DE102012203567A1

DE102012203567A1 - Wärmekraftmaschine mit Kondensator

Info

Publication number: DE102012203567A1
Application number: DE201210203567
Authority: DE
Inventors: Norio GOUKO; Atusi Sakaida; Masahiro Asano; Keiji Okamoto; Tomikazu Ishikawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2012-09-13
Also published as: JP5370435B2; JP2012197781A

Abstract

Die Abwärmerückgewinnungsanlage (10) hat einen Boilerabschnitt (11), der Arbeitsfluid (14) heizt, um es unter Verwendung von Wärme, die von einer Wärmequelle (2) zugeführt wird, zu verdampfen, einen Ausgangsabschnitt (12), der Energie des in dem Boilerabschnitt verdampften Dampfs in mechanische Energie umwandelt, einen Kondensatorabschnitt (3), der den in dem Ausgangsabschnitt verwendeten Dampf in das Arbeitsfluid kondensiert, und eine Rückführungseinrichtung (15, 16), die das Arbeitsfluid in dem Ausgangabschnitt zu dem Boilerabschnitt rückführt.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Wärmekraftmaschine, die Dampf kondensiert, der verwendet wird, um in einem Arbeitsfluid Arbeit zu erzeugen, und ihn zurückführt.
Verwandte Technik
Eine herkömmliche Wärmekraftmaschine ist in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. JP-A-1996-338207 offenbart. In dieser Art von Wärmekraftmaschine hat ein Boilerabschnitt, der Arbeitsfluid heizt, um es zu verdampfen, einen höheren Druck, und ein Kondensatorabschnitt, der Dampf in Arbeitsfluid kondensiert, hat einen niedrigeren Druck. Wie in JP-A-1996-338207 gezeigt, wird im Allgemeinen eine Pumpe oder eine andere Anlage verwendet, um das kondensierte Arbeitsfluid von dem Kondensatorabschnitt auf dem niedrigeren Druck zu dem Boilerabschnitt auf dem höheren Druck zu befördern (eine derartige Wärmekraftmaschine wird im Allgemeinen in der folgenden Beschreibung als die erste herkömmliche Wärmekraftmaschine verwendet). Das heißt, Arbeitsfluid in dem Kondensatorabschnitt wird unter Verwendung von externer Energie zum Antreiben einer Pumpe oder einer anderen Anlage gepumpt, um zu dem Boilerabschnitt zurückzukehren.
Als eine ähnliche Wärmekraftmaschine ist eine zweite herkömmliche Wärmekraftmaschine öffentlich bekannt. Die zweite herkömmliche Wärmekraftmaschine hat eine Dampfmaschine, die Energie aus Dampf in mechanische Energie umwandelt, und eine Pumpe, die mit der Dampfmaschine arbeitet.
In der ersten herkömmlichen Wärmekraftmaschine wird neben externer Energie (Wärmeenergie), um Arbeitsfluid zu heizen und es zu verdampfen, externe Energie zum Antreiben der Pumpe benötigt. Dies beschränkt die Erhöhung des Ausgangsleistungswirkungsgrads.
Hier untersuchen die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Wärmekraftmaschine, die das kondensierte Arbeitsfluid unter Verwendung einer Kapillarkraft eines Dochts (Arbeitsfluid-Einleitungselement) ansaugt, um es an den Boilerabschnitt zurück zu führen. In diesem Untersuchungsfall kann das Arbeitsfluid in dem Kondensatorabschnitt an den Boilerabschnitt rückgeführt werden, ohne externe Energie zu verwenden, was den Ausgangsleistungswirkungsgrad weiter als den der ersten herkömmlichen Wärmekraftmaschine erhöht.
Wenn man in diesem Untersuchungsfall beabsichtigt, den Boilerdruck zu erhöhen, um die Ausgangsleistung zu erhöhen, ist es erforderlich, dass der äquivalente Kapillarradius des Dochts verringert wird, um zu verhindern, dass Dampf zurück fließt.
In diesem Untersuchungsfall verringert die Verringerung des äquivalenten Kapillarradius zur Erhöhung des Boilerdrucks jedoch die Fläche des Zuführungsdurchgangs des Arbeitsfluids, was die Zuführungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluids verringert. Diese Verringerung der Zuführungsgeschwindigkeit bewirkt, dass die Dampfmenge pro Zeiteinheit sich verringert. Daher ist es schwierig, sowohl den Boilderdruck als auch die Dampfmenge zu erhöhen.
Wenn in der zweiten herkömmlichen Wärmekraftmaschine die Dampfmaschine nicht arbeitet, tut es die Pumpe auch nicht. Ein Anlasser, der die Dampfmaschine unter Verwendung einer anderen Leistungsquelle startet, wird benötigt. Wenn man zum Beispiel beabsichtigt, die Dampfmaschine unter der Bedingung neu zu starten, dass die Dampfmaschine manchmal aufgrund einer instabilen Wärmequelle stoppt, wird ein Steuersystem benötigt, das den Anlasser abhängig von dem Zustand der Wärmequelle steuert.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Wärmekraftmaschine zur Erhöhung sowohl des Boilerdrucks als auch der Dampfmenge bereit, die leicht startet.
Eine beispielhafte Ausführungsform stellt eine Wärmekraftmaschine mit einem Boilerabschnitt (11) bereit, der Arbeitsfluid (14) heizt, um es unter Verwendung von Wärme, die von einer Wärmequelle (2) zugeführt wird, zu verdampfen, einem Ausgangsabschnitt (12), der Energie des in dem Boilerabschnitt verdampften Dampfs in mechanische Energie umwandelt, einem Kondensatorabschnitt (13), der den in dem Ausgangsabschnitt verwendeten Dampf in das Arbeitsfluid kondensiert, und einer Rückführungseinrichtung (15, 16), die das Arbeitsfluid in dem Ausgangabschnitt zu dem Boilerabschnitt rückführt, wobei die Rückführungseinrichtung ein Arbeitsfluideinleitungselement (15), welches das Arbeitsfluid aufgrund einer Kapillarkraft in dem Kondensatorabschnitt ansaugt, um es in den Boilerabschnitt einzuleiten, und eine Pumpe (16) umfasst, die durch die mechanische Energie angetrieben wird, die in dem Ausgangsabschnitt umgewandelt wird, um das Arbeitsfluid in dem Kondensatorabschnitt an den Boilerabschnitt zurück zu führen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den begleitenden Zeichnungen:
1 ist eine vertikale Gesamtquerschnittansicht einer Abwärmerückgewinnungsanlage einer ersten Ausführungsform;
2 ist eine Draufsicht von Dampfmaschinen und einer Pumpe in der Abwärmerückgewinnungsanlage der ersten Ausführungsform;
3A ist eine Draufsicht einer in 2 gezeigten Dampfmaschine oder Pumpe;
3B ist eine Querschnittansicht der in 3A gezeigten Dampfmaschine oder Pumpe;
3C ist eine Querschnittansicht der Dampfmaschine oder der Pumpe, die entlang einer Schnittlinie genommen ist, die die eine von 3B schneidet;
4A ist eine schematische Ansicht, die eine Materialplatte zeigt;
4B ist eine schematische Ansicht, die Faserschichten der Materialplatte zeigt;
4C ist eine schematische Ansicht, die Materialscheiben zeigt;
4D ist eine schematische Ansicht, die einen zylindrischen Anordnungsblock zeigt;
4E ist eine schematische Ansicht, die ein Herstellungsverfahren zeigt;
5 ist eine vertikale Gesamtquerschnittansicht einer Abwärmerückgewinnungsanlage einer zweiten Ausführungsform;
6 ist eine vertikale Gesamtquerschnittansicht einer Abwärmerückgewinnungsanlage einer dritten Ausführungsform;
7A ist eine Draufsicht der Dampfmaschine oder der Pumpe in der anderen Ausführungsform;
7B ist eine Querschnittansicht der Dampfmaschine oder der Pumpe von 7A.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
<Erste Ausführungsform>
Eine erste Ausführungsform wird unter Bezug auf 1 bis 4 beschrieben. In dieser Ausführungsform wird eine Wärmekraftmaschine auf die Abwärmerückgewinnungsanlage angewendet. 1 zeigt eine vertikale Gesamtquerschnittansicht der Abwärmerückgewinnungsanlage. Ein Pfeil, der in 1 nach oben und nach unten zeigt, zeigt die Oben- und Untenrichtung (Vertikalrichtung) in dem installierten Zustand der Abwärmerückgewinnungsanlage an.
Die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 hat einen Boilerabschnitt 11, einen Ausgangsabschnitt 12 und einen Kondensatorabschnitt 13. In dieser Ausführungsform ist die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 mit einem Generator 1 verbunden, mechanische Energie, die in der Abwärmerückgewinnungsanlage 10 umgewandelt wird, wird für die Elektrizitätserzeugung verwendet.
Der Boilerabschnitt 11 heizt Arbeitsfluid 14 (in dieser Ausführungsform Wasser) unter Verwendung von Wärme (Abwärme), die von einer Wärmequelle geliefert wird, um es zu verdampfen, auf. Der Ausgangsabschnitt 12 wandelt Energie aus in dem Boilerabschnitt 11 erzeugtem Dampf in mechanische Energie um, und gibt mechanische Energie aus. Der Kondensatorabschnitt 13 kondensiert Dampf, der in dem Ausgangsabschnitt 12 verwendet wird, in Arbeitsfluid 14.
In dieser Ausführungsform sind der Boilerabschnitt 11, der Ausgangsabschnitt 12 und der Kondensatorabschnitt 13 im Inneren eines Gehäuses 101 angeordnet. In dieser Ausführungsform wird Wasser als das Arbeitsfluid 14 verwendet, so ist es wünschenswert, das Gehäuse 101 aus nichtrostendem Stahl mit einer guten Wasserbeständigkeit zu fertigen. Das Gehäuse 101 hat einen zylindrischen Gehäuseabschnitt 101a, der sich entlang einer Vertikalrichtung erstreckt, und zwei Abdeckabschnitte 101b, 101c, die eine obere Öffnung und eine untere Öffnung des Gehäuseabschnitts 101a bedecken.
Der Boilerabschnitt 11 hat ein Wärmeübertragungselement 111. Das Wärmeübertragungselement 111 ist aus Materialien (Metallmaterial und ähnliches) mit guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt und auf einem Heizelement 2 als eine Heizquelle angeordnet.
Das Wärmeübertragungselement 111 hat ein Paar Plattenabschnitte 111a, 111b und einen Stababschnitt 111c. Das Paar Plattenabschnitte 111a, 111b ist in einem Abstand in der Vertikalrichtung einander gegenüberliegend angeordnet. Der Stababschnitt 111c verbindet zwischen Mitten des Paars von Plattenabschnitten 111a, 111b. In dieser Ausführungsform entspricht das Heizelement 2 einem Abschnitt, dessen Temperatur durch Abwärme erhöht ist, zum Beispiel einer Oberfläche eines Kanals zum Emittieren von Hochtemperaturgas oder Wasser.
Ein Docht 15, der einem Arbeitsfluideinleitungselement entspricht, ist an dem Außenumfang des Stababschnitts 111c angeordnet. Das Arbeitsfluideinleitungselement ist ein Element (Kapillaritätserzeugungselement), das eine Kapillarkraft erzeugt, um das Arbeitsfluid 14 anzusaugen, zum Beispiel eine aus Fasern gewirkte Struktur oder ein poröser Körper, wie etwa poröse Keramik, gesintertes Metall, und eine Dichtung.
Der Docht 15 bildet eine Rückführungseinrichtung, die das Arbeitsfluid 14 in dem Kondensatorabschnitt 13 an den Boilerabschnitt 11 zurück führt. In dieser Ausführungsform ist der Docht in einer zylindrischen Form ausgebildet und derart angeordnet, dass er sich in einer Vertikalrichtung erstreckt Der Stababschnitt 111c dringt ins Innere des Dochts 15 ein.
Der Docht 15 kann als ein Zylinder oder mehrere Zylinder ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der Docht 15 als eine Einheit oder mehrere Zylinder, die in der Axialrichtung nebeneinander kombiniert sind, ausgebildet sein.
Der Docht 15 ist eine Faseranhäufung (laminierter Körper aus Faserschichten) mit mehreren aneinander laminierten Faserschichten. In dieser Ausführungsform ist der Docht 15 eine Mischung aus Aramidfasern, die thermoplastische Harzfasern und Steinwollefasern sind. Anstelle der Steinwollefasern kann Glaswolle verwendet werden. Die Mischung kann als ein Wärmeisolator verwendet werden.
Der Docht 15 wird als eine Einheit ausgebildet, indem viele ringförmige Materialscheiben in der Axialrichtung des Dochts 15 aneinander laminiert werden. In 1 sind zu Veranschaulichungszwecken die Grenzflächen der Materialscheiben durch durchgezogene Linien gezeigt. Die Grenzflächen der Materialscheiben des Dochts 15 erstrecken sich in eine erste Richtung (die Richtung kreuzt die Axialrichtung) des Dochts 15
Jede Materialscheibe des Dochts 15 umfasst mehrere Faserschichten, wobei die Faserschichten in der Dickenrichtung laminiert sind.
Der Stababschnitt 111c geht durch die Mitte des unteren Abdeckungsabschnitts 101c des Gehäuses 101. Ein ringförmiges scheibenartiges Zwischenelement 112 ist zwischen dem unteren Abdeckabschnitt 101c und der unteren Endfläche des Dochts 15 angeordnet. Ein ringförmiges scheibenartiges Zwischenelement 113 ist zwischen dem oberen Plattenabschnitt 111b und der oberen Endfläche des Dochts 15 angeordnet. Die Zwischenelemente 112, 113 haben im Wesentlichen den gleichen Außen- und Innendurchmesser wie der Außen- und Innendurchmesser des zylindrischen Dochts 15.
Zwischen dem Außenumfang des Dochts 15 und dem Außenumfang des Stangenabschnitts 111c ist ein Verdampfungsraum 114 ausgebildet. Der Verdampfungsraum 114 ist ein Raum, in dem der Dampf des Arbeitsfluids 14 erzeugt wird.
Ein Dampfdurchgang 115, der mit dem Verdampfungsraum 14 in Verbindung steht, ist in dem oberen Plattenabschnitt 111b ausgebildet. Der Dampfdurchgang 15 ist ein Durchgang, der Dampf in dem Verdampfungsraum 114 zu dem Ausgangsabschnitt 12 leitet.
Ein Fluidsammelraum 131 ist zwischen dem Außenumfang des Dochts 15 und der Innenwand des Gehäuseabschnitts 101a ausgebildet. Das Arbeitsfluid 14 sammelt sich in dem Fluidsammelraum 131.
Aufgrund der Kapillarwirkung wird eine Druckdifferenz im Inneren des Dochts 15 erzeugt. Die Druckdifferenz durch die Kapillarwirkung ist in der folgenden Beschreibung als ein Druck ΔP aufgrund der Kapillarkraft des Dochts 15 definiert. Der Druck ΔP aufgrund der Kapillarkraft des Dochts 15 wird in der folgenden numerischen Formel (1) ausgedrückt. ΔP = (2σ/r))·cosθ (1)
Hier ist r der äquivalente Radius von Leerräumen in dem Docht 15 (Radius des feinen Röhrchens), σ ist die Oberflächenspannung und θ ist der Kontaktwinkel. Der äquivalente Radius ist der Radius des Kreises mit der gleichen Fläche wie der der Zielquerschnittfläche.
Der Druck ΔP aufgrund der Kapillarkraft des Dochts 15 saugt das Arbeitsfluid 14 aus dem Außenumfang des Dochts 15.
Der in dem Gehäuse 101 eingerichtete Docht 15 wird durch die Last des Zwischenelements 112, 113 in der Axialrichtung komprimiert. Der Docht 15 schwillt in dem Arbeitsfluid 14 an. Dies lässt die Leerräume in dem Docht 15 weiter schrumpfen.
Das Schrumpfen der Leerräume in dem Docht 15 macht den äquivalenten Kreisradius r der Leerräume in dem Docht 15, der in der numerischen Formel (1) ausgedrückt wird, klein, wobei der Druck ΔP aufgrund der Kapillarkraft des Dochts 15 daher groß ist. In dieser Ausführungsform ist der Docht 15 derart aufgebaut, dass der Druck ΔP aufgrund der Kapillarkraft des Dochts 15 größer als die Druckdifferenz (PH – PL) zwischen dem Druck PH in dem Verdampfungsraum 14 und dem Druck PL in dem Fluidsammelraum 131 ist (ΔP > PH – PL).
Mit anderen Worten ist der Docht 15 derart aufgebaut, dass er die folgenden numerische Formen (2) erfüllt. (2σ/r)·cosθ > PH – PL (2)
In dieser Ausführungsform ist der Docht 15 aus wärmeisolierenden Materialien gefertigt, die gute Wärmeisolationseigenschaften haben. Der Docht 15 dient als ein Wärmeisolator, der verhindert, dass die Wärme des Stababschnitts 111c sich auf das Arbeitsfluid 14 in dem Fluidsammelraum 131 überträgt.
Das Arbeitsfluid 14, das von dem Außenumfang des Dochts 15 gesaugt wird, erreicht den Verdampfungsraum 14, wird durch den Stababschnitt 111c geheizt, um zu verdampfen, und der Dampf strömt durch den Verdampfungsraum 114 und den Dampfdurchgang 115 zu einer Dampfmaschine 121 des Ausgangsabschnitts 12.
Die Dampfmaschine 121 des Ausgangsabschnitts 12 ist eine Fluidmaschine, die die Energie des Dampfs in dem Boilerabschnitt 11 in mechanische Energie umwandelt. In dieser Ausführungsform wird eine Pendel-Typ-Maschine, deren Kolben und Zylinder wie ein Pendel schwingen, als die Dampfmaschine 121 verwendet. Anstelle der Dampfmaschine 121 kann eine Dampfturbine und ähnliches verwendet werden.
Die Dampfmaschine 121 ist über dem Stangenabschnitt 111b angeordnet. In dieser Ausführungsform ist die Dampfmaschine 121 durch das plattenartige Basiselement 102 an der oberen Oberfläche des Plattenabschnitts 111b befestigt.
Eine Pumpe 16 ist auch an der oberen Oberfläche des Basiselements 102 befestigt. Die Pumpe 16 ist eine Fluidmaschine, die mechanische Energie in Energie des Arbeitsfluids 14 umwandelt und die Rückführungseinrichtung, die das Arbeitsfluid 14 in dem Kondensatorabschnitt 13 zu dem Boilerabschnitt 11 zurückführt, bildet.
In dieser Ausführungsform ist die Zusammensetzung der Pumpe 16 die gleiche wie die der Dampfmaschine 121. Eine Pendelpumpe, deren Kolben und Zylinder wie ein Pendel schwingen, wird als die Pumpe 16 verwendet.
Anstelle der Pendelpumpe kann eine Verdrängerpumpe oder ähnliches als die Pumpe 16 verwendet werden.
2 zeigt eine Draufsicht der Dampfmaschinen 121 und der Pumpe 16 in der Abwärmerückgewinnungsanlage 10 der ersten Ausführungsform. In dem Beispiel von 2 hat die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 drei Dampfmaschinen 121 (drei Zylinder) und eine Pumpe 16 (einen Zylinder). Die Anzahl von Dampfmaschinen 121 und Pumpen 16 (die Anzahl von Zylindern) kann geeignet modifiziert werden.
3 zeigt eine Querschnittansicht einer der in 2 gezeigten Dampfmaschinen 121. Die Zusammensetzung der Pumpe 16 ist die gleiche wie die der Dampfmaschine 121, wobei das Zeichen in Klammern von 3 der Pumpe 16 entspricht. In 2 und 3 sind die Positionen, wenn die Dampfmaschine (oder Pumpe) sich bewegt, durch die Strichpunkt-Doppelstrichlinien gezeigt.
Die Dampfmaschine 121 hat einen Kolben 121a und einen Zylinder 121b. Der Zylinder 121b, der von einer Schwingachse 121d gehalten wird, schwingt in Bezug auf eine Zylinderbasis 121c, die an dem Basiselement 102 befestigt ist, um die Schwingachse 121d.
Das Basiselement 102 und die Zylinderbasis 121c sind mit Ansaugdurchgängen 102a, 121e versehen, die mit dem Dampfdurchgang 115 des Boilerabschnitts 11 in Verbindung stehen. Die Ansaugdurchgänge 102a, 121e sind ein Durchgang, in dem Dampf, der in einen Zylinder 121b eingeleitet werden soll, strömt. Die Zylinderbasis 121c ist mit einem Abgabedurchgang 121f versehen. Der Abgabedurchgang 121g ist ein Durchgang, in dem von dem Zylinder 121b austretender Dampf strömt. Der Auslassabschnitt des Ansaugdurchgangs 121e und der Einlassabschnitt des Abgabedurchgangs 121f öffnen sich an der oberen Oberfläche der Zylinderbasis 121c. Der Auslassabschnitt des Abgabedurchgangs 121f öffnet sich zu einem Innenraum des Gehäuses 101. In dieser Ausführungsform öffnet sich der Auslass des Abgabedurchgangs 121f zu einem Kondensationsraum 132 des Kondensatorabschnitts 13, der in 1 gezeigt ist.
In dieser Ausführungsform sind der Kolben 121a und der Zylinder 121b in einer horizontalen Richtung angeordnet, die Schwingachse 121d ist in einer vertikalen Richtung angeordnet, und der Kolben 121a und der Zylinder schwingen in einer horizontalen Richtung.
Der Zylinder 121b hat einen ersten Durchgang 121g, in den Dampf eingeleitet und von dem Zylinder 121b abgegeben wird. Der erste Durchgang 121g öffnet sich an der unteren Oberfläche des Zylinders 121b. Der erste Durchgang 121g steht mit den Ansaugdurchgängen 102a, 121e in Verbindung, wenn der Zylinder 121b auf einer ersten Seite der Schwingrichtung ist. Der erste Durchgang 121g steht mit den Abgabedurchgängen 121f in Verbindung, wenn der Zylinder 121b auf einer zweiten Seite in der zu der ersten Seite entgegengesetzten Schwingrichtung ist. Der Zylinder 121b kann von der ersten Position zu der zweiten Position schwingen.
Wenn der Zylinder 121b auf der ersten Seite ist, wird Dampf in dem Verdampfungsraum 14 des Boilerabschnitts 11 durch den Dampfdurchgang 115, die Ansaugdurchgänge 102a, 121e und den ersten Durchgang 121g in den Zylinder 121b eingeleitet, wobei der Kolben 121a gedrückt wird, um sich zurück zu bewegen.
Das Ende des Kolbens 121a ist mit einem Getrieberad 121i verbunden. Wie in 2 gezeigt, ist das Getrieberad 121i mit einem Sonnenrad 122 verbunden. Eine Ausgangsachse 123 ist an der Mitte des Sonnenrads 122 befestigt. Die Bewegung des Kolbens 121a dreht die Ausgangsachse 123 durch das Getrieberad 121i und das Sonnenrad 122.
Die Drehung des Getrieberads 121i, die durch die Bewegung des Kolbens 121b bewirkt wird, erlaubt dem Zylinder 121b, in die zweite Position zu schwingen, wobei der erste Durchgang 121g durch die obere Oberfläche der Zylinderbasis 121c geschlossen wird.
In dem Zustand, in dem der erste Durchgang 121g geschlossen ist, dreht sich das Getrieberad 121i durch eine Trägheitskraft weiter, wobei die Trägheitskraft des Getrieberads 121i den Kolben 121a rückwärts bewegt. Das kontinuierliche Schwingen des Kolbens 121a während dieser Zeit, erlaubt dem Zylinder 121b, die zweite Seite zu erreichen, wobei der erste Durchgang 121g mit dem Abgabedurchgang 121f in Verbindung steht, der seinerseits den Dampf in dem Zylinder 121b zu dem Innenraum (dem Kondensationsraum 132 des Kondensatorabschnitts 13) abgibt.
Wie in 1 gezeigt, ist die Ausgangsachse 123 des Ausgangsabschnitts 12 durch den oberen Abdeckabschnitt 101b auf der Oberseite des Gehäuses 101 durch eine Magnetkopplung mit einer Drehachse 1a verbunden. In dem Generator 1 wird basierend auf der Drehung der Drehachse 1a elektrische Leistung erzeugt. Die erzeugte elektrische Leistung wird an die (nicht gezeigte) elektrische Anlage zugeführt, die mit dem Generator 1 verbunden ist.
Der Kondensatorabschnitt 13 hat, wie vorstehend beschrieben, den Fluidsammelraum und den Kondensationsraum 132. In dem Kondensationsraum 132 wird der von der Dampfmaschine 121 abgegebene Dampf in das Arbeitsfluid 14 kondensiert. Die Oberseite des Innenraums des Gehäuses 101 bildet in dieser Ausführungsform den Kondensationsraum.
Das in dem Kondensationsraum 132 kondensierte Arbeitsfluid 14 wird in dem Fluidsammelraum 131 angesammelt. Der Fluidsammelraum 131 ist unter dem Kondensationsraum 132 in dem Gehäuse 101 ausgebildet. Das Basiselement 102 und der Plattenabschnitt 101b sind mit Lücken zwischen ihnen und dem Gehäuseabschnitt 101a des Gehäuses 101 angeordnet.
Die vorstehende Beschreibung gemeinsam für alle der Dampfmaschinen 121, wenngleich nur einen von ihnen erklärt wird.
Die Pumpe 16 hat, wie durch die Beschriftung in Klammern von 3 gezeigt, einen Kolben 16a und einen Zylinder 16b. Der Zylinder 16b, der von einer Schwingachse 16d gehalten wird, schwingt in Bezug auf eine Zylinderbasis 16c, die an dem Basiselement befestigt ist, um die Schwingachse 16d.
Die Zylinderbasis 16c ist mit einem Ansaugfluiddurchgang 16e versehen. Der Ansaugfluiddurchgang 16e ist ein Durchgang, in dem das Arbeitsfluid 14, das in einen Zylinder 16b eingeleitet werden soll, strömt. Der Auslassabschnitt des Ansaugfluiddurchgangs 16e öffnet sich an der oberen Oberfläche der Zylinderasis 16c. Der Einlassabschnitt des Ansaugfluiddurchgangs 16e steht mit einem Auslassabschnitt einer Ansaugfluidrohrleitung 17 in Verbindung, die in 1 gezeigt ist.
In dem in 1 gezeigten Beispiel steht der Einlassabschnitt des Ansaugfluiddurchgangs 16e durch einen Arbeitsfluiddurchgang, der in dem Basiselement 102 ausgebildet ist, mit dem Auslassabschnitt der Ansaugfluidrohrleitung 17 in Verbindung. Der Einlass der Ansaugfluidrohrleitung 17 ist in dem Fluidsammelraum 131 angeordnet.
Wie in 3 gezeigt, ist die Zylinderbasis 16c mit einem Abgabefluiddurchgang 16f versehen. Der Abgabefluiddurchgang 16f ist ein Durchgang, in dem das von dem Zylinder 16b abgegebene Arbeitsfluid 14 strömt. Wie nicht in 3 gezeigt, dringt der Abgabefluiddurchgang 16f in die Zylinderbasis 16c ein, der Einlassabschnitt des Abgabefluiddurchgangs 16f öffnet sich an der oberen Oberfläche der Zylinderbasis 16c, und der Auslassabschnitt der Zylinderbasis 16c steht mit einem Einlassabschnitt einer in 1 gezeigten Abgabefluidrohrleitung 18 in Verbindung.
In dem Beispiel von 1 steht der Auslassabschnitt des Abgabefluiddurchgangs 16f mit dem Einlassabschnitt des Abgabefluidleitungsrohrs 18 in Verbindung.
Der Auslass der Abgabefluidrohrleitung 18 steht mit dem Verdampfungsraum des Boilerabschnitts 11 in Verbindung. In dem Beispiel von 1 steht der Auslass der Abgabefluidrohrleitung 18 durch einen Arbeitsfluiddurchgang, der in dem Zwischenelement 112 ausgebildet ist, mit dem Verdampfungsraum des Boilerabschnitts 11 in Verbindung.
In dieser Ausführungsform sind der Kolben 16a und der Zylinder 16b in einer horizontalen Richtung angeordnet, und die Schwingachse 16d ist in einer vertikalen Richtung angeordnet, und der Kolben 6a und der Zylinder 6b schwingen in einer horizontalen Richtung.
Der Zylinder 16b hat einen ersten Durchgang 16g, in den das Arbeitsfluid 14 eingeleitet wird, das von dem Zylinder 16b abgegeben wird. Der erste Durchgang 16g öffnet sich an der unteren Oberfläche des Zylinders 16b. Der erste Durchgang 16g steht mit den Ansaugfluiddurchgängen 16e in Verbindung, wenn der Zylinder 16b auf einer dritten Seite der Schwingrichtung ist.
Der erste Durchgang 16g steht mit dem Abgabefluiddurchgang 16f in Verbindung, wenn der Zylinder 16b auf einer vierten Seite in der zu der dritten Seite entgegengesetzten Schwingrichtung ist. Der Zylinder 16b kann von der dritten Position zu der vierten Position schwingen.
Das Ende des Kolbens 16a ist mit einem Getrieberad 16i verbunden. Wie in 2 gezeigt, ist das Getrieberad 16i mit dem Sonnenrad 122 verbunden. Die Dampfmaschine 121 dreht das Sonnenrad 122, wobei die Drehung des Sonnenrads 122 das Getrieberad 16i dreht, das seinerseits erlaubt, dass der Zylinder 16b schwingt und der Kolben 16a sich hin und her bewegt.
In dem Beispiel von 2 ist die Drehzahl des Getrieberads 16i kleiner als die des Getrieberads 121i der Dampfmaschine 121 festgelegt.
Wenn der Kolben 16a gezogen wird, um sich zurück zu bewegen, ist der Zylinder 16b auf der dritten Seite, wobei der erste Durchgang 16g mit dem Ansaugfluiddurchgang 16e in Verbindung steht. Dies erlaubt dem Arbeitsfluid 14 in dem Fluidsammelraum 131, durch die Ansaugfluidrohrleitung 17 und den Ansaugdurchgang 16e in den Zylinder 16b eingeleitet zu werden.
Wenn der Kolben 16a gedrückt wird, um sich vorwärts zu bewegen, ist der Zylinder 16b auf der vierten Seite, wobei der erste Durchgang 16g mit dem Abgabefluiddurchgang 16f in Verbindung steht. Dies erlaubt, dass das Arbeitsfluid 14 in dem Zylinder 16b durch den Abgabefluiddurchgang 16f und die Abgabefluidrohrleitung 18 in den Verdampfungsraum 114 des Boilerabschnitts 11 abgegeben wird.
Als nächstes wird das Herstellungsverfahren des Dochts 15 unter Bezug auf 4 erklärt.
Zuerst werden Materialplatten W1, wie in 4A gezeigt, hergestellt.
Die Materialplatte ist eine Faseransammlung (laminierter Körper aus Faserschichten) mit mehreren aneinander laminierten Faserschichten. Die Materialplatte wird durch ein sich wiederholendes Papierausbildungsverfahren zu einer vorbestimmten dicken Platte ausgebildet. In dieser Ausführungsform sind die Materialplatten W1 Mischungen aus Aramidfasern, die thermoplastische Harzfasern und Steinwollefasern sind, und die Dicke jeder Materialplatte ist dünn und ungefähr 4 mm.
4B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts in 4A. In 4B sind zu Veranschaulichungszwecken die Grenzflächen der Faserschichten durch durchgehende Linien gezeigt. Wie in 4B gezeigt, sind die Faserschichten, die die Materialscheibe bilden, in der Dickenrichtung aneinander laminiert. Mit anderen Worten erstrecken sich die Faserschichten der Materialplatten W1 in eine Ebenenrichtung.
Zweitens werden viele Materialplatten W1 in viele ringförmige scheibenartige Platten geschnitten, die, wie in 4C gezeigt, als ringförmige Materialscheiben W2 definiert sind. In diesem Verfahren werden viele ringförmige Materialscheiben W2 in die gleiche Größe des Innendurchmessers und Außendurchmessers geschnitten.
Dann werden, wie in 4D gezeigt, viele ringförmige Materialscheiben W2 in der Dickenrichtung laminiert, um zu einem zylindrischen Anordnungsblock W3 ausgebildet zu werden. Die Faserschichten des zylindrischen Anordnungsblocks W3 erstrecken sich in die erste Richtung.
Dann wird der zylindrische Anordnungsblock, wie in 4E gezeigt, in einer Presseinspannvorrichtung J eingerichtet und durch die Presseinspannvorrichtung J heiß gepresst. Die Presse vereinigt die ringförmigen Materialscheiben W2 in dem zylindrischen Anordnungsblock W3, um zu einem zylindrischen Docht 15 ausgebildet zu werden.
Die Faserschichten erstrecken sich entlang der ersten Richtung. Daher haben die Grenzflächen der Faserschichten in dem Docht 15 mehr zusammenhängende Leerräume als das Innere jeder Faserschicht des Dochts 15 hat, folglich hat der Docht 15 eine Struktur, in der Abschnitte mit zusammenhängenden Leerräumen sich entlang der ersten Richtung erstrecken.
In dieser Ausführungsform hat die Presseinspannvorrichtung J einen Ring J1, der aus nichtrostendem Stahl gefertigt ist, eine kreisförmige Platte J2, die aus nichtrostendem Stahl gefertigt ist, einen Zylinder J3, der aus nicht rostendem Stahl gefertigt ist. Die wünschenswerten Bedingungen des Heißpressens sind zum Beispiel eine Temperatur von 300°C, ein Heißpressdruck von 50 t und 20 Minuten Heißpressdauer. Die ringförmigen Materialscheiben W2 können durch Heißpressen mit der Temperatur die Aramidfasern erweicht, miteinander vereinigt werden.
Nachdem die Heißpressdauer vergangen ist, werden sie gekühlt, wobei die gepressten Leerräume zwischen Fasern schrumpfen. Dieses Verfahren verstärkt die Haftung zwischen den Fasern, um die Festigkeit des Dochts 15 zu erhöhen.
Als nächstes wird das Verhalten der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung erklärt. Zuerst wird das Verhalten im stabilen Zustand erklärt.
In dem Boilerabschnitt 11 wird die Wärme des Heizelements 2 in dem Verdampfungsraum 114 durch das Wärmeübertragungselement 111 auf das Arbeitsfluid 14 übertragen, wobei das Arbeitsfluid 14 geheizt wird, um zu verdampfen. Dampf, der in dem Verdampfungsraum 14 erzeugt wird, wird durch den Dampfdurchgang 15 an die Dampfmaschine 121 des Ausgangsabschnitts 12 zugeführt.
Dampf, der an die Dampfmaschine 121 zugeführt wird, treibt den Kolben 121a an, wobei die Energie des Dampfs in mechanische Energie umgewandelt wird. Der antreibende Kolben 121a dreht die Ausgangsachse 123, um elektrische Leistung in dem Generator 1 zu erzeugen. Somit wird Abwärmeenergie als elektrische Energie zurück gewonnen.
Dampf in der Dampfmaschine 121 wird nach dem Antreiben des Kolbens 121a durch den Abgabedurchgang 121f in den Kondensationsraum 132 des Kondensatorabschnitts 13 abgegeben. Dampf, der in den Kondensationsraum 132 abgegeben wird, wird in dem Kondensationsraum 132 in das Arbeitsfluid kondensiert. Das kondensierte Arbeitsfluid 14 wird in dem Fluidsammelraum 131 gesammelt.
Die Drehung der Ausgangsachse 123 aufgrund des Antriebs des Kolbens 121a treibt den Kolben 16a der Pumpe 16 an, wobei das Arbeitsfluid in dem Fluidsammelraum 131 unter Verwendung des in der Pumpe 16 erzeugten Drucks zu dem Verdampfungsraum 114 des Boilerabschnitts 11 bewegt wird.
Das Arbeitsfluid 14, das zu dem Verdampferraum 114 gepumpt wird, wird geheizt, um in dem Verdampfungsraum 114 zu verdampfen. Die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 arbeitet im stabilen Zustand durch Wiederholen des vorstehend beschriebenen Verhaltens.
Es ist wünschenswert, dass das Verhältnis des Durchsatzes (Volumendurchsatz) von Dampf, der in dem Ausgangsabschnitt 12 verwendet werden soll, zu dem Durchsatz (Volumendurchsatz) des Arbeitsfluids 14, das von der Pumpe 16 geliefert werden soll (Durchsatz von Dampf, der in dem Ausgangsabschnitt 12 verwendet werden soll/Durchsatz des Arbeitsfluids 14, das von der Pumpe 16 geliefert werden soll) in einem Fall, in dem das Arbeitsfluid 14 verdampft, größer als 1 und kleiner oder gleich dem Volumenausdehnungskoeffizienten festgelegt wird.
Insbesondere ist es wünschenswert, dass das Verhältnis des Ansaugdurchsatzes (Volumendurchsatz) der Dampfmaschine 121 zu dem Abgabedurchsatz (Volumendurchsatz) der Pumpe 16 in einem Fall, in dem das Arbeitsfluid 14 verdampft, so nahe wie möglich an dem Volumenausdehnungskoeffizienten festgelegt wird. Dies verringert den Überschuss und Mangel der Menge des Arbeitsfluids 14, das an den Verdampfungsraum 114 zugeführt werden soll, wobei das Verhalten der Abwärmerückgewinnungsanlage 10 stabilisiert wird.
Das Verhältnis des Ansaugdurchsatzes der Dampfmaschine 121 zu dem Abgabedurchsatz der Pumpe 16 wird aus dem Volumenverhältnis * dem Geschwindigkeitsverhältnis berechnet. Das Volumenverhältnis ist das Verhältnis des Gesamtvolumens der Dampfmaschine 121 zu dem Gesamtvolumen der Pumpe 16 (Gesamtvolumen der Dampfmaschine 121/Gesamtvolumen der Pumpe 16). Das Gesamtvolumen ist die Summe der jeweiligen Zylindervolumen aller Zylinder. Das Zylindervolumen ist das Volumen des Raums, der zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt eines Zylinders ausgebildet ist.
Das Geschwindigkeitsverhältnis ist das Verhältnis der Drehzahl des Getrieberads 121i der Dampfmaschine 121 zu der Drehzahl des Getrieberads 16i der Pumpe 16 (Drehzahl des Getrieberads 121i der Dampfmaschine/Drehzahl des Getrieberads 16i der Pumpe 16).
Wie vorstehend beschrieben, wird das Heizelement 2 in dieser Ausführungsform durch Abwärme geheizt. Wenn daher die Wärmequelle instabil ist, kann in dem Verdampfungsraum 114 nicht kontinuierlich Dampf verdampfen, was bewirkt, dass die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 stoppt.
In diesem Fall stoppt die Pumpe 16. Selbst wenn in der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung die Pumpe 16 stoppt, kann das Arbeitsfluid 14 durch den Docht 15 an den Verdampfungsraum 114 zugeführt werden.
Insbesondere wird in dem Docht 15 eine Kapillarkraft zum Ansaugen des Arbeitsfluids 14 in den Fluidsammelraum 131 erzeugt. Das Arbeitsfluid 14 wird von dem Fluidsammelraum 131 unter Verwendung der Kapillarkraft an den Verdampfungsraum 114 zugeführt.
Dies startet die Verdampfung des Arbeitsfluids 14 in dem Verdampfungsraum 114 neu, wobei der Betrieb der Abwärmerückgewinnungsanlage 10 automatisch wieder anläuft. Daher werden kein Anlasser zum Anlassen der Dampfmaschine 121 und keine Steuerung zum Steuern des Anlassers benötigt.
Die Pumpe 16 in dieser Ausführungsform lässt zu, dass das Arbeitsfluid an den Boilerabschnitt 11 zugeführt wird, ohne so sehr durch die Zuführungsgeschwindigkeit des Arbeitsfluids 14 durch den Docht 15 beeinflusst zu werden. Wenn daher der äquivalente Kapillarradius des Dochts 15 klein festgelegt wird und der Boilerdruck hoch festgelegt wird, kann die notwendige Dampfmenge pro Zeiteinheit sichergestellt werden. Die Erhöhung sowohl des Boilerdrucks als auch der Dampfmenge kann erreicht werden.
Das Arbeitsfluid 14 kann durch den Docht 15 an den Boilerabschnitt 11 zugeführt werden, auch wenn die Pumpe 16 stoppt. Daher wird das Heizelement 2 ausreichend geheizt, was erlaubt, dass das Arbeitsfluid 14 verdampft, ohne einen Anlasser zum Anlassen der Dampfmaschine 121 zu verwenden. Es ist leicht, die Betriebe in dieser Abwärmerückgewinnungsanlage 10 zu starten.
In dieser Ausführungsform ist der äquivalente Kreisradius r von Leerräumen in dem Docht 15, indem Leerräume in dem Docht 15 klein festgelegt werden, so klein festgelegt, dass der Druck ΔP aufgrund der Kapillarkraft des Dochts 15 größer als die Druckdifferenz (PH – PL) zwischen dem Druck PH in dem Verdampfungsraum 14 und dem Druck PL in dem Fluidsammelraum 131 ist (ΔP > PH – PL).
Die Kapillarkraft des Dochts 15 überwindet die Druckdifferenz (PH – PL) zwischen dem Druck PH in dem Verdampfungsraum 14 und dem Druck PL in dem Fluidsammelraum 131, was erlaubt, dass das Arbeitsfluid 14 in dem Fluidsammelraum 131 bei einem niedrigeren Druck gesammelt wird, um effizient zu dem Verdampfungsraum 114 auf einem höheren Druck gesaugt zu werden.
Mit anderen Worten kann in einem Zustand, in dem die Druckdifferenz zwischen dem Fluidsammelraum 13 und dem Verdampfungsraum 14 unter Verwendung des Dochts 15 und der Verleihung einer Kapillarkraft, die der Druckdifferenz (PH – PL) nicht nachgibt, das Arbeitsfluid 14 von dem Fluidsammelraum 131 mit einem niedrigeren Druck zu dem Verdampfungsraum 114 mit einem höheren Druck gesaugt werden. Das Arbeitsfluid 14 in dem Fluidsammelraum 131 kann zu dem Verdampfungsraum 114 mit einem höheren Druck als dem des Fluidsammelraums 131 befördert werden, ohne externe Energie zu verwenden.
Kleine Leerräume in dem Docht 15 können verhindern, dass Dampf in dem Verdampfungsraum 114 durch den Docht 15 zurück zu dem Fluidsammelraum 131 strömt.
Insbesondere wird der Docht 15 in dem Herstellungsverfahren (Heißpressen) und ferner unter der Last des Gehäuses 101 in einem Zustand, in dem der Docht 15 an dem Boilerabschnitt 11 befestigt ist, komprimiert. Außerdem schwillt der Docht 15 in dem Arbeitsfluid 14 an. Als ein Ergebnis werden Leerräume in dem Docht 15 minimiert, was verhindern kann, dass Dampf in dem Verdampfungsraum 114 durch Leerräume des Dochts 15 zurück zu dem Fluidsammelraum 131 strömt. Das heißt, Dampf kann zuverlässig abgedichtet werden.
In einem Fall, in dem der Druck des Verdampfungsraums 114 abnormal ansteigt, kann der Dampf in dem Verdampfungsraum 114 durch den Docht 15 nach außerhalb des Verdampfungsraums 114 freigesetzt werden. Das heißt, der Docht 15 kann als ein Begrenzer dienen.
Hier ist der Siedepunkt des Arbeitsfluids 14 abhängig von Materialien des Arbeitsfluids 14 und einem Druck in dem Gehäuse 101. Wenn zum Beispiel Alkohol als das Arbeitsfluid 14 verwendet wird und das Gehäuse 101 evakuiert wird, kann die Wärmequelle niedriger als 0°C sein. Da der Wärmewiderstand des Dochts 15 und des Boilerabschnitts 11 in einem Fall, in dem die Temperatur der Wärmequelle niedrig ist, nicht benötigt wird, können Materialien mit einem niedrigen Wärmewiderstand als Materialien (Harz oder ähnliches) des Dochts 15 und des Boilerabschnitts 11 verwendet werden.
In dieser Ausführungsform erstrecken sich die Faserschichten in der ersten Richtung von der Außenumfangsseite zu der Innenumfangsseite, dies bildet Leerräume, die sich zwischen den Faserschichten von der Innenumfangsseite zu der Außenumfangsseite erstrecken. Dies erhöht ein Fließvermögen des Arbeitsfluids 14 von dem Außenumfang zu dem Innenumfang, dies erhöht die Leistung für die Zuführung des Arbeitsfluids 14 von dem Fluidsammelraum 131 zu dem Verdampfungsraum 114.
Insbesondere ist der Docht 15 in dieser Ausführungsform zu einer derartigen zylindrischen Form ausgebildet, dass die erste Richtung des Dochts 15 zu der Richtung orientiert ist, in der die Faserschichten sich erstrecken, was erlaubt, dass die Fließstrecke des Arbeitsfluids 14 in dem Docht 15 so weit wie möglich verkürzt wird. Daher wird ein Fließvermögen des Arbeitsfluids 14 von dem Außenumfang zu dem Innenumfang vergrößert, was die Leistung zum Zuführen des Arbeitsfluids 14 von dem Fluidsammelraum 131 zu dem Verdampfungsraum 114 erhöht.
Die zylindrische Form des Dochts 15 erlaubt, dass das Arbeitsfluid 14 von dem Fluidsammelraum 131 gleichmäßig an jede Stelle des Verdampfungsraums 114 zugeführt wird.
Der Docht 15 ist aus wärmeisolierenden Materialien gefertigt und ist auf einem Wärmeübertragungspfad von dem Stababschnitt 111c des Warmeübertragungselements 111 zu dem Fluidsammelraum 131 angeordnet. Ein derartiger Docht 15 kann verhindern, dass die Wärme des Stababschnitts 111c sich auf das Arbeitsfluid 14 in dem Fluidsammelraum 131 überträgt, was eine Abnahme des Ausgangswirkungsgrads aufgrund der Verdampfung des Arbeitsfluids 14 verhindern kann.
Ferner erlaubt die zylindrische Form des Dochts 15, dass der Verdampfungsraum 114 groß festgelegt wird. Der größere Verdampfungsraum 114 kann die Wärmeleitfähigkeit verbessern. Als ein Ergebnis wird die Ausgangsleistung erhöht. Die verbesserte Wärmeleitfähigkeit kann die Temperatur des Boilerabschnitts 11 niedriger machen. Dies verhindert, dass der Docht 15 seine Beschaffenheit aufgrund von Wärme ändert.
Der Verdampfungsraum 14 ist im Inneren des zylindrischen Dochts 15, der sich in einer vertikalen Richtung erstreckt, ausgebildet, und der Verdampfungsraum 114 erstreckt sich in einer vertikalen Richtung. Dies kann zulassen, dass Dampf in dem Verdampfungsraum 114 leicht in den Dampfdurchgang 115 strömt. Daher wird die Abgabe von Dampf, der aus dem Arbeitsfluid 14 umgewandelt wird, verbessert, und die Ausgangsleistung wird erhöht.
Ferner ist der Dampfdurchgang 115 in dem Plattenabschnitt 111b des Wärmeübertragungselements 111 ausgebildet, und Dampf wird ferner während des Durchgangs durch den Dampfdurchgang 115 geheizt, um überhitzter Dampf zu werden. Daher steigt der Dampfdruck, was einen Maschinenschub vergrößert. Mit anderen Worten wird die Ausgangsenergie erhöht.
In dieser Ausführungsform überträgt das Wärmeübertragungselement Wärme von dem Heizelement 2 an die Dampfmaschine 121 des Ausgangsabschnitts 12. Daher wird die Dampftemperatur (der Dampfdruck) in der Dampfmaschine 121 erhöht, was den Maschinenschub vergrößert.
In dieser Ausführungsform schwingen die Dampfmaschine 121 und die Pumpe 16 entlang einer gemeinsamen Ebene. Dies macht einen Kraftübertragungsmechanismus, der die in der Dampfmaschine 121 umgewandelte Leistung an die Pumpe 16 überträgt, einfach, macht die Einstellung des Drehzahlverhältnisses einfach und erlaubt, dass der Installationsraum verkleinert wird.
<Zweite Ausführungsform>
Eine zweite Ausführungsform wird unter Bezug auf 5 beschrieben.
Die Pumpe 16 ist in der ersten Ausführungsform über dem Pegel des Arbeitsfluids 14 angeordnet und ist in der zweiten Ausführungsform in dem Pegel des Arbeitsfluids 14 angeordnet. In 5 und 6 werden die gleichen Zeichen verwendet, um die Elemente in 5 und 6 zu zeigen, die den in 1 gezeigten Elementen entsprechen.
Insbesondere ist die Pumpe 16 über der Dampfmaschine 121 angeordnet, und das Arbeitsfluid 14 wird über die Pumpe 16 eingeleitet. In dem Innenraum des Gehäuses 101 ist der Raum über dem Pegel des Arbeitsfluids 14 der Kondensationsraum 132, und der mit dem Arbeitsfluid 14 gefüllte Raum ist der Fluidsammelraum 131.
In dieser Ausführungsform wird das Ansaugfluid 17 nicht bereitgestellt, da die Pumpe 16 in dem Arbeitsfluid 14 angeordnet ist.
Der Umfang der Dampfmaschine 121 ist mit einem Wandelement 121 versehen, um zu verhindern, dass das Arbeitsfluid 14 in die Dampfmaschine 121 eintritt, und die Pumpe 16 ist an der oberen Oberfläche des Wandelements 20 befestigt.
Das Wandelement 20 ist derart ausgebildet, dass es die Dampfmaschine 121 umgibt, und ist an dem Plattenelement 111b unter der Dampfmaschine 121 befestigt. Diese Struktur trennt die Dampfmaschine 121 von dem Arbeitsfluid 14.
In dem Beispiel in 5 hat das Wandelement 20 ein zylindrisches Element 201, das an dem Plattenelement 111b befestigt ist und ein plattenartiges Basiselement 202, das an dem oberen Ende des zylindrischen Elements 201 befestigt ist. Ein Raum, der von dem Plattenelement 111b, dem zylindrischen Element 201 und dem Basiselement 202 umgeben ist, bildet einen Maschinenraum, in dem die Dampfmaschine 121 angeordnet ist.
Das Basiselement 202 ist mit einem Loch versehen, durch das die Ausgangsachse 123 geht, der Umfang der Ausgangsachse über dem Loch ist mit einer Abgaberohrleitung 203 versehen, die sich von dem Basiselement 202 nach oben erstreckt. Das obere Ende der Abgaberohrleitung 201 erstreckt sich nach oben zu dem Arbeitsfluidpegel 14a. Der Maschinenraum des Wandelements 20 steht mit dem Kondensationsraum 132 in Verbindung.
Die Ausgangsachse 123 ist mit dem Sonnenrad 125 versehen, um mit dem Getrieberad 16i einzugreifen. Gemeinsam mit der ersten Ausführungsform ist das Getrieberad 16i durch den Stab 121h mit dem Kolben 121a verbunden. In dem Beispiel von 5 sind das Sonnenrad 125 und das Getrieberad 16i oben in der Abgaberohrleitung 203 bereitgestellt.
Die Leistung, die in dem Ausgangsabschnitt 12 umgewandelt wird, wird durch die Ausgangsachse 123, das Sonnenrad 125, das Getrieberad 16i und den Stab 121h an die Pumpe 16 übertragen. Mit anderen Worten bilden die Ausgangsachse 123, das Sonnenrad 125, das Getrieberad 16i und der Stab 121h einen Leistungsübertragungsmechanismus, der Leistung, die in dem Ausgangsabschnitt 12 umgewandelt wird, an die Pumpe 16 überträgt. Der Leistungsgetriebemechanismus ist für ein einstellbares Drehzahlverhältnis ausgelegt.
Zum Festlegen des Drehzahlverhältnisses oder einer Auslegung und ähnlichem können zwischen dem Sonnenrad 125 und dem Getrieberad 16i andere Zahnräder bereitgestellt werden. Der Leistungsübertragungsmechanismus ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und verschiedene andere Mechanismen, die in dem Ausgangsabschnitt 12 umgewandelte Leistung an die Pumpe 16 übertragen können, können verwendet werden.
Wie vorstehend, ist die Pumpe 16 in dieser Ausführungsform in das Arbeitsfluid 14 eingetaucht. In diesem Fall braucht die Pumpe 16 das Arbeitsfluid nicht gegen die Schwerkraft hoch zu pumpen und braucht keine hohe Kapazität.
Insbesondere in einem Fall, in dem die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 auf eine Wärmequelle mit niedriger Temperatur angewendet wird und der Innendruck des Gehäuses 101, der ein externer Druck der Pumpe 16 ist, zur Senkung des Siedepunkts niedriger festgelegt wird, ist es schwer, die Druckdifferenz zwischen dem Innen- und Außendruck der Pumpe 16 zum Ansaugen des Arbeitsfluids 14 gegen die Schwerkraft zu erzeugen. In diesem Fall kann die Pumpe 16 das Arbeitsfluid 14 mit wenig Energie von dem Sammelraum 131 zu dem Verdampfungsraum 114 befördern, und die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 dieser Ausführungsform kann gut arbeiten.
Wie durch die vorstehende Beschreibung verdeutlicht, ist es nicht erforderlich, dass die ganze Pumpe 16 in das Arbeitsfluid 14 eingetaucht ist. Es ist nur notwendig, dass ein Teil der Pumpe 16, wo das Arbeitsfluid strömt, eingetaucht ist.
Der Boilerabschnitt 11, der Ausgangsabschnitt 12 und die Pumpe 16 sind entlang der vertikalen Richtung angeordnet. Die Anordnung verhindert, dass die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 größer wird, um in das Arbeitsfluid 14 eingetaucht zu werden.
Das Wandelement 20 (das zylindrische Wandelement 201 und das Basiselement 202), das den Maschinenraum bildet, ist in das Arbeitsfluid eingetaucht. Diese Struktur wärmeisoliert den Maschinenraum von der Außenluft, was die Dampfmaschine 121 auf einer hohen Temperatur hält. Dies verhindert, dass der Dampf in der Dampfmaschine abkühlt, was verhindert, dass der Druck des Dampfs niedriger wird, was den Wirkungsgrad erhöhen kann.
Hier ist die Abgabeleitung 203, die sich über dem Arbeitsfluidpegel erstreckt, auf dem Wandelement 20 (dem Basiselement 202) angeordnet. Dies kann verhindern, dass das Arbeitsfluid 14 in den Maschinenraum eintritt, und zulassen, das von der Dampfmaschine 121 abgegebener Dampf an den Kondensationsraum 132 abgegeben wird.
Der Leistungsübertragungsmechanismus (die Ausgangsachse 123, das Sonnenrad 125, das Getrieberad 16i und der Stab 121h), der die in dem Ausgangsabschnitt 12 umgewandelte Leistung an die Pumpe 16 überträgt, ist derart aufgebaut, dass er sich von der Dampfmaschine 121 durch den Innenraum der Abgaberohrleitung 203 und den Kondensationsraum 123 über dem Pegel des Arbeitsfluids 14 zu der Pumpe 16 erstreckt. Unter Verwendung des Innenraums der Abgaberohrleitung 203 kann der Leistungsübertragungsmechanismus effizient angeordnet werden.
<Dritte Ausführungsform>
Eine dritte Ausführungsform wird unter Bezug auf 6 beschrieben. Die Pumpe 16 ist in der zweiten Ausführungsform, wie in 6 gezeigt, über dem Ausgangsabschnitt 12 angeordnet, die Pumpe 16 ist in der dritten Ausführungsform seitlich von dem Boilerabschnitt 11 angeordnet.
Insbesondere sind der Kolben 16a und der Zylinder 16b der Pumpe 16 an dem Fluidsammelraum 131 zwischen dem Außenumfang es Dochts 15 und der Innenwand des Gehäuseabschnitts 101a des Gehäuses 101 angeordnet. Die Axialrichtung (die Hin- und Herbewegungsrichtung) des Kolbens 16a und des Zylinders 16b ist in eine vertikale Richtung gerichtet. Der Zylinder 16b ist mit der Fluidabgaberohrleitung 18 verbunden.
Der Kolben 16b ist durch ein Paar Kegelräder 211, 212 und einen Kurbelmechanismus 22 mit der Ausgangsachse 123 verbunden. Die Ausgangsachse 123, das Paar Kegelräder 211, 212 und der Kurbelmechanismus 22 bilden die Leistungsübertragungsmechanismen, welche die in dem Ausgang 12 der Pumpe 16 umgewandelte Leistung übertragen.
Das Paar Kegelräder 211, 212 wandelt eine horizontale Drehung der Ausgangsachse 123 in eine vertikale Drehung um und überträgt die vertikale Drehung auf den Kurbelmechanismus 22. Der Kurbelmechanismus 22 wandelt die von der Ausgangsachse 123 übertragene Drehbewegung in eine lineare Bewegung um und überträgt die lineare Bewegung auf den Kolben 16a.
Mit anderen Worten bildet das Paar Kegelräder 211, 212 einen Bewegungsumwandlungsmechanismus, der die Richtung der Drehbewegung um 90° umwandelt, und der Kurbelmechanismus 22 bildet einen Bewegungsumwandlungsmechanismus, der die Drehbewegung in die lineare Bewegung umwandelt.
In dem Beispiel von 6 ist das Paar Kegelräder 211, 212 über der Dampfmaschine 121 angeordnet, und der Kurbelmechanismus 22 ist in einer L-Form ausgebildet, um die Dampfmaschine 121 zu umgehen.
Zum Festlegen eines Drehzahlverhältnisses oder einer Auslegung oder ähnlichem können zwischen dem Ausgang 123 und dem Paar Kegelräder 211, 212 andere Zahnräder bereitgestellt werden. Der Leistungsübertragungsmechanismus ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und verschiedene andere Mechanismen können das Rotationsdrehmoment der Ausgangsachse 123 in eine lineare Bewegung umwandeln und es auf den Kolben 16a übertragen.
Der Arbeitsfluidpegel ist höher als der Docht 15 und niedriger als der Ausgangsabschnitt 12. Daher ist das Wandelement 20 der zweiten Ausführungsform in dieser Ausführungsform nicht bereitgestellt.
In dieser Ausführungsform ist die Pumpe 16 gemeinsam mit der zweiten Ausführungsform in das Arbeitsfluid 14 eingetaucht, so kann die Abwärmerückgewinnungsanlage 10 auf eine Wärmequelle mit niedriger Temperatur angewendet werden.
In dieser Ausführungsform ist die Pumpe 16 seitlich von dem Boilerabschnitt 11 angeordnet. Im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform kann die vertikale Größe der Abwärmerückgewinnungsanlage 10 kleiner sein.
<Andere Ausführungsform>
Anstelle des Verbindens des Sonnenrads 122 zwischen der Dampfmaschine 121 und der Pumpe 16, wie vorstehend beschrieben, kann eine Nocke oder ein Zahnriemen zwischen der Dampfmaschine 121 und der Pumpe 16 verbunden werden.
Anstelle der Anordnung der Pumpe 16 in dem Gehäuse 101, wie vorstehend beschrieben, kann die Pumpe 16 außerhalb des Gehäuses 101 angeordnet werden.
Anstatt den Verdampfungsraum 114 und den Fluidsammelraum 131 mit einem Dochtsatz 15 zu versehen, können der Verdampfungsraum 114 und der Fluidsammelraum 131 mit mehreren Dochtsätzen 15 versehen werden.
Anstatt, dass der Docht 15 sich in einer vertikalen Richtung erstreckt, kann sich der Docht 15 zum Beispiel in einer horizontalen Richtung erstrecken.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist der Verdampfungsraum 114 im Inneren des Dochts 15 angeordnet, und der Fluidsammelraum 131 ist außerhalb des Dochts 15 (zu dem Verdampfungsraum 114 entgegengesetzte Seite) angeordnet. Alternativ ist der Verdampfungsraum 114 außerhalb des Dochts 15 angeordnet, und der Fluidsammelraum 131 ist im Inneren des Dochts 15 angeordnet.
Ferner können anstelle des Dochts 15, dessen Faserschichten sich in der ersten Richtung erstrecken, die Faserschichten des Dochts 15 sich zum Beispiel in der Axialrichtung des Dochts 15 erstrecken.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist der Docht 15 in einer zylindrischen Form ausgebildet, und das Arbeitsfluid in dem Fluidsammelraum 131 wird von dem Außenumfang des Dochts 15 gesaugt. Der Docht 15 ist nicht auf dieses beschränkt, zum Beispiel kann der Docht 15 in einer flachen plattenartigen Form ausgebildet sein, und das Arbeitsfluid in dem Fluidsammelraum 131 wird von dem seitlichen Ende des Dochts 15 gesaugt.
Anstelle des in dem Gehäuse 101 ausgebildeten Kondensationsraums kann der Kondensationsraum 132 außerhalb des Gehäuses 101 ausgebildet sein. Das heißt, außerhalb des Gehäuses 101 kann ein zweites Gehäuse bereitgestellt sein, in dem der Kondensationsraum 132 ausgebildet ist.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird eine Pendel-Typ-Maschine als die Dampfmaschine 121 verwendet. Alternativ kann eine in 7 gezeigte rotierende Maschine als eine Dampfmaschine verwendet werden. Die rotierende Maschine 30 ist in der Auslandsanmeldung des gegenwärtigen Anmelders (Anmeldungsnr. JP-2010-267126 ) beschrieben. Die Zusammensetzung und der Betrieb der rotierenden Maschine 30 werden nachstehend beschrieben.
Die rotierende Maschine 30 hat vier Kolbeneinheiten 231, einen Rotor 32, einen Nockenblock 33, Nockenstößel 34 und einen Durchgangsblock 35.
Die Kolbeneinheit 31 hat einen Kolben 311 und eine Halterung 312, an der der Nockenstößel 34 befestigt ist.
Der Rotor 32 hat Zylinderlöcher 321 und Fluiddurchgänge 322 zum Zuführen und Abgeben von Fluid, und der Rotor 32 dreht sich um eine Drehachse A1, welche die Achse A2 der Zylinderlöcher 321 schneidet. In 7A sind die Positionen des Kolbens 311, wenn er sich hin und her bewegt, durch die kurzen gestrichelten Linien gezeigt.
Der Nockenblock 33 ist auf der Außenumfangsseite des Rotors 32 angeordnet. In diesem Beispiel hat der Nockenblock 33 ein rohrleitungsartiges erstes Element und ein rohrleitungsartiges zweites Element. Der Rotor 32 ist im Inneren des ersten Elements angeordnet, und das erste Element ist im Inneren des zweiten Elements angeordnet. Der Außenumfang des ersten Elements bildet eine innere Nockenoberfläche 231b, die eine im Wesentlichen dreieckige (nicht kreisförmige) Querschnittform hat. Der Innenumfang des zweiten Elements bildet eine Außennockenoberfläche 231a, die eine im Wesentlichen dreieckige (nicht kreisförmige) Querschnittform hat. Die Nocke 331 ist eine eingekerbte Nocke mit der inneren Nockenoberfläche 331b und der äußeren Nockenoberfläche 331a, wobei die innere Nockenoberfläche 331b und die äußere Nockenoberfläche 331a einander gegenüber liegen. Die Nocke 331 kann nur aus der inneren Nockenoberfläche 331a bestehen.
Der Nockenstößel 34 bewegt sich mit dem Kolben 311 als eine Einheit und gleitet auf den Nockenoberflächen der Nocke 331.
Der Durchgangsblock 35 hat Zuführungsdurchgänge 351, in denen das Fluid, das an die Zylinderlöcher 321 zugeführt werden soll, strömt, und Abgabedurchgänge 352, in denen das von den Zylinderlöchern 321 abgegebene Fluid strömt. Die Zuführungsdurchgänge 351 und die Abgabedurchgänge 352 stehen mit der Drehung des Rotors 32 abwechselnd mit Fluiddurchgängen 322 des Rotors 32 in Verbindung.
In dem Zustand, in dem die Fluiddurchgänge 322 des Rotors 32 mit den Zuführungsdurchgängen 35 des Durchgangsblocks 35 in Verbindung stehen, lässt die Zuführung von Hochtemperatur- und Hochdruckdampf an die Zuführungsdurchgänge 351 Dampf in den Zuführungsdurchgängen 351 durch die Fluiddurchgänge 322 in die Zylinderlöcher 321 des Rotors 32 strömen.
Dann drückt der Druck von Dampf, der in die Zylinderlöcher 321 geströmt ist, den Kolben 311 aus dem Rotor 32, wobei die an den Kolben 311 befestigten Nockenstößel 34 die Nocke 331 des Nockenblocks 33 schieben, wobei diese Form der Nocke 331 das Rotationsdrehmoment erzeugt, um den Rotor 32 anzutreiben (erster Takt).
Dieses Rotationsdrehmoment dreht den Rotor 32 um den vorbestimmten Winkel, der die Fluiddurchgänge 322 des Rotors 32 von den Zuführungsdurchgängen 352 des Durchgangsblocks 35 trennt; wobei anstelle der Zuführungsdurchgänge 352 die Fluiddurchgänge 322 des Rotors 32 mit dem Abgabedurchgang 352 des Durchgangsblocks 35 in Verbindung stehen. Zu dieser Zeit drückt die Nocke 331 die Nockenstößel 34, was den Kolben 311 ins Innere des Rotors 32 schiebt. Dies lässt Dampf in den Zylinderlöchern durch die Fluiddurchgänge 322 und die Abgabedurchgänge abgeben (zweiter Takt).
Der Rotor 32, der sich um mehr als den vorbestimmten Winkel dreht, trennt die Fluiddurchgänge 322 des Rotors 32 von dem Abgabedurchgang 352 des Durchgangsblocks 35, wobei anstelle der Zuführungsdurchgänge 352 die Fluiddurchgänge 322 des Rotors 32 mit den Zuführungsdurchgängen 351 des Durchgangsblocks 35 in Verbindung stehen, wobei die vorstehend beschriebenen Arbeitsgänge (der erste und der zweite Takt) wiederholt werden.
Wie vorstehend beschrieben, dreht die Zuführung des Hochtemperatur- und Hochdruckdampfs den Rotor 32 in der rotierenden Maschine 30 kontinuierlich, was zulässt, dass Energie des Dampfs in mechanische Energie umgewandelt wird. Daher kann die rotierende Maschine als eine Dampfmaschine verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 1996-338207 A [0002, 0002]
JP 2010-267126 [0160]

Claims

Wärmekraftmaschine, die umfasst: einen Boilerabschnitt (11), der Arbeitsfluid (14) heizt, um es unter Verwendung von Wärme, die von einer Wärmequelle (2) zugeführt wird, zu verdampfen; einen Ausgangsabschnitt (12), der Energie des in dem Boilerabschnitt verdampften Dampfs in mechanische Energie umwandelt; einen Kondensatorabschnitt (13), der den in dem Ausgangsabschnitt verwendeten Dampf in das Arbeitsfluid kondensiert; und eine Rückführungseinrichtung (15, 16), die das Arbeitsfluid in dem Ausgangabschnitt zu dem Boilerabschnitt rückführt, wobei die Rückführungseinrichtung umfasst: ein Arbeitsfluideinleitungselement (15), welches das Arbeitsfluid aufgrund einer Kapillarkraft in dem Kondensatorabschnitt ansaugt, um es in den Boilerabschnitt einzuleiten; und eine Pumpe (16), die durch die mechanische Energie angetrieben wird, die in dem Ausgangsabschnitt umgewandelt wird, um das Arbeitsfluid in dem Kondensatorabschnitt zu dem Boilerabschnitt zurück zu führen.
Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei ein Verhältnis des Durchsatzes an Dampf, der in dem Ausgangsabschnitt verwendet werden soll, zu dem Durchsatz an Arbeitsfluid, das von der Pumpe zugeführt werden soll, in einem Fall, in dem das Arbeitsfluid verdampft, größer als 1 und kleiner oder gleich dem Volumenausdehnungskoeffizienten festgelegt wird.
Wärmekraftmaschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Ausgangsabschnitt eine Dampfmaschine (121) umfasst, welche die Energie des Dampfs in die mechanische Energie umwandelt, die Dampfmaschine eine Pendel-Typ-Maschine ist, die einen Kolben (121a) und einen Zylinder (121b), die in einer pendelartigen Wiese schwingen, umfasst, die Pumpe eine Pendelpumpe ist, die einen Kolben (16a) und einen Zylinder (16b) umfasst, die in einer pendelartigen Wiese schwingen, und die Dampfmaschine (121) und die Pumpe (16) über dem Boilerabschnitt angeordnet sind und aufgebaut sind, um entlang einer gemeinsamen Ebene zu schwingen.
Wärmekraftmaschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Arbeitsfluideinleitungselement in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, der Boilerabschnitt einen Verdampfungsraum (114) darin ausgebildet hat, in dem das Arbeitsfluid geheizt wird, um zu verdampfen, wobei der Verdampfungsraum auf einer Innenumfangsseite oder einer Außenumfangsseite der Arbeitsfluideinleitungskammer ausgebildet ist, der Kondensatorabschnitt einen Fluidsammelraum (131) darin ausgebildet hat, in dem das Arbeitsfluid gesammelt wird, wobei der Fluidsammelraum auf einer zu dem Verdampfungsraum entgegengesetzten Seite ausgebildet ist, die Pumpe das Arbeitsfluid von dem Fluidsammelraum ansaugt und das Arbeitsfluid in den Verdampfungsraum abgibt.
Wärmekraftmaschine gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner ein Gehäuse (101) umfasst, in dem der Boilerabschnitt, der Ausgangsabschnitt, der Kondensatorabschnitt und die Pumpe angeordnet sind, wobei der Fluidsammelraum (131) im Inneren des Gehäuses ausgebildet ist, das Arbeitsfluid, das in dem Kondensatorabschnitt kondensiert wird, in dem Fluidsammelraum gesammelt wird, und wenigstens ein Teil der Pumpe, wo das Arbeitsfluid strömt, in das Arbeitsfluid des Fluidsammelraums eingetaucht ist.
Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 5, wobei der Ausgangsabschnitt über dem Boilerabschnitt angeordnet ist, die Pumpe über dem Ausgangsabschnitt angeordnet ist, und im Inneren des Gehäuses ein Wandelement (20) bereitgestellt ist, das den Ausgangsabschnitt von dem Arbeitsfluid in dem Fluidsammelraum trennt.
Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 6, wobei das Wandelement eine Abgaberohrleitung (203) hat, die den Dampf, der in dem Ausgangsabschnitt verwendet wird, zu dem Kondensatorabschnitt abgibt und sich über dem Arbeitsfluidpegel (14a) erstreckt.
Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 6, die ferner einen Leistungsübertragungsmechanismus (123, 125, 16i, 121h) umfasst, der Leistung, die in dem Ausgangsabschnitt umgewandelt wird, auf die Pumpe überträgt, wobei der Leistungsübertragungsmechanismus aufgebaut ist, um sich von dem Ausgangsabschnitt durch den Innenraum der Abgaberohrleitung und den Raum über dem Arbeitsfluidpegel zu der Pumpe zu erstrecken.