(57)【要約】【課題】補助容器への作動媒体の流入に起因する作動媒体の自励振動の停止を防止する。【解決手段】主容器１１のうち凝縮部１１ｅと出力部１２との間の部位と連通部２２を介して連通し、液体２３が封入された補助容器２１と、補助容器２１の内部圧力Ｐ２を調整する圧力調整手段２６とを備え、蒸発部１１ｄで作動媒体１５を蒸発させて作動媒体１５の液相部分を出力部１２側に向かって変位させる第１行程と、第１行程にて蒸発した作動媒体１５を凝縮部１１ｅで凝縮させて作動媒体１５の液相部分を蒸発部１１ｄ側に向かって変位させる第２行程とを交互に繰り返し行う外燃機関において、第２行程を１回行う間における主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積と補助容器２１から主容器１１内に流入する液体２３の体積との差が蒸発部１１ｄの容積Ｖｈよりも小さくなるように、連通部２２の流量係数Ｃｖが設定されている。【選択図】図１
2008298003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体（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（１１）のうち一端部側の部位に形成され、前記主容器（１１）内の前記作動媒体（１５）の一部を加熱して蒸発させる蒸発部（１１ｄ）と、
前記主容器（１１）のうち前記蒸発部（１１ｄ）よりも他端部側の部位に形成され、前記蒸発部（１１ｄ）にて蒸発した前記作動媒体（１５）の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮部（１１ｅ）と、
前記主容器（１１）の他端部と連通し、前記作動媒体（１５）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出力部（１２）と、
前記主容器（１１）のうち前記凝縮部（１１ｅ）と前記出力部（１２）との間の部位と連通部（２２）を介して連通し、液体（２３）が封入された補助容器（２１）と、
前記補助容器（２１）の内部圧力（Ｐ２）を調整する圧力調整手段（２６）とを備え、
前記蒸発部（１１ｄ）で前記作動媒体（１５）を蒸発させて前記作動媒体（１５）の液相部分を前記蒸発部（１１ｄ）側から前記出力部（１２）側に向かって変位させる第１行程と、前記第１行程にて蒸発した前記作動媒体（１５）を前記凝縮部（１１ｅ）で凝縮させて前記作動媒体（１５）の液相部分を前記出力部（１２）側から前記蒸発部（１１ｄ）側に向かって変位させる第２行程とを交互に繰り返し行う外燃機関において、
前記第２行程を１回行う間における前記主容器（１１）から前記補助容器（２１）内に流入する前記作動媒体（１５）の液相部分の体積と前記補助容器（２１）から前記主容器（１１）内に流入する前記液体（２３）の体積との差が前記蒸発部（１１ｄ）の容積（Ｖｈ）よりも小さくなるように、前記連通部（２２）の流量係数（Ｃｖ）が設定されていることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記連通部（２２）に配置された電気式の可変絞り機構（２５）と、
前記流量係数（Ｃｖ）が下記の数式１を満たすように、前記可変絞り機構（２５）の絞り開度を制御する制御手段（２７）とを備え、
前記可変絞り機構（２５）および前記制御手段（２７）によって前記流量係数（Ｃｖ）が設定されるように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。
【数１】
2008298003.tif 000005
Ｖｈ：蒸発部（１１ｄ）の容積
Ｐ１：主容器（１１）の内部圧力
Ｐ２：補助容器（２１）の内部圧力
ｔ１：第２行程の開始時刻
ｔ２：第２行程の終了時刻
【請求項３】
前記蒸発部（１１ｄ）と熱的に連結され、前記蒸発部（１１ｄ）から伝えられる熱によって変形して前記連通部（２２）の流路径を変化させる変化手段（３０、３１）を備え、
前記変化手段（３０、３１）は、前記蒸発部（１１ｄ）の温度（Ｔ１）が上昇すると前記連通部（２２）の流路径を小さくし、前記蒸発部（１１ｄ）の温度（Ｔ１）が低下すると前記連通部（２２）の流路径を大きくするように構成され、
前記変化手段（３０、３１）によって前記流量係数（Ｃｖ）が設定されるように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４】
前記流量係数（Ｃｖ）が下記の数式２を満たすように、前記連通部（２２）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
【数２】
2008298003.tif 000006
Ｖｈ：蒸発部（１１ｄ）の容積
Ｐ１ｍａｘ：蒸発部（１１ｄ）の温度（Ｔ１）が最高温度のときの主容器（１１）の内部圧力
Ｐ２ｍａｘ：蒸発部（１１ｄ）の温度（Ｔ１）が最高温度のときの補助容器（２１）の内部圧力
ｔ１：第２行程の開始時刻
ｔ２：第２行程の終了時刻
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動媒体の蒸発と凝縮によって作動媒体の液相部分を変位させ、作動媒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】
従来、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、管状の容器内に作動媒体を液体状態で流動可能に封入し、容器の一端部に形成された蒸発部にて液体状態の作動媒体の一部を加熱して蒸発させ、容器の中間部に形成された凝縮部にて作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させ、この作動媒体の蒸発と凝縮とを交互に繰り返すことによって作動媒体の液相部分を周期的に変位（いわゆる自励振動）させ、この作動媒体の液相部分の自励振動を出力部にて機械的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）。
【０００３】
つまり、液体ピストン蒸気エンジンは、液体状態の作動媒体の一部を蒸発部で蒸発させて作動媒体の液相部分を蒸発部側から出力部側に向かって変位させる第１行程と、第１行程にて発生した作動媒体の蒸気を凝縮部で凝縮させて作動媒体の液相部分を出力部側から蒸発部側に向かって変位させる第２行程とを交互に繰り返し行うことによって、作動媒体の液相部分を液体ピストンとして自励振動させて出力を得るものである。
【０００４】
この液体ピストン蒸気エンジンにおいては、第１行程では容器の内部圧力が作動媒体の蒸発によって上昇し、第２行程では容器の内部圧力が作動媒体の凝縮によって低下することから、容器の内部圧力が周期的に変動することとなる。
【特許文献１】特開２００４−８４５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特願２００６−７８８０２号（以下、先願例と言う。）には、液体ピストン蒸気エンジンの性能（出力及び効率）の向上を図るものが提案されている。
【０００６】
この先願例では、容器の内部圧力の平均値が所定の理想値（以下、理想平均値と言う。）になっているときに液体ピストン蒸気エンジンの性能が最も高くなること、および、容器の内部圧力の理想平均値が蒸発部の温度変動に伴って変化することに鑑みて、容器の内部圧力の平均値を蒸発部の温度に基づいて適宜調整できるようになっている。
【０００７】
より具体的には、作動媒体が封入された主容器とは別個に、液体と気体または液体のみが封入された補助容器を設け、この補助容器を絞り部を介して主容器と連通させている。そして、電動アクチュエータで駆動されるピストン機構によって補助容器内の液体または気体またはその両方を圧縮または膨張させることによって補助容器の内部圧力を制御し、その結果として、主容器の内部圧力の平均値が適宜調整される。
【０００８】
しかしながら、上記先願例では、第２行程の前半では主容器の内部圧力が補助容器の内部圧力よりも低くなり、第２行程の後半では主容器の内部圧力が補助容器の内部圧力よりも高くなることから（後述の図２を参照）、第２行程の前半時に補助容器内の液体が補助容器内に流入し、第２行程の後半時に主容器内の作動媒体の液相部分の一部が補助容器内に流入することとなる。
【０００９】
このため、第２行程を１回行う間における主容器から補助容器内に流入する作動媒体の液相部分の体積が、補助容器から主容器内に流入する液体の体積よりも大きい場合には、自励振動する液体ピストンの体積が減少してしまうので、第２行程の終了時に作動媒体の液相部分が蒸発部に到達しずらくなる。
【００１０】
その結果、第１行程において作動媒体の蒸発が不十分になり、液体ピストン蒸気エンジンの性能が低下してしまう。最悪の場合には、第２行程の終了時に作動媒体の液相部分が蒸発部に到達しなくなって第１行程において作動媒体の蒸発が行われなくなり、作動媒体の液相部分の自励振動が停止してしまう。
【００１１】
本発明は、上記点に鑑み、補助容器への作動媒体の流入に起因する作動媒体の自励振動の停止を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明は、作動媒体（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（１１）のうち一端部側の部位に形成され、主容器（１１）内の作動媒体（１５）の一部を加熱して蒸発させる蒸発部（１１ｄ）と、
主容器（１１）のうち蒸発部（１１ｄ）よりも他端部側の部位に形成され、蒸発部（１１ｄ）にて蒸発した作動媒体（１５）の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮部（１１ｅ）と、
主容器（１１）の他端部と連通し、作動媒体（１５）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出力部（１２）と、
主容器（１１）のうち凝縮部（１１ｅ）と出力部（１２）との間の部位と連通部（２２）を介して連通し、液体（２３）が封入された補助容器（２１）と、
補助容器（２１）の内部圧力（Ｐ２）を調整する圧力調整手段（２６）とを備え、
蒸発部（１１ｄ）で作動媒体（１５）を蒸発させて作動媒体（１５）の液相部分を蒸発部（１１ｄ）側から出力部（１２）側に向かって変位させる第１行程と、第１行程にて蒸発した作動媒体（１５）を凝縮部（１１ｅ）で凝縮させて作動媒体（１５）の液相部分を出力部（１２）側から蒸発部（１１ｄ）側に向かって変位させる第２行程とを交互に繰り返し行う外燃機関において、
第２行程を１回行う間における主容器（１１）から補助容器（２１）内に流入する作動媒体（１５）の液相部分の体積と補助容器（２１）から主容器（１１）内に流入する液体（２３）の体積との差が蒸発部（１１ｄ）の容積（Ｖｈ）よりも小さくなるように、連通部（２２）の流量係数（Ｃｖ）が設定されていることを特徴とする。
【００１３】
これによると、第２行程の終了時に、蒸発部（１１ｄ）内に作動媒体（１５）の液相部分が到達しなくなることを回避できるので、第１行程における作動媒体の蒸発を維持することができる。そのため、作動媒体（１５）の自励振動の停止を防止することができる。
【００１４】
本発明は、具体的には、連通部（２２）に配置された電気式の可変絞り機構（２５）と、
流量係数（Ｃｖ）が請求項２に記載の数式１を満たすように、可変絞り機構（２５）の絞り開度を制御する制御手段（２７）とを備え、
可変絞り機構（２５）および制御手段（２７）によって流量係数（Ｃｖ）を設定するようになっている。
【００１５】
なお、本発明における「流量係数（Ｃｖ）が数式１を満たす」とは、厳密に数式１を満たすことのみを意味するものではなく、近似的に数式１を満たすことをも意味するものである。
【００１６】
また、本発明は、具体的には、蒸発部（１１ｄ）と熱的に連結され、蒸発部（１１ｄ）から伝えられる熱によって変形して連通部（２２）の流路径を変化させる変化手段（３０、３１）を備え、
変化手段（３０、３１）は、蒸発部（１１ｄ）の温度（Ｔ１）が上昇すると連通部（２２）の流路径を小さくし、蒸発部（１１ｄ）の温度（Ｔ１）が低下すると連通部（２２）の流路径を大きくするように構成され、
変化手段（３０、３１）によって流量係数（Ｃｖ）を設定するようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明は、具体的には、流量係数（Ｃｖ）が請求項４に記載の数式２を満たすように、連通部（２２）が形成されている。
【００１８】
これによると、流量係数（Ｃｖ）が一定である簡素な構成によって作動媒体（１５）の自励振動を良好に維持することができるので、コストを低減できる。
【００１９】
なお、本発明における「流量係数（Ｃｖ）が数式２を満たす」とは、厳密に数式２を満たすことのみを意味するものではなく、近似的に数式２を満たすことをも意味するものである。また、本発明における「蒸発部（１１ｄ）の温度（Ｔ１）の最高温度」とは、通常の使用条件において想定される蒸発部（１１ｄ）の温度（Ｔ１）の最高温度のことを意味するものである。
【００２０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（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６に基づいて説明する。図１は本実施形態による外燃機関（液体ピストン蒸気エンジン）１０の概略構成を表す構成図であり、図１中の上下の矢印は液体ピストン蒸気エンジン１０の設置状態における上下方向を示している。
【００２２】
本実施形態による液体ピストン蒸気エンジン１０は、主容器１１と、出力部をなす発電機１２とを有している。発電機１２は、ケーシング１３内に永久磁石が埋設された可動子１４を収納しており、可動子１４が振動変位することによって起電力を発生する。
【００２３】
主容器１１は、作動媒体（本例では水）１５が液体状態で流動可能に封入された圧力容器である。主容器１１の外面には、主容器１１内部の液体状態の作動媒体１５の一部を加熱して蒸発させる加熱器１６と、加熱器１６にて加熱されて蒸発した作動媒体１５を冷却して凝縮させる冷却器１７とが接触配置されている。
【００２４】
本実施形態の加熱器１６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１６を電気ヒータで構成してもよい。また、本実施形態の冷却器１７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、冷却水が作動媒体１５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。
【００２５】
そして、主容器１１は、屈曲部１１ａが最下部に位置するように第１、２直線部１１ｂ、１１ｃを有する略Ｕ字状に形成されたパイプ状の圧力容器であり、主容器１１のうち屈曲部１１ａを挟んで水平方向一端側（紙面右側）の第１直線部１１ｂには、加熱器１６が冷却器１７より上方側に位置するように加熱器１６及び冷却器１７が設けられている。
【００２６】
本例では、作動媒体１５を水としているので、主容器１１をステンレスにて形成しているが、主容器１１のうち加熱器１６と接触して作動媒体１５を蒸発させる部位である蒸発部１１ｄ及び冷却器１７と接触して作動媒体１５を凝縮させる部位である凝縮部１１ｅを熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム等で形成してもよい。
【００２７】
蒸発部１１ｄは所定の容積Ｖｈを有している。なお、図１では、便宜上、破線ハッチング領域にて蒸発部１１ｄの容積Ｖｈを示している。
【００２８】
図示を省略しているが、作動媒体１５が蒸発する空間を確保するために、第１直線部１１ｂの上端部には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、作動媒体１５の純粋な蒸気でもよい。
【００２９】
一方、主容器１１のうち屈曲部１１ａを挟んで水平方向他端側（紙面左側）の第２直線部１１ｃの上端部には、作動媒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。
【００３０】
なお、ピストン１８は可動子１４のシャフト１４ａに連結されており、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側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすコイルばね２０が設けられている。
【００３１】
次に、主容器１１の内部圧力（以下、主容器内圧力と言う。）Ｐ１を調整する機構について説明すると、補助容器２１は、管状の連通部２２を介して主容器１１と連通している。本例では、補助容器２１を屈曲部１１ａの上方側に配置している。
【００３２】
補助容器２１内には、液体２３および気体２４が封入されている。本例では、液体２３を作動媒体１３と同様に水としている。気体２４としては液体２３に難溶性を示す気体を用いるのが好ましく、本例では、気体２４として、水に難溶性を示すヘリウムを用いている。なお、補助容器２１内に液体２３のみを封入するようにしてもよい。
【００３３】
補助容器２１および連通部２２は断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本実施形態では、液体２３を水としているので、補助容器２１および連通部２２をステンレス製としている。
【００３４】
連通部２２には、電気式の可変絞り機構２５が配置されている。この可変絞り機構２５は、後述する制御装置２７とともに、連通部２２の流量係数Ｃｖ（詳細は後述）を調整する流量係数調整手段を構成するものである。
【００３５】
補助容器２１の内部圧力（以下、補助容器内圧力と言う。）Ｐ２を調整する圧力調整手段２６は、圧力調整ピストン２６ａと電動アクチュエータ２６ｂとで構成されている。
【００３６】
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。
【００３７】
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２７はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ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るものであり、本発明における制御手段に該当するものである。
【００３８】
制御装置２７には、圧力調整手段２６の制御のために、蒸発部１１ｄの温度（以下、蒸発部温度と言う。）Ｔ１を検出する温度センサ２８および補助容器内圧力Ｐ２を検出する圧力センサ２９から検出信号が入力される。制御装置２７はこの各センサ２８、２９からの検出信号に基づいて電動アクチュエータ２６ｂを制御するようになっている。
【００３９】
次に、上記構成における作動を説明する。加熱器１６及び冷却器１７を動作させると、まず、作動媒体１５の液相部分を発電機１２側に向かって変位させる第１行程が行われる。この第１行程では、加熱器１６により蒸発部１１ｄ内の液体状態の作動媒体１５が加熱されて蒸発し、蒸発部１１ｄ内に高温・高圧の作動媒体１５の蒸気が蓄積されて、第１直線部１１ｂ内の作動媒体１５の液面を押し下げる。
【００４０】
すると、主容器１１内のうち蒸発部１１ｄよりも発電機１２側の部分に封入された作動媒体１５の液相部分は、蒸発部１１ｄ側から発電機１２側に変位して、発電機１２のピストン１８を押し上げる。このとき、コイルばね２０は弾性圧縮される。
【００４１】
第１直線部１１ｂ内にて作動媒体１５の液面が凝縮部１１ｅまで下がり、凝縮部１１ｅ内に作動媒体１５の蒸気が進入すると、作動媒体１５の液相部分を蒸発部１１ｄ側に向かって変位させる第２行程が行われる。
【００４２】
この第２行程では、凝縮部１１ｅ内に進入した作動媒体１５の蒸気が冷却器１７により冷却されて凝縮するため、第１直線部１１ｂ内の作動媒体１５の液面を押し下げる力が消滅する。
【００４３】
すると、作動媒体１５の蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機１２側のピストン１８はコイルばね２０の弾性復元力により下降し、作動媒体１５の蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機１２側のピストン１８は下降する。
【００４４】
このため、作動媒体１５の液相部分が発電機１２側から蒸発部１１ｄ側に変位して、第１直線部１１ｂ内にて作動媒体１５の液面が蒸発部１１ｄまで上昇するので、再び蒸発部１１ｄにて液体状態の作動媒体１５が加熱されて蒸発することとなる。
【００４５】
そして、第１行程および第２行程は、加熱器１６及び冷却器１７の動作を停止させるまで繰り返し行われ、その間、主容器１１内の作動媒体１５の液相部分は周期的に変位（いわゆる自励振動）して、発電機１２の可動子１４を上下動させることになる。
【００４６】
つまり、作動媒体１５の蒸発と凝縮とが交互に繰り返し行われることによって、作動媒体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出力として取り出される。このため、本実施形態による外燃機関は、液体ピストン蒸気エンジンとも呼ばれうる。
【００４７】
図２は、第１、第２行程におけるピストン容積の変化と、主容器内圧力Ｐ１および補助容器内圧力Ｐ２の圧力波形との関係を示すグラフである。ここで、ピストン容積は、主容器１１、シリンダ部１９およびピストン１８で囲まれた空間の容積のことであり、このピストン容積はピストン１８の往復運動に伴い周期的に変動する。
【００４８】
図２からわかるように、ピストン容積の周期的な変動に伴って、主容器内圧力Ｐ１もピーク値Ｐ１ｐとボトム値Ｐ１ｂとの間で周期的に変動する。一方、補助容器２１の内部圧力Ｐ２はほぼ一定となる。
【００４９】
すなわち、連通部２２に可変絞り機構２５が配置されて連通部２２の流路径が縮小されているので、補助容器内圧力Ｐ２が主容器内圧力Ｐ１の周期的な変動に追従することが抑制され、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが補助容器内圧力Ｐ２とほぼ等しい圧力で安定することとなる。
【００５０】
図３（ａ）〜（ｃ）は、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐと液体ピストン蒸気エンジン１０の性能（出力および効率）との関係を説明するＰＶ線図である。このＰＶ線図の横軸は、上述のピストン容積である。
【００５１】
まず、図３（ａ）は、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能（出力および効率）が最も高くなる理想的な状態を示している。すなわち、図３（ａ）に示すように、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐが蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓよりも低く、かつ、飽和蒸気圧Ｐｓにできるだけ近い値（以下、理想ピーク値と言う。）になっているとき、液体ピストン蒸気エンジン１０は１周期当たりの仕事量が最も大きくなって、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が最も高くなる。なお、このときの主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを、以下、理想平均値と言う。
【００５２】
一方、図３（ｂ）は、ピーク値Ｐ１ｐが飽和蒸気圧Ｐｓよりも著しく低いときのＰＶ線図を示している。この状態では、１周期当たりの仕事量が小さくなるので、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下する。
【００５３】
また、図３（ｃ）は、ピーク値Ｐ１ｐが飽和蒸気圧Ｐｓよりも高いときのＰＶ線図を示している。この状態では、ピーク値Ｐ１ｐが飽和蒸気圧Ｐｓよりも高くなるために作動媒体１３の蒸気の一部が凝縮してしまう。このため、マイナスの仕事をしてしまうので、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下してしまう。
【００５４】
したがって、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能を最も引き出すためには、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐを常に理想ピーク値に維持すればよいのである。
【００５５】
ここで、主容器内圧力Ｐ１のボトム値Ｐ１ｂは、大気圧とほぼ等しくなることがわかっている。このため、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐが上昇すると主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａも上昇し、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐが低下すると主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａも低下することとなる。
【００５６】
このため、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを常に理想平均値に維持すれば、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐを常に理想ピーク値に維持することができ、ひいては液体ピストン蒸気エンジン１０の性能を最も引き出すことができる。
【００５７】
しかるに、加熱器１６の熱源である高温ガスの温度が変動すると、蒸発部温度Ｔ１も変動する。その結果、作動媒体１３の飽和蒸気圧Ｐｓも変動するので、理想ピーク値も変動し、ひいては理想平均値も変動してしまう。
【００５８】
そこで、本実施形態による液体ピストン蒸気エンジン１０は、蒸発部温度Ｔ１の変動に応じて主容器内圧力Ｐ１を調整することにより、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを常に理想平均値に維持して、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能を最も引き出すことを図っている。
【００５９】
より具体的には、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを、理想平均値に近似した目標値Ｐ１Ａに近づけることにより、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを常に理想平均値に近づける。
【００６０】
図４は、本実施形態における主容器内圧力Ｐ１の制御の概要を示すブロック線図である。まず、蒸発部温度Ｔ１と、予め制御装置２７に記憶された作動媒体１５の蒸気圧曲線とに基づいて、蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓを算出する。
【００６１】
次に、目標値Ｐ１Ａを蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓと大気圧（０．１ＭＰａ）との平均値を算出し、この平均値を目標値Ｐ１Ａとする。
【００６２】
すなわち、図３（ａ）からわかるように、蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓと主容器内圧力Ｐ１の１周期中のボトム値Ｐ１ｂとの平均値は、理想平均値に近似した値になる。
【００６３】
また、主容器内圧力Ｐ１の１周期中のボトム値Ｐ１ｂは、ほぼ大気圧（０．１ＭＰａ）と等しくなることがわかっている。これらのことから、蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓと大気圧（０．１ＭＰａ）との平均値は、理想平均値に近似した値になる。
【００６４】
そこで、本例では、蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓと大気圧（０．１ＭＰａ）との平均値を目標値Ｐ１Ａとしている。なお、この平均値を適宜補正した値を目標値Ｐ１Ａとしてもよい。
【００６５】
そして、補助容器内圧力Ｐ２が目標値Ｐ１Ａよりも低いときには、電動アクチュエータ２６ｂが圧力調整ピストン２６ａを押し出して補助容器２１の容積を減少させる。これにより液体２３が圧縮されて補助容器内圧力Ｐ２が上昇する。
【００６６】
一方、補助容器内圧力Ｐ２が目標値Ｐ１Ａよりも高いときには、圧力調整ピストン２６ａを引き込んで補助容器２１の容積を減少させる。これにより液体２３が膨張して補助容器内圧力Ｐ２が低下する。
【００６７】
すると、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが補助容器内圧力Ｐ２に追従して変化して、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが目標値Ｐ１Ａに近づく。換言すれば、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが理想平均値に近づくので、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能を最も引き出すことができる。
【００６８】
ところで、図５は、連通部２２近傍の拡大断面図である。なお、図５では、図示の都合上、可変絞り機構２５の図示を省略している。主容器内圧力Ｐ１が補助容器内圧力Ｐ２よりも大きい場合には、図５中の矢印に示すように、主容器１１内の作動媒体１５の液相部分が補助容器２１内に流入することとなる。
【００６９】
このときの連通部２２における作動媒体１５の液相部分の体積流量Ｑは、Ｑ＝Ｃｖ×（Ｐ１−Ｐ２）で表すことができる。ここで、Ｃｖは連通部２２の流量係数であり、連通部２２の形状（流路長や流路径等）から定まる値である。
【００７０】
したがって、連通部２２の流量係数Ｃｖが大きいほど、主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積流量Ｑが大きくなるのであるが、本実施形態では、連通部２２に電気式の可変絞り機構２５が配置されているので、可変絞り機構２５の絞り開度を調整することによって、連通部２２の流量係数Ｃｖを任意に設定することができる。
【００７１】
一方、図６は、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐおよび補助容器内圧力Ｐ２を一定にした場合における連通部２２の流量係数Ｃｖと液体ピストン蒸気エンジン１０の効率との関係を示すグラフである。なお、連通部２２の流量係数Ｃｖと液体ピストン蒸気エンジン１０の出力との関係は、図６と同様であるので、図示を省略する。
【００７２】
図６の点Ａは、連通部２２の流量係数Ｃｖが適切に設定されている状態であり、このとき、ＰＶ線図は上述の図３（ａ）のようになり、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が最も高くなる。
【００７３】
一方、図６の点Ｂは、連通部２２の流量係数Ｃｖが大きすぎる状態であり、このとき、ＰＶ線図は図３（ｂ）のようになり、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下する。これは、以下の理由による。
【００７４】
すなわち、上述の図２からわかるように、第２行程の前半では主容器内圧力Ｐ１が補助容器内圧力Ｐ２よりも小さく、第２行程の後半では主容器内圧力Ｐ１が補助容器内圧力Ｐ２よりも大きくなる。
【００７５】
そのため、第２行程の前半では補助容器２１内の液体２３が主容器１１内に流入し、逆に、第２行程の後半では、主容器１１内の作動媒体１５の液相部分が補助容器２１内に流入することとなる。
【００７６】
本発明者の検討によると、第２行程を１回行う間において主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積が補助容器２１から主容器１１内に流入する液体２３の体積よりも大きくなり、主容器１１内で自励振動する液体ピストンの体積が減少することがわかっている。
【００７７】
そのため、連通部２２の流量係数Ｃｖが大きすぎる場合には、液体ピストン体積の減少量が多くなり、第２行程の終了時、つまり、ピストン容積が最も減少したときに作動媒体１５の液相部分が蒸発部１１ｄ内に到達しにくくなってしまう。
【００７８】
その結果、蒸発部１１ｄでの作動媒体１５の蒸発が不十分になり、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐが低下してしまうので、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下する。最悪の場合には、第２行程の終了時に作動媒体１５の液相部分が蒸発部１１ｄに到達しなくなって第１行程において作動媒体１５の蒸発が行われなくなり、作動媒体の液相部分の自励振動が停止してしまう。
【００７９】
以上のことから、作動媒体１５の自励振動を良好に維持するために、連通部２２の流量係数Ｃｖを所定値以下に設定して、第２行程の終了時に作動媒体１５の液相部分が蒸発部１１ｄ内に必ず到達するようにする必要がある。
【００８０】
具体的には、連通部２２の流量係数Ｃｖを下記の数式３を満たすように設定すれば、第２行程の終了時に蒸発部１１ｄ内に作動媒体１５の液相部分を必ず到達させることができる。
【００８１】
【数３】
2008298003.tif 000003
【００８２】
Ｖｈ：蒸発部１１ｄの容積
Ｐ１：主容器内圧力
Ｐ２：補助容器内圧力
ｔ１：第２行程の開始時刻
ｔ２：第２行程の終了時刻
なお、上記の数式３において、右辺中の分母は、図２中に示したハッチング領域Ｓ２の面積とハッチング領域Ｓ１の面積との差（面積Ｓ２−面積Ｓ１）に相当する。
【００８３】
すなわち、連通部２２の流量係数Ｃｖが上記の数式３を満たせば、第２行程を１回行う間における液体ピストン体積の減少量を蒸発部１１ｄの容積Ｖｈよりも小さく抑えることができるので、蒸発部１１ｄ内に作動媒体１５の液相部分が到達しなくなることを回避でき、ひいては作動媒体１５の自励振動が停止してしまうことを回避できることになる。
【００８４】
しかしながら、主容器内圧力Ｐ１の圧力波形および補助容器内圧力Ｐ２は、蒸発部温度Ｔ１の変動に伴って変動するので、上記の数式３の右辺中の分母の値も変動し、ひいては、上記の数式３で求められる連通部２２の流量係数Ｃｖの上限値も変動することとなる。
【００８５】
そこで、本実施形態では、上記の数式３に基づいて連通部２２の流量係数Ｃｖの上限値を求め、求められた流量係数Ｃｖの上限値に合わせて制御手段２１が可変絞り機構２５の絞り開度を制御するようになっている。これにより、蒸発部温度Ｔ１が変動しても、連通部２２の流量係数Ｃｖが常に上記の数式３を満たすようにすることができる。
【００８６】
なお、このように連通部２２の流量係数Ｃｖを調整しても、第２行程を１回行うと液体ピストン体積がいくらか減少することとなるが、作動媒体１５の自励振動が維持されていれば、その後に液体ピストン体積が増加して、液体ピストン体積が所定量に復帰することとなる。
【００８７】
すなわち、第２行程において液体ピストン体積がいくらか減少すると、蒸発部１１ｄにて蒸発する作動媒体１５が減少して主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが低下することとなる。そのため、補助容器内圧力Ｐ２も主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａに追従して低下し、補助容器内圧力Ｐ２が目標値Ｐ１Ａよりも低くなる。
【００８８】
すると、上述のように、電動アクチュエータ２６ｂが圧力調整ピストン２６ａを押し出して補助容器内圧力Ｐ２を上昇させるので、主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積よりも補助容器２１から主容器１１内に流入する液体２３の体積の方が大きくなる。その結果、液体ピストン体積が増加するので、液体ピストン体積が所定量に復帰することとなる。
【００８９】
ところで、図２からわかるように、主容器内圧力Ｐ１の圧力波形は正弦曲線（Ｓｉｎ曲線）に近似している。そこで、本例では、上記の数式３において、Ｐ１（ｔ）を正弦曲線（Ｓｉｎ曲線）で近似して、流量係数Ｃｖの上限値を求めている。
【００９０】
より具体的には、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐを最大値とし、大気圧（０．１ＭＰａ）を最小値とする正弦曲線で近似している。このため、主容器内圧力Ｐ１を圧力センサでサンプリングする必要がないので、コストを低減できる。
【００９１】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、電気式の可変絞り機構２５および制御装置２７によって連通部２２の流量係数Ｃｖを調整するようになっているが、本第２実施形態では、図７に示すように、連通部２２の管壁３０を形状記憶合金で形成することによって連通部２２の流量係数Ｃｖを調整している。
【００９２】
図示を省略しているが、連通部２２の管壁３０は、蒸発部１１ｄと熱的に連結されている。より具体的には、管壁３０と蒸発部１１ｄとの間に、熱伝導性に優れた材質（例えば、銅）を配置し、蒸発部温度Ｔ１の変動に応じて管壁３０の温度も変化するようになっている。
【００９３】
そして、蒸発部温度Ｔ１が低く、管壁３０の温度が低いときには、図７（ａ）に示すように、連通部２２の流路径が大きくなるように管壁３０が変形して流量係数Ｃｖが大きくなっている。一方、蒸発部温度Ｔ１が高くなり、管壁３０の温度が高くなると、図７（ｂ）に示すように、連通部２２の流路径が小さくなるように管壁３０が変形して流量係数Ｃｖが小さくなる。
【００９４】
つまり、蒸発部温度Ｔ１が高くなると、主容器内圧力Ｐ１が高くなって、作動媒体１５が主容器１１から補助容器２１に流入しやすくなるのであるが、本実施形態では、このような場合に連通部２２の流量係数Ｃｖが小さくなるので、主容器１１から補助容器２１への作動媒体１５の流入を抑制することができる。
【００９５】
このため、第２行程の終了時に作動媒体１５の液相部分が蒸発部１１ｄ内に到達しにくくなって、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下してしまうことを回避できる。
【００９６】
さらに、本実施形態では、流量係数Ｃｖが上記の数式３をほぼ満たすように、管壁３０（形状記憶合金）の材質、形状等を選定している。このため、第２行程における液体ピストン体積の減少量を蒸発部１１ｄの容積Ｖｈよりも小さく抑えることができるので、蒸発部１１ｄ内に作動媒体１５の液相部分が到達しなくなることを回避でき、ひいては作動媒体１５の自励振動が停止してしまうことを回避できる。
【００９７】
なお、本例では、連通部２２の管壁３０全体が形状記憶合金で形成されているが、連通部２２の一部を形状記憶合金にて形成し、管壁３０の一部のみを形状記憶合金で形成するようにしてもよい。
【００９８】
（第３実施形態）
上記第２実施形態では、管壁３０を形状記憶合金で形成することによって連通部２２の流量係数Ｃｖを調整しているが、本第３実施形態では、図８に示すように、管壁３０の一部を変位させる機構３１によって連通部２２の流量係数Ｃｖを調整している。
【００９９】
管壁３０の一部を変位させる機構３１は、連通部２２の外周部に配置された流体封入部３２と、流体封入部３２内に封入された流量係数調整用流体３３と、管壁３０の一部を構成し、連通部２２内の空間と流体封入部３２内の空間とを仕切る調整板３４とで構成されている。
【０１００】
そして、調整板３４は、流体封入部３２内の流量係数調整用流体３３と、連通部２２内の作動媒体１５または液体２３との圧力バランスによって連通部２２の流路径を拡大または縮小するように変位可能に配置されている。なお、流量係数調整用流体３３としては、例えば、空気やヘリウム等を用いることができる。
【０１０１】
図示を省略しているが、流体封入部３２は、蒸発部１１ｄと熱的に連結されている。より具体的には、流体封入部３２と蒸発部１１ｄとの間に、熱伝導性に優れた材質（例えば、銅）を配置し、蒸発部温度Ｔ１の変動に応じて流体封入部３２内の流量係数調整用流体３３の温度も変化するようになっている。
【０１０２】
そして、図８（ａ）に示すように、蒸発部温度Ｔ１が低く、流量係数調整用流体３３の温度が低いときには、流量係数調整用流体３３が熱収縮して調整板３４が連通部２２の流路径を拡大するように変位する。このため、連通部２２の流量係数Ｃｖが大きくなる。
【０１０３】
一方、図８（ｂ）に示すように、蒸発部温度Ｔ１が高くなり、流量係数調整用流体３３の温度が高くなると、流量係数調整用流体３３が熱膨張して調整板３４が連通部２２の流路径を縮小するように変位する。このため、連通部２２の流量係数Ｃｖが小さくなる。
【０１０４】
したがって、上記第２実施形態と同様に、第２行程の終了時に作動媒体１５の液相部分が蒸発部１１ｄ内に到達しにくくなって、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下してしまうことを回避できる。
【０１０５】
さらに、本例では、流量係数Ｃｖが上記の数式３をほぼ満たすように、流量係数調整用流体３３の成分、封入体積や、調整板３４の形状等を選定している。このため、上記第２実施形態と同様に、作動媒体１５の自励振動の停止を回避できる。
【０１０６】
（第４実施形態）
上記第１実施形態では、連通部２２に可変絞り機構２５を配置し、連通部２２の流量係数Ｃｖを調整可能になっているが、本実施形態では、図９に示すように、可変絞り機構の代わりに固定絞り３４を配置して、連通部２２の流量係数Ｃｖを一定にしている。
【０１０７】
図１０は、図２と同様に、第１、第２行程におけるピストン容積の変化と、主容器内圧力Ｐ１および補助容器内圧力Ｐ２の圧力波形との関係を示すグラフであるが、図１０中、実線Ｐ１ｍａｘは、蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときにおける主容器内圧力Ｐ１の圧力波形を示し、２点鎖線Ｐ１ｍｉｎは、蒸発部温度Ｔ１が最低温度になっているときにおける主容器内圧力Ｐ１の圧力波形を示している。
【０１０８】
ここで、「蒸発部温度Ｔ１の最高温度」とは、通常の使用条件において想定される蒸発部温度Ｔ１の最高温度のことを意味し、「蒸発部温度Ｔ１の最低温度」とは、通常の使用条件において想定される蒸発部温度Ｔ１の最低温度のことを意味するものである。
【０１０９】
なお、図示を省略しているが、蒸発部温度Ｔ１が最高温度と最低温度の中間温度になっている場合には、主容器内圧力Ｐ１の圧力波形は、実線Ｐ１ｍａｘと２点鎖線Ｐ１ｍｉｎの中間になる。また、図１０中、１点鎖線Ｐ２ｍａｘは、蒸発部温度Ｔ１が最低温度になっているときにおける補助容器内圧力Ｐ２を示している。
【０１１０】
図１０からわかるように、連通部２２の流量係数Ｃｖが一定であるとすると、主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積は、蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときに最も大きくなる。このため、第２行程を１回行う間における液体ピストン体積の減少量も、蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときに最も大きくなる。
【０１１１】
そこで、本実施形態では、連通部２２の流量係数Ｃｖが下記の数式４を満たすように、連通部２２を形成している。より具体的には、連通部２２の流量係数Ｃｖが下記の数式４を満たすように、連通部２２の流路径、流路長および固定絞り３４の開度等を設定している。
【０１１２】
【数４】
2008298003.tif 000004
【０１１３】
Ｖｈ：蒸発部１１ｄの容積
Ｐ１ｍａｘ：蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときの主容器内圧力
Ｐ２ｍａｘ：蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときの補助容器内圧力
ｔ１：第２行程の開始時刻
ｔ２：第２行程の終了時刻
すなわち、連通部２２の流量係数Ｃｖが上記の数式４を満たせば、蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときであっても、第２行程を１回行う間における液体ピストン体積の減少量を蒸発部１１ｄの容積Ｖｈよりも小さく抑えることができる。
【０１１４】
このため、蒸発部温度Ｔ１が変動しても、常に、蒸発部１１ｄ内に作動媒体１５の液相部分が到達しなくなることを回避でき、ひいては作動媒体１５の自励振動が停止してしまうことを回避できる。
【０１１５】
なお、連通部２２の流量係数Ｃｖが上記の数式４を近似的に満たすように、固定絞り３４の開度を設定してもよい。例えば、補助容器内圧力Ｐ２ｍａｘは、主容器内圧力Ｐ１ｍａｘの平均値とほぼ等しいので、上記の数式４において、Ｐ２ｍａｘ（ｔ）を主容器内圧力Ｐ１ｍａｘの平均値で近似してもよい。
【０１１６】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、主容器１１の全体が一本の管状に形成された、いわゆる単気筒型の液体ピストン蒸気エンジン１０に本発明を適用した例を示しているが、主容器１１のうち蒸発部１１ｄ側の部分が複数本の分岐管で構成され、主容器１１のうち残余の部分が一本の集合管で構成された、いわゆる複気筒型の液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用可能である。
【０１１７】
また、上記各実施形態では、主容器１１を１つのみ備える液体ピストン蒸気エンジン１０に本発明を適用した例を示しているが、主容器１１を複数個備え、複数個の主容器１１を１つの出力部で連結した液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用可能である。
【０１１８】
また、上記各実施形態では、補助容器内圧力Ｐ２を調整する圧力調整手段２６を圧力調整ピストン２６ａと電動アクチュエータ２６ｂとで構成しているが、これに限定されるものではなく、上記先願例と同様に、種々の構成の圧力調整手段を用いることができる。例えば、
また、上記各実施形態では、本発明を発電装置の駆動源に適用した場合について説明したが、本発明の外燃機関は、発電装置以外の駆動源としても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の第１実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの概略構成を表す構成図である。
【図２】第１、第２行程におけるピストン容積の変化と、主容器内圧力および補助容器内圧力の圧力波形との関係を示すグラフである。
【図３】主容器内圧力のピーク値と液体ピストン蒸気エンジンの性能との関係を説明するＰＶ線図である。
【図４】第１実施形態における主容器内圧力の制御の概要を示すブロック線図である。
【図５】第１実施形態における連絡配管の流量係数を説明する断面図である。
【図６】連絡配管の流量係数と液体ピストン蒸気エンジンの効率との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの要部拡大断面図であり、（ａ）は蒸発部温度が低い場合を示し、（ｂ）は蒸発部温度が高い場合を示している。
【図８】本発明の第３実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの要部拡大断面図であり、（ａ）は蒸発部温度が低い場合を示し、（ｂ）は蒸発部温度が高い場合を示している。
【図９】本発明の第４実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの概略構成を表す構成図である。
【図１０】蒸発部温度と主容器内圧力の圧力波形との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２０】
１１…主容器、１１ｄ…蒸発部、１１ｅ…凝縮部、１２…出力部、１５…作動媒体、
２１…補助容器、２２…連通部、２３…液体、２５…可変絞り機構、
２６…圧力調整手段、２７…制御装置（制御手段）。
【図１】
2008298003.tif 000007
【図２】
2008298003.tif 000008
【図３】
2008298003.tif 000009
【図４】
2008298003.tif 000010
【図５】
2008298003.tif 000011
【図６】
2008298003.tif 000012
【図７】
2008298003.tif 000013
【図８】
2008298003.tif 000014
【図９】
2008298003.tif 000015
【図１０】
2008298003.tif 000016