(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備え、
少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とし、
前記スリーブと前記外殻とは、それぞれ異なる構造体で構成されるとともに、前記スリーブは、前記ヒータ側の端部にスリーブ支持部が設けられ、
前記スリーブは、前記外殻の一端部に前記スリーブ支持部を取り付けることによって前記外殻に取り付けられるとともに、前記ヒータと連結されることを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
【請求項３】
前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
【請求項４】
作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
を備え、前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とするピストン機関。
【請求項５】
作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
を備え、前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とするピストン機関。
【請求項６】
作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されるシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備え、
少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とし、
前記スリーブと前記外殻とは、それぞれ異なる構造体で構成されるとともに、前記スリーブは、前記ヒータ側の端部にスリーブ支持部が設けられ、
前記スリーブは、前記外殻の一端部に前記スリーブ支持部を取り付けることによって前記外殻に取り付けられるとともに、前記ヒータと連結されることを特徴とするピストン機関。
【請求項７】
前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とする請求項６に記載のピストン機関。
【請求項８】
前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とする請求項６又は７に記載のピストン機関。
【請求項９】
作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されるシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
を備え、前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とするピストン機関。
【請求項１０】
作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されるシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
を備え、前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とするピストン機関。
【請求項１１】
前記外殻は、前記シリンダへ作用する前記シリンダの中心軸と平行な方向の力を支持し、また、前記スリーブは、前記スリーブの内部に存在する前記作動流体の圧力を受けることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項１２】
作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
前記ヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を含み、
少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とし、
前記スリーブと前記外殻とは、それぞれ異なる構造体で構成されるとともに、前記スリーブは、前記ヒータ側の端部にスリーブ支持部が設けられ、
前記スリーブは、前記外殻の一端部に前記スリーブ支持部を取り付けることによって前記外殻に取り付けられるとともに、前記ヒータと連結されることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１３】
作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
前記ヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
を含み、前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１４】
作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
前記ヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
を含み、前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１５】
少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とすることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のスターリングエンジン。
【請求項１６】
前記ピストンは、近似直線機構によって支持されることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のスターリングエンジン。
【請求項１７】
前記スターリングエンジンが複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つの前記シリンダは、前記ヒータと前記スリーブとを熱的に接続するとともに、
前記スリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の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、ピストンリングや潤滑油を使用しないでシリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関及び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。特許文献１には、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるとともに、ピストンを近似直線機構で支持して往復運動させ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２００５−１０６００９号公報（００１３、図１、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スターリングエンジンは、ピストンの頂面が作動流体と接触するので、特に高温の作動流体と接触するピストンは頂部が熱膨張する。特許文献１に開示されているスターリングエンジンのように、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる場合、ピストンとシリンダとのクリアランスを微小にする必要がある。このため、スターリングエンジンの運転中にピストンが熱膨張すると、ピストンとシリンダとが接触するおそれがある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブを有するシリンダと、前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されるシリンダと、前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とすることが好ましい。
【０００９】
前記スリーブと前記外殻とは、それぞれ異なる構造体で構成されるとともに、前記スリーブは、前記ヒータ側の端部にスリーブ支持部が設けられ、前記スリーブは、前記外殻の一端部に前記スリーブ支持部を取り付けることによって前記外殻に取り付けられるとともに、前記ヒータと連結されることが好ましい。
【００１０】
本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることが好ましい。
【００１１】
本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることが好ましい。
【００１２】
本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記外殻は、前記シリンダへ作用する前記シリンダの中心軸と平行な方向の力を支持し、また、前記スリーブは、前記スリーブの内部に存在する前記作動流体の圧力を受けることが好ましい。
【００１３】
上述の目的を達成するために、本発明に係るスターリングエンジンは、作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記ヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とすることが好ましい。
【００１５】
本発明の好ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記ピストンは、近似直線機構によって支持されることが好ましい。
【００１６】
本発明の好ましい態様としては、前記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が複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つの前記シリンダは、前記ヒータと前記スリーブとを熱的に接続するとともに、前記スリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本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（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施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、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
【００１９】
なお、以下においては、ピストン機関の一例として外燃機関であるスターリングエンジンを取り上げる。このように、本実施形態において、ピストン機関は外燃機関であることが好ましいが、これに限定されるものではない。また、ピストン機関であるスターリングエンジンを用いて、車両等に搭載される内燃機関の排熱を回収する例を説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。
【００２０】
本実施形態は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるピストン機関であり、前記ピストン機関の作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブを備え、このスリーブと前記ヒータと熱的に接続する点に特徴がある。また、本実施形態では、前記スリーブの外側に外殻を配置して、前記スリーブと前記外殻との二重構造でシリンダを構成する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。図２は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。本実施形態に係るピストン機関である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。直列２気筒とは、スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０の回転軸と平行な方向に、二つのシリンダが並んだ構成である。本実施形態において、スターリングエンジン１００は、内燃機関の排ガスＥｘを通過させる通路として機能するヒータケース３に熱交換器１０８を配置して、内燃機関の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する、排熱回収装置として用いられる。
【００２２】
スターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈ内に収められた高温側ピストン２０Ｈと、低温側シリンダ３０Ｌ内に収められた低温側ピストン２０Ｌとが直列に配置されている。高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間には、熱交換器１０８が配置される。なお、以下において、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを区別しない場合にはシリンダ３０といい、高温側ピストン２０Ｈと低温側ピストン２０Ｌとを区別しない場合にはピストン２０という。
【００２３】
高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとは、基準体である基板１１１に、直接又は間接的に支持、固定されている。本実施形態に係るスターリングエンジン１００においては、この基板１１１が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、後述するように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈと高温側ピストン２０Ｈとの間、及び低温側シリンダ３０Ｌと低温側ピストン２０Ｌとの間に気体軸受ＧＢが設けられる。
【００２４】
高温側シリンダ３０Ｈは、円筒状の構造体であるスリーブ３０ＨＲと、スリーブ３０ＨＲの外周部の外側に配置される外殻であるシリンダブロック３０ＨＢと、を有する二重構造で構成される。スリーブ３０ＨＲは、内部に高温側ピストン２０Ｈが配置され、これによって、スリーブ３０ＨＲの内周面と高温側ピストン２０Ｈの外周面とが対向して配置される。気体軸受ＧＢは、スリーブ３０ＨＲと高温側ピストン２０Ｈとの間に形成されており、高温側ピストン２０Ｈは、気体軸受ＧＢでスリーブ３０ＨＲ内に支持されながら、スリーブ３０ＨＲの内部を往復運動する。
【００２５】
スリーブ３０ＨＲの内部には、スターリングエンジン１００の作動流体が存在する作動空間（高温側作動空間）ＭＳＨが形成される。高温側作動空間ＭＳＨは、スリーブ３０ＨＲの内面と、高温側ピストン２０Ｈの頂面と、ヒータ１０５の高温側シリンダ３０Ｈと接続される側の端部とで囲まれる空間である。ここで、本実施形態において、スターリングエンジン１００の作動流体は空気である。スリーブ３０ＨＲの内部、すなわち高温側作動空間ＭＳＨには、作動流体を加熱するヒータ１０５を通過した作動流体が流入する。また、高温側作動空間ＭＳＨからは、ヒータ１０５へ作動流体が流入する。高温側ピストン２０Ｈは、高温側作動空間ＭＳＨ内の作動流体の圧力変化によって、スリーブ３０ＨＲの内部を往復運動する。
【００２６】
低温側シリンダ３０Ｌは、円筒状の構造体であるスリーブ３０ＬＲと、スリーブ３０ＬＲの外周部の外側に配置される外殻であるシリンダブロック３０ＬＢとで構成される。なお、スリーブ３０ＬＲを設けず、スリーブ３０ＬＲとシリンダブロック３０ＬＢとを同一の構造体で構成してもよい。スリーブ３０ＬＲは、内部に低温側ピストン２０Ｌが配置されており、これによって、スリーブ３０ＬＲの内周面と低温側ピストン２０Ｌの外周面とが対向して配置される。気体軸受ＧＢは、スリーブ３０ＬＲと低温側ピストン２０Ｌとの間に形成されており、低温側ピストン２０Ｌは気体軸受ＧＢによってスリーブ３０ＬＲ内に支持されて、スリーブ３０ＬＲの内部を往復運動する。
【００２７】
スリーブ３０ＬＲの内部には、スターリングエンジン１００の作動流体が存在する作動空間（低温側作動空間）ＭＳＬが形成される。低温側作動空間ＭＳＬは、スリーブ３０ＬＲの内面と、低温側ピストン２０Ｌの頂面と、クーラー１０７の低温側シリンダ３０Ｌと接続される側の端部とで囲まれる空間である。スリーブ３０ＬＲの内部、すなわち低温側作動空間ＭＳＬには、作動流体を冷却するクーラー１０７を通過した作動流体が流入する。また、低温側作動空間ＭＳＬからは、クーラー１０７へ作動流体が流入する。低温側ピストン２０Ｌは、低温側作動空間ＭＳＬ内の作動流体の圧力変化によって、スリーブ３０ＬＲの内部を往復運動する。
【００２８】
スターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌを基準体である基板１１１に間接的に取り付ける。このような構成により、基板１１１を用いてピストン２０とシリンダ３０との位置精度を確保して、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスを精度よく保持することができる。これによって、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン１００の組み立ても容易になる。なお、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌを基板１１１へ直接取り付けてもよい。
【００２９】
高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間には、略Ｕ字形状のヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が設けられる。このように、ヒータ１０５を略Ｕ字形状にすることによって、内燃機関の排気通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置できる。また、このスターリングエンジン１００のように、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ１０５を比較的容易に配置することができる。
【００３０】
ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ３０Ｈ側に配置され、他方の端部は再生器１０６側に配置される。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５側に配置され他方の端部はクーラー１０７側に配置されて、ヒータ１０５又はクーラー１０７から流入する作動流体が通過する。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ３０Ｌ側に配置される。
【００３１】
高温側シリンダ３０Ｈ側に配置されるヒータ１０５の端部には、ヒータ・シリンダ連結部材１２０が取り付けられる。ヒータ・シリンダ連結部材１２０は、金属のような熱の良導体で構成されており、ヒータ１０５の一部を構成する。ヒータ・シリンダ連結部材１２０のヒータ１０５と接続される側とは反対側の端部は、高温側シリンダ３０Ｈ、より具体的には高温側シリンダ３０Ｈを構成するスリーブ３０ＨＲに取り付けられる。これによって、ヒータ１０５は、ヒータ・シリンダ連結部材１２０を介して高温側シリンダ３０Ｈと接続される。そして、スターリングエンジン１００の運転中においては、ヒータ１０５を通過した作動流体が高温側シリンダ３０Ｈの内部へ流入するとともに、高温側シリンダ３０Ｈの内部の作動流体は、ヒータ１０５へ流入する。
【００３２】
低温側シリンダ３０Ｌ側に配置されるクーラー１０７の端部には、クーラー・シリンダ連結部材１２１が取り付けられる。クーラー・シリンダ連結部材１２１のクーラー１０７と接続される側とは反対側の端部は、低温側シリンダ３０Ｌに取り付けられる。これによって、クーラー１０７は、クーラー・シリンダ連結部材１２１を介して低温側シリンダ３０Ｌと接続される。そして、スターリングエンジン１００の運転中においては、クーラー１０７を通過した作動流体が低温側シリンダ３０Ｌの内部へ流入するとともに、低温側シリンダ３０Ｌの内部の作動流体は、クーラー１０７へ流入する。
【００３３】
ヒータ・シリンダ連結部材１２０は、その外周部に張り出すフランジ１２０Ｆを介して基板１１１へ取り付けられる。これによって、高温側シリンダ３０Ｈは、ヒータ・シリンダ連結部材１２０を介して基板１１１へ取り付けられる。また、クーラー・シリンダ連結部材１２１は、その外周部に張り出すフランジ１２１Ｆを介して基板１１１へ取り付けられる。これによって、低温側シリンダ３０Ｌは、クーラー・シリンダ連結部材１２１を介して基板１１１へ取り付けられる。
【００３４】
ヒータ１０５は、スターリングエンジン１００の作動流体を加熱する。クーラー１０７は、作動流体を冷却する。高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌは、熱交換器１０８を通過した作動流体が流入し、流出する。高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲ、低温側シリンダ３０Ｌのスリーブ３０ＬＲ及び熱交換器１０８内には作動流体が封入されており、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、スターリングエンジン１００を駆動する。
【００３５】
ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねて構成することができる。クーラー１０７は空冷としてもよいし、水冷としてもよい。また、再生器１０６は、例えば、多孔質の蓄熱体で構成する。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択できる。
【００３６】
上述したように、高温側ピストン２０Ｈと低温側ピストン２０Ｌとは、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌの内部に気体軸受ＧＢ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ず、潤滑油を用いないで、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２０とシリンダ３０との間の摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の効率を向上させることができる。また、ピストン２０とシリンダ３０との摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下でスターリングエンジン１００を使用する場合でも、スターリングエンジン１００により排熱から熱エネルギーを回収できる。
【００３７】
気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、高温側ピストン２０Ｈ、低温側ピストン２０Ｌとスリーブ３０ＨＲ、３０ＬＲとの間には、所定のクリアランスｔｃを設ける。クリアランスｔｃは、ピストン２０の全周にわたって数μｍ〜数１０μｍとする。高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動は、コネクティングロッド６１によって出力軸であるクランクシャフト１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。
【００３８】
ここで、気体軸受ＧＢは、ピストン２０の直径方向（横方向、スラスト方向）の力に耐える能力（負荷能力）が低いため、ピストン２０のサイドフォースＦｓを実質的に０にすることが好ましい。このため、シリンダ３０の軸線（中心軸）に対するピストン２０の直線運動精度を高くする必要がある。これを実現するため、本実施形態において、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、図２に示す近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）６０によって支持される。そして、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、近似直線機構６０によって略直線状に往復運動するとともに、この往復運動がコネクティングロッド６１を介してクランクシャフト１１０に伝達される。これにより、近似直線機構６０によって支持された高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動は、クランクシャフト１１０によって回転運動に変換され、スターリングエンジン１００の出力として取り出される。すなわち、スターリングエンジン１００は、近似直線機構６０によって支持される高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動を、クランクシャフト１１０で回転運動に変換することによって出力を得るものである。
【００３９】
本実施形態では、例えば、近似直線機構６０によってサイドフォースＦｓの大部分を支持し、ピストン２０の往復運動が近似直線運動から外れる際に発生する分のサイドフォースＦｓを気体軸受ＧＢによって支持する。本実施形態では、近似直線機構６０にグラスホッパ機構を用いる。以下、近似直線機構６０をグラスホッパ機構６０という。
【００４０】
グラスホッパ機構６０は、一端部がスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃへ回動可能に取り付けられる第１腕６２と、同じく一端部がスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃへ回動可能に取り付けられる第２腕６３と、一端部がコネクティングロッド６１の端部と回動可能に連結され、他端部が第２腕６３の他端部と回動可能に連結される第３腕６４とで構成される。コネクティングロッド６１は、クランクシャフト１１０と回動可能に取り付けられる端部とは異なる端部が、第３腕６４の端部と回動可能に連結される。また、第１腕６２の他端部は、第３腕６３の両端部の間に、回動可能に連結される。
【００４１】
このようなグラスホッパ機構６０を用いれば、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌを略直線状に往復運動させることができる。その結果、ピストン２０のサイドフォースＦｓがほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても十分にピストン２０を支持できる。なお、ピストン２０を支持する近似直線機構はグラスホッパ機構に限られるものではなく、ワットリンク等を用いてもよい。
【００４２】
ここで、グラスホッパ機構６０は、他の直線近似機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の寸法が小さくて済むため、スターリングエンジン１００の全体がコンパクトになるという利点がある。特に、スターリングエンジン１００を車両に搭載される内燃機関の排熱回収に用い、内燃機関の排ガスの通路に熱交換器１０８を配置するというような、限られたスペースにスターリングエンジンを設置する場合、スターリングエンジン１００の全体がコンパクトである方が設置の自由度は向上する。また、グラスホッパ機構６０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の質量が他の機構よりも軽量で済むため、熱効率を向上させる点で有利である。さらに、グラスホッパ機構６０は、機構の構成が比較的簡単であるため、製造・組み立てが容易であり、また製造コストも低減できるという利点もある。
【００４３】
図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側ピストン２０Ｈ、コネクティングロッド６１、クランクシャフト１１０等の構成要素は、筐体１００Ｃに格納される。ここで、筐体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック３０ＨＢ、３０ＬＢ、筐体補強部材１１４Ｂとを含んで構成される。
【００４４】
本実施形態において、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃを構成するクランクケース１１４Ａ内には気体が充填される。本実施形態において、前記気体は、スターリングエンジン１００の作動流体と同一である。クランクケース１１４Ａ内に充填される気体は、圧力調整手段であるポンプ１１５により加圧される。ポンプ１１５は、例えば、スターリングエンジン１００の排熱回収対象である内燃機関によって駆動してもよいし、例えば電動機のような駆動手段を用いて駆動してもよい。
【００４５】
スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５とクーラー１０７との温度差が同じ場合、作動流体の平均圧力が高い程、高温側と低温側との圧力差が大きくなるので、より高い出力が得られる。スターリングエンジン１００は、クランクケース１１４Ａ内に充填される気体を加圧することにより、高温側作動空間ＭＳＨ、低温側作動空間ＭＳＬ内の作動流体を高圧に保持して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すように構成してある。これによって、排熱回収のように低質な熱源しか用いることができない場合でも、より多くの出力をスターリングエンジン１００から取り出すことができる。ここで、スターリングエンジン１００の出力は、クランクケース１１４Ａ内に充填される気体の圧力に略比例して大きくなる。
【００４６】
スターリングエンジン１００は、クランクケース１１４Ａにシール軸受１１６が取り付けられており、クランクシャフト１１０はシール軸受１１６により支持される。スターリングエンジン１００は、クランクケース１１４Ａ内に充填される気体を加圧するが、シール軸受１１６により、筐体１００Ｃ内に充填される気体の漏れを最小限に抑えることができる。クランクシャフト１１０の出力は、例えば、オルダムカップリングのようなフレキシブルカップリング１１９を介してクランクケース１１４Ａの外部へ取り出される。なお、クランクケース１１４Ａの内部と外部との間に、クランクシャフト１１０と連結される磁気カップリングを設け、これを介してクランクシャフト１１０の出力をクランクケース１１４Ａの外部へ取り出してもよい。
【００４７】
図１、図２に示すように、本実施形態においては、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの側周部に設けた給気口ＨＥから気体（本実施形態では作動流体と同じ空気）Ａを吹き出して、気体軸受ＧＢを形成する。図１、図２に示すように、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの内部には、それぞれ高温側ピストン内空間２０ＨＩ及び低温側ピストン内空間２０ＬＩが形成される。
【００４８】
高温側ピストン２０Ｈには、高温側ピストン内空間２０ＨＩへ気体Ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられており、低温側ピストン２０Ｌには、低温側ピストン内空間２０ＬＩへ気体Ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられている。それぞれの気体導入口ＨＩには、気体供給管１１８が接続されている。気体供給管１１８の一端は、気体軸受用ポンプ１１７に接続されており、気体軸受用ポンプ１１７から吐出される気体Ａを高温側ピストン内空間２０ＨＩ及び低温側ピストン内空間２０ＬＩへ導く。
【００４９】
高温側ピストン内空間２０ＨＩ及び低温側ピストン内空間２０ＬＩへ導入された気体Ａは、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの側周部に設けた給気口ＨＥから流出して、気体軸受ＧＢを形成する。なお、この気体軸受ＧＢは、静圧気体軸受であるが、本実施形態において、気体軸受ＧＢの構造はこれに限定されるものではなく、動圧気体軸受であってもよい。
【００５０】
また、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの頂面に気体取り込み孔を設けて、この気体取り込み孔から高温側ピストン内空間２０ＨＩ及び低温側ピストン内空間２０ＬＩへ作動流体である気体Ａを取り込み、給気口ＨＥから流出させて気体軸受ＧＢを構成してもよい。なお、本実施形態の気体軸受ＧＢは静圧気体軸受であるが、動圧気体軸受を用いてもよい。
【００５１】
図３は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える高温側シリンダの構成を示す説明図である。図４は、ヒータ・シリンダ連結部材を高温側作動空間側から見た平面図である。図５は、高温側ピストンを構成するスリーブの断面図である。図６は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える高温側シリンダの他の構成を示す説明図である。図３〜図６は、図１に示すスターリングエンジン１００の高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈを示している。なお、図３、図６は、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣ（Top Dead Center：上死点）にある状態を示してある。
【００５２】
高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔは、ヒータ１０５で加熱された高温の作動流体と接触するので熱膨張する。図１に示すスターリングエンジン１００は、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈを構成するスリーブ３０ＨＲとの間に気体軸受ＧＢを設けるため、両者のクリアランスｔｃは数μｍ〜数１０μｍと小さく設定されている。このため、高温側ピストン２０Ｈが径方向に熱膨張すると、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲとが接触するおそれがある。
【００５３】
そこで、本実施形態では、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔから所定位置Ｋｐまでの距離Ｌ１の部分における直径Ｄ１を、所定位置Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂまでの距離Ｌ２の部分における直径Ｄ２よりも小さくしてある。これによって、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔから所定位置Ｋｐまでにおける高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲとのクリアランスｔｃｈ（図３のＡで示す部分）は、高温側ピストン２０Ｈの所定位置Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂまでにおける高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲの内周面３３とのクリアランスｔｃよりも大きくなる。ここで、高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲの内径はＤｉなので、クリアランスｔｃｈは（Ｄｉ−Ｄ１）／２であり、クリアランスｔｃは、（Ｄｉ−Ｄ２）／２である。これによって、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔ近傍が径方向へ熱膨張しても、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲとの接触を回避できる。ここで、上述した所定位置Ｋｐをピストン側段差部という（図３のＢで示す部分）。
【００５４】
本実施形態では、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣにくると、高温側ピストン２０Ｈはヒータ・シリンダ連結部材１２０の内部まで入り込む。図６に示す構成では、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔからピストン側段差部Ｋｐまでの距離Ｌ３を、図３に示す高温側ピストン２０Ｈでの頂面２０Ｔからピストン側段差部Ｋｐまでの距離Ｌ１よりも小さくしてある。このため、図３に示す高温側ピストン２０Ｈは、ＴＤＣにおいて、ピストン側段差部Ｋｐは、ヒータ・シリンダ連結部材１２０の内部まで入り込まない。一方、図６に示す高温側ピストン２０Ｈは、ＴＤＣにおいて、ピストン側段差部Ｋｐは、ヒータ・シリンダ連結部材１２０の内部まで入り込む。このため、図６に示す構成では、ＴＤＣにおいて、高温側ピストン２０Ｈの径方向に向かう熱膨張により、高温側ピストン２０Ｈとヒータ・シリンダ連結部材１２０とが接触するおそれがある。
【００５５】
この接触を回避するため、ＴＤＣにおいてピストン側段差部Ｋｐがヒータ・シリンダ連結部材１２０の内部まで入り込む構成では、図６に示すように、ヒータ・シリンダ連結部材１２０の内径Ｄｉ１を、高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲの内径はＤｉよりも大きく形成してもよい。これによって、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔからピストン側段差部Ｋｐまでにおける高温側ピストン２０Ｈとヒータ・シリンダ連結部材１２０とのクリアランスｔｃｈ１は、高温側ピストン２０Ｈの側周面２０Ｓと高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲの内周面３３とのクリアランスｔｃよりも大きくなる。ここで、クリアランスｔｃｈ１は（Ｄｉ１−Ｄ１）／２であり、クリアランスｔｃは、（Ｄｉ−Ｄ２）／２である。これによって、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔ近傍が径方向へ熱膨張しても、高温側ピストン２０Ｈとヒータ・シリンダ連結部材１２０との接触を回避できる。
【００５６】
図１に示すスターリングエンジン１００の運転中、上述したように、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔには、熱媒体として、例えば内燃機関の排ガスＥｘによってヒータ１０５で加熱された作動流体が接触する。作動流体の熱は、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔから頂面と接続する側周面２０Ｓへ流れ、その結果、スターリングエンジン１００の運転時には、停止時と比較して高温側ピストン２０Ｈの温度が上昇する。これによって、スターリングエンジン１００の運転時において、高温側ピストン２０Ｈは頂面２０Ｔから頂面反対側端部２０Ｂにわたって径方向へ膨張する。
【００５７】
一方、高温側ピストン２０Ｈが格納される高温側シリンダ３０Ｈは、外側が外気と接触する。このため、高温側シリンダ３０Ｈの温度は、高温の作動流体が流入する内部（すなわち図１に示す高温側作動空間ＭＳＨ）よりも外側の方が低くなる。これによって、高温側ピストン２０Ｈの側周面２０Ｓと対向する高温側シリンダ３０Ｈの内周面の温度が、高温側ピストン２０Ｈよりも低くなり、高温側ピストン２０Ｈの径方向への熱膨張よりも、高温側シリンダ３０Ｈの径方向への熱膨張の方が小さくなる。このように、高温側ピストン２０Ｈの熱膨張と高温側シリンダ３０Ｈの熱膨張との差（以下、ピストン−シリンダ間熱膨張差という）が発生することにより、当初設定していた高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスが減少し、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとが接触するおそれがある。
【００５８】
本実施形態では、高温側ピストン２０Ｈの温度と高温側シリンダ３０Ｈの温度との差（以下、ピストン−シリンダ間温度差という）を低減する構成とする。これによって、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減するので、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとの接触を回避できる。次に、ピストン−シリンダ間温度差を低減する構成について、詳細に説明する。
【００５９】
本実施形態では、高温側シリンダ３０Ｈを構成するスリーブ３０ＨＲを、作動流体を加熱するヒータ１０５と熱的に接続する。すなわち、スリーブ３０ＨＲは、ヒータ１０５を延長したような構造となる。ここで、熱的に接続するとは、スリーブ３０ＨＲとヒータ１０５とを、伝熱構造を介して接続し、ヒータ１０５の熱がスリーブ３０ＨＲへ良好に伝わるように構成することである。
【００６０】
伝熱構造としては、スリーブ３０ＨＲとヒータ１０５とを接続する部分を金属材料のような熱の良導体で構成して両者を接続したり、さらに両者の間に熱の良導体（例えば銀ペーストや銅ペーストのような金属ペースト）を介在させたりする構造がある。また、他の伝熱構造としては、例えば、スリーブ３０ＨＲとヒータ１０５との間に伝熱性に優れた材料を介在させて両者を接続したり、熱の良導体である金属材料で構成した伝熱部材を介して両者を接続したりする構造がある。さらに、スリーブ３０ＨＲとヒータ１０５とを同一の構造体とする構造も本実施形態の伝熱構造に該当する。
【００６１】
これによって、例えば、排ガスＥｘで加熱されるヒータ１０５の熱が熱伝導によってスリーブ３０ＨＲに伝わる。スリーブ３０ＨＲは、例えば金属のような熱伝導率の高い材料で構成されるので、ヒータ１０５の熱が効率よくスリーブ３０ＨＲへ伝わる。これによって、スリーブ３０ＨＲの外部への放熱があっても、ヒータ１０５によってスリーブ３０ＨＲに熱が与えられるので、スリーブ３０ＨＲの温度低下が抑制される。その結果、ピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減する。そして、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスは設定した値に維持されるので、両者の接触を回避できる。これによって、気体軸受ＧＢの機能を安定して発揮させることができる。
【００６２】
本実施形態では、スリーブ３０ＨＲの外側に、所定の間隔を設けてシリンダブロック３０ＨＢを配置する。このように、高温側シリンダ３０Ｈは、スリーブ３０ＨＲの外側に、所定の間隔をもってシリンダブロック３０ＨＢが配置される二重構造で構成される。スリーブ３０ＨＲとシリンダブロック３０ＨＢとの間に所定の間隔を設けることにより、スリーブ３０ＨＲの外周面３４とシリンダブロック３０ＨＢの内周面３５との間には気体層（本実施形態では空気層）が形成されるとともに、スリーブ３０ＨＲとシリンダブロック３０ＨＢとは非接触となる。
【００６３】
この気体層によって、スリーブ３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの放熱量を大幅に抑制できるので、スリーブ３０ＨＲの温度低下が抑制される。その結果、ピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減する。そして、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスは設定した値に維持されるので、両者の接触を回避できる。これによって、気体軸受ＧＢの機能を安定して発揮させることができる。
【００６４】
ここで、本実施形態では、シリンダブロック３０ＨＢと筐体補強部材１１４Ｂとの間にガスケット４０が設けられる。これによって、シリンダブロック３０ＨＢと筐体補強部材１１４Ｂとを密封して、クランクケース１１４Ａの気密を確保する。また、ガスケット４０に断熱材としての機能を持たせてもよい。これによって、シリンダブロック３０ＨＢから筐体補強部材１１４Ｂやクランクケース１１４Ａへの伝熱が抑制されて、筐体補強部材１１４Ｂ側におけるシリンダブロック３０ＨＢの温度低下が抑制される。その結果、スリーブ３０ＨＲのクランクケース１１４Ａ側におけるスリーブ３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの放熱を抑制できるという利点がある。
【００６５】
上述した構成により、スリーブ３０ＨＲの反ヒータ側端部３１は、シリンダブロック３０ＨＢと非接触となっている。シリンダブロック３０ＨＢは、ヒータ１０５から離れるにしたがって温度が低くなるが、シリンダブロック３０ＨＢの内側に気体層を介して配置されるスリーブ３０ＨＲの温度低下は、シリンダブロック３０ＨＢよりも小さい。このため、スリーブ３０ＨＲとシリンダブロックとの温度差は、スリーブ３０ＨＲの反ヒータ側端部３１で最も大きくなる。したがって、本実施形態では、反ヒータ側端部３１をシリンダブロック３０ＨＢと非接触とすることで両者間の熱伝導を回避する。これによって、スリーブ３０ＨＲの温度低下を抑制して、ピストン−シリンダ間温度差を低減する。
【００６６】
ここで、図６に示すように、所定の間隔で配置されたスリーブ３０ＨＲとシリンダブロック３０ＨＢとの間に、熱伝導率の低い放熱抑制部材４２を設けてもよい。これによって、スリーブ３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの伝熱を抑制してスリーブ３０ＨＲの温度低下が抑制される。その結果、ピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減して、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスが設定した値に維持される。また、スリーブ３０ＨＲに薄肉の金属を用いる場合には、放熱抑制部材４２によってスリーブ３０ＨＲの形状を保持し、スリーブ３０ＨＲの形状を保持する機能を持たせることもできる。
【００６７】
放熱抑制部材４２は、例えば、多孔質のセラミックを用いることができる。放熱抑制部材４２を設ける場合、これの脱落を防止するため、スリーブ３０ＨＲのヒータ１０５側とは反対側の端部（反ヒータ側端部）３１に位置決め部材４１を取り付けることが好ましい。位置決め部材４１は、放熱抑制部材４２の脱落を防止するだけでなく、スリーブ３０ＨＲを薄肉で形成した場合においてはスリーブ３０ＨＲをシリンダブロック３０ＨＢ内の所定位置に位置決めする機能も有する。したがって、スリーブ３０ＨＲを薄肉で形成した場合には、放熱抑制部材４２を用いない場合でも位置決め部材４１を設けることが好ましい。これによって、スリーブ３０ＨＲを薄肉で形成した場合であっても、スリーブ３０ＨＲをシリンダブロック３０ＨＢ内の所定位置に保持しやすくなる。
【００６８】
なお、位置決め部材４１は、スリーブ３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの伝熱を抑制するため、熱伝導率の低い樹脂やセラミック等のような非金属材料で構成することが好ましい。また、位置決め部材４２は、スリーブ３０ＨＲの周方向に分割して配置することが好ましい。これによって、スリーブ３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの伝熱面積を低減して、スリーブ３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの伝熱を抑制できる。
【００６９】
このように、本実施形態では、スリーブ３０ＨＲの外側に、所定の間隔を設けてシリンダブロック３０ＨＢを配置するとともに、両者を金属的に非接触の状態とする。これによって、スリーブ３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの伝熱を効果的に抑制してスリーブ３０ＨＲの温度低下を抑制して、ピストン−シリンダ間温度差を低減することにより、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスを設定した値に維持する。
【００７０】
本実施形態において、シリンダブロック３０ＨＢは、高温側シリンダ３０Ｈの中心軸Ｚｃと平行な方向の力（シリンダ軸力）や、高温側シリンダ３０Ｈに作用する曲げモーメント等を支持する構造部材である。このため、シリンダブロック３０ＨＢは、シリンダ軸力や前記曲げモーメントに耐え得るように肉厚を厚くして、強度を確保している。一方、スリーブ３０ＨＲは、内部に存在する作動流体の圧力を受け、シリンダ軸力や前記曲げモーメントは受けない。したがってスリーブ３０ＨＲの肉厚は、その内部に存在する作動流体の圧力にのみ耐え得る程度の厚さとすればよい。
【００７１】
一般に、円筒形状は内圧に対して強く、肉厚を薄くしても相当の内圧に耐える。したがって、スリーブ３０ＨＲは薄肉構造とすることができる。これによって、スリーブ３０ＨＲの熱容量が小さくなるので、ヒータ１０５からスリーブ３０ＨＲへ伝熱する熱の変化に対する応答性が向上する。これによって、ヒータ１０５の温度が変化して高温側ピストン２０Ｈと接触する作動流体の温度が変化しても、ヒータ１０５の温度変化に追従してスリーブ３０ＨＲの温度も迅速に変化するので、ピストン−シリンダ間温度差が迅速に低減される。その結果、ヒータ１０５の温度が変化しても、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスを設定した値に維持されて、気体軸受ＧＢの機能が確実に発揮される。
【００７２】
高温側シリンダ３０Ｈにおいて、少なくとも気体軸受ＧＢが形成され得る部分（気体軸受部）ＧＢＡには、スリーブ３０ＨＲの外側に所定の間隔をもってシリンダブロック３０ＨＢを配置した二重構造とすることが好ましい。これによって、気体軸受部ＧＢＡでは、ピストン−シリンダ間温度差の低減によりピストン−シリンダ間熱膨張差が低減するので、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスは、より確実に設定した値に維持されて、気体軸受ＧＢの機能が発揮される。
【００７３】
気体軸受部ＧＢＡは、高温側ピストン２０Ｈの一行程において、気体軸受ＧＢを形成するために必要な、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのスリーブ３０ＨＲとのクリアランスｔｃ（数μｍ〜数十μｍ）が形成され得る部分である。図３に示す構成では、高温側シリンダ３０Ｈの中心軸（高温側ピストン２０Ｈの中心軸と平行な軸）Ｚｃと平行な方向において、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣにあるときのピストン側段差部Ｋｐと、スリーブ３０ＨＲの反ヒータ側端部３１との間の部分が気体軸受部ＧＢＡである。
【００７４】
また、図６に示す例では、高温側ピストン２０Ｈの中心軸Ｚｐ及び高温側シリンダ３０Ｈの中心軸Ｚｃと平行な方向における、スリーブ３０ＨＲを支持するスリーブ支持部３２に設けられたシリンダ側段差部Ｋｃと、スリーブ３０ＨＲの反ヒータ側端部３１との間の部分が気体軸受部ＧＢＡである。ここで、シリンダ側段差部Ｋｃは、スリーブ３０ＨＲよりも内径が拡大されたヒータ・シリンダ連結部材１２０と、スリーブ３０ＨＲとを接続する際に生じる部分である。
【００７５】
本実施形態では、スリーブ３０ＨＲとヒータ１０５とを熱的に接続するとともに、高温側シリンダ３０Ｈを上述したような二重構造とすることにより、外気への放熱量が最も大きくなる高温側シリンダ３０Ｈの側周部から放熱を抑制する。これらの相互作用により、スリーブ３０ＨＲの温度低下を効果的に抑制して、ピストン−シリンダ間温度差を低減することにより、ピストン−シリンダ間熱膨張差を低減して両者のクリアランスを設定した値に維持する。その結果、両者の接触が回避できるので、スターリングエンジン１００の運転中においては、気体軸受ＧＢの機能を安定して発揮させることができる。
【００７６】
なお、図１に示すスターリングエンジン１００のように、複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つのシリンダは、スリーブとヒータとを熱的に接続するとともに、スリーブの外側にシリンダブロックを所定の間隔をもって配置した二重構造で構成する。本実施形態では、上述したように、この構造を図１に示すスターリングエンジン１００の高温側シリンダ３０Ｈに採用するが、低温側シリンダ３０Ｌに採用してもよい。
【００７７】
本実施形態において、図３、図５、図６に示すように、スリーブ３０ＨＲは、ヒータ１０５側の端部にスリーブ支持部３２が設けられる。本実施形態では、スリーブ３０ＨＲとスリーブ支持部３２とは同一の構造体として一体で構成されるが、両者を別個の構造体として構成し、スターリングエンジン１００に組み付けるときに一体としてもよい。本実施形態において、スリーブ３０ＨＲとスリーブ支持部３２とは、熱の良導体、例えば鋼やアルミニウム合金等の金属材料で構成される。
【００７８】
スリーブ３０ＨＲの軸方向（図３、図６のシリンダ中心軸Ｚｃの方向）における寸法はＬｒ２であり、スリーブ支持部３２の軸方向における寸法はＬｒ１である。そして、スリーブ３０ＨＲの軸方向におけるスリーブ３０ＨＲとスリーブ支持部３２との寸法はＬｒ＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２となる。
【００７９】
スリーブ支持部３２は、スリーブ３０ＨＲが設けられる側とは反対側の端部（ヒータ側端部）３２Ｔが、ヒータ１０５を構成するヒータ・シリンダ連結部材１２０のヒータ反対側端部１２０Ｂと接触し、熱的に接続される。これによって、スリーブ３０ＨＲは、スリーブ支持部３２を介してヒータ１０５と熱的に接続される。上述したように、スリーブ支持部３２は熱の良導体で構成されるので、スリーブ３０ＨＲは、ヒータ１０５と熱的に接続されることになる。
【００８０】
本実施形態において、ヒータ１０５は、作動流体が通過するチューブを複数束ねて構成される。図４に示すように、ヒータ・シリンダ連結部材１２０には、前記チューブの開口部１０５ＴＵが複数設けられる。この開口部１０５ＴＵから作動流体がスリーブ３０ＨＲの内部へ出入りする。
【００８１】
スリーブ支持部３２は、スリーブ３０ＨＲとシリンダブロック３０ＨＢとの間に所定の間隔を設けて、スリーブ３０ＨＲをシリンダブロック３０ＨＢの内部に保持する。本実施形態では、シリンダブロック３０ＨＢのヒータ１０５側における端部にスリーブ支持部３２が取り付けられる。シリンダブロック３０ＨＢのヒータ１０５側における端部は開口部を有するとともに、前記端部には段部ＫＤＢが形成されている。すなわち、開口部に近い方が内径は大きく形成される。
【００８２】
図５に示すように、スリーブ支持部３２は、シリンダブロック３０ＨＢに取り付けられる部分が、シリンダブロック３０ＨＢの前記端部に形成される段部ＫＤＢに合わせた形状に形成された段部ＫＤＲを有している。そして、スリーブ支持部３２をシリンダブロック３０ＨＢへ取り付けると、スリーブ支持部３２の段部ＫＤＲとシリンダブロック３０ＨＢの段部ＫＤＢとが嵌め合わされる。これによって、スリーブ支持部３２がシリンダブロック３０ＨＢに対して位置決めされるので、スリーブ３０ＨＲは、シリンダブロック３０ＨＢとの間に所定の間隔を設けてシリンダブロック３０ＨＢの内部に配置される。
【００８３】
スリーブ支持部３２とシリンダブロック３０ＨＢとの間に断熱部材を設けてもよい。これによって、スリーブ支持部３２を通ってシリンダブロック３０ＨＢへ伝わるヒータ１０５の熱を抑制できるので、ヒータ１０５の熱がスリーブ３０ＨＲへ伝わる割合が増加する。その結果、スリーブ３０ＨＲの温度低下をより効果的に抑制して、ピストン−シリンダ間温度差をより効果的に低減できる。
【００８４】
スリーブ３０ＨＲの径方向における肉厚ｔｒは、スリーブ支持部３２の径方向における肉厚やシリンダブロック３０ＨＢの肉厚に対して小さくしてある。例えば、ヒータ１０５の温度が変化すると、作動流体の温度が変化し、これにしたがって高温側ピストン２０Ｈの温度も変化する。ヒータ１０５の温度が変化すると、ヒータ１０５からスリーブ３０ＨＲへの伝熱量も変化するが、スリーブ３０ＨＲの肉厚ｔｒを小さくすることにより、スリーブ３０ＨＲが昇温しやすくなるので、スリーブ３０ＨＲの温度は前記伝熱量の変化に迅速に対応して変化する。その結果、高温側ピストン２０Ｈの温度及びスリーブ３０ＨＲの温度は同じように変化するので、ピストン−シリンダ間温度差の変化が抑制される。これによって、高温側ピストン２０Ｈとスリーブ３０ＨＲとのクリアランスの変化が抑制されるので、スターリングエンジン１００を安定して運転できる。
【００８５】
図７は、本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。本実施形態では、スターリングエンジン１００の出力を、スターリングエンジン用変速機５を介して内燃機関用変速機４へ入力し、内燃機関１の出力と合成して取り出す。
【００８６】
本実施形態において、内燃機関１は、例えば、乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力源となる。内燃機関１は、前記車両の走行中においては主たる動力源として出力を発生する。一方、スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘの温度がある程度の温度にならないと、必要最低限の出力を生み出すことができない。したがって、本実施形態において、スターリングエンジン１００は、内燃機関１の排出する排ガスＥｘの温度が所定温度を超えたら内燃機関１の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収して出力を発生し、内燃機関１とともに前記車両を駆動する。このように、スターリングエンジン１００は、前記車両の従たる動力源となる。
【００８７】
スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、内燃機関１の排気通路２内に配置される。なお、排気通路２内には、スターリングエンジン１００の再生器（図１参照）１０６を配置してもよい。スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、排気通路２に設けられる中空のヒータケース３内に設けられる。
【００８８】
本実施形態において、スターリングエンジン１００を用いて回収した排ガスＥｘの熱エネルギーは、スターリングエンジン１００で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン１００の出力軸であるクランクシャフト１１０には、動力断続手段であるクラッチ６が取り付けられており、スターリングエンジン１００の出力は、クラッチ６を介してスターリングエンジン用変速機５に伝達される。
【００８９】
内燃機関１の出力は、内燃機関１の出力軸１ｓを介して内燃機関用変速機４に入力される。そして、内燃機関用変速機４は、内燃機関１の出力と、スターリングエンジン用変速機５から出力されるスターリングエンジン１００の出力とを合成して、変速機出力軸９に出力し、デファレンシャルギヤ１０を介して駆動輪１１を駆動する。
【００９０】
ここで、動力断続手段であるクラッチ６は、内燃機関用変速機４とスターリングエンジン１００との間に設けられる。本実施形態では、スターリングエンジン用変速機５の入力軸５ｓとスターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０との間に設けられる。クラッチ６は、係合、解放することによって、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０と、スターリングエンジン用変速機５の入力軸５ｓとの機械的な接続を断続する。ここで、クラッチ６は、機関ＥＣＵ５０によって制御される。
【００９１】
クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとは、スターリングエンジン用変速機５及び内燃機関用変速機４を介して直結される。これによって、スターリングエンジン１００の発生する出力と内燃機関１の発生する出力とは、内燃機関用変速機４で合成され、変速機出力軸９から取り出される。一方、クラッチ６を開放すると、内燃機関１の出力軸１ｓはスターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０と切り離されて回転する。
【００９２】
図７に示すスターリングエンジン１００が備えるシリンダ（少なくとも高温側シリンダ）は、上述した構造である。これによって、ピストンとシリンダとの温度を同程度に維持できるので、ピストンが高温の作動流体から熱を受けて径方向へ熱膨張しても、シリンダもピストンと同様に径方向へ熱膨張する。これによって、ピストンとシリンダとのクリアランスの急激な減少を抑制して、ピストンとシリンダとの接触を回避できる。その結果、車両に搭載されるスターリングエンジン１００が振動を受けてピストンとシリンダとのクリアランスが変化したとしても、ピストンの径方向に向かう熱膨張に起因して発生する、前記段差部におけるピストンとシリンダとのクリアランスの急激な減少の影響が低減される。
【００９３】
これによって、車両の走行中にスターリングエンジン１００を運転している場合には、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できるので、スターリングエンジン１００を安定して運転できるとともに、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。このように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００を、車両に搭載された内燃機関１の排熱回収に用いる場合には、安定して排熱を回収できるとともに、十分な耐久性を確保できる。
【００９４】
以上、本実施形態では、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるピストン機関であり、前記ピストン機関の作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブを備え、このスリーブと前記ヒータと熱的に接続するとともに、前記スリーブの外側に外殻を配置して、前記スリーブと前記外殻との二重構造でシリンダを構成する。これによって、シリンダを構成するスリーブの温度とピストンの温度との温度差を低減して、両者の熱膨張差を抑制できるので、両者の接触を回避できる。そして、スリーブとピストンとのクリアランスを設定された値に維持できるので、気体軸受の機能を確実に発揮させることができる。特に、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構成においては、ピストンとシリンダとのクリアランスが非常に小さいため、ピストンの熱膨張によってピストンとシリンダとが接触しやすい。しかし、本実施形態によれば、ピストンとシリンダとが接触するおそれを抑制して、確実に気体軸受の機能を発揮させることができるので好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上のように、本発明に係るピストン機関及びスターリングエンジンは、ピストンリングを用いないで気体軸受によってピストンをシリンダ内に支持するピストン機関に有用であり、特に、ピストンとシリンダとの接触を回避することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。
【図３】本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える高温側シリンダの構成を示す説明図である。
【図４】ヒータ・シリンダ連結部材を高温側作動空間側から見た平面図である。
【図５】高温側ピストンを構成するスリーブの断面図である。
【図６】本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える高温側シリンダの他の構成を示す説明図である。
【図７】本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９７】
２０  ピストン
２０Ｂ  頂面反対側端部
２０Ｈ  高温側ピストン
２０Ｌ  低温側ピストン
２０Ｓ  側周面
２０Ｔ  頂面
３０  シリンダ
３０Ｈ  高温側シリンダ
３０ＨＢ、３０ＬＢ  シリンダブロック
３０ＨＲ、３０ＬＲ  スリーブ
３０Ｌ  低温側シリンダ
３１  反ヒータ側端部
３２  スリーブ支持部
４０  ガスケット
４１  位置決め部材
４２  放熱抑制部材
６０  グラスホッパ機構（近似直線機構）
１００  スターリングエンジン
１００Ｃ  筐体
１０５  ヒータ
１０６  再生器
１０７  クーラー
１０８  熱交換器
１１０  クランクシャフト
１１１  基板
１２０  ヒータ・シリンダ連結部材
１２０Ｂ  ヒータ反対側端部
１２１  クーラー・シリンダ連結部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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