喷射式蒸汽发动机 技术领域 本发明涉及一种用于将热能转化为刚体动能等机械能的蒸汽发动机， 尤其涉及能 够有效地进行向机械能的转化、 还适合于作为搭载在车辆上的发动机的蒸汽发动机。
背景技术 在将热能转换为机械能的发动机 ( 热机 ) 中， 存在汽油发动机和柴油发动机那样 的内燃机、 以及进行所谓兰肯循环的蒸汽发动机等外燃机。 在内燃机中， 在作为工作流体的 空气中使燃料间歇地燃烧， 将产生的热量转化为机械能 ； 与此相对， 在作为外燃机的蒸汽发 动机中， 使通过连续燃烧而产生的热量热传递给工作流体， 因此存在以下优点 ： 容易控制燃 料的燃烧状态， NOX、 CO 等由燃烧产生的排气有害成分的生成量较少。并且， 在外燃机中， 不 限于由燃烧产生的热量， 还能够利用内燃机的废热等各种热源， 因此是节能、 在环境对策方 面也具有优良特性的发动机。
灵活运用蒸汽发动机的这种特性、 将蒸汽发动机用作为车辆用发动机的研究开发 正在进行， 例如， 在日本特开 2002-115506 号公报中公开了一种兰肯循环装置， 将内燃机的 废热作为热源使蒸汽发动机工作， 并将废热回收为机械能。用于执行兰肯循环的蒸汽发动 机装置包括 ： 对水等工作流体进行加热的锅炉 ( 蒸发器 )、 使被加热而成为高温高压的工作 流体膨胀而产生动力的膨胀机 ( 蒸汽发动机 )、 使膨胀后的工作流体冷却并液化的冷凝器 ( 凝结器 )、 以及将液化了的工作流体送至锅炉的循环泵， 通常使用涡轮作为膨胀机。
作为蒸汽发动机的涡轮是利用工作流体的速度能的所谓速度型发动机， 具备高速 蒸汽进行作用的多个叶片。为了使涡轮有效地动作， 需要使涡轮的转速上升并使叶片的圆 周速度增大到与蒸汽速度相接近的值， 因此涡轮成为高速动作的复杂的发动机。 并且， 在蒸 汽发动机装置中附属有锅炉、 凝结器等， 因此蒸汽发动机装置容易成为规模较大的设备。
根据这种情况， 作为即使在低速时也高效地进行工作的紧凑的蒸汽发动机装置， 本申请人开发了日本特开 2006-329036 号公报所公开的发动机。该蒸汽发动机装置为， 如 图 4 所示， 将具有喷出管 102 的转子 103 支持为可旋转， 该喷出管 102 在充满了液体状态的 工作流体的密闭容器 101 内弯曲。在转子 103 上设有吸入管 104， 并且加热部 105 插入在 转子中心部的中心圆筒中， 在此构成锅炉。从吸入管 104 吸入的液体状态的工作流体在加 热器 105 中蒸发而成为蒸汽， 该蒸汽以与液体的混合状态从喷出管 102 喷出， 使转子 105 沿 顺时针方向旋转。所喷出的蒸汽被导向到设置在密闭容器 101 上方的冷凝器 106 中， 在此 凝结而回流至密闭容器 101。为了控制工作流体的喷出及吸入， 在喷出管 102 和吸入管 104 的前端部， 分别配置有喷出用止回阀 107 和吸入用止回阀 108。
在图 4 的蒸汽发动机中， 在充满了液体的密闭容器内设置具有喷出管的转子， 使 在转子中心部的加热部蒸发的高压蒸汽以液体与蒸汽混合了的状态从喷出管喷出， 通过此 时的反作用而得到回转力。 在喷出的混合体中包含较多液体， 其质量远大于蒸汽， 因此转子 的旋转转矩与仅喷出蒸汽的情况相比变得非常大。因此， 即使在转子低速旋转时也能够得 到较大转矩， 该蒸汽发动机即使在低速时也能够高效地动作。 并且， 锅炉及冷凝器与密闭容
器一体化， 蒸汽发动机装置整体成为紧凑的结构。
专利文献 1 ： 日本特开 2002-115506 号公报
专利文献 2 ： 日本特开 2006-329036 号公报
本申请人开发的图 4 的蒸汽发动机是即使在低转速时效率也较高、 且紧凑地构成 的发动机。但是， 安装在转子上的喷出管和吸入管， 其功能不同， 并在其前端部分别安装有 喷出用止回阀和吸入用止回阀。在转子进行旋转时， 当在转子上存在静态或动态的不平衡 时会产生振动， 但是在功能不同的喷出管和吸入管中， 难以使重量等相同而实现旋转体的 平衡。并且， 设置在喷出管和吸入管上的喷出用止回阀和吸入用止回阀， 由于包含可动部 分， 因此容易产生故障和不良情况， 需要维护整修等的劳力和经费。
在蒸汽发动机装置中， 在锅炉中对液体状态的工作流体进行加热而将其转化为蒸 汽， 并使蒸汽在膨胀机中作用而产生动力。 由此， 一般来说， 用于起动的时间变长， 对于负载 变动的追随性也比内燃机差。对于搭载在车辆上的发动机， 要求起动性和负载追随性良好 的发动机， 因此在将蒸汽发动机装置利用于车辆用时， 希望提高起动性等。 发明内容 本发明的课题在于， 使作为蒸汽发动机装置的膨胀机使用的蒸汽发动机主体的转 子， 作为旋转体成为平衡性良好的极其简单的结构， 且提高蒸汽发动机装置的起动性等。
鉴于上述课题， 本发明的蒸汽发动机装置构成为， 利用等间隔配置了多个弯曲的 流路、 构造简单并且不存在不平衡重量的转子， 并将该转子收容在充满了液体的密闭容器 中， 通过在锅炉中产生的蒸汽使其旋转， 并且以向转子的流路内顺畅地供给液体的方式对 转子进行支持。即， 本发明为一种蒸汽发动机装置， 其特征在于，
“设置了充满了液体的密闭容器、 浸渍在上述密闭容器内的液体中并被支持为能 够旋转的转子、 以及对上述密闭容器内的液体进行加热而产生蒸汽的锅炉， 在该蒸汽发动 机装置中，
上述转子具备截面形成为圆形的内周面、 以及从上述内周面向外周面延伸的多个 弯曲的流路， 上述多个弯曲的流路均等地配置在上述转子的周向上，
并且， 上述密闭容器具备固定在其侧壁上并向上述密闭容器内突出的凸起部， 上 述转子的内周面与上述凸起部嵌合而上述转子被支持为能够旋转，
并且， 在上述凸起部的外周上， 交替地形成有供上述转子的内周面接触并滑动的 滑接部、 以及与上述转子的内周面分离的凹部， 在上述滑接部上设置有将在上述锅炉中产 生的蒸汽导入上述转子的蒸汽供给口” 。
如方案 2 所记载的那样， 优选构成为， 设置将上述密闭容器内的液体供给至上述 锅炉的循环泵， 并且在上述锅炉内设置喷射喷嘴， 上述密闭容器内的液体被以雾状喷射至 锅炉内。
并且， 如方案 3 所记载的那样， 优选设置与上述密闭容器连通、 使蒸汽凝结的冷凝 器。
发明的效果 ：
本发明的蒸汽发动机装置为， 具备在充满了液体的密闭容器内被支持为能够旋转 的转子， 通过在锅炉中产生的蒸汽， 使进入到形成在转子中的多个弯曲的流路内的液体， 以
液体与蒸汽的混合状态从流路喷出， 通过其反作用使转子旋转。在喷出的混合体中包含较 多液体， 其质量远大于蒸汽。因此， 与图 4 所示的蒸汽发动机相同， 即使在转子低速旋转时 也能够得到较大转矩， 本发明的蒸汽发动机主体即使在低速时也能够高效地工作。
本发明的蒸汽发动机主体的转子为， 具有截面形成为圆形的内周面， 在转子的周 向上均等地配置从内周面向外周面延伸的多个弯曲的流路。 由于在转子上不存在止回阀等 可动部分， 因此其构造简单、 可靠性高， 也不会由于旋转中离心力的影响而产生不良情况。 并且， 多个弯曲的流路在转子的周向上均等地配置， 转子的横截面成为点对称的形状， 因此 不存在不平衡重量， 本发明的转子作为旋转体具有良好的静态或动态平衡。
并且， 本发明的转子为， 与固定在密闭容器的侧壁上的凸起部嵌合而被支持为能 够旋转， 在凸起部的外周上交替地形成有供转子的内周面接触并滑动的滑接部、 以及与转 子的内周面分离的凹部。在滑接部上设置有将在锅炉中产生的蒸汽导入转子的蒸汽供给 口， 在转子的弯曲的流路向蒸汽供给口开口时， 蒸汽流入弯曲的流路， 并与流路内的液体一 起从转子的外周喷出， 对转子赋予旋转转矩。
当转子旋转而弯曲的流路与蒸汽供给口的连通被切断时， 周围的液体从该转子外 周侧的开口逆流流入到弯曲的流路中， 对转子作用将旋转转矩增强的方向的转矩。 此时， 残 留在弯曲的流路内的蒸汽， 由周围的低温液体冷却而液化， 但当冷却不充分时， 在残留了蒸 汽状态下转子进行旋转而弯曲的流路再次向蒸汽供给口开口， 喷出的液体变少而产生的旋 转转矩减少。 在本发明中， 在嵌合了转子的凸起部的外周上形成有凹部， 在转子进行旋转而 弯曲的流路与蒸汽供给口的连通被切断之后， 弯曲的流路向该凹部开口。在凹部中存在低 温液体， 因此残留的蒸汽由其冷却并且一部分蒸汽流入凹部内， 在弯曲的流路内残留的蒸 汽实质上消失。结果， 在弯曲的流路再次向蒸汽供给口开口时， 流路内充满液体， 蒸汽发动 机高效地工作。
方案 2 的发明构成为， 在本发明的蒸汽发动机装置中， 设置将密闭容器内的液体 供给至锅炉的循环泵， 并且在锅炉内设置喷射喷嘴， 液体被以雾状喷射至锅炉内。通常， 对 蒸汽发动机装置的锅炉以液体状态连续地供给工作流体， 并通过加热而成为蒸汽， 但为了 使连续地供给的液体蒸发需要相当长的时间， 产生动力之前的起动时间变长。在方案 2 的 发明中， 从设置在锅炉内的喷射喷嘴江液体以雾状喷射到锅炉内， 使液体蒸发的时间大幅 地缩短。因此， 蒸汽发动机装置的起动性提高， 而且在负载增大时等也能够迅速地响应， 能 够满足车辆所要求的特性。
方案 3 的发明为， 在本发明的蒸汽发动机装置中， 设置与密闭容器连通、 使蒸汽凝 结的冷凝器。 本发明的密闭容器放置， 放置在大气中并向周围散发热量， 因此能够将密闭容 器自身作为所谓的低热源， 但在设置与密闭容器连通的冷凝器、 并将密闭容器内的蒸汽引 导至该冷凝器来进行冷却时， 能够高效地进行蒸汽的凝结， 蒸汽发动机装置整体的效率也 提高。 附图说明
图 1 是本发明的蒸汽发动机装置的整体图以及截面图。
图 2 是表示本发明的蒸汽发动机主体部的主要部件的立体图。
图 3 是说明本发明的蒸汽发动机主体部的工作的图。图 4 是表示以往的蒸汽发动机的一个例子的图。 符号的说明 ： 1 密闭容器 11 凸起部 12 蒸汽导入路 12B 蒸汽供给口 2 冷凝器 5 转子 51 内周面 52 外周面 53 (A ～ D) 弯曲的流路 6 锅炉 61 喷射喷嘴 7 循环泵具体实施方式 以下， 参照附图来详细说明本发明的实施方式。
图 1 表示本发明的蒸汽发动机装置的整体图。图 1(a) 是表示蒸汽发动机装置中 的蒸汽发动机主体的横截面的图， 图 1(b) 是表示包含锅炉等在内的装置整体的图， 图 1(a) 是图 1(b) 的 A-A 截面图。并且， 图 2 是蒸汽发动机主体中的主要部件的分解立体图。
蒸汽发动机装置具有截面为圆形的密闭容器 1， 在其内部作为被加热的液体 ( 工 作流体 ) 而封入有水， 水几乎充满在密闭容器 1 内。在本实施例中， 在密闭容器 1 上部设置 有使水蒸汽凝结而成为冷凝水的冷凝器 2， 冷凝器 2 通过短管 3 与密闭容器 1 连结。在短管 3 内隔开间隔地安装有多个挡板 4， 由此防止液体状态的水进入冷凝器 2 内， 但来自冷凝器 2 的冷凝水能够回流至密闭容器 1。
在截面为圆形的密闭容器 1 中， 转子 5 浸渍在水中地设置。转子 5 具有截面形成 为圆形的内周面 51、 以及从内周面 51 向外周面 52 延伸的 4 根弯曲的流路 53A ～ 53D， 弯曲 的流路 53A ～ 53D 按照每个 90°的间隔在转子 5 的周向上均等地配置。在本实施例中， 各 流路 53 为朝向外周面 52 而前端变细的形状， 但流路 53 也可以沿着整体都具有相同截面 积。密闭容器 1 具有固定在其侧壁上并向密闭容器 1 内突出的凸起部 11， 转子 5 的内周面 51 与凸起部 11 嵌合， 而被能够旋转地支持在密闭容器 1 内。
在固定在密闭容器 1 的侧壁上的凸起部 11 的外周上， 如图 1 及图 2 所示， 交替地 形成供转子 5 的内周面 51 接触并滑动的滑接部 11A、 以及与内周面 51 分离的凹部 11B， 滑 接部 11A 成为截面为圆弧状。在凸起部 11 内部设置有蒸汽导入路 12， 蒸汽导入路 12 具备 供给来自锅炉 6 的蒸汽的蒸汽入口 12A、 以及在滑接部 11A 上开口的向转子 5 的蒸汽供给 口 12B。 并且， 在凸起部 11 的与蒸汽入口 12A 相反侧的端部上， 在其外周配置有发电用线圈 13， 在与发电用线圈 13 相对的转子 5 的内周面 51 上埋入有永磁铁 54。
在密闭容器 1 的侧方， 设置对密闭容器 1 内的水进行加热而产生蒸汽的锅炉 6、 以 及将密闭容器 1 内的水加压输送至锅炉 6 的循环泵 7。锅炉 6 具备将水喷射至锅炉内壁的
喷射喷嘴 61， 由循环泵 7 加压的密闭容器 1 内的水被以喷雾状态供给至锅炉 6 内。在锅炉 6 中具备使燃料燃烧的加热部 62， 但也可以将锅炉 6 例如设置在内燃机的废气通路内， 通过 内燃机的废热来产生蒸汽。在锅炉 6 中产生的蒸汽经由管路 63 送至蒸汽导入路 12 的蒸汽 入口 12A。
下面， 进一步参照作为转子 5 的工作说明图的图 3， 对本发明的蒸汽发动机装置的 工作进行说明。
密闭容器 1 内的水从循环泵 7 被加压输送至锅炉 6， 并在此被加热而转化为蒸汽。 产生的蒸汽经由管路 63 供给至形成在凸起部 11 上的蒸汽导入路 12。转子 5 能够旋转地嵌 合在凸起部 11 上， 其内周面 51 与凸起部 11 外周的滑接部 11A 一边接触一边滑动。蒸汽导 入路 12 的蒸汽供给口 12B 在滑接部 11A 上开口， 如图 3 所示， 当形成在转子 5 上的弯曲的 流路 53 中例如 53A 的内周面侧开口部与蒸汽供给口 12B 一致时， 蒸汽流入弯曲的流路 53A。 由于流路 53A 中充满了密闭容器 1 内的水， 所以蒸汽一边膨胀一边通过弯曲的流路 53A， 并 在与水混合了的状态下， 从在转子 5 的外周面 52 上开口的流路 53A 的前端向密闭容器 1 内 高速地喷出。
通过从流路 53A 的前端喷出的混合体的反作用， 对转子 5 作用旋转转矩， 转子 5 在 图 3 中向逆时针方向旋转。在所喷出的混合体中含有大量作为液体的水， 水的比重与水蒸 汽相比非常大， 所以混合体的动量以及对转子 5 作用的旋转转矩变得较大。因此， 即使在转 子 5 的低速旋转时， 也能够取出所需要的动力。通过与转子 5 一体地进行旋转的永磁铁 54 与静止的发电用线圈 13 之间的相互电磁作用， 伴随转子 5 的旋转的刚体动能 ( 机械能 )， 作 为电能被取出到外部。 当转子 5 旋转、 流路 53A 的内周面侧开口部与蒸汽供给口 12B 之间的连通被切断 时， 向流路 53A 的蒸汽供给停止。此时， 密闭容器 1 内的水从外周面 52 侧的开口逆流到流 路 53A 中， 并且流路 53A 内的蒸汽被周围的水冷却而凝结。在转子 5 进一步旋转而流路 53A 的内周面侧开口部与凹部 11B 连通时， 由于在凹部 11B 内存在低温的水， 因此通过凹部 11B 的水来促进残留在流路 53A 中的蒸汽的凝结， 同时一部分蒸汽流入到凹部 1ib 内。因此， 在 流路 53A 再次向蒸汽供给口 12B( 在图 3 中为下侧的蒸汽供给口 ) 开口时， 残存的蒸汽实质 上消失， 而在流路 53A 内充满了作为液体的水。 因此， 不会发生从流路 53A 喷出的水量变少、 产生的旋转转矩减少的情况。并且， 在弯曲的流路 53A 中朝向凹部 11B 逆流的水， 对于转子 5 作用旋转方向的转矩， 增大基于混合体喷出的转矩。
蒸汽发动机主体的转子 5 为， 在转子 5 的周向上均等地配置了截面形成为圆形的、 从内周面 51 向外周面 52 延伸的多个弯曲的流路 53A ～ D， 上述流路 53A 的工作， 在其他流 路中也同样被周期性地执行。由于在转子 5 上不存在止回阀等可动部分， 因此其构造简单、 可靠性高， 也不会由于转子旋转中离心力的影响而产生不良情况。多个弯曲的流路 53 在转 子 5 的周向上均等地配置， 转子 5 的横截面成为点对称的形状， 因此在转子 5 中不会存在不 平衡重量， 作为旋转体具有良好的静态或动态平衡。
从转子 5 喷出的蒸汽， 在水中上升而从短管 3 送至冷凝器 2， 并在此被冷却而凝结 并回流至密闭容器 1。在冷凝器 2 中设置有散热片 21， 并且为了排出空气等而连接有止回 阀 22、 真空泵 23， 由此冷凝器 2 以及密闭容器 1 的内部压力下降而保持在饱和水蒸汽压。 如 图 1(b) 的双点划线所示， 在冷凝器 2 的外表面上也可以设置散热片。在本实施例中， 使冷
凝器 2 分体地与密闭容器 1 连通， 但也可以在密闭容器 1 的外表面上设置散热片， 使密闭容 器 1 本身兼有作为冷凝器的功能。
通过冷凝器 2 凝结而液化并回流至密闭容器 1 的水， 通过循环泵 7 从密闭容器 1 的底部被加压输送至锅炉 6。 所加压输送的水从设置在锅炉 6 内的喷射喷嘴 61 被以雾状喷 射至锅炉内， 通过加热进行迅速的蒸发。因此， 使水蒸发的时间大幅缩短， 蒸汽发动机装置 的起动性提高， 并且在负载增大时等也能够进行迅速的响应。
工业利用性
如以上详细说明的那样， 本发明的蒸汽发动机装置构成为， 利用等间隔配置了多 个弯曲的流路的、 不存在不平衡重量的转子， 将该转子收容在充满了液体的密闭容器中， 并 对转子进行支持， 以便将在锅炉中产生的蒸汽与液体的混合体从弯曲的流路喷出而使转子 旋转， 并且向转子的流路内顺畅地供给液体。 因此， 本发明的蒸汽发动机装置能够被利用为 搭载在车辆上的发动机等各种动力源。在上述实施例中， 将由加热部施加的热量转化为刚 体动能并进一步转化为电能而取出， 但当然可以在转子上连结齿轮装置等而作为刚体动能 取出。 并且， 代替水而例如使用氟利昂等制冷剂来作为成为工作流体的液体、 适当变更凸起 部上的凹部的截面形状等， 能够对实施例进行各种变更的情况是显而易见的。