(57)【要約】【課題】熱媒体の選択により過熱行程を省略し、潜熱を利用することで低温での運転を可能とした外燃機関において、気相媒体の流動によるエネルギーを効率良く動力に変換することが出来る外燃機関用タービンを提供するものである。【解決手段】閉塞暗渠断面の湾曲した流路を格子状に設けたことにより、気相熱媒体の噴射による運動エネルギーを外部気体の影響を受けずに効率良く動力に変換することが出来るものである。  所謂遠心型のタービンと軸流型のタービンの両方に応用することが出来る外燃機関用タービンを提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定して設けた円板状のハブは断熱性の材料で製作され外周部に複数の閉塞暗渠断面の湾曲した流路を格子状に設けたことを特徴とする外燃機関用タービン。
【請求項２】
流路の断面が方形であることを特徴とする請求項１記載の外燃機関用タービン。
【請求項３】
流路の断面が六角形であることを特徴とする請求項１記載の外燃機関用タービン。
【請求項４】
湾曲した流路がハブの半径方向に向いていることを特徴とする請求項１記載の外燃機関用タービン。
【請求項５】
湾曲した流路がハブの回転軸と平行な方向に向いていることを特徴とする請求項１記載の外燃機関用タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機関内部での燃焼を行なわず、外部から供給される熱エネルギーによって動くと言う意味で、いわゆる外燃機関に類するものに使用するタービンに関するものである。  熱媒体への外部からの熱量の授受により液体と気体とに変化することを利用することで、気相状態における大きな体積から生じる流動エネルギーによってタービンを駆動し、冷却されて液相状態となり体積が小さくなった熱媒体をポンプで循環する方式のいわゆるランキンサイクルを応用した外燃機関においては、従来から加熱によって気化した媒体を更に高温で過熱することでタービンに噴射して動力を得る行程で液化することによる動力の損失を防止している。  しかしこの過熱行程には高温の熱源が必要であり、この種の熱サイクルが低温で作動することを困難にしてきた。  この欠点を改善する為に本出願人が出願中の外燃機関では分子量の大きな熱媒体を使用することで過熱行程を省略できることが可能となり、低温での高効率動作が可能となった。  本発明はこのような方式の外燃機関に適したタービンを提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のタービンはガスタービン方式のように比較的大量の気体を円筒状の流路に噴出し、軸流タービン又は遠心タービンと呼ばれる構造で動力を得ていた。  これに対して上記のごとき外燃機関では気相媒体を循環して使用するために比較的噴出量が少なく、円周の数箇所のノズルから噴出する気相媒体によって駆動するものが多い。  この場合、水力機械に使用されるペルトン型に類するものが想定されるが噴出するものが気体である為に水車と同様の形状では周囲の気体から受ける抵抗で気相媒体の噴出時の運動エネルギーがすぐに失われてしまい効率良く動力を取り出すことが出来ない。  また、外周部から吹き込んだ気相流体を中心部から抜き出す方式のものはこのタービンが回転することによるポンプ効果によって流体を逆流させる方向の遠心力が働き、本来のタービン機能を大きく損なう結果をもたらすものとなる。  このような欠点を改善する為には本出願人が別途出願中の外燃機関の動力機構がある。  本発明は更に別の観点からこの課題を解決するものである。  
【０００３】
上記説明における本出願人の下記出願特許がある。
【特許文献１】特願  ２００８−０８０６８２号
【特許文献１】特願  ２００８−３２３５１６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記背景の下に成立したものであり、その課題は気相媒体の流動によるエネルギーを効率良く動力に変換することが出来る外燃機関用タービンを提供するものである。  ペルトン型タービンを基に気相媒体への応用に適したものとすることが出来る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の手段は、回転軸に固定して設けた円板状のハブは断熱性の材料で製作され外周部に複数の方形閉塞暗渠断面の湾曲した流路を格子状に設けた外燃機関用タービンを提供するものである。湾曲流路の方向はハブの半径方向を向いたものと、回転軸と平行な方向を向いたものとの両方が可能である。
【０００６】
本発明の第２の手段は、流路の断面が六角形である上記構造の外燃機関用タービンを提供するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の外燃機関用タービンは閉塞暗渠断面の湾曲した流路を格子状に設けたことにより、気相熱媒体の噴射による運動エネルギーを外部気体の影響を受けずに効率良く動力に変換することが出来るものである。  所謂遠心型のタービンと軸流型のタービンの両方に応用することが出来る。
【０００８】
また、ハブを断熱性の材料で製作することによって熱エネルギーの放出を防止し、噴出した気相媒体がタービンの羽根との温度差によって接触時に冷却されて液化することを防止することが出来るものである。
【０００９】
更に湾曲した流路を外周部に設け、中心部へ流体の移動を制限したことによりのタービンの回転によって生じる回転ポンプ効果を最小限にして回転トルク損失を最小限に押えることが出来る。
【００１０】
以上の説明で明らかなごとく、本発明の外燃機関用タービンは気相熱媒体の噴射による運動エネルギーを効率良く動力に変換することが出来るものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の外燃機関用タービンの構造は回転軸に固定して設けた円板状のハブは断熱性の材料で製作され外周部に複数の閉塞暗渠断面の湾曲した流路を格子状に設たものである。
【００１２】
流路の断面は方形又は六角形であることが望ましく、湾曲した流路はハブの半径方向に向いているものとハブの回転軸と平行な方向に向いているもののどちらにも適用することが出来る。
【実施例】
【００１３】
以下図について本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例の構造を示す側断面図であり、図２はそのＡ−Ａ矢視平断面図、図３はその部分詳細斜視図である。
図１、図２及び図３において、密閉容器１に回転自在に軸支された回転軸２にはハブ３が固着されている。該ハブ３は薄いステンレス製の板で形成されており、外周部には閉塞暗渠断面を有する半径方向に向けて湾曲した複数のタービン流路４を格子状に設けている。  回転軸２の一方の端部には円周上に複数の極を有するごとく着磁された永久磁石５を固着し、密閉容器１の円筒部６を介して外部の発電機を駆動する磁気クラッチを形成している。  又、回転軸２の他方の端部には円周上に複数の極を有するごとく着磁された永久磁石７を固着し、密閉容器１の円筒部８を介して外部の循環ポンプを駆動する磁気クラッチを形成している。  ９は図示しない加熱部で加熱されて気相状態となった熱媒体をタービン流路４の入口１０に向けて回転方向に向けて斜めに噴出する噴出口であり、円周上に複数個配置しても良い。１１はタービン流路４の出口１２から排出された気相熱媒体を図示しない放熱部に送り込む為の排気口である。  タービン流路４の断面は円周方向の壁と軸方向の壁とで形成された方形を成している。  排気口１１から排出された気相熱媒体は図示しない放熱部において冷却されて液化し、前述の永久磁石７によって形成される磁気クラッチによって駆動される外部循環ポンプによって加熱部に送られる。
【００１４】
格子状に形成されたタービン流路４の断面の大きさは噴出口９の直径と同等かやや小さく形成されていることが望ましい。  また、軸方向に重なる段数は３段以上であることが望ましい。  タービン流路が閉塞暗渠断面を有するごとく形成されている理由は噴出口から噴出した気相媒体が他の部分及び気体に接触することなく、また、流路断面の拡大によって流速が減少して運動エネルギーを失うことなく、入口１０から出口１２まで高速で通過することが出来るようにするためのものである。  また、一般に温度変化に起因する寸法変化によってタービン流路４と噴出口９の位置はある程度軸方向にずれることが想定されるがタービン流路４を複数段重ねて形成することでこのずれによって生ずる気相媒体の無駄な放出を防止し、すべての気相媒体を有効に利用する為のものである。  流路４の長さはハブ３の半径の１／３以下であることが望ましい。
【００１５】
永久磁石５、７と円筒部６、８によって構成された磁気クラッチは本発明に直接関係は無いが、密閉容器１の漏れを完全に遮断する為に必要なものである。  回転軸２が外部に露出している構造では長期間の密閉は困難であり、回転部のシールによる摩擦抵抗は性能悪化の大きな原因になる。  クラッチのＯＮ、ＯＦＦは外部での公知の操作で行うことが出来る。
【００１６】
図４は本発明の他の実施例の構造を示す部分詳細斜視図である。
図４においてタービン流路２１の断面は六角形の蜂の巣状に形成されている。このような形状にすることによって流路４のコーナーでの接触角を大きくして気相媒体と接触する壁との部分的な摩擦を最小にすることが出来るので、全体としての摩擦損失を最小にすることが出来る。
【００１７】
図５は本発明の他の実施例の構造を示す側断面図である。
図５において湾曲したタービン流路３１の入口３２及び出口３３の方向は回転軸２と直角な面に並行に向いており、流路３１は回転軸２に並行な方向を向いている。  噴出口３４は入口３３に接近して回転軸２に対して捻れた方向を向くごとくに配置されている。  この実施例においては入口３２と噴出口３４とが所定のクリアランスを維持できるようにハブ３の軸方向の位置のずれを防止する設計的な配慮が必要であるが、前述のごときハブ３の回転による遠心ポンプ効果を受けないので有利な面がある。  流路３１の断面形状は方形と六角形の両方に対応することが出来る。  
【００１８】
上記構造の外燃機関用タービンの実施例においてその作用を説明する。
図１、図２及び図３において、噴出口９から回転方向に向けて斜めに噴出する気相媒体を入口１０に受けてハブ３が回転する。  気相媒体は湾曲したタービン流路４のなかで方向を変えて出口１２から排出する間に運動エネルギーをハブ３に伝えた後、排気口１１から図示しない放熱部に向けて排出される。この間に通過するタービン流路４は閉塞暗渠断面を有するものである為に、気相媒体は外部の気体と接すること無しに流路断面積も大きく変化することが無い。  一般に開放された空間に噴出された気体は放射状に広がりその噴出面積の増加に反比例して噴出速度を失う。  従って、仮にタービン流路４が閉塞暗渠断面を持つものではないと気相媒体の運動エネルギーはハブ３に充分に伝わる前に失われてしまい、結果的にタービンとしての効率が低下する。  流路４の断面積は理想的には噴出口９と同一であることが望ましいが両者の、回転軸２の方向の位置関係を完全に一致させることは実質的に困難であり、多少のずれを容認せざるを得ない。その場合、流路４の入口１０で分割された気相媒体が夫々の流路４のなかでスムーズに流れるためには不用意に断面積が広がることを防がなければならない。従って流路４の断面積は噴出口９の断面積乃至はその１／２程度が望ましいものである。  逆に流路面積があまり小さいと気相媒体が接触する流路の壁面積が相対的に増加し、摩擦損失の増加の原因となる。  また、同様の理由から軸方向に重なる段数は３段以上であることが望ましい。
【００１９】
また、本発明における流路４はハブ３の半径の１／３以下であることが望ましい。  流路が大きなカーブを描いてその出口がハブの中心部にあるごとき構造のものでは、ハブが高速で回転したときに発生する遠心力が気相媒体を逆に押し戻す力となって入口から気相媒体が吹き込まれるのを妨げてしまい、スムーズな流れを阻害することになる。
【００２０】
尚、噴出口９から噴出される気相媒体は流路４よりも高温である。  熱媒体の選択により単に断熱膨張しただけでは液化しないように配慮されているが、外部から熱を奪われると液化して急激に体積が減少し、同時に運動エネルギーを失ってしまう。  実施例においてハブ３は噴出後の気相媒体の中で高速回転しているので噴出直後の熱媒体より温度が低くなっている。  その温度がタービン流路４からハブ３に伝わりやすいと気相媒体の熱が奪われ上述の不具合が生じる。  従って、ハブ３は流路４からの熱が伝わりにくい断熱性の材料（たとえばステンレス鋼）で製作されていることが望ましい。
【００２１】
更に、図４に示す実施例では流路２１の断面形状は六角形の蜂の巣状に形成されている。    このような形状にすることによって流路４のコーナーでの接触角を大きくして気相媒体と接触する壁との部分的な摩擦を最小にすることが出来るので、全体としての摩擦損失を最小にすることが出来る。  方形の場合と比べて六角形の方がやや効率が良いが、製造工程での制約を受けることがある。
【００２２】
更に又、図５における実施例において流路３１は回転軸２に並行な方向を向いているものである。  このような実施例においては噴出口３４と流路３１の位置ずれはハブ３の回転方向に許容範囲を持つ。  その代わり軸方向には厳密な位置決めが必要である。ハブ３の回転数が極めて速い場合は前述のごときハブ３の回転による遠心ポンプ効果を受けないのでその優位性が大きくなる。
【００２３】
以上の説明で明らかなごとく、本発明の外燃機関の動力機構は、いわゆるランキンサイクルを応用した外燃機関において、特に熱媒体の選択によって過熱行程を無くし、潜熱のみで作動する方式により低温での運転を可能にした外燃機関に適したタービンであり、その効率の向上に極めて有効なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例の構造を示す側断面図である。
【図２】本発明の一実施例の構造を示すＡ−Ａ矢視平断面図である。
【図３】本発明の一実施例の構造を示す部分詳細斜視図である。
【図４】本発明の他の実施例の構造を示す部分詳細斜視図である。
【図５】本発明の他の実施例の構造を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１：密閉容器
２：回転軸
３：ハブ
４、２１、３１：流路
５、７：永久磁石
６、８：円筒部
９、３４：噴出口
１０、３２：入口
１１：排気口
１２、３３：出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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