External combustion engine

本発明は、作動媒体の蒸発と凝縮によって作動媒体の液相部分を変位させ、作動媒体の液相部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する外燃機関に関する。

従来、外燃機関の一つとして、作動媒体が液相状態で流動可能に封入された容器に、液相状態の作動媒体の一部を加熱して蒸発させる蒸発部と、蒸発部で蒸発した作動媒体を冷却して凝縮させる凝縮部とを形成し、この作動媒体の蒸発と凝縮によって作動媒体の液相部分を変位させ、この作動媒体の液相部分の変位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たものが特許文献１にて開示されている。

この従来技術では、容器のうち出力部側の部位を１本の集合管で構成し、容器のうち蒸発部および凝縮部の形成部位を多数本の分岐管で構成することによって、蒸発部および凝縮部における伝熱面積を増大させている。 これにより、作動媒体の加熱性能（蒸発性能）および冷却性能（凝縮性能）を向上させて、外燃機関の出力を向上させるようになっている。

また、この従来技術では、多数本の分岐管のうち蒸発部の形成部位が高温ガスの流れの中に配置されており、高温ガスを熱源として作動媒体を加熱するようになっている。

また、この従来技術では、多数本の分岐管の配列方向が、高温ガスの流れ方向および高温ガスの流れ方向と直交する方向の両方向になっている。 つまり、多数本の分岐管を格子状に配置している。 これにより、多数本の分岐管によって容器の体格が大型化してしまうことを抑制している。

特開２００５−３３０８８５号公報

しかしながら、上記従来技術では、高温ガスは上流側から下流側に流れるにつれて多数本の分岐管の蒸発部に熱を奪われて温度が低下する。 このため、高温ガス上流側に配置された分岐管の蒸発部ほど熱交換量が多くなり、高温ガス下流側に配置された分岐管の蒸発部ほど熱交換量が少なくなる。

この結果、高温ガス上流側の分岐管の蒸発部では作動媒体が十分に加熱されて沸点に達して蒸発するものの、高温ガス下流側の分岐管の蒸発部では作動媒体が十分に加熱されず、沸点に達しにくくなる。

この結果、高温ガス下流側の分岐管では作動媒体の液相部分の変位量が小さくなってしまうので、得られる出力が小さくなってしまう。 つまり、加熱されても沸点に達しない作動媒体が存在するので、その分が熱損失となって外燃機関の効率を悪化させてしまう。 なお、この熱損失による効率悪化の問題は、分岐管が多数本の場合のみならず、分岐管が２本の場合においても同様に発生する。

また、容器の近傍に１つの発熱体を配置し、発熱体が発する熱によって蒸発部を加熱する場合には、発熱体の近くの分岐管では作動媒体が十分に加熱されるが、発熱体から離れた分岐管では作動媒体を十分に加熱できないので、同様に熱損失による効率悪化の問題が生じることとなる。

本発明は、上記点に鑑み、熱損失を低減し、効率の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、１本の集合管（１５）と、集合管（１５）より分岐する多数本の分岐管（１６１〜１６４）とを有し、作動媒体（１４）が液相状態で流動可能に封入された容器（１０）と、
多数本の分岐管（１６１〜１６４）のうち集合管（１５）と反対側の端部と連通し、液相状態の作動媒体（１４）の一部を加熱して蒸発させる多数個の蒸発部（２０１〜２０４）と、
多数本の分岐管（１６１〜１６４）の少なくとも一部に形成され、蒸発部（２０１〜２０４）で蒸発した作動媒体（１４）を冷却して凝縮させる多数個の凝縮部（２２１〜２２４）と、
集合管（１５）のうち多数本の分岐管（１６１〜１６４）と反対側の端部と連通し、作動媒体（１４）の液相部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１１）とを備え、
多数個の蒸発部（２０１〜２０４）は、共通の熱源から熱の供給を受けるようになっており、
多数個の蒸発部（２０１〜２０４）で作動媒体（１４）を蒸発させて作動媒体（１４）の液相部分を出力部（１１）側に向かって変位させる第１行程と、第１行程にて蒸発した作動媒体（１４）を多数個の凝縮部（２２１〜２２４）で凝縮させて作動媒体（１４）の液相部分を多数個の蒸発部（２０１〜２０４）側に向かって変位させる第２行程とを交互に繰り返し行う外燃機関において、
第２行程にて作動媒体（１４）の液相部分が出力部（１１）側から多数個の蒸発部（２０１〜２０４）側に向かって変位したときに、多数個の蒸発部（２０１〜２０４）のうちいずれか１つの蒸発部に流入する作動媒体（１４）の液相部分の液量を流入液量としたとき、
多数個の蒸発部（２０１〜２０４）のうち熱源に近い蒸発部ほど前記流入液量を多くし、多数個の蒸発部（２０１〜２０４）のうち熱源から離れた蒸発部ほど前記流入液量を少なくする流入液量調整手段を備えることを第１の特徴とする。

これによると、熱源に近い蒸発部、すなわち熱交換量の多い蒸発部ほど作動媒体（１４）の液相部分が多く供給され、熱源から離れた蒸発部、すなわち熱交換量の少ない蒸発部ほど作動媒体（１４）の液相部分の供給が抑制されることとなる。

このため、多数個の蒸発部（２０１〜２０４）のいずれにおいても、作動媒体（１４）を確実に蒸発させることができるので、熱損失を低減でき、ひいては、効率を向上できる。

本発明は、具体的には、多数個の蒸発部（２０１〜２０４）は、
作動媒体（１４）の液相部分が流入する流入口（２７１〜２７４）と、
流入口（２７１〜２７４）と所定間隔を隔てて対向する対向壁面（３３１〜３３４）と、
流入口（２７１〜２７４）と対向壁面（３３１〜３３４）との間から流入口（２７１〜２７４）の開口方向と直交する方向に延びる主蒸発部（３４１〜３４４）とを有し、
熱源に近い蒸発部ほど対向壁面の面積が大きく、熱源から離れた蒸発部ほど対向壁面の面積が小さくなっていることによって流入液量調整手段が構成されている。

これによると、流入口（２７１〜２７４）から蒸発部（２０１〜２０４）に流入した作動媒体（１４）の液相部分は、対向壁面（３３１〜３３４）に衝突することによって変位方向を直角に変化させて蒸発部（２０１〜２０４）の主蒸発部（３４１〜３４４）へと進入することとなる。

そして、熱源に近い蒸発部ほど対向壁面の面積が大きく、熱源から離れた蒸発部ほど対向壁面の面積が小さくなっているので、熱源に近い蒸発部ほど作動媒体（１４）の液相部分が対向壁面（３３１〜３３４）に衝突しやすく、ひいては主蒸発部（３４１〜３４４）に進入しやすいが、熱源から離れた蒸発部ほど作動媒体（１４）の液相部分の対向壁面（３３１〜３３４）への衝突が抑制され、ひいては主蒸発部（３４１〜３４４）への進入が抑制される。

この結果、熱源に近い蒸発部ほど前記流入液量が多くなり、熱源から離れた蒸発部ほど前記流入液量が少なくなるので、流入液量調整手段を簡素な構成によって実現できる。

なお、本発明における「流入口（２７１〜２７４）の開口方向と直交する方向に延びる」とは、厳密に直交方向に延びることのみを意味するものではなく、直交方向から若干の角度だけ傾斜する方向に延びるものを含む意味のものである。

本発明は、より具体的には、多数個の蒸発部（２０１〜２０４）で発生した作動媒体（１４）の蒸気を溜める蒸気溜め部（２９）を備え、
多数個の蒸発部（２０１〜２０４）の対向壁面（３３１〜３３４）には、蒸気溜め部（２９）と連通し、蒸気が流通する蒸気通路（３１１〜３１４）が開口し、
熱源に近い蒸発部ほど蒸気通路の開口面積が小さく、熱源から離れた蒸発部ほど蒸気通路の開口面積が大きくなっていればよい。

また、本発明は、より具体的には、熱源に近い蒸発部ほど流入口の面積が大きく、熱源から離れた蒸発部ほど流入口の面積が小さくなっていてもよい。

また、本発明は、具体的には、熱源に近い蒸発部と連通する分岐管ほど集合管（１５）のうち出力部（１１）に近い部位より分岐し、熱源から離れた蒸発部と連通する分岐管ほど集合管（１５）のうち出力部（１１）から離れた部位より分岐していることによって流入液量調整手段が構成されている。

これによると、出力部（１１）から熱源に近い蒸発部に至る作動媒体流路ほど流路長が短くなって流路抵抗が小さくなり、出力部（１１）から熱源から離れた蒸発部に至る作動媒体流路ほど流路長が長くなって流路抵抗が大きくなる。

このため、熱源に近い蒸発部ほど前記流入液量が多くなり、熱源から離れた蒸発部ほど前記流入液量が少なくなるので、流入液量調整手段をより簡素な構成によって実現できる。

本発明は、より具体的には、集合管（１５）のうち多数本の分岐管（１６１〜１６４）が分岐する部位同士の間には、流路抵抗を増加させる絞り部（３５１〜３５３）が形成されている。

これにより、出力部（１１）から各蒸発部に至る作動媒体流路の流路抵抗を絞り部（３５１〜３５３）によって適切に設定できるので、各蒸発部に対する前記流入液量をより適切に調整できる。 このため、熱損失を効果的に低減でき、ひいては、効率を効果的に向上できる。

また、本発明は、熱源は高温流体であり、
熱源に近い蒸発部は、多数個の蒸発部（２０１〜２０４）のうち高温流体の上流側に配置された蒸発部であり、
熱源から離れた蒸発部は、多数個の蒸発部（２０１〜２０４）のうち高温流体の下流側に配置された蒸発部である。

これにより、多数個の蒸発部（２０１〜２０４）の共通熱源として高温流体を用いる外燃機関に対して、上述した本発明による効果を発揮することができる。

また、本発明は、１本の集合管（１５）と、集合管（１５）より分岐する複数本の分岐管（１６１〜１６４）とを有し、作動媒体（１４）が液相状態で流動可能に封入された容器（１０）と、
複数本の分岐管（１６１〜１６４）のうち集合管（１５）と反対側の端部と連通し、液相状態の作動媒体（１４）の一部を加熱して蒸発させる複数個の蒸発部（２０１〜２０４）と、
複数本の分岐管（１６１〜１６４）の少なくとも一部に形成され、蒸発部（２０１〜２０４）で蒸発した作動媒体（１４）を冷却して凝縮させる複数個の凝縮部（２２１〜２２４）と、
集合管（１５）のうち複数本の分岐管（１６１〜１６４）と反対側の端部と連通し、作動媒体（１４）の液相部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部（１１）とを備え、
複数個の蒸発部（２０１〜２０４）は、共通の熱源から熱の供給を受けるようになっており、
複数個の蒸発部（２０１〜２０４）で作動媒体（１４）を蒸発させて作動媒体（１４）の液相部分を出力部（１１）側に向かって変位させる第１行程と、第１行程にて蒸発した作動媒体（１４）を複数個の凝縮部（２２１〜２２４）で凝縮させて作動媒体（１４）の液相部分を複数個の蒸発部（２０１〜２０４）側に向かって変位させる第２行程とを交互に繰り返し行う外燃機関において、
第２行程にて作動媒体（１４）の液相部分が出力部（１１）側から複数個の蒸発部（２０１〜２０４）側に向かって変位したときに、複数個の蒸発部（２０１〜２０４）のうちいずれか１つの蒸発部に流入する作動媒体（１４）の液相部分の液量を流入液量としたとき、
複数個の蒸発部（２０１〜２０４）のうち熱源に近い蒸発部に対する前記流入液量を、複数個の蒸発部（２０１〜２０４）のうち熱源から離れた蒸発部に対する前記流入液量よりも多くする流入液量調整手段を備えることを第２の特徴とする。

これにより、熱源に近い蒸発部および熱源から離れた蒸発部の両方において作動媒体（１４）を確実に蒸発させることができるので、熱損失を低減でき、ひいては、効率を向上できる。

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。

（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を発電装置に適用したものである。 本発明による外燃機関は、液体ピストン式蒸気エンジンとも呼ばれうるものである。

図１は本実施形態による外燃機関の概略構成を表す構成図であり、図１中の上下の矢印は外燃機関の設置状態における上下方向を示している。 本実施形態による外燃機関は容器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１２をケーシング１３内に収納しており、可動子１２が振動変位することによって起電力を発生する。

容器１０は、作動媒体（本例では水）１４が液相状態で流動可能に封入された圧力容器であり、発電機１１に接続された１本の集合管１５と、集合管１５より分岐する互い平行な４本の分岐管１６１〜１６４とを有している。 なお、４本の分岐管１６１〜１６４は、本発明における多数本の分岐管および複数本の分岐管に該当するものである。 本例では、集合管１５および分岐管１６１〜１６４をステンレスによって成形している。

集合管１５は、発電機１１から下方に向かって延び、中間部で水平方向に向かって屈曲するＬ字状に形成されている。 ４本の分岐管１６１〜１６４はそれぞれ、集合管１５のうち水平方向に延びる部位から上方に向かって延びている。 また、４本の分岐管１６１〜１６４は、水平方向（図１の左右方向）に配列されている。 本例では、集合管１５および分岐管１６１〜１６４がともに円管状に形成されている。

４本の分岐管１６１〜１６４の上端部同士は、作動媒体１４と高温ガスとを熱交換させる熱交換器１７によって連結されている。 熱交換器１７は、直方体状のブロック体１８と、ブロック体１８を収納するケース１９とで構成されている。

ブロック体１８は容器１０の一部を構成しており、熱伝導率に優れた銅又はアルミニウム等によって形成されている。 ブロック体１８の長手方向は、４本の分岐管１６１〜１６４の配列方向（図１の左右方向）を向いている。

図示を省略しているが、成形上の都合により、ブロック体１８は、複数個の分割体に分割して成形した後に、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により形成されている。

ブロック体１８の内部には、４本の分岐管１６１〜１６４に対応して、４つの中空部２０１〜２０４が形成されている。 ４つの中空部２０１〜２０４は、分岐管１６１〜１６４と同軸状に形成された円板状の空間であり、液相状態の作動媒体１４の一部を加熱して蒸発させる蒸発部を構成している。 この４つの中空部（蒸発部）２０１〜２０４は、４本の分岐管１６１〜１６４と同様に、水平方向（図１の左右方向）に配列されている。 なお、４つの蒸発部２０１〜２０４は、本発明における多数個の蒸発部および複数個の蒸発部に該当するものであり、詳細については後述する。

ケース１９はブロック体１８の長手方向（図１の左右方向）に延びており、ケース１９の両端部には、熱源としての高温ガス（高温流体）が流れるガス配管（図示せず）が接続されている。 ブロック体１８の外面とケース１９の内壁面との間に、高温ガスが流れる空間２１が形成されている。

本例では、図１の矢印ａに示すように、高温ガスが、発電機１１と反対側（図１の左方側）から発電機１１側（図１の右方側）に向かって流れるようになっている。 ケース１９内部の空間２１には、ブロック体１８と高温ガスとの伝熱面積を増大させるための伝熱フィン（図示せず）が配置されている。

分岐管１６１〜１６４の長手方向（図１の上下方向）の中間部における内部空間は、蒸発部２０１〜２０４で蒸発した作動媒体１４を冷却して凝縮させる凝縮部２２１〜２２４を構成している。 分岐管１６１〜１６４の中間部の外周面には、冷却水が循環する冷却器２３が熱伝導可能に接触配置されている。

この冷却器２３に冷却水が循環することによって、分岐管１６１〜１６４の中間部が冷却され、凝縮部２２１〜２２４で作動媒体１４が冷却される。 冷却器２３の冷却水入口２３ａおよび冷却水出口２３ｂは冷却水の循環回路に接続され、冷却水の循環回路中には放熱器（図示せず）が配置されている。 これにより、冷却水が作動媒体１４の蒸気から奪った熱を放熱器によって大気中に放熱するようになっている。

なお、分岐管１６１〜１６４の中間部、すなわち冷却器２３と接触する部位を熱伝導率に優れた銅又はアルミニウムによって形成してもよい。

一方、発電機１１のケーシング１３内には、作動媒体１４の液相部分から圧力を受けて変位するピストン２４がシリンダ部２５に摺動可能に配置されている。 なお、ピストン２４は可動子１２のシャフト１２ａに連結されており、可動子１２を挟んでピストン２４と反対側には、一旦押し出された可動子１２およびピストン２４を押し戻すように弾性力を発生させるコイルばね２６が設けられている。

次に、４つの蒸発部２０１〜２０４の詳細について図２に基づいて説明する。 前述のように、４つの蒸発部２０１〜２０４は、分岐管１６１〜１６４と同軸状に形成された円板状の空間である。 本例では、蒸発部２０１〜２０４の円板面が分岐管１６１〜１６４の軸方向と直交しているが、蒸発部２０１〜２０４の円板面が分岐管１６１〜１６４の軸方向に対して若干の角度だけ傾斜していてもよい。

蒸発部２０１〜２０４の直径は分岐管１６１〜１６４の内径よりも大きくなっている。 本例では、蒸発部２０１〜２０４の直径は、高温ガスの上流側（図２の左方側）の蒸発部（以下、上流側蒸発部と言う。）ほど大きく、高温ガスの下流側（図２の右方側）の蒸発部（以下、下流側蒸発部と言う。）ほど小さくなっているが、蒸発部２０１〜２０４の直径が互いに同一になっていてもよい。 また、本例では、分岐管１６１〜１６４の内径は互いに同一になっている。

蒸発部２０１〜２０４の下面（分岐管１６１〜１６４側の面）には、液相状態の作動媒体１４が流入する流入口２７１〜２７４が開口し、この流入口２７１〜２７４から下方側（分岐管１６１〜１６４側）に向かって作動媒体通路２８１〜２８４が延びている。

作動媒体通路２８１〜２８４は、ブロック体１８内部に形成された円筒状の穴で構成されており、分岐管１６１〜１６４と同軸状に配置されている。 この作動媒体通路２８１〜２８４を介して蒸発部２０１〜２０４と分岐管１６１〜１６４の上端部とが連通している。 本例では、流入口２７１〜２７４の直径Ａ１〜Ａ４は互いに同一になっている。 また、流入口２７１〜２７４の直径Ａ１〜Ａ４および作動媒体通路２８１〜２８４の直径は、分岐管１６１〜１６４の内径と同一になっている。

本例では、蒸発部２０１〜２０４の厚さ方向寸法（図２の上下方向寸法）は互いに同一になっている。 また、蒸発部２０１〜２０４の厚さ方向寸法は、作動媒体通路２８１〜２８４の直径と比べ非常に小さくなっている。 より具体的には、蒸発部２０１〜２０４の厚さ方向寸法を熱浸透深さσ以下に設定することによって、蒸発部２０１〜２０４において作動媒体１４を良好に蒸発させるようになっている。

ここで、熱浸透深さσは、蒸発部２０１〜２０４内の液相状態の作動媒体１４が周期的に温度変化する場合に、その温度変化が何処まで伝わるかを表す指標である。 具体的には、熱浸透深さσは蒸発部２０１〜２０４の厚さ方向（図１の上下方向寸法）のエントロピー変動の分布を熱拡散率ａ（ｍ／ｓ）と角振動数ω（ｒａｄ／ｓ）で決定する指標であり、次の数式（１）で表される。

σ＝√（２・ａ／ω）…（１）
なお、熱拡散率ａは、液相状態の作動媒体１４の熱伝導率を液相状態の作動媒体１４の比熱と密度で除した値である。

ブロック体１８の内部であって蒸発部２０１〜２０４よりも上方側（分岐管１６１〜１６４と反対側）には、蒸発部２０１〜２０４で発生した作動媒体１４の蒸気を溜める蒸気溜め部２９が１つのみ形成されている。

蒸気溜め部２９は、蒸発部２０１〜２０４と所定間隔だけ離れて蒸発部２０１〜２０４の配列方向（図１の左右方向）と平行に延びている。 また、蒸気溜め部２９には、付加媒体としての気体３０が所定体積だけ封入されている。 付加媒体としては、外燃機関の作動条件下において気相状態を維持する媒体を選定することができる。 したがって、気体３０は、例えば、取り扱いのしやすい空気であってもよいし、作動媒体１４の純粋な蒸気でもよい。

蒸気溜め部２９は蒸発部２０１〜２０４の中心部と中心側蒸気通路３１１〜３１４を介して連通し、さらに、蒸発部２０１〜２０４の外周部と外周側蒸気通路３２１〜３２４を介して連通している。 なお、中心側蒸気通路３１１〜３１４は、本発明における蒸気通路に該当するものである。

中心側蒸気通路３１１〜３１４は、蒸発部２０１〜２０４の中心部に１つずつ配置されている。 外周側蒸気通路３２１〜３２４は、蒸発部２０１〜２０４の外周部に複数個ずつ配置されている。 本例では、これら蒸気通路３２１〜３２４、３３１〜３３４がいずれも円筒状の穴で構成されている。

これら蒸気通路３２１〜３２４、３３１〜３３４の直径は、蒸発部２０１〜２０４の厚さ方向寸法と比べ非常に大きくなっている。 このため、蒸気通路３２１〜３２４、３３１〜３３４内に液相状態の作動媒体１４が流入しても、作動媒体１４はほとんど蒸発しない。

中心側蒸気通路３１１〜３１４は作動媒体通路２８１〜２８４と同軸状に配置され、中心側蒸気通路３１１〜３１４の直径Ｂ１〜Ｂ４は、流入口２７１〜２７４の直径Ａ１〜Ａ４未満に設定されている。

蒸発部２０１〜２０４の内壁面のうち、中心側蒸気通路３１１〜３１４の外周側に位置して流入口２７１〜２７４と対向する内壁面は、作動媒体１４の液相部分が衝突する衝突面３３１〜３３４を構成する。 なお、衝突面３３１〜３３４は、本発明における対向壁面に該当するものである。 図２では、衝突面３３１〜３３４の形成範囲を太実線で示している（後述する図３および図５についても同様）。

蒸発部２０１〜２０４のうち、衝突面３３１〜３３４および流入口２７１〜２７４の外周側には円環状の主蒸発部３４１〜３４４が形成されることとなる。

衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４は、流入口２７１〜２７４の面積と、蒸発部２０１〜２０４における中心側蒸気通路３１１〜３１４の開口面積との差で求められる。

本例では、中心側蒸気通路３１１〜３１４の直径Ｂ１〜Ｂ４は、上流側蒸発部ほど小さく、下流側蒸発部ほど大きくなっている（Ｂ１＜Ｂ２＜Ｂ３＜Ｂ４）。 一方、前述のように、流入口２７１〜２７４の直径Ａ１〜Ａ４は同一である。 したがって、衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４は、上流側蒸発部ほど大きく、下流側蒸発部ほど小さくなっている（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４）。

本例では、作動媒体１４の蒸気の体積が最も減少して、作動媒体１４の液面が最も上昇した場合においても、蒸気溜め部２９に作動媒体１４の液相部分が進入しないように、容器１０に対する作動媒体１４の封入体積が設定されている。

蒸気溜め部２９は、蒸発部２０１〜２０４と同様に、ブロック体１８の内部に形成されているので、蒸気溜め部２９内の気体３０が作動媒体１４の蒸気の温度とほぼ同じ温度に加熱される。 これにより、作動媒体１４の蒸気が蒸気溜め部２９に進入したときに、作動媒体１４の蒸気が蒸気溜め部２９内で冷やされて凝縮してしまうことを回避するようになっている。

次に、上記構成における作動を簡単に説明する。 まず蒸発部２０１〜２０４内の作動媒体（水）１２が加熱されて蒸発（気化）すると、蒸気溜め部２９内および蒸発部２０１〜２０４内に高温・高圧の作動媒体１４の蒸気が蓄積されて、分岐管１６１〜１６４内の作動媒体１４の液面を押し下げる。 すると、作動媒体１４の液相部分が蒸発部２０１〜２０４側から発電機１１側に向かって押し出され、発電機１１側のピストン２４を押し上げる。 このとき、コイルばね２６が圧縮されて弾性変形する（第１行程）。

次に、分岐管１６１〜１６４内の作動媒体１４の液面が凝縮部２２１〜２２４まで下がり、凝縮部２２１〜２２４内に作動媒体１４の蒸気が進入すると、作動媒体１４の蒸気が凝縮部２２１〜２２４により冷却されて凝縮（液化）する。 このため、作動媒体１４の液面を押し下げる力が消滅し、ピストン２４を押し上げる力も消滅するので、一旦押し上げられた発電機１１側のピストン２４がコイルばね２６の弾性復元力によって下降し、作動媒体１４の液相部分が発電機１１側から蒸発部２０１〜２０４側に向かって押し戻され、作動媒体１４の液面が蒸発部２０１〜２０４まで上昇する（第２行程）。

このような動作が繰り返し行われることによって、容器１０内の作動媒体１４の液相部分が周期的に変位（いわゆる自励振動）して、発電機１１の可動子１２を周期的に上下動させる。

つまり、作動媒体１４の蒸発と凝縮とが交互に繰り返し行われることによって、作動媒体１４の液相部分があたかもピストンのように変位するので、作動媒体１４の液相部分の変位を機械的エネルギに変換して出力することができる。 このため、本実施形態の外燃機関は、液体ピストン式蒸気エンジンとも呼ばれうる。

本実施形態では、蒸発部２０１〜２０４および凝縮部２２１〜２２４がそれぞれ４つに分割されているので、蒸発部および凝縮部がそれぞれ１つのみ設けられている場合と比較して、蒸発部２０１〜２０４における伝熱面積および凝縮部２２１〜２２４における伝熱面積をそれぞれ増大させることができる。 これにより、作動媒体１４の加熱性能および冷却性能を向上させて、外燃機関の出力を向上させることができる。

次に、蒸発部２０１〜２０４における作動媒体１４の挙動について、図３および図４に基づいて説明する。 図３（ａ）は高温ガス最上流側の蒸発部２０１を示し、図３（ｂ）は、高温ガス最下流側の蒸発部２０４を示している。

前述の第２行程にて作動媒体１４の蒸気が凝縮部２２１〜２２４により冷却されて凝縮して作動媒体１４の液面が上昇すると、作動媒体１４の液相部分が流入口２７１〜２７４から蒸発部２０１〜２０４の中心部に進入する。 そして、作動媒体１４の液相部分が蒸発部２０１〜２０４の衝突面３３１〜３３４に衝突した後に、変位方向を水平方向に変化させて衝突面３３１〜３３４外周側の主蒸発部３４１〜３４４に進入する。

このように、作動媒体１４の液相部分が蒸発部２０１〜２０４の衝突面３３１〜３３４に衝突すると、作動媒体１４の液相部分が撹拌されて乱流が生じる。 この結果、蒸発部２０１〜２０４内に形成される温度境界層を破壊することができるので、蒸発部２０１〜２０４における作動媒体１４への熱伝達率を向上できる。

ところで、本実施形態では、高温ガスをブロック体１８の長手方向と平行に流してブロック体１８を加熱するので、高温ガスは上流側から下流側に流れるにつれてブロック体１８に熱を奪われる。

このため、図４の太実線に示すように、高温ガスの温度が上流側から下流側に向かうにつれて低下するので、図４の細実線に示すように、熱交換器１７、より具体的にはブロック体１８の温度も高温ガスの上流側から下流側に向かうにつれて低下する。 その結果、上流側蒸発部ほど熱交換量が多くなり、下流側蒸発部ほど熱交換量が少なくなるので、下流側蒸発部では作動媒体１４が沸点に達しづらくなる。 このため、熱損失が発生して外燃機関の効率を悪化させてしまう。

そこで、本実施形態では、以下のようにして熱損失を低減して外燃機関の効率を向上している。 すなわち、衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４を、上流側蒸発部ほど大きくし、下流側蒸発部ほど小さくしている（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４）ので、図３（ａ）に示すように、上流側蒸発部では作動媒体１４の液相部分が衝突面に衝突しやすく、一方、図３（ｂ）に示すように、下流側蒸発部では作動媒体１４の液相部分が衝突面に衝突しにくい。

このため、上流側蒸発部ほど、作動媒体１４の液相部分が変位方向を水平方向に変化して主蒸発部に進入しやすく、一方、下流側蒸発部ほど、作動媒体１４の液相部分の方向変化が抑制され、主蒸発部への進入が抑制される。

これにより、熱交換量の多い上流側蒸発部ほど作動媒体１４の流入液量が多くなり、熱交換量の少ない下流側蒸発部ほど作動媒体１４の流入液量が少なくなる。 この結果、全ての蒸発部２０１〜２０４において作動媒体１４を確実に蒸発させることができるので、熱損失を低減でき、ひいては、外燃機関の効率を向上できる。

この説明からわかるように、本実施形態では、衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４を上流側蒸発部ほど大きくし、下流側蒸発部ほど小さくすることによって、上流側蒸発部ほど作動媒体１４の流入液量が多くし、下流側蒸発部ほど作動媒体１４の流入液量を少なくする流入液量調整手段が構成されている。

ところで、蒸発部２０１〜２０４と蒸気溜め部２９とを外周側蒸気通路３２１〜３２４のみによって連通させる場合、つまり、中心側蒸気通路３１１〜３１４を設けない場合には、外周側蒸気通路３２１〜３２４が蒸発部２０１〜２０４の外周部に配置されている関係上、蒸発部２０１〜２０４の衝突面３３１〜３３４近傍で発生した作動媒体１４の蒸気は主蒸発部３４１〜３４４を中心側から外周部まで通過しなければ蒸気溜め部２９に溜まることができない。 つまり、衝突面３３１〜３３４近傍で発生した作動媒体１４の蒸気を蒸気溜め部２９にスムーズに導くことができない。

このため、作動媒体１４の蒸気が主蒸発部３４１〜３４４を通過する際に主蒸発部３４１〜３４４内の作動媒体１４の液相部分と混在して気泡状になり、作動媒体１４の液相部分によって冷やされて液化してしまうので、その分が熱損失となって外燃機関の効率が悪化してしまう。

この点に鑑み、本実施形態では、蒸発部２０１〜２０４と蒸気溜め部２９とを外周側蒸気通路３２１〜３２４のみならず、中心側蒸気通路３１１〜３１４によっても連通させているので、衝突面３３１〜３３４近傍で発生した作動媒体１４の蒸気を中心側蒸気通路３１１〜３１４を通じて速やかに蒸気溜め部２９へと逃がすことができる。

このため、作動媒体１４の蒸気が作動媒体１４の液相部分と混在して気泡状になってしまうことを抑制できるので、熱損失を低減でき、外燃機関の効率を向上できる。

また、本実施形態では、４つの蒸発部２０１〜２０４が中心側蒸気通路３１１〜３１４、外周側蒸気通路３２１〜３２４および蒸気溜め部２９を介して連通しているので、４つの蒸発部２０１〜２０４間で作動媒体１４の蒸発タイミングがずれても、４つの蒸発部２０１〜２０４の内部圧力を同一圧力にすることができる。 ひいては、４つの分岐管１６１〜１６４の内部圧力を同一圧力にすることができるので、４つの分岐管１６１〜１６４間で圧力差が生じることを回避できる。

このため、４つの蒸発部２０１〜２０４間で作動媒体１４の蒸発タイミングがずれたときに、作動媒体１４の液相部分の一部が蒸発タイミングの速い分岐管側から蒸発タイミングの遅い分岐管側へ向かって変位してしまうことを防止できるので、外燃機関の効率の低下を抑制できる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、中心側蒸気通路３１１〜３１４の直径Ｂ１〜Ｂ４を、上流側蒸発部ほど小さくし、下流側蒸発部ほど大きくしているが、本第２実施形態では、図５に示すように、蒸発部２０１〜２０４の流入口２７１〜２７４の直径Ａ１〜Ａ４を、上流側蒸発部ほど大きくし、下流側蒸発部ほど小さくしている（Ａ１＞Ａ２＞Ａ３＞Ａ４）。

本例では、蒸発部２０１〜２０４の流入口２７１〜２７４の直径Ａ１〜Ａ４を、上流側蒸発部ほど大きくし、下流側蒸発部ほど小さくするのに伴って、作動媒体通路２８１〜２８４のうち蒸発部２０１〜２０４側の端部に、それぞれ寸法の異なるテーパー状の径拡大部を形成している。 また、本例では、中心側蒸気通路３１１〜３１４の直径Ｂ１〜Ｂ４を同一にしている。

これにより、衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４を、上流側蒸発部ほど大きくし、下流側蒸発部ほど小さくしているので（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４）、上記第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

（第３実施形態）
上記第１、第２実施形態では、衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４を上流側蒸発部ほど大きくすることによって、上流側蒸発部ほど作動媒体１２の流入液量を多くする流入液量調整手段を構成しているが、本第３実施形態では、上流側蒸発部と連通する分岐管ほど集合管１５のうち発電機１１に近い部位より分岐させ、下流側蒸発部と連通する分岐管ほど集合管１５のうち発電機１１から離れた部位より分岐させることによって流入液量調整手段を構成し、上記第１、第２実施形態と同様の効果を得ている。

より具体的には、図６に示すように、４本の分岐管１６１〜１６４のうち高温ガスの上流側（図６の左方側）に位置する分岐管ほど、集合管１５のうち発電機１１に近い部位（図６の左方部）の部位より分岐し、４本の分岐管１６１〜１６４のうち高温ガスの下流側（図６の左方部）に位置する分岐管ほど、集合管１５のうち発電機１１から離れた部位（図６の右方部）の部位より分岐している。

また、本実施形態では、蒸発部２０１〜２０４の流入口２７１〜２７４の直径Ａ１〜Ａ４を互いに同一にするとともに、中心側蒸気通路３１１〜３１４の直径Ｂ１〜Ｂ４も互いに同一にして、衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４を互いに同一にしている。

これによると、発電機１１から上流側蒸発部に至る作動媒体流路ほど流路長が短くなって流路抵抗が小さくなり、発電機１１から下流側蒸発部に至る作動媒体流路ほど流路長が長くなって流路抵抗が大きくなる。

このため、上流側蒸発部ほど作動媒体１２の流入液量が多くなり、下流側蒸発部ほど作動媒体１２の流入液量が少なくなるので、より簡素な構成でもって上記第１、第２実施形態と同様の効果を発揮することができる。

なお、本例では、衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４を互いに同一にしているが、上記第１、第２実施形態と同様に、衝突面３３１〜３３４の面積Ｓ１〜Ｓ４を、上流側蒸発部ほど大きくし、下流側蒸発部ほど小さくしてもよいのはもちろんである。

（第４実施形態）
本第４実施形態では、図７に示すように、上記第３実施形態に対して、集合管１５内に絞り部３５１〜３５３を形成している。

より具体的には、集合管１５のうち分岐管１６１〜１６４が分岐する部位同士の間に絞り部３５１〜３５３を形成している。 なお、絞り部３５１〜３５３をオリフィスのような固定絞りで構成してもよい。

これにより、発電機１１から蒸発部２０１〜２０４に至る各作動媒体流路における流路抵抗を絞り部３５１〜３５３によって適切に設定できるので、各蒸発部２０１〜２０４に対する作動媒体１２の流入流量をより適切に調整できる。 このため、熱損失を効果的に低減でき、ひいては、外燃機関の効率を効果的に向上できる。

（他の実施形態）
（１）上記各実施形態では、蒸発部２０１〜２０４を円板状に形成しているが、蒸発部２０１〜２０４の形状は種々変形が可能である。 例えば、水平方向に延びる筒状または矩形平板状等に形成してもよい。

（２）上記各実施形態では、集合管１５より４本の分岐管１６１〜１６４が分岐しているが、分岐管を２本以上の任意の本数にすることができる。

また、上記各実施形態では、分岐管１６１〜１６４を高温ガスの流れ方向（図１、図４〜図６の左右方向）のみに配列しているが、分岐管を高温ガスの流れ方向に加え、高温ガスの流れ方向と直交する方向（図１、図４〜図６の紙面垂直方向方向）に配列してもよい。 これにより、外燃機関の体格の大型化を抑制しつつ、分岐管の本数をより多くすることができる。

（３）上記各実施形態では、蒸発部２０１〜２０４の熱源として高温ガスを用いているが、蒸発部２０１〜２０４の熱源として種々の高温流体を用いてもよい。

また、蒸発部２０１〜２０４の熱源として発熱体を用いてもよい。 この場合には、発熱体をブロック体１８に対して熱伝導可能に接触させてもよいし、発熱体をブロック体１８に対して所定の間隔で近接配置してもよい。

（４）上記各実施形態では、発電装置の駆動源に本発明を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、その他の駆動源にも適用することができる。

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実施形態による熱交換器の拡大断面図である。

第１実施形態による蒸発部における作動媒体の挙動を説明する断面図である。

第１実施形態による熱交換器の温度分布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要部を示す断面図である。

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。

符号の説明

１４…作動媒体、１６１〜１６４…４本の分岐管（多数本の分岐管）、
２０１〜２０４…４つの蒸発部（多数個の蒸発部）、２７１〜２７４…流入口、
２９…蒸気溜め部、３１１〜３１４…中心側蒸気通路（蒸気通路）、
３３１〜３３４…衝突面（対向壁面）、３４１〜３４４…主蒸発部。