(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は、シリンダ３０内を往復運動する。ピストン２０とシリンダ３０との間には、気体軸受ＧＢが形成される。ピストン２０は、頂面２０Ｔｔから頂面反対側端部２０Ｂｔに向かってピストン側段差部Ｋｐまでの外径が、ピストン側段差部Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂｔまでの外径よりも小さく形成される縮径部２１を備える。そして、この縮径部２１には、環状部材５０が嵌め合わされる。環状部材５０は、ピストン２０の縮径部２１の材料よりも熱膨張率が小さい材料で作られる。【選択図】        図４−１
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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を備えるピストン機関において、
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に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部と、
前記縮径部に嵌め合わされる環状部材と、
を含むことを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
前記環状部材は、前記縮径部における前記ピストンを構成する材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成され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】
前記環状部材の外径は、前記所定位置から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの外径と同一であ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】
前記ピストンと前記シリンダとの間には、気体軸受が介在することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項５】
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から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部と、
前記縮径部における前記ピストンを構成する材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成されて、前記縮径部に嵌め合わされる環状部材と、
前記シリンダと前記ピストンとの間に介在する気体軸受と、
を含むことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項６】
前記環状部材の外径は、前記所定位置から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの外径と同一であることを特徴とする請求項５に記載のスターリングエンジン。
【請求項７】
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５又は６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外径を、スカート側の外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を備えるピストン機関において、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に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部と、前記縮径部に嵌め合わされる環状部材と、を含むことを特徴とする。このピストン機関は、環状部材によってピストンの径方向における熱膨張が抑制されるので、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。
【０００６】
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環状部材は、前記縮径部における前記ピストンを構成する材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成されることが望ましい。
【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、前記環状部材の外径は、前記所定位置から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの外径と同一であることが望ましい。
【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、前記ピストンと前記シリンダとの間には、気体軸受が介在することが望ましい。
【０００９】
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から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部と、前記縮径部における前記ピストンを構成する材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成されて、前記縮径部に嵌め合わされる環状部材と、前記シリンダと前記ピストンとの間に介在する気体軸受と、を含むことを特徴とする。このスターリングエンジンは、ピストンの縮径部における材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成される環状部材によってピストンの径方向における熱膨張が抑制されるので、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。
【００１０】
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、前記環状部材の外径は、前記所定位置から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの外径と同一であることが望ましい。
【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】
【００１２】
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】
【００１３】
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ピストンの頂面反対側から頂面に向かって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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、ピストンの頂面からピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置からピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部に、環状部材を嵌め合わせる点に特徴がある。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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を介在させる。
【００２０】
本実施形態に係る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、ピストンとシリンダ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
ここで、気体軸受ＧＢは、ピストン２０の径方向（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。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。
【００２７】
近似直線機構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。
【００２８】
このような近似直線機構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。
【００２９】
ここで、近似直線機構の一種であるグラスホッパ機構は、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。このため、近似直線機構６０としてグラスホッパ機構を用いると、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、グラスホッパ機構は、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。
【００３０】
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、筐体１００Ｃに格納される。スターリングエンジン１００の筐体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。筐体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。筐体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。
【００３１】
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、筐体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、筐体１００Ｃ内に充填される気体の圧力に略比例して大きくなる。
【００３２】
スターリングエンジン１００は、筐体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、筐体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、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を介して筐体１００Ｃの外部へ取り出される。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
図３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３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。
【００３８】
図３の中央は、ピストン２００の側周部の表面温度（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３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３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３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。
【００３９】
スターリングエンジンの運転中においては、スターリングエンジンの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３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。このピストン２００は、後述するピストン側段差部Ｋｐ及びシリンダ側段差部Ｋｓを設け、ピストン２００とシリンダ３００とのクリアランスを気体軸受ＧＢが形成される領域よりも拡大して、ピストン２００の頂面２００Ｔｔ側の熱膨張を回避する。
【００４０】
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３の中央に示すように、ピストン側段差部Ｋｐでは頂面反対側端部２００Ｂｔ側から頂面２００Ｔｔへ向かうにしたがってピストン表面温度Ｔｐは急激に上昇する。ここで、図３のＴｐ＿Ｋが、ピストン側段差部Ｋｐの温度である。
【００４１】
その結果、スターリングエンジン運転中においては、図３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り、ピストン２００とシリンダ３００とのクリアランスを気体軸受ＧＢが形成される領域よりも拡大させたとしても、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。そこで、本実施形態では、ピストンの頂面からピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成された縮径部に環状部材を嵌め合わせて取り付ける構造とすることにより、ピストン側段差部Ｋｐの径方向に向かう熱膨張を抑制する。次に、この構造について詳細に説明する。
【００４２】
図４−１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４−２は、本実施形態に係るピストンに取り付けられる環状部材を示す平面図である。図５−１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５−２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４−１、図４−２、図５−１、図５−２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とシリンダとの構成は、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。
【００４３】
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。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、シリンダ内周面３０Ｓとなる。
【００４４】
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。ここで、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の外径Ｄｐ１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までにおけるピストン２０の外径Ｄｐ２よりも小さい。すなわち、ピストン２０は、その頂面２０Ｔｔからピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔに向かって所定位置までの部分の外径Ｄｐ１が、前記所定位置からピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔの外径Ｄｐ２よりも小さく形成される縮径部２１を有する。この縮径部２１によって、ピストン２０の頂面２０Ｔｔ側の側周部２０Ｓは、ピストン２０の頂面２０Ｔｔ側の外径が小さくなるような階段状に形成される。
【００４５】
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のシリンダ内周面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。なお、本実施形態において、シリンダ側段差部Ｋｓは設けなくてもよい。
【００４６】
上述したようにピストン２０とシリンダ３０とを構成することにより、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（ピストン側段差部Ｋｐ）におけるピストン２０とシリンダ３０との間には、クリアランスｔｃｅが形成される。また、前記所定距離Ｌ１の位置からピストン２０の頂面反対側端部２０Ｂｔまでにおけるピストン２０とシリンダ３０との間には、クリアランスｔｃが形成される。そして、クリアランスｔｃｅはクリアランスｔｃよりも大きくなる（ｔｃｅ＞ｔｃｅ）。ここで、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。そして、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。
【００４７】
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。ピストン側段差部Ｋｐによってピストン２０の頂面２０Ｔｔ側の側周部２０Ｓが階段状に形成されたピストン２０は、上述したように、ピストン２０の径方向に向かうピストン側段差部Ｋｐの熱膨張が他の部分よりも大きくなるので、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、本実施形態では、図４−１、図５−１に示すように、ピストン２０の頂面２０Ｔｔ側に形成された縮径部２１に、図４−２に示す環状部材５０を嵌め合わせて取り付けて、ピストン２０の径方向に向かうピストン側段差部Ｋｐの熱膨張を抑制する。これによって、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。
【００４８】
環状部材５０の外径はＤｒｏであり、内径はＤｒｉである。環状部材５０はピストン２０の頂面２０Ｔｔ側に形成された縮径部２１にはめ込まれて取り付けられるので、環状部材５０の内径Ｄｒｉは、縮径部２１の外径Ｄｐ１以下に設定される。例えば、環状部材５０をしまり嵌めでピストン２０の縮径部２１へ取り付ける場合、環状部材５０の内径Ｄｒｉは、縮径部２１の外径Ｄｐ１よりも小さくする。この場合、環状部材５０を加熱して環状部材５０の温度をピストン２０の縮径部２１の温度よりも高くする焼き嵌めを用いるか、ピストン２０の縮径部２１を冷却して縮径部２１の温度を環状部材５０の温度よりも低くする冷やし嵌めを用いる。
【００４９】
環状部材５０は、ピストン２０の縮径部２１を構成する材料よりも熱膨張率が小さい材料で構成される。これによって、ピストン２０の径方向に向かう縮径部２１の熱膨張を効果的に抑制できる。本実施形態では、例えば、ピストン２０の縮径部２１にはステンレス鋼を用い、環状部材５０にはステンレス鋼よりも熱膨張率が小さいチタン（Ｔｉ）あるいはチタン合金を用いる。
【００５０】
また、環状部材５０の外径Ｄｒｏと、ピストン２０の気体軸受ＧＢが形成される領域、すなわち、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までの領域におけるピストン２０の外径Ｄｐ２以下とする。好ましくは、環状部材５０の外径Ｄｒｏと、ピストン２０の気体軸受ＧＢが形成される領域の外径Ｄｐ２とを同じ大きさとする。ピストン２０の径方向に向かう熱膨張を環状部材５０で規制する場合、環状部材５０は自身の熱膨張、及びピストン２０の熱膨張を規制する際に発生する環状部材５０の周方向へ向かう応力によって、環状部材５０も径方向へ大きくなる。すなわち、環状部材５０の外径Ｄｒｏは、ピストン２０が熱膨張する前よりも大きくなる。
【００５１】
したがって、環状部材５０の外径Ｄｒｏを、ピストン２０の気体軸受ＧＢが形成される領域の外径Ｄｐ２以下とすることにより、環状部材５０の外径Ｄｒｏが大きくなっても、環状部材５０とシリンダ３０との接触を回避できる。また、環状部材５０の外径Ｄｒｏと、ピストン２０の気体軸受ＧＢが形成される領域の外径Ｄｐ２とを同じ大きさとすれば、ピストン２０の側周部２０Ｓの表面と、環状部材５０の側面５０Ｓとが面一となる。その結果、気体軸受ＧＢが形成される領域は、環状部材５０の厚さＬｒ分増加するので、気体軸受ＧＢの負荷能力がその分増加する。ここで、環状部材５０の厚さＬｒは、ピストン中心軸Ｚｐ方向における環状部材５０の寸法である。なお、環状部材５０の厚さＬｒは、ピストン中心軸Ｚｐ方向における縮径部２１の寸法Ｌ１以下とする。
【００５２】
図６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６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６は、図４−１、図５−２に示す環状部材５０を縮径部に取り付けた高温側ピストン２０Ｈでの結果である。なお、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。
【００５３】
図７は、ピストンの熱膨張を示す説明図である。図７は、環状部材５０の有無におけるピストン２０の径方向に向かう熱膨張量を、ピストン表面温度との関係で示してある。熱膨張量は、ピストン表面温度が−５０℃のときにおけるピストン中心軸Ｚｐからピストン側段差部Ｋｐまでの距離を基準とした場合の値をピストン表面温度に対して記述したものである。すなわち、ピストン表面温度が−５０℃のときにおける熱膨張量が０になる。図７中の実線ｄｅ＿ｒは、図４−１、図４−２、図５−１に示す環状部材５０を取り付けた場合の熱膨張量であり、図７中の点線ｄｅ＿ｗｒは、環状部材５０を取り付けない場合の熱膨張量である。また、図７は、ピストン２０をＳＵＳ３０３で製造し、環状部材５０をチタンで製造した場合のシミュレーション結果である。
【００５４】
図６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６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６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。
【００５５】
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６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、上述したように、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６の中央に示すように、ピストン側段差部Ｋｐでは頂面２０Ｔｔへ向かうにしたがってピストン表面温度Ｔｐは急激に上昇する。
【００５６】
環状部材５０を取り付けない場合、例えば、ピストン表面温度が１１０℃付近では、ピストンとシリンダとはおよそ３μｍのかじりが発生する。すなわち、ピストン中心軸Ｚｐからピストン側段差部Ｋｐまでの距離は、シリンダ中心軸Ｚｓ（ピストン中心軸Ｚｐと一致する）からシリンダの内周面までの距離よりも約３μｍ大きくなる。しかし、図７に示すように、例えば、ピストン表面温度が１１０℃付近において、縮径部２１よりも熱膨張率の低い環状部材５０が縮径部２１に取り付けられたピストン２０（図４−１、図５−２）では、環状部材５０を取り付けない場合と比較して、熱膨張量はおよそ６μｍ小さくなる。すなわち、ピストン表面温度Ｔｐ＝１１０℃付近において、δ＝（ｄｅ＿ｗｒ−ｄｅ＿ｒ）がおよそ６μｍとなる。
【００５７】
その結果、環状部材５０をピストン２０に取り付けた場合、例えば、ピストン表面温度が１１０℃付近では、ピストン中心軸Ｚｐからピストン側段差部Ｋｐまでの距離は、シリンダ中心軸Ｚｓ（ピストン中心軸Ｚｐと一致する）からシリンダの内周面までの距離よりも約３μｍ小さくなる。このように、縮径部２１よりも熱膨張率の低い環状部材５０が縮径部２１に取り付けられたピストン２０では、ピストン２０の径方向に向かう熱膨張（特にピストン側段差部Ｋｐの熱膨張）が、環状部材５０によって規制される。その結果、図６の左側に示すように、ピストン２０のピストン側段差部Ｋｐとシリンダ３０（特にシリンダ側段差部Ｋｓ）との接触が回避される。したがって、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ので、スターリングエンジン１００が安定して運転される。
【００５８】
図８−１は、ピストン表面温度とピストンの材料及び環状部材の材料のひずみとの関係を示す説明図である。図８−２は、ピストン表面温度とピストンの材料及び環状部材の材料の応力との関係を示す説明図である。環状部材５０をピストン２０の縮径部２１へ嵌め合わせて取り付けて、ピストン２０の径方向に向かう熱膨張を抑制する場合、環状部材５０には引張応力が発生して引張ひずみが発生し、ピストン２０には圧縮応力が発生して圧縮ひずみが発生する。図８−１、図８−２は、図４−１、図５−１に示す環状部材５０を嵌め合わせて取り付けたピストン２０についてのシミュレーション結果を示している。シミュレーションの条件は次の通りである。
（１）ピストン２０の材料はステンレスであり、より具体的にはＳＵＳ３０３、環状部材５０の材料はチタンとする。
（２）ピストン表面温度Ｔｐは、−５０℃〜１５０℃とする。Ｔｐ＝−５０℃で環状部材５０の内径Ｄｒｉとピストン２０の縮径部２１における外径Ｄｐ１とが一致するような関係で環状部材５０をピストン２０に嵌め合わせる。そして、図１に示すスターリングエンジン１００の使用条件を考慮して、Ｔｐ＝１５０℃とする。
（３）ピストン２０の縮径部２１の外径は８５．５ｍｍ、縮径部２１におけるピストン２０の径方向厚さは０．７５ｍｍとする。
（４）環状部材５０の径方向における寸法は０．２５ｍｍとする。なお、環状部材５０の径方向における寸法は、図４−２の（Ｄｒｏ−Ｄｒｉ）／２で求めることができる。
（５）ピストン２０、環状部材５０の最大公差は１０μｍとする。
（６）最大締め代は２０μｍとする。ここで、最大締め代は、環状部材５０をピストン２０へ組み付ける前において、環状部材５０が最小公差で製造でき、かつピストン２０の縮径部２１が最大公差で製造された場合の、縮径部２１の外径と環状部材５０の内径との差である。
【００５９】
図８−１のεｍａｘ＿ｔｉはＴｉの最大ひずみ、εｕ＿ｔｉは公差上限におけるＴｉのひずみ、ε＿ｔｉは公差が０である場合におけるＴｉのひずみ、εｍａｘ＿ｓｕはＳＵＳ３０３の最大ひずみ、εｕ＿ｓｕは公差上限におけるＳＵＳ３０３のひずみ、ε＿ｓｕは公差が０である場合におけるＳＵＳ３０３のひずみである。図８−２のσ＿０．２＿ｔｉはＴｉの０．２％耐力、σｕ＿ｔｉは公差上限におけるＴｉの応力、σ＿ｔｉは公差が０である場合におけるＴｉの応力、σ＿０．２＿ｓｕはＳＵＳ３０３の０．２％耐力、σｕ＿ｓｕは公差上限におけるＳＵＳ３０３の応力、σ＿ｓｕは公差が０である場合におけるＳＵＳ３０３の応力である。
【００６０】
図８−１から分かるように、上記条件の下では、環状部材５０を構成するチタンのひずみ及びピストン２０を構成するＳＵＳ３０３のひずみは、ともに弾性領域である。また、上記条件の下では、環状部材５０を構成するチタンに発生する応力及びピストン２０を構成するＳＵＳ３０３に発生する応力は、ともに０．２％耐力よりも小さい値である。このように、図１に示すスターリングエンジン１００の使用条件を考慮した上記条件の下では、環状部材５０及びピストン２０ともに強度上の問題はなく使用できる。
【００６１】
図９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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
図９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。
【００６９】
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。
【００７０】
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】
【００７１】
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】
【００７２】
【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】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４−１】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４−２】本実施形態に係るピストンに取り付けられる環状部材を示す平面図である。
【図５−１】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５−２】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６】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７】ピストンの熱膨張を示す説明図である。
【図８−１】ピストン表面温度とピストンの材料及び環状部材の材料のひずみとの関係を示す説明図である。
【図８−２】ピストン表面温度とピストンの材料及び環状部材の材料の応力との関係を示す説明図である。
【図９】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】
【００７３】
２０  ピストン
２０Ｂｔ  頂面反対側端部
２０Ｈ  高温側ピストン
２０Ｌ  低温側ピストン
２０Ｓ  側周部
２０Ｔｔ  頂面
２１  縮径部
３０  シリンダ
３０Ｂｔ  頂部反対側端部
３０Ｈ  高温側シリンダ
３０Ｌ  低温側シリンダ
３０Ｓ  シリンダ内周面
３０Ｔｔ  頂部側端部
５０  環状部材
５０Ｓ  側面
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
【図１】
2009127519.tif 000003
【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５−１】
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【図５−２】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９】
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