(57)【要約】【課題】熱輸送損失を低減する。【解決手段】加熱部１３と連通し、加熱部１３に供給される液相状態の作動媒体が封入された液供給部１９と、液供給部１９内の液相状態の作動媒体が加熱部１３に供給されるタイミングである液供給タイミングを調整する調整手段１５１、１５２ａ、１５２ｂ、４０とを備え、調整手段１５１、１５２ａ、１５２ｂ、４０は、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン２０が加熱部１３に向かって変位するタイミングよりも遅らせるように構成されている。【選択図】図４
2010261409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体が液相状態で流動可能に封入された容器（１１）を備え、
前記容器（１１）は、
液相状態の前記作動媒体が液体ピストン（２０）として往復変位する液体ピストン変位部（１２）と、
前記液体ピストン変位部（１２）の一端部と連通し、液相状態の前記作動媒体を加熱して前記作動媒体の蒸気を発生させる加熱部（１３）と、
前記液体ピストン変位部（１２）の中間部に形成され、前記蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１４）と、
前記液体ピストン変位部（１２）の他端部と連通し、前記液体ピストン（２０）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１５）とを有し、
前記加熱部（１３）で発生した前記蒸気によって前記液体ピストン（２０）が前記出力部（１５）に向かって変位する膨張行程と、前記蒸気が前記冷却部（１４）で凝縮されて前記液体ピストン（２０）が前記加熱部（１３）に向かって変位する圧縮行程とを交互に行う熱機関であって、
前記加熱部（１３）と連通し、前記加熱部（１３）に供給される液相状態の前記作動媒体が封入された液供給部（１９）と、
前記液供給部（１９）内の液相状態の前記作動媒体が前記加熱部（１３）に供給されるタイミングである液供給タイミングを調整する調整手段（１５１、１５２ａ、１５２ｂ、４０）とを備え、
前記調整手段（１５１、１５２ａ、１５２ｂ、４０）は、前記液供給タイミングを、前記圧縮行程において前記液体ピストン（２０）が前記加熱部（１３）に向かって変位するタイミングよりも遅らせるように構成されていることを特徴とする熱機関。
【請求項２】
前記液供給部（１９）は前記出力部（１５）と連通し、
前記出力部（１５）は、前記圧縮行程において前記液供給部（１９）内の液相状態の前記作動媒体を前記加熱部（１３）に向かって変位させるように構成され、
前記調整手段（１５１、１５２ａ、１５２ｂ、４０）は、前記液供給部（１９）内の液相状態の前記作動媒体が前記加熱部（１３）に向かって変位するタイミングを調整することで前記液供給タイミングを調整することを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
前記出力部（１５）は、前記液体ピストン（２０）から圧力を受けて変位する固体ピストン（１５１）と、前記固体ピストン（１５１）を摺動可能に支持するシリンダ（１５２）とを有し、
前記圧縮行程における前記固体ピストン（１５１）の変位方向を圧縮方向としたとき、
前記シリンダ（１５２）には、前記液体ピストン変位部（１２）と連通する液体ピストンポート（１５２ａ）と、前記液供給部（１９）と連通する液供給ポート（１５２ｂ）とが開口し、
前記液体ピストンポート（１５２ａ）は、前記固体ピストン（１５１）が前記圧縮方向に変位すると前記固体ピストン（１５１）によって閉じられるように前記シリンダ（１５２）の内周面に形成され、
前記液供給ポート（１５２ｂ）は、前記シリンダ（１５２）のうち前記液体ピストンポート（１５２ａ）よりも前記圧縮方向側の部位に形成され、
前記調整手段は、前記固体ピストン（１５１）、前記液体ピストンポート（１５２ａ）および前記液供給ポート（１５２ｂ）であることを特徴とする請求項２に記載の熱機関。
【請求項４】
前記固体ピストン（１５１）は、前記液体ピストンポート（１５２ａ）を開閉するポート開閉ピストン（１５１ａ）と、前記ポート開閉ピストン（１５１ａ）と同期して変位して駆動対象機器（１）に連結される駆動ピストン（１５１ｂ）とに分離された構成になっていることを特徴とする請求項３に記載の熱機関。
【請求項５】
前記シリンダ（１５２）には、前記ポート開閉ピストン（１５１ａ）のストローク量を規制するストッパー（３０）が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の熱機関。
【請求項６】
前記液供給部（１９）には、前記出力部（１５）側の圧力と前記加熱部（１３）側の圧力との差が所定圧力以上になった時に開く一方向弁（１９１）が設けられていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の熱機関。
【請求項７】
前記液供給部（１９）の流路抵抗は、前記液体ピストン変位部（１２）の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の熱機関。
【請求項８】
前記液供給部（１９）の流路の平均断面積が前記液体ピストン変位部（１２）の流路の平均断面積よりも小さく設定されていることによって、前記液供給部（１９）の流路抵抗が前記液体ピストン変位部（１２）の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする請求項７に記載の熱機関。
【請求項９】
前記液供給部（１９）に絞り部（１９２）が設けられていることによって、前記液供給部（１９）の流路抵抗が前記液体ピストン変位部（１２）の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする請求項７に記載の熱機関。
【請求項１０】
前記液供給部（１９）は前記液体ピストン変位部（１２）の中間部と連通し、
前記調整手段は、前記圧縮行程の初期段階では前記液供給部（１９）を閉じ、前記圧縮行程の途中で前記液供給部（１９）を開く弁機構（４０）であることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【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液相状態の作動媒体を変位させて液相状態の作動媒体の変位を機械的エネルギに変換して出力する熱機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱機関が特許文献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相状態で封入し、容器の加熱部で液相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相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、液相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、加熱部内で液相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、液相状態の作動媒体が加熱部に流入する際に液相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、液相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】
このように上記特許文献１、２の従来技術は、加熱部において作動媒体が気化することで出力が取り出されるものであるので、加熱部において作動媒体が気化することなく冷却部側へ移動した場合には、作動媒体は加熱部から与えられた熱量を冷却部側へ輸送するだけとなってしまい、加熱部から作動媒体に与えられた熱量が出力に寄与することなく熱損失となってしまう。以下、このような熱損失を熱輸送損失と言う。
【０００７】
本発明者の詳細な検討によると、上記特許文献１、２の従来技術には熱輸送損失が多くなる要因があることがわかった。このことを以下に説明する。
【０００８】
図９（ａ）は、本発明者が検討した熱機関（以下、検討例と言う）における加熱部１３の温度分布を示すグラフである。この検討例は上記特許文献２の従来技術に相当するものであり、検討例における加熱部１３近傍部位の概略を図９（ｂ）に示す。図９（ａ）は、加熱部１３の径方向（図９では左右方向）における温度分布を図９（ｂ）に対応して示している。
【０００９】
この検討例では、液体ピストン２０が加熱部１３内に流入することで加熱部１３に液相状態の作動媒体（以下、単に液という。）が供給されるようになっている。換言すれば、加熱部１３に供給される液と液体ピストン２０とが連続体になっている。このため、加熱部１３の各部位における液との接触時間は、加熱部１３の径方向内側（液の入口側）から径方向外側に向かうにつれて短くなる。
【００１０】
換言すれば、加熱部１３の径方向内側部位（中心側部位）ほど液に晒されて液と熱交換する時間が長くなる。このため、図９（ａ）のように、加熱部１３の温度は径方向内側部位ほど低くなる。
【００１１】
図９（ｃ）は、検討例において、液が加熱部１３に入っている時間（以下、液の停留時間と言う。）を加熱部１３の径方向の分布で示したグラフである。図９（ｄ）は、検討例において、沸騰することなく熱輸送する液の割合（以下、熱輸送する液の割合と言う。）を加熱部１３の径方向の分布で示したグラフである。なお、図９（ｃ）、（ｄ）の横軸の「液体ピストンの位置」とは、液が上死点に達した時（加熱部１３に最大に入った時）における液の各部分を示すものである。
【００１２】
上述のように、この検討例では、加熱部１３に供給される液と液体ピストン２０とが連続体になっている。このため、液のうち加熱部１３の径方向外側（上死点側）に到達した部分は加熱部１３内に入っている時間が長くなるのに対し、液のうち加熱部１３の径方向内側（上死点側）までしか到達しなかった部分は加熱部１３内に入っている時間が短くなる。したがって、図９（ｃ）のように、液の停留時間は加熱部１３の径方向内側ほど短くなる。
【００１３】
ここで、加熱部１３と液との間の熱交換量は、次の数式で表される。
【００１４】
Ｑ＝Ｓ・ｈ・ΔＴ・ｔ
但し、Ｑは熱交換量、Ｓは伝熱面積、ｈは熱伝達率、ΔＴは加熱部１３と液との温度差、ｔは加熱時間すなわち液の停留時間である。
【００１５】
検討例では、図９（ａ）のように加熱部１３は径方向内側部位ほど温度が低くなるので、加熱部１３と液との温度差ΔＴは加熱部１３の径方向内側ほど小さくなる。また、図９（ｃ）のように液の停留時間（加熱時間）ｔは加熱部１３の径方向内側ほど短くなる。
【００１６】
このため、上記数式から明らかなように、液は、加熱部１３の径方向内側部分ほど熱交換量Ｑが少なくなる。その結果、加熱部１３の径方向内側ほど液の気化に必要な熱交換量を充分に確保できなくなるので、図９（ｄ）のように加熱部１３の径方向内側ほど、沸騰しきれずに熱輸送する液の割合が大きくなる。換言すれば、液のうち加熱部１３の径方向内側までしか到達しなかった部分ほど熱輸送する液の割合が大きくなる。その結果、検討例では熱輸送損失が多くなっている。
【００１７】
このような理由により、上記特許文献２の従来技術では熱輸送損失が多くなってしまう。また、上記特許文献１の従来技術においても同様の理由により熱輸送損失が多くなってしまう。
【００１８】
要するに、上記特許文献１、２の従来技術では、加熱部に供給される液と容器内で変位する液体ピストンとが連続体になっているので、液の気化に必要な熱交換量を充分に確保することができなくなってしまい、ひいては熱輸送損失が多くなってしまうのである。
【００１９】
本発明は上記点に鑑みて、熱輸送損失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】
【００２０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、作動媒体が液相状態で流動可能に封入された容器（１１）を備え、
容器（１１）は、
液相状態の作動媒体が液体ピストン（２０）として往復変位する液体ピストン変位部（１２）と、
液体ピストン変位部（１２）の一端部と連通し、液相状態の作動媒体を加熱して作動媒体の蒸気を発生させる加熱部（１３）と、
液体ピストン変位部（１２）の中間部に形成され、蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１４）と、
液体ピストン変位部（１２）の他端部と連通し、液体ピストン（２０）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１５）とを有し、
加熱部（１３）で発生した蒸気によって液体ピストン（２０）が出力部（１５）に向かって変位する膨張行程と、蒸気が冷却部（１４）で凝縮されて液体ピストン（２０）が加熱部（１３）に向かって変位する圧縮行程とを交互に行う熱機関であって、
加熱部（１３）と連通し、加熱部（１３）に供給される液相状態の作動媒体が封入された液供給部（１９）と、
液供給部（１９）内の液相状態の作動媒体が加熱部（１３）に供給されるタイミングである液供給タイミングを調整する調整手段（１５１、１５２ａ、１５２ｂ、４０）とを備え、
調整手段（１５１、１５２ａ、１５２ｂ、４０）は、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン（２０）が加熱部（１３）に向かって変位するタイミングよりも遅らせるように構成されていることを特徴とする。
【００２１】
これによると、加熱部（１３）への液相状態の作動媒体の供給を液供給部（１９）によって行うので、加熱部（１３）に供給される液相状態の作動媒体を液体ピストン変位部（１２）内で変位する液体ピストン（２０）に対して不連続にすることができる。このため、液相状態の作動媒体の気化に必要な熱交換量を充分に確保することができるので、熱輸送損失を低減することができる。
【００２２】
ここで、液供給部（１９）内の液相状態の作動媒体が加熱部（１３）に供給されるタイミングである液供給タイミングが、圧縮行程において液体ピストン変位部（１２）内の液体ピストン（２０）が加熱部（１３）に向かって変位するタイミングと同時であると、圧縮行程の初期段階から加熱部（１３）で蒸気が発生してしまうので、液体ピストン（２０）が加熱部（１３）に向かって変位することが妨げられてしまう。
【００２３】
この点に鑑みて、本発明では、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン（２０）が加熱部（１３）に向かって変位するタイミングよりも遅らせるようにしているので、圧縮行程の初期段階から加熱部（１３）で蒸気が発生してしまうことを回避でき、ひいては圧縮行程において液体ピストン（２０）を加熱部（１３）に向かって良好に変位させることができる。
【００２４】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、液供給部（１９）は出力部（１５）と連通し、
出力部（１５）は、圧縮行程において液供給部（１９）内の液相状態の作動媒体を加熱部（１３）に向かって変位させるように構成され、
調整手段（１５１、１５２ａ、１５２ｂ、４０）は、液供給部（１９）内の液相状態の作動媒体が加熱部（１３）に向かって変位するタイミングを調整することで液供給タイミングを調整することを特徴とする。
【００２５】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の熱機関において、出力部（１５）は、液体ピストン（２０）から圧力を受けて変位する固体ピストン（１５１）と、固体ピストン（１５１）を摺動可能に支持するシリンダ（１５２）とを有し、
圧縮行程における固体ピストン（１５１）の変位方向を圧縮方向としたとき、
シリンダ（１５２）には、液体ピストン変位部（１２）と連通する液体ピストンポート（１５２ａ）と、液供給部（１９）と連通する液供給ポート（１５２ｂ）とが開口し、
液体ピストンポート（１５２ａ）は、固体ピストン（１５１）が圧縮方向に変位すると固体ピストン（１５１）によって閉じられるようにシリンダ（１５２）の内周面に形成され、
液供給ポート（１５２ｂ）は、シリンダ（１５２）のうち液体ピストンポート（１５２ａ）よりも圧縮方向側の部位に形成され、
調整手段は、固体ピストン（１５１）、液体ピストンポート（１５２ａ）および液供給ポート（１５２ｂ）であることを特徴とする。
【００２６】
これによると、弁機構を設けることなく液供給タイミングを調整できるので、調整手段の構成を簡素化できる。
【００２７】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の熱機関において、固体ピストン（１５１）は、液体ピストンポート（１５２ａ）を開閉するポート開閉ピストン（１５１ａ）と、ポート開閉ピストン（１５１ａ）と同期して変位して駆動対象機器（１）に連結される駆動ピストン（１５１ｂ）とに分離された構成になっていることを特徴とする。
【００２８】
これにより、出力部（１５）の設計の自由度を向上することができる。例えばシリンダ（１５２）内に油水分離膜（３１）を配置することが可能になる。
【００２９】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の熱機関において、シリンダ（１５２）には、ポート開閉ピストン（１５１ａ）のストローク量を規制するストッパー（３０）が設けられていることを特徴とする。
【００３０】
請求項６に記載の発明では、請求項２ないし５のいずれか１つに記載の熱機関において、液供給部（１９）には、出力部（１５）側の圧力と加熱部（１３）側の圧力との差が所定圧力以上になった時に開く一方向弁（１９１）が設けられていることを特徴とする。
【００３１】
これにより、液体ピストン変位部（１２）内の液体ピストン（２０）が加熱部（１３）に向かって変位しているときに液供給部（１９）内の液相状態の作動媒体が加熱部（１３）に向かって変位することを抑制できるので、液供給タイミングを確実に調整することができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明では、請求項２ないし５のいずれか１つに記載の熱機関において、液供給部（１９）の流路抵抗は、液体ピストン変位部（１２）の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする。
【００３３】
これにより、液体ピストン変位部（１２）内の液体ピストン（２０）が加熱部（１３）に向かって変位しているときに液供給部（１９）内の液相状態の作動媒体が加熱部（１３）に向かって変位することを抑制できるので、液供給タイミングをより確実に調整することができる。
【００３４】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の熱機関において、液供給部（１９）の流路の平均断面積が液体ピストン変位部（１２）の流路の平均断面積よりも小さく設定されていることによって、液供給部（１９）の流路抵抗が液体ピストン変位部（１２）の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする。
【００３５】
請求項９に記載の発明では、請求項７に記載の熱機関において、液供給部（１９）に絞り部（１９２）が設けられていることによって、液供給部（１９）の流路抵抗が液体ピストン変位部（１２）の流路抵抗よりも大きくなっていることを特徴とする。
【００３６】
請求項１０に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、液供給部（１９）は液体ピストン変位部（１２）の中間部と連通し、
調整手段は、圧縮行程の初期段階では液供給部（１９）を閉じ、圧縮行程の途中で液供給部（１９）を開く弁機構（４０）であることを特徴とする。
【００３７】
これにより、液供給タイミングを確実に調整することができる。
【００３８】
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】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態における熱機関の全体構成図である。
【図２】図１の熱機関において固体ピストンが上死点にある状態を説明する説明図である。
【図３】図１の熱機関において固体ピストンが圧縮方向に変位する状態を説明する説明図である。
【図４】図１の熱機関において固体ピストンが下死点にある状態を説明する説明図である。
【図５】図１の熱機関において固体ピストンが膨張方向に変位する状態を説明する説明図である。
【図６】第１実施形態の変形例における熱機関の全体構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態における熱機関の全体構成図である。
【図８】本発明の第３実施形態における熱機関の全体構成図である。
【図９】従来技術における加熱部温度分布、液の停留時間および熱輸送する液の割合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
（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３に基づいて説明する。図１は本発明に係る熱機関１０の概略構成を表す構成図である。図１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。
【００４１】
熱機関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、発電装置等の駆動対象機器１を駆動する駆動源として用いられる。
【００４２】
熱機関１０は、作動媒体が液相状態で流動可能に封入された容器１１を備えている。本実施形態では作動媒体として水を用いている。以下、液相状態の作動媒体を単に液という。
【００４３】
容器１１は、液が往復変位する液体ピストン変位部１２と、液体ピストン変位部１２の一端部と連通する加熱部１３と、液体ピストン変位部１２の中間部に形成される冷却部１４と、液体ピストン変位部１２の他端部と連通する出力部１５とに大別される。以下では、液体ピストン変位部１２で変位する液を液体ピストン２０という。
【００４４】
本例では、液体ピストン変位部１２の一端側部位が複数本（図１の例では４本）に分岐され、加熱部１３および冷却部１４が複数個（図１の例では４個）形成されている。
【００４５】
加熱部１３は、液を加熱して作動媒体の蒸気（以下、単に蒸気という。）２１を発生させる。これにより、液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０を出力部１５に向かって変位させる。
【００４６】
本例では、加熱部１３の熱源として排気ガス等の高温ガスを用いている。具体的には、容器１１の一端部が、高温ガスの流れ中に配置される加熱器１６で構成されており、加熱器１６の内部に加熱部１３が形成されている。加熱器１６が高温ガスで加熱されることによって加熱部１３内の液が加熱されることとなる。
【００４７】
また、本例では、加熱部１３は水平方向に拡がる円盤形状を有しており、加熱部１３の中心部に液体ピストン変位部１２が接続されている。
【００４８】
加熱器１６内部において各加熱部１３の上方側には、各加熱部１３と連通して各加熱部１３で発生した蒸気２１を溜める蒸気溜め部１７が形成されている。
【００４９】
冷却部１４は、加熱部１３で発生した蒸気２１を冷却して凝縮させる。本例では、容器１１のうち冷却部１４を形成する部位が、冷却器１８内に挿入されている。冷却器１８に冷却水が循環するようになっており、冷却水の循環回路中には、冷却水が蒸気２１から奪った熱を放熱する放熱器（図示せず）が配置されている。
【００５０】
出力部１５は、液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０の変位を機械的エネルギに変換して出力する。出力部１５は、いわゆるレシプロ型に構成されており、液体ピストン２０から圧力を受けて変位する固体ピストン１５１と、固体ピストン１５１を摺動可能に支持するシリンダ１５２とを有している。
【００５１】
固体ピストン１５１は駆動対象機器１に連結されている。また、固体ピストン１５１には、フライホイール等の慣性力発生部材（図示せず）が連結されている。
【００５２】
加熱部１３にて蒸気２１が発生して液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０が出力部１５に向かって変位すると固体ピストン１５１は液体ピストン２０によって押し出されて図１の上方に向かって変位する。このときの固体ピストン１５１の変位方向を、以下、膨張方向という。
【００５３】
加熱部１３で発生した蒸気２１が冷却部１４に進入して凝縮すると、固体ピストン１５１は慣性力発生部材（図示せず）の慣性力によって図１の下方に向かって変位する。このときの固体ピストン１５１の変位方向を、以下、圧縮方向という。
【００５４】
シリンダ１５２の内周面には、液体ピストン変位部１２と連通する液体ピストンポート１５２ａが開口している。液体ピストンポート１５２ａは、固体ピストン１５１が圧縮方向に変位すると固体ピストン１５１によって閉じられる。
【００５５】
本例では、液体ピストンポート１５２ａが複数個（図１の例では２個）形成されているので、液体ピストン変位部１２のうち出力部１５側の端部が、液体ピストンポート１５２ａと同数の複数本に分岐している。
【００５６】
シリンダ１５２のうち液体ピストンポート１５２ａよりも圧縮方向側の部位には、液供給部１９の一端部と連通する液供給ポート１５２ｂが開口している。本例では、液供給ポート１５２ｂは、シリンダ１５２のうち圧縮方向側の端面（図１の下端面）に形成されている。
【００５７】
液供給部１９は加熱部１３に液を供給する役割を果たす。具体的には、液供給部１９は、液が流動可能に封入された管状部材で構成されており、液供給部１９に封入された液の一部が加熱部１３に供給される。
【００５８】
液供給部１９の他端側部位（液供給ポート１５２ｂと反対側の部位）は、複数個の加熱部１３と同数の複数本に分岐して各加熱部１３の非中心部と連通している。
【００５９】
液供給部１９には、シリンダ１５２側の圧力と加熱部１３側の圧力との差が所定圧力以上になった時に開く一方向弁１９１が設けられている。
【００６０】
なお、本例では、作動媒体１２を水としていることから、容器１１および液供給部１９を基本的にステンレス製としているが、加熱器１６は、熱伝導率に優れた銅で形成されている。また、容器１１のうち冷却器１８と接触する冷却部１４を熱伝導率に優れた銅またはアルミニウムで形成してもよい。
【００６１】
次に、上記構成における作動を図２〜図５に基づいて説明する。図２〜図５では、理解を容易にするために、加熱部１３を１つのみ図示している。
【００６２】
図２→図３→図４は、加熱部１３で発生した蒸気２１が冷却部１４で凝縮されて液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０が加熱部１３に向かって変位する圧縮行程を示している。また、図４→図５→図２は、加熱部１３で蒸気２１が発生して液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０が出力部１５に向かって変位する膨張行程を示している。
【００６３】
また、図２は固体ピストン１５１が最上端（上死点）にきた状態を示し、図４は固体ピストン１５１が最下端（下死点）にきた状態を示している。
【００６４】
図２の状態では、加熱部１３で発生した高温・高圧の蒸気２１によって液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０が固体ピストン１５１側に押し出され、これにより固体ピストン１５１が上死点まで押し上げられている。
【００６５】
このとき、液体ピストン２０の液面２０ａが冷却部１４まで下がり、蒸気２１が冷却部１４に進入しているので、冷却部１４にて蒸気２１が冷却されて凝縮する。
【００６６】
これにより、液体ピストン２０を固体ピストン１５１側へ押し出す力が消滅するので、固体ピストン１５１は慣性力発生部材（図示せず）の慣性力によって圧縮方向側へ下降する。
【００６７】
固体ピストン１５１が圧縮方向側へ下降すると、図２の矢印Ａ１のようにシリンダ１５２内の液が液体ピストンポート１５２ａを通じて液体ピストン変位部１２へ押し出される。これにより、液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０が加熱部１３側へ変位する。
【００６８】
このとき、シリンダ１５２内の圧力はほとんど上昇しないので、一方向弁１９１は閉じられている。このため、シリンダ１５２内の液は液供給部１９に流入しない。
【００６９】
図２の矢印Ａ１に示すシリンダ１５２内の液の液体ピストン変位部１２への流入は、図３のように固体ピストン１５１が液体ピストンポート１５２ａを閉塞する位置に下降するまで行われる。すなわち、固体ピストン１５１が液体ピストンポート１５２ａを閉塞すると、シリンダ１５２内の液が液体ピストン変位部１２へ押し出されなくなる。
【００７０】
因みに、図２のシリンダ１５２内の破線ハッチング領域Ｖａは、固体ピストン１５１が図２に示す上死点から図３に示す液体ピストンポート１５２ａの閉塞位置まで変位することによってシリンダ１５２から排除される液の体積を示している。
【００７１】
シリンダ１５２から体積Ｖａの液が液体ピストン変位部１２に流入することにより、図３のように液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０の液面２０ａが加熱部１３の直ぐ下方まで到達する。
【００７２】
固体ピストン１５１が図３に示す液体ピストンポート１５２ａの閉塞位置からさらに圧縮方向側へ下降すると、シリンダ１５２内の圧力が上昇するので、図４のように一方向弁１９１が開き、図４の矢印Ａ２のようにシリンダ１５２内の液が液供給ポート１５２ｂを通じて液供給部１９へ押し出される。
【００７３】
因みに、図２のシリンダ１５２内の破線ハッチング領域Ｖｂは、固体ピストン１５１が図３に示す液体ピストンポート１５２ａの閉塞位置から図４に示す下死点まで変位することによってシリンダ１５２から排除される液の体積を示している。
【００７４】
シリンダ１５２から体積Ｖｂの液が液供給部１９に流入することにより、液供給部１９内の液が加熱部１３側に押し出されて図４の矢印Ａ３のように加熱部１３に供給される。
【００７５】
シリンダ１５２から液供給部１９に流入する液の体積Ｖｂはシリンダ１５２から液体ピストン変位部１２に流入する液の体積Ｖａと比較してかなり小さく設定されている（Ｖａ≫Ｖｂ）。本例では、体積Ｖａと体積Ｖｂとの比（Ｖａ：Ｖｂ）は５０：１程度に設定されている。
【００７６】
図４の矢印Ａ３のように液供給部１９から加熱部１３に供給された液は、加熱部１３にて加熱されて気化し、これにより加熱部１３内に高温・高圧の蒸気２１が蓄積される。
【００７７】
これと並行して、固体ピストン１５１は、慣性力発生部材（図示せず）の慣性力によって図４に示す下死点から図５に示す位置、すなわち液体ピストンポート１５２ａを開く位置まで上昇する。
【００７８】
このため、加熱部１３内に蓄積された高温・高圧の蒸気２１が液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０を固体ピストン１５１側へ押し出し、これにより図５の矢印Ａ４のようにシリンダ１５２内に液体ピストン２０が流入する。このため、液体ピストン２０が固体ピストン１５１を膨張方向側に押し上げる。このとき、一方向弁１９１は閉じられているので、加熱部１３内の蒸気２１は液供給部１９にほとんど流入しない。
【００７９】
そして、固体ピストン１５１が上死点に到達すると再び図２の状態になる。このように図２→図３→図４→図５→図２の動作が繰り返し行われることで膨張行程と圧縮行程とが交互に行われ、その間、液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０が周期的に変位（いわゆる自励振動）して、出力部１５の固体ピストン１５１を往復変位させることになる。
【００８０】
本実施形態によると、加熱部１３への液の供給を液供給部１９によって行うので、加熱部１３に供給される液を液体ピストン変位部１２内で変位する液体ピストン２０に対して不連続にすることができる。このため、液の気化に必要な熱交換量を充分に確保することができるので、熱輸送損失を低減することができる。
【００８１】
ここで、液供給部１９内の液が加熱部１３に供給されるタイミングである液供給タイミングが、圧縮行程において液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０が加熱部１３に向かって変位するタイミングと同時であると、圧縮行程の初期段階から加熱部１３で蒸気が発生してしまうので、液体ピストン２０が加熱部１３に向かって変位することが妨げられてしまう。
【００８２】
この点に鑑みて、本実施形態では、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン２０が加熱部１３に向かって変位するタイミングよりも遅らせるようにしている。
【００８３】
具体的には、シリンダ１５２に液体ピストンポート１５２ａおよび液供給ポート１５２ｂを形成し、液体ピストンポート１５２ａを固体ピストン１５１によって開閉するように構成することによって、液供給タイミングを、圧縮行程において液体ピストン２０が加熱部１３に向かって変位するタイミングよりも遅らせるようにしている。
【００８４】
換言すれば、固体ピストン１５１、液体ピストンポート１５２ａおよび液供給ポート１５２ｂは、液供給タイミングを調整する調整手段を構成している。
【００８５】
このため、圧縮行程の初期段階から加熱部１３で蒸気が発生してしまうことを回避できるので、圧縮行程において液体ピストン２０を加熱部１３に向かって良好に変位させることができる。
【００８６】
さらに、本実施形態では、液供給部１９に一方向弁１９１を設けているので、液体ピストンポート１５２ａが開いているときにシリンダ１５２内の液が液供給部１９に流入することを抑制できる。このため、液供給タイミングを確実に調整することができる。
【００８７】
なお、本実施形態の変形例として、一方弁１９１を廃止し、その代わりに、液供給部１９の流路抵抗を容器１１の流路抵抗よりも大きくしてもよい。これによると、液供給部１９の流路抵抗を容器１１の流路抵抗よりも大きくすることによって、液体ピストンポート１５２ａが開いているときにシリンダ１５２内の液が液供給部１９に流入することを抑制できるので、一方弁１９１と同様の作用効果を得ることができる。
【００８８】
ここで、液供給部１９の流路抵抗を液体ピストン変位部１２の流路抵抗よりも大きくする流路構造の一構成例を挙げると、液供給部１９の流路の平均断面積を液体ピストン変位部１２の流路の平均断面積よりも小さく設定することよって、液供給部１９の流路抵抗を容器１１の流路抵抗よりも大きくすることができる。
【００８９】
例えば、液供給部１９および液体ピストン変位部１２の流路断面形状が円形である場合には、液供給部１９の流路の平均流路径を液体ピストン変位部１２の流路の平均流路径よりも小さく設定すればよい。
【００９０】
また、図６は当該流路構造の他の構成例を示すものである。すなわち、液供給部１９にオリフィス等の絞り部１９２を設けることによって、液供給部１９の流路抵抗を液体ピストン変位部１２の流路抵抗よりも大きくしてもよい。
【００９１】
（第２実施形態）
本第２実施形態は、図７に示すように、固体ピストン１５１がポート開閉ピストン１５１ａと駆動ピストン１５１ｂとに分離された構成になっている。
【００９２】
ポート開閉ピストン１５１ａは、液体ピストンポート１５２ａを開閉する役割を果たす。駆動ピストン１５１ｂは、駆動対象機器１に連結されるものであり、ポート開閉ピストン１５１ａと同期して変位するようになっている。
【００９３】
シリンダ１５２には、ポート開閉ピストン１５１ａのストローク量を規制するストッパー３０が設けられている。図７の例では、ストッパー３０はポート開閉ピストン１５１ａの上死点を規制するようになっている。
【００９４】
シリンダ１５２内においてポート開閉ピストン１５１ａと駆動ピストン１５１ｂとの間には、ダイアフラム３１が配置されている。シリンダ１５２内においてダイアフラム３１よりも駆動ピストン１５１ｂ側には、駆動ピストン１５１ｂを潤滑する油３２が封入されている。すなわち、ダイアフラム３１は、シリンダ１５２内において液と油３２とを分離する油水分離膜としての役割を果たす。
【００９５】
このように、固体ピストン１５１をポート開閉ピストン１５１ａと駆動ピストン１５１ｂとに分離することによって、出力部１５の設計の自由度を向上することができる。
【００９６】
因みに、本実施形態では、上記第１実施形態の変形例と同様に、一方弁１９１を廃止し、その代わりに、液供給部１９の流路抵抗を容器１１の流路抵抗よりも大きくしている。
【００９７】
（第３実施形態）
上記第２実施形態では、液供給タイミングを調整する調整手段が固体ピストン１５１、液体ピストンポート１５２ａおよび液供給ポート１５２ｂで構成されているが、本第３実施形態では、図８に示すように、液供給タイミングを調整する調整手段が、液体ピストン変位部１２および液供給部１９を所定のタイミングで開閉する弁機構４０で構成されている。
【００９８】
具体的には、液供給部１９のうち加熱部１３と反対側の端部が液体ピストン変位部１２の中間部に接続され、液体ピストン変位部１２と液供給部１９との接続部に弁機構４０が配置されている。また、液体ピストンポート１５２ａがシリンダ１５２の端面（図４の下端面）に形成され、液供給ポート１５２ｂが廃止されている。
【００９９】
弁機構４０としては、例えば２つの電磁弁を用いることができる。また、弁機構４０として、三方向電磁弁を用いてもよい。
【０１００】
出力部１５には、駆動ピストン１５１ｂの位置を検出するセンサ４１が設けられている。センサ４１の検出信号は制御装置４２に入力される。制御装置４２は、センサ４１によって検出された駆動ピストン１５１ｂの位置に応じて弁機構４０を制御する。
【０１０１】
具体的には、液体ピストン変位部１２の開閉タイミングを上記第２実施形態における液体ピストンポート１５２ａの開閉タイミングと同じにし、液供給部１９の開閉タイミングを上記第２実施形態における液体ピストンポート１５２ａの開閉タイミングと同じにすればよい。
【０１０２】
これにより、圧縮行程における液体ピストン変位部１２内の液体ピストン２０の変位タイミング、および液供給部１９内の液の変位タイミングを、上記第２実施形態と同じにすることができる。
【０１０３】
本実施形態によると、圧縮行程の初期段階で液供給部１９を閉じ、圧縮行程の途中で液供給部１９を開くことができるので、液供給タイミングを確実に調整することができる。
【０１０４】
なお、弁機構４０は、必ずしも液体ピストン変位部１２および液供給部１９の両方を開閉する必要はなく、液供給部１９のみを開閉するようになっていてもよい。この場合には、弁機構４０が液供給部１９を開いたときに液供給部１９に液が流入しやすくなるように、液供給部１９の流路抵抗を比較的小さくしておくのが好ましい。
【０１０５】
（他の実施形態）
なお、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。
【０１０６】
また、上記各実施形態では、出力部１５がいわゆるレシプロ型に構成されているが、出力部１５は、圧縮行程において液供給部１９内の液を加熱部１３に向かって変位させるように構成されたものであればよく、例えば出力部１５をいわゆるロータリー型に構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０７】
１１      容器
１２      液体ピストン変位部
１３      加熱部
１４      冷却部
１５      出力部
１９      液供給部
２０      液体ピストン
１５１    固体ピストン（調整手段）
１５２ａ  液体ピストンポート（調整手段）
１５２ｂ  液供給ポート（調整手段）
【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】
2010261409.tif 000008
【図７】
2010261409.tif 000009
【図８】
2010261409.tif 000010
【図９】
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