(57)【要約】【課題】機関出力の最適化を図ることが可能な外燃機関を提供する。【解決手段】制御装置５０は、外燃機関１０の機関出力が最適となる際の機関効率ηおよび加熱部１１ａの熱源と作動流体１５との間の熱交換量Ｑを予測し、予測した機関効率ηおよび熱交換量Ｑから機関出力Ｗの目標出力を算出する。さらに、制御装置５０は、機関出力の目標出力からエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を設定すると共に、当該目標値を液体ピストンの駆動周波数の目標周波数に換算する。そして、制御装置５０は、液体ピストンの駆動周波数が目標周波数となるように、発電機１２の外部負荷を増減する負荷調整回路３０を制御する。【選択図】図７
2014173490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体（１５）が液体状態で流動可能に封入された管状の主容器（１１）と、
前記主容器における一端部側の部位に形成され、前記主容器の内部に存する前記作動流体の一部を加熱して蒸発させる加熱部（１１ａ）と、
前記主容器における前記加熱部よりも他端部側の部位に形成され、前記加熱部にて蒸発した前記作動流体の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１１ｂ）と、
前記主容器の他端部に設けられ、前記作動流体の液相部分の変位を機械エネルギに変換して出力する出力部（１２）と、
前記加熱部と前記冷却部との間に存する熱抵抗を調整する熱抵抗調整手段（１７２、２６、３０）と、
機関出力が最適となる際の機関効率および前記加熱部の熱源と前記作動流体との間の熱交換量を予測し、予測した前記機関効率および前記熱交換量から前記機関出力の目標出力を算出する目標出力算出手段（５０ｂ）と、
前記目標出力算出手段にて算出された前記目標出力から前記熱抵抗の目標値を設定し、前記熱抵抗が前記目標値となるように前記熱抵抗調整手段を制御する熱抵抗制御手段（５０ｃ）と、
を備えることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記熱抵抗調整手段は、前記作動流体の液相部分の駆動周波数を調整する駆動周波数調整手段（３０）で構成されており、
前記熱抵抗制御手段は、前記熱抵抗の目標値から前記駆動周波数の目標周波数を算出し、前記駆動周波数が前記目標周波数となるように前記駆動周波数調整手段を制御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】
前記駆動周波数調整手段は、前記目標出力に応じて前記出力部の外部負荷を増減することで、前記駆動周波数を調整するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の外燃機関。
【請求項４】
前記冷却部の外側には、前記冷却部を冷却する冷却水が流通する冷却器（１７１）が設けられており、
前記熱抵抗調整手段は、前記冷却器における前記冷却水の流量を調整する流量調整手段（１７２）で構成されており、
前記熱抵抗制御手段は、前記熱抵抗の目標値から前記冷却水の流量の目標流量を算出し、前記冷却水の流量が前記目標流量となるように前記流量調整手段を制御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５】
前記熱抵抗調整手段は、前記作動流体の液相部分の変位量を調整する変位量調整手段（２６）で構成されており、
前記熱抵抗制御手段は、前記熱抵抗の目標値から前記変位量の目標変位量を算出し、前記変位量が前記目標変位量となるように前記変位量調整手段を制御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６】
液体が封入され、前記主容器における前記冷却部と前記出力部との間に連通する補助容器（２１）を備え、
前記変位量調整手段は、前記補助容器の内部圧力を増減することで、前記変位量を調整するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の外燃機関。
【請求項７】
前記加熱部の温度を検出する加熱部温度検出手段（４１）と、
前記目標出力算出手段にて予測した前記熱交換量から推定される前記加熱部の推定温度と前記加熱部温度検出手段の検出温度との温度差に基づいて、前記熱抵抗の目標値を補正する補正手段（５０ｄ）と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の外燃機関。
【請求項８】
予め記憶手段（５０ａ）に記憶された前記熱抵抗の経時的な変化を予測した経時特性を加味して前記熱抵抗の目標値を補正する補正手段（５０ｄ）を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の外燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動流体の蒸発と凝縮によって作動流体の液相部分を変位させ、作動流体の液相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】
この種の外燃機関は、液体ピストン蒸気エンジンとも呼ばれ、液体状態の作動流体が流動可能に封入された管状の容器、液体状態の作動流体の一部を加熱して蒸発させる加熱部、作動流体の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部等を備える。そして、加熱部および冷却部により作動流体の蒸発と凝縮とを交互に繰り返すことで、作動流体の液相部分を周期的に変位（所謂、自励振動）させ、この作動流体の液相部分の自励振動を出力部にて機械エネルギとして取り出すように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１では、加熱部に与えられる熱量が少ない場合に作動流体の変位を停止するオンオフ制御や、作動流体の液相部分の変位速度を低下させる回転数制御（変位速度制御）を実施することで、外燃機関の機関効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０９７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば、他の機関の排熱（内燃機関の排ガス等）を加熱部の熱源として利用して作動流体を加熱する場合、外燃機関の機関効率の向上よりも、外燃機関にて取り出す機関出力（仕事）の増大の方が優先されることがある。
【０００６】
外燃機関の機関出力は、外燃機関の機関効率、および加熱部の熱源と作動流体との間の熱交換量により決まる（機関出力Ｗ＝機関効率η×熱交換量Ｑ）。このため、特許文献１の如く、機関効率を向上させたとしても、外燃機関の機関出力が最適とならないことがある。
【０００７】
例えば、特許文献１に記載のオンオフ制御を実施すると、外燃機関の起動および停止に伴う外燃機関の出力に寄与しない仕事（例えば、バルブやモータの制御）が増加することで、外燃機関の機関出力が最適とならないことがある。
【０００８】
また、特許文献１に記載の回転数制御を実施した場合、作動流体の液相部分の変位速度低下に伴って作動流体の時間的な損失が大きくなることで、加熱部の熱源と作動流体との間の熱交換量が低下し、外燃機関の機関出力が最大とならないことがある。
【０００９】
このように、特許文献１に記載の外燃機関では、外燃機関の機関効率の向上について検討されているものの、機関出力の最適化について考慮されておらず、依然として改良の余地がある。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、機関出力の最適化を図ることが可能な外燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明者らは鋭意検討した結果、加熱部と冷却部との間に存する熱抵抗が、外燃機関の機関出力を決める機関効率、および熱交換量の共通の変動因子となることに着眼し、当該熱抵抗を調整することで上記課題を解決する構成を案出した。
【００１２】
すなわち、請求項１に記載の発明（外燃機関）では、作動流体（１５）が液体状態で流動可能に封入された管状の主容器（１１）と、主容器における一端部側の部位に形成され、主容器内の作動流体の一部を加熱して蒸発させる加熱部（１１ａ）と、主容器における加熱部よりも他端部側の部位に形成され、加熱部にて蒸発した作動流体の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１１ｂ）と、主容器の他端部に設けられ、作動流体の液相部分の変位を機械エネルギに変換して出力する出力部（１２）と、加熱部と冷却部との間に存する熱抵抗を調整する熱抵抗調整手段（１７２、２６、３０）と、機関出力が最適となる際の機関効率および加熱部の熱源と作動流体との間の熱交換量を予測し、予測した機関効率および熱交換量から機関出力の目標出力を算出する目標出力算出手段（５０ｂ）と、目標出力算出手段にて算出された目標出力から熱抵抗の目標値を設定し、熱抵抗が目標値となるように熱抵抗調整手段を制御する熱抵抗制御手段（５０ｃ）と、を備えることを特徴としている。
【００１３】
これによれば、機関出力が最適となる際の機関効率および熱交換量の予測結果に基づいて機関出力の目標出力を設定し、当該目標出力が得られるように、機関効率および熱交換量の共通の変動因子となる熱抵抗を調整するので、機関出力の最適化を図ることができる。
【００１４】
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の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る外燃機関の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る外燃機関の動作特性を説明するための説明図である。
【図３】第１実施形態に係る外燃機関の熱抵抗モデル図である。
【図４】エンジン熱抵抗と熱交換量との関係を規定した特性図である。
【図５】エンジン熱抵抗と加熱部温度との関係を規定した特性図である。
【図６】エンジン熱抵抗と駆動周波数との関係を規定した特性図である。
【図７】第１実施形態に係る制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】機関出力とエンジン熱抵抗との関係を規定した特性図である。
【図９】第１実施形態に係る制御装置が実行する機関出力の最適値算出処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】加熱部温度、駆動周波数、および機関効率の関係を規定した特性図である。
【図１１】第１実施形態に係る制御装置が実行する機関出力の最適値算出処理の変形例を示すフローチャートである。
【図１２】エンジン熱抵抗と冷却水流量との関係を規定した特性図である。
【図１３】第１実施形態に係る制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】加熱部温度、冷却水流量、および機関効率の関係を規定した特性図である。
【図１５】エンジン熱抵抗と液体ピストンの変位量との関係を規定した特性図である。
【図１６】第３実施形態に係る制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図１７】加熱部温度、液体ピストンの変位量、および機関効率の関係を規定した特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１７】
（第１実施形態）
本実施形態の外燃機関（液体ピストン蒸気エンジン）１０について、図１〜図１０を用いて説明する。なお、図１中の上下の矢印は、外燃機関１０の設置状態における天地方向を示している。
【００１８】
図１に示すように、外燃機関１０は、主たる構成要素として、主容器１１、発電機１２、補助容器２１、圧力調整機構２６、負荷調整回路３０、および制御装置５０を備えている。
【００１９】
発電機１２は、主容器１１の他端部に設けられ、主容器１１に封入された作動流体の液相部分の変位を機械エネルギに変換して出力する出力部を構成している。本実施形態の発電機１２は、所謂、モータジェネレータであり、外燃機関１０の通常作動時に後述するピストン１８の変位によって発電すると共に、外燃機関１０の起動時に外部からの給電により後述するピストン１８を駆動するスタータとして機能する。
【００２０】
具体的には、発電機１２は、外殻を構成するケーシング１３内に永久磁石が埋設された可動子１４を収容しており、可動子１４が振動変位する際の起電力を出力するように構成されている。
【００２１】
主容器１１は、その内部に作動流体（本例では水）１５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。主容器１１の外側には、主容器１１内部の液体状態の作動流体１５の一部を加熱して蒸発させる加熱器１６、および加熱器１６にて加熱されて蒸発した作動流体１５の蒸気を冷却して凝縮させる冷却器１７１が接触配置されている。
【００２２】
主容器１１は、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１６および冷却器１７１は、主容器１１のうち、一端部側の部位において、冷却器１７１が加熱器１６よりも下方側（他端部側）に位置するように配置されている。
【００２３】
本実施形態の加熱器１６は、高温ガス（例えば、内燃機関の排気ガス）と熱交換する熱交換器にて構成されている。なお、加熱器１６は、熱交換器に限らず、電気ヒータ等で構成してもよい。
【００２４】
本実施形態の冷却器１７は、水ポンプ１７２から吐出された冷却水が流通する熱交換器で構成されている。なお、水ポンプ１７２は、冷却器１７を流通する冷却水の流量を調整する流量調整手段を構成している。
【００２５】
本実施形態の主容器１１は、作動流体として水を用いることを考慮して、ステンレスで形成されている。なお、主容器１１のうち、加熱器１６と接触して作動流体１５を蒸発させる部位である加熱部１１ａ、および冷却器１７と接触して作動流体１５を凝縮させる部位である冷却部１１ｂについては、銅やアルミニウム等の熱伝導率に優れた材料で形成することが望ましい。
【００２６】
また、図示しないが、主容器１１の内部には、作動流体１５が蒸発する空間を確保するために、加熱部１１ａの上方側に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、作動流体１５の純粋な蒸気であってもよい。
【００２７】
主容器１１の他端部には、作動流体から圧力を受けて変位するピストン１８がシリンダ部１９に摺動可能に配置されている。ピストン１８は、発電機１２の可動子１４のシャフト１４ａに連結されている。なお、可動子１４を挟んでピストン１８と反対側には、可動子１４をピストン１８側へ押圧する弾性力を発生させる弾性部材（例えば、コイルバネ）２０が設けられている。
【００２８】
補助容器２１は、管状の連通部２２を介して主容器１１における冷却部１１ｂと出力部を構成する発電機１２との間の部位に連通している。本実施形態では、補助容器２１を主容器１１の屈曲部の上方側に配置している。
【００２９】
補助容器２１の内部には、液体２３および気体２４が封入されている。本例では、液体２３を作動流体１５と同じ水とし、気体２４を水に溶け難い特性を有するヘリウムを用いている。なお、補助容器２１の内部には、液体２３だけを封入してもよい。
【００３０】
補助容器２１および連通部２２は、断熱性に優れた材料で構成することが望ましく、本例では、液体２３として水を用いることを考慮してステンレスで形成されている。連通部２２には、絞り機構２５が配置されている。なお、絞り機構としては、固定絞りや可変絞りにより構成されている。
【００３１】
圧力調整機構２６は、外燃機関１０の通常動作時に、補助容器２１の内部圧力を調整することで、主容器１１の内部圧力を最適な圧力（例えば、作動流体１５の飽和蒸気圧）に維持するための機構である。
【００３２】
本実施形態の圧力調整機構２６は、圧力調整ピストン２６ａ、および電動アクチュエータ２６ｂで構成されている。圧力調整ピストン２６ａは、補助容器２１内の上端側にて、上下方向に摺動可能に配置されている。電動アクチュエータ２６ｂは、補助容器２１の上方側に配置され、圧力調整ピストン２６ａを上下方向に駆動する。
【００３３】
次に、本実施形態における電子制御部について説明すると、制御装置５０は、ＣＰＵ、記憶手段を構成するメモリ５０ａ等からなる周知のマイクロコンピュータ、およびその周辺回路で構成される制御手段である。
【００３４】
制御装置５０の入力側には、加熱部温度センサ４１、冷却部温度センサ４２、圧力センサ４３、加熱器１６にて導入される前の高温ガスの温度を検出する熱源温度センサ（図示略）等が接続されている。
【００３５】
加熱部温度センサ４１は、加熱部１１ａの温度（以下、加熱部温度と称する。）を検出する加熱部温度検出手段であり、冷却部温度センサ４２は、冷却部１１ｂの温度（以下、冷却部温度と称する。）を検出する冷却部温度検出手段である。圧力センサ４３は、補助容器２１の内部圧力を検出する内部圧力検出手段である。
【００３６】
制御装置５０の出力側には、水ポンプ１７２、圧力調整機構２６、負荷調整回路３０等の制御機器が接続されており、各センサ４１〜４３の検出信号に応じて各制御機器を制御するように構成されている。
【００３７】
負荷調整回路３０は、発電機１２の外部負荷を増減することで、液体ピストン（作動流体１５の液相部分）の駆動周波数を調整する回路である。ここで、駆動周波数は、液体ピストンの自励振動の周波数を示しており、液体ピストンの変位速度が速いほど駆動周波数が大きくなり、液体ピストンの変位速度が遅いほど駆動周波数が小さくなる。なお、本実施形態の負荷調整回路３０は、発電機１２の外部負荷を変化させることで、液体ピストンの駆動周波数を調整する駆動周波数調整手段（熱抵抗調整手段）として機能する。
【００３８】
次に、上記構成における外燃機関１０の基本作動（通常作動）について図２を用いて説明する。加熱器１６による加熱部１１ａの加熱、および冷却器１７による冷却部１１ｂの冷却が開始されると、加熱部１１ａにて作動流体１５の液相部分が加熱されて気化することで、加熱部１１ａの内部に高温・高圧の蒸気が蓄積されて作動流体１５の液面が下降する。
【００３９】
これにより、主容器１１内に封入された作動流体１５の液相部分が、加熱部１１ａ側から発電機１２側に変位して、発電機１２のピストン１８が上昇する。この際、弾性部材２０が弾性圧縮される。
【００４０】
そして、容器１１内の作動流体１５の液面が、冷却部１１ｂまで下降して冷却部１１ｂ内に蒸気が侵入すると、侵入した蒸気が冷却部１１ｂにて冷却されて液化（凝縮）することで、作動流体１５の液面を押し下げる力が消滅し、作動流体１５の液面が上昇する。
【００４１】
これにより、主容器１１内に封入された作動流体１５の液相部分が、発電機１２側から加熱部１１ａ側に変位して、発電機１２のピストン１８が下降する。この際、発電機１２のピストン１８には、弾性部材２０の弾性復元力が作用する。
【００４２】
このような作動流体１５の液相部分の周期的な変位（自励振動）が、加熱器１６による加熱部１１ａの加熱、および冷却器１７による冷却部１１ｂの冷却を停止するまで繰り返されることで、発電機１２の可動子１４が上下に振動変位する。
【００４３】
つまり、主容器１１の内部で作動流体１５の蒸発と凝縮とが繰り返されることで、作動流体１５の液相部分が液体ピストンとして自励振動し、この液体ピストンの自励振動が機関出力として発電機１２にて取り出される。
【００４４】
発電機１２にて取り出される外燃機関１０の機関出力Ｗは、外燃機関１０の機関効率η、および加熱部１１ａの熱源と作動流体１５との間の熱交換量Ｑにより決まる（Ｗ＝η×Ｑ）。このため、従来技術（例えば、特許文献１）の如く、単に外燃機関１０の機関効率ηを向上させたとしても、熱交換量Ｑが少なければ、外燃機関１０の機関出力Ｗを充分に得ることができない。
【００４５】
ここで、図３は、本実施形態の外燃機関１０の熱抵抗モデル図である。図３において、「Ｔｇ」は加熱器１６に導入される前（作動流体１５との熱交換前）の高温ガスの温度、「Ｔｈ」は加熱部温度、「Ｔｃ」は冷却部温度を示している。また、「Ｒ＿ｅｘ」は加熱器１６に導入される前の高温ガスと主容器１１の加熱部１１ａとの間に存する熱抵抗、「Ｒ＿ｅｎｇ」は主容器１１の加熱部１１ａと冷却部１１ｂとの間に存する熱抵抗を示している。なお、熱抵抗は、熱の伝わり難さを示すパラメータであり、本例では、「Ｒ＿ｅｘ」を加熱器熱抵抗、「Ｒ＿ｅｎｇ」をエンジン熱抵抗と称する。
【００４６】
図３に示す外燃機関１０の熱抵抗モデルでは、加熱部１１ａの熱源と作動流体１５との間の熱交換量Ｑを以下の数式Ｆ１で定義することができ、加熱部温度Ｔｈを以下の数式Ｆ２で定義することができる。
Ｑ＝（Ｔｇ−Ｔｃ）／（Ｒ＿ｅｘ＋Ｒ＿ｅｎｇ）…（Ｆ１）
Ｔｈ＝Ｔｃ＋Ｑ×Ｒ＿ｅｎｇ…（Ｆ２）
数式Ｆ１から明らかであるが、加熱部１１ａの熱源と作動流体１５との間の熱交換量Ｑは、図４に示すように、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの増大に伴って減少するといった特性を有する。
【００４７】
また、数式Ｆ２から明らであるが、加熱部温度Ｔｈは、図５に示すように、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの増大に伴って上昇するといった特性を有する。なお、従来技術（特許文献１）で説明されているように、加熱部温度Ｔｈと外燃機関１０の機関効率ηとの間には、加熱部温度Ｔｈの上昇に伴って機関効率ηが増大するといった相関特性がある。このため、機関効率ηは、加熱部温度Ｔｈと同様にエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの増大に伴って増大するといった特性を有する。
【００４８】
このように、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇは、外燃機関１０の機関出力を決める機関効率η、および熱交換量Ｑの共通の変動因子となっている。従って、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを調整することで外燃機関１０の機関出力Ｗを変更することが可能となる。
【００４９】
図６は、液体ピストンの駆動周波数を除く他のパラメータを一定とし、駆動周波数だけを変化させた際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと駆動周波数との関係を規定した特性図である。図６に示すように、駆動周波数が大きくなるに伴ってエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇが低下する。これは、駆動周波数が大きい程、加熱部１１ａと作動流体１５との間の熱交換が促進されるためである。
【００５０】
以上の点に鑑みて、本実施形態の制御装置５０は、駆動周波数の変更によりエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを調整することで、外燃機関１０の機関出力の最適化処理を実行する。この最適化処理の詳細については、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、図７の制御ルーチンは、外燃機関１０の起動後、制御装置５０により周期的に実行される。
【００５１】
まず、外燃機関１０の機関出力の最適化が必要であるか否かを判定する（Ｓ１００）。この判定処理では、外燃機関１０の機関出力を決める機関効率ηおよび熱交換量Ｑの変動因子（例えば、高温ガスの温度、流量）が変化したか否かを判定する。この結果、機関出力の最適化が必要と判定された場合には、機関出力の目標出力を最適値に設定する目標出力算出処理を実行する（Ｓ１１０）。
【００５２】
ここで、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇが増大する際には、熱交換量Ｑが減少し、機関効率ηが向上する。一方、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇが減少する際には、熱交換量Ｑが増加し、機関効率ηが低下する。
【００５３】
このため、機関出力Ｗは、図８の特性図に示すように、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの中間域において最適値（ピーク値）となる。つまり、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを徐々に増加させた際に、機関出力Ｗが低下する直前の値が最適値となる。
【００５４】
この点を踏まえて、本実施形態のステップＳ１１０の処理では、制御変数として仮のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを一旦最小値に設定し、当該仮のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを徐々に増加させることで、機関出力Ｗの最適値を求めるようにしている。
【００５５】
このステップＳ１１０の処理の詳細については、図９のフローチャートを用いて説明する。図９に示すように、まず、制御変数や制御カウンタ等を初期化する初期化処理を行う（Ｓ１１１）。具体的には、ステップＳ１１１では、仮のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを予め定めた最小値に設定すると共に、制御カウンタｉを０に設定する。
【００５６】
そして、仮のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇに基づいて加熱部１１ａの予測温度Ｔｈｉ、熱交換量の予測量Ｑｉを算出する（Ｓ１１２）。具体的には、制御変数であるエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇ、熱源温度センサの検出値Ｔｇ、冷却部温度センサ４２の検出値Ｔｃ、予め定めた加熱器熱抵抗Ｒ＿ｅｘ（定数）を数式Ｆ１、Ｆ２に適用し、加熱部１１ａの予測温度Ｔｈｉ、熱交換量の予測量Ｑｉを算出する。
【００５７】
続いて、ステップＳ１１２にて算出した加熱部１１ａの予測温度Ｔｈｉ、および現在の液体ピストンの駆動周波数から機関効率ηの予測値ηｉを算出する（Ｓ１１３）。具体的には、ステップＳ１１３の処理では、図１０に示す加熱部温度Ｔｈ、駆動周波数、および機関効率ηの関係を規定した制御マップを参照して機関効率ηの予測値ηｉを算出する。なお、加熱部温度Ｔｈ、駆動周波数、および機関効率ηの関係を規定した制御マップは、実験やシミュレーションにより得た結果であり、予めメモリ５０ａに記憶されている。
【００５８】
続いて、ステップＳ１１２、Ｓ１１３にて算出した熱交換量Ｑの予測量Ｑｉ、および機関効率ηの予測値ηｉから機関出力Ｗの予測出力Ｗｉを算出し（Ｓ１１４）、メモリ５０ａに記憶する。なお、機関出力Ｗの予測出力Ｗｉは、機関効率ηの予測値ηｉに熱交換量Ｑの予測量Ｑｉを乗ずることで算出することができる（Ｗｉ＝ηｉ×Ｑｉ）。
【００５９】
続いて、ステップＳ１１４にて算出した機関出力Ｗの予測出力Ｗｉが前回の予測出力Ｗｉ−１より小さいか否かを判定する（Ｓ１１５）。なお、起動時等の如く、メモリ５０ａに前回の予測出力Ｗｉ−１が記憶されていない場合は、ステップＳ１１５の判定を無視して後述のステップＳ１１６へ移行する。
【００６０】
ステップＳ１１５の判定処理の結果、今回算出した機関出力Ｗの予測出力Ｗｉが前回の予測出力Ｗｉ−１以上と判定された場合には、機関出力Ｗの最適値に達していないと考えられる。このため、仮のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを増加する（Ｒ＿ｅｎｇ＝Ｒ＿ｅｎｇ＋ｄＲ）と共に、制御カウンタｉを更新（ｉ＝ｉ＋１）して（Ｓ１１６）、ステップＳ１１２へ戻る。
【００６１】
一方、ステップＳ１１５の判定処理の結果、今回算出した機関出力Ｗの予測出力Ｗｉが前回の予測出力Ｗｉ−１より小さいと判定された場合には、前回の予測出力Ｗｉ−１が機関出力Ｗの最適値になっていると考えられる。このため、機関出力の最適値となる前回の予測値Ｗｉ−１を目標出力に設定する（Ｓ１１７）。
【００６２】
図７に戻り、ステップＳ１１０の処理後、機関出力が目標出力となる際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを目標値に設定し（Ｓ１２０）、当該エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値から駆動周波数の目標周波数を算出する（Ｓ１３０）。
【００６３】
このステップＳ１３０では、予めエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと駆動周波数との関係を規定した制御マップ（例えば、図６の特性図）を参照して、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を駆動周波数の目標周波数に換算する。なお、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと駆動周波数との関係を規定した制御マップは、実験やシミュレーションにより得た結果であり、予めメモリ５０ａに記憶されている。
【００６４】
ところで、加熱器熱抵抗Ｒ＿ｅｘやエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇは、経年劣化といった経時的な要因等により徐々に大きくなる傾向がある。このような事象は熱交換量Ｑ等の予測結果の誤差要因となり、機関出力Ｗに影響する。
【００６５】
各熱抵抗が大きくなると、ステップＳ１１０の目標出力算出処理にて予測した熱交換量Ｑの予測量Ｑｉが変化すると共に、当該予測量Ｑｉから推定される加熱部１１ａの推定温度Ｔｈｉが加熱部温度センサ４１の検出温度Ｔｈｒに対して乖離する。
【００６６】
そこで、本実施形態では、加熱部１１ａの推定温度Ｔｈｉと加熱部温度センサ４１の検出温度Ｔｈｒとの温度差ΔＴｈ（＝Ｔｈｒ−Ｔｈｉ）を監視することで、各熱抵抗の経時的な変化等を検知するようにしている。
【００６７】
具体的には、ステップＳ１１０の処理にて予測した加熱部１１ａの推定温度Ｔｈｉと、加熱部温度センサ４１の検出温度Ｔｈとの温度差ΔＴｈが予め定めた基準閾値Ｔ＿ｔｈを超えて乖離しているか否かを判定する（Ｓ１４０）。なお、基準閾値Ｔ＿ｔｈは、各熱抵抗の経時的な変化等が生じた際の加熱部温度センサ４１の検出温度Ｔｈｒと加熱部１１ａの推定温度Ｔｈｉの温度差に設定されている。
【００６８】
ステップＳ１４０の判定処理の結果、温度差ΔＴｈが基準閾値Ｔ＿ｔｈを超えていると判定された場合には、温度差ΔＴｈに応じて駆動周波数の目標周波数を補正する（Ｓ１５０）。一方、温度差ΔＴｈが基準閾値Ｔ＿ｔｈ以下と判定された場合には、ステップＳ１５０の処理をスキップする。
【００６９】
ここで、経時的な要因等により各熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇが大きくなると、駆動周波数を大きくした際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの変化量等が小さくなる傾向がある。このため、ステップＳ１５０の処理では、例えば、温度差ΔＴｈの拡大に伴い駆動周波数の目標周波数を大きくするように補正する。なお、ステップＳ１５０の処理にて、駆動周波数の目標周波数を補正する場合、次回以降の処理に反映できるように、目標周波数の補正量をメモリ５０ａに記憶する。
【００７０】
続いて、駆動周波数が目標周波数となるように負荷調整回路３０を制御する（Ｓ１６０）。具体的には、負荷調整回路３０に対して、液体ピストンの駆動周波数が目標周波数となるように発電機１２への外部負荷の調整（増減）を指示する制御信号を出力する。
【００７１】
なお、ステップＳ１００の判定処理にて、機関出力の最適化が不要と判定された場合には、例えば、前回の負荷調整回路３０へ指示した制御信号を再出力して、前回と同様に負荷調整回路３０を制御する（Ｓ１７０）。
【００７２】
ここで、本実施形態では、制御装置５０における機関出力Ｗの目標出力を最適値に設定する構成が目標出力算出手段５０ｂを構成し、制御装置５０における負荷調整回路３０を制御する構成が熱抵抗制御手段５０ｃを構成している。また、制御装置５０における駆動周波数の目標周波数を補正する構成が補正手段５０ｄを構成している。
【００７３】
以上説明した本実施形態の外燃機関１０では、制御装置５０が外燃機関１０の機関出力が最適となる際の機関効率ηおよび熱交換量Ｑを予測し、当該予測結果に基づいて機関出力の目標出力を最適値に設定する。さらに、制御装置５０は、外燃機関１０にて目標出力が得られるように、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの変動因子となる駆動周波数を調整する処理を実行する。これによれば、加熱器１６の熱源の状態に応じて外燃機関１０の機関出力を最適化することができる。
【００７４】
また、本実施形態の外燃機関１０では、加熱部１１ａの推定温度Ｔｈｉと加熱部温度センサ４１の検出温度Ｔｈｒとの温度差ΔＴｈに基づいて、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を補正する構成としている。なお、本実施形態では、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を駆動周波数に換算した目標周波数を補正している。
【００７５】
これによれば、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの経時的な変化により熱交換量Ｑ等の予測結果の誤差等が生じたとしても、外燃機関１０の機関出力への影響を抑えることができるので、より適切に機関出力の最適化を図ることができる。
【００７６】
特に、本実施形態では、駆動周波数の目標周波数の補正量をメモリ５０ａに記憶し、次回以降の処理に反映させるといった学習機能を有しているので、より効果的に機関出力の最適化を図ることができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、加熱部１１ａの推定温度Ｔｈｉと加熱部温度センサ４１の検出温度Ｔｈｒとの温度差ΔＴｈに基づいて、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を補正する例について説明したが、これに限定されない。
【００７８】
例えば、図１１のフローチャートに示すように、ステップＳ１３０にて駆動周波数の目標周波数を算出後、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの経時的な変化を予測した経時特性を加味して、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を補正するようにしてもよい（Ｓ１８０）。
【００７９】
具体的には、予めシミュレーション等により作成したエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの経時的な変化を規定した制御マップをメモリ５０ａに記憶しておき、ステップＳ１８０の処理時に制御マップを参照して、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を補正すればよい。また、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値の補正方法については、例えば、外燃機関１０の駆動時間に応じて、駆動周波数の目標周波数が大きくなるように補正すればよい。
【００８０】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００８１】
図１２は、冷却器１７１における冷却水流量を除く他のパラメータを一定とし、冷却水流量だけを変化させた際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと冷却水流量との関係を規定した特性図である。図１２に示すように、冷却水流量が大きくなるに伴ってエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇが低下する。これは、冷却水流量が大きい程、冷却部１１ｂの温度が変化し難くなることで、加熱部１１ａと作動流体１５との間の熱交換が促進されるためである。なお、本実施形態では、水ポンプ１７２が冷却水流量を調整する流量調整手段（熱抵抗調整手段）を構成している。
【００８２】
これらを鑑みて、本実施形態の制御装置５０は、冷却水流量の変更によりエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを調整することで、機関出力を最適化する最適化処理を実行する。本実施形態の最適化処理の詳細については、図１３のフローチャートを用いて説明する。
【００８３】
図１３に示すように、ステップＳ１００の判定処理の結果、機関出力の最適化が必要と判定された場合には、機関出力の目標出力を最適値に設定する（Ｓ１１０）。
【００８４】
本実施形態のステップＳ１１０の処理では、第１実施形態のステップＳ１１３の処理だけが異なっている。すなわち、本実施形態では、ステップＳ１１２にて算出した加熱部１１ａの推定温度Ｔｈｉ、および現在の冷却水流量から機関効率ηの予測値ηｉを算出する。なお、現在の冷却水流量については、制御装置５０が水ポンプ１７２に対して出力する制御信号から把握すればよい。
【００８５】
具体的には、本処理では、図１４に示す加熱部温度Ｔｈ、冷却水流量、および機関効率ηの関係を規定した制御マップを参照して機関効率ηの予測値ηｉを算出する。なお、加熱部温度Ｔｈ、冷却水流量、および機関効率ηの関係を規定した制御マップは、実験やシミュレーションにより得た結果であり、予めメモリ５０ａに記憶されている。ステップＳ１１０の処理におけるステップＳ１１３以降については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００８６】
図１３に戻り、ステップＳ１１０の処理後、機関出力が目標出力となる際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを目標値に設定し（Ｓ１２０）、当該エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値から冷却水流量の目標流量を算出する（Ｓ１９０）。
【００８７】
このステップＳ１９０では、予めエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと冷却水流量との関係を規定した制御マップを参照して、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を冷却水流量の目標流量に換算する。なお、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと冷却水流量との関係を規定した制御マップは、実験やシミュレーションにより得た結果であり、予めメモリ５０ａに記憶されている。
【００８８】
そして、ステップＳ１４０の判定処理の結果、温度差ΔＴｈが基準閾値Ｔ＿ｔｈを超えていると判定された場合には、温度差ΔＴｈに応じて冷却水流量の目標流量を補正する（Ｓ２００）。
【００８９】
ここで、経時的な要因等によりエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇが大きくなると、冷却水流量を増加した際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの変化量等が小さくなる傾向がある。このため、ステップＳ２００の処理では、温度差ΔＴｈの拡大に伴い冷却水流量の目標流量を増加するように補正する。
【００９０】
続いて、冷却水流量が目標流量となるように水ポンプ１７２を制御する（Ｓ２１０）。具体的には、水ポンプ１７２に対して、冷却器１７１における冷却水流量が目標流量となるように回転数の調整（増減）を指示する制御信号を出力する。
【００９１】
なお、本実施形態では、ステップＳ１００の判定処理にて、機関出力の最適化が不要と判定された場合には、例えば、前回の水ポンプ１７２へ指示した制御信号を再出力して、前回と同様に水ポンプ１７２を制御する（Ｓ２２０）。
【００９２】
その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の制御装置５０では、外燃機関１０にて目標出力が得られるように、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの変動因子となる冷却水流量を調整する処理を実行する。これによれば、第１実施形態の外燃機関１０と同様に、加熱器１６の熱源の状態に応じて外燃機関１０の機関出力を最適化することができる。なお、本実施形態では、制御装置５０における水ポンプ１７２を制御する構成が熱抵抗制御手段５０ｃを構成している。
【００９３】
また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの経時的な変化を予測した経時特性を加味して、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を補正するようにしてもよい。
【００９４】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００９５】
図１５は、主容器１１における液体ピストンの変位量を除く他のパラメータを一定とし、液体ピストンの変位量だけを変化させた際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと、液体ピストンの変位量との関係を規定した特性図である。図１５に示すように、液体ピストンの変位量が大きくなるに伴ってエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇが低下する。これは、液体ピストンの変位量が大きい程、加熱部１１ａに流入する作動流体１５が増加することで、加熱部１１ａと作動流体１５との間の熱交換が促進されるためである。
【００９６】
ここで、液体ピストンの変位量は、主容器１１の内部圧力に応じて変化する。このため、圧力調整機構２６により補助容器２１の内部圧力を調整することで、液体ピストンの変位量を調整することができる。なお、本実施形態では、圧力調整機構２６が液体ピストンの変位量を調整する変位量調整手段（熱抵抗調整手段）を構成している。
【００９７】
これらを鑑みて、本実施形態の制御装置５０は、液体ピストンの変位量の変更によりエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを調整することで、機関出力を最適化する最適化処理を実行する。この最適化処理の詳細については、図１６のフローチャートを用いて説明する。
【００９８】
図１６に示すように、ステップＳ１００の判定処理の結果、機関出力の最適化が必要と判定された場合には、機関出力の目標出力を最適値に設定する（Ｓ１１０）。
【００９９】
本実施形態のステップＳ１１０の処理では、第１実施形態のステップＳ１１３の処理だけが異なっている。すなわち、本実施形態では、ステップＳ１１２にて算出した加熱部１１ａの推定温度Ｔｈｉ、および現在の液体ピストンの変位量から機関効率ηの予測値ηｉを算出する。また、現在の液体ピストンの変位量については、圧力センサ４３の検出圧力から把握すればよい。
【０１００】
具体的には、本処理では、図１７に示す加熱部温度Ｔｈ、液体ピストンの変位量、および機関効率ηの関係を規定した制御マップを参照して機関効率ηの予測値ηｉを算出する。なお、加熱部温度Ｔｈ、液体ピストンの変位量、および機関効率ηの関係を規定した制御マップは、実験やシミュレーションにより得た結果であり、予めメモリ５０ａに記憶されている。また、液体ピストンの変位量は、圧力センサ４３の検出圧力から推定する。ステップＳ１１０の処理におけるステップＳ１１３以降の処理については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【０１０１】
図１６に戻り、ステップＳ１１０の処理後、機関出力が目標出力となる際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇを目標値に設定し（Ｓ１２０）、当該エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値から液体ピストンの目標変位量を算出する（Ｓ２３０）。
【０１０２】
このステップＳ２３０では、予めエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと液体ピストンの変位量との関係を規定した制御マップを参照して、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を液体ピストンの目標変位量に換算する。なお、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇと液体ピストンの変位量との関係を規定した制御マップは、実験やシミュレーションにより得た結果であり、予めメモリ５０ａに記憶されている。
【０１０３】
そして、ステップＳ１４０の判定処理の結果、温度差ΔＴｈが基準閾値Ｔ＿ｔｈを超えていると判定された場合には、温度差ΔＴｈに応じて液体ピストンの目標変位量を補正する（Ｓ２４０）。
【０１０４】
ここで、経時的な要因等によりエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇが大きくなると、液体ピストンの変位量を増加した際のエンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの変化量等が小さくなる傾向がある。このため、ステップＳ２４０の処理では、温度差ΔＴｈの拡大に伴い液体ピストンの目標変位量を増加するように補正する。
【０１０５】
続いて、液体ピストンの変位量が目標変位量となるように圧力調整機構２６を制御する（Ｓ２５０）。具体的には、圧力調整機構２６に対して、液体ピストンの変位量が目標変位量となるように、補助容器２１の内部圧力の調整（増減）を指示する制御信号を出力する。
【０１０６】
なお、本実施形態では、ステップＳ１００の判定処理にて、機関出力の最適化が不要と判定された場合には、例えば、前回の圧力調整機構２６へ指示した制御信号を再出力して、前回と同様に圧力調整機構２６を制御する（Ｓ２６０）。
【０１０７】
その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の制御装置５０では、外燃機関１０にて目標出力が得られるように、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの変動因子となる液体ピストンの変位量を調整する処理を実行する。これによれば、第１、第２実施形態の外燃機関１０と同様に、加熱器１６の熱源の状態に応じて外燃機関１０の機関出力を最適化することができる。なお、本実施形態では、制御装置５０における圧力調整機構２６を制御する構成が熱抵抗制御手段５０ｃを構成している。
【０１０８】
また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの経時的な変化を予測した経時特性を加味して、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を補正するようにしてもよい。
【０１０９】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
【０１１０】
（１）上述の各実施形態の如く、各熱抵抗等の経時的な変化を加味して、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値を補正することが望ましいが、これに限らず、エンジン熱抵抗Ｒ＿ｅｎｇの目標値の補正を実施しないようにしてもよい。
【０１１１】
（２）上述の第１実施形態では、駆動周波数調整手段（熱抵抗調整手段）を負荷調整回路３０で構成する例について説明したが、これに限らず、液体ピストンの駆動周波数を調整可能な機器であれば、変位量調整手段として適宜採用することができる。
【０１１２】
（３）上述の第３実施形態では、変位量調整手段（熱抵抗調整手段）を圧力調整機構２６で構成する例について説明したが、これに限らず、液体ピストンの変位量を調整可能な機器であれば、変位量調整手段として適宜採用することができる。
【０１１３】
（４）上述の各実施形態では、機関出力Ｗの最適値の探索手法として、いわゆる勾配法を採用する例について説明したが、その他の探索手法により機関出力の最適値を求めるようにしてもよい。
【０１１４】
（５）上述の各実施形態では、外燃機関１０の出力部を発電機１２で構成する例について説明したが、これに限定されず、例えば、外燃機関１０の出力部を他の機器を駆動する駆動機器で構成するようにしてもよい。
【０１１５】
（６）上述の各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。
【０１１６】
（７）上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【０１１７】
（８）上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
【０１１８】
（９）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
【符号の説明】
【０１１９】
１１      主容器
１１ａ    加熱部
１１ｂ    冷却部
１７２    水ポンプ（流量調整手段、熱抵抗調整手段）
２６      圧力調整機構（変位量調整手段、熱抵抗調整手段）
３０      負荷調整回路（駆動周波数調整手段、熱抵抗調整手段）
１２      発電機（出力部）
５０ｂ    目標出力算出手段（制御装置）
５０ｃ    熱抵抗制御手段（制御装置）
【図１】
2014173490.tif 000003
【図２】
2014173490.tif 000004
【図３】
2014173490.tif 000005
【図４】
2014173490.tif 000006
【図５】
2014173490.tif 000007
【図６】
2014173490.tif 000008
【図７】
2014173490.tif 000009
【図８】
2014173490.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2014173490.tif 000012
【図１１】
2014173490.tif 000013
【図１２】
2014173490.tif 000014
【図１３】
2014173490.tif 000015
【図１４】
2014173490.tif 000016
【図１５】
2014173490.tif 000017
【図１６】
2014173490.tif 000018
【図１７】
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