JPH10500190A - スチームエンジン用スチームバッファ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、高圧、高温下で蒸気の蓄積、放出を交互に行うように構成され、閉じた蒸気系を有するスチームエンジン装置で用いるためのスチームバッファ（４）に関する。旧式のスチームエンジンで用いられてきたタイプの従来のスチームアキュムレータは、重く大型であり自動車には適用できなかった。従来のスチームアキュムレータは、大型の圧力容器内に高温高圧の水と蒸気を貯留しており、損傷時における危険があり、かつ、スチームバッファから蒸気が吐出されると圧力か漸次低下する。本発明によるスチームバッファでは、蒸気および水のための、好ましくは、水力直径が０．５ｍｍより小さい耐圧性の多数の流路２０の壁内の固体材料（２１、２２、２３、２４、２５）が蓄熱作用を果たすことにより、こうした欠点が除去される。

Description

【発明の詳細な説明】 スチームエンジン用スチームバッファ 本発明は、閉じた蒸気系を有するスチームエンジン装置用のスチームバッファ に係わり、高圧高温の下で蒸気の蓄積及び発生を交互に行うように構成されてい る。 スチームエンジン装置では、標準的な蒸気の発生と利用が互いに対応しない時 点で起こる可能性があるので、バッファの必要性が切実である。蒸気の蓄積は、 従来いわゆるスチームアキュムレータにより行われている。このスチームアキュ ムレータは、一部に水が満され、任意の蒸発量で運転できるボイラーまたは蒸気 発生器により加熱される圧力容器から成る。スチームアキュムレータからスチー ムエンジンに蒸気が供給されると圧力が低下する。この圧力低下は、自然発生的 に熱水からの新たな蒸気発生を開始させる。このスチームアキュムレータにより 大きな出力を得ることができ、かつ、蒸気発生器における不規則な燃焼とは無関 係に出力を得ることが可能となる。しかし、この種のスチームアキュムレータは 重く、大型であり、多量の熱水や蒸気は、圧力容器ケーシングが損傷したときに 深刻な危険要因となるなど、いくつかの欠点を有する。 スチームアキュムレータでは加圧水中にエネルギーが蓄積される。熱エネルギ ーを他の物質中に蓄積することも可能である。そこで、固相と液相との間で変化 できるエネルギー蓄積物質（潜熱）を利用することが好ましいと考えられて来た 。しかし、潜熱を利用する場合、相変化に伴なう収縮、引張り、化学物質の排出 などが問題となり、これが機械的、化学的、伝熱的、及び、機能的の問題を惹起 する。 スチームバッファはその名が示すように、蒸気発生器からの蒸気入力とスチー ムエンジンへの出力とを平準化することにより、定置プラントにおいて、太陽エ ネルギーのような間歇的及び確率論的エネルギー源の利用を可能とし、特に、蒸 気発生器の能力に相当する出力よりもはるかに高いピーク出力を一時的に得るこ とを可能にする。その結果、たとえスチームエンジン出力が大きく変動しても蒸 気発生器のバーナーを低く、一定した出力で使用することが可能となる。 出力変動の大きい乗物用スチームエンジンの場合、有効なスチームバッファが 開発されれば、（例えば加速時のように）短時間必要となる瞬間最高出力よりも 、はるかに低い連続最高出力に合わせて蒸気発生器を設計すればよいことになる 。また、スチームバッファはエネルギーを蓄積するので、排気ガスを発生させず に（即ち、点火せずに）所定距離だけ乗物を走行させることが可能になる。 本発明の目的は、小型軽量でありながら、従来では得られなかった高出力密度 及び高エネルギー密度を可能にし、車輌用スチームエンジンと併用する場合、事 故の際の安全性を高めた構成のスチームバッファを実現することにある。 この目的は、スチームバッファに蒸気のための高温連結部及び給水のための低 温連結部を設け、両連結部間に蒸気及び給水のための水力直径が約0.5mm以下の 複数の長い流路を延設し、発生し得る最高温度より高い融点を有し、かつ、１次 蓄熱物質を構成する材料から成る耐圧壁により前記流路を囲むことにより達成さ れる。 このように本発明は、いわゆる顕熱、即ち、固体材料中の温度変化を利用し、 流路の耐圧壁を構成する固体材料が、スチームバッファの蓄熱能力の主要な要因 として機能する。 本発明は、スチームバッファを水力直径が0.5mm以下の複数の、 実用上使用可能な最大数の流路で構成する、という寸法上の配慮が特に新規な点 である。このように細い流路は蒸気及び水を流通させるために高い圧力を必要と する。例えば、容積型の効果的スチームエンジンに適した少なくとも100バール の圧力が必要となろう。高圧にもかかわらず、流路を囲む壁材に生ずる伸びひず みは軽微である。各流路が、それ自体耐圧壁を具えているので、スチームバッフ ァの全直径に加わる高圧を受ける共通の耐圧容器を設ける必要はない。従って、 爆発の危険は存在せず、スチームバッファが損傷した場合に蒸気が流出による危 険もない。 スチームバッファの好ましい実施態様では、スチームエンジンをも含めて、臨 界圧以上の圧力、好ましくは、250バールの圧力と、500℃の蒸気温度、及び流路 の水力直径0.2mmを想定して構成される。このような値であれば、例えば100kJ／ kg及び100Ｗ／kgのエネルギー密度及び出力密度しか得られない鉛電池に比較し て、スチームバッファでは、その容量に対して500kJ／kgのエネルギー密度と100 kW/kgの出力密度を得ることができる。 さらに他の好ましい実施態様では、相互にかつスチームバッファのケーシング 内壁に焼結した、好ましくは、セラミック材料の微粒子により流路を形成する。 流路は、一部が粒子間に形成され、かつ、一部が粒子とこれら粒子に焼結されて いるケーシングとの間に形成され、ケーシングには僅かな伸びひずみが生ずるだ けで、ケーシングは主として密封機能を果すものであるから、壁は薄くてもよく 、他の物質と同様の蓄熱機能を果す。 本発明のスチームバッファの複数の実施例を略示する添付図面に沿って、本発 明の詳細を以下に説明する。図１は、スチームバッファを含むスチームエンジン 装置の構成を示し、図２−５は、流路を形成する種々の態様を示す部分断面図、 図６ａは、スチームバッフ ァの模式的側面図、図６ｂ−ｆは、種々の装填状態におけるスチームバッファ内 の物質の温度プロフィールを示し、図７ａ−ｄは、吐出プロセス終了時のスチー ムバッファ内における異なる圧力値、及び、流路の異なる直径での、材料の温度 プロフィールと蒸気の温度プロフィールを示す。 図１は、蒸気管２を介してスチームバッファ４の高温連結部３、及び、多気筒 型アキシャルピストンスチームエンジン６の入口弁５に接続された蒸気発生器１ を略示する。スチームエンジン６の出口から、管７が復水バッファ８に接続され 、管10を介して前記復水バッファ８に冷却器９が接続されて、復水バッファ８内 の給水及びスチームを冷却する。前記復水バッファから管12がポンプ13に接続さ れ、該ポンプ13により高圧の給水が供給される低温連結部14は、スチームバッフ ァ４並びに管15，16を介して循環ポンプ17に接続された長い断熱管から成り、循 環ポンプ17の出口は管18を介して蒸気発生器１に接続されている。 スチームバッファ４の高温連結部３と低温連結部14との間には、図２−５に示 す多数の流路20が延設されている。これらの流路は多数の毛細管の束で形成され 、毛細管の端部は連結部３及び14内にまで達しており、その外面は相互にかつ連 結部３及び14に密封接着されている。毛細管21は、図２では円形断面を有するが 、図３に示す管22のように６角形であってもよい。流路20は適当な材料のブロッ ク23を押出し加工して形成し、ブロック23中に流路が延設されるようにすること も可能である。管21，22及びブロック23は、金属またはセラミックを材料として 形成すればよい。特に好ましい構成を図５に示した。薄壁ケーシング24内の連結 部３，14間において、多数のセラミック材粒子を相互に、かつ、ケーシング24の 内壁に焼結する。この構成では、粒子25間、及び、粒子とケーシング24の内壁と の間に流路20が形成される。いずれの場合でも、流路20の水力直径は0.5mm以下 である。 スチームエンジン装置の作用を以下に概説する。蒸気発生器１は、いくつかの 不連続な出力、高及び低連続出力レベル、及び、必要に応じて中間レベルで蒸気 を発生するように構成されている。弁５が閉じた状態では、エンジン６には蒸気 が供給されず、蒸気発生器１から発生する蒸気の全てが、250バールの圧力及び5 00℃の温度でスチームバッファ４に流入する。スチームバッファ内で蒸気が流路 20を通過して流路20内の水を押出す。この水は、管15を通ってバッファ容器26に 流入する。該容器26は前記管と接続されるとともに、容器26へ水が圧入される圧 力に対するガスクッションを内蔵している。スチームバッファ４内の材料21，22 ，23，24または25は、接続部３からバッファ４を横断して連結部14にむかって移 動する温度フロントによって加熱される。この温度フロントが連結部14に達する と、スチームバッファ14が完全に飽和した状態となり、循環ポンプ17が停止する 。装置は長時間に亘ってこの飽和状態を維持することができ、高温部を構成する 蒸気発生器１、連結部14を含むスチームバッファ４、弁５、スチームエンジン６ の頂部及び付属管を収納する有効な断熱材27を具備する一方、装置の残余の部分 は温度が約80℃の低温部を構成する。当然のことながらある程度の熱損失は避け 難いが、蒸気発生器１を始動させることで埋合わせできる程度に小さくすること ができ、数日間のインターバルで数分程度の始動で所要の温度レベルを回復する ことができる。 常用の低負荷では、スチームエンジン６を駆動するために弁５を開らけば、蒸 気発生器から連続的に発生する蒸気で充分である。例えば他の乗物を追い抜くた めの加速時に短時間の高負荷でスチームエンジン６を駆動するため弁５を開らく と、スチームバッファ４か ら主蒸気が供給され、スチームバッファは、例えば、蒸気発生器１が供給できる スチームの10倍の蒸気を供給する。蒸気は、連結部３を通って吐出され、バッフ ァ容器26からの給水は容器内のガスクッションにより連結部14を通ってスチーム バッファ４へ圧入される。スチームバッファ４において、水が周囲の高温材料に より気化され、温度フロントがゆっくりと連結部３にむかって移動し、この温度 フロントが連結部３に達するとスチームバッファが完全に空になり、蒸気発生器 １からの蒸気だけしか利用されなくなる。 上記プロセスを図６ａ−６ｆに示した。図６ａは、スチームバッファ４を低温 連結部14及び高温連結部３と共に示す。飽和状態におけるスチームバッファ内の 一端から他端までの温度を図６ｂに曲線で示した。即ち、断熱材の外側では約80 ℃で、スチームバッファ全長に沿っては500℃である。飽和状態が長時間続いた 後の、連結部14における長尺管に沿った温度分布は図６ｂに示す通りである。連 結部14における温度勾配は、スチームバッファ４からの最大の熱損失原因である が、この熱損失は管14を長くすることで小さくすることができる。蒸気吐出時に 、蒸気は連結部３を通って流出し、水が連結部14を通って流入し、横断する温度 フロントＴが図６ｃのように形成される。温度フロントは連結部３に向かってゆ っくりとある伝播速度で移動する。その伝播速度は常に蒸気及び水の流速以下で あり、かつ、流体の流速に関連している。即ち、流体の熱容量は流体及び熱交換 材料温度の熱容量の合計に関連するからである。蒸気の吐出は、フロントＴが図 ６ｄに示すように連結部３に達するまで、温度変化を伴なわず、かつ、吐出蒸気 の圧力変化もほとんど伴なわずに行われる。 伝熱条件が良好で、流速が過度に高くなければ（多数の流路を設けることで得 られる）、スチームバッファの材質重量に対して規準 化された実現可能な実出力と定義される高エネルギー密度を得るのに必要な条件 である極めて急激な温度フロントの上昇が起こる。実エネルギー放出は、連結部 ３において蒸気品質が維持できなくなるまで飽和状態のスチームバッファから品 質を保証された蒸気により得られるエネルギー放出を意味する。この時間帯を図 ６ｄに示す。図６ｄの時間帯までの放出では放出される蒸気は、スチームバッフ ァ中のスチームと同品質である。図６ｄに示す位置に達したとき、給水は連結部 14を流通してきており、エネルギー量を500℃から80℃まで失った周囲の材料か ら伝達される熱により公称蒸気温度に加熱されている。この伝熱は、温度フロン トが通過したすべての材料からなされ、エネルギーは図６ｅにＹで示す面積に相 当する。Ｙと図６ｂに示す全面積との比が利用率であり、本発明のスチームバッ ファでは85−95％に達する。蒸気系全体をセラミックで構成した場合に得られる 800−900℃という高い蒸気温度では、約１MJ／kgのエネルギー密度が得られる。 スチームバッファへのエネルギーの充填が再び開始されると、新らたな放出が 行われるか、または、スチームバッファが再び図６ｂに示すような飽和状態にな るまで、温度フロントが図６ｆに示すように逆方向に移動する。 高エネルギー密度を得るための条件として、スチームバッファ内で温度フロン トは可能な限り急激でなければならない。そのためには、流路の水力直径が10分 の数mmとなることが必要である。また、著しい圧力損失を伴なわずに取出可能な 出力／kgと定義される高い出力密度を得るためには、高い蒸気圧力、流路総断面 積と壁材及び流路の総断面積との比の高い値、高い蒸気温度、セラミック材が好 ましいという根拠である材質の低い密度、及び、小さい水力直径が必要であり、 これらは高いエネルギー密度を得るための条件と同じ である。 水力直径、及び、水力直径が温度フロントの勾配に及ぼす影響を、種々の運転 モードについて図７ａ−７ｄに示した。図７ａ，ｂはそれぞれ水力直径が0.5mm と0.2mmの流路において、圧力250バール、蒸気温度500℃の場合、相対長さに沿 ったスチームバッファの 図７ｃ，ｄは圧力100バール、蒸気温度450℃の場合の温度曲線を示す。いずれの 場合にも、水力直径が0.5mmから0.2mmに変わると、特に圧力及び温度値が高い場 合、温度勾配が著しく増大することが判る。 本発明のスチームバッファは大型の耐圧容器に収納されてはおらず、流路内の 高温の蒸気／水は少量であるので、スチームエンジン装置が高圧高温状態であっ ても、爆発、及び／または、特に、スチームバッファからの高温の蒸気が流出す ることにより、周囲に損傷を生ずる危険は極めて少ない。蒸気は、放出時に給水 が流路へ流入するのと同じ場所で発生し、スチームバッファに異常がない場合に のみ発生する。また、放出時にスチームバッファ４へ給水を誘導する与圧管15中 に、締切り弁30を設けることができる。給水の速度が所定値以上となり、例えば 、弁５が完全に開放されると（全負荷）、直ちに弁30が閉じ、バッファ４におけ る蒸気の発生が停止する。 本発明が以上に述べたスチームバッファの構成及び蒸気データに限定されない ことは言うまでもなく、請求の範囲に定義する発明の範囲内で種々の変更が可能 である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．閉じた蒸気系を有し高圧高温の下で蒸気の蓄積及び発生を交互に行うよう に構成したスチームエンジン装置用スチームバッファにおいて、スチームバッフ ァ（４）に蒸気のための高温連結部（３）及び給水のための低温連結部（14）を 設け、両連結部（３，14）間に蒸気及び給水のための水力直径が約0.5mm以下の 複数の長い流路（20）を延設し、発生し得る最高温度より高い融点を有し、かつ 、１次蓄熱物質を構成する材料から成る耐圧壁（21，22，23，24，25）により前 記流路を囲んだことを特徴とするスチームバッファ。 ２．スチームバッファ（４）は、臨界圧以上の圧力、好ましくは250バール、5 00℃の蒸気温度、及び流路（20）の水力直径0.2mmとしたことを特徴とする請求 の範囲第１項に記載のスチームバッファ。 ３．相互に例えば硬質はんだ付けまたは焼結した平行毛細管（21，22）により 流路（20）を形成したことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の スチームバッファ。 ４．ブロック（23）を押出し成形することにより流路（20）を形成したことを 特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のスチームバッファ。 ５．金属またはセラミック材の微粒子（25）を相互に、かつ、薄いケーシング （24）の内壁に焼結することにより流路（20）を形成したことを特徴とする請求 の範囲第１項または第２項に記載のスチームバッファ。 ６．スチームバッファ材質の総重量に対して最大限500kJ／kgのエネルギー密 度及び10−100kW／kgの出力密度が得られるように流路（20）及び中間材料（21 ，22，23，24，25）を構成したことを特 徴とする請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載のスチームバッ ファ。 ７．低温連結部（14）と接続する給水用の与圧管（15）に、該与圧管（15）内 の流速が所定値を超えると閉じる弁（30）を設けたことを特徴とする請求の範囲 第１項から第６項までのいずれか１項に記載のスチームバッファ。 ８．低温連結部（14）が長い断熱管を具備することを特徴とする請求の範囲第 １項から第７項までのいずれか１項に記載のスチームバッファ。