JP2002180901A

JP2002180901A - スターリングエンジン

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Publication number: JP2002180901A
Application number: JP2000378701A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyuki Okano; 哲之岡野; Kazuhiko Ueda; 和彦上田; Shozo Tanaka; 章三田中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2002-06-26
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: JP3686331B2

Abstract

(57)【要約】【課題】スターリングエンジンの摺動部に設けられた
ガスベアリングのガス流出構造に関し、ガス流出口部で
目詰まりすることなく、運転中に信頼性高くガスを流出
するスターリングエンジンを提供する。【解決手段】ガス流出口の加圧室１１内側には、空孔
径の大きい第１多孔質体１２Ａと、空孔径の小さい第２
多孔質体１３Ａと、第１多孔質体１２Ａおよび第２多孔
質体１３Ａを加圧室１１内に固定するためのリング１４
が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、スターリングエ
ンジンに関し、より特定的には、スターリングエンジン
の各摺動部に適用されるガスベアリングのガス流出構造
において、ガス流出部で目詰まりすることなく、運転中
に信頼性高くガスを流出することを可能とするスターリ
ングエンジンの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリングエンジンに用いられる摺動
部での摩擦は、スターリングエンジンの性能および信頼
性に大きく影響をおよぼすため、従来のスターリングエ
ンジンにおいては、摺動部にガスベアリング効果を用い
たガス流出構造を採用することにより、摺動部での低摩
擦化が図られている。

【０００３】従来のガスベアリング効果を用いたガス流
出構造として、一般に以下に示す２例を挙げることがで
きる。第１のガス流出構造の概略を図１２に示す。図に
示すように、シリンダ２内に設けられた運動体であるピ
ストン３のガス流出口に、ドリル加工によって形成され
た小孔２１を設け、この小孔２１からガスを流出するす
ることにより、シリンダ２とピストン３との摺動面に静
圧気体軸受を構成する。この方式は、オリフィス方式と
呼ばれる。

【０００４】第２のガス流出構造の概略を図１３に示
す。図に示すように、シリンダ２内に設けられた作動体
であるピストン３のガス流出口に、材料に無数の小孔が
存在し、通気性を有する多孔質体２２を配置し、この多
孔質体２２からガスを流出することにより、シリンダ２
とピストン３との摺動面に静圧気体軸受を構成する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】スターリングエンジン
の摺動部に上記ガスベアリング効果を用いた静圧気体軸
受を採用した場合の課題を以下に示す。

【０００６】図１２に示す第１のガス流出構造によるオ
リフィス方式においては、スターリングエンジンの性能
を向上させるために、ガス流出口からのガスの流量損失
を低減させる必要がある。そこで、ガス流出口の孔径を
大変小さくしていた。しかし、スターリングエンジンの
組立時の塵や、運転中の摩擦により発生した摩耗粉が、
凝集してガス流出口に詰まり、各ガス流出口からのガス
流出量の不均一によりピストンが一方向に押付けられ、
スターリングエンジンの運転の信頼性の低下に繋がると
いう問題が存在した。

【０００７】また、図１３に示す第２のガス流出構造に
おいては、オリフィス方式と異なり多孔質体２２に気孔
が多数存在するため、各ガス流出口からのガス流出量を
絞り込むには、多孔質体２２の気孔径を大変小さくしな
ければならないが、気孔径を小さくすると、気孔に摩耗
粉等が詰まるという問題が存在した。

【０００８】したがって、この発明の目的は、ガス流出
口での目詰まりによるスターリングエンジン性能の低下
や、信頼性の低下を抑制することを可能とした、スター
リングエンジンを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に基づいたスタ
ーリングエンジンの一つの局面においては、シリンダ内
に配置される作動体の往復運動により発生する高圧ガス
を上記作動体の内部に設けられる加圧室に蓄え、上記作
動体内の上記高圧ガスを上記シリンダと上記作動体との
摺動部に流出するガスベアリングを備えるスターリング
エンジンであって、上記作動体の側壁部に設けられる上
記高圧ガスの流出口には、上記高圧ガスの流出上流側に
第１多孔質体が配設され、上記高圧ガスの流出下流側
に、上記第１多孔質体よりも空孔率の小さい第２多孔質
体が配設される。

【００１０】この構成により、第１多孔質体と第２多孔
質体を通過させてガスを流出することにより、第１多孔
質体で大きな塵を捕捉するとともにガスを絞り、第２多
孔質体で更にガスの絞り込みを実施することにより、従
来の多孔質体単体では得ることが難しかったガス流量を
絞り、かつ、目詰まりがしにくいという両方の特性を得
ることが可能となる。また、上記発明において好ましく
は、上記第１多孔質体と、上記第２多孔質体とは、上記
加圧室の内部において、上記シリンダの径方向に沿って
積層配置される。

【００１１】また、上記発明において好ましくは、上記
第１多孔質体と、上記第２多孔質体とは、上記加圧室に
おいて、上記シリンダの軸線方向に沿って積層配置され
る。このように、軸線方向に多孔質体を並べて配置して
いることから、第１多孔質体と第２多孔質体との外径寸
法および内径寸法を同じにすることができるため、多孔
質体の作成において同じ金型を用いて製作することが可
能になる。

【００１２】また、上記第１多孔質体と、上記第２多孔
質体とは、上記作動体の側壁部に径方向に向かって設け
られている孔の内部において、上記シリンダの径方向に
沿って積層配置される。

【００１３】この構成を採用することにより、第１多孔
質体および第２多孔質体を孔に挿入することのみで実現
できるため、治具を必要とせず、組込み作業の効率化を
図ることが可能になる。

【００１４】また、上記発明において好ましくは、上記
第１多孔質体、および、上記第２多孔質体の、少なくと
もいずれか一方は、樹脂から構成される。この構成を採
用することにより、スターリングエンジンの軽量化を図
ることが可能になる。また、振動や騒音レベルを低減す
ることも可能になる。

【００１５】この発明に基づいたスターリングエンジン
の他の局面においては、シリンダ内に配置される作動体
の往復運動により発生する高圧ガスを上記作動体の内部
に設けられる加圧室に蓄え、上記作動体内の上記高圧ガ
スを上記シリンダと上記作動体との摺動部に流出するガ
スベアリングを備えるスターリングエンジンであって、
上記作動体は、上記シリンダとの摺動面と上記加圧室と
を含む領域が多孔質体から構成される。

【００１６】このように、作動体を多孔質体から構成す
ることにより、上記発明の構成と比較した場合、２種類
の多孔質材のうち１つの多孔質材を組込む工程が省ける
のため、コスト削減を図ることが可能になる。

【００１７】また上記各発明において、上記作動体はピ
ストン、または、ディスプレーサである。

【００１８】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明に
基づいた実施の形態１におけるスターリングエンジンに
ついて、図を参照しながら説明する。

【００１９】（スターリングエンジンの概略構造）図１
を参照して、本実施の形態におけるスターリングエンジ
ンの概略構造を説明する。本実施の形態においては、圧
力容器１内に媒体として高圧のヘリウムガス（以下、単
に「ガス」と称する。）が封入されている。１つのシリ
ンダ２内に作動体としてのピストン３とディスプレーサ
４とが配置され、ピストン３とディスプレーサ４とがそ
れぞれ往復運動を行なう。

【００２０】圧力容器１とシリンダ２により形成される
空間は、ピストン３によって２つの空間に分割される。
第１の空間は、ピストン３のディスプレーサ４側に規定
される作動空間５である。第２の空間は、ピストン３の
ディスプレーサ４側と反対側に規定される背面空間６で
ある。

【００２１】第１の空間である作動空間５は、ディスプ
レーサ４でさらに２つの空間に分割される。第１の分割
空間は、ピストン３とディスプレーサ４とに挟まれた領
域からなる圧縮空間５ａである。第２の分割空間は、シ
リンダ２の先端部の領域からなる膨張空間５ｂである。
圧縮空間５ａと膨張空間５ｂとは再生器７を介して連結
されている。

【００２２】背面空間６はシリンダ２を取囲むように圧
力容器１によって形成されている。圧縮空間５ａと膨張
空間５ｂの圧力は、圧力容器１内に封入したガス圧力を
基準としてピストン３の往復運動の変位に対応して変動
する。

【００２３】ピストン３は、圧力容器１に対してピスト
ンスプリング８によって支持されている。ピストン３
は、リニアモータ等からなるピストン駆動体（図示省
略）により圧力容器１の軸線方向にリニア駆動され、シ
リンダ２内を往復運動して、ガスの圧縮、膨張を行なっ
ている。

【００２４】ディスプレーサ４は、ピストン３内部を貫
通する貫通軸部４ａを備え、この貫通軸部４ａが圧力容
器１に対してディスプレーサスプリング９によって支持
されている。ディスプレーサ４はディスプレーサスプリ
ング９の共振効果を利用して往復運動する。その結果、
作動空間５内のガスが、圧縮空間５ａと膨張空間５ｂと
の間を往復移動する。

【００２５】ピストン３の往復運動により圧縮空間５ａ
で圧縮されたガスが、シリンダ２に設けられた一方向弁
１０を通じてピストン３内部の加圧室１１に流入するこ
とにより、加圧室１１は高い圧力状態が維持される。こ
の加圧室１１からガスをピストン３とシリンダ２との間
摺動部に流出し、ガスベアリング効果によって静圧気体
軸受を構成し、ピストン３はシリンダ２に対して非接触
状態で往復運動が可能となる。

【００２６】なお、本実施の形態においては、加圧室１
１から摺動部に流出するガスは、後述する構造を採用す
ることにより、ガス流出量が絞り込まれているため、ガ
ス流量損失はほとんどなく、加圧室１１内には圧縮空間
５ａのガス圧変動の最高圧力と等しい程度のガス圧が蓄
えられている。

【００２７】たとえば、加圧室１１内のガス圧力は、運
転条件によっても異なるが、圧縮空間５ａ内のガス圧力
変動の最高圧力と略同等のガス圧力となり、スターリン
グエンジン内の封入ガス圧力が約２．５ＭＰａの場合、
加圧室１１内のガス圧力は、約２．７ＭＰａ程度とな
る。

【００２８】なお、図１に示す構成を用いたスターリン
グサイクルに関しては、一般によく知られているので、
ここでの詳細な説明は省略する。

【００２９】（ガス流出口部の構造）図２〜図４を参照
して、本実施の形態におけるガス流出口部の構造につい
て説明する。なお、ピストン３の形状は、シリンダ２の
軸線に対して対称形状を有しているため、図において
は、図１に示すピストン３の上側の断面形状のみを図示
するものとする（以下に示す、各実施の形態においても
同様とする）。ここで、図２はピストン３の断面形状を
示す図であり、図３は図２中Ｘ線矢視断面図であり、図
４は図２中Ｙ線矢視断面図である。

【００３０】図２を参照して、ピストン３には、通気孔
１５およびポケット１６からなるガス流出口が、円周上
に複数（たとえば、９０°ピッチ、４箇所）設けられて
いる。通気孔１５はφ０．５ｍｍの小孔からなり、ポケ
ット１６は、φ８ｍｍ、深さ１．０ｍｍの凹部形状を有
する。

【００３１】ガス流出口の加圧室１１の内側には、ガス
の流れ方向の上流側に空孔率の大きい第１多孔質体１２
Ａが配設され、ガスの流量方向の下流側に空孔率の小さ
い第２多孔質体１３Ａとが配設されるように、シリンダ
２の径方向に沿って積層して配置されされている。な
お、空孔率とは単位体積あたりに対する空孔の合計体積
の占める割合を示すものとする。また、シリンダ２の径
方向とは、図１中に示すように、シリンダ２の半径方向
に沿った方向を意味する。

【００３２】また、第１多孔質体１２Ａおよび第２多孔
質体１３Ａを加圧室１１内に固定するためのリング１４
が設けられている。加圧室１１内の内径寸法は、Ｌ１が
φ２０ｍｍ、Ｌ２がφ２５ｍｍである。また、ピストン
３の外径Ｌ３はφ３２ｍｍである。

【００３３】第１多孔質体１２Ａおよび第２多孔質体１
３Ａは、図３に示すように、ドーナッツ形状を有してい
る。第１多孔質体１２Ａは、寸法が、外径φ２２ｍｍ、
内径φ２０ｍｍであり、材質として空孔率６０％のポリ
エチレンが用いられている。第２多孔質体１３Ａは、寸
法が、外径φ２５ｍｍ、内径φ２２ｍｍであり、材質と
して空孔率３０％のポリエチレンが用いられている。

【００３４】第１多孔質体１２Ａ、第２多孔質体１３
Ａ、および、リング１４の加圧室１１内への挿入は、ピ
ストン３の底部に開閉可能な蓋体３ａが設けられてお
り、第１多孔質体１２Ａ、第２多孔質体１３Ａ、およ
び、リング１４を加圧室１１内の所定位置に位置決めし
た後に、蓋体３ａによりピストン３の底部を閉じる構造
が採用される。

【００３５】第１多孔質体１２Ａ、および、第２多孔質
体１３Ａのピストン３への組付けは、まず円管状の第２
多孔質体１３Ａをピストン３に圧入する。加圧室１１内
部には、多孔質体を組付けるための段部１１ａが設けら
れており、多孔質体の軸方向位置が決定されるようにな
っている。なお、軸方向とは図中に示すように、シリン
ダ２の軸方向に沿った方向を意味する。

【００３６】次に、第１多孔質体１２Ａを第２多孔質体
１３Ａの内周部に圧入する。その後、第１多孔質体１２
Ａ、および、第２多孔質体１３Ａの底面側の端部にリン
グ１４を挿入する。このように、リング１４を設けるこ
とにより、多孔質体の端部からのガス流入を遮断でき、
ガスの流入経路を１つにすることが可能となり、ガス流
量を安定させることが可能になる。

【００３７】なお、リング１４の挿入に代わり、第１多
孔質体１２Ａ、および、第２多孔質体１３Ａの端部に、
多孔質体の空隙を閉じる目潰し処理を施しても、同等の
効果が得られる。ここで、目潰し処理には、旋盤を用い
た機械加工を施すことにより、多孔質体の空孔を潰す方
法や、多孔質体を金型で作成する場合に、多孔質体の内
周面分部に樹脂フィルムを巻付けて多孔質体の焼結を行
なうことにより多孔質体の空孔を潰す方法が挙げられ
る。

【００３８】また、加圧室１１の内周面と第２多孔質体
１３Ａとの締付け代、および、第１多孔質体１２Ａと第
２多孔質体１３Ａとの締付け代が、ガス損失量に大きく
影響する。この締付け代は、第１多孔質体１２Ａ、およ
び、第２多孔質体１３Ａが損傷することなく、かつ、十
分な締付けが可能な寸法に設定する必要がある。今回の
実施の形態においては、それぞれの直径方向の締付け代
を約０．１ｍｍとしている。

【００３９】上記構造からなるガス流出口部において、
加圧室１１に蓄えられているガスは第１多孔質体１２Ａ
と第２多孔質体１３Ａを通過して、ピストン３に設けた
通気孔１５からピストン３とシリンダ２との間の摺動部
にガスを流出する。このときのガスの流出量は約６０ｍ
ｌ／ｍｉｎ程度である。

【００４０】（作用・効果）以上、本実施の形態におけ
るスターリングエンジンに適用されるガス流出口部の構
造においては、第１多孔質体１２Ａに空孔率の大きい多
孔質体を用いることにより、運転中に発生した大きな塵
を捕捉するとともに、ガス流出を絞る働きをする。ま
た、第２多孔質体１３Ａに空孔率の小さい多孔質体を用
いることにより、更にガス流出の絞り込みを行なう。

【００４１】このように、第１多孔質体１２Ａと第２多
孔質体１３Ａを通過させてガスを流出することにより、
第１多孔質体１２Ａで大きな塵を捕捉するとともにガス
を絞り、第２多孔質体１３Ａで更にガスの絞り込みを実
施することにより、従来の多孔質体単体では得ることが
難しかったガス流量を絞り、かつ、目詰まりがしにくい
という両方の特性を得ることが可能となる。

【００４２】なお、第１多孔質体１２Ａと第２多孔質体
１３Ａとの２層構造を採用した場合について説明した
が、内側から外側に向かうにしたがって、多孔質体の空
孔率が次第に小さくなる多層構造を採用しても、同様の
作用効果を得ることが可能である。

【００４３】また、上記実施の形態においては、ピスト
ン３に設けられるガス流出口部の構造について説明した
が、図１に示す、ディスプレーサ４側においても、同構
造のガス流出口部の構造を採用することが可能である。

【００４４】（実施の形態２）次に、本発明に基づいた
実施の形態２におけるスターリングエンジンについて、
図を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同一
構成については、詳細な説明を省略する。また、本実施
の形態におけるスターリングエンジンの特徴は、ピスト
ンに設けられるガス流出口部の構造にあるため、ここで
はこのガス流出口部の構造にのみ言及する。

【００４５】図５〜図７を参照して、本実施の形態にお
けるガス流出口部の構造について説明する。なお、図５
はピストン３の断面形状を示す図であり、図６は図５中
Ｘ線矢視断面図であり、図７は図５中Ｙ線矢視断面図で
ある。

【００４６】図５を参照して、ガスの流れ方向の上流側
に空孔率の大きい第１多孔質体１２Ｂが配設され、ガス
の流れ方向の下流側に空孔率の小さい第２多孔質体１３
Ｂが配設されるように、シリンダ２の軸線方向に沿って
連続して配置されており、第１多孔質体１２Ｂ、およ
び、第２多孔質体１３Ｂの内面にリング１４が挿入され
ている。したがって、ガス経路は図５中の矢印のよう
に、多孔質体に対して軸線方向にガスが流れるようにな
っている。このようなガス流量を取ることにより、第１
多孔質体１２Ｂで大きな塵を捕捉するとともにガスを絞
り込み、第２多孔質体１３Ｂでガスを絞るということが
可能である。

【００４７】上記実施の形態１の場合と同様に、加圧室
１１内の内径寸法は、Ｌ１がφ２０ｍｍ、Ｌ２がφ２５
ｍｍである。また、ピストン３の外径Ｌ３はφ３２ｍｍ
である。また、第１多孔質体１２Ｂおよび第２多孔質体
１３Ｂは、図６および図７に示すように、ドーナッツ形
状を有している。第１多孔質体１２Ｂおよび第２多孔質
体１３Ｂは、ともに寸法が、外径φ２５ｍｍ、内径φ２
２ｍｍであり、材質として第１多孔質体１２Ｂには空孔
率６０％のポリエチレンが用いられ、第２多孔質体１３
Ｂには、空孔率３０％のポリエチレンが用いられてい
る。

【００４８】第１多孔質体１２Ｂおよび第２多孔質体１
３Ｂのピストン３への組付けは、まず円管状の第２多孔
質体１３Ｂを加圧室内１１に設けられた段部１１ａまで
圧入する。次に、第１多孔質体１２Ｂを第２多孔質体１
３Ｂに接触するまで圧入する。その後、最後にリング１
４を多孔質体１２，１３の内周面に圧入することによ
り、容易に空孔率の異なる多孔質体を得ることが可能で
ある。

【００４９】また、加圧室１１の内周面と第２多孔質体
１３Ｂとの締付け代、および、加圧室１１の内周面と第
１多孔質体１２Ａとの締付け代が、ガス損失量に大きく
影響する。この締付け代は、第１多孔質体１２Ａ、およ
び、第２多孔質体１３Ａが損傷することなく、かつ、十
分な締付けが可能な寸法に設定する必要がある。今回の
実施の形態においては、それぞれの直径方向の締付け代
を約０．１ｍｍとしている。

【００５０】なお、図５の説明において、第１多孔質体
１２Ｂ、および、第２多孔質体１３Ｂを挿入後、第１多
孔質体１２Ｂ、および、第２多孔質体１３Ｂの内面側に
リング１４を挿入することにより、図５中の矢印のよう
なガス流量を可能としているが、この構成以外で、第１
多孔質体１２Ｂ、および、第２多孔質体１３Ｂの内周面
に目潰し処理（実施の形態１の場合と同様の処理）を施
すことによっても、同等の効果を得ることが可能であ
る。

【００５１】（作用・効果）このように第１多孔質体１
２Ｂと第２多孔質体１３Ｂを通過させてガスを流出する
ことにより、上記実施の形態１と同様の作用効果を得る
ことができる。また、本実施の形態においては、軸線方
向に多孔質体を並べて配置していることから、第１多孔
質体１２Ｂと第２多孔質体１３Ｂとの外径寸法および内
径寸法を同じにすることができるため、多孔質体の作成
において同じ金型を用いて製作することが可能になる。

【００５２】なお、第１多孔質体１２Ｂと第２多孔質体
１３Ｂとの２層構造を採用した場合について説明した
が、軸線方向において、通気孔１５に向かうにしたがっ
て、多孔質体の空孔率が次第に小さくなる多層構造を採
用しても、同様の作用効果を得ることが可能である。

【００５３】また、上記実施の形態においては、ピスト
ン３に設けられるガス流出口部の構造について説明した
が、実施の形態１の場合と同様に、ディスプレーサ４側
においても、同構造のガス流出口部を採用することが可
能である。

【００５４】（実施の形態３）次に、本発明に基づいた
実施の形態３におけるスターリングエンジンについて、
図を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同一
構成については、詳細な説明を省略する。また、本実施
の形態におけるスターリングエンジンの特徴は、ピスト
ンに設けられるガス流出口部の構造にあるため、ここで
はこのガス流出口部の構造にのみ言及する。

【００５５】図８および図９を参照して、本実施の形態
におけるガス流出口部の構造について説明する。なお、
図８はピストン３の断面形状を示す図であり、図９は図
８中Ｘ線矢視断面図である。

【００５６】図８を参照して、ピストン３内部の加圧室
１１に向かって垂直（シリンダ２の径方向）に通気孔１
５が設けられており、この通気孔１５において、ガスの
流れ方向の上流側に第１多孔質体１２Ｃが配設され、ガ
スの流れ方向の下流側に第２多孔質体１３Ｃが配設され
るように挿入されている。材質としては、第１多孔質体
１２Ｃには空孔率６０％のポリエチレンが用いられ、第
２多孔質体１３Ｃには、空孔率３０％のポリエチレンが
用いられている。

【００５７】加圧室１１に蓄えられているガスは第１多
孔質体１２Ｃと第２多孔質体１３Ｃを通過してピストン
３とシリンダ２との間の摺動部にガスを流出する。ここ
で空孔率の大きい第１多孔質体１２Ｃにて塵を捕捉する
とともに、ガス流量を絞り込み、空孔率の小さい第２多
孔質体１３Ｃにて更にガスを絞り込む。

【００５８】多孔質体のピストン３への組付けには、ま
ず円管状の第１多孔質体１２Ｃをピストン３外部から加
圧室内１１に向かって設けられている通気孔１５に圧入
する。次に、第２多孔質体１３Ｃを第１多孔質体１２Ｃ
に接触するまで圧入することにより、容易に空孔率の異
なる多孔質体を得ることが可能である。

【００５９】（作用・効果）このように第１多孔質体１
２Ｃと第２多孔質体１３Ｃを通過させてガスを流出する
ことにより、上記実施の形態１と同様の作用効果を得る
ことができる。また、上記各実施の形態においては、多
孔質体をピストン内部に挿入するための治具が必要であ
ったが、本実施の形態の構成においては、第１多孔質体
１２Ｃおよび第２多孔質体１３Ｃを通気孔１５に挿入す
ることのみで実現できるため、組込み作業の効率化を図
ることが可能になる。

【００６０】なお、第１多孔質体１２Ｂと第２多孔質体
１３Ｂとの２層構造を採用した場合について説明した
が、通気孔１５に外方に向かうにしたがって、多孔質体
の空孔率が次第に小さくなる多層構造を採用しても、同
様の作用効果を得ることが可能である。

【００６１】また、上記実施の形態においては、ピスト
ン３に設けられるガス流出口部の構造について説明した
が、実施の形態１の場合と同様に、ディスプレーサ４側
においても、同構造のガス流出口部を採用することが可
能である。

【００６２】（実施の形態４）次に、本発明に基づいた
実施の形態４におけるスターリングエンジンについて、
図を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同一
構成については、詳細な説明を省略する。また、本実施
の形態におけるスターリングエンジンの特徴は、ピスト
ンに設けられるガス流出口部の構造にあるため、ここで
はこのガス流出口部の構造にのみ言及する。

【００６３】図１０を参照して、本実施の形態における
ガス流出口部の構造について説明する。なお、図１０は
ピストン３の断面形状を示す図である。

【００６４】図１０を参照して、実施の形態１に示す構
造と同様に、ピストン３内部の段部１１ａに樹脂製の第
２多孔質体１３Ｄを配設し、その内面に第１多孔質体１
２Ｄが配設されている。ガスの流れ方向から見た場合、
ガスの流れの上流側に第１多孔質体１２Ｄが配設され、
ガスの流れの下流側に第２多孔質体１３Ｄが配設されて
いる。また、第１多孔質体１２Ｄ、および、第２多孔質
体１３Ｄの端部には、リング１４を挿入することによ
り、実施の形態１の場合と同様に多孔質体の端部からの
ガス流入を遮断している。

【００６５】したがって、ガス流量としては、まず第１
多孔質体１２Ｄでガス流量を絞った後に、第２多孔質体
１３Ｄでさらにガスが絞られ、ガスはピストン３とシリ
ンダ２との間の摺動部に流出される。第１多孔質体１２
Ｄおよび第２多孔質体１３Ｄの寸法は、実施の形態１の
場合と同様である。

【００６６】第２の多孔質体１３Ｄに樹脂製の材料を使
用することにより、銅やステンレスなどの金属製の多孔
質材に比べて、ピストンの軽量化を図ることが可能であ
る。特に、本スターリングエンジンの場合は、ピストン
の重量がエンジン本体の振動で騒音レベルに大きく影響
するため、ピストンの共振系を崩すことなく、軽量化を
図ることが可能である。樹脂材料としては、ポリエチレ
ンが水分の吸水率が低く、多孔質材でありながら水分を
吸入しにくく、取扱が容易で、安価であるため、量産向
きでよい。なお、第１多孔質体１２Ｄの材質は、樹脂で
も金属でもどちらでも構わない。金属を使用する場合
は、重量の軽量化を図るため、使用する金属量を少なく
した方が好ましい。

【００６７】たとえば、第１多孔質体１２Ｄに設けられ
る小孔は、φ１ｍｍの孔が、軸方向に４箇所設けられる
ものが、円周方向に８箇所設けられている（合計３２
個）。このように、第１多孔質体１２Ｄに小孔を形成す
ることにより、全面開放されている場合に比べて、ガス
流出を絞ることが可能になる。なお、小孔の開口径の大
きさ、個数は、実験的にガス流出量を測定して決定され
る。

【００６８】（作用・効果）このように第１多孔質体１
２Ｄと第２多孔質体１３Ｄを通過させてガスを流出する
ことにより、上記実施の形態１と同様の作用効果を得る
ことができる。

【００６９】（実施の形態５）次に、本発明に基づいた
実施の形態５におけるスターリングエンジンについて、
図を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同一
構成については、詳細な説明を省略する。また、本実施
の形態におけるスターリングエンジンの特徴は、ピスト
ンの構造にあるため、ここではこのピストンの構造にの
み言及する。

【００７０】図１１を参照して、本実施の形態における
ガス流出口部の構造について説明する。なお、図１１は
ピストン３の断面形状を示す図である。

【００７１】図１１を参照して、本実施の形態において
は、ピストン３において、シリンダ２との摺動面と加圧
室１１とを含む領域を多孔質体から構成するため、ピス
トン３自体を空孔率の大きい第１多孔質材で形成してい
る。さらに、ピストン３内の加圧室１１の両端部に、空
孔率の小さい第２多孔質材１８を挿入する。これは、ピ
ストン３の両端部からのガス流出は、ピストン３の浮上
に寄与する割合がガス流出量に対して低く、ガス損失に
繋がる可能性が高いためであり、両端部でのガス流出を
絞るほうが効率的だからである。なお、ピストン３とシ
リンダ２間の摺動部以外の箇所は、ガス損失に繋がるた
め、目潰し処理（実施の形態１の場合と同様の処理）１
７を施す。また、蓋体３ａには、軽量化を図る観点か
ら、アルミ等が用いられている。

【００７２】第１多孔質材には、空孔率６０％のポリエ
チレンが用いられる。また、第２多孔質材１８には、空
孔率２０％のポリエチレンが用いられる。

【００７３】（作用・効果）以上、本実施の形態におけ
るスターリングエンジンに適用されるピストンの構造に
おいては、ピストン３の素材を多孔質体を主成分にする
ことにより、２種類の多孔質材のうち１つの多孔質材を
組込む工程が省けるので、コスト削減を図ることが可能
になる。

【００７４】また、ピストン３を樹脂製の材料で作製す
ることにより、ピストン３の軽量化を図ることができ、
本体の振動レベルを低下させることが可能となる。ここ
での樹脂材料も水分の吸収量が低い、ポリエチレン等を
用いることが望ましい。

【００７５】また、上記実施の形態においては、ピスト
ン３に設けられるガス流出口部の構造について説明した
が、図１に示す、ディスプレーサ４側においても、同構
造のガス流出口部を採用することが可能である。

【００７６】また、上記実施の形態１〜４に示すガス流
出口部の構造はいわゆるオリフィス絞りタイプの静圧気
体軸受の場合について説明しているが、毛細管絞りタイ
プ、スロット絞りタイプ、自成絞りタイプ、多孔質絞り
タイプ、表面絞りタイプ等の静圧気体軸受に適用するこ
とが可能である。

【００７７】また、上記実施の形態１〜４に示すガス流
出口部の構造においては、ピストン３の内部側に、多孔
質材の多層構造を配置するようにしているが、ピストン
３の運動面側である外周面側に凹部を設け、この凹部に
多孔質材の多層構造を配置する構造を採用することも可
能である。

【００７８】したがって、今回開示された実施の形態は
すべての点で例示であって制限的なものではない。本発
明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によ
って画定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲
内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【００７９】

【発明の効果】この発明に基づいたスターリングエンジ
ンによれば、空孔率の大きい第１多孔質体と空孔率の小
さい第２多孔質体を通過させてガスを流出することによ
り、第１多孔質体で大きな塵を捕捉するとともにガスを
絞り、第２多孔質体で更にガスの絞り込みを実施するこ
とにより、従来の多孔質体単体では得ることが難しかっ
たガス流量を絞り、かつ、目詰まりがしにくいという両
方の特性を有するガスベアリングを備えた、スターリン
グエンジン得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１におけるスターリングエンジン
の概略構造を示す図である。

【図２】実施の形態１におけるピストン３の断面形状
を示す図である。

【図３】図２中Ｘ線矢視断面図である。

【図４】図２中Ｙ線矢視断面図である。

【図５】実施の形態２におけるピストン３の断面形状
を示す図である。

【図６】図５中Ｘ線矢視断面図である。

【図７】図５中Ｙ線矢視断面図である。

【図８】実施の形態３におけるピストン３の断面形状
を示す図である。

【図９】図８中Ｘ線矢視断面図である。

【図１０】実施の形態４におけるピストン３の断面形
状を示す図である。

【図１１】実施の形態５におけるピストン３の断面形
状を示す図である。

【図１２】従来技術における第１のガス流出構造の概
略を示す断面図である。

【図１３】従来技術における第２のガス流出構造の概
略を示す断面図である。

【符号の説明】

１圧力容器、２シリンダ、３ピストン、３ａ蓋
体、４ディスプレーサ、４ａ貫通軸部、５作動空
間、５ａ圧縮空間、５ｂ膨張空間、６背面空間、
７再生器、８ピストンスプリング、９ディスプレ
ーサスプリング、１０一方向弁、１１加圧室、１１
ａ段部、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ第１多孔
質体、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ第２多孔質
体、１４リング、１５通気孔、１６ポケット、１７
目潰し処理、１８第２多孔質材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内に配置される作動体の往復運
動により発生する高圧ガスを前記作動体の内部に設けら
れる加圧室に蓄え、前記作動体内の前記高圧ガスを前記
シリンダと前記作動体との摺動部に流出するガスベアリ
ングを備える、スターリングエンジンであって、前記作動体の側壁部に設けられる前記高圧ガスの流出口
には、前記高圧ガスの流出上流側に第１多孔質体が配設
され、前記高圧ガスの流出下流側に、前記第１多孔質体
よりも空孔率の小さい第２多孔質体が配設される、スタ
ーリングエンジン。
【請求項２】前記第１多孔質体と、前記第２多孔質体
とは、前記加圧室において、前記シリンダの径方向に沿
って積層配置される、請求項１に記載のスターリングエ
ンジン。
【請求項３】前記第１多孔質体と、前記第２多孔質体
とは、前記加圧室において、前記シリンダの軸線方向に
沿って積層配置される、請求項１に記載のスターリング
エンジン。
【請求項４】前記第１多孔質体と、前記第２多孔質体
とは、前記作動体の側壁部に径方向に向かって設けられ
ている孔の内部において、前記シリンダの径方向に沿っ
て積層配置される、請求項１に記載のスターリングエン
ジン。
【請求項５】前記第１多孔質体、および、前記第２多
孔質体の、少なくともいずれか一方は、樹脂から構成さ
れる、請求項１から４のいずれかに記載のスターリング
エンジン。
【請求項６】シリンダ内に配置される作動体の往復運
動により発生する高圧ガスを前記作動体の内部に設けら
れる加圧室に蓄え、前記作動体内の前記高圧ガスを前記
シリンダと前記作動体との摺動部に流出するガスベアリ
ングを備える、スターリングエンジンであって、前記作動体は、前記シリンダとの摺動面と前記加圧室と
を含む領域が多孔質体から構成される、スターリングエ
ンジン。
【請求項７】前記作動体はピストンである、請求項１
から６のいずれかに記載のスターリングエンジン。
【請求項８】前記作動体はディスプレーサである、請
求項１から６のいずれかに記載のスターリングエンジ
ン。