(57)【要約】【目的】内燃機関において発生する排気熱を利用して蒸気タービン及び発電機を駆動し、発電を行なう。【構成】内燃機関において発生する排気熱と熱交換を行ない、それによって蒸気を発生させる蒸気発生部（１１）と、蒸気発生部（１１）にて発生した蒸気を羽根車に噴射し、それによって羽根車を回転させ、タービン軸出力を得る蒸気タービン（２０）と、タービン軸出力を回転入力として駆動され、それによって発電子を回転させるとともに発電を行なう発電機（２５）とを具備して構成されている蒸気タービン式発電装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関において発生する排気熱と熱交換を行ない、それによって蒸気を発生させる蒸気発生部と、蒸気発生部にて発生した蒸気を羽根車に噴射し、それによって羽根車を回転させ、タービン軸出力を得る蒸気タービンと、タービン軸出力を回転入力として駆動され、それによって発電子を回転させ発電を行なう発電機とを具備して構成されていることを特徴とする内燃機関における蒸気タービン式発電装置。
【請求項２】
蒸気発生部は、内燃機関の燃焼室から延びる排気管の外側を取り囲むボイラーを有しており、そのボイラーから、蒸気を取り出す構成を有している請求項１記載の内燃機関における蒸気タービン式発電装置。
【請求項３】
蒸気発生部は、内燃機関の燃焼部から延びている排気管に巻き付けるように設けられた過熱管を有している請求項１又は２記載の内燃機関における蒸気タービン式発電装置。
【請求項４】
過熱管は、ボイラーの蒸気取り出し口から延び出た蒸気配管の下流に位置しており、それによって熱媒が２段階又はそれ以上の過熱過程にさらされるようにした請求項２又は３記載の内燃機関における蒸気タービン式発電装置。
【請求項５】
過熱管は、排気管の内側に螺旋状に設けられており、螺旋の内径が排気管径となるように、排気管の断面積を拡大した構成を有している請求項１記載の内燃機関における蒸気タービン式発電装置。
【請求項６】
発電機は、電気回路を介してモーターに接続されており、モーター出力は内燃機関出力と合成可能なハイブリット機関を構成している請求項１記載の内燃機関における蒸気タービン式発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における蒸気タービン式発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において発生する排気熱は高熱であり、これを熱源として利用する試みは従来からなされている。例えば実開平６−７９１６８号、同７−３１５６号、特開平６−８１６３９号或いは特開２００３−６５０４５などは、どれも排気熱を回収して発電する技術を開示するものである。しかしこれらは、熱電変換素子或いは熱電素子などと呼ばれる素子を利用して発電を行なうものであり、何より素子の熱電交換効率の良否に発電効率が左右されてしまうという問題があり、また素子の価格或いは耐久性など問題が多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記したような点に着目してなされたもので、その課題は、内燃機関において発生する排気熱を利用して蒸気タービン及び発電機を駆動し、発電を行なうことである。また本発明の他の課題は、既知の技術を利用して排気熱から安全かつ確実に電気エネルギーを得ることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため、本発明は、内燃機関において発生する排気熱と熱交換を行ない、それによって蒸気を発生させる蒸気発生部と、蒸気発生部にて発生した蒸気を羽根車に噴射し、それによって羽根車を回転させ、タービン軸出力を得る蒸気タービンと、タービン軸出力を回転入力として駆動され、それによって発電子を回転させ発電を行なう発電機とを具備して内燃機関における蒸気タービン式で発電装置を構成するという手段を講じたものである。
【０００５】
本発明における対象内燃機関は、全てのものが該当するが、中でも排気熱を取り出して利用しやすい構造形式を持ったものがより適当である。この形式の内燃機関としては、燃焼室から延びる排気管を持ちかつその排気管が内燃機関本体より外部に露出している構造を有するものが該当し、例えばガソリン、軽油、或いはガスを燃焼とする往復機関又は回転機関がある。自動車に搭載される小型内燃機関は、台数が多いために、本発明の適用を想定している内燃機関の中でも重要である。
【０００６】
本発明の特徴は、排気ガスの高熱を、蒸気発生のための熱源として利用できることにより、蒸気発生用燃料費が無料で済むという、最大の経済性にある。しかも排気熱利用による反射的効果として、排気ガスの排出温度も低温化するという利点があり、内燃機関の作動による熱公害の緩和にも貢献することができる。
【０００７】
蒸気発生部は、内燃機関から延びる排気管の外側を取り囲むボイラーを有し、ボイラーから蒸気を取り出す構成を有していることが望ましい。ボイラーは、例えば排気管を取り囲むジャケット構造のものとして設けられる。また蒸気発生部は、内燃機関の燃焼部から延びる排気管に巻き付けるように設けた過熱管を有していても良い。巻き付けるようにという場合、排気管の外側と限らず内側に設けることもできる。但し、排気管内を流れる排気ガス流を乱したり、通気抵抗を生じたりしないようにする。
【０００８】
また、過熱管がボイラーの蒸気取り出し口から延び出した蒸気配管の下流に位置している場合、ボイラーと過熱管の両方を蒸気発生部として有することになる。従ってこの場合には、ボイラーで加熱され発生した蒸気を、過熱管で再加熱する、２段階、又はそれ以上の加熱過程が可能となるので、より有効な熱交換を行なうことができる。
【０００９】
排気熱との熱交換に使用される熱媒は、基本的には水で良い。しかし、水はどこででも手に入る反面、水質は様々であるから、思わぬ障害をもたらすおそれもある。そこで、例えば自動車用水冷エンジンに冷却液として使用されるラジエータ液のようにスケールを生じにくいように特別に調製された液体を使用することも好ましいことである。従って、蒸気発生部と蒸気タービンとを連結する配管系は、クローズドサーキットを構成するものとなる。本発明に使用される熱媒としての液体は、気化及び液化がより迅速に行われるものである方が良い。
【００１０】
蒸気タービンは、超小型に属するタービンを使用する。例えば、自動車エンジンの過給用に使用されるタービン又はその改造品は本発明の蒸気タービンとしても使用し得る。蒸気タービンは羽根車の回転の形で軸出力を得ることができる。故に蒸気タービンの軸出力で発電機の電機子即ち発電子を駆動し、電力を得ることができ、電力は、電気機器或いは蓄電池に供給される。
【００１１】
例えば、自動車の内燃機関に本発明の蒸気タービン式発電装置を適用する場合、搭載機関の排気熱を電気エネルギーとして回収することができるので、これを走行動力に還元することによりハイブリッド機関を構成することとなる（図２参照）。また回収した電気エネルギーはあらゆる電気機器の電力として使用可能であり、従来の自動車用エンジンの軸出力の一部を消費する所謂ダイナモのような動力損失がない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図示の実施形態を参照して本発明の内燃機関における蒸気タービン式発電装置１０をより詳細に説明する。図１においてＥは自動車用として示されている内燃機関、Ｐは排気管、Ｃは排気ガス浄化用触媒、Ｓは消音器、Ｔはテールパイプを示す。図２の例２においては、自動車用ハイブリッド機関を構成しており、Ｍは走行用モーター、Ｗは走行用駆動輪を示す。
【００１３】
排気管Ｐは、内燃機関Ｅの燃焼室ＣＣから延びており、その燃焼室直後の部分には蒸気発生部Ｖが設けられている。蒸気発生部Ｖは、図３に示す例においては排気管Ｐの外側を取り囲んでジャケット状に設けたボイラー１１を有する。ボイラー１１は排気管Ｐから可能な限り多くの熱量を受け入れるために、燃焼室直後より相当長い範囲に亘って設けてあり、上部に蒸気取り出し口１２を有し、液面上蒸気取り出し口１２までの間にはバッフル板１３が設けられている。また、１４はボイラ液量を遠隔的に把握するためのセンサーを示す。また液量は点検窓１５でも確認することができる。
【００１４】
蒸気発生部Ｖは、また、排気管Ｐの外側に巻き付けるように設けた過熱管１６より成る熱交換部１７を有している。例示の過熱管１６は、蒸気取り出し口１２から延び出した蒸気配管１８の下流に接続されており、従って、ボイラー１１内の熱媒としての液体Ｌは、２段階に過熱される。１９は蒸気出口であり、蒸気発生部Ｖにて発生した蒸気を蒸気タービン２０へ送出する口である。
【００１５】
蒸気タービン２０は、内部に蒸気配管２１を通じて供給された蒸気がノズルより噴射され回転するタービン羽根車を有している。２２は復水器であり、蒸気タービン２０の駆動に使用された排出蒸気を冷却する。液化された熱媒としての液体Ｌは復水戻し配管２３からボイラー１１に戻される。
【００１６】
蒸気タービン２０の出力軸２４と、発動機２５の発電子軸２６とはカップリング２７により結合されている。発動機２５は、従来の自動車エンジンに使用される所謂ダイナモと同程度のもので良いが、本発明の場合には自動車用エンジンの軸出力に左右されることがなく、また軸出力を消費することもないので、一定した軸出力が得られる。発電機２５は電気回路２８を介して蓄電池２９に接続されている。
【００１７】
図２の例２では、発電機２５と電気回路２８との間にインバーターＩを設けており、電気回路２８には走行用モーターＭが接続されている。Ｇは出力コントローラーであり、走行用モーターＭの出力を制御する。
【００１８】
上記した蒸気タービン式発電装置１０では、エンジンＥを始動すると、燃焼室ＣＣから排気管Ｐに排出される排気ガスによりボイラー１１内の液体Ｌが加熱され、蒸気が発生するようになる。蒸気は蒸気配管１８を通して、排気管Ｐに巻回されている過熱管１６に送られ、再度加熱されて過熱蒸気となり、蒸気出口１９から蒸気配管２１を経て蒸気タービン２０に供給され、ノズルよりタービン羽根車に噴射され、カップリング２７により結合されている発動機２５を駆動する。
【００１９】
蒸気タービン２０の駆動に使われた蒸気は、復水器２２にて水に戻され、復水戻し配管２３を通じてボイラー１１へ環流される。その間、ボイラー１１内の液量はセンサー１４により遠隔的に知ることができ、また点検窓１５から確認することができる。よって液量が不足したときには、ボイラー１１に液体Ｌを補充する。
【００２０】
図４、図５は本発明の蒸気タービン式発電装置１０の実施形態の例３を示すもので、過熱管３６を排気管Ｐの内部に設けている点で例１の場合と相違する。例３の場合、図５に示すように４個の排気管Ｐを２個ずつまとめて集合排気管とした熱交換部３７を形成し、熱交換部３７内は、螺旋状に巻回した過熱管３６の内径が排気管径と同等となるように断面積を拡大した形態を有している。
【００２１】
集合排気管構成の熱交換部３７より成る過熱管３６のために、単排気管毎の熱交換よりはロスが少なく、より熱効率の良い熱交換が可能になる。熱交換部３７より下流における部分も集合排気管Ｐ′となることは、背圧上昇を避けるためにも必要である。
【００２２】
他の構成は例１の場合と同じで良く、３１はボイラー、３２は蒸気取り出し
口、３３はバッフル板、３４はセンサー、３５は点検窓を示す。また３８は蒸気配管であり、熱交換部３７の下流の蒸気出口３９は蒸気タービン２０への蒸気配管２１に接続されている。他の構成は例１と同じ符号を援用する。
【００２３】
例３のものも、エンジンの始動により発生した排気熱で液体Ｌが過熱され、発生した蒸気により蒸気タービン２０及び発電機２５が作動することに変わりはない。ただ多気気筒エンジンの場合に排気管を集合可能であるのでより熱効率が良い。例１も例３も機関始動に伴って発生する熱を使用するだけであるから、内燃機関の出力を消費することがなく、排気ガス温度を低下させ、オーバーヒートを防止し得る可能性も高くなる。また、無負荷で常時発電が行なえるので、獲得した電力のコストも低く、季節の変化に拘ずほぼ一定の起電量が得られる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成されかつ作用するものであって、内燃機関にて発生する排気熱を利用して蒸気タービン及び発電機を駆動し、発電を行なうことができるので発電による動力のロスが無いと同時に、熱源費用が全くかからず、高い経済性を発揮するという顕著な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関における蒸気タービン式発電装置の例１に係る説明図。
【図２】同様に本発明によりハイブリッド機関を構成した場合を示す例２に係る説明図。
【図３】同上要部の側面断面図。
【図４】同じく本発明の例３に係る側面断面図。
【図５】同じく正面説明図。
【符号の説明】
１０  蒸気タービン式発電機
１１、３１  ボイラー
１２、３２  蒸気取り出し口
１３、３３  バッフル板
１４、３４  センサー
１６、３６  過熱管
１７、３７  熱交換部
１８、２１、３８  蒸気配管
２０  蒸気タービン
２２  復水器
２５  発電機
２９  蓄電池
【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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