熱機関
【課題】液体ピストン中に蒸気が巻き込まれるのを抑制する。
【解決手段】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１１の一端側部位に設けられ、作動媒体の蒸気を膨張させる膨張部１２１と、容器１１の他端側部位に設けられ、蒸気の膨張によって生じる液体ピストン１５の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部１４と、出力部１４側から膨張部１２１側へ向かって変位する液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させる粘性力・表面張力作用部２１とを備える。
【解決手段】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１１の一端側部位に設けられ、作動媒体の蒸気を膨張させる膨張部１２１と、容器１１の他端側部位に設けられ、蒸気の膨張によって生じる液体ピストン１５の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部１４と、出力部１４側から膨張部１２１側へ向かって変位する液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させる粘性力・表面張力作用部２１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱機関が特許文献１に記載されている。この従来技術では、管状の容器内に作動媒体を液相状態で封入し、容器の一端部で作動媒体の蒸気を膨張させる膨張行程と、膨張した蒸気を容器の中間部に形成された冷却部で冷却して凝縮させる圧縮行程とを繰り返し行うことによって液相状態の作動媒体を液体ピストンとして変位させ、この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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５５２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、液体ピストンの駆動周波数が高くなると、液体ピストンの慣性力によって液体ピストンの液面が乱れやすくなる。液体ピストンの液面が乱れると液体ピストン中に蒸気が巻き込まれ、液体ピストン中に巻き込まれた蒸気が液体ピストンの変位に寄与することなく液体ピストンで冷やされて凝縮してしまう。
【０００５】
すなわち、蒸気が液体ピストン中に巻き込まれると、蒸気が液体ピストンの変位に寄与することなく凝縮してしまうので、出力の低下を招いてしまう。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、液体ピストン中に蒸気が巻き込まれるのを抑制す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、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（１１）の一端側部位に設けられ、作動媒体の蒸気を膨張させる膨張部（１２１）と、
容器（１１）の他端側部位に設けられ、蒸気の膨張によって生じる液体ピストン（１５）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１４）と、
出力部（１４）側から膨張部（１２１）側へ向かって変位する液体ピストン（１５）の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させる粘性力・表面張力作用部（２１、２２、２３、２４、２６）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これによると、出力部（１４）側から膨張部（１２１）側へ向かって変位する液体ピストン（１５）の液面に対して、その慣性力を打ち消すように粘性力と表面張力とが作用することとなるので、液体ピストン（１５）に働く慣性力を効果的に低減することができる。
【０００９】
このため、液体ピストン（１５）の液面の乱れを抑制できるので、液体ピストン（１５）中に蒸気が巻き込まれるのを抑制できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、粘性力・表面張力作用部は、液体ピストン（１５）が分割されて流通する整流器（２１）で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
これによると、液体ピストン（１５）が整流器（２１）を通過する際に液体ピストン（１５）に対して粘性力と表面張力とが作用するので、粘性力・表面張力作用部を簡素な整流器（２１）によって構成できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、粘性力・表面張力作用部は、膨張部（１２１）のうち出力部（１４）と反対側の端部から液体ピストン（１５）の液面に向かって突出する突起部（２２）で構成され、
液体ピストン（１５）が最も膨張部（１２１）側にきたときの位置を上死点としたとき、上死点の近傍で液体ピストン（１５）の液面が突起部（２２）に衝突することを特徴とする。
【００１３】
これによると、液体ピストン（１５）の液面が突起部（２２）に衝突することによって液体ピストン（１５）の液面に対して粘性力と表面張力とが作用するので、粘性力・表面張力作用部を簡素な突起部（２２）によって構成できる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の熱機関において、突起部（２２）は、膨張部（１２１）を液体ピストン（１５）の変位方向と直交する方向に切断したときの断面の中央部に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
これによると、液体ピストン（１５）の変位速度が最も大きくなって慣性力も大きくなる膨張部（１２１）の断面中央部において、液体ピストン（１５）の液面に粘性力と表面張力とを作用させるので、液体ピストン（１５）に働く慣性力を一層効果的に低減することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、容器（１１）は、液体ピストン（１５）の液面の変位範囲が重力方向に延び、膨張部（１２１）での蒸気の膨張により液面が容器（１１）の内部を重力方向上方側から重力方向下方側に向かって変位するように構成され、
粘性力・表面張力作用部は、液体ピストン（１５）の液面に浮かべられた浮き部材（２３）で構成されていることを特徴とする。
【００１７】
これによると、液体ピストン（１５）の液面が重力方向下方側から重力方向上方側に向かって変位すると浮き部材（２３）が液体ピストン（１５）の液面に粘性力と表面張力とを作用させるので、粘性力・表面張力作用部を簡素な浮き部材（２３）によって構成できる。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の熱機関において、浮き部材（２３）が液面の変位により重力方向上方側に向かって変位すると、浮き部材（２３）に対して重力方向下方側への反発力を作用させる反発力作用部（２４、２６）を備えることを特徴とする。
【００１９】
これによると、出力部（１４）側から膨張部（１２１）側へ向かって変位する液体ピストン（１５）の液面に対して、粘性力と表面張力とに加えて反発力をも作用させることができるので、液体ピストン（１５）に働く慣性力を一層効果的に低減することができる。
【００２０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態における熱機関を模式的に示す全体構成図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】第１実施形態における作動を示すＰＶ線図およびタイムチャートである。
【図４】第１実施形態および比較例における膨張部での液体ピストンの挙動を示す図である。
【図５】第１実施形態の変形例の要部断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図７】第２実施形態の変形例の要部断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図１０】第４実施形態の第１、第２変形例の要部断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（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。図１は本実施形態における熱機関１０の概略構成を表す構成図である。図２は図１の要部拡大図である。図１、図２中の上矢印は鉛直方向（重力方向）の上方、下矢印は鉛直方向の下方を示している。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
容器１１は、水が往復変位する管状（本実施形態では円管状）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蒸気バルブ１３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。
【００２７】
蒸気バルブ１３は、外部蒸発器２０からの蒸気を液体ピストン変位部１２内に吸気するための吸気ポート１３１と、液体ピストン変位部１２から蒸気を排気するための排気ポート１３２とを有し、吸気ポート１３１および排気ポート１３２を所定タイミングで開閉する。吸気ポート１３１は、外部蒸発器２０で発生した蒸気を容器１１に吸気させる吸気手段をなす。排気ポート１３２は、容器１１から蒸気を排気させる排気手段をなす。
【００２８】
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。図２（ａ）に示すように、膨張部１２１には、吸気ポート１３１と連通する吸気通路１２１ａ、および排気ポート１３２と連通する排気ポート１２１ｂが形成されている。
【００２９】
吸気ポート１３１および排気ポート１３２は、膨張部１２１と所定のタイミングで連通する。このような蒸気バルブ１３は、例えばロータリー弁やポペット弁等で構成することができる。
【００３０】
膨張部１２１は重力方向（鉛直方向）に延びており、吸気通路１２１ａおよび排気通路１２１ｂは水平方向に延びている。したがって、吸気ポート１３１および排気ポート１３２は、膨張部１２１の水平方向側に配置されている。
【００３１】
なお、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。
【００３２】
膨張部１２１には整流器２１が配置されている。整流器２１は、多孔板や網目板等で構成され、液体ピストン１５を分割して流通させるようになっている。例えば整流器２１は、図２（ｂ）、（ｃ）の平面図に示すようなハニカムプレートで構成することができる。整流器２１の材質としては、セラミックやステンレス等を採用できる。
【００３３】
本実施形態では、整流器２１が複数枚（例えば２枚）、液体ピストン１５の変位方向に互いに離間して配置されている。整流器２１同士の間隔は、液体ピストン１５が１つの整流器２１を通過してから液滴が生成されるまでの距離（具体的には、膨張部１２１の管径：５５ｍｍ、駆動周波数：３０Ｈｚ、往復流振幅２０ｍｍの場合において１０ｍｍ程度）以下となっている。また、本実施形態では、整流器２１の表面に撥水処理が施されている。
【００３４】
図１に示すように、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。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。
【００３５】
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。
【００３６】
冷却部１２２は、膨張部１２１の延長方向、すなわち重力方向（鉛直方向）に延びている。これにより、容器１１は、液体ピストン１５のうち膨張部１２１側の液面の変位範囲が重力方向に延びるように形成されている。
【００３７】
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。具体的には、出力部１４は、液体ピストン１５の変位を出力軸１４１の回転運動に変換して出力する。出力軸１４１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１４１の回転により発電機１が駆動される。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。
【００３８】
同期手段１７は、出力軸１４１の回転位相と同期して蒸気バルブ１３を駆動する。本実施形態では、同期手段１７は、蒸気バルブ１３を出力軸１４１と機械的に連結して同期させている。図１の例では、同期手段１７は、プーリ１７１、１７２とベルト１７３とで構成されている。
【００３９】
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、液体ピストン排出管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。
【００４０】
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。
【００４１】
次に、上記構成における作動を図３に示すＰＶ線図およびタイムチャートに基づいて説明する。図３に示す容積Ｖは容器１１の容積のことであり、液体ピストン１５の変位に伴って変動する。図３に示す圧力Ｐは容器１１の内部圧力のことである。図３（ｂ）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３（ｂ）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。
【００４２】
液体ピストン１５が上死点に到達した直後の状態において、蒸気バルブ１３の作動によって吸気ポート１３１が開くと膨張部１２１に外部蒸発器２０からの蒸気が吸気される。図３（ｂ）に示す蒸気圧力は、膨張部１２１に吸気された蒸気の圧力のことである。
【００４３】
吸気ポート１３１が所定時間開いた後に閉じられると、膨張部１２１に供給された高温・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。
【００４４】
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１４１が回転して機械的エネルギが出力される。
【００４５】
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、液体ピストン１５は出力部１４の慣性力発生部材（図示せず）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。
【００４６】
圧縮行程では、蒸気バルブ１３の作動によって排気ポート１３２が所定タイミングで開き、冷却部１２２で凝縮し切れなかった蒸気が排気ポート１３２から排気される。排気ポート１３２は、液体ピストン１５が上死点に到達する少し前に閉じられる。
【００４７】
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の出力軸１４１を連続的に回転させることになる。
【００４８】
次に、整流器２１による作用効果について説明する。図４（ａ）は、本実施形態における膨張部１２１での液体ピストン１５の挙動を示す図である。図４（ｂ）は、比較例として、膨張部１２１に整流器２１が配置されていない場合における液体ピストン１５の挙動を示す図である。
【００４９】
図４（ｂ）の比較例では、膨張部１２１に整流器２１が配置されていないので、液体ピストン１５がある加速度以上で変位すると液体ピストン１５の慣性力によって液体ピストン１５の液面が変形して（乱れて）液滴が発生する。このため、液体ピストン１５中に蒸気が巻き込まれ、液体ピストン１５中に巻き込まれた蒸気が液体ピストン１５の変位に寄与することなく液体ピストンで冷やされて凝縮してしまうので出力の低下を招く。
【００５０】
これに対し、本実施形態では、膨張部１２１に整流器２１が配置されているので、液体ピストン１５がある加速度以上で変位しても整流器２１通過後の液体ピストン１５は液面の変形が抑制される。
【００５１】
具体的には、液体ピストン１５が整流器２１を通過する際に液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とが作用するので、出力部１４側から膨張部１２１側へ向かって変位する液体ピストン１５に対して、その慣性力を打ち消すように粘性力と表面張力とが作用することとなる。換言すれば、整流器２１は、出力部１４側から膨張部１２１側へ向かって変位する液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させる粘性力・表面張力作用部を構成している。
【００５２】
このため、液体ピストン１５に働く慣性力を効果的に低減できるので、液体ピストン１５の液面の変形を抑制して液滴の発生を抑制できる。その結果、液体ピストン１５中に蒸気が巻き込まれるのを抑制できるので、上記比較例に比べて出力を向上できる。
【００５３】
因みに、本実施形態では作動媒体として水を用いているので、作動中の液体ピストン１５の温度は１００℃未満（８０℃程度）になる。液体ピストン１５が１００℃の場合の液体ピストン１５の粘度は０．２８４Ｎ・Ｓ／ｍ2 になる。
【００５４】
また、本実施形態によると、整流器２１が粘性力のみならず表面張力をも液体ピストン１５の液面に作用させて慣性力を低減するので、整流器２１が粘性力のみを液体ピストン１５の液面に作用させて慣性力を低減する場合と比較して、整流器２１による圧力損失や凝縮熱損失を低減して整流器２１による出力の低下を抑制することができる。
【００５５】
ここで、整流器２１による圧力損失とは、蒸気が整流器２１を通過する際の圧力損失のことであり、整流器２１による凝縮熱損失とは、蒸気が整流器２１を通過する際に蒸気と整流器２１との熱交換により凝縮することによる熱損失のことである。
【００５６】
なお、整流器２１の材質として、熱容量の小さいセラミック等を採用すれば、整流器２１による凝縮熱損失を更に低減できる。
【００５７】
また、本実施形態によると、整流器２１の表面に撥水処理を施すことで整流器２１の表面に液膜が付着しにくくしているので、整流器２１の表面に残った液膜が遅れて沸騰することを防止できる。
【００５８】
因みに、本実施形態によると、上死点の近傍で慣性力が減少するように出力部１４を制御して液体ピストン１５の液面の乱れを抑制する場合と比較しても出力を向上できる。すなわち、出力部１４の出力軸１４１の回転速度が上死点の近傍で減少するように出力軸１４１の回転を制御することによって、上死点の近傍で慣性力を減少させて液体ピストン１５の液面の乱れを抑制することもできるが、この手段を採用した場合には、出力軸１４１の回転を制御するための仕事が損失となるので出力の低下を招く。
【００５９】
これに対して、本実施形態では、このような制御を行わないので、このような制御をするための損失による出力の低下を招くことがない。
【００６０】
図５は、本実施形態の変形例を示すものである。この変形例のように、整流器２１を１枚のみにしてもよい。
【００６１】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、粘性力・表面張力作用部が整流器２１で構成されているが、本第２実施形態では図６に示すように、粘性力・表面張力作用部が、膨張部１２１のうち出力部１４と反対側の端部から液体ピストン１５の液面に向かって突出する突起部２２で構成されている。
【００６２】
突起部２２は、膨張部１２１を液体ピストン１５の変位方向と直交する方向（図６では水平方向）に切断したときの断面の全体にわたって配置されている。突起部２２は濡れぶち長さが長い形状に形成されているのが好ましく、本実施形態では、液体ピストン１５の変位方向に延びる細管の集合体で構成されており、例えば、図２（ｂ）、（ｃ）と同様のハニカムプレートを用いることができる。
【００６３】
本実施形態によると、液体ピストン１５が膨張部１２１側に向かって変位すると上死点の近傍で液体ピストン１５の液面が突起部２２に衝突するので、液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させることができる。
【００６４】
さらに、本実施形態では、液体ピストン１５に最も大きな慣性力が働く上死点の近傍で液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させるので、液体ピストン１５に働く慣性力を効果的に低減することができる。このため、液体ピストン１５中に蒸気が巻き込まれるのを抑制できる。
【００６５】
図７は、本実施形態の変形例を示すものである。この変形例では、突起部２２を、膨張部１２１の断面中央部に配置している。これによると、液体ピストン１５の変位速度が最も大きくなって慣性力も大きくなる膨張部１２１の断面中央部において、液体ピストン１５の液面に粘性力と表面張力とを作用させるので、液体ピストン１５に働く慣性力を一層効果的に低減することができる。
【００６６】
因みに膨張部１２１の断面中央部で液体ピストン１５の変位速度が最も大きくなる理由は、断面外周部では容器１１の管壁から粘性力を受けて変位速度が低下するのに対し、断面中央部では容器１１の管壁から粘性力を受けにくいからである。
【００６７】
（第３実施形態）
上記第２実施形態では、突起部２２が細管の集合体で構成されているが、本第３実施形態では図８に示すように、突起部２２が半球状に形成されている。
【００６８】
これによると、液体ピストン１５の液面が突起部２２に衝突すると突起部２２が液体ピストン１５に対して粘性力τと表面張力σとを作用させる。このため、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（第４実施形態）
本第４実施形態では、図９に示すように、粘性力・表面張力作用部が、液体ピストン１５の液面に浮かべられた浮き部材２３で構成されている
浮き部材２３は球状に形成されている。浮き部材２３の外径は容器１１の内径よりも小さくなっており、浮き部材２３と容器１１の管壁との間には隙間が設けられている。浮き部材２３の材質としては、液体ピストン１５よりも比重が小さく且つ高温の蒸気に対する耐熱性を有する材質（例えば、シリコンゴムやポリエチレン樹脂）が選定される。
【００７０】
本実施形態によると、液体ピストン１５の液面が重力方向下方側から重力方向上方側に向かって変位すると浮き部材２３が液体ピストン１５の液面に粘性力τと表面張力σとを作用させる。
【００７１】
特に本実施形態によると、液体ピストン１５が上死点と下死点との間を変位する間、浮き部材２３が液体ピストン１５の液面に接触し続けるので、液体ピストン１５の液面に粘性力τと表面張力σとを確実に作用させることができる。このため、液体ピストン１５に働く慣性力を効果的に低減できるので、液体ピストン１５の液面の変形を抑制して液滴の発生を抑制できる。
【００７２】
図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例を示すものである。図１０（ａ）の第１変形例では、浮き部材２３を平板状に形成している。浮き部材２３と容器１１の管壁との間には隙間が設けられている。浮き部材２３の材料としては、濡れぶち長さの長い多孔質材や発泡材等が用いられるのが好ましい。
【００７３】
なお、図１０（ａ）の例では、浮き部材２３を２枚重ねて配置している。これは、液体ピストン１５の駆動周波数が非常に高い場合に浮き部材２３が液体ピストン１５の液面から浮き上がるのを抑制するためである。
【００７４】
また、図１０（ｂ）の第２変形例のように、浮き部材２３を膜状に形成してもよい。
【００７５】
（第５実施形態）
本第５実施形態では、図１１に示すように、重力方向上方側に向かって変位する浮き部材２３に対して重力方向下方側への反発力を作用させる反発力作用部２４を備えている。
【００７６】
反発力作用部２４は、浮き部材２３に一体化された磁石２４ａと、膨張部１２１の端部に配置された磁石２４ｂとによって構成されている。両磁石２４ａ、２４ｂは、同じ極同士が向かい合うように配置されている。
【００７７】
浮き部材２３に配置された磁石２４ａと容器１１の管壁との間には隙間が設けられている。容器１１の管壁には、浮き部材２３および磁石２４ａが液体ピストン１５内に沈むことを防止するストッパ２５が設けられている。
【００７８】
液体ピストン１５が重力方向下方側から重力方向上方側に向かって変位すると、浮き部材２３が液体ピストン１５の勢いで持ち上げられて液体ピストン１５の液面に浮かぶ。これにより、浮き部材２３が液体ピストン１５の液面に粘性力τと表面張力σとを作用させる。
【００７９】
浮き部材２３が膨張部１２１の端部に近づくと、磁石２４ａ、２４ｂの同じ極同士が反発する磁力が発生し、この磁力が浮き部材２３に対して重力方向下方側への反発力として作用する。
【００８０】
このように、本実施形態によると、液体ピストン１５の液面に対して、粘性力と表面張力とに加えて反発力をも作用させることができるので、液体ピストン１５に働く慣性力を一層効果的に低減することができる。
【００８１】
また、本実施形態によると、反発力作用部２４の反発力によって、浮き部材２３が膨張部１２１の端部壁面に衝突することを抑制できる。
【００８２】
（第６実施形態）
上記第５実施形態では、反発力作用部２４が磁石２４ａ、２４ｂによって構成されているが、本第６実施形態では、図１２に示すように、反発力作用部が、浮き部材２３と膨張部１２１の端部壁面との間に配置された弾性部材２６によって構成されている。
【００８３】
弾性部材２６としては、例えばバネを用いることができる。弾性部材２６の弾性特性（バネを用いた場合にはバネ定数）は、液体ピストン１５に働く慣性力の大きさ（換言すれば液体ピストン１５の駆動周波数）と、浮き部材２３が液体ピストン１５の液面に作用させる粘性力および表面張力とを考慮して設定される。
【００８４】
本実施形態によると、浮き部材２３が膨張部１２１の端部側に変位すると、弾性部材２６の弾性復元力が発生し、この弾性復元力が浮き部材２３に対して重力方向下方側への反発力として作用する。このため、上記第５実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８５】
（第７実施形態）
本第７実施形態では、図１３に示すように、容器１１のうち膨張部１２１およびその近傍部位が出力部１４と反対側に向かうにつれて断面積が大きくなる広がり管状に形成されていることによって、上死点近傍において液体ピストン１５の液面に対してより大きな粘性力と表面張力とを作用させる。本実施形態は、上記第１〜第６実施形態に組み合わせて適用することができる。
【００８６】
本実施形態によると、膨張部１２１およびその近傍部位を広がり管状にすることで、膨張部１２１およびその近傍部位の濡れぶち長さが長くなる。このため、上死点に向かって変位する液体ピストン１５に対してより大きな粘性力と表面張力とを作用させることができる。
【００８７】
また、本実施形態によると、膨張部１２１およびその近傍部位を広がり管状にすることで、膨張部１２１およびその近傍部位の断面積が上死点側に向かうにつれて大きくなる。このため、上死点側に向かうにつれて液体ピストン１５の流速が低下して液体ピストン１５の慣性力も低下するので、液体ピストン１５の液面の変形を一層抑制して液滴の発生を一層抑制することができる。
【００８８】
なお、本実施形態では、膨張部１２１の上端部に、吸気通路１２１ａおよび排気通路１２１ｂを構成する開口部が形成されている。したがって、吸気ポート１３１および排気ポート１３２は、膨張部１２１の膨張部１２１の延長方向側（重力方向上方側）に配置されている。
【００８９】
（他の実施形態）
（１）上記第１実施形態では、整流器２１が膨張部１２１に配置されているが、整流器２１の配置位置はこれに限定されるものではない。例えば、整流器２１は、容器１１内において、上死点と下死点との中間部と、上死点との間の任意の部位に配置されていてもよい。
【００９０】
（２）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。
【００９１】
（３）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（図示せず）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（図示せず）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。
【００９２】
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。
【００９３】
（４）上記各実施形態では、外部蒸発器２０で発生した蒸気を膨張部１２１に供給するが、外部蒸発器２０を用いることなく、膨張部１２１の上部を加熱して液体ピストン１５の一部を蒸発させることによって膨張部１２１に蒸気を発生させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９４】
１１ 容器
１４ 出力部
１５ 液体ピストン
２０ 外部蒸発器
２１ 整流器（粘性力・表面張力作用部）
１２１ 膨張部
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱機関が特許文献１に記載されている。この従来技術では、管状の容器内に作動媒体を液相状態で封入し、容器の一端部で作動媒体の蒸気を膨張させる膨張行程と、膨張した蒸気を容器の中間部に形成された冷却部で冷却して凝縮させる圧縮行程とを繰り返し行うことによって液相状態の作動媒体を液体ピストンとして変位させ、この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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５５２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、液体ピストンの駆動周波数が高くなると、液体ピストンの慣性力によって液体ピストンの液面が乱れやすくなる。液体ピストンの液面が乱れると液体ピストン中に蒸気が巻き込まれ、液体ピストン中に巻き込まれた蒸気が液体ピストンの変位に寄与することなく液体ピストンで冷やされて凝縮してしまう。
【０００５】
すなわち、蒸気が液体ピストン中に巻き込まれると、蒸気が液体ピストンの変位に寄与することなく凝縮してしまうので、出力の低下を招いてしまう。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、液体ピストン中に蒸気が巻き込まれるのを抑制す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、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（１１）の一端側部位に設けられ、作動媒体の蒸気を膨張させる膨張部（１２１）と、
容器（１１）の他端側部位に設けられ、蒸気の膨張によって生じる液体ピストン（１５）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１４）と、
出力部（１４）側から膨張部（１２１）側へ向かって変位する液体ピストン（１５）の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させる粘性力・表面張力作用部（２１、２２、２３、２４、２６）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これによると、出力部（１４）側から膨張部（１２１）側へ向かって変位する液体ピストン（１５）の液面に対して、その慣性力を打ち消すように粘性力と表面張力とが作用することとなるので、液体ピストン（１５）に働く慣性力を効果的に低減することができる。
【０００９】
このため、液体ピストン（１５）の液面の乱れを抑制できるので、液体ピストン（１５）中に蒸気が巻き込まれるのを抑制できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、粘性力・表面張力作用部は、液体ピストン（１５）が分割されて流通する整流器（２１）で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
これによると、液体ピストン（１５）が整流器（２１）を通過する際に液体ピストン（１５）に対して粘性力と表面張力とが作用するので、粘性力・表面張力作用部を簡素な整流器（２１）によって構成できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、粘性力・表面張力作用部は、膨張部（１２１）のうち出力部（１４）と反対側の端部から液体ピストン（１５）の液面に向かって突出する突起部（２２）で構成され、
液体ピストン（１５）が最も膨張部（１２１）側にきたときの位置を上死点としたとき、上死点の近傍で液体ピストン（１５）の液面が突起部（２２）に衝突することを特徴とする。
【００１３】
これによると、液体ピストン（１５）の液面が突起部（２２）に衝突することによって液体ピストン（１５）の液面に対して粘性力と表面張力とが作用するので、粘性力・表面張力作用部を簡素な突起部（２２）によって構成できる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の熱機関において、突起部（２２）は、膨張部（１２１）を液体ピストン（１５）の変位方向と直交する方向に切断したときの断面の中央部に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
これによると、液体ピストン（１５）の変位速度が最も大きくなって慣性力も大きくなる膨張部（１２１）の断面中央部において、液体ピストン（１５）の液面に粘性力と表面張力とを作用させるので、液体ピストン（１５）に働く慣性力を一層効果的に低減することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の熱機関において、容器（１１）は、液体ピストン（１５）の液面の変位範囲が重力方向に延び、膨張部（１２１）での蒸気の膨張により液面が容器（１１）の内部を重力方向上方側から重力方向下方側に向かって変位するように構成され、
粘性力・表面張力作用部は、液体ピストン（１５）の液面に浮かべられた浮き部材（２３）で構成されていることを特徴とする。
【００１７】
これによると、液体ピストン（１５）の液面が重力方向下方側から重力方向上方側に向かって変位すると浮き部材（２３）が液体ピストン（１５）の液面に粘性力と表面張力とを作用させるので、粘性力・表面張力作用部を簡素な浮き部材（２３）によって構成できる。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の熱機関において、浮き部材（２３）が液面の変位により重力方向上方側に向かって変位すると、浮き部材（２３）に対して重力方向下方側への反発力を作用させる反発力作用部（２４、２６）を備えることを特徴とする。
【００１９】
これによると、出力部（１４）側から膨張部（１２１）側へ向かって変位する液体ピストン（１５）の液面に対して、粘性力と表面張力とに加えて反発力をも作用させることができるので、液体ピストン（１５）に働く慣性力を一層効果的に低減することができる。
【００２０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態における熱機関を模式的に示す全体構成図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】第１実施形態における作動を示すＰＶ線図およびタイムチャートである。
【図４】第１実施形態および比較例における膨張部での液体ピストンの挙動を示す図である。
【図５】第１実施形態の変形例の要部断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図７】第２実施形態の変形例の要部断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図１０】第４実施形態の第１、第２変形例の要部断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態における熱機関の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（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。図１は本実施形態における熱機関１０の概略構成を表す構成図である。図２は図１の要部拡大図である。図１、図２中の上矢印は鉛直方向（重力方向）の上方、下矢印は鉛直方向の下方を示している。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
容器１１は、水が往復変位する管状（本実施形態では円管状）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蒸気バルブ１３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。
【００２７】
蒸気バルブ１３は、外部蒸発器２０からの蒸気を液体ピストン変位部１２内に吸気するための吸気ポート１３１と、液体ピストン変位部１２から蒸気を排気するための排気ポート１３２とを有し、吸気ポート１３１および排気ポート１３２を所定タイミングで開閉する。吸気ポート１３１は、外部蒸発器２０で発生した蒸気を容器１１に吸気させる吸気手段をなす。排気ポート１３２は、容器１１から蒸気を排気させる排気手段をなす。
【００２８】
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。図２（ａ）に示すように、膨張部１２１には、吸気ポート１３１と連通する吸気通路１２１ａ、および排気ポート１３２と連通する排気ポート１２１ｂが形成されている。
【００２９】
吸気ポート１３１および排気ポート１３２は、膨張部１２１と所定のタイミングで連通する。このような蒸気バルブ１３は、例えばロータリー弁やポペット弁等で構成することができる。
【００３０】
膨張部１２１は重力方向（鉛直方向）に延びており、吸気通路１２１ａおよび排気通路１２１ｂは水平方向に延びている。したがって、吸気ポート１３１および排気ポート１３２は、膨張部１２１の水平方向側に配置されている。
【００３１】
なお、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。
【００３２】
膨張部１２１には整流器２１が配置されている。整流器２１は、多孔板や網目板等で構成され、液体ピストン１５を分割して流通させるようになっている。例えば整流器２１は、図２（ｂ）、（ｃ）の平面図に示すようなハニカムプレートで構成することができる。整流器２１の材質としては、セラミックやステンレス等を採用できる。
【００３３】
本実施形態では、整流器２１が複数枚（例えば２枚）、液体ピストン１５の変位方向に互いに離間して配置されている。整流器２１同士の間隔は、液体ピストン１５が１つの整流器２１を通過してから液滴が生成されるまでの距離（具体的には、膨張部１２１の管径：５５ｍｍ、駆動周波数：３０Ｈｚ、往復流振幅２０ｍｍの場合において１０ｍｍ程度）以下となっている。また、本実施形態では、整流器２１の表面に撥水処理が施されている。
【００３４】
図１に示すように、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。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。
【００３５】
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。
【００３６】
冷却部１２２は、膨張部１２１の延長方向、すなわち重力方向（鉛直方向）に延びている。これにより、容器１１は、液体ピストン１５のうち膨張部１２１側の液面の変位範囲が重力方向に延びるように形成されている。
【００３７】
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。具体的には、出力部１４は、液体ピストン１５の変位を出力軸１４１の回転運動に変換して出力する。出力軸１４１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１４１の回転により発電機１が駆動される。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。
【００３８】
同期手段１７は、出力軸１４１の回転位相と同期して蒸気バルブ１３を駆動する。本実施形態では、同期手段１７は、蒸気バルブ１３を出力軸１４１と機械的に連結して同期させている。図１の例では、同期手段１７は、プーリ１７１、１７２とベルト１７３とで構成されている。
【００３９】
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、液体ピストン排出管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。
【００４０】
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。
【００４１】
次に、上記構成における作動を図３に示すＰＶ線図およびタイムチャートに基づいて説明する。図３に示す容積Ｖは容器１１の容積のことであり、液体ピストン１５の変位に伴って変動する。図３に示す圧力Ｐは容器１１の内部圧力のことである。図３（ｂ）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３（ｂ）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。
【００４２】
液体ピストン１５が上死点に到達した直後の状態において、蒸気バルブ１３の作動によって吸気ポート１３１が開くと膨張部１２１に外部蒸発器２０からの蒸気が吸気される。図３（ｂ）に示す蒸気圧力は、膨張部１２１に吸気された蒸気の圧力のことである。
【００４３】
吸気ポート１３１が所定時間開いた後に閉じられると、膨張部１２１に供給された高温・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。
【００４４】
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１４１が回転して機械的エネルギが出力される。
【００４５】
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、液体ピストン１５は出力部１４の慣性力発生部材（図示せず）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。
【００４６】
圧縮行程では、蒸気バルブ１３の作動によって排気ポート１３２が所定タイミングで開き、冷却部１２２で凝縮し切れなかった蒸気が排気ポート１３２から排気される。排気ポート１３２は、液体ピストン１５が上死点に到達する少し前に閉じられる。
【００４７】
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の出力軸１４１を連続的に回転させることになる。
【００４８】
次に、整流器２１による作用効果について説明する。図４（ａ）は、本実施形態における膨張部１２１での液体ピストン１５の挙動を示す図である。図４（ｂ）は、比較例として、膨張部１２１に整流器２１が配置されていない場合における液体ピストン１５の挙動を示す図である。
【００４９】
図４（ｂ）の比較例では、膨張部１２１に整流器２１が配置されていないので、液体ピストン１５がある加速度以上で変位すると液体ピストン１５の慣性力によって液体ピストン１５の液面が変形して（乱れて）液滴が発生する。このため、液体ピストン１５中に蒸気が巻き込まれ、液体ピストン１５中に巻き込まれた蒸気が液体ピストン１５の変位に寄与することなく液体ピストンで冷やされて凝縮してしまうので出力の低下を招く。
【００５０】
これに対し、本実施形態では、膨張部１２１に整流器２１が配置されているので、液体ピストン１５がある加速度以上で変位しても整流器２１通過後の液体ピストン１５は液面の変形が抑制される。
【００５１】
具体的には、液体ピストン１５が整流器２１を通過する際に液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とが作用するので、出力部１４側から膨張部１２１側へ向かって変位する液体ピストン１５に対して、その慣性力を打ち消すように粘性力と表面張力とが作用することとなる。換言すれば、整流器２１は、出力部１４側から膨張部１２１側へ向かって変位する液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させる粘性力・表面張力作用部を構成している。
【００５２】
このため、液体ピストン１５に働く慣性力を効果的に低減できるので、液体ピストン１５の液面の変形を抑制して液滴の発生を抑制できる。その結果、液体ピストン１５中に蒸気が巻き込まれるのを抑制できるので、上記比較例に比べて出力を向上できる。
【００５３】
因みに、本実施形態では作動媒体として水を用いているので、作動中の液体ピストン１５の温度は１００℃未満（８０℃程度）になる。液体ピストン１５が１００℃の場合の液体ピストン１５の粘度は０．２８４Ｎ・Ｓ／ｍ2 になる。
【００５４】
また、本実施形態によると、整流器２１が粘性力のみならず表面張力をも液体ピストン１５の液面に作用させて慣性力を低減するので、整流器２１が粘性力のみを液体ピストン１５の液面に作用させて慣性力を低減する場合と比較して、整流器２１による圧力損失や凝縮熱損失を低減して整流器２１による出力の低下を抑制することができる。
【００５５】
ここで、整流器２１による圧力損失とは、蒸気が整流器２１を通過する際の圧力損失のことであり、整流器２１による凝縮熱損失とは、蒸気が整流器２１を通過する際に蒸気と整流器２１との熱交換により凝縮することによる熱損失のことである。
【００５６】
なお、整流器２１の材質として、熱容量の小さいセラミック等を採用すれば、整流器２１による凝縮熱損失を更に低減できる。
【００５７】
また、本実施形態によると、整流器２１の表面に撥水処理を施すことで整流器２１の表面に液膜が付着しにくくしているので、整流器２１の表面に残った液膜が遅れて沸騰することを防止できる。
【００５８】
因みに、本実施形態によると、上死点の近傍で慣性力が減少するように出力部１４を制御して液体ピストン１５の液面の乱れを抑制する場合と比較しても出力を向上できる。すなわち、出力部１４の出力軸１４１の回転速度が上死点の近傍で減少するように出力軸１４１の回転を制御することによって、上死点の近傍で慣性力を減少させて液体ピストン１５の液面の乱れを抑制することもできるが、この手段を採用した場合には、出力軸１４１の回転を制御するための仕事が損失となるので出力の低下を招く。
【００５９】
これに対して、本実施形態では、このような制御を行わないので、このような制御をするための損失による出力の低下を招くことがない。
【００６０】
図５は、本実施形態の変形例を示すものである。この変形例のように、整流器２１を１枚のみにしてもよい。
【００６１】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、粘性力・表面張力作用部が整流器２１で構成されているが、本第２実施形態では図６に示すように、粘性力・表面張力作用部が、膨張部１２１のうち出力部１４と反対側の端部から液体ピストン１５の液面に向かって突出する突起部２２で構成されている。
【００６２】
突起部２２は、膨張部１２１を液体ピストン１５の変位方向と直交する方向（図６では水平方向）に切断したときの断面の全体にわたって配置されている。突起部２２は濡れぶち長さが長い形状に形成されているのが好ましく、本実施形態では、液体ピストン１５の変位方向に延びる細管の集合体で構成されており、例えば、図２（ｂ）、（ｃ）と同様のハニカムプレートを用いることができる。
【００６３】
本実施形態によると、液体ピストン１５が膨張部１２１側に向かって変位すると上死点の近傍で液体ピストン１５の液面が突起部２２に衝突するので、液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させることができる。
【００６４】
さらに、本実施形態では、液体ピストン１５に最も大きな慣性力が働く上死点の近傍で液体ピストン１５の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させるので、液体ピストン１５に働く慣性力を効果的に低減することができる。このため、液体ピストン１５中に蒸気が巻き込まれるのを抑制できる。
【００６５】
図７は、本実施形態の変形例を示すものである。この変形例では、突起部２２を、膨張部１２１の断面中央部に配置している。これによると、液体ピストン１５の変位速度が最も大きくなって慣性力も大きくなる膨張部１２１の断面中央部において、液体ピストン１５の液面に粘性力と表面張力とを作用させるので、液体ピストン１５に働く慣性力を一層効果的に低減することができる。
【００６６】
因みに膨張部１２１の断面中央部で液体ピストン１５の変位速度が最も大きくなる理由は、断面外周部では容器１１の管壁から粘性力を受けて変位速度が低下するのに対し、断面中央部では容器１１の管壁から粘性力を受けにくいからである。
【００６７】
（第３実施形態）
上記第２実施形態では、突起部２２が細管の集合体で構成されているが、本第３実施形態では図８に示すように、突起部２２が半球状に形成されている。
【００６８】
これによると、液体ピストン１５の液面が突起部２２に衝突すると突起部２２が液体ピストン１５に対して粘性力τと表面張力σとを作用させる。このため、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（第４実施形態）
本第４実施形態では、図９に示すように、粘性力・表面張力作用部が、液体ピストン１５の液面に浮かべられた浮き部材２３で構成されている
浮き部材２３は球状に形成されている。浮き部材２３の外径は容器１１の内径よりも小さくなっており、浮き部材２３と容器１１の管壁との間には隙間が設けられている。浮き部材２３の材質としては、液体ピストン１５よりも比重が小さく且つ高温の蒸気に対する耐熱性を有する材質（例えば、シリコンゴムやポリエチレン樹脂）が選定される。
【００７０】
本実施形態によると、液体ピストン１５の液面が重力方向下方側から重力方向上方側に向かって変位すると浮き部材２３が液体ピストン１５の液面に粘性力τと表面張力σとを作用させる。
【００７１】
特に本実施形態によると、液体ピストン１５が上死点と下死点との間を変位する間、浮き部材２３が液体ピストン１５の液面に接触し続けるので、液体ピストン１５の液面に粘性力τと表面張力σとを確実に作用させることができる。このため、液体ピストン１５に働く慣性力を効果的に低減できるので、液体ピストン１５の液面の変形を抑制して液滴の発生を抑制できる。
【００７２】
図１０（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例を示すものである。図１０（ａ）の第１変形例では、浮き部材２３を平板状に形成している。浮き部材２３と容器１１の管壁との間には隙間が設けられている。浮き部材２３の材料としては、濡れぶち長さの長い多孔質材や発泡材等が用いられるのが好ましい。
【００７３】
なお、図１０（ａ）の例では、浮き部材２３を２枚重ねて配置している。これは、液体ピストン１５の駆動周波数が非常に高い場合に浮き部材２３が液体ピストン１５の液面から浮き上がるのを抑制するためである。
【００７４】
また、図１０（ｂ）の第２変形例のように、浮き部材２３を膜状に形成してもよい。
【００７５】
（第５実施形態）
本第５実施形態では、図１１に示すように、重力方向上方側に向かって変位する浮き部材２３に対して重力方向下方側への反発力を作用させる反発力作用部２４を備えている。
【００７６】
反発力作用部２４は、浮き部材２３に一体化された磁石２４ａと、膨張部１２１の端部に配置された磁石２４ｂとによって構成されている。両磁石２４ａ、２４ｂは、同じ極同士が向かい合うように配置されている。
【００７７】
浮き部材２３に配置された磁石２４ａと容器１１の管壁との間には隙間が設けられている。容器１１の管壁には、浮き部材２３および磁石２４ａが液体ピストン１５内に沈むことを防止するストッパ２５が設けられている。
【００７８】
液体ピストン１５が重力方向下方側から重力方向上方側に向かって変位すると、浮き部材２３が液体ピストン１５の勢いで持ち上げられて液体ピストン１５の液面に浮かぶ。これにより、浮き部材２３が液体ピストン１５の液面に粘性力τと表面張力σとを作用させる。
【００７９】
浮き部材２３が膨張部１２１の端部に近づくと、磁石２４ａ、２４ｂの同じ極同士が反発する磁力が発生し、この磁力が浮き部材２３に対して重力方向下方側への反発力として作用する。
【００８０】
このように、本実施形態によると、液体ピストン１５の液面に対して、粘性力と表面張力とに加えて反発力をも作用させることができるので、液体ピストン１５に働く慣性力を一層効果的に低減することができる。
【００８１】
また、本実施形態によると、反発力作用部２４の反発力によって、浮き部材２３が膨張部１２１の端部壁面に衝突することを抑制できる。
【００８２】
（第６実施形態）
上記第５実施形態では、反発力作用部２４が磁石２４ａ、２４ｂによって構成されているが、本第６実施形態では、図１２に示すように、反発力作用部が、浮き部材２３と膨張部１２１の端部壁面との間に配置された弾性部材２６によって構成されている。
【００８３】
弾性部材２６としては、例えばバネを用いることができる。弾性部材２６の弾性特性（バネを用いた場合にはバネ定数）は、液体ピストン１５に働く慣性力の大きさ（換言すれば液体ピストン１５の駆動周波数）と、浮き部材２３が液体ピストン１５の液面に作用させる粘性力および表面張力とを考慮して設定される。
【００８４】
本実施形態によると、浮き部材２３が膨張部１２１の端部側に変位すると、弾性部材２６の弾性復元力が発生し、この弾性復元力が浮き部材２３に対して重力方向下方側への反発力として作用する。このため、上記第５実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８５】
（第７実施形態）
本第７実施形態では、図１３に示すように、容器１１のうち膨張部１２１およびその近傍部位が出力部１４と反対側に向かうにつれて断面積が大きくなる広がり管状に形成されていることによって、上死点近傍において液体ピストン１５の液面に対してより大きな粘性力と表面張力とを作用させる。本実施形態は、上記第１〜第６実施形態に組み合わせて適用することができる。
【００８６】
本実施形態によると、膨張部１２１およびその近傍部位を広がり管状にすることで、膨張部１２１およびその近傍部位の濡れぶち長さが長くなる。このため、上死点に向かって変位する液体ピストン１５に対してより大きな粘性力と表面張力とを作用させることができる。
【００８７】
また、本実施形態によると、膨張部１２１およびその近傍部位を広がり管状にすることで、膨張部１２１およびその近傍部位の断面積が上死点側に向かうにつれて大きくなる。このため、上死点側に向かうにつれて液体ピストン１５の流速が低下して液体ピストン１５の慣性力も低下するので、液体ピストン１５の液面の変形を一層抑制して液滴の発生を一層抑制することができる。
【００８８】
なお、本実施形態では、膨張部１２１の上端部に、吸気通路１２１ａおよび排気通路１２１ｂを構成する開口部が形成されている。したがって、吸気ポート１３１および排気ポート１３２は、膨張部１２１の膨張部１２１の延長方向側（重力方向上方側）に配置されている。
【００８９】
（他の実施形態）
（１）上記第１実施形態では、整流器２１が膨張部１２１に配置されているが、整流器２１の配置位置はこれに限定されるものではない。例えば、整流器２１は、容器１１内において、上死点と下死点との中間部と、上死点との間の任意の部位に配置されていてもよい。
【００９０】
（２）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。
【００９１】
（３）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（図示せず）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（図示せず）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。
【００９２】
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。
【００９３】
（４）上記各実施形態では、外部蒸発器２０で発生した蒸気を膨張部１２１に供給するが、外部蒸発器２０を用いることなく、膨張部１２１の上部を加熱して液体ピストン１５の一部を蒸発させることによって膨張部１２１に蒸気を発生させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９４】
１１ 容器
１４ 出力部
１５ 液体ピストン
２０ 外部蒸発器
２１ 整流器（粘性力・表面張力作用部）
１２１ 膨張部
【特許請求の範囲】
【請求項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（１１）の一端側部位に設けられ、前記作動媒体の蒸気を膨張させる膨張部（１２１）と、
前記容器（１１）の他端側部位に設けられ、前記蒸気の膨張によって生じる前記液体ピストン（１５）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１４）と、
前記出力部（１４）側から前記膨張部（１２１）側へ向かって変位する前記液体ピストン（１５）の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させる粘性力・表面張力作用部（２１、２２、２３、２４、２６）とを備えることを特徴とする熱機関。
【請求項２】
前記粘性力・表面張力作用部は、前記液体ピストン（１５）が分割されて流通する整流器（２１）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
前記粘性力・表面張力作用部は、前記膨張部（１２１）のうち前記出力部（１４）と反対側の端部から前記液面に向かって突出する突起部（２２）で構成され、
前記液体ピストン（１５）が最も前記膨張部（１２１）側にきたときの位置を上死点としたとき、前記上死点の近傍で前記液面が突起部（２２）に衝突することを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項４】
前記突起部（２２）は、前記膨張部（１２１）を前記液体ピストン（１５）の変位方向と直交する方向に切断したときの断面の中央部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱機関。
【請求項５】
前記容器（１１）は、前記液面の変位範囲が重力方向に延びていて、前記膨張部（１２１）での前記蒸気の膨張により前記液面が前記容器（１１）の内部を重力方向上方側から重力方向下方側に向かって変位するように構成され、
前記粘性力・表面張力作用部は、前記液面に浮かべられた浮き部材（２３）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項６】
前記浮き部材（２３）が前記液面の変位により前記重力方向上方側に向かって変位すると、前記浮き部材（２３）に対して前記重力方向下方側への反発力を作用させる反発力作用部（２４、２６）を備えることを特徴とする請求項５に記載の熱機関。
【請求項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（１１）の一端側部位に設けられ、前記作動媒体の蒸気を膨張させる膨張部（１２１）と、
前記容器（１１）の他端側部位に設けられ、前記蒸気の膨張によって生じる前記液体ピストン（１５）の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１４）と、
前記出力部（１４）側から前記膨張部（１２１）側へ向かって変位する前記液体ピストン（１５）の液面に対して粘性力と表面張力とを作用させる粘性力・表面張力作用部（２１、２２、２３、２４、２６）とを備えることを特徴とする熱機関。
【請求項２】
前記粘性力・表面張力作用部は、前記液体ピストン（１５）が分割されて流通する整流器（２１）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
前記粘性力・表面張力作用部は、前記膨張部（１２１）のうち前記出力部（１４）と反対側の端部から前記液面に向かって突出する突起部（２２）で構成され、
前記液体ピストン（１５）が最も前記膨張部（１２１）側にきたときの位置を上死点としたとき、前記上死点の近傍で前記液面が突起部（２２）に衝突することを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項４】
前記突起部（２２）は、前記膨張部（１２１）を前記液体ピストン（１５）の変位方向と直交する方向に切断したときの断面の中央部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱機関。
【請求項５】
前記容器（１１）は、前記液面の変位範囲が重力方向に延びていて、前記膨張部（１２１）での前記蒸気の膨張により前記液面が前記容器（１１）の内部を重力方向上方側から重力方向下方側に向かって変位するように構成され、
前記粘性力・表面張力作用部は、前記液面に浮かべられた浮き部材（２３）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
【請求項６】
前記浮き部材（２３）が前記液面の変位により前記重力方向上方側に向かって変位すると、前記浮き部材（２３）に対して前記重力方向下方側への反発力を作用させる反発力作用部（２４、２６）を備えることを特徴とする請求項５に記載の熱機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１９６２４６（Ｐ２０１１−１９６２４６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６３８９１（Ｐ２０１０−６３８９１）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
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