(57)【要約】【課題】  流体容器の内部での流体の状態変化（気化、液化）により流体が適切に流動変位して、外部への出力仕事量が低下することを防止できる蒸気エンジンを提供する。【解決手段】  流体容器１１は、流体容器冷却対応部３３の内側半径寸法ｒ１が式（１）で表される低圧時熱浸透深さδ１と同一寸法となるように構成されている。蒸気エンジン１０は、流体容器１１の内部圧力が圧力下限値となるときの作動流体２０の温度伝導率を低圧時温度伝導率ａ１として設定しているため、作動流体２０の体積が最も大きくなるときに気体状態の作動流体２０を液化でき、作動流体２０の膨張エネルギを無駄なく利用できる。蒸気エンジン１０は、気体状態の作動流体２０を適切なタイミングで液化できるため、作動流体２０を適切に流動変位させることができ、発電機１への出力仕事量（出力エネルギー）の低下を防止できる。【選択図】  図１
2005330884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流動可能に封入された流体容器と、
前記流体容器に封入された前記流体を加熱して気化させる加熱器と、
前記加熱器にて加熱されて気化した前記流体を冷却して液化させる冷却器と、
前記加熱器および前記冷却器による前記流体の気化および液化の繰り返しにより前記流体が流動変位することに伴い、前記流体から圧力を受けて往復運動するエネルギ出力用駆動部と、
を備えて、前記エネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する蒸気エンジンであって、
前記流体容器は、前記冷却器に対応する部分である流体容器冷却対応部と、前記加熱器に対応する部分である流体容器加熱対応部と、を備えており、
前記流体容器冷却対応部の内側半径寸法は、低圧時における前記流体の温度伝導率である低圧時温度伝導率を「ａ１」、前記流体の流動変位の角周波数を「ω」としたとき、次式（１）
【数１】
2005330884.tif 000008
にて表される低圧時熱浸透深さδ１と同一寸法または略同一寸法であり、
前記低圧時温度伝導率ａ１は、前記流体容器の内部における前記流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち圧力下限値から２５％値までの圧力範囲のいずれかの圧力値における前記流体の温度伝導率であること、
を特徴とする蒸気エンジン。
【請求項２】
前記低圧時温度伝導率ａ１は、前記流体容器の内部における前記流体の圧力下限値における前記流体の温度伝導率であること、
を特徴とする請求項１に記載の蒸気エンジン。
【請求項３】
流体が流動可能に封入された流体容器と、
前記流体容器に封入された前記流体を加熱して気化させる加熱器と、
前記加熱器にて加熱されて気化した前記流体を冷却して液化させる冷却器と、
前記加熱器および前記冷却器による前記流体の気化および液化の繰り返しにより前記流体が流動変位することに伴い、前記流体から圧力を受けて往復運動するエネルギ出力用駆動部と、
を備えて、前記エネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する蒸気エンジンであって、
前記加熱器と前記冷却器とは隙間を隔てて配置されており、
前記流体容器は、前記冷却器に対応する部分である流体容器冷却対応部と、前記加熱器に対応する部分である流体容器加熱対応部と、前記加熱器と前記冷却器との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部と、を備えており、
前記流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法を「ｒ２」、高圧時における前記流体の温度伝導率である高圧時温度伝導率を「ａ２」としたときに、次式（２）のように変数τを規定した場合において、
【数２】
2005330884.tif 000009
前記流体容器の前記断熱隙間部内半径寸法ｒ２は、前記流体の流動変位の角周波数を「ω」としたとき、次式（３）
【数３】
2005330884.tif 000010
を満足すること、
を特徴とする蒸気エンジン。
【請求項４】
前記加熱器と前記冷却器とは隙間を隔てて配置されており、
前記流体容器は、前記加熱器と前記冷却器との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部を備えており、
前記流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法を「ｒ２」、高圧時における前記流体の温度伝導率である高圧時温度伝導率を「ａ２」としたときに、次式（４）のように変数τを規定した場合において、
【数４】
2005330884.tif 000011
前記流体容器の前記断熱隙間部内半径寸法ｒ２は、前記流体の流動変位の角周波数を「ω」としたとき、次式（５）
【数５】
2005330884.tif 000012
を満足すること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気エンジン。
【請求項５】
前記流体容器加熱対応部の内側半径寸法は、前記断熱隙間部内半径寸法と同一寸法または略同一寸法であること、
を特徴とする請求項３または請求項４に記載の蒸気エンジン。
【請求項６】
前記流体容器加熱対応部の内側半径寸法と、前記流体容器冷却対応部の内側半径寸法と、前記断熱隙間部内半径寸法とが、全て同一寸法あるいは略同一寸法であること、
を特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の蒸気エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱器および冷却器による流体の気化および液化の繰り返しにより、流体容器の内部において流体が流動変位することに伴い、流体から圧力を受けて駆動されるエネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する蒸気エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、蒸気エンジンの一つとして、流体容器の内部に流体を封入し、加熱器を用いて容器内の流体を加熱して気化させると共に、その気化した流体を冷却器を用いて冷却して液化させることで、外部にエネルギを出力する構成の蒸気エンジンが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
つまり、この蒸気エンジンは、流体を状態変化（気化、液化）させることで流体容器内の圧力を変化させ、その圧力変化によって駆動されるエネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力するよう構成されている。
【特許文献１】特開昭５８−０５７０１４号（図１）
【特許文献２】特開２００４−０８４５２３号（図１，図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このような蒸気エンジンにおいては、流体容器のうち流体が液化する部分の断面積が不適切な大きさに設定されると、蒸気エンジンによる外部への出力仕事量（出力エネルギー）が小さくなるという問題がある。
【０００５】
例えば、流体容器のうち冷却器に対応する部分（流体容器冷却対応部）の断面積が過度に小さく形成される（流体容器冷却対応部の内側半径寸法が過度に小さく形成される）と、流体容器の断面方向において流体容器の内壁から流体の中心部分までの熱伝達時間が短くなる。これにより、流体容器冷却対応部での流体に対する冷却効率が高く（良く）なるため、気体状態の流体が極めて短い時間内に液化することになる。
【０００６】
この場合、流体容器のうち加熱器に対応する部分（流体容器加熱対応部）で気化された流体は、流体容器のうち流体容器冷却対応部に移動すると共に瞬時に液化されるため、気化による流体の体積膨張量が小さくなり、蒸気エンジンにおける膨張仕事量が小さくなる。このような蒸気エンジンは、ＰＶ線図（圧力と体積との関係を表す線図）が図６（ｂ）に示すような形状になり、ＰＶ線図の面積が小さくなるため、外部への出力仕事量（出力エネルギー）が小さくなるという問題がある。
【０００７】
なお、図６（ａ）に示すＰＶ線図は、流体の液化および気化が理想的に行われた場合の理論値としてのＰＶ線図を示しており、図６（ｂ）および図６（ｃ）では理論値としてのＰＶ線図を点線で表している。
【０００８】
また、流体容器冷却対応部の断面積が過度に大きく形成される（流体容器冷却対応部の内側半径寸法が過度に大きく形成される）と、流体容器の断面方向において流体容器の内壁から流体の中心部分までの熱伝達時間が長くなる。これにより、流体容器冷却対応部での流体に対する冷却効率が低く（悪く）なるため、気体状態の流体が液化するまでの時間が長くなる。
【０００９】
この場合、流体容器加熱対応部で気化された流体が流体容器冷却対応部に移動しても、気体状態の流体が液化するまでの時間が長くなるため、気体が長い時間残留して流体容器の内部圧力が高圧状態に維持されてしまう。この結果、図６（ｃ）に示すようにＰＶ線図の面積が小さくなり、外部への出力仕事量（出力エネルギー）が小さくなるという問題がある。さらに、気体状態の流体が流体容器加熱対応部に集中した場合には、液体状態の流体を加熱できず流体の気化による圧力上昇が生じなくなり、蒸気エンジンの動作が異常停止する虞がある。
【００１０】
他方、加熱器と冷却器とが隙間を隔てて配置される蒸気エンジンにおいては、流体容器のうち加熱器と冷却器との間の隙間に対応する部分（流体容器断熱隙間部）の断面積が小さく形成されると、流体容器の断面方向において流体容器断熱隙間部の内壁から中心部分までの距離が短くなり熱伝達時間が短くなるため、流体容器（詳細には、流体容器断熱隙間部）と流体との間での熱交換効率が高く（良く）なる。
【００１１】
そして、このような構成の蒸気エンジンでは、気体状態の流体が流体容器加熱対応部から流体容器冷却対応部に移動する際に、移動途中の流体容器断熱隙間部で液化してしまい、気化による流体の体積膨張量が小さくなり、蒸気エンジンにおける膨張仕事量が小さくなる。このような蒸気エンジンは、ＰＶ線図が図６（ｂ）に示すようになり、ＰＶ線図の面積が小さくなるため、外部への出力仕事量（出力エネルギー）が小さくなるという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、流体容器の内部での流体の状態変化（気化、液化）により流体が適切に流動変位して、外部への出力仕事量（出力エネルギー）が低下することを防止できる蒸気エンジン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】
【００１３】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の蒸気エンジンは、流体容器に流体が流動可能に封入されており、流体容器に封入された流体を加熱器が加熱して気化させ、加熱器にて加熱されて気化した流体を冷却器が冷却して液化させている。つまり、この蒸気エンジンは、加熱器および冷却器による流体の気化および液化の繰り返しにより流体が流動変位することに伴い、エネルギ出力用駆動部が流体から圧力を受けて駆動されることで、エネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する。
【００１４】
そして、この蒸気エンジンは、流体容器が、冷却器に対応する部分である流体容器冷却対応部と、加熱器に対応する部分である流体容器加熱対応部と、を備えており、流体容器冷却対応部の内側半径寸法が、次式（１）にて表される低圧時熱浸透深さδ１と同一寸法または略同一寸法に形成されていることに特徴がある。
【００１５】
【数６】
2005330884.tif 000003
【００１６】
なお、上記（１）式においては、「ａ１」は低圧時における流体の温度伝導率（低圧時温度伝導率）を表し、「ω」は流体の流動変位の角周波数を表している。
ここで、低圧時温度伝導率ａ１における低圧の数値範囲は、流体容器の内部における流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち低圧側の範囲であって、範囲の大きさが圧力上限値と圧力下限値との差分の２５％に相当する範囲である。つまり、低圧時温度伝導率ａ１は、流体容器の内部における流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち圧力下限値から２５％値までの圧力範囲を低圧数値範囲とした場合に、この低圧数値範囲に含まれるいずれかの圧力値における流体の温度伝導率である。
【００１７】
このように構成された蒸気エンジンにおいては、流体容器は、流体の低圧時熱浸透深さδ１に基づいて流体容器冷却対応部の内側半径寸法（流体容器冷却対応部の断面積）が規定される。なお、熱浸透深さは、角周波数ωで往復移動する流体における熱の伝わり易さを表す指標の１つであるため、上記のように構成された流体容器は、流体容器冷却対応部での流体との熱交換量を一定範囲内に規定することが出来る。
【００１８】
これにより、この蒸気エンジンは、流体容器冷却対応部での流体に対する冷却効率が過度に高く（良く）なることや過度に低く（悪く）なることを防止でき、気体状態の流体を適切なタイミングで液化できる。
【００１９】
よって、本発明の蒸気エンジンによれば、流体容器の内部において気体状態の流体を適切なタイミングで液化できるため、流体を適切に流動変位させることができ、外部への出力仕事量（出力エネルギー）の低下を防止できる。また、気体状態の流体が液化するタイミングが遅すぎることに起因して蒸気エンジンの動作が異常停止するのを回避することができる。
【００２０】
そして、上述の蒸気エンジンにおいては、請求項２に記載のように、低圧時温度伝導率ａ１が、流体容器の内部における流体の圧力下限値における流体の温度伝導率であるとよい。
【００２１】
このように低圧時温度伝導率ａ１を設定することで、流体の圧力が圧力下限値となるタイミングで流体を最も効率良く冷却でき、流体の体積が最も大きくなるときに気体状態の流体を液化できるため、流体の膨張エネルギを無駄なく利用することが出来る。
【００２２】
よって、このような蒸気エンジンによれば、流体の気化により生じる膨張エネルギを無駄なく利用でき、流体を適切に流動変位させることができるため、外部への出力仕事量（出力エネルギー）の低下を防止できる。
【００２３】
次に、上述の目的を達成するためになされた請求項３に記載の蒸気エンジンは、流体容器に流体が流動可能に封入されており、流体容器に封入された流体を加熱器が加熱して気化させ、加熱器にて加熱されて気化した流体を冷却器が冷却して液化させている。つまり、この上記エンジンは、加熱器および冷却器による流体の気化および液化の繰り返しにより流体が流動変位することに伴い、エネルギ出力用駆動部が流体から圧力を受けて駆動されることで、エネルギ出力用駆動部から機械的エネルギを出力する。
【００２４】
そして、加熱器と冷却器とは隙間を隔てて配置されており、流体容器は、冷却器に対応する部分である流体容器冷却対応部と、加熱器に対応する部分である流体容器加熱対応部と、加熱器と冷却器との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部と、を備えている。
【００２５】
ここで、流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法を「ｒ２」、高圧時における前記流体の温度伝導率である高圧時温度伝導率を「ａ２」としたときに、変数τを次式（２）で表すように規定する。
【００２６】
【数７】
2005330884.tif 000004
【００２７】
なお、高圧時温度伝導率ａ２における高圧の数値範囲は、流体容器の内部における流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち最も高圧側となる圧力上限値に相当する圧力である。つまり、高圧時温度伝導率ａ２は、流体容器の内部における圧力上限値となるときの流体の温度伝導率である。
【００２８】
そして、この蒸気エンジンは、流体容器が、流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法ｒ２が次式（３）を満たすように形成されている点に特徴がある。
【００２９】
【数８】
2005330884.tif 000005
【００３０】
なお、上記の（３）式においては、「ω」は流体の流動変位の角周波数を表している。
ここで、式（３）における左辺（ωτ）と熱損失の割合（詳細には、流体から流体容器断熱隙間部への熱伝導による熱損失の割合）との関係を表す曲線を、図５に示す。なお、図５では、ωτを対数軸とする片対数座標平面上に、曲線を表している。そして、図５に示すように、ωτの値が大きくなるほど熱損失の割合が低下することが判る。
【００３１】
一般に、蒸気エンジンの出力仕事量（出力エネルギ）の低下を防止するためには、流体容器断熱隙間部での熱損失の割合を少なくとも２０％以下とする必要がある。そして、図５によれば、ωτの値が約７であるときの熱損失の割合が２０％であり、また、ωτの値が１０であるときの損失の割合が約１６％となる。このことから、ωτを１０以下に設定することで確実に熱損失の割合を２０％以下に抑えることができる。
【００３２】
このことから、式（２）および式（３）に基づき断熱隙間部内半径寸法ｒ２が規定された流体容器を備える蒸気エンジンは、流体容器断熱隙間部での熱損失を低減できるため、気体状態の流体が流体容器断熱隙間部で液化されるのを防止できる。これにより、気体状態の流体は、流体容器断熱隙間部で液化されることなく流体容器冷却対応部で液化するため、流体容器の内部における流体の体積膨張量を十分に確保できる。
【００３３】
よって、この蒸気エンジンによれば、流体が十分に体積膨張することにより流体容器の内部圧力が十分に上昇するため、その内部圧力で確実にエネルギ出力用駆動部を駆動できることから、外部への出力仕事量（出力エネルギ）が低下するのを防止できる。
【００３４】
次に、上述（請求項１または請求項２）の蒸気エンジンにおいては、請求項４に記載のように、加熱器と冷却器とは隙間を隔てて配置されており、流体容器は、加熱器と冷却器との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部を備えるとよい。
【００３５】
そして、流体容器断熱隙間部の内側半径寸法である断熱隙間部内半径寸法を「ｒ２」としたときに、断熱隙間部内半径寸法ｒ２が式（４）および式（５）を満たすように、流体容器が形成されるとよい。
【００３６】
【数９】
2005330884.tif 000006
【００３７】
【数１０】
2005330884.tif 000007
【００３８】
なお、式（４）は上述した式（２）と同一式であり、式（５）は上述した式（３）と同一式であり、式（４）および式（５）で用いられる各変数は、上述した式（２）および式（３）で用いられる各変数と同一である。
【００３９】
このように構成された流体容器は、流体容器冷却対応部および流体容器断熱隙間部の内側半径寸法がそれぞれ一定範囲内に規定されることから、流体容器冷却対応部での流体との熱交換量が適切に設定されることに加えて、流体容器断熱隙間部における熱損失を低減することが出来る。
【００４０】
このような流体容器を備える蒸気エンジンは、流体容器冷却対応部にて気体状態の流体を適切なタイミングで液化できるため、流体を適切に流動変位させることができると共に、流体容器断熱隙間部での熱損失の低減により、流体が十分に体積膨張して流体容器の内部圧力が十分に上昇する。
【００４１】
よって、この蒸気エンジンによれば、流体を適切に流動変位させることができることに加えて、さらに、流体容器の内部圧力が十分に上昇して確実にエネルギ出力用駆動部を駆動できることから、外部への出力仕事量（出力エネルギ）が低下するのを防止できる。
【００４２】
また、流体容器断熱隙間部を有する流体容器を備える蒸気エンジンについては、請求項５に記載のように、流体容器加熱対応部の内側半径寸法が、断熱隙間部内半径寸法と同一寸法または略同一寸法であるとよい。
【００４３】
つまり、このように構成された流体容器は、少なくとも流体容器加熱対応部と流体容器断熱隙間部との境界部分における内壁に段差が無い状態で形成されるため、流体容器加熱対応部と流体容器断熱隙間部との間での流体の移動が円滑となる。これにより、流体が流動変位する際に、段差部分等で無駄にエネルギが消費されるのを防止でき、エネルギ損失を低減できる。
【００４４】
よって、この蒸気エンジンによれば、流体が流動変位する際のエネルギ損失を低減でき、外部への出力仕事量（出力エネルギ）が低下するのを防止できる。
さらに、流体容器断熱隙間部を有する流体容器を備える蒸気エンジンについては、請求項６に記載のように、流体容器加熱対応部の内側半径寸法と、流体容器冷却対応部の内側半径寸法と、断熱隙間部内半径寸法とが、全て同一寸法あるいは略同一寸法であるとよい。
【００４５】
つまり、このように構成された流体容器は、流体容器加熱対応部から流体容器断熱隙間部を介して流体容器冷却対応部までの領域について、この領域の内壁に段差が無い状態で形成される。このような流体容器の内部では、少なくとも流体容器加熱対応部から流体容器断熱隙間部を介して流体容器冷却対応部までの領域において、流体が円滑に移動できるため、段差部分などでの無駄なエネルギ消費を防止できる。
【００４６】
よって、この蒸気エンジンによれば、流体が流動変位する際のエネルギ損失を低減でき、外部への出力仕事量（出力エネルギ）が低下するのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下に本発明が適用された実施形態を図面を用いて説明する。
本実施形態は、発電機１内の可動子２を振動変位させるリニアモータに本発明に係る蒸気エンジンを適用したものであり、図１は本実施形態に係る蒸気エンジン１０および発電機１からなる発電装置の概略構成図を表す。
【００４８】
なお、本実施形態に係る発電機１は、永久磁石が埋設された可動子２を振動変位させることにより起電力を発生するリニア振動発電機である。
図１に示すように、蒸気エンジン１０は、作動流体２０が流動可能に封入された流体容器１１と、流体容器１１の内部の作動流体２０を加熱する加熱器１２と、加熱器１２にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器１３とを備える。
【００４９】
なお、加熱器１２と冷却器１３とは、互いに直接接触しないように、一定の隙間を隔てて配置されている。
また、例えば、蒸気エンジン１０を水冷型内燃機関に設置する場合には、加熱器１２は内燃機関の排気ガスを利用して作動流体２０を加熱する構成の加熱器とすることができ、冷却器１３は、内燃機関の冷却水を利用して作動流体２０を冷却する構成の冷却器とすることができる。
【００５０】
流体容器１１は、加熱器１２に対応する部分である流体容器加熱対応部３１と、冷却器１３に対応する部分である流体容器冷却対応部３３と、加熱器１２と冷却器１３との間の隙間に対応する部分である流体容器断熱隙間部３５と、を備えている。
【００５１】
そして、流体容器１１のうち流体容器加熱対応部３１および流体容器冷却対応部３３については熱伝導性に優れた材料で形成されており、流体容器１１のうちその他の部分については、断熱性に優れた材料で形成されている。また、流体容器１１は、内部に封入される作動流体２０に対する耐腐食性に優れた材料で形成されている。
【００５２】
なお、本実施形態では、作動流体２０を水としており、流体容器１１は、熱伝導性に優れた材料として銅又はアルミニウムを使用し、断熱性に優れた材料としてステンレスを使用して構成されている。
【００５３】
そして、流体容器１１は、例えば、ステンレスと銅（またはアルミニウム）とからなるパイプを略Ｕ字状に屈曲させることにより、略Ｕ字パイプ状に形成されており、その屈曲部１１ａが最下部に位置し、屈曲部１１ａより延びた２つの直線部１１ｂ、１１ｃが鉛直線上に位置するように配置されている。
【００５４】
また、流体容器１１を構成している２つの直線部１１ｂ、１１ｃの内、一方の直線部１１ｂは、流体容器加熱対応部３１および流体容器冷却対応部３３が、流体容器加熱対応部３１が流体容器冷却対応部３３よりも上方側に位置するように形成されると共に、上端が閉塞されている。
【００５５】
そして、加熱器１２は、流体容器加熱対応部３１を取り囲むように設けられ、冷却器１３は、流体容器冷却対応部３３を取り囲むように設けられている。
一方、流体容器１１を構成している他方の直線部１１ｃの上端部には、作動流体２０から圧力を受けて変位するピストン１４が摺動可能に設けられている。
【００５６】
なお、このピストン１４は、発電機１の可動子２のシャフト２ａに連結されている。また、発電機１において、可動子２を挟んでピストン１４とは反対側には、可動子２をピストン１４側に押圧付勢するバネ３が設けられている。
【００５７】
このように構成された本実施形態の蒸気エンジン１０においては、加熱器１２および冷却器１３を作動させると、図２に示すように、まず、加熱器１２により、流体容器１１の直線部１１ｂのうち上端部付近の液体（水）が加熱されて気化し（等温膨張）、その気化した蒸気が更に膨張して（断熱膨張）、直線部１１ｂの内部における液体の液面を押し下げる。このため、流体容器１１の内部に封入された作動流体２０の液体部分は、直線部１１ｂから直線部１１ｃに向けて流動変位して、ピストン１４を押し上げる。
【００５８】
また、流体容器１１の直線部１１ｂの内部における液体の液面が流体容器冷却対応部３３まで下がり、流体容器冷却対応部３３の内部に蒸気が進入すると、蒸気が流体容器冷却対応部３３を介して冷却器１３により冷却されて液化されるため、直線部１１ｂ内の液体の液面を押し下げる力が消滅し（等温圧縮→断熱圧縮）、直線部１１ｂ側の液面が上昇する。この結果、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１４は下降する。
【００５９】
そして、こうした動作は、加熱器１２および冷却器１３の作動を停止させるまで繰り返し実行され、その間、流体容器１１内の作動流体２０は周期的に流動変位（所謂、自励振動）する。つまり、蒸気エンジン１０は、作動流体２０の状態変化（液化、気化）に伴う流体容器１１の内部圧力の変化を発生させ、その圧力変化によって流動変位する作動流体２０により駆動されるピストン１４から機械的エネルギを外部に出力するよう構成されている。そして、蒸気エンジン１０から出力されるエネルギは、発電機１の可動子２を上下動させるためのエネルギとして用いられる。
【００６０】
なお、本実施形態の蒸気エンジン１０は、ピストン１４を高温・高圧の蒸気に直接晒すことなく発電機１を駆動できるため、ピストン１４が劣化しがたい構造であることから、耐久性に優れている。
【００６１】
また、流体容器１１は、流体容器冷却対応部３３の内側半径寸法ｒ１が、上述した式（１）で表される低圧時熱浸透深さδ１と同一寸法となるように構成されている。
なお、流体容器１１のうち流体容器冷却対応部３３に相当する部分の概略構成を表した断面図を、図３に示す。図中、φｄは流体容器冷却対応部３３の内側直径寸法を表しており、ｒ１は流体容器冷却対応部３３の内側半径寸法を表している。
【００６２】
そして、低圧時熱浸透深さδ１は、上述した式（１）からも明らかなように、低圧時における作動流体２０の温度伝導率（低圧時温度伝導率ａ１）［ｍ２／ｓｅｃ．］と、流体容器１１の内部での作動流体２０の流動変位の特性（換言すれば、ピストン１４の往復運動の特性）を表す角周波数ω［ｒａｄ／ｓｅｃ．］とで決まる値である。
【００６３】
なお、本実施形態では、低圧時温度伝導率ａ１として、流体容器１１の内部圧力が圧力下限値となるときの作動流体２０の温度伝導率を用いている。つまり、流体容器１１の内部圧力は、作動流体２０の状態変化（気化、液化）に伴い変化しており、その圧力変動範囲（作動流体２０の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲）のうち圧力下限値となるときの温度伝導率を低圧時温度伝導率ａ１として低圧時熱浸透深さδ１を規定する。そして、流体容器冷却対応部３３の内側半径寸法ｒ１は、その低圧時熱浸透深さδ１と同一寸法となるように規定されている。
【００６４】
熱浸透深さは、角周波数ωで往復移動する流体における熱の伝わり易さを表す指標の１つであるため、流体容器冷却対応部３３の内側半径寸法ｒ１が低圧時熱浸透深さδ１と同一寸法に設定された流体容器１１は、流体容器冷却対応部３３での作動流体２０との熱交換量を一定範囲内に規定することが出来る。
【００６５】
これにより、蒸気エンジン１０は、流体容器冷却対応部３３での流体に対する冷却効率が過度に高く（良く）なることや過度に低く（悪く）なることを防止でき、気体状態の作動流体２０を適切なタイミングで液化できる。
【００６６】
とりわけ、この蒸気エンジン１０は、流体容器１１の内部圧力が圧力下限値となるときの作動流体２０の温度伝導率を低圧時温度伝導率ａ１として設定していることから、流体容器１１の内部圧力（換言すれば、作動流体２０の圧力）が圧力下限値となるタイミングで作動流体２０を最も効率良く冷却できる。つまり、蒸気エンジン１０は、作動流体２０の体積が最も大きくなるときに気体状態の作動流体２０を液化できるため、作動流体２０の膨張エネルギを無駄なく利用することが出来る。
【００６７】
よって、本実施形態の蒸気エンジン１０によれば、流体容器１１の内部において気体状態の作動流体２０を適切なタイミングで液化できるため、作動流体２０を適切に流動変位させることができ、ピストン１４の往復運動による発電機１への出力仕事量（出力エネルギー）の低下を防止できる。また、蒸気エンジン１０は、気体状態の作動流体２０が液化するタイミングが過度に遅れることがないため、作動流体２０の液化タイミングが大幅に遅延することに起因して作動流体２０の自励振動が停止して、エンジンが異常停止してしまうのを回避できる。
【００６８】
また、流体容器１１は、流体容器断熱隙間部３５の断熱隙間部内半径寸法ｒ２が、上述した式（２）および式（３）を満たすように構成されている。
なお、流体容器１１のうち流体容器断熱隙間部３５および流体容器加熱対応部３１に相当とする部分の概略構成を表した断面図を、図４に示す。図中、ｒ２は流体容器断熱隙間部３５の内側半径寸法（以下、断熱隙間部内半径寸法ともいう）を表している。
【００６９】
そして、式（３）における左辺（ωτ）と作動流体２０から流体容器断熱隙間部３５への熱伝導による熱損失の割合との関係を表す曲線（図５参照）に示すように、ωτの値が大きくなるほど熱損失の割合が低下することが判る。
【００７０】
また、図５によれば、ωτの値が１０であるときの損失の割合が約１６％となることから、本実施形態のようにωτが１０以下となる条件を満たすように流体容器断熱隙間部３５の断熱隙間部内半径寸法ｒ２が規定される流体容器１１は、流体容器断熱隙間部３５における熱損失の割合を確実に２０％以下に抑えることができる。
【００７１】
このような流体容器１１を備える蒸気エンジン１０は、熱損失の割合を確実に２０％以下に抑制できるため、流体容器断熱隙間部３５での熱損失を低減でき、気体状態の作動流体２０が流体容器断熱隙間部３５で液化されるのを防止できる。これにより、気体状態の作動流体２０は、流体容器断熱隙間部３５で液化されることなく流体容器冷却対応部３３で液化する。このため、蒸気エンジン１０は、流体容器１１の内部における作動流体２０の体積膨張量を十分に確保できる。
【００７２】
したがって、蒸気エンジン１０は、作動流体２０が十分に体積膨張することにより流体容器１１の内部圧力が十分に上昇する構成となるため、その内部圧力で確実にピストン１４を駆動できることから、発電機１への出力仕事量（出力エネルギ）が低下するのを防止できる。
【００７３】
また、流体容器１１は、図４に示すように、流体容器加熱対応部３１の内側半径寸法が、流体容器断熱隙間部３５の断熱隙間部内半径寸法ｒ２と同一寸法となるように構成されている。つまり、この流体容器１１は、流体容器加熱対応部３１と流体容器断熱隙間部３５との境界部分における内壁に段差が無い状態で形成されており、流体容器加熱対応部３１と流体容器断熱隙間部３５との間での作動流体２０が流動変位するにあたり、作動流体２０の移動が円滑となる。
【００７４】
これにより、蒸気エンジン１０は、作動流体２０が流動変位する際に、段差部分等で無駄にエネルギが消費されるのを防止でき、エネルギ損失を低減できることから、作動流体２０の自励振動により発電機１に対して出力する仕事量（出力エネルギ）が低下するのを防止できる。
【００７５】
さらに、流体容器１１は、図１に示すように、流体容器加熱対応部３１の内側半径寸法と、流体容器冷却対応部３３の内側半径寸法ｒ１と、流体容器断熱隙間部３５の断熱隙間部内半径寸法ｒ２とが、全て同一寸法で形成されている。
【００７６】
つまり、流体容器１１は、流体容器加熱対応部３１から流体容器断熱隙間部３５を介して流体容器冷却対応部３３までの領域について、この領域の内壁に段差が無い状態で形成される。このような流体容器１１の内部では、少なくとも流体容器加熱対応部３１から流体容器冷却対応部３３までの領域において、作動流体２０が円滑に移動できるため、流動変位する作動流体２０が段差部分などから受ける抵抗の大きさを低減できる。
【００７７】
よって、この蒸気エンジン１０は、作動流体２０が流体容器加熱対応部３１から流体容器冷却対応部３３までの領域を流動変位する際に、作動流体２０が流体容器１１の内壁から受ける抵抗の大きさが小さく抑制されることから、無駄なエネルギの消費を防止でき、発電機１に対して効率良くエネルギを出力できる。
【００７８】
なお、本実施形態においては、ピストン１４が特許請求の範囲に記載のエネルギ出力用駆動部に相当する。
以上、本発明が適用された実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内にて、種々の態様を採ることができる。
【００７９】
例えば、低圧時温度伝導率ａ１における低圧の数値範囲は、流体容器１１の内部圧力範囲における圧力下限値に限られることはなく、少なくとも流体容器１１の内部において気体状態の作動流体２０を適切なタイミングで液化できるように流体容器冷却対応部３３の内径寸法が規定される数値範囲であればよい。つまり、流体容器の内部における流体の圧力上限値から圧力下限値までの圧力範囲のうち圧力下限値から２５％値までの圧力範囲を低圧数値範囲とした場合において、低圧時温度伝導率ａ１は、この低圧数値範囲に含まれるいずれかの圧力値における流体の温度伝導率を設定すればよい。
【００８０】
このように低圧時温度伝導率ａ１を設定し、上述した式（１）を用いて低圧時熱浸透深さδ１を定め、この低圧時熱浸透深さδ１と同一寸法または略同一寸法となるように、流体容器冷却対応部３３の内側半径寸法ｒ１が規定された流体容器１１は、流体容器冷却対応部３３での作動流体２０との熱交換量を一定範囲内に規定することが出来る。
【００８１】
このような流体容器１１を備える蒸気エンジン１０は、少なくとも気体状態の作動流体２０を適切なタイミングで液化できるため、作動流体２０を適切に流動変位させることができ、発電機１への出力仕事量（出力エネルギー）の低下を防止できる。
【００８２】
次に、上述した実施形態では、ωτの値が１０以上となるように断熱隙間部内半径寸法が設定された蒸気エンジンについて説明したが、流体容器断熱隙間部での熱損失割合をさらに低減するためには、ωτの値がさらに大きくなるように断熱隙間部内半径寸法を設定すると良い。
【００８３】
例えば、図５に示す曲線に基づき判断すると、流体容器断熱隙間部での熱損失割合を１０％以下とするためには、ωτの値が２０以上となるように断熱隙間部内半径寸法ｒ２の値を設定するとよく、流体容器断熱隙間部での熱損失割合を５％以下とするためには、ωτの値が３０以上となるように断熱隙間部内半径寸法ｒ２の値を設定するとよい。さらに、熱損失を低減するべく流体容器断熱隙間部での熱損失割合を２％以下とするためには、ωτの値が１００以上となるように断熱隙間部内半径寸法ｒ２の値を設定することが望ましい。
【００８４】
次に、流体容器１１は、流体容器加熱対応部３１の内側半径寸法が流体容器断熱隙間部３５の断熱隙間部内半径寸法ｒ２と同一寸法である場合に限られることはなく、略同一寸法であればよい。つまり、略同一寸法であれば、流体容器１１の内壁に段差がほとんど無い状態となるため、流体容器加熱対応部３１と流体容器断熱隙間部３５との間における作動流体２０の移動に対して大きな抵抗とはならず、無駄なエネルギの消費を低減できるからである。
【００８５】
また、流体容器１１は、流体容器冷却対応部３３の内側半径寸法が流体容器断熱隙間部３５の断熱隙間部内半径寸法ｒ２と同一寸法である場合に限られることはなく、略同一寸法であればよい。つまり、略同一寸法であれば、流体容器１１の内壁に段差がほとんど無い状態となるため、流体容器冷却対応部３３と流体容器断熱隙間部３５との間における作動流体２０の移動に対して大きな抵抗とはならず、無駄なエネルギの消費を低減できるからである。
【００８６】
また、加熱器は、外部から熱源物質（排気ガスなど）を取り込む構成に限られることはなく、例えば、電気通電により発熱する加熱器（電気ヒータなど）やガスなどの燃料の燃焼により熱を発生する加熱器などを用いて構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】蒸気エンジンおよび発電機を備える発電装置の概略構成を表す概略構成図である。
【図２】蒸気エンジンの動作原理を表す説明図である。
【図３】流体容器のうち流体容器冷却対応部に相当する部分の概略構成を表した断面図である。
【図４】流体容器のうち流体容器断熱隙間部および流体容器加熱対応部に相当する部分の概略構成を表した断面図である。
【図５】変数ωτと熱損失の割合（流体から流体容器断熱隙間部への熱伝導による熱損失の割合）との関係を表す曲線を示す説明図である。
【図６】（ａ）は、流体の液化および気化が理想的に行われた場合の理論値としてのＰＶ線図であり、（ｂ）は、流体容器冷却対応部の断面積が小さく形成された場合のＰＶ線図であり、（ｃ）は、流体容器冷却対応部の断面積が大きく形成された場合のＰＶ線図である。
【符号の説明】
【００８８】
１…発電機、２…可動子、１０…蒸気エンジン、１１…流体容器、１１ａ…屈曲部、１１ｂ…直線部、１１ｃ…直線部、１２…加熱器、１３…冷却器、１４…ピストン、２０…作動流体、３１…流体容器加熱対応部、３３…流体容器冷却対応部、３５…流体容器断熱隙間部。
【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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