加熱器16と接触して作動媒体15を蒸発させる部位である蒸発部11d及び冷却器17と接触して作動媒体15を凝縮させる部位である凝縮部11eを熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム等で形成してもよい。
In this example, since the working
蒸発部11dは所定の容積Vhを有している。なお、図1では、便宜上、破線ハッチング領域にて蒸発部11dの容積Vhを示している。
The
図示を省略しているが、作動媒体15が蒸発する空間を確保するために、第1直線部11bの上端部には所定体積の気体が封入されている。この気体は例えば空気であってもよいし、作動媒体15の純粋な蒸気でもよい。
Although illustration is omitted, in order to secure a space for the working
一方、主容器11のうち屈曲部11aを挟んで水平方向他端側(紙面左側)の第2直線部11cの上端部には、作動媒体から圧力を受けて変位するピストン18がシリンダ部19に摺動可能に配置されている。
On the other hand, on the upper end portion of the second
なお、ピストン18は可動子14のシャフト14aに連結されており、可動子14を挟んでピストン18と反対側には、可動子14をピストン18側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすコイルばね20が設けられている。
The
次に、主容器11の内部圧力(以下、主容器内圧力と言う。)P1を調整する機構について説明すると、補助容器21は、管状の連通部22を介して主容器11と連通している。本例では、補助容器21を屈曲部11aの上方側に配置している。
Next, a mechanism for adjusting the internal pressure (hereinafter referred to as main container internal pressure) P1 of the
補助容器21内には、液体23および気体24が封入されている。本例では、液体23を作動媒体13と同様に水としている。気体24としては液体23に難溶性を示す気体を用いるのが好ましく、本例では、気体24として、水に難溶性を示すヘリウムを用いている。なお、補助容器21内に液体23のみを封入するようにしてもよい。
A liquid 23 and a
補助容器21および連通部22は断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本実施形態では、液体23を水としているので、補助容器21および連通部22をステンレス製としている。
The
連通部22には、電気式の可変絞り機構25が配置されている。この可変絞り機構25は、後述する制御装置27とともに、連通部22の流量係数Cv(詳細は後述)を調整する流量係数調整手段を構成するものである。
An electrical
補助容器21の内部圧力(以下、補助容器内圧力と言う。)P2を調整する圧力調整手段26は、圧力調整ピストン26aと電動アクチュエータ26bとで構成されている。
The pressure adjusting means 26 for adjusting the internal pressure (hereinafter referred to as auxiliary container internal pressure) P2 of the
圧力調整ピストン26aは補助容器21内の上端側にて、上下方向に摺動可能に配置されている。電動アクチュエータ26bは補助容器21の上方側に配置され、圧力調整ピストン26aを上下方向に駆動する。
The
次に、本実施形態における電子制御部の概要を説明すると、制御装置27はCPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成されるものであり、本発明における制御手段に該当するものである。
Next, the outline of the electronic control unit in the present embodiment will be described. The
制御装置27には、圧力調整手段26の制御のために、蒸発部11dの温度(以下、蒸発部温度と言う。)T1を検出する温度センサ28および補助容器内圧力P2を検出する圧力センサ29から検出信号が入力される。制御装置27はこの各センサ28、29からの検出信号に基づいて電動アクチュエータ26bを制御するようになっている。
In order to control the pressure adjusting means 26, the
次に、上記構成における作動を説明する。加熱器16及び冷却器17を動作させると、まず、作動媒体15の液相部分を発電機12側に向かって変位させる第1行程が行われる。この第1行程では、加熱器16により蒸発部11d内の液体状態の作動媒体15が加熱されて蒸発し、蒸発部11d内に高温・高圧の作動媒体15の蒸気が蓄積されて、第1直線部11b内の作動媒体15の液面を押し下げる。
Next, the operation in the above configuration will be described. When the
すると、主容器11内のうち蒸発部11dよりも発電機12側の部分に封入された作動媒体15の液相部分は、蒸発部11d側から発電機12側に変位して、発電機12のピストン18を押し上げる。このとき、コイルばね20は弾性圧縮される。
Then, the liquid phase part of the working
第1直線部11b内にて作動媒体15の液面が凝縮部11eまで下がり、凝縮部11e内に作動媒体15の蒸気が進入すると、作動媒体15の液相部分を蒸発部11d側に向かって変位させる第2行程が行われる。
When the liquid level of the working
この第2行程では、凝縮部11e内に進入した作動媒体15の蒸気が冷却器17により冷却されて凝縮するため、第1直線部11b内の作動媒体15の液面を押し下げる力が消滅する。
In this second stroke, the vapor of the working
すると、作動媒体15の蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機12側のピストン18はコイルばね20の弾性復元力により下降し、作動媒体15の蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機12側のピストン18は下降する。
Then, the
このため、作動媒体15の液相部分が発電機12側から蒸発部11d側に変位して、第1直線部11b内にて作動媒体15の液面が蒸発部11dまで上昇するので、再び蒸発部11dにて液体状態の作動媒体15が加熱されて蒸発することとなる。
For this reason, the liquid phase part of the working
そして、第1行程および第2行程は、加熱器16及び冷却器17の動作を停止させるまで繰り返し行われ、その間、主容器11内の作動媒体15の液相部分は周期的に変位(いわゆる自励振動)して、発電機12の可動子14を上下動させることになる。
The first stroke and the second stroke are repeated until the operations of the
つまり、作動媒体15の蒸発と凝縮とが交互に繰り返し行われることによって、作動媒体15の液相部分が液体ピストンとして自励振動し、この液体ピストンの自励振動が出力として取り出される。このため、本実施形態による外燃機関は、液体ピストン蒸気エンジンとも呼ばれうる。
That is, by alternately and repeatedly performing evaporation and condensation of the working
図2は、第1、第2行程におけるピストン容積の変化と、主容器内圧力P1および補助容器内圧力P2の圧力波形との関係を示すグラフである。ここで、ピストン容積は、主容器11、シリンダ部19およびピストン18で囲まれた空間の容積のことであり、このピストン容積はピストン18の往復運動に伴い周期的に変動する。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the change in piston volume in the first and second strokes, and the pressure waveforms of the main container internal pressure P1 and the auxiliary container internal pressure P2. Here, the piston volume is a volume of a space surrounded by the
図2からわかるように、ピストン容積の周期的な変動に伴って、主容器内圧力P1もピーク値P1pとボトム値P1bとの間で周期的に変動する。一方、補助容器21の内部圧力P2はほぼ一定となる。
As can be seen from FIG. 2, the main container pressure P1 also periodically varies between the peak value P1p and the bottom value P1b in accordance with the periodic variation of the piston volume. On the other hand, the internal pressure P2 of the
すなわち、連通部22に可変絞り機構25が配置されて連通部22の流路径が縮小されているので、補助容器内圧力P2が主容器内圧力P1の周期的な変動に追従することが抑制され、主容器内圧力P1の平均値P1aが補助容器内圧力P2とほぼ等しい圧力で安定することとなる。
That is, since the
図3(a)〜(c)は、主容器内圧力P1のピーク値P1pと液体ピストン蒸気エンジン10の性能(出力および効率)との関係を説明するPV線図である。このPV線図の横軸は、上述のピストン容積である。
3A to 3C are PV diagrams for explaining the relationship between the peak value P1p of the main container internal pressure P1 and the performance (output and efficiency) of the liquid
まず、図3(a)は、液体ピストン蒸気エンジン10の性能(出力および効率)が最も高くなる理想的な状態を示している。すなわち、図3(a)に示すように、主容器内圧力P1のピーク値P1pが蒸発部温度T1での作動媒体15の飽和蒸気圧Psよりも低く、かつ、飽和蒸気圧Psにできるだけ近い値(以下、理想ピーク値と言う。)になっているとき、液体ピストン蒸気エンジン10は1周期当たりの仕事量が最も大きくなって、液体ピストン蒸気エンジン10の性能が最も高くなる。なお、このときの主容器内圧力P1の平均値P1aを、以下、理想平均値と言う。
First, FIG. 3A shows an ideal state in which the performance (output and efficiency) of the liquid
一方、図3(b)は、ピーク値P1pが飽和蒸気圧Psよりも著しく低いときのPV線図を示している。この状態では、1周期当たりの仕事量が小さくなるので、液体ピストン蒸気エンジン10の性能が低下する。
On the other hand, FIG. 3B shows a PV diagram when the peak value P1p is significantly lower than the saturated vapor pressure Ps. In this state, the work amount per cycle is small, and the performance of the liquid
また、図3(c)は、ピーク値P1pが飽和蒸気圧Psよりも高いときのPV線図を示している。この状態では、ピーク値P1pが飽和蒸気圧Psよりも高くなるために作動媒体13の蒸気の一部が凝縮してしまう。このため、マイナスの仕事をしてしまうので、液体ピストン蒸気エンジン10の性能が低下してしまう。
FIG. 3C shows a PV diagram when the peak value P1p is higher than the saturated vapor pressure Ps. In this state, since the peak value P1p is higher than the saturated vapor pressure Ps, a part of the vapor of the working
したがって、液体ピストン蒸気エンジン10の性能を最も引き出すためには、主容器内圧力P1のピーク値P1pを常に理想ピーク値に維持すればよいのである。
Therefore, in order to maximize the performance of the liquid
ここで、主容器内圧力P1のボトム値P1bは、大気圧とほぼ等しくなることがわかっている。このため、主容器内圧力P1のピーク値P1pが上昇すると主容器内圧力P1の平均値P1aも上昇し、主容器内圧力P1のピーク値P1pが低下すると主容器内圧力P1の平均値P1aも低下することとなる。 Here, it is known that the bottom value P1b of the main container internal pressure P1 is substantially equal to the atmospheric pressure. Therefore, when the peak value P1p of the main container internal pressure P1 increases, the average value P1a of the main container internal pressure P1 also increases, and when the peak value P1p of the main container internal pressure P1 decreases, the average value P1a of the main container internal pressure P1 also increases. Will be reduced.
このため、主容器内圧力P1の平均値P1aを常に理想平均値に維持すれば、主容器内圧力P1のピーク値P1pを常に理想ピーク値に維持することができ、ひいては液体ピストン蒸気エンジン10の性能を最も引き出すことができる。 For this reason, if the average value P1a of the main container internal pressure P1 is always maintained at the ideal average value, the peak value P1p of the main container internal pressure P1 can be always maintained at the ideal peak value. The best performance can be obtained.
しかるに、加熱器16の熱源である高温ガスの温度が変動すると、蒸発部温度T1も変動する。その結果、作動媒体13の飽和蒸気圧Psも変動するので、理想ピーク値も変動し、ひいては理想平均値も変動してしまう。
However, when the temperature of the high-temperature gas that is the heat source of the
そこで、本実施形態による液体ピストン蒸気エンジン10は、蒸発部温度T1の変動に応じて主容器内圧力P1を調整することにより、主容器内圧力P1の平均値P1aを常に理想平均値に維持して、液体ピストン蒸気エンジン10の性能を最も引き出すことを図っている。
Therefore, the liquid
より具体的には、主容器内圧力P1の平均値P1aを、理想平均値に近似した目標値P1Aに近づけることにより、主容器内圧力P1の平均値P1aを常に理想平均値に近づける。 More specifically, the average value P1a of the main container internal pressure P1 is always brought close to the ideal average value by bringing the average value P1a of the main container internal pressure P1 close to the target value P1A approximated to the ideal average value.
図4は、本実施形態における主容器内圧力P1の制御の概要を示すブロック線図である。まず、蒸発部温度T1と、予め制御装置27に記憶された作動媒体15の蒸気圧曲線とに基づいて、蒸発部温度T1での作動媒体15の飽和蒸気圧Psを算出する。
FIG. 4 is a block diagram showing an outline of control of the main container internal pressure P1 in the present embodiment. First, based on the evaporation part temperature T1 and the vapor pressure curve of the working
次に、目標値P1Aを蒸発部温度T1での作動媒体15の飽和蒸気圧Psと大気圧(0.1MPa)との平均値を算出し、この平均値を目標値P1Aとする。
Next, an average value between the saturated vapor pressure Ps of the working
すなわち、図3(a)からわかるように、蒸発部温度T1での作動媒体15の飽和蒸気圧Psと主容器内圧力P1の1周期中のボトム値P1bとの平均値は、理想平均値に近似した値になる。
That is, as can be seen from FIG. 3A, the average value of the saturated vapor pressure Ps of the working
また、主容器内圧力P1の1周期中のボトム値P1bは、ほぼ大気圧(0.1MPa)と等しくなることがわかっている。これらのことから、蒸発部温度T1での作動媒体15の飽和蒸気圧Psと大気圧(0.1MPa)との平均値は、理想平均値に近似した値になる。
Further, it is known that the bottom value P1b in one cycle of the main container internal pressure P1 is substantially equal to the atmospheric pressure (0.1 MPa). For these reasons, the average value of the saturated vapor pressure Ps of the working
そこで、本例では、蒸発部温度T1での作動媒体15の飽和蒸気圧Psと大気圧(0.1MPa)との平均値を目標値P1Aとしている。なお、この平均値を適宜補正した値を目標値P1Aとしてもよい。
Therefore, in this example, the average value of the saturated vapor pressure Ps of the working
そして、補助容器内圧力P2が目標値P1Aよりも低いときには、電動アクチュエータ26bが圧力調整ピストン26aを押し出して補助容器21の容積を減少させる。これにより液体23が圧縮されて補助容器内圧力P2が上昇する。
When the auxiliary container internal pressure P2 is lower than the target value P1A, the
一方、補助容器内圧力P2が目標値P1Aよりも高いときには、圧力調整ピストン26aを引き込んで補助容器21の容積を減少させる。これにより液体23が膨張して補助容器内圧力P2が低下する。
On the other hand, when the auxiliary container internal pressure P2 is higher than the target value P1A, the volume of the
すると、主容器内圧力P1の平均値P1aが補助容器内圧力P2に追従して変化して、主容器内圧力P1の平均値P1aが目標値P1Aに近づく。換言すれば、主容器内圧力P1の平均値P1aが理想平均値に近づくので、液体ピストン蒸気エンジン10の性能を最も引き出すことができる。
Then, the average value P1a of the main container internal pressure P1 changes following the auxiliary container internal pressure P2, and the average value P1a of the main container internal pressure P1 approaches the target value P1A. In other words, since the average value P1a of the main container internal pressure P1 approaches the ideal average value, the performance of the liquid
ところで、図5は、連通部22近傍の拡大断面図である。なお、図5では、図示の都合上、可変絞り機構25の図示を省略している。主容器内圧力P1が補助容器内圧力P2よりも大きい場合には、図5中の矢印に示すように、主容器11内の作動媒体15の液相部分が補助容器21内に流入することとなる。
Incidentally, FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view in the vicinity of the
このときの連通部22における作動媒体15の液相部分の体積流量Qは、Q=Cv×(P1−P2)で表すことができる。ここで、Cvは連通部22の流量係数であり、連通部22の形状(流路長や流路径等)から定まる値である。
The volume flow rate Q of the liquid phase portion of the working
したがって、連通部22の流量係数Cvが大きいほど、主容器11から補助容器21内に流入する作動媒体15の液相部分の体積流量Qが大きくなるのであるが、本実施形態では、連通部22に電気式の可変絞り機構25が配置されているので、可変絞り機構25の絞り開度を調整することによって、連通部22の流量係数Cvを任意に設定することができる。
Therefore, as the flow coefficient Cv of the
一方、図6は、主容器内圧力P1のピーク値P1pおよび補助容器内圧力P2を一定にした場合における連通部22の流量係数Cvと液体ピストン蒸気エンジン10の効率との関係を示すグラフである。なお、連通部22の流量係数Cvと液体ピストン蒸気エンジン10の出力との関係は、図6と同様であるので、図示を省略する。
On the other hand, FIG. 6 is a graph showing the relationship between the flow coefficient Cv of the communicating
図6の点Aは、連通部22の流量係数Cvが適切に設定されている状態であり、このとき、PV線図は上述の図3(a)のようになり、液体ピストン蒸気エンジン10の性能が最も高くなる。
A point A in FIG. 6 is a state in which the flow coefficient Cv of the
一方、図6の点Bは、連通部22の流量係数Cvが大きすぎる状態であり、このとき、PV線図は図3(b)のようになり、液体ピストン蒸気エンジン10の性能が低下する。これは、以下の理由による。
On the other hand, point B in FIG. 6 is a state in which the flow coefficient Cv of the communicating
すなわち、上述の図2からわかるように、第2行程の前半では主容器内圧力P1が補助容器内圧力P2よりも小さく、第2行程の後半では主容器内圧力P1が補助容器内圧力P2よりも大きくなる。 That is, as can be seen from FIG. 2, the main container internal pressure P1 is lower than the auxiliary container internal pressure P2 in the first half of the second stroke, and the main container internal pressure P1 is lower than the auxiliary container internal pressure P2 in the second half of the second stroke. Also grows.
そのため、第2行程の前半では補助容器21内の液体23が主容器11内に流入し、逆に、第2行程の後半では、主容器11内の作動媒体15の液相部分が補助容器21内に流入することとなる。
Therefore, the liquid 23 in the
本発明者の検討によると、第2行程を1回行う間において主容器11から補助容器21内に流入する作動媒体15の液相部分の体積が補助容器21から主容器11内に流入する液体23の体積よりも大きくなり、主容器11内で自励振動する液体ピストンの体積が減少することがわかっている。
According to the study of the present inventor, the volume of the liquid phase portion of the working
そのため、連通部22の流量係数Cvが大きすぎる場合には、液体ピストン体積の減少量が多くなり、第2行程の終了時、つまり、ピストン容積が最も減少したときに作動媒体15の液相部分が蒸発部11d内に到達しにくくなってしまう。
Therefore, when the flow coefficient Cv of the
その結果、蒸発部11dでの作動媒体15の蒸発が不十分になり、主容器内圧力P1のピーク値P1pが低下してしまうので、液体ピストン蒸気エンジン10の性能が低下する。最悪の場合には、第2行程の終了時に作動媒体15の液相部分が蒸発部11dに到達しなくなって第1行程において作動媒体15の蒸発が行われなくなり、作動媒体の液相部分の自励振動が停止してしまう。
As a result, the evaporation of the working
以上のことから、作動媒体15の自励振動を良好に維持するために、連通部22の流量係数Cvを所定値以下に設定して、第2行程の終了時に作動媒体15の液相部分が蒸発部11d内に必ず到達するようにする必要がある。
From the above, in order to maintain the self-excited vibration of the working
具体的には、連通部22の流量係数Cvを下記の数式3を満たすように設定すれば、第2行程の終了時に蒸発部11d内に作動媒体15の液相部分を必ず到達させることができる。
Specifically, if the flow coefficient Cv of the
Vh:蒸発部11dの容積
P1:主容器内圧力
P2:補助容器内圧力
t1:第2行程の開始時刻
t2:第2行程の終了時刻
なお、上記の数式3において、右辺中の分母は、図2中に示したハッチング領域S2の面積とハッチング領域S1の面積との差(面積S2−面積S1)に相当する。
Vh: Volume of the
すなわち、連通部22の流量係数Cvが上記の数式3を満たせば、第2行程を1回行う間における液体ピストン体積の減少量を蒸発部11dの容積Vhよりも小さく抑えることができるので、蒸発部11d内に作動媒体15の液相部分が到達しなくなることを回避でき、ひいては作動媒体15の自励振動が停止してしまうことを回避できることになる。
That is, if the flow coefficient Cv of the
しかしながら、主容器内圧力P1の圧力波形および補助容器内圧力P2は、蒸発部温度T1の変動に伴って変動するので、上記の数式3の右辺中の分母の値も変動し、ひいては、上記の数式3で求められる連通部22の流量係数Cvの上限値も変動することとなる。
However, since the pressure waveform of the main container internal pressure P1 and the auxiliary container internal pressure P2 vary with the variation of the evaporation part temperature T1, the value of the denominator in the right side of Equation 3 also varies. The upper limit value of the flow coefficient Cv of the
そこで、本実施形態では、上記の数式3に基づいて連通部22の流量係数Cvの上限値を求め、求められた流量係数Cvの上限値に合わせて制御手段21が可変絞り機構25の絞り開度を制御するようになっている。これにより、蒸発部温度T1が変動しても、連通部22の流量係数Cvが常に上記の数式3を満たすようにすることができる。
Therefore, in the present embodiment, the upper limit value of the flow coefficient Cv of the
なお、このように連通部22の流量係数Cvを調整しても、第2行程を1回行うと液体ピストン体積がいくらか減少することとなるが、作動媒体15の自励振動が維持されていれば、その後に液体ピストン体積が増加して、液体ピストン体積が所定量に復帰することとなる。
Even if the flow coefficient Cv of the communicating
すなわち、第2行程において液体ピストン体積がいくらか減少すると、蒸発部11dにて蒸発する作動媒体15が減少して主容器内圧力P1の平均値P1aが低下することとなる。そのため、補助容器内圧力P2も主容器内圧力P1の平均値P1aに追従して低下し、補助容器内圧力P2が目標値P1Aよりも低くなる。
That is, when the volume of the liquid piston is somewhat reduced in the second stroke, the working
すると、上述のように、電動アクチュエータ26bが圧力調整ピストン26aを押し出して補助容器内圧力P2を上昇させるので、主容器11から補助容器21内に流入する作動媒体15の液相部分の体積よりも補助容器21から主容器11内に流入する液体23の体積の方が大きくなる。その結果、液体ピストン体積が増加するので、液体ピストン体積が所定量に復帰することとなる。
Then, as described above, since the
ところで、図2からわかるように、主容器内圧力P1の圧力波形は正弦曲線(Sin曲線)に近似している。そこで、本例では、上記の数式3において、P1(t)を正弦曲線(Sin曲線)で近似して、流量係数Cvの上限値を求めている。 By the way, as can be seen from FIG. 2, the pressure waveform of the main container pressure P1 approximates a sine curve (Sin curve). Therefore, in this example, in Equation 3 above, P1 (t) is approximated by a sine curve (Sin curve) to obtain the upper limit value of the flow coefficient Cv.
より具体的には、主容器内圧力P1のピーク値P1pを最大値とし、大気圧(0.1MPa)を最小値とする正弦曲線で近似している。このため、主容器内圧力P1を圧力センサでサンプリングする必要がないので、コストを低減できる。 More specifically, it is approximated by a sine curve in which the peak value P1p of the main container internal pressure P1 is the maximum value and the atmospheric pressure (0.1 MPa) is the minimum value. For this reason, since it is not necessary to sample the main container internal pressure P1 with a pressure sensor, cost can be reduced.
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、電気式の可変絞り機構25および制御装置27によって連通部22の流量係数Cvを調整するようになっているが、本第2実施形態では、図7に示すように、連通部22の管壁30を形状記憶合金で形成することによって連通部22の流量係数Cvを調整している。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the flow coefficient Cv of the
図示を省略しているが、連通部22の管壁30は、蒸発部11dと熱的に連結されている。より具体的には、管壁30と蒸発部11dとの間に、熱伝導性に優れた材質(例えば、銅)を配置し、蒸発部温度T1の変動に応じて管壁30の温度も変化するようになっている。
Although not shown, the
そして、蒸発部温度T1が低く、管壁30の温度が低いときには、図7(a)に示すように、連通部22の流路径が大きくなるように管壁30が変形して流量係数Cvが大きくなっている。一方、蒸発部温度T1が高くなり、管壁30の温度が高くなると、図7(b)に示すように、連通部22の流路径が小さくなるように管壁30が変形して流量係数Cvが小さくなる。
When the evaporation portion temperature T1 is low and the temperature of the
つまり、蒸発部温度T1が高くなると、主容器内圧力P1が高くなって、作動媒体15が主容器11から補助容器21に流入しやすくなるのであるが、本実施形態では、このような場合に連通部22の流量係数Cvが小さくなるので、主容器11から補助容器21への作動媒体15の流入を抑制することができる。
That is, when the evaporation part temperature T1 increases, the main container internal pressure P1 increases, and the working
このため、第2行程の終了時に作動媒体15の液相部分が蒸発部11d内に到達しにくくなって、液体ピストン蒸気エンジン10の性能が低下してしまうことを回避できる。
For this reason, it can be avoided that the liquid phase portion of the working
さらに、本実施形態では、流量係数Cvが上記の数式3をほぼ満たすように、管壁30(形状記憶合金)の材質、形状等を選定している。このため、第2行程における液体ピストン体積の減少量を蒸発部11dの容積Vhよりも小さく抑えることができるので、蒸発部11d内に作動媒体15の液相部分が到達しなくなることを回避でき、ひいては作動媒体15の自励振動が停止してしまうことを回避できる。
Furthermore, in this embodiment, the material, shape, and the like of the tube wall 30 (shape memory alloy) are selected so that the flow coefficient Cv substantially satisfies the above mathematical formula 3. For this reason, since the amount of decrease in the volume of the liquid piston in the second stroke can be suppressed to be smaller than the volume Vh of the
なお、本例では、連通部22の管壁30全体が形状記憶合金で形成されているが、連通部22の一部を形状記憶合金にて形成し、管壁30の一部のみを形状記憶合金で形成するようにしてもよい。
In this example, the
(第3実施形態)
上記第2実施形態では、管壁30を形状記憶合金で形成することによって連通部22の流量係数Cvを調整しているが、本第3実施形態では、図8に示すように、管壁30の一部を変位させる機構31によって連通部22の流量係数Cvを調整している。
(Third embodiment)
In the second embodiment, the flow coefficient Cv of the communicating
管壁30の一部を変位させる機構31は、連通部22の外周部に配置された流体封入部32と、流体封入部32内に封入された流量係数調整用流体33と、管壁30の一部を構成し、連通部22内の空間と流体封入部32内の空間とを仕切る調整板34とで構成されている。
A
そして、調整板34は、流体封入部32内の流量係数調整用流体33と、連通部22内の作動媒体15または液体23との圧力バランスによって連通部22の流路径を拡大または縮小するように変位可能に配置されている。なお、流量係数調整用流体33としては、例えば、空気やヘリウム等を用いることができる。
The
図示を省略しているが、流体封入部32は、蒸発部11dと熱的に連結されている。より具体的には、流体封入部32と蒸発部11dとの間に、熱伝導性に優れた材質(例えば、銅)を配置し、蒸発部温度T1の変動に応じて流体封入部32内の流量係数調整用流体33の温度も変化するようになっている。
Although not shown, the
そして、図8(a)に示すように、蒸発部温度T1が低く、流量係数調整用流体33の温度が低いときには、流量係数調整用流体33が熱収縮して調整板34が連通部22の流路径を拡大するように変位する。このため、連通部22の流量係数Cvが大きくなる。
As shown in FIG. 8A, when the evaporation portion temperature T1 is low and the temperature of the flow
一方、図8(b)に示すように、蒸発部温度T1が高くなり、流量係数調整用流体33の温度が高くなると、流量係数調整用流体33が熱膨張して調整板34が連通部22の流路径を縮小するように変位する。このため、連通部22の流量係数Cvが小さくなる。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the evaporation portion temperature T1 is increased and the temperature of the flow
したがって、上記第2実施形態と同様に、第2行程の終了時に作動媒体15の液相部分が蒸発部11d内に到達しにくくなって、液体ピストン蒸気エンジン10の性能が低下してしまうことを回避できる。
Therefore, as in the second embodiment, the liquid phase portion of the working
さらに、本例では、流量係数Cvが上記の数式3をほぼ満たすように、流量係数調整用流体33の成分、封入体積や、調整板34の形状等を選定している。このため、上記第2実施形態と同様に、作動媒体15の自励振動の停止を回避できる。
Furthermore, in this example, the components of the flow
(第4実施形態)
上記第1実施形態では、連通部22に可変絞り機構25を配置し、連通部22の流量係数Cvを調整可能になっているが、本実施形態では、図9に示すように、可変絞り機構の代わりに固定絞り34を配置して、連通部22の流量係数Cvを一定にしている。
(Fourth embodiment)
In the first embodiment, the
図10は、図2と同様に、第1、第2行程におけるピストン容積の変化と、主容器内圧力P1および補助容器内圧力P2の圧力波形との関係を示すグラフであるが、図10中、実線P1maxは、蒸発部温度T1が最高温度になっているときにおける主容器内圧力P1の圧力波形を示し、2点鎖線P1minは、蒸発部温度T1が最低温度になっているときにおける主容器内圧力P1の圧力波形を示している。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the change in piston volume in the first and second strokes and the pressure waveforms of the main container internal pressure P1 and the auxiliary container internal pressure P2 as in FIG. A solid line P1max indicates the pressure waveform of the main container internal pressure P1 when the evaporation part temperature T1 is the maximum temperature, and a two-dot chain line P1min indicates the main container when the evaporation part temperature T1 is the minimum temperature. The pressure waveform of the internal pressure P1 is shown.
ここで、「蒸発部温度T1の最高温度」とは、通常の使用条件において想定される蒸発部温度T1の最高温度のことを意味し、「蒸発部温度T1の最低温度」とは、通常の使用条件において想定される蒸発部温度T1の最低温度のことを意味するものである。 Here, the “maximum temperature of the evaporation part temperature T1” means the maximum temperature of the evaporation part temperature T1 assumed under normal use conditions, and the “minimum temperature of the evaporation part temperature T1” means a normal temperature. It means the lowest temperature of the evaporation part temperature T1 assumed in the use conditions.
なお、図示を省略しているが、蒸発部温度T1が最高温度と最低温度の中間温度になっている場合には、主容器内圧力P1の圧力波形は、実線P1maxと2点鎖線P1minの中間になる。また、図10中、1点鎖線P2maxは、蒸発部温度T1が最低温度になっているときにおける補助容器内圧力P2を示している。 Although not shown, when the evaporation portion temperature T1 is an intermediate temperature between the maximum temperature and the minimum temperature, the pressure waveform of the main container internal pressure P1 is an intermediate between the solid line P1max and the two-dot chain line P1min. become. Further, in FIG. 10, an alternate long and short dash line P2max indicates the auxiliary container internal pressure P2 when the evaporation portion temperature T1 is the lowest temperature.
図10からわかるように、連通部22の流量係数Cvが一定であるとすると、主容器11から補助容器21内に流入する作動媒体15の液相部分の体積は、蒸発部温度T1が最高温度になっているときに最も大きくなる。このため、第2行程を1回行う間における液体ピストン体積の減少量も、蒸発部温度T1が最高温度になっているときに最も大きくなる。
As can be seen from FIG. 10, if the flow coefficient Cv of the
そこで、本実施形態では、連通部22の流量係数Cvが下記の数式4を満たすように、連通部22を形成している。より具体的には、連通部22の流量係数Cvが下記の数式4を満たすように、連通部22の流路径、流路長および固定絞り34の開度等を設定している。
Therefore, in the present embodiment, the
Vh:蒸発部11dの容積
P1max:蒸発部温度T1が最高温度になっているときの主容器内圧力
P2max:蒸発部温度T1が最高温度になっているときの補助容器内圧力
t1:第2行程の開始時刻
t2:第2行程の終了時刻
すなわち、連通部22の流量係数Cvが上記の数式4を満たせば、蒸発部温度T1が最高温度になっているときであっても、第2行程を1回行う間における液体ピストン体積の減少量を蒸発部11dの容積Vhよりも小さく抑えることができる。
Vh: Volume of the evaporating
このため、蒸発部温度T1が変動しても、常に、蒸発部11d内に作動媒体15の液相部分が到達しなくなることを回避でき、ひいては作動媒体15の自励振動が停止してしまうことを回避できる。
For this reason, even if the evaporation part temperature T1 fluctuates, it can be avoided that the liquid phase part of the working
なお、連通部22の流量係数Cvが上記の数式4を近似的に満たすように、固定絞り34の開度を設定してもよい。例えば、補助容器内圧力P2maxは、主容器内圧力P1maxの平均値とほぼ等しいので、上記の数式4において、P2max(t)を主容器内圧力P1maxの平均値で近似してもよい。
Note that the opening degree of the fixed
(他の実施形態)
なお、上記各実施形態では、主容器11の全体が一本の管状に形成された、いわゆる単気筒型の液体ピストン蒸気エンジン10に本発明を適用した例を示しているが、主容器11のうち蒸発部11d側の部分が複数本の分岐管で構成され、主容器11のうち残余の部分が一本の集合管で構成された、いわゆる複気筒型の液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用可能である。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, an example in which the present invention is applied to a so-called single-cylinder liquid
また、上記各実施形態では、主容器11を1つのみ備える液体ピストン蒸気エンジン10に本発明を適用した例を示しているが、主容器11を複数個備え、複数個の主容器11を1つの出力部で連結した液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用可能である。
In each of the above embodiments, an example in which the present invention is applied to a liquid
また、上記各実施形態では、補助容器内圧力P2を調整する圧力調整手段26を圧力調整ピストン26aと電動アクチュエータ26bとで構成しているが、これに限定されるものではなく、上記先願例と同様に、種々の構成の圧力調整手段を用いることができる。例えば、
また、上記各実施形態では、本発明を発電装置の駆動源に適用した場合について説明したが、本発明の外燃機関は、発電装置以外の駆動源としても利用することができる。
Further, in each of the above embodiments, the pressure adjusting means 26 for adjusting the auxiliary container internal pressure P2 is constituted by the
Moreover, although each said embodiment demonstrated the case where this invention was applied to the drive source of an electric power generating apparatus, the external combustion engine of this invention can be utilized also as drive sources other than an electric power generating apparatus.
11…主容器、11d…蒸発部、11e…凝縮部、12…出力部、15…作動媒体、
21…補助容器、22…連通部、23…液体、25…可変絞り機構、
26…圧力調整手段、27…制御装置(制御手段)。
DESCRIPTION OF
21 ... Auxiliary container, 22 ... Communication part, 23 ... Liquid, 25 ... Variable throttle mechanism,
26 ... Pressure adjusting means, 27 ... Control device (control means).
Claims (4)
前記主容器(11)のうち一端部側の部位に形成され、前記主容器(11)内の前記作動媒体(15)の一部を加熱して蒸発させる蒸発部(11d)と、
前記主容器(11)のうち前記蒸発部(11d)よりも他端部側の部位に形成され、前記蒸発部(11d)にて蒸発した前記作動媒体(15)の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮部(11e)と、
前記主容器(11)の他端部と連通し、前記作動媒体(15)の液相部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(12)と、
前記主容器(11)のうち前記凝縮部(11e)と前記出力部(12)との間の部位と連通部(22)を介して連通し、液体(23)が封入された補助容器(21)と、
前記補助容器(21)の内部圧力(P2)を調整する圧力調整手段(26)とを備え、
前記蒸発部(11d)で前記作動媒体(15)を蒸発させて前記作動媒体(15)の液相部分を前記蒸発部(11d)側から前記出力部(12)側に向かって変位させる第1行程と、前記第1行程にて蒸発した前記作動媒体(15)を前記凝縮部(11e)で凝縮させて前記作動媒体(15)の液相部分を前記出力部(12)側から前記蒸発部(11d)側に向かって変位させる第2行程とを交互に繰り返し行う外燃機関において、
前記第2行程を1回行う間における前記主容器(11)から前記補助容器(21)内に流入する前記作動媒体(15)の液相部分の体積と前記補助容器(21)から前記主容器(11)内に流入する前記液体(23)の体積との差が前記蒸発部(11d)の容積(Vh)よりも小さくなるように、前記連通部(22)の流量係数(Cv)が設定されていることを特徴とする外燃機関。 A tubular main container (11) in which a working medium (15) is enclosed in a liquid state so as to be flowable;
An evaporation section (11d) that is formed at a portion on one end side of the main container (11) and heats and evaporates a part of the working medium (15) in the main container (11);
The steam of the working medium (15) formed in a portion of the main container (11) on the other end side of the evaporation section (11d) and evaporated in the evaporation section (11d) is cooled and condensed. A condensing part (11e);
An output unit (12) that communicates with the other end of the main container (11), converts the displacement of the liquid phase portion of the working medium (15) into mechanical energy, and outputs the mechanical energy;
Auxiliary container (21) in which liquid (23) is sealed by communicating with a portion between said condensing part (11e) and said output part (12) in said main container (11) via communication part (22). )When,
Pressure adjusting means (26) for adjusting the internal pressure (P2) of the auxiliary container (21),
First, the evaporation medium (11d) evaporates the working medium (15) to displace the liquid phase portion of the working medium (15) from the evaporation section (11d) side toward the output section (12) side. The working medium (15) evaporated in the process and the first process is condensed in the condensing part (11e), and the liquid phase portion of the working medium (15) is transferred from the output part (12) side to the evaporation part. (11d) In the external combustion engine that alternately repeats the second stroke to be displaced toward the side,
The volume of the liquid phase portion of the working medium (15) flowing into the auxiliary container (21) from the main container (11) and the main container from the auxiliary container (21) during the second stroke. (11) The flow coefficient (Cv) of the communication part (22) is set so that the difference from the volume of the liquid (23) flowing into the liquid (23) is smaller than the volume (Vh) of the evaporation part (11d). An external combustion engine characterized by being.
前記流量係数(Cv)が下記の数式1を満たすように、前記可変絞り機構(25)の絞り開度を制御する制御手段(27)とを備え、
前記可変絞り機構(25)および前記制御手段(27)によって前記流量係数(Cv)が設定されるようになっていることを特徴とする請求項1に記載の外燃機関。
P1:主容器(11)の内部圧力
P2:補助容器(21)の内部圧力
t1:第2行程の開始時刻
t2:第2行程の終了時刻 An electric variable throttle mechanism (25) disposed in the communication portion (22);
Control means (27) for controlling the throttle opening of the variable throttle mechanism (25) so that the flow coefficient (Cv) satisfies the following mathematical formula 1,
The external combustion engine according to claim 1, wherein the flow coefficient (Cv) is set by the variable throttle mechanism (25) and the control means (27).
前記変化手段(30、31)は、前記蒸発部(11d)の温度(T1)が上昇すると前記連通部(22)の流路径を小さくし、前記蒸発部(11d)の温度(T1)が低下すると前記連通部(22)の流路径を大きくするように構成され、
前記変化手段(30、31)によって前記流量係数(Cv)が設定されるようになっていることを特徴とする請求項1に記載の外燃機関。 It comprises a changing means (30, 31) that is thermally connected to the evaporation section (11d) and is deformed by heat transferred from the evaporation section (11d) to change the flow path diameter of the communication section (22).
When the temperature (T1) of the evaporation section (11d) increases, the changing means (30, 31) decreases the flow path diameter of the communication section (22), and the temperature (T1) of the evaporation section (11d) decreases. Then, it is comprised so that the flow path diameter of the said communication part (22) may be enlarged,
The external combustion engine according to claim 1, wherein the flow coefficient (Cv) is set by the changing means (30, 31).
P1max:蒸発部(11d)の温度(T1)が最高温度のときの主容器(11)の内部圧力
P2max:蒸発部(11d)の温度(T1)が最高温度のときの補助容器(21)の内部圧力
t1:第2行程の開始時刻
t2:第2行程の終了時刻 The external combustion engine according to claim 1, wherein the communication part (22) is formed so that the flow coefficient (Cv) satisfies the following formula (2).
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