(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体（１２）が液体状態で流動可能に封入された主容器（１１）と、
前記主容器内の前記作動流体を加熱して気化させる加熱手段（１３）と、
前記加熱手段で加熱されて気化した前記作動流体の蒸気を冷却して液化させる冷却手段（１４）と、を備え、
前記作動流体の体積変動によって生ずる前記作動流体の液体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であって、
液体状態の前記作動流体、および気体（１８）が封入された補助容器（１６）と、
前記補助容器内と前記主容器内とを連通させる連通部（１７）と、
前記補助容器における前記作動流体の液面位置を検出する液面検出手段（２０ｂ、２０ｃ、２２、２４、２５、２６）と、
前記液面検出手段の検出結果に応じて、前記作動流体の漏れが生じているか否かを判定する漏れ判定手段（２０ａ）と、を備え、
前記連通部は、前記作動流体の液体部分が変位する方向に直交する変位直交方向の断面積が前記主容器における前記変位直交方向の断面積よりも小さくなっており、
前記漏れ判定手段は、前記液面検出手段の検出値が所定の下限位置を下回った場合に、前記作動流体の漏れが生じていると判定するようになっており、
さらに、前記主容器内における前記作動流体の温度を検出する第１温度検出手段（２３）と、
前記第１温度検出手段の検出値に応じて、前記下限位置を補正する補正手段（Ｓ２０）と、を備え、
前記補正手段は、前記主容器内における前記作動流体の温度の低下に伴って、前記下限位置を低下させることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記補助容器は、前記下限位置を含む一部位における前記変位直交方向の断面積が、他部位における前記変位直交方向の断面積よりも小さくなってい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】
前記液面検出手段は、前記補助容器における前記作動流体の液面位置を検出する水位センサ（２２）で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の外燃機関。
【請求項４】
作動流体（１２）が液体状態で流動可能に封入された主容器（１１）と、
前記主容器内の前記作動流体を加熱して気化させる加熱手段（１３）と、
前記加熱手段で加熱されて気化した前記作動流体の蒸気を冷却して液化させる冷却手段（１４）と、を備え、
前記作動流体の体積変動によって生ずる前記作動流体の液体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であって、
液体状態の前記作動流体、および気体（１８）が封入された補助容器（１６）と、
前記補助容器内と前記主容器内とを連通させる連通部（１７）と、
前記補助容器における前記作動流体の液面位置を検出する液面検出手段（２０ｂ、２０ｃ、２２、２４、２５、２６）と、
前記液面検出手段の検出結果に応じて、前記作動流体の漏れが生じているか否かを判定する漏れ判定手段（２０ａ）と、を備え、
前記連通部は、前記作動流体の液体部分が変位する方向に直交する変位直交方向の断面積が前記主容器における前記変位直交方向の断面積よりも小さくなっており、
前記漏れ判定手段は、前記液面検出手段の検出値が所定の下限位置を下回った場合に、前記作動流体の漏れが生じていると判定するようになっており、
さらに、前記補助容器内の圧力を調整する圧力調整手段（１９）を備え、
前記圧力調整手段は、前記補助容器内に配置された圧力調整ピストン（１９ａ）、および前記圧力調整ピストンを前記補助容器内で往復動させる駆動手段（１９ｂ）を含んで構成されており、
前記液面検出手段は、
前記補助容器内における前記圧力調整ピストンの位置を検出する位置検出手段（２４）と、
前記位置検出手段の検出値に基づいて前記補助容器における前記作動流体の液面位置を算出する液面位置算出手段（２０ｂ）と、を有することを特徴とする外燃機関。
【請求項５】
作動流体（１２）が液体状態で流動可能に封入された主容器（１１）と、
前記主容器内の前記作動流体を加熱して気化させる加熱手段（１３）と、
前記加熱手段で加熱されて気化した前記作動流体の蒸気を冷却して液化させる冷却手段（１４）と、を備え、
前記作動流体の体積変動によって生ずる前記作動流体の液体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であって、
液体状態の前記作動流体、および気体（１８）が封入された補助容器（１６）と、
前記補助容器内と前記主容器内とを連通させる連通部（１７）と、
前記補助容器における前記作動流体の液面位置を検出する液面検出手段（２０ｂ、２０ｃ、２２、２４、２５、２６）と、
前記液面検出手段の検出結果に応じて、前記作動流体の漏れが生じているか否かを判定する漏れ判定手段（２０ａ）と、を備え、
前記連通部は、前記作動流体の液体部分が変位する方向に直交する変位直交方向の断面積が前記主容器における前記変位直交方向の断面積よりも小さくなっており、
前記漏れ判定手段は、前記液面検出手段の検出値が所定の下限位置を下回った場合に、前記作動流体の漏れが生じていると判定するようになっており、
前記液面検出手段は、
前記補助容器内における前記気体の圧力を検出する圧力検出手段（２５）と、
前記補助容器内における前記気体の温度を検出する第２温度検出手段（２６）と、
前記圧力検出手段の検出値、および前記第２温度検出手段の検出値に基づいて、前記補助容器内における前記気体の体積を算出すると共に、前記補助容器内の容積および前記気体の体積から前記補助容器における前記作動流体の液面位置を算出する液面位置算出手段（２０ｃ）と、を有することを特徴とする外燃機関。
【請求項６】
前記主容器内における前記作動流体の温度を検出する第１温度検出手段（２３）と、
前記第１温度検出手段の検出値に応じて、前記下限位置を補正する補正手段（Ｓ２０）と、を備え、
前記補正手段は、前記主容器内における前記作動流体の温度の低下に伴って、前記下限位置を低下させることを特徴とする請求項４または５に記載の外燃機関。
【請求項７】
前記補助容器における前記変位直交方向の断面積は、前記主容器における前記変位直交方向の断面積よりも小さくなってい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】
前記下限位置は、前記作動流体の漏れが生じていない場合における前記作動流体の液体密度が最大となった際の前記補助容器内の前記作動流体の液面位置以下に設定されていることを特徴とする請求項１ないし７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、作動流体の体積変動によって生ずる作動流体の液体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】
従来、外燃機関の１つとして、主容器内に封入した液体状態の作動流体の一部を被加熱部で加熱して気化させると共に、気化した作動流体の蒸気を被冷却部にて冷却して液化させることで、作動流体の体積変動によって生ずる作動流体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の外燃機関は、液体ピストン式蒸気エンジンと呼ばれている。
【０００３】
この特許文献１では、密閉された主容器の内部圧力のピーク値が、作動流体の飽和蒸気圧よりも低く、且つ、作動流体の飽和蒸気圧にできるだけ近いときに、蒸気エンジンの性能（出力および効率）が高くなることに着眼し、主容器の内部圧力を調整する手段を付加する構成としている。具体的には、作動流体が封入されると共に主容器に連通する圧力調整用容器、および圧力調整用容器内の圧力を調整する圧力調整手段を設け、圧力調整手段で圧力調整用容器内の圧力を調整することで、主容器の内部圧力のピーク値を作動流体の飽和蒸気圧に近づけるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２５５２５９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、液体ピストン式蒸気エンジンは、何らかの要因（シール性低下等）によって主容器から作動流体（液体又は蒸気）の漏れが生じると、作動流体の変位を機械的エネルギに効率よく変換して出力できなかったり、漏れが生じた箇所に過度に応力が作用して主容器が破損したりする可能性がある。
【０００６】
この際、主容器内からの作動流体の漏れが多量であれば、蒸気エンジンの出力変化、作動流体の漏れ出す際に生ずる騒音、目視等により検知することが可能であるが、主容器内からの作動流体の漏れが微量であれば、蒸気エンジンの出力変化、騒音、目視等により検知することが困難である。
【０００７】
これに対して、本発明者らは、主容器における作動流体の液面位置に基づいて、主容器内における作動流体の封入量の変化を測定することで、作動流体の漏れを検知することを検討している。しかし、蒸気エンジンでは、作動流体の液体部分が液体ピストンとして主容器内を往復動（振動）することから、作動流体の液面位置に基づいて作動流体の漏れを精度よく検知することが困難であった。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、作動流体の体積変動によって生ずる作動流体の液体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おいて、作動流体の漏れ検知の精度向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、作動流体（１２）が液体状態で流動可能に封入された主容器（１１）と、主容器内の作動流体を加熱して気化させる加熱手段（１３）と、加熱手段で加熱されて気化した作動流体の蒸気を冷却して液化させる冷却手段（１４）と、を備え、作動流体の体積変動によって生ずる作動流体の液体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を対象としている。
【００１０】
本発明では、第１に、液体状態の作動流体、および気体（１８）が封入された補助容器（１６）と、補助容器内と主容器内とを連通させる連通部（１７）と、補助容器における作動流体の液面位置を検出する液面検出手段（２０ｂ、２０ｃ、２２、２４、２５、２６）と、液面検出手段の検出結果に応じて、作動流体の漏れが生じているか否かを判定する漏れ判定手段（２０ａ）と、を備え、連通部は、作動流体の液体部分が変位する方向に直交する変位直交方向の断面積が主容器における変位直交方向の断面積よりも小さくなっており、漏れ判定手段は、液面検出手段の検出値が所定の下限位置を下回った場合に、作動流体の漏れが生じていると判定するようになっており、
さらに、主容器内における作動流体の温度を検出する第１温度検出手段（２３）と、第１温度検出手段の検出値に応じて、下限位置を補正する補正手段（Ｓ２０）と、を備え、補正手段は、主容器内における作動流体の温度の低下に伴って、下限位置を低下させることを特徴としている（請求項１参照）。
本発明では、第２に、液体状態の作動流体、および気体（１８）が封入された補助容器（１６）と、補助容器内と主容器内とを連通させる連通部（１７）と、補助容器における作動流体の液面位置を検出する液面検出手段（２０ｂ、２０ｃ、２２、２４、２５、２６）と、液面検出手段の検出結果に応じて、作動流体の漏れが生じているか否かを判定する漏れ判定手段（２０ａ）と、を備え、連通部は、作動流体の液体部分が変位する方向に直交する変位直交方向の断面積が主容器における変位直交方向の断面積よりも小さくなっており、漏れ判定手段は、液面検出手段の検出値が所定の下限位置を下回った場合に、作動流体の漏れが生じていると判定するようになっており、
さらに、補助容器内の圧力を調整する圧力調整手段（１９）を備え、圧力調整手段は、補助容器内に配置された圧力調整ピストン（１９ａ）、および圧力調整ピストンを補助容器内で往復動させる駆動手段（１９ｂ）を含んで構成されており、
液面検出手段は、補助容器内における圧力調整ピストンの位置を検出する位置検出手段（２４）と、位置検出手段の検出値に基づいて補助容器における作動流体の液面位置を算出する液面位置算出手段（２０ｂ）と、を有することを特徴としている（請求項４参照）。
本発明では、第３に、液体状態の作動流体、および気体（１８）が封入された補助容器（１６）と、補助容器内と主容器内とを連通させる連通部（１７）と、補助容器における作動流体の液面位置を検出する液面検出手段（２０ｂ、２０ｃ、２２、２４、２５、２６）と、液面検出手段の検出結果に応じて、作動流体の漏れが生じているか否かを判定する漏れ判定手段（２０ａ）と、を備え、連通部は、作動流体の液体部分が変位する方向に直交する変位直交方向の断面積が主容器における変位直交方向の断面積よりも小さくなっており、漏れ判定手段は、液面検出手段の検出値が所定の下限位置を下回った場合に、作動流体の漏れが生じていると判定するようになっており、
液面検出手段は、補助容器内における気体の圧力を検出する圧力検出手段（２５）と、補助容器内における気体の温度を検出する第２温度検出手段（２６）と、圧力検出手段の検出値、および第２温度検出手段の検出値に基づいて、補助容器内における気体の体積を算出すると共に、補助容器内の容積および気体の体積から補助容器における作動流体の液面位置を算出する液面位置算出手段（２０ｃ）と、を有することを特徴としている（請求項５参照）。
【００１１】
このように、補助容器内と主容器内とを連通させる連通部の断面積を主容器の断面積よりも小さい構成とすれば、連通部が補助容器および主容器間の流路抵抗として作用するので、主容器内における作動流体の体積変動による補助容器内における作動流体の液面位置の変動を抑制することができる。
【００１２】
そして、主容器内における作動流体の体積変動の影響が抑制される補助容器内の作動流体の液面位置に基づいて、主容器内に封入した作動流体の漏れが生じているか否かを判定する構成としているので、作動流体の漏れ検知を精度よく行うことができる。
【００１３】
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している。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る発電装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る水位センサを説明する説明図である。
【図３】第１実施形態に係る外燃機関の動作特性を説明する説明図である。
【図４】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５】第２実施形態に係る発電装置の概略構成図である。
【図６】第２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７】第３実施形態に係る発電装置の概略構成図である。
【図８】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９】第４実施形態に係る補助容器の形状を説明する説明図である。
【図１０】液面位置検出手段の構成要素の変形例を説明する説明図である。
【図１１】液面位置検出手段の構成要素の変形例を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明による外燃機関１０を、発電装置を駆動する駆動源に適用している。発電装置は、外燃機関１０および発電機１で構成されている。発電機１は、永久磁石が埋設された可動子２が振動変位することで起電力を生じさせるものであり、外燃機関１０によって駆動される。
【００１７】
外燃機関１０は、液体ピストン式蒸気エンジンと呼ばれるものであり、主たる構成として、作動流体１２が液体状態で流動可能に封入された主容器１１、主容器１１内の作動流体１２を加熱して気化させる加熱器１３、気化した作動流体１２の蒸気を冷却して液化させる冷却器１４、制御装置２０を備える。本例では、作動流体１２として水を用いている。なお、作動流体１２としては、水以外の液体を用いてもよい。
【００１８】
本実施形態の主容器１１は、屈曲部１１ｄが最下部に位置し、第１、第２直線部１１ｅ、１１ｆが上下方向に延びるＵ字状に形成されたパイプ状の圧力容器である。主容器１１のうち、屈曲部１１ｄを挟んで水平方向の一端側（図１の右側）の第１直線部１１ｅには、加熱器１３および冷却器１４が配置されている。なお、加熱器１３は、第１直線部１１ｅにおける冷却器１４の上方側に位置している。
【００１９】
また、図示を省略しているが、第１直線部１１ｅは、その上端部に、作動流体１２が気化する空間を確保するために気体（例えば、空気）が封入されている。
【００２０】
一方、主容器１１のうち、屈曲部１１ｄを挟んで水平方向の他端側（図１の左側）の第２直線部１１ｆには、その上端部に発電機１が配置されている。発電機１のケーシング１ａ内には、作動流体１２の液体部分から圧力を受けて変位するピストン１５がシリンダ１５ａに摺動可能に配置されている。なお、本実施形態におけるピストン１５は、作動流体１２の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力手段を構成している。
【００２１】
ピストン１５は、発電機１のケーシング１ａ内において、可動子２のシャフト２ａに連結されている。可動子２を挟んでピストン１５と反対側には、可動子２をピストン１５側に押圧する弾性力を発生させる弾性部材（例えば、バネ）３が設けられている。
【００２２】
本実施形態の加熱器１３は、高温ガス（例えば、自動車の排気ガス）と熱交換するものであるが、加熱器１３を電気ヒータで構成してもよい。本実施形態では、加熱器１３が作動流体１２を加熱する加熱手段を構成する。
【００２３】
また、本実施形態の冷却器１４には冷却水が循環するようになっている。図示を省略しているが、冷却水が作動流体１２の蒸気から奪った熱を放熱する放熱器が、冷却水の循環回路中に配置されている。本実施形態では、冷却器１４が作動流体１２を冷却する冷却手段を構成する。
【００２４】
ここで、主容器１１のうち、加熱器１３と接触する部位である被加熱部１１ａおよび冷却器１４と接触する部位である被冷却部１１ｂは熱伝導性に優れた材料とすることが望ましく、本例では、被加熱部１１ａおよび被冷却部１１ｂを銅又はアルミニウム製としている。なお、加熱器１３や冷却器１４は、主容器１１と別体でなく、主容器１１と一体に形成してもよい。
【００２５】
また、主容器１１のうち被加熱部１１ａと被冷却部１１ｂとの中間部１１ｃは、断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本例では、中間部１１ｃを断熱性に優れたステンレス製としている。そして、主容器１１のうち、被冷却部１１ｂよりも発電機１側の部位は、中間部１１ｃと同様に、断熱性に優れたステンレス製としている。
【００２６】
続いて、主容器１１のうち、屈曲部１１ｄの上方側には、主容器１１の内部圧力（以下、主容器内圧力と称する。）を調整するための補助容器１６が配置されている。
【００２７】
この補助容器１６は、上下方向に直交する方向の断面積が一定で上下方向に延びる密閉容器であり、その底部が、連絡配管１７を介して、主容器１１の屈曲部１１ｄ内と連通している。
【００２８】
補助容器１６は、その内部における下方側に液体状態の作動流体１２が充填され、上方側に気体１８が充填されている。補助容器１６内に充填する気体１８としては、作動流体１２に難溶性を示す気体を用いることが好ましく、本例では、作動流体１２である水に難溶性を示すヘリウムを用いている。
【００２９】
本実施形態の補助容器１６は、作動流体１２の液体部分が変位する方向に直交する変位直交方向の断面積が主容器１１における変位直交方向の断面積よりも小さい形状となっている。
【００３０】
ここで、本実施形態では、主容器１１をＵ字形状としているため、主容器１１における変位直交方向は、屈曲部１１ｄにおいて水平方向に直交する方向（上下方向）となり、第１、第２直線部１１ｅ、１１ｆにおいて上下方向に直交する方向（水平方向）となる。なお、本実施形態における補助容器１６および連絡配管１７では、上下方向に作動流体１２が変位することから、補助容器１６および連絡配管１７における変位直交方向は、上下方向に直交する方向（水平方向）となる。なお、以下の説明では、変位直交方向の断面積を、単に断面積と呼ぶ。
【００３１】
また、連絡配管１７は、補助容器１６内における作動流体１２の液体部分が存在する部位、および主容器１１内の作動流体１２の液体部分が存在する部位を連通させる連通部を構成している。この連絡配管１７は、補助容器１６の内部圧力（以下、補助容器内圧力と称する。）を主容器内圧力と同等の圧力に安定させるために、その断面積が、主容器１１の断面積よりも小さい断面積となるように構成されている。なお、連絡配管１７は、補助容器１６の断面積よりも小さい断面積となるように構成されている。
【００３２】
補助容器１６および連絡配管１７は、断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本例では補助容器１６および連絡配管１７をステンレス製としている。
【００３３】
また、本実施形態の補助容器１６には、その上部に補助容器内圧力を調整する圧力調整機構をなすピストン機構１９が配置されている。このピストン機構１９は、圧力調整ピストン１９ａと、電動アクチュエータ１９ｂとで構成されている。圧力調整ピストン１９ａは補助容器１６内の上端部に配置され、補助容器１６外部の電動アクチュエータ１９ｂによって上下方向に往復駆動されるようになっている。なお、本実施形態では、電動アクチュエータ１９ｂが圧力調整ピストン１９ａを駆動する駆動手段を構成する。
【００３４】
次に、本実施形態における電子制御部の概要を説明すると、制御装置２０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭといった記憶手段等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成され、記憶手段に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算・処理を行い出力側に接続された各種制御対象機器の作動を制御する制御手段である。
【００３５】
制御装置２０の出力側には、制御対象機器として加熱器１３、冷却器１４、ピストン機構１９の電動アクチュエータ１９ｂ等が接続されている。これら制御対象機器は、制御装置２０から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
【００３６】
制御装置２０の入力側には、主容器１１における被加熱部１１ａの温度（以下、被加熱部温度と言う。）を検出する被加熱部温度センサ２１、補助容器１６内の作動流体１２の液面位置を検出する液面検出手段としての電気式の水位センサ２２、主容器１１内における作動流体１２の温度を検出する第１温度検出手段としての主容器内温度センサ２３等が接続されている。
【００３７】
本実施形態の主容器内温度センサ２３は、主容器１１内における作動流体１２の液体部分が存在する部位のうち、平均的な温度となる部位に配置されている。勿論、主容器内温度センサ２３を主容器１１内における作動流体１２の液体部分が存在する部位に複数配置して、各センサの検出値の平均値を主容器１１内の作動流体１２の温度として検出するようにしてもよい。
【００３８】
また、本実施形態の水位センサ２２は、図２に示すように、補助容器１６内の作動流体１２の液体部分が変位する方向（上下方向）に並べた複数の電気抵抗検出回路２２ａを備え、各電気抵抗検出回路２２ａにて、補助容器１６内に配置した一対の電極間の電位差を抵抗値の変化として検出することで、補助容器１６内の作動流体１２の液面位置を検出する。なお、本実施形態おける「補助容器１６内の作動流体１２の液面位置」とは、補助容器１６における底面位置を基準とした際の液面高さを意味している。
【００３９】
ここで、本実施形態の制御装置２０は、外燃機関１０の運転中に、主容器内圧力を調整する圧力調整処理を実行すると共に、主容器１１内からの作動流体１２の漏れを検知する漏れ検知処理を実行する。
【００４０】
制御装置２０が実行する漏れ検知処理では、一連の処理の中で、補助容器１６内における作動流体１２の液面位置の変位（水位センサ２２の検出結果）に基づいて、主容器１１からの作動流体１２の漏れが生じているか否かを判定する漏れ判定処理を行う。なお、本実施形態では、制御装置２０における漏れ判定処理を実行する構成が漏れ判定手段２０ａを構成している。
【００４１】
次に、上記構成に係る外燃機関１０の作動を説明する。まず、外燃機関１０の駆動原理について図３に基づいて説明する。
【００４２】
外燃機関１０の運転が開始されると、加熱器１３により被加熱部１１ａ内における液体状態の作動流体１２が加熱される。これにより、作動流体１２の一部が気化し、被加熱部１１ａ内に高温・高圧の作動流体１２の蒸気が蓄積されて、主容器１１の第１直線部１１ｅ内の作動流体１２の液面を押し下げる。これに伴って主容器１１内に封入された作動流体１２の液体部分は、第１直線部１１ｅ側から第２直線部１１ｆ側に変位して、発電機１側のピストン１５を押し上げる。このとき、ピストン１５によって弾性部材３が押圧されて弾性変形する。
【００４３】
その後、第１直線部１１ｅ内の作動流体１２の液面が被冷却部１１ｂまで下がり、被冷却部１１ｂ内に作動流体１２の蒸気が進入すると、この蒸気が冷却器１４により冷却されて液化される。
【００４４】
これにより、第１直線部１１ｅ内の作動流体１２の液面を押し下げる力が消失し、作動流体１２の蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機１側のピストン１５が弾性部材３の弾性復元力によって下降し、主容器１１内に封入された作動流体１２の液体部分が第２直線部１１ｆ側から第１直線部１１ｅ側に変位して、第１直線部１１ｅ側の液面が上昇する。
【００４５】
このような動作が、加熱器１３および冷却器１４の作動を停止させるまで繰り返し実行され、その間、主容器１１内の作動流体１２の液体部分が周期的に往復動（いわゆる自励振動）して、発電機１の可動子２を上下動させることになる。そして、発電機１では、可動子２の振動に伴って誘起される電力を発電電力として出力する。
【００４６】
続いて、本実施形態の制御装置２０が実行する圧力調整処理について説明する。［背景技術］の欄にて説明したように、本例のような外燃機関１０は、主容器内圧力のピーク値が、作動流体１２の飽和蒸気圧よりも低く、且つ、作動流体１２の飽和蒸気圧にできるだけ近いときに、外燃機関１０の性能（出力および効率）が高くなることが判っている。
【００４７】
このため、本実施形態の制御装置２０は、外燃機関１０の運転時に、主容器内圧力のピーク値が作動流体１２の飽和蒸気圧よりも低く、且つ、作動流体１２の飽和蒸気圧にできるだけ近くなるように、ピストン機構１９の作動を制御する圧力調整処理を実行する。
【００４８】
具体的には、圧力調整処理では、まず、被加熱部温度センサ２１の検出値、および予め記憶手段に記憶した作動流体１２の蒸気圧曲線に基づいて、被加熱部温度における作動流体１２の飽和蒸気圧を算出する。
【００４９】
そして、補助容器内圧力のピーク値が飽和蒸気圧よりも低いときには、電動アクチュエータ１９ｂにて圧力調整ピストン１９ａを押し出して、補助容器１６内の容積を減少させる。これにより、補助容器１６内の作動流体１２が圧縮されて補助容器内圧力が上昇する。
【００５０】
一方、補助容器内圧力のピーク値が飽和蒸気圧よりも高いときには、電動アクチュエータ１９ｂにて圧力調整ピストン１９ａを引き込んで、補助容器１６内の容積を増加させる。これにより、補助容器１６内の作動流体１２が膨張して補助容器内圧力が低下する。
【００５１】
ここで、主容器１１および補助容器１６は、連絡配管１７を介して連通しており、主容器内圧力が補助容器内圧力に追従する。このため、補助容器内圧力をピストン機構１９にて調整することで、主容器内圧力を被加熱部温度における飽和蒸気圧に近づけることができ、外燃機関１０の性能の向上を図ることできる。
【００５２】
次に、本実施形態の制御装置２０が実行する漏れ検知処理について説明する。主容器１１内の作動流体１２（液体および蒸気）が外部に漏れると、主容器１１内の作動流体１２の減少に伴って、主容器１１内の作動流体１２の液面位置、および補助容器１６内の作動流体１２の液面位置が下がる。
【００５３】
主容器１１内の作動流体１２の液面位置は、加熱器１３および冷却器１４の作動が停止されるまで周期的に変位することから、主容器１１内の作動流体１２の液面位置によって、作動流体１２の漏れを検知することは困難である。
【００５４】
これに対して、補助容器１６は、主容器１１よりも断面積が小さい連絡配管１７を介して主容器１１に接続されているので、主容器１１内の作動流体１２の周期的な液面変位に追従して補助容器１６内の作動流体１２の液面位置が変動することが抑制される。
【００５５】
そこで、本実施形態の漏れ検知処理では、補助容器１６内における作動流体１２の液面位置の変位によって、作動流体１２の漏れを検知するようにしている。この漏れ検知処理の詳細ついては、図４のフローチャートを用いて説明する。なお、図４に示す制御ルーチンは、外部からの要求信号や、周期的に実行される。
【００５６】
まず、ステップＳ１０にて、水位センサ２２、主容器内温度センサ２３等の各センサ信号（検出値）を読み込み、ステップＳ２０にて、漏れ判定を行う際の判定閾値である下限位置を設定する。
【００５７】
ここで、主容器１１からの作動流体１２の漏れが生じていない場合、外燃機関１０の運転中において主容器１１内における作動流体１２の液体部分の密度（液体密度）が最大となるときに、補助容器１６内における作動流体１２の液面が最下に位置する（最下位置）。
【００５８】
これに対して、外燃機関１０の運転中における補助容器１６内における作動流体１２の液面位置が、主容器１１からの作動流体１２の漏れが生じていない場合の補助容器１６内における作動流体１２の最下位置を下回っているときには、主容器１１からの作動流体１２の漏れが生じている可能性が高いと捉えることができる。
【００５９】
そこで、ステップＳ２０では、まず、漏れ判定を行う際の判定閾値である下限位置を、主容器１１からの作動流体１２の漏れが生じていない場合の補助容器１６内における作動流体１２の最下位置以下に仮設定する。なお、下限位置として仮設定する値としては、例えば、予め求めておいた最下位置から所定値を減算した値に設定すればよい。
【００６０】
さらに、ステップＳ２０では、主容器１１内における作動流体１２の温度に基づいて仮設定した下限位置を補正し、補正後の値を下限位置として本設定する。この下限位置の補正は、作動流体１２の温度変化に伴う主容器１１内における作動流体１２の液体密度の増減によって、補助容器１６内における作動流体１２の最下位置の変化分を補償する補正処理である。
【００６１】
ここで、主容器１１内の作動流体１２の温度低下に伴って液体密度が増加すると、補助容器１６内における作動流体１２の最下位置が低下し、作動流体１２の温度上昇に伴い液体密度が減少すると、補助容器１６内における作動流体１２の最下位置が上昇するといった関係がある。このため、下限位置の補正処理では、主容器内温度センサ２３の検出値（作動流体１２の温度）の低下に伴い先に仮設定した下限位置を低下させる。
【００６２】
具体的には、ステップＳ２０の下限位置の補正処理では、ステップＳ１０にて読み込んだ主容器内温度センサ２３の検出値に基づいて、作動流体１２の温度と補助容器１６内における作動流体１２の最下位置との関係を予め関連付けた制御マップや数式等を参照して、先に仮設定した下限位置を補正する。なお、本実施形態では、ステップＳ２０における補正処理が補正手段を構成している。
【００６３】
続くステップＳ３０にて、ステップＳ１０にて検出した水位センサ２２の検出値、およびステップＳ２０にて設定した下限位置を対比することで、主容器１１からの作動流体１２の漏れが生じているか否かを判定する。
【００６４】
この結果、水位センサ２２の検出値が下限位置を上回っていると判定された場合には、ステップＳ４０にて、主容器１１からの作動流体１２の漏れが生じていない（漏れ無し）と判定して、漏れ検知処理を抜ける。
【００６５】
一方、水位センサ２２の検出値が下限位置を下回っていると判定された場合には、ステップＳ５０にて、主容器１１からの作動流体１２の漏れが生じている（漏れ発生）と判定し、ステップＳ６０にて外燃機関１０の作動を停止させて、漏れ検知処理を抜ける。
【００６６】
以上説明した本実施形態では、補助容器１６と主容器１１とを連通させる連絡配管１７の断面積を主容器１１の断面積よりも小さい構成としているので、連絡配管１７が補助容器１６および主容器１１間の流路抵抗として作用して、主容器１１内における作動流体１２の体積変動による補助容器１６内における作動流体１２の液面位置の変動を抑制することができる。
【００６７】
そして、主容器１１内における作動流体１２の体積変動の影響が抑制される補助容器１６内の作動流体１２の液面位置に基づいて、作動流体１２の漏れが生じているか否かを判定する構成としているので、作動流体１２の漏れ検知を精度よく行うことができる。
【００６８】
また、本実施形態では、補助容器１６の断面積を、主容器１１の断面積よりも小さい構成としており、主容器１１から作動流体１２が漏れた際の補助容器１６内における作動流体１２の液面位置の変化を大きくすることができるので、作動流体１２の漏れ検知の精度向上を図ることができる。
【００６９】
これらに加えて、本実施形態では、漏れ判定の判定閾値である下限位置を、作動流体１２の漏れが生じていない場合における作動流体１２の液体密度が最大となった際の補助容器１６内の前記作動流体１２の液面位置以下に設定しているので、正確に作動流体１２の漏れを検知することが可能となる。
【００７０】
さらに、本実施形態では、主容器１１内の温度変化に伴う作動流体１２の液体密度の増減を考慮して下限位置を補正しているので、より正確に作動流体１２の漏れを検知することが可能となる。
【００７１】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、圧力調整手段を構成するピストン機構１９の圧力調整ピストン１９ａの位置に基づいて、補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出する例について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様又は均等な部分についての説明を省略、又は簡略化して説明する。
【００７２】
図５に示すように、本実施形態の制御装置２０の入力側には、ピストン機構１９の圧力調整ピストン１９ａの位置（変位量）を検出する位置検出センサ２４が接続されている。なお、本実施形態では、位置検出センサ２４が位置検出手段を構成する。
【００７３】
本実施形態の位置検出センサ２４としては、例えば、圧力調整ピストン１９ａに埋設された永久磁石、圧力調整ピストン１９ａの変位に伴う永久磁石の磁気変化を検出する磁気センサで構成される磁気型センサを採用している。勿論、磁気型センサ以外のセンサにて位置検出センサ２４を構成してもよい。なお、本実施形態の位置検出センサ２４は、補助容器１６における上端部を基準とした際の圧力調整ピストン１９ａの位置を検出するように構成されている。
【００７４】
また、制御装置２０は、位置検出センサ２４の検出値（圧力調整ピストン１９ａの位置）に基づいて、補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出する液面位置算出処理を実行する。なお、本実施形態では、制御装置２０における液面位置算出処理を実行する構成が液面位置算出手段２０ｂを構成している。
【００７５】
次に、本実施形態の制御装置２０が実行する漏れ検知処理について、図６のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０にて、位置検出センサ２４等の各センサ信号（検出値）を読み込み、ステップＳ７０にて、位置検出センサ２４の検出値に基づいて、補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出する。
【００７６】
このステップＳ７０では、補助容器１６の高さ寸法ｈｖから圧力調整ピストン１９ａの位置ｈｐおよび補助容器１６内における気体１８が占める領域の高さｈｇを減算して、補助容器１６における作動流体１２の液面位置ｈｌ（＝ｈｖ−ｈｐ−ｈｇ）を算出する。
【００７７】
ここで、補助容器１６の高さ寸法ｈｖ、および補助容器１６内における気体１８が占める領域の高さｈｇは、予め測定した測定値を用いており、それぞれ予め制御装置２０の記憶手段に記憶されている。なお、補助容器１６内における気体１８が占める領域の高さｈｇについては、補助容器１６内へ気体１８を封入した際の初期圧力下での気体１８が占める領域の高さを測定している。
【００７８】
続くステップＳ２０〜Ｓ６０までの処理は、第１実施形態と同様である。従って、本実施形態の如く、ピストン機構１９の圧力調整ピストン１９ａの位置に基づいて、補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出する構成を採用した場合にも第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００７９】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態では、補助容器１６内の容積、および補助容器１６内に封入された気体１８の体積から補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出する例について説明する。なお、本実施形態では、第１、第２実施形態と同様又は均等な部分についての説明を省略、又は簡略化して説明する。
【００８０】
図７に示すように、本実施形態の外燃機関１０は、圧力調整手段を構成するピストン機構１９を廃しており、補助容器１６内の気体１８と作動流体１２の圧力バランスによって、主容器１１内における作動流体１２の圧力が調整される。
【００８１】
本実施形態の制御装置２０の入力側には、補助容器１６内の気体１８の圧力Ｐｇを検出するガス圧力センサ２５、および補助容器１６内の気体１８の温度Ｔｇを検出するガス温度センサ２６が接続されている。本実施形態では、ガス圧力センサ２５が圧力検出手段を構成し、ガス温度センサ２６が第２温度検出手段を構成している。
【００８２】
また、制御装置２０は、ガス圧力センサ２５の検出値、およびガス温度センサ２６の検出値から気体１８の体積を算出すると共に、補助容器１６内の容積および気体１８の体積から補助容器１６内における作動流体１２の液面位置を算出する液面位置算出処理を実行する。なお、本実施形態では、制御装置２０における液面位置算出処理を実行する構成が液面位置算出手段２０ｃを構成している。
【００８３】
次に、本実施形態の制御装置２０が実行する漏れ検知処理について、図８のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０にて、ガス圧力センサ２５、ガス温度センサ２６等の各センサ信号（検出値）を読み込み、ステップＳ８０にて、ガス圧力センサ２５の検出値およびガス温度センサ２６の検出値から気体１８の体積を算出する。
【００８４】
このステップＳ８０では、補助容器１６内へ気体１８を封入した際の気体１８の初期圧力Ｐｏ、初期温度Ｔｏ、ガス圧力センサ２５およびガス温度センサ２６の各検出値（圧力Ｐｇ、温度Ｔｇ）から気体１８の体積Ｖｇを算出する。なお、初期圧力Ｐｏおよび初期温度Ｔｏについては、補助容器１６内へ気体１８を封入した際に記憶手段に記憶されたガス圧力センサ２５およびガス温度センサ２６の検出値を用いればよい。
【００８５】
続いて、ステップＳ９０にて、ステップＳ８０にて算出した気体１８の体積Ｖｇ、および予め測定した補助容器１６内の容積Ｖから補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出する。例えば、気体１８の体積Ｖｇを補助容器１６の断面積で除算して、補助容器１６内における気体１８が占める領域の高さｈｇを算出すると共に、補助容器１６内の容積Ｖを補助容器１６の断面積で除算して、補助容器１６の高さ寸法ｈｖを算出する。そして、補助容器１６の高さ寸法ｈｖから補助容器１６内における気体１８が占める領域の高さｈｇを減算することで、補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出する。
【００８６】
続くステップＳ２０〜Ｓ６０までの処理は、第１、第２実施形態と同様である。従って、本実施形態の如く、ピストン機構１９の圧力調整ピストン１９ａの位置に基づいて、補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出する構成を採用した場合にも第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００８７】
なお、本実施形態では、圧力調整手段を構成するピストン機構１９を廃する構成について説明したが、これに限らず、ピストン機構１９を備える外燃機関１０に本実施形態を適用してもよい。
【００８８】
この場合、制御装置２０の入力側に圧力調整ピストン１９ａの位置を検出する位置検出センサ２４を接続し、位置検出センサ２４の検出値を考慮して、補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出すればよい。すなわち、ステップＳ９０にて、補助容器１６の高さ寸法ｈｖから圧力調整ピストン１９ａの位置ｈｐおよび補助容器１６内における気体１８が占める領域の高さｈｇを減算して、補助容器１６における作動流体１２の液面位置を算出すればよい。
【００８９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に係る補助容器１６の形状の変形例について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様又は均等な部分についての説明を省略、又は簡略化して説明する。
【００９０】
本実施形態では、図９に示すように、補助容器１６を、漏れ判定における判定閾値である下限位置を含む一部位１６ａにおける断面積が、他部位における断面積よりも小さい形状としている。
【００９１】
このような形状とすれば、第１実施形態の補助容器１６を用いる場合に比べて、作動流体１２が漏れた際に、補助容器１６内の下限位置を含む一部位１６ａにおける作動流体１２の液面位置の変化を大きくすることができるので、作動流体１２の漏れ検知の精度向上を図ることができる。
【００９２】
（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、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、以下のように変形することができる。
【００９３】
（１）上述の第１実施形態では、水位センサ２２として、電磁式センサを採用する例を説明したが、これに限定されない。水位センサ２２としては、例えば、図１０に示すように、補助容器１６内における作動流体１２の液面に浮かせた浮き子２２ｂの位置によって補助容器１６内における作動流体１２の液面位置を検出するフロート式液面計を採用してもよい。また、図１１に示すように、補助容器１６の外周の一部位（下限位置を含む部位）に可視化窓２２ｄを設け、可視化窓２２ｄから照射する光によって補助容器１６内における作動流体１２の液面位置を検出する光学式液面計を採用してもよい。
【００９４】
（２）上述の第１実施形態では、補助容器１６にピストン機構１９を設ける例について説明したが、これに限らず、例えば、ピストン機構１９を廃して、補助容器１６内の気体１８と作動流体１２の圧力バランスによって、主容器１１内における作動流体１２の圧力を調整するようにしてもよい。
【００９５】
（３）上述の各実施形態の如く、ステップＳ２０にて、主容器１１内の作動流体１２の温度に応じて下限位置を補正することが望ましいが、これに限らず、予め定めた値（作動流体１２の漏れが生じていなければ到達し得ない液面位置）を下限位置として設定するようにしてもよい。
【００９６】
（４）上述の各実施形態の如く、補助容器１６の断面積を主容器１１の断面積よりも小さい形状とすることが望ましいが、これに限定されず、例えば、補助容器１６の断面積を主容器１１の断面積と同様の大きさとしてもよい。
【００９７】
（５）上述の各実施形態では、主容器１１をＵ字状の容器で構成する例を説明したが、これに限らず、例えば、主容器１１を上下方向に延びる直線状の容器で構成してもよい。この場合、加熱器１３、冷却器１４、および発電機１を上方から下方に加熱器１３、冷却器１４、発電機１の順に配置すればよい。なお、補助容器１６に関しては、連絡配管１７を介して、主容器１１のうち、冷却器１４よりも発電機１側の部位と連通させればよい。
【００９８】
また、加熱器１３によって生じた蒸気が発電機１まで流動しない構成であれば、例えば、加熱器１３、冷却器１４、および発電機１を上下方向に対して傾斜した方向、又は水平方向に配置してもよい。
【００９９】
（６）上述の各実施形態では、外燃機関１０を発電装置の駆動源に適用する例を説明したが、これに限らず、発電装置以外の他の駆動源としても利用することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１１      主容器
１２      作動流体
１３      加熱器（加熱手段）
１４      冷却器（冷却手段）
１６      補助容器
１７      連絡配管（連通部）
１８      気体
２０ａ    漏れ判定手段
２０ｂ    液面位置算出手段（液面検出手段）
２０ｃ    液面位置算出手段（液面検出手段）
２２      水位センサ（液面検出手段）
２４      位置検出センサ（位置検出手段、液面検出手段）
２５      ガス圧力センサ（圧力検出手段、液面検出手段）
２６      ガス温度センサ（第２温度検出手段、液面検出手段）
【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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【図７】
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【図８】
0005835080.tif 000009
【図９】
0005835080.tif 000010
【図１０】
0005835080.tif 000011
【図１１】
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