(57)【要約】【課題】簡易な構成の蒸気エンジンにより、自然界に存在する太陽熱から、効率的に機械的エネルギを得る。【解決手段】液体を充満させた密閉容器２内に、複数の容積室１１を設けたロータ１を回転可能に配置する。密閉容器２の下方には透光部４が設けてあり、ここを通過した太陽光線は、容積室１１内の液体を加熱して蒸気を発生させる。蒸気は容積室１１内に滞留するため、ロータ１の片側の容積室１１には浮力が作用し、ロータ１が回転して回転エネルギが生じる。ロータ１の回転に伴い、容積室１１内の蒸気は密閉容器２内に放出されてコンデンサ３に導かれ、ここで凝縮して密閉容器２に還流する。密閉容器２内の圧力は、真空ポンプ３４により飽和蒸気圧に保持されるので、液体は低温でも蒸気となりロータ１を回転させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を封入した密閉容器（２）を設置して、前記密閉容器（２）の上方には液体の蒸気を凝縮するコンデンサ（３）を前記密閉容器（２）と連通させて配置し、
前記密閉容器（２）の内部には、複数の容積室（１１）を形成したロータ（１）を設け、前記ロータ（１）を液体中に浸漬して前記密閉容器（２）に回転可能に支持し、
前記密閉容器（２）には、光線を前記密閉容器（２）内に通過させる透光部（４）を設け、
前記透光部（４）から太陽光線を前記容積室（１１）に照射して、前記容積室（１１）内の液体を蒸発させ、
前記ロータ（１）の一方側に浮力を作用させて、前記ロータ（１）を回転させることを特徴とする蒸気エンジン。
【請求項２】
前記ロータ（１）の複数の前記容積室（１１）の間には、前記ロータ（１）の径方向に対し回転方向の後ろ向きに傾斜する仕切壁（１３）が形成された請求項１に記載の蒸気エンジン。
【請求項３】
前記コンデンサ（３）には真空ポンプ（３４）が接続されており、前記密閉容器（２）及び前記コンデンサ（３）内の圧力が液体の飽和蒸気圧とされている請求項１又は請求項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、熱エネルギを回転エネルギ等の機械的エネルギに変換するための蒸気エンジン、殊に、自然界に存在する太陽熱から効率的に機械的エネルギを発生させる、簡易な構成を備えた蒸気エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境対策あるいは省資源、省エネルギの観点から、近年、多様なエネルギ資源の利用技術の開発が進んでおり、その中には、自然エネルギである太陽熱を熱源として機械的エネルギを取り出す技術がある。一般に、熱エネルギを回転エネルギ等の機械的エネルギに変換するには熱機関（エンジン）が使用され、太陽熱の場合も同様である。
【０００３】
内燃機関あるいは蒸気タービンなどの熱機関は、石油、天然ガス等、通常の燃料の燃焼により、高温高圧の作動流体を発生させて熱エネルギを機械的エネルギに変換するものであリ、高温状態の熱源から機械的エネルギを取り出すので熱効率が高い。ところが、太陽熱を利用する場合は、大規模な集光装置を備えた大掛かりな太陽熱プラントは別として、太陽熱による熱源は、一般的にそれほど高温ではない、つまり低温状態の熱エネルギであって、このような熱源から機械的エネルギを効率的に取り出すには、低温状態の熱源に適した熱機関が必要となる。
【０００４】
太陽熱等の低温状態の熱源から機械的エネルギを発生させる熱機関として、特開２００１−２０７０６号公報に示されるエンジンがある。このエンジンは、図３に示されるように、蒸気発生部１０１と冷却部１０２とを備え、それらの間はノズル１０３で連結される。冷却部１０２のノズル１０３と対向する位置にはタービン１０６が配置してあり、タービン１０６はマグネット１０７と一体となって回転する。マグネット１０７の内側には、静止した発電コイル１１０が対向するように配置され、マグネット１０７と発電コイル１１０は発電装置を構成する。蒸気発生部１０１と冷却部１０２とはそれぞれ密閉され、その内部には作動流体である水１０４が封入されるとともに、内部の空気等は真空ポンプにより排気されている。また、冷却部１０２の上方には放熱のための多数のヒートパイプ１０５が取り付けられている。
【０００５】
蒸気発生部１０１と冷却部１０２とは全体としてヒートパイプをなしており、蒸気発生部１０１で下方から加熱され水蒸気となった水１０４は、高速流となりノズル１０３からタービン１０６のブレードに噴出する。これにより、タービン１０６及びマグネット１０７が回転して回転エネルギが生じ、回転エネルギはマグネット１０７と発電コイル１１０により最終的には電気エネルギの形に変換されて外部に出力される。タービン１０６を駆動した後の蒸気は、ヒートパイプ１０５の放熱作用に伴い冷却されて水に戻る。この復水は重力によって冷却部１０２の下方に落下し、中央部から蒸気発生部１０１に還流される。
【０００６】
密封容器内に封入された液体の蒸発と凝縮とを利用するヒートパイプは、一般的には熱の輸送手段つまり熱伝達装置として用いられるものである。しかし、ヒートパイプ内に封入された液体の蒸気は大きな速度エネルギを伴って移動するから、上記のとおりこれから動力を取り出すことが可能であって、この場合には、低温状態の熱源から機械的エネルギを取り出すことができるようになる。
【特許文献１】特開２００１−２０７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されるタービンは、作動流体の速度エネルギを利用するいわゆる速度型機関であるが、タービンを効率的に作動させるには、タービンの回転数を上昇させその周速を蒸気の速度に匹敵するような値まで増大させる必要がある。タービンを小型化し直径を小さくしたときは、タービン回転数は非常に高回転となり、タービンには大きな遠心力が作用して破損の虞れが生じるとともに、高速回転の機関により負荷を駆動するには、通常、減速機を設置して回転数を低下させることが不可欠となる。発電機を利用して電気エネルギの形で動力を取り出す場合でも、高速の発電機は制御装置などが複雑で高価なものである。さらに、加熱部の温度が低く蒸気が低温であるときは、蒸気の過熱度が低いので冷却により水滴が生じやすい。水滴が発生すると高速でタービンブレードに衝突し、タービンブレードには水滴の衝突による浸食、いわゆるエロージョンが起こる。
【０００８】
また、密閉容器の中に熱機関を収容しこれを回転させるときは、回転軸はシール性を備えた軸受により支持しなければならない。タービンのような高速回転を行う回転軸を支持するには精密な軸受が必要であって、シール性を確保しながら支持するには、その軸受部に複雑高価なものを採用することとなり、保守管理のコストも増大する。
本発明の課題は、太陽熱を熱源として機械的エネルギを得るために適した、簡易な構成を有する熱機関を提供し、従来の熱機関における上述の問題点を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題に鑑み、本発明の蒸気エンジンは、液体を充満させた密閉容器内に複数の容積室を設けたロータを配置し、その容積室に太陽光を照射し液体を蒸発させて生じる浮力を利用してロータを回転させることにより、簡易な構造で低回転であっても効率的に動力を取り出すものである。すなわち、本発明は、
「液体を封入した密閉容器を設置して、前記密閉容器の上方には液体の蒸気を凝縮するコンデンサを前記密閉容器と連通させて配置し、
前記密閉容器の内部には、複数の容積室を形成したロータを設け、前記ロータを液体中に浸漬して前記密閉容器に回転可能に支持し、
前記密閉容器には、光線を前記密閉容器内に通過させる透光部を設け、
前記透光部から太陽光線を前記容積室に照射して、前記容積室内の液体を蒸発させ、
前記ロータの一方側に浮力を作用させて、前記ロータを回転させる」
ことを特徴とする蒸気エンジンとなっている。
【００１０】
請求項２に記載のように、前記ロータの複数の前記容積室の間には、前記ロータの径方向に対し回転方向の後ろ向きに傾斜した仕切壁を形成することが好ましい。
【００１１】
また、請求項３に記載のように、前記コンデンサに真空ポンプを接続して、前記密閉容器及び前記コンデンサ内の圧力を液体の飽和蒸気圧とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の蒸気エンジンでは、液体を封入した密閉容器内に、複数の容積室を形成したロータを液体中に浸漬させて設置し、このロータの一方側の容積室に太陽光線を照射して蒸気を発生させる。蒸気は容積室内の液体を押しのけて一方側の容積室に充満し、その蒸気は液体に比べはるかに比重量が小さいから、ロータの一方側には密度差による浮力が作用してロータに回転トルクが働く。容積室はロータに連続的に複数個設けられているので、ロータは連続的に回転し、これにより、動力を取り出すことができる。ロータに作用する浮力の大きさはロータの回転速度には無関係であるため、ロータが低速で回転する際にも一定のトルクが得られる。したがって、このエンジンは、蒸気の速度エネルギを回転エネルギに変換するタービンとは異なり、低速でも効率よく作動させることが可能である。
ロータの容積室内の蒸気は、ロータの回転に伴って密閉容器内の液体中に排出され、密閉容器の上部に配置されたコンデンサ内に送られる。蒸気はここで冷却され凝縮して液体となり、密閉容器内に還流する。
【００１３】
この蒸気エンジンのロータは、外周に複数の容積室を形成しただけの構造であり、蒸気の発生は密閉容器の透光部を通過する太陽光により行われる。したがって、ロータとの間で相対的に動く可動部材や可動部のシール部材等を設ける必要がない。つまり、構造が単純で簡易なものであるから、耐久性に優れ保守管理のコストを大幅に削減することができる。そして、回転速度も低速であるため、タービンのように、回転軸を支持するベアリングに高回転用の精度の高いものを採用する必要はなく、また、水滴の衝突に起因するエロージョンは発生しない。
【００１４】
請求項２の発明のように、ロータの複数の前記容積室の間に、ロータの径方向に対し回転方向の後ろ向きに傾斜した仕切壁を形成すると、太陽光の照射で発生した蒸気は、容積室内の液体をロータの回転方向後方に向けて排出する。ロータは排出される液体から反動作用を受け、これにより、ロータに作用する回転方向のトルクが助勢されることとなり、蒸気エンジンとしての出力及び効率をより向上させることができる。
【００１５】
請求項３の発明のように、コンデンサに真空ポンプを接続してコンデンサ内から空気等のガスを排気し、密閉容器及びコンデンサ内の圧力を封入された液体の飽和蒸気圧としたときは、液体の沸点が低下して低温でも液体が蒸気状態となる。その結果、太陽光により加熱されるときの温度がそれほど高温ではない場合でも、液体は容易に蒸気となり、エンジンを効率的に作動させ回転エネルギを取り出すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の蒸気エンジンの断面図であって、（ａ）はロータの回転軸に直交する面を示し、（ｂ）はロータの回転軸を含む面を示すものである。図２には、作動時におけるロータの拡大断面図を示す。
【００１７】
本発明の蒸気エンジンはロータ１を収容する密閉容器２を有し、その内部には、作動流体として水が封入されており、水は密閉容器２内にほぼ充満している。図１（ａ）に示されるように、密閉容器２の断面は矩形をなしているが、ロータ１の外周に沿うような円形断面とすることもできる。密閉容器２の上部には水蒸気を凝縮し復水とするコンデンサ３が設置してあり、密閉容器２とコンデンサとは、連結用短管及び継手により接続される。コンデンサ３は水平断面が円形の蒸気溜め部３１を備え、蒸気溜め部３１の上部には、放熱により蒸気を冷却し凝縮するため、蒸気溜め部３１と連通する多数の管体３２が円形状に配置して取り付けられており、この管体３２の上端は閉鎖されている。さらに、コンデンサ３の蒸気溜め部３１には、逆止弁３３を介して真空ポンプ３４が接続され、空気等のガスを排気しコンデンサ３及び密閉容器２の内部を飽和蒸気圧に保つ。
【００１８】
密閉容器２の下部には太陽光線を通過させる透光部４が設けてあり、この実施例では、透光部４は、密閉容器２の側壁に形成した円形断面の貫通孔４１と、これを閉鎖するよう密閉容器２の側壁の外方に取り付けられたレンズ体４２から構成される。レンズ体４２は、強化ガラス又はアクリル樹脂等の強度の高い透明材料からなる。円形断面の貫通孔４１を設ける代わりに、密閉容器２の側壁全体又はその一部を透明材料で形成し、透光部としてもよい。
【００１９】
密閉容器２には、多数の容積室１１が設けられたロータ１が水中に浸漬して設置される。容積室１１は、ロータ１の周囲に窪みとして形成され、その両端は側壁１２によって閉鎖されるとともに外方は密閉容器２内に開放されている。多数の容積室１１の間にはブレード状の仕切壁１３が形成され、仕切壁１３は、ロータ１の径方向に対しロータ回転方向の後ろ向きに傾斜するように、根元部分から直線状に延びており、したがって、ロータ１の断面は水車状をなしている。場合によっては、仕切壁１３を曲線状とすることもできる。また、仕切壁１３の、ロータ１の回転方向前方の面には黒色の塗装が施され、照射された太陽光線の熱への変換を促進させる。このロータ１は、その両端が密閉容器２の側壁に軸受けして回転可能に支持される。
【００２０】
ロータ１の一方の端部の近傍には、図１（ｂ）に示されるように、複数個のマグネット５が埋め込まれて固定され、これはロータ１と一体に回転する。マグネット５と対向する位置には、複数個の鉄心７及びこれを取り巻く発電用コイル６が置かれ、これらはマグネット５が置かれた端部側の密閉容器２の側壁に固定されている。図示しないが、発電用コイル６には発電電力を取り出すための電線が接続され、マグネット５及び発電コイル６は、水の侵入を防止するケースに収められている。この実施例は、回転エネルギを電気エネルギとして出力するものであるが、ロータ１に歯車を固着し、これと噛合う歯車を密閉容器２の側壁に回転可能に支持することにより、回転エネルギの形で動力を取り出すこともできる。
【００２１】
次いで、本発明の蒸気エンジンの作動について図２に基づき説明する。
水が封入された密閉容器２の下方に配置された透光部４からは、ロータ１の容積室１１に向けて太陽光が導かれる。このため、蒸気エンジンの外部にはミラー４３と集光レンズ４４からなる集光装置が置かれており、ミラー４３からの太陽光Sは、凸レンズである集光レンズ４４で収束され、凹レンズであるレンズ体４２で平行光線となって容積室１１に照射される。
【００２２】
照射された太陽光は、仕切壁１３の黒色の前面で熱となって容積室１１内の水を加熱し、蒸気を発生させる。この蒸気は容積室１１内の水を押しのけ、その中に充満する。したがって、図２において中心軸の左側の容積室１１には、蒸気と水の密度差に基づく浮力が作用し、ロータ１には時計方向の回転トルクが働いて、白抜き矢印で示す方向にロータ１が回転することとなる。
仕切壁１３は、ロータ１の径方向に対し回転方向の後ろ向きに傾斜するよう形成されている。このため、太陽光の加熱で発生した蒸気により、容積室１１内の水は、図２の実線の矢印に示されるように、回転方向の後方に押しのけられて排出され、反動によるトルクをロータに付与する。このようにして、ロータ１に作用する浮力に基づく回転トルクを助勢することができる。
【００２３】
容積室１１内の蒸気は、ロータ１の回転に伴って徐々に密閉容器２の水の中に放出され、仕切壁１３が水平状態となると容積室１１は再び水で満たされる。このとき、仕切壁１３を上向きに凸の曲線状とすると、長時間蒸気を容積室１１内に留めることが可能となる。水中に放出された蒸気は気泡となって密閉容器２内を上昇し、密閉容器２の上方の短管を経て、コンデンサ３の蒸気溜まり３１に送られる。蒸気はさらに冷却管３２に入り、ここで冷却されて復水となり、復水は重力により下方に移動し、短管を経て密閉容器２内に還流する。この蒸発、凝縮の過程は、ヒートパイプと類似したものである。
コンデンサ３には空気等を排出する真空ポンプ３４が接続され、これにより、コンデンサ３及び密閉容器２の内部の圧力は低下して飽和水蒸気圧に保持されている。そのため、密閉容器２内の水の沸点は低下しており、太陽光により加熱された部分の温度がそれほど高くない低温状態であっても、水が蒸発して水蒸気となリ、ロータ１を回転させる回転トルクを発生させることができる。
【００２４】
ロータ１の回転エネルギは、ロータ１と一体に回転するマグネット５により鉄心７に発生する変動磁界と、発電用コイル１１との相互電磁作用によって、電気的エネルギとして外部に取り出される。この出力取り出し方法によると、出力取り出し機構と密閉容器２との間にシール装置を配置する必要がない。また、本発明のロータ１は、容積室１１と仕切壁１３とが形成されただけの単純な構成であって、相対的に移動する可動部材や複雑なシール装置を備えておらず、太陽光による加熱は固定した透光部４から行われる。このため、エンジンを堅牢な構造とすることが容易であり、その結果、エンジンは耐久性の優れたものとなる。
【００２５】
以上詳述したように、本発明の蒸気エンジンは、液体を充満させた密閉容器内に複数の容積室を設けたロータを配置し、その容積室に作用する浮力を利用してロータを回転させ、簡易な構造で太陽光による熱を回転エネルギに変換するものである。上記の実施例では、作動流体として水を用いているけれども、これに限らず例えばアンモニア、アルコール、フロン等の冷媒を用いることができるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の蒸気エンジンの断面図である。
【図２】本発明の蒸気エンジンの作動状態を示す図である。
【図３】従来の蒸気エンジンの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  ロータ
１１  容積室
１３  仕切壁
２  密閉容器
３  コンデンサ
３２  冷却管
３４  真空ポンプ
４  透光部
４２  レンズ体
４３  集光レンズ
５  マグネット
６  発電用コイル
【図１】
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【図２】
2007046484.tif 000004
【図３】
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