JP2006274939A - ピストン機関 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体の開閉動作を行う機構の簡易構造化
【解決手段】シリンダ３１と当該シリンダ３１内に配備されたピストン３２とにより囲まれた空間からなり、供給された作動流体が動作する作動流体動作室Ｒ_expと、この作動流体動作室Ｒ_expに連通する作動流体流路３５とを備えたピストン機関において、その作動流体流路３５側から作動流体動作室Ｒ_exp側への押圧力によって当該作動流体流路３５と作動流体動作室Ｒ_expとの連通状態を遮断する開閉弁３７を備えると共に、ピストン３２が上死点へと近づいた際に前記押圧力に抗して当該開閉弁３７の弁体を押動する弁体押圧部３９を当該ピストン３２に設けること。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シリンダと当該シリンダ内に配備されたピストンとを有し、そのシリンダの壁面とピストンの頂面とにより囲まれた空間に作動流体が供給されるピストン機関に関する。

従来、この種のピストン機関としては、例えば、膨張機や圧縮機がある。その膨張機とは、シリンダの壁面とピストンの頂面とにより囲まれた空間（作動流体動作室）に導入した高圧の作動流体の膨張動作を利用してクランクシャフトから動力を得るものである。即ち、この膨張機においては、密閉された作動流体動作室における高圧の作動流体が膨張してピストンを押下し、このピストンにコネクティングロッドを介して連結されたクランクシャフトを回転させて動力を発生させる。一方、圧縮機とは、作動流体動作室に導入した作動流体をピストンで圧縮し、高圧の作動流体を生成するものである。例えば、この圧縮機で生成された高圧の作動流体は、上述した膨張機へと送られる。

ところで、そのような膨張機や圧縮機は、熱エネルギを機械エネルギに変換する為の機関に適用される。例えば、この種の機関としては、下記の特許文献１，２に開示されたものがあり、これに類するものとしてブレイトンサイクル機関がある。

このブレイトンサイクル機関とは、吸入した作動流体（作動ガス）を断熱圧縮する圧縮機と、この圧縮機で断熱圧縮された高圧の作動流体に高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器と、この熱交換器で等圧受熱された高圧の作動流体を断熱膨張させる膨張機とを備えた機関であり、高圧の作動流体を膨張機に効率良く供給して、熱エネルギから機械エネルギへの変換効率を向上させるものである。

ここで、その膨張機の断熱膨張に伴って発生するクランクシャフトの回転力は、そのクランクシャフトに結合されたフライホイールを介して内燃機関の駆動力補助用として利用することができ、また、発電機（図示略）を駆動させて蓄電池へ蓄電させることもできる。このことから、このブレイトンサイクル機関を例えば内燃機関の排気ガスの排気熱回収装置（熱エネルギ回収装置）として構築することができる。

特開２０００−２６５８５３号公報 特開平６−１７３７０２号公報 特許第２５２９５３７号公報

ところで、上述した膨張機や圧縮機等のピストン機関においては、作動流体動作室に作動流体を導入する一方で当該作動流体動作室を密閉する吸入側の開閉弁や、その作動流体動作室から作動流体を排出する一方で当該作動流体動作室を密閉する排出側の開閉弁が設けられており、更に、その開閉弁を作動させる開閉機構が設けられている。

例えば、その開閉機構としては、上記の特許文献３に開示されているものがある。この特許文献３の開閉機構は、クランクシャフトに設けたカムと、このカムにより動作して弁体を押下するロッカーアームと、その押下された弁体を押し戻す弦巻バネとで構成されている。同様の開閉機構としては、チェーンや歯車等を介してクランクシャフトの回転に連動するカムシャフトと、このカムシャフトに設けたカムと、このカムにより動作して弁体を押下するロッカーアームと、その押下された弁体を押し戻す弦巻バネとで構成されたものがある。

また、別の形態の開閉機構としては、開閉弁を電磁駆動させるものがあり、電磁力の発生装置や当該装置をクランクシャフト（ピストン）の動きに応じて制御する制御装置等の種々の装置が必要になる。

このように、従来のピストン機関に採用されている開閉機構は、クランクシャフト（ピストン）の動きに開閉弁を連動させる為、カム等のリンク機構や種々の装置で構成しなければならず、その構成が複雑であった。また、前者の開閉機構においては、クランクシャフトの回転力を利用して弁体の開閉動作を行わせるので、駆動損失が発生してしまう。

一方、上述した前者のカム等からなる開閉弁及び開閉機構においては、弁体や弦巻バネ等が作動流体の流路内に配置されるので、その弁体等が作動流体の流路抵抗となり、作動流体を作動流体動作室へと導入させる際又は作動流体動作室から排出させる際に流動損失が発生してしまう。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、簡易構造によって開閉弁を開閉動作させ得る開閉機構が具備された無用な損失の少ないピストン機関を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、シリンダと当該シリンダ内に配備されたピストンとにより囲まれた空間からなり、供給された作動流体が動作する作動流体動作室と、この作動流体動作室に連通する作動流体流路とを備えており、更に、その作動流体流路側から作動流体動作室側への押圧力によって当該作動流体流路と作動流体動作室との連通状態を遮断する開閉弁を備えると共に、ピストンが上死点へと近づいた際に前記押圧力に抗して当該開閉弁の弁体を押動する弁体押圧部を当該ピストンに設けている。

この請求項１記載のピストン機関においては、ピストンの上昇に伴って弁体押圧部が弁体を押動し、作動流体流路と作動流体動作室とを連通（即ち開弁）させる。これが為、例えば、その開閉弁が膨張機の吸入弁として利用されるのであれば、作動流体流路から作動流体動作室へと高圧の作動流体を流入させることができ、また、その開閉弁が圧縮機の排出弁として利用されるのであれば、作動流体動作室で生成された高圧の作動流体を作動流体流路へと排出させることができる。一方、弁体には上述した押圧力が掛けられているので、ピストンの下降に伴って作動流体流路と作動流体動作室とが遮断（即ち閉弁）される。このように、この請求項１記載のピストン機関においては、駆動損失の発生源たるカム等を排除した簡易な構造によって開閉弁の開閉動作を行うことができる。

ここで、例えば、その弁体押圧部として請求項２記載の発明の如く空気バネを用いれば、この空気バネの減衰力が作動流体動作室の温度に応じて変化する。これが為、この空気バネは、熱サイクルに良好な減衰力となり、弁体の開閉時期を作動流体動作室の温度に応じた好適なものへと変更することができる。

また、中心軸の軸線方向が前記押圧力と同一方向で且つ作動流体動作室側が閉塞された筒状の弁体と、この弁体と内接又は外接して当該弁体を軸線方向へと案内する筒状のガイド部とを備えた請求項３記載の開閉弁を用いることによって、この開閉弁の軽量化，特に弁体の軽量化を図ることができる。これが為、弁体押圧部による弁体への開弁方向の押圧力及び予め印加している弁体の閉弁方向の押圧力の軽減が可能になり、弁体を押動する際の駆動損失を低減することができる。更に、その弁体又はガイド部の外周面が作動流体のガイドとしても機能するので、作動流体の流動損失を低減することもできる。

本発明に係るピストン機関は、簡易構造の弁体押圧部により開閉弁を開弁させることができる一方、予め印加されている押圧力によって開閉弁を閉弁させることができる。即ち、カム等の複雑な機構や装置等を用いずに、簡易な構造からなる弁体押圧部と所定の押圧力で開閉弁を開閉動作させることができる。これが為、本発明に係るピストン機関によれば、開閉弁の開閉時の駆動損失を低減することができ、更に、開閉機構の信頼性を向上させることができる。

以下に、本発明に係るピストン機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係るピストン機関の実施例１を図１から図３に基づいて説明する。ここでは、そのピストン機関として熱エネルギ回収装置，具体的には内燃機関の排気熱を回収する排気熱回収装置に適用される圧縮機と膨張機について例示する。

以下、その排気熱回収装置の概要と共に本実施例１の圧縮機と膨張機について説明する。

本実施例１の排気熱回収装置は、排気熱を利用して作動流体を断熱圧縮→等圧受熱→断熱膨張→等圧放熱させて駆動力を得るブレイトンサイクル機関であって、図１に示す如く、吸入した作動流体を断熱圧縮する圧縮機１０と、この圧縮機１０で断熱圧縮された作動流体に高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器２０と、この熱交換器２０で等圧受熱された作動流体を断熱膨張させる膨張機３０とを備えている。

ここで、本実施例１にあっては、圧縮機１０へと吸入される作動流体として大気圧の空気を例示する。

先ず、本実施例１の熱交換器２０について説明する。

この熱交換器２０は、高温流体が流れる第１流路２１と、圧縮機１０で断熱圧縮された作動流体が流れる第２流路２２とを備えている。ここで、その第１及び第２の流路２１，２２は、作動流体への吸熱効率（熱交換器効率）を高める為に高温流体の流れ方向と作動流体の流れ方向とが逆になるよう配置することが好ましい。

ここで、本実施例１にあっては、内燃機関（図示略）の排気熱回収用として用いられる排気熱回収装置を例示している。これが為、本実施例１の熱交換器２０は、その第１流路２１に内燃機関の排気ガスが流入するよう図１に示す排気流路４０上に配置される。ここで、本実施例１の高温流体たる排気ガスの排気熱を有効利用する為には、熱交換器２０が可能な限り内燃機関の燃焼室に近い位置（排気流路４０の上流側）に配置されることが好ましい。そこで、本実施例１の熱交換器２０は、例えば排気マニホルドの集合部分に配置する。

続いて、本実施例１の圧縮機１０について説明する。

この圧縮機１０は、容積Ｖ_compが一定のシリンダ１１と、このシリンダ１１内を往復移動するピストン１２と、このピストン１２を往復移動させるクランクシャフト１３及びコネクティングロッド１４と、作動流体をシリンダ１１内に導く吸気流路１５と、そのシリンダ１１内でピストン１２により断熱圧縮された作動流体を熱交換器２０の第２流路２２へと導く排気流路１６とを備えている。

ここで、吸気流路１５の作動流体は、上記シリンダ１１の内壁とピストン１２の頂面とにより囲まれた空間（以下「作動流体動作室」という。）Ｒ_compに供給され、ピストン１２によって圧縮される。

また、その吸気流路１５上には、作動流体を作動流体動作室Ｒ_compに流入させる一方、その作動流体の吸気流路１５への逆流を防ぐ逆止弁１７が設けられている。本実施例１の逆止弁１７としては、圧力差により吸気流路１５を連通状態又は閉塞状態に変化させるリード弁１７を用いる。また、その排気流路１６には、断熱圧縮された作動流体を熱交換器２０の第２流路２２に流入させる一方、作動流体動作室Ｒ_compへの逆流を防ぐ逆止弁１８が設けられている。本実施例１の逆止弁１８についても同様にリード弁１８を用いる。

このようなリード弁１７，１８を用いることによってクランクシャフト１３の回転に同期させる機構を別途設ける必要が無いので、簡易且つ低コストな信頼性の高い圧縮機１０の弁構造を構築することができる。

続いて、上記膨張機３０について説明する。

本発明に係る膨張機３０は、容積Ｖ_expが一定のシリンダ３１と、このシリンダ３１内を往復移動するピストン３２と、このピストン３２を往復移動させるクランクシャフト１３及びコネクティングロッド３４と、熱交換器２０で等圧受熱された作動流体をシリンダ３１内に導く吸気流路（作動流体流路）３５と、断熱膨張後の作動流体をシリンダ３１の外に導く排気流路３６とを備えている。尚、この膨張機３０に係るクランクシャフト１３は、上述した圧縮機１０と共通のものを用いる。

ここで、吸気流路３５の作動流体は、図１に示す連通孔３１ａを介して上記シリンダ３１の内壁とピストン３２の頂面とにより囲まれた空間（以下「作動流体動作室」という。）Ｒ_expに供給され、この作動流体動作室Ｒ_exp内で断熱膨張を行う。本実施例１の連通孔３１ａは、シリンダ３１の頂面の略中央に形成される。

一方、シリンダ３１の周壁にはピストン３２が下死点近傍まで下降した際の作動流体動作室Ｒ_expとシリンダ３１の外部とを連通させる排気流路３６が設けられており、断熱膨張後の作動流体は、その排気流路３６から排出される。

更に、この膨張機３０には、上記吸気流路３５の開閉を行う開閉弁３７が設けられている。

この開閉弁３７は、シリンダ３１やピストン３２の軸線方向，即ちピストン３２の移動方向に往復移動し、吸気流路３５側から連通孔３１ａを閉塞する弁体３７ａと、この弁体３７ａに対して閉弁方向の押圧力を常時掛けている閉弁機構とを備える。即ち、その閉弁機構は、弁体３７ａを開弁状態から閉弁動作させると共に、この弁体３７ａよる連通孔３１ａの閉塞状態（即ち閉弁状態）を保持し得るものであって、例えば、図１に示す弦巻バネ等の弾性部材３７ｂを用いることができる。

一方、この膨張機３０には、上記の閉弁状態を解放して吸気流路３５と作動流体動作室Ｒ_expとを連通させる開弁機構も設けられている。例えば、本実施例１の開弁機構としては、ピストン３２の頂面の略中央に突設した図１に示す突出部（以下「弁体押圧部」という。）３９を用いる。即ち、一般に、膨張機３０においては、ピストン３２が上死点近傍に位置しているときに高圧の作動流体を作動流体動作室Ｒ_expへと吸入させる。これが為、ピストン３２の頂面に弁体押圧部３９を設けることによって、ピストン３２が上死点近傍まで上昇した際に弁体押圧部３９で弁体３７ａを弾性部材３７ｂの押圧力に抗して押動することができるので、所望の吸入行程において吸気流路３５と作動流体動作室Ｒ_expとを連通させることができる。

ところで、この膨張機３０には上記クランクシャフト１３にフライホイール５０が具備されており、そのクランクシャフト１３の回転力を利用して内燃機関の駆動力を補填したり、発電機（図示略）を駆動させて蓄電池へ蓄電させたりする。

次に、以上示した構成からなる本実施例１の圧縮機１０及び膨張機３０の動作を排気熱回収装置の動作と共に説明する。ここでは、圧縮機１０の容積Ｖ_compを「Ｖ１」とする一方、膨張機３０の容積Ｖ_compを「Ｖ４」とし、クランクシャフト１３が既に回転しているものとする。

先ず、圧縮機１０において、上死点にあるピストン１２が下降することにより作動流体動作室Ｒ_compに負圧が発生するので、逆止弁１７が開弁すると共に逆止弁１８が閉弁し、吸気流路１５から大気圧Ｐａの作動流体が作動流体動作室Ｒ_compに流入する。しかる後、ピストン１２が下死点に到達して体積Ｖ１，大気圧Ｐａの作動流体が作動流体動作室Ｒ_compに吸入され、ピストン１２が上昇し始めると共に逆止弁１７が閉弁して断熱圧縮を開始する。そして、ピストン１２が上死点に到達して作動流体が図２に示す如く体積Ｖ２，圧力Ｐｃにまで断熱圧縮されると、その圧力Ｐｃによって逆止弁１８が開弁し、その体積Ｖ２，圧力Ｐｃの作動流体が排気流路１６を経て熱交換器２０に送出される。

続いて、その熱交換器２０においては、その体積Ｖ２，圧力Ｐｃの作動流体に図２に示す如く入熱量ｑ１が等圧受熱される。

一方、膨張機３０においては、クランクシャフト１３の回転に伴ってピストン３２が上昇している。これが為、そのピストン３２の上昇に伴って弁体押圧部３９が弁体３７ａに当接し、この弁体３７ａを弾性部材３７ｂの押圧力に抗して押し上げるので、吸気流路３５と作動流体動作室Ｒ_expとが連通する。

これにより、入熱量ｑ１を等圧受熱した体積Ｖ３，圧力Ｐｃの作動流体が吸気流路３５から作動流体動作室Ｒ_expに断熱膨張しつつ流入し、上死点にあるピストン３２を下降させるので、クランクシャフト１３の回転が付勢される。その作動流体は、図２に示す如く体積Ｖ４，大気圧Ｐａまで断熱膨張を続ける。

ここで、本実施例１の弁体３７ａには弾性部材３７ｂからの押圧力が常時掛けられている。これが為、ピストン３２（弁体押圧部３９）の下降に伴って弁体３７ａも下降し、連通孔３１ａが閉塞される。

続いて、そのピストン３２が下死点近傍まで下降すると、作動流体動作室Ｒ_expと排気流路３６とが連通し、大気圧Ｐａまで断熱膨張された体積Ｖ４の作動流体が排気流路３６から排出（等圧放熱）される。尚、その際、圧縮機１０においては、上述したが如くして作動流体動作室Ｒ_compに体積Ｖ１，大気圧Ｐａの作動流体が吸気される。

このように、この排気熱回収装置は、入熱量ｑ１の場合、クランクシャフト１３とが一回転する毎に、図２に示す如き断熱圧縮行程→等圧受熱行程→断熱膨張行程→等圧放熱行程を１サイクル行う。

以上示した如く、本実施例１によれば、膨張機３０の開弁機構は、ピストン３２の上昇に伴って弁体３７ａを作動させる弁体押圧部３９のみで構築することができる。即ち、その弁体押圧部３９は従来の如き複雑なカム等からなる機構や装置等を必要としない簡易構造であるので、本実施例１のピストン機関においては、信頼性の高い開弁機構を構築することができる。一方、閉弁機構についても、複雑な機構等を要しない弾性部材３７ｂの押圧力のみを利用しているので、信頼性の向上を図れる。また、そのように、カム等からなる機構が不要になるので、開閉動作を行う際の駆動損失を低減することができる。

更に、従来の如きカム等からなる機構や装置等の殆どの構成要素は膨張機３０の外に配備されるが、本実施例１の弁体押圧部３９や弾性部材３７ｂは、膨張機３０や吸気流路３５の内部に配備されているので、開弁機構や閉弁機構を構築する為に別途それらの搭載容積を確保せずともよく、膨張機３０の適用対象の拡充を図ることができる。尚、弾性部材３７ｂについては、必ずしも吸気流路３５の内方に配備せずともよい。

ところで、上述した膨張機３０の開弁機構及び閉弁機構は、圧縮機１０に適用してもよい。

即ち、上述した圧縮機１０において、リード弁１７，１８を廃し、図３に示す如く、シリンダ１１の頂面の略中央に膨張機３０と同様の連通孔１１ａを形成して排気流路（作動流体流路）１６を接続する一方、そのシリンダ１１の周壁に膨張機３０の排気流路３６と同様の吸気流路１５を設ける。

続いて、その排気流路１６には、膨張機３０と同様のピストン１２の移動方向に往復移動し、排気流路１６側から連通孔１１ａを閉塞する弁体１７ａと、この弁体１７ａによる連通孔１１ａの閉塞状態（即ち閉弁状態）を維持する閉弁機構（弾性部材１７ｂ）とを備えた開閉弁１７Ａを設ける。そして、その弁体１７ａの開弁機構として、膨張機３０と同様に、ピストン１２の頂面の略中央に突設した図３に示す弁体押圧部１９を用いる。

これにより、ピストン１２が下死点近傍に位置しているときに吸気流路１５から作動流体が吸入され、そのピストン１２の上昇に伴って作動流体が圧縮される。そして、そのピストン１２が上死点近傍まで上昇すると、弁体押圧部１９が弁体１７ａを押し上げて排気流路１６と作動流体動作室Ｒ_compとを連通させ、圧縮された作動流体が熱交換器２０へと送られる。

このように、膨張機３０だけでなく圧縮機１０においても駆動損失の少ない簡易構造の開弁機構（弁体押圧部１９）や閉弁機構（弾性部材１７ｂ）を用いることができ、これにより、膨張機３０と同様に、圧縮機１０の信頼性の向上や適用対象の拡充を図ることができる。

ここで、以上示した本実施例１のピストン機関（圧縮機１０，膨張機３０）は、上述した排気熱回収装置に適用してもよいが、その適用対象は、必ずしもこれに限定するものではない。

次に、本発明に係るピストン機関の実施例２を図４に基づいて説明する。

ここで、前述した実施例１においては、弁体押圧部１９，３９が弁体１７ａ，３７ａに当接した後、その弁体１７ａ，３７ａの押し上げ，即ち開弁動作を始める。しかしながら、その当接の際には、弁体押圧部１９，３９と弁体１７ａ，３７ａとの間で打音が発生する虞があり好ましくない。

そこで、本実施例２にあっては、その打音防止策を講じる。

例えば、本実施例２の膨張機１３０は、実施例１の膨張機３０の弁体押圧部３９を図４に示す弁体押圧部１３９へと変更して打音の防止を図る。

具体的に、本実施例２の弁体押圧部１３９は、ピストン３２の頂面の略中央に突設した突出部１３９ａと、この突出部１３９ａの先端に設けたフッ素ゴム等の緩衝部１３９ｂとで構成されたものであって、換言すれば、実施例１の弁体押圧部３９の先端に緩衝部１３９ｂを設けたものである。

これにより、図４に示す状態へとピストン３２が上昇した際に、先ず緩衝部１３９ｂと弁体３７ａとが当接するので、その緩衝部１３９ｂが当接時の衝撃力を吸収し、打音を緩和することができる。

尚、本実施例２にあっては、膨張機１３０のみについて詳述するが、圧縮機についても同様に構成される。即ち、本実施例２に係る圧縮機は、前述した図３に示す実施例１の圧縮機１０における弁体押圧部１９を上述した緩衝部１３９ｂが設けられた弁体押圧部１３９に変更したものである。

このように、本実施例２のピストン機関（圧縮機，膨張機１３０）は、実施例１と同様の効果を奏するだけでなく、開弁時の打音をも解消することができる。

ここで、以上示した本実施例２のピストン機関（圧縮機，膨張機１３０）は、実施例１と同様の排気熱回収装置に適用してもよいが、その適用対象は、必ずしもこれに限定するものではない。

次に、本発明に係るピストン機関の実施例３を図５に基づいて説明する。

本実施例３のピストン機関は、前述した実施例２と同様に、実施例１に対して開弁時の打音防止策を講じたものである。

例えば、本実施例３の膨張機２３０は、実施例１の膨張機３０の弁体押圧部３９を図５に示す弁体押圧部２３９へと変更して打音の防止を図る。

具体的に、本実施例３にあっては、その弁体押圧部２３９としてピストン３２の頂面の略中央に弾性部材を配設する。ここでは、その弾性部材として弦巻バネを例示する。

これにより、図５に示す状態へとピストン３２が上昇した際に、弾性部材からなる弁体押圧部２３９と弁体３７ａとが当接するので、その弁体押圧部２３９が当接時の衝撃力を吸収し、打音を緩和することができる。

ここで、本実施例３の弁体押圧部２３９は、弁体３７ａと当接した後に圧縮し始め、所定量縮まった後で弁体３７ａを押し上げる。これが為、その弁体押圧部２３９のバネ定数を適宜選択することによって、その押し上げの時期を所望のものに設定することができる。

尚、本実施例３にあっても、膨張機２３０のみについて詳述するが、圧縮機についても同様に構成される。即ち、本実施例３に係る圧縮機は、前述した図３に示す実施例１の圧縮機１０における弁体押圧部１９を弾性部材からなる弁体押圧部２３９に変更したものである。

このように、本実施例３のピストン機関（圧縮機，膨張機２３０）は、実施例１と同様の効果を奏するだけでなく、開弁時の打音をも解消することができる。

ここで、以上示した本実施例３のピストン機関（圧縮機，膨張機２３０）は、実施例１と同様の排気熱回収装置に適用してもよいが、その適用対象は、必ずしもこれに限定するものではない。

本発明に係るピストン機関の実施例４を図６及び図７に基づいて説明する。

本実施例４のピストン機関は、前述した実施例２，３と同様に、実施例１に対して開弁時の打音防止策を講じたものである。

例えば、本実施例４の膨張機３３０は、実施例１の膨張機３０の弁体押圧部３９を図６に示す弁体押圧部３３９へと変更して打音の防止を図る。

具体的に、本実施例４にあっては、その弁体押圧部３３９としてピストン３２の頂面の略中央に所謂ベローズ式加圧空気バネを配設する。

これにより、図６に示す状態へとピストン３２が上昇した際に、ベローズ式加圧空気バネからなる弁体押圧部３３９と弁体３７ａとが当接するので、その弁体押圧部３３９が当接時の衝撃力を吸収し、打音を緩和することができる。

ここで、本実施例４の弁体押圧部３３９についても、前述した実施例３と同様に弁体３７ａと当接した後で圧縮し始め、所定量縮まった後で弁体３７ａを押し上げる。

一方、そのようなベローズ式加圧空気バネは、作動流体動作室Ｒ_expの温度（換言すれば、作動流体の温度）に応じて開閉弁３７の開弁時期と閉弁時期が変化する。即ち、このベローズ式加圧空気バネは、作動流体の温度に応じて減衰力が変化するので、作動流体の温度が高くなるにつれて、図７に示す如く、開弁時期が進角側へと移行し、閉弁時期が遅角側へと移行する。

これが為、作動流体の温度が高くなるにつれて開閉弁３７の開弁期間が延長されるので、より多くの高圧の作動流体を作動流体動作室Ｒ_expに導入することができ、この膨張機３３０を実施例１と同様の排気熱回収装置に適用すれば比出力の増加を図ることができる。即ち、ベローズ式加圧空気バネからなる弁体押圧部３３９を用いることによって、この弁体押圧部３３９は、熱サイクルに良好な減衰力となり、弁体３７ａの開閉時期を作動流体動作室Ｒ_expの温度に応じた好適なものへと変更することができる。

尚、本実施例４にあっても、膨張機３３０のみについて詳述するが、圧縮機についても同様に構成される。即ち、本実施例４に係る圧縮機は、前述した図３に示す実施例１の圧縮機１０における弁体押圧部１９をベローズ式加圧空気バネからなる弁体押圧部３３９に変更したものである。

このように、本実施例４のピストン機関（圧縮機，膨張機３３０）は、実施例１と同様の効果を奏するだけでなく、開弁時の打音の解消や、その適用対象如何で比出力の増加をも図ることができる。

ここで、以上示した本実施例４のピストン機関（圧縮機，膨張機３３０）は、実施例１と同様の排気熱回収装置に適用してもよいが、その適用対象は、必ずしもこれに限定するものではない。

尚、上述したベローズ式加圧空気バネからなる弁体押圧部３３９に替えて、所謂ダイアフラム式加圧空気バネからなる弁体押圧部３３９を設けてもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。

本発明に係るピストン機関の実施例５を図８及び図９に基づいて説明する。

本実施例５のピストン機関は、前述した実施例２〜５と同様に、実施例１に対して開弁時の打音防止策を講じたものである。

ここで、その前述した実施例２〜５の弁体押圧部１３９，２３９，３３９，４３９によって既に打音の発生を防止することができているが、本実施例５にあっては、その打音の発生する根源自体を根本的に解消する。即ち、以下に示す如く、弁体押圧部４３９と弁体３７ａとが当接しないように構成する。

例えば、本実施例５の膨張機４３０は、実施例３の弾性部材（弦巻バネ）からなる弁体押圧部２３９を図８に示す如く弁体３７ａの下面にも接続して打音の防止を図る。即ち、本実施例５の弁体押圧部４３９は、その一端をピストン３２の頂面の略中央に接合する一方、その他端を弁体３７ａの下面の略中央に接合する。

これにより、図８に示す状態から図９に示す状態へとピストン３２が上昇した際に弁体押圧部４３９と弁体３７ａとが当接しないので、打音が根本的に解消される。

尚、本実施例５にあっても、膨張機４３０のみについて詳述するが、圧縮機についても同様に構成される。即ち、本実施例５に係る圧縮機は、前述した図３に示す実施例１の圧縮機１０における弁体押圧部１９を上述した弁体押圧部４３９に変更したものである。

このように、本実施例５のピストン機関（圧縮機，膨張機４３０）は、実施例１と同様の効果を奏するだけでなく、開弁時の打音の根本的な解消をも図ることができる。

ここで、以上示した本実施例５のピストン機関（圧縮機，膨張機４３０）は、実施例１と同様の排気熱回収装置に適用してもよいが、その適用対象は、必ずしもこれに限定するものではない。

尚、上述した弁体押圧部４３９に替えて、ベローズ式加圧空気バネやダイアフラム式加圧空気バネ等の空気バネからなる弁体押圧部４３９を設けてもよく、これによっても同様の効果を奏することができる。

次に、本発明に係るピストン機関の実施例６を図１０から図１２に基づいて説明する。

例えば、本実施例６の膨張機５３０は、実施例１の膨張機３０の開閉弁３７を以下の如く変更したものである。

先ず、本実施例６の膨張機５３０は、実施例１の膨張機３０と同様のシリンダ３１，ピストン３２，クランクシャフト１３，コネクティングロッド３４及び排気流路３６を備えており、そのシリンダ３１の頂面の略中央に連通孔３１ａが形成され、そのピストン３２の頂面の略中央に弁体押圧部３９が突設されている。尚、本実施例６の弁体押圧部３９は、後述する弁体５３７Ａの形状に合わせ、更に当該弁体５３７Ａを平行に押し上げるように当接面積を大きく取っている。

ここで、本実施例６の膨張機５３０にあっても作動流体を作動流体動作室Ｒ_expに導く吸気流路（作動流体流路）５３５が設けられているが、本実施例６の吸気流路５３５は、シリンダ３１やピストン３２の軸線方向，即ちピストン３２の移動方向と直交するように形成され、連通孔３１ａを介して作動流体動作室Ｒ_expと連通する。

本実施例６の開閉弁５３７は、図１０に示す如く、その吸気流路５３５内に配置される。以下、この開閉弁５３７について詳述する。

本実施例６の開閉弁５３７は、図１１に示す如く、連通孔３１ａを開閉する一端が開口された筒状の弁体５３７Ａと、この弁体５３７Ａを軸線方向に案内する弁体ガイド部材５３７Ｂとを備えており、吸気流路５３５に形成された開閉弁保持孔５３５ａから吸気流路５３５内へと挿入して配置される。

具体的に、先ず、本実施例６の弁体５３７Ａには、略円形の連通孔３１ａを吸気流路５３５側から閉塞可能な略円形の連通孔閉塞部５３７Ａ₁と、この連通孔閉塞部５３７Ａ₁の周縁から吸気流路５３５の内方に立設された筒状の周壁部５３７Ａ₂とが設けられている。この周壁部５３７Ａ₂は、その内周面においては後述するガイド部５３７Ｂ₁により弁体５３７Ａが案内される役目を果たす一方、その外周面においては作動流体の気流ガイドの役目を果たす。即ち、連通孔閉塞部５３７Ａ₁からの連続形状として形成された周壁部５３７Ａ₂の外周面によって、作動流体の流線が整えられ、縮流損失が軽減される。

また、弁体ガイド部材５３７Ｂには、弁体５３７Ａの周壁部５３７Ａ₂との間に微小隙間ｇを形成すると共に当該弁体５３７Ａを軸線方向（ピストン３２の移動方向）へと案内する筒状のガイド部５３７Ｂ₁と、このガイド部５３７Ｂ₁を吸気流路５３５内に係止すると共に開閉弁保持孔５３５ａを閉塞する係止部５３７Ｂ₂とが設けられている。

本実施例６にあっては、弁体５３７Ａの内方にガイド部５３７Ｂ₁を配置することによって、周壁部５３７Ａ₂の内周面とガイド部５３７Ｂ₁の外周面との間に上述した微小隙間ｇを形成する一方、そのガイド部５３７Ｂ₁の外周面に沿って弁体５３７Ａを軸線方向へと案内させる。その微小隙間ｇは、弁体５３７Ａが開閉動作する際の摺動抵抗を軽減する為のものであり、潤滑剤等を塗布することが好ましい。また、潤滑剤等に替えて微小隙間ｇに高圧の作動流体を供給し、その微小隙間ｇに静圧軸受を構築してもよい。

ここで、本実施例６の開閉弁５３７においては、弁体５３７Ａによる連通孔３１ａの閉塞状態を保持し得るよう弁体５３７Ａと弁体ガイド部材５３７Ｂとの間の空間部分に弾性部材５３７Ｃを配設している。例えば、この弾性部材５３７Ｃとしては図１１に示す弦巻バネが考えられ、本実施例６にあっては、弁体５３７Ａの連通孔閉塞部５３７Ａ₁と弁体ガイド部材５３７Ｂの係止部５３７Ｂ₂との間に配置して連通孔３１ａを閉塞し得るバネ力を発生させる。

このように、弾性部材５３７Ｃを弁体５３７Ａ及び弁体ガイド部材５３７Ｂの内方に配置することによって、作動流体の流線が乱れることなく、また、弾性部材５３７Ｃが伸縮する際の作動音の外部への漏れを回避することができる。

このような開閉弁５３７を有する膨張機５３０においては、クランクシャフト１３の回転に伴ってピストン３２が上昇し、そのピストン３２の弁体押圧部３９が弾性部材５３７Ｃの押圧力に抗して弁体５３７Ａを押し上げ、吸気流路５３５と作動流体動作室Ｒ_expとを連通させる。

これにより、圧縮された高圧の作動流体が吸気流路３５から作動流体動作室Ｒ_expに断熱膨張しつつ流入して、上死点にあるピストン３２を下降させる。これが為、クランクシャフト１３の回転が付勢される一方、その下降に伴って弾性部材５３７Ｃが弁体５３７Ａを押圧して閉弁させる。

尚、本実施例６にあっては、膨張機５３０のみについて詳述するが、圧縮機についても同様の開閉弁を用いることができる。

このように、本実施例６のピストン機関（圧縮機，膨張機５３０）にあっては、実施例１と同様の効果を奏することができ、更に、上述した開閉弁５３７によって作動流体の流動損失の低減をも図ることができる。

また、その開閉弁５３７は、プレス成型し得る形状であるので、軽量化，特に弁体５３７Ａの軽量化を図ることができる。これが為、弁体押圧部３９による弁体５３７Ａへの開弁方向の押圧力及び弾性部材５３７Ｃによる弁体５３７Ａへの閉弁方向の押圧力の軽減が可能になり、弁体５３７Ａを押動する際の駆動損失を低減することができる。

ここで、上述した開閉弁５３７においては弁体５３７Ａの内方にガイド部５３７Ｂ₁を配置しているが、その逆、即ち、ガイド部５３７Ｂ₁の内方に弁体５３７Ａを配置してもよい。以下に、かかる場合の構成について図１２を用いて説明する。

その図１２に示す開閉弁６３７は、上述した開閉弁５３７と同様に、連通孔３１ａを開閉する一端が開口された筒状の弁体６３７Ａと、この弁体６３７Ａを軸線方向に案内する弁体ガイド部材６３７Ｂと、弁体６３７Ａによる連通孔３１ａの閉塞状態を保持し得る弾性部材６３７Ｃとを備えている。

具体的に、その弁体６３７Ａには、上述した弁体５３７Ａと同様の連通孔閉塞部６３７Ａ₁と周壁部６３７Ａ₂とが設けられている。一方、弁体ガイド部材６３７Ｂには、上述した弁体ガイド部材５３７Ｂと同様のガイド部６３７Ｂ₁と係止部６３７Ｂ₂とが設けられており、そのガイド部６３７Ｂ₁の内周面と周壁部６３７Ａ₂の外周面との間に微小隙間ｇが形成されている。

このように構成された開閉弁６３７においても、上述した開閉弁５３７と同様にピストン３２の弁体押圧部３９で開弁動作が行われ、同様の作用効果を奏する。ここで、かかる場合にあっては、弁体６３７Ａの周壁部６３７Ａ₂の外周面と弁体ガイド部材６３７Ｂのガイド部６３７Ｂ₁の内周面の双方が気流ガイドとして機能する。

尚、本実施例６にあっては弁体５３７Ａ，６３７Ａの開弁機構として実施例１の弁体押圧部３９を例示したが、これに替えて、前述した実施例２〜５の弁体押圧部１３９，２３９，３３９，４３９を用いてもよい。

以上のように、本発明に係るピストン機関は、作動流体の導入又は排出を制御する開閉弁の開弁機構及び閉弁機構の簡易構造化に有用である。

本発明に係るピストン機関の実施例１の構成を示す図であって、このピストン機関の一例としての膨張機を熱エネルギ回収装置に適用した場合を例示した図である。 実施例１のピストン機関の一例としての膨張機を示す図である。 実施例１のピストン機関の他の例としての圧縮機を示す図である。 本発明に係るピストン機関の実施例２の構成を示す図であって、その一例としての膨張機の開弁動作について示す図である。 本発明に係るピストン機関の実施例３の構成を示す図であって、その一例としての膨張機の開弁動作について示す図である。 本発明に係るピストン機関の実施例４の構成を示す図であって、その一例としての膨張機の開弁動作について示す図である。 空気バネの膨張機行程容積に対する膨張機筒内圧を作動流体の温度の高低差に応じて示した図である。 本発明に係るピストン機関の実施例５の構成を示す図であって、その一例としての膨張機を示す図である。 実施例５の膨張機の開弁動作について示す図である。 本発明に係るピストン機関の実施例６の構成を示す図であって、その一例としての膨張機を示す図である。 実施例６の膨張機の詳細な構成について説明する図である。 実施例６の膨張機の他の構成について説明する図である。

符号の説明

１０ 圧縮機
１１ シリンダ
１１ａ 連通孔
１２ ピストン
１３ クランクシャフト
１４ コネクティングロッド
１５ 吸気流路
１６ 排気流路（作動流体流路）
１７Ａ 開閉弁
１７ａ 弁体
１７ｂ 弾性部材
１９ 弁体押圧部
３０，１３０，２３０，３３０，４３０，５３０ 膨張機
３１ シリンダ
３１ａ 連通孔
３２ ピストン
３４ コネクティングロッド
３５，５３５ 吸気流路（作動流体流路）
３６ 排気流路
３７ 開閉弁
３７ａ 弁体
３７ｂ 弾性部材
３９，１３９，２３９，３３９，４３９ 弁体押圧部
１３９ａ 突出部
１３９ｂ 緩衝部
５３７，６３７ 開閉弁
５３７Ａ，６３７Ａ 弁体
５３７Ｂ，６３７Ｂ 弁体ガイド部材
５３７Ｂ₁，６３７Ｂ₁ ガイド部
５３７Ｃ，６３７Ｃ 弾性部材
ｇ 微小隙間
Ｒ_comp，Ｒ_exp 作動流体動作室

Claims (3)

1. シリンダと当該シリンダ内に配備されたピストンとにより囲まれた空間からなり、供給された作動流体が動作する作動流体動作室と、該作動流体動作室に連通する作動流体流路とを備えたピストン機関であって、
   前記作動流体流路側から前記作動流体動作室側への押圧力によって当該作動流体流路と作動流体動作室との連通状態を遮断する開閉弁を備えると共に、前記ピストンが上死点へと近づいた際に前記押圧力に抗して当該開閉弁の弁体を押動する弁体押圧部を当該ピストンに設けたことを特徴とするピストン機関。
2. 前記弁体押圧部として空気バネを用いたことを特徴とする請求項１記載のピストン機関。
3. 前記開閉弁は、中心軸の軸線方向が前記押圧力と同一方向で且つ前記作動流体動作室側が閉塞された筒状の弁体と、該弁体と内接又は外接して当該弁体を軸線方向へと案内する筒状のガイド部とを備えたことを特徴とする請求項１記載のピストン機関。

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