(57)【要約】【課題】排気管に対して、排気熱回収装置が簡便な方法で取り付けられることが可能な排気熱回収装置を提供する。【解決手段】熱媒体が流通する配管１００に取り付けられる排気熱回収装置であって、少なくとも２つのシリンダ２２，３２を有する排気熱回収装置本体１０と、前記２つのシリンダの相対的位置の基準となる基準体４２とを備え、前記排気熱回収装置本体は、前記基準体を介して前記配管に取り付けられる。排気熱回収装置本体は、スターリングエンジンであることができる。排気熱回収装置が配管に対して簡便な方法で取り付けられることができる。基準体と配管とが連結固定可能であるため、排気熱回収装置と配管との取付精度が悪化することが抑制される。熱媒体の熱が配管の外部に伝達されることを抑制する伝熱抑制構造を備え、熱媒体の熱が配管の外部に伝達されることが抑制されるため、熱源のロスが抑制され、排気熱回収装置の出力の低下が抑制される。【選択図】        図１
2005248922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が流通する配管に取り付けられる排気熱回収装置であって、
少なくとも２つのシリンダを有する排気熱回収装置本体と、
前記２つのシリンダの相対的位置の基準となる基準体とを備え、
前記排気熱回収装置本体は、前記基準体を介して前記配管に取り付けられる
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の排気熱回収装置において、
前記熱媒体の熱が前記配管の外部に伝達されることを抑制する伝熱抑制構造を備えた
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項３】
請求項２記載の排気熱回収装置において、
前記伝熱抑制構造は、前記配管と前記基準体との間に設けられた第１断熱部材である
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項４】
請求項２記載の排気熱回収装置において、
前記伝熱抑制構造は、前記配管の内部に設けられ前記熱媒体の熱が前記基準体に伝達されることを抑制する遮熱部材である
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記基準体には、冷媒が通るための冷媒通路が設けられている
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項６】
請求項５に記載の排気熱回収装置において、
前記冷媒通路は、前記２つのシリンダのうちの低温側シリンダ側にのみ設けられている
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項７】
請求項６記載の排気熱回収装置において、
前記冷媒通路では、前記２つのシリンダのうちの高温側シリンダ側から前記冷媒が供給される
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記冷媒には、前記排気熱回収装置本体の冷却器の冷却水が使用される
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記排気熱回収装置本体のピストンの往復方向が概ね水平方向となるように、車両に取り付けられる
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記排気熱回収装置本体は、前記基準体を介して前記配管に設けられたフランジ部に取り付けられる
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の排気熱回収装置において、
前記配管のフランジ部と前記基準体とを固定する固定具と、前記配管のフランジ部との間には、第２断熱部材が設けられている
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記排気熱回収装置本体は、前記配管の内径が前記熱媒体の流れにおける上流側よりも相対的に拡径された部分に取り付けられる
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記少なくとも２つのシリンダは、直列に配置され、
前記排気熱回収装置本体は、冷却器と再生器と加熱器とを含む熱交換器を有し、
前記熱交換器は、第１の前記シリンダと第２の前記シリンダとを結ぶように前記熱交換器の少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成されている
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の排気熱回収装置において、
前記加熱器は、前記第１のシリンダと前記第２のシリンダとを結ぶような前記カーブ形状を有するように構成され、前記再生器は、前記シリンダの延在方向に沿う直線状に構成されている
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の排気熱回収装置において、
前記第１のシリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面は、前記熱媒体が流通する熱媒体通路に露出するように設けられ、
前記第１のシリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面は、概ね同一である
ことを特徴とする排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気熱回収装置に関し、特に、小型化が実現し易い排気熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。
【０００３】
特開２００２−２６６７０１号公報（特許文献１）には、図９に示すような内燃機関の排気熱エネルギ回収装置が開示されている。内燃機関Ｅの排気ポートに接続される排気管２０２の途中には、排気浄化用の第１触媒コンバータ２０４と、この第１触媒コンバータ２０４の下流端に隣接する第２触媒コンバータ２０５とが介装される。第１及び第２触媒コンバータ２０４、２０５は、排気管２０２に接続され共通のハウジング２０６を備えている。第１触媒コンバータ２０４は、このハウジング２０６の上流側半部に触媒を担持させたハニカム筒体を嵌装して構成されている。第２触媒コンバータ２０５は、スターリングエンジンＳの加熱器として利用される。第２触媒コンバータ２０５は、ハウジング２０６の下流側半部に、触媒を各表面に担持させた受熱体２０８を収容して構成される。その受熱体２０８は、複数の伝熱管２０８ａと、これら伝熱管２０８ａを相互に連結する多数の受熱板２０８ｂとで構成され、受熱板２０８ｂは、ハウジング２０６内での排ガスの流れに沿って配置される。
【０００４】
上記特許文献１の排気熱エネルギ回収装置では、排気管の熱が排気熱エネルギ回収装置のうちヒータ部を除いた部分に伝達され易く、熱変形により、摺動・回転部材等の所定間隔を保って作動する部材に悪影響が及ぶおそれがある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２６６７０１号公報
【特許文献２】実開平６−６０７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
排気管に対して、排気熱回収装置が簡便な方法で取り付けられることが望まれている。
また、排気管の熱が排気熱回収装置のうちヒータ部を除く部分に伝達され難く、熱変形による、摺動・回転部材等の所定間隔を保って作動する部材への悪影響が抑制されることが望まれている。
【０００７】
本発明の目的は、排気管に対して、排気熱回収装置が簡便な方法で取り付けられることが可能な排気熱回収装置を提供することである。
本発明の他の目的は、排気管に対して、排気熱回収装置が簡便な方法で取り付けられることが可能であり、かつ、排気管の熱が排気熱回収装置のうちヒータ部を除く部分に伝達され難く、熱変形による、摺動・回転部材等の所定間隔を保って作動する部材への悪影響が抑制される排気熱回収装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の排気熱回収装置は、熱媒体が流通する配管に取り付けられる排気熱回収装置であって、少なくとも２つのシリンダを有する排気熱回収装置本体と、前記２つのシリンダの相対的位置の基準となる基準体とを備え、前記排気熱回収装置本体は、前記基準体を介して前記配管に取り付けられることを特徴としている。
【０００９】
本発明において、排気熱回収装置本体は、スターリングエンジンであることができる。また、本発明において、排気熱回収装置は、スターリングエンジンと基板とを備えていることができる。本発明によれば、排気熱回収装置が配管に対して簡便な方法で取り付けられることができる。また、本発明によれば、基準体と配管とが連結固定可能であるため、排気熱回収装置と配管との取付精度が悪化することが抑制される。
【００１０】
本発明の排気熱回収装置において、前記熱媒体の熱が前記配管の外部に伝達されることを抑制する伝熱抑制構造を備えたことを特徴としている。
【００１１】
本発明によれば、熱媒体の熱が配管の外部に伝達されることが抑制されるため、熱源のロスが抑制され、排気熱回収装置の出力の低下が抑制される。
【００１２】
本発明の排気熱回収装置において、前記伝熱抑制構造は、前記配管と前記基準体との間に設けられた第１断熱部材であることを特徴としている。
【００１３】
本発明によれば、熱媒体の熱が基準体に伝達されることが抑制されるため、熱源のロスが抑制され、排気熱回収装置の出力の低下が抑制される。また、本発明によれば、熱媒体の熱が基準体に伝達されることが抑制されるため、基準体が熱変形することが抑制される。
【００１４】
本発明の排気熱回収装置において、前記伝熱抑制構造は、前記配管の内部に設けられ前記熱媒体の熱が前記基準体に伝達されることを抑制する遮熱部材であることを特徴としている。
【００１５】
本発明によれば、遮熱部材が配管の内部の熱媒体の熱の外部（基準体）への伝達を抑制するため、熱源のロスが抑制され、排気熱回収装置の出力の低下が抑制される。
【００１６】
本発明の排気熱回収装置において、前記基準体には、冷媒が通るための冷媒通路が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
本発明によれば、基準体の冷媒通路が低温側シリンダ側（再生器の低温側シリンダ側）に設けられて、冷却されることにより、排気熱回収装置の出力低下の抑制に有効である。
【００１８】
本発明の排気熱回収装置において、前記冷媒通路は、前記２つのシリンダのうちの低温側シリンダ側にのみ設けられていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の排気熱回収装置において、前記冷媒通路では、前記２つのシリンダのうちの高温側シリンダ側から前記冷媒が供給されることを特徴としている。
【００２０】
本発明によれば、相対的に低温の冷媒が冷媒通路の高温側シリンダ側で流れることになり、有効な冷却が行われる。
【００２１】
本発明の排気熱回収装置において、前記冷媒には、前記排気熱回収装置本体の冷却器の冷却水が使用されることを特徴としている。
【００２２】
本発明の排気熱回収装置において、前記排気熱回収装置本体のピストンの往復方向が概ね水平方向となるように、車両に取り付けられることを特徴としている。
【００２３】
本発明の排気熱回収装置において、前記排気熱回収装置本体は、前記基準体を介して前記配管に設けられたフランジ部に取り付けられることを特徴としている。
【００２４】
本発明の排気熱回収装置において、前記配管のフランジ部と前記基準体とを固定する固定具と、前記配管のフランジ部との間には、第２断熱部材が設けられていることを特徴としている。
【００２５】
本発明によれば、熱媒体の熱が固定具に伝達されることが抑制されるため、熱源のロスが抑制され、排気熱回収装置の出力の低下が抑制される。
【００２６】
本発明の排気熱回収装置において、前記排気熱回収装置本体は、前記配管の内径が前記熱媒体の流れにおける上流側よりも相対的に拡径された部分に取り付けられることを特徴としている。
【００２７】
本発明の排気熱回収装置において、前記少なくとも２つのシリンダは、直列に配置され、前記排気熱回収装置本体は、冷却器と再生器と加熱器とを含む熱交換器を有し、前記熱交換器は、第１の前記シリンダと第２の前記シリンダとを結ぶように前記熱交換器の少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成されていることを特徴としている。
【００２８】
上記本発明によれば、２つのシリンダが直列に配置され、かつ熱交換器が第１及び第２のシリンダとを結ぶようにその少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成されているので、搭載スペースがコンパクトに抑えられ、車両のような限られたスペースに搭載される場合であっても設置の自由度が増す。更に、例えば管の内部のように受熱可能な領域が限定されている場合に、その領域内で加熱器をカーブ形状に形成すれば伝熱面積を極力大きく確保することができる。また、冷却器または再生器をカーブ形状にした場合には、角のある形状に比べて流路抵抗を低減することができる。流路抵抗の観点から、熱交換器の一部にでも角の部分がないように構成される。熱交換器の流路の軸線は、角の部分が形成されないように直線同士の組み合わせではなく、曲線と直線との組合わせまたは曲線のみから、構成されるのが良い。
【００２９】
本発明の排気熱回収装置において、前記加熱器は、前記第１のシリンダと前記第２のシリンダとを結ぶような前記カーブ形状を有するように構成され、前記再生器は、前記シリンダの延在方向に沿う直線状に構成されていることを特徴としている。
【００３０】
上記本発明によれば、加熱器のカーブ形状の部分を、例えば管の内部のように受熱可能な領域であって限定された領域に対応させて設計・配置すれば、その領域内で伝熱面積を極力大きく確保することができる。また、再生器がシリンダの延在方向に沿う直線状に構成されているため、流路抵抗が少ない。
【００３１】
本発明の排気熱回収装置において、前記第１のシリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面は、前記熱媒体が流通する熱媒体通路に露出するように設けられ、前記第１のシリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面は、概ね同一であることを特徴としている。
【００３２】
上記本発明によれば、熱媒体通路内において、前記第１のシリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面との間に大きな段差が形成されないので、熱媒体通路を流れる熱媒体の流動に対して流動抵抗が抑制される。
【００３３】
排気熱回収装置の設置方法が簡単であるほど、搭載性が良くなる。このことから、本発明では、排気熱回収装置であるスターリングエンジンのシリンダ、熱交換器の取付ベースとなる基盤部材を設定し、この基盤部材が排気管のフランジ部と接合される構成が採用される。
【００３４】
上記本発明において、インバーなどのような熱膨張の少ない素材で構成される。
【００３５】
上記基盤部材には、冷却用のドリル穴が設けられ、その穴の中に水などの冷媒を流す。この場合、スターリングエンジンの冷却器の排出水を利用することができる。
【００３６】
排気管内で、排気ガスと接触する基盤部材面上に遮熱板を設けることが有効である。
【００３７】
スターリングエンジンが取り付けられる排気管には、スターリングエンジンの加熱器の投影面積よりも大きな開口部が設けられている。
【００３８】
スターリングエンジンが取り付けられる基盤部材と排気管の間には、断熱・耐熱ガスケットが介在することが望ましい。
【００３９】
スターリングエンジンが取り付けられる基盤部材と排気管は、排気管のフランジ部においてボルト、クランプのような締結手段により、外部から接続可能であることができる。
【００４０】
スターリングエンジンが車両に搭載される場合には、スターリングエンジンのピストン往復方向が水平となるように配置されることが好ましい。
【００４１】
排気管にスターリングエンジンが取り付けられるに際しては、その取付に用いられるボルト、クランプなどの固定手段を介してスターリングエンジンに熱が伝達されることを抑制するため、ＳＵＳ（断熱）ボルト、断熱ワッシャー、断熱クランプ座などが用いられることが好ましい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の排気熱回収装置によれば、排気管に対して、排気熱回収装置が簡便な方法で取り付けられることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の排気熱回収装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００４４】
図１は、本実施形態の排気熱回収装置を示す正面図である。図１に示すように、本実施形態の排気熱回収装置は、α型（２ピストン形）のスターリングエンジン１０であり、二つのパワーピストン２０、３０を備えている。二つのパワーピストン２０、３０は、直列並行に配置されている。低温側パワーピストン３０のピストン３１は、高温側パワーピストン２０のピストン２１に対して、クランク角で９０°程度遅れて動くように位相差がつけられている。
【００４５】
高温側パワーピストン２０のシリンダ（以下高温側シリンダという）２２の上部の空間（膨張空間）には、加熱器４７によって加熱された作動流体が流入する。低温側パワーピストン３０のシリンダ（以下低温側シリンダという）３２の上部の空間（圧縮空間）には、冷却器４５によって冷却された作動流体が流入する。
【００４６】
再生器（再生熱交換器）４６は、膨張空間と圧縮空間を作動流体が往復する際に熱を蓄える。即ち、膨張空間から圧縮空間へと作動流体が流れる時には、再生器４６は、作動流体より熱を受け取り、圧縮空間から膨張空間へと作動流体が流れる時には、蓄えられた熱を作動流体に渡す。
【００４７】
２つのピストン２１、３１の往復動に伴い、作動ガスの往復流動が生じて高温側シリンダ２２の膨張空間と低温側シリンダ３２の圧縮空間にある作動流体の割合が変化するとともに、全内容積も変わるため、圧力の変動が生じる。２つのピストン２１、３１がそれぞれ同位置にある場合の圧力を比較すると、膨張ピストン２１についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、圧縮ピストン３１については逆に低くなる。このため、膨張ピストン２１は外部に対し大きな正の仕事（膨張仕事）を行い、圧縮ピストン３１は外部から仕事（圧縮仕事）を受ける必要がある。膨張仕事は、一部が圧縮仕事に使われ、残りが駆動軸４０を介して出力として取り出される。
【００４８】
本実施形態のスターリングエンジン１０は、車両においてガソリンエンジン（内燃機関）と共に用いられてハイブリッドシステムを構成する。即ち、スターリングエンジン１０は、ガソリンエンジンの排気ガスを熱源として用いた排気熱回収装置である。スターリングエンジン１０の加熱器４７が車両のガソリンエンジンの排気管１００の内部に配置され、排気ガスから回収した熱エネルギーにより作動流体が加熱されてスターリングエンジン１０が作動する。
【００４９】
本実施形態のスターリングエンジン１０は、排気管１００の内部にその加熱器４７が収容されるというように車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。そのために、スターリングエンジン１０では、２つのシリンダ２２、３２をＶ字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。
【００５０】
加熱器４７が排気管１００の内部に配置されるに際しては、排気管１００の内部において相対的に高温の排気ガスが流れる排気ガスの上流側（ガソリンエンジンに近い側）１００ａに、加熱器４７の高温側シリンダ２２側が位置し、相対的に低温の排気ガスが流れる下流側（ガソリンエンジンから遠い側）１００ｂに加熱器４７の低温側シリンダ３２側が位置するように配置される。加熱器４７の高温側シリンダ２２側をより多く加熱するためである。
【００５１】
高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれは、円筒状に形成されており、基準体である基板４２に支持されている。本実施形態においては、この基板４２が、スターリングエンジン１０の各構成要素の位置基準となる。このように構成されることで、スターリングエンジン１０の各構成要素の相対的位置精度が確保される。また、この基板４２は、スターリングエンジン１０が排熱回収対象である排気管（排気通路）１００等に取り付けられるときの基準として用いられる。基板４２は、インバーのような熱膨張の少ない材料で構成される。
【００５２】
高温側シリンダ２２の側面（外周面）２２ｃに設けられたフランジ２２ｆの上面、及び再生器４６の側面（外周面）４６ｃに設けられたフランジ４６ｆの上面には、遮熱板１２０ａ、１２０ｂが設けられている。図３は、遮熱板１２０ａ、１２０ｂを示す上面図である。
【００５３】
図３に示すように、遮熱板１２０ａ、１２０ｂは、２つの板状部材１２０ａ、１２０ｂから構成されており、これら２つの板状部材１２０ａ、１２０ｂによって、フランジ２２ｆの上面及びフランジ４６ｆの上面を周方向全域に亘って覆う構成とされている。遮熱板１２０ａ、１２０ｂは、図７に示される、排気管１００に設けられた開口部１００ｃにおいて、高温側シリンダ２２の頂部２２ｂ及び再生器４６の上部４６ａ以外の領域を全て覆うような形状とされている。遮熱板１２０ａ、１２０ｂは、半割型に構成され、図３の破線及び図１に示すように、一部が互いに重なり合った構成とされている。
【００５４】
遮熱板１２０ａ、１２０ｂは、排気管１００の内部において、高温側シリンダ２２のフランジ２２ｆ及び再生器４６のフランジ４６ｆを覆って、排気ガスに直接さらされることを防ぎ、フランジ２２ｆ及びフランジ４６ｆに排気ガスの熱が伝達されることを有効に抑制している。これにより、スターリングエンジン１０が動作する際の熱源となる排気ガスの熱のロスが抑制される。
【００５５】
高温側シリンダ２２のフランジ２２ｆ及び再生器４６のフランジ４６ｆと遮熱板１２０ａ、１２０ｂは、基板４２に対して、耐熱性のＳＵＳ製ボルト８８により固定されている。排気管１００のフランジ１００ｆに対して、断熱・耐熱ガスケット１１０（断熱材、スペーサ、図示せず）を介して、基板４２が耐熱性のＳＵＳ製ボルト８１により固定されている。図２は、スターリングエンジン１０の側面図である。図２に示されるように、排気管１００のフランジ１００ｆは、基板４２及び断熱・耐熱ガスケット１１０に対して、断熱性のワッシャー８２を介して、ボルト８１により固定されている。排気管１００とスターリングエンジン１０が、排気管１００の外部にてボルト８１により固定されるため、排気管１００に対してスターリングエンジン１０を簡便に取り付けることができる。また、基板４２には、後述する隔壁７０が固定されている。
【００５６】
なお、図１及び図２に示した構成例では、排気管１００のフランジ１００ｆは、基板４２及び断熱・耐熱ガスケット１１０に対して、断熱ワッシャー８２を介して、ボルト８１により固定されている例について説明したが、この構成に代えて、図６に示すように、排気管１００のフランジ１００ｆは、基板４２及び断熱・耐熱ガスケット１１０に対して、断熱クランプ座８３を介してクランプ８４により固定されることができる。
【００５７】
上記のように、排気管１００と基板４２の間には、断熱・耐熱ガスケット１１０が介在するように設けられている。このことから、排気管１００の表面から熱が奪われることが抑制され、これにより、スターリングエンジン１０が動作する際の熱源となる排気ガスの熱のロスが抑制される。また、排気管１００の表面の熱が基板４２に対して伝達されることが抑制されるため、基板４２が熱により変形することが防止される。
【００５８】
同様に、排気管１００のフランジ１００ｆには、断熱ワッシャー８２や断熱クランプ座８３を介して、ボルト８１やクランプ８４で固定されるため、排気管１００の表面から熱が奪われることが抑制され、これにより、スターリングエンジン１０が動作する際の熱源となる排気ガスの熱のロスが抑制される。
【００５９】
排気管１００とスターリングエンジン１０とは、基板４２を介して取り付けられる。このとき、基板４２と、高温側シリンダ２２において加熱器４７が接続される側の端面（頂部２２ｂの上面）、及び低温側シリンダ３２において冷却器４５が接続される側の端面（頂面３２ａ）とが実質的に平行になるように、スターリングエンジン１０が基板４２に取り付けられる。あるいは、基板４２とクランクシャフト４３（又は駆動軸４０）の回転軸とが平行になるように、もしくは排気管１００の中心軸とクランクシャフト４３の回転軸とが平行になるように、スターリングエンジン１０が基板４２に取り付けられる。これにより、既存の排気管１００に大幅な設計変更を加えることなく、容易に排気管１００にスターリングエンジン１０を取り付けることができる。その結果、排熱回収対象である車両の内燃機関本体の性能や搭載性、騒音等の機能を損なうことなくスターリングエンジン１０を排気管１００に搭載することができる。また、同一仕様のスターリングエンジン１０を異なる排気管に取り付ける場合でも、加熱器４７の仕様を変更するだけで対応できるので、汎用性を向上させることができる。
【００６０】
図１に示すように、基板４２における低温側シリンダ３２側には、冷却水などの冷媒を流通させるための冷却水路４２ａが設けられている。冷却水路４２ａが基板４２のうち低温側シリンダ３２側（または再生器４６側）に設けられているのは、低温側シリンダ３２の上方の再生器４６の下部を冷却するためである。高温側シリンダ２２側に冷却水路４２ａは設けなくてもよい。
【００６１】
図４は、冷却水路４２ａを示す上面図である。図４に示すように、冷却水路４２ａは、概ね全周に亘って再生器４６の下部を周方向に囲むように設けられている。図４では、冷却水路４２ａの左に高温側シリンダ２２が配置されている。冷却水路４２ａに冷却水が供給されるに際しては、再生器４６の下部の周囲の領域のうち高温側シリンダ２２に臨む側（左側）を最初に冷却水が通り、その後に、再生器４６の下部の周囲の領域のうち高温側シリンダ２２とは反対側を冷却水が通り、その後に冷却水路４２ａから排出される流れとなるように構成されている。
【００６２】
即ち、図４においては、冷却水路４２ａのうち、高温側シリンダ２２と低温側シリンダ３２に挟まれる部分の最も奥（図４では上）に、冷却水の入口４２ｂが設けられている。冷却水路４２ａの入口４２ｂから流入した冷却水は、冷却水路４２ａのうち高温側シリンダ２２に臨む部分を通ることで、再生器４６の下部の高温側シリンダ２２の臨む部分を冷却する。その後、冷却水路４２ａ内の冷却水は、再生器４６の下部の高温側シリンダ２２とは反対側を冷却した後に、出口４２ｃから外部に排出される。
【００６３】
再生器４６の下部のうち特に冷却の必要性が高いのは、高温側シリンダ２２に隣接する側である。相対的に高温である高温側シリンダ２２に距離が近いため、その分、高温となるからである。また、排気管１００の内部において、排気ガスは、図１の矢印１００ａの方向から流れるため、再生器４６の下部のうち高温側シリンダ２２に隣接する側の温度が高いからである。
【００６４】
冷却水路４２ａにおいて冷却水が上記のような流れ方をすることにより、再生器４６の下部のうち特に冷却の必要性が高い高温側シリンダ２２に隣接する側が、相対的に低温の冷却水で冷却されることになり、高い冷却効果が得られる。即ち、冷却水路４２ａ内の冷却水は、冷却対象（再生器４６の下部）と熱交換をして冷却することにより、相対的に水温が上昇し、冷却性能が低下する傾向にあるが、再生器４６の下部のうち特に冷却の必要性が高い高温側シリンダ２２に隣接する側には、冷却性能が未だ低下していない冷却水が提供されることにより、高い冷却効果が得られる。なお、冷却水路４２ａに供給される冷却水は、冷却器４５において冷却用として使用された後に冷却器４５から排出された水が用いられることができる。
【００６５】
図７は、図１のＡ−Ａ断面を示している。図７において、符号１００ｃは、排気管１００に設けられた開口部を示している。排気管１００の開口部１００ｃは、加熱器４７の投影面積４７ｇよりも大きい。排気管１００のフランジ１００ｆには、フランジ１００ｆと、断熱・耐熱ガスケット１１０及び基板４２を固定するためのボルト８１が配設されている。
【００６６】
なお、図４では、単一の冷却水路４２ａが、再生器４６の下部の周囲をその周方向の概ね全域に亘って囲むように設けられた構成例について説明した。これに代えて、図７に示すように、複数の冷却水路４２ａが用いられることができる。図７では、複数の冷却水路４２ａのそれぞれは、直線状に設けられており、各冷却水路４２ａがそれぞれ、再生器４６の下部の周方向の接線方向に設けられている。複数の冷却水路４２ａのそれぞれの流路が図４の単一の冷却水路４２ａよりも短いため、冷却効果が高い。
【００６７】
次に、図１を参照して、排気管１００に対するスターリングエンジン１０の取付方法について説明する。
【００６８】
まず、基板４２と高温側シリンダ２２のフランジ２２ｆと再生器４６のフランジ４６ｆと遮熱板１２０ａ、１２０ｂとをボルト８８により固定する。これにより、スターリングエンジン１０が遮熱板１２０ａ、１２０ｂとともに基板４２に固定される。
次に、基板４２に対して遮熱板１２０ａ、１２０ｂとともにボルト８８により固定されたスターリングエンジン１０の加熱器４７側を、排気管１００の開口部１００ｃから排気管１００の内部に入れる。
次に、排気管１００のフランジ１００ｆに対し、断熱・耐熱ガスケット１１０を介して基板４２をボルト８１により固定する。これにより、図１に示されるように、排気管１００に対してスターリングエンジン１０が取り付けられた状態となる。
【００６９】
上記のように、基板４２に対してスターリングエンジン１０が固定され、そのスターリングエンジン１０が固定された基板４２が排気管１００に固定されることにより、排気管１００に対して、スターリングエンジン１０を簡便な方法で取り付けることができる。また、排気管１００に対して基板４２が連結固定されることにより、スターリングエンジン１０における加熱・冷却を繰り返す運転状態においても、取付精度の悪化が防止される。
【００７０】
図５に示すように、スターリングエンジン１０は、車両１３０の床下に配された排気管１００に隣接するスペースに、横置き、即ち、車両１３０の床面１３１に対して、高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれの軸線方向が概ね平行になるように配置され、２つのピストン２１、３１は、水平方向（図中矢印Ｘ方向）に往復動される。通常、排気管１００は、車両１３０の底部に設けられており、排気管１００と地面との間の高さは小さいが、スターリングエンジン１０が水平方向に取り付けられることにより、スターリングエンジン１０の搭載性が向上する。また、スターリングエンジン１０が水平方向に取り付けられることにより、垂直方向に取り付けた場合に比べて、重心が低く設定され、車両の安定性につながる。本実施形態では、説明の便宜上、２つのピストン２１、３１の上死点側を上方向、下死点側を下方向であるとして説明する。
【００７１】
作動流体は、その平均圧力が高い程、冷却器４５や加熱器４７による同じ温度差に対しての圧力差が大きくなるので高い出力が得られる。そのため、上記のように、高温側シリンダ２２、低温側シリンダ３２内の作動流体は高圧に保持されている。
【００７２】
ピストン２１，３１は、円柱状に形成されている。ピストン２１、３１の外周面とシリンダ２２、３２の内周面との間には、それぞれ数十μｍの微小クリアランスが設けられており、そのクリアランスには、スターリングエンジン１０の作動流体（空気）が介在している。ピストン２１，３１は、それぞれシリンダ２２、３２に対して空気軸受４８により非接触の状態で支持されている。したがって、ピストン２１，３１の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また、一般にピストンリングと共に使用される潤滑油も使用されていない。但し、シリンダ２２、３２の内周面には、固定潤滑材が付されている。空気軸受４８の作動流体の摺動抵抗は元々極めて低いが、更に低減するために、固定潤滑材が付されている。上記のように、空気軸受４８は、作動流体（気体）により膨張空間、圧縮空間それぞれの気密を保ち、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールを行う。
【００７３】
加熱器４７は、複数の伝熱管（管群）４７ｔを有し、それらの複数の伝熱管４７tが概ねＵ字形の形状に形成されてなるものである。各伝熱管４７ｔの第１端部４７ａが高温側シリンダ２２の上部（頂部）（頂面２２ａ側の端面）２２ｂに接続されている。各伝熱管４７ｔの第２端部４７ｂが再生器４６の上部（加熱器４７側の端面）４６ａに接続されている。上記のように、加熱器４７が概ねＵ字形に形成されている理由については後述する。
【００７４】
再生器４６は、蓄熱材（マトリックス、図示せず）と、そのマトリックスが収容される再生器ハウジング４６ｈとを備えている。再生器ハウジング４６ｈには、高圧の作動流体が入るため、再生器ハウジング４６ｈは、耐圧容器である。再生器４６では、マトリックスとして、積層された金網が用いられている。
【００７５】
再生器４６には、上述した機能から、以下の条件が要求される。即ち、伝熱性能と蓄熱容量が高く、流動抵抗（流動損失、圧力損失）が小さいことのほか、作動流体の流れ方向の熱伝導率が小さく、温度勾配を大きくとれることが要求される。その金網の材料は、ステンレス鋼であることができる。積層された各金網のメッシュを通過するときに、その金網に作動流体の熱が蓄熱される。
【００７６】
上記のように、再生器４６の側面４６ｃには、フランジ４６ｆが設けられており、そのフランジ４６ｆが基板４２に固定されている。フランジ４６ｆの上面４６ｆａには、断熱材（図示せず）を介して、シュラウド４６ｓが設けられている。シュラウド４６ｓは、再生器４６（再生器ハウジング４６ｈ）の側面４６ｃに、排気管１００内の排気ガスの熱が伝達されることを抑制する。
【００７７】
再生器４６の上部は、排気管（排気ダクト）１００の内部に配設されている。以下に、再生器４６の上部が排気管１００の内部に設けられている理由について説明する。
【００７８】
本実施形態では、スターリングエンジン１０の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０を効果的に作動させる必要がある。そのため、膨張空間に、なるべく高温の作動流体が流れるべく、高温側シリンダ２２の頂部（上部）２２ｂ及び高温側シリンダ２２の側面２２ｃの上部が、排気管１００の内部に配設されている。これにより、上死点近傍での膨張ピストン２１の上部は、排気管１００の内部に位置することになり、膨張ピストン２１の上部が効果的に加熱される。
【００７９】
一方、２つのシリンダ２２、３２が直列並行に配置されてなるスターリングエンジン１０において、第１端部４７ａから第２端部４７ｂまでの全体が排気管１００の内部に配設される加熱器４７の、上記高温側シリンダ２２が接続される第１端部４７ａと反対側の第２端部４７ｂには、再生器４６の上面４６ａが接続されている。スターリングエンジン１０の出力に直接的には関与しない無効容積の増大を抑制すべく、加熱器４７の第２端部４７ｂと再生器４６の上面４６ａとは、接続用の配管を介することなく、直接的に接続されている。この再生器４６の上面４６ａは、上下方向において、高温側シリンダ２２の頂部２２ｂと概ね同じ位置となるように排気管１００の内部に収容されている。
【００８０】
以下、排気管１００の内部において、再生器４６の上面４６ａが、上下方向において、高温側シリンダ２２の頂部２２ｂと概ね同じ位置となるように配置されている理由について説明する。
【００８１】
その第一の理由は、排気管１００内を流れる排気ガスの流動抵抗の増大や、よどみの発生を抑制するためである。即ち、排気ガスが、排気管１００の延在方向（図中左右方向）に沿うように直線状に円滑に流れるようにするため、再生器４６の上面４６ａと、高温側シリンダ２２の頂部２２ｂとの間に上下方向の段差が形成されないように構成されている。
【００８２】
第二の理由は、スターリングエンジン１０の装置規模のコンパクト化のためである。即ち、スターリングエンジン１０は、車両１３０の床下に配される内燃機関の排気管１００に隣接する限られた空間に搭載されることから、スターリングエンジン１０の小型化が要求されている。ここでは、スターリングエンジン１０の小型化の指標として、排気管１００の内部に収容される加熱器４７の第１及び第２端部４７ａ、４７ｂのそれぞれから、クランクシャフト４３（駆動軸４０）までの上下方向の長さ寸法を考えることとする。
【００８３】
この場合、加熱器４７の第１及び第２端部４７ａ、４７ｂのそれぞれから、クランクシャフト４３までの上下方向の長さを決定付けるのは、高温側パワーピストン２０側ではなく、低温側のパワーピストン３０側の長さである。その理由は、上下方向において、高温側パワーピストン２０側の構成要素が高温側シリンダ２２のみであるのに対して、低温側のパワーピストン３０側は低温側シリンダ３２に加えて冷却器４５及び再生器４６がある分だけ、上下方向の長さが大きくなることにある。
【００８４】
ここで、本実施形態では、膨張ピストン２１の上下方向の長さが圧縮ピストン３１に比べて大きく形成され、また、高温側シリンダ２２の上下方向の長さが低温側シリンダ３２に比べて大きく形成されている。その結果として、上述した構成要素の数の差に伴って生じる、高温側パワーピストン２０側と低温側のパワーピストン３０側の上下方向の長さの差が緩和されている。
【００８５】
しかしながら、それでも、低温側のパワーピストン３０側の長さの方が長いことには変わりがない。このことから、スターリングエンジン１０の上下方向の長さを決定付けるのは、低温側のパワーピストン３０側の長さということになる。
【００８６】
以上のことから、本実施形態では、冷却器４５が、スターリングエンジン１０全体の上下方向の大きさに与える影響を最小限に抑えるべく、冷却器４５の構成を工夫している。
【００８７】
なお、上記において、膨張ピストン２１の上下方向の長さが圧縮ピストン３１に比べて大きく形成され、また、高温側シリンダ２２の上下方向の長さが低温側シリンダ３２に比べて大きく形成されている理由は、以下の通りである。
【００８８】
膨張空間の高温の作動流体がクランクシャフト４３の高温側パワーピストン２０側の周辺の空間に流入したり、圧縮空間の低温の作動流体がクランクシャフト４３の低温側のパワーピストン３０側の周辺の空間に流入することがないように、高温側シリンダ２２と膨張ピストン２１とのシール及び低温側シリンダ３２と圧縮ピストン３１とのシールが確実に行われる必要がある（後述のように、そのシールには空気軸受４８が使用されている）。
【００８９】
一方で、上記のように、膨張空間を高温にすべく、高温側シリンダ２２の頂部２２ｂ及び側面２２ｃの上部は、排気管１００の内部に収容されるため、高温側シリンダ２２の上部及び膨張ピストン２１の上部が熱膨張する。高温側シリンダ２２及び膨張ピストン２１のそれぞれの上部の熱膨張する部分では、シールが確実に行えないおそれがある。このことから、本実施形態では、膨張ピストン２１及び高温側シリンダ２２の上下方向の長さを長く設定し、これにより、膨張ピストン２１の上下方向に温度勾配を持たせて、熱膨張の影響を受けない部分（膨張ピストン２１の下部）にてシールが確実に行えるようにしている。また、高温側シリンダ２２と膨張ピストン２１との間は、膨張ピストン２１の下部（熱膨張の影響を受けない部分）にてシールされるので、そのシール部の移動距離を十分に確保して膨張空間を十分に圧縮するために、高温側シリンダ２２の上下方向の長さが長く設定されている。
【００９０】
次に、図１を参照して、冷却器４５の構成について説明する。
【００９１】
再生器４６と低温側シリンダ３２との間には、上記隔壁（部材）７０が設けられている。隔壁７０は、熱伝導率の低い材質で形成されている。隔壁７０において、低温側シリンダ３２の軸線方向（上下方向）の長さ寸法は、後述する伝熱管４５tの引き回しの機能を果たすために十分な大きさを確保しつつなるべく小さく設計されている。スターリングエンジン１０の小型化に寄与するためである。
【００９２】
上記のように、隔壁７０は、基板４２に固定されている。隔壁７０の上面７０ａは、再生器４６の下面（加熱器４７側の上記端面４６ａと反対側の端面）に、直接接触するように設けられている。隔壁７０の下面７０ｂは、低温側シリンダ３２の頂面３２ａを兼ねている。隔壁７０の側面（外周面）には、冷却器４５の後述するクーラ容器４５ｃが固定されている。
【００９３】
冷却器４５は、水冷の多管式熱交換器（shell-and-tube exchanger, tubular exchanger）により構成されている。冷却器４５は、複数の伝熱管（管群）４５ｔと、クーラ容器４５ｃとを有している。冷却器４５の複数の伝熱管４５tの大部分は、クーラ容器４５ｃに収容されている。伝熱管４５ｔのクーラ容器４５ｃに収容された部分は、クーラ容器４５ｃに供給された冷却水（冷媒）Ｗと接触し、これにより、伝熱管４５ｔを流れる作動流体が冷却される。
【００９４】
上記のように、クーラ容器４５ｃは、隔壁７０の外周面に固定されている。クーラ容器４５ｃは、隔壁７０の外周面の周方向に亘ってリング状に設けられている。このクーラ容器４５ｃは、低温側シリンダ３２の外周部の上部（圧縮空間に対応する部分）を周方向に囲むようなリング状に形成されている。クーラ容器４５ｃは、低温側シリンダ３２の外周部の周方向の全周に亘って設けられている。または、これに代えて、クーラ容器４５ｃは、低温側シリンダ３２の外周部の周方向の一部を囲むように設けられることができる。
【００９５】
クーラ容器４５ｃが、スターリングエンジン１０の上下方向において、低温側シリンダ３２と再生器４６との間ではなく、低温側シリンダ３２の外周部の側方に配置されているため、スターリングエンジン１０の小型化に寄与することができる。クーラ容器４５ｃが、低温側シリンダ３２の外周部の側方に低温側シリンダ３２の外周部を周方向に囲むように配置されることにより、スターリングエンジン１０の上下方向の大きさをコンパクトに抑えつつ、クーラ容器４５ｃは、必要な熱交換能力を得るための十分な容量を確保することができる。
【００９６】
複数の伝熱管４５ｔのそれぞれの一方の開口部４５ｔａは、隔壁７０の上面７０ａに開口するように設けられている（以下、再生器側出入口と称する）。即ち、再生器側出入口４５ｔａは、再生器４６の下端面に開口した状態となるように構成されている。各伝熱管４５ｔには、再生器側出入口４５ｔａを介して、再生器４６からの作動流体が導入される。
【００９７】
複数の伝熱管４５tのそれぞれの他方の開口部４５ｔｂは、低温側シリンダ３２の頂面３２ａ（隔壁７０の下面７０ｂ）に開口するように設けられている（以下、低温側シリンダ側出入口と称する）。各伝熱管４５ｔには、低温側シリンダ側出入口４５ｔｂを介して、低温側シリンダ３２の上部の圧縮空間からの作動流体が導入される。低温側シリンダ３２の頂面３２ａには、複数の伝熱管４５ｔの低温側シリンダ側出入口４５ｔｂがそれぞれ頂面３２ａの面方向に均等に分散配置されている。
【００９８】
上記のように、低温側シリンダ３２の外周部の圧縮空間に対応する上部がクーラ容器４５ｃにより覆われることで、低温側シリンダ３２の外周部の上部の冷却に効果がある。低温側シリンダ３２の周囲には、排気管１００からの熱のほか、ラジエターや内燃機関の表面からの熱があり、クーラ容器４５ｃにより、これらの熱が低温側シリンダ３２の外周部に伝わるのが有効に遮られる。これにより、スターリングエンジン１０の出力の向上につながる。この場合、低温側シリンダ３２の外周部の圧縮空間に対応する上部のうち、少なくとも低温側シリンダ３２の頂面３２ａ近傍に対応する部分がクーラ容器４５ｃにより覆われることが好ましい。
【００９９】
一方、図１に示されるように、冷却器４５（特にクーラ容器４５ｃ）は、高温側シリンダ２２の側面２２ｃの頂部２２ｂ側から、十分に離間するように、十分に下方に配置されている。即ち、本来、効率の向上のために高温であることが好ましい位置である高温側シリンダ２２の側面２２ｃの頂部２２ｂ側が、基板４２の上方の排気管１００の内部空間に配設されるのに対し、冷却器４５は、基板４２の下方の位置に配設されている。
【０１００】
冷却器４５は、高温側シリンダ２２の側面２２ｃの頂部２２ｂ側から、特に、物理的距離ではなく熱伝達空間として捉えたときに、十分に離間した位置に配置されている。これにより、高温側シリンダ２２の側面２２ｃの上部が、クーラ容器４５ｃによって冷却されることにより悪影響が生じることはない。
【０１０１】
ここで、図１に示すように、低温側シリンダ３２の軸線方向に直交する再生器４６の任意の断面４６ｓと、低温側シリンダ３２の軸線方向に直交する低温側シリンダ３２の任意の断面３２ｓの間に形成され、それらの断面４６ｓ、３２ｓがそれぞれ軸線方向両側の円形端面となる略円柱状の仮想空間Ｖｓを考える。
【０１０２】
従来一般のスターリングエンジンでは、この仮想空間Ｖｓに冷却器（クーラ容器）が設けられているのに対し、本実施形態では、仮想空間Ｖｓに冷却器４５のクーラ容器４５ｃが設けられていない。即ち、仮想空間Ｖｓに冷却器４５の冷媒により冷却される作動流体の流路（伝熱管４５ｔ）が設けられていない。これにより、低温側シリンダ３２ないし駆動軸４０（又はクランクシャフト４３）と、再生器４６との間の、低温側シリンダ３２の軸線方向の寸法が小さく抑えられることになり、スターリングエンジン１０の小型化が実現する。
【０１０３】
仮想空間Ｖｓは、以下のように言い換えることが可能である。
即ち、低温側シリンダ３２の軸線方向に直交する低温側シリンダ３２の任意の断面３２ｓを低温側シリンダ３２の頂面３２ａの方向に低温側シリンダ３２の軸線上及びその軸線の延長線上に仮想的に重ねることにより圧縮空間側に仮想空間が形成される。
【０１０４】
本実施形態では、低温側シリンダ３２の外周部の側方に、低温側シリンダ３２の外周部をその周方向に囲むように冷却器４５が設けられているので、必要な冷却能力が得られるに十分な大きさ（体積）の冷却器４５（特にクーラ容器４５ｃ）に形成されつつ、その冷却器４５の大きさが低温側シリンダ３２の軸線方向におけるスターリングエンジン１０の長さ寸法に与える影響が最小限に抑えられている。
【０１０５】
次に、ピストン・シリンダのシール構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。
【０１０６】
上記のように、スターリングエンジン１０の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０を作動させる必要がある。そこで、本実施形態では、スターリングエンジン１０の内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。本実施形態では、スターリングエンジンの内部フリクションのうち最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を無くすため、ピストンリングを使用せずに、その代わりに、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間には、それぞれ空気軸受（エアベアリング）４８が設けられる。
【０１０７】
空気軸受４８は、摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０の内部フリクションを大幅に低減させることができる。空気軸受４８を用いても、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間の気密は確保されるため、高圧の作動流体が膨張・収縮の際に漏れるという問題は生じない。
【０１０８】
空気軸受４８は、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１の間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力（分布）を利用して，ピストン２１、３１が空中に浮いた形となる軸受である。本実施形態の空気軸受４８では、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間の直径クリアランスは数十μmである。空中に物体を浮上させる空気軸受を実現するには、機構的に空気圧が強くなる部分（圧力勾配）ができるようにする他に、後述するように高圧の空気を吹きつけるものでもよい。
【０１０９】
本実施形態では、高圧の空気を吹き付けるタイプの空気軸受ではなく、医療用ガラス製注射器のシリンダとピストンの間で用いられている空気軸受と同じ構成の空気軸受が用いられる。
【０１１０】
また、空気軸受４８を使用することで、ピストンリングで用いる潤滑油が不要となるので、潤滑油によりスターリングエンジン１０の熱交換器（再生器４６，加熱器４７）が劣化するという問題が発生しない。なお、本実施形態では、ピストンリングにおける摺動抵抗と潤滑油の問題が解消されれば足りるので、流体軸受のうち油を使用する油軸受を除いた、気体軸受であれば空気軸受４８に限られることなく適用することができる。
【０１１１】
本実施形態のピストン２１、３１とシリンダ２２、３２との間には、静圧空気軸受を用いることも可能である。静圧空気軸受とは、加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体（本実施形態ではピストン２１、３１）を浮上させるものである。また、静圧空気軸受に代えて、動圧空気軸受を用いることも可能である。
【０１１２】
空気軸受４８を用いて、ピストン２１、３１をシリンダ２２、３２内で往復運動させる際には、直線運動精度を空気軸受４８の直径クリアランス未満にしなくてはならない。また、空気軸受４８の負荷能力が小さいため、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。即ち、空気軸受４８は、シリンダ２２、３２の直径方向（横方向，スラスト方向）の力に耐える能力（耐圧能力）が低いため、シリンダ２２、３２の軸線に対するピストン２１、３１の直線運動精度が高い必要がある。特に、本実施形態で採用する、微小クリアランスの空気圧を用いて浮上させて支持するタイプの空気軸受４８は、高圧の空気を吹き付けるタイプに比べても、スラスト方向の力に対する耐圧能力が低いため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。
【０１１３】
上記の理由から、本実施形態では、ピストン・クランク部にグラスホッパの機構（近似直線リング）５０を採用する。グラスホッパの機構５０は、他の直線近似機構（例えばワットの機構）に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構のサイズが小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。特に、本実施形態のスターリングエンジン１０は、自動車の排気管の内部にその加熱器４７が収容されるというように限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。また、グラスホッパの機構５０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらに、グラスホッパの機構５０は、機構の構成が比較的簡単であるため、構成（製造・組み立て）し易い。
【０１１４】
図８は、スターリングエンジン１０のピストン・クランク機構の概略構成を示している。本実施形態において、ピストン・クランク機構は、高温側パワーピストン２０側と低温側パワーピストン３０側とで共通の構成を採用しているため、以下では、低温側パワーピストン３０側についてのみ説明し、高温側パワーピストン２０側についての説明は省略する。
【０１１５】
図８及び図１に示すように、圧縮ピストン３１の往復運動は、コネクティングロッド１０９によって駆動軸４０に伝達され、ここで、回転運動に変換される。コネクティングロッド１０９は、図８に示す近似直線機構５０によって支持されており、圧縮ピストン３１を直線状に往復運動させる。このように、コネクティングロッド１０９を近似直線機構５０によって支持することにより、圧縮ピストン３１のサイドフォースＦがほとんどゼロになるので、負荷能力の小さい空気軸受４８によって十分に圧縮ピストン３１を支持することができる。
【０１１６】
次に、上記のように、加熱器４７が概ねＵ字形（カーブ形状）に形成される理由について説明する。
【０１１７】
スターリングエンジン１０の熱源は、上記のように車両のガソリンエンジンの排気ガスであり、スターリングエンジンに専用に用意された熱源ではない。そのため、それほど高い熱量が得られるわけではなく、排気ガスの例えば約８００℃程度の熱量でスターリングエンジン１０が作動する必要がある。そのために、スターリングエンジン１０の加熱器４７は排気管１００内の排ガスから効率的に受熱する必要がある。
【０１１８】
加熱器４７、再生器４６、冷却器４５からなる熱交換器の体積は、出力に直接的には関与しない無効容積となっており、熱交換器の体積が増えると、スターリングエンジン１０の出力が減少する。一方で、熱交換器の体積をコンパクトにすると、その分、熱交換が困難となり受熱量が減少し、スターリングエンジン１０の出力が減少する。これらのことから、無効容積の減少と受熱量の増加とを両立させるためには、熱交換器の効率を上げる必要がある。そのために、加熱器４７は効率的に受熱する必要がある。
【０１１９】
熱源の種類を問わず、その熱源から効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器は、熱エネルギーを受熱するための伝熱面積がなるべく大きく、かつ冷却器が受熱しない場所に配置可能であるという意味において、上記実施形態の構成が望ましい。
【０１２０】
特に、排熱を利用する場合には熱エネルギーは管を介して排ガスとして供給される場合が殆どであることとも相俟って、例えば管の内部のように受熱可能な領域が限定されている場合に、伝熱面積が極力大きく、かつ冷却器が受熱しない場所に配置される構成としては、上述したスターリングエンジン１０の構成が優れている。以下に、スターリングエンジン１０の構成の技術的意義について更に述べる。
【０１２１】
無効容積部分（冷却器、再生器、加熱器）が小さい方が良いことは前述の通りであるが、無効容積部分に湾曲した形状を有している場合、湾曲部の数が多いと流路抵抗が大きくなり、また湾曲部の曲率が小さいと流路抵抗は大きくなる。即ち、作動流体の圧力損失を考慮すると、湾曲部の数は単一であり曲率は大きい方が良い。この点に関し、加熱器４７は概ねＵ字形であり、湾曲形状となっているが、湾曲部の数は１つである。また、冷却器４５は、スターリングエンジン１０の小型化（上下寸法の短縮）のために、湾曲部を有した構成とされており、上記のような特徴を有する構成とされている。
【０１２２】
また、図１に示すように、上記実施形態の無効容積部分の曲率に関しては、直列並行に配置された２つのシリンダ２２、３２の上部同士を連結し、かつ排気管１００の内部において作動流体の流動抵抗の増大を抑制すべく概ね同一面上に設定された高温側シリンダ２２の頂部２２ｂ及び再生器４６の上面４６ａと、排気管１００の上部内面との間の上下方向の高さと、加熱器４７の端部４７ａ、４７ｂと中央部４７ｃの最上部との間の高さが概ね同じ高さｈになる構成に合わせて、その曲率（カーブ形状）が設定されている。排気管１００の内部のような限定された空間内で排気ガスのような流体の熱源との接触面積を大きく確保するためには、上記のようなカーブ形状が望ましい。
【０１２３】
以上の観点からすると、無効容積部分のうち加熱器は、その全体が排気管の内部のような熱源からの熱を受ける限定された空間（受熱空間）内に収容されるとともに、その受熱空間内で、熱源からの伝熱面積を最大限に確保可能でかつ流路抵抗が最小となるように、例えばＵ字形やＪ字形のようなカーブ形状に構成されるのがよい。
【０１２４】
再生器４６は、作動流体の流路抵抗を最小限にしつつ配置するために、低温側シリンダ３２の延在方向（軸線方向）に沿って（同一軸線上に）直線状に構成される。このように、加熱器４７の第２端部４７ｂに連結される再生器４６は、低温側シリンダ３２の延在方向に沿って設けられる。加熱器４７の第１端部４７ａは、高温側シリンダ２２の上部に隙間無く接続される。これらのことから、少なくとも加熱器４７の第１端部４７ａ及び第２端部４７ｂ側には、それぞれ高温側シリンダ２２、低温側シリンダ３２の延在方向に沿う部分を有し、加熱器４７の中央部４７ｃは、上述したようなカーブ形状を有する場合が多いことになる。
【０１２５】
上述した技術的理由から、加熱器４７は、直列並行に配置された２つのシリンダ２２，３２間で、途中で方向変換（ターン）する形状に構成されている。加熱器４７は、直列並行に配置された２つのシリンダ２２，３２間を連結する曲線部分とを有している。
【０１２６】
また、図１に示すように、排気管１００において、スターリングエンジン１０が取り付けられる部分は、排気管１００の内径（排気ガスの流路）が拡径されるように膨出された構成とされている。これにより、排気管１００の内径が拡径された部分では、排気ガスの流速が低下し、排気ガスの滞留時間が長くなる。これにより、加熱器４７と排気ガスとの接触時間（熱交換時間）を長く取ることができ、スターリングエンジン１０の出力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の排気熱回収装置の一実施形態を示す正（断）面図である。
【図２】本発明の排気熱回収装置の一実施形態を示す側（断）面図である。
【図３】本発明の排気熱回収装置の一実施形態の遮熱板を示す上面図である。
【図４】本発明の排気熱回収装置の一実施形態の冷却水路を示す上面図である。
【図５】本発明の排気熱回収装置の一実施形態が車両に搭載された状態を説明するための図である。
【図６】本発明の排気熱回収装置の一実施形態の変形例を示す側（断）面図である。
【図７】図１のＡ−Ａ視底面図である。
【図８】本発明の排気熱回収装置の一実施形態において、適用される直線近似機構を説明するための説明図である。
【図９】従来のスターリングエンジンを説明するための説明図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１０  スターリングエンジン
２０  高温側パワーピストン
２１  膨張ピストン
２２  高温側シリンダ
２２ａ  高温側シリンダの上面
３０  低温側パワーピストン
３１  圧縮ピストン
３２  低温側シリンダ
３２ａ  低温側シリンダの頂面
３２ｓ  低温側シリンダの断面
４２  基板
４２ａ  冷却水路
４２ｂ  入口
４２ｃ  出口
４５  冷却器
４５ａ  冷却器の上面
４５ｃ  クーラ容器
４５ｔ  伝熱管
４５ｔａ  再生器側出入口
４５ｔｂ  低温側シリンダ側出入口
４６  再生器
４６ａ  再生器の上面
４７  加熱器
４７ａ  第１端部
４７ｂ  第２端部
５０  近似直線機構
７０  隔壁
８１  ボルト
８２  断熱ワッシャー
８３  断熱クランプ座
８４  クランプ
８８  ボルト
１００  排気管
１００ｃ  開口部
１１０  断熱・耐熱ガスケット
１２０ａ、１２０ｂ  遮熱板
１３０  車両
Ｖｓ  仮想空間
Ｗ  冷却水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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