(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉空間を形成するケーシングと、
前記ケーシングの内壁に接しながら摺動し、前記ケーシング内の密閉空間を複数の部分密閉空間に仕切るピストンと、
前記ケーシングに接続されて、気体状態の作動媒体を前記ケーシング内に供給可能な第１および第２の気体供給配管と、
前記ケーシングに接続されて、飽和温度よりも低い温度の過冷却の液体状態の作動媒体を前記ケーシング内に供給可能な第１および第２の過冷却液供給配管と、
前記ケーシングに接続されて、前記ケーシング内に生成された液体状態の作動媒体を排出可能な第１および第２の液体排出配管と、
前記第１および第２の気体供給配管それぞれに取り付けられた第１および第２の気体供給弁と、
前記第１および第２の過冷却液供給配管それぞれに取り付けられた第１および第２の過冷却液供給弁と、
前記第１および第２の液体排出配管それぞれに取り付けられた第１および第２の液体排出弁と、
前記第１および第２の液体排出配管から排出された液体状態の作動媒体の一部を加熱して前記第１および第２の気体供給配管に供給するための前記気体状態の作動媒体を生成する加熱器と、
前記第１および第２の液体排出配管から排出された液体状態の作動媒体の一部を冷却して前記第１および第２の過冷却液供給配管に供給するための前記過冷却の液体状態の作動媒体を生成する冷却器と、
を備え、前記作動媒体が循環する密閉サイクルを構成する熱機関であって、
前記複数の部分密閉空間は、前記ピストンの動きに伴って膨張と収縮を交互に繰り返すように構成されており、
前記複数の部分密閉空間のうち前記ピストンの動きに伴って膨張する部分密閉空間内に前記第１および第２の気体供給配管の一方を通じて前記気体状態の前記作動媒体が供給されて、当該膨張する密閉空間内の圧力が高められて当該気体状態の前記作動媒体が前記ピストンを駆動し、
前記複数の部分密閉空間のうち前記ピストンの動きに伴って収縮する部分密閉空間内に前記第１および第２の過冷却液供給配管の一方を通じて前記過冷却の液体状態の作動媒体が供給されることにより当該ピストンの動きに伴って収縮する密閉空間内の作動媒体の凝縮が促進されて、当該収縮する部分密閉空間内の作動媒体の圧力が低下することによって、前記ピストンの動きを促進し、
前記複数の部分密閉空間のうち前記ピストンの動きに伴って収縮する部分密閉空間から前記第１および第２の液体排出配管の一方を通じて前記液体状態の作動媒体が排出される、
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】
前記ケーシングは第１の端部および閉塞された第２の端部を備えたシリンダ状であり、
前記ピストンは、前記ケーシング内で前記第１の端部と前記第２の端部との間を往復摺動可能であって、前記ケーシング内の空間を、前記第１の端部に接する第１の部分密閉空間と前記第２の端部に接する第２の部分密閉空間とに仕切る往復ピストンであり、
前記第１および第２の気体供給配管は前記第１の部分密閉空間内および前記第２の部分密閉空間それぞれに接続され、
前記第１および第２の過冷却液供給配管は前記第１の部分密閉空間内および前記第２の部分密閉空間それぞれに接続され、
前記第１および第２の液体排出配管は前記第１の部分密閉空間内および前記第２の部分密閉空間それぞれに接続され、
前記第１の過冷却液供給弁および前記第２の気体供給弁が閉じている時に第１の気体供給弁が開いて前記気体状態の作動媒体が前記第１の部分密閉空間内に供給されることによって前記気体状態の作動媒体が前記往復ピストンを前記第２の端部に向けて押すとともに、前記第２の過冷却液供給弁が開いて前記過冷却の液体状態の作動媒体が前記第２の部分密閉空間内に供給されて、前記第２の部分密閉空間内の作動媒体の凝縮が促進され、
前記第２の過冷却液供給弁および前記第１の気体供給弁が閉じている時に第２の気体供給弁が開いて前記気体状態の作動媒体が前記第２の部分密閉空間内に供給されることによって前記気体状態の作動媒体が前記往復ピストンを前記第１の端部に向けて押すとともに、前記第１の過冷却液供給弁が開いて前記過冷却の液体状態の作動媒体が前記第１の部分密閉空間内に供給され、前記第１の部分密閉空間内の作動媒体の凝縮が促進される、
ように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
前記往復ピストンの往復運動を回転運動に変換するリンク機構をさらに備えたこと、を特徴とする請求項２に記載の熱機関。
【請求項４】
前記ケーシングの外側面に沿って巻回されたコイルをさらに備え、
前記往復ピストンは永久磁石を含み、
前記往復ピストンの往復運動によって生じる磁場の変化により前記コイルに起電力を生じさせて発電するように構成されていること、を特徴とする請求項２に記載の熱機関。
【請求項５】
前記ケーシングは、軸に垂直な断面の内側の形状がペリトロコイド曲線であり、
前記ピストンは、軸に垂直な断面の形状が、３個の互いに等しい長さの辺部と、それぞれが前記３個の辺部のうちの２個にはさまれた３個の角部と、を備えたほぼ正三角形であって、前記３個の角部が前記ケーシングの内壁に接しながら摺動し、前記ケーシングの内壁と前記３個の辺部それぞれとによって囲まれた３個の密閉空間を形成しながら前記ケーシング内で偏心軸の周りを回転する回転ピストンであり、
前記回転ピストンの回転によって回転駆動される回転軸をさらに備え、
前記第１および第２の気体供給配管は、前記回転軸をはさんで互いに対向する位置で前記ケーシングに接続され、
前記第１および第２の過冷却液供給配管は、前記回転軸をはさんで互いに対向する位置で前記ケーシングに接続され、
前記第１および第２の液体排出配管は、前記回転軸をはさんで互いに対向する位置で前記ケーシングに接続されていること、
を特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項６】
前記第１および第２の過冷却液供給配管から前記ケーシング内に供給されるときの前記過冷却の液体状態の作動媒体が霧状に噴霧されるように構成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項７】
前記第１および第２の液体排出弁の下流側で前記第１および第２の液体排出配管に接続され、前記加熱器および前記冷却器の上流側に接続されて前記作動媒体を貯留するタンクをさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項８】
前記タンク内に貯留された前記作動媒体を前記加熱器および前記冷却器に供給する少なくとも一つのポンプをさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項９】
前記ケーシングは金属製の構造材料部と、前記構造材料部の内面に沿って配置された前記金属製の構造材料部よりも熱伝導率が低い材料からなる内表面部とを有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項１０】
前記冷却器は氷雪を冷熱源として用いるものであること、を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の熱機関。
【請求項１１】
前記作動媒体は、ブタンもしくはプロパン、またはブタンおよびプロパンの混合物であること、を特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は熱機関に係り、特に、低温熱源を動力源として有効に活用できる熱機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化に対応し、また、地球規模でのエネルギの節約を実現するために、低温の熱源を動力源として有効に活用する技術が注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、媒体として炭酸ガスを利用する循環式内圧機関が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、気体の作動流体の膨張仕事を圧縮仕事に変換するとともに発電出力を取得することができる往復動型膨張圧縮機が開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、熱エネルギを回転駆動エネルギに変換する機関として、バンケル型ロータリーエンジンが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３８７４６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２７８７９号公報
【特許文献３】特開２０１０−５３８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１−３に開示された技術では、高圧気体状態の作動媒体がケーシング（シリンダ）内に導入され、それによって、ケーシング内のピストンに往復動または回転の駆動力が与えられ、ケーシング内で膨張した作動媒体は低圧になって排出される。ケーシング外に排出された作動媒体は、その後、熱交換器により冷却される構造になっている。
【０００８】
この場合、作動媒体の熱は熱交換器の伝熱壁を経て外部に放出されるので、作動媒体の冷却が十分に急速に行われない場合があり、熱効率の向上が困難であった。
【０００９】
この発明は、上記課題を解決するためのものであって、特に低温熱源を動力源として有効に活用できる熱機関を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る熱機関は、密閉空間を形成するケーシングと、前記ケーシングの内壁に接しながら摺動し、前記ケーシング内の密閉空間を複数の部分密閉空間に仕切るピストンと、前記ケーシングに接続されて、気体状態の作動媒体を前記ケーシング内に供給可能な第１および第２の気体供給配管と、前記ケーシングに接続されて、飽和温度よりも低い温度の過冷却の液体状態の作動媒体を前記ケーシング内に供給可能な第１および第２の過冷却液供給配管と、前記ケーシングに接続されて、前記ケーシング内に生成された液体状態の作動媒体を排出可能な第１および第２の液体排出配管と、前記第１および第２の気体供給配管それぞれに取り付けられた第１および第２の気体供給弁と、前記第１および第２の過冷却液供給配管それぞれに取り付けられた第１および第２の過冷却液供給弁と、前記第１および第２の液体排出配管それぞれに取り付けられた第１および第２の液体排出弁と、前記第１および第２の液体排出配管から排出された液体状態の作動媒体の一部を加熱して前記第１および第２の気体供給配管に供給するための前記気体状態の作動媒体を生成する加熱器と、前記第１および第２の液体排出配管から排出された液体状態の作動媒体の一部を冷却して前記第１および第２の過冷却液供給配管に供給するための前記過冷却の液体状態の作動媒体を生成する冷却器と、を備え、前記作動媒体が循環する密閉サイクルを構成する熱機関であって、前記複数の部分密閉空間は、前記ピストンの動きに伴って膨張と収縮を交互に繰り返すように構成されており、前記複数の部分密閉空間のうち前記ピストンの動きに伴って膨張する部分密閉空間内に前記第１および第２の気体供給配管の一方を通じて前記気体状態の前記作動媒体が供給されて、当該膨張する密閉空間内の圧力が高められて当該気体状態の前記作動媒体が前記ピストンを駆動し、前記複数の部分密閉空間のうち前記ピストンの動きに伴って収縮する部分密閉空間内に前記第１および第２の過冷却液供給配管の一方を通じて前記過冷却の液体状態の作動媒体が供給されることにより当該ピストンの動きに伴って収縮する密閉空間内の作動媒体の凝縮が促進されて、当該収縮する部分密閉空間内の作動媒体の圧力が低下することによって、前記ピストンの動きを促進し、前記複数の部分密閉空間のうち前記ピストンの動きに伴って収縮する部分密閉空間から前記第１および第２の液体排出配管の一方を通じて前記液体状態の作動媒体が排出される、ように構成されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、低温熱源であっても動力源として有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る熱機関の第１の実施形態の構成を模式的に示す系統図である。
【図２】第１の実施形態の動作を示す模式的断面図であって、往復ピストンの動きとケーシングにおける媒体の流れを示す。（ａ）から（ｄ）の順に進み、その後に（ａ）に戻る。
【図３】本発明に係る熱機関の第２の実施形態のケーシングおよびその周辺の構成およびその動作を模式的に示す断面図であって、（ａ）から（ｄ）の順に進む。
【図４】本発明に係る熱機関の第２の実施形態のケーシングおよびその周辺の構成およびその動作を模式的に示す断面図であって、図３の（ｄ）の次にこの図４の（ａ）につづき、その後、図４の（ｂ）から図４の（ｄ）の順に進む。
【図５】本発明に係る熱機関の第２の実施形態のケーシングおよびその周辺の構成およびその動作を模式的に示す断面図であって、図４の（ｄ）の次にこの図５の（ａ）につづき、その後、図５の（ｂ）から図５の（ｄ）の順に進み、その後に図３の（ａ）に戻る。
【図６】本発明に係る熱機関の第３の実施形態のケーシングおよびその周辺の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明に係る熱機関の実施形態について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１４】
［第１の実施形態］
（第１の実施形態の構成）
初めに、図１を参照して、この実施形態の熱機関の構成を説明する。図１は、本発明に係る熱機関の第１の実施形態の構成を模式的に示す系統図である。
【００１５】
シリンダ状のケーシング１１内を往復ピストン１２が摺動しながら往復できるようになっている。ケーシング１１は、第１の端部１３と第２の端部１４で閉じていて密閉空間が形成されている。ケーシング１１内の密閉空間は、往復ピストン１２によって、第１の部分密閉空間１５と第２の部分密閉空間１６に、気密に仕切られている。
【００１６】
往復ピストン１２にはピストンロッド１７が取り付けられ、ピストンロッド１７は、第２の端部１４を貫通して延びている。ピストンロッド１７が第２の端部１４を貫通する部分で第２の部分密閉空間１６の気密が保たれるように構成されている。
【００１７】
ピストンロッド１７は、ケーシング１１の外側で接続ロッド１８の一端に接続され、接続ロッド１８の他端はクランク軸１９に接続されている。ピストンロッド１７、接続ロッド１８およびクランク軸１９はリンク機構を構成し、往復ピストン１２の往復運動をクランク軸１９の回転運動に変換できるように構成されている。クランク軸１９には、例えば発電機（図示せず）が接続されている。
【００１８】
ケーシング１１の第１の部分密閉空間１５に、第１の気体供給配管２０ａ、第１の過冷却液供給配管２１ａ、第１の液体排出配管２２ａが接続されている。ケーシング１１の第２の部分密閉空間１６に、第２の気体供給配管２０ｂ、第２の過冷却液供給配管２１ｂ、第２の液体排出配管２２ｂが接続されている。第１の気体供給配管２０ａ、第１の過冷却液供給配管２１ａ、第１の液体排出配管２２ａにはそれぞれ、第１の気体供給弁２３ａ、第１の過冷却液供給弁２４ａ、第１の液体排出弁２５ａが接続されている。第２の気体供給配管２０ｂ、第２の過冷却液供給配管２１ｂ、第２の液体排出配管２２ｂにはそれぞれ、第２の気体供給弁２３ｂ、第２の過冷却液供給弁２４ｂ、第２の液体排出弁２５ｂが接続されている。
【００１９】
第１の液体排出配管２２ａおよび第２の液体排出配管２２ｂの下流側に、作動媒体を貯留するタンク３０が配置されている。また、タンク３０内の作動媒体を加熱する加熱器３１および、タンク３０内の作動媒体を冷却する冷却器３２が配置されている。さらに、タンク３０内の作動媒体を加熱器３１に送る加熱器用ポンプ３３と、タンク３０内の作動媒体を冷却器３２に送る冷却器用ポンプ３４が配置されている。
【００２０】
加熱器３１の下流側は、第１の気体供給配管２０ａおよび第２の気体供給配管２０ｂに接続されている。冷却器３２の下流側は、第１の過冷却液供給配管２１ａおよび第２の過冷却液供給配管２１ｂに接続されている。
【００２１】
第１の気体供給弁２３ａ、第２の気体供給弁２３ｂ、第１の過冷却液供給弁２４ａ、第２の過冷却液供給弁２４ｂ、第１の液体排出弁２５ａ、および、第２の液体排出弁２５ｂの開閉を制御するための制御装置４０が設けられている。
【００２２】
ケーシング１１は、鋼等の金属製の構造材料部１１ａと、構造材料部１１ａの内面の一部または全部を覆うように構造材料部１１ａに沿って配置された内表面部１１ｂとからなる。内表面部１１ｂは、ガラスやプラスチック、セラミック等の、金属よりも熱伝導率の低い材料からなる。
【００２３】
冷却器３２の冷熱源としては、たとえば氷雪を用いることができる。
【００２４】
第１の過冷却液供給配管２１ａおよび第２の過冷却液供給配管２１ｂが、それぞれ、第１の部分密閉空間１５および第２の部分密閉空間１６に接続される位置には、好ましくは、過冷却液が第１の部分密閉空間１５および第２の部分密閉空間１６に霧状に噴射されるような噴霧ノズル（図示せず）が取り付けられている。さらに、噴霧ノズルは、第１の部分密閉空間１５および第２の部分密閉空間１６の上部に配置されるのが望ましい。
【００２５】
作動媒体は、たとえばブタンである。ブタンの沸点は大気圧では−０．５℃であるが、圧力を大気圧よりも若干高くすれば沸点が高くなるので、氷雪によって容易に液化させることができる。
【００２６】
（第１の実施形態の動作）
次に、この実施形態の動作を説明する。図２は、第１の実施形態の動作を示す模式的断面図であって、往復ピストンの動きとケーシングにおける媒体の流れを示す。（ａ）から（ｄ）の順に進み、その後に（ａ）に戻る。
【００２７】
図２（ａ）に示す状態では、第２の気体供給弁２３ｂ（図１）が開き、第２の気体供給配管２０ｂを通じて第２の部分密閉空間１６内に高温・高圧の気体状態の作動媒体が供給される。それによって第２の部分密閉空間１６内の圧力が上昇し、この圧力によって、往復ピストン１２は第１の端部１３に向かって押される。このとき、第１の過冷却液供給弁２４ａ（図１）が開き、第１の過冷却液供給配管２１ａを通じて第１の部分密閉空間１５内に過冷却液が供給される。これにより、第１の部分密閉空間１５内にあった気体状態の作動媒体が凝縮する。この凝縮によって第１の部分密閉空間１５内の圧力は急激に低下する。
【００２８】
往復ピストン１２は、第１の部分密閉空間１５と第２の部分密閉空間１６の圧力の差によって駆動されるので、この第１の部分密閉空間１５内の圧力低下により、往復ピストン１２が第１の端部１３に向けて駆動される力が大きくなる。
【００２９】
つぎに、図２（ｂ）に示す状態では、往復ピストン１２が第１の端部１３に向けてさらに移動し、第１の過冷却液供給弁２４ａ（図１）が閉じられて、第１の部分密閉空間１５内への過冷却液が供給は停止する。さらに、第１の液体排出弁２５ａ（図１）が開かれ、第１の部分密閉空間１５内の凝縮液が第１の液体排出配管２２ａを通じて排出される。
【００３０】
つぎに、図２（ｃ）に示す状態では、第１の気体供給弁２３ａ（図１）が開き、第１の気体供給配管２０ａを通じて第１の部分密閉空間１５内に高温・高圧の気体状態の作動媒体が供給されている。それによって第１の部分密閉空間１５内の圧力が上昇し、この圧力によって、往復ピストン１２は第２の端部１４に向かって押される。このとき、第２の過冷却液供給弁２４ｂ（図１）が開き、第２の過冷却液供給配管２１ｂを通じて第２の部分密閉空間１６内に過冷却液が供給される。これにより、第２の部分密閉空間１６内にあった気体状態の作動媒体が凝縮する。この凝縮によって第２の部分密閉空間１６内の圧力は急激に低下する。
【００３１】
往復ピストン１２は、この第２の部分密閉空間１６内の圧力低下により、往復ピストン１２が第２の端部１４に向けて駆動される力が大きくなる。
【００３２】
つぎに、図２（ｄ）に示す状態では、往復ピストン１２が第２の端部１４に向けてさらに移動し、第２の過冷却液供給弁２４ｂ（図１）が閉じられて、第２の部分密閉空間１６内への過冷却液が供給は停止する。さらに、第２の液体排出弁２５ｂ（図１）が開かれ、第２の部分密閉空間１６内の凝縮液が第２の液体排出配管２２ｂを通じて排出される。
【００３３】
つぎに、図２（ａ）に示す状態に戻り、以下、同様の動作が繰り返される。
【００３４】
（第１の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態では、収縮過程にある部分密閉空間側に過冷却液を供給してその部分密閉空間内の凝縮を促進することにより、その収縮過程にある部分密閉空間の圧力を低下させることができる。これにより、往復ピストンの両側の圧力差を大きくして、往復ピストンの駆動力を高めることができる。
【００３５】
また、ケーシング１１の内面を覆う内表面部１１ｂが、ガラスやプラスチック、セラミック等の、金属よりも熱伝導率の低い材料からなることから、高温の気体状態の作動媒体または低温の過冷却液がケーシング１１内に導入されたときに、ケーシング１１の壁を構成する材料全体の温度が上昇または下降することによる熱損失を抑制でき、熱効率を高めることができる。
【００３６】
冷却器３２の冷熱源として氷雪を用いることにより、冷熱源にかけるコストを下げることができる。
【００３７】
第１の過冷却液供給配管２１ａおよび第２の過冷却液供給配管２１ｂが第１の部分密閉空間１５および第２の部分密閉空間１６に接続される位置に噴霧ノズルを取り付けることにより、各部分密閉空間内にある高温の気体状態の作動媒体と過冷却液との混合が促進され、急速な凝縮を起こすことができ、熱効率を高めることができる。
【００３８】
また、過冷却液を上方から噴霧することにより、気体状態の作動媒体と過冷却液との混合が促進される。
【００３９】
［第２の実施形態］
（第２の実施形態の構成）
初めに、図３の（ａ）を参照して、この実施形態の熱機関の構成を説明する。図３の（ａ）は本発明に係る熱機関の第２の実施形態のケーシングおよびその周辺の構成およびその動作を模式的に示す断面図である。
【００４０】
この実施形態では、第１の実施形態のシリンダ状のケーシング１１と往復ピストン１２に代えて、ペリトロコイド（peritrochoid）曲線形状（繭形状）のケーシング５０と回転ピストン５１とを用いる。その他の部分は第１の実施形態とほぼ同様である。
【００４１】
ケーシング５０と回転ピストン５１の構造は、たとえば、従来の回転ピストンエンジン（バンケルエンジン）の構造（特許文献３参照）と同様である。
【００４２】
ケーシング５０の中央に外歯歯車５５が固定され、外歯歯車５５と噛み合う内歯歯車５６が回転ピストン５１に形成されている。回転ピストン５１は、その内歯歯車５６で外歯歯車５５と噛み合いながら外歯歯車５５の周りを偏心回転する。
【００４３】
回転ピストン５１は横断面の形状がほぼ正三角形であって、第１、第２、第３の辺５７、５８、５９を有している。回転ピストン５１の３個の角部はケーシング５０の内壁に接して摺動し、第１、第２、第３の辺５７、５８、５９それぞれとケーシング５０内壁との間に、それぞれ密閉された第１、第２、第３の部分密閉空間６０、６１、６２が形成されている。
【００４４】
回転ピストン５１は、自転しながら、外歯歯車５５の軸心６３の周りを公転する。ただし、回転ピストン５１は、１回自転するごとに１回公転する。軸心６３の周りの回転ピストン５１の公転は、図示しないクランク軸により、回転動力として取り出される。この実施形態では、第１の実施形態におけるピストンロッド１７、接続ロッド１８、およびクランク軸１９（図１）に相当するものは存在しない。
【００４５】
ケーシング５０の側部に、第１の気体供給配管２０ａ、第２の気体供給配管２０ｂ、第１の過冷却液供給配管２１ａ、第２の過冷却液供給配管２１ｂ、第１の液体排出配管２２ａ、第２の液体排出配管２２ｂが接続されている。第１の気体供給配管２０ａと第２の気体供給配管２０ｂは、軸心６３をはさんで互いに反対側に配置されている。第１の過冷却液供給配管２１ａと第２の過冷却液供給配管２１ｂは、軸心６３をはさんで互いに反対側に配置されている。第１の液体排出配管２２ａと第２の液体排出配管２２ｂは、軸心６３をはさんで互いに反対側に配置されている。
【００４６】
第１の実施形態と同様に、第１の気体供給配管２０ａ、第２の気体供給配管２０ｂ、第１の過冷却液供給配管２１ａ、第２の過冷却液供給配管２１ｂ、第１の液体排出配管２２ａ、第２の液体排出配管２２ｂにそれぞれ、第１の気体供給弁２３ａ、第２の気体供給弁２３ｂ、第１の過冷却液供給弁２４ａ、第２の過冷却液供給弁２４ｂ、第１の液体排出弁２５ａ、第２の液体排出弁２５ｂが取り付けられている（図１参照）。タンク３０、加熱器３２、冷却器３３、加熱器用ポンプ３３、冷却器用ポンプ３４、制御装置５０などの配置や構成は第１の実施形態と同様である。
【００４７】
（第２の実施形態の動作）
次に、この実施形態の動作を説明する。この実施形態では、回転ピストン５１の回転に伴って、第１、第２、第３の部分密閉空間６０、６１、６２が膨張と収縮を繰り返す。回転ピストン５１の１回転につき第１、第２、第３の部分密閉空間６０、６１、６２それぞれが膨張と収縮を各１回経験する。そして、第１、第２、第３の部分密閉空間６０、６１、６２それぞれが膨張しているときに、その膨張する部分密閉空間内に気体状態の作動媒体が供給されて、その膨張する密閉空間内の圧力が高められてその気体状態の作動媒体が回転ピストン５１を駆動する。
【００４８】
また、回転ピストン５１の動きに伴って収縮する部分密閉空間内に過冷却液状態の作動媒体が供給されて、その収縮する密閉空間内の作動媒体の凝縮が促進されて、その収縮する部分密閉空間内の作動媒体の圧力が低下することによって、回転ピストン５１の動きが促進される。また、回転ピストン５１の動きに伴って収縮する部分密閉空間から液体状態の作動媒体が排出される。
【００４９】
次に、図３〜図５等を参照しながら、より具体的に、動作を説明する。図３〜図５は、本発明に係る熱機関の第２の実施形態のケーシングおよびその周辺の構成およびその動作を、回転ピストンの３０度回転ごとに、模式的に示す断面図である。図３の（ａ）から（ｄ）の順に進み、次に図４の（ａ）から（ｄ）の順に進み、次に図５の（ａ）から（ｄ）の順に進んで、その後に図３の（ａ）に戻る。
【００５０】
図３（ａ）の状態では、第２の気体供給弁２３ｂ（図１）が開き、第２の気体供給配管２０ｂを通じて第１の部分密閉空間６０内に高温・高圧の気体状態の作動媒体が供給される。それによって第１の部分密閉空間６０内の圧力が上昇し、この圧力によって、回転ピストン５１は、時計方向に回る方向に押される。このとき、第１の過冷却液供給弁２４ａ（図１）が開き、第１の過冷却液供給配管２１ａを通じて第２の部分密閉空間６１内に過冷却液が供給される。これにより、第２の部分密閉空間６１内にあった作動媒体が凝縮する。この凝縮によって第２の部分密閉空間６１内の圧力は急激に低下する。
【００５１】
回転ピストン５１は、第１の部分密閉空間６０と第２の部分密閉空間６１の圧力の差によって時計方向に回る方向に駆動されるので、この第２の部分密閉空間６１内の圧力低下により、回転ピストン５１が回転駆動される力が大きくなる。
【００５２】
次に、図３（ｂ）の状態では、第１の部分密閉空間６０はさらに膨張し、第１の液体排出弁２５ａ（図１）が開いて、第１の液体排出配管２２ａを通じて第２の部分密閉空間６１内の凝縮液が排出されるとともに第２の部分密閉空間６１はさらに収縮する。このとき、第２の過冷却液供給弁２４ｂ（図１）が開いて、第２の過冷却液供給配管２１ｂを通じて第３の部分密閉空間６２内に過冷却液が供給される。これにより、第３の部分密閉空間６２内の気体が凝縮して第３の部分密閉空間６２内の圧力が低下する。このとき第３の部分密閉空間６２内の体積は収縮しつつあり、回転ピストン５１の時計方向回転が促進される。
【００５３】
次に、図３（ｃ）の状態では、第１の部分密閉空間６０の体積は最大となる。そして、このとき、第１の気体供給弁２３ａ（図１）が開き、第１の気体供給配管２０ａを通じて第２の部分密閉空間６１内に高温・高圧の気体状態の作動媒体が供給される。それによって第２の部分密閉空間６１内の圧力が上昇し、この圧力によって、回転ピストン５１は、時計方向に回る方向に押される。このとき、第２の過冷却液供給弁２４ｂ（図１）が開き、第２の過冷却液供給配管２１ｂを通じて第３の部分密閉空間６２内に過冷却液が供給される。これにより、第３の部分密閉空間６２内にあった作動媒体が凝縮する。この凝縮によって第３の部分密閉空間６２内の圧力は急激に低下する。
【００５４】
回転ピストン５１は、第２の部分密閉空間６１と第３の部分密閉空間６２の圧力の差によって時計方向に回る方向に駆動されるので、この第３の部分密閉空間６２内の圧力低下により、回転ピストン５１が回転駆動される力が大きくなる。
【００５５】
次に、図３（ｄ）の状態では、第２の部分密閉空間６１はさらに膨張し、第２の液体排出弁２５ｂ（図１）が開いて、第２の液体排出配管２２ｂを通じて第３の部分密閉空間６２内の凝縮液が排出されるとともに第３の部分密閉空間６２はさらに収縮する。このとき、第１の過冷却液供給弁２４ａ（図１）が開いて、第１の過冷却液供給配管２１ａを通じて第１の部分密閉空間６０内に過冷却液が供給される。これにより、第１の部分密閉空間６０内の気体が凝縮して第１の部分密閉空間６０内の圧力が低下する。このとき第１の部分密閉空間６０内の体積は収縮しつつあり、回転ピストン５１の時計方向回転が促進される。
【００５６】
以下、同様に、図４の（ａ）から（ｄ）の順に進み、さらに、図５の（ａ）から（ｄ）の順に進んで、その後に図３の（ａ）に戻る。
【００５７】
このように回転ピストン５１が回転駆動されるので、この回転力を外部に取り出して、動力として利用することができる。
【００５８】
以上説明した第２の実施形態によれば、往復ピストンの動作を用いずに回転ピストンの回転力を得ることができるので高い効率の動力を得ることができる。また、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
［第３の実施形態］
図６を参照して、第３の実施形態の熱機関の構成を説明する。図６は、本発明に係る熱機関の第３の実施形態のケーシングおよびその周辺の構成を模式的に示す断面図である。
【００６０】
この実施形態は第１の実施形態の変形であって、第１の実施形態の往復ピストン１２の代わりにフリーピストン７０がケーシング１１内に配置されている。第１の実施形態のピストンロッド１７、接続ロッド１８、クランク軸１９に相当するものはない。
【００６１】
フリーピストン７０は、ケーシング１１内で往復摺動する。ケーシング１１内の密閉空間は、フリーピストン７０によって、第１の部分密閉空間１５と第２の部分密閉空間１６に、気密に仕切られている。フリーピストン７０には、永久磁石が取り付けられている。またはフリーピストン７０全体が永久磁石でできていてもよい。
【００６２】
ケーシング１１は第１の実施形態と同様にシリンダ状である。この実施形態では、ケーシング１１の側面外側にコイル７１が巻き付けられている。コイル７１は図示しない電気回路に接続され、フリーピストン７０の移動によってコイル７１に発生する起電力により、発電して外部に電力供給できるように構成されている。
【００６３】
その他の部分は第１の実施形態とほぼ同様である。
【００６４】
この実施形態によれば、第１の実施形態と同様の原理によってフリーピストン７０が往復駆動される。このとき、フリーピストン７０によって生じる磁場が変動するため、コイル７１に起電力が発生する。この起電力を外部に取り出すことにより、この熱機関により発電を行うことができる。この実施形態では、往復運動を回転運動に変換するためのリンク機構が不要である。
【００６５】
［他の実施形態］
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００６６】
例えば、上述の第１の実施形態で、第１の気体供給配管２０ａ、第１の過冷却液供給配管２１ａおよび第１の液体排出配管２２ａがそれぞれ別の位置でケーシング１１の第１の部分密閉空間１５に接続されるものとしたが、これらの配管の一部または全部を共通の接続部でケーシング１１の第１の部分密閉空間１５に取り付けて、ケーシング１１の外側で分岐するようにしてもよい。第２の気体供給配管２０ｂ、第２の過冷却液供給配管２１ｂおよび第２の液体排出配管２２ｂについても同様である。
【００６７】
また、上述の実施形態では、加熱器用ポンプ３３と冷却器用ポンプ３４とを別個に設けるものとしたが、これらのポンプを一つのポンプで兼用し、ポンプの下流側で分岐して加熱器３１と冷却器３２に作動媒体を送ることもできる。
【００６８】
また、上述の実施形態では、弁の開閉の制御を制御装置５０で行うものとしたが、カム機構などにより、たとえばクランク軸１９などの回転動作に合わせて弁が開閉するような構成とすることもできる。
【００６９】
また、上述の実施形態では、作動媒体はたとえばブタンであるとしたが、たとえば、プロパン、または、ブタンとプロパンの混合物を用いることもできる。プロパンはブタンよりも沸点が低いが、冷却器３２の冷熱源として、寒冷地での冬季の氷雪や海水等を用いることにより氷点下の熱源を利用することもできる。また、ブタンとプロパンの混合比を適当に選択することにより、適当な性能の作動媒体を得ることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１１：ケーシング、  １１ａ：構造材料部、  １１ｂ：内表面部、  １２：往復ピストン（ピストン）、  １３：第１の端部、  １４：第２の端部、  １５：第１の部分密閉空間（部分密閉空間）、  １６：第２の部分密閉空間（部分密閉空間）、  １７：ピストンロッド、  １８：接続ロッド、  １９：クランク軸、  ２０ａ：第１の気体供給配管、  ２０ｂ：第２の気体供給配管、  ２１ａ：第１の過冷却液供給配管、  ２１ｂ：第２の過冷却液供給配管、  ２２ａ：第１の液体排出配管、  ２２ｂ：第２の液体排出配管、  ２３ａ：第１の気体供給弁、  ２３ｂ：第２の気体供給弁、  ２４ａ：第１の過冷却液供給弁、  ２４ｂ：第２の過冷却液供給弁、  ２５ａ：第１の液体排出弁、  ２５ｂ：第２の液体排出弁、  ３０：タンク、  ３１：加熱器、  ３２：冷却器、  ３３：加熱器用ポンプ（ポンプ）、  ３４：冷却器用ポンプ（ポンプ）、  ４０：制御装置、  ５０：ケーシング、  ５１：回転ピストン（ピストン）、  ５５：外歯歯車、  ５６：内歯歯車、  ５７：第１の辺、  ５８：第２の辺、  ５９：第３の辺、  ６０：第１の部分密閉空間、  ６１：第２の部分密閉空間、  ６２：第３の部分密閉空間、  ６３：軸心、  ７０：フリーピストン（往復ピストン）  ７１：コイル
【要約】
【課題】低温熱源を動力源として有効に活用できる熱機関を提供する。
【解決手段】熱機関は、作動媒体が循環する密閉サイクルを構成する。ピストン１２は、ケーシング１１の内壁に接しながら摺動してケーシング１１内の密閉空間を複数の部分密閉空間１５、１６に仕切る。部分密閉空間１５、１６は、ピストン１２の動きに伴って膨張と収縮を交互に繰り返す。ピストン１２の動きに伴って膨張する部分密閉空間内に気体状態の作動媒体が供給されて、膨張する密閉空間内の圧力が高められて気体状態の作動媒体がピストン１２を駆動する。ピストン１２の動きに伴って収縮する部分密閉空間内に過冷却液状態の作動媒体が供給されることにより収縮する密閉空間内の作動媒体の凝縮が促進され、収縮する部分密閉空間内の作動媒体の圧力が低下することによって、ピストン１２の動きを促進する。
【選択図】図１【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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