JP5169984B2 - Heat 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液相状態の作動媒体を変位させて液相状態の作動媒体の変位を機械的エネルギに変換して出力する熱機関に関する。 The present invention relates to a heat engine that displaces a working medium in a liquid phase by a change in the volume of steam in the working medium, converts the displacement of the working medium in a liquid phase into mechanical energy, and outputs the mechanical energy.
従来、この種の熱機関が特許文献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相状態で封入し、容器の加熱部で液相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相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 heat engine is described in Patent Documents 1 and 2. In the prior art of Patent Documents 1 and 2, the working medium is sealed in a tubular container in a liquid phase state, and a part of the working medium in a liquid phase is heated and vaporized by a heating unit of the container, and the vaporization is performed. The liquid in the liquid phase is displaced as a liquid piston by changing the volume of the vapor in the working medium by cooling the vapor of the working medium in the cooling section of the container and converting it into mechanical energy. And output.
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、液相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、加熱部内で液相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 Patent Document 2, the tubular container is expanded in a disk shape in the heating section. For this reason, when the vapor | steam of a working medium is cooled and liquefied in a cooling part, the working medium of a liquid phase will flow in into the center part of a heating part, and will spread and flow toward the outer peripheral part of a heating part after that. Then, the working medium in the liquid phase is heated in the heating unit and vaporizes again.
この特許文献2の従来技術によると、液相状態の作動媒体が加熱部に流入する際に液相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、液相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 disclosed in Patent Document 2, the liquid-phase working medium collides with the inner wall surface of the heating section when the liquid-phase working medium flows into the heating section. Is stirred and turbulent flow is generated, and the temperature boundary layer near the inner wall surface of the heating unit is destroyed. As a result, the heat exchange efficiency in the heating part can be improved.
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 Patent Documents 1 and 2, since the output is taken out when the working medium is vaporized in the heating unit, the working medium is moved to the cooling unit side without vaporizing in the heating unit. In this case, the working medium only transports the amount of heat given from the heating unit to the cooling unit, and the amount of heat given from the heating unit to the working medium does not contribute to the output, resulting in heat loss. Hereinafter, such heat loss is referred to as heat transport loss.
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 Patent Documents 1 and 2 have a factor that increases heat transport loss. This will be described below.
図9(a)は、本発明者が検討した熱機関(以下、検討例と言う)における加熱部13の温度分布を示すグラフである。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り、検討例における加熱部13近傍部位の概略を図9(b)に示す。図9(a)は、加熱部13の径方向(図9では左右方向)における温度分布を図9(b)に対応して示している。
FIG. 9A is a graph showing the temperature distribution of the
この検討例では、液体ピストン20が加熱部13内に流入することで加熱部13に液相状態の作動媒体(以下、単に液という。)が供給されるようになっている。換言すれば、加熱部13に供給される液と液体ピストン20とが連続体になっている。このため、加熱部13の各部位における液との接触時間は、加熱部13の径方向内側(液の入口側)から径方向外側に向かうにつれて短くなる。
In this examination example, when the
換言すれば、加熱部13の径方向内側部位(中心側部位)ほど液に晒されて液と熱交換する時間が長くなる。このため、図9(a)のように、加熱部13の温度は径方向内側部位ほど低くなる。
In other words, the radially inner portion (center portion) of the
図9(c)は、検討例において、液が加熱部13に入っている時間(以下、液の停留時間と言う。)を加熱部13の径方向の分布で示したグラフである。図9(d)は、検討例において、沸騰することなく熱輸送する液の割合(以下、熱輸送する液の割合と言う。)を加熱部13の径方向の分布で示したグラフである。なお、図9(c)、(d)の横軸の「液体ピストンの位置」とは、液が上死点に達した時(加熱部13に最大に入った時)における液の各部分を示すものである。
FIG. 9C is a graph showing the time during which the liquid enters the heating unit 13 (hereinafter referred to as the liquid retention time) as a radial distribution of the
上述のように、この検討例では、加熱部13に供給される液と液体ピストン20とが連続体になっている。このため、液のうち加熱部13の径方向外側(上死点側)に到達した部分は加熱部13内に入っている時間が長くなるのに対し、液のうち加熱部13の径方向内側(上死点側)までしか到達しなかった部分は加熱部13内に入っている時間が短くなる。したがって、図9(c)のように、液の停留時間は加熱部13の径方向内側ほど短くなる。
As described above, in this examination example, the liquid supplied to the
ここで、加熱部13と液との間の熱交換量は、次の数式で表される。
Here, the heat exchange amount between the
Q=S・h・ΔT・t
但し、Qは熱交換量、Sは伝熱面積、hは熱伝達率、ΔTは加熱部13と液との温度差、tは加熱時間すなわち液の停留時間である。
Q = S · h · ΔT · t
However, Q is a heat exchange amount, S is a heat transfer area, h is a heat transfer coefficient, ΔT is a temperature difference between the
検討例では、図9(a)のように加熱部13は径方向内側部位ほど温度が低くなるので、加熱部13と液との温度差ΔTは加熱部13の径方向内側ほど小さくなる。また、図9(c)のように液の停留時間(加熱時間)tは加熱部13の径方向内側ほど短くなる。
In the examination example, as shown in FIG. 9A, the temperature of the
このため、上記数式から明らかなように、液は、加熱部13の径方向内側部分ほど熱交換量Qが少なくなる。その結果、加熱部13の径方向内側ほど液の気化に必要な熱交換量を充分に確保できなくなるので、図9(d)のように加熱部13の径方向内側ほど、沸騰しきれずに熱輸送する液の割合が大きくなる。換言すれば、液のうち加熱部13の径方向内側までしか到達しなかった部分ほど熱輸送する液の割合が大きくなる。その結果、検討例では熱輸送損失が多くなっている。
For this reason, as is clear from the above mathematical formula, the liquid has a smaller heat exchange amount Q toward the radially inner portion 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 Patent Document 2 described above. Moreover, also in the prior art of the said patent document 1, a heat transport loss will increase for the same reason.
要するに、上記特許文献1、2の従来技術では、加熱部に供給される液と容器内で変位する液体ピストンとが連続体になっているので、液の気化に必要な熱交換量を充分に確保することができなくなってしまい、ひいては熱輸送損失が多くなってしまうのである。 In short, in the conventional techniques of Patent Documents 1 and 2, since the liquid supplied to the heating unit and the liquid piston displaced in the container are a continuous body, a sufficient amount of heat exchange is required for vaporizing the liquid. As a result, it becomes impossible to ensure the heat transport loss.
本発明は上記点に鑑みて、熱輸送損失を低減することを目的とする。 In view of the above points, the present invention aims to reduce heat transport loss.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、作動媒体が液相状態で流動可能に封入された容器(11)を備え、
容器(11)は、
液相状態の作動媒体が液体ピストン(20)として往復変位する液体ピストン変位部(12)と、
液体ピストン変位部(12)の一端部と連通し、液相状態の作動媒体を加熱して作動媒体の蒸気を発生させる加熱部(13)と、
液体ピストン変位部(12)の中間部に形成され、蒸気を冷却して凝縮させる冷却部(14)と、
液体ピストン変位部(12)の他端部と連通し、液体ピストン(20)の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(15)とを有し、
加熱部(13)で発生した蒸気によって液体ピストン(20)が出力部(15)に向かって変位する膨張行程と、蒸気が冷却部(14)で凝縮されて液体ピストン(20)が加熱部(13)に向かって変位する圧縮行程とを交互に行う熱機関であって、
加熱部(13)と連通し、加熱部(13)に供給される液相状態の作動媒体が封入された液供給部(19)と、
液供給部(19)内の液相状態の作動媒体が加熱部(13)に供給されるタイミングである液供給タイミングを調整する調整手段(151、152a、152b、40)とを備え、
調整手段(151、152a、152b、40)は、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン(20)が加熱部(13)に向かって変位するタイミングよりも遅らせるように構成されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a container (11) in which a working medium is encapsulated in a liquid phase so as to be flowable.
The container (11)
A liquid piston displacement portion (12) in which the working medium in a liquid phase is reciprocally displaced as the liquid piston (20);
A heating section (13) that communicates with one end of the liquid piston displacement section (12) and heats the working medium in a liquid phase to generate vapor of the working medium;
A cooling part (14) formed in an intermediate part of the liquid piston displacement part (12) for cooling and condensing the vapor;
An output portion (15) that communicates with the other end of the liquid piston displacement portion (12), converts the displacement of the liquid piston (20) into mechanical energy, and outputs the mechanical energy;
The expansion stroke in which the liquid piston (20) is displaced toward the output section (15) by the steam generated in the heating section (13), and the steam is condensed in the cooling section (14) so that the liquid piston (20) 13) a heat engine that alternately performs a compression stroke displaced toward
A liquid supply unit (19) that communicates with the heating unit (13) and encloses a liquid-phase working medium supplied to the heating unit (13);
Adjusting means (151, 152a, 152b, 40) for adjusting the liquid supply timing, which is the timing at which the liquid phase working medium in the liquid supply section (19) is supplied to the heating section (13),
The adjusting means (151, 152a, 152b, 40) is configured to delay the liquid supply timing with respect to the timing at which the liquid piston (20) is displaced toward the heating section (13) in the compression stroke. And
これによると、加熱部(13)への液相状態の作動媒体の供給を液供給部(19)によって行うので、加熱部(13)に供給される液相状態の作動媒体を液体ピストン変位部(12)内で変位する液体ピストン(20)に対して不連続にすることができる。このため、液相状態の作動媒体の気化に必要な熱交換量を充分に確保す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。 According to this, since the liquid supply state working medium is supplied to the heating section (13) by the liquid supply section (19), the liquid phase working medium supplied to the heating section (13) is used as the liquid piston displacement section. It can be discontinuous with respect to the liquid piston (20) displaced in (12). For this reason, a sufficient amount of heat exchange for vaporizing the liquid-phase working medium can be ensured, and heat transport loss can be reduced.
ここで、液供給部(19)内の液相状態の作動媒体が加熱部(13)に供給されるタイミングである液供給タイミングが、圧縮行程において液体ピストン変位部(12)内の液体ピストン(20)が加熱部(13)に向かって変位するタイミングと同時であると、圧縮行程の初期段階から加熱部(13)で蒸気が発生してしまうので、液体ピストン(20)が加熱部(13)に向かって変位することが妨げられてしまう。 Here, the liquid supply timing, which is the timing at which the liquid phase working medium in the liquid supply section (19) is supplied to the heating section (13), is the liquid piston (in the liquid piston displacement section (12) in the compression stroke). Since the steam is generated in the heating part (13) from the initial stage of the compression stroke when the timing of 20) is displaced toward the heating part (13), the liquid piston (20) is heated in the heating part (13). ) Will be hindered from displacing.
この点に鑑みて、本発明では、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン(20)が加熱部(13)に向かって変位するタイミングよりも遅らせるようにしているので、圧縮行程の初期段階から加熱部(13)で蒸気が発生してしまうことを回避でき、ひいては圧縮行程において液体ピストン(20)を加熱部(13)に向かって良好に変位させることができる。 In view of this point, in the present invention, since the liquid supply timing is delayed from the timing at which the liquid piston (20) is displaced toward the heating unit (13) in the compression stroke, the liquid supply timing is delayed from the initial stage of the compression stroke. It is possible to avoid the generation of steam in the heating part (13), and as a result, the liquid piston (20) can be favorably displaced toward the heating part (13) in the compression stroke.
さらに、請求項1に記載の発明では、液供給部(19)は出力部(15)と連通し、
出力部(15)は、圧縮行程において液供給部(19)内の液相状態の作動媒体を加熱部(13)に向かって変位させるように構成され、
調整手段(151、152a、152b、40)は、液供給部(19)内の液相状態の作動媒体が加熱部(13)に向かって変位するタイミングを調整することで液供給タイミングを調整することを特徴とする。
Furthermore, in the invention according to claim 1 , the liquid supply part (19) communicates with the output part (15),
The output unit (15) is configured to displace the liquid-phase working medium in the liquid supply unit (19) toward the heating unit (13) in the compression stroke,
The adjustment means (151, 152a, 152b, 40) adjust the liquid supply timing by adjusting the timing at which the liquid phase working medium in the liquid supply section (19) is displaced toward the heating section (13). It is characterized by that.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の熱機関において、出力部(15)は、液体ピストン(20)から圧力を受けて変位する固体ピストン(151)と、固体ピストン(151)を摺動可能に支持するシリンダ(152)とを有し、
圧縮行程における固体ピストン(151)の変位方向を圧縮方向としたとき、
シリンダ(152)には、液体ピストン変位部(12)と連通する液体ピストンポート(152a)と、液供給部(19)と連通する液供給ポート(152b)とが開口し、
液体ピストンポート(152a)は、固体ピストン(151)が圧縮方向に変位すると固体ピストン(151)によって閉じられるようにシリンダ(152)の内周面に形成され、
液供給ポート(152b)は、シリンダ(152)のうち液体ピストンポート(152a)よりも圧縮方向側の部位に形成され、
調整手段は、固体ピストン(151)、液体ピストンポート(152a)および液供給ポート(152b)であることを特徴とする。
In the invention described in claim 2, in the heat engine of claim 1, the output unit (15) includes a solid piston (151) to be displaced under the pressure from the liquid piston (20), a solid piston (151) A cylinder (152) that slidably supports
When the direction of displacement of the solid piston (151) in the compression stroke is the compression direction,
In the cylinder (152), a liquid piston port (152a) communicating with the liquid piston displacement part (12) and a liquid supply port (152b) communicating with the liquid supply part (19) are opened,
The liquid piston port (152a) is formed on the inner peripheral surface of the cylinder (152) so as to be closed by the solid piston (151) when the solid piston (151) is displaced in the compression direction,
The liquid supply port (152b) is formed in a portion of the cylinder (152) closer to the compression direction than the liquid piston port (152a),
The adjusting means is a solid piston (151), a liquid piston port (152a), and a liquid supply port (152b).
これによると、弁機構を設けることなく液供給タイミングを調整できるので、調整手段の構成を簡素化できる。 According to this, since the liquid supply timing can be adjusted without providing a valve mechanism, the configuration of the adjusting means can be simplified.
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の熱機関において、固体ピストン(151)は、液体ピストンポート(152a)を開閉するポート開閉ピストン(151a)と、ポート開閉ピストン(151a)と同期して変位して駆動対象機器(1)に連結される駆動ピストン(151b)とに分離された構成になっていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the heat engine according to the second aspect , the solid piston (151) includes a port open / close piston (151a) for opening and closing the liquid piston port (152a), a port open / close piston (151a), It is characterized by being separated into a drive piston (151b) that is displaced synchronously and connected to the drive target device (1).
これにより、出力部(15)の設計の自由度を向上することができる。例えばシリンダ(152)内に油水分離膜(31)を配置することが可能になる。 Thereby, the freedom degree of design of an output part (15) can be improved. For example, the oil / water separation membrane (31) can be disposed in the cylinder (152).
請求項4に記載の発明では、請求項3に記載の熱機関において、シリンダ(152)には、ポート開閉ピストン(151a)のストローク量を規制するストッパー(30)が設けられていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the heat engine according to the third aspect , the cylinder (152) is provided with a stopper (30) for regulating a stroke amount of the port opening / closing piston (151a). And
請求項5に記載の発明では、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の熱機関において、液供給部(19)には、出力部(15)側の圧力と加熱部(13)側の圧力との差が所定圧力以上になった時に開く一方向弁(191)が設けられていることを特徴とする。 In the invention described in claim 5, in a heat engine according to any one of claims 1 to 4, the liquid supply unit (19), the output section (15) side pressure and the heating unit (13) side of the A one-way valve (191) is provided that opens when the difference from the pressure becomes equal to or greater than a predetermined pressure.
これにより、液体ピストン変位部(12)内の液体ピストン(20)が加熱部(13)に向かって変位しているときに液供給部(19)内の液相状態の作動媒体が加熱部(13)に向かって変位することを抑制できるので、液供給タイミングを確実に調整することができる。 Thereby, when the liquid piston (20) in the liquid piston displacement part (12) is displaced toward the heating part (13), the working medium in the liquid phase in the liquid supply part (19) becomes the heating part ( Since the displacement toward 13) can be suppressed, the liquid supply timing can be reliably adjusted.
請求項6に記載の発明では、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の熱機関において、液供給部(19)の流路抵抗は、液体ピストン変位部(12)の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする。 The invention according to claim 6, in a heat engine according to any one of claims 1 to 4, the flow path resistance of the liquid supply portion (19), than the flow path resistance of the liquid piston displacement portion (12) It is also characterized by being larger.
これにより、液体ピストン変位部(12)内の液体ピストン(20)が加熱部(13)に向かって変位しているときに液供給部(19)内の液相状態の作動媒体が加熱部(13)に向かって変位することを抑制できるので、液供給タイミングをより確実に調整することができる。 Thereby, when the liquid piston (20) in the liquid piston displacement part (12) is displaced toward the heating part (13), the working medium in the liquid phase in the liquid supply part (19) becomes the heating part ( Since the displacement toward 13) can be suppressed, the liquid supply timing can be adjusted more reliably.
請求項7に記載の発明では、請求項6に記載の熱機関において、液供給部(19)の流路の平均断面積が液体ピストン変位部(12)の流路の平均断面積よりも小さく設定されていることによって、液供給部(19)の流路抵抗が液体ピストン変位部(12)の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする。 In the invention according to claim 7 , in the heat engine according to claim 6 , the average cross-sectional area of the flow path of the liquid supply part (19) is smaller than the average cross-sectional area of the flow path of the liquid piston displacement part (12). By being set, the flow path resistance of the liquid supply part (19) is larger than the flow path resistance of the liquid piston displacement part (12).
請求項8に記載の発明では、請求項6に記載の熱機関において、液供給部(19)に絞り部(192)が設けられていることによって、液供給部(19)の流路抵抗が液体ピストン変位部(12)の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする。 In the invention according to claim 8 , in the heat engine according to claim 6 , the flow resistance of the liquid supply section (19) is reduced by providing the liquid supply section (19) with the throttle section (192). It is characterized by being larger than the flow path resistance of the liquid piston displacement part (12).
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は本発明に係る熱機関10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
熱機関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、発電装置等の駆動対象機器1を駆動する駆動源として用いられる。
The
熱機関10は、作動媒体が液相状態で流動可能に封入された容器11を備えている。本実施形態では作動媒体として水を用いている。以下、液相状態の作動媒体を単に液という。
The
容器11は、液が往復変位する液体ピストン変位部12と、液体ピストン変位部12の一端部と連通する加熱部13と、液体ピストン変位部12の中間部に形成される冷却部14と、液体ピストン変位部12の他端部と連通する出力部15とに大別される。以下では、液体ピストン変位部12で変位する液を液体ピストン20という。
The
本例では、液体ピストン変位部12の一端側部位が複数本(図1の例では4本)に分岐され、加熱部13および冷却部14が複数個(図1の例では4個)形成されている。
In this example, one end side portion of the liquid
加熱部13は、液を加熱して作動媒体の蒸気(以下、単に蒸気という。)21を発生させる。これにより、液体ピストン変位部12内の液体ピストン20を出力部15に向かって変位させる。
The
本例では、加熱部13の熱源として排気ガス等の高温ガスを用いている。具体的には、容器11の一端部が、高温ガスの流れ中に配置される加熱器16で構成されており、加熱器16の内部に加熱部13が形成されている。加熱器16が高温ガスで加熱されることによって加熱部13内の液が加熱されることとなる。
In this example, a high-temperature gas such as exhaust gas is used as the heat source of the
また、本例では、加熱部13は水平方向に拡がる円盤形状を有しており、加熱部13の中心部に液体ピストン変位部12が接続されている。
In this example, the
加熱器16内部において各加熱部13の上方側には、各加熱部13と連通して各加熱部13で発生した蒸気21を溜める蒸気溜め部17が形成されている。
Inside the
冷却部14は、加熱部13で発生した蒸気21を冷却して凝縮させる。本例では、容器11のうち冷却部14を形成する部位が、冷却器18内に挿入されている。冷却器18に冷却水が循環するようになっており、冷却水の循環回路中には、冷却水が蒸気21から奪った熱を放熱する放熱器(図示せず)が配置されている。
The cooling
出力部15は、液体ピストン変位部12内の液体ピストン20の変位を機械的エネルギに変換して出力する。出力部15は、いわゆるレシプロ型に構成されており、液体ピストン20から圧力を受けて変位する固体ピストン151と、固体ピストン151を摺動可能に支持するシリンダ152とを有している。
The
固体ピストン151は駆動対象機器1に連結されている。また、固体ピストン151には、フライホイール等の慣性力発生部材(図示せず)が連結されている。
The
加熱部13にて蒸気21が発生して液体ピストン変位部12内の液体ピストン20が出力部15に向かって変位すると固体ピストン151は液体ピストン20によって押し出されて図1の上方に向かって変位する。このときの固体ピストン151の変位方向を、以下、膨張方向という。
When the
加熱部13で発生した蒸気21が冷却部14に進入して凝縮すると、固体ピストン151は慣性力発生部材(図示せず)の慣性力によって図1の下方に向かって変位する。このときの固体ピストン151の変位方向を、以下、圧縮方向という。
When the
シリンダ152の内周面には、液体ピストン変位部12と連通する液体ピストンポート152aが開口している。液体ピストンポート152aは、固体ピストン151が圧縮方向に変位すると固体ピストン151によって閉じられる。
A
本例では、液体ピストンポート152aが複数個(図1の例では2個)形成されているので、液体ピストン変位部12のうち出力部15側の端部が、液体ピストンポート152aと同数の複数本に分岐している。
In this example, since a plurality of
シリンダ152のうち液体ピストンポート152aよりも圧縮方向側の部位には、液供給部19の一端部と連通する液供給ポート152bが開口している。本例では、液供給ポート152bは、シリンダ152のうち圧縮方向側の端面(図1の下端面)に形成されている。
A
液供給部19は加熱部13に液を供給する役割を果たす。具体的には、液供給部19は、液が流動可能に封入された管状部材で構成されており、液供給部19に封入された液の一部が加熱部13に供給される。
The
液供給部19の他端側部位(液供給ポート152bと反対側の部位)は、複数個の加熱部13と同数の複数本に分岐して各加熱部13の非中心部と連通している。
The other end portion of the liquid supply unit 19 (the portion opposite to the
液供給部19には、シリンダ152側の圧力と加熱部13側の圧力との差が所定圧力以上になった時に開く一方向弁191が設けられている。
The
なお、本例では、作動媒体12を水としていることから、容器11および液供給部19を基本的にステンレス製としているが、加熱器16は、熱伝導率に優れた銅で形成されている。また、容器11のうち冷却器18と接触する冷却部14を熱伝導率に優れた銅またはアルミニウムで形成してもよい。
In this example, since the working
次に、上記構成における作動を図2〜図5に基づいて説明する。図2〜図5では、理解を容易にするために、加熱部13を1つのみ図示している。
Next, the operation in the above configuration will be described with reference to FIGS. In FIG. 2 to FIG. 5, only one
図2→図3→図4は、加熱部13で発生した蒸気21が冷却部14で凝縮されて液体ピストン変位部12内の液体ピストン20が加熱部13に向かって変位する圧縮行程を示している。また、図4→図5→図2は、加熱部13で蒸気21が発生して液体ピストン変位部12内の液体ピストン20が出力部15に向かって変位する膨張行程を示している。
FIG. 2 → FIG. 3 → FIG. 4 show a compression process in which the
また、図2は固体ピストン151が最上端(上死点)にきた状態を示し、図4は固体ピストン151が最下端(下死点)にきた状態を示している。
2 shows a state in which the
図2の状態では、加熱部13で発生した高温・高圧の蒸気21によって液体ピストン変位部12内の液体ピストン20が固体ピストン151側に押し出され、これにより固体ピストン151が上死点まで押し上げられている。
In the state of FIG. 2, the
このとき、液体ピストン20の液面20aが冷却部14まで下がり、蒸気21が冷却部14に進入しているので、冷却部14にて蒸気21が冷却されて凝縮する。
At this time, since the
これにより、液体ピストン20を固体ピストン151側へ押し出す力が消滅するので、固体ピストン151は慣性力発生部材(図示せず)の慣性力によって圧縮方向側へ下降する。
As a result, the force that pushes the
固体ピストン151が圧縮方向側へ下降すると、図2の矢印A1のようにシリンダ152内の液が液体ピストンポート152aを通じて液体ピストン変位部12へ押し出される。これにより、液体ピストン変位部12内の液体ピストン20が加熱部13側へ変位する。
When the
このとき、シリンダ152内の圧力はほとんど上昇しないので、一方向弁191は閉じられている。このため、シリンダ152内の液は液供給部19に流入しない。
At this time, since the pressure in the
図2の矢印A1に示すシリンダ152内の液の液体ピストン変位部12への流入は、図3のように固体ピストン151が液体ピストンポート152aを閉塞する位置に下降するまで行われる。すなわち、固体ピストン151が液体ピストンポート152aを閉塞すると、シリンダ152内の液が液体ピストン変位部12へ押し出されなくなる。
The flow of the liquid in the
因みに、図2のシリンダ152内の破線ハッチング領域Vaは、固体ピストン151が図2に示す上死点から図3に示す液体ピストンポート152aの閉塞位置まで変位することによってシリンダ152から排除される液の体積を示している。
Incidentally, the broken-line hatched area Va in the
シリンダ152から体積Vaの液が液体ピストン変位部12に流入することにより、図3のように液体ピストン変位部12内の液体ピストン20の液面20aが加熱部13の直ぐ下方まで到達する。
When the liquid of volume Va flows from the
固体ピストン151が図3に示す液体ピストンポート152aの閉塞位置からさらに圧縮方向側へ下降すると、シリンダ152内の圧力が上昇するので、図4のように一方向弁191が開き、図4の矢印A2のようにシリンダ152内の液が液供給ポート152bを通じて液供給部19へ押し出される。
When the
因みに、図2のシリンダ152内の破線ハッチング領域Vbは、固体ピストン151が図3に示す液体ピストンポート152aの閉塞位置から図4に示す下死点まで変位することによってシリンダ152から排除される液の体積を示している。
Incidentally, the broken-line hatched area Vb in the
シリンダ152から体積Vbの液が液供給部19に流入することにより、液供給部19内の液が加熱部13側に押し出されて図4の矢印A3のように加熱部13に供給される。
When the liquid of volume Vb flows from the
シリンダ152から液供給部19に流入する液の体積Vbはシリンダ152から液体ピストン変位部12に流入する液の体積Vaと比較してかなり小さく設定されている(Va≫Vb)。本例では、体積Vaと体積Vbとの比(Va:Vb)は50:1程度に設定されている。
The volume Vb of the liquid flowing from the
図4の矢印A3のように液供給部19から加熱部13に供給された液は、加熱部13にて加熱されて気化し、これにより加熱部13内に高温・高圧の蒸気21が蓄積される。
The liquid supplied from the
これと並行して、固体ピストン151は、慣性力発生部材(図示せず)の慣性力によって図4に示す下死点から図5に示す位置、すなわち液体ピストンポート152aを開く位置まで上昇する。
In parallel with this, the
このため、加熱部13内に蓄積された高温・高圧の蒸気21が液体ピストン変位部12内の液体ピストン20を固体ピストン151側へ押し出し、これにより図5の矢印A4のようにシリンダ152内に液体ピストン20が流入する。このため、液体ピストン20が固体ピストン151を膨張方向側に押し上げる。このとき、一方向弁191は閉じられているので、加熱部13内の蒸気21は液供給部19にほとんど流入しない。
For this reason, the high-temperature / high-
そして、固体ピストン151が上死点に到達すると再び図2の状態になる。このように図2→図3→図4→図5→図2の動作が繰り返し行われることで膨張行程と圧縮行程とが交互に行われ、その間、液体ピストン変位部12内の液体ピストン20が周期的に変位(いわゆる自励振動)して、出力部15の固体ピストン151を往復変位させることになる。
When the
本実施形態によると、加熱部13への液の供給を液供給部19によって行うので、加熱部13に供給される液を液体ピストン変位部12内で変位する液体ピストン20に対して不連続にすることができる。このため、液の気化に必要な熱交換量を充分に確保す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。
According to this embodiment, since the
ここで、液供給部19内の液が加熱部13に供給されるタイミングである液供給タイミングが、圧縮行程において液体ピストン変位部12内の液体ピストン20が加熱部13に向かって変位するタイミングと同時であると、圧縮行程の初期段階から加熱部13で蒸気が発生してしまうので、液体ピストン20が加熱部13に向かって変位することが妨げられてしまう。
Here, the liquid supply timing which is the timing at which the liquid in the
この点に鑑みて、本実施形態では、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン20が加熱部13に向かって変位するタイミングよりも遅らせるようにしている。
In view of this point, in the present embodiment, the liquid supply timing is delayed from the timing at which the
具体的には、シリンダ152に液体ピストンポート152aおよび液供給ポート152bを形成し、液体ピストンポート152aを固体ピストン151によって開閉するように構成することによって、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン20が加熱部13に向かって変位するタイミングよりも遅らせるようにしている。
Specifically, the
換言すれば、固体ピストン151、液体ピストンポート152aおよび液供給ポート152bは、液供給タイミングを調整する調整手段を構成している。
In other words, the
このため、圧縮行程の初期段階から加熱部13で蒸気が発生してしまうことを回避できるので、圧縮行程において液体ピストン20を加熱部13に向かって良好に変位させることができる。
For this reason, since it is possible to avoid generation of steam in the
さらに、本実施形態では、液供給部19に一方向弁191を設けているので、液体ピストンポート152aが開いているときにシリンダ152内の液が液供給部19に流入することを抑制できる。このため、液供給タイミングを確実に調整することができる。
Furthermore, in this embodiment, since the one-
なお、本実施形態の変形例として、一方弁191を廃止し、その代わりに、液供給部19の流路抵抗を容器11の流路抵抗よりも大きくしてもよい。これによると、液供給部19の流路抵抗を容器11の流路抵抗よりも大きくすることによって、液体ピストンポート152aが開いているときにシリンダ152内の液が液供給部19に流入することを抑制できるので、一方弁191と同様の作用効果を得ることができる。
As a modification of the present embodiment, the one-
ここで、液供給部19の流路抵抗を液体ピストン変位部12の流路抵抗よりも大きくする流路構造の一構成例を挙げると、液供給部19の流路の平均断面積を液体ピストン変位部12の流路の平均断面積よりも小さく設定することよって、液供給部19の流路抵抗を容器11の流路抵抗よりも大きくすることができる。
Here, when one configuration example of the flow path structure in which the flow path resistance of the
例えば、液供給部19および液体ピストン変位部12の流路断面形状が円形である場合には、液供給部19の流路の平均流路径を液体ピストン変位部12の流路の平均流路径よりも小さく設定すればよい。
For example, when the channel cross-sectional shapes of the
また、図6は当該流路構造の他の構成例を示すものである。すなわち、液供給部19にオリフィス等の絞り部192を設けることによって、液供給部19の流路抵抗を液体ピストン変位部12の流路抵抗よりも大きくしてもよい。
FIG. 6 shows another configuration example of the channel structure. That is, the flow path resistance of the
(第2実施形態)
本第2実施形態は、図7に示すように、固体ピストン151がポート開閉ピストン151aと駆動ピストン151bとに分離された構成になっている。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, as shown in FIG. 7, the
ポート開閉ピストン151aは、液体ピストンポート152aを開閉する役割を果たす。駆動ピストン151bは、駆動対象機器1に連結されるものであり、ポート開閉ピストン151aと同期して変位するようになっている。
The port opening /
シリンダ152には、ポート開閉ピストン151aのストローク量を規制するストッパー30が設けられている。図7の例では、ストッパー30はポート開閉ピストン151aの上死点を規制するようになっている。
The
シリンダ152内においてポート開閉ピストン151aと駆動ピストン151bとの間には、ダイアフラム31が配置されている。シリンダ152内においてダイアフラム31よりも駆動ピストン151b側には、駆動ピストン151bを潤滑する油32が封入されている。すなわち、ダイアフラム31は、シリンダ152内において液と油32とを分離する油水分離膜としての役割を果たす。
In the
このように、固体ピストン151をポート開閉ピストン151aと駆動ピストン151bとに分離することによって、出力部15の設計の自由度を向上することができる。
Thus, by separating the
因みに、本実施形態では、上記第1実施形態の変形例と同様に、一方弁191を廃止し、その代わりに、液供給部19の流路抵抗を容器11の流路抵抗よりも大きくしている。
Incidentally, in this embodiment, like the modified example of the first embodiment, the one-
(第3実施形態)
上記第2実施形態では、液供給タイミングを調整する調整手段が固体ピストン151、液体ピストンポート152aおよび液供給ポート152bで構成されているが、本第3実施形態では、図8に示すように、液供給タイミングを調整する調整手段が、液体ピストン変位部12および液供給部19を所定のタイミングで開閉する弁機構40で構成されている。
(Third embodiment)
In the second embodiment, the adjusting means for adjusting the liquid supply timing is configured by the
具体的には、液供給部19のうち加熱部13と反対側の端部が液体ピストン変位部12の中間部に接続され、液体ピストン変位部12と液供給部19との接続部に弁機構40が配置されている。また、液体ピストンポート152aがシリンダ152の端面(図4の下端面)に形成され、液供給ポート152bが廃止されている。
Specifically, an end of the
弁機構40としては、例えば2つの電磁弁を用いることができる。また、弁機構40として、三方向電磁弁を用いてもよい。
As the
出力部15には、駆動ピストン151bの位置を検出するセンサ41が設けられている。センサ41の検出信号は制御装置42に入力される。制御装置42は、センサ41によって検出された駆動ピストン151bの位置に応じて弁機構40を制御する。
The
具体的には、液体ピストン変位部12の開閉タイミングを上記第2実施形態における液体ピストンポート152aの開閉タイミングと同じにし、液供給部19の開閉タイミングを上記第2実施形態における液体ピストンポート152aの開閉タイミングと同じにすればよい。
Specifically, the opening / closing timing of the liquid
これにより、圧縮行程における液体ピストン変位部12内の液体ピストン20の変位タイミング、および液供給部19内の液の変位タイミングを、上記第2実施形態と同じにすることができる。
Thereby, the displacement timing of the
本実施形態によると、圧縮行程の初期段階で液供給部19を閉じ、圧縮行程の途中で液供給部19を開くことができるので、液供給タイミングを確実に調整することができる。
According to this embodiment, the
なお、弁機構40は、必ずしも液体ピストン変位部12および液供給部19の両方を開閉する必要はなく、液供給部19のみを開閉するようになっていてもよい。この場合には、弁機構40が液供給部19を開いたときに液供給部19に液が流入しやすくなるように、液供給部19の流路抵抗を比較的小さくしておくのが好ましい。
The
(他の実施形態)
なお、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)
In addition, said each embodiment is only what showed an example of the planar shape of the internal space of the heating part 11a, It is not limited to this, The planar shape of the internal space of the heating part 11a can be variously changed. .
また、上記各実施形態では、出力部15がいわゆるレシプロ型に構成されているが、出力部15は、圧縮行程において液供給部19内の液を加熱部13に向かって変位させるように構成されたものであればよく、例えば出力部15をいわゆるロータリー型に構成してもよい。
In each of the above embodiments, the
11 容器
12 液体ピストン変位部
13 加熱部
14 冷却部
15 出力部
19 液供給部
20 液体ピストン
151 固体ピストン(調整手段)
152a 液体ピストンポート(調整手段)
152b 液供給ポート(調整手段)
DESCRIPTION OF
152a Liquid piston port (adjustment means)
152b Liquid supply port (adjustment means)
Claims (8)
前記容器(11)は、
液相状態の前記作動媒体が液体ピストン(20)として往復変位する液体ピストン変位部(12)と、
前記液体ピストン変位部(12)の一端部と連通し、液相状態の前記作動媒体を加熱して前記作動媒体の蒸気を発生させる加熱部(13)と、
前記液体ピストン変位部(12)の中間部に形成され、前記蒸気を冷却して凝縮させる冷却部(14)と、
前記液体ピストン変位部(12)の他端部と連通し、前記液体ピストン(20)の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(15)とを有し、
前記加熱部(13)で発生した前記蒸気によって前記液体ピストン(20)が前記出力部(15)に向かって変位する膨張行程と、前記蒸気が前記冷却部(14)で凝縮されて前記液体ピストン(20)が前記加熱部(13)に向かって変位する圧縮行程とを交互に行う熱機関であって、
前記加熱部(13)と連通し、前記加熱部(13)に供給される液相状態の前記作動媒体が封入された液供給部(19)と、
前記液供給部(19)内の液相状態の前記作動媒体が前記加熱部(13)に供給されるタイミングである液供給タイミングを調整する調整手段(151、152a、152b、40)とを備え、
前記調整手段(151、152a、152b、40)は、前記液供給タイミングを、前記圧縮行程において前記液体ピストン(20)が前記加熱部(13)に向かって変位するタイミングよりも遅らせるように構成されており、
前記液供給部(19)は前記出力部(15)と連通し、
前記出力部(15)は、前記圧縮行程において前記液供給部(19)内の液相状態の前記作動媒体を前記加熱部(13)に向かって変位させるように構成され、
前記調整手段(151、152a、152b、40)は、前記液供給部(19)内の液相状態の前記作動媒体が前記加熱部(13)に向かって変位するタイミングを調整することで前記液供給タイミングを調整することを特徴とする熱機関。 A container (11) in which a working medium is encapsulated so as to be flowable in a liquid phase;
The container (11)
A liquid piston displacement section (12) in which the working medium in a liquid phase is reciprocally displaced as a liquid piston (20);
A heating section (13) that communicates with one end of the liquid piston displacement section (12) and heats the working medium in a liquid phase to generate vapor of the working medium;
A cooling part (14) formed in an intermediate part of the liquid piston displacement part (12) for cooling and condensing the vapor;
An output section (15) that communicates with the other end of the liquid piston displacement section (12), converts the displacement of the liquid piston (20) into mechanical energy, and outputs the mechanical energy;
An expansion stroke in which the liquid piston (20) is displaced toward the output section (15) by the steam generated in the heating section (13), and the steam is condensed in the cooling section (14) to form the liquid piston. (20) is a heat engine that alternately performs a compression stroke that is displaced toward the heating section (13),
A liquid supply unit (19) in communication with the heating unit (13) and encapsulating the working medium in a liquid phase supplied to the heating unit (13);
Adjusting means (151, 152a, 152b, 40) for adjusting the liquid supply timing, which is the timing at which the liquid phase working medium in the liquid supply section (19) is supplied to the heating section (13). ,
The adjusting means (151, 152a, 152b, 40) is configured to delay the liquid supply timing from the timing at which the liquid piston (20) is displaced toward the heating unit (13) in the compression stroke. and,
The liquid supply part (19) communicates with the output part (15),
The output section (15) is configured to displace the working medium in a liquid phase in the liquid supply section (19) toward the heating section (13) in the compression stroke,
The adjusting means (151, 152a, 152b, 40) adjusts the timing at which the working medium in the liquid phase in the liquid supply section (19) is displaced toward the heating section (13). A heat engine characterized by adjusting supply timing .
前記圧縮行程における前記固体ピストン(151)の変位方向を圧縮方向としたとき、
前記シリンダ(152)には、前記液体ピストン変位部(12)と連通する液体ピストンポート(152a)と、前記液供給部(19)と連通する液供給ポート(152b)とが開口し、
前記液体ピストンポート(152a)は、前記固体ピストン(151)が前記圧縮方向に変位すると前記固体ピストン(151)によって閉じられるように前記シリンダ(152)の内周面に形成され、
前記液供給ポート(152b)は、前記シリンダ(152)のうち前記液体ピストンポート(152a)よりも前記圧縮方向側の部位に形成され、
前記調整手段は、前記固体ピストン(151)、前記液体ピストンポート(152a)および前記液供給ポート(152b)であることを特徴とする請求項1に記載の熱機関。 The output unit (15) includes a solid piston (151) that is displaced by receiving pressure from the liquid piston (20), and a cylinder (152) that slidably supports the solid piston (151).
When the direction of displacement of the solid piston (151) in the compression stroke is the compression direction,
The cylinder (152) has a liquid piston port (152a) communicating with the liquid piston displacement part (12) and a liquid supply port (152b) communicating with the liquid supply part (19).
The liquid piston port (152a) is formed on an inner peripheral surface of the cylinder (152) so as to be closed by the solid piston (151) when the solid piston (151) is displaced in the compression direction.
The liquid supply port (152b) is formed in a portion of the cylinder (152) closer to the compression direction than the liquid piston port (152a),
The heat engine according to claim 1 , wherein the adjusting means are the solid piston (151), the liquid piston port (152a), and the liquid supply port (152b).
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