JPS6024361B2 - 蒸気発生器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 水素を燃焼させて原動機を駆動させるための動作物質を
生成する装置は、以前において考えられたことはあるが
、実際に車輪に動力を与えることはできなかった。

自動車糠用の燃料として水素を使用することは、燃焼生
成物が水または水蒸気であるために非常に望ましいこと
がである。

燃料として水素を使用する従釆の装置には、閉鎖サイク
ルを用いたものがあり、この場合水が電気分解されて、
ガス状の水素と酸素が生成され、これらがバーナに送ら
れる。

水素は酸素の存在のもとで燃焼され水蒸気が生成される
。この水蒸気はタービンに送られ、復水器を介して排出
される。復水器で凝縮された水は、電気分解されて水素
と酸素が生成される。従来において、自動車鮫に動力を
与えるものとして、このような閉じられた装置サイクル
を用いることは、経済的にみて実行不能であった。

なぜなら、ぼう大な電気ェネルギが、水を電気分解して
水素燃料を生成するために必要となるからである。開放
装置サイクルにあっては、ガス状の水素が貯蔵容器から
送られ、燃焼されてタービンを駆動し、大気に排出され
るものであり、このような開放装置サイクルは、経済的
にみて実行不可能である。

なぜなら、ガス状水素の限られた容量によってのみ、自
動車輪を動かすことしかできないからである。本発明に
よる改良された蒸気発生器にあっては、液体水素および
液体酸素は蒸発器を介して制御された童でバ−ナに送ら
れ、自動車糠を駆動させるための動作物質が生成される
ものである。

１立方メートルの液体水素は、ガス状の相にされたとき
数百立方メートルのガス状燃料となる。

本発明による装置の第１の形式は、蒸気発生器内に設け
られたバーナと連絡された燃料の源および酸素の源を用
いるもので、そこで発生された蒸気は、比較的安定した
割合で原動機に送られる。原動機から排出される排出物
の一部は、蒸気復水器によって再循環され、復水器で凝
縮された水は、蒸気発生器の内側に設けられた水ジャケ
ットに送られ、蒸気発生器の外方シェルを過度の熱から
保護し、そこで水は蒸気にされて燃焼室に送られ、原動
機に再び送られる。液体水素および液体酸素が送られる
ラインに設けられた蒸発器は、蒸気復水器の内側に配置
され、液体燃料および液体酸素を急速に蒸発させる。

同時に、蒸気発生器に送られる排出蒸気をそこで令却し
、排出物を蒸気発生器に容易に送られるようにする。本
発明による装魔の第２の形式は複数の蒸気発生器を有し
、それら発生器はアキュムレ−タタンクに蒸気を充填さ
せるためにそこに連絡される。

アキュムレータタンクはそこに設けられた変換器を有す
る。その変換器は制御回路に作用して、ァキュムレータ
タンク内の圧力が予め決められた限度以下に下がった際
に、蒸気発生器内に順々に燃料を充填しかつ順々に発火
させる。本発明の第１の目的は、熱エネルギーを機械エ
ネルギーに変換して原動機を駆動させるための蒸気発生
器であって、燃焼生成物が主に水であるから空気のよご
れを防止する蒸気発生器を提供することにある。

本発明の他の目的は、燃料として液化低温ガスを用いる
動力装置の蒸気発生器であって、１馬力の出力当りの動
力装置の大きさおよび重量が最小となっている蒸気発生
器を提供することにある。

本発明の他の目的は、水ジャケット内に配置された燃焼
室を有する蒸気発生器であって、その水ジャケットの液
体が、燃焼室内に噴射される前に、熱を吸収し蒸発され
るようになっている蒸気発生器を提供することにある。
本発明の他の目的は、可動部品の数が最小であって、信
頼度が高く維持費が少なく、しかも生産′費用のかから
ない蒸気発生器を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、アキュムレータタンクと制御
回路とが組合わされた蒸気発生器であって、燃料がアキ
ュムレータタンク内の圧力変化によって自動的に蒸気発
生器に送られるようになっている蒸気発生器を提供する
ことにある。

本発明の更に他の目的は、自動車繭に設けられた原動機
を駆動するようになっていて、静かに作動しかつよごれ
た排出物を出さない蒸気発生器を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、添付図面を参照する次の記載
によって明らかにされる。図面全体に亘つて、同一符号
は同一部品を示す。図面において、符号１は蒸気発生器
を示す。

蒸気発生器１において燃料が燃焼され、その熱が水また
は水蒸銃などの動作物質に伝えられ、供聯合ライン２お
よび４、圧力調整器６ならびに供給ライン８を介して絞
り弁１０に送られる。好ましくは、絞り弁１０は、可動
弁要素を有する本体からなり、そこを通る流れ通路の大
きさは絞りリンク１１によって制御される。

絞りリンク１１は、前記弁要素に固着されたクランク１
２に連結される。絞り弁１０の放出通路は供９差ライン
１４を介して絞りハウジング１６に連結され、絞りハウ
ジング１６は原動機１８の入口通路の近くに固着される
。

原動機１８は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換す
るための装置であれば適当なものでよい。

第１図および第０図に示される本発明の実施例において
、原動機１８は、１９７１年１２月号の「ポピュラーサ
イエンスマガジン」（Ｐｏｐ山ａｒＳｃｉｅｎｃｅＮね
ｇａｚｊｎｅ、戊ｃｅｍはｒｌ９７１）の第４８頁およ
び第４９頁に記載された形式の回転膨張機よりなり、そ
の回転膨張機は、ジェームスィーオリバー（ＪａｍｅＳ
Ｅ．Ｏｌｉｖｅｒ）によって発明された流体作動容積形
回転エネルギー変換機として記載されている。この変換
機は、１６．３９立方センチメートル（１立方インチ）
の容積当り３ないし４馬力が得られ、効率８＆ぐーセン
トで得られる１馬力当りの重量が約１４１．７５グラム
（約５オンス）であり、１分間に１２０の副転が得られ
る機関である。圧縮流体がピストン、羽根およびダイヤ
フラムなどに力を働かせた外負荷に対し仕事をするよう
な適当な原動機を使用することもできる。

原動機１８は出力シャフト２０を有し、それは機械的継
手２２を介して発電機２６の駆動シャフト２４に連結さ
れる。

原動機１８は、そこに設けられた排出マニホルドを有し
、流体を排出へッダー２８に送る。

排出へツダー２８は排出管３０および復水器給送管３２
に運適する。過剰な水は排出管３０によってシステムか
ら取り出される。

排出管３川まそこに位置された圧力逃がし弁３４を有し
、圧力逃がし弁３４は、原動機１８における背圧を制御
するために、例えば絶対圧１．３６気圧（２蛇ｓｉａ）
で開放され、下記されるような再循環のために排出流体
の流れをつくり、排出の際にシステム内のよごれを生じ
させる空気の流入を防止する。排出管３川ま同流形熱交
換器３６と蓬通し、それは、蒸気発生器１に供野合され
る液体を加熱するためにポンプ放出ライン４６と熱交換
の関係で配督される。

熱交換器３６は、排出流体の熱が奪われた後、その排出
流体をライン３８を介して放出する。蒸気復水器４０は
外方ジャケット４１よりなり、外方ジャケット４１は入
口開□４１ａを有し、管３２によって送られる水蒸気は
その関口４１ａを通過し、また、外方ジャケット４１は
出口関口４１ｂを有し、凝縮された水は、その関口４１
ｂを通過しライン４２を介して低圧部すなわち復水ポン
プ４４の吸入側に送られる。

好ましくは、復水ポンプ４４は、絶対圧３４ないし総気
圧（５００なし、し１００蛇ｓｉａ）の吐出し圧で、例
えば１分間当り３．７９−３７．９リットル（１一ＩＱ
ＺＩＩｏｎｓ）の送出し能力を有する高速遠心ポンプで
あることがよい。

このようなポンプとして、例えば１．５馬力の電動機で
駆動されるミルトンロイ ポンプＲ−１２０一Ａ（Ｍｉ
ｌｔｏｎＲｏｙ、ＰｍｍｐＲ−１２０−Ａ）を利用でき
る。給送ライン４６は復水ポンプ４４の高圧側に連結さ
れ、ポンプ４４は液体を入口通路４８を介して蒸気発生
器１の内側に送る。

熱は、熱交換器３６から給送ライン４６を通過する流体
の流れに伝えられる。

すなわち原動機１８に対して放出されて完全に膨張され
ていない排出蒸気から熱を取り出し、液体の流れに熱交
換させてエネルギーを蒸気発生器１に送る。容器５０お
よび５２は、好ましくは、熱絶縁のための真空室によっ
て隔てられた外方シェルおよび内方シェルを有し、温度
−２６７．７０（一４５００Ｆ）で絶対圧４０．８気圧
（６０奴ｓｉａ）以上の圧力に耐えられなければならな
い。

容器５０には、液体水素または他の適当な低温の可燃性
燃料が貯蔵され、その燃料は、ライン５４を介して発電
機２６と熱交換される関係で位直された熱交換器５６に
送られる。

発電機は、本来的に機械的摩擦による損失、抵抗熱によ
る損失、ヒステリシスに起因する鉄心損失、および熱の
発生を生じさせる渦電流損失を有する。発電機の温度が
上昇するにつれ、効率は悪くなる。熱交換器５６には、
例えば一２６７．７０（一４５００Ｆ）の温度で液体水
素が流れるので、換交換器５６は発電機２６を冷却し、
発電機の効率を、例えば６ふぐーセントから９０パーセ
ント位に上げる。熱交換器５６を通過する液体水素の流
れによって吸収された熱は、液体水素の温度を上昇させ
るので、液体水素を容易に膨張させガス状にさせること
ができ、かつ矢なわれる熱を蒸気発生器１に戻すことが
できる。

ライン５８は熱交換器５６に連結され、また復水器４０
の外方ジャケットの内側に設けられた蒸発器６０に連結
される。

好ましくは、蒸発器６０は、その外表面に設けられたフ
ィンを有し、それによって、管３２を介して復水器に流
入する蒸気によって接触される蒸発器の表面積を増加さ
せる。復水器４０において、排出蒸気から吸収された熱
は、水素ガスがライン６２によってバーナ６５に送られ
る以前に、水素ガスの温度を上昇させる。

容器５２には液体酸素が貯蔵され、その液体酸素はライ
ン６４、蒸発器６６およびライン６８を介してバーナ６
５に送られる。

ライン５４および６４にはそれぞれ弁５１および５３が
設けられ、それら弁は、水素および酸素を化学量論的に
混合するために各ラインの流量を制御する。

その鶴合物はバーナ６５に送られ、完全燃焼がなされる
。バーナ６５はシリンダ７川こ取付けられ、シリンダ７
０は、セラミックまたは耐熱合金などの適当な耐火材料
で形成された耐火ラィニング７２を有する。

上記耐熱合金としては、時々引き合いに出される例えば
次のような成分、ニッケル２６％、クロム１３．５％、
チタン３％、モリブデン１．７５％、マンガン１．５％
、ホウ素０．２０％および徴量のアルミニウム、銅、ケ
イ素からなるステンレス鋼を用いることができる。この
ような材料は、商業的見地から商標名“ウェスティング
ハウス合金弘５（Ｗｅｓｔｉｎ餌ｏ雌ｅＡｌｌｏｙ５４
５）”として得ることができ、これはジェットエンジン
のタービン円板などに使用され、６４９ｑｏ（１２００
０Ｆ）以上の温度で高速遠心力に耐えることができるも
のである。シリンダ７０内の燃焼室７３の中央部におけ
る水素と酸素との混合物の燃焼温度は、絶対圧私気圧で
例えば２９７３．９００（５紙ｙＦ）であるから、燃焼
室の壁は、過度な加熱から保護すために冷却されなけれ
ばならない。

シリンダ７川ま、外方壁７４および内方壁７６からなる
シェルの内側に取付けられ、それら壁の間には絶縁材硫
７８が設けられる。

シリンダ７０は内方壁７６から間隔を有し、シリンダと
の間に還状流れ通路８０が形成され、その通路は入口閉
口４８と蓮適する。環状流れ通路８０は、その中に位置
されて同心で取付けられた管状部材８２および８４すな
わちジャケットを有し、それら部村の下端は底壁８６に
よって結合される。

水はポンプ４４によってライン４６を介して環状通路８
０に給送され、給送された水のレベルは、例えば管状部
材８２および８４の上緑８２ａおよび８４ａの下側のＬ
で示すところまで上昇させられる。熱は耐水ライニング
７２およびシリンダ７０の壁を介して伝えられ、その熱
は水によって吸収される。水は、水蒸気を発生する蒸発
温度まで加熱され、その水蒸気は、上方に流れて上縁８
２ａおよび８４ａを越えて、通路８５を介して管状部材
８２および８４に固着された底壁８６に向って下方に流
れる。底壁８６はそこに形成された開口を有し、その関
口に蒸気噴出管８８が固着されて水蒸気をマニホルド９
０‘こ送る。

マニホルド９０には隔直された複数の関口すなわち噂霧
ノズル９２が形成されて、水蒸気が燃焼室７３に分配さ
れる。電気抵抗形式のヒータ要素６５ａが燃焼室７３内
でバーナ６５に隣接して位置される。

ヒータ要素６５ａは、導線６５ｂによってバッテリーＢ
に接続され、燃料の燃焼温度以上に維持される。弁５１
および５３は、好ましくは、容器５０および５２の壁を
通じての熱伝達によって蒸発させられた該容器内の燃料
および酸素の蒸気を通過させるようになっている。バー
ナ６５を介して噴出される蒸気は、容器５０および５２
内で低温度で維持されるが、バーナ６５は発火されたま
まであるから、蒸気発生器１および原動機１８は予熱さ
れた作動状態に維持される。バッテリーＢは発電機２６
によって充電され、導線６５ｃおよび電位差計６５ｄを
介して電動機Ｍ，およびＭ２に接続される。

それら電動機は、例えば車瀬の車輪を駆動させるために
取付けられる。本発明の第１実施例の作動および機能は
、上記の記載から容易に理解されるが、本装置の作動は
次に詳しく述べられる。

弁５１および５３は、水素および酸素の化学的に正確な
量を提供するために調節され、化学量論的に混合された
水素および酸素をバーナ６５に提供する。

燃焼工程の生成物（それは大部分は水である。）は、供
尊台ライン２，４および圧力調整器６を介して絞り弁１
０に送られる。絞り弁１０を調整することにより、回転
膨張機すなわち原動機１８に対して蒸気の流量を制御す
る。圧力逃し弁３は圧力が過度にならないように働く。
原動機１８から排出されたもの（一部は膨張された蒸気
である。

）は、ヘッダー２８および管３２を通って復水機４０を
通過する。蒸気は、蒸発器６０および６６により凝縮さ
れ、同時に熱交換器である蒸発器６０および６６を通っ
て流れる水Ｚ素および酸素を加熱する。凝縮されたもの
は、再生熱交換器３６で加熱された後、ポンプ４４によ
って例えば絶対圧私気圧（５０のｓｉａ）の圧力で蒸気
発生器１内の環状通路８０１こ送られる。

Ｚシリンダ７０壁を介して
伝えられた熱は、環状通路８０内で凝縮されたものを蒸
発させ、その結果として通路８５を通ってマニホルド９
０に流れる加圧蒸気の下向流を生じさせる。マニホルド
９０は蒸気を燃焼室７３の内側に分配し、蒸気は水素と
酸素との混合物の燃焼によって加熱される。供総合ライ
ン２および４を通って送られる蒸気の温度は、絶対圧私
気圧（５０蛇ｓｉａ）位の圧力下で６４８．９００（１
２０００Ｆ）位であることが好ましい。また排出へッダ
−２８における圧力は絶対圧１３．６気圧（２のｓｉａ
）位であることが好ましい。ライン４２を介してポンプ
４４の低圧力側に送られる凝縮物は、好ましくは、絶対
圧１．４気圧（２ゆｓｉａ）で飽和された液体であり、
ライン４６を介して絶対圧乳気圧（５０倣ｓｉａ）の圧
力で放出される。回転膨張機１８が、効率８５ゞーセン
トで４０馬力の出力を有するものと仮定して、装置のサ
イクル効率および燃料条件を計算することができる。

本発明の第２実施例は第０図に示され、それは液体水素
のための容器１５０を有し、その液体水素は、供給ライ
ン１５４を介して燃焼室１７０ａ，１７０ｂおよび１７
０ｃに送られる。液体酸素は、容器１５２から供野合ラ
イン１６４を介して燃焼室１７０ａ，１７０ｂおよび１
７０ｃに送られる。各燃操室は、そこに取付けられた点
火プラグＳを有し、水素と酸素との混合物を発火させる
。供艶給ライン１５４は、弁１５１ａ，１５１ｂおよび
１５１ｃを有し、それら弁は信号応答マクチュヱータに
よって作動され、そのようなァクチュヱータとしては、
各弁に連結された可動コアを有する電流作動リレーなど
である。各燃焼室の蒸気は、供給ライン１０２を介して
アキユムレータタンクＴに送られる。

供給ライン１０２は、そこは取付けられたソレノィド作
動弁１０６ａ，１０６ｂおよび１０６ｃを有する。アキ
ュムレータタンクＴは、そこに形成された出口通路を有
し、加圧流体を供Ｖ給ライン８、絞り弁１０およびライ
ン１４を介して前述したタイプの回転膨張機１８に送る
。排出へッダー２８から送られた排出物の一部は、管３
２を介して復水器Ｃを通過し、そこで凝縮された液体は
、給送ライン４６ａ，４６ｂおよび４６ｃを介して室壁
が冷却されている各燃嫌室に送られる。

給送ライン４６ａ，４６ｂおよび４６ｃは、それぞれ逆
止弁４６′を有している。圧力変換器２００は、アキュ
ムレータタンクＴの内側に蓮通し、タンクＴ内の圧力が
予め決められた限度以下の圧力、例えば絶対圧１３．６
気圧（２０血ｓｉａ）以下の圧力に下がったとき、導線
２０１および２０２を介して送られる電気信号を発生す
る。導線２０１を通る信号は、導線２０３、ブラシ２０
４およびシャフト２０５を介してワイパ２０６および２
０８に送られる。

導線２０２を通って送られる電気信号は、段切り装置２
１０（ｓにｐｐｉｎｇｄｅｖｉｃｅ）に送られる。

そのような段切り装置としては、例えばラチヱット装置
２１１に係合するコアを有するソレノィドであって、そ
のラチェット装置が、シャフト２０５の端部に固着され
たギャ２１４と噛合った関係で設けられたギャ２１２を
回転させるように配置されたソレノイドである。上記の
ことから明らかなように、信号が変換器２００から段切
り装置２１０に送られるごとに、ワィパ２０６および２
０８を有するシャフト２０５が予め決められた角度で回
転させられる。

第０図に示す本発明の第２実施例において、３つの接点
２１６ａ，２１６ｂおよび２１６ｃが示されている。そ
れら３つの接点２１６ａ，２１６ｂおよび２１６ｃは固
定円板２１６に設けられているので、ワィパ２０６は、
段切り装置２１０が作動されるごとに、１つの接点から
次の接点に動かされる。固定円板２１８は、そこに設け
られた接点２１８ａ，２１８ｂおよび２１８ｃを有し、
固定円板２１６と同様な構成となっている。

接点２１６ａは、導線２１６ａ′を介して弁１５１ａお
よび１５３ａに組合わされたソレノィドに接続されて、
水素および酸素の燃焼室１７０ａへの流量を制御する。

同様に、接点２１６ｂおよび２１６ｃは、水素および酸
素の混合物を燃焼室１７０ｂおよび１７０ｃにそれぞれ
供給するためのラインに設けられた弁に援銃される。接
点２１８ａは、導線２１８ａ′を介して点火プラグＳＶ
に接線され、燃焼室１７０ａ内の水素と酸素の混合物を
発火させる。

更に、接点２１８ａは、蒸気をタンクＴを送るために弁
１０６ａを作動させるソレノィドに接続される。同様に
、接点２１８ｂおよび２１８ｃは、燃焼室１７０ｂおよ
び１７０ｃの点火プラグＳ２およびＳ３に接続される。

上記したことから明らかなように、もし燃料が燃焼室１
７０ａ内で発火されたならば、例えば６４８．ぴ０（１
２０００Ｆ）で絶対圧３４気圧（５０蛇ｓｉａ）の蒸気
は、点火プラグＳＩが発火したときに開放される弁１０
６ａを介して送られる。

その蒸気は、ァキュムレータタンクＴに送られるが、回
転膨張機１８に対して弁１川こよって絞られている。タ
ンクＴ内の圧力が絶対圧１３．６気圧（２０蛇ｓｉａ）
以下に下がったとき、交換器２００は、段切り袋贋２１
０を附勢するための信号を発生し、ワィパ２０６は接点
２１６ｂに動かされて、圧力容器１７０ｂを充填させる
ために弁１５１ｂおよび１５３ｂが開放され、同時に、
ワイパ２０８は接点２１８ｂに動かされて、タンクＴ内
の圧力を上げるために弁１０６ｂが開放される。

また、タンクＴ内の力圧が絶対圧１３．６気圧（２０Ｗ
ｓｉａ）以下に下がったとき、変換器２００は信号を発
生し、燃焼室１７０ｃにおいて同機な態様で同じ手順が
なされる。上述したように、本発明者は、改良蒸気発生
器を開発したものであり、これにより、本発明の上述し
た目的が達成されたのである。

本発明の蒸気発生器において、水素を使用することは好
ましいことであるが、ガソリンなどのような他の燃料も
使用することができる。

しかしながら、水素と酸素とを燃えやすい混合物にして
使用する重要な利点は、大気によごれた排出物を放出し
ないことである。本発明によれば、火炎が燃焼室内でそ
の鱗線に沿って、しかもその内側壁から離れた状態で形
成され、かつ燃焼室の内壁と火炎との間に蒸気バリャが
形成されるので、燃焼室の内側壁は、火炎に直接さらさ
れることなく、かつ、絶えず火炎による高温度の熱によ
る影響から保護される効果を奏する。

本発明の他の実施例を本発明の技術思想から逸脱するこ
となく種々考えられ得ることは、当業者であれば当然理
解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す図式図。 第０図は、発明の第２実施例を示す図式図。１，１７０
ａ，１７０ｂ，１７０ｃ…・・・蒸気発生器、１８・・
…・原動機、３６…・・・熱交換器、４０・・・・・・
蒸気復水器、５６・・・・・・熱交換器、６０・・・・
・・蒸発器、６５・・・…バーナ、８０・・・・・・環
状流通路、２００・・・・・・圧力変換器、２１０・・
・・・・段切り装置、Ｔ”“”アキユムレータタンク。 〜 向 工ヨ？〃

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蒸気発生器であつて、 管状の燃焼室よりなり、該燃焼室は真直で連続的な内
   側および外側壁と、該燃焼室の一端部の中央に配置され
   た入口とを有し、 さらに、可燃性の燃料源と、 燃料を前記入口を介して前記燃焼室に分配するための
   装置と、 酸素源と、 酸素を前記入口を介して前記燃焼室に分配するための
   装置と、 前記燃焼室内でその軸線に沿つてしかもその
   内側壁から離れた状態で火炎を形成すべく該燃焼室内に
   設けられた燃焼装置と、 前記燃焼室の外側壁のまわり
   に環状通路を形成するように該燃焼室のまわりに設けら
   れたジヤケツトと、 前記環状通路に液体を注入するた
   めの装置とよりなり、このとき該環状通路に注入された
   液体は前記燃焼室の外側壁と熱交換関係に置かれ、 さ
   らに、前記環状通路からの流体を前記燃焼室の内部にし
   かも前記入口のまわりに送るために該燃焼室の前記一端
   部に隣接して該環状通路と連通する装置よりなり、この
   とき該流体は該燃焼の内側壁に沿つてしかも前記火炎か
   ら離れた状態でもつぱら長手方向に注入され、これによ
   り該燃焼室の内側壁と該火炎との間に蒸気バリヤが形成
   されるようになつている蒸気発生器。 ２ 前記第１項に記載の蒸気発生器において、燃焼室が
   略円筒形状となつていることを特徴とする蒸気発生器。 ３ 前記第１項に記載の蒸気発生器において、環状通路
   からの流体を燃焼室に送るための装置が入口のまわりに
   延びかつ該環状通路と連結するマニホルドを包含し、該
   マニホルドはそこに隔設された複数の開口を有し、該開
   口が複数の流体ジエツトを該燃焼室に与えるように配置
   され、該ジエツトが該入口からの火炎の方向に対してほ
   ぼ平行に向けられることを特徴とする蒸気発生器。