JP4835590B2 - 外燃機関 - Google Patents

Description

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。

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相状態で流動可能に封入し、容器の一端部に配置された加熱器によって液相状態の作動媒体の一部を加熱して蒸発させ、容器の中間部に配置された冷却器によっ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によって作動媒体の液体部分を周期的に変位（いわゆる自励振動）させ、容器の他端部と連通する出力部にて、この作動媒体の自励振動を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）。

この特許文献１の従来技術では、加熱器が上下方向に延びる円筒状に形成されており、この円筒状の加熱器の内面側に形成された空間が、作動媒体を加熱して蒸発させる加熱部を構成している。円筒状の加熱器は、内径および外径がともに一定であり、肉厚が一定になっている。

同様に、冷却器も上下方向に延びる円筒状に形成されており、この円筒状の冷却器の内面側に形成された空間が、作動媒体を冷却して凝縮させる冷却部を構成している。
特開２００５−３３０９０９号公報

ところで、上記従来技術では、作動媒体が自励振動することから、加熱部のうち冷却部に近い下方部と、冷却部から離れた上方部とでは作動媒体の液体部分の存在する時間が異なる。より具体的には、冷却部に近い下方部ほど、作動媒体の液体部分の存在する時間が長くなる。その結果、加熱器の下方部では作動媒体と熱交換する熱量が多くなり、加熱器の上方部では作動媒体と熱交換する熱量が少なくなる。

一方、上記従来技術では、円筒状の加熱器の肉厚が一定になっていることから、加熱器は下方部と上方部とで熱容量が同じになる。

そのため、加熱器のうち作動媒体と熱交換する熱量が多い下方部では、作動媒体と熱交換する熱量が少ない上方部よりも温度低下してしまうので、加熱器の加熱効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、加熱器による加熱効率を向上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、作動媒体（１４）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１０）と、
容器（１０）の一端側に配置され、外部から供給された熱で作動媒体（１４）を加熱して蒸発させる加熱器（１５）と、
容器（１０）のうち加熱器（１５）の配置部位よりも他端側に配置され、加熱器（１５）によって蒸発した作動媒体（１４）の蒸気を冷却して凝縮させる冷却器（１９）と、
容器（１０）の他端部に連通し、作動媒体（１４）の蒸発と凝縮に伴う作動媒体（１４）の体積変動によって生じる作動媒体（１４）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（１１）とを備え、
加熱器（１５）は、冷却器（１９）に近い部位が厚肉をなし、冷却器（１９）から離れた部位が薄肉をなすように形成され、
加熱器（１５）は、内面側で作動媒体（１４）を加熱する閉断面部（１５ａ）を有しており、
閉断面部（１５ａ）は、冷却器（１９）に近い部位が大断面積をなし、冷却器（１９）から離れた部位が小断面積をなすように形成され、
閉断面部（１５ａ）は、冷却器（１９）から離れた側から冷却器（１９）に近い側に向かうにつれて外面が外側に向かって拡がる形状を有していることを特徴とする。

これによると、加熱器（１５）は、冷却器（１９）に近い部位が厚肉をなしているので、加熱器（１５）のうち冷却器（１９）に近い部位の熱容量を大きくできる。このため、加熱器（１５）のうち冷却器（１９）に近い部位での温度低下を抑制できるので、加熱器（１５）の加熱効率を向上できる。

しかも、加熱器（１５）は、冷却器（１９）から離れた部位が薄肉をなしているので、加熱器（１５）のうち冷却器（１９）から離れた部位の肉厚が過剰になることを回避でき、ひいては小型軽量化を図ることができる。

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。

（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２に基づいて説明する。本実施形態は、本発明による外燃機関（液体ピストン蒸気エンジン）を車両に搭載される発電装置に適用したものである。

図１は本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り、図１中の上下の矢印は液体ピストン蒸気エンジンの設置状態における上下方向を示している。図２は図１の要部拡大図である。

本実施形態による液体ピストン蒸気エンジンは容器１０と、出力部をなす発電機１１とを有している。発電機１１は、ケーシング１２内に永久磁石が埋設された可動子１３を収納しており、可動子１３が振動変位することによって起電力を発生する。

容器１０は、作動媒体（本例では水）１４が液体状態で流動可能に封入された管状の圧力容器であり、中間部が下方側に位置し、両端部が上方に向かって延びる略Ｕ字状に形成されている。本例では、容器１０をステンレスで形成している。

発電機１１は、略Ｕ字状の容器１０の一端部に配置されており、容器１０の他端部には、高温流体（本例では排気ガス）を加熱源として作動媒体１４を加熱する加熱器１５が配置されている。加熱器１５は、熱伝導性に優れた材質（本例では、銅）で形成されている。

なお、加熱器１５は一体成形することができる。また、加熱器１５を複数個の分割体に分割して成形した後に、この複数個の分割体をネジ等の締結手段によって一体に締結することで加熱器１５を形成してもよい。

加熱器１５は、上下方向に延びる円筒状の閉断面部１５ａを有しており、この閉断面部１５ａ内面側で作動媒体１４を加熱する。閉断面部１５ａの内部空間のうち下方部は、液体状態の作動媒体１４を加熱して蒸発させる加熱部１６を構成し、閉断面部１５ａの内部空間のうち上方部は、作動媒体１４の蒸気を溜める蒸気溜め部１７を構成している。

円筒状の閉断面部１５ａの外径は、上方側から下方側に向かうにつれて連続的に大きくなっており、閉断面部１５ａの外面が上方側から下方側に向かうにつれて径方向外側に向かって拡がっている。一方、円筒状の閉断面部１５ａの内径は略一定になっている。

これにより、閉断面部１５ａは、下方部が大断面積をなし、上方部が小断面積をなしている。換言すれば、加熱器１５は、下方部が厚肉をなし、上方部が薄肉をなすように形成されている。

なお、加熱器１５の上方部（薄肉部）は、作動媒体１４の蒸気圧に耐えうる肉厚を有している。図示を省略しているが、加熱器１５は、車両のエンジン（内燃機関）から排出される排気ガス（高温ガス）から熱の供給を受けるようになっている。

容器１０の内部空間のうち加熱器１５の下方側に位置する部位は、加熱部１６で蒸発した作動媒体１４の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部１８を構成している。この冷却部１８における容器１０の外周面には、車両のエンジン（内燃機関）を冷却する冷却水が循環する冷却器１９が熱伝導可能に接触配置されている。

発電機１１のケーシング１２内には、作動媒体１４の液体部分から圧力を受けて変位するピストン２０がシリンダ部２１に摺動可能に配置されている。なお、ピストン２０はシャフト２２に連結されており、シャフト２２のうちピストン２０と反対側の端部には、一旦押し出されたピストン２０を押し戻すように弾性力を発生させるコイルばね２３が設けられている。なお、シャフト２２には上述の可動子１３が連結され、シャフト２２が振動変位することによって可動子１３も振動変位するようになっている。

次に、上記構成における作動を説明する。加熱器１５および冷却器１９を動作させると、まず加熱器１５により加熱部１６内の液相状態の作動媒体１４が加熱されて蒸発し、蒸気溜め部１７内および加熱部１６内に高温・高圧の作動媒体１４の蒸気が蓄積されて、作動媒体１４の液面１４ａを押し下げる。すると、作動媒体１４の液体部分は、略Ｕ字状の容器１０内をピストン２０側に向かって変位して、ピストン２０を押し上げる。このとき、コイルばね２３は弾性圧縮される。

次に、作動媒体１４の液面１４ａが冷却部１８まで下がり、冷却部１８内に作動媒体１４の蒸気が進入すると、この作動媒体１４の蒸気が冷却器１９により冷却されて凝縮するため、作動媒体１４の液面１４ａを押し下げる力が消滅する。

すると、作動媒体１４の蒸気の膨張によって一旦押し上げられた発電機１１側のピストン２０はコイルばね２３の弾性復元力により下降し、作動媒体１４の液体部分が略Ｕ字状の容器１０内を加熱部１６側に向かって変位する。そして、容器１０内の作動媒体１４の液面１４ａが加熱部１６まで上昇する。

こうした動作は、加熱器１５及び冷却器１９の動作を停止させるまで繰り返し実行され、その間、容器１０内の作動媒体１４は周期的に変位（いわゆる自励振動）して、発電機１１の可動子１３を上下動させることになる。

つまり、作動媒体１４の蒸気の発生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１４の液体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変位が出力として取り出される。

これまでの説明からわかるように、加熱部１６のうち冷却部１８に近い下方部と、冷却部１８から離れた上方部とでは作動媒体１４の液体部分の存在する時間が異なる。すなわち、加熱部１６では、冷却部１８に近い下方部ほど、作動媒体１４の液体部分の存在する時間が長くなる。

その結果、加熱器１５の下方部では作動媒体１４と熱交換する熱量が多くなり、加熱器１５の上方部では作動媒体１４と熱交換する熱量が少なくなる。

この点に鑑みて、本実施形態では、加熱器１５の下方部を厚肉にすることで、加熱器１５の下方部の熱容量を大きくしているので、加熱器１５のうち作動媒体１４と熱交換する熱量が多い下方部の温度低下を抑制でき、ひいては加熱器１５の加熱効率を向上できる。

一方、加熱器１５の上方部を薄肉にしているので、加熱器１５の上方部の肉厚が過剰になることを回避でき、ひいては小型軽量化を図ることができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、閉断面部１５ａの外径が、上方側から下方側に向かうにつれて連続的に大きくなっているが、本第２実施形態では、図３に示すように、閉断面部１５ａの外径が、上方側から下方側に向かうにつれて階段状に大きくなっている。これにより、閉断面部１５ａの加工を容易化できるので、コスト低減を図ることができる。

（第３実施形態）
上記第１実施形態では、閉断面部１５ａの外径が上方側から下方側に向かうにつれて連続的に大きくなっているとともに、閉断面部１５ａの内径が略一定になっているが、本第３実施形態では、図４に示すように、閉断面部１５ａの外径が略一定になっているとともに、閉断面部１５ａの内径が上方側から下方側に向かうにつれて連続的に大きくなっている。

つまり、本実施形態では、閉断面部１５ａの内面が下方側から上方側に向かうにつれて径方向外側に向かって窪んでいる。

これにより、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。しかも、本実施形態では、上記第１実施形態に比べて、蒸気溜め部１７の体積を大きく確保することができる。

（第４実施形態）
上記各実施形態では、閉断面部１５ａを上下方向に延びる円筒状に形成しているが、本第４実施形態では、図５に示すように、閉断面部１５ａを水平方向に拡がる中空円板状に形成している。

加熱部１６および蒸気溜め部１７は互いに独立した空間で構成されており、水平方向に拡がる円形状を有している。そして、加熱部１６の中心部に容器１０の上端部が接続され、加熱部１６および蒸気溜め部１７が連通路２０を介して互いに連通している。

中空円板状の閉断面部１５ａは、径方向外側から径方向内側に向かうにつれて外面が上下方向に拡がる形状を有しているので、径方向内側の部位が大断面積をなし、径方向外側の部位が小断面積をなしている。したがって、加熱器１５は、径方向内側の部位が厚肉をなし、径方向外側の部位が薄肉をなすこととなる。

本実施形態によると、加熱部１６のうち冷却部１８に近い径方向内側ほど作動媒体１４の液体部分の存在する時間が長くなるので、加熱器１５のうち径方向内側の部位では作動媒体１４と熱交換する熱量が多くなるのであるが、加熱器１５の径方向内側の部位が厚肉をなしているので、加熱器１５のうち径方向内側の部位の温度低下を抑制でき、ひいては加熱器１５の加熱効率を向上できる。

さらに、本実施形態では、作動媒体１４の蒸気が冷却器１９により冷却されて凝縮して作動媒体１４の液面１４ａが上昇すると、作動媒体１４の液体部分が加熱部１６の上壁面に衝突する。

これにより、加熱部１６内の作動媒体１４が撹拌されて乱流が生じるので、加熱部１６内の温度境界層を破壊することができる。この結果、加熱器１３の加熱効率を一層向上できる。

（他の実施形態）
なお、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。

本発明の第１実施形態による外燃機関の概略構成を示す断面図である。 図１の要部拡大図である。 第２実施形態による外燃機関の要部を示す断面図である。 第３実施形態による外燃機関の要部を示す断面図である。 第４実施形態による外燃機関の要部を示す断面図である。

符号の説明

１０ 容器
１１ 出力部
１４ 作動媒体
１５ 加熱器
１５ａ 閉断面部
１９ 冷却器

Claims (1)

1. 作動媒体（１４）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１０）と、
   前記容器（１０）の一端側に配置され、外部から供給された熱で前記作動媒体（１４）を加熱して蒸発させる加熱器（１５）と、
   前記容器（１０）のうち前記加熱器（１５）の配置部位よりも他端側に配置され、前記加熱器（１５）によって蒸発した前記作動媒体（１４）の蒸気を冷却して凝縮させる冷却器（１９）と、
   前記容器（１０）の他端部に連通し、前記作動媒体（１４）の蒸発と凝縮に伴う前記作動媒体（１４）の体積変動によって生じる前記作動媒体（１４）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（１１）とを備え、
   前記加熱器（１５）は、前記冷却器（１９）に近い部位が厚肉をなし、前記冷却器（１９）から離れた部位が薄肉をなすように形成され、
   前記加熱器（１５）は、内面側で前記作動媒体（１４）を加熱する閉断面部（１５ａ）を有しており、
   前記閉断面部（１５ａ）は、前記冷却器（１９）に近い部位が大断面積をなし、前記冷却器（１９）から離れた部位が小断面積をなすように形成され、
   前記閉断面部（１５ａ）は、前記冷却器（１９）から離れた側から前記冷却器（１９）に近い側に向かうにつれて外面が外側に向かって拡がる形状を有していることを特徴とする外燃機関。