(57)【要約】【課題】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。【解決手段】ピストン２０の側周部２０Ｓであって、ピストン側段差部Ｋｐからピストン２０の頂面反対側端部へ向かって所定の距離Ｌ３の範囲には、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊが設けられる。ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊは、ピストン側段差部Ｋｐを起点Ｖｓとし、ピストン側段差部Ｋｐからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔへ向かって所定の距離Ｌ３の位置を終点Ｖｆとする。ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊは、ピストン側段差部Ｋｐからピストン２０の頂面反対側端部へ向かって、ピストン２０の直径が徐々に小さくなるように形成される。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンの頂面側の側周部と、上死点で前記ピストンの頂面側の側周部が対向する前記シリンダの内周部と、の少なくとも一方に設けられて、前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部側の所定位置までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスを、前記所定位置よりも前記ピストンの頂面反対側端部までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスよりも大きくする段差部と、
少なくとも前記ピストンの側周部に設けられて、前記段差部から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定距離の範囲は、前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスが徐々に小さくなるように形成されるクリアランス徐変部と、
を含むことを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
シリンダ内を往復運動するピストンの頂面側の側周部と、上死点での前記ピストンの頂面側の側周部と対向する前記シリンダの内周部と、の少なくとも一方に設けられて、前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部側の所定位置までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスを、前記所定位置よりも前記ピストンの頂面反対側端部までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスよりも大きくする段差部と、
前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部までにおいて、前記シリンダと前記ピストンとの間に形成されるクリアランスに介在する気体軸受と、
少なくとも前記ピストンの側周部に設けられて、前記段差部から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定距離の範囲は、前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスが徐々に小さくなるように形成されるクリアランス徐変部と、
を含むことを特徴とするピストン機関。
【請求項３】
前記段差部は、前記ピストンの側周部に設けられ、前記ピストンの頂面から前記段差部までにおける前記ピストンの直径は、段差部から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの直径よりも小さく形成されるとともに、
前記クリアランス徐変部は、前記段差部に向かうにしたがって前記ピストンの直径が小さくなるテーパー形状に形成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】
前記ピストンの中心軸と、テーパー形状に形成される前記クリアランス徐変部とのなす角度のうち鋭角の方であるテーパー角度は、０．１度以上０．３度以下であることを特徴とする請求項３に記載のピストン機関。
【請求項５】
前記ピストンの中心軸と平行かつ前記ピストンの中心軸を含む平面で前記ピストンを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部の形状は、曲線で構成されることを特徴とする請求項３に記載のピストン機関。
【請求項６】
前記ピストンの中心軸と平行かつ前記ピストンの中心軸を含む平面で前記ピストンを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部の形状は、単一の直線、又は複数の直線を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項３に記載のピストン機関。
【請求項７】
前記ピストンの中心軸と平行かつ前記ピストンの中心軸を含む平面で前記ピストンを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部は、前記ピストンが熱膨張したときにおける、前記段差部よりも前記ピストンの頂面反対側端部側における側周部の形状と、前記ピストンが熱膨張する前における前記ピストンの側周部の延長線に対して線対称となるように形成されることを特徴とする請求項３に記載のピストン機関。
【請求項８】
前記段差部は、前記シリンダの内周部に設けられ、前記シリンダの頂部側端部から段差部までにおける前記シリンダの内径は、前記段差部から前記頂部反対側端部までの内径よりも大きく形成されるとともに、
前記クリアランス徐変部は、前記段差部に向かうにしたがって前記シリンダの内径が大きくなるテーパー形状に形成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９】
前記シリンダ中心軸と、前記クリアランス徐変部とのなす角度のうち鋭角の方であるテーパー角度は、０．１度以上０．３度以下であることを特徴とする請求項８に記載のピストン機関。
【請求項１０】
前記シリンダの中心軸と平行かつ前記シリンダの中心軸を含む平面で前記シリンダを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部の外形は、曲線で構成されることを特徴とする請求項８に記載のピストン機関。
【請求項１１】
前記シリンダの中心軸と平行かつ前記シリンダの中心軸を含む平面で前記シリンダを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部の外形は、単一の直線、又は複数の直線を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項８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、
前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出するシリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンの頂面側の側周部と、上死点での前記ピストンの頂面側の側周部と対向する前記シリンダの内周部と、の少なくとも一方に設けられて、前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部側の所定位置までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスを、前記所定位置よりも前記ピストンの頂面反対側端部までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスよりも大きくする段差部と、
前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部までにおいて、前記シリンダと前記ピストンとの間に形成されるクリアランスに介在する気体軸受と、
少なくとも前記ピストンの側周部に設けられて、前記段差部から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定距離の範囲は、前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスが徐々に小さくなるように形成されるクリアランス徐変部と、
を含むことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１３】
前記段差部は、前記ピストンの側周部に設けられ、前記ピストンの頂面から前記段差部までにおける前記ピストンの直径は、段差部から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの直径よりも小さく形成されるとともに、
前記クリアランス徐変部は、前記段差部に向かうにしたがって前記ピストンの直径が小さくなるテーパー形状に形成されることを特徴とする請求項１２に記載のスターリングエンジン。
【請求項１４】
前記段差部は、前記シリンダの内周部に設けられ、前記シリンダの頂部側端部から段差部までにおける前記シリンダの内径は、前記段差部から前記頂部反対側端部までの内径よりも大きく形成されるとともに、
前記クリアランス徐変部は、前記段差部に向かうにしたがって前記シリンダの内径が大きくなるテーパー形状に形成されることを特徴とする請求項１２に記載のスターリングエンジン。
【請求項１５】
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１２〜１４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、高温側ピストンの頂面側の直径を、スカート側の直径よりも小さくすることにより、高温側ピストンの頂面側に段差部を設けた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２００５−１０６０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されたスターリングエンジンでは、段差部においてピストンとシリンダとのクリアランスが急激に狭くなっており、この段差部の熱膨張によって、段差部で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、ピストンの頂面側でピストンとシリンダとの間のクリアランスを拡大することにより、ピストンの熱膨張によるピストンとシリンダとの接触を回避する構成において、ピストンとシリンダとの間のクリアランスが拡大する部分の段差部で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、シリンダ内を往復運動するピストンの頂面側の側周部と、上死点で前記ピストンの頂面側の側周部が対向する前記シリンダの内周部と、の少なくとも一方に設けられて、前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部側の所定位置までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスを、前記所定位置よりも前記ピストンの頂面反対側端部までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスよりも大きくする段差部と、少なくとも前記ピストンの側周部に設けられて、前記段差部から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定距離の範囲は、前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスが徐々に小さくなるように形成されるクリアランス徐変部と、を含むことを特徴とする。
【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、シリンダ内を往復運動するピストンの頂面側の側周部と、上死点での前記ピストンの頂面側の側周部と対向する前記シリンダの内周部と、の少なくとも一方に設けられて、前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部側の所定位置までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスを、前記所定位置よりも前記ピストンの頂面反対側端部までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスよりも大きくする段差部と、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部までにおいて、前記シリンダと前記ピストンとの間に形成されるクリアランスに介在する気体軸受と、少なくとも前記ピストンの側周部に設けられて、前記段差部から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定距離の範囲は、前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスが徐々に小さくなるように形成されるクリアランス徐変部と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
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、前記段差部は、前記ピストンの側周部に設けられ、前記ピストンの頂面から前記段差部までにおける前記ピストンの直径は、段差部から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの直径よりも小さく形成されるとともに、前記クリアランス徐変部は、前記段差部に向かうにしたがって前記ピストンの直径が小さくなるテーパー形状に形成されることが望ましい。
【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、前記ピストンの中心軸と、テーパー形状に形成される前記クリアランス徐変部とのなす角度のうち鋭角の方であるテーパー角度は、０．１度以上０．３度以下であることが望ましい。
【０００９】
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、前記ピストンの中心軸と平行かつ前記ピストンの中心軸を含む平面で前記ピストンを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部の形状は、曲線で構成されることが望ましい。
【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、前記ピストンの中心軸と平行かつ前記ピストンの中心軸を含む平面で前記ピストンを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部の形状は、単一の直線、又は複数の直線を組み合わせて構成されることが望ましい。
【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、前記ピストンの中心軸と平行かつ前記ピストンの中心軸を含む平面で前記ピストンを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部は、前記ピストンが熱膨張したときにおける、前記段差部よりも前記ピストンの頂面反対側端部側における側周部の形状と、前記ピストンが熱膨張する前における前記ピストンの側周部の延長線に対して線対称となるように形成されることが望ましい。
【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、前記段差部は、前記シリンダの内周部に設けられ、前記シリンダの頂部側端部から段差部までにおける前記シリンダの内径は、前記段差部から前記頂部反対側端部までの内径よりも大きく形成されるとともに、前記クリアランス徐変部は、前記段差部に向かうにしたがって前記シリンダの内径が大きくなるテーパー形状に形成されることが望ましい。
【００１３】
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、前記シリンダ中心軸と、前記クリアランス徐変部とのなす角度のうち鋭角の方であるテーパー角度は、０．１度以上０．３度以下であることが望ましい。
【００１４】
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、前記シリンダの中心軸と平行かつ前記シリンダの中心軸を含む平面で前記シリンダを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部の外形は、曲線で構成されることが望ましい。
【００１５】
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、前記シリンダの中心軸と平行かつ前記シリンダの中心軸を含む平面で前記シリンダを切ったときの断面における前記クリアランス徐変部の外形は、単一の直線、又は複数の直線を組み合わせて構成されることが望ましい。
【００１６】
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、前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出するシリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの頂面側の側周部と、上死点での前記ピストンの頂面側の側周部と対向する前記シリンダの内周部と、の少なくとも一方に設けられて、前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部側の所定位置までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスを、前記所定位置よりも前記ピストンの頂面反対側端部までにおける前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスよりも大きくする段差部と、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部までにおいて、前記シリンダと前記ピストンとの間に形成されるクリアランスに介在する気体軸受と、少なくとも前記ピストンの側周部に設けられて、前記段差部から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定距離の範囲は、前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスが徐々に小さくなるように形成されるクリアランス徐変部と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
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、前記段差部は、前記ピストンの側周部に設けられ、前記ピストンの頂面から前記段差部までにおける前記ピストンの直径は、段差部から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの直径よりも小さく形成されるとともに、前記クリアランス徐変部は、前記段差部に向かうにしたがって前記ピストンの直径が小さくなるテーパー形状に形成されることが望ましい。
【００１８】
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、前記段差部は、前記シリンダの内周部に設けられ、前記シリンダの頂部側端部から段差部までにおける前記シリンダの内径は、前記段差部から前記頂部反対側端部までの内径よりも大きく形成されるとともに、前記クリアランス徐変部は、前記段差部に向かうにしたがって前記シリンダの内径が大きくなるテーパー形状に形成されることが望ましい。
【００１９】
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望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、ピストンの頂面側でピストンとシリンダとの間のクリアランスを拡大することにより、ピストンの熱膨張によるピストンとシリンダとの接触を回避する構成において、ピストンとシリンダとの間のクリアランスが拡大する部分の段差部で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】
【００２１】
ピストンあるいはシリンダに設けた段差部で、ピストンとシリンダとのクリアランスが急激に狭くなることに起因して、ピストンの側周部の表面温度が急激に上昇することが見出された。そして、ピストンの側周部の表面温度が急激に上昇することにより、ピストンの径方向における熱膨張が他の部分よりも大きくなり、これによってピストンとシリンダとが接触するおそれがあることが見出された。本発明は、かかる点に着目して完成されたものである。
【００２２】
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。
【００２３】
なお、以下においては、ピストン機関の一例としてスターリングエンジンを取り上げるが、ピストン機関は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。
【００２４】
本実施形態は、ピストンの熱膨張によるピストンとシリンダとの接触を回避するため、ピストンの頂面側においてピストン−シリンダ間のクリアランスを拡大する構成を備えるピストン機関に適用される。そして、本実施形態は、前記クリアランスを拡大することによりピストンとシリンダとの少なくとも一方に形成される段差部からピストンの下死点の方向（ピストンの頂面とは反対側の端部の方向）に向かって所定の範囲を、ピストンとシリンダとのクリアランスが徐々に狭くなるテーパー形状に形成する点に特徴がある。ここで、テーパー形状に形成される部分は、少なくともピストンに設けられる。
【００２５】
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。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。
【００２６】
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。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。
【００２７】
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。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を介在させる。
【００２８】
スターリングエンジン１００は、基準体である基板１１１に、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを直接又は間接的に取り付けることにより、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。
【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。ヒータ１０５は、作動流体（本実施形態では空気）を加熱する。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。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。
【００３１】
高温側シリンダ３０Ｈ、低温側シリンダ３０Ｌ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。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。
【００３２】
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内に気体軸受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２０をシリンダ３０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。
【００３３】
気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、ピストン２０（高温側ピストン２０Ｈ、低温側ピストン２０Ｌ）とシリンダ３０（高温側シリンダ３０Ｈ、低温側シリンダ３０Ｌ）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軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。
【００３４】
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を実質的にゼロ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。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。
【００３５】
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、クランク軸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。
【００３６】
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６０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。
【００３７】
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１００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。
【００３８】
図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ３０Ｈ、高温側ピストン２０Ｈ、コネクティングロッド６１、クランク軸１１０等の構成要素は、筺体１００Ｃに格納される。スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成される。筺体１００Ｃ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。筺体１００Ｃ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。
【００３９】
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、筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧することにより、作動空間ＭＳ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、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力に略比例して大きくなる。
【００４０】
スターリングエンジン１００は、筺体１００Ｃにシール軸受１１６が取り付けられており、クランク軸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、筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧するが、シール軸受１１６により、筺体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。クランク軸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を介して筺体１００Ｃの外部へ取り出される。
【００４１】
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。両者を区別しない場合には、単にピストン内空間２０Ｉという。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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ピストン及びシリンダの構成を示す拡大図である。図４−１は、本実施形態に係るピストンの構成を示す模式図である。図４−２は、本実施形態に係るシリンダの構成を示す模式図である。図３、図４−１、図４−２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であるが、次の説明では、便宜上単にピストン２０、シリンダ３０という。本実施形態に係るピストン及びシリンダの構成は、特に高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈに適用することが好ましいが、図１に示す低温側ピストン２０Ｌ及び低温側シリンダ３０Ｌに適用してもよい。
【００４６】
ピストン２０はシリンダ３０内を往復運動する。ピストン２０は、頂面２０Ｔｔと、頂面２０Ｔｔに接続する側周部２０Ｓと、を含んで構成される。ピストン２０の頂面２０Ｔｔは、ピストン２０が作動流体と接する面である。また、ピストン２０の頂面２０Ｔｔと反対側の端部が、ピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔとなる。
【００４７】
シリンダ３０の頂部側端部３０Ｔｔには、図１に示す熱交換器１０８のヒータ１０５の一端部が接続されている。シリンダ３０の頂部側端部３０Ｔｔは、シリンダ３０の二つの端部のうち、ピストン２０が上死点にきたときに、ピストン２０の頂面２０Ｔｔと最も近接する端部である。シリンダ３０の頂部側端部３０Ｔｔと反対側の端部は、シリンダ３０の頂部反対側端部３０Ｂｔである。また、ピストン２０の側周部２０Ｓと対向するシリンダ３０の面は、内周部３０Ｓとなる。
【００４８】
ピストン２０の頂面２０Ｔｔ側の側周部２０Ｓには、段差部（ピストン側段差部）Ｋｐが設けられる。ピストン２０の頂面２０Ｔｔからピストン側段差部Ｋｐまでの距離は、Ｌ１である。ピストン２０の頂面２０Ｔｔからピストン側段差部Ｋｐまでにおけるピストン２０の直径はＤｐ１であり、ピストン側段差部Ｋｐからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔまでにおけるピストン２０の直径はＤｐ２である。
【００４９】
また、本実施形態において、上死点でのピストン２０の頂面２０Ｔｔ側の側周部２０Ｓに対向するシリンダ３０の内周部３０Ｓには、段差部（シリンダ側段差部）Ｋｓが設けられる。シリンダ３０の頂部側端部３０Ｔｔからシリンダ側段差部Ｋｓまでの距離はＬ２であり、Ｌ１＜Ｌ２となる。また、シリンダ３０の頂部側端部３０Ｔｔからシリンダ側段差部Ｋｓまでにおけるシリンダ３０の内径はＤｓ１であり、シリンダ側段差部Ｋｓからシリンダ３０の頂部反対側端部３０Ｂｔまでにおけるシリンダ３０の内径はＤｓ２である。
【００５０】
ピストン側段差部Ｋｐは、ピストン２０の頂面２０Ｔｔからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔに向かった所定位置に設けられる。これによって、ピストン側段差部Ｋｐは、ピストン２０の頂面２０Ｔｔからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔに向かって所定距離Ｌ１の位置までの部分におけるピストン２０とシリンダ３０との間に形成されるクリアランスｔｃｅを、所定距離Ｌ１の位置から頂面反対側端部２０Ｂｔまでにおけるピストン２０とシリンダ３０との間に形成されるクリアランスｔｃよりも大きくする。ここで、所定距離Ｌ１の位置から頂面反対側端部２０Ｂｔまでにおいてピストン２０とシリンダ３０との間に形成されるクリアランスｔｃには、気体軸受ＧＢが介在する。なお、クリアランスｔｃｅは（Ｄｓ１−Ｄｐ１）／２であり、クリアランスｔｃは（Ｄｓ２−Ｄｐ２）／２である。
【００５１】
シリンダ側段差部Ｋｓは、上死点でピストン２０の頂面２０Ｔｔ側の側周部２０Ｓが対向するシリンダ３０の内周部３０Ｓに設けられる。これによって、シリンダ側段差部Ｋｓは、ピストン２０の頂面２０Ｔｔからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔに向かって所定距離Ｌ１の位置までの部分におけるピストン２０とシリンダ３０との間に形成されるクリアランスｔｃｅを、前記所定距離Ｌ１の位置から頂面反対側端部２０Ｂｔまでにおけるピストン２０とシリンダ３０との間に形成されるクリアランスｔｃよりも大きくする。なお、ピストン側段差部Ｋｐとシリンダ側段差部Ｋｓとは、少なくとも一方をスターリングエンジン１００に設ければよい。
【００５２】
図１に示す高温側ピストン２０Ｈの頂面は、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、ピストン２０とシリンダ３０との間に気体軸受ＧＢを形成するため、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、ピストン２０が径方向に熱膨張すると、ピストン２０とシリンダ３０とが接触するおそれがある。そこで、本実施形態のように、ピストン側段差部Ｋｐ、あるいはシリンダ側段差部Ｋｓを設けて、ピストン２０が径方向へ熱膨張することによるピストン２０とシリンダ３０との接触を回避する。
【００５３】
図５は、スターリングエンジンの運転中におけるピストンの表面温度及び熱膨張を示す説明図である。図５は、スターリングエンジン（例えば図１に示すようなα型のスターリングエンジン）のピストン（高温側のピストン）２００の表面温度（ピストン表面温度）Ｔｐ、ピストン２００及びシリンダ（高温側のシリンダ）３００の径方向における熱膨張のシミュレーション結果を示している。
【００５４】
図５の中央は、ピストン２００の表面温度（ピストン表面温度）Ｔｐを示しており、ピストン２００の頂面２００Ｔｔに近づくにしたがってピストン表面温度Ｔｐは上昇する。また、Ｔｐ＿Ｋは、ピストン側段差部Ｋｐでのピストン表面温度である。図５の左側は、スターリングエンジンを運転する前におけるピストン２００及びシリンダ３００の熱膨張の状態を示す。また、図５の右側は、スターリングエンジンの運転中におけるピストン２００及びシリンダ３００の熱膨張の状態を示す。図５の左側及び右側におけるＲは、ピストンの中心軸（シリンダの中心軸と同じ）からの距離を示す。
【００５５】
スターリングエンジンの運転中においては、作動流体がピストン２００の頂面２００Ｔｔへ定常的に熱を与えることにより、頂面２００Ｔｔから側周部２００Ｓに向かう熱の流れが発生し、図５の中央に示すようなピストン表面温度Ｔｐの温度勾配が形成される。ここで、ピストン側段差部Ｋｐにおいては、ピストン２００とシリンダ３００とのクリアランスが急激に変化する。具体的には、ピストン側段差部Ｋｐで、ピストン側段差部Ｋｐよりも頂面反対側端部２００Ｂｔ側でピストン２００とシリンダ３００とのクリアランスが急激に縮小する。これに起因して、図５の中央に示すように、ピストン側段差部Ｋｐでは頂面２００Ｔｔへ向かってピストン表面温度Ｔｐは急激に上昇する。
【００５６】
その結果、スターリングエンジンの運転中においては、図５の右側に示すように、ピストン２００の径方向に向かうピストン側段差部Ｋｐの熱膨張が他の部分よりも大きくなる。その結果、ピストン側段差部Ｋｐで、ピストン２００とシリンダ３００とが接触してしまう。
【００５７】
そこで、本実施形態では、ピストン側段差部Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂｔへ向かう所定距離の範囲は、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスが徐々に小さくなるように形成する。本実施形態では、ピストン２０の側周部２０Ｓに形成されるピストン側段差部Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂｔへ向かう所定距離の範囲を、ピストン側段差部Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂｔへ向かって徐々にピストン２０の直径が大きくなるテーパー形状に形成する。このテーパー形状に形成されたピストン２０の所定の範囲を、クリアランス徐変部（ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊ、図４−１）という。
【００５８】
ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊは、ピストン２０の径方向に対する熱膨張の大きさに対応して、ピストン２０の直径が徐々に変化する。より具体的には、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊでは、径方向への熱膨張が最も大きいピストン側段差部Ｋｐ（図５参照）の直径を最も小さくする。そして、頂面反対側端部２０Ｂｔへ向かって径方向への熱膨張は徐々に小さくなるので、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊでは、これに対応させてピストン側段差部Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂｔへ向かって徐々にピストン２０の直径が大きくなるようにピストン２０の直径を徐々に変化させる。すなわち、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊでは、ピストン側段差部Ｋｐからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔに向かってピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスが徐々に小さくなる。
【００５９】
このとき、ピストン側段差部Ｋｐにおける側周部２０Ｓとシリンダ３０の内周部３０Ｓとのクリアランスを、ピストン側段差部Ｋｐにおけるピストン２０の径方向に向かう熱膨張が発生しても、ピストン２０とシリンダ３０とが接触しない程度の大きさとする。これによって、ピストン側段差部Ｋｐにおけるピストン２０の径方向に向かう熱膨張が発生しても、ピストン２０とシリンダ３０との接触を回避できる。
【００６０】
なお、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊを設けた上で、シリンダ３０の内周部３０Ｓにもクリアランス徐変部を設けてもよい（図４−２のシリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊ）。すなわち、クリアランス徐変部は、少なくともピストン２０の側周部２０Ｓに設ける。シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊを設ける場合、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、シリンダ３０の内周部３０Ｓに形成されるシリンダ側段差部Ｋｓに設けられる。より具体的には、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、シリンダ側段差部Ｋｓからシリンダ３０の頂部反対側端部３０Ｂｔに向かう所定距離の範囲に設けられる。これによって、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊでは、ピストン２０が上死点にきたとき、ピストン２０の側周部２０Ｓとシリンダ３０の内周部３０Ｓとのクリアランスは、ピストン側段差部Ｋｐからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔに向かって徐々に小さくなる。次に、クリアランス徐変部についてより詳細に説明する。
【００６１】
図６、図７は、ピストンに設けたクリアランス徐変部の拡大図である。図６、図７は、ピストン中心軸Ｚｐと平行かつピストン中心軸Ｚｐを含む平面でピストン２０を切ったときにおけるピストン２０の断面（子午断面という）、及びシリンダ中心軸Ｚｓと平行かつシリンダ中心軸Ｚｓを含む平面でシリンダ３０を切ったときにおけるシリンダ３０の断面（子午断面という）を示している。
【００６２】
図６に示すように、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊは、ピストン２０の側周部２０Ｓであって、ピストン側段差部Ｋｐからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔ（図４−１参照）へ向かって所定の距離Ｌ３の範囲に設けられる。ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊはピストン側段差部Ｋｐを起点Ｖｓとし、ピストン側段差部Ｋｐからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔ（図４−１参照）へ向かって所定の距離Ｌ３の位置を終点Ｖｆとする。ここで、距離Ｌ３を、クリアランス徐変部長さという。
【００６３】
図６に示すように、起点Ｖｓにおけるピストン２０の直径はＤｐ３である。また、終点Ｖｆにおけるピストン２０の直径はＤｐ２である。図７に示すように、本実施形態において、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊは、起点Ｖｓ、すなわちピストン側段差部Ｋｐにおけるピストン２０の直径Ｄｐ３が最も小さい。すなわち、起点Ｖｓにおいて、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊとシリンダ３０の内周部３０Ｓとの距離（クリアランス徐変部最大寸法）δｃが最も大きくなる。クリアランス徐変部最大寸法δｃは、（Ｄｐ２−Ｄｐ３）／２で求めることができる。
【００６４】
図７に示すように、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊの起点Ｖｓと終点Ｖｆとを結んだ直線Ｌｓと、ピストン中心軸Ｚｐとのなす角度のうち鋭角の方をテーパー角度θという。ここで、図７においては、説明の便宜上、ピストン中心軸Ｚｐと平行な直線Ｌｐをピストン中心軸Ｚｐとみなしている。テーパー角度θは、クリアランス徐変部長さＬ３と、クリアランス徐変部最大寸法δｃとを用いて、式（１）で求めることができる。
θ＝ｔａｎ−１（δｃ／Ｌ３）・・・（１）
【００６５】
ピストン２０の径方向に向かう熱膨張によって、ピストン２０とシリンダ３０とが接触することを回避するためには、テーパー角度θを０．１度以上とすることが好ましい。また、テーパー角度θを大きくしすぎると、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊでピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスが急拡大することになる。その結果、気体軸受ＧＢによる荷重支持領域が影響を受け、気体軸受ＧＢの機能が十分に発揮されないおそれがある。かかる観点から、テーパー角度θは０．３度以下とすることが好ましい。
【００６６】
また、ピストン２０の頂面２０Ｔｔから側周部２０Ｓへ熱が逃げる領域が小さい場合（例えば、ピストン２０の側周部２０Ｓが薄い金属で構成される、ピストン中心軸Ｚｐの方向における側周部２０Ｓの寸法が短い等）、ピストン２０の熱膨張は大きくなるので、この場合にはテーパー角度θを０．３度までの範囲で大きくする。本実施形態では、例えば、δｃを２０μｍ、Ｌ３を６ｍｍとし、このときのテーパー角度θが約０．２度であるので、ピストン２０とシリンダ３０との接触を確実に回避できるとともに、気体軸受ＧＢの機能も十分に発揮させることができる。
【００６７】
図７に示す直線Ｌｐは、ピストン２０の子午断面において、ピストン２０の側周部２０Ｓの延長線である。直線Ｌｐは、側周部２０Ｓに平行な直線であり、ピストン２０の中心軸と平行な直線である。図７の一点鎖線は、図１に示すスターリングエンジン１００の運転中において熱膨張したピストン２０の、ピストン側段差部Ｋｐよりも頂面反対側端部２０Ｂｔ側の側周部を示している。これを熱膨張後側周部２０Ｓ１という。
【００６８】
図７に示すように、本実施形態において、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊは、ピストン２０の子午断面において、起点Ｖｓと終点Ｖｆとを曲線で結んだ形状である。すなわち、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊは、凸状の曲面でピストン２０の側周部２０Ｓに形成される。この場合、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊの形状は、ピストン２０の径方向に対する熱膨張を考慮して、前記熱膨張と相反する形状とすることが好ましい。
【００６９】
例えば、ピストン２０の子午断面におけるピストン側クリアランス徐変部２０Ｊは、直線Ｌｐに対して熱膨張後側周部２０Ｓ１の形状と線対称となる形状とすることが好ましい。すなわち、ピストン２０の子午断面におけるピストン側クリアランス徐変部２０Ｊの形状は、ピストン２０の熱膨張後における形状と直線Ｌｐで軸対称となることが好ましい。直線Ｌｐは、ピストン２０の子午断面において、熱膨張する前におけるピストン２０の側周部２０Ｓと平行（すなわちピストン中心軸Ｚｐと平行）なので、図１に示すスターリングエンジン１００の運転中においては、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊが側周部２０Ｓと略平行になる。その結果、ピストン２０とシリンダ３０との接触を回避できる。また、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊにおけるピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスは、気体軸受ＧＢが形成される領域における前記クリアランスと同程度になるので、気体軸受ＧＢによる荷重負荷領域が増加する。これによって、ピストン２０は気体軸受ＧＢによってより確実に支持されて、スターリングエンジン１００が安定して運転される。
【００７０】
図８、図９は、ピストンに設けたクリアランス徐変部の変形例を示す拡大図である。図８に示すピストン２０ａのピストン側クリアランス徐変部２０Ｊａは、ピストン２０ａの子午断面において、起点Ｖｓと終点Ｖｆとを複数（この例では３本）の直線ｌ１〜ｌ３で結んだ凸状の形状である。また、図９に示すピストン２０ｂのピストン側クリアランス徐変部２０Ｊｂは、ピストン２０ｂの子午断面において、起点Ｖｓと終点Ｖｆとを１本の直線ｌ４で結んだ形状に形成される。
【００７１】
このように、ピストン２０ａ、２０ｂの子午断面において、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊａ、２０Ｊｂを直線、又は複数の直線を組み合わせて構成することにより、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊａ、２０Ｊｂを容易に形成できる。なお、いずれの場合でも、テーパー角度θは０．１度以上０．３度以下とすることが好ましい。これによって、図１に示すスターリングエンジン１００の運転中においては、ピストン２０とシリンダ３０との接触を回避しつつ、気体軸受ＧＢの機能を確実に発揮させることができる。
【００７２】
図１０、図１１は、シリンダに設けたクリアランス徐変部の拡大図である。図１０、図１１も、図６、図７と同様に、ピストン２０の子午断面、及びシリンダ３０の子午断面を示している。シリンダ３０にもクリアランス徐変部を設ける場合、図１０に示すように、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、シリンダ３０の内周部３０Ｓであって、シリンダ側段差部Ｋｓからシリンダ３０の頂部反対側端部３０Ｂｔ（図４−２参照）へ向かって所定の距離Ｌ３の範囲に設けられる。シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、シリンダ側段差部Ｋｓを起点Ｖｓとし、シリンダ側段差部Ｋｓからシリンダ３０の頂部反対側端部３０Ｂｔ（図４−２参照）へ向かって所定の距離Ｌ３の位置を終点Ｖｆとする。上述したように、距離Ｌ３は、クリアランス徐変部長さである。
【００７３】
図１０に示すように、起点Ｖｓにおけるシリンダ３０の内径はＤｓ３である。また、終点Ｖｆにおけるシリンダ３０の内径はＤｓ２である。図１１に示すように、本実施形態において、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、起点Ｖｓ、すなわちシリンダ側段差部Ｋｓにおけるシリンダ３０の内径Ｄｓ３が最も大きい。すなわち、起点Ｖｓにおいて、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊとピストン２０の側周部２０Ｓとの距離（クリアランス徐変部最大寸法）δｃが最も大きくなる。クリアランス徐変部最大寸法δｃは、（Ｄｓ３−Ｄｐ２）／２で求めることができる。
【００７４】
図１１に示すように、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊの起点Ｖｓと終点Ｖｆとを結んだ直線Ｌｓと、シリンダ中心軸Ｚｓとのなす角度のうち鋭角の方をテーパー角度θという。ここで、図１１においては、説明の便宜上、シリンダ中心軸Ｚｓと平行な直線Ｌｃをシリンダ中心軸Ｚｓとみなしている。テーパー角度θは、クリアランス徐変部長さＬ３と、クリアランス徐変部最大寸法δｃとを用いて、上述した式（１）で求めることができる。テーパー角度θは、０．１度以上０．３度以下とすることが好ましい。この理由は上述した通りである。これによって、ピストン２０とシリンダ３０との接触を確実に回避できるとともに、気体軸受ＧＢの機能も十分に発揮させることができる。
【００７５】
図１１に示す直線Ｌｃは、シリンダ３０の子午断面において、シリンダ３０の内周部３０Ｓの延長線である。直線Ｌｃは、内周部３０Ｓに平行な直線であり、シリンダ中心軸Ｚｓと平行な直線である。図１１に示すように、本実施形態において、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、シリンダ３０の子午断面において、起点Ｖｓと終点Ｖｆとを曲線で結んだ形状である。すなわち、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、凸状の曲面でシリンダ３０の内周部３０Ｓに形成される。この場合、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊの形状は、ピストン２０の径方向に対する熱膨張を考慮して、前記熱膨張に合わせた形状とすることが好ましい。
【００７６】
例えば、シリンダ３０の子午断面におけるシリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、直線Ｌｓに対して、図１１、図７に示すピストン２０の熱膨張後側周部２０Ｓ１に沿った形状とすることが好ましい。これによって、図１に示すスターリングエンジン１００の運転中においてピストン２０が径方向へ熱膨張しても、ピストン２０とシリンダ３０との接触を回避できる。なお、シリンダ側クリアランス徐変部３０Ｊは、上述したようなシリンダ３０の子午断面において、起点Ｖｓと終点Ｖｆとを曲線で結んだ形状とされるものではない。例えば、図８、図９に示すように、シリンダ３０の子午断面において、起点Ｖｓと終点Ｖｆとを単数又は複数の直線で結んだ形状としてもよい。
【００７７】
図１２は、本実施形態に係るスターリングエンジンの運転中におけるピストンの表面温度及び熱膨張を示す説明図である。図１２は、図１に示すスターリングエンジン１００が備える高温側ピストン２０Ｈのピストン表面温度Ｔｐ、高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈの径方向における熱膨張のシミュレーション結果を示している。ここで、図１２は、図４−１、図６、図７に示すピストン側クリアランス徐変部２０Ｊのみを設けた高温側ピストン２０Ｈでの結果である。なお、図１２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についてのものであるが、次においては、説明の便宜上、単にピストン２０、シリンダ３０という。
【００７８】
図１２の中央は、ピストン２０の表面温度（ピストン表面温度）Ｔｐを示している。図１２の左側は、図１に示すスターリングエンジン１００を運転する前におけるピストン２０及びシリンダ３０の熱膨張の状態を示す。また、図１２の右側は、図１に示すスターリングエンジン１００の運転中におけるピストン２０及びシリンダ３０の熱膨張の状態を示す。図５の左側及び右側におけるＲは、図３に示すピストン中心軸Ｚｐ（シリンダ中心軸Ｚｓと同じ）からの距離を示す。
【００７９】
図１に示すスターリングエンジン１００の運転中においては、作動流体がピストン２０の頂面２０Ｔｔへ定常的に熱を与えることにより、頂面２０Ｔｔから側周部２０Ｓに向かう熱の流れが発生し、図１２の中央に示すようなピストン表面温度Ｔｐの温度勾配が形成される。この場合、ピストン側段差部Ｋｐにおいては、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスが急激に変化することに起因して、図１２の中央に示すように、ピストン側段差部Ｋｐでは頂面２０Ｔｔへ向かってピストン表面温度Ｔｐは急激に上昇する。
【００８０】
図４−１、図６、図７に示すピストン側クリアランス徐変部２０Ｊが設けられたピストン２０では、ピストン側クリアランス徐変部２０Ｊの部分におけるピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスは気体軸受ＧＢが形成される部分のクリアランスよりも大きい。このため、図１に示すスターリングエンジン１００の運転中に、ピストン２０の径方向に向かうピストン側段差部Ｋｐの熱膨張が発生しても、ピストン側段差部Ｋｐにおけるピストン２０とシリンダ３０との接触を回避できる。その結果、スターリングエンジン１００が安定して運転される。
【００８１】
図１３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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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軸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。
【００８５】
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。
【００８６】
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のクランク軸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のクランク軸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。
【００８７】
クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００のクランク軸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のクランク軸１１０と切り離されて回転する。
【００８８】
図１３に示すスターリングエンジン１００が備えるピストン（少なくとも高温側ピストン）は、上述した構成を備える。これによって、高温の作動流体から定常的に熱を受けて径方向へ熱膨張しても、ピストン、シリンダの少なくとも一方に設けられる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。
【００８９】
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。
【００９０】
以上、本実施形態では、ピストンの頂面側でピストン−シリンダ間のクリアランスを拡大する構成において、ピストンとシリンダとの少なくとも一方に形成される段差部からピストンの下死点の方向（すなわちピストンの頂面とは反対側の端部の方向）に向かって所定の範囲を、ピストンとシリンダとのクリアランスが徐々に狭くなるテーパー形状に形成する。ここで、テーパー形状に形成される部分は、少なくともピストンに設けられる。これによって、段差部でピストンの径方向に向かう大きな熱膨張が発生した場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを抑制して、安定してピストン機関を運転できる。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】
【００９１】
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】
【００９２】
【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ピストン及びシリンダの構成を示す拡大図である。
【図４−１】本実施形態に係るピストンの構成を示す模式図である。
【図４−２】本実施形態に係るシリンダの構成を示す模式図である。
【図５】スターリングエンジンの運転中におけるピストンの表面温度及び熱膨張を示す説明図である。
【図６】ピストンに設けたクリアランス徐変部の拡大図である。
【図７】ピストンに設けたクリアランス徐変部の拡大図である。
【図８】ピストンに設けたクリアランス徐変部の変形例を示す拡大図である。
【図９】ピストンに設けたクリアランス徐変部の変形例を示す拡大図である。
【図１０】シリンダに設けたクリアランス徐変部の拡大図である。
【図１１】シリンダに設けたクリアランス徐変部の拡大図である。
【図１２】本実施形態に係るスターリングエンジンの運転中におけるピストンの表面温度及び熱膨張を示す説明図である。
【図１３】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】
【００９３】
２０、２０ａ、２０ｂ  ピストン
２０Ｂｔ  頂面反対側端部
２０Ｈ  高温側ピストン
２０Ｊ、２０Ｊａ、２０Ｊｂ  ピストン側クリアランス徐変部
２０Ｌ  低温側ピストン
２０Ｓ  側周部
２０Ｓ１  熱膨張後側周部
２０Ｔｔ  頂面
３０  シリンダ
３０Ｂｔ  頂部反対側端部
３０Ｈ  高温側シリンダ
３０Ｊ  シリンダ側クリアランス徐変部
３０Ｌ  低温側シリンダ
３０Ｓ  内周部
３０Ｔｔ  頂部側端部
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
１０８  熱交換器
Ｋｐ  ピストン側段差部
Ｋｓ  シリンダ側段差部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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