JP2014015887A - 熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】損失を低減し、且つ熱機関の構成を簡素にする。
【解決手段】外部蒸発器で発生した蒸気を膨張部１２１に導く蒸気流路３１１、３１２、Ｃ中に配置された弁体３２が、外部蒸発器で発生した蒸気の圧力および膨張部１２１の圧力により駆動されて、蒸気流路の圧力損失を調整する。これによると、従来装置におけるバルブでの摺動損失や、作動媒体の外部漏洩による損失を低減することができ、また、従来装置のようにバルブを駆動するための動力伝達経路が不要になるため、動力伝達損失を低減することができるとともに、熱機関の構成を簡素にすることができる。
【選択図】図３

Description

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。

従来のこの種の熱機関が特許文献１に記載されている。特許文献１の従来技術では、作動媒体を加熱することによって蒸気を発生させる外部蒸発器を、液体ピストンが封入された容器とは別に設け、外部蒸発器からの蒸気を所定のタイミングで容器の一端部に供給し、容器の中間部に形成された冷却部で蒸気を冷却・凝縮することにより、液体ピストンを往復変位させるようになっている。

また、所定のタイミングで容器の一端部に蒸気を供給し、所定のタイミングで容器の一端部の蒸気を排出するために、外部蒸発器と容器との間にバルブが設けられ、そのバルブはベルト等を介して出力部から動力が伝達されて駆動される。

特開２０１１−２０８６３３号公報

しかしながら、上記の従来技術では、バルブでの摺動損失、作動媒体がシール部から外部に漏れることによる損失、さらにはバルブを駆動するための動力損失が発生するという問題があった。また、出力部からバルブへベルト等を介して動力を伝達するため、構成が複雑である。

本発明は上記点に鑑みて、損失を低減し、且つ熱機関の構成を簡素にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、液相状態の作動媒体からなる液体ピストン（１５）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、容器の外部に設けられ、作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器（２０）と、容器の一端側部位に設けられ、外部蒸発器から供給される蒸気を膨張させる膨張部（１２１）と、容器の他端側部位に設けられ、膨張部での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（１４）と、外部蒸発器で発生した蒸気を膨張部に導く蒸気流路（３１１、３１２、３４１、３４２、３４４、３４５、Ｃ）中に配置された弁体（３２、３５、４１、４３、４４）が、外部蒸発器で発生した蒸気の圧力および膨張部の圧力により駆動されて、蒸気流路の圧力損失を調整する調整機構（３０）とを備えることを特徴とする。

これによると、蒸気流路中に弁体を配置し、外部蒸発器で発生した蒸気の圧力および膨張部の圧力により弁体を駆動して圧力損失を調整するため、従来装置におけるバルブでの摺動損失や、作動媒体の外部漏洩による損失を低減することができる。

また、従来装置のようにバルブを駆動するための動力伝達経路が不要になるため、動力伝達損失を低減することができるとともに、熱機関の構成を簡素にすることができる。

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。

本発明の第１実施形態に係る熱機関を模式的に示す全体構成図である。 図１の調整機構を示す図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図１の調整機構の他の作動状態を示す図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 第１実施形態の作動説明に供するタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る熱機関における調整機構を示す図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。 図７の調整機構の他の作動状態を示す図である。 図９のＸ−Ｘ断面図である。 第２実施形態の作動説明に供するタイムチャートである。 本発明の第３実施形態に係る熱機関における調整機構を示す図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。 図１２の調整機構の他の作動状態を示す図である。 図１４のＸＶ−ＸＶ断面図である。 第３実施形態の作動説明に供するタイムチャートである。 本発明の第４実施形態に係る熱機関における調整機構を示す図である。 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ断面図である。 図１７の調整機構の他の作動状態を示す図である。 図１９のＸＸ−ＸＸ断面図である。 第４実施形態の作動説明に供するタイムチャートである。 本発明の第５実施形態に係る熱機関における調整機構を示す図である。 図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ断面図である。 図２２の調整機構の他の作動状態を示す図である。 図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ断面図である。 本発明の第６実施形態に係る熱機関における調整機構を示す図である。 図２６のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ断面図である。 図２６の調整機構の他の作動状態を示す図である。 図２８のＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ断面図である。 第６実施形態の作動説明に供するタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。なお、図１中の上矢印は鉛直方向の上方、下矢印は鉛直方向の下方を示している。

図１において、熱機関１０は、液体ピストン式蒸気エンジンとも呼ばれるものであり、駆動対象機器１を駆動する駆動源として用いられる。

熱機関１０は、作動媒体（具体的には水）が液相状態で流動可能に封入された容器１１と、作動媒体の蒸気（具体的には水蒸気）を容器１１内に供給する外部蒸発器２０とを備えている。

外部蒸発器２０は、作動媒体である水を加熱して蒸気を発生させる。本例では、外部蒸発器２０の熱源として排気ガス等の高温ガスを用いている。具体的には、外部蒸発器２０が高温ガスの流れ中に配置され、外部蒸発器２０が高温ガスで加熱されることによって外部蒸発器２０内部の水が加熱されて蒸発する。

容器１１は、水が往復変位する管状の液体ピストン変位部１２と、液体ピストン変位部１２の一端側に設けられる調整機構３０と、液体ピストン変位部１２の他端側に設けられる出力部１４とに大別される。以下では、液体ピストン変位部１２で変位する水を液体ピストン１５という。

調整機構３０は、外部蒸発器２０と液体ピストン変位部１２との間に配置されており、外部蒸発器２０からの蒸気は調整機構３０内を通って液体ピストン変位部１２に供給されるようになっている。なお、調整機構３０の詳細な構成については後述する。

液体ピストン変位部１２の一端部は、外部蒸発器２０から供給された蒸気が膨張する膨張部１２１を構成している。膨張部１２１も外部蒸発器２０と同様に高温ガスで加熱するようにすれば、膨張部１２１での蒸気の凝縮を抑制することができる。

液体ピストン変位部１２の中間部は、膨張部１２１で膨張した蒸気を冷却して凝縮させる冷却部１２２を構成している。図１の例では、液体ピストン変位部１２のうち膨張部１２１および冷却部１２２の形成部位が複数本に分岐されている。

冷却部１２２は冷却器１６内に挿入されている。冷却器１６には、冷却水（冷却用流体）の入口１６１および出口１６２が形成されており、冷却水が循環するようになっている。

膨張部１２１で膨張した蒸気は冷却部１２２にて冷却水と熱交換することによって冷却されて凝縮する。冷却水の循環回路中には、冷却水が蒸気から奪った熱を放熱する放熱器（図示せず）が配置されている。

なお、図１の例では、液体ピストン変位部１２の膨張部１２１に、液体ピストン１５の液面の乱れを抑制する液面乱れ抑制手段１２３が設けられている。液面乱れ抑制手段１２３は、液体ピストン１５（すなわち水）の流れを整流することによって液体ピストン１５の液面の乱れを抑制し、ひいては液体ピストン１５に蒸気が巻き込れて蒸気が凝縮するのを抑制する。

出力部１４は、液体ピストン変位部１２内の液体ピストン１５の変位を機械的エネルギに変換して出力する。本例では、出力部１４は、いわゆる斜板式の膨張機で構成されており、液体ピストン１５から圧力を受けて変位する固体ピストン１４１と、固体ピストン１４１を摺動可能に支持するシリンダ１４２と、固体ピストン１４１によって押圧される斜板１４３と、斜板１４３に連結された出力軸１４４とを有している。

出力軸１４４には、フライホイール等の慣性力発生部材（図示せず）が連結されている。シリンダ１４２内にはダイアフラム１４５が配置されている。シリンダ１４２内においてダイアフラム１４５よりも固体ピストン１４１側には固体ピストン１４１を潤滑する油１４６が封入されている。すなわち、ダイアフラム１４５は、シリンダ１４２内において液と油１４６とを分離する油水分離膜としての役割を果たす。

液体ピストン変位部１２内の液体ピストン１５が出力部１４に向かって変位するとダイアフラム１４５を介して油１４６が押し出され、さらに固体ピストン１４１も押し出されて図１の上方に向かって変位する。

図１の上方に向かって変位した固体ピストン１４１が斜板１４３を押圧することによって、斜板１４３に連結された出力軸１４４が回転する。出力軸１４４は駆動対象機器である発電機１に連結されており、出力軸１４４の回転により発電機１が駆動される。

出力軸１４４が回転すると、慣性力発生部材の慣性力によって固体ピストン１４１が図１の下方に向かって押し戻される。

液体ピストン排出手段１８は、容器１１から液体ピストン１５の一部を排出することによって、容器１１内の液体ピストン１５の量を所定量に維持する。具体的には、液体ピストン排出手段１８は、容器１１のうち冷却部１２２と出力部１４との間の部位に接続された排出管１８１と、排出管１８１を開閉するリリーフ弁１８２とで構成されている。リリーフ弁１８２は、容器１１の内部圧力が所定圧力以上になると開弁する。

なお、本例では、作動媒体として水を用いていることから、容器１１を基本的にステンレス製としているが、容器１１のうち膨張部１２１および冷却部１２２を熱伝導率に優れた銅またはアルミニウムで形成してもよい。

図２〜図５に示すように、調整機構３０は、ハウジング３１と円柱状の弁体３２とを備えている。ハウジング３１には、外部蒸発器２０に接続されて外部蒸発器２０からの蒸気が流入する入口通路３１１、および、一端側が入口通路３１１に連通するとともに他端側が膨張部１２１に接続された円柱状空間のガイド孔３１２が形成されている。

ガイド孔３１２に弁体３２が摺動自在に挿入され、弁体３２とガイド孔３１２との隙間（以下、隙間Ｃという）を蒸気が通過するようになっている。なお、入口通路３１１、ガイド孔３１２、および隙間Ｃは、本発明の蒸気流路を構成している。

弁体３２の一端側には、入口通路３１１の圧力、すなわち外部蒸発器２０で発生した蒸気の圧力（以下、蒸発器側圧力Ｐ１という）が作用し、弁体３２の他端側には、膨張部１２１の圧力（以下、膨張部圧力Ｐ２という）が作用する。そして、蒸発器側圧力Ｐ１と膨張部圧力Ｐ２により弁体３２が駆動されて、ガイド孔３１２の軸線方向に沿って弁体３２が移動する。この弁体３２の移動により隙間Ｃの長さ（以下、隙間長さＬという）が変化して、蒸気流路の圧力損失（より詳細には、隙間Ｃの圧力損失）が調整されるようになっている。なお、蒸発器側圧力Ｐ１は、略一定である。

次に、上記構成における作動を図６のタイムチャートに基づいて説明する。

図６において、容積Ｖは膨張部１２１内の蒸気の容積である。図６に示す上死点とは、液体ピストン１５が最も膨張部１２１側にきた状態のことを意味している。図６に示す下死点とは、液体ピストン１５が最も出力部１４側にきた状態のことを意味している。

膨張部１２１で膨張した蒸気が冷却部１２２に進入して液体ピストン１５の液面が冷却部１２２まで下がると冷却部１２２にて蒸気が冷却されて凝縮する。これにより、液体ピストン１５を出力部１４側へ押し出す力が消滅するので、固体ピストン１４１は慣性力発生部材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１５の変位方向を以下、圧縮方向という。また、液体ピストン１５が圧縮方向に変位する行程を以下、圧縮行程という。

この圧縮行程の初期には、Ｐ２＜Ｐ１であるため、隙間長さＬが長くなっていて（図３参照）蒸気流路の圧力損失が大きくなっており、外部蒸発器２０から膨張部１２１に向かって蒸気が流れにくくなっている。

そして、圧縮行程では、液体ピストン１５の変位に伴う容積Ｖの減少により膨張部圧力Ｐ２が次第に上昇し、上死点の前でＰ２＞Ｐ１になって弁体３２が反膨張部側に向かって移動する。この弁体３２の移動により、隙間長さＬが短くなって（図５参照）蒸気流路の圧力損失が小さくなり、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が供給される。

液体ピストン１５が上死点に到達した直後からは、膨張部１２１内の高温・高圧の蒸気が膨張して液体ピストン１５が出力部１４側に押し出される。このときの液体ピストン１５の変位方向を以下、膨張方向という。また、液体ピストン１５が膨張方向に変位する行程を以下、膨張行程という。

膨張行程では、液体ピストン１５が膨張方向に変位することによって出力部１４の出力軸１４４が回転して機械的エネルギが出力される。

また、膨張行程では、容積Ｖの増加により膨張部圧力Ｐ２が次第に低下し、Ｐ２＜Ｐ１になると弁体３２が膨張部１２１側に向かって移動する。この弁体３２の移動により、隙間長さＬが長くなって蒸気流路の圧力損失が大きくなり、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が流れにくくなる。

そして、前述したように、膨張部１２１で膨張した蒸気が冷却されて凝縮し、液体ピストン１５を出力部１４側へ押し出す力が消滅すると、固体ピストン１４１は慣性力発生部材の慣性力によって上死点側へ戻る。

このような動作が繰り返し行われることで液体ピストン変位部１２内の液体ピストン１５が周期的に変位（いわゆる自励振動）して、出力部１４の出力部１４を連続的に回転させることになる。

上述のように本実施形態では、外部蒸発器２０で発生した蒸気を膨張部１２１に導く蒸気流路中に弁体３２を配置し、蒸発器側圧力Ｐ１と膨張部圧力Ｐ２によりその弁体３２を駆動して蒸気流路の圧力損失を調整するため、従来装置におけるバルブでの摺動損失や、作動媒体の外部漏洩による損失を低減することができる。

また、従来装置のようにバルブを駆動するための動力伝達経路が不要になるため、動力伝達損失を低減することができるとともに、熱機関の構成を簡素にすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態は、調整機構３０の構成が第１実施形態と異なっている。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図７〜図１０に示すように、ハウジング３４には、外部蒸発器２０に接続されて外部蒸発器２０からの蒸気が流入する入口通路３４１、および、一端側が入口通路３４１に連通するとともに他端側が膨張部１２１に接続された円柱状空間の出口通路３４２が形成されている。なお、入口通路３４１および出口通路３４２は、本発明の蒸気流路を構成している。また、ハウジング３４には、出口通路３４２における入口通路３４１側の開口部周囲に、円板状の弁体３５が接離するシート面３４３が形成されている。

弁体３５は、シート面３４３に接離して、入口通路３４１と出口通路３４２との間を開閉する（すなわち、蒸気流路の圧力損失を調整する）ようになっている。具体的には、弁体３５は、蒸発器側圧力Ｐ１により閉弁向きに付勢され、膨張部圧力Ｐ２により開弁向きに付勢されている。

また、弁体３５は、バネ３６により閉弁向きに付勢されている。このバネ３６により、弁体３５の開弁圧が所定の値に設定されている。具体的には、差圧（Ｐ２−Ｐ１）が所定値以上になると、弁体３５がシート面３４３から離れて開弁する。

次に、上記構成における作動を図１１のタイムチャートに基づいて説明する。図１１において、開口面積Ｓは、弁体３５とシート面３４３との間の流路の面積である。

圧縮行程の初期には、Ｐ２＜Ｐ１であるため、弁体３５がシート面３４３に当接して閉弁状態になっており（図８参照）、換言すると、開口面積Ｓが小さくなって蒸気流路の圧力損失が大きくなっており、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が流れない。

そして、圧縮行程において膨張部圧力Ｐ２が上昇して、Ｐ２＞Ｐ１で且つ差圧（Ｐ２−Ｐ１）が所定値以上になると、弁体３５がシート面３４３から離れて開弁し（図１０参照）、換言すると、開口面積Ｓが大きくなって蒸気流路の圧力損失が小さくなり、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が供給される。

膨張行程では、膨張部１２１内の高温・高圧の蒸気が膨張して液体ピストン１５が出力部１４側に押し出され、出力部１４の出力軸１４４が回転して機械的エネルギが出力される。また、膨張行程では、容積Ｖの増加により膨張部圧力Ｐ２が次第に低下し、差圧（Ｐ２−Ｐ１）が所定値未満になると、弁体３５がシート面３４３に当接して閉弁し、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が流れなくなる。

そして、膨張部１２１で膨張した蒸気が冷却されて凝縮し、液体ピストン１５を出力部１４側へ押し出す力が消滅すると、固体ピストン１４１は慣性力発生部材の慣性力によって上死点側へ戻る。

本実施形態によると、第１実施形態と同様に、従来装置におけるバルブでの摺動損失や、作動媒体の外部漏洩による損失を低減することができる。また、動力伝達損失を低減することができるとともに、熱機関の構成を簡素にすることができる。さらに、バネ３６により弁体３５の開弁圧を任意に調整することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態は、調整機構３０の構成が第１実施形態と異なっている。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図１２〜図１５に示すように、ハウジング３１には、開口端が入口通路３１１に連通するとともに弁体３２が侵入可能な圧力室３１３が形成されている。この圧力室３１３は、ガイド孔３１２と同軸に配置されている。

次に、上記構成における作動を図１６のタイムチャートに基づいて説明する。

圧縮行程において、上死点の前でＰ２＞Ｐ１になって弁体３２が圧力室３１３側（すなわち、反膨張部側）に向かって移動する。この弁体３２の移動により、隙間長さＬが短くなって蒸気流路の圧力損失が小さくなり、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が供給される。また、図１５に示すように、弁体３２が圧力室３１３に侵入し、圧力室３１３の圧力Ｐ３が上昇する。

膨張行程では、容積Ｖの増加により膨張部圧力Ｐ２が次第に低下し、Ｐ２＞Ｐ３になると弁体３２が膨張部１２１側に向かって移動する。この弁体３２の移動により、図１３に示すように、隙間長さＬが長くなって蒸気流路の圧力損失が大きくなり、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が流れにくくなる。

ここで、弁体３２が圧力室３１３に侵入している際はＰ３＞Ｐ１であるため、膨張行程において弁体３２が膨張部１２１側に向かって移動を開始するタイミングが、第１実施形態よりも早くなる。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。なお、本実施形態は、調整機構３０の構成が第１実施形態と異なっている。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図１７〜図２０に示すように、弁体３２における反膨張部側の端部に、第１磁石３８が装着されている。ハウジング３１の外部には、弁体３２の軸線上に第２磁石３９が固定されている。

第１磁石３８と第２磁石３９は、同極が対向するように配置されて、反発力を発生するようになっている。より詳細には、第１磁石３８と第２磁石３９は、電磁石であり、磁束の量を調整して反発力を制御するようになっている。なお、第１磁石３８と第２磁石３９は、本発明の負荷手段を構成している。

上記構成の調整機構３０においては、蒸発器側圧力Ｐ１と膨張部圧力Ｐ２と反発力とにより弁体３２が駆動されるため、第１磁石３８と第２磁石３９の反発力を制御することにより、弁体３２の位置を調整することができる。そして、この弁体３２の位置の調整により、図２１に示すように、隙間長さＬを可変制御し、ひいては膨張部圧力Ｐ２の特性を可変制御することができる。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、膨張部圧力Ｐ２の特性を可変制御することができる。。

なお、第１磁石３８と第２磁石３９は、吸引力を発生するようにしてもよい。そして、第１磁石３８と第２磁石３９の吸引力を制御することにより、弁体３２の位置を調整して、隙間長さＬや膨張部圧力Ｐ２の特性を可変制御することができる。

また、第１磁石３８と第２磁石３９は電磁石を用いたが、第１磁石３８と第２磁石３９は永久磁石を用いてもよい。その場合、第２磁石３９の位置を制御することにより、第１磁石３８と第２磁石３９の反発力または吸引力を制御することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。なお、本実施形態は、調整機構３０の構成が第１実施形態と異なっている。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図２２〜図２５に示すように、ハウジング３４には、外部蒸発器２０に接続されて外部蒸発器２０からの蒸気が流入する入口通路３４１、および一端側が膨張部１２１に接続された円柱状空間の出口通路３４２が形成されている。

また、ハウジング３４は、円筒状のハウジング筒部３４３を備えている。このハウジング筒部３４３の内部は、出口通路３４２の一部を構成している。ハウジング筒部３４３には、ハウジング筒部３４３を貫通するハウジング連絡通路３４４が形成されている。

ハウジング連絡通路３４４は、出口通路３４２の径方向に延びるとともに、出口通路３４２の軸線を挟んで対向する位置に２つ設けられている。なお、膨張部１２１と出口通路３４２は同軸に配置されている。また、入口通路３４１、出口通路３４２、およびハウジング連絡通路３４４は、本発明の蒸気流路を構成している。

調整機構３０は、ハウジング連絡通路３４４を開閉する弁体４１を備えている。この弁体４１は、有底円筒状であり、ハウジング筒部３４３の外周側に摺動自在に装着されている。弁体４１の弁体筒部４１１には、入口通路３４１と常時連通し、ハウジング連絡通路３４４と連通可能な弁体連通孔４１２が２つ設けられている。なお、ハウジング連絡通路３４４と弁体連通孔４１２とが連通している面積を、開口面積Ｓという。

次に、本実施形態の作動を説明する。

圧縮行程の初期には、Ｐ２＜Ｐ１であるため、ハウジング連絡通路３４４と弁体連通孔４１２は連通しておらず（図２３参照）、換言すると、開口面積Ｓが小さくなって蒸気流路の圧力損失が大きくなっており、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が流れない。

そして、圧縮行程において膨張部圧力Ｐ２が上昇して、Ｐ２＞Ｐ１になると、弁体４１が移動してハウジング連絡通路３４４と弁体連通孔４１２が連通し（図２５参照）、換言すると、開口面積Ｓが大きくなって蒸気流路の圧力損失が小さくなり、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が供給される。

このときの蒸気は、ハウジング連絡通路３４４から出口通路３４２に流入する際には出口通路３４２および膨張部１２１の軸線に対して直交する方向に流れ、出口通路３４２内で出口通路３４２および膨張部１２１の軸線方向に流れの向きが変えられて、膨張部１２１に流入する。

このように、蒸気の流れの向きを変えることにより、液体ピストン１５の頂面に向かう蒸気の流速分布が均一化され、液体ピストン１５に蒸気が巻き込れて蒸気が凝縮するのを抑制することができる。

膨張行程では、膨張部１２１内の高温・高圧の蒸気が膨張して液体ピストン１５が出力部１４側に押し出され、出力部１４の出力軸１４４が回転して機械的エネルギが出力される。また、膨張行程では、容積Ｖの増加により膨張部圧力Ｐ２が次第に低下し、Ｐ２＜Ｐ１になると、弁体４１が移動してハウジング連絡通路３４４と弁体連通孔４１２が連通しない状態になり（図２３参照）、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が流れなくなる。

そして、膨張部１２１で膨張した蒸気が冷却されて凝縮し、液体ピストン１５を出力部１４側へ押し出す力が消滅すると、固体ピストン１４１は慣性力発生部材の慣性力によって上死点側へ戻る。

なお、本実施形態においては、開口面積Ｓや膨張部圧力Ｐ２は、第２実施形態と同様に変化する。

本実施形態によると、第１実施形態と同様に、従来装置におけるバルブでの摺動損失や、作動媒体の外部漏洩による損失を低減することができる。また、動力伝達損失を低減することができるとともに、熱機関の構成を簡素にすることができる。

さらに、液体ピストン１５の頂面に向かう蒸気の流速分布が均一化され、液体ピストン１５に蒸気が巻き込れて蒸気が凝縮するのを抑制することができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。なお、本実施形態は、調整機構３０の構成が第１実施形態と異なっている。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図２６〜図２９に示すように、ハウジング３４には、外部蒸発器２０に接続されて外部蒸発器２０からの蒸気が流入する入口通路３４１、および一端側が膨張部１２１に接続された円柱状空間の出口通路３４２、および入口通路３４１と出口通路３４２とを連通させるハウジング連絡通路３４５が形成されている。また、ハウジング３４には、出口通路３４２における入口通路３４１側の開口部周囲に、後述する第２弁体４４が接離するシート面３４３が形成されている。

ハウジング連絡通路３４５は、略直角に曲がっており、ハウジング連絡通路３４５における入口通路３４１に接続される側（すなわち、シート面３４３に開口する側）は、出口通路３４２の軸線と平行に延びており、ハウジング連絡通路３４５における出口通路３４２に接続される側は出口通路３４２の径方向に延びている。なお、膨張部１２１と出口通路３４２は同軸に配置されている。また、入口通路３４１、出口通路３４２、およびハウジング連絡通路３４５は、本発明の蒸気流路を構成している。

調整機構３０は、ハウジング連絡通路３４５を開閉する第１弁体４３および第２弁体４４を備えている。

第１弁体４３は、円柱状の小径円柱部４３１と、小径円柱部４３１よりも大径で円柱状の大径円柱部４３２とを備えている。小径円柱部４３１は、出口通路３４２に摺動自在に挿入されており、ハウジング連絡通路３４５と出口通路３４２との間を開閉するようになっている。大径円柱部４３２は、出口通路３４２の外部に配置されている。

第２弁体４４は、有底円筒状であり、内部に形成された円柱状空間の弁体収容孔４４１に、大径円柱部４３２が摺動自在に挿入されている。また、第２弁体４４は、シート面３４３に接離して、入口通路３４１とハウジング連絡通路３４５との間を開閉するようになっている。

第１弁体４３および第２弁体４４は、ハウジング３４と第２弁体４４との間に配置されたバネ３６により閉弁向きに付勢されている。このバネ３６により、第１弁体４３および第２弁体４４の開弁圧が所定の値に設定されている。具体的には、差圧（Ｐ２−Ｐ１）が所定値以上になると開弁する。

次に、上記構成における作動を図３０のタイムチャートに基づいて説明する。図３０において、開口面積Ｓは、ハウジング連絡通路３４５と出口通路３４２とが連通している面積である。

圧縮行程の初期には、Ｐ２＜Ｐ１であるため、第１弁体４３の小径円柱部４３１がハウジング連絡通路３４５の開口端を塞ぎ、且つ第２弁体４４がシート面３４３に当接して閉弁状態になっており（図２７参照）、換言すると、開口面積Ｓが小さくなって蒸気流路の圧力損失が大きくなっており、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が流れない。

そして、圧縮行程において膨張部圧力Ｐ２が上昇して、Ｐ２＞Ｐ１になると、第１弁体４３の大径円柱部４３２が弁体収容孔４４１内を移動して第２弁体４４の底部に当接する。但し、この時点では、ハウジング連絡通路３４５の開口端は第１弁体４３によって塞がれている。

このとき、液体ピストン１５（すなわち水）が小径円柱部４３１の端面に触れることにより、液体ピストン１５の液面の乱れが防止される。

さらに膨張部圧力Ｐ２が上昇して、Ｐ２＞Ｐ１で且つ差圧（Ｐ２−Ｐ１）が所定値以上になると、第１弁体４３および第２弁体４４はバネ３６の付勢力に抗して開弁向きに移動する。この移動により、図２９に示すように、第１弁体４３の小径円柱部４３１がハウジング連絡通路３４５の開口端を開いて、ハウジング連絡通路３４５と出口通路３４２との間が連通するとともに、第２弁体４４がシート面３４３から離れて、入口通路３４１とハウジング連絡通路３４５との間が連通する。換言すると、開口面積Ｓが大きくなって蒸気流路の圧力損失が小さくなり、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が供給される。

膨張行程では、膨張部１２１内の高温・高圧の蒸気が膨張して液体ピストン１５が出力部１４側に押し出され、出力部１４の出力軸１４４が回転して機械的エネルギが出力される。また、膨張行程では、容積Ｖの増加により膨張部圧力Ｐ２が次第に低下し、差圧（Ｐ２−Ｐ１）が所定値未満になると、第１弁体４３および第２弁体４４はバネ３６の付勢力により閉弁向きに移動する。この移動により、第１弁体４３の小径円柱部４３１がハウジング連絡通路３４５の開口端を塞ぎ、且つ第２弁体４４がシート面３４３に当接し（図２７参照）、外部蒸発器２０から膨張部１２１に蒸気が流れなくなる。

そして、膨張部１２１で膨張した蒸気が冷却されて凝縮し、液体ピストン１５を出力部１４側へ押し出す力が消滅すると、固体ピストン１４１は慣性力発生部材の慣性力によって上死点側へ戻る。

本実施形態によると、第１実施形態と同様に、従来装置におけるバルブでの摺動損失や、作動媒体の外部漏洩による損失を低減することができる。また、動力伝達損失を低減することができるとともに、熱機関の構成を簡素にすることができる。さらに、バネ３６により第１弁体４３および第２弁体４４の開弁圧を任意に調整することができる。さらにまた、圧縮行程の際には、液体ピストン１５が小径円柱部４３１の端面に触れることにより、液体ピストン１５の液面の乱れが防止される。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、作動媒体として水を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば作動媒体として冷媒を用いてもよい。

上記各実施形態では、冷却部１２２で蒸気を冷却・凝縮させるとともに慣性力発生部材の慣性力によって液体ピストン１５を膨張部１２１側へ押し戻すようになっているが、冷却部１２２で蒸気を冷却・凝縮させることなく、慣性力発生部材の慣性力のみによって液体ピストン１５を膨張部１２１側へ押し戻すようにしてもよい。因みに、この場合においても液体ピストン排出手段１８は必要である。すなわち、上記各実施形態の熱機関では、膨張行程において蒸気が膨張すると蒸気の一部が凝縮するからである。

上記各実施形態は、実施可能な範囲で任意に組み合わせが可能である。

１１ 容器
１４ 出力部
１５ 液体ピストン
２０ 外部蒸発器
３０ 調整機構
３２ 弁体
３５ 弁体
４１ 弁体
４３ 弁体
４４ 弁体
１２１ 膨張部
３１１ 蒸気流路
３１２ 蒸気流路
３４１ 蒸気流路
３４２ 蒸気流路
３４４ 蒸気流路
３４５ 蒸気流路
Ｃ 隙間

Claims (5)

1. 液相状態の作動媒体からなる液体ピストン（１５）が流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
   前記容器の外部に設けられ、作動媒体の蒸気を発生させる外部蒸発器（２０）と、
   前記容器の一端側部位に設けられ、前記外部蒸発器から供給される蒸気を膨張させる膨張部（１２１）と、
   前記容器の他端側部位に設けられ、前記膨張部での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（１４）と、
   前記外部蒸発器で発生した蒸気を前記膨張部に導く蒸気流路（３１１、３１２、３４１、３４２、３４４、３４５、Ｃ）中に配置された弁体（３２、３５、４１、４３、４４）が、前記外部蒸発器で発生した蒸気の圧力および前記膨張部の圧力により駆動されて、前記蒸気流路の圧力損失を調整する調整機構（３０）とを備えることを特徴とする熱機関。
2. 前記調整機構は、前記弁体（３２）が摺動自在に挿入されるガイド孔（３１２）が形成されたハウジング（３１）を備え、前記弁体と前記ガイド孔との隙間（Ｃ）を蒸気が通過するように構成され、前記弁体の移動により前記隙間の長さが変化して前記圧力損失が調整されることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
3. 前記調整機構は、前記弁体（３５、４１、４３、４４）の移動により前記蒸気流路（３４１、３４２、３４４、３４５）が開閉されることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
4. 前記調整機構は、前記外部蒸発器で発生した蒸気の圧力および前記膨張部の圧力以外の力を前記弁体（３２）に作用させる負荷手段（３８、３９）を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱機関。
5. 前記蒸気流路は、前記外部蒸発器に接続された入口通路（３４１）と、前記膨張部に接続された出口通路（３４２）と、前記入口通路と前記出口通路とを連通させる連絡通路（３４４、３４５）とを備え、
   前記外部蒸発器から前記膨張部に供給される蒸気は、前記連絡通路から前記出口通路に流入する際には前記膨張部の軸線に対して直交する方向に流れ、前記出口通路内で前記膨張部の軸線方向に流れの向きが変えられて、前記膨張部に流入するように構成されていることを特徴とする請求項１または３に記載の熱機関。

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