JP2014020297A - スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ディスプレーサピストンを収容するシリンダ部材の高温部と低温部との熱絶縁を、簡単な構造の追加によってより確実なものとし、スターリングエンジンの熱効率を高めること。
【解決手段】高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との間に跨って円環形状の断熱部材２２を配置し、更に、高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との間に、シール部材２０によってシリンダ室１０の気密性を保った上で円環状の断熱間隙１１を形成する。
【選択図】図７

Description

本発明はスターリングエンジンに関する。

スターリングエンジンとして、軸線方向に隔置された高温部と低温部とを有する一つのシリンダ部材内にディスプレーサピストンとパワーピストンとが軸線方向に往復動可能に設けられ、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが共通のクランク軸に接続されているβ型のスターリングエンジンが知られている（例えば、特許文献１、２）。この他、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが個別のシリンダ室に設けられたγ型のスターリングエンジンが知られている（例えば、特許文献３）。

スターリングエンジンの熱効率を決める一つの要件は、ディスプレーサピストンを収容するシリンダ部材の高温部と低温部とで、熱伝導による熱伝達が少なく、高温部と低温部との間の熱伝導による熱損失が小さいことである。このことに対して、従来のスターリングエンジンでは、高温部と低温部との間に断熱部材が配置され、高温部と低温部との熱絶縁が行われている（例えば、特許文献３、４）。

特開２００８−１０１５０１号公報 特開２０１０−２５５５４９号公報 特許第４８４８０５８号公報 特許第３７９６４９８号公報

従来のスターリングエンジンでは、シリンダ部材の高温部と低温部との間に断熱部材が配置されているだけであるので、高温部と低温部との熱絶縁に限度があり、熱絶縁をより確実なものにすることが難しい。

本発明が解決しようとする課題は、ディスプレーサピストンを収容するシリンダ部材の高温部と低温部との熱絶縁を、簡単な構造の追加によってより確実なものとし、スターリングエンジンの熱効率を高めることである。

本発明によるスターリングエンジンは、軸線方向に隔置された高温部（３４Ａ）と低温部（３４Ｂ）とを有するシリンダ部材（１０）と、該シリンダ部材（１０）のシリンダ室（３４）に設けられ前記高温部（３４Ａ）と前記低温部（３４Ｂ）との間を往復動可能なディスプレーサピストン（５０、５２）と、前記シリンダ室（３４）の前記低温部（３４Ｂ）側に連通したシリンダ室（３４）に往復動可能に設けられたパワーピストン（５６）とを有するスターリングエンジンであって、前記シリンダ部材（１０）が、前記高温部（３４Ａ）を構成する高温側シリンダ部材（１２）と、前記低温部（３４Ｂ）を構成する低温側シリンダ部材（１４）とで分割構成され、前記高温側シリンダ部材（１２）と前記低温側シリンダ部材（１４）との間に跨って円環形状の断熱部材（２２）が配置され、且つ前記高温側シリンダ部材（１２）と前記低温側シリンダ部材（１４）との間に、シール部材（２０）によって前記シリンダ室（３４）の気密性を保った上で円環状の断熱間隙（１１）が形成されている。

この構成によれば、高温側シリンダ部材（１２）と低温側シリンダ部材（１４）との間に断熱部材（２２）が配置され、更には、高温側シリンダ部材（１２）と低温側シリンダ部材（１４）との間にシール部材（２０）によって気密性を保った上で、断熱間隙（１１）が設けられていることにより、高温側シリンダ部材（１２）と低温側シリンダ部材（１４）との間の熱遮断が良好に行われる。

本発明によるスターリングエンジンは、好ましくは、前記高温側シリンダ部材（１２）と前記低温側シリンダ部材（１４）の互いの結合端部には各々径方向外方に突出した円環状フランジ（１２Ａ、１４Ａ）が形成され、前記高温側シリンダ部材（１２）の前記円環状フランジ（１２Ａ）と前記低温側シリンダ部材（１４）の前記円環状フランジ（１４Ａ）の外周とを跨って取り囲む金属製のバンドカップリング（２４）によって前記高温側シリンダ部材（１２）と前記低温側シリンダ部材（１４）とが結合されている。

この構成によれば、通常のフランジ合わせによる結合よりも、両者間の伝熱距離が長く、しかも接触面積が小さく、熱抵抗が大きいので、高温側シリンダ部材（１２）と低温側シリンダ部材（１４）との間の断熱性が向上する。

本発明によるスターリングエンジンは、好ましくは、前記高温側シリンダ部材（１２）と前記低温側シリンダ部材（１４）の互いの結合側端面に円環溝（１２Ｃ、１４Ｃ）が形成され、当該円環溝（１２Ｃ、１４Ｃ）に前記断熱部材（２２）が嵌め込まれ、前記断熱部材（２２）の軸線方向長さが前記２個の円環溝（１２Ｃ、１４Ｃ）の合計の軸線方向深さより所定量長い。

この構成によれば、（断熱部材（２２）の軸線方向長さ）と（円環溝（１２Ｃ）と（１４Ｃ）との合計の軸線方向深さ）との差によって断熱間隙（１１）の軸線方向長さを確実に管理することができる。

本発明によるスターリングエンジンは、好ましくは、前記高温側シリンダ部材（１２）と前記低温側シリンダ部材（１４）の双方の前記円環溝（１２Ｃ、１４Ｃ）の底部に円環状のシール取付溝（１２Ｄ、１４Ｄ）が形成され、前記シール取付溝（１２Ｄ、１４Ｄ）の各々に前記シール部材（２０）が嵌め込まれ、前記シール部材（２０）は前記断面部材（２２）の一方の側と前記高温側シリンダ部材（１２）との間と、前記断面部材（２２）他方の側と前記低温側シリンダ部材（１４）との間に各々挟圧された状態で配置されている。

この構成によれば、シール取付溝（１２Ｄ、１４Ｄ）の軸線方向の深さと、挟圧前のシール部材（２０）の寸法との差によってシール圧を確実に管理することができる。

本発明によるスターリングエンジンによれば、高温側シリンダ部材と低温側シリンダ部材との間に円環形状の断熱部材が配置され、更には、高温側シリンダ部材と低温側シリンダ部材との間にシール部材によって気密性を保った上で、断熱間隙が設けられていることにより、高温側シリンダ部材と低温側シリンダ部材との間の熱遮断が良好に行われる。これにより、熱損失が低減し、スターリングエンジンの熱効率が向上する。

本発明によるスターリングエンジンの一つの実施形態を示す縦断面図。 本実施形態によるスターリングエンジンのディスプレーサピストン降下状態での半断面斜視図。 本実施形態によるスターリングエンジンのディスプレーサピストン上昇状態での半断面斜視図。 本実施形態によるスターリングエンジンの要部のクランク軸線に直交する垂直面での断面図。 本実施形態によるスターリングエンジンの要部のクランク軸線に平行な垂直面での断面図。 図４の線VI−VIに沿った拡大断面図。 本実施形態によるスターリングエンジンの高温側シリンダ部材と低温側シリンダ部材との結合部の拡大断面図。 本実施形態によるスターリングエンジンに部材結合に用いられるバンドカップリングの視視図。 本実施形態によるスターリングエンジンを４気筒エンジンとして実施した実施形態を示す斜視図。

以下に、本発明によるスターリングエンジンの実施形態を、図１〜図７を参照して説明する。以下の説明では、便宜上、縦置きで、鉛直方向（上下方向）を軸線方向とする。

本実施形態によるスターリングエンジンは、図１〜図３に示されているように、アウタシェルをなす円筒形状のシリンダ部材１０を有する。シリンダ部材１０は、上端のみを閉じられた下端開口の高温側シリンダ部材１２と、上下両端開口の円筒状の低温側シリンダ部材１４及びクランク室部材１６と、クランク室部材１６の下端を塞ぐ略円盤状の底蓋部材１８とを同心配置で順に連結した組立体によって構成されている。高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４とは、外部との熱交換効率の観点から銅等の熱伝導性が高い金属材料によって構成されていことが好ましい。

高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との結合は、当該両者間にシール部材２０とヒートインシュレータ（断熱部材）２２とノックピン２３とを挟んで、高温側シリンダ部材１２の円環状張り出しの下端フランジ部１２Ａの外周と低温側シリンダ部材１４の円環状張り出しの上端フランジ１４Ａの外周とを跨って取り囲む金属製のバンドカップリング２４によって密閉構造で行われている。

この結合部の詳細を、図７を参照して説明する。ヒートインシュレータ２２は、セラミック等の耐熱性断熱材料により円環形状に形成され、高温側シリンダ部材１２の下端面に形成された矩形断面の円環溝１２Ｃと低温側シリンダ部材１４の上端面に形成された矩形断面の円環溝１４Ｃとに嵌め込まれ、高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との間に跨って設けられている。

ヒートインシュレータ２２は矩形断面をしていて、その高さ（軸線方向長さ）は円環溝１２Ｃと１４Ｃとの合計の軸線方向深さより所定量長い。これにより、高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との結合部に、（ヒートインシュレータ２２の軸線方向長さ）−（円環溝１２Ｃと１４Ｃとの合計の軸線方向深さ）に相当する軸線方向長さの円環状の断熱間隙１１が画成される。

シール部材２０は、耐熱性を確保するために、金属パイプを円環形状に形成したメタルシール等により構成され、円環溝１２Ｃの底部と円環溝１４Ｃの底部とに形成された円環溝１２Ｃ、１４Ｃより幅狭の矩形断面の円環状のシール取付溝１２Ｄ、１４Ｄに各々嵌め込まれ、ヒートインシュレータ２２と高温側シリンダ部材１２との間と、ヒートインシュレータ２２と低温側シリンダ部材１４との間に各々挟圧された状態で配置されている。

バンドカップリング２４は、図８に示されているように、ボルト２４Ａとナット２４Ｂとにより締め付けられるＣ形バンド２４Ｃと、Ｃ形バンド２４Ｃの内周面の周方向３箇所に部分的に設けられた略コの字形（横転V字形）断面のフランジ掴み部材２４Ｄとにより構成されている。下端フランジ部１２Ａと上端フランジ１４Ａとは、上下面が傾斜した先細の楔形断面形状の径方向外方に突出した円環状張り出しのフランジであることにより、ボルト２４Ａとナット２４ＢとによってＣ形バンド２４Ｃが締め付けられると、フランジ掴み部材２４Ｄが下端フランジ部１２Ａと上端フランジ１４Ａの上下面に密着し、下端フランジ部１２Ａと上端フランジ１４Ａが互いに軸線方向に接近し、ヒートインシュレータ２２と２個のシール部材２０とを挟んだ高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との結合が行われる。

なお、ノックピン２３は、高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との周方向の位置合わせを行うものである。

図１〜図３に示されているように、低温側シリンダ部材１４とクランク室部材１６との結合は、当該両者間にシール部材２６とノックピン２７とを挟んで、低温側シリンダ部材１４の円環状張り出しの下端フランジ部１４Ｂの外周とクランク室部材１６の円環状張り出しの上端フランジ１６Ａの外周とを跨って取り囲む金属製のバンドカップリング２８によって密閉構造で行われている。クランク室部材１６と底蓋部材１８との結合は、当該両者間にシール部材３０を挟んで、クランク室部材１６の円環状張り出しの下端フランジ部１６Ｂの外周と底蓋部材１８の円環状張り出しの外側フランジ１８Ａの外周とを跨って取り囲む金属製のバンドカップリング３２によって密閉構造で行われている。なお、バンドカップリング２８、３２は、前述のバンドカップリング２４と同等のものであってよい。

高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４とは上下に連続する一つのシリンダ室３４を画成している。クランク室部材１６は上側でシリンダ室３４に連通する円筒状のクランク室３５を画成している。シリンダ室３４及びクランク室３５は、密閉構造で、作動ガスとして窒素ガス等を封入される。

シリンダ室３４は、高温側シリンダ部材１２が外部より加熱されることにより、高温側シリンダ部材１２の部分が高温部３４Ａになっており、低温側シリンダ部材１４が外部より冷却されることにより、低温側シリンダ部材１４の部分が低温部３４Ｂになっている。

高温側シリンダ部材１２の頂部外壁には多数の受熱フィン３６が形成されている。高温側シリンダ部材１２の外周部には円筒状の受熱フィン部材３７が取り付けられている。低温側シリンダ部材１４の内部には円筒状の冷却水通路３８が形成されている。低温側シリンダ部材１４には、冷却水通路３８に冷却水を供給する冷却水入口部材４０と、冷却水通路３８より冷却水を排出する冷却水出口部材４２とが取り付けられている。

シリンダ室３４には、高温部３４Ａ側に位置する高温側ディスプレーサピストン５０と、低温部３４Ｂ側に位置する低温側ディスプレーサピストン５２と、高温側ディスプレーサピストン５０と低温側ディスプレーサピストン５２との間に配置された再生器５４と、低温側ディスプレーサピストン５２より更に低温部３４Ｂ側に隔置して配置されたパワーピストン５６とが軸線方向に往復動可能に設けられている。

高温側ディスプレーサピストン５０と低温側ディスプレーサピストン５２とは、円柱形状をしていてセラミック等の軽量耐熱性断熱材により構成されている。高温側ディスプレーサピストン５０及び低温側ディスプレーサピストン５２の外周面とシリンダ室３４の内周面との間には作動ガスの流通のための間隙５８（微細な空隙ため図には表れていない）が存在する。再生器５４は、金属繊維を圧縮形成したものなど熱交換性に優れたものにより構成され、作動ガスの流通のための貫通孔５４Ａを軸線方向に貫通形成されている。これにより、シリンダ室３４内の作動ガスは、間隙５８と再生器５４とを通って高温部３４Ａと低温部３４Ｂとの間を双方向に移動する。

高温側シリンダ部材１２の頂部内壁には薄板状の多数の熱交換（放熱）フィン１９がシリンダ室３４の中心部に向けて放射状に突出形成されている。高温側ディスプレーサピストン５０の頂部には高温側シリンダ部材１２の上昇移動によって各熱交換フィン１９が周方向に隙間をあけて出入可能な複数のスリット５１が外周部より中心部に向けて放射状に形成されている。

高温側ディスプレーサピストン５０と低温側ディスプレーサピストン５２と再生器５４とは、これらの中心部を軸線方向に沿って串刺状に貫通する駆動軸６０によって互いに連結されている。

駆動軸６０はシリンダ部材１０の中心位置にあってシリンダ室３４及びクランク室３５の中心部を軸線方向に延在している。駆動軸６０の上端部は、高温側シリンダ部材１２の頂部の中心部に形成された軸受孔１３に軸線方向に摺動可能に嵌合し、シリンダ部材１０より軸線方向に移動可能に支持されている。駆動軸６０は、軸受孔１３との嵌合部より下側に、つまり軸線方向の中間部に、上述の高温側ディスプレーサピストン５０と低温側ディスプレーサピストン５２と再生器５４とを固定され、図４、図５に示されているように、それより更に下側においてパワーピストン５６に中心部に形成された貫通孔５７ならびに後述する連結部材６２に形成された貫通孔６３およびＰＰスライダ（第２のスライダ）６４に形成された通し溝６５を軸線方向に変位可能に貫通している。駆動軸６０の下端部（他端）は、後述するＤＰスライダ（第１のスライダ）６６に固定連結され、ＤＰスライダ６６を介してシリンダ部材１０より軸線方向に移動可能に支持されている。

駆動軸６０の下端部のＤＰスライダ６６に対する固定は、キー６７（図４、図５参照）を挟んで、ＤＰスライダ６６の一側面と当該一側面にねじ止めされた取付板６９とで挟み込むようにして行われている。

パワーピストン５６は、図４、図５に示されているように、セラミック等の軽量耐熱性断熱材により構成された上側部材７０と金属製の下側部材７４とにより構成されている。下側部材７４は上側部材７０の中心部に嵌合する円筒部７４Ａを有している。円筒部７４Ａ内にはブッシュ７６が嵌挿されており、ブッシュ７６にフランジ付きの中空ナット７８がねじ係合することにより上側部材７０と金属製の下側部材７４とが一体化されている。この実施形態では、パワーピストン５６の中心部を軸線方向に延在する貫通孔５７はブッシュ７６の中空部により与えられており、ブッシュ７６の中空部に駆動軸６０が摺動可能に嵌合している。

低温側ディスプレーサピストン５２がパワーピストン５６の上部と対向する下底部は下方に突出した切頭円錐突部５３になっている。パワーピストン５６が低温側ディスプレーサピストン５２の切頭円錐突部５３と対向する上部は、外周面を残して下方に窪んだ切頭円錐凹部５９になっている。低温側ディスプレーサピストン５２とパワーピストン５６とは、低温側ディスプレーサピストン５２が下死点近くに移動し、且つパワーピストン５６が上死点近くに移動した時に、切頭円錐突部５３が切頭円錐凹部５９内に進入する軸線方向の位置関係になっている。

低温側シリンダ部材１４の軸線方向中間部の内周壁には薄板状の多数の熱交換（放熱）フィン２１がシリンダ室３４の中心部に向けて放射状に突出形成されている。低温側シリンダ部材１４の下部側には低温側シリンダ部材１４の降下移動によって各熱交換フィン２１の上側が周方向に隙間をあけて出入可能な複数のスリット６１が外周部より中心部に向けて放射状に形成されている。また、パワーピストン５６の上側部材７０にはパワーピストン５６の上昇移動によって各熱交換フィン２１の下側が周方向に隙間をあけて出入可能な複数のスリット７１が外周部より中心部に向けて放射状に形成されている。

低温側シリンダ部材１４の下端近傍の内周壁には軸線方向に長い複数の棒状のシリンダ側永久磁石８０が低温側シリンダ部材１４の中心軸線周りに等間隔に嵌め込み装着されている。本実施形態では、図６に示されているように、シリンダ側永久磁石８０は低温側シリンダ部材１４の中心軸線周りに９０度間隔で４個設けられている。パワーピストン５６の下側部材７４の外周壁にはシリンダ側永久磁石８０の各々と対応する周方向位置にピストン側永久磁石８２が嵌め込み装着されている。ピストン側永久磁石８２はシリンダ側永久磁石８０より軸線方向長が短い駒状、ボタン状のもので構成される。シリンダ側永久磁石８０は、パワーピストン５６の軸線方向移動ストロークより長く、パワーピストン５６が如何なる軸線方向位置にあってもピストン側永久磁石８２に対向し、ピストン側永久磁石８２とで永久磁石対をなす。

このシリンダ側永久磁石８０とピストン側永久磁石８２とからなる永久磁石対は、互い反発し合う磁極、例えば、シリンダ側永久磁石８０のＮ極とピストン側永久磁石８２のＮ極とが低温側シリンダ部材１４の内周面とパワーピストン５６の外周面との間の間隙１５（図６参照）を挟んで互いに対向し、互いに磁気反発し合う配置になっている。

図４、図５に示されているように、下側部材７４の外周には軸線方向に小さい間隔をおいて複数の周溝７５が形成されている。周溝７５は下側部材７４の外周と低温側シリンダ部材１４の内周との間にラビリンスシールを構成している。このラビリンスシールは低温部３４Ｂの圧力がパワーピストン５６の外周面と低温側シリンダ部材１４の内周面との間の間隙を通ってクランク室３５へ漏れることを低減する。

連結部材６２は、シリンダ部材１０の中心位置にあってパワーピストン５６とＰＰスライダ６４とを球面継手によって連結するものである。この球面継手による連結構造の詳細を説明する。連結部材６２の上下端は各々球状部６２Ａ、６２Ｂになっている。上側の球状部６２Ａは、下側部材７４の底部に形成された半球状部７４Ｂと下側部材７４の底部にナット部材８４によってねじ止めされたキャップ部材８６に形成された半球状部８６Ａとにより画定される球状ポケットに嵌合し、パワーピストン５６との間に球面継手をなしている。下側の球状部６２Ｂは、ＰＰスライダ６４の一側面に形成された半球状部６４ＡとＰＰスライダ６４の一側面にねじ止めされたキャップ部材８８に形成された半球状部８８Ａとにより画定される球状ポケットに嵌合し、パワーピストン５６との間に球面継手をなしている。

球状部６２Ａ、６２Ｂには各々縦溝９０が形成されている。下側部材７４とＰＰスライダ６４には各々縦溝９０に摺動可能に回転規制ピン９２が固定されている。縦溝９０と回転規制ピン９２との係合により、シリンダ部材１０の中心軸線廻り、換言するとパワーピストン５６の中心軸線周りの回転を幾何学的に拘束された球面継手が、パワーピストン５６と連結部材６２との間と、連結部材６２とＰＰスライダ６４との間に各々構成される。これにより、パワーピストン５６と連結部材６２との中心軸線周りの回転変位と、連結部材６２とＰＰスライダ６４との中心軸線周りの回転変位とが規制される。

クランク室部材１６の上端部にはバー支持部１７が形成され、下端部にはバー支持部材９４が取り付けられている。バー支持部１７とバー支持部材９４は、クランク室３５において軸線方向に延在する２本のガイドバー９６を互いに平行に支持している。

２本のガイドバー９６は、後述するクランク軸１１０を挟んでクランク室３５の径方向両側にあり、つまり図１〜図４で見て左右両側にあり、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とを上下配置で、各々個別に軸線方向に摺動可能に支持している。なお、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６との上下配置はＰＰスライダ６４がＤＰスライダ６６より上側で、ＰＰスライダ６４がＤＰスライダ６６よりパワーピストン５６側にある。

ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とは、ともに板状のものであり、各々両側にスライドスリーブ部７２、７３を有する。スライドスリーブ部７２、７３にはリニアボールベアリング９８、１００が取り付けられている。ＰＰスライダ６４はリニアボールベアリング９８によってガイドバー９６に摺動可能に係合し、ＤＰスライダ６６はリニアボールベアリング１００によってガイドバー９６に摺動可能に係合し、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とは共通のガイドバー９６に案内されて個別に軸線方向に往復動可能になっている。

ＰＰスライダ６４のスライドスリーブ部７２は、図１〜図４で見て右側は軸線方向に所定間隔をおいて互いに同一軸長のものが２個整列配置され、図１〜図４で見て左側は右側と同一軸長のものが１個しか設けられていない。ＤＰスライダ６６のスライドスリーブ部７２は、図１〜図４で見て左側は軸線方向に所定間隔をおいてスライドスリーブ部７２と同一軸長のものが２個整列配置され、図１〜図４で見て右側は左側と同一軸長のものが１個しか設けられていない。

ＰＰスライダ６４が右側においてガイドバー９６に係合する部分の軸線方向長は、２個のスライドスリーブ部７２の合計長と２個のスライドスリーブ部７２の間隔長とを合計した長さａになり、ＰＰスライダ６４が左側においてガイドバー９６に係合する部分の軸線方向長は１個のスライドスリーブ部７２の長さｂとなる。ＤＰスライダ６６が左側においてガイドバー９６に係合する部分の軸線方向長は、２個のスライドスリーブ部７３の合計長と２個のスライドスリーブ部７３の間隔長とを合計した長ｃになり、ＤＰスライダ６６が側においてガイドバー９６に係合する部分の軸線方向長は１個のスライドスリーブ部７２の長さｄとなる。ここに、ａ＝ｃ、ｂ＝ｄ、ａ＞ｂ、ｃ＞ｄの関係が成立する。

これにより、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とは、その一方のガイドバー９６に係合する部分の軸線方向長の長い側が、他方のガイドバー９６に係合する部分の軸線方向長の短い側に向けて突出するように整合し、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６の対向端６４Ｂ、６６Ｂ同士は軸線方向に互いに入り組む形状になっている。

つまり、ＰＰスライダ６４の長さａによる長い右側係合部分がＤＰスライダ６６の長さｄによる短い右側係合部分に整合すると共に、ＤＰスライダ６６の長さｃによる長い左側係合部分がＰＰスライダ６４の長さｂによる短い右側係合部分に整合する。そしてガイドバー９６に係合する左右の係合部分の軸線方向の長さ違いによってＰＰスライダ６４の対向端６４ＢとＤＰスライダ６６の対向端６６Ｂとは、左右の係合部分間において互いに同様の上下段違い形状をして、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６との一方の軸線方向長の長い側（ａ、ｃ）が他方の軸線方向長の短い側（ｄ、ｂ）に入り込む構成になっており、ＰＰスライダ６４のストローク領域とＤＰスライダ６６のストローク領域とが一部オーバラップする。

これにより、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６と左右の係合部分の軸線方向長さがａあるいはｃである場合に比して（ａ−ｄ）分あるいは（ｃ−ｂ）分、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とが往復移動するのに必要な軸線方向スペース、つまりクランク室３５の軸長を短くできる。

ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６は、各々３箇所に配置されたスライドスリーブ部７２あるいは７３によってガイドバー９６より支持されるので、ＰＰスライダ６４、ＤＰスライダ６６の軸線方向の移動姿勢精度が４点支持である場合より劣っても、それは僅かで、必要な移動姿勢精度を保つことができる。

クランク室部材１６はボールベアリング１０２によってクランク軸１１０のジャーナル軸部（主軸部）１１２を回転可能に支持している。クランク軸１１０は、図５で見て左右２個のウェート付きのジャーナル軸部１１２と、２個のジャーナル軸部１１２間に配置されてシリンダ部材１０の中心に対して互いに異なる側（図５で見て左右両側）に突出した２つのクランクピン１１４、１１６を一体形成されたクランクアーム部材１１８とにより構成され、クランクピン１１４、１１６の各々先端部に左右２個のジャーナル軸部１１２がボルト１２０によって固定連結されている。

ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とには、シリンダ部材１０の中心に対して互いに異なる側、つまり図５で見て左右に異なる側に突出した連結ピン１０４、１０６が設けられている。連結ピン１０４にはＰＰコンロッド（第２のコンロッド）１２２の一端が回転可能に連結されており、クランクピン１１４にはＰＰコンロッド１２２の他端が回転可能に連結されている。これによりＰＰスライダ６４はＰＰコンロッド１２２によってクランク軸１１０に連結される。もう一つの連結ピン１０６にはＤＰコンロッド（第１のコンロッド）１２４の一端が回転可能に連結されており、クランクピン１１６にはＤＰコンロッド１２４の他端が回転可能に連結されている。これによりＤＰスライダ６６はＤＰコンロッド１２４によってクランク軸１１０に連結される。

つぎに上述した構成によるスターリングエンジンのサイクル動作について説明する。

本実施形態では、高温側ディスプレーサピストン５０と低温側ディスプレーサピストン５２と再生器５４との連結体（以下、連結体ＤＰと略称する）が上死点位置にある時のクランク角を０度とすると、クランク角０度では、パワーピストン５６は上昇過程でストローク中間位置にある。

この状態では、低温部３４Ｂの容積が最大で、低温側シリンダ部材１４が外部より冷却され、低温部３４Ｂにある作動ガスが熱交換関係で冷却されて収縮し、パワーピストン５６に負圧が作用してパワーピストン５６が上昇移動する。このパワーピストン５６の動きは、連結部材６２、ＰＰスライダ６４、ＰＰコンロッド１２２によってクランク軸１１０に伝達され、クランク軸１１０に回転力が与えられる。これによりクランク軸１１０が回転する。

このクランク軸１１０の回転がＤＰコンロッド１２４によってＤＰスライダ６６に伝達され、ＤＰスライダ６６が降下移動する。この降下移動が駆動軸６０によって連結体ＤＰに伝達され、連結体ＤＰが降下移動を開始する。

連結体ＤＰが降下移動することにより、高温部３４Ａの容積が増大すると共に、低温部３４Ｂから作動ガスが、低温側ディスプレーサピストン５２とシリンダ室３４との間隙、再生器５４、高温側ディスプレーサピストン５０とシリンダ室３４との間隙を通って高温部３４Ａ側へ流れる。

本実施形態では、クランク角９０度でパワーピストン５６が上死点に位置し、パワーピストン５６が上死点に位置すると、高温側シリンダ部材１２が外部より加熱されることにより高温部３４Ａで熱交換関係で加熱されて膨張した作動ガスが、高温側ディスプレーサピストン５０とシリンダ室３４との間隙、再生器５４、低温側ディスプレーサピストン５２とシリンダ室３４との間隙を通ってパワーピストン５６側へ流れる。これにより、膨張した作動ガスによる圧力（正圧）がパワーピストン５６に作用し、パワーピストン５６が押し下げて下死点へ向かう。このパワーピストン５６の動きも、連結部材６２、ＰＰスライダ６４、ＰＰコンロッド１２２によってクランク軸１１０に伝達され、クランク軸１１０に回転力が与えられる。これによりクランク軸１１０が引き続き同方向に回転する。

クランク角１８０で連結体ＤＰが下死点位置に位置すると、高温部３４Ａの容積が最大になり、引き続き高温部３４Ａで加熱されて膨張した作動ガスが、低温側ディスプレーサピストン５２とシリンダ室３４との間隙を通ってパワーピストン５６側へ流れ、引き続きパワーピストン５６に正圧が作用し、パワーピストン５６が押し下げて下死点へ向かう。このパワーピストン５６の動きも、同様にクランク軸１１０に伝達され、クランク軸１１０に回転力が与えられる。これによりクランク軸１１０が引き続き同方向に回転する。

このクランク軸１１０の回転がＤＰコンロッド１２４によってＤＰスライダ６６に伝達され、ＤＰスライダ６６が上昇移動し、この上昇移動が駆動軸６０によって連結体ＤＰに伝達され、連結体ＤＰが上昇移動を開始する。

連結体ＤＰが上昇移動することにより、低温部３４Ｂの容積が増大すると共に、高温部３４Ａから作動ガスが、高温側ディスプレーサピストン５０とシリンダ室３４との間隙、再生器５４、低温側ディスプレーサピストン５２とシリンダ室３４との間隙を通って低温部３４Ｂ側へ流れる。

クランク角２７０度でパワーピストン５６が下死点に位置すると、低温部３４Ｂで冷却され、収縮した作動ガスによってパワーピストン５６に負圧が作用し、パワーピストン５６が上昇移動する。このパワーピストン５６の動きは、連結部材６２、ＰＰスライダ６４、ＰＰコンロッド１２２によってクランク軸１１０に伝達され、クランク軸１１０に回転力が与えられる。これによりクランク軸１１０が引き続き同方向に回転する。

クランク角３６０度でクランク角０度に戻ると、連結体ＤＰが上死点位置に戻り、以降、上述のサイクル動作を繰り返す。

このように、シリンダ室３４内の作動ガスが外部より加熱と冷却とを繰り返されることにより、クランク軸１１０が回転する。

上述のサイクル動作のもと、本実施形態のスターリングエンジンは、下記の効果を奏する。
（１）高温側ディスプレーサピストン５０と低温側ディスプレーサピストン５２と再生器５４との連結体（ＤＰ連結体）が、両端をシリンダ部材１０より軸線方向に移動可能に支持された駆動軸６０に固定されていることにより、ＤＰ連結体が横方向（径方向）の移動すること、傾くことが規制され、ＤＰ連結体がシリンダ部材１０の内周面に接触することがなく、適正な間隙５８が保たれる。これにより、スターリングエンジンの摩擦損失を低減すると共に、スターリングエンジンの効率が安定する。

なお、駆動軸６０の上端はシリンダ部材１０より直接支持されているが、下端は、ＤＰスライダ６６、ガイドバー９６を介してシリンダ部材１０より支持されている。

（２）パワーピストン５６の中心部にある貫通孔５７を駆動軸６０が摺動可能関係で貫通していることにより、パワーピストン５６が横方向（径方向）の移動すること、傾くことが所定量以下に規制され、その上で、シリンダ側永久磁石８０とピストン側永久磁石８２とからなる永久磁石対の磁気反発により、パワーピストン５６が軸線方向移動において横ぶれ（振動）することによってシリンダ部材１０の内周面に接触することが防止される。これにより、パワーピストン５６のシリンダ部材１０に対する摺動抵抗がなくなり、スターリングエンジンの摩擦損失が低減し、エンジン効率が向上する。

この場合、パワーピストン５６の外周面とシリンダ部材１０の内周面との離間距離が大きく変動することがないので、永久磁石対の磁気反発によるパワーピストン５６のセンタリング（非接触センタリング）、姿勢制御が大きい磁石を必要とすることなく確実に行われる。これにより、シリンダ側永久磁石８０の軸線方向長を短縮でき、併せてパワーピストン５６の軸線方向長を短縮できる。このことにより、スターリングエンジンの軸線方向全長を短縮でき、スターリングエンジンのコンパクト化が可能になる。

しかも、シリンダ側永久磁石８０は棒状永久磁石で構成し、ピストン側永久磁石８２はシリンダ側永久磁石８０より軸線方向長が短い駒状、ボタン状のもので構成することができるから、高価な永久磁石を多く必要とすることがなく、パワーピストン５６に要するピストン側永久磁石８２の配置スペースが小さくてすみ、ピストン側永久磁石８２を大型化することがない。

また、シリンダ側永久磁石８０は低温側シリンダ部材１４に設けられて高温雰囲気に曝されることがないので、熱劣化を生じることがない。

（３）高温側ディスプレーサピストン５０と低温側ディスプレーサピストン５２と再生器５４との連結体（ＤＰ連結体）と、パワーピストン５６は、ガイドバー９６にスライド可能に設けられて横方向移動を規制されたＤＰスライダ６６、ＰＰスライダ６４を介してＤＰコンロッド１２４、ＰＰコンロッド１２２によってクランク軸１１０に連結されているので、クランク軸１１０の回転、ＤＰコンロッド１２４、ＰＰコンロッド１２２の運動による横力がＤＰ連結体やパワーピストン５６に作用することがない。

これにより、クランク運動による横ぶれや振動がＤＰ連結体やパワーピストン５６に伝わらなくなり、振動がＤＰ連結体やパワーピストン５６のストローク運動が安定する。このことによってもスターリングエンジンの摩擦損失を低減すると共に、スターリングエンジンの効率が安定化する。

（４）連結部材６２の各端が球面継手になっており、球面継手によってパワーピストン５６とＰＰスライダ６４とに連結しているので、ＰＰスライダ６４の横ぶれや振動が大きい圧力を受けるパワーピストン５６に伝わることがない。

これにより、ＰＰスライダ６４によってクランク運動による横力のパワーピストン５６への伝達を打ち消した上で、更にＰＰスライダ機構等の機械加工誤差や熱変形等をキャンセルして永久磁石対の磁気反発によるパワーピストン５６の姿勢制御が良好に行われるようになる。

このことにより、非接触で、パワーピストン５６のサイドクリアランスを極小に設定し、作動ガスのクランク室３５へのリークを最小限に抑えることができる。このことは、パワーピストン５６に形成された周溝７５によるシリンダ部材１０との間のラビリンスシールの作用向上にも寄与する。

更に、パワーピストン５６及びＰＰスライダ６４と連結部材６２との球面継手部における中心軸線周りの回転が縦溝９０と回転規制ピン９２との係合によって規制されているので、パワーピストン５６がシリンダ室３４において不必要に回転することがない。このことは、シリンダ部材１０側と熱交換フィン２１がパワーピストン５６のスリット７１に入り込むことにおいて熱交換フィン２１とパワーピストン５６とが干渉することを回避する上で有用である。

（５）ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とが共通のガイドバー９６によって案内されるので、部品点数の増加を抑え、クランク室３５の大型化を回避できる。更に、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とは、その一方のガイドバー９６に係合する部分の軸線方向長の長い側が、他方のガイドバー９６に係合する部分の軸線方向長の短い側に向けて突出するように整合し、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６の対向端６４Ｂ、６６Ｂ同士は軸線方向に互いに入り組む形状になっており、ＰＰスライダ６４のストローク領域とＤＰスライダ６６のストローク領域とが一部オーバラップする。ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６とが往復移動するのに必要な軸線方向スペースが減少するから、クランク室３５の軸長を短くできる。これにより、スターリングエンジンの軸線方向全長を短縮でき、スターリングエンジンのコンパクト化が可能になる。

また、ＰＰスライダ６４とＤＰスライダ６６に設けるスライドスリーブ部７２、７３の個数、ついては、各スライドスリーブ部７２、７３に取り付けられる高価なリニアボールベアリング９８、１００の個数を削減することができる。

（６）シリンダ室３４内に熱交換フィン１９、２１が設けられているので、外部からのシリンダ室３４内の作動ガスに対する熱授受の効率が向上する。そのうえで、高温側ディスプレーサピストン５０、低温側ディスプレーサピストン５２、パワーピストン５６のそれぞれに熱交換フィン１９、２１が入り込むことができるスリット５１、６１、７１が形成されているので、熱交換フィン１９、２１の配置部がピストンの進入を拒む死容積になることがない。これにより、圧縮比が低下することがなく、熱交換フィン１９、２１の存在によって熱効率のよいスターリングエンジンを得ることができる。また、スターリングエンジンの軸線方向全長を短縮でき、スターリングエンジンのコンパクト化が可能になる。

（７）低温側ディスプレーサピストン５２がパワーピストン５６の上部と対向する下底部は下方に突出した切頭円錐突部５３になっている。パワーピストン５６の上部が外周面を残して下方に窪んだ切頭円錐凹部５９になっていて、切頭円錐凹部５９に低温側ディスプレーサピストン５２の切頭円錐突部５３が入り込む構造であることにより、パワーピストン５６の姿勢保持のための有効軸長を短縮することなくスターリングエンジンの軸線方向全長を短縮でき、スターリングエンジンのコンパクト化が可能になる。

（８）高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との間に円環形状のヒートインシュレータ２２が配置され、更には、高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との間にシール部材２０によって気密性を保った上で、断熱間隙１１が設けられていることにより、高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との間の熱遮断が良好に行われる。これにより、熱損失が低減し、スターリングエンジンの熱効率が向上する。

ヒートインシュレータ２２は、高温側シリンダ部材１２の下端面に形成された円環溝１２Ｃと低温側シリンダ部材１４の上端面に形成された円環溝１４Ｃとに嵌め込まれ、高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との間に跨って設けられていて、ヒートインシュレータ２２の高さ（軸線方向長さ）は円環溝１２Ｃと１４Ｃとの合計の軸線方向深さより所定量長いので、高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との結合部に軸線方向長さの円環状の断熱間隙１１が画成され、断熱間隙１１の軸線方向長さは、（ヒートインシュレータ２２の軸線方向長さ）−（円環溝１２Ｃと１４Ｃとの合計の軸線方向深さ）によって確実に決まる。

更に、シール部材２０は、円環溝１２Ｃの底部と円環溝１４Ｃの底部とに形成された円環状のシール取付溝１２Ｄ、１４Ｄに各々嵌め込まれ、ヒートインシュレータ２２と高温側シリンダ部材１２との間と、ヒートインシュレータ２２と低温側シリンダ部材１４との間に各々挟圧された状態で配置されているから、シール取付溝１２Ｄ、１４Ｄの軸線方向の深さと、挟圧前のシール部材２０の寸法との差によってシール圧を確実に管理することができる。

更には、バンドカップリング２４によって高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との結合が行われているので、通常のフランジ合わせによる結合よりも、両者間の伝熱距離が長く、しかも接触面積が小さく、熱抵抗が大きいので、このことによっても高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との間の断熱性が向上する。また、バンドカップリング２４による高温側シリンダ部材１２と低温側シリンダ部材１４との結合は、通常のフランジ合わせによる結合よりも軽量化に寄与する。

図９は、上述した実施形態によるスターリングエンジンを４気筒スターリングエンジンとして実施した一つの実施形態を示している。

本実施形態による４気筒スターリングエンジンは直列配置である。このエンジンの４個の高温側シリンダ部材１２には気筒配列方向に連続する一つの高温ガスダクト１３０が被せられている。高温ガスダクト１３０は、気筒配列方向の一方の側に高温ガス入口１３２を、他方の側に高温ガス出口１３４を有し、内部を内燃機関の排気ガス等の廃熱ガスが流れる。

なお、図９では低温側シリンダ部材１４に設けられている冷却水通路３８の接続について図示を省略しているが、冷却水通路３８は隣り合う気筒の冷却水入口部材４０と冷却水出口部材４２とが接続されることにより、各気筒の冷却水通路３８に冷却水が流れる構造にされている。

各気筒のクランク室３５は隣接する気筒のクランク室部材１６同士を接続するクランク室ダクト１３６によって連通している。気筒配列方向の一方の側の端部に位置するクランク室ダクト１３６の先端は蓋１３６Ａによって塞がれている。気筒配列方向の他方の側の端部に位置するクランク室ダクト１３６には発電機を内蔵した密閉構造の発電機ボックス１３８が接続されている。

これにより、各気筒のクランク室３５は互いに連通した形態で密閉されている。これにより、作動ガスの外部への漏洩を回避できる。また、各気筒において、パワーピストン５６に位相差を設けることにより、クランク室３５における作動ガスの圧力損失をなくすことができる。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。たとえば、再生器５４は外部配置のものであってもよく、この場合には、ディスプレーサピストンと高温側と低温側とに分割構成する必要はない。熱交換フィン１９、２１は、必ずしも放射状に設ける必要はなく、径方向に互い平行に配置されたものであってもよい。高温側ディスプレーサピストン５０と低温側ディスプレーサピストン５２と再生器５４との連結体と、パワーピストン５６とのクランク角位相は、９０度に限られことなく、１８０度であってよい。本発明はβ型のスターリングエンジンに限られることはなく、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが個別のシリンダ室に配置されたγ型のスターリングエンジンにも適用可能である。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０ シリンダ部材
１１ 断熱間隙
１２ 高温側シリンダ部材
１４ 低温側シリンダ部材
１６ クランク室部材
１８ 底蓋部材
１９ 熱交換フィン
２１ 熱交換フィン
２２ ヒートインシュレータ
２４ バンドカップリング
２８ バンドカップリング
３２ バンドカップリング
３４ シリンダ室
３４Ａ 高温部
３４Ｂ 低温部
３５ クランク室
３６ 受熱フィン
３７ 受熱フィン部材
３８ 冷却水通路
５０ 高温側ディスプレーサピストン
５１ スリット
５２ 低温側ディスプレーサピストン
５３ 切頭円錐突部
５４ 再生器
５６ パワーピストン
５７ 貫通孔
５９ 切頭円錐凹部
６０ 駆動軸
６１ スリット
６２ 連結部材
６２Ａ 球状部
６２Ｂ 球状部
６４ ＰＰスライダ
６６ ＤＰスライダ
７１ スリット
７２ スライドスリーブ部
７３ スライドスリーブ部
８０ シリンダ側永久磁石
８２ ピストン側永久磁石
９０ 縦溝
９２ 回転規制ピン
９６ ガイドバー
９８ リニアボールベアリング
１００ リニアボールベアリング
１１０ クランク軸
１２２ ＰＰコンロッド
１２４ ＤＰコンロッド
１３０ 高温ガスダクト
１３６ クランク室ダクト
１３８ 発電機ボックス

Claims (4)

1. 軸線方向に隔置された高温部と低温部とを有するシリンダ部材と、該シリンダ部材のシリンダ室に設けられ前記高温部と前記低温部との間を往復動可能なディスプレーサピストンと、前記シリンダ室の前記低温部側に連通したシリンダ室に往復動可能に設けられたパワーピストンとを有するスターリングエンジンであって、
   前記シリンダ部材が、前記高温部を構成する高温側シリンダ部材と、前記低温部を構成する低温側シリンダ部材とで分割構成され、
   前記高温側シリンダ部材と前記低温側シリンダ部材との間に跨って円環形状の断熱部材が配置され、且つ前記高温側シリンダ部材と前記低温側シリンダ部材との間に、シール部材によって前記シリンダ室の気密性を保った上で円環状の断熱間隙が形成されているスターリングエンジン。
2. 前記高温側シリンダ部材と前記低温側シリンダ部材の互いの結合端部には各々径方向外方に突出した円環状フランジが形成され、前記高温側シリンダ部材の前記円環状フランジと前記低温側シリンダ部材の前記円環状フランジの外周とを跨って取り囲む金属製のバンドカップリングによって前記高温側シリンダ部材と前記低温側シリンダ部材とが結合されている請求項１記載のスターリングエンジン。
3. 前記高温側シリンダ部材と前記低温側シリンダ部材の互いの結合側端面に円環溝が形成され、当該円環溝に前記断熱部材が嵌め込まれ、前記断熱部材軸線方向長さが前記２個の円環溝の合計の軸線方向深さより所定量長いことを特徴する請求項１または２に記載のスターリングエンジン。
4. 前記高温側シリンダ部材と前記低温側シリンダ部材の双方の前記円環溝の底部に円環状のシール取付溝が形成され、前記シール取付溝の各々に前記シール部材が嵌め込まれ、前記シール部材は前記断面部材の一方の側と前記高温側シリンダ部材との間と、前記断面部材の他方の側と前記低温側シリンダ部材との間に各々挟圧された状態で配置されている請求項３に記載のスターリングエンジン。

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