(57)【要約】【課題】脆性材料で製造したピストンの破損の危険性を最小限に抑えて、ピストンとコンロッドとを連結すること。【解決手段】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いる。第１ピストン支持部１０1ａと、第２ピストン支持部１０2ａとには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、両者が直接接触することを防止する。また、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。【選択図】        図４−１
2005106025.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、
円筒状の胴部と、当該胴部の一方の端部に設けられて作動流体と接する頂部と、を有するとともに、前記胴部の内面にピストン固定部が設けられたピストンと、
前記ピストン固定部と係合するピストン支持部を有するとともに、前記コンロッドと連結されるピストン支持体と、
前記ピストン支持体と前記胴部の内面との間に介在する径方向支持弾性体と、
を備えることを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
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、
円筒状の胴部と、当該胴部の一方の端部に設けられて作動流体と接する頂部と、を有するとともに、前記胴部の内面にはピストン固定部が設けられたピストンと、
前記ピストン固定部と係合する第１ピストン支持部と、前記ピストンの往復運動方向に対して前記第１支持部と一定の距離を隔てて設けられる第２ピストン支持部と、を有するとともに、前記コンロッドと連結されるピストン支持体と、
前記第１支持部と前記胴部の内面との間に介在する第１径方向支持弾性部体と、
前記第２支持部と前記胴部の内面との間に介在する第２径方向支持弾性部体と、
を備えることを特徴とするピストン機関。
【請求項３】
前記ピストン支持体は、前記第１ピストン支持部と前記第２ピストン支持部とを連結部によって一体化して構成され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】
前記ピストンと前記ピストン固定部とは、熱膨張率が略同一の材料で構成され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】
前記ピストンは、前記胴部の内面に前記第２支持部と係合する第２支持部固定部を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項６】
前記ピストンと前記第２支持部固定部とは、熱膨張率が略同一の材料で構成されることを特徴とする請求項５に記載のピストン機関。
【請求項７】
さらに、前記ピストン支持体と前記ピストンの前記頂部の内側との間に頂部側弾性体を設け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】
前記ピストンは脆性材料で、前記ピストン支持体は延性材料で構成され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】
上記ピストン機関はスターリングエンジンであり、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１〜８のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項１０】
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、前記内燃機関の排熱を回収することを特徴とする請求項９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、脆性材料で製造したピストンに延性材料のコンロッドを連結するピストン機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストンの往復運動を回転運動に変換するためには、クランク軸とピストンとをコンロッドで連結した構造が採用される。かかる構造は、特にガソリンエンジンやディーゼルエンジンのような内燃機関や、ピストン型圧縮機等に広く用いられている。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、圧縮シリンダをガラスで、圧縮ピストンはグラファイトで製造するスターリングエンジンが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１８４６４９号公報  Ｐ６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ピストンとクランク軸とはコンロッドで連結されて、回転運動と往復運動とを相互に変換する。コンロッドは必要な強度を確保するため、一般に延性材料である金属材料で製造される。通常のピストン機関はピストンも金属で製造されるので、ピストンの径方向と平行に配置したピストンピンを介して、ピストンとコンロッドとを連結することが一般的である。
【０００５】
しかし、脆性材料であるグラファイトやガラスで製造したピストンに対しては、従来の固定方法を使用するとピストンの破損を招くおそれが極めて高いので、前記連結方法を使用することはできない。しかしながら、上記特許文献１には、脆性材料のピストンと延性材料のコンロッドとの具体的な連結構造は開示されていない。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガラス、セラミックス、グラファイトその他の脆性材料で製造したピストンの破損の危険性を最小限に抑えて、ピストンとコンロッドとを連結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】
【０００７】
上述した課題を解決するために、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、円筒状の胴部と、当該胴部の一方の端部に設けられて作動流体と接する頂部と、を有するとともに、前記胴部の内面にピストン固定部が設けられたピストンと、前記ピストン固定部と係合するピストン支持部を有するとともに、前記コンロッドと連結されるピストン支持体と、前記ピストン支持部と前記胴部の内面との間に介在する径方向弾性体と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このピストン機関は、弾性部材を介して間接的にピストンをピストン支持体に固定するので、金属製のピストン支持体とガラス製ピストン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、この熱膨張差を吸収できる。その結果、ピストンの破損の危険性を最小限に抑えて、ピストンとコンロッドとを連結できる。
【０００９】
また、次の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、円筒状の胴部と、当該胴部の一方
の端部に設けられて作動流体と接する頂部と、を有するとともに、前記胴部の内面にはピストン固定部が設けられたピストンと、前記ピストン固定部と係合する第１ピストン支持部と、前記ピストンの往復運動方向に対して前記第１支持部と一定の距離を隔てて設けられる第２ピストン支持部と、を有するとともに、前記コンロッドと連結されるピストン支持部体と、前記第１支持部と前記胴部の内面との間に介在する第１径方向弾性部体と、前記第２支持部と前記胴部の内面との間に介在する第２径方向弾性部体と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
このピストン機関は、弾性部材を介して間接的にピストンをピストン支持体に固定するので、金属製のピストン支持体とガラス製ピストン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、この熱膨張差を吸収できる。また、少なくとも二箇所のピストン支持部でピストンを支持するので、より安定してピストンをピストン支持体に固定できる。その結果、ピストンの破損の危険性をさらに低く抑えて、ピストンとコンロッドとを連結できる。
【００１１】
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、前記ピストン支持体は、前記第１ピストン支持部と前記第２ピストン支持部とを連結部によって一体化されることを特徴とする。
【００１２】
このピストン機関は、ピストン支持体を第１支持部と、第２支持部と、両者を連結する連結部とで構成する。これにより、ピストン内部の狭い空間での作業性が向上するので、ピストンの生産性が向上する。
【００１３】
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、前記ピストンと前記ピストン固定部とは、熱膨張率が略同一の材料で構成されることを特徴とする。
【００１４】
このピストン機関は、ピストンと、その内面に設けられるピストン固定部とは熱膨張率が略等しいので、ピストンとピストン固定部との熱膨張差に起因するピストンの破損を低減できる。その結果、ピストンの破損の危険性をさらに低く抑えて、ピストンとコンロッドとを連結できる。
【００１５】
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、前記ピストンは、前記胴部の内面に前記第２支持部と係合する第２支持部固定部を有することを特徴とする。
【００１６】
このピストン機関は、ピストンの往復運動方向において少なくとも二箇所でピストン固定部とピストン支持部とを係合させる。これにより、より確実にピストン支持体でピストンを支持することができる。
【００１７】
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、前記ピストンと前記第２支持部固定部とは、熱膨張率が略同一の材料で構成されることを特徴とする。
【００１８】
このピストン機関は、ピストンと、その内面に設けられるピストン固定部とは熱膨張率が略等しいので、ピストンとピストン固定部との熱膨張差に起因するピストンの破損を低減できる。その結果、ピストンの破損の危険性をさらに低く抑えて、ピストンとコンロッドとを連結できる。
【００１９】
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、さらに、前記ピストン支持体と前記ピストンの前記頂部の内側との間に頂部側弾性体を設けることを特徴とする。
【００２０】
このピストン機関は、ピストン支持体とピストン頂部内面側との間に設けた頂部側弾性体によって、ピストンの往復運動方向におけるピストン支持体の伸びを吸収できる。これにより、ピストンとピストン支持体との熱膨張差に起因するピストンの破損の危険性を低減することができる。その結果、ピストンの破損の危険性をさらに低く抑えて、ピストンとコンロッドとを連結できる。
【００２１】
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、前記ピストンは脆性材料で、前記ピストン支持体は延性材料で構成されることを特徴とする。
【００２２】
このように、ピストンが例えばガラスのような脆性材料であり、ピストン支持体が金属のような延性材料である場合に、本発明は特に好適に適用できる。
【００２３】
また、次の本発明に係るピストン機関は、上記ピストン機関はスターリングエンジンであり、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。
【００２４】
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、ガラスピストン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、ピストンとピストン支持体との熱膨張差に起因するピストンの破損の危険性を低減することができる。これにより、ピストン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。
【００２５】
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、前記内燃機関の排熱を回収することを特徴とする。
【００２６】
このピストン機関では、ピストンとピストン支持体との熱膨張差に起因するピストンの破損の危険性を低減することができるので、ピストン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】
【００２７】
以上説明したように、この発明に係るピストン機関では、弾性部材を介して間接的にピストンをピストン支持体に固定するようにした。これにより、金属製のピストン支持体とガラス製ピストン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、この熱膨張差を吸収できる。その結果、ピストンの破損の危険性を最小限に抑えて、ピストンとコンロッドとを連結できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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、ピストン機関としてスターリングエンジンを例として、これに本発明を適用した場合を説明するが、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。
【実施例１】
【００２９】
図１は、実施例１の本発明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方向から高温側シリンダ及び高温側ピストンを見た断面図である。図２−２は、空気軸受の説明図である。図３は、実施例１の本発明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。このスターリングエンジン１００は、いわゆるα型の直列２気筒スターリングエンジンである。この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。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）。
【００３０】
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。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。
【００３１】
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。
【００３２】
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に、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。
【００３３】
空気軸受１１２を構成するため、図２−２に示すように、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１との間隔ｔｃは、前記高温側ピストン１０２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。
【００３４】
図２−１に示すように、高温側ピストン１０２の往復運動は、コンロッド延長部材１０９ｌ、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。実施例１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、高温側及び低温側ピストン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、本発明に係るピストンの支持構造について説明する。
【００３５】
ピストン機関が備えるピストンから動力を取り出したり、あるいはピストンに動力を与えたりする場合には、上記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。本発明のように、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。
【００３６】
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の値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。
【００３７】
図４−１は、実施例１の本発明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４−２は、図４−１のＡ−Ａ矢視図である。図５−１〜図５−４は、実施例１の本発明に係るピストン支持体を示す側面図である。図５−５は、実施例１の本発明に係るシリンダを示す断面図である。図５−６は、図５−５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。
【００３８】
図４−１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４−２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。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。
【００３９】
図５−１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分割以上で構成してもよい。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、上記ピストン支持部の機能を果たす。
【００４０】
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。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（図５−２）。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（図４−１）よりも小さく構成される。また、図５−１、図５−２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。
【００４１】
図５−３に示すように、第１及び第２ピストン支持部１０1ａ、１０2ａに形成される溝２０（図５−２）には、第１及び第２径方向支持弾性体として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、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、前記第１及び第２径方向支持弾性体は、弾性部材としての機能が達成できればよい。このため、Ｏリング２２の代わりに、図５−４に示すような円状に形成したコイルスプリング２３を使用してもよい。また、Ｏリング２２やコイルスプリング２３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、第１及び第２径方向支持弾性体を構成してもよい。
【００４２】
図４−１に示すように、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が高温側ピストン１０２に固定される。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ほとんどなくなるので、高温側ピストン１０２が熱膨張した場合における破損の危険性を極めて低減できる。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。
【００４３】
図５−５、図５−６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、第１ピストン支持部１０1ａと係合するピストン固定部３０の係合部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とが均一に当接するので、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。
【００４４】
また、図４−１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、ピストン支持体１０が高温側ピストン１０２の往復運動方向に対する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。
【００４５】
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５−５参照）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。
【００４６】
図６−１〜図６−４は、実施例１の変形例に係るピストン支持構造を示す説明図である。図６−１に示すように、ピストン固定部３０と係合する第１ピストン支持部１０1ａを高温側ピストン１０２の裾部１０２ｓへ配置し、第２ピストン支持部１０2ａを高温側ピストン１０２のピストン頂部１０２ｔ側へ配置してもよい。このようにしても、上記構成と同様の効果を得ることができる。また、図６−１に示すように、この構成では高温側ピストン１０２の裾部１０２ｓ側にピストン固定部３０が配置されるので、ピストン固定部３０を高温側ピストン１０２の内面に取り付ける作業が容易になる。
【００４７】
また、図６−２に示すように、高温側ピストン１０２の内面に、裾部１０２ｓへ配置した第２ピストン支持部１０2ａと係合する、第２支持部固定部３２をさらに設け、ピストン固定部３０とともに高温側ピストン１０２を固定するようにしてもよい。このようにすれば、２箇所で高温側ピストン１０２を支持させることになるので、より確実に高温側ピストン１０２をピストン支持体１０に支持させることができる。
【００４８】
また、ピストン支持体１０は、少なくとも高温側ピストン１０２内部に設けられたピストン固定部３０と係合するピストン支持部（実施例１では第１ピストン支持部１０1ａ）を備えていればよく、必ずしも第１及び第２ピストン支持部１０1ａ、１０2ａを備える必要はない。例えば、図６−３に示すピストン支持体１１のように、単独のピストン支持部１１ａを高温側ピストン１０２内のピストン固定部３０に係合させることで、高温側ピストン１０２を支持してもよい。この構成は、高温側ピストン１０２の全長Ｌが短く、裾部１０２ｓにおける支持が必要ない場合に適している。また、このときには、図６−４に示すように、ピストン支持部１１ａを高温側ピストン１０２の裾部１０２ｓ側に配置してもよい。このように、ピストン支持部１１ａを単独とすれば、ピストン支持体１１の構成要素を低減できるので、部品点数を削減できる。
【００４９】
また、ピストン支持部の個数は１個又は２個に限定されるものではなく、３個以上のピストン支持部を設けてもよい。例えば、第１ピストン支持部１０1ａと第２ピストン支持部１０2ａとの間に第３ピストン支持部を設けて、ピストン支持体１０をより確実に高温側ピストン１０２内に固定してもよい。このときには、それぞれのピストン支持体に対してピストン固定部を設け、それぞれのピストン支持体と係合させてもよい。
【００５０】
次に、シリンダの固定方法について説明する。上述したように、ピストン機関である本発明のスターリングエンジン１００は、高温及び低温側シリンダ１０１、１０３にも脆性材料であるガラスを使用する。したがって、ガラスの高温及び低温側シリンダ１０１、１０３を、異種材料（例えば金属材料）で構成されたスターリングエンジン１００の本体に固定する場合にも、高温側ピストン１０２等に金属のコンロッドを取り付ける場合と同様の課題が発生する。本発明者らは、かかる課題を解決するため、次のような構成を採用する。
【００５１】
図７は、実施例１の本発明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８−１は、実施例１の本発明に係るシリンダ支持部材を示す断面図である。図８−２は、実施例１の本発明に係るシリンダ固定体を示す断面図である。図８−３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９−１、図９−２は、シリンダ支持部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部材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部材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も同様の構成が適用される。
【００５２】
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）。高温側シリンダ１０１は、円筒状のシリンダ支持部材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。シリンダ支持部材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部材５０の内径ｄｓの方が大きくなっている。また、シリンダ支持部材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。
【００５３】
図８−１に示すように、シリンダ支持部材５０は、第１端部５０ｔ１、第２端部５０ｔ２に雄ねじが切られている。図９−１、図９−２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、作動流体を高温側シリンダ１０１内に導入するとともに、シリンダ支持部材５０を取り付けるための開口部１１５ｏが形成されている。図９−１に示すように、この開口部１１５ｏは、シリンダ支持部材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。
【００５４】
また、開口部１１５ｏには、シリンダ支持部材５０の取り付け側に雌ねじが切られており、シリンダ支持部材５０の一方の端部（この実施例では第１端部５０ｔ１、図８−１参照）がここにねじ込まれて、シリンダ支持部材５０が基板１１５に固定される。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の段部１１６に形成されるシリンダシール面１１６ｓとシリンダ支持部材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９−２）。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、シリンダ支持部材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を取り付けるための溝５２を設ける。この実施例では、図９−２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。
【００５５】
図７に示すように、シリンダ支持部材５０の内部には高温側シリンダ１０１が挿入される。そして、シリンダ支持部材５０の第２端部５０ｔ２（図８−１）へシリンダ固定キャップ５６（図８−２）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部材５０に固定する。これによって、高温側シリンダ１０１は、シリンダ支持部材５０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、シリンダ支持部材５０の第２端面５０ｐ２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。
【００５６】
高温側シリンダ１０１をシリンダ支持部材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。
【００５７】
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。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とシリンダ支持部材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。
【００５８】
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、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を介在させることが好ましい。しかし、シリンダ支持部材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、前記基板側及びキャップ側シリンダシール部材６２、６３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。
【００５９】
高温側シリンダ１０１をシリンダ支持部材５０に固定するにあたっては、図７に示すように、シリンダ支持部材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、シリンダ支持部材５０の周方向に向かう溝５４（図８−１）をシリンダ支持部材５０の内面に設け、この溝５４にＯリング６４を取り付ける。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とシリンダ支持部材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とシリンダ支持部材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の破損を防止できる。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８−３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。
【００６０】
図１０−１〜図１０−４は、実施例１の本発明に係る高温側ピストンの組立方法を示す説明図である。また、図１１は、実施例１の本発明に係る高温側ピストン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、実施例１の本発明に係る高温側ピストンの組立方法を説明する。まず、高温側ピストン１０２内に頂部側弾性部材２４を配置する（ステップＳ１０１、図１０−１）。次に、第１ピストン支持部１０1ａの溝２０に弾性部材であるＯリング２２を取り付けた第１ピストン支持体１０1を高温側ピストン１０２内へ挿入する（ステップＳ１０２、図１０−２）。
【００６１】
次に、高温側ピストン１０２内にピストン固定部３０を接着し、ピストン固定部３０を介して第１ピストン支持体１０1を高温側ピストン１０２に固定する（ステップＳ１０３、図１０−３）。このとき、ピストン固定部３０の係合部３０ｐを、第１ピストン支持部１０1ａに当接させるようにしてピストン固定部３０を接着する。第１ピストン支持体１０1を高温側ピストン１０２に固定したら、第１ピストン支持体１０1の軸部１０1ｓに、第２ピストン支持体１０2をボルト３で固定して（ステップＳ１０４、図１０−４）、高
温側ピストン１０２が完成する。ここで、第２ピストン支持体１０2は、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。その後、コンロッド連結部１０2ｃにコンロッド延長部材１０９ｌ（図１参照）を取り付け、また、高温側シリンダ１０１内に高温側ピストン１０２を組み込む等することによって、スターリングエンジン１００を完成させる。
【００６２】
以上、実施例１及びその変形例に係る本発明では、ピストンの径方向においては、ガラス等の脆性材料で構成したピストン内面と金属製の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においては、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。これによって、金属製のピストン支持体を介してガラスのような脆性材料で構成したピストンから動力を取り出すこと等ができる。
【００６３】
また、弾性部材を介してピストン支持体を間接的にピストンに固定するので、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、この熱膨張差を吸収できるのでピストン支持体をピストンに固定することができる。さらに、弾性部材を介してピストン支持体をピストンに固定するので、ピストン支持体の接触によるピストンの破損のおそれを極小にできる。また、ピストンと、その内部に配置されるピストン固定部とを、熱膨張率が略等しい材料で構成するので、両者の熱膨張差に起因するピストンの破損のおそれを極小にできる。なお、上記実施例で開示した本発明の構成は、次の実施例においても適宜適用することができる。
【実施例２】
【００６４】
図１２−１、図１２−２、図１２−３は、実施例２の本発明に係るピストン機関が備えるピストン支持構造を示す説明図である。なお、図１２−２は、図１２−１のＡ−Ａ矢視図である。図１３−１は、実施例２の本発明に係るピストン支持体の構造を示す側面図である。図１３−２は、実施例２の本発明に係るピストン支持体の構造を示す平面図である。このピストン支持構造は、上記実施例１に係るピストン支持構造と略同一の構成であるが、ピストン固定部をピストンと一体で形成するとともに、ピストン支持体の第１ピストン支持部に切り欠きを形成して、当該切り欠きにピストン固定部を通過させた後第１ピストン支持部を回転させて、高温側ピストンにピストン支持体を固定する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【００６５】
図１２−１に示すように、高温側ピストン１０２'の内面には、ピストン固定部３１が高温側ピストン１０２'と一体で形成されている。また、図１３−１、図１３−２に示すように、ピストン支持体１２を構成する第１ピストン支持体１２1の第１ピストン支持部１２1ａには複数の切り欠き１２1ａｃが形成されている。第１ピストン支持体１２1を高温側ピストン１０２'に取り付けるときには、この切り欠き１２1ａｃ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３１を通過させる。その後、第１ピストン支持部１２1ａをその周方向に回転させて、第１ピストン支持部１２1ａの係合部１２1ａｄとピストン固定部３１とを係合させることにより、高温側ピストン１０２'内に第１ピストン支持体１２1を固定する（図１２−２）。なお、図１３−２は、図１３−１を矢印Ｂ方向から見た図である。
【００６６】
図１２−３に示すように、第１ピストン支持部１２1ａの係合部１２1ａｄにはテーパーＴがつけられており、第１ピストン支持部１２1ａをその周方向に回転させると、ピストン固定部３１に係合部１２1ａｄが嵌り込んで固定される。なお、テーパーはピストン固定部３１に形成してもよい。このように、実施例２の本発明に係るピストン支持体１２は、第１ピストン支持部１２1ａを回転させるだけでこれを高温側ピストン１０２'内に固定
することができるので、第１ピストン支持部１２1ａを容易に固定することができる。
【００６７】
また、第１ピストン支持部１２1ａを固定方向とは反対方向に回転させれば、ピストン支持体１２を高温側ピストン１０２'から取り外すこともできる。これにより、高温側ピストン１０２'やピストン支持体１２等が破損等した場合であっても容易に修理することができる。なお、上記実施例１に係る高温側ピストン１０２、すなわち、ピストン固定部３１を別体として高温側ピストン１０２に取り付けた構造に対しても、このピストン支持体１２を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
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、ピストン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】
【００６９】
【図１】実施例１の本発明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方向から高温側シリンダ及び高温側ピストンを見た断面図である。
【図２−２】空気軸受の説明図である。
【図３】実施例１の本発明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４−１】実施例１の本発明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４−２】図４−１のＡ−Ａ矢視図である。
【図５−１】実施例１の本発明に係るピストン支持体を示す側面図である。
【図５−２】実施例１の本発明に係るピストン支持体を示す側面図である。
【図５−３】実施例１の本発明に係るピストン支持体を示す側面図である。
【図５−４】実施例１の本発明に係るピストン支持体を示す側面図である。
【図５−５】実施例１の本発明に係るシリンダを示す断面図である。
【図５−６】図５−５のＡ−Ａ矢視図である。
【図６−１】実施例１の変形例に係るピストン支持構造を示す説明図である。
【図６−２】実施例１の変形例に係るピストン支持構造を示す説明図である。
【図６−３】実施例１の変形例に係るピストン支持構造を示す説明図である。
【図６−４】実施例１の変形例に係るピストン支持構造を示す説明図である。
【図７】実施例１の本発明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８−１】実施例１の本発明に係るシリンダ支持部材を示す断面図である。
【図８−２】実施例１の本発明に係るシリンダ固定体を示す断面図である。
【図８−３】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９−１】シリンダ支持部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９−２】シリンダ支持部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１０−１】実施例１の本発明に係る高温側ピストンの組立方法を示す説明図である。
【図１０−２】実施例１の本発明に係る高温側ピストンの組立方法を示す説明図である。
【図１０−３】実施例１の本発明に係る高温側ピストンの組立方法を示す説明図である。
【図１０−４】実施例１の本発明に係る高温側ピストンの組立方法を示す説明図である。
【図１１】実施例１の本発明に係る高温側ピストンの組立手順を示すフローチャートである。
【図１２−１】実施例２の本発明に係るピストン機関が備えるピストン支持構造を示す説明図である。
【図１２−２】実施例２の本発明に係るピストン機関が備えるピストン支持構造を示す説明図である。
【図１２−３】実施例２の本発明に係るピストン機関が備えるピストン支持構造を示す説明図である。
【図１３−１】実施例２の本発明に係るピストン支持体の構造を示す側面図である。
【図１３−２】実施例２の本発明に係るピストン支持体の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０、１１、１１ａ、１２  ピストン支持体
１０1、１１1、１２1  第１ピストン支持体
１０1ａ、１２1ａ  第１ピストン支持部
１０1ｓ  軸部
１０2  第２ピストン支持体
１０2ａ  第２ピストン支持部
１０2ｃ  コンロッド連結部
１２1ａｄ  係合部
２２  Ｏリング
２４  頂部側弾性部材
３０、３１  ピストン固定部
３０ｐ  係合部
３２  第２支持部固定部
４０  接着剤
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
【図１】
2005106025.tif 000003
【図２−１】
2005106025.tif 000004
【図２−２】
2005106025.tif 000005
【図３】
2005106025.tif 000006
【図４−１】
2005106025.tif 000007
【図４−２】
2005106025.tif 000008
【図５−１】
2005106025.tif 000009
【図５−２】
2005106025.tif 000010
【図５−３】
2005106025.tif 000011
【図５−４】
2005106025.tif 000012
【図５−５】
2005106025.tif 000013
【図５−６】
2005106025.tif 000014
【図６−１】
2005106025.tif 000015
【図６−２】
2005106025.tif 000016
【図６−３】
2005106025.tif 000017
【図６−４】
2005106025.tif 000018
【図７】
2005106025.tif 000019
【図８−１】
2005106025.tif 000020
【図８−２】
2005106025.tif 000021
【図８−３】
2005106025.tif 000022
【図９−１】
2005106025.tif 000023
【図９−２】
2005106025.tif 000024
【図１０−１】
2005106025.tif 000025
【図１０−２】
2005106025.tif 000026
【図１０−３】
2005106025.tif 000027
【図１０−４】
2005106025.tif 000028
【図１１】
2005106025.tif 000029
【図１２−１】
2005106025.tif 000030
【図１２−２】
2005106025.tif 000031
【図１２−３】
2005106025.tif 000032
【図１３−１】
2005106025.tif 000033
【図１３−２】
2005106025.tif 000034