JP4251222B2 - 外燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、外燃機関に関するものである。

従来、外燃機関の一つとして、作動媒体が液体状態で流動可能に封入された容器に、作動媒体の一部を加熱して作動媒体の蒸気を発生させる加熱部と、作動媒体の蒸気を冷却して液化させる冷却部とを形成し、この作動媒体の蒸気の発生と液化によって作動媒体の体積を変動させ、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として取り出すように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このうち、加熱部は、その外側に設けられた加熱器によって加熱され、作動媒体との熱交換によって、加熱部内の作動媒体を加熱するようになっているので、加熱部を構成する材料として、銅、アルミニウム等の熱伝導率の優れた材料が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

ところで、上記した加熱部は、作動媒体の液体部分が流入したときに、作動媒体と熱交換するものであり、すなわち、非定常の熱交換を行うものであるが、これとは異なり、定常的に熱交換を行うものとしては、例えば、ヒートパイプ等の熱交換器がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−８４５２３号公報 特開２００２−２２３７８号公報

熱伝導率の優れた材料は、一般的に、耐熱性が低いため、加熱部を構成する材料として、熱伝導率の優れた材料を用いることは、加熱部を高温で加熱する場合には適さない。

例えば、加熱部を加熱する熱源として、外燃機関とは別に用いられる内燃機関から排出される排気ガスを利用することが考えられるが、排気ガス温度は、約６００〜８００℃程度の高温になることから、熱伝導率が優れた材料のみで加熱部を構成した場合、これらの材料は高温での強度が低下し、圧力容器としての強度を満足できない。

この対策として、加熱部を熱伝導率が優れた材料で構成する場合に、加熱部を構成する部材の厚さを通常よりも大きくする方法を採用することで、高温で加熱することも可能となるが、この場合、加熱部が大型化してしまうという問題が生じる。なお、熱伝導率が優れた材料の軟化点以上の温度で、加熱部を加熱する場合はこの方法は採用できない。

また、他の対策方法として、加熱部を耐熱性が高い材料で構成することが考えられるが、以下に説明するように、そのような材料は熱伝導率が小さいため、熱伝導率の優れた材料を用いた場合と比較して、沸騰行程において加熱部温度の低下量が大きくなり、機関効率が低下するという問題が生じる。

図１３に、加熱部が、熱伝導率が優れた材料で構成された場合の時間に対する熱交換量および加熱部温度の変化を示す。なお、この加熱部温度は、加熱部の媒体に接する部分での温度である。

上記したヒートパイプ等の一般的な熱交換器では、図１３中の一点鎖線で示すように、定常的に熱交換が行われるため、熱交換量は常に一定であり、熱交換器の伝熱部分の温度Ｔ１も一定である。

これに対して、背景技術の欄で説明した構成の外燃機関では、図１３中の実線で示す熱交換量と時間との関係からわかるように、沸騰行程でのみ熱交換がされ、すなわち、間欠的に熱交換が行われる。このため、図１３中の実線で示す加熱部温度と時間との関係からわかるように、熱交換後では、加熱部は熱交換前の温度Ｔ０から温度Ｔ２まで低下し、その後、徐々に温度が上昇して温度Ｔ０に戻る。このように、背景技術の欄で説明した構成の外燃機関は、一般的な熱交換器と異なり、非定常的に熱交換を行って、蒸気を発生させているので、熱交換後に加熱部の温度が低下するという外燃機関特有の伝熱現象が生じる。

図１４に、加熱部を、熱伝導率が優れた材料のみで構成した場合と、耐熱性が高い材料のみで構成した場合とにおける時間に対する熱交換量および加熱部温度の変化を示す。なお、この加熱部温度は、加熱部の媒体に接する部分での温度であり、図中の一点鎖線が、熱伝導率が優れた材料のみで構成した場合であり、図中の実線が、耐熱性が高い材料のみで構成した場合である。また、図１５に、機関効率と加熱部の媒体に接する部分での温度との関係を示す。

そして、本発明者が検討した結果、図１４に示すように、加熱部を、耐熱性が高い材料のみで構成した場合での熱交換後における加熱部の媒体に接する部分での温度Ｔ３が、熱伝導率が優れた材料で構成した場合での熱交換後における加熱部の媒体に接する部分での温度Ｔ２よりも低いことがわかった。

また、熱交換後に発生した蒸気は、加熱部に接することから、蒸気の温度は、熱交換後における加熱部の媒体に接する部分の温度と同程度となる。そして、蒸気の温度が低いと蒸気圧も低くなり、機械的エネルギの出力が低下する。このため、図１５に示すように、加熱部温度が低いほど、機関効率が低下してしまう。

本発明は、上記点に鑑み、加熱部を、従来の加熱温度よりも高い温度で加熱しても耐え得る構造とすることを第１の目的とし、第１の目的に加えて、機関効率を向上させることを第２の目的とし、さらに、第２の目的に加えて、加熱部の小型化を図ることを第３の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、加熱部（１３）は、その作動媒体に面する内側部分（５１ａ、５３ａ）が内側部分（５１ａ、５３ａ）よりも外側に位置する外側部分（５１ｂ、５３ｂ）よりも伝熱性能（β）が高い第１材料で構成され、外側部分（５１ｂ、５３ｂ）が内側部分（５１ａ、５３ａ）よりも外燃機関作動時の容器に必要な強度を維持できる上限温度が高い第２材料で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、加熱部の外側部分を、内側部分よりも外燃機関作動時の容器に必要な強度を維持できる上限温度が高い第２材料で構成したので、加熱部を構成する部材の厚さを同一としたときであって、加熱部を構成する部材として第２材料のみを用いたときと比較して、加熱部を加熱する温度を従来よりも高くしても、加熱部をその温度に耐え得る構造とすることができる。

具体的には、加熱部（１３）を、作動媒体（１２）に面する内側に配置された内側部材（５１ａ、５３ａ）と、熱源に面する外側に配置された外側部材（５１ｂ、５３ｂ）とが接合され内側部材（５１ａ、５３ａ）が、外側部材（５１ｂ、５３ｂ）を構成する材料よりも伝熱性能（β）が高い第１材料で構成されており、外側部材（５１ｂ、５３ｂ）が、外燃機関作動時の容器（１１）に必要な強度を維持できる上限温度が第１材料よりも高い第２材料で構成された構造とすることができる。

また、例えば、第１材料で構成された部分（５１ａ、５３ａ）は、作動媒体に接する面（５７）に垂直な方向での厚さ（ｔ２）が、第１材料の熱浸透深さ（δ）以上であることが好ましい。

このように、第１材料で構成された部分の厚さとして、その材料の熱浸透深さ分を確保することで、加熱部を構成する部材と作動媒体との間での瞬時の熱交換の際に、作動媒体から熱が奪われる加熱部の範囲を広くでき、加熱部の温度低下を最小限にすることができ、機関効率を向上させることができる。

また、例えば、第１材料で構成された部分（５１ａ、５３ａ）は、作動媒体に接する面（５７）に垂直な方向での厚さ（ｔ２）が、第１材料の熱浸透深さ（δ）と同じであることが好ましい。

特に、このようにすることで、加熱部の温度低下を最小限にでき、かつ、内側部分の厚さを最小にできるので、加熱部の小型化が可能となる。

また、例えば、加熱部（１３）の作動媒体が流入する内部に、加熱部を補強するインナーフィン（７１）を配置してもよい。

これにより、加熱部の強度を向上できるので、インナーフィンを配置しない場合と比較して、加熱部の外側を構成する部材の厚さを、加熱部が圧力容器として要求される強度を満たす範囲内で、薄くできる。したがって、加熱部の小型化が可能なる。なお、インナーフィンを構成する材料として、第１材料を用いることが好ましい。

また、例えば、加熱部（１３）の作動媒体が流入する内部とは異なる位置であって、第１材料で構成された部分（５１ａ、５３ａ）に接する位置に、密閉空間を構成するパイプ（８２）と、パイプ内に封入され、相変化する熱媒体（８３）とを有して構成されるヒートパイプ（８１）を設けてもよい。

これにより、加熱部の内側部分を構成する部材の伝熱性能を見かけ上、向上させることができ、蒸発行程時における加熱部の温度低下をより抑制することができる。

また、例えば、第１材料としては、銅、銀、金、アルミニウムいずれかの単体金属もしくはいずれかの単体金属を含む金属材料が採用でき、第２材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金のいずれか１つを採用できる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄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一例である。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明の外燃機関を発電装置に適用したものである。図１に、本発明の第１実施形態における発電装置の概略構成を示す。なお、図１中の上下の矢印は外燃機関の設置状態における天地方向を示している。

まず、本実施形態の発電装置の全体構成について簡単に説明する。本実施形態の発電装置は、発電機１と外燃機関１０とを備えている。発電機１は、永久磁石が埋設された可動子２が振動変位することによって起電力を発生するものであり、外燃機関１０によって駆動されるものである。

外燃機関１０は、作動媒体１２が液体状態で流動可能に封入された容器１１を備えている。作動媒体１２としては、例えば、水が用いられる。容器１１は、主として管状に形成された圧力容器であり、発電機１から下方に向かって延びる第１管状部１１ａ、第１管状部１１ａの下端部から水平方向に延びる第２管状部１１ｂおよび第２管状部１１ｂから上方に向かって延びる第３管状部１１ｃを有している。

そして、第３管状部１１ｃの上端部に加熱部１３が設けられており、第３管状部１１ｃのうち加熱部１３よりも下側の位置に冷却部１４が設けられている。

加熱部１３は、容器１１の一部分を構成するものであって、外部に設けられた熱源により作動媒体１２を加熱して作動媒体１２の蒸気を発生させる役割を果たすものであり、詳細については後述する。

冷却部１４は、容器１１の一部分を構成するものであって、加熱部１３で発生した作動媒体１２の蒸気を冷却して液化させる役割を果たすものである。冷却部１４は、熱伝導率に優れた銅またはアルミニウムによって構成された管である。

冷却部１４は、例えば、図示しない冷却水の循環回路と接続されており、循環回路中の冷却水との熱交換によって、冷却水が作動媒体１２の蒸気から熱を奪い、循環回路中に配置された放熱器によって、冷却水が作動媒体１２の蒸気から奪った熱を大気中に放熱するようになっている。

なお、容器１１のうち、加熱部１３および冷却部１４を除く部位は、例えば、ステンレス等の断熱性に優れた材料によって成形されている。

一方、容器１１のうち第１管状部１１ａの上端部には、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３がシリンダ部３ａに摺動可能に配置されている。なお、ピストン３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３と反対側には、可動子２をピストン３側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすバネ４が設けられている。

次に、本実施形態の加熱部１３の詳細について説明する。図２に、図１中の加熱部１３の縦断面図を示し、図３に図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図を示す。

図２、３に示すように、加熱部１３は、その外形が、第３管状部１１ｃの延びる方向に対して直交する方向に延びた薄型形状であって、例えば、上面２１、下面２２、側面２３〜２６を有する直方体形状であり、上面２１および下面２２が、第３管状部１１ｃの延びる方向に直交して配置されている。

そして、加熱部１３の外側には、上面２１および下面２２に接して、内燃機関から排出された排気ガスを流通させるための通路を構成する第１、第２カバー２７、２８が設けられている。本実施形態では、内燃機関から排出された排気ガスを熱源として利用している。また、内燃機関は、例えば、発電装置とは別の目的で設置されたものである。

具体的には、上面２１と第１カバー２７とによって、上側排気ガス通路３１が構成され、排気ガスの熱が上面２１から加熱部１３の内部に伝熱するようになっており、さらに、この排気ガス通路内には伝熱を促進させるためのフィン２９が配置されている。

同様に、下面２２と第２カバー２８とによって、下側排気ガス通路３２が構成され、排気ガスの熱が下面２２から加熱部１３の内部に伝熱するようになっており、さらに、この排気ガス通路内には伝熱を促進させるためのフィン３０が配置されている。なお、第２カバー２８は、第３管状部１１ｃを避けるように、下面２２の中央部を除く領域に下側排気ガス通路３２を形成している。

また、加熱部１３は、その内部に作動媒体１２の通路となる空間を構成している。具体的には、図２に示すように、加熱部１３は、第３管状部１１ｃに連通する第１通路部４１と、第１通路部４１に連通する第２通路部４２とを有している。この第１通路部４１は、第３管状部１１ｃと同じ方向に延びており、第２通路部４２は、第３管状部１１ｃと交差する方向に延びている。

また、図２、３に示すように、第１通路部４１は、第３管状部１１ｃと同軸の円筒形状であり、第２通路部４２は、第１通路部４１の径方向外側に延びる形状であって、例えば、横断面形状が第１通路部４１を中心とした四角形となっている。なお、第２通路部４２の横断面形状は、第１通路部４１の径方向外側に延びる形状であれば、四角形に限らず、円等の他の形状としても良い。そして、第２通路部４２の厚み寸法ｔ１は、第１通路部４１の内径Ｄ１よりも小さくなっている。

また、図２に示すように、加熱部１３の内部には、加熱部１３内で発生した作動媒体１２の蒸気を溜めるための空間である蒸気溜め部４３が設けられている。蒸気溜め部４３は、第２連通部４２に連通しており、第２連通部４２の第１通路部４１とは反対側の端部に配置されている。蒸気溜め部４３は、加熱部１３の外周に沿って配置された形状となっている。

また、加熱部１３は、上側と下側で２分割した形状の上側部品５１と下側部品５２とによって構成されている。上側部品５１は、加熱部１３の上面２１部分を構成する薄型の直方体形状であり、下側部品５２は、加熱部１３の下面２２部分を構成する薄型の直方体形状部５３と、加熱部１３の側面２３〜２５部分を構成する側壁部５４とを有する形状である。

上側部品５１と下側部品５２とによって挟まれる空間によって第２通路部４２が構成されている。上側部品５１は、下側部品５２の側壁部の内壁に設けられた段差部５５によって、支持されている。

さらに、上側部品５１と、下側部品５２の直方体形状部５３とは、ともに、加熱部１３の内側に位置する内側部材５１ａ、５３ａと外側に位置する外側部材５１ｂ、５３ｂとが直に接合された構造である。

内側部材５１ａ、５３ａは、第２通路部４２を構成する面５６、５７を有しており、作動媒体１２に面している。外側部材５１ｂ、５３ｂは、加熱部１３の上面２１もしくは下面２２を構成しており、熱源としての排気ガス通路３１、３２に面している。

そして、内側部材５１ａ、５３ａと外側部材５１ｂ、５３ｂは、異なる材料で構成されており、内側部材５１ａ、５３ａは、外側部材５１ｂ、５３ｂを構成する材料よりも伝熱性能βが高い第１材料で構成されており、外側部材５１ｂ、５３ｂは、外燃機関作動時において容器１１に必要な強度を維持できる上限温度が第１材料よりも高い第２材料で構成されている。なお、ここでいう伝熱性能βとは、材料の熱伝導率λ、密度ρ、比熱Ｃｐを用いて、次の数式（１）で表されるものである。

β＝√（λ・ρ・Ｃｐ）・・・式（１）
ここで、第１材料は、伝熱性能が優れた材料であり、第１材料としては、例えば、銅、銀、金、アルミニウムミなどの単体金属やこれらの単体金属を主成分とする合金等が採用される。一方、第２材料は、本実施形態では、熱源として排気ガスの熱を利用することから、例えば、６００〜８００℃程度の高温での強度が高い材料、すなわち、耐熱性が高い材料であり、第２材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金等が採用される。例えば、第１材料として銅を採用し、第２材料としてステンレスを採用する組み合わせが可能である。

なお、燃機関作動時において容器１１に必要な強度を維持できる上限温度とは、加熱部１３を加熱する温度を上昇させた場合に、加熱部１３を構成する部材の強度が圧力容器として必要な強度よりも低くなり始める温度を意味する。

図４に、図２中の一点鎖線で囲まれた領域Ａ１の拡大図を示す。図４に示すように、下側部品５２の直方体形状部５３において、内側部材５３ａの厚さｔ２は、内側部材５３ａの熱浸透深さδと同じ大きさであり、外側部材５３ｂの厚さｔ３は、圧力容器を構成するのに必要な強度を満たす厚さとなっている。

ここで、内側部材５３ａの厚さとは、第２通路部４２を構成する面５７、すなわち、作動媒体１２に接する面５７に垂直な方向での厚さを意味する。

また、熱浸透深さδとは、所定時間に材料表面から熱が浸透する深さを意味し、第２通路部４２内の作動媒体１２が周期的に温度変化する場合に、その温度変化が何処まで伝わるかを表す指標である。すなわち、熱浸透深さδは、発電機１の可動子２が周期的に上下動するときの１周期中で熱の移動が起きる範囲長さを意味する。

具体的には、熱浸透深さσは、以下に示す数式（２）で表されるように、温度伝導率α（ｍ／ｓ）と角振動数ω（ｒａｄ／ｓ）とによって決定される。

δ＝√（２α／ω）・・・式（２）
温度伝導率αは、材料の熱伝導率λ、密度ρ、比熱Ｃｐによって決定されるものであり、すなわち、材料の種類によって決定されものであり、次の数式（３）で表される。また、角速度ωは、振動数ｆおよび周期Ｔによって決定されるものであり、これらは、数式（４）、（５）で表される関係を有する。

α＝λ／（ρ・Ｃｐ）・・・式（３）
ω＝２πｆ・・・式（４）
ｆ＝１／Ｔ・・・式（５）
式（２）〜（５）からわかるように、熱浸透深さδは、材料の種類と発電機１の周期に基づいて算出される。

なお、熱浸透深さδは、一般的な熱伝導解析によっても求めることができる。

また、上側部品５１においても、下側部品５２の直方体形状部５３と同様に、内側部材５１ａの厚さは、内側部材５１ａの熱浸透深さδと同じ大きさであり、外側部材５１ｂの厚さは、圧力容器を構成するのに必要な強度を満たす厚さとなっている。

次に、加熱部の製造方法について説明する。

まず、内側部材５１ａ、５３ａと外側部材５１ｂ、５３ｂとを接合することで上側部品５１、下側部品５２をそれぞれ製造する。接合方法としては、例えば、拡散接合、圧延による接合、ろう付け、摩擦接合等の種々の方法を採用できる。このとき、内側部材５１ａ、５３ａと外側部材５１ｂ、５３ｂとの接合部での接触熱抵抗が外側部材５１ｂ、５３ｂの熱抵抗よりも小さくなるように接合する。

下側部品５２の段差５５に上側部品５１を支持させるように、上側部品５１と下側部品５３とを嵌め合わせ、両者を接合することで、加熱部１３を製造する。このときの接合方法として、例えば、拡散接合、圧延による接合、ろう付け、摩擦接合、溶接等の種々の方法を採用できる。

なお、このようにして製造された加熱部１３の外側に、第１、第２カバー２７、２８、フィン２９、３０が設けられ、下側部品５２の開口部に第３管状部１１ｃが差し込まれて、接合されることで、外燃機関１０が製造される。

次に、上記構成における作動を説明する。

図１に示すように、加熱部１３の外側に設けられた第１、第２カバー２７、２８内に、図示しない内燃機関の排気ガスが供給されることで、この排気ガスとの熱交換によって、加熱部１３が加熱される。

また、冷却部１４は、図示しない冷却水循環回路の冷却水が循環することによって、冷却される。

このように、発電装置の作動時では、常に、加熱部は加熱された状態となり、冷却部は冷却された状態となる。

そして、加熱部１３において、第１、第２通路部４１、４２内の作動媒体１２が加熱されて気化すると、蒸気溜め部４３内から第２通路部４２、第１通路部４１、第３管状部１１ｃの順に向かって高温・高圧の作動媒体１２の蒸気が蓄積され、この蒸気が第３管状部１１ｃ内の作動媒体１２の液面を押し下げる。すると、作動媒体１２の液体部分が第１管状部１１ａ側に変位して、発電機１側のピストン３を押し上げる。

次に、第３管状部１１ｃ内の作動媒体１２の液面が冷却部１４まで下がり、冷却部１４内に作動媒体１２の蒸気が進入すると、作動媒体１２の蒸気が冷却部１４により冷却されて液化する。このため、作動媒体１２の液面を押し下げる力が消滅し、作動媒体１２の液面が上昇し、作動媒体１２の液体部分も上昇する。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３は下降する。

このような動作が繰り返し実行されることによって、容器１１内の作動媒体１２の液体部分が周期的に変位、いわゆる自励振動して、発電機１の可動子２を周期的に上下動させる。

次に、本実施形態の主な特徴を説明する。

本実施形態では、上記の通り、加熱部１３の構造を、内側に配置された内側部材５１ａ、５３ａと、外側に配置された外側部材５１ｂ、５３ｂとが接合された構造とし、外側部材５１ｂ、５３ｂを、内側部材５１ａ、５３ａを構成する第１材料よりも耐熱性が高い第２材料で構成しているので、従来の加熱温度よりも高温である、例えば、６００〜８００℃程度の温度で加熱することができる。

また、本実施形態と異なり、加熱部を伝熱性能が優れた第１材料のみで構成した場合であって、加熱部を従来よりも高い温度で加熱する場合であっても、その温度が材料の軟化点よりも低ければ、加熱部を構成する部材を厚くすることで、加熱部をそれに耐え得る構造とすることもできるが、この場合と比較して、本実施形態の方が、加熱部１３を構成する部材の厚さを薄くでき、加熱部１３の小型化に有利である。

さらに、本実施形態では、内側部材５３ａ、５１ａの厚さとして、内側部材５１ａ、５３ａの熱浸透深さδ分を確保しているので、以下に説明するように、本実施形態と異なり、加熱部を耐熱性が高い第２材料のみで構成した場合と比較して、作動媒体１２の蒸気を発生させる沸騰行程での作動媒体１２の液体部分と加熱部１３との間での熱交換後における加熱部１３の温度低下量を最小限にすることができ、機関効率を向上させることができる。

ここで、図５、６のそれぞれに、本実施形態の比較例として、加熱部１３を材質が第１材料である第１部材６１のみで構成した場合と、加熱部１３を材質が第２材料である第２部材６２のみで構成した場合の図４に対応する部分拡大図を示す。

まず、本実施形態においても、以下に説明する理由によって、発明が解決しようとする課題の欄で説明した図１３に示す熱交換後に加熱部の温度が低下するという外燃機関特有の伝熱現象が発生する。

すなわち、外燃機関１０の運転時では、加熱部１３は、外部から熱が供給されて所定量の熱を有し、さらに、外部から熱が供給される状態であるが、作動媒体１２を加熱して蒸気を発生させるためには、外部から供給される熱量よりも大きな熱量が必要であるため、加熱部１３が有する熱が作動媒体に奪われるとともに、外部からの熱供給が間に合わない状態となる。したがって、沸騰行程時では、作動媒体１２の蒸気の発生に必要な熱量が加熱部１３から奪われるので、熱交換後では加熱部１３の温度が低下する。

このとき、図５、６に示すように、加熱部１３のうち、第２通路部４２を構成する面、すなわち、作動媒体１２に面する表面から所定深さの領域６３、６４から、蒸気の発生に必要な熱量が奪われる。この所定深さが熱浸透深さδである。

そして、熱浸透深さδについては、図６に示す耐熱性能が高い第２材料で構成された第２部材６２の方が、図５に示す伝熱性能が高い第１材料で構成された第１部材６１よりも、熱浸透深さδが小さい。したがって、第２部材６２で蒸気の発生に必要な熱量が奪われる領域６４の方が第１部材６１で蒸気の発生に必要な熱量が奪われる領域６３よりも狭い。また、奪われる熱量が同じ場合、その熱量が奪われる範囲が狭いほど、単位領域当たりに奪われる熱量が大きくなる。

このため、図１４に示すように、加熱部を、耐熱性が高い材料のみで構成した場合の方が、熱交換後における加熱部の作動媒体に接する部分での温度低下量が、伝熱性能が優れた材料で構成した場合よりも大きいのである。

そして、本実施形態では、加熱部１３の内側部材５１ａ、５３ａを、耐熱性が高い第２材料よりも、伝熱性能が高く、かつ、熱浸透深さδが大きな第１材料で構成し、かつ、その内側部材５１ａ、５３ａの厚さを、第１材料の熱浸透深さδと同じ大きさとしているので、沸騰行程での作動媒体１２の液体部分と加熱部１３との間での熱交換において、内側部材５３ａ、５１ａの全範囲から蒸気の発生に必要な熱量を作動媒体１２に移動させることができ、加熱部１３を第２材料のみからなる部材で構成した場合と比較して、部材の広範囲から蒸気発生に必要な熱量を作動媒体１２に移動させることができる。

これにより、本実施形態によれば、熱交換後における加熱部の作動媒体に接する部分での温度低下量を、加熱部を耐熱性が高い第２材料のみで構成した場合よりも小さくでき、かつ、温度低下量を最小限にすることができるのである。

次に、材料の違いによる沸騰時の熱交換後における加熱部の温度低下量について説明する。図７に、加熱部の構成部材として各種の材料を用いた場合における熱交換後の温度低下量の伝熱解析結果を示す。なお、図７に示す結果は、同一条件下での結果である。図７に示すように、温度低下量が最も小さいのは、銅であり、その次に小さいのは、銀であり、その後は、金、アルミニウム、黄銅、ニッケル、ステンレスの順であった。したがって、これらの金属の中では、第１材料として銅を用いることが好ましい。

また、各種材料の耐熱性の比較を示すと、例えば、約６００〜８００℃程度の高温での強度は、アルミニウム＜銀＜金＜黄銅＜銅＜ステンレス＜ニッケルである。したがって、これらの金属の中では、第２材料としてステンレスもしくはニッケルを用いることが好ましい。

また、本実施形態では、内側部材５３ａ、５１ａの厚さを、内側部材５１ａ、５３ａの熱浸透深さδと同じ大きさに設定しており、すなわち、部材の広範囲から蒸気発生に必要な熱量を作動媒体１２に移動させるのに必要最小限の厚さとしているので、加熱部１３の厚さを必要最小限にでき、本実施形態によれば、加熱部１３の小型化が可能となる。ここでいう同じには、完全一致だけでなく、製造上のばらつきの範囲内も含まれる。

例えば、本実施形態では、加熱部１３の内側部材５１ａ、５３ａを銅等の第１材料で構成し、外側部材５１ｂ、５３ｂをステンレス等の第２材料で構成しているので、加熱部１３を銅等の第１材料のみで構成する場合と比較して、加熱部１３の厚さを１／４〜１／１０程度にできる。

（第２実施形態）
図８に、加熱部１３の縦断面図を示し、図９に、図８中のＩＸ−ＩＸ線矢視断面図を示し、図１０に、図８中の領域Ａ２の拡大図を示す。なお、図８中の加熱部１３は、第１実施形態で説明した図２に示される加熱部１３に対応しており、図８では、図２と同様の構成部には、図２と同一の符号を付している。以下では、第１実施形態と異なる点を説明する。

図９、１０に示すように、本実施形態では、加熱部１３の内部、すなわち、第２通路部４２内に、内側部材５１ａ、５３ａに接した状態でインナーフィン７１を配置している。

インナーフィン７１は、図１０に示すように、断面波形状であり、銅、アルミニウム等の内側部材５１ａ、５３ａと同じ材料で構成されている。

このように、本実施形態では、加熱部１３の内部空間に、インナーフィン７１を配置することで、インナーフィン７１を配置しない場合と比較して、加熱部１３を補強して、加熱部１３の内圧に対する強度を向上させることができる。

これにより、本実施形態によれば、第１実施形態のようなインナーフィン７１を用いない場合と比較して、圧力容器として必要な強度を保持しつつ、外側部材５１ｂ、５３ｂの厚さを薄くできる。

（第３実施形態）
図１１に、図８中の領域Ａ３の拡大図を示す。以下では、第１、第２実施形態と異なる点を説明する。

本実施形態では、図１１に示すように、加熱部１３は、作動媒体１２が流入する内部とは異なる位置であって、第１材料で構成された内側部材５１ａに接する位置に設けられたヒートパイプ８１を複数備えている。

このヒートパイプ８１は、密閉空間を構成するパイプ８２と、パイプ８２内に封入され、相変化する熱媒体８３とを有する構成である。図１１では、パイプ８２は、上側部品５１の内側部材５１ａと外側部材５１ｂとの接合面近傍に設けられており、内側部材５１ａに形成された溝８２ａと、外側部材５１ｂに形成された溝８２ｂとが対向するように、内側部材５１ａと外側部材５１ｂとが接合されることで、パイプ８２が形成されている。また、このパイプ８２は、上側部品５１の厚さ方向に平行に配置されている。

熱媒体８３は、例えば、水である。ヒートパイプ８１は、例えば、水の蒸発時の潜熱を利用して、沸騰行程で作動媒体１２を加熱するためのものであり、作動媒体１２の沸騰に必要な熱量を内側部材５１ａ、５３ａに補うことを目的としたものである。

ヒートパイプ８１は、上側部品５１と下側部品５２の両方もしくはどちらか一方に形成される。

本実施形態の加熱部１３の製造は、第１実施形態で説明した製造方法に対して、以下のように変更することで可能である。あらかじめ内側部材と外側部材に、ヒートパイプ８１用の溝８２ａ、８２ｂを形成しておき、内側部材と外側部材とを接合する際に、これらの溝８２ａ、８２ｂに水を入れて、これらの溝８２ａ、８２ｂを対向させながら、内側部材５１ａと外側部材５１ｂとを接合する。

本実施形態では、加熱部１３の内側部材５１ａに接する位置にヒートパイプ８１を設けているので、内側部材５１ａの伝熱性能を見かけ上、向上させることができる。

これにより、熱交換後の加熱部１３の温度低下量抑制の効果について、第１実施形態と同様の効果を得ようとした場合に、ヒートパイプ８１が設けられていない第１実施形態の加熱部１３と比較して、内側部材５１ａの厚さを薄くでき、加熱部１３を小型化できる。

なお、図１１では、ヒートパイプ８１は、上側部品５１の内側部材５１ａと外側部材５１ｂとの接合面近傍に設けられていたが、このヒートパイプ８１によって作動媒体１２の沸騰に必要な熱量を内側部材に補うことができるように、内側部材５１ａに接する位置であれば、他の位置に配置しても良い。

（他の実施形態）
（１）第１〜第３実施形態では、内側部材５１ａ、５３ａの厚さを、第１材料の熱浸透深さδと同じ大きさとしていたが、必ずしも熱浸透深さδと同じ大きさでなくてもよく、沸騰行程での熱交換後の加熱部の温度低下量を最小にするという観点では、内側部材５１ａ、５３ａの厚さを、熱浸透深さδ以上の大きさにすればよく、また、第２材料のみで構成する場合と比較して熱交換後の加熱部の温度低下量を低減するという観点では、内側部材５１ａ、５３ａの厚さを、熱浸透深さδの５０％以上の大きさにすればよい。なお、厚さの上限値は、本実施形態の発電装置を製品として提供できる限度の大きさである。

（２）第１〜第３実施形態では、加熱部１３の構造を、第１材料で構成された内側部材５１ａ、５３ａと、第２材料で構成された外側部材５１ｂ、５３ｂとが直に接合された構造とし、外側部材５１ｂ、５３ｂが加熱部１３の最も外側に位置する構造としていたが、少なくとも、内側に第１材料で構成された内側部材５１ａ、５３ａが配置され、外側に第２材料で構成された外側部材５１ｂ、５３ｂが配置されていれば、外側部材５１ｂ、５３ｂの外側に、さらに、他の部材を配置した構造や、内側部材５１ａ、５３ａと外側部材５１ｂ、５３ｂとの間に、中間部材を挟み込む構造としても良い。

（３）第１〜第３実施形態では、加熱部１３の構造を、第１材料で構成された内側部材５１ａ、５３ａと第２材料で構成された外側部材５１ｂ、５３ｂとを接合した構造としていたが、例えば、１つの部材であって、その部材を構成する材料の比率を変更できるものを用いて、加熱部１３を構成しても良い。

すなわち、加熱部１３を構成する部材として、一方の表面側が第１材料で構成され、その反対の面側が第２材料で構成され、一方の表面から他方の表面に向けて第１材料と第２材料の比率が変更された１つの部材を用いてもよい。この場合、加熱部１３は、その作動媒体１２に面する内側部分とそれよりも外側に位置する外側部分とを比較したときに、その内側部分は、伝熱性能βが高い第１材料で構成され、外側部分は、外燃機関作動時の容器に必要な強度を維持できる上限温度が高い第２材料で構成される。

（４）上記した各実施形態では、加熱部１３の形状が、第３管状部１１ｃと同じ方向に延びる第１通路部４１と、この第１通路部４１に連通し、第１通路部４１の径方向外側に延びる第２通路部４２とを有する形状であったが、加熱部１３の形状を他の形状としたときにおいても、本発明を適用できる。

ここで、図１２に他の実施形態における加熱部９０の横断面図を示す。図１２中の加熱部９０は、図２に示される加熱部１３に対応するものである。図１２に示すように、例えば、加熱部９０の形状を、第３管状部１１ｃと同じ方向に延びる通路部９１のみを内部に有し、横断面が円等の筒形状とした場合では、作動媒体１２に面する内側部材９０ａを第１材料で構成し、内側部材９０ａの外側に位置する外側部材９０ｂを第２材料で構成することができる。

これによっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、加熱部１３の形状としては、第１実施形態で説明した形状では、第１通路部４１から第２通路部４２に作動媒体１２の液体部分が流れる際に、第２通路部４２を構成する面５６に作動媒体１２が衝突して、作動媒体１２が撹拌されて乱流を生じさせることで、加熱部１３から作動媒体１２への熱伝達率を向上させることができるので、図１２に示す形状よりも、第１実施形態の方が好ましい。

（５）上記した各実施形態では、外部熱源として、内燃機関の排気ガスの熱を利用していたが、電気ヒータ等の他の熱源を用いても良い。本発明は、従来の加熱温度よりも高温で加熱部を加熱する場合に、有効である。

（６）上記した各実施形態は、可能な範囲で自由に組み合わせてもよい。

本発明の第１実施形態における発電装置の概略構成を示す図である。 図１中の加熱部１３の縦断面図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。 図２中の一点鎖線で囲まれた領域Ａ１の拡大図 第１実施形態の比較例における加熱部の部分拡大図である。 第１実施形態の比較例における加熱部の部分拡大図である。 加熱部の構成部材として各種の材料を用いた場合における熱交換後の温度低下量の伝熱解析結果である。 本発明の第２実施形態における加熱部１３の縦断面図である。 図８中のＩＸ−ＩＸ線矢視断面図である。 図８中の領域Ａ２の拡大図である。 図８中の領域Ａ３の拡大図である。 本発明の他の実施形態における加熱部の横断面図である。 加熱部が、熱伝導率が優れた材料で構成された場合の時間に対する熱交換量および加熱部温度の変化を示す図である。 加熱部を、熱伝導率が優れた材料のみで構成した場合と、耐熱性が高い材料のみで構成した場合とにおける時間に対する熱交換量および加熱部温度の変化を示す図である。 機関効率と加熱部の媒体に接する部分での温度との関係を示す図である。

符号の説明

１１…容器、１２…作動媒体、１３…加熱部、１４…冷却部、
５１ａ、５３ａ…内側部材、５１ｂ、５３ｂ…外側部材、
７１…インナーフィン、８１…ヒートパイプ。

Claims (8)

1. 作動媒体（１２）が液体状態で流動可能に封入された容器（１１）を備え、
   前記容器（１１）には、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（１３）と、前記蒸気を冷却して液化させる冷却部（１４）とが設けられており、
   前記加熱部（１３）と前記冷却部（１４）とによる前記蒸気の発生と液化によって前記作動媒体（１２）が体積変動し、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外燃機関であって、
   前記加熱部（１３）は、前記加熱部の外部に設けられた熱源から加熱されるとともに、前記加熱部（１３）の内部に流入する液体状態の前記作動媒体（１２）との熱交換によって、前記蒸気を発生させるようになっており、
   前記加熱部（１３）は、その前記作動媒体に面する内側部分（５１ａ、５３ａ）が前記内側部分（５１ａ、５３ａ）よりも外側に位置する外側部分（５１ｂ、５３ｂ）よりも伝熱性能（β）が高い第１材料で構成され、前記外側部分（５１ｂ、５３ｂ）が前記内側部分（５１ａ、５３ａ）よりも外燃機関作動時の前記容器に必要な強度を維持できる上限温度が高い第２材料で構成されていることを特徴とする外燃機関。
2. 前記加熱部（１３）は、前記作動媒体（１２）に面する内側に配置された内側部材（５１ａ、５３ａ）と、前記熱源に面する外側に配置された外側部材（５１ｂ、５３ｂ）とが接合された構造であり、
   前記内側部材（５１ａ、５３ａ）は、前記外側部材（５１ｂ、５３ｂ）を構成する材料よりも伝熱性能（β）が高い第１材料で構成されており、
   前記外側部材（５１ｂ、５３ｂ）は、外燃機関作動時の前記容器（１１）に必要な強度を維持できる上限温度が前記第１材料よりも高い第２材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
3. 前記第１材料で構成された部分（５１ａ、５３ａ）は、前記作動媒体に接する面（５７）に垂直な方向での厚さ（ｔ２）が、前記第１材料の熱浸透深さ（δ）以上であ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。
4. 前記第１材料で構成された部分（５１ａ、５３ａ）は、前記作動媒体に接する面（５７）に垂直な方向での厚さ（ｔ２）が、前記第１材料の熱浸透深さ（δ）と同じであることを特徴とする請求項３に記載の外燃機関。
5. 前記第１材料で構成された部分（５１ａ、５３ａ）は、前記作動媒体に接する面（５７）に垂直な方向での厚さ（ｔ２）が、前記第１材料の熱浸透深さ（δ）の５０％以上の厚さであ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。
6. 前記加熱部（１３）は、前記作動媒体が流入する内部に配置され、前記加熱部を補強するインナーフィン（７１）を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の外燃機関。
7. 前記加熱部（１３）は、前記作動媒体が流入する内部とは異なる位置であって、前記第１材料で構成された部分（５１ａ、５３ａ）に接する位置に設けられた密閉空間を構成するパイプ（８２）と、前記パイプ内に封入され、相変化する熱媒体（８３）とを有して構成されるヒートパイプ（８１）を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の外燃機関。
8. 前記第１材料は、銅、銀、金、アルミニウムいずれかの単体金属もしくはいずれかの単体金属を含む金属材料であり、
   前記第２材料は、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金のいずれか１つのであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関。
   

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