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WO2009084444A1 - 噴流式蒸気エンジン - Google Patents

噴流式蒸気エンジン Download PDF

Info

Publication number
WO2009084444A1
WO2009084444A1 PCT/JP2008/073040 JP2008073040W WO2009084444A1 WO 2009084444 A1 WO2009084444 A1 WO 2009084444A1 JP 2008073040 W JP2008073040 W JP 2008073040W WO 2009084444 A1 WO2009084444 A1 WO 2009084444A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
steam
sealed container
liquid
boiler
Prior art date
Application number
PCT/JP2008/073040
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yasushi Yamamoto
Makoto Abe
Yoshihiro Takei
Original Assignee
Isuzu Motors Limited
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 Isuzu Motors Limited filed Critical Isuzu Motors Limited
Priority to US12/735,105 priority Critical patent/US8505301B2/en
Priority to AU2008344539A priority patent/AU2008344539B2/en
Priority to CN2008801230982A priority patent/CN101918677B/zh
Publication of WO2009084444A1 publication Critical patent/WO2009084444A1/ja

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • 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
    • 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
    • F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F01K11/02—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the engines being turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B27/00—Instantaneous or flash steam boilers
    • F22B27/16—Instantaneous or flash steam boilers involving spray nozzles for sprinkling or injecting water particles on to or into hot heat-exchange elements, e.g. into tubes

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 can be efficiently converted into mechanical energy and is suitable as an engine mounted on a vehicle. Is.
  • Engines that convert thermal energy into mechanical energy include internal combustion engines such as gasoline engines and diesel engines, and external combustion engines such as steam engines that perform a so-called Rankine cycle.
  • internal combustion engines fuel is burned intermittently in air, which is a working fluid, and the generated heat is converted into mechanical energy
  • a steam engine which is an external combustion engine, heat generated by continuous combustion is converted. Since heat is transferred to the working fluid, there is an advantage that control of the combustion state of the fuel is easy, and the amount of exhaust harmful components such as NOx and CO generated by combustion is small.
  • various heat sources such as exhaust heat of the internal combustion engine can be used as well as heat due to combustion, and therefore, the engine has excellent characteristics in terms of energy saving and environmental measures.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-115506 discloses a steam engine using exhaust heat from an internal combustion engine as a heat source.
  • a Rankine cycle device is disclosed that operates and recovers exhaust heat as mechanical energy.
  • a steam engine device for executing the Rankine cycle includes a boiler (evaporator) that heats a working fluid such as water, an expander (steam engine) that generates power by expanding the heated and heated working fluid to a high temperature and pressure, A condenser (condenser) that cools and liquefies the expanded working fluid, and a circulation pump that sends the liquefied working fluid to the boiler.
  • a turbine is usually used as the expander.
  • a turbine which is a steam engine, is a so-called speed engine that uses the speed energy of a working fluid, and includes a large number of blades on which high-speed steam acts.
  • it is necessary to increase the rotational speed of the turbine and increase the peripheral speed of the blade to a value comparable to the speed of the steam, so that the turbine is a complex engine operating at high speed.
  • a steam engine apparatus is attached with a boiler, a condenser, etc., a steam engine apparatus tends to become a large-scale thing as equipment.
  • the present applicant has developed an engine disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-329036 as a compact steam engine device that operates efficiently even at a low speed.
  • the steam engine device rotatably supports a rotor 103 having a bent jet pipe 102 in a sealed container 101 filled with a working fluid in a liquid state.
  • the rotor 103 is provided with a suction pipe 104, and a heating unit 105 is inserted into a central cylinder at the center of the rotor, which constitutes a boiler.
  • the working fluid in the liquid state sucked from the suction pipe 104 evaporates into a vapor in the heating unit 105, and the vapor is ejected from the ejection pipe 102 in a mixed state with the liquid to rotate the rotor 105 in the clockwise direction. .
  • the jetted steam is guided to a condenser 106 installed above the sealed container 101, where it is condensed and refluxed to the sealed container 101.
  • a jet check valve 107 and a suction check valve 108 are respectively disposed at the distal ends of the jet pipe 102 and the suction pipe 104.
  • a rotor having an ejection pipe is provided in a sealed container filled with liquid, and high-pressure steam evaporated in a heating portion at the center of the rotor is discharged from the ejection pipe in a state where the liquid and the steam are mixed. It is made to eject, and rotational force is obtained by the reaction at this time. Since the mixture to be ejected contains a large amount of liquid and its mass is much larger than that of the steam, the rotational torque of the rotor is much larger than when only the steam is ejected. Therefore, a large torque can be obtained even when the rotor rotates at a low speed, and this steam engine can be operated efficiently even at a low speed. Moreover, the boiler and the condenser are integrated with the sealed container, and the entire steam engine device has a compact configuration. JP 2002-115506 A JP 2006-329036 A
  • the steam engine of FIG. 4 developed by the present applicant is an engine that is excellent in efficiency even at a low rotational speed and is compactly configured.
  • the ejection pipe and the suction pipe attached to the rotor have different functions, and the ejection check valve and the suction check valve are respectively attached to the distal ends thereof.
  • vibration is generated if there is static or dynamic imbalance in the rotor.
  • the jetting pipe and the suction pipe having different functions have the same weight and the like so as to balance the rotating body. It is difficult. Since the ejection check valve and the suction check valve provided on the ejection pipe and the suction pipe include movable parts, they are liable to break down and malfunction, and require labor and costs for maintenance and the like. .
  • An object of the present invention is to make the rotor of a steam engine main body used as an expander of a steam engine device as simple as possible with an excellent balance as a rotating body, and to improve the startability and the like of the steam engine device. To do.
  • the steam engine apparatus of the present invention uses a rotor having a simple structure and having no unbalanced weight in which a plurality of bent flow paths are arranged at equal intervals, and the rotor is hermetically sealed with a liquid.
  • the rotor is accommodated in a container and rotated by steam generated in a boiler, and the rotor is supported so that liquid is smoothly supplied into the flow path of the rotor.
  • the present invention “A steam engine device in which a sealed container filled with liquid, a rotor immersed in the liquid in the sealed container and rotatably supported, and a boiler that generates steam by heating the liquid in the sealed container There,
  • the rotor includes an inner peripheral surface having a circular cross section and a plurality of bent flow paths extending from the inner peripheral surface to the outer peripheral surface, and the plurality of bent flow paths are even in the circumferential direction of the rotor.
  • the sealed container includes a boss portion fixed to a side wall thereof and protruding into the sealed container, and an inner peripheral surface of the rotor is fitted to the boss portion so that the rotor is rotatably supported, and On the outer periphery of the boss portion, sliding contact portions in which the inner peripheral surface of the rotor contacts and slides and concave portions in which the inner peripheral surface of the rotor separates are alternately formed.
  • the steam supply port for introducing the steam generated in the boiler into the rotor is provided. '' The steam engine device is characterized by this.
  • an injection nozzle is installed in the boiler, and the liquid in the closed container is in the form of mist. It is preferable to be configured to be injected into the boiler.
  • the steam engine device of the present invention includes a rotor that is rotatably supported in an airtight container filled with a liquid, and generates a liquid that has entered into a plurality of bent flow paths formed in the rotor with a boiler.
  • the steam is ejected from the flow path in a mixed state of liquid and steam, and the rotor is rotated by the reaction.
  • the ejected mixture is rich in liquid and its mass is much larger than that of vapor. Therefore, similarly to the steam engine shown in FIG. 4, a large torque can be obtained even when the rotor rotates at a low speed, and the steam engine body in the present invention can be operated efficiently even at a low speed.
  • the rotor of the steam engine body of the present invention has an inner peripheral surface formed in a circular cross section, and a plurality of bent flow paths extending from the inner peripheral surface to the outer peripheral surface are evenly arranged in the circumferential direction of the rotor. It has become. Since there are no movable parts such as a check valve in the rotor, its structure is simple and highly reliable, and there is no problem caused by the centrifugal force during rotation. In addition, the plurality of bent flow paths are evenly arranged in the circumferential direction of the rotor, and the cross section of the rotor has a point-symmetric shape, so that there is no unbalanced weight. As an excellent static or dynamic balance.
  • the rotor according to the present invention is rotatably supported by being fitted into a boss portion fixed to the side wall of the sealed container, and the outer peripheral surface of the boss portion is in contact with and slides on the inner peripheral surface of the rotor.
  • the contact portion and the concave portion where the inner peripheral surface of the rotor is separated are alternately formed.
  • the sliding contact portion is provided with a steam supply port for introducing steam generated in the boiler into the rotor, and when the bent flow path of the rotor opens to the steam supply port, the steam flows into the bent flow path, The liquid is jetted from the outer periphery of the rotor together with the liquid to give a rotational torque to the rotor.
  • a recess is formed on the outer periphery of the boss portion into which the rotor is fitted. After the rotor is rotated and bent, the communication between the flow path and the steam supply port is blocked, and the bent flow path is Open in the recess. Since the low-temperature liquid exists in the concave portion, the remaining vapor is cooled by this, and a part of the vapor flows into the concave portion, and the vapor remaining in the bent flow path substantially disappears. As a result, when the bent flow path opens again to the steam supply port, the flow path is filled with liquid, and the steam engine operates efficiently.
  • a circulating pump for feeding the liquid in the hermetic container to the boiler is installed, and an injection nozzle is installed in the boiler so that the liquid is mist-like and the boiler. It is configured to be injected into the inside.
  • the working fluid is continuously supplied in the liquid state to the steam engine equipment boiler and becomes steam by heating, but it takes a considerable amount of time to evaporate the continuously supplied liquid, and generates power.
  • Start-up time until In the invention of claim 2 the liquid is sprayed into the boiler in a mist form from the spray nozzle installed in the boiler, and the time for evaporating the liquid is greatly shortened. Therefore, the startability of the steam engine device is improved, and a quick response is possible even when the load increases, and the characteristics required for the vehicle can be satisfied.
  • a condenser in the steam engine device of the present invention, communicates with the sealed container and condenses the steam. Since the sealed container of the present invention is placed in the atmosphere and dissipates heat to the surroundings, the sealed container itself can be used as a so-called low heat source. However, a condenser communicating with the sealed container is provided, and the steam in the sealed container is provided there. When cooling is performed by guiding the steam, it is possible to efficiently condense the steam, and the efficiency of the entire steam engine device is improved.
  • FIG. 1 shows an overall view of a steam engine device of the present invention.
  • FIG. 1A shows a cross section of a steam engine body in a steam engine device
  • FIG. 1B shows the entire device including a boiler and the like
  • FIG. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of main components in the steam engine main body.
  • the steam engine device has a sealed container 1 having a circular cross section, and water is sealed in the sealed container 1 as a liquid to be heated (working fluid).
  • a condenser 2 that condenses water vapor and condensates is installed in the upper part of the sealed container 1, and the condenser 2 is connected to the sealed container 1 by a short tube 3.
  • a plurality of baffle plates 4 are mounted in the short pipe 3 at intervals, thereby preventing liquid water from entering the condenser 2, but condensate from the condenser 2 is returned to the sealed container 1. Is possible.
  • the rotor 5 is immersed in the water in the sealed container 1 having a circular cross section.
  • the rotor 5 includes an inner peripheral surface 51 formed in a circular cross section and four bent flow paths 53A to 53D extending from the inner peripheral surface 51 to the outer peripheral surface 52.
  • the bent flow paths 53A to 53D are , And are evenly arranged in the circumferential direction of the rotor 5 at intervals of 90 °.
  • each flow channel 53 has a tapered shape toward the outer peripheral surface 52, but the flow channel 53 may have the same cross-sectional area throughout.
  • the sealed container 1 has a boss portion 11 that is fixed to the side wall and protrudes into the sealed container 1, and the rotor 5 is rotatably supported in the sealed container 1 with an inner peripheral surface 51 fitted into the boss portion 11. Has been.
  • the outer peripheral surface of the boss portion 11 fixed to the side wall of the sealed container 1 is slidably contacted with the inner peripheral surface 51 of the rotor 5, and the inner peripheral surface 51.
  • the recesses 11 ⁇ / b> B that are separated from each other are alternately formed, and the sliding contact portion 11 ⁇ / b> A has a circular arc shape in cross section.
  • a steam introduction path 12 is provided inside the boss part 11.
  • the steam introduction path 12 includes a steam inlet 12 ⁇ / b> A to which steam from the boiler 6 is supplied, and a steam supply port to the rotor 5 that opens to the sliding contact part 11 ⁇ / b> A. 12B is provided.
  • a power generation coil 13 is disposed on the outer periphery of the end of the boss 11 opposite to the steam inlet 12 ⁇ / b> A, and a permanent magnet is provided on the inner peripheral surface 51 of the rotor 5 facing the power generation coil 13. 54 is embedded.
  • a boiler 6 that heats the water in the sealed container 1 to generate steam and a circulation pump 7 that pumps the water in the sealed container 1 to the boiler 6 are installed.
  • the boiler 6 includes an injection nozzle 61 that injects water onto the inner wall of the boiler, and the water in the sealed container 1 pressurized by the circulation pump 7 is supplied into the boiler 6 in a sprayed state.
  • the boiler 6 includes a heating unit 62 that combusts fuel.
  • the boiler 6 may be installed in, for example, an exhaust gas passage of an internal combustion engine, and steam may be generated by exhaust heat of the internal combustion engine.
  • the steam generated in the boiler 6 is sent to the steam inlet 12 ⁇ / b> A of the steam introduction path 12 through the pipe line 63.
  • the water in the sealed container 1 is pumped from the circulation pump 7 to the boiler 6 where it is heated and converted into steam.
  • the generated steam is supplied to the steam introduction path 12 formed in the boss portion 11 via the pipe line 63.
  • the rotor 5 is rotatably fitted to the boss portion 11, and the inner peripheral surface 51 slides while contacting the sliding contact portion 11 ⁇ / b> A on the outer periphery of the boss portion 11.
  • a steam supply port 12B of the steam introduction passage 12 is opened in the sliding contact portion 11A.
  • FIG. 3 for example, the inner peripheral surface side opening portion of 53A in the bent flow passage 53 formed in the rotor 5.
  • the steam flows into the bent flow path 53A. Since the flow path 53A is filled with the water in the hermetic container 1, the steam passes through the bent flow path 53A while expanding and flows in the outer peripheral surface 52 of the rotor 5 in a state of being mixed with water. It is ejected from the tip of 53A into the sealed container 1 at high speed.
  • Rotational torque acts on the rotor 5 by the reaction of the mixture ejected from the tip of the flow path 53A, and the rotor 5 rotates counterclockwise in FIG.
  • 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, so that the momentum of the mixture and the rotational torque acting on the rotor 5 are large. Therefore, required power can be taken out even when the rotor 5 is rotating at a low speed.
  • the rotational energy (mechanical energy) accompanying the rotation of the rotor 5 is taken out as electrical energy by the mutual electromagnetic action between the permanent magnet 54 that rotates integrally with the rotor 5 and the stationary power generating coil 13.
  • the rotor 5 of the steam engine main body has a plurality of bent flow paths 53A to 53D extending from the inner peripheral surface 51 to the outer peripheral surface 52 formed in a circular cross section, which are evenly arranged in the circumferential direction of the rotor 5.
  • the above-described operation of the flow channel 53A is periodically executed in the same manner for the other flow channels. Since there is no movable part such as a check valve in the rotor 5, its structure is simple and highly reliable, and there is no problem caused by the centrifugal force during the rotation of the rotor.
  • the plurality of bent flow paths 53 are evenly arranged in the circumferential direction of the rotor 5, and the rotor 5 has a point-symmetric cross section, so that the rotor 5 does not have an unbalanced weight and rotates. Excellent static or dynamic balance as a body.
  • the steam ejected from the rotor 5 ascends in water and is sent from the short tube 3 to the condenser 2, where it is cooled, condensed, and refluxed to the sealed container 1.
  • the capacitor 2 is provided with heat radiating fins 21 and is connected with a check valve 22 and a vacuum pump 23 for discharging air or the like. This reduces the pressure inside the capacitor 2 and the sealed container 1. Saturated water vapor pressure is maintained.
  • the capacitor 2 On the outer surface of the capacitor 2, as shown by the two-dot chain line in FIG. In this embodiment, the capacitor 2 is communicated with the sealed container 1 as a separate body.
  • heat radiation fins may be provided on the outer surface of the sealed container 1 so that the sealed container 1 itself also functions as a capacitor.
  • Water condensed and liquefied by the condenser 2 and refluxed to the sealed container 1 is pumped from the bottom of the sealed container 1 to the boiler 6 by the circulation pump 7.
  • the pressure-fed water is sprayed into the boiler in the form of a mist from an injection nozzle 61 installed in the boiler 6 and is quickly evaporated by heating. Therefore, the time for evaporating water is greatly shortened, the startability of the steam engine device is improved, and a quick response is possible even when the load is increased.
  • the steam engine apparatus of the present invention uses a rotor having an unbalanced weight in which a plurality of bent flow paths are arranged at equal intervals, and the rotor is accommodated in a sealed container filled with a liquid.
  • the mixture of steam and liquid generated in step 1 is ejected from a bent flow path to rotate the rotor, and the rotor is supported so that the liquid is smoothly supplied into the flow path of the rotor. is there. Therefore, the steam engine device of the present invention can be used as various power sources such as an engine mounted on a vehicle.
  • the heat applied by the heating unit is converted into rotational energy and further converted into electrical energy, but it can be extracted as rotational energy by connecting a gear device or the like to the rotor.
  • a gear device or the like to the rotor.
  • various modifications can be made to the embodiment, such as using a refrigerant such as chlorofluorocarbon as the working fluid instead of water, or appropriately changing the cross-sectional shape of the recess in the boss portion. is there.

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Abstract

　本発明は、液体と蒸気とを噴出し、その反動でロータを回転させる蒸気エンジンにおいて、ロータをバランスの優れた簡素な構成とするものである。本発明の蒸気エンジンでは、液体を充満させた密閉容器１内に、複数の屈曲した流路５３Ａ～５３Dを等間隔に配置したロータ５を、密閉容器１のボス部１１に嵌め込んで回転可能に支持する。ボス部１１には、蒸気供給口を備えた摺接部１１Ａと凹部１１Ｂとが交互に形成されており、蒸気供給口から屈曲した流路５３内に供給される蒸気によって流路内の液体を外方に噴出して、ロータ５を回転させる。ロータ５は、断面において点対称の形状をなしているので不平衡重量が存在せず、また、可動部品等がない簡素な構造となっている。屈曲した流路５３が凹部１１Ｂと連通したときは、流路内の残留蒸気が冷却されて消滅し、流路内が液体で満たされるようになる。

Description

噴流式蒸気エンジン
　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、機械的エネルギへの効率的な変換が可能で、車両に搭載するエンジンとしても好適な蒸気エンジンに関するものである。
　熱エネルギを機械的エネルギに変換するエンジン（熱機関）には、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのような内燃機関と、いわゆるランキンサイクルを行わせる蒸気エンジンなどの外燃機関とが存在する。内燃機関では、作動流体である空気の中で燃料を間欠的に燃焼させ、発生した熱を機械的エネルギに変換するのに対し、外燃機関である蒸気エンジンでは、連続燃焼によって生じた熱を作動流体に熱伝達させるから、燃料の燃焼状態の制御が容易で、ＮＯｘ、ＣＯ等、燃焼による排気有害成分の生成量が少ないという利点がある。また、外燃機関においては、燃焼による熱に限らず内燃機関の排熱など各種の熱源を利用することができるため、省エネルギ、環境対策の面でも優れた特性を有するエンジンである。
　蒸気エンジンのこのような特性を活かし、車両用のエンジンとして蒸気エンジンを用いる研究開発が進められており、例えば、特開２００２－１１５５０６号公報には、内燃機関の排熱を熱源として蒸気エンジンを作動させ、排熱を機械的エネルギとして回収するランキンサイクル装置が開示されている。ランキンサイクルを実行するための蒸気エンジン装置は、水等の作動流体を加熱するボイラ（蒸発器）、加熱されて高温高圧となった作動流体を膨張させ動力を発生する膨張機（蒸気エンジン）、膨張後の作動流体を冷却して液化するコンデンサ（凝縮器）、及び液化した作動流体をボイラに送る循環ポンプから構成され、膨張機としては、通常、タービンが用いられる。
　蒸気エンジンであるタービンは、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り、高速の蒸気が作用する多数のブレードを備えている。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ブレード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ため、タービンは高速で作動する複雑な機関となる。また、蒸気エンジン装置には、ボイラ、凝縮器等が付属することから、蒸気エンジン装置は、設備として規模の大きなものとなり易い。
　こうした事情から、本出願人は、低速でも効率よく作動するコンパクトな蒸気エンジン装置として、特開２００６－３２９０３６号公報に示されるエンジンを開発している。この蒸気エンジン装置は、図４に示されるように、液体状態の作動流体を充満させた密閉容器１０１内に屈曲した噴出管１０２を有するロータ１０３を回転可能に支持したものである。ロータ１０３には吸入管１０４が設けられるとともに、ロータ中心部の中心円筒には加熱部１０５が挿入され、ここがボイラを構成する。吸入管１０４から吸入された液体状態の作動流体は、加熱部１０５において蒸発して蒸気となり、その蒸気は、液体との混合状態で噴出管１０２から噴出されて、ロータ１０５を時計方向に回転させる。噴出された蒸気は、密閉容器１０１の上方に設置されたコンデンサ１０６に導かれ、ここで凝縮して密閉容器１０１に還流する。作動流体の噴出及び吸入を制御するため、噴出管１０２と吸入管１０４の先端部には、噴出用逆止弁１０７と吸入用逆止弁１０８とがそれぞれ配置されている。
　図４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ロータを設け、ロータ中心部の加熱部において蒸発させた高圧の蒸気を、液体と蒸気が混合した状態で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、ロータの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、この蒸気エンジンは、低速でも効率よく作動させることが可能である。また、ボイラ及びコンデンサが密閉容器と一体化されており、蒸気エンジン装置全体がコンパクトな構成となっている。
特開２００２－１１５５０６号公報 特開２００６－３２９０３６号公報
　本出願人が開発した図４の蒸気エンジンは、低回転数でも効率が優れ、かつ、コンパクトに構成されたエンジンである。しかし、ロータに取り付けられた噴出管と吸入管とは機能の異なるものであって、その先端部には、噴出用逆止弁と吸入用逆止弁とがそれぞれ装着されている。ロータが回転する際には、ロータに静的あるいは動的なアンバランスが存在すると振動が生じることとなるが、機能の異なる噴出管と吸入管では、重量等を同一として回転体のバランスを図ることは困難である。そして、噴出管と吸入管に設けられた噴出用逆止弁と吸入用逆止弁とは、可動部分を含んでいるため故障や不具合を生じ易く、保守整備等の労力や経費を必要とする。
　蒸気エンジン装置では、ボイラにおいて液体状態の作動流体を加熱して蒸気に変換し、これを膨張機に作用させて動力を発生させる。そのため、一般的に、始動のための時間が長くなり、負荷変動に対する追従性も内燃機関と比べると劣ることとなる。車両に搭載するエンジンには、始動性や負荷追従性の良好なものが要求されるので、蒸気エンジン装置を車両用に利用するときは、始動性等を向上させることが望ましい。
　本発明は、蒸気エンジン装置の膨張機として使用される蒸気エンジン本体のロータを、回転体としてバランスの優れた極力簡素な構成とし、かつ、蒸気エンジン装置の始動性等を向上させることを課題とする。
　上記の課題に鑑み、本発明の蒸気エンジン装置は、複数の屈曲した流路を等間隔に配置した、簡素な構造でしかも不平衡重量のないロータを用い、このロータを、液体を充満した密閉容器に収容しボイラで発生した蒸気により回転させるよう構成するとともに、ロータの流路内に液体が円滑に供給されるようにロータを支持するようにしたものである。すなわち、本発明は、
「液体を充満した密閉容器と、前記密閉容器内の液体に浸漬され回転可能に支持されたロータと、前記密閉容器内の液体を加熱して蒸気を発生させるボイラとを設置した蒸気エンジン装置であって、
前記ロータは、断面円形に形成された内周面と、前記内周面から外周面に延びる複数の屈曲した流路とを備え、前記複数の屈曲した流路は、前記ロータの周方向に均等に配置されており、さらに、
前記密閉容器は、その側壁に固定され前記密閉容器内に突出するボス部を備え、前記ロータの内周面が前記ボス部と嵌合して前記ロータが回転可能に支持され、かつ、
前記ボス部の外周には、前記ロータの内周面が接触して摺動する摺接部と、前記ロータの内周面が離れる凹部とが交互に形成されており、前記摺接部には、前記ボイラで発生した蒸気を前記ロータに導入する蒸気供給口が設けられている」
ことを特徴とする蒸気エンジン装置となっている。
　請求項２に記載のように、前記密閉容器内の液体を前記ボイラに給送する循環ポンプを設置するとともに、前記ボイラ内には噴射ノズルを設置し、前記密閉容器内の液体が霧状でボイラ内に噴射されるように構成することが好ましい。
　また、請求項３に記載のように、前記密閉容器に連通し蒸気を凝縮するコンデンサを設置することが好ましい。
　本発明の蒸気エンジン装置は、液体を充満した密閉容器内に回転可能に支持されたロータを備えており、ロータに形成された複数の屈曲した流路内に入り込んだ液体を、ボイラで発生させた蒸気により、液体と蒸気との混合状態で流路から噴出させ、その反動によってロータを回転させるものである。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。したがって、図４に示す蒸気エンジンと同様に、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、本発明における蒸気エンジン本体は、低速でも効率よく作動させることが可能である。
　本発明の蒸気エンジン本体のロータは、断面円形に形成された内周面を備えており、内周面から外周面に延びる複数の屈曲した流路を、ロータの周方向に均等に配置したものとなっている。ロータには逆止弁等の可動部分が存在しないから、その構造は簡素であって信頼性が高く、回転中の遠心力の影響により不具合が生じることもない。また、複数の屈曲した流路はロータの周方向に均等に配置され、ロータの横断面は点対称の形状をなしているため、不平衡重量が存在せず、本発明のロータは、回転体としての静的あるいは動的なバランスに優れている。
　また、本発明のロータは、密閉容器の側壁に固定されたボス部に嵌め込まれて回転可能に支持されており、ボス部の外周には、ロータの内周面が接触して摺動する摺接部と、ロータの内周面が離れる凹部とが交互に形成されている。摺接部にはボイラで発生した蒸気をロータに導入する蒸気供給口が設けられ、ロータの屈曲した流路が蒸気供給口に開口したときに、蒸気が屈曲した流路に流れ込み、流路内の液体とともにロータの外周から噴出してロータに回転トルクを付与する。
　ロータが回転して屈曲した流路と蒸気供給口との連通が遮断されると、屈曲した流路には、そのロータ外周側の開口から周囲の液体が逆流して流れ込み、ロータに回転トルクを増強する方向のトルクを作用する。このとき、屈曲した流路内に残留した蒸気は、周囲の低温の液体により冷却されて液化するが、冷却が不十分であると、蒸気が残存したままロータが回転して屈曲した流路が再び蒸気供給口に開口するようになり、噴出する液体が少なくなって発生する回転トルクが減少する。本発明では、ロータが嵌め込まれたボス部の外周には凹部が形成されており、ロータが回転して屈曲した流路と蒸気供給口との連通が遮断された後に、屈曲した流路はこの凹部に開口する。凹部には低温の液体が存在するから、残留した蒸気がこれによって冷却されるとともに一部の蒸気は凹部内に流入して、屈曲した流路内に残存する蒸気は実質上消滅する。その結果、屈曲した流路が再び蒸気供給口に開口したときは、流路内は液体で充満されており、蒸気エンジンは効率よく作動することとなる。
　請求項２の発明は、本発明の蒸気エンジン装置において、密閉容器内の液体をボイラに給送する循環ポンプを設置するとともに、ボイラ内には噴射ノズルを設置して、液体が霧状でボイラ内に噴射されるように構成するものである。通常、蒸気エンジン装置のボイラには作動流体が液体状態で連続的に供給され、加熱によって蒸気となるが、連続的に供給される液体を蒸発させるには相当な時間が必要となり、動力を発生するまでの始動時間が長くなる。請求項２の発明では、ボイラ内に設置された噴射ノズルから液体を霧状でボイラ内に噴射しており、液体を蒸発させる時間が大幅に短縮される。したがって、蒸気エンジン装置の始動性が向上するとともに、負荷が増大したとき等においても迅速な応答が可能となり、車両に要求される特性を満足させることができる。
　請求項３の発明は、本発明の蒸気エンジン装置において、密閉容器に連通し蒸気を凝縮するコンデンサを設置するものである。本発明の密閉容器は、大気中に置かれ周囲に熱を放散するので、密閉容器自体をいわゆる低熱源とすることができるが、密閉容器に連通するコンデンサを設け、これに密閉容器内の蒸気を導いて冷却するようにしたときは、蒸気の凝縮を効率よく行うことが可能であり、蒸気エンジン装置全体の効率も向上する。
本発明の蒸気エンジン装置の全体図及び断面図である。 本発明の蒸気エンジン本体部の主要部品を示す斜視図である。 本発明の蒸気エンジン本体部の作動を説明する図である。 従来の蒸気エンジンの一例を示す図である。
符号の説明
　　１　密閉容器
　　１１　ボス部
　　１２　蒸気導入路
　　１２B　蒸気供給口
　　２　コンデンサ
　　５　ロータ
　　５１　内周面
　　５２　外周面
　　５３（Ａ～D）　屈曲した流路
　　６　ボイラ
　　６１　噴射ノズル
　　７　循環ポンプ
　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装置の全体図を示す。図１（ａ）は、蒸気エンジン装置における蒸気エンジン本体の横断面を示すものであり、図１（ｂ）は、ボイラ等を含めた装置全体を示すものであって、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ－Ａ断面図となっている。また、図２は、蒸気エンジン本体における主要部品の分解斜視図である。
　蒸気エンジン装置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。この実施例では、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が間隔を開けて取り付けられ、これによっ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。
　断面円形の密閉容器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、断面円形に形成された内周面５１と、内周面５１から外周面５２に延びる４本の屈曲した流路５３Ａ～５３Ｄとを備えており、屈曲した流路５３Ａ～５３Ｄは、９０°毎の間隔でロータ５の周方向に均等に配置される。この実施例では、各流路５３は外周面５２に向けて先細の形状であるけれども、流路５３は、全体に亘って同一断面積を備えたものでもよい。密閉容器１は、その側壁に固定され密閉容器１内に突出するボス部１１を有し、ロータ５は、内周面５１がボス部１１に嵌め込まれて、密閉容器１内に回転可能に支持されている。
　密閉容器１の側壁に固定されたボス部１１の外周には、図１及び図２に示すとおり、ロータ５の内周面５１が接触して摺動する摺接部１１Ａと、内周面５１が離れる凹部１１Ｂとが交互に形成され、摺接部１１Ａは断面円弧状をなしている。ボス部１１の内部には蒸気導入路１２が設けてあり、蒸気導入路１２は、ボイラ６からの蒸気が供給される蒸気入口１２Ａと、摺接部１１Ａに開口するロータ５への蒸気供給口１２Ｂを備えている。また、ボス部１１の蒸気入口１２Ａと反対側の端部には、その外周に発電用コイル１３が配置してあり、発電用コイル１３と対向するロータ５の内周面５１には、永久磁石５４が埋め込まれている。
　密閉容器１の側方には、密閉容器１内の水を加熱して蒸気を発生させるボイラ６と、ボイラ６に密閉容器１内の水を圧送する循環ポンプ７が設置される。ボイラ６は、水をボイラ内壁に噴射する噴射ノズル６１を備えており、循環ポンプ７で加圧された密閉容器１内の水は、噴霧状態でボイラ６内に供給される。ボイラ６には、燃料を燃焼させる加熱部６２が備えてあるが、ボイラ６を例えば内燃機関の排気ガス通路内に設置し、内燃機関の排熱によって蒸気を発生してもよい。ボイラ６で発生した蒸気は、管路６３を介して蒸気導入路１２の蒸気入口１２Ａに送られる。
　次いで、本発明の蒸気エンジン装置の作動について、ロータ５の作動説明図である図３をも参照しながら説明する。
　密閉容器１内の水は、循環ポンプ７からボイラ６に圧送され、ここで加熱されて蒸気に変換される。発生した蒸気は、管路６３を経由してボス部１１に形成された蒸気導入路１２に供給される。ボス部１１にはロータ５が回転可能に嵌め込まれ、その内周面５１がボス部１１の外周の摺接部１１Ａに接触しながら摺動する。摺接部１１Ａには蒸気導入路１２の蒸気供給口１２Ｂが開口しており、図３に示すように、ロータ５に形成された屈曲した流路５３のうち例えば５３Ａの内周面側開口部が蒸気供給口１２Ｂと一致すると、蒸気が屈曲した流路５３Ａに流れ込む。流路５３Ａには密閉容器１内の水が充満しているので、蒸気は膨張しながら屈曲した流路５３Ａを通過し、水と混合した状態で、ロータ５の外周面５２に開口する流路５３Ａの先端から密閉容器１内に高速で噴出される。
　流路５３Ａの先端から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３において反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の回転に伴う回転エネルギ（機械的エネルギ）は、ロータ５と一体に回転する永久磁石５４と静止した発電用コイル１３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が回転し、流路５３Ａの内周面側開口部と蒸気供給口１２Ｂとの連通が遮断されると、流路５３Ａへの蒸気の供給が停止する。このときは、流路５３Ａに外周面５２側の開口から密閉容器１内の水が逆流し、また、流路５３Ａ内の蒸気は周囲の水により冷却されて凝縮する。ロータ５がさらに回転して流路５３Ａの内周面側開口部が凹部１１Ｂと連通したときは、凹部１１Ｂ内には低温の水が存在するから、流路５３Ａに残留した蒸気の凝縮が凹部１１Ｂの水によって促進されると同時に、一部の蒸気は凹部１１Ｂ内に流入する。そのため、流路５３Ａが再び蒸気供給口１２Ｂ（図３では下側の蒸気供給口）に開口したときは、残存する蒸気が実質上消滅して流路５３Ａ内には液体である水が充満している。したがって、流路５３Ａから噴出する水の量が少なくなり発生する回転トルクが減少することはない。また、凹部１１Ｂに向けて屈曲した流路５３Ａを逆流する水は、ロータ５に対して回転方向のトルクを作用し、混合体の噴出によるトルクを助勢する。
　蒸気エンジン本体のロータ５は、断面円形に形成された内周面５１から外周面５２に延びる複数の屈曲した流路５３Ａ～Dを、ロータ５の周方向に均等に配置したものとなっており、上述の流路５３Ａの作動は、他の流路についても同様に周期的に実行される。ロータ５には逆止弁等の可動部分が存在しないから、その構造は簡素であって信頼性が高く、ロータ回転中の遠心力の影響により不具合が生じることもない。複数の屈曲した流路５３は、ロータ５の周方向に均等に配置され、ロータ５の横断面は点対称の形状をなしているため、ロータ５に不平衡重量が存在することはなく、回転体としての静的あるいは動的なバランスに優れている。
　ロータ５から噴出した蒸気は、水中を上昇して短管３からコンデンサ２に送られ、ここで冷却されて凝縮し密閉容器１に還流する。コンデンサ２には放熱フィン２１が設置されるとともに、空気等を排出するために逆止弁２２、真空ポンプ２３が接続されており、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。コンデンサ２の外面にも、図１（ｂ）の２点鎖線に示すように、放熱フィンを設けることができる。この実施例では、コンデンサ２を別体として密閉容器１に連通させているが、密閉容器１の外面に放熱フィンを設け、密閉容器１自体にコンデンサとしての機能を兼ねさせることもできる。
　コンデンサ２により凝縮して液化し密閉容器１に還流した水は、密閉容器１の底部から循環ポンプ７によりボイラ６に圧送される。圧送された水は、ボイラ６内に設置された噴射ノズル６１から霧状でボイラ内に噴射され、加熱によって迅速な蒸発が行わる。したがって、水を蒸発させる時間が大幅に短縮され、蒸気エンジン装置の始動性が向上するとともに、負荷が増大したとき等においても迅速な応答が可能となる。
産業上の利用分野
　以上詳述したように、本発明の蒸気エンジン装置は、複数の屈曲した流路を等間隔に配置した不平衡重量のないロータを用い、液体を充満した密閉容器にこのロータを収容し、ボイラで発生した蒸気と液体との混合体を屈曲した流路から噴出してロータを回転させるとともに、ロータの流路内に液体が円滑に供給されるようにロータを支持するように構成したものである。したがって、本発明の蒸気エンジン装置は、車両に搭載するエンジン等の各種動力源として利用できる。上記の実施例では、加熱部により加えられた熱を、回転エネルギに変えさらに電気エネルギに変換して取り出すようにしているが、ロータに歯車装置等を連結し回転エネルギとして取り出すことができるのは言うまでもない。また、作動流体となる液体として、水に代えて例えばフロン等の冷媒を用いる、ボス部における凹部の断面形状を適宜変更するなど、実施例に対して種々の変更が可能であるのは明らかである。

Claims (3)

  1. 液体を充満した密閉容器と、前記密閉容器内の液体に浸漬され回転可能に支持されたロータと、前記密閉容器内の液体を加熱して蒸気を発生させるボイラとを設置した蒸気エンジン装置であって、
    前記ロータは、断面円形に形成された内周面と、前記内周面から外周面に延びる複数の屈曲した流路とを備え、前記複数の屈曲した流路は、前記ロータの周方向に均等に配置されており、さらに、
    前記密閉容器は、その側壁に固定され前記密閉容器内に突出するボス部を備え、前記ロータの内周面が前記ボス部と嵌合して前記ロータが回転可能に支持され、かつ、
    前記ボス部の外周には、前記ロータの内周面が接触して摺動する摺接部と、前記ロータの内周面が離れる凹部とが交互に形成されており、前記摺接部には、前記ボイラで発生した蒸気を前記ロータに導入する蒸気供給口が設けられていることを特徴とする蒸気エンジン装置。
  2. 前記密閉容器内の液体を前記ボイラに給送する循環ポンプが設置されるとともに、前記ボイラ内には噴射ノズルが設置されており、前記密閉容器内の液体が霧状でボイラ内に噴射される請求項１に記載の蒸気エンジン装置。
  3. 前記密閉容器に連通し蒸気を凝縮するコンデンサが設置された請求項１又は請求項２に記載の蒸気エンジン装置。
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