(57)【要約】【課題】熱動力変換効率を向上する。【解決手段】液相状態の作動媒体からなる液体ピストン１５が流動可能に封入された管状の容器１１と、容器１１の外部に設けられ、作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器２０と、容器１１の一端側部位に配置され、外部蒸発器２０で発生した蒸気を容器１１に吸気させる吸気手段１３１と、容器１１の他端側部位に配置され、容器１１に吸気された蒸気の膨張によって生じる液体ピストン１５の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部１４と、蒸気の凝縮に伴う液体ピストン量の増加を抑制するように、容器１１から液体ピストン１５の一部を排出する液体ピストン排出手段１８、３１と、容器１１の内部において凝縮し切れなかった蒸気を容器１１から排気させる排気手段１３２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相状態の作動媒体からなる液体ピストン（１５）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の外部に設けられ、前記作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器（２０）と、
前記容器（１１）の一端側部位に配置され、前記外部蒸発器（２０）で発生した前記蒸気を前記容器（１１）に吸気させる吸気手段（１３１）と、
前記容器（１１）の他端側部位に配置され、前記容器（１１）に吸気された前記蒸気の膨張によって生じる前記液体ピストン（１５）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１４）と、
前記蒸気の凝縮に伴う液体ピストン量の増加を抑制するように、前記液体ピストン（１５）の一部を前記容器（１１）から排出させる液体ピストン排出手段（１８、３１）と、
前記容器（１１）の内部において凝縮し切れなかった蒸気を前記容器（１１）から排気させる排気手段（１３２）とを備えることを特徴とする熱機関。
【請求項２】
前記排気手段（１３２）は、前記容器（１１）の一端側部位に配置され、
前記排気手段（１３２）が閉じられるタイミングは、前記液体ピストン（１５）が最も前記排気手段（１３２）側にきたときであることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
前記液体ピストン排出手段（１８）は、前記容器（１１）の内部圧力が所定圧力以上になった場合に前記液体ピストンの一部を前記容器（１１）から排出させることを特徴とする請求項１または２に記載の熱機関。
【請求項４】
前記所定圧力は、前記容器（１１）に吸気された前記蒸気の圧力よりも高い圧力であることを特徴とする請求項３に記載の熱機関。
【請求項５】
前記液体ピストン排出手段（１８）は、前記液体ピストンの一部がそのヘッドで排出されるように、前記吸気手段（１３１）の下方側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱機関。
【請求項６】
前記液体ピストン（１５）の一部は、前記排気手段（１３２）によって前記容器（１１）から排出され、
前記排気手段（１３２）は、前記液体ピストン排出手段（１８）を兼ねていることを特徴とする請求項５に記載の熱機関。
【請求項７】
前記液体ピストン排出手段（３１）は、前記液体ピストン（１５）が所定量以上になったことを判定した場合に前記液体ピストンの一部を前記容器（１１）から排出させることを特徴とする請求項１または２に記載の熱機関。
【請求項８】
前記液体ピストン排出手段（３１）は、前記液体ピストン（１５）の一部が排出されるように前記容器（１１）に接続された排出管（３１１）と、前記排出管（３１１）を開閉する電磁バルブ（３１２）とを有し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】
前記容器（１１）の内部圧力の最低圧力が大気圧を下回るようになっており、
前記排出管（３１１）には、前記最低圧力が大気圧を下回った場合に前記液体ピストン（１５）の逆流を防止する一方向バルブ（３１７）が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の熱機関。
【請求項１０】
前記液体ピストン排出手段（３１）は、前記容器（１１）の所定部位の温度が閾値よりも低下した場合に前記液体ピストン（１５）が所定量以上になったと判定することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載の熱機関。
【請求項１１】
前記容器（１１）の中間部に配置され、前記容器（１１）に吸気された前記蒸気を冷却して凝縮する冷却部（１２２）を備え、
前記冷却部（１２２）は、前記蒸気を冷却用流体と熱交換させることによって冷却するように構成されており、
前記液体ピストン排出手段（３１）は、前記冷却用流体の温度が閾値よりも低下した場合に前記液体ピストン（１５）が所定量以上になったと判定することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載の熱機関。
【請求項１２】
前記液体ピストン排出手段（３１）は、前記容器（１１）の内部圧力の平均圧が閾値よりも低下した場合に前記液体ピストン（１５）が所定量以上になったと判定することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載の熱機関。
【請求項１３】
液相状態の作動媒体からなる液体ピストン（１５）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）の外部に設けられ、前記作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器（２０）と、
前記容器（１１）の一端側部位に配置され、前記外部蒸発器（２０）で発生した前記蒸気を前記容器（１１）に吸気させる吸気手段（１３１）と、
前記容器（１１）の他端側部位に配置され、前記容器（１１）に吸気された前記蒸気の膨張によって生じる前記液体ピストン（１５）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１４）と、
前記蒸気の凝縮に伴う液体ピストン量の増加を抑制するように、前記液体ピストン（１５）の一部を前記容器（１１）から排出させる液体ピストン排出手段（１８、３１）と、
前記容器（１１）から不凝縮ガスを排気させる排気手段（１３２）とを備え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、２に記載されている。特許文献１の従来技術では、管状の容器内に封入された液体ピストンの一部を、容器の一端部に形成された加熱部で加熱して蒸気を発生させるとともに、その蒸気を容器の中間部に形成された冷却部で冷却して凝縮させ、これによる蒸気の体積変動で液体ピストンを変位させ、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】
特許文献２の従来技術では、液体ピストンが封入された主容器とは別の容器に封入された液体を加熱することによって蒸気を発生させ、蒸気を所定のタイミングで主容器の一端部に供給する。そして、主容器の中間部に形成された冷却部で蒸気を冷却・凝縮することで液体ピストンを往復変位させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８４５２３号公報
【特許文献２】特開平１０−２５２５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の従来技術は、加熱部において液体ピストンの一部を蒸発させて出力を取り出すものであるので、加熱部において液体ピストンが蒸発することなく冷却部側へ移動した場合には、液体ピストン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、加熱部から液体ピストン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。そして、このような熱損失（熱輸送損失）が発生することで熱動力変換効率が低下するという問題がある。
【０００６】
この点、特許文献２の従来技術では、特許文献１の従来技術とは異なり、液体ピストンが封入された主容器とは別の容器に封入された液体を加熱して蒸気を発生させるので、上述のような熱輸送損失が発生しない。
【０００７】
しかしながら、特許文献２の従来技術では、主容器に供給される蒸気に不凝縮ガス（具体的には空気）が混入して主容器内に不凝縮ガスが蓄積することが避けがたい。このため、不凝縮ガスを圧縮する損失が発生するのみならず、冷却部における蒸気の冷却が不凝縮ガスによって妨げられるので、冷却部で凝縮し切れなかった蒸気を圧縮する損失も発生する。
【０００８】
そして、このような不凝縮ガスを圧縮する損失、および冷却部で凝縮し切れなかった蒸気を圧縮する損失が発生する結果、熱動力変換効率が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は上記点に鑑みて、熱動力変換効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、液相状態の作動媒体からなる液体ピストン（１５）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
容器（１１）の外部に設けられ、作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器（２０）と、
容器（１１）の一端側部位に配置され、外部蒸発器（２０）で発生した蒸気を容器（１１）に吸気させる吸気手段（１３１）と、
容器（１１）の他端側部位に配置され、容器（１１）に吸気された蒸気の膨張によって生じる液体ピストン（１５）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１４）と、
蒸気の凝縮に伴う液体ピストン量の増加を抑制するように、液体ピストン（１５）の一部を容器（１１）から排出させる液体ピストン排出手段（１８、３１）と、
容器（１１）の内部において凝縮し切れなかった蒸気を容器（１１）から排気させる排気手段（１３２）とを備えることを特徴とする。
【００１１】
これによると、容器（１１）の内部において凝縮し切れなかった蒸気を容器（１１）から排気させるので、凝縮し切れなかった蒸気を圧縮する損失が発生することを抑制できる。このため、熱動力変換効率を向上することができる。
【００１２】
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、排気手段（１３２）は、容器（１１）の一端側部位に配置され、
排気手段（１３２）が閉じられるタイミングは、液体ピストン（１５）が最も排気手段（１３２）側にきたときであることを特徴とする。これにより、蒸気および不凝縮ガスをより確実に排気することができる。
【００１３】
具体的には、請求項３に記載の発明のように、請求項１または２に記載の熱機関において、液体ピストン排出手段（１８）は、容器（１１）の内部圧力が所定圧力以上になった場合に液体ピストンの一部を容器（１１）から排出させる。
【００１４】
より具体的には、請求項４に記載の発明のように、請求項３に記載の熱機関において、所定圧力は、容器（１１）に吸気された蒸気の圧力よりも高い圧力である。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明のように、請求項１または２に記載の熱機関において、液体ピストン排出手段（１８）は、液体ピストンの一部がそのヘッドで排出されるように、吸気手段（１３１）の下方側に配置されていてもよい。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の熱機関において、液体ピストン（１５）の一部は、排気手段（１３２）によって容器（１１）から排出され、
排気手段（１３２）は、液体ピストン排出手段（１８）を兼ねていることを特徴とする。これにより、液体ピストン排出手段（１８）の構成を簡素化できる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明のように、請求項１または２に記載の熱機関において、液体ピストン排出手段（３１）は、液体ピストン（１５）が所定量以上になったことを判定した場合に液体ピストンの一部を容器（１１）から排出させてもよい。
【００１８】
具体的には、請求項８に記載の発明のように、請求項７に記載の熱機関において、液体ピストン排出手段（３１）は、液体ピストン（１５）の一部が排出されるように容器（１１）に接続された排出管（３１１）と、排出管（３１１）を開閉する電磁バルブ（３１２）とを有している。
【００１９】
より具体的には、請求項９に記載の発明のように、請求項８に記載の熱機関において、容器（１１）の内部圧力の最低圧力が大気圧を下回るようになっており、
排出管（３１１）には、最低圧力が大気圧を下回った場合に液体ピストン（１５）の逆流を防止する一方向バルブ（３１７）が配置されている。
【００２０】
また、具体的には、請求項１０に記載の発明のように、請求項７ないし９のいずれか１つに記載の熱機関において、液体ピストン排出手段（３１）は、容器（１１）の所定部位の温度が閾値よりも低下した場合に液体ピストン（１５）が所定量以上になったと判定する。
【００２１】
また、請求項１１に記載の発明のように、請求項７ないし９のいずれか１つに記載の熱機関において、容器（１１）の中間部に配置され、容器（１１）に吸気された蒸気を冷却して凝縮する冷却部（１２２）を備え、
冷却部（１２２）は、蒸気を冷却用流体と熱交換させることによって冷却するように構成されており、
液体ピストン排出手段（３１）は、冷却用流体の温度が閾値よりも低下した場合に液体ピストン（１５）が所定量以上になったと判定してもよい。
【００２２】
また、請求項１２に記載の発明のように、請求項７ないし９のいずれか１つに記載の熱機関において、液体ピストン排出手段（３１）は、容器（１１）の内部圧力の平均圧が閾値よりも低下した場合に液体ピストン（１５）が所定量以上になったと判定してもよい。
【００２３】
請求項１３に記載の発明では、液相状態の作動媒体からなる液体ピストン（１５）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
容器（１１）の外部に設けられ、作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器（２０）と、
容器（１１）の一端側部位に配置され、外部蒸発器（２０）で発生した蒸気を容器（１１）に吸気させる吸気手段（１３１）と、
容器（１１）の他端側部位に配置され、容器（１１）に吸気された蒸気の膨張によって生じる液体ピストン（１５）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１４）と、
蒸気の凝縮に伴う液体ピストン量の増加を抑制するように、液体ピストン（１５）の一部を容器（１１）から排出させる液体ピストン排出手段（１８、３１）と、
容器（１１）から不凝縮ガスを排気させる排気手段（１３２）とを備えることを特徴とする。
【００２４】
これによると、容器（１１）から不凝縮ガスを排気させるので、蒸気に混入した不凝縮ガスを圧縮する損失が発生することを抑制できる。このため、熱動力変換効率を向上することができる。
【００２５】
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】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態における熱機関を模式的に示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態における作動を示すＰＶ線図およびタイムチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態における熱機関を模式的に示す全体構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態における熱機関を模式的に示す全体構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態における熱機関を模式的に示す全体構成図である。
【図６】第４実施形態における作動を示すタイムチャートおよび制御マップである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（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１０の概略構成を表す構成図である。図１中の上矢印は鉛直方向の上方、下矢印は鉛直方向の下方を示している。
【００２８】
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、駆動対象機器１を駆動する駆動源として用いられる。
【００２９】
熱機関１０は、作動媒体（具体的には水）が液相状態で流動可能に封入された容器１１と、作動媒体の蒸気（具体的には水蒸気）を容器１１内に供給する外部蒸発器２０とを備えている。
【００３０】
外部蒸発器２０は、作動媒体である水を加熱して蒸気を発生させる。本例では、外部蒸発器２０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、外部蒸発器２０が高温ガスの流れ中に配置され、外部蒸発器２０が高温ガスで加熱されることによって外部蒸発器２０内部の水が加熱されて蒸発する。
【００３１】
容器１１は、水が往復変位する管状の液体ピストン変位部１２と、液体ピストン変位部１２の一端側に設けられる蒸気バルブ１３と、液体ピストン変位部１２の他端側に設けられる出力部１４とに大別される。以下では、液体ピストン変位部１２で変位する水を液体ピストン１５という。
【００３２】
蒸気バルブ１３は、外部蒸発器２０からの蒸気を液体ピストン変位部１２内に吸気するための吸気ポート１３１と、液体ピストン変位部１２から蒸気を排気するための排気ポート１３２とを有し、吸気ポート１３１および排気ポート１３２を所定タイミングで開閉する。吸気ポート１３１は、外部蒸発器２０で発生した蒸気を容器１１に吸気させる吸気手段をなす。排気ポート１３２は、容器１１から蒸気を排気させる排気手段をなす。
【００３３】
蒸気バルブ１３には、吸気ポート１３１および排気ポート１３２を液体ピストン変位部１２の一端部１２１と連通させる蒸気通路１３３が形成されている。蒸気通路１３３は、吸気ポート１３１および排気ポート１３２と所定のタイミングで連通する。このような蒸気バルブ１３は、例えばロータリー弁やポペット弁等で構成することができる。
【００３４】
液体ピストン変位部１２の一端部は、外部蒸発器２０から供給された蒸気が膨張する膨張部１２１を構成している。膨張部１２１も外部蒸発器２０と同様に高温ガスで加熱するようにすれば、膨張部１２１での蒸気の凝縮を抑制することができる。
【００３５】
液体ピストン変位部１２の中間部は、膨張部１２１で膨張した蒸気を冷却して凝縮させる冷却部１２２を構成している。図１の例では、液体ピストン変位部１２のうち膨張部１２１および冷却部１２２の形成部位が複数本に分岐されている。
【００３６】
冷却部１２２は冷却器１６内に挿入されている。冷却器１６には、冷却水（冷却用流体）の入口１６１および出口１６２が形成されており、冷却水が循環するようになっている。
【００３７】
膨張部１２１で膨張した蒸気は冷却部１２２にて冷却水と熱交換することによって冷却されて凝縮する。冷却水の循環回路中には、冷却水が蒸気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。
【００３８】
なお、図１の例では、液体ピストン変位部１２の膨張部１２１に、液体ピストン１５の液面の乱れを抑制する液面乱れ抑制手段１２３が設けられている。液面乱れ抑制手段１２３は、液体ピストン１５（すなわち水）の流れを整流することによって液体ピストン１５の液面の乱れを抑制し、ひいては液体ピストン１５に蒸気が巻き込れて蒸気が凝縮するのを抑制する。
【００３９】
出力部１４は、液体ピストン変位部１２内の液体ピストン１５の変位を機械的エネルギに変換して出力する。本例では、出力部１４は、いわゆる斜板式の膨張機で構成されており、液体ピストン１５から圧力を受けて変位する固体ピストン１４１と、固体ピストン１４１を摺動可能に支持するシリンダ１４２と、固体ピストン１４１によって押圧される斜板１４３と、斜板１４３に連結された出力軸１４４とを有している。
【００４０】
出力軸１４４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。シリンダ１４２内にはダイアフラム１４５が配置されている。シリンダ１４２内においてダイアフラム１４５よりも固体ピストン１４１側には固体ピストン１４１を潤滑する油１４６が封入されている。すなわち、ダイアフラム１４５は、シリンダ１４２内において液と油１４６とを分離する油水分離膜としての役割を果たす。
【００４１】
液体ピストン変位部１２内の液体ピストン１５が出力部１４に向かって変位するとダイアフラム１４５を介して油１４６が押し出され、さらに固体ピストン１４１も押し出されて図１の上方に向かって変位する。
【００４２】
図１の上方に向かって変位した固体ピストン１４１が斜板１４３を押圧することによって、斜板１４３に連結された出力軸１４４が回転する。出力軸１４４は駆動対象機器である発電機１に連結されており、出力軸１４４の回転により発電機１が駆動される。
【００４３】
出力軸１４４が回転すると、慣性力発生部材（図示せず）の慣性力によって固体ピストン１４１が図１の下方に向かって押し戻される。
【００４４】
同期手段１７は、出力軸１４４の回転位相と同期して蒸気バルブ１３を駆動する。本実施形態では、同期手段１７は、蒸気バルブ１３を出力軸１４４と機械的に連結して同期させている。図１の例では、同期手段１７は、プーリ１７１、１７２とベルト１７３とで構成されている。
【００４５】
液体ピストン排出手段１８は、容器１１から液体ピストン１５の一部を排出することによって、容器１１内の液体ピストン１５の量を所定量に維持する。具体的には、液体ピストン排出手段１８は、容器１１のうち冷却部１２２と出力部１４との間の部位に接続された排出管１８１と、排出管１８１を開閉するリリーフ弁１８２とで構成されている。リリーフ弁１８２は、容器１１の内部圧力が所定圧力以上になると開弁する。
【００４６】
なお、本例では、作動媒体として水を用いていることから、容器１１を基本的にステンレス製としているが、容器１１のうち膨張部１２１および冷却部１２２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。
【００４７】
次に、上記構成における作動を図２に示すＰＶ線図およびタイムチャートに基づいて説明する。
【００４８】
図２に示す容積Ｖは容器１１の容積のことであり、固体ピストン１４１の変位に伴って変動する。図２に示す圧力Ｐは容器１１の内部圧力のことである。図２（ｂ）に示す上死点とは、液体ピストン１５が最も膨張部１２１側にきた状態のことを意味している。図２（ｂ）に示す下死点とは、液体ピストン１５が最も出力部１４側にきた状態のことを意味している。
【００４９】
液体ピストン１５が上死点に到達した直後の状態において、蒸気バルブ１３の作動によって吸気ポート１３１が開くと膨張部１２１に外部蒸発器２０からの蒸気が吸気される。図２（ｂ）に示す蒸気圧力は、膨張部１２１に吸気された蒸気の圧力のことである。
【００５０】
吸気ポート１３１が所定時間開いた後に閉じられると、膨張部１２１に供給された高温・高圧の蒸気が膨張して液体ピストン１５が出力部１４側に押し出される。このときの液体ピストン１５の変位方向を以下、膨張方向という。また、液体ピストン１５が膨張方向に変位する行程を以下、膨張行程という。
【００５１】
膨張行程では、液体ピストン１５が膨張方向に変位することによって出力部１４の出力軸１４４が回転して機械的エネルギが出力される。
【００５２】
膨張部１２１で膨張した蒸気が冷却部１２２に進入して液体ピストン１５の液面が冷却部１２２まで下がると冷却部１２２にて蒸気が冷却されて凝縮する。これにより、液体ピストン１５を出力部１４側へ押し出す力が消滅するので、固体ピストン１４１は慣性力発生部材（図示せず）の慣性力によって上死点側へ戻る。このときの液体ピストン１５の変位方向を以下、圧縮方向という。また、液体ピストン１５が圧縮方向に変位する行程を以下、圧縮行程という。
【００５３】
圧縮行程では、蒸気バルブ１３の作動によって排気ポート１３２が所定タイミングで開き、冷却部１２２で凝縮し切れなかった蒸気が排気ポート１３２から排気される。排気ポート１３２は、液体ピストン１５が上死点に到達する少し前に閉じられる。
【００５４】
このような動作が繰り返し行われることで液体ピストン変位部１２内の液体ピストン１５が周期的に変位（いわゆる自励振動）して、出力部１４の出力部１４を連続的に回転させることになる。
【００５５】
ここで、圧縮行程において、外部蒸発器２０から供給された蒸気が冷却部１２２で凝縮するので、その分、容器１１内の液体ピストン１５の量が増加することとなる。容器１１内の液体ピストン１５の量が増加すると液体ピストン１５の液面位置が上昇するので、その分、容器１１内の蒸気の容積（以下、内部蒸気容積と言う。）が小さくなる。
【００５６】
このため、排気ポート１３２が閉じられてから上死点に到達するまでの蒸気の圧縮により圧力Ｐが上昇する。なお、液体ピストン量がさらに増加して内部蒸気容積が零になった場合には液体ピストン１５が液圧縮されて圧力Ｐがさらに上昇する。
【００５７】
そして、圧力Ｐが所定圧力（図２（ｂ）に示すリリーフ弁開圧力）以上になると、液体ピストン排出手段１８のリリーフ弁１８２が開弁し、液体ピストン排出手段１８の液体ピストン排出管１８１から液体ピストン１５の一部が排出される。
【００５８】
液体ピストン１５の一部が排出されて圧力Ｐが所定圧未満になるとリリーフ弁１８２が閉弁する。このようにして、液体ピストン１５の量が所定量以下に維持される。
【００５９】
なお、本実施形態では、作動サイクルにおける圧力Ｐの最低圧力が大気圧を下回るようになっている。そのため、リリーフ弁１８２は、圧力Ｐが大気圧を下回ったときに液体ピストン排出管１８１からの逆流を防止する役割をも果たしている。
【００６０】
上述のように本実施形態では、蒸気バルブ１３が出力部１４の出力軸１４４と機械的にリンクしており、液体ピストン１５の位相と同期して吸気ポート１３１および排気ポート１３２の開閉を行うことによって、膨張行程と圧縮行程とを繰り返し行うという作動サイクルが成立する。
【００６１】
特に、蒸気バルブ１３が排気ポート１３２を開くことによって、冷却部１２２で凝縮し切れなかった蒸気、および吸気ポート１３１から吸気された蒸気に混入した空気（不凝縮ガス）を排気ポート１３２から排気することができるので、熱動力変換効率を向上することができる。
【００６２】
ここで、排気ポート１３２を閉じるタイミングを、液体ピストン１５が上死点に到達するタイミングに一致させれば、排気ポート１３２から蒸気および不凝縮ガスをより確実に排気することができる。
【００６３】
さらに、液体ピストン１５が上死点に到達したときのデッドボリューム（死容積）を限りなく０に近づければ、排気ポート１３２から蒸気および不凝縮ガスを限りなく排出し切ることができる。
【００６４】
すなわち、液体ピストン１５の代わりに固体ピストンを用いた場合には、デッドボリュームを限りなく０に近づけると固体ピストンが容器１１の端部壁面に衝突して容器１１が破損する虞があるので、デッドボリュームを限りなく０に近づけることができないのであるが、本実施形態では液体ピストン１５を用いているのでデッドボリュームを限りなく０に近づけることができる。
【００６５】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、同期手段１７が蒸気バルブ１３を出力軸１４４と機械的に連結して同期させているが、本第２実施形態では図３に示すように、同期手段３０が蒸気バルブ１３を出力軸１４４と機械的に連結することなく電気的に同期させている。
【００６６】
具体的には、同期手段３０は、出力軸１４４の位相（すなわち液体ピストン１５の位相）を検出する位相検出手段３０１と、蒸気バルブ１３を駆動するアクチュエータ３０２と、位相検出手段３０１が検出した位相に基づいてアクチュエータ３０２を制御する制御手段３０３とによって構成されている。
【００６７】
制御手段３０３は、吸気ポート１３１および排気ポート１３２が上記第１実施形態と同様のタイミングで開閉するようにアクチュエータ３０２を制御する。本実施形態においても、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。
【００６８】
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、液体ピストン排出手段１８は、容器１１のうち冷却部１２２と出力部１４との間の部位から液体ピストン１５の一部を排出するが、本第３実施形態では図４に示すように、容器１１の膨張部１２１から液体ピストン１５の一部を排出する。
【００６９】
蒸気通路１３３は、吸気ポート１３１側の分岐通路１３３ａと排気ポート１３２側の分岐通路１３３ｂとに分岐している。排気ポート側分岐通路１３３ｂは吸気ポート側分岐通路１３３ａより鉛直方向の下方側に配置されている。
【００７０】
これにより、液体ピストン１５が所定量を越えた場合に液体ピストン１５のヘッド（水頭圧）により液体ピストン１５の一部を排気ポート側分岐通路１３３ｂおよび排気ポート１３２を通じて排出することができる。
【００７１】
本実施形態によると、排気ポート１３２が液体ピストン排出手段１８を兼ねるので、構造を簡素化できる。
【００７２】
（第４実施形態）
上記第１実施形態では、液体ピストン排出手段１８は機械的作動によって液体ピストン１５の一部を排出するが、本第４実施形態では、図５に示すように、液体ピストン排出手段３１は電気的制御によって液体ピストン１５の一部を排出する。
【００７３】
具体的には、液体ピストン排出手段３１は、容器１１のうち冷却部１２２と出力部１４との間の部位に接続された排出管３１１と、排出管３１１を開閉する電磁バルブ３１２と、液体ピストン１５が所定量以上になったことを検出する液体ピストン量検出手段３１３、３１４、３１５と、液体ピストン１５が所定量以上になったことを液体ピストン量検出手段３１３、３１４、３１５が検出したときに電磁バルブ３１２を開弁する制御手段３１６とを有している。
【００７４】
液体ピストン排出管３１１には、サイクル圧力Ｐが大気圧を下回ったときに液体ピストン排出管３１１からの逆流を防止する一方向バルブ３１７が配置されている。
【００７５】
図５の例では、液体ピストン量検出手段３１３、３１４、３１５として、容器温度検出手段３１３と、冷却水温度検出手段３１４と、平均圧検出手段３１５とが設けられているが、必ずしもこれら３つの手段を全て設ける必要はない。
【００７６】
容器温度検出手段３１３は、容器１１の所定部位の温度（管壁温度）Ｔ１を検出する。液体ピストン１５（水）が管壁に触れると管壁温度が低下することから、容器温度検出手段３１３が管壁温度Ｔ１の低下を検出することによって液体ピストン１５が所定量以上になったことを判定できる。
【００７７】
冷却水温度検出手段３１４は、冷却器１６における冷却水出口温度Ｔ２を検出する。液体ピストン１５が長くなりすぎた場合、冷却部１２２に蒸気が滞留する時間が小さくなるとともに伝熱面積が小さくなって熱交換量が減少し、ひいては冷却水出口温度Ｔ２が低下することから、冷却水温度検出手段３１４が冷却水出口温度Ｔ２の低下を検出することによって液体ピストン１５が所定量以上になったことを判定できる。
【００７８】
平均圧検出手段３１５は、サイクル圧力Ｐの平均圧（以下、サイクル平均圧と言う。）Ｐａを検出する。液体ピストン１５が長くなりすぎた場合、膨張部１２１に蒸気を取り込むための空間が小さくなって蒸気の吸気量が少なくなり、ひいてはサイクル平均圧Ｐａの低下を招くことから、平均圧検出手段３１５がサイクル平均圧Ｐａの低下を検出することによって液体ピストン１５が所定量以上になったことを判定できる。
【００７９】
図６（ａ）は、液体ピストン排出手段３０の作動例を示すタイムチャートである。図６（ａ）中の「排出手段開」は、電磁バルブ３１２が開弁している期間のことである。容器温度検出手段３１３が検出した管壁温度Ｔ１が閾値を下回った場合、冷却水温度検出手段３１４が検出した冷却水出口温度Ｔ２が閾値を下回った場合、および平均圧検出手段３１５が検出したサイクル平均圧Ｐａが閾値を下回った場合のうち少なくとも１つを満たすと電磁バルブ３１２が開弁する。これにより、液体ピストン１５を所定量以下で維持できる。
【００８０】
図６（ｂ）に示すように、電磁バルブ３１２を開く時間（排出手段開時間）は、サイクル平均圧Ｐａとの関係で予めマップ化されている。すなわち、電磁バルブ３１２の開度が一定であればサイクル平均圧Ｐａが高いほど液体ピストン排出管３１１から排出される液体ピストン１５の流量が大きくなることから、サイクル平均圧Ｐａが高いときほど電磁バルブ３１２を開く時間を短くする。
【００８１】
本実施形態によると、液体ピストン排出手段３１による液体ピストン１５の排出を電気的制御によって行うので、液体ピストン量の制御をきめ細かく行うことが可能になる。
【００８２】
（他の実施形態）
（１）上記各実施形態では、作動媒体として水を用いたが、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を用いてもよい。
【００８３】
（２）上記各実施形態では、冷却部１２２で蒸気を冷却・凝縮させるとともに慣性力発生部材（図示せず）の慣性力によって液体ピストン１５を膨張部１２１側へ押し戻すようになっているが、冷却部１２２で蒸気を冷却・凝縮させることなく、慣性力発生部材（図示せず）の慣性力のみによって液体ピストン１５を膨張部１２１側へ押し戻すようにしてもよい。
【００８４】
因みに、この場合においても液体ピストン排出手段１８、３１は必要である。すなわち、上記各実施形態の熱機関では、膨張行程において蒸気が膨張すると蒸気の一部が凝縮するからである。
【符号の説明】
【００８５】
１１    容器
１４    出力部
１５    液体ピストン
１８    液体ピストン排出手段
２０    外部蒸発器
１３１  吸気ポート（吸気手段）
１３２  排気ポート（排気手段）
【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】
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