專利名稱：旋轉(zhuǎn)式蒸汽機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將熱能轉(zhuǎn)換成剛體動(dòng)能等機(jī)械能的蒸汽機(jī)，尤其是 關(guān)于從溫度較低的熱源有效地產(chǎn)生機(jī)械能的、具有簡單結(jié)構(gòu)的蒸汽機(jī)。
背景技術(shù)：
根據(jù)環(huán)境對策或省資源、節(jié)能的觀點(diǎn)，近年來，推進(jìn)多樣能源的利 用技術(shù)的開發(fā)，其中，存在從太陽能等存在于自然界的熱能取出機(jī)械能 的技術(shù)。并且，還開發(fā)有如下技術(shù)通過利用被廢棄到柴油機(jī)等內(nèi)燃機(jī) 的廢氣和冷卻水中的廢熱而產(chǎn)生動(dòng)力、并回收該動(dòng)力，由此提高內(nèi)燃機(jī) 的熱效率。在將熱能轉(zhuǎn)換成剛體動(dòng)能等機(jī)械能時(shí)使用熱機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī))。使用石油、 天然氣等通常的燃料的內(nèi)燃機(jī)或汽輪機(jī)等熱機(jī)，是通過燃料的燃燒來產(chǎn) 生高溫高壓的工作流體而將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，由于是從高溫狀態(tài)的熱 源取出機(jī)械能，因此熱效率高。然而，自然界的熱能和內(nèi)燃機(jī)的廢熱等 一般不是那種程度的高溫，即、是低溫狀態(tài)的熱能，在從這種熱源有效 地取去機(jī)械能時(shí)，需要適用于低溫狀態(tài)的熱源的熱機(jī)。作為從低溫狀態(tài)的熱源產(chǎn)生機(jī)械能的熱機(jī)，存在日本特開2001-20706號公報(bào)所示的發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖3所示，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有蒸汽產(chǎn)生 部101和冷卻部102，它們之間通過噴嘴103連接。在冷卻部102的與噴 嘴103相對的位置上配置有渦輪106，渦輪106與磁體107成為一體地旋 轉(zhuǎn)。在磁體107的內(nèi)側(cè)相對地配置有靜止的發(fā)電線圈110，磁體107和發(fā) 電線圈110構(gòu)成發(fā)電裝置。蒸汽產(chǎn)生部101和冷卻部102分別被密封， 在其內(nèi)部封入作為工作流體的水104，并且內(nèi)部的空氣等通過真空泵被排 氣。并且，在冷卻部102的上方安裝有用于散熱的多個(gè)熱管105。蒸汽產(chǎn)生部101和冷卻部102作為整體成為熱管，在蒸汽產(chǎn)生部101中被從下方加熱并成為水蒸汽的水104，成為高速流并從噴嘴103噴向渦 輪106的葉片。由此，渦輪106以及磁體107旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生剛體動(dòng)能，剛 體動(dòng)能通過磁體107和發(fā)電線圈110最終被轉(zhuǎn)換成電能的形式而輸出到 外部。驅(qū)動(dòng)渦輪106后的蒸汽隨著熱管105的散熱作用被冷卻而恢復(fù)為 水。該冷凝水通過重力向冷卻部102的下方落下，并從中央部回流到蒸 汽產(chǎn)生部101。利用被封入密封容器內(nèi)的液體的蒸發(fā)和凝結(jié)的熱管， 一般被用作為 熱的輸送機(jī)構(gòu)、即熱傳遞裝置。其中，被封入熱管內(nèi)的液體的蒸汽伴隨 較大的速度能地進(jìn)行移動(dòng)，所以能夠如上所述地從其中取出動(dòng)力，在該 情況下，能夠從低溫狀態(tài)的熱源取出機(jī)械能。曰本特開2001-20706號公報(bào)所示的渦輪是利用工作流體的速度能的 所謂速度型發(fā)動(dòng)機(jī)，但為了使渦輪有效率地工作，需要使渦輪的轉(zhuǎn)速上 升，并增大到使其圓周速度與蒸汽的速度匹配的值。在將渦輪小型化并 縮小直徑時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速變?yōu)榉浅８咿D(zhuǎn)速，在渦輪上作用較大的離心力， 從而可能發(fā)生破損，并且在通過高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，通常設(shè) 置減速機(jī)來降低轉(zhuǎn)速是不可缺少的。在利用發(fā)電機(jī)而以電能的形式取出 動(dòng)力的情況下，高速的發(fā)電機(jī)是控制裝置等復(fù)雜、高價(jià)的發(fā)電機(jī)。并且， 在加熱部的溫度較低、蒸汽為低溫時(shí)，由于蒸汽的過熱度較低，因此通 過冷卻容易產(chǎn)生水滴。當(dāng)產(chǎn)生水滴時(shí)，以高速與渦輪葉片碰撞，在渦輪 葉片上產(chǎn)生水滴的碰撞導(dǎo)致的浸蝕、即所謂的沖蝕(erosion)。并且，在將熱機(jī)收容在密閉容器中并使其旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸必須通過 具有密封性的軸承支承。為了對渦輪那樣的進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行 支承，需要精密的軸承，為了確保密封性地進(jìn)行支承，軸承部要采用復(fù) 雜高價(jià)的軸承，維護(hù)管理的費(fèi)用增加。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的課題為，提供一種不限于高溫?zé)嵩础⒁材軌驈膬?nèi)燃機(jī)的廢 熱等低溫狀態(tài)的各種熱源得到機(jī)械能的熱機(jī)，并且解決現(xiàn)有熱機(jī)中的上 述問題。為了解決現(xiàn)有熱機(jī)中的上述問題，本發(fā)明的蒸汽機(jī)為，在充滿液體 的密閉容器內(nèi)配置設(shè)置了多個(gè)容積室的轉(zhuǎn)子，并利用作用于該容積室的 浮力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，由此通過簡單的構(gòu)造、即使為低速旋轉(zhuǎn)也有效地取出 動(dòng)力。即，本發(fā)明為一種蒸汽機(jī)，其特征如技術(shù)方案1所記載"設(shè)置 封入了液體的密閉容器，使產(chǎn)生液體蒸汽的蒸汽產(chǎn)生部與上述密閉容器 連通地設(shè)置在該密閉容器的下方，并且使冷凝液體的蒸汽的冷凝器與上 述密閉容器連通地設(shè)置在上述密閉容器的上方，在上述密閉容器的內(nèi)部 設(shè)置形成多個(gè)容積室的轉(zhuǎn)子，將上述轉(zhuǎn)子浸漬在液體中而可旋轉(zhuǎn)地支承 在上述密閉容器上，將加熱上述蒸汽產(chǎn)生部而產(chǎn)生的液體的蒸汽供給到 上述容積室，使浮力作用在上述轉(zhuǎn)子的一側(cè)，而使上述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)"。在上述構(gòu)成的本發(fā)明的蒸汽機(jī)中，在封入了液體的密閉容器內(nèi)，將 形成多個(gè)容積室的轉(zhuǎn)子浸漬在液體中地設(shè)置，向該轉(zhuǎn)子一側(cè)的容積室供 給由蒸汽產(chǎn)生部產(chǎn)生的蒸汽。蒸汽推壓容積室內(nèi)的液體而充滿一側(cè)的容 積室，該蒸汽的比重與液體相比小很多，因此在轉(zhuǎn)子的一側(cè)作用密度差 導(dǎo)致的浮力而在轉(zhuǎn)子上作用有轉(zhuǎn)矩。由于容積室是在轉(zhuǎn)子上連續(xù)地設(shè)置 有多個(gè)，因此轉(zhuǎn)子連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，由此能夠取出動(dòng)力。由于作用在轉(zhuǎn)子上 的浮力的大小與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此即使在轉(zhuǎn)子以低速旋轉(zhuǎn)時(shí)也能得 到一定的轉(zhuǎn)矩。因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)與將蒸汽的速度能轉(zhuǎn)換成剛體動(dòng)能的渦 輪不同，即使低速也能高效率地工作。轉(zhuǎn)子的容積室內(nèi)的蒸汽隨著轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)而被排出到密閉容器內(nèi)的液體中，并被送入配置在密閉容器的上 部的冷凝器內(nèi)。蒸汽在此被冷凝而成為液體，并回流到密閉容器內(nèi)。該蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)子是只在外周形成多個(gè)容積室的構(gòu)造，不需要設(shè)置相 對活動(dòng)的可動(dòng)部件和密封部件等。即，由于是構(gòu)造簡單、簡易的構(gòu)造， 因此耐久性良好并能夠大幅削減維護(hù)管理費(fèi)用。而且，由于轉(zhuǎn)速也是低 速，因此不需要像渦輪那樣采用高轉(zhuǎn)速用的高精度的軸承作為支承旋轉(zhuǎn) 軸的軸承，并且不會(huì)發(fā)生水滴的碰撞導(dǎo)致的沖蝕。如技術(shù)方案2所記載，優(yōu)選構(gòu)成為，在上述轉(zhuǎn)子的多個(gè)上述容積室 之間形成分隔壁，從上述蒸汽產(chǎn)生部朝向上述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向噴出液體 的蒸汽而供給到上述容積室。如此供給的蒸汽具有速度能地與分隔壁碰撞，并將容積室內(nèi)的液體朝向轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向后方進(jìn)行排出。轉(zhuǎn)子受到 伴隨蒸汽的碰撞的沖擊作用，并且從所排出的液體受到反推作用，由此， 作用于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩被加強(qiáng)，能夠進(jìn)一步提高蒸汽機(jī)的輸出以 及效率。并且，如技術(shù)方案3所記載，優(yōu)選在上述冷凝器上連接真空泵，而 使上述密閉容器以及上述冷凝器內(nèi)的壓力成為液體的飽和蒸汽壓。在通 過真空泵從冷凝器內(nèi)排出空氣等氣體時(shí)，液體的沸點(diǎn)降低，即使為低溫 液體也能成為蒸汽狀態(tài)。結(jié)果，即使在加熱部的溫度不是那么高溫的情 況下，液體也能夠容易地成為蒸汽，并能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)有效率地工作而取 出剛體動(dòng)能。


圖1是本發(fā)明的蒸汽機(jī)的剖視圖。圖2是表示本發(fā)明的蒸汽機(jī)的工作狀態(tài)的圖。圖3是表示現(xiàn)有的蒸汽機(jī)的一例的圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1是本發(fā)明的蒸汽 機(jī)的剖視圖，(a)表示與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸正交的面，(b)表示含有轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 軸的面。圖2表示工作時(shí)轉(zhuǎn)子的放大剖視圖。本發(fā)明的蒸汽機(jī)具有收容轉(zhuǎn)子1的密閉容器2，在其內(nèi)部封入有作為 工作流體的水，水大致充滿密閉容器2。如圖l(a)所示，密閉容器2的截 面為矩形，但也可以為沿轉(zhuǎn)子1的外周那樣的圓形截面。在密閉容器2 的上部設(shè)置有冷凝水蒸汽并成為冷凝水的冷凝器3，密閉容器2與冷凝器 通過連接用短管以及連接器連接。在密閉容器2的下部設(shè)置有由外部的 熱源加熱的蒸汽產(chǎn)生部4。蒸汽產(chǎn)生部4由在內(nèi)部具有蒸發(fā)空間的大致圓筒形狀的殼體構(gòu)成， 在其下部具有水的流入路41，在上部具有蒸汽的流出路42。在本實(shí)施例 中，蒸汽產(chǎn)生部4內(nèi)置在密閉容器2內(nèi)，但也可以構(gòu)成為，將蒸汽產(chǎn)生部4與密閉容器2分離，并通過管路進(jìn)行連接。并且，冷凝器3具有水 平截面為圓形的蒸汽蓄存部31，在蒸汽蓄存部31的上部配置成圓形狀地 安裝有多個(gè)管體32，該多個(gè)管體32用于通過散熱冷卻蒸汽并進(jìn)行冷凝， 并與蒸汽蓄存部31連通，該管體32的上端封閉。并且，在冷凝器3的 蒸汽蓄存部31上經(jīng)由止回閥33連接有真空泵34，排出空氣等氣體，將 冷凝器3以及密閉容器2的內(nèi)部保持為飽和蒸汽壓。在密閉容器2中，設(shè)有多個(gè)容積室11的轉(zhuǎn)子1浸漬在水中地設(shè)置。 容積室11作為凹陷形成在轉(zhuǎn)子1的周圍，其兩端由側(cè)壁12封閉，并且 外側(cè)開放在密閉容器2內(nèi)。在多個(gè)容積室11之間形成有葉片狀的分隔壁 13，分隔壁13相對于轉(zhuǎn)子1的半徑方向、向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向后方傾斜地從 根部分直線狀延伸，因此，轉(zhuǎn)子1的截面成為水車狀。根據(jù)情況的不同， 也可以使分隔壁13成為曲線形狀。轉(zhuǎn)子1的兩端軸支承在密閉容器2的 側(cè)壁上，轉(zhuǎn)子l可旋轉(zhuǎn)地被支承。如圖l(b)所示，在轉(zhuǎn)子1的一個(gè)端部的附近，埋入固定有多個(gè)磁體5， 其與轉(zhuǎn)子1 一體地旋轉(zhuǎn)。在與磁體5相對的位置上設(shè)置有多個(gè)鐵心7以 及巻繞在其上的發(fā)電用線圈6，它們被固定在設(shè)置有磁體5的端部側(cè)的密 閉容器2的側(cè)壁上。雖然未圖示，但在發(fā)電用線圈6上連接有取出發(fā)電 電力的電線，磁體5以及發(fā)電線圈6被收容在防止水的侵入的盒內(nèi)。本 實(shí)施例是將剛體動(dòng)能作為電能輸出的例子，但也可以通過在轉(zhuǎn)子1上固 定安裝齒輪，并將與其嚙合的齒輪可旋轉(zhuǎn)地支承在密閉容器2的側(cè)壁上， 由此以剛體動(dòng)能的形式取出動(dòng)力。其次，說明本發(fā)明的蒸汽機(jī)的工作。在封入有水的密閉容器2的下方配置的蒸汽產(chǎn)生部4中，從流入路 41向空間部供給水?？臻g部的下方成為例如由內(nèi)燃機(jī)的廢熱等熱源加熱 的加熱部，所供給的水在此處被加熱并成為高壓的蒸汽。該高壓蒸汽從 設(shè)置在蒸汽產(chǎn)生部4的上方的流出路42向轉(zhuǎn)子1的切線方向噴出。如圖2的虛線的箭頭所示，所噴出的蒸汽被送入存在于流出路42正 上方的轉(zhuǎn)子1的容積室11中，推開該容積室內(nèi)的水并充滿容積室11內(nèi)。 由此，在圖2中，在中心軸的左側(cè)的容積室ll中作用有基于蒸汽與水的密度差的浮力，在轉(zhuǎn)子1上作用有順時(shí)針方向的.轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子1沿空白箭 頭所示的方向旋轉(zhuǎn)。并且，在轉(zhuǎn)子1的切線方向上朝向旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行蒸汽的噴出，由此該蒸汽對分隔壁13賦予沖擊的轉(zhuǎn)矩，如圖2的實(shí)線箭頭 所示，被推開的水被向旋轉(zhuǎn)方向的后方排出，并對轉(zhuǎn)子賦予反推的轉(zhuǎn)矩。 這樣，通過將蒸汽的流出路42設(shè)定在切線方向上，能夠加強(qiáng)基于浮力的 轉(zhuǎn)矩。容積室11內(nèi)的蒸汽隨著轉(zhuǎn)子1的旋轉(zhuǎn)而逐漸被放到密閉容器2的水 中，當(dāng)分隔壁13成為水平狀態(tài)時(shí)，容積室11再次被水充滿。此時(shí)，當(dāng) 使分隔壁13成為向上凸的曲線狀時(shí)，能夠?qū)⒄羝L時(shí)間蓄存在容積室11 內(nèi)。放出到水中的蒸汽成為氣泡而在密閉容器2內(nèi)上升，經(jīng)由密閉容器2 上方的短管，被送入冷凝器3的蒸汽蓄存部31。蒸汽進(jìn)一步進(jìn)入冷卻管 32，在此被冷卻而成為冷凝水，冷凝水通過重力向下方移動(dòng)，并經(jīng)由短 管回流到密閉容器2內(nèi)。該蒸發(fā)、冷凝的過程與熱管類似。在冷凝器3上連接有排出空氣等的真空泵34，由此，冷凝器3以及 密閉容器2的內(nèi)部的壓力降低而被保持在飽和水蒸汽壓。由此，密閉容 器2內(nèi)的水的沸點(diǎn)降低，即使加熱部的溫度是不那么高的低溫狀態(tài)，水 也能夠蒸發(fā)而成為水蒸汽，并產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子1旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩。通過由于與轉(zhuǎn)子1一體旋轉(zhuǎn)的磁體5而在鐵心7中產(chǎn)生的變動(dòng)磁場、 與發(fā)電用線圈6的相互電磁作用，由此轉(zhuǎn)子1的剛體動(dòng)能作為電能被取 出到外部。根據(jù)該輸出取出方法，在輸出取出機(jī)構(gòu)與密閉容器2之間不 需要配置密封裝置。并且，本發(fā)明的轉(zhuǎn)子l為只形成有容積室ll和分隔 壁13的簡單構(gòu)成，而不具備相對移動(dòng)的可動(dòng)部件和復(fù)雜的密封裝置。由 此，能夠容易地使發(fā)動(dòng)機(jī)成為牢固的構(gòu)造，結(jié)果，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的 耐久性。工業(yè)實(shí)用性如上所述，本發(fā)明的蒸汽機(jī)為，在充滿液體的密閉容器內(nèi)配置設(shè)置 了多個(gè)容積室的轉(zhuǎn)子，利用作用于該容積室的浮力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過簡 單的構(gòu)造將施加到加熱部的熱量轉(zhuǎn)換成剛體動(dòng)能。因此，本發(fā)明的蒸汽 機(jī)能夠用作為從各種熱源取出動(dòng)力的熱機(jī)。在上述實(shí)施例中，雖然對將內(nèi)燃機(jī)的廢熱等低溫狀態(tài)的熱量轉(zhuǎn)換成剛體動(dòng)能的情況進(jìn)行了說明，但 在本發(fā)明的蒸汽機(jī)中，當(dāng)然也可以使用燃燒等的高溫?zé)嵩磥砣〕鰟?dòng)力。 并且，作為成為工作流體的液體不限于水，當(dāng)然也可以使用例如氨、酒 精和氟利昂等冷媒。
權(quán)利要求
1、一種蒸汽機(jī)，其特征在于，設(shè)置有封入液體的密閉容器(2)，使產(chǎn)生液體的蒸汽的蒸汽產(chǎn)生部(4)與上述密閉容器(2)連通地配置在該密閉容器(2)的下方，并且使冷凝液體的蒸汽的冷凝器(3)與上述密閉容器(2)連通地配置在上述密閉容器(2)的上方，在上述密閉容器(2)的內(nèi)部設(shè)置形成了多個(gè)容積室(11)的轉(zhuǎn)子(1)，將上述轉(zhuǎn)子(1)浸漬在液體中而可旋轉(zhuǎn)地支承在上述密閉容器(2)上，將加熱上述蒸汽產(chǎn)生部(4)而產(chǎn)生的液體的蒸汽供給到上述容積室(11)，使浮力作用在上述轉(zhuǎn)子(1)的一側(cè)，而使上述轉(zhuǎn)子(1)旋轉(zhuǎn)。
2. 如權(quán)利要求1所述的蒸汽機(jī)，其特征在于， 在上述轉(zhuǎn)子(l)的多個(gè)上述容積室(l 1)之間形成有分隔壁(13)，液體的蒸汽從上述蒸汽產(chǎn)生部(4)朝向上述轉(zhuǎn)子(1)的旋轉(zhuǎn)方向噴出，而被供給到 上述容積室(ll)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的蒸汽機(jī)，其特征在于， 在上述冷凝器(3)上連接有真空泵(34)，使上述密閉容器(2)以及上述冷凝器(3)內(nèi)的壓力成為液體的飽和蒸汽壓。
全文摘要
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式蒸汽機(jī)為，通過簡單的結(jié)構(gòu)，不限于高溫?zé)嵩?、從?nèi)燃機(jī)的廢熱等各種低溫狀態(tài)的熱源有效率地得到機(jī)械能。在該發(fā)動(dòng)機(jī)中，在充滿液體的密閉容器(2)內(nèi)可旋轉(zhuǎn)地配置有設(shè)置了多個(gè)容積室(11)的轉(zhuǎn)子(1)。在轉(zhuǎn)子(1)的下方設(shè)置有蒸汽產(chǎn)生部(4)，由內(nèi)燃機(jī)的廢熱等加熱的液體在此蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽從流出路(42)向轉(zhuǎn)子的容積室(11)噴出。由于蒸汽蓄存在容積室(11)內(nèi)，因此在轉(zhuǎn)子(1)一側(cè)的容積室(11)作用有浮力，轉(zhuǎn)子(1)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生剛體動(dòng)能。隨著轉(zhuǎn)子(1)的旋轉(zhuǎn)，容積室(11)內(nèi)的蒸汽被放出到密閉容器(2)內(nèi)而被導(dǎo)入冷凝器(3)，并在此冷凝而回流到密閉容器(2)。密閉容器(2)內(nèi)的壓力通過真空泵(34)保持在飽和蒸汽壓，由此即使液體為低溫也能成為蒸汽并使轉(zhuǎn)子(1)旋轉(zhuǎn)。
文檔編號F03G3/00GK101228352SQ200680026520
公開日2008年7月23日 申請日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者山本康 申請人:五十鈴自動(dòng)車株式會(huì)社