[发明专利]喷射式蒸汽发动机

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将热能转化为刚体动能等机械能的蒸汽发动机，尤其涉及能够有效地进行向机械能的转化、还适合于作为搭载在车辆上的发动机的蒸汽发动机。

背景技术

在将热能转换为机械能的发动机(热机)中，存在汽油发动机和柴油发动机那样的内燃机、以及进行所谓兰肯循环的蒸汽发动机等外燃机。在内燃机中，在作为工作流体的空气中使燃料间歇地燃烧，将产生的热量转化为机械能；与此相对，在作为外燃机的蒸汽发动机中，使通过连续燃烧而产生的热量热传递给工作流体，因此存在以下优点：容易控制燃料的燃烧状态，NO_X、CO等由燃烧产生的排气有害成分的生成量较少。并且，在外燃机中，不限于由燃烧产生的热量，还能够利用内燃机的废热等各种热源，因此是节能、在环境对策方面也具有优良特性的发动机。

灵活运用蒸汽发动机的这种特性、将蒸汽发动机用作为车辆用发动机的研究开发正在进行，例如，在日本特开2002-115506号公报中公开了一种兰肯循环装置，将内燃机的废热作为热源使蒸汽发动机工作，并将废热回收为机械能。用于执行兰肯循环的蒸汽发动机装置包括：对水等工作流体进行加热的锅炉(蒸发器)、使被加热而成为高温高压的工作流体膨胀而产生动力的膨胀机(蒸汽发动机)、使膨胀后的工作流体冷却并液化的冷凝器(凝结器)、以及将液化了的工作流体送至锅炉的循环泵，通常使用涡轮作为膨胀机。

作为蒸汽发动机的涡轮是利用工作流体的速度能的所谓速度型发动机，具备高速蒸汽进行作用的多个叶片。为了使涡轮有效地动作，需要使涡轮的转速上升并使叶片的圆周速度增大到与蒸汽速度相接近的值，因此涡轮成为高速动作的复杂的发动机。并且，在蒸汽发动机装置中附属有锅炉、凝结器等，因此蒸汽发动机装置容易成为规模较大的设备。

根据这种情况，作为即使在低速时也高效地进行工作的紧凑的蒸汽发动机装置，本申请人开发了日本特开2006-329036号公报所公开的发动机。该蒸汽发动机装置为，如图4所示，将具有喷出管102的转子103支持为可旋转，该喷出管102在充满了液体状态的工作流体的密闭容器101内弯曲。在转子103上设有吸入管104，并且加热部105插入在转子中心部的中心圆筒中，在此构成锅炉。从吸入管104吸入的液体状态的工作流体在加热器105中蒸发而成为蒸汽，该蒸汽以与液体的混合状态从喷出管102喷出，使转子105沿顺时针方向旋转。所喷出的蒸汽被导向到设置在密闭容器101上方的冷凝器106中，在此凝结而回流至密闭容器101。为了控制工作流体的喷出及吸入，在喷出管102和吸入管104的前端部，分别配置有喷出用止回阀107和吸入用止回阀108。

在图4的蒸汽发动机中，在充满了液体的密闭容器内设置具有喷出管的转子，使在转子中心部的加热部蒸发的高压蒸汽以液体与蒸汽混合了的状态从喷出管喷出，通过此时的反作用而得到回转力。在喷出的混合体中包含较多液体，其质量远大于蒸汽，因此转子的旋转转矩与仅喷出蒸汽的情况相比变得非常大。因此，即使在转子低速旋转时也能够得到较大转矩，该蒸汽发动机即使在低速时也能够高效地动作。并且，锅炉及冷凝器与密闭容器一体化，蒸汽发动机装置整体成为紧凑的结构。

专利文献1：日本特开2002-115506号公报

专利文献2：日本特开2006-329036号公报

本申请人开发的图4的蒸汽发动机是即使在低转速时效率也较高、且紧凑地构成的发动机。但是，安装在转子上的喷出管和吸入管，其功能不同，并在其前端部分别安装有喷出用止回阀和吸入用止回阀。在转子进行旋转时，当在转子上存在静态或动态的不平衡时会产生振动，但是在功能不同的喷出管和吸入管中，难以使重量等相同而实现旋转体的平衡。并且，设置在喷出管和吸入管上的喷出用止回阀和吸入用止回阀，由于包含可动部分，因此容易产生故障和不良情况，需要维护整修等的劳力和经费。

在蒸汽发动机装置中，在锅炉中对液体状态的工作流体进行加热而将其转化为蒸汽，并使蒸汽在膨胀机中作用而产生动力。由此，一般来说，用于起动的时间变长，对于负载变动的追随性也比内燃机差。对于搭载在车辆上的发动机，要求起动性和负载追随性良好的发动机，因此在将蒸汽发动机装置利用于车辆用时，希望提高起动性等。

发明内容

本发明的课题在于，使作为蒸汽发动机装置的膨胀机使用的蒸汽发动机主体的转子，作为旋转体成为平衡性良好的极其简单的结构，且提高蒸汽发动机装置的起动性等。