(57)【要約】【課題】制動時に大きなエンジンブレーキ力が得られると共に、制動時のエネルギーを溜めて再加速時のエネルギーとして再利用することができる車両用蒸気エンジンを提供する。【解決手段】作動流体を圧送するポンプ１と、その作動流体を液体から高温の気体に加熱する加熱器２と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器３と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器４とを有する運転時用の回路５を備えた車両用蒸気エンジンであって、前記運転時用の回路５に加熱器２の下流側とポンプ１の上流側とを結ぶように放熱器６及び膨張弁７を有する回生時用の回路８を回路切替弁１０，２０を介して設け、前記回生時用の回路８に作動流体を通常運転時用の回路５の流れ方向とは逆の方向に流すために前記膨張器３にその回転方向を切り替えるための正逆転変換機３１を設けている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧送するポンプと、その作動流体を液体から高温の気体に加熱する加熱器と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器とを有する運転時用の回路を備えた車両用蒸気エンジンであって、前記運転時用の回路に加熱器の下流側とポンプの上流側とを結ぶように放熱器及び膨張弁を有する回生時用の回路を回路切替弁を介して設け、前記回生時用の回路に作動流体を運転時用の回路の流れ方向とは逆の方向に流すために前記膨張器にその回転方向を切り替えるための正逆転変換機を設けたことを特徴とする車両用蒸気エンジン。
【請求項２】
前記回路切替弁が、前記加熱器の下流側に設けられる第１の三方弁と、前記ポンプの上流側に設けられる第２の三方弁とからなることを特徴とする請求項１記載の車両用蒸気エンジン。
【請求項３】
前記膨張器が、回生時に作動流体を圧送する圧縮機として働き、これにより得られるエネルギーが低温の熱エネルギーとして前記復水器に蓄積されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の車両用蒸気エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用蒸気エンジンに係り、特に制動力エネルギーを熱エネルギーとして蓄えて再加速時のエネルギーとして再利用する制動力回生技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気エンジンは、図４に示すように、作動流体（例えば水、飽和水）を圧送するポンプ１と、その作動流体を加熱して液体から高温の気体（蒸気）にする加熱器２と、その気体のエネルギーを回転動力に変換する膨張器３と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器４とを有する通常運転時用の回路５を備えている。
【０００３】
前記蒸気エンジンにおいては、作動流体をポンプ１で断熱圧縮して加熱器２に送り、この加熱器２により作動流体を等圧加熱して高温の気体（過熱蒸気）にした後、その高温の気体の断熱膨張により膨張器（蒸気原動機）３を回転させて動力を得る。膨張後の作動流体は復水器４で冷却され、等圧変化により復水し、液体に戻る。
【０００４】
前記蒸気エンジンは、以上のサイクル（ランキンサイクル）を繰り返えすことにより、大きな回転動力を得ることができ、その回転動力で車両の駆動輪３２を駆動するように構成することにより車両の駆動装置として用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−７５４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記蒸気エンジンにおいては、大きな動力が得られるものの、車両側からの動力（運動エネルギー）を回収するシステムがなく、エネルギーの有効利用を図ることができなかった。
【０００７】
なお、関連する技術としては、制動時の車両の運動エネルギーを温度差エネルギーに変換して蓄熱し、燃料経済性を向上させる車両用スターリングエンジンが知られている（特許文献１参照）が、大きな制動力（エンジンブレーキ力）及び大きな温度差エネルギーを得ることは難しい。
【０００８】
本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、通常運転時に大きな動力が得られると共に、制動時に大きなエンジンブレーキ力及び温度差エネルギーが得られ、再加速時のエネルギーとして再利用することができる車両用蒸気エンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明は、作動流体を圧送するポンプと、その作動流体を液体から高温の気体に加熱する加熱器と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器とを有する運転時用の回路を備えた車両用蒸気エンジンであって、前記運転時用の回路に加熱器の下流側とポンプの上流側とを結ぶように放熱器及び膨張弁を有する回生時用の回路を回路切替弁を介して設け、前記回生時用の回路に作動流体を運転時用の回路の流れ方向とは逆の方向に流すために前記膨張器にその回転方向を切り替えるための正逆転変換機を設けたことを特徴とする。
【００１０】
前記回路切替弁は、前記加熱器の下流側に設けられる第１の三方弁と、前記ポンプの上流側に設けられる第２の三方弁とからなることが好ましい。
【００１１】
前記膨張器は、回生時に作動流体を圧送する圧縮機として働き、これにより得られるエネルギーが低温の熱エネルギーとして前記復水器に蓄積されるように構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、通常運転時に大きな動力が得られると共に、回生時に大きなエンジンブレーキ力及び温度差エネルギーが得られ、再加速時のエネルギーとして再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の車両用蒸気エンジンの構成を示す図である。
【図２】同車両用蒸気エンジンの通常運転時の状態を示す図である。
【図３】同車両用蒸気エンジンの回生時の状態を示す図である。
【図４】従来の車両用蒸気エンジンの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。
【００１５】
車両用蒸気エンジンは、図１に示すように、作動流体（例えば水）を圧送するポンプ１と、その作動流体を加熱して高温の気体（蒸気）にする加熱器２と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器３と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器４とを有する通常運転時用の回路５を備えている。
【００１６】
この通常運転時用の回路５には、加熱器２の下流側とポンプ１の上流側とを結ぶように放熱器６及び膨張弁７を有する回生時用の回路８が回路切替弁１０，２０を介して設けられている。これら回路切替弁１０，２０は、前記加熱器２の下流側に設けられる第１の三方弁１０と、前記ポンプ１の上流側に設けられる第２の三方弁２０とからなり、何れも電磁弁からなり、運転状況（通常運転時又は回生時）に応じて制御装置３０により切り替えられるようになっている。
【００１７】
前記第１の三方弁１０は、前記膨張器３の入口に通じる第１ポート１１と、前記加熱器２の出口に通じる第２ポート１２と、前記放熱器６の入口に通じる第３ポート１３とを有すると共に、第１ポート１１と第２ポート１２又は第１ポート１１と第３ポート１３を選択的に接続する２つのスプール（第１スプール、第２スプール）１４，１５を有している。
【００１８】
また、第２の三方弁は２０、前記復水器４の出口に通じる第１ポート２１と、前記ポンプ１の入口に通じる第２ポート２２と、前記膨張弁７の出口に通じる第３ポート２３とを有すると共に、第１ポート２１と第２ポート２２又は第１ポート２１と第３ポート２３を接続する２つのスプール（第３スプール、第４スプール）２４，２５を有している。
【００１９】
通常運転時には、図２に示すように第１の三方弁１０は第１スプール１４の位置に、第２の三方弁２０は第３スプール２４の位置にそれぞれ切り替えられており、ポンプ１で圧送される作動流体が加熱器２、膨張器３、復水器４の順で通常運転時用の回路５を時計方向に流れるようになっている。
【００２０】
一方、回生時には、図３に示すように第１の三方弁１０は第２スプール１５の位置に、第２の三方弁２０は第４スプール２５の位置にそれぞれ切り替え、前記回生時用の回路８に対して作動流体を通常運転時用の回路５の流れ方向（時計方向）とは逆の方向（反時計方向）に流すために、すなわち作動流体が膨張器３の圧縮機としての機能により放熱器６、膨張弁７、復水器４の順で回生時用の回路８を反時計方向に流れるように前記膨張器３にはその回転方向を切り替えるための正逆転変換機３１が設けられている。
【００２１】
この正逆転変換機３１は、車両の駆動輪３２を駆動する駆動軸（プロペラシャフト）３３と膨張器３の回転軸３ａとの間に介設されており、膨張器３をタービンとして働かせる通常運転時には正転に、エンジンブレーキにするべく膨張器３を圧縮機として働かせる回生時には逆転に制御装置３０により切り替えられるようになっている。なお、前記膨張器３の回転軸３ａと駆動軸３３との間にはクラッチや変速機が組み込まれていても良く、或いはクラッチや変速機は前記正逆転変換機３１に組み込まれていてもよい。
【００２２】
前記膨張器３は、通常運転時には図２に示すようにタービンとして働き、回生時には図３に示すように通常運転時用の回路５の流れ方向とは逆の方向の回生時用の回路８に作動流体を圧送する圧縮機として働くと共にこの時に加わる負荷によりエンジンブレーキの働きをすることになる。この場合、回生時用の回路８においては、膨張器３、放熱器６、膨張弁７、復水器４が、冷凍サイクルにおける圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を構成することになり、回生時に制動力エネルギーにより復水器４を冷却し、加熱器２と復水器４の温度差を拡大し、これにより、制動力エネルギーを低温の熱エネルギーとして復水器４に蓄積するようになっている。なお、復水器４に熱エネルギーを蓄積するため、復水器４の熱容量が大きいことが好ましい。
【００２３】
次に、以上の構成からなる車両用蒸気エンジンの作用を述べる。先ず、通常運転時には、図２に示すように第１の三方弁１０を第１スプール１４の位置に、第２の三方弁２０を第３のスプール２４の位置にそれぞれ切り替える。すると、作動流体がポンプ１により加熱器２に圧送され、この加熱器２で液体の作動流体が高温の気体になる。この高温の気体が膨張器３に圧送され、膨張器３で膨張することにより高温の気体のエネルギーが膨張器３の回転動力に変換され、膨張器３が回転する。膨張後の作動流体の熱は、復水器４で大気温度と熱交換されて大気に放出され、作動流体の温度は常温に降温し、作動流体は凝縮して液体に戻る。前記膨張器３の回転動力が正逆転変換機３１を介して車両の駆動軸３３に伝達されることにより、車両を走行させることができる。この場合、前記正逆転変換機３１は，正転位置に切り替えられており、膨張器３の回転方向と駆動軸３３の回転方向は同じである。
【００２４】
一方、回生時には、図３に示すよう第１の三方弁１０を第２スプール１５の位置に、第２の三方弁２０を第４スプール２５の位置にそれぞれ切り替え、通常運転時用の回路５から回生時用の回路８に切り替える。また、駆動側である駆動軸３３の回転方向とエンジン側である膨張器３の回転方向とが反転するように正逆転変換機３１を逆転位置に切り替える。これにより膨張器３が圧縮機として機能し、作動流体が可逆断熱圧縮されて高圧の加熱蒸気になる。次いで、作動流体が放熱器６により等圧的に冷却されて凝縮し、飽和液になる。次いで、その作動流体が膨張弁７を通過する時に絞り膨張をして低圧で低温の湿り蒸気になり、復水器４の熱を吸収して作動流体は蒸発し、復水器４の温度が低下する。
【００２５】
この車両用蒸気エンジンによれば、作動流体を圧送するポンプ１と、その作動流体を液体から高温の気体に加熱する加熱器２と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器３と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器４とを有する運転時用の回路５を備え、前記運転時用の回路５に加熱器２の下流側とポンプ１の上流側とを結ぶように放熱器６及び膨張弁７を有する回生時用の回路８を回路切替弁１０，２０を介して設け、前記回生時用の回路８に作動流体を運転時用の回路５の流れ方向とは逆の方向に流すために前記膨張器３にその回転方向を切り替えるための正逆転変換機３１を設けているため、通常運転時に大きな動力が得られると共に、回生時に大きなエンジンブレーキ力及び温度差エネルギーが得られ、再加速時のエネルギーとして再利用することができる。
【００２６】
前記回路切替弁１０，２０が、前記加熱器２の下流側に設けられる第１の三方弁１０と、前記ポンプ１の上流側に設けられる第２の三方弁２０とからなるため、作動流体の流れ方向が正反対の通常運転時用の回路５と再生時用の回路８を確実且つ容易に切り替えることができる。
【００２７】
前記膨張器３が、通常運転時にタービンとして働き、回生時に作動流体を圧送する圧縮機として働くため、回生時に大きなエンジンブレーキ力が得られると共にその制動力エネルギーを熱エネルギーとして復水器４に容易に蓄積することができる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ポンプ
２  加熱器
３  膨張器
４  復水器
５  通常運転時用の回路
６  放熱器
７  膨張弁
８  回生時用の回路
１０  回路切り替え弁（第１の三方弁）
２０  回路切り替え弁（第２の三方弁）
３１  正逆転変換機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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