JP6339731B1 - Reciprocating steam engine - Google Patents
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Abstract
【課題】 作動流体を効率的に加熱して蒸気化する。【解決手段】レシプロ式蒸気機関は、シリンダの膨張室を拡張、収縮させることによりピストンを往復運動させるレシプロ式蒸気機関において、前記膨張室に対して作動流体を噴射する噴射部と、前記膨張室に噴射される前の前記作動流体を前記噴射部において加熱する第1加熱部と、を備え、前記膨張室に噴射された前記作動流体が蒸気化して体積が膨張することにより前記膨張室が拡張される、ことを特徴とする。【選択図】図3PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently heat and vaporize a working fluid. A reciprocating steam engine is a reciprocating steam engine that reciprocates a piston by expanding and contracting an expansion chamber of a cylinder. A first heating unit that heats the working fluid before being jetted in the jetting unit, and the expansion chamber expands as the working fluid jetted into the expansion chamber vaporizes and expands in volume. It is characterized by that. [Selection] Figure 3
Description
本発明は、例えば、水等の作動流体をシリンダ内にて蒸気化させてピストンを往復運動させるレシプロ式蒸気機関に関する。 The present invention relates to a reciprocating steam engine that reciprocates a piston by evaporating a working fluid such as water in a cylinder.
従来、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等に代表される内燃機関はもとより、蒸気タービン等の外燃機関であってもその熱源は化石燃料に依存している。地球資源の保護や排気による大気汚染等を考慮した場合、化石燃料の使用は減少させてゆくことが望ましい。 Conventionally, not only internal combustion engines such as gasoline engines and diesel engines but also external combustion engines such as steam turbines, the heat source depends on fossil fuels. It is desirable to reduce the use of fossil fuels in consideration of protection of earth resources and air pollution due to exhaust.
このため、 内燃機関のシリンダ内にて化石燃料を燃焼させてその体積膨張エネルギを利用する代わりに、シリンダ内にて水等の作動流体を蒸気化させてその体積膨張エネルギを利用する様々な発明が提案されている。 For this reason, instead of burning the fossil fuel in the cylinder of the internal combustion engine and utilizing the volume expansion energy, various inventions that vaporize the working fluid such as water and utilize the volume expansion energy in the cylinder. Has been proposed.
例えば、特許文献1には、シリンダの膨張室に水を噴射する噴射器に対して水を供給する出力管を加熱コイルまたは素子により加熱すること、膨張室にはグロープラグ等の加熱器を設けること等が開示されている。
For example, in
上述した特許文献1のように、化石燃料の代わりに水等の作動流体を用いる場合であっても、作動流体を蒸気化するには加熱する必要があり、加熱のためには化石燃料等に基づくエネルギを要することになる。したがって、水等の作動流体を蒸気化させてその体積膨張エネルギを利用するに際しては、いかにして作動流体を効率的に加熱して蒸気化させるかが重要な課題となる。
Even when a working fluid such as water is used instead of fossil fuel as in
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、作動流体を効率的に加熱して蒸気化できるようにすることを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a condition, and it aims at enabling it to heat and evaporate a working fluid efficiently.
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係るレシプロ式蒸気機関は、シリンダの膨張室を拡張、収縮させることによりピストンを往復運動させるレシプロ式蒸気機関において、前記膨張室に対して作動流体を噴射する噴射部と、前記膨張室に噴射される前の前記作動流体を前記噴射部において加熱する第1加熱部と、を備え、前記膨張室に噴射された前記作動流体が蒸気化して体積が膨張することにより前記膨張室が拡張される、ことを特徴とする。 The present application includes a plurality of means for solving at least a part of the above-described problems. Examples of such means are as follows. In order to solve the above problem, a reciprocating steam engine according to an aspect of the present invention is a reciprocating steam engine in which a piston reciprocates by expanding and contracting an expansion chamber of a cylinder. And a first heating unit that heats the working fluid before being injected into the expansion chamber in the injection unit, and the working fluid injected into the expansion chamber is vaporized to have a volume. The expansion chamber is expanded by expanding.
本発明の他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記膨張室に噴射された前記作動流体を前記膨張室内にて加熱する第2加熱部と、を備えることができる。 The reciprocating steam engine according to another aspect of the present invention may include a second heating unit that heats the working fluid injected into the expansion chamber in the expansion chamber.
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記作動流体を高圧化して前記噴射部に供給する高圧化部と、を備えることができる。 The reciprocating steam engine according to still another aspect of the present invention may include a high pressure unit that increases the pressure of the working fluid and supplies the working fluid to the injection unit.
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記シリンダの前記膨張室が収縮したときに前記膨張室を負圧にする負圧部と、を備えることができる。 The reciprocating steam engine according to still another aspect of the present invention may include a negative pressure section that makes the expansion chamber have a negative pressure when the expansion chamber of the cylinder contracts.
前記負圧部は、真空ポンプによって前記膨張室内の気体を吸引することにより前記膨張室を負圧にすることができる。 The negative pressure part can make the expansion chamber have a negative pressure by sucking the gas in the expansion chamber with a vacuum pump.
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、複数のシリンダを有することができ、前記負圧部は、第1のシリンダの前記膨張室と連結された状態の前記第1のシリンダとは異なる第2のシリンダの膨張室を拡張することにより、前記第1のシリンダの前記膨張室を負圧にすることができる。 The reciprocating steam engine according to still another aspect of the present invention may have a plurality of cylinders, and the negative pressure portion is connected to the first cylinder in a state of being connected to the expansion chamber of the first cylinder. By expanding the expansion chambers of the different second cylinders, the expansion chamber of the first cylinder can be set to a negative pressure.
前記負圧部は、前記シリンダからの排気を用いて前記膨張室を負圧にすることができる。 The negative pressure part can make the expansion chamber into a negative pressure using exhaust from the cylinder.
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記シリンダからの排気を用いて発電を行う発電部と、を備えることができる。 A reciprocating steam engine according to still another aspect of the present invention may include a power generation unit that generates power using exhaust from the cylinder.
本発明のさらに他の態様に係るレシプロ式蒸気機関は、前記シリンダからの排気を用いて前記作動流体を加熱する第3加熱部と、を備えることができる。 The reciprocating steam engine according to still another aspect of the present invention can include a third heating unit that heats the working fluid using exhaust from the cylinder.
前記作動流体は、水、空気、二酸化炭素、アンモニア、アルコール、ペンタン、または代替フロンとすることができる。 The working fluid may be water, air, carbon dioxide, ammonia, alcohol, pentane, or alternative chlorofluorocarbon.
本発明によれば、作動流体を効率的に加熱して蒸気化することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, the working fluid can be efficiently heated and vaporized. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、本発明に係る複数の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。 Hereinafter, a plurality of embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and clearly considered essential in principle. Needless to say. In addition, when referring to “consisting of A”, “consisting of A”, “having A”, and “including A”, other elements are excluded unless specifically indicated that only that element is included. It goes without saying that it is not what you do. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included.
はじめに、作動流体の一例である水の特性について説明する。なお、本発明に係る各実施の形態で用いる作動流体は水に限られず、空気、二酸化炭素、アンモニア、アルコール、ペンタン、または代替フロン等の可燃性、非可燃性の液体、気体等であってもよい。なお、作動流体を選択するに際しては、蒸発熱の低い物質の方がより効率が良いが、排気が地球環境や人体への健康等に与え得る影響も考慮すべきである。 First, characteristics of water that is an example of a working fluid will be described. The working fluid used in each embodiment according to the present invention is not limited to water, and is flammable, non-flammable liquid, gas, etc., such as air, carbon dioxide, ammonia, alcohol, pentane, or alternative chlorofluorocarbon. Also good. In selecting a working fluid, a substance with low evaporation heat is more efficient, but the influence of exhaust on the global environment and human health should also be considered.
図1は、作動流体の一例である水の第1の相図を示している。該第1の相図は、温度と圧力と水の相(固相(固体)、液相(液体)、または気相(気体))との関係を示しており、横軸が温度(℃)、縦軸が圧力(atm)を示している。 FIG. 1 shows a first phase diagram of water, which is an example of a working fluid. The first phase diagram shows the relationship between temperature, pressure, and water phase (solid phase (solid), liquid phase (liquid), or gas phase (gas)), and the horizontal axis is temperature (° C.). The vertical axis indicates the pressure (atm).
図2は、作動流体の一例である水の第2の相図を示している。該第2の相図は、熱量(エンタルピ)と温度と水の相との関係を示しており、横軸が熱量(KJ/Kg)、縦軸が温度(℃)を示している。 FIG. 2 shows a second phase diagram of water, which is an example of a working fluid. The second phase diagram shows the relationship between the amount of heat (enthalpy), the temperature and the phase of water, the horizontal axis shows the amount of heat (KJ / Kg), and the vertical axis shows the temperature (° C.).
一般に、水は100℃で蒸気化する(液相から気相に遷移する)とされている。しかしながら厳密には、図1に示されるように、水が100℃で蒸気化するのは、圧力が1.0atm以下の場合であり、圧力が1.0atmよりも高い場合、水は100℃まで加熱しても蒸気化しない(液相から気相に遷移しない)。反対に、圧力が1.0atm以下である場合、水は100℃以下の温度でも蒸気化する。 Generally, water is vaporized at 100 ° C. (transition from a liquid phase to a gas phase). However, strictly speaking, as shown in FIG. 1, the water vaporizes at 100 ° C. when the pressure is 1.0 atm or less, and when the pressure is higher than 1.0 atm, the water reaches 100 ° C. Does not evaporate even when heated (does not transition from liquid phase to gas phase). On the contrary, when the pressure is 1.0 atm or less, the water is vaporized even at a temperature of 100 ° C. or less.
よって、水を蒸気化する場合、圧力をより下げれば、より蒸気化し易くすることができると言える。 Therefore, when water is vaporized, it can be said that vaporization can be facilitated by lowering the pressure.
また、一般に、物質の相を遷移させる場合には潜熱が必要であり、特に水の潜熱は大きいことが知られている。具体的には、図2に示されるように、水を液相から気相に遷移させるには、2258KJ/Kgの潜熱が必要とされる。 In general, it is known that latent heat is required to change the phase of a substance, and in particular, the latent heat of water is large. Specifically, as shown in FIG. 2, a latent heat of 2258 KJ / Kg is required to make water transition from the liquid phase to the gas phase.
よって、水を蒸気化する場合、潜熱を越える熱量を与える必要があり、潜熱を越える十分な熱量を与えれば、より蒸気化し易くすることができると言える。 Therefore, when water is vaporized, it is necessary to give a heat amount that exceeds the latent heat, and it can be said that vaporization can be facilitated if a sufficient heat amount that exceeds the latent heat is given.
したがって、以下に説明する本発明に係る各実施の形態では、作動流体としての水を蒸気化するに際し、圧力を下げるとともに十分な熱量を与えることができる構成を有している。 Therefore, each embodiment according to the present invention described below has a configuration capable of reducing the pressure and providing a sufficient amount of heat when water as the working fluid is vaporized.
以下、本発明に係る各実施の形態について具体的に説明する。 Hereinafter, each embodiment according to the present invention will be described in detail.
<本発明に係る第1の実施の形態であるレシプロ式蒸気機関の構成例>
図3は、本発明に係る第1の実施の形態であるレシプロ式蒸気機関10の構成例を示すブロック図である。
<Configuration Example of Reciprocating Steam Engine that is the First Embodiment of the Present Invention>
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the reciprocating steam engine 10 according to the first embodiment of the present invention.
以下、液相に遷移している作動流体30を液相作動流体30L、気相に遷移している作動流体30を気相作動流体30Gと称する。同図において、実線は液相作動流体30Lの経路、破線は気相作動流体30Gの経路、2点鎖線は制御信号の経路をそれぞれ示している。
Hereinafter, the working
レシプロ式蒸気機関10は、タンク11、第1フィルタ12、高圧ポンプ13、高圧タンク(本発明の高圧化部に相当する)14、噴射部18、シリンダ19、真空ポンプ(本発明の負圧部に相当する)25、発電部27、及び制御部28を有する。
A reciprocating steam engine 10 includes a
タンク11は、液相作動流体30Lを保持する。また、タンク11は、発電部27及び第3加熱部17を介して戻される、シリンダ19から排された気相作動流体30Gを液相作動流体30Lに遷移させて保持する。第1フィルタ12は、タンク11から汲み上げられる液相作動流体30Lから不純物を排除する。高圧ポンプ13は、タンク11に保持されている液相作動流体30Lを、第1フィルタ12を介して汲み上げて高圧タンク14に供給する。
The
高圧タンク14は、制御部28からの制御に従い、タンク内の圧力を高圧に調整し、高圧ポンプ13から供給された液相作動流体30Lを噴射部18に供給する。高圧タンク14は、タンク内の圧力が閾値以上に上がった場合にその圧力を逃がす安全弁15と、タンク内の圧力を検知する圧力センサ16を有する。
The
さらに、高圧タンク14は、シリンダ19からの排気である気相作動流体30Gが有する熱量を用いてタンク内の液相作動流体30Lを加熱する第3加熱部17を有する。なお、第3加熱部17によって熱量を奪われた気相作動流体30Gはタンク11に戻される。
Further, the high-
上述した高圧タンク14の構成により、噴射部18には高温高圧の液相作動流体30Lが供給される。
Due to the configuration of the high-
噴射部18は、一端がシリンダ19の膨張室22に挿入されており、高圧タンク14から供給される高温高圧の液相作動流体30Lをさらに加熱しつつ、細かな霧状の粒子として膨張室22に噴射する。噴射部18の詳細な構成例については図4を参照して後述する。
One end of the
シリンダ19は、膨張室22及びピストン20を有している。ピストン20は、コンロッド21を介してクランクシャフト(不図示)に連結されている。ピストン20は、膨張室22に噴射される高温高圧で霧状の液相作動流体30Lが気相作動流体30Gに遷移してその体積を膨張させることにより下死点まで押し下げられる。また、ピストン20は、クランクシャフトの慣性力によって、下死点から上死点に押し上げられる。これにより、ピストン20は、シリンダ19内を往復運動することになる。
The
膨張室22には、第2加熱部23、真空弁24、及び排気弁26が設けられている。第2加熱部23は、噴射部18から膨張室22に噴射された高温高圧で霧状の液相作動流体30Lをさらに加熱する。この加熱により、膨張室22に噴射された霧状の液相作動流体30Lはさらに高温となり蒸気化し、すなわち、気相作動流体30Gに遷移してその体積を膨張させる。
The
真空弁24は、ピストン20が上死点に達したときに開放される。これにより、膨張室22と真空ポンプ25とが連結されて液相作動流体30Lが噴射される前の膨張室22が負圧とされ、膨張室22が負圧とされたときに噴射部18から膨張室22に液相作動流体30Lが噴射される。また、真空弁24は、噴射部18から膨張室22に液相作動流体30Lが噴射される前に閉鎖される。
The
これにより、液相作動流体30Lが噴射される前の膨張室22が負圧とされるので、噴射された高温高圧で霧状の液相作動流体30Lを膨張室22の全体に拡散させることができる。また、噴射された霧状の液相作動流体30Lの圧力を下げることができるので、膨張室22が負圧とされない場合に比較して、液相作動流体30Lをより低い温度で気相作動流体30Gに遷移させることができる。換言すれば、液相作動流体30Lを気相作動流体30Gにより遷移し易くすることができる。
Thereby, since the
排気弁26は、ピストン20が下死点から上死点まで押し上げられる間に開放される。これにより、膨張室22に溜まっていた気相作動流体30Gが発電部27に排気される。
The
発電部27は、排気弁26から排気された気相作動流体30Gを用いてタービンを回転駆動することにより発電を行う。発電部27にて発電された電力は、例えば、高圧ポンプ13、高圧タンク14、噴射部18、真空ポンプ25、第1加熱部35(図4)、第2加熱部23等の駆動に用いることができる。発電部27を経た気相作動流体30Gは第3加熱部17に供給される。
The
なお、膨張室22から排気弁26を介して排気された気相作動流体30Gは、上述した発電部27以外の駆動に用いてもよい。例えば、真空ポンプ25の代わりに、排気された気相作動流体30Gを用いてタービンを回転駆動することにより、真空弁24を介して膨張室22を吸引して負圧化するようにしてもよい。
Note that the gas-phase working fluid 30G exhausted from the
制御部28は、圧力センサ16の検知結果に基づき、高圧タンク14の圧力を制御する。また、制御部28は、噴射部18による液相作動流体30Lの加熱と噴射タイミングを制御する。さらに、制御部28は、真空弁24、及び排気弁26の開閉タイミングを制御する。なお、真空弁24、及び排気弁26の開閉タイミングについては、制御部28を用いて電子的に制御する代わりに、カムシャフト、カム、及びロッカアーム等(いずれも不図示)を用いて機械的に制御するようにしてもよい。
The
次に、図4は、噴射部18の詳細な構成例を示すブロック図である。噴射部18は、第2フィルタ31、バルブスプリング32、ソレノイド33、プランジャ34、第1加熱部35、断熱材36、ノズル37、及びコネクタ39を有する。
Next, FIG. 4 is a block diagram illustrating a detailed configuration example of the
第2フィルタ31は、高圧タンク14から供給される高温高圧の液相作動流体30Lに含まれる不純物を排除する。第2フィルタ31を通過した液相作動流体30Lはノズル37に供給される。バルブスプリング32は、プランジャ34の一端がノズル37に形成されている噴射孔38を塞ぐようにプランジャ34の他端を押し付けている。
The
ソレノイド33は、制御部28からの制御に応じて励磁することにより、バルブスプリング32によってノズル37の噴射孔38に押し付けられているプランジャ34を噴射孔38から離す方向に移動させる。プランジャ34は、バルブスプリング32の弾性力とソレノイド33の励磁によって噴射部18の中を往復運動することにより、ノズル37に供給されている高温高圧の液相作動流体30Lを、噴射孔38から霧状に噴射する。
The
第1加熱部35は、制御部28からの制御に従い、ノズル37に供給されている高温高圧の液相作動流体30Lをさらに加熱する。断熱材36は、噴射部18において、第1加熱部35及びノズル37を囲むように配置されている。コネクタ39は、制御ラインを介して制御部28と噴射部18を接続する。
The
噴射部18においては、高圧タンク14から供給された高温高圧の液相作動流体30Lが第2フィルタ31を介してノズル37に供給されている。そして、第1加熱部35が、制御部28からの制御に従い、ノズル37に供給されている高温高圧の液相作動流体30Lをさらに加熱している状態で、ソレノイド33が励磁することにより、プランジャ34が噴射孔38から離れる方向に移動される。これにより、噴射孔38から、さらに加熱された霧状の液相作動流体30Lが膨張室22に噴射される。
In the
<レシプロ式蒸気機関10の動作>
次に、レシプロ式蒸気機関10による動作の一例である2ストローク動作について説明する。図5は、レシプロ式蒸気機関10による2ストローク動作を示す図である。
<Operation of Reciprocating Steam Engine 10>
Next, a two-stroke operation that is an example of an operation performed by the reciprocating steam engine 10 will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating a two-stroke operation by the reciprocating steam engine 10.
レシプロ式蒸気機関10による2ストローク動作は、ピストン20が2ストローク(1往復)する期間を1サイクルとして、同図の(A)に示す負圧過程、同図の(B)に示す噴射過程、同図の(C)に示す膨張過程、同図の(D)に示す排気過程の順に行われる4過程から成る。
The two-stroke operation by the reciprocating steam engine 10 is a negative pressure process shown in (A) of the same figure, an injection process shown in (B) of the same figure, with a period of two strokes (one reciprocation) of the
負圧過程では、ピストン20が上死点に達したとき、排気弁26が閉鎖され、真空弁24が開放されて、真空ポンプ25により膨張室22が吸引されて負圧とされる。次に噴射過程では、真空弁24と排気弁26が閉鎖された状態で、噴射部18から膨張室22に高温高圧の液相作動流体30Lが霧状に噴射される。
In the negative pressure process, when the
次に膨張過程では、膨張室22に噴射された高温高圧の液相作動流体30Lが第2加熱部23によりさらに加熱されて気相作動流体30Gに遷移し、その体積が膨張することによってピストン20を下死点まで押し下げる。次に排気過程では、慣性力によって上昇するピストン20の動きに合わせて排気弁26が開放されて、膨張室22の気相作動流体30Gが発電部27に排気される。以上で、レシプロ式蒸気機関10の2ストローク動作の1サイクルが終了する。
Next, in the expansion process, the high-temperature and high-pressure liquid-
以上に説明したレシプロ式蒸気機関10の2ストローク動作によれば、化石燃料を燃焼消費せず、作動流体を効率的に加熱して蒸気化し、ピストン20を往復運動させることができる。よって、大気汚染等を発生させないクリーンなレシプロ式蒸気機関を実現することが可能となる。
According to the two-stroke operation of the reciprocating steam engine 10 described above, the fossil fuel is not burned and consumed, the working fluid is efficiently heated and vaporized, and the
なお、レシプロ式蒸気機関10の動作としては、上述した2ストローク動作の他、ピストン20が4ストローク(2往復)する期間を1サイクルとする4ストローク動作を実行させることも可能である。
As the operation of the reciprocating steam engine 10, in addition to the above-described two-stroke operation, it is also possible to execute a four-stroke operation in which a period during which the
<本発明に係る第2の実施の形態である多気筒レシプロ式蒸気機関の構成例>
次に、図6は、本発明に係る第2の実施の形態である多気筒レシプロ式蒸気機関50の構成例を示すブロック図である。多気筒レシプロ式蒸気機関50の構成要素のうち、レシプロ式蒸気機関10の構成要素と共通するものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。
<Configuration example of multi-cylinder reciprocating steam engine according to the second embodiment of the present invention>
Next, FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a multi-cylinder
なお、多気筒レシプロ式蒸気機関50は、複数のシリンダ19を有しているが、図6においては、1つのシリンダ19のみを図示している。また、多気筒レシプロ式蒸気機関50は、図3に示されたレシプロ式蒸気機関10と同様、タンク11、第1フィルタ12、高圧タンク14、制御部28、発電部27等を有しているが、図6においてはそれらの図示を省略する。
The multi-cylinder
多気筒レシプロ式蒸気機関50は、レシプロ式蒸気機関10から真空弁24及び真空ポンプ25を削除し、各シリンダ19に連結弁51,52を追加したものである。
The multi-cylinder
連結弁51,52は、例えば、制御部28からの制御にしたがって開閉する。なお、連結弁51,52の開閉タイミングについては、制御部28を用いて電子的に制御する代わりに、カムシャフト、カム、及びロッカアーム等(いずれも不図示)を用いて機械的に制御するようにしてもよい。
The
連結弁51,52は、それぞれが異なる所定のタイミングで開閉することにより、多気筒レシプロ式蒸気機関50を構成する複数のシリンダ19の膨張室22を相互に連結する(詳細後述)。
The
図7は、多気筒レシプロ式蒸気機関50を4つのシリンダ19を有する4気筒とした場合の構成例を示している。なお、多気筒レシプロ式蒸気機関50の気筒数は任意であって4気筒に限るものではない。
FIG. 7 shows a configuration example when the multi-cylinder
以下、図7に示された構成例を4気筒レシプロ式蒸気機関50とも称する。また、4気筒レシプロ式蒸気機関50を構成する4つのシリンダ19をシリンダ#1乃至#4と称し、シリンダ#1の連結弁51,52を連結弁511,521と称する。シリンダ#2乃至#4の連結弁51,52についても同様とする。
Hereinafter, the configuration example shown in FIG. 7 is also referred to as a four-cylinder
4気筒レシプロ式蒸気機関50において、シリンダ#1の膨張室22は、連結弁511と連結弁524とが開放されることにより、シリンダ#4の膨張室22と連結される。また、シリンダ#1の膨張室22は、連結弁521と連結弁512とが開放されることにより、シリンダ#2の膨張室22と連結される。
In the four-cylinder
シリンダ#2の膨張室22は、連結弁522と連結弁513とが開放されることにより、シリンダ#3の膨張室22と連結される。シリンダ#3の膨張室22は、連結弁523と連結弁514とが開放されることにより、シリンダ#4の膨張室22に連結される。
The
<4気筒レシプロ式蒸気機関50の動作>
次に、4気筒レシプロ式蒸気機関50による動作の一例である4ストローク動作について説明する。図8は、4気筒レシプロ式蒸気機関50による4ストローク動作を示す図である。
<Operation of 4-cylinder
Next, a 4-stroke operation, which is an example of an operation performed by the 4-cylinder
4気筒レシプロ式蒸気機関50による4ストローク動作は、ピストン20が4ストローク(2往復)する期間を1サイクルとして、拡張+吸引過程、収縮+負圧過程、噴射+膨張過程、排気過程の順に行われる4過程から成る。
The four-stroke operation by the four-cylinder
なお、図8の(A)は、シリンダ#1が拡張+吸引過程、シリンダ#2が排気過程、シリンダ#3が噴射+膨張過程、シリンダ#4が収縮+負圧過程を行う状態を示している。図8の(B)は、シリンダ#1が収縮+負圧過程、シリンダ#2が拡張+吸引過程、シリンダ#3が排気過程、シリンダ#4が噴射+膨張過程を行う状態を示している。図8の(C)は、シリンダ#1が噴射+膨張過程、シリンダ#2が収縮+負圧過程、シリンダ#3が拡張+吸引過程、シリンダ#4が排気過程を行う状態を示している。図8の(D)は、シリンダ#1が排気過程、シリンダ#2が噴射+膨張過程、シリンダ#3が収縮+負圧過程、シリンダ#4が拡張+吸引過程を行う状態を示している。
8A shows a state in which
4気筒レシプロ式蒸気機関50による4ストローク動作の1サイクルは、図8の(A),(B),(C),(D)の順に進行される。以下、4気筒レシプロ式蒸気機関50のシリンダ#1に着目して説明する。
One cycle of 4-stroke operation by the 4-cylinder
始めに、図8の(A)に示されるように、シリンダ#1の拡張+吸引過程として、連結弁511を開放、連結弁521と排気弁26を閉鎖し、シリンダ#1の膨張室22とシリンダ#4の膨張室22とを連結した状態でピストン20が慣性力により下死点まで下降する。これにより、シリンダ#1の膨張室22は拡張されるので、シリンダ#4の膨張室22は吸引されて負圧となる。
First, as shown in FIG. 8A, as the expansion and suction process of the
次に、図8の(B)に示されるように、シリンダ#1の収縮+負圧過程として、連結弁511と排気弁26を閉鎖、連結弁521を開放し、開放シリンダ#1の膨張室22とシリンダ#2の膨張室22とを連結した状態でピストン20が慣性力により上死点まで上昇する。これにより、シリンダ#1の膨張室22は収縮される。さらに、シリンダ#1の膨張室22は、シリンダ#2の膨張室22の拡張によって吸引されて負圧となる。
Next, as shown in FIG. 8B, as the contraction + negative pressure process of the
次に、図8の(C)に示されるように、シリンダ#1の噴射+膨張過程として、連結弁511,521と排気弁26を閉鎖し、噴射部18がシリンダ#1の膨張室22に高温高圧で霧状の液相作動流体30Lを噴射する。噴射された液相作動流体30Lは、膨張室22の第2加熱部23でさらに加熱されることにより、その体積を膨張させて気相作動流体30Gに遷移する。これにより、膨張室22が拡張されてピストン20が下死点まで押し下げられる。
Next, as shown in FIG. 8C, as the injection + expansion process of the
最後に、図8の(D)に示されるように、シリンダ#1の排気過程として、連結弁511,521を閉鎖、排気弁26を開放して、ピストン20が慣性力により上死点まで上昇する。これにより、シリンダ#1の膨張室22の気相作動流体30Gが排気される。以上で、シリンダ#1の4ストローク動作の1サイクルが終了する。
Finally, as shown in FIG. 8D, as the exhaust process of
なお、シリンダ#2乃至#4の動作についても同様なので、その説明は省略する。
Since the operations of the
以上に説明した4気筒レシプロ式蒸気機関50の4ストローク動作によれば、化石燃料を燃焼消費せず、作動流体を効率的に加熱して蒸気化し、ピストン20を往復運動させることができる。よって、大気汚染等を発生させないクリーンなレシプロ式蒸気機関を実現することが可能となる。
According to the four-stroke operation of the four-cylinder
また、4気筒レシプロ式蒸気機関50によれば、真空ポンプ25を用いることなく、連結された他のシリンダの膨張室22からの吸引によって膨張室22を負圧にすることができる。したがって、真空ポンプ25を用いるレシプロ式蒸気機関10に比較して、真空ポンプ25の駆動に要する電力を削減することができる。
Further, according to the four-cylinder
なお、4気筒レシプロ式蒸気機関50の動作としては、上述した4ストローク動作の他、ピストン20が2ストローク(1往復)する期間を1サイクルとする2ストローク動作を実行させることも可能である。
As the operation of the four-cylinder
<本発明に係る第3の実施の形態である複動型レシプロ式蒸気機関の構成例>
次に、図9は、本発明に係る第3の実施の形態である複動型レシプロ式蒸気機関70の構成例を示すブロック図である。なお、複動型レシプロ式蒸気機関70の構成要素のうち、レシプロ式蒸気機関10の構成要素と共通するものについては同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
<Configuration example of a double-acting reciprocating steam engine according to a third embodiment of the present invention>
Next, FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a double-acting
複動型レシプロ式蒸気機関70は、レシプロ式蒸気機関10のシリンダ19の代わりに、膨張室22A,22Bを有する複動型シリンダ71を備える。なお、複動型レシプロ式蒸気機関70には、レシプロ式蒸気機関10と同様、タンク11、第1フィルタ12、高圧タンク14、真空ポンプ25、発電部27等を有しているが、図9においてはそれらの図示を省略する。
The double-acting
複動型シリンダ71の拡張室22Aには、噴射部18A、第2加熱部23A、真空弁24A、及び排気弁26Aが設けられている。同様に、膨張室22Bには、噴射部18B、第2加熱部23B、真空弁24B、及び排気弁26Bが設けられている。
In the
複動型レシプロ式蒸気機関70における高圧タンク14は、制御部28からの制御に従い、タンク内を高圧した状態で、高圧ポンプ13から供給された液相作動流体30Lを噴射部18A,18Bに供給する。さらに、高圧タンク14は、第3加熱部17(不図示)を有する。
The high-
噴射部18Aは、一端がシリンダ19の膨張室22Aに挿入されており、高圧タンク14から供給される高温高圧の液相作動流体30Lをさらに加熱しつつ、細かな霧状の粒子として膨張室22Aに噴射する。同様に、噴射部18Bは、一端がシリンダ19の膨張室22Bに挿入されており、高圧タンク14から供給される高温高圧の液相作動流体30Lをさらに加熱しつつ、細かな霧状の粒子として膨張室22Bに噴射する。
One end of the injection unit 18A is inserted into the
複動型レシプロ式蒸気機関70においては、複動型シリンダ71の膨張室22Bが拡張されるとき、膨張室22Aはピストン20の移動に合わせて排気弁26Aを開放して排気を行う。ピストン20が上死点に達した後、排気弁26Aが閉鎖されるとともに、真空弁24Aが開放されて膨張室22Aが負圧とされる。この後、真空弁24Aが閉鎖されてから、膨張室22Aに噴射部18Aから液相作動流体30Lが噴射される。噴射された液相作動流体30Lは、第2加熱部23Aによりさらに加熱されて気相作動流体30Gに遷移してその体積を膨張させ、ピストン20を下死点まで押し下げる。これにより、膨張室22Bでは、上述した膨張室22Aと同様の動作が行われる。これにより、膨張室22Aと膨張室22Bとが交互に拡張されてピストン20を移動させるので、複動型シリンダ71にてピストン20が往復運動されることになる。
In the double-acting
以上に説明した複動型レシプロ式蒸気機関70によれば、化石燃料を燃焼消費せず、作動流体を効率的に加熱して蒸気化し、ピストン20を往復運動させることができる。よって、大気汚染等を発生させないクリーンなレシプロ式蒸気機関を実現することが可能となる。
According to the double-acting
<各実施の形態の利用例>
上述した各実施の形態は、例えば、発電機の動力源や、2輪車、4輪車、気動車等の乗り物の駆動源や、モータを駆動源とする気動車等の乗り物の発電機の動力源に用いることができる。
<Usage example of each embodiment>
Each of the embodiments described above includes, for example, a power source of a generator, a drive source of a vehicle such as a two-wheeled vehicle, a four-wheeled vehicle, and a pneumatic vehicle, and a power source of a generator of a vehicle such as a pneumatic vehicle that uses a motor as a driving source. Can be used.
各実施の形態に採用した噴射部18は、例えば、ロータリ機関や蒸気タービンに適用することができる。
The
なお、上記した実施形態では本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。 In the above-described embodiment, the configuration has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the configuration having all the configurations described.
10・・・レシプロ式蒸気機関、11・・・タンク、12・・・第1フィルタ、13・・・高圧ポンプ、14・・・高圧タンク、15・・・安全弁、16・・・圧力センサ、17・・・第3加熱部、18・・・噴射部、19・・・シリンダ、20・・・ピストン、21・・・コンロッド、22・・・膨張室、23・・・第2加熱部、24・・・真空弁、25・・・真空ポンプ、26・・・排気弁、27・・・発電部、28・・・制御部、30G・・・気相作動流体、30L・・・液相作動流体、31・・・第2フィルタ、32・・・バルブスプリング、33・・・ソレノイド、34・・・プランジャ、35・・・第1加熱部、36・・・断熱材、37・・・ノズル、38・・・噴射孔、39・・・コネクタ、50・・・多気筒レシプロ式蒸気機関、51・・・連結弁、52・・・連結弁、70・・・複動型レシプロ式蒸気機関、71・・・複動型シリンダ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Reciprocating steam engine, 11 ... Tank, 12 ... 1st filter, 13 ... High pressure pump, 14 ... High pressure tank, 15 ... Safety valve, 16 ... Pressure sensor, 17 ... 3rd heating part, 18 ... injection part, 19 ... cylinder, 20 ... piston, 21 ... connecting rod, 22 ... expansion chamber, 23 ... 2nd heating part, 24 ... Vacuum valve, 25 ... Vacuum pump, 26 ... Exhaust valve, 27 ... Power generation unit, 28 ... Control unit, 30G ... Gas phase working fluid, 30L ... Liquid phase Working fluid, 31 ... second filter, 32 ... valve spring, 33 ... solenoid, 34 ... plunger, 35 ... first heating unit, 36 ... insulating material, 37 ... Nozzle, 38 ... injection hole, 39 ... connector, 50 ... multi-cylinder reciprocating steam Seki, 51 ... connecting valve, 52 ... connecting valve, 70 ... Fukudogata reciprocating steam engine, 71 ... Fukudogata cylinder
Claims (7)
前記膨張室に対して作動流体を噴射する噴射部と、
前記噴射部に供給する前の前記作動流体を高圧化し、且つ、前記シリンダからの排気を用いて加熱する高圧加熱部と、
前記膨張室に噴射される前の前記作動流体を前記噴射部において加熱する第1加熱部と、
前記シリンダの前記膨張室が収縮し、前記ピストンが上死点に達した状態の前記膨張室を負圧にする負圧部と、
を備え、
前記膨張室に噴射された前記作動流体が蒸気化して体積が膨張することにより前記膨張室が拡張される、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 In the reciprocating steam engine that reciprocates the piston by expanding and contracting the expansion chamber of the cylinder,
An injection unit for injecting a working fluid to the expansion chamber;
A high-pressure heating unit that increases the pressure of the working fluid before being supplied to the injection unit and heats the working fluid using exhaust from the cylinder;
A first heating unit that heats the working fluid before being injected into the expansion chamber in the injection unit;
A negative pressure portion that negatively pressurizes the expansion chamber in a state where the expansion chamber of the cylinder contracts and the piston reaches top dead center;
With
The expansion chamber is expanded by evaporating the working fluid injected into the expansion chamber and expanding its volume.
This is a reciprocating steam engine.
前記膨張室に噴射された前記作動流体を前記膨張室内にて加熱する第2加熱部と、
を備えることを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 The reciprocating steam engine according to claim 1,
A second heating unit for heating the working fluid injected into the expansion chamber in the expansion chamber;
A reciprocating steam engine comprising:
前記負圧部は、真空ポンプによって前記膨張室内の気体を吸引することにより前記膨張室を負圧にする、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 The reciprocating steam engine according to claim 1 ,
The negative pressure part makes the expansion chamber have a negative pressure by sucking the gas in the expansion chamber by a vacuum pump.
This is a reciprocating steam engine.
前記レシプロ式蒸気機関は、拡張+吸引過程、収縮+負圧過程、噴射+膨張過程、及び排気過程の4過程を順に異なる位相で繰り返す複数のシリンダを有し、
前記負圧部は、前記複数のシリンダのうちの第1のシリンダの前記膨張室と連結弁を介して連結し得る前記第1のシリンダとは異なる第2のシリンダにおいて前記拡張+吸引過程を行うとき、前記連結弁を開放することにより前記第1のシリンダと前記第2のシリンダを連結し、前記第1のシリンダにおいて収縮+負圧過程を行うことにより、前記第1のシリンダの前記膨張室を負圧にする、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 The reciprocating steam engine according to claim 1 ,
The reciprocating steam engine has a plurality of cylinders that sequentially repeat four processes of expansion + suction process, contraction + negative pressure process, injection + expansion process, and exhaust process in different phases,
The negative pressure portion performs the expansion + suction process in a second cylinder different from the first cylinder that can be connected to the expansion chamber of the first cylinder of the plurality of cylinders via a connection valve. The first cylinder and the second cylinder are connected by opening the connection valve, and the expansion chamber of the first cylinder is performed by performing a contraction + negative pressure process in the first cylinder. Negative pressure,
This is a reciprocating steam engine.
前記負圧部は、前記シリンダからの排気を用いてタービンを回転駆動することにより、前記膨張室内の気体を吸引して前記膨張室を負圧にする、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 The reciprocating steam engine according to claim 1 ,
The negative pressure part sucks the gas in the expansion chamber to make the expansion chamber negative pressure by rotationally driving a turbine using exhaust from the cylinder.
This is a reciprocating steam engine.
前記シリンダからの排気を用いて発電を行う発電部と、
を備えることを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 The reciprocating steam engine according to claim 1,
A power generation unit that generates power using exhaust from the cylinder;
A reciprocating steam engine comprising:
前記作動流体は、水、空気、二酸化炭素、アンモニア、アルコール、ペンタン、または代替フロンである、
ことを特徴とするレシプロ式蒸気機関。 The reciprocating steam engine according to claim 1,
The working fluid is water, air, carbon dioxide, ammonia, alcohol, pentane, or alternative chlorofluorocarbon.
This is a reciprocating steam engine.
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