(57)【要約】【課題】加熱部内の流路における作動媒体の脈動を抑制する。【解決手段】作動媒体１２が液体状態で流動可能に封入された管状の容器１１と、液体状態の作動媒体１２の一部を加熱して気化させる加熱部１１ａと、加熱部１１ａで気化した作動媒体１２の蒸気を冷却して液化させる冷却部１１ｂと、蒸気の体積変動によって生じる液体状態の作動媒体１２の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部１５とを備え、加熱部１１ａは、蒸気を溜める蒸気溜め部２３、３４、４１を有し、加熱部１１ａ内には、液体状態の作動媒体１２の加熱を促進する伝熱部材２０、３０、３１、４０が配置され、伝熱部材２０、３０、３１、４０内には、作動媒体１２が流通可能な流路２１が多数個形成され、さらに、加熱部１１ａ内には、流路２１における作動媒体１２の圧力損失を抑制する圧力損失抑制構造が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体（１２）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の一端側部位に形成され、前記液体状態の前記作動媒体（１２）の一部を加熱して気化させる加熱部（１１ａ）と、
前記容器（１１）のうち前記加熱部（１１ａ）よりも他端側部位に形成され、前記加熱部（１１ａ）で気化した前記作動媒体（１２）の蒸気を冷却して液化させる冷却部（１１ｂ）と、
前記容器（１１）の他端部と連通し、前記蒸気の体積変動によって生じる前記液体状態の前記作動媒体（１２）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１５）とを備え、
前記加熱部（１１ａ）は、前記蒸気を溜める蒸気溜め部（２３、３４、４１）を有し、
前記加熱部（１１ａ）内には、前記液体状態の前記作動媒体（１２）の加熱を促進する伝熱部材（２０、３０、３１、４０）が配置され、
前記伝熱部材（２０、３０、３１、４０）内には、前記作動媒体（１２）が流通可能な流路（２１）が多数個形成され、
さらに、前記加熱部（１１ａ）内には、前記流路（２１）における前記作動媒体（１２）の圧力損失を抑制する圧力損失抑制構造が設けられていることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記圧力損失抑制構造は、前記伝熱部材（２０）が前記加熱部（１１ａ）内に複数個、互いに所定の間隔で配置されていることによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
【請求項３】
前記加熱部（１１ａ）は、前記容器（１１）を拡径した円盤状に形成されており、
前記複数個の伝熱部材（２０）は、前記加熱部（１１ａ）と同心の環状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の外燃機関。
【請求項４】
前記加熱部（１１ａ）は、前記容器（１１）を拡径した円盤状に形成されており、
前記加熱部（１１ａ）内には、前記伝熱部材（３０、３１）に液体状態の前記作動媒体（１２）を供給する液供給通路（３２）が形成されており、
前記圧力損失抑制構造は、前記伝熱部材（３０、３１）および前記液供給通路（３２）が前記加熱部（１１ａ）の径方向に拡がる形状を有するとともに前記加熱部（１１ａ）の軸方向に互いに積層されていることによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
【請求項５】
前記圧力損失抑制構造は、前記伝熱部材（４０）内の流路径を前記加熱部（１１ａ）の入口側から前記蒸気溜め部（４１）に向かうほど大きくする流路径拡大構造で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
【請求項６】
前記伝熱部材（１６）は、球状の金属粒子（２２）同士の接合により形成された焼結金属であり、
前記流路径拡大構造は、前記金属粒子（２２）同士の接合直径が前記加熱部（１１ａ）の入口側から前記蒸気溜め部（４１）に向かうほど小さくなっていることによって構成されていることを特徴とする請求項５に記載の外燃機関。
【請求項７】
前記伝熱部材（１６）は、球状の金属粒子（２２）同士の接合により形成された焼結金属であり、
前記流路径拡大構造は、前記金属粒子（２２）の密度が前記加熱部（１１ａ）の入口側から前記蒸気溜め部（４１）に向かうほど小さくなっていることによって構成されていることを特徴とする請求項５に記載の外燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動媒体の蒸気の体積変動によって生じる作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する外燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の外燃機関が特許文献１、２に記載されている。この特許文献１、２の従来技術では、管状の容器内に作動媒体を液体状態で封入し、容器の加熱部で液体状態の作動媒体の一部を加熱して気化させるとともに、その気化した作動媒体の蒸気を容器の冷却部で冷却して液化させることで作動媒体の蒸気の体積変動によって液体状態の作動媒体を液体ピストンとして変位させ、この液体ピストンの変位を機械的エネルギに変換して出力する。
【０００３】
さらに特許文献２の従来技術では、管状の容器が加熱部において円盤状に拡径されている。このため、冷却部で作動媒体の蒸気が冷却されて液化すると、液体状態の作動媒体は加熱部の中心部に流入し、その後に加熱部の外周部に向かって広がって流れる。そして、加熱部内で液体状態の作動媒体が加熱されて再び気化する。
【０００４】
この特許文献２の従来技術によると、液体状態の作動媒体が加熱部に流入する際に液体状態の作動媒体が加熱部の内壁面に衝突することとなるので、液体状態の作動媒体が撹拌されて乱流が生じて加熱部の内壁面近傍の温度境界層が破壊される。その結果、加熱部における熱交換効率を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−８４５２３号公報
【特許文献２】特開２００７−２４７５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本出願人は先に、特願２００８−７２６３号（以下、先願例と言う。）において、加熱部内における作動媒体の流路を微細化したものを提案している。この先願例によると、作動媒体の流路を微細化することによって、加熱部で作動媒体を確実に沸騰させて熱損失の低減を図っている。
【０００７】
また、この先願例では、加熱部に、微細化された流路で沸騰した蒸気を溜める蒸気溜め部を加熱部内に形成している。この蒸気溜め部は、微細化された流路よりも広い空間で構成されている。
【０００８】
しかしながら、本発明者の詳細な検討によると、この先願例では、蒸気を蒸気溜め部に効果的に溜めることが難しいため、加熱部において作動媒体の脈動が生じて出力の低下を招いていることがわかった。以下、このことを詳細に説明する。
【０００９】
図７（ａ）は、本発明者が検討した検討例における加熱部の模式的な断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の部分拡大図である。この検討例は、上記先願例に対応するものである。加熱部１１ａ内には伝熱部材９０が配置され、この伝熱部材９０の内部に多数個の微細流路９１が形成されている。なお、図７（ｂ）では、理解を容易にするために微細流路９１を直線状に図示している。
【００１０】
加熱部１１ａ内において伝熱部材９０よりも径方向外側部位に蒸気溜め部９２が形成されている。微細流路９１の容積は液体ピストン（液体状態の作動媒体）全体の体積に比べて非常に小さくなっている（例えば１／１００程度）。
【００１１】
いま、図７（ａ）、（ｂ）の矢印Ｚ１のように作動媒体１２が液体状態で微細流路９１内に流入すると、微細流路９１内で作動媒体１２が沸騰して気泡９３が発生する。これにより、微細流路９１内において作動媒体１２が気液２相流となる。
【００１２】
気液２相流の圧力損失は単相流よりも数倍〜数十倍大きいことから、微細流路９１内で作動媒体１２が気液２相流となることによって、微細流路９１内における作動媒体１２の圧力損失が非常に大きくなる。このため、作動媒体１２が蒸気溜め部９２に向かって流れにくくなるので、気泡９３が微細流路９１から蒸気溜め部９２に速やかに抜かれなくなる。
【００１３】
さらに、気泡９３の急激な膨張に伴う圧力上昇が液体ピストン全体に伝わることによって液体ピストン全体がわずかに圧縮される。例えば、液体ピストン全体が０．２％程度圧縮される。
【００１４】
ここで、微細流路９１の容積は、液体ピストン全体の体積よりも非常に大きいため、液体ピストン全体の圧縮がわずかであっても微細流路９１内の作動媒体１２は大きく逆流する。その結果、微細流路９１内において、図７（ｂ）の矢印Ｚ１、Ｚ２のように互いに反対方向の液体状態の作動媒体１２の流れが発生して脈動を生じることとなる。
【００１５】
図８は、検討例における模式的なＰＶ線図である。図８中、実線は微細流路９１内で作動媒体１２が脈動を生じたときの状態を示し、図８中、２点鎖線は理想的な状態を示している。この図８からわかるように、脈動を生じた場合には、液体状態の作動媒体１２を十分に加熱部１１ａに供給できなくなって蒸気量を確保できなくなるので、圧力が低下してＰＶ出力が低下することとなる。
【００１６】
また、加熱部１１ａの入口付近は何度も液体状態の作動媒体１２にさらされることで熱輸送損失が増大することとなる。すなわち、液体状態の作動媒体１２は、加熱部１１ａに流入したときに加熱部１１ａから熱をもらうが、逆流が生じると沸騰することなく加熱部１１ａから冷却部側へ流出してしまうこととなるので、加熱部１１ａからもらった熱を捨ててしまうこととなって、その分が熱損失となってしまうのである。
【００１７】
本発明は上記点に鑑みて、加熱部内の流路における作動媒体の脈動を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、作動媒体（１２）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
容器（１１）の一端側部位に形成され、液体状態の作動媒体（１２）の一部を加熱して気化させる加熱部（１１ａ）と、
容器（１１）のうち加熱部（１１ａ）よりも他端側部位に形成され、加熱部（１１ａ）で気化した作動媒体（１２）の蒸気を冷却して液化させる冷却部（１１ｂ）と、
容器（１１）の他端部と連通し、蒸気の体積変動によって生じる液体状態の作動媒体（１２）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１５）とを備え、
加熱部（１１ａ）は、蒸気を溜める蒸気溜め部（２３、３４、４１）を有し、
加熱部（１１ａ）内には、液体状態の作動媒体（１２）の加熱を促進する伝熱部材（２０、３０、３１、４０）が配置され、
伝熱部材（２０、３０、３１、４０）内には、作動媒体（１２）が流通可能な流路（２１）が多数個形成され、
さらに、加熱部（１１ａ）内には、流路（２１）における作動媒体（１２）の圧力損失を抑制する圧力損失抑制構造が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
これによると、流路（２１）における作動媒体（１２）の圧力損失を圧力損失抑制構造によって抑制することができるので、流路（２１）内で作動媒体（１２）が沸騰して圧力が上昇した場合に、気泡を速やかに流路（２１）から蒸気溜め部（２３、３４、４１）に抜くことができる。このため、液体状態の作動媒体（１２）が流路（２１）内で脈動を生じることを抑制することができる。
【００２０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、圧力損失抑制構造は、伝熱部材（２０）が加熱部（１１ａ）内に複数個、互いに所定の間隔で配置されていることによって構成されていることを特徴とする。
【００２１】
これによると、伝熱部材（２０）が加熱部（１１ａ）内に複数個、互いに所定の間隔で配置されているので、伝熱部材（２０）が加熱部（１１ａ）内に一体的に配置されている場合と比較して個々の伝熱部材（２０）を薄くすることができる。
【００２２】
このため、個々の伝熱部材（２０）内の流路（２１）の長さを短くすることができるので、流路（２１）の流路抵抗を小さくして流路（２１）における作動媒体（１２）の圧力損失を抑制することができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の外燃機関において、加熱部（１１ａ）は、容器（１１）を拡径した円盤状に形成されており、
複数個の伝熱部材（２０）は、加熱部（１１ａ）と同心の環状に形成されていることを特徴とする。
【００２４】
これにより、複数個の伝熱部材（２０）に液体状態の作動媒体（１２）を効率的に導入することができるので、伝熱部材（２０）によって液体状態の作動媒体（１２）の加熱をより促進することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、加熱部（１１ａ）は、容器（１１）を拡径した円盤状に形成されており、
加熱部（１１ａ）内には、伝熱部材（３０、３１）に液体状態の作動媒体（１２）を供給する液供給通路（３２）が形成されており、
圧力損失抑制構造は、伝熱部材（３０、３１）および液供給通路（３２）が加熱部（１１ａ）の径方向に拡がる形状を有しているとともに加熱部（１１ａ）の軸方向に互いに積層されていることによって構成されていることを特徴とする。
【００２６】
これによると、伝熱部材（３０、３１）および液供給通路（３２）が加熱部（１１ａ）の径方向に拡がる形状を有するとともに、加熱部（１１ａ）の軸方向に互いに積層されているので、液体状態の作動媒体（１２）が伝熱部材（３０、３１）に対して加熱部（１１ａ）の軸方向に流入することとなる。
【００２７】
このため、液体状態の作動媒体（１２）が伝熱部材（３０、３１）に対して加熱部（１１ａ）の径方向に流入するようになっている場合と比較して、作動媒体（１２）の流通方向における伝熱部材（３０、３１）の厚さを薄くすることができる。その結果、伝熱部材（３０、３１）内の流路の長さを短くすることができるので、流路の流路抵抗を小さくして流路における作動媒体（１２）の圧力損失を抑制することができる。
【００２８】
請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、圧力損失抑制構造は、伝熱部材（４０）内の流路径を加熱部（１１ａ）の入口側から蒸気溜め部（４１）に向かうほど大きくする流路径拡大構造で構成されていることを特徴とする。
【００２９】
これによると、伝熱部材（２０）内の流路径を加熱部（１１ａ）の入口側から蒸気溜め部（４１）に向かうほど大きくしているので、伝熱部材（２０）内の流路径を加熱部（１１ａ）の入口側から蒸気溜め部（４１）にかけて一様にしている場合と比較して流路（２１）における作動媒体（１２）の圧力損失を抑制することができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の外燃機関において、前記伝熱部材（１６）は、球状の金属粒子（２２）同士の接合により形成された焼結金属であり、
前記流路径拡大構造は、前記金属粒子（２２）同士の接合直径が前記加熱部（１１ａ）の入口側から前記蒸気溜め部（４１）に向かうほど小さくなっていることによって構成されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項７に記載の発明では、請求項５に記載の外燃機関において、伝熱部材（１６）は、球状の金属粒子（２２）同士の接合により形成された焼結金属であり、
流路径拡大構造は、金属粒子（２２）の密度が加熱部（１１ａ）の入口側から蒸気溜め部（４１）に向かうほど小さくなっていることによって構成されていることを特徴とする。
【００３２】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態における外燃機関の概略構成を表す構成図である。
【図２】（ａ）は図１の加熱部の伝熱部材近傍部位の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）の金属粒子の拡大図である。
【図３】（ａ）は図１の加熱部の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】（ａ）は金属粒子の積層厚さと伝熱部材の上下方向中心部の温度との関係を示すグラフであり、（ｂ）は伝熱部材の上下方向中心部の温度とエンジン効率との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）は第２実施形態における加熱部の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】（ａ）は第３実施形態における伝熱部材内の流路径の分布を示すグラフであり、（ｂ）は第３実施形態における加熱部の断面図である。
【図７】（ａ）は検討例に加熱部の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図８】検討例における模式的なＰＶ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１〜図３中の上矢印は天地方向の上方、下矢印は天地方向の下方を示している。
【００３５】
外燃機関１０は、液体ピストン式蒸気エンジンとも呼ばれるものであり、管状の圧力容器である容器１１を備えている。容器１１内には、作動媒体（本実施形態では水）１２が液体状態で流動可能に封入されている。
【００３６】
また、外燃機関１０は、容器１１内の作動媒体１２の一部を加熱して作動媒体１２の蒸気を発生させる加熱器１３と、加熱器１３によって発生した作動媒体１２の蒸気を冷却する冷却器１４とを備えている。
【００３７】
本実施形態では、加熱器１３の熱源として排気ガス等の高温ガスを用いている。また、本実施形態の冷却器１４には冷却水が循環するようになっている。図示を省略しているが冷却水の循環回路中には、冷却水が作動媒体１２の蒸気から奪った熱を放熱する放熱器が配置されている。
【００３８】
容器１１は全体として略Ｕ字形状を有しており、屈曲部が天地方向の最下部に位置し、両端部が天地方向の上方側に向かって延びるように配置されている。この容器１１の一端部に加熱器１３が配置されている。また、容器１１の一端側の部位であって、加熱器１３よりも下方側の部位に冷却器１４が配置されている。
【００３９】
本例では、作動媒体１２を水としていることから、容器１１をステンレス製としている。容器１１のうち加熱器１３と接触する加熱部１１ａおよび冷却器１４と接触する冷却部１１ｂを熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム製としてもよい。
【００４０】
容器１１の他端部（加熱部１１ａと反対側の端部）には、液体状態の作動媒体１２の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部１５が配置されている。出力部１５は、液体状態の作動媒体１２（液体ピストン）から圧力を受けて変位するピストン（固体ピストン）１６と、ピストン１６を摺動可能に支持するシリンダ部１７を有している。
【００４１】
ピストン１６は、発電機１の可動子２のシャフト２ａに連結されており、可動子２を挟んでピストン１６と反対側には、可動子２をピストン１６側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすバネ１８が設けられている。
【００４２】
可動子２には永久磁石が埋設されており、ピストン１６が可動子２を振動変位させることによって発電機１を駆動して起電力を発生させる。
【００４３】
容器１１は加熱部１１ａにおいて水平方向に拡径されている。これに伴い、加熱部１１ａの内部空間も水平方向に拡がる形状になっている。本例では、加熱部１１ａの外形が水平方向に拡がる円盤状になっており、加熱部１１ａの内部空間も水平方向に拡がる円盤形状になっている。図示を省略しているが、本例では加熱部１１ａを適宜分割して形成している。
【００４４】
加熱部１１ａの内部空間には、作動媒体１２の加熱を促進する伝熱部材２０が配置されている。図２（ａ）に示すように、伝熱部材２０内には、作動媒体１２が流通可能な微細な流路２１が多数個形成されている。本例では、伝熱部材２０を焼結金属からなる多孔質体で形成し、この多孔質体の内部に形成された細孔によって流路２１を構成している。
【００４５】
伝熱部材２０を形成する多孔質体は、伝熱性能が高い金属（本例では、銅）によって球状に形成された金属粒子２２同士をある程度潰して面接合させた構造になっている。球状の粒子２２は、粒度分布が小さい均質な粒子である。本例では、この球状の粒子２２を六方最密構造に充填している。
【００４６】
なお、図２（ａ）では、図示の都合上、球状の粒子２２同士が点接合しているように示されているが、実際には図２（ｂ）に示すように、球状の粒子２２同士がある程度潰れた状態で面接合している。
【００４７】
図３に示すように、伝熱部材２０は、加熱部１１ａ内に複数個、互いに所定の間隔で配置されている。このような伝熱部材２０の配置により、伝熱部材２０内の流路２１における作動媒体１２の圧力損失を抑制する圧力損失抑制構造を構成している（詳細は後述）。
【００４８】
本例では図３（ａ）に示すように、複数個の伝熱部材２０は、加熱部１１ａの軸方向（上下方向）において加熱部１１ａの内部空間の全域にわたって配置され、加熱部１１ａの内壁面に周知の接合手段によって接合されている。
【００４９】
また、本例では、図３（ｂ）に示すように、複数個の伝熱部材２０を、加熱部１１ａと同心の環状に形成しているので、加熱部１１ａのＡ−Ａ断面は、伝熱部材２０と、伝熱部材２０同士の間に形成される空隙２３とが交互に配置された年輪のような形状になる。
【００５０】
なお、空隙２３は、作動媒体１３の蒸気を溜める空間である蒸気溜め部としての役割を果たすものであり、加熱部１１ａの内部空間のうち径方向最外側部位にも形成されている。
【００５１】
次に、上記構成における基本作動を簡単に説明する。加熱器１３及び冷却器１４を動作させると、まず加熱器１３により加熱部１１ａ内の作動媒体（水）１２が加熱されて気化し、加熱部１１ａ内に高温・高圧の蒸気が蓄積されて、容器１１の一端側（加熱部１１ａ側）における作動媒体１２の液面１２ａを押し下げる。すると、容器１１内に封入された液体状態の作動媒体１２は、容器１１の一端側から他端側に変位して、発電機１側のピストン１６を押し上げるとともに、バネ１８を圧縮する。
【００５２】
容器１１の一端側における作動媒体１２の液面１２ａが冷却部１１ｂまで下がり、冷却部１１ｂ内に作動媒体１２の蒸気が進入すると、蒸気が冷却器１４により冷却されて液化されるため、作動媒体１２の液面１２ａを押し下げる力が消滅し、容器１１の一端側において作動媒体１２の液面１２ａが上昇する。この結果、蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機１側のピストン１６はバネ１８の弾性力によって下降する。
【００５３】
そして、こうした動作は、加熱器１３及び冷却器１４の動作を停止させるまで繰り返し実行され、その間、容器１１内において、液体状態の作動媒体１２は液体ピストンとして周期的に変位（いわゆる自励振動）して発電機１の可動子２を上下動させることになる。
【００５４】
本実施形態では、微細流路２１を有する伝熱部材２０を加熱部１１ａ内に配置しているので、加熱部１１ａに導入された作動媒体１２が微細流路２１内で加熱され沸騰する。このため、温度勾配の影響を排除して作動媒体１２を確実に沸騰（気化）させることができる。しかも、微細流路２１は、球状の粒子２２に囲まれて形成されているので、微細流路２１内で沸騰した蒸気がその周囲の液体状態の作動媒体１２を飛ばしてしまうことを防止できる。
【００５５】
さらに、本実施形態では、伝熱部材２０を加熱部１１ａ内に複数個、互いに所定の間隔で配置することによって、流路２１における作動媒体１２の圧力損失を抑制する圧力損失抑制構造を構成しているので、微細流路２１内で作動媒体１２が脈動を生じることを抑制できる。
【００５６】
このことを詳細に説明すると、伝熱部材２０を加熱部１１ａ内に複数個、互いに所定の間隔で配置しているので、伝熱部材２０を加熱部１１ａ内に一体的に配置している場合と比較して個々の伝熱部材２０内における微細流路２１の長さを短くすることができる。
【００５７】
このため、微細流路２１の流路抵抗を小さくして微細流路２１における作動媒体１２の圧力損失を小さくすることができるので、微細流路２１内で作動媒体１２が沸騰した場合に、作動媒体１２の気泡を微細流路２１から蒸気溜め部２３に速やかに抜くことができる。
【００５８】
このため、気泡の急激な膨張（圧力上昇）によって液体ピストン全体が圧縮されたときに微細流路２１内の作動媒体１２が逆流することを抑制することができるので、微細流路２１内で作動媒体１２が脈動を生じることを抑制できる。その結果、作動媒体１２の脈動に伴うＰＶ出力の低下および熱輸送損失の増大を抑制することができる。
【００５９】
次に、伝熱部材２０の一設計例を示す。まず、球状の粒子２２の接合面の直径である接合直径ｄｊ（図２（ｂ）を参照）について説明する。接合直径ｄｊを小さくした場合、すなわち球状の粒子２２同士の潰し量を小さくした場合には、流路２１の断面積の相当円直径（以下、流路径と言う。）が大きくなるので作動媒体１２の流通性が良好である反面、球状の粒子２２間の伝熱面積（接触面積）が小さくなるので伝熱性能が劣る。
【００６０】
これとは逆に、接合直径ｄｊを大きくした場合、すなわち球状の粒子２２同士の潰し量を大きくした場合には、球状の粒子２２間の伝熱面積が大きくなるので伝熱性能が良好である反面、流路径が小さくなるので作動媒体１２の流通性が劣る。
【００６１】
そこで、作動媒体１２の流通性と伝熱性能とを両立するために、接合直径ｄｊを粒子２２の直径ｄの１０％以上、５０％以下にするのが望ましい。より望ましくは、接合直径ｄｊを粒子２２の直径ｄの１／４に設定するのがよい（ｄｊ＝ｄ／４）。
【００６２】
なお、ここでいう粒子２２の直径ｄとは、粒子２２のうち、面接合することなく本来の球形状を有している部位で測った直径を意味するものである。
【００６３】
次に、球状の粒子２２の積層厚みＬ（図２（ａ）を参照）について説明する。ここで、球状の粒子２２の積層厚みＬとは、伝熱部材２０の上下方向両端部から上下方向中心部までの寸法のことを意味している。図２（ａ）中、１点鎖線ＣＬは伝熱部材２０の上下方向中心線を示している。
【００６４】
伝熱部材２０の上下方向両端部から上下方向中心部までの粒子２２の積層個数をｎとすると、粒子２２の積層厚みＬは次の数式１のように近似することができる。
【００６５】
（数１）
Ｌ＝ｎｄ
加熱部１１ａの内壁面の温度をＴ１、伝熱部材２０の上下方向中心部の温度をＴ２としたとき、球状の粒子２２の伝熱量Ｑｉｎは、次の数式２で表される。
【００６６】
【数２】
2010174725.tif 000003
但し、λは粒子２２の熱伝導率、Ｓは球状の粒子２２間の伝熱面積（接触面積）である。本例では、ｄｊ＝ｄ／４としているので、球状の粒子２２間の伝熱面積Ｓは次の数式３で表される。
【００６７】
【数３】
2010174725.tif 000004
一方、１周期中に球状の粒子２２から流路２１内の作動媒体１２に与えられる熱量Ｑｏｕｔは、次の数式４で表される。
【００６８】
（数４）
Ｑｏｕｔ＝Ｖｈfgεｆ
但し、Ｖは流路２１内の作動媒体１２の体積であり、ｈfgは潜熱であり、εは１周期のうち加熱部１１ａ内に液体状態の作動媒体１２が入っている時間の割合であり、ｆは液体ピストン式蒸気エンジンの駆動周波数である。
【００６９】
このうち、流路２１内の作動媒体１２の体積Ｖは、次の数式５で表される。
【００７０】
【数５】
2010174725.tif 000005
但し、ηは伝熱部材２０の空隙率である。
【００７１】
そして、次の数式６に示すように、上述の伝熱量Ｑｉｎと熱量Ｑｏｕｔは同じであるから、数１〜数６により次の数式７が導かれる。
【００７２】
（数６）
Ｑｉｎ＝Ｑｏｕｔ
【００７３】
【数７】
2010174725.tif 000006
図４（ａ）は、この数式７をグラフに表したものであり、粒子２２の積層厚みＬが大きいほど、伝熱部材２０の上下方向中心部の温度Ｔ２が低下することがわかる。なお、図４（ｂ）は、伝熱部材２０の上下方向中心部の温度Ｔ２と液体ピストン式蒸気エンジンの効率との関係を示すグラフである。図４（ｂ）中のＴ３は冷却部１１ｂの内壁面の温度である。
【００７４】
図４（ｂ）からわかるように、伝熱部材２０の上下方向中心部の温度Ｔ２は、加熱部１１ａの内壁面の温度Ｔ１と冷却部１１ｂの内壁面の温度温度Ｔ３の平均値以上であるのが望ましい。すなわち、伝熱部材２０の軸方向中心部の温度Ｔ２は、次の数式８を満たすのが望ましい。
【００７５】
【数８】
2010174725.tif 000007
よって、数式７、８により、次の数式９が導かれる。
【００７６】
【数９】
2010174725.tif 000008
したがって、粒子２２の積層厚みＬがこの数式９を満たすように伝熱部材２０を設計すれば、流路２１内の液相状態の作動媒体１２を良好に蒸発させることができ、液体ピストン式蒸気エンジンを高効率化できる。
【００７７】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、伝熱部材２０が加熱部１１ａ内に複数個、互いに所定の間隔で配置されていることによって圧力損失抑制構造を構成しているが、本第２実施形態では、図５に示すように、伝熱部材３０、３１に対して液体状態の作動媒体１２を供給する液供給通路３２が加熱部１１ａ内に形成されており、かつ伝熱部材３０、３１および液供給通路３２が加熱部１１ａの径方向に拡がる形状を有しているとともに加熱部１１ａの軸方向に互いに積層されていることによって圧力損失抑制構造が構成されている。
【００７８】
具体的には、伝熱部材３０、３１は、加熱部１１ａの上壁面に沿って配置された第１伝熱部材３０、および加熱部１１ａの下壁面に沿って配置された第２伝熱部材３１である。そして、液供給通路３２は、第１、第２伝熱部材３０、３１の間において加熱部１１ａの径方向に拡がる空隙によって構成されている。
【００７９】
なお、必ずしも第１、第２伝熱部材３０、３１の両方を加熱部１１ａ内に配置する必要はなく、第１、第２伝熱部材３０、３１のうちいずれか一方のみを加熱部１１ａ内に配置するようにしてもよい。
【００８０】
本例では、第１、第２伝熱部材３０、３１は、加熱部１１ａと同心の円盤状に形成されており、第２伝熱部材３１の中心部には、液供給通路３２に液体状態の作動媒体１２を流通させるための貫通穴が形成されている。
【００８１】
この第２伝熱部材３１の貫通穴の内周面には、加熱部１１ａと同様の材質にて形成された筒状部材３３が配置されている。この筒状部材３３は、液体状態の作動媒体１２が第２伝熱部材３１に対して加熱部１１ａの径方向に流入することを防止する役割を果たすものである。
【００８２】
蒸気溜め部３４は、加熱部１１ａ内において第１、第２伝熱部材３０、３１の径方向外側に形成されている。蒸気溜め部３４は、第１、第２伝熱部材３０、３１内の微細流路と蒸気通路３５、３６を介して連通している。
【００８３】
本例では、蒸気通路３５、３６は、第１、第２伝熱部材３０、３１の軸方向外側の端面（本例では第１伝熱部材３０の上端面および第２伝熱部材３１の下端面）から加熱部１１ａの軸方向に延びる複数個の分岐通路部３５ａ、３６ａと、加熱部１１ａの径方向に拡がって複数個の分岐通路部３５ａ、３６ａと連通する集合通路部３５ｂ、３６ｂとで構成されている。
【００８４】
本例では、図５（ｂ）に示すように、複数個の分岐通路部３５ａ、３６ａの断面形状を加熱部１１ａと同心の環状にしている。したがって、加熱部１１ａのうち複数個の分岐通路部３５ａ、３６ａ同士の間の部位は、複数個の環状部３７、３８に分割されることとなる。
【００８５】
複数個の環状部３７、３８は、第１、第２伝熱部材３０、３１を加熱部１１ａに固定するための固定部としての役割と、加熱部１１ａの熱を第１、第２伝熱部材３０、３１に伝えるための伝熱部としての役割を果たしている。
【００８６】
本例では、図示を省略しているが、集合通路部３５ｂ、３６ｂの平面形状を加熱部１１ａと同心の円形状にしている。また、図示を省略しているが、加熱部１１ａには、集合通路部３５ｂ、３６ｂ内にて上下方向に延びる柱状部が形成されている。
【００８７】
集合通路部３５ｂ内の柱状部は、複数個に分割された環状部３２を、加熱部１１ａのうち集合通路部３５ｂよりも上方側の部位と繋ぐ役割を果たすものである。同様に、集合通路部３６ｂ内の柱状部は、複数個に分割された環状部３３を、加熱部１１ａのうち集合通路部３６ｂよりも下方側の部位と繋ぐ役割を果たしている。
【００８８】
本例では、図示を省略しているが、蒸気溜め部３４を加熱部１１ａの周方向の全域にわたって形成し、蒸気溜め部３４の断面形状を加熱部１１ａと同心の円筒状にしている。なお、必ずしも蒸気溜め部３４を加熱部１１ａの周方向の全域にわたって形成する必要はなく、例えば蒸気溜め部３４を加熱部１１ａの周方向の一部のみに形成し、蒸気溜め部３４の断面形状を円弧状にしてもよい。
【００８９】
本実施形態によると、図５（ａ）の矢印のように、加熱部１１ａに流入した液体状態の作動媒体１２は液供給通路３２を加熱部１１ａの径方向に拡がって流れて液供給通路３２全体に拡がる。この際、液体状態の作動媒体１２はある程度加熱される。
【００９０】
液体状態の作動媒体１２は、液供給通路３２全体に拡がった後、加熱部１１ａの軸方向に流れて第１、第２伝熱部材３０、３１に供給され、第１、第２伝熱部材３０、３１で加熱されて沸騰する。そして、第１、第２伝熱部材３０、３１内の微細流路で発生した蒸気は蒸気通路３５、３６を通って蒸気溜め部３４に溜まることとなる。
【００９１】
このように、本実施形態では、伝熱部材３０、３１および液供給通路３２が加熱部１１ａの径方向に拡がる形状を有するとともに、加熱部１１ａの軸方向に互いに積層されているので、液体状態の作動媒体１２が伝熱部材３０、３１に対して加熱部１１ａの軸方向に流入することとなる。
【００９２】
このため、液体状態の作動媒体１２が伝熱部材３０、３１に対して加熱部１１ａの径方向に流入するようになっている場合と比較して、作動媒体１２の流通方向における伝熱部材３０、３１の厚さが薄くなり、ひいては伝熱部材３０、３１内の微細流路の長さを短くすることができる。
【００９３】
その結果、上記第１実施形態と同様に、微細流路２１の流路抵抗を小さくして微細流路２１における作動媒体１２の圧力損失を小さくすることができるので、微細流路２１内で作動媒体１２が脈動を生じることを抑制できる。
【００９４】
因みに、本実施形態では、伝熱部材を形成する粒子の積層厚みＬは、第１、第２伝熱部材３０、３１それぞれの上下方向寸法に該当することとなる。なお、図５（ａ）では図示の都合上、第１伝熱部材３０における粒子の積層厚みＬのみ図示しており、第２伝熱部材３１における粒子の積層厚みＬの図示を省略している。
【００９５】
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、伝熱部材２０を加熱部１１ａ内に複数個、互いに所定の間隔で配置することによって圧力損失抑制構造を構成しているが、本第３実施形態では、図６（ａ）に示すように、伝熱部材４０内の流路径を加熱部１１ａの入口側から蒸気溜め部４１に向かうほど大きくする流路径拡大構造で圧力損失抑制構造を構成している。
【００９６】
本実施形態では、伝熱部材４０は、加熱部１１ａ内に一体的に配置されている。したがって、蒸気溜め部４１は加熱部１１ａの内部空間のうち径方向最外側部位のみに形成されている。
【００９７】
本例では、伝熱部材４０を形成する金属粒子の接合直径（図２（ｂ）を参照）を加熱部１１ａの入口側から蒸気溜め部４１に向かうほど小さくすることによって、伝熱部材４０内の流路径を加熱部１１ａの入口側から蒸気溜め部４１に向かうほど大きくしている。
【００９８】
本実施形態においても上記第１実施形態と同様に、伝熱部材４０内の微細流路の流路抵抗を小さくして伝熱部材４０内の微細流路における作動媒体１２の圧力損失を小さくすることができるので、微細流路２１内で作動媒体１２が脈動を生じることを抑制できる。
【００９９】
なお、図６（ａ）の例では、伝熱部材４０内の流路径が加熱部１１ａの入口側から蒸気溜め部４１に向かって曲線状に大きくなっているが、伝熱部材４０内の流路径が加熱部１１ａの入口側から蒸気溜め部４１に向かって階段状に大きくなるようにしてもよい。
【０１００】
なお、本実施形態の変形例として、金属粒子の直径（図２（ｂ）を参照）を加熱部１１ａの入口側から蒸気溜め部２３に向かうほど大きくすれば、金属粒子２２の密度が加熱部１１ａの入口側から蒸気溜め部２３に向かうほど小さくなるので、伝熱部材４０内の流路径を加熱部１１ａの入口側から蒸気溜め部４１に向かうほど大きくすることができる。
【０１０１】
なお、図６（ｂ）の例では、伝熱部材４０の軸方向寸法が径方向内側から径方向外側にわたって一定になっているが、必ずしも伝熱部材４０の軸方向寸法が一定でなくてもよい。
【０１０２】
（他の実施形態）
（１）上記各実施形態は、加熱部１１ａの内部空間の平面形状の一例を示したものに過ぎず、これに限定されることなく、加熱部１１ａの内部空間の平面形状を種々変更可能である。
【０１０３】
（２）上記各実施形態では、加熱器１３と容器１１とを別体に形成しているが、加熱器１３と容器１１のうち加熱部１１ａとを一体に形成してもよい。
【０１０４】
（３）上記各実施形態では、加熱器１３の熱源として高温ガスを用いているが、加熱器１３を電気ヒータで構成してもよい。
【０１０５】
（４）上記各実施形態では、本発明を発電装置の駆動源に適用した場合について説明したが、本発明の外燃機関は、発電装置以外の駆動源としても利用することができる。
【０１０６】
（５）上記各実施形態では、容器１１が加熱部１１ａにおいて水平方向に拡径されており、加熱部１１ａが水平方向に拡がる円盤状になっているが、これに限定されるものではなく、例えば容器１１が水平方向に拡径されておらず、加熱部１１ａが上下方向に直線状に延びる管状になっていてもよい。
【０１０７】
（６）上記各実施形態では、作動媒体として水を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば作動媒体として冷媒を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１１    容器
１１ａ  加熱部
１２    作動媒体
２０    伝熱部材
２３    蒸気溜め部
【図１】
2010174725.tif 000009
【図２】
2010174725.tif 000010
【図３】
2010174725.tif 000011
【図４】
2010174725.tif 000012
【図５】
2010174725.tif 000013
【図６】
2010174725.tif 000014
【図７】
2010174725.tif 000015
【図８】
2010174725.tif 000016