JP2006283626A - ピストン機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとシリンダとの間の摩擦損失を低減させること。
【解決手段】シリンダ２と当該シリンダ２内に配備されたピストン４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５と、そのピストン４のシリンダ２内における位置に応じて作動流体動作室５にシリンダ２の周壁の連通孔２ｂを介して連通する作動流体流路７と、そのピストン４とシリンダ２との間の微小隙間ｇに当該ピストン４の周壁の高圧軸受流体供給孔１２，１３から高圧の軸受流体を供給してなる静圧軸受９とを備え、その高圧軸受流体供給孔１２，１３をピストン４の往復運動時に前記連通孔２ｂと重ならない位置へと形成すること。
【選択図】 図１

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。

尚、下記の特許文献３には排気ポートをサイドポート化した内燃機関が開示されており、また、下記の特許文献４には作動流体動作室の高圧の作動流体（空気）をピストン内に取り込み、その高圧の作動流体をピストンの外周面から噴出させてシリンダとの間に空気軸受を形成したスターリングエンジンが開示されている。

特開平６−１７３７０２号公報 特開２０００−２６５８５３号公報 特開平５−３３６６２号公報 特開２０００−４６４３１号公報

ここで、ピストンが往復運動する際に、その外周面とシリンダの内周面とが接すると大きな摩擦損失を発生させてしまう。これが為、一般に、ピストン機関においては、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間に間隔を設けて潤滑油を供給する一方、ピストンの外周面にピストンリングやオイルリングを配備している。これにより、そのピストンリングが作動流体動作室の密閉状態を保ち、そのオイルリングがピストンとシリンダとの間の余分な潤滑油を掻き下げる。尚、そのピストンリング等によってピストンの傾倒が抑制されるので、このピストンリング等は、シリンダに対するピストンの姿勢を正しき状態に保つ軸受の如き役目も果たしている。

しかしながら、従来のピストン機関においては、如何にピストンとシリンダとの間に潤滑油を供給したとしても、ピストンリング等とシリンダとの間の摩擦損失を大幅に低減させることができない。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、ピストンとシリンダとの間の摩擦損失を低減し得る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、そのピストンのシリンダ内における位置に応じて前記作動流体動作室にシリンダの周壁の連通孔を介して連通する作動流体流路と、そのピストンとシリンダとの間の微小隙間に当該ピストンの周壁の高圧軸受流体供給孔から高圧の軸受流体を供給してなる静圧軸受とを備えており、その高圧軸受流体供給孔をピストンの往復運動時に前記連通孔と重ならない位置へと形成している。

例えば、その高圧の軸受流体としては、請求項２記載の発明の如く、作動流体動作室における高圧の作動流体を用いることができる。

これにより、その微小隙間の静圧軸受がピストンを非接触状態でシリンダに保持することができる。また、ピストンがシリンダに対して如何なる位置にあっても高圧軸受流体供給孔と連通孔とが重なることはないので、その高圧軸受流体供給孔と作動流体流路との連通を回避することができ、微小隙間に発生した静圧の抜けを抑止することができる。

本発明に係るピストン機関は、静圧軸受によりピストンを非接触状態でシリンダに対して浮上させることができるので、潤滑油等を用いずともピストンとシリンダとの間における摩擦損失を低減することができる。更に、ピストンが往復運動している状態においても、微小隙間に発生した静圧が抜けてしまうことはないので、静圧軸受の性能が安定し、上述した摩擦損失の低減効果を維持することができる。

以下に、本発明に係るピストン機関，具体的にはサイドポートが設けられてい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７に基づいて説明する。

図１の符号１は、本実施例１のピストン機関を示す。このピストン機関１は、図１に示す如く、筒状のシリンダ２と、このシリンダ２内でコネクティングロッド３を介して往復運動するピストン４とを備える。

ここで、そのシリンダ２の内壁面とピストン４の頂面とにより囲まれた空間５には作動流体（空気等の気体）が供給され、所定の動作を行った後にシリンダ２の外へと排出される。例えば、このピストン機関１が圧縮機であれば、供給された作動流体がピストン４の上昇に伴って圧縮され、高圧の作動流体として排出される。また、このピストン機関１が膨張機であれば、供給された高圧の作動流体が膨張してピストン４を下降させ、その後、膨張後の作動流体が排出される。以下、その空間５については「作動流体動作室５」という。

これが為、このピストン機関１には、作動流体の流路が２つ設けられている。本実施例１にあっては、シリンダ２の頂面側の第１作動流体流路６と、シリンダ２の周壁側の第２作動流体流路（サイドポート）７とを設けている。

先ず、第１作動流体流路６は、シリンダ２の頂面の略中央に形成された第１連通孔２ａを介して作動流体動作室５と連通し得る流路であって、その連通状態が図１に示す開閉弁８によって調節される。この開閉弁８は、例えば、カム（図示略）やロッカーアーム等を介して開弁動作を行う一方、縮められた弦巻バネ等の弾性部材（図示略）の反力によって閉弁動作を行う。

また、第２作動流体流路７は、シリンダ２の周壁に形成された図２に示す第２連通孔２ｂを介して作動流体動作室５と連通し得る流路である。ここで、その第２連通孔２ｂは、ピストン４が下死点近傍に位置しているときに作動流体動作室５と連通し、ピストン４が下死点近傍以外に位置しているときにピストン４の外周面で閉塞される位置へと形成される。これが為、本実施例１の第２作動流体流路７は、ピストン４が下死点近傍に位置していれば作動流体動作室５と連通状態になり、ピストン４が下死点近傍以外に位置していれば作動流体動作室５との間で作動流体の流通はない。

尚、ピストン４の外周面とシリンダ２の内周面との間には後述する微小隙間ｇが設けられているので、ピストン４が下死点近傍以外に位置していても、厳密にはピストン４の外周面が第２連通孔２ｂを完全に閉塞させることはない。

例えば、このピストン機関１が上述した圧縮機であれば、第１作動流体流路６は作動流体動作室５で生成された高圧の作動流体の排出通路となり、第２作動流体流路７は作動流体動作室５への作動流体の供給通路となる。一方、このピストン機関１が上述した膨張機であれば、第１作動流体流路６は作動流体動作室５への高圧の作動流体の供給通路となり、第２作動流体流路７は膨張後の作動流体の排出通路となる。

更に、このピストン機関１には、シリンダ２の内周面とピストン４の外周面との間の微小隙間ｇに形成された流体潤滑膜でピストン４をシリンダ２に対して浮上させる（即ち、ピストン４を非接触状態で軸支する）静圧軸受９が設けられている。具体的に、この静圧軸受９とは、高圧の軸受流体を微小隙間ｇに噴出させ、発生した静圧でピストン４をシリンダ２に対して浮上させるものであり、ピストン４が往復運動する際の摺動抵抗を低減するものである。

本実施例１にあっては、作動流体動作室５における高圧の作動流体をピストン４の内部に導入し、その高圧の作動流体をピストン４の周壁の複数の孔から微小隙間ｇに噴出させることによって静圧軸受９を構成する。即ち、本実施例１にあっては、その作動流体動作室５における高圧の作動流体が静圧軸受９を形成する為の上述した高圧の軸受流体として利用される。例えば、このピストン機関１が上述した圧縮機であれば、作動流体動作室５で生成された高圧の作動流体をピストン４の内部に導入し、また、このピストン機関１が上述した膨張機であれば、第１作動流体流路６から作動流体動作室５に供給された高圧の作動流体をピストン４の内部へと導入する。

そこで、本実施例１のピストン４においては、作動流体動作室５における高圧の作動流体を高圧の軸受流体として利用する為に、その作動流体動作室５における高圧の作動流体をピストン４の内部へと導入する高圧作動流体導入部１０と、その導入された高圧の作動流体を保持する蓄圧室１１と、この蓄圧室１１における高圧の作動流体を微小隙間ｇへと噴出させる高圧軸受流体供給孔１２，１３とが設けられている。

先ず、その高圧作動流体導入部１０は、図２及び図３に示す如く、ピストン４の頂面の略中央に設けて作動流体動作室５とピストン４の内部（具体的には蓄圧室１１）とを連通させる。これにより、この高圧作動流体導入部１０は、作動流体動作室５における高圧の作動流体を蓄圧室１１へと導入することができる。

ここで、その高圧作動流体導入部１０が単なる貫通孔であるとすると、作動流体は、作動流体動作室５から蓄圧室１１へと流入（順流）する一方、作動流体動作室５が低圧になった際に蓄圧室１１から作動流体動作室５へも流入（逆流）してしまう。仮に、そのような逆流が起きると、蓄圧室１１が減圧されてしまうので、微小隙間ｇにおける静圧を十分に発生させることができなくなってしまう。

これが為、その高圧作動流体導入部１０は、作動流体動作室５から蓄圧室１１へと作動流体が流入する一方、蓄圧室１１から作動流体動作室５への逆流を抑止し得るように構成する。即ち、この高圧作動流体導入部１０は、順流時と比して、逆流時には著しく流路抵抗が増大するよう構成する。

例えば、本実施例１にあっては、その高圧作動流体導入部１０を下記の如き流体素子で構成する。

この流体素子は、図４に示す如く、作動流体動作室５側の開口部１０ａの曲率Ｒ１が蓄圧室１１側の開口部１０ｂの曲率Ｒ２よりも相対的に大きく形成されている。その蓄圧室１１側の開口部１０ｂの曲率Ｒ２は、極めて小さく設定し、限りなく０に近くすることが好ましい。ここで、作動流体動作室５側の開口部１０ａは、突起のない滑らかな表面に形成する一方、蓄圧室１１側の開口部１０ｂは、蓄圧室１１に向けて高さｈの突起を突出させる。また、蓄圧室１１側の開口１０ｂ₁の端面１０ｂ₂は、通路１０ｃの軸線方向となす角度θを鋭角に形成する。これにより、作動流体は、作動流体動作室５側の開口１０ａ₁からは蓄圧室１１へと滑らかに流れ込むが、蓄圧室１１側の開口１０ｂ₁からは作動流体動作室５へと流出し難くなる。これが為、ピストン４の往復運動に伴って蓄圧室１１内に蓄えられる作動流体の圧力（以下「蓄圧室内圧力」という。）Ｐは増加し、一定の値に漸近する。

尚、高圧作動流体導入部１０は、流体素子に替えて逆止弁を用いて構成してもよい。

また、上述した蓄圧室１１は、図３に示す如く、ピストン主体４ａと、このピストン主体４ａの内壁面との間に空間を形成する仕切り部材４ｂとにより構成される。本実施例１にあっては、その仕切り部材４ｂによって、ピストン頂部４ｔ側からピストン裾部４ｓ側までを１つの空間とする蓄圧室１１を形成する。

続いて、上述した高圧軸受流体供給孔１２，１３について説明する。

ここで、上述したが如く蓄圧室内圧力Ｐは一定であるので、その高圧軸受流体供給孔１２，１３の数量が多いほど、ピストン４をシリンダ２に対して浮上させる力が大きくなる。

そこで、本実施例１にあっては、図１に示す如く、ピストン頂部４ｔ側とピストン裾部４ｓ側とに分けて夫々に複数の高圧軸受流体供給孔１２，１３を設ける。例えば、ピストン主体４ａの周壁で且つピストン頂部４ｔ側には２つの高圧軸受流体供給孔（以下「頂部側高圧軸受流体供給孔」という。）１２を形成し、ピストン主体４ａの周壁で且つピストン裾部４ｓ側には３つの高圧軸受流体供給孔（以下「裾部側高圧軸受流体供給孔」という。）１３を形成している。

具体的に、図５及び図６を用いて上記の頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３を詳述する。その図５は頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３の断面図であり、その図６は微小隙間ｇ側から見た頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３の平面図である。

本実施例１の頂部側高圧軸受流体供給孔１２（裾部側高圧軸受流体供給孔１３）は、蓄圧室１１側のオリフィス１２ａ（１３ａ）と、このオリフィス１２ａ（１３ａ）よりも大径の微小隙間ｇ側の拡大部１２ｂ（１３ｂ）とで構成される。

これが為、蓄圧室１１における高圧の作動流体は、オリフィス１２ａ（１３ａ）を通って拡大部１２ｂ（１３ｂ）で拡がり、シリンダ２の内周面とピストン４の外周面との間の微小隙間ｇに噴出されて、ピストン４をシリンダ２に対して浮上させる。即ち、その微小隙間ｇに流体潤滑膜としての高圧の作動流体が供給されて静圧が発生し、ピストン４がシリンダ２に対して浮上する。

ここで、その拡大部１２ｂ（１３ｂ）は、微小隙間ｇにおける高圧の作動流体を溜めて蓄圧する機能を有している。これが為、ピストン４の起動時には受圧面積が大きくなり、より大きな力で安定してピストン４を浮上させることができる。

また、ピストン４が往復運動し始めた後に微小隙間ｇのクリアランスｔｃ（図３）が変化した場合には、オリフィス１２ａ（１３ａ）によって作動流体の流量が調整されるので、その微小隙間ｇのクリアランスｔｃを略一定に保つことができる。

尚、図６に示す上述したオリフィス１２ａ（１３ａ）の直径Ｄ₁と拡大部１２ｂ（１３ｂ）の直径Ｄ₂は、夫々ピストン４の仕様等に応じて適宜最適な値を設定する。また、微小隙間ｇのクリアランスｔｃについても同様に適宜最適な値（例えば、１５μｍ〜３０μｍ程度）を設定する。

更に、本実施例１にあっては、２つの頂部側高圧軸受流体供給孔１２と３つの裾部側高圧軸受流体供給孔１３をピストン４に設けているが、必ずしもかかる態様に限定するものではない。例えば、頂部側高圧軸受流体供給孔１２や裾部側高圧軸受流体供給孔１３は少なくとも１つ設けていればよく、また、頂部側高圧軸受流体供給孔１２又は裾部側高圧軸受流体供給孔１３の何れか一方のみをピストン４に形成してもよい。

ところで、本実施例１のピストン機関１は上述したが如くシリンダ２の周壁に第２連通孔２ｂと第２作動流体流路７を備えているので、ピストン４の外周面における所定の部位が第２連通孔２ｂと重なり合って表出（第２作動流体流路７が無いものと仮定）し、この第２連通孔２ｂを介して第２作動流体流路７の内部空間と接している。一方、ピストン４はシリンダ２内で往復運動するので、その所定の部位はピストン４のシリンダ２内での位置に応じて変わる。例えば、ピストン４の外周面上における往復運動時の第２連通孔２ｂと重なる全範囲は、図７に示す重合範囲Ｓの如く表される。

これが為、その重合範囲Ｓ内に上述した頂部側高圧軸受流体供給孔１２や裾部側高圧軸受流体供給孔１３を設けると、その頂部側高圧軸受流体供給孔１２又は裾部側高圧軸受流体供給孔１３と第２作動流体流路７とが連通してしまい、微小隙間ｇに発生している静圧が抜けてしまう。

そこで、本実施例１の頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３は、上述した重合範囲Ｓから外れた位置に設ける。これにより、ピストン４が往復運動しても頂部側高圧軸受流体供給孔１２及び裾部側高圧軸受流体供給孔１３は第２作動流体流路７と連通しないので、微小隙間ｇに発生している静圧を保持することができ、その微小隙間ｇにおける静圧軸受９の機能が損なわれ、シリンダ２とピストン４とが接触して摩擦損失が大幅に増加する、という事態を回避することができる。

例えば、本実施例１にあっては、図７に示す如く、その重合範囲Ｓの周方向における両端から夫々に間隔を設けて頂部側高圧軸受流体供給孔１２を形成する。

一方、本実施例１の裾部側高圧軸受流体供給孔１３は、ピストン４が上死点に到達した場合でも、その軸線方向（即ち、ピストン４の往復運動方向）において重合範囲Ｓと重ならない高さに配置されている。これが為、本実施例１にあっては、ピストン４の周方向における位置を特に規制することなく裾部側高圧軸受流体供給孔１３を形成することができる。

尚、その裾部側高圧軸受流体供給孔１３が軸線方向において重合範囲Ｓと重なる高さに配置されるのであれば、上述した頂部側高圧軸受流体供給孔１２と同様に、重合範囲Ｓの周方向における両端から離れた位置に裾部側高圧軸受流体供給孔１３を形成すればよい。

以上示した如く、本実施例１のピストン機関１によれば、ピストン４とシリンダ２との間に上述した静圧軸受９が形成されるので、その静圧軸受９によってピストン４を非接触状態でシリンダ２に軸支することができる。これが為、ピストン４とシリンダ２との間の摺動抵抗は極めて低くなり、その間の摩擦損失，即ち、ピストン４が往復運動する際の摩擦損失を潤滑油無しで低減することができる。

尚、本実施例１にあっては作動流体動作室５における高圧の作動流体を静圧軸受９形成用の高圧の軸受流体として利用したが、必ずしもこれに限定するものではない。例えば、コネクティングロッド３やクランクシャフト（図示略）等の他の場所から高圧の軸受流体を蓄圧室１１へと供給し、その高圧の軸受流体によって静圧軸受９を形成してもよい。

また、本実施例１にあってはピストン４とシリンダ２との間の潤滑油を不要とするが、例えば、始動時や停止時等の静圧軸受９としての機能が十分に発揮されない場合の摺動抵抗を低減する為に、シリンダ２の内壁面に固定潤滑剤等を付してもよい。

ここで、かかる摩擦損失の低減効果を維持する為には、静圧軸受９が形成された状態を保つ，即ち、微小隙間ｇにおける静圧を保持する必要があり、仮にその静圧を保持することができなければ、従来以上の摩擦損失が発生し、最悪の場合にはピストン４とシリンダ２との間で焼き付きが生じてしまう。

しかしながら、本実施例１のピストン機関にあっては、上述した重合範囲Ｓから外れた位置に頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３を設けているので、第２作動流体流路７からの静圧の抜けを抑止することができ、ピストン４の往復運動に影響されることなく微小隙間ｇの静圧を保持することができる。これが為、本実施例１のピストン機関においては、静圧軸受９の性能を安定させることができ、上述した摩擦損失の低減効果を維持し、更に、ピストン４等の焼き付きを有効に抑止することができる。

次に、本発明に係るピストン機関の実施例２を図１，図８及び図９に基づいて説明する。

本実施例２のピストン機関２１は、前述した実施例１のピストン機関１において、ピストン主体２４ａに形成される頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３の数量を変更したもの，即ち、実施例１のピストン４を以下に示す如きピストン２４へと変更したものである。以下、本実施例２のピストン２４について図８及び図９を用いて詳述する。ここで、その図８は図１のＹ−Ｙ線で切ったピストン機関２１の断面図であり、図９は図１のＺ−Ｚ線で切ったピストン機関２１の断面図である。

ここで、本実施例２のピストン２４は、実施例１と同様に、そのピストン主体２４ａの外周面とシリンダ２の内周面との間の微小隙間ｇに静圧軸受９が設けられている。

そこで、本実施例２のピストン２４には、図８及び図９に示す如く、実施例１と同様に、高圧作動流体導入部１０（図示略），蓄圧室１１，頂部側高圧軸受流体供給孔１２及び裾部側高圧軸受流体供給孔１３が設けられている。

具体的に、本実施例２のピストン２４には、実施例１のピストン４と同様のピストン主体２４ａ及び仕切り部材２４ｂが備えられており、そのピストン主体２４ａと仕切り部材２４ｂとにより囲まれた空間部分に実施例１と同様の蓄圧室１１が形成されている。また、このピストン２４の頂面の略中央には、その蓄圧室１１と作動流体動作室５とを連通させて、その作動流体動作室５から高圧の作動流体を蓄圧室１１へと導入する実施例１と同様の高圧作動流体導入部１０（図示略）が形成されている。

一方、本実施例２にあっては、実施例１と同様のオリフィス１２ａ，１３ａと拡大部１２ｂ，１３ｂとからなる頂部側高圧軸受流体供給孔１２及び裾部側高圧軸受流体供給孔１３の数を実施例１に対して夫々増量している。

先ず、本実施例２の頂部側高圧軸受流体供給孔１２は、実施例１のピストン４と同様の位置に２つ形成され、更に、その夫々の位置から図８に示す中心軸ＣＬを中心にして反対側にも夫々形成されている。即ち、本実施例２にあっては、ピストン２４の中心軸ＣＬを中心として対称に４つの頂部側高圧軸受流体供給孔１２がピストン主体２４ａへと形成される。

これにより、本実施例２にあっては、蓄圧室１１に供給された高圧の作動流体が微小隙間ｇの頂部側にて均等に噴出されるので、その微小隙間ｇの頂部側の周方向全体に均等な静圧が発生する。

また、本実施例２の裾部側高圧軸受流体供給孔１３についても、実施例１のピストン４と同様の位置に３つ形成され、更に、その夫々の位置から中心軸ＣＬを中心にして反対側にも夫々形成されている。即ち、本実施例２にあっては、その６つの裾部側高圧軸受流体供給孔１３についても、ピストン２４の中心軸ＣＬを中心として対称となる位置に形成される。

これにより、本実施例２にあっては、蓄圧室１１に供給された高圧の作動流体が微小隙間ｇの裾部側にて均等に噴出されるので、その微小隙間ｇの裾部側の周方向全体に均等な静圧を発生させる。

このように、本実施例２のピストン機関２１においては、ピストン２４の中心軸ＣＬを中心として対称に頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３とを夫々設けているので、微小隙間ｇの周方向全体に均等な静圧を発生させることができる。これが為、このピストン機関２１においては、微小隙間ｇのクリアランスｔｃを周方向全体で均一に保ったままピストン２４をシリンダ２に対して浮上させることができる。

以上示した如く、本実施例２のピストン機関２１によれば、均等な静圧からなる静圧軸受９をピストン２４とシリンダ２との間に形成することができるので、そのピストン２４を均一なクリアランスｔｃのままシリンダ２に非接触状態で軸支させることができる。これが為、そのクリアランスｔｃの変化に伴う摺動抵抗の増加を抑止することができ、ピストン２４とシリンダ２との間の摺動抵抗を極めて低い状態に保ち、その間の摩擦損失をより有効に低減することができる。

また、本実施例２における第２作動流体流路７側の頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３は、実施例１で示した重合範囲Ｓから外した位置に設けているので、微小隙間ｇに発生した静圧を保持することができ、静圧軸受９の性能の安定化を図ることができる。これが為、上述した摩擦損失の低減効果を維持することができ、更に、ピストン２４等の焼き付きを有効に抑止することができる。

尚、本実施例２にあっては、４つの頂部側高圧軸受流体供給孔１２と６つの裾部側高圧軸受流体供給孔１３をピストン２４に設けているが、必ずしもかかる態様に限定するものではない。例えば、中心軸ＣＬに対して対称に少なくとも１対の頂部側高圧軸受流体供給孔１２や裾部側高圧軸受流体供給孔１３を設けていればよく、また、頂部側高圧軸受流体供給孔１２又は裾部側高圧軸受流体供給孔１３の何れか一方のみをピストン２４に形成してもよい。

また、本実施例２にあっても作動流体動作室５における高圧の作動流体を静圧軸受９形成用の高圧の軸受流体として利用したが、実施例１にて説明したが如く他の場所から高圧の軸受流体を蓄圧室１１へと供給し、その高圧の軸受流体によって静圧軸受９を形成してもよい。

次に、本発明に係るピストン機関の実施例３を図１０及び図１１に基づいて説明する。

図１０の符号４１は、本実施例３のピストン機関を示す。このピストン機関４１は、図１０に示す如く、筒状のシリンダ４２と、このシリンダ４２内でコネクティングロッド３を介して往復運動するピストン４４とを備えており、そのシリンダ４２の内壁面とピストン４４の頂面とにより囲まれた空間部分には実施例１と同様の作動流体動作室５が形成され、そのピストン４４（ピストン主体４４ａ）の外周面とシリンダ４２の内周面との間の微小隙間ｇには静圧軸受９が設けられている。

先ず、本実施例３のシリンダ４２について説明する。

このシリンダ４２には、実施例１と同様に、その頂面の略中央に第１連通孔４２ａが形成されており、その第１連通孔４２ａを介して作動流体動作室５と連通する第１作動流体流路６が配設されている。ここで、その作動流体動作室５と第１作動流体流路６との連通状態は、実施例１と同様の開閉弁８によって調節される。

一方、このシリンダ４２の周壁には、実施例１とは異なり、図１１に示す如く複数の第２連通孔４２ｂが形成され、その夫々に実施例１と同様の第２作動流体流路４７が配設されている。その各第２連通孔４２ｂは、ピストン４４が下死点近傍に位置しているときに作動流体動作室５と連通し、ピストン４４が下死点近傍以外に位置しているときにピストン４４の外周面で閉塞される実施例１と同様のものであり、本実施例３にあっては、略均等な間隔で周方向に８つ形成している。尚、夫々の間隔は不均等であってもよく、また、その数量は必ずしも８つに限定するものではない。

次に、本実施例３のピストン４４について説明する。

このピストン４４には、実施例１のピストン４と同様のピストン主体４４ａ及び仕切り部材４４ｂが備えられており、そのピストン主体４４ａと仕切り部材４４ｂとにより囲まれた空間部分に実施例１と同様の蓄圧室１１が形成されている。また、このピストン２４の頂面の略中央には、その蓄圧室１１と作動流体動作室５とを連通させる実施例１と同様の高圧作動流体導入部１０（図示略）が形成されている。これが為、その作動流体動作室５における高圧の作動流体は、実施例１と同様に、高圧作動流体導入部１０を介して蓄圧室１１へと導入される。

更に、本実施例３にあっても、その蓄圧室１１における高圧の作動流体を微小隙間ｇへと噴出させる頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３とがピストン主体４４ａの周壁に形成されている。その頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３は、実施例１と同様のオリフィス１２ａ，１３ａと拡大部１２ｂ，１３ｂとで構成されている。

ここで、本実施例３にあっては、上述したが如くシリンダ４２の周壁に複数の第２連通孔４２ｂと第２作動流体流路４７が設けられている。これが為、ピストン４４（ピストン主体４４ａ）の外周面には、夫々の第２連通孔４２ｂ毎に実施例１と同様の重合範囲Ｓ（図示略）が存在する。

そこで、本実施例３の頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３とについても上述した夫々の重合範囲Ｓから外れた位置に設け、微小隙間ｇに発生する静圧の抜けを回避させる。

例えば、本実施例３にあっては、図１１に示す如く、隣り合う夫々の重合範囲Ｓの間に頂部側高圧軸受流体供給孔１２を１つずつ形成して静圧の抜けを抑止する。

また、その８つの頂部側高圧軸受流体供給孔１２は、夫々ピストン４４の中心軸ＣＬを中心にして対称となる位置に配置されている。これが為、前述した実施例２の場合と同様に、蓄圧室１１に供給された高圧の作動流体が微小隙間ｇの頂部側にて均等に噴出されるので、その微小隙間ｇの頂部側の周方向全体には均等な静圧が発生する。

一方、本実施例３の裾部側高圧軸受流体供給孔１３についても、実施例１と同様に、ピストン４４が上死点に到達した際に、その軸線方向（即ち、ピストン４４の往復運動方向）において重合範囲Ｓと重ならない高さに配置されている。これが為、本実施例３にあっても、ピストン４４の周方向における位置を特に規制することなく裾部側高圧軸受流体供給孔１３を形成することができる。

また、本実施例３の裾部側高圧軸受流体供給孔１３は、夫々ピストン４４の中心軸ＣＬを中心にして対称となる位置に複数配置されている。これが為、前述した実施例２の場合と同様に、蓄圧室１１に供給された高圧の作動流体が微小隙間ｇの裾部側にて均等に噴出されるので、その微小隙間ｇの裾部側の周方向全体には均等な静圧が発生する。

ここで、本実施例３においては、実施例２と同様の位置関係で６つの裾部側高圧軸受流体供給孔１３を設けている。

尚、その裾部側高圧軸受流体供給孔１３が軸線方向において重合範囲Ｓと重なる高さに配置されるのであれば、上述した頂部側高圧軸受流体供給孔１２と同様に、重合範囲Ｓの周方向における両端から離れた位置で且つ中心軸ＣＬを中心にして対称となる位置に裾部側高圧軸受流体供給孔１３を形成すればよい。

以上示した如く、本実施例３のピストン機関４１においても、均等な静圧からなる静圧軸受９をピストン４４とシリンダ４２との間に形成することができるので、そのピストン４４を均一なクリアランスｔｃのままシリンダ４２に非接触状態で軸支させることができる。これが為、そのクリアランスｔｃの変化に伴う摺動抵抗の増加を抑止することができ、ピストン４４とシリンダ４２との間の摺動抵抗を極めて低い状態に保ち、その間の摩擦損失をより有効に低減することができる。

また、本実施例３の頂部側高圧軸受流体供給孔１２と裾部側高圧軸受流体供給孔１３は、重合範囲Ｓから外した位置に夫々設けているので、微小隙間ｇに発生した静圧を保持することができ、静圧軸受９の性能の安定化を図ることができる。これが為、上述した摩擦損失の低減効果を維持することができ、ピストン４４等の焼き付きを有効に抑止することができる。

尚、本実施例３にあっては、８つの頂部側高圧軸受流体供給孔１２と６つの裾部側高圧軸受流体供給孔１３をピストン４４に設けているが、必ずしもかかる態様に限定するものではない。例えば、中心軸ＣＬに対して対称に少なくとも１対の頂部側高圧軸受流体供給孔１２や裾部側高圧軸受流体供給孔１３を設けていればよく、また、頂部側高圧軸受流体供給孔１２又は裾部側高圧軸受流体供給孔１３の何れか一方のみをピストン４４に形成してもよい。

また、本実施例３にあっても作動流体動作室５における高圧の作動流体を静圧軸受９形成用の高圧の軸受流体として利用したが、実施例１にて説明したが如く他の場所から高圧の軸受流体を蓄圧室１１へと供給し、その高圧の軸受流体によって静圧軸受９を形成してもよい。

以上のように、本発明に係るピストン機関は、潤滑油等を用いることなくピストンとシリンダとの間における摩擦損失を低減する技術として有用である。

本発明に係るピストン機関の実施例１，２の構成を示す部分断面図である。 図１に示す矢印Ａの方向から見た実施例１のピストン機関の上面図である。 図１に示すＸ−Ｘ線で切った実施例１のピストン機関の断面図である。 実施例１のピストン機関のピストンに形成した高圧作動流体導入部の具体的な構成について示す断面図である。 実施例１のピストン機関のピストンに形成した高圧軸受流体供給孔の具体的な構成について示す断面図である。 実施例１のピストン機関のピストンに形成した高圧軸受流体供給孔の具体的な構成について示す平面図である。 実施例１のピストンの外周面とシリンダの第２連通孔との重合範囲について説明する説明図である。 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、図１に示すＹ−Ｙ線で切った断面図である。 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、図１に示すＺ−Ｚ線で切った断面図である。 本発明に係るピストン機関の実施例３の構成を示す部分断面図である。 図１０に示すＩ−Ｉ線で切った実施例３のピストン機関の断面図である。

符号の説明

１，２１，４１ ピストン機関
２，４２ シリンダ
２ａ，４２ａ 第１連通孔
２ｂ，４２ｂ 第２連通孔
４，２４，４４ ピストン
４ａ，２４ａ，４４ａ ピストン主体
４ｂ，２４ｂ，４４ｂ 仕切り部材
５ 作動流体動作室
６ 第１作動流体流路
７，４７ 第２作動流体流路（サイドポート）
９ 静圧軸受
１０ 高圧作動流体導入部
１１ 蓄圧室
１２ 頂部側高圧軸受流体供給孔
１３ 裾部側高圧軸受流体供給孔
１２ａ，１３ａ オリフィス
１２ｂ，１３ｂ 拡大部
ＣＬ 中心軸
ｇ 微小隙間
Ｓ 重合範囲

Claims (2)

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、前記ピストンの前記シリンダ内における位置に応じて前記作動流体動作室に前記シリンダの周壁の連通孔を介して連通する作動流体流路と、前記ピストンと前記シリンダとの間の微小隙間に当該ピストンの周壁の高圧軸受流体供給孔から高圧の軸受流体を供給してなる静圧軸受とを備え、
   前記高圧軸受流体供給孔を前記ピストンの往復運動時に前記連通孔と重ならない位置へと形成したことを特徴とするピストン機関。
2. 前記高圧の軸受流体として前記作動流体動作室における高圧の作動流体を用いることを特徴とした請求項１記載のピストン機関。

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