(57)【要約】      （修正有）【課題】無公害なコンパクトで効率が高い熱発生エンジン用の燃焼室を提供する。【解決手段】円筒形の燃焼室２２が、チューブ束２４を円形に巻いたコイル２３を囲んでいるとともに、燃焼ガスが燃焼室内に環流させられて、チューブを多段通過することにより加熱して、チューブ内の水を過熱蒸気にする。燃焼室内の円形に巻かれた多くのコイルより成るチューブ束により、チューブの広い表面積が燃焼ガスに曝され、熱伝達が加速されて、蒸気発生機の効率を高めることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱発生エンジンの蒸気発生機（２０）において、円筒形の外壁と上壁に囲まれ、燃焼ガスをサイクロン状に循環させる少なくとも１つの燃焼ノズルアセンブリ（４０）を有する燃焼室（２２）と、
それぞれが、その中を蒸気と水が通るように構成された、束状に巻かれた複数のチューブを含むチューブ束（２４）とを備え、
前記チューブ束（２４）が、前記燃焼室（２２）内を循環する熱燃焼ガスに繰り返し曝されて、前記複数のチューブが、該チューブ中の水が蒸気に変換される温度に加熱され、かつ前記サイクロン状に循環する熱燃焼ガスが、前記チューブを、前記複数のチューブ内の蒸気の圧力と温度が上昇する温度にさらに加熱することを特徴とする蒸気発生機（２０）。
【請求項２】
前記の少なくとも１つの燃焼ノズルアセンブリ（４０）が、前記燃焼室（２２）及び前記循環する熱燃焼ガスへ空気を送るブロア（３８）と、燃料を霧化させる燃料アトマイザ（４１）と、霧化された燃料を燃焼させて前記循環する熱燃焼ガスを生成させる点火器（４３）を備えることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生機（２０）。
【請求項３】
前記チューブ束（２４）が、前記燃焼室（２２）と、前記の循環する熱燃焼ガスにより囲まれていることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生機（２０）。
【請求項４】
前記燃焼室（２２）に複数の燃焼ノズルアセンブリ（４０）を配置することを特徴とする請求項１記載の蒸気発生機（２０）。
【請求項５】
前記の少なくとも１つの燃焼ノズルアセンブリ（４０）が、前記燃焼室（２２）及び前記循環する熱燃焼ガスへ空気を送るブロア（３８）と、燃料を霧化させる燃料アトマイザ（４１）と、霧化された燃料を燃焼させて前記循環する熱燃焼ガスを生成させる点火器（４３）を備えることを特徴とする請求項４記載の蒸気発生機（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気発生機に関し、より詳細には、チューブ束を経て燃焼室に水を向かわせる蒸気発生機に関する。燃焼室内でそのチューブ束は、循環運動している燃焼ガスの熱に曝される。
【背景技術】
【０００２】
環境問題に関心が高まるにつれて、エンジンの設計においても、高価で複雑な技術的改良が要求されてきた。たとえば、燃料電池技術により、環境を汚染することなく、水素を燃焼させるという利点がもたらされた。しかしながら、燃料電池エンジンの価格と大きさ、および燃料級水素の製造コスト、貯蔵コスト、ならびに輸送コストとの釣り合いがとれず、環境上の利点が期待されなくなって来ている。
【０００３】
環境を汚染しないで走行する無公害電気自動車は、走行距離が非常に限られていて、しかも、石炭、ヂーゼル、あるいは原子力発電所が発生した電気を、定期的に再充電しなければならない。他方、ガスタービンは、きれいであるが、小型のガスタービンは製造、運転、およびオーバーホールが割高になる。ヂーゼルおよびガス内燃エンジンは効率がよく、軽量、かつ製造コストが比較的安価であるが、使用燃料に特有の汚染物質を相当量発生する。
【０００４】
最初のランキンサイクル蒸気エンジンは、約１５０年前ジェームズ＝ワットが発明した。現代のランキンサイクル蒸気エンジンは、チューブを使用して過熱蒸気をエンジンに送り、その後、コンデンサに送っている。エンジンに過熱蒸気を送るチューブの表面は、かなりの部分が露出しているので、圧力や温度レベルが制約を受ける。圧力や温度が低下すると、水が、液相と気相の間で容易に相変化し、そのために、複雑な制御系を必要とする。
【０００５】
蒸気エンジンは、通常、大きく、かつ効率が悪いが、環境を汚染させないようにすることも可能である。蒸気エンジンの効率は向上してきている。即ち、昔のモデルの蒸気機関車の効率は高々５％であったが、近代の発電所の効率は４５％にまでなっている。逆に、２ストローク内燃エンジンの効率は、約１７％である。他方、４ストローク内燃エンジンの効率は、約２５％である。一方、ヂーゼル燃焼エンジンの効率は約３５％である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、無公害なコンパクトで効率が高い熱発生エンジン用の燃焼室を提供することである。
【０００７】
本発明が解決しようとする別の課題は、燃焼ガスをサイクロン状に循環させることにより、重質の未燃焼粒子が焼却されて、無公害排出に寄与する燃焼室を備える蒸気発生機を提供することである。
【０００８】
本発明が解決しようとするさらに別の課題は、円筒形の燃焼室が、チューブ束を円形に巻いたコイルを囲んでいるとともに、燃焼ガスが燃焼室内に循環させられて、チューブを多段通過することにより、熱伝達を加速する燃焼室を備える蒸気発生機を提供することである。
【０００９】
これらの課題および利点は、以下に述べる詳細な説明および図面を参照することにより明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃焼室は、稠密なチューブ束を円形に巻いたコイルを囲むシリンダ状に配設されている。このチューブは、ブロアと燃料アトマイザと点火器をそれぞれ備える２つの燃料ノズルアセンブリによって加熱される。これらの燃料ノズルアセンブリは、円形の燃焼室壁の対向側面に搭載されていて、炎が円周方向に向けられている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃焼室において、燃焼ガスをサイクロン状に循環させて、チューブに多段に通過させることにより、消費される燃料から最大限の熱量を得て、エンジンの効率を高めることができる。
【００１２】
燃焼室内のチューブ束を巻いたコイルにより、蒸気発生機の効率を高めることができる。円形に巻かれたチューブ束の形状のおかげで、コンパクトな燃焼室内に囲まれるチューブの長さが長くなる。さらに、それぞれの蒸気供給ラインを２つのラインに分割して燃焼室に入るようにしたので、チューブの広い表面積が燃焼ガスに曝され、熱伝達が加速される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のエンジンの中の空気の流れを示す概念図である。
【図２】本発明のエンジンの中の水と蒸気の流れを示す概念図である。
【図３】本発明のエンジンの主要部品を断面で示した側面図である。
【図４】本発明の蒸気発生機の余熱コイルを示す平面図である。
【図５】本発明のエンジンの底面部を示す平面図である。
【図６】本発明のエンジンのシリンダを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１４】
本発明は、副流蒸気エンジンに関し、全図面において参照番号１０で示してある。エンジン１０は、蒸気発生機２０、コンデンサ３０，およびシリンダ５２，バルブ５３，ピストン５４，プッシューロッド７４，クランクカム６１およびエンジンの中心を軸方向に貫設されたクランクシャフト６０を具備している。
【００１５】
作動するときは、吸気ブロワー３８により、周辺空気をコンデンサ３０に導入する。空気温度は、サイクロン炉２２（以下、「燃焼室」と呼称する）に導入される前に、２つの段階で上昇する。コンデンサ３０は、平板のダイナミックコンデンサで、中心部の周囲を、多段平板３１が取り囲んだ構造になっている。ダイナミックコンデンサ３０がこのような多段構造をしているので、蒸気が多段構造を通過し、その結果、コンデンサの機能を高めるようになっている。
【００１６】
最初の段階で、空気が、ブロワー３８からコンデンサ３０に入り、コンデンサの多段板３１の周囲を環流し、多段板３１の外表面を冷却し、多段板３１の内部を環流している排出蒸気を凝縮する。シリンダ５２の排気ポート５５から排出された蒸気は、シリンダを取り巻いている余熱コイルを通過する。蒸気はコンデンサの中心部に滴下し、そこで、クランクシャフトの回転による遠心力により、コンデンサ３０の多段板３１の内部空間に圧入される。
【００１７】
蒸気が液相に相変化して、コンデンサ３０の多段板３１の周囲の密閉ポートに入る。凝縮された液体は、集水シャフトを経てコンデンサの底部の水溜め３４内に滴下する。高圧ポンプ９２が、液体をコンデンサの水溜め３４から、燃焼室内のコイル２４に戻し、エンジンの流体サイクルが完了する。コンデンサの多段板３１の全表面積が大きいので、比較的コンパクトな間隔でも、熱交換を最大限に高める。クランクシャフトインペラの遠心力が、凝縮される蒸気を繰り返し冷却板３１に圧入するが、それが、多段板構造と組合わさって、多段通過システムを提供する。この多段通過システムは、従来の１段通過構造のコンデンサより格段に効果的である。
【００１８】
エンジンシュラウド１２は、燃焼室とピストンアセンブリを囲んでいる絶縁カバーである。シュラウド１２は、空気輸送ダクト３２を備えている。空気輸送ダクト３２は、予熱された空気を、コンデンサ３０から、気−気熱交換機４２の吸入部へ輸送し、そこでさらに加熱する。熱交換機４２から排出されると、加熱された吸入空気は、バーナ４０のアトマイザ／点火器アセンブリに入り、燃焼室で燃焼される。
【００１９】
シュラウド１２は、戻しダクトを備えていて、燃焼室の頂部で燃焼排出ガスを捕捉し、気−気熱交換機４２の排出部を経て燃焼排出ガスを戻す。エンジンシュラウド１２は、その絶縁作用による熱の保存と、エンジンの気流に対するダクト作用と、排出ガスの熱を回収する熱交換機と組合わさって、エンジンの効率を高め、コンパクト化に資する。
【００２０】
コンデンサ水溜めポンプと燃焼室を連結する送出管の水は、１基以上のメイン蒸気供給ライン２１を経て、それぞれのシリンダにポンプ送給される。メイン蒸気供給ライン２１は、予熱コイル２３の中を貫流する。この予熱コイル２３は、シリンダの排気孔に接したそれぞれのシリンダスカートの周囲に巻かれている。
【００２１】
排気孔から排出された蒸気は、このコイルに熱を与え、コイルを経て燃焼室へ向かう水の温度を上昇させる。予熱コイルに熱を与える際に、排出蒸気が、コンデンサに入る前に、これらのコイルに貫設された経路で冷却行程を開始する。これらのコイルをシリンダ排気孔に接して配設することにより、熱が回収され、エンジンの全体の効率に寄与する。そうでない場合は、システムに熱が残留する。
【００２２】
次の段階で、空気は、熱交換機４２を貫流して、蒸気発生機２０（図２および３）に入る前に加熱される。蒸気発生機２０では、予熱された空気が、燃料アトマイザ４１（図３〜５）から供給された燃料と混合される。
【００２３】
点火器４３が、霧化された燃料を遠心分離器内で燃焼し、重質燃料成分を燃焼室２２の外側に向かって移動させ、そこで消費される。燃焼室２２は、シリンダ状に配設されていて、稠密なチューブ束２４を円形に巻いたコイルを囲んでおり、それぞれのシリンダに至る蒸気供給ラインの一部を形成している。チューブ束２４は、燃焼ノズルバーナアセンブリ４０の燃料を燃焼することにより加熱される。燃焼ノズルバーナアセンブリ４０は、ブロア３８と、燃料アトマイザ４１と、点火器４３（図４）を備えている。
【００２４】
バーナ４０は、円筒形の燃焼室壁の対向側面に搭載されていて、バーナの炎が螺旋方向に一直線になるようになっている。燃焼室の周囲の正面で炎を回転させることにより、チューブ２４のコイルが、チューブ束２４の中央を循環運動している燃焼ガスの熱に、繰り返し曝される。チューブ束２４内の温度は、約６５０℃（１，２００°F）に維持されている。チューブ束２４は、蒸気を輸送していて、燃焼の高温に曝されているので、蒸気は過熱され、その圧力は約２２４ｋｇ／ｃｍ2（３，２００ｐｓｉ）に維持されている。
【００２５】
熱ガスは、シリンダ状の燃焼室の丸い屋根の頂部中央に取り付けられた孔から排出される。燃焼ガスの遠心分離運動により、ガスの中に浮游している重質の未燃焼粒子は燃焼室の外壁上に蓄積され、そこで焼却されて、無公害排出に寄与する。燃焼室において、燃焼ガスをサイクロン状に循環させることにより、エンジンの効率を高める。特にチューブ２４の多段通過により、消費される燃料から最大限の熱量を得ることができる。さらに、円形に巻かれたチューブ束の形状のおかげで、寸法が制約されている燃焼室内に囲まれるチューブの長さが、従来のボイラの場合よりも、長くなる。さらに、それぞれのシリンダの蒸気供給ラインを２つ以上のラインに分割して燃焼室に入るようにしたので、チューブの広い表面積が燃焼ガスに曝され、熱伝達が加速される。そのために、流体が、高温、高圧に加熱されて、エンジンの効率をさらに向上させる。
【００２６】
水が、それぞれのシリンダの予熱コイルの単一ラインから排出されて、燃焼室に送給されると、チューブ束の一部を形成しているシリンダ１基に対して２本以上のラインに分流される。このチューブ束は、全てのシリンダに対して、全ての分岐ライン２８がコイル状束２４を備えている。この点に関しては前述したところである。図３に示したように、これらの多重ライン２８は、断面積と長さが同じである。
【００２７】
本発明を好ましい実施の態様に関して説明したが、本発明はそれらに限定されるものでなく、本発明の精神と特許請求の範囲を逸脱しない限り、改良、変更等は認められる。
【符号の説明】
【００２８】
１０    エンジン
１２    エンジンシュラウド
２０    蒸気発生機
２２    燃焼室／シリンダ炉
２３    各シリンダに巻回された予熱コイル
２４    全シリンダに配設された分流ラインを備えたチューブ束
（コイル状チューブ）
２８    主供給ラインから分かれた分流ライン
３０    コンデンサ
３１    平板
３２    吸気輸送ダクト
３４    水溜め／集水パン
３８    ブロア
４０    燃料ノズル燃料バーナ
４１    点火器
５０    メインエンジンアセンブリ
５１    シリンダヘッド
５２    シリンダ
５３    蒸気噴射バルブ
５４    ピストンヘッド
５５    シリンダの排気孔
【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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【図６】
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