(57)【要約】【課題】液体ピストン量の減少を抑制して熱効率を向上させる。【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、作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器２０と、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１２と、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、容器１１から蒸気を排気させる排気手段１３と、容器１１の内部の液体ピストン１５の量が適正量よりも低下した場合に容器１１の内部に液相状態の作動媒体を供給する液体ピストン供給手段１９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）の一端側部位に設けられ、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（１２）と、
前記容器（１１）の他端側部位に設けられ、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、
前記容器（１１）の一端側部位に設けられ、前記容器（１１）から前記蒸気を排気させる排気手段（１３）と、
前記容器（１１）の内部の前記液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下した場合に前記容器（１１）の内部に液相状態の前記作動媒体を供給する前記液体ピストン供給手段（１９）とを備えることを特徴とする熱機関。
【請求項２】
前記外部蒸発器（２０）は、液相状態の前記作動媒体を圧送するポンプ（２０２）を有し、
前記液体ピストン供給手段（１９）は、前記ポンプ（２０２）によって圧送された液相状態の前記作動媒体を前記容器（１１）の内部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
前記液体ピストン供給手段（１９）は、
前記ポンプ（２０２）から前記容器（１１）に至る流路を開閉する供給弁（１９２）と、
前記容器（１１）の内部の前記液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下した場合に前記供給弁（１９２）を開弁させる制御手段（１９４）とを有することを特徴とする請求項２に記載の熱機関。
【請求項４】
前記液体ピストン供給手段（１９）は、液相状態の前記作動媒体を貯めるタンク（１９６）を有し、
前記タンク（１９６）の内部は、前記外部蒸発器（２０）で発生した前記蒸気により加圧されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項５】
前記液体ピストン供給手段（１９）は、
前記タンク（１９６）から前記容器（１１）に至る流路を開閉する供給弁（１９２）と、
前記容器（１１）の内部の前記液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下した場合に前記供給弁（１９２）を開弁させる制御手段（１９４）とを有することを特徴とする請求項４に記載の熱機関。
【請求項６】
前記液体ピストン供給手段（１９）は、
液相状態の前記作動媒体を前記容器（１１）の内部に向けて圧送する供給ポンプ（１９７）と、
前記容器（１１）の内部の液体ピストン（１５）が前記ポンプ（２０２）側に向かって逆流することを防止する一方向弁（１９８）とを有することを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項７】
前記液体ピストン供給手段（１９）は、前記容器（１１）の内部の前記液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下した場合に前記供給ポンプ（１９７）を始動させる制御手段（１９４）を有することを特徴とする請求項６に記載の熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、容器内で蒸気を発生させることなく、容器の外部で液体を加熱して蒸気を発生させ、その蒸気を所定のタイミングで容器の一端部に供給する。そして、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、容器とは別の容器の外部で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、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】
そこで、本出願人は先に特願２０１０−５３３９７号（以下、先願例と言う。）にて、容器に排気バルブを設け、排気バルブを開放することによって、凝縮し切れなかった蒸気を容器から排気させることを提案している。
【００１０】
しかしながら、この従来技術によると、容器内の液体ピストンの量が減少して熱効率の低下を招く要因がある。以下、この理由を図４を用いて説明する。図４（ａ）は、上記先願例に相当する熱機関の概略構成図である。
【００１１】
大気圧下の飽和温度よりも高温な液体ピストンが容器１１内に存在すると、排気バルブ１３の開放に伴って液体ピストン１５が減圧沸騰により蒸発する。特に蒸気が凝縮して生じた液体や液体ピストン１５などが容器の内壁に多く付着している場合には、取り込んだ蒸気が膨張仕事をせずに凝縮してしまう。取り込んだ蒸気は大気圧の蒸気よりもエネルギーが高いため、排気バルブ１３が開いて減圧沸騰することで吸気量よりも多く蒸発してしまう。このため液体ピストン量が減少する 。
【００１２】
これ以外にも、蒸気の凝縮不足により排気バルブ開放時における容器１１の内部圧力が大気圧以上になる場合、排気中に容器１１の内壁に付着した液体を巻き込んで排気するなどの液体ピストン量が減少する要因がある。
【００１３】
このように液体ピストン１５が減少すると、吸気量（供給される蒸気の量）が増加して膨張比が低下するため熱効率が低下する。このことを図４（ｂ）に基づいて説明する。膨張比εは、下死点での蒸気の体積Ｖ4 と、上死点での蒸気の体積Ｖ3 との比で定義される（ε＝Ｖ4 ／Ｖ3 ）。
【００１４】
ここで、Ｖ4 ＝Ｖ3 ＋Ｖexとする。Ｖexは、固体ピストン１４１の排気容積である。膨張比εは、
ε＝Ｖ4 ／Ｖ3 ＝（Ｖ3 ＋Ｖex）／Ｖ3 ＝１＋Ｖex／Ｖ3
と表すことができる。
【００１５】
液体ピストン１５が減少すると、上死点での蒸気の体積Ｖ3 が増加する。換言すれば、吸気量（供給される蒸気の量）が増加する。液体ピストン１５が理想の量である場合と、液体ピストン１５が減少した場合とでＶexが一定であるため、上死点での蒸気の体積Ｖ3 が増加することによって膨張比εが低下することとなる。
【００１６】
このため、図４（ｃ）に示すように、液体ピストンが理想の量である場合と比較して熱効率が低下する。
【００１７】
本発明は上記点に鑑みて、液体ピストン量の減少を抑制して熱効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
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）の一端側部位に設けられ、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（１２）と、
容器（１１）の他端側部位に設けられ、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、
容器（１１）の一端側部位に設けられ、容器（１１）から蒸気を排気させる排気手段（１３）と、
容器（１１）の内部の液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下した場合に容器（１１）の内部に液相状態の作動媒体を供給する液体ピストン供給手段（１９）とを備えることを特徴とする。
【００１９】
これによると、容器（１１）の内部の液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下すると液体ピストン供給手段（１９）が容器（１１）の内部に液相状態の作動媒体を供給するので、液体ピストン量の減少を抑制して熱効率を向上させることができる。
【００２０】
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、外部蒸発器（２０）は、液相状態の作動媒体を圧送するポンプ（２０２）を有し、
液体ピストン供給手段（１９）は、ポンプ（２０２）によって圧送された液相状態の作動媒体を容器（１１）の内部に供給するように構成されていることを特徴とする。
【００２１】
これによると、外部蒸発器（２０）のポンプ（２０２）が、容器（１１）の内部に液相状態の作動媒体を供給するための供給ポンプを兼ねることとなるので、構成の簡素化とコストの低減とを図ることができる。
【００２２】
具体的には、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の熱機関において、液体ピストン供給手段（１９）は、
ポンプ（２０２）から容器（１１）に至る流路を開閉する供給弁（１９２）と、
容器（１１）の内部の液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下した場合に供給弁（１９２）を開弁させる制御手段（１９４）とを有していればよい。
【００２３】
請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、液体ピストン供給手段（１９）は、液相状態の作動媒体を貯めるタンク（１９６）を有し、
タンク（１９６）の内部は、外部蒸発器（２０）で発生した蒸気により加圧されるようになっていることを特徴とする。
【００２４】
これによると、容器（１１）の内部に液相状態の作動媒体を供給するための供給ポンプを用いる必要がないので、構成の簡素化とコストの低減とを図ることができる。
【００２５】
具体的には、請求項５に記載の発明のように、請求項４に記載の熱機関において、液体ピストン供給手段（１９）は、
タンク（１９６）から容器（１１）に至る流路を開閉する供給弁（１９２）と、
容器（１１）の内部の液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下した場合に供給弁（１９２）を開弁させる制御手段（１９４）とを有していればよい。
【００２６】
請求項６に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、液体ピストン供給手段（１９）は、
液相状態の作動媒体を容器（１１）の内部に向けて圧送する供給ポンプ（１９７）と、
容器（１１）の内部の液体ピストン（１５）がポンプ（２０２）側に向かって逆流することを防止する一方向弁（１９８）とを有することを特徴とする。
【００２７】
これによると、作動サイクルにおける容器１１の内部圧力の最高圧よりも低い圧力で、液相状態の作動媒体を容器（１１）の内部に供給することができる。
【００２８】
具体的には、請求項７に記載の発明のように、請求項６に記載の熱機関において、液体ピストン供給手段（１９）は、容器（１１）の内部の液体ピストン（１５）の量が適正量よりも低下した場合に供給ポンプ（１９７）を始動させる制御手段（１９４）を有していればよい。
【００２９】
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】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態における熱機関の構成および作動を説明する図である。
【図２】本発明の第２実施形態における熱機関を示す構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態における熱機関の構成および作動を説明する図である。
【図４】従来技術における熱機関の構成および作動を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。図１（ａ）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。
【００３２】
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。
【００３３】
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管状の容器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。
【００３４】
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は、高温ガスと水とを熱交換して水を加熱する熱交換器２０１と、熱交換器に水を圧送するポンプ２０２とを有している。
【００３５】
容器１１の一端部（一端側部位）には吸気バルブ１２および排気バルブ１３が設けられ、容器１１の他端部（他端側部位）には出力部１４が設けられている。
【００３６】
吸気バルブ１２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ものであり、容器１１の一端部に形成された吸気ポート（図示せず）を所定タイミングで開閉する。
【００３７】
排気バルブ１３は、容器１１から蒸気を排気させる排気手段をなすものであり、容器１１の一端部に形成された排気ポート（図示せず）を所定タイミングで開閉する。
【００３８】
吸気バルブ１２および排気バルブ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。
【００３９】
吸気バルブ１２には、外部蒸発器２０から延びる蒸気配管２１が接続されている。したがって、外部蒸発器２０からの蒸気が吸気バルブ１２を通じて容器１１内に吸気される。
【００４０】
排気バルブ１３は、大気に開放されている。したがって、容器１１の蒸気が排気バルブ１３を通じて大気中に排気される。なお、排気バルブ１３は、必ずしも大気に開放されている必要はない。例えば容器１１の蒸気が排気バルブ１３を通じて外部蒸発器２０に戻されるといった閉ループ系になっていてもよい。
【００４１】
容器１１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１１１を構成している。膨張部１１１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１１１での蒸気の凝縮を抑制することができる。
【００４２】
容器１１の中間部は、膨張部１１１で膨張した蒸気を冷却して凝縮させる冷却部１１２を構成している。容器１１のうち膨張部１１１および冷却部１１２の形成部位は、複数本に分岐されていてもよい。
【００４３】
冷却部１１２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）が循環するようになっている。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。冷却部１１２では、膨張部１１１で膨張した蒸気が冷却水と熱交換することによって冷却されて凝縮する。
【００４４】
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１１１および冷却部１１２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。
【００４５】
膨張部１１１における蒸気の膨張、および冷却部１１２における蒸気の凝縮により、容器１１内に封入された水が変位する。以下では、容器１１内で変位する水を液体ピストン１５という。
【００４６】
出力部１４は、容器１１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、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に連結されたクランク機構１４３とを有している。
【００４７】
クランク機構１４３の出力軸には、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。なお、クランク機構１４３の代わりに、種々の動力変換機構を用いてもよい。
【００４８】
容器１１内の液体ピストン１５が出力部１４に向かって変位すると固体ピストン１４１が押し出されて図１の上方に向かって変位する。これにより、クランク機構１４３の出力軸が回転する。
【００４９】
クランク機構１４３の出力軸が回転すると、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。
【００５０】
図示を省略しているが、本例では、クランク機構１４３の出力軸は吸気バルブ１２および排気バルブ１３と機械的に連結されており、クランク機構１４３の出力軸の回転位相と同期して吸気バルブ１２および排気バルブ１３が駆動される。例えば、クランク機構１４３の出力軸と吸気バルブ１２および排気バルブ１３との連結には、プーリ、ベルト等を用いることができる。
【００５１】
さらに熱機関１０は、液体ピストン排出手段１８と液体ピストン供給手段１９とを備えている。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。
【００５２】
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１１２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とを有している。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。
【００５３】
液体ピストン供給手段１９は、容器１１内に水を供給することによって、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、液体ピストン供給手段１９は、供給管１９１、供給弁１９２、絞り機構１９３、制御装置１９４（制御手段）および圧力センサ１９５を有している。
【００５４】
供給管１９１は、外部蒸発器２０のポンプ２０２から容器１１のうち冷却部１１２と出力部１４との間の部位に向かって延びており、ポンプ２０２から容器１１に至る流路を形成している。
【００５５】
供給弁１９２は、供給管１９１の流路を開閉する。本例では、供給弁１９２として電磁弁が用いられている。絞り機構１９３は、供給管１９１に設けられている。
【００５６】
制御装置１９４には、圧力センサ１９５からの検出信号が入力される。圧力センサ１９５は、容器１１の内部圧力を検出する。制御装置１９４は、圧力センサ１９５からの検出信号に基づいて容器１１内の液体ピストン１５の量（推定量）を算出する。
【００５７】
例えば、制御装置１９４は、容器１１の内部圧力の変化から膨張比を計算して容器１１内の液体ピストン１５の量を算出する。したがって、圧力センサ１９５は、容器１１内の液体ピストン１５の量を検出する液体ピストン量検出手段を構成している。
【００５８】
なお、絞り機構１９３の絞り抵抗を調整して１サイクル中に流入する液体ピストン量と１サイクルでの液体ピストン１５の減少量を釣り合わせておけば、供給弁１９２を常時開けておいてもよい。
【００５９】
次に、上記構成における基本作動を説明する。以下では、液体ピストン１５が最も膨張部１１１側にきたときの位置を上死点と言い、液体ピストン１５が最も出力部１４側にきたときの位置を下死点と言う。
【００６０】
液体ピストン１５が上死点にある状態において、吸気バルブ１２が開かれて膨張部１１１に外部蒸発器２０からの蒸気が吸気される。吸気バルブ１２は所定時間開いた後に閉じられる。
【００６１】
膨張部１１１に供給された高温・高圧の蒸気が膨張することによって液体ピストン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。
【００６２】
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固体ピストン１４１が図１の上方側に押し出され、その結果、出力部１４のクランク機構１４３の出力軸が回転して機械的エネルギが出力される。
【００６３】
膨張部１１１で膨張した蒸気が冷却部１１２に進入して液体ピストン１５の液面が冷却部１１２まで下がると冷却部１１２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。
【００６４】
圧縮行程では、排気バルブ１３が所定タイミングで開き、冷却部１１２で凝縮し切れなかった蒸気が排気バルブ１３から大気中に排気される。なお、排気バルブ１３が大気に開放されておらず閉ループ系になっている場合には、冷却部１１２で凝縮し切れなかった蒸気が排気バルブ１３を通じて外部蒸発器２０に戻されることとなる。排気バルブ１３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。
【００６５】
このような動作が繰り返し行われることで容器１１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の出力軸を連続的に回転させる。
【００６６】
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１１２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。
【００６７】
このため、排気バルブ１３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容器１１の内部圧力が上昇する。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が液圧縮されて容器１１の内部圧力がさらに上昇する。
【００６８】
そして、容器１１の内部圧力が所定圧力以上になると、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。
【００６９】
液体ピストン１５の一部が排出されて容器１１の内部圧力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。
【００７０】
なお、本実施形態では、作動サイクルにおける容器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いる。そのため、リリーフ弁１８２は、容器１１の内部圧力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。
【００７１】
上述のように本実施形態では、吸気バルブ１２および排気バルブ１３が出力部１４のクランク機構１４３の出力軸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バルブ１２および排気バルブ１３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。
【００７２】
特に、排気バルブ１３を開くことによって、冷却部１１２で凝縮し切れなかった蒸気、および吸気された蒸気に混入した空気（不凝縮ガス）を排気バルブ１３から排気することができるので、熱動力変換効率を向上させることができる。
【００７３】
ここで、排気バルブ１３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、排気バルブ１３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。
【００７４】
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、排気バルブ１３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。
【００７５】
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。
【００７６】
次に、上記構成における特徴的作動を図１（ｂ）、（ｃ）に基づいて説明する。図１（ｂ）は、制御装置１９４による供給弁１９２の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）制御を示すタイミングチャートである。以下では、容器１１内の液体ピストン１５の量を液体ピストン量と言う。
【００７７】
上述のごとく、制御装置１９４は、圧力センサ１９５の検出結果に基づいて液体ピストン量を推定する。図１（ｂ）に示すように、液体ピストン量が適正量を下回ると、制御装置１９４は供給弁１９２を開弁させる（供給弁ＯＮ）。これにより、外部蒸発器２０のポンプ２０２で圧送された水が供給管１９１を通じて容器１１内に供給されるので、液体ピストン量が適正量に回復される。
【００７８】
供給弁１９２の開弁によって液体ピストン量が適正量を上回ると、制御装置１９４は供給弁１９２を閉弁させる（供給弁ＯＦＦ）。これにより、供給管１９１から容器１１内への水の供給が停止される。
【００７９】
図１（ｃ）は、供給弁１９２が開弁された状態において、実際に容器１１内に水が供給される期間を示すタイムチャートである。図１（ｃ）中、液体ピストン供給圧力は、液体ピストン供給手段１９によって容器１１内に供給される水の圧力のことであり、ポンプ圧力は、外部蒸発器２０のポンプ２０２の圧送圧力のことであり、エンジン内圧力は、上述した作動サイクル（膨張行程および圧縮行程）における容器１１の内部圧力のことである。
【００８０】
上述のごとく、液体ピストン供給手段１９は、外部蒸発器２０のポンプ２０２で圧送された水を容器１１内に供給する。したがって、液体ピストン供給圧力は、吸気バルブ１２を通じて膨張部１１１に吸気される蒸気の圧力と同じである。そのため、液体ピストン供給圧力は、エンジン内圧力の最高圧と同じになる。
【００８１】
このため、図１（ｃ）に示すように、エンジン内圧力が最高圧になっている期間では、供給弁１９２が開弁されていても、容器１１内への水の供給（液体ピストン供給）が行われないこととなる。
【００８２】
本実施形態によると、液体ピストン量が適正量を下回ると液体ピストン供給手段１９が容器１１内に水（液体ピストンを構成する作動媒体）を供給するので、液体ピストン量の減少を抑制することができる。このため、熱効率を向上させることができる。
【００８３】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、ポンプ２０２で圧送された水を容器１１内に供給するが、本第２実施形態では、図２に示すように、タンク１９６の内部を外部蒸発器２０で発生した蒸気で加圧することによって、タンク１９６に貯められた水を容器１１内に供給する。
【００８４】
タンク１９６の下部は、供給管１９１を介して容器１１に接続されている。タンク１９６の上部は、蒸気配管２１を介して外部蒸発器２０に接続されている。すなわち、本実施形態では、外部蒸発器２０から延びる蒸気配管２１が、吸気バルブ１２側とタンク１９６側とに分岐している。
【００８５】
本実施形態によると、タンク１９６の内部が外部蒸発器２０で発生した蒸気によって加圧されるので、供給弁１９２が開弁することにより、タンク１９６に貯められた水が供給管１９１を通じて容器１１内に供給される。このため、上記第１実施形態と同様に液体ピストン量の減少を抑制することができる。
【００８６】
また、本実施形態においても、液体ピストン供給圧力は、吸気バルブ１２を通じて膨張部１１１に吸気される蒸気の圧力と同じである。このため、上記第１実施形態と同様に、エンジン内圧力が最高圧になっている期間では、供給弁１９２が開弁されていても、容器１１内への水の供給（液体ピストン供給）が行われないこととなる。
【００８７】
なお、本実施形態では、タンク１９６内における蒸気と水との界面の面積を小さくすることで、界面での蒸気の凝縮量を少なくすることができる。また、タンク１９６内の水量が減少した場合には、タンク１９６内の水位が低下し蒸気とタンク１９６内壁面との接触面積が増大することにより蒸気が凝縮してタンク１９６内の水量が増加することとなる。
【００８８】
（第３実施形態）
上記第２実施形態では、タンク１９６に貯められた水を外部蒸発器２０で発生した蒸気で加圧することによって容器１１内に供給するが、本第３実施形態では、図３に示すように、タンク１９６に貯められた水を供給ポンプ１９７で圧送することによって容器１１内に供給する。
【００８９】
具体的には、図３（ａ）に示すように、タンク１９６は外部蒸発器２０に接続されていない。また、供給管１９１には、供給ポンプ１９７および一方向弁１９８が設けられている。供給ポンプ１９７の始動および停止は、制御装置１９４によって制御されるようになっている。一方向弁１９８は、供給管１９１における水の逆流を防止するためのものである。
【００９０】
液体ピストン量が適正量を下回ると、制御装置１９４は供給ポンプ１９７を始動させる。これにより、タンク１９６に貯められた水が供給ポンプ１９７で圧送され、供給管１９１を通じて容器１１内に供給されるので、液体ピストン量が適正量に回復される。
【００９１】
供給ポンプ１９７の作動によって液体ピストン量が適正量を上回ると、制御装置１９４は供給ポンプ１９７を停止させる。これにより、供給管１９１から容器１１内への水の供給が停止される。
【００９２】
本例では、供給ポンプ１９７の圧送圧力（ポンプ圧力）は、エンジン内圧力の最高圧よりも低くなっている。したがって、図３（ｂ）に示すように、液体ピストン供給圧力もエンジン内圧力の最高圧よりも低くなる。このため、エンジン内圧力がポンプ圧力以上になる期間では、供給弁１９２が開弁されていても、容器１１内への水の供給（液体ピストン供給）が行われないこととなる。
【００９３】
供給管１９１に一方向弁１９８が設けられているので、エンジン内圧力がポンプ圧力よりも高くなっている期間に水が供給管１９１を逆流することを防止することができる。
【００９４】
本実施形態によると、タンク１９６に貯められた水を、専用の供給ポンプ１９７で圧送することによって容器１１内に供給するので、液体ピストン供給圧力をエンジン内圧力の最高圧とは異なる圧力にすることができる。本例では、供給管１９１に一方向弁１９８が設けられているので、液体ピストン供給圧力をエンジン内圧力の最高圧よりも低い圧力にすることができる。
【００９５】
（他の実施形態）
（１）上記各実施形態では、圧力センサ１９５によって容器１１の内部圧力を検出し、制御装置１９４は、容器１１の内部圧力の変化から膨張比を計算して容器１１内の液体ピストン１５の量（推定量）を算出するが、これに限定されることなく、種々の方法で液体ピストン１５の量を算出することができる。
【００９６】
例えば、圧力センサ１９５によって検出される容器１１の内部圧力からサイクル平均圧を求め、このサイクル平均圧に基づいて液体ピストン１５の量を算出してもよい。すなわち、液体ピストン１５の量が減少した場合、膨張部１１１に吸気される蒸気の量が多くなり、ひいてはサイクル平均圧が上昇するので、サイクル平均圧に基づいて液体ピストン１５の量を算出することができる。
【００９７】
また、例えば、温度センサによって容器１１の所定部位の温度（管壁温度）を検出し、この管壁温度に基づいて液体ピストン１５の量を算出してもよい。すなわち、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ので、管壁温度に基づいて液体ピストン１５の量を算出することができる。
【００９８】
また、例えば、温度センサによって冷却器１６の冷却水出口温度を検出し、この冷却水出口温度に基づいて液体ピストン１５の量を算出してもよい。すなわち、液体ピストン１５の量が減少した場合、冷却部１１２に蒸気が滞留する時間が長くなるとともに伝熱面積が大きくなって熱交換量が増大し、ひいては冷却水出口温度が上昇する。よって、冷却水出口温度に基づいて液体ピストン１５の量を算出することができる。
【００９９】
（２）上記各実施形態は、供給弁１９２の開閉制御（ＯＮ・ＯＦＦ制御）の一例を示したものに過ぎず、これに限定されることなく、例えば供給弁１９２を液体ピストン１５の量に応じて細かく開閉制御するようにしてもよい。
【０１００】
（３）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。
【０１０１】
（４）上記各実施形態では、冷却部１１２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１１２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。
【０１０２】
因みに、この場合においても液体ピストン排出手段１８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】
【０１０３】
１１    容器
１２    吸気バルブ（吸気手段）
１３    排気バルブ（排気手段）
１４    出力部
１５    液体ピストン
１６    冷却器（冷却手段）
１９    液体ピストン供給手段
２０    外部蒸発器
１９４  制御装置（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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