(57)【要約】【課題】容器内に蒸気を取り込んだ際の蒸気の凝縮を抑制して、エネルギ損失を低減することが可能な熱機関を提供すること。【解決手段】複数の吸気口３２から吸気された蒸気は、それぞれ天井部１３の下面に沿って流れ、容器１０の第１直線状部１０ａの中心で互いに衝突する。蒸気同士が衝突することで、蒸気流れが混合されて流れ方向が下方に変更され、蒸気の下方に向かう流れが水平方向において均一化される。【選択図】図２
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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（２０）が往復流動可能に封入されたシリンダをなす容器（１０）と、
前記容器のうち一端側の部位（１１）に配設され、前記容器の外部で発生した前記作動媒体の蒸気を前記容器の内部に吸気させる吸気手段（３１）と、
前記容器のうち他端側の部位（１２）に配設され、前記容器の内部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の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（５０）と、
前記容器の前記吸気手段と前記液体ピストンとの間に設けられ、前記吸気手段により吸気された前記蒸気の前記容器の軸線方向（ＸＸ）の速度成分の分布を前記軸線方向に直交する直交方向（ＹＹ）において均一化する速度均一化手段（３０ａ、１３０ａ、８０）と、を備えることを特徴とする熱機関。
【請求項２】
前記速度均一化手段は、前記吸気手段により吸気された前記蒸気を被衝突物（１４）に衝突させる衝突手段（３０ａ）を有し、
前記被衝突物に前記蒸気を衝突させて前記吸気手段による前記蒸気の吸気流れ方向を変更することで、前記蒸気の前記軸線方向の速度成分の分布を前記直交方向において均一化することを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
前記衝突手段は、複数の吸気口（３２）を備え、
前記被衝突物は、前記複数の吸気口のそれぞれから吸気される前記蒸気において他の前記吸気口から吸気される前記蒸気であることを特徴とする請求項２に記載の熱機関。
【請求項４】
前記衝突手段は、吸気口（３２）を備え、
前記被衝突物は、前記容器を構成する壁面部のうち前記吸気口に対向する対向壁面部（１４）であることを特徴とする請求項２に記載の熱機関。
【請求項５】
前記速度均一化手段は、前記対向壁面部を加熱する加熱手段（７０）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】
前記速度均一化手段は、前記吸気手段により吸気された前記蒸気の前記直交方向の速度成分が前記軸線方向の速度成分よりも大きくなるような前記蒸気の流れを形成する蒸気流形成手段（１３０ａ、８０）を有し、
前記蒸気流形成手段によって前記蒸気の前記軸線方向の速度成分を抑制して、前記蒸気の前記軸線方向の速度成分の分布を前記直交方向において均一化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】
前記蒸気流形成手段は、前記軸線方向に対してねじれの位置関係にある方向から前記容器の内部に前記蒸気を吸気する吸気経路部（１３０ａ）を有し、
前記吸気経路部を介して吸気された前記蒸気が前記容器の軸線周りに旋回流を形成することで、前記蒸気の前記直交方向の速度成分を前記軸線方向の速度成分よりも大きくすることを特徴とする請求項６に記載の熱機関。
【請求項８】
前記蒸気流形成手段は、前記容器の内部に配設されて前記蒸気の流れを螺旋状に案内するガイド部材（８０）を有し、
前記ガイド部材によって前記蒸気が前記容器の軸線周りに旋回流を形成することで、前記蒸気の前記直交方向の速度成分を前記軸線方向の速度成分よりも大きくすることを特徴とする請求項６に記載の熱機関。
【請求項９】
前記ガイド部材は、前記容器を形成する材料よりも熱伝導率および比熱が小さい材料により形成されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記速度均一化手段と前記液体ピストンとの間に設けられ、前記蒸気の流れを前記軸線方向に整流する整流部材（９０）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の熱機関。
【請求項１１】
前記整流部材は、前記容器を形成する材料よりも熱伝導率および比熱が小さい材料の多孔体からなることを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。
【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】
従来技術として、下記特許文献１に開示された熱機関がある。この熱機関は、液相状態の作動媒体からなる液体ピストンが流動可能に封入された管状の容器と、容器の外部で作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器と、容器の一端側部位に配設されて外部蒸発器で発生した蒸気を容器に吸気させる吸気手段と、容器の他端側部位に配設されて容器の内部に吸気された蒸気の膨張によって生じる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出力部と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２０８６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術の熱機関では、容器内に蒸気を取り込んだ際に、液体ピストンに吸熱されて蒸気の一部が凝縮してしまう。このような吸気時の蒸気の凝縮が多量に発生すると、入力する熱エネルギが増大したり、出力部で取り出せる機械的エネルギが減少したりして、エネルギ損失が大きくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、容器内に蒸気を取り込んだ際の蒸気の凝縮を抑制して、エネルギ損失を低減することが可能な熱機関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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明では、容器（１０）の一端側の部位（１１）に配設された吸気手段（３１）と容器内の液体ピストン（２０）との間に設けられ、吸気手段により吸気された蒸気の容器軸線方向（ＸＸ）の速度成分の分布を容器軸線方向に直交する直交方向（ＹＹ）において均一化する速度均一化手段（３０ａ、１３０ａ、８０）を備えることを特徴としている。
【０００７】
これによると、速度均一化手段によって、吸気された蒸気の容器軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。したがって、容器内の一端側の液体ピストンの端面に作用する蒸気による動圧を端面内において均一化し、液面の乱れを抑制することができる。これにより、蒸気と液体ピストンとの接触面積の増大を抑制し、蒸気から液体ピストンへの熱伝達を抑制することができる。このようにして、容器内に取り込んだ蒸気の凝縮を抑制して、エネルギ損失を低減することができる。
【０００８】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態における熱機関の概略構成を示す模式構成図である。
【図２】第１の実施形態における容器の一端部の構成を示す要部構成図である。
【図３】容器内の容積変化、吸気バルブの開閉状態変化、排気バルブの開閉状態変化、および、容器内の圧力変化の関係を示すタイムチャートである。
【図４】熱機関の作動による容器内の変化を示すＰ−Ｖ線図である。
【図５】第２の実施形態における容器の一端部の構成を示す要部構成図である。
【図６】第３の実施形態における容器の一端部の構成を示す要部構成図である。
【図７】第４の実施形態における容器の一端部の構成を示す要部構成図である。
【図８】第５の実施形態における容器の一端部の構成を示す要部構成図である。
【図９】他の実施形態における容器の一端部の構成を示す要部構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１１】
（第１の実施形態）
本発明を適用した第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の熱機関１は、容器１０、冷却器１９、液体ピストン２０、吸気配管３０、排気配管４０、出力部５０および液体ピストン排出部６０等を備えている。熱機関１は、液体ピストン式蒸気エンジンとも呼ばれるものである。
【００１３】
容器１０は、液体の状態の作動媒体（本例では水）からなる液体ピストン２０が流動可能に封入されたシリンダをなす筒状のものである。容器１０は、最下部に位置する屈曲部１０ｂと、屈曲部１０ｂの両側に配置される第１、２直線部１０ａ、１０ｃとを有し、略Ｕ字状に形成された円筒パイプ状の圧力容器である。
【００１４】
第１直線状部１０ａは、屈曲部１０ｂよりも図示右方側で上下方向（図示ＸＸ方向）に延設されている。第１直線状部１０ａの上部は、容器１０の一端側の部位に相当する一端部１１である。一端部１１には、吸気配管３０および排気配管４０が接続している。
【００１５】
吸気配管３０は、容器１０の外部に設けられた蒸気供給源である蒸気発生器２から供給される作動媒体の蒸気を容器１０内に吸気する吸気経路を形成する。蒸気発生器２は、例えば内燃機関の排ガス等の高温ガスの熱により蒸気を生成する。吸気配管３０には、吸気経路を開閉する吸気バルブ３１が設けられている。吸気バルブ３１は、本実施形態における吸気手段に相当する。
【００１６】
排気配管４０は、容器１０内で凝縮しなかった蒸気を容器１０の外部へ排出する排気経路を形成する。排気配管４０には、排気経路を開閉する排気バルブ４１が設けられている。排気バルブ４１は、本実施形態における排気手段である。吸気バルブ３１および排気バルブ４１は、例えばロータリ弁やポペット弁等で構成することができる。
【００１７】
冷却器１９は、第１直線状部１０ａのうち、吸気配管３０および排気配管４０の接続部位よりも下方に設けられている。冷却器１９には、例えば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。
【００１８】
容器１０は、比較的断熱性に優れたステンレス製としている。容器１０のうち冷却器１９と接触して作動媒体を凝縮させる部位である冷却部１８は熱伝導率に優れた材料とすることが望ましい。本例では、冷却部１８を銅またはアルミニウム製としている。
【００１９】
第２直線状部１０ｃは、屈曲部１０ｂよりも図示左方側で上下方向（図示ＸＸ方向）に延設されている。第２直線状部１０ｃの上部は、容器１０の他端側の部位に相当する他端部１２である。他端部１２には、出力部５０が設けられている。出力部５０は、容器１０内の液体ピストン２０の変位を機械的エネルギに変換して出力する。
【００２０】
出力部５０は、第２直線状部１０ｃ内を往復動可能な固体ピストン５１と、固体ピストン５１に連結したコネクティングロッド５２とを有している。コネクティングロッド５２には、動力変換機構の一部をなす慣性力発生部材としてのフライホイール３が連結している。フライホイール３の回転軸には、図示を省略した駆動対象機器が接続している。駆動対象機器は、例えば発電機である。
【００２１】
液体ピストン排出手段である液体ピストン排出部６０は、容器１０内から液体ピストン２０の一部を排出することによって、容器１０内の液体ピストン２０の量を所定量に維持する。具体的には、液体ピストン排出部６０は、容器１０のうち冷却部１８と出力部５０との間の部位に接続された排出管６１と、排出管６１を開閉するリリーフ弁６２とで構成されている。リリーフ弁６２は、容器１０の内部圧力が所定圧力以上になると開弁する。
【００２２】
次に、上記構成における基本的な作動を、図３も参照して説明する。
【００２３】
図３の（ａ）に示す容積Ｖは容器１０の容積のことであり、固体ピストン５１の変位に伴って変動する。図３の（ｄ）に示す圧力Ｐは容器１０の内部圧力のことである。図３に示す上死点とは、液体ピストン２０が最も一端部１１側にきた状態のことを意味している。図３に示す下死点とは、液体ピストン２０が最も他端部１２側にきた状態のことを意味している。
【００２４】
液体ピストン２０が上死点に到達した直後の状態において、吸気バルブ３１が開くと一端部１１内に蒸気発生器２からの蒸気が吸気される。以下、吸気バルブ３１を開いて蒸気を吸気する行程を、吸気行程という場合がある。
【００２５】
吸気バルブ３１が所定時間開いた後に閉じられると、一端部１１に供給された高温・高圧の蒸気が膨張して液体ピストン２０が出力部５０側に押し出される。このときの液体ピストン２０の変位方向を以下、膨張方向という場合がある。また、液体ピストン２０が膨張方向に変位する行程を以下、膨張行程という場合がある。膨張行程では、液体ピストン２０が膨張方向に変位することによって出力部５０から機械的エネルギが出力される。
【００２６】
一端部１１内で膨張した蒸気が冷却部１８に進入して液体ピストン２０の液面が冷却部１８まで下がると、冷却部１８にて蒸気が冷却されて凝縮し内部圧力が低下する。以下、蒸気が冷却部１８で冷却され凝縮する行程を凝縮行程という場合がある。凝縮行程が行われると、液体ピストン２０を出力部５０側へ押し出す力が消滅するので、固体ピストン５１はフライホイール３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２０の変位方向を以下、圧縮方向という場合がある。また、液体ピストン２０が圧縮方向に変位する行程を以下、圧縮行程という場合がある。
【００２７】
圧縮行程では、排気バルブ４１が所定タイミングで開き、冷却部１８で凝縮し切れなかった蒸気や不凝縮ガス（例えば混入空気）が排気配管４０を介して排気される。排気バルブ４１は、例えば内部圧力が大気圧と同等となったところで開くように設定されている。排気バルブ４１は、液体ピストン２０が上死点に到達する少し前に閉じられる。以下、排気バルブ４１を開いて蒸気を排気する行程を、排気行程という場合がある。凝縮しなかった蒸気や不凝縮ガスが少ない場合には、排気行程を省略することも可能である。
【００２８】
このような動作が繰り返し行われることで容器１０内の液体ピストン２０が周期的に往復変位（いわゆる自励振動）して、出力部５０からの出力により駆動対象機器を連続的に駆動することになる。
【００２９】
ここで、凝縮行程において、蒸気発生器２から供給された蒸気が冷却部１８で凝縮するので、その分、容器１０内の液体ピストン２０の量が増加することとなる。容器１０内の液体ピストン２０の量が増加すると液体ピストン２０の液面位置が上昇するので、その分、容器１０内の蒸気の容積が小さくなる。
【００３０】
このため、排気バルブ４１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が上昇する場合がある。圧力Ｐが所定圧力以上になると、リリーフ弁６２が開弁し、排出管６１を介して液体ピストン２０の一部が排出される。液体ピストン２０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６２が閉弁する。このようにして液体ピストン２０の量が所定量以下に維持される。
【００３１】
なお、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な場合には、リリーフ弁６２は、排出管６１における流体の逆流を防止する役割をも果たしている。
【００３２】
熱機関１では、液体ピストン２０の位相と同期して吸気バルブ３１および排気バルブ４１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。
【００３３】
作動媒体を容器内に封入したまま加熱部で加熱して蒸気とする熱機関では、加熱部で沸騰しきれなかった作動媒体が冷却部へ熱輸送する損失が発生する。本実施形態の熱機関１では、外部から作動媒体の蒸気を取り込み作動するので、上記した熱輸送損失は発生し難く、熱動力変換効率を向上することができる。また、排気バルブ４１を開くことによって、冷却部１８で凝縮し切れなかった蒸気および不凝縮ガスを排気することができるので、熱動力変換効率を一層向上することができる。
【００３４】
次に、本実施形態の熱機関１の要部について、図２も参照して説明する。
【００３５】
図２に示すように、第１直線状部１０ａの天井部１３は、ドーム形状をなしている。吸気配管３０のうち、吸気バルブ３１よりも容器１０側に位置して一端部１１への接続部位となる導入管部３０ａは、第１直線状部１０ａの中心に向かう方向、かつ、天井部１３の接線方向に延びている。
【００３６】
図２に示すように、導入管部３０ａは複数（本例では２つ）設けられている。複数の導入管部３０ａの下流端にそれぞれ形成された吸気口３２は、第１直線状部１０ａの軸線をはさんで互いに対向する位置に開口している。
【００３７】
また、第１直線状部１０ａ内には、液体ピストン２０よりも上方となる部位に整流部材に相当する整流体９０が配設されている。整流体９０は、外形が平板状をなし、容器１０を形成する材料よりも熱伝導率および比熱がいずれも小さい材料の多孔体、例えば樹脂材やセラミックス材等の多孔体により形成されている。
【００３８】
整流体９０は、メッシュ状をなして上下方向にのみ蒸気を流通可能な多孔体、もしくは、連泡構造を有して、上下方向に流通する蒸気が分流および合流を繰り返す多孔体等からなる。整流体９０は、第１直線状部１０ａ内を横方向（水平方向）に横切るように全域に配設されている。これにより、整流体９０の上面から内部へ進入した蒸気の第１直線状部１０ａの軸線方向（図示ＸＸ方向）の流れは、第１直線状部１０ａの軸線方向に直交する水平方向（図示ＹＹ方向）には大きく変化し難い。したがって、整流体９０を通過する蒸気は、第１直線状部１０ａの軸線方向に整流される。
【００３９】
整流体９０は、第１直線状部１０ａ内において、吸気口３２の開口位置と液体ピストン２０との間に配設される。整流体９０は、液体ピストン２０の上死点位置に配設されることが好ましい。具体的には、整流体９０の下面が液体ピストン２０の上死点位置となるように配設されることが好ましい。
【００４０】
上述した要部構成によれば、吸気行程では、複数の吸気口３２から一端部１１内に蒸気が吸気される。図２に矢印で示すように、複数の吸気口３２から吸気された蒸気は、それぞれ天井部１３の下面に沿って流れ、第１直線状部１０ａの中心で互いに衝突する。蒸気同士が衝突することで、蒸気流れが混合されて流れ方向が下方に変更され、蒸気の下方に向かう流れが水平方向において均一化される。下方に向かう速度が均一化された蒸気は、整流体９０内を通過し、液体ピストン２０の上面（作動媒体の液相部と気相部との界面）を押し付ける。
【００４１】
本実施形態では、図２に示すように配設された導入管部３０ａが、容器の吸気手段と液体ピストンとの間に設けられ、吸気手段により吸気された蒸気の容器の軸線方向（ＸＸ方向）の速度成分の分布を軸線方向に直交する直交方向（ＹＹ方向）において均一化する速度均一化手段に相当する。
【００４２】
この導入管部３０ａの配置構成により、吸気された蒸気の容器１０の（具体的には、第１直線状部１０ａの）軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。したがって、一端部１１において液体ピストン２０の端面に作用する蒸気による動圧を端面内において均一化し、液面が大きく乱れたり、蒸気が界面を突き抜けたりすること（蒸気の気泡が液体ピストン内に進入すること）を抑制することができる。
【００４３】
これにより、蒸気と液体ピストン２０との接触面積の増大を抑制し、蒸気から液体ピストン２０への熱伝達を抑制することができる。このようにして、容器１０内に取り込んだ蒸気の凝縮を抑制して、エネルギ損失を低減することができる。
【００４４】
本実施形態のような速度均一化手段を備えない熱機関では、吸気行程において、蒸気の供給能力に余裕がある場合には、蒸気から液体ピストン２０への熱伝達により凝縮した分だけ過剰に蒸気を吸気させることになり、入力熱量の損失が大きくなってしまう。また、吸気行程において、蒸気の供給能力に余裕がなく、供給能力以上の凝縮損失が発生した場合には、図４に破線で示すように、サイクルの最大圧力が蒸気供給圧よりも低下してしまい出力部からの出力が低下する。本実施形態によれば、図４に実線で示すように、サイクルの最大圧力を蒸気供給圧とすることができる。
【００４５】
また、本実施形態における導入管部３０ａの配置構成は、吸気手段により吸気された蒸気を被衝突物に衝突させる衝突手段に相当する。一端部１１内へ吸気した蒸気を衝突させて流れ方向を変更することで、容易に、吸気された蒸気の第１直線状部１０ａの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。
【００４６】
そして、一方の導入管部３０ａから吸気される蒸気にとっては、他方の導入管部３０ｂから吸気される蒸気が被衝突物に相当する。蒸気同士が衝突するように複数の導入管部３０ａを配設するだけで、一端部１１内へ吸気した蒸気を衝突させ流れ方向を容易に変更することができる。
【００４７】
また、吸気口３２と液体ピストン２０との間には、整流体９０が配設されている。これによると、第１直線状部１０ａの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する水平方向において均一化された蒸気流れは、整流体９０により軸線方向の速度分布が均一化された状態を維持しつつ、液体ピストン２０の端面に押し付けられる。したがって、一端部１１において液体ピストン２０の端面に作用する蒸気による動圧を端面内において確実に均一化することができる。
【００４８】
また、整流体９０は、容器１０を構成する金属材料よりも熱伝導率が小さい材料により形成されている。したがって、整流体９０を通過する蒸気から整流体９０を介して容器１０に吸熱され難く、蒸気の凝縮を抑制することができる。また、整流体９０は、容器１０を構成する金属材料よりも比熱が小さい材料からなるとともに、平板状で比較的薄い。したがって、整流体９０は比較的熱容量が小さい。これにより、整流体９０を通過する蒸気から整流体９０に吸熱され難く、蒸気の凝縮を確実に抑制することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図５に基づいて説明する。
【００５０】
第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、導入管部３０ａの配置構成が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００５１】
図５に示すように、本実施形態では、多数の導入管部３０ａが、天井部１３の内側の曲面の中心に向かうように延設されている。本実施形態では、図５に示すように配設された導入管部３０ａが、速度均一化手段および衝突手段に相当する。多数の吸気口３２から吸気された蒸気は一端部１１の中心部で互いに衝突し、第１直線状部１０ａの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図６に基づいて説明する。
【００５３】
第３の実施形態は、前述の第１、第２の実施形態と比較して、導入管部３０ａの配置構成が異なるとともに、吸気した蒸気を衝突させる対象物が異なる。なお、第１、第２の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００５４】
図６に示すように、本実施形態では、複数の（本例では２つの）導入管部３０ａが、天井部１３の側方において上下方向に延設されている。導入管部３０ａ下端の吸気口３２の下方には、排ガス配管７０が配設されている。排ガス配管７０は、容器１０と一体的に接合されている。排ガス配管７０の上面部は、容器１０を構成する壁面部のうち吸気口３２に対向する対向壁面部１４となっている。
【００５５】
排ガス配管７０内には、例えば内燃機関の高温の排ガスが流通し、対向壁面部１４を加熱できるようになっている。排ガス配管７０は、対向壁面部１４を加熱する加熱手段に相当する。
【００５６】
上述した要部構成によれば、吸気行程では、複数の吸気口３２から一端部１１内に蒸気が吸気される。図６に矢印で示すように、複数の吸気口３２から吸気された蒸気は、一旦対向壁面部１４に衝突して流れの向きを変え、天井部１３の下面に沿って流れた後に一端部１１内を下方へ向かって流れる。
【００５７】
蒸気が対向壁面部１４に一旦衝突して流れの向きを変更することで、蒸気の下方へ向かう速度成分は大きく減少する。これにより、蒸気の下方に向かう流れが水平方向において均一化される。
【００５８】
本実施形態では、図６に示すように配設された導入管部３０ａと対向壁面部１４とが、容器の吸気手段と液体ピストンとの間に設けられ、吸気手段により吸気された蒸気の容器の軸線方向（ＸＸ方向）の速度成分の分布を軸線方向に直交する直交方向（ＹＹ方向）において均一化する速度均一化手段に相当する。
【００５９】
この導入管部３０ａおよび対向壁面部１４の配置構成により、吸気された蒸気の第１直線状部１０ａの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。これにより、第１、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
また、本実施形態における導入管部３０ａおよび対向壁面部１４の配置構成は、吸気手段により吸気された蒸気を被衝突物に衝突させる衝突手段に相当する。一端部１１内へ吸気した蒸気を衝突させて流れ方向を変更することで、容易に、吸気された蒸気の第１直線状部１０ａの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。
【００６１】
そして、導入管部３０ａから吸気される蒸気にとって、対向壁面部１４が被衝突物に相当する。吸気口３２から吸気される蒸気が衝突するように対向壁面部１４を配設するだけで、一端部１１内へ吸気した蒸気を衝突させて流れ方向を容易に変更することができる。
【００６２】
また、対向壁面部１４を加熱する排ガス配管７０を備え、対向壁面部１４を比較的高温に保つことで、蒸気が対向壁面部１４に衝突する際に凝縮することを抑止することができる。
【００６３】
なお、導入配管３０ａは、複数設けられていたが、これに限定されるものではなく、１つであってもかまわない。
【００６４】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について図７に基づいて説明する。図７は、容器１０の一端部１１の内部構成を透視状態で示している。
【００６５】
第４の実施形態は、前述の第１〜第３の実施形態と比較して、導入管部の配置構成が異なる。なお、第１〜第３の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００６６】
図７に示すように、本実施形態では、複数の（本例では２つの）導入管部１３０ａが、一端部１１の側壁面部の軸直交断面における接線方向に延設されている。
【００６７】
上述した要部構成によれば、吸気行程では、複数の吸気口３２から一端部１１内に蒸気が吸気される。図７に矢印で示すように、複数の吸気口３２から吸気された蒸気は、一端部１１の側壁面部に沿って流れ、一端部１１の内部に旋回流を形成する。そして、この蒸気の旋回流が徐々に下方へ移動していく。
【００６８】
蒸気が第１直線状部１０ａの軸線周りに旋回流を形成することで、蒸気の移動速度のうち、下方に向かう速度成分は極めて小さくなり、水平方向の速度成分が極めて大きくなる。したがって、蒸気の第１直線状部１０ａ軸線方向の速度成分が比較的小さくなり、これに伴い、蒸気の軸線方向の速度成分が水平方向において均一化される。
【００６９】
本実施形態では、図７に示すように配設された導入管部１３０ａが、容器の吸気手段と液体ピストンとの間に設けられ、吸気手段により吸気された蒸気の容器の軸線方向（ＸＸ方向）の速度成分の分布を軸線方向に直交する直交方向（ＹＹ方向）において均一化する速度均一化手段に相当する。
【００７０】
この導入管部１３０ａの配置構成により、吸気された蒸気の第１直線状部１０ａの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。したがって、第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
また、本実施形態における導入管部１３０ａの配置構成は、吸気手段により吸気された蒸気の容器軸線方向に直交する直交方向の速度成分が容器軸線方向の速度成分よりも大きくなるような蒸気の流れを形成する蒸気流形成手段に相当する。蒸気の第１直線状部１０ａ軸線方向に直交する直交方向の速度成分が第１直線状部１０ａ軸線方向の速度成分よりも大きくなるような蒸気の流れを形成することで、軸線方向の速度成分を抑制することができる。これにより、容易に、吸気された蒸気の第１直線状部１０ａの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。
【００７２】
また、導入管部１３０ａは、第１直線状部１０ａの軸線方向に対してねじれの位置関係にある方向の１つである側壁面部の接線方向から、一端部１１の内部に蒸気を吸気する吸気経路部に相当する。導入配管１３０ａを介して吸気された蒸気が第１直線状部１０ａの軸線周りに旋回流を形成することで、容易に、第１直線状部１０ａの軸線方向に直交する直交方向の蒸気の速度成分を軸線方向の蒸気の速度成分よりも大きくすることができる。
【００７３】
なお、導入配管１３０ａは、一端部１１の側壁面部の接線方向に延設されていたが、これに限定されるものではない。導入配管は、第１直線状部１０ａの軸線方向（一端部１１の軸線方向でもある）に対してねじれの位置関係にある方向に延設されていればよく、これにより、一端部１１内に旋回流を形成することができる。
【００７４】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について図８に基づいて説明する。図８は、容器１０の一端部１１の内部構成を透視状態で示している。
【００７５】
第５の実施形態は、前述の第４の実施形態と比較して、旋回流の形成手段が異なる。なお、第１〜第４の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００７６】
図８に示すように、本実施形態では、導入管部３０ａが、第１直線状部１０ａの中心に向かう水平方向に延設されている。一端部１１内において吸気口３２と液体ピストン２０との間には、ガイド部材に相当するガイド板８０が配設されている。ガイド板８０は、例えば螺旋形状をなす薄板材からなり、一端部１１内を上方から下方へ流れる蒸気を、螺旋状に案内するようになっている。
【００７７】
ガイド板８０は、容器１０を形成する材料よりも熱伝導率および比熱がいずれも小さい材料、例えば樹脂材やセラミックス材等により形成されている。なお、ガイド板８０は、螺旋形状をなすものに限定されず、蒸気の流れを螺旋状に案内するものであればよい。例えば、ガイド板を周方向に複数に分割形成した複数の羽根部材により構成してもかまわない。
【００７８】
上述した要部構成によれば、吸気行程では、吸気口３２から一端部１１内に蒸気が吸気される。図８に矢印で示すように、吸気口３２から吸気された蒸気は、ガイド板８０の両面に沿って螺旋状に流れ、一端部１１内に旋回流を形成する。
【００７９】
本実施形態では、ガイド板８０が、速度均一化手段に相当し、吸気手段により吸気された蒸気の容器軸線方向に直交する直交方向の速度成分が容器軸線方向の速度成分よりも大きくなるような蒸気の流れを形成する蒸気流形成手段に相当する。このガイド板８０により、吸気された蒸気の第１直線状部１０ａの軸線方向の速度成分の分布を軸線に直交する直交方向において均一化することができる。したがって、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
また、ガイド板８０は、容器１０を構成する金属材料よりも熱伝導率が小さい材料により形成されている。したがって、ガイド板８０に沿って流れる蒸気からガイド板８０を介して容器１０に吸熱され難く、蒸気の凝縮を抑制することができる。また、ガイド板８０は、容器１０を構成する金属材料よりも比熱が小さい材料からなるとともに、薄板状で比較的体積が小さい。したがって、ガイド板８０は比較的熱容量が小さい。これにより、ガイド板８０に沿って流れる蒸気からガイド板８０に吸熱され難く、蒸気の凝縮を確実に抑制することができる。
【００８１】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００８２】
上記各実施形態では、容器１０の一端部１１内において吸気口３２の開口位置と液体ピストン２０との間に整流体９０を配設していたが、整流体９０は設けなくてもかまわない。例えば、図９に示すように、第１の実施形態の構成に対して整流体を廃止した熱機関であってもかまわない。なお、図２、図５〜図９では、排気配管４０の図示を省略している。
【００８３】
また、上記各実施形態では、容器１０は略Ｕ字形状をなしていたが、これに限定されるものではない。例えば、容器の全体がＬ字形状や一直線形状であってもかまわない。液体ピストン２０の一端部１１側の端面が往復動する領域、すなわち、上記各実施形態における第１直線状部１０ａに相当する部分が、上下方向に延設されていることが好ましい。また、第１直線状部１０ａは、軸線方向が完全に上下方向に一致しているものに限定されず、例えば、第１直線状部１０ａの軸線方向が上下方向から若干傾斜していてもかまわない。
【００８４】
また、上記第４、第５の実施形態では、一端部１１内に蒸気の螺旋流を形成することで、蒸気の第１直線状部１０ａに軸線方向の速度成分を直交方向の速度成分よりも小さくしていたが、これに限定されるものではない。螺旋流以外の流れの形成により、蒸気の第１直線状部１０ａに軸線方向の速度成分を直交方向の速度成分よりも小さくするものであってもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１  熱機関
１０  容器
１１  一端部（容器の一端側の部位）
１２  他端部（容器の他端側の部位）
２０  液体ピストン
３０ａ、１３０ａ  導入配管部
５０  出力部
８０  ガイド板
【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】
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【図９】
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