(57)【要約】【課題】  複動式蒸気機関の熱効率を向上する【解決手段】内部にピストンを有する出力用シリンダ１台当たり、蒸気導入用スライドバルブ１台、蒸気排出用スライドバルブ１台を設置し、出力シリンダ内のそれぞれの蒸気室は、高温高圧の蒸気が蒸気室に導入される導入行程、導入を終えた高温高圧の蒸気が膨張する膨張行程、膨張したために低温低圧となった蒸気が排出される排出行程からなるサイクルを形成する。一方の蒸気室が導入行程のとき他方の蒸気室は排出行程であり、次いで、一方の蒸気室が膨張行程に移ったとき他方の蒸気室は排出行程を続け、次いで、一方の蒸気室が排出行程に移ったとき他方の蒸気室は導入行程に移り、次いで、一方の蒸気室が排出工程を続けながら他方の蒸気室が膨張行程に移るサイクルを繰り返す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にピストンを有して２室の蒸気室を形成する出力用シリンダ１台当たり、内部にピストンを有する蒸気導入用スライドバルブを１台、内部にピストンを有する蒸気排出用スライドバルブを１台有することを特徴とする複動式蒸気機関
【請求項２】
前記出力用シリンダに形成される２室の前記蒸気室は、それぞれ、高温高圧の蒸気が前記蒸気室に導入される導入行程、前記高温高圧の蒸気の導入を終えた前記蒸気室が広がって内部の前記高温高圧の蒸気が膨張する膨張行程、膨張したために低温低圧となった蒸気が排出される排出行程からなるサイクルを形成し、一方の蒸気室が前記導入行程のとき他方の蒸気室は前記排出行程であり、次いで、前記一方の蒸気室が前記膨張行程に移ったとき前記他方の蒸気室は前記排出行程を続け、次いで、前記一方の蒸気室が前記排出行程に移ったとき前記他方の蒸気室は前記導入行程に移り、次いで、前記他方の蒸気室が前記膨張行程に移ったとき前記一方の蒸気室が前記排出工程を続けることを特徴とする複動式蒸気機関
【請求項３】
前記導入行程終了時における前記出力用シリンダ内の前記蒸気室の容積に対する前記膨張行程終了時における前記蒸気室の容積の比は、前記出力シリンダへ導入される前記高温高圧の蒸気の比容積に対する前記出力シリンダから排出される前記低温低圧の蒸気の比容積の比に一致している又は近似していることを特徴とする請求項１及び２に記載の複動式蒸気機関
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、発電システムに適した複動式蒸気機関に関する。
【背景技術】
【０００２】従来技術の焼却炉排熱回収発電は、自治体等が管理する大規模焼却炉において実施されているが、しかし、製材所等が管理するような小規模焼却炉においては、排熱量が少なく且つ不安定であり、排熱温度が十分高くないため、大規模焼却炉と同じような蒸気原動機に蒸気タービンを採用する焼却炉排熱回収発電は、経済的でない理由から実施されていない。【０００３】小規模焼却炉においても経済的な焼却炉排熱回収発電を実施するには、人件費を抑制するために高度な専門技術を必要としない、機器コストが低い、保守経費が低い、熱効率（＝出力／高温高圧の蒸気を発生するに要した熱量）が高い条件を満足する蒸気原動機が必要であるが、このような蒸気原動機は見当たらなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】本発明が解決しようとする課題は、発熱量が少なく且つ不安定で、燃焼温度が高くない小規模焼却炉においても経済的な焼却炉排熱回収発電を可能にする、高度な運転技術を必要としない、機器コストが低い、保守経費が低い、熱効率が高い蒸気原動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】従来技術のピストンが往復動する複動式蒸気機関（以降、複動式蒸気機関と記す）は、熱効率が低い短所を有しているにもかかわらず、運転に高度な専門技術を必要としない、機器コストが低い、保守経費が低い、小型でも大きなトルク出力がえられる長所を活かして、蒸気機関車等の原動機として使用されており、この複動式蒸気機関の熱効率を向上することにより、課題を解決する。【０００６】従来の複動式蒸気機関サイクルは、蒸気の導入行程と排出行程の２行程から構成されているが、本発明の複動式蒸気機関サイクルは、蒸気の導入行程、膨張行程、排出行程の３行程から構成するサイクルに変更する。【０００７】本発明の導入行程、膨張行程、排出行程の３行程から構成する複動式蒸気機関サイクルは、出力用シリンダ１台に対して、１台の蒸気導入用スライドバルブ及び１台の蒸気排出用スライドバルブを設置し、これら２台のスライドバルブの開閉のインターバルを調整することにより、課題の解決が可能になる。
【発明の効果】
【０００８】本発明により、高温高圧の蒸気が有する熱エネルギーの運動エネルギーへの変換がエネルギー損失の少ない状態で行われるので、熱効率が向上する効果が得られる。【０００９】その結果、運転に高度な専門技術を必要としない、機器コストが低い、保守経費が低い長所に加えて、熱効率が向上する複動式蒸気機関を提供できる効果が得られる。【００１０】この複動式蒸気機関と発電機を組み合わせると、経済的な小規模焼却炉の排熱回収発電システムを提供できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施例になる複動式蒸気機関を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１２】本発明の一実施例による複動式蒸気機関は、図１に示すように、概略、内部にピストン１を有する出力用シリンダ２、連接棒３、クランク４、フライフォイール５、蒸気導入用スライドバルブ１１、蒸気排出用スライドバルブ１２、他から構成される。複動式蒸気機関の出力は、クランク４の軸６から取り出す。このクランク４の軸６に発電機の軸を接続すると、発電可能な装置となる。【００１３】蒸気導入用スライドバルブ１１は、内部の２個のピストンをスライドさせて、出力用シリンダ２内の蒸気室７への導入、閉塞、蒸気室８への導入又は閉塞に順次切り替える使用を繰り返す。出力用シリンダ２内の蒸気室７への導入、閉塞、蒸気室８への導入又は閉塞のインターバルは、蒸気室７、８への導入孔１３、１４のスライドバルブの軸方向の長さと、ピストンの軸方向長さによって調整する。【００１４】蒸気排出制御用スライドバルブ１２は、内部の２個のピストンをスライドさせて、出力用シリンダ２内の蒸気室７からの排出又は蒸気室８からの排出を切り替える使用を繰り返す。このときの蒸気室７、８からの排出孔１５，１６のスライドバルブの軸方向の長さとピストンの軸方向長さは近似させる。【００１５】本発明の複動式蒸気機関サイクルにおいては、一方の蒸気室７が高温高圧の蒸気Ｓ１が導入される導入行程のとき他方の蒸気室８は低温低圧の蒸気Ｓ２の排出行程にあり、次いで、一方の蒸気室７は高温高圧の蒸気Ｓ１の導入を中止し膨張行程に移ったとき他方の蒸気室８は排出行程を続け、次いで、一方の蒸気室７が排出行程に移ったとき他方の蒸気室８は導入行程に移り、次いで、一方の蒸気室７が排出工程を続けているとき他方の蒸気室８は蒸気の導入を中止して膨張行程に移る。【００１６】一方の蒸気室７が導入行程のとき、蒸気導入用スライドバルブ１１は蒸気室７への導入孔１３に切り替えられ、高温高圧の蒸気Ｓ１は蒸気室７に導入される。このとき、他方の蒸気室８は排出行程であり、蒸気排出用スライドバルブ１２が蒸気室８からの排出口１５に切り替えられ、蒸気室８内の低温低圧の蒸気Ｓ２が排出される。ピストン１は蒸気室７の上死点（蒸気室８の下死点）から下死点方向に移動して、蒸気室７は拡大し、蒸気室８は縮小し、連接棒３は移動し、クランク４は回転し、フライフォイール５は回転する。この蒸気室７が導入行程で蒸気室８が排出行程である状態は、蒸気室７の容積が、ピストンが下死点のときの容積の数分の１に広がるまで続く。【００１７】次いで、蒸気室８が導入行程から膨張行程に変わり、蒸気導入用スライドバルブ１１は蒸気室７への導入孔１３を閉鎖し、高温高圧の蒸気Ｓ１の蒸気室７への導入が中止される。このとき、排出工程の蒸気室８は排出行程を継続し、排出孔１６への排出は変わらず、蒸気室８内の低温低圧の蒸気Ｓ２の排出が続く。この蒸気室７が膨張行程で蒸気室８が排出行程である状態は、ピストン１が蒸気室７の下死点（蒸気室８の上死点）に到達するまで続き、蒸気室７は拡大し、蒸気室８は縮小し、連接棒３は移動を続け、クランク４は回転を続け、フライフォイール５は回転を続ける。【００１８】次いで、蒸気室７が膨張行程から排出行程に変わり、蒸気排出用スライドバルブ１２が蒸気室７からの排出口１５に切り替えられ、蒸気室７内の低温低圧の蒸気Ｓ２が排出される。このとき、蒸気室８が排出行程から導入行程に変わり、蒸気導入用スライドバルブ１１は蒸気室８への導入孔１４に切り替えられ、高温高圧の蒸気Ｓ１は蒸気室８に供給される。ピストン１は蒸気室８の上死点（蒸気室８の下死点）から下死点方向に移動して、蒸気室８は拡大し、蒸気室７は縮小し、連接棒３は移動し、クランク４は回転し、フライフォイール５は回転する。この蒸気室８の導入行程は、蒸気室８の容積が、ピストンが下死点のときの蒸気室容積の数分の１に広がるまで続く。【００１９】次いで、本発明の蒸気機関サイクルは、蒸気室７が膨張行程を継続し、排出孔１５への排出は変わらず、蒸気室７内の低温低圧の蒸気Ｓ２の排出が続く。このとき、蒸気室８が導入行程から膨張行程に変わり、蒸気導入用スライドバルブ１１は蒸気室８への導入孔１４を閉鎖し、高温高圧の蒸気Ｓ１の蒸気室８への導入が中止される。この蒸気室７が排出行程で蒸気室８が膨張行程である状態は、ピストン１が蒸気室８の下死点（蒸気室７の上死点）に到達するまで続き、蒸気室８は拡大し、蒸気室７は縮小し、連接棒３は移動を続け、クランク４は回転を続け、フライフォイール５は回転を続ける。【００２０】一方の蒸気室７が導入行程のとき他方の蒸気室８は排出行程にあり、次いで、一方の蒸気室７は蒸気の導入を中止し膨張行程に移ったとき他方の蒸気室８は排出行程を続け、次いで、一方の蒸気室７が排出行程に移ったとき他方の蒸気室８は導入行程に移り、次いで、一方の蒸気室７が排出工程を続けているとき他方の蒸気室８は蒸気の導入を中止して膨張行程に移るタイミングは、出力シリンダ２内のピストン１の移動の位相に対して、導入制御用スライドバルブ１１内のピストンの位相を１５〜３０度程度遅らせ、蒸気排出制御用スライドバルブ１２内のピストンの位相は９０度早めることで可能になる。【００２１】出力シリンダ２内のピストン１の移動の位相に対して、導入制御用スライドバルブ１１内のピストンを遅らせる位相は、蒸気室７及び蒸気室８の導入行程終了時における蒸気室の容積と蒸気室７及び蒸気室８の膨張行程終了時における蒸気室の容積の比が、出力シリンダへ導入される高温高圧の蒸気の比容積と出力シリンダから排出される低温低圧の蒸気の比容積の比に一致させる又は近似させることから決まる。【００２３】この出力シリンダ２のピストン１の移動の位相に対して、導入制御用スライドバルブ１１内のピストンを遅らせる位相遅れは、蒸気室７及び蒸気室８における上死点から高温高圧蒸の蒸気Ｓ１の導入行程終了時までの位相の２分の１とする。【００２４】本発明の一実施例では、出力シリンダ２に供給される高温高圧の蒸気Ｓ１は、圧力が計器表示で１メガパスカル（絶対圧力表示で１．１メガパスカル）で、温度が３５０℃とし、出力シリンダ２から排出される低温低圧の蒸気Ｓ２は、圧力が計器表示で０メガパスカル（絶対圧力表示で０．１メガパスカル）で、温度が１０３℃とする。出力シリンダ２内のピストン１、クランク４及びフライフォイール５の移動の位相に対して、蒸気導入用スライドバルブ１１内のピストンの位相は２１度遅らせ、蒸気排出用スライドバルブ１２内のピストンの位相は９０度早める。【００２５】このとき、日本機械学会発行の蒸気表を参照すると、この高温高圧の蒸気Ｓ１の比容積は０．２５６立方メートル／キログラムであり、この低温低圧の蒸気Ｓ１の比容積は１．７１１立方メートル／キログラムである、この高温高圧の蒸気Ｓ１の比容積と低温低圧の蒸気Ｓ２の比容積の比は１：６．７になる。【００２２】出力シリンダ２への高温高圧の蒸気Ｓ１の導入は、クランク４の位相角０度から４２度まで続き、蒸気室７の導入行程終了時における蒸気室の容積と膨張行程終了時の容積の比は１：６．７になる。【００２３】ピストン１が蒸気室７内の上死点の位置を基準にすると、導入孔１３はピストン１の位相角が０度から４２度までの開き、４２度から３６０度まで閉じる。導入孔１４はピストン１の位相角が０度から１８０度まで閉じ、１８０度から２２２度まで開き、２２２度から３６０度まで閉じる。排出孔１５はピストン１の位相角が０度から１８０度までの閉じ、１８０度から３６０度まで開く。排出孔１６はピストン１の位相角が０度から１８０度まで開き、１８０度から３６０度まで閉じる。【００２５】この本発明の一実施例の複動式蒸気機関の熱効率は、約１５％に達することが可能になる。【００２６】一方、導入工程と排出工程の２工程サイクルの従来の複動式蒸気機関は、一台のスライドバルブで高温高圧の蒸気の導入と低温低圧の蒸気の排出を行い、一方の蒸気室が導入工程のときは他方の蒸気室が排出工程であるので、高温高圧の蒸気は熱エネルギーを十分に動力に変換できずに排出されているので、そのときの熱効率は、本発明の複動式蒸気機関の２分の１程度である。【００２７】出力シリンダ２に導入される高温高圧の蒸気Ｓ１の圧力をより高くするときは、又は、排出される低温低圧の蒸気Ｓ２の圧力がより低くするときは、高温高圧の蒸気の比容積と低温低圧の蒸気の比容積の比が大きくなるので、導入用スライドバルブ１１内のピストンの位相の遅れを小さくする。【００２８】本発明の一実施例の内部にピストンを有する出力用シリンダ１台、内部にピストンを有する蒸気導入用スライドバルブ１台、内部にピストンを有する蒸気排出用スライドバルブ１台を一組とし、この組み合わせを複数とした複動式蒸気機関を構成することができ、一基当たりの出力の増加することができる。
【符号の説明】
【００２９】１：ピストン
２：出力シリンダ
３：連接棒
４、１７、１８：クランク
５：フライフォイール
６：軸
７、８：蒸気室
８：蒸気室Ｂ
１１：導入用スライドバルブ
１２：排出用スライドバルブ
１３、１４：導入孔
１５、１６：排出孔
Ｓ１：高温高圧の蒸気
Ｓ２：低温低圧の蒸気
【図１】
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