(57)【要約】【課題】ピストンの熱膨張が助長されることを防止しつつ、気体潤滑が行われるピストン、シリンダ間に噴出する気体をピストンの内部に好適に取り込むことが可能なスターリングエンジンの気体導入構造を提供する。【解決手段】気体導入構造１は、膨張ピストン２１、高温側シリンダ２２間で気体潤滑を行うスターリングエンジン１０に適用されている。気体導入構造１は、スターリングエンジン１０のうち、膨張ピストン２１の外周部に設けられ、膨張ピストン２１が所定の位置に到達した状態で、膨張ピストン２１の内部とクランクケース６２の内部とを連通状態にし、膨張ピストン２１、高温側シリンダ２２間に噴出する気体をクランクケース６２の内部から膨張ピストン２１の内部に導入する気体導入部２を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換する出力軸が設けられるクランクケースと、を備えるスターリングエンジンに適用され、
前記スターリングエンジンのうち、少なくとも前記ピストンの外周部に設けられ、前記ピストンが所定の位置に到達した状態で、前記ピストンの内部と前記クランクケースの内部とを連通状態にし、前記ピストンの内部から前記ピストンと前記シリンダとの間に噴出する気体を、前記クランクケースの内部から前記ピストンの内部に導入する気体導入部を備えるスターリングエンジンの気体導入構造。
【請求項２】
前記所定の位置を下死点とする請求項１記載のスターリングエンジンの気体導入構造。
【請求項３】
前記気体導入部が、前記ピストンの外周部に設けられるとともに、前記ピストンが下死点に到達した状態で、前記クランクケースの内部に露出するように設けられている請求項２記載のスターリングエンジンの気体導入構造。
【請求項４】
前記スターリングエンジンがα型のスターリングエンジンであり、前記クランクケースの内部を気筒間で区分する隔壁部を備えている請求項１から３いずれか１項記載のスターリングエンジンの気体導入構造。
【請求項５】
前記スターリングエンジンが高温側気筒および低温側気筒を備えるα型のスターリングエンジンであり、前記クランクケースの内部を前記高温側気筒、前記低温側気筒間で区分する隔壁部と、前記隔壁部に設けられ、前記高温側気筒に対応する前記クランクケースの内部の圧力が、前記低温側気筒に対応する前記クランクケースの内部の圧力よりも高くなるように前記クランクケースの内部の圧力を調節可能な圧力調節部と、を備えている請求項１から３いずれか１項記載のスターリングエンジンの気体潤滑構造。
【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の気体導入構造に関する。
【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、スターリングエンジンが注目されてきている。シリンダとの間で気体潤滑を行うピストンを備え、ピストンの内部に気体を導入するとともに、導入した気体をピストン、シリンダ間に噴出する技術が例えば特許文献１から３で開示されている。このほかクランクケースの構造上、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献４で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２１３３７号公報
【特許文献２】特開２００９−１２７５１８号公報
【特許文献３】特開２００７−２７１１４４号公報
【特許文献４】特開２００９−９２０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ピストン、シリンダ間に噴出する気体をピストンの内部に取り込むにあたっては、ピストンの往復運動に伴い発生する気体の圧力変動を利用して取り込むことができる。そしてこれにより、例えばポンプによってピストンの内部に気体を強制的に供給する場合よりも、スターリングエンジンの構成を簡素化することができる。
【０００５】
しかしながら、例えば熱交換によって受熱した高温の作動流体をピストンの内部に取り込む場合には、ピストンの熱変形が助長される虞がある。また、取り込む気体が存在する空間に対し、気体導入口を常時、露出させている場合には、ピストンの内部に取り込んだ気体が圧力変動に応じて逆流しないよう、チェック弁を設ける必要がある。このため、チェック弁を設ける分、コスト面で不利になり易くなったり、チェック弁が抵抗になる分、ピストンの内部に取り込むことが可能な気体の圧力が減少したりする。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑み、ピストンの熱膨張が助長されることを防止しつつ、気体潤滑が行われるピストン、シリンダ間に噴出する気体をピストンの内部に好適に取り込むことが可能なスターリングエンジンの気体導入構造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】
本発明はシリンダと、前記シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換する出力軸が設けられるクランクケースと、を備えるスターリングエンジンに適用され、前記スターリングエンジンのうち、少なくとも前記ピストンの外周部に設けられ、前記ピストンが所定の位置に到達した状態で、前記ピストンの内部と前記クランクケースの内部とを連通状態にし、前記ピストンの内部から前記ピストンと前記シリンダとの間に噴出する気体を、前記クランクケースの内部から前記ピストンの内部に導入する気体導入部を備えるスターリングエンジンの気体導入構造である。
【０００８】
本発明は前記所定の位置を下死点とする構成とすることができる。
【０００９】
本発明は前記気体導入部が、前記ピストンの外周部に設けられるとともに、前記ピストンが下死点に到達した状態で、前記クランクケースの内部に露出するように設けられている構成とすることができる。
【００１０】
本発明は前記スターリングエンジンがα型のスターリングエンジンであり、前記クランクケースの内部を気筒間で区分する隔壁部を備えている構成とすることができる。
【００１１】
本発明は前記スターリングエンジンが高温側気筒および低温側気筒を備えるα型のスターリングエンジンであり、前記クランクケースの内部を前記高温側気筒、前記低温側気筒間で区分する隔壁部と、前記隔壁部に設けられ、前記高温側気筒に対応する前記クランクケースの内部の圧力が、前記低温側気筒に対応する前記クランクケースの内部の圧力よりも高くなるように前記クランクケースの内部の圧力を調節可能な圧力調節部と、を備えている構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ピストンの熱膨張が助長されることを防止しつつ、気体潤滑が行われるピストン、シリンダ間に噴出する気体をピストンの内部に好適に取り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】スターリングエンジンの概略構成図である。
【図２】気体導入構造の説明図である。
【図３】クランク角度に応じた膨張ピストンの位置とクランクケースの内部の圧力との関係を示す図である
【図４】気体導入構造の変形例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【００１５】
図１はスターリングエンジン１０の概略構成図である。スターリングエンジン１０は多気筒（ここでは２気筒）α型のスターリングエンジンである。スターリングエンジン１０は、直列平行に配置された高温側気筒２０および低温側気筒３０を備えている。高温側気筒２０は高温側ピストンである膨張ピストン２１と高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０は低温側ピストンである圧縮ピストン３１と低温側シリンダ３２とを備えている。
【００１６】
スターリングエンジン１０は、出力軸６１とクランクケース６２とを備えている。出力軸６１はピストン２１、３１の往復運動を回転運動に変換する。出力軸６１はピストン２１、３１間に位相差を設けている。具体的には、圧縮ピストン３１が膨張ピストン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を設けている。出力軸６１はクランクケース６２に設けられている。クランクケース６２には、クランクケース６２の内部を気筒２０、３０間で区分する隔壁部６２ａが設けられている。
【００１７】
隔壁部６２ａにはチェック弁６５が設けられている。チェック弁６５は圧力調節部であり、高温側気筒２０に対応するクランクケース６２の内部から低温側気筒３０に対応するクランクケース６２の内部への作動流体の流通を禁止し、その逆の流通を許可するように設けられている。そしてこれにより、高温側気筒２０に対応するクランクケース６２の内部の圧力が、低温側気筒３０に対応するクランクケース６２の内部の圧力よりも高くなるようにクランクケース６２の内部の圧力を調節できるようになっている。
【００１８】
高温側シリンダ２２の上部空間は膨張空間となっている。膨張空間には加熱器４７で加熱された作動流体が流入する。加熱器４７は熱交換器であり、流通する作動流体と図示しない内燃機関の排気との間で熱交換を行う。そしてこれにより、排気から回収した熱エネルギーで作動流体を加熱する。内燃機関の排気はスターリングエンジン１０の高温熱源を構成する。
【００１９】
低温側シリンダ３２の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器４５で冷却された作動流体が流入する。再生器４６は、膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器４６は具体的には、作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばＨｅ、Ｈ２、Ｎ２等の気体を適用することができる。
【００２０】
次にスターリングエンジン１０の動作について説明する。加熱器４７が作動流体を加熱すると、作動流体が膨張し、膨張ピストン２１を圧下する。そしてこれにより、出力軸６１が回転する。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７を通過し、再生器４６に移送される。そして、再生器４６で熱を放出して冷却器４５へと流れる。冷却器４５で冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン３１の上昇に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器４６から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器４７へ流れ込む。そして、再び加熱され、膨張する。スターリングエンジン１０は、かかる作動流体の往復流動を通じて動作する。
【００２１】
本実施例ではスターリングエンジン１０の熱源が内燃機関の排気ガスとなっていることから、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。そこで本実施例では、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。具体的にはスターリングエンジン１０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、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間で気体潤滑を行っている。
【００２２】
気体潤滑ではシリンダ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を空中に浮いた形にする。気体潤滑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。空中に物体を浮上させる気体潤滑には、具体的にはピストン２１、３１とシリンダ２２、３２との間に気体（加圧流体）を噴出させ、発生した静圧によって物体を浮上させる静圧気体潤滑が適用されている。
【００２３】
スターリングエンジン１０では、クランクケース６２内を加圧している。この点、クランクケース６２内を加圧するにあたり、スターリングエンジン１０は加圧ポンプ５１、加圧用配管５２および加圧用開閉弁５３を備えている。加圧ポンプ５１はクランクケース６２内を加圧する。加圧用配管５２は加圧ポンプ５１とクランクケース６２とを接続する。加圧用開閉弁５３は加圧用配管５２に介在するようにして設けられており、クランクケース６２内の加圧の許可、禁止を切り替える。
【００２４】
スターリングエンジン１０では、運転にあたりクランクケース６２内を加圧した場合であっても、ピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２間に形成された微小クリアランスを通じて、膨張空間や圧縮空間に存在する作動流体の平均圧力と、クランクケース６２内に存在する作動流体の平均圧力とが時間経過とともにほぼ等しくなるようになっている。このためスターリングエンジン１０では、クランクケース６２内を加圧することで作動流体を高圧にし、これによってより大きな出力を得られるようにしている。
【００２５】
スターリングエンジン１０にはスターリングエンジンの気体導入構造（以下、気体導入構造）１が適用されている。気体導入構造１は気筒２０、３０にそれぞれ適用されている。気体導入構造１はスターリングエンジン１０が備える複数（ここでは２つ）の気筒２０、３０のうち、少なくともいずれか１つに対して適用することができる。
【００２６】
図２は気体導入構造１の説明図である。図２では、高温側気筒２０における気体導入構造１を示している。また、下死点に位置する膨張ピストン２１を実線で、上死点に位置する膨張ピストン２１を破線で示している。
【００２７】
気体導入構造１は気体導入部２を備えている。気体導入部２は膨張ピストン２１の外周部に設けられている。具体的には、気体導入部２は膨張ピストン２１のスカート下部に設けられている。気体導入部２は膨張ピストン２１の内外を連通する気体導入口を形成している。気体導入部２は膨張ピストン２１の周方向に沿って均等に複数設けられている。
【００２８】
気体導入部２は、膨張ピストン２１が所定の位置に到達した状態で、膨張ピストン２１の内部（具体的には図示しない蓄圧室）とクランクケース６２の内部とを連通状態にする。そして、膨張ピストン２１の内部から図示しない気体噴出孔を介して膨張ピストン２１と高温側シリンダ２２との間に噴出する気体を、クランクケース６２の内部から膨張ピストン２１の内部に導入する。
【００２９】
所定の位置は下死点となっている。そして、気体導入部２は膨張ピストン２１が下死点に到達した状態で、クランクケース６２の内部に露出するように設けられている。クランクケース６２の内部は具体的には隔壁部６２ａによって区分されている内部空間それぞれのうち、気体導入部２が気体を導入する膨張ピストン２１に対応する内部空間となっている。
【００３０】
次に気体導入構造１の作用効果について説明する。なお、ここでは高温側気筒２０における気体導入構造１を例にして作用効果を説明するが、低温側気筒３０における気体導入構造１についても同様である。気体導入構造１では、気体導入部２がクランクケース６２の内部から膨張ピストン２１の内部に気体を導入する。このため、気体導入構造１は例えば膨張空間に存在する作動流体など、高温の作動流体を膨張ピストン２１の内部に導入する場合とは異なり、膨張ピストン２１の熱変形が助長されることを防止できる。同時に、膨張ピストン２１の内部に取り込まれた後、作動流体の体積が温度低下によって減少する分、気体潤滑性能が低くなることも回避できる。
【００３１】
気体導入構造１では、気体導入部２が、膨張ピストン２１が所定の位置に到達した状態で、膨張ピストン２１の内部とクランクケース６２の内部とを連通状態にする。このため、気体導入構造１は膨張ピストン２１の内部とクランクケース６２の内部とが常時連通した状態になることを回避できる。結果、チェック弁を用いることなく、膨張ピストン２１の内部に導入した気体の逆流を防止できる。そしてこれにより、膨張ピストン２１の内部に気体を好適に取り込むことができる。
【００３２】
気体導入構造１は、所定の位置を下死点とすることで、クランクケース６２の内部から膨張ピストン２１の内部に構造上、合理的に気体を導入することができる。また、膨張ピストン２１が下死点に到達した状態で、クランクケース６２の内部に露出するように設けることで、より簡素な構成で気体を導入することができる。また、気体導入部２を膨張ピストン２１の周方向に沿って均等に複数設けることで、気体導入時に膨張ピストン２１に偏った力が作用することを抑制できる。
【００３３】
図３はクランク角度に応じた膨張ピストン２１の位置とクランクケース６２の内部の圧力との関係を示す図である。図３では、クランクケース６２の内部の圧力について、隔壁部６２ａを設けている場合を実線で示すとともに、隔壁部６２ａを設けなかった場合を破線で示している。隔壁部６２ａを設けている場合におけるクランクケース６２の内部の圧力は、膨張ピストン２１に対応する内部空間の圧力を示す。
【００３４】
図３に示すように、隔壁部６２ａを設けなかった場合には、クランクケース６２の内部の圧力が下死点で最大とはならないことがわかる。これに対し、スターリングエンジン１０は隔壁部６２ａを設けることで、隔壁部６２ａを設けなかった場合よりも、平均圧を中心とした圧力の振幅を大きくすることができる。そして、クランクケース６２の内部の圧力を下死点で概ね最大になるように高めることができる。結果、気体潤滑への利用に適したより高圧の気体を膨張ピストン２１の内部に導入することができる。このため、気体導入構造１は隔壁部６２ａを備えているスターリングエンジン１０に好適である。
【００３５】
気体導入構造１は、隔壁部６２ａにチェック弁６５を備えるスターリングエンジン１０に適用されることで、次のように膨張ピストン２１の静圧能力を確保できる点で好適である。すなわち、例えばピストン２１、３１を気体潤滑するにあたり、ピストン２１、３１に同じ流量の作動流体を供給しようとしても、高温になっている膨張ピストン２１内では作動流体が膨張する。結果、圧縮ピストン３１内と比較して、作動流体の量が少なくなる可能性がある。
【００３６】
これに対し、隔壁部６２ａにチェック弁６５を備えるスターリングエンジン１０に適用される気体潤滑構造１では、高温側気筒２０に対応するクランクケース６２内の圧力が、低温側気筒２０に対応するクランクケース６２内の圧力よりも高くなるようにチェック弁６５でクランクケース６２内の圧力を調節できる。このため、熱的に厳しい膨張ピストン２１の静圧能力を高めることで、膨張ピストン２１の静圧能力を確保することができる。
【００３７】
気体導入構造１は、クランクケース６２の内部が加圧されるスターリングエンジン１０に適用されることで、気体潤滑への利用に適したより高圧の気体を膨張ピストン２１の内部に好適に導入することができる。このため、気体導入構造１はクランクケース６２の内部が加圧されるスターリングエンジン１０に好適である。
【００３８】
なお、膨張ピストン２１の熱変形が助長されることを防止するには、例えば圧縮空間から膨張ピストン２１の内部に作動流体を導入することも考えられる。ところが、この場合にはスターリングエンジン１０の構造が複雑化する。この点、気体導入構造１はこのような場合に対しても、膨張ピストン２１の熱変形が助長されることを防止しつつ、簡素な構成で気体を取り込むことができる点で、膨張ピストン２１の内部に気体を好適に取り込むことができる。
【００３９】
次に気体導入構造１の変形例について説明する。図４は気体導入構造１の変形例である気体導入構造１´の説明図である。図４では、高温側気筒２０´における気体導入構造１´を示している。また、下死点に位置する膨張ピストン２１´を実線で、上死点に位置する膨張ピストン２１´を破線で示している。気体導入構造１´は、気体導入構造１の代わりに低温側気筒３０に適用することもできる。
【００４０】
スターリングエンジン１０´は、気体導入構造１の代わりに気体導入構造１´が適用されている点と、これに応じて高温側気筒２０の代わりに高温側気筒２０´を備えるとともに、クランクケース６２の代わりにクランクケース６２´を備えている点以外、スターリングエンジン１０と実質的に同一である。気体導入構造１´は気体導入部２´を備えている。気体導入部２´は、スターリングエンジン１０´のうち、膨張ピストン２１´の外周部を含む部分に設けられている。気体導入部２´は第１の部分導入部２ａと、第２の部分導入部２ｂと、第３の部分導入部２ｃとを備えている。
【００４１】
第１の部分導入部２ａは膨張ピストン２１´の外周部に設けられている。第１の部分導入部２ａは膨張ピストン２１´の内外を連通する第１の部分導入口を形成している。第１の部分導入部２ａは膨張ピストン２１´が所定の位置に到達した状態で、クランクケース６２´の内部に露出しないように設けられている。所定の位置は下死点となっている。
【００４２】
第２の部分導入部２ｂは高温側シリンダ２２´に設けられている。第２の部分導入部２ｂは高温側シリンダ２２´の内外を連通する第２の部分導入口を形成している。第２の部分導入部２ｂは、高温側シリンダ２２´のうち、所定の位置にある場合の膨張ピストン２１´の第１の部分導入部２ａに対向する部分に設けられている。
【００４３】
第３の部分導入部２ｃはクランクケース６２´に設けられている。第３の部分導入部２ｃはクランクケース６２´の内部と第２の部分導入口とを連通する第３の部分導入口を形成している。気体導入部２´は、部分導入部２ｂ、２ｃを直接接続する代わりに、例えば部分導入部２ｂをクランクケース６２´の外部に開口させるとともに、部分導入部２ｂ、２ｃを接続する配管部をさらに備えてもよい。互いに対応する部分導入部２ａ、２ｂ、２ｃを備える気体導入部２´は、膨張ピストン２１´の周方向に沿って均等に複数設けられている。
【００４４】
気体導入構造１´でも、気体導入部２´によって膨張ピストン２１´が所定の位置に到達した状態で、膨張ピストン２１´の内部とクランクケース６２´の内部とを連通状態にし、クランクケース６２´の内部から膨張ピストン２１´の内部に気体を導入することができる。そしてこれにより、膨張ピストン２１´の熱変形が助長されることを防止しつつ、膨張ピストン２１´の内部に気体を好適に取り込むことができる。
【００４５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、気体導入構造は必ずしもα型のスターリングエンジンに限られず、その他のスターリングエンジンに適用されてもよい。また、スターリングエンジンがα型のスターリングエンジンである場合に、スターリングエンジンはクランクケースの内部を気筒間で区分する隔壁部を必ずしも備えていなくてもよい。この場合でも、クランクケースの内部の圧力変動が小さいことに対し、チェック弁の不要化によって取り込み可能な圧力の低下を抑制できる分、ピストンの内部に気体を好適に導入できる。
【符号の説明】
【００４６】
気体導入構造          １、１´
気体導入部            ２、２´
スターリングエンジン  １０、１０´
膨張ピストン          ２１、２１´
高温側シリンダ        ２２、２２´
クランクケース        ６２、６２´
【図１】
2012172672.tif 000003
【図２】
2012172672.tif 000004
【図３】
2012172672.tif 000005
【図４】
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