(57)【要約】【課題】小型化が実現し易く、他の部品の組付け性に悪影響を与え難いバランスウェイトを有するスターリングエンジンを提供する。【解決手段】α型２気筒スターリングエンジン１０であって、クランクシャフト６１における高温側パワーピストン２０側及び低温側パワーピストン３０側のいずれか一方のみにバランスウェイト９０が設けられている。スターリングエンジンの小型化が実現し易く、また、ベアリング９５ｃのようなクランクシャフトを挿通させて組付ける部品の組付け性への悪影響が抑制される。前記クランクシャフトには、単一の前記バランスウェイトが設けられている。組み付けに際してクランクシャフトを挿通させる部品（ベアリングやコネクティングロッド６５など）の組付け性に悪影響が及ぶことが抑制される。バランスウェイトは、前記クランクシャフトにおいて、前記クランクシャフトと前記高温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部と、前記クランクシャフトと前記低温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部との間に設けられている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
α型２気筒スターリングエンジンであって、
クランクシャフトにおける高温側パワーピストン側及び低温側パワーピストン側のいずれか一方のみにバランスウェイトが設けられている
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
請求項１記載のスターリングエンジンにおいて、
前記クランクシャフトには、単一の前記バランスウェイトが設けられている
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスターリングエンジンにおいて、
前記バランスウェイトは、前記クランクシャフトにおいて、前記クランクシャフトと前記高温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部と、前記クランクシャフトと前記低温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部との間に設けられている
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のスターリングエンジンにおいて、
前記高温側パワーピストン及び前記低温側パワーピストンが直列に配置され、
冷却器と再生器と加熱器とを有する熱交換器とを備え、
前記熱交換器は、前記高温側パワーピストンの第１シリンダと前記低温側パワーピストンの第２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
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項５】
請求項４記載のスターリングエンジンにおいて、
前記加熱器は、前記第１シリンダと前記第２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、前記冷却器及び前記再生器は、前記第２シリンダの延在方向に沿う直線状に構成されている
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のスターリングエンジンにおいて、
前記スターリングエンジンの出力は、前記高温側パワーピストンの第１シリンダ内の第１ピストンと前記低温側パワーピストンの第２シリンダ内の第２ピストンとに共通に接続された駆動軸を介して取り出され、
前記第１ピストンが上死点にあるときの前記第１ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離は、前記第２ピストンが上死点にあるときの前記第２ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離よりも大きくなるように構成されている
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項７】
請求項６記載のスターリングエンジンにおいて、
前記バランスウェイトは、前記クランクシャフトにおける前記高温側パワーピストン側のみに設けられている
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項８】
請求項６または７に記載のスターリングエンジンにおいて、
前記距離の相違は、前記第１ピストンのピストンピンと前記第１ピストンとを連結する第１連結軸の長さと、前記第２ピストンのピストンピンと前記第２ピストンとを連結する第２連結軸の長さの相違に対応している
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項９】
請求項６または７に記載のスターリングエンジンにおいて、
前記距離の相違は、前記第１ピストンの長さと前記第２ピストンの長さの相違に対応している
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１０】
請求項５から９のいずれか１項に記載のスターリングエンジンにおいて、
前記第１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、前記スターリングエンジンにより回収される排気熱が供給される排気通路に露出するように設けられ、
前記第１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
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載のスターリングエンジンにおいて、
更に、
前記高温側パワーピストンのピストンと前記低温側パワーピストンのピストンの少なくともいずれか一方に直接的又は間接的に連結され、当該連結されたピストンがシリンダ内を往復運動するときに近似直線運動するように設けられた近似直線機構
を備えたことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載のスターリングエンジンと、
車両の内燃機関とを備えたハイブリッドシステムであって、
前記スターリングエンジンは、前記車両に搭載され、
前記スターリングエンジンの加熱器が前記内燃機関の排気系から受熱するように設けられた
ことを特徴とするハイブリッドシステム。
【請求項１３】
請求項１２記載のハイブリッドシステムにおいて、
前記スターリングエンジンの熱交換器は、前記高温側パワーピストンのシリンダ及び前記低温側パワーピストンのシリンダの上部同士を連結し、かつ前記内燃機関の排気管の内径寸法と、前記加熱器の端部と前記加熱器の最上部の距離とが概ね同じ大きさになる構成に合わせて、前記カーブ形状が設定されている
ことを特徴とするハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジンに関し、特に、小型化が実現し易く、他の部品の組付け性に悪影響を与え難いスターリングエンジンに関する。
【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】
特開平８−２１０７１５号公報（特許文献１）には、ウェイトバランスに関する技術的配慮がなされたスターリングエンジンに関する技術が記載されている。この技術によれば、圧縮ピストンおよび膨張ピストンの係止点に対向してクランク軸に、バランスウェイトによって構成されるウェイトバランス機構が配設されている。
【０００４】
また、特開平１０−６１４９２号公報（特許文献２）には、クランクシャフトとバランスウェイトとを一体化した技術が記載されている。この特許文献２には、この技術によれば、クランクシャフトとバランスウェイトとの結合が不要になり、部品点数や組立工数が削減されると共に、バランスウェイト用の鋳造鋳型も不要となる旨が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２１０７１５号公報
【特許文献２】特開平１０−６１４９２号公報
【特許文献３】特開平１−２０００４９号公報
【特許文献４】特開平１０−３１８０４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、スターリングエンジンの装置規模（全体構成）の小型化が要求される場合がある。特に、このスターリングエンジンが例えば車両の内燃機関の排気ガスのような排熱を熱源として作動する場合には、車両の床下に配される内燃機関の排気管に隣接するスペースのように、限られた空間にスターリングエンジンを搭載しなくてはならない場合がある。その場合、スターリングエンジンの装置規模は、コンパクトに抑えられる必要がある。
【０００７】
コンパクト化の要請があるスターリングエンジンに対して、バランスウェイトが設けられる場合、その配置に工夫が施されなければ、コンパクト化の実現が困難になる上に、他の部品の組付けが難しくなるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、スターリングエンジンの小型化が実現し易く、他の部品の組付け性に悪影響を与え難いバランスウェイトを有するスターリングエンジン及びハイブリッドシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のスターリングエンジンは、α型２気筒スターリングエンジンであって、クランクシャフトにおける高温側パワーピストン側及び低温側パワーピストン側のいずれか一方のみにバランスウェイトが設けられていることを特徴としている。
【００１０】
上記本発明によれば、スターリングエンジンの小型化が実現し易く、また、ベアリングのようなクランクシャフトを挿通させて組付ける部品の組付け性への悪影響が抑制される。
【００１１】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記クランクシャフトには、単一の前記バランスウェイトが設けられていることを特徴としている。
【００１２】
上記本発明によれば、組み付けに際してクランクシャフトを挿通させる部品（ベアリングやコネクティングロッドなど）の組付け性に悪影響が及ぶことが抑制される。
【００１３】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記バランスウェイトは、前記クランクシャフトにおいて、前記クランクシャフトと前記高温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部と、前記クランクシャフトと前記低温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部との間に設けられていることを特徴としている。
【００１４】
上記本発明によれば、前記クランクシャフトと前記高温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部と、前記クランクシャフトと前記低温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部との間に、バランスウェイトが設けられるため、回転するクランクシャフトを支持する際に支持中心の近傍で重量の不釣合いが是正されることになり、効果的である。
【００１５】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記高温側パワーピストン及び前記低温側パワーピストンが直列に配置され、冷却器と再生器と加熱器とを有する熱交換器とを備え、前記熱交換器は、前記高温側パワーピストンの第１シリンダと前記低温側パワーピストンの第２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。
【００１６】
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。
【００１７】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記加熱器は、前記第１シリンダと前記第２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、前記冷却器及び前記再生器は、前記第２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。
【００１８】
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、冷却器及び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。
【００１９】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記スターリングエンジンの出力は、前記高温側パワーピストンの第１シリンダ内の第１ピストンと前記低温側パワーピストンの第２シリンダ内の第２ピストンとに共通に接続された駆動軸を介して取り出され、前記第１ピストンが上死点にあるときの前記第１ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離は、前記第２ピストンが上死点にあるときの前記第２ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離よりも大きくなるように構成されていることを特徴としている。
【００２０】
上記本発明によれば、その相違を利用して、第１シリンダの上部を例えば車両の排気管の内部のように受熱可能な領域に配置するとともに、冷却器及び第２シリンダは、受熱可能な領域の外に配置することが容易である。
【００２１】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記バランスウェイトは、前記クランクシャフトにおける前記高温側パワーピストン側のみに設けられていることを特徴としている。
【００２２】
上記本発明によれば、高温側パワーピストン側のコネクティングロッドで支持する重量の方が低温側パワーピストンのコネクティングロッドで支持する重量に比べて重いため、バランスウェイトは、クランクシャフトにおける高温側パワーピストン側のみに設けられていると、有効に不釣合重量を是正することができる。また、スターリングエンジンの大きさが低温側パワーピストン側の大きさによって決まる場合には、バランスウェイトは、クランクシャフトにおける高温側パワーピストン側のみに設けられていると、スターリングエンジンの全体の大きさに与える影響を最小限に抑制しつつ、バランスウェイトの配置スペースを確保することができる。
【００２３】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記距離の相違は、前記第１ピストンのピストンピンと前記第１ピストンとを連結する第１連結軸の長さと、前記第２ピストンのピストンピンと前記第２ピストンとを連結する第２連結軸の長さの相違に対応していることを特徴としている。本発明によれば、簡易な構成で上記発明を構成することができる。
【００２４】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記距離の相違は、前記第１ピストンの長さと前記第２ピストンの長さの相違に対応していることを特徴としている。
【００２５】
上記本発明によれば、第１ピストンの長さを長く形成することで、第１ピストンの頂面側を受熱可能な領域に配置し、第１ピストンの頂面側から離間する方向に温度勾配を大きく持たせ、頂面側に比べて相対的に温度の低く熱膨張の影響がない第１ピストンの頂面側から離間した位置にて第１のシリンダとの間をシールさせることができる。
【００２６】
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記第１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、前記スターリングエンジンにより回収される排気熱が供給される排気通路に露出するように設けられ、前記第１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。
【００２７】
上記本発明によれば、排気通路内において、前記第１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、排気通路を流れる熱源となる流体の流動に対して流動抵抗が抑制される。
【００２８】
本発明のスターリングエンジンにおいて、更に、前記高温側パワーピストンのピストンと前記低温側パワーピストンのピストンの少なくともいずれか一方に直接的又は間接的に連結され、当該連結されたピストンがシリンダ内を往復運動するときに近似直線運動するように設けられた近似直線機構を備えたことを特徴としている。
【００２９】
本発明のハイブリッドシステムは、上記本発明のスターリングエンジンと、車両の内燃機関とを備えたハイブリッドシステムであって、前記スターリングエンジンは、前記車両に搭載され、前記スターリングエンジンの加熱器が前記内燃機関の排気系から受熱するように設けられたことを特徴としている。
【００３０】
本発明のハイブリッドシステムにおいて、前記スターリングエンジンの熱交換器は、前記高温側パワーピストンのシリンダ及び前記低温側パワーピストンのシリンダの上部同士を連結し、かつ前記内燃機関の排気管の内径寸法と、前記加熱器の端部と前記加熱器の最上部の距離とが概ね同じ大きさになる構成に合わせて、前記カーブ形状が設定されていることを特徴としている。
【００３１】
本発明では、例えば以下の構成が採用される。
（１）排気熱回収用スターリングエンジンにおいて、高温側シリンダ側または低温側シリンダ側のいずれか一方にのみバランスウェイト（カウンタウェイト）が設けられている構成。
（２）上記（１）において、バランスウェイトの数は１つのみである構成。
（３）上記（１）又は（２）において、バランスウェイトは、アンバランス重量が大きなシリンダ側（高温側シリンダ側）に配置される構成。
【００３２】
本発明の排気熱回収用スターリングエンジンでは、エンジンサイズを可能な限りコンパクトにするという課題がある。そのコンパクト化のためには、エンジン全高、全幅を限界まで追い込む必要がある。そこで、本発明では、低温側シリンダ側のカウンタウェイトをなくし、ピストンが近似直線リンクに干渉しない限界まで全長を短くする。ベアリングの組付け性を考えて、カウンタウェイトは、熱交換器の構成上、スペースがあり、かつ不釣合重量の大きな高温側シリンダ側に１つのみ配置する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のスターリングエンジンによれば、小型化が実現し易く、他の部品の組付け性に悪影響が及び難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明のスターリングエンジンの一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態のスターリングエンジンを示す正面図である。図１に示すように、本実施形態のスターリングエンジンは、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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ことができる。
【００４３】
排気管１００のフランジ１００ｆに対して、断熱材（スペーサ、図示せず）を介して、基板４２が固定されている。基板４２には、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が固定されている。また、基板４２には、再生器４６の側面（外周面）４６ｃに設けられたフランジ４６ｆが固定されている。
【００４４】
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６１（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６１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。
【００４５】
スターリングエンジン１０は、車両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、車両の床面（図示せず）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、水平方向に往復動される。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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４７ｔａ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４７ｔｂ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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
加熱器４７において高温側シリンダ２２との接続部分（横断面形状）は、高温側シリンダ２２の上部（加熱器４７との接続部分）の開口形状（真円）と同じ形状・大きさとされている。同様に、加熱器４７において再生器４６との接続部分は、再生器４６の上面と同じ形状・大きさとされている。即ち、加熱器４７、再生器４６の断面形状は、高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２の開口形状と同じ形状・大きさに形成されている。この構成により、作動流体の流路抵抗（流通抵抗）が低減される。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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４７ｔａから第２端部４７ｔｂ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４７ｔａと反対側の第２端部４７ｔｂ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４７ｔｂ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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、車両の床下に配される内燃機関の排気管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４７ｔａ、４７ｔｂのそれぞれから、クランクシャフト６１（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。
【００５８】
この場合、加熱器４７の第１及び第２端部４７ｔａ、４７ｔｂのそれぞれから、クランクシャフト６１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。
【００５９】
ここで、本実施形態では、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。
【００６０】
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。
【００６１】
以上のことから、本実施形態では、カウンタウェイト９０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、スターリングエンジン１０全体の上下方向の大きさに影響を与えることなくスペースを確保可能な高温側シリンダ２２側にカウンタウェイト９０が設けられている。そのカウンタウェイト９０の配置と数については、後述する。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
排気管１００内の排ガス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４７の全てを過不足なく排気管１００内に収容するとともに、排気ガスから受熱しないように冷却器４５を排気管１００の外に出す構成が必要である。このことから、排気管１００においてスターリングエンジン１０が取り付けられるフランジ１００ｆを基準にすると、少なくとも冷却器４５の高さ分だけ低温側シリンダ３２の取付位置は、高温側シリンダ２２よりも低い位置となる。即ち、低温側シリンダ３２の上部に形成される圧縮空間の位置は、高温側シリンダ２２の上部に形成される膨張空間の位置よりも低い位置となり、圧縮ピストン３１の上死点は、膨張ピストン２１の上死点の位置よりも低い位置となる。
【００６６】
本実施形態では、圧縮ピストン３１と膨張ピストン２１の上死点の位置を変えるために、各ピストンピン６０ａ、６０ｂとそれぞれのピストン３１、２１との間を、長さの異なる延長部（ピストン支柱部）６４ｂ、６４ａで連結している。膨張ピストン２１の上死点の位置の方が圧縮ピストン３１の上死点の位置よりも高い分だけ、膨張ピストン２１に連結される延長部６４ａは、圧縮ピストン３１に連結される延長部６４ｂよりも長さが長い。
【００６７】
本実施形態では、膨張ピストン２１自体と圧縮ピストン３１自体の高さ（各ピストン２１，３１の上面と各ピストン２１，３１における延長部６４ａ、６４ｂとの連結点２１ｃ、３１ｃとの間の距離）は同じになるように構成されていることから、長さの異なる延長部６４ａ、６４ｂを用いて各ピストン２１，３１の上死点の位置を変えている。この構成に代えて、膨張ピストン側と圧縮ピストン側とで延長部自体の長さは同じにし、膨張ピストン自体と圧縮ピストン自体の高さを変えるようにして構成することで、膨張ピストンと圧縮ピストンの上死点の位置を変える構成を採ることもできる。このように、膨張ピストン自体の上下方向の長さを圧縮ピストン自体に比べて大きくする技術的意義について次に説明する。
【００６８】
スターリングエンジン１０の効率の低下を抑制するため、高温側パワーピストン２０における膨張空間以外の空間及び低温側のパワーピストン３０における圧縮空間以外の空間、即ち、高温側パワーピストン２０及び低温側のパワーピストン３０のそれぞれにおけるクランクシャフト６１の周辺の空間は、常温に保たれる必要がある。そのため、膨張空間の高温の作動流体がクランクシャフト６１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６１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）。
【００６９】
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、上記のように、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することができる。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ることができる。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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４７ｔａ、４７ｔｂ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。
【００７４】
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。
【００７５】
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４７ｔｂ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４７ｔａ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４７ｔａ及び第２端部４７ｔｂ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。
【００７６】
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。
【００７７】
次に、上記のように、カウンタウェイト９０の配置と数について説明する。
【００７８】
本実施形態のスターリングエンジン１０では、単一のカウンタウェイト９０が、クランクシャフト６１のうち高温側パワーピストン２０側に収用された部分であって、高温側パワーピストン２０と低温側パワーピストン３０との間（中央部）の近傍に設けられている。即ち、カウンタウェイト９０は、クランクシャフト６１のうち高温側パワーピストン２０側に収用された部分であって、高温側パワーピストン２０のコネクティングロッド６５ａがクランクシャフト６１に接続された部分と、低温側パワーピストン３０のコネクティングロッド６５ｂがクランクシャフト６１に接続された部分との間に、１つのみ配設されている。カウンタウェイト９０は、クランクシャフト６１に対して別部材としてではなく、同体として一体的に設けられている。
【００７９】
上記のように、本実施形態では、圧縮ピストン３１と膨張ピストン２１の上死点の位置を変える技術的意義があり、それらの上死点の位置を変えるために、各ピストンピン６０ａ、６０ｂとそれぞれのピストン３１、２１との間を、長さの異なる延長部（ピストン支柱部）６４ｂ、６４ａで連結している。膨張ピストン２１の上死点の位置の方が圧縮ピストン３１の上死点の位置よりも高い分だけ、膨張ピストン２１に連結される延長部６４ａは、圧縮ピストン３１に連結される延長部６４ｂよりも長さが長い。または、この長さの異なる延長部を設ける構成に代えて、上記のように、圧縮ピストン３１の上下方向の長さに比べて、膨張ピストン２１の上下方向の長さが大きくされることもできる。これらのいずれの構成が採用されたとしても、高温側パワーピストン２０のコネクティングロッド６５ａで支持する重量の方が低温側パワーピストン３０のコネクティングロッド６５ｂで支持する重量に比べて、重い。
【００８０】
そのため、クランクシャフト６１においては、高温側パワーピストン２０のコネクティングロッド６５ａがクランクシャフト６１に接続された側の方が、低温側パワーピストン３０のコネクティングロッド６５ｂがクランクシャフト６１に接続された側に比べて、不釣合重量が大きい。このことから、カウンタウェイト９０は、クランクシャフト６１のうち（低温側パワーピストン３０に収容された部分ではなく、）高温側パワーピストン２０に収用された部分に設けられることが有効である。
【００８１】
また、クランクシャフト６１にカウンタウェイト９０を設けると、そのカウンタウェイト９０が設けられた箇所においては、クランクシャフト６１の径方向の大きさが大きくなる（拡径される）。クランクシャフト６１の周囲の各種部材（ピストン２１、３１を含む）は、カウンタウェイト９０に干渉しないように配置される必要があるが、このことは、スターリングエンジン１０の上下方向の長さが大きくなる要因となり易い。上記のように、本実施形態の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側の長さである。このことから、カウンタウェイト９０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制しつつ配置スペースを確保可能であるのは、高温側パワーピストン２０側ということになる。このことも、カウンタウェイト９０が高温側パワーピストン２０側に設けられている理由の一つである。
【００８２】
クランクシャフト６１は、クランクケース４１に対して、３つのベアリング（軸受）９５（９５ａ〜９５ｃ）で回転自在に支持されている。クランクシャフト６１の高温側パワーピストン２０側の端部は、ベアリング９５ａで支持され、クランクシャフト６１の低温側パワーピストン３０側の端部は、ベアリング９５ｂで支持され、クランクシャフト６１の中央部は、ベアリング９５ｃで支持されている。ベアリング９５ａ〜９５ｃは転がりベアリングであることができる。
【００８３】
ここで、回転するクランクシャフト６１を支持する際に支持中心となるのは、クランクシャフト６１の長さ方向の中央部を支持するベアリング９５ｃである。このため、クランクシャフト６１は、ベアリング９５ｃの近傍で重量の不釣合いが是正されることが効果的である。このことから、カウンタウェイト９０は、ベアリング９５ｃの近傍に設けられている。
【００８４】
次に、クランクシャフト６１においてカウンタウェイト９０が設けられるのが一方のパワーピストン側（高温側パワーピストン２０側）のみであり、両方のパワーピストン側（高温側パワーピストン２０側及び低温側パワーピストン３０側）には設けられない理由について説明する。
【００８５】
その理由は、ベアリング９５ｃの組付け性を考慮したものである。図２に示すように、ベアリング９５ａ〜９５ｃの組付けに際しては、クランクケース４１の底面部４１ａが取り付けられる前の状態において、ベアリング９５ａ〜９５ｃをクランクシャフト６１に挿通させるように組み付けられる。この組み付け作業に際して、クランクシャフト６１の各端部に組み付けられるベアリング９５ａ、９５ｂは、クランクシャフト６１に挿通した状態でクランクシャフト６１の長手方向に移動させる必要が無い。そのため、ベアリング９５ａ、９５ｂの組付けに際しては、仮にカウンタウェイト９０が両方のパワーピストンに設けられていても問題は無く、カウンタウェイト９０が一方のパワーピストン側のみに設けられている必要は無い。
【００８６】
これに対して、ベアリング９５ｃにおいては、仮にカウンタウェイトが両方のパワーピストン２０、３０側に設けられているとすると、即ち、図２の例ではカウンタウェイト９０に加えて、カウンタウェイト９０Ｖ１が設けられているとすると、ベアリング９５ｃをクランクシャフト６１の端部から挿通させて、クランクシャフト６１の中央部（ベアリング９５ｃの組付け位置）まで移動させることができない（図の左右のいずれの端部側から挿通させてもカウンタウェイト９０又は９０Ｖ１に干渉してしまう）。そこで、本実施形態では、一方のパワーピストン２０側のみにカウンタウェイト９０を設け、カウンタウェイトが設けられない他方のパワーピストン３０側の端部からベアリング９５ｃを挿通させて、クランクシャフト６１の中央部まで移動ができるようにしている。
【００８７】
なお、この場合、図３に示すように、２つ割（分割型、半割型）のベアリング９７をベアリング９５ｃとして用いれば、クランクシャフト６１に挿通した状態でクランクシャフト６１の長手方向に移動する必要が無く、所定の位置にてベアリング９７を組み付けられることが可能である。そのため、２つ割のベアリング９７を用いた場合には、両方のパワーピストン２０、３０側にカウンタウェイト９０、９０Ｖ１を設けた場合であっても、カウンタウェイト９０、９０ｖ１との干渉が問題となることなく、クランクシャフト６１の中央部に組付けることが可能である。しかしながら、本実施形態のスターリングエンジン１０は、車両の排気ガスを熱源として作動するため、小型であり、クランクシャフト６１の径も小さい（例えば１０ｍｍ）。このような小径のクランクシャフト６１に対して使用されるベアリングであって、分割型のベアリングは、一般に高価であり、コストアップにつながる。本実施形態では、軸受の選択の自由度を増すためにも、ベアリング９５ｃは、分割型ではなく、一般的な一体型のものとする。このことから、クランクシャフト６１においてカウンタウェイト９０が設けられるのは、一方のパワーピストン側（高温側パワーピストン２０側）のみとされる。
【００８８】
次に、クランクシャフト６１においてカウンタウェイト９０の数が単一（１つのみ）とされている理由について説明する。
【００８９】
仮に、図２の符号９０Ｖ２に示すように、一方のパワーピストン側（高温側パワーピストン２０側）に複数のカウンタウェイトが設けられる場合には、クランクシャフト６１に、高温側パワーピストン２０のコネクティングロッド６５ａを組付ける作業性が悪くなる場合が多い。即ち、クランクシャフト６１にコネクティングロッド６５ａが組み付けられる場合には、クランクシャフト６１の高温側パワーピストン２０側の端部からコネクティングロッド６５ａをクランクシャフト６１に挿通させてクランクシャフト６１の長手方向に沿って移動させるが、カウンタウェイト９０Ｖ２があると干渉してしまい、クランクシャフト６１の長手方向に沿って移動させることができない。そのため、カウンタウェイト９０Ｖ２がある場合には、コネクティングロッド６５ａにおけるクランクシャフト６１との接続部分を分割型にする必要があり、コストアップにつながる。このことから、クランクシャフト６１において、コネクティングロッド６５ａの接続部位を挟む位置に、複数のカウンタウェイト９０、９０Ｖ２が設けられることは好ましくなく、カウンタウェイト９０の数は単一とされるべきである。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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（近似直線リンク）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。
【００９９】
以下に、グラスホッパの近似直線機構５０について説明する。
【０１００】
Ａ．ピストン・クランク機構の概要：
図４−１は、従来のスターリングエンジンにおけるピストン・クランク機構を示す説明図であり、図４−２は、本実施形態のスターリングエンジン１０におけるピストン・クランク機構を示す説明図である。図４−１に示すように、従来の機構は、シリンダ１１０と、ピストン１２０と、コネクティングロッド１３０と、クランクシャフト１４０とを備えている。ピストン１２０と、コネクティングロッド１３０は、ピストン１２０の中央部付近においてピストンピン１６０で互いに連結されている。コネクティングロッド１３０とクランクシャフト１４０は、クランクピン１６２で連結されている。ピストン１２０が上下に往復運動すると、クランクシャフト１４０がその軸１４２（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。
【０１０１】
図４−２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。
【０１０２】
スターリングエンジン１０のピストン・クランク機構は、シリンダ３２と、ピストン３１と、コネクティングロッド６５と、クランクシャフト６１とを備えており、さらに近似直線機構５０も備えている。近似直線機構５０は、上述した通り、グラスホッパの近似直線機構である。
【０１０３】
図２及び図４−２に示すように、ピストン３１には、ピストン支柱部６４ｂが接続されている。ピストン３１とピストン支柱部６４ｂとが別体として形成されていている。このピストン３１の下端部とピストン支柱部６４の上端部は、ピン６７によって互いに回動可能に連結されている。ピストン支柱部６４は、ピストン支柱部６４の下端においてピストンピン６０で互いに連結されている。コネクティングロッド６５とクランクシャフト６１は、クランクピン６２で連結されている。ピストン３１が上下に往復運動すると、クランクシャフト６１がその軸４０（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。
【０１０４】
近似直線機構５０は、２つの横方向リンク５２，５４と、１つの縦方向リンク５６とを有している。第１の横方向リンク５２の一端は、ピストンピン６０の位置においてピストン支柱部６４の下端に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の一端は、第１の横方向リンク５２の中間の所定の位置において第１の横方向リンク５２に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。縦方向リンク５６の一端は、第１の横方向リンク５２のピストンピン６０とは反対側の端部において、第１の横方向リンク５２と回動可能に連結されている。縦方向リンク５６の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。
【０１０５】
図４−１及び図４−２において、黒丸で表されている連結部（駆動軸４０など）は、その軸を中心に回転または回動するが、シリンダ３２との相対位置が変化しない連結点（以下「支点」と呼ぶ）である。また、白丸で表されている連結部（ピストンピン６０など）は、その軸を中心に回転または回動するとともに、シリンダ３２との相対位置が変化する連結点（以下「移動連結点」と呼ぶ）である。ここで、「回転」とは３６０度以上の範囲で回ることを意味しており、「回動」とは、３６０度未満の範囲で回ることを意味している。
【０１０６】
なお、図４−１及び図４−２では、本実施形態のスターリングエンジン１０のうち、ピストン・クランク機構とシリンダ３２以外は図示が省略されている。
【０１０７】
図５の（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図である。図５の（Ａ）は、シリンダ３２と、ピストン３１と、コネクティングロッド６５と、クランクシャフト６１のみを示している。また、図５の（Ｂ）は、近似直線機構５０のみを示している。図５の（Ｃ）は、図４−２に示した機構と同じものであり、図５の（Ａ），（Ｂ）の構成を組合わせたものである。
【０１０８】
図５の（Ａ）〜（Ｃ）においては、以下のように各種の連結点が表されている。
（１）移動連結点Ａ：ピストンピン６０（図４−２）の中心軸。
（２）移動連結点Ｂ：第１の横方向リンク５２の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（３）移動連結点Ｃ：コネクティングロッド６５の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（４）移動連結点Ｍ：第１の横方向リンク５２の中間点にある連結点。
（５）支点Ｐ：クランクシャフト６１の中心軸（駆動軸）。
（６）支点Ｑ：第２の横方向リンク５４の移動連結点Ｍと反対側の端部にある連結点。
（７）支点Ｒ：縦方向リンク５６の移動連結点Ｂと反対側の端部にある連結点。
【０１０９】
移動連結点Ａはピストンピン６０の中心軸であり、ピストン３１の往復運動に伴って上下方向Ｚ（図５の（Ｂ））に沿って移動する。本明細書において、上下方向Ｚとは、シリンダ３２の軸方向中心線（「軸中心」とも呼ぶ）に沿った方向を意味する。移動連結点Ａ，Ｂは、第１の横方向リンク５２の両端の連結点である。移動連結点Ｂは、縦方向リンク５６が支点Ｒを中心に回動するのに伴って、円弧状の軌跡上を移動する。また、この移動連結点Ｂは、第２の横方向リンク５４の支点Ｑの上下方向位置Ｘとほぼ同じ上下方向位置をとるように設定されている。
【０１１０】
なお、仮想的に縦方向リンク５６の長さを無限大に設定し、移動連結点Ｂが、支点Ｑと同一の上下方向位置Ｘ上を直線的に移動するようにすれば、移動連結点Ａは上下方向Ｚに沿って完全な直線に近い運動を行う。現実には、縦方向リンク５６の長さは有限なので、移動連結点Ａは直線運動からわずかにずれた軌跡上を移動する（これについては後述する）。ほぼ完全な直線運動機構は、縦方向リンク５６の代わりに、移動連結点Ｂを直線的に案内するガイド部を採用すれば実現可能であるが、このガイド部と移動連結点Ｂとの摩擦が増大する。従って、摩擦の低減の観点からは、本実施形態の近似直線機構５０の方が完全な直線運動機構よりも好ましい。
【０１１１】
第１の横方向リンク５２の中間にある移動連結点Ｍの位置は、以下の関係を満足するように設定されている。
ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ2
【０１１２】
ここで、ＡＭは連結点Ａ，Ｍ間の距離を意味し、ＱＭは連結点Ｑ，Ｍ間の距離、ＢＭは連結点Ｂ，Ｍ間の距離をそれぞれ意味している。
【０１１３】
図６−１〜図６−４は、ピストン３１の移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示している。近似直線機構５０の３つの移動連結点Ａ，Ｂ，Ｍのうちで、移動連結点Ａ，Ｍはピストン３１の移動に伴ってかなり大きく移動するが、縦方向リンク５６の上端の移動連結点Ｂはあまり移動しないことが解る。図６−１には、近似直線機構５０の形状変化の程度を示す指標として利用できる２つの角度θ、φが示されている。第１の角度θは、横方向Ｘから測った第２の横方向リンク５４の角度∠ＭＱＸである。また、第２の角度φは、上下方向Ｚからの縦方向リンク５６の傾き角で∠ＢＲＺである。これらの角度θ，φの値が取る範囲は、移動連結点Ａの移動範囲（即ちピストン３１のストローク）の設定と、近似直線機構５０の各リンクの長さに依存する。
【０１１４】
上記のように、ピストン３１の下端部とピストン支柱部６４の上端部は、ピン６７によって互いに回動可能に連結されている。この構成では、ピストン支柱部６４の下端の軌跡が直線から多少ずれた場合にも、そのズレが、ピストン３１を傾かせる力として働かない（即ち、ピストン支柱部６４の下端のズレがピストン３１にほとんど影響を与えない）という利点がある。即ち、グラスホッパの機構５０の往復運動時に生じる直線運動からのズレを吸収するために、ピストン３１とピストン支柱部６４とをリジッドにではなく、相対的に移動可能な状態（フリーな状態）で連結する。本実施形態では、一例としてピン６７を用いて連結している。また、ピストンとピストン支柱部とが一体に形成されている場合に比べて、ピストンを近似直線機構及びコネクティングロッドと組み付ける作業が容易になるという利点もある。一方、図示はしないが、ピストン支柱部６４とピストン３１とを一体として構成した場合には、仮に何らかの原因でピストン３１がシリンダ３２に対して傾きかけた場合にも、ピストン支柱部６４が近似直線運動を行うときに、その傾きが矯正されるという利点がある。
【０１１５】
図７−１は、本実施形態におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例を示す説明図であり、図７−２は、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図である。図７−１に示されている寸法は、上述した関係（ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ2）を満足していることが解る。図７−２に示されているように、移動連結点Ａの軌跡は、近似的な直線部分を含んでおり、この近似的な直線部分がピストン３１のストロークの範囲として利用される。このとき、ピストン３１のストロークの範囲は、上死点における直線からのズレ量が、下死点における直線からのズレ量よりも小さくなるように設定される。ここで、「直線からのズレ量」の「直線」とは、シリンダ３２の軸方向中心線を意味している。図７−２の例では、上死点におけるズレ量は約５μｍであり、下死点におけるズレ量は約２０μｍである。なお、この数値は常温で測定したものである。
【０１１６】
上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量が、下死点におけるズレ量よりも小さくなるように設定する理由は、上死点近傍では圧縮空気による力がピストン３１にかかるからである（同様に、高温側パワーピストン２０では、上死点近傍では膨張空気による力がピストン２１にかかるからである）。即ち、上死点におけるズレ量が小さければ、圧縮空気による力によってピストン３１に（又は膨張空気による力によってピストン２１に）かかるスラスト（横方向の力）が小さくなるので、ピストン３１とシリンダ３２（又はピストン２１とシリンダ２２）との摩擦を低減することができる。一方、下死点では圧縮空気による力（又は膨張空気による力）が掛からないので、多少のズレがあっても上死点に比べて摩擦への影響は小さい。
【０１１７】
なお、移動連結点Ａの軌跡における近似的直線部分は、各リンク５２、５４，５６の長さを大きくすることによって大きくすることが可能であるが、リンクを長くすると近似直線機構５０のサイズが大きくなるという問題がある。換言すれば、上死点や下死点における直線からのズレ量と、近似直線機構５０のサイズとは、トレードオフの関係にある。これらの点を考慮すると、ピストン３１の上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量は、常温で測定して約１０μｍ以下になるように近似直線機構５０を構成することが好ましい。また、下死点におけるズレ量は、約２０μｍ以下になるようにすることが好ましい。
【０１１８】
図７−２に示すように、ピストン３１のストロークの範囲を設定した場合には、第２の横方向リンク５４の角度θは、８．８°〜−１７．９°の範囲の値をとる（図７−１）。角度θの最大値（８．８°）は、ピストン３１が上死点にある場合（図６−１）に相当し、最小値（−１７．９°）はピストン３１が下死点にある場合（図６−３）に相当する。縦方向リンク５６の角度φは、０°〜２．２°の範囲の値をとる。角度φの最小値（０°）は、連結点Ｑ、Ａ、Ｍ、Ｂがほぼ一直線上に並ぶ場合に相当し、最大値（２．２°）は、角度θの絶対値が最も大きくなる場合（この例では下死点）に相当する。なお、これらの角度θ、φの値の範囲は、近似直線機構５０の各リンクの寸法と、ピストン３１のストローク範囲の設定に依存する。
【０１１９】
Ｂ．具体的形状例：
図８及び図９は、本実施形態におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示している。上記の通り、ピストン３１は、円柱状に形成されている。ピストン３１の外周面には、ピストンリング用の溝及びピストンリングは設けられていない。ピストン３１の平面視（横断面）形状は、高精度な真円状に形成されている。シリンダ３２は円筒状に形成されており、シリンダ３２の内周部の平面視形状は、高精度な真円状に形成されている。ピストン３１の外周面とシリンダ３２の内周部との間には、上記の通り、空気軸受４８が設けられている。ピストン３１及びシリンダ３２の内周部のそれぞれの平面視形状が高精度な真円状に形成されていることにより、シール性の良い空気軸受４８が実現される。
【０１２０】
ピストンピン６０とピストン３１との間には、ピストンピン６０とピストン３１との間を所定の距離以上確保するために、ピストン支柱部６４が設けられている。ピストン支柱部６４によって、ピストンピン６０とピストン３１との間に所定距離以上開くことによって、ピストン３１が往復移動する際に、ピストン３１と近似直線機構５０が接触しないようにすることができる。
【０１２１】
ピストン支柱部６４の長さは、ピストン３１の上端からピストンピン６０までの長さが、ピストン３１のストロークの約１／２倍以上で１倍未満の範囲の値になるように設定されていることが好ましい。その理由は、ピストン支柱部６４の長さが過度に短いと、上死点において近似直線機構５０がシリンダ３２又はピストン３１に衝突する可能性があるためである。また、ピストン支柱部６４の長さが過度に長いとその重量が増加する分だけエネルギ損失が増すためである。
【０１２２】
図９に示すように、ピストン支柱部６４と、コネクティングロッド６５と、第１、第２の横方向リンク５２、５４とは、ピストン３１が上下動したときにも互いに干渉しないように構成されている。具体的には、図９の例では、ピストン支柱部６４は、シリンダ３２の軸方向中心に設けられており、ピストン支柱部６４の両側が、コネクティングロッド６５の２枚の板状部材で挟まれている。コネクティングロッド６５の外側には、第１の横方向リンク５２の２枚の板状部材が配置されている。これら３種類の部材６４，６５，５２は、ピストンピン６０で連結されている。また、第１の横方向リンク５２の更に外側には、第２の横方向リンク５４の２枚の板状部材が設置されている。即ち、この例では、コネクティングロッド６５と２つの横方向リンク５２、５４とは、端部が２つの板状部材に分かれた二股構造をそれぞれ有しており、中央のピストン支柱部６４を両側から挟むような位置にそれぞれ配置されている。
【０１２３】
図１０は、図８からクランクが回転し、横方向リンク５２、５４が水平になった位置における要部縦断面図であり、図１１は、図１０のＣ−Ｃ断面図である。なお、図１１では、図示の便宜上、コネクティングロッド６５とピストン支柱部６４とにそれぞれハッチングを付している。
【０１２４】
図１０は、図８からクランクが回転し、横方向リンク５２、５４が水平になった位置における要部縦断面図であり、図１１は、図１０のＣ−Ｃ断面図である。なお、図１１では、図示の便宜上、コネクティングロッド６５とピストン支柱部６４とにそれぞれハッチングを付している。
【０１２５】
図１１の構成において、第２の横方向リンク５４の端部は二股構造になっており、他の部材６４，６５，５２，６０の外側に配置されている。そして、近似直線機構が動作する際には、第２の横方向リンク５４の二股構造の間を、第１の横方向リンク５２の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されている。このような構成によれば、コネクティングロッド６５を短くしても、第１の横方向リンク５２の端部と第２の横方向リンク５４の端部とが干渉することが無いので、ピストン・クランク機構の縦方向の寸法の増大を抑制することができる。
【０１２６】
また、図１１に示す構成では、第１の横方向リンクの端部と、ピストン支柱部６４の下端（ピストンの下端）と、コネクティングロッド６５の上端とが、１つのピストンピン６０で連結されている。このような構成によれば、第１の横方向リンク５２とピストン支柱部６４とコネクティングロッド６５とが１つのピストンピン６０で連結されるので、この連結部分の構造が単純になり、コンパクトにできるという利点がある。
【０１２７】
さらに、図１１に示す構成では、第１の横方向リンク５２の端部と、ピストン支柱部６４の下端と、コネクティングロッド６５の上端と、の３つの端部のうち２つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの１つの端部が前記２つの端部の二股構造の中心に配置されている。このような構成によれば、第１の横方向リンク５２とピストン支柱部６４とコネクティングロッド６５との連結部分が対称な形になるので、非対称な形状とすることによるサイドフォースが発生することを防止できるという利点がある。
【０１２８】
以上のように、上述した実施形態や変形例では、ピストン・クランク機構に近似直線機構５０を設けることによって、ピストン３１の下端がシリンダ３２の軸中心に沿った近似的な直線状軌跡を移動するようにしたので、ピストン３１の直線運動精度が高く、ピストン３１のサイドフォースを実質的にゼロにすることが可能となり、ピストン３１とシリンダ３２との間にスラスト方向の耐圧能力の低い空気軸受４８を設けても、問題が生じない。
【０１２９】
グラスホッパの近似直線機構は、近似直線上を移動する点（移動連結点Ａ）が機構の一方の端部近傍に偏っているので、スターリングエンジン１０のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。
【０１３０】
以上に述べた実施形態では、スターリングエンジン１０は、車両の内燃機関の排ガスを熱源とすべく排気管１００に取り付けた構成について説明した。但し、本発明のスターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気管に取り付けられる形式のものに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態を示す正（断）面図である。
【図２】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態の排気熱回収装置におけるカウンタウェイトの組付け性を説明するための図である。
【図３】分割型のベアリングを模式的に示す斜視図である。
【図４−１】従来のピストン・クランク機構を示す説明図である。
【図４−２】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において適用されるピストン・クランク機構を示す説明図である。
【図５】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図である。
【図６−１】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す説明図である。
【図６−２】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す他の説明図である。
【図６−３】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す更に他の説明図である。
【図６−４】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す更に他の説明図である。
【図７−１】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例を示す説明図である。
【図７−２】移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図である。
【図８】本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示す要部縦断面図である。
【図９】図８の状態におけるピストン・クランク機構の要部横断面図である。
【図１０】図８の状態からクランクが回転した位置におけるピストン・クランク機構の要部縦断面図である。
【図１１】図１０の状態におけるピストン・クランク機構の要部横断面図である。
【符号の説明】
【０１３２】
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
４０  駆動軸
４１  クランクケース
４１ａ  底面部
４５  冷却器
４５ａ  冷却器の上面
４６  再生器
４６ａ  再生器の上面
４６ｂ  再生器の下面
４７  加熱器
４７ｔａ  第１端部
４７ｔｂ  第２端部
５０  近似直線機構
６１  クランクシャフト
６４ａ、６４ｂ  延長部
６５ａ、６５ｂ  コネクティングロッド
９０  カウンタウェイト（バランスウェイト）
９５ａ、９５ｂ、９５ｃ  ベアリング
１００  排気管
【図１】
2005207295.tif 000003
【図２】
2005207295.tif 000004
【図３】
2005207295.tif 000005
【図４−１】
2005207295.tif 000006
【図４−２】
2005207295.tif 000007
【図５】
2005207295.tif 000008
【図６−１】
2005207295.tif 000009
【図６−２】
2005207295.tif 000010
【図６−３】
2005207295.tif 000011
【図６−４】
2005207295.tif 000012
【図７−１】
2005207295.tif 000013
【図７−２】
2005207295.tif 000014
【図８】
2005207295.tif 000015
【図９】
2005207295.tif 000016
【図１０】
2005207295.tif 000017
【図１１】
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