(57)【要約】【課題】作動空間またはバッファ空間の圧力を静圧室に蓄圧し、静圧室からピストン内部に気体を導入することでピストンの気体潤滑を行う場合に、静圧室への蓄圧によって不要な出力低下を招くことを抑制可能なスターリングエンジンを提供する。【解決手段】スターリングエンジン１０は内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダ２２、３２との間に噴出するピストン２１、３１と、バッファ空間Ｂと静圧室Ｒとを連通する連通部６２ｂ、６２ｃと、連通部６２ｂ、６２ｃを介した静圧室Ｒへの気体の流入および静圧室Ｒからの気体の流出を制御可能なバルブ８１、８２とを備える。連通部６２ｂ、６２ｃとバルブ８１、８２とはバッファ空間Ｂ１、Ｂ２に対してそれぞれ設けられている。【選択図】図１
2013234615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダとの間に噴出するピストンと、
前記ピストンに隣接して前記ピストンの頂部側に形成される作動空間と、前記ピストンに隣接して前記ピストンの頂部側とは反対側に形成されるバッファ空間と、前記ピストンの内部と連通する静圧室とを有する本体部と、
前記作動空間またはバッファ空間と前記静圧室とを少なくとも１箇所以上で連通する連通部と、
前記連通部を介した前記静圧室への気体の流入と、前記連通部を介した前記静圧室からの気体の流出とを制御可能なバルブ部とを備え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であって、
前記静圧室の圧力が所定の圧力よりも高い場合に、前記バルブ部が前記連通部を介した前記静圧室からの気体の流出を許可するスターリングエンジン。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダとの間に噴出することで、ピストンの気体潤滑を行うスターリングエンジンが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２７５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スターリングエンジンでは具体的には例えば次のようにしてピストンの気体潤滑を実現することができる。すなわち、ピストン内部に気体を導入する静圧室を設ける。そして、ピストン頂部側に位置する作動空間、またはピストン頂部側とは反対側に位置するバッファ空間と静圧室とを少なくとも１箇所以上で連通する連通部を設ける。また、連通部を介した静圧室への気体の流入を制御可能なバルブ部を設ける。
【０００５】
この場合、運転中に圧力が変動する作動空間またはバッファ空間から静圧室に圧力を取り込むことで、静圧室に圧力を蓄圧することができる。そして、静圧室に蓄圧した圧力をピストンの浮上に利用することで、他の動力を用いることなくピストンの気体潤滑を実現することができる。ところがこの場合には、静圧室への蓄圧によって次に説明するようにスターリングエンジンの不要な出力低下を招く虞がある。
【０００６】
図２は静圧室に蓄圧される圧力の説明図である。縦軸は圧力、横軸は時間を示す。図２ではバッファ空間の圧力を静圧室に蓄圧する場合の例を示す。曲線Ｃ１は曲線Ｃ１、Ｃ２間でスターリングエンジンの回転数（以下、ＳＥ回転数と称す）が相対的に低い場合のバッファ空間の圧力変動を示す。曲線Ｃ２は曲線Ｃ１、Ｃ２間でＳＥ回転数が相対的に高い場合のバッファ空間の圧力変動を示す。圧力Ｐ１は曲線Ｃ１に対応するＳＥ回転数で静圧室に蓄圧される圧力を示す。圧力Ｐ２は曲線Ｃ２に対応するＳＥ回転数で静圧室に蓄圧される圧力を示す。圧力Ｐａ１、Ｐａ２は曲線Ｃ１、Ｃ２に対応するバッファ空間の平均圧力を示す。曲線Ｃ１に対応するＳＥ回転数は例えば使用回転数域における最低回転数である。
【０００７】
ここで、図２に示す例では静圧室の圧力がバッファ空間から蓄圧されることで高まり、ピストンの浮上に利用されることで低下することになる。この点、図２に示す例では静圧室に蓄圧される圧力が曲線Ｃ１に対応するＳＥ回転数で圧力Ｐ１となるようにバランスが図られている。そして、圧力Ｐ１はピストンの浮上に必要な圧力とほぼ等しい圧力となっている。この点、このようなバランスは静圧室の容積や連通部の通路断面積やバルブ部の開弁圧の設定によって図られている。
【０００８】
一方、曲線Ｃ２は曲線Ｃ１よりも圧力変動の周期が短くなっている。すなわち、バッファ空間の圧力変動の周期はＳＥ回転数の増加に応じて短くなる。ところが、ピストンの浮上に利用される圧力はＳＥ回転数によらずほぼ一定となる。このため、曲線Ｃ２に対応するＳＥ回転数では曲線Ｃ１に対応するＳＥ回転数の場合よりもバッファ空間から静圧室に圧力を取り込む頻度が高まることで、静圧室に蓄圧される圧力が圧力Ｐ２まで高まる虞がある。すなわち、ピストンの浮上に必要な圧力よりも大幅に高い圧力が静圧室に不要に蓄圧される虞がある。
【０００９】
この点、バッファ空間の圧力は圧力Ｐａ１が圧力Ｐａ２に低下することからわかるように静圧室に高い圧力が蓄圧されるほど低下する。そして、スターリングエンジンでは作動空間の平均圧力を高めることで高い出力が得られるところ、バッファ空間の圧力低下はピストン、シリンダ間のクリアランスを通じて作動空間の平均圧力を低下させることに繋がる。このためこの場合には、ピストンの浮上に必要な圧力よりも大幅に高い圧力が静圧室に蓄圧されることで、スターリングエンジンの出力が不要に低下する虞がある。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑み、作動空間またはバッファ空間の圧力を静圧室に蓄圧し、静圧室からピストン内部に気体を導入することでピストンの気体潤滑を行う場合に、静圧室への蓄圧によって不要な出力低下を招くことを抑制可能なスターリングエンジン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】
【００１１】
本発明は内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダとの間に噴出するピストンと、前記ピストンに隣接して前記ピストンの頂部側に形成される作動空間と、前記ピストンに隣接して前記ピストンの頂部側とは反対側に形成されるバッファ空間と、前記ピストンの内部と連通する静圧室とを有する本体部と、前記作動空間またはバッファ空間と前記静圧室とを少なくとも１箇所以上で連通する連通部と、前記連通部を介した前記静圧室への気体の流入と、前記連通部を介した前記静圧室からの気体の流出とを制御可能なバルブ部とを備えるスターリングエンジンである。
【００１２】
本発明は前記静圧室の圧力が所定の圧力よりも高い場合に、前記バルブ部が前記連通部を介した前記静圧室からの気体の流出を許可する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、作動空間またはバッファ空間の圧力を静圧室に蓄圧し、静圧室からピストン内部に気体を導入することでピストンの気体潤滑を行う場合に、静圧室への蓄圧によって不要な出力低下を招くことを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】スターリングエンジンの概略構成図である。
【図２】静圧室に蓄圧される圧力の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【００１６】
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。
【００１７】
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は流通する作動流体と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。この点、スターリングエンジン１０では内燃機関の排気が高温熱源を構成している。
【００１８】
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。冷却器４５は冷却媒体である冷却水との間で熱交換を行うことで、作動流体を冷却する。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。
【００１９】
膨張空間と圧縮空間とは冷却器４５、再生器４６および加熱器４７における作動流体の流通空間とともに作動空間Ｗを構成している。作動空間Ｗはピストン２１、３１に隣接してピストン２１、３１の頂部側に形成されている。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。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。このようにピストン２１、３１は作動流体の往復流動に応じて運動する。
【００２１】
ところで、スターリングエンジン１０ではピストン２１、３１と対応するシリンダ２２、３２との間で気体潤滑を行っている。気体潤滑ではピストン２１、３１とシリンダ２２、３２と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。
【００２２】
空中に物体を浮上させる気体潤滑には具体的には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。この点、膨張ピストン２１は内部に気体を導入する導入部２１ａと、対応するシリンダ２２との間に気体を噴出する噴出部２１ｂとを備えている。また、圧縮ピストン３１も膨張ピストン２１と同様に導入部３１ａと噴出部３１ｂとを備えている。ピストン２１、３１は内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダ２２、３２との間に噴出する気体潤滑ピストンとなっている。
【００２３】
スターリングエンジン１０はさらにクランクシャフト６１とクランクケース６２とを備えている。クランクシャフト６１はピストン２１、３１の往復運動を回転運動に変換する。クランクシャフト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はクランクシャフト６１のクランク部を収容している。クランクケース６２の内部空間はシリンダ２２、３２の下部空間とともにバッファ空間Ｂを構成している。バッファ空間Ｂはピストン２１、３１に隣接してピストン２１、３１の頂部側とは反対側に形成されている。
【００２４】
クランクケース６２には隔壁部６２ａが設けられている。隔壁部６２ａはクランクケース６２の内部空間を高温側気筒２０側の内部空間と低温側気筒３０側の内部空間とに区分する。したがって、隔壁部６２ａは同時にバッファ空間Ｂを高温側気筒２０側のバッファ空間Ｂ１と低温側気筒３０側のバッファ空間Ｂ２とに区分している。隔壁部６２ａはクランクケース６２の一部で構成されている。隔壁部６２ａはクランクケース６２とは異なる部材で構成されてもよい。バッファ空間Ｂはバッファ空間Ｂ１、Ｂ２に区分されていなくてもよい。
【００２５】
スターリングエンジン１０ではクランクケース６２内を加圧した場合であっても、ピストン２１、３１および対応するシリンダ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るようにすることができる。
【００２６】
スターリングエンジン１０はさらにハウジング７０と第１のバルブ８１と第２のバルブ８２とを備えている。ハウジング７０はクランクケース６２に組み付けられている。ハウジング７０の内部空間は静圧室Ｒとなっている。この点、ハウジング７０はクランクケース６２、シリンダ２２、３２、冷却器４５、再生器４６および加熱器４７とともに作動空間Ｗ、バッファ空間Ｂおよび静圧室Ｒを有する本体部を構成している。静圧室Ｒを形成する構成（ここではハウジング７０）は本体部を構成する他の構成と分離して構成されていてもよい。
【００２７】
静圧室Ｒはピストン２１、３１の内部に導入する気体を保持する空間となっている。静圧室Ｒは導入部２１ａ、３１ａを介してピストン２１、３１の内部と連通している。導入部２１ａ、３１ａは例えばチューブで実現できる。静圧室Ｒはバッファ空間Ｂと連通している。この点、クランクケース６２にはバッファ空間Ｂと静圧室Ｒとを連通する第１の連通部６２ｂと第２の連通部６２ｃとが設けられている。連通部６２ｂ、６２ｃは隔壁部６２ａによって高温側気筒２０側と低温側気筒３０側とに区分されているバッファ空間Ｂ１、Ｂ２それぞれに対して設けられている。
【００２８】
第１の連通部６２ｂには第１のバルブ８１が設けられている。第１のバルブ８１は第１の連通部６２ｂを介した静圧室Ｒへの気体の流入を制御する。第１のバルブ８１は具体的には差圧弁であり、バッファ空間Ｂ（具体的にはここでは対応するバッファ空間Ｂ１またはＢ２）の圧力から静圧室Ｒの圧力を引いたこれらの差圧が所定値よりも高い場合に開弁し、所定値よりも低い場合に閉弁する。そしてこれにより、これらの差圧に応じて静圧室Ｒへの気体の流入を制御する。第１のバルブ８１は静圧室Ｒへの気体の流入を制御することで、静圧室Ｒの圧力を高めるとともに高めた圧力を維持可能にする。
【００２９】
第２の連通部６２ｃには第２のバルブ８２が設けられている。第２のバルブ８２は第２の連通部６２ｃを介した静圧室Ｒからの気体の流出を制御する。第２のバルブ８２は差圧弁であり、静圧室Ｒの圧力からバッファ空間Ｂ（具体的にはここでは対応するバッファ空間Ｂ１またはＢ２）の圧力を引いたこれらの差圧が所定値よりも高い場合に開弁し、所定値よりも低い場合に閉弁する。そしてこれにより、これらの差圧に応じて静圧室Ｒからの気体の流出を制御する。またこれにより、静圧室Ｒの圧力が所定の圧力よりも高い場合に静圧室Ｒからの気体の流出を許可する。
【００３０】
バッファ空間Ｂ１、Ｂ２のうち、いずれかに対して設けられているバルブ８１、８２は同じバッファ空間に対して設けられている連通部６２ｂ、６２ｃを介した静圧室Ｒへの気体の流入と、当該連通部６２ｂ、６２ｃを介した静圧室Ｒからの気体の流出とを制御することができる。この点、バッファ空間Ｂ１、Ｂ２に対して設けられている一組のバルブ８１、８２それぞれはバルブ部を構成している。また、バッファ空間Ｂ１、Ｂ２に対して設けられている一組の連通部６２ｂ、６２ｃそれぞれは本発明の連通部を構成している。
【００３１】
次にスターリングエンジン１０の作用効果について説明する。スターリングエンジン１０はピストン２１、３１と一組の連通部６２ｂ、６２ｃそれぞれと一組のバルブ８１、８２それぞれとを作動空間Ｗ、バッファ空間Ｂおよび静圧室Ｒを有する本体部とともに備える構成とすることで、バッファ空間Ｂから静圧室Ｒに圧力を蓄圧する一方、静圧室Ｒからバッファ空間Ｂに圧力を逃がすことができる。そしてこれにより、バッファ空間Ｂの圧力を静圧室Ｒに蓄圧し、静圧室Ｒからピストン２１、３１内部に気体を導入することでピストン２１、３１の気体潤滑を行う場合に、静圧室Ｒへの蓄圧によって不要な出力低下を招くことを抑制できる。
【００３２】
スターリングエンジン１０は具体的には静圧室Ｒの圧力が所定の圧力よりも高い場合に、バルブ８１、８２（具体的にはここでは第２のバルブ８２）が連通部６２ｂ、６２ｃ（具体的にはここでは第２の連通部６２ｃ）を介した静圧室Ｒからの気体の流出を許可する構成とすることで、静圧室Ｒへの蓄圧によって不要な出力低下を招くことを抑制できる。この点、所定の圧力はピストン２１、３１の浮上に必要な圧力、或いは当該圧力よりも高い圧力とすることができる。
【００３３】
なお、静圧室Ｒからの気体の流出を許可するには、静圧室Ｒの圧力が少なくともバッファ空間Ｂ（ここでは対応するバッファ空間Ｂ１またはＢ２）の圧力よりも高い場合にバルブ８１、８２（具体的にはここでは第２のバルブ８２）が開弁する構成とすることができる。同様に静圧室Ｒへの気体の流入を許可するには、静圧室Ｒの圧力が少なくともバッファ空間Ｂ（ここでは対応するバッファ空間Ｂ１またはＢ２）の圧力よりも低い場合にバルブ８１、８２（具体的にはここでは第２のバルブ８２）が開弁する構成とすることができる。
【００３４】
スターリングエンジン１０は連通部として連通部６２ｂ、６２ｃを備えるとともに、バルブ部として差圧弁であるバルブ８１、８２を備える構成とすることで、静圧室Ｒの圧力を機械的に高めることができる。そしてこれにより、例えば電子制御が不要な簡素な構成とすることで、コスト面で有利な構成とすることもできる。
【００３５】
スターリングエンジン１０は連通部６２ｂ、６２ｃの代わりに例えばバッファ空間Ｂ（ここではバッファ空間Ｂ１またはＢ２）と静圧室Ｒとを１箇所で連通する連通部を備えてもよい。この場合、スターリングエンジン１０はバルブ部として例えば当該連通部を介した静圧室Ｒへの気体の流入と、当該連通部を介した静圧室Ｒからの気体の流出とを電子制御で制御可能な電磁弁を備えることができる。
【００３６】
当該電磁弁の開閉は例えばバッファ空間Ｂの圧力と静圧室Ｒの圧力とを検知することで、これらの圧力に基づき電子制御装置で行うことができる。この場合、当該電磁弁は当該電子制御装置の制御のもと、静圧室Ｒの圧力が所定の圧力よりも高い場合に、当該連通部を介した静圧室Ｒからの気体の流出を許可することができる。またこの場合、さらに出力が所定値よりも低い場合に当該連通部を介した静圧室Ｒからの気体の流出を許可することができる。これにより、さらに所望の出力を確保可能な範囲内で静圧室Ｒへの蓄圧によって不要な出力低下を招くことを抑制できる。この場合、バルブ部は当該電子制御装置を含む構成とすることができる。
【００３７】
一方、この場合には例えば静圧室Ｒへの気体の流入を許可する頻度を調整することで、静圧室Ｒへの蓄圧が過大になることを抑制し得る。すなわち、この場合には必ずしも静圧室Ｒからの気体の流出を許可せずとも、静圧室Ｒへの蓄圧が過大になることを抑制し得る。
【００３８】
これに対し、スターリングエンジン１０は具体的には次のような構成となっている。すなわち、まず静圧室Ｒへの気体の流入を許可するために、第１の連通部６２ｂおよび第１のバルブ８１を備える構成となっている。ところがこの場合には、コスト面で有利な構成とすることができる一方で、静圧室Ｒへの蓄圧が不可避的に過大になる。このため、スターリングエンジン１０はさらに第２の連通部６２ｃおよび第２のバルブ８２を備える構成とすることで、静圧室Ｒへの蓄圧が不可避的に過大になることをコスト面で有利な構成で抑制するようにしている。
【００３９】
したがって、スターリングエンジン１０は具体的には連通部として連通部６２ｂ、６２ｃを備えるとともにバルブ部としてバルブ８１、８２を備える構成とすることで、コスト面で有利な構成で静圧室Ｒへの気体の流入を許可する一方、これに起因して静圧室Ｒへの蓄圧が不可避的に過大になることをコスト面で有利な構成で抑制できる点で好適であるといえる。
【００４０】
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。例えば連通部は作動空間と静圧室とを連通してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
スターリングエンジン  １０
連通部                ６２ｂ、６２ｃ
バルブ                ８１、８２
【図１】
2013234615.tif 000003
【図２】
2013234615.tif 000004