JP5145326B2 - 作業媒体を内部フラッシュ蒸発させるピストン蒸気機関 - Google Patents

Description

今日利用できるピストン蒸気機関は蒸気発生器により準備された蒸気で働く。入口弁と出口弁とを介して蒸気は高圧でシリンダ室内に達し、シリンダ室内でピストンを動かし、その際に弛緩し、次いでピストンによってシリンダ室から押出される。

ピストン蒸気機関に必要な蒸気発生器はたいてい、内部で作業媒体、例えば水が所望の作業圧で蒸発させられる熱伝達器から成っている。蒸発プロセスに必要な熱はこの場合には熱伝達媒体、例えば煙ガスにより準備される。熱伝達媒体は蒸気発生器にて対流で作業媒体の蒸発温度の領域まで冷却される。

別の発想によればスクリュ機械においていわゆるフラッシュ蒸発を実現することが試みられている。これはＤｏｒｔｍｕｎｄ大学のＰｒｏｆ．Ｋａｕｄｅｒの仕事である。もちろん、スクリュ機械の原理的な欠点は見過ごすことはできない。

圧縮−もしくは爆発比、以後、容積比とも呼ぶ、はスクリュ機の場合には約４から最大８までである。これに対しピストン蒸気機関の場合には１００よりも大きい容積比が達成される。

作業媒体とスクリュ機械の壁との間の対流式の熱交換はきわめて大きい。何故ならば一杯に構成された２相流が存在しかつ通常熱伝達面がきわめて大きいからである。

スクリュ機械の容積的な効率は構成的に比較的に悪く、洩れ損失はピストン蒸気機関の場合のようにはシール又はピストンリングによっては減じることはできない。

他の公知でかつ市販されている熱機関、例えばＯｒｇａｎｉｃ−Ｒａｎｋｉｎｅ−Ｃｙｃｌｅで働くＯＲＣ−機関、Ｒａｎｋｉｎｅ−機関又は蒸気タービンにおいても、存在する熱源からは、特に熱源が比較的に低い温度、例えば２００℃を有していると比較的にわずかな機械的な出力しか取出されない。

熱伝達媒体の熱に含まれたエネルギをできるだけ活用するためには熱源の熱伝達媒体はできるだけリバーシブルなプロセスで周辺温度まで冷却したい。

しかし、公知の熱機関の蒸気発生器においては一般的に、熱源の熱伝達媒体は蒸発もしくは凝縮温度の近くの温度までしか冷却しない。この場合、熱伝達媒体は例えば２００℃から１４０℃にかつ周囲温度までは冷却されない。特に熱がわずかな部分しか機械的なエネルギに変換することのできない比較的に低い温度レベルでしか与えられないと、熱源の熱伝達媒体のこの比較的に高い終端温度、ひいては関連するわずかなエネルギ的な効率は特に不都合に熱機関の効率性と経済性とに影響する。

さらに上記の熱機関の多くでは部分的に有毒な又は有害な作業媒体が使用される。

本発明の課題は、公知技術によって公知である上記欠点が少なくとも部分的に克服される熱機関を提供することである。さらに本発明による熱機関によっては提供される熱のできるだけ大きな割合が機械的な仕事に変換され得るようにしたい。

前記課題は請求項１の上位概念として記したピストン蒸気機関において、ピストンが上死点（ＯＴ）の領域にあるときに作業媒体が液状の形態で少なくとも間接的にピストン蒸気機関の作業室内にもたらされることによって解決された。これによって本発明によるピストン蒸気機関において作業媒体の液相と蒸気相とが分離され、液相がピストン蒸気機関の壁と接触する程度が低くなる。実験装置においては作業室表面の２％しか作業媒体の液相によって濡らされなかった。これにより熱損失は著しく低減された。

本発明によるピストン蒸気機関においては熱い、圧力下にある作業媒体は液状の形態で直接的に又は間接的に作業室内へもたらされる。ピストン蒸気機関内の圧力と温度とによって、作業媒体はピストン蒸気機関内に供給されるとすぐ蒸発を開始する。この際に発生する蒸気圧はピストンを駆動する。

ピストンの運動の経過中にシリンダ容積も拡大し、別の作業媒体が蒸発することができる。蒸発に際して作業媒体の液状の部分は冷却される。圧力が低下する場合に作業媒体の蒸気状の部分も冷却される。この過程によって本発明によるピストン蒸気機関の効率、特にエネルギ効率と出力とは他の熱機関に較べて明確に高められる。

本発明の有利な構成では作業室と接続された少なくとも１つの前室が設けられている。この場合、作業媒体は有利には前室に、特に有利には円に似た軌道の上で前室に供給される。液相の円に似た軌道は液相の高い密度に基づき液相を強く半径方向外方へ加速する遠心力を発生させる。作業媒体のフラッシュ蒸発に際して発生する蒸気は液相よりも著しく低い密度を有し、前室と作業室との接続部が前室の中央にて前室に開口するので、シリンダ室内へ流入することができる。半径方向の加速は液相が前室から出られないように作用する。これによりきわめて簡単でかつ同時に効果的な相分離が達成される。前室の容積はできるだけ小さくしたい。

本発明の別の構成ではシリンダあたり複数の前室及び／又は複数のインジェクタが設けられ、これらの前室及び／又はインジェクタがすべて作業室と接続されている。これによって異なる温度を有する作業媒体が、作業室において作業行程中に発生する圧力及び／又は作業室を支配する温度及び／又はピストンの位置に関連して順次前室及び／又は作業室へ供給されることができる。これにより種々の温度を有する作業媒体を混合過程に基づくエクセルギ（Ｅｘｅｒｇｙ）損失なしで本発明のピストン蒸気機関に使用することができる。

複数の噴射弁が順次前室又は作業室に噴射するときは、すでにサイクロン内にある作業媒体が噴射過程によって気化されないか又は飛散されないように注意する必要がある。

択一的に作業媒体を完全に又は部分的に直接的に作業室に供給することができる。この場合には液状の作業媒体は噴射過程に際して噴霧化され、小滴の形で作業室内部にかつ存在している場合には前室内部にも分配されることができる。作業媒体の小滴と気相との間の摩擦とによって小滴とピストン蒸気機関の表面との間の直接的な接触が回避される。これによって小滴とピストン蒸気機関の表面との不都合な熱伝達が強く低減される。

インジェクタとしては従来のオット又はディーゼル機関の燃料噴射系に使用されているようなインジェクタを用いることができる。もちろん、この市販のインジェクタは特殊な使用条件に、特に部分的にきわめて高い温度と腐蝕性の作業媒体に適合させることが必要であることがある。

熱伝達媒体が約２００℃から３５０℃までの温度を有していると、水が特に適していることが証明された。

例えば１５０℃から２００℃の温度を有する熱又は廃熱が与えられているとメタノールが特に適していることが証明された。

温度がほぼ１００℃から１５０℃までの熱又は廃熱が与えられていると、ペンタンが特に適していることが証明された。

温度がほぼ１００℃の熱と廃熱が与えられているとＲ１３４ａが特に有利であることが証明された。

さらに特に有利であると証明されたことは、ピストン蒸気機関の、液状の作業媒体と接触する面が内部及び／又は外部の断熱層を備えていることである。

内部の断熱層は冷却する液状の作業媒体がピストン蒸気機関のサイクロン壁又は他の面から対流的に熱を受取ることを阻止するために特別な意義を持つ。この作業室もしくはサイクロン内壁に配置された断熱層は例えば、テフロン、エナメル又はセラミックであることができる。

択一的に又は付加的にピストン蒸気機関の作業媒体と接触する面は当該面に作業媒体が凝縮することを効果的に阻止するために加熱されていることができる。フラッシュプロセスによってガス相が発生すると、ガス相に接近可能な機関の構成部分はちょうど発生しているガス圧における作業媒体の凝縮温度よりも高い温度を有していなければならない。構成部分の表面の温度の方が低いと、発生したガス状の相の１部が当該表面に急激に凝縮し、凝縮相はピストンを駆動するためには働かず、機械の出力と効率が低減することになるものと想われる。

本発明の別の利点と有利な構成は図面、その説明と請求の範囲に開示されている。開示されたすべての特徴は互いに組合わされても発明にとって重要なものである。

実施例の説明
図１に示された本発明によるピストン蒸気機関の１実施例は、前室１３とピストン３とシリンダ５と連接棒７とクランク軸９とを有している。クランク軸９は図示されていない発電機と連結されている。

ピストン３とシリンダ５とは作業室１１を制限している。前室１３が作業室１１と接続されている。前室１３には供給導管１５と排出導管１７とが作業媒体のために開口している。作業媒体のための排出導管１７は作業室１１に直接的に開口することもできる（図示せず）。

液状の作業媒体のための供給導管１５内には切換え可能な入口弁１９が配置されている。インジェクタとして構成されていることのできる入口弁１９を用いて液状の作業媒体は前室１３内へ噴射される。この噴射はピストン３が上死点ＯＴの領域にあるときに行なわれることが有利である。

噴射時点での前室１３内の圧力は供給導管１５における作業媒体の圧力よりも低いので作業媒体の噴射直後に前室１３にていわゆるフラッシュ蒸発が行なわれる。この結果、前室１３、ひいては前室１３と接続された作業室１１における圧力が上昇し、ピストン３は下死点ＵＴに向かって移動し、その際、運動をクランク軸９に伝達する。

ピストン３が下死点ＵＴの領域にあると、作業媒体のための排出導管１７内にある切換え可能な出口弁２１が開放され、ピストン３は継続する運動に際して、残った液相と蒸気に化した作業媒体を上死点ＯＴの方向に移動させかつ作業室１１から押出す。

排出導管１７は第１に前室１３内に残留した液相を排出するために役立つ。排出導管１７を介しては蒸気化した作業媒体が導出されることもできる。択一的に、作業室１１に付加的な蒸気弁２２を設け、この蒸気弁２２で蒸気化した作業媒体の導出を行なうこともできる。蒸気弁２２は皿弁として構成されることができ、カム軸（図示せず）により、内燃機関のガス交換弁のように構成されかつ作動されることができる。

作業媒体が閉じた回路で案内されていると、作業媒体のための排出導管１７．１はコンデンサ２３に開口する。蒸気弁２２によって導出された作業媒体は排出導管１７．３によってコンデンサ２３に導かれる。そこで作業媒体は再び液化され、次いでポンプ２５により熱交換器２７へ搬送される。そこから作業媒体は供給導管１５を介して前室１３内に再び達する。

図２には２つの前室１３．１と１３．２、作業媒体のための２つの供給導管１５．１と１５．２とを有する本発明によるピストン蒸気機関の構造が示されている。供給導管１５．１と１５．２とには２つの切換え可能な入口弁１９．１と１９．２とが配置されている。

ピストン蒸気機関とその周辺とのその他の構成部分は図１の第１の実施例のように構成されていることができ、前記記述を参照されたい。

第１の供給導管１５．１内にある作業媒体は、第２の供給導管１５．２内にある作業媒体の温度よりも高い温度を有している。したがって第１の供給導管１５．１内にある作業媒体の所定の量がまず第１の前室１３．１にもたらされる。そこでこの作業媒体は蒸発しかつピストン３を作動させる。その際、作業室１１と前室１３．１と１３．２との内部にある作業媒体の圧力及び温度が低下する。作業室１１と前室１３．１と１３．２との内部にある作業媒体の温度が第２の供給導管１５．２の内部にある作業媒体に近づくと、まだ同じピストン行程で作業媒体は第２の供給導管１５．２から、第２の入口弁１９．２の短時的な開放によって第２の前室１３．２へもたらされる。この作業媒体も前室１３．２へもたらされた直後に蒸発し、作業力をピストン３に作用させる。

本発明によるピストン蒸気機関のこの実施例では、２つの温度レベルで与えられる熱が利用される。これによって例えば内燃機関の廃熱は好適に利用される。何故ならば内燃機関においては排ガスは２００℃よりも高い温度で発生するのに対し、冷却媒体熱と油は約１２０℃の温度を有しているからである。作業媒体を２つの異なる温度レベルにもたらすためには排ガスの廃熱で運転される第１の熱交換器（図示せず）と、冷却水と油との廃熱で加熱される第２の熱交換器とが必要である。

まず、２００℃の温度を有する温度の高い作業媒体が噴射される。この作業媒体は１２０℃に冷却されると、約１２０℃の温度を有する作業媒体が噴射される。燃焼熱に関する燃焼機関の効率は図示のピストン蒸気機関で約１０％上昇させられることができる。

本発明のピストン蒸気機関は２行程サイクル原理に従って働く。吸込行程と圧縮行程は用いられない。ピストンの上死点ＯＴの領域では出口弁２１が閉じられ、そのあとで作業媒体が入口弁１９によって噴射される。上死点ＯＴから下死点ＵＴへピストン３が移動する行程で、既に記載したように、作業媒体の１部が蒸発される。下死点ＵＴの領域で出口弁２１が開かれる。下死点ＵＴから上死点ＯＴへのピストン３の行程で残留する液相と発生したガス相は出口弁２１を通して押出される。この場合、液相とガス相は同じ出口弁２１を通過するか又は別個の弁が設けられることができる。

本発明によるピストン蒸気機関においては、温度の高い作業媒体は圧力下で、ピストン蒸気機関の前室に噴射される。作業媒体は無害の水であることができる。

図３には本発明によるピストン蒸気機関のための前室１３の構成が示されている。前室１３はサイクロン分離器のように構成されている。示されているのは供給導管１５と排出導管１７と、弁１９と２１である。

液状の作業媒体はほぼ接線方向に前室１３にもたらされ、半径方向外に円軌道上を移動する。フラッシュ蒸発に際して発生した蒸気はその密度が低いことに基づき前室１３の中央に集められ、前室１３において液状の作業媒体と蒸気状の作業媒体との分離が行なわれる。前室１３の中央には、作業室１１に開口する接続部２９が配置されている。接続部２９を介して蒸気状の作業媒体は前室から作業室１１へ達する。

前室１３が接続部２９の下側と図３に示されていない作業室１１の下側に配置されていると、重力が液状の相と蒸気状の相との分離を付加的に助成する。

発生する蒸気が作業室にて表面に凝縮しないように、ピストン３とシリンダ５と前室１３と該当する表面は加熱されかつ／又は断熱されて構成されていなければならない。熱が加熱された面から作業媒体の液状相に引渡されないためには２つの択一的な手段を用いることができる。

前室１３は幾何学的に、作業媒体の噴射された液相が安定的に円軌道に沿って移動できるように構成されている。前室１３はこの場合にはサイクロンと称している。円軌道の上で発生する遠心力は、密度が低いことに基づき低い遠心力しか作用しない、発生した蒸気がピストン蒸気機関のシリンダ室に逃げることができ、密度が高いことに基づき大きな遠心力が作用する液状の熱担体媒体が円軌道上に留まるように作用する。実験によれば、このような形式で蒸発プロセスにて相分離が達成されることが判明している。

計算によれば、前室１３の壁における液体の摩擦にも拘らず液状の作業媒体の回転速度は相分離が達成されるレベルに留まり、液状の作業媒体とサイクロン壁との間の熱交換が、機械と前室壁の被覆層との適当な寸法設定で、プロセス妨害をもたらさないようにすることができることが証明された。

さらに実験によれば相分離の達成が証明された。つまり、フラッシュ蒸発に際して液相はサイクロンにおいて留まるのに対し、蒸気状の相はシリンダ室へ逃げる。

さらに前室１３の壁と液相との対流は著しくないことを証明することができた。実験によればフラッシュプロセスのあとではほぼ算出された液相の量が存在した。対流は著しい付加的な蒸発をもたらさなかった。

さらに実験によれば、前室１３もしくは作業室１１におけるフラッシュプロセスはきわめて高速で経過し、これは機械の構成の可能性にとって重要ではないことが示された。

図４には本発明によるピストン蒸気機関の別の実施例が示されている。この実施例では前室１３は存在せず、液状の作業媒体は直接的に作業室１１に噴射される。これは公知技術によって周知であるインジェクタで行なわれる。

作業媒体は噴射過程時に、内燃機関の燃焼室にディーゼル燃料を噴射する場合のように、小滴に噴霧化される。小滴は摩擦によって、ガス相にて浮遊状態に保たれる。このような形式で小滴は熱い表面にわずかな領域でしか接触せず、液相と熱い表面との間の熱交換はわずかに保たれる。

本発明によるピストン蒸気機関では設けられた熱源で、ＯＲＣ又はカリーナプロセスが実現される現今の機械に比較して、２倍の機械的な出力を得ることができる。さらにＯＲＣ−プロセスとカリーナプロセスに比較して危険のない作業媒体、例えば水を使用することができる。

サイクロンを有する本発明によるピストン蒸気機関の１実施例を示した図。 サイクロンを有する本発明によるピストン蒸気機関の１実施例を示した図。 本発明によるピストン蒸気機関の前室を示した図。 作業室へ噴射するインジェクタを有する本発明によるピストン蒸気機関の１実施例を示した図。

符号の説明

３ ピストン、 ５ シリンダ、 ７ 連接棒、 ９ クランク軸、 １１ 作業室、 １３ 前室、 １５ 供給導管、 １７ 排出導管、 １９ 入口弁、 ２１ 出口弁、 ２２ 蒸気弁、 ２３ コンデンサ、 ２５ ポンプ、 ２７ 熱交換器

Claims (14)

1. 少なくとも１つのシリンダ（５）を有し、前記少なくとも１つのシリンダ（５）内でピストン（３）が往復運動し、作業室（１１）を有し、該作業室（１１）が前記シリンダ（５）と前記ピストン（３）とによって制限されており、少なくとも１つの入口弁（１９）を有し、作業媒体が前記少なくとも１つの入口弁（１９）によって前記作業室（１１）へ導入可能であり、少なくとも１つの出口弁（２１）を有し、前記作業媒体が前記少なくとも１つの出口弁（２１）によって前記作業室（１１）から導出可能である形式のピストン蒸気機関において、少なくとも１つの前室（１３）が設けられており、前記作業室（１１）と前記前室（１３）とが互いに接続されており、前記ピストン（３）が上死点（ＯＴ）の領域にあるか又は作業行程にあるときに、前記作業媒体が液体状態で前記前室（１３）にもたらされ、前記作業媒体の液相の主要な部分が前記前室（１３）に留まるのに対し、前記作業媒体の蒸気状の相が前記作業室（１１）内に流入するように前記作業媒体が液体状態で前記前室内にもたらされることを特徴とする、ピストン蒸気機関。
2. 前記作業媒体がほぼ接線方向で前記前室（１３）にもたらされる、請求項１記載のピストン蒸気機関。
3. 前記作業室（１１）と前記前室（１３）との間の接続部（２９）が前記前室（１３）の中心にて該前室（１３）に開口している、請求項１又は２記載のピストン蒸気機関。
4. １つの前記シリンダ（５）に複数の前室（１３．１，１３．２）が配置されており、前記前室（１３．１，１３．２）が前記作業室（１１）と接続されており、異なる温度を有する作業媒体が前記作業室（１１）を支配する圧力及び／又は前記作業室（１１）を支配する温度に関連して順次前記前室（１３．１又は１３．２）内へ又は前記作業室（１１）内へもたらされる、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
5. 前記シリンダ（５）あたり複数の入口弁（１９．１，１９．２）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
6. 種々の入口弁又はインジェクタ（１９．１，１９．２）から噴射された液状の作業媒体がもっとも温かい作業媒体からもっとも冷たい作業媒体への順序で噴射され、前記前室（１３）又は前記作業室（１１）内に既に存在する作業媒体が次に温度が低い作業媒体の温度に達すると、それぞれ次の作業媒体が噴射される、請求項１から５までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
7. 液状の作業媒体が前記作業室（１１）内に又は前記少なくとも１つの前室（１３）にインジェクタ（１９）の助けを借りて噴射される、請求項１から６までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
8. 液状の作業媒体が噴射過程に際して小滴に噴霧化される、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
9. 作業媒体として水、メタノール、ペンタン及び／又はＲ１３４ａが使用される、請求項１から８までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
10. 前記シリンダ（５）、前記ピストン（３）及び／又は前記少なくとも１つの前室（１３）が内及び／又は外で断熱されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
11. 内側の断熱がテフロン（登録商標）、エナメル及び／又はセラミックから成っている、請求項１０記載のピストン蒸気機関。
12. 前記シリンダ（５）、前記ピストン（３）及び／又は前記少なくとも１つの前室（１３）が加熱可能である、請求項１から１１までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
13. 蒸気弁（２２）が設けられており、該蒸気弁（２２）によって蒸気状の作業媒体が前記作業室から排出される、請求項１から１２までのいずれか１項記載のピストン蒸気機関。
14. 前記出口弁（２１）と前記蒸気弁（２２）とが上死点（ＯＴ）の領域で閉じられており、次いで液状の作業媒体が前記前室（１３）又は前記作業室（１１）内にもたらされ、下死点（ＵＴ）の領域で前記出口弁（２１）が開放される、請求項１３に記載のピストン蒸気機関。

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