(57)【要約】【課題】加熱器に与えられる熱量が少ないときの効率を向上させる。【解決手段】作動媒体１５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１５の一部を加熱して蒸発させる加熱部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、加熱部１１ａにて蒸発した作動媒体１５の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、作動媒体１５の液相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１２と、作動媒体１５の液相部分の変位を停止させて加熱部１１ａに蓄熱させる蓄熱モードＳ１４０、Ｓ２４０と、作動媒体１５の液相部分の変位を許容して出力部１２から出力を取り出す出力モードＳ１３０、Ｓ２１０とを交互に行う制御手段２７、３３、３５とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体（１５）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（１５）の一部を加熱して蒸発させる加熱部（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、前記加熱部（１１ａ）にて蒸発した前記作動媒体（１５）の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、前記作動媒体（１５）の液相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（１２）と、
前記作動媒体（１５）の液相部分の変位を停止させて前記加熱部（１１ａ）に蓄熱させる蓄熱モード（Ｓ１４０、Ｓ２４０）と、前記作動媒体（１５）の液相部分の変位を許容して出力部（１２）から出力を取り出す出力モード（Ｓ１３０、Ｓ２１０）とを交互に行う制御手段（２７、３３、３５）とを備えることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が多いときには前記出力モードのみを行い、
前記加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が少ないときには、前記蓄熱モードと前記出力モードとを交互に行うことを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
【請求項３】
前記制御手段は、前記蓄熱モードと前記出力モードとの切り替えを、前記加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）に基づいて決定することを特徴とする請求項１または２に記載の外燃機関。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）が第１の所定温度（Ｔ０）未満であると前記蓄熱モードを行い、
前記蓄熱モードにおいて前記加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）が第２の所定温度（Ｔ１）以上になると前記蓄熱モードから前記出力モードに切り替え、
前記出力モードにおいて前記加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）が前記第１の所定温度（Ｔ０）未満になると前記出力モードから前記蓄熱モードに切り替えることを特徴とする請求項３に記載の外燃機関。
【請求項５】
前記第２の所定温度（Ｔ１）は、前記第１の所定温度（Ｔ０）以上の温度であることを特徴とする請求項４に記載の外燃機関。
【請求項６】
前記制御手段は、前記蓄熱モードから前記出力モードへ移行する際に、前記出力部（１２）を外部から駆動して前記作動媒体（１５）の液相部分の変位を開始させる起動モード（Ｓ１１０、Ｓ２３０）を行うことを特徴とする請求項４または５に記載の外燃機関。
【請求項７】
前記制御手段は、前記起動モードを所定時間行うことを特徴とする請求項６に記載の外燃機関。
【請求項８】
前記制御手段は、前記起動モードの終了を、前記出力部（１２）からの出力および前記出力部（１２）の回転数に基づいて決定することを特徴とする請求項６に記載の外燃機関。
【請求項９】
作動媒体（１５）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（１５）の一部を加熱して蒸発させる加熱部（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、前記加熱部（１１ａ）にて蒸発した前記作動媒体（１５）の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、前記作動媒体（１５）の液相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（１２）と、
前記加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が少ないときには、前記加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が多いときよりも前記作動媒体（１５）の液相部分の変位速度を低下させる変位速度調整手段（２７、３３）とを備えることを特徴とする外燃機関。
【請求項１０】
前記変位速度調整手段（２７、３３）は、前記出力部（１２）の外部負荷を増加させることで前記作動媒体（１５）の液相部分の変位速度を低下させることを特徴とする請求項９に記載の外燃機関。
【請求項１１】
前記主容器（１１）のうち前記冷却部（１１ｂ）と前記出力部（１２）との間の部位と連通し、液体（２３）が封入された補助容器（２１）と、
前記加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）に基づいて前記補助容器（２１）の内部圧力を調整する圧力調整手段（２６）とを備えることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の外燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動媒体の蒸発と凝縮によって作動媒体の液相部分を変位させ、作動媒体の液相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、管状の容器内に作動媒体を液体状態で流動可能に封入し、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、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、２）。
【０００３】
特許文献２の従来技術では、加熱部の温度に応じて容器の内部圧力を調整することによって、液体ピストン蒸気エンジンの効率を向上させている。なお、特許文献１の従来技術では、容器の内部圧力の調整を行っていない。
【特許文献１】特開２００４−８４５２３号公報
【特許文献２】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】
【０００４】
本発明者の詳細な検討によると、上記特許文献２の従来技術では、加熱部温度Ｔｈと液体ピストン蒸気エンジンの効率ηとが図７のグラフに示す関係があることがわかった。すなわち、上記特許文献２の従来技術では、加熱部温度Ｔｈが低いほど効率ηが低くなってしまう。
【０００５】
したがって、上記特許文献２の従来技術では、例えば、図７に示す加熱部温度Ｔ０〜Ｔ１の領域（高効率領域）のように、加熱部温度Ｔｈを高くして効率ηを高くし、所望の効率ηを得るのが望ましい。
【０００６】
しかしながら、例えば、他の熱機関の廃熱（例えば、内燃機関の排気ガス）を加熱器の加熱源として利用して作動媒体を加熱する場合のように、加熱部に与えられる熱量が変動する場合には、加熱部に与えられる熱量が少ないと、加熱部温度Ｔｈが低くなって効率ηが低くなってしまうという問題がある。
【０００７】
なお、上記特許文献１の従来技術のように容器の内部圧力の調整を行わない液体ピストン蒸気エンジンにおいても、上記特許文献２の従来技術と同様に、加熱部に与えられる熱量が少ないと効率ηが低くなってしまうという問題がある。すなわち、加熱部に与えられる熱量が少ない場合には作動媒体の加熱効率（蒸発効率）が悪化してしまい、効率ηの低下を招くからである。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、加熱器に与えられる熱量が少ないときの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（１５）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（１５）の一部を加熱して蒸発させる加熱部（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、加熱部（１１ａ）にて蒸発した作動媒体（１５）の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、作動媒体（１５）の液相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（１２）と、
作動媒体（１５）の液相部分の変位を停止させて加熱部（１１ａ）に蓄熱させる蓄熱モード（Ｓ１４０、Ｓ２４０）と、作動媒体（１５）の液相部分の変位を許容して出力部（１２）から出力を取り出す出力モード（Ｓ１３０、Ｓ２１０）とを交互に行う制御手段（２７、３３、３５）とを備えることを特徴とする。
【００１０】
これによると、蓄熱モードによって加熱部（１１ａ）に蓄熱させた後に出力モードを行って出力部（１２）から出力を取り出すので、常に出力部（１２）から出力を取り出す場合に比べて加熱部（１１ａ）の温度を高くすることができる。
【００１１】
このため、加熱器（１１ａ）に与えられる熱量が少ない場合であっても、加熱部（１１ａ）と作動媒体（１５）との熱交換量を多くすることができるので、加熱器（１１ａ）に与えられる熱量が少ないとき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、制御手段は、加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が多いときには出力モードのみを行い、
加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が少ないときには、蓄熱モードと出力モードとを交互に行うことを特徴とする。
【００１３】
これにより、加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が少ないときの効率を、加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が多いときの効率に近づけることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の外燃機関において、制御手段は、蓄熱モードと出力モードとの切り替えを、加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）に基づいて決定することを特徴とする。これにより、蓄熱モードと出力モードとの切り替えを効果的に行うことができる。
【００１５】
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、
制御手段は、
加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）が第１の所定温度（Ｔ０）未満であると蓄熱モードを行い、
蓄熱モードにおいて加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）が第２の所定温度（Ｔ１）以上になると蓄熱モードから出力モードに切り替え、
出力モードにおいて加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）が第１の所定温度（Ｔ０）未満になると出力モードから蓄熱モードに切り替えることを特徴とする。これにより、効率を効果的に向上することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の外燃機関において、第２の所定温度（Ｔ１）は、第１の所定温度（Ｔ０）以上の温度であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、請求項４または５に記載の外燃機関において、制御手段は、蓄熱モードから出力モードへ移行する際に、出力部（１２）を外部から駆動して作動媒体（１５）の液相部分の変位を開始させる起動モード（Ｓ１１０、Ｓ２３０）を行うことを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の外燃機関において、制御手段は、起動モードを所定時間行うことを特徴とする。これにより、起動モードを容易に実行することができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明では、請求項６に記載の外燃機関において、制御手段は、起動モードの終了を、出力部（１２）からの出力および出力部（１２）の回転数に基づいて決定することを特徴とする。これにより、起動モードの実行時間を短縮することができる。
【００２０】
請求項９に記載の発明では、作動媒体（１５）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（１５）の一部を加熱して蒸発させる加熱部（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、加熱部（１１ａ）にて蒸発した作動媒体（１５）の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、作動媒体（１５）の液相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（１２）と、
加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が少ないときには、加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が多いときよりも作動媒体（１５）の液相部分の変位速度を低下させる変位速度調整手段（２７、３３）とを備えることを特徴とする。
【００２１】
これによると、加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が少ないときにおける加熱部（１１ａ）の温度を、加熱部（１１ａ）に与えられる熱量が多いときにおける加熱部（１１ａ）の温度に近づけることができる。このため、加熱器（１１ａ）に与えられる熱量が少ない場合における効率を向上することができる。
【００２２】
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の外燃機関において、変位速度調整手段（２７、３３）は、出力部（１２）の外部負荷を増加させることで作動媒体（１５）の液相部分の変位速度を低下させることを特徴とする。
【００２３】
請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の外燃機関において、主容器（１１）のうち冷却部（１１ｂ）と出力部（１２）との間の部位と連通し、液体（２３）が封入された補助容器（２１）と、
加熱部（１１ａ）の温度（Ｔｈ）に基づいて補助容器（２１）の内部圧力を調整する圧力調整手段（２６）とを備えることを特徴とする。
【００２４】
これによると、加熱部（１１ａ）の温度に応じて主容器（１１）の内部圧力を調整することができるので、より高い効率を得ることができる。
【００２５】
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】
【００２６】
（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は本実施形態における外燃機関（液体ピストン蒸気エンジン）１０の概略構成を示す構成図であり、図１中の上下の矢印は液体ピストン蒸気エンジン１０の設置状態における上下方向を示している。
【００２７】
液体ピストン蒸気エンジン１０は、主容器１１と、出力部をなす発電機１２とを有している。発電機１２は、ケーシング１３内に永久磁石が埋設された可動子１４を収納しており、可動子１４が振動変位することによって起電力を発生する。
【００２８】
主容器１１は、作動媒体（本例では水）１５が液体状態で流動可能に封入されたパイプ状の圧力容器である。主容器１１の外面には、主容器１１内部の液体状態の作動媒体１５の一部を加熱して蒸発させる加熱器１６と、加熱器１６にて加熱されて蒸発した作動媒体１５を冷却して凝縮させる冷却器１７とが接触配置されている。
【００２９】
主容器１１は、略Ｕ字状に形成され、屈曲部が最下部に位置し、両端部が最上部に位置するように配置されている。加熱器１６および冷却器１７は、主容器１１のうち一端側の部位において、加熱器１６が冷却器１７より上方側に位置するように配置されている。
【００３０】
本例では、加熱器１６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１６を電気ヒータで構成してもよい。また、本例では、冷却器１７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、冷却水が作動媒体１５の蒸気から奪った熱は、冷却水の循環回路中に配置された放熱器において外部（大気中）に放熱されるようになっている。
【００３１】
本例では、作動媒体１５を水としているので、主容器１１をステンレスにて形成しているが、主容器１１のうち加熱器１６と接触して作動媒体１５を蒸発させる部位である加熱部１１ａおよび冷却器１７と接触して作動媒体１５を凝縮させる部位である冷却部１１ｂを熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム等で形成してもよい。
【００３２】
図示を省略しているが、作動媒体１５が蒸発する空間を確保するために、加熱部１１ａの上方部には所定体積の気体が封入されている。この気体は例えば空気であってもよいし、作動媒体１５の純粋な蒸気でもよい。
【００３３】
主容器１１の他端部には、作動媒体から圧力を受けて変位するピストン１８がシリンダ部１９に摺動可能に配置されている。ピストン１８は発電機１２の可動子１４のシャフト１４ａに連結されており、可動子１４を挟んでピストン１８と反対側には、可動子１４をピストン１８側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすコイルばね２０が設けられている。
【００３４】
発電機１２は、いわゆるモータージェネレータとして機能するものであり、液体ピストン蒸気エンジン１０の通常作動時にはピストン１８の変位によって発電し、液体ピストン蒸気エンジン１０の起動時には外部から電力の供給を受けてピストン１８を駆動することでスタータモータとしての役割を果たす。
【００３５】
次に、主容器１１の内部圧力（以下、主容器内圧力と言う。）を調整する機構について説明すると、補助容器２１は、管状の連通部２２を介して主容器１１と連通している。本例では、補助容器２１を主容器１１の屈曲部の上方側に配置している。
【００３６】
補助容器２１内には、液体２３および気体２４が封入されている。本例では、液体２３を作動媒体１３と同様に水としている。気体２４としては液体２３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２４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２１内に液体２３のみを封入するようにしてもよい。
【００３７】
補助容器２１および連通部２２は断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本実施形態では、液体２３を水としているので、補助容器２１および連通部２２をステンレス製としている。連通部２２には、絞り機構２５が配置されている。本例では、絞り機構２５として固定絞りを用いているが、絞り機構２５として可変絞りを用いてもよい。
【００３８】
補助容器２１の内部圧力（以下、補助容器内圧力と言う。）Ｐｔを調整する圧力調整手段２６は、圧力調整ピストン２６ａと電動アクチュエータ２６ｂとで構成されている。圧力調整ピストン２６ａは補助容器２１内の上端側にて、上下方向に摺動可能に配置されている。電動アクチュエータ２６ｂは補助容器２１の上方側に配置され、圧力調整ピストン２６ａを上下方向に駆動する。
【００３９】
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２７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。なお、制御装置２７、後述するＤＣ／ＤＣコンバータ３３および後述するコントローラ３５は、本発明における制御手段に該当するものである。
【００４０】
制御装置２７には、圧力調整手段２６の制御のために、加熱部１１ａの温度（以下、加熱部温度と言う。）Ｔｈを検出する温度センサ２８および補助容器内圧力Ｐｔを検出する圧力センサ２９から検出信号が入力される。制御装置２７はこの各センサ２８、２９からの検出信号に基づいて電動アクチュエータ２６ｂを制御するようになっている。
【００４１】
また、制御装置２７は、発電機１２で発電された電力を充電するための充電回路と、発電機１２をスタータモーターとして駆動するための駆動回路とを切り替えるリレー３１を制御する。
【００４２】
充電回路は、発電機１２で発電された電流を整流する整流器３２、整流器３２で整流された電流ｉの電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３３、および、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３から出力された電力を充電するバッテリ３４を直列に接続して構成されている。
【００４３】
駆動回路は、発電機１２を駆動制御するコントローラ３５と、バッテリ３４とを直列に接続して構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３３およびコントローラ３５は、制御装置２７により制御される。
【００４４】
次に、上記構成における基本作動（通常作動）を説明する。加熱器１６および冷却器１７を動作させると、まず、作動媒体１５の液相部分を発電機１２側に向かって変位させる第１行程が行われる。この第１行程では、加熱器１６により加熱部１１ａ内の液体状態の作動媒体１５が加熱されて蒸発し、加熱部１１ａ内に高温・高圧の作動媒体１５の蒸気が蓄積されて、加熱部１１ａ内において作動媒体１５の液面を押し下げる。
【００４５】
すると、主容器１１内に封入された作動媒体１５の液相部分は、加熱部１１ａ側から発電機１２側に変位して、発電機１２のピストン１８を押し上げる。このとき、コイルばね２０は弾性圧縮される。
【００４６】
押し下げられた作動媒体１５の液面が冷却部１１ｂまで到達し、冷却部１１ｂ内に作動媒体１５の蒸気が進入すると、作動媒体１５の液相部分を加熱部１１ａ側に向かって変位させる第２行程が行われる。
【００４７】
この第２行程では、冷却部１１ｂ内に進入した作動媒体１５の蒸気が冷却器１７により冷却されて凝縮するため、作動媒体１５の液面を押し下げる力が消滅する。すると、作動媒体１５の蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機１２側のピストン１８はコイルばね２０の弾性復元力により下降し、作動媒体１５の蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機１２側のピストン１８は下降する。
【００４８】
このため、作動媒体１５の液相部分が発電機１２側から加熱部１１ａ側に変位して、作動媒体１５の液面が加熱部１１ａまで上昇するので、再び加熱部１１ａにて液体状態の作動媒体１５が加熱されて蒸発することとなる。
【００４９】
そして、第１行程および第２行程は、加熱器１６および冷却器１７の動作を停止させるまで繰り返し行われ、その間、主容器１１内の作動媒体１５の液相部分は周期的に変位（いわゆる自励振動）して、発電機１２の可動子１４を上下動させることになる。
【００５０】
つまり、作動媒体１５の蒸発と凝縮とが交互に繰り返し行われることによって、作動媒体１５の液相部分が液体ピストンとして自励振動し、この液体ピストンの自励振動が出力として取り出される。
【００５１】
主容器内圧力を調整する制御については、上記特許文献２に詳細に記載されているので、その概略を説明する。制御装置２７は、まず、加熱部温度Ｔｈと、予め制御装置２７に記憶された作動媒体１５の蒸気圧曲線とに基づいて、加熱部温度Ｔｈでの作動媒体１５の飽和蒸気圧を算出する。
【００５２】
次に、主容器内圧力の平均値（以下、主容器内平均圧力と言う。）の目標値を加熱部温度Ｔｈでの作動媒体１５の飽和蒸気圧と大気圧（０．１ＭＰａ）との平均値を算出し、この平均値を目標値とする。本例では、冷却部１１ｂの温度での作動媒体１５の飽和蒸気圧の近似値として大気圧（０．１ＭＰａ）を用いている。なお、上記平均値を適宜補正した値を目標値としてもよい。
【００５３】
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２６ｂが圧力調整ピストン２６ａを押し出して補助容器２１の容積を減少させる。これにより液体２３が圧縮されて補助容器内圧力Ｐｔが上昇する。
【００５４】
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２６ａを引き込んで補助容器２１の容積を減少させる。これにより液体２３が膨張して補助容器内圧力Ｐｔが低下する。
【００５５】
すると、主容器内平均圧力が、補助容器内圧力Ｐｔ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Ｔｈ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Ｔｈに対して適切な主容器内圧力を維持でき、性能（出力および効率）の低下を防止できる。
【００５６】
次に、上記構成における特徴的な作動を説明する。液体ピストン蒸気エンジン１０の作動は、出力部１２から出力を取り出す出力モードと、加熱部１１ａに蓄熱させる蓄熱モードと、蓄熱モードから出力モードへ移行する際に行われる起動モードとに大別される。出力モードは、上述の基本作動（通常作動）を行うものである。
【００５７】
蓄熱モードは、出力モードにおいて加熱部温度Ｔｈ（℃）が低くなると行われるものであり、制御装置２７がリレー３１を図１の実線位置のように整流器３２側に切り替えるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３が電流値を大きくする。
【００５８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３３が電流値を大きくすると、発電機１２の負荷が大きくなるので、液体ピストンの自励振動の速度（変位速度）が低下し、液体ピストンの自励振動が停止するに至る。
【００５９】
これにより、加熱部１１ａと作動媒体１５との熱交換量が著しく減少するので、加熱部１１ａが蓄熱を行い、加熱部温度Ｔｈが上昇することとなる。
【００６０】
起動モードは、液体ピストンの自励振動が停止している状態で行われる。起動モードでは、まず、制御装置２７がリレー３１を図１の二点鎖線位置のようにコントローラ３５側に切り替えるとともに、コントローラ３５が発電機１２を所定時間（例えば、数秒程度）だけ駆動する。つまり、発電機１２をスタータモータとして機能させることで、液体ピストンが自励振動するようになり、出力モードに移行させることができるようになる。
【００６１】
これら出力モード、蓄熱モードおよび起動モードの切り替えは制御装置２７によって行われる。図２は、制御装置２７が実行するモード切替制御処理の概要を示すフローチャートである。
【００６２】
まず、ステップＳ１００では加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。ここで、所定温度Ｔ１は、本発明における第２の所定温度に該当するものであり、任意に決まる温度である。
【００６３】
ステップＳ１００において、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ１以上であると判定した場合には、ステップＳ１１０へ進み、上述した起動モードを行う。ステップＳ１１０において起動モードが終了すると、ステップＳ１２０へ進み、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ０以上であるか否かを判定する。
【００６４】
ここで、所定温度Ｔ０は、本発明における第１の所定温度に該当するものであり、任意に決まる温度である。本例では、所定温度Ｔ０と所定温度Ｔ１との関係が、Ｔ０≦Ｔ１になっている。
【００６５】
ステップＳ１２０において、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ０以上であると判定した場合には、ステップＳ１３０へ進み、上述した出力モードを行うことによって発電を行う。
【００６６】
ステップＳ１３０において、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ０未満であると判定した場合には、ステップＳ１４０へ進み、上述した蓄熱モードを行うことによって液体ピストンの自励振動を停止させる。
【００６７】
なお、ステップＳ１００において、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ１未満であると判定した場合にも、ステップＳ１４０へ進み、蓄熱モードを行うことによって液体ピストンの自励振動を停止させる。
【００６８】
ここで、所定温度Ｔ０、Ｔ１の具体的な設定例を示すと、作動媒体１５に水を用い、動作圧力を１ＭＰａ〜１０ＭＰａに設定した場合、所定温度Ｔ０は１８０℃〜３３１℃に設定され、所定温度Ｔ１も所定温度Ｔ０に応じて１８０℃〜３３１℃に設定される。
【００６９】
図３は、本実施形態におけるモード切替制御の一例を示すタイミングチャートである。図３の加熱部温度Ｔ０、Ｔ１は図７の加熱部温度Ｔ０、Ｔ１に対応している。図３は、加熱部１１ａに与えられる熱量（以下、加熱熱量と言う。）Ｑ（Ｗ）が少ない場合の例を示している。
【００７０】
図３に示すように、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ０未満であると蓄熱モードを行って、加熱部温度Ｔｈを所定温度Ｔ１まで上昇させる。蓄熱モードでは、加熱部１１ａと作動媒体１５との熱交換量ｑがほぼ零である。
【００７１】
加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ１以上になると起動モードに移行する。起動モードでは、加熱部１１ａと作動媒体１５との熱交換量ｑが徐々に増加する。このとき、加熱部温度Ｔｈは、所定温度Ｔ１から若干上昇する。
【００７２】
起動モードが終了して出力モードに移行すると、加熱部温度Ｔｈも徐々に低下する。そして、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ０未満になると、再び蓄熱モードを行う。
【００７３】
このように、本実施形態では、通常作動（発電）を間欠的に行うので、加熱熱量Ｑが少ない場合であっても、加熱部温度Ｔｈを高くして加熱部１１ａと作動媒体１５との熱交換量ｑを多くすることができる。このため、加熱熱量Ｑが少ないときの効率を向上することができる。
【００７４】
なお、図３に示すように、出力モードにおいて、加熱部温度Ｔｈが徐々に低下するのは、加熱部１１ａと作動媒体１５とが熱交換して、加熱部１１ａに蓄えられた熱が作動媒体１５に奪われるためである。また、出力モードにおいて、加熱部１１ａと作動媒体１５との熱交換量ｑがほぼ一定に維持されるのは、補助容器内圧力Ｐｔを一定にしているためであり、加熱部温度Ｔｈの変動に応じて主容器内圧力を調整してもよい。なお、補助容器内圧力Ｐｔを一定にする場合には、圧力調整手段２６は不要となる。
【００７５】
（第２実施形態）
本第２実施形態では、上記第１実施形態に対して、起動モードを行う時間を短縮するものである。図４は本実施形態における液体ピストン蒸気エンジン１０の概略構成を表す構成図である。
【００７６】
制御装置２７には、発電機１２の回転数Ｎと発電電力値Ｗとを検出するセンサ４０からの検出信号が入力されるようになっている。センサ４０としては、回転数Ｎを検出する回転数センサおよび発電電力値Ｗを検出する電力センサを用いることができる。
【００７７】
なお、センサ４０として、発電機１２の発電電流値を検出する電流センサのみを用い、制御装置２７が発電機１２の発電電流値に基づいて発電機１２の発電電力値Ｗと回転数Ｎとを算出するようにしてもよい。
【００７８】
図５は本実施形態における制御装置２７が実行する制御処理の概要を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２００では発電機１２の回転数Ｎおよび発電電力値Ｗが０より大きいか否かを判定する。
【００７９】
ステップＳ２００において、発電機１２の回転数Ｎおよび発電電力値Ｗが０より大きいと判定した場合には、ステップＳ２１０へ進み、出力モードを行って発電を行う。ステップＳ２００において、発電機１２の回転数Ｎおよび発電電力値Ｗが０以下であると判定した場合には、ステップＳ２２０へ進み、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。
【００８０】
ステップＳ２２０において、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ１以上であると判定した場合には、ステップＳ２３０へ進み、起動モードを行う。ステップＳ２２０において、加熱部温度Ｔｈが所定温度Ｔ１未満であると判定した場合には、ステップＳ２４０へ進み、蓄熱モードを行って液体ピストンの自励振動を停止させる。
【００８１】
これによると、起動モード時において、発電機１２の回転数Ｎおよび発電電力値Ｗが０を超えると直ちに起動モードを終了して出力モードに移行するので、上記第１実施形態のように起動モードを所定時間行う場合に比べて起動モードを行う時間を短縮することができる。
【００８２】
（第３実施形態）
上記第１、第２実施形態では、液体ピストンの自励振動を停止させることで加熱部温度Ｔｈを上昇させているが、本第３実施形態では、液体ピストンの自励振動の速度（変位速度）を低下させることによって、加熱部温度Ｔｈを上昇させる。
【００８３】
本実施形態における液体ピストン蒸気エンジン１０の構成は、上記第１、第２実施形態と同じであり、制御装置２７により実行される制御処理のみが上記第１、第２実施形態と異なる。
【００８４】
図６は、加熱熱量Ｑと加熱部温度Ｔｈとの関係を２つの異なる動作周波数Ｎ１、Ｎ２で比較して示すグラフである。ここで、動作周波数とは、液体ピストンの自励振動の周波数を意味するものであり、液体ピストンの変位速度が早いほど動作周波数が大きくなり、液体ピストンの変位速度が遅いほど動作周波数が小さくなる。
【００８５】
図６における動作周波数Ｎ１、Ｎ２の大小関係は、Ｎ１＞Ｎ２である。図６からわかるように、加熱熱量Ｑが一定であるとすると、動作周波数が小さい方が加熱部温度Ｔｈが高くなる。これは、動作周波数が小さいほど、換言すれば液体ピストンの変位速度が遅いほど、加熱部１１ａと作動媒体１５との熱交換量が少なくなるためである。
【００８６】
この点に鑑みて、本実施形態では、加熱熱量Ｑが少ないときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３が電流値を大きくして発電機１２の負荷を大きくするように制御装置２７が制御処理を行う。
【００８７】
これにより、加熱熱量Ｑが少ないときに動作周波数を下げて加熱部温度Ｔｈを高温にすることができるので、加熱熱量Ｑが少ないときの効率を向上することができる。なお、制御装置２７およびＤＣ／ＤＣコンバータ３３は、本発明における変位速度調整手段に該当するものである。
【００８８】
（他の実施形態）
なお、上記第１〜第３実施形態は、本発明における制御手段および変位速度調整手段の具体的構成の一例を示したものに過ぎず、制御手段および変位速度調整手段の具体的構成として、上記第１〜第３実施形態と同様の作動を行うことのできる種々の構成を用いてよいことはもちろんである。
【００８９】
また、上記各実施形態では、補助容器内圧力Ｐｔを調整する圧力調整手段２６を圧力調整ピストン２６ａと電動アクチュエータ２６ｂとで構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、上記特許文献２に記載されている種々の構成の圧力調整手段を用いることができる。
【００９０】
また、上記各実施形態では、主容器１１の全体が一本の管状に形成された、いわゆる単気筒型の液体ピストン蒸気エンジン１０に本発明を適用した例を示しているが、主容器１１のうち加熱部１１ａ側の部分が複数本の分岐管で構成され、主容器１１のうち残余の部分が一本の集合管で構成された液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用可能である。
【００９１】
また、上記各実施形態では、主容器１１を１つのみ備える液体ピストン蒸気エンジン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液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用可能である。
【００９２】
また、上記各実施形態では、本発明の外燃機関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】
【００９３】
【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】図１の制御装置が実行するモード切替制御処理の概要を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態におけるモード切替制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２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５】第２実施形態における制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図６】第３実施形態における加熱熱量と加熱部温度との関係を異なる２つの動作周波数で比較して示すグラフである。
【図７】従来技術における加熱部と作動媒体との熱交換量と、液体ピストン蒸気エンジンの効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
Ｓ１１０  起動モード
Ｓ１３０  出力モード
Ｓ１４０  蓄熱モード
【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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