(57)【要約】      （修正有）【課題】水ピストンの軸方向ストロークを拘束することがない高出力型水ピストンランキンエンジンとする。【解決手段】膨張室１１の直前にオリフイス９を配置することにより、ボイラで加熱された蒸気７を膨張室直前まで、比較的高温高圧に維持することが可能となり、膨張室の仕事が増大し、シリンダ１０内の水ピストン１２が大きくストロークする。そして、シリンダの同軸外周に固定ガイド１４ａ設け、複数個の軸受け１５でシリンダがＹ軸方向にスムースにスライドする構成とし且つ、前記ガイドと前記シリンダを複数個の弾性部材１３でシリンダを上下動自由に支承する構成とし、前記水ピストンの軸方向反力を積極的に支承し更に、前記シリンダに形成されたヒンジ１０ｄと出力取出し用シャフト１９を回転自由に連結しそして、前述のシリンダの上下振動に呼応して、前記出力シャフトがスタンド２４に対して首振り運動をしながら、ポンプ或いは、発電機を駆動する構成とする。【選択図】        図２
2004332646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱源の熱で蒸気を発生するボイラおよび水ピストンを有するシリンダの膨張室を一本の導管で連結し、前記加熱された蒸気が該膨張室内で膨張し、前記水ピストンの液面を押し下げ、その後の工程で、暴露されたシリンダ壁等で膨張室内の蒸気が冷却凝縮することで液面が上昇する工程を繰り返す水ピストンランキンエンジンにおいて、前記蒸気が前記膨張室に至る直前に小径のオリフイスを配置し、前記ボイラで発生する蒸気の圧力および温度を高く維持したまま、前記オリフイス後における前記膨張室での仕事を最大となるようにした高出力型水ピストンランキンエンジン。
【請求項２】
請求項１の水ピストンランキンエンジンにおいて、前記シリンダと該シリンダの同軸外周に位置する一端を固定されたガイドとの間に複数個のリニアガイド軸受けおよび複数個の弾性部材を配置し、該シリンダが軸方向にスムースに往復動する構成とし、水ピストンの往復動振動時に、該水ピストンの反力による前記シリンダの慣性動力を該シリンダに連動するリンク機構で取出すことを特徴とする高出力型水ピストンランキンエンジン。
【請求項３】
請求項２の水ピストンランキンエンジンにおいて、前記シリンダに形成されたヒンジと液ポンプ駆動用シャフトを回転自由にピンで連結し、該シャフトの一端が前記液ポンプのピストンと一体で固定され、前記シリンダの上下振動に呼応して、ポンプボディがスタンドに対してピンで首振り運動をしながら、前記ピストンが該ポンプボディに形成されたシリンダ内で軸方向に往復動し、吸込弁および吐出弁を介して、液体をポンピングする水ピストンランキンエンジンの出力取出し機構。
【請求項４】
請求項２の水ピストンランキンエンジンにおいて、前記シリンダに形成されたヒンジとシャフトを回転自由にピンで連結し、該シャフトはシャフトガイドと軸方向スライド可能に勘合し、前記シリンダの上下振動に呼応して、前記スライドガイドがスタンドに対してピンで首振り運動をしながら、該スライドガイドにピンで回転自由に連結されたリンクを介して、該リンクとピンで回転自由に連結された駆動輪を回転せしめ、該駆動輪と摩擦等の手段で増速駆動される被駆動輪を介して、発電機を駆動する水ピストンランキンエンジンの出力取出し機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
機械的なピストンでなく水ピストンが往復動する水蒸気で動作するランキンサイクルエンジンであり、特開平１０−２５２５５６の基本特許に対する改良特許である。
【０００２】
【従来の技術】
そもそも、水ピストンランキンエンジンの膨張室内は空気を含まない水蒸気のみが作動ガスとして満たされており、シリンダ内の水ピストンのヘッド（高さＨ）分だけが膨張室内の圧力は負圧になっている。つまり、水ピストン高さが、１ｍであれば大気に対して１０ｋＰａ負圧となっている。このため、水は１００℃以下で蒸発しするので熱源温度が低く１００℃以上あれば動力として回収でき、また、機械的な損失も少なく構造も簡単ということで低温排熱回収用エンジンとしての期待が高い。
しかしながら、次の２つの理由により、取り出せる出力が低く、実用化に至っていない。
一つは図１に示すように、加熱源の熱で蒸気を発生するボイラおよび水ピストンを有するシリンダの膨張室を細い一本の導管で連結しているため、ボイラ内部の蒸気は十分に高圧、高温になっているにも拘らず、前記導管での配管抵抗と熱損失で蒸気の持つエンタルピが前記シリンダの膨張室に入るところでは低下してしまうため、膨張仕事が低くなることがあげられる。
他の一つは図１に示すように出力の取り出し機構にある。このような水ピストンランキンエンジンは加熱された蒸気が膨張室内で膨張し、前記水ピストンの液面を押し下げ、その後の工程で、暴露されたシリンダ壁等で膨張室内の蒸気が冷却凝縮することで水面が上昇するという工程を繰り返し仕事をなすわけであるが、図１のようにＬ字型の解放端の液面部Ｂからピストンを介して仕事を取出すのが一般的である。しかしながら、途中に空気ダンパを介在させていても、負荷が加わると往復動する水ピストンのストロークを減少させてしまう結果となる。ストロークが減少すると当然凝縮面積が減少し、圧縮能力が低下し、サイクルの図示仕事が低下するという悪循環を招く。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はボイラでの蒸気の有するエンタルピを損なうことなく効率的に膨張室で膨張仕事に結びつける構成とすることと、仕事をしている水ピストンの往復動の振動を阻害しないで出力を取出す機構を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
ボイラで発生する蒸気が高速で移動しても圧力の低下を少なくし得る適正なサイズの断熱性に優れた導管でシリンダとボイラの間を結び、膨張室の直前にオリフイスを配置する。これにより、ボイラで加熱された蒸気の持つエンタルピ（高圧、高温）を膨張室直前まで、維持することが可能となり、膨張室における仕事が大きくなる。
また、膨張仕事が大きくなることで、シリンダ内の水ピストンは大きくストロークする。そして、該シリンダ自体は該水ピストンが軸方向に移動するのと反対方向の反力を常に受ける。そこで、該シリンダの同軸外周に固定ガイド設け、複数個のリニアガイド軸受けで該シリンダがｙ軸方向にスムースにスライドせしめ、且つ、前記ガイドと前記シリンダを複数個の弾性部材で該シリンダを上下動自由に支承する構成とすることで、前述の水ピストンの軸方向反力を積極的に受けることが可能となる。しかしながら、前記水容器の液面から前記シリンダの下端がはずれ、液洩れを生じたり、前記水容器に不本意に当たる事がない所定の振幅となるように前記弾性部材のばね特性を設定する必要がある。
更に、前記シリンダに形成されたヒンジと出力取出し用シャフトを回転自由にピンで連結しそして、前述のシリンダの上下振動に呼応して、前記出力シャフトがスタンドに対してピンで首振り運動をしながら、液圧ポンプ或いは、発電機を駆動する構成とすることで、前記水ピストンの軸方向ストロークを拘束することのない高出力型水ピストンランキンエンジンを提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
水ピストンランキンエンジン本体の出力向上に係わる改良実施例と特に出力取出しを水ピストンランキンの特性を活かした形で実施する２例を以下説明する。
【０００６】
【実施例】
図２は本発明の実施例の一つで断面と全体構成を示したものである。水ピストンランキンエンジンシステム全体は水ピストンランキンエンジン本体１と高温高圧の水蒸気を発生するボイラ２と該ボイラ２を熱するための廃熱等の加熱源４ならびに出力取出し機構部の１実施例である液ポンプ３から構成されている。
前記水ピストンランキンエンジン本体１は水１６を入れる水容器１７と該水容器１７にガイド端１４ａで固定され、シリンダ１０を囲みｙ軸方向に伸びるガイド１４と前記水容器１７に開口して、高さＨの水ピストン１２を有するシリンダ１０ならびに該シリンダ１０および前記ガイド１４の間に位置しｙ軸方向スライド自由に支承するための複数個のリニアガイド軸受け１５および複数個の弾性部材１３から構成されている。該弾性部材１３は前記シリンダ１０に一体で形成されるフック部１０ｃと前記ガイド１４に一体で形成されたフック部１４ａの間にあり、前記水容器１７の液面から前記シリンダ１０の下端がはずれ、液洩れを生じたりそして、前記水容器１７に不本意に当たる事がない所定の振幅となるように前記弾性部材３のばね特性が設定されている。
前記シリンダ１０には、前記水ピストン１２の液面１２ａと前記シリンダ１０の内面１０ａで囲われる膨張室１１が形成され、該膨張室１１は前記ボイラ２と導管８で連結され、膨張室１１への入口付近にはオリフイス９が配置されている。また、前記ボイラ２の蒸発容器５は前記加熱源４により加熱され、該蒸発器５内の水６が蒸発し、高温高圧の蒸気７を発生する構成となっている。
そして、当初、空気を殆ど含んでいない該高温高圧の蒸気７は、前記導管８から前記オリフイス９で一旦絞られた後、前記シリンダ１０の膨張室１１に至り、水ピストンの液面１２ａを押し下げ続けるが、該膨張室１１が所定の空間容積に至った際に、前記シリンダ１０の暴露された内面１０ｂでの冷却が始まり、前記膨張室１１に存在する作動ガスである蒸気が該内面１０ｂで凝縮収縮し、前記水ピストン１２の液面１２ａを持ち上げる。この動作が発端となり、膨張室１１内の作動ガスが圧縮され、その後の工程で、水ピストン１２が下降し始め、前記オリフイス９からの高温高圧の水蒸気が膨張室１１内で膨張し、一気に前記水ピストン１２を押し下げる。それにより、シリンダ１０の暴露されるシリンダ内面１０ｂが増加し、作動ガスである水蒸気は該内面１０ｂで冷却凝縮し、液面１２ｂと１２ａの間で定常的に振幅を続ける結果となる。
前述のようにシリンダ１０はガイド１４に対して弾性部材１３でｙ軸方向に支承され、リニアガイド軸受け１４で抵抗少なく軸方向に移動できる構成となっているため、このような水ピストン１２の上下の振幅により、シリンダ１０自体が該水ピストン１２の軸方向慣性力の反力を受けて振幅することとなる。
一方、出力取出し部である図２の液ポンプ３は前記シリンダ１０に形成されたヒンジ１０ｄとシャフト１９を回転自由にピン１８で連結された構成となっている。また、該シャフト１９の一端が前記液ポンプ３のピストン３と一体で固定されている。該液ポンプ３は前記シリンダ１０の上下振動に呼応して、ポンプボディ２２がスタンド２４に対してピン２３で首振り運動をしながら、前記ピストン２０が該ポンプボディ２２に形成されたポンプ室２５内で軸方向に往復動し、吸込弁２７および吐出弁２６を介して、液体を吸入口２９から吐出口２８にポンピングする構成となっている。また、前記ピストン２０はポンプ性能を向上さすためにシール２１を有している。
引き続き、出力取り出し部である他の実施例図３の発電機３’について説明を行う。該発電機３’は前記シリンダ１０に形成されたヒンジ１０ｄとシャフト１９’を回転自由にピン１８’で連結された構成となっている。また、該シャフト１９’の一端はシャフトガイド２２’と軸方向スライド可能に勘合し、前記シリンダ１０の上下振動に呼応して、前記スライドガイド２２’がスタンド２４’に対してピン２３’で首振り運動をしなら、該スライドガイド２２’にピン２０’で回転自由に連結されたリンク２１’を介して、該リンク２１’とピン２５’で回転自由に連結された駆動輪２６’を回転せしめ、該駆動輪２６’と摩擦等の手段で増速駆動される被駆動輪２８’を介して、発電機２７’を駆動する構成となっている。
【００７】
【発明の効果】
前記ボイラ２と水ピストンランキンエンジン本体１を適正なサイズの導管８で連結し、シリンダ１０に形成された膨張室１１に入る直前にオリフイス９を配置することで、長い導管８中を高速で通過する水蒸気の圧力損失による圧力低下を防ぐとともに水ピストンが圧縮工程から膨張行程に入る時に、高温高圧の水蒸気が水ピストン１２のＨなるヘッド分だけ負圧の膨張室１１で効果的に膨張することが可能となる。結果、オリフイスを有しない水ピストンランキンエンジンよりも高出力が得られる。
図４に水蒸気のモリエル線図上に従来型の水ピストンランキンエンジンと本発明による改良型水ピストンランキンエンジン出力性能の比較のためのｈ−ｓ線図を示してある。膨張行程前の蒸気圧力が高くなるため、等圧加熱の２のポイントが従来タイプより高くなり、断熱膨張仕事も大きくなっていることが分かる。
また、水ピストンの往復動仕事を慣性による反力として、ポンプ仕事或いは発電出力として取出し、回収することで、水ピストンランキンエンジンの往復動による作動を妨げることなく、多くの仕事を取り出すことが可能となる。このことにより、今まで捨てられていた１００℃〜２５０℃の低温の未利用の廃熱を有効に仕事として利用できることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術を示す簡単な断面図を示す
【図２】本発明の実施例の一つの断面と出力取出しとして液ポンプの場合の実施例を示す
【図３】本発明の実施例の一つの断面と出力取出しとして発電出力の場合の実施例を示す
【図４】水蒸気のモリエル線図上での従来型と本発明の水ピストンランキンエンジンのｈ−ｓ線図の比較を示す。
【符号の説明】
１水ピストンランキンエンジン、２ボイラ、３液ポンプとしての出力取出し、３’発電機としての出力取出し、４加熱源
【図１】
2004332646.tif 000003
【図２】
2004332646.tif 000004
【図３】
2004332646.tif 000005
【図４】
2004332646.tif 000006