JP2010138761A - ピストン機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スターリングエンジンを起動させる際のトルクを低減すること。
【解決手段】スターリングエンジン１００は、低温側作動流体空間ＭＳＬとクランクケース内空間ＣＳとを接続する流体通路４０と、流体通路４０に設けられてこれを開閉する通路開閉弁４１が設けられる。通路開閉弁４１は、スターリングエンジン１００が起動する際には流体通路４０を連通させ、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度が、予め定めた起動可能回転速度以上になったときに、流体通路４０の連通を遮断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、作動流体が作動流体空間内に充填されてい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。スターリングエンジンはピストン機関の一種であり、作動流体空間内に高圧の作動流体が充填されている。例えば、特許文献１には、クランクケース内を加圧するスターリングエンジンが開示されている。

特開２００６−３４８８９３号公報

スターリングエンジンは、作動流体空間に作動流体が充填されているので、ピストンが最大の作動流体の圧力を乗り越えて往復運動しないと、スターリングエンジンを起動できない。特許文献１に開示されたスターリングエンジンは、クランクケース内を加圧するので、作動流体空間内の作動流体の圧力も高くなる。その結果、スターリングエンジンを起動する際には大きなトルクを要することになり、スターリングエンジンを起動するために大きなトルクを有する起動手段を用意しなければならず、無駄が多い。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作動流体空間に作動流体が充填されたピストン機関を起動させる際のトルク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、シリンダ内を往復運動するピストンの前記往復運動を回転運動に変換して出力するピストン機関において、前記シリンダ内に作動流体が充填される第１の空間と、前記ピストンに対して前記第１の空間の反対側における第２の空間とを接続する流体通路と、当該流体通路に設けられて、前記ピストン機関が起動する際には前記流体通路を連通させるとともに、前記ピストン機関の回転速度が、前記流体通路の連通が遮断されている状態で前記ピストンが前記作動流体を圧縮し、かつ前記作動流体の最大圧力を超えられる大きさに相当する、前記ピストン機関の回転系の慣性エネルギが得られる起動可能回転速度以上になったときに、前記流体通路の連通を遮断する通路開閉手段と、を備えることを特徴とする。

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、前記ピストン機関が起動する際には、前記ピストン機関が無負荷の状態とされ、前記通路開閉手段は、前記ピストンと前記シリンダとが接触しない回転速度となるまで開いていることが望ましい。

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、前記ピストン機関は、第１のシリンダ及び当該第１のシリンダ内を往復運動する第１のピストンと、第２のシリンダ及び当該第２のシリンダ内を往復運動する第２のピストンと、前記作動流体を加熱するとともに前記第１のシリンダに接続されて前記作動流体が流出入するヒータ、及び前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が流出入する再生器、及び前記作動流体を冷却するとともに一方の端部が前記再生器に接続され、他方の端部が前記第２のシリンダに接続されて前記作動流体が流出入するクーラを含んで構成される熱交換器と、を有し、かつ、前記第１のシリンダと前記第１のピストンとの間、及び前記第２のシリンダと前記第２のピストンとの間に気体軸受を介在させるスターリングエンジンであり、前記流体通路は、前記第２のピストンの上死点よりも前記クーラ側と、前記第２のピストンの下死点よりも前記第２の空間側とを接続することが望ましい。

本発明は、作動流体空間に作動流体が充填されたピストン機関を起動させる際のトルクを低減できる。

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、以下の説明により本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。

（実施形態１）
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が介在する構造を備える。このため、例えば、シリンダ内の作動流体空間から、ピストンの外殻とピストンの内部の仕切り部材とで囲まれる蓄圧空間内へ作動流体を導入させ、この作動流体をピストンの側部に設けた給気孔からピストンとシリンダとの間に流出させ、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成する。本実施形態は、このようなピストン機関において、作動流体が充填される第１の空間と、ピストンに対して第１の空間の反対側に形成される第２の空間とを流体通路で接続し、この流体通路を開閉する通路開閉手段を設ける。そして、この通路開閉手段は、本実施形態に係るピストン機関が起動する際には流体通路を開いて連通させ、ピストン機関の機関回転速度が予め定めた所定の回転速度以上になったときに、流体通路を閉じて連通を遮断する点に特徴がある。なお、気体軸受は、静圧気体軸受、動圧気体軸受のいずれでもよい。ここで、ピストン機関の機関回転速度とは、ピストン機関の出力軸の回転速度をいう。ピストンの往復運動をクランクシャフトで回転運動に変換して取り出す場合、クランクシャフトの回転速度が機関回転速度となる。

図１は、実施形態１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、実施形態１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は、実施形態１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、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、熱機関（例えば、内燃機関）の排ガスＥｘから熱エネルギを回収する、排熱回収装置として用いられる。

スターリングエンジン１００は、第１のシリンダである高温側シリンダ３０Ｈ内に収められた第１のピストンである高温側ピストン２０Ｈと、第２のシリンダである低温側シリンダ３０Ｌ内に収められた第２のピストンである低温側ピストン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。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。

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、スターリングエンジン１００が備える基板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ので、ピストンとシリンダ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。

高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間には、ヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラ（冷却器）１０７とで構成される熱交換器１０８が設けられる。ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ３０Ｈと接続されて、高温側シリンダ３０Ｈとヒータ１０５との間で作動流体が流出入する。ヒータ１０５は、ヒータケース３内を流れる内燃機関の排ガスＥｘの熱を作動流体に与えて加熱し、加熱された作動流体が高温側シリンダ３０Ｈ内に流入する。ヒータ１０５は、例えば、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。また、本実施形態において、ヒータ１０５は、略Ｕ字形状である。これによって、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を容易に配置することができる。ヒータ１０５の他方の端部、すなわち、高温側シリンダ３０Ｈとは反対側の端部は再生器１０６と接続される。そして、ヒータ１０５と再生器１０６との間で作動流体が流出入する。

再生器１０６は、ヒータ１０５と接続される側の端部と反対側の端部がクーラ１０７と接続されて、ヒータ１０５又はクーラ１０７から流入する作動流体が通過する。再生器１０６は、例えば、多孔質の蓄熱体で構成できる。クーラ１０７の再生器１０６と接続される側とは反対側の端部は、低温側シリンダ３０Ｌが接続される。すなわち、クーラ１０７は、一方の端部が再生器１０６に接続され、他方の端部が低温側シリンダ３０Ｌに接続される。そして、クーラ１０７と低温側シリンダ３０Ｌとの間で作動流体が流出入する。クーラ１０７は、再生器１０６を通過した作動流体を冷却する。クーラ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１０７は空冷としてもよいし、水冷としてもよい。本実施形態において、熱交換器１０８は上述したように構成される。そして、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌは、それぞれ熱交換器１０８を通過した作動流体が流出入する。

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から供給される熱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。

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、ピストンとシリンダ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、内燃機関の排熱回収のような低熱源、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、図３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、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。

本実施形態において、近似直線機構６０は、グラスホッパ機構を採用する。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６４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６０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、本実施形態において近似直線機構６０として用いるグラスホッパ機構は、他の近似直線機構に比べて、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全体がコンパクトにな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、グラスホッパ機構は、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、筐体１００Ｃに格納される。スターリングエンジン１００の筐体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。筐体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、筐体１００Ｃ内に充填される気体の圧力に略比例して大きくなる。なお、ポンプ１１５を設けず、クランクケース内空間ＣＳに充填される気体を予め所定の圧力まで加圧しておいてもよい。

スターリングエンジン１００では、筐体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。スターリングエンジン１００は、筐体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、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１１８を介して筐体１００Ｃの外部へ取り出される。

図１、図３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２０Ｔと、側部２０Ｓと、底部２０Ｂとを外殻とし、頂部２０Ｔと、側部２０Ｓと、底部２０Ｂとで囲まれる空間を、蓄圧空間２０Ｉとする。スターリングエンジン１００は、筐体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が供給される。そして、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２０Ｓ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２０Ｓとシリンダ３０の内壁３０Ｉ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の内壁３０Ｉとの間に気体軸受ＧＢが構成される。

ここで、本実施形態では、筐体１００Ｃのクランクケース内空間ＣＳに充填される気体が加圧される。このため、気体軸受ポンプ１２０を筐体１００Ｃの外部に配置した場合、気体軸受ポンプ１２０は、少なくともクランクケース内空間ＣＳの圧力よりも高い圧力で作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉへ送り込まないと、蓄圧空間２０Ｉから給気孔２２を通して作動流体ＦＬを流出させることはできない。この場合、気体軸受ポンプ１２０を筐体１００Ｃの内部に配置すれば、気体軸受ポンプ１２０は、すでに加圧された作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉに送り込むだけなので、気体軸受ＧＢを形成するために要する気体軸受ポンプ１２０の仕事量を低減できる。

図１に示すスターリングエンジン１００は、ピストン機関であるスターリングエンジン１００の作動流体が充填される第１の空間と、ピストン２０に対して第１の空間とは反対側における第２の空間とを接続する流体通路を備える。そして、流体通路には、流体通路を開閉可能な通路開閉手段が設けられる。本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、高温側作動流体空間ＭＳＨあるいは低温側作動流体空間ＭＳＬ、すなわち作動流体空間ＭＳが第１の空間に相当し、クランクケース内空間ＣＳが第２の空間に相当する。本実施形態では、低温側作動流体空間ＭＳＬとクランクケース内空間ＣＳとを流体通路４０で接続する。流体通路４０には通路開閉手段である通路開閉弁４１が設けられる。

通路開閉弁４１は、例えば、電磁弁を用いて構成される。図１に示すように、通路開閉弁４１は、スターリングエンジン１００を制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０と電気的に接続されており、ＥＣＵ５０によって開閉が制御される。通路開閉弁４１が開くと、流体通路４０によって作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとが連通し、通路開閉弁４１が閉じると、作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとの連通が遮断される。

スターリングエンジン１００の運転中には通路開閉弁４１が閉じられて、作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとの連通が遮断される。そして、ヒータ１０５が受けた熱のエネルギによって作動流体空間ＭＳ内及び熱交換器１０８内の作動流体の圧力が変化することにより、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌが往復運動する。この往復運動は、クランクシャフト１１０で回転運動に変換されて取り出される。

スターリングエンジン１００は、自力では起動できないので、起動時にはクランクシャフト１１０から回転力を与えて高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌを往復運動させる必要がある。しかし、スターリングエンジン１００の作動流体空間ＭＳには、高圧の作動流体が充填されているので、ピストン２０に作動流体空間ＭＳに充填されている作動流体の最大圧力（最大作動流体圧力）Ｐｍａｘを超えられるだけの力が付与されなければ、クランクシャフト１１０を回転させることはできず、スターリングエンジン１００を起動することはできない。

本実施形態では、スターリングエンジン１００を起動する際には、通路開閉弁４１を開いて流体通路４０によって作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとを連通させる。すると、作動流体空間ＭＳの圧力とクランクケース内空間ＣＳの圧力とが略等しくなるので、スターリングエンジン１００の摩擦抵抗に打ち勝つだけの回転力をクランクシャフト１１０に与えれば、クランクシャフト１１０を回転させ、クランクシャフト１１０に連結されるピストン２０を往復運動させることができる。これによって、外部の動力（例えば、スタータモータ）は、ほとんど無負荷の状態でクランクシャフト１１０を回転させることができる。そして、クランクシャフト１１０の回転速度が予め定めた起動可能回転速度Ｎ０以上になったら、通路開閉弁４１を閉じて作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとの連通を遮断する。これによって、スターリングエンジン１００が起動して運転が開始される。次に、通路開閉弁４１を開閉するタイミングについて説明する。

図４は、スターリングエンジンの回転系の慣性エネルギとスターリングエンジンの出力軸の回転速度との関係を示す概念図である。図５−１、図５−２は、通路開閉弁を閉じるタイミングの説明図である。本実施形態では、通路開閉弁４１が閉じている状態で、すなわち、作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとの連通が遮断されている状態で、ピストン２０が作動流体空間ＭＳ内の作動流体を圧縮し、かつ作動流体空間ＭＳ内に存在する作動流体の最大作動流体圧力Ｐｍａｘを超えられる大きさに相当する（あるいは最大作動流体圧力Ｐｍａｘを超えられる大きさの）回転系の慣性エネルギＥ０が得られる起動可能回転速度Ｎ０で、通路開閉弁４１を閉じる。このようなタイミングで通路開閉弁４１を閉じれば、ピストン２０は、作動流体空間ＭＳ内に存在する作動流体の最大作動流体圧力Ｐｍａｘを乗り越えて往復運動ができるので、クランクシャフト１１０の回転が継続されてスターリングエンジン１００を起動できる。

回転系は、スターリングエンジン１００の回転系である。スターリングエンジン１００の回転系は、クランクシャフト１１０、及びクランクシャフト１１０に直接又は間接的に連結されて、スターリングエンジン１００の運転時においは、クランクシャフト１１０の回転とともに回転運動や往復運動等の運動をする部材や機構（例えば、ピストン２０や近似直線機構６０等）で構成される系である。スターリングエンジン１００の回転系には、クランクシャフト１１０を外部の動力によって回転させることによって、慣性エネルギ（クランクシャフト１１０の回転によって発生する慣性エネルギ）が蓄えられる。すなわち、クランクシャフト１１０の回転速度が増加するにしたがって、スターリングエンジン１００の回転系に蓄えられる慣性エネルギは大きくなる。そして、スターリングエンジン１００の回転系に蓄えられた慣性エネルギが、ピストン２０が作動流体空間ＭＳ内に存在する作動流体の最大圧力を超えられる大きさであれば、ピストン２０はシリンダ３０内で往復運動ができるので、クランクシャフト１１０の回転が継続されてスターリングエンジン１００を起動し、かつ運転できる。

スターリングエンジン１００を起動させるにあたっては、図１に示すＥＣＵ５０が、スターリングエンジン１００が起動可能な条件にあるか否かを判定する。例えば、排ガスＥｘの温度が所定の温度以上である場合、ＥＣＵ５０は、スターリングエンジン１００が起動可能な条件にあると判定する。スターリングエンジン１００が起動可能な条件である場合、ＥＣＵ５０は、通路開閉弁４１を開き、外部の動力、例えばスタータモータでクランクシャフト１１０を回転させる。そして、ＥＣＵ５０は、図１に示すクランク角センサ１４０からスターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度を検出する。

ＥＣＵ５０が、クランクシャフト１１０の回転速度は起動可能回転速度Ｎ０以上であると判定した場合、ＥＣＵ５０は、通路開閉弁４１を閉じて、外部の動力によるクランクシャフト１１０の回転を終了する。これによって、スターリングエンジン１００が起動して、自立運転を開始する。スターリングエンジン１００が起動した後、すなわち、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度がＮ０を超えた後（図５−１、図５−２の時間ｔ０以降）は、クランクシャフト１１０の回転速度を定格回転速度Ｎｃまで上昇させて、スターリングエンジン１００から定格出力Ｗｃを得る（図５−１、図５−２の時間ｔ１以降）。

このように、本実施形態では、スターリングエンジン１００を起動する際には、通路開閉弁４１を開いて流体通路４０によって作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとを連通させ、クランクシャフト１１０を介してピストン２０を往復運動させる際の力を低減させる。そして、この状態で、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０を外部の動力によって回転させることによって、スターリングエンジン１００の回転系に慣性エネルギを蓄え、これを用いてスターリングエンジン１００を起動する。これによって、本実施形態では、スターリングエンジン１００の起動トルクを小さくできる。これによって、大きいトルクを有する起動手段を用意する必要はないので、コストを低減できる。また、磁気カップリングのような非接触の動力伝達機構を用いてクランクシャフト１１０から動力を取り出す場合、伝達トルクは小さいが、本実施形態では、上述した構成により、起動トルクを低減できるので、このような動力伝達機構を用いる場合には好適である。

（流体通路の構成）
図６−１、図６−２は、実施形態１に係るスターリングエンジンが備える流体通路の構成を説明する図である。スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５の周りを流れる排ガスＥｘにより、ヒータ１０５で昇温された作動流体が高温側シリンダ３０Ｈ内へ流入する。ここで、高温側シリンダ３０Ｈに流体通路４０を設けると、昇温した作動流体が流体通路４０を通ってクランクケース内空間ＣＳへ抜けてしまい、通路開閉弁４１を閉じた直後におけるスターリングエンジン１００の出力低下を招くおそれがある。このため、本実施形態では、図６−１や図１に示すように、流体通路４０を低温側シリンダ３０Ｌに設ける。これによって、通路開閉弁４１を閉じた直後におけるスターリングエンジン１００の出力低下を抑制できる。

また、図６−１に示すように、流体通路４０は、低温側ピストン２０Ｌの上死点よりもクーラ１０７側と、低温側ピストン２０Ｌの下死点よりもクランクケース内空間ＣＳ側とを接続する。詳細には、流体通路４０の低温側作動流体空間ＭＳＬ（第１の空間に相当する）側における開口部は、低温側ピストン２０Ｌの上死点よりも上、より具体的には、低温側ピストン２０Ｌが上死点にある場合における低温側ピストン２０Ｌの頂面２０ＬＴ（図６−１のＴで示す位置）よりもクーラ１０７側に設けられる。また、流体通路４０のクランクケース内空間ＣＳ（第２の空間に相当する）側における開口部は、低温側ピストン２０Ｌの下死点よりも下、より具体的には、低温側ピストン２０Ｌが下死点にある場合における低温側ピストン２０Ｌのスカート側端部２０ＬＳ（図６−１のＢで示す位置）よりもクランクケース内空間ＣＳ側に設けられる。

このようにすることで、流体通路４０の長さを必要最小限に抑えることができるので、作動流体が流体通路４０を通過するときの圧力損失を低減できる。これによって、通路開閉弁４１を開いているとき、すなわち、スターリングエンジン１００の起動時において、作動流体が流体通路４０を通過するときの圧力損失を低減して、スターリングエンジン１００の起動に要するトルクをさらに低減できる。

スターリングエンジン１００の運転中、通路開閉弁４１は閉じられるが、流体通路４０の低温側作動流体空間ＭＳＬ（第１の空間に相当する）側における開口部（作動流体空間側開口部）と通路開閉弁４１までの間には、作動流体が流入する。この流体通路４０内の作動流体は、スターリングエンジン１００の出力には何ら寄与しないので、作動流体空間側開口部と通路開閉弁４１までの体積はできる限り小さいことが好ましい。本実施形態においては、図６−１に示すように、通路開閉弁４１は、作動流体空間側開口部に近接させて設けられる。これによって、本実施形態では、作動流体空間側開口部と通路開閉弁４１までの体積を最小限に抑えることができるので、スターリングエンジン１００の出力に寄与する作動流体の量の低下を抑制できる。

また、図６−２に示すように、流体通路４０は、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間に配置してもよい。このようにすれば、スターリングエンジン１００をコンパクトにできるとともに、スターリングエンジン１００の外側に流体通路４０や通路開閉弁４１が突出することを抑制できる。

（実施形態２）
実施形態２は、実施形態１と同様であるが、実施形態１で説明した通路開閉弁を開いた状態でスターリングエンジンを起動し、スターリングエンジンの回転速度が、ピストンとシリンダとが接触しない回転速度になった場合に通路開閉弁を閉じる点が異なる。

図７は、気体軸受によってピストンがシリンダ内に支持される構造において、ピストンの浮上領域と接触領域との判別をするためのマップを示す概念図である。図７のマップ７０は、縦軸が、図１に示すスターリングエンジン１００の作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力であり、横軸が、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度である。

マップ７０の直線Ｌにより、スターリングエンジン１００のピストン２０とシリンダ３０とが接触する領域（接触領域）と、ピストン２０が気体軸受によってシリンダ３０内に浮上する、あるいは、ピストン２０とシリンダ３０とに許容できる接触が発生している領域（浮上領域）とが区別される。すなわち、ある回転速度において、作動流体の圧力が直線Ｌよりも高い領域は接触領域であり、作動流体の圧力が直線Ｌよりも低い領域は浮上領域となる。また、ある作動流体の圧力において、回転速度が直線Ｌよりも低い領域は接触領域であり、回転速度が直線Ｌよりも高い領域は浮上領域となる。マップ７０の関係は、ピストン２０がシリンダ３０から浮上している領域を探し出す実験中に得られた新たな知見である。なお、本実施形態において、浮上領域は、上述したように、ピストン２０が気体軸受によってシリンダ３０内に浮上している領域のみならずピストン２０とシリンダ３０とに許容できる接触が発生する領域も含む概念であるが、好ましくは、ピストン２０が気体軸受によってシリンダ３０内に浮上している領域を浮上領域とすることが望ましい。

最大作動流体圧力Ｐｍａｘは、スターリングエンジン１００の第１の空間である作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力の最大値である。最大作動流体圧力Ｐｍａｘは、スターリングエンジン１００の仕様によって決定されるものであり、作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力は、最大作動流体圧力Ｐｍａｘよりも大きくなることはない。したがって、マップ７０の直線Ｌと最大作動流体圧力Ｐｍａｘとが交差する点におけるクランクシャフト１１０の回転速度Ｎｂよりも回転速度が大きい領域は、必ず浮上領域となる。すなわち、回転速度Ｎｂよりもクランクシャフト１１０の回転速度が大きい場合には、ピストン２０はシリンダ３０から浮上している。このように、本実施形態では、作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力とスターリングエンジン１００の機関回転速度（クランクシャフト１１０の回転速度）とに基づいて、ピストン２０がシリンダ３０内に浮上している領域と、ピストン２０がシリンダ３０に接触する領域とが判定される。

本実施形態では、スターリングエンジン１００を起動させる際には、図１に示すＥＣＵ５０が通路開閉弁４１を開いてクランクシャフト１１０を外部の動力で回転させる。そして、ＥＣＵ５０は、ピストン２０とシリンダ３０とが接触しない回転速度、すなわち、浮上領域における回転速度（例えば、Ｎｂであり、ピストン浮上回転速度という）まで図１に示す通路開閉弁４１を開いておく。なお、回転速度Ｎｂは、浮上領域と接触領域との境界であるので、より確実にピストン２０とシリンダ３０との接触を回避するためには、回転速度Ｎｂよりも大きい回転速度をピストン浮上回転速度とし、その回転速度で通路開閉弁４１が閉じられることが好ましい。

ＥＣＵ５０は、図１に示すクランク角センサ１４０から取得したクランクシャフト１１０の回転速度と、浮上回転速度とを比較する。そして、クランクシャフト１１０の回転速度が浮上回転速度以上であるとＥＣＵ５０が判定したら、ＥＣＵ５０は、通路開閉弁４１を閉じて、外部の動力によるクランクシャフト１１０の回転を終了する。これによって、スターリングエンジン１００が起動して、自立運転を開始する。スターリングエンジン１００が起動したら、ＥＣＵ５０は、クランクシャフト１１０の回転速度を定格回転速度Ｎｃまで上昇させて、スターリングエンジン１００から定格出力を得る。

このようにすることで、本実施形態では、ピストン２０がシリンダ３０から確実に浮上した状態でスターリングエンジン１００を起動できるので、ピストン２０とシリンダ３０との接触を回避してスターリングエンジン１００を運転できる。これによって、ピストン２０の十分な耐久性を確保できるので、スターリングエンジン１００の信頼性が向上する。

以上のように、本発明に係るピストン機関は、作動流体空間に作動流体が充填されているピストン機関を起動させることに有用である。

実施形態１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。 実施形態１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。 実施形態１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。 スターリングエンジンの回転系の慣性エネルギとスターリングエンジンの出力軸の回転速度との関係を示す概念図である。 通路開閉弁を閉じるタイミングの説明図である。 通路開閉弁を閉じるタイミングの説明図である。 実施形態１に係るスターリングエンジンが備える流体通路の構成を説明する図である。 実施形態１に係るスターリングエンジンが備える流体通路の構成を説明する図である。 気体軸受によってピストンがシリンダ内に支持される構造において、ピストンの浮上領域と接触領域との判別をするためのマップを示す概念図である。

符号の説明

３ ヒータケース
２０ ピストン
２０Ｂ 底部
２０Ｉ 蓄圧空間
２０Ｓ 側部
２０Ｔ 頂部
２０Ｈ 高温側ピストン
２０Ｌ 低温側ピストン
２０ＬＳ スカート側端部
２０ＬＴ 頂面
２２ 給気孔
３０ シリンダ
３０Ｉ 内壁
３０Ｈ 高温側シリンダ
３０Ｌ 低温側シリンダ
４０ 流体通路
４１ 通路開閉弁
４５ 気体供給通路
６０ 近似直線機構
７０ マップ
１００ スターリングエンジン
１００Ｃ 筐体
１０５ ヒータ
１０６ 再生器
１０７ クーラ
１０８ 熱交換器
１１０ クランクシャフト
１２０ 気体軸受ポンプ
１４０ クランク角センサ

Claims (3)

1. シリンダ内を往復運動するピストンの前記往復運動を回転運動に変換して出力するピストン機関において、
   前記シリンダ内に作動流体が充填される第１の空間と、前記ピストンに対して前記第１の空間の反対側における第２の空間とを接続する流体通路と、
   当該流体通路に設けられて、前記ピストン機関が起動する際には前記流体通路を連通させるとともに、前記ピストン機関の回転速度が、前記流体通路の連通が遮断されている状態で前記ピストンが前記作動流体を圧縮し、かつ前記作動流体の最大圧力を超えられる大きさに相当する、前記ピストン機関の回転系の慣性エネルギが得られる起動可能回転速度以上になったときに、前記流体通路の連通を遮断する通路開閉手段と、
   を備えることを特徴とするピストン機関。
2. 前記ピストン機関が起動する際には、前記ピストン機関が無負荷の状態とされ、
   前記通路開閉手段は、前記ピストンと前記シリンダとが接触しない回転速度となるまで開いている請求項１に記載のピストン機関。
3. 前記ピストン機関は、
   第１のシリンダ及び当該第１のシリンダ内を往復運動する第１のピストンと、
   第２のシリンダ及び当該第２のシリンダ内を往復運動する第２のピストンと、
   前記作動流体を加熱するとともに前記第１のシリンダに接続されて前記作動流体が流出入するヒータ、及び前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が流出入する再生器、及び前記作動流体を冷却するとともに一方の端部が前記再生器に接続され、他方の端部が前記第２のシリンダに接続されて前記作動流体が流出入するクーラを含んで構成される熱交換器と、
   を有し、かつ、前記第１のシリンダと前記第１のピストンとの間、及び前記第２のシリンダと前記第２のピストンとの間に気体軸受を介在させるスターリングエンジンであり、
   前記流体通路は、
   前記第２のピストンの上死点よりも前記クーラ側と、前記第２のピストンの下死点よりも前記第２の空間側とを接続する請求項１又は２に記載のピストン機関。

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