噴射式蒸汽發動機的製作方法

2023-09-17 20:04:40

專利名稱：噴射式蒸汽發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於將熱能轉化為剛體動能等機械能的蒸汽發動機，尤其涉及能 夠有效地進行向機械能的轉化、還適合於作為搭載在車輛上的發動機的蒸汽發動機。
背景技術：
在將熱能轉換為機械能的發動機(熱機)中，存在汽油發動機和柴油發動機那樣 的內燃機、以及進行所謂蘭肯循環的蒸汽發動機等外燃機。在內燃機中，在作為工作流體的 空氣中使燃料間歇地燃燒，將產生的熱量轉化為機械能；與此相對，在作為外燃機的蒸汽發 動機中，使通過連續燃燒而產生的熱量熱傳遞給工作流體，因此存在以下優點容易控制燃 料的燃燒狀態，N0X、CO等由燃燒產生的排氣有害成分的生成量較少。並且，在外燃機中，不 限於由燃燒產生的熱量，還能夠利用內燃機的廢熱等各種熱源，因此是節能、在環境對策方 面也具有優良特性的發動機。靈活運用蒸汽發動機的這種特性、將蒸汽發動機用作為車輛用發動機的研究開發 正在進行，例如，在日本特開2002-115506號公報中公開了一種蘭肯循環裝置，將內燃機的 廢熱作為熱源使蒸汽發動機工作，並將廢熱回收為機械能。用於執行蘭肯循環的蒸汽發動 機裝置包括對水等工作流體進行加熱的鍋爐(蒸發器)、使被加熱而成為高溫高壓的工作 流體膨脹而產生動力的膨脹機(蒸汽發動機)、使膨脹後的工作流體冷卻並液化的冷凝器 (凝結器)、以及將液化了的工作流體送至鍋爐的循環泵，通常使用渦輪作為膨脹機。作為蒸汽發動機的渦輪是利用工作流體的速度能的所謂速度型發動機，具備高速 蒸汽進行作用的多個葉片。為了使渦輪有效地動作，需要使渦輪的轉速上升並使葉片的圓 周速度增大到與蒸汽速度相接近的值，因此渦輪成為高速動作的複雜的發動機。並且，在蒸 汽發動機裝置中附屬有鍋爐、凝結器等，因此蒸汽發動機裝置容易成為規模較大的設備。根據這種情況，作為即使在低速時也高效地進行工作的緊湊的蒸汽發動機裝置， 本申請人開發了日本特開2006-329036號公報所公開的發動機。該蒸汽發動機裝置為，如 圖4所示，將具有噴出管102的轉子103支持為可旋轉，該噴出管102在充滿了液體狀態的 工作流體的密閉容器101內彎曲。在轉子103上設有吸入管104，並且加熱部105插入在 轉子中心部的中心圓筒中，在此構成鍋爐。從吸入管104吸入的液體狀態的工作流體在加 熱器105中蒸發而成為蒸汽，該蒸汽以與液體的混合狀態從噴出管102噴出，使轉子105沿 順時針方向旋轉。所噴出的蒸汽被導向到設置在密閉容器101上方的冷凝器106中，在此 凝結而回流至密閉容器101。為了控制工作流體的噴出及吸入，在噴出管102和吸入管104 的前端部，分別配置有噴出用止回閥107和吸入用止回閥108。在圖4的蒸汽發動機中，在充滿了液體的密閉容器內設置具有噴出管的轉子，使 在轉子中心部的加熱部蒸發的高壓蒸汽以液體與蒸汽混合了的狀態從噴出管噴出，通過此 時的反作用而得到迴轉力。在噴出的混合體中包含較多液體，其質量遠大於蒸汽，因此轉子 的旋轉轉矩與僅噴出蒸汽的情況相比變得非常大。因此，即使在轉子低速旋轉時也能夠得 到較大轉矩，該蒸汽發動機即使在低速時也能夠高效地動作。並且，鍋爐及冷凝器與密閉容器一體化，蒸汽發動機裝置整體成為緊湊的結構。專利文獻1 日本特開2002-115506號公報專利文獻2 日本特開2006-329036號公報本申請人開發的圖4的蒸汽發動機是即使在低轉速時效率也較高、且緊湊地構成 的發動機。但是，安裝在轉子上的噴出管和吸入管，其功能不同，並在其前端部分別安裝有 噴出用止回閥和吸入用止回閥。在轉子進行旋轉時，當在轉子上存在靜態或動態的不平衡 時會產生振動，但是在功能不同的噴出管和吸入管中，難以使重量等相同而實現旋轉體的 平衡。並且，設置在噴出管和吸入管上的噴出用止回閥和吸入用止回閥，由於包含可動部 分，因此容易產生故障和不良情況，需要維護整修等的勞力和經費。在蒸汽發動機裝置中，在鍋爐中對液體狀態的工作流體進行加熱而將其轉化為蒸 汽，並使蒸汽在膨脹機中作用而產生動力。由此，一般來說，用於起動的時間變長，對於負載 變動的追隨性也比內燃機差。對於搭載在車輛上的發動機，要求起動性和負載追隨性良好 的發動機，因此在將蒸汽發動機裝置利用於車輛用時，希望提高起動性等。

發明內容
本發明的課題在於，使作為蒸汽發動機裝置的膨脹機使用的蒸汽發動機主體的轉 子，作為旋轉體成為平衡性良好的極其簡單的結構，且提高蒸汽發動機裝置的起動性等。鑑於上述課題，本發明的蒸汽發動機裝置構成為，利用等間隔配置了多個彎曲的 流路、構造簡單並且不存在不平衡重量的轉子，並將該轉子收容在充滿了液體的密閉容器 中，通過在鍋爐中產生的蒸汽使其旋轉，並且以向轉子的流路內順暢地供給液體的方式對 轉子進行支持。即，本發明為一種蒸汽發動機裝置，其特徵在於，「設置了充滿了液體的密閉容器、浸漬在上述密閉容器內的液體中並被支持為能 夠旋轉的轉子、以及對上述密閉容器內的液體進行加熱而產生蒸汽的鍋爐，在該蒸汽發動 機裝置中，上述轉子具備截面形成為圓形的內周面、以及從上述內周面向外周面延伸的多個 彎曲的流路，上述多個彎曲的流路均等地配置在上述轉子的周向上，並且，上述密閉容器具備固定在其側壁上並向上述密閉容器內突出的凸起部，上 述轉子的內周面與上述凸起部嵌合而上述轉子被支持為能夠旋轉，並且，在上述凸起部的外周上，交替地形成有供上述轉子的內周面接觸並滑動的 滑接部、以及與上述轉子的內周面分離的凹部，在上述滑接部上設置有將在上述鍋爐中產 生的蒸汽導入上述轉子的蒸汽供給口」。如方案2所記載的那樣，優選構成為，設置將上述密閉容器內的液體供給至上述 鍋爐的循環泵，並且在上述鍋爐內設置噴射噴嘴，上述密閉容器內的液體被以霧狀噴射至 鍋爐內。並且，如方案3所記載的那樣，優選設置與上述密閉容器連通、使蒸汽凝結的冷凝
ο發明的效果本發明的蒸汽發動機裝置為，具備在充滿了液體的密閉容器內被支持為能夠旋轉 的轉子，通過在鍋爐中產生的蒸汽，使進入到形成在轉子中的多個彎曲的流路內的液體，以
4液體與蒸汽的混合狀態從流路噴出，通過其反作用使轉子旋轉。在噴出的混合體中包含較 多液體，其質量遠大於蒸汽。因此，與圖4所示的蒸汽發動機相同，即使在轉子低速旋轉時 也能夠得到較大轉矩，本發明的蒸汽發動機主體即使在低速時也能夠高效地工作。本發明的蒸汽發動機主體的轉子為，具有截面形成為圓形的內周面，在轉子的周 向上均等地配置從內周面向外周面延伸的多個彎曲的流路。由於在轉子上不存在止回閥等 可動部分，因此其構造簡單、可靠性高，也不會由於旋轉中離心力的影響而產生不良情況。 並且，多個彎曲的流路在轉子的周向上均等地配置，轉子的橫截面成為點對稱的形狀，因此 不存在不平衡重量，本發明的轉子作為旋轉體具有良好的靜態或動態平衡。並且，本發明的轉子為，與固定在密閉容器的側壁上的凸起部嵌合而被支持為能 夠旋轉，在凸起部的外周上交替地形成有供轉子的內周面接觸並滑動的滑接部、以及與轉 子的內周面分離的凹部。在滑接部上設置有將在鍋爐中產生的蒸汽導入轉子的蒸汽供給 口，在轉子的彎曲的流路向蒸汽供給口開口時，蒸汽流入彎曲的流路，並與流路內的液體一 起從轉子的外周噴出，對轉子賦予旋轉轉矩。當轉子旋轉而彎曲的流路與蒸汽供給口的連通被切斷時，周圍的液體從該轉子外 周側的開口逆流流入到彎曲的流路中，對轉子作用將旋轉轉矩增強的方向的轉矩。此時，殘 留在彎曲的流路內的蒸汽，由周圍的低溫液體冷卻而液化，但當冷卻不充分時，在殘留了蒸 汽狀態下轉子進行旋轉而彎曲的流路再次向蒸汽供給口開口，噴出的液體變少而產生的旋 轉轉矩減少。在本發明中，在嵌合了轉子的凸起部的外周上形成有凹部，在轉子進行旋轉而 彎曲的流路與蒸汽供給口的連通被切斷之後，彎曲的流路向該凹部開口。在凹部中存在低 溫液體，因此殘留的蒸汽由其冷卻並且一部分蒸汽流入凹部內，在彎曲的流路內殘留的蒸 汽實質上消失。結果，在彎曲的流路再次向蒸汽供給口開口時，流路內充滿液體，蒸汽發動 機高效地工作。方案2的發明構成為，在本發明的蒸汽發動機裝置中，設置將密閉容器內的液體 供給至鍋爐的循環泵，並且在鍋爐內設置噴射噴嘴，液體被以霧狀噴射至鍋爐內。通常，對 蒸汽發動機裝置的鍋爐以液體狀態連續地供給工作流體，並通過加熱而成為蒸汽，但為了 使連續地供給的液體蒸發需要相當長的時間，產生動力之前的起動時間變長。在方案2的 發明中，從設置在鍋爐內的噴射噴嘴江液體以霧狀噴射到鍋爐內，使液體蒸發的時間大幅 地縮短。因此，蒸汽發動機裝置的起動性提高，而且在負載增大時等也能夠迅速地響應，能 夠滿足車輛所要求的特性。方案3的發明為，在本發明的蒸汽發動機裝置中，設置與密閉容器連通、使蒸汽凝 結的冷凝器。本發明的密閉容器放置，放置在大氣中並向周圍散發熱量，因此能夠將密閉容 器自身作為所謂的低熱源，但在設置與密閉容器連通的冷凝器、並將密閉容器內的蒸汽引 導至該冷凝器來進行冷卻時，能夠高效地進行蒸汽的凝結，蒸汽發動機裝置整體的效率也 提尚。


圖1是本發明的蒸汽發動機裝置的整體圖以及截面圖。圖2是表示本發明的蒸汽發動機主體部的主要部件的立體圖。圖3是說明本發明的蒸汽發動機主體部的工作的圖。
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圖4是表示以往的蒸汽發動機的一個例子的圖。符號的說明1密閉容器11 凸起部12蒸汽導入路12B 蒸汽供給口2冷凝器5 轉子51 內周面52 外周面53 (A D)彎曲的流路6 鍋爐61 噴射噴嘴7 循環泵
具體實施例方式以下，參照附圖來詳細說明本發明的實施方式。圖1表示本發明的蒸汽發動機裝置的整體圖。圖1 (a)是表示蒸汽發動機裝置中 的蒸汽發動機主體的橫截面的圖，圖1(b)是表示包含鍋爐等在內的裝置整體的圖，圖1(a) 是圖1(b)的A-A截面圖。並且，圖2是蒸汽發動機主體中的主要部件的分解立體圖。蒸汽發動機裝置具有截面為圓形的密閉容器1，在其內部作為被加熱的液體(工 作流體)而封入有水，水幾乎充滿在密閉容器1內。在本實施例中，在密閉容器1上部設置 有使水蒸汽凝結而成為冷凝水的冷凝器2，冷凝器2通過短管3與密閉容器1連結。在短管 3內隔開間隔地安裝有多個擋板4，由此防止液體狀態的水進入冷凝器2內，但來自冷凝器 2的冷凝水能夠回流至密閉容器1。在截面為圓形的密閉容器1中，轉子5浸漬在水中地設置。轉子5具有截面形成 為圓形的內周面51、以及從內周面51向外周面52延伸的4根彎曲的流路53A 53D，彎曲 的流路53A 53D按照每個90°的間隔在轉子5的周向上均等地配置。在本實施例中，各 流路53為朝向外周面52而前端變細的形狀，但流路53也可以沿著整體都具有相同截面 積。密閉容器1具有固定在其側壁上並向密閉容器1內突出的凸起部11，轉子5的內周面 51與凸起部11嵌合，而被能夠旋轉地支持在密閉容器1內。在固定在密閉容器1的側壁上的凸起部11的外周上，如圖1及圖2所示，交替地 形成供轉子5的內周面51接觸並滑動的滑接部11A、以及與內周面51分離的凹部11B，滑 接部IlA成為截面為圓弧狀。在凸起部11內部設置有蒸汽導入路12，蒸汽導入路12具備 供給來自鍋爐6的蒸汽的蒸汽入口 12A、以及在滑接部IlA上開口的向轉子5的蒸汽供給 口 12B。並且，在凸起部11的與蒸汽入口 12A相反側的端部上，在其外周配置有發電用線圈 13，在與發電用線圈13相對的轉子5的內周面51上埋入有永磁鐵54。在密閉容器1的側方，設置對密閉容器1內的水進行加熱而產生蒸汽的鍋爐6、以 及將密閉容器1內的水加壓輸送至鍋爐6的循環泵7。鍋爐6具備將水噴射至鍋爐內壁的噴射噴嘴61，由循環泵7加壓的密閉容器1內的水被以噴霧狀態供給至鍋爐6內。在鍋爐 6中具備使燃料燃燒的加熱部62，但也可以將鍋爐6例如設置在內燃機的廢氣通路內，通過 內燃機的廢熱來產生蒸汽。在鍋爐6中產生的蒸汽經由管路63送至蒸汽導入路12的蒸汽 入口 12A。下面，進一步參照作為轉子5的工作說明圖的圖3，對本發明的蒸汽發動機裝置的 工作進行說明。密閉容器1內的水從循環泵7被加壓輸送至鍋爐6，並在此被加熱而轉化為蒸汽。 產生的蒸汽經由管路63供給至形成在凸起部11上的蒸汽導入路12。轉子5能夠旋轉地嵌 合在凸起部11上，其內周面51與凸起部11外周的滑接部IlA—邊接觸一邊滑動。蒸汽導 入路12的蒸汽供給口 12B在滑接部IlA上開口，如圖3所示，當形成在轉子5上的彎曲的 流路53中例如53A的內周面側開口部與蒸汽供給口 12B —致時，蒸汽流入彎曲的流路53A。 由於流路53A中充滿了密閉容器1內的水，所以蒸汽一邊膨脹一邊通過彎曲的流路53A，並 在與水混合了的狀態下，從在轉子5的外周面52上開口的流路53A的前端向密閉容器1內 高速地噴出。 通過從流路53A的前端噴出的混合體的反作用，對轉子5作用旋轉轉矩，轉子5在 圖3中向逆時針方向旋轉。在所噴出的混合體中含有大量作為液體的水，水的比重與水蒸 汽相比非常大，所以混合體的動量以及對轉子5作用的旋轉轉矩變得較大。因此，即使在轉 子5的低速旋轉時，也能夠取出所需要的動力。通過與轉子5 —體地進行旋轉的永磁鐵54 與靜止的發電用線圈13之間的相互電磁作用，伴隨轉子5的旋轉的剛體動能(機械能)，作 為電能被取出到外部。當轉子5旋轉、流路53A的內周面側開口部與蒸汽供給口 12B之間的連通被切斷 時，向流路53A的蒸汽供給停止。此時，密閉容器1內的水從外周面52側的開口逆流到流 路53A中，並且流路53A內的蒸汽被周圍的水冷卻而凝結。在轉子5進一步旋轉而流路53A 的內周面側開口部與凹部IlB連通時，由於在凹部IlB內存在低溫的水，因此通過凹部IlB 的水來促進殘留在流路53A中的蒸汽的凝結，同時一部分蒸汽流入到凹部lib內。因此，在 流路53A再次向蒸汽供給口 12B(在圖3中為下側的蒸汽供給口)開口時，殘存的蒸汽實質 上消失，而在流路53A內充滿了作為液體的水。因此，不會發生從流路53A噴出的水量變少、 產生的旋轉轉矩減少的情況。並且，在彎曲的流路53A中朝向凹部IlB逆流的水，對於轉子 5作用旋轉方向的轉矩，增大基於混合體噴出的轉矩。蒸汽發動機主體的轉子5為，在轉子5的周向上均等地配置了截面形成為圓形的、 從內周面51向外周面52延伸的多個彎曲的流路53A D，上述流路53A的工作，在其他流 路中也同樣被周期性地執行。由於在轉子5上不存在止回閥等可動部分，因此其構造簡單、 可靠性高，也不會由於轉子旋轉中離心力的影響而產生不良情況。多個彎曲的流路53在轉 子5的周向上均等地配置，轉子5的橫截面成為點對稱的形狀，因此在轉子5中不會存在不 平衡重量，作為旋轉體具有良好的靜態或動態平衡。從轉子5噴出的蒸汽，在水中上升而從短管3送至冷凝器2，並在此被冷卻而凝結 並回流至密閉容器1。在冷凝器2中設置有散熱片21，並且為了排出空氣等而連接有止回 閥22、真空泵23，由此冷凝器2以及密閉容器1的內部壓力下降而保持在飽和水蒸汽壓。如 圖1(b)的雙點劃線所示，在冷凝器2的外表面上也可以設置散熱片。在本實施例中，使冷凝器2分體地與密閉容器1連通，但也可以在密閉容器1的外表面上設置散熱片，使密閉容 器1本身兼有作為冷凝器的功能。通過冷凝器2凝結而液化並回流至密閉容器1的水，通過循環泵7從密閉容器1 的底部被加壓輸送至鍋爐6。所加壓輸送的水從設置在鍋爐6內的噴射噴嘴61被以霧狀噴 射至鍋爐內，通過加熱進行迅速的蒸發。因此，使水蒸發的時間大幅縮短，蒸汽發動機裝置 的起動性提高，並且在負載增大時等也能夠進行迅速的響應。工業利用性如以上詳細說明的那樣，本發明的蒸汽發動機裝置構成為，利用等間隔配置了多 個彎曲的流路的、不存在不平衡重量的轉子，將該轉子收容在充滿了液體的密閉容器中，並 對轉子進行支持，以便將在鍋爐中產生的蒸汽與液體的混合體從彎曲的流路噴出而使轉子 旋轉，並且向轉子的流路內順暢地供給液體。因此，本發明的蒸汽發動機裝置能夠被利用為 搭載在車輛上的發動機等各種動力源。在上述實施例中，將由加熱部施加的熱量轉化為剛 體動能並進一步轉化為電能而取出，但當然可以在轉子上連結齒輪裝置等而作為剛體動能 取出。並且，代替水而例如使用氟利昂等製冷劑來作為成為工作流體的液體、適當變更凸起 部上的凹部的截面形狀等，能夠對實施例進行各種變更的情況是顯而易見的。
權利要求
一種蒸汽發動機裝置，設置了充滿了液體的密閉容器、浸漬在上述密閉容器內的液體中並被支持為能夠旋轉的轉子、以及對上述密閉容器內的液體進行加熱而產生蒸汽的鍋爐，其特徵在於，上述轉子具備截面形成為圓形的內周面、以及從上述內周面向外周面延伸的多個彎曲的流路，上述多個彎曲的流路均等地配置在上述轉子的周向上，並且，上述密閉容器具備固定在其側壁上並向上述密閉容器內突出的凸起部，上述轉子的內周面與上述凸起部嵌合而上述轉子被支持為能夠旋轉，並且，在上述凸起部的外周上，交替地形成有供上述轉子的內周面接觸並滑動的滑接部、以及與上述轉子的內周面分離的凹部，在上述滑接部上設置有將在上述鍋爐中產生的蒸汽導入上述轉子的蒸汽供給口。
2.如權利要求1所述的蒸汽發動機裝置，其中，設置將上述密閉容器內的液體供給至上述鍋爐的循環泵，並且在上述鍋爐內設置噴射 噴嘴，上述密閉容器內的液體被以霧狀噴射至鍋爐內。
3.如權利要求2所述的蒸汽發動機裝置，其中，設置與上述密閉容器連通、使蒸汽凝結的冷凝器。
全文摘要
本發明為一種蒸汽發動機，噴出液體和蒸汽，通過其反作用使轉子旋轉，使轉子為平衡良好的簡單結構。其中，將等間隔配置多個彎曲的流路(53A～53D)的轉子5與密閉容器(1)的凸起部(11)嵌合而可旋轉地支持在充滿液體的密閉容器(1)內。在凸起部(11)上交替形成具備蒸汽供給口的滑接部(11A)和凹部(11B)，通過從蒸汽供給口供給至彎曲的流路(53)內的蒸汽將流路內的液體向外側噴出而使轉子(5)旋轉。轉子(5)為截面點對稱的形狀，因此不存在不平衡重量，而且為不存在可動部件等的簡單構造。在彎曲的流路(53)與凹部(11B)連通時，流路內的殘留蒸汽被冷卻而消失，流路內充滿液體。
文檔編號F01K25/04GK101918677SQ200880123098
公開日2010年12月15日 申請日期2008年12月18日 優先權日2007年12月28日
發明者山本康, 武井嘉丈, 阿部誠 申請人:五十鈴自動車株式會社