JP4135608B2 - ピストン機関 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン機関に関し、さらに詳しくは、ピストンリングを用いない場合にピストンとシリンダとの接触を抑制して安定した運転を実現できるピストン機関に関する。

ピストン機関の一種であるスターリングエンジンは、理論熱効率に優れるという特徴があり、近年、乗用車やバス等の車両に搭載される内燃機関の排熱等を回収するために、スターリングエンジンが注目されている。特許文献１には、２気筒直列型スターリングエンジンであって、高温側ピストンに連結して設けられた加熱部の熱膨張によって発生する、ピストン往復運動方向における高温側気筒と低温側気筒との長さの差を、ピストン往復運動方向にスライドさせることで吸収する技術が開示されている。

実開平６−６０７５１号公報

しかし、特許文献１に開示されているスターリングエンジンでは、ピストン往復運動方向における熱膨張に対する対策は開示されているが、ピストン往復運動方向に対して直交する方向における熱膨張に関しては言及されていない。ピストン往復運動方向に対して直交する方向における熱膨張が発生すると、ピストンとシリンダ間での接触が発生する場合があり、安定した運転が実現できない。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンリングを用いない場合にピストンとシリンダとの接触を抑制して安定して出力を取り出すことができる運転を実現できるピストン機関を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、ヒータと再生器とクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記ヒータで加熱された作動流体が導入される高温側シリンダと、前記高温側シリンダ内を往復運動する高温側ピストンと、前記クーラーで冷却された作動流体が導入される低温側シリンダと、前記低温側シリンダ内を往復運動する低温側ピストンと、回転運動するクランク軸と、前記高温側ピストン及び前記低温側ピストンとを連結するコンロッドと、を有し、前記高温側シリンダの内面と前記高温側ピストンの外面とのクリアランスは、前記高温側ピストンのピストン裾部よりも前記高温側ピストンのピストン頂部側を大きくすることを特徴とする。

このピストン機関は、高温の作動流体と接する高温側ピストンのピストン頂部と高温側シリンダとの間とのクリアランスを、高温側ピストンのピストン裾部と高温側シリンダとの間とのクリアランスよりも大きくする。これによって、高温側ピストンのピストン頂部がその径方向に熱膨張しても、ピストン頂部におけるクリアランスはピストン裾部よりも大きいので、この熱膨張を許容できる。その結果、ピストンとシリンダとが接触する危険性を最小限に抑えて、安定してピストン機関から出力を取り出すことができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記高温側ピストンは、作動流体と接触するピストン頂部と、前記ピストン頂部が取り付けられるピストン胴部とを有し、両者の間には断熱部を備えることを特徴とする。

かかる構成により、断熱部によってピストン頂部からピストン胴部及びピストン裾部に流れ込む高温の作動流体の熱を低減できるので、ピストン胴部及びピストン裾部の温度上昇を抑制できる。これにより、ピストン胴部及びピストン裾部とシリンダとの適正なクリアランスを維持して、安定してピストン機関から出力を取り出すことができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記高温側シリンダの作動流体流入側端部から前記高温側シリンダの中心軸に沿った所定の長さの部分においては、前記高温側シリンダの内径が、前記高温側シリンダのシリンダ裾部よりも大きく形成されることを特徴とする。

かかるピストン逃げ部によって、高温側ピストンのピストン頂部がその径方向に熱膨張しても、この熱膨張を許容できる。その結果、ピストンとシリンダとが接触する危険性を最小限に抑えて、安定してピストン機関から出力を取り出すことができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記高温側ピストンが下死点に位置する場合に、前記高温側ピストンの前記ピストン頂部が前記高温側シリンダに接触しない位置まで、前記高温側シリンダの内径を前記シリンダ裾部の内径よりも大きく形成することを特徴とする。

ピストンが下死点に位置する場合において、熱膨張したピストン頂部がシリンダと接触しないようにピストン逃げ部を形成すれば、ピストンの往復運動中においてピストンがシリンダと接触する危険性を極小にできる。これにより、安定してピストン機関から出力を取り出すことができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記高温側ピストンの前記ピストン頂部の外径は、前記高温側ピストンの前記ピストン裾部の外径よりも小さくすることを特徴とする。

これによって、高温側ピストンのピストン頂部がその径方向に熱膨張しても、ピストン頂部におけるクリアランスはピストン裾部よりも大きいので、この熱膨張を許容できる。その結果、ピストンとシリンダとが接触する危険性を最小限に抑えて、安定してピストン機関から出力を取り出すことができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記断熱部より前記ピストン頂部側の方が、前記高温側ピストンの外径が小さいことを特徴とする。

このようにすれば、熱膨張が大きい部分のみの高温側ピストンと高温側シリンダとのクリアランスを大きくすることができるので、作動流体の密封性を高めてピストン機関の性能を向上できる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記高温側ピストンの前記ピストン頂部と、前記ピストン胴部とをつなぐ接続部の肉厚は、前記ピストン胴部の肉厚よりも薄くすることを特徴とする。

これにより、ピストン頂部からピストン胴部へ流れ込む作動流体の熱を抑制できるので、ピストン胴部及びピストン裾部の昇温を抑制できる。その結果、ピストン胴部及びピストン裾部とシリンダとの適正なクリアランスを維持して、安定してピストン機関から出力を取り出すことができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記高温側ピス
トンのピストン往復運動方向における長さは、前記低温側ピストンよりも前記高温側ピストンの方が大きいことを特徴とする。

このようにすれば、高温側ピストンが、高温側シリンダのシリンダ裾部とオーバーラップする長さを大きくとることができるので、シリンダとピストンとの間に形成されてピストンを支持する空気軸受の支持領域を確保しやすくなる。これによって、より安定してピストン機関から出力を取り出すことができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記熱交換器の少なくとも前記ヒータが、内燃機関の排気経路に配置されて、当該内燃機関の排熱を回収することを特徴とする。

このピストン機関によれば、ピストンとシリンダとの接触の危険性を最小限に抑制して安定して運転できるので、排熱回収においては信頼性が向上する。

この発明に係るピストン機関では、高温側ピストンのピストン頂部と高温側シリンダとの間とのクリアランスを、高温側ピストンのピストン裾部と高温側シリンダとの間とのクリアランスよりも大きくした。これによって、高温側ピストンのピストン頂部がその径方向に熱膨張しても、ピストン頂部におけるクリアランスによってこの熱膨張を許容できる。その結果、ピストンとシリンダとが接触する危険性を最小限に抑えて、安定してピストン機関を運転できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明においては、ピストン機関としてスターリングエンジンを例として説明するが、本発明の適用対象はこれに限られない。

図１は、実施例１の本発明に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図２−１は、高温側ピストンをクランク軸に平行な方向から見た断面図である。図２−２は、ピストンを支持する空気軸受の説明図である。本発明に係るピストン機関であるスターリングエンジン１００は、いわゆるα型のスターリングエンジンであって、高温側シリンダ１０１内に収められた高温側ピストン１０２と、低温側シリンダ１０３内に収められた低温側ピストン１０４とを備えている。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、ヒータ１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８によって接続されている。ヒータ１０５の一端は高温側シリンダ１０１に接続され、他端は再生器１０６に接続される。再生器１０６は、一端がヒータ１０５に接続され他端はクーラー１０７に接続される。クーラー１０７の一端は再生器１０６に接続され、他端は低温側シリンダ１０３に接続される。また、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とには作動流体（ここでは空気）が封入されており、ヒータ１０５から供給される熱によってスターリングサイクルを構成し、高温側ピストン１０２を駆動する。

図２−２に示すように、高温側ピストン１０２は、高温側シリンダ１０１内に空気軸受１１２を介して支持されている。なお、低温側ピストン１０４も同様に空気軸受１１２によって支持される（図１参照）。空気軸受１１２を構成するために、ピストンとシリンダ
との間隔ｔｃは全周にわたって数十μｍとする。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下においてもスターリングエンジン１００を運転することができる。

高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０２等は、ピストンとシリンダとの間隔ｔｃの精度を確保するため、ガラスやセラミックス等の材料で製造することができる。また、加工性を考慮して、金属材料で製造してもよい。金属材料で製造する場合、特に高温側シリンダ１０１及び高温側ピストン１０２は、熱膨張の小さい材料を用いることが好ましい。このような金属材料には、例えばステンレスやアンバーがある。

高温側ピストン１０２の往復運動は、コンロッド１０９によってクランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。コンロッド１０９は、図２に示す近似直線機構１１１（図２−１参照、この例ではグラスホッパ機構）によって支持されており、高温側ピストン１０２を略直線状に往復運動させる。このように、コンロッド１０９を近似直線機構１１１によって支持することにより、高温側ピストン１０２のサイドフォースＦ（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい空気軸受１１２によって十分にピストンを支持することができる。次に、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２との構成について、より詳しく説明する。

スターリングエンジン１００の駆動時には、高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０３内に熱交換器１０８から作動流体が導入される。このとき、高温側シリンダ１０１内には、熱交換器１０８に備えられたヒータ１０５により、数百℃〜千℃に加熱された高温の作動流体が導入される。そして、高温側シリンダ１０１内の高温側ピストン１０２は、ピストン頂部２０にこの作動流体から圧力を受けて駆動されるため、高温になる。このため、高温側ピストン１０２は、スターリングエンジン１００の運転中においてはピストン頂部２０側が熱膨張して、高温側ピストン１０２のピストン頂部２０の外径Ｄ１が常温時と比較して大きくなる。

これが原因で、空気軸受を用いてピストンを支持するスターリングエンジン１００の運転中においては、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１とが接触し、スターリングエンジン１００の熱効率や耐久性が低下するという問題がある。特に、スターリングエンジン１００が高負荷運転される場合には、作動流体の温度が高くなる結果、高温側ピストン１０２の熱膨張が大きくなるので、上記問題が顕著になる。そこで、かかる問題点を解決するために、本発明では次のような構成を採用する。

図３−１は、実施例１に係る本発明のスターリングエンジンの高温側シリンダを示す断面図である。図３−２は、実施例１に係る本発明のスターリングエンジンの高温側シリンダと高温側ピストンとの関係を示す断面図である。図３−３は、実施例１に係る本発明のスターリングエンジンの高温側シリンダと低温側シリンダとを示す説明図である。このスターリングエンジンは、高温側シリンダの内面と高温側ピストンの外面とのクリアランスを、高温側ピストンのピストン裾部よりも高温側ピストンのピストン頂部側を大きくする点に特徴がある。ここで、ピストン裾部とは、高温側ピストンの往復運動時において、常に高温側シリンダと高温側ピストンとの支持領域に位置する部分、すなわち空気軸受で支持される部分をいう。また、高温側ピストンは、ピストン頂部とピストン胴部とで構成されており、ピストン裾部はピストン胴部の一部である。

図３−１に示すように、高温側シリンダ１０１の作動流体導入側端部１０１ｔｉから前
記高温側シリンダ１０１の中心軸Ｚに沿った所定の長さＬにわたって、ピストン逃げ部Ｃが形成される。このピストン逃げ部Ｃは、前記作動流体導入側端部１０１ｔｉから所定の長さＬにわたり、高温側シリンダ１０１の内径ｄ１をシリンダ裾部１１の内径ｄ２よりも大きくすることで形成される。なお、高温側シリンダ１０１の中心軸Ｚに沿った、前記ピストン逃げ部Ｃの長さＬは、高温側ピストン１０２が下死点に位置する場合において、熱膨張した高温側ピストン１０２のピストン頂部２０が接触しない大きさとする。ここで、シリンダ裾部１１とは、高温側ピストン１０２の往復運動時において、常に高温側シリンダ１０１が高温側ピストン１０２を支持する部分、すなわち空気軸受１１２が高温側ピストン１０２を支持する部分をいう。

このような構成により、図３−２に示すように、高温側ピストン１０２の往復運動時において、ピストン逃げ部Ｃにおける高温側シリンダ１０１の内面１０１ｉと高温側ピストン１０２の外面１０２ｏとのクリアランスは、高温側ピストンのピストン裾部２１よりもピストン頂部２０側の方が大きくなる。ピストン逃げ部Ｃにおけるクリアランスの大きさｔは、（ｄ１−ｄ２）／２で求められ、スターリングエンジン１００の運転条件や設計条件等から高温側ピストン１０２の熱膨張を考慮して定められる。なお、本実施例においてクリアランス１１３の大きさｔは、１００μｍ〜５００μｍであるが、これに限定されるものではない。ここで、クリアランス１１３の大きさｔは、冷間における値であり、スターリングエンジン１００の運転中における値ではない。

かかる構成によれば、スターリングエンジン１００の運転時に高温側ピストン１０２のピストン頂部２０側が熱膨張しても、前記ピストン逃げ部Ｃによって高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１とが接触する危険性を極小にできる。また、高温側ピストン１０２のピストン裾部２１は、常にピストン支持領域Ｓ、すなわち空気軸受１１２で支持される。これによって、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２との摩擦を極小にできるとともに、高温側シリンダ１０１内の気密も確保することができる。その結果、高負荷時においても安定してスターリングエンジン１００を運転することができる。

高温側ピストン１０２が上死点に位置する場合において、高温側シリンダ１０１の中心軸Ｚに沿った、ピストン支持領域Ｓの長さｌｓは、高温側シリンダ１０１のシリンダ裾部１１における外径Ｄ２の２０％以上とすることが好ましい。これよりもピストン支持領域Ｓが小さいと、シール性能が十分に確保できなくなるとともに、高温側ピストン１０２が上死点側に移動したとき、空気軸受１１２による高温側シリンダ１０１の支持が不十分になるからである。

一方、ピストン支持領域Ｓの前記長さｌｓが大きいほどシール性能及び高温側ピストン１０２の支持性能は良好になる。しかし、ピストン支持領域Ｓの前記長さｌｓを大きくすると、高温側ピストン１０２の全長が長くなったり、前記ピストン逃げ部Ｃが十分確保できなかったりする。かかる観点から、高温側ピストン１０２の上死点位置におけるピストン支持領域Ｓの前記長さｌｓは、高温側シリンダ１０１のシリンダ裾部１１における外径Ｄ２の８０％以下とすることが好ましく、より好ましくは６０％以下である。

ピストン支持領域Ｓの長さを上記のように確保するためには、図３−３に示すように、高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０３の中心軸Ｚ方向に沿った、高温側ピストン１０２の長さＬｈを、低温側ピストン１０４の当該長さＬｌよりも大きくする。このようにすれば、高温側シリンダ１０１及び高温側ピストン１０２におけるピストン支持領域Ｓの長さｌｓを確保しやすくなるので、さらに安定してスターリングエンジン１００から出力を取り出すことができる。

図４−１は、実施例１の本発明に係る高温側ピストンの構成を示す断面図である。図４
−２は、図４−１に示す高温側ピストンを高温側シリンダに組み込んだ状態を示す断面図である。この高温側ピストン１０２は、ピストン頂部２０とピストン胴部２２との間に、断熱部材２５を介在させることにより断熱部を形成する点に特徴がある。かかる構成により、断熱部材２５によってピストン頂部２０からピストン胴部２２及びピストン裾部２１に流れ込む高温の作動流体の熱を低減できるので、ピストン胴部２２及びピストン裾部２１の温度上昇を抑制できる。これにより、スターリングエンジン１００の運転中においては、高温側シリンダ１０１の内面とピストン胴部２２及びピストン裾部２１の外面との適正なクリアランスを維持できる。そして、ピストン胴部２２等と高温側シリンダ１０１との接触の危険性を極小にできるとともに、空気軸受１１２の機能を十分に発揮させることができる。その結果、高負荷時においても安定してスターリングエンジン１００を運転することができる。

この断熱部材２５は、熱伝導性が低く、強度が高い材料で構成することが好ましい。例えばセラミックスやガラスを使用することができ、また、熱伝導率を低減させるために、発泡性のセラミックスやガラスを使用してもよい。高温側ピストン１０２をステンレスや鋳鉄等の金属材料で構成する場合、ピストン頂部２０と断熱部材２５との接合及びピストン胴部２２と断熱部材２５との接合は異材を接合することになる。また、スターリングエンジン１００の運転中において、高温側ピストン１０２はその往復運動方向に対して両振りの力が作用する。したがって、断熱部材２５に圧縮方向の力を作用させてこれをピストン頂部２０とピストン胴部２２との間に固定することが好ましい。

図５−１は、高温側ピストンに設けられる断熱部材の取り付け構造を示す一部断面図である。このような取り付け構造としては、例えば、図５−１に示すようなものがある。これは、ピストン頂部２０とピストン胴部２２との間に断熱部材２５を介在させ、金属で作られた板状の連結部材２６の両端部を、それぞれピストン頂部２０とピストン胴部２２とに溶接その他の接合手段で接合するものである。このとき、連結部材２６には、高温側ピストン１０２の往復運動方向に対する引張応力が与えられた状態で接合する。このような構成により、断熱部材２５に圧縮方向の力を作用させてこれをピストン頂部２０とピストン胴部２２との間に固定することができる。

図５−２は、断熱部材を固定する構造の他の例を示す説明図である。図５−２に示すように、ピストン頂部２０の作動流体接触側とは反対側に、雌ねじを切った台座２０ｂを形成する。また、ピストン胴部２２の内面には係合部２２ｔを設ける。そして、ピストン頂部固定部材２７を前記係合部２２ｔに係合させから、ボルト２８を台座２０ｂにねじ込むことにより、断熱部材２５に圧縮力を与えるとともにピストン頂部２０とピストン胴部２２との間に固定する。このとき、図５−２に示すように、ピストン頂部固定部材２７と係合部２２ｔとの間に断熱部材２９を設ければ、ボルト２８及びピストン頂部固定部材２７を通して流れ込む作動流体の熱を低減できるので好ましい。かかる構成によれば、ボルト２８により、比較的容易に断熱部材２５へ圧縮力を与えて固定することができる。このように、断熱部材２５に圧縮力を与えてピストン頂部２０とピストン胴部２２との間に固定することが好ましいが、本発明において断熱部材２５の固定構造はこのような構造に限定されるものではない。例えば、接着手段によって断熱部材２５をピストン頂部２０とピストン胴部２２との間に固定してもよい。

ここで、図４−２に戻って説明する。ピストン頂部２０とピストン胴部２２との間に断熱部材２５を介在させた構造では、断熱部材２５によってピストン胴部２２へ流入する熱が制限される。このため、ピストン胴部２２及びピストン裾部２１の熱膨張は、ピストン頂部２０の熱膨張と比較して小さくなる。したがって、上記ピストン逃げ部Ｃは、ピストン頂部２０の熱膨張による接触を回避できればよい。かかる観点から、高温側シリンダ１０１の中心軸Ｚに沿った、前記ピストン逃げ部Ｃの長さＬは、高温側ピストン１０２の上
死点位置（図４−２中点線で示す高温側ピストンの位置）におけるピストン頂面２０ｔから、ピストンストロークＬｓにピストン頂部２０の厚さＴｐを加えた値以上とすることが好ましい（図４−１）。すなわち、Ｌ≧Ｌｓ＋Ｔｐとなり、前記ピストン逃げ部Ｃの長さＬの下限値が規定される。このようにすれば、スターリングエンジン１００の運転中において、高温側ピストン１０２が下死点に位置した場合でも、ピストン頂部２０の高温側シリンダ１０１に対する接触を防止できる。なお、ピストン支持領域Ｓの長さｌｓ（図３−２）は、上述したように所定の値を確保する必要があり、かかる所定の値よりも小さくすることはできない。したがって、上記ピストン支持領域Ｓに必要な最低限の長さｌｓを確保したときに、前記ピストン逃げ部Ｃの長さＬは、その上限値となる。

図６は、実施例１の変形例に係る高温側シリンダの構成を示す断面図である。高温側シリンダ１０１は、その内部に作動流体が導入されるので、スターリングエンジン１００の運転中においては高温側シリンダ１０１も昇温する。これにより、スターリングエンジン１００の運転中には、高温側シリンダ１０１も熱膨張するので、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２とのクリアランスが大きくなる。ここで、高温側シリンダ１０１のシリンダ裾部１１の方が温度は低くなるので、高温側シリンダ１０１の熱膨張はシリンダ裾部１１に向かって小さくなる。このため、高温側シリンダ１０１のピストン逃げ部Ｃの内面形状を、図６に示すように、シリンダ裾部１１に向かって大きくなるような傾き角θのテーパー状とすることが好ましい。このようにすれば、スターリングエンジン１００の運転時において、ピストン逃げ部Ｃにおける高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２とのクリアランスを高温側ピストン１０２の往復運動方向に対して略一定とすることができる。

図７は、本発明に係るピストン機関の搭載例を示す説明図である。この搭載例は、実施例の本発明に係るピストン機関であるスターリングエンジン１００を、内燃機関の排熱回収に用いるものである。図７に示すように、スターリングエンジン１００に備えられる熱交換器１０８の少なくともヒータ１０５を、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等といった内燃機関１２０の排気通路１２２内に配置する。このような構成により、スターリングエンジン１００によって前記内燃機関１２０の排ガスＧの持つ排熱を回収（この例では発電機１２４を駆動）することができる。また、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１との接触を抑制できるので、熱効率の低下を抑制するとともに、安定して出力を取り出すことができる。なお、スターリングエンジン１００は、内燃機関１２０の排熱回収のみならず、工場やプラント、あるいは発電施設等の排熱回収に用いてもよい。

以上、実施例１に係る本発明によれば、スターリングエンジンの運転時に高温側ピストンのピストン頂部側が熱膨張しても、ピストン逃げ部によって高温側ピストンと高温側シリンダとの接触の危険性を極小にできる。また、高温側ピストンの裾部は、常に空気軸受で支持されるので、高温側シリンダと高温側ピストンとの摩擦を極小にできるとともに、高温側シリンダ内の気密も確保することができる。その結果、熱効率の低下を抑制して、安定した運転が実現できるとともに、スターリングエンジンの効率低下や耐久性低下を抑制できる。また、高負荷時においても安定してスターリングエンジンを運転することができる。

また、実施例１の本発明では、高温側ピストンのピストン頂部とピストン胴部との間に、断熱部材を介在させることにより断熱部を形成する。かかる断熱部によって、高温の作動流体の熱がピストン頂部からピストン胴部及びピストン裾部に流れ込む熱を低減できるので、ピストン胴部及びピストン裾部の温度上昇を抑制できる。その結果、スターリングエンジンの運転中においては、高温側シリンダの内面とピストン胴部及びピストン裾部の外面との適正なクリアランスを維持できるので、空気軸受の機能を十分に発揮させて、安定した運転を実現できる。また、スターリングエンジンの効率低下や耐久性低下を抑制で
きる。さらに、高負荷時においても安定してスターリングエンジン１００を運転することができる。なお、実施例１に係る本発明の構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例１に係る本発明と同様の構成であれば、実施例１に係る本発明の奏する作用・効果と同様の作用・効果を奏する。

実施例２の本発明に係るスターリングエンジンは、上記実施例１に係るピストン機関と略同一の構成であるが、高温側ピストンのピストン頂部の外径を、ピストン裾部の外径よりも小さくすることにより、高温側シリンダを高温側ピストンとの間にピストン逃げ部を形成する点が異なる。その他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。

図８−１、図８−２は、実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンと高温側シリンダとを示す断面図である。図８−１に示すように、高温側ピストン１０２ａは、ピストン頂部２０ａとピストン胴部２２ａとの間に、断熱部材２５を介在させた構造である。断熱部材２５の固定構造は、実施例１の構造を適用できる。高温側ピストン１０２ａは、ピストン頂部２０ａの外径Ｄ１が、ピストン裾部２１ａの外径Ｄ２よりも小さく形成されている。そして、図８−２に示すように、高温側ピストン１０２ａのピストン頂部２０ａの側部２０ａｓと高温側シリンダ１０１ａの内面１０１ａｉとの間に、ピストン逃げ部Ｃが形成される。

このような構成により、高温側ピストン１０２ａの往復運動時において、高温側シリンダ１０１ａの内面１０１ａｉと高温側ピストン１０２ａの外面１０２ａｏとのクリアランスは、高温側ピストン１０２ａのピストン裾部２１ａよりもピストン頂部２０ａ側の方が大きくなる。ここで、高温側ピストン１０２ａの長さＬｈは、少なくともピストン頂部２０ａの厚さＴｔと断熱部材２５の厚さＴｉとの和の分だけ、低温側ピストン１０４の長さよりも長くすることが好ましい。このようにすれば、ピストン支持領域Ｓを低温側ピストン１０４と同等以上に確保できるからである。

かかる構成によれば、スターリングエンジン１００ａの運転時に高温側ピストン１０２ａのピストン頂部２０ａが熱膨張しても、前記ピストン逃げ部Ｃによって高温側ピストン１０２ａと高温側シリンダ１０１ａとが接触する危険性を極小に抑えることができる。また、高温側ピストン１０２ａのピストン胴部２２ａ（ピストン裾部２１ａ）は、常にピストン支持領域Ｓ、すなわち空気軸受１１２で支持される。これによって、高温側シリンダ１０１ａと高温側ピストン１０２ａとの摩擦を極小にできるとともに、高温側シリンダ１０１内の気密も確保することができる。さらに、実施例１に係るスターリングエンジン１００と比較して、ピストン逃げ部Ｃの長さが短くなるので、ピストン支持領域Ｓを十分に確保できる。これにより、密封性能を高くできるので、スターリングエンジン１００ａの熱効率低下を抑制できる。その結果、高負荷時においても安定してスターリングエンジン１００ａを運転することができる。なお、ピストン逃げ部Ｃにおけるクリアランス１１３の大きさｔは、（Ｄ１−Ｄ２）／２で求められ、スターリングエンジン１００ａの運転条件や設計条件等から高温側ピストン１０２ａの熱膨張を考慮して定められる。

また、断熱部材２５よりもピストン頂部２０ａ側の方が、高温側ピストン１０２ａの外径Ｄ１を小さくしてもよい。すなわち、図８−１において、断熱部材２５の外径をＤ２とし、ピストン頂部２０ａの外径をＤ１としてもよい。このようにすれば、熱膨張が大きい部分のみの高温側ピストンと高温側シリンダとのクリアランスを大きくすることができるので、作動流体の密封性をより高めてピストン機関の性能を向上できる。

図９−１は、実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンを示す一部断面図
である。図９−２は、実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンと高温側シリンダとを示す断面図である。図９−１に示すように、高温側ピストン１０２ｂのピストン頂部２０ｂの外径Ｄ１をピストン裾部２１ｂの外径Ｄ２よりも小さくするとともに、ピストン頂部２０ｂとピストン胴部２２ｂとの接続部２３ｂの接続部肉厚ｔｐをピストン胴部２２ｂの胴部肉厚ｔｂよりも薄くする。ここで、接続部２３ｂとピストン胴部２２ｂとの境界２４ｂにはＲをつけて、応力集中を緩和する。

このようにすれば、高温側ピストン１０２ｂの往復運動方向に垂直な断面における接続部２３ｂの断面積Ａｐを、ピストン胴部２２ｂの前記断面における断面積Ａｂよりも小さくできる。これにより、ピストン頂部２０ｂからピストン胴部２２ｂへ流れ込む作動流体の熱を抑制できるので、ピストン胴部２２ｂ及びピストン裾部２１ｂの昇温を抑制できる。その結果、スターリングエンジン１００ｂの運転中においては、高温側シリンダ１０１ｂの内面とピストン胴部２２ｂ及びピストン裾部２１ｂの外面との適正なクリアランスを維持できるので、ピストン胴部２２ｂ等の接触の危険性を極小にできるとともに、空気軸受１１２の機能を十分に発揮させることができる。その結果、高負荷時においても安定してスターリングエンジン１００ｂを運転することができる。

以上、実施例２の本発明によれば、ピストン頂部の側部と高温側シリンダの内面との間に形成されるピストン逃げ部によって、スターリングエンジンの運転時に高温側ピストンのピストン頂部が熱膨張しても、高温側ピストンと高温側シリンダとが接触する危険性を極小に抑えることができる。その結果、空気軸受１１２の機能を確実に発揮させて、熱効率の低下を抑制して、安定した運転が実現できる。さらに、ピストン逃げ部の長さが短くなるので、支持領域を十分に確保できる。これにより、密封性能を高くできるので、スターリングエンジンの熱効率低下を抑制できる。その結果、高負荷時においても安定して出力を取り出すことができるとともに、スターリングエンジンの効率低下や耐久性低下を抑制できる。なお、実施例２に係る本発明の構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例２に係る本発明と同様の構成であれば、実施例１に係る本発明の奏する作用・効果と同様の作用・効果を奏する。

実施例３の本発明に係るピストン機関は、上記実施例１、２に係るピストン機関と略同一の構成であるが、高温側シリンダの作動流体導入側端部から所定の長さＬにわたり、高温側シリンダの内径をシリンダ裾部の内径よりも大きく形成するとともに、高温側ピストンのピストン頂部の外径をピストン裾部の外径よりも小さくすることにより、高温側シリンダを高温側ピストンとの間にピストン逃げ部を形成する点が異なる。その他の構成は実施例１、２と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。

図１０−１は、実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側シリンダを示す断面図である。図１０−２は、実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンとを示す断面図である。図１０−３は、実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側シリンダと高温側ピストンとを示す断面図である。図１０−１に示すように、高温側シリンダ１０１ｃの作動流体導入側端部１０１ｃｔｉから所定の長さＬにわたって、シリンダ側ピストン逃げ部Ｃｃが形成される。このシリンダ側ピストン逃げ部Ｃｃは、前記作動流体導入側端部１０１ｃｔｉから所定の長さＬにわたり、高温側シリンダ１０１ｃの内径ｄ１をシリンダ裾部１１ｃの内径ｄ２よりも大きくすることで形成される。

図１０−２に示すように、高温側ピストン１０２ｃは、ピストン頂部２０ｃとピストン胴部２２ｃとの間に、断熱部材２５を介在させた構造である。断熱部材２５の固定構造は、実施例１の構造を適用できる。なお、上記実施例２の高温側シリンダ１０１ｂのように
、ピストン頂部２０ｂとピストン胴部２２ｂとの接続部２３ｂのピストン肉厚ｔｐをピストン胴部２２ｂの肉厚ｔｂよりも薄くしてもよい（図９−２参照）。

また、高温側ピストン１０２ｃは、ピストン頂部２０ｃの外径Ｄ１が、ピストン裾部２１ｃの外径Ｄ２よりも小さく形成されている。そして、図１０−２に示すように、高温側ピストン１０２ｃのピストン頂部２０ｃの側部２０ｃｓと高温側シリンダ１０１ｃの内面１０１ｃｉ（図１０−１）との間に、ピストン側ピストン逃げ部Ｃｐが形成される。

このような構成により、図１０−３に示すように、シリンダ側ピストン逃げ部Ｃｃとピストン側ピストン逃げ部Ｃｐとにより、ピストン逃げ部Ｃが形成される。そして、高温側ピストン１０２ｃの往復運動時においては、高温側ピストン１０２ｃのピストン頂部２０ｃの側部２０ｃｓと高温側ピストン１０２ｃの内面との間には、常に前記ピストン逃げ部Ｃが形成されることになる。その結果、高温側シリンダ１０１ｃの内面１０１ｃｉと、高温側ピストン１０２ｃのピストン頂部２０ｃの側部２０ｃｓとのクリアランスは、高温側ピストン１０２ｃのピストン裾部２１ｃよりも大きくなる。

以上、実施例３の本発明によれば、スターリングエンジン１００ｃの運転時に高温側ピストン１０２ｃのピストン頂部２０ｃが熱膨張しても、前記ピストン逃げ部Ｃによって高温側ピストン１０２ｃと高温側シリンダ１０１ｃとが接触する危険性を極小に抑えることができる。また、高温側ピストン１０２ｃのピストン裾部２１ｃは、常にピストン支持領域Ｓ、すなわち空気軸受１１２で支持される。これによって、高温側シリンダ１０１ｃと高温側ピストン１０２ｃとの摩擦を極小にできるとともに、高温側シリンダ１０１内の気密も確保することができる。その結果、高負荷時においても安定してスターリングエンジンを運転することができるとともに、スターリングエンジンの効率低下や耐久性低下を抑制できる。さらに、ピストン逃げ部Ｃを高温側シリンダ１０１ｃと高温側ピストン１０２ｃとに振り分けて形成するので、設計の自由度が向上する。その結果、例えば、強度上の制約からいずれか一方の肉厚を小さくすることが難しい場合でも、ピストン逃げ部Ｃを形成することができる。

以上のように、本発明に係るピストン機関は、ピストンリングを用いないピストン機関に有用であり、特に、このようなピストン機関を安定して運転する場合に適している。

実施例１の本発明に係るスターリングエンジンを示す断面図である。 高温側ピストンをクランク軸に平行な方向から見た断面図である。 ピストンを支持する空気軸受の説明図である。 実施例１に係る本発明のスターリングエンジンの高温側シリンダを示す断面図である。 実施例１に係る本発明のスターリングエンジンの高温側シリンダと高温側ピストンとの関係を示す断面図である。 実施例１に係る本発明のスターリングエンジンの高温側シリンダと低温側シリンダとを示す説明図である。 実施例１の本発明に係る高温側ピストンの構成を示す断面図である。 図４−１に示す高温側ピストンを高温側シリンダに組み込んだ状態を示す断面図である。 高温側ピストンに設けられる断熱部材の取り付け構造を示す一部断面図である。 断熱部材を固定する構造の他の例を示す説明図である。 実施例１の変形例に係る高温側シリンダの構成を示す断面図である。 本発明に係るピストン機関の搭載例を示す説明図である。 実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンと高温側シリンダとを示す断面図である。 実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンと高温側シリンダとを示す断面図である。 実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンを示す一部断面図である。 実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンと高温側シリンダとを示す断面図である。 実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側シリンダを示す断面図である。 実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側ピストンとを示す断面図である。 実施例２の本発明に係るピストン機関の高温側シリンダと高温側ピストンとを示す断面図である。

符号の説明

１１、１１ｃ シリンダ裾部
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ ピストン頂部
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ピストン裾部
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ ピストン胴部
２３ｂ 接続部
２５ 断熱部材
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ スターリングエンジン
１０１ｔｉ、１０１ｃｔｉ 作動流体導入側端部
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ 高温側シリンダ
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ 高温側ピストン
１０３ 低温側シリンダ
１０４ 低温側ピストン
１０５ ヒータ
１０６ 再生器
１０７ クーラー
１０８ 熱交換器
１２０ 内燃機関
１２２ 排気通路

Claims (8)

1. ヒータと再生器とクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
   前記ヒータで加熱された作動流体が導入される高温側シリンダと、
   前記高温側シリンダ内を往復運動するとともに、空気軸受によって支持される高温側ピストンと、
   前記クーラーで冷却された作動流体が導入される低温側シリンダと、
   前記低温側シリンダ内を往復運動するとともに、空気軸受によって支持される低温側ピストンと、
   回転運動するクランク軸と、前記高温側ピストン及び前記低温側ピストンとを連結するコンロッドと、を有し、
   前記高温側シリンダの作動流体流入側端部から前記高温側シリンダの中心軸に沿った所定の長さの部分においては、前記高温側シリンダの内径が、前記高温側シリンダのシリンダ裾部よりも大きく形成されることにより、前記高温側シリンダの内面と前記高温側ピストンの外面とのクリアランスは、前記高温側ピストンのピストン裾部よりも前記高温側ピストンのピストン頂部側を大きくすることを特徴とするピストン機関。
2. 前記高温側ピストンは、作動流体と接触するピストン頂部と、前記ピストン頂部が取り付けられるピストン胴部とを有し、両者の間には断熱部を備えることを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
3. 前記高温側ピストンが下死点に位置する場合に、前記高温側ピストンのピストン頂部が前記高温側シリンダに接触しない位置まで、前記高温側シリンダの内径を前記シリンダ裾部の内径よりも大きく形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
4. 前記高温側ピストンの前記ピストン頂部の外径は、前記高温側ピストンのピストン裾部の外径よりも小さくすることを特徴とする請求項２に記載のピストン機関。
5. 前記断熱部より前記ピストン頂部側の方が、前記高温側ピストンの外径が小さいことを特徴とする請求項４に記載のピストン機関。
6. 前記高温側ピストンの前記ピストン頂部と、前記ピストン胴部とをつなぐ接続部の肉厚は、前記ピストン胴部の肉厚よりも薄くすることを特徴とする請求項４に記載のピストン機関。
7. ピストン往復運動方向における長さは、前記低温側ピストンよりも前記高温側ピストンの方が大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストン機関。
8. 前記熱交換器の少なくとも前記ヒータが、内燃機関の排気経路に配置されて、当該内燃機関の排熱を回収することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のピストン機関。

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