(57)【要約】【課題】  容器内に封入された流体を加熱・冷却することにより機械的エネルギを出力する蒸気エンジンにおいて、容器内の液体に溶け込んだ溶存気体の影響を受けることなく、加熱器により容器内の液体を充分加熱できるようにする。【解決手段】  作動流体２０が封入された流体容器１１に加熱器１２及び冷却器１３を設け、加熱器１２による加熱によって作動流体２０を気化させ、その気化した作動流体２０を冷却器１３で冷却して液化することにより、作動流体２０を流動させてピストン１４を往復動させる蒸気エンジンにおいて、流体容器１１には、溶存気体を脱気した作動流体２０を封入する。この結果、加熱器１２による加熱により作動流体２０から溶存気体が追い出されて加熱部に気体が溜まるのを防止できる。なお、作動流体２０が水である場合、溶存気体を、温度変化に対して略一定の溶解度を有するヘリウムに置換してもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流動可能に封入された流体容器と、
該流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、
該加熱器よりも下方に配置され、該加熱器にて加熱されて気化することにより前記流体容器内で前記流体の液面を下降させた蒸気を冷却して液化させる冷却器と、
を備え、前記加熱器及び冷却器の動作によって液体を周期的に流動変位させて機械的エネルギを出力する蒸気エンジンであって、
前記流体容器には、前記流体として、溶存気体の全て若しくは一部が脱気された液体、を封入してなることを特徴とする蒸気エンジン。
【請求項２】
流体が流動可能に封入された流体容器と、
該流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、
該加熱器よりも下方に配置され、該加熱器にて加熱されて気化することにより前記流体容器内で前記流体の液面を下降させた蒸気を冷却して液化させる冷却器と、
を備え、前記加熱器及び冷却器の動作によって液体を周期的に流動変位させて機械的エネルギを出力する蒸気エンジンであって、
前記流体容器には、前記流体として、溶存気体の全て若しくは一部が、溶解度が温度変化に対して略一定となる気体に置換された液体、を封入してなることを特徴とする蒸気エンジン。
【請求項３】
前記流体容器に封入される液体は水であり、該水の中には前記溶存気体の置換によってヘリウムが溶解していることを特徴とする請求項２に記載の蒸気エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギを機械的エネルギに変換する蒸気エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、蒸気エンジンの一つとして、容器内に流体を封入し、加熱器を介して容器内の流体を気化させると共に、その気化した蒸気を冷却器を介して冷却して液化させることで、容器内の圧力を変化させ、その圧力変化によって機械的エネルギを出力するように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。
【特許文献１】特開昭５８−５７０１４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、こうした従来の蒸気エンジンにおいては、加熱により生成した蒸気で容器内のピストン等を移動させることで、機械的エネルギを出力するようにされていたため、その機械的エネルギを取り出すための部材（つまりピストン等）は、高温且つ高圧の蒸気に晒され、劣化し易くなるという問題があった。
【０００４】
そこで、本願発明者らは、容器内に封入した流体を加熱・冷却することにより機械的エネルギを出力する蒸気エンジンにおいて、従来のように、出力取出用の部材（ピストン等）を、容器内で生成した蒸気に晒すのではなく、生成した蒸気の膨張圧力によって容器内の液体を流動変位させ、その液体の変位によって出力取出用の部材（ピストン等）を駆動することを考えた。
【０００５】
つまり、蒸気エンジンをこのように構成すれば、出力取出用の部材（ピストン等）は、加熱していない液体から圧力を受けて変位することになるので、従来に比べて劣化し難くなり、延いては、蒸気エンジンの耐久性を向上することができる。
【０００６】
ところで、蒸気エンジンをこのように構成した場合、加熱器は容器内の液体を加熱して蒸気を発生させることになるが、液体内に酸素や窒素等の溶存気体が存在すると、加熱器による加熱途中で、液体に溶け込んでいた溶存気体が液体から追い出されることになる。なお、これは、酸素や窒素等の溶存気体は、液体の温度が上昇するに従い溶解度が減少するためである。
【０００７】
また、上記のように、蒸気の圧力によって容器内で液体を流動させるためには、加熱器は、生成した蒸気が容器内で移動することのないように、容器の上方に配置される。
従って、この種の蒸気エンジンにおいて、容器内に封入された液体内に、酸素や窒素等の溶存気体が存在すると、加熱器による加熱によって液体から追い出された気体が、加熱器が配置された容器の上方に溜まることになる。
【０００８】
そして、このように加熱器による加熱部に気体が溜まると、その気体によって加熱部に液体が流入するのが阻止され、加熱器により、蒸気エンジンの運転に必要な蒸気を生成することができなくなってしまう。
【０００９】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、容器内に封入した流体を加熱・冷却することにより容器内の液体を流動させて機械的エネルギを出力する蒸気エンジンにおいて、容器内の液体に溶け込んだ溶存気体の影響を受けることなく、加熱器により容器内の液体を充分加熱できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
係る目的を達成するためになされた請求項１に記載の蒸気エンジンは、流体が流動可能に封入された流体容器と、流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、加熱器よりも下方に配置され、加熱器にて加熱されて気化することにより流体容器内で流体の液面を下降させた蒸気を冷却して液化させる冷却器とを備え、加熱器及び冷却器の動作によって液体を周期的に流動変位させて機械的エネルギを出力する。そして、特に、本発明の蒸気エンジンでは、流体容器内に、流体として、溶存気体の全て若しくは一部が脱気された液体が封入される。
【００１１】
従って、本発明の蒸気エンジンによれば、加熱器による加熱動作により液体から溶存気体が追い出されて、加熱器による加熱部に気体が溜まるのを防止若しくは抑制できる。
よって、本発明の蒸気エンジンによれば、流体容器内の液体を加熱器により充分加熱して、気化させることができるようになり、液体中の溶存気体によって蒸気エンジンとしての機能が損なわれるのを防止できる。
【００１２】
次に、請求項２に記載の蒸気エンジンは、請求項１に記載のものと同様、流体容器と加熱器と冷却器とを備え、加熱器及び冷却器の動作によって液体を周期的に流動変位させて機械的エネルギを出力する。そして、特に、本発明の蒸気エンジンでは、流体容器内に、流体として、溶存気体の全て若しくは一部を、溶解度が温度変化に対して略一定となる気体に置換してなる液体が封入される。
【００１３】
従って、本発明の蒸気エンジンにおいても、加熱器による加熱動作により液体から溶存気体が追い出されて、加熱器による加熱部に気体が溜まるのを防止若しくは抑制でき、延いては、請求項１に記載の蒸気エンジンと同様の効果を得ることができる。
【００１４】
なお、請求項２に記載の蒸気エンジンにおいて、流体容器に封入する液体が水である場合には、請求項３に記載のように、その水の中には、溶存気体の置換によってヘリウムを溶解させるとよい。
【００１５】
つまり、ヘリウムの水に対する溶解度は温度によらず略一定であるため、流体容器に封入する水の中に、ヘリウムが溶存気体として溶け込んでいても、加熱器による加熱によって、作動流体である水の中からヘリウムが追い出されるようなことはなく、上記効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明が適用された実施形態を図面を用いて説明する。
図１は本実施形態に係る蒸気エンジン１０及び発電機１からなる発電装置の概略構成を表す構成図である。
【００１７】
図１に示す如く、本実施形態の蒸気エンジン１０は、永久磁石が埋設された可動子２を振動変位させるこによって起電力を発生する発電機１を駆動するためのものであり、作動流体２０が流動可能に封入された流体容器１１と、流体容器１１内の作動流体２０を加熱する加熱器１２と、加熱器１２にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器１３とを備える。
【００１８】
ここで、流体容器１１は、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位を除き、断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本実施形態では、作動流体２０を水としているので、流体容器１１をステンレス製とし、加熱器１２及び冷却器１３部分を流体容器１１（ステンレス）より熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム製としている。
【００１９】
そして、流体容器１１は、例えば、ステンレスからなるパイプをＵ字状に屈曲させることにより、略Ｕ字パイプ状に形成されており、その屈曲部１１ａが最下部に位置し、屈曲部１１ａより延びた２つの直線部１１ｂ、１１ｃが鉛直線上に位置するように配置されている。
【００２０】
流体容器１１を構成している２つの直線部１１ｂ、１１ｃの内、一方の直線部１１ｂの上端部には、作動流体２０を周囲から加熱して気化させるための加熱器１２が設けられており、その加熱器１２の下方には、加熱器１２により気化された蒸気を冷却して液化させるための冷却器１３が設けられている。また、流体容器１１を構成している他方の直線部１１ｃの上端部には、作動流体２０から圧力を受けて変位するピストン１４が摺動可能に設けられている。
【００２１】
なお、このピストン１４は、発電機１の可動子２のシャフト２ａに連結されている。また、発電機１において、可動子２を挟んでピストン１４とは反対側には、可動子２をピストン１４側に押圧付勢するバネ３が設けられている。
【００２２】
このように構成された本実施形態の蒸気エンジン１０においては、加熱器１２及び冷却器１３を作動させると、図２に示すように、まず、加熱器１２により、流体容器１１内の液体（水）が加熱されて気化し（等温膨張）、その気化した蒸気が更に膨張して（断熱膨張）、直線部１１ｂ内の液体の液面を押し下げる。このため、流体容器１１内に封入された作動流体２０の液体部分は、直線部１１ｂから直線部１１ｃ側に流動変位して、発電機１側のピストン１４を押し上げる。
【００２３】
また、流体容器１１の直線部１１ｂ内の液体の液面が冷却器１３まで下がり、冷却器１３内に蒸気が進入すると、蒸気が冷却器１３により冷却されて液化されるため、直線部１１ｂ内の液体の液面を押し下げる力が消滅し（等温圧縮→断熱圧縮）、直線部１１ｂ側の液面が上昇する。この結果、蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機１側のピストン１４は下降する。
【００２４】
そして、こうした動作は、加熱器１２及び冷却器１３の作動を停止させるまで繰り返し実行され、その間、流体容器１１内の作動流体２０は周期的に流動変位（所謂自励振動）して、発電機１の可動子２を上下動させることになる。
【００２５】
ところで、こうした一連の動作を実現するには、加熱器１２による作動流体２０の加熱によって、流体容器１１内で作動流体を流動させるのに必要な蒸気圧を発生する必要があるが、作動流体２０内に酸素や窒素等の溶存気体が存在すると、図２（ａ）に示すように、作動流体２０の温度上昇に伴い溶存気体が作動流体２０から追い出されて、加熱器１２による加熱部に気体が溜まり、蒸気エンジン１０の運転に必要な蒸気を生成できなくなることがある。
【００２６】
そこで、本実施形態の蒸気エンジン１０においては、脱気装置を利用して作動流体２０から溶存気体を脱気し、その脱気処理後の作動流体２０を流体容器１１内に封入することで、図２（ｂ）に示す如く、加熱器１２を動作させて作動流体２０を加熱した際に作動流体２０から追い出される気体（溶存気体）の量を少なくしている。
【００２７】
このため、本実施形態の蒸気エンジン１０によれば、加熱器１２によって作動流体２０を沸騰させて、蒸気エンジン１０の運転に必要な蒸気を発生させることができるようになり、作動流体２０内の溶存気体によって蒸気エンジン１０としての機能が損なわれるのを防止できる。
【００２８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内にて、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、流体容器１１内には、脱気装置にて脱気処理した作動流体２０を封入するものとして説明したが、本発明の目的を達するには、作動流体２０は、加熱器１２による加熱によって溶存気体が追い出されなければよく、作動流体２０内に、溶解度が温度変化に対して略一定となる溶存気体だけが存在するような場合には、その作動流体２０を液体容器１１内に封入することができる。
【００２９】
従って、脱気装置を利用した脱気処理に変えて、作動流体２０内の溶存気体を、溶解度が温度変化に対して略一定となる気体に置換する置換処理を行い、その置換処理後の作動流体２０を、液体容器１１内に封入するようにしてもよい。
【００３０】
具体的には、上記実施形態の蒸気エンジン１０のように、流体容器１１内に封入する作動流体２０が水である場合、その作動流体２０内には、大気中の酸素や窒素が溶存気体として溶け込んでおり、これらの気体（酸素・窒素）は、図４に示すように、水に対する溶解度が温度の上昇と共に低下することから、水を作動流体２０としてそのまま流体容器１１内に封入すると、加熱器１２による加熱によって作動流体２０から酸素や窒素が出てくることになる。
【００３１】
しかし、図４に示す如く、ヘリウムの水に対する溶解度は、温度が変化しても略一定であることから、上記実施形態の蒸気エンジン１０において、溶存気体としてヘリウムだけを有する水を作動流体２０として流体容器１１内に封入した場合には、加熱器１２による加熱によって作動流体２０からヘリウムが出てくることはなく、その溶存気体によって蒸気エンジン１０としての機能が損なわれることはない。
【００３２】
従って、上記実施形態の蒸気エンジン１０のように、流体容器１１内に封入する作動流体２０として水を利用する際には、ヘリウムパージ等、周知の置換処理によって、作動流体２０内の溶存気体（酸素・窒素）をヘリウムに置換し、その置換処理後の作動流体を、流体容器１１内に封入するようにしても、作動流体２０を脱気処理した場合と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、本発明を発電装置の駆動源に適用した場合について説明したが、本発明の蒸気エンジンは、発電装置以外の駆動源としても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態の発電装置の構成を表す概略構成図である。
【図２】実施形態の蒸気エンジンの動作を説明する説明図である。
【図３】加熱により作動流体から出てくる溶存気体の量を表す説明図である。
【図４】酸素、窒素、ヘリウムの溶解度の温度特性を表す説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…発電機、２…可動子、３…バネ、１０…蒸気エンジン、１１…流体容器、１１ａ…屈曲部、１１ｂ…直線部、１１ｃ…直線部、１２…加熱器、１３…冷却器、１４…ピストン、２０…作動流体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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