External combustion engine

本発明は、作動媒体の蒸気の発生と液化に伴う作動媒体の体積変動によって生じる作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する外燃機関に関する。

従来、外燃機関の一つとして、パイプ状の容器内に作動媒体を液体状態で封入し、容器内の作動媒体の一部を加熱器で加熱して作動媒体の蒸気を発生させると共に、その作動媒体の蒸気を冷却器で冷却して液化させることで作動媒体の全体の体積を変動させ、作動媒体の体積変動によって生じる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ように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１）。

この従来技術では、加熱器を冷却器よりも上方に配置しており、加熱器で作動媒体の一部を加熱すると、容器のうち加熱器の配置部位に高温・高圧の作動媒体の蒸気が蓄積されて、作動媒体の液面が冷却器側に押し下げられる。 これにより、容器内において作動媒体の液体部分が押し下げられる方向に変位する。

そして、作動媒体の蒸気が容器のうち冷却器の配置部位に進入すると、冷却器で作動媒体の蒸気が冷却されて液化されるため、作動媒体の液面を押し下げる力が消滅し、作動媒体の液面が加熱器内まで上昇する。 これにより、容器内において作動媒体の液体部分が上昇する方向に変位する。 こうした動作の繰り返しにより、作動媒体の液体部分が周期的に流動変位するようになっている。 この際、容器の内部圧力も周期的に変動することとなる。

特開２００５−３３０９１０号公報

ところで、特願２００６−７８８０２号（以下、先願例と言う。）には、出力及び効率の向上を図った外燃機関が提案されている。 この先願例では、容器の内部圧力の平均値を目標値に近づけるように制御することによって、外燃機関の出力及び効率を向上させることを狙っている。

より具体的には、作動媒体が封入された主容器とは別個の補助容器に作動媒体を液体状態で封入し、主容器と補助容器とを絞り部を介して連通させ、補助容器内の作動媒体をピストン機構で圧縮または膨張させることによって補助容器の内部圧力を制御するようになっている。

これによると、主容器と補助容器とを絞り部を介して連通させているので、補助容器の内部圧力が主容器の内部圧力に追従して周期的に変動せず、補助容器の内部圧力を主容器の内部圧力の平均値とほぼ等しい圧力で安定させることができる。 そして、加熱器の温度等に基づいて主容器の内部圧力の目標値を算出し、ピストン機構によって補助容器の内部圧力を目標値に近づけるように制御する。 その結果、主容器の内部圧力の平均値を目標値に近づけることができる。

ところで、上記先願例では、外燃機関が停止して加熱器による作動媒体の加熱が停止されると加熱器の温度が雰囲気温度まで徐々に低下するのであるが、外燃機関が停止したときに主容器内に作動媒体の蒸気が蓄積されていると加熱器の温度低下に伴い作動媒体の飽和蒸気圧も低下し、作動媒体の蒸気が凝縮して液化する。 このため、主容器の内部圧力が低下する。

そして、主容器の内部圧力が補助容器の内部圧力よりも低下した場合には、補助容器内の作動媒体が絞り部を通じて徐々に主容器内に流入し、その分、主容器内の作動媒体の体積が過剰となる。 この現象は、特に雰囲気温度の低い冬季に起こりやすい。

このように主容器内の作動媒体の体積が過剰となっている状態で外燃機関を再始動して加熱器によって作動媒体を加熱すると、作動媒体の一部が気化して主容器の内部圧力が上昇する。 そして、主容器の内部圧力が補助容器の内部圧力よりも上昇すると、主容器内の作動媒体の過剰分が絞り部を通じて補助容器に戻されることとなる。

しかしながら、絞り部では作動媒体がごく僅かずつしか流れることができないので、主容器内の作動媒体の過剰分が全て補助容器へと戻るのに時間がかかってしまう。 この結果、再始動してから主容器内の作動媒体の過剰分が全て補助容器へと戻るまでの時間は、所定の出力を発揮できず、再始動から所定の出力が得られるまでの始動時間が長くなってしまうという問題がある。

この再始動時の問題を回避するためには、主容器内に作動媒体の蒸気が蓄積していないタイミングで外燃機関を停止させなければならず、外燃機関の停止操作が非常に煩わしくなってしまう。

本発明は、上記点に鑑み、始動開始後、速やかに所定の出力を発揮できる外燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、作動媒体（１２）が液体状態で流動可能に封入された主容器（１１）と、
主容器（１１）内の作動媒体（１２）の一部を加熱して作動媒体（１２）の蒸気を発生させる加熱器（１３）と、
蒸気を冷却して液化させる冷却器（１４）と、
蒸気の発生と液化に伴う作動媒体（１２）の体積変動によって生じる作動媒体（１２）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（１）と、
主容器（１１）と連通する補助容器（１６、１ａ）とを備え、
加熱器（１３）、冷却器（１４）及び出力部（１）は、作動媒体（１２）の変位方向において、加熱器（１３）、冷却器（１４）、出力部（１）の順に並んでおり、
補助容器（１６、１ａ）には作動媒体（１２）が封入されており、
補助容器（１６、１ａ）は、主容器（１１）のうち冷却器（１４）よりも出力部（１）側の部位と連通しており、
通常運転時には、主容器（１１）と補助容器（１６、１ａ）とを第１の連通面積で連通させ、始動時には、主容器（１１）と補助容器（１６、１ａ）とを第１の連通面積よりも大きい第２の連通面積で連通させる連通面積調節手段（１７ａ、１５ｂ、２５、２６、３０、２１、３２）を備えることを特徴とする。

これにより、始動時に主容器（１１）内の作動媒体（１２）の過剰分を補助容器（１６、１ａ）へと速やかに戻すことができるので、始動開始後、速やかに所定の出力を発揮できる。

なお、本発明における「始動時」とは、始動を開始してから所定の出力が得られるようになるまでの時間を意味するものである。

本発明は、具体的には、連通面積調節手段が、
通常運転時に、主容器（１１）と補助容器（１６、１ａ）とを連通させる絞り部（１７ａ、１５ｂ）と、
始動時に、主容器（１１）と補助容器（１６、１ａ）とを連通させ、絞り部（１７ａ、１５ｂ）よりも流路面積の大きい通路（２５）とを備えればよい。

本発明は、より具体的には、通路（２５）には、主容器（１１）から補助容器（１６、１ａ）への作動媒体（１２）の流れを許容し、補助容器（１６、１ａ）から主容器（１１）への作動媒体（１２）の逆流を防止する逆止弁（２６）が配置されているので、通常運転時に、補助容器（１６、１ａ）内の作動媒体（１２）が通路（２５）を通じて主容器（１１）内に逆流して、主容器（１１）内の作動媒体（１２）の体積が過剰になってしまうことを防止できる。

本発明は、より具体的には、逆止弁（２６）は、バネ部（２６ａ）を有するバネ式逆止弁であり、
バネ部（２６ａ）のバネ定数が温度に応じて変化し、バネ定数の変化に応じて逆止弁（２６）の作動圧力（ΔＰ）が変化するようになっており、
バネ部（２６ａ）は加熱手段（３１）によって加熱されるようになっており、
始動時における作動圧力（ΔＰ）が通常運転時における作動圧力（ΔＰ）よりも低下するように加熱手段（３１）を制御する制御手段（２１）を有する。

これにより、通常運転時に補助容器（１６、１ａ）内の作動媒体（１２）が通路（２５）を通じて主容器（１１）内に流入することを防止することと、始動時における逆止弁（２６）の作動圧力を低く抑えて始動を容易化することとを両立できる。

また、本発明は、より具体的には、連通面積調節手段が、
通路（２５）を開閉するバルブ（３０）と、
通常運転時にはバルブ（３０）が閉じており、始動時にバルブ（３０）が開くようにバルブ（３０）の開閉を制御する制御手段（２１）とを備えるようにしてもよい。

また、本発明は、具体的には、連通面積調節手段が、
主容器（１１）と補助容器（１６、１ａ）とを連通させる可変絞り機構（３２）と、
始動時における可変絞り機構（３２）の開度が通常運転時における可変絞り機構（３２）の開度よりも増加するように可変絞り機構（３２）を制御する制御手段（２１）とを備えるようにしてもよい。

また、本発明は、具体的には、主容器が第１容器（１１）で構成されており、
さらに、第１容器（１１）と同じ構成をもつ第２容器（３３）を備え、
補助容器（１６）を１つのみ備え、
１つの補助容器（１６）が第１容器（１１）と第２容器（３３）の両方と連通している。

これにより、２つの外燃機関で１つの補助容器（１６）を共有できるので、補助容器（１６）の個数を削減でき、コストを低減できる。

また、本発明は、具体的には、出力部（１）は、作動媒体（１２）が封入されたケーシング（１ａ）を有し、
ケーシング（１ａ）によって補助容器が構成されている。

これにより、補助容器を出力部（１）と一体化できるので、コストを低減できる。

また、本発明は、具体的には、出力部（１）は、作動媒体（１２）が封入されたケーシ ング（１ａ）と、ケーシング（１ａ）と主容器（１１）とを連通させるシリンダ（１５ ａ）と、シリンダ（１５ａ）に摺動可能に支持されて作動媒体（１２）の変位によって 駆動されるピストン（１５）とを有し、
ケーシング（１ａ）によって補助容器が構成され、
ピストン（１５）とシリンダ（１５ａ）との間に存在する微少隙間（１５ｂ）によって絞り部が構成されている。

これにより、既存のピストン（１５）及びシリンダ（１５ａ）を利用して絞り部を構成でき、別個に絞り部を形成する必要がないので、コストを低減できる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図７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１０を発電装置に適用したものであって、図１は本実施形態による発電装置の概略構成を表す構成図である。 この発電装置の基本的構成は上記先願例と同様であるので、まず上記先願例と共通する構成について説明する。

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２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、作動媒体１２が液体状態で流動可能に封入された主容器１１と、主容器１１内の作動媒体１２を加熱して気化させる加熱器１３と、加熱器１３にて加熱されて気化した作動媒体１２の蒸気を冷却する冷却器１４とを備える。 なお、本例では、作動媒体１２として水を用いているが、冷媒等を用いてもよい。

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。

主容器１１のうち加熱器１３と接触する部位である被加熱部１１ａ及び冷却器１４と接触する部位である被冷却部１１ｂは熱伝導率に優れた材料とすることが望ましく、本例では、被加熱部１１ａ及び被冷却部１１ｂを銅又はアルミニウム製としている。 なお、被加熱部１１ａに加熱器１３を一体に形成してもよく、被冷却部１１ｂに冷却器１４を一体に形成してもよい。

一方、主容器１１のうち被加熱部１１ａと被冷却部１１ｂとの中間部１１ｃは断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本例では、作動媒体１２を水としていることからステンレス製としている。 主容器１１のうち被冷却部１１ｂより発電機１側の部位も同様に断熱性に優れたステンレス製としている。

そして、主容器１１は、屈曲部１１ｄが最下部に位置し、第１、２直線部１１ｅ、１１ｆが上下方向に延びる略Ｕ字状に形成されたパイプ状の圧力容器である。 主容器１１のうち屈曲部１１ｄを挟んで水平方向一端側（図１の右側）の第１直線部１１ｅに加熱器１３及び冷却器１４が配置され、加熱器１３が冷却器１４より上方側に位置している。

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（例えば、空気）が封入されている。

一方、主容器１１のうち屈曲部１１ｄを挟んで水平方向他端側（図１の左側）の第２直線部１１ｆの上端部に発電機１が配置されている。 発電機１のケーシング１ａ内には、作動媒体１２の液体部分から圧力を受けて変位するピストン１５がシリンダ１５ａに摺動可能に配置されている。 なお、発電機１は、本発明における出力部に該当するものである。

ピストン１５は、発電機１のケーシング１ａ内において、可動子２のシャフト２ａに連結されており、可動子２を挟んでピストン１５と反対側には、可動子２をピストン１５側に押圧する弾性力を発生させる弾性手段をなすバネ３が設けられている。

主容器１１のうち屈曲部１１ｄの上方には、主容器１１の内部圧力（以下、主容器内圧力と言う。）Ｐｃを調整するための補助容器１６が配置され、屈曲部１１ｄと補助容器１６の底部とが第１連絡配管１７を介して連通している。 この補助容器１６の内容積は主容器１１の内容積よりも小さくなっている。

第１連絡配管１７には、補助容器１６の内部圧力（以下、補助容器内圧力と言う。）Ｐｔを主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａ（詳細は後述）とほぼ等しい圧力で安定させるために、絞り部１７ａが形成されている。 本例の絞り部１７ａは、第１連絡配管１７の通路径を縮小することによって形成されている。

補助容器１６内のうち下方部には作動媒体１２が液体状態で充満し、補助容器１６内のうち上方部には気体１８が充満している。 気体１８としては作動媒体１２に難溶性を示す気体を用いるのが好ましく、本例では気体１８として、水に難溶性を示すヘリウムを用いている。 なお、補助容器１６内を液体状態の作動媒体１２のみで充満させてもよい。

補助容器１６及び第１連絡配管１７は断熱性に優れた材料とすることが望ましく、本例では補助容器１６及び第１連絡配管１７をステンレス製としている。

補助容器内圧力Ｐｔを調整する圧力調整機構をなすピストン機構１９は、圧力調整ピストン１９ａと電動アクチュエータ１９ｂとで構成されている。

圧力調整ピストン１９ａは補助容器１６内の上端部に配置され、補助容器１６外部の電動アクチュエータ１９ｂによって上下方向に往復駆動されるようになっている。

次に、本実施形態における電子制御部の概要を説明すると、制御装置２１はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成されるものであり、本発明における制御手段に該当するものである。

制御装置２１には、ピストン機構１９の制御のために、被加熱部１１ａの温度（以下、被加熱部温度と言う。）Ｔ１を検出する被加熱部温度センサ２２、被冷却部１１ｂの温度（以下、被冷却部温度と言う。）Ｔ２を検出する被冷却部温度センサ２３、及び、補助容器内圧力Ｐｔを検出する圧力センサ２４から検出信号が入力される。 制御装置２１はこの各センサ２２〜２４からの検出信号に基づいて電動アクチュエータ１９ｂを駆動制御するようになっている。

そして、本実施形態では、始動開始後、速やかに所定の出力を発揮するために、上記先願例に対して以下の点を変更している。

すなわち、本実施形態では、主容器１１と補助容器１６との連通面積を調節する連通面積調節手段を備えている。 この連通面積調節手段は、主容器１１と補助容器１６とを連通させる第２連絡配管２５、第２連絡配管２５内に配置された逆止弁２６、前述の第１連絡配管１７および前述の絞り部１７ａで構成されている。

より具体的には、第２連絡配管２５は、主容器１１の屈曲部１１ｄと、補助容器１６のうち液体状態の作動媒体１２の存在する下方部とを連通させている。 また、第２連絡配管２５の流路面積は、絞り部１７ａの流路面積よりも大きくなっている。 本例では、第２連絡配管２５を、第１連絡配管１７と同様にステンレス製としている。 なお、第２連絡配管２５は本発明における通路に該当するものである。

逆止弁２６は、第２連絡配管２５内において、主容器１１から補助容器１６への作動媒体１２の流れを許容し、補助容器１６から主容器１１への作動媒体１２の逆流を防止するようになっている。 本例では、逆止弁２６として、バネ部２６ａを有するバネ式逆止弁を用いている。

この逆止弁２６は、主容器内圧力Ｐｃと補助容器内圧力Ｐｔとの差圧が所定圧力（以下、作動圧力と言う。）ΔＰ以上のときのみ開弁するようになっている。 本例では、作動圧力ΔＰを、主容器内圧力Ｐｃの運転時における最大圧力（以下、運転最大圧力と言う。）Ｐｃｍａｘと補助容器内圧力Ｐｔの最小圧力Ｐｔｍｉｎとの差よりも大きく設定している（ΔＰ＞Ｐｃｍａｘ−Ｐｔｍｉｎ）。

なお、補助容器内圧力Ｐｔの最小圧力Ｐｔｍｉｎとは、圧力調整ピストン１９ａが図１の最上端位置に操作されているときの補助容器内圧力Ｐｔである。

次に、上記構成における作動を図２に基づいて説明する。 加熱器１３及び冷却器１４を動作させると、まず加熱器１３により被加熱部１１ａ内の作動媒体（水）１２が加熱されて気化し、被加熱部１１ａ内に高温・高圧の作動媒体１２の蒸気が蓄積されて、主容器１１の第１直線部１１ｅ内の作動媒体１２の液面を押し下げる。

すると、主容器１１内において、作動媒体１２の液体部分は、第１直線部１１ｅ側から第２直線部１１ｆ側に変位して、発電機１側のピストン１５を押し上げる。 このとき、ピストン１５によってバネ３が押圧されて弾性変形する。

また、第１直線部１１ｅ内の作動媒体１２の液面が被冷却部１１ｂまで下がり、被冷却部１１ｂ内に作動媒体１２の蒸気が進入すると、この蒸気が冷却器１４により冷却されて液化されるため、第１直線部１１ｅ内の作動媒体１２の液面を押し下げる力が消滅する。

この結果、作動媒体１２の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１５がバネ３の弾性復元力によって下降し、主容器１１内において作動媒体１２の液体部分が第２直線部１１ｆ側から第１直線部１１ｅ側に変位して、第１直線部１１ｅ側の液面が上昇する。

そして、こうした動作は、加熱器１３及び冷却器１４の作動を停止させるまで繰り返し実行され、その間、主容器１１内において作動媒体１２の液体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２を上下動させることになる。

ここで、主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１と外燃機関１０の性能（出力及び効率）との関係について説明する。 図３（ａ）は外燃機関１０の一状態におけるＰＶ線図を示すものである。

このＰＶ線図の横軸は、主容器１１とピストン１５とで囲まれた空間の容積（以下、ピストン容積と言う。）であり、このピストン容積はピストン１５の往復運動に伴い変動する。 後述する図３（ｂ）、（ｃ）に示すＰＶ線図の横軸も同様である。

図３（ａ）は、主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１が被加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ１よりも低く、かつ、飽和蒸気圧Ｐｓ１にできるだけ近くなっている状態におけるＰＶ線図である。 このとき、外燃機関１０は１周期当たりの仕事量が最も大きくなって、外燃機関１０の性能が最も高くなる理想的な状態になっている。

一方、図３（ｂ）は、ピーク値Ｐｃ１が飽和蒸気圧Ｐｓ１よりも著しく低いときのＰＶ線図を示している。 この状態では、１周期当たりの仕事量が小さくなるので、外燃機関１０の性能が低下する。

また、図３（ｃ）は、ピーク値Ｐｃ１が飽和蒸気圧Ｐｓ１よりも高いときのＰＶ線図を示している。 つまり、被加熱部温度Ｔ１が高くなると、ピストン１５が上死点（図１の最上位置）に位置してピストン容積が最大となっている状態でも、加熱器１２内には高温の蒸気が存在するようになる。

このとき、ピストン１５が上死点から下死点（図１の最下位置）に向かって移動し、ピストン容積が減少すると、作動媒体１２の蒸気が圧縮されて主容器内圧力Ｐｃが上昇し、また、作動媒体１２の液体部分が被加熱部１１ａに進入して加熱されて気化するので、主容器内圧力Ｐｃがさらに上昇する。 この結果、ピーク値Ｐｃ１が飽和蒸気圧Ｐｓ１を超えてしまう。

このようにピーク値Ｐｃ１が飽和蒸気圧Ｐｓ１よりも高い状態では、ピーク値Ｐｃ１が飽和蒸気圧Ｐｓ１よりも高くなるために作動媒体１２の蒸気の一部が凝縮して液化してしまう。 このため、ピストン１５を下降させる仕事、換言すれば、マイナスの仕事をしてしまうので、外燃機関１０の性能が低下してしまう。

したがって、外燃機関１０の性能を最も引き出すためには、主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１を常に被加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ１よりも低く、かつ、飽和蒸気圧Ｐｓ１にできるだけ近くなっている状態に維持すればよい。

しかし、被加熱部温度Ｔ１が変動すると作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ１が変動する（後述の図７を参照）。 また、主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１は、被加熱部温度Ｔ１及び被冷却部１１ｂの温度（以下、被冷却部温度と言う。）Ｔ２の変動や、主容器１１からの作動媒体１２の洩れに伴い変化する。

すなわち、加熱器１３の熱源である高温ガスの温度及び冷却器１４を循環する冷却水の温度の低下により被加熱部温度Ｔ１及び被冷却部温度Ｔ２が低下して作動媒体１２の液体部分の温度が低下すると作動媒体１２の液体部分が熱収縮して作動媒体１２の液体部分の体積が減少する。 また、主容器１１から作動媒体１２が少しずつ洩れることによっても作動媒体１２の液体部分の体積が減少する。

作動媒体１２の液体部分の体積が減少すると、図４（ａ）に示すように、ピストン１５が下死点に位置してピストン容積が最小となっている状態でも、液相の作動媒体１２が被加熱部１１ａ内に十分に進入できなくなる。

このため、被加熱部１１ａ内における作動媒体１２の気化が抑制されてしまうので、主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１が低下する。

一方、被加熱部温度Ｔ１及び被冷却部温度Ｔ２が上昇すると作動媒体１２の液体部分が熱膨張して作動媒体１２の液体部分の体積が増加する。 作動媒体１２の液体部分の体積が増加すると、図４（ｂ）に示すように、ピストン１５が上死点に位置してピストン容積が最大となっている状態でも、作動媒体１２の蒸気が被冷却部１１ｂ内に十分に進入できなくなる。

このため、被冷却部１１ｂ内における作動媒体１２の蒸気の液化が抑制されてしまうので、主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１が上昇する。

図５は、作動媒体１２の液体部分の体積と外燃機関１０の効率との関係を示すグラフである。 なお、図示を省略しているが、作動媒体１２の液体部分の体積と外燃機関１０の出力との関係も図５と同様である。

図５からわかるように、作動媒体１２の液体部分の体積が所定の体積Ｖ１になっているとき、外燃機関１０の性能が最も高くなる。 なお、このときのＰＶ線図は図３（ａ）のようになっている。

一方、作動媒体１２の液体部分の体積が所定の体積Ｖ１より小さい体積Ｖ２になっているときにはＰＶ線図が図３（ｂ）のようになり、外燃機関１０の性能が低下する。 また、作動媒体１２の液体部分の体積が所定の体積Ｖ１より大きい体積Ｖ３になっているときにはＰＶ線図が図３（ｃ）のようになり、外燃機関１０の性能が低下する。

そこで、本実施形態では、外燃機関１０の運転時に、主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａを目標値Ｐｃ０に近づけるように調整することによって、飽和蒸気圧Ｐｓ１の変動や主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１の変動に伴う外燃機関１０の性能の低下を抑制する。

ここで、主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａとは、作動媒体１２の液体部分が１周期、自励振動する間における主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａのことを言い、目標値Ｐｃ０とは、外燃機関１０の性能が最も高くなる理想的な状態、つまり、主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１が被加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ１よりも低く、かつ、飽和蒸気圧Ｐｓ１にできるだけ近くなっている状態における主容器内圧力Ｐｃの平均値（図３（ａ）を参照。以下、理想平均値と言う。）Ｐｃｉに近似した値のことを言う。

図６は、本実施形態における制御の概要を示すブロック線図である。 まず、被加熱部温度Ｔ１と図７に示す作動媒体１２の蒸気圧曲線とに基づいて、被加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ１を算出する。

また、被冷却部温度Ｔ２と図７に示す作動媒体１２の蒸気圧曲線とに基づいて、被冷却部温度Ｔ２での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ２を算出する。 なお、被冷却部温度Ｔ２での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ２は、主容器内圧力Ｐｃの１周期中の最低値Ｐｃ２（図３（ａ）〜（ｃ）を参照）と同一値になる。

次に、被加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ１と被冷却部温度Ｔ２での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ２とに基づいて目標値Ｐｃ０を算出する。 本実施形態では、目標値Ｐｃ０を被加熱部温度Ｔ１での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ１と被冷却部温度Ｔ２での作動媒体１２の飽和蒸気圧Ｐｓ２との中間値、より具体的には略平均値としている。

ここで、第１連絡配管１７には絞り部１７ａが形成されているので、補助容器内圧力Ｐｔが主容器内圧力Ｐｃの周期的な変動に追従して変動することが抑制され、補助容器内圧力Ｐｔが主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａとほぼ等しい圧力で安定している。

このため、補助容器内圧力Ｐｔが目標値Ｐｃ０よりも低いときには、電動アクチュエータ１９ｂが圧力調整ピストン１９ａを押し出して補助容器１６の容積を減少させる。 これにより液体状態の作動媒体１２が圧縮されて補助容器内圧力Ｐｔが上昇する。

一方、補助容器内圧力Ｐｔが目標値Ｐｃ０よりも高いときには、圧力調整ピストン１９ａを引き込んで補助容器１６の容積を減少させる。 これにより液体状態の作動媒体１２が膨張して補助容器内圧力Ｐｔが低下する。

このように補助容器内圧力Ｐｔを調整することによって、主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａが目標値Ｐｃ０に近づく。 換言すれば、主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａが理想平均値Ｐｃｉに近づく。

この結果、外燃機関１０の運転状態を常に理想的な状態に近づけることができるので、飽和蒸気圧Ｐｓ１の変動や主容器内圧力Ｐｃのピーク値Ｐｃ１の変動に伴う外燃機関１０の性能の低下を防止できる。

ここで、第１連絡配管１７に絞り部１７ａを形成していないと、補助容器内圧力Ｐｔが主容器内圧力Ｐｃの周期的な変動に追従して変動してしまう。 このため、圧力センサ２４による補助容器内圧力Ｐｔのセンシング周期を非常に短くしないと、主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａを正確に算出することができない。

この点、本実施形態では、第１連絡配管１７には絞り部１７ａを形成することにより、補助容器内圧力Ｐｔが主容器内圧力Ｐｃの周期的な変動に追従して変動することなく、主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａとほぼ等しい圧力で安定させることができる。 このため、補助容器内圧力Ｐｔを検出する圧力センサ２４のセンシング周期が長くても、主容器内圧力Ｐｃの平均値Ｐｃａを正確に算出することができる。

ところで、液体の圧縮率は気体の圧縮率よりも低いので、補助容器１８内が液体状態の作動媒体１２のみで充満されていると、圧力調整ピストン１９ａの変位量に対する補助容器内圧力Ｐｔの変化量が大きくなりすぎて、補助容器内圧力Ｐｔの微調整がしづらい。

そこで、本実施形態では、補助容器１８に液体状態の作動媒体１２のみならず、液体状態の作動媒体１２よりも圧縮率が高い気体１８を封入しているので、圧力調整ピストン１９ａの変位量に対する補助容器内圧力Ｐｔの変化量を抑制することができる。 このため、補助容器内圧力Ｐｔの微調整を容易化できる。

ところで、上記構成においては、ピストン１５が下死点以外の位置にあるときに外燃機関１０が停止すると、主容器１１の第１直線部１１ｅ内に作動媒体１２の蒸気が存在している状態で加熱器１３による作動媒体１２の加熱が停止されることとなる。

すると、被加熱部温度Ｔ１が雰囲気温度まで徐々に低下して飽和蒸気圧Ｐｓ１が低下するのに伴い、作動媒体１２の蒸気が凝縮して液化して、主容器内圧力Ｐｃが低下する。

そして、主容器内圧力Ｐｃが補助容器内圧力Ｐｔよりも低下してしまうと、補助容器１６内の液体状態の作動媒体１２が第１連絡配管１７を通じて主容器１１へと流入し、その分、主容器１１内の作動媒体１２の体積が過剰となる。 この現象は、特に雰囲気温度の低い冬季に起こりやすい。

このように外燃機関１０の主容器１１内の作動媒体１２の体積が過剰になっていると所定の出力を発揮することができないのであるが、本実施形態では、以下に説明するように、外燃機関１０の再始動時に主容器１１内の作動媒体１２の過剰分を補助容器１６に速やかに戻すことができるので、再始動開始後、速やかに所定の出力を発揮できる。

すなわち、本実施形態では、外燃機関１０の始動時に、発電機１に外部から電力を供給して発電機１を駆動し、ピストン１５が少なくとも１回以上、下死点を通過するようにする。

ピストン１５が上死点から下死点に向かって移動すると、主容器１１内の作動媒体１２が圧縮され、主容器内圧力Ｐｃが運転最大圧力Ｐｃｍａｘ以上に上昇する。

ちなみに、本例では、外燃機関１０の停止時に圧力調整ピストン１９ａを図１の最上端位置に操作して、補助容器内圧力Ｐｔが最小圧力Ｐｔｍｉｎになるようにしている。 このため、主容器内圧力Ｐｃが補助容器内圧力Ｐｔよりも大きくなる。

ここで、第２連絡配管２５を配置していない場合には、主容器内圧力Ｐｃが補助容器内圧力Ｐｔよりも大きくなると、主容器１１内の液体状態の作動媒体１２が第１連絡配管１７のみを通じて補助容器１６へと流入することとなるが、第１連絡配管１７には絞り部１７ａが形成されており、絞り部１７ａでは液体状態の作動媒体１２がごく僅かずつしか流れることができないので、作動媒体１２の流通が妨げられてしまう。 このため、主容器１１内の作動媒体１２の過剰分が全て補助容器１６に戻るのに時間がかかってしまう。

この点、本実施形態では、主容器内圧力Ｐｃが補助容器内圧力Ｐｔよりも大きくなると、第２連絡配管２５に配置された逆止弁２６が開弁し、主容器１１内の液体状態の作動媒体１２が第２連絡配管２５を通じて補助容器１６へと流入する。

要するに、本実施形態では、通常運転時には、主容器１１と補助容器１６とが連通面積の小さい絞り部１７ａのみを介して連通しているが、始動時には、主容器１１と補助容器１６とが絞り部１７ａのみならず、絞り部１７ａよりも連通面積の大きい第２連絡配管２５を介して連通する。 このため、主容器１１内の作動媒体１２の過剰分を補助容器１６に速やかに戻すことができる。

ここで、逆止弁２６が通常運転時に開弁してしまうようであると、通常運転時に主容器１１内の液体状態の作動媒体１２が第２連絡配管２５を通じて補助容器１６へと流入してしまう。 そのため、主容器１１内の作動媒体１２の体積が減少してしまい、外燃機関１０の性能が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、逆止弁２６の作動圧力ΔＰを、主容器内圧力Ｐｃの運転最大圧力Ｐｃｍａｘと補助容器内圧力Ｐｔの最小圧力Ｐｔｍｉｎとの差よりも大きく設定しているので、通常運転時に逆止弁２６が開弁して主容器１１内の作動媒体１２が第２連絡配管２５を通じて補助容器１６へと流入してしまうことを防止できる。

（第２実施形態）
本第２実施形態では、図８に示すように、上記第１実施形態に対して、第２連絡配管２５を開閉するバルブ３０を追加している。 バルブ３０は制御装置２１により開閉制御される。 バルブ３０および制御装置２１は、第１連絡配管１７、絞り部１７ａ、第２連絡配管２５および逆止弁２６とともに、連通面積調節手段を構成する。

バルブ３０は制御装置２１によって、通常運転時には閉じており、外燃機関１０の始動時のみ開くように制御される。 このため、外燃機関１０の通常運転時に逆止弁２６が開弁していても、作動媒体１２が第２連絡配管２５を通じて補助容器１６へと流入することをバルブ３０によって防止できる。

その結果、上記第１実施形態のように、逆止弁２６の作動圧力ΔＰを、主容器内圧力Ｐｃの運転最大圧力Ｐｃｍａｘと補助容器内圧力Ｐｔの最小圧力Ｐｔｍｉｎとの差よりも大きく設定する必要がない。

そこで、本実施形態では、逆止弁２６の作動圧力ΔＰを０より大きく、主容器内圧力Ｐｃの運転最大圧力Ｐｃｍａｘと補助容器内圧力Ｐｔの最小圧力Ｐｔｍｉｎとの差以下に設定している（０＜ΔＰ≦Ｐｃｍａｘ−Ｐｔｍｉｎ）。

上記第１実施形態では、主容器内圧力Ｐｃが運転最大圧力Ｐｃｍａｘより大きくならなければ逆止弁２６が開弁しないので、外燃機関１０の始動時に発電機１を大きな駆動力で駆動しなければならない。

この点、本実施形態では、主容器内圧力Ｐｃが補助容器内圧力Ｐｔよりも大きければ、運転最大圧力Ｐｃｍａｘ以下でも開弁するので、上記第１実施形態と比較して、外燃機関１０の始動時における発電機１の駆動力を低減できる。 このため、上記第１実施形態と比較して、外燃機関１０の始動を容易に行うことができる。

（第３実施形態）
本第３実施形態では、図９に示すように、上記第１実施形態に対して、逆止弁２６の作動圧力ΔＰを可変制御している。

具体的には、逆止弁２６のバネ部２６ａを、形状記憶合金やバイメタル等で形成し、バネ部２６ａのバネ定数が温度に応じて変化するようにしている。 さらに、バネ部２６ａのバネ定数の変化に応じて逆止弁２６の作動圧力ΔＰが変化するようになっている。 また、バネ部２６ａそのものに温度に応じて変化する特性を与えずに、温度に応じて伸縮するサーモスタットを設けて、逆止弁２６の作動圧力ΔＰを変化させてもよい。

そして、バネ部２６ａが加熱装置３１によって加熱されるようになっており、加熱装置３１を制御装置２１により制御するようになっている。

本例では、加熱装置３１を、バネ部２６ａに通電する通電装置で構成しており、バネ部２６ａに通電すると、バネ部２６ａがジュール熱により発熱するようになっている。

そして、始動時における逆止弁２６の作動圧力ΔＰが通常運転時における逆止弁２６の作動圧力ΔＰよりも低下するように、制御装置２１が加熱手段３１を制御する。

これにより、外燃機関１０の通常運転時に逆止弁２６が開弁することを防止しつつ、外燃機関１０の始動時には主容器内圧力Ｐｃが運転最大圧力Ｐｃｍａｘ以下でも逆止弁２６が開弁するようにできる。 このため、上記第２実施形態と同様の効果を発揮することができる。

（第４実施形態）
本第４実施形態では、図１０に示すように、上記第２実施形態に対して逆止弁２６を廃止している。 そして、外燃機関１０の始動時のうちピストン１５が初めて下死点に達するまでの時間はバルブ３０を開けておき、ピストン１５が初めて下死点に達した瞬間にバルブ３０を閉じるようにしている。

これにより、逆止弁２６を設けることなく、外燃機関１０の通常運転時に作動媒体１２が第２連絡配管２５を通じて補助容器１６へと流入することを防止できる。 このため、上記第２、第３実施形態と同様の効果を発揮することができる。

（第５実施形態）
本第４実施形態では、図１１に示すように、上記第１実施形態に対して第２連絡配管２５及び逆止弁２６を廃止し、第１連絡配管１７に絞り部１７ａを形成する代わりに電気式の可変絞り機構３２を配置している。

この可変絞り機構３２の開度は制御装置２１により制御され、外燃機関１０の始動時のうちピストン１５が初めて下死点に達するまでの時間は可変絞り機構３２の開度が通常運転時の開度よりも大きくなり、ピストン１５が初めて下死点に達した瞬間に可変絞り機構３２の開度が通常運転時の開度になるように制御される。

これにより、始動時に主容器１１内の作動媒体１２の過剰分を補助容器１６に速やかに戻すことができるとともに、通常運転時に作動媒体１２が補助容器１６へと流入することを防止できる。 このため、上記第２〜第４実施形態と同様の効果を発揮することができる。

なお、本実施形態では、第１連絡配管１７、可変絞り機構３２および制御装置２１が連通面積調節手段を構成することとなる。

（第６実施形態）
本第６実施形態による発電装置は、図１２に示すように、上記第４実施形態の外燃機関１０を２つ備えている。 この実施形態では、２つの外燃機関１０に同じ符号を付した。 なお、図１２は、図示の都合上、制御装置２１及び各センサ２２〜２４の図示を省略している。

２つの外燃機関１０の主容器の構成は、上記各実施形態の主容器の構成と同様である。 便宜上、２つの外燃機関１０のうち一方の外燃機関の主容器を第１容器１１と言い、他方の外燃機関の主容器を第２容器３３と言う。

なお、図１２では、第１容器１１の被加熱部、被冷却部、中間部、屈曲部および第１、２直線部に上記各実施形態の主容器と同じ符号を付し、第２容器３３の被加熱部、被冷却部、中間部、屈曲部および第１、２直線部に３３ａ〜３３ｆの符号を付した。

２つの外燃機関１０は、互いの主容器内圧力Ｐｃの目標値Ｐｃ０が同一になるように構成されている。 このため、２つの外燃機関１０で１つの補助容器１６を共用している。

より具体的には、補助容器１６を１つのみ備え、１つの補助容器１６は、第１、第２容器１１、３１の両方と第１連絡配管１７及び第２連絡配管２５を介して連通している。 これにより、補助容器１６の個数を削減して、コストを低減することができる。

なお、本実施形態は、外燃機関１０を３つ以上備えるものにおいても適用が可能である。 また、本実施形態は、上記第１〜第３、第５実施形態の外燃機関１０に対しても適用が可能であることはもちろんである。 ちなみに、上記第５実施形態の外燃機関１０に対して適用する場合には、第２連絡配管２５が不要であることは言うまでもない。

（第７実施形態）
図１３に示す第７実施形態は、上記第１実施形態に対して、補助容器１６を発電機１によって構成するようにしたものである。 より具体的には、発電機１のケーシング１ａ内に液体状態の作動媒体１２及び気体１８を封入し、補助容器内圧力Ｐｔを調整するピストン機構１９を発電機１の上部に配置している。 第２連絡配管２５は、発電機１のケーシング１ａの底面部と主容器１１の第２直線部１１ｆとの間に配置されている。

本実施形態では、シリンダ１５ａが上記第１実施形態における第１連絡配管１７として機能し、ピストン１５とシリンダ１５ａとの間に存在する微少隙間（クリアランス）１５ｂが上記第１実施形態における絞り部１７ａとして機能する。

これにより、上記第１実施形態と同様の効果を発揮できる。 また、本実施形態では、上記第１実施形態における補助容器１６、第１連絡配管１７及び絞り部１７ａが不要であるので、部品点数を削減でき、コストを低減できる。

なお、本実施形態は、上記第２〜第４実施形態の外燃機関１０に対しても適用が可能であることはもちろんである。

（他の実施形態）
なお、上記第１〜第４、第６実施形態では、第２連絡配管２５の一端部を補助容器１６の下方部に接続し、第２連絡配管２５の他端部を主容器１１の屈曲部１１ｄに接続しているが、第２連絡配管２５の一端部を第１連絡配管１７のうち絞り部１７ａよりも補助容器１６側の部位に接続し、第２連絡配管２５の他端部を第１連絡配管１７のうち絞り部１７ａよりも主容器１１側の部位に接続してもよい。

これにより、始動時には、絞り部１７ａをバイパスして主容器１１内の作動媒体１２を補助容器１６へと流入させることができるので、同様の効果を発揮することができる。

また、上記各実施形態では、主容器１１を略Ｕ字状に形成しているが、主容器１１を直線状に形成してもよい。 例えば、直線状の主容器１１を上下方向に配置し、加熱器１３、冷却器１４及び発電機１を上方から下方に向かって加熱器１３、冷却器１４、発電機１の順に配置してもよい。 この場合には、補助容器１６を主容器１１のうち冷却器１４よりも発電機１側の部位と連通させればよい。 また、加熱器１３によって発生した蒸気が発電機１まで流動しない構成であればよく、例えば、加熱器１３、冷却器１４及び発電機１を上下方向に対して傾斜した方向または水平方向に配置してもよい。

また、上記各実施形態では、本発明による外燃機関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、本発明による外燃機関を発電装置以外の駆動源としても利用できることはもちろんである。

本発明の第１実施形態を示す発電装置の概略構成図である。

第１実施形態による外燃機関の動作特性を説明する説明図である。

第１実施形態による外燃機関のＰＶ線図であり、（ａ）は理想的な状態を示し、（ｂ）は主容器内圧力のピーク値が飽和蒸気圧よりも低い状態を示し、（ｃ）は主容器内圧力のピーク値が飽和蒸気圧よりも高い状態を示している。

特許文献１の外燃機関で生じる問題を説明する説明図であり、（ａ）は作動媒体の体積が減少した状態を示し、（ｂ）は作動媒体の体積が増加した状態を示している。

作動媒体の体積と外燃機関の効率との関係を示すグラフである。

第１実施形態における制御の概要を示すブロック線図である。

作動媒体の蒸気圧曲線を示すグラフである。

本発明の第２実施形態を示す発電装置の概略構成図である。

本発明の第３実施形態を示す発電装置の概略構成図である。

本発明の第４実施形態を示す発電装置の概略構成図である。

本発明の第５実施形態を示す発電装置の概略構成図である。

本発明の第６実施形態を示す発電装置の概略構成図である。

本発明の第７実施形態を示す発電装置の概略構成図である。

符号の説明

１１…主容器、１２…作動媒体、１３…加熱器、１４…冷却器、１６…補助容器、
１７…第１連絡配管（連通面積調節手段）、１７ａ…絞り部（連通面積調節手段）、
１９…ピストン機構、２５…第２連絡配管（連通面積調節手段）、
２６…逆止弁（連通面積調節手段）。