(57)【要約】【課題】下部ピストンリング１９の温度上昇を抑制して、下部ピストンリング１９の信頼性及び耐久性が向上するスターリングエンジン１のピストン５・２２の提供を目的とする。【解決手段】本発明の第一実施形態に係るスターリングエンジン１のピストンであって、ピストン５の頭頂部５ａと下部ピストンリング用溝５ｂとの間にピストン５の摺動方向に垂直な方向の断面積が最小となるくびれ部５ｅが形成することにより、下部ピストンリング１９に伝達される熱量を減少させることができる。これにより、下部ピストンリング１９の信頼性及び耐久性が向上する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングエンジンのピストンであって、
当該ピストンの頭頂部とピストンリング用溝との間に前記ピストンの摺動方向に垂直な方向の断面積が最小となるくびれ部が形成されるスターリングエンジンのピストン。
【請求項２】
前記くびれ部は、
中空に形成される請求項１に記載のスターリングエンジンのピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
スターリングエンジンのピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温室と低温室とを往復流動する作動媒体を途中部で熱交換器を介して加熱又は冷却し、高温室と低温室とにおいて発生する圧力変動を動力として取り出すスターリングエンジンが公知となっている。スターリングエンジンは、高温室、高温側熱交換器、再生熱交換器、低温側熱交換器、低温室の順に接続されて構成される。低温室内の作動媒体は、低温側ピストンにより圧縮されると高温室に向かって流動する。この結果、作動媒体は、低温側熱交換器、再生熱交換器、高温側熱交換器の順に流動して高温室に到達する。高温室内で膨張した作動媒体は、高温側ピストンにより圧縮されると低温室に向かって流動する。この結果、作動媒体は、高温側熱交換器、再生熱交換器、低温側熱交換器順に流動して低温室に到達する。例えば、特許文献１に記載の如くである。
【０００３】
このスターリングエンジンの高温側ピストンは往復動内燃機関と異なり、常時高温の作動ガスにさらされる。このため、作動ガスの気密を行うピストンリングは常に高温状態となり、長期にわたって当該ピストンリングの信頼性及び耐久性を維持することが難しい問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１５２２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、ピストンリングの温度上昇を抑制して、ピストンリングの信頼性及び耐久性が向上するスターリングエンジンのピストンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
即ち、請求項１においては、スターリングエンジンのピストンであって、当該ピストンの頭頂部とピストンリング用溝との間に前記ピストンの摺動方向に垂直な方向の断面積が最小となるくびれ部が形成されるものである。
【０００７】
請求項２においては、前記くびれ部は、中空に形成されるものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【０００９】
即ち、請求項１に係る発明によれば、ピストンリングに伝わる熱量を減少させることができる。これにより、ピストンリングの温度上昇を抑制して、ピストンリングの信頼性及び耐久性が向上する。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、くびれ部の断面積を増大させることなくくびれ部の直径を大きくしてピストンの強度を維持しつつピストンリングに伝わる熱量を減少させることができる。これにより、ピストンリングの温度上昇を抑制して、ピストンリングの信頼性及び耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るスターリングエンジンの一実施形態における構成を示した正面図。
【図２】本発明に係るスターリングエンジンの一実施形態における構成を示した側面図。
【図３】本発明に係るスターリングエンジンのクランク機構の構成を示した概略図。
【図４】（ａ）本発明に係るスターリングエンジンのピストンの構成を示した正面面断面図（ｂ）本発明に係るスターリングエンジンのピストンの構成を示した側面面断面図。
【図５】本発明に係るスターリングエンジンのピストンにおけるくびれ部と熱コンダクタンスの関係を示す図。
【図６】本発明に係るスターリングエンジンのピストンの別実施形態の構成を示した側面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、本発明に係るスターリングエンジン１の実施形態であるスターリングエンジン１の構成について図１から図３を用いて説明する。なお、本発明には、各実施形態に示す構成を相互に組み合わせた構成も含まれる。
【００１３】
図１及び図２に示すように、スターリングエンジン１は、作動媒体の圧力変動を動力として取り出す。スターリングエンジン１は、２気筒α型のスターリングエンジンを４組連結して構成される。スターリングエンジン１は、主に高温側気筒２、低温側気筒３、クランクケース８、クランク機構９（図３）、及び熱交換器群１２を具備する。なお、本実施形態において、スターリングエンジン１は、２気筒α型のスターリングエンジン１を４組連結して構成されるがこれに限定されるものではない。また、作動媒体をヘリウムとするが、これに限定されるものではない。
【００１４】
高温側気筒２は、高温の作動媒体を加圧したり、作動媒体の圧力を仕事に変換したりする。図３に示すように、高温側気筒２は、シリンダ４とピストン５とを具備する。シリンダ４は、有底略円筒状に形成され、その内部にピストン５が隙間無く摺動自在に挿入される。高温側気筒２は、シリンダ４とピストン５とから高温室６が構成される。
【００１５】
低温側気筒３は、低温の作動媒体を加圧したり、作動媒体の圧力を仕事に変換したりする。低温側気筒３は、シリンダ４とピストン５とを具備する。シリンダ４は、有底略円筒状に形成され、その内部にピストン５が隙間無く摺動自在に挿入される。低温側気筒３は、シリンダ４とピストン５とから低温室７が構成される。
【００１６】
クランクケース８は、クランク機構９を保持する。クランクケース８は、密閉可能な筐体から構成される。クランクケース８は、内部にクランク機構９及び出力軸１０が配置される。また、クランクケース８には、高温側気筒２と低温側気筒３と一組として、４組の低高温側気筒２と低温側気筒３とが配置される。この際、４組の高温側気筒２と低温側気筒３とは、出力軸１０の軸方向に高温側気筒２同士及び低温側気筒３同士が並ぶように配置される。また、一組の高温側気筒２と低温側気筒３とは、出力軸１０の軸方向と垂直になるように出力軸１０をはさんで配置される。
【００１７】
図３に示すように、クランク機構９は、高温側気筒２のピストン５と低温側気筒３のピストン５とを連動連結するとともに、高温側気筒２と低温側気筒３とからの仕事を出力軸１０に伝達する。クランク機構９は、Ｔ型クランク機構から構成される。クランク機構９は、Ｔ字型リンク９ａ、クランクディスク９ｂを具備する。Ｔ字型リンク９ａは、長辺部の中央に短辺部が形成される。長辺部の両端には、高温側気筒２のピストン５と低温側気筒３のピストン５とがロッド９ｃを介してそれぞれ連結される。短辺部の端部は、クランクディスク９ｂの外縁近傍に連結される。クランクディスク９ｂは、ギヤ等を介して出力軸１０と連動連結される。クランク機構９は、各組の高温側気筒２と低温側気筒３とにそれぞれ設けられる。これにより、各組の高温側気筒２と低温側気筒３とが連動されて各気筒の仕事が出力軸１０に伝達される。なお、本実施形態において、クランク機構９はＴ字型クランク機構９から構成されるがこれに限定されるものではない。
【００１８】
図１、図２に示すように熱交換器群１２は、作動媒体から熱を回収及び供給するものである。熱交換器群１２は、高温側マニホールド１３、低温側マニホールド１４、高温側熱交換器１５、再生熱交換器１６、低温側熱交換器１７を具備する。
【００１９】
高温側マニホールド１３は、高温側熱交換器１５、再生熱交換器１６、高温側気筒２を接続するものである。高温側マニホールド１３は、角パイプ状部材から構成される。高温側マニホールド１３の一側端部は、高温側気筒２に接続される。高温側マニホールド１３は、ピストン５の摺動方向と高温側マニホールド１３の軸方向が一致するように各高温側気筒２の端部に配置される。なお、高温側マニホールド１３の形状、取り付け方向、取り付け位置等は、本実施形態に限定されるものではなく、高温側熱交換器１５、再生熱交換器１６、高温側気筒２がそれぞれ接続されていればよい。
【００２０】
低温側マニホールド１４は、低温側熱交換器１７、再生熱交換器１６、低温側気筒３を接続するものである。低温側マニホールド１４は、角パイプ状部材から構成される。低温側マニホールド１４の一側端部は、低温側気筒３に接続される。低温側マニホールド１４は、ピストン５の摺動方向と低温側マニホールド１４の軸方向が一致するように各低温側気筒３の端部に配置される。従って、低温側マニホールド１４と高温側マニホールド１３とは、軸方向が一致するように隣接して各気筒に配置される。なお、低温側マニホールド１４の形状、取り付け方向、取り付け位置は、本実施形態に限定されるものではなく、低温側熱交換器１７、再生熱交換器１６、低温側気筒３がそれぞれ接続されていればよい。
【００２１】
高温側熱交換器１５は、外部熱源によって加熱されることで、その内部を流動する作動媒体に熱を供給する。高温側熱交換器１５は、屈曲された中空の伝熱管１１から構成される。低温側熱交換器１７は、伝熱管１１を略Ｕ字状に屈曲させて構成される。高温側熱交換器１５の両端部は、高温側マニホールド１３の低温側気筒３と反対側の側面に接続される。高温側熱交換器１５は、その両端部が高温側マニホールド１３の軸方向と垂直な方向に並ぶように配置される。つまり、高温側熱交換器１５は、高温側マニホールド１３の軸方向視でＵ字状になるように高温側マニホールド１３に接続され、高温側熱交換器１５は、各高温側マニホールド１３に複数接続される。なお、高温側熱交換器１５の形状、取り付け方向、位置等は、本実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
再生熱交換器１６は、作動媒体から熱を回収し、又は作動媒体に熱を供給する。再生熱交換器１６は、再生熱交換器１６は、屈曲された中空の伝熱管１１から構成される。再生熱交換器１６は、伝熱管１１を略Ｓ字状に屈曲させて構成される。再生熱交換器１６の一側端部は、低温側マニホールド１４の高温側気筒２と同じ側の側面に接続される。また、再生熱交換器１６の他側端部は、高温側マニホールド１３の高温側気筒２と同じ側の側面に接続される。すなわち、再生熱交換器１６は、高温側マニホールド１３と低温側マニホールド１４とを接続するように、高温側マニホールド１３と低温側マニホールド１４との間に配置される。また、再生熱交換器１６は、高温側マニホールド１３又は低温側マニホールド１４の軸方向視でＳ字状になるように高温側マニホールド１３及び低温側マニホールド１４に接続され、高温側マニホールド１３と低温側マニホールド１４との間に複数の再生熱交換器１６が接続される。つまり、高温側熱交換器１５と再生熱交換器１６と低温側熱交換器１７が１組として、複数組が低温側マニホールド１４及び高温側マニホールド１３に接続される。なお、再生熱交換器１６の形状、取り付け方向、位置等は、本実施形態に限定されるものではない。
【００２３】
低温側熱交換器１７は、冷却水等によって冷却されることで、その内部を流動する作動媒体から熱を回収する。作動媒体から熱を回収する。低温側熱交換器１７は、屈曲された中空の伝熱管１１から構成される。低温側熱交換器１７は、伝熱管１１を略Ｕ字状に屈曲させて構成される。低温側熱交換器１７の両端部は、低温側マニホールド１４の高温側気筒２と反対側の側面に接続される。低温側熱交換器１７は、その両端部が低温側マニホールド１４の軸方向と垂直な方向に並ぶように配置される。つまり、低温側熱交換器１７は、低温側マニホールド１４の軸方向視でＵ字状になるように低温側マニホールド１４に接続され、低温側熱交換器１７は、各低温側マニホールド１４に複数接続される。なお、低温側熱交換器１７の形状、取り付け方向、位置等は、本実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
このように構成されるスターリングエンジン１において、作動媒体は、再生熱交換器１６及び高温側熱交換器１５において熱を供給された後、高温側マニホールド１３を介して高温側気筒２の高温室６に流入される。高温室６内における作動媒体の圧力変動により、高温側気筒２のピストン５が摺動され、仕事として出力される。また、作動媒体は、再生熱交換器１６及び低温側熱交換器１７において熱を回収された後、低温側マニホールド１４を介して低温側気筒３の低温室７に流入される。低温室７内における作動媒体の圧力変動により、低温側気筒３のピストン５が摺動され、仕事として出力される。
【００２５】
以下では、図４を用いて、ピストン５の構成について具体的に説明する。
【００２６】
図４に示すように、ピストン５は、ピストン５本体、上部ピストンリング１８、下部ピストンリング１９、ライダーリング２０を具備する。
【００２７】
ピストン５本体は、ピストン５を構成する主な構造部材である。ピストン５は、略円筒状に形成される。ピストン５の一側端である頭頂部５ａは、シリンダと組み合わされて高温室６及び低温室７の一部を構成する。ピストン５本体の一側端部には、上部ピストンリング用溝５ｂが形成される。ピストン５本体の他側端部には、下部ピストンリング用溝５ｃが形成される。上部ピストンリング用溝５ｂと下部ピストンリング用溝５ｃとの間には、ライダーリング用溝５ｄが形成される。上部ピストンリング用溝５ｂとライダーリング用溝５ｄとの間には、くびれ部５ｅが形成される。具体的には、くびれ部５ｅは、ピストン５の途中部がその摺動方向に所定の長さだけ直径が小さくなるように形成される。ピストン５本体は、くびれ部５ｅを挟んで頭頂部５ａ側に上部ピストンリング用溝５ｂが形成され、反頭頂部側にライダーリング用溝５ｄと下部ピストンリング用溝５ｃが形成される。くびれ部５ｅは、ピストン５の摺動方向に垂直な方向の断面積がピストン５における最小断面となるように構成される。ピストン５の他側端部には、クランク機構９のロッド９ｃと連結するための連結軸２１が支持される。連結軸２１には、ロッド９ｃが回転自在に支持される。
【００２８】
上部ピストンリング１８は、作動流体をシールする。上部ピストンリング１８は、ピストン５本体の上部ピストンリング用溝５ｂにはめ込まれる。上部ピストンリング１８は、耐熱性を高めるためにカーボンリングから構成される。上部ピストンリング１８は、上部ピストンリング用溝５ｂにはめ込まれた状態でシリンダ４の内径と略同一の外径になるように構成される。
【００２９】
下部ピストンリング１９は、作動流体をシールする。下部ピストンリング１９は、ピストン５本体の下部ピストンリング用溝５ｃにはめ込まれる。上部ピストンリング１８は、シール性を高めるために樹脂リングから構成される。下部ピストンリング１９は、下部ピストンリング用溝５ｃにはめ込まれた状態でシリンダ４の内径と略同一の外径になるように構成される。
【００３０】
ライダーリング２０は、ピストン５の摺動抵抗を低減させる。ライダーリング２０は、ピストン５本体のライダーリング用溝５ｄにはめ込まれる。ライダーリング２０は、摺動性を高めるためにカーボンリング樹脂リングから構成される。ライダーリング２０は、ライダーリング用溝５ｄにはめ込まれた状態でシリンダ４の内径と略同一の外径になるように構成される。
【００３１】
次に、図４及び図５を用いて、ピストン５の熱の伝わり易さ（熱コンダクタンス）について説明する。
【００３２】
図５に示す熱コンダクタンスＣは、任意の温度勾配において単位断面積、単位長さの物質を通過する単位時間当たりの熱量をいう。つまり、熱コンダクタンスＣが小さいほど熱が伝わり難い。くびれ部５ｅが無いピストン５の熱コンダクタンスＣを熱コンダクタンスＣ０とする。くびれ部直径Ｄは、くびれ部５ｅの直径、すなわち、ピストン５の軸方向に垂直な方向の最小断面部分の直径を表す（図４における矢印参照）。
【００３３】
図５に示すように、くびれ部直径Ｄが小さくなるにつれて熱コンダクタンスＣが減少する。すなわち、くびれ部直径Ｄを小さくすることでピストン５の頭頂部５ａである一側から他側に熱が伝わり難くなる。具体的には、くびれ部直径Ｄがくびれ部直径Ｄ０の場合に、熱コンダクタンスＣが熱コンダクタンスＣ０と等しくなる。つまり、ピストン５は、くびれ部直径Ｄをくびれ部直径Ｄ０よりも小さくすることでくびれ部５ｅがないピストン５よりも熱が伝わり難くなる。
【００３４】
図４に示すように、高温室６又は低温室７に流入した作動媒体が有する熱は、作動媒体に接しているピストン５の頭頂部５ａから反頭頂部側に向かって伝導される（図４における灰色矢印参照）。この際、くびれ部５ｅによって反頭頂部側に伝わる熱量を減少させることが出来る。従って、くびれ部直径Ｄによって反頭頂部側の温度、すなわち、下部ピストンリング１９の温度を任意の温度（例えば下部ピストンリング１９の耐熱温度以下）にすることができる。
【００３５】
以上の如く、本発明の第一実施形態に係るスターリングエンジン１のピストン５であって、ピストン５の頭頂部５ａと下部ピストンリング用溝５ｂとの間にピストン５の摺動方向に垂直な方向の断面積が最小となるくびれ部５ｅが形成されるものである。
このように構成することにより、下部ピストンリング１９に伝達される熱量を減少させることができる。これにより、下部ピストンリング１９の温度上昇を抑制して、下部ピストンリング１９の信頼性及び耐久性が向上する。
【００３６】
以下では、図６を用いて、本発明に係るスターリングエンジン１のピストンにおける他の実施形態であるピストン２２について説明する。なお、以下の実施形態において、既に説明した実施形態と同様の点に関してはその具体的説明を省略し、相違する部分を中心に説明する。
【００３７】
図６に示すように、ピストン２２は、ピストン２２本体、上部ピストンリング１８、下部ピストンリング１９、ライダーリング２０を具備する。
【００３８】
ピストン５本体の一側端部には、上部ピストンリング用溝２２ｂが形成される。ピストン５本体の他側端部には、下部ピストンリング用溝２２ｃが形成される。上部ピストンリング用溝２２ｂと下部ピストンリング用溝２２ｃとの間には、ライダーリング用溝２２ｄが形成される。上部ピストンリング用溝２２ｂとライダーリング用溝２２ｄとの間には、くびれ部２２ｅが形成される。くびれ部２２ｅは、ピストン２２の摺動方向に垂直な方向の断面積がピストン５における最小断面となるように構成される。また、くびれ部２２ｅは、中空になるように形成される。くびれ部２２ｅの中空部分は反頭頂部側に解放されている。この際、くびれ部２２ｅの断面積（Ｄ2−ｄ2）が断面積（Ｄ０）2によりも小さくなるように構成することでくびれ部５ｅがないピストン５よりも熱が伝わり難くなる。くびれ部を中空にすることで断面積を増加させることなくくびれ部直径Ｄを大きく構成することができる。
【００３９】
また、本発明に係るスターリングエンジン１のピストンにおける他の実施形態であるピストン２２のくびれ部２２ｅは、中空に形成される。
このように構成することにより、くびれ部２２ｅの断面積を増大させることなくくびれ部２２ｅの直径Ｄを大きくしてピストン２２の強度を維持しつつ下部ピストンリング１９に伝わる熱量を減少させることができる。これにより、下部ピストンリング１９の温度上昇を抑制して、下部ピストンリング１９の信頼性及び耐久性が向上する。
【符号の説明】
【００４０】
１    スターリングエンジン
５    ピストン
５ａ  頭頂部
５ｂ  下部ピストンリング用溝
５ｅ  くびれ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013194663.tif 000006
【図５】
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【図６】
2013194663.tif 000008