JP2009121337A - ピストン機関及びスターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制すること。
【解決手段】ピストン２０とシリンダ３０との間には気体軸受ＧＢが形成される。ピストン２０の頂面側ピストン径変化部ＧＴ１と頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２との間に、気体軸受ＧＢが形成される。ピストン２０の頂面側ピストン径変化部ＧＴ１及び頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２には、それぞれ頂面側環状部材４０Ｔ及び頂面反対側環状部材４０Ｂが取り付けられる。頂面側環状部材４０Ｔ及び頂面反対側環状部材４０Ｂは、シリンダ３０の内面３０Ｓよりも硬度の低い材料で構成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ピストンリングや潤滑油を使用しないでシリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関及びスターリングエンジンに関する。

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。特許文献１には、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるスターリングエンジンが開示されている。また、特許文献２には、ピストンに設けたピストンリングをシリンダへ接触させ、ピストンリングとシリンダ内壁との間へ咬み込まれた異物を吹き飛ばしやすい構造としたパイロット式電磁弁が開示されている。

特開２００６−１８３５６６号公報 特開平６−２３５４７８号公報

ところで、特許文献１に開示されたスターリングエンジンのように、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる場合、微小な異物が作動流体に混入していると、ピストンとシリンダとの間へ異物が入り込むおそれがある。その結果、ピストンやシリンダの耐久性を低下させるおそれがある。また、特許文献２に開示されているピストンリングはシリンダ内壁へ接触して異物を吹き飛ばすので、これを特許文献１に開示された、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を備える構造に適用することはできない。

このように、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制するためには改善の余地がある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制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、シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンと前記シリンダとの間に形成される気体軸受と、前記ピストンの往復運動方向において前記気体軸受が形成される領域の少なくとも一方の端部に設けられる、前記シリンダの内面よりも硬度の低い環状の部材と、を含むことを特徴とする。このような構成により、本発明に係るピストン機関は、ピストンとシリンダとの間へ侵入しようとする異物を環状部材に食い込ませて捕捉する。これによって、本発明に係るピストン機関は、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストンは、前記ピストンの外殻で囲まれて、気体を溜める気体溜めと、前記ピストンの側部に複数設けられ、前記気体溜めの内部の前記気体を前記ピストンと前記シリンダとの間に流出させて前記気体軸受を形成する給気孔と、を有することが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記環状の部材は、少なくとも前記ピストンの頂面側に設けられることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストンは、前記ピストンの頂面から頂面反対側端部に向かう所定の部分の直径が、前記気体軸受が形成される部分の直径よりも小さく形成されて、前記シリンダと前記ピストンとのクリアランスが前記気体軸受の形成される部分よりも大きく形成されるクリアランス拡大部分を有し、前記環状の部材は、前記ピストンの頂面側において前記ピストンの直径が変化する部分に設けられることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記環状の部材の外周面は、前記ピストンの側面と同一、又は前記ピストンの側面よりも前記シリンダの内面側にあることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記環状の部材は、合口を有する有端の部材であり、自由形状での直径は、前記シリンダの内径よりも大きいことが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記環状の部材の外周面には、前記ピストンが往復運動する方向と交差する方向に向かい、かつ前記ピストンが往復運動する方向における前記環状の部材の端部同士を貫通する溝が設けられることが望ましい。

上述の目的を達成するために、本発明に係るスターリングエンジンは、作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出するシリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンと前記シリンダとの間に形成される気体軸受と、前記ピストンの往復運動方向において前記気体軸受が形成される領域の少なくとも一方の端部に設けられる、前記シリンダの内面よりも硬度の低い環状の部材と、前記ピストンを支持して前記ピストンを近似的に直線運動させる近似直線機構と、を備えることを特徴とする。このような構成により、本発明に係るスターリングエンジンは、ピストンとシリンダとの間へ侵入しようとする異物を環状部材に食い込ませて捕捉する。これによって、本発明に係るスターリングエンジンは、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

本発明は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

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、以下の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、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。なお、以下においては、ピストン機関の一例としてスターリングエンジンを取り上げるが、ピストン機関はこれに限定されるものではない。また、ピストン機関である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。

本実施形態に係るピストン機関は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるとともに、ピストンの往復運動方向において気体軸受が形成される領域の少なくとも一方の端部に、シリンダよりも硬度の低い環状の部材を設ける点に特徴がある。本実施形態において、気体軸受は、静圧気体軸受又は動圧気体軸受のいずれでもよい。

図１は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。図２は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受を示す平面図である。図３−１は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。図３−２は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。

本実施形態に係るピストン機関は熱機関であり、より具体的には外燃機関であるスターリングエンジン１００である。スターリングエンジン１００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。本実施形態において、スターリングエンジン１００は、例えば、内燃機関の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収して運動エネルギーとして取り出す排熱回収機関として機能する。内燃機関の排ガスＥｘを通過させる通路として機能するヒータケース３にスターリングエンジン１００の熱交換器１０８が配置されて、スターリングエンジン１００は、内燃機関の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する。

スターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈ内に収められた高温側ピストン２０Ｈと、低温側シリンダ３０Ｌ内に収められた低温側ピストン２０Ｌとが直列に配置されている。なお、以下において、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを区別しない場合にはシリンダ３０といい、高温側ピストン２０Ｈと低温側ピストン２０Ｌとを区別しない場合にはピストン２０という。

高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとは、基準体である基板１１１に、直接又は間接的に支持、固定されている。本実施形態においては、この基板１１１が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。また、後述するように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈと高温側ピストン２０Ｈとの間、及び低温側シリンダ３０Ｌと低温側ピストン２０Ｌとの間に気体軸受ＧＢを介在させる。

スターリングエンジン１００は、基準体である基板１１１に、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌ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３０とのクリアランスを精度よく保持できる。これによって、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１００の組み立ても容易になる。

高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間には、略Ｕ字形状のヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が設けられる。ヒータ１０５及び再生器１０６及びクーラー１０７の内部はスターリングエンジン１００の作動流体が充填されており、スターリングエンジン１００の運転時には、作動流体がヒータ１０５及び再生器１０６及びクーラー１０７の内部を流動する。

熱交換器１０８を構成するヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ３０Ｈ側に配置され、他方の端部は再生器１０６側に配置される。ヒータ１０５は、内燃機関の排ガスＥｘが有する熱エネルギーによって内部の作動流体を加熱する。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５側に配置され、また他方の端部はクーラー１０７側に配置されて、ヒータ１０５又はクーラー１０７から流入する作動流体が通過する。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ３０Ｌ側に配置される。クーラー１０７は、作動流体を冷却する。高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌは、熱交換器１０８を通過した作動流体が流入し、流出する。

高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌ及び熱交換器１０８内には作動流体（本実施形態では空気）が充填されており、ヒータ１０５から作動流体へ供給される熱エネルギーによってスターリングサイクルを構成し、スターリングエンジン１００を駆動する。高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動は、コネクティングロッド６１によって出力軸であるクランクシャフト１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。高温側シリンダ３０Ｈの作動流体が充填される空間を高温側作動流体空間ＭＳＨ、低温側シリンダ３０Ｌの作動流体が充填される空間を低温側作動流体空間ＭＳＬといい、両者を区別しない場合には、単に作動流体空間ＭＳという。

ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７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て構成できる。クーラー１０７は空冷としてもよいし、水冷としてもよい。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成できる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６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１００の仕様等によって、好適な構成を選択できる。

高温側ピストン２０Ｈと低温側ピストン２０Ｌとは、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの内部に、それぞれ気体軸受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ず、潤滑油を用いないで、ピストン２０をシリンダ３０内に支持する構造である。これによって、ピストン２０とシリンダ３０との間の摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の効率を向上させることができる。また、ピストン２０とシリンダ３０との摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱の熱エネルギーを回収する場合のような、低質、低温度差の運転条件下でスターリングエンジン１００を使用する場合でも、スターリングエンジン１００により排熱から熱エネルギーを回収できる。

気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、ピストン２０（高温側ピストン２０Ｈ、低温側ピストン２０Ｌ）とシリンダ３０（高温側シリンダ３０Ｈ、低温側シリンダ３０Ｌ）との間には、所定のクリアランスｔｃを設ける。クリアランスｔｃは、ピストン２０の全周にわたって１０μｍ〜数１０μｍとする。ここで、図２に示すクリアランスｔｃは、ピストン２０の軸を含む平面でピストン２０を切ったときの断面において、一方のクリアランスである。したがって、気体軸受ＧＢが形成される領域におけるピストン２０の直径をＤＰｇとし、シリンダ３０の内径をＤＣｇとすると、ＤＣｇ＝ＤＰｇ＋２×ｔｃとなる。

ここで、気体軸受ＧＢは、ピストン２０の直径方向（横方向、スラスト方向）の力に耐える能力（負荷能力）が低いため、ピストン２０のサイドフォースＦｓを実質的に０にすることが好ましい。このため、シリンダ３０の軸線（中心軸）に対するピストン２０の直線運動精度を高くする必要がある。これを実現するため、図３−１に示すように、本実施形態において、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、例えばグラスホッパ機構のような近似直線機構６０によって支持される。

近似直線機構６０は、一端部がスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃへ回動可能に取り付けられる第１腕６２と、同じく一端部がスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃへ回動可能に取り付けられる第２腕６３と、一端部がコネクティングロッド６１の端部と回動可能に連結され、他端部が第２腕６３の他端部と回動可能に連結される第３腕６４とで構成される。コネクティングロッド６１は、クランクシャフト１１０と回動可能に取り付けられる端部とは異なる端部が、第３腕６４の端部と回動可能に連結される。また、第１腕６２の他端部は、第３腕６３の両端部の間に、回動可能に連結される。

このように構成される近似直線機構６０を用いれば、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌを略直線状に往復運動させることができる。その結果、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０ＬのサイドフォースＦｓ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を支持できる。なお、ピストン２０を支持する近似直線機構はグラスホッパ機構に限られるものではなく、ワットリンク等を用いてもよい。

なお、グラスホッパ機構は、他の直線近似機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の寸法が小さくて済むため、スターリングエンジン１００全体をコンパクトに構成できるという利点がある。特に、本実施形態に係るスターリングエンジン１００を車両に搭載される内燃機関の排熱回収に用い、内燃機関の排ガスの通路に熱交換器１０８を配置するというような、限られたスペースにスターリングエンジンを設置する場合、スターリングエンジン１００の全体がコンパクトである方が設置の自由度は向上する。また、近似直線機構６０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の質量が他の機構よりも軽量で済むため、熱効率を向上させる点で有利である。さらに、近似直線機構６０は、機構の構成が比較的簡単であるため、製造・組み立てが容易であり、また製造コストも低減できるという利点もある。

図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ３０Ｈ、高温側ピストン２０Ｈ、コネクティングロッド６１、クランクシャフト１１０等の構成要素は、筺体１００Ｃに格納される。スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成される。筺体１００Ｃ内を構成するクランクケース１１４Ａ内の空間（クランクケース内空間）ＣＳには気体が充填される。本実施形態において、前記気体は、スターリングエンジン１００の作動流体と同一である。クランクケース内空間ＣＳに充填される気体は、圧力調整手段であるポンプ１１５により加圧される。ポンプ１１５は、例えば、スターリングエンジン１００の排熱回収対象である内燃機関によって駆動してもよいし、例えば電動機のような駆動手段を用いて駆動してもよい。

スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５とクーラー１０７との温度差が同じ場合、作動流体の平均圧力が高い程、高温側と低温側との圧力差が大きくなるので、より高い出力が得られる。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、クランクケース内空間ＣＳに充填される気体を加圧することにより、作動流体空間ＭＳ内の作動流体を高圧に保持して、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ように構成してある。これによって、排熱回収のように低質な熱源しか用いることができない場合でも、より多くの出力をスターリングエンジン１００から取り出すことができる。ここで、スターリングエンジン１００の出力は、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力に略比例して大きくなる。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、筺体１００Ｃにシール軸受１１６が取り付けられており、クランクシャフト１１０はシール軸受１１６により支持される。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧するが、シール軸受１１６により、筺体１００Ｃ内に充填される気体の漏れを最小限に抑えることができる。クランクシャフト１１０の出力は、例えば、オルダムカップリングのようなフレキシブルカップリング１１８を介して筺体１００Ｃの外部へ取り出される。

図１、図３−１に示すように、スターリングエンジン１００が備えるピストン２０は、頂部２０Ｔｐと、側部２０Ｓｐと、底部２０Ｂｐとを外殻とし、頂部２０Ｔｐと、側部２０Ｓｐと、底部２０Ｂｐとで囲まれる空間を気体溜め（以下蓄圧空間という）２０Ｉとする。なお、ピストン２０の外殻は、少なくとも頂部２０Ｔｐと、側部２０Ｓｐと、底部２０Ｂｐ、あるいは底部２０Ｂｐに相当する部材とで構成される。ピストン２０の頂部２０Ｔｐには、蓄圧空間２０Ｉと連通する気体導入通路２１が設けられる。作動流体空間ＭＳ内の作動流体ＦＬは、気体導入通路２１を通ってピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ導入される。

ピストン２０の頂部２０Ｔｐの蓄圧空間２０Ｉ側には、蓄圧空間２０Ｉ内に導入された作動流体ＦＬの逆流を防止するため、加圧状態保持手段として逆止弁２５が設けられる。逆止弁２５は、蓄圧空間２０Ｉの内部へ配置され、作動流体空間ＭＳ内の作動流体ＦＬを気体導入通路２１から蓄圧空間２０Ｉへ導入し、また、蓄圧空間２０Ｉ内の作動流体ＦＬが作動流体空間ＭＳ内へ逆流することを防止する。

ピストン２０の動きにより、図３−１に示すシリンダ３０内の作動流体空間ＭＳに存在する作動流体ＦＬの圧力（作動流体空間内圧力）Ｐｍｓが上昇し、逆止弁２５が開くときの圧力（開弁圧力）Ｐｏを上回ると、逆止弁２５が開弁する。そして、作動流体空間ＭＳ内の作動流体ＦＬが気体導入通路２１を通って蓄圧空間２０Ｉ内へ流入する。ここで、開弁圧力Ｐｏは、蓄圧空間２０Ｉ内の圧力（蓄圧空間内圧力）Ｐｐよりも高い所定の圧力に設定される。

ピストン２０の動きにより作動流体空間内圧力Ｐｍｓが低下し、開弁圧力Ｐｏよりも低くなると、逆止弁２５は閉弁する。これによって、蓄圧空間２０Ｉ内の作動流体ＦＬが作動流体空間ＭＳへ逆流することを防ぐ。このように、逆止弁２５は、蓄圧空間２０Ｉ内の加圧状態を保持する加圧状態保持機能を有するとともに、作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉ内へ導入する作動流体導入機能を有する。作動流体空間ＭＳからピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬは、ピストン２０の側部２０Ｓｐに設けられた複数の給気孔２２を通ってピストン２０の側部２０Ｓｐとシリンダ３０の内面３０Ｓとの間のクリアランスｔｃに流出する。これによって、ピストン２０とシリンダ３０の内面３０Ｓとの間に気体軸受ＧＢが構成される。なお、気体軸受ＧＢは、静圧気体軸受であるが、本実施形態に適用できる気体軸受はこれに限定されるものではなく、動圧気体軸受であってもよい。

このように、図１に示すスターリングエンジン１００の運転時には、ピストン２０の上昇にともない、作動流体空間ＭＳの作動流体ＦＬが圧縮される。作動流体空間内圧力Ｐｍｓが逆止弁２５の開弁圧力よりも高くなると、逆止弁２５が開弁する。そして、気体導入通路２１を介して、作動流体空間ＭＳの作動流体ＦＬの一部が蓄圧空間２０Ｉに導入される。蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬは、その一部が、ピストン２０の周方向に向かって複数設けられる給気孔２２を通ってピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃに流出し、気体軸受ＧＢを形成する。

このように、ピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ導入した作動流体ＦＬをピストン２０とシリンダ３０との間に流出させて気体軸受ＧＢを形成する他、図３−２に示すスターリングエンジン１００ａのように、筺体１００Ｃの外部へ配置した、気体軸受用圧力生成手段である気体軸受ポンプ１２０から気体供給通路４５を介してピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ作動流体ＦＬを供給してもよい。そして、蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬを、給気孔２２からピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃに流出させ、気体軸受ＧＢを形成してもよい。

スターリングエンジン１００は、特に熱交換器１０８内における作動流体の通路が複雑で、スターリングエンジン１００の組み立て工程で微小な塵やゴミ等の異物を完全に除去できるとは限らない。また、熱交換器１０８のヒータ１０５等から、長時間運転後に異物が遊離するおそれもある。このため、スターリングエンジン１００の作動流体ＦＬには、異物が混入するおそれがある。

上述したように、スターリングエンジン１００は、ピストン２０とシリンダ３０との間に形成される微小なクリアランスｔｃに気体軸受ＧＢを形成し、これによってピストン２０をシリンダ３０内へ支持する。このため、作動流体ＦＬに混入した微小な異物がピストン２０とシリンダ３０との間に形成される微小なクリアランスｔｃへ侵入するおそれがある。異物がクリアランスｔｃへ侵入すると、ピストン２０やシリンダ３０の表面に影響を与えてこれらの耐久性を低下させたり、ピストン２０とシリンダ３０との間の摺動抵抗を増加させたりするおそれがある。そこで、スターリングエンジン１００は、次に説明する構成によって、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃへの異物の侵入を抑制する。

図４は、本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及びシリンダの拡大図である。図５は、本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンに設けられる環状の部材の斜視図であり、図６は、本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンに設けられる環状の部材の平面図である。図７は、本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に環状の部材が取り付けられる部分の拡大図である。

本実施形態では、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域の少なくとも一方の端部に、シリンダ３０の内面３０Ｓよりも硬度の低い環状の部材（以下環状部材という）４０を設ける。そして、環状部材４０によって、気体軸受ＧＢが形成される、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃへ侵入しようとする異物を除去する。これによって、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃへの異物の侵入を抑制する。

図４に示すように、ピストン２０の頂面（以下ピストン頂面という）２０Ｔと側面２０Ｓとの接続部は、この接続部よりもピストン頂面２０Ｔの反対側における端部（頂面反対側端部という）２０Ｂ側における側面２０Ｓの直径ＤＰ２よりもピストン頂面２０Ｔ側の直径ＤＰ１が小さくなるように、階段状に形成されている。また、頂面反対側端部２０Ｂと側面２０Ｓとの接続部は、この接続部よりもピストン頂面２０Ｔ側における側面２０Ｓの直径ＤＰ２よりも頂面反対側端部２０Ｂ側の直径ＤＰ１が小さくなるように、階段状に形成されている。

ピストン頂面２０Ｔと側面２０Ｓとの接続部では、ピストン頂面２０Ｔから頂面反対側端部２０Ｂへ向かってピストン２０の直径がＤＰ１からＤＰ２に変化する。ピストン頂面２０Ｔと側面２０Ｓとの接続部を、頂面側ピストン径変化部ＧＴ１という。また、頂面反対側端部２０Ｂと側面２０Ｓとの接続部では、頂面反対側端部２０Ｂからピストン頂面２０Ｔへ向かってピストン２０の直径がＤＰ１からＤＰ２に変化する。頂面反対側端部２０Ｂと側面２０Ｓとの接続部を、頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２という。

ピストン２０は、ピストン頂面２０Ｔ側の階段状に形成された部分に環状部材（頂面側環状部材）４０Ｔを設け、頂面反対側端部２０Ｂ側の階段状に形成された部分に環状部材（頂面反対側環状部材）４０Ｂを設ける。なお、頂面側環状部材４０Ｔと頂面反対側環状部材４０Ｂとを区別しない場合には、単に環状部材４０という。環状部材４０は、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域の少なくとも一方の端部に設けられる。なお、本実施形態では、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域の両方の端部に環状部材４０が設けられる。

ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域の一方の端部に環状部材４０を設ける場合、ピストン頂面２０Ｔ側に設けることが好ましい。ピストン頂面２０Ｔは、作動流体空間ＭＳ内の作動流体と常に接触しているので、頂面反対側端部２０Ｂよりもピストン頂面２０Ｔ側からピストン２０とシリンダ３０との間に異物が入り込むおそれがより高くなるからである。このように、気体軸受ＧＢが形成される領域の両端部のうち、少なくともピストン頂面２０Ｔ側に環状部材４０を設けることにより、ピストン２０とシリンダ３０との間に異物が入り込むおそれを低減できる。

図６に示すように、環状部材４０は、環状かつ無端の部材である。環状部材４０は、例えば、接着や溶着等によってピストン２０に取り付けられる。また、環状部材４０の内径を、ピストン２０の環状部材４０が取り付けられる部分の外径よりも小さくして、ピストン２０へ環状部材４０を嵌め込んでもよい。環状部材４０の硬度は、シリンダ３０の内面３０Ｓの硬度よりも低くする。これによって、シリンダ３０の内面３０Ｓへ異物が食い込もうとした場合には、シリンダ３０の内面３０Ｓよりも硬度の低い環状部材４０へ異物が食い込むので、シリンダ３０の内面３０Ｓが異物によって傷付けられるおそれを低減できる。

環状部材４０の硬度は、シリンダ３０の内面３０Ｓの硬度の１／１０以下とすることが好ましい。このようにすれば、より確実に環状部材４０が異物を捕捉できるので、シリンダ３０の内面３０Ｓを傷付けるおそれがより低減される。環状部材４０を構成する材料としては、耐熱性を有する樹脂材料を用いることができる。このような材料としては、例えば、ポリアミド系樹脂やアラミド樹脂等を用いることができる。

ピストン２０とシリンダ３０との間には気体軸受ＧＢが形成されるが、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域は、頂面側ピストン径変化部ＧＴ１と頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２との間となる。したがって、頂面側ピストン径変化部ＧＴ１と頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２とが、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域のそれぞれの端部となる。

なお、後述するように、環状部材４０の外周面４０Ｓとピストン２０の側面２０Ｓとは略同一となるように形成されるので、環状部材４０が配置される部分でも実質的に気体軸受ＧＢの機能を発揮できると考えられる。しかし、例えば、環状部材４０の摩耗が進んだり、環状部材４０の一部が欠落したり、環状部材４０に異物が食い込むことによって捕捉されたりして環状部材４０とシリンダ３０とのクリアランスが変化した場合には、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮できないことも考えられる。

このような場合であっても、頂面側ピストン径変化部ＧＴ１と頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２との間の領域は、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスが変化しない領域であるので、本実施形態では、この領域をピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域として取り扱う。すなわち、ピストン２０から環状部材４０を取り外した状態において、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスが、気体軸受ＧＢを形成するために予め設定された寸法となる領域を、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域として取り扱う。

ピストン２０の往復運動方向におけるピストン頂面２０Ｔから頂面側ピストン径変化部ＧＴ１までの距離はＬ１であり、ピストン２０の往復運動方向における頂面反対側端部２０Ｂから頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２までの距離はＬ２である。距離Ｌ１が頂面側環状部材４０Ｔの厚さとなり、距離Ｌ２が頂面反対側環状部材４０Ｂの厚さとなる。ここで、環状部材４０の厚さとは、環状部材４０の中心軸（環状部材中心軸）Ｚｒ（図５、図６）と平行な方向における環状部材４０の寸法である。なお、環状部材４０をピストン２０へ取り付けたときには、環状部材中心軸Ｚｒとピストン中心軸Ｚｐとは一致する。

本実施形態では、頂面側環状部材４０Ｔの厚さＬ１と、頂面反対側環状部材４０Ｂの厚さＬ２とは同じ大きさであるが、スターリングエンジン１００の仕様によって、両者を異ならせてもよい。頂面側環状部材４０Ｔ及び頂面反対側環状部材４０Ｂの厚さ、すなわち環状部材４０の厚さは、気体軸受ＧＢのクリアランス、すなわちピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃの設計値の１０倍以上１００倍以下とすることが好ましい。このようにすれば、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃに侵入しようとする異物を確実に環状部材４０へ食い込ませて捕捉でき、また、捕捉した異物の脱落も抑制できる。また、このようにすれば、環状部材４０を設けることによる気体軸受ＧＢが形成される領域の減少を抑制できる。

環状部材４０の外径をＤＲ１、内径をＤＲ２とすると、環状部材４０の径方向における寸法（径方向厚さという）は、（ＤＲ１−ＤＲ２）／２となる（図６参照）。環状部材４０の径方向厚さは、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃの設計値の１０倍以上とすることが好ましい。このようにすれば、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃに侵入しようとする異物を確実に環状部材４０へ食い込ませて捕捉でき、また、捕捉した異物の脱落も抑制できる。

図７−１に示すように、環状部材４０をピストン２０に取り付けた状態において、環状部材４０の外周面４０Ｓは、少なくともピストン２０の側面２０Ｓと同一（面一）となるようにする。この場合、シリンダ３０と環状部材４０との距離ｔｃｒは、シリンダ３０とピストン２０とのクリアランスｔｃに等しくなる。ここで、シリンダ３０とピストン２０とのクリアランスｔｃは、環状部材４０が取り付けられていない部分におけるピストン２０とシリンダ３０との距離であり、気体軸受ＧＢが形成される領域におけるシリンダ３０とピストン２０とのクリアランスｔｃである。

本実施形態では、図７に示すシリンダ３０と環状部材４０との距離ｔｃｒが、シリンダ３０とピストン２０とのクリアランスｔｃ以下となるようにする。このように、シリンダ３０と環状部材４０との距離ｔｃｒを、シリンダ３０とピストン２０とのクリアランスｔｃ以下にすることで、気体軸受ＧＢが形成される領域の端部でより確実に異物を環状部材４０で捕捉できる。これによって、シリンダ３０とピストン２０とのクリアランスｔｃへの異物の侵入を抑制して、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下を抑制でき、また、確実に気体軸受ＧＢの機能を発揮させることができる。

図８は、本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及びシリンダの他の構成例を示す拡大図である。図１に示す高温側ピストン２０Ｈのピストン頂面２０Ｔは、ヒータ１０５で加熱された高温の作動流体と接触するので熱膨張する。図１に示すスターリングエンジン１００は、ピストン２０とシリンダ３０との間に気体軸受ＧＢを介在させるため、両者のクリアランスｔｃは数μｍ〜数１０μｍと小さく設定されている。このため、ピストン２０が径方向に熱膨張すると、ピストン２０とシリンダ３０とが接触するおそれがある。

図８に示すピストン２０は、ピストン頂面２０Ｔから頂面反対側端部２０Ｂに向かって所定の部分（すなわち頂面側ピストン径変化部ＧＴ１）までの距離Ｌ０の範囲におけるピストン２０の直径ＤＰ１は、距離Ｌ０の位置から頂面反対側端部２０Ｂの範囲におけるピストン２０の直径ＤＰ２よりも小さい。これによって、ピストン頂面２０Ｔ側に、気体軸受ＧＢが形成される領域のピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃよりも、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｌが大きく形成される部分（クリアランス拡大部分）が形成される。ピストン頂面２０Ｔ側に形成されるクリアランス拡大部分によって、ピストン２０は、自身の径方向へ向かう熱膨張によってピストン２０とシリンダ３０との接触が回避される。

ここで、ピストン頂面２０Ｔ側において、ピストン２０の直径が変化する部分を、頂面側ピストン径変化部ＧＴ１という。図８に示すピストン２０は、上述した図４に示すピストン２０と同様であるが、頂面側ピストン径変化部ＧＴ１までの距離Ｌ０を、頂面側環状部材４０Ｔの厚さＬ１よりも大きくしてある。これによって、頂面側環状部材４０Ｔをピストン２０に取り付けた場合には、ピストン頂面２０Ｔ側におけるピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｌが、気体軸受ＧＢが形成される領域のピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスｔｃよりも大きくなる。

ピストン頂面２０Ｔ側にクリアランス拡大部分を備えるピストン２０（図８）では、図４に示すピストン２０と同様に、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域は、頂面側ピストン径変化部ＧＴ１と頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２との間となる。したがって、頂面側ピストン径変化部ＧＴ１と頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２とが、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域のそれぞれの端部となる。

ピストン２０は、クリアランス拡大部分と、気体軸受ＧＢが形成される領域との境界、すなわち、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域の一方の端部である頂面側ピストン径変化部ＧＴ１に、頂面側環状部材４０Ｔが設けられる。このピストン２０は、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域の他方の端部である頂面反対側ピストン径変化部ＧＴ２にも頂面反対側環状部材４０Ｂが設けられる。なお、上述したように、環状部材４０は、ピストン２０の往復運動方向において気体軸受ＧＢが形成される領域の少なくとも一方の端部に設けられていればよい。

図９は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備えるピストン及びシリンダの拡大図である。図１０−１は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の斜視図である。図１０−２は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の一部側面図である。図１１−１、図１１−２は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の平面図である。図１２は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備えるピストンに環状の部材が取り付けられる部分の拡大図である。

本変形例のピストン２０ａは、ピストン頂面２０Ｔ側に環状部材４０ａを取り付ける環状部材取付溝２６が形成されている。環状部材取付溝２６は、ピストン２０ａの周方向に向かって形成されている。環状部材取付溝２６の頂面反対側端部２０Ｂ側から頂面反対側端部２０ＢまでのＡＧＢで示す領域が、気体軸受ＧＢが形成される領域である。

環状部材取付溝２６に取り付けられる環状部材４０ａは、図１０−１に示すように、合口４２を有する環状かつ有端の部材である。図１０−１に示す環状部材４０ａは、合口４２における環状部材４０ａの端部同士が離れている。図１１−１は、環状部材４０ａを取り付けたピストン２０ａをシリンダ３０内へ組み付ける前の状態であり、環状部材４０ａの自由形状（開放形状であり、環状部材４０ａをピストン２０ａから取り外した状態の形状）を示している。本変形例では、自由形状において、環状部材４０ａの外径ＤＲ１＿ｂは、図９に示すシリンダ３０の内径ＤＣ２よりも大きく形成される。

図１１−２は、環状部材４０ａを取り付けたピストン２０ａをシリンダ３０内へ組み付けた後の状態であり、このときの環状部材４０ａの外径ＤＲ１＿ａは、図９に示すシリンダ３０の内径ＤＣ２に等しくなる。すなわち、環状部材４０ａを取り付けたピストン２０ａをシリンダ３０内へ組み付けると、図９に示すように、環状部材４０ａの外周面４０Ｓａとシリンダ３０の内面３０Ｓとが接触する。これによって、本変形例では、ピストン２０ａとシリンダ３０との間に侵入しようとする異物を環状部材４０ａによって確実に捕捉できる。なお、環状部材４０ａがシリンダ３０に接触する際には、環状部材４０ａとシリンダ３０との摩擦が許容できる程度の力で両者が接触するように、環状部材４０ａの材質、形状、寸法を調整する。

なお、環状部材４０ａは、合口４２における環状部材４０ａの端部同士が接するように構成してもよい。この場合、環状部材４０ａをピストン２０ａに取り付けたときに、環状部材４０ａの外周面４０Ｓａは、ピストン２０ａの側面２０Ｓと同一か、シリンダ３０の内面３０Ｓ側になるようにする。これによって、ピストン２０ａとシリンダ３０との間に侵入しようとする異物を環状部材４０ａによって捕捉する。

図９、図１０−１、図１０−２に示すように、環状部材４０ａの外周面４０Ｓａには、複数の溝（環状部材溝）４１が形成される。環状部材溝４１は、ピストン２０ａが往復運動する方向（図９の矢印Ｕ方向であり、ピストン中心軸Ｚｐと平行な方向）と交差する方向に向かって形成され、ピストン２０ａが往復運動する方向における環状部材４０ａの端部４３、４３同士を貫通する。

図１２に示すように、ピストン２０ａが上死点の方向に移動する、すなわち、作動流体空間ＭＳの体積を小さくする方向に移動すると、環状部材４０ａよりも作動流体空間ＭＳ側の圧力Ｐ１は、環状部材４０ａに対して作動流体空間ＭＳと反対側の圧力Ｐ２よりも高くなる。環状部材４０ａを境として作動流体空間ＭＳ側と作動流体空間ＭＳとは反対側とに圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が発生することによって、環状部材４０ａの内周面４０ａｉがシリンダ３０の内面３０Ｓに向かう力を受ける。これによって、環状部材４０ａの外周面４０Ｓａは、シリンダ３０の内面３０Ｓに押し付けられる。その結果、環状部材４０ａとシリンダ３０との間の摩擦が増加したり、気体軸受ＧＢに圧力の偏りが発生したりするおそれがある。

このため、本変形例では、環状部材４０ａの外周面４０Ｓａに環状部材溝４１を設け、環状部材４０ａに対して作動流体空間ＭＳ側の圧力と作動流体空間ＭＳの圧力とを等しくする。これによって、気体軸受ＧＢの圧力の偏りを抑制して気体軸受ＧＢの機能を確実に発揮させ、また、環状部材４０ａとシリンダ３０との間の摩擦を低減する。また、環状部材溝４１を設けることによって環状部材４０ａの剛性が低下するので、環状部材４０ａがシリンダ３０に押し付けられる力を低減して、環状部材４０ａとシリンダ３０との間の摩擦を低減できる。

環状部材溝４１は、環状部材４０ａの周方向に、等間隔で設けることが好ましい。このようにすれば、環状部材４０ａの周方向における圧力の不均一を抑制できる。また、環状部材４０ａの合口４２に環状部材溝４１の機能を発揮させてもよい。上述したように、環状部材溝４１は、ピストン２０ａが往復運動する方向と交差する方向に向かって形成される。これによって、図９に示す作動流体空間ＭＳ側から環状部材溝４１を通り、気体軸受ＧＢが形成される領域へ異物が侵入することを抑制する。

図１０−２に示すように、ピストン中心軸Ｚｐに対する環状部材溝４１の傾斜角度（ピストン中心軸Ｚｐと環状部材溝４１とのなす角度のうち小さい方）θは、３０度以上とすることが好ましく、望ましくは４５度以上である。なお、傾斜角度θを大きくすると、環状部材溝４１を環状部材４０ａに形成することが困難になるので、傾斜角度θは３０度以下とすることが好ましい。

図１３−１は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の他の構成例を示す一部側面図である。図１３−１に示す環状部材４０ａ１のように、Ｖ字形状の環状部材溝４１ａを備えるようにしてもよい。このようにすれば、図９に示す作動流体空間ＭＳ側から環状部材溝４１ａを通り、気体軸受ＧＢが形成される領域へ異物が侵入することを、より効果的に抑制できる。Ｖ字形状の環状部材溝４１ａの傾斜角度はθ１、θ２であるが、θ１とθ２とを異ならせてもよいし、両者を同じ大きさとしてもよい。

図１３−２は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材が有する合口の他の構成例を示す一部側面図である。図１３−２に示す環状部材４０ａ２のように、合口４２ａをＶ字形状としてもよい。これによって、異物が合口４２ａを通り、気体軸受ＧＢが形成される領域へ侵入することを効果的に抑制できる。

図１４は、本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。本実施形態では、スターリングエンジン１００の出力を、スターリングエンジン用変速機５を介して内燃機関用変速機４へ入力し、内燃機関１の出力と合成して取り出す。

本実施形態において、内燃機関１は、例えば、乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力源となる。内燃機関１は、前記車両の走行中においては主たる動力源として出力を発生する。一方、スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘの温度がある程度の温度にならないと、必要最低限の出力を生み出すことができない。したがって、本実施形態において、スターリングエンジン１００は、内燃機関１の排出する排ガスＥｘの温度が所定温度を超えたら内燃機関１の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収して出力を発生し、内燃機関１とともに前記車両を駆動する。このように、スターリングエンジン１００は、前記車両の従たる動力源となる。

スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、内燃機関１の排気通路２内に配置される。なお、排気通路２内には、スターリングエンジン１００の再生器（図１参照）１０６を配置してもよい。スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、排気通路２に設けられる中空のヒータケース３内に設けられる。

本実施形態において、スターリングエンジン１００を用いて回収した排ガスＥｘの熱エネルギーは、スターリングエンジン１００で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０には、動力断続手段であるクラッチ６が取り付けられており、スターリングエンジン１００の出力は、クラッチ６を介してスターリングエンジン用変速機５に伝達される。

内燃機関１の出力は、内燃機関１の出力軸１ｓを介して内燃機関用変速機４に入力される。そして、内燃機関用変速機４は、内燃機関１の出力と、スターリングエンジン用変速機５から出力されるスターリングエンジン１００の出力とを合成して、変速機出力軸９に出力し、デファレンシャルギヤ１０を介して駆動輪１１を駆動する。

ここで、動力断続手段であるクラッチ６は、内燃機関用変速機４とスターリングエンジン１００との間に設けられる。本実施形態では、スターリングエンジン用変速機５の入力軸５ｓとスターリングエンジン１００のクランク軸１１０との間に設けられる。クラッチ６は、係合、解放することによって、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と、スターリングエンジン用変速機５の入力軸５ｓとの機械的な接続を断続する。ここで、クラッチ６は、機関ＥＣＵ５０によって制御される。

スターリングエンジン１００は、内燃機関１の排出する排ガスＥｘの熱エネルギーを回収するため、内燃機関１の冷間始動時等のように排ガスＥｘの温度が低い場合には、排ガスＥｘから熱エネルギーを回収できず、出力を発生することができない。このため、スターリングエンジン１００が出力を発生できるようになるまではクラッチ６を解放して、スターリングエンジン１００と内燃機関１とを切り離して、スターリングエンジン１００が内燃機関１に駆動されることによるエネルギー損失を抑制する。

クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとは、スターリングエンジン用変速機５及び内燃機関用変速機４を介して直結される。これによって、スターリングエンジン１００の発生する出力と内燃機関１の発生する出力とは、内燃機関用変速機４で合成され、変速機出力軸９から取り出される。一方、クラッチ６を開放すると、内燃機関１の出力軸１ｓはスターリングエンジン１００のクランク軸１１０と切り離されて回転する。

図１２に示す本実施形態のスターリングエンジン１００が備えるピストンは、ピストンに設けた環状部材によりピストンとシリンダとの間へ異物が侵入することを防止するので、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制して、安定した運転が実現できる。また、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、ピストンに設けた環状部材によりピストンとシリンダとの間に異物はほとんど侵入しない。

これによって、車両に搭載されるスターリングエンジン１００が振動を受けてピストンとシリンダとのクリアランスが変化したとしても、ピストンとシリンダとの間の異物によってピストンやシリンダの耐久性が低下することを回避できる。このように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００を、車両に搭載された内燃機関１の排熱回収に用いる場合には、安定して排熱を回収できるとともに、十分な耐久性を確保できる。

以上、本実施形態では、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるとともに、ピストンの往復運動方向において気体軸受が形成される領域の少なくとも一方の端部に、シリンダよりも硬度の低い環状部材を設ける。このような構成により、ピストンとシリンダとの間へ侵入しようとする異物を環状部材に食い込ませて捕捉する。これによって、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。また、ピストンとシリンダとの間への異物の混入を抑制できるので、気体軸受の荷重負荷能力を確実に発揮させるとともに、ピストンとシリンダとの間の潤滑を確保できる。その結果、ピストン機関の信頼性が向上する。

また、洗浄では除去し切れなかった塵や部品のバリ等が作動流体へ混入したり、ピストン機関がスターリングエンジンである場合は、高温にさらされた熱交換器の構成部品からの異物等が作動流体へ混入したりすることが考えられる。本実施形態の構成によれば、ピストンに設けた環状部材によって、そのような異物も確実に除去できるので、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

以上のように、本発明に係るピストン機関及びスターリングエンジンは、ピストンリングを用いないピストン機関に有用であり、特に、ピストン内に形成した蓄圧空間からピストンとシリンダとの間へ気体を流出させて気体軸受を構成するピストン機関に適している。

本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受を示す平面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。 本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及びシリンダの拡大図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンに設けられる環状の部材の斜視図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンに設けられる環状の部材の平面図である。 本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に環状の部材が取り付けられる部分の拡大図である。 本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及びシリンダの他の構成例を示す拡大図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備えるピストン及びシリンダの拡大図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の斜視図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の一部側面図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の平面図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の平面図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備えるピストンに環状の部材が取り付けられる部分の拡大図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材の他の構成例を示す一部側面図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える環状部材が有する合口の他の構成例を示す一部側面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。

符号の説明

２０、２０ａ ピストン
２０Ｂ 頂面反対側端部
２０Ｂｐ 底部
２０Ｔ ピストン頂面
２０Ｓ 側面
２０Ｓｐ 側部
２０Ｔ 頂面
２０Ｔｐ 頂部
２６ 環状部材取付溝
３０ シリンダ
３０Ｓ 内面
４０、４０ａ、４０ａ１、４０ａ２ 環状部材
４０ａｉ 内周面
４０Ｓ、４０Ｓａ 外周面
４０Ｂ 頂面反対側環状部材
４０Ｔ 頂面側環状部材
４１、４１ａ 環状部材溝
４２、４２ａ 合口
４３ 端部
６０ 近似直線機構
１００、１００ａ スターリングエンジン
ＧＢ 気体軸受
ＧＴ１ 頂面側ピストン径変化部
ＧＴ２ 頂面反対側ピストン径変化部

Claims (8)

1. シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記ピストンと前記シリンダとの間に形成される気体軸受と、
   前記ピストンの往復運動方向において前記気体軸受が形成される領域の少なくとも一方の端部に設けられる、前記シリンダの内面よりも硬度の低い環状の部材と、
   を含むことを特徴とするピストン機関。
2. 前記ピストンは、
   前記ピストンの外殻で囲まれて、気体を溜める気体溜めと、
   前記ピストンの側部に複数設けられ、前記気体溜めの内部の前記気体を前記ピストンと前記シリンダとの間に流出させて前記気体軸受を形成する給気孔と、
   を有することを特徴とするピストン機関。
3. 前記環状の部材は、少なくとも前記ピストンの頂面側に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
4. 前記ピストンは、前記ピストンの頂面から頂面反対側端部に向かう所定の部分の直径が、前記気体軸受が形成される部分の直径よりも小さく形成されて、前記シリンダと前記ピストンとのクリアランスが前記気体軸受の形成される部分よりも大きく形成されるクリアランス拡大部分を有し、
   前記環状の部材は、前記ピストンの頂面側において前記ピストンの直径が変化する部分に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. 前記環状の部材の外周面は、前記ピストンの側面と同一、又は前記ピストンの側面よりも前記シリンダの内面側にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストン機関。
6. 前記環状の部材は、合口を有する有端の部材であり、自由形状での直径は、前記シリンダの内径よりも大きい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機関。
7. 前記環状の部材の外周面には、前記ピストンが往復運動する方向と交差する方向に向かい、かつ前記ピストンが往復運動する方向における前記環状の部材の端部同士を貫通する溝が設けられることを特徴とする請求項６に記載のピストン機関。
8. 作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
   前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出するシリンダと、
   前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記ピストンと前記シリンダとの間に形成される気体軸受と、
   前記ピストンの往復運動方向において前記気体軸受が形成される領域の少なくとも一方の端部に設けられる、前記シリンダの内面よりも硬度の低い環状の部材と、
   前記ピストンを支持して前記ピストンを近似的に直線運動させる近似直線機構と、
   を備えることを特徴とするスターリングエンジン。

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