JPH06503396A - 可動式ピストンモーター及び該可動式ピストンモーターを備えた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 可動式ピストンモーター及び該可動式ピストンモーターを備えた装置本発明は、 シリンダ、該シリンダの両側に連結されたシリンダヘッド及びシリンダ内の軸方 向に移動自在に設けられ、かつシリンダヘッドを貫いて延びるピストン棒を有す るピストンを具備する可動式ピストンモーター及び該可動式ピストンモーターを 備えた装置に関する。

熱機関の熱効率は今日なお重要な課題である。熱効率は内燃機関及びタービン装 置によっては５０％を超えることがない。従って、蒸気動力炉によって産出され たエネルギーは、その５０％未満しか電気エネルギーに変換されない。このよう に、産出されたエネルギーの５０％以上が冷却塔を経て装置から排出され、実質 的には利用されない。このことは、経済性の点においても、また、環境にかける 負担の点においても重大な問題である。しかし、熱力学によれば、カルノーサイ クルにおいて得られる熱効率が最大のものであるとされている。

カルノーサイクルにおいて得られる熱効率が最大のものであるという結論は、エ ントロピーは減少し得ないものであるとの確認から導びかれる。

正確には、エントロピー増大の原理は次のように表現される。

「孤立系内で起りうる過程においては、エントロピーは増大するか又は一定に保 たれる。」 以下に述べる構成は孤立系とみなされるのだろうか？熱力学第２法則との関連で 考察される物質系においては、多分子系を扱う場合、統計的観点から処理すべき 必要が生じる。このとき、エントロピーは次のように定義される。Ｓ＝ｋｌｎＷ （ここに、ｋ：ボルツマン定数、Ｗ：熱状態確率）エントロピー増大の原理は、 多分子系に関しても統計的考察から導かれる。

以下に述べる構成に関しては、シリンダ内にある蒸気が多分子系を形成している ということを前提とする。ピストン自体は多分子系の一耶ではない。これには統 計的な側面が欠如している。ピストンの速度はエネルギーの量と方向によって定 められる。その意味でピストンは固有系を形成している。

しかし、蒸気分子はこのピストンと相互作用する。分子が移動するピストン壁に 衝突するたびに、一定量の動力学的エネルギー及び内部ポテンシャルエネルギ− がピストンに伝達される。多分子系が別の系とエネルギーを交換すると、もはや これは孤立系ではなくなり、開放系となる。

従って、開放系においてはエントロピー増大の原理は次のように表現される。

「系が孤立系ではない場合は、そのエントロピーは別の系との相互作用によって 減少し、それにより前記側の系のエントロピーも変化する。しかし、関与する系 全体のエントロピー変化の総和は負とはならない。」開放系においても、エント ロピーが一定であるか又は増大する場合には、気相での膨張は確実に終了する。

気相においては、分子運動は常にエントロピーを変化させない。従って、エント ロピー増大の原理は内燃機関、ガス及び蒸気タービンの場合にも当てはまる。

しかし、湿り蒸気の遷移相などのファン・デル・ワールス力が作用する領域では 、例外が生ずる。

ファン・デル・ワールス力は液相の基盤をも形成する。この相では、分子は原子 架橋によって互いに弛く結合される。例えば水の場合には水素結合である。

このような架橋結合によって分子は極性を帯び、すなわち整列され、その結果、 分子配列に高度の秩序が生じる。エントロピーを分子配列の無秩序の度合いであ ると考えると、このことは、液相においては気相にあけるよりもエントロピーが 小さいことを意味する。さらに、このことは蒸気の状態グイγグラムによって明 瞭に見て取ることができる。

湿り蒸気は気相と液相との境界において存在し、そこでは、液化の際に原子架橋 が生ずる。

原子架橋は分子衝突の際に生じ、極めて弾力的である。衝突は圧縮と膨張の２つ の位相に区分することができる。

第１の位相、すなわち圧縮位相では、おそらく分子が静止しており、力の場が互 いに入り交じる。動力学的エネルギーはポテンシャルエネルギーに変換される。

第２の位相、すなわち膨張位相では、分子は再び互いに離れて動く。ポテンシャ ルエネルギーは再び動力学的エネルギーに変換される。

このとき、分子が顕著な結合エネルギーが存在しない場合にのみもとの状態に戻 る。

例えば原子架橋がポテンシャルエネルギーあるいは動力学的エネルギーよりも強 い場合は、分子は結合状態に留まり、そのため架橋が生じ、ひいては分子は準液 化状態となる。　− 気相に２ける動力学的エネルギーは液相における動力学的エネルギーよりもはる かに大きいことを考慮すれば、液化は分子から動力学的エネルギーを奪うことを 意味する。

ファン・デル・ワールスカが作用する領域で蒸気分子から動力学的エネルギーが 奪われると、原子架橋が生ずる。そこで蒸気分子は整序され、それによってより 低いエントロピーが生ずる。

統計学的処理においてはファン・デル・ワールスカは一定の大きさを有する。

しかし、分子から動力学的エネルギーが奪われた場合には、ファン・デル・ワー ルスカに影響が及び、それによって分子は強い極性を帯びる。このような理由か ら、ピストンに抗して湿り蒸気が膨張する場合には、減少したエントロピーをも たらすことが可能であると考えられる。

従って、極性を有する分子は、この位相ではエントロピー増大の原理に基づいた 状態にはなく、分子は独自により低位の整序状態から高位の状態へと遷移するこ とは決してないと解釈することもできる。しかし、極性を有する分子は、蓄積エ ネルギーが減少した場合には、明らかにより高位の整序状態に遷移する。

飽和蒸気の等エントロピー膨張をモリエール図表で検討すると、飽和蒸気は部分 縮合していることが確かめられる。断熱過程は熱の損失がなく、等エントロピー 状態であるとみなされる。従って、気体部分が膨張するときは等エントロピー状 態にあるに違いない。液化は明らかに減少するエントロピーを有している。この ことは全体としてエントロピーが減少するという結果を招来しないだろうか。

この場合には、蒸気からどのようにしてエネルギーを奪うかが問題となる。

これは、冷却によるのと同様に、蒸気をピストンに抗して膨張させることによっ て良好に行うことができる。

上述の推論を計算により確かめる場合、熱力学的手法はほとんど適していない。

一方、以下の仮説を想定することができれば、動態力学理論による計算が可能と なる。すなわち、 一移動するピストン壁に衝突するごとに分子の動力学的エネルギーと内部のポテ ンシャルエネルギーの一部がピストンに伝達される。

衝突ごとに伝達されるエネルギーと膨張時の衝突回数とを乗算することにより、 エネルギー伝達の値が得られる。

一蒸気分子と移動するピストン壁との相互作用は弾力的な衝突の特殊例、すなわ ち移動する壁への衝突と対応する。

−気体部分の分子とピストン壁との間でしか相互作用は生じない。

−熱は蒸気分子の動力学的エネルギーと内部のポテンシャルエネルギーに還元で きる。

湿り蒸気の膨張が減少するエントロピーをもたらすことができるという上述の推 論は、このような計算によって確かめることができる。

蒸気が１＋１０００に、すなわち、圧が１０バールから１０ミリバールとなるよ うに膨張した場合、はとんど全ての液化熱をピストンに伝達することができる。

このことは、他方では、このような蒸気膨張が生ずると冷却器が溢水し、周囲温 度とは無関係になることを意味している。従って、このようなエネルギー変換工 程を低い温度でも行うことが可能である。　（スイス、キラチル／Ｈ，クレーマ ー著「熱の物理学」、エーバルト・ヴイッケ著「物理化学入門」、レオナルト・ リーデル著「物理化学」、アロシソ／フィン著「物理学」を参照）本発明の課題 は、従来熱機関よりも熱効率が高い、前記可動式ピストンモーター及びこの可動 式ピストンモーターを備えた装置を提供することにある。

上記課題は本発明に従って、ピストンを別のシリンダヘッドを貫いて延びる蒸気 吐出管と連結するとともに、ピストン内に蒸気貫流路を設けたピストンモーター によって解決される。上記課題を解決する可動式ピストンモーターを備えた装置 は、可動式ピストンモーターのピストン棒によって作動される線形発電機と、シ リンダヘッド内で蒸気吸込口と連結された制御弁を制御するための処理コンピュ ータと、蒸気吐出管と連結された位相分離タンクと、該位相分離タンク及び蒸化 器と連結され、位相分離タンク内の負圧を保持するための手段とを具備するもの である。

次に添付図面を参照しつつ、本発明の一実施例と、その応用例を詳細に説明する 。

図１は可動式ピストンモーターの断面図である。

図２はピストンが左端位置にある可動式ピストンモーターの一部の断面図である 。

図３はピストンが右方向に移動したときの可動式ピストンモーターの一部の断面 図である。

図４はピストンが右位置にある可動式ピストンモーターの一部の断面図である。

図５はピストンが右端位置にある可動式ピストンモーターの一部の断面図である 。

図６は図１のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。

図７は図１の■−■線に沿った断面図である。

図８は可動式ピストン装置全体の概略構成図である。

可動式ピストンモーター１は、図１に示したシリンダ２を備えており、このシリ ンダの両端には弁などを受容するためのそれぞれ一個のシリンダヘッド３．４が フランジ状に取付けられ、パツキン５及び６によってシリンダ２に向かい合って 密封されている。可動式ピストンモーターはａｍ装置７及び８を用いて土台に据 え付けられる。シリンダへラド３及び４内には第１の蒸気吸込口９と、第２の蒸 気吸込口９とが設けられている。環状の切欠き部１１及び１２内にはそれぞれ一 個のこれも環状の蒸気吸込弁１３及び１４が配設されている。蒸気吸込弁１３及 び１４は、ばね１５及び１６のばねカに抗してシリンダヘッド３及び４の外壁１ ７及び１８に向って移動可能である。ばね１６及び１７は蒸気吸込弁１３及び１ ４の環状の管路２１及び２２の面１９及び２ｏに接合されている。蒸気吸込弁１ ３及び１４はそれぞれが環状の緩衝部材２３及び２４を備えている。蒸気吸込弁 １３及び１４は、それぞれ−個のシリンダ室２５の方を向いた突起部２６及び２ ７を備えており、これらの突起部内に環状溝２８及び２９が穿設されている。

蒸気吸込弁１３及び１４は、図１に示した閉鎖位置ではその外周が環状のストッ パ３０及び３１と当接しており、その際にこれらのストッパ３ｏ及び３１はばね ３２及び３３によって付勢されている。シリンダヘッド３及び４には断面が三角 形の環状溝３６及び３７を有するそれぞれ一個の環状のスペーサ３４及び３５が 隣接している。スペーサ３４及び３５の外縁にはそれぞれ一個の環状の緩衝部材 ３８及び３９が設けられている。

シリンダ２内には、ピストン棒４０及び蒸気吐出管４１と連結されたピストン４ ２が軸方向に移動可能に配設されている。ピストン４２は、パツキンリング４３ によってシリンダ壁４４に対して密封されている。ピストン棒４０は、コーキン グ４６及び４７を有するつば軸受４５内に案内されている。蒸気吐出管４１は、 パツキン４９及び５０を有するつば軸受４８内に案内されている。蒸気吐出管４ １は、断面が三角形の複数個のリブ９２を有しており、このリブは図１の左側で はシリンダ軸に対してほぼ垂直に延び、図１の右側ではシリンダ軸に対して斜め に延びるフランクを備えている。このことによって、蒸気吐出管を通って溢れた 復水が逆流することが防止される。ピストン４２は曲折した蒸気貫流管５１及び ５２を備えており、これらの貫流管の両端には蒸気吐出管４１と連結されたリブ ８７が設けられている。蒸気吐出管５１と５２の間の部分１１２の端部は先細に 形成されている。ピストン４２の環状開口部５３内には、これも環状の蒸気吐出 弁５４が配設されている。蒸気吐出弁５４は、両方の外端に環状の、断面が略三 角形の部分５５及び５６を有しており、該部分５５と５６とを連結する円筒状部 分は軸受ブシュ５９及び９７内に案内されている。環状部分５５と５６とは、そ れぞれ環状の制御ノーズ５７及び５８へと連結している。ピストン４２の外周囲 ４２には、ばね６０で付勢された冷却弁６１が配設されている。蒸気吐出弁５４ は、ピストン４２に対して軸方向に移動自在に設けられている。制御ノーズ５７ 及び５８は、その端部６２と６３が緩衝部材２３及び２４の対応する形状の切欠 き部６４及び６５と嵌合する。蒸気吐出弁５４の環状部分５５．５６の面９０． ９１は、シリンダ２の軸に対して斜めに延びている。

次に図２ないし図５を参照して可動式ピストンモーターの機能の推移をそれぞれ の状態ごとに説明する。蒸気吸込口９を通って蒸気は環状の切欠き部１１内に流 入し、又、空間６６内の環状管路２１を通り、スペーサ３４の突起部６７及び６ ８と環状の制御ノーズとの間を通って、スペーサ３４と蒸気吸込弁５４の環状部 分５５との間の空間に流入する。蒸気吸込弁５４は環状部分５５とともに、ピス トン４２の左外壁６９に向かって図１の右側に移動する。この位置で、蒸気吸込 口１３は溝状の制御ノーズ５７によってばね１５の力に抗して左方向に押圧され る。その際に、制御ノーズ５７の端部６２は！ｉｆｆ部材２３０逗状の切欠き部 ６４内にある。

図３に示した段階では、蒸気は膨張し、ピストン４２はさらに右方向に移動する 。蒸気吸込弁１３は最終位置に到達し、その際、環状突起部２６はスペーサ３４ の突起部６７と６８の間に密着する。蒸化器内で生成される飽和蒸気の流入は、 ピストン行程の極めて短い区間、例えば２％、で行われるに過ぎない。ピストン は、シリンダへラド３のスペーサ３４から離れて右方向に約３０ないし１００ｍ ／秒の速度で加速される。蒸気吸込弁１３は圧力降下及び閉鎮ばね１５の力で閉 じられる。ピストン棒４０によって、力は線形発電機に伝達され、それによって ピストン４２は再び減速される。蒸気吐出弁５４は環状部分５６を有する図１な いし図５における右側の位置で開放され、それによってシリンダ室２５内にある 蒸気は、環状部分５６とピストン４２の右壁７０との間を管路５１を通って蒸気 吐出管４１内へと流れることができる。飽和蒸気が供給されると、蒸気の一部が ピストン面で液化したとみなすことができる。ピストン面７０が円錐形に形成さ れていることにより、沈澱する場合がある復水は加速力によって蒸気吐出管４１ 内に搬送される。復水は逆止め弁６０．６１を介して反対側に搬送され、そこか らこれも加速力によって蒸気吐出管４１内に搬送される。膨張した湿り蒸気は、 蒸気吐出管を通り、位相分離器内に搬送され、液相と気相とが分離される。

図４に示す機能の段階では、蒸気吐出弁５４は図４の右側に位置するものが閉じ られる。環状の制御ノーズ５８によって蒸気吸込弁の環状突起部２７は引き離さ れる。蒸気吐出弁５４の環状部分５６の図４における右側の外壁と、シリンダヘ ッド４のスペーサ３４の外壁との間の空間に封入された蒸気は凝縮される。

蒸気吐出弁５４の環状部分５５．５６の面９０．９１．１０２．１０３．１０４ ．１０５．１０６．１０７は、シリンダ２の軸に対して、円筒形の連結部９５． ９６に隣接したシリンダの軸に対してだけではなく、制御ノーズ５７．５８に隣 接したシリンダの軸に対しても、斜めに延びている。弁５４の外面は制御ノーズ ５７．５８と対称に延在することが好ましい。弁５４の環状部分５５．５６と対 向するピストン面１０８．１０９．１１０．１１１もシリンダ２の軸に対して斜 めに延び、弁の環状部分の対応する面９０．９１．１０２．１０３．１０４．１ ０５．１０６．１０７と正確に嵌合する。

図５に示した段階では、ピストン４２は右端位置にある。蒸気吐出弁５４の環状 の制御ノーズ５８によって蒸気吸込弁１４はばね１６の圧力に抗してシリンダヘ ッド４のスペーサ３５の突起部７０．７１から引き離される。高圧の蒸気は蒸化 器から蒸気吸込口１０を通って、ピストン４２の環状部分５６とシリンダヘッド ４のスペーサ３５との間の空間内に流入する。

本発明の可動式ピストンモーターにおいては、湿り蒸気はピストンに対して膨張 される。

図６は図１のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図を示す。

図７は図１の■−■線に沿った断面図を示す。

図８は可動式ピストンモーターを搭載した装置全体を概略的に示す。可動式ピス トンモーター１によって線形発電機７２が駆動され、これは可動式ピストンモー ターの始動のためにモーター駆動に切り換えられる。蒸気吸込口９及び１０へと 続く弁７４．７５は処理コンピュータ７３を介して作動される。さらに処理コン ビコータによって、ピストン４２の軸方向運動を計測するためにシリンダ壁４４ に接着されたホール発生器７６の計測データが考慮される。接着用に、ピストン ４２の外壁には磁石７７を備えである。飽和蒸気は蒸化器７８から導管７９を経 て弁７４及び７５に送られる。可動式ピストンモーターの蒸気吐出管４１は蛇腹 式連結器８０を介して位相分離タンク８１と連結されている。循環冷却器８２を 備えた残留気体凝縮装置を介して、残留気体は導管８４を経て蒸化器７８に送ら れる。位相分離タンクは、液化ポンプ８５を経て、導管８６を介して残留気体蒸 化器８２と連結されている。蒸化器７８内には、渦巻き９８が示されているが、 これは熱交換器を表すものである。この熱交換器によって、例えば産業用プラン トからの廃熱である有用な熱をシステム内に導入し、これを可動式ピストンモー ターによって機械的、もしくは電気的エネルギーに変換しようとするものである 。熱はどのような熱源から集めでもよく、蒸気、排気又はその他の熱伝達媒体に よって熱交換器へと誘導される。熱交換器内ではこれらの熱は循環処理媒体へと 伝達され、それによって蒸気が生成される。

線形発電機からは電１！９９．１００．１０１が消費者まで敷設されている。

線形発電機７２の代わりにモーターを導入し、又は線形発電機をモーターとして 作動させる場合は、可動式ピストンモーターを備えた上述の装置は冷却器として 運転することもできる。

可動式ピストンモーターを冷却器モーターと呼ぶこともできよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．シリンダ（２）、該シリンダの両側に接合されたシリンダヘッド（３，４） 及びシリンダ内の軸方向に移動自在に配設され、かつ、シリンダヘッド（４）を 貫いて延びるピストン棒（４０）を備えたピストン（４２）を具備する可動式ピ ストンモーターにおいて、ピストン（４２）が別のシリンダヘッド（３）を貫い で延びる蒸気吐出管（４１）と連結されており、さらに該ピストン内に蒸気貫流 路（５１，５２）を備えたことを特徴とする可動式ピストンモーター。 ２．ピストン（４２）が、該ピストンの軸方向に移動自在の蒸気吐出弁（５４） を含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載の可動式ピストンモーター。 ３．蒸気吐出弁（５４）がシリンダ（２）の軸に対して斜めに延びた面（９０， ９１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７）を有することを特徴 とする請求の範囲第１項記載の可動式ピストンモーター。 ４．面（９０，９１，１０２，１０３，１０４．１０５，１０６，１０７）が蒸 気吐出弁（５４）の環状部分（５５，５６）と隣接していることを特徴とする請 求の範囲第３項記載の可動式ピストンモーター。 ５．ピストン（４２）が蒸気吐出弁（５４）の面（９０，９１，１０２，１０３ ，１０４，１０５，１０６，１０７）と平行に延びた斜めの面（１０８，１０９ ，１１０，１１１）を有することを特徴とする請求の範囲第３項又は第４項記載 の可動式ピストンモーター。 ６．蒸気貫流路（５１，５２）が曲折して形成されていることを特徴とする前記 請求の範囲のいずれか一項に記載の可動式ピストンモーター。 ７．ピストン（４２）が、該ピストンの両側にシリンダ（２）の軸と平行に延び た環状の制御ノーズ（５７，５８）を有することを特徴とする前記請求の範囲の いずれか一項に記載の可動式ピストンモーター。 ８．シリンダヘッド（３，４）が、該ヘッドのピストン（４２）側にスペーサ（ ３４，３５）を有することを特徴とする前記請求の範囲のいずれか一項に記載の 可動式ピストンモーター。 ９．スペーサ（３４，３５）が、該スペーサのピストン（４２）側にシリンダの 軸に対して斜めに延びた面（３６，３７）を有することを特徴とする請求の範囲 第８項記載の可動式ピストンモーター。 １０．双方のシリンダヘッド（３，４）内にそれぞれ一個の蒸気吸込弁（１３， １４）が設けられており、該吸込弁がスペーサ（３４，３５）内の環状開口部と 相互作用することを特徴とする前記請求の範囲のいずれか一項に記載の可動式ピ ストンモーター。 １１．蒸気吸込弁（１３，１４）がそれぞれ環状の溝（２８，２９）を有してお り、該溝が環状の制御ノーズ（５７，５８）と正確に嵌合するように形成されて いることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の可動式ピストンモーター。 １２．ピストン（４２）の外周に冷却弁（６１）が設けられていることを特徴と する前記請求の範囲のいずれか一項に記載の可動式ピストンモーター。 １３．冷却弁（６１）が、軸受ブシュ（５９）内に設けられた、ばね（６０）で 付勢された球（６１）を含むことを特徴とする請求の範囲第１２項記載の可動式 ピストンモーター。 １４．ピストン（４２）の外壁に磁石（７７）が設けられ、かつ、シリンダ外壁 （４４）にセンサ（７６）が設けられていることを特徴とする前記請求の範囲の いずれか一項に記載の可動式ピストンモーター。 １５．センサ（７６）がホール発生器として構成されていることを特徴とする請 求の範囲第１４項記載の可動式ピストンモーター。 １６．前記請求の範囲のいずれか一項に記載の可動式ピストンモーターを備えた 装置において、可動式ピストンモーター（１）のピストン棒（４０）によって作 動される線形発電機（７２）と、シリンダヘッド（３，４）内の蒸気吸込口（９ ，１０）に連結された制御弁（７４，７５）を制御するための処理コンピュータ （７３）と、蒸気吐出管（４１）と連結された位相分離タンク（８１）と、該位 相分離タンク及び蒸化器と連結され、位相分離タンク（８１）内の負圧を保持す るための手段（８２）とを具備することを特徴とする装置。 １７．冷却器として構成したことを特徴とする請求の範囲第１６項記載の装置。 １８．蒸化器として構成したことを特徴とする請求の範囲第１６項記載の装置。 １９．多段式残留気体凝縮器（８２）として構成したことを特徴とする請求の範 囲第１６項記載の装置。