JP2009293406A - ピストン機関及びスターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの頂部が熱膨張した場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減すること。
【解決手段】高温側シリンダ３０Ｈは、ヒータ１０５を通過した作動流体が流入するシリンダ内筒３０ＨＲと、シリンダ内筒３０ＨＲの外周部に嵌め込まれるスリーブ３０ＨＳと、スリーブ３０ＨＳの外周部の外側に配置されるシリンダブロック３０ＨＢとで構成される。スリーブ３０ＨＳとシリンダブロック３０ＨＢとの間には、気体層ＧＲが形成され、この気体層ＧＲが断熱層として機能する。また、スリーブ３０ＨＳは、シリンダ内筒３０ＨＲよりも熱伝導率が高い材料で構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、シリンダとピストンとの間に気体軸受を介在させ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とともに、ピストンを近似直線機構で支持して往復運動させたスターリングエンジンが開示されている。

特開２００５−１０６０１２号公報

特許文献１に開示されている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、ピストンとシリンダとのクリアランスを微小にする必要がある。また、スターリングエンジンのように、ヒータで加熱された作動流体がピストンの頂面に接触する熱機関は、ピストンの頂部から裾部へ向かって作動流体の熱が流れ、ピストンの頂部から裾部へ向かう温度勾配が形成される。これによって、スターリングエンジンのような熱機関は、ピストン、特に頂部の熱膨張が大きくなる。このため、スターリングエンジンのような熱機関の運転中にピストンが熱膨張すると、ピストンとシリンダとが接触するおそれがある。

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、ピストンが熱膨張した場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減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、筒状の構造体であって、作動流体が流出入するシリンダ内筒と、筒状の構造体であって、前記シリンダ内筒よりも熱伝導率が高い材料で構成されるとともに、前記シリンダ内筒の外周部に嵌め込まれるスリーブと、前記スリーブの外周部の外側に配置されるシリンダ外殻と、前記作動流体の圧力が変化することによって、前記シリンダ内筒の内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記シリンダ内筒の内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備えることを特徴とする。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記スリーブは、前記シリンダ内筒と比較して、前記スリーブの周方向に対して伸びやすいことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記シリンダ内筒を、前記シリンダ内筒の周方向に単位長さ分変形させる際に要する力よりも、前記スリーブを、前記スリーブの周方向に前記単位長さ分変形させる際に要する力の方が小さいことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記スリーブには、前記スリーブの中心軸と直交する方向に交差する方向に向かって形成される切り込みが、前記スリーブの周方向に向かって複数設けられることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記スリーブの中心軸と直交する方向における前記スリーブの側周部の寸法は、前記スリーブの中心軸の方向における両端部分よりも中央部分が大きいことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記切り込みの幅は、前記スリーブの側周部の厚さよりも小さいことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記シリンダ内筒の側壁の外側には、前記スリーブの一方の端部と係合して、前記スリーブの中心軸と平行な方向における前記スリーブの移動を規制するストッパが設けられることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記シリンダ内筒は、前記ヒータと熱的に接続されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記スリーブは、少なくとも前記作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流出入する前記シリンダ内筒の外周部に嵌め込まれることが好ましい。

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、及び前記ヒータと接続されるとともに前記ヒータとの間で前記作動流体が流出入する再生器、及び前記再生器に接続されるとともに前記再生器との間で前記作動流体が流出入するクーラーを含んで構成される熱交換器と、前記ヒータに接続されて前記ヒータとの間で前記作動流体が流出入するシリンダ内筒、及び前記シリンダ内筒よりも熱伝導率が高い材料で構成されるとともに前記シリンダ内筒の外周部に嵌め込まれるスリーブ、及び前記スリーブの外周部の外側に配置されるシリンダ外殻を有するシリンダと、前記作動流体の圧力が変化することによって、前記シリンダ内筒の内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記シリンダ内筒の内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を含むことを特徴とする。

本発明の望ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記スリーブは、前記シリンダ内筒と比較して、前記スリーブの周方向に対して伸びやすいことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記シリンダ内筒を、前記シリンダ内筒の周方向に単位長さ分変形させる際に要する力よりも、前記スリーブを、前記スリーブの周方向に前記単位長さ分変形させる際に要する力の方が小さいことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記スリーブには、前記スリーブの中心軸と直交する方向に交差する方向に向かって複数の溝が設けられることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記スリーブの中心軸と直交する方向における前記スリーブの側周部の寸法は、前記スリーブの中心軸の方向における両端部分よりも中央部分が大きいことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記切り込みの幅は、前記スリーブの側周部の厚さよりも小さいことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記シリンダ内筒の側壁の外側には、前記スリーブの一方の端部と係合して、前記スリーブの中心軸と平行な方向における前記スリーブの移動を規制するストッパが設けられることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記ピストンは、近似直線機構によって支持されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記スターリングエンジンが複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つの前記シリンダは、前記ヒータと前記スリーブとが熱的に接続されることが好ましい。

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、ピストンが熱膨張した場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できる。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。なお、下記の説明により本発明が限定されるものではない。また、下記の説明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。

以下においては、ピストン機関の一例として外燃機関であるスターリングエンジンを取り上げる。このように、本実施例において、ピストン機関は外燃機関であることが好ましいが、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、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が排出する排ガスの熱エネルギーを回収する例、すなわち、内燃機関の排熱回収を例として説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。本実施例においては、例えば、工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収対象としてもよい。

本実施例は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるピストン機関であり、前記ピストン機関の作動流体を加熱するヒータとの間で前記作動流体が流出入するシリンダ内筒を備え、このシリンダ内筒よりも熱伝導率の大きいスリーブを前記シリンダ内筒の外周部に嵌め込むとともに、前記スリーブの外側にシリンダ外殻を配置して、前記スリーブと前記シリンダ外殻との二重構造でシリンダを構成する点に特徴がある。

図１は、本実施例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、本実施例に係るピストン機関であ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。本実施例に係るピストン機関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。直列２気筒とは、スターリングエンジン１００の出力軸であるクランクシャフト１１０の回転軸と平行な方向に、二つのシリンダが並んだ構成である。本実施例において、スターリングエンジン１００は、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に熱交換器１０８を配置して、内燃機関の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する、排熱回収機関として用いられる。

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、すなわち一列に並んで配置されている。高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間には、熱交換器１０８が配置される。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。本実施例に係るスターリングエンジン１００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。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、本実施例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が設けられる。

高温側シリンダ３０Ｈは、筒状（本実施例では円筒状）の構造体であるシリンダ内筒３０ＨＲと、筒状（本実施例では円筒状）の構造体であり、シリンダ内筒３０ＨＲよりも熱伝導率の高い材料で構成されてシリンダ内筒３０ＨＲの外周部に嵌め込まれるスリーブ３０ＨＳと、スリーブ３０ＨＳの外周部の外側に配置されるシリンダ外殻であるシリンダブロック３０ＨＢと、を有する二重構造で構成される。スリーブ３０ＨＳについては後述する。

シリンダ内筒３０ＨＲは、内部に高温側ピストン２０Ｈが配置され、これによって、シリンダ内筒３０ＨＲの内周面と高温側ピストン２０Ｈの外周面とが対向して配置される。気体軸受ＧＢは、シリンダ内筒３０ＨＲと高温側ピストン２０Ｈとの間に形成されており、高温側ピストン２０Ｈは、気体軸受ＧＢでシリンダ内筒３０ＨＲ内に支持されながら、シリンダ内筒３０ＨＲの内部を往復運動する。

シリンダ内筒３０ＨＲの内部には、スターリングエンジン１００の作動流体が存在する作動空間（高温側作動空間）ＭＳＨが形成される。高温側作動空間ＭＳＨは、シリンダ内筒３０ＨＲの内面と、高温側ピストン２０Ｈの頂面と、ヒータ１０５の高温側シリンダ３０Ｈと接続される側の端部に設けられるヒータ・シリンダ連結部材１２０とで囲まれる空間である。ここで、本実施例において、スターリングエンジン１００の作動流体は空気である。シリンダ内筒３０ＨＲの内部、すなわち高温側作動空間ＭＳＨには、作動流体を加熱するヒータ１０５を通過した作動流体が流入する。また、高温側作動空間ＭＳＨからは、ヒータ１０５へ作動流体が流入する。高温側ピストン２０Ｈは、高温側作動空間ＭＳＨ内の作動流体の圧力変化によって、シリンダ内筒３０ＨＲの内部を往復運動する。

低温側シリンダ３０Ｌは、筒状（本実施例では円筒状）の構造体であるシリンダ内筒３０ＬＲと、シリンダ内筒３０ＬＲの外周部の外側に配置されるシリンダ外殻であるシリンダブロック３０ＬＢとで構成される。なお、シリンダ内筒３０ＬＲを設けず、シリンダ内筒３０ＬＲとシリンダブロック３０ＬＢとを同一の構造体で構成してもよい。シリンダ内筒３０ＬＲは、内部に低温側ピストン２０Ｌが配置されており、これによって、シリンダ内筒３０ＬＲの内周面と低温側ピストン２０Ｌの外周面とが対向して配置される。気体軸受ＧＢは、シリンダ内筒３０ＬＲと低温側ピストン２０Ｌとの間に形成されており、低温側ピストン２０Ｌは気体軸受ＧＢによってシリンダ内筒３０ＬＲ内に支持されて、シリンダ内筒３０ＬＲの内部を往復運動する。

シリンダ内筒３０ＬＲの内部には、スターリングエンジン１００の作動流体が存在する作動空間（低温側作動空間）ＭＳＬが形成される。低温側作動空間ＭＳＬは、シリンダ内筒３０ＬＲの内面と、低温側ピストン２０Ｌの頂面と、クーラー１０７の低温側シリンダ３０Ｌと接続される側の端部に設けられるクーラー・シリンダ連結部材１２１とで囲まれる空間である。シリンダ内筒３０ＬＲの内部、すなわち低温側作動空間ＭＳＬには、作動流体を冷却するクーラー１０７を通過した作動流体が流入する。また、低温側作動空間ＭＳＬからは、クーラー１０７へ作動流体が流入する。低温側ピストン２０Ｌは、低温側作動空間ＭＳＬ内の作動流体の圧力変化によって、シリンダ内筒３０ＬＲの内部を往復運動する。

スターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌを基準体である基板１１１に間接的に取り付ける。このような構成により、基板１１１を用いてピストン２０とシリンダ３０との位置精度を確保して、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することができる。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。なお、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌを基板１１１へ直接取り付けてもよい。

高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間には、ほぼ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。このように、ヒータ１０５をほぼＵ字形状にすることによって、内燃機関の排気通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置できる。また、このスターリングエンジン１００のように、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ１０５を比較的容易に配置できる。

熱交換器１０８内、及び高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲ、及び低温側シリンダ３０Ｌのシリンダ内筒３０ＬＲには作動流体が封入されている。熱交換器１０８を構成するヒータ１０５が高温側シリンダ３０Ｈ側に配置され、クーラー１０７が低温側シリンダ３０Ｌ側に配置される。高温側シリンダ３０Ｈ側に配置されるヒータ１０５の端部には、ヒータ・シリンダ連結部材１２０が取り付けられる。ヒータ・シリンダ連結部材１２０は、金属のような熱の良導体で構成されており、ヒータ１０５の一部を構成する。ヒータ・シリンダ連結部材１２０のヒータ１０５と接続される側とは反対側の端部は、高温側シリンダ３０Ｈ、より具体的には高温側シリンダ３０Ｈを構成するシリンダ内筒３０ＨＲに取り付けられる。これによって、ヒータ１０５は、ヒータ・シリンダ連結部材１２０を介して高温側シリンダ３０Ｈと接続される。

熱交換器１０８を構成するヒータ１０５の両方の端部のうち、高温側シリンダ３０Ｈに接続される側と反対側の端部は、熱交換器１０８を構成する再生器１０６に接続される。再生器１０６の両方の端部のうち、ヒータ１０５に接続される側とは反対側の端部は、熱交換器１０８を構成するクーラー１０７に接続される。低温側シリンダ３０Ｌ側に配置されるクーラー１０７の端部には、クーラー・シリンダ連結部材１２１が取り付けられる。クーラー・シリンダ連結部材１２１のクーラー１０７と接続される側とは反対側の端部は、低温側シリンダ３０Ｌに取り付けられる。これによって、クーラー１０７は、クーラー・シリンダ連結部材１２１を介して低温側シリンダ３０Ｌと接続される。

このような構成により、スターリングエンジン１００の運転中においては、ヒータ１０５と高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとの間、及びヒータ１０５と再生器１０６との間、及び再生器１０６とクーラー１０７との間、及びクーラー１０７と低温側シリンダ３０Ｌのシリンダ内筒３０ＬＲとの間で作動流体が流出入する。ヒータ１０５は、スターリングエンジン１００の作動流体を加熱する。クーラー１０７は、作動流体を冷却する。高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲ内及び低温側シリンダ３０Ｌのシリンダ内筒３０ＬＲ内には、熱交換器１０８を通過した作動流体が流入し、流出する。熱交換器１０８内の作動流体は、ヒータ１０５から供給される熱によって加熱され、また、クーラー１０７で冷却される。これによって、スターリングサイクルが構成され、スターリングエンジン１００が駆動される。

上述したヒータ・シリンダ連結部材１２０は、その外周部に張り出すフランジ１２０Ｆを介して基板１１１へ取り付けられる。これによって、高温側シリンダ３０Ｈは、ヒータ・シリンダ連結部材１２０を介して基板１１１へ取り付けられる。また、クーラー・シリンダ連結部材１２１は、その外周部に張り出すフランジ１２１Ｆを介して基板１１１へ取り付けられる。これによって、低温側シリンダ３０Ｌは、クーラー・シリンダ連結部材１２１を介して基板１１１へ取り付けられる。

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することができる。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、例えば、多孔質の蓄熱体で構成する。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。

上述したように、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の内部に気体軸受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ず、潤滑油を用いないで、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、内燃機関が排出する排ガスの熱エネルギーを回収する場合のような、低温の熱源かつ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により排ガス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、高温側ピストン２０Ｈ、低温側ピストン２０Ｌとシリンダ内筒３０ＨＲ、３０ＬＲ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の全周にわたって数μｍ〜数１０μｍとする。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。

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、本実施例において、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、図２に示す近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）６０によって支持される。これによって、近似直線機構６０によってサイドフォースＦｓの大部分を支持し、ピストン２０の往復運動が近似直線運動から外れる際に発生する分のサイドフォースＦｓを気体軸受ＧＢによって支持する。本実施例では、近似直線機構６０にグラスホッパ機構を用いる。以下、近似直線機構６０をグラスホッパ機構６０という。

このような構成により、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、近似直線機構６０によってほぼ直線状に往復運動するとともに、この往復運動がコネクティングロッド６１を介してクランクシャフト１１０に伝達される。これにより、近似直線機構６０によって支持された高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動は、クランクシャフト１１０によって回転運動に変換され、スターリングエンジン１００の動力として取り出される。すなわち、スターリングエンジン１００は、近似直線機構６０によって支持される高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動を、クランクシャフト１１０で回転運動に変換することによって動力を発生するものである。

グラスホッパ機構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。

このようなグラスホッパ機構６０を用いれば、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌをほぼ直線状に往復運動させることができる。その結果、ピストン２０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。

ここで、グラスホッパ機構６０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の全体がコンパクトになるという利点がある。特に、スターリングエンジン１００を車両に搭載されて動力発生源とな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、グラスホッパ機構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、グラスホッパ機構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、筐体１００Ｃに格納される。ここで、筐体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック３０ＨＢ、３０ＬＢと、筐体補強部材１１４Ｂとを含んで構成される。

本実施例において、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃを構成するクランクケース１１４Ａ内には気体が充填される。本実施例において、前記気体は、スターリングエンジン１００の作動流体と同一（本実施例では空気）である。クランクケース１１４Ａ内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。スターリングエンジン１００は、クランクケース１１４Ａ内に充填される気体を加圧することにより、高温側作動空間ＭＳＨ、低温側作動空間ＭＳＬ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、クランクケース１１４Ａ内に充填される気体の圧力にほぼ比例して大きくなる。

スターリングエンジン１００は、クランクケース１１４Ａ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。スターリングエンジン１００は、クランクケース１１４Ａ内に充填される気体を加圧するが、シール軸受１１６により、筐体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１１９を介してクランクケース１１４Ａの外部へ取り出される。なお、クランクケース１１４Ａの内部と外部との間に、クランクシャフト１１０と連結される磁気カップリングを設け、これを介してクランクシャフト１１０の出力をクランクケース１１４Ａの外部へ取り出してもよい。

図１、図２に示すように、本実施例においては、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの側周部に設けた給気口ＨＥから気体（本実施例では作動流体と同じ空気）Ａを吹き出して、気体軸受ＧＢを形成する。図１、図２に示すように、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの内部には、それぞれ高温側ピストン内空間２０ＨＩ及び低温側ピストン内空間２０ＬＩが形成される。

高温側ピストン２０Ｈには、高温側ピストン内空間２０ＨＩへ気体Ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられており、低温側ピストン２０Ｌには、低温側ピストン内空間２０ＬＩへ気体Ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられている。それぞれの気体導入口ＨＩには、気体供給管１１８が接続されている。気体供給管１１８の一端は、気体軸受用ポンプ１１７に接続されており、気体軸受用ポンプ１１７から吐出される気体Ａを高温側ピストン内空間２０ＨＩ及び低温側ピストン内空間２０ＬＩへ導く。

高温側ピストン内空間２０ＨＩ及び低温側ピストン内空間２０ＬＩへ導入された気体Ａは、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの側周部に設けた給気口ＨＥから流出して、気体軸受ＧＢを形成する。なお、この気体軸受ＧＢは、静圧気体軸受であるが、本実施例において、気体軸受ＧＢの構造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。

図３は、本実施例に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える高温側シリンダの構成を示す説明図である。図３は、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣ（Top Dead Center：上死点）にある状態を示してある。また、図３は、図１に示すスターリングエンジン１００の高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈを示している。

図４−１、図４−２は、高温側ピストンと高温側シリンダ内筒との位置関係を示す模式図である。図４−３は、高温側ピストンの温度と高温側シリンダ内筒の温度とを示す模式図である。図４−４は、本実施例に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストンと高温側シリンダ内筒との位置関係を示す模式図である。図４−５は、本実施例に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストンと高温側シリンダ内筒との温度を示す模式図である。

図４−１〜図４−５の縦軸Ｈは、図１に示す高温側シリンダ３０Ｈの中心軸方向における位置を示す。Ｈ３は、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣにきたときにおける高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔの位置であり、Ｈ１は、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣにきたときにおける高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔとは反対側の端部の位置である。Ｈ０は、高温側ピストン２０ＨがＢＤＣ（Bottom Dead Center：下死点）にきたときにおける高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔとは反対側の端部の位置である。また、図４−１、図４−２、図４−４の横軸は、図１に示す高温側シリンダ３０Ｈの中心軸から、前記中心軸と直交する方向に向かう距離を示す。また、図４−３、図４−５の横軸は、高温側ピストン２０Ｈあるいは高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの温度を示す。

図５は、ヒータ・シリンダ連結部材を高温側作動空間側から見た平面図である。図６は、高温側シリンダを構成するシリンダ内筒にスリーブを取り付けた状態を示す断面図である。本実例に係るピストン及びシリンダの構成は、特に高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈに適用することが好ましいが、図１に示す低温側ピストン２０Ｌ及び低温側シリンダ３０Ｌに適用してもよい。

高温側ピストン２０Ｈは、高温側シリンダ３０Ｈを構成するシリンダ内筒３０ＨＲの内部に配置される。高温側シリンダ３０Ｈの中心軸、及びシリンダ内筒３０ＨＲの中心軸、及びシリンダ内筒の外周部に取り付けられるスリーブ３０ＨＳ、及び高温側ピストン２０Ｈの中心軸はいずれもＺｃである。高温側ピストン２０Ｈの頂面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、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈを構成するシリンダ内筒３０ＨＲとの間に気体軸受ＧＢを設けるため、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、高温側ピストン２０Ｈが径方向に熱膨張すると、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれがある。

そこで、本実施例では、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔから所定位置Ｋｐまでの距離Ｌ１の部分における直径Ｄ１を、所定位置Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂまでの距離Ｌ２の部分における直径Ｄ２よりも小さくしてある。また、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲは、シリンダ内筒支持部３２のヒータ１０５側における端部（ヒータ側端部）３２Ｔから所定位置Ｋｃまでの部分における内径Ｄｉｈが、所定位置Ｋｃからシリンダ内筒３０ＨＲの反ヒータ側端部３１までの部分における内径Ｄｉよりも大きく構成される。ここで、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣにあるときに、高温側ピストン２０Ｈの所定位置Ｋｐと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの所定位置Ｋｃとがほぼ一致するように構成される。ここで、上述した所定位置Ｋｐをピストン側段差部といい、所定位置Ｋｃをシリンダ側段差部という。

これによって、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣにあるときには、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔからピストン側段差部Ｋｐまでにおける高温側ピストン２０Ｈと、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランスｔｃｈが、ピストン側段差部Ｋｐから頂面反対側端部２０Ｂまでにおける高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの内周面３３とのクリアランスｔｃよりも大きくなる。このような構成により、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔの近傍が径方向へ熱膨張しても、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれを低減できる。また、クリアランスｔｃｈは（Ｄｉｈ−Ｄ１）／２であり、クリアランスｔｃは、（Ｄｉ−Ｄ２）／２である。なお、ピストン側段差部Ｋｐ、シリンダ側段差部Ｋｃをスターリングエンジン１００に設ける場合、ピストン側段差部Ｋｐとシリンダ側段差部Ｋｃとの少なくとも一方を設ければよい。

図１に示すスターリングエンジン１００の運転中、上述したように、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔには、例えば、内燃機関の排ガスＥｘによってヒータ１０５で加熱された作動流体が接触する。作動流体の熱は、高温側ピストン２０Ｈの頂面２０Ｔから頂面と接続する側周面２０Ｓへ流れ、その結果、スターリングエンジン１００の運転時には、停止時と比較して高温側ピストン２０Ｈの温度が上昇する。これによって、スターリングエンジン１００の運転時において、高温側ピストン２０Ｈは頂面２０Ｔから頂面反対側端部２０Ｂにわたって径方向へ膨張する。

一方、高温側ピストン２０Ｈが格納される高温側シリンダ３０Ｈは、外側が大気と接触する。このため、高温側シリンダ３０Ｈの温度は、高温の作動流体が流入する内部（すなわち図１に示す高温側作動空間ＭＳＨ）よりも外側の方が低くなる。これによって、高温側ピストン２０Ｈの側周面２０Ｓと対向する高温側シリンダ３０Ｈを構成するシリンダ内筒３０ＨＲの温度が高温側ピストン２０Ｈよりも低くなり、高温側ピストン２０Ｈの径方向への熱膨張よりも、シリンダ内筒３０ＨＲの径方向への熱膨張の方が小さくなる。このように、高温側ピストン２０Ｈの熱膨張と高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの熱膨張との差（以下、ピストン−シリンダ間熱膨張差という）が発生することにより、当初設定していた高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランスが減少し、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれがある。

本実施例では、高温側ピストン２０Ｈの温度と高温側シリンダ３０Ｈ（より具体的には、高温側シリンダ３０Ｈを構成するシリンダ内筒３０ＨＲ）の温度との差（以下、ピストン−シリンダ間温度差という）を低減する構成とする。これによって、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減するので、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとが接触するおそれをより確実に低減できる。次に、ピストン−シリンダ間温度差を低減する構成について説明する。

高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとの接触を回避するためには、高温側ピストン２０Ｈ及びシリンダ内筒３０ＨＲを熱膨張率が小さく、かつ高温側ピストン２０Ｈの熱膨張率とシリンダ内筒３０ＨＲの熱膨張率とが近い値の材料を用いることが好ましい。これによって、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとの間で、熱膨張の大きさは同程度となるとともに熱膨張が抑制されるので、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれを低減できる。本実施例では、高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲを、例えば、ステンレス鋼で構成する。

ところで、一般に、熱膨張率の小さい材料は、熱伝導率も小さい。このため、高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲは、高温側シリンダ３０Ｈの中心軸、すなわちシリンダ内筒３０ＨＲの中心軸（シリンダ中心軸）Ｚｃと平行な方向に温度差が発生しやすい。このため、図４−１に示すように、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとを組み付けた時点では、両者の間で所定のクリアランス（数μｍ〜数１０μｍ）が確保されていても、スターリングエンジン１００に対する熱負荷が大きい場合、すなわち、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の排ガスの温度が高い場合には、図４−３に示すように、高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲに、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向の温度差（以下シリンダ軸方向温度差という）が発生する。ここで、図４−３中のＴｐで示す実線が高温側ピストン２０Ｈの温度であり、Ｔｃで示す破線が高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの温度である。

シリンダ軸方向温度差によって、高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲは、ヒータ１０５から遠ざかるにしたがって径方向の熱膨張が小さくなる。その結果、図４−２に示すように、高温側ピストン２０ＨがＢＤＣへ向かうときに、高温側ピストン２０Ｈ（特に高温側ピストン２０Ｈの直径が最も大きくなる部分であり、ピストン側段差部Ｋｐ）と高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとがＣＰで接触するおそれがある。

この場合、図４−３において、高温側ピストン２０Ｈのピストン側段差部Ｋｐにおける温度はＴｐ１であり、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲのＨ＝Ｈｃｐにおける温度はＴｃ１である。このとき、Ｔｐ１＞Ｔｃ１であり、両者の温度差はΔＴ＝（Ｔｐ１−Ｔｃ１）となる。この温度差ΔＴにより、高温側ピストン２０Ｈの熱膨張に比較して、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの熱膨張が小さくなるため、シリンダ中心軸方向位置Ｈｃｐで、高温側ピストン２０Ｈのピストン側段差部Ｋｐと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれがある。

本実施例では、ピストン−シリンダ間温度差のうち、まず、シリンダ軸方向温度差を低減し、シリンダ軸方向温度差に起因して両者が接触するおそれを回避する。このため、本実施例では、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの外周部に、シリンダ内筒３０ＨＲよりも熱伝導率の高い材料で構成されるスリーブ３０ＨＳを嵌め込む。高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲに熱膨張率が低いために熱伝導率の低い材料を用いた場合、シリンダ軸方向温度差が発生するが、シリンダ内筒３０ＨＲの温度が高い部分の熱がスリーブ３０ＨＳを通ってシリンダ内筒３０ＨＲの温度が低い部分へ移動する。これによって、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向におけるシリンダ内筒３０ＨＲの温度の均一化が図られるので、シリンダ内筒３０ＨＲのシリンダ軸方向温度差が低減される。また、シリンダ内筒３０ＨＲのシリンダ軸方向温度差が低減されると、高温側ピストン２０Ｈのシリンダ軸方向温度差も低減される。

その結果、図４−５に示すように、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとの温度差、及び高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲのシリンダ軸方向温度差が低減される。これによって、図４−４に示すように、スターリングエンジン１００に対する熱負荷が大きい場合であっても、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランスが、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向にわたって、設計上設定した大きさにほぼ維持されるので、両者が接触するおそれを低減できる。

スリーブ３０ＨＳは、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲを構成する材料（本実施例ではステンレス鋼）よりも熱伝導率の高い材料であればよい。このような材料としては、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金、マグネシウムやマグネシウム合金等を用いることができる。スリーブ３０ＨＳは、例えば、加熱したスリーブ３０ＨＳを高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲに嵌め込む焼き嵌めや、冷却したシリンダ内筒３０ＨＲにスリーブ３０ＨＳを嵌め込む冷やし嵌めによってシリンダ内筒３０ＨＲに取り付けられる。

本実施例では、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲを熱膨張率の低い材料（例えばステンレス鋼）を用いてシリンダ内筒３０ＨＲの熱膨張を抑制しつつ、スリーブ３０ＨＳでシリンダ内筒３０ＨＲのシリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向における伝熱を確保する。このように、高温側シリンダ３０Ｈは、シリンダ内筒３０ＨＲに熱膨張の抑制機能を発揮させ、スリーブ３０ＨＳにシリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向の伝熱促進機能を発揮させて、それぞれの機能を分担させる。これによって、高温側シリンダ３０Ｈは、シリンダ内筒３０ＨＲの熱膨張を抑制し、かつシリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向の温度差を低減できるので、高温側ピストン２０Ｈとシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランスを設計上設定した大きさに維持して、両者が接触するおそれをより低減できる。

上記説明では、図３に示すように、スターリングエンジン１００がピストン側段差部Ｋｐ及びシリンダ側段差部Ｋｃを備える場合を例とした。しかし、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲに、これよりも熱伝導率の高いスリーブ３０ＨＳを取り付けることによって、ピストン側段差部Ｋｐ及びシリンダ側段差部Ｋｃをスターリングエンジン１００が備えない場合であっても、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれを低減できる。

さらに、本実施例では、シリンダ中心軸Ｚｃと直交する方向のピストン−シリンダ間温度差を低減する。このため、本実施例では、高温側シリンダ３０Ｈを構成するシリンダ内筒３０ＨＲの外周部に嵌め込まれるスリーブ３０ＨＳの外周部の外側に、所定の間隔を設けてシリンダブロック３０ＨＢを配置する。これによって、高温側シリンダ３０Ｈは、スリーブ３０ＨＳの外周部の外側に、所定の間隔をもってシリンダブロック３０ＨＢが配置される二重構造で構成される。スリーブ３０ＨＳとシリンダブロック３０ＨＢとの間に所定の間隔を設けることにより、シリンダ内筒３０ＨＲの外周部に嵌め込まれたスリーブ３０ＨＳの外周部とシリンダブロック３０ＨＢの内周面３５との間（すなわち、スリーブ３０ＨＳの外側）には気体層（本実施例では空気層）ＧＲが形成されるとともに、シリンダ内筒３０ＨＲとシリンダブロック３０ＨＢとは非接触となる。

この気体層ＧＲが断熱層として機能するので、シリンダ内筒３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの放熱量を大幅に抑制できる。これによって、シリンダ内筒３０ＨＲの温度低下が抑制される。その結果、ピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減する。そして、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスは設定した値に維持されるので、両者が接触するおそれを低減できる。これによって、気体軸受ＧＢの機能を安定して発揮させることができる。なお、気体層ＧＲの代わりに、シリンダ内筒３０ＨＲの外周面３４とシリンダブロック３０ＨＢの内周面３５との間に、例えば、多孔質のセラミックで構成される断熱材を配置してもよい。

ここで、本実施例では、シリンダブロック３０ＨＢと筐体補強部材１１４Ｂとの間にガスケット４０が設けられる。これによって、シリンダブロック３０ＨＢと筐体補強部材１１４Ｂとを密封して、クランクケース１１４Ａの気密を確保する。また、ガスケット４０に断熱材としての機能を持たせてもよい。これによって、シリンダブロック３０ＨＢから筐体補強部材１１４Ｂやクランクケース１１４Ａへの伝熱が抑制されて、筐体補強部材１１４Ｂ側におけるシリンダブロック３０ＨＢの温度低下が抑制される。その結果、シリンダ内筒３０ＨＲのクランクケース１１４Ａ側におけるシリンダ内筒３０ＨＲからシリンダブロック３０ＨＢへの放熱を抑制できるという利点がある。

上述した構成により、シリンダ内筒３０ＨＲの反ヒータ側端部３１は、シリンダブロック３０ＨＢと非接触となっている。シリンダブロック３０ＨＢは、ヒータ１０５から離れるにしたがって温度が低くなるが、シリンダブロック３０ＨＢの内側に気体層を介して配置されるシリンダ内筒３０ＨＲの温度低下は、シリンダブロック３０ＨＢよりも小さい。このため、シリンダ内筒３０ＨＲとシリンダブロック３０ＨＢとの温度差は、シリンダ内筒３０ＨＲの反ヒータ側端部３１で最も大きくなる。したがって、本実施例では、反ヒータ側端部３１をシリンダブロック３０ＨＢと非接触とすることで両者間の伝熱を遮断する。これによって、シリンダ内筒３０ＨＲの温度低下を抑制して、シリンダ中心軸Ｚｃと直交する方向におけるピストン−シリンダ間温度差を低減する。その結果、シリンダ中心軸Ｚｃと直交する方向に向かう高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの熱膨張を同程度にできるので、両者が接触するおそれを低減できる。

さらに、本実施例では、高温側シリンダ３０Ｈを構成するシリンダ内筒３０ＨＲを、作動流体を加熱するヒータ１０５と熱的に接続する。すなわち、シリンダ内筒３０ＨＲは、ヒータ１０５を延長したような構造となる。ここで、熱的に接続するとは、シリンダ内筒３０ＨＲとヒータ１０５とを、伝熱構造を介して接続し、ヒータ１０５の熱がシリンダ内筒３０ＨＲへ良好に伝わるように構成することである。

伝熱構造としては、シリンダ内筒３０ＨＲとヒータ１０５とを接続する部分を金属材料のような熱の良導体で構成して両者を接続したり、さらに両者の間に熱の良導体（例えば銀ペーストや銅ペーストのような金属ペースト）を介在させたりする構造がある。また、他の伝熱構造としては、例えば、シリンダ内筒３０ＨＲとヒータ１０５との間に伝熱性に優れた材料を介在させて両者を接続したり、熱の良導体である金属材料で構成した伝熱部材を介して両者を接続したりする構造がある。さらに、シリンダ内筒３０ＨＲとヒータ１０５とを同一の構造体とする構造も本実施例の伝熱構造に該当する。

これによって、例えば、排ガスＥｘで加熱されるヒータ１０５の熱が熱伝導によってシリンダ内筒３０ＨＲに伝わる。シリンダ内筒３０ＨＲは、例えば金属のような熱伝導率の高い材料で構成されるので、ヒータ１０５の熱が効率よくシリンダ内筒３０ＨＲへ伝わる。これによって、ヒータ１０５によってシリンダ内筒３０ＨＲに熱が与えられるので、シリンダ内筒３０ＨＲの温度低下が抑制される。その結果、ピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減する。そして、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれがさらに低減されて、気体軸受ＧＢの機能が安定して発揮される。

本実施例では、スリーブ３０ＨＳを高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲに取り付ける構造により、シリンダ軸方向温度差を低減して、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランスをシリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向にわたってほぼ一定に維持し、両者が接触するおそれを低減する。また、本実施例では、高温側シリンダ３０Ｈを上述したような二重構造とすることにより、シリンダ中心軸Ｚｃと直交する方向におけるピストン−シリンダ間温度差を低減し、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとの熱膨張を同程度にして、両者が接触するおそれを低減する。また、シリンダ内筒３０ＨＲとヒータ１０５とを熱的に接続する構造で、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの温度低下を抑制することにより、ピストン−シリンダ間温度差を低減し、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとの熱膨張を同程度にして、両者が接触するおそれを低減する。

本実施例では、上述した３構造をそれぞれ単独で用いても、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれを低減できる。しかし、３構造のうち、スリーブ３０ＨＳを高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲに取り付ける構造と残りの２構造のうち少なくとも一つとを組み合わせることにより、より効果的に高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれを低減できる。その結果、両者の接触が回避できるので、スターリングエンジン１００の運転中においては、気体軸受ＧＢの機能を安定して発揮させることができる。

本実施例において、シリンダブロック３０ＨＢは、高温側シリンダ３０Ｈの中心軸Ｚｃと平行な方向の力（シリンダ軸力）や、高温側シリンダ３０Ｈに作用する曲げモーメント等を支持する構造部材である。このため、シリンダブロック３０ＨＢは、シリンダ軸力や前記曲げモーメントに耐え得るように肉厚を厚くして、強度を確保している。一方、シリンダ内筒３０ＨＲは、内部に存在する作動流体の圧力を受け、シリンダ軸力や前記曲げモーメントは受けない。したがってシリンダ内筒３０ＨＲの肉厚は、その内部に存在する作動流体の圧力にのみ耐え得る程度の厚さとすればよい。

一般に、円筒形状は内圧に対して強く、肉厚を薄くしても相当の内圧に耐える。したがって、シリンダ内筒３０ＨＲは薄肉構造とすることができる。これによって、シリンダ内筒３０ＨＲの熱容量が小さくなるので、ヒータ１０５からシリンダ内筒３０ＨＲへ伝熱する熱の変化に対する応答性が向上する。これによって、ヒータ１０５の温度が変化して高温側ピストン２０Ｈと接触する作動流体の温度が変化しても、ヒータ１０５の温度変化に追従してシリンダ内筒３０ＨＲの温度も迅速に変化するので、ピストン−シリンダ間温度差が迅速に低減される。その結果、ヒータ１０５の温度が変化しても、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスが設定された値に維持されるので、気体軸受ＧＢの機能が確実に発揮される。

高温側シリンダ３０Ｈにおいて、少なくとも気体軸受ＧＢが形成され得る部分（気体軸受部）ＧＢＡは、シリンダ内筒３０ＨＲ外周部に嵌め込まれるスリーブ３０ＨＳの外側に、所定の間隔をもってシリンダブロック３０ＨＢを配置した二重構造とすることが好ましい。これによって、気体軸受部ＧＢＡでは、ピストン−シリンダ間温度差の低減によりピストン−シリンダ間熱膨張差が低減するので、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスは、より確実に設定した値に維持されて、気体軸受ＧＢの機能が発揮される。

気体軸受部ＧＢＡは、高温側ピストン２０Ｈの一行程において、気体軸受ＧＢを形成するために必要な、高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランスｔｃ（数μｍ〜数十μｍ）が形成され得る部分である。図３に示す構成では、高温側ピストン２０Ｈの中心軸、すなわち、シリンダ３０中心軸Ｚｃと平行な軸と平行な方向において、高温側ピストン２０ＨがＴＤＣにあるときのピストン側段差部Ｋｐと、シリンダ内筒３０ＨＲの反ヒータ側端部３１との間の部分が気体軸受部ＧＢＡである。

なお、図１に示すスターリングエンジン１００のように、複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つのシリンダは、スリーブとヒータとを熱的に接続するとともに、スリーブ３０ＨＳの外側にシリンダブロック３０ＨＢを所定の間隔をもって配置した二重構造で構成する。本実施例では、上述したように、この構造を図１に示すスターリングエンジン１００の高温側シリンダ３０Ｈに採用するが、低温側シリンダ３０Ｌに採用してもよい。

本実施例において、図３、図６に示すように、シリンダ内筒３０ＨＲは、ヒータ１０５側の端部にシリンダ内筒支持部３２が設けられる。本実施例では、シリンダ内筒３０ＨＲとシリンダ内筒支持部３２とは同一の構造体として一体で構成されるが、両者を別個の構造体として構成し、スターリングエンジン１００に組み付けるときに一体としてもよい。本実施例において、シリンダ内筒３０ＨＲとシリンダ内筒支持部３２とは、同一の材料で構成される。本実施例においては、シリンダ内筒３０ＨＲは、熱の導体であるステンレス鋼で構成されるので、シリンダ内筒支持部３２もステンレス鋼で構成される。

シリンダ内筒３０ＨＲの中心軸方向（図３のシリンダ中心軸Ｚｃの方向）における寸法はＬｒ２であり、シリンダ内筒支持部３２の中心軸方向における寸法はＬｒ１である。そして、シリンダ内筒３０ＨＲの中心軸方向におけるシリンダ内筒３０ＨＲとシリンダ内筒支持部３２との寸法はＬｒ＝Ｌｒ１＋Ｌｒ２となる。

シリンダ内筒支持部３２は、シリンダ内筒３０ＨＲが設けられる側とは反対側の端部（すなわち、ヒータ側端部）３２Ｔが、ヒータ１０５を構成するヒータ・シリンダ連結部材１２０のヒータ反対側端部１２０Ｂと接触し、熱的に接続される。これによって、シリンダ内筒３０ＨＲは、シリンダ内筒支持部３２を介してヒータ１０５と熱的に接続される。上述したように、シリンダ内筒支持部３２は熱の導体で構成されるので、シリンダ内筒３０ＨＲは、ヒータ１０５と熱的に接続されることになる。

本実施例において、ヒータ１０５は、作動流体が通過するチューブを複数束ねて構成される。図５に示すように、ヒータ・シリンダ連結部材１２０には、前記チューブの開口部１０５ＴＵが複数設けられる。この開口部１０５ＴＵから作動流体がシリンダ内筒３０ＨＲの内部へ出入りする。

図３に示すように、シリンダ内筒支持部３２は、シリンダ内筒３０ＨＲとシリンダブロック３０ＨＢとの間に所定の間隔を設けて、シリンダ内筒３０ＨＲをシリンダブロック３０ＨＢの内部に保持する。本実施例では、シリンダブロック３０ＨＢのヒータ１０５側における端部にシリンダ内筒支持部３２が取り付けられる。シリンダブロック３０ＨＢのヒータ１０５側における端部は開口部を有するとともに、前記端部には段部が形成されている。すなわち、開口部に近い方が内径は大きく形成される。

ここで、シリンダ内筒支持部３２とシリンダブロック３０ＨＢとの間に断熱部材を設けてもよい。これによって、シリンダ内筒支持部３２を通ってシリンダブロック３０ＨＢへ伝わるヒータ１０５の熱を抑制できるので、ヒータ１０５の熱がシリンダ内筒３０ＨＲへ伝わる割合が増加する。その結果、シリンダ内筒３０ＨＲの温度低下をより効果的に抑制して、ピストン−シリンダ間温度差をより効果的に低減できる。

シリンダ内筒３０ＨＲの径方向における肉厚ｔｒは、シリンダ内筒支持部３２の径方向における肉厚やシリンダブロック３０ＨＢの肉厚に対して小さくしてある。例えば、ヒータ１０５の温度が変化すると、作動流体の温度が変化し、これにしたがって高温側ピストン２０Ｈの温度も変化する。ヒータ１０５の温度が変化すると、ヒータ１０５からシリンダ内筒３０ＨＲへの伝熱量も変化するが、シリンダ内筒３０ＨＲの肉厚ｔｒを小さくすることにより、シリンダ内筒３０ＨＲが昇温しやすくなるので、シリンダ内筒３０ＨＲの温度は前記伝熱量の変化に迅速に対応して変化する。その結果、高温側ピストン２０Ｈの温度及びシリンダ内筒３０ＨＲの温度は同じように変化するので、ピストン−シリンダ間温度差の変化が抑制される。これによって、高温側ピストン２０Ｈとシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランスの変化が抑制されるので、スターリングエンジン１００を安定して運転できる。

スリーブ３０ＨＳは、シリンダ内筒３０ＨＲの外周部に嵌め込まれてシリンダ内筒３０ＨＲの外周面３４とスリーブ３０ＨＳの内周面３０ＨＳＩとが接する。スリーブ３０ＨＳのシリンダ内筒支持部３２側における端部（シリンダ内筒支持部側端部）３２ＴＩは、シリンダ内筒支持部３２と当接する。これによって、シリンダ内筒支持部３２は、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向におけるスリーブ３０ＨＳの移動を規制する。このように、シリンダ内筒支持部３２は、スリーブ３０ＨＳのストッパとして機能する。

スターリングエンジン１００の運転中には、スリーブ３０ＨＳの温度が上昇し、スターリングエンジン１００の運転を停止した後は、スリーブ３０ＨＳの温度が低下する。これによって、スリーブ３０ＨＳには、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向に対して熱伸び、縮みが発生するが、この伸縮によってスリーブ３０ＨＳがシリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向に移動して、スリーブ３０ＨＳとシリンダ内筒３０ＨＲとの位置関係にずれが発生するおそれがある。本実施例のように、スリーブ３０ＨＳのストッパを設けることにより、スリーブ３０ＨＳの前記移動が規制されるので、スリーブ３０ＨＳとシリンダ内筒３０ＨＲとの位置関係が保持される。その結果、スリーブ３０ＨＳの伝熱機能を確実に発揮させて、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向におけるシリンダ内筒３０ＨＲの温度差を抑制できる。

また、本実施例では、シリンダ内筒支持部３２のみをスリーブ３０ＨＳのストッパとして用い、シリンダ内筒３０ＨＲのシリンダ内筒支持部３２とは反対側には前記ストッパを設けない。これによって、スリーブ３０ＨＳをシリンダ内筒支持部３２に取り付ける場合には、シリンダ内筒３０ＨＲのシリンダ内筒支持部３２とは反対側からスリーブ３０ＨＳをシリンダ内筒３０ＨＲに嵌め込めばよいので、高温側シリンダ３０Ｈの組み立て作業が容易になる。

図７−１は、本実施例に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備えるスリーブの構成を示す側面図である。図７−２は、図７−１のＡ−Ａ断面図であり、図７−３は、図７−１のＢ−Ｂ断面図である。図７−１、図７−２に示すように、スリーブ３０ＨＳには、シリンダ中心軸（すなわち、スリーブ３０ＨＳの中心軸）Ｚｃと平行な方向に向かって形成される切り込み３６Ａ、３６Ｂが、スリーブ３０ＨＳの周方向（図７−２、図７−３の矢印Ｃで示す方向）に向かって複数設けられる。しかし、切り込み３６Ａ、３６Ｂが形成される方向はこれに限定されるものではなく、切り込み３６Ａ、３６Ｂが形成される方向は、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向に対して傾斜していてもよい。すなわち、複数の切り込み３６Ａ、３６Ｂが形成される方向は、シリンダ中心軸Ｚｃと直交する方向に交差する方向に向かっていればよい。

切り込み３６Ａ、３６Ｂは、スリーブ３０ＨＳの側周部３７の厚さ方向に貫通する。そして、切り込み３６Ａは、スリーブ３０ＨＳの側周部からスリーブ３０ＨＳの両方の端部３０ＨＳＴ１、３０ＨＳＴ２に開口し、切り込み３６Ｂは、スリーブ３０ＨＳの両方の端部３０ＨＳＴ１、３０ＨＳＴ２には開口を有さない。このように、スリーブ３０ＨＳに複数の切り込み３６Ａ、３６Ｂを形成することにより、スリーブ３０ＨＳを、スリーブ３０ＨＳの周方向に単位長さ分変形させる際に要する力を調整して、切り込み３６Ａ、３６Ｂを設けない場合よりも小さくできる。これによって、スリーブ３０ＨＳを、スリーブ３０ＨＳの周方向に単位長さ分変形させる際に要する力Ｆｓｓを、シリンダ内筒３０ＨＲの周方向にシリンダ内筒３０ＨＲを前記単位長さ分変形させる際に要する力Ｆｃよりも小さくする。すなわち、スリーブ３０ＨＳの周方向におけるばね剛性を、シリンダ内筒３０ＨＲの周方向におけるばね剛性よりも小さくする。これは、スリーブ３０ＨＳは、シリンダ内筒３０ＨＲと比較して、スリーブ３０ＫＳの周方向に対して伸びやすいということである。このように構成する理由を説明する。なお、シリンダ内筒３０ＨＲを前記単位長さ分変形させる際に要する力Ｆｃは、スリーブ３０ＨＳが嵌め込まれている領域での値とする。

図８−１、図８−２は、高温側シリンダの環境温度とシリンダ内筒の内径及びスリーブを取り付けたシリンダ内筒の内径との関係を示す概念図である。図８−１、図８−２中のＴは、図１に示すスターリングエンジン１００の高温側シリンダ３０Ｈ、より詳しくは、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲ及びスリーブ３０ＨＳの環境温度Ｔを示す。また、図８−１、図８−２の縦軸Ｄは、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲの内径を示し、実線Ｄｃは、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲ単体での内径を示し、破線Ｄｃｓは、シリンダ内筒３０ＨＲの外周部にスリーブ３０ＨＳを嵌め込んだときにおけるシリンダ内筒３０ＨＲの内径を示す。ここで、説明の便宜上、スリーブ３０ＨＳを嵌め込んだときにおけるシリンダ内筒３０ＨＲを、スリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲという。

スターリングエンジン１００の高温側シリンダ３０Ｈは、スターリングエンジン１００の冷間時から運転時を想定すると、最低温度ＴＬから最高温度ＴＨまで温度が変化する。ＴＬはおよそ−数１０℃程度であり、ＴＨは数１００℃程度である。ＴＳは、シリンダ内筒３０ＨＲにスリーブ３０ＨＳを嵌め込む際の温度であり、室温程度である。本実施例では、図８−１、図８−２に示すように、高温側シリンダ３０Ｈの環境温度が最高温度ＴＨにおいて、スリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲの内径Ｄｃｓが、シリンダ内筒３０ＨＲ単体の内径Ｄｃよりも小さくなるように、シリンダ内筒３０ＨＲ及びスリーブ３０ＨＳが設計される。これによって、想定される高温側シリンダ３０Ｈの環境温度の全範囲にわたって、スリーブ３０ＨＳには引っ張り応力を、シリンダ内筒３０ＨＲには圧縮応力を発生させる。その結果、高温側シリンダ３０Ｈの環境温度が最高温度ＴＨになったときにおいても、シリンダ内筒３０ＨＲからスリーブ３０ＨＳの脱落が回避される。

上述したように、スリーブ３０ＨＳは、シリンダ内筒３０ＨＲよりも熱伝導率が大きい材料であり、一般に熱伝導率の大きい材料は熱膨張率も大きいため、スリーブ３０ＨＳは、シリンダ内筒３０ＨＲよりも熱膨張率が大きくなる。このように、スリーブ３０ＨＳとシリンダ内筒３０ＨＲとを熱伝導率の異なる材料で構成すると、両者には熱膨張差が発生する。スリーブ３０ＨＳに切り込み３６Ａ、３６Ｂを設けない場合には、高温側シリンダ３０Ｈの環境温度がＴＨからＴＬに変化すると、スリーブ３０ＨＳとシリンダ内筒３０ＨＲとの熱膨張差に起因して、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲ単体の内径Ｄｃ、及びスリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲの内径Ｄｃｓは、図８−１に示すように変化する。

このように、スリーブ３０ＨＳに切り込み３６Ａ、３６Ｂを設けない場合には、高温側シリンダ３０Ｈの環境温度が低下するにしたがって、スリーブ３０ＨＳに発生する引っ張り応力、及びシリンダ内筒３０ＨＲに発生する圧縮応力は増加して、スリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲの内径Ｄｃｓが小さくなる。なお、シリンダ内筒３０ＨＲ単体での内径Ｄｃとスリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲの内径Ｄｃｓとの差が大きくなるほど、スリーブ３０ＨＳに発生する引っ張り応力及びシリンダ内筒３０ＨＲに発生する圧縮応力が大きくなる。

スリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲの内径Ｄｃｓが小さくなると、図１、図３に示す高温側ピストン２０Ｈとシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランスが小さくなるので、両者が接触するおそれが高くなる。このため、本実施例では、スリーブ３０ＨＳに複数の切り込み３６Ａ、３６Ｂを形成する。これによって、スリーブ３０ＨＳの周方向にスリーブ３０ＨＳを単位長さ分変形させる際に要する力Ｆｓｓを、シリンダ内筒３０ＨＲの周方向にシリンダ内筒３０ＨＲを単位長さ分変形させる際に要する力Ｆｃよりも小さくする。

その結果、スリーブ３０ＨＳが高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲを締め付ける力が低下する。これによって、高温側シリンダ３０Ｈの環境温度がＴＨからＴＬに変化すると、高温側シリンダ３０Ｈのシリンダ内筒３０ＨＲ単体の内径Ｄｃ、及びスリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲの内径Ｄｃｓは、図８−２に示すように、両方ともほぼ同じ割合で変化する。すなわち、高温側シリンダ３０Ｈの環境温度がＴＨからＴＬに低下した場合において、スリーブ３０ＨＳがシリンダ内筒３０ＨＲを締め付ける力によるスリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲの内径Ｄｃｓの縮小が抑制される。その結果、図１、図３に示す高温側ピストン２０Ｈとシリンダ内筒３０ＨＲとのクリアランス減少が抑制されるので、両者が接触するおそれをより確実に低減できる。

スリーブ３０ＨＳの周方向にスリーブ３０ＨＳを単位長さ分変形させる際に要する力Ｆｓｓは、シリンダ内筒３０ＨＲの周方向にシリンダ内筒３０ＨＲを単位長さ分変形させる際に要する力Ｆｃの１／２５以下とすることが好ましい。すなわち、スリーブ３０ＨＳの周方向におけるばね剛性は、シリンダ内筒３０ＨＲの周方向におけるばね剛性の１／２５以下とすることが好ましい。このようにすれば、高温側シリンダ３０Ｈの環境温度が低下した場合において、スリーブ３０ＨＳがシリンダ内筒３０ＨＲを締め付ける力をより確実に低減できるので、スリーブ装着時シリンダ内筒３０ＨＲの内径Ｄｃｓの縮小をより確実に抑制できる。その結果、高温側ピストン２０Ｈとシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれをより確実に低減できる。

図９−１、図９−２は、スリーブに設けられる切り込みの拡大断面図である。高温側シリンダ３０Ｈの環境温度が変化した結果、スリーブ３０ＨＳの周方向に引っ張り力、すなわち、切り込み３６Ａ、３６Ｂを開く方向の力が作用した場合、切り込み間隔ＰＣが大きいと、図９−１に示すように、スリーブ３０ＨＳがシリンダ内筒３０ＨＲから浮くおそれがある。このため、本実施例では、高温側シリンダ３０Ｈを構成するスリーブ３０ＨＳに設ける切り込み３６Ａ、３６Ｂの間隔（切り込み間隔）ＰＣ（図７−１参照）を、スリーブ３０ＨＳの厚さｈｓ、すなわち、スリーブ３０ＨＳの径方向（シリンダ中心軸Ｚｃと直交する方向）におけるスリーブ３０ＨＳの側周部３７の寸法（図７−２参照）よりも小さくする。

これによって、高温側シリンダ３０Ｈの環境温度に関わらず、スリーブ３０ＨＳの周方向に引っ張り力が作用した場合にスリーブ３０ＨＳがシリンダ内筒３０ＨＲから浮くおそれを低減できる。その結果、スリーブ３０ＨＳとシリンダ内筒３０ＨＲとを確実に接触させることができるので、シリンダ内筒３０ＨＲからスリーブ３０ＨＳへの伝熱を確保できる。これによって、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向におけるシリンダ内筒３０ＨＲの温度差を抑制できるので、高温側ピストン２０Ｈとシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれをより確実に低減できる。

（第１変形例）
図１０−１は、高温側シリンダを構成するスリーブの第１変形例を示す側面図である。図１０−２、図１０−３は、スリーブの周方向に引っ張り応力が作用した場合におけるスリーブの変形を示す模式図である。スリーブ３０ＨＳａは、側周部３７の厚さ、すなわち、シリンダ中心軸Ｚｃ（スリーブ３０ＨＳａの中心軸）と直交する方向における側周部３７の寸法が、前記スリーブ３０Ｈｓａの中心軸、すなわちシリンダ中心軸Ｚｃの方向における両端部分ＴＴよりも中央部分ＣＣの方が大きい。

このようにするため、スリーブ３０ＨＳａにおけるそれぞれの寸法を次のように設定する。まず、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向におけるスリーブ３０ＨＳの寸法をＬとする。スリーブ３０ＨＳａの一方の端部３０ＨＳＴ１ａ及び他方の端部３０ＨＳＴ２ａから所定の距離ＬＡの部分を両端部分ＴＴとし、この部分における側周部３７の厚さをｈｓｔとする。また、スリーブ３０ＨＳａの一方の端部３０ＨＳＴ１ａから所定の距離ＬＡの位置と、他方の端部３０ＨＳＴ２ａから所定の距離ＬＡとの間が、スリーブ３０ＨＳａの中央部分ＣＣとなり、この部分の厚さをｈｓｃとする。なお、中央部分ＣＣのシリンダ中心軸Ｚｃ方向の寸法は、ＬＢである。

このように、スリーブ３０ＨＳａの中央部分ＣＣにおける側周部３７の厚さｈｓｃを、スリーブ３０ＨＳａの両端部分ＴＴにおける側周部３７の厚さｈｓｔよりも大きくすることで、スリーブ３０ＨＳａが熱膨張したときにおける両端部分ＴＴの浮き上がりが抑制できる。その結果、スリーブ３０ＨＳａと図３に示すシリンダ内筒３０ＨＲとを確実に接触させることができるので、シリンダ内筒３０ＨＲからスリーブ３０ＨＳａへの伝熱を確保できる。これによって、シリンダ中心軸Ｚｃと平行な方向におけるシリンダ内筒３０ＨＲの温度差を抑制できるので、高温側ピストン２０Ｈとシリンダ内筒３０ＨＲとが接触するおそれをより確実に低減できる。

（第２変形例）
図１１−１は、高温側シリンダを構成するスリーブの第２変形例を示す側面図である。図１１−２は、高温側シリンダを構成するスリーブの第２変形例を示す平面図である。図１１−３は、高温側シリンダを構成するスリーブの第２変形例を示す拡大図である。スリーブ３０ＨＳｂには、側周部３７の外周面３０ＨＳＯと内周面３０ＨＳＩとの両方から、それぞれ切り込み３６Ｃ１、３６Ｃ２が交互に形成される。

図１１−１に示すように、切り込み３６Ｃ１、３６Ｃ２は、シリンダ中心軸Ｚｃ（すなわち、スリーブ３０ＨＳｂの中心軸）と平行な方向に向かい、スリーブ３０ＨＳｂ全体にわたって形成される。そして、図１１−２に示すように、切り込み３６Ｃ１、３６Ｃ２は、スリーブ３０ＨＳｂの周方向（図１１−２の矢印Ｃ方向）に向かってそれぞれ複数形成される。

図１１−３に示すように、スリーブ３０ＨＳｂの周方向（矢印Ｃ方向）に向かって見た場合、外周面３０ＨＳＯから形成される切り込み３６Ｃ１と、内周面３０ＨＳＩから形成される切り込み３６Ｃ２とは、一部が重なり合うように形成される。すなわち、外周面３０ＨＳＯからスリーブ３０ＨＳｂの内部へ向かう切り込み３６Ｃ１の寸法ｈｓ１と、内周面３０ＨＳＩからスリーブ３０ＨＳｂの内部へ向かう切り込み３６Ｃ２の寸法ｈｓ２との和は、スリーブ３０ＨＳｂの側周部３７ｂの厚さｈｓよりも大きくなる。

このように構成することにより、スリーブ３０ＨＳｂの周方向にスリーブ３０ＨＳｂを単位長さ分変形させる際に要する力Ｆｓｓを低減できる。また、切り込み３６Ｃ１、３６Ｃ２を設けることにより、シリンダ内筒３０ＨＲからスリーブ３０ＨＳｂが浮くおそれ（図９−１参照）を低減できる。

以上、本実施例では、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるピストン機関において、前記ピストン機関の作動流体を加熱するヒータとの間で前記作動流体が流出入するシリンダ内筒を備え、このシリンダ内筒よりも熱伝導率の大きいスリーブを前記シリンダ内筒の外周部に嵌め込む。これによって、シリンダ軸方向温度差を低減して、ピストンとシリンダ内筒とのクリアランスをシリンダ中心軸と平行な方向にわたってほぼ一定に維持できる。その結果、両者が接触するおそれを低減して、気体軸受の機能を確実に発揮させることができる。

また、本実施例では、前記スリーブの外側にシリンダ外殻を配置して、前記スリーブと前記シリンダ外殻との二重構造でシリンダを構成する。これによって、シリンダ中心軸と直交する方向におけるピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストンとシリンダ内筒との熱膨張を同程度にできる。その結果、両者が接触するおそれを低減して、気体軸受の機能を確実に発揮させることができる。

特に、ピストンとシリンダ内筒との間に気体軸受を介在させるピストン機関においては、ピストンとシリンダ内筒とのクリアランスが非常に小さいため、ピストンの熱膨張によってピストンとシリンダ内筒とが接触しやすい。しかし、本実施例によれば、ピストンとシリンダ内筒とが接触するおそれを抑制して、確実に気体軸受の機能を発揮させることができるので好ましい。

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で気体軸受によってピストンをシリンダ内に支持するピストン機関に有用であり、特に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減することに適している。

本実施例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。 本実施例に係るピストン機関であ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。 本実施例に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える高温側シリンダの構成を示す説明図である。 高温側ピストンと高温側シリンダ内筒との位置関係を示す模式図である。 高温側ピストンと高温側シリンダ内筒との位置関係を示す模式図である。 高温側ピストンの温度と高温側シリンダ内筒の温度とを示す模式図である。 本実施例に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストンと高温側シリンダ内筒との位置関係を示す模式図である。 本実施例に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストンと高温側シリンダ内筒との温度を示す模式図である。 ヒータ・シリンダ連結部材を高温側作動空間側から見た平面図である。 高温側シリンダを構成するシリンダ内筒にスリーブを取り付けた状態を示す断面図である。 本実施例に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備えるスリーブの構成を示す側面図である。 図７−１のＡ−Ａ断面図である。 図７−１のＢ−Ｂ断面図である。 高温側シリンダの環境温度とシリンダ内筒の内径及びスリーブを取り付けたシリンダ内筒の内径との関係を示す概念図である。 高温側シリンダの環境温度とシリンダ内筒の内径及びスリーブを取り付けたシリンダ内筒の内径との関係を示す概念図である。 スリーブに設けられる切り込みの拡大断面図である。 スリーブに設けられる切り込みの拡大断面図である。 高温側シリンダを構成するスリーブの第１変形例を示す側面図である。 スリーブの周方向に引っ張り応力が作用した場合におけるスリーブの変形を示す模式図である。 高温側シリンダを構成するスリーブの第２変形例を示す側面図である。 高温側シリンダを構成するスリーブの第２変形例を示す平面図である。 高温側シリンダを構成するスリーブの第２変形例を示す拡大図である。

符号の説明

２０Ｈ 高温側ピストン
２０Ｌ 低温側ピストン
３０Ｈ 高温側シリンダ
３０ＨＢ、３０ＬＢ シリンダブロック
３０ＨＲ、３０ＬＲ シリンダ内筒
３０ＨＳ、３０ＨＳａ、３０ＨＳｂ スリーブ
３０ＨＳＩ 内周面
３０ＨＳＯ 外周面
３０ＨＳＴ１、３０ＨＳＴ２ 端部
３０Ｌ 低温側シリンダ
３７、３７ｂ 側周部
６０ 近似直線機構（グラスホッパ機構）
１００ スターリングエンジン
１０５ ヒータ
１０６ 再生器
１０７ クーラー
１０８ 熱交換器
１１０ クランクシャフト

Claims (18)

1. 筒状の構造体であって、作動流体が流出入するシリンダ内筒と、
   筒状の構造体であって、前記シリンダ内筒よりも熱伝導率が高い材料で構成されるとともに、前記シリンダ内筒の外周部に嵌め込まれるスリーブと、
   前記スリーブの外周部の外側に配置されるシリンダ外殻と、
   前記作動流体の圧力が変化することによって、前記シリンダ内筒の内部を往復運動するピストンと、
   対向して配置される前記シリンダ内筒の内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
   を備えることを特徴とするピストン機関。
2. 前記スリーブは、前記シリンダ内筒と比較して、前記スリーブの周方向に対して伸びやすいことを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
3. 前記シリンダ内筒を、前記シリンダ内筒の周方向に単位長さ分変形させる際に要する力よりも、前記スリーブを、前記スリーブの周方向に前記単位長さ分変形させる際に要する力の方が小さいことを特徴とする請求項２に記載のピストン機関。
4. 前記スリーブには、前記スリーブの中心軸と直交する方向に交差する方向に向かって形成される切り込みが、前記スリーブの周方向に向かって複数設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
5. 前記スリーブの中心軸と直交する方向における前記スリーブの側周部の寸法は、前記スリーブの中心軸の方向における両端部分よりも中央部分が大きい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. 前記切り込みの幅は、前記スリーブの側周部の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項４又は５に記載のピストン機関。
7. 前記シリンダ内筒の側壁の外側には、前記スリーブの一方の端部と係合して、前記スリーブの中心軸と平行な方向における前記スリーブの移動を規制するストッパが設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストン機関。
8. 前記シリンダ内筒は、前記ヒータと熱的に接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のピストン機関。
9. 前記スリーブは、少なくとも前記作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流出入する前記シリンダ内筒の外周部に嵌め込まれることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のピストン機関。
10. 作動流体を加熱するヒータ、及び前記ヒータと接続されるとともに前記ヒータとの間で前記作動流体が流出入する再生器、及び前記再生器に接続されるとともに前記再生器との間で前記作動流体が流出入するクーラーを含んで構成される熱交換器と、
    前記ヒータに接続されて前記ヒータとの間で前記作動流体が流出入するシリンダ内筒、及び前記シリンダ内筒よりも熱伝導率が高い材料で構成されるとともに前記シリンダ内筒の外周部に嵌め込まれるスリーブ、及び前記スリーブの外周部の外側に配置されるシリンダ外殻を有するシリンダと、
    前記作動流体の圧力が変化することによって、前記シリンダ内筒の内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記シリンダ内筒の内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
    を含むことを特徴とするスターリングエンジン。
11. 前記スリーブは、前記シリンダ内筒と比較して、前記スリーブの周方向に対して伸びやすいことを特徴とする請求項１０に記載のスターリングエンジン。
12. 前記シリンダ内筒を、前記シリンダ内筒の周方向に単位長さ分変形させる際に要する力よりも、前記スリーブを、前記スリーブの周方向に前記単位長さ分変形させる際に要する力の方が小さいことを特徴とする請求項１１に記載のスターリングエンジン。
13. 前記スリーブには、前記スリーブの中心軸と直交する方向に交差する方向に向かって形成される切り込みが、前記スリーブの周方向に向かって複数設けられることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のスターリングエンジン。
14. 前記スリーブの中心軸と直交する方向における前記スリーブの側周部の寸法は、前記スリーブの中心軸の方向における両端部分よりも中央部分が大きいことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のスターリングエンジン。
15. 前記切り込みの幅は、前記スリーブの側周部の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１３又は１４に記載のスターリングエンジン。
16. 前記シリンダ内筒の側壁の外側には、前記スリーブの一方の端部と係合して、前記スリーブの中心軸と平行な方向における前記スリーブの移動を規制するストッパが設けられることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載のスターリングエンジン。
17. 前記ピストンは、近似直線機構によって支持されることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか１項に記載のスターリングエンジン。
18. 前記スターリングエンジンが複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つの前記シリンダは、前記ヒータと前記スリーブとが熱的に接続されることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載のスターリングエンジン。

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