(57)【要約】【課題】起動時において、加熱部への作動媒体の液体部分の流入を抑制する。【解決手段】主容器１１と補助容器１６との連通部に設けられた絞り部１７と、絞り部１７を迂回して主容器１１と補助容器１６とを連通させる連通路２５ａを形成する連通部材２５と、通常運転時には連通路２５ａを閉じ、起動時には連通路２５ａを開く開閉手段３０とを備え、起動時には、出力部）が起動手段として駆動し、出力部１が起動手段として駆動しているときにおけるピストン１５の変位速度は、通常運転時におけるピストン１５の変位速度以上になり、出力部１が起動手段として駆動してピストン１５の変位速度が通常運転時におけるピストン１５の変位速度以上になっているときの連通路２５ａ、４０ａにおける圧力損失が加熱部１１ａの温度での飽和蒸気圧よりも小さくなるように、連通路２５ａ、４０ａが形成されている。【選択図】図１
2009209870.tif 000002
【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主容器（１１）と、
前記主容器（１１）のうち一端側の部位に形成され、前記主容器（１１）内の前記作動媒体（１２）の一部を加熱して前記作動媒体（１２）の蒸気を発生させる加熱部（１１ａ）と、
前記主容器（１１）のうち前記加熱部（１１ａ）よりも他端側の部位に形成され、前記蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１１ｂ）と、
前記主容器（１１）の他端部と連通し、前記蒸気の発生と凝縮とに伴う前記作動媒体（１２）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（１）と、
前記主容器（１１）と連通し、前記作動媒体（１２）が封入された補助容器（１６、１ａ）と、
前記主容器（１１）と前記補助容器（１６、１ａ）との連通部に設けられた絞り部（１７）と、
前記絞り部（１７）を迂回して前記主容器（１１）と前記補助容器（１６、１ａ）とを連通させる連通路（２５ａ、４０ａ）を形成する連通部材（２５、４０）と、
通常運転時には前記連通路（２５ａ、４０ａ）を閉じ、起動時には前記連通路（２５ａ、４０ａ）を開く開閉手段（３０、４１）とを備え、
前記出力部（１）は、前記作動媒体（１２）の液体部分から圧力を受けて変位するピストン（１５）と、前記ピストン（１５）を摺動可能に保持するシリンダ（１５ａ）とを有し、
前記起動時には、前記出力部（１）が起動手段として駆動し、
前記出力部（１）が前記起動手段として駆動しているときにおける前記ピストン（１５）の変位速度は、前記通常運転時における前記ピストン（１５）の変位速度以上になり、
前記出力部（１）が前記起動手段として駆動して前記ピストン（１５）の変位速度が前記通常運転時における前記ピストン（１５）の変位速度以上になっているときの前記連通路（２５ａ、４０ａ）における圧力損失が前記加熱部（１１ａ）の温度での飽和蒸気圧よりも小さくなるように、前記連通路（２５ａ、４０ａ）が形成されていることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記出力部（１）は、前記シリンダ（１５ａ）を介して前記主容器（１１）と連通するとともに前記作動媒体（１２）が封入されたケーシング（１ａ）を有し、
前記補助容器が前記ケーシング（１ａ）によって構成され、
前記絞り部（１７）が、前記ピストン（１５）と前記シリンダ（１５ａ）との間の微少隙間によって構成され、
前記連通路（４０ａ）は、前記シリンダ（１５ａ）を迂回して前記ケーシング（１ａ）と前記主容器（１１）とを連通させ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３】
作動媒体（１２）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）のうち一端側の部位に形成され、前記主容器（１１）内の前記作動媒体（１２）の一部を加熱して前記作動媒体（１２）の蒸気を発生させる加熱部（１１ａ）と、
前記主容器（１１）のうち前記加熱部（１１ａ）よりも他端側の部位に形成され、前記蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１１ｂ）と、
前記主容器（１１）の他端部と連通し、前記蒸気の発生と凝縮とに伴う前記作動媒体（１２）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（１）と、
前記主容器（１１）と連通し、前記作動媒体（１２）が封入された補助容器（１６）と、
前記主容器（１１）と前記補助容器（１６、１ａ）との連通部に設けられた絞り部（１７）と、
前記絞り部（１７）を迂回して前記主容器（１１）と前記補助容器（１６）とを連通させる連通路（２５ａ）と、
通常運転時には前記連通路（２５ａ）を閉じ、起動時には前記連通路（２５ａ）を開く開閉手段（３０）とを備え、
前記出力部（１）は、前記作動媒体（１２）の液体部分から圧力を受けて変位するピストン（１５）と、前記ピストン（１５）を摺動可能に保持するシリンダ（１５ａ）とを有し、
前記起動時には、前記出力部（１）が起動手段として駆動し、
前記出力部（１）が前記起動手段として駆動しているときにおける前記ピストン（１５）の変位速度が、前記通常運転時における前記ピストン（１５）の変位速度よりも遅くなっていることを特徴とする外燃機関。
【請求項４】
前記出力部（１）が前記起動手段として駆動しているときにおける前記ピストン（１５）の変位速度は、前記連通路（２５ａ）における圧力損失が前記加熱部（１１ａ）の温度での飽和蒸気圧よりも小さくなるような速度であることを特徴とする請求項３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、作動媒体の蒸気の発生と液化に伴う作動媒体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、この種の外燃機関は、液体ピストン蒸気エンジンとも呼ばれ、管状の主容器内に作動媒体を液体状態で流動可能に封入し、主容器の一端部に形成された加熱部にて液体状態の作動媒体の一部を加熱して蒸発させ、主容器の中間部に形成された冷却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】
この従来技術では、主容器の内部圧力の平均値を目標値に近づけるように制御することによって、外燃機関の出力および効率を向上させることを狙っている。より具体的には、主容器とは別個の補助容器に作動媒体を液体状態で封入し、主容器と補助容器とを絞り部を介して連通させることによって、補助容器の内部圧力を主容器の内部圧力の平均値とほぼ等しい圧力で安定させるようになっている。
【０００４】
そして、加熱器の温度等に基づいて主容器の内部圧力の平均値の目標値を算出し、補助容器内の作動媒体をピストン機構で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目標値に近づけるように制御する。これにより、主容器の内部圧力の平均値を補助容器の内部圧力に追従して変化させて、目標値に近づけるようになっている。
【特許文献１】特開２００７−２５５２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術では、外燃機関が停止して加熱器による作動媒体の加熱が停止されると加熱器の温度が雰囲気温度まで徐々に低下するのであるが、外燃機関が停止したときに主容器内に作動媒体の蒸気が蓄積されていると、加熱器の温度低下に伴い作動媒体の飽和蒸気圧も低下して作動媒体の蒸気が凝縮し液化する。このため、主容器の内部圧力が低下することとなる。
【０００６】
そして、主容器の内部圧力が補助容器の内部圧力よりも低下した場合には、補助容器内の作動媒体が絞り部を通じて徐々に主容器内に流入し、その分、主容器内の作動媒体の液量が過剰となる。この現象は、特に雰囲気温度の低い冬季に起こりやすい。
【０００７】
このように主容器内の作動媒体の液量が過剰となっている状態で外燃機関を再起動し、加熱器によって作動媒体を加熱すると、作動媒体の一部が気化して主容器の内部圧力が上昇する。主容器の内部圧力が補助容器の内部圧力よりも上昇すると、主容器内の作動媒体の過剰分が絞り部を通じて補助容器に戻されることとなる。そして、主容器内の作動媒体の過剰分が全て補助容器へと戻って、主容器内の作動媒体の液量が適正量になると、所定の出力が発揮されることとなる。
【０００８】
しかしながら、絞り部では作動媒体がごく僅かずつしか流れることができないので、主容器内の作動媒体の過剰分が全て補助容器へと戻るのに時間がかかってしまう。そのため、再起動から所定の出力が得られるまでの起動時間が長くなってしまうという問題がある。
【０００９】
この再起動時の問題を回避するためには、主容器内に作動媒体の蒸気が蓄積していないタイミングで外燃機関を停止させなければならず、外燃機関の停止操作が非常に煩わしくなってしまう。
【００１０】
そこで、本出願人は、先に、特願２００７−２７８４８号（以下、先願例と言う。）にて、起動開始後、速やかに所定の出力を発揮できる外燃機関を提案している。この先願例では、主容器と補助容器とを絞り部を介して連通させるのみならず、絞り部を迂回する連通路によっても主容器と補助容器とを連通させている。
【００１１】
そして、連通路を開閉するバルブを設け、通常運転時にはバルブを閉じ、起動時にはバルブを開くようにしている。これにより、通常運転時には、主容器と補助容器とが絞り部のみを介して連通し、起動時には、主容器と補助容器とが絞り部のみならず連通路をも介して連通することとなる。また、起動時には、出力部をなす発電機に外部から電力を供給して発電機を駆動し、ピストンが少なくとも１回以上、下死点を通過するようにしている。
【００１２】
これによると、起動時にピストンが上死点から下死点に向かって移動することで主容器内の作動媒体が圧縮されるので、主容器内の作動媒体の過剰分が連通路を通じて補助容器に速やかに戻されることとなる。このため、再起動から所定の出力が得られるまでの起動時間を短縮することができる。
【００１３】
しかしながら、本発明者の詳細な検討によると、この先願例では、起動時において作動媒体の液体部分が加熱部に流入すると、熱損失が生じてしまうという問題があることがわかった。
【００１４】
すなわち、出力を取り出すことのできない起動時において、作動媒体の液体部分が加熱部に流入して加熱部と作動媒体の液体部分との間で熱交換が行われると、その分の熱量が出力として取り出されずに熱損失となってしまう。
【００１５】
なお、本発明者は、出力部側から主容器内に空気が流入することを防止するために、出力部内に作動媒体を封入することを検討したが、この検討例においても上記した先願例における問題が同様に発生する。
【００１６】
すなわち、この検討例では、外燃機関の停止後、出力部内の作動媒体が徐々に主容器内に流入し、その分、主容器内の作動媒体の液量が過剰となる。このため、この検討例においても上記した先願例と同様に、起動開始後、主容器内の作動媒体の過剰分を出力部に速やかに戻して所定の出力を速やかに発揮させることが望まれるからである。
【００１７】
本発明は、上記点に鑑み、起動時において、加熱部への作動媒体の液体部分の流入を抑制す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、作動媒体（１２）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）のうち一端側の部位に形成され、主容器（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部（１１ａ）と、
主容器（１１）のうち加熱部（１１ａ）よりも他端側の部位に形成され、蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１１ｂ）と、
主容器（１１）の他端部と連通し、蒸気の発生と凝縮とに伴う作動媒体（１２）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（１）と、
主容器（１１）と連通し、作動媒体（１２）が封入された補助容器（１６、１ａ）と、
主容器（１１）と補助容器（１６、１ａ）との連通部に設けられた絞り部（１７）と、
絞り部（１７）を迂回して主容器（１１）と補助容器（１６、１ａ）とを連通させる連通路（２５ａ、４０ａ）を形成する連通部材（２５、４０）と、
通常運転時には連通路（２５ａ、４０ａ）を閉じ、起動時には連通路（２５ａ、４０ａ）を開く開閉手段（３０、４１）とを備え、
起動時には、出力部（１）が起動手段として駆動し、
出力部（１）が起動手段として駆動しているときにおけるピストン（１５）の変位速度は、通常運転時におけるピストン（１５）の変位速度以上になり、
出力部（１）が起動手段として駆動してピストン（１５）の変位速度が通常運転時におけるピストン（１５）の変位速度以上になっているときの連通路（２５ａ、４０ａ）における圧力損失が加熱部（１１ａ）の温度での飽和蒸気圧よりも小さくなるように、連通路（２５ａ、４０ａ）が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
これによると、起動時において、連通路（２５ａ、４０ａ）における圧力損失が加熱部（１１ａ）の温度での飽和蒸気圧よりも小さくなるので、主容器（１１）内の作動媒体（１２）の過剰分が加熱部（１１ａ）側よりも連通路（２５ａ、４０ａ）側へ流れやすくなり、ひいては作動媒体（１２）の液体部分が加熱部（１１ａ）に流入することを抑制することができる。
【００２０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、出力部（１）は、シリンダ（１５ａ）を介して主容器（１１）と連通するとともに作動媒体（１２）が封入されたケーシング（１ａ）を有し、
補助容器がケーシング（１ａ）によって構成され、
絞り部（１７）が、ピストン（１５）とシリンダ（１５ａ）との間の微少隙間によって構成され、
連通路（４０ａ）は、シリンダ（１５ａ）を迂回してケーシング（１ａ）と主容器（１１）とを連通させていることを特徴とする。
【００２１】
これによると、連通路（４０ａ）の流路長を短くしやすい構成であるので、連通路（４０ａ）における圧力損失を加熱部（１１ａ）の温度での飽和蒸気圧よりも小さくすることが容易である。
【００２２】
請求項３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主容器（１１）と、
主容器（１１）のうち一端側の部位に形成され、主容器（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部（１１ａ）と、
主容器（１１）のうち加熱部（１１ａ）よりも他端側の部位に形成され、蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１１ｂ）と、
主容器（１１）の他端部と連通し、蒸気の発生と凝縮とに伴う作動媒体（１２）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（１）と、
主容器（１１）と連通し、作動媒体（１２）が封入された補助容器（１６）と、
主容器（１１）と補助容器（１６）との連通部に設けられた絞り部（１７）と、
絞り部（１７）を迂回して主容器（１１）と補助容器（１６）とを連通させる連通路（２５ａ）と、
通常運転時には連通路（２５ａ）を閉じ、起動時には連通路（２５ａ）を開く開閉手段（３０）とを備え、
出力部（１）は、作動媒体（１２）の液体部分から圧力を受けて変位するピストン（１５）と、ピストン（１５）を摺動可能に保持するシリンダ（１５ａ）とを有し、
起動時には、出力部（１）が起動手段として駆動し、
出力部（１）が起動手段として駆動しているときにおけるピストン（１５）の変位速度が、通常運転時におけるピストン（１５）の変位速度よりも遅くなっていることを特徴とする。
【００２３】
これによると、起動時には、通常運転時よりも、連通路（２５ａ）を流れる作動媒体（１２）の流速を低下させて、連通路（２５ａ）における圧力損失を低減することができる。このため、起動時に、主容器（１１）内の作動媒体（１２）の過剰分を連通路（２５ａ）側へ流れやすくすることができ、ひいては作動媒体（１２）の液体部分が加熱部（１１ａ）に流入することを抑制することができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の外燃機関において、出力部（１）が起動手段として駆動しているときにおけるピストン（１５）の変位速度は、連通路（２５ａ）における圧力損失が加熱部（１１ａ）の温度での飽和蒸気圧よりも小さくなるような速度であることを特徴とする。
【００２５】
これにより、起動時に、主容器（１１）内の作動媒体（１２）の過剰分が加熱部（１１ａ）側よりも連通路（２５ａ）側へ流れやすくなるので、作動媒体（１２）の液体部分が加熱部（１１ａ）に流入することをより抑制することができる。
【００２６】
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】
【００２７】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は、本発明による外燃機関を発電装置に適用したものであって、図１は本実施形態による発電装置の概略構成を表す構成図である。この発電装置の基本的構成は上記特許文献１と同様であるので、まず上記特許文献１と共通する構成について説明する。
【００２８】
外燃機関（液体ピストン蒸気エンジン）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１２が液体状態で流動可能に封入された主容器１１と、主容器１１内の作動媒体１２を加熱して気化させる加熱器１３と、加熱器１３にて加熱されて気化した作動媒体１２の蒸気を冷却する冷却器１４とを備える。なお、本例では、作動媒体１２として水を用いているが、冷媒等を用いてもよい。
【００２９】
本例では、加熱器１３が高温ガス（例えば、自動車の排気ガス）と熱交換するようになっているが、加熱器１３を電気ヒータで構成してもよい。また、本例では、冷却器１４に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、冷却水の循環回路中に、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を配置している。
【００３０】
主容器１１のうち、加熱器１３と接触する部位である加熱部１１ａおよび冷却器１４と接触する部位である冷却部１１ｂは熱伝導率に優れた材料とすることが望ましく、本例では、加熱部１１ａおよび冷却部１１ｂを銅またはアルミニウム製としている。なお、加熱部１１ａに加熱器１３を一体に形成してもよく、冷却部１１ｂに冷却器１４を一体に形成してもよい。
【００３１】
一方、主容器１１のうち加熱部１１ａと冷却部１１ｂとの中間部１１ｃは断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本例では、作動媒体１２を水としていることからステンレス製としている。主容器１１のうち冷却部１１ｂより発電機１側の部位も同様に断熱性に優れたステンレス製としている。
【００３２】
そして、主容器１１は、屈曲部１１ｄが最下部に位置し、第１、２直線部１１ｅ、１１ｆが上下方向に延びる略Ｕ字状に形成されたパイプ状の圧力容器である。主容器１１のうち屈曲部１１ｄを挟んで水平方向一端側（図１の右側）の第１直線部１１ｅに加熱器１３および冷却器１４が配置され、加熱器１３が冷却器１４より上方側に位置している。
【００３３】
図示を省略しているが、作動媒体１２が気化する空間を確保するために、第１直線部１１ｅの上端部には所定体積の気体（例えば、空気）が封入されている。
【００３４】
一方、主容器１１のうち屈曲部１１ｄを挟んで水平方向他端側（図１の左側）の第２直線部１１ｆの上端部に発電機１が配置されている。発電機１のケーシング１ａ内には、作動媒体１２の液体部分から圧力を受けて変位する出力取り出しピストン１５がシリンダ１５ａに摺動可能に配置されている。なお、発電機１は、本発明における出力部に該当するものである。
【００３５】
ピストン１５は、発電機１のケーシング１ａ内において、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１５と反対側には、可動子２をピストン１５側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすバネ３が設けられている。
【００３６】
詳細は後述するが、発電機１は、外部から供給される電力によって駆動可能になっている。したがって、外燃機関１０の起動時には、発電機１は、ピストン１５を変位させて外燃機関１０を起動させる起動手段（スタータモータ）として機能する。なお、発電機１が起動手段として駆動しているときにおけるピストン１５の変位速度は、通常運転時におけるピストン１５の変位速度以上に設定される。
【００３７】
主容器１１のうち屈曲部１１ｄの上方には、主容器１１の内部圧力（以下、主容器内圧力と言う。）を調整するための補助容器１６が配置され、屈曲部１１ｄと補助容器１６の底部とが絞り部１７を介して連通している。この補助容器１６の内容積は主容器１１の内容積よりも小さくなっている。
【００３８】
絞り部１７は、補助容器１６の内部圧力（以下、補助容器内圧力と言う。）Ｐｔを主容器内圧力の平均値（以下、主容器内平均圧力と言う。）とほぼ等しい圧力で安定させる役割を果たす。本例では、絞り部１７として、通路径が縮小された固定絞りを用いている。
【００３９】
補助容器１６内のうち下方部には作動媒体１２が液体状態で充満し、補助容器１６内のうち上方部には気体１８が充満している。気体１８としては作動媒体１２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１８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１６内を液体状態の作動媒体１２のみで充満させてもよい。
【００４０】
補助容器１６および絞り部１７は断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本例では補助容器１６および絞り部１７をステンレス製としている。
【００４１】
補助容器内圧力Ｐｔを調整する圧力調整機構をなすピストン機構１９は、圧力調整ピストン１９ａと電動アクチュエータ１９ｂとで構成されている。圧力調整ピストン１９ａは補助容器１６内の上端部に配置され、補助容器１６外部の電動アクチュエータ１９ｂによって上下方向に往復駆動されるようになっている。
【００４２】
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２１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る。
【００４３】
制御装置２１には、ピストン機構１９の制御のために、加熱部１１ａの温度（以下、加熱部温度と言う。）Ｔ１を検出する加熱部温度センサ２２、冷却部１１ｂの温度（以下、冷却部温度と言う。）Ｔ２を検出する冷却部温度センサ２３、および補助容器内圧力Ｐｔを検出する圧力センサ２４から検出信号が入力される。制御装置２１はこの各センサ２２〜２４からの検出信号に基づいて電動アクチュエータ１９ｂを駆動制御するようになっている。
【００４４】
そして、本実施形態では、起動開始後、速やかに所定の出力を発揮するために、上記特許文献１に対して以下の点を変更している。すなわち、本実施形態では、主容器１１と補助容器１６との連通面積を調節する連通面積調節手段を備えている。
【００４５】
この連通面積調節手段は、絞り部１７を迂回して主容器１１と補助容器１６とを連通させる連通路２５ａを形成する連通部材２５、連通路２５ａ内に配置された逆止弁２６、および連通路２５ａを開閉する開閉手段をなすバルブ３０で構成されている。
【００４６】
より具体的には、連通路２５ａは、主容器１１の屈曲部１１ｄと、補助容器１６のうち作動媒体１２の存在する下方部とを連通させている。連通路２５ａの流路面積は、絞り部１７の流路面積よりも大きくなっている。
【００４７】
さらに、発電機１が起動手段として駆動してピストン１５の変位速度が通常運転時におけるピストン１５の変位速度以上になっているときの連通路２５ａの流路圧損（圧力損失）が加熱部温度Ｔ１での飽和蒸気圧よりも小さくなるように、連通路２５ａの流路面積および流路長が設定されている。本例では、連通路２５ａをステンレス製としている。
【００４８】
逆止弁２６は、連通路２５ａ内において、主容器１１から補助容器１６への作動媒体１２の流れを許容し、補助容器１６から主容器１１への作動媒体１２の逆流を防止するようになっている。本例では、逆止弁２６として、バネ部２６ａを有するバネ式逆止弁を用いており、主容器内圧力が補助容器内圧力Ｐｔよりも大きいときに開弁するようになっている。
【００４９】
バルブ３０は、通常運転時には閉じており、外燃機関１０の起動時のみ開くように制御装置２１によって開閉制御される。
【００５０】
次に、上記構成における作動を説明する。まず、基本作動については、上記特許文献１の同様であるので、その概要のみ簡単に説明する。
【００５１】
加熱器１３および冷却器１４を動作させると、まず加熱器１３により加熱部１１ａ内の作動媒体（水）１２が加熱されて気化し、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、主容器１１の第１直線部１１ｅ内の作動媒体１２の液面を押し下げる。
【００５２】
すると、主容器１１内において、作動媒体１２の液体部分は、第１直線部１１ｅ側から第２直線部１１ｆ側に変位して、発電機１側のピストン１５を押し上げる。このとき、ピストン１５によってバネ３が押圧されて弾性変形する。
【００５３】
また、第１直線部１１ｅ内の作動媒体１２の液面が冷却部１１ｂまで下がり、冷却部１１ｂ内に作動媒体１２の蒸気が進入すると、この蒸気が冷却器１４により冷却されて液化されるため、第１直線部１１ｅ内の作動媒体１２の液面を押し下げる力が消滅する。
【００５４】
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１５がバネ３の弾性復元力によって下降し、主容器１１内において作動媒体１２の液体部分が第２直線部１１ｆ側から第１直線部１１ｅ側に変位して、第１直線部１１ｅ側の液面が上昇する。
【００５５】
そして、こうした動作は、加熱器１３および冷却器１４の作動を停止させるまで繰り返し実行され、その間、主容器１１内において作動媒体１２の液体部分は周期的に変位（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。
【００５６】
制御装置２１は、主容器内圧力を調整する制御を行う。この制御の概要を説明すると、制御装置２１は、まず、加熱部温度Ｔ１と、予め制御装置２１に記憶された作動媒体１２の蒸気圧曲線とに基づいて、加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧を算出するとともに、冷却部温度Ｔ２と作動媒体１２の蒸気圧曲線とに基づいて、冷却部温度Ｔ２での作動媒体１２の飽和蒸気圧を算出する。
【００５７】
次に、主容器内平均圧力の目標値を算出する。本例では、加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧と冷却部温度Ｔ２での作動媒体１２の飽和蒸気圧との平均値を算出し、この平均値を主容器内平均圧力の目標値としている。
【００５８】
なお、冷却部温度Ｔ２での作動媒体１２の飽和蒸気圧は大気圧（０．１ＭＰａ）とほぼ等しくなるので、加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧と大気圧（０．１ＭＰａ）との平均値を目標値としてもよい。また、これらの平均値を適宜補正した値を目標値としてもよい。
【００５９】
そして、補助容器内圧力Ｐｔが目標値よりも低いときには、電動アクチュエータ１９ｂが圧力調整ピストン１９ａを押し出して補助容器１６の容積を減少させる。これにより補助容器１６内の作動媒体１２が圧縮されて補助容器内圧力Ｐｔが上昇する。
【００６０】
一方、補助容器内圧力Ｐｔが目標値よりも高いときには、圧力調整ピストン１９ａを引き込んで補助容器１６の容積を減少させる。これにより補助容器１６内の作動媒体１２が膨張して補助容器内圧力Ｐｔが低下する。
【００６１】
すると、主容器内平均圧力が、補助容器内圧力に追従して変化して目標値に近づく。これにより、加熱部温度Ｔ１が変動しても、主容器内平均圧力をほぼ目標値に維持することができるので、加熱部温度Ｔ１の変動による性能（出力および効率）の低下を防止できる。
【００６２】
次に、上記構成における特徴的な作動を説明する。上記構成においては、ピストン１５が下死点以外の位置にあるときに外燃機関１０が停止すると、主容器１１の第１直線部１１ｅ内に作動媒体１２の蒸気が存在している状態下で加熱器１３による作動媒体１２の加熱が停止されて、加熱部温度Ｔ１が雰囲気温度まで徐々に低下することとなる。そして、加熱部温度Ｔ１が低下して飽和蒸気圧が低下するのに伴い、作動媒体１２の蒸気が凝縮して液化して、主容器内圧力が低下することとなる。
【００６３】
その結果、主容器内圧力が補助容器内圧力Ｐｔよりも低下してしまうと、補助容器１６内の作動媒体１２が絞り部１７を通じて主容器１１へと流入し、その分、主容器１１内の作動媒体１２の液量（以下、主容器内液量と言う。）が過剰となる。この現象は、特に雰囲気温度の低い冬季に起こりやすい。
【００６４】
このように主容器内液量が過剰になっていると所定の出力を発揮することができないのであるが、本実施形態では、以下に説明するように、外燃機関１０の再起動時に主容器内液量の過剰分（動作するのに余分な液）を補助容器１６に速やかに抜くことができるので、再起動開始後、速やかに所定の出力を発揮できる。
【００６５】
図２は、外燃機関１０の起動時の作動を示すタイミングチャートである。外燃機関１０の起動時に、発電機１が起動手段として駆動する。具体的には、発電機１を外部から供給される電力によって駆動し、出力取り出しピストン１５を１周期以上変位させる。
【００６６】
このときのピストン１５の変位速度は、通常運転時におけるピストン１５の変位速度以上になっている。ちなみに、図２の例では、このときのピストン１５の変位速度が通常運転時におけるピストン１５の変位速度と同じになっている。
【００６７】
発電機１が起動手段として駆動してピストン１５を１周期以上変位させる間に、ピストン１５は下死点を少なくとも１回以上通過することとなる。ピストン１５が上死点から下死点に向かって移動すると、主容器１１内の作動媒体１２が圧縮され、主容器内圧力が運転最大圧力Ｐｃｍａｘ以上に上昇する。
【００６８】
ちなみに、本例では、外燃機関１０の停止時に圧力調整ピストン１９ａを図１の最上端位置に操作して、補助容器内圧力Ｐｔが最小圧力になるようにしている。このため、主容器内圧力が補助容器内圧力Ｐｔよりも大きくなる。
【００６９】
ここで、連通路２５ａを配置していない場合には、主容器内圧力が補助容器内圧力Ｐｔよりも大きくなると、主容器１１内の作動媒体１２が絞り部１７のみを通じてごく僅かずつ補助容器１６へと流入することとなるので、主容器内液量の過剰分が補助容器１６に抜けるのに時間がかかってしまう。
【００７０】
この点、本実施形態では、主容器内圧力が補助容器内圧力Ｐｔよりも大きくなると、連通路２５ａに配置された逆止弁２６が開弁し、主容器１１内の作動媒体１２が逆止弁２６を通過して補助容器１６側へと流れる。そして、外燃機関１０の起動時、所定時間だけバルブ３０を開くので、主容器１１内の作動媒体１２が連通路２５ａを通じて補助容器１６へと流入する。
【００７１】
要するに、本実施形態では、通常運転時には、主容器１１と補助容器１６とが連通面積の小さい絞り部１７のみを介して連通しているが、起動時には、主容器１１と補助容器１６とが絞り部１７のみならず、絞り部１７よりも連通面積の大きい連通路２５ａを介して連通する。このため、主容器内液量の過剰分を補助容器１６に速やかに抜くことができるので、再起動から所定の出力が得られるまでの起動時間を短縮することができる。
【００７２】
しかも、発電機１が起動手段として駆動してピストン１５の変位速度が通常運転時におけるピストン１５の変位速度以上になっているときの連通路２５ａの圧力損失が、加熱部温度Ｔ１での飽和蒸気圧よりも小さくなっているので、起動時において、主容器内液量の過剰分が加熱部１１ａ側よりも連通路２５ａ側へ流れやすくなり、ひいては加熱部１１ａへの作動媒体１２の液体部分の流入を抑制することができる。
【００７３】
その結果、出力を取り出すことのできない起動時において、加熱部と作動媒体の液体部分との間で熱交換が行われることを抑制できるので、起動時における熱損失を低減することができる。
【００７４】
なお、図２の例では、バルブ３０を開いている間に、主容器１１内の作動媒体１２が補助容器１６へ若干流出しすぎてしまい、主容器内液量が若干不足してしまうのであるが、その後に補助容器１６内の作動媒体１２が絞り部１７を通じて主容器１１内に徐々に流入することで、主容器内液量が適正量確保されるようになっている。
【００７５】
ちなみに、バルブ３０は通常運転時には閉じているので、外燃機関１０の通常運転時に逆止弁２６が開弁していても、作動媒体１２が連通路２５ａを通じて補助容器１６へと流入することをバルブ３０によって防止できる。このため、通常運転時に作動媒体１２が連通路２５ａを通じて補助容器１６へと流入して主容器内液量が減少してしまい、外燃機関１０の性能が低下してしまうという不具合を防止できる。
【００７６】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、連通路２５ａの流路面積および流路長の設定によって連通路２５ａの圧力損失を低減しているが、本第２実施形態では、外燃機関１０の起動時におけるピストン１５の変位速度の設定によって連通路２５ａの圧力損失を低減している。
【００７７】
図３は、本実施形態における起動時の作動を示すタイミングチャートである。上記第１実施形態と同様に、外燃機関１０の起動時に、発電機１に外部から電力を供給して発電機１を駆動し、ピストン１５を１周期以上変位させるのであるが、本実施形態では、このとき発電機１を低周波で駆動する。具体的には、例えば、発電機１の外部負荷を大きくすることによって発電機１の駆動周波数を小さくする。
【００７８】
これにより、外燃機関１０の起動時におけるピストン１５の変位速度が小さくなって連通路２５ａを流れる作動媒体１２の流速が低下するので、連通路２５ａの圧力損失を低減することができる。
【００７９】
本例では、外燃機関１０の起動時におけるピストン１５の変位速度を通常運転時よりも遅くすることによって、連通路２５ａの圧力損失を加熱部温度Ｔ１での飽和蒸気圧よりも小さくしている。このため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
（第３実施形態）
本第４実施形態は、発電機１側の空気がピストン１５とシリンダ１５ａとの間の微小隙間を通じて主容器１１内に流入することを防止するために、発電機１のケーシング１ａ内に作動媒体１２を封入している。図４は、本実施形態における外燃機関１０の概略構成を示す構成図である。
【００８１】
主容器１１とケーシング１ａは、連通部材４０内に形成された連通路４０ａを介して連通している。本例では、連通路４０ａを開閉する開閉手段をなす開閉弁４１として、主容器内圧力がケーシング１ａ内の圧力よりも高くなったときに開弁する一方向弁を用いている。
【００８２】
連通路４０ａの圧力損失は、加熱部温度Ｔ１での飽和蒸気圧よりも小さく設定されている。本例では、開閉弁４１の作動圧も、加熱部温度Ｔ１での飽和蒸気圧よりも小さく設定されている。
【００８３】
本実施形態では、外燃機関１０の停止後、ケーシング１ａ内の作動媒体１２が、ピストン１５とシリンダ１５ａとの間の微小隙間を通じて徐々に主容器１１内に流入し、その分、主容器内液量が過剰となるのであるが、外燃機関１０の再起動時には、開閉弁４１が開弁し、主容器１１内の作動媒体１２が連通部材４０を通じて補助容器１６へと流入する。
【００８４】
このため、主容器内液量の過剰分（動作するのに余分な液）を補助容器１６に速やかに抜くことができる。
【００８５】
しかも、連通路４０ａの圧力損失が、加熱部温度Ｔ１での飽和蒸気圧よりも小さくなっているので、起動時において、主容器内液量の過剰分が加熱部１１ａ側よりも連通路４０ａ側へ流れやすくなり、ひいては加熱部１１ａへの作動媒体１２の液体部分の流入を抑制することができる。その結果、起動時における熱損失を低減することができる。
【００８６】
図４からわかるように、本実施形態では、連通路４０ａの流路長を短くしやすい構成であるので、連通路４０ａの圧力損失を加熱部温度Ｔ１での飽和蒸気圧よりも小さくすることが容易である。
【００８７】
なお、本実施形態では、上記第１実施形態におけるピストン機構１９等を備えていないので、主容器内圧力を調整することができないのであるが、本実施形態の変形例として、発電機１にピストン機構１９を設けて、上記第１実施形態と同様に主容器内圧力を調整するようにしてもよい。ちなみに、この変形例では、ピストン１５とシリンダ１５ａとの間の微小隙間が、上記第１実施形態における絞り部１７としての機能を発揮することとなる。
【００８８】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、主容器１１を全体として一本の管状に形成した例を示しているが、主容器１１のうち加熱部１１ａ側の部分を複数本の分岐管で構成し、主容器１１のうち残余の部分を一本の集合管で構成してもよい。
【００８９】
また、上記各実施形態では、主容器１１を１つのみ備える外燃機関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外燃機関に本発明を適用可能である。
【００９０】
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】
【００９１】
【図１】本発明の第１実施形態における外燃機関の概略構成を示す構成図である。
【図２】第１実施形態における起動時の作動を示すタイミングチャートである。
【図３】第２実施形態における起動時の作動を示すタイミングチャートである。
【図４】第３実施形態における外燃機関の概略構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００９２】
１      発電機（出力部）
１１    主容器
１１ａ  加熱部
１１ｂ  冷却部
１５    ピストン
１５ａ  シリンダ
１６    補助容器
１７    絞り部
２５    連通部材
２５ａ  連通路
３０    バルブ（開閉手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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