JP2006348838A - ピストン及びピストン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成する場合に、ピストン頂部の変形がスカート部に及ぼす影響を抑制すること。
【解決手段】このピストン２０は、ピストン頂部２０ｔにスカート部２４が一体で設けられる。スカート部２４の内部には、スカート部２４とは独立の構造体として、かつスカート部２４とは非接合で、蓄圧室隔壁２６が設けられる。蓄圧室隔壁２６は、スカート部２４の内部空間を仕切り、第２蓄圧室２２₂を形成する。第２蓄圧室２２₂には、ピストン２０が往復運動するシリンダ内の作動空間の気体が導入される。第２蓄圧室２２₂に導入された気体は、スカート部２４の側周面２４ｓに開口する第１の気体放出孔２３₁及び第２の気体放出孔２３₂からピストン２０とシリンダとの間に放出される。
【選択図】 図３−１

Description

本発明は、ピストン及びピストン装置に関し、さらに詳しくは、ピストン頂部の変形がスカート部に及ぼす影響を抑制できるピストン及びピストン装置に関する。

シリンダ内をピストンが往復運動するピストン装置は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンあるいはスターリングエンジン等の発動機、あるいはピストン型圧縮機等に広く用いられている。スターリングエンジンは、理論熱効率が高く、また燃料のみならず内燃機関等の排ガス等を用いても駆動できるので、排熱回収用の装置として注目されてきている。特許文献１には、スカート部から離れた位置にピンボス部を形成することで、ピストンヘッドに与えられる爆発荷重やその応力を、ピストンのスカート部に伝えないようにした技術が開示されている。

特開２００４−１７６５７３号公報

ところで、ピストン装置としてスターリングエンジンを用いて内燃機関の排ガス等から排熱を回収しようとする場合、低質な熱源から熱エネルギーを回収する必要がある。このため、ピストン内に蓄圧室を設けるとともに、蓄圧室からピストンとシリンダとの間に形成される微小なクリアランスに気体を放出することにより、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成し、両者の摩擦を低減する構成が考えられる。この場合、ピストンとシリンダとのクリアランスは数十μｍ程度である。

ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成する場合、ピストンとシリンダとのクリアランスは微小であるため、スカート部のわずかな変形でも気体軸受の機能が十分に発揮できなくなるおそれがある。しかし、特許文献１に開示されている技術では、ピストン内に蓄圧室を形成すること、及びピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成することは想定されていない。

したがって、ピストン内に蓄圧室を形成するにあたって、ピストン頂部の変形がピストンのスカート部に及ぼす影響を低減するためには、改善の余地がある。また、低質な熱源から熱エネルギーを回収する場合、ピストン等の運動部品を軽量化して、排熱の回収効率を向上させる必要がある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストン内部に形成された蓄圧室から放出する気体によりピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成するにあたり、ピストン頂部の変形がスカート部に及ぼす影響を抑制すること、ピストンの質量を軽量化することのうち、少なくとも一つを達成できるピストン及びピストン装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係るピストンは、シリンダ内を往復運動するピストンであって、前記シリンダ内の作動流体から圧力を受けるピストン頂部と、前記シリンダの内面と対向するスカート部と、前記スカート部とは独立の構造体として、かつ前記スカート部の内部空間に前記スカート部とは非接合で設けられるとともに、前記スカート部の内部空間を仕切り、前記シリンダ内の作動空間の気体が導入される蓄圧室を形成する蓄圧室隔壁と、前記スカート部に設けられて、前記蓄圧室内の気体を放出することにより、前記シリンダと前記ピストンとの間に気体軸受を形成する気体放出孔と、を含むことを特徴とする。

このピストンは、ピストンのスカート部の内部に蓄圧室隔壁を設けて、作動室内の気体を導入する蓄圧室を形成して、この蓄圧室から前記気体を放出して、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成するとともに、スカート部と蓄圧室隔壁とは非接合とする。これによって、蓄圧室隔壁を通じてスカート部へ伝達されるピストン頂部の変形の影響を抑制することができる。

次の本発明に係るピストンは、シリンダ内を往復運動するピストンであって、前記シリンダ内の作動流体から圧力を受けるピストン頂部と、前記ピストン頂部と別個の構造体であり、前記シリンダの内面と対向するとともに、一端部が前記頂部に組み付けられるスカート部と、前記スカート部の内部に設けられて、前記シリンダ内の作動空間の気体が導入される蓄圧室と、前記スカート部に設けられて、前記蓄圧室内の気体を放出することにより、前記シリンダと前記ピストンとの間に気体軸受を形成する気体放出孔と、を含むことを特徴とする。

このピストンは、ピストン頂部とスカート部とを別個独立の構造体とし、両者を組み付けることにより構成される。これによって、スカート部をピストン頂部から力学的に隔離することができるので、ピストン頂部からスカート部へ伝達されるピストン頂部の変形の影響を抑制することができる。

次の本発明に係るピストンは、前記ピストンにおいて、前記スカート部とは独立の構造体として前記スカート部の内部空間に設けられるとともに、前記スカート部の内部空間を仕切る蓄圧室隔壁によって前記蓄圧室が形成されることを特徴とする。

次の本発明に係るピストンは、前記ピストンにおいて、前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に設けられて前記頂部を支持する、円錐状のピストン頂部支持部を備えることを特徴とする。

次の本発明に係るピストンは、前記ピストンにおいて、前記蓄圧室隔壁は、前記ピストン頂部と、前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に組み付けられる蓄圧室隔壁固定手段とで挟持されることを特徴とする。

次の本発明に係るピストンは、前記ピストンにおいて、前記蓄圧室隔壁固定手段を前記ピストン頂部にねじ込むことにより、前記蓄圧室隔壁を前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に組み付けることを特徴とする。

次の本発明に係るピストンは、前記ピストンにおいて、前記蓄圧室隔壁は、前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に直接組み付けられることを特徴とする。

次の本発明に係るピストンは、前記ピストンにおいて、前記蓄圧室隔壁は、ねじ込みにより組み付けられることを特徴とする。

次の本発明に係るピストンは、シリンダ内を往復運動するピストンであって、前記シリンダ内の作動流体から圧力を受けるピストン頂部と、前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に設けられて前記頂部を支持する、円錐状のピストン頂部支持部と、前記シリンダの内面と対向するとともに、内部に設けられる蓄圧室から前記シリンダ内の作動空間の気体を放出する気体放出孔を備えるスカート部と、を含むことを特徴とする。

このピストンは、ピストン頂部の受圧面とは反対側に設けられて前記頂部を支持する、円錐状のピストン頂部支持部を備える。これにより、ピストン頂部支持部の剛性を確保して、ピストン頂部に作用する荷重を支持しつつ、ピストン全体を軽量化することができる。

次の本発明に係るピストン装置は、前記シリンダ内を往復運動する前記ピストンと、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、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、ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器を備え、前記熱交換器から送られる作動流体を前記シリンダ内に導入し、前記ピストンを駆動することを特徴とする。

この発明によれば、ピストン内部に形成された蓄圧室から放出する気体によりピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成するにあたり、ピストン頂部の変形がスカート部に及ぼす影響を抑制できる。

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（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施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、以下の説明においては、この発明に係るピストン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、ピストン装置はこれに限られるものではない。

（第１実施形態）
第１実施形態に係るピストン及びこれを備えるピストン装置は、スカート部内に蓄圧室隔壁を設けてピストン内に蓄圧室を形成するとともに、スカート部と蓄圧室隔壁とは非接合とする点に特徴がある。図１は、第１実施形態に係るピストン装置であるスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、ピストンを支持する気体軸受の説明図である。まず、この実施形態に係るピストン装置であるスターリングエンジンについて説明する。

この実施形態に係るピストン装置であるスターリングエンジン１は、いわゆるα型の直列２気筒スターリングエンジンである。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１５Ａ内に収められた第１ピストンである高温側ピストン２０Ａと、第２シリンダである低温側シリンダ１５Ｂ内に収められた第２ピストンである低温側ピストン２０Ｂとが直列に配置されている。なお、必要に応じて高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂはシリンダ１５といい、高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂはピストン２０という。

高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとは、基準体である基板３に支持、固定されている。この実施形態に係るスターリングエンジン１においては、この基板３が、スターリングエンジン１の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、後述するように、この実施形態に係るスターリングエンジン１は、高温側シリンダ１５Ａと高温側ピストン２０Ａとの間、及び低温側シリンダ１５Ｂと低温側ピストン２０Ｂとの間に気体軸受ＧＢを介在させる。基準体である基板３に、高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストン２０とシリンダ１５とのクリアランスを精度よく保持することができるので、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン１の組み立ても容易になる。また、スターリングエンジン１を排熱回収に用いる場合、この基板３は、スターリングエンジン１を排気通路等へ取り付けるときの基準として使用できるという利点もある。

高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとは、ヒータ２Ｈと再生器２Ｒとクーラー２Ｃとで構成される熱交換器２によって接続されている。ここで、ヒータ２Ｈの一端は高温側シリンダ１５Ａに接続され、他端は再生器２Ｒに接続される。再生器２Ｒは、一端がヒータ２Ｈに接続され他端はクーラー２Ｃに接続される。クーラー２Ｃの一端は再生器２Ｒに接続され、他端は低温側シリンダ１５Ｂに接続される。

また、高温側シリンダ１５Ａ内の高温側作動空間１４Ａ、低温側シリンダ１５Ｂ内の低温側作動空間１４Ｂ、及び熱交換器２内には作動流体（気体であり、この実施形態では空気）が封入されており、ヒータ２Ｈから供給される熱及びクーラー２Ｃで排出する熱によってスターリングサイクルを構成し、高温側ピストン２０Ａを駆動する。ここで、例えば、ヒータ２Ｈ、クーラー２Ｃは、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねた構成とすることができる。また、再生器２Ｒは、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ２Ｈ、クーラー２Ｃ及び再生器２Ｒの構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。

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１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂ内に気体軸受ＧＢを介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。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１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、例えば、内燃機関の排熱を回収する場合のように、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１を運転して排熱を回収できる。

なお、この気体軸受ＧＢは、いわゆる静圧気体軸受である。また、この実施形態における気体軸受は、往復運動するピストン２０を支持するものである（以下同様）。すなわち、この実施形態において、気体軸受は、摺動する一対の構造物同士の間に気体が介在して、摩擦を低減する機能を有するものである（以下同様）。

気体軸受ＧＢを構成するため、ピストン２０とシリンダ１５の内面１５ｉとのクリアランスｔｃ（図２参照）は、ピストン２０の全周にわたって数十μｍとする。シリンダ１５とピストン２０とは、例えば、加工の容易な金属材料を用いて構成することができる。この実施形態においては、ピストン２０のスカート部２４の側周面２４ｓに開口する第１の気体放出孔２３₁及び第２の気体放出孔２３₂からピストン２０内の蓄圧室２２の気体（作動流体）を放出する。これによって、シリンダ１５とピストン２０との間に気体軸受ＧＢを形成する。ここで、蓄圧室２２には、ピストン２０のピストン頂部２０ｔに設けられる流体素子２１から、作動空間１４内の作動流体が取り込まれ、第１の気体放出孔２３₁及び第２の気体放出孔２３₂から放出される。

高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂの往復運動は、それぞれ高温側連結部材１２Ａ、高温側コンロッド１３Ａ、及び低温側連結部材１２Ｂ、低温側コンロッド１３Ｂによってクランク軸１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。なお、ピストン２０の往復運動は、例えば、グラスホッパ機構やワットリンク等の近似直線機構を介して、クランク軸１０へ伝達してもよい。このようにすれば、ピストン２０のサイドフォースＦｓ（ピストン２０の径方向に向かう力、図２参照）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても、十分にピストン２０を支持することができる。

図１に示すように、クランク軸１０は、クランクケース４に設けられた軸受９で、回転可能に支持される。なお、クランクケース４は基板３に固定される。このとき、クランクケース４は、高温側及び低温側シリンダ１５Ａ、１５Ｂと独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板３に固定される。これにより、高温側及び低温側シリンダ１５Ａ、１５Ｂが受けるクランク軸１０の振動やクランク軸１０の熱膨張等の影響を最小限にできるので、気体軸受ＧＢの機能が十分に確保される。

図１に示すように、スターリングエンジン１を構成する高温側シリンダ１５Ａ、高温側ピストン２０Ａ、クランク軸１０等の各構成要素は、ケース５に格納される。ケース５内は、加圧手段１１により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ１５Ａ、１５Ｂ、及び熱交換器２内の作動流体（本実施形態では気体であり空気）を加圧して、スターリングエンジン１からより多くの出力を取り出すためである。

また、この実施形態に係るスターリングエンジン１では、ケース５にシール軸受６が取り付けられており、出力軸７がシール軸受６により支持される。出力軸７とクランク軸１０とは、フレキシブルカップリング８を介して連結されており、これを介してケース５の外部へクランク軸１０の出力が伝達される。なお、この実施形態において、フレキシブルカップリング８には、オルダムカップリングを使用している。次に、この実施形態に係るスターリングエンジン１が備えるピストン２０について、より詳細に説明する。

図３−１は、第１実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンの構造を示す断面図である。図３−２は、第１実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンを頂面側から見た状態を示す平面図である。図４−１、図４−２は、第１実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンが備える気体放出孔の配置例を示す説明図である。なお、次の説明では、適宜図１、図２を参照されたい。

この実施形態に係るピストン２０は、ピストン頂部２０ｔと、シリンダ１５の内面１５ｉ（図２参照）に対向するスカート部２４の一端部とが連結されて、ピストン頂部２０ｔとスカート部２４とが一体に構成される。ピストン頂部２０ｔは、ピストン頂面（受圧面）２０ｔｐが作動空間１４内の作動流体の圧力を受ける。このため、ピストン頂部２０ｔは、前記圧力に起因する軸力Ｆａに耐え得るように作られる。一方、スカート部２４は、後述する第２蓄圧室２２₂内に導入される作動流体の圧力に耐え得るように作られる。スカート部２４は円筒状の部材であり、この実施形態においては肉厚が１ｍｍ程度である。

ピストン頂部２０ｔであって、ピストン頂面２０ｔｐの反対側には、外形形状が円錐状のピストン頂部支持部２５が設けられている。なお、「円錐状」には、いわゆる円錐の形状他、いわゆる円錐台の形状も含むものとする（以下同様）。このピストン頂部支持部２５によって、作動空間１４（図２参照）内の気体（作動流体）の圧力を受けるピストン頂部２０ｔを支持し、前記気体の圧力による軸力Ｆａによるピストン頂部２０ｔの変形を最小限に抑える。ピストン頂部支持部２５は、ピストン頂部２０ｔの一部を構成する（以下同様）。なお、この実施形態においては、ピストン頂部支持部２５は、ピストン頂部２０ｔと一体で設けられているが、ピストン頂部支持部２５とピストン頂部２０ｔとを別個の構造体としてもよい（以下同様）。ピストン頂部支持部２５によるピストン頂部２０ｔの支持については、後述する。

ピストン頂部支持部２５は中空構造であり、その中空部が第１蓄圧室２２₁となる。また、ピストン２０のスカート部２４の内部には、円錐状の蓄圧室隔壁２６が設けられており、スカート部２４の内部空間を仕切る。そして、ピストン頂部２０ｔとスカート部２４と蓄圧室隔壁２６とで仕切られたスカート部２４内の空間が、第２蓄圧室２２₂となる。このように、この実施形態においては、蓄圧室は第１蓄圧室２２₁と第２蓄圧室２２₂とで構成されるが、蓄圧室の個数はこれに限られるものではない。

ピストン頂部支持部２５には、気体連通孔２２ｈが設けられており、作動空間１４（図２参照）から第１蓄圧室２２₁に導入された気体（作動流体）は、気体連通孔２２ｈを通って第２蓄圧室２２₂内へ流れ込む。ここで、気体連通孔２２ｈの開口面積は、ピストン頂部２０ｔに設けられる流体素子２１の流体素子出口２１ｏの断面積よりも大きくしてある。これによって、第１蓄圧室２２₁内の作動流体が第２蓄圧室２２₂内へ移動する際に、気体連通孔２２ｈが絞りとならないようにしてある。

上述したように、ピストン頂部２０ｔには、流体素子２１が設けられている。流体素子２１は、ピストン２０の質量バランスを考慮して、ピストン２０の中心軸Ｚの位置に設けることが好ましい。流体素子２１は、順流（第１蓄圧室２２₁へ作動流体が導入されるときの流れ）時に比較して、逆流（第１蓄圧室２２₁から作動流体が流出するときの流れ）時には著しく流路抵抗が増大するように設定されている。なお、流体素子の代わりにリード弁等を用いた逆止弁を設けてもよい。このようにすれば、より効率的に第１蓄圧室２２₁へ作動空間１４（図２参照）内の気体を取り込んで、これを加圧することができる。

ピストン２０が上死点側に移動すると、流体素子２１から作動空間１４（図２参照）内の作動流体が第１蓄圧室２２₁内へ流入する。流体素子２１は、順流時に対して逆流時の流体抵抗が大きくなるように設定されているので、作動流体は、作動空間１４から第１蓄圧室２２₁へは滑らかに流れ込むが、第１蓄圧室２２₁から作動空間１４へは流出しにくくなる。その結果、ピストン２０が往復運動すると、第１蓄圧室２２₁及び気体連通孔２２ｈを通って第２蓄圧室２２₂内に蓄えられる作動流体の圧力（蓄圧室内圧力）は増加し、一定の値に漸近する。

気体連通孔２２ｈから第２蓄圧室２２₂内へ流入し、増圧された気体（作動流体）は、スカート部２４に設けられる第１の気体放出孔２３₁及び第２の気体放出孔２３₂から放出される。図３−１に示すように、第１の気体放出孔２３₁は、ピストン２０のピストン頂部２０ｔ側に設けられ、第２の気体放出孔２３₂は、ピストン２０のスカート部端部２４ｔ側に設けられる。ここで、ピストン２０の中心軸Ｚ方向におけるピストン長さをｌとするとき、ピストン長さがｌ／２の位置をピストン２０の長さ方向中心軸ＺＬとする。第１の気体放出孔２３₁は、長さ方向中心軸ＺＬからｌ／４の位置に、第２の気体放出孔２３₂は、長さ方向中心軸ＺＬからｌ／４の位置に設けられる。このようにすることで、スカート部２４の側周面２４ｓに、バランスよく気体軸受ＧＢを形成することができる。

図４−１、図４−２に示すように、この実施形態に係るピストン２０では、第１の気体放出孔２３₁及び第２の気体放出孔２３₂はそれぞれ４個ずつ、計８個設けられる。図４−１に示すように、第１の気体放出孔２３₁は、ピストン２０の周方向に略等間隔（約９０度）で配置される。また、図４−２に示すように、第２の気体放出孔２３₂は、ピストン２０の周方向に略等間隔（約９０度）で、かつ、第１の気体放出孔２３₁とは、約４５度ずらして配置される。このように配置することで、気体軸受ＧＢの偏りを低減できる。なお、気体放出孔の数、配置はこの例に限られるものではない。次に、蓄圧室隔壁２６の構成を説明する。

図３−１に示すように、蓄圧室隔壁２６は、ピストン２０に蓄圧室隔壁２６を固定するために用いる固定部２６Ａと、円錐状の隔壁本体２６Ｂと、スカート部２４の内面２４ｓｉとの間で第２蓄圧室２２₂を密封するスカート側シール部２６Ｃとを含んで構成される。蓄圧室隔壁２６は、固定部２６Ａがピストン頂部支持部２５の台座（リンク支点接続部）２５Ｂとリンク支点部２７とで挟持されて、ピストン頂部支持部２５に固定される。ここで、リンク支点部２７は、蓄圧室隔壁固定手段を兼ねる。なお、高温側連結部材１２Ａや低温側側連結部材１２Ｂは、リンク支点部２７に設けられる連結孔２７Ｈでリンク支点部２７と接続される。

このとき、蓄圧室隔壁２６の固定部２６Ａとリンク支点部２７との間には、固定部２６Ａ側の密封手段である固定部側Ｏリング２８Ａが設けられて、第２蓄圧室２２₂を密封する。また、蓄圧室隔壁２６とリンク支点部２７とを一体で構成してもよい。この場合、蓄圧室隔壁２６は、ピストン頂部２０ｔの受圧面とは反対側に直接組み付けられることになる。

台座２５Ｂとリンク支点部２７との組み付けは、ねじ込み、圧入、あるいは焼き嵌め、溶接等の手法を用いることができる。なお、台座２５Ｂとリンク支点部２７とをねじ込みにより組み付けると、溶接や焼き嵌め等による熱の影響（熱変形や金属組織の変化等）を考慮する必要がないので好ましい。また、ねじ込みによれば、蓄圧室隔壁２６を介してスカート部２４に作用する力を調整しやすくなるので好ましい。

台座２５Ｂとリンク支点部２７とを組み付ける際には、両者の組み付け時における変形を組み付け部分のみに留め、蓄圧室隔壁２６を介してスカート部２４に及ぼされる前記変形の影響が最小限となるようにする。このため、この実施形態に係るピストン２０では、ピストン２０のスカート部２４と蓄圧室隔壁２６とを非接合とする。次に、この構造について説明する。

図３−１に示すように、蓄圧室隔壁２６のスカート側シール部２６Ｃの外周には、スカート部２４側の密封手段であるスカート側Ｏリング２８Ｂが設けられる。そして、蓄圧室隔壁２６のスカート側シール部２６Ｃは、スカート側Ｏリング２８Ｂを介してピストン２０のスカート部２４とは非接合に組み付けられ、スカート側シール部２６ＣのＯリング２８Ｂが、スカート部２４の内面２４ｓｉとの間で第２蓄圧室２２₂を密封する。これによって、蓄圧室隔壁２６を介してスカート部２４に及ぼされる、台座２５Ｂとリンク支点部２７とを組み付ける際の変形の影響を最小限に抑えることができる。

また、ピストン２０のスカート部２４と蓄圧室隔壁２６とを非接合とすることにより、ピストン２０のピストン頂部２０ｔから蓄圧室隔壁２６を介してスカート部２４へ伝達される軸力Ｆａの影響も最小限に抑えることができる。これにより、ピストン２０を備えるスターリングエンジン１の運転中においては、スカート部２４の変形を最小限に抑えて、寸法精度を維持できる。その結果、ピストン２０の側周面２４ｓとシリンダ１５の内面１５ｉ（図２参照）との間に形成される気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。そして、スターリングエンジン１の運転中において気体軸受ＧＢの機能が十分に発揮されるので、ピストン２０とシリンダ１５との接触も抑制でき、スターリングエンジン１の耐久性低下も効果的に抑制できる。次に、ピストン頂部支持部２５によるピストン頂部２０ｔの支持について説明する。

図５は、第１実施形態に係るピストンにおけるピストン頂部支持部によるピストン頂部の支持構造を示す概略図である。上述したように、この実施形態に係るピストン２０のピストン頂部２０ｔは、ピストン頂部支持部２５によって支持される。ピストン頂部支持部２５の外形形状は円錐状であり、頂部側支点ＳＰ₁でピストン頂部２０ｔを支持する。そして、ピストン頂部支持部２５の頂部側支点ＳＰ₁で支持するピストン支持荷重（軸力Ｆａやピストン２０の質量）が、ピストン頂部支持部２５の荷重集中支点ＳＰ₂に集中するようにする。

このように、ピストン頂部２０ｔを、円錐状のピストン頂部支持部２５で支持するので、ピストン頂部支持部２５の剛性を確保しつつ、ピストン２０全体を軽量化することができる。また、ピストン頂部支持部２５を円錐状に形成することで剛性を確保できるので、ピストン頂部２０ｔに作用する荷重はピストン頂部支持部２５で十分に受けることができる。これにより、ピストン頂部２０ｔの剛性は必要以上に高くする必要はなく、ピストン２０全体を軽量化できる。

スターリングエンジン１を排熱回収に用いる場合は、低質の熱源から熱エネルギーを回収する必要がある。この実施形態に係るピストンのように、ピストン頂部支持部２５を円錐状とすれば、ピストン２０の質量を小さくして、排熱の回収効率を向上させることができるので、スターリングエンジン１を排熱回収に用いる場合は特に効果的である。

荷重集中支点ＳＰ₂は、ピストン２０の中心軸Ｚ上に設けられる。なお、荷重集中支点ＳＰ₂がピストン２０の中心軸Ｚ上に設けられない場合、荷重集中支点ＳＰ₂は、できる限りピストン２０の中心軸Ｚに近づけることが好ましい。また、荷重集中支点ＳＰ₂とピストン２０の重心位置とは、できるだけ近づけることが好ましい。このようにすれば、ピストン支持荷重の変化によるピストン２０の揺動を抑制することができるので、ピストン２０とシリンダ１５とのかじり等の発生を抑えることができる。

ピストン頂部支持部２５は円錐状なので、ピストン頂部支持部２５はピストン２０の中心軸Ｚに対して軸対称に配置される。なお、ピストン２０も、その中心軸Ｚに対して軸対称である。ここで、上記リンク支点部２７は荷重集中支点ＳＰ₂を含む。リンク支点部２７にはコンロッドその他の荷重伝達部材が取り付けられる。そして、リンク支点部２７に含まれる荷重集中支点ＳＰ₂に集中したピストン支持荷重が、コンロッドその他の荷重伝達部材へ伝えられる。

この実施形態に係るピストン２０では、上記構成で軸力Ｆａ等を支持することにより、荷重集中支点ＳＰ₂に対して軸対称に分布した軸力Ｆａ等を、前記荷重集中支点ＳＰ₂に集中させて支持することができる。これによって、作動空間内における作動流体の圧力によるピストン頂部２０ｔの変形量を、ピストン２０の中心軸Ｚに対して軸対称かつ略均一とすることができる。その結果、ピストン２０のスカート部２４に及ぶ、前記作動空間内における気体（作動流体）の圧力によるピストン頂部２０ｔの変形量も、ピストン２０の中心軸Ｚに対して軸対称で略均一となる。その結果、スカート部２４の変形箇所や変形量を予測しやすくなるので、その対策も容易に立案することができる。

ピストン頂部支持部２５の頂部側支点ＳＰ₁の位置は、作動空間内における気体（作動流体）の圧力によるスカート部２４の変形量をできる限り小さくできる部分であり、少なくとも作動空間内における気体（作動流体）の圧力によるスカート部２４の変形量を、許容値よりも小さくできる部分とする。ピストン２０及びピストン頂部支持部２５は、中心軸Ｚに垂直な断面形状が円形の構造物であり、スカート部２４の変形量をできる限り小さくするという観点から、ピストン頂部支持部２５の頂部側支点ＳＰ₁のピストン頂部２０ｔにおける支持半径ｒ₁は、ピストン２０の半径ｒにできる限り近づけることが好ましい。これによって、スカート部２４の変形量を極めて小さく抑えることができるので、安定してスターリングエンジン１を運転することができる。

ピストン頂部支持部２５の頂部側支点ＳＰ₁のピストン頂部２０ｔにおける支持半径ｒ₁は、ピストン２０の半径ｒの１／２よりも大きくすることが好ましく、さらには、ピストン２０の半径ｒの２／３よりも大きくすることが好ましい。このようにすれば、スカート部２４の変形量を効果的に抑えることができるので、安定してスターリングエンジン１を運転することができる。

また、荷重集中支点ＳＰ₂（上記リンク支点部２７に相当）は、ピストン２０の中心軸Ｚに対して軸対称の構造とすることが好ましい。このためには、例えば、球面座を利用して、リンク支点部２７を構成する。なお、図３−１、図３−２に示すように、この実施形態に係るピストン２０が備えるリンク支点部２７は、ピストン２０の中心軸Ｚに対して軸対称の構造ではない。このような場合、リンク支点部２７が、ピストン２０の中心軸Ｚに対して軸対称の構造ではないことに起因して発生するピストン２０の変形が、スカート部２４へできる限り及ばないようにする。

このため、リンク支点部２７が、ピストン２０の中心軸Ｚに対して軸対称の構造ではない場合、リンク支点部２７を、スカート部２４からできる限りはなれた位置（例えば、ピストン２０の中心軸Ｚの位置）に配置することが好ましい。これによって、荷重集中支点ＳＰ₂が、ピストン２０の中心軸Ｚに対して非対称であることに起因するピストン２０の変形の影響を、スカート部２４に対して最小にして、安定してスターリングエンジン１を運転することができる。

図６−１、図６−２は、第１実施形態に係るピストン頂部支持部の変形例を示す説明図である。図６−１、図６−２に示すように、この変形例に係るピストン２０'が備えるピストン頂部支持部２５'は円柱形状であり、頂部側支点ＳＰ₁でピストン頂部２０ｔを支持する。そして、ピストン頂部支持部２５'により支持するピストン支持荷重は、ピストン頂部支持部２５'の荷重集中支点ＳＰ₂でコンロッドその他の荷重伝達部材に伝達される。このようにしても、作動空間内の気体（作動流体）の圧力や軸力Ｆａ等が、ピストン頂部支持部２５'の頂部側支点ＳＰ₁で受け止められるので、軸力Ｆａ等によるピストン頂部２０ｔの変形の影響がスカート部２４に及ぶことを抑制できる。

以上、第１実施形態及びその変形例では、スカート部内に蓄圧室隔壁を設けてピストン内に蓄圧室を形成するとともに、スカート部と蓄圧室隔壁とは非接合とする。これによって、蓄圧室隔壁を通じてスカート部へ伝達されるピストン頂部の変形の影響を最小限に抑えることができる。また、ピストンを構成する部品点数も低減できる。なお、上記実施形態及びその変形例で開示した構成は、以下の実施形態においても適宜適用することができる。また、上記実施形態及びその変形例と同様の構成を備えるものは、上記実施形態及びその変形例と同様の作用、効果を奏する。

（第２実施形態）
第２実施形態は、上記第１実施形態の略同様の構成であるが、ピストン頂部とスカート部とは独立の構造体で、かつ両者は非接合で構成される点が異なる。その他の構成は第１実施形態と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、次の説明では、適宜図１、図２を参照されたい。

図７−１は、第２実施形態に係るピストンの構造を示す断面図である。図７−２は、第２実施形態に係るピストンをピストン頂面側から見た平面図である。このピストン２０ａは、ピストン頂部２０ａｔと、スカート部２４ａとが別個独立の構造体として構成される。そして、ピストン頂部２０ａｔの外周部２０ａｔｓとスカート部２４ａのピストン頂部側端部２４ａｔ₁とが組み付けられる。ピストン頂部２０ａｔは円盤状の構造体であり、ピストン２０ａの中心軸Ｚの位置に流体素子２１が設けられる。スカート部２４ａは、ピストン頂部２０ａｔとは別個独立に用意される円筒状の構造体であり、肉厚は１ｍｍ程度である。このように、スカート部２４ａを円筒形状にすることにより、スカート部２４ａの加工が容易になる。

図７−１に示すように、ピストン頂部２０ａｔの外周部２０ａｔｓとスカート部２４ａのピストン頂部側端部２４ａｔ₁とは、ピストン頂部側密封手段であるピストン頂部側Ｏリング２８Ｃを介して組み付けられる。ここで、ピストン頂部側Ｏリング２８Ｃは、ピストン頂部２０ａｔとスカート部２４ａのスカート部内面２４ａｓｉとの間に設けられる。これによって、第２蓄圧室２２₂を密封する。

この実施形態において、図７−１に示すように、スカート部２４ａは、ピストン頂部２０ａｔと蓄圧室隔壁２６とで挟持される。実施形態１に係るピストン２０（図３−１）と同様に、蓄圧室隔壁２６は、固定部２６Ａがピストン頂部支持部２５の台座２５Ｂとリンク支点部２７とで挟持されて、ピストン頂部支持部２５に固定される。このとき、ねじ込み、圧入等により台座２５Ｂとリンク支点部２７とを組み付けるが、両者の組み付けが強すぎると、その影響が蓄圧室隔壁２６を介してスカート部２４ａに伝達され、スカート部２４ａの変形や、過大な初期応力を招くことになる。したがって、スカート部２４ａの変形等を招かない範囲で、台座２５Ｂとリンク支点部２７とを組み付けて、蓄圧室隔壁２６を固定する。

なお、台座２５Ｂとリンク支点部２７とをねじ込みにより組み付けると、溶接や焼き嵌め等による熱の影響（熱変形や金属組織の変化等）を考慮する必要がないので好ましい。また、ねじ込みによれば、スカート部２４ａに作用する力を調整しやすくなるので好ましい。

この実施形態に係るピストン２０ａは、ピストン頂部２０ａｔと、スカート部２４ａとが別個独立の構造体として用意し、ピストン頂部２０ａｔの外周部２０ａｔｓとスカート部２４ａのピストン頂部側端部２４ａｔ₁とを組み付けることにより構成される。これによって、スカート部２４ａをピストン頂部２０ａｔから独立させ、スカート部２４ａをピストン頂部２０ａｔから力学的に隔離することができる。その結果、ピストン頂部２０ａｔの変形がスカート部２４ａへ及ぼす影響を、さらに低減できる。また、ピストン頂部２０ａｔの変形量が大きい場合でも、その変形はスカート部２４ａへほとんど伝達されないので、頂部側支点ＳＰ₁（図５参照）の配置の自由度や、ピストン頂部支持部２５の設計の自由度が向上する。

図８は、第２実施形態の変形例に係るピストンのスカート部の組み付け構造を示す説明図である。このピストン２０ｂは、ピストン頂部２０ｂｔと蓄圧室隔壁２６ｂのスカート側シール部２６Ｃｂとで、スカート部２４ｂを挟持する。スカート部２４ｂのピストン頂部側端面２４ｂｔ₁とピストン頂部２０ｂｔとの間には、ピストン頂部側Ｏリング２８Ｃｂが設けられる。また、スカート部２４ｂの裾側端面２４ｂｔ₂と蓄圧室隔壁２６ｂのスカート側シール部２６Ｃｂとの間には、裾側Ｏリング２８Ｂｂが設けられる。このような構成により、第２蓄圧室２２₂を密封する。

このピストン２０ｂでは、ピストン側及び裾側Ｏリング２８Ｃｂ、２８Ｂｂを介して、ピストン頂部２０ｂｔと蓄圧室隔壁２６ｂのスカート側シール部２６Ｃｂとで、スカート部２４ｂを挟持する。これにより、ピストン側及び裾側Ｏリング２８Ｃｂ、２８Ｂｂの弾性を利用してスカート部２４ｂの熱膨張を吸収できるという利点がある。

以上、実施形態２及びその変形例では、ピストン頂部とスカート部とを別個独立の構造体として用意し、両者を組み付ける。これによって、スカート部をピストン頂部から力学的に隔離することができるので、ピストン頂部からスカート部へ伝達されるピストン頂部の変形の影響を、さらに小さくすることができる。また、ピストンを構成する部品点数も低減できる。なお、上記実施形態及びその変形例と同様の構成を備えるものは、上記実施形態及びその変形例と同様の作用、効果を奏する。

以上のように、本発明に係るピストン及びピストン装置は、ピストン内部に形成された蓄圧室から放出する気体によりピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成するものに有用であり、特に、ピストン頂部の変形がスカート部に及ぼす影響を抑制することに適している。

第１実施形態に係るピストン装置であるスターリングエンジンを示す断面図である。 ピストンを支持する気体軸受の説明図である。 第１実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンの構造を示す断面図である。 第１実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンを頂面側から見た状態を示す平面図である。 第１実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンが備える気体放出孔の配置例を示す説明図である。 第１実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンが備える気体放出孔の配置例を示す説明図である。 第１実施形態に係るピストンにおけるピストン頂部支持部によるピストン頂部の支持構造を示す概略図である。 第１実施形態に係るピストン頂部支持部の変形例を示す説明図である。 第１実施形態に係るピストン頂部支持部の変形例を示す説明図である。 第２実施形態に係るピストンの構造を示す断面図である。 第２実施形態に係るピストンをピストン頂面側から見た平面図である。 第２実施形態の変形例に係るピストンのスカート部の組み付け構造を示す説明図である。

符号の説明

１ スターリングエンジン
２ 熱交換器
３ 基板
４ クランクケース
１４ 作動空間
１５ シリンダ
１５Ａ 高温側シリンダ
１５Ｂ 低温側シリンダ
２０、２０ａ、２０ｂ ピストン
２０Ａ 高温側ピストン
２０Ｂ 低温側ピストン
２０ｔ、２０ａｔ、２０ｂｔ ピストン頂部
２０ｔｐ ピストン頂面
２２ 蓄圧室
２２₁ 第１蓄圧室
２２₂ 第２蓄圧室
２４、２４ａ、２４ｂ スカート部
２３₁ 第１気体放出孔
２３₂ 第２気体放出孔
２５ ピストン頂部支持部
２６、２６ｂ 蓄圧室隔壁
２７ リンク支点部

Claims (11)

1. シリンダ内を往復運動するピストンであって、
   前記シリンダ内の作動流体から圧力を受けるピストン頂部と、
   前記シリンダの内面と対向するスカート部と、
   前記スカート部とは独立の構造体として、かつ前記スカート部の内部空間に前記スカート部とは非接合で設けられるとともに、前記スカート部の内部空間を仕切り、前記シリンダ内の作動空間の気体が導入される蓄圧室を形成する蓄圧室隔壁と、
   前記スカート部に設けられて、前記蓄圧室内の気体を放出することにより、前記シリンダと前記ピストンとの間に気体軸受を形成する気体放出孔と、
   を含むことを特徴とするピストン。
2. シリンダ内を往復運動するピストンであって、
   前記シリンダ内の作動流体から圧力を受けるピストン頂部と、
   前記ピストン頂部と別個の構造体であり、前記シリンダの内面と対向するとともに、一端部が前記頂部に組み付けられるスカート部と、
   前記スカート部の内部に設けられて、前記シリンダ内の作動空間の気体が導入される蓄圧室と、
   前記スカート部に設けられて、前記蓄圧室内の気体を放出することにより、前記シリンダと前記ピストンとの間に気体軸受を形成する気体放出孔と、
   を含むことを特徴とするピストン。
3. 前記スカート部とは独立の構造体として前記スカート部の内部空間に設けられるとともに、前記スカート部の内部空間を仕切る蓄圧室隔壁によって前記蓄圧室が形成されることを特徴とする請求項２に記載のピストン。
4. 前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に設けられて前記頂部を支持する、円錐状のピストン頂部支持部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン。
5. 前記蓄圧室隔壁は、前記ピストン頂部と、前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に組み付けられる蓄圧室隔壁固定手段とで挟持されることを特徴とする請求項１、３又は４に記載のピストン。
6. 前記蓄圧室隔壁固定手段を前記ピストン頂部にねじ込むことにより、前記蓄圧室隔壁を前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に組み付けることを特徴とする請求項５に記載のピストン。
7. 前記蓄圧室隔壁は、前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に直接組み付けられるることを特徴とする請求項１、３又は４に記載のピストン。
8. 前記蓄圧室隔壁は、ねじ込みにより組み付けられることを特徴とする請求項７に記載のピストン。
9. シリンダ内を往復運動するピストンであって、
   前記シリンダ内の作動流体から圧力を受けるピストン頂部と、
   前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に設けられて前記頂部を支持する、円錐状のピストン頂部支持部と、
   前記シリンダの内面と対向するとともに、内部に設けられる蓄圧室から前記シリンダ内の作動空間の気体を放出する気体放出孔を備えるスカート部と、
   を含むことを特徴とするピストン。
10. 前記シリンダ内を往復運動する請求項１〜９のいずれか１項に記載のピストンと、
    前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、
    を含むことを特徴とするピストン装置。
11. ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器を備え、
    前記熱交換器から送られる作動流体を前記シリンダ内に導入し、前記ピストンを駆動することを特徴とする請求項１０に記載のピストン装置。

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