外燃機関
【課題】熱損失の一層の低減を図る。
【解決手段】作動媒体１３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の一端側に形成され、容器１０の外部から供給された熱で作動媒体１３を加熱して蒸発させる加熱部１５と、容器１０のうち加熱部１５よりも他端側に形成され、加熱部１５で発生した作動媒体１３の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部１９と、容器１０の他端部に連通し、作動媒体１３の蒸発と凝縮に伴う作動媒体１３の体積変動によって生じる作動媒体１３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、加熱部１５内には、作動媒体１３の加熱を促進する伝熱部材１６が配置され、伝熱部材１６内には、作動媒体１３が流通可能な流路２４が多数個形成されている。
【解決手段】作動媒体１３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の一端側に形成され、容器１０の外部から供給された熱で作動媒体１３を加熱して蒸発させる加熱部１５と、容器１０のうち加熱部１５よりも他端側に形成され、加熱部１５で発生した作動媒体１３の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部１９と、容器１０の他端部に連通し、作動媒体１３の蒸発と凝縮に伴う作動媒体１３の体積変動によって生じる作動媒体１３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、加熱部１５内には、作動媒体１３の加熱を促進する伝熱部材１６が配置され、伝熱部材１６内には、作動媒体１３が流通可能な流路２４が多数個形成されている。
【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、加熱部において作動媒体が沸騰することなく冷却部側へ移動すると熱損失が発生してしまうことに鑑みて、図１０（ａ）に示すように、加熱部１５の内壁面に細溝５０を設けている。
【０００４】
すなわち、この細溝５０による毛細管現象で、加熱部１５の内壁面近傍だけに作動媒体１３を導入し、加熱部１５の内壁面近傍だけで作動媒体１３を沸騰させることによって、温度勾配の影響を排除して作動媒体１３を確実に沸騰させ、熱損失を低減している。
【特許文献１】特開２００５−３３０８８３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、本発明者の詳細な検討によると、上記従来技術では、図１０（ｂ）に示すように、細溝５０が閉断面形状になっておらず、管状の容器の中心側に向かって開放されているので、沸騰した蒸気がその周囲の沸騰していない作動媒体１３を細溝５０の外に飛ばしてしまい、熱損失につながっていることがわかった。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、熱損失の一層の低減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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（１３）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）の一端側に形成され、容器（１０）の外部から供給された熱で作動媒体（１３）を加熱して蒸発させる加熱部（１５）と、
容器（１０）のうち加熱部（１５）よりも他端側に形成され、加熱部（１５）で発生した作動媒体（１３）の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１９）と、
容器（１０）の他端部に連通し、作動媒体（１３）の蒸発と凝縮に伴う作動媒体（１３）の体積変動によって生じる作動媒体（１３）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、
加熱部（１５）内には、作動媒体（１３）の加熱を促進する伝熱部材（１６）が配置され、
伝熱部材（１６）内には、作動媒体（１３）が流通可能な流路（２４）が多数個形成されていることを特徴とする。
【０００８】
これによると、加熱部（１５）に導入された液体状態の作動媒体（１３）が多数個の流路（２４）内で加熱され沸騰するので、温度勾配の影響を排除して作動媒体（１３）を確実に沸騰させることができる。
【０００９】
しかも、流路（２４）が伝熱部材（１６）内に形成されているので、流路（２４）内で沸騰した作動媒体（１３）の蒸気がその周囲の液相状態の作動媒体（１３）を飛ばしてしまうことを防止できる。このため、上記従来技術に比べて熱損失を一層低減することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、加熱部（１５）に対して冷却部（１９）と反対側には、加熱部（１５）で発生した作動媒体（１３）の蒸気を溜める蒸気溜め部（１７）が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の外燃機関において、伝熱部材（１６）は多孔質体であり、
流路（２４）は、多孔質体（１６）の内部に形成された細孔で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の外燃機関において、多孔質体（１６）は焼結金属であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の外燃機関において、焼結金属は、球状の金属粒子（２５、３０）同士の接合により形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の外燃機関では、請求項５に記載の外燃機関において、金属粒子（２５、３０）同士の接合は面接合になっており、
金属粒子（２５、３０）同士の接合面の直径（ｄｊ）は、金属粒子（２５、３０）の直径（ｄ）の１０％以上、５０％以下になっていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、伝熱部材（１６）における作動媒体（１３）の流通性と伝熱性能とを両立できる。
【００１６】
なお、ここでいう金属粒子（２５、３０）の直径（ｄ）とは、金属粒子（２５、３０）のうち面接合することなく本来の球形状を有している部位で測った直径を意味するものである。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の外燃機関において、伝熱部材（１６）のうち加熱部（１５）の内壁面との接触部位から加熱部（１５）の内壁面に対して最も離れた部位までの寸法を金属粒子（２５、３０）の積層厚み（Ｌ）としたとき、
積層厚み（Ｌ）が、
【００１８】
【数１】
【００１９】
の関係を満たしていることを特徴とする。
【００２０】
但し、
Ｌ ：積層厚み
λ ：前記金属粒子（２５、３０）の熱伝導率
Ｔ１：前記加熱部（１５）の内壁面の温度
Ｔ３：前記冷却部（１９）の内壁面の温度
η ：前記伝熱部材（１６）の空隙率
ｈfg：潜熱
ε ：前記作動媒体（１３）の液体部分の変位の１周期のうち前記加熱部（１５）内に液相状態の前記作動媒体（１３）が入っている時間の割合
ｆ ：駆動周波数
これにより、流路（２４）内の液相状態の作動媒体（１３）を良好に蒸発させることができ、液体ピストン蒸気エンジンを高効率化できる（後述の図４を参照）。
【００２１】
請求項８に記載の発明では、請求項５ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関において、金属粒子（２５）が銅で形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項９に記載の発明では、請求項５ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関において、金属粒子（３０）は、金属で形成された基粒子（３０ａ）と、基粒子（３０ａ）よりも靭性の高い金属にて基粒子（３０ａ）の表面を覆うように形成された保護層（３０ｂ）とを有することを特徴とする。
【００２３】
これにより、作動媒体（１３）の沸騰による金属粒子（３０）のエロージョンを保護層（３０ｂ）によって良好に防止できる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の外燃機関において、基粒子（３０ａ）を形成する金属が銅であり、
保護層（３０ｂ）を形成する金属がニッケルであることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１に記載の発明では、請求項１または２に記載の外燃機関において、伝熱部材（１６）は、円柱状の伝熱材（３１）を多数個平行配置することにより形成されており、
流路（２４）は、伝熱材（３１）同士の間に形成された細長形状の空間で構成されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１２に記載の発明では、請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の外燃機関において、加熱部（１５）および冷却部（１９）はともに、断面円形に形成されており、
加熱部（１５）の内径は、冷却部（１９）の内径よりも小さく設定されており、
容器（１０）のうち加熱部（１５）と冷却部（１９）との間の部位は、内径が加熱部（１５）から冷却部（１９）に向かうにつれて徐々に大きくなるテーパ形状を有していることを特徴とする。
【００２７】
これによると、加熱部（１５）で蒸発した作動媒体（１３）の蒸気が作動媒体（１３）の液面（１３ａ）を突き抜けることを防止できるので、作動媒体（１３）の液面（１３ａ）を良好に押し下げることができ、ひいては出力および効率を向上できる。
【００２８】
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】
【００２９】
（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４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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、永久磁石が埋設された可動子（図示せず）をケーシング１２内に収納しており、この可動子が振動変位することによって起電力を発生する。
【００３２】
容器１０は、作動媒体（本例では水）１３が液体状態で流動可能に封入された円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。
【００３３】
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１３を加熱する加熱器１４が配置されている。加熱器１４は、熱伝導性に優れた材質（本例では、銅）で形成されている。
【００３４】
加熱器１４は、容器１０の他端部を上方側から塞ぐ有底円筒状（コップ状）に形成されている。本例では、容器１０の他端部を加熱器１４内の中間部まで挿入しているが、容器１０の他端部を加熱器１４内の最奥部まで挿入するようにしてもよいし、容器１０の他端部を加熱器１４の開口端部に突き合わせて接続するようにしてもよい。
【００３５】
加熱器１４の内側に形成される空間のうち下方側の空間は、液体状態の作動媒体１３を加熱して蒸発させる加熱部１５を構成している。一方、加熱器１４の内側に形成される空間のうち加熱部１５の上方側に位置する空間は、作動媒体１３の蒸気を溜める蒸気溜め部１７を構成している。
【００３６】
なお、加熱器１４は、一体成形により形成してもよいし、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形成してもよい。
【００３７】
この加熱部１５には、作動媒体１３の加熱を促進する伝熱部材１６が配置されている。この伝熱部材１６の詳細は後述する。
【００３８】
容器１０のうち加熱器１４よりも下方側に位置する部位の外周面には、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１８が熱伝導可能に接触配置されている。容器１０の内部空間のうち冷却器１８の内側に位置する空間は、加熱部１５で蒸発した作動媒体１３の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部１９を構成している。
【００３９】
発電機１１のケーシング１２内には、作動媒体１３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（図示せず）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も振動変位するようになっている。
【００４０】
図２は図１のＡ部拡大図である。上述の伝熱部材１６は、容器１０の断面全体にわたって配置され、容器１０の内壁面に周知の接合手段によって接合されている。そして、伝熱部材１６内には、作動媒体１３が流通可能な微細な流路２４が多数個形成されている。
【００４１】
本例では、伝熱部材１６を焼結金属からなる多孔質体で形成し、この多孔質体１６の内部に形成された細孔によって流路２４を構成している。
【００４２】
より具体的には、多孔質体１６は、伝熱性能が高い金属（本例では、銅）によって球状に形成された金属粒子２５同士をある程度潰して面接合させた構造になっている。球状の粒子２５は、粒度分布が小さい均質な粒子である。本例では、この球状の粒子２５を六方最密構造に充填している。
【００４３】
なお、図２では、図示の都合上、球状の粒子２５同士が点接合しているように示されているが、実際には、図３に示すように、球状の粒子２５同士がある程度潰れた状態で面接合している。
【００４４】
次に、上記構成における作動を説明する。加熱器１４および冷却器１８を動作させると、まず加熱器１４により加熱部１５内の液相状態の作動媒体１３が加熱されて蒸発し、蒸気溜め部１７内および加熱部１５内に高温・高圧の作動媒体１３の蒸気が蓄積されて、作動媒体１３の液面１３ａを押し下げる。すると、作動媒体１３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。
【００４５】
次に、作動媒体１３の液面１３ａが冷却部１９まで下がり、冷却部１９内に作動媒体１３の蒸気が進入すると、この作動媒体１３の蒸気が冷却器１８により冷却されて凝縮するため、作動媒体１３の液面１３ａを押し下げる力が消滅する。
【００４６】
すると、作動媒体１３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１３の液体部分が略Ｕ字状の容器１０内を加熱部１５側に向かって変位する。そして、容器１０内の作動媒体１３の液面１３ａが加熱部１５まで上昇する。
【００４７】
こうした動作は、加熱器１４および冷却器１８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１３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。
【００４８】
つまり、作動媒体１３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１３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。
【００４９】
本実施形態によると、微細な流路２４を有する伝熱部材１６を加熱部１５の断面全体にわたって配置しているので、加熱部１５に導入された液体状態の作動媒体１３が微細な流路２４内で加熱され沸騰する。このため、温度勾配の影響を排除して作動媒体１３を確実に沸騰させることができる。
【００５０】
しかも、微細な流路２４は、球状の粒子２５に囲まれて形成されているので、流路２４内で沸騰した作動媒体１３の蒸気が周囲の液相状態の作動媒体１３を飛ばしてしまうことを防止できる。このため、上記従来技術に比べて熱損失を一層低減することができる。
【００５１】
次に、伝熱部材１６の一設計例を示す。まず、球状の粒子２５の接合面の直径ｄｊ（図３）について説明する。接合面の直径ｄｊを小さくした場合、すなわち球状の粒子２５同士の潰し量を小さくした場合には、流路２４の流路面積が大きくなるので作動媒体１３の流通性が良好である反面、球状の粒子２５間の伝熱面積（接触面積）が小さくなるので伝熱性能が劣る。
【００５２】
これとは逆に、接合面の直径ｄｊを大きくした場合、すなわち球状の粒子２５同士の潰し量を大きくした場合には、球状の粒子２５間の伝熱面積が大きくなるので伝熱性能が良好である反面、流路２４の流路面積が小さくなるので作動媒体１３の流通性が劣る。
【００５３】
そこで、作動媒体１３の流通性と伝熱性能とを両立するために、接合面の直径ｄｊを粒子２５の直径ｄの１０％以上、５０％以下にするのが望ましい。より望ましくは、接合面の直径ｄｊを粒子２５の直径ｄの１／４に設定するのがよい（ｄｊ＝ｄ／４）。
【００５４】
なお、ここでいう粒子２５の直径ｄとは、粒子２５のうち、面接合することなく本来の球形状を有している部位で測った直径を意味するものである。
【００５５】
次に、球状の粒子２５の積層厚みＬ（図２）について説明する。ここで、球状の粒子２５の積層厚みＬとは、伝熱部材１６のうち加熱部１５の内壁面との接触部位（本例では、伝熱部材１６の最外周部）から加熱部１５の内壁面に対して最も離れた部位（本例では、容器１０の中心線Ｏ上に位置する部位。以下、この部位を伝熱部材１６の最低温部という。）までの寸法のことを意味するものである。
【００５６】
因みに、加熱部１５における容器１０の内壁面から加熱部１５の中心線Ｏまでの粒子２５の積層個数をｎとすると、粒子２５の積層厚みＬは次の数２のように近似することができる。
【００５７】
（数２）
Ｌ＝ｎｄ
加熱部１５の内壁面の温度をＴ１、伝熱部材１６の最低温部の温度をＴ２としたとき、球状の粒子２５の伝熱量Ｑｉｎは、次の数３で表される。
【００５８】
【数３】
【００５９】
ここで、λは粒子２５の熱伝導率、Ｓは球状の粒子２５間の伝熱面積（接触面積）である。本例では、ｄｊ＝ｄ／４としているので、球状の粒子２５間の伝熱面積Ｓは次の数４で表される。
【００６０】
【数４】
【００６１】
一方、１周期中に球状の粒子２５から流路２４内の作動媒体１３に与えられる熱量Ｑｏｕｔは、次の数５で表される。
【００６２】
（数５）
Ｑｏｕｔ＝Ｖｈfgεｆ
ここで、Ｖは流路２４内の作動媒体１３の体積であり、ｈfgは潜熱であり、εは１周期のうち加熱部１５内に液相状態の作動媒体１３が入っている時間の割合であり、ｆは液体ピストン蒸気エンジンの駆動周波数である。
【００６３】
このうち、流路２４内の作動媒体１３の体積Ｖは、次の数６で表される。
【００６４】
【数６】
【００６５】
ここで、ηは伝熱部材１６の空隙率である。
【００６６】
そして、次の数７に示すように、上述の伝熱量Ｑｉｎと熱量Ｑｏｕｔは同じであるから、数２〜数７により次の数８が導かれる。
【００６７】
（数７）
Ｑｉｎ＝Ｑｏｕｔ
【００６８】
【数８】
【００６９】
図４（ａ）は、この数８をグラフに表したものであり、粒子２５の積層厚みＬが大きいほど、伝熱部材１６の最低温部の温度Ｔ２が低下することがわかる。なお、図４（ｂ）は、伝熱部材１６の最低温部の温度Ｔ２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。ここで、Ｔ３は冷却部１９の内壁面の温度である。
【００７０】
図４（ｂ）からわかるように、伝熱部材１６の最低温部の温度Ｔ２は、加熱部１５の内壁面の温度Ｔ１と冷却部１９の内壁面の温度温度Ｔ３の平均値以上であるのが望ましい。すなわち、伝熱部材１６の最低温部の温度Ｔ２は、次の数９を満たすのが望ましい。
【００７１】
【数９】
【００７２】
よって、数８、数９により、次の数１０が導かれる。
【００７３】
【数１０】
【００７４】
したがって、粒子２５の積層厚みＬがこの数１０を満たすように伝熱部材１６を設計すれば、流路２４内の液相状態の作動媒体１３を良好に蒸発させることができ、液体ピストン蒸気エンジンを高効率化できる。
【００７５】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、加熱部１５の内径と冷却部１９の内径とが同一になっているが、本第２実施形態では、図５に示すように、加熱部１５の内径が冷却部１９の内径よりも小さくなっており、容器１０のうち加熱部１５と冷却部１９との間の部位がテーパー形状に形成されて内径が徐々に変化している。
【００７６】
ここで、冷却部１９の内径の設定については、特開２００５−３３０８８４号公報に記載されているように、冷却部１９の内半径を次の数１１で表される低圧時熱浸透深さδと同一寸法又は略同一寸法に設定することで、冷却部１９にて作動媒体１３の蒸気を適切に凝縮させることができる。
【００７７】
【数１１】
【００７８】
ここで、ωは、作動媒体１３の自励振動の角周波数であり、ａは、低圧時における作動媒体１３の温度伝導率である。
【００７９】
このように、加熱部１５の内径の最適寸法と冷却部１９の内径の最適寸法とが異なるため、本実施形態のように、加熱部１５の内径が冷却部１９の内径よりも小さくなる場合が起こりうるのである。
【００８０】
図６は比較例であり、この比較例では、本実施形態と同様に加熱部１５の内径を冷却部１９の内径よりも小さくしているが、容器１０のうち加熱部１５と冷却部１９との間の部位が階段状に形成されており、加熱部１５と冷却部１９との間で内径が容器１０の急激に変化している点が本実施形態と異なる。
【００８１】
この比較例によると、図６に示すように、加熱部１５で蒸発した作動媒体１３の蒸気が容器１０の段差部で作動媒体１３の液面１３ａを突き抜けてしまい、作動媒体１３の液面１３ａをうまく押し下げることができない。その結果、液体ピストン蒸気エンジンの出力および効率が低下してしまう。
【００８２】
これに対して、本実施形態では、容器１０のうち加熱部１５と冷却部１９との間の部位がテーパー形状に形成されて内径が徐々に変化しているので、加熱部１５で蒸発した作動媒体１３の蒸気が作動媒体１３の液面１３ａを突き抜けることなく、作動媒体１３の液面１３ａを良好に押し下げることができる。その結果、液体ピストン蒸気エンジンの出力および効率を向上できる。
【００８３】
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、加熱部１５が下方側から上方側に向かって延びているが、本第３実施形態では、図７に示すように、加熱部１５が水平方向に向かって円形状に拡がっている。また、蒸気溜め部１７は、加熱部１５の上方側にて水平方向に拡がる円形状を有しており、加熱部１５および蒸気溜め部１７は、連通路２０を介して互いに連通している。
【００８４】
本実施形態では、伝熱部材１６の上下両端部から上下方向中心部までの寸法が、上述した粒子２５の積層厚みＬになる。本実施形態においても、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。
【００８５】
さらに、本実施形態では、作動媒体１３の蒸気が冷却器１８により冷却されて凝縮して作動媒体１３の液面１４ａが上昇すると、作動媒体１３の液体部分が加熱部１５の上壁面に衝突する。これにより、加熱部１５内の作動媒体１３が撹拌されて乱流が生じるので、加熱部１５内の温度境界層を破壊することができ、ひいては、加熱器１３の加熱効率を一層向上できる。
【００８６】
（第４実施形態）
本第４実施形態は、上記各実施形態に対して、作動媒体１３の沸騰によるエロージョン対策を施したものである。
【００８７】
すなわち、上記各実施形態では、比較的脆い銅のみで形成された球状の粒子２５によって伝熱部材１６を形成しているので、沸騰した作動媒体１３によって粒子２５の表面がむしり取られるという、いわゆるエロージョンと呼ばれる現象が発生する。
【００８８】
そこで、本実施形態では、図８に示すように、銅で形成された球状の基粒子３０ａの表面に、銅よりも靭性の高いニッケルなどの金属で形成された保護層３０ｂをメッキなどの手段で覆うことで金属粒子３０を形成し、この金属粒子３０を焼結することで伝熱部材１６を形成している。
【００８９】
これにより、保護層３０ｂが基粒子３０ａを保護するので、エロージョンを良好に防止できる。
【００９０】
（第５実施形態）
上記各実施形態では、伝熱部材１６を焼結金属からなる多孔質体で形成し、この多孔質体１６の内部に形成された細孔によって流路２４を構成しているが、本第５実施形態では、図９に示すように、円柱状の伝熱材３１を多数個平行配置することにより伝熱部材１６を形成し、伝熱材３１同士の間に形成された細長形状の空間によって流路２４を構成している。
【００９１】
本実施形態においても、上記各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００９２】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、容器１０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に本発明を適用した例を示しているが、容器１０のうち加熱器１４および冷却器１８側の部分が複数本の分岐管で構成され、容器１０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。
【００９３】
また、上記各実施形態では、容器１０を１つのみ備える液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用した例を示しているが、容器１０を複数個備え、複数個の容器１０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。
【００９４】
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】
【００９５】
【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要を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】伝熱部材の拡大図である。
【図４】（ａ）は粒子の積層厚さと伝熱部材の最低温部の温度との関係を示すグラフであり、（ｂ）は伝熱部材の最低温部の温度とエンジン効率との関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの概要を示す断面図である。
【図６】比較例による液体ピストン蒸気エンジンの要部断面図である。
【図７】第３実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの要部断面図である。
【図８】第４実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの要部断面図である。
【図９】第５実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの要部斜視図である。
【図１０】（ａ）は従来技術による液体ピストン蒸気エンジンの加熱部の内部構成を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の要部断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０ 容器
１５ 加熱部
１６ 伝熱部材
２４ 流路
２５ 金属粒子
【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、加熱部において作動媒体が沸騰することなく冷却部側へ移動すると熱損失が発生してしまうことに鑑みて、図１０（ａ）に示すように、加熱部１５の内壁面に細溝５０を設けている。
【０００４】
すなわち、この細溝５０による毛細管現象で、加熱部１５の内壁面近傍だけに作動媒体１３を導入し、加熱部１５の内壁面近傍だけで作動媒体１３を沸騰させることによって、温度勾配の影響を排除して作動媒体１３を確実に沸騰させ、熱損失を低減している。
【特許文献１】特開２００５−３３０８８３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、本発明者の詳細な検討によると、上記従来技術では、図１０（ｂ）に示すように、細溝５０が閉断面形状になっておらず、管状の容器の中心側に向かって開放されているので、沸騰した蒸気がその周囲の沸騰していない作動媒体１３を細溝５０の外に飛ばしてしまい、熱損失につながっていることがわかった。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、熱損失の一層の低減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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（１３）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）の一端側に形成され、容器（１０）の外部から供給された熱で作動媒体（１３）を加熱して蒸発させる加熱部（１５）と、
容器（１０）のうち加熱部（１５）よりも他端側に形成され、加熱部（１５）で発生した作動媒体（１３）の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１９）と、
容器（１０）の他端部に連通し、作動媒体（１３）の蒸発と凝縮に伴う作動媒体（１３）の体積変動によって生じる作動媒体（１３）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、
加熱部（１５）内には、作動媒体（１３）の加熱を促進する伝熱部材（１６）が配置され、
伝熱部材（１６）内には、作動媒体（１３）が流通可能な流路（２４）が多数個形成されていることを特徴とする。
【０００８】
これによると、加熱部（１５）に導入された液体状態の作動媒体（１３）が多数個の流路（２４）内で加熱され沸騰するので、温度勾配の影響を排除して作動媒体（１３）を確実に沸騰させることができる。
【０００９】
しかも、流路（２４）が伝熱部材（１６）内に形成されているので、流路（２４）内で沸騰した作動媒体（１３）の蒸気がその周囲の液相状態の作動媒体（１３）を飛ばしてしまうことを防止できる。このため、上記従来技術に比べて熱損失を一層低減することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の外燃機関において、加熱部（１５）に対して冷却部（１９）と反対側には、加熱部（１５）で発生した作動媒体（１３）の蒸気を溜める蒸気溜め部（１７）が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の外燃機関において、伝熱部材（１６）は多孔質体であり、
流路（２４）は、多孔質体（１６）の内部に形成された細孔で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の外燃機関において、多孔質体（１６）は焼結金属であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の外燃機関において、焼結金属は、球状の金属粒子（２５、３０）同士の接合により形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の外燃機関では、請求項５に記載の外燃機関において、金属粒子（２５、３０）同士の接合は面接合になっており、
金属粒子（２５、３０）同士の接合面の直径（ｄｊ）は、金属粒子（２５、３０）の直径（ｄ）の１０％以上、５０％以下になっていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、伝熱部材（１６）における作動媒体（１３）の流通性と伝熱性能とを両立できる。
【００１６】
なお、ここでいう金属粒子（２５、３０）の直径（ｄ）とは、金属粒子（２５、３０）のうち面接合することなく本来の球形状を有している部位で測った直径を意味するものである。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の外燃機関において、伝熱部材（１６）のうち加熱部（１５）の内壁面との接触部位から加熱部（１５）の内壁面に対して最も離れた部位までの寸法を金属粒子（２５、３０）の積層厚み（Ｌ）としたとき、
積層厚み（Ｌ）が、
【００１８】
【数１】
【００１９】
の関係を満たしていることを特徴とする。
【００２０】
但し、
Ｌ ：積層厚み
λ ：前記金属粒子（２５、３０）の熱伝導率
Ｔ１：前記加熱部（１５）の内壁面の温度
Ｔ３：前記冷却部（１９）の内壁面の温度
η ：前記伝熱部材（１６）の空隙率
ｈfg：潜熱
ε ：前記作動媒体（１３）の液体部分の変位の１周期のうち前記加熱部（１５）内に液相状態の前記作動媒体（１３）が入っている時間の割合
ｆ ：駆動周波数
これにより、流路（２４）内の液相状態の作動媒体（１３）を良好に蒸発させることができ、液体ピストン蒸気エンジンを高効率化できる（後述の図４を参照）。
【００２１】
請求項８に記載の発明では、請求項５ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関において、金属粒子（２５）が銅で形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項９に記載の発明では、請求項５ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関において、金属粒子（３０）は、金属で形成された基粒子（３０ａ）と、基粒子（３０ａ）よりも靭性の高い金属にて基粒子（３０ａ）の表面を覆うように形成された保護層（３０ｂ）とを有することを特徴とする。
【００２３】
これにより、作動媒体（１３）の沸騰による金属粒子（３０）のエロージョンを保護層（３０ｂ）によって良好に防止できる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の外燃機関において、基粒子（３０ａ）を形成する金属が銅であり、
保護層（３０ｂ）を形成する金属がニッケルであることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１に記載の発明では、請求項１または２に記載の外燃機関において、伝熱部材（１６）は、円柱状の伝熱材（３１）を多数個平行配置することにより形成されており、
流路（２４）は、伝熱材（３１）同士の間に形成された細長形状の空間で構成されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１２に記載の発明では、請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の外燃機関において、加熱部（１５）および冷却部（１９）はともに、断面円形に形成されており、
加熱部（１５）の内径は、冷却部（１９）の内径よりも小さく設定されており、
容器（１０）のうち加熱部（１５）と冷却部（１９）との間の部位は、内径が加熱部（１５）から冷却部（１９）に向かうにつれて徐々に大きくなるテーパ形状を有していることを特徴とする。
【００２７】
これによると、加熱部（１５）で蒸発した作動媒体（１３）の蒸気が作動媒体（１３）の液面（１３ａ）を突き抜けることを防止できるので、作動媒体（１３）の液面（１３ａ）を良好に押し下げることができ、ひいては出力および効率を向上できる。
【００２８】
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】
【００２９】
（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４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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、永久磁石が埋設された可動子（図示せず）をケーシング１２内に収納しており、この可動子が振動変位することによって起電力を発生する。
【００３２】
容器１０は、作動媒体（本例では水）１３が液体状態で流動可能に封入された円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。
【００３３】
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１３を加熱する加熱器１４が配置されている。加熱器１４は、熱伝導性に優れた材質（本例では、銅）で形成されている。
【００３４】
加熱器１４は、容器１０の他端部を上方側から塞ぐ有底円筒状（コップ状）に形成されている。本例では、容器１０の他端部を加熱器１４内の中間部まで挿入しているが、容器１０の他端部を加熱器１４内の最奥部まで挿入するようにしてもよいし、容器１０の他端部を加熱器１４の開口端部に突き合わせて接続するようにしてもよい。
【００３５】
加熱器１４の内側に形成される空間のうち下方側の空間は、液体状態の作動媒体１３を加熱して蒸発させる加熱部１５を構成している。一方、加熱器１４の内側に形成される空間のうち加熱部１５の上方側に位置する空間は、作動媒体１３の蒸気を溜める蒸気溜め部１７を構成している。
【００３６】
なお、加熱器１４は、一体成形により形成してもよいし、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形成してもよい。
【００３７】
この加熱部１５には、作動媒体１３の加熱を促進する伝熱部材１６が配置されている。この伝熱部材１６の詳細は後述する。
【００３８】
容器１０のうち加熱器１４よりも下方側に位置する部位の外周面には、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１８が熱伝導可能に接触配置されている。容器１０の内部空間のうち冷却器１８の内側に位置する空間は、加熱部１５で蒸発した作動媒体１３の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部１９を構成している。
【００３９】
発電機１１のケーシング１２内には、作動媒体１３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（図示せず）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も振動変位するようになっている。
【００４０】
図２は図１のＡ部拡大図である。上述の伝熱部材１６は、容器１０の断面全体にわたって配置され、容器１０の内壁面に周知の接合手段によって接合されている。そして、伝熱部材１６内には、作動媒体１３が流通可能な微細な流路２４が多数個形成されている。
【００４１】
本例では、伝熱部材１６を焼結金属からなる多孔質体で形成し、この多孔質体１６の内部に形成された細孔によって流路２４を構成している。
【００４２】
より具体的には、多孔質体１６は、伝熱性能が高い金属（本例では、銅）によって球状に形成された金属粒子２５同士をある程度潰して面接合させた構造になっている。球状の粒子２５は、粒度分布が小さい均質な粒子である。本例では、この球状の粒子２５を六方最密構造に充填している。
【００４３】
なお、図２では、図示の都合上、球状の粒子２５同士が点接合しているように示されているが、実際には、図３に示すように、球状の粒子２５同士がある程度潰れた状態で面接合している。
【００４４】
次に、上記構成における作動を説明する。加熱器１４および冷却器１８を動作させると、まず加熱器１４により加熱部１５内の液相状態の作動媒体１３が加熱されて蒸発し、蒸気溜め部１７内および加熱部１５内に高温・高圧の作動媒体１３の蒸気が蓄積されて、作動媒体１３の液面１３ａを押し下げる。すると、作動媒体１３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。
【００４５】
次に、作動媒体１３の液面１３ａが冷却部１９まで下がり、冷却部１９内に作動媒体１３の蒸気が進入すると、この作動媒体１３の蒸気が冷却器１８により冷却されて凝縮するため、作動媒体１３の液面１３ａを押し下げる力が消滅する。
【００４６】
すると、作動媒体１３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１３の液体部分が略Ｕ字状の容器１０内を加熱部１５側に向かって変位する。そして、容器１０内の作動媒体１３の液面１３ａが加熱部１５まで上昇する。
【００４７】
こうした動作は、加熱器１４および冷却器１８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１３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。
【００４８】
つまり、作動媒体１３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１３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。
【００４９】
本実施形態によると、微細な流路２４を有する伝熱部材１６を加熱部１５の断面全体にわたって配置しているので、加熱部１５に導入された液体状態の作動媒体１３が微細な流路２４内で加熱され沸騰する。このため、温度勾配の影響を排除して作動媒体１３を確実に沸騰させることができる。
【００５０】
しかも、微細な流路２４は、球状の粒子２５に囲まれて形成されているので、流路２４内で沸騰した作動媒体１３の蒸気が周囲の液相状態の作動媒体１３を飛ばしてしまうことを防止できる。このため、上記従来技術に比べて熱損失を一層低減することができる。
【００５１】
次に、伝熱部材１６の一設計例を示す。まず、球状の粒子２５の接合面の直径ｄｊ（図３）について説明する。接合面の直径ｄｊを小さくした場合、すなわち球状の粒子２５同士の潰し量を小さくした場合には、流路２４の流路面積が大きくなるので作動媒体１３の流通性が良好である反面、球状の粒子２５間の伝熱面積（接触面積）が小さくなるので伝熱性能が劣る。
【００５２】
これとは逆に、接合面の直径ｄｊを大きくした場合、すなわち球状の粒子２５同士の潰し量を大きくした場合には、球状の粒子２５間の伝熱面積が大きくなるので伝熱性能が良好である反面、流路２４の流路面積が小さくなるので作動媒体１３の流通性が劣る。
【００５３】
そこで、作動媒体１３の流通性と伝熱性能とを両立するために、接合面の直径ｄｊを粒子２５の直径ｄの１０％以上、５０％以下にするのが望ましい。より望ましくは、接合面の直径ｄｊを粒子２５の直径ｄの１／４に設定するのがよい（ｄｊ＝ｄ／４）。
【００５４】
なお、ここでいう粒子２５の直径ｄとは、粒子２５のうち、面接合することなく本来の球形状を有している部位で測った直径を意味するものである。
【００５５】
次に、球状の粒子２５の積層厚みＬ（図２）について説明する。ここで、球状の粒子２５の積層厚みＬとは、伝熱部材１６のうち加熱部１５の内壁面との接触部位（本例では、伝熱部材１６の最外周部）から加熱部１５の内壁面に対して最も離れた部位（本例では、容器１０の中心線Ｏ上に位置する部位。以下、この部位を伝熱部材１６の最低温部という。）までの寸法のことを意味するものである。
【００５６】
因みに、加熱部１５における容器１０の内壁面から加熱部１５の中心線Ｏまでの粒子２５の積層個数をｎとすると、粒子２５の積層厚みＬは次の数２のように近似することができる。
【００５７】
（数２）
Ｌ＝ｎｄ
加熱部１５の内壁面の温度をＴ１、伝熱部材１６の最低温部の温度をＴ２としたとき、球状の粒子２５の伝熱量Ｑｉｎは、次の数３で表される。
【００５８】
【数３】
【００５９】
ここで、λは粒子２５の熱伝導率、Ｓは球状の粒子２５間の伝熱面積（接触面積）である。本例では、ｄｊ＝ｄ／４としているので、球状の粒子２５間の伝熱面積Ｓは次の数４で表される。
【００６０】
【数４】
【００６１】
一方、１周期中に球状の粒子２５から流路２４内の作動媒体１３に与えられる熱量Ｑｏｕｔは、次の数５で表される。
【００６２】
（数５）
Ｑｏｕｔ＝Ｖｈfgεｆ
ここで、Ｖは流路２４内の作動媒体１３の体積であり、ｈfgは潜熱であり、εは１周期のうち加熱部１５内に液相状態の作動媒体１３が入っている時間の割合であり、ｆは液体ピストン蒸気エンジンの駆動周波数である。
【００６３】
このうち、流路２４内の作動媒体１３の体積Ｖは、次の数６で表される。
【００６４】
【数６】
【００６５】
ここで、ηは伝熱部材１６の空隙率である。
【００６６】
そして、次の数７に示すように、上述の伝熱量Ｑｉｎと熱量Ｑｏｕｔは同じであるから、数２〜数７により次の数８が導かれる。
【００６７】
（数７）
Ｑｉｎ＝Ｑｏｕｔ
【００６８】
【数８】
【００６９】
図４（ａ）は、この数８をグラフに表したものであり、粒子２５の積層厚みＬが大きいほど、伝熱部材１６の最低温部の温度Ｔ２が低下することがわかる。なお、図４（ｂ）は、伝熱部材１６の最低温部の温度Ｔ２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。ここで、Ｔ３は冷却部１９の内壁面の温度である。
【００７０】
図４（ｂ）からわかるように、伝熱部材１６の最低温部の温度Ｔ２は、加熱部１５の内壁面の温度Ｔ１と冷却部１９の内壁面の温度温度Ｔ３の平均値以上であるのが望ましい。すなわち、伝熱部材１６の最低温部の温度Ｔ２は、次の数９を満たすのが望ましい。
【００７１】
【数９】
【００７２】
よって、数８、数９により、次の数１０が導かれる。
【００７３】
【数１０】
【００７４】
したがって、粒子２５の積層厚みＬがこの数１０を満たすように伝熱部材１６を設計すれば、流路２４内の液相状態の作動媒体１３を良好に蒸発させることができ、液体ピストン蒸気エンジンを高効率化できる。
【００７５】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、加熱部１５の内径と冷却部１９の内径とが同一になっているが、本第２実施形態では、図５に示すように、加熱部１５の内径が冷却部１９の内径よりも小さくなっており、容器１０のうち加熱部１５と冷却部１９との間の部位がテーパー形状に形成されて内径が徐々に変化している。
【００７６】
ここで、冷却部１９の内径の設定については、特開２００５−３３０８８４号公報に記載されているように、冷却部１９の内半径を次の数１１で表される低圧時熱浸透深さδと同一寸法又は略同一寸法に設定することで、冷却部１９にて作動媒体１３の蒸気を適切に凝縮させることができる。
【００７７】
【数１１】
【００７８】
ここで、ωは、作動媒体１３の自励振動の角周波数であり、ａは、低圧時における作動媒体１３の温度伝導率である。
【００７９】
このように、加熱部１５の内径の最適寸法と冷却部１９の内径の最適寸法とが異なるため、本実施形態のように、加熱部１５の内径が冷却部１９の内径よりも小さくなる場合が起こりうるのである。
【００８０】
図６は比較例であり、この比較例では、本実施形態と同様に加熱部１５の内径を冷却部１９の内径よりも小さくしているが、容器１０のうち加熱部１５と冷却部１９との間の部位が階段状に形成されており、加熱部１５と冷却部１９との間で内径が容器１０の急激に変化している点が本実施形態と異なる。
【００８１】
この比較例によると、図６に示すように、加熱部１５で蒸発した作動媒体１３の蒸気が容器１０の段差部で作動媒体１３の液面１３ａを突き抜けてしまい、作動媒体１３の液面１３ａをうまく押し下げることができない。その結果、液体ピストン蒸気エンジンの出力および効率が低下してしまう。
【００８２】
これに対して、本実施形態では、容器１０のうち加熱部１５と冷却部１９との間の部位がテーパー形状に形成されて内径が徐々に変化しているので、加熱部１５で蒸発した作動媒体１３の蒸気が作動媒体１３の液面１３ａを突き抜けることなく、作動媒体１３の液面１３ａを良好に押し下げることができる。その結果、液体ピストン蒸気エンジンの出力および効率を向上できる。
【００８３】
（第３実施形態）
上記第１実施形態では、加熱部１５が下方側から上方側に向かって延びているが、本第３実施形態では、図７に示すように、加熱部１５が水平方向に向かって円形状に拡がっている。また、蒸気溜め部１７は、加熱部１５の上方側にて水平方向に拡がる円形状を有しており、加熱部１５および蒸気溜め部１７は、連通路２０を介して互いに連通している。
【００８４】
本実施形態では、伝熱部材１６の上下両端部から上下方向中心部までの寸法が、上述した粒子２５の積層厚みＬになる。本実施形態においても、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。
【００８５】
さらに、本実施形態では、作動媒体１３の蒸気が冷却器１８により冷却されて凝縮して作動媒体１３の液面１４ａが上昇すると、作動媒体１３の液体部分が加熱部１５の上壁面に衝突する。これにより、加熱部１５内の作動媒体１３が撹拌されて乱流が生じるので、加熱部１５内の温度境界層を破壊することができ、ひいては、加熱器１３の加熱効率を一層向上できる。
【００８６】
（第４実施形態）
本第４実施形態は、上記各実施形態に対して、作動媒体１３の沸騰によるエロージョン対策を施したものである。
【００８７】
すなわち、上記各実施形態では、比較的脆い銅のみで形成された球状の粒子２５によって伝熱部材１６を形成しているので、沸騰した作動媒体１３によって粒子２５の表面がむしり取られるという、いわゆるエロージョンと呼ばれる現象が発生する。
【００８８】
そこで、本実施形態では、図８に示すように、銅で形成された球状の基粒子３０ａの表面に、銅よりも靭性の高いニッケルなどの金属で形成された保護層３０ｂをメッキなどの手段で覆うことで金属粒子３０を形成し、この金属粒子３０を焼結することで伝熱部材１６を形成している。
【００８９】
これにより、保護層３０ｂが基粒子３０ａを保護するので、エロージョンを良好に防止できる。
【００９０】
（第５実施形態）
上記各実施形態では、伝熱部材１６を焼結金属からなる多孔質体で形成し、この多孔質体１６の内部に形成された細孔によって流路２４を構成しているが、本第５実施形態では、図９に示すように、円柱状の伝熱材３１を多数個平行配置することにより伝熱部材１６を形成し、伝熱材３１同士の間に形成された細長形状の空間によって流路２４を構成している。
【００９１】
本実施形態においても、上記各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００９２】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、容器１０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に本発明を適用した例を示しているが、容器１０のうち加熱器１４および冷却器１８側の部分が複数本の分岐管で構成され、容器１０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。
【００９３】
また、上記各実施形態では、容器１０を１つのみ備える液体ピストン蒸気エンジンに本発明を適用した例を示しているが、容器１０を複数個備え、複数個の容器１０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。
【００９４】
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】
【００９５】
【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要を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】伝熱部材の拡大図である。
【図４】（ａ）は粒子の積層厚さと伝熱部材の最低温部の温度との関係を示すグラフであり、（ｂ）は伝熱部材の最低温部の温度とエンジン効率との関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの概要を示す断面図である。
【図６】比較例による液体ピストン蒸気エンジンの要部断面図である。
【図７】第３実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの要部断面図である。
【図８】第４実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの要部断面図である。
【図９】第５実施形態による液体ピストン蒸気エンジンの要部斜視図である。
【図１０】（ａ）は従来技術による液体ピストン蒸気エンジンの加熱部の内部構成を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の要部断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０ 容器
１５ 加熱部
１６ 伝熱部材
２４ 流路
２５ 金属粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体（１３）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）の一端側に形成され、前記容器（１０）の外部から供給された熱で前記作動媒体（１３）を加熱して蒸発させる加熱部（１５）と、
前記容器（１０）のうち前記加熱部（１５）よりも他端側に形成され、前記加熱部（１５）で発生した前記作動媒体（１３）の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１９）と、
前記容器（１０）の他端部に連通し、前記作動媒体（１３）の蒸発と凝縮に伴う前記作動媒体（１３）の体積変動によって生じる前記作動媒体（１３）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、
前記加熱部（１５）内には、前記作動媒体（１３）の加熱を促進する伝熱部材（１６）が配置され、
前記伝熱部材（１６）内には、前記作動媒体（１３）が流通可能な流路（２４）が多数個形成されていることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記加熱部（１５）に対して前記冷却部（１９）と反対側には、前記加熱部（１５）で発生した前記作動媒体（１３）の蒸気を溜める蒸気溜め部（１７）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
【請求項３】
前記伝熱部材（１６）は多孔質体であり、
前記流路（２４）は、前記多孔質体（１６）の内部に形成された細孔で構成されてい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。
【請求項４】
前記多孔質体（１６）は焼結金属であることを特徴とする請求項３に記載の外燃機関。
【請求項５】
前記焼結金属は、球状の金属粒子（２５、３０）同士の接合により形成されていることを特徴とする請求項４に記載の外燃機関。
【請求項６】
前記金属粒子（２５、３０）同士の接合は面接合になっており、
前記金属粒子（２５、３０）同士の接合面の直径（ｄｊ）は、前記金属粒子（２５、３０）の直径（ｄ）の１０％以上、５０％以下になっていることを特徴とする請求項５に記載の外燃機関。
【請求項７】
前記伝熱部材（１６）のうち前記加熱部（１５）の内壁面との接触部位から前記加熱部（１５）の内壁面に対して最も離れた部位までの寸法を前記金属粒子（２５、３０）の積層厚み（Ｌ）としたとき、
前記積層厚み（Ｌ）が、
【数１】
の関係を満たしていることを特徴とする請求項６に記載の外燃機関。
但し、
Ｌ ：積層厚み
λ ：前記金属粒子（２５、３０）の熱伝導率
Ｔ１：前記加熱部（１５）の内壁面の温度
Ｔ３：前記冷却部（１９）の内壁面の温度
η ：前記伝熱部材（１６）の空隙率
ｈfg：潜熱
ε ：前記作動媒体（１３）の液体部分の変位の１周期のうち前記加熱部（１５）内に液相状態の前記作動媒体（１３）が入っている時間の割合
ｆ ：駆動周波数
【請求項８】
前記金属粒子（２５）が銅で形成されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関。
【請求項９】
前記金属粒子（３０）は、金属で形成された基粒子（３０ａ）と、前記基粒子（３０ａ）よりも靭性の高い金属にて前記基粒子（３０ａ）の表面を覆うように形成された保護層（３０ｂ）とを有することを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関。
【請求項１０】
前記基粒子（３０ａ）を形成する金属が銅であり、
前記保護層（３０ｂ）を形成する金属がニッケルであることを特徴とする請求項９に記載の外燃機関。
【請求項１１】
前記伝熱部材（１６）は、円柱状の伝熱材（３１）を多数個平行配置することにより形成されており、
前記流路（２４）は、前記伝熱材（３１）同士の間に形成された細長形状の空間で構成されてい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。
【請求項１２】
前記加熱部（１５）および前記冷却部（１９）はともに、断面円形に形成されており、
前記加熱部（１５）の内径は、前記冷却部（１９）の内径よりも小さく設定されており、
前記容器（１０）のうち前記加熱部（１５）と前記冷却部（１９）との間の部位は、内径が前記加熱部（１５）から前記冷却部（１９）に向かうにつれて徐々に大きくなるテーパ形状を有していることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の外燃機関。
【請求項１】
作動媒体（１３）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）の一端側に形成され、前記容器（１０）の外部から供給された熱で前記作動媒体（１３）を加熱して蒸発させる加熱部（１５）と、
前記容器（１０）のうち前記加熱部（１５）よりも他端側に形成され、前記加熱部（１５）で発生した前記作動媒体（１３）の蒸気を冷却して凝縮させる冷却部（１９）と、
前記容器（１０）の他端部に連通し、前記作動媒体（１３）の蒸発と凝縮に伴う前記作動媒体（１３）の体積変動によって生じる前記作動媒体（１３）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、
前記加熱部（１５）内には、前記作動媒体（１３）の加熱を促進する伝熱部材（１６）が配置され、
前記伝熱部材（１６）内には、前記作動媒体（１３）が流通可能な流路（２４）が多数個形成されていることを特徴とする外燃機関。
【請求項２】
前記加熱部（１５）に対して前記冷却部（１９）と反対側には、前記加熱部（１５）で発生した前記作動媒体（１３）の蒸気を溜める蒸気溜め部（１７）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の外燃機関。
【請求項３】
前記伝熱部材（１６）は多孔質体であり、
前記流路（２４）は、前記多孔質体（１６）の内部に形成された細孔で構成されてい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。
【請求項４】
前記多孔質体（１６）は焼結金属であることを特徴とする請求項３に記載の外燃機関。
【請求項５】
前記焼結金属は、球状の金属粒子（２５、３０）同士の接合により形成されていることを特徴とする請求項４に記載の外燃機関。
【請求項６】
前記金属粒子（２５、３０）同士の接合は面接合になっており、
前記金属粒子（２５、３０）同士の接合面の直径（ｄｊ）は、前記金属粒子（２５、３０）の直径（ｄ）の１０％以上、５０％以下になっていることを特徴とする請求項５に記載の外燃機関。
【請求項７】
前記伝熱部材（１６）のうち前記加熱部（１５）の内壁面との接触部位から前記加熱部（１５）の内壁面に対して最も離れた部位までの寸法を前記金属粒子（２５、３０）の積層厚み（Ｌ）としたとき、
前記積層厚み（Ｌ）が、
【数１】
の関係を満たしていることを特徴とする請求項６に記載の外燃機関。
但し、
Ｌ ：積層厚み
λ ：前記金属粒子（２５、３０）の熱伝導率
Ｔ１：前記加熱部（１５）の内壁面の温度
Ｔ３：前記冷却部（１９）の内壁面の温度
η ：前記伝熱部材（１６）の空隙率
ｈfg：潜熱
ε ：前記作動媒体（１３）の液体部分の変位の１周期のうち前記加熱部（１５）内に液相状態の前記作動媒体（１３）が入っている時間の割合
ｆ ：駆動周波数
【請求項８】
前記金属粒子（２５）が銅で形成されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関。
【請求項９】
前記金属粒子（３０）は、金属で形成された基粒子（３０ａ）と、前記基粒子（３０ａ）よりも靭性の高い金属にて前記基粒子（３０ａ）の表面を覆うように形成された保護層（３０ｂ）とを有することを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の外燃機関。
【請求項１０】
前記基粒子（３０ａ）を形成する金属が銅であり、
前記保護層（３０ｂ）を形成する金属がニッケルであることを特徴とする請求項９に記載の外燃機関。
【請求項１１】
前記伝熱部材（１６）は、円柱状の伝熱材（３１）を多数個平行配置することにより形成されており、
前記流路（２４）は、前記伝熱材（３１）同士の間に形成された細長形状の空間で構成されてい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。
【請求項１２】
前記加熱部（１５）および前記冷却部（１９）はともに、断面円形に形成されており、
前記加熱部（１５）の内径は、前記冷却部（１９）の内径よりも小さく設定されており、
前記容器（１０）のうち前記加熱部（１５）と前記冷却部（１９）との間の部位は、内径が前記加熱部（１５）から前記冷却部（１９）に向かうにつれて徐々に大きくなるテーパ形状を有していることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の外燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１６７９１５（Ｐ２００９−１６７９１５Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７２６３（Ｐ２００８−７２６３）
【出願日】平成２０年１月１６日（２００８．１．１６）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１６日（２００８．１．１６）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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