JP4059248B2 - Piston device, Stirling engine - Google Patents

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Description

本発明は、ピストン装置、スターリングエンジンに関する。 The present invention is a piston device, about the Stirling engine.

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。   In recent years, Stirling engines with excellent theoretical thermal efficiency have attracted attention in order to recover exhaust heat and factory exhaust heat of internal combustion engines mounted on vehicles such as passenger cars, buses, and trucks.

スターリングエンジンを含む外燃機関に適用可能なピストン装置として、特開2000−46431号公報(特許文献1)に開示された技術が知られている。上記特許文献1に開示された外燃機関のピストンは、ピストンのシリンダ内の往復運動に伴って作動空間内で圧縮、膨張を繰返す作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサを用いるタイプのスターリングエンジンに適用されるものであって、ピストン内部に形成され、作動空間内で圧縮された作動媒体を一時的に蓄える加圧室と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダーとのクリアランス部に噴出するオリフィスと、加圧室側のオリフィス端部に設けられた逆止弁とを具備し、逆止弁は、ピストンの動きにより作動空間内の作動媒体圧力が下がったときに加圧室内の作動媒体が作動空間内へ逆流するのを防ぐために設けられている。   As a piston device applicable to an external combustion engine including a Stirling engine, a technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-46431 (Patent Document 1) is known. The piston of the external combustion engine disclosed in Patent Document 1 is a Stirling engine that uses a displacer that is driven by the action of a working medium that repeatedly compresses and expands in the working space as the piston reciprocates in the cylinder. A pressurizing chamber that is formed inside the piston and temporarily stores the working medium compressed in the working space, and the working medium in the pressurizing chamber is ejected to the clearance between the piston and the cylinder. An orifice and a check valve provided at an end of the orifice on the pressurizing chamber side, and the check valve is a working medium in the pressurizing chamber when the working medium pressure in the working space is reduced by the movement of the piston. Is provided to prevent backflow into the working space.

特開2000−46431号公報JP 2000-46431 A

スターリングエンジンのような外燃機関の作動空間内で圧縮された作動媒体をピストン内部に導入し、ピストンの側周部(外周部)に設けられた複数の孔からピストンとシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで、気体軸受を構成する場合、従来は、機械的な可動部を持ち、ピストンの上下動毎に開閉する逆止弁(チェック弁)が用いられていたため、信頼性、寿命の確保が難しかった。ピストンの上下動に伴う加速度に対してチェック弁の可動部が不安定な動作をして所定の位置に定まらず、チェック弁としての正確な機能が得られないことがあり、設計上、構造上の制約になっていた。   The working medium compressed in the working space of an external combustion engine such as a Stirling engine is introduced into the piston, and the clearance between the piston and the cylinder through a plurality of holes provided in the side periphery (outer periphery) of the piston When a gas bearing is constructed by injecting into a part, a check valve (check valve) that has a mechanically movable part and opens and closes every time the piston moves up and down has been used. It was difficult to secure. The moving part of the check valve does not move stably due to the acceleration caused by the vertical movement of the piston, and the correct position of the check valve may not be obtained. It was a restriction.

本発明の目的は、外燃機関の作動空間内で圧縮された作動媒体をピストン内部に導入し、ピストンの側周部に設けられた複数の孔からピストンとシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで、気体軸受を構成する場合に、ピストン内部の作動媒体が作動空間内に逆流するのを抑制するという機能が確実に得られ、かつ、信頼性、寿命を容易に確保することが可能なピストン装置、スターリングエンジンを提供することである。 An object of the present invention is to introduce a working medium compressed in a working space of an external combustion engine into a piston and inject it into a clearance portion between the piston and a cylinder from a plurality of holes provided in a side peripheral portion of the piston. Thus, when configuring a gas bearing, it is possible to reliably obtain the function of suppressing the backflow of the working medium inside the piston into the working space, and it is possible to easily ensure the reliability and life. a piston device, is to provide a Stirling engine.

本発明のピストン装置は、外燃機関に適用され、ピストン本体と、前記ピストン本体の内部に形成された蓄圧室と、前記外燃機関の作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための導入部と、前記ピストン本体の側周部に設けられ、前記蓄圧室から、前記ピストン本体と前記外燃機関のシリンダとの間のクリアランス部に貫通する孔とを備え、前記導入部は、前記作動媒体の前記蓄圧室への導入方向及び前記導入方向の反対方向のいずれの方向にも流通可能に設けられ、前記導入部において前記反対方向の流路抵抗は、前記導入方向の流路方向に比べて大きくなるように構成されているとともに、前記導入部の前記反対方向における入口側には、前記蓄圧室の方に突出する突起部が設けられ、さらに、前記導入部における前記導入方向と前記反対方向の流路抵抗の相違は、弁体のような可動部の作動による前記導入部の流路の開閉動作に基づくものではなく、前記導入部の形状に基づくものであることを特徴としている。 The piston device of the present invention is applied to an external combustion engine, and introduces a piston main body, a pressure accumulation chamber formed inside the piston main body, and a working medium compressed in a working space of the external combustion engine into the pressure accumulation chamber. An introduction portion, and a hole provided in a side peripheral portion of the piston main body and penetrating from the pressure accumulating chamber to a clearance portion between the piston main body and a cylinder of the external combustion engine. Is provided so as to be able to circulate in either the direction of introduction of the working medium into the pressure accumulating chamber or the direction opposite to the introduction direction, and the flow path resistance in the opposite direction in the introduction portion is a flow in the introduction direction. together are configured to be larger than the road direction, the inlet side in the opposite direction of the introduction portion, the projection portion is provided projecting towards the accumulation chamber, further, the guide in the introduction part The difference in the opposite direction of the flow resistance and direction are not based on the opening and closing operation of the inlet portion of the flow path by the operation of the movable portion such as a valve body, it is based on the shape of the introduction portion It is a feature.

本発明のピストン装置において、前記導入部における前記導入方向と前記反対方向の流路抵抗の相違は、弁体のような可動部の作動による前記導入部の流路の開閉動作に基づくものではなく、前記導入部の形状に基づくものであることを特徴としている。   In the piston device of the present invention, the difference in flow path resistance between the introduction direction and the opposite direction in the introduction part is not based on the opening / closing operation of the introduction part flow path by the operation of a movable part such as a valve body. , Based on the shape of the introduction part.

本発明のピストン装置において、更に、前記作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための、前記導入部とは異なる流路と、前記蓄圧室に設けられ、前記流路を弁体のような可動部の作動により開閉する流路開閉手段とを備え、前記可動部は、前記ピストン装置の起動時に作動し、前記ピストン装置の常用運転域では作動が停止して前記流路を閉状態とするように構成されていることを特徴としている。 In the piston device of the present invention, a flow path different from the introduction part for introducing the working medium compressed in the working space into the pressure accumulating chamber, and provided in the pressure accumulating chamber, Channel opening and closing means that opens and closes by the operation of a movable part such as a body, and the movable part is activated when the piston device is activated, and the operation is stopped in the normal operation region of the piston device and the channel is opened. It is configured to be in a closed state.

本発明のピストン装置において、前記作動空間の平均圧に対する増圧側圧力振幅をP+Pとし、前記導入部による前記蓄圧室の飽和蓄圧値をPFとするとき、前記可動部を開動作させるために必要な圧力Pcは、Pc<P+P、かつ、Pc>(P+P−PF)に設定されていることを特徴としている。 In the piston device of the present invention, when the pressure increase pressure amplitude with respect to the average pressure in the working space is P + P and the saturated pressure accumulation value of the pressure accumulation chamber by the introduction portion is PF, in order to open the movable portion The necessary pressure Pc is characterized in that Pc <P + P and Pc> (P + P −PF) are set.

本発明のピストン装置において、前記流路開閉手段は、前記可動部の作動時の移動方向が前記ピストン本体の上下方向と概ね一致するように配置され、前記ピストン装置の常用運転域よりも低い設定回転数における前記可動部に作用する上向きの最大加速度による前記可動部を開動作させるために必要な圧力の上昇分をPAとするとき、前記可動部を開動作させるために必要な圧力Pc’は、(Pc’+PA)<P+P、かつ、(Pc’+PA)>(P+P−PF)に設定されていることを特徴としている。 In the piston device of the present invention, the flow path opening / closing means is disposed so that the moving direction of the movable portion when operating is substantially coincident with the vertical direction of the piston body, and is set lower than the normal operation range of the piston device. When the amount of pressure increase required to open the movable part due to the maximum upward acceleration acting on the movable part at the rotational speed is PA, the pressure Pc ′ required to open the movable part is , (Pc ′ + PA) <P + P and (Pc ′ + PA)> (P + P −PF).

本発明のピストン装置において、前記流路上において、前記流路開閉手段と前記作動空間との間には、オリフィスを介して前記作動空間と連通し前記作動媒体が通る部屋が設けられていることを特徴としている。   In the piston device of the present invention, on the flow path, a chamber is provided between the flow path opening / closing means and the working space so as to communicate with the working space via an orifice and through which the working medium passes. It is a feature.

本発明のスターリングエンジンは、上記本発明のピストン装置と、前記シリンダとを備えたことを特徴とするスターリングエンジンである。   The Stirling engine of the present invention is a Stirling engine comprising the above-described piston device of the present invention and the cylinder.

本発明の外燃機関は、ピストン装置と、シリンダとを備えた外燃機関であって、前記ピストン装置は、ピストン本体と、前記ピストン本体の内部に形成された蓄圧室と、前記ピストン本体の側周部において所定の高さ位置に対応する第1部分に設けられ、前記外燃機関の作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための導入部と、前記ピストン本体の側周部において前記所定の高さ位置よりも下方位置に対応する第2部分に設けられ、前記蓄圧室から、前記ピストン本体と前記シリンダとの間のクリアランス部に貫通する孔とを備え、前記ピストン装置が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、前記ピストン本体の側周部における前記第1部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、前記ピストン装置が上死点にあるときの方が、前記ピストン装置が下死点にあるときに比べて、大きくなるように構成されていることを特徴としている。   An external combustion engine of the present invention is an external combustion engine including a piston device and a cylinder, and the piston device includes a piston main body, a pressure accumulation chamber formed inside the piston main body, and a piston main body. An introduction portion for introducing a working medium compressed in the working space of the external combustion engine into the pressure accumulating chamber; A hole provided in a second portion corresponding to a position below the predetermined height position in the circumferential portion and penetrating from the pressure accumulation chamber to a clearance portion between the piston body and the cylinder; In comparison between when the device is at the top dead center and when the device is at the bottom dead center, the size of the clearance portion between the first portion in the side periphery of the piston body and the cylinder is Device is better when it is in the top dead center, said piston device as compared to when in the bottom dead center, is characterized in that it is configured to be larger.

本発明の外燃機関であって、前記ピストン装置が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、前記ピストン本体の側周部における前記第2部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成され、前記ピストン本体の側周部における前記第1部分と前記第2部分との比較において、前記ピストン装置が下死点にあるときの、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成されていることを特徴としている。   In the external combustion engine of the present invention, in comparison between when the piston device is at the top dead center and when the piston device is at the bottom dead center, the second portion in the side periphery of the piston body, and the cylinder When the piston device is at the bottom dead center in the comparison between the first part and the second part in the side peripheral part of the piston body The size of the clearance between the cylinder and the cylinder is substantially the same.

本発明の外燃機関において、前記ピストン装置が下死点にあるときに前記ピストン本体の側周部における前記第1部分が対向する前記シリンダの内周壁部の径よりも、前記ピストン装置が上死点にあるときに前記ピストン本体の側周部における前記第1部分が対向する前記シリンダの内周壁部の径の方が大きくなるように構成されていることを特徴としている。   In the external combustion engine of the present invention, when the piston device is at bottom dead center, the piston device is larger than the diameter of the inner peripheral wall portion of the cylinder facing the first portion in the side peripheral portion of the piston body. It is characterized in that the diameter of the inner peripheral wall portion of the cylinder facing the first portion in the side peripheral portion of the piston main body is larger when at the dead center.

本発明の外燃機関において、前記外燃機関は、α型スターリングエンジンであり、前記ピストン本体の側周部における前記第1部分と、前記シリンダとの間のクリアランス部の大きさは、前記ピストン装置が上死点の前後45°以内の範囲にあるときの方が、前記ピストン装置が前記範囲以外にあるときに比べて、大きくなるように構成されていることを特徴としている。   In the external combustion engine of the present invention, the external combustion engine is an α-type Stirling engine, and the size of the clearance portion between the first portion in the side periphery of the piston body and the cylinder is the piston. The apparatus is characterized in that it is configured to be larger when the device is in a range within 45 ° before and after top dead center than when the piston device is outside the range.

本発明の外燃機関において、前記導入部の上面は、概ね同一の高さとなるように扁平状に形成されていることを特徴としている。   In the external combustion engine of the present invention, the upper surface of the introduction part is formed in a flat shape so as to have substantially the same height.

本発明によれば、外燃機関の作動空間内で圧縮された作動媒体をピストン内部に導入し、ピストンの側周部に設けられた複数の孔からピストンとシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで、気体軸受を構成する場合に、ピストン内部の作動媒体が作動空間内に逆流するのを抑制するという機能が確実に得られ、かつ、信頼性、寿命の確保が容易となる。   According to the present invention, the working medium compressed in the working space of the external combustion engine is introduced into the piston and injected into the clearance portion between the piston and the cylinder from the plurality of holes provided in the side peripheral portion of the piston. Thus, when a gas bearing is configured, the function of suppressing the backflow of the working medium inside the piston into the working space can be reliably obtained, and the reliability and life can be easily ensured.

以下、本発明のピストン装置を適用した排気熱回収装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of an exhaust heat recovery apparatus to which a piston device of the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

(第1実施形態)
本実施形態の目的は、α型スターリングエンジンの作動空間内で圧縮された作動流体をピストン内部に導入し、ピストンの外周部に設けられた複数の孔からピストンとシリンダとの間のクリアランス部に噴射することで、気体軸受を構成する場合に、ピストン内部の作動媒体が作動空間内に逆流するのを抑制するという機能が確実に得られ、かつ、信頼性、寿命を容易に確保することが可能なピストン装置が適用されるスターリングエンジンからなる排気熱回収装置を提供することである。
(First embodiment)
The purpose of this embodiment is to introduce a working fluid compressed in the working space of an α-type Stirling engine into the piston, and from a plurality of holes provided in the outer periphery of the piston to a clearance portion between the piston and the cylinder. By injecting, when configuring a gas bearing, it is possible to reliably obtain the function of suppressing the backflow of the working medium inside the piston into the working space, and to easily ensure reliability and life. An exhaust heat recovery device comprising a Stirling engine to which a possible piston device is applied is provided.

本実施形態では、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には、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を効果的に作動させる必要があることから、ピストンの軽量化が求められている。また、本実施形態では、スターリングエンジンの装置規模(全体構成)の小型化が要求されている。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には、車両の床下に配される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ためである。以下に説明するスターリングエンジンでは、ピストンの軽量化と装置規模のコンパクト化が実現されている。   In the present embodiment, in particular, when the Stirling engine operates using, for example, exhaust heat such as exhaust gas of an internal combustion engine of a vehicle as a heat source, the amount of heat obtained is limited, and the Stirling engine is limited within the range of the obtained heat amount. Since it is necessary to operate effectively, the weight reduction of a piston is calculated | required. In the present embodiment, the Stirling engine is required to be reduced in size (overall configuration). In particular, when the Stirling engine operates using exhaust heat such as exhaust gas of an internal combustion engine of a vehicle as a heat source, the space adjacent to the exhaust pipe of the internal combustion engine disposed under the floor of the vehicle is limited. This is because it may be necessary to install a Stirling engine in the space. In the Stirling engine described below, the weight of the piston is reduced and the size of the apparatus is reduced.

図3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3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、図4に示すように、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。   FIG. 3 is a front view showing the Stirling engine of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the Stirling engine 10 of this embodiment is an α-type (two-piston type) Stirling engine, and includes two power pistons 20 and 30. The two power pistons 20 and 30 are arranged in parallel in series. As shown in FIG. 4, the piston 31 of the low temperature side power piston 30 has a phase difference so as to move with a delay of about 90 ° in crank angle with respect to the piston 21 of the high temperature side power piston 20.

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。   The working fluid heated by the heater 47 flows into the space (expansion space) above the cylinder (hereinafter referred to as the high temperature side cylinder) 22 of the high temperature side power piston 20. The working fluid cooled by the cooler 45 flows into the space (compression space) above the cylinder (hereinafter referred to as the low temperature side cylinder) 32 of the low temperature side power piston 30.

再生器(再生熱交換器)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。   The regenerator (regenerative heat exchanger) 46 stores heat when the working fluid reciprocates between the expansion space and the compression space. That is, when the working fluid flows from the expansion space to the compression space, the regenerator 46 receives heat from the working fluid, and when the working fluid flows from the compression space to the expansion space, passes the stored heat to the working fluid.

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。   As the two pistons 21 and 31 reciprocate, the reciprocating flow of the working gas occurs, and the ratio of the working fluid in the expansion space of the high temperature side cylinder 22 and the compression space of the low temperature side cylinder 32 changes. As it changes, pressure fluctuations occur. Comparing the pressures when the two pistons 21 and 31 are in the same position, the expansion piston 21 is considerably higher when it is lowered than when it is raised, and the compression piston 31 is lower. For this reason, the expansion piston 21 needs to perform a large positive work (expansion work) with respect to the outside, and the compression piston 31 needs to receive work (compression work) from the outside. Part of the expansion work is used for compression work, and the rest is taken out as an output via the drive shaft 40.

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。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。   The Stirling engine 10 of this embodiment is used with a gasoline engine (internal combustion engine) in a vehicle to constitute a hybrid system. That is, the Stirling engine 10 uses the exhaust gas of the gasoline engine as a heat source. The heater 47 of the Stirling engine 10 is disposed inside the exhaust pipe 100 of the gasoline engine of the vehicle, and the working fluid is heated by the thermal energy recovered from the exhaust gas, so that the Stirling engine 10 is operated.

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。   The Stirling engine 10 of the present embodiment is installed in a limited space in the vehicle such that the heater 47 is accommodated in the exhaust pipe 100, so that the installation of the Stirling engine 10 is more compact if the entire device is compact. The degree increases. For this purpose, the Stirling engine 10 employs a configuration in which the two cylinders 22 and 32 are arranged in series and not in a V shape.

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。   When the heater 47 is disposed inside the exhaust pipe 100, the heater 47 is connected to the upstream side (the side close to the gasoline engine) 100a of the exhaust gas through which a relatively high-temperature exhaust gas flows. The high temperature side cylinder 22 side is located, and the low temperature side cylinder 32 side of the heater 47 is located on the downstream side (the side far from the gasoline engine) 100b through which relatively low temperature exhaust gas flows. This is because the high temperature side cylinder 22 side of the heater 47 is heated more.

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、基準体である基板42に支持されている。本実施形態においては、この基板42が、スターリングエンジン10の各構成要素の位置基準となる。このように構成されることで、スターリングエンジン10の各構成要素の相対的位置精度が確保される。また、この基板42は、スターリングエンジン10が排熱回収対象である排気管(排気通路)100等に取り付けられるときの基準として用いられることができる。   Each of the high temperature side cylinder 22 and the low temperature side cylinder 32 is formed in a cylindrical shape and supported by a substrate 42 which is a reference body. In the present embodiment, the substrate 42 serves as a position reference for each component of the Stirling engine 10. With this configuration, the relative positional accuracy of each component of the Stirling engine 10 is ensured. In addition, the substrate 42 can be used as a reference when the Stirling engine 10 is attached to the exhaust pipe (exhaust passage) 100 or the like that is the target of heat recovery.

排気管100のフランジ100fに対して、断熱材(スペーサ、図示せず)を介して、基板42が固定されている。排気管100と基板42とは、相対的位置精度が確保された状態で固定されるため、基板42は、固定的構造物として排気管100が備えた装置取付面であると捉えることができる。基板42には、高温側シリンダ22の側面(外周面)に設けられたフランジ22fが固定されている。また、基板42には、再生器46の側面(外周面)46cに設けられたフランジ46fが、断熱材(スペーサ、図示せず)を介して固定されている。また、基板42には、後述する隔壁70が固定されている。   A substrate 42 is fixed to the flange 100f of the exhaust pipe 100 via a heat insulating material (spacer, not shown). Since the exhaust pipe 100 and the substrate 42 are fixed in a state where relative positional accuracy is ensured, the substrate 42 can be regarded as a device mounting surface provided in the exhaust pipe 100 as a fixed structure. A flange 22 f provided on the side surface (outer peripheral surface) of the high temperature side cylinder 22 is fixed to the substrate 42. Further, a flange 46f provided on a side surface (outer peripheral surface) 46c of the regenerator 46 is fixed to the substrate 42 via a heat insulating material (spacer, not shown). A partition wall 70 to be described later is fixed to the substrate 42.

基板42に対して、スターリングエンジン10の全ての構造部材が支持されている。このことから、基板42が排気管100内の排気ガスの熱により変形すると、その変形の影響がスターリングエンジン10の全ての構造部材に及ぶ。そのため、排気管100のフランジ100fとの間に上記断熱材を設けるとともに、シュラウド90により、排気管100内の排気ガスの熱が基板42に伝わることが最小限に抑制されている。   All structural members of the Stirling engine 10 are supported on the substrate 42. From this, when the substrate 42 is deformed by the heat of the exhaust gas in the exhaust pipe 100, the deformation affects all the structural members of the Stirling engine 10. Therefore, the heat insulating material is provided between the flange 100f of the exhaust pipe 100 and the heat of the exhaust gas in the exhaust pipe 100 is suppressed to the substrate 42 by the shroud 90 to the minimum.

排気管100とスターリングエンジン10とは、基板42を介して取り付けられる。このとき、基板42と、高温側シリンダ22において加熱器47が接続される側の端面(頂部22bの上面)、及び低温側シリンダ32において冷却器45が接続される側の端面(頂面32a)とが実質的に平行になるように、スターリングエンジン10が基板42に取り付けられる。あるいは、基板42とクランクシャフト43(又は駆動軸40)の回転軸とが平行になるように、もしくは排気管100の中心軸とクランクシャフト43の回転軸とが平行になるように、スターリングエンジン10が基板42に取り付けられる。これにより、既存の排気管100に大幅な設計変更を加えることなく、容易に排気管100にスターリングエンジン10を取り付けることができる。その結果、排熱回収対象である車両の内燃機関本体の性能や搭載性、騒音等の機能を損なうことなくスターリングエンジン10を排気管100に搭載することができる。また、同一仕様のスターリングエンジン10を異なる排気管に取り付ける場合でも、加熱器47の仕様を変更するだけで対応できるので、汎用性を向上させることができる。   The exhaust pipe 100 and the Stirling engine 10 are attached via a substrate 42. At this time, the substrate 42 and the end surface on the side where the heater 47 is connected in the high temperature side cylinder 22 (upper surface of the top portion 22b), and the end surface on the side where the cooler 45 is connected in the low temperature side cylinder 32 (top surface 32a). And the Stirling engine 10 are attached to the substrate 42 so that they are substantially parallel to each other. Alternatively, the Stirling engine 10 is configured such that the substrate 42 and the rotation axis of the crankshaft 43 (or the drive shaft 40) are parallel, or the central axis of the exhaust pipe 100 and the rotation axis of the crankshaft 43 are parallel. Is attached to the substrate 42. Thereby, the Stirling engine 10 can be easily attached to the exhaust pipe 100 without making a significant design change to the existing exhaust pipe 100. As a result, the Stirling engine 10 can be mounted on the exhaust pipe 100 without impairing the performance, mountability, noise, and other functions of the internal combustion engine body of the vehicle that is the subject of exhaust heat recovery. Further, even when the Stirling engine 10 having the same specification is attached to different exhaust pipes, it can be dealt with only by changing the specification of the heater 47, so that versatility can be improved.

スターリングエンジン10は、車両の床下に配された排気管100に隣接するスペースに、横置き、即ち、車両の床面(図示せず)に対して、高温側シリンダ22及び低温側シリンダ32のそれぞれの軸線方向が概ね平行になるように配置され、2つのピストン21、31は、水平方向に往復動される。本実施形態では、説明の便宜上、2つのピストン21、31の上死点側を上方向、下死点側を下方向であるとして説明する。   The Stirling engine 10 is placed horizontally in a space adjacent to the exhaust pipe 100 arranged under the floor of the vehicle, that is, each of the high temperature side cylinder 22 and the low temperature side cylinder 32 with respect to the vehicle floor (not shown). The two pistons 21 and 31 are reciprocated in the horizontal direction. In the present embodiment, for convenience of explanation, it is assumed that the top dead center side of the two pistons 21 and 31 is upward and the bottom dead center side is downward.

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、上記のように、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。   The higher the average pressure of the working fluid, the higher the pressure difference with respect to the same temperature difference caused by the cooler 45 and the heater 47, so that a higher output can be obtained. Therefore, as described above, the working fluid in the high temperature side cylinder 22 and the low temperature side cylinder 32 is maintained at a high pressure.

ピストン(ピストン装置)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。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。   The pistons (piston devices) 21 and 31 are formed in a columnar shape. A small clearance of several tens of μm is provided between the outer peripheral surfaces of the pistons 21 and 31 and the inner peripheral surfaces of the cylinders 22 and 32. The working fluid (air) of the Stirling engine 10 is included in the clearances. Intervene. The pistons 21 and 31 are supported in a non-contact state by air bearings 48 with respect to the cylinders 22 and 32, respectively. Therefore, the piston ring is not provided around the pistons 21 and 31, and the lubricating oil generally used with the piston ring is not used. As described above, the air bearing 48 keeps the airtightness of the expansion space and the compression space with the working fluid (gas), and performs clearance sealing without ring and without oil.

空気軸受48は、図1を参照して、後述するように、スターリングエンジン10の作動空間内で圧縮された作動流体をピストン21,31の内部に導入し、ピストン21,31の外周部に設けられた複数の孔からピストン21,31とシリンダ22,32との間のクリアランス部に噴射することで構成される、静圧気体軸受である。   As will be described later with reference to FIG. 1, the air bearing 48 introduces working fluid compressed in the working space of the Stirling engine 10 into the pistons 21 and 31, and is provided on the outer periphery of the pistons 21 and 31. It is a static pressure gas bearing constituted by injecting into a clearance part between pistons 21 and 31 and cylinders 22 and 32 from a plurality of holes.

本実施形態では、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を効果的に作動させる必要がある。そのため、膨張空間に、なるべく高温の作動流体が流れるべく、高温側シリンダ22の頂部(上部)22b及び高温側シリンダ22の側面22cの上部が、排気管100の内部に配設されている。これにより、上死点近傍での膨張ピストン21の上部は、排気管100の内部に位置することになり、膨張ピストン21の上部が効果的に加熱される。   In this embodiment, since the heat source of the Stirling engine 10 is the exhaust gas of the internal combustion engine of the vehicle, the amount of heat obtained is limited, and it is necessary to operate the Stirling engine 10 effectively within the range of the obtained heat amount. . Therefore, the top (upper part) 22b of the high temperature side cylinder 22 and the upper part of the side surface 22c of the high temperature side cylinder 22 are arranged inside the exhaust pipe 100 so that the working fluid as hot as possible flows in the expansion space. Thereby, the upper part of the expansion piston 21 in the vicinity of the top dead center is located inside the exhaust pipe 100, and the upper part of the expansion piston 21 is effectively heated.

次に、図1及び図2を参照して、ピストン21,31の構成について詳細に説明する。   Next, with reference to FIG.1 and FIG.2, the structure of piston 21 and 31 is demonstrated in detail.

図1は、ピストン21の構成を示す正面図である。図2は、ピストン21の要部の正断面図である。図3に示すように、ピストン21,31の大きさは異なっているが、その構造は共通である。図1及び図2では、ピストン21,31に共通の構造が示されている。以下では、図1及び図2をピストン21の構成として説明する(同様の構成のピストン31についての説明は省略する)。   FIG. 1 is a front view showing the configuration of the piston 21. FIG. 2 is a front sectional view of a main part of the piston 21. As shown in FIG. 3, the sizes of the pistons 21 and 31 are different, but the structure is common. In FIGS. 1 and 2, a structure common to the pistons 21 and 31 is shown. Below, FIG.1 and FIG.2 is demonstrated as a structure of the piston 21 (The description about the piston 31 of the same structure is abbreviate | omitted).

図1に示すように、ピストン21は、ピストン本体211と、そのピストン本体211の内部に形成された中空部(蓄圧室)212とを備えている。ピストン本体211は、上部及び下部が塞がれた円筒状に形成されている。   As shown in FIG. 1, the piston 21 includes a piston main body 211 and a hollow portion (pressure accumulation chamber) 212 formed inside the piston main body 211. The piston body 211 is formed in a cylindrical shape whose upper and lower portions are closed.

ピストン本体211は、高温側シリンダ22(図3)と摺動する側周部(摺動部)211aと、側周部211aと一体として(連続的に)蓋状に設けられた頂面部211bとを有している。頂面部211bには、高温側シリンダ22内の作動空間と中空部212とを連通する連絡流路214が形成されている。   The piston main body 211 includes a side peripheral portion (sliding portion) 211a that slides with the high temperature side cylinder 22 (FIG. 3), and a top surface portion 211b that is provided integrally with the side peripheral portion 211a (continuously) in a lid shape. have. A communication channel 214 that communicates the working space in the high temperature side cylinder 22 and the hollow portion 212 is formed in the top surface portion 211b.

連絡流路214は、順流時に比べて逆流時には著しく流路抵抗が大きく、例えば弁体のような可動部の無い流体素子215によって構成されている。即ち、流体素子215は、連絡流路214を通る作動流体の流れの向きが、下方に向かう方向(作動空間側から中空部212に向かう方向)のとき(順流時)には、流路抵抗が相対的に小さく、反対に、上方に向かう方向(中空部212から作動空間側に向かう方向)のとき(逆流時)には、順流時に比べて、流路抵抗が著しく大きくなるような形状に構成されている。   The communication flow path 214 has a remarkably large flow path resistance at the time of reverse flow compared to that at the time of forward flow, and is constituted by a fluid element 215 having no movable part such as a valve body. That is, the fluid element 215 has a flow path resistance when the direction of the flow of the working fluid passing through the communication flow path 214 is a downward direction (a direction from the working space side to the hollow portion 212) (forward flow). Constructed in a shape that is relatively small and, on the contrary, in the upward direction (the direction toward the working space from the hollow portion 212) (during reverse flow), the flow resistance is significantly greater than in forward flow. Has been.

この流体素子215によって、ピストン21の動きにより高温側シリンダ22内の作動空間の作動流体の圧力が下がったときに、中空部212内の作動流体が高温側シリンダ22内の作動空間に逆流することが抑制される。流体素子215は、チェック弁(逆止弁)の弁体のような可動部を有していないため、信頼性、寿命の確保が容易であり、また、設計上、構造上の制約となることが抑制される。   The fluid element 215 causes the working fluid in the hollow portion 212 to flow back into the working space in the high temperature side cylinder 22 when the pressure of the working fluid in the working space in the high temperature side cylinder 22 decreases due to the movement of the piston 21. Is suppressed. Since the fluid element 215 does not have a movable part like the valve body of the check valve (check valve), it is easy to ensure reliability and life, and it becomes a structural limitation in design. Is suppressed.

図2は、流体素子215を拡大して示す図である。流体素子215において、順流側入口部215aの曲率R1は相対的に大きく形成され、逆流側入口部215bの曲率R2は無い(ゼロ)又は極めて小さく形成されている。順流側入口部215aは、その開口部の径寸法が漸次小さくなるように形成され、作動流体を連絡流路214に引き込むときの流線が滑らかなになるように形成されている。逆流側入口部215bは、エッジが立っており、中空部212内の作動流体が作動空間に逆流しようとする流体の剥離を起こし、縮流効果等によって、中空部212から作動空間に逆流する流量が抑制される。   FIG. 2 is an enlarged view showing the fluid element 215. In the fluid element 215, the curvature R1 of the forward flow side inlet portion 215a is formed relatively large, and the curvature R2 of the reverse flow side inlet portion 215b is not formed (zero) or extremely small. The forward flow side inlet 215 a is formed so that the diameter of the opening gradually decreases, and the flow line when drawing the working fluid into the communication channel 214 becomes smooth. The counterflow side inlet portion 215b has an edge, and the working fluid in the hollow portion 212 causes separation of the fluid that tries to flow back into the working space, and the flow rate flows back from the hollow portion 212 to the working space due to a contraction effect or the like. Is suppressed.

流体素子215において、順流側入口部215a側には、頂面部211bから作動空間側に突出する突起が形成されていないのに対し(符号D1)、逆流側入口部215b側には、中空部212の方に突出する突起部D2が設けられ、その突起部D2の先端に逆流側入口部215bが設けられている。   In the fluid element 215, no protrusion protruding from the top surface portion 211b to the working space side is formed on the forward flow side inlet portion 215a side (reference numeral D1), whereas the hollow portion 212 is formed on the reverse flow side inlet portion 215b side. A protrusion D2 protruding toward the end is provided, and a backflow side inlet 215b is provided at the tip of the protrusion D2.

流体素子215において、逆流側入口部215b側の端面Sが連絡流路214の流路となす角度θは、鋭角(90°より小)である。但し、逆流側入口部215bの突起部D2の肉厚が薄く端面自体が極めて小さいときには、この角度を定義する必要はない(後述する図6参照)。図1及び図2に示す連絡流路214を構成する流体素子215は、図8に示すように、ピストン21と一体的に(連続的に)形成されている(一体構造)であってもよいし、図6及び図7に示すように、ピストン21と別体の構成であってもよい。   In the fluid element 215, the angle θ formed by the end surface S on the backflow side inlet 215b side and the flow path of the communication flow path 214 is an acute angle (smaller than 90 °). However, it is not necessary to define this angle when the protrusion D2 of the backflow side inlet 215b is thin and the end surface itself is extremely small (see FIG. 6 described later). The fluid element 215 constituting the communication channel 214 shown in FIGS. 1 and 2 may be formed integrally (continuously) with the piston 21 (integral structure) as shown in FIG. However, as shown in FIGS. 6 and 7, the piston 21 may be configured separately.

図8に示す一体構造の場合には、例えば、ピストン21の頂面部211bに相当する部分をプレスで打ち抜き、塑性変形させることにより形成することができる。別体として構成する場合には、図6に示すように、順流側入口部215aはピストン21と一体的に形成し、突起部(逆流側入口部215b)をピストン21とは別体のチューブ218により構成することができる。また、図7に示すように、流体素子215に対応する部分の全体を、チップ219により構成することができる。   In the case of the integral structure shown in FIG. 8, for example, a portion corresponding to the top surface portion 211 b of the piston 21 can be formed by punching with a press and plastically deforming. When configured as a separate body, as shown in FIG. 6, the forward flow side inlet portion 215 a is formed integrally with the piston 21, and the protruding portion (reverse flow side inlet portion 215 b) is a tube 218 separate from the piston 21. Can be configured. Further, as shown in FIG. 7, the entire portion corresponding to the fluid element 215 can be constituted by a chip 219.

図1に示すように、側周部211aには、周方向に等間隔に複数の給気孔216が設けられている。ピストン21の上昇に伴い、高温側シリンダ22の作動空間の作動流体が圧縮されて、その作動流体の圧力が中空部212の圧力より高くなると、順流側入口部215aから連絡流路214を介して、作動空間の作動流体の一部が中空部212に導入される。連絡流路214を介して作動流体が中空部212に導入されると、中空部212の作動流体の一部が、給気孔216を介して、ピストン21とシリンダ22との間のクリアランスに噴出する。   As shown in FIG. 1, a plurality of air supply holes 216 are provided at equal intervals in the circumferential direction in the side peripheral portion 211a. When the working fluid in the working space of the high temperature side cylinder 22 is compressed as the piston 21 rises and the pressure of the working fluid becomes higher than the pressure of the hollow portion 212, the forward flow side inlet portion 215 a passes through the communication flow path 214. A part of the working fluid in the working space is introduced into the hollow portion 212. When the working fluid is introduced into the hollow portion 212 via the communication channel 214, a part of the working fluid in the hollow portion 212 is ejected to the clearance between the piston 21 and the cylinder 22 via the air supply hole 216. .

連絡流路214は、その頂面部211bの面上において中央部に形成されている。これにより、連絡流路214と、複数の給気孔216との距離が等しくなる。作動空間の作動流体が連絡流路214を介して中空部212に導入されたときに、複数の給気孔216からそれぞれ噴射される作動流体の噴射状態(噴射量・噴射圧)が等しくなり易く、クリアランスに作動流体が噴射されるときに、周方向において噴射に関して偏りを生じるおそれが少ない。これにより、空気軸受48がより安定的に機能する。   The communication channel 214 is formed at the center on the surface of the top surface portion 211b. Thereby, the distance between the communication channel 214 and the plurality of air supply holes 216 becomes equal. When the working fluid in the working space is introduced into the hollow portion 212 via the communication channel 214, the ejection states (injection amount / injection pressure) of the working fluid ejected from the plurality of air supply holes 216 are easily equalized, When the working fluid is injected into the clearance, there is little possibility of causing a bias in the circumferential direction with respect to the injection. Thereby, the air bearing 48 functions more stably.

中空部212に封入される作動流体の圧力は、作動流体の最大圧縮圧力よりも僅かに低い値とされることが望ましい。図4は、高温側ピストン21の頂面位置と低温側ピストン31の頂面位置の変化を示している。上述したように、低温側ピストン31は、高温側ピストン21に対して、クランク角で90°遅れて動くように位相差がつけられている。   It is desirable that the pressure of the working fluid enclosed in the hollow portion 212 is slightly lower than the maximum compression pressure of the working fluid. FIG. 4 shows changes in the top surface position of the high temperature side piston 21 and the top surface position of the low temperature side piston 31. As described above, the low temperature side piston 31 has a phase difference so as to move 90 ° behind the high temperature side piston 21 with a crank angle.

図4において、高温側ピストン21の波形と、低温側ピストン31の波形の合成波Wが筒内圧を示している。図4において、符号Pmaxは、圧縮工程時の筒内圧の最大値(最大圧縮圧力)を示している。ピストン21の作動時、ピストン本体211には、最大で、最大圧縮圧力Pmaxが作用する。そのため、中空部212に対し、作動流体の最大圧縮圧力Pmaxよりも僅かに低い圧力の作動流体を封入しておくことにより、ピストン本体211に最大圧縮圧力Pmaxよりも所定値以上低い筒内圧(中空部212の圧力よりも低い圧力)が作用している場合(ピストン21が圧縮工程時の上死点近傍にあるとき以外)には、ピストン本体211は、筒内圧に対して十分な耐圧性能(剛性)を有することになる。これにより、ピストン本体211(特に、側周部211aのうち給気孔216が形成された部分以外)の肉厚は、筒内圧に対する耐圧性能の確保を考慮することなく、薄く形成することができ、軽量化が実現される。   In FIG. 4, the combined wave W of the waveform of the high temperature side piston 21 and the waveform of the low temperature side piston 31 indicates the in-cylinder pressure. In FIG. 4, the symbol Pmax indicates the maximum value (maximum compression pressure) of the in-cylinder pressure during the compression process. When the piston 21 is operated, the maximum compression pressure Pmax acts on the piston body 211 at the maximum. Therefore, by filling the hollow portion 212 with a working fluid having a pressure slightly lower than the maximum compression pressure Pmax of the working fluid, an in-cylinder pressure (hollow) that is lower than the maximum compression pressure Pmax by a predetermined value or more in the piston body 211. When the pressure lower than the pressure of the portion 212 is acting (except when the piston 21 is near the top dead center during the compression process), the piston main body 211 has a sufficient pressure resistance performance against the in-cylinder pressure ( Rigidity). Thereby, the thickness of the piston main body 211 (particularly, the portion other than the portion where the air supply hole 216 is formed in the side peripheral portion 211a) can be formed thin without considering the pressure resistance performance against the in-cylinder pressure, Weight reduction is realized.

中空部212に対し、作動流体の最大圧縮圧力Pmaxよりも僅かに低い圧力の作動流体が封入されている場合の動作は、次の通りである。即ち、圧縮工程時において、ピストン21が上死点近傍の位置にあるときに、中空部212の圧力よりも高温側シリンダ22の作動空間の圧力が上回って、連絡流路214から作動空間の作動流体の一部が導入されるとともに、中空部212の作動流体の一部が給気孔216からピストン21の外部に噴出される。また、ピストン21が上記位置にあるとき以外は、中空部212の圧力の方が高温側シリンダ22の作動空間の圧力よりも高いが、流体素子215は、上記のように、逆流時には、順流時に比べて著しく流路抵抗が大きくなるように構成されているため、中空部212内の作動流体が逆流側入口部215bから連絡流路214を介して、高温側シリンダ22内の作動空間に逆流することが抑制される。   The operation when the working fluid having a pressure slightly lower than the maximum compression pressure Pmax of the working fluid is sealed in the hollow portion 212 is as follows. That is, during the compression process, when the piston 21 is in a position near the top dead center, the pressure in the working space of the high temperature side cylinder 22 exceeds the pressure in the hollow portion 212, and the working space is operated from the communication channel 214. While a part of the fluid is introduced, a part of the working fluid in the hollow portion 212 is ejected from the air supply hole 216 to the outside of the piston 21. The pressure of the hollow portion 212 is higher than the pressure of the working space of the high temperature side cylinder 22 except when the piston 21 is in the above position. However, as described above, the fluid element 215 is in the reverse flow, the forward flow, and the like. Since the flow path resistance is remarkably increased as compared with the above, the working fluid in the hollow portion 212 flows backward from the backflow side inlet portion 215b to the working space in the high temperature side cylinder 22 through the communication flow path 214. It is suppressed.

給気孔216は、ピストン21の上下方向の長さの中間位置を挟んで上下に少なくとも1つずつ(図1では2つずつ、計4つが図示されている)設けられている。高温側シリンダ22内でピストン21の位置をバランスさせるために有効である。   At least one air supply hole 216 is provided above and below the intermediate position of the length of the piston 21 in the vertical direction (two in each case, four in total are shown in FIG. 1). This is effective for balancing the position of the piston 21 in the high temperature side cylinder 22.

加熱器47は、複数の伝熱管(管群)47tを有し、それらの複数の伝熱管47tが概ねU字形の形状に形成されてなるものである。各伝熱管47tの第1端部47aが高温側シリンダ22の上部(頂面22a側の端面)22bに接続されている。複数の伝熱管47tの第1端部47aがそれぞれ概ね同一面(フラット面)上に配置されるように設けられている。その概ねフラット面上に配される複数の伝熱管47tの第1端部47aは、それぞれ、概ねフラット面に形成された高温側シリンダ22の上部22bに接続される。これらのことから、複数の伝熱管47tの第1端部47a側の加工及び接続作業が容易となる。一方、各伝熱管47tの第2端部47bが再生器46の上部(加熱器47側の端面)46aに接続されている。   The heater 47 has a plurality of heat transfer tubes (tube groups) 47t, and the plurality of heat transfer tubes 47t are formed in a substantially U-shape. A first end portion 47a of each heat transfer tube 47t is connected to an upper portion (end surface on the top surface 22a side) 22b of the high temperature side cylinder 22. The first end portions 47a of the plurality of heat transfer tubes 47t are provided so as to be disposed substantially on the same surface (flat surface). The first end portions 47a of the plurality of heat transfer tubes 47t arranged on the substantially flat surface are respectively connected to the upper portion 22b of the high temperature side cylinder 22 formed on the substantially flat surface. From these things, the process and connection operation | work by the side of the 1st end part 47a of the some heat exchanger tube 47t become easy. On the other hand, the second end 47b of each heat transfer tube 47t is connected to the upper part (end surface on the heater 47 side) 46a of the regenerator 46.

再生器46は、蓄熱材(マトリックス、図示せず)と、その蓄熱材が収容される再生器ハウジング46hとを備えている。再生器ハウジング46hは、低温側シリンダ32の上部と概ね同じ断面形状を有する概ね円柱状の蓄熱材を収容する。そのため、再生器ハウジング46hは、低温側シリンダ32の上部の断面形状と概ね同じ形の底面及び上面を有する円筒形(中空円柱状)に形成されている。   The regenerator 46 includes a heat storage material (matrix, not shown) and a regenerator housing 46h in which the heat storage material is accommodated. The regenerator housing 46 h accommodates a substantially cylindrical heat storage material having substantially the same cross-sectional shape as the upper portion of the low temperature side cylinder 32. Therefore, the regenerator housing 46h is formed in a cylindrical shape (hollow column shape) having a bottom surface and an upper surface that are substantially the same as the cross-sectional shape of the upper portion of the low temperature side cylinder 32.

再生器46の側面(外周面)46cには、フランジ46fが設けられており、そのフランジ46fが断熱材を介して基板42に固定されている。再生器46では、蓄熱材として、積層された金網(積層形材料)が用いられている。金網は、作動流体が流れる方向に沿って積層され、複数の金網が互いに熱伝達を起こし難い状態で設けられている。   A flange 46f is provided on a side surface (outer peripheral surface) 46c of the regenerator 46, and the flange 46f is fixed to the substrate 42 via a heat insulating material. In the regenerator 46, a laminated wire mesh (laminated material) is used as a heat storage material. The metal mesh is laminated along the direction in which the working fluid flows, and the plurality of metal meshes are provided in a state in which heat transfer is unlikely to occur.

作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れるときに、蓄熱材が作動流体から受熱する場合、まず上記積層された複数の金網のうち最も加熱器47に近い最上部の金網が受熱することで作動流体の温度が低下し、次に加熱器47に近い金網が受熱することで作動流体の温度が更に低下し、更に次に加熱器47に近い金網が受熱することで更に作動流体の温度が低下するというように、再生器46において上方から下方に向けて金網の層を通過する度に、作動流体の温度が低下していく。   When the heat storage material receives heat from the working fluid when the working fluid flows from the expansion space to the compression space, first, the uppermost wire mesh closest to the heater 47 among the plurality of stacked wire meshes receives heat. The temperature of the fluid is lowered, and then the temperature of the working fluid is further lowered by receiving the heat of the wire mesh near the heater 47, and the temperature of the working fluid is further lowered by receiving the heat of the wire mesh near the heater 47 next. Thus, each time the regenerator 46 passes through the wire mesh layer from the top to the bottom, the temperature of the working fluid decreases.

再生器46には、上述した機能から、以下の条件が要求される。即ち、伝熱性能と蓄熱容量が高く、流動抵抗(流動損失、圧力損失)が小さいことのほか、作動流体の流れ方向の熱伝導率が小さく、温度勾配を大きくとれることが要求される。このことから、複数の金網同士の間の熱伝導は極力小さいことが求められる。その金網の材料は、ステンレス鋼であることができる。   The following conditions are required for the regenerator 46 from the above-described functions. That is, the heat transfer performance and the heat storage capacity are high, the flow resistance (flow loss, pressure loss) is small, the thermal conductivity in the flow direction of the working fluid is small, and a large temperature gradient is required. For this reason, the heat conduction between the plurality of wire meshes is required to be as small as possible. The wire mesh material can be stainless steel.

排気管100の内部に配置された再生器46においては、再生器ハウジング46hの作動流体の流れ方向への熱伝導の悪影響を抑制する必要性が非常に高い。このことから、本実施形態では、再生器ハウジング46hに、シュラウド90が設けられている。シュラウド90は、排気管100の内部の熱(例えば約600〜800℃)が、再生器ハウジング46hに伝達されないようにすることを目的としている。この場合、シュラウド90は、特に、再生器ハウジング46hの上面46aを除く面(側面46c及びフランジ46f)に伝達されないようにすることを目的としている。   In the regenerator 46 disposed inside the exhaust pipe 100, there is a very high need to suppress the adverse effect of heat conduction in the flow direction of the working fluid in the regenerator housing 46h. Therefore, in this embodiment, the shroud 90 is provided in the regenerator housing 46h. The shroud 90 is intended to prevent heat (for example, about 600 to 800 ° C.) inside the exhaust pipe 100 from being transferred to the regenerator housing 46h. In this case, the shroud 90 is particularly intended to prevent transmission to the surfaces (side surface 46c and flange 46f) except the upper surface 46a of the regenerator housing 46h.

なお、上記において、膨張ピストン21の上下方向の長さが圧縮ピストン31に比べて大きく形成され、また、高温側シリンダ22の上下方向の長さが低温側シリンダ32に比べて大きく形成されている理由は、以下の通りである。   In the above, the vertical length of the expansion piston 21 is formed larger than that of the compression piston 31, and the vertical length of the high temperature side cylinder 22 is formed larger than that of the low temperature side cylinder 32. The reason is as follows.

スターリングエンジン10の効率の低下を抑制するため、高温側パワーピストン20における膨張空間以外の空間及び低温側のパワーピストン30における圧縮空間以外の空間、即ち、高温側パワーピストン20及び低温側のパワーピストン30のそれぞれにおけるクランクシャフト43の周辺の空間は、常温に保たれる必要がある。そのため、膨張空間の高温の作動流体がクランクシャフト43の高温側パワーピストン20側の周辺の空間に流入したり、圧縮空間の低温の作動流体がクランクシャフト43の低温側のパワーピストン30側の周辺の空間に流入することがないように、高温側シリンダ22と膨張ピストン21とのシール及び低温側シリンダ32と圧縮ピストン31とのシールが確実に行われる必要がある(後述のように、そのシールには空気軸受48が使用されている)。   In order to suppress a decrease in the efficiency of the Stirling engine 10, a space other than the expansion space in the high temperature side power piston 20 and a space other than the compression space in the low temperature side power piston 30, that is, the high temperature side power piston 20 and the low temperature side power piston. The space around the crankshaft 43 in each of the 30 needs to be kept at room temperature. Therefore, the high temperature working fluid in the expansion space flows into the space around the high temperature side power piston 20 of the crankshaft 43, or the low temperature working fluid in the compression space is around the low temperature side power piston 30 side of the crankshaft 43. It is necessary to securely seal the high temperature side cylinder 22 and the expansion piston 21 and the low temperature side cylinder 32 and the compression piston 31 so as not to flow into the space. Air bearing 48 is used).

一方で、上記のように、膨張空間を高温にすべく、高温側シリンダ22の頂部22b及び側面22cの上部は、排気管100の内部に収容されるため、高温側シリンダ22の上部及び膨張ピストン21の上部が熱膨張する。高温側シリンダ22及び膨張ピストン21のそれぞれの上部の熱膨張する部分では、シールが確実に行えないおそれがある。このことから、本実施形態では、膨張ピストン21及び高温側シリンダ22の上下方向の長さを長く設定し、これにより、膨張ピストン21の上下方向に温度勾配を持たせて、熱膨張の影響を受けない部分(膨張ピストン21の下部)にてシールが確実に行えるようにしている。また、高温側シリンダ22と膨張ピストン21との間は、膨張ピストン21の下部(熱膨張の影響を受けない部分)にてシールされるので、そのシール部の移動距離を十分に確保して膨張空間を十分に圧縮するために、高温側シリンダ22の上下方向の長さが長く設定されている。   On the other hand, as described above, since the top portion 22b and the upper portion of the side surface 22c of the high temperature side cylinder 22 are accommodated in the exhaust pipe 100 in order to increase the temperature of the expansion space, the upper portion of the high temperature side cylinder 22 and the expansion piston are accommodated. The upper part of 21 expands thermally. There is a possibility that sealing cannot be reliably performed in the portions of the high temperature side cylinder 22 and the expansion piston 21 which are thermally expanded. Therefore, in the present embodiment, the lengths of the expansion piston 21 and the high temperature side cylinder 22 in the vertical direction are set long, thereby providing a temperature gradient in the vertical direction of the expansion piston 21 to influence the influence of thermal expansion. Sealing can be surely performed at a portion not received (lower portion of the expansion piston 21). In addition, since the space between the high temperature side cylinder 22 and the expansion piston 21 is sealed at the lower portion of the expansion piston 21 (the portion that is not affected by thermal expansion), the movement distance of the seal portion is sufficiently secured for expansion. In order to sufficiently compress the space, the length in the vertical direction of the high temperature side cylinder 22 is set long.

次に、冷却器45の構成について説明する。   Next, the configuration of the cooler 45 will be described.

図3においては、冷却器45の複数の伝熱管45tのうち一部の伝熱管45tのみが図示され、それ以外の伝熱管45tの図示は省略されている。   In FIG. 3, only a part of the heat transfer tubes 45t of the plurality of heat transfer tubes 45t of the cooler 45 are illustrated, and the other heat transfer tubes 45t are not illustrated.

再生器46と低温側シリンダ32との間には、上記隔壁(部材)70が設けられている。隔壁70は、熱伝導率の低い材質で形成されている。隔壁70において、低温側シリンダ32の軸線方向(上下方向)の長さ寸法は、後述する伝熱管45tの引き回しの機能を果たすために十分な大きさを確保しつつなるべく小さく設計されている。スターリングエンジン10の小型化に寄与するためである。   The partition (member) 70 is provided between the regenerator 46 and the low temperature side cylinder 32. The partition wall 70 is made of a material having low thermal conductivity. In the partition wall 70, the length dimension in the axial direction (vertical direction) of the low temperature side cylinder 32 is designed to be as small as possible while ensuring a sufficient size to fulfill the function of routing the heat transfer tube 45t described later. This is to contribute to downsizing of the Stirling engine 10.

上記のように、隔壁70は、基板42に固定されている。隔壁70の上面70aは、再生器46の下面(加熱器47側の上記端面46aと反対側の端面)46bに、直接接触するように設けられている。隔壁70の下面70bは、低温側シリンダ32の頂面32aを兼ねている。隔壁70の側面(外周面)70cには、冷却器45のクーラ容器45cが固定されている。   As described above, the partition wall 70 is fixed to the substrate 42. The upper surface 70a of the partition wall 70 is provided so as to be in direct contact with the lower surface of the regenerator 46 (the end surface on the heater 47 side opposite to the end surface 46a) 46b. The lower surface 70 b of the partition wall 70 also serves as the top surface 32 a of the low temperature side cylinder 32. A cooler container 45 c of the cooler 45 is fixed to a side surface (outer peripheral surface) 70 c of the partition wall 70.

冷却器45は、水冷の多管式熱交換器(shell-and-tube exchanger, tubular exchanger)により構成されている。冷却器45は、複数の伝熱管(管群)45tと、クーラ容器45cとを有している。冷却器45の複数の伝熱管45tの大部分は、クーラ容器45cに収容されている。伝熱管45tのクーラ容器45cに収容された部分は、クーラ容器45cに供給された冷却水(冷媒)Wtと接触し、これにより、伝熱管45tを流れる作動流体が冷却される。   The cooler 45 is configured by a water-cooled multi-tube heat exchanger (shell-and-tube exchanger, tubular exchanger). The cooler 45 includes a plurality of heat transfer tubes (tube groups) 45t and a cooler container 45c. Most of the plurality of heat transfer tubes 45t of the cooler 45 are accommodated in a cooler container 45c. The portion of the heat transfer tube 45t accommodated in the cooler container 45c comes into contact with the cooling water (refrigerant) Wt supplied to the cooler container 45c, whereby the working fluid flowing through the heat transfer tube 45t is cooled.

上記のように、クーラ容器45cは、隔壁70の外周面70cに固定されている。クーラ容器45cは、外周面70cの周方向に亘ってリング状に設けられている。このクーラ容器45cは、低温側シリンダ32の外周部32kの上部(圧縮空間に対応する部分)を周方向に囲むようなリング状に形成されている。クーラ容器45cは、低温側シリンダ32の外周部32kの周方向の全周に亘って設けられている。または、これに代えて、クーラ容器45cは、低温側シリンダ32の外周部32kの周方向の一部を囲むように設けられることができる。   As described above, the cooler container 45 c is fixed to the outer peripheral surface 70 c of the partition wall 70. The cooler container 45c is provided in a ring shape over the circumferential direction of the outer peripheral surface 70c. The cooler container 45c is formed in a ring shape that surrounds an upper portion (a portion corresponding to the compression space) of the outer peripheral portion 32k of the low temperature side cylinder 32 in the circumferential direction. The cooler container 45 c is provided over the entire circumference of the outer peripheral portion 32 k of the low temperature side cylinder 32. Alternatively, the cooler container 45c can be provided so as to surround a part of the outer peripheral portion 32k of the low temperature side cylinder 32 in the circumferential direction.

次に、ピストン・シリンダのシール構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。   Next, the piston / cylinder seal structure and the piston / crank mechanism will be described.

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。   As described above, since the heat source of the Stirling engine 10 is the exhaust gas of the internal combustion engine of the vehicle, the amount of heat obtained is limited, and it is necessary to operate the Stirling engine 10 within the range of the obtained heat amount. Therefore, in this embodiment, the internal friction of the Stirling engine 10 is reduced as much as possible. In this embodiment, in order to eliminate the friction loss due to the piston ring having the largest friction loss among the internal friction of the Stirling engine, the piston ring is not used, and instead, between the cylinders 22 and 32 and the pistons 21 and 31. Each is provided with an air bearing 48.

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。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。   Since the air bearing 48 has extremely small sliding resistance, the internal friction of the Stirling engine 10 can be greatly reduced. Even if the air bearing 48 is used, since the airtightness between the cylinders 22 and 32 and the pistons 21 and 31 is ensured, there is no problem that a high-pressure working fluid leaks during expansion and contraction.

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際しては、上記静圧気体軸受が適用される。静圧気体軸受とは、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。   The air bearing 48 is a bearing in which the pistons 21 and 31 are floated in the air using the pressure (distribution) of air generated by a minute clearance between the cylinders 22 and 32 and the pistons 21 and 31. In the air bearing 48 of the present embodiment, the diameter clearance between the cylinders 22 and 32 and the pistons 21 and 31 is several tens of μm. In realizing an air bearing that floats an object in the air, the static pressure gas bearing is applied. The static pressure gas bearing jets pressurized fluid and floats an object (the pistons 21 and 31 in this embodiment) by the generated static pressure.

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。   Further, since the use of the air bearing 48 eliminates the need for the lubricating oil used in the piston ring, there is no problem that the heat exchanger (the regenerator 46 and the heater 47) of the Stirling engine 10 deteriorates due to the lubricating oil. .

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。   When the pistons 21 and 31 are reciprocated in the cylinders 22 and 32 using the air bearing 48, the linear motion accuracy must be less than the diameter clearance of the air bearing 48. Further, since the load capacity of the air bearing 48 is small, the side forces of the pistons 21 and 31 must be substantially zero. That is, since the air bearing 48 has a low ability (pressure resistance ability) to withstand the force in the diameter direction (lateral direction, thrust direction) of the cylinders 22 and 32, the linear motion accuracy of the pistons 21 and 31 with respect to the axes of the cylinders 22 and 32 is low. Need to be expensive. In particular, the air bearing 48 of the type that is used in the present embodiment and is supported by levitating using a fine clearance air pressure has a low pressure resistance against the force in the thrust direction compared to the type that blows high-pressure air. Higher linear motion accuracy of the piston is required.

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。   For this reason, in this embodiment, the grasshopper mechanism (approximate linear link) 50 is employed in the piston / crank portion. The glass hopper mechanism 50 is smaller in size than the other linear approximation mechanism (for example, a watt mechanism), so that the size of the mechanism necessary for obtaining the same linear motion accuracy is small. It is done. In particular, the Stirling engine 10 according to the present embodiment is installed in a limited space such that the heater 47 is accommodated in the exhaust pipe of an automobile. The degree increases. Further, the grasshopper mechanism 50 is advantageous in terms of fuel consumption because the weight of the mechanism necessary for obtaining the same linear motion accuracy is lighter than other mechanisms. Furthermore, the grasshopper mechanism 50 is easy to configure (manufacture / assemble) because the structure of the mechanism is relatively simple.

図5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。   FIG. 5 shows a schematic configuration of the piston / crank mechanism of the Stirling engine 10. In the present embodiment, since the piston / crank mechanism adopts a common configuration for the high temperature side power piston 20 side and the low temperature side power piston 30 side, only the low temperature side power piston 30 side will be described below. Description of the high temperature side power piston 20 side is omitted.

図5及び図3に示すように、圧縮ピストン31の往復運動は、コネクティングロッド109によって駆動軸40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109は、図5に示す近似直線機構50によって支持されており、低温側シリンダ32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109を近似直線機構50によって支持することにより、圧縮ピストン31のサイドフォースFがほとんどゼロになるので、負荷能力の小さい空気軸受48によって十分に圧縮ピストン31を支持することができる。   As shown in FIGS. 5 and 3, the reciprocating motion of the compression piston 31 is transmitted to the drive shaft 40 by the connecting rod 109, where it is converted into rotational motion. The connecting rod 109 is supported by the approximate linear mechanism 50 shown in FIG. 5, and reciprocates the low temperature side cylinder 32 linearly. Thus, by supporting the connecting rod 109 by the approximate linear mechanism 50, the side force F of the compression piston 31 becomes almost zero, so that the compression piston 31 can be sufficiently supported by the air bearing 48 having a small load capacity. it can.

以上に述べた上記実施形態では、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。   In the above-described embodiment, the configuration in which the Stirling engine 10 is attached to the exhaust pipe 100 so as to use the exhaust gas of the internal combustion engine of the vehicle as a heat source has been described. However, the Stirling engine of the present invention is not limited to a type attached to the exhaust pipe of an internal combustion engine of a vehicle.

なお、上記においては、ピストン装置がスターリングエンジンのピストンに適用された例を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、そのピストン装置は、スターリングエンジンのピストン以外の外燃機関に対する用途にも容易に適用可能であり、適用された場合には、上記と同様の有用性を有する。   In the above description, the configuration, operation, and effect of the piston device are described using an example in which the piston device is applied to a piston of a Stirling engine. However, the piston device is used for an external combustion engine other than the piston of the Stirling engine. Can be easily applied, and when applied, has the same utility as described above.

(第1実施形態の第1変形例)
次に、図9から図11を参照して、第1実施形態の第1変形例について説明する。
(First modification of the first embodiment)
Next, a first modification of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 9 to 11.

図9に示すように、流体素子215は、小室(バッファ)220を介して、2段(多段)構成であってもよい。流体素子215を2段構成にした場合には、上記第1実施形態の1段構成よりも更に高い圧力を中空部212内に取り込むことができる。多段構成にした場合には、逆流時の流路抵抗が順流時に比べて更に小さくなるため、中空部212内の作動流体が逆流側入口部215bから連絡流路214を介して、高温側シリンダ22内の作動空間に逆流することが更に抑制されるためである。   As shown in FIG. 9, the fluid element 215 may have a two-stage (multi-stage) configuration via a small chamber (buffer) 220. When the fluid element 215 has a two-stage configuration, a higher pressure than the one-stage configuration of the first embodiment can be taken into the hollow portion 212. In the case of a multi-stage configuration, the flow resistance at the time of backflow is further reduced compared to that at the time of forward flow, so that the working fluid in the hollow portion 212 flows from the backflow side inlet 215b through the communication flow path 214 to the high temperature side cylinder 22 This is because the backflow into the working space is further suppressed.

図10に示すように、小室220を介して、流体素子215が2段構成にされる場合には、中空部212側の流体素子215−1の連絡流路214−1が相対的に小さく、作動空間側の流体素子215−2の連絡流路214−2が相対的に大きく構成されるのが好ましい。更に、2段構成の機能を高める場合には、図11に示すように、2つの流体素子215−1,215−2の連絡流路214−1,214−2の流線がオフセットされるように設けられるのが効果的である。2つの流体素子215−1,215−2の連絡流路214−1,214−2の流線がずれていると、逆流の抑制効果が増加する。   As shown in FIG. 10, when the fluid element 215 has a two-stage configuration via the small chamber 220, the communication channel 214-1 of the fluid element 215-1 on the hollow portion 212 side is relatively small, It is preferable that the communication channel 214-2 of the fluid element 215-2 on the working space side is configured to be relatively large. Further, when enhancing the function of the two-stage configuration, as shown in FIG. 11, the flow lines of the communication flow paths 214-1 and 214-2 of the two fluid elements 215-1 and 215-2 are offset. It is effective to be provided in. If the flow lines of the communication channels 214-1 and 214-2 of the two fluid elements 215-1 and 215-2 are deviated, the effect of suppressing the backflow increases.

(第1実施形態の第2変形例)
次に、図12を参照して、第1実施形態の第2変形例について説明する。
(Second modification of the first embodiment)
Next, a second modification of the first embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態では、静圧浮上機構が高温側シリンダ22側に設けられていてもよい。図12において、符号201は、高温側シリンダ22に設けられた蓄圧室であり、符号202は、連絡流路であり、符号203は、浮上用静圧供給孔(給気孔)である。   In the present embodiment, the static pressure levitation mechanism may be provided on the high temperature side cylinder 22 side. In FIG. 12, reference numeral 201 denotes a pressure accumulating chamber provided in the high temperature side cylinder 22, reference numeral 202 denotes a communication flow path, and reference numeral 203 denotes a floating static pressure supply hole (air supply hole).

連絡流路202は、ピストン21の上死点位置よりも上方に設けられており、高温側シリンダ22の作動空間と蓄圧室201とを連通する。連絡流路202は、順流時に比べて逆流時には著しく流路抵抗が大きく、可動部の無い流体素子204によって構成されている。即ち、流体素子204は、連絡流路202を通る作動流体の流れの向きが、順流(作動空間側から蓄圧室201に向かう流れ)のときには、流路抵抗が相対的に小さく、反対に、逆流(蓄圧室201から作動空間側に向かう方向)のときには、順流時に比べて、流路抵抗が著しく大きくなるような形状に構成されている。   The communication flow path 202 is provided above the top dead center position of the piston 21, and communicates the working space of the high temperature side cylinder 22 and the pressure accumulation chamber 201. The communication flow path 202 has a significantly larger flow path resistance at the time of reverse flow than at the time of forward flow, and is constituted by a fluid element 204 having no movable part. That is, the fluid element 204 has a relatively small channel resistance when the flow direction of the working fluid passing through the communication channel 202 is a forward flow (a flow from the working space side toward the pressure accumulating chamber 201). In the case of (in the direction from the pressure accumulating chamber 201 toward the working space), the flow path resistance is configured to be significantly larger than that in the forward flow.

高温側シリンダ22には、周方向に等間隔に複数の給気孔203が設けられている。ピストン21の上昇に伴い、高温側シリンダ22の作動空間の作動流体が圧縮されて、その作動流体の圧力が蓄圧室201の圧力より高くなると、流体素子204の順流側入口部から連絡流路202を介して、作動空間の作動流体の一部が蓄圧室201に導入される。連絡流路202を介して作動流体が蓄圧室201に導入されると、蓄圧室201の作動流体の一部が、給気孔203を介して、ピストン21とシリンダ22との間のクリアランスに噴出する。また、流体素子204によって、ピストン21の動きにより高温側シリンダ22内の作動空間の作動流体の圧力が下がったときに、蓄圧室201内の作動流体が高温側シリンダ22内の作動空間に逆流することが抑制される。   The high temperature side cylinder 22 is provided with a plurality of air supply holes 203 at equal intervals in the circumferential direction. When the working fluid in the working space of the high temperature side cylinder 22 is compressed as the piston 21 rises and the pressure of the working fluid becomes higher than the pressure in the pressure accumulating chamber 201, the communication channel 202 is connected from the forward flow side inlet of the fluid element 204. Then, a part of the working fluid in the working space is introduced into the pressure accumulating chamber 201. When the working fluid is introduced into the pressure accumulating chamber 201 via the communication channel 202, a part of the working fluid in the pressure accumulating chamber 201 is ejected to the clearance between the piston 21 and the cylinder 22 via the air supply hole 203. . Further, when the pressure of the working fluid in the working space in the high temperature side cylinder 22 is lowered by the movement of the piston 21 by the fluid element 204, the working fluid in the pressure accumulating chamber 201 flows back to the working space in the high temperature side cylinder 22. It is suppressed.

(第2実施形態)
次に、図13から図18を参照して、第2実施形態について説明する。
第2実施形態において、上記実施形態と共通する部分についての重複する説明は省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
In the second embodiment, overlapping description of parts common to the above embodiment is omitted.

図13及び図14において、符号301は、高温側シリンダ22内の作動空間であり、符号22gは、高温側シリンダ22の拡径部であり、符号314はピストン21に設けられた連通孔(連絡流路)である。   13 and 14, reference numeral 301 is a working space in the high temperature side cylinder 22, reference numeral 22 g is an enlarged diameter portion of the high temperature side cylinder 22, and reference numeral 314 is a communication hole (communication) provided in the piston 21. Channel).

上記第1実施形態と同様に、ピストン21のピストン本体211において、高温側シリンダ22と摺動する側周部(摺動部)211aには、周方向に等間隔に複数の給気孔216が設けられている。側周部211aにおいて、給気孔216が設けられた位置よりも上部には、高温側シリンダ22内の作動空間301と中空部212とを連通する連絡流路314が形成されている。   As in the first embodiment, in the piston main body 211 of the piston 21, the side peripheral portion (sliding portion) 211a that slides with the high temperature side cylinder 22 is provided with a plurality of air supply holes 216 at equal intervals in the circumferential direction. It has been. In the side circumferential portion 211a, a communication channel 314 that connects the working space 301 in the high temperature side cylinder 22 and the hollow portion 212 is formed above the position where the air supply hole 216 is provided.

連絡流路314は、ピストン21が上死点近傍にあるときのみ、中空部212と作動空間301が連通し(図14)、それ以外の時には高温側シリンダ22の壁部により閉ざされる位置に設けられている(図13)。連絡流路314は、高温側シリンダ22の内周壁部に近接対峙する、側周部211a上の頂面部211b近傍に設けられた孔である。   The communication channel 314 is provided at a position where the hollow portion 212 and the working space 301 communicate with each other only when the piston 21 is in the vicinity of the top dead center (FIG. 14), and is closed by the wall portion of the high temperature side cylinder 22 otherwise. (FIG. 13). The communication channel 314 is a hole provided in the vicinity of the top surface portion 211 b on the side peripheral portion 211 a that faces and opposes the inner peripheral wall portion of the high temperature side cylinder 22.

高温側シリンダ22の内周壁部の上部(作動空間301を形成する部分)には、それ以外の部分に比べて拡径された拡径部22gが設けられている。連絡流路314は、ピストン21が上死点近傍にあるときのみ、拡径部22gの高さに位置して、中空部212と作動空間301とを連通させ(図14)、それ以外の時には、高温側シリンダ22の拡径部22g以外の壁部により閉ざされる(図13)。   An upper portion of the inner peripheral wall portion of the high temperature side cylinder 22 (portion that forms the working space 301) is provided with a diameter-expanded portion 22g that is larger in diameter than other portions. The communication channel 314 is positioned at the height of the enlarged diameter portion 22g only when the piston 21 is near the top dead center, and communicates the hollow portion 212 and the working space 301 (FIG. 14). The high temperature side cylinder 22 is closed by a wall portion other than the enlarged diameter portion 22g (FIG. 13).

即ち、図13に示す状態では、ピストン21の動きにより高温側シリンダ22内の作動空間301の作動流体の圧力が下がるが、連絡流路314と高温側シリンダ22の内周壁部との間のクリアランスは、給気孔216と高温側シリンダ22の内周壁部との間のクリアランスと同様に小さく、中空部212内の圧力が外部に流出し難い。   That is, in the state shown in FIG. 13, the pressure of the working fluid in the working space 301 in the high temperature side cylinder 22 decreases due to the movement of the piston 21, but the clearance between the communication channel 314 and the inner peripheral wall portion of the high temperature side cylinder 22. Is as small as the clearance between the air supply hole 216 and the inner peripheral wall portion of the high temperature side cylinder 22, and the pressure in the hollow portion 212 hardly flows out to the outside.

図14に示すように、ピストン21の上昇に伴い、高温側シリンダ22の作動空間301の作動流体が圧縮されるとともに、ピストン21に設けられた連絡流路314が拡径部22gの高さに達して、高温側シリンダ22の内周壁部との間のクリアランスが広がり、作動空間301と連通すると、連絡流路314を介して、作動空間301の作動流体の一部が中空部212に導入される。連絡流路314を介して作動流体が中空部212に導入されると、中空部212の作動流体の一部が、給気孔216を介して、ピストン21とシリンダ22との間のクリアランスに噴出する。   As shown in FIG. 14, as the piston 21 rises, the working fluid in the working space 301 of the high temperature side cylinder 22 is compressed, and the communication flow path 314 provided in the piston 21 reaches the height of the enlarged diameter portion 22g. When the clearance between the inner peripheral wall portion of the high temperature side cylinder 22 reaches the working space 301 and reaches the working space 301, a part of the working fluid in the working space 301 is introduced into the hollow portion 212 via the communication channel 314. The When the working fluid is introduced into the hollow portion 212 via the communication channel 314, a part of the working fluid in the hollow portion 212 is ejected to the clearance between the piston 21 and the cylinder 22 via the air supply hole 216. .

上記のように、連絡流路314は、ピストン本体211の側周部211aにおいて所定の高さ位置に対応する第1部分に設けられ、作動空間301で圧縮された作動流体を蓄圧室212に導入するために用いられる。給気孔216は、ピストン本体211の側周部211aにおいて前記所定の高さ位置よりも下方位置に対応する第2部分に設けられ、蓄圧室212から、ピストン本体211と高温側シリンダ22との間のクリアランス部に貫通している。   As described above, the communication channel 314 is provided in the first portion corresponding to the predetermined height position in the side peripheral portion 211 a of the piston main body 211, and introduces the working fluid compressed in the working space 301 into the pressure accumulating chamber 212. Used to do. The air supply hole 216 is provided in a second portion corresponding to a position below the predetermined height position in the side peripheral portion 211 a of the piston main body 211, and from the pressure accumulation chamber 212 to between the piston main body 211 and the high temperature side cylinder 22. It penetrates the clearance part.

ピストン21が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、ピストン本体211の側周部211aにおける前記第1部分と、高温側シリンダ22との間のクリアランス部の大きさは、ピストン21が上死点にあるときの方が、ピストン21が下死点にあるときに比べて、大きくなるように構成されている。   In comparison between when the piston 21 is at the top dead center and when it is at the bottom dead center, the size of the clearance portion between the first portion in the side peripheral portion 211a of the piston main body 211 and the high temperature side cylinder 22 is as follows. The piston 21 is configured to be larger when the piston 21 is at the top dead center than when the piston 21 is at the bottom dead center.

ピストン21が上死点にあるときと下死点にあるときとの比較において、ピストン本体211の側周部211aにおける前記第2部分と、高温側シリンダ22との間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成されている。ピストン本体211の側周部211aにおける前記第1部分と前記第2部分との比較において、ピストン21が下死点にあるときの、高温側シリンダ22との間のクリアランス部の大きさは、概ね同じとなるように構成されている。   In comparison between when the piston 21 is at the top dead center and when it is at the bottom dead center, the size of the clearance portion between the second portion in the side peripheral portion 211a of the piston main body 211 and the high temperature side cylinder 22 is as follows. Are configured to be substantially the same. In comparison between the first portion and the second portion in the side peripheral portion 211a of the piston body 211, the size of the clearance portion between the piston 21 and the high temperature side cylinder 22 when the piston 21 is at the bottom dead center is approximately It is configured to be the same.

ピストン21が下死点にあるときにピストン本体211の側周部211aにおける前記第1部分が対向する高温側シリンダ22の内周壁部の径よりも、ピストン21が上死点にあるときにピストン本体211の側周部211aにおける前記第1部分が対向する高温側シリンダ22の内周壁部22gの径の方が大きくなるように構成されている。   When the piston 21 is at the top dead center, the piston 21 is at the top dead center, rather than the diameter of the inner peripheral wall portion of the high temperature side cylinder 22 that the first portion of the side peripheral portion 211a of the piston body 211 faces when the piston 21 is at the bottom dead center. The diameter of the inner peripheral wall portion 22g of the high temperature side cylinder 22 facing the first portion in the side peripheral portion 211a of the main body 211 is configured to be larger.

図4に示すように、各ピストン21、31の上死点と圧縮工程時の筒内圧の最大値(最大圧縮圧力)Pmaxの点とは、約45°(クランク角)の位相ずれがあるため、中空部212に高圧を確保するため、及び中空部212と作動空間301の間の作動流体の出入りによる効率の悪化を防ぐために、各ピストン21、31の上死点の近傍45°(上死点の前後の45°、即ち、90°の幅)以内で連絡流路314が開(図14の状態)となるように設定する。   As shown in FIG. 4, there is a phase shift of about 45 ° (crank angle) between the top dead center of each piston 21 and 31 and the point of the maximum value (maximum compression pressure) Pmax of the in-cylinder pressure during the compression process. In order to secure a high pressure in the hollow portion 212 and to prevent deterioration in efficiency due to the entry and exit of the working fluid between the hollow portion 212 and the working space 301, 45 ° (top dead center) near the top dead center of each piston 21, 31. The connecting flow path 314 is set to be open (state shown in FIG. 14) within 45 ° before and after the point, that is, a width of 90 °.

上記のように、ピストン本体211の側周部211aにおける前記第1部分と、高温側シリンダ22との間のクリアランス部の大きさは、ピストン21が上死点の前後45°以内の範囲にあるときの方が、ピストン21が前記範囲以外にあるときに比べて、大きくなるように構成されている。   As described above, the size of the clearance portion between the first portion of the side peripheral portion 211a of the piston main body 211 and the high temperature side cylinder 22 is within a range of 45 ° before and after the top dead center of the piston 21. The time is configured to be larger than when the piston 21 is outside the range.

第2実施形態においても、連通孔314は、チェック弁(逆止弁)の弁体のような可動部を有していないため、信頼性、寿命の確保が容易であり、また、設計上、構造上の制約となることが抑制される。   Also in the second embodiment, the communication hole 314 does not have a movable part like the valve body of the check valve (check valve), so it is easy to ensure reliability and life. It is suppressed that it becomes a structural restriction.

(第2実施形態の第1変形例)
図15及び図16を参照して、第2実施形態の第1変形例について説明する。
(First Modification of Second Embodiment)
A first modification of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 15 and 16.

図15及び図16に示すように、連絡流路315は、上記第1実施形態と同様に、順流時に比べて逆流時には著しく流路抵抗が大きく、可動部の無い流体素子316によって構成されている。即ち、流体素子316は、連絡流路315を通る作動流体の流れの向きが順流時には、流路抵抗が相対的に小さく、逆流時には、順流時に比べて、流路抵抗が著しく大きくなるような形状に構成されている。   As shown in FIGS. 15 and 16, the communication flow path 315 is configured by a fluid element 316 having a remarkably large flow path resistance at the time of backflow and no moving part, as in the first embodiment. . That is, the fluid element 316 has a shape in which the flow resistance is relatively small when the direction of the flow of the working fluid passing through the communication flow path 315 is forward, and the flow resistance is remarkably large at the time of reverse flow compared to the forward flow. It is configured.

本変形例によれば、中空部212と作動空間310の間の作動流体の出入りによる効率の悪化を防ぐ作用が向上する。   According to this modification, the effect | action which prevents the deterioration of the efficiency by the entrance / exit of the working fluid between the hollow part 212 and the working space 310 improves.

(第2実施形態の第2変形例)
図17及び図18を参照して、第2実施形態の第2変形例について説明する。
(Second Modification of Second Embodiment)
A second modification of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 17 and 18.

図17及び図18に示すように、第2変形例の流体素子317、318では、上記第1変形例の流体素子316と異なり、作動空間301の作動流体の一部が連絡流路315を介して中空部212に流入する際の入口を形成する面のうち上面317a、318aが扁平状に形成されている。これにより、ピストン21の上昇に伴い、流体素子317、318の入口の上面317a、318aの全体が同時に拡径部22gの高さに達して、作動空間310と連通するため、連絡流路315が作動空間301と連通している期間(開期間)の精度が向上する。   As shown in FIGS. 17 and 18, in the fluid elements 317 and 318 of the second modified example, unlike the fluid element 316 of the first modified example, a part of the working fluid in the working space 301 passes through the communication channel 315. The upper surfaces 317a and 318a of the surface forming the inlet when flowing into the hollow portion 212 are formed flat. Thereby, as the piston 21 rises, the entire upper surfaces 317a and 318a of the inlets of the fluid elements 317 and 318 reach the height of the enlarged diameter portion 22g at the same time and communicate with the working space 310. The accuracy of the period (open period) communicating with the working space 301 is improved.

(第3実施形態)
次に、図19から図23を参照して、第3実施形態について説明する。
第3実施形態において、上記実施形態と共通する部分についての説明は省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS.
In the third embodiment, descriptions of parts common to the above embodiment are omitted.

上記第1実施形態のように作動機構(可動部)の無い流体素子を用いると、信頼性、寿命の確保が容易となるが、起動時に中空部の蓄圧値の上昇が遅く、気体軸受により、ピストン21(図1)が十分な浮上力を得られない時間が長くなる。このため、耐摩耗性確保のため、ピストン・シリンダ表面に特殊な硬化処理が必要となる。以下に、起動時に中空部の蓄圧値の上昇が遅くなる理由について説明する。   When a fluid element without an operating mechanism (movable part) is used as in the first embodiment, it is easy to ensure reliability and life, but the rise of the accumulated pressure value of the hollow part is slow at start-up, and the gas bearing The time during which the piston 21 (FIG. 1) cannot obtain sufficient levitation force becomes longer. For this reason, a special hardening process is required on the piston / cylinder surface in order to ensure wear resistance. Hereinafter, the reason why the increase in the accumulated pressure value of the hollow portion is delayed at the time of activation will be described.

上記のように、流れの方向(順流、逆流)によって流路抵抗が大幅に変化する流体素子を使用すると、単位時間当たりの導入流量を小さく設計する必要がある。これは、流速を高くとりながら作動空間と蓄圧空間の呼吸(入出量)を小さくするためである。このことから、起動時の蓄圧値の立ち上げに数10サイクルが必要となる。   As described above, when a fluid element whose flow path resistance varies greatly depending on the flow direction (forward flow, reverse flow), it is necessary to design the introduction flow rate per unit time to be small. This is to reduce the respiration (in / out amount) of the working space and the pressure accumulation space while increasing the flow velocity. For this reason, several tens of cycles are required to start up the pressure accumulation value at the time of startup.

そこで、第3実施形態では、図19に示すように、ピストン21の中空部(蓄圧室)212への圧力導入装置として、流体素子215とチェック弁401を並用する。ピストン21の頂面部211bには、高温側シリンダ22内の作動空間と中空部212とを連通する第1及び第2の連絡流路214,414が形成されている。第1連絡流路214は、順流時には流路抵抗が相対的に小さく、逆流時には順流時に比べて流路抵抗が著しく大きくなるような流体素子215によって構成されている。また、中空部212において、第2連絡流路414に臨む位置には、チェック弁401が設けられている。   Therefore, in the third embodiment, as shown in FIG. 19, a fluid element 215 and a check valve 401 are used in parallel as a pressure introducing device to the hollow portion (accumulation chamber) 212 of the piston 21. Formed on the top surface portion 211 b of the piston 21 are first and second communication channels 214 and 414 that communicate the working space in the high temperature side cylinder 22 with the hollow portion 212. The first communication channel 214 is configured by a fluid element 215 that has a relatively small channel resistance at the time of forward flow and has a significantly larger channel resistance at the time of reverse flow than at the time of forward flow. Further, a check valve 401 is provided at a position facing the second communication channel 414 in the hollow portion 212.

チェック弁401は、弁体(可動部)402と、弁座403と、弁体402を弁座403に押し付けるばね404とを備えている。チェック弁401は、起動時のみ作動(弁が開放)し、通常の運転状態(常用運転域)に入ると、弁体402が停止して(閉じて)、チェック弁としての機能が働かず、常時、第2連絡流路414を閉鎖する。   The check valve 401 includes a valve body (movable part) 402, a valve seat 403, and a spring 404 that presses the valve body 402 against the valve seat 403. The check valve 401 operates only at the time of activation (the valve is opened). When the normal operation state (normal operation range) is entered, the valve body 402 stops (closes), and the function as the check valve does not work. The second communication channel 414 is always closed.

図20において、符号501は、高温側シリンダ22の作動空間の圧力を示しており、符号502は、起動直後のPFの動きを示している。図20及び図21に示すように、作動空間の圧力501の平均値(平均圧)Pmeanに対する増圧側圧力振幅をP+P、流体素子215による飽和蓄圧値PFとするとき、チェック弁401の開弁圧設定値Pcが、下記のように設計されることにより、チェック弁401は、上記機能を奏する。
Pc<P+P、かつ、
Pc>(P+P+PF)、又は、(Pc+PF)>P+P
In FIG. 20, reference numeral 501 indicates the pressure in the working space of the high temperature side cylinder 22, and reference numeral 502 indicates the movement of the PF immediately after activation. As shown in FIGS. 20 and 21, when the pressure increase pressure amplitude with respect to the average value (average pressure) Pmean of the working space pressure 501 is P + P and the saturated pressure accumulation value PF by the fluid element 215 is opened, the check valve 401 is opened. When the valve pressure set value Pc is designed as follows, the check valve 401 exhibits the above function.
Pc <P + P and
Pc> (P + P + PF) or (Pc + PF)> P + P

起動時、PFが小さな時には、P+Pは、チェック弁401の開弁圧設定値Pcに打ち勝ってチェック弁401が開となり、中空部212は、第2連絡流路414から圧力を導入する。PFが高くなる(起動後中空部212の蓄圧値が上昇する)と、チェック弁401が開弁しなくなり、チェック弁401の弁体402は弁座403に固定され、動かなくなる。 At startup, when PF is small, P + P overcomes the valve opening pressure setting value Pc of the check valve 401 to open the check valve 401, and the hollow portion 212 introduces pressure from the second communication channel 414. When the PF increases (the accumulated pressure value of the hollow portion 212 increases after activation), the check valve 401 does not open, and the valve body 402 of the check valve 401 is fixed to the valve seat 403 and does not move.

チェック弁401の開弁圧設定値Pcは、図22に示すように、ばね404の力とシート面積に基づいて設計される。また、図23に示すように、リード弁430では、リード431に対して上記開弁圧設定値Pcに対応する残留応力を与える(シート状態のときに)ことによっても達成される。図23において、符号432は、弁ガイドである。   The valve opening pressure setting value Pc of the check valve 401 is designed based on the force of the spring 404 and the seat area, as shown in FIG. As shown in FIG. 23, the reed valve 430 is also achieved by applying a residual stress corresponding to the valve opening pressure setting value Pc to the reed 431 (in the seat state). In FIG. 23, reference numeral 432 is a valve guide.

第3実施形態によれば、起動時(起動直後を含む)にチェック弁401,430を介して、中空部212の蓄圧値を比較的早期に立ち上げることができる。また、起動時に中空部212の蓄圧値を所定値まで立ち上げた後は、チェック弁401,430の可動部402,431は停止した(閉じた)ままとなるため、上記第1実施形態において述べたように、作動の確実性、信頼性、耐久性が問題となることは抑制される。   According to the third embodiment, the accumulated pressure value of the hollow portion 212 can be raised relatively early via the check valves 401 and 430 at the time of activation (including immediately after activation). In addition, since the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430 remain stopped (closed) after the pressure accumulation value of the hollow part 212 is raised to a predetermined value at the time of activation, it is described in the first embodiment. As described above, the problem of reliability, reliability, and durability of operation is suppressed.

(第3実施形態の第1変形例)
図22から図24を参照して、上記第3実施形態の第1変形例について説明する。
(First Modification of Third Embodiment)
A first modification of the third embodiment will be described with reference to FIGS.

図22または図23のように、チェック弁401,430の可動部402,431の移動方向がピストン21の上下(加速度)方向と一致するようにチェック弁401,430を配置し、弁可動部402,431に作用する加速度を考慮すれば、上記第3実施形態に比べて、更に特性に良いピストン装置が得られる。   As shown in FIG. 22 or FIG. 23, the check valves 401 and 430 are arranged so that the moving direction of the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430 coincides with the vertical (acceleration) direction of the piston 21. , 431, the piston device with better characteristics can be obtained as compared with the third embodiment.

図24において、符号503は、チェック弁401,430の可動部402,431に作用する上向き(弁を閉じる方向)の最大加速度(ピストン21の上死点)による開弁圧上昇分を示している。同図に示すように、可動部402,431に作用する上向きの最大加速度による開弁圧上昇分503は、スターリングエンジン10の回転数[rpm]に応じて上昇することが示されている。   In FIG. 24, reference numeral 503 indicates the amount of increase in the valve opening pressure due to the maximum upward acceleration (the top dead center of the piston 21) acting on the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430. . As shown in the figure, it is shown that the valve opening pressure increase 503 due to the maximum upward acceleration acting on the movable parts 402 and 431 increases in accordance with the rotational speed [rpm] of the Stirling engine 10.

これに対して、符号504は、チェック弁401,430の可動部402,431に作用する下向き(弁を開ける方向)の最大加速度(ピストン21の下死点)による閉弁圧上昇分を示している。同図に示すように、可動部402,431に作用する下向きの最大加速度による閉弁圧上昇分504は、スターリングエンジン10の回転数に応じて上昇することが示されている。   On the other hand, reference numeral 504 indicates an increase in valve closing pressure due to the maximum downward acceleration (bottom dead center of the piston 21) acting on the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430. Yes. As shown in the figure, it is shown that the valve closing pressure increase 504 due to the maximum downward acceleration acting on the movable parts 402 and 431 increases according to the rotational speed of the Stirling engine 10.

図24に示すように、常用運転域よりも低い設定された回転数N1における、チェック弁401,430の可動部402,431に作用する上向きの最大加速度による開弁圧上昇分をPAとすると、チェック弁401,430の可動部402,431の開弁圧Pc’は、以下の通りとする。
Pc’≦(P+P−PA)、かつ、
Pc’+PA<(P+P−PF)、又は、Pc’>(P+P−PF−PA)
As shown in FIG. 24, when the valve opening pressure increase due to the maximum upward acceleration acting on the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430 at the rotation speed N1 set lower than the normal operation range is PA, The valve opening pressure Pc ′ of the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430 is as follows.
Pc ′ ≦ (P + P− PA), and
Pc ′ + PA <(P + P− PF) or Pc ′> (P + P− PF−PA)

上記を満足するように、本変形例によれば、チェック弁401,430の可動部402,431の開弁圧Pc’は、上記第3実施形態の上記開弁圧設定値Pcに比べて、PAの分だけ、小さく設計することができ(例えばチェック弁401では、ばね404の力を弱く設計でき)、起動初期にチェック弁401,430が開き易くすることで、起動初期により少ないサイクル数で中空部212の蓄圧値を立ち上げることができる。   In order to satisfy the above, according to this modification, the valve opening pressure Pc ′ of the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430 is compared with the valve opening pressure setting value Pc of the third embodiment. It can be designed to be smaller by the amount of PA (for example, the check valve 401 can be designed to weaken the force of the spring 404). The pressure accumulation value of the hollow portion 212 can be raised.

本変形例では、スターリングエンジン10の回転数の上昇に応じて、可動部402,431に作用する上向きの最大加速度による開弁圧上昇分503が上昇し、チェック弁401,430が開き難くなることを利用して、チェック弁401,430の可動部402,431の開弁圧Pc’を小さく設計することができる。これにより、スターリングエンジン10の回転数が低いとき(起動初期)には、チェック弁401,430が開き易くすることができ、より少ないサイクル数で中空部212の蓄圧値を立ち上げることができる。   In this modification, as the rotational speed of the Stirling engine 10 increases, the valve opening pressure increase 503 due to the maximum upward acceleration acting on the movable parts 402 and 431 increases, and the check valves 401 and 430 are difficult to open. , The valve opening pressure Pc ′ of the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430 can be designed to be small. Thereby, when the rotation speed of the Stirling engine 10 is low (starting up), the check valves 401 and 430 can be easily opened, and the pressure accumulation value of the hollow portion 212 can be raised with a smaller number of cycles.

なお、ピストン21が下死点では、可動部402,431に下向きの最大加速度による閉弁圧上昇分が作用するが、このとき、高温側シリンダ22の作動空間は、中空部212の蓄圧室よりも低い圧力であるので、チェック弁401,430の可動部402,431の開弁圧Pc’を小さく設計しても、チェック弁401,430は開き難い。スターリングエンジン10の回転数が上昇して、可動部402,431に作用する下向きの最大加速度による閉弁圧上昇分504が上昇しても、閉弁圧上昇分504が(Pc’+PF−P-P)を上回らなければ、チェック弁401,430は開かない。図24の例では、回転数が3000回転までは、閉弁圧上昇分504が、符号505で示す(Pc’+PF−P-P)を、上回っていないため、チェック弁401,430は開かないことが示されている。 When the piston 21 is at the bottom dead center, the valve closing pressure increase due to the maximum downward acceleration acts on the movable parts 402 and 431. At this time, the working space of the high temperature side cylinder 22 is greater than the pressure accumulating chamber of the hollow part 212. Therefore, even if the valve opening pressure Pc ′ of the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430 is designed to be small, the check valves 401 and 430 are difficult to open. Even if the rotational speed of the Stirling engine 10 is increased and the valve closing pressure increase 504 due to the maximum downward acceleration acting on the movable parts 402 and 431 is increased, the valve closing pressure increase 504 is (Pc ′ + PF−P −). If P ) is not exceeded, the check valves 401 and 430 are not opened. In the example of FIG. 24, the check valve 401, 430 is not opened because the valve closing pressure increase 504 does not exceed (Pc ′ + PF−P −P ) indicated by reference numeral 505 until the rotational speed reaches 3000. It has been shown.

本変形例では、上記に鑑みて、実用運転域の所定回転数にて、閉弁圧上昇分504が、(Pc’+PF−P-P)505を上回らないように設計する。または、チェック弁401,430の可動部402,431の質量を小さくして回転数に応じて上昇する閉弁圧上昇分504の傾きを小さくすることで、実用運転域の所定回転数にて、閉弁圧上昇分504が、(Pc’+PF−P-P)505を上回らないように設計する。 In this modification, in view of the above, the design is made such that the valve closing pressure increase 504 does not exceed (Pc ′ + PF−P −P ) 505 at a predetermined rotation speed in the practical operation range. Alternatively, by reducing the mass of the movable portions 402 and 431 of the check valves 401 and 430 and reducing the inclination of the valve closing pressure increase 504 that increases according to the rotation speed, at a predetermined rotation speed in the practical operation range, It is designed so that the valve closing pressure increase 504 does not exceed (Pc ′ + PF−P −P ) 505.

なお、回転数が上昇しても、又は、チェック弁401,430の可動部402,431の質量が大きい場合であっても、可動部402,431に対する、下向きの最大加速度による閉弁圧上昇分504の影響が及ばないようにして、ピストン21の下死点においてチェック弁401,430の開きを確実に抑制するためには、図22に示すように、チェック弁の可動部の移動方向がピストン21の上下(加速度)方向と一致しないように構成すればよい。   Even if the rotational speed increases or the mass of the movable parts 402 and 431 of the check valves 401 and 430 is large, the valve closing pressure increase due to the downward maximum acceleration with respect to the movable parts 402 and 431 In order to suppress the opening of the check valves 401 and 430 at the bottom dead center of the piston 21 without affecting the effect of the reference numeral 504, as shown in FIG. What is necessary is just to comprise so that it may not correspond with the up-down (acceleration) direction of 21.

(第3実施形態の第2変形例)
図25から図28を参照して、上記第3実施形態の第2変形例について説明する。
(Second Modification of Third Embodiment)
A second modification of the third embodiment will be described with reference to FIGS.

図25及び図26に示すチェック弁440,450と、高温側シリンダ22の作動空間との間には、それぞれ小室(バッファ)610,620が設けられている。小室610,620は、それぞれオリフィス611,621を介して作動空間と連通している。図25において、符号441はチェック弁440のばねであり、符号442は蓄圧室への連通孔であり、符号443は作動流体の導入孔である。図26において、符号451及び452は、それぞれ、チェック弁450の弁体、ばねである。   Small chambers (buffers) 610 and 620 are provided between the check valves 440 and 450 shown in FIGS. 25 and 26 and the working space of the high temperature side cylinder 22, respectively. The small chambers 610 and 620 communicate with the working space via orifices 611 and 621, respectively. In FIG. 25, reference numeral 441 is a spring of the check valve 440, reference numeral 442 is a communication hole to the pressure accumulating chamber, and reference numeral 443 is an introduction hole for the working fluid. In FIG. 26, reference numerals 451 and 452 denote a valve body and a spring of the check valve 450, respectively.

図27は、作動空間の圧力501の変動の周期が時間の経過とともに短くなる(スターリングエンジン10の回転数が上がる)ことを示している。図28において、符号509は、小室610,620の圧力を示している。   FIG. 27 shows that the cycle of fluctuation of the pressure 501 in the working space is shortened with time (the rotational speed of the Stirling engine 10 is increased). In FIG. 28, reference numeral 509 indicates the pressure in the small chambers 610 and 620.

図27に示すように、起動後、回転数が上昇し、作動空間の圧力変動の周期が短くなると、図28に示すように、その作動空間の圧力変動に対応した小室610,620内の圧力振幅が小さくなり、高圧側のピーク圧がチェック弁440,450の開弁圧設定値Pc
よりも低くなる。これにより、チェック弁440,450は閉じた状態に固定される。
As shown in FIG. 27, when the number of revolutions increases after the start-up and the pressure fluctuation period in the working space becomes shorter, the pressure in the small chambers 610 and 620 corresponding to the pressure fluctuation in the working space as shown in FIG. The amplitude is reduced, and the peak pressure on the high pressure side is the valve opening pressure set value Pc of the check valves 440 and 450.
Lower than. Thereby, the check valves 440 and 450 are fixed in a closed state.

本変形例では、チェック弁440,450と作動空間との間に、作動空間とオリフィス611,621で連通された小室610,620を設けることで、スターリングエンジン10の回転数の上昇(作動空間の圧力変動の周期が小さくなること)に応じて、チェック弁440,450が開き難くなることを利用して、チェック弁440,450の開弁圧Pcを小さく設計することができる。これにより、スターリングエンジン10の回転数が低いとき(起動初期)には、チェック弁440,450を開き易くすることができ、より少ないサイクル数で中空部212の蓄圧値を立ち上げることができる。   In this modification, by providing the small chambers 610 and 620 communicated with the working space by the orifices 611 and 621 between the check valves 440 and 450 and the working space, the rotational speed of the Stirling engine 10 is increased (the working space is reduced). The valve opening pressure Pc of the check valves 440 and 450 can be designed to be small by utilizing the fact that the check valves 440 and 450 are difficult to open in accordance with the pressure fluctuation period becoming smaller. Thereby, when the rotation speed of the Stirling engine 10 is low (starting up), the check valves 440 and 450 can be easily opened, and the pressure accumulation value of the hollow portion 212 can be raised with a smaller number of cycles.

本変形例は、チェック弁440,450と作動空間との間に、作動空間とオリフィス611,621で連通された小室610,620を設けることで、上記第3実施形態で述べた開弁圧設定値Pcについての条件を満たさない場合であっても、起動時のみチェック弁を作動させ、常用運転域ではチェック弁を閉じるという機能を奏することが可能である。
なお、本変形例は、上記第3実施形態又は上記第3実施形態の第1変形例と組み合わせることができる。
In this modification, valve opening pressure setting described in the third embodiment is provided by providing small chambers 610 and 620 communicated with the working space by the orifices 611 and 621 between the check valves 440 and 450 and the working space. Even if the condition for the value Pc is not satisfied, it is possible to perform the function of operating the check valve only at the time of startup and closing the check valve in the normal operation range.
This modification can be combined with the third embodiment or the first modification of the third embodiment.

本発明のピストン装置の第1実施形態を示す正断面図である。It is a front sectional view showing a first embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第1実施形態の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the important section of a first embodiment of the piston device of the present invention. 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。1 is a front view showing a first embodiment of a Stirling engine of the present invention. 本発明のスターリングエンジンの第1実施形態の筒内圧を説明するグラフである。It is a graph explaining the cylinder pressure of 1st Embodiment of the Stirling engine of this invention. 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、適用される直線近似機構を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the linear approximation mechanism applied in 1st Embodiment of the Stirling engine of this invention. 本発明のピストン装置の第1実施形態の他の例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the important section of another example of the first embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第1実施形態の更に他の例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing an important part of still another example of the first embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第1実施形態の更に他の例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing an important part of still another example of the first embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第1実施形態の第1変形例を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the first modification of the first embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第1実施形態の第1変形例の他の例を示す正断面図である。It is a front sectional view showing another example of the first modification of the first embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第1実施形態の第1変形例の更に他の例を示す正断面図である。It is a front sectional view showing still another example of the first modification of the first embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のスターリングエンジンの第1実施形態の第2変形例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing a main part of a second modification of the first embodiment of the Stirling engine of the present invention. 本発明のピストン装置の第2実施形態の一の動作状態を示す正断面図である。It is a front sectional view showing one operation state of a second embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第2実施形態の他の動作状態を示す正断面図である。It is a front sectional view showing another operation state of the second embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第2実施形態の第1変形例を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the first modification of the second embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第2実施形態の第1変形例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the important section of the first modification of the second embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第2実施形態の第2変形例の要部を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principal part of the 2nd modification of 2nd Embodiment of the piston apparatus of this invention. 本発明のピストン装置の第2実施形態の第2変形例の要部を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principal part of the 2nd modification of 2nd Embodiment of the piston apparatus of this invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態を示す正断面図である。It is a front sectional view showing a third embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態において作動空間の圧力と流体素子による飽和蓄圧値を示すグラフ図である。It is a graph which shows the pressure of working space, and the saturation pressure accumulation value by a fluid element in 3rd Embodiment of the piston apparatus of this invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態においてチェック弁の開弁圧設定値を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the valve opening pressure setting value of a check valve in 3rd Embodiment of the piston apparatus of this invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態の第1変形例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the important section of the first modification of the third embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態の第1変形例の他の例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the important section of another example of the first modification of the third embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態の第1変形例においてチェック弁の開弁圧設定値を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the valve opening pressure setting value of a check valve in the 1st modification of 3rd Embodiment of the piston apparatus of this invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態の第2変形例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the important section of the second modification of the third embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態の第2変形例の他の例の要部を示す正断面図である。It is a front sectional view showing the important section of another example of the second modification of the third embodiment of the piston device of the present invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態の第2変形例において作動空間の圧力の変動の周期を示すグラフ図である。It is a graph which shows the cycle of the fluctuation | variation of the pressure of a working space in the 2nd modification of 3rd Embodiment of the piston apparatus of this invention. 本発明のピストン装置の第3実施形態の第2変形例において小室の圧力変動を示すグラフ図である。It is a graph which shows the pressure fluctuation of a small chamber in the 2nd modification of 3rd Embodiment of the piston apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
211 ピストン本体
211a 側周部
211b 頂面部
212 中空部(蓄圧室)
214 連絡流路
215 流体素子
216 給気孔
22 高温側シリンダ
22b 高温側シリンダの頂部
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
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
48 空気軸受
50 近似直線機構
60 ピストンピン
100 排気管
Pmax 筒内圧の最大値
W 筒内圧(合成波形)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Stirling engine 20 High temperature side power piston 21 Expansion piston 211 Piston main body 211a Side circumference part 211b Top surface part 212 Hollow part (pressure accumulation chamber)
214 Communication channel 215 Fluid element 216 Air supply hole 22 High temperature side cylinder 22b Top portion of high temperature side cylinder 30 Low temperature side power piston 31 Compression piston 32 Low temperature side cylinder 45 Cooler 46 Regenerator 46a Regenerator upper surface 46b Regenerator lower surface 47 Heating Device 47a First end portion 47b Second end portion 48 Air bearing 50 Approximate linear mechanism 60 Piston pin 100 Exhaust pipe Pmax Maximum value of in-cylinder pressure W In-cylinder pressure (composite waveform)

Claims (6)

外燃機関に適用され、
ピストン本体と、
前記ピストン本体の内部に形成された蓄圧室と、
前記外燃機関の作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための導入部と、
前記ピストン本体の側周部に設けられ、前記蓄圧室から、前記ピストン本体と前記外燃機関のシリンダとの間のクリアランス部に貫通する孔とを備え、
前記導入部は、前記作動媒体の前記蓄圧室への導入方向及び前記導入方向の反対方向のいずれの方向にも流通可能に設けられ、前記導入部において前記反対方向の流路抵抗は、前記導入方向の流路方向に比べて大きくなるように構成されているとともに、前記導入部の前記反対方向における入口側には、前記蓄圧室の方に突出する突起部が設けられ、さらに、前記導入部における前記導入方向と前記反対方向の流路抵抗の相違は、弁体のような可動部の作動による前記導入部の流路の開閉動作に基づくものではなく、前記導入部の形状に基づくものである
ことを特徴とするピストン装置。
Applied to external combustion engines,
A piston body;
A pressure accumulating chamber formed inside the piston body;
An introduction portion for introducing the working medium compressed in the working space of the external combustion engine into the pressure accumulating chamber;
A hole provided in a side peripheral portion of the piston body, and penetrating from the pressure accumulating chamber to a clearance portion between the piston body and a cylinder of the external combustion engine;
The introduction part is provided so as to be able to flow in either the direction of introduction of the working medium into the pressure accumulating chamber or the direction opposite to the introduction direction, and the flow path resistance in the opposite direction in the introduction part is And a protrusion projecting toward the pressure accumulating chamber is provided on the inlet side in the opposite direction of the introduction portion, and the introduction portion is further configured to be larger than the direction of the flow path. The difference in flow resistance between the introduction direction and the opposite direction is not based on the opening / closing operation of the flow path of the introduction part by the operation of a movable part such as a valve body, but based on the shape of the introduction part. There is a piston device.
請求項1に記載のピストン装置において、
更に、
前記作動空間で圧縮された作動媒体を前記蓄圧室に導入するための、前記導入部とは異なる流路と、
前記蓄圧室に設けられ、前記流路を弁体のような可動部の作動により開閉する流路開閉手段とを備え、
前記可動部は、前記ピストン装置の起動時に作動し、前記ピストン装置の常用運転域では作動が停止して前記流路を閉状態とするように構成されている
ことを特徴とするピストン装置。
The piston device according to claim 1,
Furthermore,
A flow path different from the introduction section for introducing the working medium compressed in the working space into the pressure accumulating chamber;
A flow path opening / closing means provided in the pressure accumulating chamber and opening and closing the flow path by an operation of a movable part such as a valve body;
The movable device is configured to operate when the piston device is started, and to stop operating in a normal operation range of the piston device to close the flow path.
請求項記載のピストン装置において、
前記作動空間の平均圧に対する増圧側圧力振幅をP+Pとし、前記導入部による前記蓄圧室の飽和蓄圧値をPFとするとき、前記可動部を開動作させるために必要な圧力Pcは、
Pc<P+P、かつ、
Pc>(P+P−PF)
に設定されている
ことを特徴とするピストン装置。
The piston device according to claim 2 ,
When the pressure-increasing pressure amplitude with respect to the average pressure in the working space is P + P and the saturated pressure accumulation value of the pressure accumulating chamber by the introduction portion is PF, the pressure Pc necessary for opening the movable portion is:
Pc <P + P and
Pc> (P + P- PF)
Piston device characterized by being set to.
請求項記載のピストン装置において、
前記流路開閉手段は、前記可動部の作動時の移動方向が前記ピストン本体の上下方向と概ね一致するように配置され、
前記ピストン装置の常用運転域よりも低い設定回転数における前記可動部に作用する上向きの最大加速度による前記可動部を開動作させるために必要な圧力の上昇分をPAとするとき、前記可動部を開動作させるために必要な圧力Pc’は、
(Pc’+PA)<P+P、かつ、
(Pc’+PA)>(P+P−PF)
に設定されている
ことを特徴とするピストン装置。
The piston device according to claim 3 ,
The flow path opening / closing means is arranged so that the moving direction of the movable part when operating is substantially coincident with the vertical direction of the piston body,
When the amount of increase in pressure required to open the movable part due to the maximum upward acceleration acting on the movable part at a set rotational speed lower than the normal operating range of the piston device is PA, the movable part is The pressure Pc ′ required for the opening operation is
(Pc ′ + PA) <P + P and
(Pc ′ + PA)> (P + P −PF)
Piston device characterized by being set to.
請求項からのいずれか1項に記載のピストン装置において、
前記流路上において、前記流路開閉手段と前記作動空間との間には、オリフィスを介して前記作動空間と連通し前記作動媒体が通る部屋が設けられている
ことを特徴とするピストン装置。
The piston device according to any one of claims 2 to 4 ,
On the flow path, a piston device is provided between the flow path opening / closing means and the working space, wherein a chamber is provided in communication with the working space through an orifice and through which the working medium passes.
請求項1からのいずれか1項に記載のピストン装置と、
前記シリンダとを備えたことを特徴とするスターリングエンジン。
The piston device according to any one of claims 1 to 5 ,
A Stirling engine comprising the cylinder.
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