熱エネルギーから機械エネルギーへ変換するための熱機関およびその使用
本発明は、供給される熱エネルギーの熱機関を利用して第１の液体作動媒体を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体を利用して作動可能の、かつ少なくとも１つのステーターと相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローターと、ローターの駆動後に蒸発した第１の作動媒体を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置とを含む熱エネルギーから機械エネルギーへ変換するための熱機関において、ローターがステーターを本質的に完全に取り囲む熱機関、ならびに本発明に係る熱機関の使用に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーから機械エネルギーへ変換するための熱機関およびこのような熱機関の使用に関する。
【０００２】
先行技術から多数の熱機関が公知である。たとえば特許文献１は、熱から液体中の流動エネルギーを発生するための装置および方法を開示する。この装置は、ここで蒸発器に接続される蒸気流入開口と、凝縮器に接続される蒸気流出開口とを備えるケーシングを含む。さらに前記ケーシングはハイドロモータに接続される前流開口部と、前記前流開口部に接続される還流接続部とを有する。ケーシングの内部に、それぞれピストンが有る複数のセルを有するローターが配設されている。蒸気流入開口を通して圧力下の蒸気の供給と、蒸気流出開口からの蒸気の排出と、ローターの回転とによってハイドロモータによる作動液のポンプ給送が達成される。しかしながら前記装置における欠点は、該装置が高価となり、該装置の多部品構造のために大きい構造空間を有し、そのためにコンパクトに構成できないことである。さらに特に凝縮器の中で凝縮される液体を再び蒸発器に供給するためにポンプが必要なことである。
【０００３】
さらに特許文献２は発電機を駆動するための蒸気機関を開示する。この蒸気機関は、ここで閉じた蒸気循環系に組み込まれるロータリーピストンエンジンを含む。蒸気循環系は蒸気発生器と、ロータリーピストンエンジンの中に蒸気を噴射するための蒸気噴射装置と、ロータリーピストンエンジンから出る蒸気を凝縮するための凝縮器とを含む。蒸気機関の内部に円形の管群の束からなる蒸気発生器に熱による衝撃を与えるための燃焼が実施される。蒸気発生器から出る蒸気はロータリーピストンエンジンに供給され、それに続き燃焼空気の予熱に利用される別の管群の束を通して流れる。このように部分冷却された蒸気は凝縮器に供給され、かつ凝縮器の中で凝縮された水がそれに続きポンプを介して再び蒸気発生器に供給される。しかしながら前記蒸気機関における欠点は、同様に構造的に費用のかかる構造と、蒸気発生器の中の凝縮器で凝縮される水を給送するためのポンプを含む多数の必要なコンポーネントのためにコンパクト性に劣ることである。さらに、ロータリーピストンエンジンは摩耗が発生し易く、そこから高いメンテナンス費用が発生する。
【０００４】
さらに先行技術から蒸気タービンを含む熱機関が公知である。この蒸気タービンに、ケーシングの中に配設される羽根車を有するローターが駆動されるように、外部の蒸気発生器の中で発生される蒸気が供給される。羽根車を通り流出した後にケーシングから出る蒸気が凝縮され、このように凝縮された作動媒体がポンプを介して再び蒸気発生器に供給される。しかしながらこの蒸気タービンにおける欠点は、付加的なコンポーネント、特に熱エネルギーの機械エネルギーへの変換を達成するために弁、制御要素またはポンプが必要になることである。特にこの種の熱機関は蒸気タービンに使用すると多数の個別コンポーネントがあるために高い出力重量、すなわち抽気可能の出力と相対的な重量を有する。
【０００５】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１９９４８１２８号Ａ１明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／０１９４８４８号Ａ１明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って本発明の課題は、先行技術の欠点を克服する熱機関を提供することである。特に少ない出力重量と、高い効率と、有害物質および騒音の低い排出と、メンテナンスと摩耗の少ない単純な構造とを達成することによって熱エネルギーから機械エネルギーへの変換が達成されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明により、この課題は第１の構成において、熱機関が供給される熱エネルギーの熱機関を利用して第１の液体作動媒体を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体を利用して駆動可能の、かつ少なくとも１つのステーターと相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローターと、ローターの駆動後に蒸発した第１の作動媒体を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置とを含み、ローターがステーターを本質的に完全に取り囲み、かつローターが蒸気発生装置および凝縮装置を本質的に完全に含むことによって解決される。
【０００８】
上記構成に対して択一的な本発明に係る課題は第２の構成において、供給される熱エネルギーの熱機関を利用して第１の液体作動媒体を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体を利用して駆動可能の、かつ少なくとも１つのステーターと相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローターと、ローターの駆動後に蒸発した第１の作動媒体を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置とを含み、ローターがステーターを少なくとも領域ごとに取り囲む熱機関によって解決される。
【０００９】
第２の構成において、ローターは蒸気発生装置および／または凝縮装置を本質的に完全に含むことを考慮できる。
【００１０】
上記両方の実施形態において、ステーターは本発明により蒸気発生装置および／または凝縮装置を本質的に完全に含めてもよい。
【００１１】
上記両方の実施形態に対して択一的に、蒸気発生装置および／または凝縮装置が少なくとも分割型に形成されていて、ローターが凝縮装置の第１の部分および／または蒸気発生装置の第１の部分を含み、かつステーターが蒸気発生装置および／または凝縮装置の他方の部分を含むことも考慮できる。
【００１２】
ここで本発明による有利な実施形態において蒸気発生装置を形成する少なくとも１つの第１のチャンバと、凝縮装置を形成する少なくとも１つの第２のチャンバと、少なくとも１つのタービン室とを設けていて、好ましくは第１のチャンバと第２のチャンバ、第１のチャンバとタービン室および／または第２のチャンバとタービン室が少なくとも領域ごとに少なくとも１つの、特に断熱性の壁によって互いに分離されている。
【００１３】
上記の択一的な実施形態において、熱機関が蒸発した第１の作動媒体を排出するための第１のチャンバとタービン室を連結する、好ましくは少なくとも１つの第１のノズルを含む少なくとも１つの第１の連結装置において、好ましくはノズル開口の形状および／または配向を調節可能であり、少なくとも１つの第１の管および／または特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第１の開口とを含むことが考慮されている。
【００１４】
上記両方の択一的な実施形態において、さらに蒸発した第１の作動媒体を排出するためのタービン室と第２のチャンバを連結する、好ましくは少なくとも１つの第２のノズルを含む少なくとも１つの第２の連結装置において、好ましくはノズル開口の形状および／または配向が調節可能である連結装置と、少なくとも１つの第２の管および／または特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第２の開口とを設けてもよい。
【００１５】
また上記両方の実施形態において第１の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第１のおよび／または第２の連結装置と作用接続される、好ましくは第１および／または第２の弁の形態の少なくとも１つの第２の流量制御−および／または調整装置が提案されている。
【００１６】
本発明に係る熱機関の好ましい実施形態は、液体の第１の作動媒体を排出するための第１のチャンバとタービン室を連結する、特に好ましくは断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第３の開口の形態の少なくとも１つの第３の連結装置を使用する。
【００１７】
また液体の第１の作動媒体を排出するためのタービン室と第２のチャンバを連結する、好ましくは特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第４の開口の形態の少なくとも１つの第４の連結装置を本発明に係る熱機関の中に設けてもよい。
【００１８】
上記両方の択一的態様において、本発明により液体の第１の作動媒体がローターの回転中に、特に作動媒体に作用する遠心力によって、第１のチャンバから蒸発した第１の作動媒体の流出を第３および／または第４の連結装置によって阻止し、特に第３および／または第４の開口をブロックすることが提案される。
【００１９】
さらに本発明により、好ましくは第３および／または第４の弁、特に逆止弁の形態で、第３の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第３のおよび／または第４の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第４の流量制御−および調整装置が提案されている。
【００２０】
特に、第２のチャンバとタービン室を１つに形成することも考慮できる。
【００２１】
本発明に係る熱機関の上記実施形態において、第１のチャンバ、第２のチャンバおよび／またはタービン室の中に形成される少なくとも１つの流れ誘導体を設けてもよい。
【００２２】
本発明に係る熱機関の有利な実施形態は、ステーターによって囲まれる、好ましくは第１の連結装置を介してステーターと相対的にローターを回転するために蒸発した第１の作動媒体を、特に軸線方向、半径方向および／または第１の回転軸と相対的に所定の角度以下で供給可能である少なくとも１つの第１の羽根車を特徴とする。
【００２３】
本発明に係る熱機関の前記実施形態は、ローターと作用接続される、特に前記ローターと回転連動確実に連結可能の、かつ蒸発した作動媒体の上流側および／または下流側に第１の羽根車と相対的に配設される少なくとも１つの流れ誘導輪を特徴とでき、流れ誘導輪が好ましくは少なくとも領域ごとに第１の羽根車と同心的に、特に第１の羽根車の内部および／または外部に配設されている。特に第１の羽根車と相対的に蒸発した作動媒体の上流側の流れ誘導輪の配設が効率を向上させる。
【００２４】
本発明に係る熱機関の上記両方の実施形態は、ステーターによって囲まれる特に流れ誘導輪と相対的に蒸発した作動媒体の下流側に配設される少なくとも１つの第２の羽根車を特徴とでき、好ましくは蒸発した作動媒体の上流側および／または下流側に第２の羽根車と相対的にローターと作用接続される、特に前記ローターと回転連動確実に連結可能の少なくとも１つの転向輪が配設されていて、特に前記転向輪が少なくとも領域ごとに第１および／または第２の羽根車と同心的に、特に第１および／または第２の羽根車の内部および／または外部に配設されている。
【００２５】
上記３つの択一的な実施形態において本発明は特に、第１の羽根車、流れ誘導輪、第２の羽根車および／または転向輪が少なくとも部分的にタービン室の中に配設されていることを考慮する。
【００２６】
また、第２の羽根車が第１の羽根車の第１の直径と異なる第２の直径および／または第１の羽根車の羽根の枚数もしくは形状と異なる羽根の枚数もしくは形状を有することが提案される。
【００２７】
本発明に係る熱機関の有利な実施形態は、多数の第２の羽根車および／または転向輪をも特徴とし、第２の羽根車は好ましくは羽根相互に異なる直径、異なる形状および／または異なる枚数を有し、かつ／または転向輪は羽根相互に異なる直径、異なる形状および／または異なる枚数を有する。
【００２８】
また、第１の羽根車の少なくとも１つの羽根、少なくとも１つの第２の羽根車、流れ誘導輪および／または少なくとも１つの転向輪の形状および／または位置は、好ましくは熱機関の運転中に調整可能であることを考慮できる。
【００２９】
さらに本発明は、蒸気発生装置、特に第１のチャンバの蒸気発生装置に、好ましくは流体加熱媒体の形態で、特に燃焼ガスのような高温のガス形態で、特に高い伝熱性の材料を含みかつ／または高い対流熱輸送用に構造化される第１のチャンバの壁の中に組み込まれかつ／または前記壁の表面上に形成される少なくとも１つの加熱スピンドルの形態のような加熱源の形態で、加熱流体のための少なくとも１つの第１の流量装置および／または第１のチャンバの壁の外側に形成される、特に加熱流体が貫流可能の、少なくとも１つの第１の構造および／または第１のチャンバの壁の内側に形成される、特に好ましくは蒸発した作動媒体が貫流可能の少なくとも１つの第２の構造の形態で熱による衝撃を与えるための少なくとも１つの加熱手段を提案する。
【００３０】
上記実施形態において、第１の流量装置は壁の中に組み込まれていて、第１の流量装置の加熱手段は好ましくはステーターのシャフトを介して供給され、かつ／または加熱手段が特に第１の流量装置を含む、好ましくは閉じた加熱循環系の中で循環されることを提案できる。
【００３１】
さらに本発明により、凝縮装置、特に第２のチャンバに、好ましくは流体冷媒の形態で、特に窒素または冷却空気の形態で、特に好ましくは高い伝熱性の材料を含みかつ／または高い対流の熱輸送のために構造化される第２のチャンバの壁に組み込まれ、かつ／または前記壁の表面に形成される少なくとも１つのペルティエ要素の形態のような冷却源の形態で、窒素または冷却空気のような冷却流体のための少なくとも１つの第２の流量装置および／または第２のチャンバの壁の外側に形成される、特に冷却流体が貫流可能の少なくとも１つの第３の構造および／または第２のチャンバの壁の内側に形成される、特に作動媒体が貫流可能の少なくとも１つの第４の構造の形態で、冷却空気による衝撃を与えるための少なくとも１つの冷媒が提案される。
【００３２】
また本発明により上記実施形態において、第２の流量装置が壁の中に組み込まれていて、第２の流量装置の冷媒が好ましくはステーターのシャフトを介して供給され、かつ／または冷媒が特に第２の流量装置を含む、好ましくは閉じた冷却循環系の中で循環されることが提案されている。
【００３３】
上記４つの択一的な実施形態において、本発明により、加熱流体が加熱手段の領域に本質的に第１の回転軸から半径方向外側へローターの外周に向かって延長する流れ方向を有し、かつ／または冷却流体が冷媒の領域に本質的に半径方向にローターの外周から第１の回転軸の方向へ延長する流れ方向を有することが有利と見なされている。
【００３４】
また少なくとも１つの蒸気状の第２の作動媒体を供給するための少なくとも１つの供給装置において、好ましくは第１および第２の蒸発した作動媒体が同一である供給装置を設けてもよい。
【００３５】
さらに本発明の有利な実施形態は、蒸発したおよび／または液体の第１の作動媒体の少なくとも一部を排出するための少なくとも１つの引抜装置を設けている。
【００３６】
好ましくは供給装置と作用接続される少なくとも１つの第５の流量制御−および／または調整装置および／または引抜装置と作用接続される少なくとも１つの第６の流量制御−および／または調整装置とを設けている。
【００３７】
最後に本発明により蒸気発生装置、凝縮装置、第１、第２、第３、第４、第５および／または第６の流量制御−および／または調整装置の第１および／または第２のノズル、第１の羽根車、少なくとも１つの第２の羽根車、流れ誘導輪および／または少なくとも１つの転向輪、加熱手段、冷却手段および／またはローターの回転速度を測定するためのセンサに作用接続される少なくとも１つの制御−および／または調整ユニットが提案される。
【００３８】
本発明は、さらに前置タービン、排気タービン、背圧タービン、抽気タービン、等圧タービンおよび／または過圧タービンとしての本発明に係る熱機関の使用を考慮する。
【００３９】
従って本発明において、蒸気タービンの実施態様は蒸気発生装置および凝縮装置がローターの中に組み込まれている外部ローラの形態で構造的に単純な熱機関の構造を実現できる驚くべき認識が基礎に置かれている。特に、蒸発器から凝縮器へ作動媒体を給送するための弁またはポンプのような制御−および／または給送要素を省く熱機関を提供できる。少なくとも１つの羽根車を有するステーター周りに回転するローターの中への蒸発器および凝縮器の組込みによって、本発明により凝縮器から蒸発器への作動媒体の自動的給送が回転によって作動媒体に作用する遠心力を介して達成される。さらにローターの回転運動と共に作動媒体に作用する遠心力は、作動媒体自体が凝縮器から蒸発器へ延びる連結通路を、蒸発器の中で発生される蒸気のみが、該蒸気が蒸発器から出て、羽根車に衝突し、それによってローターの回転を生ぜしめることによって凝縮器の中に到達可能に封止することを保証する。特にローターの回転によって作動媒体に作用する遠心力は、蒸発器の内部の圧力が大きい場合でも凝縮器内の圧力と相対的に遠心力によって惹起される静水圧力に基づき凝縮器内での蒸発器からの蒸気状の作動媒体の移行が前記方法でのみ羽根車の回転後に可能になることを生ぜしめる。すなわち、本発明に係る熱機関の構造によって、凝縮器および蒸発器間の遠心力封止が実現される。さらに、この遠心力封止は、作動媒体を凝縮器から蒸発器へ給送するためのポンプとしても利用される。これは、付加的な供給ポンプ等を省くことができることをもたらす。さらに外部ローラとしての蒸気タービンの構造が熱機関の高い効率を可能にする。たとえば燃焼ガスによる蒸発器側での機械の加熱も、たとえば冷却空気による凝縮器側での冷却も本発明により好ましくは対流原理で行われ、それ以外は冷媒もしくは加熱媒体の任意の流れ方向が可能である。燃焼ガスの効率的な利用は、ここで、高温の燃焼ガスがローターの軸付近の領域を加熱し、それによって特にノズルを介してステーターの羽根車に向けられる蒸気発生器からの特に高温の蒸気が出ることによって達成される。この燃焼ガスは、次にローターの回転軸からローターの外周へ向かう半径方向へ流れ、そこで冷却される燃焼ガスが遠心力によってそこに有る液体作動媒体がローターの外周で沸騰させられる。その際に発生する蒸気はローターの中でローターの回転軸の方向へ移動し、前記方向にますます高くなる燃焼ガスの温度によって連続的に加熱され、その結果、たとえば等圧膨張を発生させられる。凝縮器側で冷却空気がローターの外周からローターの回転軸に対して半径方向へ、ローターの外部に向かって流れる。このように、ローターの内部で半径方向に回転軸から外方へ流れる蒸気がさらに冷却され、かつ凝縮されることが達成される。従って本発明に係る熱機関の構造は蒸気タービンとして、外部ローラ方式で作動流体の加熱とその冷却とのための対流原理の使用を可能にし、これが熱機関の効率の向上をもたらす。
【００４０】
本発明のその他の特徴および長所は、本発明の好ましい実施形態が概略図面を利用して例により説明されている以下の明細書から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１および２に、本発明に係る熱機関の第１の実施形態は、蒸気タービン１、または蒸気発生ゾーンを備えるコンパクト蒸気タービンの形態で示している。蒸気タービン１は、ステーター３２を備える。ステーター３２は、固定シャフト５と、シャフト５と連結される羽根車７と、を備える。ローター１１の内部が密閉されるように、軸受９およびシール１０を介してローター１１が前壁１１ａ、１１ｃと周壁１１ｂとによって、ステーター３について相対的に回動可能に軸支されている。ローター１１は、基本的に第１のチャンバ（燃焼室）１３と、第２のチャンバ１５とから構成される。チャンバ１３、１５は断熱性の壁１７によって、ローター１１の周壁１１ｂの領域で壁１７の開口１９まで互いに仕切られている。開口１９を通して作動媒体２１好ましくは水を、詳しく後述するように、第２のチャンバ１５から第１のチャンバ１３の中へ流すことがある。ローター１１の回動時に作動媒体２１に作用する遠心力によって作動媒体２１が、図１および２に示すように、ローター１１の周壁１１ｂに集まる。さらに第１のチャンバ１３は仕切壁２３によって、羽根車７が配設されるタービン室２５から分離される。仕切壁２３の内部に開口がノズル２７の形態で形成されている。ここで以下に蒸気タービン１の作動の態様を説明する。
【００４２】
ローター１１に、図示しない加熱装置の燃焼ガス２９が供給される。ローター１１は、第１のチャンバ１３に対向する側に位置する第１の前壁１１ａ上に存在する。図１から判るように、燃焼ガス２９の供給は、該燃焼ガスがローター１１に沿って該ローターの回転軸から半径方向外方へ案内されるように行われる。第１のチャンバ１３の領域に存在する作動媒体２１が加熱されるため、燃焼ガス２９によって、ローター１１の第１の前壁１１ａが加熱され、最終的に第１の第１のチャンバ１３中の作動媒体２１の少なくとも部分的な蒸発を生じる。第１のチャンバ１３がそれによって蒸気発生チャンバとして作用する。供給される燃焼ガス２９もしくはその温度の量の制御または調整による熱供給の調整によって、蒸気タービン１から引き渡される出力またはその回転数を制御もしくは調整できる。
【００４３】
燃焼ガス２９と第１のチャンバ１３または蒸気発生チャンバの内部との間の効率的な熱交換を可能にするために、図示しない複数の熱機関要素が存在する。これらの熱機関要素は、第１のチャンバ１３の領域内の、ローター１１の第１の前壁１１ａ上で、好ましくは燃焼ガス２９に対向する側及び第１のチャンバ１３に対向する側に存在する。燃焼ガス２９または第１のチャンバ１３内で蒸発する作動媒体２１が当該熱機関要素に貫流される。特に、ローター１１の前壁１１ａは高伝熱性材料を含む。
【００４４】
蒸発する作動媒体２１は、第１のチャンバ１３の内部で周壁１１ｂからローター１１の回転軸に向かって移動する。それによって対流原理は蒸気タービン１の中に実現されている。これは燃焼ガス２９のエネルギーの効率的な利用をもたらす。高温の燃焼ガス２９はローター１１の回転軸に対向する第１のチャンバ１３の領域に衝突し、その結果、前記領域で特に高い蒸気が発生する。ローター１１の半径方向に移動する燃焼ガス２９は、次に再び冷却され、作動媒体２１がローター１１の周壁１１ｂの領域で沸騰させられる。それによって燃焼ガス２９の熱エネルギーの効率的な利用が達成される。
【００４５】
ローター１１の周壁１１ｂの領域で加熱される作動媒体２１は、第１のチャンバ１３もしくは蒸気発生チャンバを通して仕切壁２３の方向へ流れ、該作動媒体が等圧に膨張する。それによって第１のチャンバ１３の内部に高い内圧が発生し、作動媒体２１のレベルが第１のチャンバ１３の領域で、第２のチャンバ１５の領域よりも低くなることによって認識できる。このように第１のチャンバ１３の中で発生する蒸気は、ノズル２７を通って流れ、ここで断熱式に膨張する。特に、図２から判るように、ノズル２７は半径方向ではなく、傾斜して配向され、その結果、ノズル２７の好適な傾斜角を調整できる。従って蒸気は、ステーター３と相対的にローター１１の反動を生じるように羽根車７に衝突し、ローター１１の回転運動が発生もしくは維持される。
【００４６】
羽根車７を通って排出された後、蒸気はタービン室２５から凝縮チャンバとして利用される第２のチャンバ１５の中に流入する。そこで蒸気の冷却と共に第２のチャンバ１５の領域で作動媒体２１の凝縮が生じる。
【００４７】
ローター１１の回転によって、凝縮した作動媒体２１がローター１１の周壁１１ｂに集まる。蒸気状の作動媒体２１の冷却を凝縮チャンバとして作用する第２のチャンバ１５の中で達成するために、冷却気体３１がローター１１の第２の前面１１ｃに供給される。またこの供給は対流原理で行われる。冷たい空気は冷却空気としてローター１１の外側から半径方向にローター１１の回転軸の方向へ流れる。その際に冷却気体３１が加熱される。それに対して第２のチャンバ１５の内部で半径方向にローター１１の回転軸から離動して流れる蒸気状の作動媒体２１が次第に漸次冷却され、そこで凝縮される。それによってすでに加熱された冷却気体３１がローター１１の回転軸の領域で別の熱エネルギーを受け取り可能であり、作動媒体２１と冷媒３１との間の対流熱交換が、図示しない壁１１ｃを設けることで、好ましくは熱交換器要素の形態で、支持されるので、第２のチャンバ１５からの効率的な排熱を確実にする。第２のチャンバ１５の中で凝縮される作動媒体２１は、次に壁１７の中の開口１９を通して第１のチャンバ１３の中へ流れ、そこで該作動媒体が再び蒸発させられる。
【００４８】
作動媒体２１に作用する遠心力によって、該作動媒体が外方へ加速され、それによって開口１９が閉じられ、その結果、蒸気が第１のチャンバ１３からもっぱらノズル２７を通して第２のチャンバ１５の中に到達できる。また第２のチャンバ１５の中の圧力と相対的に第１のチャンバ１３の中の圧力が大きい場合でも、静水圧に基づき、遠心力に制限されて、開口１９が作動媒体２１によって密閉して保持されるので、第１のチャンバ１３の中で発生する作動媒体２１の蒸気に対する開口１９の確実な閉鎖が確実となる。
【００４９】
蒸気タービン１の自動始動のため、開口１９の内部に逆止弁を配設してもよい。この逆止弁は、初めに第１のチャンバ１３の中で発生される蒸気が出口を通してノズル２７によりローター１１を回転させることを生ぜしめ、その結果、回転の開始後、開口１９の密閉が作動媒体２１によって保証される。さらに、ノズル２７の中でも、ローター１１の回転速度の制御を達成するために、弁のようなシール装置を設けることもできる。この場合、特に弁が開口１９ならびにノズル２７の中で図示しない制御−および調整装置と接続されることを考慮できる。さらに蒸気タービン１の回転数制御もしくは調整は、燃焼ガス２９によって供給される熱エネルギーの変化によって、かつ／またはノズル２７の傾斜角の変化によって可能になる。
【００５０】
図３および図４に、本発明に係る熱機関の第２の実施形態を示す。第２の実施の形態は、蒸気タービン１’、または上記発生ゾーンを備えるコンパクト蒸気タービンの形態である。蒸気タービン１’は本質的にその基本構造から図１および２に示した蒸気タービン１の構造に相当する。蒸気タービン１と異なり、蒸気タービン１’の場合は、対応する要素を同じ符号で、ただし１つのアポストロフィで表している。蒸気タービン１’は本質的に、蒸発したもしくは液状の作動媒体２１’の様々な流れ誘導体によって蒸気タービン１から区別される。蒸気タービン１と類似に蒸気タービン１’のローター１１’に第１のチャンバ１３’に対向する側に配設される、第１の前壁１１ａ’に燃焼ガス２９’が供給される。またこの供給も、図３から判るように、対流原理で行われる。燃焼ガス２９’によって第１のチャンバ１３’の内部に有る作動媒体２１’の加熱が生じる。ただし蒸気タービン１と異なり、この蒸発した作動媒体２１’は約１８０゜方向転換後に初めて流れ誘導体１４’を利用してノズル２７’を通り、タービン室２５’もしくは第２のチャンバ１５’の中に流れ込む。この流れ誘導体１４’周りの方向転換は、特に、同伴される（連行、エントレインド）作動媒体２１’の小滴が流れ誘導体１４’周りに蒸気流に続くことができず、このようにノズル２７’を介してタービン室２５’もしくは第２のチャンバ１５’の中に到達できない長所を提供する。同伴される小滴は蒸気流と共にローター１１’の回転軸の方向へ流れるが、さらに半径方向にも移動し、流れ誘導体１４’に衝突し、それによって該小滴が遠心力の作用によって周壁１１ｂ’の方向へ加速される。さらに、流れ誘導体１４’によって、蒸発した作動媒体２１’が本質的にローター１１’の回転軸まで第１のチャンバ１３’の内部に流れることができ、それによって作動媒体２１’で燃焼ガス２９’のエネルギーの最大の熱伝達を実施可能とすることが達成される。
【００５１】
蒸気状の作動媒体２１’の方向転換後に、該作動媒体がノズル２７’を通り羽根車７’の半径方向へ流れる。蒸気状の作動媒体２１’は次に第２のチャンバ１５’の内部でシャフト５’の近傍で前壁１１ｃ’の方向へ流れる。この流れ誘導体は特に第２のチャンバ１５’の中で羽根車７’の領域に配設される流れ誘導体１６’によって達成される。この流れ誘導体は、蒸気状の作動媒体２１’が対流原理で冷却空気３１’と相対的に前壁１１ｃ’の内側で周壁１１ｂ’の方向へ流れることを保証する。さらに、蒸気タービン１’の内部でのこの流れ誘導は、蒸気タービン１に比べて、蒸気タービン１の羽根車７よりも大きい直径を有する羽根車７’を使用できる長所を提供する。従って蒸気タービン１’はより小さい回転数で運転できる。
【００５２】
第２のチャンバ１５’の中で凝縮される作動媒体２１’は回転力によって周壁１１ｂ’に集まり、通路２０’を通り第１のチャンバ１３’の中に還流する。通路２０’は、ここで一方で周壁１１ｂ’と、本質的に円筒形の、特に流れ誘導体１４’および１６’を含む仕切壁２４’とによって形成される。ここで仕切壁２４’は特に通路２０’の領域で作動媒体２１’の加熱を通路２０’の内部で防止するために断熱されて形成される。
【００５３】
図５および６に、本発明に係る熱機関の第３の実施形態を蒸気タービン１”、またはコンパクト蒸気タービンの形態で示す。蒸気タービン１”は本質的にその基本構造から図３および４に示した蒸気タービン１’の構造に相当する。蒸気タービン１’の構造に相当する蒸気タービン１”の要素は同じ符号を付けている。蒸気タービン１”は本質的に、少なくとも１つの連結部材６”を介してステーター３”のシャフト５”に連結される羽根車７”を設けることによって、蒸気タービン１’から区別される。特に図６から判るように、羽根車７”は、特に図５から判るように、同心的に連結部材１８”を介して壁１７”と共にローター１１”に連結される流れ誘導輪８”を取り囲む。図６から明らかなように、羽根車７”は羽根２８”を有し、他方、流れ誘導輪８”は羽根３０”を含む。羽根車７”と相対的な流れ誘導輪８”のこの配置によって蒸気タービン１’に比べて蒸気タービン１”の効率のさらなる向上が達成される。ノズル２７”から出る作動媒体２１’は初めに羽根車７”の羽根２８”に衝突し、それによって羽根車７”が連結されるステーター３”と相対的にローター１１”が駆動される。羽根車７”から出る作動媒体は、ローター１１”と連結される流れ誘導輪８”の羽根３０”に衝突する。その結果、流れ誘導輪８”によって作動媒体中に有る残りのエネルギーも少なくとも部分的にローター１１”の運動エネルギーへ変換される。
【００５４】
図１から図６に示した蒸気タービン１、１’、１”は、単段ラジアルタービンである。それは、それぞれ単に羽根車７、７’、７”を設け、さらに蒸気が半径方向に羽根車７、７’、７”に衝突するようになっているからである。それに対して、図７には本発明に係る熱機関の第４の実施形態を蒸気タービン５１、または等圧タービンとして、すなわちカーチスの原理に従って作動する多段アキシャル（軸）タービンの形態で示している。等圧タービンとは、羽根車の動翼の中もしくはそこからの作動媒体の蒸気の流入および流出圧力が等しい蒸気タービンである。それによって等圧タービンの羽根は動翼の中の蒸気の減速からのエネルギーを利用して駆動される。特に蒸気タービン５１は速度段を有し、すなわち蒸気の速度が段階的に利用されることを考慮している。より高い熱力学的効率を達成するために、この種の等圧タービンにおいては、圧力段階が発生されること、すなわち圧力勾配が複数の段階に分割されることも考慮されている。これは大きすぎる蒸気速度を回避できる長所を提供する。
【００５５】
蒸気タービン５１はシャフト５５を含むステーター５３を有する。シャフト５５には互いに離間して羽根車５７ａおよび５７ｂが配設されている。軸受５９とシール６０とを介してローター６１がステーター５３と相対的に回転可能に蒸気タービン５１の中にある。ローター６１は、第１の前壁６１ａと、周壁６１ｂと、第２の前壁６１ｃとを有する。さらに、ローター６１の内部には、蒸気発生チャンバとして利用される第１のチャンバ６３と、凝縮チャンバとして利用される第２のチャンバ６５とが形成されている。特に蒸気タービン５１は、蒸気タービン１と異なり、液体作動媒体７３を捕集するための補償チャンバ６７を有する。第１のチャンバ６３および補償チャンバ６７は断熱性の壁６９を介して互いに分離されている。
【００５６】
蒸気タービン１、１’、１”と類似に、ローター６１の第１の前壁６１ａの蒸気タービン５１の中に燃焼ガス７１が対流原理で供給される。それによって作動媒体７３の少なくとも一部の蒸発が第１のチャンバ６３の内部で生じる。このように蒸発した作動媒体７３はその端部にノズル７７が配設される管７５を介して、まず羽根車５７ａに供給される。ノズル７７の領域の蒸気の膨張と、第１の羽根車５７ａへの蒸気の衝突とによってローター６１の回転運動が生じる。
【００５７】
蒸気状の作動媒体に内在するエネルギーを完全に利用可能にするため、蒸気タービン５１の中で、軸線方向に第１の羽根車５７ａに向けた蒸気が羽根車５７ａによって排出された後にローター６１と共に回転する転向輪７９ａの中へ流入することを考慮している。この転向輪は特に回転翼円板として作用し、蒸気に内在するエネルギーが作動エネルギーへ変換される。さらに転向輪７９ａの中で次に蒸気流が本質的に再びローター６１の回転軸を基準に軸線方向に同様にシャフト５５と連結される第２の羽根車５７ｂに衝突する前に、該蒸気流の方向転換を生じる。第２の羽根車５７ｂを通り排出された後、蒸気が、同様にローター６１と連結される第２の、同様に特に回転翼円板として利用される転向輪７９ｂの中に到達する。その後、蒸気が第２のチャンバ６５の中に流入し、そこで該蒸気がローター６１の第２の前壁６１ｃの冷却によって冷却空気８１を利用して冷却かつ凝縮される。凝縮された作動媒体７３は次に第２のチャンバ６５から補償チャンバ６７を介して第１のチャンバ６３に流れ込む。この場合、作動媒体７３は周壁６１ｂと本質的に円筒形の仕切壁８５との間に形成される通路８３を通して流れる。仕切壁８５は、一方で羽根車５７ａ、５７ｂならびに転向輪７９ａ、７９ｂがある領域の、他方で周壁６１ｂもしくは通路８３の断熱に利用される。この目的のために仕切壁８５は伝熱性が小さくなる。特に、仕切壁８５は中空に形成されていて、特に断熱材を含むことを考慮してもよい。
【００５８】
図８ａに本発明に係る熱機関の第５の実施形態を、多段蒸気タービン５１’の形態で示す。蒸気タービン５１’の基本的な構造は、本質的に図７に示した蒸気タービン５１の構造に相当する。そのため本質的に蒸気タービン５１’の同じ部材は蒸気タービン５１と同じ符号を付けているが、１つのアポストロフィで示している。蒸気タービン５１と異なり、蒸気タービン５１’は３つの羽根車５７ａ’、５７ｂ’および５７ｃ’を有する。それに対応して蒸気タービン５１’はそれぞれローター６１’と連結される３つの転向輪７９ａ’、７９ｂ’および７９ｃ’も有する。さらに、蒸気タービン５１’は、ノズル７７’、羽根車５７ａ’、５７ｂ’、５７ｃ’ならびに転向輪７９ａ’７９ｂ’および７９ｃ’の形状に基づき過圧タービンであることによって蒸気タービン５１から区別される。蒸気はローター６１’の回転軸と相対的に傾斜した角度で羽根車５７ａ’、５７ｂ’、５７ｄ’を貫流するので、蒸気タービン５１’は特に斜流タービンである。この過圧タービンの構造は、蒸気がノズル７７’から相対的に高い圧力で流出し、羽根車５７ａ’、５７ｂ’ならびに５７ｃ’の羽根の中に蒸気圧の圧力低下を生じることを意味する。従って、蒸気の速度変換と、付加的に蒸気の弛緩時に発生する背圧とから構成される羽根車５７ａ’、５７ｂ’、５７ｃ’の羽根の中に蒸気のエネルギー変換が生じる。従って、蒸気タービン５１’の内部に低い段階的圧力勾配を有し、かつ好適な流れ形成ならびに良好な動的効率を達成する複数の圧力ステップが形成されている。
【００５９】
さらに図８ｂに、蒸気タービン５１”の形態で図８ａに示した蒸気タービン５１’の変形態様を示す。蒸気タービン５１”の基本構造は本質的に蒸気タービン５１’の構造に相当し、蒸気タービン５１”の同じ要素は、蒸気タービン５１’と比べて同じ符号を付けている。蒸気タービン５１”は、本質的に羽根車５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ”転向輪７９ａ”、７９ｂ”および７９ｃ”ならびに仕切壁８５”の幾何学的に異なる実施態様によって蒸気タービン５１’から区別される。羽根車５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ”はそれぞれ直径が異なることによって互いに区別される。さらに羽根車５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ”の羽根の形状は、蒸気タービン５１”の内部の速度もしくは圧力ステップを形成するために区別される。それに対応して仕切壁８５”の形状ならびに第２のチャンバ６５”の形状はこれらの異なる直径に適合される。さらに管７５”とノズル７７”は同様に蒸気タービン５１’と比較して羽根車５７ａ”の異なる形状に適合される。最終的に転向輪７９ａ”、７９ｂ”および７９ｃ”は、それらによって包括される羽根によって羽根車５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ”を通して貫流する作動媒体７３”の誘導がローター６１”の回転軸と相対的に対角線に達成されるように形成されている。
【００６０】
本発明に係る熱機関の図１から図８ｂに示した実施形態は、共通して、ローターが本質的に完全にチャンバ１３、１３’、６３、６３’形状の蒸気発生装置と、チャンバ１５、１５’、６５、６５’の形状の凝縮装置とを含むことを特徴とする。図９から図１１を利用して、ここで蒸気発生装置もしくは凝縮装置が本質的に全部もしくは一部をステーターによって囲まれている熱機関の本発明に係る実施形態を記載する。またこの熱機関は、該熱機関が少ない出力重量、高い効率、低い有害物質と騒音との排出ならびにメンテナンスと摩耗の少ない単純な構造を有する長所を有する。特に、この外部ローラとして構成される熱機関は、遠心力を生じ、凝縮器および蒸発器間の遠心力封止が実現され、その結果、付加的な供給を省けるという長所を有する。
【００６１】
図９に本発明に係る熱機関の第６の実施形態を、蒸気タービン１０１、または蒸気発生ゾーンを備えるコンパクト蒸気タービンの形態で示す。蒸気タービン１０１の構造は、図５および図６に示した蒸気タービン１”の構造に類似する。このように蒸気タービン１０１は再び固定シャフト１０５を含むステーター１０３を含む。図１ないし８ａに示した本発明に係る実施形態と異なり、蒸気タービン１０１の前壁１０７はシャフト１０５と連結され、それによってステーター１０３の部分を形成する。さらに前壁１０７を介してシャフト１０５が第１の羽根車１０９と第２の羽根車１１１とに連結されている。それに対して周壁１１３と前壁１１５はステーター１０３と相対的に回転可能に軸支されている。前記壁１１３、１１５は、それによってローター１１７を形成する。さらに仕切壁１１９、１２１および１２３はローターと回転連動確実に連結されている。さらに仕切壁１２１に流れ誘導輪１２５が配設されている。この流れ誘導輪１２５は軸受１２７を介して回転可能にシャフト１０５に軸支されている。しかしながら流れ誘導輪１２５の支承はシャフト１０５に必ずしも必要ではない。特にローター１１７の充分な支承はシール装置１３３を介して可能で、その結果、軸受１２７を省いてもよい。蒸気タービン１０１の内部は、好ましくは断熱性の壁１２１を利用して第１のチャンバ１２９と第２のチャンバ１３１とに仕切られる。ここでチャンバ１２９は蒸気発生チャンバとして作用し、他方チャンバ１３１は凝縮チャンバとして利用される。第２のチャンバ１３１のシーリングはシール装置１３３によって周壁１１３と前壁１０７の移行領域で行われる。このシール装置１３３は当業者に一般的に知られている形態で形成できる。このようにシール装置１３３は特にＯ−リングおよび／またはラビリンスシステムのようなシール部材を含むことができる。しかし蒸気タービン１０１の動作方式に重要であるのは、シール装置１３３が第２のチャンバ１３１のシーリングを保証すると同時にステーター１０３と相対的なローター１１７の回転を可能にすることである。それによって蒸気タービン１０１の中で、蒸気発生装置がチャンバ１２９の形態で本質的に完全にローター１１７によって囲まれ、他方では凝縮装置が前壁１０７を有する第２のチャンバ１３１の形態で本質的に完全にステーター１０３によって囲まれることが達成される。
【００６２】
以下、ここで蒸気タービン１０１の動作方式を説明する。上記実施形態と類似に、燃焼ガス１３５は対流原理で前壁１１５に衝突する。これは第１のチャンバ１２９の加熱を生ぜしめ、作動媒体１３７が蒸発されるようにする。作動媒体１３７は仕切壁１２１、１２３と、ノズル１３９を通り第２のチャンバ１３１の中へ流入する。そこで蒸発する作動媒体が第１の羽根車１０９に衝突し、ステーター１０３と相対的にローター１１７の駆動を生ぜしめる。ステーター１０３と連結される第１の羽根車１０９による排出後、蒸発した作動媒体はローター１１７と連結される流れ誘導輪１２５に衝突し、それによってローター１１７が引き続き駆動される。流れ誘導輪１２５から流出後、作動媒体は最終的に少なくとも部分的に前壁１０７を介してステーター１０３と連結される第２の羽根車１１１に衝突する。第２のチャンバ１３１の領域で作動媒体の凝縮を達成するために、チャンバ１３１から離間する前壁１０７の側で冷却空気１４１が対流原理で沿流する。凝縮された作動媒体は、周壁１１３の領域にローター１１７の回転運動によって集められ、前壁１０７と仕切壁１１９との間の領域に、図示しない駆動要素が、好ましくはローター１１７と共に回転され、特に該ローターに取り付けられる羽根の形態で配設されている。しかしながらこの駆動要素は必ずしも必要ではないが、作動媒体１３７による遠心力封止の運転安全性が向上する。それを受けて作動媒体１３７は周壁１１３と仕切壁１１９との間で再び第１のチャンバ１２９へ還流する。作動媒体１３７は蒸気タービン１０１の中で、第１のチャンバ１２９と第２のチャンバ１３１との間の封止が仕切壁１１９と周壁１１３の領域で達成されることを保証し、その結果、作動媒体１３７は常時ノズル１３９を介して第１のチャンバ１２９から第２のチャンバ１３１への通路を進まなければならない。蒸気タービン１０１は、前壁１０７が回転運動を実行せず、それによって冷却空気１４１の特に層流が前壁１０７に沿って生じる長所を提供する。それによって第２のチャンバ１３１の形態での凝縮装置の効率と共に蒸気タービン１０１の効率が向上する。さらに蒸気タービン１０１の構造は、前壁１０７への冷媒の供給を容易にする。このように前壁１０７が図示しない流量装置によって通路の形態で実現されることを考慮できる。この通路は特に水のような冷却流体が循環する閉じた冷却循環系の一部とできる。前壁１０７がステーター１０３のシャフト１０５と連結されることによって、前記冷媒の供給はシャフト１０５に配設されたまたはこれを貫流する通路によって行える。この別の冷却方式によって蒸気タービン１０１の効率をさらに向上可能である。
【００６３】
図１０に本発明に係る熱機関の第７の実施形態を、蒸気タービン１０１’の形態で、または蒸気発生ゾーンを備えるコンパクト蒸気タービンの形態で示す。蒸気タービン１０１’の構造は本質的に、図９に示した蒸気タービン１０１の構造に相当する。特に蒸気タービン１０１’は蒸気タービン１０１に関して記載した駆動装置を仕切壁１１９と前壁１０７の領域に設けてもよい。蒸気タービン１０１と同じ蒸気タービン１０１’の要素は同じ符号を付けていて、他方、異なる要素は、同じ符号であるが簡単にアポストロフィで表している。蒸気タービン１０１’の構造は凝縮装置も蒸気発生装置も本質的に完全にステーター１０３’によって囲まれることによって、蒸気タービン１０１の構造から本質的に区別される。ステーター１０３’は前壁１０７とも前壁１１５’とも連結されるシャフト１０５’を含む。それによって前壁１１５’はローター１１７’によって囲まれない。ローター１１７’は本質的に仕切壁１１９、１２１、１２３と連結される周壁１１３’を含む。さらに仕切壁１２３には流れ誘導輪１２５が取り付けられている。蒸気発生装置として利用される第１のチャンバ１２９’の密閉のために、周壁１１３’は密閉装置１４３’を介して前壁１１５’と連結されている。この構造的な蒸気タービン１０１’の構成によって、前壁１０７と並んで前壁１１５’も蒸気タービン１０１’の運転で定在させたままの状態が達成される。それによって、前壁１１５’に供給される燃焼ガス１３５が乱流にならないので、蒸気発生装置１２９’の効率が向上する。それによって第１のチャンバ１２９’との良好な熱交換が達成され、それによってさらに全蒸気タービン１０１’の効率が向上する。蒸気タービン１０１’の効率のさらなる上昇は、前壁１１５’が、好ましくはシャフト１０５’を介して供給される加熱媒体が循環される別の流量装置を前壁１１５’を排出する通路の形態で含むことによって達成できる。類似方法で流量装置を、上記の蒸気タービン１０１を利用して説明したように、前壁１０７の中の通路の形態で設けてもよい。
【００６４】
最後に、図１１に本発明に係る熱機関の第８の実施形態を、蒸気タービン１０１”の形態で示す。蒸気タービン１０１”の構造は、図１０に示した蒸気タービン１０１’の構造と比較できる。蒸気タービン１０１”の同じ要素は蒸気タービン１０１’の要素と同じ符号を付けていて、他方、異なる要素は同じ符号を付けているが、２つのアポストロフィで示している。両方の蒸気タービン１０１’および１０１”は本質的に、前壁１０７”および１１５”が本質的に分割型に形成されていることによって、互いに区別される。このように前壁１０７”は部分１０７ａ”と１０７ｂ”とから構成される。ここで前壁部１０７ｂ”はシャフト１０５”と連結され、他方、前壁部１０７ａ”は周壁１１３”と連結されている。これは、密閉装置１３３”が作動媒体１３７の領域に配設されず、そのため容易な密閉を達成できる長所を提供する。類似の方法で前壁１１５”は第１の前壁部１１５ａ”および第２の前壁部１１５ｂ”の形態で分割型に形成されている。前壁部１１５ａ”は周壁１１３”と連結されていて、他方、前壁部１１５ｂ”はシャフト１０５”と連結されている。この構造に基づき、第１のチャンバ１２９”も蒸気発生装置として利用される前壁１１５”と共に、また第２のチャンバ１３１”も凝縮装置として利用される前壁１０７”と共に、部分的にローター１１７”によってもステーター１０３”によっても囲まれている。
【００６５】
本発明の別の、図示しない実施形態において、第１のチャンバから出る蒸発した作動媒体が初めにローターと作用接続される流れ誘導輪を中間接続して羽根車もしくは羽根車群に衝突することを考慮できる。特に個々の羽根車を使用する場合、蒸発する作動媒体に内在するエネルギーを利用するために前記羽根車にローターと作用接続される、特に外部ローラとして作用する流れ誘導輪を後置することを考慮できる。さらに転向輪、流れ誘導輪および／または羽根車の配列は軸線方向の相対的な相互の配列に制限されるものではない。本発明の熱機関の高いコンパクト性を実現するために、特に前記転向輪が少なくとも領域ごとに互いに相対的に半径方向に配設されることが考慮されている。
【００６６】
本発明の別の、図示しない実施形態において、熱機関は、蒸気タービンから付加的な抽気装置によって蒸気発生チャンバの中に発生する蒸気を抽気できる背圧もしくは抽気タービンの形態で形成することを考慮できる。
【００６７】
また、本発明に係る熱機関の使用は、この熱機関が外部に、熱機関の内部に発生する蒸気のほかに、付加的な蒸気を供給できる前置もしくは排気タービンの形態で実施可能である。
【００６８】
本発明の上記例による実施形態に関しては、特に図３および図４に示した蒸気タービン１’によって識別されるように、作動媒体が熱機関の内部で、熱機関の各必要性に適合される流れ推移を有してもよいことに注意する必要がある。このように特に、作動媒体が区間ごとに軸線方向、半径方向または横方向に、特に、熱機関の軸に対して半径方向にも前記軸から離れる方向にも流れることを可能にする。つまり本発明は特に例示した作動媒体の流路に制限されるものではない。
【００６９】
上記明細書、図面ならびに請求項に開示した本発明の特徴は、個別的にも各任意の組合せでもその種々の実施形態において本発明を実現するための本質とできる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明に係る熱機関の第１の実施形態の断面図である。
【図２】図１の平面Ａ−Ａに沿った図１の熱機関の断面図である。
【図３】本発明に係る熱機関の第２の実施形態の断面図である。
【図４】図３の平面Ｂ−Ｂに沿った図３の熱機関の断面図である。
【図５】本発明に係る熱機関の第３の実施形態の断面図である。
【図６】図５の平面Ａ−Ａに沿った図５の熱機関の断面図である。
【図７】本発明に係る熱機関の第４の実施形態の断面図である。
【図８ａ】本発明に係る熱機関の第５の実施形態の断面図である。
【図８ｂ】図８ａ記載の本発明に係る熱機関の第５の実施形態の変形態様の断面図である。
【図９】本発明に係る熱機関の第６の実施形態の断面図である。
【図１０】本発明に係る熱機関の第７の実施形態の断面図である。
【図１１】本発明に係る熱機関の第８の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１、１’、１” 蒸気タービン
３、３’、３” ステーター
５、５’、５” シャフト
６” 連結部材
７、７’、７” 羽根車
８” 流れ誘導輪
９、９’ 軸受
１０、１０’ シール
１１、１１’、１１” ローター
１１ａ、１１ｃ、１１ａ’、１１ｃ’、１１ａ”、１１ｃ” 前壁
１１ｂ、１１ｂ’、１１ｂ” 周壁
１３、１３’ チャンバ
１４’ 流れ誘導体
１５、１５’ チャンバ
１６’ 流れ誘導体
１７、１７’、１７” 壁
１８” 連結部材
１９ 開口
２０’ 通路
２１、２１’ 作動媒体
２３ 仕切壁
２４’ 仕切壁
２５、２５’ タービン室
２７、２７’、２７” ノズル
２８’、２８” 羽根
２９、２９’ 燃焼ガス
３０” 羽根
３１、３１’ 冷却空気
５１、５１’、５１” 蒸気タービン
５３、５３’、５３” ステーター
５５、５５’ シャフト
５７ａ、５７ｂ、５７ａ’、５７ｂ’、５７ｃ’
５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ” 羽根車
５９、５９’ 軸受
６０、６０’ シール
６１、６１’、６１” ローター
６１ａ、６１ｃ、６１ａ’、６１ｃ’ 前壁
６１ｂ、６１ｂ’ 周壁
６３、６３’ チャンバ
６５、６５’、６５” チャンバ
６７、６７’ 補償チャンバ
６９、６９’ 壁
７１、７１’ 燃焼ガス
７３、７３’ 作動媒体
７５、７５’、７５” 管
７７、７７’、７７” ノズル
７９ａ、７９ｂ、７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’
７９ａ”、７９ｂ”、７９ｃ” 転向輪
８１、８１’ 冷却空気
８３、８３’ 通路
８５、８５’、８５” 仕切壁
１０１、１０１’、１０１” 蒸気タービン
１０３、１０３’、１０３” ステーター
１０５、１０５’、１０５” シャフト
１０７、１０７” 前壁
１０７ａ”、１０７ｂ” 前壁部
１０９ 羽根車
１１１ 羽根車
１１３、１１３’、１１３” 周壁
１１５、１１５’、１１５” 前壁
１１５ａ”、１１５ｂ” 前壁部
１１７、１１７’、１１７” ローター
１１９、１２１、１２３ 仕切壁
１２５ 流れ誘導輪
１２７、１２７’ 軸受
１２９、１２９’、１２９” チャンバ
１３１、１３１’、１３１” チャンバ
１３３、１３３” シール
１３５ 燃焼ガス
１３７ 作動媒体
１３９ ノズル
１４１ 冷却空気
１４３’、１４３” シール要素
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーから機械エネルギーへ変換するための熱機関およびこのような熱機関の使用に関する。
【０００２】
先行技術から多数の熱機関が公知である。たとえば特許文献１は、熱から液体中の流動エネルギーを発生するための装置および方法を開示する。この装置は、ここで蒸発器に接続される蒸気流入開口と、凝縮器に接続される蒸気流出開口とを備えるケーシングを含む。さらに前記ケーシングはハイドロモータに接続される前流開口部と、前記前流開口部に接続される還流接続部とを有する。ケーシングの内部に、それぞれピストンが有る複数のセルを有するローターが配設されている。蒸気流入開口を通して圧力下の蒸気の供給と、蒸気流出開口からの蒸気の排出と、ローターの回転とによってハイドロモータによる作動液のポンプ給送が達成される。しかしながら前記装置における欠点は、該装置が高価となり、該装置の多部品構造のために大きい構造空間を有し、そのためにコンパクトに構成できないことである。さらに特に凝縮器の中で凝縮される液体を再び蒸発器に供給するためにポンプが必要なことである。
【０００３】
さらに特許文献２は発電機を駆動するための蒸気機関を開示する。この蒸気機関は、ここで閉じた蒸気循環系に組み込まれるロータリーピストンエンジンを含む。蒸気循環系は蒸気発生器と、ロータリーピストンエンジンの中に蒸気を噴射するための蒸気噴射装置と、ロータリーピストンエンジンから出る蒸気を凝縮するための凝縮器とを含む。蒸気機関の内部に円形の管群の束からなる蒸気発生器に熱による衝撃を与えるための燃焼が実施される。蒸気発生器から出る蒸気はロータリーピストンエンジンに供給され、それに続き燃焼空気の予熱に利用される別の管群の束を通して流れる。このように部分冷却された蒸気は凝縮器に供給され、かつ凝縮器の中で凝縮された水がそれに続きポンプを介して再び蒸気発生器に供給される。しかしながら前記蒸気機関における欠点は、同様に構造的に費用のかかる構造と、蒸気発生器の中の凝縮器で凝縮される水を給送するためのポンプを含む多数の必要なコンポーネントのためにコンパクト性に劣ることである。さらに、ロータリーピストンエンジンは摩耗が発生し易く、そこから高いメンテナンス費用が発生する。
【０００４】
さらに先行技術から蒸気タービンを含む熱機関が公知である。この蒸気タービンに、ケーシングの中に配設される羽根車を有するローターが駆動されるように、外部の蒸気発生器の中で発生される蒸気が供給される。羽根車を通り流出した後にケーシングから出る蒸気が凝縮され、このように凝縮された作動媒体がポンプを介して再び蒸気発生器に供給される。しかしながらこの蒸気タービンにおける欠点は、付加的なコンポーネント、特に熱エネルギーの機械エネルギーへの変換を達成するために弁、制御要素またはポンプが必要になることである。特にこの種の熱機関は蒸気タービンに使用すると多数の個別コンポーネントがあるために高い出力重量、すなわち抽気可能の出力と相対的な重量を有する。
【０００５】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１９９４８１２８号Ａ１明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／０１９４８４８号Ａ１明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って本発明の課題は、先行技術の欠点を克服する熱機関を提供することである。特に少ない出力重量と、高い効率と、有害物質および騒音の低い排出と、メンテナンスと摩耗の少ない単純な構造とを達成することによって熱エネルギーから機械エネルギーへの変換が達成されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明により、この課題は第１の構成において、熱機関が供給される熱エネルギーの熱機関を利用して第１の液体作動媒体を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体を利用して駆動可能の、かつ少なくとも１つのステーターと相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローターと、ローターの駆動後に蒸発した第１の作動媒体を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置とを含み、ローターがステーターを本質的に完全に取り囲み、かつローターが蒸気発生装置および凝縮装置を本質的に完全に含むことによって解決される。
【０００８】
上記構成に対して択一的な本発明に係る課題は第２の構成において、供給される熱エネルギーの熱機関を利用して第１の液体作動媒体を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体を利用して駆動可能の、かつ少なくとも１つのステーターと相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローターと、ローターの駆動後に蒸発した第１の作動媒体を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置とを含み、ローターがステーターを少なくとも領域ごとに取り囲む熱機関によって解決される。
【０００９】
第２の構成において、ローターは蒸気発生装置および／または凝縮装置を本質的に完全に含むことを考慮できる。
【００１０】
上記両方の実施形態において、ステーターは本発明により蒸気発生装置および／または凝縮装置を本質的に完全に含めてもよい。
【００１１】
上記両方の実施形態に対して択一的に、蒸気発生装置および／または凝縮装置が少なくとも分割型に形成されていて、ローターが凝縮装置の第１の部分および／または蒸気発生装置の第１の部分を含み、かつステーターが蒸気発生装置および／または凝縮装置の他方の部分を含むことも考慮できる。
【００１２】
ここで本発明による有利な実施形態において蒸気発生装置を形成する少なくとも１つの第１のチャンバと、凝縮装置を形成する少なくとも１つの第２のチャンバと、少なくとも１つのタービン室とを設けていて、好ましくは第１のチャンバと第２のチャンバ、第１のチャンバとタービン室および／または第２のチャンバとタービン室が少なくとも領域ごとに少なくとも１つの、特に断熱性の壁によって互いに分離されている。
【００１３】
上記の択一的な実施形態において、熱機関が蒸発した第１の作動媒体を排出するための第１のチャンバとタービン室を連結する、好ましくは少なくとも１つの第１のノズルを含む少なくとも１つの第１の連結装置において、好ましくはノズル開口の形状および／または配向を調節可能であり、少なくとも１つの第１の管および／または特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第１の開口とを含むことが考慮されている。
【００１４】
上記両方の択一的な実施形態において、さらに蒸発した第１の作動媒体を排出するためのタービン室と第２のチャンバを連結する、好ましくは少なくとも１つの第２のノズルを含む少なくとも１つの第２の連結装置において、好ましくはノズル開口の形状および／または配向が調節可能である連結装置と、少なくとも１つの第２の管および／または特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第２の開口とを設けてもよい。
【００１５】
また上記両方の実施形態において第１の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第１のおよび／または第２の連結装置と作用接続される、好ましくは第１および／または第２の弁の形態の少なくとも１つの第２の流量制御−および／または調整装置が提案されている。
【００１６】
本発明に係る熱機関の好ましい実施形態は、液体の第１の作動媒体を排出するための第１のチャンバとタービン室を連結する、特に好ましくは断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第３の開口の形態の少なくとも１つの第３の連結装置を使用する。
【００１７】
また液体の第１の作動媒体を排出するためのタービン室と第２のチャンバを連結する、好ましくは特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第４の開口の形態の少なくとも１つの第４の連結装置を本発明に係る熱機関の中に設けてもよい。
【００１８】
上記両方の択一的態様において、本発明により液体の第１の作動媒体がローターの回転中に、特に作動媒体に作用する遠心力によって、第１のチャンバから蒸発した第１の作動媒体の流出を第３および／または第４の連結装置によって阻止し、特に第３および／または第４の開口をブロックすることが提案される。
【００１９】
さらに本発明により、好ましくは第３および／または第４の弁、特に逆止弁の形態で、第３の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第３のおよび／または第４の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第４の流量制御−および調整装置が提案されている。
【００２０】
特に、第２のチャンバとタービン室を１つに形成することも考慮できる。
【００２１】
本発明に係る熱機関の上記実施形態において、第１のチャンバ、第２のチャンバおよび／またはタービン室の中に形成される少なくとも１つの流れ誘導体を設けてもよい。
【００２２】
本発明に係る熱機関の有利な実施形態は、ステーターによって囲まれる、好ましくは第１の連結装置を介してステーターと相対的にローターを回転するために蒸発した第１の作動媒体を、特に軸線方向、半径方向および／または第１の回転軸と相対的に所定の角度以下で供給可能である少なくとも１つの第１の羽根車を特徴とする。
【００２３】
本発明に係る熱機関の前記実施形態は、ローターと作用接続される、特に前記ローターと回転連動確実に連結可能の、かつ蒸発した作動媒体の上流側および／または下流側に第１の羽根車と相対的に配設される少なくとも１つの流れ誘導輪を特徴とでき、流れ誘導輪が好ましくは少なくとも領域ごとに第１の羽根車と同心的に、特に第１の羽根車の内部および／または外部に配設されている。特に第１の羽根車と相対的に蒸発した作動媒体の上流側の流れ誘導輪の配設が効率を向上させる。
【００２４】
本発明に係る熱機関の上記両方の実施形態は、ステーターによって囲まれる特に流れ誘導輪と相対的に蒸発した作動媒体の下流側に配設される少なくとも１つの第２の羽根車を特徴とでき、好ましくは蒸発した作動媒体の上流側および／または下流側に第２の羽根車と相対的にローターと作用接続される、特に前記ローターと回転連動確実に連結可能の少なくとも１つの転向輪が配設されていて、特に前記転向輪が少なくとも領域ごとに第１および／または第２の羽根車と同心的に、特に第１および／または第２の羽根車の内部および／または外部に配設されている。
【００２５】
上記３つの択一的な実施形態において本発明は特に、第１の羽根車、流れ誘導輪、第２の羽根車および／または転向輪が少なくとも部分的にタービン室の中に配設されていることを考慮する。
【００２６】
また、第２の羽根車が第１の羽根車の第１の直径と異なる第２の直径および／または第１の羽根車の羽根の枚数もしくは形状と異なる羽根の枚数もしくは形状を有することが提案される。
【００２７】
本発明に係る熱機関の有利な実施形態は、多数の第２の羽根車および／または転向輪をも特徴とし、第２の羽根車は好ましくは羽根相互に異なる直径、異なる形状および／または異なる枚数を有し、かつ／または転向輪は羽根相互に異なる直径、異なる形状および／または異なる枚数を有する。
【００２８】
また、第１の羽根車の少なくとも１つの羽根、少なくとも１つの第２の羽根車、流れ誘導輪および／または少なくとも１つの転向輪の形状および／または位置は、好ましくは熱機関の運転中に調整可能であることを考慮できる。
【００２９】
さらに本発明は、蒸気発生装置、特に第１のチャンバの蒸気発生装置に、好ましくは流体加熱媒体の形態で、特に燃焼ガスのような高温のガス形態で、特に高い伝熱性の材料を含みかつ／または高い対流熱輸送用に構造化される第１のチャンバの壁の中に組み込まれかつ／または前記壁の表面上に形成される少なくとも１つの加熱スピンドルの形態のような加熱源の形態で、加熱流体のための少なくとも１つの第１の流量装置および／または第１のチャンバの壁の外側に形成される、特に加熱流体が貫流可能の、少なくとも１つの第１の構造および／または第１のチャンバの壁の内側に形成される、特に好ましくは蒸発した作動媒体が貫流可能の少なくとも１つの第２の構造の形態で熱による衝撃を与えるための少なくとも１つの加熱手段を提案する。
【００３０】
上記実施形態において、第１の流量装置は壁の中に組み込まれていて、第１の流量装置の加熱手段は好ましくはステーターのシャフトを介して供給され、かつ／または加熱手段が特に第１の流量装置を含む、好ましくは閉じた加熱循環系の中で循環されることを提案できる。
【００３１】
さらに本発明により、凝縮装置、特に第２のチャンバに、好ましくは流体冷媒の形態で、特に窒素または冷却空気の形態で、特に好ましくは高い伝熱性の材料を含みかつ／または高い対流の熱輸送のために構造化される第２のチャンバの壁に組み込まれ、かつ／または前記壁の表面に形成される少なくとも１つのペルティエ要素の形態のような冷却源の形態で、窒素または冷却空気のような冷却流体のための少なくとも１つの第２の流量装置および／または第２のチャンバの壁の外側に形成される、特に冷却流体が貫流可能の少なくとも１つの第３の構造および／または第２のチャンバの壁の内側に形成される、特に作動媒体が貫流可能の少なくとも１つの第４の構造の形態で、冷却空気による衝撃を与えるための少なくとも１つの冷媒が提案される。
【００３２】
また本発明により上記実施形態において、第２の流量装置が壁の中に組み込まれていて、第２の流量装置の冷媒が好ましくはステーターのシャフトを介して供給され、かつ／または冷媒が特に第２の流量装置を含む、好ましくは閉じた冷却循環系の中で循環されることが提案されている。
【００３３】
上記４つの択一的な実施形態において、本発明により、加熱流体が加熱手段の領域に本質的に第１の回転軸から半径方向外側へローターの外周に向かって延長する流れ方向を有し、かつ／または冷却流体が冷媒の領域に本質的に半径方向にローターの外周から第１の回転軸の方向へ延長する流れ方向を有することが有利と見なされている。
【００３４】
また少なくとも１つの蒸気状の第２の作動媒体を供給するための少なくとも１つの供給装置において、好ましくは第１および第２の蒸発した作動媒体が同一である供給装置を設けてもよい。
【００３５】
さらに本発明の有利な実施形態は、蒸発したおよび／または液体の第１の作動媒体の少なくとも一部を排出するための少なくとも１つの引抜装置を設けている。
【００３６】
好ましくは供給装置と作用接続される少なくとも１つの第５の流量制御−および／または調整装置および／または引抜装置と作用接続される少なくとも１つの第６の流量制御−および／または調整装置とを設けている。
【００３７】
最後に本発明により蒸気発生装置、凝縮装置、第１、第２、第３、第４、第５および／または第６の流量制御−および／または調整装置の第１および／または第２のノズル、第１の羽根車、少なくとも１つの第２の羽根車、流れ誘導輪および／または少なくとも１つの転向輪、加熱手段、冷却手段および／またはローターの回転速度を測定するためのセンサに作用接続される少なくとも１つの制御−および／または調整ユニットが提案される。
【００３８】
本発明は、さらに前置タービン、排気タービン、背圧タービン、抽気タービン、等圧タービンおよび／または過圧タービンとしての本発明に係る熱機関の使用を考慮する。
【００３９】
従って本発明において、蒸気タービンの実施態様は蒸気発生装置および凝縮装置がローターの中に組み込まれている外部ローラの形態で構造的に単純な熱機関の構造を実現できる驚くべき認識が基礎に置かれている。特に、蒸発器から凝縮器へ作動媒体を給送するための弁またはポンプのような制御−および／または給送要素を省く熱機関を提供できる。少なくとも１つの羽根車を有するステーター周りに回転するローターの中への蒸発器および凝縮器の組込みによって、本発明により凝縮器から蒸発器への作動媒体の自動的給送が回転によって作動媒体に作用する遠心力を介して達成される。さらにローターの回転運動と共に作動媒体に作用する遠心力は、作動媒体自体が凝縮器から蒸発器へ延びる連結通路を、蒸発器の中で発生される蒸気のみが、該蒸気が蒸発器から出て、羽根車に衝突し、それによってローターの回転を生ぜしめることによって凝縮器の中に到達可能に封止することを保証する。特にローターの回転によって作動媒体に作用する遠心力は、蒸発器の内部の圧力が大きい場合でも凝縮器内の圧力と相対的に遠心力によって惹起される静水圧力に基づき凝縮器内での蒸発器からの蒸気状の作動媒体の移行が前記方法でのみ羽根車の回転後に可能になることを生ぜしめる。すなわち、本発明に係る熱機関の構造によって、凝縮器および蒸発器間の遠心力封止が実現される。さらに、この遠心力封止は、作動媒体を凝縮器から蒸発器へ給送するためのポンプとしても利用される。これは、付加的な供給ポンプ等を省くことができることをもたらす。さらに外部ローラとしての蒸気タービンの構造が熱機関の高い効率を可能にする。たとえば燃焼ガスによる蒸発器側での機械の加熱も、たとえば冷却空気による凝縮器側での冷却も本発明により好ましくは対流原理で行われ、それ以外は冷媒もしくは加熱媒体の任意の流れ方向が可能である。燃焼ガスの効率的な利用は、ここで、高温の燃焼ガスがローターの軸付近の領域を加熱し、それによって特にノズルを介してステーターの羽根車に向けられる蒸気発生器からの特に高温の蒸気が出ることによって達成される。この燃焼ガスは、次にローターの回転軸からローターの外周へ向かう半径方向へ流れ、そこで冷却される燃焼ガスが遠心力によってそこに有る液体作動媒体がローターの外周で沸騰させられる。その際に発生する蒸気はローターの中でローターの回転軸の方向へ移動し、前記方向にますます高くなる燃焼ガスの温度によって連続的に加熱され、その結果、たとえば等圧膨張を発生させられる。凝縮器側で冷却空気がローターの外周からローターの回転軸に対して半径方向へ、ローターの外部に向かって流れる。このように、ローターの内部で半径方向に回転軸から外方へ流れる蒸気がさらに冷却され、かつ凝縮されることが達成される。従って本発明に係る熱機関の構造は蒸気タービンとして、外部ローラ方式で作動流体の加熱とその冷却とのための対流原理の使用を可能にし、これが熱機関の効率の向上をもたらす。
【００４０】
本発明のその他の特徴および長所は、本発明の好ましい実施形態が概略図面を利用して例により説明されている以下の明細書から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１および２に、本発明に係る熱機関の第１の実施形態は、蒸気タービン１、または蒸気発生ゾーンを備えるコンパクト蒸気タービンの形態で示している。蒸気タービン１は、ステーター３２を備える。ステーター３２は、固定シャフト５と、シャフト５と連結される羽根車７と、を備える。ローター１１の内部が密閉されるように、軸受９およびシール１０を介してローター１１が前壁１１ａ、１１ｃと周壁１１ｂとによって、ステーター３について相対的に回動可能に軸支されている。ローター１１は、基本的に第１のチャンバ（燃焼室）１３と、第２のチャンバ１５とから構成される。チャンバ１３、１５は断熱性の壁１７によって、ローター１１の周壁１１ｂの領域で壁１７の開口１９まで互いに仕切られている。開口１９を通して作動媒体２１好ましくは水を、詳しく後述するように、第２のチャンバ１５から第１のチャンバ１３の中へ流すことがある。ローター１１の回動時に作動媒体２１に作用する遠心力によって作動媒体２１が、図１および２に示すように、ローター１１の周壁１１ｂに集まる。さらに第１のチャンバ１３は仕切壁２３によって、羽根車７が配設されるタービン室２５から分離される。仕切壁２３の内部に開口がノズル２７の形態で形成されている。ここで以下に蒸気タービン１の作動の態様を説明する。
【００４２】
ローター１１に、図示しない加熱装置の燃焼ガス２９が供給される。ローター１１は、第１のチャンバ１３に対向する側に位置する第１の前壁１１ａ上に存在する。図１から判るように、燃焼ガス２９の供給は、該燃焼ガスがローター１１に沿って該ローターの回転軸から半径方向外方へ案内されるように行われる。第１のチャンバ１３の領域に存在する作動媒体２１が加熱されるため、燃焼ガス２９によって、ローター１１の第１の前壁１１ａが加熱され、最終的に第１の第１のチャンバ１３中の作動媒体２１の少なくとも部分的な蒸発を生じる。第１のチャンバ１３がそれによって蒸気発生チャンバとして作用する。供給される燃焼ガス２９もしくはその温度の量の制御または調整による熱供給の調整によって、蒸気タービン１から引き渡される出力またはその回転数を制御もしくは調整できる。
【００４３】
燃焼ガス２９と第１のチャンバ１３または蒸気発生チャンバの内部との間の効率的な熱交換を可能にするために、図示しない複数の熱機関要素が存在する。これらの熱機関要素は、第１のチャンバ１３の領域内の、ローター１１の第１の前壁１１ａ上で、好ましくは燃焼ガス２９に対向する側及び第１のチャンバ１３に対向する側に存在する。燃焼ガス２９または第１のチャンバ１３内で蒸発する作動媒体２１が当該熱機関要素に貫流される。特に、ローター１１の前壁１１ａは高伝熱性材料を含む。
【００４４】
蒸発する作動媒体２１は、第１のチャンバ１３の内部で周壁１１ｂからローター１１の回転軸に向かって移動する。それによって対流原理は蒸気タービン１の中に実現されている。これは燃焼ガス２９のエネルギーの効率的な利用をもたらす。高温の燃焼ガス２９はローター１１の回転軸に対向する第１のチャンバ１３の領域に衝突し、その結果、前記領域で特に高い蒸気が発生する。ローター１１の半径方向に移動する燃焼ガス２９は、次に再び冷却され、作動媒体２１がローター１１の周壁１１ｂの領域で沸騰させられる。それによって燃焼ガス２９の熱エネルギーの効率的な利用が達成される。
【００４５】
ローター１１の周壁１１ｂの領域で加熱される作動媒体２１は、第１のチャンバ１３もしくは蒸気発生チャンバを通して仕切壁２３の方向へ流れ、該作動媒体が等圧に膨張する。それによって第１のチャンバ１３の内部に高い内圧が発生し、作動媒体２１のレベルが第１のチャンバ１３の領域で、第２のチャンバ１５の領域よりも低くなることによって認識できる。このように第１のチャンバ１３の中で発生する蒸気は、ノズル２７を通って流れ、ここで断熱式に膨張する。特に、図２から判るように、ノズル２７は半径方向ではなく、傾斜して配向され、その結果、ノズル２７の好適な傾斜角を調整できる。従って蒸気は、ステーター３と相対的にローター１１の反動を生じるように羽根車７に衝突し、ローター１１の回転運動が発生もしくは維持される。
【００４６】
羽根車７を通って排出された後、蒸気はタービン室２５から凝縮チャンバとして利用される第２のチャンバ１５の中に流入する。そこで蒸気の冷却と共に第２のチャンバ１５の領域で作動媒体２１の凝縮が生じる。
【００４７】
ローター１１の回転によって、凝縮した作動媒体２１がローター１１の周壁１１ｂに集まる。蒸気状の作動媒体２１の冷却を凝縮チャンバとして作用する第２のチャンバ１５の中で達成するために、冷却気体３１がローター１１の第２の前面１１ｃに供給される。またこの供給は対流原理で行われる。冷たい空気は冷却空気としてローター１１の外側から半径方向にローター１１の回転軸の方向へ流れる。その際に冷却気体３１が加熱される。それに対して第２のチャンバ１５の内部で半径方向にローター１１の回転軸から離動して流れる蒸気状の作動媒体２１が次第に漸次冷却され、そこで凝縮される。それによってすでに加熱された冷却気体３１がローター１１の回転軸の領域で別の熱エネルギーを受け取り可能であり、作動媒体２１と冷媒３１との間の対流熱交換が、図示しない壁１１ｃを設けることで、好ましくは熱交換器要素の形態で、支持されるので、第２のチャンバ１５からの効率的な排熱を確実にする。第２のチャンバ１５の中で凝縮される作動媒体２１は、次に壁１７の中の開口１９を通して第１のチャンバ１３の中へ流れ、そこで該作動媒体が再び蒸発させられる。
【００４８】
作動媒体２１に作用する遠心力によって、該作動媒体が外方へ加速され、それによって開口１９が閉じられ、その結果、蒸気が第１のチャンバ１３からもっぱらノズル２７を通して第２のチャンバ１５の中に到達できる。また第２のチャンバ１５の中の圧力と相対的に第１のチャンバ１３の中の圧力が大きい場合でも、静水圧に基づき、遠心力に制限されて、開口１９が作動媒体２１によって密閉して保持されるので、第１のチャンバ１３の中で発生する作動媒体２１の蒸気に対する開口１９の確実な閉鎖が確実となる。
【００４９】
蒸気タービン１の自動始動のため、開口１９の内部に逆止弁を配設してもよい。この逆止弁は、初めに第１のチャンバ１３の中で発生される蒸気が出口を通してノズル２７によりローター１１を回転させることを生ぜしめ、その結果、回転の開始後、開口１９の密閉が作動媒体２１によって保証される。さらに、ノズル２７の中でも、ローター１１の回転速度の制御を達成するために、弁のようなシール装置を設けることもできる。この場合、特に弁が開口１９ならびにノズル２７の中で図示しない制御−および調整装置と接続されることを考慮できる。さらに蒸気タービン１の回転数制御もしくは調整は、燃焼ガス２９によって供給される熱エネルギーの変化によって、かつ／またはノズル２７の傾斜角の変化によって可能になる。
【００５０】
図３および図４に、本発明に係る熱機関の第２の実施形態を示す。第２の実施の形態は、蒸気タービン１’、または上記発生ゾーンを備えるコンパクト蒸気タービンの形態である。蒸気タービン１’は本質的にその基本構造から図１および２に示した蒸気タービン１の構造に相当する。蒸気タービン１と異なり、蒸気タービン１’の場合は、対応する要素を同じ符号で、ただし１つのアポストロフィで表している。蒸気タービン１’は本質的に、蒸発したもしくは液状の作動媒体２１’の様々な流れ誘導体によって蒸気タービン１から区別される。蒸気タービン１と類似に蒸気タービン１’のローター１１’に第１のチャンバ１３’に対向する側に配設される、第１の前壁１１ａ’に燃焼ガス２９’が供給される。またこの供給も、図３から判るように、対流原理で行われる。燃焼ガス２９’によって第１のチャンバ１３’の内部に有る作動媒体２１’の加熱が生じる。ただし蒸気タービン１と異なり、この蒸発した作動媒体２１’は約１８０゜方向転換後に初めて流れ誘導体１４’を利用してノズル２７’を通り、タービン室２５’もしくは第２のチャンバ１５’の中に流れ込む。この流れ誘導体１４’周りの方向転換は、特に、同伴される（連行、エントレインド）作動媒体２１’の小滴が流れ誘導体１４’周りに蒸気流に続くことができず、このようにノズル２７’を介してタービン室２５’もしくは第２のチャンバ１５’の中に到達できない長所を提供する。同伴される小滴は蒸気流と共にローター１１’の回転軸の方向へ流れるが、さらに半径方向にも移動し、流れ誘導体１４’に衝突し、それによって該小滴が遠心力の作用によって周壁１１ｂ’の方向へ加速される。さらに、流れ誘導体１４’によって、蒸発した作動媒体２１’が本質的にローター１１’の回転軸まで第１のチャンバ１３’の内部に流れることができ、それによって作動媒体２１’で燃焼ガス２９’のエネルギーの最大の熱伝達を実施可能とすることが達成される。
【００５１】
蒸気状の作動媒体２１’の方向転換後に、該作動媒体がノズル２７’を通り羽根車７’の半径方向へ流れる。蒸気状の作動媒体２１’は次に第２のチャンバ１５’の内部でシャフト５’の近傍で前壁１１ｃ’の方向へ流れる。この流れ誘導体は特に第２のチャンバ１５’の中で羽根車７’の領域に配設される流れ誘導体１６’によって達成される。この流れ誘導体は、蒸気状の作動媒体２１’が対流原理で冷却空気３１’と相対的に前壁１１ｃ’の内側で周壁１１ｂ’の方向へ流れることを保証する。さらに、蒸気タービン１’の内部でのこの流れ誘導は、蒸気タービン１に比べて、蒸気タービン１の羽根車７よりも大きい直径を有する羽根車７’を使用できる長所を提供する。従って蒸気タービン１’はより小さい回転数で運転できる。
【００５２】
第２のチャンバ１５’の中で凝縮される作動媒体２１’は回転力によって周壁１１ｂ’に集まり、通路２０’を通り第１のチャンバ１３’の中に還流する。通路２０’は、ここで一方で周壁１１ｂ’と、本質的に円筒形の、特に流れ誘導体１４’および１６’を含む仕切壁２４’とによって形成される。ここで仕切壁２４’は特に通路２０’の領域で作動媒体２１’の加熱を通路２０’の内部で防止するために断熱されて形成される。
【００５３】
図５および６に、本発明に係る熱機関の第３の実施形態を蒸気タービン１”、またはコンパクト蒸気タービンの形態で示す。蒸気タービン１”は本質的にその基本構造から図３および４に示した蒸気タービン１’の構造に相当する。蒸気タービン１’の構造に相当する蒸気タービン１”の要素は同じ符号を付けている。蒸気タービン１”は本質的に、少なくとも１つの連結部材６”を介してステーター３”のシャフト５”に連結される羽根車７”を設けることによって、蒸気タービン１’から区別される。特に図６から判るように、羽根車７”は、特に図５から判るように、同心的に連結部材１８”を介して壁１７”と共にローター１１”に連結される流れ誘導輪８”を取り囲む。図６から明らかなように、羽根車７”は羽根２８”を有し、他方、流れ誘導輪８”は羽根３０”を含む。羽根車７”と相対的な流れ誘導輪８”のこの配置によって蒸気タービン１’に比べて蒸気タービン１”の効率のさらなる向上が達成される。ノズル２７”から出る作動媒体２１’は初めに羽根車７”の羽根２８”に衝突し、それによって羽根車７”が連結されるステーター３”と相対的にローター１１”が駆動される。羽根車７”から出る作動媒体は、ローター１１”と連結される流れ誘導輪８”の羽根３０”に衝突する。その結果、流れ誘導輪８”によって作動媒体中に有る残りのエネルギーも少なくとも部分的にローター１１”の運動エネルギーへ変換される。
【００５４】
図１から図６に示した蒸気タービン１、１’、１”は、単段ラジアルタービンである。それは、それぞれ単に羽根車７、７’、７”を設け、さらに蒸気が半径方向に羽根車７、７’、７”に衝突するようになっているからである。それに対して、図７には本発明に係る熱機関の第４の実施形態を蒸気タービン５１、または等圧タービンとして、すなわちカーチスの原理に従って作動する多段アキシャル（軸）タービンの形態で示している。等圧タービンとは、羽根車の動翼の中もしくはそこからの作動媒体の蒸気の流入および流出圧力が等しい蒸気タービンである。それによって等圧タービンの羽根は動翼の中の蒸気の減速からのエネルギーを利用して駆動される。特に蒸気タービン５１は速度段を有し、すなわち蒸気の速度が段階的に利用されることを考慮している。より高い熱力学的効率を達成するために、この種の等圧タービンにおいては、圧力段階が発生されること、すなわち圧力勾配が複数の段階に分割されることも考慮されている。これは大きすぎる蒸気速度を回避できる長所を提供する。
【００５５】
蒸気タービン５１はシャフト５５を含むステーター５３を有する。シャフト５５には互いに離間して羽根車５７ａおよび５７ｂが配設されている。軸受５９とシール６０とを介してローター６１がステーター５３と相対的に回転可能に蒸気タービン５１の中にある。ローター６１は、第１の前壁６１ａと、周壁６１ｂと、第２の前壁６１ｃとを有する。さらに、ローター６１の内部には、蒸気発生チャンバとして利用される第１のチャンバ６３と、凝縮チャンバとして利用される第２のチャンバ６５とが形成されている。特に蒸気タービン５１は、蒸気タービン１と異なり、液体作動媒体７３を捕集するための補償チャンバ６７を有する。第１のチャンバ６３および補償チャンバ６７は断熱性の壁６９を介して互いに分離されている。
【００５６】
蒸気タービン１、１’、１”と類似に、ローター６１の第１の前壁６１ａの蒸気タービン５１の中に燃焼ガス７１が対流原理で供給される。それによって作動媒体７３の少なくとも一部の蒸発が第１のチャンバ６３の内部で生じる。このように蒸発した作動媒体７３はその端部にノズル７７が配設される管７５を介して、まず羽根車５７ａに供給される。ノズル７７の領域の蒸気の膨張と、第１の羽根車５７ａへの蒸気の衝突とによってローター６１の回転運動が生じる。
【００５７】
蒸気状の作動媒体に内在するエネルギーを完全に利用可能にするため、蒸気タービン５１の中で、軸線方向に第１の羽根車５７ａに向けた蒸気が羽根車５７ａによって排出された後にローター６１と共に回転する転向輪７９ａの中へ流入することを考慮している。この転向輪は特に回転翼円板として作用し、蒸気に内在するエネルギーが作動エネルギーへ変換される。さらに転向輪７９ａの中で次に蒸気流が本質的に再びローター６１の回転軸を基準に軸線方向に同様にシャフト５５と連結される第２の羽根車５７ｂに衝突する前に、該蒸気流の方向転換を生じる。第２の羽根車５７ｂを通り排出された後、蒸気が、同様にローター６１と連結される第２の、同様に特に回転翼円板として利用される転向輪７９ｂの中に到達する。その後、蒸気が第２のチャンバ６５の中に流入し、そこで該蒸気がローター６１の第２の前壁６１ｃの冷却によって冷却空気８１を利用して冷却かつ凝縮される。凝縮された作動媒体７３は次に第２のチャンバ６５から補償チャンバ６７を介して第１のチャンバ６３に流れ込む。この場合、作動媒体７３は周壁６１ｂと本質的に円筒形の仕切壁８５との間に形成される通路８３を通して流れる。仕切壁８５は、一方で羽根車５７ａ、５７ｂならびに転向輪７９ａ、７９ｂがある領域の、他方で周壁６１ｂもしくは通路８３の断熱に利用される。この目的のために仕切壁８５は伝熱性が小さくなる。特に、仕切壁８５は中空に形成されていて、特に断熱材を含むことを考慮してもよい。
【００５８】
図８ａに本発明に係る熱機関の第５の実施形態を、多段蒸気タービン５１’の形態で示す。蒸気タービン５１’の基本的な構造は、本質的に図７に示した蒸気タービン５１の構造に相当する。そのため本質的に蒸気タービン５１’の同じ部材は蒸気タービン５１と同じ符号を付けているが、１つのアポストロフィで示している。蒸気タービン５１と異なり、蒸気タービン５１’は３つの羽根車５７ａ’、５７ｂ’および５７ｃ’を有する。それに対応して蒸気タービン５１’はそれぞれローター６１’と連結される３つの転向輪７９ａ’、７９ｂ’および７９ｃ’も有する。さらに、蒸気タービン５１’は、ノズル７７’、羽根車５７ａ’、５７ｂ’、５７ｃ’ならびに転向輪７９ａ’７９ｂ’および７９ｃ’の形状に基づき過圧タービンであることによって蒸気タービン５１から区別される。蒸気はローター６１’の回転軸と相対的に傾斜した角度で羽根車５７ａ’、５７ｂ’、５７ｄ’を貫流するので、蒸気タービン５１’は特に斜流タービンである。この過圧タービンの構造は、蒸気がノズル７７’から相対的に高い圧力で流出し、羽根車５７ａ’、５７ｂ’ならびに５７ｃ’の羽根の中に蒸気圧の圧力低下を生じることを意味する。従って、蒸気の速度変換と、付加的に蒸気の弛緩時に発生する背圧とから構成される羽根車５７ａ’、５７ｂ’、５７ｃ’の羽根の中に蒸気のエネルギー変換が生じる。従って、蒸気タービン５１’の内部に低い段階的圧力勾配を有し、かつ好適な流れ形成ならびに良好な動的効率を達成する複数の圧力ステップが形成されている。
【００５９】
さらに図８ｂに、蒸気タービン５１”の形態で図８ａに示した蒸気タービン５１’の変形態様を示す。蒸気タービン５１”の基本構造は本質的に蒸気タービン５１’の構造に相当し、蒸気タービン５１”の同じ要素は、蒸気タービン５１’と比べて同じ符号を付けている。蒸気タービン５１”は、本質的に羽根車５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ”転向輪７９ａ”、７９ｂ”および７９ｃ”ならびに仕切壁８５”の幾何学的に異なる実施態様によって蒸気タービン５１’から区別される。羽根車５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ”はそれぞれ直径が異なることによって互いに区別される。さらに羽根車５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ”の羽根の形状は、蒸気タービン５１”の内部の速度もしくは圧力ステップを形成するために区別される。それに対応して仕切壁８５”の形状ならびに第２のチャンバ６５”の形状はこれらの異なる直径に適合される。さらに管７５”とノズル７７”は同様に蒸気タービン５１’と比較して羽根車５７ａ”の異なる形状に適合される。最終的に転向輪７９ａ”、７９ｂ”および７９ｃ”は、それらによって包括される羽根によって羽根車５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ”を通して貫流する作動媒体７３”の誘導がローター６１”の回転軸と相対的に対角線に達成されるように形成されている。
【００６０】
本発明に係る熱機関の図１から図８ｂに示した実施形態は、共通して、ローターが本質的に完全にチャンバ１３、１３’、６３、６３’形状の蒸気発生装置と、チャンバ１５、１５’、６５、６５’の形状の凝縮装置とを含むことを特徴とする。図９から図１１を利用して、ここで蒸気発生装置もしくは凝縮装置が本質的に全部もしくは一部をステーターによって囲まれている熱機関の本発明に係る実施形態を記載する。またこの熱機関は、該熱機関が少ない出力重量、高い効率、低い有害物質と騒音との排出ならびにメンテナンスと摩耗の少ない単純な構造を有する長所を有する。特に、この外部ローラとして構成される熱機関は、遠心力を生じ、凝縮器および蒸発器間の遠心力封止が実現され、その結果、付加的な供給を省けるという長所を有する。
【００６１】
図９に本発明に係る熱機関の第６の実施形態を、蒸気タービン１０１、または蒸気発生ゾーンを備えるコンパクト蒸気タービンの形態で示す。蒸気タービン１０１の構造は、図５および図６に示した蒸気タービン１”の構造に類似する。このように蒸気タービン１０１は再び固定シャフト１０５を含むステーター１０３を含む。図１ないし８ａに示した本発明に係る実施形態と異なり、蒸気タービン１０１の前壁１０７はシャフト１０５と連結され、それによってステーター１０３の部分を形成する。さらに前壁１０７を介してシャフト１０５が第１の羽根車１０９と第２の羽根車１１１とに連結されている。それに対して周壁１１３と前壁１１５はステーター１０３と相対的に回転可能に軸支されている。前記壁１１３、１１５は、それによってローター１１７を形成する。さらに仕切壁１１９、１２１および１２３はローターと回転連動確実に連結されている。さらに仕切壁１２１に流れ誘導輪１２５が配設されている。この流れ誘導輪１２５は軸受１２７を介して回転可能にシャフト１０５に軸支されている。しかしながら流れ誘導輪１２５の支承はシャフト１０５に必ずしも必要ではない。特にローター１１７の充分な支承はシール装置１３３を介して可能で、その結果、軸受１２７を省いてもよい。蒸気タービン１０１の内部は、好ましくは断熱性の壁１２１を利用して第１のチャンバ１２９と第２のチャンバ１３１とに仕切られる。ここでチャンバ１２９は蒸気発生チャンバとして作用し、他方チャンバ１３１は凝縮チャンバとして利用される。第２のチャンバ１３１のシーリングはシール装置１３３によって周壁１１３と前壁１０７の移行領域で行われる。このシール装置１３３は当業者に一般的に知られている形態で形成できる。このようにシール装置１３３は特にＯ−リングおよび／またはラビリンスシステムのようなシール部材を含むことができる。しかし蒸気タービン１０１の動作方式に重要であるのは、シール装置１３３が第２のチャンバ１３１のシーリングを保証すると同時にステーター１０３と相対的なローター１１７の回転を可能にすることである。それによって蒸気タービン１０１の中で、蒸気発生装置がチャンバ１２９の形態で本質的に完全にローター１１７によって囲まれ、他方では凝縮装置が前壁１０７を有する第２のチャンバ１３１の形態で本質的に完全にステーター１０３によって囲まれることが達成される。
【００６２】
以下、ここで蒸気タービン１０１の動作方式を説明する。上記実施形態と類似に、燃焼ガス１３５は対流原理で前壁１１５に衝突する。これは第１のチャンバ１２９の加熱を生ぜしめ、作動媒体１３７が蒸発されるようにする。作動媒体１３７は仕切壁１２１、１２３と、ノズル１３９を通り第２のチャンバ１３１の中へ流入する。そこで蒸発する作動媒体が第１の羽根車１０９に衝突し、ステーター１０３と相対的にローター１１７の駆動を生ぜしめる。ステーター１０３と連結される第１の羽根車１０９による排出後、蒸発した作動媒体はローター１１７と連結される流れ誘導輪１２５に衝突し、それによってローター１１７が引き続き駆動される。流れ誘導輪１２５から流出後、作動媒体は最終的に少なくとも部分的に前壁１０７を介してステーター１０３と連結される第２の羽根車１１１に衝突する。第２のチャンバ１３１の領域で作動媒体の凝縮を達成するために、チャンバ１３１から離間する前壁１０７の側で冷却空気１４１が対流原理で沿流する。凝縮された作動媒体は、周壁１１３の領域にローター１１７の回転運動によって集められ、前壁１０７と仕切壁１１９との間の領域に、図示しない駆動要素が、好ましくはローター１１７と共に回転され、特に該ローターに取り付けられる羽根の形態で配設されている。しかしながらこの駆動要素は必ずしも必要ではないが、作動媒体１３７による遠心力封止の運転安全性が向上する。それを受けて作動媒体１３７は周壁１１３と仕切壁１１９との間で再び第１のチャンバ１２９へ還流する。作動媒体１３７は蒸気タービン１０１の中で、第１のチャンバ１２９と第２のチャンバ１３１との間の封止が仕切壁１１９と周壁１１３の領域で達成されることを保証し、その結果、作動媒体１３７は常時ノズル１３９を介して第１のチャンバ１２９から第２のチャンバ１３１への通路を進まなければならない。蒸気タービン１０１は、前壁１０７が回転運動を実行せず、それによって冷却空気１４１の特に層流が前壁１０７に沿って生じる長所を提供する。それによって第２のチャンバ１３１の形態での凝縮装置の効率と共に蒸気タービン１０１の効率が向上する。さらに蒸気タービン１０１の構造は、前壁１０７への冷媒の供給を容易にする。このように前壁１０７が図示しない流量装置によって通路の形態で実現されることを考慮できる。この通路は特に水のような冷却流体が循環する閉じた冷却循環系の一部とできる。前壁１０７がステーター１０３のシャフト１０５と連結されることによって、前記冷媒の供給はシャフト１０５に配設されたまたはこれを貫流する通路によって行える。この別の冷却方式によって蒸気タービン１０１の効率をさらに向上可能である。
【００６３】
図１０に本発明に係る熱機関の第７の実施形態を、蒸気タービン１０１’の形態で、または蒸気発生ゾーンを備えるコンパクト蒸気タービンの形態で示す。蒸気タービン１０１’の構造は本質的に、図９に示した蒸気タービン１０１の構造に相当する。特に蒸気タービン１０１’は蒸気タービン１０１に関して記載した駆動装置を仕切壁１１９と前壁１０７の領域に設けてもよい。蒸気タービン１０１と同じ蒸気タービン１０１’の要素は同じ符号を付けていて、他方、異なる要素は、同じ符号であるが簡単にアポストロフィで表している。蒸気タービン１０１’の構造は凝縮装置も蒸気発生装置も本質的に完全にステーター１０３’によって囲まれることによって、蒸気タービン１０１の構造から本質的に区別される。ステーター１０３’は前壁１０７とも前壁１１５’とも連結されるシャフト１０５’を含む。それによって前壁１１５’はローター１１７’によって囲まれない。ローター１１７’は本質的に仕切壁１１９、１２１、１２３と連結される周壁１１３’を含む。さらに仕切壁１２３には流れ誘導輪１２５が取り付けられている。蒸気発生装置として利用される第１のチャンバ１２９’の密閉のために、周壁１１３’は密閉装置１４３’を介して前壁１１５’と連結されている。この構造的な蒸気タービン１０１’の構成によって、前壁１０７と並んで前壁１１５’も蒸気タービン１０１’の運転で定在させたままの状態が達成される。それによって、前壁１１５’に供給される燃焼ガス１３５が乱流にならないので、蒸気発生装置１２９’の効率が向上する。それによって第１のチャンバ１２９’との良好な熱交換が達成され、それによってさらに全蒸気タービン１０１’の効率が向上する。蒸気タービン１０１’の効率のさらなる上昇は、前壁１１５’が、好ましくはシャフト１０５’を介して供給される加熱媒体が循環される別の流量装置を前壁１１５’を排出する通路の形態で含むことによって達成できる。類似方法で流量装置を、上記の蒸気タービン１０１を利用して説明したように、前壁１０７の中の通路の形態で設けてもよい。
【００６４】
最後に、図１１に本発明に係る熱機関の第８の実施形態を、蒸気タービン１０１”の形態で示す。蒸気タービン１０１”の構造は、図１０に示した蒸気タービン１０１’の構造と比較できる。蒸気タービン１０１”の同じ要素は蒸気タービン１０１’の要素と同じ符号を付けていて、他方、異なる要素は同じ符号を付けているが、２つのアポストロフィで示している。両方の蒸気タービン１０１’および１０１”は本質的に、前壁１０７”および１１５”が本質的に分割型に形成されていることによって、互いに区別される。このように前壁１０７”は部分１０７ａ”と１０７ｂ”とから構成される。ここで前壁部１０７ｂ”はシャフト１０５”と連結され、他方、前壁部１０７ａ”は周壁１１３”と連結されている。これは、密閉装置１３３”が作動媒体１３７の領域に配設されず、そのため容易な密閉を達成できる長所を提供する。類似の方法で前壁１１５”は第１の前壁部１１５ａ”および第２の前壁部１１５ｂ”の形態で分割型に形成されている。前壁部１１５ａ”は周壁１１３”と連結されていて、他方、前壁部１１５ｂ”はシャフト１０５”と連結されている。この構造に基づき、第１のチャンバ１２９”も蒸気発生装置として利用される前壁１１５”と共に、また第２のチャンバ１３１”も凝縮装置として利用される前壁１０７”と共に、部分的にローター１１７”によってもステーター１０３”によっても囲まれている。
【００６５】
本発明の別の、図示しない実施形態において、第１のチャンバから出る蒸発した作動媒体が初めにローターと作用接続される流れ誘導輪を中間接続して羽根車もしくは羽根車群に衝突することを考慮できる。特に個々の羽根車を使用する場合、蒸発する作動媒体に内在するエネルギーを利用するために前記羽根車にローターと作用接続される、特に外部ローラとして作用する流れ誘導輪を後置することを考慮できる。さらに転向輪、流れ誘導輪および／または羽根車の配列は軸線方向の相対的な相互の配列に制限されるものではない。本発明の熱機関の高いコンパクト性を実現するために、特に前記転向輪が少なくとも領域ごとに互いに相対的に半径方向に配設されることが考慮されている。
【００６６】
本発明の別の、図示しない実施形態において、熱機関は、蒸気タービンから付加的な抽気装置によって蒸気発生チャンバの中に発生する蒸気を抽気できる背圧もしくは抽気タービンの形態で形成することを考慮できる。
【００６７】
また、本発明に係る熱機関の使用は、この熱機関が外部に、熱機関の内部に発生する蒸気のほかに、付加的な蒸気を供給できる前置もしくは排気タービンの形態で実施可能である。
【００６８】
本発明の上記例による実施形態に関しては、特に図３および図４に示した蒸気タービン１’によって識別されるように、作動媒体が熱機関の内部で、熱機関の各必要性に適合される流れ推移を有してもよいことに注意する必要がある。このように特に、作動媒体が区間ごとに軸線方向、半径方向または横方向に、特に、熱機関の軸に対して半径方向にも前記軸から離れる方向にも流れることを可能にする。つまり本発明は特に例示した作動媒体の流路に制限されるものではない。
【００６９】
上記明細書、図面ならびに請求項に開示した本発明の特徴は、個別的にも各任意の組合せでもその種々の実施形態において本発明を実現するための本質とできる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明に係る熱機関の第１の実施形態の断面図である。
【図２】図１の平面Ａ−Ａに沿った図１の熱機関の断面図である。
【図３】本発明に係る熱機関の第２の実施形態の断面図である。
【図４】図３の平面Ｂ−Ｂに沿った図３の熱機関の断面図である。
【図５】本発明に係る熱機関の第３の実施形態の断面図である。
【図６】図５の平面Ａ−Ａに沿った図５の熱機関の断面図である。
【図７】本発明に係る熱機関の第４の実施形態の断面図である。
【図８ａ】本発明に係る熱機関の第５の実施形態の断面図である。
【図８ｂ】図８ａ記載の本発明に係る熱機関の第５の実施形態の変形態様の断面図である。
【図９】本発明に係る熱機関の第６の実施形態の断面図である。
【図１０】本発明に係る熱機関の第７の実施形態の断面図である。
【図１１】本発明に係る熱機関の第８の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１、１’、１” 蒸気タービン
３、３’、３” ステーター
５、５’、５” シャフト
６” 連結部材
７、７’、７” 羽根車
８” 流れ誘導輪
９、９’ 軸受
１０、１０’ シール
１１、１１’、１１” ローター
１１ａ、１１ｃ、１１ａ’、１１ｃ’、１１ａ”、１１ｃ” 前壁
１１ｂ、１１ｂ’、１１ｂ” 周壁
１３、１３’ チャンバ
１４’ 流れ誘導体
１５、１５’ チャンバ
１６’ 流れ誘導体
１７、１７’、１７” 壁
１８” 連結部材
１９ 開口
２０’ 通路
２１、２１’ 作動媒体
２３ 仕切壁
２４’ 仕切壁
２５、２５’ タービン室
２７、２７’、２７” ノズル
２８’、２８” 羽根
２９、２９’ 燃焼ガス
３０” 羽根
３１、３１’ 冷却空気
５１、５１’、５１” 蒸気タービン
５３、５３’、５３” ステーター
５５、５５’ シャフト
５７ａ、５７ｂ、５７ａ’、５７ｂ’、５７ｃ’
５７ａ”、５７ｂ”、５７ｃ” 羽根車
５９、５９’ 軸受
６０、６０’ シール
６１、６１’、６１” ローター
６１ａ、６１ｃ、６１ａ’、６１ｃ’ 前壁
６１ｂ、６１ｂ’ 周壁
６３、６３’ チャンバ
６５、６５’、６５” チャンバ
６７、６７’ 補償チャンバ
６９、６９’ 壁
７１、７１’ 燃焼ガス
７３、７３’ 作動媒体
７５、７５’、７５” 管
７７、７７’、７７” ノズル
７９ａ、７９ｂ、７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’
７９ａ”、７９ｂ”、７９ｃ” 転向輪
８１、８１’ 冷却空気
８３、８３’ 通路
８５、８５’、８５” 仕切壁
１０１、１０１’、１０１” 蒸気タービン
１０３、１０３’、１０３” ステーター
１０５、１０５’、１０５” シャフト
１０７、１０７” 前壁
１０７ａ”、１０７ｂ” 前壁部
１０９ 羽根車
１１１ 羽根車
１１３、１１３’、１１３” 周壁
１１５、１１５’、１１５” 前壁
１１５ａ”、１１５ｂ” 前壁部
１１７、１１７’、１１７” ローター
１１９、１２１、１２３ 仕切壁
１２５ 流れ誘導輪
１２７、１２７’ 軸受
１２９、１２９’、１２９” チャンバ
１３１、１３１’、１３１” チャンバ
１３３、１３３” シール
１３５ 燃焼ガス
１３７ 作動媒体
１３９ ノズル
１４１ 冷却空気
１４３’、１４３” シール要素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される熱エネルギーの熱機関（１、１’、１”、５１、５１’、５１”）を利用して第１の液体作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’）と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）を利用して駆動可能の、かつ少なくとも１つのステーター（３、３’、３”、５３、５３’、５３”）と相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）と、ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）の駆動後に蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”）とを含む熱エネルギーから機械エネルギーへ変換するための熱機関（１、１’、１”、５１、５１’、５１”）であって、ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）がステーター（３、３’、５３、５３’、５３”）を本質的に完全に取り囲み、かつローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）が蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’）および凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”）を本質的に完全に含む熱機関。
【請求項２】
供給される熱エネルギーの熱機関（１、１’、１”、５１、５１’、５１”、１０１、１０１’、１０１”）を利用して第１の液体作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’、１１５、１１５’、１１５”）と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）を利用して駆動可能の、かつ少なくとも１つのステーター（３、３’、３”、５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）と相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）と、ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）の駆動後に蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”、１０７、１０７’、１０７”）とを含む熱エネルギーから機械エネルギーへ変換するための熱機関（１、１’、１”、５１、５１’、５１”、１０１、１０１’、１０１”）であって、ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）がステーター（３、３’、５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）を少なくとも領域ごとに取り囲む熱機関。
【請求項３】
ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７）が蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’、１１５）および／または凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”）を本質的に完全に含むことを特徴とする、請求項２記載の熱機関。
【請求項４】
ステーター（１０３、１０３”）が蒸気発生装置（１１５）および／または凝縮装置（１０７、１０７’）を本質的に完全に含むことを特徴とする、請求項２または３記載の熱機関。
【請求項５】
蒸気発生装置（１１５”）および／または凝縮装置（１０７”）が少なくとも分割型に形成されていて、ローター（１１７”）が凝縮装置（１０７ａ”）の第１の部分および／または蒸気発生装置（１１５ａ”）の第１の部分を含み、かつステーター（１０３”）が蒸気発生装置（１１５ｂ”）および／または凝縮装置（１０７ｂ”）の他方の部分を含むことを特徴とする、請求項２記載の熱機関。
【請求項６】
蒸気発生装置を形成する少なくとも１つの第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）と、凝縮装置を形成する少なくとも１つの第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）と、少なくとも１つのタービン室（２５）において、好ましくは第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）と第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）、第１のチャンバ（１３、１３’）とタービン室（２５、２５’）および／または第２のチャンバとタービン室が少なくとも領域ごとに少なくとも１つの、特に断熱性の壁（１７、１７’、１７”、２３、２４’、６９、６９’、８５、８５’、８５”、１２１）によって互いに分離されていることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項７】
蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）を排出するための第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’）とタービン室（２５、２５’）を連結する、好ましくは少なくとも１つの第１のノズル（２７、２７’、２７”、７７、７７’、７７”、１３９）を含む少なくとも１つの第１の連結装置において、好ましくはノズル開口の形状および／または配向を調節可能である連結装置と、少なくとも１つの第１の管（７５、７５’、７５”）および／または特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第１の開口とを特徴とする、請求項６記載の熱機関。
【請求項８】
蒸発した第１の作動媒体を排出するためのタービン室と第２のチャンバを連結する、好ましくは少なくとも１つの第２のノズルを含む少なくとも１つの第２の連結装置において、好ましくはノズル開口の形状および／または配向が調節可能である連結装置と、少なくとも１つの第２の管および／または特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第２の開口とを特徴とする、請求項６または７記載の熱機関。
【請求項９】
第１の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第１のおよび／または第２の連結装置と作用接続される、好ましくは第１および／または第２の弁の形態の少なくとも１つの第２の流量制御および／または調整装置であることを特徴とする、請求項７または８記載の熱機関。
【請求項１０】
液体の第１の作動媒体（２１、２１’）を排出するための第１のチャンバ（１３、１３’）とタービン室（２５、２５’）を連結する、特に好ましくは断熱性の壁（１７、１７’）の中に形成される少なくとも１つの第３の開口（１９、２０’）の形態の少なくとも１つの第３の連結装置を特徴とする、請求項６ないし９のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１１】
液体の第１の作動媒体を排出するためのタービン室と第２のチャンバを連結する、好ましくは、特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第４の開口の形態の少なくとも１つの第４の連結装置を特徴とする、請求項６ないし１０のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１２】
液体の第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）がローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）の回転中に、特に作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）に作用する遠心力によって、第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）から蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）の流出を第３および／または第４の連結装置によって阻止し、特に第３および／または第４の開口（１９、２０’）をブロックすることを特徴とする、請求項１０または１１記載の熱機関。
【請求項１３】
好ましくは第３および／または第４の弁、特に逆止弁の形態で、第３の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第３のおよび／または第４の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第４の流量制御−および調整装置を特徴とする、請求項１０ないし１２のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１４】
第２のチャンバ（１５、１５’）とタービン室（２５、２５’）を１つに形成することを特徴とする、請求項６ないし１３のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１５】
第１のチャンバ（１３’）、第２のチャンバ（１５’）および／またはタービン室（２５’）の中に形成される少なくとも１つの流れ誘導体（１４’、１６’）を特徴とする、請求項６ないし１４のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１６】
ステーター（３、３’、３”、５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）によって囲まれる、好ましくは第１の連結装置（２７、２７’、２７”、７５、７５’、７５”、７７、７７’、７７”、１３９）を介してステーター（３、３’、３”、５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）と相対的にローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）を回転するために蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）を、特に軸線方向、半径方向および／または第１の回転軸と相対的に所定の角度以下で供給可能である少なくとも１つの第１の羽根車（７、７’、７”、５７ａ、５７ａ’、５７ａ”、１０９）を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１７】
ローター（１１”、１１７、１１７’、１１７”）と作用接続される、特に前記ローターと回転連動確実に連結可能の、かつ蒸発した作動媒体（２１’、１３７）の上流側および／または下流側に第１の羽根車（７”、１０９）と相対的に配設される少なくとも１つの流れ誘導輪（８”、１２５）において、流れ誘導輪（８”、１２５）が好ましくは少なくとも領域ごとに第１の羽根車（７”、１０９）と同心的に、特に第１の羽根車（７”、１０９）の内部および／または外部に配設されている流れ誘導輪を特徴とする、請求項１６記載の熱機関。
【請求項１８】
ステーター（５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）によって囲まれる特に流れ誘導輪と相対的に蒸発した作動媒体の下流側に配設される少なくとも１つの第２の羽根車（５７ｂ、５７ｂ’、５７ｃ’、５７ｂ”、５７ｃ”、１１１）において、好ましくは蒸発した作動媒体（７３、７３’）の上流側および／または下流側に第２の羽根車（５７ｂ、５７ｂ’、５７ｂ”、５７ｃ’、５７ｃ”）と相対的にローター（６１、６１’、６１”）と作用接続される、特に前記ローターと回転連動確実に連結可能の少なくとも１つの転向輪（７９ａ、７９ｂ、７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’、７９ａ”、７９ｂ”、７９ｃ”）が配設されていて、特に前記転向輪が少なくとも領域ごとに第１および／または第２の羽根車と同心的に、特に第１および／または第２の羽根車の内部および／または外部に配設されている羽根車を特徴とする、請求項１６または１７記載の熱機関。
【請求項１９】
第１の羽根車（７、７’、５７ａ、５７ａ’、５７ａ”）、流れ誘導輪、第２の羽根車（５７ｂ、５７ｂ’、５７ｃ’、５７ｂ”、５７ｃ”）および／または転向輪（７９ａ、７９ｂ、７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’、７９ａ”、７９ｂ”、７９ｃ”）が少なくとも部分的にタービン室（２５、２５’）の中に配設されることを特徴とする、請求項１６ないし１８のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２０】
第２の羽根車が第１の羽根車の第１の直径と異なる第２の直径および／または第１の羽根車の羽根の枚数もしくは形状と異なる羽根の枚数もしくは形状を有することを特徴とする、請求項１８または１９記載の熱機関。
【請求項２１】
多数の第２の羽根車（５７ｂ’、５７ｃ’、５７ｂ”、５７ｃ”）および／または転向輪（７９ａ、７９ｂ、７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’、７９ａ”、７９ｂ”、７９ｃ”）において、第２の羽根車（５７ｂ’、５７ｃ’）が好ましくは羽根相互に異なる直径、異なる形状および／または異なる枚数を有し、かつ／または転向輪（７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’）が羽根相互に異なる直径、異なる形状および／または異なる枚数を有する第２の羽根車および転向輪を特徴とする、請求項１８ないし２０のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２２】
第１の羽根車の少なくとも１つの羽根、少なくとも１つの第２の羽根車、流れ誘導輪および／または少なくとも１つの転向輪の形状および／または位置が、好ましくは熱機関の運転中に調整可能であることを特徴とする、請求項１６ないし２１のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２３】
蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’、１１５、１１５’、１１５”、１２９、１２９’、１２９”）、特に第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）に、好ましくは流体加熱媒体の形態で、特に燃焼ガス（２９、２９’、７１、７１’、１３５）状の高温のガスの形態で、特に高い伝熱性の材料を含みかつ／または高い対流熱輸送用に構造化される第１のチャンバの壁の中に組み込まれかつ／または前記壁の表面上に形成される少なくとも１つの加熱スピンドルの形態のような加熱源の形態で、加熱流体（２９、２９’、７１、７１’、１３５）のための少なくとも１つの第１の流量装置の形態で、第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）の壁（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、６１ａ、６１ａ’、１１５、１１５’、１１５”）の外側に形成される、特に加熱流体（２９、２９’、７１、７１’、１３５）が貫流可能の、少なくとも１つの第１の構造および／または第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）の壁（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、６１ａ、６１ａ’、１１５、１１５’、１１５”）の内側に形成される、特に好ましくは蒸発した作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）が貫流可能の少なくとも１つの第２の構造の形態で、熱による衝撃を与えるための少なくとも１つの加熱手段を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２４】
第１の流量装置が壁の中に組み込まれていて、第１の流量装置の加熱手段が好ましくはステーターのシャフトを介して供給され、かつ／または前記加熱手段が特に第１の流量装置を含む、好ましくは閉じた加熱循環系の中で循環されることを特徴とする、請求項２３記載の熱機関。
【請求項２５】
凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”、１０７、１０７’、１０７”、１３１、１３１’、１３１”）、特に第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）に、好ましくは流体冷媒の形態で、特に窒素または冷却空気（３１、３１’、８１、８１’、１４１）の形態で、特に好ましくは高い伝熱性の材料を含みかつ／または高い対流の熱輸送のために構造化される第２のチャンバの壁の中に組み込まれ、かつ／または前記壁の表面に形成される少なくとも１つのペルティエ要素の形態のような冷却源の形態で、窒素または冷却空気のような冷却流体（３１、３１’、８１、８１’、１４１）のための少なくとも１つの第２の流量装置の形態で、第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）の壁（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、６１ｃ、６１ｃ’ｍ１０７、１０７’、１０７”）の外側に形成される、特に冷却流体（３１、３１’、８１、８１’、１４１）が貫流可能の少なくとも１つの第３の構造および／または第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）の壁（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、６１ｃ、６１ｃ’、１０７、１０７’、１０７”）の内側に形成される、特に作動媒体（２１、２１’、１３７）が貫流可能の少なくとも１つの第４の構造の形態で、冷却空気による衝撃を与えるための少なくとも１つの冷媒を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２６】
第２の流量装置が壁の中に組み込まれていて、第２の流量装置の冷媒が好ましくはステーターのシャフトを介して供給され、かつ／または冷媒が特に第２の流量装置を含む、好ましくは閉じた冷却循環系の中で循環されることを特徴とする、請求項２５記載の熱機関。
【請求項２７】
加熱流体（２９、２９’、７１、７１’）が加熱手段の領域に本質的に第１の回転軸から半径方向外側へローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）の外周に向かって延長する流れ方向を有し、かつ／または冷却流体（３１、３１’、８１、８１’）が冷媒の領域に本質的に半径方向にローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’）の外周から第１の回転軸の方向へ延長する流れ方向を有することを特徴とする、請求項２３ないし２６のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２８】
少なくとも１つの蒸気状の第２の作動媒体を供給するための少なくとも１つの供給装置において、好ましくは第１および第２の蒸発した作動媒体が同一である供給装置を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２９】
蒸発したおよび／または液体の第１の作動媒体の少なくとも一部を排出するための少なくとも１つの引抜装置を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項３０】
供給装置と作用接続される少なくとも１つの第５の流量制御−および／または調整装置および／または引抜装置と作用接続される少なくとも１つの第６の流量制御−および／または調整装置を特徴とする、請求項２８または２９記載の熱機関。
【請求項３１】
蒸気発生装置、凝縮装置、第１、第２、第３、第４、第５および／または第６の流量制御−および／または調整装置の第１および／または第２のノズル、第１の羽根車、少なくとも１つの第２の羽根車、流れ誘導輪および／または少なくとも１つの転向輪、加熱手段、冷却手段および／またはローターの回転速度を測定するためのセンサに作用接続される少なくとも１つの制御−および／または調整ユニットを特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項３２】
前置タービン、排気タービン、背圧タービン、抽気タービン、等圧タービンおよび／または過圧タービンとしての上記請求項のいずれか一項記載の熱機関の使用。
【請求項１】
供給される熱エネルギーの熱機関（１、１’、１”、５１、５１’、５１”）を利用して第１の液体作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’）と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）を利用して駆動可能の、かつ少なくとも１つのステーター（３、３’、３”、５３、５３’、５３”）と相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）と、ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）の駆動後に蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”）とを含む熱エネルギーから機械エネルギーへ変換するための熱機関（１、１’、１”、５１、５１’、５１”）であって、ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）がステーター（３、３’、５３、５３’、５３”）を本質的に完全に取り囲み、かつローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）が蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’）および凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”）を本質的に完全に含む熱機関。
【請求項２】
供給される熱エネルギーの熱機関（１、１’、１”、５１、５１’、５１”、１０１、１０１’、１０１”）を利用して第１の液体作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）を少なくとも部分的に蒸発するための少なくとも１つの蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’、１１５、１１５’、１１５”）と、機械エネルギーを発生するために蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）を利用して駆動可能の、かつ少なくとも１つのステーター（３、３’、３”、５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）と相対的に第１の回転軸周りに回転可能の少なくとも１つのローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）と、ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）の駆動後に蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）を凝縮するための少なくとも１つの凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”、１０７、１０７’、１０７”）とを含む熱エネルギーから機械エネルギーへ変換するための熱機関（１、１’、１”、５１、５１’、５１”、１０１、１０１’、１０１”）であって、ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）がステーター（３、３’、５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）を少なくとも領域ごとに取り囲む熱機関。
【請求項３】
ローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７）が蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’、１１５）および／または凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”）を本質的に完全に含むことを特徴とする、請求項２記載の熱機関。
【請求項４】
ステーター（１０３、１０３”）が蒸気発生装置（１１５）および／または凝縮装置（１０７、１０７’）を本質的に完全に含むことを特徴とする、請求項２または３記載の熱機関。
【請求項５】
蒸気発生装置（１１５”）および／または凝縮装置（１０７”）が少なくとも分割型に形成されていて、ローター（１１７”）が凝縮装置（１０７ａ”）の第１の部分および／または蒸気発生装置（１１５ａ”）の第１の部分を含み、かつステーター（１０３”）が蒸気発生装置（１１５ｂ”）および／または凝縮装置（１０７ｂ”）の他方の部分を含むことを特徴とする、請求項２記載の熱機関。
【請求項６】
蒸気発生装置を形成する少なくとも１つの第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）と、凝縮装置を形成する少なくとも１つの第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）と、少なくとも１つのタービン室（２５）において、好ましくは第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）と第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）、第１のチャンバ（１３、１３’）とタービン室（２５、２５’）および／または第２のチャンバとタービン室が少なくとも領域ごとに少なくとも１つの、特に断熱性の壁（１７、１７’、１７”、２３、２４’、６９、６９’、８５、８５’、８５”、１２１）によって互いに分離されていることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項７】
蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）を排出するための第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’）とタービン室（２５、２５’）を連結する、好ましくは少なくとも１つの第１のノズル（２７、２７’、２７”、７７、７７’、７７”、１３９）を含む少なくとも１つの第１の連結装置において、好ましくはノズル開口の形状および／または配向を調節可能である連結装置と、少なくとも１つの第１の管（７５、７５’、７５”）および／または特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第１の開口とを特徴とする、請求項６記載の熱機関。
【請求項８】
蒸発した第１の作動媒体を排出するためのタービン室と第２のチャンバを連結する、好ましくは少なくとも１つの第２のノズルを含む少なくとも１つの第２の連結装置において、好ましくはノズル開口の形状および／または配向が調節可能である連結装置と、少なくとも１つの第２の管および／または特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第２の開口とを特徴とする、請求項６または７記載の熱機関。
【請求項９】
第１の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第１のおよび／または第２の連結装置と作用接続される、好ましくは第１および／または第２の弁の形態の少なくとも１つの第２の流量制御および／または調整装置であることを特徴とする、請求項７または８記載の熱機関。
【請求項１０】
液体の第１の作動媒体（２１、２１’）を排出するための第１のチャンバ（１３、１３’）とタービン室（２５、２５’）を連結する、特に好ましくは断熱性の壁（１７、１７’）の中に形成される少なくとも１つの第３の開口（１９、２０’）の形態の少なくとも１つの第３の連結装置を特徴とする、請求項６ないし９のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１１】
液体の第１の作動媒体を排出するためのタービン室と第２のチャンバを連結する、好ましくは、特に断熱性の壁の中に形成される少なくとも１つの第４の開口の形態の少なくとも１つの第４の連結装置を特徴とする、請求項６ないし１０のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１２】
液体の第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）がローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）の回転中に、特に作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）に作用する遠心力によって、第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）から蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’）の流出を第３および／または第４の連結装置によって阻止し、特に第３および／または第４の開口（１９、２０’）をブロックすることを特徴とする、請求項１０または１１記載の熱機関。
【請求項１３】
好ましくは第３および／または第４の弁、特に逆止弁の形態で、第３の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第３のおよび／または第４の連結装置と作用接続される少なくとも１つの第４の流量制御−および調整装置を特徴とする、請求項１０ないし１２のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１４】
第２のチャンバ（１５、１５’）とタービン室（２５、２５’）を１つに形成することを特徴とする、請求項６ないし１３のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１５】
第１のチャンバ（１３’）、第２のチャンバ（１５’）および／またはタービン室（２５’）の中に形成される少なくとも１つの流れ誘導体（１４’、１６’）を特徴とする、請求項６ないし１４のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１６】
ステーター（３、３’、３”、５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）によって囲まれる、好ましくは第１の連結装置（２７、２７’、２７”、７５、７５’、７５”、７７、７７’、７７”、１３９）を介してステーター（３、３’、３”、５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）と相対的にローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”、１１７、１１７’、１１７”）を回転するために蒸発した第１の作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）を、特に軸線方向、半径方向および／または第１の回転軸と相対的に所定の角度以下で供給可能である少なくとも１つの第１の羽根車（７、７’、７”、５７ａ、５７ａ’、５７ａ”、１０９）を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項１７】
ローター（１１”、１１７、１１７’、１１７”）と作用接続される、特に前記ローターと回転連動確実に連結可能の、かつ蒸発した作動媒体（２１’、１３７）の上流側および／または下流側に第１の羽根車（７”、１０９）と相対的に配設される少なくとも１つの流れ誘導輪（８”、１２５）において、流れ誘導輪（８”、１２５）が好ましくは少なくとも領域ごとに第１の羽根車（７”、１０９）と同心的に、特に第１の羽根車（７”、１０９）の内部および／または外部に配設されている流れ誘導輪を特徴とする、請求項１６記載の熱機関。
【請求項１８】
ステーター（５３、５３’、５３”、１０３、１０３’、１０３”）によって囲まれる特に流れ誘導輪と相対的に蒸発した作動媒体の下流側に配設される少なくとも１つの第２の羽根車（５７ｂ、５７ｂ’、５７ｃ’、５７ｂ”、５７ｃ”、１１１）において、好ましくは蒸発した作動媒体（７３、７３’）の上流側および／または下流側に第２の羽根車（５７ｂ、５７ｂ’、５７ｂ”、５７ｃ’、５７ｃ”）と相対的にローター（６１、６１’、６１”）と作用接続される、特に前記ローターと回転連動確実に連結可能の少なくとも１つの転向輪（７９ａ、７９ｂ、７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’、７９ａ”、７９ｂ”、７９ｃ”）が配設されていて、特に前記転向輪が少なくとも領域ごとに第１および／または第２の羽根車と同心的に、特に第１および／または第２の羽根車の内部および／または外部に配設されている羽根車を特徴とする、請求項１６または１７記載の熱機関。
【請求項１９】
第１の羽根車（７、７’、５７ａ、５７ａ’、５７ａ”）、流れ誘導輪、第２の羽根車（５７ｂ、５７ｂ’、５７ｃ’、５７ｂ”、５７ｃ”）および／または転向輪（７９ａ、７９ｂ、７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’、７９ａ”、７９ｂ”、７９ｃ”）が少なくとも部分的にタービン室（２５、２５’）の中に配設されることを特徴とする、請求項１６ないし１８のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２０】
第２の羽根車が第１の羽根車の第１の直径と異なる第２の直径および／または第１の羽根車の羽根の枚数もしくは形状と異なる羽根の枚数もしくは形状を有することを特徴とする、請求項１８または１９記載の熱機関。
【請求項２１】
多数の第２の羽根車（５７ｂ’、５７ｃ’、５７ｂ”、５７ｃ”）および／または転向輪（７９ａ、７９ｂ、７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’、７９ａ”、７９ｂ”、７９ｃ”）において、第２の羽根車（５７ｂ’、５７ｃ’）が好ましくは羽根相互に異なる直径、異なる形状および／または異なる枚数を有し、かつ／または転向輪（７９ａ’、７９ｂ’、７９ｃ’）が羽根相互に異なる直径、異なる形状および／または異なる枚数を有する第２の羽根車および転向輪を特徴とする、請求項１８ないし２０のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２２】
第１の羽根車の少なくとも１つの羽根、少なくとも１つの第２の羽根車、流れ誘導輪および／または少なくとも１つの転向輪の形状および／または位置が、好ましくは熱機関の運転中に調整可能であることを特徴とする、請求項１６ないし２１のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２３】
蒸気発生装置（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、１３、１３’、６１ａ、６１ａ’、６３、６３’、１１５、１１５’、１１５”、１２９、１２９’、１２９”）、特に第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）に、好ましくは流体加熱媒体の形態で、特に燃焼ガス（２９、２９’、７１、７１’、１３５）状の高温のガスの形態で、特に高い伝熱性の材料を含みかつ／または高い対流熱輸送用に構造化される第１のチャンバの壁の中に組み込まれかつ／または前記壁の表面上に形成される少なくとも１つの加熱スピンドルの形態のような加熱源の形態で、加熱流体（２９、２９’、７１、７１’、１３５）のための少なくとも１つの第１の流量装置の形態で、第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）の壁（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、６１ａ、６１ａ’、１１５、１１５’、１１５”）の外側に形成される、特に加熱流体（２９、２９’、７１、７１’、１３５）が貫流可能の、少なくとも１つの第１の構造および／または第１のチャンバ（１３、１３’、６３、６３’、１２９、１２９’、１２９”）の壁（１１ａ、１１ａ’、１１ａ”、６１ａ、６１ａ’、１１５、１１５’、１１５”）の内側に形成される、特に好ましくは蒸発した作動媒体（２１、２１’、７３、７３’、１３７）が貫流可能の少なくとも１つの第２の構造の形態で、熱による衝撃を与えるための少なくとも１つの加熱手段を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２４】
第１の流量装置が壁の中に組み込まれていて、第１の流量装置の加熱手段が好ましくはステーターのシャフトを介して供給され、かつ／または前記加熱手段が特に第１の流量装置を含む、好ましくは閉じた加熱循環系の中で循環されることを特徴とする、請求項２３記載の熱機関。
【請求項２５】
凝縮装置（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、１５、１５’、６１ｃ、６１ｃ’、６５、６５’、６５”、１０７、１０７’、１０７”、１３１、１３１’、１３１”）、特に第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）に、好ましくは流体冷媒の形態で、特に窒素または冷却空気（３１、３１’、８１、８１’、１４１）の形態で、特に好ましくは高い伝熱性の材料を含みかつ／または高い対流の熱輸送のために構造化される第２のチャンバの壁の中に組み込まれ、かつ／または前記壁の表面に形成される少なくとも１つのペルティエ要素の形態のような冷却源の形態で、窒素または冷却空気のような冷却流体（３１、３１’、８１、８１’、１４１）のための少なくとも１つの第２の流量装置の形態で、第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）の壁（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、６１ｃ、６１ｃ’ｍ１０７、１０７’、１０７”）の外側に形成される、特に冷却流体（３１、３１’、８１、８１’、１４１）が貫流可能の少なくとも１つの第３の構造および／または第２のチャンバ（１５、１５’、６５、６５’、６５”、１３１、１３１’、１３１”）の壁（１１ｃ、１１ｃ’、１１ｃ”、６１ｃ、６１ｃ’、１０７、１０７’、１０７”）の内側に形成される、特に作動媒体（２１、２１’、１３７）が貫流可能の少なくとも１つの第４の構造の形態で、冷却空気による衝撃を与えるための少なくとも１つの冷媒を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２６】
第２の流量装置が壁の中に組み込まれていて、第２の流量装置の冷媒が好ましくはステーターのシャフトを介して供給され、かつ／または冷媒が特に第２の流量装置を含む、好ましくは閉じた冷却循環系の中で循環されることを特徴とする、請求項２５記載の熱機関。
【請求項２７】
加熱流体（２９、２９’、７１、７１’）が加熱手段の領域に本質的に第１の回転軸から半径方向外側へローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’、６１”）の外周に向かって延長する流れ方向を有し、かつ／または冷却流体（３１、３１’、８１、８１’）が冷媒の領域に本質的に半径方向にローター（１１、１１’、１１”、６１、６１’）の外周から第１の回転軸の方向へ延長する流れ方向を有することを特徴とする、請求項２３ないし２６のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２８】
少なくとも１つの蒸気状の第２の作動媒体を供給するための少なくとも１つの供給装置において、好ましくは第１および第２の蒸発した作動媒体が同一である供給装置を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項２９】
蒸発したおよび／または液体の第１の作動媒体の少なくとも一部を排出するための少なくとも１つの引抜装置を特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項３０】
供給装置と作用接続される少なくとも１つの第５の流量制御−および／または調整装置および／または引抜装置と作用接続される少なくとも１つの第６の流量制御−および／または調整装置を特徴とする、請求項２８または２９記載の熱機関。
【請求項３１】
蒸気発生装置、凝縮装置、第１、第２、第３、第４、第５および／または第６の流量制御−および／または調整装置の第１および／または第２のノズル、第１の羽根車、少なくとも１つの第２の羽根車、流れ誘導輪および／または少なくとも１つの転向輪、加熱手段、冷却手段および／またはローターの回転速度を測定するためのセンサに作用接続される少なくとも１つの制御−および／または調整ユニットを特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の熱機関。
【請求項３２】
前置タービン、排気タービン、背圧タービン、抽気タービン、等圧タービンおよび／または過圧タービンとしての上記請求項のいずれか一項記載の熱機関の使用。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２００６−５２２２５６（Ｐ２００６−５２２２５６Ａ）
【公表日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０４２８８（Ｐ２００６−５０４２８８）
【出願日】平成１６年４月２日（２００４．４．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＥ２００４／０００６９２
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０９２５４７
【国際公開日】平成１６年１０月２８日（２００４．１０．２８）
【出願人】（５０５３７１３８０）
【公表日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年４月２日（２００４．４．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＥ２００４／０００６９２
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０９２５４７
【国際公開日】平成１６年１０月２８日（２００４．１０．２８）
【出願人】（５０５３７１３８０）
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