(57)【要約】【課題】シリンダ本体を機関本体に固定する際の組み付け精度を確保すること。【解決手段】高温側シリンダ１０１は、円筒状のシリンダ支持体５０によって支持されて、ピストン機関であるスターリングエンジン１００本体の基板１１５へ間接的に固定される。シリンダ支持体５０は、その内部にガラス製の高温側シリンダ１０１を配置するので、高温側シリンダ１０１の外径Ｄｓよりもシリンダ支持体５０の内径ｄｓの方が大きくなっている。シリンダ支持体５０の内部にはＯリング６４を介して高温側シリンダ１０１が挿入される。そして、シリンダ支持体５０の第２端部へシリンダ固定体であるシリンダ固定キャップ５６をねじ込むことによって、高温側シリンダ１０１を位置決めするとともにシリンダ支持体５０に固定する。【選択図】        図４
2005106024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動するピストンと回転運動するクランク軸とをコンロッドで連結したピストン機関であって、
内部を前記ピストンが往復運動する円筒形状のシリンダ本体と、
円筒形状の部材で構成されて、その第１端部が前記ピストン機関本体に取り付けられるとともに、前記円筒形状の部材が前記シリンダ本体を被うシリンダ支持体と、
前記シリンダ支持体の前記第１端部とは反対側の第２端部に取り付けられるとともに、前記ピストンの往復運動方向に前記シリンダ本体を押圧して前記シリンダ支持体に固定するシリンダ固定体と、
を備えることを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
前記シリンダ支持体の内面と前記シリンダの外面との間に、弾性部材を介在させることを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
【請求項３】
前記弾性体はＯリングを使用することを特徴とする請求項２に記載のピストン機関。
【請求項４】
前記シリンダ本体と前記ピストン機関の本体との間にはシール部材を介在させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項５】
前記シリンダ本体と前記シリンダ固定体との間にはシール部材を介在させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項６】
前記シリンダ支持体の前記第１端部又は前記シリンダ固定体の少なくとも一方は、ねじ込み方式により前記シリンダ本体を固定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項７】
前記シリンダは脆性材料であり、前記シリンダ支持体は延性材料であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項８】
上記ピストン機関はスターリング機関であり、ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器から送られる作動流体を前記シリンダ内に導入し、前記ピストンを駆動することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項９】
前記熱交換器の少なくとも前記ヒータが、内燃機関の排気経路に配置されて、当該内燃機関の排熱を回収することを特徴とする請求項８に記載のピストン機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン機関に関し、さらに詳しくは、シリンダ本体を機関本体に固定する際の組み付け精度を確保できるピストン機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年においては、理論熱効率が高く、また、様々な燃料を使用できるスターリングエンジンが注目されている。特許文献１には、摺動によりシーリングするピストンを備えたフリーピストン型スターリング機関が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−８９９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、摺動により、すなわちピストンリングを用いないでシーリングする場合には、ピストンを搭載するときの組み付け精度が重要である。これは、ピストンリングを用いないでシリンダ内の気密を確保するためには、ピストンとシリンダ本体とのクリアランスを極小かつ一定に担保する必要があり、組み付け精度が低いと、極小のクリアランスへピストンを組み付ける際にピストンとシリンダ本体との間でかじり等の損傷が発生するからである。かかる組み付け精度を確保するためには、ピストン機関に対するシリンダ本体の組み付け精度を必要十分に確保することが必要である。
【０００５】
しかし、上記特許文献１には、摺動部同士の組み付け構造は開示されているが、シリンダ本体をピストン機関本体へ取り付ける具体的な取り付け構造は開示されていない。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シリンダ本体を機関本体に固定する際の組み付け精度を確保できるピストン機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、往復運動するピストンと回転運動するクランク軸とをコンロッドで連結したピストン機関であって、内部を前記ピストンが往復運動する円筒形状のシリンダ本体と、円筒形状の部材で構成されて、その第１端部が前記ピストン機関本体に取り付けられるとともに、前記円筒形状の部材が前記シリンダ本体を被うシリンダ支持体と、前記シリンダ支持体の前記第１端部とは反対側の第２端部に取り付けられるとともに、前記ピストンの往復運動方向に前記シリンダ本体を押圧して前記シリンダ支持体に固定するシリンダ固定体と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
このピストン機関は、シリンダ支持体を介してシリンダ本体をピストン機関本体へ固定するので、ピストン機関本体に対するシリンダ本体の組み付け精度を確保して、ピストンとシリンダ本体とに発生するずれを極小にできる。
【０００８】
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記シリンダ支持体の内面と前記シリンダの外面との間に、弾性部材を介在させることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によって、ピストン機関本体に対するシリンダ本体の組み付け精度を確保して、ピストンとシリンダ本体とに発生するずれを極めて低減できる。また、シリンダ本体とシリンダ支持体との径方向における熱膨張差に起因するシリンダ本体の破損を防止できる。
【００１０】
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記弾性体はＯリングを使用することを特徴とする。
【００１１】
このように、前記弾性部材としてＯリングを使用すれば、簡単な構成で安価にシリンダ本体の支持構造を実現できるので、低コストでピストン機関を製造することができる。
【００１２】
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記シリンダ本体と前記ピストン機関の本体との間にシール部材を介在させることを特徴とする。
【００１３】
このような構成により、シリンダ内の気密を確保できる。また、ピストンの往復運動方向におけるシリンダ本体とシリンダ支持体との熱膨張差を吸収できるので、当該熱膨張差意に起因するシリンダ本体の破損の危険性を極小にできる。かかる観点から、前記シール部材は弾性体であることが好ましい。
【００１４】
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記シリンダ本体と前記シリンダ固定体との間にはシール部材を介在させることを特徴とする。
【００１５】
このような構成により、シリンダ内の気密を確保できる。また、ピストンの往復運動方向におけるシリンダ本体とシリンダ支持体との熱膨張差を吸収できるので、当該熱膨張差意に起因するシリンダ本体の破損の危険性を極小にできる。かかる観点から、前記シール部材は弾性体であることが好ましい。
【００１６】
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記シリンダ支持体の前記第１端部又は前記シリンダ固定体の少なくとも一方は、ねじ込み方式により前記シリンダ本体を固定することを特徴とする。
【００１７】
このように、ねじ込み方式によりピストン支持体へピストン本体を固定するので、ピストン機関本体に対するシリンダ本体の組み付け精度を確保できるとともに、ピストン機関の組立が容易になる。また、シリンダ本体をシリンダ支持体へ固定する際にはねじ込み方式を用いるので、締め付けトルクを簡易に調整できるとともに、締め付けトルクの管理も容易になる。
【００１８】
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記シリンダは脆性材料であり、シリンダ支持体は延性材料であることを特徴とする。
【００１９】
このように、例えばガラスのような衝撃に弱い脆性材料のシリンダを、金属のような衝撃に強い延性材料のシリンダ支持体を介してピストン機関の本体に取り付ける場合に、本発明は特に好適に適用できる。
【００２０】
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、上記ピストン機関はスターリング機関であり、ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器から送られる作動流体を前記シリンダ内に導入し、前記ピストンを駆動することを特徴とする。
【００２１】
このように、ピストン機関がスターリングエンジンである場合、ガラスシリンダを用いることにより摩擦を低減する場合がある。このような場合、本発明は、シリンダ本体とシリンダ支持体との熱膨張差に起因するシリンダの破損の危険性を低減することができる。これにより、シリンダの破損の危険性を低く抑えて、スターリングエンジンから安定して出力を取り出すことができる。
【００２２】
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記熱交換器の
少なくとも前記ヒータが、内燃機関の排気経路に配置されて、当該内燃機関の排熱を回収することを特徴とする。
【００２３】
このピストン機関では、シリンダ本体とシリンダ支持体との熱膨張差に起因するシリンダの破損の危険性を低減することができるので、シリンダの破損の危険性を低く抑えて、安定してスターリングエンジンから出力を取り出すことができる。これにより、確実に内燃機関の排熱を回収することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、この発明に係るピストン機関では、ピストン支持体を介してピストン本体をピストン機関の本体へ固定するようにした。これによって、ガラスのような脆性材料で構成したピストン本体であっても、金属材料が主体で構成されたピストン機関の本体へ固定することができる。
【００２５】
また、ピストン支持体を介してピストン本体を固定するので、ガラス製のシリンダ本体を主として金属によって構成されるピストン機関へ取り付ける場合にように、熱膨張係数が大きく異なる材料同士であってもこの熱膨張差を吸収できるので、前記熱膨張差に起因するシリンダ本体の破損の危険性を最小に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明においては、スターリングエンジンに本発明を適用した場合を例として説明するが、本発明の適用対象はこれに限られない。例えば、スターリングエンジン以外のピストン機関や、スターリング冷凍機関に対しても本発明は適用できる。また、本発明は、特に、シリンダ本体がガラスやセラミックスのような脆性材料で形成されている場合に好適に適用できる。
【実施例】
【００２７】
図１は、本発明の実施例に係るピストン機関であるスターリングエンジンを示す断面図である。図２−１は、図１の矢印Ａ方向から見た高温側シリンダ及び高温側ピストンの断面図である。図２−２は、空気軸受の説明図である。図３は、本発明の実施例に係るスターリングエンジンの利用態様を示す説明図である。本発明の実施例に係るピストン機関であるスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ１０１内に収められた高温側ピストン１０２と、低温側シリンダ１０３内に収められた低温側ピストン１０４とを備えている。高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、本発明に係るシリンダ支持構造によって基板１１５に支持されている。ここで、Ｚは高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０２、低温側シリンダ１０３及び低温側ピストン１０４の中心軸を表す（以下同様）。
【００２８】
高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、ヒータ１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８によって接続されている。ヒータ１０５の一端は高温側シリンダ１０１に接続され、他端は再生器１０６に接続される。再生器１０６は、一端がヒータ１０５に接続され他端はクーラー１０７に接続される。クーラー１０７の一端は再生器１０６に接続され、他端は低温側シリンダ１０３に接続される。
【００２９】
また、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３との内部には作動流体（ここでは空気）が封入されており、ヒータ１０５から供給される熱によってスターリングサイクルを構成し、高温側ピストン１０２、低温側ピストン１０４を駆動する。なお、図３に示す
ように、熱交換器１０８の少なくともヒータ１０５を、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等といった内燃機関１２０の排気通路１２２内に配置することにより、スターリングエンジン１００によって前記内燃機関１２０の排熱を回収することができる。この例では、スターリングエンジン１００によって発電機１２５を駆動することにより、内燃機関１２０の排熱を回収している。
【００３０】
高温側ピストン１０２と低温側ピストン１０４とは、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３内に空気軸受１１２を介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、内燃機関１２０の排熱を回収する場合のような、低熱源、低温度差の運転条件下においてもスターリングエンジン１００を運転することができる。
【００３１】
空気軸受１１２を構成するため、図２−２に示すように、ピストンとシリンダとの間隔ｔｃは、前記ピストン等の全周にわたって数十μｍとする。これを実現するために、本発明においては高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２と低温側シリンダ１０３と低温側ピストン１０４とをガラスによって構成する。なお、ガラスに限られず、セラミックスのような高弾性率材料で高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２と低温側シリンダ１０３と低温側ピストン１０４とを構成してもよいし、異なる材料を組み合わせてこれらを構成してもよい。
【００３２】
図２−１に示すように、高温側ピストン１０２の往復運動は、コンロッド１０９によってクランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。コンロッド１０９は、図２−１に示す近似直線リンク機構１１１によって支持されており、高温側ピストン１０２を略直線状に往復運動させる。本実施例において、この近似直線リンク機構１１１にはグラスホッパー機構を使用するが、ワットの乙型リンク機構の他、同様の機能を実現できる機構を使用することができる。コンロッド１０９を近似直線リンク機構１１１によって支持することにより、高温側ピストン１０２のサイドフォースＦ（ピストンの径方向、すなわち中心軸Ｚに直交する方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい空気軸受け１１２によって十分にピストンを支持することができる。なお、低温側ピストン１０４も高温側ピストン１０２と同様の構成で、クランク軸１１０と連結される。次に、本発明に係るシリンダの支持構造について説明する。
【００３３】
本発明においては、シリンダとピストンとをガラスで製造するが、かかる場合に、金属等の延性材料で構成した基板１１５（本実施例では金属で構成する）へ、脆性材料で構成したシリンダを固定することは困難である。これは、脆性材料であるガラスに対して孔を開けたりねじ加工を施したりすることが困難であること、ガラスに対してボルト締めやねじ止めをすることが困難であるので、ガラスと金属との接合が難しいこと、また、ガラスで平面度、直角度等の加工精度を出すことは困難であることがその理由である。
【００３４】
また、接着等によってガラスのシリンダと金属の基板１１５とを接合できたとしても、ガラスと金属との熱膨張係数に大きな差があるため、温度変化の大きい環境化で使用するとガラスが破損するという問題もある。さらに、ガラスは脆性材料なので、ガラスのシリンダと金属の基板とが接触すると、ガラスのシリンダが破損するという問題もある。本発明者らは、ガラスのシリンダをスターリングエンジン等のピストン機関に採用するにあたってのこれらの課題を解決するため、次のような構成を採用する。
【００３５】
図４は、本発明の実施例に係るピストン機関が備えるシリンダ支持構造を示す断面図である。図５−１は、本発明の実施例に係るシリンダ支持体を示す断面図である。図５−２
は、本発明の実施例に係るシリンダ固定体を示す断面図である。図５−３は、シリンダ本体とシリンダ支持体との間に介在させる弾性部材の他の例を示す説明図である。図６−１、図６−２は、シリンダ支持体が固定されるピストン機関の基板を示す断面図である。このシリンダ支持構造は、ピストン機関本体に取り付けられる円筒状のシリンダ支持体の内部にシリンダ本体であるガラス製の高温側シリンダ等を配置するとともに、ピストン機関本体の反対側におけるシリンダ支持体の端部にシリンダ固定キャップを取り付けて高温側シリンダ等を間接的に固定する点に特徴がある。なお、次の説明においては、シリンダとして高温側シリンダ１０１を例にとって説明するが、低温側シリンダ１０３も同様の構造が適用される。
【００３６】
シリンダ本体である高温側シリンダ１０１は円筒状のガラスで構成されており、同じくガラスで構成されるコップ状の高温側ピストン１０２が高温側シリンダ１０１の内部を往復運動する（図１参照）。図４に示すように、高温側シリンダ１０１は、円筒形状のシリンダ支持体５０によって支持されて、ピストン機関であるスターリングエンジン本体の基板１１５へ間接的に固定される。シリンダ支持体５０は、その内部にガラス製の高温側シリンダ１０１を配置するので、高温側シリンダ１０１の外径Ｄｓよりもシリンダ支持体５０の内径ｄｓの方が大きく構成されている。また、シリンダ支持体５０は、耐熱性と必要な強度とを確保するため、例えばステンレス等の金属で構成されるが、この条件を満たすことができれば、プラスチック等の樹脂材料を用いてもよい。また、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic）やＦＲＭ（Fiber Reinforced Metal）等の複合材料を使用してもよい。
【００３７】
図５−１に示すように、シリンダ支持体５０は、第１端部５０ｔ１、第２端部５０ｔ２に雄ねじが切られている。図６−１、図６−２に示すように、スターリングエンジン１００本体の基板１１５には、作動流体を前記高温側シリンダ１０１内に導入するとともに、前記シリンダ支持体５０を取り付けるための開口部１１５ｏが形成されている。図６−１に示すように、この開口部１１５ｏは、シリンダ支持体５０の取り付け側における直径Ｄの方が、作動流体入口側における直径ｄよりも大きく形成されている。これによって、開口部１１５ｏの内面には段部１１６が形成される。
【００３８】
また、開口部１１５ｏには、シリンダ支持体５０の取り付け側に雌ねじが切られており、シリンダ支持体５０の一方の端部（この実施例では第１端部５０ｔ１）がここにねじ込まれて、シリンダ支持体５０が基板１１５に固定される。このように、ねじ込み方式によってシリンダ支持体５０を基板１１５に固定するので、簡易にスターリングエンジンを組立てることができる。また、ねじ込み式によれば、締め付けトルクの管理も容易になる。さらに、シリンダ支持体５０とシリンダシール面１１６ｓとの間に均一な面圧を作用させることができるので、シール性能が向上する。なお、この実施例に示すように、開口部１１５ｏ全周に雌ねじを切る他、シリンダ支持体５０の取り付け側の反対側からシリンダ支持体５０の周方向にわたり複数のボルトで締結することにより、シリンダ支持体５０を基板１１５に固定してもよい。
【００３９】
このとき、高温側シリンダ１０１内の気密を確保するために、開口部１１５ｏのシリンダシール面１１６ｓとシリンダ支持体５０の第１端面５０ｐ１との間に、基板側シール部材６０を介在させることが好ましい（図６−２）。基板側シール部材６０には、例えばＯリングやガスケットを使用することができる。基板側シール部材６０を介在させる場合には、シリンダ支持体５０の第１端面５０ｐ１、又は基板１１５のシリンダシール面１１６ｓの少なくとも一方に、基板側シール部材６０を配置するための溝を設ける。この実施例では、図６−２に示すように、シリンダ支持体５０に溝５２設けて基板側シール部材６０を配置する。
【００４０】
図４に示すように、シリンダ支持体５０の内部には高温側シリンダ１０１が挿入される
。そして、シリンダ支持体５０の第２端部５０ｔ２（図５−１）へ、シリンダ固定体であるシリンダ固定キャップ５６をねじ込むことによって、高温側シリンダ１０１を押圧して位置決めするとともにシリンダ支持体５０に固定する。これによって、高温側シリンダ１０１は、シリンダ支持体５０及びシリンダ固定キャップ５６によって、スターリングエンジン本体の基板１１５へ間接的に固定される。ここで、シリンダ支持体５０の第２端面５０ｐ２（図５−１）とシリンダ固定キャップ５６との間には、キャップ側シール部材６１を介在させて、高温側シリンダ１０１内の気密を確保する。
【００４１】
このように、ねじ込み方式のシリンダ固定キャップ５６を用いることにより、高温側シリンダ１０１に対して均一な面圧を作用させやすくなり、均一な密封性能を確保することができる。また、ねじ込み式によれば、締め付けトルクの管理も容易になる。さらに、組立も容易になるので、簡易にスターリングエンジンを組立てることができる。なお、複数のボルトを用いて、シリンダ固定キャップ５６をシリンダ支持体５０の第２端部５０ｔ２へ固定してもよい。
【００４２】
図４に示すように、高温側シリンダ１０１をシリンダ支持体５０に取り付けるにあたっては、高温側シリンダ１０１の一方の端面（ここでは第１端面１０１ｐ１）と開口部１１５ｏの前記シリンダシール面１１６ｓとの間に、基板側シリンダシール部材６２を配置する。基板側シリンダシール部材６２は数百℃の高温環境下で使用されるため、耐熱性に優れた材料を用いることが好ましい。
【００４３】
また、高温側シリンダ１０１のもう一方の端面（ここでは第２端面１０１ｐ２）と、シリンダ固定キャップ５６との間には、キャップ側シリンダシール部材６３を配置する。このように、基板側シリンダシール部材６２とキャップ側シリンダシール部材６３とによって、高温側シリンダ１０１内の気密を確保する。また、基板側及びキャップ側シリンダシール部材６２、６３によって、高温側ピストン１０２（図１参照）の往復運動方向における高温側シリンダ１０１とシリンダ支持体５０との熱膨張差を吸収して、高温側シリンダ１０１の破損を防止する。かかる観点から基板側シリンダシール部材６２等は弾性体で構成することが好ましい。
【００４４】
なお、本実施例では、高温側シリンダ１０１の両端面にそれぞれ基板側及びキャップ側シリンダシール部材６２、６３を取り付けている。このようにすれば、高温側シリンダ１０１は基板１１５とシリンダ固定キャップ５６とに接触することはないので、これらと高温側シリンダ１０１との接触に起因する高温側シリンダ１０１の破損を抑制できる。かかる観点からは、高温側シリンダ１０１の両端面にシール部材を配置することが好ましい。しかし、シリンダ支持体５０と高温側シリンダ１０１との熱膨張差に起因する高温側シリンダ１０１の破損抑制という観点からは、前記シリンダシールは高温側シリンダ１０１の少なくとも一方の端面に取り付ければよい。
【００４５】
高温側シリンダ１０１をシリンダ支持体５０に固定するにあたっては、図４に示すように、シリンダ支持体５０の内面と高温側シリンダ１０１の外面との間に、弾性部材であるＯリング６４を介在させることが好ましい。この場合には、図５−１に示すように、シリンダ支持体５０の周方向に向かう溝５４をシリンダ支持体５０の内面に設ける。そして、図４に示すように、この溝５４にＯリング６４を取り付ける。なお、この実施例において、Ｏリング６４の個数は２個であるが、これに限られるものではない。このような構成によって、高温側シリンダ１０１とシリンダ支持体５０との直接接触による高温側シリンダ１０１の破損を防止できる。また、高温側シリンダ１０１とシリンダ支持体５０との径方向における熱膨張差に起因する高温側シリンダ１０１の破損や、振動により高温側シリンダ１０１がシリンダ支持体５０へ接触することによる破損を防止できる。
【００４６】
弾性部材として使用するＯリング６４は、数百℃の高温環境下で使用されるため、十分な耐熱性を有するものを使用する。また、弾性部材としての機能が達成できればよいので、Ｏリング６４の代わりに、図５−３に示すような円状に形成したコイルスプリング６５を使用してもよい。また、この例では、Ｏリング６４を用いてシリンダ支持体５０の全内周にわたって高温側シリンダ１０１を支持するが、上記Ｏリング６４と同様の機能を発揮できれば、全内周にわたって弾性部材を設けなくともよい。
【００４７】
次に、本発明に係るピストンの支持構造について説明する。往復運動するピストンから動力を取り出したり、あるいはピストンを往復運動させたりする場合には、上記したスターリングエンジンの構造で説明したように、クランク軸とピストンとをコンロッドによって連結し、回転運動と往復運動とを相互に変換するのが一般的である。しかし、本発明のように、脆性材料のガラスでピストンを製造する場合には、ピストンと金属製のコンロッドとを固定することが困難である。これは、脆性材料であるガラスに対して孔を開けたりねじ加工を施したりすることが困難であること、ガラスに対してボルト締めやねじ止めをすることが困難であるので、ガラスと金属との接合が難しいことがその理由である。
【００４８】
また、接着等によってガラスのピストンと金属のコンロッドとを接合できたとしても、ガラスと金属との熱膨張係数に大きな差があるため、温度変化の大きい環境化で使用するとガラスが破損するという問題もある。さらに、ガラスは脆性材料なので、ガラスのピストンと金属のコンロッドとが接触すると、ガラスのピストンが破損するという問題もある。本発明者らは、脆性材料であるガラスのピストンをスターリングエンジン等のピストン機関に採用するにあたってのこれらの課題を解決するため、次のような構成を採用する。
【００４９】
図７−１は、本発明の実施例１に係るピストン機関が備えるピストンの支持構造を示す断面図である。図７−２は、図７−１のＡ−Ａ矢視図である。図８−１〜図８−４は、本発明の実施例に係るピストン支持体を示す側面図である。図８−５は、本発明の実施例に係るシリンダを示す断面図である。図８−６は、図８−５のＡ−Ａ矢視図である。このピストン支持構造は、ガラスのピストンの内部にピストン支持体を配置した構造であり、ピストンの径方向は、ピストン内面とピストン支持体との間に弾性部材を介在させることによって両者を固定するとともに、ピストンの往復運動方向は、ピストンに設けたピストン固定部によって、ピストンとピストン支持体とを固定する点に特徴がある。次の説明においては、ピストンとして高温側ピストン１０２を、シリンダとして高温側シリンダ１０１を例に説明するが、低温側ピストン１０４も同様の構造が適用される。
【００５０】
図７−１に示すように、高温側ピストン１０２は、ガラスで形成されたコップ状の容器形状であり、ピストン頂部１０２ｔが作動流体の圧力を受ける。ピストン支持体１０は高温側ピストン１０２内に配置されており、図７−１、図７−２に示すように、高温側ピストン１０２の内面に形成されたピストン固定部３０と係合する。また、ピストン支持体１０は、耐熱性と必要な強度とを確保するため、例えばステンレス等の金属で構成されるが、この条件を満たすものであればプラスチック等の樹脂材料を用いてもよい。また、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic）やＦＲＭ（Fiber Reinforced Metal）等の複合材料を使用してもよい。
【００５１】
図８−１に示すように、ピストン支持体１０は、取り付け及び製造の容易さを考慮して、第１ピストン支持体１０1及び第２ピストン支持体１０2で構成される。なお、ピストン支持体１０の構造はこのような２分割構成に限られず、一体構造、あるいは３分割以上として構成してもよい。第１ピストン支持体１０1は、連結部である柱状の軸部１０1ｓと板状の第１ピストン支持部１０1ａとで構成されており、第２ピストン支持体１０2は板状の第２ピストン支持部１０2ａと、コンロッド連結部１０2ｃとで構成される。また、第１ピストン支持体１０1と第２ピストン支持体１０2とは締結手段であるボルト３によって固定
される。ここで、第１ピストン支持部１０1ａは、後述するピストン固定部３０と係合し、ピストンを支持する機能を果たす。
【００５２】
第１及び第２ピストン支持部１０1ａ、１０2ａの外形状は高温側ピストン１０２の内形状に合わせた形状である。ここで、高温側ピストン１０２の内形状は円形なので、第１及び第２ピストン支持部１０1ａ、１０2ａの外形状も円形となる。また、第１及び第２ピストン支持部１０1ａ、１０2ａは高温側ピストン１０２の内部に配置されるので、第１及び第２ピストン支持部１０1ａ、１０2ａの外径Ｄは、高温側ピストン１０２の内径ｄよりも小さく形成される（図７−１、図８−１）。また、図８−１、図８−２に示すように、第１及び第２ピストン支持部１０1ａ、１０2ａには、高温側ピストン１０２の内面との間に介在する弾性部材を固定する溝２０が形成されている。
【００５３】
第１及び第２ピストン支持部１０1ａ、１０2ａに形成される溝２０（図７−１）には、図８−３に示すように、弾性部材としてＯリング２２が嵌め込まれる。このＯリング２２がピストン支持体１０と高温側ピストン１０２との間に介在して、ピストン支持体１０が高温側ピストン１０２へ直接接触することを防止する。高温側ピストン１０２は、脆性材料であるガラスで作られているが、このＯリングによってピストン支持体１０の接触による高温側ピストン１０２の破損を防止できる。また、Ｏリング２２によって、高温側ピストン１０２とピストン支持体１０との熱膨張差を吸収して、当該熱膨張差に起因する高温側ピストン１０２の破損を防止できる。弾性部材として使用するＯリング２２は、数百℃の高温環境下で使用されるため、十分な耐熱性を有するものを使用する。また、Ｏリング２２の代わりに、図８−４に示すような円状に形成したコイルスプリング２３を弾性部材として使用してもよい。また、Ｏリング２２やコイルスプリング２２のように、必ずしも高温側ピストン１０２の周方向全領域にわたって弾性部材を介在させる必要はない。例えば、高温側ピストン１０２の周方向に向かって断続的に弾性部材を介在させて、弾性部材を構成してもよい。
【００５４】
ピストン支持体１０は、高温側ピストン１０２内に挿入される。そして、ピストン支持体１０の第１ピストン支持部１０1ａと、高温側ピストン１０２内面に設けられたピストン固定部３０とが係合することによって、高温側ピストン１０２の運動方向に対してピストン支持体１０が固定される。ピストン固定部３０は、高温側ピストン１０２と同じ材料で構成されており、本実施例ではガラスを使用する。このように、ピストン固定部３０と高温側ピストン１０２とを同じ材料で構成することによって両者の熱膨張差がなくなるので、高温側ピストン１０２が熱膨張した場合の破損を防止できる。なお、ピストン固定部３０は、高温側ピストン１０２を構成する材料と熱膨張係数が近い材料で構成してもよい。
【００５５】
図８−５、図８−６に示すように、高温側ピストン１０２の内面には、その周方向に沿って複数のピストン固定部３０が接着剤４０によって固定される。また、ピストン固定部３０が前記第１ピストン支持部１０1ａと係合する係合部３０ｐは、複数のピストン固定部３０間で面一となるように構成される。これにより、ピストン固定部３０と第１ピストン支持部１０1ａとが略均一に当接し、係合するので、高温側ピストン１０２からピストン支持体１０に対して力が効率的に伝達できる。また、ピストン固定部３０に無理な力が作用することを抑制できるので、ピストン固定部３０の耐久性が向上する。
【００５６】
また、図７−１に示すように、高温側ピストン１０２のピストン頂部１０２ｔと第１ピストン支持部１０1ａとの間には、円板状の頂部側弾性部材２４を配置することが好ましい。この頂部側弾性部材２４によって、高温側ピストン１０２の運動方向に対するピストン支持体１０の熱膨張が吸収できるので、運転時における高温側ピストン１０２の破損を防止できる。なお、高温側ピストン１０２のピストン頂部１０２ｔは、最も高温にさらさ
れる部分なので、頂部側弾性部材２４は十分な耐熱性を有する材料を使用することが好ましい。
【００５７】
このように、ピストン支持体１０の第１ピストン支持部１０1ａは高温側ピストン１０２のピストン頂部１０２ｔ側で、第２ピストン支持部１０2ａは高温側ピストン１０２の裾部１０２ｓ側（開口１０２ｏ側、図８−５）で高温側ピストン１０２を支持する。これにより、高温側ピストン１０２の中心軸Ｚ方向に対するピストン支持体１０の傾きが抑制されるので、ピストン支持体１０に過大な力が作用することを防止して、ピストン支持体１０の耐久性を向上させることができる。また、高温側ピストン１０２も確実に保持することができる。
【００５８】
図９−１〜図９−４は、本発明の実施例に係る高温側シリンダの組立方法を示す説明図である。また、図１０は、本発明の実施例に係る高温側シリンダの組立手順を示すフローチャートである。これらの図を用いて、本発明に係る高温側シリンダ１０１の組立方法を説明する。まず、シリンダ支持体５０の第１端部５０ｔ１を、スターリングエンジンの基板１１５に形成された開口部１１５ｏにねじ込んで固定する（ステップＳ１０１、図９−１）。このとき、基板側シール部材６０を、基板１１５とシリンダ支持体５０との間に介在させる。
【００５９】
次に、Ｏリング６４を、シリンダ支持体５０の内面に形成された溝５４に取り付ける（ステップＳ１０２、図９−２）。そして、高温側シリンダ１０１をシリンダ支持体５０内に挿入する（ステップＳ１０３、図９−３）。このとき、基板１１５と高温側シリンダ１０１との間に、基板側シリンダシール部材６２を介在させる。
【００６０】
シリンダ支持体５０内に高温側シリンダ１０１を挿入したら、シリンダ固定キャップ５６をシリンダ支持体５０の第２端部５０ｔ２にねじ込んで、高温側シリンダ１０１をシリンダ支持体５０に固定する（ステップＳ１０４、図９-４）。このとき、高温側シリンダ１０１とシリンダ固定キャップ５６との間にはキャップ側シリンダシール部材６３を、シリンダ支持体５０と、シリンダ固定キャップ５６との間にはキャップ側シール部材６１を介在させる。
【００６１】
これらの手順によって、高温側シリンダ１０１を、スターリングエンジン本体の基板１１５へ、シリンダ支持体５０及びシリンダ固定キャップ５６を介して間接的に固定することができる。その後、高温側シリンダ１０１内に高温側ピストン１０２を組み込んだり、高温側ピストン１０２とクランク軸１１０とをコンロッド１０９で連結したりすることによって、スターリングエンジン１００を完成させる。
【００６２】
以上、本発明では、シリンダ本体の径方向は、金属等の延性材料で構成したシリンダ支持体の内面と、ガラス等の脆性材料で構成したシリンダ本体の外面との間に弾性部材を介在させることによって、シリンダ本体をシリンダ支持体で支持する。また、ピストンの往復運動方向においては、シリンダ支持体の端部に取り付けたピストン固定キャップによって、シリンダ本体をシリンダ支持体に固定する。
【００６３】
このような構成により、ピストン機関本体に対するシリンダ本体の組み付け精度、及びピストンに対するシリンダ本体の組み付け精度を確保して、ピストンとシリンダ本体との関係に発生するずれを極めて低減できる。そして、延性材料のシリンダ支持体を介して間接的にシリンダ本体を固定するので、ガラスのような脆性材料で構成したピストン本体であってもピストン機関の本体へ固定することができる。また、ガラスのシリンダ本体と金属製のピストン機関本体との熱膨張に起因するシリンダ本体の破損の危険性を極小にできる。
【００６４】
また、弾性部材を介してシリンダ本体をシリンダ支持体に固定するので、ピストンに対するシリンダ本体の組み付け精度を確保して、ピストンとシリンダ本体との関係に発生するずれを極めて小さくできる。また、金属とガラスとの組み合わせのように熱膨張係数が大きく異なる材料同士であっても、前記弾性部材によって熱膨張差を吸収できるので、かかる熱膨張差に起因するシリンダ本体の破損を抑制することができる。さらに、弾性部材を介してシリンダ本体をシリンダ支持体に固定するので、シリンダ支持体の接触によるシリンダ本体の破損のおそれを極小にできる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上のように、本発明に係るピストン機関は、スターリングエンジン等のピストン機関に有用であり、特に、シリンダをガラスやセラミックス等の脆性材料で構成したピストン機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例に係るピストン機関であるスターリングエンジンを示す断面図である。
【図２−１】図１の矢印Ａ方向から見た高温側シリンダ及び高温側ピストンの断面図である。
【図２−２】空気軸受の説明図である。
【図３】本発明の実施例に係るスターリングエンジンの利用態様を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例に係るピストン機関が備えるシリンダ支持構造を示す断面図である。
【図５−１】本発明の実施例に係るシリンダ支持体を示す断面図である。
【図５−２】本発明の実施例に係るシリンダ固定体を示す断面図である。
【図５−３】シリンダ本体とシリンダ支持体との間に介在させる弾性部材の他の例を示す説明図である。
【図６−１】シリンダ支持体が固定されるピストン機関の基板を示す断面図である。
【図６−２】シリンダ支持体が固定されるピストン機関の基板を示す断面図である。
【図７−１】本発明の実施例１に係るピストン機関が備えるピストンの支持構造を示す断面図である。
【図７−２】図７−１のＡ−Ａ矢視図である。
【図８−１】本発明の実施例に係るピストン支持体を示す側面図である。
【図８−２】本発明の実施例に係るピストン支持体を示す側面図である。
【図８−３】本発明の実施例に係るピストン支持体を示す側面図である。
【図８−４】本発明の実施例に係るピストン支持体を示す側面図である。
【図８−５】本発明の実施例に係るシリンダを示す断面図である。
【図８−６】図８−５のＡ−Ａ矢視図である。
【図９−１】本発明の実施例に係る高温側シリンダの組立方法を示す説明図である。
【図９−２】本発明の実施例に係る高温側シリンダの組立方法を示す説明図である。
【図９−３】本発明の実施例に係る高温側シリンダの組立方法を示す説明図である。
【図９−４】本発明の実施例に係る高温側シリンダの組立方法を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例に係る高温側シリンダの組立手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
５０  シリンダ支持体
５０ｔ１  第１端部
５０ｔ２  第２端部
５０ｐ１  第１端面
５０ｐ２  第２端面
５６  シリンダ固定キャップ
６０  基板側シール部材
６１  キャップ側シール部材
６２  基板側シリンダシール部材
６３  キャップ側シリンダシール部材
６４  Ｏリング
１００  スターリングエンジン
１０１  高温側シリンダ
１０２  高温側ピストン
１０３  低温側シリンダ
１０４  低温側ピストン
１１５  基板
１１５ｏ  開口部
１１６ｓ  シリンダシール面
１２０  内燃機関
１２２  排気通路
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図５−３】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図８−３】
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【図８−４】
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【図８−５】
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【図８−６】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図９−３】
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【図９−４】
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【図１０】
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