(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体状態の作動媒体からなる液体ピストン（２０）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の端部と連通し、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（１２）と、
前記容器（１１）の壁面の一部を冷却する冷却手段（１４）とを備え、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と反対側の部位には、蒸気（２１）が膨張する膨張部（１１３）が形成され、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と前記膨張部（１１３）との間の部位には、蒸気（２１）が凝縮する凝縮部（１１２）が形成され、
前記凝縮部（１１２）は、前記容器（１１）のうち前記冷却手段（１４）が設けられた部位であり、
前記液体ピストン（２０）は、前記膨張部（１１３）で前記蒸気（２１）が膨張することによって前記膨張部（１１３）側から前記出力部（１２）側に向かって変位し、前記凝縮部（１１２）で前記蒸気が凝縮すると前記出力部（１２）側から前記膨張部（１１３）側に向かって変位し、
前記液体ピストン（２０）が最も前記出力部（１２）側に変位したときの位置を下死点とし、前記液体ピストン（１５）が前記下死点にあるときに前記凝縮部（１１２）に入っている前記蒸気（２１）の容積を蒸気容積（Ｖｉｎ）としたとき、
前記凝縮部（１１２）の全容積Ｖｃｏｎｄと前記蒸気容積Ｖｉｎとが、Ｖｃｏｎｄ＞２×Ｖｉｎの関係を満たしていることを特徴とする熱機関。
【請求項２】
前記出力部（１２）は、前記液体ピストン（２０）によって押圧されて変位する固体ピストン（１２３）と、前記固体ピストン（１２３）を摺動可能に支持するシリンダ（１２４）とを有し、
前記凝縮部（１１２）の全容積Ｖｃｏｎｄと、前記蒸気容積Ｖｉｎと、前記シリンダ（１２４）内で前記固体ピストン（１２３）が変位することによる前記出力部（１２）の排気量Ｖｅｘとが、Ｖｃｏｎｄ＜Ｖｉｎ＋２×Ｖｅｘの関係を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
液体状態の作動媒体からなる液体ピストン（２０）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の端部と連通し、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（１２）と、
前記容器（１１）の壁面の一部を冷却する冷却手段（１４）とを備え、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と反対側の部位には、蒸気（２１）が膨張する膨張部（１１３）が形成され、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と前記膨張部（１１３）との間の部位には、蒸気（２１）が凝縮する凝縮部（１１２）が形成され、
前記凝縮部（１１２）は、前記容器（１１）のうち前記冷却手段（１４）が設けられた部位であり、
前記液体ピストン（２０）は、前記膨張部（１１３）で前記蒸気（２１）が膨張することによって前記膨張部（１１３）側から前記出力部（１２）側に向かって変位し、前記凝縮部（１１２）で前記蒸気が凝縮すると前記出力部（１２）側から前記膨張部（１１３）側に向かって変位し、
前記液体ピストン（２０）が最も前記出力部（１２）側に変位したときの位置を下死点とし、前記液体ピストン（１５）が前記下死点にあるときに前記凝縮部（１１２）に入っている前記蒸気（２１）の容積を蒸気容積（Ｖｉｎ）としたとき、
前記凝縮部（１１２）の全容積（Ｖｃｏｎｄ）が前記蒸気容積（Ｖｉｎ）よりも大きくなっており、
前記出力部（１２）は、前記液体ピストン（２０）によって押圧されて変位する固体ピストン（１２３）と、前記固体ピストン（１２３）を摺動可能に支持するシリンダ（１２４）とを有し、
前記凝縮部（１１２）の全容積Ｖｃｏｎｄと、前記蒸気容積Ｖｉｎと、前記シリンダ（１２４）内で前記固体ピストン（１２３）が変位することによる前記出力部（１２）の排気量Ｖｅｘとが、Ｖｃｏｎｄ＜Ｖｉｎ＋２×Ｖｅｘの関係を満たしていることを特徴とする熱機関。
【請求項４】
前記冷却手段（１４）は、冷却用流体によって前記凝縮部（１１２）を冷却するものであり、
前記凝縮部（１１２）のうち、前記下死点にあるときに前記蒸気（２１）が入る部位を蒸気流入部（１１２ａ）とし、残余の部位を蒸気非流入部（１１２ｂ）としたとき、
前記冷却手段（１４）は、前記蒸気流入部（１１２ａ）を冷却するための前記冷却用流体の流量が、前記蒸気非流入部（１１２ｂ）を冷却するための前記冷却用流体の流量よりも多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３のいずれか１つに記載の熱機関。
【請求項５】
前記凝縮部（１１２）は、前記蒸気（２１）および前記液体ピストン（２０）が流通する多孔質部材（１７）を有し、
前記凝縮部（１１２）のうち、前記液体ピストン（２０）が前記下死点にあるときに前記蒸気（２１）が入る部位を蒸気流入部（１１２ａ）とし、残余の部位を蒸気非流入部（１１２ｂ）としたとき、
前記蒸気流入部（１１２ａ）と前記蒸気非流入部（１１２ｂ）とで前記多孔質部材（１７）の空隙率が異なっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱機関。
【請求項６】
液体状態の作動媒体からなる液体ピストン（２０）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の端部と連通し、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（１２）と、
前記容器（１１）の壁面の一部を冷却する冷却手段（１４）とを備え、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と反対側の部位には、蒸気（２１）が膨張する膨張部（１１３）が形成され、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と前記膨張部（１１３）との間の部位には、蒸気（２１）が凝縮する凝縮部（１１２）が形成され、
前記凝縮部（１１２）は、前記容器（１１）のうち前記冷却手段（１４）が設けられた部位であり、
前記液体ピストン（２０）は、前記膨張部（１１３）で前記蒸気（２１）が膨張することによって前記膨張部（１１３）側から前記出力部（１２）側に向かって変位し、前記凝縮部（１１２）で前記蒸気が凝縮すると前記出力部（１２）側から前記膨張部（１１３）側に向かって変位し、
前記液体ピストン（２０）が最も前記出力部（１２）側に変位したときの位置を下死点とし、前記液体ピストン（１５）が前記下死点にあるときに前記凝縮部（１１２）に入っている前記蒸気（２１）の容積を蒸気容積（Ｖｉｎ）としたとき、
前記凝縮部（１１２）の全容積（Ｖｃｏｎｄ）が前記蒸気容積（Ｖｉｎ）よりも大きくなっており、
前記冷却手段（１４）は、冷却用流体によって前記凝縮部（１１２）を冷却するものであり、
前記凝縮部（１１２）のうち、前記下死点にあるときに前記蒸気（２１）が入る部位を蒸気流入部（１１２ａ）とし、残余の部位を蒸気非流入部（１１２ｂ）としたとき、
前記冷却手段（１４）は、前記蒸気流入部（１１２ａ）を冷却するための前記冷却用流体の流量が、前記蒸気非流入部（１１２ｂ）を冷却するための前記冷却用流体の流量よりも多くな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７】
液体状態の作動媒体からなる液体ピストン（２０）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の端部と連通し、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（１２）と、
前記容器（１１）の壁面の一部を冷却する冷却手段（１４）とを備え、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と反対側の部位には、蒸気（２１）が膨張する膨張部（１１３）が形成され、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と前記膨張部（１１３）との間の部位には、蒸気（２１）が凝縮する凝縮部（１１２）が形成され、
前記凝縮部（１１２）は、前記容器（１１）のうち前記冷却手段（１４）が設けられた部位であり、
前記液体ピストン（２０）は、前記膨張部（１１３）で前記蒸気（２１）が膨張することによって前記膨張部（１１３）側から前記出力部（１２）側に向かって変位し、前記凝縮部（１１２）で前記蒸気が凝縮すると前記出力部（１２）側から前記膨張部（１１３）側に向かって変位し、
前記液体ピストン（２０）が最も前記出力部（１２）側に変位したときの位置を下死点とし、前記液体ピストン（１５）が前記下死点にあるときに前記凝縮部（１１２）に入っている前記蒸気（２１）の容積を蒸気容積（Ｖｉｎ）としたとき、
前記凝縮部（１１２）の全容積（Ｖｃｏｎｄ）が前記蒸気容積（Ｖｉｎ）よりも大きくなっており、
前記凝縮部（１１２）は、前記蒸気（２１）および前記液体ピストン（２０）が流通する多孔質部材（１７）を有し、
前記凝縮部（１１２）のうち、前記液体ピストン（２０）が前記下死点にあるときに前記蒸気（２１）が入る部位を蒸気流入部（１１２ａ）とし、残余の部位を蒸気非流入部（１１２ｂ）としたとき、
前記蒸気流入部（１１２ａ）と前記蒸気非流入部（１１２ｂ）とで前記多孔質部材（１７）の空隙率が異なっていることを特徴とする熱機関。
【請求項８】
液体状態の作動媒体からなる液体ピストン（２０）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の端部と連通し、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（１２）と、
前記容器（１１）の壁面の一部を冷却する冷却手段（１４）とを備え、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と反対側の部位には、蒸気（２１）が膨張する膨張部（１１３）が形成され、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と前記膨張部（１１３）との間の部位には、蒸気（２１）が凝縮する凝縮部（１１２）が形成され、
前記凝縮部（１１２）は、前記容器（１１）のうち前記冷却手段（１４）が設けられた部位であり、
前記液体ピストン（２０）は、前記膨張部（１１３）で前記蒸気（２１）が膨張することによって前記膨張部（１１３）側から前記出力部（１２）側に向かって変位し、前記凝縮部（１１２）で前記蒸気が凝縮すると前記出力部（１２）側から前記膨張部（１１３）側に向かって変位し、
前記液体ピストン（２０）が最も前記出力部（１２）側に変位したときの位置を下死点としたとき、
前記凝縮部（１１２）は、前記液体ピストン（１５）が下死点にあるときの前記蒸気（２１）と前記液体ピストン（１５）との界面（２２）の位置よりも前記出力部（１２）側まで連続して形成されており、
前記冷却手段（１４）は、冷却用流体によって前記凝縮部（１１２）を冷却するものであり、
前記凝縮部（１１２）のうち、前記下死点にあるときに前記蒸気（２１）が入る部位を蒸気流入部（１１２ａ）とし、残余の部位を蒸気非流入部（１１２ｂ）としたとき、
前記冷却手段（１４）は、前記蒸気流入部（１１２ａ）を冷却するための前記冷却用流体の流量が、前記蒸気非流入部（１１２ｂ）を冷却するための前記冷却用流体の流量よりも多くな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９】
液体状態の作動媒体からなる液体ピストン（２０）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の端部と連通し、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（１２）と、
前記容器（１１）の壁面の一部を冷却する冷却手段（１４）とを備え、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と反対側の部位には、蒸気（２１）が膨張する膨張部（１１３）が形成され、
前記容器（１１）のうち前記出力部（１２）と前記膨張部（１１３）との間の部位には、蒸気（２１）が凝縮する凝縮部（１１２）が形成され、
前記凝縮部（１１２）は、前記容器（１１）のうち前記冷却手段（１４）が設けられた部位であり、
前記液体ピストン（２０）は、前記膨張部（１１３）で前記蒸気（２１）が膨張することによって前記膨張部（１１３）側から前記出力部（１２）側に向かって変位し、前記凝縮部（１１２）で前記蒸気が凝縮すると前記出力部（１２）側から前記膨張部（１１３）側に向かって変位し、
前記液体ピストン（２０）が最も前記出力部（１２）側に変位したときの位置を下死点としたとき、
前記凝縮部（１１２）は、前記液体ピストン（１５）が下死点にあるときの前記蒸気（２１）と前記液体ピストン（１５）との界面（２２）の位置よりも前記出力部（１２）側まで連続して形成されており、
前記凝縮部（１１２）は、前記蒸気（２１）および前記液体ピストン（２０）が流通する多孔質部材（１７）を有し、
前記凝縮部（１１２）のうち、前記液体ピストン（２０）が前記下死点にあるときに前記蒸気（２１）が入る部位を蒸気流入部（１１２ａ）とし、残余の部位を蒸気非流入部（１１２ｂ）としたとき、
前記蒸気流入部（１１２ａ）と前記蒸気非流入部（１１２ｂ）とで前記多孔質部材（１７）の空隙率が異なっていることを特徴とする熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気の膨張と凝縮とによって液体ピストンを変位させ、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に記載されている。この従来技術における熱機関は、液体ピストン蒸気エンジンとも呼ばれ、管状の容器内に作動流体である水を流動可能に封入し、容器の一端側部位に設けられた加熱器によって水の一部を加熱して蒸気を発生させ、加熱器よりも容器の他端側部位に設けられた冷却器によって蒸気を冷却して凝縮させ、この水の蒸発と蒸気の凝縮とを交互に繰り返すことによって容器内で水を周期的に変位（いわゆる自励振動）させる。
【０００３】
つまり、容器内の水は、蒸気の膨脹圧力を直接的に受ける液体ピストンとして機能する。そして、この液体ピストンの自励振動が容器の他端部にて出力として取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４４１１８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１には、冷却器によって蒸気を冷却することは記載されているものの、液体ピストンを冷却する手段の有無については明確に記載されていない。本発明者の詳細な検討によると、上記特許文献１に対して液体ピストンを冷却する手段を設けることによって出力向上を図ることが可能であることがわかった。
【０００６】
以下、このことを図７、図８を用いて詳しく説明する。以下、容器１１のうち加熱器１３が設けられている部位を加熱部１１１と言い、容器１１のうち冷却器１４が設けられている部位を凝縮部１１２と言う。
【０００７】
また、蒸気２１が最も膨張して蒸気２１と液体ピストン２０との界面２２（気液界面）が最も凝縮部１１２側に下降したときの位置を下死点と言う。図７（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）に示すように、液体ピストン２０が下死点にある時の気液界面２２の位置と、凝縮部１１２の下端（終端）の位置とが同じになっている。
【０００８】
図７（ａ）〜（ｇ）のいずれの過程においても、加熱部１１１では加熱器１３からの熱が供給され続ける。図７（ａ）は、加熱部１１１で蒸気２１が発生した状態を示している。
【０００９】
図７（ｂ）は、図７（ａ）の状態から、蒸気２１が膨張し、液体ピストン２０が下死点まで下降した状態を示している。この状態では、蒸気２１から凝縮部１１２の壁面に熱が渡され、凝縮部１１２から冷却器１４に熱が渡される。その際、蒸気２１から凝縮部１１２への熱輸送能力よりも凝縮部１１２から冷却器１４への熱輸送能力の方が低いので、凝縮部１１２の壁面に熱がたまり壁温が上昇する。
【００１０】
図７（ｃ）は、図７（ｂ）の状態から、蒸気２１が凝縮して液体ピストン２０が加熱部１１１まで上昇した状態を示している。この状態では、凝縮部１１２の壁面にたまった熱が液体ピストン２０に伝わり液体ピストン温度が上昇する。
【００１１】
図７（ｄ）は、図７（ｃ）の状態から、液体ピストン２０が下死点まで下降した状態を示している。この状態では、図７（ｂ）の状態と同様に凝縮部１１２の壁温が上昇すると同時に、液体ピストン２０から容器１１のうち凝縮部１１２よりも下方側部位の壁面に熱が伝わる。これにより、容器１１のうち凝縮部１１２よりも下方側部位の壁温が上昇する。
【００１２】
図７（ｅ）は、図７（ｄ）の状態から、液体ピストン２０が加熱部１１１まで上昇した状態を示している。
【００１３】
図７（ｆ）は、図７（ｅ）の状態から、液体ピストン２０が下死点まで下降した状態を示している。この状態では、図７（ｄ）の状態と同様に凝縮部１１２およびその下方側部位の壁温が上昇する。凝縮部１１２よりも下方側の壁面では熱を外部にほとんど捨てられないため、全体的に壁温が上昇する。
【００１４】
図７（ｇ）は、図７（ｆ）の状態から、液体ピストン２０が加熱部１１１まで上昇した状態を示している。
【００１５】
この図７（ｇ）の状態と図７（ｆ）の状態とを繰り返すことで、凝縮部１１２およびその下方側の壁温が上昇し、その結果、下死点での蒸気２１の温度（低温端温度）も上昇する。
【００１６】
図８は、理想的なサイクルのＴ−Ｓ線図（実線）と、凝縮部１１２の壁温上昇により低温端温度が上がったサイクルのＴ−Ｓ線図（二点鎖線）とを比較して示している。図７から明らかなように、低温端温度が上がることで出力低下を招くこととなる。
【００１７】
すなわち、液体ピストンを冷却する手段が設けられていない場合には、蒸気から凝縮部壁への熱輸送能力に比べて凝縮部壁から外部冷却媒体(空気、水など)への熱輸送能力が低いため、蒸気から凝縮部への熱輸送に比べて凝縮部から冷却器への熱輸送が律速となり、凝縮部およびその近傍部（凝縮部と動力変換部とを繋ぐ部分)の壁温上昇が生じ、エンジンの出力低下を招くこととなる。
【００１８】
本発明は上記点に鑑みて、凝縮部における壁温上昇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】
【００１９】
上記目的を達成するため、請求項１、３、６、７に記載の発明では、液体状態の作動媒体からなる液体ピストン（２０）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
容器（１１）の端部と連通し、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（１２）と、
容器（１１）の壁面の一部を冷却する冷却手段（１４）とを備え、
容器（１１）のうち出力部（１２）と反対側の部位には、蒸気（２１）が膨張する膨張部（１１３）が形成され、
容器（１１）のうち出力部（１２）と膨張部（１１３）との間の部位には、蒸気（２１）が凝縮する凝縮部（１１２）が形成され、
凝縮部（１１２）は、容器（１１）のうち冷却手段（１４）が設けられた部位であり、
液体ピストン（２０）は、膨張部（１１３）で蒸気（２１）が膨張することによって膨張部（１１３）側から出力部（１２）側に向かって変位し、凝縮部（１１２）で蒸気が凝縮すると出力部（１２）側から膨張部（１１３）側に向かって変位し、
液体ピストン（２０）が最も出力部（１２）側に変位したときの位置を下死点とし、液体ピストン（１５）が下死点にあるときに凝縮部（１１２）に入っている蒸気（２１）の容積を蒸気容積（Ｖｉｎ）としたとき、
凝縮部（１１２）の全容積（Ｖｃｏｎｄ）が蒸気容積（Ｖｉｎ）よりも大きくなっていることを特徴とする。
【００２０】
これによると、凝縮部（１１２）の全容積（Ｖｃｏｎｄ）が蒸気容積（Ｖｉｎ）よりも大きくなっているので、凝縮部（１１２）のうち膨張部（１１３）側の部位が蒸気（２１）から受け取った熱をそのまま外部に捨てるだけでなく、液体ピストン（２０）を介して凝縮部（１１２）のうち膨張部（１１３）と反対側の部位から外部に捨てることができる。このため、凝縮部（１１２）から冷却手段（１４）への熱輸送能力を向上することができるので（後述する図３を参照）、凝縮部（１１２）における壁温上昇を抑制することができる。
【００２１】
請求項１に記載の発明のように、凝縮部（１１２）の全容積Ｖｃｏｎｄと蒸気容積Ｖｉｎとが、Ｖｃｏｎｄ＞２×Ｖｉｎの関係を満たしていれば、凝縮部における壁温上昇をより抑制することができる。
【００２２】
請求項２、３に記載の発明のように、出力部（１２）は、液体ピストン（２０）によって押圧されて変位する固体ピストン（１２３）と、固体ピストン（１２３）を摺動可能に支持するシリンダ（１２４）とを有し、
凝縮部（１１２）の全容積Ｖｃｏｎｄと、蒸気容積Ｖｉｎと、シリンダ（１２４）内で固体ピストン（１２３）が変位することによる出力部（１２）の排気量Ｖｅｘとが、Ｖｃｏｎｄ＜Ｖｉｎ＋２×Ｖｅｘの関係を満たしているのが好ましい。
【００２３】
請求項８、９に記載の発明では、液体状態の作動媒体からなる液体ピストン（２０）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
容器（１１）の端部と連通し、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（１２）と、
容器（１１）の壁面の一部を冷却する冷却手段（１４）とを備え、
容器（１１）のうち出力部（１２）と反対側の部位には、蒸気（２１）が膨張する膨張部（１１３）が形成され、
容器（１１）のうち出力部（１２）と膨張部（１１３）との間の部位には、蒸気（２１）が凝縮する凝縮部（１１２）が形成され、
凝縮部（１１２）は、容器（１１）のうち冷却手段（１４）が設けられた部位であり、
液体ピストン（２０）は、膨張部（１１３）で蒸気（２１）が膨張することによって膨張部（１１３）側から出力部（１２）側に向かって変位し、凝縮部（１１２）で蒸気が凝縮すると出力部（１２）側から膨張部（１１３）側に向かって変位し、
液体ピストン（２０）が最も出力部（１２）側に変位したときの位置を下死点としたとき、
凝縮部（１１２）は、液体ピストン（１５）が下死点にあるときの蒸気（２１）と液体ピストン（１５）との界面（２２）の位置よりも出力部（１２）側まで連続して形成されていることを特徴とする。
【００２４】
これにより、上記した請求項１に記載の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００２５】
請求項４、６、８に記載の発明では、冷却手段（１４）は、冷却用流体によって凝縮部（１１２）を冷却するものであり、
凝縮部（１１２）のうち、下死点にあるときに蒸気（２１）が入る部位を蒸気流入部（１１２ａ）とし、残余の部位を蒸気非流入部（１１２ｂ）としたとき、
冷却手段（１４）は、蒸気流入部（１１２ａ）を冷却するための冷却用流体の流量が、蒸気非流入部（１１２ｂ）を冷却するための冷却用流体の流量よりも多くなるように構成されていることを特徴とする。
【００２６】
これにより、蒸気流入部（１１２ａ）および蒸気非流入部（１１２ｂ）における壁温上昇を効率的に抑制することができる。
【００２７】
請求項５、７、９に記載の発明のように、凝縮部（１１２）は、蒸気（２１）および液体ピストン（２０）が流通する多孔質部材（１７）を有し、
凝縮部（１１２）のうち、液体ピストン（２０）が下死点にあるときに蒸気（２１）が入る部位を蒸気流入部（１１２ａ）とし、残余の部位を蒸気非流入部（１１２ｂ）としたとき、
蒸気流入部（１１２ａ）と蒸気非流入部（１１２ｂ）とで多孔質部材（１７）の空隙率が異なっているようにしてもよい。
【００２８】
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】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態における液体ピストン蒸気エンジンの概略構成を示す構成図である。
【図２】図１の要部を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における作用効果を説明する図である。
【図４】本発明の第２実施形態における液体ピストン蒸気エンジンの要部を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態における液体ピストン蒸気エンジンの要部を示す断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態における液体ピストン蒸気エンジンの要部を示す断面図である。
【図７】従来技術における問題点を説明する図である。
【図８】従来技術におけるサイクルおよび理想的なサイクルのＴ−Ｓ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（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は本実施形態における熱機関（液体ピストン蒸気エンジン）１０の概略構成を示す構成図であり、図１中の上下の矢印は液体ピストン蒸気エンジン１０の設置状態における上下方向を示している。
【００３１】
液体ピストン蒸気エンジン１０は、容器１１と、出力部をなす発電機１２とを有している。発電機１２は、ケーシング１２１内に永久磁石が埋設された可動子１２２を収納しており、可動子１２２が振動変位することによって起電力を発生する。
【００３２】
容器１１は、作動媒体としての水２０が液体状態で流動可能に封入された管状の圧力容器である。容器１１の外面には、容器１１内部の水２０の一部を加熱して蒸発させる加熱器１３（加熱手段）と、加熱器１３にて加熱されて蒸発した水蒸気２１（以下、単に蒸気と言う。）を冷却して凝縮させる冷却器１４（冷却手段）とが接触配置されている。
【００３３】
容器１１は、略Ｕ字状に形成され、屈曲部が最下部に位置し、両端部が最上部に位置するように配置されている。加熱器１３および冷却器１４は、容器１１のうち一端側の部位において、加熱器１３が冷却器１４より上方側に位置するように配置されている。
【００３４】
本例では、加熱器１３が高温ガス（例えば、自動車の排気ガス）と熱交換するようになっているが、加熱器１３を電気ヒータで構成してもよい。また、本例では、冷却器１４に冷却水（冷却用流体）が循環するようになっている。図示を省略しているが、冷却水が蒸気２１から奪った熱は、冷却水の循環回路中に配置された放熱器において外部（大気中）に放熱されるようになっている。
【００３５】
容器１１のうち加熱器１３と接触している部位は、水２０を蒸発させる加熱部１１１を構成している。容器１１のうち冷却器１４と接触している部位は、蒸気２１を凝縮させる凝縮部１１２を構成している。容器１１のうち加熱部１１１と凝縮部１１２との間の部位は、蒸気２１が膨張する膨張部１１３を構成している。
【００３６】
本例では、水２０を水としているので、容器１１をステンレスにて形成しているが、容器１１のうち加熱部１１１および凝縮部１１２を熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム等で形成してもよい。
【００３７】
図示を省略しているが、水２０が蒸発する空間を確保するために、加熱部１１１の上方部には所定体積の気体が封入されている。この気体は例えば空気であってもよいし、水２０の純粋な蒸気でもよい。
【００３８】
発電機１２は容器１１の他端部と連通しており、水２０から圧力を受けて変位する固体ピストン１２３と、固体ピストン１２３を摺動可能に支持するシリンダ１２４とを有している。
【００３９】
固体ピストン１２３は可動子１２２のシャフト１２２ａに連結されており、可動子１２２を挟んで固体ピストン１２３と反対側には、可動子１２２を固体ピストン１２３側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすコイルばね１２５が設けられている。
【００４０】
次に、上記構成における基本作動を説明する。加熱器１３および冷却器１４を動作させると、まず、水２０を発電機１２側に向かって変位させる膨張行程（第１行程）が行われる。この膨張行程では、加熱器１３により加熱部１１１内の水２０の一部が加熱されて蒸発し、加熱部１１１で蒸発した高温・高圧の蒸気２１が膨張部１１３で膨張して水２０の液面２２を押し下げる。
【００４１】
すると、容器１１内に封入された水２０は、加熱部１１１側から発電機１２側に変位して、発電機１２の固体ピストン１２３を押し上げる。このとき、コイルばね１２５は弾性圧縮される。
【００４２】
押し下げられた水２０の液面２２が凝縮部１１２まで到達し、凝縮部１１２内に蒸気２１が進入すると、水２０を加熱部１１１側に向かって変位させる圧縮行程（第２行程）が行われる。
【００４３】
この圧縮行程では、凝縮部１１２内に進入した蒸気２１が冷却器１４により冷却されて凝縮するため、水２０の液面２２を押し下げる力が消滅する。すると、蒸気２１の膨張によって一旦押し上げられた固体ピストン１２３はコイルばね１２５の弾性復元力により下降し、蒸気２１の膨張によって一旦押し上げられた固体ピストン１２３は下降する。
【００４４】
このため、水２０が発電機１２側から加熱部１１１側に変位して、水２０の液面２２が加熱部１１１まで上昇するので、再び加熱部１１１にて水２０の一部が加熱されて蒸発することとなる。
【００４５】
そして、膨張行程および圧縮行程は、加熱器１３および冷却器１４の動作を停止させるまで繰り返し行われ、その間、容器１１内の水２０は周期的に変位（いわゆる自励振動）して、発電機１２の可動子１２２を上下動させることになる。
【００４６】
つまり、水２０は、蒸気２１の膨脹圧力を直接的に受ける液体ピストンとして機能する。この液体ピストン２０は、蒸気２１の膨張と凝縮とが交互に繰り返し行われることによって自励振動し、この液体ピストン２０の自励振動が機械的エネルギに変換されて出力として取り出される。
【００４７】
次に、図１の冷却器１４および凝縮部１１２の詳細な構成を図２に基づいて説明する。図２は、図１の冷却器１４および凝縮部１１２の近傍部位を示す断面図である。
【００４８】
図２は、膨張行程において液体ピストン２０が最も発電機１２側に変位した状態を示している。このときの液体ピストン２０の位置を以下、下死点という。
【００４９】
冷却器１４は、液体ピストンが下死点にあるときの水２０の液面２２（換言すれば蒸気２１と水２０との界面）の位置よりも下方側まで連続して設けられている。したがって、凝縮部１１２も、液体ピストンが下死点にあるときの水２０の液面２２の位置よりも下方側まで形成されている。
【００５０】
換言すれば、凝縮部１１２は、液体ピストン２０が下死点にあるときに蒸気２１の周囲部だけでなく水２０の周囲部にまで連続して設けられている。さらに換言すれば、凝縮部１１２の全容積Ｖｃｏｎｄが、液体ピストンが下死点にあるときに凝縮部１１２に入っている蒸気２１の容積Ｖｉｎよりも大きくなっている（Ｖｃｏｎｄ＞Ｖｉｎ）。
【００５１】
ここで、凝縮部１１２の全容積Ｖｃｏｎｄは、図２中、破線で囲んだ領域の容積であり、蒸気容積Ｖｉｎは、図２中、破線で囲んだ領域のうち液面２２よりも上方側の領域（網掛けハッチングで示す領域）の容積である。
【００５２】
なお、加熱器１３および冷却器１４の作動状態が変化すると下死点の位置も変動して凝縮部１１２に入る蒸気２１の容積Ｖｉｎも変動することとなるが、本実施形態では、通常の作動条件の範囲において凝縮部１１２に入る蒸気２１の容積Ｖｉｎが最も多くなった場合でも、Ｖｃｏｎｄ＞Ｖｉｎの関係を満たすようになっている。
【００５３】
以下では、凝縮部１１２のうち、液体ピストンが下死点にあるときに蒸気２１が流入する部位（液面２２よりも上方側部位）を蒸気流入部１１２ａと言い、凝縮部１１２の残余の部位（蒸気流入部１１２ａよりも下方側部位）を蒸気非流入部１１２ｂと言う。
【００５４】
なお、本例では、加熱部１１１、膨張部１１３および凝縮部１１２の内径が互いに同一になっている。また、本例では、冷却器１４の冷却水入口１４ａおよび冷却水出口１４ｂが１つずつ設けられており、冷却水入口１４ａが冷却器１４の下方部に、冷却水出口１４ｂが冷却器１４の上方部に設けられている。
【００５５】
図３は、冷却器１４および凝縮部１１２による具体的作用効果を説明する図である。図３（ａ）は、加熱部１１１で蒸気２１が発生した状態を示している。
【００５６】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態から、蒸気２１が膨張し、液体ピストン２０が下死点まで下降した状態を示している。この状態では、蒸気２１から凝縮部１１２のうち蒸気流入部１１２ａの壁面に熱が渡され、蒸気流入部１１２ａから冷却器１４に熱が渡される。その際、蒸気２１から蒸気流入部１１２ａへの熱輸送能力よりも蒸気流入部１１２ａから冷却器１４への熱輸送能力の方が低いので、蒸気流入部１１２ａの壁面に熱がたまり壁温が上昇する。
【００５７】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）の状態から、液体ピストン２０が加熱部１１１まで上昇した状態を示している。この状態では、蒸気流入部１１２ａの壁面から液体ピストン２０に熱が伝わり液体ピストン温度が上昇する。
【００５８】
図３（ｄ）は、図３（ｃ）の状態から、液体ピストン２０が下死点まで下降した状態を示している。この状態では、図３（ｂ）の状態と同様に蒸気流入部１１２ａの壁温が上昇すると同時に、液体ピストン２０から凝縮部１１２のうち蒸気非流入部１１２ｂの壁面に熱が伝わる。蒸気非流入部１１２ｂに伝わった熱は冷却器１４に捨てられるため、蒸気非流入部１１２ｂの壁温が低く保たれる。
【００５９】
図３（ｅ）は、図３（ｄ）の状態から、液体ピストン２０が加熱部１１１まで上昇した状態を示している。この状態では、蒸気非流入部１１２ｂの壁温が低く保たれている。換言すれば、蒸気非流入部１１２ｂに熱が溜まるのが抑制されている。
【００６０】
このため、蒸気非流入部１１２ｂに溜まった熱で凝縮部１１２全体の壁温が上昇することを抑制できるので、液体ピストン２０が下死点にあるときの蒸気２１の温度を低く抑えることができる。その結果、図８のＴ−Ｓ線図において、低温端温度の上昇を抑制して理想的なサイクルに近づけることができるので、出力を向上することができる。
【００６１】
すなわち、本実施形態によると、凝縮部１１２は、蒸気２１が最も膨張して液体ピストンが下死点に位置しているときの蒸気２１と水２０との界面２２の位置よりも下方側まで連続して形成されていて、凝縮部１１２の全容積Ｖｃｏｎｄが、液体ピストンが下死点にあるときに凝縮部１１２に入っている蒸気２１の容積Ｖｉｎよりも大きくなっているので、凝縮部１１２上部（蒸気流入部１１２ａ）の壁面が蒸気２１から受け取った熱をそのまま外部に捨てるだけでなく、往復動する液体ピストン２０を介して凝縮部１１２下部（蒸気非流入部１１２ｂ）でも捨てることで冷却水への熱通過率が向上する。これにより凝縮部１１２の温度が下がるため、性能が向上する。
【００６２】
本実施形態の構成は、図７に示す従来技術に対して冷却器１４を下方側に拡大させるだけで実現できるため、コストの増加を抑えつつ性能を向上できる。
【００６３】
なお、凝縮部１１２の全容積Ｖｃｏｎｄと蒸気容積Ｖｉｎとが、Ｖｃｏｎｄ＞２×Ｖｉｎの関係を満たしていれば、凝縮部１１２における壁温上昇を一層抑制することができて好ましい。
【００６４】
また、凝縮部１１２の全容積Ｖｃｏｎｄと、蒸気容積Ｖｉｎと、シリンダ１２４内で固体ピストン１２３が変位することによる出力部（発電機）１２の排気量Ｖｅｘとが、Ｖｃｏｎｄ＜Ｖｉｎ＋２×Ｖｅｘの関係を満たしていれば、冷却器１４を下方側に拡大させることによるコストの増加を抑えつつ、凝縮部１１２における壁温上昇を効果的に抑制することができる。
【００６５】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、冷却器１４に冷却水入口１４ａおよび冷却水出口１４ｂが１つずつ設けられているが、本第２実施形態では、図４に示すように、冷却器１４に１つの冷却水入口１４ａと２つの冷却水出口１４ｂ、１４ｃとが設けられている。
【００６６】
冷却水入口１４ａは蒸気流入部１１２ａと蒸気非流入部１１２ｂとの境界近傍に設けられ、一方の冷却水出口１４ｂは蒸気流入部１１２ａに対応して設けられ、他方の冷却水出口１４ｃは蒸気非流入部１１２ｂに対応して設けられている。
【００６７】
冷却器１４内では、冷却水入口１４ａから流入した冷却水が、蒸気流入部１１２ａ側の冷却水出口１４ｂ側に向かう流れと、蒸気非流入部１１２ｂ側の冷却水出口１４ｃに向かう流れとに分岐される。
【００６８】
蒸気流入部１１２ａ側の冷却水出口１４ｂ側に向かって流れる冷却水は蒸気流入部１１２ａの熱を奪い、蒸気非流入部１１２ｂ側の冷却水出口１４ｃ側に向かって流れる冷却水は蒸気非流入部１１２ｂの熱を奪うようになっている。
【００６９】
そして、蒸気流入部１１２ａ側の冷却水出口１４ｂから流出する冷却水流量は、蒸気非流入部１１２ｂ側の冷却水出口１４ｃから流出する冷却水流量よりも多くなっている。これにより、蒸気流入部１１２ａおよび蒸気非流入部１１２ｂにおける壁温上昇を効率的に抑制することができる。
【００７０】
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、凝縮部１１２において蒸気２１および液体ピストン２０が流通する空間が単一空間で構成されているが、本第３実施形態では、図５に示すように、凝縮部１１２において蒸気２１および液体ピストン２０が流通する空間が、互いに平行な多数本の細い流路（多パス）で構成されている。
【００７１】
本例では、容器１０の内部に多穴管１６が配置されており、この多穴管１６の内部に、互いに平行な多数本の細い流路が形成されている。
【００７２】
本実施形態においても、Ｖｃｏｎｄ＞Ｖｉｎの関係を満たすように凝縮部１１２が構成されているので、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００７３】
さらに本実施形態によると、凝縮部１１２における伝熱面積を拡大して、蒸気２１および液体ピストンの冷却性を向上できる。
【００７４】
（第４実施形態）
上記第３実施形態では、凝縮部１１２において蒸気２１および液体ピストン２０が流通する空間が、多数本の互いに平行な細い流路（多パス）で構成されているが、本第４実施形態では、図６に示すように、凝縮部１１２において蒸気２１および液体ピストン２０が流通する空間が、多孔質流路で構成されている。
【００７５】
本例では、容器１０の内部に多孔質部材１７が配置されており、この多孔質部材１７の内部に多孔質流路が形成されている。
【００７６】
本実施形態においても、Ｖｃｏｎｄ＞Ｖｉｎの関係を満たすように凝縮部１１２が構成されているので、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、上記第１実施形態と同様に、凝縮部１１２における伝熱面積を拡大して、蒸気２１および液体ピストンの冷却性を向上できる。
【００７７】
さらに、蒸気流入部１１２ａと蒸気非流入部１１２ｂとで多孔質部材１７の空隙率を異ならせてもよい。すなわち、蒸気流入部１１２ａと蒸気非流入部１１２ｂとで伝熱面積および熱容量を異ならせて、蒸気２１および液体ピストン２０を効果的に冷却するようにしてもよい。
【００７８】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、加熱器１３および冷却器１４の作動状態が変化して下死点の位置が変動しても凝縮部１１２の全容積Ｖｃｏｎｄは一定であるが、下死点の位置変動に応じて凝縮部１１２の全容積Ｖｃｏｎｄを変化させるようにしてもよい。例えば、下死点における界面２２の位置を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果に応じて冷却器１４の内部における冷却水の流通範囲を変更する手段とを備えるようにしてもよい。
【００７９】
また、上記各実施形態では、作動媒体として水２０が用いられているが、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が用いられていてもよい。
【００８０】
また、上記各実施形態では、容器１１内に封入された液体ピストン２０の一部を加熱して蒸気２１を発生させているが、容器１１の外部に設けられた外部蒸発器で蒸気を発生させ、外部蒸発器で発生した蒸気を容器１１に供給し、容器１１に供給された蒸気を容器１１内の膨張部で膨張させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１１      容器
１１２    凝縮部
１１２ａ  蒸気流入部
１１２ｂ  蒸気非流入部
１１３    膨張部
１２      発電機（出力部）
１２３    固体ピストン
１２４    シリンダ
１４      冷却器（冷却手段）
２０      液体ピストン
２１      蒸気
２２      界面
【図１】
0005569328.tif 000002
【図２】
0005569328.tif 000003
【図３】
0005569328.tif 000004
【図４】
0005569328.tif 000005
【図５】
0005569328.tif 000006
【図６】
0005569328.tif 000007
【図７】
0005569328.tif 000008
【図８】
0005569328.tif 000009