JP2006188958A - ピストン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】できるだけ低い静圧でより多くの負荷に耐えること。
【解決手段】このピストン装置が備えるピストン２０は、内部に気体を蓄える蓄圧室を備えている。蓄圧室内に蓄えられた気体は、ピストン２０の側周部２０ｓｃに設けられた給気孔２７からピストン２０とシリンダとの間に流出する。また、ピストン２０の側周部２０ｓｃには、圧力漏れ抑制手段として、複数の溝からなる凹部２８と、ピストン２０の頂部側端部２０ｔｔ又はピストン２０の裾側端部２０ｓｔに開口する開口部２９ｏを有する動圧発生手段２９とが設けられる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、シリンダ内をピストンが往復するピストン装置に関する。

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が備えるピストン装置は、ピストンのシリンダ内の往復運動にともなって作動空間内で圧縮、膨張を繰り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が作動空間内へ逆流することを防止する逆止弁と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダとのクリアランス部に噴出させるオリフィスとを具備するものである。

特開２０００−４６４３１号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、オリフィスから流出する作動媒体（気体）が、ピストンとシリンダとのクリアランス部から漏れてしまう。その結果、静圧によりピストンをシリンダから浮上させる効果が低減して、負荷能力が低下してしまう。また、特許文献１に開示された技術では、加圧室内の作動媒体（気体）を用いるため、ピストンの浮上に用いることのできる作動媒体を潤沢に供給できる訳ではなく、あまり大きな静圧は発生させることができない。このため、できるだけ低い静圧でより多くの負荷に耐えるためには、改善の余地がある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、できるだけ低い静圧でより多くの負荷に耐えることのできるピストン装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン装置は、内部に作動流体を蓄える中空部を備え、シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの側周部に設けられて、前記ピストンと前記シリンダとの間に、前記中空部内の作動流体を流出させる静圧発生手段と、前記ピストンの側周部であって、前記静圧発生手段と前記ピストンの頂部側端部との間、又は前記静圧発生手段と前記ピストンの裾側端部との間のうち、少なくとも一方に設けられる凹部と、を含むことを特徴とする。

このピストン装置は、前記静圧発生手段と前記ピストンの頂部側端部との間、又は前記静圧発生手段と前記ピストンの裾側端部との間のうち、少なくとも一方に、圧力漏れ抑制手段としての凹部が形成される。これによって、静圧発生手段から流出した作動流体が、ピストンとシリンダとの間から漏れる量を低減できる。その結果、静圧発生用の作動流体をより有効に利用して、できるだけ低い静圧でより多くの負荷に耐えることができる

次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、さらに、前記ピストンの頂部側端部、又は前記ピストンの裾側端部に開口する開口部を有し、かつ、前記開口部から対向する端部へ向かって前記ピストンの側周部表面からの深さが小さくなる動圧発生手段を含むことを特徴とする。

次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、前記静圧発生手段と前記動圧発生手段とは、前記ピストンの周方向に向かって交互に配置されることを特徴とする。

次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、前記動圧発生手段は、前記静圧発生手段よりも前記ピストンの頂部側端部側、又は前記静圧発生手段よりも前記ピストンの裾部側端部側の少なくとも一方に設けられることを特徴とする。

次の本発明に係るピストン装置は、内部に作動流体を蓄える中空部を備え、シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの側周部に設けられて、前記ピストンと前記シリンダとの間に、前記中空部内の作動流体を流出させる静圧発生手段と、前記ピストンの頂部側端部、又は前記ピストンの裾側端部に開口する開口部を有し、前記開口部から対向する端部へ向かって前記ピストンの側周部の表面からの深さが小さくなる動圧発生手段と、を含むことを特徴とする。

このピストン装置は、静圧発生手段に加え、動圧発生手段も備える。このように、静圧発生手段の他に、動圧発生手段によってもピストンをシリンダから浮上させるので、できるだけ低い静圧でより多くの負荷に耐えることができる。

次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、前記静圧発生手段と前記動圧発生手段とは、前記ピストンの周方向に向かって交互に配置されることを特徴とする。

次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、前記動圧発生手段は、前記静圧発生手段よりも前記ピストンの頂部側端部側、又は前記静圧発生手段よりも前記ピストンの裾部側端部側の少なくとも一方に設けられることを特徴とする。

この発明に係るピストン装置は、できるだけ低い静圧でより多くの負荷に耐えることができる。

以下、この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によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の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、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

なお、以下においては、ピストン装置を備える装置の一例としてスターリングエンジンを取り上げるが、この発明に係るピストン装置が適用できる装置はこれに限定されるものではない。また、以下においては、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。

この実施例に係るピストン装置は、次の点に特徴がある。すなわち、静圧発生手段が設けられるピストンの側周部であって、前記静圧発生手段と前記ピストンの頂部側端部との間、又は前記静圧発生手段と前記ピストンの裾側端部との間に凹部を設ける。また、前記ピストンの頂部側端部、又は前記ピストンの裾側端部に開口する開口部を有し、この開口部から対向する端部へ向かって、ピストンの側周部表面からの深さが小さくなる動圧発生手段を備える。ここで、頂部側端部とは、ピストンの頂部、すなわち受圧面側の端部をいい、上死点方向の端部をいう。また、裾側端部とは、ピストンがクランク軸と対向する側の端部をいい、下死点方向の端部をいう。

図１は、この実施例に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、この実施例に係るスターリングエンジンの気体軸受を示す断面図である。この実施例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型のスターリングエンジンであって、高温側ピストン装置１と、低温側ピストン装置２とを備える。高温側ピストン装置１には、高温側シリンダ３ａの内部に内に収められて往復運動する高温側ピストン２０ａが含まれる。また、低温側ピストン装置２には、低温側シリンダ３ｂの内部に内に収められて往復運動する低温側ピストン２０ｂが含まれる。ここで、低温側ピストン２０ｂは、高温側ピストン２０ａに対して、クランク角で９０°程度の位相差がつけられている。

高温側シリンダ３ａと低温側シリンダ３ｂとは、ヒータ５と再生器６とクーラー７とで構成される熱交換器８によって接続されている。ヒータ５の一端は高温側シリンダ３ａに接続され、他端は再生器６に接続される。再生器６は、一端がヒータ５に接続され他端はクーラー７に接続される。クーラー７の一端は再生器６に接続され、他端は低温側シリンダ３ｂに接続される。また、高温側シリンダ３ａと低温側シリンダ３ｂとには、作動流体（この実施例では気体であり空気）が封入されており、ヒータ５から供給される熱によってスターリングエンジン１００が駆動される。

この実施例に係るスターリングエンジン１００は、例えば車両において、ガソリンエンジンのような内燃機関とともに用いられて、内燃機関の排気ガスを熱源として駆動される。この場合、スターリングエンジン１００のヒータ５は、車両に搭載される内燃機関の排気管内部に配置される。そして、内燃機関の排気ガスから回収した熱エネルギにより作動流体が加熱されて、スターリングエンジン１００が作動する。

この実施例に係るスターリングエンジン１００は、排気管の内部にそのヒータ５が収容される。このように、このスターリングエンジン１００は、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し、好ましい。そのために、このスターリングエンジン１００では、高温側及び低温側シリンダ３ａ、３ｂ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。

図１、図２に示すように、高温側ピストン２０ａと低温側ピストン２０ｂとは、高温側シリンダ３ａと低温側シリンダ３ｂ内に気体軸受１２を介して支持されている。ここで、気体軸受１２は、高温側ピストン２０ａ等と、高温側シリンダ３ａ等との間の微小なクリアランスで発生する気体の圧力を利用して、高温側ピストン２０ａ等を、高温側シリンダ３ａ等に浮いた状態とする。

この実施例においては、作動流体に空気を用いるため、気体軸受１２は、空気によって構成される。なお、作動流体に、例えば窒素やヘリウム等を使用した場合には、これらによって高温側ピストン２０ａ等を高温側シリンダ３ａ等から浮上させることができる。この場合は、これらの気体によって気体軸受１２が構成される。

気体軸受１２を構成するために、ピストンとシリンダとの間隔ｔｃは全周にわたって１０〜３０μｍ程度とする。すなわち、ピストンリングを使用せず、また潤滑油も使用しないで、ピストンをシリンダ内で往復運動させる構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、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においてもスターリングエンジン１００を運転することができる。なお、高温側及び低温側シリンダ３ａ、３ｂの内周面に固体潤滑材を付してもよい。これによって、ピストンとシリンダとの摺動抵抗をさらに低減させることができる。

高温側ピストン２０ａ、低温側ピストン２０ｂの往復運動は、まずピストンピン１７からピストン側連結棒１６に伝えられ、次に、ピストン側連結棒１６、連結棒９を含む直線近似機構１１を介してクランク軸１０に伝達されて、ここで回転運動に変換される。クランク軸１０は、クランクケース１５内に軸受１４を介して支持されている。クランク軸１０の端部は、シール部１３を介してクランクケース１５の外部へ突出しており、スターリングエンジン１００の出力は、ここから取り出される。なお、クランクケース１５内は、加圧手段により加圧してもよい。これは、高温側及び低温側シリンダ３ａ、３ｂ、及びヒータ５内の作動流体（本実施例では空気）を加圧して、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ためである。

図３は、この実施例に係るピストン装置が備える直線近似機構の一例を示す説明図である。この実施例において、高温側及び低温側ピストン２０ａ、２０ｂの往復運動は、例えば、図３に示す直線近似機構（この実施例ではグラスホッパ機構）１１を介して、クランク軸１０に伝達される。これによって、高温側及び高温側ピストン２０ａ、２０ｂのサイドフォース（ピストンの径方向に向かう力）Ｆをほとんど０にできるので、負荷能力の小さい気体軸受１２を用いても、高温側及び高温側ピストン２０ａ、２０ｂを支持することができる。次に、この実施例に係るスターリングエンジン１００が備えるピストン装置について、より詳細に説明する。

図４は、この実施例に係るピストン装置が備えるピストンの断面図である。図５は、この実施例に係るピストン装置が備えるピストンを示す側面図である。図６−１は、図５のＡ−Ａ断面図である。図６−２は、図５のＢ−Ｂ断面図である。図６−３は、図５のＣ−Ｃ一部断面図である。この実施例に係るスターリングエンジン１００は、高温側ピストン装置１も低温側ピストン装置２も同様の構成である。したがって、以下においては、高温側ピストン装置１について説明する。

図４に示すように、高温側ピストン装置（以下ピストン装置）１（図１）が備える高温側ピストン２０ａ（以下ピストン２０）は、内部に仕切り部材２１を備える。この実施例において、仕切り部材２１は、ピストン２０の裾側端部２０ｓｔ側でピストン２０の内壁２０ｉｗに取り付けられる。そして、図４に示すように、仕切り部材２１は、ピストン側連結棒１６にピストン２０を取り付けるためのピストンピン１７を避けるように構成される。このような構成によって、ピストン２０は、仕切り部材２１によって裾側端部２０ｓｔ側が塞がれて、内部に中空部（蓄圧室）２３が形成される。

ピストン２０は、高温側シリンダ（図１参照；以下シリンダという）３に対して摺動する側周部２０ｓｃと、側周部２０ｓｃと一体として（連続的に）蓋状に設けられる頂面（受圧面）２０ｔｐとを有している。頂面２０ｔｐの蓄圧室２３側には、内部に導入流路２４を備える弁座２５が設けられる。導入流路２４は、シリンダ３内と蓄圧室２３とを連通する。導入流路２４は、頂面２０ｔｐに作動流体入口２４ｉが開口し、蓄圧室２３内には作動流体出口２４ｏが開口している。作動流体出口２４ｏには、蓄圧室２３内に導入された作動流体の逆流を防止するため、加圧状態保持手段としてリード弁２６が設けられている。

リード弁２６は、ねじ２５ｓによって固定部２６₁が弁座２５に固定される（図４参照）。リード弁２６は、板状の弾性体であり、例えば、ステンレス等の薄板（０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度）によって作られる。これによって、リード弁２６は片持ち状態となって、固定部２６₁を中心として動作部２６₂が動き、導入流路２４の作動流体出口２４ｏを開閉する。

リード弁２６は、導入流路２４を通る作動流体の流れを、シリンダ３内から蓄圧室２３に向かう方向に限定する。これによって、ピストン２０が往復運動する過程でシリンダ３内に存在する作動流体の圧力Ｐｃが上昇し、前記圧力Ｐｃが蓄圧室２３内の圧力Ｐｐよりも高くなったときには、リード弁２６が開いてシリンダ３内の作動流体を蓄圧室２３内へ導入する。また、ピストン２０が往復運動する過程でシリンダ３内に存在する作動流体の圧力（シリンダ内圧）Ｐｃが下がり、蓄圧室２３内の圧力Ｐｐよりも低くなったときには、リード弁２６が導入流路２４の作動流体出口２４ｏを閉じて、蓄圧室２３内の作動流体がシリンダ３内へ逆流することを防ぐ。

このように、リード弁２６は、加圧状態保持機能を有するとともに、作動流体導入機能を有する。また、このリード弁２６は、ピストン２０の運動方向に対して略直交する方向に動作する。これによって、ピストン２０の往復運動に起因する加速度がリード弁２６に加わっても、リード弁２６の動作はほとんど影響を受けない。その結果、リード弁２６に作用する加速度が大きい場合であっても、リード弁２６の動作不良を抑制して、確実に蓄圧室２３内へ作動流体を蓄えることができる。また、リード弁２６が誤作動するおそれは極めて低いため、誤作動による作動流体の流出を極めて低減できる。その結果、蓄圧室２３内に蓄えた作動流体を、静圧発生のために漏れなく有効に活用することができるので、静圧によるピストン浮上の効果が向上する。

なお、加圧状態保持手段としては、リード弁２６の代わりに、例えば、作動流体入口２４ｉから蓄圧室２３へ作動流体が流入する場合の流体抵抗よりも、蓄圧室２３内には作動流体出口２４ｏへ作動流体が流出する場合の流体抵抗の方が大きくなるように設定された流体素子を用いてもよい。さらに、例えば、図２に示すクランク軸１０、連結棒９を含む直線近似機構１１、ピストン側連結棒１６及びピストンピン１７内に流体通路を形成し、この流体通路を通して気体軸受１２を構成するための気体を供給してもよい。

図４、図５に示すように、ピストン２０の側周部２０ｓｃには、静圧発生手段である給気孔２７が設けられる。図５、図６−１、図６−２に示すように、複数の給気孔２７が、ピストン２０の周方向に向かって、略等間隔に設けられている。また、この実施例において、給気孔２７は、ピストン２０の頂部側と、ピストン２０の裾部側とに、ピストン２０の周方向に向かってそれぞれ１列ずつ設けられる。そして、頂部側における給気孔２７の配置位置と裾部側における給気孔２７の配置位置とは、ピストン２０の周方向に対してそれぞれずれている。すなわち、給気孔２７は、ピストン２０の頂部側と裾部側とに、ピストン２０の周方向に向かって交互に配置される。

ピストン２０が往復運動すると（図５中矢印Ｚ方向）、給気孔２７によって形成される静圧領域は、往復運動方向に引きずられ、引き伸ばされた形状になるが、静圧領域は、ピストン２０の周方向に向かって、ピストン２０の頂部側と裾部側とに交互に形成される。ピストン２０は回転運動ではなく往復運動するため、ピストンの側周部２０ｓｃに給気孔２７を設ける場合には、負荷に強い方向と弱い方向とが存在するが、上記のように給気孔２７を配置すれば、これを緩和できる。

なお、給気孔２７の配置はこの例に限定されるものではなく、ピストン２０の往復運動方向（図５のＺ方向）に向かって３列以上設けてもよいし、１列でもよい。ここで、ピストン２０の頂部側は、ピストン２０の往復運動方向におけるピストン２０の中央部ＣＬよりも頂部側端部２０ｔｔ側をいう。また、ピストン２０の裾部側は、ピストン２０の往復運動方向におけるピストン２０の中央部ＣＬよりも裾側端部２０ｓｔ側をいう。

図７−１、図７−２は、この実施例に係るピストンが備える給気孔を示す説明図である。図７−１、図７−２に示すように、給気孔２７は、オリフィス２７ｏと拡大部２７ｓとで構成される。蓄圧室２３（図４）内の作動流体は、オリフィス２７ｏを通って拡大部２７ｓで広がり、ピストン２０とシリンダ３との間のクリアランスに流出する。これによって、作動流体が拡大部２７ｓの周辺まで速やかに広がるので、ピストン２０の起動時には、ピストン２０の受圧面積を大きくして、より大きな力で安定してピストン２０を浮上させることができる。また、ピストン２０が往復運動を開始した後、ピストン２０とシリンダ３との間のクリアランスが変化した場合には、オリフィス２７ｏによって流量が調整され、ピストン２０の周方向における圧力バランスが調整される。これによって、ピストン２０とシリンダ３との間のクリアランスが略一定に保たれる。

ピストン２０の上昇にともない、シリンダ３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Ｐｃが蓄圧室２３の圧力Ｐｐよりも高くなると、リード弁２６が開く。そして、導入流路２４を通って、シリンダ３内の作動流体の一部が蓄圧室２３に導入される。作動流体が蓄圧室２３に導入されると、蓄圧室２３内の作動流体の一部が、給気孔２７を通ってピストン２０とシリンダ３との間のクリアランスに流出する。これによって発生した静圧によって、ピストン２０はシリンダ３から浮上する。

図４、図５、図６−３に示すように、この実施例に係るピストン２０は、給気孔２７と頂部側端部２０ｔｔとの間、又は給気孔２７と裾側端部２０ｓｔとの間のうち少なくとも一方に、圧力漏れ抑制手段である凹部２８を備える。より具体的には、この実施例において、圧力漏れ抑制手段である複数の凹部２８は、ピストン２０の周方向に向かって延在する複数の溝２８ｔで構成される。

この実施例において、溝２８ｔの本数は、圧力漏れ抑制手段の一箇所につき３本であるが、溝２８ｔの本数はこれに限定されるものではなく、ピストン装置１（図１）の仕様等に応じて適宜変更できる。また、溝２８ｔの深さｈｔは数μｍであり、溝２８ｔの幅Ｗｔ（ピストン２０の往復運動方向と平行な方向の長さ）も、数μｍである（図６−３）。そして、気体軸受１２を構成する作動流体の圧力漏れを抑制するという観点から、溝２８ｔの長さＬｔ（ピストン２０の周方向と平行な方向の長さ；図５）は、できるだけ長い方が好ましい。

また、図５、図６−１〜図６−３に示すように、この実施例に係るピストン２０は、側周部２０ｓｃに、動圧発生手段２９が設けられる。動圧発生手段２９は、静圧発生手段よりも頂部側端部２０ｔｔ側、又は裾側端部２０ｓｔ側の少なくとも一方に配置されている。図５、図６−３に示すように、動圧発生手段２９は、頂部側端部２０ｔｔ、又は裾側端部２０ｓｔに開口する開口部２９ｏを有する。そして、動圧発生手段２９は、ピストン２０の往復運動方向におけるピストン２０の中央部ＣＬに向かって、徐々にピストンの側周部２０ｓｃの表面からの深さｈｓが小さくなる、スロープを有する。このスロープは、ピストン２０の往復運動方向に向かって、前記深さｈｓが一定の割合で変化している。

すなわち、動圧発生手段２９は、ピストン２０の頂部側端部２０ｔｔ、又はピストン２０の裾側端部２０ｓｔに開口する開口部２９ｏを有するとともに、開口部２９ｏから対向する端部へ向かってピストンの側周部２０ｓｃの表面からの深さｈｓが小さくなっている。そして、ピストン２０が往復運動すると、動圧発生手段２９の開口部２９ｏから作動流体が流入し、動圧発生手段２９内では動圧が発生する。なお、動圧発生手段２９の深さｈｓは、必ずしもピストン２０の往復運動方向に向かって一定の割合で変化する必要はなく、前記深さｈｓの変化率はピストン２０の往復運動方向に向かって変化してもよい。また、この実施例において、動圧発生手段２９の平面形状は矩形であるが、動圧を発生する機能が達成できれば、平面形状は問わない。

また、この実施例において、図５、図６−１に示すように、動圧発生手段２９は、ピストン２０の周方向に向かって、静圧発生手段である給気孔２７と交互に設けられる。図８−１は、この実施例に係るピストンが静止している場合における圧力分布を示す概念図である。図８−２は、この実施例に係るピストンが往復運動している場合における圧力分布を示す概念図である。ピストン２０が静止している場合には、図８−１に示すように、静圧発生手段である給気孔２７から作動流体が流出して、静圧領域Ｐｓを形成する。

ピストン２０が往復運動を開始すると、図８−２に示すように、静圧領域Ｐｓはピストン２０の往復運動方向に引き伸ばされる。このとき、動圧発生手段２９には、開口部２９ｏから作動流体が流入して、動圧領域Ｐｄが生成される。これによって、ピストン２０の周方向には、静圧領域Ｐｓ₁と動圧領域Ｐｄとが交互に形成される。すなわち、静圧発生手段である給気孔２７のみを設けた場合と比較して、ピストン２０の運動中においては、圧力の高い領域の割合が高くなる。これによって、気体軸受１２（図１、図３、図４）の負荷能力が向上するとともに、気体軸受１２が安定して機能する。

このように、この実施例に係るピストン２０は、その運動中において、静圧のみならず動圧も利用してシリンダ３から浮上するので、給気孔２７によって発生する静圧が低い場合でも、十分な負荷能力を発揮することができる。これによって、高い圧力の静圧を用意する必要がなくなるので、高い圧力の静圧を用意することによる損失を抑制できる。

また、ピストン２０の運動によりピストン２０内部の蓄圧室２３へ導入した作動流体によって静圧を発生させ、ピストン２０を浮上させる場合、静圧発生のために作動流体を無制限には使用できない。この実施例に係るピストン２０では、静圧の他に動圧も利用するので、静圧発生のために利用できる作動流体が少ない場合であっても、気体軸受１２に十分な負荷能力を発揮させることができる。このため、この実施例に係る構成は、ピストン内蓄圧室の作動流体を利用するようなピストンには、特に好適である。

また、給気孔２７と頂部側端部２０ｔｔとの間、又は給気孔２７と裾側端部２０ｓｔとの間に、圧力漏れ抑制手段である凹部２８が設けられる。これによって、図８−２に示すように、ピストン２０が往復運動したときには、頂部側端部２０ｔｔや裾側端部２０ｓｔからの静圧の漏れを抑制できる。その結果、静圧領域が拡大するので（図８−２中のＰｓ₂）、静圧によるピストン２０の浮上効果は向上する。

（変形例１）
変形例１は、上記実施例と略同様の構成であるが、ピストンの頂部側に設けられる静圧発生手段の配置位置と、ピストンの裾部側に配置される静圧発生手段の配置位置とを、ピストンの周方向に対して揃える点が異なる。他の構成は上記実施例と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成には同一の符号を付す。

図９は、この実施例の変形例１に係るピストンを示す側面図である。このピストン２０αは、図１に示した高温側ピストン装置１や低温側ピストン装置２に組み込まれて使用される。ピストン２０αの側周部２０ｓｃには、ピストン２０αの周方向に向かって、略等間隔で、複数の給気孔２７（静圧発生手段）が設けられる。また、変形例１において、給気孔２７は、ピストン２０の頂部側とピストン２０の裾部側とに、ピストン２０の周方向に向かってそれぞれ１列ずつ設けられる。そして、頂部側における給気孔２７の配置位置と、裾部側における給気孔２７の配置位置とは、それぞれピストン２０αの周方向に対して揃えてある。すなわち、ピストン２０αの往復運動方向と平行な直線上に、頂部側における給気孔２７と裾部側における給気孔２７とが配置される。

ピストン２０αは、上記実施例に係るピストン２０（図５）と同様に、給気孔２７と頂部側端部２０ｔｔとの間、又は給気孔２７と裾側端部２０ｓｔとの間の少なくとも一方に、圧力漏れ抑制手段である凹部２８を備える。また、ピストン２０αは、側周部２０ｓｃに、動圧発生手段２９が設けられる。この動圧発生手段２９は、ピストン２０αの周方向に向かって略等間隔で配置されるとともに、静圧発生手段である給気孔２７と交互に設けられる。

このように、給気孔２７と動圧発生手段２９とを、ピストン２０αの周方向に向かって交互に配置するので、静圧発生手段である給気孔２７のみを設けた場合と比較して、ピストン２０αの運動中においては、圧力の高い領域の割合が高くなる。これによって、気体軸受１２（図１、図３、図４）の負荷能力が向上するとともに、気体軸受１２が安定して機能する。また、給気孔２７と頂部側端部２０ｔｔとの間、又は給気孔２７と裾側端部２０ｓｔとの間に、圧力漏れ抑制手段である凹部２８が設けられるので、ピストン２０αが往復運動したときには、頂部側端部２０ｔｔや裾側端部２０ｓｔからの静圧の漏れを低減できる。その結果、静圧によるピストン２０αの浮上効果が向上する。

（変形例２）
図１０は、この実施例の変形例２に係るピストンを示す側面図である。このピストン２０βは、図１に示した高温側ピストン装置１や低温側ピストン装置２に組み込まれて使用される。このピストン２０βは、静圧発生手段である給気孔２７が、ピストン２０βの周方向に向かって一列に配置される。そして、動圧発生手段２９は、給気孔２７に対して、ピストン２０βの頂部側と裾部側とに配置される。すなわち、給気孔２７は、ピストン２０βの頂部側に設けられる動圧発生手段２９と、ピストン２０βの裾部側に設けられる動圧発生手段２９との間に配置される。また、圧力漏れ抑制手段である凹部２８も動圧発生手段２９と同様に、給気孔２７に対して、ピストン２０βの頂部側と裾部側とに配置される。すなわち、凹部２８は、給気孔２７と頂部側端部２０ｔｔとの間、又は給気孔２７と裾側端部２０ｓｔとの間に配置される。

この構成も、静圧発生手段である給気孔２７と動圧発生手段２９とが備えられるので、静圧発生手段のみを設けた場合と比較して、ピストン２０βの運動中においては、圧力の高い領域の割合が高くなる。これによって、気体軸受１２（図１、図３、図４）の負荷能力が向上するとともに、気体軸受１２が安定して機能する。また、給気孔２７と頂部側端部２０ｔｔとの間、又は給気孔２７と裾側端部２０ｓｔとの間に設けられる凹部２８によって、頂部側端部２０ｔｔや裾側端部２０ｓｔからの静圧の漏れを低減できる。その結果、静圧によるピストン２０βの浮上効果が向上する。

以上、この実施例及び変形例では、静圧発生手段と動圧発生手段とを備えるので、静圧発生手段のみを設けた場合と比較して、ピストンの運動中においては、圧力の高い部分の割合が高くなる。これによって、気体軸受の負荷能力が向上するとともに、気体軸受が安定して機能する。また、静圧発生手段と頂部側端部との間、又は静圧発生手段と裾側端部との間に設けられる圧力漏れ抑制手段によって、頂部側端部や裾側端部からの静圧の漏れを低減できる。その結果、静圧によるピストン浮上の効果が向上する。

なお、上記においては、スターリングエンジンが備えるピストン装置を例として、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係るピストン装置は、スターリングエンジン以外に対する用途にも容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の作用、効果を奏し、また、上記と同様の有用性を有する。

以上のように、本発明に係るピストン装置は、気体軸受によってシリンダから浮上するピストン装置に有用であり、特に、できるだけ低い静圧でより多くの負荷に耐えることに適している。

この実施例に係るスターリングエンジンを示す断面図である。 この実施例に係るスターリングエンジンの気体軸受を示す断面図である。 この実施例に係るピストン装置が備える直線近似機構の一例を示す説明図である。 この実施例に係るピストン装置が備えるピストンの断面図である。 この実施例に係るピストン装置が備えるピストンを示す側面図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 図５のＣ−Ｃ一部断面図である。 この実施例に係るピストンが備える給気孔を示す説明図である。 この実施例に係るピストンが備える給気孔を示す説明図である。 この実施例に係るピストンが静止している場合における圧力分布を示す概念図である。 この実施例に係るピストンが往復運動している場合における圧力分布を示す概念図である。 この実施例の変形例１に係るピストンを示す側面図である。 この実施例の変形例２に係るピストンを示す側面図である。

符号の説明

１ 高温側ピストン装置（ピストン装置）
２ 低温側ピストン装置
３ シリンダ
３ａ 高温側シリンダ
３ｂ 低温側シリンダ
１０ クランク軸
１２ 気体軸受
２０、２０α、２０β ピストン
２０ａ 高温側ピストン
２０ｂ 低温側ピストン
２０ｉｗ 内壁
２０ｓｃ 側周部
２０ｓｔ 裾側端部
２０ｔｔ 頂部側端部
２０ｔｐ ピストン頂面
２３ 蓄圧室
２７ 給気孔
２７ｏ オリフィス
２７ｓ 拡大部
２８ 凹部
２８ｔ 溝
２９ 動圧発生手段
２９ｏ 開口部
１００ スターリングエンジン

Claims (7)

1. 内部に作動流体を蓄える中空部を備え、シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記ピストンの側周部に設けられて、前記ピストンと前記シリンダとの間に、前記中空部内の作動流体を流出させる静圧発生手段と、
   前記ピストンの側周部であって、前記静圧発生手段と前記ピストンの頂部側端部との間、又は前記静圧発生手段と前記ピストンの裾側端部との間のうち、少なくとも一方に設けられる凹部と、
   を含むことを特徴とするピストン装置。
2. さらに、前記ピストンの頂部側端部、又は前記ピストンの裾側端部に開口する開口部を有し、かつ、前記開口部から対向する端部へ向かって前記ピストンの側周部表面からの深さが小さくなる動圧発生手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のピストン装置。
3. 前記静圧発生手段と前記動圧発生手段とは、前記ピストンの周方向に向かって交互に配置されることを特徴とする請求項２に記載のピストン装置。
4. 前記動圧発生手段は、前記静圧発生手段よりも前記ピストンの頂部側端部側、又は前記静圧発生手段よりも前記ピストンの裾部側端部側の少なくとも一方に設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン装置。
5. 内部に作動流体を蓄える中空部を備え、シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記ピストンの側周部に設けられて、前記ピストンと前記シリンダとの間に、前記中空部内の作動流体を流出させる静圧発生手段と、
   前記ピストンの頂部側端部、又は前記ピストンの裾側端部に開口する開口部を有し、前記開口部から対向する端部へ向かって前記ピストンの側周部の表面からの深さが小さくなる動圧発生手段と、
   を含むことを特徴とするピストン装置。
6. 前記静圧発生手段と前記動圧発生手段とは、前記ピストンの周方向に向かって交互に配置されることを特徴とする請求項５に記載のピストン装置。
7. 前記動圧発生手段は、前記静圧発生手段よりも前記ピストンの頂部側端部側、又は前記静圧発生手段よりも前記ピストンの裾部側端部側の少なくとも一方に設けられることを特徴とする請求項５又は６に記載のピストン装置。

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