(57)【要約】【課題】効率の向上を図る。【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、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２５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が配置され、伝熱部材２０には、作動媒体１２が流通可能な流路２１が形成され、加熱部１１ａ内には、伝熱部材２０の温度分布を均一化する温度分布均一化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（２５、４１、５１）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、４０、５０）が配置され、
前記伝熱部材（２０、４０、５０）には、前記作動媒体（１２）が流通可能な流路（２１）が形成され、
さらに、前記加熱部（１１ａ）内には、前記伝熱部材（２０、４０、５０）の温度分布を均一化する温度分布均一化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】
前記温度分布均一化構造は、前記伝熱部材（２０）に対する液体状態の作動媒体（１２）の供給を均一化する液供給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、
前記加熱部（１１ａ）内には、前記伝熱部材（２０）に前記液体状態の前記作動媒体（１２）を供給する液供給通路（２３）が形成されており、
前記液供給構造は、前記伝熱部材（２０）および前記液供給通路（２３）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２に記載の外燃機関。
【請求項４】
前記温度分布均一化構造は、前記伝熱部材（４０）の熱容量を前記加熱部（１１ａ）の入口側に向かうほど増大させる熱容量増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５】
前記熱容量増大構造は、前記伝熱部材（４０）内の空隙率が前記加熱部（１１ａ）の入口側に向かうほど減少するように前記伝熱部材（４０）が形成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４に記載の外燃機関。
【請求項６】
前記温度分布均一化構造は、前記伝熱部材（５０）の見かけの熱伝導率を前記加熱部（１１ａ）の入口側に向かうほど増大させる熱伝導促進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７】
前記伝熱部材（５０）は、球状の金属粒子同士の接合により形成された焼結金属であり、
前記熱伝導促進構造は、前記金属粒子同士の接合直径が前記加熱部（１１ａ）の入口側に向かうほど増大するように前記伝熱部材（５０）が形成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６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。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作動媒体の液体部分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】
また特許文献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おり、作動媒体の蒸気が冷却部で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から流入し、加熱部の中心部から外周部に向かって広がって流れる過程で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、加熱部内に配置された伝熱部材の内部に、作動媒体が流通可能な微細な流路が多数個形成されており、この伝熱部材によって液体状態の作動媒体の加熱が促進されるので、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ることができる。
【０００７】
しかしながら、本発明者の詳細な検討によると、この先願例には効率の低下を招く要因があることがわかった。以下、このことを詳細に説明する。
【０００８】
図８（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８（ｂ）は図８（ａ）の伝熱部材の温度分布を示すグラフである。この検討例は、上記先願例に対応するものである。
【０００９】
液体状態の作動媒体１２は、まず図８（ａ）の矢印Ｚ１のように加熱部１１ａの入口側から伝熱部材９０に流入して加熱部１１ａの奥側に向かって流れ、伝熱部材９０で加熱されて沸騰する。すると、作動媒体１２の蒸気は蒸気溜め部９１に溜まった後に膨張して液体状態の作動媒体１２を図８（ａ）の矢印Ｚ２のように加熱部１１ａの奥側から加熱部１１ａの入口側に向かって押し出す。これにより、液体状態の作動媒体１２は伝熱部材９０から加熱部１１ａの入口側に向かって流出する。
【００１０】
このことから明らかなように、伝熱部材９０は、加熱部１１ａ入口側に位置する部位ほど液体状態の作動媒体１２との熱交換時間が長時間になる。その結果、図８（ｂ）のように、伝熱部材９０は、加熱部１１ａ入口側に位置する部位ほど温度が低下して、伝熱部材９０に温度分布が生じることとなる。
【００１１】
図８（ｃ）は、検討例における模式的なＰＶ線図である。図８（ｃ）中、実線は図８（ｂ）のように伝熱部材９０に温度分布が生じているときの状態を示し、図８（ｃ）中、２点鎖線は伝熱部材９０の温度が一様になっている理想的な状態を示している。
【００１２】
この図８（ｃ）からわかるように、伝熱部材９０に温度分布が生じている場合には、最大圧力が低下してＰＶ出力が低下することとなる。つまり、最大圧力は、伝熱部材９０のうち最も温度の低い部位における温度での飽和蒸気圧とほぼ等しくなることから、伝熱部材９０に温度分布が生じて加熱部１１ａ入口側部位での温度が低下すると最大圧力も低下することとなり、ひいてはＰＶ出力が低下し、効率も低下することとなるのである。
【００１３】
本発明は上記点に鑑みて、効率の向上を図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（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（２５、４１、５１）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、４０、５０）が配置され、
伝熱部材（２０、４０、５０）内には、作動媒体（１２）が流通可能な流路（２１）が形成され、
さらに、加熱部（１１ａ）内には、伝熱部材（２０、４０、５０）の温度分布を均一化する温度分布均一化構造が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
これによると、温度分布均一化構造によって伝熱部材（２０、４０、５０）の温度分布が均一化されるので、伝熱部材（２０、４０、５０）の温度分布が大きくなっている場合と比較して、伝熱部材（２０、４０、５０）のうち最も温度の低い部位における温度を上昇させることができる。このため、最大圧力を上昇させてＰＶ出力を向上させることができるので、効率を向上させることができる（図８を参照）。
【００１６】
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、温度分布均一化構造は、伝熱部材（２０）に対する液体状態の作動媒体（１２）の供給を均一化する液供給構造で構成されていることを特徴とする。
【００１７】
これにより、伝熱部材（２０）の各部位における液体状態の作動媒体（１２）との熱交換時間を均一化することができるので、伝熱部材（２０）の温度分布を良好に均一化することができる。
【００１８】
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、
加熱部（１１ａ）内には、伝熱部材（２０）に液体状態の作動媒体（１２）を供給する液供給通路（２３）が形成されており、
液供給構造は、伝熱部材（２０）および液供給通路（２３）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ことによって構成されていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、伝熱部材（２０）に対する液体状態の作動媒体（１２）の供給を良好に均一化することができる。
【００２０】
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、温度分布均一化構造は、伝熱部材（４０）の熱容量を加熱部（１１ａ）の入口側に向かうほど増大させる熱容量増大構造で構成されていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、伝熱部材（４０）のうち加熱部（１１ａ）の入口側部位における温度低下を抑制することができるので、伝熱部材（４０）の温度分布を良好に均一化することができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の外燃機関において、熱容量増大構造は、伝熱部材（４０）内の空隙率が加熱部（１１ａ）の入口側に向かうほど減少するように伝熱部材（４０）が形成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。
【００２３】
請求項６に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、温度分布均一化構造は、伝熱部材（５０）の見かけの熱伝導率を加熱部（１１ａ）の入口側に向かうほど増大させる熱伝導促進構造で構成されていることを特徴とする。
【００２４】
これにより、伝熱部材（５０）のうち加熱部（１１ａ）の入口側部位における温度を上昇させることができるので、伝熱部材（５０）の温度分布を良好に均一化することができる。
【００２５】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の外燃機関において、伝熱部材（５０）は、球状の金属粒子同士の接合により形成された焼結金属であり、
熱伝導促進構造は、金属粒子同士の接合直径が加熱部（１１ａ）の入口側に向かうほど増大するように伝熱部材（５０）が形成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】
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】
【００２７】
【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】図１の加熱部の拡大図である。
【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Ａ−Ａ断面図である。
【図６】（ａ）は第３実施形態における加熱部の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の伝熱部材の粒子径および空隙率の分布を示すグラフである。
【図７】（ａ）は第４実施形態における加熱部の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の伝熱部材の粒子接合直径および見かけの熱伝導率を示すグラフである。
【図８】（ａ）は検討例における加熱部の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の加熱部の温度分布を示すグラフであり、（ｃ）は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】
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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が流通可能な流路２１が形成されている。本例では、伝熱部材２０が焼結金属からなる多孔質体で形成されており、この多孔質体の内部に形成された細孔によって多数個の微細な流路２１が構成されている。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図３に示すように、伝熱部材２０は、加熱部１１ａの上壁面に沿って配置された第１伝熱部材２０ａ、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２０ｂで構成されている。
【００４２】
第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂの間には、加熱部１１ａの径方向に拡がる空隙２３が形成されている。この空隙２３は、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂに液体状態の作動媒体１２を供給する液供給通路としての役割を果たすものである。
【００４３】
したがって、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂおよび液供給通路２３は、いずれも加熱部１１ａの径方向に拡がる形状に形成されているとともに、加熱部１１ａの軸方向に互いに積層されていることとなる。
【００４４】
加熱部１１ａ内をこのように構成することによって、加熱部１１ａ内には、伝熱部材２０に対する液体状態の作動媒体１２の供給を均一化する液供給構造が設けられることとなる。そして、この液供給構造は、伝熱部材２０の温度分布を均一化する温度分布均一化構造としての役割を果たすこととなる（詳細は後述）。
【００４５】
なお、必ずしも第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ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２０ａ、２０ｂ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。
【００４６】
本例では、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂおよび液供給通路２３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２０ｂの中心部には、液供給通路２３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。
【００４７】
この第２伝熱部材２０ｂ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２４が配置されている。この筒状部材２４は、液体状態の作動媒体１２が第２伝熱部材２０ｂ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。
【００４８】
加熱部１１ａ内において第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂの径方向外側には、作動媒体１３の蒸気を溜める蒸気溜め部２５が形成されている。この蒸気溜め部２５は、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂと隣接して形成されており、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ内の微細流路２１と直接連通している。
【００４９】
蒸気溜め部２５と液供給通路２３との間には、加熱部１１ａと同様の材質にて形成された環状部材２６が配置されている。この環状部材２６は、液体状態の作動媒体１２が液供給通路２３から蒸気溜め部２５に直接流入することを防止する役割を果たすものである。
【００５０】
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。
【００５１】
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がバネ１８の弾性力によって下降し、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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
さらに、本実施形態では、伝熱部材２０および液供給通路２３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、伝熱部材２０の温度分布を均一化することができ、ひいては効率を向上させることができる。
【００５５】
このことを詳細に説明すると、図３（ａ）の矢印のように、冷却部１１ｂ側から加熱部１１ａに流入した液体状態の作動媒体１２は液供給通路２３を加熱部１１ａの径方向に拡がって流れて液供給通路２３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。
【００５６】
液体状態の作動媒体１２は、液供給通路２３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２０ａ、２０ｂに供給され、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂで加熱されて沸騰する。そして、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ内の微細流路２１で発生した蒸気は微細流路２１を蒸気溜め部２５に向かって流れて蒸気溜め部２５に流出し、蒸気溜め部２５に溜まることとなる。
【００５７】
このように、本実施形態では、伝熱部材２０および液供給通路２３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、伝熱部材２０に対する液体状態の作動媒体１２の供給を均一化することができる。
【００５８】
このため、伝熱部材２０と液体状態の作動媒体１２との熱交換時間を伝熱部材２０の入口側部位（径方向内側部位）と奥側部位（径方向外側部位）とで均一化できるので、伝熱部材２０の温度分布を均一化することができる。その結果、伝熱部材２０の温度分布が大きくなっている場合と比較して、伝熱部材２０のうち最も温度の低い部位における温度を上昇させることができる。
【００５９】
ここで、上述のように、ＰＶ線図上の最大圧力は、伝熱部材２０のうち最も温度の低い部位における温度での飽和蒸気圧とほぼ等しくなる。したがって、伝熱部材２０のうち最も温度の低い部位における温度を上昇させることによって最大圧力を上昇させることができるので、ＰＶ出力を向上させることができ、ひいては効率を向上させることができる（図８を参照）。
【００６０】
次に、伝熱部材２０の一設計例を示す。まず、球状の粒子２２同士の接合面の直径（相当円直径）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、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。
【００６１】
これとは逆に、接合直径ｄｊを大きくした場合、すなわち粒子２２同士の潰し量を大きくした場合には、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。
【００６２】
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）。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、粒子２２の積層厚みＬ（図３を参照）について説明する。ここで、粒子２２の積層厚みＬとは、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂそれぞれの上下方向寸法のことを意味している。なお、図３では図示の都合上、第２伝熱部材２０ｂにおける粒子２２の積層厚みＬのみを図示しており、第１伝熱部材２０ａにおける粒子２２の積層厚みＬの図示を省略している。
【００６５】
第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂのそれぞれにおける粒子２２の上下方向の積層個数を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。
【００６６】
（数１）
Ｌ＝ｎｄ
加熱部１１ａの内壁面の温度をＴ１、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂの液供給通路２３側端部の温度を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。
【００６７】
【数２】
2010174780.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。
【００６８】
【数３】
2010174780.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。
【００６９】
（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。
【００７０】
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。
【００７１】
【数５】
2010174780.tif 000005
但し、ηは伝熱部材２０の空隙率である。
【００７２】
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。
【００７３】
（数６）
Ｑｉｎ＝Ｑｏｕｔ
【００７４】
【数７】
2010174780.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。
【００７５】
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。
【００７６】
【数８】
2010174780.tif 000007
よって、数式７、８により、次の数式９が導かれる。
【００７７】
【数９】
2010174780.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。
【００７８】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、蒸気溜め部２５が第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂと隣接して形成されて第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ内の微細流路２１と直接連通しているが、本第２実施形態では、図５に示すように、蒸気溜め部２５が第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂと離間して形成され、かつ第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ内の微細流路２１と蒸気通路３０、３１を介して連通している。
【００７９】
本例では、蒸気通路３０、３１は、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂの軸方向外側の端面（本例では、第１伝熱部材２０ａの上端面および第２伝熱部材２０ｂ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３０ａ、３１ａと、加熱部１１ａの径方向に拡がって複数個の分岐通路部３０ａ、３１ａと連通する集合通路部３０ｂ、３１ｂとで構成されている。
【００８０】
本例では、図５（ｂ）に示すように、複数個の分岐通路部３０ａ、３１ａ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３０ａ、３１ａ同士の間の部位は、複数個の環状部３２、３３に分割されることとなる。
【００８１】
複数個の環状部３２、３３は、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ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２０ａ、２０ｂに伝えるための伝熱部としての役割を果たしている。
【００８２】
本例では、図示を省略しているが、集合通路部３０ｂ、３１ｂ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３０ｂ、３１ｂ内にて上下方向に延びる柱状部が形成されている。
【００８３】
集合通路部３０ｂ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３０ｂ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３１ｂ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３１ｂよりも下方側の部位と繋ぐ役割を果たしている。
【００８４】
本例では、図示を省略しているが、蒸気溜め部２５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２５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２５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２５を加熱部１１ａの周方向の一部のみに形成し、蒸気溜め部２５の断面形状を円弧状にしてもよい。
【００８５】
本実施形態によると、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ内の微細流路２１で発生した蒸気は、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂの軸方向外側の端面に略均等に配置された蒸気通路３０、３１を通って蒸気溜め部２５に溜まることとなる。
【００８６】
このため、上記第１実施形態と比較して、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ内の各部位において液体状態の作動媒体１２の流れを均一化できるので、第１、第２伝熱部材２０ａ、２０ｂ内の各部位を流れる液体状態の作動媒体１２の流量を均一化できる。その結果、伝熱部材２０の温度分布をより均一化することができる。
【００８７】
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、伝熱部材２０に対する液体状態の作動媒体１２の供給を均一化する液供給構造によって、伝熱部材２０の温度分布を均一化する温度分布均一化構造を構成しているが、本第３実施形態では、伝熱部材４０の熱容量を加熱部１１ａ入口側に向かうほど増大させる熱容量増大構造によって当該温度分布均一化構造を構成している。
【００８８】
本実施形態では、図６（ａ）に示すように、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。
【００８９】
そして、図６（ｂ）に示すように、伝熱部材４０内の空隙率が加熱部１１ａ入口側に向かうほど減少するように伝熱部材４０が形成されている。これにより、伝熱部材４０の熱容量を加熱部１１ａ入口側に向かうほど増大させている。
【００９０】
つまり、伝熱部材４０と液体状態の作動媒体１２との熱交換時間が加熱部１１ａ入口側に向かうほど長くなることに鑑みて、伝熱部材４０の熱容量を、当該熱交換時間の分布と同様に、加熱部１１ａ入口側に向かうほど増大させている。
【００９１】
このため、伝熱部材４０のうち加熱部１１ａ入口側部位における温度低下を抑制することができるので、上記第１実施形態と同様に、伝熱部材４０の温度分布を均一化することができる。
【００９２】
より好ましくは、伝熱部材４０の空隙率が液体状態の作動媒体１２との熱交換時間に反比例していれば、伝熱部材４０の熱容量が当該熱交換時間に比例することとなるので、伝熱部材４０の温度分布をより均一化できる。
【００９３】
（第４実施形態）
上記第３実施形態では、伝熱部材４０の熱容量を加熱部１１ａ入口側に向かうほど増大させる熱容量増大構造によって、伝熱部材４０の温度分布を均一化する温度分布均一化構造を構成しているが、本第５実施形態では、図７に示すように、伝熱部材５０の見かけの熱伝導率を加熱部１１ａ入口側に向かうほど増大させる熱伝導促進構造によって当該温度分布均一化構造を構成している。
【００９４】
本実施形態では、上記第３実施形態と同様に、伝熱部材５０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５１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。
【００９５】
そして、伝熱部材５０を形成する金属粒子同士の接合直径（図２（ｂ）を参照）を加熱部１１ａの入口側に向かうほど大きくすることによって、伝熱部材５０の見かけの熱伝導率を加熱部１１ａ入口側に向かうほど増大させる熱伝導促進構造を構成している。
【００９６】
つまり、金属粒子の接合直径を大きくするほど伝熱部材５０内部の伝熱量が増加するので、伝熱部材５０のうち加熱部１１ａ壁面から離れた部位（図７（ｂ）の例では、上下方向中心部）まで加熱部１１ａからもらった熱を良好に伝えることができる。このため、金属粒子の接合直径を大きくするほど、伝熱部材５０の見かけの熱伝導率が増大することとなる。
【００９７】
本実施形態によると、伝熱部材５０の見かけの熱伝導率を加熱部１１ａ入口側に向かうほど増大させているので、伝熱部材５０のうち加熱部１１ａ入口側部位における温度低下を抑制することができる。このため、上記第３実施形態と同様に、伝熱部材５０の温度分布を均一化することができる。
【００９８】
より好ましくは、伝熱部材５０の見かけの熱伝導率が当該熱交換時間に比例するように金属粒子同士の接合直径を設定すれば、伝熱部材５０の温度分布をより均一化できる。
【００９９】
（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。
【０１００】
（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。
【０１０１】
（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。
【０１０２】
（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。
【０１０３】
（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。
【０１０４】
（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】
【０１０５】
１１    容器
１１ａ  加熱部
１２    作動媒体
２０    伝熱部材
２３    液供給通路
２５    蒸気溜め部
【図１】
2010174780.tif 000009
【図２】
2010174780.tif 000010
【図３】
2010174780.tif 000011
【図４】
2010174780.tif 000012
【図５】
2010174780.tif 000013
【図６】
2010174780.tif 000014
【図７】
2010174780.tif 000015
【図８】
2010174780.tif 000016