(57)【要約】【課題】熱回収効率を向上させる外燃機関を提供することを課題とする。【解決手段】蒸発器２と凝縮器３を有する外燃機関１において、気体側ロータリバルブユニット５によって蒸発器２の気体側とシリンダ４ｂの気体側とを連通する連通状態と、凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とを連通する連通状態と、蒸発器２の気体側及び凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とを連通する連通状態とを切り替えるとともに、液体側ロータリバルブユニット６によって凝縮器３の液体側とシリンダ４ｂの液体側とを連通する連通状態と、蒸発器２の液体側とシリンダ４ｂの液体側とを連通する連通状態と、蒸発器２の液体側及び凝縮器３の液体側とシリンダ４ｂの液体側とを連通する連通状態とを切り替えることにより、蒸発器２の高圧気体と凝縮器３の低圧気体とを利用してピストン４ａを往復運動させる。【選択図】図１
2014047722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源によって液体の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
気体の作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
液体の作動媒体に浮くピストンと上下方向に配置されるシリンダとを有するピストンユニットと、
前記蒸発器の気体側と前記シリンダの気体側とを連通する気体側第１連通状態と、前記凝縮器の気体側と前記シリンダの気体側とを連通する気体側第２連通状態と、前記蒸発器の気体側及び前記凝縮器の気体側と前記シリンダの気体側とを連通する気体側第３連通状態とを切り替える気体側切替手段と、
前記凝縮器の液体側と前記シリンダの液体側とを連通する液体側第１連通状態と、前記蒸発器の液体側と前記シリンダの液体側とを連通する液体側第２連通状態と、前記蒸発器の液体側及び前記凝縮器の液体側と前記シリンダの液体側とを連通する液体側第３連通状態とを切り替える液体側切替手段と、
を備えることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記気体側切替手段は、複数の流路が形成されたロータリバルブが回転することによって前記気体側第１〜第３連通状態を切り替える気体側ロータリバルブユニットで構成され、
前記液体側切替手段は、複数の流路が形成されたロータリバルブが回転することによって前記液体側第１〜第３連通状態を切り替える液体側ロータリバルブユニットで構成され、
前記気体側ロータリバルブユニットのロータリバルブと前記液体側ロータリバルブユニットのロータリバルブとは、同じ回転数で同期して回転す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】
前記気体側ロータリバルブユニットのロータリバルブ及び前記液体側ロータリバルブユニットのロータリバルブの回転数に基づいて前記ピストンの往復運動の周波数を制御することを特徴とする請求項２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、外燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
外燃機関は、機関外部の熱源（例えば、車両のエンジンの廃熱）を利用し、作動媒体を蒸発／凝縮させることによって熱源の熱エネルギを運動エネルギに変換する。外燃機関には、例えば、作動媒体をポンプで循環させるランキンサイクルによるものがある。外燃機関のランキンサイクルとしては、例えば、特許文献１が知られている。特許文献１には、内燃機関の廃熱回収装置において、内燃機関の廃熱を熱源として高圧蒸気を発生する蒸発器と、高圧蒸気の膨張によって出力を発生する膨張器と、膨張器からの低圧蒸気を液化する凝縮器と、凝縮器からの液体を加圧供給するポンプとを有し、膨張器の各ベーンピストンユニットにおいて高圧蒸気の膨張によってピストンを作動させてベーンを介してロータを回転させるとともに高圧ガスの圧力降下による低圧ガスの膨張によりベーンを介してロータを回転させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３２０３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の外燃機関の場合、特許文献１で開示される外燃機関のように、膨張器では蒸発器からの高圧気体のみを利用して運動エネルギに変換している。そのため、熱源からの熱回収効率に改善の余地がある。
【０００５】
そこで、本発明は、熱回収効率を向上させる外燃機関を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る外燃機関は、熱源によって液体の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、気体の作動媒体を凝縮させる凝縮器と、液体の作動媒体に浮くピストンと上下方向に配置されるシリンダとを有するピストンユニットと、蒸発器の気体側とシリンダの気体側とを連通する気体側第１連通状態と、凝縮器の気体側とシリンダの気体側とを連通する気体側第２連通状態と、蒸発器の気体側及び凝縮器の気体側とシリンダの気体側とを連通する気体側第３連通状態とを切り替える気体側切替手段と、凝縮器の液体側とシリンダの液体側とを連通する液体側第１連通状態と、蒸発器の液体側とシリンダの液体側とを連通する液体側第２連通状態と、蒸発器の液体側及び凝縮器の液体側とシリンダの液体側とを連通する液体側第３連通状態とを切り替える液体側切替手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この外燃機関の蒸発器では、熱源で液体の作動媒体を加熱することによって、液体の作動媒体が蒸発して高圧気体となる。凝縮器では、気体の作動媒体が凝縮して低圧気体となり、液体の作動媒体となる。特に、この外燃機関は、蒸発器と凝縮器の他に、ピストンユニットと気体側切替手段及び液体側切替手段が設けられる。ピストンユニットは、ピストンとシリンダを有している。ピストンは、液体の作動媒体に対して浮くフロート式のフリーピストンである。シリンダは、上下方向に配置され、下方には重力で沈む液体の作動媒体が満たされ、ピストンを挟んだ上方に気体の作動媒体が満たされる。したがって、シリンダ内では、ピストンが液体の作動媒体に浮いた状態で、気体の作動媒体と液体の作動媒体との間で上下に往復運動する。気体側切替手段は、気体側第１連通状態（蒸発器の気体側とシリンダの気体側とが連通）と、気体側第２連通状態（凝縮器の気体側とシリンダの気体側とが連通）と、気体側第３連通状態（蒸発器の気体側及び凝縮器の気体側とシリンダの気体側とが連通）とを切り替える。一方、液体側切替手段は、液体側第１連通状態（凝縮器の液体側とシリンダの液体側とが連通）と、液体側第２連通状態（蒸発器の液体側とシリンダの液体側とが連通）と、液体側第３連通状態（蒸発器の液体側及び凝縮器の液体側とシリンダの液体側とが連通）とを切り替える。気体側切替手段が気体側第１連通状態に切り替え、液体側切替手段が液体側第１連通状態に切り替えると、蒸発器からの高圧気体が上方からピストンを押すとともに凝縮器の低圧気体が下方から液体の作動媒体を介してピストンを引っ張り、ピストンが下方に移動する。次に、気体側切替手段が気体側第３連通状態に切り替え、液体側切替手段が液体側第３連通状態に切り替えると、蒸発器、凝縮器及びピストンユニットが圧力平衡となり、ピストンが基準状態に戻る。次に、気体側切替手段が気体側第２連通状態に切り替え、液体側切替手段が液体側第２連通状態に切り替えると、蒸発器の高圧気体が下方から液体の作動媒体を介してピストンを押すととともに凝縮器の低圧気体が上方からピストンを引っ張り、ピストンが上方に移動する。次に、気体側切替手段が気体側第３連通状態に切り替え、液体側切替手段が液体側第３連通状態に切り替えると、上記したように、ピストンが基準状態に戻る。この動作が繰り返さることによって、シリンダ内でピストンが上下方向に往復運動し、このピストンの往復運動によって運動エネルギが取り出される。この運動エネルギから電気エネルギに変換することもできる。このように、この外燃機関は、蒸発器及び凝縮器とピストンユニットとの気体側及び液体側の連通状態を切り替えることにより、蒸発器の高圧気体及び凝縮器の低圧気体を利用してピストンを往復運動させることができ、熱源の熱エネルギの回収効率を向上させることができる。
【０００８】
本発明の上記外燃機関では、気体側切替手段は、複数の流路が形成されたロータリバルブが回転することによって気体側第１〜第３連通状態を切り替える気体側ロータリバルブユニットで構成され、液体側切替手段は、複数の流路が形成されたロータリバルブが回転することによって液体側第１〜第３連通状態を切り替える液体側ロータリバルブユニットで構成され、気体側ロータリバルブユニットのロータリバルブと液体側ロータリバルブユニットのロータリバルブとは、同じ回転数で同期して回転するようにすると好適である。
【０００９】
この外燃機関の各切替手段は、ロータリバルブを備えるロータリバルブユニットで構成され、ロータリバルブには複数の流路が形成されている。気体側ロータリバルブユニットでは、ロータリバルブが回転することによって各流路で蒸発器の気体側及び／又は凝縮器の気体側とシリンダの気体側とを連通させ、気体側第１連通状態と、気体側第２連通状態と、気体側第３連通状態とを切り替えることができる。液体側ロータリバルブユニットでは、ロータリバルブが回転することによって各流路で蒸発器の液体側及び／又は凝縮器の液体側とシリンダの液体側とを連通させ、液体側第１連通状態と、液体側第２連通状態と、液体側第３連通状態とを切り替えることができる。この気体側ロータリバルブユニットのロータリバルブと液体側ロータリバルブユニットのロータリバルブとを同じ回転数で同期して回転させることによって、気体側第１連通状態と液体側第１連通状態とが同期して切り替わり、気体側第２連通状態と液体側第２連通状態とが同期して切り替わり、気体側第３連通状態と液体側第３連通状態とが同期して切り替わる。このように、この外燃機関は、連通状態を切り替えるための複数の流路を有するロータリバルブによって切替手段を構成することにより、切替手段を小型化できるとともに、ロータリバルブを回転させるだけで３つの連通状態を切り替えることができるので、切り替えに必要な動力を低減でき、制御も容易である。
【００１０】
本発明の上記外燃機関では、気体側ロータリバルブユニットのロータリバルブ及び液体側ロータリバルブユニットのロータリバルブの回転数に基づいてピストンの往復運動の周波数を制御すると好適である。
【００１１】
この外燃機関では、気体側及び液体側のロータリバルブの回転数を高くすることによって、ピストンの往復運動の周波数が高くなり（単位時間当たりピストンの往復回数が多くなり）、必要な熱エネルギ及び取り出される運動エネルギが多くなる。また、外燃機関では、気体側及び液体側のロータリバルブの回転数を低くすることによって、ピストンの往復運動の周波数が低くなり（単位時間当たりピストンの往復回数が少なくなり）、必要な熱エネルギ及び取り出される運動エネルギが少なくなる。例えば、熱源の熱エネルギ（熱量）が多いほど、ロータリバルブの回転数を高くして、ピストンの往復運動の周波数を高くすることにより、多くの運動エネルギを取り出せる。このように、この外燃機関は、気体側及び液体側のロータリバルブの回転数によってピストンの往復運動の周波数を制御することができ、外燃機関の出力を制御できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、蒸発器及び凝縮器とピストンユニットとの気体側及び液体側の連通状態を切り替えることにより、蒸発器の高圧気体及び凝縮器の低圧気体を利用してピストンを往復運動させることができ、熱源の熱エネルギの回収効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態に係る外燃機関の概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【図３】図１の外燃機関の動作図であり、（ａ）〜（ｃ）がピストンが下方に移動する過程であり、（ｄ）がピストンが基準状態に戻る過程であり、（ｅ）〜（ｇ）がピストンが上方に移動する過程であり、（ｈ）がピストンが基準状態に戻る過程である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る外燃機関の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
本実施の形態に係る外燃機関は、廃熱等の機関外部の熱源から熱エネルギを回収する機関であり、例えば、車両に搭載され、車両のエンジンの冷却水あるいは排気ガスを熱源とする。本実施の形態に係る外燃機関は、蒸発器と凝縮器を備え、蒸発器と凝縮器との間で作動媒体を循環させるランキンサイクルに相当するシステムである。
【００１６】
図１及び図２を参照して、本実施の形態に係る外燃機関１を説明する。図１は、本実施の形態に係る外燃機関の概略構成図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【００１７】
外燃機関１は、蒸発器で発生する高圧気体と凝縮器で発生する低圧気体を同時に利用するために、ロータリバルブを回転させることによって高圧気体と低圧気体を同時にフリーピストンに作用させ、フリーピストンを上下に往復運動させる。そのために、外燃機関１は、蒸発器２、凝縮器３、ピストンユニット４、気体側ロータリバルブユニット５（気体側切替手段）、液体側ロータリバルブユニット６（液体側切替手段）、接続管７ａ〜７ｆを備えている。なお、外燃機関１は、図示しないコントローラやモータ等も備えている。
【００１８】
蒸発器２は、回収対象の熱源によって作動媒体を加熱し、液体の作動媒体を蒸発（気化）させる。蒸発器２内は、一方側が液体の作動媒体であり、他方側が気化した気体の作動媒体である。加熱された作動媒体は、高圧となっている。蒸発器２については、周知の一般的な蒸発器の構成を採用することができる。
【００１９】
凝縮器３は、冷却熱源によって作動媒体を冷却（放熱）し、気体の作動媒体を凝縮（液化）させる。凝縮器３内は、一方側が気体の作動媒体であり、他方側が液化した液体の作動媒体である。冷却された作動媒体は、低圧となっている。凝縮器３については、周知の一般的な凝縮器の構成を採用することができる。
【００２０】
なお、作動媒体は、種々のものを用いることができ、特に限定しない。例えば、凝縮器３における冷却熱源として外気（空気）を利用する場合、作動媒体は、沸点が外気温度付近であるものが望ましい。
【００２１】
ピストンユニット４は、ピストン４ａとシリンダ４ｂを備えている。ピストン４ａは、作動媒体よりも比重が小さい材料で形成され、所定の厚さを有する円板状の部材である。ピストン４ａは、液体の作動媒体に対して浮くフロート式のフリーピストンである。シリンダ４ｂは、円筒状の部材であり、内部にピストン４ａが移動自在に収納されている。シリンダ４ｂは、上下方向（鉛直方向）に配置される。したがって、シリンダ４ｂ内は、重力によって下方側に液体の作動媒体が沈んで満たされ、ピストン４ａを挟んだ上方側には気体の作動流体が満たされる。なお、ピストン４ａの上面にスプリング４ｃを設け、スプリング４ｃによってピストン４ａの移動量を調整してもよい。
【００２２】
ピストン４ａがシリンダ４ｂ内で上下方向に往復運動することによって、熱源の熱エネルギが運動エネルギとして取り出される。さらに、例えば、ピストンユニット４にリニア発電機を取り付けることにより、その運動エネルギが電気エネルギに変換されて、熱源の熱エネルギを電気エネルギとして回収（発電回生）できる。また、ピストン４ａにクランク機構を取り付けて、運動エネルギ（動力）をそのまま回収できる。
【００２３】
気体側ロータリバルブユニット５と液体側ロータリバルブユニット６とは、ロータリバルブを用いた同一の構造を有しており、ロータリバルブを回転させることによって蒸発器２及び凝縮器３とピストンユニット４との連通状態を切り替える。その同一の構造を、図２も参照して、気体側ロータリバルブユニット５の構造で説明する。
【００２４】
気体側ロータリバルブユニット５は、ケーシング５ａとロータリバルブ５ｂを備えている。ケーシング５ａは、両端部が塞がれた中空の円筒状部材であり、内部にロータリバルブ５ｂを回転可能な状態で収納する。ロータリバルブ５ｂは、円柱状部材であり、この円柱状部材の中に３本の流路５ｃ，５ｄ，５ｅが形成されている。流路５ｃは、円柱状部材の中心軸（ロータリバルブ５ｂの回転軸Ｃ）に対して垂直に形成され、円柱状部材の側面から反対側の側面までを貫通する孔である。この流路５ｃは、ロータリバルブ５ｂが回転することによって蒸発器２の気体側及び凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とを繋げる連通路になる。流路５ｄは、円柱状部材の中心軸上（流路５ｃに対して垂直）に形成され、流路５ｃの中央部から円柱状部材の一端面まで貫通する孔である。この流路５ｄは、シリンダ４ｂの気体側と常時繋がる連通路であり、流路５ｃ及び流路５ｅとも繋がる。流路５ｅは、流路５ｃの中央部から円柱状部材の側面まで貫通する孔であり、流路５ｃに対して垂直に形成されるとともに流路５ｄに対しても垂直に形成される。この流路５ｅは、ロータリバルブ５ｂが回転することによって蒸発器２の気体側とシリンダ４ｂの気体側とを繋げる連通路になるとともに凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とを繋げる連通路にもなる。流路５ｃと流路５ｅとは同じ平面上の流路であり、流路５ｄは流路５ｃ，５ｅの平面と直交する平面上の流路である。なお、図１及び図３では、流路５ｃ、流路５ｄ、流路５ｅを同じ平面上に描いているが、これは連通状態を判り易く説明するためである。
【００２５】
ケーシング５ａの円筒状部材の側壁には、流路５ｃの両端に対応した各位置（また、ロータリバルブ５ｂが回転することによって流路５ｅの一端に対応した位置にもなる）に２つの貫通孔（バルブ出入口ポート５ｆ，５ｇ）が形成されている。バルブ出入口ポート５ｆは、蒸発器２の気体側と接続する接続管７ａに繋がっている。バルブ出入口ポート５ｇは、凝縮器３の気体側と接続する接続管７ｂに繋がっている。また、ケーシング５ａの円筒状部材の一端部の壁には、流路５ｄの一端に対応した位置（ロータリバルブ５ｂの円柱状部材の中心軸上）に貫通孔（バルブ出入口ポート５ｈ）が形成されている。バルブ出入口ポート５ｈは、シリンダ４ｂの気体側と接続する接続管７ｅに繋がっている。
【００２６】
なお、図１に示すバルブ出入口ポート５ｆ，５ｇ，６ｆ，６ｇの角度θを調整することにより、蒸発器２及び凝縮器３とピストンユニット４（シリンダ４ｂ）との気体の排出量／流入量や液体の排出量／流入量を設定することができる。蒸発器２で液体の作動媒体が蒸発して気化する能力（蒸発時間、気体流量等）、凝縮器３で気体の作動媒体が凝縮して液化する能力（凝縮時間、液体流量等）を考慮して、バルブ出入口ポート角度θを調整するとよい。
【００２７】
また、ロータリバルブ５ｂの円柱状部材の他端面の中心軸上に、回転軸５ｉが取り付けられている。回転軸５ｉは、ケーシング５ａの円筒状部材の他端部の壁を突き抜けてケーシング５ａの外側まで延び、他端にプーリ５ｊが取り付けられている。プーリ５ｊには、ベルト（図示せず）が掛けられている。このベルトには、液体側ロータリバルブユニット６のプーリ（図示せず）も掛けられ、さらに、モータ（図示せず）の出力軸が取り付けられるプーリも掛けられている。このプーリ及びベルトを介して、モータによってロータリバルブ５ｂ，６ｂを回転させる。なお、プーリ及びベルトの代わりに、ギア等の他の機構を用いて、モータの回転を伝達する構成としてもよい。
【００２８】
モータは、コントローラ（図示せず）によって制御される。コントローラ（外燃機関１が車両に搭載される場合にはＥＣＵ[Electronic Control Unit]）は、ＣＰＵ[CentralProcessing Unit]、ＲＯＭ[ReadOnly Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]等からなる制御装置である。コントローラでは、ロータリバルブ５ｂ，６ｂの目標回転数（あるいは、ピストン４ａの目標周波数）を設定し、その目標回転数（あるいは、目標周波数）になるためのモータの目標回転数を設定し、その目標回転数になるための電流をモータに供給する。ロータリバルブ目標回転数（あるいは、ピストン目標周波数）を設定する際に、例えば、回収熱源の熱エネルギ（入熱量）に基づいて目標回転数又は目標周波数を設定し、熱エネルギが多いほど目標回転数を高くしたりあるいは目標周波数を高くする。
【００２９】
気体側ロータリバルブユニット５では、ロータリバルブ５ｂが１回転する間に、流路５ｃの両端がバルブ出入口ポート５ｆ，５ｇと２回連通し、流路５ｅの一端がバルブ出入口ポート５ｆと１回連通し、流路５ｅの一端がバルブ出入口ポート５ｇと１回連通する。流路５ｃの両端がバルブ出入口ポート５ｆ，５ｇと連通すると、接続管７ｅ、バルブ出入口ポート５ｈ、流路５ｄ、流路５ｃ、バルブ出入口ポート５ｆ、接続管７ａが繋がって蒸発器２の気体側とシリンダ４ｂの気体側とが連通状態となるとともに、接続管７ｅ、バルブ出入口ポート５ｈ、流路５ｄ、流路５ｃ、バルブ出入口ポート５ｇ、接続管７ｂが繋がって凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とが連通状態となる。流路５ｅの一端がバルブ出入口ポート５ｆと連通すると、接続管７ｅ、バルブ出入口ポート５ｈ、流路５ｄ、流路５ｅ、バルブ出入口ポート５ｆ、接続管７ａが繋がって蒸発器２の気体側とシリンダ４ｂの気体側とが連通状態となる。流路５ｅの一端がバルブ出入口ポート５ｇと連通すると、接続管７ｅ、バルブ出入口ポート５ｈ、流路５ｄ、流路５ｅ、バルブ出入口ポート５ｇ、接続管７ｂが繋がって凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とが連通状態となる。
【００３０】
液体側ロータリバルブユニット６は、ロータリバルブ６ｂが１回転する間に、流路６ｃの両端がバルブ出入口ポート６ｆ，６ｇと２回連通し、流路６ｅの一端がバルブ出入口ポート６ｆと１回連通し、流路６ｅの一端がバルブ出入口ポート６ｇと１回連通する。流路６ｃの両端がバルブ出入口ポート６ｆ，６ｇと連通すると、接続管７ｆ、バルブ出入口ポート、流路６ｄ、流路６ｃ、バルブ出入口ポート６ｆ、接続管７ｃが繋がって蒸発器２の液体側とシリンダ４ｂの液体側とが連通状態となるとともに、接続管７ｆ、バルブ出入口ポート、流路６ｄ、流路６ｃ、バルブ出入口ポート６ｇ、接続管７ｄが繋がって凝縮器３の液体側とシリンダ４ｂの液体側とが連通状態となる。流路６ｅの一端がバルブ出入口ポート６ｆと連通すると、接続管７ｆ、バルブ出入口ポート、流路６ｄ、流路６ｅ、バルブ出入口ポート６ｆ、接続管７ｃが繋がって蒸発器２の液体側とシリンダ４ｂの液体側とが連通状態となる。流路６ｅの一端がバルブ出入口ポート６ｇと連通すると、接続管７ｆ、バルブ出入口ポート、流路６ｄ、流路６ｅ、バルブ出入口ポート６ｇ，接続管７ｄが繋がって凝縮器３の液体側とシリンダ４ｂの液体側とが連通状態となる。
【００３１】
気体側ロータリバルブユニット５のロータリバルブ５ｂと液体側ロータリバルブユニット６のロータリバルブ６ｂとは、同一のモータで回転するので、同一の回転数で同期して回転する。また、ロータリバルブ５ｂとロータリバルブ６ｂとは、流路５ｅの一端とバルブ出入口ポート５ｆとが連通したときに流路６ｅの一端とバルブ出入口ポート６ｇとが連通し、流路５ｅの一端とバルブ出入口ポート５ｇとが連通したときに流路６ｅの一端とバルブ出入口ポート６ｆとが連通するように、回転時に流路５ｅと流路６ｅとが１８０°異なる位置になるように調整されている。これによって、気体側ロータリバルブユニット５側で流路５ｃの両端とバルブ出入口ポート５ｆ，５ｇとが連通しているときには液体側ロータリバルブユニット６側でも流路６ｃの両端とバルブ出入口ポート６ｆ，６ｇとが連通し、気体側ロータリバルブユニット５側で流路５ｅの一端とバルブ出入口ポート５ｆとが連通しているときには液体側ロータリバルブユニット６側で流路６ｅの一端とバルブ出入口ポート６ｇとが連通し、気体側ロータリバルブユニット５側で流路５ｅの一端とバルブ出入口ポート５ｇとが連通しているときには液体側ロータリバルブユニット６側で流路６ｅの一端とバルブ出入口ポート６ｆとが連通する。
【００３２】
図３を参照して、外燃機関１の動作について説明する。図３は、図１の外燃機関の動作図であり、（ａ）〜（ｃ）がピストンが下方に移動する過程であり、（ｄ）がピストンが基準状態に戻る過程であり、（ｅ）〜（ｇ）がピストンが上方に移動する過程であり、（ｈ）がピストンが基準状態に戻る過程である。図３（ａ）〜（ｈ）はロータリバルブ５ｂ，６ｂが１回転する間の動作であり、この動作がロータリバルブ５ｂ，６ｂが回転する毎に繰り返される。
【００３３】
図３（ａ）〜（ｈ）に示すように、常時、ロータリバルブ５ｂの流路５ｄと接続管７ｅとはバルブ出入口ポートを介して連通している。したがって、シリンダ４ｂの気体側は、常時、ロータリバルブ５ｂの流路５ｄに連通している。また、常時、ロータリバルブ６ｂの流路６ｄと接続管７ｆとはバルブ出入口ポートを介して連通している。したがって、シリンダ４ｂの液体側は、常時、ロータリバルブ６ｂの流路６ｄに連通している。
【００３４】
図３（ａ）では、ロータリバルブ５ｂの流路５ｃ，５ｅはいずれの接続管７ａ，７ｂとも連通しておらず、ロータリバルブ６ｂの流路６ｃ，６ｅはいずれの接続管７ｃ，７ｄとも連通していない。この際、蒸発器２では、液体の作動媒体が蒸発し、液体の作動媒体が気化して高圧気体となっている。一方、凝縮器３では、気体の作動媒体が凝縮し、作動媒体が低圧気体となり、液化して液体となる。
【００３５】
図３（ｂ）では、図３（ａ）の状態からロータリバルブ５ｂが回転し、ロータリバルブ５ｂの流路５ｅがバルブ出入口ポートを介して接続管７ａと連通している。したがって、蒸発器２の気体側とシリンダ４ｂの気体側とは連通状態にある（気体側第１連通状態に相当）。そのため、蒸発器２から出た高圧気体が、接続管７ａ、流路５ｅ、流路５ｄ、接続管７ｅを通ってシリンダ４ｂ内に入り、ピストン４ａを下方に押す。同時に、図３（ａ）の状態からロータリバルブ６ｂが回転し、ロータリバルブ６ｂの流路６ｅがバルブ出入口ポートを介して接続管７ｄと連通している。したがって、凝縮器３の液体側とシリンダ４ｂの液体側とは連通状態にある（液体側第１連通状態に相当）。そのため、凝縮器３の低圧気体によって、接続管７ｄ、流路６ｅ、流路６ｄ、接続管７ｆを通る液体の作動媒体を介して、ピストン４ａを下方に引っ張る。
【００３６】
図３（ｃ）では、図３（ｂ）の状態からロータリバルブ５ｂ，６ｂが回転し、ロータリバルブ５ｂの流路５ｃ，５ｅはいずれの接続管７ａ，７ｂとも連通しておらず、ロータリバルブ６ｂの流路６ｃ，６ｅはいずれの接続管７ｃ，７ｄとも連通していない。この際、蒸発器２では、更に、液体の作動媒体が蒸発し、液体の作動媒体が高圧気体となっている。一方、凝縮器３では、更に、気体の作動媒体が凝縮し、作動媒体が低圧気体となり、液化して液体となっている。ピストン４ａは、下方に押し下げられた状態である。
【００３７】
図３（ｄ）では、図３（ｃ）の状態からロータリバルブ５ｂが回転し、ロータリバルブ５ｂの流路５ｃがバルブ出入口ポートを介して接続管７ａ及び接続管７ｂと連通している。したがって、蒸発器２の気体側とシリンダ４ｂの気体側とは連通状態にあるとともに、凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とは連通状態にある（気体側第３連通状態に相当）。同時に、図３（ｃ）の状態からロータリバルブ６ｂが回転し、ロータリバルブ６ｂの流路６ｃがバルブ出入口ポートを介して接続管７ｃ及び接続管７ｄと連通している。したがって、蒸発器２の液体側とシリンダ４ｂの液体側とは連通状態にあるとともに、凝縮器３の液体側とシリンダ４ｂの液体側とは連通状態にある（液体側第３連通状態に相当）。そのため、蒸発器２、凝縮器３及びピストンユニット４は圧力平衡となり、ピストン４ａが下方から基準状態に戻る。
【００３８】
図３（ｅ）に示すように、図３（ｄ）の状態からロータリバルブ５ｂ，６ｂが回転し、ロータリバルブ５ｂの流路５ｃ，５ｅはいずれの接続管７ａ，７ｂとも連通しておらず、ロータリバルブ６ｂの流路６ｃ，６ｅはいずれの接続管７ｃ，７ｄとも連通していない。この際、蒸発器２では、液体の作動媒体が蒸発し、液体の作動媒体が高圧気体となっている。一方、凝縮器３では、気体の作動媒体が凝縮し、作動媒体が低圧気体となり、液化して液体となる。
【００３９】
図３（ｆ）に示すように、図３（ｅ）の状態からロータリバルブ５ｂが回転し、ロータリバルブ５ｂの流路５ｅがバルブ出入口ポートを介して接続管７ｂと連通している。したがって、凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とは連通状態にある（気体側第２連通状態に相当）。そのため、凝縮器３の低圧気体が、接続管７ｂ、流路５ｅ、流路５ｄ、接続管７ｅを介して、ピストン４ａを上方に引っ張る。同時に、図３（ｅ）の状態からロータリバルブ６ｂが回転し、ロータリバルブ６ｂの流路６ｅがバルブ出入口ポートを介して接続管７ｃと連通している。したがって、蒸発器２の液体側とシリンダ４ｂの液体側とは連通状態にある（液体側第２連通状態に相当）。そのため、蒸発器２の高圧気体によって、接続管７ｃ、流路６ｅ、流路６ｄ、接続管７ｆを通る液体の作動媒体を介して、ピストン４ａを上方に押す。
【００４０】
図３（ｇ）に示すように、図３（ｆ）の状態からロータリバルブ５ｂ，６ｂが回転し、ロータリバルブ５ｂの流路５ｃ，５ｅはいずれの接続管７ａ，７ｂとも連通しておらず、ロータリバルブ６ｂの流路６ｃ，６ｅはいずれの接続管７ｃ，７ｄとも連通していない。この際、蒸発器２では、更に、液体の作動媒体が蒸発し、液体の作動媒体が高圧気体となっている。一方、凝縮器３では、更に、気体の作動媒体が凝縮し、作動媒体が低圧気体となり、液化して液体となっている。ピストン４ａは、上方に押された状態である。
【００４１】
図３（ｈ）に示すように、図３（ｇ）の状態からロータリバルブ５ｂが回転し、ロータリバルブ５ｂの流路５ｃがバルブ出入口ポートを介して接続管７ａ及び接続管７ｂと連通している。したがって、蒸発器２の気体側とシリンダ４ｂの気体側とは連通状態にあるとともに、凝縮器３の気体側とシリンダ４ｂの気体側とは連通状態にある（気体側第３連通状態に相当）。同時に、図３（ｇ）の状態からロータリバルブ６ｂが回転し、ロータリバルブ６ｂの流路６ｃがバルブ出入口ポートを介して接続管７ｃ及び接続管７ｄと連通している。したがって、蒸発器２の液体側とシリンダ４ｂの液体側とは連通状態にあるとともに、凝縮器３の液体側とシリンダ４ｂの液体側とは連通状態にある（液体側第３連通状態に相当）。そのため、蒸発器２、凝縮器３及びピストンユニット４は圧力平衡となり、ピストン４ａが上方から基準状態に戻る。
【００４２】
上記の一連の動作が繰り返されることにより、ピストン４ａが上下に往復運動する。このピストン４ａの往復運動が運動エネルギとなって取り出され、蒸発器２に入力される熱源の熱エネルギを回収できる。このピストン４ａの往復運動の周波数は、コントローラのモータ制御によるロータリバルブ５ｂ，６ｂの回転数によって決まる。ロータリバルブ５ｂ，６ｂの回転数が高くなるほど、ピストン４ａの往復運動の周波数が高くなり、熱源の熱エネルギから多くの運動エネルギを取り出せる。
【００４３】
この外燃機関１によれば、蒸発器２及び凝縮器３とピストンユニット４との気体側及び液体側の連通状態を気体側ロータリバルブユニット５及び液体側ロータリバルブユニット６で同期させて切り替えることにより、蒸発器２で発生する高圧気体及び凝縮器３で発生する低圧気体を同時に利用してフロート式のピストン４ａを上下方向に往復運動させることができるので、熱源の熱エネルギの回収効率を向上させることができる。
【００４４】
また、この外燃機関１によれば、ロータリバルブユニット５、６によって３つの連通状態の切替手段を構成することにより、ロータリバルブ５ｂ，６ｂ内に連通状態を切り替えるための３本の流路を形成できるとともにロータリバルブ５ｂ、６ｂを回転させるだけで連通状態を切り替えることができるので、装置構成を小型化できる。さらに、ロータリバルブ５ｂ，６ｂを回転させるだけで、３つの連通状態を切り替えることができるので、切り替えに必要な動力を低減でき、制御も容易である。
【００４５】
また、この外燃機関１によれば、ロータリバルブ５ｂ，６ｂの回転数によってピストン４ａの往復運動の周波数を制御することができ、外燃機関の出力（例えば、回収する運動エネルギや電気エネルギ）を制御できる。さらに、回収熱源の熱エネルギ（入熱量）に基づいてロータリバルブ５ｂ，６ｂの回転数を制御することによって、回収熱源の熱エネルギに応じて外燃機関の出力を制御できる。
【００４６】
この外燃機関１が車両に搭載され、エンジンの冷却水あるいは排気ガスを熱源とする場合、エンジンの廃熱を高効率に回収することができ、燃費を向上できる。また、この外燃機関１は、冷却水のような低温熱源の回収において非常に有効な外燃機関である。
【００４７】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００４８】
例えば、本実施の形態では外燃機関を車両に搭載し、車両のエンジンの廃熱を回収する構成を例に示したが、車両以外の内燃機関の廃熱を回収する構成でもよいし、外燃機関単体で構成してもよい。
【００４９】
また、本実施の形態ではロータリバルブを用いて連通状態の切替手段を構成したが、切替バルブによる管路の切替等の他の形態で切替手段を構成してもよい。
【００５０】
また、本実施の形態ではロータリバルブ内に３本の流路を形成して、３つの連通状態を切り替える構成としたが、ロータリバルブ内に形成する流路の構成については他の様々な構成が適用可能である。例えば、ロータリバルブ内の流路の本数を増やすことによって、ロータリバルブの１回の回転で、３つの連通状態の切り替えを複数回行い、ピストンの往復運動を複数回行う構成も考えられる。
【００５１】
また、本実施の形態ではコントローラを備え、コントローラでモータを制御してロータリバルブの回転数（ひいては、ピストンの周波数）を制御する構成としたが、コントローラを備えない構成としてもよい。コントローラがない場合、モータをＯＮ／ＯＦＦし、モータがＯＮのときにはモールの一定の回転数でロータリバルブを回転させる。また、ロータリバルブ以外で切替手段を構成する場合には、その切替手段に応じたアクチュエータを用いる。
【符号の説明】
【００５２】
１…外燃機関、２…蒸発器、３…凝縮器、４…ピストンユニット、４ａ…ピストン、４ｂ…シリンダ、４ｃ…スプリング、５…気体側ロータリバルブユニット、５ａ…ケーシング、５ｂ…ロータリバルブ、５ｃ，５ｄ，５ｅ…流路、５ｆ，５ｇ，５ｈ…バルブ出入口ポート、５ｉ…回転軸、５ｊ…プーリ、６…液体側ロータリバルブユニット，６ｂ…ロータリバルブ、６ｃ，６ｄ，６ｅ…流路、６ｆ，６ｇ…バルブ出入口ポート、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ…接続管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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