蒸汽發動機的製作方法
2023-10-26 05:29:27 2
專利名稱：蒸汽發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有液體容器的蒸汽發動機，其中填充了工作液體，並通過加熱和冷卻工作液體對工作液體進行汽化和液化的重複操作，以自激勵振動的方式在液體容器中振動工作液體。通過在液體容器中進行液體振動操作，在蒸汽發動機的輸出裝置產生機械能。
背景技術：
本領域的技術人員已經熟知用於蒸汽發動機的設備，例如，日本專利公開申請號NoS58-057014中的公開申請，其中工作液體填充在液體容器中，工作液體通過加熱裝置加熱並汽化，而工作液體通過冷卻裝置冷卻並液化，並通過工作液體重複進行汽化和液化獲得能量。
即，在上述蒸汽發動機中的輸出裝置獲得機械能，其通過工作液體在液體容器中的壓力變化進行操作，其中壓力變化通過工作液體的狀態變化(汽化和液化)產生。
本發明的發明者已經在日本專利局申請了涉及蒸汽發動機的另一個專利，其以2004-84523的公開號進行了公開。
先前專利申請的蒸汽發動機500的結構顯示在圖24中。
蒸汽發動機500包括填充工作液體的U型液體容器502、用於加熱液體容器502中工作液體的加熱裝置504、用於冷卻和液化通過加熱裝置504加熱產生的蒸汽的冷卻裝置506、以及輸出裝置508。
輸出裝置508包括汽缸510、在汽缸510中往復移動的活塞512、在其一端與活塞512連接的移動軸514、以及連接到移動軸514的另一端的彈簧516，其中活塞512通過接受液體容器502中的工作液體的液體壓力在汽缸510中往復移動。
在上述蒸汽發動機500中，當液體容器502中的工作液體通過加熱裝置504加熱並汽化時，產生了工作液體(蒸汽)的體積膨脹。產生的蒸汽在容器502中向下移動並通過冷卻裝置506冷卻並液化。然後，液體容器502中工作液體的體積收縮。活塞512和輸出裝置508的移動軸514接受由於工作液體的體積膨脹和收縮造成的液體容器502中的壓力變化，從而往復移動活塞512。
當將永久磁鐵設置到移動軸514並將電磁線圈設置為面對磁鐵時，根據活塞512和移動軸514的往復運動，在線圈中產生電動勢，並產生電力。
然而，上述蒸汽發動機具有一些缺點或問題，說明如下(1)首先，當液化工作液體蒸汽的液體容器冷卻部分的截面面積設計的不合適時，蒸汽發動機輸出能量將變得很小。
例如，在液體容器冷卻部分的截面面積(設置冷卻裝置處)製作得過小的情況下，用於在截面方向從冷卻部分的內表面將熱量傳遞到液體容器中的工作液體的中心的熱傳遞時間變得很短。結果，用於冷卻部分工作液體的冷卻效率變得很高，以便氣相的工作液體(蒸汽)在很短的時間內液化。
在此蒸汽發動機中，加熱裝置處產生的蒸汽移向冷卻裝置，而蒸汽在冷卻部分立刻液化。工作液體的體積膨脹抑制到很小的量，降低了蒸汽發動機的輸出能量。上述情況的p-v圖顯示在圖23B中，其中工作液體的壓力和體積之間的關係通過實線表示。
圖23A顯示了正確進行工作液體的汽化和液化情況下的p-v圖，圖23A中的需求值通過圖23B和23C中的虛線表示。如圖23B所示，p-v圖的面積變得小於所需值的面積，且輸出能量相應減少。
另一方面，在液體容器中冷卻部分的截面面積製作得過大的情況下，用於從冷卻部分的內表面將熱量傳遞到工作液體的中心的熱傳遞時間變得很長。結果，用於冷卻部分處工作液體的冷卻效率變得很低，以便需要更長的時間液化氣相的工作液體(蒸汽)。
在此情況下，即使通過加熱裝置產生的蒸汽移動到冷卻裝置，則由於長時間周期的液化，氣相的工作液體也保持更長的時間周期且液體容器內的液體壓力保持在高值。結果，如圖23C所示，p-v圖的面積變得較小，同樣也降低了輸出能量。此外，當氣相的工作液體保持在加熱裝置處時，液相的工作液體很難汽化。結果，不能增加通過汽化產生的液體壓力，從而使蒸汽發動機的操作不規律地停機。
此外，在液體容器的連接通道部分的截面面積(其為加熱裝置和冷卻裝置之間的通道部分)製作為較小的情況下，用於在截面方向從連接通道部分的內表面將熱量傳遞到液體容器中工作液體的中心的熱傳遞時間變得很短。結果，用於冷卻連接通道部分工作液體的冷卻效率變得很高。
在此情況下，當蒸汽移向冷卻裝置時，加熱裝置處產生的蒸汽在連接通道部分處液化。如圖23B所示的p-v圖，由於汽化的工作液體體積膨脹抑制到很小量，減少了蒸汽發動機的輸出能量。
(2)為了增加蒸汽發動機產生的輸出機械能，不僅需要將輸入能量增加到蒸汽發動機，而且需要增加從加熱和冷卻裝置傳遞到工作液體的熱交換量。例如，通過設定加熱裝置的溫度在較高值以及通過設定冷卻裝置的溫度在較低值，可以增加熱交換的量。
然而，在增加加熱裝置溫度和降低冷卻裝置溫度的上述方法中，不可避免的需要將輸入能量增加到加熱和冷卻裝置。因此，如果從熱能到機械能的能量傳遞效率較低，則一方面增加了通過蒸汽發動機獲得的輸出機械能，而另一方面，能量損失將副面地變大。
蒸汽發動機產生的機械能可以通過增加各個加熱和冷卻裝置的液體容器的加熱和冷卻部分的表面面積增加，而不改變(增加或減少)加熱和冷卻裝置的預設溫度。
在簡單地增大裝置的加熱和冷卻部分的截面面積以增加表面面積的情況下，從內表面到工作液體的中心的液體容器截面方向的熱傳遞時間變長。由此，降低了在各個加熱和冷卻部分的加熱和冷卻效率，從而不能充分地改進能量傳遞效率。結果，不能充分地在蒸汽發動機中產生機械能。
(3)在圖24中所示的蒸汽發動機500中，如此形成加熱裝置504以環繞液體容器502的加熱部分，以便其從其外圍加熱液體容器502中的工作液體。然而，其問題在於，在此蒸汽發動機中加熱效率不是充分地高。
在如上所述加熱裝置504中，如圖25所示，即工作液體從液體容器502的外圍加熱時，存在溫度梯度。隨著與加熱裝置504的距離變長，工作液體的溫度變低。
因此，作為通過加熱裝置504進行加熱操作的結果，液體容器502中的工作液體由「汽化的氣相(蒸汽)工作液體」和「加熱但不汽化的液相工作液體」組成。與蒸汽一起移向冷卻裝置506的液相工作液體通過冷卻裝置506冷卻，而不在液體振動中起作用(工作液體的膨脹和收縮)。因此，此種蒸汽發動機具有更大的熱損失。
發明內容
本發明就是鑑於上述問題提出的。本發明的目的之一在於提供一種蒸汽發動機，其中液體容器中的工作液體作為工作液體汽化和液化重複操作的結果，以適當的振動方式振動，以防止輸出機械能的減少。
本發明的另一目的在於提供一種蒸汽發動機，其中改進了能量傳遞效率以增加輸出機械能。
本發明的還一個目的在於提供一種蒸汽發動機，其中增加了加熱和冷卻效率。
根據本發明的特徵，蒸汽發動機具有填充工作液體的管形液體容器，加熱裝置和冷卻裝置分別設置在液體容器的加熱部分和冷卻部分，而輸出裝置連接到液體容器以便輸出裝置通過液體容器中的液體壓力變化操作以產生能量(電能)，其中工作液體通過加熱和冷卻裝置汽化和液化以通過工作液體的體積變化產生液體振動。在此蒸汽發動機中，冷卻部分的內半徑「r1」製作為接近等於熱滲透的深度「δ1」(在低壓時)，其通過下列公式(1)計算1=2a1---(1)]]>其中，「a1」為工作液體在其低壓的熱擴散率，以及「ω」為液體容器中工作液體運動的角頻率，以及其中熱擴散率「a1」從對應於工作液體的壓力變化範圍的那些值中選擇，其為從下極限到高於下限25％的液體壓力的液體壓力範圍。
根據本發明的另一特徵，液體容器還包括用於將加熱部分與冷卻部分連接的連接部分，其中連接部分的內半徑「r2」製作為滿足下列公式(2)和(3)(r2)22a2=---(2)]]>ω·τ≥10 (3)其中，「a2」為工作液體在其高壓時的熱擴散率，以及「ω」為液體容器中工作液體運動的角頻率，以及根據本發明的進一步的特徵，在具有管形液體容器的蒸汽發動機中，加熱和冷卻裝置分別設置在液體容器的加熱和冷卻部分，而輸出裝置連接到液體容器，每個加熱部分和冷卻部分都包括多個小管部分。
根據本發明的另一特徵，在具有管形液體容器的蒸汽發動機中，加熱和冷卻裝置分別設置在液體容器的加熱和冷卻部分，而輸出裝置連接到液體容器，加熱裝置設置為垂直方向高於冷卻裝置，氣體填充在液體容器的加熱部分以便加熱部分的內空間不會填充有液相工作液體，工作液體供給裝置設置在加熱部分以將液相的工作液體供給到加熱部分。
工作液體供給裝置包括形成於加熱部分內表面的多個窄槽和/或多個微槽。工作液體供給裝置還可以替代地通過形成於加熱部分內表面的吸水表面形成。
參照相應的附圖對下面優選實施方式進行具體說明，將使本發明的前述和其它目的、特徵和優點變得更加清晰和容易理解。在圖中圖1是顯示根據本發明第一實施方式的蒸汽發動機的簡圖；圖2是顯示蒸汽發動機操作原理的簡圖；圖3是顯示第一實施方式中的冷卻裝置的截面簡圖；圖4是顯示第一實施方式中的加熱裝置的截面簡圖；圖5是顯示能量損失和參數「ωτ」之間關係的曲線；圖6是顯示根據本發明第二實施方式的蒸汽發動機的簡圖；
圖7是顯示第二實施方式中的加熱和冷卻裝置的截面簡圖；圖8是顯示第二實施方式中的加熱裝置的透視圖；圖9是顯示加熱裝置的溫度變化曲線和截面視圖；圖10是顯示第三實施方式中的加熱和冷卻裝置的截面簡圖；圖11到14是分別顯示第三實施方式的改進方式的加熱和冷卻裝置的截面簡圖；圖15是顯示根據本發明第四實施方式中的蒸汽發動機的簡圖；圖16A和16B是顯示圖15中所示第四實施方式的加熱裝置的透視圖；圖17和18是顯示根據第四實施方式的改進方式的加熱裝置的透視圖；圖19A是顯示根據本發明第五實施方式的蒸汽發動機的簡圖；圖19B是顯示圖19A中所示第五實施方式的加熱裝置的透視圖；圖20A和20B是顯示第五實施方式中的加熱裝置一部分的平面視圖；圖21是顯示根據本發明第五實施方式中的改進方式的加熱裝置的透視圖；圖22是顯示根據本發明第六實施方式中的蒸汽發動機一部分的透視圖；圖23A、23B和23C是顯示液體壓力和工作液體體積之間關係的p-v圖表；圖24是顯示根據現有技術中的蒸汽發動機的簡圖；以及圖25是顯示圖24加熱裝置的放大視圖。
具體實施例方式
(第一實施方式)下面將參照附圖對本發明的第一實施方式進行說明。
在圖1所示的第一實施方式中，蒸汽發動機110施用到線性電動機，其中輸出裝置(發電機)101的移動件102振動。電力裝置包括蒸汽發動機110和發電機101。
發電機101為線性振動發生器，其中永久磁鐵(未示出)固定到移動件102，而電動勢通過振動(擺動)移動件102產生。
如圖1所示，蒸汽發動機110包括填充有預定壓力的工作液體120的液體容器111、用於加熱液體容器111中工作液體120的加熱裝置112、以及用於冷卻在加熱裝置112產生的蒸汽的冷卻裝置113。
加熱裝置112和冷卻裝置113設置為彼此分離，以便加熱和冷卻裝置彼此不直接接觸。
在蒸汽發動機110用於水冷型內燃機的情況下，加熱裝置112可以作為加熱裝置設計，其通過使用從內燃機噴射出的廢氣加熱工作液體120。而冷卻裝置113可以作為冷卻裝置設計，其通過使用發動機的冷卻水冷卻工作液體120。
液體容器111形成具有底管部分111a和一對(第一和第二)從底管部分111a兩端延伸的垂直延伸的直管部分111b和111c。
第一直管部分111b包括在其處設置加熱裝置112的加熱部分131、在其處設置冷卻裝置113的冷卻部分133、以及用於使以上加熱和冷卻部分131和133彼此連接的連接部分135。
液體容器111的加熱和冷卻部分131和133由具有高熱傳導性的金屬製作，而液體容器111的其他部分優選由高熱絕緣特性的材料製作。液體容器111還由相對於填充在液體容器111中的工作液體具有高抗腐蝕特性的材料製作。
在此實施方式中，水用作工作液體120，而液體容器111的加熱和冷卻部分131和133由銅或鋁製作，而其他部分由不鏽鋼製作。
如上所述，液體容器111由不鏽鋼和銅(或鋁)製作並形成U型管，其中底管部分111a設置在最底下的位置，而兩個直管部分111b和111c為垂直並從底管部分111a向上延伸。
液體容器111的加熱部分131的位置形成於在垂直方向高於冷卻部分133的位置，且第一直管部分的頂端封閉。
加熱裝置112設置到第一管部分以環繞加熱部分131，而冷卻裝置113設置到第一管部分以環繞冷卻部分133。
活塞114設置在第二管部分111c的頂端，活塞114可移動地保持在汽缸115中以根據液體壓力向上和下移動。
活塞114連接到輸出裝置101中的移動件102的移動軸102a。彈簧103設置輸出裝置101中，在移動件102和與移動件102相對的端部之間，以便其通過其彈簧力向下激勵活塞114。
如圖2所示，當蒸汽發動機110的加熱和冷卻裝置112和113開始其操作時，液體容器111中液相的工作液體在加熱裝置112處進行其第一次加熱並汽化(等溫膨脹)。汽化的工作液體(蒸汽)進一步膨脹(絕熱膨脹)，向下推動第一管部分111b中的液相工作液體。液相工作液體120在液體容器111中從第一管部分111b向第二管部分111c移動，以向上推動活塞114。
第一管部分111b中的工作液體的液體表面(液相和氣相工作液體之間)向下推到冷卻裝置113的冷卻部分133。當蒸汽進入冷卻部分133時，蒸汽通過冷卻裝置113冷卻並液化。用於向下推動第一管部分111b中液相工作液體的壓力消失，從而使液體表面在第一管部分111b中向上移動(從等溫壓縮到絕熱壓縮過程)。發電機101的活塞114相應地向下移動。
在液體容器111中的工作液體120周期振動(自激勵振動方式)期間，繼續以上工作液體的膨脹和收縮操作直到加熱和冷卻裝置112和113停止為止。如上所述，在蒸汽發動機110中產生工作液體120的壓力變化，而壓力變化轉換成為機械能以向上和下移動活塞114。
在上述蒸汽發動機110中，高溫和高壓的工作液體(蒸汽)不直接與活塞114接觸，因此，蒸汽發動機110具有高的耐久性。
液體容器111的冷卻部分133設計為以便冷卻部分133的內半徑「r1」等於熱滲透(在低壓)的深度「δ1」，其通過下列公式(1)計算1=2a1---(1)]]>圖3是顯示液體容器111的冷卻部分133的放大截面簡圖，其中「Φd」為冷卻部分133的內直徑，而「r1」為其內半徑。
在上述公式(1)中，「a1」為工作液體120在低壓的熱擴散率[m2/sec.]，而「ω」為表示液體容器111中工作液體120特性(即，表示活塞114往復運動特性)的角頻率[rad/sec.]。
液體容器111中工作液體120的液體壓力在其下限的工作液體的熱擴散率作為熱擴散率「a1」使用。液體容器111的內部液體壓力根據工作液體狀態(汽化和液化)的變化發生改變。即，熱擴散率「a1」為當內部液體壓力為壓力變化範圍內的最小值(壓力範圍從工作液體120的液體壓力的最大到最小值)時的值。而熱滲透(在低壓)的深度「δ1」定義為由公式(1)計算的值，其中使用上述熱擴散率「a1」。
熱滲透的深度「δ1」為用於表示工作液體中熱傳遞條件的參數之一，其在液體容器中以角頻率「ω」振動。當液體容器111的內半徑「r1」設計為等於熱滲透(在低壓)的深度「δ1」時，工作液體120和冷卻裝置113之間的冷卻部分133處的熱交換量可以控制在預定的範圍。
根據本發明的蒸汽發動機110，冷卻部分133處的冷卻效率防止變得過高或過低，從而使氣相工作液體(蒸汽)可以在適當的時間液化。
具體地說，由於液體容器111中工作液體120的液體壓力在其下限的工作液體120的熱擴散率用作本實施方式蒸汽發動機110中的熱擴散率「a1」，所以，冷卻效率在液體容器111的內部液體壓力(工作液體120的壓力)變到其下限時變到最大。即，當工作液體120的體積變為其最大值時，氣相工作液體120以最大效率液化，以便可以利用工作液體的膨脹能量而沒有能量損失。
如上所述，根據本實施方式的蒸汽發動機110，氣相工作液體(蒸汽)可以在適當的時間液化。工作液體120可以適當地振動，以防止通過活塞114的往復運動在輸出裝置101產生的輸出能量減少。另外，由於氣相工作液體120的液化不會過分延遲，所以，防止了由於液體容器111中液體振動的停止造成的蒸汽發動機110不正常停機。
根據上述實施方式，液體容器111連接部分135的內半徑「r2」還設計為以便滿足下列公式(2)和(3)(r2)22a2=---(2)]]>ω·τ≥10 (3)圖4是顯示液體容器111的加熱部分131和連接部分135的放大截面視圖，其中「r2」為連接部分135的內半徑。
在上述公式(2)中，「a2」為工作液體在其高壓的熱擴散率，其中高壓意味著液體壓力在壓力變化範圍的上限。即，液體容器中的液體壓力在其最大值時，熱擴散率「a2」(在高壓處)為工作液體的熱擴散率值。
圖5顯示了公式(3)的左部分「ωτ」和通過從工作液體120到連接部分135的熱傳遞產生的熱損失比率之間的關係。從圖5可以看出，熱損失比率隨著「ωτ」值的增加而減少。
在圖5中，當「ωτ」值為10時，熱損失比率大約為16％。因為連接部分135的內半徑「r2」設計為滿足公式(2)和(3)，所以，蒸汽發動機110的連接部分135的熱損失可以適當地抑制到小於20％的值，其中「ωτ」大於10。
作為連接部分135的熱損失比率小於20％的結果，防止了氣相工作液體(蒸汽)120在連接部分135處的液化。工作液體120的蒸汽可以在冷卻部分133液化，以便在液體容器111中獲得充分量的工作液體的體積膨脹。
液體容器111中工作液體120內部液體壓力可以充分增加到高值，以有效地操作活塞，從而防止輸出裝置101處產生的輸出能量的減少。
如圖4所示，加熱部分131的內半徑設計為等於連接部分135的內半徑「r2」。即，加熱部分131的內表面平滑地連接到連接部分135的內表面，而沒有任何階梯部分，以便加熱部分131和連接部分135之間的工作液體120的運動可以平滑進行。
可以防止在階梯部分形成於其間的情況下，當工作液體從加熱部分131移動到連接部分135時產生的工作液體的任何能量損失。相應地，也可以防止在輸出裝置101處輸出能量減少的可能。
如圖3或圖1所示，加熱部分131的內半徑、以及冷卻部分133的內半徑「r1」設計為等於連接部分135的內半徑「r2」。即，加熱和冷卻部分131和133的內表面與連接部分135的內表面彼此平滑連接，以便工作液體120可以在液體容器111中平滑移動。
然而，加熱和/或冷卻部分131和133的內半徑不是必須設計為精確地等於連接部分135的內半徑。只要當加熱和/或冷卻部分131和133的內半徑接近等於(幾乎等於)連接部分135的內半徑時，就可以獲得液體容器111中工作液體120的平滑運動。
本發明不局限於上述實施方式，任何改進方式都在本發明的保護範圍內。
例如，在上述實施方式中，熱擴散率「a1」定義為當內部液體壓力在壓力變化範圍最小值(下限)時的值。當從壓力變化範圍的下限到高於整個壓力變化範圍下限的25％的值的壓力範圍定義為下壓力範圍時，熱擴散率「a1」可以從下壓力範圍中的熱擴散率任意選擇一個，以便氣相的工作液體可以在適當的時間汽化。
因此，在冷卻部分133的內半徑「r1」設計為等於或接近等於熱滲透的深度「δ1」(在低壓範圍處)，且深度「δ1」由公式(1)用熱擴散率「a1」(在低壓範圍)計算的液體容器111中，冷卻部分133處的工作液體120和冷卻裝置113之間的熱交換量可以控制在預定範圍內。
根據具有以上液體容器111的蒸汽發動機110，氣相工作液體(蒸汽)120可以在適當的時候液化，從而可以防止在輸出裝置101處輸出能量的減少。
在以上實施方式中，連接部分135的內半徑設計為「ωτ」值設定為大於「10」。在需要進一步減少熱損失的情況下，通過獲得更高值處「ωτ」值達到要求。
例如，如圖5所示，如果要求熱損失比率小於10％，則連接部分135的內半徑「r2」如此設計以便「ωτ」值設定為大於「20」。如果要求熱損失比率小於5％，則連接部分135的內半徑「r2」如此設計以便「ωτ」值設定為大於「30」。另外，如果要求熱損失比率小於2％，則連接部分135的內半徑「r2」如此設計以便「ωτ」值設定為大於「100」。
加熱裝置112不局限於來自發動機的廢氣用於熱源的裝置。電加熱裝置或使用氣體燃燒的加熱裝置都可以用作加熱裝置112。
(第二實施方式)下面將參照圖6到9說明本發明的第二實施方式，其中同樣的標號用於標明與第一實施方式同樣或相似的部分。
在圖6中，第一直管部分111b的加熱部分131、連接部分135以及冷卻部分133都由多個小管部分215構成，而第一直管部分111b的下部分由集中管部分216構成。小管部分215的每個下端都與集中管部分216連通，而小管部分215的每個上端都封閉。
加熱裝置112和冷卻裝置113分別形成為環繞多個小管部分215的加熱部分131和冷卻部分133。
圖7顯示了加熱和冷卻裝置112和113的放大截面簡圖，其中各個小管部分215中的工作液體120液面向下推動。各個小管部分215(圖7中)中的箭頭表示用於向下推動液相工作液體120的氣相工作液體的壓力方向。
如圖7所示，當向下推動液相工作液體120的液面時，液相工作液體從第一直管部分111b向第二直管部分111c移動，以向上移動活塞114。
當液面向下移動到冷卻部分133時，蒸汽進入冷卻部分133環繞的管部分，蒸汽通過冷卻部分133冷卻並液化。用於向下推動第一直管部分111b中液相工作液體的壓力消失，從而使第一管部分111b的液面向上移動(從等溫壓縮到絕熱壓縮的過程)。發電機(輸出裝置)101的活塞114相應地向下移動。
由於冷卻和加熱部分112和113由多個小管部分215組成，所以，增加了與工作液體120接觸的那些部分的表面面積；增加了加熱/冷卻裝置112/113和工作液體120之間的熱交換面積。增進了熱交換量，從而增加了熱傳遞效率。
因此，可以增加熱交換量，而不改變用於加熱和冷卻裝置112和113的預設溫度(即，不增加用於加熱裝置112的溫度，且不降低用於冷卻裝置113的溫度)。
因此，作為改進能量傳遞效率的結果，增加了由輸出裝置101輸出的能量。
當將本實施方式與放大用於熱交換的表面面積以便表面面積變為等於本實施方式中表面面積的單管部分的情況相比較時，本發明液體容器111的實體內容(具有多個小管部分)可以製作為小於單管部分的實體內容。
因此，根據第二實施方式，可以通過增加熱交換效率增加輸出能量，同時，蒸汽發動機可以製作為小尺寸。
在第二實施方式中，從發動機排出的高溫廢氣用於加熱裝置112的熱源(加熱液體)，其中廢氣與液體容器111的加熱部分131接觸，以加熱液體容器111中的工作液體120。
圖8顯示了加熱裝置112的內部結構的透視圖以及熱源(廢氣)的流動方向。
加熱裝置112包括具有入口和出口(未示出)的箱形殼體(未示出)。加熱裝置112還包括在殼體內的多個散熱片218，其中多個通孔形成於散熱片218中，以便小管部分215插入通孔。加熱氣體(廢氣)通過入口流進殼體，並在圖8中的箭頭指示方向流過殼體的內部。
當廢氣在殼體中從上遊側(入口側)流向下遊側(出口測)時，因為廢氣的熱量被小管部分215中的工作液體吸收，所以，廢氣的溫度從上遊側到下遊側逐漸下降。
如圖9所示，在其上部分，顯示了廢氣相對流動方向(從上遊到下遊)的溫度變化曲線。在其下部分，顯示了加熱裝置112的放大截面視圖。在圖9中，顯示了彼此具有同樣表面面積的多個小管部分215。
在圖9所示的加熱裝置112的情況下，在上遊側小管部分215處吸收的熱量不同於在下遊側小管部分215處吸收的熱量。各個小管部分產生的壓力也不同，從而使各個管部分中汽化的時間彼此也不同。換言之，液體壓力在各個管部分215中增加的時間也彼此不同。
當汽化時間彼此不同時，與以上圖9的加熱裝置一樣，用於具有較高液體壓力的小管部分215中的工作液體120的液體運動的能量消耗用於減少具有低液體壓力的其他小管部分215中的氣相工作液體的體積。由此，使通過工作液體汽化產生的能量消耗在具有不同內部液體壓力的小管部分215中。液體運動不在底管部分111a和第二直管部分111c中發生，而加熱裝置112中的液體壓力變化不完全地傳遞到活塞114。
根據本發明的實施方式，如圖8所示，廢氣流下遊側的小管部分215的直徑「L2」製作為大於上遊側的小管部分215的直徑「L1」(L1＜L2)，以便下遊管部分的表面面積大於上遊管部分的表面面積。隨著管部分與廢氣流方向的上遊管部分分離時，小管部分的表面面積逐漸增加，以便隨著小管部分與上遊管部分分離時，增加從廢氣的熱收集性能。
圖9顯示了加熱裝置112的曲線和截面視圖，其中可以在各個(五個不同的)小管部分215收集的熱量Q1到Q5通過公式表示。
在圖9所示的公式中，「h」為熱傳遞係數[W/m2×k]，而「TW」為加熱前小管部分215的溫度「K」。「T1」到「T5」為已經從上遊側到下遊側通過各個小管部分215的廢氣溫度。「A1」到「A5」為各個小管部分215的加熱部分的表面面積。
為了使從各個小管部分的廢氣收集的熱量接近彼此相等，要求使「Q1」到「Q5」彼此相等。應該清晰，加熱前小管部分215的熱傳遞係數「h」和溫度「TW」在這五個小管部分中接近彼此相等。也應該清晰，廢氣的溫度「T1」到「T5」之間存在關係T1＞T2＞T3＞T4＞T5。
因此，可以通過使各個小管部分的面積滿足關係A1＜A2＜A3＜A4＜A5，使「Q1」到「Q5」接近彼此相等。
根據本發明的實施方式，液體容器111的小管部分215如此形成以便這些小管部分的表面面積從廢氣流的上遊到下遊側的方向逐漸增加。
在以上液體容器111中，各個小管部分215的熱收集性能從上遊到下遊側增加。結果，即使在廢氣的溫度從上遊到下遊側降低的情況下，在各個小管部分215收集的熱量的差異可以減少到很小的量，並可以使各個小管部分215中液體內壓的不平衡最小化。
如上所述，通過將小管部分中的液體壓力差降低到最小量，具有多個小管部分215的蒸汽發動機110的液體容器111防止了能量在其他小管部分215中的不經濟消耗。工作液體120的液體壓力可以適當地施加到活塞114，並可以在輸出裝置101處獲得適當的機械能。
(第三實施方式)下面將參照附圖10說明根據第三實施方式的蒸汽發動機110，其中連通部分243設置成與小管部分215彼此連通。
蒸汽發動機110在第一直管部分111b頂端部分的結構上與第二實施方式(圖6到8)不同。
圖10顯示了第一直管部分111b、加熱裝置112以及冷卻裝置113頂端部分的截面視圖，其中通過液體容器111中蒸汽的液體壓力向下推動液相工作液體120。
如圖10所示，連通部分243形成於液體容器111的頂端以彼此連通小管部分215(在加熱部分131的上端)，以便連通部分243的內部空間與所有小管部分215的內部空間連通。
由於工作液體(氣相)120可以在小管部分215中移動，所以，各個小管部分的內部液體壓力可以製作為彼此相等或基本相等。
氣相的工作液體可以移動得比液相工作液體快，而大多數高壓氣相工作液體在小管部分215的上部分(在液體容器111的加熱部分131)產生。因此，高壓氣相工作液體可以通過連通部分243在小管部分215中移動。
在以上結構中，即使在每個小管部分215中的汽化時間(壓力增加時間)彼此不同，小管部分215中的壓力差也可以通過連通部分243立即消除。
(第二和第三實施方式的改進方式)可以對以上實施方式進行各種改進。
在圖11顯示的蒸汽發動機中，隨著小管部分215與加熱裝置112上遊側的距離變長，小管部分215的加熱部分131的長度製作為更長。加熱部分131的表面面積從加熱裝置112的上遊到下遊側逐漸增加。
如圖12所示，連通部分243不是必須設置在小管部分215的頂端，而是可以設置在加熱部分131的任何其他部分。
此外，如圖13所示，連通部分243不是必須設置在加熱部分131的同樣高度，而是可以設置在小管部分215的不同高度。
此外，如圖14所示，連通部分243不是必須設置為與所有的小管部分215彼此連通，而可以設置為使一組小管部分與另一組彼此連通，而使另一組小管部分與獨立於第一組小管部分的其他組的小管部分彼此連通。
在圖14中，第一連通部分245與第二和第四小管部分彼此連通，第二連通部分246與第一、第三和第五小管部分彼此連通。
根據本發明者的實驗，可以肯定，以上第一組(245)小管部分中的平均液體壓力接近等於第二組(246)小管部分中的平均液體壓力。
加熱裝置112不局限於上述說明的由外部加熱源(如內燃機)提供加熱氣體的加熱裝置，而可以包括電加熱器和氣體燃燒器。在此改進的蒸汽發動機中，加熱裝置的各個小管部分都可以單獨加熱以降低供給到各個小管部分的熱量變化。
加熱裝置112和冷卻裝置113可以設置為彼此靠近，而沒有連接部分。小管部分的數量不局限於五個。
(第四實施方式)下面將參照附圖15、16A和16B說明本發明的第四實施方式。
下面將參照附圖15、16A和16B說明加熱裝置112的第一直管部分111b，其中圖16A和16B顯示了加熱部分(112)的內部結構，其設置在第一直管部分111b的頂端318。
多個窄槽340形成於管部分111b的加熱部分(112)的內表面。窄槽340向管部分111b的冷卻部分(113)縱向延伸。窄槽340如此形成以通過管部分111b中的液相工作液體產生毛細管現象。防水錶面342在管部分111b的加熱部分(112)和冷卻部分(113)(在窄槽340的下端)之間的位置形成於管部分111b的內表面。
在第四實施方式的蒸汽發動機110中，氣體填充在第一直管部分111b，以便加熱部分(112)的內部空間不會填充有液相的工作液體。
與第一實施方式的方式相同，活塞114可移動地保持在汽缸115中。當液體容器111中的液體壓力增加時，活塞114向上移動到其頂端死點，而當液體容器111中的液體壓力減少時，活塞114向下移動到其底端死點。
當活塞114向下移動時，第一直管部分111b中的液相工作液體的液體表面向上移動。而當活塞114到達其底端死點時，第一直管部分111b的液面到達其最高位置。
根據本實施方式，如圖16A所示，當液面到達第一直管部分111b中的最高位置時，液面到達窄槽340的下端。
然後，由於毛細管現象，液相工作液體通過窄槽340供給到加熱部分(112)的內表面。然後，工作液體通過加熱裝置112加熱並汽化，並在液體容器111中通過汽化使工作液體的體積膨脹。
如圖16B所示，工作液體的液體表面向下推到低於防水錶面342的位置。從而向上推動第二直管部分111c的上端320處的液體表面。活塞114和輸出裝置101的移動件102向上移動。
氣相工作液體的下部分通過汽化的體積膨脹進一步向下移動，並進入冷卻裝置113的冷卻部分的空間。
氣相工作液體在冷卻部分(113)冷卻並液化，而液體容器111中的工作液體體積收縮。
由於工作液體的體積收縮，第一直管部分111b中的液面向上移動，而第二直管部分111c中的液面向下移動。活塞114以及移動件102通過彈簧103的彈力向下推動。當活塞114移動到其底端死點時，第一直管部分111b中的液面向上移動到窄槽340(圖16A)。
以上體積的膨脹和收縮重複進行以往復移動活塞114和移動件102，以便產生電力。
在以上蒸汽發動機110中，第一直管部分111b中液面的最高位置在窄槽340的下位置，而通過加熱裝置112加熱的液相工作液體只是通過窄槽340供給到加熱部分(112)內表面的工作液體。從而完全汽化加熱部分(112)的液相工作液體。
如上所述，通過加熱裝置112加熱但不汽化的液相工作液體的量為最小。即，熱損失為最小。
由於防水錶面342形成於窄槽340的下部分，所以，可以更正確地進行液體容器111中工作液體的運動(工作液體的自激勵振動)。
當工作液體通過工作液體的汽化在第一直管部分111b中向下推動時，液面通過防水錶面342進一步移動到低於防水錶面342的位置(圖16B)。
當工作液體如上所述向下推動時，在窄槽340和液面之間具有防水錶面342。因此，防止了液相工作液體通過毛細管現象穿過窄槽340繼續向上到達加熱部分(112)。
即使液面已經向下推動後，在保持在加熱部分(112)的窄槽340中的液相工作液體繼續加熱並汽化的情況下，也不可能進行工作液體自激勵振動的穩定操作。然而，根據本實施方式，通過防水錶面342防止了液相工作液體的繼續汽化。
加熱部分(112)內表面的結構不局限於圖16A的多個窄槽340。
圖17顯示了加熱部分內表面結構改進方式的視圖。在圖17中，多個窄槽340a形成於第一直管部分111b的內表面，與圖16A的方式相同，在加熱部分的垂直方向延伸。此外，由窄槽340a分出的大量微槽340b形成於內表面。因此增加了窄槽340a和微槽340b的表面面積，以便可以將相對大量的液相工作液體供給到加熱部分(112)。
由於可以增加液相工作液體的量，即通過汽化的氣相工作液體的量，所以，可以相應地增加蒸汽發動機110的輸出。
規律地形成於內表面的窄槽340(340a)可以通過機加工或化學處理如蝕刻加工形成。不規律地形成於內表面的微槽340b同樣也可以通過化學處理如蝕刻加工形成，以便使內表面變粗糙。微槽340b可以替代地通過形成不規律的微凸表面形成，其中金屬分離通過將管部分111b浸漬進電解溶液中形成。
如圖18所示，防水錶面343可以形成於加熱部分(112)的內表面，而不是形成於窄槽340(340a)和微槽340b。
例如，防水錶面343可以通過下列方法形成(1)保護層由吸水陶瓷材料如CaF2、CaO、MgO、Al2O3、BeO、ZnO、TiO2、SiO2、SnO2、Cu2O、Na2S、B2O2、CaS、CuO等形成。
在保護層由SiO2(玻璃)的吸水陶瓷材料形成，而第一管部分111b的加熱部分由鋁形成的情況下，保護層可以以此方式形成以便加熱部分(其上粘附由液體玻璃)加熱。
(2)組合親水基如氫氧基(-OH基)、羧基(-COOH基)。
(3)在管部分111b由金屬如銅製作的情況下，泡沫金屬的燒結金屬材料或擴散粘結材料粘附到管部分111b加熱部分(112)的內表面。粘附材料優選與管部分111b同樣的原材料。
(4)在管部分111b由碳的燒結材料製作的情況下，將(-Si-O-H基)組合到管部分111b的內表面。
以上吸水表面343也可以形成在窄槽340(340a)和微槽340b的表面上，以便可以更快地將液相工作液體供給到加熱部分(112)。可以增加蒸汽發動機110的響應，即液體容器中工作液體的自激勵振動的頻率可以分離為更高的頻率範圍。
具有比水更低表面張力的液體如乙醇可以用作工作液體，以便可以快速地將液相工作液體供給到加熱部分(112)。在使用水作為工作液體的情況下，可以將清潔劑混合到水中以降低表面張力。
(第五實施方式)下面將參照附圖19A、19B到21說明本發明的第五實施方式。
圖19A顯示了第五實施方式的蒸汽發動機110的簡圖，圖19B顯示了通過圖19A中的虛線圈出的加熱裝置112A的放大透視圖，而圖20A和20B顯示了加熱裝置112A的加熱部分的頂面視圖。
第五實施方式不同於以上第四實施方式之處在於加熱裝置112A的加熱部分由圓盤型的加熱部分322形成，其設置在第一直管部分111b的頂端，並具有水平延伸的圓盤型內表面324。加熱裝置112A設置在加熱部分322的外圍。
在第五實施方式中，通過最大限度地減少在加熱裝置112A加熱和汽化的工作液體的量，加熱裝置112A的垂直厚度「T1」製作為較小以增加蒸汽發動機110的熱效率。例如，如圖19A所示，厚度「T1」製作為小於第一直管部分111b的直徑「T2」。
如圖20A所示，從與第一直管部分111b的頂端連通中心開口326的徑向向外延伸(有規律地)的多個窄槽327a形成於內表面324。多個微槽327b還形成於(不規律地)內表面324。窄槽327a和微槽327b如此形成以便通過管部分111b中的液相工作液體產生毛細管現象。與以上第四實施方式的方式相同，窄槽327a和微槽327b可以通過機械加工和化學蝕刻加工形成。
形成於內表面324的槽(327a和327b)的結構不局限於圖20A所示的結構。例如，槽的結構可以製作為圖20B所示的結構，其中窄槽328規律地形成。窄槽328a從中心開口326的徑向向外延伸，而窄槽328b形成為相對中心開口326具有不同直徑的同心圓。
在第五實施方式的蒸汽發動機110中，氣體填充在加熱部分322中，以便加熱部分的內部空間不會填充有液相工作液體。
當活塞114移動到其底端死點時，第一直管部分111b中的液面移動到其中心孔326填充有工作液體的最高位置。
由於毛細管現象，液相工作液體通過窄槽327(328)蔓延到整個內表面324。通過加熱裝置112A加熱並汽化，使液體容器111中工作液體的體積膨脹。
由於形成於加熱部分322的窄槽327(328)水平延伸，因為液相工作液體的水平運動受到重力的影響很小，所以，液相工作液體通過槽327(328)的供給速度高於第四實施方式(圖15到18)的蒸汽發動機。相應地增加了蒸汽發動機110的響應。
如圖21所示，吸水表面329可以形成於加熱部分的內表面324，而不是窄槽327(328)，以促進工作液體供給到加熱部分。吸水表面也可以以第四實施方式同樣的方式形成。
吸水表面329還可以形成於窄槽327和328的表面，以進一步增加工作液體的供給速度。
(第六實施方式)下面將參照附圖22說明本發明的第六實施方式。
圖22為第四實施方式(圖15到18)的改進方式並顯示了第一直管部分111b的上部分。第六實施方式與第四實施方式的不同之處在於支管350設置在第一直管部分111b的上部分，其中支管350的上端連接到加熱部分(112)的部分「A」並在其下端連接到低於加熱裝置112的直管部分的部分「B」。支管350的內直徑如此設計，以便液相工作液體通過毛細管現象供給到加熱部分(部分A)。
在第六實施方式的蒸汽發動機110中，氣體填充在加熱部分(112)中，以便加熱部分的內部空間不會填充有液相工作液體。
當設置在第二直管部分的活塞移動到其底端死點時，第一直管部分111b中的液面在稍微高於支管350的部分「B」的位置，以便由於毛細管現象液相工作液體通過支管350向上供給到加熱部分(112)。
根據第六實施方式，在加熱裝置112處加熱和汽化的液相工作液體的量限於通過支管350將工作液體供給到加熱部分的量。從而完全汽化液相工作液體。
如上所述，加熱但不汽化並移向冷卻裝置的工作液體量可以為最小，以便熱損失最小。
窄槽(340)和/或吸水表面(343)也可以形成於支管350的內表面。
權利要求
1.一種蒸汽發動機，包括其中填充有工作液體且工作液體可以移動的液體容器(111)；用於加熱液體容器(111)中的工作液體並汽化工作液體以產生蒸汽的加熱裝置(112)；用於冷卻和液化通過加熱裝置(112)汽化的蒸汽的冷卻裝置(113)；以及輸出裝置(101)，其具有通過液體容器(111)中工作液體的壓力變化往復移動的移動件(102)，並輸出由移動件(102)的往復運動轉換的能量，其中液體容器(111)包括管形部分(111a)，所述管形部分具有加熱部分(131)，其中在加熱部分處設置有加熱裝置(112)，以及冷卻部分(133)，其中在冷卻部分處設置有冷卻裝置(113)；其中冷卻部分(133)的內半徑「r1」製作為接近等於熱滲透(在低壓時)的深度「δ1」，其通過下列公式(1)計算1=2a1---(1)]]>「a1」為工作液體在其低壓的熱擴散率，以及「ω」為液體容器(111)中工作液體運動的角頻率，以及其中熱擴散率「a1」從對應於工作液體的壓力變化範圍的那些值中選擇，其為從下極限到高於下限25％的液體壓力的液體壓力範圍。
2.根據權利要求1所述的蒸汽發動機，其特徵在於熱擴散率「a1」為當液體壓力在下限時的值。
3.根據權利要求1所述的蒸汽發動機，其特徵在於液體容器(111)還包括用於將加熱部分(131)與冷卻部分(133)連接的連接部分(135)，其中連接部分(135)的內半徑「r2」製作為滿足下列公式(2)和(3)(r2)22a2=---(2)]]>ω·τ≥10 (3)其中，「a2」為工作液體在其高壓時的熱擴散率，以及「ω」為液體容器(111)中工作液體運動的角頻率。
4.根據權利要求3所述的蒸汽發動機，其特徵在於連接部分(135)的內半徑「r2」等於或接近等於冷卻部分(133)的內半徑「r1」。
5.根據權利要求3所述的蒸汽發動機，其特徵在於連接部分(135)的內半徑「r2」、冷卻部分(133)的內半徑「r1」以及加熱部分(131)的內半徑彼此相等或接近相等。
6.一種蒸汽發動機，包括其中填充有工作液體且工作液體可以移動的液體容器(111)；用於加熱液體容器(111)中的工作液體並汽化工作液體以產生蒸汽的加熱裝置(112)；用於冷卻和液化通過加熱裝置(112)汽化的蒸汽的冷卻裝置(113)；以及輸出裝置(101)，其具有通過液體容器(111)中工作液體的壓力變化往復移動的移動件(102)，並輸出由移動件(102)的往復運動轉換的能量，其中液體容器(111)包括管形部分(111a)，所述管形部分具有加熱部分(131)，其中在加熱部分處設置有加熱裝置(112)，以及冷卻部分(133)，其中在冷卻部分處設置有冷卻裝置(113)，以及用於將加熱部分(131)與冷卻部分(133)連接的連接部分(135)，其中連接部分(135)的內半徑「r2」製作為滿足下列公式(2)和(3)(r2)22a2=---(2)]]>ω·τ≥10 (3)其中，「a2」為工作液體在其高壓時的熱擴散率，以及「ω」為液體容器(111)中工作液體運動的角頻率。
7.根據權利要求6所述的蒸汽發動機，其特徵在於連接部分(135)的內半徑「r2」等於或接近等於冷卻部分(133)的內半徑「r1」。
8.根據權利要求6所述的蒸汽發動機，其特徵在於連接部分(135)的內半徑「r2」、冷卻部分(133)的內半徑「r1」以及加熱部分(131)的內半徑彼此相等或接近相等。
9.一種蒸汽發動機，包括其中填充有工作液體且工作液體可以移動的液體容器(111)；用於加熱液體容器(111)中的工作液體並汽化工作液體以產生蒸汽的加熱裝置(112)；用於冷卻和液化通過加熱裝置(112)汽化的蒸汽的冷卻裝置(113)；以及輸出裝置(101)，具有通過液體容器(111)中工作液體的壓力變化往復移動的移動件(102)，並輸出由移動件(102)的往復運動轉換的能量，其中液體容器(111)包括管形部分(111a)，所述管形部分具有加熱部分(131)，在加熱部分處設置有加熱裝置(112)，以及冷卻部分(133)，在冷卻部分處設置有冷卻裝置(113)，以及其中加熱部分(131)和冷卻部分(133)中的每個都包括多個小管部分(215)。
10.根據權利要求9所述的蒸汽發動機，其特徵在於加熱裝置(112)包括環繞液體容器(111b)的加熱部分(131)的殼體，以便加熱部分(131)的多個小管部分(215)設置在殼體中，加熱的液體流動通過殼體的內部以加熱液體容器(111b)的加熱部分(131)，以及設置在加熱液體下遊側的小管部分(215)的表面面積製作為大於設置在加熱液體上遊側的小管部分(215)的表面面積。
11.根據權利要求9所述的蒸汽發動機，其特徵在於液體容器(111b)還包括用於將小管部分(215)之一與在其加熱部分(131)處的另一小管部分(215)連通的連通部分(243)。
12.根據權利要求9所述的蒸汽發動機，其特徵在於液體容器(111b)還包括用於將所有小管部分(215)在其加熱部分(131)處彼此連通的連通部分(243)。
13.一種蒸汽發動機，包括其中填充有工作液體且工作液體可以移動的液體容器(111)；用於加熱液體容器(111)中的工作液體並汽化工作液體以產生蒸汽的加熱裝置(112)；用於冷卻和液化通過加熱裝置(112)汽化的蒸汽的冷卻裝置(113)；以及輸出裝置(101)，其具有通過液體容器(111)中工作液體的壓力變化往復移動的移動件(102)，並輸出由移動件(102)的往復運動轉換的能量，其中液體容器(111)包括管形部分(111a)，所述管形部分具有加熱部分(131)，其中在加熱部分處設置有加熱裝置(112)，以及冷卻部分(133)，其中在冷卻部分設置有冷卻裝置(113)，其中氣體填充在液體容器(111)中的加熱部分(131)處，以便加熱部分(131)的內部空間不會填充有液相工作液體，以及其中工作液體供給裝置(340、340a、343、327、328、350)設置在加熱部分(131)處以將液相工作液體供給到加熱部分(131)。
14.根據權利要求13所述的蒸汽發動機，其特徵在於工作液體供給裝置(340、340a、343、327、328)形成於加熱部分(131)的內表面。
15.根據權利要求13所述的蒸汽發動機，其特徵在於工作液體供給裝置(340、340a、343、327、328)包括形成於加熱部分(131)的內表面的多個窄槽。
16.根據權利要求13所述的蒸汽發動機，其特徵在於工作液體供給裝置(340、340a、343、327、328)包括形成於加熱部分(131)的內表面的吸水表面(343)。
17.根據權利要求14所述的蒸汽發動機，其特徵在於防水錶面(342)形成於加熱部分(131)和冷卻部分(133)之間的液體容器(111b)的內表面。
18.根據權利要求13所述的蒸汽發動機，其特徵在於工作液體供給裝置包括支管(350)，其一端在填充液相工作液體的位置(B)連接到液體容器(111b)，而其另一端在填充氣體的加熱部分(131)的位置(A)連接到液體容器(111b)，以及支管(350)的內直徑如此製作以產生毛細管現象，以便液相工作液體通過支管(350)供給到加熱部分(131)。
19.根據權利要求13所述的蒸汽發動機，其特徵在於加熱裝置(112A)的加熱部分包括水平延伸的圓盤型加熱部分(322)。
20.根據權利要求13所述的蒸汽發動機，其特徵在於加熱裝置(112)、冷卻裝置(113)以及輸出裝置(101)以此順序設置在液體容器(111)處，以便加熱裝置(112)設置為在垂直方向高於冷卻裝置(113)。
全文摘要
一種蒸汽發動機，具有管形液體容器，加熱和冷卻裝置分別設置在液體容器的加熱和冷卻部分，而輸出裝置連接到液體容器，以便輸出裝置通過液體容器中的液體壓力變化操作，以產生電力。在此蒸汽發動機中，冷卻部分的內半徑「r1」製作為接近等於熱滲透(在低壓)的深度「δ1」，其通過下列公式(1)計算
文檔編號F01K21/02GK1699727SQ200510072758
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月19日 優先權日2004年5月19日
發明者八束真一, 小田修三, 萩原康正, 森下敏之, 小牧克哉 申請人:株式會社電裝