(57)【要約】【課題】ピストンを上死点まで押し戻すために必要な動力を低減する。【解決手段】容器のうち冷却部と膨張機との間の部位は、主管部１２ａと副管部１２ｂとに分岐して形成され、膨張機は、主管部の作動媒体から圧力を受けて変位する主ピストン１７と、副管部の作動媒体から圧力を受けて変位する副ピストン２２とを有し、主ピストンが最も加熱部側に変位したときの位置を主ピストン上死点とし、副ピストンが最も加熱部側に変位したときの位置を副ピストン上死点とし、作動媒体の液体部分が最も加熱部側に変位したときの位置を作動媒体上死点としたとき、副ピストン上死点のタイミングは主ピストン上死点のタイミングよりも後になっており、作動媒体上死点のタイミングは主ピストン上死点のタイミングと副ピストン上死点のタイミングとの間になっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体（１１、１１１〜１１５）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１２、１２１〜１２５）と、
前記容器のうち一端側の部位に形成され、前記容器内の前記作動媒体の一部を加熱して前記作動媒体の蒸気を発生させる加熱部（１２ａ、１２１ａ〜１２５ａ）と、
前記容器のうち前記加熱部よりも他端側の部位に形成され、前記容器内の前記蒸気を冷却して液化させる冷却部（１２ｂ、１２１ｂ〜１２５ｂ）と、
前記容器の他端部に配置され、前記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膨張機（１５、３０）とを備え、
前記容器のうち前記冷却部と前記膨張機との間の部位は、主管部（１２ａ、１２１ａ〜１２５ａ）と副管部（１２ｂ、１２１ｂ〜１２５ｂ）とに分岐して形成され、
前記膨張機は、前記主管部の前記作動媒体から圧力を受けて変位する主ピストン（１７、３３１〜３３５）と、前記副管部の前記作動媒体から圧力を受けて変位する副ピストン（２２、３４１〜３４５）とを有し、
前記主ピストンが最も前記加熱部側に変位したときの位置を主ピストン上死点とし、
前記副ピストンが最も前記加熱部側に変位したときの位置を副ピストン上死点とし、
前記作動媒体の液体部分が最も前記加熱部側に変位したときの位置を作動媒体上死点としたとき、
前記副ピストン上死点のタイミングは前記主ピストン上死点のタイミングよりも後になっており、
前記作動媒体上死点のタイミングは前記主ピストン上死点のタイミングと前記副ピストン上死点のタイミングとの間になっていることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記膨張機は、前記主ピストンの直線運動および前記副ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換部材（１９、３６）を有しており、
前記変換部材は、前記主ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換効率が前記主ピストン上死点のタイミングで最小になり、前記副ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換効率が前記副ピストン上死点のタイミングで最小になるように構成されており、
前記主ピストンが最も前記加熱部と反対側に変位したときの位置を主ピストン下死点としたとき、
前記副ピストン上死点のタイミングは前記作動媒体上死点のタイミングと前記主ピストン下死点のタイミングとの間になっ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】
前記変換部材は、前記主ピストンおよび前記副ピストンに連結されたクランク軸（１９）であ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】
前記変換部材は、前記主ピストンの直線運動および前記副ピストンの直線運動によって摺動回転する斜板（３６）であることを特徴とする請求項２に記載の外燃機関。
【請求項５】
前記膨張機は、前記主ピストンの行程容積が前記副ピストンの行程容積よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の外燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動媒体の蒸気の発生と液化と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にて開示されている。この従来技術では、作動媒体が液体状態で流動可能に封入された管状の容器と、容器のうち一端部側に配置され、作動媒体の一部を加熱して作動媒体の蒸気を発生させる加熱器と、容器のうち加熱器よりも他端部側に配置され、作動媒体の蒸気を冷却して液化する冷却器と、容器の他端部に配置され、作動媒体の蒸気の発生と液化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出力部とを有している。
【０００３】
出力部は、容器の他端部と連通するシリンダと、シリンダに摺動可能に支持されるピストンと、ピストンに連結されたクランク機構と、クランク機構に取り付けられたフライホイールとを有している。
【０００４】
この従来技術における作動を簡単に説明すると、まず容器のうち加熱器が配置された部位である加熱部で液体状態の作動媒体が加熱されて作動媒体の蒸気が発生し、この蒸気の発生に伴う圧力上昇によって作動媒体の液面が出力部側へと押し下げられ、作動媒体の液体部分が出力部側へ押し出される。
【０００５】
出力部側へ押し出された作動媒体の液体部分は出力部のピストンを押圧して押し出してピストンを変位させる。このピストンの変位がクランク機構によって回転運動に変換され、フライホイールが回転駆動されることとなる。
【０００６】
この次に作動媒体の蒸気が容器のうち冷却器が配置された部位である冷却部に進入すると、蒸気が冷却器によって冷却されて液化するので、圧力が低下してピストンを押し出す力が消滅する。このため、一旦押し出されたピストンがフライホイールのイナーシャ（慣性力）によって押し戻されるので、一旦押し出された作動媒体の液体部分もピストンとともに加熱器側に押し戻されることとなる。
【０００７】
このような動作の繰り返しによりピストンが往復運動するので、作動媒体の蒸気の発生と液化によって生じる作動媒体の液体部分の変位が機械的エネルギに変換されて出力されることとなる。
【特許文献１】特開２００４−８４５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術では、ピストンが押し戻されることで作動媒体の液体部分も加熱器側に押し戻されるので、ピストンが最も押し戻されて上死点に達したときに作動媒体の液体部分も最も加熱器側に押し戻されて上死点に達することになる。つまり、上記従来技術ではピストンの上死点と作動媒体の液体部分の上死点とが一致することとなる。
【０００９】
また上記従来技術では、作動媒体の液体部分は上死点に達する直前から容器の加熱部に進入するので、作動媒体の液体部分が上死点に達する直前から作動媒体の液体部分が加熱されて蒸気が発生して作動媒体の圧力が上昇することとなる。
【００１０】
このことを図７に基づいて詳細に説明する。図７は上記従来技術におけるクランク角と作動媒体の圧力との関係を示すタイミングチャートの一例である。この図７の例では、ピストンが上死点になるときのクランク角を１８０ｄｅｇとしている。
【００１１】
上記従来技術ではピストンの上死点と作動媒体の上死点とが一致し、かつ作動媒体が上死点に達する直前から作動媒体の蒸気が発生するので、図７のハッチング領域に示すようにピストンが上死点に達する直前から作動媒体の圧力が上昇することとなる。
【００１２】
このため上記従来技術では、ピストンが作動媒体の圧力に抗して上死点に到達しなければならなくなるのでピストンを上死点まで押し戻すために必要な動力が大きくなってしまい、ひいては出力の低下を招いてしまうという問題がある。
【００１３】
本発明は上記点に鑑みて、ピストンを上死点まで押し戻すために必要な動力を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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（１１、１１１〜１１５）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１２、１２１〜１２５）と、
容器のうち一端側の部位に形成され、容器内の作動媒体の一部を加熱して作動媒体の蒸気を発生させる加熱部（１２ａ、１２１ａ〜１２５ａ）と、
容器のうち加熱部よりも他端側の部位に形成され、容器内の蒸気を冷却して液化させる冷却部（１２ｂ、１２１ｂ〜１２５ｂ）と、
容器の他端部に配置され、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膨張機（１５、３０）とを備え、
容器のうち冷却部と膨張機との間の部位は、主管部（１２ａ、１２１ａ〜１２５ａ）と副管部（１２ｂ、１２１ｂ〜１２５ｂ）とに分岐して形成され、
膨張機は、主管部の作動媒体から圧力を受けて変位する主ピストン（１７、３３１〜３３５）と、副管部の作動媒体から圧力を受けて変位する副ピストン（２２、３４１〜３４５）とを有し、
主ピストンが最も加熱部側に変位したときの位置を主ピストン上死点とし、
副ピストンが最も加熱部側に変位したときの位置を副ピストン上死点とし、
作動媒体の液体部分が最も加熱部側に変位したときの位置を作動媒体上死点としたとき、
副ピストン上死点のタイミングは主ピストン上死点のタイミングよりも後になっており、
作動媒体上死点のタイミングは主ピストン上死点のタイミングと副ピストン上死点のタイミングとの間になっていることを特徴とする。
【００１５】
これによると、作動媒体上死点のタイミングを主ピストン上死点のタイミングよりも後にすることができるので、主ピストンが上死点に達する前に作動媒体の圧力上昇が始まることを抑制できる（後述の図３（ａ）を参照）。
【００１６】
このため、作動媒体の圧力上昇によって主ピストンが上死点に到達しづらくなることを抑制できるので、主ピストンを上死点まで押し戻すための動力を低減することができる。
【００１７】
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、膨張機は、主ピストンの直線運動および副ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換部材（１９、３６）を有しており、
変換部材は、主ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換効率が主ピストン上死点のタイミングで最小になり、副ピストンの直線運動を回転運動に変換する変換効率が副ピストン上死点のタイミングで最小になるように構成されており、
主ピストンが最も加熱部と反対側に変位したときの位置を主ピストン下死点としたとき、
副ピストン上死点のタイミングは作動媒体上死点のタイミングと主ピストン下死点のタイミングとの間になっていることを特徴とする。
【００１８】
これにより、作動媒体の圧力が上昇し始めてから副ピストンが上死点に達するまでの間に発生するマイナスの出力を小さく抑えることができるので、副ピストンが主ピストンの出力を打ち消してしまうことを抑制することができる（後述の図３（ｆ）を参照）。
【００１９】
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、変換部材は、主ピストンおよび副ピストンに連結されたクランク軸（１９）であることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明では、請求項２に記載の外燃機関において、変換部材は、主ピストンの直線運動および副ピストンの直線運動によって摺動回転する斜板（３６）であることを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の外燃機関において、膨張機は、主ピストンの行程容積が副ピストンの行程容積よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。
【００２２】
これにより、副ピストンによるマイナスの出力を主ピストンのプラスの出力に比べて小さく抑えることができるので、副ピストンが主ピストンの出力を打ち消してしまうことを抑制することができる。
【００２３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本実施形態による外燃機関１０の全体構成を模式的に示す断面図である。本実施形態による外燃機関１０は駆動対象機器、例えば発電装置の駆動源として用いられるものである。
【００２５】
外燃機関１０は作動媒体１１が液体状態で流動可能に封入された容器１２と、容器１２内の作動媒体１１の一部を加熱して蒸発させる加熱器１３と、加熱器１３によって発生した作動媒体１１の蒸気を冷却して凝縮させる冷却器１４とを備えている。本例では作動媒体１１として水を用いているが、作動媒体１１として冷媒等を用いてもよい。
【００２６】
容器１２は管状の圧力容器であり、その一端側の部位に加熱器１３が配置され、加熱器１３よりも他端側の部位に冷却器１４が配置されている。本例では、容器１２のうち加熱器１３および冷却器１４の配置部位が上下方向に延びる形状に形成されており、冷却器１４が加熱器１３の下方側に配置されている。
【００２７】
本実施形態の加熱器１３は高温ガス（例えば、自動車の排気ガス）と熱交換するものであるが、加熱器１３を電気ヒータ等で構成してもよい。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１１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。
【００２８】
容器１２のうち加熱器１３の配置部位である加熱部１２ａ、および容器１２のうち冷却器１４が配置された部位である冷却部１２ｂは熱伝導率に優れた材料とすることが望ましく、本例では、当該部位を銅又はアルミニウム製としている。なお、加熱部１２ａ、冷却部１２ｂに加熱器１３、冷却器１４を一体に形成してもよい。
【００２９】
一方、容器１２のうち加熱部１２ａおよび冷却部１２ｂ以外の部位は断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本例では、作動媒体１１を水としていることから当該部位をステンレス製としている。
【００３０】
容器１２の一端部（加熱部１２ａ側の上端部）には所定体積の気体（例えば、空気）が封入されており、これにより作動媒体１１が蒸発するのに必要な空間を確保している。
【００３１】
容器１２のうち冷却部１２ｂよりも他端側の部位は主管部１２ｃと副管部１２ｄとに分岐する形状に形成されている。主管部１２ｃおよび副管部１２ｄの先端部（冷却部１２ｂと反対側の端部）は互いに向かい合うように配置されている。そして主管部１２ｃおよび副管部１２ｄの先端部同士の間には、作動媒体１１の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部をなす膨張機１５が配置されている。
【００３２】
本実施形態では膨張機１５としてクランク式膨張機を用いている。具体的には、膨張機１５は、主管部１２ｃと連通する主シリンダ１６と、主シリンダ１６に摺動可能に支持された主ピストン１７と、主ピストン１７に連結された主ロッド１８と、主ロッド１８に連結されたクランク軸１９と、クランク軸１９を収納するクランクハウジング２０とを有している。
【００３３】
また膨張機１５は、副管部１２ｄと連通する副シリンダ２１と、副シリンダ２１に摺動可能に支持された副ピストン２２と、副ピストン２２およびクランク軸１９に連結された副ロッド２３とを有している。副シリンダ２１、副ピストン２２および副ロッド２３はクランクハウジング２０の背面側（主シリンダ１６、主ピストン１７および主ロッド１８と反対側）に配置されている。
【００３４】
クランク軸１９は、主ピストン１７の圧力および副ピストン２２の圧力を回転トルクに変換する変換部材としての役割を果たすものである。換言すればクランク軸１９は、主ピストン１７の直線運動および副ピストン２２の直線運動を回転運動に変換する変換部材としての役割を果たすものである。クランク軸１９は、副ピストン２２の位相が主ピストン１７の位相に対して所定角度（本例では１０８ｄｅｇ）遅角するように形成されている。
【００３５】
そしてクランク軸１９はクランクハウジング２０に対して回転可能に支持されており、その一端部がクランクハウジング２０の図示しない貫通孔からクランクハウジング２０外部に突出し、図示しないフライホイールを介して駆動対象機器（例えば発電装置）に連結されている。なお、クランクハウジング２０に対するクランク軸１９の回転支持構造としてマグネットカップリング方式を用いてもよい。
【００３６】
上記構成における基本作動を簡単に説明すると、加熱器１３が作動媒体（水）１１を加熱して蒸発させると、高温・高圧の作動媒体１１の蒸気によって作動媒体１１の液面１１ａが押し下げられる。
【００３７】
蒸気の膨張圧力によって押し下げられた作動媒体１１の液体部分は主管部１２ｃを通じて主ピストン１７側に押し出されるとともに副管部１２ｄを通じて副ピストン２２側に押し出される。
【００３８】
これにより主ピストン１７および副ピストン２２がクランク軸１９に近づく方向に押し出されるので、この主ピストン１７および副ピストン２２の直線運動が主ロッド１８および副ロッド２３を介してクランク軸１９に伝達されてクランク軸１９を図１の反時計回りに回転させる。
【００３９】
作動媒体１１の液面１１ａが冷却部１２ｂ内まで押し下げられると蒸気が冷却器１４により冷却されて液化するので、作動媒体１１の液体部分をクランク軸１９側に押し出す圧力が消滅する。一方、クランク軸１９はフライホイール（図示せず）の慣性力によって回転する。このため、主ピストン１７および副ピストン２２がクランク軸１９から遠ざかる方向に押し戻され、作動媒体１１の液体部分が加熱部１２ａ内まで押し戻される。
【００４０】
こうした動作は加熱器１３および冷却器１４の作動を停止させるまで繰り返し実行される。その間、容器１２内の作動媒体１１の液体部分は周期的に変位（いわゆる自励振動）して主ピストン１７および副ピストン２２を往復駆動させ、クランク軸１９を連続的に回転させることになる。これにより作動媒体１１の液体部分の自励振動をクランク軸１９の回転運動として取り出すことができる。
【００４１】
本実施形態では上述のように、副ピストン２２の位相を主ピストン１７の位相に対して所定角度（本例では１０８ｄｅｇ）遅角させているので、作動媒体１１の液体部分の自励振動の位相は主ピストン１７の位相と副ピストン２２の位相との中間になる。
【００４２】
このような主ピストン１７、副ピストン２２および作動媒体１１の位相関係を図２、図３に基づいて詳細に説明する。図示の都合上、図２では符号を省略している。
【００４３】
以下では、主ピストン１７が最も加熱部１２ａ側に変位したときの位置のことを主ピストン上死点と言い（図２（ｄ）を参照）、主ピストン１７が最も加熱部１２ａと反対側に変位したときの位置のことを主ピストン下死点と言う（図２（ａ）を参照）。
【００４４】
同様に、副ピストン２２が最も加熱部１２ａ側に変位したときの位置のことを副ピストン上死点と言い（図２（ｆ）を参照）、副ピストン２２が最も加熱部１２ａと反対側に変位したときの位置のことを副ピストン下死点と言う（図２（ｃ）を参照）。
【００４５】
また、作動媒体１１の液体部分が最も加熱部１２ａ側に変位したときの位置のことを作動媒体上死点と言い（図２（ｅ）を参照）、作動媒体１１の液体部分が最も加熱部１２ａと反対側に変位したときの位置のことを作動媒体下死点と言う（図２（ｂ）を参照）。
【００４６】
図２、図３では主ピストン下死点におけるクランク角を０ｄｅｇとしている。したがって主ピストン上死点におけるクランク角は１８０ｄｅｇである。本例では、副ピストン２２の位相が主ピストン１７の位相に対して１０８ｄｅｇ遅角しているので、副ピストン下死点におけるクランク角は１０８ｄｅｇであり、副ピストン上死点におけるクランク角は２８８ｄｅｇである。
【００４７】
そして本例では、作動媒体１１の位相は主ピストン１７の位相に対して５４ｄｅｇ遅角し、副ピストン２２の位相に対して５４ｄｅｇ進角している。
【００４８】
図２（ａ）に示すクランク角＝０ｄｅｇの状態では、主ピストン１７が主ピストン下死点に位置しているが、作動媒体１１の液体部分は作動媒体下死点に向かって押し下げられる方向に変位しており、副ピストン２２は副ピストン下死点に向かって押し出される方向に変位している。
【００４９】
図２（ｂ）に示すクランク角＝５４ｄｅｇの状態では、作動媒体１１の液体部分は作動媒体下死点に位置しているが、主ピストン１７は主ピストン上死点に向かって押し戻される方向に変位しており、副ピストン２２は副ピストン下死点に向かって押し出される方向に変位している。
【００５０】
図２（ｃ）に示すクランク角＝１０８ｄｅｇの状態では、副ピストン２２が副ピストン下死点に位置しているが、主ピストン１７は主ピストン上死点に向かって押し戻される方向に変位しており、作動媒体１１の液体部分は作動媒体上死点に向かって押し上げられる方向に変位している。
【００５１】
図２（ｄ）に示すクランク角＝１８０ｄｅｇの状態では、主ピストン１７が主ピストン上死点に位置しているが、作動媒体１１の液体部分は作動媒体上死点に向かって押し上げられる方向に変位しており、副ピストン２２は副ピストン上死点に向かって押し戻される方向に変位している。
【００５２】
図２（ｅ）に示すクランク角＝２３４ｄｅｇの状態では、作動媒体１１の液体部分は作動媒体上死点に位置しているが、主ピストン１７は主ピストン下死点に向かって押し出される方向に変位しており、副ピストン２２は副ピストン上死点に向かって押し戻される方向に変位している。
【００５３】
図２（ｆ）に示すクランク角＝２８８ｄｅｇの状態では、副ピストン２２が副ピストン上死点に位置しているが、主ピストン１７は主ピストン下死点に向かって押し出される方向に変位しており、作動媒体１１の液体部分は作動媒体下死点に向かって押し下げられる方向に変位している。
【００５４】
図３（ａ）に示すように、作動媒体１１の圧力は作動媒体上死点の直前から上昇を始め、作動媒体上死点の近傍で最高圧力に達する。この理由は、作動媒体１１の液体部分は作動媒体上死点の直前から加熱部１２ａに進入するようになっており、このために作動媒体１１は作動媒体上死点の直前から加熱器１３で加熱されて蒸発を始めることとなるからである。
【００５５】
本実施形態では作動媒体１１の位相を主ピストン１７の位相に対して遅角させているので、作動媒体上死点のタイミングが主ピストン上死点のタイミングよりも後になる。このため作動媒体１１の圧力が上昇し始めるタイミングを遅らせることができるので、主ピストン１７が上死点に達する前に作動媒体１１の圧力上昇が始まることを抑制できる。
【００５６】
このため、作動媒体１１の圧力上昇によって主ピストン１７が上死点に到達しづらくなることを抑制できるので、主ピストン１７を上死点まで押し戻すための動力を低減することができる。
【００５７】
本例では、図３（ａ）のハッチング領域に示すように、作動媒体１１の圧力上昇を主ピストン上死点のタイミングよりも後にしている。このため、主ピストン１７が上死点に達する前に作動媒体１１の圧力上昇が始まることをより抑制でき、ひいては主ピストン１７を上死点まで押し戻すための動力をより低減することができる。
【００５８】
図３（ｂ）はクランク機構２３において主ピストン１７の直線運動をクランク軸１９の回転運動に変換する変換効率（以下、主ピストン側変換効率と言う。）を示し、図３（ｄ）はクランク機構２３において副ピストン２２の直線運動をクランク軸１９の回転運動に変換する変換効率（以下、副ピストン側変換効率と言う。）を示している。
【００５９】
図３（ｂ）のように主ピストン側変換効率はクランク角によって変化し、主ピストン１７の下死点および上死点で最小になる。この理由は次の通りである。
【００６０】
まず、主ピストン下死点と主ピストン上死点との中間（クランク角＝９０ｄｅｇ、２７０ｄｅｇ）では、主ロッド１８とクランク軸１９との連結部位において主ロッド１８とクランク軸１９との間に作用する力の方向とクランク軸１９の回転方向とが平行に近くなるので主ピストン側変換効率がほぼ１になる。
【００６１】
これに対し、主ピストン１７の下死点および上死点（クランク角＝０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ）では、主ロッド１８とクランク軸１９との連結部位において主ロッド１８とクランク軸１９との間に作用する力の方向がクランク軸１９の回転方向に対して直交する方向になるので主ピストン側変換効率が零になるからである。
【００６２】
主ピストン側変換効率と同様に、図３（ｄ）に示す副ピストン側変換効率はクランク角によって変化し、副ピストン下死点（クランク角＝１０８ｄｅｇ）および副ピストン上死点（クランク角＝２８８ｄｅｇ）で最小になる。
【００６３】
本例では図３（ａ）、（ｂ）からわかるように、主ピストン側変換効率がほぼ１になっているときに作動媒体１１の圧力が高くなる。このため図３（ｃ）のハッチング領域Ｍ１に示す主ピストン１７の出力の波形は図３（ａ）に示す作動媒体１１の圧力の波形とほぼ同じになる。
【００６４】
これに対し、副ピストン２２は、図３（ｅ）のハッチング領域Ｓ１に示すように、作動媒体１１の圧力が上昇し始めてから副ピストン上死点までの間はマイナスの出力を発生し、図３（ｅ）のハッチング領域Ｓ２に示すように、副ピストン上死点から作動媒体１１の圧力が大気圧（１ａｔｍ）まで低下するまでの間はプラスの出力を発生する。この理由は次の通りである。
【００６５】
すなわち、図３（ａ）、（ｄ）からわかるように、副ピストン２２は作動媒体１１の圧力が高くなっているときに作動媒体１１の圧力に抗して副ピストン上死点に向かって変位することとなるので、図３（ｅ）のハッチング領域Ｓ１に示すようにマイナスの出力を発生することとなる。
【００６６】
また、副ピストン２２は、副ピストン上死点に達した後は作動媒体１１の圧力を受けて副ピストン下死点に向かって変位することとなるので、図３（ｅ）のハッチング領域Ｓ２に示すようにプラスの出力を発生することとなる。
【００６７】
本例では、副ピストン側変換効率が副ピストン上死点で最小になり、かつ副ピストン上死点のタイミングが作動媒体上死点のタイミングと主ピストン下死点のタイミングとの間になっているので、副ピストン２２によるマイナスの出力Ｓ１を小さく抑えることができる。
【００６８】
その結果、副ピストン２２が主ピストン１７の出力を打ち消してしまうことを抑制することができるので、図３（ｆ）の太線に示すように主ピストン１７および副ピストン２２のトータルの出力をプラスにすることができ、ひいては従来よりも大きな出力を得ることができる。
【００６９】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では出力部をなす膨張機１５としてクランク式膨張機を用いているが、本第２実施形態では図４、図５に示すように、出力部をなす膨張機３０として斜板式膨張機を用いている。
【００７０】
図４は本実施形態の外燃機関１０の全体構成の概略を示す模式図であり、図５は図４の膨張機３０を示す断面図である。膨張機３０は、第１〜第５の５つの容器１２１〜１２５が接続された５気筒型になっている。
【００７１】
第１〜第５容器１２１〜１２５のそれぞれの構成は上記第１実施形態の容器１２の構成と同様である。具体的には、第１〜第５容器１２１〜１２５は、加熱器１３１〜１３５および冷却器１４１〜１４５が配置される一端側の部位が上下方向に延び、他端側の部位が主管部１２１ｃ〜１２５ｃと副管部１２１ｄ〜１２５ｄとに分岐している。
【００７２】
膨張機３０は、第１〜第５の主シリンダ３１１〜３１５と、第１〜第５副シリンダ３２１〜３２５とを有している。図４では図示の都合上、第１〜第５副シリンダ３２１〜３２５を第１〜第５主シリンダ３１１〜３１５の外側に図示しているが、実際には図５に示すように第１〜第５副シリンダ３２１〜３２５は膨張機３０の背面側（第１〜第５主シリンダ３１１〜３１５と反対側）に配置されている。
【００７３】
第１〜第５容器１２１〜１２５と、膨張機３０の第１〜第５主シリンダ３１１〜３１５および第１〜第５副シリンダ３２１〜３２５との接続関係は図４に示す通りである。
【００７４】
具体的には、第１容器１２１は、主管部１２１ｃが第１主シリンダ３１１に接続され、副管部１２１ｄが第５副シリンダ３２５に接続されている。第２容器１２２は、主管部１２２ｃが第２主シリンダ３１２に接続され、副管部１２２ｄが第１副シリンダ３２１に接続されている。
【００７５】
第３容器１２３は、主管部１２３ｃが第３主シリンダ３１３に接続され、副管部１２３ｄが第２副シリンダ３２３に接続されている。第４容器１２４は、主管部１２４ｃが第４主シリンダ３１４に接続され、副管部１２４ｄが第３副シリンダ３２３に接続されている。第５容器１２５は、主管部１２５ｃが第５主シリンダ３１５に接続され、副管部１２５ｄが第４副シリンダ３２４に接続されている。
【００７６】
図５に示すように、第１主シリンダ３１１内には第１主ピストン３３１が配置され、第５主シリンダ３１５内には第５主ピストン３３５が配置されている。また、第１副シリンダ３２１内には第１副ピストン３４１が配置され、第５副シリンダ３２５内には第５副ピストン３４５が配置されている。
【００７７】
図示を省略しているが、同様に、第２〜第４主シリンダ３１２〜３１４内にも第２〜第４主ピストン３３２〜３３４が配置され、第２〜第４副シリンダ３２２〜３２４内にも第２〜第４副ピストン３４２〜３４５が配置されている。なお、第２〜第４主ピストン３３２〜３３４および第２〜第４副ピストン３４２〜３４５については、図４の括弧内に符号のみを示している。
【００７８】
第１〜第５主ピストン３３１〜３３５および第１〜第５副ピストン３４１〜３４５は円盤状の斜板３５を摺動回転させるようになっている。斜板３５は、第１〜第５主ピストン３３１〜３３５の圧力および第１〜第５副ピストン３４１〜３４５の圧力を回転トルクに変換する変換部材としての役割を果たすものである。
【００７９】
第１〜第５主シリンダ３１１〜３１５および第１〜第５副シリンダ３２１〜３２５は斜板３５の回転方向（図４の時計回り方向）に等間隔、つまり７２ｄｅｇ間隔で配置されている。したがって、第１〜第５主ピストン３３１〜３３５は位相が７２ｄｅｇずつずれており、第１〜第５副ピストン３４１〜３４５も位相が７２ｄｅｇずつずれることとなる。
【００８０】
図５に示すように第１副ピストン３４１は第１主ピストン３３１と一体に変位するように構成されている。したがって第１副ピストン３４１の位相は第１主ピストン３３１の位相に対して１８０ｄｅｇずれて正反対の位相になる。
【００８１】
第２〜第５主ピストン３３２〜３３５および第２〜第５副ピストン３４２〜３４５についても同様に、副ピストンは主ピストンと一体に変位して主ピストンと正反対の位相になる。
【００８２】
第１主シリンダ３１１および第１副シリンダ３２１の具体的構成例を図５に基づいて説明する。第１主シリンダ３１１の内部空間は第１容器１２１の主管部１２１ｃと連通して第１容器１２１の作動媒体１１１が充満する空間と、作動油３６１が封入されて第１主ピストン３３１が往復移動する空間とにダイアフラム３７１によって仕切られている。膨張機３０内には、作動油３６１の余剰分を貯留する空間３８１が形成されている。
【００８３】
第１副シリンダ３２１の内部空間は第２容器１２２の副管部１２２ｄと連通して第２容器１２２の作動媒体１１２が充満する空間と、作動油３９１が封入されて第１副ピストン３４１が往復移動する空間とにダイアフラム４０１によって仕切られている。膨張機３０内には、作動油３９１の余剰分を貯留する空間４１１が形成されている。
【００８４】
第１主ピストン３３１の行程容積は第１副ピストン３４１の行程容積よりも大きくなっている。
【００８５】
図５に示すように、第５主シリンダ３１５および第５副シリンダ３２５も上記した第１主シリンダ３１１および第１副シリンダ３２１の具体的構成例と同様に構成することができる。
【００８６】
すなわち、第５主シリンダ３１５の内部空間は第５容器１２５の主管部１２５ｃと連通して第５容器１２５の作動媒体１１５が充満する空間と、作動油３６５が封入されて第５主ピストン３３５が往復移動する空間とにダイアフラム３７５によって仕切られている。膨張機３０内には、作動油３６５の余剰分を貯留する空間３８５が形成されている。
【００８７】
第５副シリンダ３２５の内部空間は第１容器１２１の副管部１２１ｄと連通して第１容器１２１の作動媒体１１１が充満する空間と、作動油３９５が封入されて第５副ピストン３４５が往復移動する空間とにダイアフラム４０５によって仕切られている。膨張機３０内には、作動油３９５の余剰分を貯留する空間４１５が形成されている。
【００８８】
第５主ピストン３３５の行程容積は第５副ピストン３４５の行程容積よりも大きくなっている。
【００８９】
図示を省略しているが、第２〜第４主シリンダ３１２〜３１４、第２〜第４副シリンダ３２２〜３２４も、上記した第１、第５主シリンダ３１１、３１５および第１、第５副シリンダ３２１、３２５の具体的構成例と同様に構成することができる。
【００９０】
なお、斜板３５は、シュー４２を介して第１〜第５主ピストン３３１〜３３５および第１〜第５副ピストン３４１〜３４５と摺動するようになっている。また、膨張機３０は、斜板３５の回転運動を伝達するシャフト４３を有しており、このシャフト４３は駆動対象機器（例えば発電装置）に連結されている。
【００９１】
図６（ａ）は第１容器１２１の作動媒体１１１の圧力を受けて変位する第１主ピストン３３１および第５副ピストン３４５と、第１容器１２１の作動媒体１１１との位相関係を示すグラフである。
【００９２】
図６（ａ）中、１点鎖線は第１主ピストン３３１の位相を示し、２点鎖線は第５副ピストン３４５の位相を示し、実線は第１容器１２１の作動媒体１１１の位相を示している。なお、図６（ａ）では、参考として第５主ピストン３３５の位相を破線で示している。図６（ａ）では第１主ピストン３３１が上死点に位置しているときの斜板３５の回転角を０ｄｅｇとしている。
【００９３】
上述のように第５副ピストン３４５は第５主ピストン３３５に対して１８０ｄｅｇ遅角しており、第５主ピストン３３５は第１主ピストン３３１に対して７２ｄｅｇ進角している。したがって、第５副ピストン３４５は第１主ピストン３３１に対して１０８ｄｅｇ遅角することとなる。
【００９４】
第１主ピストン３３１および第５副ピストン３４５は第１容器１２１内の作動媒体１１１の圧力を受けて変位するので、第１容器１２１の作動媒体１１１の位相の波形は第１主ピストン３３１の位相の波形と第５副ピストン３４５の位相の波形とを合成した波形となる。
【００９５】
したがって、第１容器１２１の作動媒体１１１の位相は第１主ピストン３３１の位相に対して５４ｄｅｇ遅角することとなるので、作動媒体上死点のタイミングは第１主ピストン上死点のタイミングよりも後になる。
【００９６】
このため上記第１実施形態と同様に、第１主ピストン３３１が上死点に達する前に作動媒体１１１の圧力上昇が始まることを抑制できるので、作動媒体１１１の圧力上昇によって第１主ピストン３３１が上死点に到達しづらくなることを抑制でき、ひいては第１主ピストン３３１を上死点まで押し戻すために必要な動力を低減できる。
【００９７】
同様の理由により、第２〜第５主ピストンを上死点まで押し戻すために必要な動力も低減することができる。
【００９８】
図６（ｂ）は膨張機３０において第１主ピストン３３１の直線運動を斜板３５の回転運動に変換する変換効率（以下、第１主ピストン変換効率と言う。）を示している。図６（ｂ）の例では、斜板３５の傾斜角度を２０ｄｅｇとし、斜板３５とシュー４２との摩擦係数を０．０２にしている。
【００９９】
図６（ｂ）からわかるように第１主ピストン変換効率は、斜板３５の回転角によって変化し、第１主ピストン上死点および第１主ピストン下死点で最小になる。この理由は、第１実施形態における主ピストン側変換効率が図３（ｂ）に示すように変化する理由と同様である。
【０１００】
図６（ａ）、（ｂ）からわかるように、第１主ピストン変換効率が高くなるクランク角＝５４ｄｅｇ近傍にて作動媒体１１１が作動媒体上死点に達して作動媒体１１１の圧力が最高圧力になる。
【０１０１】
このため、第１主ピストン変換効率が高くなる位相で第１主ピストン３３１に高い圧力を加えることができるので、第１主ピストン３３１によって大きな出力を得ることができる。
【０１０２】
第２〜第５主ピストンについても、第１主ピストン３３１と同様の理由により、直線運動から回転運動への変換効率が大きくなる位相で第２〜第５主ピストンに高い圧力を加えることができる。
【０１０３】
しかも、第１〜第５主ピストン３３１〜３３５の行程容積を第１〜第５副ピストン３４１〜３４５の行程容積よりも大きくしているので、第１〜第５副ピストン３４１〜３４５によるマイナスの出力を第１〜第５主ピストン３３１〜３３５のプラスの出力に比べて小さく抑えることができる。
【０１０４】
これらの結果、上記第１実施形態と同様に、副ピストン３４１〜３４５が主ピストン３３１〜３３５の出力を打ち消してしまうことを抑制してトータルの出力をプラスにすることができので、従来よりも大きな出力を得ることができる。
【０１０５】
（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、副ピストン２２と作動媒体１１との位相差を５４ｄｅｇに設定した例を示したが、副ピストン２２と作動媒体１１との位相差を５４ｄｅｇよりも小さくすれば副ピストン２２によるマイナスの出力Ｓ１をより小さく抑えることができる。
【０１０６】
また、上記各実施形態では、容器１２のうち加熱器１３および冷却器１４の配置部位を１本の管状に形成しているが、容器１２の当該部位を複数本の分岐管状に形成してもよい。
【０１０７】
また、上記各実施形態では、容器１２のうち加熱器１３および冷却器１４の配置部位が上下方向に延びているが、加熱器１３によって発生した作動媒体１１の蒸気が膨張機１５まで流動しない構成であればよく、例えば容器１２の当該部位が上下方向に対して傾斜した方向または水平方向に延びていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の第１実施形態における外燃機関の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１の外燃機関の作動を示す説明図である。
【図３】図１の外燃機関の主ピストン、副ピストンおよび作動媒体の位相関係を示す説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態における外燃機関の全体構成を示す模式図である。
【図５】図４の外燃機関の膨張機を示す断面図である。
【図６】図４の外燃機関の第１主ピストン、第５副ピストンおよび作動媒体の位相関係を示す説明図である。
【図７】従来技術におけるクランク角と作動媒体の圧力との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１１    作動媒体
１２    容器
１２ａ  加熱部
１２ｂ  冷却部
１２ｃ  主管部
１２ｄ  副管部
１５    膨張機
１７    主ピストン
１９    クランク軸（変換部材）
２２    副ピストン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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