蒸気エンジン
【課題】加熱器１２に対応する流体容器加熱対応部３１で気化した作動流体２０は、流体容器冷却対応部３３に移動すると共に瞬時に冷却器１３で液化される。このため、気化による流体の体積膨張量が小さくなり、蒸気エンジンにおける膨張仕事量が小さくなる問題があるので、この問題を解消する。
【解決手段】流体容器冷却対応部３３の凝縮熱伝達率を下げるため、流体容器冷却対応部３３に伝熱制御部材５を設ける。この伝熱制御部材５は、非金属材料、特に、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミドのうちいずれか１つ、または、これらの組み合わせから成る。これにより、適度に断熱することで、気化した作動流体２０は必要以上に液化されることがなく、外部への出力仕事量の低下が抑制される。
【解決手段】流体容器冷却対応部３３の凝縮熱伝達率を下げるため、流体容器冷却対応部３３に伝熱制御部材５を設ける。この伝熱制御部材５は、非金属材料、特に、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミドのうちいずれか１つ、または、これらの組み合わせから成る。これにより、適度に断熱することで、気化した作動流体２０は必要以上に液化されることがなく、外部への出力仕事量の低下が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱器及び冷却器による流体の気化及び液化の繰り返しにより、流体容器の内部において、流体が流動変位することに伴い、流体から圧力を受けて駆動されるエネルギ出力用駆動部から、機械的エネルギを出力する蒸気エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気エンジンの一つとして、流体容器の内部に流体を封入し、加熱器を用いて容器内の流体を加熱して気化させると共に、その気化した流体を冷却器で冷却して液化させることで、外部にエネルギを出力する構成の蒸気エンジンが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
つまり、この蒸気エンジンは、流体を状態変化（気化または液化）させることで、流体容器内の圧力を変化させ、その圧力変化によって駆動されるエネルギ出力用駆動部から機械的エネルギが出力されるように構成されている。
【０００４】
また、同様の蒸気エンジンにおいて、加熱器と冷却器との間の接続管部の内周面に撥水処理のための樹脂層やコーティング層を形成して熱効率を向上したものが特許文献３で知られている。
【特許文献１】特開昭５８−５７０１４号公報
【特許文献２】特開２００４−８４５２３号公報
【特許文献３】特開２００７−２４７６０９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、このような蒸気エンジンにおいては、流体容器の加熱器に対応する部分（流体容器加熱対応部）で気化された流体は、流体容器冷却対応部に移動すると共に瞬時に液化されるため、気化による流体の体積膨張量が小さくなり、図５のＰＶ線図（圧力と体積との関係を表す線図）が示す蒸気エンジンにおける膨張仕事量が小さくなるという問題がある。
【０００６】
なお、図４に示すＰＶ線図は、流体の液化及び気化が理想的に行われた場合の理論値としてのＰＶ線図を示している。また、図４に示すＰＶ線図と、図５のＰＶ線図が、それぞれ示す膨張仕事量の差を、凝縮熱損失と呼ぶ。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、流体容器の内部での流体の状態変化（気化、液化）により、流体が適切に流動変位して、上記凝縮熱損失を抑制し、外部への出力仕事量（出力エネルギ）が低下することを防止できる蒸気エンジンを提供することにある。
【０００８】
この凝縮熱損失が抑制されるためには、流体容器冷却対応部の凝縮熱伝達率が下げられること、または流体容器冷却対応部の伝熱面積が低減されることが必要となる。
【０００９】
しかしながら、圧力が加わる流体容器は、金属で作る場合が多く、金属は比較的熱伝導が高いため、流体容器冷却対応部の凝縮熱伝達率を低下させることに限界がある。
【００１０】
また、比較的熱伝導が高い金属配管の流体容器冷却対応部の伝熱面積（流体容器の軸方向の高さ）を低減させるためには、エンジン容積（出力）を同じと仮定すると、流体容器冷却対応部の内径（筒の大きさ）を大きくしていくことになる。
【００１１】
しかし、伝熱面積を低減させるために流体容器冷却対応部の内径（筒の大きさ）を大きくしていくと、同じエンジン容積（出力）の場合に作動流体の移動速度が遅くなるため、流体容器冷却対応部の内壁に付着して形成される液膜が薄くなり、逆に凝縮熱伝達率が高くなってしまう。
【００１２】
発明者は、以下に述べるように、流体容器冷却対応部に伝熱制御部材を設けることで、流体容器冷却対応部の伝熱面積を低減して、液膜が薄くなる状況でも、伝熱制御部材によって凝縮熱伝達率が低く保たれるようにしたのである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、作動流体（２０）となる液体が流動可能に封入された流体容器（１１）と、流体容器（１１）に封入された作動流体（２０）を加熱する加熱器（１２）と、加熱器（１２）にて加熱されて気化した作動流体（２０）を冷却して液化させる冷却器（１３）と、加熱器（１２）及び冷却器（１３）によって気化と液化を繰り返す作動流体（２０）からの圧力を受けて往復運動し、機械的エネルギを出力するエネルギ出力用駆動部（１）を備え、
流体容器（１１）は冷却器（１３）に対応する部分である流体容器冷却対応部（３３）、及び加熱器（１２）に対応する部分である流体容器加熱対応部（３１）を備えており、さらに、流体容器冷却対応部（３３）部分に形成された非金属材料からなり作動流体（２０）と冷却器（１３）との間に介在する伝熱制御部材（５）を備えることを特徴としている。
【００１４】
この請求項１に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）で適度に断熱することができ、気化した作動流体（１１）を必要以上に液化させることなく膨張させることができる。
【００１５】
従って、伝熱制御部材（５）によって凝縮熱伝達率を低く保つことができ、凝縮熱損失を低減することができる。
【００１６】
次に、請求項２に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）はセラミックまたは合成樹脂より成ることを特徴としている。
【００１７】
この請求項２に記載の発明によれば、セラミックまたは合成樹脂で凝縮熱伝達率を低く保つ伝熱制御部材（５）を構成できる。
【００１８】
次に請求項３に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）は冷却器（１３）の流体容器軸心方向の高さに対して同等以上の高さ持つように配設されていることを特徴としている。
【００１９】
この請求項３に記載の発明によれば、冷却器（１３）と流体容器（１１）内の作動流体（２０）との間を充分な高さの伝熱制御部材（５）によって確実に断熱できる。
【００２０】
次に請求項４に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）は、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミドのうちいずれか１つ、または、これらの組み合わせから成ることを特徴としている。
【００２１】
この請求項４に記載の発明によれば、適度な断熱性能が得られる。
【００２２】
次に請求項５に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）のフッ素樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＥＣＴＦＥ、ＰＣＴＦＥ、ＰＶＦのうちのいずれか１つまたは組み合わせからなることを特徴としている。
【００２３】
この請求項５に記載の発明によれば、耐熱耐食性の優れたものを用いて、適度な断熱性能が得られる。
【００２４】
次に請求項６に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）は、蒸気エンジン作動中において気化と液化を繰り返している作動流体（２０）よりも、ｋ×ρ×Ｃｐの値（但しｋは熱伝達率、ρは密度、Ｃｐは定圧比熱）が小さいことを特徴としている。
【００２５】
この請求項６に記載の発明によれば、作動流体（２０）よりもｋ×ρ×Ｃｐの値の小さな伝熱制御部材（５）が断熱作用を発揮し、気化した作動流体（２０）を必要以上に液化させることなく膨張させることができる。従って、流体容器冷却対応部（３３）の伝熱面積を低減して液膜が薄くなる状況でも、伝熱制御部材（５）によって凝縮熱伝達率を低く保つことができ、凝縮熱損失が十分に低減され、蒸気エンジンの効率を高めることができる。
【００２６】
次に請求項７に記載の発明においては、作動流体（２０）となる液体は、水またはフッ素系液体から成ることを特徴としている。
【００２７】
この請求項７に記載の発明によれば、上記の伝熱制御部材に適合し、取り扱いの容易な作動流体（２０）を有する蒸気エンジンを構成できる。
【００２８】
次に請求項８に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）を介して作動流体（２０）に、冷却器（１３）から熱伝導し、伝熱制御部材（５）及び作動流体（２０）は、下記の数式を満足することを特徴としている。
【００２９】
【数１】
ここで、ｋiは伝熱制御部材の熱伝達率、ρiは伝熱制御部材の密度、Ｃｐｉは伝熱制御部材の定圧比熱、ｍgは沸騰蒸気量、Ｈgは作動流体の潜熱、Ａは流体容器冷却対応部での伝熱面積、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器（１３）の温度である。
【００３０】
この請求項８に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）が適度な断熱作用を発揮し、気化した作動流体（２０）が必要以上に液化されることがなく、膨張することができる。従って、流体容器冷却対応部（３３）の伝熱面積を低減して液膜が薄くなる状況でも、伝熱制御部材（５）によって凝縮熱伝達率を低く保つことができ、凝縮熱損失が充分に低減され、蒸気エンジンの効率を高めることができる。
【００３１】
次に請求項９に記載の発明においては、流体容器軸心方向と直交する伝熱制御部材（５）の厚さδiが、下記の数式を満足することを特徴としている。
【００３２】
【数２】
ここで、δiは伝熱制御部材の厚さ、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度、αiは伝熱制御部材の熱拡散率、τiは蒸気エンジン１０の膨張行程時間である。
【００３３】
この請求項９に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）の厚さδiが適当な値に設定でき、伝熱制御部材（５）が適度な断熱作用を発揮するため、気化した作動流体（２０）が必要以上に液化されることがなく膨張することができる。
【００３４】
次に請求項１０に記載の発明においては、流体容器冷却対応部（３３）を成す流体容器（１１）自体が、部分的に伝熱制御部材（５）から成ることを特徴としている。
【００３５】
この請求項１０に記載の発明によれば、流体容器（１１）の一部が、伝熱制御部材（５）の性能を持っているので、特別な伝熱制御部材（５）を付加する必要が無い。
【００３６】
次に請求項１１に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）の作動流体（２０）に対する濡れ性が、流体容器冷却対応部（３３）以外の流体容器（１１）内面の作動流体（２０）に対する濡れ性よりも悪いことを特徴としている。
【００３７】
この請求項１１に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）の表面に付着する作動流体（２０）の液膜量が少なくなり、伝熱制御部材（５）の性能が液膜に影響されることなく発揮できる。
【００３８】
次に請求項１２に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）の表面が加工され、加工された表面の作動流体（２０）に対する濡れ性が、加工前よりも悪くされていることを特徴としている。
【００３９】
この請求項１２に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）の表面を加工（例えば、微細加工やコーティング）し、濡れ性が悪くなるようにされているから、伝熱制御部材（５）の表面に付着する作動流体（２０）の液膜量が少なくなる。この結果、伝熱制御部材の性能が液膜に影響されることなく発揮できる。
【００４０】
次に請求項１３に記載の発明においては、気化と液化を繰り返し往復運動する作動流体（２０）の液面速度が、下記の数式を満たすことを特徴としている。
【００４１】
【数３】
ここで、Ｕは作動流体２０の液面速度、αwは作動流体の熱拡散率、τwは蒸気エンジンの膨張行程時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度、ｄは流体容器の管径、σは作動流体の表面張力、μは作動流体の粘性係数である。
【００４２】
この請求項１３に記載の発明によれば、適度な液面速度で作動流体（２０）を往復駆動でき、流体容器冷却対応部（３３）の表面に付着する作動流体（２０）の液膜の厚さを一定量以下にできるので、機械的エネルギを出力するエネルギ出力用駆動部（１）の出力を高めることが出来る。
【００４３】
なお、特許請求の範囲及び上記各手段に記載の括弧内の符号は、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１及び図２を用いて詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態における蒸気エンジン１０の縦断面図である。図２は上記実施例における蒸気エンジン１０の冷却器１３付近の拡大断面図である。
【００４５】
図１に示すように、蒸気エンジン１０は、加熱器１２、冷却器１３、流体容器１１、出力取り出し機構１となる発電機１、作動流体２０によって基本的に構成される。
【００４６】
なお、加熱器１２と冷却器１３とは、互いに直接接触しないように、一定の隙間Ｇｐを隔てて配置されている。
【００４７】
また、例えば、蒸気エンジン１０を図示されない車両等の水冷型内燃機関に設置する場合には、加熱器１２は、内燃機関の排気ガスを利用して作動流体２０を加熱する構成とすることができる。
【００４８】
一方、冷却器１３は、上記内燃機関の冷却水を利用して作動流体２０を冷却する構成とすることができる。
【００４９】
流体容器１１は、加熱器１２に対応する部分である図２の流体容器加熱対応部３１と、冷却器１３に対応する部分である流体容器冷却対応部３３と、加熱器１２と冷却器１３の間の上記隙間Ｇp（図１）に対応する部分である流体容器断熱隙間部３５とを備えている。
【００５０】
流体容器１１のうち、流体容器加熱対応部３１については、熱伝導性に優れた材料（この第１実施形態では銅又はアルミニウム）で形成されている。
【００５１】
また、流体容器１１のその他の部分は、内部に封入される作動流体２０に対する耐腐食性に優れた材料（この第１実施形態ではステンレス）で形成されている。
【００５２】
そして、流体容器１１の内壁表面で、少なくとも流体容器１１の冷却器１３に相当する部分が、伝熱制御部材５で形成されている。かつ、作動流体２０と伝熱制御部材５の熱伝導率ｋ、密度ρ、定圧比熱Ｃｐの関係が、以下の数４の数式を満たしている。
【００５３】
【数４】
ここでｋｗは作動流体２０の熱伝達率、ρｗは作動流体２０の密度、Ｃｐｗは作動流体２０の定圧比熱、ｋiは伝熱制御部材５の熱伝達率、ρiは伝熱制御部材５の密度、Ｃｐｉは伝熱制御部材５の定圧比熱である。
【００５４】
さらにいえば、以下の数５の数式を満たすのが望ましい。
【００５５】
【数５】
また、この伝熱制御部材５は、作動流体２０に対する耐腐食性、及び耐熱性に優れた材料から成り、全体として筒状に形成されている。更に、伝熱制御部材５の内表面が撥水面となるように、撥水材料がコーティングされている。
【００５６】
なお、この第１実施形態では、作動流体２０を水としており、水２０に対して濡れ性の悪い撥水面５ａを有している。具体的に濡れ性の指標である接触角を用いて示すと、水２０と流体容器１１のステンレスとの接触角が７５°であるため、少なくとも濡れ性の悪い撥水面５ａと水との接触角は７５°以上である必要があり、さらにいえば９０°以上であることが望ましい。例えば、フッ素樹脂などをコーティングすれば水２０との接触角を１０５°前後にすることができる。
【００５７】
そして、流体容器１１は、例えば、ステンレスからなるパイプを、略Ｕ字状に屈曲させることにより、全体として略Ｕ字パイプ状に形成されている。そして、図１のように、屈曲部１１ａが最下部に位置し、屈曲部１１ａより延びた２つの直線部１１ｂ、及び１１ｃが鉛直線上に位置するように配置されている。
【００５８】
また、流体容器１１を構成している２つの直線部１１ｂ及び１１ｃの内、一方の熱交換側直線部１１ｂは、図２のように、流体容器加熱対応部３１が流体容器冷却対応部３３よりも上方側（天地のうち天側）に位置するように形成される。また、流体容器加熱対応部３１の上端は閉塞されている。
【００５９】
そして、加熱器１２は、流体容器加熱対応部３１を取り囲むように設けられている。また、冷却器１３は、流体容器冷却対応部３３を取り囲むように設けられている。
【００６０】
２つの直線部１１ｂ及び１１ｃの内、他方の出力側直線部１１ｃの上端部には、作動流体２０から圧力を受けて変位するピストン１４（図１）が摺動可能に設けられている。
【００６１】
なお、このピストン１４は、発電機１の可動子２のシャフト２ａに連結されている。また、発電機１において、可動子２を挟んでピストン１４と反対側には、可動子２をピストン１４側に押圧付勢するバネ３が設けられている。
【００６２】
このように構成された第１実施形態の蒸気エンジン１０においては、加熱器１２及び冷却器１３を作動させると、まず、加熱器１２により、流体容器１１の熱交換側直線部１１ｂのうち上端部付近の液体（水）が加熱されて気化する（等温膨張）。
【００６３】
その気化した蒸気が更に膨張して（断熱膨張）、熱交換側直線部１１ｂの内部における液体の液面を押し下げる。
【００６４】
このため、流体容器１１の内部に封入された作動流体２０の液体部分は、熱交換側直線部１１ｂから出力側直線部１１ｃに向けて流動変位して、ピストン１４を押し上げる。
【００６５】
また、流体容器１１の熱交換側直線部１１ｂの内部における液体の液面が、流体容器冷却対応部３３まで下がり、蒸気の膨張により圧力が低下する。その圧力の低下した蒸気が流体容器対応部３３を介して冷却器１３により冷却され凝縮する。
【００６６】
そのため、熱交換側直線部１１ｂ内の液体の液面を押し下げる力が消滅し（等温圧縮）、熱交換側直線部１１ｂ側の液面が上昇する。
【００６７】
この結果、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１４は下降する。そして、こうした動作は、加熱器１２及び冷却器１３の作動を停止させるまで繰り返し実行される。その間、流体容器１１内の作動流体２０は、周期的に流動変位（所謂、自励振動）する。
【００６８】
つまり、蒸気エンジン１０は、作動流体２０の状態変化（液化、気化）に伴う流体容器１１の内部圧力の変化を発生させ、その圧力変化によって流動変位する作動流体２０により駆動されるピストン１４から機械的エネルギを外部に出力するよう構成されている。
【００６９】
そして、蒸気エンジン１０から出力されるエネルギは、発電機１の可動子２を上下動させるためのエネルギとして用いられる。
【００７０】
なお、この第１実施形態の蒸気エンジン１０は、ピストン１４を高温かつ高圧の蒸気に直接晒すことなく発電機１を駆動できるため、ピストン１４が劣化し難い構造であることから、耐久性に優れている。
【００７１】
また、加熱器１２は、外部から熱源物質（排気ガスなど）を取り込む構成に限られることはなく、例えば、電気通電により発熱する加熱器１２（電気ヒータ）やガスなどの燃料の燃焼により熱を発生する加熱器１２等を用いて構成しても良い。
【００７２】
次に、蒸気エンジン１０について具体的に数式を用いて説明する。図１の蒸気エンジン１０において、１サイクルにおける沸騰熱量Ｑｂｏｉｌと凝縮熱量Ｑｃｏｎは、それぞれ下記の数６、数７の数式によって表される。
【００７３】
【数６】
ここで、Ｑｂｏｉｌは沸騰熱量、ｍgは沸騰蒸気量、Ｈgは作動流体２０の潜熱である。
【００７４】
【数７】
ここで、Ｑｃｏｎは凝縮熱量、ｋiは伝熱制御部材の熱伝達率、Ａは流体容器冷却対応部３３での伝熱面積、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、πは円周率、αiは伝熱制御部材５の熱拡散率、τiは蒸気エンジン１０の膨張行程時間である。
【００７５】
蒸気エンジン１０においては、沸騰した蒸気を１サイクル内で全て凝縮させる必要があるので、沸騰熱量Ｑｂｏｉｌと凝縮熱量Ｑｃｏｎの関係は数８のように定義される。
【００７６】
【数８】
よって、図１の伝熱制御部材５は、上記数６から数８の数式を用いて以下の数９の数式を満たす伝熱制御部材を選ぶことが望ましい。
【００７７】
【数９】
ここで、ｋiは伝熱制御部材５の熱伝達率、ρiは伝熱制御部材５の密度、Ｃｐｉは伝熱制御部材５の定圧比熱、ｍgは沸騰蒸気量、Ｈgは作動流体２０の潜熱、Ａは流体容器冷却対応部３３の伝熱面積、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度である。
【００７８】
作動流体２０を水であると想定した場合、上記数４、及び数９の数式を満たす伝熱制御部材５としては、フッ素樹脂及びポリイミド、及びポリアミドイミドのうちいずれか１つ、または、これらの組み合わせが考えられる。
【００７９】
そして、上記フッ素樹脂とは具体的に以下のものが好ましい。
ポリテトラフルオロエチレン（４フッ化）；略号ＰＴＦＥ
テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体；略号ＰＦＡ
テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（４．６フッ化）；略号ＦＥＰ
テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体；略号ＥＴＦＥ
ポリビニリデンフルオライド（２フッ化）；略号ＰＶＤＦ
クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体；略号ＥＣＴＦＥ
ポリクロロトリフルオロエチレン（３フッ化）；略号ＰＣＴＦＥ
ポリフッ化ビニル；略号ＰＶＦ
これにより伝熱制御部材５で断熱することができ、気化した作動流体２０を必要以上に液化させることなく膨張させることができる。
【００８０】
次に、蒸気エンジン１０のうち上記数８の数式の要件が満たされる伝熱制御部材５が備えられたものにおいて、伝熱制御部材５内部の温度分布Ｔ（ｘ、τ）に関する関数は、時間と位置の関数として求めることができる。この関数は下記の数１０である。
【００８１】
【数１０】
ここで、Ｔ（ｘ、τ）は伝熱制御部材５内部の温度分布、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、ｅｒｆは誤差関数、ｘは伝熱制御部材５内表面からの深さ、αiは伝熱制御部材５の熱伝達率、τは蒸気が伝熱制御部材５に接している時間である。
【００８２】
この数１０において、伝熱制御部材５と流体容器１１の界面Ｐ１（図２）の位置、つまり「伝熱制御部材５表面からの深さｘ＝伝熱制御部材厚さδi」の条件を満足する位置で、蒸気が伝熱制御部材５に接している時間がτのとき、下記数１１の数式の条件を満たすものとする。
【００８３】
【数１１】
ここで、伝熱制御部材厚さδiは流体容器１１の軸心方向、つまり、熱交換側直線部１１ｂの直線方向と直交する伝熱制御部材５の断面部の幅（壁の厚さ）、αiは伝熱制御部材５の熱伝達率、τは蒸気が伝熱制御部材５に接している時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度である。
【００８４】
また、数１１の数式より、上記伝熱制御部材５の厚さδiは、下記の数１２の数式を満たさなければならない。
【００８５】
【数１２】
ここで、δiは伝熱制御部材５の厚さ、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、αiは伝熱制御部材５の熱拡散率、τiは蒸気エンジン１０の膨張行程時間である。
【００８６】
次に、蒸気エンジン１０の上記数９の数式を満たす伝熱制御部材５において、伝熱制御部材５の表面が作動流体２０に対して濡れ性が悪くない場合、下記数１３の数式でキャピラリー数を求めることで、伝熱制御部材５の表面に付着する作動流体２０の液膜厚さδwが、下記の数１４のように推定できる。
【００８７】
なお、キャピラリー数とは二相流を扱う際に重要な無次元数であり、粘性と表面張力の比を示している。
【００８８】
【数１３】
ここでＣａはキャピラリー数、μは作動流体２０の粘性係数、Ｕは作動流体２０の液面速度、σは作動流体の表面張力である。
【００８９】
【数１４】
ここで、δwは伝熱制御部材５の表面に付着する作動流体２０の液膜厚さ、Ｃａはキャピラリー数、ｄは流体容器１１の管径である。
【００９０】
次に、伝熱制御部材５の表面に付着する作動流体２０の液膜の内部における温度分布の関数は、数１０と類似の数１５のように表すことが出来る。
【００９１】
【数１５】
ここで、Ｔ（ｘw，τw）は伝熱制御部材５表面からの深さがｘwであり、蒸気が伝熱制御部材５に接している時間がτwであるときの温度、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、ｘw（ｘw≦δw）は液膜表面からの深さ、αwは作動流体２０の熱拡散率、τwは蒸気が上記液膜に接している時間、ｅｒｆは誤差関数である。
【００９２】
このとき、蒸気が上記液膜に接している時間τwが、下記の数１６（数１１に類似する）の数式を満たすようにする。この蒸気が上記液膜に接している時間τwは、蒸気エンジンの駆動周波数、つまり作動流体２０の液面移動速度Ｕによって変化する。
【００９３】
【数１６】
ここで、δwは伝熱制御部材５の表面に付着する作動流体２０の液膜厚さ、αwは作動流体２０の熱拡散率、τwは蒸気が上記液膜に接している時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度である。
【００９４】
蒸気エンジン１０における往復運動する作動流体２０の液面速度をＵとすると、数１３、数１４、数１６より蒸気エンジン１０の液面速度は以下の数１７の数式を満たす範囲であることが望ましい。
【００９５】
【数１７】
ここで、Ｕは作動流体２０の液面速度、αwは作動流体２０の熱拡散率、τwは蒸気エンジン１０の膨張行程時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、ｄは流体容器１１の管径、σは作動流体２０の表面張力、μは作動流体２０の粘性係数である。
【００９６】
第１実施形態に説明した構成、及び作動にすることで、図５に示されるＰＶ線図が、図６のＰＶ線図になることを実験により確認した。このことは、第１実施形態の構成が充分に凝縮熱損失を低減することを示している。
【００９７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態の一部拡大図であり、その他の部分は第１実施形態と同じである。なお、以降の実施形態においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成及び特徴について説明する。
【００９８】
上記第１実施形態は、流体容器１１の全領域を金属で製作したが、この第２実施形態は、図３に示すように、流体容器冷却対応部３３を含む範囲を上記数９の数式が満たされる伝熱制御部材５にて製作し、その他の部分を金属としたものである。
【００９９】
つまり、この第２実施形態は、流体容器冷却対応部３３をなす流体容器１１自体が伝熱制御部材５からなる。これにより、別部材としての伝熱制御部材５が不要と成り、よりシンプルな構造とすることが出来る。
【０１００】
また、図３のように、流体容器１１の内面５１の凹凸を少なく出来るので、作動流体２０が流れるときの流体抵抗が低減される。
【０１０１】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、伝熱制御部材５の表面を、作動流体２０に対して濡れ性が悪くなるように加工しているが、設計性能において液膜が残ることを許容できる場合は、濡れ性を悪くする必要はない。
【０１０２】
上記第１実施形態では、伝熱制御部材５の表面を撥水加工しているが、気化と液化を繰り返す周期の逆数である駆動周波数、つまり作動流体２０の液面速度を、適当な範囲に制御することで、伝熱制御部材５の表面に作動流体２０が残存し難くしてもよい。
【０１０３】
上記実施形態では、往復運動することにより単相交流を発生する発電機１を示したが、この発電機１としては、周知の種々のものを採用できる。
【０１０４】
また、伝熱制御部材５は単一の材料で構成する必要はなく、上記の各材料を組み合わせることが出来る。また、内部は充実している必要はなく多孔質の材料または多層の材料で構成しても良い。また、合成樹脂の場合は各種成分のフィラーを混入しても良いことは勿論である。
【０１０５】
また、作動流体として水以外の流体を使用してもよい。例えばフッ素系液体、特にフッ素系不活性流体（米国スリーエム社が開発した商品名フロリナート）が使用できる。また、伝熱制御部材は、各種セラミック材料、例えばアルミナを材料の一つとしたセラミックより構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１の実施形態における蒸気エンジン及び発電機を示した模式的縦断面図である。
【図２】上記第１実施形態における蒸気エンジンのうち流体容器の端部、加熱部、冷却部に相当する部分の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態における蒸気エンジンのうち流体容器の端部、加熱部、冷却部に相当する部分の一部拡大断面図である。
【図４】本発明の説明に使用され、作動流体の液化及び気化が理想的に行われた場合の理論値としての蒸気エンジンのＰＶ線図である。
【図５】本発明の説明に使用され、従来の凝縮熱伝達率が高すぎる場合の蒸気エンジンのＰＶ線図である。
【図６】上記第１実施形態における場合の蒸気エンジンのＰＶ線図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１ 発電機
１０ 蒸気エンジン１０
１１ 流体容器１１
１１ａ 流体容器の屈曲部
１１ｂ 流体容器の熱交換側直線部
１１ｃ 流体容器の出力側直線部
１２ 加熱器
１３ 冷却器
１４ ピストン
２０ 作動流体
３１ 流体容器加熱対応部
３３ 流体容器冷却対応部
３５ 流体容器断熱隙間部
５ 伝熱制御部材
５ａ 撥水面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱器及び冷却器による流体の気化及び液化の繰り返しにより、流体容器の内部において、流体が流動変位することに伴い、流体から圧力を受けて駆動されるエネルギ出力用駆動部から、機械的エネルギを出力する蒸気エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気エンジンの一つとして、流体容器の内部に流体を封入し、加熱器を用いて容器内の流体を加熱して気化させると共に、その気化した流体を冷却器で冷却して液化させることで、外部にエネルギを出力する構成の蒸気エンジンが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
つまり、この蒸気エンジンは、流体を状態変化（気化または液化）させることで、流体容器内の圧力を変化させ、その圧力変化によって駆動されるエネルギ出力用駆動部から機械的エネルギが出力されるように構成されている。
【０００４】
また、同様の蒸気エンジンにおいて、加熱器と冷却器との間の接続管部の内周面に撥水処理のための樹脂層やコーティング層を形成して熱効率を向上したものが特許文献３で知られている。
【特許文献１】特開昭５８−５７０１４号公報
【特許文献２】特開２００４−８４５２３号公報
【特許文献３】特開２００７−２４７６０９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、このような蒸気エンジンにおいては、流体容器の加熱器に対応する部分（流体容器加熱対応部）で気化された流体は、流体容器冷却対応部に移動すると共に瞬時に液化されるため、気化による流体の体積膨張量が小さくなり、図５のＰＶ線図（圧力と体積との関係を表す線図）が示す蒸気エンジンにおける膨張仕事量が小さくなるという問題がある。
【０００６】
なお、図４に示すＰＶ線図は、流体の液化及び気化が理想的に行われた場合の理論値としてのＰＶ線図を示している。また、図４に示すＰＶ線図と、図５のＰＶ線図が、それぞれ示す膨張仕事量の差を、凝縮熱損失と呼ぶ。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、流体容器の内部での流体の状態変化（気化、液化）により、流体が適切に流動変位して、上記凝縮熱損失を抑制し、外部への出力仕事量（出力エネルギ）が低下することを防止できる蒸気エンジンを提供することにある。
【０００８】
この凝縮熱損失が抑制されるためには、流体容器冷却対応部の凝縮熱伝達率が下げられること、または流体容器冷却対応部の伝熱面積が低減されることが必要となる。
【０００９】
しかしながら、圧力が加わる流体容器は、金属で作る場合が多く、金属は比較的熱伝導が高いため、流体容器冷却対応部の凝縮熱伝達率を低下させることに限界がある。
【００１０】
また、比較的熱伝導が高い金属配管の流体容器冷却対応部の伝熱面積（流体容器の軸方向の高さ）を低減させるためには、エンジン容積（出力）を同じと仮定すると、流体容器冷却対応部の内径（筒の大きさ）を大きくしていくことになる。
【００１１】
しかし、伝熱面積を低減させるために流体容器冷却対応部の内径（筒の大きさ）を大きくしていくと、同じエンジン容積（出力）の場合に作動流体の移動速度が遅くなるため、流体容器冷却対応部の内壁に付着して形成される液膜が薄くなり、逆に凝縮熱伝達率が高くなってしまう。
【００１２】
発明者は、以下に述べるように、流体容器冷却対応部に伝熱制御部材を設けることで、流体容器冷却対応部の伝熱面積を低減して、液膜が薄くなる状況でも、伝熱制御部材によって凝縮熱伝達率が低く保たれるようにしたのである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、作動流体（２０）となる液体が流動可能に封入された流体容器（１１）と、流体容器（１１）に封入された作動流体（２０）を加熱する加熱器（１２）と、加熱器（１２）にて加熱されて気化した作動流体（２０）を冷却して液化させる冷却器（１３）と、加熱器（１２）及び冷却器（１３）によって気化と液化を繰り返す作動流体（２０）からの圧力を受けて往復運動し、機械的エネルギを出力するエネルギ出力用駆動部（１）を備え、
流体容器（１１）は冷却器（１３）に対応する部分である流体容器冷却対応部（３３）、及び加熱器（１２）に対応する部分である流体容器加熱対応部（３１）を備えており、さらに、流体容器冷却対応部（３３）部分に形成された非金属材料からなり作動流体（２０）と冷却器（１３）との間に介在する伝熱制御部材（５）を備えることを特徴としている。
【００１４】
この請求項１に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）で適度に断熱することができ、気化した作動流体（１１）を必要以上に液化させることなく膨張させることができる。
【００１５】
従って、伝熱制御部材（５）によって凝縮熱伝達率を低く保つことができ、凝縮熱損失を低減することができる。
【００１６】
次に、請求項２に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）はセラミックまたは合成樹脂より成ることを特徴としている。
【００１７】
この請求項２に記載の発明によれば、セラミックまたは合成樹脂で凝縮熱伝達率を低く保つ伝熱制御部材（５）を構成できる。
【００１８】
次に請求項３に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）は冷却器（１３）の流体容器軸心方向の高さに対して同等以上の高さ持つように配設されていることを特徴としている。
【００１９】
この請求項３に記載の発明によれば、冷却器（１３）と流体容器（１１）内の作動流体（２０）との間を充分な高さの伝熱制御部材（５）によって確実に断熱できる。
【００２０】
次に請求項４に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）は、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミドのうちいずれか１つ、または、これらの組み合わせから成ることを特徴としている。
【００２１】
この請求項４に記載の発明によれば、適度な断熱性能が得られる。
【００２２】
次に請求項５に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）のフッ素樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＥＣＴＦＥ、ＰＣＴＦＥ、ＰＶＦのうちのいずれか１つまたは組み合わせからなることを特徴としている。
【００２３】
この請求項５に記載の発明によれば、耐熱耐食性の優れたものを用いて、適度な断熱性能が得られる。
【００２４】
次に請求項６に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）は、蒸気エンジン作動中において気化と液化を繰り返している作動流体（２０）よりも、ｋ×ρ×Ｃｐの値（但しｋは熱伝達率、ρは密度、Ｃｐは定圧比熱）が小さいことを特徴としている。
【００２５】
この請求項６に記載の発明によれば、作動流体（２０）よりもｋ×ρ×Ｃｐの値の小さな伝熱制御部材（５）が断熱作用を発揮し、気化した作動流体（２０）を必要以上に液化させることなく膨張させることができる。従って、流体容器冷却対応部（３３）の伝熱面積を低減して液膜が薄くなる状況でも、伝熱制御部材（５）によって凝縮熱伝達率を低く保つことができ、凝縮熱損失が十分に低減され、蒸気エンジンの効率を高めることができる。
【００２６】
次に請求項７に記載の発明においては、作動流体（２０）となる液体は、水またはフッ素系液体から成ることを特徴としている。
【００２７】
この請求項７に記載の発明によれば、上記の伝熱制御部材に適合し、取り扱いの容易な作動流体（２０）を有する蒸気エンジンを構成できる。
【００２８】
次に請求項８に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）を介して作動流体（２０）に、冷却器（１３）から熱伝導し、伝熱制御部材（５）及び作動流体（２０）は、下記の数式を満足することを特徴としている。
【００２９】
【数１】
ここで、ｋiは伝熱制御部材の熱伝達率、ρiは伝熱制御部材の密度、Ｃｐｉは伝熱制御部材の定圧比熱、ｍgは沸騰蒸気量、Ｈgは作動流体の潜熱、Ａは流体容器冷却対応部での伝熱面積、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器（１３）の温度である。
【００３０】
この請求項８に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）が適度な断熱作用を発揮し、気化した作動流体（２０）が必要以上に液化されることがなく、膨張することができる。従って、流体容器冷却対応部（３３）の伝熱面積を低減して液膜が薄くなる状況でも、伝熱制御部材（５）によって凝縮熱伝達率を低く保つことができ、凝縮熱損失が充分に低減され、蒸気エンジンの効率を高めることができる。
【００３１】
次に請求項９に記載の発明においては、流体容器軸心方向と直交する伝熱制御部材（５）の厚さδiが、下記の数式を満足することを特徴としている。
【００３２】
【数２】
ここで、δiは伝熱制御部材の厚さ、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度、αiは伝熱制御部材の熱拡散率、τiは蒸気エンジン１０の膨張行程時間である。
【００３３】
この請求項９に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）の厚さδiが適当な値に設定でき、伝熱制御部材（５）が適度な断熱作用を発揮するため、気化した作動流体（２０）が必要以上に液化されることがなく膨張することができる。
【００３４】
次に請求項１０に記載の発明においては、流体容器冷却対応部（３３）を成す流体容器（１１）自体が、部分的に伝熱制御部材（５）から成ることを特徴としている。
【００３５】
この請求項１０に記載の発明によれば、流体容器（１１）の一部が、伝熱制御部材（５）の性能を持っているので、特別な伝熱制御部材（５）を付加する必要が無い。
【００３６】
次に請求項１１に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）の作動流体（２０）に対する濡れ性が、流体容器冷却対応部（３３）以外の流体容器（１１）内面の作動流体（２０）に対する濡れ性よりも悪いことを特徴としている。
【００３７】
この請求項１１に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）の表面に付着する作動流体（２０）の液膜量が少なくなり、伝熱制御部材（５）の性能が液膜に影響されることなく発揮できる。
【００３８】
次に請求項１２に記載の発明においては、伝熱制御部材（５）の表面が加工され、加工された表面の作動流体（２０）に対する濡れ性が、加工前よりも悪くされていることを特徴としている。
【００３９】
この請求項１２に記載の発明によれば、伝熱制御部材（５）の表面を加工（例えば、微細加工やコーティング）し、濡れ性が悪くなるようにされているから、伝熱制御部材（５）の表面に付着する作動流体（２０）の液膜量が少なくなる。この結果、伝熱制御部材の性能が液膜に影響されることなく発揮できる。
【００４０】
次に請求項１３に記載の発明においては、気化と液化を繰り返し往復運動する作動流体（２０）の液面速度が、下記の数式を満たすことを特徴としている。
【００４１】
【数３】
ここで、Ｕは作動流体２０の液面速度、αwは作動流体の熱拡散率、τwは蒸気エンジンの膨張行程時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度、ｄは流体容器の管径、σは作動流体の表面張力、μは作動流体の粘性係数である。
【００４２】
この請求項１３に記載の発明によれば、適度な液面速度で作動流体（２０）を往復駆動でき、流体容器冷却対応部（３３）の表面に付着する作動流体（２０）の液膜の厚さを一定量以下にできるので、機械的エネルギを出力するエネルギ出力用駆動部（１）の出力を高めることが出来る。
【００４３】
なお、特許請求の範囲及び上記各手段に記載の括弧内の符号は、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１及び図２を用いて詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態における蒸気エンジン１０の縦断面図である。図２は上記実施例における蒸気エンジン１０の冷却器１３付近の拡大断面図である。
【００４５】
図１に示すように、蒸気エンジン１０は、加熱器１２、冷却器１３、流体容器１１、出力取り出し機構１となる発電機１、作動流体２０によって基本的に構成される。
【００４６】
なお、加熱器１２と冷却器１３とは、互いに直接接触しないように、一定の隙間Ｇｐを隔てて配置されている。
【００４７】
また、例えば、蒸気エンジン１０を図示されない車両等の水冷型内燃機関に設置する場合には、加熱器１２は、内燃機関の排気ガスを利用して作動流体２０を加熱する構成とすることができる。
【００４８】
一方、冷却器１３は、上記内燃機関の冷却水を利用して作動流体２０を冷却する構成とすることができる。
【００４９】
流体容器１１は、加熱器１２に対応する部分である図２の流体容器加熱対応部３１と、冷却器１３に対応する部分である流体容器冷却対応部３３と、加熱器１２と冷却器１３の間の上記隙間Ｇp（図１）に対応する部分である流体容器断熱隙間部３５とを備えている。
【００５０】
流体容器１１のうち、流体容器加熱対応部３１については、熱伝導性に優れた材料（この第１実施形態では銅又はアルミニウム）で形成されている。
【００５１】
また、流体容器１１のその他の部分は、内部に封入される作動流体２０に対する耐腐食性に優れた材料（この第１実施形態ではステンレス）で形成されている。
【００５２】
そして、流体容器１１の内壁表面で、少なくとも流体容器１１の冷却器１３に相当する部分が、伝熱制御部材５で形成されている。かつ、作動流体２０と伝熱制御部材５の熱伝導率ｋ、密度ρ、定圧比熱Ｃｐの関係が、以下の数４の数式を満たしている。
【００５３】
【数４】
ここでｋｗは作動流体２０の熱伝達率、ρｗは作動流体２０の密度、Ｃｐｗは作動流体２０の定圧比熱、ｋiは伝熱制御部材５の熱伝達率、ρiは伝熱制御部材５の密度、Ｃｐｉは伝熱制御部材５の定圧比熱である。
【００５４】
さらにいえば、以下の数５の数式を満たすのが望ましい。
【００５５】
【数５】
また、この伝熱制御部材５は、作動流体２０に対する耐腐食性、及び耐熱性に優れた材料から成り、全体として筒状に形成されている。更に、伝熱制御部材５の内表面が撥水面となるように、撥水材料がコーティングされている。
【００５６】
なお、この第１実施形態では、作動流体２０を水としており、水２０に対して濡れ性の悪い撥水面５ａを有している。具体的に濡れ性の指標である接触角を用いて示すと、水２０と流体容器１１のステンレスとの接触角が７５°であるため、少なくとも濡れ性の悪い撥水面５ａと水との接触角は７５°以上である必要があり、さらにいえば９０°以上であることが望ましい。例えば、フッ素樹脂などをコーティングすれば水２０との接触角を１０５°前後にすることができる。
【００５７】
そして、流体容器１１は、例えば、ステンレスからなるパイプを、略Ｕ字状に屈曲させることにより、全体として略Ｕ字パイプ状に形成されている。そして、図１のように、屈曲部１１ａが最下部に位置し、屈曲部１１ａより延びた２つの直線部１１ｂ、及び１１ｃが鉛直線上に位置するように配置されている。
【００５８】
また、流体容器１１を構成している２つの直線部１１ｂ及び１１ｃの内、一方の熱交換側直線部１１ｂは、図２のように、流体容器加熱対応部３１が流体容器冷却対応部３３よりも上方側（天地のうち天側）に位置するように形成される。また、流体容器加熱対応部３１の上端は閉塞されている。
【００５９】
そして、加熱器１２は、流体容器加熱対応部３１を取り囲むように設けられている。また、冷却器１３は、流体容器冷却対応部３３を取り囲むように設けられている。
【００６０】
２つの直線部１１ｂ及び１１ｃの内、他方の出力側直線部１１ｃの上端部には、作動流体２０から圧力を受けて変位するピストン１４（図１）が摺動可能に設けられている。
【００６１】
なお、このピストン１４は、発電機１の可動子２のシャフト２ａに連結されている。また、発電機１において、可動子２を挟んでピストン１４と反対側には、可動子２をピストン１４側に押圧付勢するバネ３が設けられている。
【００６２】
このように構成された第１実施形態の蒸気エンジン１０においては、加熱器１２及び冷却器１３を作動させると、まず、加熱器１２により、流体容器１１の熱交換側直線部１１ｂのうち上端部付近の液体（水）が加熱されて気化する（等温膨張）。
【００６３】
その気化した蒸気が更に膨張して（断熱膨張）、熱交換側直線部１１ｂの内部における液体の液面を押し下げる。
【００６４】
このため、流体容器１１の内部に封入された作動流体２０の液体部分は、熱交換側直線部１１ｂから出力側直線部１１ｃに向けて流動変位して、ピストン１４を押し上げる。
【００６５】
また、流体容器１１の熱交換側直線部１１ｂの内部における液体の液面が、流体容器冷却対応部３３まで下がり、蒸気の膨張により圧力が低下する。その圧力の低下した蒸気が流体容器対応部３３を介して冷却器１３により冷却され凝縮する。
【００６６】
そのため、熱交換側直線部１１ｂ内の液体の液面を押し下げる力が消滅し（等温圧縮）、熱交換側直線部１１ｂ側の液面が上昇する。
【００６７】
この結果、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１４は下降する。そして、こうした動作は、加熱器１２及び冷却器１３の作動を停止させるまで繰り返し実行される。その間、流体容器１１内の作動流体２０は、周期的に流動変位（所謂、自励振動）する。
【００６８】
つまり、蒸気エンジン１０は、作動流体２０の状態変化（液化、気化）に伴う流体容器１１の内部圧力の変化を発生させ、その圧力変化によって流動変位する作動流体２０により駆動されるピストン１４から機械的エネルギを外部に出力するよう構成されている。
【００６９】
そして、蒸気エンジン１０から出力されるエネルギは、発電機１の可動子２を上下動させるためのエネルギとして用いられる。
【００７０】
なお、この第１実施形態の蒸気エンジン１０は、ピストン１４を高温かつ高圧の蒸気に直接晒すことなく発電機１を駆動できるため、ピストン１４が劣化し難い構造であることから、耐久性に優れている。
【００７１】
また、加熱器１２は、外部から熱源物質（排気ガスなど）を取り込む構成に限られることはなく、例えば、電気通電により発熱する加熱器１２（電気ヒータ）やガスなどの燃料の燃焼により熱を発生する加熱器１２等を用いて構成しても良い。
【００７２】
次に、蒸気エンジン１０について具体的に数式を用いて説明する。図１の蒸気エンジン１０において、１サイクルにおける沸騰熱量Ｑｂｏｉｌと凝縮熱量Ｑｃｏｎは、それぞれ下記の数６、数７の数式によって表される。
【００７３】
【数６】
ここで、Ｑｂｏｉｌは沸騰熱量、ｍgは沸騰蒸気量、Ｈgは作動流体２０の潜熱である。
【００７４】
【数７】
ここで、Ｑｃｏｎは凝縮熱量、ｋiは伝熱制御部材の熱伝達率、Ａは流体容器冷却対応部３３での伝熱面積、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、πは円周率、αiは伝熱制御部材５の熱拡散率、τiは蒸気エンジン１０の膨張行程時間である。
【００７５】
蒸気エンジン１０においては、沸騰した蒸気を１サイクル内で全て凝縮させる必要があるので、沸騰熱量Ｑｂｏｉｌと凝縮熱量Ｑｃｏｎの関係は数８のように定義される。
【００７６】
【数８】
よって、図１の伝熱制御部材５は、上記数６から数８の数式を用いて以下の数９の数式を満たす伝熱制御部材を選ぶことが望ましい。
【００７７】
【数９】
ここで、ｋiは伝熱制御部材５の熱伝達率、ρiは伝熱制御部材５の密度、Ｃｐｉは伝熱制御部材５の定圧比熱、ｍgは沸騰蒸気量、Ｈgは作動流体２０の潜熱、Ａは流体容器冷却対応部３３の伝熱面積、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度である。
【００７８】
作動流体２０を水であると想定した場合、上記数４、及び数９の数式を満たす伝熱制御部材５としては、フッ素樹脂及びポリイミド、及びポリアミドイミドのうちいずれか１つ、または、これらの組み合わせが考えられる。
【００７９】
そして、上記フッ素樹脂とは具体的に以下のものが好ましい。
ポリテトラフルオロエチレン（４フッ化）；略号ＰＴＦＥ
テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体；略号ＰＦＡ
テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（４．６フッ化）；略号ＦＥＰ
テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体；略号ＥＴＦＥ
ポリビニリデンフルオライド（２フッ化）；略号ＰＶＤＦ
クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体；略号ＥＣＴＦＥ
ポリクロロトリフルオロエチレン（３フッ化）；略号ＰＣＴＦＥ
ポリフッ化ビニル；略号ＰＶＦ
これにより伝熱制御部材５で断熱することができ、気化した作動流体２０を必要以上に液化させることなく膨張させることができる。
【００８０】
次に、蒸気エンジン１０のうち上記数８の数式の要件が満たされる伝熱制御部材５が備えられたものにおいて、伝熱制御部材５内部の温度分布Ｔ（ｘ、τ）に関する関数は、時間と位置の関数として求めることができる。この関数は下記の数１０である。
【００８１】
【数１０】
ここで、Ｔ（ｘ、τ）は伝熱制御部材５内部の温度分布、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、ｅｒｆは誤差関数、ｘは伝熱制御部材５内表面からの深さ、αiは伝熱制御部材５の熱伝達率、τは蒸気が伝熱制御部材５に接している時間である。
【００８２】
この数１０において、伝熱制御部材５と流体容器１１の界面Ｐ１（図２）の位置、つまり「伝熱制御部材５表面からの深さｘ＝伝熱制御部材厚さδi」の条件を満足する位置で、蒸気が伝熱制御部材５に接している時間がτのとき、下記数１１の数式の条件を満たすものとする。
【００８３】
【数１１】
ここで、伝熱制御部材厚さδiは流体容器１１の軸心方向、つまり、熱交換側直線部１１ｂの直線方向と直交する伝熱制御部材５の断面部の幅（壁の厚さ）、αiは伝熱制御部材５の熱伝達率、τは蒸気が伝熱制御部材５に接している時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度である。
【００８４】
また、数１１の数式より、上記伝熱制御部材５の厚さδiは、下記の数１２の数式を満たさなければならない。
【００８５】
【数１２】
ここで、δiは伝熱制御部材５の厚さ、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、αiは伝熱制御部材５の熱拡散率、τiは蒸気エンジン１０の膨張行程時間である。
【００８６】
次に、蒸気エンジン１０の上記数９の数式を満たす伝熱制御部材５において、伝熱制御部材５の表面が作動流体２０に対して濡れ性が悪くない場合、下記数１３の数式でキャピラリー数を求めることで、伝熱制御部材５の表面に付着する作動流体２０の液膜厚さδwが、下記の数１４のように推定できる。
【００８７】
なお、キャピラリー数とは二相流を扱う際に重要な無次元数であり、粘性と表面張力の比を示している。
【００８８】
【数１３】
ここでＣａはキャピラリー数、μは作動流体２０の粘性係数、Ｕは作動流体２０の液面速度、σは作動流体の表面張力である。
【００８９】
【数１４】
ここで、δwは伝熱制御部材５の表面に付着する作動流体２０の液膜厚さ、Ｃａはキャピラリー数、ｄは流体容器１１の管径である。
【００９０】
次に、伝熱制御部材５の表面に付着する作動流体２０の液膜の内部における温度分布の関数は、数１０と類似の数１５のように表すことが出来る。
【００９１】
【数１５】
ここで、Ｔ（ｘw，τw）は伝熱制御部材５表面からの深さがｘwであり、蒸気が伝熱制御部材５に接している時間がτwであるときの温度、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、ｘw（ｘw≦δw）は液膜表面からの深さ、αwは作動流体２０の熱拡散率、τwは蒸気が上記液膜に接している時間、ｅｒｆは誤差関数である。
【００９２】
このとき、蒸気が上記液膜に接している時間τwが、下記の数１６（数１１に類似する）の数式を満たすようにする。この蒸気が上記液膜に接している時間τwは、蒸気エンジンの駆動周波数、つまり作動流体２０の液面移動速度Ｕによって変化する。
【００９３】
【数１６】
ここで、δwは伝熱制御部材５の表面に付着する作動流体２０の液膜厚さ、αwは作動流体２０の熱拡散率、τwは蒸気が上記液膜に接している時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度である。
【００９４】
蒸気エンジン１０における往復運動する作動流体２０の液面速度をＵとすると、数１３、数１４、数１６より蒸気エンジン１０の液面速度は以下の数１７の数式を満たす範囲であることが望ましい。
【００９５】
【数１７】
ここで、Ｕは作動流体２０の液面速度、αwは作動流体２０の熱拡散率、τwは蒸気エンジン１０の膨張行程時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器１３の温度、ｄは流体容器１１の管径、σは作動流体２０の表面張力、μは作動流体２０の粘性係数である。
【００９６】
第１実施形態に説明した構成、及び作動にすることで、図５に示されるＰＶ線図が、図６のＰＶ線図になることを実験により確認した。このことは、第１実施形態の構成が充分に凝縮熱損失を低減することを示している。
【００９７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は第２実施形態の一部拡大図であり、その他の部分は第１実施形態と同じである。なお、以降の実施形態においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成及び特徴について説明する。
【００９８】
上記第１実施形態は、流体容器１１の全領域を金属で製作したが、この第２実施形態は、図３に示すように、流体容器冷却対応部３３を含む範囲を上記数９の数式が満たされる伝熱制御部材５にて製作し、その他の部分を金属としたものである。
【００９９】
つまり、この第２実施形態は、流体容器冷却対応部３３をなす流体容器１１自体が伝熱制御部材５からなる。これにより、別部材としての伝熱制御部材５が不要と成り、よりシンプルな構造とすることが出来る。
【０１００】
また、図３のように、流体容器１１の内面５１の凹凸を少なく出来るので、作動流体２０が流れるときの流体抵抗が低減される。
【０１０１】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、伝熱制御部材５の表面を、作動流体２０に対して濡れ性が悪くなるように加工しているが、設計性能において液膜が残ることを許容できる場合は、濡れ性を悪くする必要はない。
【０１０２】
上記第１実施形態では、伝熱制御部材５の表面を撥水加工しているが、気化と液化を繰り返す周期の逆数である駆動周波数、つまり作動流体２０の液面速度を、適当な範囲に制御することで、伝熱制御部材５の表面に作動流体２０が残存し難くしてもよい。
【０１０３】
上記実施形態では、往復運動することにより単相交流を発生する発電機１を示したが、この発電機１としては、周知の種々のものを採用できる。
【０１０４】
また、伝熱制御部材５は単一の材料で構成する必要はなく、上記の各材料を組み合わせることが出来る。また、内部は充実している必要はなく多孔質の材料または多層の材料で構成しても良い。また、合成樹脂の場合は各種成分のフィラーを混入しても良いことは勿論である。
【０１０５】
また、作動流体として水以外の流体を使用してもよい。例えばフッ素系液体、特にフッ素系不活性流体（米国スリーエム社が開発した商品名フロリナート）が使用できる。また、伝熱制御部材は、各種セラミック材料、例えばアルミナを材料の一つとしたセラミックより構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１の実施形態における蒸気エンジン及び発電機を示した模式的縦断面図である。
【図２】上記第１実施形態における蒸気エンジンのうち流体容器の端部、加熱部、冷却部に相当する部分の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態における蒸気エンジンのうち流体容器の端部、加熱部、冷却部に相当する部分の一部拡大断面図である。
【図４】本発明の説明に使用され、作動流体の液化及び気化が理想的に行われた場合の理論値としての蒸気エンジンのＰＶ線図である。
【図５】本発明の説明に使用され、従来の凝縮熱伝達率が高すぎる場合の蒸気エンジンのＰＶ線図である。
【図６】上記第１実施形態における場合の蒸気エンジンのＰＶ線図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１ 発電機
１０ 蒸気エンジン１０
１１ 流体容器１１
１１ａ 流体容器の屈曲部
１１ｂ 流体容器の熱交換側直線部
１１ｃ 流体容器の出力側直線部
１２ 加熱器
１３ 冷却器
１４ ピストン
２０ 作動流体
３１ 流体容器加熱対応部
３３ 流体容器冷却対応部
３５ 流体容器断熱隙間部
５ 伝熱制御部材
５ａ 撥水面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体（２０）となる液体が流動可能に封入された流体容器（１１）と、
前記流体容器（１１）に封入された前記作動流体（２０）を加熱する加熱器（１２）と、
前記加熱器（１２）にて加熱されて気化した前記作動流体（２０）を冷却して液化させる冷却器（１３）と、
前記加熱器（１２）及び前記冷却器（１３）によって前記気化と前記液化を繰り返す前記作動流体（２０）からの圧力を受けて、機械的エネルギを出力するエネルギ出力用駆動部（１）を備え、
前記流体容器（１１）は前記冷却器（１３）に対応する部分である流体容器冷却対応部（３３）、及び前記加熱器（１２）に対応する部分である流体容器加熱対応部（３１）を備えており、
さらに、前記流体容器冷却対応部（３３）部分に形成された非金属材料からなり、前記作動流体（２０）と前記冷却器（１３）との間に介在する伝熱制御部材（５）を備えることを特徴とする蒸気エンジン。
【請求項２】
前記伝熱制御部材（５）はセラミックまたは合成樹脂より成ることを特徴とする請求項１に記載の蒸気エンジン。
【請求項３】
前記伝熱制御部材（５）は前記冷却器（１３）の前記流体容器軸心方向の高さに対して同等以上の高さ持つように配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気エンジン。
【請求項４】
前記伝熱制御部材（５）は、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミドのうちいずれか１つ、または、これらの組み合わせから成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項５】
前記伝熱制御部材（５）のフッ素樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＥＣＴＦＥ、ＰＣＴＦＥ、ＰＶＦのうちのいずれか１つまたは組み合わせからなることを特徴とする請求項４に記載の蒸気エンジン。
【請求項６】
前記伝熱制御部材（５）のｋ×ρ×Ｃｐの値（但しｋは熱伝導率、ρは密度、Ｃｐは定圧比熱）が、蒸気エンジン作動中において前記気化と前記液化を繰り返している前記作動流体（２０）よりも、小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項７】
前記作動流体（２０）となる液体は、水またはフッ素系液体から成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項８】
前記伝熱制御部材（５）を介して前記作動流体（２０）に、前記冷却器（１３）から熱伝導し、前記伝熱制御部材（５）及び作動流体（２０）は、下記の数式を満足することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【数１】
ここで、ｋiは伝熱制御部材の熱伝達率、ρiは伝熱制御部材の密度、Ｃｐｉは伝熱制御部材の定圧比熱、ｍgは沸騰蒸気量、Ｈgは作動流体の潜熱、Ａは流体容器冷却対応部での伝熱面積、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度である。
【請求項９】
前記流体容器軸心方向と直交する前記伝熱制御部材（５）の厚さδiが、下記の数式を満足することを特徴とする請求項８に記載の蒸気エンジン。
【数２】
ここで、δiは伝熱制御部材の厚さ、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度、αiは伝熱制御部材の熱拡散率、τiは蒸気エンジンの膨張行程時間である。
【請求項１０】
流体容器冷却対応部（３３）を成す前記流体容器（１１）自体が、部分的に前記伝熱制御部材（５）から成ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項１１】
前記伝熱制御部材（５）の前記作動流体（２０）に対する濡れ性が、前記流体容器冷却対応部（３３）以外の前記流体容器（１１）内面の前記作動流体（２０）に対する濡れ性よりも悪いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項１２】
前記伝熱制御部材（５）の表面が加工され、加工された前記表面の前記作動流体（２０）に対する濡れ性が、加工前よりも悪くされていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項１３】
前記気化と前記液化を繰り返し往復運動する前記作動流体（２０）の液面速度が、下記の数式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【数３】
ここで、Ｕは流体の液面速度、αwは作動流体の熱拡散率、τwは蒸気エンジンの膨張行程時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度、ｄは流体容器の管径、σは作動流体の表面張力、μは作動流体の粘性係数である。
【請求項１】
作動流体（２０）となる液体が流動可能に封入された流体容器（１１）と、
前記流体容器（１１）に封入された前記作動流体（２０）を加熱する加熱器（１２）と、
前記加熱器（１２）にて加熱されて気化した前記作動流体（２０）を冷却して液化させる冷却器（１３）と、
前記加熱器（１２）及び前記冷却器（１３）によって前記気化と前記液化を繰り返す前記作動流体（２０）からの圧力を受けて、機械的エネルギを出力するエネルギ出力用駆動部（１）を備え、
前記流体容器（１１）は前記冷却器（１３）に対応する部分である流体容器冷却対応部（３３）、及び前記加熱器（１２）に対応する部分である流体容器加熱対応部（３１）を備えており、
さらに、前記流体容器冷却対応部（３３）部分に形成された非金属材料からなり、前記作動流体（２０）と前記冷却器（１３）との間に介在する伝熱制御部材（５）を備えることを特徴とする蒸気エンジン。
【請求項２】
前記伝熱制御部材（５）はセラミックまたは合成樹脂より成ることを特徴とする請求項１に記載の蒸気エンジン。
【請求項３】
前記伝熱制御部材（５）は前記冷却器（１３）の前記流体容器軸心方向の高さに対して同等以上の高さ持つように配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気エンジン。
【請求項４】
前記伝熱制御部材（５）は、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミドのうちいずれか１つ、または、これらの組み合わせから成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項５】
前記伝熱制御部材（５）のフッ素樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＥＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＥＣＴＦＥ、ＰＣＴＦＥ、ＰＶＦのうちのいずれか１つまたは組み合わせからなることを特徴とする請求項４に記載の蒸気エンジン。
【請求項６】
前記伝熱制御部材（５）のｋ×ρ×Ｃｐの値（但しｋは熱伝導率、ρは密度、Ｃｐは定圧比熱）が、蒸気エンジン作動中において前記気化と前記液化を繰り返している前記作動流体（２０）よりも、小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項７】
前記作動流体（２０）となる液体は、水またはフッ素系液体から成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項８】
前記伝熱制御部材（５）を介して前記作動流体（２０）に、前記冷却器（１３）から熱伝導し、前記伝熱制御部材（５）及び作動流体（２０）は、下記の数式を満足することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【数１】
ここで、ｋiは伝熱制御部材の熱伝達率、ρiは伝熱制御部材の密度、Ｃｐｉは伝熱制御部材の定圧比熱、ｍgは沸騰蒸気量、Ｈgは作動流体の潜熱、Ａは流体容器冷却対応部での伝熱面積、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度である。
【請求項９】
前記流体容器軸心方向と直交する前記伝熱制御部材（５）の厚さδiが、下記の数式を満足することを特徴とする請求項８に記載の蒸気エンジン。
【数２】
ここで、δiは伝熱制御部材の厚さ、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度、αiは伝熱制御部材の熱拡散率、τiは蒸気エンジンの膨張行程時間である。
【請求項１０】
流体容器冷却対応部（３３）を成す前記流体容器（１１）自体が、部分的に前記伝熱制御部材（５）から成ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項１１】
前記伝熱制御部材（５）の前記作動流体（２０）に対する濡れ性が、前記流体容器冷却対応部（３３）以外の前記流体容器（１１）内面の前記作動流体（２０）に対する濡れ性よりも悪いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項１２】
前記伝熱制御部材（５）の表面が加工され、加工された前記表面の前記作動流体（２０）に対する濡れ性が、加工前よりも悪くされていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【請求項１３】
前記気化と前記液化を繰り返し往復運動する前記作動流体（２０）の液面速度が、下記の数式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の蒸気エンジン。
【数３】
ここで、Ｕは流体の液面速度、αwは作動流体の熱拡散率、τwは蒸気エンジンの膨張行程時間、Ｔｓｔｅａｍは蒸気温度、Ｔiは冷却器の温度、ｄは流体容器の管径、σは作動流体の表面張力、μは作動流体の粘性係数である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１２１６０１（Ｐ２０１０−１２１６０１Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９８４５３（Ｐ２００８−２９８４５３）
【出願日】平成２０年１１月２１日（２００８．１１．２１）
【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２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２１日（２００８．１１．２１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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