JP4609577B2 - ピストン機関 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンとシリンダとの間に気体を介在させた気体軸受を用いるピストン機関に関する。

近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。特許文献１には、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるとともに、ピストンを近似直線機構で支持するスターリングエンジンが開示されている。

特開２００５−１０６００９号公報

特許文献１に開示されたスターリングエンジンは、シリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関であり、ピストンとシリンダとの微小なクリアランスに気体軸受を介在させる。このため、スターリングエンジンを停止させる際には、ピストンとシリンダとが接触するおそれがある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造のピストン機関を停止させる場合に、ピストンとシリンダとの接触を抑制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、シリンダ内をピストンが往復運動し、当該ピストンの往復運動を回転運動に変換して出力するピストン機関において、前記シリンダと前記ピストンとの間に介在する気体軸受と、前記シリンダ内に作動流体が充填される第１の空間と、前記ピストンに対して前記第１の空間の反対側における第２の空間とを接続する流体通路と、前記流体通路に設けられて当該流体通路を開閉する通路開閉手段と、を備え、当該通路開閉手段は、前記ピストン機関が停止する際には、前記第１の空間内における前記作動流体の圧力と前記ピストン機関の機関回転速度とに基づいて定められる、前記ピストンが前記シリンダ内に浮上している領域で、前記ピストン機関が運転されている場合に前記流体通路を連通させることを特徴とする。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記第１の空間は、前記作動流体が充填される作動流体空間であり、前記第２の空間は、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換する運動変換部材が配置される空間であることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストン機関は、ヒータによって前記作動流体を加熱して動作するものであり、前記ピストン機関が前記ヒータの余熱で作動する場合には、前記通路開閉手段は、前記ピストンが前記シリンダ内に浮上している領域と、前記ピストンが前記シリンダ内に浮上しない領域との境界まで前記流体通路を閉じるタイミングを遅らせることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストン機関は、第１のシリンダ及び当該第１のシリンダ内を往復運動する第１のピストンと、第２のシリンダ及び当該第２のシリンダ内を往復運動する第２のピストンとを有し、前記第１のシリンダと前記第２のシリンダとの間に前記ヒータが配置されるスターリングエンジンであることが望ましい。

本発明は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造のピストン機関を停止させる場合に、ピストンとシリンダとの接触を抑制できる。

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、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施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、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。なお、以下においては、ピストン機関の一例としてスターリングエンジンを取り上げるが、ピストン機関はこれに限定されるものではない。また、ピストン機関であるスターリングエンジンを用いて、車両等に搭載される内燃機関の排熱を回収する例を説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。

（実施形態）
本実施形態に係るピストン機関は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受が介在する構造を備える。このため、例えば、シリンダ内の作動流体空間から、ピストンの外殻とピストンの内部の仕切り部材とで囲まれる蓄圧空間内へ作動流体を導入させ、この作動流体をピストンの側部に設けた給気孔からピストンとシリンダとの間に流出させ、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成する。本実施形態は、このようなピストン機関において、作動流体が充填される第１の空間と、ピストンに対して第１の空間の反対側に形成される第２の空間とを流体通路で接続し、この流体通路を開閉する通路開閉手段を設ける。そして、通路開閉手段は、ピストン機関が停止する際には、第１の空間内における作動流体の圧力とピストン機関の機関回転速度とに基づいて定められる、ピストンがシリンダ内に浮上している領域で、ピストン機関が運転されている場合に流体通路を連通させる点に特徴がある。なお、気体軸受は、静圧気体軸受、動圧気体軸受のいずれでもよい。ここで、ピストン機関の機関回転速度とは、ピストン機関の出力軸の回転速度をいう。ピストンの往復運動をクランクシャフトで回転運動に変換して取り出す場合、クランクシャフトの回転速度が機関回転速度となる。

図１は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。図２は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受を示す平面図である。図３は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。本実施形態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型の直列２気筒スターリングエンジンである。本実施形態において、スターリングエンジン１００は、内燃機関の排ガスＥｘを通過させる通路として機能するヒータケース３に熱交換器１０８を配置して、熱機関（例えば、内燃機関）の排ガスＥｘから熱エネルギを回収する、排熱回収装置として用いられる。

スターリングエンジン１００は、第１のシリンダである高温側シリンダ３０Ｈ内に収められた第１のピストンである高温側ピストン２０Ｈと、第２のシリンダである低温側シリンダ３０Ｌ内に収められた第２のピストンである低温側ピストン２０Ｌとが直列に配置されている。なお、以下において、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを区別しない場合にはシリンダ３０といい、高温側ピストン２０Ｈと低温側ピストン２０Ｌとを区別しない場合にはピストン２０という。後述するように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈと高温側ピストン２０Ｈとの間、及び低温側シリンダ３０Ｌと低温側ピストン２０Ｌとの間に気体軸受ＧＢを介在させる。

高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとは、基準体である基板１１１に、直接又は間接的に支持、固定されている。本実施形態においては、スターリングエンジン１００が備える基板１１１が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できるので、ピストンとシリンダとのクリアランスを精度よく保持することができる。これによって、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。

高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間には、ヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラ（冷却器）１０７とで構成される熱交換器１０８が設けられる。ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ３０Ｈと接続されて、高温側シリンダ３０Ｈとヒータ１０５との間で作動流体が流出入する。ヒータ１０５は、ヒータケース３内を流れる内燃機関の排ガスＥｘの熱を作動流体に与えて加熱し、加熱された作動流体が高温側シリンダ３０Ｈ内に流入する。ヒータ１０５は、例えば、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねて構成できる。また、本実施形態において、ヒータ１０５は、略Ｕ字形状である。これによって、内燃機関の排気通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置することができる。ヒータ１０５の他方の端部、すなわち、高温側シリンダ３０Ｈとは反対側の端部は再生器１０６と接続される。そして、ヒータ１０５と再生器１０６との間で作動流体が流出入する。

再生器１０６は、ヒータ１０５と接続される側の端部と反対側の端部がクーラ１０７と接続されて、ヒータ１０５又はクーラ１０７から流入する作動流体が通過する。再生器１０６は、例えば、多孔質の蓄熱体で構成できる。クーラ１０７の再生器１０６と接続される側とは反対側の端部は、低温側シリンダ３０Ｌが接続される。そして、クーラ１０７と低温側シリンダ３０Ｌとの間で作動流体が流出入する。クーラ１０７は、再生器１０６を通過した作動流体を冷却する。クーラ１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねて構成できる。クーラ１０７は空冷としてもよいし、水冷としてもよい。本実施形態において、熱交換器１０８は上述したように構成される。そして、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌは、それぞれ熱交換器１０８を通過した作動流体が流出入する。

高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌ及び熱交換器１０８内には作動流体（本実施形態では空気）が充填されており、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、スターリングエンジン１００を駆動する。高温側シリンダ３０Ｈの作動流体が充填される空間を高温側作動流体空間ＭＳＨ、低温側シリンダ３０Ｌの作動流体が充填される空間を低温側作動流体空間ＭＳＬといい、両者を区別しない場合には、単に作動流体空間ＭＳという。

高温側ピストン２０Ｈと低温側ピストン２０Ｌとは、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌ内に気体軸受ＧＢを介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さず、潤滑油を用いないで、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間の摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の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、例えば、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でスターリングエンジン１００を使用する場合でも、スターリングエンジン１００により排熱から熱エネルギを回収できる。

気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、ピストン２０（高温側ピストン２０Ｈ、低温側ピストン２０Ｌ）とシリンダ３０（高温側シリンダ３０Ｈ、低温側シリンダ３０Ｌ）との間には、所定のクリアランスｔｃを設ける。クリアランスｔｃは、ピストン２０の全周にわたって数μｍ〜数１０μｍとする。高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動は、コネクティングロッド６１によって出力軸であるクランクシャフト１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。このように、クランクシャフト１１０は、ピストン２０の往復運動を回転運動に変換する運動変換部材である。

ここで、気体軸受ＧＢは、ピストン２０の直径方向（横方向、スラスト方向）の力に耐える能力（負荷能力）が低いため、ピストン２０のサイドフォースＦｓを実質的に０にすることが好ましい。このため、シリンダ３０の軸線（中心軸）に対するピストン２０の直線運動精度を高くする必要がある。これを実現するため、図３に示すように、本実施形態において、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）６０によって支持される。

本実施形態において、近似直線機構６０は、グラスホッパ機構を採用する。近似直線機構６０は、一端部がスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃへ回動可能に取り付けられる第１腕６２と、同じく一端部がスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃへ回動可能に取り付けられる第２腕６３と、一端部がコネクティングロッド６１の端部と回動可能に連結され、他端部が第２腕６３の他端部と回動可能に連結される第３腕６４とで構成される。コネクティングロッド６１は、クランクシャフト１１０と回動可能に取り付けられる端部とは異なる端部が、第３腕６４の端部と回動可能に連結される。また、第１腕６２の他端部は、第３腕６４の両端部の間に、回動可能に連結される。

このように構成される近似直線機構６０を用いれば、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌを略直線状に往復運動させることができる。その結果、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０ＬのサイドフォースＦｓがほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても十分にピストン２０を支持できる。なお、ピストン２０を支持する近似直線機構６０はグラスホッパ機構に限られるものではなく、ワットリンク等を用いてもよい。

なお、本実施形態において近似直線機構６０として用いるグラスホッパ機構は、他の近似直線機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の寸法が小さくて済むため、スターリングエンジン１００全体がコンパクトになるという利点がある。特に、本実施形態に係るスターリングエンジン１００を車両に搭載される内燃機関の排熱回収に用い、内燃機関の排ガスの通路に熱交換器１０８を配置するというような、限られたスペースにスターリングエンジンを設置する場合、スターリングエンジン１００の全体がコンパクトである方が設置の自由度は向上する。また、グラスホッパ機構は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の質量が他の機構よりも軽量で済むため、熱効率を向上させる点で有利である。さらに、グラスホッパ機構は、機構の構成が比較的簡単であるため、製造・組み立てが容易であり、また製造コストも低減できるという利点もある。

図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ３０Ｈ、高温側ピストン２０Ｈ、コネクティングロッド６１、クランクシャフト１１０等の構成要素は、筐体１００Ｃに格納される。スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成される。筐体１００Ｃ内を構成するクランクケース１１４Ａ内の空間（クランクケース内空間）ＣＳにはクランクシャフト１１０が配置されるとともに、気体が充填される。本実施形態において、前記気体は、スターリングエンジン１００の作動流体と同一である。クランクケース内空間ＣＳに充填される気体は、圧力調整手段であるポンプ１１５により加圧される。ポンプ１１５は、例えば、スターリングエンジン１００の排熱回収対象である内燃機関によって駆動してもよいし、例えば電動機のような駆動手段を用いて駆動してもよい。なお、ポンプ１１５を設けず、クランクケース内空間ＣＳに充填される気体を予め所定の圧力まで加圧しておいてもよい。

スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５とクーラ１０７との温度差が同じ場合、作動流体の平均圧力が高い程、高温側と低温側との圧力差が大きくなるので、より高い出力が得られる。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、クランクケース内空間ＣＳに充填される気体を加圧することにより、作動流体空間ＭＳ内の作動流体を高圧に保持して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すように構成してある。これによって、排熱回収のように低質な熱源しか用いることができない場合でも、より多くの出力をスターリングエンジン１００から取り出すことができる。ここで、スターリングエンジン１００の出力は、筐体１００Ｃ内に充填される気体の圧力に略比例して大きくなる。

スターリングエンジン１００では、筐体１００Ｃにシール軸受１１６が取り付けられており、クランクシャフト１１０はシール軸受１１６により支持される。スターリングエンジン１００は、筐体１００Ｃ内に充填される気体を加圧するが、シール軸受１１６により、筐体１００Ｃ内に充填される気体の漏れを最小限に抑えることができる。クランクシャフト１１０の出力は、例えば、オルダムカップリングのようなフレキシブルカップリング１１８を介して筐体１００Ｃの外部へ取り出される。

図１、図３に示すように、スターリングエンジン１００が備えるピストン２０は、頂部２０Ｔと、側部２０Ｓと、底部２０Ｂとを外殻とし、頂部２０Ｔと、側部２０Ｓと、底部２０Ｂとで囲まれる空間を、蓄圧空間２０Ｉとする。スターリングエンジン１００は、筐体１００Ｃの外部へ配置した、気体軸受用圧力生成手段である気体軸受ポンプ１２０から気体供給通路４５を介して、ピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ作動流体ＦＬが供給される。そして、蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬは、ピストン２０の側部２０Ｓに設けられた複数の給気孔２２を通ってピストン２０の側部２０Ｓとシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間のクリアランスｔｃに流出する。これによって、ピストン２０とシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間に気体軸受ＧＢが構成される。

ここで、本実施形態では、筐体１００Ｃのクランクケース内空間ＣＳに充填される気体が加圧される。このため、気体軸受ポンプ１２０を筐体１００Ｃの外部に配置した場合、気体軸受ポンプ１２０は、少なくともクランクケース内空間ＣＳの圧力よりも高い圧力で作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉへ送り込まないと、蓄圧空間２０Ｉから給気孔２２を通して作動流体ＦＬを流出させることはできない。この場合、気体軸受ポンプ１２０を筐体１００Ｃの内部に配置すれば、気体軸受ポンプ１２０は、既に加圧された作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉに送り込むだけなので、気体軸受ＧＢを形成するために要する気体軸受ポンプ１２０の仕事量を低減できる。

図１に示すスターリングエンジン１００は、ピストン機関であるスターリングエンジン１００の作動流体が充填される第１の空間と、ピストン２０に対して第１の空間とは反対側における第２の空間とを接続する流体通路を備える。そして、流体通路には、流体通路を開閉可能な通路開閉手段が設けられる。本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、高温側作動流体空間ＭＳＨあるいは低温側作動流体空間ＭＳＬ、すなわち作動流体空間ＭＳが第１の空間に相当し、クランクケース内空間ＣＳが第２の空間に相当する。本実施形態では、低温側作動流体空間ＭＳＬとクランクケース内空間ＣＳとを流体通路４０で接続する。流体通路４０には通路開閉手段である通路開閉弁４１が設けられる。

通路開閉弁４１は、例えば、電磁弁を用いて構成される。図１に示すように、通路開閉弁４１は、スターリングエンジン１００を制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０と電気的に接続されており、ＥＣＵ５０によって開閉が制御される。通路開閉弁４１が開くと、流体通路４０によって作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとが連通し、通路開閉弁４１が閉じると、作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとの連通が遮断される。

スターリングエンジン１００の運転中には通路開閉弁４１が閉じられて、作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとの連通が遮断される。そして、ヒータ１０５が受けた熱のエネルギによって作動流体空間ＭＳ内及び熱交換器１０８内の作動流体の圧力が変化することにより、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌが往復運動する。この往復運動は、クランクシャフト１１０で回転運動に変換されて取り出される。

図４は、本実施形態に係るスターリングエンジンを用いた排熱回収システムの構成例を示す概念図である。この排熱回収システム８０は、例えば、車両に搭載されて動力発生源となる内燃機関１と、スターリングエンジン１００と、スターリングエンジン１００によって駆動される発電機２とを含んで構成される。

スターリングエンジン１００のヒータ１０５は、ヒータケース３内に配置される。ヒータケース３は、内燃機関１から排出される排ガスＥｘの通路としても機能する。内燃機関１から排出された排ガスＥｘは、ヒータ１０５でスターリングエンジン１００の作動流体を加熱する。これによって、スターリングエンジン１００が排ガスＥｘの熱エネルギを回収して動力を発生する。スターリングエンジン１００が発生した動力により、発電機２が駆動され、電力が発生する。このように、排熱回収システム８０においては、内燃機関１がスターリングエンジン１００による排熱回収対象となる。

図５は、気体軸受によってピストンがシリンダ内に支持される構造において、ピストンの浮上領域と接触領域との判別をするためのマップを示す概念図である。図５のマップ７０は、縦軸が、図１に示すスターリングエンジン１００の作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力であり、横軸が、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度である。

マップ７０の直線Ｌにより、スターリングエンジン１００のピストン２０とシリンダ３０とが接触する領域（接触領域）と、ピストン２０が気体軸受によってシリンダ３０内に浮上する、あるいは、ピストン２０とシリンダ３０とに許容できる接触が発生する領域（浮上領域）とが区別される。すなわち、ある回転速度において、作動流体の圧力が直線Ｌよりも高い領域は接触領域であり、作動流体の圧力が直線Ｌよりも低い領域は浮上領域となる。また、ある作動流体の圧力において、回転速度が直線Ｌよりも低い領域は接触領域であり、回転速度が直線Ｌよりも高い領域は浮上領域となる。マップ７０の関係は、ピストン２０がシリンダ３０から浮上している領域を探し出す実験中に得られた新たな知見である。なお、本実施形態において、浮上領域は、上述したように、ピストン２０が気体軸受によってシリンダ３０内に浮上している領域のみならずピストン２０とシリンダ３０とに許容できる接触が発生する領域も含む概念であるが、好ましくは、ピストン２０が気体軸受によってシリンダ３０内に浮上している領域を浮上領域とすることが望ましい。

最大作動流体圧力Ｐｍａｘは、スターリングエンジン１００の第１の空間である作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力の最大値である。最大作動流体圧力Ｐｍａｘは、スターリングエンジン１００の仕様によって決定されるものであり、作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力は、最大作動流体圧力Ｐｍａｘよりも大きくなることはない。したがって、マップ７０の直線Ｌと最大作動流体圧力Ｐｍａｘとが交差する点におけるクランクシャフト１１０の回転速度Ｎｂよりも回転速度が大きい領域は、必ず浮上領域となる。この回転速度Ｎｂを、境界回転速度という。

すなわち、境界回転速度Ｎｂよりもクランクシャフト１１０の回転速度が大きい場合には、ピストン２０はシリンダ３０から浮上している。このように、本実施形態では、作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力とスターリングエンジン１００の機関回転速度（クランクシャフト１１０の回転速度）とに基づいて、ピストン２０がシリンダ３０内に浮上している領域と、ピストン２０がシリンダ３０に接触する領域とが判定される。

本実施形態では、スターリングエンジン１００から出力を得る場合、浮上領域でスターリングエンジン１００を運転する。例えば、定格出力が得られる定格回転速度をＮｃとすると、定格回転速度Ｎｃは境界回転速度Ｎｂよりも大きい回転速度となる。また、本実施形態において、運転しているスターリングエンジン１００を停止させる際には、浮上領域で停止させる。これによって、ピストン２０とシリンダ３０とが非接触の状態を保ったままスターリングエンジン１００を停止できるので、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下が抑制され、スターリングエンジン１００の信頼性が向上する。

図６、図７は、本実施形態において、スターリングエンジンを停止させる際におけるタイミングの一例を説明する図である。図６に示すように、スターリングエンジン１００が定格回転速度で運転している場合に、排熱回収対象である内燃機関１の出力（内燃機関出力）が低下し始め（図７の時間ｔ＝ｔ１）、その後、内燃機関１の運転が停止したとする（図７の時間ｔ＝ｔ２）。内燃機関出力が低下すると、内燃機関１の排ガスＥｘの温度も低下するので、スターリングエンジン１００が排ガスＥｘから回収できる熱エネルギも減少する。排ガスＥｘから回収できる熱エネルギが減少すると、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度（ＳＥ回転速度）も低下する。同時に、スターリングエンジン１００が発生する動力（ＳＥ出力）も低下する。

内燃機関１が停止したため、スターリングエンジン１００を停止させるが、この場合、図１に示すＥＣＵ５０は、同図に示すクランク角センサ１４０からクランクシャフト１１０の回転速度を取得する。そして、クランクシャフト１１０の回転速度が予め定めた停止回転速度Ｎｏと等しくなったら、ＥＣＵ５０は、通路開閉弁４１を開く（時間ｔ＝ｔ２）。すると、流体通路４０によって作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとが連通するので、作動流体空間ＭＳ内の作動流体がクランクケース内空間ＣＳへ移動する。これによって、作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳと両者の圧力が略等しくなる。その結果、作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力振幅は略０になって、すなわち、スターリングエンジン１００が無負荷状態となって、スターリングエンジン１００は停止する（時間ｔ＝ｔ３）。ここで、停止回転速度Ｎｏは、定格回転速度Ｎｃよりも小さく、境界回転速度Ｎｂよりも大きい値に設定される。

このように、本実施形態では、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度が境界回転速度Ｎｂよりも大きい状態で通路開閉弁４１を開き、スターリングエンジン１００を停止させるので、ピストン２０がシリンダ３０から浮上した状態でスターリングエンジン１００を停止させることができる。これによって、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下が抑制されるので、スターリングエンジン１００の信頼性が向上する。なお、上記説明では、内燃機関１が停止したタイミングでスターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度が停止回転速度Ｎｏと等しくなっているが、内燃機関１が停止したタイミングにおいてクランクシャフト１１０の回転速度が停止回転速度Ｎｏよりも大きい場合、通路開閉弁４１は閉じたままにしておき、クランクシャフト１１０の回転速度が停止回転速度Ｎｏと等しくなったら通路開閉弁４１を開く。一方、内燃機関１が停止する前にクランクシャフト１１０の回転速度が停止回転速度Ｎｏになった場合、その時点で通路開閉弁４１を開く。

図８、図９は、本実施形態において、スターリングエンジンを停止させる際におけるタイミングの他の例を説明する図である。この例は、スターリングエンジン１００が残熱運転をする場合におけるスターリングエンジン１００を停止させる例である。残熱運転とは、スターリングエンジン１００のヒータ１０５に蓄積された余熱でスターリングエンジン１００を運転することである。

図８に示すように、スターリングエンジン１００が定格回転速度で運転している場合に、排熱回収対象である内燃機関１の運転が停止したとする（図９の時間ｔ＝ｔ１）。すると、内燃機関１からスターリングエンジン１００のヒータ１０５に排ガスＥｘが供給されなくなるので、スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５の余熱で残熱運転を続けるが、ヒータ１０５の余熱が少なくなるにしたがって、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度（ＳＥ回転速度）は低下する。同時に、スターリングエンジン１００が発生する動力（ＳＥ出力）も低下する。

内燃機関１が停止したため、スターリングエンジン１００を停止させるが、この場合、図１に示すＥＣＵ５０は、同図に示すクランク角センサ１４０からクランクシャフト１１０の回転速度を取得する。そして、クランクシャフト１１０の回転速度が予め定めた停止回転速度Ｎｏと等しくなったら、ＥＣＵ５０は、通路開閉弁４１を開く（時間ｔ＝ｔ２）。ここで、残熱運転をする場合、通路開閉弁４１は、ピストン２０がシリンダ３０内に浮上している領域（浮上領域）と、ピストン２０がシリンダ３０内に浮上しない領域（接触領域）との境界まで、流体通路４０を閉じるタイミングを遅らせる。浮上領域と接触領域との境界におけるクランクシャフト１１０の回転速度は、境界回転速度Ｎｂなので、残熱運転をする場合、停止回転速度Ｎｏを境界回転速度Ｎｂとする。このようにすれば、ピストン２０とシリンダ３０との接触を回避できる最大限の範囲で残熱運転を実行できる。

なお、本実施形態では、接触領域と浮上領域との境界まで、すなわち、接触領域の直前まで、流体通路４０を閉じるタイミングを遅らせるが、安全を考慮して、クランクシャフト１１０の回転速度が接触領域と浮上領域との境界（すなわち、境界回転速度Ｎｂ）に至る前に流体通路４０を閉じてもよい。この場合、残熱運転の時間をできる限り長くするため、停止回転速度Ｎｏを、境界回転速度Ｎｂに予め定めたマージン回転速度Ｎｍを加算した値とし、マージン回転速度Ｎｍをできる限り小さい値とする。マージン回転速度Ｎｍは、機器間のばらつきや公差等を考慮したものであり、実験や解析により求める。このようにすれば、ピストン２０とシリンダ３０との接触をより確実に回避しつつ、長時間の残熱運転を実現できる。

通路開閉弁４１が開かれると、流体通路４０によって作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとが連通するので、作動流体空間ＭＳ内の作動流体がクランクケース内空間ＣＳへ移動する。これによって、作動流体空間ＭＳの圧力とクランクケース内空間ＣＳの圧力とが略等しくなる。その結果、作動流体空間ＭＳ内における作動流体の圧力振幅は略０になって、すなわち、スターリングエンジン１００が無負荷状態となって、スターリングエンジン１００は停止する（時間ｔ＝ｔ３）。このように、残熱運転をする場合には、通路開閉弁４１が開かれるタイミングを、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の回転速度が境界回転速度Ｎｂとなるまで遅らせて、スターリングエンジン１００を停止させる。その結果、ピストン２０とシリンダ３０との接触を回避した状態で最大限の残熱運転が実現できる。また、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下が抑制されるので、スターリングエンジン１００の信頼性が向上する。

以上のように、本発明に係るピストン機関は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる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停止させることに適している。

本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受を示す平面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンを用いた排熱回収システムの構成例を示す概念図である。 気体軸受によってピストンがシリンダ内に支持される構造において、ピストンの浮上領域と接触領域との判別をするためのマップを示す概念図である。 本実施形態において、スターリングエンジンを停止させる際におけるタイミングの一例を説明する図である。 本実施形態において、スターリングエンジンを停止させる際におけるタイミングの一例を説明する図である。 本実施形態において、スターリングエンジンを停止させる際におけるタイミングの他の例を説明する図である。 本実施形態において、スターリングエンジンを停止させる際におけるタイミングの他の例を説明する図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 発電機
３ ヒータケース
２０ ピストン
２０Ｂ 底部
２０Ｉ 蓄圧空間
２０Ｓ 側部
２０Ｔ 頂部
２０Ｈ 高温側ピストン
２０Ｌ 低温側ピストン
２２ 給気孔
３０ シリンダ
３０Ｉ 内壁
３０Ｈ 高温側シリンダ
３０Ｌ 低温側シリンダ
４０ 流体通路
４１ 通路開閉弁
４５ 気体供給通路
６０ 近似直線機構
７０ マップ
８０ 排熱回収システム
１００ スターリングエンジン
１００Ｃ 筐体
１０５ ヒータ
１０６ 再生器
１０７ クーラ
１０８ 熱交換器
１１０ クランクシャフト
１１５ ポンプ
１２０ 気体軸受ポンプ
１４０ クランク角センサ

Claims (4)

1. シリンダ内をピストンが往復運動し、当該ピストンの往復運動を回転運動に変換して出力するピストン機関において、
   前記シリンダと前記ピストンとの間に介在する気体軸受と、
   前記シリンダ内に作動流体が充填される第１の空間と、前記ピストンに対して前記第１の空間の反対側における第２の空間とを接続する流体通路と、
   前記流体通路に設けられて当該流体通路を開閉する通路開閉手段と、を備え、
   当該通路開閉手段は、前記ピストン機関が停止する際には、前記第１の空間内における前記作動流体の圧力と前記ピストン機関の機関回転速度とに基づいて定められる、前記ピストンが前記シリンダ内に浮上している領域で、前記ピストン機関が運転されている場合に前記流体通路を連通させることを特徴とするピストン機関。
2. 前記第１の空間は、前記作動流体が充填される作動流体空間であり、前記第２の空間は、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換する運動変換部材が配置される空間である請求項１に記載のピストン機関。
3. 前記ピストン機関は、ヒータによって前記作動流体を加熱して動作するものであり、
   前記ピストン機関が前記ヒータの余熱で作動する場合には、前記通路開閉手段は、前記ピストンが前記シリンダ内に浮上している領域と、前記ピストンが前記シリンダ内に浮上しない領域との境界まで前記流体通路を閉じるタイミングを遅らせる請求項２に記載のピストン機関。
4. 前記ピストン機関は、
   第１のシリンダ及び当該第１のシリンダ内を往復運動する第１のピストンと、第２のシリンダ及び当該第２のシリンダ内を往復運動する第２のピストンとを有し、前記第１のシリンダと前記第２のシリンダとの間に前記ヒータが配置されるスターリングエンジンである請求項３に記載のピストン機関。

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