JP4962501B2 - External combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、作動媒体の蒸気の体積変動によって生じる作動媒体の液体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 converts a displacement of a liquid portion of a working medium caused by a change in the volume of vapor of the working medium into mechanical energy and outputs the mechanical energy.
従来、この種の外燃機関が特許文献1、2に記載されている。この特許文献1、2の従来技術では、管状の容器内に作動媒体を液体状態で封入し、容器の加熱部で液体状態の作動媒体の一部を加熱して気化させるとともに、その気化した作動媒体の蒸気を容器の冷却部で冷却して液化させることで作動媒体の蒸気の体積変動によって液体状態の作動媒体を液体ピストンとして変位させ、この液体ピストンの変位を機械的エネルギに変換して出力する。
Conventionally, this type of external combustion engine is described in
さらに特許文献2の従来技術では、管状の容器が加熱部において円盤状に拡径されている。このため、冷却部で作動媒体の蒸気が冷却されて液化すると、液体状態の作動媒体は加熱部の中心部に流入し、その後に加熱部の外周部に向かって広がって流れる。そして、加熱部内で液体状態の作動媒体が加熱されて再び気化する。
Furthermore, in the prior art of
この特許文献2の従来技術によると、液体状態の作動媒体が加熱部に流入する際に液体状態の作動媒体が加熱部の内壁面に衝突することとなるので、液体状態の作動媒体が撹拌されて乱流が生じて加熱部の内壁面近傍の温度境界層が破壊される。その結果、加熱部における熱交換効率を向上することができる。
According to the prior art of
このように上記特許文献1、2の従来技術は、加熱部において作動媒体が気化することで出力が取り出されるものであるので、加熱部において作動媒体が気化することなく冷却部側へ移動した場合には、作動媒体は加熱部から与えられた熱量を冷却部側へ輸送するだけとなってしまい、加熱部から作動媒体に与えられた熱量が出力に寄与することなく熱損失となってしまう。以下、このような熱損失を熱輸送損失と言う。
As described above, in the conventional techniques of
本発明者の詳細な検討によると、上記特許文献1、2の従来技術には熱輸送損失が多くなる要因があることがわかった。このことを以下に説明する。
According to the detailed examination of the present inventors, it has been found that the conventional techniques of
図6(a)は、本発明者が検討した外燃機関(以下、検討例と言う)における加熱部11a近傍部位の概略を示すものであり、この検討例は上記特許文献2の従来技術に相当するものである。
FIG. 6A shows an outline of the vicinity of the
図6(b)は、検討例において、蒸気が膨張する行程で加熱部11aの内表面に残る作動媒体12の液膜の厚さ分布を示すグラフであって、加熱部径方向における液膜厚さ分布を図6(a)に対応して示している。
FIG. 6B is a graph showing the thickness distribution of the liquid film of the working
図6(c)は、検討例における加熱部11aの温度分布を示すグラフであって、加熱部径方向における加熱部温度分布を図6(a)に対応して示している。
FIG. 6C is a graph showing the temperature distribution of the
図7(a)は、図6(a)のZ部拡大図である。なお図7(a)中、破線のハッチングは、加熱部11aの内表面に残る作動媒体12の液膜を模式的に示すものである。
Fig.7 (a) is the Z section enlarged view of Fig.6 (a). In FIG. 7 (a), broken line hatching schematically shows a liquid film of the working
図7(b)は、図6(a)のZ部における液膜厚さ分布を示すグラフであって、加熱部径方向における液膜厚さ分布を図7(a)に対応して示している。つまり、図7(b)は図6(b)のグラフの一部を拡大したものに相当する。 FIG.7 (b) is a graph which shows the liquid film thickness distribution in the Z section of Fig.6 (a), Comprising: The liquid film thickness distribution in a heating part radial direction is shown corresponding to FIG.7 (a). Yes. That is, FIG. 7B corresponds to an enlarged part of the graph of FIG.
図7(c)は、図6(a)のZ部における液体ピストンの移動速度(流速)を示すグラフであって、加熱部径方向における液体ピストン移動速度の変化を図7(a)に対応して示している。 FIG.7 (c) is a graph which shows the moving speed (flow velocity) of the liquid piston in Z part of Fig.6 (a), Comprising: The change of the liquid piston moving speed in a heating part radial direction respond | corresponds to Fig.7 (a). As shown.
図8は、検討例の加熱部11aにおける液体ピストンの液面12a(図6(a)および図7(a)を参照)の位置を示すグラフであって、加熱部径方向における液面位置の時間変化を示している。
FIG. 8 is a graph showing the position of the liquid piston
検討例では、図8からわかるように、液体ピストンの液面位置は正弦波状に時間変化する。したがって、加熱部11aの径方向外側部位は液体ピストンとの接触時間が短くなり、加熱部11aの径方向内側部位は液体ピストンとの接触時間が長くなる。
In the examination example, as can be seen from FIG. 8, the liquid surface position of the liquid piston changes with time in a sinusoidal shape. Therefore, the contact time with the liquid piston is shortened in the radially outer portion of the
換言すれば、加熱部11aの径方向外側部位は液体ピストンとの熱交換時間が短くなり、加熱部11aの径方向内側部位は液体ピストンとの熱交換時間が長くなる。このため、図6(c)のごとく加熱部11aの温度は、径方向外側から径方向内側に向かうにつれて低くなる。
In other words, the heat exchange time with the liquid piston is shortened in the radially outer portion of the
一方、検討例では、加熱部11aの内部空間が円盤状に拡がっていることから、図7(c)のごとく液体ピストン移動速度は加熱部11aの径方向内側から径方向外側に向かうにつれて遅くなる。
On the other hand, in the examination example, since the internal space of the
このため、図6(b)および図7(a)、(b)のごとく加熱部11aの内表面に残る作動媒体12の液膜の厚さは径方向内側から径方向外側に向かうにつれて薄くなる。この現象は、次の数式1、2および図9からも理解される。
Therefore, as shown in FIGS. 6B, 7A, and 7B, the thickness of the liquid film of the working
但し、数式1においてδ(x)は液膜厚さ、dは流路径または流路幅であり、数式2においてμは粘性係数、Uは流速、σは表面張力である。図9は、上記数式1、2において、流路径dを一定としたときの流速と液膜厚さとの関係を示すグラフである。
In Equation 1, δ (x) is the liquid film thickness, d is the channel diameter or channel width, and in
なお、上記数式1、2は、ジオフレイ・イングラム・テイラー(Geoffrey Ingram Taylor)著、「A Deposition of a Viscous Fluidon the Wall of a Tube」、ジャーナル・オブ・フルード・メカニックス(Journal Of Fluid Mechanics)、(米国)、Vol.10、1961年、p.161−165に記載されているものである。
In addition, the
ここで、加熱部11a内表面に残る液膜は、蒸気が膨張する際の圧力低下によって減圧沸騰して出力に寄与する。そのため、加熱部11a内表面に残る液膜を効率良く減圧沸騰させることができれば熱輸送損失を低減できることとなる。
Here, the liquid film remaining on the inner surface of the
しかしながら、この検討例では図6(b)、(c)からわかるように、加熱部温度の低い径方向内側部位ほど加熱部11a内表面に残る液膜の厚さが厚くなり、加熱部温度の高い径方向外側部位ほど加熱部11aの内表面に残る液膜の厚さが薄くなるというように、加熱部温度分布と液膜厚さ分布とが相反しているので、加熱部11aの内表面に残る液膜を効率良く減圧沸騰させることができていない。その結果として、検討例では熱輸送損失が多くなっている。
However, in this examination example, as can be seen from FIGS. 6B and 6C, the thickness of the liquid film remaining on the inner surface of the
このような理由により、上記特許文献2の従来技術では熱輸送損失が多くなってしまう。また、上記特許文献1の従来技術においても同様の理由により熱輸送損失が多くなってしまう。
For these reasons, the heat transfer loss increases in the prior art of
要するに、上記特許文献1、2の従来技術では、加熱部のうち温度の低い部位、つまり冷却部側の部位ほど加熱部内表面に残る液膜の厚さが厚くなり、加熱部のうち温度の高い部位、つまり冷却部と反対側の部位ほど加熱部の内表面に残る液膜の厚さが薄くなるというように、加熱部温度分布と液膜厚さ分布とが相反することとなるため、熱輸送損失が多くなってしまうのである。
In short, in the prior arts of
本発明は上記点に鑑みて、加熱部の内表面に残る液膜を効率良く減圧沸騰させることによって熱輸送損失を低減することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to reduce heat transport loss by efficiently boiling a liquid film remaining on the inner surface of a heating unit under reduced pressure.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、作動媒体(12)が液体状態で流動可能に封入された管状の容器(11)と、
容器(11)の一端側部位に形成され、液体状態の作動媒体(12)の一部を加熱して気化させる加熱部(11a)と、
容器(11)のうち加熱部(11a)よりも他端側部位に形成され、加熱部(11a)で気化した作動媒体(12)の蒸気を冷却して液化させる冷却部(11b)と、
容器(11)の他端部と連通し、蒸気の体積変動によって生じる液体状態の作動媒体(12)の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(15)とを備え、
加熱部(11a)は、作動媒体(12)が気化した後に残る液膜の厚さを調整する液膜厚さ調整構造を有しており、
液膜厚さ調整構造は、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さを増加させるように液膜の厚さを調整することを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1, a tubular container (11) in which a working medium (12) is encapsulated so as to be flowable in a liquid state;
A heating part (11a) that is formed at one end of the container (11) and heats and vaporizes a part of the liquid working medium (12);
A cooling unit (11b) that is formed at the other end side of the heating unit (11a) in the container (11) and that cools and liquefies the vapor of the working medium (12) vaporized by the heating unit (11a);
An output unit (15) that communicates with the other end of the container (11), converts the displacement of the liquid working medium (12) caused by the volume variation of the vapor into mechanical energy, and outputs the mechanical energy;
The heating unit (11a) has a liquid film thickness adjustment structure that adjusts the thickness of the liquid film remaining after the working medium (12) is vaporized.
The liquid film thickness adjusting structure is characterized in that the thickness of the liquid film is adjusted so as to increase the thickness of the liquid film in a portion of the heating section (11a) opposite to the cooling section (11b).
これによると、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さを増加させることができるので、加熱部(11a)のうち加熱部温度の高い部位における液膜の厚さを増加させることができる。 According to this, since the thickness of the liquid film in the part opposite to the cooling part (11b) in the heating part (11a) can be increased, the liquid in the part having a high heating part temperature in the heating part (11a). The film thickness can be increased.
このため、加熱部温度分布と液膜厚さ分布とを近づけて加熱部(11b)の内表面に残る液膜を効率良く減圧沸騰させることができる。その結果、熱輸送損失を低減することができる。 For this reason, the heating part temperature distribution and the liquid film thickness distribution can be brought close to each other, and the liquid film remaining on the inner surface of the heating part (11b) can be efficiently boiled under reduced pressure. As a result, heat transport loss can be reduced.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の外燃機関において、液膜厚さ調整構造は、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さが、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)側の部位における液膜の厚さと均一になるように、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さを増加させることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the external combustion engine according to the first aspect, the liquid film thickness adjusting structure is configured such that the thickness of the liquid film in a portion of the heating unit (11a) opposite to the cooling unit (11b). Liquid film at a portion of the heating section (11a) opposite to the cooling section (11b) so that the thickness of the liquid film at the section of the heating section (11a) on the cooling section (11b) side is uniform. The thickness is increased.
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の外燃機関において、加熱部(11a)の内部空間の断面積が冷却部(11b)側から冷却部(11b)と反対側に向かうにつれて減少するように加熱部(11a)が形成されていることによって、液膜厚さ調整構造が構成されていることを特徴とする。
In the invention according to claim 3, in the external combustion engine according to
これによると、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液体状態の作動媒体(12)の流速を増加させることができるので、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さを効果的に増加させることができる(上述の図9を参照)。 According to this, since the flow rate of the liquid working medium (12) in the part on the opposite side to the cooling part (11b) in the heating part (11a) can be increased, the cooling part ( It is possible to effectively increase the thickness of the liquid film at the site opposite to 11b) (see FIG. 9 above).
請求項4に記載の発明では、請求項1に記載の外燃機関において、液膜厚さ調整構造は、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さが、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)側の部位における液膜の厚さよりも厚くなるように、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さを増加させることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the external combustion engine according to the first aspect, the liquid film thickness adjusting structure is configured such that the thickness of the liquid film in a portion of the heating section (11a) opposite to the cooling section (11b). Is thicker than the thickness of the liquid film at the site on the cooling unit (11b) side of the heating unit (11a), the liquid film at the site on the opposite side of the cooling unit (11b) in the heating unit (11a). The thickness is increased.
これによると、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さが、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)側の部位における液膜の厚さと均一になる上記請求項2に記載の発明と比較して、加熱部11aの内表面に残る液膜を一層効率良く減圧沸騰させることができるので、熱輸送損失を一層低減することができる。
According to this, the thickness of the liquid film in the part of the heating part (11a) opposite to the cooling part (11b) is the thickness of the liquid film in the part of the heating part (11a) on the cooling part (11b) side. Compared with the invention of
請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の外燃機関において、加熱部(11a)の内部空間の断面積が冷却部(11b)側から冷却部(11b)と反対側に向かうにつれて減少し、かつ、内部空間の厚さが冷却部(11b)側から冷却部(11b)と反対側に向かうにつれて増大するように加熱部(11a)が形成されていることによって、液膜厚さ調整構造が構成されていることを特徴とする。 In the invention according to claim 5, in the external combustion engine according to claim 4, as the cross-sectional area of the internal space of the heating part (11a) goes from the cooling part (11b) side to the opposite side to the cooling part (11b). The heating portion (11a) is formed such that the thickness decreases and the thickness of the internal space increases from the cooling portion (11b) side toward the opposite side of the cooling portion (11b). The adjustment structure is configured.
これによると、加熱部(11a)の内部空間の断面積が冷却部(11b)側から冷却部(11b)と反対側に向かうにつれて減少しているので、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さを効果的に増加させることができる。 According to this, since the cross-sectional area of the internal space of the heating part (11a) decreases from the cooling part (11b) side toward the cooling part (11b), the cooling part ( It is possible to effectively increase the thickness of the liquid film at the site opposite to 11b).
さらに、加熱部(11a)の内部空間の厚さが冷却部(11b)側から冷却部(11b)と反対側に向かうにつれて増大しているので、加熱部(11a)のうち冷却部(11b)と反対側の部位における液膜の厚さを一層増加させることができる(上述の数式1を参照)。 Furthermore, since the thickness of the internal space of the heating part (11a) increases from the cooling part (11b) side toward the cooling part (11b), the cooling part (11b) of the heating part (11a). It is possible to further increase the thickness of the liquid film at the site on the opposite side (see Equation 1 above).
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3に基づいて説明する。図1は本発明における外燃機関及び発電機からなる発電装置の概略構成を表す構成図である。図1中の上矢印は天地方向の上方、下矢印は天地方向の下方を示している。
(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 a power generation apparatus including an external combustion engine and a generator in the present invention. The up arrow in FIG. 1 indicates the top and bottom direction, and the down arrow indicates the bottom and top direction.
外燃機関10は、液体ピストン式蒸気エンジンとも呼ばれるものであり、管状の圧力容器である容器11を備えている。容器11内には、作動媒体(本実施形態では水)12が液体状態で流動可能に封入されている。
The
また、外燃機関10は、容器11内の作動媒体12の一部を加熱して作動媒体12の蒸気を発生させる加熱器13と、加熱器13によって発生した作動媒体12の蒸気を冷却する冷却器14とを備えている。
The
本実施形態では、加熱器13の熱源として排気ガス等の高温ガスを用いている。また、本実施形態の冷却器14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の循環回路中には、冷却水が作動媒体12の蒸気から奪った熱を放熱する放熱器が配置されている。
In the present embodiment, a high-temperature gas such as exhaust gas is used as the heat source of the
容器11は全体として略U字形状を有しており、屈曲部が天地方向の最下部に位置し、両端部が天地方向の上方側に向かって延びるように配置されている。この容器11の一端部に加熱器13が配置されている。また、容器11の一端側の部位であって、加熱器13よりも下方側の部位に冷却器14が配置されている。
The
本例では、作動媒体12を水としていることから、容器11をステンレス製としている。容器11のうち加熱器13と接触する加熱部11aおよび冷却器14と接触する冷却部11bを熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム製としてもよい。
In this example, since the working
容器11の他端部(加熱部11aと反対側の端部)には、液体状態の作動媒体12の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部15が配置されている。出力部15は、液体状態の作動媒体12(液体ピストン)から圧力を受けて変位するピストン(固体ピストン)16と、ピストン16を摺動可能に支持するシリンダ部17を有している。
An
ピストン16は、発電機1の可動子2のシャフト2aに連結されており、可動子2を挟んでピストン16と反対側には、可動子2をピストン16側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすバネ18が設けられている。
The piston 16 is connected to the
可動子2には永久磁石が埋設されており、ピストン16が可動子2を振動変位させることによって発電機1を駆動して起電力を発生させる。
A permanent magnet is embedded in the
容器11は加熱部11aにおいて水平方向に拡径されている。これに伴い、加熱部11aの内部空間も水平方向に拡がる形状になっている。本例では、加熱部11aの外形が水平方向に拡がる円盤状になっており、加熱部11aの内部空間も水平方向に拡がる円盤形状になっている。図示を省略しているが、本例では加熱部11aを適宜分割して形成している。
The
加熱部11aの内部空間のうち径方向最外側部位は、加熱部11aで気化した蒸気を溜める蒸気溜め部19を構成している。
The radially outermost portion of the internal space of the
図2(a)は図1の加熱部11aの拡大図であり、図2(b)は図2(a)のA−A断面図である。図2(a)、(b)は、作動媒体12の液面12aが容器11のうち加熱部11aの入口部、換言すれば加熱部11aの中心部に位置している状態を示している。
2A is an enlarged view of the
図2(b)に示すように、加熱部11aの内部空間の平面形状は星状になっている。すなわち、加熱部11aの内部空間は、加熱部11aの中心部から水平方向に放射状に延びる形状を有しており、図3(a)のごとく加熱部11aの内部空間の断面積は径方向内側から径方向外側に向かうにつれて縮小している。
As shown in FIG.2 (b), the planar shape of the internal space of the
なお、加熱部11aの内部空間の断面積とは、加熱部11aの入口部から所定距離だけ離れた面で加熱部11aの内部空間を切断したときの断面の面積を意味するものである。本例では、加熱部11aの内部空間を同心の円筒面で切断したときの断面の面積が加熱部11aの内部空間の断面積となる。
In addition, the cross-sectional area of the internal space of the
詳細は後述するが、このように加熱部11aを構成することにより、加熱部11aは、作動媒体12が気化した後に残る液膜の厚さを調整する液膜厚さ調整構造を有することとなる。
Although details will be described later, by configuring the
因みに、本例では、図3(b)のごとく作動媒体12の流速が径方向内側から径方向外側にかけてほぼ一定になるように、加熱部11aの内部空間の断面積が設定されている。また、本例では、加熱部11aの内部空間の厚さ(図2(a)の上下方向における加熱部11aの内部空間の寸法)は、加熱部径方向に一定になっている。
Incidentally, in this example, as shown in FIG. 3B, the cross-sectional area of the internal space of the
次に、上記構成における基本作動を簡単に説明する。加熱器13及び冷却器14を動作させると、まず加熱器13により加熱部11a内の作動媒体(水)12が加熱されて気化し、加熱部11a内に高温・高圧の作動媒体12の蒸気が蓄積されて、容器11の一端側(加熱部11a側)における作動媒体12の液面12aを押し下げる。すると、容器11内に封入された液体状態の作動媒体12は、容器11の一端側から他端側に変位して、発電機1側のピストン16を押し上げるとともにバネ18を圧縮する。
Next, the basic operation in the above configuration will be briefly described. When the
容器11の一端側における作動媒体12の液面12aが冷却部11bまで下がり、冷却部11b内に作動媒体12の蒸気が進入すると、作動媒体12の蒸気が冷却器14により冷却されて液化されるため、作動媒体12の液面12aを押し下げる力が消滅し、容器11の一端側において作動媒体12の液面12aが上昇する。この結果、作動媒体12の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16はバネ18の弾性力によって下降する。
When the
そして、こうした動作は、加熱器13及び冷却器14の動作を停止させるまで繰り返し実行され、その間、容器11内の液体状態の作動媒体12は液体ピストンとして周期的に変位(いわゆる自励振動)して、発電機1の可動子2を上下動させることになる。
Such an operation is repeatedly executed until the operations of the
次に、加熱部11a内における作動媒体12の挙動を詳細に説明する。いま、液体ピストン(液体状態の作動媒体12)が最も加熱部11a側に押し戻された状態において、加熱部11a内で作動媒体12が気化して作動媒体12の蒸気が膨張すると、図2(a)、(b)の矢印のように液体ピストンが加熱部11aの内部空間を径方向外側から径方向内側に向かって移動する。
Next, the behavior of the working
このとき、加熱部11aの内部空間の断面積が径方向内側から径方向外側に向かうにつれて縮小されているので、加熱部11aの内部空間の断面積が径方向内側から径方向外側に向かうにつれて拡大されている場合および加熱部11aの内部空間の断面積が径方向内側から径方向外側まで一定になっている場合と比較して、加熱部11aの径方向外側部位における液体ピストン移動速度(流速)を速めることができる。
At this time, since the cross-sectional area of the internal space of the
ここで、上述した数式1、2および図9からわかるように、作動媒体12の蒸気が膨張した後に加熱部11a内表面に残る作動媒体12の液膜の厚さは、液体ピストン移動速度が大きいほど厚くなる。このため、図3(c)のごとく加熱部11aの径方向外側部位における作動媒体12の液膜の厚さを厚くすることができる。
Here, as can be seen from
ここで、上述した図6(c)のように、加熱部11aの径方向外側部位は径方向外側部位と比較して温度が高くなっている。このため、加熱部11aの径方向外側部位における作動媒体12の液膜の厚さを厚くすることによって液膜を効率良く減圧沸騰させることができるので、熱輸送損失を低減することができる。
Here, as shown in FIG. 6C described above, the temperature of the radially outer portion of the
換言すれば、加熱部11aは、作動媒体12が気化した後に残る液膜の厚さを調整する液膜厚さ調整構造を有しており、この液膜厚さ調整構造は、加熱部11aのうち冷却部11bと反対側の部位における液膜の厚さを増加させるように液膜の厚さを調整するので、加熱部11bの内表面に残る液膜を効率良く減圧沸騰させることができ、ひいては熱輸送損失を低減することができるのである。
In other words, the
本実施形態における液膜厚さ調整構造は、具体的には、加熱部11aの内部空間の断面積が冷却部11b側から冷却部11bと反対側に向かうにつれて減少するように加熱部11aが形成されていることによって構成されている。
Specifically, in the liquid film thickness adjusting structure in the present embodiment, the
なお、本例では、図3(b)のごとく液体ピストン移動速度を径方向内側から径方向外側にかけてほぼ一定にしているので、図3(c)のごとく液膜厚さも径方向内側から径方向外側にかけてほぼ一定になる。 In this example, as shown in FIG. 3B, the liquid piston moving speed is made almost constant from the radially inner side to the radially outer side. Therefore, the liquid film thickness is also changed from the radially inner side to the radial direction as shown in FIG. It becomes almost constant toward the outside.
因みに、図3(b)、(c)中の破線について説明すると、液体ピストンは加熱部11aの径方向に往復変位することから、液体ピストン移動速度は図3(b)の破線のごとく加熱部の径方向最外側部位においてほぼ零になる。そうすると、液膜厚さも図3(c)の破線のごとく加熱部の径方向最外側部位近傍ではほぼ零になる。図3(b)、(c)中の破線はこのことを意味するものである。
Incidentally, the broken line in FIGS. 3B and 3C will be described. Since the liquid piston is reciprocated in the radial direction of the
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、加熱部11aの内部空間の厚さを加熱部径方向に一定にしているが、本第2実施形態では、図4(a)に示すように、加熱部11aの内部空間の厚さ(図4(a)の上下方向における加熱部11aの内部空間の寸法)を径方向内側から径方向外側に向かうにつれて増大させている。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the thickness of the internal space of the
一方、本例では、加熱部11aの内部空間の断面積は上記第1実施形態の図3(a)と同様に設定されている。このため、図4(b)のごとく加熱部11aの内部空間の平面形状は、上記第1実施形態の図2(b)と比較して径方向内側が太く、かつ径方向外側が細い星状になっている。
On the other hand, in this example, the cross-sectional area of the internal space of the
本実施形態では、加熱部11aの内部空間の断面積を上記第1実施形態と同様に設定しているので、上記第1実施形態と同様に加熱部11aの径方向外側部位における液体ピストン移動速度を速めて、径方向外側部位と径方向内側部位とで液体ピストン移動速度を均一化することができ、ひいては加熱部11aの径方向外側部位における作動媒体12の液膜の厚さを厚くすることができる。
In the present embodiment, since the cross-sectional area of the internal space of the
さらに本実施形態では、加熱部11aの内部空間の厚さを径方向内側から外側に向かうにつれて増大させているので、図5のごとく作動媒体12の液膜の厚さを径方向内側から径方向外側に向かうにつれて増大させることができる。
Furthermore, in this embodiment, since the thickness of the internal space of the
この現象は、上述した数式1によって理解することができる。すなわち、数式1によると、流路幅dの増大に伴い液膜厚さδ(x)も増大することとなるところ、加熱部11aの内部空間の厚さを径方向内側から径方向外側に向かうにつれて増大させることは、上述した数式1において流路幅dを大きくすることに相当するからである。
This phenomenon can be understood from Equation 1 described above. That is, according to Equation 1, the liquid film thickness δ (x) increases as the flow path width d increases, and the thickness of the internal space of the
以上のように、本実施形態では、径方向外側における作動媒体12の液膜の厚さを上記第1実施形態よりも増大させることができるので、加熱部11aの内表面に残る液膜を一層効率良く減圧沸騰させることができ、熱輸送損失を一層低減することができる。
As described above, in the present embodiment, the thickness of the liquid film of the working
すなわち、本実施形態における液膜厚さ調整構造は、加熱部11aの内部空間の断面積が冷却部11b側から冷却部11bと反対側に向かうにつれて減少し、かつ、加熱部11aの内部空間の厚さが冷却部11b側から冷却部11bと反対側に向かうにつれて増大するように加熱部11aが形成されていることによって構成されている。
That is, in the liquid film thickness adjusting structure in this embodiment, the cross-sectional area of the internal space of the
因みに、図5中の破線の意味は、上記第1実施形態における図3(b)、(c)中の破線の意味と同様である。 Incidentally, the meaning of the broken line in FIG. 5 is the same as the meaning of the broken line in FIGS. 3B and 3C in the first embodiment.
(他の実施形態)
(1)上記各実施形態は、加熱部11aの内部空間の平面形状の一例を示したものに過ぎず、これに限定されることなく、加熱部11aの内部空間の平面形状を種々変更可能である。
(Other embodiments)
(1) Each said embodiment is only what showed an example of the plane shape of the internal space of the
(2)上記各実施形態では、加熱器13と容器11とを別体に形成しているが、加熱器13と容器11のうち加熱部11aとを一体に形成してもよい。
(2) In each of the above embodiments, the
(3)上記各実施形態では、加熱器13の熱源として高温ガスを用いているが、加熱器13を電気ヒータで構成してもよい。
(3) In each said embodiment, although high temperature gas is used as a heat source of the
(4)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。 (4) In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to the drive source of the power generation apparatus has been described. However, the external combustion engine of the present invention can also be used as a drive source other than the power generation apparatus.
(5)上記各実施形態では、容器11が加熱部11aにおいて水平方向に拡径されており、加熱部11aが水平方向に拡がる円盤状になっているが、これに限定されるものではなく、例えば容器11が水平方向に拡径されておらず、加熱部11aが上下方向に直線状に延びる管状になっていてもよい。
(5) In each of the embodiments described above, the diameter of the
なお、加熱部11aが上下方向に直線状に延びる管状になっている場合においては、加熱部11aの内部空間の断面積は、加熱部11aをその軸方向と直交する平面、つまり水平面で切断した断面の面積のことを意味することになる。
In addition, when the
11 容器
11a 加熱部(液膜厚さ調整構造)
12 作動媒体
11
12 Working medium
Claims (5)
前記容器(11)の一端側部位に形成され、前記液体状態の前記作動媒体(12)の一部を加熱して気化させる加熱部(11a)と、
前記容器(11)のうち前記加熱部(11a)よりも他端側部位に形成され、前記加熱部(11a)で気化した前記作動媒体(12)の蒸気を冷却して液化させる冷却部(11b)と、
前記容器(11)の他端部と連通し、前記蒸気の体積変動によって生じる前記液体状態の前記作動媒体(12)の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(15)とを備え、
前記加熱部(11a)は、前記作動媒体(12)が気化した後に残る液膜の厚さを調整する液膜厚さ調整構造を有しており、
前記液膜厚さ調整構造は、前記加熱部(11a)のうち前記冷却部(11b)と反対側の部位における前記液膜の厚さを増加させるように前記液膜の厚さを調整することを特徴とする外燃機関。 A tubular container (11) in which a working medium (12) is encapsulated so as to be able to flow in a liquid state;
A heating unit (11a) that is formed at one end portion of the container (11) and heats and vaporizes a part of the liquid working medium (12);
A cooling part (11b) that is formed in the container (11) at the other end side than the heating part (11a) and cools and liquefies the vapor of the working medium (12) vaporized by the heating part (11a). )When,
An output unit (15) that communicates with the other end of the container (11) and converts the displacement of the working medium (12) in the liquid state caused by the volume variation of the vapor into mechanical energy and outputs the mechanical energy; ,
The heating section (11a) has a liquid film thickness adjustment structure that adjusts the thickness of the liquid film remaining after the working medium (12) is vaporized,
The said liquid film thickness adjustment structure adjusts the thickness of the said liquid film so that the thickness of the said liquid film in the site | part on the opposite side to the said cooling part (11b) among the said heating parts (11a) may be increased. An external combustion engine characterized by
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