(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体（１２）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
前記容器（１１）内の液体状態の前記作動媒体（１２）の一部を加熱して気化させる加熱器（１３）と、
前記加熱器（１３）で加熱されて気化した前記作動媒体（１２）の蒸気を冷却して液化させる冷却器（１４）と、
前記作動媒体（１２）の蒸気の体積変動によって生じる前記作動媒体（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部（１５）とを備え、
前記容器（１１）は、前記作動媒体（１２）が気化する被加熱部（１１ａ）において盤状に拡径されており、
前記被加熱部（１１ａ）には、前記作動媒体（１２）が流れる微細流路を内部に有する焼結体（２１）が熱伝導可能に配置され、
前記焼結体（２１）には、前記微細流路よりも拡大された流路を構成する空洞（２１ａ）が前記被加熱部（１１ａ）の中心部に重合するように形成されており、
さらに、前記容器（１１）において拡径された拡径部と管状になっている管部との接続部が前記拡径部の中心部であって、前記拡径部の中心部に前記空洞（２１ａ）があることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記空洞（２１ａ）の平面形状は、３つ以上の滑らかな曲線で囲まれてなる星形状であ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】
前記滑らかな曲線が円弧であることを特徴とする請求項２に記載の外燃機関。
【請求項４】
前記空洞（２１ａ）の平面形状は、１つ以上の三角形を円の周囲に配置してなる形状であることを特徴とする請求項１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、作動媒体の蒸気の体積変動によって生じる作動媒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、この種の外燃機関が特許文献１に記載されている。この従来技術では、管状の容器内に作動媒体を液体状態で封入し、容器内の液体状態の作動媒体の一部を加熱器で加熱して気化させるとともに、その気化した作動媒体の蒸気を冷却器で冷却して液化させることで、作動媒体の蒸気の体積変動によって生じる作動媒体の液体部分（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ように構成されている。
【０００３】
また、この従来技術では、管状の容器が、液体状態の作動媒体が加熱されて気化する被加熱部において円盤状に拡径されている。そして、液体状態の作動媒体は、被加熱部の中心部から流入し、被加熱部の中心部から外周部に向かって広がって流れる過程で加熱されて気化するようになっている。
【０００４】
この従来技術によると、被加熱部において、被加熱部の中心部から流入した液体状態の作動媒体が被加熱部の内壁面に衝突した後に被加熱部の外周部に向かって流れることとなる。このように、液体状態の作動媒体が被加熱部の内壁面に衝突することによって、液体状態の作動媒体が撹拌されて乱流が生じるので、被加熱部の内壁面近傍の温度境界層が破壊される。その結果、被加熱部における熱交換効率を向上することができる。
【特許文献１】特開２００７−２４７５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この従来技術では、被加熱部が円盤状に拡径されているので、作動媒体が被加熱部の中心部から外周部に向かって広がって流れる。換言すれば、被加熱部の中心部から外周部に向かうにつれて作動媒体の流路断面積が増加することとなる。
【０００６】
このため、被加熱部の中心部では外周部に比べて作動媒体が集中して流れるので、被加熱部の中心部では外周部に比べて壁面の温度が低下してしまい、被加熱部の中心部と外周部とで温度差が生じてしまう。その結果、被加熱部における熱交換効率の低下を招くという問題がある。
【０００７】
なお、この問題は、被加熱部が円盤状に拡径されている外燃機関のみならず、被加熱部が円盤以外の盤状（例えば、多角形盤状）に拡径されている外燃機関においても同様に発生する。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、被加熱部における熱交換効率を向上す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、請求項１に記載の発明では、作動媒体（１２）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
容器（１１）内の液体状態の作動媒体（１２）の一部を加熱して気化させる加熱器（１３）と、
加熱器（１３）で加熱されて気化した作動媒体（１２）の蒸気を冷却して液化させる冷却器（１４）と、
作動媒体（１２）の蒸気の体積変動によって生じる作動媒体（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部（１５）とを備え、
容器（１１）は、作動媒体（１２）が気化する被加熱部（１１ａ）において盤状に拡径されており、
被加熱部（１１ａ）には、作動媒体（１２）が流れる微細流路を内部に有する焼結体（２１）が熱伝導可能に配置され、
焼結体（２１）には、微細流路よりも拡大された流路を構成する空洞（２１ａ）が被加熱部（１１ａ）の中心部に重合するように形成されており、
さらに、容器（１１）において拡径された拡径部と管状になっている管部との接続部が拡径部の中心部であって、拡径部の中心部に空洞（２１ａ）があることを特徴とする。
【００１０】
これによると、被加熱部（１１ａ）の中心部では作動媒体（１２）が焼結体（２１）の空洞（２１ａ）を流れ、被加熱部（１１ａ）の外周部では作動媒体（１２）が焼結体（２１）の微細流路を流れることとなる。
【００１１】
このため、被加熱部（１１ａ）の中心部から外周部に向かうにつれて作動媒体（１２）の流路断面積が増加することを抑制できるので、被加熱部（１１ａ）の中心部と外周部とで温度差が生じることを抑制でき、ひいては被加熱部（１１ａ）における熱交換の効率を向上することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、空洞（２１ａ）の平面形状は、３つ以上の滑らかな曲線で囲まれてなる星形状であることを特徴とする。
【００１３】
これにより、焼結体（２１）のうち空洞（２１ａ）に面する部位の表面積を増加させることができるので、空洞（２１ａ）内の作動媒体（１２）と焼結体（２１）との接触面積を増加させることができる。このため、被加熱部（１１ａ）における熱交換の効率をより向上することができる。
【００１４】
具体的には、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の外燃機関において、滑らかな曲線を円弧にすればよい。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、空洞（２１ａ）の平面形状は、１つ以上の三角形を円の周囲に配置してなる形状であることを特徴とする。
【００１６】
これにより、焼結体（２１）のうち空洞（２１ａ）に面する部位の表面積を増加させることができるので、空洞（２１ａ）内の作動媒体（１２）と焼結体（２１）との接触面積を増加させることができる。このため、被加熱部（１１ａ）における熱交換の効率をより向上することができる。
【００１７】
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】
【００１８】
（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３に基づいて説明する。図１は本発明に係る外燃機関１０及び発電機１からなる発電装置の概略構成を表す構成図である。図１中の上矢印は天地方向の上方、下矢印は天地方向の下方を示している。
【００１９】
図１に示す如く、本実施形態の外燃機関１０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って起電力を発生する発電機１を駆動するためのものであり、作動媒体（本実施形態では水）１２が液体状態で流動可能に封入された容器１１と、容器１１内の作動媒体１２の一部を加熱して作動媒体１２の蒸気を発生させる加熱器１３と、加熱器１３によって発生した作動媒体１２の蒸気を冷却する冷却器１４とを備える。
【００２０】
本実施形態では、加熱器１３の熱源として高温ガスを用いている。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、冷却水が作動媒体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。
【００２１】
管状の圧力容器である容器１１は、全体として略Ｕ字形状を有しており、屈曲部が最下部に位置し、両端部が鉛直方向上方側に向かって延びるように配置されている。容器１１の一端部に加熱器１３が配置されている。容器１１の一端側の部位であって、加熱器１３よりも下方側の部位に冷却器１４が配置されている。
【００２２】
本例では、作動媒体１２を水としていることから、容器１１をステンレス製としている。容器１１のうち加熱器１３と接触する被加熱部１１ａおよび冷却器１４と接触する被冷却部１１ｂを熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム製としてもよい。
【００２３】
容器１１の他端部（被加熱部１１ａと反対側の端部）には、作動媒体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部１５が配置されている。出力部１５は、作動媒体１２の液体部分（液体ピストン）から圧力を受けて変位するピストン１６と、ピストン１６を摺動可能に支持するシリンダ部１７を有している。
【００２４】
なお、ピストン１６は可動子２のシャフト２ａに連結されており、可動子２を挟んでピストン１６と反対側には、可動子２をピストン１６側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすバネ１８が設けられている。
【００２５】
図２は、被加熱部１１ａの拡大断面図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。容器１１は、被加熱部１１ａにおいて円盤状に拡径されている。被加熱部１１ａ内における底面部には、熱伝導率に優れた粉末（本例では、銅粉）から形成された焼結体２１が熱伝導可能に接触配置されている。この焼結体２１は、被加熱部１１ａの内径よりも若干小さい外径を有する円盤状に形成され、被加熱部１１ａと同軸状に配置されている。
【００２６】
焼結体２１の内部に形成される微細空間は、作動媒体１２が流れる微細流路を構成する。焼結体２１の中心部には、微細流路よりも拡大された流路を構成する空洞２１ａが被加熱部１１ａの中心部と重合するように形成されている。本例では、この空洞２１ａの平面形状（図３に示す形状）を、３つの円弧で囲まれてなる略三つ星形状にしている。
【００２７】
焼結体２１の上面には、被加熱部１１ａの内部空間を上下に仕切る仕切板２２が配置されている。この仕切板２２は、被加熱部１１ａの内径よりも若干小さい外径を有する円盤状に形成され、被加熱部１１ａと同軸状に配置されている。したがって、仕切板２２の外周側には、仕切板２２で仕切られた上下の空間同士を連通する連通路２３が形成されることとなる。
【００２８】
被加熱部１１ａ内において仕切板２２よりも上方側の空間は、所定体積の気体が封入される気体封入部２４を構成する。この気体封入部２４は、加熱器１３にて加熱された作動媒体１２が気化するのに必要な空間である。気体封入部２４に封入される気体は、例えば空気であってもよいし、作動媒体１２の純粋な蒸気でもよい。
【００２９】
次に、上記構成における作動を説明する。加熱器１３及び冷却器１４を動作させると、まず加熱器１３により被加熱部１１ａ内の作動媒体（水）１２が加熱されて気化し、被加熱部１１ａ内に高温・高圧の作動媒体１２の蒸気が蓄積されて、容器１１の一端側（被加熱部１１ａ側）における作動媒体１２の液面を押し下げる。すると、容器１１内に封入された作動媒体１２の液体部分は、容器１１の一端側から他端側に変位して、発電機１側のピストン１６を押し上げるとともに、バネ１８を圧縮する。
【００３０】
容器１１の一端側における作動媒体１２の液面が被冷却部１１ｂまで下がり、被冷却部１１ｂ内に作動媒体１２の蒸気が進入すると、作動媒体１２の蒸気が冷却器１４により冷却されて液化されるため、作動媒体１２の液面を押し下げる力が消滅し、容器１１の一端側において作動媒体１２の液面が上昇する。この結果、作動媒体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１６はバネ１８の弾性力によって下降する。
【００３１】
そして、こうした動作は、加熱器１３及び冷却器１４の動作を停止させるまで繰り返し実行され、その間、容器１１内の作動媒体１２の液体部分は液体ピストンとして周期的に変位（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。
【００３２】
次に、被加熱部１１ａ内における作動媒体１２の挙動を詳細に説明する。作動媒体１２の蒸気が冷却器１４により冷却されて液化されて、容器１１の一端側における作動媒体１２の液面が上昇すると、図２の矢印ａのように、液体状態の作動媒体１２が仕切板２２に衝突する。そして、仕切板２２に衝突した液体状態の作動媒体１２は、図２の矢印ｂのように流れ方向が略９０度変化して焼結体２１の空洞２１ａを流れ、焼結体２１内の微細流路に進入する。
【００３３】
焼結体２１内の微細流路に進入した液体状態の作動媒体１２は、図３の矢印のように被加熱部１１ａの中心部から外周部に向かって広がって流れる過程で加熱されて気化する。そして、気化した作動媒体１２の蒸気は、焼結体２１の外周側に位置する連通路２３を通じて気体封入部２４に流入する。
【００３４】
本実施形態によると、液体状態の作動媒体１２が仕切板２２に衝突することで被加熱部１１ａ内の液体状態の作動媒体１２が撹拌されて乱流が生じるので、被加熱部１１ａにおける熱交換の効率を向上することができる。
【００３５】
さらに、本実施形態によると、被加熱部１１ａの中心部では作動媒体１２が焼結体２１の空洞２１ａを流れ、被加熱部１１ａの外周部では作動媒体１２が焼結体２１の微細流路を流れることとなる。
【００３６】
このため、被加熱部１１ａの中心部から外周部に向かうにつれて作動媒体１２の流路断面積が増加することを抑制できるので、被加熱部１１ａの中心部と外周部とで温度差が生じることを抑制でき、ひいては被加熱部１１ａにおける熱交換の効率をより向上することができる。
【００３７】
しかも、焼結体２１の空洞２１ａの平面形状を、３つの円弧で囲まれてなる略三つ星形状にしているので、焼結体２１のうち空洞２１ａに面する部位の表面積を増加させることができるので、空洞２１ａ内の作動媒体１２と焼結体２１との接触面積を増加させることができる。このため、被加熱部１１ａにおける熱交換の効率をより一層向上することができる。
【００３８】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、焼結体２１の空洞２１ａの平面形状が略三つ星形状になっているが、本第２実施形態では、図４に示すように、空洞２１ａの平面形状が略四つ星形状になっている。
【００３９】
本例では、空洞２１ａの略四つ星形状を、４つの二等辺三角形を円の周囲に配置してなる形状にしている。本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
（他の実施形態）
（１）上記各実施形態は、空洞２１ａの平面形状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、空洞２１ａの平面形状を種々変更することが可能である。
【００４１】
例えば、上記第１実施形態において、空洞２１ａの平面形状を４つ以上の円弧で囲まれた星形状にしてもよいし、円弧以外の曲線、例えば曲率が変化する滑らかな曲線で囲まれた星形状にしてもよい。
【００４２】
また、上記第２実施形態において、空洞２１ａの平面形状を、４つ以上の二等辺三角形を円の周囲に配置してなる形状にしてもよいし、二等辺三角形以外の三角形を円の周囲に配置してなる形状にしてもよい。
【００４３】
（２）上記各実施形態では、被加熱部１１ａおよび焼結体２１を円盤状にしているが、これに限定されることなく、被加熱部１１ａおよび焼結体２１を円盤以外の盤状（例えば、多角形盤状）にしてもよい。
【００４４】
（３）上記各実施形態では、加熱器１３と容器１１とを別体に形成しているが、加熱器１３と容器１１のうち被加熱部１１ａとを一体に形成してもよい。
【００４５】
（４）上記各実施形態では、加熱器１３の熱源として高温ガスを用いているが、加熱器１３を電気ヒータで構成してもよい。
【００４６】
（５）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】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態を示す発電装置の概略構成図である。
【図２】図１における被加熱部の拡大断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】第２実施形態における被加熱部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１１ａ  被加熱部
１３    加熱器
２１    焼結体
２１ａ  空洞
【図１】
0005035109.tif 000002
【図２】
0005035109.tif 000003
【図３】
0005035109.tif 000004
【図４】
0005035109.tif 000005