JP2006291902A - ピストン機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において、ピストンに対する加工を最小限に抑えること。
【解決手段】このピストン機関１は、シリンダ２内をピストン３が往復運動するピストン機関である。このピストン機関１は、シリンダ２の一端が接続されるクランクケース４と、シリンダ２に設けられる作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃと、両者を接続する連通通路１２とを備える。そして、ピストン３が中立位置、すなわちピストン３のストロークの中心位置にあるときには、作動空間開口部１３ｓが作動空間２Ｉに開口し、また、クランクケース開口部１３ｃはクランクケース内部空間４Ｉに開口する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリンダ内をピストンが往復するピストン機関に関する。

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の熱機関として、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。特許文献１には、冷熱の発生を目的としたスターリングエンジンが開示されている。これは、ピストンに空気流通通路を設け、ピストンが釣り合い位置にきたときに、作動空間とピストン背面空間とが前記空気流通通路を通じて連通し、ピストンの往復運動時における中心位置を安定化するスターリングエンジンである。

特開２００２−１３０８５３号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、ピストンに空気流通通路を設けるため、ピストンに加工が必要となる。排熱回収を目的として用いられる熱機関では、内燃機関の排ガスのような低質の熱源を用いるため、熱機関の内部摩擦を低減しないと、熱源から取り出される動力は極めて少なくなるか、あるいは動力を取り出すことができない。このため、このような目的に用いる熱機関では、ピストンとシリンダとの間に空気軸受を設けたり、薄肉のピストンを用いて軽量化したりして、機関効率の向上を図っている。

特許文献１に開示された技術では、ピストン表面に空気流通通路を設けるため、ピストンの表面に加工が必要である。このため、薄肉化したピストンの表面には空気流通通路の加工が困難であり、また、ピストンの表面に空気流通通路を設けると、空気軸受の機能に影響を与える。また、熱機関において、シリンダの一端が接続されるケース体（例えばクランクケース）を加圧するとともに、熱機関の負荷に応じて、ケース体の内圧を変化させる技術があるが、作動空間内の圧力の応答速度が遅いという問題がある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において、ピストンに対する加工を最小限に抑えること、ケース体の内圧変化に対する作動空間内の圧力の応答速度を向上させることのうち少なくとも一つを達成できるピストン機関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機関は、シリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関であって、前記シリンダの一端が接続されるケース体と、前記シリンダ内の作動空間に設けられる作動空間開口部、及び前記ケース体の内部空間に設けられるケース体開口部と、前記作動空間開口部と前記ケース体開口部とを接続する連通通路と、を含み、前記ピストンが予め定めた特定位置にあるときには、前記作動空間開口部及び前記ケース体開口部の両方が同時に開口して、前記作動空間と前記ケース体の内部空間とが連通することを特徴とする。

次の本発明に係るピストン機関は、所定の位相差をもって往復運動する一対のピストンを備えるピストン機関であって、前記ピストンの上死点側における特定位置において、前記ピストンが内部を往復運動するシリンダ内の作動空間と、前記シリンダの一端が接続されるケース体の内部空間とを連通させる第１連通通路と、前記ピストンの下死点側における特定位置において、前記ピストンが内部を往復運動するシリンダ内の作動空間と前記ケース体の内部空間とを連通させる第２連通通路と、を含むことを特徴とする。

次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記第１連通通路と前記第２連通通路とは、それぞれ異なる前記ピストンに対して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機関は、前記ピストン機関において、前記第１連通通路と前記第２連通通路とは、同一の前記ピストンに対して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機関は、前記ピストン機関において、前記第１連通通路には、前記ケース体の内部空間から前記作動空間へ向かう気体の流れのみを許容し、前記作動空間から前記ケース体の内部空間へ向かう気体の流れを遮断する第１逆流防止手段が備えられ、前記第２連通通路には、前記作動空間から前記ケース体の内部空間へ向かう気体の流れのみを許容し、前記ケース体の内部空間から前記作動空間へ向かう気体の流れを遮断する第２逆流防止手段が備えられることを特徴とする。

次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記特定位置は、前記ピストン機関の定常運転時において、前記シリンダ内の作動空間内における圧力と前記ケース体の内部における平均圧力とが一致するときの前記ピストンの位置であることを特徴とする。

次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記特定位置よりも進角側で、前記作動空間開口部及び前記ケース体開口部の両方が同時に開口して、前記作動空間と前記ケース体の内部空間とが連通することを特徴とする。

この発明によれば、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において、ピストンに対する加工を最小限に抑えること、ケース体の内圧変化に対する作動空間内の圧力の応答速度を向上させることのうち少なくとも一つを達成できる。

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、ピストン機関の一例として熱機関であるスターリングエンジンを取り上げるが、この発明を適用できるピストン機関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機関は、ピストンが予め定めた特定位置にあるときには、前記作動空間に開口する作動空間開口部、及び前記ケース体の内部空間に開口するケース体開口部と、前記作動空間開口部と前記ケース体開口部とを接続する連通通路とを備える点に特徴がある。ピストンの特定位置は、ピストン機関の定常運転時において、シリンダ内の作動空間内における圧力と前記ケース体の内部における平均圧力とが一致するときのピストンの位置である。例えば、ピストンの中立位置がこれに相当する。なお、「一致」には、完全な一致のみならず、ピストン機関の設計や製造上含まれる誤差を考慮したばらつきは含まれる趣旨である。

図１は、この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。この実施例に係るピストン機関１は、いわゆるディスプレーサ型のスターリングエンジンである。なお、この発明が適用できるスターリングエンジンの形式は、ディスプレーサ型に限られない。このピストン機関１は熱機関であり、例えば、内燃機関とともに車両に搭載されて、内燃機関から排出される排ガスを熱源として駆動する。すなわち、この実施例において、ピストン機関１は、内燃機関の排熱回収装置として用いられる。

ピストン機関１が備えるディスプレーサ７は、ディスプレーサシリンダ７Ｔと、この内部を往復運動するディスプレーサピストン７Ｐと、ヒータ７Ｈ、再生器７Ｒ及び冷却器７Ｃで構成される熱交換器７ＨＥとを備える。ディスプレーサシリンダ７Ｔ、及び熱交換器７ＨＥ内には、ピストン機関１の作動流体（この実施例では気体であり、空気）が満たされている。ディスプレーサシリンダ７Ｔは、ディスプレーサピストン７Ｐによって熱交換器７ＨＥのヒータ７Ｈ側の空間（高温空間）と、冷却器７Ｃ側の空間（低温空間）とに仕切られる。そして、冷却器７Ｃ側の空間と、シリンダ２とは作動流体通路８で接続されており、ディスプレーサシリンダ７Ｔ内の作動流体がシリンダ２内の作動空間２Ｉへ導かれる。ここで、シリンダ２内の空間であって、ピストン３とシリンダヘッド２ｈとの間に形成される空間は作動空間２Ｉである。

ヒータ７Ｈには内燃機関の排ガスが供給されて加熱される。ディスプレーサピストン７Ｐは、ディスプレーサコネクティングロッド７Ｋによってクランク軸５に連結されており、ピストン３と所定の位相差で往復運動するように構成される。ピストン機関１は、シリンダ（パワーシリンダ）２と、シリンダ２内を往復運動するピストン（パワーピストン）３と、ピストン３の往復運動を回転運動に変換するクランク軸５と、ピストン３とクランク軸５とを連結するコネクティングロッド６と、ケース体であるクランクケース４とを備える。クランクケース４は、クランク軸５を内部に回転可能に支持して格納する。シリンダ２は、一端がクランクケース４と接続されている。そして、ピストン機関１が内燃機関の排熱を回収することによって生み出した出力は、クランク軸５から取り出される。

なお、この実施例に係るピストン機関１は、ピストン３の往復運動が、クランク軸５によって回転運動に変換されるが、ピストン３の往復運動をそのまま出力として取り出すようなピストン機関であってもよい。例えば、この実施例に係るピストン機関は、ピストン３の往復運動を、リニアモータを発電機として利用することによって取り出すようなピストン機関であってもよい。

このピストン機関１は、圧力調整手段によってクランクケース４内が加圧される。ここで、この実施例においてクランクケース４内を加圧する気体は、ピストン機関１の作動流体（この実施例では空気）と同じ種類の気体である。この実施例に係るピストン機関１が備える圧力調整手段は、圧力供給装置１１と、切替弁９とを含んで構成される。圧力供給装置１１には、例えばコンプレッサや高圧の気体を蓄えた蓄圧ボンベ等を用いることができる。切替弁９には、圧力供給装置１１と加圧気体通路１０とが接続されている。加圧気体通路１０は、ピストン機関１のクランクケース４に接続されている。

切替弁９は、圧力供給装置１１とクランクケース４内との連通、及びクランクケース４内と大気との連通を切り替えることができる。クランクケース内圧力Ｐｃを増加させたい場合、切替弁９は、圧力供給装置１１とクランクケース４内とを連通させる。すると、圧力供給装置１１から切替弁９及び加圧気体通路１０を通ってクランクケース４内へ気体が供給される。これによって、クランクケース内圧力Ｐｃが増加する。クランクケース内圧力Ｐｃを低下させたい場合、切替弁９は、クランクケース４内と大気とを連通させる。すると、クランクケース４内の気体は、加圧気体通路１０及び切替弁９を通って大気中へ放出される。これによって、クランクケース４内の圧力が低下する。これによって、ピストン機関１の起動、停止時や、ピストン機関１の負荷に応じて、クランクケース内の平均圧力（以下平均クランクケース内圧力）Ｐｃｍを変更できる。

図１に示すように、ピストン３は、シリンダ２内に空気軸受ＧＢを介して浮いた状態で支持されている。空気軸受ＧＢを構成するために、ピストン３とシリンダ２との間隔は、ピストン３及びシリンダ２の全周にわたって数十μｍ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３をシリンダ２内で往復運動させる構造である。これによって、ピストン３とシリンダ２との摩擦を低減して、ピストン機関１の熱効率を向上させることができる。また、ピストン３とシリンダ２との摩擦を低減することにより、内燃機関から排熱を回収するような低温度差の運転条件下においてもピストン機関１を運転することができる。

図２は、この実施例に係るピストン機関の作動空間内における作動流体の時間に対する圧力変化を示す説明図である。図２に示すように、ピストン機関１の作動空間２Ｉ内における作動流体の圧力（以下作動空間内圧力）Ｐｓは、ピストン３の往復運動にともなって変化する。ここで、作動空間内圧力Ｐｓの平均値（平均作動空間内圧力）Ｐｓｍは、定常状態になると平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとほぼ等しくなる。ここで、ピストン機関１の起動、停止時や、ピストン機関１の負荷に応じてクランクケース内圧力Ｐｃが変更されて、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍは変化する。このため、平均作動空間内圧力Ｐｓｍは、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍに追従して変化する。なお、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍは、クランクケース４の内部空間（以下クランクケース内部空間）４Ｉにおける平均圧力である。

従来のクランクケース４内を加圧する形式のピストン機関１においては、平均作動空間内圧力Ｐｓｍが平均クランクケース内圧力Ｐｃｍに追従して変化する応答速度が低い。このため、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍを急速に増加させると、コネクティングロッド６やクランク軸５といったピストン機関１の運動系を構成する部品に想定外の過大な荷重が作用するおそれがあった。したがって、従来のクランクケース４内を加圧する形式のピストン機関１においては、極めて遅い速度で平均クランクケース内圧力Ｐｃｍを増加させる必要があった。

これを回避するため、この実施例に係るピストン機関１は、図１に示すように、ピストン３が予め定めた特定位置にあるときには、作動空間２Ｉとクランクケース４内とを連通させる連通通路１２を備える。そして、ピストン３が特定の位置にきたときに作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させて、両空間内の気体を迅速に移動させる。

これによって、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍの変化に対する平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度を向上させることができる。また、平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度が向上するので、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍを変化させたときにおいて、ピストン機関１の運動系を構成する部品に作用する荷重を、想定される荷重の範囲内に、ほぼ収めることができる。なお、連通通路の数は１本に限定されるものではなく、シリンダ２の周方向に対して複数設けてもよい。次に、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させる手法について説明する。なお、次の説明においては、適宜図１、図２を参照されたい。

図３は、この実施例に係るピストン機関が備えるピストンの変位量とクランク軸の回転角度との関係を示す説明図である。図３では、ピストン３の変位をＹ_Pで表し、ピストン３の中立位置、ピストン３に作用する加速度が０になる位置におけるピストン３の変位Ｙ_P及びクランク軸５の回転角度（以下クランク角度）ＣＡを０とする。ピストン機関１が備えるピストン３はシリンダ２内を往復運動するので、図３に示すように、クランク角度ＣＡの増加にともなって、ピストン３の変位Ｙ_Pは正弦波状に変化する。

この実施例においては、ピストン３が予め定めた特定位置にあるとき、すなわち、ピストン機関１の定常運転において、作動空間内圧力Ｐｓが平均クランクケース内圧力Ｐｃｍと等しくなるときのピストン３の位置にあるときに、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させる。これは、正弦波状に変化する作動空間内圧力Ｐｓと、ほぼ一定の値で推移する平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとが交差する箇所に相当する（図２参照）。このようにすることで、ピストン機関１の定常運転時において作動空間２Ｉ内とクランクケース４内とが連通しても、作動空間２Ｉ内の圧力と、クランクケース内部空間４Ｉの圧力とは釣り合いがとれているので、両者の間で気体の移動はほとんど発生しない。

一方、図２に示すように、例えば、ピストン機関１の負荷が変動して平均クランクケース内圧力をＰｃｍ'に変更した場合、作動空間２Ｉ内とクランクケース内部空間４Ｉとが連通すると、両者の圧力の差圧によって気体が連通通路１２を流れる。これによって、作動空間２Ｉ内とクランクケース内部空間４Ｉとの間に気体の移動が発生する。作動空間２Ｉ内とクランクケース内部空間４Ｉとの連通時に発生するこの気体の移動は、平均作動空間内圧力Ｐｓｍが平均クランクケース内圧力Ｐｃｍと等しくなるまで継続する。連通通路１２を流れる気体の流量は、空気軸受ＧＢを通過する気体の流量よりも十分に大きいので、平均作動空間内圧力Ｐｓｍは、変化後の平均クランクケース内圧力Ｐｃｍ'へ速やかに変化する。

なお、ピストン機関１が定常運転をしているときに、作動空間内圧力Ｐｓが平均クランクケース内圧力Ｐｃｍと等しくなるピストン３の位置は、中立位置である。すなわち、ＴＤＣ（Top Dead Center：上死点）あるいはＢＤＣ（Bottom Dead Center：下死点）前後の概略π／２（９０度）の位置である（図３）。なお、ピストン３の中立位置は、ピストン３のストロークの中心位置でもある。

ここで、図１に示すように、連通通路１２はシリンダ２及びクランクケース４の外部に設けられ、かつ作動空間２Ｉに設けられた作動空間開口部１３ｓとクランクケース４に設けられたクランクケース開口部（ケース体開口部）１３ｃとを接続する。このピストン機関１は、シリンダ２及びクランクケース４の外部に連通通路１２を設けるので、ピストン３の側面等に余分な加工をする必要はない。この実施例に係るピストン機関１は、ピストン３を空気軸受ＧＢ（図１）によって支持するが、ピストン３の側面等に対する加工が不要になるため、空気軸受の負荷能力に与える影響を最小限にできる。また、ピストン３に余分な加工が不要になる結果、ピストン３のバランスも合わせやすくなる。

作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとは、ピストン機関１が定常運転をしている場合において、作動空間内圧力Ｐｓが平均クランクケース内圧力Ｐｃｍと等しくなる時期（すなわちピストン３が中立位置にきたとき）に、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させるように、開口位置が決定される。なお、作動空間開口部１３ｓ及びクランクケース開口部１３ｃの開口部形状は、一般には円形であるが、これに限定されるものではない。例えば、楕円形でもよいし、四角形や三角形等の多角形でもよい。前記開口部形状は、連通通路１２やピストン機関１の仕様に応じて、適宜設定することができる。

なお、作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとの開口位置は、ピストン３の運動方向におけるピストン長さｌｐにも依存する。すなわち、作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとの最大開口間隔ｌｃがピストン長さｌｐよりも小さい場合には、ピストン３が中立位置にきたときであっても作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとは連通しない。したがって、前記最大開口間隔ｌｃは、ピストン長さｌｐよりも大きくする必要がある。ここで、作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとの最大開口間隔ｌｃとは、ピストン３の運動方向における作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとの最大間隔をいう。

上記構成により、ピストン３がその中立位置近傍に移動してくると、作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとが連通通路１２によって連通する。これによって、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍが変化した場合には、平均作動空間内圧力Ｐｓｍが、変化後の平均クランクケース内圧力Ｐｃｍと同じ値へ、迅速に変化する。ピストン３が中立位置近傍からさらに移動すると、作動空間開口部１３ｓ又はクランクケース開口部１３ｃのいずれか一方がピストン３によって閉じられるので、作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとは非連通となる。これによって、必要以上に気体が移動することを抑制できる。このように、このピストン機関１では、ピストン３によって、作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとを開閉する。このため、作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとは、ピストン３のストロークの範囲内に配置される。

連通通路１２は、ある程度の長さを有しており、また、作動空間２Ｉやクランクケース４内の気体には慣性がある。したがって、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとの連通期間が短い場合、両空間で十分な気体の移動が発生せず、平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度が低下するおそれがある。これを回避するため、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとの連通開始時期を、ピストン３の中立位置に相当する時期よりも早くしてもよい。すなわち、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとを、ピストン３の特定位置、すなわちピストン３の中立位置よりも進角側で連通させてもよい。図３に示す例においては、ピストン３が一往復する間に、クランク角度ＣＡ＝０、πで、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとが連通する。例えば、クランク角度ＣＡ＝０のときにはΔθ₁だけ早く、クランク角度ＣＡ＝πのときにはΔθ₂だけ早く作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させる。

このように、ピストン３の中立位置よりも早い時期（進角側）で作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させることにより、連通時間が長くなるので、連通通路１２内を気体が移動する時間を確保できる。これによって、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとで必要十分な気体を移動させて、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍの変化に対する平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度を向上させることができる。

なお、連通開始時期が、ピストン３の中立位置よりも早くなりすぎると（過進角）、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとの間で必要以上に気体が移動する結果、ピストン機関１の動作やピストン機関１の運動系構成部品に影響を与えるおそれがある。したがって、連通開始時期は、このような影響が許容範囲に抑えられる範囲内で決定する。例えば、ピストン機関１の運動系構成部品に作用する荷重が許容できる範囲で、連通開始時期を早くする。上記Δθ₁とΔθ₂とは、このような観点から決定されるものであり、両者は同じ値でもよいし、異なる値でもよい。

（変形例）
図４は、この実施例に係るピストン機関の変形例を示す説明図である。このピストン機関１ａは、上記実施例に係るピストン機関１と略同様の構成であるが、ピストン３ａの側面に設けたピストン開口部１４を通して、作動空間２Ｉとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させる点が異なる。このピストン機関１ａも、上記ピストン機関１と同様の作用、効果を奏する。また、このピストン機関１ａが備えるピストン３ａは、側面にピストン開口部１４が形成されるが、この加工は単なる穿孔加工なので、容易に加工できる。また、ピストン３ａの加工は必要最小限で済むので、空気軸受の負荷能力に与える影響を最小限にできる。

上記実施例に係るピストン機関１では、ピストン３のピストン長さｌｐよりも、作動空間開口部１３ｓとクランクケース開口部１３ｃとの最大開口間隔ｌｃが大きい必要があった。しかしこの変形例に係るピストン機関１ａは、ピストン開口部１４が、作動空間開口部１３ｓ又はクランクケース開口部１３ｃのいずれか一方と重なったときに、他方が作動空間２Ｉ又はクランクケース内部空間４Ｉに開口していればよい。このため、前記最大開口間隔ｌｃを、上記実施例に係るピストン機関１よりも小さくできる。

特に、ピストン開口部１４をピストン長さｌｐの中間に設ければ、前記最大開口間隔ｌｃは、上記実施例に係るピストン機関１の半分程度にすることができる。これによって、連通通路１２の長さを短くできるので、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍの変化に対する平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度をより向上させることができる。また、シリンダ２等の外側に配置する連通通路１２の長さを短くできるので、ピストン機関１ａの外径寸法をその分コンパクトにできる。

以上、この実施例及び変形例に係るピストン機関は、このピストン機関１は、シリンダ２及びクランクケース４の外部に連通通路１２を設けるので、ピストン３の側面等に余分な加工をする必要はない。また、ピストンの中立位置近傍で、作動空間とクランクケース内部空間とを連通させる。これによって、平均クランクケース内圧力の変化に対する平均作動空間内圧力の応答速度を向上させることができる。また、余分な気体の移動を最小限に抑えることができるので、ピストン機関の運転や運動系構成部品に与える影響を最小限に抑えることができる。なお、この実施例及び変形例で開示した構成と同様の構成を備えるものは、この実施例及びその変形例の同様の作用、効果を奏する。また、この実施例及び変形例で開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。

実施例２に係るピストン機関は、実施例１に係るピストン機関と略同様の構成であるが、ディスプレーサを有さない、いわゆるα型のスターリングエンジンである点が異なる。
まず、この実施例に係るピストン機関の構成について簡単に説明する。

図５は、この実施例に係るピストン機関を示す説明図である。この実施例に係るピストン機関１ｂは、いわゆるα型のスターリングエンジンである。ピストン機関１ｂは、高温側シリンダ（第１シリンダ）２Ｈと、この内部に収められて往復運動する高温側ピストン（第１ピストン）３Ｈと、高温側ピストン３Ｈの往復運動をクランク軸５へ伝達する高温側コネクティングロッド６Ｈとを含む。また、ピストン機関１ｂは、低温側シリンダ（第２シリンダ）２Ｌと、この内部に収められて往復運動する低温側ピストン（第２ピストン）３Ｌと、低温側ピストン３Ｌの往復運動をクランク軸５へ伝達する低温側コネクティングロッド６Ｌとを含む。ここで、低温側ピストン３Ｌは、高温側ピストン３Ｈに対して、所定の位相差（例えば、クランク角でπ／２（９０度）程度）が設けられている。

高温側シリンダ２Ｈの一端部、及び低温側シリンダ２Ｌの一端部は、ケース体であるクランクケース４に接続されている。クランクケース４は、内部にクランク軸５を格納している。この実施例におけるピストン機関１ｂでは、実施例１に係るピストン機関１（図１）と同様に、クランクケース４の内部を圧力調整手段によって加圧し、また、クランクケース内圧力Ｐｃを調整できるように構成される。

高温側シリンダ２Ｈと低温側シリンダ２Ｌとは、ヒータ７Ｈと再生器７Ｒと冷却器７Ｃとで構成される熱交換器７ＨＥによって接続されている。ヒータ７Ｈの一端は高温側シリンダ２Ｈに接続され、他端は再生器７Ｒに接続される。再生器７Ｒは、一端がヒータ７Ｈに接続され他端は冷却器７Ｃに接続される。冷却器７Ｃの一端は再生器７Ｒに接続され、他端は低温側シリンダ２Ｌに接続される。また、高温側シリンダ２Ｈと低温側シリンダ２Ｌとには作動流体（ここでは空気）が封入されており、ヒータ７Ｈから供給される熱によってピストン機関１ｂを駆動する。

高温側シリンダ２Ｈ内であって、高温側ピストン３Ｈとヒータ７Ｈとの間の空間は、高温側作動空間（第１作動空間）２Ｉ_Hである。また、低温側シリンダ２Ｌ内であって、低温側ピストン３Ｌと冷却器７Ｃとの間の空間は、低温側作動空間（第２作動空間）２Ｉ_Lである。高温側シリンダ２Ｈには、高温側作動空間２Ｉ_Hに開口する高温側作動空間開口部（第１作動空間開口部）１３Ｈｓ、及びクランクケース内部空間４Ｉに開口する高温側クランクケース開口部（第１クランクケース開口部）１３Ｈｃが設けられる。また、低温側シリンダ２Ｌには、低温側作動空間（第２作動空間開口部）２Ｉ_Lに開口する低温側作動空間開口部１３Ｌｓ、及びクランクケース内部空間４Ｉに開口する低温側クランクケース開口部（第２クランクケース開口部）１３Ｌｃが設けられる。

高温側作動空間開口部（第１作動空間開口部）１３Ｈｓ、及び高温側クランクケース開口部（第１クランクケース開口部）１３Ｈｃは、高温側ピストン３Ｈの上死点側における特定位置において、高温側作動空間（第１作動空間）２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させる。また、低温側作動空間開口部（第２作動空間開口部）１３Ｌｓ、及び低温側クランクケース開口部（第２クランクケース開口部）１３Ｌｃは、低温側ピストン３Ｌの下死点側における特定位置において、低温側作動空間（第２作動空間）２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させる。ここで、特定位置とは、ピストン機関１ｂの定常運転時において、ピストン機関１ｂの作動空間内における圧力（作動空間内圧力Ｐｓ）とクランクケース内部空間４Ｉにおける平均圧力（平均クランクケース内圧力Ｐｃｍ）とが等しくなるときの、高温側ピストン３Ｈ又は低温側ピストン３Ｌの位置である。

高温側作動空間開口部１３Ｈｓと高温側クランクケース開口部１３Ｈｃとは、高温側連通通路（第１連通通路）１２Ｈによって接続されている。高温側連通通路１２Ｈには、クランクケース内部空間４Ｉから高温側作動空間２Ｉ_Hへの気体の流れのみを許容し、高温側作動空間２Ｉ_Hからクランクケース内部空間４Ｉへの気体の流れを遮断する高温側逆止弁（第１逆流防止手段）１５Ｈが設けられる。

また、低温側作動空間開口部１３Ｌｓと低温側クランクケース開口部１３Ｌｃとは、低温側連通通路（第２連通通路）１２Ｌによって接続されている。低温側連通通路１２Ｌには、クランクケース内部空間４Ｉから低温側作動空間２Ｉ_Lへの気体の流れを遮断し、低温側作動空間２Ｉ_Lからクランクケース内部空間４Ｉへの気体の流れのみを許容する低温側逆止弁（第２逆流防止手段）１５Ｌが設けられる。

この実施例に係るピストン機関１ｂにおいて、高温側連通通路１２Ｈ及び低温側連通通路１２Ｌは、必ずしも高温側シリンダ２Ｈ及び低温側シリンダ２Ｌの外部に配置する必要はない。しかし、高温側連通通路１２Ｈ及び低温側連通通路１２Ｌを高温側シリンダ２Ｈ及び低温側シリンダ２Ｌの外部に配置すれば、実施例１で説明したものと同様の作用、効果を得ることができる。

この実施例に係るピストン機関１ｂ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、ピストン機関１ｂのヒータ７Ｈ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、ピストン機関１ｂが作動する。

図５に示すように、高温側ピストン３Ｈと低温側ピストン３Ｌとは、高温側シリンダ２Ｈと低温側シリンダ２Ｌ内に空気軸受ＧＢを介して、シリンダ内に浮いた状態で支持されている。空気軸受ＧＢについては上記実施例１で説明した通りなので、ここでは説明を省略する。

高温側ピストン３Ｈ、低温側ピストン３Ｌの往復運動は、それぞれ高温側コネクティングロッド６Ｈ、低温側コネクティングロッド６Ｌによってクランク軸５に伝達され、ここで回転運動に変換される。クランク軸５は、クランクケース４の内部に軸受２０を介して支持されている。クランク軸５の端部は、シール部２１を介してクランクケース４の外部へ突出しており、ピストン機関１の出力は、ここから取り出される。

図６は、この実施例に係るピストン機関の作動空間内圧力の変化を示す説明図である。図６の細い実線は、クランク角度ＣＡに対する高温側ピストン３Ｈの変位を表し、点線はクランク角度ＣＡに対する低温側ピストン３Ｌの変位を表す。また、図６の太い実線は、このピストン機関１ｂにおける作動空間内圧力Ｐｓの変化を示す。

このピストン機関１ｂは、いわゆるα型のスターリングエンジンなので、図６に示すように、高温側ピストン３Ｈと低温側ピストン３Ｌとは、所定の位相（この例では約π／２（９０度））分ずれて動作する。このため、図６に示すように、高温側ピストン３Ｈの変位に対して、低温側ピストン３Ｌの変位は約π／２（９０度）ずれて変化する。これによって、このピストン機関１ｂの作動空間内圧力Ｐｓは、図６の太い実線（Ｐｓ）のように変化する。図６に示すように、このピストン機関１ｂのような、いわゆるα型のスターリングエンジンでは、高温側及び低温側ピストン３Ｈ、３Ｌの上死点、下死点と、ピストン機関１ｂの作動空間内圧力Ｐｓの最大値Ｐｓ＿Ｍａｘ、最小値Ｐｓ＿Ｍｉｎとは一致しない。

この実施例においても、ピストン機関１ｂが定常運転をしているときにおいて、作動空間内圧力Ｐｓが平均クランクケース内圧力Ｐｃｍと等しくなるピストンの位置で、高温側又は低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させる。これは、正弦波状に変化する作動空間内圧力Ｐｓと、ほぼ一定の値で推移する平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとが交差する時期に相当する（図６参照）。このようにすることで、ピストン機関１ｂの定常運転時において高温側又は低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_L内とクランクケース内部空間４Ｉとが連通しても、高温側又は低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_L内の圧力と、クランクケース内部空間４Ｉの圧力とは釣り合いがとれているので、両者の間で気体の移動は発生しない。

一方、例えば、ピストン機関１ｂの負荷が変動して平均クランクケース内圧力が変化した場合、高温側又は低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_L内とクランクケース内部空間４Ｉとが連通すると、両者の圧力の差圧によって、気体が高温側又は低温側連通通路１２Ｈ、１２Ｌを流れる。これによって、高温側又は低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_L内とクランクケース内部空間４Ｉとの間に気体の移動が発生する。高温側又は低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_L内とクランクケース内部空間４Ｉとの連通時に発生するこの気体の移動は、平均作動空間内圧力Ｐｓｍが平均クランクケース内圧力Ｐｃｍと等しくなるまで継続する。これによって、平均作動空間内圧力Ｐｓｍは、変化後の平均クランクケース内圧力へ速やかに変化する。

この実施例に係るピストン機関１ｂ、すなわち、α型のスターリングエンジンにおいては、定常運転時において作動空間内圧力Ｐｓと平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとが等しくなる時期は、高温側又は低温側ピストン３Ｈ、３Ｌが中立位置にあるときでなはい。図６に示すように、高温側又は低温側ピストン３Ｈ、３Ｌの中立位置からおよそπ／４（４５度）ずれた位置（すなわち上死点又は下死点からおよそπ／４ずれた位置）において、定常運転時において作動空間内圧力Ｐｓと平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとが等しくなる。

このため、高温側作動空間開口部１３Ｈｓと高温側クランクケース開口部１３Ｈｃとは、高温側ピストン３Ｈの上死点側で、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとを連通するように設けられる。具体的には、高温側ピストン３Ｈがその上死点からおよそπ／４（４５度）ずれた位置において、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとを連通するように設けられる。これによって、定常運転時において作動空間内圧力Ｐｓと平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとが等しくなる時期（図６中、中抜きの丸で示す部分、ＣＡ＝π／４、９π／４近傍）で、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとが連通する。ここで、高温側ピストン３Ｈの上死点側とは、高温側ピストン３Ｈの中立位置よりも上死点側をいう。

一方、クランク軸５が回転して、高温側ピストン３Ｈの位置が変化すると、クランク角度ＣＡ＝３π／４、１１π／４近傍で、再び高温側作動空間開口部１３Ｈｓと高温側クランクケース開口部１３Ｈｃとが連通する（図６中の横棒で示す部分）。このときは、図６からわかるように、作動空間内圧力Ｐｓは、最大値Ｐｓ＿Ｍａｘとなり、ピストン機関１ｂの運転時においては、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとの間に（Ｐｓ＿Ｍａｘ−Ｐｃｍ）の差圧が発生し、高温側作動空間２Ｉ_Hからクランクケース内部空間４Ｉへ気体が流れる。

この気体の流れを抑えるため、高温側連通通路１２Ｈに高温側逆止弁１５Ｈを設け、高温側作動空間２Ｉ_Hからクランクケース内部空間４Ｉへの気体の流れを遮断して、クランクケース内部空間４Ｉから高温側作動空間２Ｉ_Hへの気体の流れのみを許容する。しかし、クランクケース内部空間４Ｉから高温側作動空間２Ｉ_Hへの気体の流れのみを許容するのみでは、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍを低下させるときに、平均作動空間内圧力Ｐｓｍを追従させることができない。

そこで、この実施例に係るピストン機関１ｂでは、低温側作動空間開口部１３Ｌｓと低温側クランクケース開口部１３Ｌｃとを、低温側ピストン３Ｌの下死点側に設けて、低温側作動空間２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させるように設ける。より具体的には、低温側作動空間開口部１３Ｌｓと低温側クランクケース開口部１３Ｌｃとは、低温側ピストン３Ｌがその下死点からおよそπ／４（４５度）ずれた位置において、低温側作動空間２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させるように設けられる。これによって、定常運転時において作動空間内圧力Ｐｓと平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとが等しくなる時期（図６中、中抜きの四角で示す部分、ＣＡ＝π／４、９π／４近傍）で、低温側作動空間２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとが連通する。ここで、低温側ピストン３Ｌの下死点側とは、低温側ピストン３Ｌの中立位置よりも下死点側をいう。

一方、低温側ピストン３Ｌの位置がクランク角度ＣＡ＝７π／４近傍である場合、低温側作動空間開口部１３Ｌｓと低温側クランクケース開口部１３Ｌｃとが連通する（図６中の横棒で示す部分、ＣＡ＝７π／４近傍）。このときは、図６からわかるように、作動空間内圧力Ｐｓは、最小値Ｐｓ＿Ｍｉｎとなり、ピストン機関１ｂの運転時においては、クランクケース内部空間４Ｉと低温側作動空間２Ｉ_Lとの間に（Ｐｃｍ−Ｐｓ＿Ｍｉｎ）の差圧が発生し、クランクケース内部空間４Ｉから低温側作動空間２Ｉ_Lへ気体が流れる。

この気体の流れを抑えるため、低温側連通通路１２Ｌに低温側逆止弁１５Ｌを設け、クランクケース内部空間４Ｉから低温側作動空間２Ｉ_Lへの気体の流れを遮断して、低温側作動空間２Ｉ_Lからクランクケース内部空間４Ｉへの気体の流れのみを許容する。このような構成により、いわゆるα型のスターリングエンジンにおいても、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍの変化に対する平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度を向上させることができる。

実施例１でも説明したように、高温側及び低温側連通通路１２Ｈ、１２Ｌはある程度の長さを有しており、また、高温側及び低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_Lやクランクケース４内の気体には慣性がある。これによる平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度低下を抑制するため、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとの連通開始時期、及び低温側作動空間２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとの連通開始時期を、ピストン機関１ｂが定常運転をしているときに作動空間内圧力Ｐｓが平均クランクケース内圧力Ｐｃｍと等しくなる時期よりも早くしてもよい。

図６に示す例においては、高温側ピストン３Ｈは、上死点前π／４付近で高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとが連通する。また、低温側ピストン３Ｌは、下死点後π／４付近で低温側作動空間２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとが連通する。そこで、例えば、連通開始時期をクランク角度ＣＡ＝Δθだけ早くする。このように、高温側及び低温側ピストン３Ｈ、３Ｌの特定位置よりも進角側で、高温側又は低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとを連通させると連通時間が長くなるので、高温側及び低温側連通通路１２Ｈ、１２Ｌ内を気体が移動する時間を確保できる。これによって、高温側又は低温側作動空間２Ｉ_H、２Ｉ_Lとクランクケース内部空間４Ｉとで必要十分な気体を移動させて、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍの変化に対する平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度を向上させることができる。

なお、連通開始時期を進角させ過ぎると、作動空間とクランクケース内部空間４Ｉとの間で必要以上に気体が移動する結果、ピストン機関１ｂの動作や運動系構成部品に影響を与えるおそれがある。したがって、連通開始時期は、このような影響が許容範囲に抑えられる範囲内で決定する。例えば、ピストン機関１ｂの運動系構成部品に作用する荷重が許容できる範囲で、連通開始時期を早くする。上記Δθは、このような観点から決定する。

（変形例）
実施例２の変形例に係るピストン機関１ｃは、実施例２に係るピストン機関１ｂ（図５）と同様の構成であるが、一方のピストンに対して、上死点側で作動空間とクランクケース内部空間４Ｉとを連通する第１連通通路と、下死点側で作動空間とクランクケース内部空間４Ｉとを連通する第２連通通路とを設ける点が異なる。他の構成は、上記実施例２と同様なので、説明を省略する。なお、次の説明では、高温側シリンダに第１連通通路と第２連通通路とを設けるが、低温側シリンダに第１連通通路と第２連通通路とを設けてもよい。

図７は、この実施例の変形例に係るピストン機関を示す説明図である。図８は、この変形例に係るピストン機関の作動空間内圧力の変化を示す説明図である。図８の細い実線は、クランク角度ＣＡに対する高温側ピストン３Ｈの変位を表し、点線はクランク角度ＣＡに対する低温側ピストン３Ｌの変位を表す。また、図８の太い実線は、このピストン機関１ｃにおける作動空間内圧力Ｐｓの変化を示す。

この変形例に係るピストン機関１ｃ（図７）の高温側シリンダ２Ｈには、高温側作動空間（作動空間）２Ｉ_Hに開口する第１作動空間開口部１３Ｈｓ₁、及びクランクケース内部空間４Ｉに開口する第１クランクケース開口部１３Ｈｃ₁が設けられる。第１作動空間開口部１３Ｈｓ₁と、第１クランクケース開口部１３Ｈｃ₁とは、高温側ピストン３Ｈの上死点側における特定位置で、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとを連通するように設けられる。具体的には、高温側ピストン３Ｈがその上死点からおよそπ／４（４５度）ずれた位置において、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとを連通するように設けられる。

また、第１作動空間開口部１３Ｈｓ₁と第１クランクケース開口部１３Ｈｃ₁とは、第１連通通路１２Ｈ₁によって接続されている。そして、第１連通通路１２Ｈ₁には、クランクケース内部空間４Ｉから高温側作動空間２Ｉ_Hへの気体の流れのみを許容し、高温側作動空間２Ｉ_Hからクランクケース内部空間４Ｉへの気体の流れを遮断する第１逆流防止手段である第１逆止弁１５Ｈ₁が設けられる。

このような構成によって、定常運転時において作動空間内圧力Ｐｓと平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとが等しくなる時期（図８中、中抜きの丸で示す部分、ＣＡ＝π／４、９π／４近傍）で、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとが連通する。その結果、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍが変化した場合には、平均作動空間内圧力Ｐｓｍは、変化後の平均クランクケース内圧力へ速やかに変化する。また、作動空間内圧力Ｐｓが最大値Ｐｓ＿Ｍａｘとなる場合には（図８の３π／４近傍）、第１逆止弁１５Ｈ₁によって、高温側作動空間２Ｉ_Hからクランクケース内部空間４Ｉへの気体の流れが遮断される。

また、高温側シリンダ２Ｈには、高温側ピストン３Ｈが下死点に近づいてきたときに高温側作動空間２Ｉ_Hに開口する第２作動空間開口部１３Ｈｓ₂と、クランクケース内部空間４Ｉに開口する第２クランクケース開口部１３Ｈｃ₂とが設けられる。第２作動空間開口部１３Ｈｓ₂と、第２クランクケース開口部１３Ｈｃ₂とは、高温側ピストン３Ｈの下死点側における特定位置で、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとを連通するように設けられる。具体的には、高温側ピストン３Ｈがその下死点からおよそπ／４（４５度）ずれた位置において、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとを連通するように設けられる。

また、第２作動空間開口部１３Ｈｓ₂と第２クランクケース開口部１３Ｈｃ₂とは、第２連通通路１２Ｈ₂によって接続されている。そして、第２連通通路１２Ｈ₂には、高温側作動空間２Ｉ_Hからクランクケース内部空間４Ｉへの気体の流れのみを許容し、クランクケース内部空間４Ｉから高温側作動空間２Ｉ_Hへの気体の流れを遮断する第２逆流防止手段である第２逆止弁１５Ｈ₂が設けられる。

このような構成によって、定常運転時において作動空間内圧力Ｐｓと平均クランクケース内圧力Ｐｃｍとが等しくなる時期（図８中、中抜きの丸で示す部分、ＣＡ＝５π／４近傍）で、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとが連通する。その結果、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍが変化した場合には、平均作動空間内圧力Ｐｓｍは、変化後の平均クランクケース内圧力へ速やかに変化する。また、作動空間内圧力Ｐｓが最小値Ｐｓ＿Ｍｉｎとなる場合には（図８の７π／４近傍）、第２逆止弁１５Ｈ₂によって、クランクケース内部空間４Ｉから高温側作動空間２Ｉ_Hへの流れが遮断される。

このように、一方のシリンダに、上死点側で作動空間とクランクケース内部空間４Ｉとを連通する第１連通通路と、下死点側で作動空間とクランクケース内部空間４Ｉとを連通する第２連通通路とを設けても、平均クランクケース内圧力Ｐｃｍの変化に対する平均作動空間内圧力Ｐｓｍの応答速度を向上させることができる。なお、上死点側及び下死点側における、高温側作動空間２Ｉ_Hとクランクケース内部空間４Ｉとの連通開始時期を、それぞれ図８に示すΔθ₁、Δθ₂分進角させてもよい点は、上記実施例２で説明した通りである。ここで、Δθ₁、Δθ₂は異なる値でもよいし同じ値でもよい。

以上、この実施例及びその変形例に係るピストン機関は、定常運転時において作動空間内圧力と平均クランクケース内圧力とが等しくなるピストン位置で、作動空間とクランクケース内部空間とを連通させる。これによって、平均クランクケース内圧力の変化に対する平均作動空間内圧力の応答速度を向上させることができる。また、余分な気体の移動を最小限に抑えることができるので、ピストン機関の運転や運動系構成部品に与える影響を最小限に抑えることができる。なお、この実施例及び変形例で開示した構成と同様の構成を備えるものは、この実施例及びその変形例の同様の作用、効果を奏する。

なお、実施例２及びその変形例では、次の発明が開示される。この発明は、第１シリンダ内を往復運動する第１ピストンと、前記第１ピストンと所定の位相差をもって、第２シリンダ内を往復運動する第２ピストンと、前記第１シリンダの一端及び前記第２シリンダの一端が接続されるケース体と、前記第１ピストンの上死点側における特定位置において、前記第１シリンダ内の第１作動空間と前記ケース体の内部空間とを連通させる第１連通通路と、前記第２ピストンの下死点側における特定位置において、前記第２シリンダ内の第２作動空間と前記ケース体の内部空間とを連通させる第２連通通路と、を含むことを特徴とするピストン機関である。

このピストン機関は、第１ピストンの上死点側における特定位置及び第２ピストンの下死点側における特定位置において、作動空間とクランクケース内部空間とを連通させる。これによって、平均クランクケース内圧力の変化に対する平均作動空間内圧力の応答速度を向上させることができる。

また、次の発明は、第１シリンダ内を往復運動する第１ピストンと、前記第１ピストンと所定の位相差をもって、第２シリンダ内を往復運動する第２ピストンと、前記第１シリンダの一端及び前記第２シリンダの一端が接続されるケース体と、前記第１ピストンの上死点側における特定位置において、前記第１シリンダ内の作動空間と前記ケース体の内部空間とを連通させる第１連通通路と、前記第１ピストンの下死点側における特定位置において、前記第１シリンダ内の作動空間と前記ケース体の内部空間とを連通させる第２連通通路と、を含むことを特徴とするピストン機関である。

このピストン機関は、第１ピストンの上死点側及び下死点側における特定位置において、作動空間とクランクケース内部空間とを連通させる。これによって、平均クランクケース内圧力の変化に対する平均作動空間内圧力の応答速度を向上させることができる。

なお、上記においては、ピストン機関を備える熱機関がスターリングエンジンである場合の例を用いて、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機関は、スターリングエンジン以外の熱機関や装置に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の有用性を有する。

以上のように、本発明に係るピストン機関は、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関に有用であり、特に、ピストンに対する加工を最小限に抑えること、に適している。

この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。 この実施例に係るピストン機関の作動空間内における作動流体の時間に対する圧力変化を示す説明図である。 この実施例に係るピストン機関が備えるピストンの変位量とクランク軸の回転角度との関係を示す説明図である。 この実施例に係るピストン機関の変形例を示す説明図である。 この実施例に係るピストン機関を示す説明図である。 この実施例に係るピストン機関の作動空間内圧力の変化を示す説明図である。 この実施例の変形例に係るピストン機関を示す説明図である。 この変形例に係るピストン機関の作動空間内圧力の変化を示す説明図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ ピストン機関
２ シリンダ
２Ｉ 作動空間
２Ｈ 高温側シリンダ
２Ｌ 低温側シリンダ
２Ｉ_H 高温側作動空間
２Ｉ_L 低温側作動空間
３、３ａ ピストン
３Ｈ 高温側ピストン
３Ｌ 低温側ピストン
４ クランクケース
４Ｉ クランクケース内部空間
１２ 連通通路
１２Ｈ 高温側連通通路
１２Ｌ 低温側連通通路
１２Ｈ₁ 第１連通通路
１２Ｈ₂ 第２連通通路
１３ｃ クランクケース開口部
１３ｓ 作動空間開口部
１３Ｈｃ 高温側クランクケース開口部
１３Ｈｓ 高温側作動空間開口部
１３Ｌｃ 低温側クランクケース開口部
１３Ｌｓ 低温側作動空間開口部
１３Ｈｃ₁ 第１クランクケース開口部
１３Ｈｓ₁ 第１作動空間開口部
１３Ｈｃ₂ 第２クランクケース開口部
１３Ｈｓ₂ 第２作動空間開口部
１５Ｈ 高温側逆止弁
１５Ｌ 低温側逆止弁
１５Ｈ₁ 第１逆止弁
１５Ｈ₂ 第２逆止弁

Claims (7)

1. シリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関であって、
   前記シリンダの一端が接続されるケース体と、
   前記シリンダ内の作動空間に設けられる作動空間開口部、及び前記ケース体の内部空間に設けられるケース体開口部と、
   前記作動空間開口部と前記ケース体開口部とを接続する連通通路と、を含み、
   前記ピストンが予め定めた特定位置にあるときには、前記作動空間開口部及び前記ケース体開口部の両方が同時に開口して、前記作動空間と前記ケース体の内部空間とが連通することを特徴とするピストン機関。
2. 所定の位相差をもって往復運動する一対のピストンを備えるピストン機関であって、
   前記ピストンの上死点側における特定位置において、前記ピストンが内部を往復運動するシリンダ内の作動空間と、前記シリンダの一端が接続されるケース体の内部空間とを連通させる第１連通通路と、
   前記ピストンの下死点側における特定位置において、前記ピストンが内部を往復運動するシリンダ内の作動空間と前記ケース体の内部空間とを連通させる第２連通通路と、
   を含むことを特徴とするピストン機関。
3. 前記第１連通通路と前記第２連通通路とは、それぞれ異なる前記ピストンに対して設けられることを特徴とする請求項２に記載のピストン機関。
4. 前記第１連通通路と前記第２連通通路とは、同一の前記ピストンに対して設けられることを特徴とする請求項３に記載のピストン機関。
5. 前記第１連通通路には、前記ケース体の内部空間から前記作動空間へ向かう気体の流れのみを許容し、前記作動空間から前記ケース体の内部空間へ向かう気体の流れを遮断する第１逆流防止手段が備えられ、
   前記第２連通通路には、前記作動空間から前記ケース体の内部空間へ向かう気体の流れのみを許容し、前記ケース体の内部空間から前記作動空間へ向かう気体の流れを遮断する第２逆流防止手段が備えられることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のピストン機関。
6. 前記特定位置は、
   前記ピストン機関の定常運転時において、前記シリンダ内の作動空間内における圧力と前記ケース体の内部における平均圧力とが一致するときの前記ピストンの位置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストン機関。
7. 前記特定位置よりも進角側で、前記作動空間開口部及び前記ケース体開口部の両方が同時に開口して、前記作動空間と前記ケース体の内部空間とが連通することを特徴とする請求項６に記載のピストン機関。
   

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