JP3783705B2 - スターリングエンジン及びそれを用いたハイブリッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、スターリングエンジン及びそれを用いたハイブリッドシステムに関し、特に、加熱器が効果的に受熱することのできるスターリングエンジン及びそれを用いたハイブリッドシステムに関する。

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。

特開平４−８９８３６号公報（特許文献１）には、図２１に示すようなスターリングエンジンが開示されている。機械室１２０には、高温側気筒１２１と低温側気筒１２２とが突設されており、高温側気筒１２１の上部には加熱器１２３の一端部が接続され、その他端部は再生器１２５に接続されている。低温側気筒１２２には、冷却器１２６が接続されており、その冷却器１２６が再生器１２５に接続されている。高温側気筒１２１及び低温側気筒１２２には、それぞれ膨張ピストン１２７及び圧縮ピストン１２８が往復動可能に配設されており、両ピストン１２７，１２８はそれぞれコネクティングロッド１２９，１３０によってクランク軸１３１に連結され、両ピストン１２７，１２８が互いに所定位相差例えば９０°をもって往復動するように構成されている。

加熱器１２３で作動流体が熱源（図示せず）によって加熱されると、膨張して膨張ピストン１２７が圧下され、クランク軸１３１の回動が行われる。また、膨張ピストン１２７が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器１２３を通過して再生器１２５に移送され、そこで再生器１２５内に充填されている蓄熱材に熱を与え、冷却器１２６へと流れて冷却され、圧縮ピストン１２８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、逆に加熱器１２３側に流れ、その途中で再生器１２５内の蓄熱材から熱を奪いながら温度を上昇して、加熱器１２３へ流れ込み、そこで再び熱源によって加熱膨張せしめられる。

特開平４−８９８３６号公報 特開２０００−１４６３３６号公報 実開平６−６０７５１号公報 特開平５−５４７９号公報

ところで、スターリングエンジンにおいて、加熱器、再生器、冷却器からなる熱交換器のスペースは、出力に直接的には関与しない無効容積となっており、熱交換器の体積が増えると、スターリングエンジンの出力が減少する。このため、熱交換器のコンパクト化が望まれるが、熱交換器をコンパクトにすると、熱交換が困難となり、熱源からの受熱量が減少し、エンジン出力が減少するという問題がある。

上記のように、熱交換器のコンパクト化とエンジン出力の増加は、背反事項であり、両立させるためには、熱交換器の効率を上げる必要がある。そのために、加熱器は効果的に加熱される必要がある。

特に、スターリングエンジンが例えば車両の内燃機関の排気ガスのような排熱を熱源と
して作動する場合のように、熱源から十分に余裕のある熱量を確保し難い環境下に搭載される場合には、効率良く受熱することが求められる。

更に、例えば上記と同様に、車両の内燃機関の排気ガスを熱源とする場合には、車両の内燃機関の排気管に隣接するスペースのように、限られた空間にスターリングエンジンを搭載しなくてはならない場合がある。その場合、スターリングエンジンの装置規模をコンパクトに抑える必要がある。

上記特許文献１には、高温側気筒と低温側気筒とがＶ型に配置されたスターリングエンジンにおいて、低温側気筒に接続される冷却器と再生器は、高温側気筒に平行に設けられ、その再生器と高温側気筒を結ぶように加熱器が設けられた構成が開示されている。このスターリングエンジンは、Ｖ型で構成されているため、装置が大掛かりとなり、限られた空間に搭載する場合には、搭載スペースが問題となる。また、低温側気筒と冷却器とが概ね９０°の角度で交差するように接続されているために、作動流体の流路抵抗（流動損失）という点で不利である。

特開２０００−１４６３３６号公報（特許文献２）にも、高温側気筒と低温側気筒とがＶ型に配置されたスターリングエンジンが開示されているが、上記と同様に、搭載上のスペースと流路抵抗の点で不利である。

実開平６−６０７５１号公報（特許文献３）及び特開平５−５４７９号公報（特許文献４）には、高温側気筒と低温側気筒とが直列に配置されたスターリングエンジンが開示されているが、いずれもその加熱器の構成及び配置には、十分な熱量を確保し難い環境下において、効率良く受熱するための工夫が何らなされていない。また、上記と同様に、作動流体の流路抵抗の問題がある。

本発明の目的は、加熱器が効果的に受熱することのできるスターリングエンジン及びそれを用いたハイブリッドシステムを提供することである。
本発明の他の目的は、加熱器が効果的に受熱することのでき、装置規模がコンパクトなスターリングエンジン及びそれを用いたハイブリッドシステムを提供することである。
本発明の更に他の目的は、加熱器が効果的に受熱することのでき、作動流体の流路抵抗を抑制可能なスターリングエンジン及びそれを用いたハイブリッドシステムを提供することである。

本発明のスターリングエンジンは、直列に配置された少なくとも２つのシリンダと、冷却器と再生器と加熱器とを有する熱交換器とを備え、前記熱交換器は、第１の前記シリンダと第２の前記シリンダとを結ぶように前記熱交換器の少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成され、前記スターリングエンジンの出力は、前記第１のシリンダ内の第１ピストンと前記第２のシリンダ内の第２ピストンとに共通に接続された駆動軸を介して取り出され、前記駆動軸と、前記第１ピストンのピストンピン及び前記第２ピストンのピストンピンとは、それぞれクランクシャフト及びコネクティングロッドを介して接続され、前記第１ピストンが上死点にあるときの前記第１ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離と、前記第２ピストンが上死点にあるときの前記第２ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離とが相違するように構成され、前記距離の相違は、前記第１ピストンのピストンピンと前記第１ピストンとを連結する第１連結軸の長さと、前記第２ピストンのピストンピンと前記第２ピストンとを連結する第２連結軸の長さの相違に対応している。

上記本発明によれば、２つのシリンダが直列に配置され、かつ熱交換器が第１及び第２のシリンダとを結ぶようにその少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成されているので、搭載スペースがコンパクトに抑えられ、車両のような限られたスペースに搭載される場合であっても設置の自由度が増す。更に、例えば管の内部のように受熱可能な領域が限定されている場合に、その領域内で加熱器をカーブ形状に形成すれば伝熱面積を極力大きく確保することができる。また、冷却器または再生器をカーブ形状にした場合には、角のある形状に比べて流路抵抗を低減することができる。流路抵抗の観点から、熱交換器の一部にでも角の部分がないように構成される。熱交換器の流路の軸線は、角の部分が形成されないように直線同士の組み合わせではなく、曲線と直線との組合わせ（図１、図１８参照）または曲線のみ（図２０）から、構成されるのが良い。

また、上記本発明によれば、前記第１ピストンが上死点にあるときの前記第１ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離と、前記第２ピストンが上死点にあるときの前記第２ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離とが相違するように構成され、その相違する部分に冷却器を配置すれば、加熱器の全体を受熱可能な領域に配置し、かつ冷却器をその領域の外に配置することが容易である。

また、上記本発明によれば、前記距離の相違は、前記第１ピストンのピストンピンと前記第１ピストンとを連結する第１連結軸の長さと、前記第２ピストンのピストンピンと前記第２ピストンとを連結する第２連結軸の長さの相違に対応しているので、簡易な構成で上記発明を構成することができる。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記加熱器は、前記第１のシリンダと前記第２のシリンダとを結ぶような前記カーブ形状を有するように構成され、前記冷却器及び前記再生器は、前記シリンダの延在方向に沿う直線状に構成されている。

上記本発明によれば、加熱器のカーブ形状の部分を、例えば管の内部のように受熱可能な領域であって限定された領域に対応させて設計・配置すれば、その領域内で伝熱面積を極力大きく確保することができる。また、冷却器及び再生器がシリンダの延在方向に沿う直線状に構成されているため、流路抵抗が少ない。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記第１及び第２のシリンダのうちの高温側シリンダと前記加熱器との連結面が、前記加熱器と前記再生器との連結面と概ね同一であることを特徴としている。本発明によれば、加熱器の端部が同一（面一）なので、ある面内が受熱領域となる場合に、その面に対して加熱器の端部を合わせて設置すれば、加熱器全体が過不足なく受熱領域に入る。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記第１及び第２のシリンダのうちの高温側シリンダと前記加熱器との連結面が、前記再生器と前記冷却器との連結面と概ね同一であることを特徴としている。本発明によれば、ある面内が受熱領域となる場合に、加熱器全体が過不足なく受熱領域に入るように、その面に対して加熱器の一端側の端部を合わせて設置すれば、再生器が受熱領域に入るので、再生器に蓄熱された熱が外部に奪われ難い。

本発明のスターリングエンジンにおいて、更に、前記第１のシリンダ内の第１ピストンと前記第２のシリンダ内の第２ピストンの少なくともいずれか一方に直接的又は間接的に連結され、当該連結されたピストンが当該シリンダ内を往復運動するときに近似直線運動するように設けられた近似直線機構を備えたことを特徴としている。

本発明のハイブリッドシステムは、上記本発明のスターリングエンジンと、車両の内燃機関とを備えたハイブリッドシステムであって、前記スターリングエンジンは、前記車両に搭載され、前記スターリングエンジンの加熱器が前記内燃機関の排気系から受熱するように設けられたことを特徴としている。

本発明のハイブリッドシステムにおいて、前記熱交換器は、前記第１及び第２のシリンダの上部同士を連結し、かつ前記内燃機関の排気管の内径寸法と、前記加熱器の端部と前記加熱器の最上部の距離とが概ね同じ大きさになる構成に合わせて、前記カーブ形状が設定されていることを特徴としている。排気管の内部で排気ガスとの接触面積を大きくとることができる。

本発明のスターリングエンジンによれば、加熱器が効果的に受熱することができ、高効率であり、かつ省スペースな構成である。

以下、本発明のスターリングエンジンの一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のスターリングエンジンを示す正面図である。図２は、同側面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態のスターリングエンジン１０は、α型（２ピストン形）のスターリングエンジンであり、二つのパワーピストン２０、３０を備えている。二つのパワーピストン２０、３０は、直列並行に配置されている。低温側パワーピストン３０のピストン３１は、高温側パワーピストン２０のピストン２１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つけられている。

高温側パワーピストン２０のシリンダ（以下高温側シリンダという）２２の上部の空間（膨張空間）には、加熱器４７によって加熱された作動流体が流入する。低温側パワーピストン３０のシリンダ（以下低温側シリンダという）３２の上部の空間（圧縮空間）には、冷却器４５によって冷却された作動流体が流入する。再生器４６は、膨張空間と圧縮空間を作動流体が往復する際に熱を蓄える。即ち、膨張空間から圧縮空間へと作動流体が流れる時には、再生器４６は、作動流体より熱を受け取り、圧縮空間から膨張空間へと作動流体が流れる時には、蓄えられた熱を作動流体に渡す。

２つのピストン２１、３１の往復動に伴い、作動ガスの往復流動が生じて高温側シリンダ２２の膨張空間と低温側シリンダ３２の圧縮空間にある作動流体の割合が変化するとともに、全内容積も変わるため、圧力の変動が生じる。２つのピストン２１、３１がそれぞれ同位置にある場合の圧力を比較すると、膨張ピストン２１についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、圧縮ピストン３１については逆に低くなる。このため、膨張ピストン２１は外部に対し大きな正の仕事（膨張仕事）を行い、圧縮ピストン３１は外部から仕事（圧縮仕事）を受ける必要がある。膨張仕事は、一部が圧縮仕事に使われ、残りが駆動軸４０を介して出力として取り出される。

高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれは、円筒状に形成されており、直方体の箱状に形成されたクランクケース４１に直立した状態で配置される。高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２は、クランクケース４１の上面部４２に固定されている。低温側シリンダ３２は、その全体がクランクケース４１の内部に収容されている。高温側シリンダ２２は、その一部がクランクケース４１の内部に収容され、残りの一部はクランクケース４１の外部にまで延びるように設けられている。

加熱器４７は、概ねＵ字形の形状を有し、その第１端部４７ａが高温側シリンダ２２の上部に接続されている。加熱器４７の第２端部４７ｂが再生器４６に接続されている。低温側シリンダ３２の上方には、再生器４６との間に冷却器４５が設けられている。冷却器
４５には、冷却水が使用される。

作動流体は、その平均圧力が高い程、冷却器４５や加熱器４７による同じ温度差に対しての圧力差が大きくなるので高い出力が得られる。そのため、高温側シリンダ２２、低温側シリンダ３２内の作動流体は高圧に保持されている。本実施形態では、クランクケース４１の内部全体が高圧に保持されている。即ち、クランクケース４１が高圧容器として機能している。

ピストン２１，３１は、円柱状に形成されている。ピストン２１、３１の外周面とシリンダ２２、３２の内周面との間には、それぞれ数十μｍの微小クリアランスが設けられており、そのクリアランスには、スターリングエンジン１０の作動流体（空気）が介在している。ピストン２１，３１は、それぞれシリンダ２２、３２に対して空気軸受４８により非接触の状態で支持されている。したがって、ピストン２１，３１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。但し、シリンダ２２、３２の内周面には、固定潤滑材が付されている。空気軸受４８の作動流体の摺動抵抗は元々極めて低いが、更に低減するために、固定潤滑材が付されている。上記のように、空気軸受４８は、作動流体（気体）により膨張空間、圧縮空間それぞれの気密を保ち、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールを行う。

本実施形態のスターリングエンジン１０は、車両においてガソリンエンジン（内燃機関）と共に用いられてハイブリッドシステムを構成する。即ち、スターリングエンジン１０は、ガソリンエンジンの排気ガスを熱源として用いる。図３に示すように、スターリングエンジン１０の加熱器４７が車両のガソリンエンジンの排気管１００の内部に配置され、排気ガスから回収した熱エネルギーにより作動流体が加熱されてスターリングエンジン１０が作動する。

本実施形態のスターリングエンジン１０は、排気管１００の内部にその加熱器４７が収容されるというように車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。そのために、スターリングエンジン１０では、２つのシリンダ２２、３２をＶ字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。

加熱器４７が排気管１００の内部に配置されるに際しては、排気管１００の内部において相対的に高温の排気ガスが流れる排気ガスの上流側（ガソリンエンジンに近い側）１００ａに、加熱器４７の高温側シリンダ２２側が位置し、相対的に低温の排気ガスが流れる下流側（ガソリンエンジンから遠い側）１００ｂに加熱器４７の低温側シリンダ３２側が位置するように配置される。加熱器４７の高温側シリンダ２２側をより多く加熱するためである。

スターリングエンジン１０の熱源は、上記のように車両のガソリンエンジンの排気ガスであり、スターリングエンジンに専用に用意された熱源ではない。そのため、それほど高い熱量が得られるわけではなく、排気ガスの例えば約８００℃程度の熱量でスターリングエンジン１０が作動する必要がある。そのために、スターリングエンジン１０の加熱器４７は排気管１００内の排ガスから効率的に受熱する必要がある。

上述のように、熱交換器（加熱器４７、再生器４６、冷却器４５，図１の符号９０参照）の体積が大きいと、無効容積が増えることとなり、スターリングエンジン１０の出力が減少する。一方で、熱交換器の体積をコンパクトにすると、その分、熱交換が困難となり受熱量が減少し、スターリングエンジン１０の出力が減少する。これらのことから、無効容積の減少と受熱量の増加とを両立させるためには、熱交換器の効率を上げる必要がある。そのために、加熱器４７は効率的に受熱する必要がある。

排気管１００内の排ガスから効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器４７の全てを過不足なく排気管１００内に収容するとともに、排気ガスから受熱しないように冷却器４５を排気管１００の外に出す構成が必要である。このことから、排気管１００においてスターリングエンジン１０が取り付けられる平面である取付面１００ｓを基準にすると、少なくとも冷却器４５の高さ分だけ低温側シリンダ３２の取付位置は、高温側シリンダ２２よりも低い位置となる。即ち、低温側シリンダ３２の上部に形成される圧縮空間の位置は、高温側シリンダ２２の上部に形成される膨張空間の位置よりも低い位置となり、圧縮ピストン３１の上死点は、膨張ピストン２１の上死点の位置よりも低い位置となる。

本実施形態では、圧縮ピストン３１と膨張ピストン２１の上死点の位置を変えるために、各ピストンピン６０ａ、６０ｂとそれぞれのピストン３１、２１との間を、長さの異なる延長部（ピストン支柱部）６４ｂ、６４ａで連結している。膨張ピストン２１の上死点の位置の方が圧縮ピストン３１の上死点の位置よりも高い分だけ、膨張ピストン２１に連結される延長部６４ａは、圧縮ピストン３１に連結される延長部６４ｂよりも長さが長い。

本実施形態では、膨張ピストン２１自体と圧縮ピストン３１自体の高さ（各ピストン２１，３１の上面と各ピストン２１，３１における延長部６４ａ、６４ｂとの連結点２１ｃ、３１ｃとの間の距離）は同じになるように構成されていることから、長さの異なる延長部６４ａ、６４ｂを用いて各ピストン２１，３１の上死点の位置を変えている。この構成に代えて、膨張ピストン側と圧縮ピストン側とで延長部自体の長さは同じにし、膨張ピストン自体と圧縮ピストン自体の高さを変えるようにして構成することで、膨張ピストンと圧縮ピストンの上死点の位置を変える構成を採ることもできる。

また、加熱器４７の全体を過不足なく排気管１００内に収容するには、加熱器４７の中央部４７ｃを排気管１００内に収容した状態で、加熱器４７の第１端部４７ａ及び第２端部４７ｂの両方が排気管１００の取付面１００ｓに取り付けられる必要がある。即ち、第１端部４７ａ及び第２端部４７ｂのいずれかの位置が、取付面１００ｓよりも上方であっても下方であっても、加熱器４７の受熱面積を最大にすることはできない。

加熱器４７の受熱面積を最大にすべく、加熱器４７の第１端部４７ａ及び第２端部４７ｂの両方が排気管１００の取付面１００ｓに取り付けられることにより、加熱器４７の第１端部４７ａと第２端部４７ｂのそれぞれが取付面１００ｓと同一面上に位置することになる。加熱器４７の第１端部４７ａは、高温側シリンダ２２の上面２２ａと間隔を開けずに連結され、第２端部４７ｂは、再生器４６の上面４６ａと間隔を開けずに連結されているから、高温側シリンダ２２の上面２２ａは、再生器４６の上面４６ａと同一面上に位置することになる。

加熱器４７の第１端部４７ａと高温側シリンダ２２の上面２２ａとは、第１端部４７ａの近傍に設けられたフランジ４７ｆと高温側シリンダ２２の上面２２ａの近傍に設けられたフランジ２２ｂとが接合するようにボルトなどの締結手段で締結されている。同様に、加熱器４７の第２端部４７ｂと再生器４６とは、第２端部４７ｂの近傍に設けられたフランジ４７ｇと再生器４６の上面４６ａの近傍に設けられたフランジ４６ｃとが接合するように締結手段で締結されている。

上記のように、高温側シリンダ２２の上面２２ａは、再生器４６の上面４６ａと同一面上に位置するように構成されているため、フランジ４７ｆとフランジ２２ｂとの接合面とフランジ４７ｇとフランジ４６ｃとの接合面とが同一面に位置する。このことから、排気
管１００の取付面１００ｓにスターリングエンジン１０を取り付ける際には、取付面１００ｓを挟んでフランジ４７ｆとフランジ２２ｂとを接合するように取付面１００ｓをも含めて一括して締結手段で締結するとともに、取付面１００ｓを挟んでフランジ４７ｇとフランジ４６ｃとを接合するように取付面１００ｓをも含めて一括して締結手段で締結することができる。以上のことから、排気管１００に対してスターリングエンジン１０を取り付け易い。

加熱器４７において高温側シリンダ２２との接続部分（横断面形状）は、高温側シリンダ２２の上部（加熱器４７との接続部分）の開口形状（真円）と同じ形状・大きさとされている。同様に、冷却器４５において低温側シリンダ３２との接続部分は、低温側シリンダ３２の上部の開口形状と同じ形状・大きさとされている。冷却器４５の上面（再生器４６との接続部分）は、再生器４６の下面と同じ形状・大きさとされている。加熱器４７において再生器４６との接続部分は、再生器４６の上面と同じ形状・大きさとされている。即ち、加熱器４７、再生器４６、冷却器４５の断面形状は、高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２の開口形状と全て同じ形状・大きさに形成されている。この構成により、作動流体の流路抵抗が低減される。

なお、上記において、加熱器４７の全体を過不足なく排気管１００内に収容する構成を採用すると、加熱器４７の第１端部４７ａと第２端部４７ｂのそれぞれが取付面１００ｓと同一面上に位置し、高温側シリンダ２２の上面２２ａは、再生器４６の上面４６ａと同一面上に位置することになると説明したが、以下のように変形することができる。即ち、排気管１００内においてより加熱すべき部位は、加熱器４７のうち高温側シリンダ２２側であるから、加熱器４７の第１端部４７ａは、過不足なく排気管１００内に収容されるべく取付面１００ｓと同一面上に位置する必要があるが、加熱器４７のうち低温側シリンダ３２側は、相対的に加熱の要求が低いため、加熱器４７の第２端部４７ｂは、僅かであれば排気管１００の外部に出ていても問題は生じない。即ち、高温側シリンダ２２の上面２２ａよりも、再生器４６の上面４６ａが下方に位置しても問題は生じない。

上記のように、スターリングエンジン１０の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、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１０を作動させる必要がある。そこで、本実施形態では、スターリングエンジン１０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。本実施形態では、スターリングエンジン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、ピストンリングを使用せずに、その代わりに、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間には、それぞれ空気軸受（エアベアリング）４８が設けられる。

空気軸受４８は、摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０の内部フリクションを大幅に低減させることができる。上記のように、空気軸受４８を用いても、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間の気密は確保されるため、高圧の作動流体が膨張・収縮の際に漏れるという問題は生じない。

空気軸受４８は、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１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２１、３１が空中に浮いた形となる軸受である。本実施形態の空気軸受４８では、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間の直径クリアランスは数十μmである。空中に物体を浮上させる空気軸受を実現するには、機構的に空気圧が強くなる部分（圧力勾配）ができるようにする他に、後述するように高圧の空気を吹きつけるものでもよい。

本実施形態では、高圧の空気を吹き付けるタイプの空気軸受ではなく、医療用ガラス製注射器のシリンダとピストンの間で用いられている空気軸受と同じ構成の空気軸受が用い
られる。

また、空気軸受４８を使用することで、ピストンリングで用いる潤滑油が不要となるので、潤滑油によりスターリングエンジン１０の熱交換器（再生器４６，加熱器４７）が劣化するという問題が発生しない。なお、本実施形態では、ピストンリングにおける摺動抵抗と潤滑油の問題が解消されれば足りるので、流体軸受のうち油を使用する油軸受を除いた、気体軸受であれば空気軸受４８に限られることなく適用することができる。

本実施形態のピストン２１、３１とシリンダ２２、３２との間には、静圧空気軸受を用いることも可能である。静圧空気軸受とは、加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体（本実施形態ではピストン２１、３１）を浮上させるものである。また、静圧空気軸受に代えて、動圧空気軸受を用いることも可能である。

空気軸受４８を用いて、ピストン２１、３１をシリンダ２２、３２内で往復運動させる際には、直線運動精度を空気軸受４８の直径クリアランス未満にしなくてはならない。また、空気軸受４８の負荷能力が小さいため、ピストン２１、３１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。即ち、空気軸受４８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）が低いため、シリンダ２２、３２の軸線に対するピストン２１、３１の直線運動精度が高い必要がある。特に、本実施形態で採用する、微小クリアランスの空気圧を用いて浮上させて支持するタイプの空気軸受４８は、高圧の空気を吹き付けるタイプに比べても、スラスト方向の力に対する耐圧能力が低いため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。

上記の理由から、本実施形態では、ピストン・クランク部にグラスホッパの機構（近似直線リンク）５０を採用する。グラスホッパの機構５０は、他の直線近似機構（例えばワットの機構）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、本実施形態のスターリングエンジン１０は、自動車の排気管の内部にその加熱器４７が収容されるというように限られたスペースに設置されるため、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。

以下に、グラスホッパの近似直線機構５０について説明する。

Ａ．ピストン・クランク機構の概要：
図４−１は、従来のスターリングエンジンにおけるピストン・クランク機構を示す説明図であり、図４−２は、本実施形態のスターリングエンジン１０におけるピストン・クランク機構を示す説明図である。図４−１に示すように、従来の機構は、シリンダ１１０と、ピストン１２０と、コネクティングロッド１３０と、クランクシャフト１４０とを備えている。ピストン１２０と、コネクティングロッド１３０は、ピストン１２０の中央部付近においてピストンピン１６０で互いに連結されている。コネクティングロッド１３０とクランクシャフト１４０は、クランクピン１６２で連結されている。ピストン１２０が上下に往復運動すると、クランクシャフト１４０がその軸１４２（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。

図４−２は、スターリングエンジン１０のピストン・クランク機構の概略構成を示している。本実施形態において、ピストン・クランク機構は、高温側パワーピストン２０側と低温側パワーピストン３０側とで共通の構成を採用しているため、以下では、低温側パワーピストン３０側についてのみ説明し、高温側パワーピストン２０側についての説明は省
略する。

スターリングエンジン１０のピストン・クランク機構は、シリンダ３２と、ピストン３１と、コネクティングロッド６５と、クランクシャフト６１とを備えており、さらに近似直線機構５０も備えている。近似直線機構５０は、上述した通り、グラスホッパの近似直線機構である。

図２及び図４−２に示すように、ピストン３１には、ピストン支柱部６４ｂが接続されている。ピストン３１とピストン支柱部６４ｂとが別体として形成されていている。このピストン３１の下端部とピストン支柱部６４の上端部は、ピン６７によって互いに回動可能に連結されている。ピストン支柱部６４は、ピストン支柱部６４の下端においてピストンピン６０で互いに連結されている。コネクティングロッド６５とクランクシャフト６１は、クランクピン６２で連結されている。ピストン３１が上下に往復運動すると、クランクシャフト６１がその軸４０（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。

近似直線機構５０は、２つの横方向リンク５２，５４と、１つの縦方向リンク５６とを有している。第１の横方向リンク５２の一端は、ピストンピン６０の位置においてピストン支柱部６４の下端に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の一端は、第１の横方向リンク５２の中間の所定の位置において第１の横方向リンク５２に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。縦方向リンク５６の一端は、第１の横方向リンク５２のピストンピン６０とは反対側の端部において、第１の横方向リンク５２と回動可能に連結されている。縦方向リンク５６の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。

図４−１及び図４−２において、黒丸で表されている連結部（駆動軸４０など）は、その軸を中心に回転または回動するが、シリンダ３２との相対位置が変化しない連結点（以下「支点」と呼ぶ）である。また、白丸で表されている連結部（ピストンピン６０など）は、その軸を中心に回転または回動するとともに、シリンダ３２との相対位置が変化する連結点（以下「移動連結点」と呼ぶ）である。ここで、「回転」とは３６０度以上の範囲で回ることを意味しており、「回動」とは、３６０度未満の範囲で回ることを意味している。

なお、図４−１及び図４−２では、本実施形態のスターリングエンジン１０のうち、ピストン・クランク機構とシリンダ３２以外は図示が省略されている。

図５の（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図である。図５の（Ａ）は、シリンダ３２と、ピストン３１と、コネクティングロッド６５と、クランクシャフト６１のみを示している。また、図５の（Ｂ）は、近似直線機構５０のみを示している。図５の（Ｃ）は、図４−２に示した機構と同じものであり、図５の（Ａ），（Ｂ）の構成を組合わせたものである。

図５の（Ａ）〜（Ｃ）においては、以下のように各種の連結点が表されている。
（１）移動連結点Ａ：ピストンピン６０（図４−２）の中心軸。
（２）移動連結点Ｂ：第１の横方向リンク５２の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（３）移動連結点Ｃ：コネクティングロッド６５の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（４）移動連結点Ｍ：第１の横方向リンク５２の中間点にある連結点。
（５）支点Ｐ：クランクシャフト６１の中心軸（駆動軸）。
（６）支点Ｑ：第２の横方向リンク５４の移動連結点Ｍと反対側の端部にある連結点。
（７）支点Ｒ：縦方向リンク５６の移動連結点Ｂと反対側の端部にある連結点。

移動連結点Ａはピストンピン６０の中心軸であり、ピストン３１の往復運動に伴って上下方向Ｚ（図５の（Ｂ））に沿って移動する。本明細書において、上下方向Ｚとは、シリンダ３２の軸方向中心線（「軸中心」とも呼ぶ）に沿った方向を意味する。移動連結点Ａ，Ｂは、第１の横方向リンク５２の両端の連結点である。移動連結点Ｂは、縦方向リンク５６が支点Ｒを中心に回動するのに伴って、円弧状の軌跡上を移動する。また、この移動連結点Ｂは、第２の横方向リンク５４の支点Ｑの上下方向位置Ｘとほぼ同じ上下方向位置をとるように設定されている。

なお、仮想的に縦方向リンク５６の長さを無限大に設定し、移動連結点Ｂが、支点Ｑと同一の上下方向位置Ｘ上を直線的に移動するようにすれば、移動連結点Ａは上下方向Ｚに沿って完全な直線に近い運動を行う。現実には、縦方向リンク５６の長さは有限なので、移動連結点Ａは直線運動からわずかにずれた軌跡上を移動する（これについては後述する）。ほぼ完全な直線運動機構は、縦方向リンク５６の代わりに、移動連結点Ｂを直線的に案内するガイド部を採用すれば実現可能であるが、このガイド部と移動連結点Ｂとの摩擦が増大する。従って、摩擦の低減の観点からは、本実施形態の近似直線機構５０の方が完全な直線運動機構よりも好ましい。

第１の横方向リンク５２の中間にある移動連結点Ｍの位置は、以下の関係を満足するように設定されている。
ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ²

ここで、ＡＭは連結点Ａ，Ｍ間の距離を意味し、ＱＭは連結点Ｑ，Ｍ間の距離、ＢＭは連結点Ｂ，Ｍ間の距離をそれぞれ意味している。

図６−１〜図６−４は、ピストン３１の移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示している。近似直線機構５０の３つの移動連結点Ａ，Ｂ，Ｍのうちで、移動連結点Ａ，Ｍはピストン３１の移動に伴ってかなり大きく移動するが、縦方向リンク５６の上端の移動連結点Ｂはあまり移動しないことが解る。図６−１には、近似直線機構５０の形状変化の程度を示す指標として利用できる２つの角度θ、φが示されている。第１の角度θは、横方向Ｘから測った第２の横方向リンク５４の角度∠ＭＱＸである。また、第２の角度φは、上下方向Ｚからの縦方向リンク５６の傾き角で∠ＢＲＺである。これらの角度θ，φの値が取る範囲は、移動連結点Ａの移動範囲（即ちピストン３１のストローク）の設定と、近似直線機構５０の各リンクの長さに依存する。

上記のように、ピストン３１の下端部とピストン支柱部６４の上端部は、ピン６７によって互いに回動可能に連結されている。この構成では、ピストン支柱部６４の下端の軌跡が直線から多少ずれた場合にも、そのズレが、ピストン３１を傾かせる力として働かない（即ち、ピストン支柱部６４の下端のズレがピストン３１にほとんど影響を与えない）という利点がある。即ち、グラスホッパの機構５０の往復運動時に生じる直線運動からのズレを吸収するために、ピストン３１とピストン支柱部６４とをリジッドにではなく、相対的に移動可能な状態（フリーな状態）で連結する。本実施形態では、一例としてピン６７を用いて連結している。また、ピストンとピストン支柱部とが一体に形成されている場合に比べて、ピストンを近似直線機構及びコネクティングロッドと組み付ける作業が容易になるという利点もある。一方、図示はしないが、ピストン支柱部６４とピストン３１とを一体として構成した場合には、仮に何らかの原因でピストン３１がシリンダ３２に対して傾きかけた場合にも、ピストン支柱部６４が近似直線運動を行うときに、その傾きが矯正されるという利点がある。

図７−１は、本実施形態におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例を示す説明図であり、図７−２は、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図である。図７−１に示されている寸法は、上述した関係（ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ²）を満足していることが解る。図７−２に示されているように、移動連結点Ａの軌跡は、近似的な直線部分を含んでおり、この近似的な直線部分がピストン３１のストロークの範囲として利用される。このとき、ピストン３１のストロークの範囲は、上死点における直線からのズレ量が、下死点における直線からのズレ量よりも小さくなるように設定される。ここで、「直線からのズレ量」の「直線」とは、シリンダ３２の軸方向中心線を意味している。図７−２の例では、上死点におけるズレ量は約５μｍであり、下死点におけるズレ量は約２０μｍである。なお、この数値は常温で測定したものである。

上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量が、下死点におけるズレ量よりも小さくなるように設定する理由は、上死点近傍では圧縮空気による力がピストン３１にかかるからである（同様に、高温側パワーピストン２０では、上死点近傍では膨張空気による力がピストン２１にかかるからである）。即ち、上死点におけるズレ量が小さければ、圧縮空気による力によってピストン３１に（又は膨張空気による力によってピストン２１に）かかるスラスト（横方向の力）が小さくなるので、ピストン３１とシリンダ３２（又はピストン２１とシリンダ２２）との摩擦を低減することができる。一方、下死点では圧縮空気による力（又は膨張空気による力）が掛からないので、多少のズレがあっても上死点に比べて摩擦への影響は小さい。

なお、移動連結点Ａの軌跡における近似的直線部分は、各リンク５２、５４，５６の長さを大きくすることによって大きくすることが可能であるが、リンクを長くすると近似直線機構５０のサイズが大きくなるという問題がある。換言すれば、上死点や下死点における直線からのズレ量と、近似直線機構５０のサイズとは、トレードオフの関係にある。これらの点を考慮すると、ピストン３１の上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量は、常温で測定して約１０μｍ以下になるように近似直線機構５０を構成することが好ましい。また、下死点におけるズレ量は、約２０μｍ以下になるようにすることが好ましい。

図７−２に示すように、ピストン３１のストロークの範囲を設定した場合には、第２の横方向リンク５４の角度θは、８．８°〜−１７．９°の範囲の値をとる（図７−１）。角度θの最大値（８．８°）は、ピストン３１が上死点にある場合（図６−１）に相当し、最小値（−１７．９°）はピストン３１が下死点にある場合（図６−３）に相当する。縦方向リンク５６の角度φは、０°〜２．２°の範囲の値をとる。角度φの最小値（０°）は、連結点Ｑ、Ａ、Ｍ、Ｂがほぼ一直線上に並ぶ場合に相当し、最大値（２．２°）は、角度θの絶対値が最も大きくなる場合（この例では下死点）に相当する。なお、これらの角度θ、φの値の範囲は、近似直線機構５０の各リンクの寸法と、ピストン３１のストローク範囲の設定に依存する。

Ｂ．具体的形状例：
図８及び図９は、本実施形態におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示している。上記の通り、ピストン３１は、円柱状に形成されている。ピストン３１の外周面には、ピストンリング用の溝及びピストンリングは設けられていない。ピストン３１の平面視（横断面）形状は、高精度な真円状に形成されている。シリンダ３２は円筒状に形成されており、シリンダ３２の内周部の平面視形状は、高精度な真円状に形成されている。ピストン３１の外周面とシリンダ３２の内周部との間には、上記の通り、空気軸受４８が設けられている。ピストン３１及びシリンダ３２の内周部のそれぞれの平面視形状が高精度な真円状に形成されていることにより、シール性の良い空気軸受４８が実現される
。

ピストンピン６０とピストン３１との間には、ピストンピン６０とピストン３１との間を所定の距離以上確保するために、ピストン支柱部６４が設けられている。ピストン支柱部６４によって、ピストンピン６０とピストン３１との間に所定距離以上開くことによって、ピストン３１が往復移動する際に、ピストン３１と近似直線機構５０が接触しないようにすることができる。

ピストン支柱部６４の長さは、ピストン３１の上端からピストンピン６０までの長さが、ピストン３１のストロークの約１／２倍以上で１倍未満の範囲の値になるように設定されていることが好ましい。その理由は、ピストン支柱部６４の長さが過度に短いと、上死点において近似直線機構５０がシリンダ３２又はピストン３１に衝突する可能性があるためである。また、ピストン支柱部６４の長さが過度に長いとその重量が増加する分だけエネルギ損失が増すためである。

図９に示すように、ピストン支柱部６４と、コネクティングロッド６５と、第１、第２の横方向リンク５２、５４とは、ピストン３１が上下動したときにも互いに干渉しないように構成されている。具体的には、図９の例では、ピストン支柱部６４は、シリンダ３２の軸方向中心に設けられており、ピストン支柱部６４の両側が、コネクティングロッド６５の２枚の板状部材で挟まれている。コネクティングロッド６５の外側には、第１の横方向リンク５２の２枚の板状部材が配置されている。これら３種類の部材２４，３０，５２は、ピストンピン６０で連結されている。また、第１の横方向リンク５２の更に外側には、第２の横方向リンク５４の２枚の板状部材が設置されている。即ち、この例では、コネクティングロッド６５と２つの横方向リンク５２、５４とは、端部が２つの板状部材に分かれた二股構造をそれぞれ有しており、中央のピストン支柱部６４を両側から挟むような位置にそれぞれ配置されている。

図１０は、図８からクランクが回転し、横方向リンク５２、５４が水平になった位置における要部縦断面図であり、図１１は、図１０のＣ−Ｃ断面図である。なお、図１１では、図示の便宜上、コネクティングロッド６５とピストン支柱部６４とにそれぞれハッチングを付している。

図１２ないし図１６は、ピストン支柱部６４とコネクティングロッド６５と第１の横方向リンク５２が取り得る種々の形状及び位置関係（連結状態）を示している。図１２の配置は、図１１の配置からコネクティングロッド６５とピストン支柱部６４の位置関係を逆にしたものである。即ち、図１２では、中央にコネクティングロッド６５が配置されており、その外側にピストン支柱部６４の二股構造部分が配置され、さらにその外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置されている。また、第２の横方向リンク５４の二股構造部分は、最も外側に配置されている。

図１３の配置は、図１１の配置からコネクティングロッド６５と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。即ち、図１３では、中央にピストン支柱部６４が配置されており、その外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置され、さらにその外側にコネクティングロッド６５の二股構造部分が配置されている。

図１４の配置は、図１２の配置からピストン支柱部６４と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。即ち、図１４では、中央にコネクティングロッド６５が配置されており、その外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置され、さらにその外側にピストン支柱部６４の二股構造部分が配置されている。

図１５の配置は、図１３の配置からピストン支柱部６４と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。即ち、図１５では、中央に第１の横方向リンク５２が配置されており、その外側にピストン支柱部６４の二股構造部分が配置され、さらにその外側にコネクティングロッド６５の二股構造部分が配置されている。

図１６の配置は、図１５の配置からピストン支柱部６４とコネクティングロッド６５の位置関係を逆にしたものである。即ち、図１６では、中央に第１の横方向リンク５２が配置されており、その外側にコネクティングロッド６５の二股構造部分が配置され、さらにその外側にピストン支柱部６４の二股構造部分が配置されている。

図１１〜図１６のいずれの構成においても、第２の横方向リンク５４の端部は二股構造になっており、他の部材６４，６５，５２，６０の外側に配置されている。そして、近似直線機構が動作する際には、第２の横方向リンク５４の二股構造の間を、第１の横方向リンク５２の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されている。このような構成によれば、コネクティングロッド６５を短くしても、第１の横方向リンク５２の端部と第２の横方向リンク５４の端部とが干渉することが無いので、ピストン・クランク機構の縦方向の寸法の増大を抑制することができる。

また、図１１〜図１６に示す構成では、第１の横方向リンクの端部と、ピストン支柱部６４の下端（ピストンの下端）と、コネクティングロッド６５の上端とが、１つのピストンピン６０で連結されている。このような構成によれば、第１の横方向リンク５２とピストン支柱部６４とコネクティングロッド６５とが１つのピストンピン６０で連結されるので、この連結部分の構造が単純になり、コンパクトにできるという利点がある。

さらに、図１１〜図１６に示す構成では、第１の横方向リンク５２の端部と、ピストン支柱部６４の下端と、コネクティングロッド６５の上端と、の３つの端部のうち２つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの１つの端部が前記２つの端部の二股構造の中心に配置されている。このような構成によれば、第１の横方向リンク５２とピストン支柱部６４とコネクティングロッド６５との連結部分が対称な形になるので、非対称な形状とすることによるサイドフォースが発生することを防止できるという利点がある。

なお、これらの部材６４、６５、５２、５４の位置関係は、図１１ないし図１６に示したもの以外の他の位置関係をとることも可能である。

図１７−１〜図１７−３は、ピストン・クランク機構の変形例を示す説明図である、図１７−１の機構は、図５の（Ａ）〜（Ｃ）に示した本実施形態の機構の縦方向リンク５６を連結点Ｂの上側に配置したものであり、他の構成は上記実施形態と同じである。図１７−１の機構によっても、上記実施形態と同一の効果が得られる。

図１７−２の機構は、図５の（Ａ）〜（Ｃ）に示した本実施形態の機構の支点Ｑを移動連結点Ｂ側に移動して、移動連結点Ａ（ピストンピン）と支点Ｐ（クランク軸）とを結ぶ直線上に配置したものであり、他の構成は上記実施形態と同じである。図１７−３の機構は、支点Ｑをさらに右側に配置したものである。図１７−２、図１７−３の機構では、第２の横方向リンク５４の長さが上記実施形態よりも短くなっており、上記実施形態の機構よりもコンパクトであるという利点がある。図１７−２の機構は、図１７−１、図１７−３の機構に比べて直線性が良いという利点がある。

以上のように、上述した実施形態や変形例では、ピストン・クランク機構に近似直線機構５０を設けることによって、ピストン３１の下端がシリンダ３２の軸中心に沿った近似的な直線状軌跡を移動するようにしたので、ピストン３１の直線運動精度が高く、ピスト
ン３１のサイドフォースを実質的にゼロにすることが可能となり、ピストン３１とシリンダ３２との間にスラスト方向の耐圧能力の低い空気軸受４８を設けても、問題が生じない。

グラスホッパの近似直線機構は、近似直線上を移動する点（移動連結点Ａ）が機構の一方の端部近傍に偏っているので、スターリングエンジン１０のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。

（第２実施形態の場合）
次に、図１８を参照して、第２実施形態について説明する。なお、上記第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。また、第１実施形態と異なる構成のみについて説明する。

上記第１実施形態では、スターリングエンジン１０が排気管１００の取付面１００ｓに取り付けられたときに、再生器４６が排気管１００の外に出るように構成されていた。これに対し、第２実施形態では、再生器４６も加熱器４７と同じく排気管１００の内部に収容されるように構成されている。再生器４６において蓄積された熱が冷やされるのを防ぐためである。

加熱器４７及び再生器４６の全体を過不足なく排気管１００内に収容するには、加熱器４７の中央部４７ｃを排気管１００内に収容し、かつ加熱器４７の第１端部４７ａ及び再生器４６の下面４６ｂが排気管１００の取付面１００ｓに取り付けられる必要がある。これにより、加熱器４７の第１端部４７ａと再生器４６の下面４６ｂが取付面１００ｓと同一面上に位置することになる。加熱器４７の第１端部４７ａは、高温側シリンダ２２の上面２２ａと間隔を開けずに連結され、再生器４６の下面４６ｂは、冷却器４５の上面４５ａと間隔を開けずに連結されているから、高温側シリンダ２２の上面２２ａは、冷却器４５の上面４５ａと同一面上に位置することになる。

上記第１実施形態と同様に、加熱器４７の第１端部４７ａと高温側シリンダ２２の上面２２ａとは、第１端部４７ａに設けられたフランジ４７ｆと高温側シリンダ２２の上面２２ａの近傍に設けられたフランジ２２ｂとが接合するように締結手段で締結されている。再生器４６の下面４６ｂと冷却器４５の上面４５ａとは、再生器４６の下面４６ｂの近傍に設けられたフランジ４６ｄと冷却器４５の上面４５ａの近傍に設けられたフランジ４５ｃとが接合するように締結手段で締結されている。

上記のように、高温側シリンダ２２の上面２２ａは、冷却器４５の上面４５ａと同一面上に位置するように構成されているため、フランジ４７ｆとフランジ２２ｂとの接合面とフランジ４６ｄとフランジ４５ｃとの接合面とが同一面に位置する。このことから、排気管１００の取付面１００ｓにスターリングエンジン１０を取り付ける際には、取付面１００ｓを挟んでフランジ４７ｆとフランジ２２ｂとを接合するように取付面１００ｓをも含めて一括して締結手段で締結するとともに、取付面１００ｓを挟んでフランジ４６ｄとフランジ４５ｃとを接合するように取付面１００ｓをも含めて一括して締結手段で締結することができる。以上のことから、排気管１００に対してスターリングエンジン１０を取り付け易い。

なお、上記において、加熱器４７及び再生器４６の全体を過不足なく排気管１００内に収容する構成を採用すると、加熱器４７の第１端部４７ａと再生器４６の下面４６ｂが取付面１００ｓと同一面上に位置し、高温側シリンダ２２の上面２２ａは、冷却器４５の上面４５ａと同一面上に位置することになると説明したが、以下のように変形することができる。即ち、排気管１００内においてより加熱すべき部位は、加熱器４７のうち高温側シ
リンダ２２側であるから、加熱器４７の第１端部４７ａは、過不足なく排気管１００内に収容されるべく取付面１００ｓと同一面上に位置する必要があるが、加熱器４７のうち低温側シリンダ３２側は、相対的に加熱の要求が低いため、加熱器４７の第２端部４７ｂは、僅かであれば排気管１００の外部に出ていても問題は生じない。即ち、高温側シリンダ２２の上面２２ａよりも、冷却器４５の上面４５ａが下方に位置しても問題は生じない。

以上に述べた第１及び第２実施形態では、スターリングエンジン１０は、車両の内燃機関の排ガスを熱源とすべく排気管１００に取り付けた構成について説明した。但し、本発明のスターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気管に取り付けられる形式のものに限定されるものではない。

熱源の種類を問わず、その熱源から効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器は、熱エネルギーを受熱するための伝熱面積がなるべく大きく、かつ少なくとも冷却器が受熱しない場所に配置可能であるという意味において、上記第１及び第２実施形態の構成が望ましい。

特に、排熱を利用する場合には熱エネルギーは管を介して排ガスとして供給される場合が殆どであることとも相俟って、例えば管の内部のように受熱可能な領域が限定されている場合に、伝熱面積が極力大きく、かつ少なくとも冷却器が受熱しない場所に配置される構成としては、上記第１及び第２実施形態の構成が優れている。以下に、上記第１及び第２実施形態の構成の技術的意義について更に述べる。

無効容積部分（冷却器、再生器、加熱器）が小さい方が良いことは前述の通りであるが、無効容積部分に湾曲した形状を有している場合、湾曲部の数が多いと流路抵抗が大きくなり、また湾曲部の曲率が小さいと流路抵抗は大きくなる。即ち、作動流体の圧力損失を考慮すると、湾曲部の数は単一であり曲率は大きい方が良い。この点に関し、第１実施形態の加熱器４７（又は、第２実施形態の加熱器４７及び再生器４６）は概ねＵ字形であり、湾曲形状となっているが、湾曲部の数は１つである。

また、図３に示すように、上記実施形態の無効容積部分の曲率に関しては、直列並行に配置された２つのシリンダ２２、３２の上部同士を連結し、かつ排気管１００の内径寸法（上下方向の高さ）と加熱器４７の端部４７ａ、４７ｂと中央部４７ｃの最上部との間の高さが概ね同じ高さｈになる構成に合わせて、その曲率（カーブ形状）が設定されている。排気管１００の内部のような限定された空間内で排気ガスのような流体の熱源との接触面積を大きく確保するためには、上記のようなカーブ形状が望ましい。

以上の観点からすると、無効容積部分のうち加熱器は、その全体が過不足なく排気管の内部のような熱源からの熱を受ける限定された空間（受熱空間）内に収容されるとともに、その受熱空間内で、熱源からの伝熱面積を最大限に確保可能でかつ流路抵抗が最小となるように、例えばＵ字形やＪ字形のようなカーブ形状に構成されるのがよい。

冷却器４５は、熱源からの熱を受けない上記受熱空間の外部に作動流体の流路抵抗を最小限にしつつ配置するために、高温側シリンダ２２と低温側シリンダ３２との高さの違いに対応する位置に、低温側シリンダ３２の延在方向（軸線方向）に沿って（同一軸線上に）直線状に構成される。

再生器４６についても、上記冷却器４５と同様に、作動流体の流路抵抗を最小限にしつつ配置するために、低温側シリンダ３２の延在方向に沿って直線状に構成される。上記第１及び第２実施形態の相違点として示したように、再生器４６は、その特性や使用環境、目的等によって、上記受熱空間内に収容されるか、上記受熱空間の外部に配置されるかが
決定される。再生器４６が上記受熱空間の外部に配置される場合には、高温側シリンダ２２と低温側シリンダ３２との高さの違いに対応する位置に配置される。

上記のように、加熱器４７の第２端部４７ｂに連結される再生器４６及び冷却器４５は、いずれも低温側シリンダ３２の延在方向に沿って設けられる。加熱器４７の第１端部４７ａは、高温側シリンダ２２の上部に隙間無く接続される。これらのことから、少なくとも加熱器４７の第１端部４７ａ及び第２端部４７ｂ側には、それぞれ高温側シリンダ２２、低温側シリンダ３２の延在方向に沿う部分を有し、加熱器４７の中央部４７ｃは、上述したようなカーブ形状を有することになる。

上述した技術的理由から、加熱器４７は、直列並行に配置された２つのシリンダ２２，３２間で、途中で方向変換（ターン）する形状に構成されている。加熱器４７は、直列並行に配置された２つのシリンダ２２，３２間を連結するように、少なくとも一つのシリンダ２２の軸線に平行な部分と、２つのシリンダ２２，３２間を連結する曲線部分とを有している。

（第３実施形態）
次に、図２０を参照して、第３実施形態について説明する。
第３実施形態では、上記第１及び第２実施形態と同じ機能については対応する符号を付してその詳細な説明を省略し、内容的に異なる点のみについて説明する。

図２０は、第３実施形態のスターリングエンジン１０Ａの要部を示す正面図である。図２０に示すように、直列並行に配置されたシリンダ２２Ａ，３２Ａに対し、冷却器４５Ａ、再生器４６Ａ、加熱器４７Ａを含む熱交換器９０Ａが、２つのシリンダ２２Ａ，３２Ａを結ぶように、熱交換器９０Ａの少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成されている。第３実施形態においては、膨張ピストン２１Ａと圧縮ピストン３１Ａの上死点の位置は同じである。

第３実施形態のスターリングエンジン１０Ａによれば、搭載スペースがコンパクトに抑えられ、限られたスペースに搭載される場合であっても設置の自由度が増す。更に、カーブ形状の加熱器４７Ａの配置に関し、受熱可能な領域が限定されている場合に、その領域に加熱器４７Ａのカーブ部分を対応させて配置すれば伝熱面積を極力大きく確保することができる。また、冷却器４５Ａ及び再生器４６Ａは、シリンダ３２Ａの延在方向に沿う直線状に形成されているため、例えば流路に角が形成されるような形状に比べて、作動流体の流路抵抗が低減される。熱交換器９０Ａの全体の流路の軸線９０Ｂは、曲線のみから構成されている。作動流体の流路抵抗の観点からは、熱交換器の全体において、流路に角の部分が形成されないように、流路の軸線は直線同士の組み合わせではなく、第１及び第２実施形態のように直線と曲線の組み合わせ、又は第３実施形態のように曲線のみから構成されると良い。

図１は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態を示す正面図である。 図２は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態を示す側面図である。 図３は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、排気管に取り付けられた状態を示す正面図である。 図４−１は、従来のピストン・クランク機構を示す説明図である。 図４−２は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において適用されるピストン・クランク機構を示す説明図である。 図５は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図である。 図６−１は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す説明図である。 図６−２は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す他の説明図である。 図６−３は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す更に他の説明図である。 図６−４は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す更に他の説明図である。 図７−１は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例を示す説明図である。 図７−２は、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図である。 図８は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示す要部縦断面図である。 図９は、図８の状態におけるピストン・クランク機構の要部横断面図である。 図１０は、図８の状態からクランクが回転した位置におけるピストン・クランク機構の要部縦断面図である。 図１１は、図１０の状態におけるピストン・クランク機構の要部横断面図である。 図１２は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図である。 図１３は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図である。 図１４は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図である。 図１５は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図である。 図１６は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図である。 図１７−１は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図である。 図１７−２は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の更に他の変形例を示す説明図である。 図１７−３は、本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、ピストン・クランク機構の更に他の変形例を示す説明図である。 図１８は、本発明のスターリングエンジンの第２実施形態を示す正面図である。 図１９は、本発明のスターリングエンジンの第２実施形態において、排気管に取り付けられた状態を示す正面図である。 図２０は、本発明のスターリングエンジンの第３実施形態の要部を示す正面図である。 図２１は、従来のスターリングエンジンの構成例を示す一部断面側面図である。

符号の説明

１０ スターリングエンジン
２０ 高温側パワーピストン
２１ 膨張ピストン
２２ 高温側シリンダ
２２ａ 高温側シリンダの上面
３０ 低温側パワーピストン
３１ 圧縮ピストン
３２ 低温側シリンダ
４５ 冷却器
４５ａ 冷却器の上面
４６ 再生器
４６ａ 再生器の上面
４６ｂ 再生器の下面
４７ 加熱器
４７ａ 第１端部
４７ｂ 第２端部
５０ 近似直線機構
６４ａ、６４ｂ 延長部
９０ 熱交換器
１００ 排気管

Claims (7)

1. 直列に配置された少なくとも２つのシリンダと、
   冷却器と再生器と加熱器とを有する熱交換器とを備え、
   前記熱交換器は、第１の前記シリンダと第２の前記シリンダとを結ぶように前記熱交換器の少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成され、
   前記スターリングエンジンの出力は、前記第１のシリンダ内の第１ピストンと前記第２のシリンダ内の第２ピストンとに共通に接続された駆動軸を介して取り出され、
   前記駆動軸と、前記第１ピストンのピストンピン及び前記第２ピストンのピストンピンとは、それぞれクランクシャフト及びコネクティングロッドを介して接続され、
   前記第１ピストンが上死点にあるときの前記第１ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離と、前記第２ピストンが上死点にあるときの前記第２ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離とが相違するように構成され、
   前記距離の相違は、前記第１ピストンのピストンピンと前記第１ピストンとを連結する第１連結軸の長さと、前記第２ピストンのピストンピンと前記第２ピストンとを連結する第２連結軸の長さの相違に対応している
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
2. 請求項１記載のスターリングエンジンにおいて、
   前記加熱器は、前記第１のシリンダと前記第２のシリンダとを結ぶような前記カーブ形状を有するように構成され、前記冷却器及び前記再生器は、前記シリンダの延在方向に沿う直線状に構成されている
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
3. 請求項１または２に記載のスターリングエンジンにおいて、
   前記第１及び第２のシリンダのうちの高温側シリンダと前記加熱器との連結面が、前記加熱器と前記再生器との連結面と概ね同一である
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のスターリングエンジンにおいて、
   前記第１及び第２のシリンダのうちの高温側シリンダと前記加熱器との連結面が、前記再生器と前記冷却器との連結面と概ね同一である
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のスターリングエンジンにおいて、
   更に、
   前記第１のシリンダ内の第１ピストンと前記第２のシリンダ内の第２ピストンの少なくともいずれか一方に直接的又は間接的に連結され、当該連結されたピストンが当該シリンダ内を往復運動するときに近似直線運動するように設けられた近似直線機構
   を備えたことを特徴とするスターリングエンジン。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のスターリングエンジンと、
   車両の内燃機関とを備えたハイブリッドシステムであって、
   前記スターリングエンジンは、前記車両に搭載され、
   前記スターリングエンジンの加熱器が前記内燃機関の排気系から受熱するように設けられた
   ことを特徴とするハイブリッドシステム。
7. 請求項６記載のハイブリッドシステムにおいて、
   前記熱交換器は、前記第１及び第２のシリンダの上部同士を連結し、かつ前記内燃機関の排気管の内径寸法と、前記加熱器の端部と前記加熱器の最上部の距離とが概ね同じ大きさになる構成に合わせて、前記カーブ形状が設定されている
   ことを特徴とするハイブリッドシステム。

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