JP2006183566A - ピストン装置、スターリングエンジン、及び外燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮された作動媒体をピストン内部に導入し、ピストンの側周部に設けられた複数の孔からシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで気体軸受を構成し、ピストン内部の作動媒体が作動空間内に逆流するのが抑制され、かつ、信頼性、寿命を容易に確保するピストン装置を提供する。
【解決手段】外燃機関１０に適用され、ピストン本体２１１と、前記ピストン本体の内部に形成された蓄圧室２１２と、圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための導入部２１４と、前記ピストン本体の側周部２１１ｂに設けられ、前記蓄圧室から、前記ピストン本体と前記外燃機関のシリンダ２２との間のクリアランス部に貫通する孔２１６とを備え、前記導入部は、前記作動媒体の前記蓄圧室への導入方向及び前記導入方向の反対方向のいずれの方向にも流通可能に設けられ、前記導入部において前記反対方向の流路抵抗は、前記導入方向の流路方向に比べて大きい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピストン装置、スターリングエンジン、及び外燃機関に関する。

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。

スターリングエンジンを含む外燃機関に適用可能なピストン装置として、特開２０００−４６４３１号公報（特許文献１）に開示された技術が知られている。上記特許文献１に開示された外燃機関のピストンは、ピストンのシリンダ内の往復運動に伴って作動空間内で圧縮、膨張を繰返す作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサを用いるタイプのスターリングエンジンに適用されるものであって、ピストン内部に形成され、作動空間内で圧縮された作動媒体を一時的に蓄える加圧室と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダーとのクリアランス部に噴出するオリフィスと、加圧室側のオリフィス端部に設けられた逆止弁とを具備し、逆止弁は、ピストンの動きにより作動空間内の作動媒体圧力が下がったときに加圧室内の作動媒体が作動空間内へ逆流するのを防ぐために設けられている。

特開２０００−４６４３１号公報

スターリングエンジンのような外燃機関の作動空間内で圧縮された作動媒体をピストン内部に導入し、ピストンの側周部（外周部）に設けられた複数の孔からピストンとシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで、気体軸受を構成する場合、従来は、機械的な可動部を持ち、ピストンの上下動毎に開閉する逆止弁（チェック弁）が用いられていたため、信頼性、寿命の確保が難しかった。ピストンの上下動に伴う加速度に対してチェック弁の可動部が不安定な動作をして所定の位置に定まらず、チェック弁としての正確な機能が得られないことがあり、設計上、構造上の制約になっていた。

本発明の目的は、外燃機関の作動空間内で圧縮された作動媒体をピストン内部に導入し、ピストンの側周部に設けられた複数の孔からピストンとシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで、気体軸受を構成する場合に、ピストン内部の作動媒体が作動空間内に逆流するのを抑制するという機能が確実に得られ、かつ、信頼性、寿命を容易に確保することが可能なピストン装置、スターリングエンジン、及び外燃機関を提供することである。

本発明のピストン装置は、外燃機関に適用され、ピストン本体と、前記ピストン本体の内部に形成された蓄圧室と、前記外燃機関の作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための導入部と、前記ピストン本体の側周部に設けられ、前記蓄圧室から、前記ピストン本体と前記外燃機関のシリンダとの間のクリアランス部に貫通する孔とを備え、前記導入部は、前記作動媒体の前記蓄圧室への導入方向及び前記導入方向の反対方向のいずれの方向にも流通可能に設けられ、前記導入部において前記反対方向の流路抵抗は、前記導入方向の流路方向に比べて大きくなるように構成されていることを特徴としている。

本発明のピストン装置において、前記導入部における前記導入方向と前記反対方向の流路抵抗の相違は、弁体のような可動部の作動による前記導入部の流路の開閉動作に基づくものではなく、前記導入部の形状に基づくものであることを特徴としている。

本発明のピストン装置において、更に、前記作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための流路と、前記蓄圧室に設けられ、前記流路を弁体のような可動部の作動により開閉する流路開閉手段とを備え、前記可動部は、前記ピストン装置の起動時に作動し、前記ピストン装置の常用運転域では作動が停止して前記流路を閉状態とするように構成されていることを特徴としている。

本発明のピストン装置において、前記作動空間の平均圧に対する増圧側圧力振幅をＰ_+Pとし、前記導入部による前記蓄圧室の飽和蓄圧値をＰＦとするとき、前記可動部を開動作させるために必要な圧力Ｐｃは、Ｐｃ＜Ｐ_+P、かつ、Ｐｃ＞（Ｐ_+P−ＰＦ）に設定されていることを特徴としている。

本発明のピストン装置において、前記流路開閉手段は、前記可動部の作動時の移動方向が前記ピストン本体の上下方向と概ね一致するように配置され、前記ピストン装置の常用運転域よりも低い設定回転数における前記可動部に作用する上向きの最大加速度による前記可動部を開動作させるために必要な圧力の上昇分をＰＡとするとき、前記可動部を開動作させるために必要な圧力Ｐｃ’は、（Ｐｃ’＋ＰＡ）＜Ｐ_+P、かつ、（Ｐｃ’＋ＰＡ）＞（Ｐ_+P−ＰＦ）に設定されていることを特徴としている。

本発明のピストン装置において、前記流路上において、前記流路開閉手段と前記作動空間との間には、オリフィスを介して前記作動空間と連通し前記作動媒体が通る部屋が設けられていることを特徴としている。

本発明のスターリングエンジンは、上記本発明のピストン装置と、前記シリンダとを備えたことを特徴とするスターリングエンジンである。

本発明の外燃機関は、ピストン装置と、シリンダとを備えた外燃機関であって、前記ピストン装置は、ピストン本体と、前記ピストン本体の内部に形成された蓄圧室と、前記ピストン本体の側周部において所定の高さ位置に対応する第１部分に設けられ、前記外燃機関の作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための導入部と、前記ピストン本体の側周部において前記所定の高さ位置よりも下方位置に対応する第２部分に設けられ、前記蓄圧室から、前記ピストン本体と前記シリンダとの間のクリアランス部に貫通する孔とを備え、前記ピストン装置が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、前記ピストン本体の側周部における前記第１部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、前記ピストン装置が上死点にあるときの方が、前記ピストン装置が下死点にあるときに比べて、大きくなるように構成されていることを特徴としている。

本発明の外燃機関であって、前記ピストン装置が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、前記ピストン本体の側周部における前記第２部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成され、前記ピストン本体の側周部における前記第１部分と前記第２部分との比較において、前記ピストン装置が下死点にあるときの、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成されていることを特徴としている。

本発明の外燃機関において、前記ピストン装置が下死点にあるときに前記ピストン本体の側周部における前記第１部分が対向する前記シリンダの内周壁部の径よりも、前記ピストン装置が上死点にあるときに前記ピストン本体の側周部における前記第１部分が対向する前記シリンダの内周壁部の径の方が大きくなるように構成されていることを特徴としている。

本発明の外燃機関において、前記外燃機関は、α型スターリングエンジンであり、前記ピストン本体の側周部における前記第１部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、前記ピストン装置が上死点の前後４５°以内の範囲にあるときの方が、前記ピストン装置が前記範囲以外にあるときに比べて、大きくなるように構成されていることを特徴としている。

本発明の外燃機関において、前記導入部の上面は、概ね同一の高さとなるように扁平状に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、外燃機関の作動空間内で圧縮された作動媒体をピストン内部に導入し、ピストンの側周部に設けられた複数の孔からピストンとシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで、気体軸受を構成する場合に、ピストン内部の作動媒体が作動空間内に逆流するのを抑制するという機能が確実に得られ、かつ、信頼性、寿命の確保が容易となる。

以下、本発明のピストン装置を適用した排気熱回収装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１実施形態）
本実施形態の目的は、α型スターリングエンジンの作動空間内で圧縮された作動流体をピストン内部に導入し、ピストンの外周部に設けられた複数の孔からピストンとシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで、気体軸受を構成する場合に、ピストン内部の作動媒体が作動空間内に逆流するのを抑制するという機能が確実に得られ、かつ、信頼性、寿命を容易に確保することが可能なピストン装置が適用されるスターリングエンジンからなる排気熱回収装置を提供することである。

本実施形態では、特に、スターリングエンジンが例えば車両の内燃機関の排気ガスのような排熱を熱源として作動する場合には、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジンを効果的に作動させる必要があることから、ピストンの軽量化が求められている。また、本実施形態では、スターリングエンジンの装置規模（全体構成）の小型化が要求されている。特に、スターリングエンジンが例えば車両の内燃機関の排気ガスのような排熱を熱源として作動する場合には、車両の床下に配される内燃機関の排気管に隣接するスペースのように、限られた空間にスターリングエンジンを搭載しなくてはならない場合があるためである。以下に説明するスターリングエンジンでは、ピストンの軽量化と装置規模のコンパクト化が実現されている。

図３は、本実施形態のスターリングエンジンを示す正面図である。図３に示すように、本実施形態のスターリングエンジン１０は、α型（２ピストン形）のスターリングエンジンであり、二つのパワーピストン２０、３０を備えている。二つのパワーピストン２０、３０は、直列並行に配置されている。低温側パワーピストン３０のピストン３１は、図４に示すように、高温側パワーピストン２０のピストン２１に対して、クランク角で９０°程度遅れて動くように位相差がつけられている。

高温側パワーピストン２０のシリンダ（以下高温側シリンダという）２２の上部の空間（膨張空間）には、加熱器４７によって加熱された作動流体が流入する。低温側パワーピストン３０のシリンダ（以下低温側シリンダという）３２の上部の空間（圧縮空間）には、冷却器４５によって冷却された作動流体が流入する。

再生器（再生熱交換器）４６は、膨張空間と圧縮空間を作動流体が往復する際に熱を蓄える。即ち、膨張空間から圧縮空間へと作動流体が流れる時には、再生器４６は、作動流体より熱を受け取り、圧縮空間から膨張空間へと作動流体が流れる時には、蓄えられた熱を作動流体に渡す。

２つのピストン２１、３１の往復動に伴い、作動ガスの往復流動が生じて高温側シリンダ２２の膨張空間と低温側シリンダ３２の圧縮空間にある作動流体の割合が変化するとともに、全内容積も変わるため、圧力の変動が生じる。２つのピストン２１、３１がそれぞれ同位置にある場合の圧力を比較すると、膨張ピストン２１についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、圧縮ピストン３１については逆に低くなる。このため、膨張ピストン２１は外部に対し大きな正の仕事（膨張仕事）を行い、圧縮ピストン３１は外部から仕事（圧縮仕事）を受ける必要がある。膨張仕事は、一部が圧縮仕事に使われ、残りが駆動軸４０を介して出力として取り出される。

本実施形態のスターリングエンジン１０は、車両においてガソリンエンジン（内燃機関）と共に用いられてハイブリッドシステムを構成する。即ち、スターリングエンジン１０は、ガソリンエンジンの排気ガスを熱源として用いる。スターリングエンジン１０の加熱器４７が車両のガソリンエンジンの排気管１００の内部に配置され、排気ガスから回収した熱エネルギーにより作動流体が加熱されてスターリングエンジン１０が作動する。

本実施形態のスターリングエンジン１０は、排気管１００の内部にその加熱器４７が収容されるというように車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。そのために、スターリングエンジン１０では、２つのシリンダ２２、３２をＶ字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。

加熱器４７が排気管１００の内部に配置されるに際しては、排気管１００の内部において相対的に高温の排気ガスが流れる排気ガスの上流側（ガソリンエンジンに近い側）１００ａに、加熱器４７の高温側シリンダ２２側が位置し、相対的に低温の排気ガスが流れる下流側（ガソリンエンジンから遠い側）１００ｂに加熱器４７の低温側シリンダ３２側が位置するように配置される。加熱器４７の高温側シリンダ２２側をより多く加熱するためである。

高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれは、円筒状に形成されており、基準体である基板４２に支持されている。本実施形態においては、この基板４２が、スターリングエンジン１０の各構成要素の位置基準となる。このように構成されることで、スターリングエンジン１０の各構成要素の相対的位置精度が確保される。また、この基板４２は、スターリングエンジン１０が排熱回収対象である排気管（排気通路）１００等に取り付けられるときの基準として用いられることができる。

排気管１００のフランジ１００ｆに対して、断熱材（スペーサ、図示せず）を介して、基板４２が固定されている。排気管１００と基板４２とは、相対的位置精度が確保された状態で固定されるため、基板４２は、固定的構造物として排気管１００が備えた装置取付面であると捉えることができる。基板４２には、高温側シリンダ２２の側面（外周面）に設けられたフランジ２２ｆが固定されている。また、基板４２には、再生器４６の側面（外周面）４６ｃに設けられたフランジ４６ｆが、断熱材（スペーサ、図示せず）を介して固定されている。また、基板４２には、後述する隔壁７０が固定されている。

基板４２に対して、スターリングエンジン１０の全ての構造部材が支持されている。このことから、基板４２が排気管１００内の排気ガスの熱により変形すると、その変形の影響がスターリングエンジン１０の全ての構造部材に及ぶ。そのため、排気管１００のフランジ１００ｆとの間に上記断熱材を設けるとともに、シュラウド９０により、排気管１００内の排気ガスの熱が基板４２に伝わることが最小限に抑制されている。

排気管１００とスターリングエンジン１０とは、基板４２を介して取り付けられる。このとき、基板４２と、高温側シリンダ２２において加熱器４７が接続される側の端面（頂部２２ｂの上面）、及び低温側シリンダ３２において冷却器４５が接続される側の端面（頂面３２ａ）とが実質的に平行になるように、スターリングエンジン１０が基板４２に取り付けられる。あるいは、基板４２とクランクシャフト４３（又は駆動軸４０）の回転軸とが平行になるように、もしくは排気管１００の中心軸とクランクシャフト４３の回転軸とが平行になるように、スターリングエンジン１０が基板４２に取り付けられる。これにより、既存の排気管１００に大幅な設計変更を加えることなく、容易に排気管１００にスターリングエンジン１０を取り付けることができる。その結果、排熱回収対象である車両の内燃機関本体の性能や搭載性、騒音等の機能を損なうことなくスターリングエンジン１０を排気管１００に搭載することができる。また、同一仕様のスターリングエンジン１０を異なる排気管に取り付ける場合でも、加熱器４７の仕様を変更するだけで対応できるので、汎用性を向上させることができる。

スターリングエンジン１０は、車両の床下に配された排気管１００に隣接するスペースに、横置き、即ち、車両の床面（図示せず）に対して、高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれの軸線方向が概ね平行になるように配置され、２つのピストン２１、３１は、水平方向に往復動される。本実施形態では、説明の便宜上、２つのピストン２１、３１の上死点側を上方向、下死点側を下方向であるとして説明する。

作動流体は、その平均圧力が高い程、冷却器４５や加熱器４７による同じ温度差に対しての圧力差が大きくなるので高い出力が得られる。そのため、上記のように、高温側シリンダ２２、低温側シリンダ３２内の作動流体は高圧に保持されている。

ピストン（ピストン装置）２１，３１は、円柱状に形成されている。ピストン２１、３１の外周面とシリンダ２２、３２の内周面との間には、それぞれ数十μｍの微小クリアランスが設けられており、そのクリアランスには、スターリングエンジン１０の作動流体（空気）が介在している。ピストン２１，３１は、それぞれシリンダ２２、３２に対して空気軸受４８により非接触の状態で支持されている。したがって、ピストン２１，３１の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また、一般にピストンリングと共に使用される潤滑油も使用されていない。上記のように、空気軸受４８は、作動流体（気体）により膨張空間、圧縮空間それぞれの気密を保ち、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールを行う。

空気軸受４８は、図１を参照して、後述するように、スターリングエンジン１０の作動空間内で圧縮された作動流体をピストン２１，３１の内部に導入し、ピストン２１，３１の外周部に設けられた複数の孔からピストン２１，３１とシリンダ２２，３２との間のクリアランス部に噴射することで構成される、静圧気体軸受である。

本実施形態では、スターリングエンジン１０の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０を効果的に作動させる必要がある。そのため、膨張空間に、なるべく高温の作動流体が流れるべく、高温側シリンダ２２の頂部（上部）２２ｂ及び高温側シリンダ２２の側面２２ｃの上部が、排気管１００の内部に配設されている。これにより、上死点近傍での膨張ピストン２１の上部は、排気管１００の内部に位置することになり、膨張ピストン２１の上部が効果的に加熱される。

次に、図１及び図２を参照して、ピストン２１，３１の構成について詳細に説明する。

図１は、ピストン２１の構成を示す正面図である。図２は、ピストン２１の要部の正断面図である。図３に示すように、ピストン２１，３１の大きさは異なっているが、その構造は共通である。図１及び図２では、ピストン２１，３１に共通の構造が示されている。以下では、図１及び図２をピストン２１の構成として説明する（同様の構成のピストン３１についての説明は省略する）。

図１に示すように、ピストン２１は、ピストン本体２１１と、そのピストン本体２１１の内部に形成された中空部（蓄圧室）２１２とを備えている。ピストン本体２１１は、上部及び下部が塞がれた円筒状に形成されている。

ピストン本体２１１は、高温側シリンダ２２（図３）と摺動する側周部（摺動部）２１１ａと、側周部２１１ａと一体として（連続的に）蓋状に設けられた頂面部２１１ｂとを有している。頂面部２１１ｂには、高温側シリンダ２２内の作動空間と中空部２１２とを連通する連絡流路２１４が形成されている。

連絡流路２１４は、順流時に比べて逆流時には著しく流路抵抗が大きく、例えば弁体のような可動部の無い流体素子２１５によって構成されている。即ち、流体素子２１５は、連絡流路２１４を通る作動流体の流れの向きが、下方に向かう方向（作動空間側から中空部２１２に向かう方向）のとき（順流時）には、流路抵抗が相対的に小さく、反対に、上方に向かう方向（中空部２１２から作動空間側に向かう方向）のとき（逆流時）には、順流時に比べて、流路抵抗が著しく大きくなるような形状に構成されている。

この流体素子２１５によって、ピストン２１の動きにより高温側シリンダ２２内の作動空間の作動流体の圧力が下がったときに、中空部２１２内の作動流体が高温側シリンダ２２内の作動空間に逆流することが抑制される。流体素子２１５は、チェック弁（逆止弁）の弁体のような可動部を有していないため、信頼性、寿命の確保が容易であり、また、設計上、構造上の制約となることが抑制される。

図２は、流体素子２１５を拡大して示す図である。流体素子２１５において、順流側入口部２１５ａの曲率Ｒ１は相対的に大きく形成され、逆流側入口部２１５ｂの曲率Ｒ２は無い（ゼロ）又は極めて小さく形成されている。順流側入口部２１５ａは、その開口部の径寸法が漸次小さくなるように形成され、作動流体を連絡流路２１４に引き込むときの流線が滑らかなになるように形成されている。逆流側入口部２１５ｂは、エッジが立っており、中空部２１２内の作動流体が作動空間に逆流しようとする流体の剥離を起こし、縮流効果等によって、中空部２１２から作動空間に逆流する流量が抑制される。

流体素子２１５において、順流側入口部２１５ａ側には、頂面部２１１ｂから作動空間側に突出する突起が形成されていないのに対し（符号Ｄ１）、逆流側入口部２１５ｂ側には、中空部２１２の方に突出する突起部Ｄ２が設けられ、その突起部Ｄ２の先端に逆流側入口部２１５ｂが設けられている。

流体素子２１５において、逆流側入口部２１５ｂ側の端面Ｓが連絡流路２１４の流路となす角度θは、鋭角（９０°より小）である。但し、逆流側入口部２１５ｂの突起部Ｄ２の肉厚が薄く端面自体が極めて小さいときには、この角度を定義する必要はない（後述する図６参照）。図１及び図２に示す連絡流路２１４を構成する流体素子２１５は、図８に示すように、ピストン２１と一体的に（連続的に）形成されている（一体構造）であってもよいし、図６及び図７に示すように、ピストン２１と別体の構成であってもよい。

図８に示す一体構造の場合には、例えば、ピストン２１の頂面部２１１ｂに相当する部分をプレスで打ち抜き、塑性変形させることにより形成することができる。別体として構成する場合には、図６に示すように、順流側入口部２１５ａはピストン２１と一体的に形成し、突起部（逆流側入口部２１５ｂ）をピストン２１とは別体のチューブ２１８により構成することができる。また、図７に示すように、流体素子２１５に対応する部分の全体を、チップ２１９により構成することができる。

図１に示すように、側周部２１１ａには、周方向に等間隔に複数の給気孔２１６が設けられている。ピストン２１の上昇に伴い、高温側シリンダ２２の作動空間の作動流体が圧縮されて、その作動流体の圧力が中空部２１２の圧力より高くなると、順流側入口部２１５ａから連絡流路２１４を介して、作動空間の作動流体の一部が中空部２１２に導入される。連絡流路２１４を介して作動流体が中空部２１２に導入されると、中空部２１２の作動流体の一部が、給気孔２１６を介して、ピストン２１とシリンダ２２との間のクリアランスに噴出する。

連絡流路２１４は、その頂面部２１１ｂの面上において中央部に形成されている。これにより、連絡流路２１４と、複数の給気孔２１６との距離が等しくなる。作動空間の作動流体が連絡流路２１４を介して中空部２１２に導入されたときに、複数の給気孔２１６からそれぞれ噴射される作動流体の噴射状態（噴射量・噴射圧）が等しくなり易く、クリアランスに作動流体が噴射されるときに、周方向において噴射に関して偏りを生じるおそれが少ない。これにより、空気軸受４８がより安定的に機能する。

中空部２１２に封入される作動流体の圧力は、作動流体の最大圧縮圧力よりも僅かに低い値とされることが望ましい。図４は、高温側ピストン２１の頂面位置と低温側ピストン３１の頂面位置の変化を示している。上述したように、低温側ピストン３１は、高温側ピストン２１に対して、クランク角で９０°遅れて動くように位相差がつけられている。

図４において、高温側ピストン２１の波形と、低温側ピストン３１の波形の合成波Ｗが筒内圧を示している。図４において、符号Ｐｍａｘは、圧縮工程時の筒内圧の最大値（最大圧縮圧力）を示している。ピストン２１の作動時、ピストン本体２１１には、最大で、最大圧縮圧力Ｐｍａｘが作用する。そのため、中空部２１２に対し、作動流体の最大圧縮圧力Ｐｍａｘよりも僅かに低い圧力の作動流体を封入しておくことにより、ピストン本体２１１に最大圧縮圧力Ｐｍａｘよりも所定値以上低い筒内圧（中空部２１２の圧力よりも低い圧力）が作用している場合（ピストン２１が圧縮工程時の上死点近傍にあるとき以外）には、ピストン本体２１１は、筒内圧に対して十分な耐圧性能（剛性）を有することになる。これにより、ピストン本体２１１（特に、側周部２１１ａのうち給気孔２１６が形成された部分以外）の肉厚は、筒内圧に対する耐圧性能の確保を考慮することなく、薄く形成することができ、軽量化が実現される。

中空部２１２に対し、作動流体の最大圧縮圧力Ｐｍａｘよりも僅かに低い圧力の作動流体が封入されている場合の動作は、次の通りである。即ち、圧縮工程時において、ピストン２１が上死点近傍の位置にあるときに、中空部２１２の圧力よりも高温側シリンダ２２の作動空間の圧力が上回って、連絡流路２１４から作動空間の作動流体の一部が導入されるとともに、中空部２１２の作動流体の一部が給気孔２１６からピストン２１の外部に噴出される。また、ピストン２１が上記位置にあるとき以外は、中空部２１２の圧力の方が高温側シリンダ２２の作動空間の圧力よりも高いが、流体素子２１５は、上記のように、逆流時には、順流時に比べて著しく流路抵抗が大きくなるように構成されているため、中空部２１２内の作動流体が逆流側入口部２１５ｂから連絡流路２１４を介して、高温側シリンダ２２内の作動空間に逆流することが抑制される。

給気孔２１６は、ピストン２１の上下方向の長さの中間位置を挟んで上下に少なくとも１つずつ（図１では２つずつ、計４つが図示されている）設けられている。高温側シリンダ２２内でピストン２１の位置をバランスさせるために有効である。

加熱器４７は、複数の伝熱管（管群）４７ｔを有し、それらの複数の伝熱管４７tが概ねＵ字形の形状に形成されてなるものである。各伝熱管４７ｔの第１端部４７ａが高温側シリンダ２２の上部（頂面２２ａ側の端面）２２ｂに接続されている。複数の伝熱管４７ｔの第１端部４７ａがそれぞれ概ね同一面（フラット面）上に配置されるように設けられている。その概ねフラット面上に配される複数の伝熱管４７ｔの第１端部４７ａは、それぞれ、概ねフラット面に形成された高温側シリンダ２２の上部２２ｂに接続される。これらのことから、複数の伝熱管４７ｔの第１端部４７ａ側の加工及び接続作業が容易となる。一方、各伝熱管４７ｔの第２端部４７ｂが再生器４６の上部（加熱器４７側の端面）４６ａに接続されている。

再生器４６は、蓄熱材（マトリックス、図示せず）と、その蓄熱材が収容される再生器ハウジング４６ｈとを備えている。再生器ハウジング４６ｈは、低温側シリンダ３２の上部と概ね同じ断面形状を有する概ね円柱状の蓄熱材を収容する。そのため、再生器ハウジング４６ｈは、低温側シリンダ３２の上部の断面形状と概ね同じ形の底面及び上面を有する円筒形（中空円柱状）に形成されている。

再生器４６の側面（外周面）４６ｃには、フランジ４６ｆが設けられており、そのフランジ４６ｆが断熱材を介して基板４２に固定されている。再生器４６では、蓄熱材として、積層された金網（積層形材料）が用いられている。金網は、作動流体が流れる方向に沿って積層され、複数の金網が互いに熱伝達を起こし難い状態で設けられている。

作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れるときに、蓄熱材が作動流体から受熱する場合、まず上記積層された複数の金網のうち最も加熱器４７に近い最上部の金網が受熱することで作動流体の温度が低下し、次に加熱器４７に近い金網が受熱することで作動流体の温度が更に低下し、更に次に加熱器４７に近い金網が受熱することで更に作動流体の温度が低下するというように、再生器４６において上方から下方に向けて金網の層を通過する度に、作動流体の温度が低下していく。

再生器４６には、上述した機能から、以下の条件が要求される。即ち、伝熱性能と蓄熱容量が高く、流動抵抗（流動損失、圧力損失）が小さいことのほか、作動流体の流れ方向の熱伝導率が小さく、温度勾配を大きくとれることが要求される。このことから、複数の金網同士の間の熱伝導は極力小さいことが求められる。その金網の材料は、ステンレス鋼であることができる。

排気管１００の内部に配置された再生器４６においては、再生器ハウジング４６ｈの作動流体の流れ方向への熱伝導の悪影響を抑制する必要性が非常に高い。このことから、本実施形態では、再生器ハウジング４６ｈに、シュラウド９０が設けられている。シュラウド９０は、排気管１００の内部の熱（例えば約６００〜８００℃）が、再生器ハウジング４６ｈに伝達されないようにすることを目的としている。この場合、シュラウド９０は、特に、再生器ハウジング４６ｈの上面４６ａを除く面（側面４６ｃ及びフランジ４６ｆ）に伝達されないようにすることを目的としている。

なお、上記において、膨張ピストン２１の上下方向の長さが圧縮ピストン３１に比べて大きく形成され、また、高温側シリンダ２２の上下方向の長さが低温側シリンダ３２に比べて大きく形成されている理由は、以下の通りである。

スターリングエンジン１０の効率の低下を抑制するため、高温側パワーピストン２０における膨張空間以外の空間及び低温側のパワーピストン３０における圧縮空間以外の空間、即ち、高温側パワーピストン２０及び低温側のパワーピストン３０のそれぞれにおけるクランクシャフト４３の周辺の空間は、常温に保たれる必要がある。そのため、膨張空間の高温の作動流体がクランクシャフト４３の高温側パワーピストン２０側の周辺の空間に流入したり、圧縮空間の低温の作動流体がクランクシャフト４３の低温側のパワーピストン３０側の周辺の空間に流入することがないように、高温側シリンダ２２と膨張ピストン２１とのシール及び低温側シリンダ３２と圧縮ピストン３１とのシールが確実に行われる必要がある（後述のように、そのシールには空気軸受４８が使用されている）。

一方で、上記のように、膨張空間を高温にすべく、高温側シリンダ２２の頂部２２ｂ及び側面２２ｃの上部は、排気管１００の内部に収容されるため、高温側シリンダ２２の上部及び膨張ピストン２１の上部が熱膨張する。高温側シリンダ２２及び膨張ピストン２１のそれぞれの上部の熱膨張する部分では、シールが確実に行えないおそれがある。このことから、本実施形態では、膨張ピストン２１及び高温側シリンダ２２の上下方向の長さを長く設定し、これにより、膨張ピストン２１の上下方向に温度勾配を持たせて、熱膨張の影響を受けない部分（膨張ピストン２１の下部）にてシールが確実に行えるようにしている。また、高温側シリンダ２２と膨張ピストン２１との間は、膨張ピストン２１の下部（熱膨張の影響を受けない部分）にてシールされるので、そのシール部の移動距離を十分に確保して膨張空間を十分に圧縮するために、高温側シリンダ２２の上下方向の長さが長く設定されている。

次に、冷却器４５の構成について説明する。

図３においては、冷却器４５の複数の伝熱管４５ｔのうち一部の伝熱管４５ｔのみが図示され、それ以外の伝熱管４５ｔの図示は省略されている。

再生器４６と低温側シリンダ３２との間には、上記隔壁（部材）７０が設けられている。隔壁７０は、熱伝導率の低い材質で形成されている。隔壁７０において、低温側シリンダ３２の軸線方向（上下方向）の長さ寸法は、後述する伝熱管４５tの引き回しの機能を果たすために十分な大きさを確保しつつなるべく小さく設計されている。スターリングエンジン１０の小型化に寄与するためである。

上記のように、隔壁７０は、基板４２に固定されている。隔壁７０の上面７０ａは、再生器４６の下面（加熱器４７側の上記端面４６ａと反対側の端面）４６ｂに、直接接触するように設けられている。隔壁７０の下面７０ｂは、低温側シリンダ３２の頂面３２ａを兼ねている。隔壁７０の側面（外周面）７０ｃには、冷却器４５のクーラ容器４５ｃが固定されている。

冷却器４５は、水冷の多管式熱交換器（shell-and-tube exchanger, tubular exchanger）により構成されている。冷却器４５は、複数の伝熱管（管群）４５ｔと、クーラ容器４５ｃとを有している。冷却器４５の複数の伝熱管４５tの大部分は、クーラ容器４５ｃに収容されている。伝熱管４５ｔのクーラ容器４５ｃに収容された部分は、クーラ容器４５ｃに供給された冷却水（冷媒）Ｗｔと接触し、これにより、伝熱管４５ｔを流れる作動流体が冷却される。

上記のように、クーラ容器４５ｃは、隔壁７０の外周面７０ｃに固定されている。クーラ容器４５ｃは、外周面７０ｃの周方向に亘ってリング状に設けられている。このクーラ容器４５ｃは、低温側シリンダ３２の外周部３２ｋの上部（圧縮空間に対応する部分）を周方向に囲むようなリング状に形成されている。クーラ容器４５ｃは、低温側シリンダ３２の外周部３２ｋの周方向の全周に亘って設けられている。または、これに代えて、クーラ容器４５ｃは、低温側シリンダ３２の外周部３２ｋの周方向の一部を囲むように設けられることができる。

次に、ピストン・シリンダのシール構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。

上記のように、スターリングエンジン１０の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０を作動させる必要がある。そこで、本実施形態では、スターリングエンジン１０の内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。本実施形態では、スターリングエンジンの内部フリクションのうち最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を無くすため、ピストンリングを使用せずに、その代わりに、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間には、それぞれ空気軸受（エアベアリング）４８が設けられる。

空気軸受４８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。空気軸受４８を用いても、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間の気密は確保されるため、高圧の作動流体が膨張・収縮の際に漏れるという問題は生じない。

空気軸受４８は、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１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が空中に浮いた形となる軸受である。本実施形態の空気軸受４８では、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間の直径クリアランスは数十μmである。空中に物体を浮上させる空気軸受を実現するに際しては、上記静圧気体軸受が適用される。静圧気体軸受とは、加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体（本実施形態ではピストン２１、３１）を浮上させるものである。

また、空気軸受４８を使用することで、ピストンリングで用いる潤滑油が不要となるので、潤滑油によりスターリングエンジン１０の熱交換器（再生器４６，加熱器４７）が劣化するという問題が発生しない。

空気軸受４８を用いて、ピストン２１、３１をシリンダ２２、３２内で往復運動させる際には、直線運動精度を空気軸受４８の直径クリアランス未満にしなくてはならない。また、空気軸受４８の負荷能力が小さいため、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。即ち、空気軸受４８は、シリンダ２２、３２の直径方向（横方向，スラスト方向）の力に耐える能力（耐圧能力）が低いため、シリンダ２２、３２の軸線に対するピストン２１、３１の直線運動精度が高い必要がある。特に、本実施形態で採用する、微小クリアランスの空気圧を用いて浮上させて支持するタイプの空気軸受４８は、高圧の空気を吹き付けるタイプに比べても、スラスト方向の力に対する耐圧能力が低いため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。

上記の理由から、本実施形態では、ピストン・クランク部にグラスホッパの機構（近似直線リンク）５０を採用する。グラスホッパの機構５０は、他の直線近似機構（例えばワットの機構）に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構のサイズが小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。特に、本実施形態のスターリングエンジン１０は、自動車の排気管の内部にその加熱器４７が収容されるというように限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。また、グラスホッパの機構５０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらに、グラスホッパの機構５０は、機構の構成が比較的簡単であるため、構成（製造・組み立て）し易い。

図５は、スターリングエンジン１０のピストン・クランク機構の概略構成を示している。本実施形態において、ピストン・クランク機構は、高温側パワーピストン２０側と低温側パワーピストン３０側とで共通の構成を採用しているため、以下では、低温側パワーピストン３０側についてのみ説明し、高温側パワーピストン２０側についての説明は省略する。

図５及び図３に示すように、圧縮ピストン３１の往復運動は、コネクティングロッド１０９によって駆動軸４０に伝達され、ここで、回転運動に変換される。コネクティングロッド１０９は、図５に示す近似直線機構５０によって支持されており、低温側シリンダ３２を直線状に往復運動させる。このように、コネクティングロッド１０９を近似直線機構５０によって支持することにより、圧縮ピストン３１のサイドフォースＦがほとんどゼロになるので、負荷能力の小さい空気軸受４８によって十分に圧縮ピストン３１を支持することができる。

以上に述べた上記実施形態では、スターリングエンジン１０は、車両の内燃機関の排ガスを熱源とすべく排気管１００に取り付けた構成について説明した。但し、本発明のスターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気管に取り付けられる形式のものに限定されるものではない。

なお、上記においては、ピストン装置がスターリングエンジンのピストンに適用された例を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、そのピストン装置は、スターリングエンジンのピストン以外の外燃機関に対する用途にも容易に適用可能であり、適用された場合には、上記と同様の有用性を有する。

（第１実施形態の第１変形例）
次に、図９から図１１を参照して、第１実施形態の第１変形例について説明する。

図９に示すように、流体素子２１５は、小室（バッファ）２２０を介して、２段（多段）構成であってもよい。流体素子２１５を２段構成にした場合には、上記第１実施形態の１段構成よりも更に高い圧力を中空部２１２内に取り込むことができる。多段構成にした場合には、逆流時の流路抵抗が順流時に比べて更に小さくなるため、中空部２１２内の作動流体が逆流側入口部２１５ｂから連絡流路２１４を介して、高温側シリンダ２２内の作動空間に逆流することが更に抑制されるためである。

図１０に示すように、小室２２０を介して、流体素子２１５が２段構成にされる場合には、中空部２１２側の流体素子２１５−１の連絡流路２１４−１が相対的に小さく、作動空間側の流体素子２１５−２の連絡流路２１４−２が相対的に大きく構成されるのが好ましい。更に、２段構成の機能を高める場合には、図１１に示すように、２つの流体素子２１５−１，２１５−２の連絡流路２１４−１，２１４−２の流線がオフセットされるように設けられるのが効果的である。２つの流体素子２１５−１，２１５−２の連絡流路２１４−１，２１４−２の流線がずれていると、逆流の抑制効果が増加する。

（第１実施形態の第２変形例）
次に、図１２を参照して、第１実施形態の第２変形例について説明する。

本実施形態では、静圧浮上機構が高温側シリンダ２２側に設けられていてもよい。図１２において、符号２０１は、高温側シリンダ２２に設けられた蓄圧室であり、符号２０２は、連絡流路であり、符号２０３は、浮上用静圧供給孔（給気孔）である。

連絡流路２０２は、ピストン２１の上死点位置よりも上方に設けられており、高温側シリンダ２２の作動空間と蓄圧室２０１とを連通する。連絡流路２０２は、順流時に比べて逆流時には著しく流路抵抗が大きく、可動部の無い流体素子２０４によって構成されている。即ち、流体素子２０４は、連絡流路２０２を通る作動流体の流れの向きが、順流（作動空間側から蓄圧室２０１に向かう流れ）のときには、流路抵抗が相対的に小さく、反対に、逆流（蓄圧室２０１から作動空間側に向かう方向）のときには、順流時に比べて、流路抵抗が著しく大きくなるような形状に構成されている。

高温側シリンダ２２には、周方向に等間隔に複数の給気孔２０３が設けられている。ピストン２１の上昇に伴い、高温側シリンダ２２の作動空間の作動流体が圧縮されて、その作動流体の圧力が蓄圧室２０１の圧力より高くなると、流体素子２０４の順流側入口部から連絡流路２０２を介して、作動空間の作動流体の一部が蓄圧室２０１に導入される。連絡流路２０２を介して作動流体が蓄圧室２０１に導入されると、蓄圧室２０１の作動流体の一部が、給気孔２０３を介して、ピストン２１とシリンダ２２との間のクリアランスに噴出する。また、流体素子２０４によって、ピストン２１の動きにより高温側シリンダ２２内の作動空間の作動流体の圧力が下がったときに、蓄圧室２０１内の作動流体が高温側シリンダ２２内の作動空間に逆流することが抑制される。

（第２実施形態）
次に、図１３から図１８を参照して、第２実施形態について説明する。
第２実施形態において、上記実施形態と共通する部分についての重複する説明は省略する。

図１３及び図１４において、符号３０１は、高温側シリンダ２２内の作動空間であり、符号２２ｇは、高温側シリンダ２２の拡径部であり、符号３１４はピストン２１に設けられた連通孔（連絡流路）である。

上記第１実施形態と同様に、ピストン２１のピストン本体２１１において、高温側シリンダ２２と摺動する側周部（摺動部）２１１ａには、周方向に等間隔に複数の給気孔２１６が設けられている。側周部２１１ａにおいて、給気孔２１６が設けられた位置よりも上部には、高温側シリンダ２２内の作動空間３０１と中空部２１２とを連通する連絡流路３１４が形成されている。

連絡流路３１４は、ピストン２１が上死点近傍にあるときのみ、中空部２１２と作動空間３０１が連通し（図１４）、それ以外の時には高温側シリンダ２２の壁部により閉ざされる位置に設けられている（図１３）。連絡流路３１４は、高温側シリンダ２２の内周壁部に近接対峙する、側周部２１１ａ上の頂面部２１１ｂ近傍に設けられた孔である。

高温側シリンダ２２の内周壁部の上部（作動空間３０１を形成する部分）には、それ以外の部分に比べて拡径された拡径部２２ｇが設けられている。連絡流路３１４は、ピストン２１が上死点近傍にあるときのみ、拡径部２２ｇの高さに位置して、中空部２１２と作動空間３０１とを連通させ（図１４）、それ以外の時には、高温側シリンダ２２の拡径部２２ｇ以外の壁部により閉ざされる（図１３）。

即ち、図１３に示す状態では、ピストン２１の動きにより高温側シリンダ２２内の作動空間３０１の作動流体の圧力が下がるが、連絡流路３１４と高温側シリンダ２２の内周壁部との間のクリアランスは、給気孔２１６と高温側シリンダ２２の内周壁部との間のクリアランスと同様に小さく、中空部２１２内の圧力が外部に流出し難い。

図１４に示すように、ピストン２１の上昇に伴い、高温側シリンダ２２の作動空間３０１の作動流体が圧縮されるとともに、ピストン２１に設けられた連絡流路３１４が拡径部２２ｇの高さに達して、高温側シリンダ２２の内周壁部との間のクリアランスが広がり、作動空間３０１と連通すると、連絡流路３１４を介して、作動空間３０１の作動流体の一部が中空部２１２に導入される。連絡流路３１４を介して作動流体が中空部２１２に導入されると、中空部２１２の作動流体の一部が、給気孔２１６を介して、ピストン２１とシリンダ２２との間のクリアランスに噴出する。

上記のように、連絡流路３１４は、ピストン本体２１１の側周部２１１ａにおいて所定の高さ位置に対応する第１部分に設けられ、作動空間３０１で圧縮された作動流体を蓄圧室２１２に導入するために用いられる。給気孔２１６は、ピストン本体２１１の側周部２１１ａにおいて前記所定の高さ位置よりも下方位置に対応する第２部分に設けられ、蓄圧室２１２から、ピストン本体２１１と高温側シリンダ２２との間のクリアランス部に貫通している。

ピストン２１が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、ピストン本体２１１の側周部２１１ａにおける前記第１部分と、高温側シリンダ２２との間のクリアランス部の大きさは、ピストン２１が上死点にあるときの方が、ピストン２１が下死点にあるときに比べて、大きくなるように構成されている。

ピストン２１が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、ピストン本体２１１の側周部２１１ａにおける前記第２部分と、高温側シリンダ２２との間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成されている。ピストン本体２１１の側周部２１１ａにおける前記第１部分と前記第２部分との比較において、ピストン２１が下死点にあるときの、高温側シリンダ２２との間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成されている。

ピストン２１が下死点にあるときにピストン本体２１１の側周部２１１ａにおける前記第１部分が対向する高温側シリンダ２２の内周壁部の径よりも、ピストン２１が上死点にあるときにピストン本体２１１の側周部２１１ａにおける前記第１部分が対向する高温側シリンダ２２の内周壁部２２ｇの径の方が大きくなるように構成されている。

図４に示すように、各ピストン２１、３１の上死点と圧縮工程時の筒内圧の最大値（最大圧縮圧力）Ｐｍａｘの点とは、約４５°（クランク角）の位相ずれがあるため、中空部２１２に高圧を確保するため、及び中空部２１２と作動空間３０１の間の作動流体の出入りによる効率の悪化を防ぐために、各ピストン２１、３１の上死点の近傍４５°（上死点の前後の４５°、即ち、９０°の幅）以内で連絡流路３１４が開（図１４の状態）となるように設定する。

上記のように、ピストン本体２１１の側周部２１１ａにおける前記第１部分と、高温側シリンダ２２との間のクリアランス部の大きさは、ピストン２１が上死点の前後４５°以内の範囲にあるときの方が、ピストン２１が前記範囲以外にあるときに比べて、大きくなるように構成されている。

第２実施形態においても、連通孔３１４は、チェック弁（逆止弁）の弁体のような可動部を有していないため、信頼性、寿命の確保が容易であり、また、設計上、構造上の制約となることが抑制される。

（第２実施形態の第１変形例）
図１５及び図１６を参照して、第２実施形態の第１変形例について説明する。

図１５及び図１６に示すように、連絡流路３１５は、上記第１実施形態と同様に、順流時に比べて逆流時には著しく流路抵抗が大きく、可動部の無い流体素子３１６によって構成されている。即ち、流体素子３１６は、連絡流路３１５を通る作動流体の流れの向きが順流時には、流路抵抗が相対的に小さく、逆流時には、順流時に比べて、流路抵抗が著しく大きくなるような形状に構成されている。

本変形例によれば、中空部２１２と作動空間３１０の間の作動流体の出入りによる効率の悪化を防ぐ作用が向上する。

（第２実施形態の第２変形例）
図１７及び図１８を参照して、第２実施形態の第２変形例について説明する。

図１７及び図１８に示すように、第２変形例の流体素子３１７、３１８では、上記第１変形例の流体素子３１６と異なり、作動空間３０１の作動流体の一部が連絡流路３１５を介して中空部２１２に流入する際の入口を形成する面のうち上面３１７ａ、３１８ａが扁平状に形成されている。これにより、ピストン２１の上昇に伴い、流体素子３１７、３１８の入口の上面３１７ａ、３１８ａの全体が同時に拡径部２２ｇの高さに達して、作動空間３１０と連通するため、連絡流路３１５が作動空間３０１と連通している期間（開期間）の精度が向上する。

（第３実施形態）
次に、図１９から図２３を参照して、第３実施形態について説明する。
第３実施形態において、上記実施形態と共通する部分についての説明は省略する。

上記第１実施形態のように作動機構（可動部）の無い流体素子を用いると、信頼性、寿命の確保が容易となるが、起動時に中空部の蓄圧値の上昇が遅く、気体軸受により、ピストン２１（図１）が十分な浮上力を得られない時間が長くなる。このため、耐摩耗性確保のため、ピストン・シリンダ表面に特殊な硬化処理が必要となる。以下に、起動時に中空部の蓄圧値の上昇が遅くなる理由について説明する。

上記のように、流れの方向（順流、逆流）によって流路抵抗が大幅に変化する流体素子を使用すると、単位時間当たりの導入流量を小さく設計する必要がある。これは、流速を高くとりながら作動空間と蓄圧空間の呼吸（入出量）を小さくするためである。このことから、起動時の蓄圧値の立ち上げに数１０サイクルが必要となる。

そこで、第３実施形態では、図１９に示すように、ピストン２１の中空部（蓄圧室）２１２への圧力導入装置として、流体素子２１５とチェック弁４０１を並用する。ピストン２１の頂面部２１１ｂには、高温側シリンダ２２内の作動空間と中空部２１２とを連通する第１及び第２の連絡流路２１４，４１４が形成されている。第１連絡流路２１４は、順流時には流路抵抗が相対的に小さく、逆流時には順流時に比べて流路抵抗が著しく大きくなるような流体素子２１５によって構成されている。また、中空部２１２において、第２連絡流路４１４に臨む位置には、チェック弁４０１が設けられている。

チェック弁４０１は、弁体（可動部）４０２と、弁座４０３と、弁体４０２を弁座４０３に押し付けるばね４０４とを備えている。チェック弁４０１は、起動時のみ作動（弁が開放）し、通常の運転状態（常用運転域）に入ると、弁体４０２が停止して（閉じて）、チェック弁としての機能が働かず、常時、第２連絡流路４１４を閉鎖する。

図２０において、符号５０１は、高温側シリンダ２２の作動空間の圧力を示しており、符号５０２は、起動直後のＰＦの動きを示している。図２０及び図２１に示すように、作動空間の圧力５０１の平均値（平均圧）Ｐｍｅａｎに対する増圧側圧力振幅をＰ_+P、流体素子２１５による飽和蓄圧値ＰＦとするとき、チェック弁４０１の開弁圧設定値Ｐｃが、下記のように設計されることにより、チェック弁４０１は、上記機能を奏する。
Ｐｃ＜Ｐ_+P、かつ、
Ｐｃ＞（Ｐ_+P＋ＰＦ）、又は、（Ｐｃ＋ＰＦ）＞Ｐ_+P

起動時、ＰＦが小さな時には、Ｐ_+Pは、チェック弁４０１の開弁圧設定値Ｐｃに打ち勝ってチェック弁４０１が開となり、中空部２１２は、第２連絡流路４１４から圧力を導入する。ＰＦが高くなる（起動後中空部２１２の蓄圧値が上昇する）と、チェック弁４０１が開弁しなくなり、チェック弁４０１の弁体４０２は弁座４０３に固定され、動かなくなる。

チェック弁４０１の開弁圧設定値Ｐｃは、図２２に示すように、ばね４０４の力とシート面積に基づいて設計される。また、図２３に示すように、リード弁４３０では、リード４３１に対して上記開弁圧設定値Ｐｃに対応する残留応力を与える（シート状態のときに）ことによっても達成される。図２３において、符号４３２は、弁ガイドである。

第３実施形態によれば、起動時（起動直後を含む）にチェック弁４０１，４３０を介して、中空部２１２の蓄圧値を比較的早期に立ち上げることができる。また、起動時に中空部２１２の蓄圧値を所定値まで立ち上げた後は、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１は停止した（閉じた）ままとなるため、上記第１実施形態において述べたように、作動の確実性、信頼性、耐久性が問題となることは抑制される。

（第３実施形態の第１変形例）
図２２から図２４を参照して、上記第３実施形態の第１変形例について説明する。

図２２または図２３のように、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１の移動方向がピストン２１の上下（加速度）方向と一致するようにチェック弁４０１，４３０を配置し、弁可動部４０２，４３１に作用する加速度を考慮すれば、上記第３実施形態に比べて、更に特性に良いピストン装置が得られる。

図２４において、符号５０３は、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１に作用する上向き（弁を閉じる方向）の最大加速度（ピストン２１の上死点）による開弁圧上昇分を示している。同図に示すように、可動部４０２，４３１に作用する上向きの最大加速度による開弁圧上昇分５０３は、スターリングエンジン１０の回転数［ｒｐｍ］に応じて上昇することが示されている。

これに対して、符号５０４は、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１に作用する下向き（弁を開ける方向）の最大加速度（ピストン２１の下死点）による閉弁圧上昇分を示している。同図に示すように、可動部４０２，４３１に作用する下向きの最大加速度による閉弁圧上昇分５０４は、スターリングエンジン１０の回転数に応じて上昇することが示されている。

図２４に示すように、常用運転域よりも低い設定された回転数Ｎ１における、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１に作用する上向きの最大加速度による開弁圧上昇分をＰＡとすると、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１の開弁圧Ｐｃ’は、以下の通りとする。
Ｐｃ’≦（Ｐ_+P−ＰＡ）、かつ、
Ｐｃ’＋ＰＡ＜（Ｐ_+P−ＰＦ）、又は、Ｐｃ’＞（Ｐ_+P−ＰＦ−ＰＡ）

上記を満足するように、本変形例によれば、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１の開弁圧Ｐｃ’は、上記第３実施形態の上記開弁圧設定値Ｐｃに比べて、ＰＡの分だけ、小さく設計することができ（例えばチェック弁４０１では、ばね４０４の力を弱く設計でき）、起動初期にチェック弁４０１，４３０が開き易くすることで、起動初期により少ないサイクル数で中空部２１２の蓄圧値を立ち上げることができる。

本変形例では、スターリングエンジン１０の回転数の上昇に応じて、可動部４０２，４３１に作用する上向きの最大加速度による開弁圧上昇分５０３が上昇し、チェック弁４０１，４３０が開き難くなることを利用して、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１の開弁圧Ｐｃ’を小さく設計することができる。これにより、スターリングエンジン１０の回転数が低いとき（起動初期）には、チェック弁４０１，４３０が開き易くすることができ、より少ないサイクル数で中空部２１２の蓄圧値を立ち上げることができる。

なお、ピストン２１が下死点では、可動部４０２，４３１に下向きの最大加速度による閉弁圧上昇分が作用するが、このとき、高温側シリンダ２２の作動空間は、中空部２１２の蓄圧室よりも低い圧力であるので、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１の開弁圧Ｐｃ’を小さく設計しても、チェック弁４０１，４３０は開き難い。スターリングエンジン１０の回転数が上昇して、可動部４０２，４３１に作用する下向きの最大加速度による閉弁圧上昇分５０４が上昇しても、閉弁圧上昇分５０４が（Ｐｃ’＋ＰＦ−Ｐ_-P）を上回らなければ、チェック弁４０１，４３０は開かない。図２４の例では、回転数が３０００回転までは、閉弁圧上昇分５０４が、符号５０５で示す（Ｐｃ’＋ＰＦ−Ｐ_-P）を、上回っていないため、チェック弁４０１，４３０は開かないことが示されている。

本変形例では、上記に鑑みて、実用運転域の所定回転数にて、閉弁圧上昇分５０４が、（Ｐｃ’＋ＰＦ−Ｐ_-P）５０５を上回らないように設計する。または、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１の質量を小さくして回転数に応じて上昇する閉弁圧上昇分５０４の傾きを小さくすることで、実用運転域の所定回転数にて、閉弁圧上昇分５０４が、（Ｐｃ’＋ＰＦ−Ｐ_-P）５０５を上回らないように設計する。

なお、回転数が上昇しても、又は、チェック弁４０１，４３０の可動部４０２，４３１の質量が大きい場合であっても、可動部４０２，４３１に対する、下向きの最大加速度による閉弁圧上昇分５０４の影響が及ばないようにして、ピストン２１の下死点においてチェック弁４０１，４３０の開きを確実に抑制するためには、図２２に示すように、チェック弁の可動部の移動方向がピストン２１の上下（加速度）方向と一致しないように構成すればよい。

（第３実施形態の第２変形例）
図２５から図２８を参照して、上記第３実施形態の第２変形例について説明する。

図２５及び図２６に示すチェック弁４４０，４５０と、高温側シリンダ２２の作動空間との間には、それぞれ小室（バッファ）６１０，６２０が設けられている。小室６１０，６２０は、それぞれオリフィス６１１，６２１を介して作動空間と連通している。図２５において、符号４４１はチェック弁４４０のばねであり、符号４４２は蓄圧室への連通孔であり、符号４４３は作動流体の導入孔である。図２６において、符号４５１及び４５２は、それぞれ、チェック弁４５０の弁体、ばねである。

図２７は、作動空間の圧力５０１の変動の周期が時間の経過とともに短くなる（スターリングエンジン１０の回転数が上がる）ことを示している。図２８において、符号５０９は、小室６１０，６２０の圧力を示している。

図２７に示すように、起動後、回転数が上昇し、作動空間の圧力変動の周期が短くなると、図２８に示すように、その作動空間の圧力変動に対応した小室６１０，６２０内の圧力振幅が小さくなり、高圧側のピーク圧がチェック弁４４０，４５０の開弁圧設定値Ｐｃ
よりも低くなる。これにより、チェック弁４４０，４５０は閉じた状態に固定される。

本変形例では、チェック弁４４０，４５０と作動空間との間に、作動空間とオリフィス６１１，６２１で連通された小室６１０，６２０を設けることで、スターリングエンジン１０の回転数の上昇（作動空間の圧力変動の周期が小さくなること）に応じて、チェック弁４４０，４５０が開き難くなることを利用して、チェック弁４４０，４５０の開弁圧Ｐｃを小さく設計することができる。これにより、スターリングエンジン１０の回転数が低いとき（起動初期）には、チェック弁４４０，４５０を開き易くすることができ、より少ないサイクル数で中空部２１２の蓄圧値を立ち上げることができる。

本変形例は、チェック弁４４０，４５０と作動空間との間に、作動空間とオリフィス６１１，６２１で連通された小室６１０，６２０を設けることで、上記第３実施形態で述べた開弁圧設定値Ｐｃについての条件を満たさない場合であっても、起動時のみチェック弁を作動させ、常用運転域ではチェック弁を閉じるという機能を奏することが可能である。
なお、本変形例は、上記第３実施形態又は上記第３実施形態の第１変形例と組み合わせることができる。

本発明のピストン装置の第１実施形態を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第１実施形態の要部を示す正断面図である。 本発明のスターリングエンジンの第１実施形態を示す正面図である。 本発明のスターリングエンジンの第１実施形態の筒内圧を説明するグラフである。 本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、適用される直線近似機構を説明するための説明図である。 本発明のピストン装置の第１実施形態の他の例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第１実施形態の更に他の例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第１実施形態の更に他の例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第１実施形態の第１変形例を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第１実施形態の第１変形例の他の例を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第１実施形態の第１変形例の更に他の例を示す正断面図である。 本発明のスターリングエンジンの第１実施形態の第２変形例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第２実施形態の一の動作状態を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第２実施形態の他の動作状態を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第２実施形態の第１変形例を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第２実施形態の第１変形例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第２実施形態の第２変形例の要部を示す説明図である。 本発明のピストン装置の第２実施形態の第２変形例の要部を示す説明図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態において作動空間の圧力と流体素子による飽和蓄圧値を示すグラフ図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態においてチェック弁の開弁圧設定値を説明する説明図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態の第１変形例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態の第１変形例の他の例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態の第１変形例においてチェック弁の開弁圧設定値を説明する説明図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態の第２変形例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態の第２変形例の他の例の要部を示す正断面図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態の第２変形例において作動空間の圧力の変動の周期を示すグラフ図である。 本発明のピストン装置の第３実施形態の第２変形例において小室の圧力変動を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ スターリングエンジン
２０ 高温側パワーピストン
２１ 膨張ピストン
２１１ ピストン本体
２１１ａ 側周部
２１１ｂ 頂面部
２１２ 中空部（蓄圧室）
２１４ 連絡流路
２１５ 流体素子
２１６ 給気孔
２２ 高温側シリンダ
２２ｂ 高温側シリンダの頂部
３０ 低温側パワーピストン
３１ 圧縮ピストン
３２ 低温側シリンダ
４５ 冷却器
４６ 再生器
４６ａ 再生器の上面
４６ｂ 再生器の下面
４７ 加熱器
４７ａ 第１端部
４７ｂ 第２端部
４８ 空気軸受
５０ 近似直線機構
６０ ピストンピン
１００ 排気管
Ｐｍａｘ 筒内圧の最大値
Ｗ 筒内圧（合成波形）

Claims (12)

1. 外燃機関に適用され、
   ピストン本体と、
   前記ピストン本体の内部に形成された蓄圧室と、
   前記外燃機関の作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための導入部と、
   前記ピストン本体の側周部に設けられ、前記蓄圧室から、前記ピストン本体と前記外燃機関のシリンダとの間のクリアランス部に貫通する孔とを備え、
   前記導入部は、前記作動媒体の前記蓄圧室への導入方向及び前記導入方向の反対方向のいずれの方向にも流通可能に設けられ、前記導入部において前記反対方向の流路抵抗は、前記導入方向の流路方向に比べて大きくなるように構成されている
   ことを特徴とするピストン装置。
2. 請求項１記載のピストン装置において、
   前記導入部における前記導入方向と前記反対方向の流路抵抗の相違は、弁体のような可動部の作動による前記導入部の流路の開閉動作に基づくものではなく、前記導入部の形状に基づくものである
   ことを特徴とするピストン装置。
3. 請求項１または２に記載のピストン装置において、
   更に、
   前記作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための流路と、
   前記蓄圧室に設けられ、前記流路を弁体のような可動部の作動により開閉する流路開閉手段とを備え、
   前記可動部は、前記ピストン装置の起動時に作動し、前記ピストン装置の常用運転域では作動が停止して前記流路を閉状態とするように構成されている
   ことを特徴とするピストン装置。
4. 請求項３記載のピストン装置において、
   前記作動空間の平均圧に対する増圧側圧力振幅をＰ_+Pとし、前記導入部による前記蓄圧室の飽和蓄圧値をＰＦとするとき、前記可動部を開動作させるために必要な圧力Ｐｃは、
   Ｐｃ＜Ｐ_+P、かつ、
   Ｐｃ＞（Ｐ_+P−ＰＦ）
   に設定されている
   ことを特徴とするピストン装置。
5. 請求項４記載のピストン装置において、
   前記流路開閉手段は、前記可動部の作動時の移動方向が前記ピストン本体の上下方向と概ね一致するように配置され、
   前記ピストン装置の常用運転域よりも低い設定回転数における前記可動部に作用する上向きの最大加速度による前記可動部を開動作させるために必要な圧力の上昇分をＰＡとするとき、前記可動部を開動作させるために必要な圧力Ｐｃ’は、
   （Ｐｃ’＋ＰＡ）＜Ｐ_+P、かつ、
   （Ｐｃ’＋ＰＡ）＞（Ｐ_+P−ＰＦ）
   に設定されている
   ことを特徴とするピストン装置。
6. 請求項３から５のいずれか１項に記載のピストン装置において、
   前記流路上において、前記流路開閉手段と前記作動空間との間には、オリフィスを介して前記作動空間と連通し前記作動媒体が通る部屋が設けられている
   ことを特徴とするピストン装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のピストン装置と、
   前記シリンダとを備えたことを特徴とするスターリングエンジン。
8. ピストン装置と、
   シリンダとを備えた外燃機関であって、
   前記ピストン装置は、
   ピストン本体と、
   前記ピストン本体の内部に形成された蓄圧室と、
   前記ピストン本体の側周部において所定の高さ位置に対応する第１部分に設けられ、前記外燃機関の作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための導入部と、
   前記ピストン本体の側周部において前記所定の高さ位置よりも下方位置に対応する第２部分に設けられ、前記蓄圧室から、前記ピストン本体と前記シリンダとの間のクリアランス部に貫通する孔とを備え、
   前記ピストン装置が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、前記ピストン本体の側周部における前記第１部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、前記ピストン装置が上死点にあるときの方が、前記ピストン装置が下死点にあるときに比べて、大きくなるように構成されている
   ことを特徴とする外燃機関。
9. 請求項８記載の外燃機関において、
   前記ピストン装置が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、前記ピストン本体の側周部における前記第２部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成され、
   前記ピストン本体の側周部における前記第１部分と前記第２部分との比較において、前記ピストン装置が下死点にあるときの、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成されている
   ことを特徴とする外燃機関。
10. 請求項８または９に記載の外燃機関において、
    前記ピストン装置が下死点にあるときに前記ピストン本体の側周部における前記第１部分が対向する前記シリンダの内周壁部の径よりも、前記ピストン装置が上死点にあるときに前記ピストン本体の側周部における前記第１部分が対向する前記シリンダの内周壁部の径の方が大きくなるように構成されている
    ことを特徴とする外燃機関。
11. 請求項８から１０のいずれか１項に記載の外燃機関において、
    前記外燃機関は、α型スターリングエンジンであり、
    前記ピストン本体の側周部における前記第１部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、前記ピストン装置が上死点の前後４５°以内の範囲にあるときの方が、前記ピストン装置が前記範囲以外にあるときに比べて、大きくなるように構成されている
    ことを特徴とする外燃機関。
12. 請求項８から１１のいずれか１項に記載の外燃機関において、
    前記導入部の上面は、概ね同一の高さとなるように扁平状に形成されている
    ことを特徴とする外燃機関。

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