JP2010222992A - スターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、近似直線機構とを備えた構成で、ピストンの振動を速やかに減衰させることが可能なスターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造を提供する。
【解決手段】 第１の気体潤滑構造１Ａは、高温側シリンダ２２と、高温側シリンダ２２との間で気体潤滑が行われる膨張ピストン２１Ａと、グラスホッパの機構５０を含み、膨張ピストン２１Ａに連結されて膨張ピストン２１Ａを支持する近似直線機構と、膨張ピストン２１Ａの上端部側部をなす第１の制振用部材３Ａと、膨張ピストン２１Ａの下端部側部をなす第２の制振用部材４Ａとを備える。第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは、径方向の厚さが制振用部材としての実効性を得ることが可能な厚さに設定されている。
【選択図】 図３

Description

本発明はスターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造に関し、特にシリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと近似直線機構とを備えたスターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造に関する。

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高い熱効率が期待できる上に、作動流体を外から加熱する外燃機関であるために、熱源を問わず、ソーラー、地熱、排熱といった各種の低温度差代替エネルギーを活用でき、省エネルギーに役立つという利点がある。スターリングエンジンを用いて内燃機関等の排熱を回収しようとする場合、摺動部の摩擦をできる限り低減して、排熱の回収効率を向上させる必要がある。これに対して、例えば特許文献１では、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成して両者の摩擦を低減するとともに、グラスホッパの機構を用いた近似直線機構でピストンを支持するスターリングエンジンが開示されている。

また、ピストンに緩衝部材を配置するとともに、ピストンおよびシリンダ間にガスベアリングを形成している点で、本発明と関連性があると考えられるスターリング機関が例えば特許文献２で開示されている。このスターリング機関では、ピストン摺動方向における衝突で発生する衝撃を緩和する目的で、ピストンの端面に緩衝部材が配置されている。このほか緩衝部材や樹脂を設けたピストンを開示している点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献３から５までで開示されている。これらの技術では、緩衝部材や樹脂がピストンのスカート部に設けられている。

特開２００６−１８３５６６号公報 特開２００５−１７２２８７号公報 特開平６−２８８２９８号公報 特開平３−１０５０４７号公報 特開平５−１６２０号公報

ところで、シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、近似直線機構とを備えたスターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造では以下に示す問題がある。ここで、かかる気体潤滑構造では、ピストンとシリンダとの間に気体潤滑を行う気体を介在させている。そしてこの気体は負荷能力が小さいことから、例えばピストンがピストンピンを介して近似直線機構と連結支持されている場合には、ピストンの姿勢がシリンダ内で変化し得る。またかかる気体潤滑構造では、ベアリング等によってピストンを気体で空中に浮上可能にしている構造上、ピストンの移動の自由度が大きく、シリンダ内で径方向に沿って平行移動し得る。

この点、かかる気体潤滑構造で例えば姿勢変化や径方向に沿った平行移動を繰り返す特有の振動をピストンが始めた場合、気体ではピストンの振動を減衰させることが困難となる。このためかかる気体潤滑構造ではピストンの振動が持続し、結果、ピストンとシリンダとの衝突が繰り返される虞があるという問題があった。
なお、かかる気体潤滑構造に対して、例えば特許文献２で開示されているように緩衝部材を適用することも考えられる。しかしながら、当該緩衝部材はピストン摺動方向における衝撃を緩和するものであり、上記のような問題も特段想定されていないことから、ピストンの振動を減衰させることはできないと考えられる。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、近似直線機構とを備えた構成で、ピストンの振動を速やかに減衰させることが可能なスターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明のスターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造は、シリンダと、前記シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、前記ピストンに連結されて前記ピストンを支持する近似直線機構と、少なくとも前記ピストンの上端部側部をなす第１の制振用部材と、を備える。

また本発明は前記ピストンの下端部側部をなす第２の制振用部材をさらに備え、前記第１または第２の制振用部材のうち、前記ピストンの重心に近い方の制振用部材を他方の制振用部材に比して厚肉とした構成であることが好ましい。

本発明によれば、シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、近似直線機構とを備えた構成で、ピストンの振動を速やかに減衰させることができる。

スターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造（以下、単に気体潤滑構造と称す）として、第１の気体潤滑構造１Ａおよび第２の気体潤滑構造２Ａを備えたスターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。 スターリングエンジン１０Ａのピストン・クランク部の概略構成を模式的に示す図である。 第１の気体潤滑構造１Ａの要部を側面視で模式的に示す図である。 膨張ピストン２１Ａに発生する振動を説明するための模式図である。なお、（ａ）では第１の気体潤滑構造１Ａの要部を上面視で、（ｂ）では第１の気体潤滑構造１Ａの要部を側面視でそれぞれ示している。 膨張ピストン２１Ａと高温側シリンダ２２とが接触する様子を模式的に示す図である。なお、（ａ）では第１の気体潤滑構造１Ａの要部を上面視で、（ｂ）では第１の気体潤滑構造１Ａの要部を側面視でそれぞれ示している。 膨張ピストン２１Ａの重心位置Ｐを模式的に示す図である。 第１の気体潤滑構造１Ｂの要部を模式的に示す図である。 第１の気体潤滑構造１Ｃの要部を模式的に示す図である。 第１の気体潤滑構造１Ｄの要部を模式的に示す図である。 第１の気体潤滑構造１Ｅの要部を模式的に示す図である。 膨張ピストン２１Ｅと高温側シリンダ２２とが接触する様子を側面視で模式的に示す図である。なお、図１１では膨張ピストン２１Ｅの重心位置Ｐも同時に示している。 第１の気体潤滑構造１Ｆの要部を模式的に示す図である。 膨張ピストン２１Ｆと高温側シリンダ２２とが接触する様子を側面視で模式的に示す図である。なお、図１３では膨張ピストン２１Ｆの重心位置Ｐも同時に示している。 第１の気体潤滑構造１Ｇを模式的に示す図である。 膨張ピストン２１Ｇと高温側シリンダ２２とが接触する様子を模式的に示す図である。 第１の気体潤滑構造１Ｈの要部を模式的に示す図である。なお、（ａ）では第１の気体潤滑構造１Ｈの要部を上面視で、（ｂ）では第１の気体潤滑構造１Ｈの要部を側面視でそれぞれ示している。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例にかかる第１の気体潤滑構造１Ａおよび第２の気体潤滑構造２Ａを備えたスターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ａは、α型（２ピストン形）のスターリングエンジンであり、直列並行に配置された高温側気筒２０Ａおよび低温側気筒３０Ａを有している。高温側気筒２０Ａは膨張ピストン２１Ａと高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０Ａは圧縮ピストン３１Ａと低温側シリンダ３２とをそれぞれ備えている。圧縮ピストン３１Ａは、膨張ピストン２１Ａに対して、クランク角で９０°程度遅れて動くように位相差が設けられている。

高温側シリンダ２２の上部空間は膨張空間となっている。膨張空間には加熱器４７で加熱された作動流体が流入する。加熱器４７は本実施例では具体的には車両に搭載されたガソリンエンジンの排気管１００の内部に配置されており、作動流体は排気ガスから回収した熱エネルギーにより加熱される。
低温側シリンダ３２の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器４５で冷却された作動流体が流入する。
再生器４６は、膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器４６は具体的には、作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。
作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばＨｅ、Ｈ_２、Ｎ_２等の気体を適用することができる。

次にスターリングエンジン１０Ａの動作について説明する。加熱器４７で作動流体が加熱されると、膨張して膨張ピストン２１Ａが圧下され、これにより駆動軸１１３の回動が行われる。次に膨張ピストン２１Ａが上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７を通過して再生器４６に移送され、そこで熱を放出して冷却器４５へと流れる。冷却器４５で冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン３１Ａの上昇行程に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器４６から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器４７へ流れ込み、そこで再び加熱膨張せしめられる。すなわち、かかる作動流体の往復流動を通じてスターリングエンジン１０Ａが動作する。

ところで、本実施例ではスターリングエンジン１０Ａの熱源が車両の内燃機関の排気ガスとなっていることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０Ａを作動させる必要がある。そこで本実施例では、スターリングエンジン１０Ａの内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。具体的にはスターリングエンジン１０Ａの内部フリクションのうち、最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を無くすため、シリンダ２２、３２とピストン２１Ａ、３１Ａとの間で気体潤滑を行っている。

気体潤滑ではシリンダ２２、３２とピストン２１Ａ、３１Ａの間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力（分布）を利用して，ピストン２１Ａ、３１Ａを空中に浮いた形にする。気体潤滑は摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０Ａの内部フリクションを大幅に低減させることができる。空中に物体を浮上させる気体潤滑を実現するに際して、本実施例では具体的には静圧気体潤滑が行われている。静圧気体潤滑とは加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体（本実施例ではピストン２１Ａ、３１Ａ）を浮上させるものである。加圧流体は本実施例では作動流体となっており、作動流体は膨張ピストン２１Ａの内部に導入されるとともに、膨張ピストン２１Ａの内部から外周面に貫通させて設けられた複数の給気孔（図示省略）から噴出されるようになっている。なお、気体潤滑は静圧気体潤滑に限られず、例えば動圧気体潤滑であってもよい。

本実施例では、気体潤滑が行われるシリンダ２２、３２とピストン２１Ａ、３１Ａとの間のクリアランスは数十μmとなっている。そしてこのクリアランスにはスターリングエンジン１０Ａの作動流体が介在している。ピストン２１Ａ、３１Ａそれぞれは、気体潤滑によりシリンダ２２、３２と非接触の状態、または許容できる接触状態で支持されている。したがってピストン２１Ａ、３１Ａの周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また一般にピストンリングと共に使用される潤滑油も使用されていない。気体潤滑では、微小クリアランスにより膨張空間、圧縮空間それぞれの気密が保たれ、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールが行われる。

さらにピストン２１Ａ、３１Ａの母材２１１Ａ、３１１Ａとシリンダ２２、３２とはともに金属製であり、本実施例では具体的には対応する母材２１１Ａ、３１１Ａおよびシリンダ２２、３２同士で線膨張率が同じ金属（ここではＳＵＳ）が適用されている。これにより、熱膨張があっても適正なクリアランスを維持して気体潤滑を行うことができる。

ところで気体潤滑の場合、負荷能力が小さいことから、ピストン２１Ａ、３１Ａのサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。すなわち、気体潤滑を行う場合にはシリンダ２２、３２の直径方向（横方向，スラスト方向）の力に耐える能力（耐圧能力）が低くなるため、シリンダ２２、３２の軸線に対するピストン２１Ａ、３１Ａの直線運動精度が高い必要がある。

このため、本実施例ではピストン・クランク部にグラスホッパの機構５０を採用している。直線運動を実現する機構にはグラスホッパの機構５０のほか例えばワットの機構があるが、グラスホッパの機構５０は他の機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構のサイズが小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。特に本実施例のスターリングエンジン１０Ａは、自動車の床下といった限られたスペースに設置されることになるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。またグラスホッパの機構５０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらにグラスホッパの機構５０は機構の構成が比較的簡単であるため、構成（製造・組み立て）し易いという利点も有する。

図２はスターリングエンジン１０Ａのピストン・クランク部の概略構成を模式的に示す図である。なお、ピストン・クランク部には高温側気筒２０Ａ側と低温側気筒３０Ａ側とで共通の構成を採用しているため、以下では、高温側気筒２０Ａ側についてのみ説明し、低温側気筒３０Ａ側についての説明は省略する。膨張ピストン２１Ａの往復運動は、コネクティングロッド１１０によって駆動軸１１３に伝達され、ここで回転運動に変換される。コネクティングロッド１１０はグラスホッパの機構５０によって支持されており、膨張ピストン２１Ａを直線状に往復運動させる。このように、コネクティングロッド１１０をグラスホッパの機構５０によって支持することにより、膨張ピストン２１ＡのサイドフォースＦがほとんどゼロになるので、負荷能力の小さい気体潤滑を行う場合でも十分に膨張ピストン２１Ａを支持することができる。

次に第１および第２の気体潤滑構造１Ａ、２Ａについて説明する。スターリングエンジン１０Ａでは、高温側気筒２０Ａにおいて第１の気体潤滑構造１Ａが、低温側気筒３０Ａにおいて第２の気体潤滑構造２Ａがそれぞれ実現されている。この点、第２の気体潤滑構造２Ａは第１の気体潤滑構造１Ａと同様の構造となっているため、以下では主に第１の気体潤滑構造１Ａについて説明し、第２の気体潤滑構造２Ａについては基本的にその説明を省略する。

第１の気体潤滑構造１Ａは膨張ピストン２１Ａと、高温側シリンダ２２と、グラスホッパの機構５０と、コネクティングロッド１１０と、エクステンションロッド１１１Ａと、ピストンピン１１２とを備えている。グラスホッパの機構５０と、コネクティングロッド１１０と、エクステンションロッド１１１Ａと、ピストンピン１１２とは近似直線機構を構成している。膨張ピストン２１Ａはピストンピン１１２を介してエクステンションロッド１１１Ａの一端側に接続されており、エクステンションロッド１１１Ａの他端側にはコネクティングロッド１１０の小端部１１０ａが接続されている。コネクティングロッド１１０の大端部１１０ｂは駆動軸１１３に接続されている。

図３に示すように、膨張ピストン２１Ａは母材２１１Ａと、第１の制振用部材３Ａと、第２の制振用部材４Ａとを備えている。第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは粘弾性特性を有し、且つ母材２１１Ａよりも弾性係数が小さい材料によって構成されている。この点、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは具体的には例えば樹脂で構成することができる。第１の制振用部材３Ａは膨張ピストン２１Ａの上端部側部を、第２の制振用部材４Ａは膨張ピストン２１Ａの下端部側部をそれぞれなしている。第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは、具体的には膨張ピストン２１Ａの上端部側部および下端部側部を一周に亘ってそれぞれ構成しており、断面形状が四角形となるリング状の形状を有している。

第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａの大きさは互いに略同一となっている。
第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは、具体的には軸方向の厚さそれぞれが互いに略同一となっている。第１の制振用部材３Ａの上面は例えば常温（例えば２５℃）で母材２１１Ａの上面と面一になるように、第２の制振用部材４Ａの下面は例えば常温で母材２１１Ａの下面と面一になるようにそれぞれ設けることができる。

また、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは、具体的には径方向の厚さそれぞれが略同一となっている。第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは、径方向の厚さが制振用部材としての実効性を得ることが可能な厚さに設定されている。したがって、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａの径方向の厚さは、数十μｍ程度の一般的なコーティング層の厚さと比較して厚肉となっている。なお、制振用部材としての実効性を得ることが可能な径方向の厚さは、軸方向に沿って略同一となっていなくてもよい。この点、第１の制振用部材３Ａにあっては、少なくともその上端部の径方向の厚さが、第２の制振用部材４Ａにあっては、少なくともその下端部の径方向の厚さが、制振用部材としての実効性を得ることが可能な厚さとなっていることが好ましい。

第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは、例えば側面それぞれが常温で中間部側面と面一になるように設けることができる。このように設けることは、熱膨張の影響が少ない第２の気体潤滑構造２Ａの場合に適している。また第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは、例えば常温で上端部側部および下端部側部の外径が中間部側部の外径よりも小さくなるように設けることもできる。このように設けることは、熱膨張の影響が大きい第１の気体潤滑構造１Ａの場合に適している。そしてこのように設けることで、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａを備えた場合でも、気体潤滑によりピストン２１Ａ、３１Ａをシリンダ２２、３２と非接触の状態、または許容できる接触状態で支持することが可能になる。なお、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａは第１の気体潤滑構造１Ａと第２の気体潤滑構造２Ａとの間で異なるものであってよい。

上述したように第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａを設けるにあたり、母材２１１Ａは側面に段差が形成されるように、上端部側部および下端部側部それぞれが断面四角形状に切除されている。したがって、膨張ピストン２１Ａの中間部側部は母材２１１Ａによって構成されている。上端部側部および下端部側部は具体的には一周に亘ってリング状に切除されており、母材２１１Ａの径方向および軸方向の切除幅それぞれは上端部側部と下端部側部とで略同一となっている。このように母材２１１Ａを切除すれば、上述したように設ける第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａに適した合理的な母材形状を容易な加工で実現できる。

次に第１の気体潤滑構造１Ａの作用効果について図４、図５および図６を用いて説明する。第１の気体潤滑構造１Ａでは、膨張ピストン２１Ａがピストンピン１１２を介して支持されている。このため、膨張ピストン２１Ａは図４に矢印Ｖ１で示すように、高温側シリンダ２２内でピストンピン１１２を中心とした回動が可能になっている。また膨張ピストン２１Ａを作動流体で空中に浮上可能にしている構造上、膨張ピストン２１Ａは図４に矢印Ｖ２で示すように、高温側シリンダ２２内で径方向全方位への平行移動も可能になっている。そして、例えば膨張ピストン２１Ａがピストンピン１１２を回動中心とする振動を始めた場合には、図５に示すように膨張ピストン２１Ａの上端部側部と下端部側部とが高温側シリンダ２２に接触することになる。

この際、仮に上端部側部と下端部側部とが例えば母材２１１Ａと同じ金属で構成されていた場合には、膨張ピストン２１Ａと高温側シリンダ２２とが金属接触し、反発し合うことになる。ところが、作動流体では反発した膨張ピストン２１Ａの動きを抑制し、振動を減衰させることが困難となっている。このため、この場合には膨張ピストン２１Ａの振動が持続され、この結果、膨張ピストン２１Ａと高温側シリンダ２２との接触が繰り返されてしまう虞がある。

これに対して第１の気体潤滑構造１Ａでは、膨張ピストン２１Ａの上端部側部と下端部側部とが第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａで構成されている。このため第１の気体潤滑構造１Ａでは、膨張ピストン２１Ａがピストンピン１１２周りに回動し高温側シリンダ２２に接触しても、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａによって衝撃を緩和することができる。そしてこれにより、膨張ピストン２１Ａと高温側シリンダ２２とが反発し合うことを抑制できることから、膨張ピストン２１Ａの振動を速やかに減衰させることができる。

また第１の気体潤滑構造１Ａでは、図６に示すようにピストンピン１１２の中心位置と膨張ピストン２１Ａの重心位置Ｐとが概ね一致している。このため、膨張ピストン２１Ａがピストンピン１１２周りに回動した場合に、高温側シリンダ２２に接触する際の当たりの強さは、上端部側部と下端部側部とで同等となる。これに対して第１の気体潤滑構造１Ａでは、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａを略同一の大きさとしたため、振動をバランス良く減衰させることができ、これによっても振動を速やかに減衰させることができる。
このように第１の気体潤滑構造１Ａは、膨張ピストン２１Ａの振動を速やかに減衰させることができる。

図７は本実施例に係る第１の気体潤滑構造１Ｂの要部を模式的に示す図である。なお、第１および第２の気体潤滑構造１Ｂ、２Ｂが同様の構造となっている点は実施例１と同じである。このため本実施例では、基本的に第１の気体潤滑構造１Ｂについて説明することとし、以下の実施例においても同様とする。また、第１および第２の気体潤滑構造１Ｂ、２Ｂは例えば第１および第２の気体潤滑構造１Ａ、２Ａの代わりにスターリングエンジン１０Ａに適用することができるが、このことも以下の実施例において同様である。

第１の気体潤滑構造１Ｂは、膨張ピストン２１Ａの代わりに膨張ピストン２１Ｂを備えている点以外、第１の気体潤滑構造１Ａと実質的に同一のものとなっている。膨張ピストン２１Ｂは、第１、第２および第３の制振用部材３Ｂ、４Ｂおよび５Ａと、母材２１１Ｂとを備えている。第１および第２の制振用部材３Ｂ、４Ｂは、径方向の厚さが異なる点以外、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａと実質的に同一のものとなっている。母材２１１Ｂは形状が異なる点以外、母材２１１Ａと実質的に同一のものとなっている。

第１および第２の制振用部材３Ｂ、４Ｂは、径方向の厚さが第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａよりも肉厚とされている。但しこれに限られず、第１および第２の制振用部材３Ｂ、４Ｂの径方向の厚さは、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａの径方向の厚さと同じであってもよい。
第３の制振用部材５Ａは膨張ピストン２１Ｂの中間部側部をなしている。第３の制振用部材５Ａは、具体的には膨張ピストン２１Ｂの全周に亘って中間部側部を構成しており、円筒形状を有している。第３の制振用部材５Ａの外径は第１および第２の制振用部材３Ｂ、４Ｂの外径と略同一に設定されており、径方向の厚さは第１および第２の制振用部材３Ｂ、４Ｂのほうが、第３の制振用部材５Ａよりも厚く設定されている。このように第１、第２および第３の制振用部材３Ｂ、４Ｂ、５Ａを設けた膨張ピストン２１Ｂの外径は、熱膨張を考慮しつつ気体潤滑を実現可能な大きさに設定することができる。なお、説明の便宜上、ここでは配置に応じて制振用部材を第１、第２および第３の制振用部材３Ｂ、４Ｂ、５Ａと区別しているが、これらは一体の部材であってよい。

母材２１１Ｂは、上端部側部および下端部側部それぞれの径方向の切除幅が大きくなっている点と、中間部側部がさらに切除されている点以外、母材２１１Ａと実質的に同一のものとなっている。上述したように第３の制振用部材５Ａを設けるにあたって、母材２１１Ｂは具体的には、中間部側部が上端部側部の下端部から下端部側部の上端部にかけて、径方向に略同一の幅で一周に亘って円筒状に切除されており、径方向の切除幅は上端部側部および下端部側部よりも小さくなっている。このように母材２１１Ｂを切除すれば、上述したように設ける第３の制振用部材５Ａに適した合理的な母材形状を容易な加工で実現できる。

次に第１の気体潤滑構造１Ｂの作用効果について説明する。ここで、膨張ピストン２１Ｂは矢印Ｖ１の方向と矢印Ｖ２の方向を振動方向とする振動が組み合わされた複雑な振動をする結果、径方向に沿って平行移動し、高温側シリンダ２２に接触する場合もある。これに対して第１の気体潤滑構造１Ｂでは、中間部側部が第３の制振用部材５Ａで構成されている。このため第１の気体潤滑構造１Ｂでは、かかる場合であっても第１、第２および第３の制振用部材３Ｂ、４Ｂ、５Ａで衝撃を緩和し、振動を速やかに減衰させることができる。

また、かかる場合には第１、第２および第３の制振用部材３Ｂ、４Ｂ、５Ａで衝撃を緩和できることから、第３の制振用部材５Ａは第１および第２の制振用部材３Ｂ、４Ｂよりも径方向の厚さを薄くしても、制振用部材としての実効性を確保することができる。したがって、第１の気体潤滑構造１Ｂによれば、必要の度合いに応じて設けられた第１、第２および第３の制振用部材３Ｂ、４Ｂおよび５Ａを備えた合理的な構造を実現できる。
このように第１の気体潤滑構造１Ｂは、第１の気体潤滑構造１Ａと比較してさらに膨張ピストン２１Ｂが径方向に沿って平行移動し、高温側シリンダ２２に衝突した場合であっても、振動を速やかに減衰させることができる。また、第１の気体潤滑構造１Ｂによれば、必要の度合いに応じて設けられた第１、第２および第３の制振用部材３Ｂ、４Ｂおよび５Ａを備えた合理的な構造を実現できる。

図８は本実施例に係る第１の気体潤滑構造１Ｃの要部を模式的に示す図である。第１の気体潤滑構造１Ｃは、膨張ピストン２１Ａの代わりに膨張ピストン２１Ｃを備えている点以外、第１の気体潤滑構造１Ａと実質的に同一のものとなっている。膨張ピストン２１Ｃは、第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃと、母材２１１Ｃとを備えている。第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃは形状が異なる点以外、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａと実質的に同一のものとなっており、母材２１１Ｃは形状が異なる点以外、母材２１１Ａと実質的に同一のものとなっている。

第１の制振用部材３Ｃは膨張ピストン２１Ｃの上端部側部を、第２の制振用部材４Ｃは膨張ピストン２１Ｃの下端部側部をそれぞれなしている。第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃは、具体的には膨張ピストン２１Ｃの上端部側部および下端部側部を一周に亘ってそれぞれ構成しており、リング状の形状を有している。第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃは、第１の制振用部材３Ｃにあっては上端側の部分ほうが下端側の部分よりも大きくなるように構成されており、第２の制振用部材４Ｃにあっては、下端側の部分ほうが上端側の部分よりも大きくなるように構成されている。具体的には、第１の制振用部材３Ｃにあっては上端に向かうに従って次第に径方向の厚さが増し、第２の制振用部材４Ｃにあっては下端に向かうに従って次第に径方向の厚さが増すように構成されている。

さらに具体的な形状としては、第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃは略同一の大きさの外径を形成する外面を有している。そして、第１の制振用部材３Ｃにあっては上端に形成される上面と、上面に向かうに従って外面との間隔が次第に広がるテーパ状の内面とをさらに有し、第２の制振用部材４Ｃにあっては下端に形成される下面と、下面に向かうに従って外面との間隔が次第に広がるテーパ状の内面とをさらに有している。第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃは、それぞれの大きさが略同一となっており、断面形状それぞれは対応する各辺の長さが互いに略等しい三角形となっている。

第１の制振用部材３Ｃは、例えばその上面が常温で母材２１１Ｃの上面と面一になるように設けることができる。また第２の制振用部材４Ｃは、例えばその下面が常温で母材２１１Ｃの下面と面一になるように設けることができる。また、第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃは例えば側面それぞれが常温で中間部側部と面一になるように設けることや、上端部側部および下端部側部の外径それぞれが常温で中間部側部の外径よりも小さくなるように設けることができる。

母材２１１Ｃは、上端部側部および下端部側部それぞれがテーパ状に切除されている。したがって、膨張ピストン２１Ｃの中間部側部は母材２１１Ｃによって構成されている。上端部側部および下端部側部は具体的には垂直断面で切除面と中間部側面とのなす角度が互いに略同一の大きさとなるように、且つ切除量それぞれが互いに略同一の量となるように、一周に亘ってリング状に切除されている。このように母材２１１Ｃを切除すれば、上述したように設ける第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃに適した合理的な母材形状を容易な加工で実現できる。

次に第１の気体潤滑構造１Ｃの作用効果について説明する。実施例１で前述した第１の気体潤滑構造１Ａと同様、膨張ピストン２１Ｃはピストンピン１１２周りに回動し、高温側シリンダ２２と接触する場合がある。これに対して第１の気体潤滑構造１Ｃは、高温側シリンダ２２との当たりが強い部分ほど厚みが増した第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃを備えている。すなわち、第１の気体潤滑構造１Ｃによれば、必要の度合いに応じた形状を備えた第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃによって、膨張ピストン２１Ｃの振動を合理的に減衰させることができ、かかる点で好適に振動を減衰させることができる。
このように第１の気体潤滑構造１Ｃは、第１の気体潤滑構造１Ａと比較してより好適に振動を減衰させることができる。

図９は本実施例に係る第１の気体潤滑構造１Ｄの要部を模式的に示す図である。第１の気体潤滑構造１Ｄは、膨張ピストン２１Ｃの代わりに膨張ピストン２１Ｄを備えている点以外、第１の気体潤滑構造１Ｃと実質的に同一のものとなっている。膨張ピストン２１Ｄは、第３の制振用部材５Ｂをさらに備えている点と、母材２１１Ｃの代わりに母材２１１Ｄを備えている点以外、膨張ピストン２１Ｃと実質的に同一のものとなっている。この点、第１の気体潤滑構造１Ｄと第１の気体潤滑構造１Ｃとの関係は、第１の気体潤滑構造１Ｂと第１の気体潤滑構造１Ａとの関係と同様の関係となっている。

すなわち、膨張ピストン２１Ｃの代わりに膨張ピストン２１Ｄを備える要領は、実施例２で前述したのと同様である。このため本実施例では、母材２１１Ｄおよび第３の制振用部材５Ｂの説明については省略する。なお、本実施例において、第１および第２の制振用部材３Ｃ、４Ｃは内面がテーパ状になっている部分であることとする。換言すれば、第３の制振用部材５Ｂを設けた結果、第１の制振用部材３Ｃの下端部と第２の制振用部材４Ｃの上端部とは、中間部側部をなす第３の制振用部材５Ｂに含まれるようになったこととする。しかしながら、第１、第２および第３の制振用部材３Ｃ、４Ｃ、５Ｂは一体の部材であってよい。

このように構成された第１の気体潤滑構造１Ｄは、膨張ピストン２１Ｄが径方向に沿って平行移動し、高温側シリンダ２２に衝突した場合について、実施例２で前述した気体潤滑構造１Ｂと同様の作用効果を有する。このため第１の気体潤滑構造１Ｄは、第１の気体潤滑構造１Ｃと比較してさらにかかる場合であっても、振動を速やかに減衰させることができる。また、第１の気体潤滑構造１Ｄによれば、必要の度合いに応じて設けられた第１、第２および第３の制振用部材３Ｃ、４Ｃおよび５Ｂを備えた合理的な構造を実現できる。

図１０は本実施例に係る第１の気体潤滑構造１Ｅの要部を模式的に示す図である。第１の気体潤滑構造１Ｅは、膨張ピストン２１Ａの代わりに、膨張ピストン２１Ｅを備えている点以外、第１の気体潤滑構造１Ａと実質的に同一のものとなっている。膨張ピストン２１Ｅは、第１および第２の制振用部材３Ｄ、４Ｄと母材２１１Ｅとを備えている。第１の制振用部材３Ｄは、径方向の厚さを厚肉とした点以外、第１の制振用部材３Ａと実質的に同一のものとなっており、第２の制振用部材４Ｄは本実施例では第２の制振用部材４Ａと実質的に同一のものとなっている。また、母材２１１Ｅは上端部側部の径方向の切除幅が大きくなっている点と、膨張ピストン２１Ｅの重心位置Ｐがピストンピン１１２の中心位置よりも上になるように構成されている点以外、母材２１１Ａと実質的に同一のものとなっている。第１の気体潤滑構造１Ｅでは、膨張ピストン２１Ｅの重心に近い第１の制振用部材３Ｄのほうが第２の制振用部材４Ｄに比して径方向の厚さが厚肉とされている。

次に第１の気体潤滑構造１Ｅの作用効果について図１１を用いて説明する。第１の気体潤滑構造１Ｅでは、膨張ピストン２１Ｅの重心位置がピストンピン１１２の中心位置よりも上にある。このため、第１の気体潤滑構造１Ｅでは、膨張ピストン２１Ｅがピストンピン１１２周りに回動し、高温側シリンダ２２に接触する場合に、第１の制振用部材３Ｄのほうが、第２の制振用部材４Ｄよりも高温側シリンダ２２との当たりが強くなる。これに対して第１の気体潤滑構造１Ｅでは、当たりの強い第１の制振用部材３Ｄの径方向の厚みを増したことから、かかる場合の衝撃をより好適に緩和でき、この結果、より好適に振動を減衰させることができる。
このように第１の気体潤滑構造１Ｅは、重心位置Ｐがピストンピン１１２の中心位置よりも上にある場合に、第１の気体潤滑構造１Ａと比較してより好適に振動を減衰させることができる。

図１２は本実施例に係る第１の気体潤滑構造１Ｆの要部を模式的に示す図である。第１の気体潤滑構造１Ｆは、膨張ピストン２１Ａの代わりに、ピストンピン１１２の中心位置よりも重心位置が下にある膨張ピストン２１Ｆを備えている点以外、第１の気体潤滑構造１Ａと実質的に同一のものとなっている。膨張ピストン２１Ｆは、第１および第２の制振用部材３Ｅ、４Ｅと母材２１１Ｆとを備えている。第２の制振用部材４Ｅは、径方向の厚さを厚肉とした点以外、第２の制振用部材４Ａと実質的に同一のものとなっており、第１の制振用部材３Ｅは本実施例では第１の制振用部材３Ａと実質的に同一のものとなっている。また、母材２１１Ｆは下端部側部の径方向の切除幅が大きくなっている点と、膨張ピストン２１Ｆの重心位置Ｐがピストンピン１１２の中心位置よりも下になるように構成されている点以外、母材２１１Ａと実質的に同一のものとなっている。第１の気体潤滑構造１Ｆでは、膨張ピストン１Ｆの重心に近い第２の制振用部材４Ｅのほうが第１の制振用部材３Ｅに比して径方向の厚さが厚肉とされている。

次に第１の気体潤滑構造１Ｆの作用効果について図１３を用いて説明する。第１の気体潤滑構造１Ｆは、ピストン重心位置Ｐがピストンピン１１２の中心位置よりも下にある場合について、実施例５で前述した第１の気体潤滑構造１Ｅと同様の作用効果を有する。このため第１の気体潤滑構造１Ｆは、重心位置Ｐがピストンピン１１２の中心位置よりも下にある場合に、第１の気体潤滑構造１Ａと比較してより好適に振動を減衰させることができる。

図１４は本実施例に係る第１の気体潤滑構造１Ｇの要部を模式的に示す図である。第１の気体潤滑構造１Ｇは、膨張ピストン２１Ａの代わりに膨張ピストン２１Ｇを備えている点と、膨張ピストン２１Ｇがピストンピン１１２を介さずに支持されている点と、エクステンションロッド１１１Ａの代わりに、ピストンピン１１２を介さずに膨張ピストン２１Ｇを支持するエクステンションロッド１１１Ｂを備えている点以外、第１の気体潤滑構造１Ａと実質的に同一のものとなっている。膨張ピストン２１Ｇは、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａのうち、第１の制振用部材３Ａを備えている点と、母材２１１Ａの代わりに母材２１１Ｇを備えている点以外、膨張ピストン２１Ａと実質的に同一のものとなっている。

母材２１１Ｇはピストンピン１１２を介することなく支持されるように構成されている点と、下端部側部が特段切除されていない点以外、母材２１１Ａと実質的に同一のものとなっている。すなわち、第１の気体潤滑構造１Ｇでは、第１の気体潤滑構造１Ａと比較してピストンピン１１２と第２の制振用部材４Ａとが不要化されている。ピストンピン１１２を不要化したことで、第１の気体潤滑構造１Ｇは、膨張ピストン１Ｇがピストンピン周りに回動しない構造となっている。

次に第１の気体潤滑構造１Ｇの作用効果について説明する。第１の気体潤滑構造１Ｇでは、ピストンピン１１２を不要化したことで、膨張ピストン２１Ｇがピストンピンを回動中心として振動することを構造上防止できる。またこれにより、膨張ピストン２１Ｇの下端部側部と高温側シリンダ２２との接触を考慮する必要がなくなるため、第２の制振用部材４Ａを不要化できる。

一方、ピストンピン周りに回動しない構造であっても、膨張ピストン２１Ｇは、例えば図１５に矢印Ｖ３で示すように、コネクティングロッド１１０の小端部１１０ａを回動中心として振動する場合もある。これに対して第１の気体潤滑構造１Ｇでは、第１の制振用部材３Ａを設けていることから、かかる場合であっても第１の制振用部材３Ａによって振動を速やかに減衰させることができる。
このように第１の気体潤滑構造１Ｇは、第１の気体潤滑構造１Ａと比較して、さらにピストンピンを回動中心とした振動を構造上防止するとともに、下端部側部をなす第２の制振用部材４Ａを不要化でき、その上でさらにコネクティングロッド１１０の小端部１１０ａを回動中心として振動する場合であっても、膨張ピストン２１Ｇの振動を速やかに減衰させることができる。

図１６は本実施例に係る第１の気体潤滑構造１Ｈを模式的に示す図である。第１の気体潤滑構造１Ｈは、膨張ピストン２１Ａの代わりに膨張ピストン２１Ｈを備えている点と、膨張ピストン２１Ｈの姿勢変化を防止する姿勢変化防止機構（図示省略）をさらに備えている点以外、第１の気体潤滑構造１Ａと実質的に同一のものとなっている。膨張ピストン２１Ｈは、第４の制振用部材６と母材２１１Ｈとを備えている。第４の制振用部材６は形状および配置が異なる点以外、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａと実質的に同一のものとなっている。母材２１１Ｈは形状が異なる点以外、母材２１１Ａと実質的に同一のものとなっている。

第４の制振用部材６は、膨張ピストン２１Ｈの側部をなしている。第４の制振用部材６は、具体的には膨張ピストン２１Ｈの側部を一周に亘って構成しており、第４の制振用部材６の径方向の幅は略同一となっている。このため、第４の制振用部材６は、膨張ピストン２１Ｈの側部を均等に構成する円筒形状を有している。第４の制振用部材６の径方向の幅は、第１および第２の制振用部材３Ａ、４Ａの径方向の幅と同じ幅に設定されている。
母材２１１Ｈは、このように第４の制振用部材６を設けるにあたって、側部が径方向に略同一の幅で一周に亘って円筒状に切除されている。
姿勢変化防止機構はコネクティングロッド１１０やピストンピン１１２に起因して生じる膨張ピストン２１Ｈの姿勢変化を防止する機構となっている。なお、姿勢変化防止機構はグラスホッパの機構５０やピストンピン１１２を含むピストン・クランク間の全体的な直線近似機構を改良した機構として把握されてもよい。

次に第１の気体潤滑構造１Ｈの作用効果について説明する。第１の気体潤滑構造１Ｈでは、姿勢変化防止機構によって膨張ピストン２１Ｈの姿勢変化が防止される。このため第１の気体潤滑機構１Ｈでは、膨張ピストン２１Ｈに生じる振動が、矢印Ｖ２で示されるように実質的に振動方向が径方向に略平行な振動のみとなる。これに対して第１の気体潤滑構造１Ｈでは、かかる振動を速やかに減衰させるために必要となる膨張ピストン２１Ｈの側部に厚さが均等な第４の制振用部材６を配置したので、かかる振動を好適に減衰させることができる。
このように第１の気体潤滑構造１Ｈは、ピストン振動方向が実質的に径方向に略平行な振動のみとなる場合に、第１の気体潤滑構造１Ａと比較して好適に振動を減衰させることができる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では、第１および第２の気体潤滑構造１、２が適用されたスターリングエンジン１０の場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、スターリングエンジンに対して第１および第２の気体潤滑構造のうち、いずれか一方のみを適用することもできる。

また例えば上述した実施例では、同様の構造となっている第１および第２の気体潤滑構造１、２が適用されたスターリングエンジン１０の場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、第１の気体潤滑構造と第２の気体潤滑構造の組み合わせは、例えば上述した実施例のうちから選択した適宜の組み合わせであってもよい。

また例えば上述した実施例では、適用が容易であることなどから第１から第４までの制振用部材３、４、５，６が同じ材料で構成されている場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、例えば第１および第２の制振用部材が互いに異なる材料で構成されてもよい。
また例えば上述した実施例では、膨張ピストン２１が径方向に沿って全方位に平行移動可能になっていることに対し、好適に振動を減衰させることができることから、第１から第４までの制振用部材３、４、５、６それぞれが、膨張ピストン２１の側部を全体的に或いは部分的に一周に亘って構成している場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、例えばピストンの移動方向が所定の方向に限られる場合には、これに応じて、膨張ピストン２１の側部全体或いは一部のうち、周方向において必要な部分のみに第１から第４までの制振用部材３、４、５，６がそれぞれ設けられてもよい。

１ 第１の気体潤滑構造 ２ 第２の気体潤滑構造
３ 第１の制振用部材 ４ 第２の制振用部材
５ 第３の制振用部材 ６ 第４の制振用部材
１０ スターリングエンジン ２０ 高温側気筒
２１ 膨張ピストン ２２ 高温側シリンダ
３０ 低温側気筒 ３１ 圧縮ピストン
３２ 低温側シリンダ ５０ グラスホッパの機構
１１０ コネクティングロッド １１２ ピストンピン

Claims (2)

1. シリンダと、
   前記シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、
   前記ピストンに連結されて前記ピストンを支持する近似直線機構と、
   少なくとも前記ピストンの上端部側部をなす第１の制振用部材と、を備えたスターリングエンジンのピストンの気体潤滑構造。
2. 請求項１記載のピストンの気体潤滑構造であって、
   前記ピストンの下端部側部をなす第２の制振用部材をさらに備え、
   前記第１または第２の制振用部材のうち、前記ピストンの重心に近い方の制振用部材を他方の制振用部材に比して厚肉としたピストンの気体潤滑構造。
   

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