WO2013039147A1 - 蒸気機関 - Google Patents

蒸気機関 Download PDF

Info

Publication number
WO2013039147A1
WO2013039147A1 PCT/JP2012/073466 JP2012073466W WO2013039147A1 WO 2013039147 A1 WO2013039147 A1 WO 2013039147A1 JP 2012073466 W JP2012073466 W JP 2012073466W WO 2013039147 A1 WO2013039147 A1 WO 2013039147A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
steam
piston
heat
cylinder
rotor
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/073466
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
吉山定見
ヘワビタラネ ダミンダ
Original Assignee
公益財団法人北九州産業学術推進機構
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 公益財団法人北九州産業学術推進機構 filed Critical 公益財団法人北九州産業学術推進機構
Publication of WO2013039147A1 publication Critical patent/WO2013039147A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/04—Engines with prolonged expansion in main cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/22—Rotary-piston machines or engines of internal-axis type with equidirectional movement of co-operating members at the points of engagement, or with one of the co-operating members being stationary, the inner member having more teeth or tooth- equivalents than the outer member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/02—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being water or steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/032—Producing and adding steam
    • F02M25/038—Producing and adding steam into the cylinder or the pre-combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/06—Heating; Cooling; Heat insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/24—Fluid mixed, e.g. two-phase fluid
    • F04C2210/242—Steam
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a steam engine that can obtain power using waste heat or the like.
  • Patent Document 1 an engine that improves fuel consumption by improving combustion of fuel in a cylinder has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a steam engine capable of obtaining power using thermal energy.
  • a piston is slidably disposed in the cylinder, and a crankshaft is linked to the piston to reciprocate the piston.
  • This is a steam engine that is linked to the rotational motion of the cylinder, and a cylinder that can receive the heat of a high-temperature body is disposed, and the cylinder and the piston that reciprocates within the cylinder serve as a heat transfer surface portion having a heat exchange function.
  • the heat transfer surface is heated by a high temperature body, and the working fluid that has become high pressure and high temperature superheated liquid is ejected through the injector into the flash space closed by the cylinder and the piston near the top dead center.
  • the rotor is rotatably disposed in the rotor housing, the eccentric shaft is inserted into the rotor, and the rotational motion of the eccentric shaft is linked to the rotational motion of the rotor.
  • a rotor housing that can receive the heat of a high-temperature body is disposed, and the rotor housing and the rotor that rotates in the rotor housing serve as a heat transfer surface portion having a heat exchange function.
  • the high heat body is a high heat fluid
  • the cylinder or the rotor housing has a high heat temperature through which the high heat fluid flows. It is characterized in that it is arranged in the flow path and can receive heat.
  • the wet saturated steam generated in the flash space is discharged outside and liquefied through a liquefier.
  • the liquefied working fluid is characterized as being a superheated liquid in a high pressure and high temperature state through a heat exchanger by a pressure pump and ejected through the injector into the flash space.
  • the high heat fluid is a waste heat fluid
  • the cylinder or rotor housing and the heat are disposed in the high heat flow path through which the waste heat fluid flows. It is characterized by arranging the exchanger.
  • the steam engine according to claim 6 is characterized in that in the steam engine according to any one of claims 1 to 5, the working fluid is water.
  • a piston steam in which a piston is slidably disposed in a cylinder, a crankshaft is linked to the piston, and the reciprocating sliding of the piston is linked to the rotation of the crankshaft.
  • a cylinder that is capable of receiving the heat of a high-temperature body is disposed, and the cylinder and the piston that reciprocates in the cylinder serve as a heat-transfer surface portion having a heat exchange function.
  • the working fluid that has become high-pressure and high-temperature superheated liquid is ejected through the injector into the flash space that is closed by the cylinder and the piston near the top dead center, so that the pressure is lower than the saturation pressure of the superheated liquid.
  • the rotor is rotatably arranged in the rotor housing, the eccentric shaft is inserted into the rotor, and the steam in which the rotational operation of the eccentric shaft is linked to the rotational motion of the rotor.
  • a rotor housing that is capable of receiving heat from a high-temperature body is disposed, and the rotor housing and the rotor that rotates within the rotor housing serve as a heat transfer surface portion having a heat exchange function.
  • a space that is lower than the saturation pressure of the superheated liquid by jetting the working fluid that has become a high-temperature and high-temperature superheated liquid through the injector into the flash space that is heated by the high-temperature body and closed by the rotor housing and the rotor.
  • a certain percentage of superheated water is converted into steam, and the steam expands to produce a rotor.
  • the superheated liquid that does not evaporate collides with the inner surface of the heat transfer surface portion that forms a flash space in the form of droplets, boils and becomes steam, which expands and activates the rotor. It is possible to provide a Wankel type rotary steam engine that can obtain power using energy.
  • the high temperature body is a high temperature fluid
  • the cylinder or the rotor housing is arranged in a high temperature flow path through which the high temperature fluid flows so that heat can be received.
  • the hot surface portion can be efficiently heated.
  • the wet saturated steam generated in the flash space is discharged to the outside, and the working fluid is liquefied through the liquefying device.
  • the liquefied working fluid is Since the superheated liquid is in a high pressure and high temperature state through the heat exchanger and ejected through the injector in the flash space, the working fluid can be circulated and used.
  • the high heat fluid is waste heat fluid
  • the cylinder or rotor housing and the heat exchanger are disposed in the high heat flow path through which the waste heat fluid flows. Heat can be efficiently received by the cylinder or rotor housing and the heat exchanger, and can be used effectively.
  • the steam engine can be driven safely at low cost even if it leaks.
  • the present invention relates to a piston steam engine in which a piston is slidably disposed in a cylinder, a crankshaft is interlocked with the piston, and the rotational movement of the crankshaft is interlocked with the reciprocating sliding of the piston.
  • a cylinder that can receive the heat of the cylinder is arranged, and the piston that slides back and forth in the cylinder is used as a heat transfer surface part having a heat exchange function.
  • the superheated water turns into steam, and the steam expands to activate the piston, and the superheated liquid that does not vaporize forms a flash space in the form of droplets.
  • a steam engine characterized in that to trigger the piston expands.
  • such a steam engine is also referred to as a “piston steam engine”.
  • the present invention also relates to a steam engine in which a rotor is rotatably disposed in a rotor housing, an eccentric shaft is inserted into the rotor, and the rotational motion of the eccentric shaft is linked to the rotational motion of the rotor.
  • a rotor housing that can receive the heat of the rotor, and the rotor housing and the rotor that rotates in the rotor housing serve as a heat transfer surface portion having a heat exchanging function, and these heat transfer surface portions are heated by a high-temperature body, and the rotor
  • a certain amount of superheated water in the space that is lower than the saturation pressure of the superheated liquid is ejected through the injector into the flash space closed by the housing and the rotor.
  • the steam expands and the steam expands to activate the rotor and does not vaporize
  • a steam engine characterized in that the hot liquid collides with the inner surface of the heat transfer surface portion that forms a flash space in the form of droplets and is boiled and becomes steam, and the steam expands to activate the rotor. It is also a thing.
  • such a steam engine is also referred to as a “Bankel rotary steam engine”.
  • superheated liquid injection which is a high-temperature and high-pressure working fluid
  • a cylinder or rotor housing that is heated by the heat of a high-temperature body, and a certain ratio is obtained in a space that is lower than the saturation pressure of the superheated liquid.
  • the piston and rotor are activated by generating a flash work that uses the superheated water of steam and a superheated liquid that has not been vaporized by the flash work, and a boiling work that instantly boils and vaporizes. It can be said that it is a steam engine that obtains power by making it happen.
  • the high temperature body is not particularly limited as long as it has thermal energy capable of generating flash work and boiling work with superheated liquid injected into the cylinder or rotor housing.
  • a high temperature body for example, a fluid such as high temperature gas or liquid, or a device that generates high heat can be used.
  • a high-temperature fluid When a high-temperature fluid is used as a high-temperature body, it is possible to receive heat by arranging the cylinder that constitutes the piston steam engine and the rotor housing that constitutes the Wankel-type rotary steam engine in the high-heat flow path through which the high-temperature fluid flows. Also good. At this time, by increasing the surface area of the cylinder or the rotor housing, the contact area with the high heat fluid may be expanded to improve the heat receiving efficiency.
  • the high heat fluid may be a waste heat fluid.
  • the waste heat can be converted into power, and the waste heat can be effectively used.
  • a device that generates high heat is a high heat body
  • a specific example is given.
  • the internal combustion engine and the piston steam engine are integrally configured by one cylinder block.
  • the heat generated by the internal combustion engine is propagated through the cylinder block or the side housing, The engine can also receive heat.
  • the working fluid that is injected into the cylinder or the rotor housing may be recovered after the injection and used again for injection.
  • the wet steam generated in the flash space by the flash work or the boiling work may be discharged outside the cylinder or rotor housing after the piston or rotor is activated, liquefied through the liquefier, and injected again as the working fluid.
  • the working fluid can be circulated and used.
  • the working fluid to be used for injection is not particularly limited as long as it is a fluid that can cause a flash work or a boiling work by phase transition between gas and liquid, depending on the temperature of the hot body to be used. It can be selected appropriately.
  • the piston steam engine can be driven safely at low cost and even if it leaks.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a piston steam engine A according to the first embodiment.
  • the piston steam engine A uses exhaust gas as a high-temperature waste heat fluid discharged from the internal combustion engine 1 as a high-temperature body. Further, water is used as the working fluid.
  • the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 1 is branched into a first gas flow path 2 for heating the working fluid and a second gas flow path 4 for heating the motor unit 3. Both the first gas flow path 2 and the second gas flow path 4 function as part of a high heat flow path through which the waste heat fluid flows.
  • a working fluid heating chamber 6 provided with a heat exchanger 5 is provided in the middle of the first gas flow path 2.
  • the water (working fluid) pressurized by the pump 7 is supplied to the heat exchanger 5, and heat exchange is performed between the exhaust gas and water to generate superheated liquid that is high-temperature and high-pressure water.
  • generated by the heat exchanger 5 is supplied to the injector 8 arrange
  • the exhaust gas that has passed through the working fluid heating chamber 6 is then released into the atmosphere.
  • the motor unit 3 includes a motor main body 9 and an exhaust gas guide case 10 that covers an upper portion of the motor main body 9 in an airtight manner.
  • the engine main body 9 includes a crankcase 11, a cylinder 12, and a cylinder head 13.
  • crankshaft 14 is housed in the crankcase 11, and the end of the crankshaft 14 is projected out of the crankcase 11 to serve as an output shaft (not shown) for taking out power.
  • a piston 16 is linked to the crankshaft 14 via a connecting rod 15 so that the crankshaft 14 is rotated by the vertical movement of the piston 16 in the cylinder 12.
  • the cylinder head 13 has a recess 17 formed so as to face the upper opening of the cylinder 12.
  • the recess 17 is a part that functions as a flash space when the piston 16 sliding in the cylinder 12 reaches the vicinity of the top dead center.
  • an injector 8 for injecting superheated liquid into the flash space is provided on the inner peripheral surface of the recess 17.
  • a solenoid 8a is disposed above the injector 8. When power is supplied by a control unit (not shown), the solenoid 8a is excited, and superheated liquid is injected into the flash space.
  • a steam discharge passage 19 for discharging wet saturated steam generated in the flash space is formed in the upper part of the cylinder head 13, and an opening on the flash space side of the steam discharge passage 19 is formed in the opening.
  • a valve 20 for closing the opening so as to be freely opened and closed is disposed.
  • the valve 20 is urged toward the closing side by a valve spring 21 disposed at the base of the valve 20, and is urged at a predetermined timing by a cam 22 also disposed at the base of the valve 20.
  • the opening of the steam discharge flow path 19 is opened by being pressed against.
  • the wet saturated steam discharged from the steam discharge passage 19 to the outside of the motor unit 3 reaches a condenser 30 as a liquefaction device.
  • a condenser 30 heat exchange is performed with a predetermined refrigerant (outside air in the first embodiment), and the vapor is condensed and liquefied to obtain a working fluid.
  • the working fluid obtained in the condenser 30 is sent to a storage tank 31 that stores a predetermined amount of working fluid. Note that the working fluid stored in the storage tank 31 is supplied to the heat exchanger 5 while being pressurized again by the pump 7 to become superheated liquid.
  • the working fluid is circulated in the following manner: storage tank 31 ⁇ pump 7 ⁇ heat exchanger 5 ⁇ injector 8 ⁇ flash space ⁇ steam discharge passage 19 ⁇ condenser 30 ⁇ storage tank 31.
  • fins 23 are provided on the side surfaces of the cylinder 12 and the cylinder head 13, so that the heat of the exhaust gas can be received efficiently.
  • the exhaust gas guide case 10 is a box-like member that airtightly accommodates the upper part of the cylinder head 13 and the cylinder 12 that constitute a part of the second gas flow path 4, and introduces exhaust gas discharged from the internal combustion engine 1.
  • An outlet 10a and an outlet 10b for discharging are provided.
  • the exhaust gas guide case 10 covers the cylinder head 13 and the cylinder 12 of the motor main body 9, and the exhaust gas introduced into the exhaust gas guide case 10 is provided with fins 23 provided in the cylinder 12 and the cylinder head 13. Thus, heat exchange is performed, and the exhaust gas from which heat has been removed is released into the atmosphere through the discharge port 10b.
  • the water stored in the storage tank 31 is first fed to the heat exchanger 5 while being pressurized to a predetermined pressure by the pump 7.
  • heat exchanger 5 heat exchange with the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 1 is performed, and the high-temperature and high-pressure (for example, 350 ° C., 170 bar) superheated liquid is supplied to the injector 8.
  • high-temperature and high-pressure for example, 350 ° C., 170 bar
  • the exhaust gas branched into the second gas flow path 4 is heat-exchanged by the fins 23 in the exhaust gas guide case 10, and the cylinder head 13, the cylinder 12, and the piston 16 are heated to a predetermined temperature (for example, 350 ° C.). To do.
  • valve 20 closes the steam discharge passage 19 and the superheated liquid is injected again into the flash space.
  • the power conversion utilizing the heat of the exhaust gas is performed by repeatedly performing the vaporization expansion process and the steam discharge process.
  • wet saturated steam discharged in the steam discharge process is sent to the condenser 30 and is phase-transferred to the liquid and stored in the storage tank 31.
  • the cylinder 12 that can receive the heat of the exhaust gas is disposed, and the cylinder 12 and the piston 16 that reciprocates in the cylinder 12 are heat-exchanged. These heat transfer surface portions are heated by exhaust gas, and the superheated liquid in a high pressure and high temperature state is passed through the injector 8 into the flash space closed by the cylinder 12 and the piston 16 near the top dead center.
  • the superheated water of a certain ratio becomes steam in the space that is lower than the saturation pressure of the superheated liquid, and the steam expands to activate the piston 16, and the superheated liquid that is not vaporized is , It collides with the inner surface of the heat transfer surface part forming a flash space in the form of droplets, boils and becomes steam, and the steam expands and activates the piston; And therefore, it is possible to provide a piston steam engine capable of utilizing the thermal energy obtains power.
  • the power obtained by the piston steam engine A may be used as auxiliary power for the internal combustion engine 1 or may be used as an independent power source.
  • the power from the output shaft extending from the crankshaft 14 of the piston steam engine A is added to the power from the output shaft of the internal combustion engine 1, so that the piston steam engine A can be used as auxiliary power for the internal combustion engine 1. It can be used as an institution. Moreover, if it is the latter, the utilization as motive power for driving a generator etc. can be considered.
  • a piston steam engine B as a steam engine according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the piston steam engine B according to the second embodiment has substantially the same configuration as that of the piston steam engine A described above, but is provided with a fuel mixture supply line 40 and a spark plug 42, and the internal combustion engine. Subsequent to the activation cycle, the structure is different in that the vaporization expansion process and the steam discharge process are performed.
  • an ordinary internal combustion engine is characterized in that it can function as a piston steam engine by performing the above-described vaporization expansion stroke and steam discharge stroke.
  • FIG. 2 the movement in the motor unit 43 corresponding to the above-described motor unit 3 will be mainly described, and the circulation mechanism of the working fluid is the same as that in the above-described embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • a 6-stroke piston steam engine B based on a 4-stroke engine will be described. That is, four strokes as an internal combustion engine and two strokes as a piston steam engine are performed.
  • the fuel supply valve 41 is opened, and a fuel mixture obtained by mixing vaporized fuel such as gasoline and air at a predetermined ratio from the supply pipe 40 is cylinderized.
  • the inhalation stroke taken in 52 is performed.
  • the piston 56 is raised in the cylinder 52, and a compression stroke is performed in which the sucked fuel mixture is compressed.
  • the spark plug 42 disposed in the cylinder head 53 is sparked to ignite the compressed fuel mixture, and a combustion expansion process is performed in which the piston 56 is pushed down by explosive force.
  • the piston 56 is raised by inertia, the exhaust valve 60 is opened, and an exhaust stroke for pushing the combustion gas out of the cylinder 52 is performed.
  • the inner wall of the cylinder 52 as a high heat body and the upper wall of the piston 56 also function as a heat transfer surface portion, thereby generating a boiling work.
  • the wet saturated vapor at this time may be condensed and recovered in the same manner as in the above-described embodiment, or may be discharged into the atmosphere as it is.
  • the motor unit 63 of the Wankel-type rotary steam engine C includes a motor main body 69 and an exhaust gas guide case (not shown) that covers the periphery of the motor main body 69 in an airtight manner. The discharged exhaust gas is guided around the motor main body 69 so that the motor main body 69 can be heated.
  • the motor main body 69 includes a rotor housing 72 whose inner peripheral surface is formed in a cocoon-shaped trochoidal curve.
  • An eccentric shaft 74 is housed in the central portion of the rotor housing 72, and an end portion (end portion in the depth direction on the paper surface) of the eccentric shaft 74 projects outside a side housing (not shown) to output power (see FIG. Not shown).
  • the eccentric shaft 74 is provided with a substantially triangular rotor 76 so as to be rotatable, and the eccentric shaft 74 is rotated by the rotation of the rotor 76 in the rotor housing 72. Yes.
  • concave portions 77 are formed at portions corresponding to the sides of the triangle.
  • the recess 77 is a part that functions as a flash space when the rotor 76 reaches the position (phase) shown in FIG.
  • an injector 8 for injecting superheated liquid into the flash space is provided on the inner peripheral surface of the rotor housing 72 where the rotor 76 faces the concave portion 77 at the position (phase) shown in FIG. It is provided in an exposed state inside.
  • the rotor housing 72 is formed with a suction flow path 71 for sucking in air for adjusting the internal pressure of the flash space, and a steam discharge flow path 79 for discharging wet saturated steam generated in the flash space. ing.
  • the wet saturated steam discharged from the steam discharge channel 79 to the outside of the motor unit 63 is sent to the condenser 30 as the liquefying device, and the steam is condensed to be liquefied and used again as a working fluid.
  • the fin 83 is provided in the outer peripheral surface part of the rotor housing 72, and the heat
  • the inner wall of the rotor housing 72 and the rotor 76 function as a heat transfer surface portion, whereby a boiling work is generated.
  • FIGS. 3 (e) and 3 (f) the wet saturated steam is discharged to the outside through the steam discharge flow path 79 (steam discharge process).
  • the wet saturated steam at this time is condensed and recovered, but may be discharged into the atmosphere as it is.
  • Wankel type rotary steam engine C according to the third embodiment has the following advantages.
  • the lubrication of the eccentric shaft 74 and the lubrication of the flash space can be separated, so that the piston system shown in the first and second embodiments is more than that. It is advantageous for lubrication.
  • the surface area of the flash space is larger than that of the piston system, in the case of a steam engine driven by heat obtained from the fins 83 on the surface of the rotor housing 72, it is considered that the Wankel type rotary steam engine is more advantageous. .
  • the rotor housing 72 when recovering the injected superheated liquid, the rotor housing 72 only needs to be perforated without the need to provide a valve or the like, so that the mechanism can be extremely simple. At this time, if a drain hole for discharging can be formed below the rotor housing 72, discharging becomes easier.
  • an injector that injects lubricating oil during the intake stroke can be easily arranged, and the lubrication performance can be further improved.
  • Wankel type rotary steam engine is considered to be advantageous over the reciprocating type steam engine.
  • the power obtained by the Wankel type rotary steam engine C may be used as auxiliary power for the internal combustion engine as well as the piston steam engine A described above, or may be used as an independent power source. Of course.
  • a piston for example, the piston 16, 56
  • a piston is slidably disposed in a cylinder (for example, the cylinder 12, 52), and the piston is disposed in the piston.
  • a piston steam engine in which a crankshaft (for example, the crankshafts 14 and 54) is interlocked and linked, and the rotation of the crankshaft is interlocked with the reciprocating sliding of the piston.
  • a piston that reciprocally slides in the cylinder are used as heat transfer surface portions having a heat exchange function, and these heat transfer surface portions are heated by a high temperature body, High pressure is passed through an injector (for example, injector 8) into a flash space closed by a piston near the top dead center.
  • a working fluid for example, water
  • a certain percentage of superheated water becomes steam in the space that is lower than the saturation pressure of the superheated liquid, and the steam expands.
  • the superheated liquid that does not evaporate when the piston is activated collides with the inner surface of the heat transfer surface portion that forms a flash space in the form of droplets, boils and becomes steam, and the steam expands. Since the piston is activated (for example, a boiler work), it is possible to provide a piston-type steam engine that can obtain power using thermal energy.
  • a rotor for example, the rotor 76
  • a rotor housing for example, the rotor housing 72
  • an eccentric shaft for example, an eccentric shaft
  • 74 is a steam engine in which the rotational motion of the eccentric shaft is linked to the rotational motion of the rotor, and the rotor housing capable of receiving the heat of a high-temperature body (for example, exhaust gas discharged from the internal combustion engine).
  • Arrangement for example, the motor main body 69 disposed in the exhaust gas guide case
  • the rotor housing and the rotor that rotates in the rotor housing serve as a heat transfer surface portion having a heat exchange function, and these heat transfer surface portions Is heated by a high-temperature body, and the rotor housing and rotor
  • an injector for example, the injector 8
  • the water is turned into steam, and the steam expands and activates the rotor (for example, flashwork).
  • the high-temperature exhaust gas from the internal combustion engine 1 is used as a high-temperature heat body.
  • the present invention is not limited to this, and a piston steam engine may be attached to a high-temperature exhaust duct in a factory to obtain power. good.
  • Wankel rotary steam engine C in the third embodiment The same applies to the Wankel rotary steam engine C in the third embodiment.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

　熱エネルギーを利用して動力を得ることのできる蒸気機関を提供する。シリンダ内にピストンを摺動自在に配置し、ピストンにクランクシャフトを連動連結して、ピストンの往復摺動にクランクシャフトの回転動作を連動させた蒸気機関であって、高熱体の熱を受熱可能としたシリンダを配置するとともに、シリンダとシリンダ内で往復摺動するピストンを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、シリンダと上死点近傍にあるピストンで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してピストンを発動させ、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してピストンを発動させることを特徴とすることとした。

Description

蒸気機関
　本発明は、廃熱などを利用して動力を得ることのできる蒸気機関に関する。
　従来、動力源の一つである内燃機関は、様々な分野において広く用いられている。
　特に近年では、環境への配慮や燃料の節約を目的として、種々の燃費向上手段が提案されている。
　例えば、シリンダ内での燃料の燃焼を改善することにより、燃費の向上を図ったエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００－０３４９２５号公報
　これまでに種々の改良がなされ、エンジンの燃費向上が図られてきたが、更なる燃費向上手段が求められている。
　一方、燃焼に伴って発生する熱については、未だ利用検討の余地が残されていた。
　本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、熱エネルギーを利用して動力を得ることのできる蒸気機関を提供する。
　上記従来の課題を解決するために、請求項１に記載の蒸気機関では、シリンダ内にピストンを摺動自在に配置し、ピストンにクランクシャフトを連動連結して、ピストンの往復摺動にクランクシャフトの回転動作を連動させた蒸気機関であって、高熱体の熱を受熱可能としたシリンダを配置するとともに、シリンダとシリンダ内で往復摺動するピストンを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、シリンダと上死点近傍にあるピストンで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してピストンを発動させ、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してピストンを発動させることとした。
　また、請求項２に記載の蒸気機関では、ローターハウジング内にローターを回動自在に配置し、ローターにエキセントリックシャフトを挿通して、ローターの回転運動にエキセントリックシャフトの回転動作を連動させた蒸気機関であって、高熱体の熱を受熱可能としたローターハウジングを配置するとともに、ローターハウジングとローターハウジング内で回転運動するローターを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、ローターハウジングとローターとで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、
蒸気が膨張してローターを発動させ、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してローターを発動させることとした。
　また、請求項３に記載の蒸気機関では、請求項１又は請求項２に記載の蒸気機関において、前記高熱体は高熱流体であり、前記シリンダ又は前記ローターハウジングは、前記高熱流体が流動する高熱流路内に配置して受熱可能としたことに特徴を有する。
　また、請求項４に記載の蒸気機関では、請求項１～３いずれか１項に記載の蒸気機関において、フラッシュ空間内に発生した湿り飽和蒸気は外部に排出するとともに、液化装置を通して液化した作動流体となし、液化された作動流体は、加圧ポンプにより熱交換器を通して高圧かつ高温状態の過熱液となして、フラッシュ空間内にインジェクタを通して噴出させることに特徴を有する。
　また、請求項５に記載の蒸気機関では、請求項４記載の蒸気機関において、高熱流体は廃熱流体であるとともに、この廃熱流体が流動する高熱流路内にはシリンダ又はローターハウジングと熱交換器とを配置していることに特徴を有する。
　また、請求項６に記載の蒸気機関では、請求項１～５のいずれか１項記載の蒸気機関において、作動流体は水であることに特徴を有する。
　請求項１に係る本発明によれば、シリンダ内にピストンを摺動自在に配置し、ピストンにクランクシャフトを連動連結して、ピストンの往復摺動にクランクシャフトの回転動作を連動させたピストン蒸気機関であって、高熱体の熱を受熱可能としたシリンダを配置するとともに、シリンダとシリンダ内で往復摺動するピストンを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、シリンダと上死点近傍にあるピストンで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してピストンを発動させ、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してピストンを発動させることとしたため、熱エネルギーを利用して動力を得ることのできるピストン型の蒸気機関を提供することができる。
　また、請求項２に係る本発明によれば、ローターハウジング内にローターを回動自在に配置し、ローターにエキセントリックシャフトを挿通して、ローターの回転運動にエキセントリックシャフトの回転動作を連動させた蒸気機関であって、高熱体の熱を受熱可能としたローターハウジングを配置するとともに、ローターハウジングとローターハウジング内で回転運動するローターを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、ローターハウジングとローターとで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してローターを発動させ、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してローターを発動させることとしたため、熱エネルギーを利用して動力を得ることのできるバンケル型のロータリー蒸気機関を提供することができる。
　また、請求項３に係る本発明によれば、前記高熱体は高熱流体であり、前記シリンダ又は前記ローターハウジングは、前記高熱流体が流動する高熱流路内に配置して受熱可能としたため、伝熱面部を効率良く加熱することができる。
　また、請求項４に係る本発明によれば、フラッシュ空間内に発生した湿り飽和蒸気は外部に排出するとともに、液化装置を通して液化した作動流体となし、液化された作動流体は、加圧ポンプにより熱交換器を通して高圧かつ高温状態の過熱液となして、フラッシュ空間内にインジェクタを通して噴出させることとしたため、作動流体を循環利用することができる。
　また、請求項５に係る本発明によれば、高熱流体は廃熱流体であるとともに、この廃熱流体が流動する高熱流路内にはシリンダ又はローターハウジングと熱交換器とを配置したため、排熱を効率的にシリンダやローターハウジングと熱交換器とに受熱させることができ、有効利用することができる。
　また、請求項６に係る本発明によれば、作動流体は水であることとしたため、安価に、且つ、万一漏出した場合であっても安全に蒸気機関を駆動させることができる。
第１実施形態に係るピストン蒸気機関の構成を示した概念図である。 第２実施形態に係るピストン蒸気機関の動きを示した説明図である。 第３実施形態に係るバンケル型ロータリー蒸気機関の動きを示した説明図である。
　本発明は、シリンダ内にピストンを摺動自在に配置し、ピストンにクランクシャフトを連動連結して、ピストンの往復摺動にクランクシャフトの回転動作を連動させたピストン蒸気機関であって、高熱体の熱を受熱可能としたシリンダを配置するとともに、シリンダとシリンダ内で往復摺動するピストンを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、シリンダと上死点近傍にあるピストンで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してピストンを発動させ、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してピストンを発動させることを特徴とする蒸気機関を提供するものである。なお、本明細書において、このような蒸気機関を「ピストン蒸気機関」とも言う。
　また、本発明は、ローターハウジング内にローターを回動自在に配置し、ローターにエキセントリックシャフトを挿通して、ローターの回転運動にエキセントリックシャフトの回転動作を連動させた蒸気機関であって、高熱体の熱を受熱可能としたローターハウジングを配置するとともに、ローターハウジングとローターハウジング内で回転運動するローターを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、ローターハウジングとローターとで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してローターを発動させ、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してローターを発動させることを特徴とする蒸気機関を提供するものでもある。なお、本明細書において、このような蒸気機関を「バンケル型ロータリー蒸気機関」とも言う。
　すなわち、換言するならば、高熱体の熱によって加熱されたシリンダやローターハウジング内に、高温・高圧の作動流体である過熱液インジェクションし、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気とするフラッシュワークと、フラ
ッシュワークにて蒸気化しなかった過熱液が伝熱面部に付着し、瞬時に沸騰して蒸気化されるボイリングワークとを生起させてピストンやローターを発動させることにより動力を得る蒸気機関であるとも言える。
　ここで高熱体は、シリンダやローターハウジング内にインジェクションした過熱液でフラッシュワークとボイリングワークとを生起させることが可能な熱エネルギーを有するものであれば特に限定されるものではない。
　付言すれば、フラッシュワークが行われたシリンダやローターハウジング内の圧力下で、後述の気化膨張行程の間に液滴として飛散した過熱液の全てを、ボイリングワークにて蒸気化可能な熱量を伝熱面部に持たせることが可能なものであれば良い。
　このような高熱体としては、例えば、高温のガスや液体などの流体や、高熱を発する装置類とすることができる。
　高温の流体を高熱体とする場合には、ピストン蒸気機関を構成するシリンダや、バンケル型ロータリー蒸気機関を構成するローターハウジングを、高熱流体が流動する高熱流路内に配置することで受熱可能としても良い。またこのとき、シリンダやローターハウジングの表面積を大きくすることで、高熱流体との接触面積を拡大し、受熱効率を向上させるようにしても良い。
　また、この高熱流体は、廃熱流体を用いることとしても良い。廃熱流体を利用することにより、廃熱を動力に変換することができ、廃熱の有効利用を行うことができる。
　また、高熱を発する装置類を高熱体とする場合、具体的な一例を挙げると、内燃機関を高熱体とする場合には、内燃機関とピストン蒸気機関とを一つのシリンダブロックで一体的に構成したり、バンケル型の内燃機関とバンケル型ロータリー蒸気機関とをサイドハウジングを介して一体的に並設することで、内燃機関にて発せられた熱をシリンダブロックやサイドハウジングで伝搬させて、蒸気機関に受熱させることもできる。
　シリンダ内やローターハウジング内へインジェクションする作動流体は、インジェクション後に回収して、再びインジェクションに供するようにしても良い。
　すなわち、フラッシュワークやボイリングワークによりフラッシュ空間内に発生した湿り蒸気は、ピストンやローターの発動後にシリンダやローターハウジング外へ排出し、液化装置を通して液化して、再び作動流体としてインジェクションしても良い。このような構成とすることにより、作動流体を循環利用することができる。
　また、インジェクションに供する作動流体は、気液間で相転移してフラッシュワークやボイリングワークを生起することが可能な流体であれば特に限定されるものではなく、利用する高熱体の温度に応じて適宜選択することができる。
　特に、作動流体を水とした場合には、安価に、且つ、万一漏出した場合であっても安全にピストン蒸気機関を駆動させることができる。
〔第１実施形態〕
　以下、第１実施形態に係る蒸気機関としてのピストン蒸気機関Ａについて、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係るピストン蒸気機関Ａの構成を示した概念図である。
　第１実施形態に係るピストン蒸気機関Ａは、高熱体として、内燃機関１からの排出される高温の廃熱流体としての排ガスを利用するものである。また、作動流体には水を用いている。
　内燃機関１より排出された排ガスは、作動流体を加熱する第１ガス流路２と、発動機部３を加熱する第２ガス流路４とに分岐される。第１ガス流路２と第２ガス流路４は、いずれも廃熱流体が流動する高熱流路の一部として機能するものである。
　第１ガス流路２の中途部には、熱交換器５が配設された作動流体加熱室６が設けられている。
　熱交換器５には、ポンプ７によって加圧された水（作動流体）が供給されており、排ガスと水との間で熱交換を行って、高温高圧の水である過熱液を生成する。熱交換器５によって生成された過熱液は、後述の発動機部３に配設されたインジェクタ８に供給される。
　作動流体加熱室６を経た排ガスは、その後大気中へ放出される。
　一方、第２ガス流路４へ分岐された排ガスは、発動機部３に至る。発動機部３は、発動機本体部９と、同発動機本体部９の上部を気密状に覆う排ガス案内ケース１０とで構成している。
　発動機本体部９は、クランクケース１１と、シリンダ１２と、シリンダヘッド１３を備えている。
　クランクケース１１には、クランクシャフト１４が納められており、同クランクシャフト１４の端部はクランクケース１１外へ突出させて、動力を取出す出力軸（図示せず）としている。
　また、クランクシャフト１４には、コネクティングロッド１５を介してピストン１６が連動連結されており、シリンダ１２内でのピストン１６の上下動により、クランクシャフト１４が回動されるよう構成している。
　シリンダヘッド１３には、シリンダ１２の上部開口に対向して形成された凹部１７が形成されている。この凹部１７は、シリンダ１２内で摺動するピストン１６が上死点近傍に到達した際にフラッシュ空間として機能する部位である。
　また凹部１７の内周面には、過熱液をフラッシュ空間内にインジェクションするためのインジェクタ８が設けられている。
　インジェクタ８の上部にはソレノイド８ａが配設されており、図示しない制御部によって電力が供給されることにより、ソレノイド８ａが励磁されて、フラッシュ空間内への過熱液のインジェクションが行われる。
　また、シリンダヘッド１３の上部には、フラッシュ空間内で生じた湿り飽和蒸気を排出するための蒸気排出流路１９が形成されており、同蒸気排出流路１９のフラッシュ空間側の開口部には、この開口部を開閉自在に閉塞するバルブ２０が配置されている。
　このバルブ２０は、同バルブ２０の基部に配設されているバルブスプリング２１によって閉塞側に付勢されており、同じくバルブ２０の基部側に配置されたカム２２により、所定のタイミングで付勢力に抗して押圧されて蒸気排出流路１９の開口部を開放する。
　蒸気排出流路１９より発動機部３の外部へ排出された湿り飽和蒸気は、液化装置としての凝縮器３０に至る。凝縮器３０では、所定の冷媒（本第１実施形態では外気）と熱交換が行われ、蒸気を凝集させて液化して作動流体とする。
　凝縮器３０にて得られた作動流体は、所定量の作動流体を貯留する貯留タンク３１に送られる。なお、貯留タンク３１に貯留されている作動流体は、再びポンプ７によって熱交換器５へ加圧しながら送給され過熱液となる。
　すなわち、作動流体は、貯留タンク３１→ポンプ７→熱交換器５→インジェクタ８→フラッシュ空間→蒸気排出流路１９→凝縮器３０→貯留タンク３１のように循環させるようにしている。
　発動機部３の説明に戻り、シリンダ１２とシリンダヘッド１３の側面部にはフィン２３が設けられており、排ガスの熱を効率良く受熱可能としている。
　排ガス案内ケース１０は第２ガス流路４の一部を構成するシリンダヘッド１３及びシリンダ１２の上部を気密状に収容する箱状の部材であり、内燃機関１から排出された排ガスを流入させる導入口１０ａと、排出する排出口１０ｂとを備えている。
　排ガス案内ケース１０は、発動機本体部９のシリンダヘッド１３及びシリンダ１２の上部を覆っており、同排ガス案内ケース１０内に導入された排ガスは、シリンダ１２及びシリンダヘッド１３に設けられたフィン２３によって熱交換が行われることとなり、熱が奪われた排ガスは排出口１０ｂを介して大気中へ放出される。
　次に、上述の構成を備えるピストン蒸気機関Ａの動きについて説明する。
　貯留タンク３１に貯留されている水は、まずポンプ７によって所定圧力に加圧しながら熱交換器５へ送給される。
　熱交換器５では、内燃機関１より排出された排ガスとの熱交換が行われ、高温高圧（例えば、350℃、170bar）の過熱液としてインジェクタ８へ送給される。
　一方、第２ガス流路４に分岐された排ガスは、排ガス案内ケース１０内でフィン２３により熱交換が行われ、シリンダヘッド１３やシリンダ１２、ピストン１６を所定温度（例えば、350℃）に加熱する。
　このような状態において、まず、インジェクタ８から過熱液がフラッシュ空間内にインジェクションされると、圧力差によって過熱液の一部が瞬時に膨張してフラッシュワークが行われる。
　また、これとほぼ同時に、飛散した過熱液の微細な液滴が、加熱されたシリンダ１２の内壁面やピストン１６の上面（以下、これらの面を総称して伝熱面部という。）に衝突して沸騰されボイリングワークが行われる。
　これらフラッシュワークとボイリングワークが生起されることにより、フラッシュ空間内が高圧状態となってピストン１６は押し下げられ、コネクティングロッド１５を介してクランクシャフト１４の回動が行われ駆動力が発生する（気化膨張行程）。
　次に、クランクシャフト１４に設けられたカウンターウェイト１４ａの慣性力により、
コネクティングロッド１５を介してピストン１６の押し上げ動作が行われる。このとき、バルブ２０は開放され、フラッシュ空間内の湿り飽和蒸気は、蒸気排出流路１９を介して発動機部３外へ排出される（蒸気排出行程）。
　ピストン１６が上死点近傍に達するとバルブ２０は蒸気排出流路１９を閉塞し、再びフラッシュ空間内へ過熱液のインジェクションが行われることとなる。
　このように、気化膨張行程と蒸気排出行程とが繰り返し行われることで、排ガスの熱を利用した動力変換が行われることとなる。
　また、蒸気排出行程にて排出された湿り飽和蒸気は凝縮器３０に送られ、液体に相転移させて貯留タンク３１にて貯留される。
　このように、本第１実施形態に係るピストン蒸気機関Ａによれば、排ガスの熱を受熱可能としたシリンダ１２を配置するとともに、シリンダ１２とシリンダ１２内で往復摺動するピストン１６を熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を排ガスにより加熱し、シリンダ１２と上死点近傍にあるピストン１６で閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタ８を通して高圧かつ高温状態の過熱液となした水を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してピストン１６を発動させ、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してピストンを発動させることとしたため、熱エネルギーを利用して動力を得ることのできるピストン蒸気機関を提供することができる。
　ピストン蒸気機関Ａによって得られた動力は、内燃機関１の補助動力として使用しても良く、また、独立した動力源として使用しても良い。
　例えば前者であれば、ピストン蒸気機関Ａのクランクシャフト１４より伸延する出力軸からの動力を、内燃機関１の出力軸からの動力に足し併せることで、ピストン蒸気機関Ａを内燃機関１の補助動力機関として利用することができる。また後者であれば、発電機等を駆動させるための動力としての利用が考えられる。
〔第２実施形態〕
　次に、第２の実施形態に係る蒸気機関としてのピストン蒸気機関Ｂについて図２を参照しながら説明する。本第２の実施形態に係るピストン蒸気機関Ｂは、前述のピストン蒸気機関Ａと略同様の構成を備えているが、燃料混合気の供給管路４０と点火プラグ４２とを設け、内燃機関の発動サイクルに引き続き、前述の気化膨張行程及び蒸気排出行程を行うようにした点で構造を異にしている。
　換言すれば、通常の内燃機関において、前述の気化膨張行程及び蒸気排出行程を行えるようにしてピストン蒸気機関としての機能を持たせた点に特徴を有している。なお、図２では、前述の発動機部３に該当する発動機部４３での動きを中心に説明し、作動流体の循環機構については、前述の実施形態と同様であるため説明を省略する。また、本第２実施形態では、４ストロークエンジンをベースとした６ストロークのピストン蒸気機関Ｂについて説明する。すなわち、内燃機関としての４行程と、ピストン蒸気機関としての２行程とが行われる。
　ピストン蒸気機関Ｂでは、まず図２（ａ）に示すように、燃料供給バルブ４１を開放し、供給管路４０からガソリン等の気化燃料と空気とを所定の割合で混合した燃料混合気をシリンダ５２内に取り込む吸入行程を行う。
　次に、図２（ｂ）に示すように、シリンダ５２内でピストン５６を上昇させて、吸入した燃料混合気を圧縮する圧縮行程を行う。
　次いで、図２（ｃ）に示すように、シリンダヘッド５３に配設した点火プラグ４２をスパークさせて、圧縮した燃料混合気に点火し、爆発力によってピストン５６を押し下げる燃焼膨張行程を行う。
　本燃焼膨張行程が行われることにより、クランクシャフト５４が回動し、駆動力が発生することとなる。また、この燃焼膨張行程によって、シリンダ５２の内壁及びピストン５６の上壁が加熱されて高熱体として機能することとなる。
　次に、慣性によってピストン５６を上昇させ、排気バルブ６０を開放して、燃焼ガスをシリンダ５２外に押し出す排気行程を行う。
　次に、燃焼ガスが排出された後のフラッシュ空間内にインジェクタ８から過熱液をインジェクションし、フラッシュワークとボイリングワークとを生起させ、フラッシュ空間内を高圧状態としてピストン５６を押し下げる気化膨張行程を行う。
　すなわち、高熱体としてのシリンダ５２の内壁及びピストン５６の上壁が、伝熱面部としても機能することにより、ボイリングワークが生起される。
　この気化膨張行程が行われることにより、クランクシャフト５４が回動し、駆動力が更に発生することとなる。
　そして、慣性によってピストン５６が上昇し、排気バルブ６０を開放して、湿り飽和蒸気は外部に排出されることとなる（蒸気排出行程）。なお、この時の湿り飽和蒸気は、前述の実施形態と同様に凝縮させて回収しても良く、また、そのまま大気中に排出しても良い。
　このように、上述の吸入行程→圧縮行程→燃焼膨張行程→排気行程→気化膨張行程→蒸気排出行程が行われることにより、内燃機関の機能を備えながらも、同内燃機関にて発生した熱エネルギーを利用して動力を得ることのできるピストン蒸気機関として機能させることができる。
〔第３実施形態〕
　次に、第３の実施形態に係る蒸気機関としてのバンケル型ロータリー蒸気機関Ｃについて図３を参照しながら説明する。なお、図３では、第１実施形態における発動機部３に該当する発動機部６３での動きを中心に説明し、作動流体の循環機構については、前述の実施形態と同様であるため説明を省略する。また、前述の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
　バンケル型ロータリー蒸気機関Ｃの発動機部６３は、発動機本体部６９と、同発動機本体部６９の周囲を気密状に覆う排ガス案内ケース（図示省略）とで構成しており、内燃機関より排出された排ガスを発動機本体部６９の周囲に案内して発動機本体部６９を加熱可能に構成している。
　発動機本体部６９は、内周面がまゆ型のトロコイド曲線状に形成されたローターハウジング７２を備えている。
　ローターハウジング７２の中心部には、エキセントリックシャフト７４が納められており、同エキセントリックシャフト７４の端部（紙面奥行き方向端部）は図示しないサイドハウジング外へ突出させて、動力を取出す出力軸（図示せず）としている。
　また、エキセントリックシャフト７４には、略三角形状のローター７６が回動自在に配設されており、ローターハウジング７２内でのローター７６の回動により、エキセントリックシャフト７４が回動されるよう構成している。
　ローター７６には、三角形の辺にあたる部位に凹部７７がそれぞれ形成されている。この凹部７７は、ローター７６が図３（ｄ）で示す位置（位相）に到達した際にフラッシュ空間として機能する部位である。
　また、ローター７６が図３（ｄ）で示す位置（位相）の凹部７７のに対向するローターハウジング７２の内周面には、過熱液をフラッシュ空間内にインジェクションするためのインジェクタ８が、先端を内部に露出させた状態で設けられている。
　また、ローターハウジング７２には、フラッシュ空間の内圧を調整する空気を吸入させるための吸入流路７１と、フラッシュ空間内で生じた湿り飽和蒸気を排出するための蒸気排出流路７９とが形成されている。
　蒸気排出流路７９より発動機部６３の外部へ排出された湿り飽和蒸気は、前述の液化装置としての凝縮器３０に送られ、蒸気を凝集させて液化して再び作動流体として利用される。
　ローターハウジング７２の外周面部にはフィン８３が設けられており、内燃機関から排出された排ガスの熱を効率良く受熱可能としている。
　次に、上述の構成を備えるバンケル型ロータリー蒸気機関Ｃの動きについて説明する。なお、ここでは説明の便宜上、ローター７６の各辺に設けられた各凹部７７のうちの１つに着目して説明するが、既知のロータリー内燃機関と同様、以下に説明する動作等はローター７６の各辺において位相を異ならせて行われる。
　バンケル型ロータリー蒸気機関Ｃでは、まず図３（ａ）に示すように、吸入流路７１から空気をローターハウジング７２内に取り込む吸入行程を行う。
　次に、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、ローター７６がリーディング方向に回動すると、ローターハウジング７２の内周面とローター７６の一辺とで囲まれる空間が徐々に狭隘となり、吸入した空気を圧縮する圧縮行程が行われる。
　次いで、図３（ｄ）に示すように、ローター７６の凹部７７がインジェクタ８の対向位置近傍となった際に形成されるフラッシュ空間内に、インジェクタ８から過熱液をインジェクションし、フラッシュワークとボイリングワークとを生起させ、フラッシュ空間内を高圧状態としてローター７６をリーディング方向に回転させる気化膨張行程を行う。
　すなわち、ローターハウジング７２の内壁やローター７６が、伝熱面部として機能することにより、ボイリングワークが生起される。
　この気化膨張行程が行われることにより、図３（ｅ）に示すように、エキセントリックシャフト７４が回動し、駆動力が発生することとなる。
　そして、ローター７６が更に回動し、ローターハウジング７２の内周面とローター７６の一辺とで囲まれる空間が蒸気排出流路７９の位置に至ると、図３（ｅ）及び図３（ｆ）に示すように、湿り飽和蒸気は蒸気排出流路７９を介して外部に排出されることとなる（蒸気排出行程）。なお、本第３実施形態では、この時の湿り飽和蒸気を凝縮させて回収することとしたが、そのまま大気中に排出しても良い。
　このように、上述の吸入行程→圧縮行程→気化膨張行程→蒸気排出行程が行われることにより、内燃機関より排出された排ガスの熱エネルギーを利用して動力を得ることのできるバンケル型ロータリー蒸気機関として機能させることができる。
　また、本第３実施形態に係るバンケル型ロータリー蒸気機関Ｃは、次のような利点が挙げられる。
　すなわち、実際にバンケル型ロータリー蒸気機関Ｃを駆動させるにあたり、エキセントリックシャフト７４の潤滑と、フラッシュ空間の潤滑とを分離することができるため、第１及び第２実施形態にて示したピストン方式よりも潤滑に有利である。
　また、フラッシュ空間の表面積がピストン方式に比して大きいため、ローターハウジング７２表面のフィン８３から得た熱で駆動する蒸気機関の場合、バンケル型ロータリー蒸気機関の方が有利であるものと考えられる。
　また、インジェクションした過熱液を回収するに際し、ローターハウジング７２は、特にバルブ等を設ける必要なく穿孔するだけで良いため、機構的に極めて簡便とすることができる。また、このときローターハウジング７２の下側に、排出するためのドレイン孔を形成することができれば、排出がより容易となる。
　さらに、過熱液を噴射するインジェクタとは別個に、潤滑用のオイルを吸入行程中に噴射するインジェクタを容易に配置することができ、潤滑性能をより向上させることができる。
　このように、上述した各ポイントにおいて、バンケル型ロータリー蒸気機関は、レシプロ型蒸気機関に比して有利であるものと考えられる。
　なお、バンケル型ロータリー蒸気機関Ｃによって得られた動力は、前述のピストン蒸気機関Ａと同様、内燃機関の補助動力として使用しても良く、また、独立した動力源として使用しても良いのは勿論である。
　上述してきたように、本実施形態に係るピストン蒸気機関Ａ及びピストン蒸気機関Ｂでは、シリンダ（例えばシリンダ１２,５２）内にピストン（例えばピストン１６,５６）を摺動自在に配置し、ピストンにクランクシャフト（例えばクランクシャフト１４,５４）を連動連結して、ピストンの往復摺動にクランクシャフトの回転動作を連動させたピストン蒸気機関であって、高熱体（例えば、排ガスやシリンダ５２やピストン５６）の熱を受熱可能としたシリンダを配置するとともに、シリンダとシリンダ内で往復摺動するピストンを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、シリンダと上死点近傍にあるピストンで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタ（例えば、インジェクタ８）を通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体（例えば、水）を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してピストンを発動させ（例えば、フラッシュワーク）、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してピストンを発動させる（例えば、ボ
イリングワーク）こととしたため、熱エネルギーを利用して動力を得ることのできるピストン型の蒸気機関を提供することができる。
　また、本実施形態に係るバンケル型ロータリー蒸気機関Ｃでは、ローターハウジング（例えば、ローターハウジング７２）内にローター（例えば、ローター７６）を回動自在に配置し、ローターにエキセントリックシャフト（例えば、エキセントリックシャフト７４）を挿通して、ローターの回転運動にエキセントリックシャフトの回転動作を連動させた蒸気機関であって、高熱体（例えば、内燃機関から排出された排ガス）の熱を受熱可能としたローターハウジングを配置（例えば、排ガス案内ケース内に配設された発動機本体部６９）するとともに、ローターハウジングとローターハウジング内で回転運動するローターを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、ローターハウジングとローターとで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタ（例えば、インジェクタ８）を通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してローターを発動させ（例えば、フラッシュワーク）、蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してローターを発動させる（例えば、ボイリングワーク）こととしたため、熱エネルギーを利用して動力を得ることのできるバンケル型ロータリー蒸気機関を提供することができる。
　最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
　例えば、第１実施形態では、内燃機関１の高温排ガスを高熱体として利用したが、これに限定されるものではなく、工場の高温排気ダクトにピストン蒸気機関を取り付けて動力を得るようにしても良い。また、このことは第３実施形態におけるバンケル型ロータリー蒸気機関Ｃについても同様である。
　１　内燃機関
　２　第１ガス流路
　４　第２ガス流路
　８　インジェクタ
　１０　排ガス案内ケース
　１２　シリンダ
　１３　シリンダヘッド
　１４　クランクシャフト
　１５　コネクティングロッド
　１６　ピストン
　１７　凹部
　１９　蒸気排出流路
　２０　バルブ
　２１　バルブスプリング
　２３　フィン
　３０　凝縮器
　３１　貯留タンク
　６３　発動機部
　６９　発動機本体部
　７１　吸入流路
　７２　ローターハウジング
　７４　エキセントリックシャフト
　７６　ローター
　７７　凹部
　７９　蒸気排出流路
　８３　フィン
　Ａ　ピストン蒸気機関
　Ｂ　ピストン蒸気機関
　Ｃ　バンケル型ロータリー蒸気機関

Claims (6)

  1. 　シリンダ内にピストンを摺動自在に配置し、ピストンにクランクシャフトを連動連結して、ピストンの往復摺動にクランクシャフトの回転動作を連動させた蒸気機関であって、
    　高熱体の熱を受熱可能としたシリンダを配置するとともに、シリンダとシリンダ内で往復摺動するピストンを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、
    　シリンダと上死点近傍にあるピストンで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してピストンを発動させ、
    　蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してピストンを発動させることを特徴とする蒸気機関。
  2. 　ローターハウジング内にローターを回動自在に配置し、ローターにエキセントリックシャフトを挿通して、ローターの回転運動にエキセントリックシャフトの回転動作を連動させた蒸気機関であって、
    　高熱体の熱を受熱可能としたローターハウジングを配置するとともに、ローターハウジングとローターハウジング内で回転運動するローターを熱交換機能を有する伝熱面部となして、これら伝熱面部を高熱体により加熱し、
    　ローターハウジングとローターとで閉塞されるフラッシュ空間内にインジェクタを通して高圧かつ高温状態の過熱液となした作動流体を噴出することで、過熱液の飽和圧力よりも低圧である空間内において一定割合の過熱水を蒸気となすとともに、蒸気が膨張してローターを発動させ、
    　蒸気化しない過熱液は、液滴状にてフラッシュ空間を形成する伝熱面部の内面に衝突して沸騰されるとともに蒸気になり、蒸気が膨張してローターを発動させることを特徴とする蒸気機関。
  3. 　前記高熱体は高熱流体であり、前記シリンダ又は前記ローターハウジングは、前記高熱流体が流動する高熱流路内に配置して受熱可能としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蒸気機関。
  4. 　フラッシュ空間内に発生した湿り飽和蒸気は外部に排出するとともに、液化装置を通して液化した作動流体となし、
    　液化された作動流体は、加圧ポンプにより熱交換器を通して高圧かつ高温状態の過熱液となして、フラッシュ空間内にインジェクタを通して噴出させることを特徴とする請求項１～３いずれか１項に記載の蒸気機関。
  5. 　高熱流体は廃熱流体であるとともに、この廃熱流体が流動する高熱流路内にはシリンダ又はローターハウジングと熱交換器とを配置していることを特徴とする請求項４記載の蒸気機関。
  6. 　作動流体は水であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項記載の蒸気機関。
PCT/JP2012/073466 2011-09-14 2012-09-13 蒸気機関 WO2013039147A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011200120A JP5804555B2 (ja) 2011-09-14 2011-09-14 蒸気機関
JP2011-200120 2011-09-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013039147A1 true WO2013039147A1 (ja) 2013-03-21

Family

ID=47883365

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/073466 WO2013039147A1 (ja) 2011-09-14 2012-09-13 蒸気機関

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5804555B2 (ja)
WO (1) WO2013039147A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108561198A (zh) * 2018-01-15 2018-09-21 封海涛 提高热机的综合效率的方法
CN108674197A (zh) * 2018-07-09 2018-10-19 哈尔滨工程大学 一种适用于四驱电动汽车的动力装置及动力驱动方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112343662A (zh) * 2020-12-14 2021-02-09 王新跃 一种以水为能源的发动机

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60240883A (ja) * 1984-05-12 1985-11-29 Sanji Taneichi 外燃式エンジン
US4599859A (en) * 1985-02-01 1986-07-15 Urso Charles L Combined steam generator and engine
JP2009532619A (ja) * 2006-04-04 2009-09-10 エレクトリスィテ ド フランス 作業媒体を内部フラッシュ蒸発させるピストン蒸気機関
JP2010014103A (ja) * 2008-07-03 2010-01-21 Hiroshi Sakamoto 外燃機関

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60240883A (ja) * 1984-05-12 1985-11-29 Sanji Taneichi 外燃式エンジン
US4599859A (en) * 1985-02-01 1986-07-15 Urso Charles L Combined steam generator and engine
JP2009532619A (ja) * 2006-04-04 2009-09-10 エレクトリスィテ ド フランス 作業媒体を内部フラッシュ蒸発させるピストン蒸気機関
JP2010014103A (ja) * 2008-07-03 2010-01-21 Hiroshi Sakamoto 外燃機関

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108561198A (zh) * 2018-01-15 2018-09-21 封海涛 提高热机的综合效率的方法
CN108674197A (zh) * 2018-07-09 2018-10-19 哈尔滨工程大学 一种适用于四驱电动汽车的动力装置及动力驱动方法
CN108674197B (zh) * 2018-07-09 2021-07-23 哈尔滨工程大学 一种适用于四驱电动汽车的动力装置及动力驱动方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5804555B2 (ja) 2015-11-04
JP2013060896A (ja) 2013-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101417143B1 (ko) 작동 매체의 내부 플래시 기화를 포함하는 피스톤 증기 엔진
US6834503B2 (en) Method for the operation of a steam thermal engine, in particular as a vehicle power unit
JP5384105B2 (ja) 定圧で連続的に「低温」燃焼し、アクティブチャンバを備えた低温エンジン−コンプレッサユニット
ES2322322T1 (es) Motor termoregenerador.
JP2010519462A (ja) 水噴射を伴う分割サイクルエンジン
JPS5938406B2 (ja) ロ−タリ−熱機関およびその作動方法
JPS5938405B2 (ja) 往復熱機関およびその作動方法
WO2013039147A1 (ja) 蒸気機関
WO2009084444A1 (ja) 噴流式蒸気エンジン
JP2006299978A (ja) 熱機関
JP6690822B2 (ja) 熱力学エンジン
JP2007298013A (ja) ロータリーエンジン
JP5620567B1 (ja) 熱機関
US10781801B2 (en) Axial-piston motor and cyclic process device
US1332633A (en) Engine
US8375712B2 (en) Water explosion engine, method, and device
US20080053093A1 (en) Uniform pressure unequal surface engine and engine for power generators using the same
JP2015524039A (ja) ヒートエンジン用のエキスパンダー
JP2013060896A5 (ja)
KR101623418B1 (ko) 스터링 엔진
JP2013522518A (ja) 液封式回転ケーシング蒸気タービン及びその使用方法
JP2003524723A (ja) レバー機構式モータ又はポンプ
GB2541018A (en) An energy recovery apparatus and an internal combustion engine
US3892074A (en) Rotary engine operating on refrigeration cycle
UA115002C2 (uk) Паливно-паровий двигун внутрішнього згоряння

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12831714

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12831714

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1