JP4858424B2 - ピストン機関及びスターリングエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、ピストンリングや潤滑油を使用しないでシリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関及びスターリングエンジンに関する。
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して往復運動させ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(0013、図1、図5)
ところで、スターリングエンジンは、ピストンの頂面が作動流体と接触するので、特に高温の作動流体と接触するピストンは頂部が熱膨張する。特許文献1に開示されているスターリングエンジンのように、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる場合、ピストンとシリンダとのクリアランスを微小にする必要がある。このため、スターリングエンジンの運転中にピストンが熱膨張すると、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場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減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、作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブを有するシリンダと、前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備えることを特徴とする。
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、作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備えることを特徴とする。
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、作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されるシリンダと、前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備え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、少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とすることが好ましい。
前記スリーブと前記外殻とは、それぞれ異なる構造体で構成されるとともに、前記スリーブは、前記ヒータ側の端部にスリーブ支持部が設けられ、前記スリーブは、前記外殻の一端部に前記スリーブ支持部を取り付けることによって前記外殻に取り付けられるとともに、前記ヒータと連結されることが好ましい。
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、前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることが好ましい。
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、前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることが好ましい。
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、前記外殻は、前記シリンダへ作用する前記シリンダの中心軸と平行な方向の力を支持し、また、前記スリーブは、前記スリーブの内部に存在する前記作動流体の圧力を受けることが好ましい。
上述の目的を達成するために、本発明に係るスターリングエンジンは、作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記ヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を含むことを特徴とする。
本発明の好ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とすることが好ましい。
本発明の好ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記ピストンは、近似直線機構によって支持されることが好ましい。
本発明の好ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記スターリングエンジンが複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つの前記シリンダは、前記ヒータと前記スリーブとを熱的に接続するとともに、前記スリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されることが好ましい。
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場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できる。
以下、本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(以下実施形態という)によりこの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外燃機関であるスターリングエンジンを取り上げる。このように、本実施形態において、ピストン機関は外燃機関であることが好ましいが、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。
本実施形態は、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であり、前記ピストン機関の作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブを備え、このスリーブと前記ヒータと熱的に接続する点に特徴がある。また、本実施形態では、前記スリーブの外側に外殻を配置して、前記スリーブと前記外殻との二重構造でシリンダを構成する。
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、本実施形態に係るピストン機関であ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。直列2気筒とは、スターリングエンジン100の出力軸であるクランク軸110の回転軸と平行な方向に、二つのシリンダが並んだ構成である。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、内燃機関の排ガスExから熱エネルギーを回収する、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、高温側シリンダ30H内に収められた高温側ピストン20Hと、低温側シリンダ30L内に収められた低温側ピストン20Lとが直列に配置されている。高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30Lとの間には、熱交換器108が配置される。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。
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。本実施形態に係るスターリングエンジン100においては、この基板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。また、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が設けられる。
高温側シリンダ30Hは、円筒状の構造体であるスリーブ30HRと、スリーブ30HRの外周部の外側に配置される外殻であるシリンダブロック30HBと、を有する二重構造で構成される。スリーブ30HRは、内部に高温側ピストン20Hが配置され、これによって、スリーブ30HRの内周面と高温側ピストン20Hの外周面とが対向して配置される。気体軸受GBは、スリーブ30HRと高温側ピストン20Hとの間に形成されており、高温側ピストン20Hは、気体軸受GBでスリーブ30HR内に支持されながら、スリーブ30HRの内部を往復運動する。
スリーブ30HRの内部には、スターリングエンジン100の作動流体が存在する作動空間(高温側作動空間)MSHが形成される。高温側作動空間MSHは、スリーブ30HRの内面と、高温側ピストン20Hの頂面と、ヒータ105の高温側シリンダ30Hと接続される側の端部とで囲まれる空間である。ここで、本実施形態において、スターリングエンジン100の作動流体は空気である。スリーブ30HRの内部、すなわち高温側作動空間MSHには、作動流体を加熱するヒータ105を通過した作動流体が流入する。また、高温側作動空間MSHからは、ヒータ105へ作動流体が流入する。高温側ピストン20Hは、高温側作動空間MSH内の作動流体の圧力変化によって、スリーブ30HRの内部を往復運動する。
低温側シリンダ30Lは、円筒状の構造体であるスリーブ30LRと、スリーブ30LRの外周部の外側に配置される外殻であるシリンダブロック30LBとで構成される。なお、スリーブ30LRを設けず、スリーブ30LRとシリンダブロック30LBとを同一の構造体で構成してもよい。スリーブ30LRは、内部に低温側ピストン20Lが配置されており、これによって、スリーブ30LRの内周面と低温側ピストン20Lの外周面とが対向して配置される。気体軸受GBは、スリーブ30LRと低温側ピストン20Lとの間に形成されており、低温側ピストン20Lは気体軸受GBによってスリーブ30LR内に支持されて、スリーブ30LRの内部を往復運動する。
スリーブ30LRの内部には、スターリングエンジン100の作動流体が存在する作動空間(低温側作動空間)MSLが形成される。低温側作動空間MSLは、スリーブ30LRの内面と、低温側ピストン20Lの頂面と、クーラー107の低温側シリンダ30Lと接続される側の端部とで囲まれる空間である。スリーブ30LRの内部、すなわち低温側作動空間MSLには、作動流体を冷却するクーラー107を通過した作動流体が流入する。また、低温側作動空間MSLからは、クーラー107へ作動流体が流入する。低温側ピストン20Lは、低温側作動空間MSL内の作動流体の圧力変化によって、スリーブ30LRの内部を往復運動する。
スターリングエンジン100は、高温側シリンダ30H及び低温側シリンダ30Lを基準体である基板111に間接的に取り付ける。このような構成により、基板111を用いてピストン20とシリンダ30との位置精度を確保して、ピストン20とシリンダ30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。さらに、スターリングエンジン100の組み立ても容易になる。なお、高温側シリンダ30H及び低温側シリンダ30Lを基板111へ直接取り付けてもよい。
高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30Lとの間には、略U字形状のヒータ(加熱器)105と再生器106とクーラー107とで構成される熱交換器108が設けられる。このように、ヒータ105を略U字形状にすることによって、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を容易に配置できる。また、このスターリングエンジン100のように、高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30Lとを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ105を比較的容易に配置することができる。
ヒータ105の一方の端部は高温側シリンダ30H側に配置され、他方の端部は再生器106側に配置される。再生器106は、一方の端部がヒータ105側に配置され他方の端部はクーラー107側に配置されて、ヒータ105又はクーラー107から流入する作動流体が通過する。クーラー107の一方の端部は再生器106側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ30L側に配置される。
高温側シリンダ30H側に配置されるヒータ105の端部には、ヒータ・シリンダ連結部材120が取り付けられる。ヒータ・シリンダ連結部材120は、金属のような熱の良導体で構成されており、ヒータ105の一部を構成する。ヒータ・シリンダ連結部材120のヒータ105と接続される側とは反対側の端部は、高温側シリンダ30H、より具体的には高温側シリンダ30Hを構成するスリーブ30HRに取り付けられる。これによって、ヒータ105は、ヒータ・シリンダ連結部材120を介して高温側シリンダ30Hと接続される。そして、スターリングエンジン100の運転中においては、ヒータ105を通過した作動流体が高温側シリンダ30Hの内部へ流入するとともに、高温側シリンダ30Hの内部の作動流体は、ヒータ105へ流入する。
低温側シリンダ30L側に配置されるクーラー107の端部には、クーラー・シリンダ連結部材121が取り付けられる。クーラー・シリンダ連結部材121のクーラー107と接続される側とは反対側の端部は、低温側シリンダ30Lに取り付けられる。これによって、クーラー107は、クーラー・シリンダ連結部材121を介して低温側シリンダ30Lと接続される。そして、スターリングエンジン100の運転中においては、クーラー107を通過した作動流体が低温側シリンダ30Lの内部へ流入するとともに、低温側シリンダ30Lの内部の作動流体は、クーラー107へ流入する。
ヒータ・シリンダ連結部材120は、その外周部に張り出すフランジ120Fを介して基板111へ取り付けられる。これによって、高温側シリンダ30Hは、ヒータ・シリンダ連結部材120を介して基板111へ取り付けられる。また、クーラー・シリンダ連結部材121は、その外周部に張り出すフランジ121Fを介して基板111へ取り付けられる。これによって、低温側シリンダ30Lは、クーラー・シリンダ連結部材121を介して基板111へ取り付けられる。
ヒータ105は、スターリングエンジン100の作動流体を加熱する。クーラー107は、作動流体を冷却する。高温側シリンダ30H及び低温側シリンダ30Lは、熱交換器108を通過した作動流体が流入し、流出する。高温側シリンダ30Hのスリーブ30HR、低温側シリンダ30Lのスリーブ30LR及び熱交換器108内には作動流体が封入されており、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、スターリングエンジン100を駆動する。
ここで、例えば、ヒータ105、クーラー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することができる。クーラー107は空冷としてもよいし、水冷としてもよい。また、再生器106は、例えば、多孔質の蓄熱体で構成する。なお、ヒータ105、クーラー107及び再生器106の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン100の仕様等によって、好適な構成を選択できる。
上述したように、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の内部に気体軸受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20とシリンダ30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20とシリンダ30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ーを回収できる。
気体軸受GBを構成するため、図2に示すように、高温側ピストン20H、低温側ピストン20Lとスリーブ30HR、30LR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、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、図2に示す近似直線機構(例えばグラスホッパ機構)60によって支持される。そして、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60によって略直線状に往復運動するとともに、この往復運動がコネクティングロッド61を介してクランクシャフト110に伝達される。これにより、近似直線機構60によって支持された高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの往復運動は、クランクシャフト110によって回転運動に変換され、スターリングエンジン100の出力として取り出される。すなわち、スターリングエンジン100は、近似直線機構60によって支持される高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの往復運動を、クランクシャフト110で回転運動に変換することによって出力を得るものである。
本実施形態では、例えば、近似直線機構60によってサイドフォースFsの大部分を支持し、ピストン20の往復運動が近似直線運動から外れる際に発生する分のサイドフォースFsを気体軸受GBによって支持する。本実施形態では、近似直線機構60にグラスホッパ機構を用いる。以下、近似直線機構60をグラスホッパ機構60という。
グラスホッパ機構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63の両端部の間に、回動可能に連結される。
このようなグラスホッパ機構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、ピストン20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。
ここで、グラスホッパ機構60は、他の直線近似機構に比べて、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の全体がコンパクトになるという利点がある。特に、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60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60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。ここで、筐体100Cは、クランクケース114Aと、シリンダブロック30HB、30LB、筐体補強部材114Bとを含んで構成される。
本実施形態において、スターリングエンジン100の筐体100Cを構成するクランクケース114A内には気体が充填される。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114A内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。
スターリングエンジン100は、ヒータ105とクーラー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。スターリングエンジン100は、クランクケース114A内に充填される気体を加圧することにより、高温側作動空間MSH、低温側作動空間MSL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、クランクケース114A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は、クランクケース114A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、クランクケース114A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119を介してクランクケース114Aの外部へ取り出される。なお、クランクケース114Aの内部と外部との間に、クランクシャフト110と連結される磁気カップリングを設け、これを介してクランクシャフト110の出力をクランクケース114Aの外部へ取り出してもよい。
図1、図2に示すように、本実施形態においては、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの側周部に設けた給気口HEから気体(本実施形態では作動流体と同じ空気)Aを吹き出して、気体軸受GBを形成する。図1、図2に示すように、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの内部には、それぞれ高温側ピストン内空間20HI及び低温側ピストン内空間20LIが形成される。
高温側ピストン20Hには、高温側ピストン内空間20HIへ気体Aを供給するための気体導入口HIが設けられており、低温側ピストン20Lには、低温側ピストン内空間20LIへ気体Aを供給するための気体導入口HIが設けられている。それぞれの気体導入口HIには、気体供給管118が接続されている。気体供給管118の一端は、気体軸受用ポンプ117に接続されており、気体軸受用ポンプ117から吐出される気体Aを高温側ピストン内空間20HI及び低温側ピストン内空間20LIへ導く。
高温側ピストン内空間20HI及び低温側ピストン内空間20LIへ導入された気体Aは、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの側周部に設けた給気口HEから流出して、気体軸受GBを形成する。なお、この気体軸受GBは、静圧気体軸受であるが、本実施形態において、気体軸受GBの構造はこれに限定されるものではなく、動圧気体軸受であってもよい。
また、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの頂面に気体取り込み孔を設けて、この気体取り込み孔から高温側ピストン内空間20HI及び低温側ピストン内空間20LIへ作動流体である気体Aを取り込み、給気口HEから流出させて気体軸受GBを構成してもよい。なお、本実施形態の気体軸受GBは静圧気体軸受であるが、動圧気体軸受を用いてもよい。
図3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が備える高温側シリンダの構成を示す説明図である。図4は、ヒータ・シリンダ連結部材を高温側作動空間側から見た平面図である。図5は、高温側ピストンを構成するスリーブの断面図である。図6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が備える高温側シリンダの他の構成を示す説明図である。図3〜図6は、図1に示すスターリングエンジン100の高温側ピストン20H及び高温側シリンダ30Hを示している。なお、図3、図6は、高温側ピストン20HがTDC(Top Dead Center:上死点)にある状態を示してある。
高温側ピストン20Hの頂面20Tは、ヒータ105で加熱された高温の作動流体と接触するので熱膨張する。図1に示すスターリングエンジン100は、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hを構成するスリーブ30HRとの間に気体軸受GBを設けるため、両者のクリアランスtcは数μm〜数10μmと小さく設定されている。このため、高温側ピストン20Hが径方向に熱膨張すると、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hのスリーブ30HRとが接触するおそれがある。
そこで、本実施形態では、高温側ピストン20Hの頂面20Tから所定位置Kpまでの距離L1の部分における直径D1を、所定位置Kpから頂面反対側端部20Bまでの距離L2の部分における直径D2よりも小さくしてある。これによって、高温側ピストン20Hの頂面20Tから所定位置Kpまでにおける高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hのスリーブ30HRとのクリアランスtch(図3のAで示す部分)は、高温側ピストン20Hの所定位置Kpから頂面反対側端部20Bまでにおける高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hのスリーブ30HRの内周面33とのクリアランスtcよりも大きくなる。ここで、高温側シリンダ30Hのスリーブ30HRの内径はDiなので、クリアランスtchは(Di−D1)/2であり、クリアランスtcは、(Di−D2)/2である。これによって、高温側ピストン20Hの頂面20T近傍が径方向へ熱膨張しても、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hのスリーブ30HRとの接触を回避できる。ここで、上述した所定位置Kpをピストン側段差部という(図3のBで示す部分)。
本実施形態では、高温側ピストン20HがTDCにくると、高温側ピストン20Hはヒータ・シリンダ連結部材120の内部まで入り込む。図6に示す構成では、高温側ピストン20Hの頂面20Tからピストン側段差部Kpまでの距離L3を、図3に示す高温側ピストン20Hでの頂面20Tからピストン側段差部Kpまでの距離L1よりも小さくしてある。このため、図3に示す高温側ピストン20Hは、TDCにおいて、ピストン側段差部Kpは、ヒータ・シリンダ連結部材120の内部まで入り込まない。一方、図6に示す高温側ピストン20Hは、TDCにおいて、ピストン側段差部Kpは、ヒータ・シリンダ連結部材120の内部まで入り込む。このため、図6に示す構成では、TDCにおいて、高温側ピストン20Hの径方向に向かう熱膨張により、高温側ピストン20Hとヒータ・シリンダ連結部材120とが接触するおそれがある。
この接触を回避するため、TDCにおいてピストン側段差部Kpがヒータ・シリンダ連結部材120の内部まで入り込む構成では、図6に示すように、ヒータ・シリンダ連結部材120の内径Di1を、高温側シリンダ30Hのスリーブ30HRの内径はDiよりも大きく形成してもよい。これによって、高温側ピストン20Hの頂面20Tからピストン側段差部Kpまでにおける高温側ピストン20Hとヒータ・シリンダ連結部材120とのクリアランスtch1は、高温側ピストン20Hの側周面20Sと高温側シリンダ30Hのスリーブ30HRの内周面33とのクリアランスtcよりも大きくなる。ここで、クリアランスtch1は(Di1−D1)/2であり、クリアランスtcは、(Di−D2)/2である。これによって、高温側ピストン20Hの頂面20T近傍が径方向へ熱膨張しても、高温側ピストン20Hとヒータ・シリンダ連結部材120との接触を回避できる。
図1に示すスターリングエンジン100の運転中、上述したように、高温側ピストン20Hの頂面20Tには、熱媒体として、例えば内燃機関の排ガスExによってヒータ105で加熱された作動流体が接触する。作動流体の熱は、高温側ピストン20Hの頂面20Tから頂面と接続する側周面20Sへ流れ、その結果、スターリングエンジン100の運転時には、停止時と比較して高温側ピストン20Hの温度が上昇する。これによって、スターリングエンジン100の運転時において、高温側ピストン20Hは頂面20Tから頂面反対側端部20Bにわたって径方向へ膨張する。
一方、高温側ピストン20Hが格納される高温側シリンダ30Hは、外側が外気と接触する。このため、高温側シリンダ30Hの温度は、高温の作動流体が流入する内部(すなわち図1に示す高温側作動空間MSH)よりも外側の方が低くなる。これによって、高温側ピストン20Hの側周面20Sと対向する高温側シリンダ30Hの内周面の温度が、高温側ピストン20Hよりも低くなり、高温側ピストン20Hの径方向への熱膨張よりも、高温側シリンダ30Hの径方向への熱膨張の方が小さくなる。このように、高温側ピストン20Hの熱膨張と高温側シリンダ30Hの熱膨張との差(以下、ピストン−シリンダ間熱膨張差という)が発生することにより、当初設定していた高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとのクリアランスが減少し、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとが接触するおそれがある。
本実施形態では、高温側ピストン20Hの温度と高温側シリンダ30Hの温度との差(以下、ピストン−シリンダ間温度差という)を低減する構成とする。これによって、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減するので、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとの接触を回避できる。次に、ピストン−シリンダ間温度差を低減する構成について、詳細に説明する。
本実施形態では、高温側シリンダ30Hを構成するスリーブ30HRを、作動流体を加熱するヒータ105と熱的に接続する。すなわち、スリーブ30HRは、ヒータ105を延長したような構造となる。ここで、熱的に接続するとは、スリーブ30HRとヒータ105とを、伝熱構造を介して接続し、ヒータ105の熱がスリーブ30HRへ良好に伝わるように構成することである。
伝熱構造としては、スリーブ30HRとヒータ105とを接続する部分を金属材料のような熱の良導体で構成して両者を接続したり、さらに両者の間に熱の良導体(例えば銀ペーストや銅ペーストのような金属ペースト)を介在させたりする構造がある。また、他の伝熱構造としては、例えば、スリーブ30HRとヒータ105との間に伝熱性に優れた材料を介在させて両者を接続したり、熱の良導体である金属材料で構成した伝熱部材を介して両者を接続したりする構造がある。さらに、スリーブ30HRとヒータ105とを同一の構造体とする構造も本実施形態の伝熱構造に該当する。
これによって、例えば、排ガスExで加熱されるヒータ105の熱が熱伝導によってスリーブ30HRに伝わる。スリーブ30HRは、例えば金属のような熱伝導率の高い材料で構成されるので、ヒータ105の熱が効率よくスリーブ30HRへ伝わる。これによって、スリーブ30HRの外部への放熱があっても、ヒータ105によってスリーブ30HRに熱が与えられるので、スリーブ30HRの温度低下が抑制される。その結果、ピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減する。そして、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとのクリアランスは設定した値に維持されるので、両者の接触を回避できる。これによって、気体軸受GBの機能を安定して発揮させることができる。
本実施形態では、スリーブ30HRの外側に、所定の間隔を設けてシリンダブロック30HBを配置する。このように、高温側シリンダ30Hは、スリーブ30HRの外側に、所定の間隔をもってシリンダブロック30HBが配置される二重構造で構成される。スリーブ30HRとシリンダブロック30HBとの間に所定の間隔を設けることにより、スリーブ30HRの外周面34とシリンダブロック30HBの内周面35との間には気体層(本実施形態では空気層)が形成されるとともに、スリーブ30HRとシリンダブロック30HBとは非接触となる。
この気体層によって、スリーブ30HRからシリンダブロック30HBへの放熱量を大幅に抑制できるので、スリーブ30HRの温度低下が抑制される。その結果、ピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減する。そして、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとのクリアランスは設定した値に維持されるので、両者の接触を回避できる。これによって、気体軸受GBの機能を安定して発揮させることができる。
ここで、本実施形態では、シリンダブロック30HBと筐体補強部材114Bとの間にガスケット40が設けられる。これによって、シリンダブロック30HBと筐体補強部材114Bとを密封して、クランクケース114Aの気密を確保する。また、ガスケット40に断熱材としての機能を持たせてもよい。これによって、シリンダブロック30HBから筐体補強部材114Bやクランクケース114Aへの伝熱が抑制されて、筐体補強部材114B側におけるシリンダブロック30HBの温度低下が抑制される。その結果、スリーブ30HRのクランクケース114A側におけるスリーブ30HRからシリンダブロック30HBへの放熱を抑制できるという利点がある。
上述した構成により、スリーブ30HRの反ヒータ側端部31は、シリンダブロック30HBと非接触となっている。シリンダブロック30HBは、ヒータ105から離れるにしたがって温度が低くなるが、シリンダブロック30HBの内側に気体層を介して配置されるスリーブ30HRの温度低下は、シリンダブロック30HBよりも小さい。このため、スリーブ30HRとシリンダブロックとの温度差は、スリーブ30HRの反ヒータ側端部31で最も大きくなる。したがって、本実施形態では、反ヒータ側端部31をシリンダブロック30HBと非接触とすることで両者間の熱伝導を回避する。これによって、スリーブ30HRの温度低下を抑制して、ピストン−シリンダ間温度差を低減する。
ここで、図6に示すように、所定の間隔で配置されたスリーブ30HRとシリンダブロック30HBとの間に、熱伝導率の低い放熱抑制部材42を設けてもよい。これによって、スリーブ30HRからシリンダブロック30HBへの伝熱を抑制してスリーブ30HRの温度低下が抑制される。その結果、ピストン−シリンダ間温度差を低減できるので、ピストン−シリンダ間熱膨張差が低減して、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとのクリアランスが設定した値に維持される。また、スリーブ30HRに薄肉の金属を用いる場合には、放熱抑制部材42によってスリーブ30HRの形状を保持し、スリーブ30HRの形状を保持する機能を持たせることもできる。
放熱抑制部材42は、例えば、多孔質のセラミックを用いることができる。放熱抑制部材42を設ける場合、これの脱落を防止するため、スリーブ30HRのヒータ105側とは反対側の端部(反ヒータ側端部)31に位置決め部材41を取り付けることが好ましい。位置決め部材41は、放熱抑制部材42の脱落を防止するだけでなく、スリーブ30HRを薄肉で形成した場合においてはスリーブ30HRをシリンダブロック30HB内の所定位置に位置決めする機能も有する。したがって、スリーブ30HRを薄肉で形成した場合には、放熱抑制部材42を用いない場合でも位置決め部材41を設けることが好ましい。これによって、スリーブ30HRを薄肉で形成した場合であっても、スリーブ30HRをシリンダブロック30HB内の所定位置に保持しやすくなる。
なお、位置決め部材41は、スリーブ30HRからシリンダブロック30HBへの伝熱を抑制するため、熱伝導率の低い樹脂やセラミック等のような非金属材料で構成することが好ましい。また、位置決め部材42は、スリーブ30HRの周方向に分割して配置することが好ましい。これによって、スリーブ30HRからシリンダブロック30HBへの伝熱面積を低減して、スリーブ30HRからシリンダブロック30HBへの伝熱を抑制できる。
このように、本実施形態では、スリーブ30HRの外側に、所定の間隔を設けてシリンダブロック30HBを配置するとともに、両者を金属的に非接触の状態とする。これによって、スリーブ30HRからシリンダブロック30HBへの伝熱を効果的に抑制してスリーブ30HRの温度低下を抑制して、ピストン−シリンダ間温度差を低減することにより、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとのクリアランスを設定した値に維持する。
本実施形態において、シリンダブロック30HBは、高温側シリンダ30Hの中心軸Zcと平行な方向の力(シリンダ軸力)や、高温側シリンダ30Hに作用する曲げモーメント等を支持する構造部材である。このため、シリンダブロック30HBは、シリンダ軸力や前記曲げモーメントに耐え得るように肉厚を厚くして、強度を確保している。一方、スリーブ30HRは、内部に存在する作動流体の圧力を受け、シリンダ軸力や前記曲げモーメントは受けない。したがってスリーブ30HRの肉厚は、その内部に存在する作動流体の圧力にのみ耐え得る程度の厚さとすればよい。
一般に、円筒形状は内圧に対して強く、肉厚を薄くしても相当の内圧に耐える。したがって、スリーブ30HRは薄肉構造とすることができる。これによって、スリーブ30HRの熱容量が小さくなるので、ヒータ105からスリーブ30HRへ伝熱する熱の変化に対する応答性が向上する。これによって、ヒータ105の温度が変化して高温側ピストン20Hと接触する作動流体の温度が変化しても、ヒータ105の温度変化に追従してスリーブ30HRの温度も迅速に変化するので、ピストン−シリンダ間温度差が迅速に低減される。その結果、ヒータ105の温度が変化しても、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとのクリアランスを設定した値に維持されて、気体軸受GBの機能が確実に発揮される。
高温側シリンダ30Hにおいて、少なくとも気体軸受GBが形成され得る部分(気体軸受部)GBAには、スリーブ30HRの外側に所定の間隔をもってシリンダブロック30HBを配置した二重構造とすることが好ましい。これによって、気体軸受部GBAでは、ピストン−シリンダ間温度差の低減によりピストン−シリンダ間熱膨張差が低減するので、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hとのクリアランスは、より確実に設定した値に維持されて、気体軸受GBの機能が発揮される。
気体軸受部GBAは、高温側ピストン20Hの一行程において、気体軸受GBを形成するために必要な、高温側ピストン20Hと高温側シリンダ30Hのスリーブ30HRとのクリアランスtc(数μm〜数十μm)が形成され得る部分である。図3に示す構成では、高温側シリンダ30Hの中心軸(高温側ピストン20Hの中心軸と平行な軸)Zcと平行な方向において、高温側ピストン20HがTDCにあるときのピストン側段差部Kpと、スリーブ30HRの反ヒータ側端部31との間の部分が気体軸受部GBAである。
また、図6に示す例では、高温側ピストン20Hの中心軸Zp及び高温側シリンダ30Hの中心軸Zcと平行な方向における、スリーブ30HRを支持するスリーブ支持部32に設けられたシリンダ側段差部Kcと、スリーブ30HRの反ヒータ側端部31との間の部分が気体軸受部GBAである。ここで、シリンダ側段差部Kcは、スリーブ30HRよりも内径が拡大されたヒータ・シリンダ連結部材120と、スリーブ30HRとを接続する際に生じる部分である。
本実施形態では、スリーブ30HRとヒータ105とを熱的に接続するとともに、高温側シリンダ30Hを上述したような二重構造とすることにより、外気への放熱量が最も大きくなる高温側シリンダ30Hの側周部から放熱を抑制する。これらの相互作用により、スリーブ30HRの温度低下を効果的に抑制して、ピストン−シリンダ間温度差を低減することにより、ピストン−シリンダ間熱膨張差を低減して両者のクリアランスを設定した値に維持する。その結果、両者の接触が回避できるので、スターリングエンジン100の運転中においては、気体軸受GBの機能を安定して発揮させることができる。
なお、図1に示すスターリングエンジン100のように、複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つのシリンダは、スリーブとヒータとを熱的に接続するとともに、スリーブの外側にシリンダブロックを所定の間隔をもって配置した二重構造で構成する。本実施形態では、上述したように、この構造を図1に示すスターリングエンジン100の高温側シリンダ30Hに採用するが、低温側シリンダ30Lに採用してもよい。
本実施形態において、図3、図5、図6に示すように、スリーブ30HRは、ヒータ105側の端部にスリーブ支持部32が設けられる。本実施形態では、スリーブ30HRとスリーブ支持部32とは同一の構造体として一体で構成されるが、両者を別個の構造体として構成し、スターリングエンジン100に組み付けるときに一体としてもよい。本実施形態において、スリーブ30HRとスリーブ支持部32とは、熱の良導体、例えば鋼やアルミニウム合金等の金属材料で構成される。
スリーブ30HRの軸方向(図3、図6のシリンダ中心軸Zcの方向)における寸法はLr2であり、スリーブ支持部32の軸方向における寸法はLr1である。そして、スリーブ30HRの軸方向におけるスリーブ30HRとスリーブ支持部32との寸法はLr=Lr1+Lr2となる。
スリーブ支持部32は、スリーブ30HRが設けられる側とは反対側の端部(ヒータ側端部)32Tが、ヒータ105を構成するヒータ・シリンダ連結部材120のヒータ反対側端部120Bと接触し、熱的に接続される。これによって、スリーブ30HRは、スリーブ支持部32を介してヒータ105と熱的に接続される。上述したように、スリーブ支持部32は熱の良導体で構成されるので、スリーブ30HRは、ヒータ105と熱的に接続されることになる。
本実施形態において、ヒータ105は、作動流体が通過するチューブを複数束ねて構成される。図4に示すように、ヒータ・シリンダ連結部材120には、前記チューブの開口部105TUが複数設けられる。この開口部105TUから作動流体がスリーブ30HRの内部へ出入りする。
スリーブ支持部32は、スリーブ30HRとシリンダブロック30HBとの間に所定の間隔を設けて、スリーブ30HRをシリンダブロック30HBの内部に保持する。本実施形態では、シリンダブロック30HBのヒータ105側における端部にスリーブ支持部32が取り付けられる。シリンダブロック30HBのヒータ105側における端部は開口部を有するとともに、前記端部には段部KDBが形成されている。すなわち、開口部に近い方が内径は大きく形成される。
図5に示すように、スリーブ支持部32は、シリンダブロック30HBに取り付けられる部分が、シリンダブロック30HBの前記端部に形成される段部KDBに合わせた形状に形成された段部KDRを有している。そして、スリーブ支持部32をシリンダブロック30HBへ取り付けると、スリーブ支持部32の段部KDRとシリンダブロック30HBの段部KDBとが嵌め合わされる。これによって、スリーブ支持部32がシリンダブロック30HBに対して位置決めされるので、スリーブ30HRは、シリンダブロック30HBとの間に所定の間隔を設けてシリンダブロック30HBの内部に配置される。
スリーブ支持部32とシリンダブロック30HBとの間に断熱部材を設けてもよい。これによって、スリーブ支持部32を通ってシリンダブロック30HBへ伝わるヒータ105の熱を抑制できるので、ヒータ105の熱がスリーブ30HRへ伝わる割合が増加する。その結果、スリーブ30HRの温度低下をより効果的に抑制して、ピストン−シリンダ間温度差をより効果的に低減できる。
スリーブ30HRの径方向における肉厚trは、スリーブ支持部32の径方向における肉厚やシリンダブロック30HBの肉厚に対して小さくしてある。例えば、ヒータ105の温度が変化すると、作動流体の温度が変化し、これにしたがって高温側ピストン20Hの温度も変化する。ヒータ105の温度が変化すると、ヒータ105からスリーブ30HRへの伝熱量も変化するが、スリーブ30HRの肉厚trを小さくすることにより、スリーブ30HRが昇温しやすくなるので、スリーブ30HRの温度は前記伝熱量の変化に迅速に対応して変化する。その結果、高温側ピストン20Hの温度及びスリーブ30HRの温度は同じように変化するので、ピストン−シリンダ間温度差の変化が抑制される。これによって、高温側ピストン20Hとスリーブ30HRとのクリアランスの変化が抑制されるので、スターリングエンジン100を安定して運転できる。
図7は、本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。本実施形態では、スターリングエンジン100の出力を、スターリングエンジン用変速機5を介して内燃機関用変速機4へ入力し、内燃機関1の出力と合成して取り出す。
本実施形態において、内燃機関1は、例えば、乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力源となる。内燃機関1は、前記車両の走行中においては主たる動力源として出力を発生する。一方、スターリングエンジン100は、排ガスExの温度がある程度の温度にならないと、必要最低限の出力を生み出すことができない。したがって、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1の排出する排ガスExの温度が所定温度を超えたら内燃機関1の排ガスExから熱エネルギーを回収して出力を発生し、内燃機関1とともに前記車両を駆動する。このように、スターリングエンジン100は、前記車両の従たる動力源となる。
スターリングエンジン100が備えるヒータ105は、内燃機関1の排気通路2内に配置される。なお、排気通路2内には、スターリングエンジン100の再生器(図1参照)106を配置してもよい。スターリングエンジン100が備えるヒータ105は、排気通路2に設けられる中空のヒータケース3内に設けられる。
本実施形態において、スターリングエンジン100を用いて回収した排ガスExの熱エネルギーは、スターリングエンジン100で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン100の出力軸であるクランクシャフト110には、動力断続手段であるクラッチ6が取り付けられており、スターリングエンジン100の出力は、クラッチ6を介してスターリングエンジン用変速機5に伝達される。
内燃機関1の出力は、内燃機関1の出力軸1sを介して内燃機関用変速機4に入力される。そして、内燃機関用変速機4は、内燃機関1の出力と、スターリングエンジン用変速機5から出力されるスターリングエンジン100の出力とを合成して、変速機出力軸9に出力し、デファレンシャルギヤ10を介して駆動輪11を駆動する。
ここで、動力断続手段であるクラッチ6は、内燃機関用変速機4とスターリングエンジン100との間に設けられる。本実施形態では、スターリングエンジン用変速機5の入力軸5sとスターリングエンジン100のクランクシャフト110との間に設けられる。クラッチ6は、係合、解放することによって、スターリングエンジン100のクランクシャフト110と、スターリングエンジン用変速機5の入力軸5sとの機械的な接続を断続する。ここで、クラッチ6は、機関ECU50によって制御される。
クラッチ6を係合すると、スターリングエンジン100のクランクシャフト110と内燃機関1の出力軸1sとは、スターリングエンジン用変速機5及び内燃機関用変速機4を介して直結される。これによって、スターリングエンジン100の発生する出力と内燃機関1の発生する出力とは、内燃機関用変速機4で合成され、変速機出力軸9から取り出される。一方、クラッチ6を開放すると、内燃機関1の出力軸1sはスターリングエンジン100のクランクシャフト110と切り離されて回転する。
図7に示すスターリングエンジン100が備えるシリンダ(少なくとも高温側シリンダ)は、上述した構造である。これによって、ピストンとシリンダとの温度を同程度に維持できるので、ピストンが高温の作動流体から熱を受けて径方向へ熱膨張しても、シリンダもピストンと同様に径方向へ熱膨張する。これによって、ピストンとシリンダとのクリアランスの急激な減少を抑制して、ピストンとシリンダとの接触を回避できる。その結果、車両に搭載されるスターリングエンジン100が振動を受けてピストンとシリンダとのクリアランスが変化したとしても、ピストンの径方向に向かう熱膨張に起因して発生する、前記段差部におけるピストンとシリンダとのクリアランスの急激な減少の影響が低減される。
これによって、車両の走行中にスターリングエンジン100を運転している場合には、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できるので、スターリングエンジン100を安定して運転できるとともに、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。このように、本実施形態に係るスターリングエンジン100を、車両に搭載された内燃機関1の排熱回収に用いる場合には、安定して排熱を回収できるとともに、十分な耐久性を確保できる。
以上、本実施形態では、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であり、前記ピストン機関の作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブを備え、このスリーブと前記ヒータと熱的に接続するとともに、前記スリーブの外側に外殻を配置して、前記スリーブと前記外殻との二重構造でシリンダを構成する。これによって、シリンダを構成するスリーブの温度とピストンの温度との温度差を低減して、両者の熱膨張差を抑制できるので、両者の接触を回避できる。そして、スリーブとピストンとのクリアランスを設定された値に維持できるので、気体軸受の機能を確実に発揮させることができる。特に、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構成においては、ピストンとシリンダとのクリアランスが非常に小さいため、ピストンの熱膨張によってピストンとシリンダとが接触しやすい。しかし、本実施形態によれば、ピストンとシリンダとが接触するおそれを抑制して、確実に気体軸受の機能を発揮させることができるので好ましい。
以上のように、本発明に係るピストン機関及びスターリングエンジンは、ピストンリングを用いないで気体軸受によってピストンをシリンダ内に支持するピストン機関に有用であり、特に、ピストンとシリンダとの接触を回避す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。 本実施形態に係るピストン機関であ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が備える高温側シリンダの構成を示す説明図である。 ヒータ・シリンダ連結部材を高温側作動空間側から見た平面図である。 高温側ピストンを構成するスリーブの断面図である。 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が備える高温側シリンダの他の構成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内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。
符号の説明
20 ピストン
20B 頂面反対側端部
20H 高温側ピストン
20L 低温側ピストン
20S 側周面
20T 頂面
30 シリンダ
30H 高温側シリンダ
30HB、30LB シリンダブロック
30HR、30LR スリーブ
30L 低温側シリンダ
31 反ヒータ側端部
32 スリーブ支持部
40 ガスケット
41 位置決め部材
42 放熱抑制部材
60 グラスホッパ機構(近似直線機構)
100 スターリングエンジン
100C 筐体
105 ヒータ
106 再生器
107 クーラー
108 熱交換器
110 クランクシャフト
111 基板
120 ヒータ・シリンダ連結部材
120B ヒータ反対側端部
121 クーラー・シリンダ連結部材

Claims (17)

  1. 作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備え、
    少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とし、
    前記スリーブと前記外殻とは、それぞれ異なる構造体で構成されるとともに、前記スリーブは、前記ヒータ側の端部にスリーブ支持部が設けられ、
    前記スリーブは、前記外殻の一端部に前記スリーブ支持部を取り付けることによって前記外殻に取り付けられるとともに、前記ヒータと連結されることを特徴とするピストン機関。
  2. 前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とする請求項に記載のピストン機関。
  3. 前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置され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. 作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
    を備え、前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とするピストン機関。
  5. 作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
    を備え、前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とするピストン機関。
  6. 作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されるシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を備え、
    少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とし、
    前記スリーブと前記外殻とは、それぞれ異なる構造体で構成されるとともに、前記スリーブは、前記ヒータ側の端部にスリーブ支持部が設けられ、
    前記スリーブは、前記外殻の一端部に前記スリーブ支持部を取り付けることによって前記外殻に取り付けられるとともに、前記ヒータと連結されることを特徴とするピストン機関。
  7. 前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とする請求項6に記載のピストン機関。
  8. 前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とする請求項6又は7に記載のピストン機関。
  9. 作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されるシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
    を備え、前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とするピストン機関。
  10. 作動流体を加熱するヒータを通過した前記作動流体が流入するスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されるシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
    を備え、前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とするピストン機関。
  11. 前記外殻は、前記シリンダへ作用する前記シリンダの中心軸と平行な方向の力を支持し、また、前記スリーブは、前記スリーブの内部に存在する前記作動流体の圧力を受けることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のピストン機関。
  12. 作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
    前記ヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、を含み、
    少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とし、
    前記スリーブと前記外殻とは、それぞれ異なる構造体で構成されるとともに、前記スリーブは、前記ヒータ側の端部にスリーブ支持部が設けられ、
    前記スリーブは、前記外殻の一端部に前記スリーブ支持部を取り付けることによって前記外殻に取り付けられるとともに、前記ヒータと連結されることを特徴とするスターリングエンジン。
  13. 作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
    前記ヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
    を含み、前記気体軸受が形成される部分は、前記スリーブと前記外殻とが金属的に非接触であることを特徴とするスターリングエンジン。
  14. 作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
    前記ヒータを通過した前記作動流体が流入するとともに、前記ヒータと熱的に接続されるスリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻と、を有するシリンダと、
    前記作動流体の圧力変化によって、前記スリーブの内部を往復運動するピストンと、
    対向して配置される前記スリーブの内周面と前記ピストンの外周面との間に形成される気体軸受と、
    を含み、前記スリーブと前記外殻とは、所定の間隔を有して配置されることを特徴とするスターリングエンジン。
  15. 少なくとも前記気体軸受が形成され得る部分は、前記スリーブの外側に前記外殻を配置した二重構造とすることを特徴とする請求項12〜14のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。
  16. 前記ピストンは、近似直線機構によって支持されることを特徴とする請求項12〜15のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。
  17. 前記スターリングエンジンが複数のシリンダ及びピストンを備える場合、少なくとも一つの前記シリンダは、前記ヒータと前記スリーブとを熱的に接続するとともに、
    前記スリーブと、前記スリーブの外側に配置される外殻とを有する二重構造で構成されることを特徴とする請求項12〜1のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。
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