WO2006126661A1 - 噴流式蒸気エンジン - Google Patents

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WO2006126661A1
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liquid
heat
pipe
steam engine
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PCT/JP2006/310512
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French (fr)
Inventor
Yasushi Yamamoto
Makoto Abe
Original Assignee
Isuzu Motors Limited
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    • F01D1/32—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with pressure velocity transformation exclusively in rotor, e.g. the rotor rotating under the influence of jets issuing from the rotor, e.g. Heron turbines
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present invention relates to a steam engine for converting thermal energy into mechanical energy such as rotational energy, and more particularly to a steam engine that efficiently generates mechanical energy from a relatively low-temperature heat source.
  • the engine As a heat engine for generating mechanical energy from a heat source in a low temperature state, there is an engine disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 0 1 1 2 0 700. As shown in FIG. 3, the engine includes a heating unit 101 and a cooling unit 102, and these are connected by a nozzle 103. A turbine 10 6 is arranged at a position facing the nozzle 10 3 of the cooling unit 10 2, and the turbine 10 6 rotates together with the magnet 10 7. Inside the magnet 1 0 7 'is placed so that the stationary generator coil 1 1 0 faces. The magnet 10 07 and the power generation coil 110 constitute a power generation device.
  • the heating unit 10 1 and the cooling unit 10 2 are hermetically sealed, and water 10 4 as a working fluid is sealed therein, and the internal air is exhausted by a vacuum pump.
  • a large number of heat pipes 10 5 for heat dissipation are attached above the cooling unit 10 2.
  • the heating unit 1 0 1 and the cooling unit 1 0 2 form a heat pipe as a whole.
  • the water 1 0 4 heated from below in the heating unit 1 0 1 to become water vapor 1 0 4 becomes a high-speed flow, and It blows out to the blades of the turbine 106.
  • the turbine 10 6 and the magnet 10 7 rotate to generate rotational energy, and the rotational energy is finally converted into an electric energy form by the magnet 10 7 and the power generation coil 1 10.
  • the steam after driving the turbine 10 6 is cooled by the heat release action of the heat pipe 10 5 and returned to water. This condensate falls under the cooling section 102 due to gravity and is returned to the heating section 101 from the center.
  • a heat pipe that uses evaporation and condensation of a liquid sealed in a sealed container is generally used as a heat transport means, that is, a heat transfer device.
  • a heat transport means that is, a heat transfer device.
  • the liquid vapor enclosed in the heat pipe ⁇ moves with a large velocity energy, it is possible to extract power from this as described above, and in this case, mechanical heat is generated from a low-temperature heat source. Energy can be extracted.
  • the turbine disclosed in the above Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 1-2 0 70 6 is a so-called speed type engine that uses the speed energy of the working fluid. To operate the turbine efficiently, It is necessary to increase the rotation speed and increase the peripheral speed to a value comparable to the steam speed. When the turbine is downsized and the diameter is reduced, the turbine rotation speed becomes very high, and a large centrifugal force acts on the turbine, which may cause damage. In addition, when the temperature of the heating section is low and the steam is cold, water drops are likely to occur due to cooling because the degree of superheat of the steam is low. When water droplets occur, they collide with the turbine blades at high speed, and the turbine blades undergo erosion due to the collision of water droplets, so-called erosion.
  • the steam engine according to the present invention is a heating system in which a rotor having a jet pipe is rotatably supported in an airtight container filled with liquid and inserted in the center of the rotor The liquid is evaporated by the section and ejected from the ejection pipe, thereby rotating the rotor and converting the thermal energy into rotational energy.
  • the present invention as described in claim 1,
  • a condenser that condenses liquid vapor in communication with the airtight container is installed above the airtight container.
  • a heating part is provided in the center, and further, a bent jet pipe having a check valve for jets extending radially from the center and a tip extending radially from the center.
  • a bent jet pipe having a check valve for jets extending radially from the center and a tip extending radially from the center.
  • a mouth having an ejection pipe is provided in a sealed container filled with liquid, and the liquid is sucked from the suction pipe around the heating portion at the center of the rotor and evaporated. Then, the vaporized high-pressure vapor causes the mixture in a state where the liquid and the vapor are mixed to be ejected from the ejection pipe, and rotational force is obtained by the reaction at this time. Since the mixture to be ejected contains a lot of liquid and its mass is much larger than that of the vapor, the rotational force obtained by the reaction, that is, the rotational torque, is much larger than when only the vapor is ejected. Therefore, large torque can be obtained even when the rotor rotates at a low speed, and unlike a turbine that converts the speed energy of steam into rotational energy, it can be operated efficiently even at a low speed.
  • this steam engine rotates a rotor equipped with a jet pipe and a suction pipe extending radially from the center, and does not have a nozzle or a stationary blade unlike a normal turbine, and has a simple configuration. Is. Rotational speed is also low compared to turbine Since it is PT / JP2006 / 310512, it is not necessary to use high-precision bearings that support the rotating shaft, and erosion caused by water droplet collisions does not occur.
  • the intake pipe of the steam engine of the present invention is provided with an intake check valve, and the ejection pipe is provided with an ejection check valve. The liquid sucked from the suction pipe is heated by the heating part at the center of the rotor and becomes vapor and the pressure rises.
  • a vacuum pump is connected to the capacitor, and the pressure in the sealed container and the capacitor is a saturated vapor pressure of a liquid.
  • a vacuum pump is connected to the condenser and air or other gas is exhausted, and the pressure in the sealed container and condenser is the saturated vapor pressure of the sealed liquid, the boiling point of the liquid decreases and the liquid is cooled even at low temperatures. Becomes a vapor state. As a result, even when the temperature of the heating unit is not so high, the liquid is easily vaporized, and the engine can be operated efficiently to extract rotational energy.
  • the steam engine of the present invention can efficiently convert the heat held by the low-temperature heat source into rotational energy, it is suitable as an engine for extracting power from solar heat.
  • the heating part in the central part of the rotor can be configured to be heated by sunlight.
  • the ejection pipe and the suction pipe are formed so that their cross sections are streamlined.
  • the rotor including the ejection pipe and the suction pipe is rotated in the liquid. Therefore, when the cross section of the ejection pipe and the suction pipe is formed in a streamline, the fluid resistance that the rotor receives from the liquid is reduced. As the power loss decreases, the thermal efficiency of the engine can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the steam engine of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a heating part of the steam engine of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a conventional steam engine. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the steam engine of the present invention in the center, and a cross-sectional view along the line AA on the right side.
  • An enlarged cross-sectional view of the jet pipe (B-B cross section) is shown on the left.
  • FIG. 2 is a detailed view of the central part of the rotor and the heating part of the steam engine, in particular showing an embodiment configured to be heated by solar heat.
  • the steam engine has an airtight container 1 with a circular cross section, inside which is heated liquid.
  • Water is sealed as (working fluid), and the water is almost filled in the sealed container 1.
  • a condenser 2 that condenses water vapor and condensates is installed at the top of the sealed container 1, and the condenser 2 is connected to the sealed container 1 by a short pipe 3.
  • a plurality of baffle plates 4 are installed in the short pipe 3 at intervals, thereby preventing liquid water from entering the condenser 2, but condensate from the condenser 2 is sealed container 1 It is possible to reflux.
  • a rotor 5 is installed soaked in water.
  • the rotor 5 has a central cylinder 50 at its central portion, and a jet pipe 51 and a suction pipe 52 extending in the radial direction are connected to the central cylinder 50.
  • the ejection pipe 51 and the suction pipe 52 extend in opposite directions at an angle of 180 degrees, and the previous part is bent at a right angle. Although it is bent at a right angle in this embodiment, it can be bent smoothly.
  • a jet check valve 53 is attached to the tip of the jet pipe to allow the flow only in the direction of jetting the mixture of steam and water from the jet pipe 51.
  • a check valve 54 for suction that flows only toward the cylinder 50 is attached.
  • a suction chamber 55 having a diameter larger than that of the suction pipe is formed at the tip of the suction pipe 52.
  • the cross sections of the ejection pipe 51 and the suction pipe 52 are streamlined as shown in the left diagram of FIG. In order to obtain a streamlined cross section, a streamline covering member may be fixed to a circular cross section pipe.
  • the central cylinder 50 of the rotor 5 can be rotated via a bearing 7 having a sealing function added to sleeves 6 fixed to the left and right side walls of the hermetic container 1, as shown in the right figure of FIG. 1 and FIG.
  • Supported by A heat pipe 8 is inserted into the center hole of the sleeve 6 on the right side of the figure, and a large-diameter heat radiating portion of the heat pipe 8 extends in the central cylinder 50 in the axial direction.
  • This heat radiating part is a heating part 9 of the steam engine, and the water sucked into the central cylinder 50 is heated by, for example, exhaust heat of the internal combustion engine transmitted by the heat pipe 8 to generate steam.
  • exhaust heat or the like is transferred to the heating unit 9 using a heat pipe.
  • it is possible to increase the temperature of the heating unit 9 by providing a pipe through which a high-temperature fluid passes.
  • a partition wall for preventing water and the like from entering is provided in front of the heating unit 9 of the central cylinder 50, and a magnet 10 is fixed to the peripheral wall of the central cylinder 50 partitioned by the partition wall. And rotate together.
  • a power generation coil 1 1 is placed at a position facing the magnet 10, and the power generation coil 1 1 is fixed to the sleeve 6 on the left side of the figure, and an electric wire through which the generated power is taken out. Is laid.
  • rotational energy is output as electric energy, but as shown by a two-dot chain line in FIG. 2, a gear 56 is fixed to the central cylinder 50 of the rotor 5 and matched with this. Power can be extracted in the form of rotational energy by rotatably supporting the gear 5 7 on the side wall of the sealed container 1.
  • Capacitor 2 installed above hermetic container 1 has an outer wall made of aluminum or the like with good heat transfer to improve heat dissipation performance, and has a large number of plate-like heat transfer fins inside. 2 1 is provided in the vertical direction. In some cases, a heat-dissipating fin may be attached to the outer wall, as shown by the two-dot chain line in the diagram on the right of FIG.
  • the bottom wall of condenser 2 is inclined to collect condensed condensate in short pipe 3.
  • the inside of the capacitor 2 is connected to the vacuum pump 2 3 via a check valve 2 2 in order to discharge gas such as air and maintain the pressure of the capacitor 2 and the sealed container 1 at the saturated vapor pressure. .
  • the water in the sealed container 1 is supplied to the central cylinder 50 of the rotor 5 that is rotatably supported through the suction check valve 54 and the suction pipe 52. Exhaust heat etc. is transmitted to the heating part 9 inserted in the central cylinder 50, that is, the heat radiation part of the heat pipe 8, and the temperature PT / JP2006 / 310512 is rising, and the supplied water comes into contact with the heating unit 9 and part of it becomes steam.
  • the check valve 53 for the jet opens, and the water vapor passes through the bent jet pipe 51 while being expanded. It is ejected at a high speed from its tip in a mixed state. Due to the inertia of the mixture of jetted steam and water, the pressure in the central cylinder 50 is reduced and water is sucked again from the suction pipe 52. Thereafter, such jetting and suctioning operations are repeated periodically. .
  • a rotational torque acts on the rotor 5 by the reaction of the ejected mixture, and the rotor 5 rotates clockwise in FIG. Since the mixture to be ejected contains a large amount of liquid water, and the specific gravity of water is much larger than that of water vapor, the momentum of the mixture and the rotational torque acting on the rotor 5 are large. Therefore, the required power can be taken out even when the rotor 5 is rotating at a low speed.
  • the rotational energy of the rotor 5 is taken out as electrical energy by the mutual electromagnetic action between the magnet 10 rotating integrally with the rotor 5 and the stationary power generating coil 11.
  • the rotor 5 Since the rotor 5 is immersed in water in the sealed container 1 and rotates in the water, it receives the fluid resistance of water. In order to reduce the resistance, the cross sections of the ejection pipe 51 and the suction pipe 52 are formed in a streamline shape, and power loss due to fluid resistance is reduced. In addition, the water in the sealed container 1 also rotates as the rotor 5 rotates, but since the cross section of the sealed container 1 is circular, the water rotates smoothly and power loss due to water disturbance is reduced. . The water vapor jetted from the jet pipe 51 rises in the water and is sent to the condenser 2 from the short pipe 3 and is cooled and condensed by the radiating fins 21 to be condensed water.
  • the condensate flows downward along the wall and returns from the short tube 3 to the sealed container 1.
  • a vacuum pump 23 that discharges air or the like is connected to the condenser 2, whereby the pressure inside the condenser 2 and the sealed container 1 is lowered and maintained at the saturated water vapor pressure. For this reason, the boiling point of water in the sealed container 1 is reduced, and even when the temperature of the heating unit 9 is low, the water evaporates to become water vapor and generates rotational torque that rotates the rerotor 5. be able to.
  • the steam engine of the present invention is operated using solar heat as a heat source.
  • the basic configuration of the sealed container 1 and the rotor 5 is the same as that of the steam engine of FIG. The difference is that it is inserted into the central cylinder 50.
  • 2006/310512 The structure of the hot section, and instead of the heat pipe, a glass body 12 and a heat transfer body 13 made of aluminum or the like are used instead of the heat pipe. .
  • the sun rays S are collected by the mirror 14 and the lens 15 and guided to the lens 16 placed at the end of the glass body 1 2. Sun rays are converted into parallel rays by the lens 16 and pass through the glass body 12 to raise the temperature of the heat transfer body 13 which is a heating part.
  • the joint between the glass body 1 2 and the heat transfer body 1 3 is painted black to convert the light into heat.
  • the steam engine of the present invention is provided with a rotor having a jet pipe in a sealed container filled with liquid, and the liquid is vaporized by a heating unit inserted in the center of the rotor.
  • the rotor is rotated by ejecting the mixture from the ejection pipe, and the heat applied to the heating unit is converted into rotational energy. Therefore, the steam engine of the present invention can be used as a heat engine for extracting power from various heat sources.
  • a case where heat in a low temperature state is mainly converted into rotational energy is described.
  • power can be extracted using a high-temperature heat source such as combustion. It goes without saying that it is possible.
  • the liquid used as the working fluid is not limited to water, and for example, a refrigerant such as Freon can be used.

Abstract

本発明の蒸気エンジンは、簡易な構成により、高温の熱源に限らず、内燃機関の排熱や太陽熱等各種の低温状態の熱源からも効率的に機械的エネルギを得るものである。このエンジンでは、液体を充満させた密閉容器（１）内に屈曲した噴出管（５１）を有するロータ（５）を回転可能に支持する。ロータ中心部の中心円筒（５０）には加熱部（９）を挿入し、ロータ（５）の吸入管（５２）から吸入した液体を蒸発させ、蒸気と液体の混合体を噴出管（５１）から噴出することにより、ロータ（５）を回転させる。噴出管（５１）と吸入管（５２）の先端部には、噴出用逆止弁（５３）と吸入用逆止弁（５４）とがそれぞれ配置されている。噴出された蒸気は、密閉容器（１）の上方に設置されたコンデンサ（２）に導かれ、ここで凝縮して密閉容器（１）に還流する。コンデンサ（２）には真空ポンプ（２３）が接続され、密閉容器内の圧力は飽和蒸気圧に保持されているので、液体は低温でも蒸気となりロータ（５）を回転させることができる。

Description

明細書
噴流式蒸気エンジン
技術分野
本発明は、 熱エネルギを回転エネルギ等の機械的エネルギに変換するための蒸 気エンジン、 殊に比較的低温の熱源から効率的に機械的エネルギを発生させる蒸 気エンジンに関するものである。
背景技術
環境対策あるいは省資源、 省エネルギの観点から、 近年、 多様なエネルギ資源 の利用技術の開発が進んでおり、 その中には、 太陽熱等自然界に存在する熱エネ ルギから機械的エネルギを取り出す技術がある。 また、 ディーゼル機関等の内燃 機関の排気ガスや冷却水中に廃棄される排熱を利用して動力を発生させ、 その動 力を回収することにより内燃機関の熱効率を向上させる技術も開発されている。 熱エネルギを回転エネルギ等の機械的エネルギに変換するには熱機関 （ェンジ ン） が使用される。 石油、 天然ガス等、 通常の燃料を用いる内燃機関あるいは蒸 気タービンなどの熱機関は、 燃料の燃焼により高温高圧の作動流体を発生させて 熱エネルギを機械的エネルギに変換するものでぁリ、 高温状態の熱源から機械的 エネルギを取り出すので熱効率が高い。 しかし、 自然界の熱エネルギゃ内燃機関 の排熱などは一般的にそれほど高温ではない、 つまり低温状態の熱エネルギであ つて、 このような熱源から機械的エネルギを効率的に取り出すには、 低温状態の 熱源に適した熱機関が必要となる。
低温状態の熱源から機械的エネルギを発生させる熱機関として、 特開 2 0 0 1 一 2 0 7 0 6号公報に示されるエンジンがある。 このエンジンは、 図 3に示され るように、 加熱部 1 0 1と冷却部 1 0 2とを備え、 それらの間はノズル 1 0 3で 連結される。 冷却部 1 0 2のノズル 1 0 3と対向する位置にはタービン 1 0 6が 配置してあり、 タービン 1 0 6はマグネッ ト 1 0 7と一体となって回転する。 マ グネット 1 0 7の内側に'は、 静止した発電コイル 1 1 0が対向するように配置さ れ、 マグネッ ト 1 0 7と発電コイル 1 1 0は発電装置を構成する。 加熱部 1 0 1 と冷却部 1 0 2とはそれぞれ密閉され、 その内部には作動流体である水 1 0 4が 封入されるとともに、 内部の空気等は真空ポンプにより排気されている。 また、 冷却部 1 0 2の上方には放熱のための多数のヒートパイプ 1 0 5が取付けられて いる。
加熱部 1 0 1と冷却部 1 0 2とは全体としてヒートパイプをなしており、 加熱 部 1 0 1で下方から加熱され水蒸気となった水 1 0 4は、 高速流となりノズノレ 1 0 3からタービン 1 0 6のブレードに噴出する。 これにより、 タービン 1 0 6及 びマグネッ ト 1 0 7が回転して回転エネルギが生じ、 回転エネルギはマグネッ ト 1 0 7と発電コイル 1 1 0により最終的には電気工ネルギの形に変換されて外部 に出力される。 タービン 1 0 6を駆動した後の蒸気は、 ヒートパイプ 1 0 5の放 熱作用に伴い冷却されて水に戻る。 この復水は重力によって冷却部 1 0 2の下方 に落下し、 中央部から加熱部 1 0 1に還流される。
密封容器内に封入された液体の蒸発と凝縮とを利用するヒートパイプは、 一般 的には熱の輸送手段つまり熱伝達装置として用いられるものである。 しかし、 ヒ ートパイプ內に封入された液体の蒸気は大きな速度エネルギを伴って移動するか ら、 上記のとおりこれから動力を取り出すことが可能であって、 この場合には、 低温状態の熱源から機械的エネルギを取り出すことができるようになる。
上記特開 2 0 0 1 - 2 0 7 0 6号公報に示されるタービンは、 作動流体の速度 エネルギを利用するいわゆる速度型機関であるが、 タービンを効率的に作動させ るには、 タービンの回転数を上昇させその周速を蒸気の速度に匹敵するような値 まで増大させる必要がある。 タービンを小型化し直径を小さく したときは、 ター ビン回転数は非常に高回転となり、 タービンには大きな遠心力が作用して破損の 虞れが生じる。 さらに、 加熱部の温度が低く蒸気が低温であるときは、 蒸気の過 熱度が低いので冷却により水滴が生じやすい。 水滴が発生すると高速でタービン ブレードに衝突し、 タービンブレードには水滴の衝突による浸食、 いわゆるエロ 一ジョンが起こる。
また、 密閉容器の中に熱機関を収容しこれを回転させるときは、 回転軸はシー ル性を備えた軸受により支持しなければならない。 タービンのような高速回転を JP2006/310512 行う回転軸を支持するには精密な軸受が必要であって、 シール性を確保しながら 支持するには、 その軸受部に複雑高価なものを採用することとなる。 発明の開示
従来の熱機関における上述の問題点を解決するため、本発明の蒸気エンジンは、 液体を充満させた密閉容器内に噴出管を有するロータを回転可能に支持し、 ロー タ中心部に挿入した加熱部により液体を蒸発させて噴出管から噴出させることに より、 ロータを回転させて熱エネルギを回転エネルギに変換するものである。 す なわち、 本発明は、 請求の範囲第 1項に記載のように、
「液体を封入した密閉容器を設置するとともに、 その密閉容器の上部には前記密 閉容器と連通して液体の蒸気を凝縮するコンデンサを設置し、
前記密閉容器の内部には、 中心部に加熱部を備え、 さらに、 中心部から放射状に 延び先端部には噴出用逆止弁を有する屈曲した噴出管と、 中心部から放射状に延 び先端部には吸入用逆止弁を有する屈曲した吸入管とを備えたロータを設け、 前記ロータを液体中に浸漬して前記密閉容器に回転可能に支持し、
前記ロータの回転による動力を取り出す J
ことを特徴とする蒸気エンジンとなっている。
本発明の蒸気エンジンでは、 液体を充満させた密閉容器内に噴出管を有する口 ータを設け、 ロータ中心部の加熱部の周囲に吸入管から液体を吸入して蒸発させ る。 そして、 蒸発させた高圧の蒸気により、 液体と蒸気が混合した状態である混 合体を噴出管から噴出させ、 このときの反動によって回転力を得る。 噴出する混 合体には液体が多く含まれており、 その質量は蒸気に比べはるかに大きいから、 反動により得られる回転力、 つまり回転トルクは蒸気のみを噴出する場合よりも 非常に大きくなる。 そのため、 ロータが低速で回転する際にも大きなトルクを得 ることができ、 蒸気の速度エネルギを回転エネルギに変換するタービンとは異な り、 低速でも効率よく作動させることが可能である。
さらに、 この蒸気エンジンは、 中心部から放射状に延びる噴出管と吸入管を備 えたロータを回転させるものであって、 通常のタービンのようにノズルや静翼を 備えておらず、 構成が簡易なものである。 回転速度もタービンと比較すれば低速 P T/JP2006/310512 であるから、 回転軸を支持するベアリングには高回転用の精度の高いものを採用 する必要はなく、 また、 水滴の衝突に起因するエロージョンは発生しない。 本発明の蒸気エンジンの吸入管には吸入用逆止弁が、 また、 噴出管には噴出用 逆止弁が設置されている。 吸入管から吸入された液体は、 ロータ中心部の加熱部 により加熱され蒸気となつて圧力が上昇するが、 吸入管の先端部には吸入用逆止 弁が設置してあるので、 吸入管から逆流を生じることはない。 蒸気の圧力が十分 に高まったときには、 蒸気は噴出管内で膨張しながら液体と蒸気の混合体として 噴出用逆止弁を経て液体中に噴出され、ロータに回転トルクを付与する。つまり、 液体は高圧の蒸気となるまでの間加熱部付近で滞留することができるので、 加熱 部が低温の状態にあつたとしても十分な伝熱を行うことができる。
請求の範囲第 2項に記載のように、 前記コンデンサには真空ポンプが接続され ており、 前記密閉容器及び前記コンデンサ内の圧力が液体の飽和蒸気圧とされて いることが好ましい。 コンデンサに真空ポンプを接続してコンデンサ内から空気 等のガスを排気し、 密閉容器及びコンデンサ内の圧力を封入された液体の飽和蒸 気圧としたときは、 液体の沸点が低下して低温でも液体が蒸気状態となる。 その 結果、加熱部の温度がそれほど高温ではない場合でも、液体は容易に蒸気となり、 エンジンを効率的に作動させ回転エネルギを取り出すことが可能である。
上述のとおり、 本発明の蒸気エンジンは低温の熱源の保有する熱を効率的に回 転エネルギに変換できるため、 太陽熱から動力を取り出すエンジンとして好適で あって、 請求の範囲第 3項に記載のように、 前記ロータ中心部の加熱部は、 太陽 光により加熱されるよう構成することができる。 '
また、 請求の範囲第 4項に記載のように、 前記噴出管及び前記吸入管は、 その 断面が流線形となるよう形成することが好ましい。 本発明の蒸気エンジンでは、 噴出管と吸入管とを備えたロータを液体中で回転させるので、 噴出管と吸入管の 断面を流線形に形成したときは、 ロータが液体から受ける流体抵抗の減少に伴い 動力損失が減少するため、 エンジンの熱効率を向上させることができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の蒸気エンジンの断面図である 図 2は、 本発明の蒸気エンジンの加熱部を示す図である。
図 3は、 従来の蒸気エンジンの一例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 図 1に は、 本発明の蒸気エンジンの断面図を中央に示し、 右側にはその A— A断面図を 示す。 また、 噴出管の断面拡大図 （B— B 断面） を左側に示している。 図 2は、 蒸気エンジンのロータ中心部及び加熱部の詳細図であり、 特に、 太陽熱により加 熱されるように構成された実施例を示すものである。
蒸気エンジンは断面円形の密閉容器 1を有し、 その内部には、 加熱される液体
(作動流体）として水が封入されており、水は密閉容器 1内にほぼ充満している。 密閉容器 1の上部には水蒸気を凝縮し復水とするコンデンサ 2が設置してあり、 コンデンサ 2は短管 3により密閉容器 1に連結される。 短管 3内には複数の邪魔 板 4が間隔を開けて取付けられ、 これによつて液体状態の水がコンデンサ 2に入 り込むのを防止するが、 コンデンサ 2からの復水は密閉容器 1に還流することが 可能である。
円形の密閉容器 1には、 ロータ 5が水中に浸漬して設置されている。 ロータ 5 はその中心部分に中心円筒 5 0を有し、 中心円筒 5 0には放射方向に延びる噴出 管 5 1と吸入管 5 2とが接続される。 噴出管 5 1 と吸入管 5 2とは、 図 1の中央 の図に示すとおり、 1 8 0度の角度で互いに反対方向に延びており、 先の部分は 直角に屈曲している。 この実施例では直角に屈曲させているけれども、 滑らかに 屈曲させることもできる。
噴出管の先端には、 噴出管 5 1から蒸気と水の混合体を噴出する方向にのみ流 れを許容する噴出用逆止弁 5 3が取付けられ、 吸入管の先端には、 水を中心円筒 5 0に向けてのみ流す吸入用逆止弁 5 4が取付けられる。 吸入用逆止弁 5 4を取 付けるため、 吸入管 5 2の先端部には吸入管よりも径の大きい吸入室 5 5が形成 されている。 また、 噴出管 5 1及び吸入管 5 2の断面は、 図 1の左の図に示され るように、 流線形に形成されている。 流線型の断面とするには、 断面円形の管に 流線形の覆い部材を固着するようにしてもよい。 ロータ 5の中央円筒 5 0は、 図 1の右の図及び図 2に示されるとおり、 密閉容 器 1の左右の側壁に固着したスリーブ 6に、 シール機能を付加したベアリング 7 を介して回転可能に支持される。 図の右方のスリ一ブ 6の中心孔にはヒートパイ プ 8が挿入され、 ヒートパイプ 8の大径の放熱部が中央円筒 5 0内に軸方向に延 長されている。 この放熱部は蒸気エンジンの加熱部 9となっており、 ヒートパイ プ 8によって伝熱された、 例えば内燃機関の排熱等により、 中央円筒 5 0に吸入 された水が加熱され蒸気が発生する。 この実施例ではヒートパイプを用いて加熱 部 9に排熱等を伝熱しているが、 高温流体が通過する管を設けて加熱部 9の温度 を上昇させることもできる。
中央円筒 5 0の、加熱部 9の前方には水等の侵入を防止する隔壁が設けてあり、 隔壁により仕切られた中央円筒 5 0の周壁にはマグネット 1 0が固定され、 これ はロータ 5と一体に回転する。 マグネット 1 0と対向する位置には発電用コイル 1 1が置かれ、 発電用コイル 1 1は図の左方のスリーブ 6に固定されており、 そ の中心孔を通過して発電電力を取り出す電線が敷設されている。 この実施例は、 回転エネルギを電気工ネルギとして出力するものであるが、 図 2に 2点鎖線で示 すように、 ロータ 5の中央円筒 5 0に歯車 5 6を固着し、 これと嚙合う歯車 5 7 を密閉容器 1の側壁に回転可能に支持することにより、 回転エネルギの形で動力 を取り出すこともできる。
密閉容器 1の上方に設置されるコンデンサ 2は、 放熱性能の向上のため、 伝熱 性の良好なアルミ二ユウム等からなる外壁を有し、 その内部には多数の板状の伝 熱用フィン 2 1が縦方向に設けられる。 場合によっては、 図 1の右の図に 2点鎖 線で示すように、 放熱用のフィンを外壁に取付けてもよい。 コンデンサ 2の底壁 は、 凝縮した復水を短管 3に集めるよう傾斜が施されている。 また、 コンデンサ 2の内部は、 空気等のガスを排出してコンデンサ 2及び密閉容器 1の圧力を飽和 蒸気圧に保持するため、 逆止弁 2 2を介して真空ポンプ 2 3に接続されている。 次いで、 本発明の蒸気エンジンの作動について説明する。
回転可能に支持されたロータ 5の中央円筒 5 0には、 吸入用逆止弁 5 4及び吸 入管 5 2を介して密閉容器 1内の水が供給される。 中央円筒 5 0内に挿入された 加熱部 9、 すなわちヒートパイプ 8の放熱部には、 排熱等が伝達されてその温度 P T/JP2006/310512 が上昇しており、 供給された水は加熱部 9に接触してその一部が水蒸気となる。 水蒸気の発生に伴い中央円筒 5 0の内部の圧力は増加し、 圧力が一定値を超える と噴出用逆止弁 5 3が開き、水蒸気は膨張しながら屈曲した噴出管 5 1を通過し、 水と混合した状態でその先端から高速で噴出される。 噴出された蒸気と水の混合 体の慣性により、 中央円筒 5 0内の圧力は低下して吸入管 5 2から再び水が吸入 され、 以降、 このような噴出、 吸入作用が周期的に繰り返される。
噴出された混合体の反動によってロータ 5には回転トルクが作用し、 ロータ 5 は図 1において時計方向に回転する。 噴出される混合体には液体である水が大量 に含まれており、 水の比重は水蒸気に比べ非常に大きいから、 混合体の運動量及 びロータ 5に作用する回転トルクは大きなものとなる。 したがって、 ロータ 5の 低速回転時にあっても所要の動力を取り出すことが可能である。 ロータ 5の回転 エネルギは、 ロータ 5と一体に回転するマグネッ ト 1 0と静止した発電用コイル 1 1との相互電磁作用により、 電気的エネルギとして外部に取り出される。
ロータ 5は密閉容器 1内で水に浸漬され水中を回転するので、 水の流体抵抗を 受ける。 その抵抗を減少させるため、 噴出管 5 1及び吸入管 5 2の断面は流線形 に形成されており、 流体抵抗に起因する動力損失を減少させている。 また、 ロー タ 5の回転に伴い密閉容器 1内の水も回転するが、 密閉容器 1の断面は円形とな つているため水の回転は円滑に行われ、 水の乱れによる動力損失が減少する。 噴出管 5 1から噴出された水蒸気は、 水中を上昇して短管 3からコンデンサ 2 に送られ、 放熱フィン 2 1により冷却されて凝縮し復水となる。 復水は壁面に沿 つて下方に流れ短管 3から密閉容器 1に還流する。 コンデンサ 2には空気等を排 出する真空ポンプ 2 3が接続され、 これによりコンデンサ 2及び密閉容器 1の内 部の圧力は低下して飽和水蒸気圧に保持されている。 そのため、 密閉容器 1内の 水の沸点は低下しており、 加熱部 9の温度がそれほど高くない低温状態であって も、 水が蒸発して水蒸気となリロータ 5を回転させる回転トルクを発生させるこ とができる。
図 2に示す実施例は、 本発明の蒸気エンジンを太陽熱を熱源として作動させる ものである。 この実施例においては、 密閉容器 1やロータ 5等の基本的な構成は 図 1の蒸気エンジンと変わりはない。 相違するのは中央円筒 5 0に挿入される加 2006/310512 熱部の構成であって、 太陽光による加熱が可能となるよう、 ヒートパイプの代わ りに、ガラス体 1 2とアルミ二ユウム等からなる伝熱体 1 3とが用いられている。 太陽光線 Sは、 ミラー 1 4及びレンズ 1 5によって集光され、 ガラス体 1 2の 端部に置かれたレンズ 1 6に導かれる。 太陽光線はレンズ 1 6により平行光線と なり、 ガラス体 1 2を通過して加熱部である伝熱体 1 3の温度を上昇させる。 ガ ラス体 1 2と伝熱体 1 3の接合部には、 光線を熱に変えるため黒色の塗装等が施 されている。 産業上の利用可能性
以上詳述したように、 本発明の蒸気エンジンは、 液体を充満させた密閉容器内 に噴出管を有するロータを設け、 ロータ中心部に挿入した加熱部により液体を蒸 発させ、 液体と蒸気の混合体を噴出管から噴出させることによりロータを回転さ せて、加熱部に加えられた熱を回転エネルギに変換するものである。したがって、 本発明の蒸気エンジンは、 各種の熱源から動力を取り出す熱機関として利用する ことができる。 前記の実施例では、 主に低温状態の熱を回転エネルギに変換する 場合について述べているけれども、 本発明の蒸気エンジンにおいては、 例えば燃 焼等による高温の熱源を使用して動力を取り出すことが可能であるのは言うまで もない。 また、 作動流体となる液体としては、 水に限らず例えばフロン等の冷媒 を用いることができるのは明らかである。

Claims

請求の範囲
1. 液体を封入した密閉容器 （1) を設置するとともに、 その密閉容器 （1) の 上部には前記密閉容器（ 1 )と連通して液体の蒸気を凝縮するコンデンサ（2) を設置し、
前記密閉容器 （1) の内部には、 中心部に加熱部 （9) を備え、 さらに、 中 心部から放射状に延び先端部には噴出用逆止弁 （5 3) を有する屈曲した噴 出管 （5 1) と、 中心部から放射状に延び先端部には吸入用逆止弁 （54) を有する屈曲した吸入管 （5 2) とを備えたロータ （5) を設け、
前記ロータ （5) を液体中に浸漬して前記密閉容器 （ 1 ) に回転可能に支持 し、
前記ロータ （5) の回転による動力を取り出すことを特徴とする蒸気ェンジ ン。
2. 前記コンデンサ （2) には真空ポンプ （23) が接続されており、 前記密閉 容器 （1) 及び前記コンデンサ （2) 内の圧力が液体の飽和蒸気圧とされて いる請求の範囲第 1項に記載の蒸気エンジン。
3. 前記ロータ中心部の加熱部 （9) は、 太陽光により加熱されることを特徴と する請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の蒸気エンジン。
4. 前記噴出管 （5 1) 及び前記吸入管 （52) は、 その断面が流線形に形成さ れている請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の蒸気エンジン。
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