(57)【要約】【課題】容器側から出力部側への作動媒体の漏出に起因する作動停止を防止する。【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のうち一端部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蒸発部１１ｄと、主容器１１のうち蒸発部１１ｄよりも他端部側の部位に形成され蒸発部１１ｄにて蒸発した作動媒体１５の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮部１１ｅ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とを備え、出力部１２は作動媒体１５の液相部分から圧力を受けて変位するピストン１８と、ピストン１８を摺動可能に保持するシリンダ部１９を有し、シリンダ部１９にはピストン１８が摺動する筒状の摺動面１９ａと、摺動面１９ａの外周側に位置して主容器１１内の作動媒体１５が導入される導入空間１９ｂとが形成されている。【選択図】図１
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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）のうち一端部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蒸発部（１１ｄ）と、
前記主容器（１１）のうち前記蒸発部（１１ｄ）よりも他端部側の部位に形成され、前記蒸発部（１１ｄ）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凝縮部（１１ｅ）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）とを備え、
前記出力部（１２）は、前記作動媒体（１５）の液相部分から圧力を受けて変位するピストン（１８）と、前記ピストン（１８）を摺動可能に保持するシリンダ部（１９）とを有し、
前記シリンダ部（１９）には、前記ピストン（１８）が摺動する筒状の摺動面（１９ａ）と、前記摺動面（１９ａ）の外周側に位置して前記主容器（１１）内の前記作動媒体（１５）が導入される導入空間（１９ｂ）とが形成されていることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
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）のうち一端部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蒸発部（１１ｄ）と、
前記主容器（１１）のうち前記蒸発部（１１ｄ）よりも他端部側の部位に形成され、前記蒸発部（１１ｄ）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凝縮部（１１ｅ）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、
前記主容器（１１）のうち前記凝縮部（１１ｅ）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、
前記補助容器（２１）の内部圧力（Ｐ２）を調整する圧力調整手段（２６）とを備え、
前記出力部（１２）は、前記作動媒体（１５）の液相部分から圧力を受けて変位するピストン（１８）と、前記ピストン（１８）を摺動可能に保持するシリンダ部（１９）とを有し、
前記シリンダ部（１９）には、前記ピストン（１８）が摺動する筒状の摺動面（１９ａ）と、前記摺動面（１９ａ）の外周側に位置して前記補助容器（２１）内の前記液体（２３）が導入される導入空間（１９ｂ）とが形成されていることを特徴とする外燃機関。
【請求項３】
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）のうち一端部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蒸発部（１１ｄ）と、
前記主容器（１１）のうち前記蒸発部（１１ｄ）よりも他端部側の部位に形成され、前記蒸発部（１１ｄ）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凝縮部（１１ｅ）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、
前記主容器（１１）と連通し、液体（２３）が封入された補助容器（２１）と、
前記補助容器（２１）の内部圧力（Ｐ２）を調整する圧力調整手段（２６）とを備え、
前記出力部（１２）は、前記作動媒体（１５）の液相部分から圧力を受けて変位するピストン（１８）と、前記ピストン（１８）を摺動可能に保持するシリンダ部（１９）とを有し、
前記補助容器（２１）が、前記ピストン（１８）と前記シリンダ部（１９）との間の隙間を介して前記主容器（１１）と連通していることを特徴とする外燃機関。
【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体部分を変位させ、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蒸発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凝縮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】
この特許文献１の従来技術では、出力部が、作動媒体の液相部分から圧力を受けて変位するピストンと、このピストンを摺動可能に保持するシリンダ部とを有している。これにより、ピストンの変位を機械的エネルギとして取り出すことができるようになっている。
【０００４】
また、この特許文献１の従来技術では、作動媒体を水としている。
【特許文献１】特開２００４−８４５２３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、上記従来技術では、シリンダ部の内周側に容器の内部圧力がかかるので、シリンダ部の内周側と外周側との差圧が大きくなる。このため、ピストンとシリンダ部との間の隙間が拡大してしまうので、容器内に封入された液体状態の作動媒体がピストンとシリンダ部との間から出力部側に漏出してしまう。
【０００６】
その結果、容器内の作動媒体が減少してしまい、液体ピストン蒸気エンジンの作動（作動媒体の液相部分の自励振動）が停止するに至ってしまうという問題があることがわかった。特に、作動媒体を水とする場合には、水の粘性が低いことから、作動媒体の漏出が一層顕著になり、上記問題が一層顕著に現れてしまう。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、容器側から出力部側への作動媒体の漏出に起因する作動停止を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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）のうち一端部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蒸発部（１１ｄ）と、
主容器（１１）のうち蒸発部（１１ｄ）よりも他端部側の部位に形成され、蒸発部（１１ｄ）にて蒸発した作動媒体（１５）の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮部（１１ｅ）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）とを備え、
出力部（１２）は、作動媒体（１５）の液相部分から圧力を受けて変位するピストン（１８）と、ピストン（１８）を摺動可能に保持するシリンダ部（１９）とを有し、
シリンダ部（１９）には、ピストン（１８）が摺動する筒状の摺動面（１９ａ）と、摺動面（１９ａ）の外周側に位置して主容器（１１）内の作動媒体（１５）が導入される導入空間（１９ｂ）とが形成されていることを特徴とする。
【０００９】
これによると、摺動面（１９ａ）の内周側と外周側の両方に主容器（１１）の内部圧力がかかるので、摺動面（１９ａ）の内周側と外周側との差圧を低減できる。このため、主容器（１１）の内部圧力（Ｐ１）によってピストン（１８）と摺動面（１９ａ）との間の隙間が拡大してしまうことを防止できる。
【００１０】
その結果、主容器（１１）側から出力部（１２）側へ作動媒体（１５）が漏出してしまうことを防止できるので、主容器（１１）側から出力部（１２）側への作動媒体（１５）の漏出に起因する作動停止を防止することができる。
【００１１】
請求項２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）のうち一端部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蒸発部（１１ｄ）と、
主容器（１１）のうち蒸発部（１１ｄ）よりも他端部側の部位に形成され、蒸発部（１１ｄ）にて蒸発した作動媒体（１５）の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮部（１１ｅ）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、
主容器（１１）のうち凝縮部（１１ｅ）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、
補助容器（２１）の内部圧力（Ｐ２）を調整する圧力調整手段（２６）とを備え、
出力部（１２）は、作動媒体（１５）の液相部分から圧力を受けて変位するピストン（１８）と、ピストン（１８）を摺動可能に保持するシリンダ部（１９）とを有し、
シリンダ部（１９）には、ピストン（１８）が摺動する筒状の摺動面（１９ａ）と、摺動面（１９ａ）の外周側に位置して補助容器（２１）内の液体（２３）が導入される導入空間（１９ｂ）とが形成されていることを特徴とする。
【００１２】
これによると、摺動面（１９ａ）の外周側に補助容器（２１）の内部圧力がかかるので、摺動面（１９ａ）の内周側と外周側との差圧を低減できる。このため、上記した請求項１に記載の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００１３】
請求項３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）のうち一端部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蒸発部（１１ｄ）と、
主容器（１１）のうち蒸発部（１１ｄ）よりも他端部側の部位に形成され、蒸発部（１１ｄ）にて蒸発した作動媒体（１５）の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮部（１１ｅ）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、
主容器（１１）と連通し、液体（２３）が封入された補助容器（２１）と、
補助容器（２１）の内部圧力（Ｐ２）を調整する圧力調整手段（２６）とを備え、
出力部（１２）は、作動媒体（１５）の液相部分から圧力を受けて変位するピストン（１８）と、ピストン（１８）を摺動可能に保持するシリンダ部（１９）とを有し、
補助容器（２１）が、ピストン（１８）とシリンダ部（１９）との間の隙間を介して主容器（１１）と連通していることを特徴とする。
【００１４】
これによると、主容器（１１）内の作動媒体（１５）および補助容器（２１）内の液体（２３）がピストン（１８）とシリンダ部（１９）との間をある程度流通することを前提とした構成になるので、主容器（１１）側から出力部（１２）側への作動媒体（１５）の漏出を抑制する必要がない。このため、主容器（１１）側から出力部（１２）側への作動媒体（１５）の漏出に起因する液体ピストン蒸気エンジンの作動停止を防止することができる。
【００１５】
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】
【００１６】
（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６に基づいて説明する。図１は本実施形態による外燃機関（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。
【００１７】
本実施形態による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。
【００１８】
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。
【００１９】
本実施形態の加熱器１６は高温ガス（例えば、自動車の排気ガス）と熱交換するものであるが、加熱器１６を電気ヒータで構成してもよい。また、本実施形態の冷却器１７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１５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。
【００２０】
そして、主容器１１は、屈曲部１１ａが最下部に位置するように第１、２直線部１１ｂ、１１ｃを有する略Ｕ字状に形成されたパイプ状の圧力容器であり、主容器１１のうち屈曲部１１ａを挟んで水平方向一端側（紙面右側）の第１直線部１１ｂには、加熱器１６が冷却器１７より上方側に位置するように加熱器１６および冷却器１７が設けられている。
【００２１】
主容器１１のうち加熱器１６と接触する部位は、作動媒体１５を蒸発させる蒸発部１１ｄを構成し、主容器１１のうち冷却器１７と接触する部位は、作動媒体１５を凝縮させる凝縮部１１ｅを構成する。
【００２２】
本例では、作動媒体１５を水としているので、主容器１１の全体をステンレスにて形成しているが、蒸発部１１ｄおよび凝縮部１１ｅ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。
【００２３】
蒸発部１１ｄは所定の容積Ｖｈを有している。なお、図１では、便宜上、破線ハッチング領域にて蒸発部１１ｄの容積Ｖｈを示している。
【００２４】
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、第１直線部１１ｂの上端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。
【００２５】
一方、主容器１１のうち屈曲部１１ａを挟んで水平方向他端側（紙面左側）の第２直線部１１ｃの上端部に発電機１２が配置されており、発電機１２は、作動媒体から圧力を受けて変位するピストン１８と、ピストン１８を摺動可能に保持するシリンダ部１９とを有している。
【００２６】
ピストン１８は可動子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。
【００２７】
シリンダ部１９には、ピストン１８が摺動する筒状の摺動面１９ａと、摺動面１９ａの外周側に位置して主容器１１内の作動媒体１５が導入される導入空間１９ｂとが形成されている。
【００２８】
本例では、摺動面１９ａの軸方向一端側（図１では下端側）に連通穴１９ｃが開口している。この連通穴１９ｃは、主容器１１内の作動媒体１５を導入空間１９ｂ内に導入するために設けられている。なお、連通穴１９ｃの代わりに、主容器１１内の作動媒体１５を導入空間１９ｂ内に導入する導入管を主容器１１およびシリンダ部１９の外部に設けてもよい。
【００２９】
ピストン１８とシリンダ部１９はクリアランスシール構造になっている。すなわち、ピストン１８とシリンダ部１９とのはめ合い（隙間）を管理することによって、ピストン１８の摺動性を確保しつつ、主容器１１側から発電機１２側への作動媒体１５の漏出を抑制している。
【００３０】
本例では、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能（出力および効率）を向上することを目的として、主容器１１の内部圧力（以下、主容器内圧力と言う。）Ｐ１を調整する機構（以下、主容器内圧力調整機構と言う。）を設けている。
【００３１】
この主容器内圧力調整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を屈曲部１１ａの上方側に配置している。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
連通部２２には、電気式の可変絞り機構２５が配置されている。この可変絞り機構２５は、後述する制御装置２７とともに、連通部２２の流量係数Ｃｖ（詳細は後述）を調整する役割を果たすものである。
【００３５】
補助容器２１の内部圧力（以下、補助容器内圧力と言う。）Ｐ２は、圧力調整ピストン２６ａと電動アクチュエータ２６ｂとによって調整される。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。
【００３６】
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。
【００３７】
制御装置２７には、圧力調整手段２６の制御のために、蒸発部１１ｄの温度（以下、蒸発部温度と言う。）Ｔ１を検出する温度センサ２８および補助容器内圧力Ｐ２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。
【００３８】
次に、上記構成における基本作動を説明する。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により蒸発部１１ｄ内の液体状態の作動媒体１５が加熱されて蒸発し、蒸発部１１ｄ内に高温・高圧の作動媒体１５の蒸気が蓄積されて、第１直線部１１ｂ内の作動媒体１５の液面を押し下げる。
【００３９】
すると、主容器１１内のうち蒸発部１１ｄよりも発電機１２側の部分に封入された作動媒体１５の液相部分は、蒸発部１１ｄ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。
【００４０】
第１直線部１１ｂ内にて作動媒体１５の液面が凝縮部１１ｅまで下がり、凝縮部１１ｅ内に作動媒体１５の蒸気が進入すると、作動媒体１５の液相部分を蒸発部１１ｄ側に向かって変位させる第２行程が行われる。
【００４１】
この第２行程では、凝縮部１１ｅ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、第１直線部１１ｂ内の作動媒体１５の液面を押し下げる力が消滅する。
【００４２】
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。
【００４３】
このため、作動媒体１５の液相部分が発電機１２側から蒸発部１１ｄ側に変位して、第１直線部１１ｂ内にて作動媒体１５の液面が蒸発部１１ｄまで上昇するので、再び蒸発部１１ｄ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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
本実施形態では、ピストン１８が摺動する摺動面１９ａの外周側に導入空間１９ｂを形成し、導入空間１９ｂ内に主容器１１内の作動媒体１５を導入しているので、摺動面１９ａの内周側と外周側の両方に主容器内圧力Ｐ１がかかることとなる。このため、摺動面１９ａの内周側と外周側との差圧がほとんど生じないようにすることができる。
【００４７】
このため、主容器内圧力Ｐ１によってピストン１８と摺動面１９ａとの間の隙間が拡大して主容器１１側から発電機１２側へ作動媒体１５が漏出してしまうことを防止できるので、主容器１１側から発電機１２側への作動媒体１５の漏出に起因する液体ピストン蒸気エンジンの作動（作動媒体の液相部分の自励振動）の停止を防止することができる。
【００４８】
次に、主容器内圧力調整機構に関する作動を説明する。図２は、第１、第２行程におけるピストン容積の変化と、主容器内圧力Ｐ１および補助容器内圧力Ｐ２の圧力波形との関係を示すグラフである。ここで、ピストン容積は、主容器１１、シリンダ部１９およびピストン１８で囲まれた空間の容積のことであり、このピストン容積はピストン１８の往復運動に伴い周期的に変動する。
【００４９】
図２からわかるように、ピストン容積の周期的な変動に伴って、主容器内圧力Ｐ１もピーク値Ｐ１ｐとボトム値Ｐ１ｂとの間で周期的に変動する。一方、補助容器内圧力Ｐ２はほぼ一定となる。
【００５０】
すなわち、連通部２２に可変絞り機構２５が配置されて連通部２２の流路径が縮小されているので、補助容器内圧力Ｐ２が主容器内圧力Ｐ１の周期的な変動に追従することが抑制され、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが補助容器内圧力Ｐ２とほぼ等しい圧力で安定することとなる。
【００５１】
図３（ａ）〜（ｃ）は、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐと液体ピストン蒸気エンジン１０の性能（出力および効率）との関係を説明するＰＶ線図である。このＰＶ線図の横軸は、上述のピストン容積である。
【００５２】
まず、図３（ａ）は、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能（出力および効率）が最も高くなる理想的な状態を示している。すなわち、図３（ａ）に示すように、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐが蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓよりも低く、かつ、飽和蒸気圧Ｐｓにできるだけ近い値（以下、理想ピーク値と言う。）になっているとき、液体ピストン蒸気エンジン１０は１周期当たりの仕事量が最も大きくなって、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が最も高くなる。なお、このときの主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを、以下、理想平均値と言う。
【００５３】
一方、図３（ｂ）は、ピーク値Ｐ１ｐが飽和蒸気圧Ｐｓよりも著しく低いときのＰＶ線図を示している。この状態では、１周期当たりの仕事量が小さくなるので、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下する。
【００５４】
また、図３（ｃ）は、ピーク値Ｐ１ｐが飽和蒸気圧Ｐｓよりも高いときのＰＶ線図を示している。この状態では、ピーク値Ｐ１ｐが飽和蒸気圧Ｐｓよりも高くなるために作動媒体１３の蒸気の一部が凝縮してしまう。このため、マイナスの仕事をしてしまうので、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下してしまう。
【００５５】
したがって、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能を最も引き出すためには、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐを常に理想ピーク値に維持すればよいのである。
【００５６】
ここで、主容器内圧力Ｐ１のボトム値Ｐ１ｂは、大気圧とほぼ等しくなることがわかっている。このため、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐが上昇すると主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａも上昇し、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐが低下すると主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａも低下することとなる。
【００５７】
このため、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを常に理想平均値に維持すれば、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐを常に理想ピーク値に維持することができ、ひいては液体ピストン蒸気エンジン１０の性能を最も引き出すことができる。
【００５８】
しかるに、加熱器１６の熱源である高温ガスの温度が変動すると、蒸発部温度Ｔ１も変動する。その結果、作動媒体１３の飽和蒸気圧Ｐｓも変動するので、理想ピーク値も変動し、ひいては理想平均値も変動してしまう。
【００５９】
そこで、本実施形態による液体ピストン蒸気エンジン１０は、蒸発部温度Ｔ１の変動に応じて主容器内圧力Ｐ１を調整することにより、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを常に理想平均値に維持して、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能を最も引き出すことを図っている。
【００６０】
より具体的には、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを、理想平均値に近似した目標値Ｐ１Ａに近づけることにより、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａを常に理想平均値に近づける。
【００６１】
図４は、本実施形態における主容器内圧力Ｐ１の制御の概要を示すブロック線図である。まず、蒸発部温度Ｔ１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、蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓを算出する。
【００６２】
次に、目標値Ｐ１Ａを蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓと大気圧（０．１ＭＰａ）との平均値を算出し、この平均値を目標値Ｐ１Ａとする。
【００６３】
すなわち、図３（ａ）からわかるように、蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓと主容器内圧力Ｐ１の１周期中のボトム値Ｐ１ｂとの平均値は、理想平均値に近似した値になる。
【００６４】
また、主容器内圧力Ｐ１の１周期中のボトム値Ｐ１ｂは、ほぼ大気圧（０．１ＭＰａ）と等しくなることがわかっている。これらのことから、蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓと大気圧（０．１ＭＰａ）との平均値は、理想平均値に近似した値になる。
【００６５】
そこで、本例では、蒸発部温度Ｔ１での作動媒体１５の飽和蒸気圧Ｐｓと大気圧（０．１ＭＰａ）との平均値を目標値Ｐ１Ａとしている。なお、この平均値を適宜補正した値を目標値Ｐ１Ａとしてもよい。
【００６６】
そして、補助容器内圧力Ｐ２が目標値Ｐ１Ａ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Ｐ２が上昇する。
【００６７】
一方、補助容器内圧力Ｐ２が目標値Ｐ１Ａ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Ｐ２が低下する。
【００６８】
すると、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが補助容器内圧力Ｐ２に追従して変化して、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが目標値Ｐ１Ａに近づく。換言すれば、主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが理想平均値に近づくので、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能を最も引き出すことができる。
【００６９】
図５は、連通部２２近傍の拡大断面図である。なお、図５では、図示の都合上、可変絞り機構２５の図示を省略している。主容器内圧力Ｐ１が補助容器内圧力Ｐ２よりも大きい場合には、図５中の矢印に示すように、主容器１１内の作動媒体１５の液相部分が補助容器２１内に流入することとなる。
【００７０】
このときの連通部２２における作動媒体１５の液相部分の体積流量Ｑは、Ｑ＝Ｃｖ×（Ｐ１−Ｐ２）で表すことができる。ここで、Ｃｖは連通部２２の流量係数であり、連通部２２の形状（流路長や流路径等）から定まる値である。
【００７１】
したがって、連通部２２の流量係数Ｃｖが大きいほど、主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積流量Ｑが大きくなるのであるが、本実施形態では、連通部２２に電気式の可変絞り機構２５が配置されているので、可変絞り機構２５の絞り開度を調整することによって、連通部２２の流量係数Ｃｖを任意に設定することができる。
【００７２】
一方、図６は、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐおよび補助容器内圧力Ｐ２を一定にした場合における連通部２２の流量係数Ｃｖと液体ピストン蒸気エンジン１０の効率との関係を示すグラフである。なお、連通部２２の流量係数Ｃｖと液体ピストン蒸気エンジン１０の出力との関係は、図６と同様であるので、図示を省略する。
【００７３】
図６の点Ａは、連通部２２の流量係数Ｃｖが適切に設定されている状態であり、このとき、ＰＶ線図は上述の図３（ａ）のようになり、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が最も高くなる。
【００７４】
一方、図６の点Ｂは、連通部２２の流量係数Ｃｖが大きすぎる状態であり、このとき、ＰＶ線図は図３（ｂ）のようになり、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下する。これは、以下の理由による。
【００７５】
上述の図２からわかるように、第２行程の前半では主容器内圧力Ｐ１が補助容器内圧力Ｐ２よりも小さく、第２行程の後半では主容器内圧力Ｐ１が補助容器内圧力Ｐ２よりも大きくなる。
【００７６】
そのため、第２行程の前半では補助容器２１内の液体２３が主容器１１内に流入し、逆に、第２行程の後半では、主容器１１内の作動媒体１５の液相部分が補助容器２１内に流入することとなる。
【００７７】
ここで、第２行程を１回行う間において、主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積が、補助容器２１から主容器１１内に流入する液体２３の体積よりも大きい場合には、主容器１１内で自励振動する液体ピストンの体積が減少することとなる。
【００７８】
したがって、図６の点Ｂで示される連通部２２の流量係数Ｃｖが大きすぎる状態では、液体ピストン体積の減少量が多くなり、第２行程の終了時、つまり、ピストン容積が最も減少したときに作動媒体１５の液相部分が蒸発部１１ｄ内に到達しにくくなってしまう。
【００７９】
その結果、蒸発部１１ｄでの作動媒体１５の蒸発が不十分になり、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐが低下してしまうので、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能が低下してしまう。
【００８０】
以上のことから、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能低下を防止するために、連通部２２の流量係数Ｃｖを所定値以下に設定して、第２行程の終了時に作動媒体１５の液相部分が蒸発部１１ｄ内に確実に到達するようにする必要がある。
【００８１】
具体的には、連通部２２の流量係数Ｃｖを下記の数式１を満たすように設定すれば、第２行程の終了時に蒸発部１１ｄ内に作動媒体１５の液相部分を確実に到達させることができる。
【００８２】
【数１】
2009156192.tif 000003
但し、
Ｖｈ：蒸発部１１ｄの容積
Ｐ１：主容器内圧力
Ｐ２：補助容器内圧力
ｔ１：第２行程の開始時刻
ｔ２：第２行程の終了時刻
なお、上記の数式１において、右辺中の分母は、図２中に示したハッチング領域Ｓ２の面積とハッチング領域Ｓ１の面積との差（面積Ｓ２−面積Ｓ１）に相当する。
【００８３】
すなわち、連通部２２の流量係数Ｃｖが上記の数式１を満たせば、第２行程を１回行う間における液体ピストン体積の減少量を蒸発部１１ｄの容積Ｖｈよりも小さく抑えることができるので、蒸発部１１ｄ内に作動媒体１５の液相部分が到達しなくなることを回避でき、ひいては、液体ピストン蒸気エンジン１０の性能低下を防止できることになる。
【００８４】
しかしながら、主容器内圧力Ｐ１の圧力波形および補助容器内圧力Ｐ２は、蒸発部温度Ｔ１の変動に伴って変動するので、上記の数式１の右辺中の分母の値も変動し、ひいては、上記の数式１で求められる連通部２２の流量係数Ｃｖの上限値も変動することとなる。
【００８５】
そこで、本実施形態では、上記の数式１に基づいて連通部２２の流量係数Ｃｖの上限値を求め、求められた流量係数Ｃｖの上限値に合わせて制御手段２１が可変絞り機構２５の絞り開度を制御するようになっている。これにより、蒸発部温度Ｔ１が変動しても、連通部２２の流量係数Ｃｖが常に上記の数式１を満たすようにすることができる。
【００８６】
なお、このように連通部２２の流量係数Ｃｖを調整しても、第２行程を１回行うと液体ピストン体積がいくらか減少することとなるが、作動媒体１５の自励振動が維持されていれば、その後に液体ピストン体積が増加して、液体ピストン体積が所定量に復帰することとなる。
【００８７】
すなわち、第２行程において液体ピストン体積がいくらか減少すると、蒸発部１１ｄにて蒸発する作動媒体１５が減少して主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａが低下することとなる。そのため、補助容器内圧力Ｐ２も主容器内圧力Ｐ１の平均値Ｐ１ａに追従して低下し、補助容器内圧力Ｐ２が目標値Ｐ１Ａよりも低くなる。
【００８８】
すると、上述のように、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内圧力Ｐ２を上昇させるので、主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積よりも補助容器２１から主容器１１内に流入する液体２３の体積の方が大きくなる。その結果、液体ピストン体積が増加するので、液体ピストン体積が所定量に復帰することとなる。
【００８９】
ところで、図２からわかるように、主容器内圧力Ｐ１の圧力波形は正弦曲線（Ｓｉｎ曲線）に近似している。そこで、本例では、上記の数式１において、Ｐ１（ｔ）を正弦曲線（Ｓｉｎ曲線）で近似して、流量係数Ｃｖの上限値を求めている。
【００９０】
より具体的には、主容器内圧力Ｐ１のピーク値Ｐ１ｐを最大値とし、大気圧（０．１ＭＰａ）を最小値とする正弦曲線で近似している。このため、主容器内圧力Ｐ１を圧力センサでサンプリングする必要がないので、構成を簡素化できる。
【００９１】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、導入空間１９ｂ内に主容器１１内の作動媒体１５を導入しているが、本第２実施形態では、図７に示すように、補助容器２１内の液体２３を導入空間１９ｂ内に導入している。
【００９２】
より具体的には、上記第１実施形態に対して、連通穴１９ｃを廃止し、補助容器２１内と導入空間１９ｂとを連通する配管３０を配置している。
【００９３】
これにより、導入空間１９ｂの圧力が補助容器内圧力Ｐ２と同じになり、摺動面１９ａの外周側に補助容器内圧力Ｐ２がかかることとなるので、摺動面１９ａの内周側と外周側との差圧を小さくできる。
【００９４】
このため、上記第１実施形態と同様に、主容器１１側から発電機１２側への作動媒体１５の漏出に起因する液体ピストン蒸気エンジンの作動（作動媒体の液相部分の自励振動）の停止を防止することができる。
【００９５】
上述のように、主容器内圧力Ｐ１はピーク値Ｐ１ｐとボトム値Ｐ１ｂとの間で周期的に変動（脈動）する。しかるに、導入空間１９ｂ内の圧力が主容器内圧力Ｐ１と同じになる上記第１実施形態では、導入空間１９ｂ内の圧力も主容器内圧力Ｐ１と同じように脈動することから、シリンダ部１９がこの圧力脈動によって破損しないように、シリンダ部１９の耐久性を十分に確保する必要がある。
【００９６】
これに対し、導入空間１９ｂの圧力が補助容器内圧力Ｐ２と同じになる本実施形態では、導入空間１９ｂ内の圧力が脈動することなくがほぼ一定となるので、上記第１実施形態に比べてシリンダ部１９に要求される耐久性を低く抑えることができ、コスト上有利である。
【００９７】
（第３実施形態）
上記各実施形態では、主容器１１側から発電機１２側への作動媒体１５の漏出を防止することで、主容器１１側から発電機１２側への作動媒体１５の漏出に起因する液体ピストン蒸気エンジンの作動停止を防止しているが、本第３実施形態では、図８に示すように、発電機１２が主容器内圧力調整機構の一部を構成することで、主容器１１側から発電機１２側への作動媒体１５の漏出に起因する液体ピストン蒸気エンジンの作動停止を防止している。
【００９８】
より具体的には、シリンダ部１９の導入空間１９ｂを廃止し、その代わりに、連通部２２によって補助容器２１内とケーシング１３内とを連通させ、補助容器２１内の液体２３をケーシング１３内に導入している。また、可変絞り機構２５を廃止し、その代わりに、ピストン１８とシリンダ部１９とが固定絞りとして機能するようにしている。
【００９９】
より具体的には、ピストン１８とシリンダ部１９とのはめ合いを緩くすることで、作動媒体１５および液体２３がピストン１８とシリンダ部１９（摺動面１９ａ）との間の隙間を通じて主容器１１−ケーシング１３間をある程度出入りするようにしている。
【０１００】
このように、本実施形態では、作動媒体１５および液体２３がピストン１８とシリンダ部１９との間をある程度流通することを前提とした構成になっているので、主容器１１側から発電機１２側への作動媒体１５の漏出を抑制する必要がなくなり、ひいては主容器１１側から発電機１２側への作動媒体１５の漏出に起因する液体ピストン蒸気エンジンの作動停止を防止することができる。
【０１０１】
なお、図８では、図示の都合上、ピストン１８とシリンダ部１９とが完全に離れているが、実際には、ピストン１８とシリンダ部１９との間の隙間は微小であり、ピストン１８とシリンダ部１９とが接触している。
【０１０２】
ところで、本実施形態では、上述のようにピストン１８と摺動面１９ａとが固定絞りとして機能するようにしていることから、本実施形態は、上記第１実施形態に対して、可変絞り機構２５を固定絞りに変更して、連通部２２の流量係数Ｃｖを一定にしたものに相当する。
【０１０３】
そこで、次に、本実施形態における流量係数Ｃｖの設定について説明する。図９は、図２と同様に、第１、第２行程におけるピストン容積の変化と、主容器内圧力Ｐ１および補助容器内圧力Ｐ２の圧力波形との関係を示すグラフであるが、図９中、実線Ｐ１ｍａｘは、蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときにおける主容器内圧力Ｐ１の圧力波形を示し、２点鎖線Ｐ１ｍｉｎは、蒸発部温度Ｔ１が最低温度になっているときにおける主容器内圧力Ｐ１の圧力波形を示している。
【０１０４】
ここで、「蒸発部温度Ｔ１の最高温度」とは、通常の使用条件において想定される蒸発部温度Ｔ１の最高温度のことを意味し、「蒸発部温度Ｔ１の最低温度」とは、通常の使用条件において想定される蒸発部温度Ｔ１の最低温度のことを意味するものである。
【０１０５】
なお、図示を省略しているが、蒸発部温度Ｔ１が最高温度と最低温度の中間温度になっている場合には、主容器内圧力Ｐ１の圧力波形は、実線Ｐ１ｍａｘと２点鎖線Ｐ１ｍｉｎの中間になる。また、図９中、１点鎖線Ｐ２ｍａｘは、蒸発部温度Ｔ１が最低温度になっているときにおける補助容器内圧力Ｐ２を示している。
【０１０６】
図９からわかるように、連通部２２の流量係数Ｃｖが一定であるとすると、主容器１１から補助容器２１内に流入する作動媒体１５の液相部分の体積は、蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときに最も大きくなる。このため、第２行程を１回行う間における液体ピストン体積の減少量も、蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときに最も大きくなる。
【０１０７】
そこで、本実施形態では、流量係数Ｃｖが下記の数式２を満たすように、ピストン１８とシリンダ部１９とのはめ合いを設定している。
【０１０８】
【数２】
2009156192.tif 000004
但し、
Ｖｈ：蒸発部１１ｄの容積
Ｐ１ｍａｘ：蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときの主容器内圧力
Ｐ２ｍａｘ：蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときの補助容器内圧力
ｔ１：第２行程の開始時刻
ｔ２：第２行程の終了時刻
すなわち、流量係数Ｃｖが上記の数式２を満たせば、蒸発部温度Ｔ１が最高温度になっているときであっても、第２行程を１回行う間における液体ピストン体積の減少量を蒸発部１１ｄの容積Ｖｈよりも小さく抑えることができる。
【０１０９】
このため、蒸発部温度Ｔ１が変動しても、常に、蒸発部１１ｄ内に作動媒体１５の液相部分が到達しなくなることを回避でき、ひいては作動媒体１５の自励振動が停止してしまうことを回避できる。
【０１１０】
なお、流量係数Ｃｖが上記の数式２を近似的に満たすように、ピストン１８とシリンダ部１９とのはめ合いを設定してもよい。例えば、補助容器内圧力Ｐ２ｍａｘは、主容器内圧力Ｐ１ｍａｘの平均値とほぼ等しいので、上記の数式２において、Ｐ２ｍａｘ（ｔ）を主容器内圧力Ｐ１ｍａｘの平均値で近似してもよい。
【０１１１】
（他の実施形態）
なお、上記第１、第２実施形態では、液体ピストン蒸気エンジンの性能を向上するために、補助容器２１等からなる主容器内圧力調整機構を設けているが、主容器内圧力調整機構を必ずしも設ける必要はない。
【０１１２】
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のうち蒸発部１１ｄ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、いわゆる複気筒型の液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用可能である。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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】
【０１１５】
【図１】本発明の第１実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの概略構成を表す断面図である。
【図２】第１、第２行程におけるピストン容積の変化と、主容器内圧力および補助容器内圧力の圧力波形との関係を示すグラフである。
【図３】主容器内圧力のピーク値と液体ピストン蒸気エンジンの性能との関係を説明するＰＶ線図である。
【図４】第１実施形態における主容器内圧力の制御の概要を示すブロック線図である。
【図５】第１実施形態における連通部の流量係数を説明する断面図である。
【図６】連通部の流量係数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。
【図７】本発明の第２実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの概略構成を表す断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの概略構成を表す断面図である。
【図９】蒸発部温度と主容器内圧力の圧力波形との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１６】
１１    主容器
１１ｄ  蒸発部
１１ｅ  凝縮部
１２    出力部
１５    作動媒体
１８    ピストン
１９    シリンダ部
１９ａ  摺動面
１９ｂ  導入空間
【図１】
2009156192.tif 000005
【図２】
2009156192.tif 000006
【図３】
2009156192.tif 000007
【図４】
2009156192.tif 000008
【図５】
2009156192.tif 000009
【図６】
2009156192.tif 000010
【図７】
2009156192.tif 000011
【図８】
2009156192.tif 000012
【図９】
2009156192.tif 000013