JP4992917B2 - 外燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、作動媒体の体積変動によって生じる液体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、容器の他端部と連通する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）。

特開２００７−２５５２５９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の外燃機関では、作動媒体の蒸気が冷却部で凝縮して、作動媒体の液相部分（液面）が冷却部と加熱部との間から加熱部側に向かって押し戻される工程（以下、圧縮工程という）の途中で、作動媒体に気泡が巻き込まれ、作動媒体の液面が乱れ、液面上昇時の慣性力によって液状の粒体（以下、飛び粒という）が飛ばされてしまうことがある。この為、圧縮行程の途中で、飛ばされて液面より早く加熱部に供給された液状の粒体が加熱され蒸発してしまい、飛び粒の蒸気を圧縮するための圧縮仕事が発生するので、出力部で取り出せる機械的エネルギ（仕事）が小さくなってしまうといった問題点がある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、出力部で取り出せる仕事を増加させることができる外燃機関を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、
外燃機関において、
作動媒体（１２）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
容器（１１）のうち一端側の部位に形成され、容器（１１）内の作動媒体（１２）の一部を加熱して蒸発させる加熱部（１１ａ）と、
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（１２）の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１１ｂ）と、
容器（１１）の他端部と連通し、作動媒体（１２）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（２）と、
作動媒体（１２）の液面から加熱部（１１ａ）に向かって、作動媒体（１２）液状の粒体が飛ばされることを抑制する飛び粒抑制手段（６）とを備え、
飛び粒抑制手段（６）は、作動媒体（１２）の液面に粘性抵抗を発生させて作動媒体（１２）の液面から液状の粒体が飛ばされることを抑制する整流器（６）であり、
整流器（６）は、加熱部（１１ａ）と冷却部（１１ｂ）との間に設けられると共に、多孔質体によって形成されたメッシュ部材（６）であることを特徴とする。

これによれば、作動媒体の蒸気が冷却部で凝縮して、作動媒体の液相部分が出力部側から加熱部側に向かって押し戻される圧縮工程の途中で、気泡を巻き込み、流れを乱した作動媒体（１２）の液面から加熱部（１１ａ）に向かって飛び粒が飛ばされることを抑制することができる。そして、作動媒体（１２）の液相部分が加熱部（１１ａ）に流入する前に加熱部（１１ａ）に飛び粒が加熱されて蒸発することを抑制することができる。その結果、飛び粒が液面よりも先に加熱部（１１ａ）にて加熱されることで蒸発した蒸気を圧縮する必要のある従来のものと比べて、その飛び粒の蒸気を圧縮する仕事分を更に出力部（２）で取り出すことが可能となる。

そして、飛び粒抑制手段（６）は、作動媒体（１２）の液面に粘性抵抗を発生させて作動媒体（１２）の液面から液状の粒体が飛ばされることを抑制する整流器（６）であることを特徴とする。

これによれば、圧縮工程において、整流器（６）を備えることで、気泡を巻き込み、流れを乱した作動媒体（１２）の液面に大きな粘性抵抗を発生させることができる為、作動媒体（１２）の液面は、整流器（６）によって整流され、その結果、飛び粒を発生させること無く、加熱部（１１ａ）に到達することが可能となる。従って、飛び粒が液面よりも先に加熱部（１１ａ）にて加熱されることで蒸発した蒸気を圧縮する必要のある従来のものと比べて、その飛び粒の蒸気を圧縮する仕事分を更に出力部（２）で取り出すことが可能となる。

更に、整流器（６）は、加熱部（１１ａ）と冷却部（１１ｂ）との間に設けられると共に、多孔質体によって形成されたメッシュ部材（６）であることを特徴とする。

これによれば、圧縮工程であって、作動媒体（１２）の液面が冷却部（１１ｂ）から加熱部（１１ａ）へ上昇する途中において、気泡を巻き込み、流れを乱した作動媒体（１２）の液面が整流器（６）を通過することで、整流器（６）を通過する作動媒体（１２）の液面に大きな粘性抵抗を発生させることができる為、整流器（６）を通過した作動媒体（１２）の液相部分は、整流器（６）によって整流され、その結果、飛び粒を発生させること無く、加熱部（１１ａ）に到達することが可能となる。従って、飛び粒が液面よりも先に加熱部（１１ａ）にて加熱されることで蒸発した蒸気を圧縮する必要のある従来のものと比べて、その飛び粒の蒸気を圧縮する仕事分を更に、出力部（２）で取り出すことが可能となる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態における外燃機関の出力を発電機で取り出す発電装置の概略構成を示す構成図である。 第１実施形態におけるメッシュ部材を示す模式図である。 第２実施形態における外燃機関の出力を発電機で取り出す発電装置の概略構成を示す構成図である。 第２実施形態におけるメッシュ部材を示す模式図である。 第３実施形態における加熱部を示す模式図である。 第４実施形態における加熱部を示す模式図である。 第５実施形態における外燃機関の出力を発電機で取り出す発電装置の概略構成を示す構成図である。（カムあり） 第５実施形態における液面位置の基準を示す模式図である。 第５実施形態における液面位置と加速度とを示す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）
以下、本発明の第１実施形態について図１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１０の出力を発電機１で取り出す発電装置の概略構成を示す構成図である。

図１に示すように、本実施形態の外燃機関１０は、永久磁石が埋設された可動子３を振動変位させることによって起電力を発生する発電機１を駆動するためのものであり、液体の状態の作動媒体１２（本実施形態では水）が流動可能に封入された容器１１と、容器１１内の作動媒体１２を加熱して蒸気を発生させる加熱器１３と、作動媒体１２の蒸気を冷却する冷却器１４と出力部２とを備える。

本実施形態の加熱器１３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１３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１４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１２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。

容器１１は、断熱性に優れたステンレス製としているが、容器１１のうち加熱器１３と接触して作動媒体１２を蒸発させる部位である加熱部１１ａおよび冷却器１４と接触して作動媒体１２を凝縮させる部位である冷却部１１ｂは熱伝導率に優れた材料とすることが望ましく、本実施形態では、加熱部１１ａおよび冷却部１１ｂを銅又はアルミニウム製としている。また、容器１１のうち加熱部１１ａと冷却部１１ｂとの中間部１１ｃをステンレス製としている。

そして、容器１１は、屈曲部１１ｄが最下部に位置するように第１、２直線部１１ｅ、１１ｆ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、容器１１のうち屈曲部１１ｄを挟んで水平方向一端側（紙面右側）の第１直線部１１ｅには、加熱器１３および冷却器１４が設けられている。加熱器１３は第１直線部１１ｅの上部（一端側の部位）に設けられており、また、冷却部１４は加熱器１３の下側（他端側の部位）に設けられている。

図示を省略しているが、作動媒体１２が気化する空間を確保するために、第１直線部１１ｅ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１２の純粋な蒸気でもよい。

一方、容器１１のうち屈曲部１１ｄを挟んで水平方向他端側（紙面左側）の第２直線部１１ｆの上端部には、出力部２が設けられており、上端部内における作動媒体１２の液面変化（自励振動変位）に応動して発電を行えるように構成されている。

出力部２は、第２直線部１１ｆの上端部内に連通するように配置されたシリンダ１５と、シリンダ１５内を往復運動できるように構成されたピストン１６と、ピストン１６に連結された可動子３と、可動子３を挟んでピストン１６と反対側には、可動子３をピストン１６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とを備える。シリンダ１５内でピストン１６が往復運動する際に、ピストン１６の外周面とシリンダ１５の内周面が、常時接触状態となっておりピストン１６は、シリンダ１５内を摺動する。

この出力部２において、ピストン１６は、シリンダ１５内の第２直線部１１ｆ側の一端である下端（下死点）と、第２直線部１１ｆ側とは反対の他端である上端（上死点）の間を往復運動することができる。また、この出力部２において、可動子３は、永久磁石が埋設されているため、発電機１を構成する部材としても機能している。

本実施形態における容器１１の中間部１１ｃには、作動媒体１２の液面に大きな粘性抵抗を発生させて作動媒体１２の液面から液状の粒体が飛ばされることを抑制する整流器としてのメッシュ部材６が配設されている。メッシュ部材６は、焼結金属からなる多孔質体によって形成されており、容器１１の内壁面に接触するように配置されている。メッシュ部材６の熱容量は、小さい方が好ましく、本実施形態では、厚さの薄いメッシュ部材６が適用されている。

次に、上記構成における作動を図２を用いて説明する。図２は、本実施形態におけるメッシュ部材６を示す模式図である。

加熱器１３および冷却器１４を動作させると、まず、作動媒体１２の液相部分を発電機１側に向かって変位させる膨張行程が行われる。この膨張行程では、加熱器１３により液体状態の作動媒体１２が加熱されて蒸発し、高温・高圧の作動媒体１２の蒸気が作動媒体１２の液面を押し下げる。

すると、容器１１内に封入された作動媒体１２の液相部分は、加熱部１１ａ側から発電機１側に変位して、発電機１のピストン１６を押し上げる。このとき、バネ４は弾性圧縮される。

押し下げられた作動媒体１２の液面が冷却部１１ｂまで到達し、冷却部１１ｂ内に作動媒体１２の蒸気が進入すると、冷却器１４により冷却されて凝縮する（凝縮工程）。そして、作動媒体１２の液相部分（液面）を冷却部１１ｂと加熱部１１ａとの間から加熱部１１ａ側に向かって変位させる圧縮工程が行われる。

この圧縮行程では、冷却部１１ｂ内に進入した作動媒体１２の蒸気が冷却器１４により冷却されて凝縮するため、作動媒体１２の液面を押し下げる力が消滅する。すると、作動媒体１２の蒸気の膨張によって一旦押し上げられたピストン１６はバネ４の弾性復元力により下降する。

このため、作動媒体１２の液相部分が発電機１側から加熱部１１ａ側に変位して、作動媒体１２の液面が加熱部１１ａまで上昇する。ここで、図２に示すように、作動媒体１２の液面が加熱部１１ａへ上昇する途中において、作動媒体１２の液面は、メッシュ部材６を通過する。そして、メッシュ部材６を通過する作動媒体１２の液面には、メッシュ部材６による大きな粘性抵抗が発生する。その結果、メッシュ部材６を通過した作動媒体１２は、メッシュ部材６によって整流されて、加熱部１１ａに流入する。加熱部１１ａに流入した作動媒体１２の液相部分は、再び加熱部１１ａにて液体状態の作動媒体１２が加熱されて蒸発することとなる。

そして、膨張行程および圧縮行程は、加熱器１３および冷却器１４の動作を停止させるまで繰り返し行われ、その間、容器１１内の作動媒体１２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１の可動子３を上下動させることになる。

つまり、作動媒体１２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１２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。

以上説明したように、圧縮工程であって、作動媒体１２の液面が冷却部１１ｂから加熱部１１ａへ上昇する途中の中間部１１ｃにおいて、気泡を巻き込み、流れを乱した作動媒体１２の液面がメッシュ部材６を通過することで、メッシュ部材６を通過する作動媒体１２の液面に大きな粘性抵抗を発生させることができる為、メッシュ部材６を通過した作動媒体１２の液相部分は、メッシュ部材６によって整流され、その結果、飛び粒を発生させること無く、加熱部１１ａに到達することが可能となる。従って、飛び粒が液面よりも先に加熱部１１ａにて加熱されることで蒸発した蒸気を圧縮する必要のある従来のものと比べて、その飛び粒の蒸気を圧縮する仕事分、更に出力部２で取り出すことが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３及び図４に基づいて説明する。図３は、本実施形態における外燃機関１０の出力を発電機１で取り出す発電装置の概略構成を示す構成図である。図４は、本実施形態におけるメッシュ部材６を示す模式図である。

本実施形態における外燃機関１０は、第１実施形態のものと比べて、メッシュ部材６を中間部１１ｃに設ける代わりに、メッシュ部材６を作動媒体１２の液面に浮かせている。本実施形態におけるメッシュ部材６は、作動媒体１２の液面とともに動く可動式であり、常に、作動媒体１２の液面に大きな粘性抵抗を発生させている。

また、容器１１の内壁面であって、加熱部１１ａと中間部１１ｃとの間には、ストッパ２０７が形成されている。ストッパ２０７は、容器１１の内壁面から内側に突出する突起構造を有しており、メッシュ部材６が加熱部１１ａに流入することを防止するためのものである。メッシュ部材６の加熱部１１ａへの流入を防止する理由としては、メッシュ部材６が加熱部１１ａに流入すると、加熱部１１ａからメッシュ部材６へ多量の熱が移動するが、メッシュ部材６は可動式な為、作動媒体１２の液面が冷却部１１ｂへ下がるとともにメッシュ部材６も冷却部１１ｂへ移動し、加熱部１１ａから受けた熱をそのまま冷却部１１ｂへ放熱すること、つまり、メッシュ部材６が外燃機関１０を作動させる上で全く無駄な熱輸送を行うからである。

本実施形態によれば、圧縮工程において、メッシュ部材６によって常に作動媒体１２の液面に大きな粘性抵抗が発生している為、作動媒体１２の液面は、飛び粒を発生させること無く、加熱部１１ａに到達することが可能となる。一方、メッシュ部材６は、ストッパ２０７により加熱部１１ａへの流入が阻止され、加熱部１１ａの熱がメッシュ部材６に移動するのを阻止することができる。

また、膨張行程において、液面に浮くように設定されたメッシュ部材６は、上記第１実施形態のように位置固定されたメッシュ部材に比べて、高温・高圧の作動媒体１２の蒸気の通過量は低下するため、作動媒体１２の蒸気がメッシュ部材６と熱交換して凝縮されることを抑制しつつ、作動媒体１２の液面を押し下げることが可能となる。よって、高温・高圧の作動媒体１２の蒸気がメッシュ部材６と熱交換して凝縮されるものと比べて、その作動媒体１２の蒸気が凝縮する仕事分、更に出力部２で取り出すことが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態における加熱部１１ａを示す模式図である。上記第１、第２実施形態では、加熱部１１ａは、下方側から上方側に向かって円筒状に延びるものとして説明したが、第３実施形態では、加熱部１１ａが水平方向に延びるようにしている。つまり、容器１１の第１直線部１１ｅの上側に対応する部位がＴ字状に形成されている。そして、加熱部１１ａの内側空間には、伝熱部材１３ａが設けられ、更に内側空間の両端側は、蒸気溜め部１３ｂとして形成されている。伝熱部材１３ａは、焼結金属からなる多孔質体で形成されるようにしている。

加熱部１１ａをＴ字状とした場合に、加熱部１１ａでの流路抵抗が大きいと、飛び粒が発生して加熱部１１ａ内に進入して、加熱部１１ａ内の空間が蒸気溜め部１３ｂ側とメッシュ部材６側とに分断されると、両者内の圧力の大小関係によって、飛び粒が加熱部１１ａ側に流れ込む、あるいは逆にメッシュ部材６側に戻されるといった繰り返しによる作動媒体液面の脈動が生じやすくなる。この脈動により、加熱器１３から冷却器１４に対して、不要な熱の移動が生じてしまう。

これに対して、本実施形態によれば、メッシュ部材６によって飛び粒の発生を抑制できるので、加熱部１１ａをＴ字状とした場合であっても、作動媒体の脈動を抑制することができ、加熱器１３から冷却器１４への不要な熱の移動が生ずることを抑制できる。

そして、加熱部１１ａにおける作動媒体は、伝熱部材１３ａ内の微細な流路内で加熱され、作動媒体を確実に沸騰させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態における加熱部１１ａを示す模式図である。上記第３実施形態に対して、本実施形態では、加熱部１１ａの上側に更に水平方向に延びる蒸気溜め部１３ｂを設け、加熱部１１ａと蒸気溜め部１３ｂとが連通路１３ｃによって連通されるようにしている。加熱部１１ａには、上記第３実施形態と同様の伝熱部材１３ａを設けるようにしても良い。

第４実施形態も、第３実施形態と同様に作動し、同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図７〜図９に基づいて説明する。図７は、本実施形態における外燃機関１０の出力を発電機で取り出す発電装置の概略構成を示す構成図、図８は、本実施形態における液面位置の基準を示す模式図、図９は、本実施形態における液面位置と加速度とを示すタイムチャートである。

外燃機関１０の加熱部１１ａは、上記第４実施形態と同一である。また、出力部２のピストン１６には、シャフト３ａが接続されており、シャフト３ａの先端部には、カム機構１７が設けられている。カム機構１７は、卵形状をなすカム１７ａと、カム１７ａに接続される出力軸１７ｂとが設けられている。

カム１７ａは、円周上の半周分の半径寸法が大きく、また残りの半周分の半径寸法が小さくなるように形成されている。半径寸法は、円周方向に渡って、連続的に変化するように形成されている。カム１７ａの半径寸法が大きい範囲は、外燃機関１０の膨張行程に対応し、またカム１７ａの半径寸法が小さい範囲は、外燃機関１０の圧縮工程に対応するようになっている。出力軸１７ｂは、回転することによって発電する発電機（図示せず）に接続されている。

外燃機関１０の膨張行程において図７中、ピストン１６が下降する際に、カム１７ａが回転され、これに伴って出力軸１７ｂが回転され、発電機にて発電が行われる。ここで、外燃機関１０の膨張行程においては、対応するカム１７ａの半径寸法が大きいため、ピストン１６のストロークは大きく発生し、ピストン１６の変位速度、変位加速度は大きくなる。逆に、外燃機関１０の圧縮行程においては、対応するカム１７ａの半径寸法が小さいため、ピストン１６のストロークは小さくなり、ピストン１６の変位速度、変位加速度も小さく抑えられることになる。つまり、図８、図９に示すように、圧縮工程においてピストン１６が上昇する（作動媒体１２の液面が上昇する）時の速度は減速され、その時の加速度は所定の加速度以下に抑えられることになる。作動媒体１２の液面上昇時の加速度は、加熱部１１ａと反対側（下向き）に生じているのである。

これにより、圧縮工程において、作動媒体１２の液面から飛び粒が発生するのを抑制できる。よって、飛び粒が液面よりも先に加熱部１１ａにて加熱されることで蒸発した蒸気を圧縮する必要のある従来のものと比べて、その飛び粒の蒸気を圧縮する仕事分を更に、出力部２で取り出すことが可能となる。

（他の実施形態）
飛び粒の発生を抑制する手段としては、上記第５実施形態ではカム機構１７を用いるものとして説明したが、このカム機構１７に代えて、発電機の出力負荷を調整するものとしても良い。つまり、圧縮工程においては、膨張行程の時よりも発電機の出力負荷を大きくすることで、ピストン１６の速度を小さくして、作動媒体１２の液面の上層速度、加速度を小さくすることができる。

また、上記第１〜第５実施形態では、整流器として金属製のメッシュ部材６を用いた例について説明したが、これに限らず、整流器として発泡金属を用いても良いし、金属粒子を並べることで整流部材を構成しても良い。

また、上記した各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合わせても良い。

１ 発電機
２ 出力部
６ メッシュ部材（飛び粒抑制手段、整流器）
７ カム機構（飛び粒抑制手段）
１１ 容器
１１ａ 加熱部
１１ｂ 冷却部
１１ｃ 中間部
１２ 作動媒体

Claims (1)

1. 作動媒体（１２）が液体状態で流動可能に封入された管状の容器（１１）と、
   前記容器（１１）のうち一端側の部位に形成され、前記容器（１１）内の前記作動媒体（１２）の一部を加熱して蒸発させる加熱部（１１ａ）と、
   前記容器（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（１２）の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１１ｂ）と、
   前記容器（１１）の他端部と連通し、前記作動媒体（１２）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（２）と、
   前記作動媒体（１２）の液面から前記加熱部（１１ａ）に向かって、前記作動媒体（１２）液状の粒体が飛ばされることを抑制する飛び粒抑制手段（６）とを備え、
   前記飛び粒抑制手段（６）は、前記作動媒体（１２）の液面に粘性抵抗を発生させて前記作動媒体（１２）の液面から前記液状の粒体が飛ばされることを抑制する整流器（６）であり、
   前記整流器（６）は、前記加熱部（１１ａ）と前記冷却部（１１ｂ）との間に設けられると共に、多孔質体によって形成されたメッシュ部材（６）であることを特徴とする外燃機関。

Images