JP5181575B2 - スターリングエンジン - Google Patents

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、圧縮された作動流体をピストンの内部に導入し、ピストンの側周部に設けた孔からピストンとシリンダとの間に作動流体を噴射することで、気体軸受を構成するスターリングエンジンが開示されている。

特開２００６−１８３５６６号公報

特許文献１に開示されたスターリングエンジンでは、微小な異物が作動流体に混入していると、ピストンとシリンダとの間へ噴射される作動流体とともに異物も噴射されるおそれがある。その結果、ピストンとシリンダとの間に異物が侵入し、ピストンやシリンダの耐久性を低下させるおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンの内部に導入した作動流体をピストンとシリンダとの間に流出させて気体軸受を形成する構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下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、前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出するシリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの外殻で囲まれる蓄圧空間と、前記シリンダ内の作動空間と前記蓄圧空間とを連通して、前記作動空間内の前記作動流体を前記蓄圧空間に導入する気体導入通路と、前記ピストンの側部に複数設けられ、前記蓄圧空間内の前記作動流体を前記ピストンの側部と前記シリンダとの間に流出させて、前記ピストンと前記シリンダとの間に気体軸受を形成する給気孔と、前記気体導入通路と前記給気孔との間に設けられて、前記作動流体に含まれる異物を捕捉する異物捕捉手段と、前記蓄圧空間の内部へ配置され、前記蓄圧空間へ開口した前記気体導入通路の開口部から前記作動空間内の前記作動流体を前記蓄圧空間へ導入し、また、前記蓄圧空間内の作動流体が前記作動空間内へ逆流することを防止する加圧状態保持手段を備えたピストン機関と、前記ピストンを支持して前記ピストンを近似的に直線運動させる近似直線機構と、を備え、前記異物捕捉手段は、前記加圧状態保持手段と前記給気孔との間に設けられ、かつ、前記加圧状態保持手段を囲むとともに、前記加圧状態保持手段は逆止弁であり、前記逆止弁の開弁圧力は、前記作動空間内における前記作動流体の平均圧力に、前記作動空間内における前記作動流体の圧力の変動幅の１／２を加算した値よりも小さいとともに、前記逆止弁は、スターリングエンジンの運転時には、前記作動空間内圧力が前記開弁圧力よりも高くなると、常に開弁することを特徴とする。このような構成により、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

本発明の望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、前記給気孔の一部は、前記ピストンと前記シリンダとの間に流出した前記作動流体による潤滑領域において、前記ピストンの中心軸方向における前記潤滑領域の中央部よりも前記ピストンの頂部側に設けられることが好ましい。

本発明は、ピストンの内部に導入した作動流体をピストンとシリンダとの間に流出させて気体軸受を形成する構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

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、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。

本実施形態に係るピストン機関は、スターリングエンジンであり、シリンダ内の作動空間から、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（静圧気体軸受）を形成するピストン機関である。本実施形態は、このようなピストン機関において、ピストンの外殻に設けられて作動流体を蓄圧空間内へ導入する気体導入通路と、作動流体を流出させる給気孔との間に、作動流体に含まれる異物を捕捉する異物捕捉手段を備える点に特徴がある。

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、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。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を介在させる。

本実施形態に係るスターリングエンジンは、基準体である基板１１１に、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを直接又は間接的に取り付けることにより、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。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。

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を容易に配置することができる。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。ヒータ１０５は、作動流体を加熱する。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。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、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、多孔質の蓄熱体で構成することができる。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、好適な構成を選択することができる。

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、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１０μｍ〜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軸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を実質的にゼロ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。

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、クランク軸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。

このように構成されるグラスホッパ機構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、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、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、クランク軸１１０等の構成要素は、筺体１００Ｃに格納される。スターリングエンジン１００の筺体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。筺体１００Ｃ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。筺体１００Ｃ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。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧することにより、作動空間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、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力にほぼ比例して大きくなる。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、筺体１００Ｃにシール軸受１１６が取り付けられており、クランク軸１１０はシール軸受１１６により支持される。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、筺体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、筺体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。クランク軸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を介して筺体１００Ｃの外部へ取り出される。次に、本実施形態に係るスターリングエンジン１００が備えるピストン２０の構成を説明する。

図３−１は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンの構成を示す断面図である。図３−２は、図３−１に示すピストンの頂部付近の拡大図である。図３−３は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンに適用できる他の逆止弁を示す説明図である。図４は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンの他の構成例示す断面図である。図５は、図３−１のＡ−Ａ矢視図である。図６は、図３−１のＢ−Ｂ矢視図である。

図３−１に示すように、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。なお、図４に示すピストン２０’は、内周部に隔壁２０Ｐを取り付けて、コップ状のピストン２０’の内側を仕切ることにより、蓄圧空間２０Ｉ’を形成する。すなわち、ピストン２０’は、頂部２０Ｔ’と、側部２０Ｓ’と、隔壁２０Ｐとを外殻とし、頂部２０Ｔ’と、側部２０Ｓ’と、隔壁２０Ｐとで囲まれる空間を、蓄圧空間２０Ｉ’とする。

ピストン２０の頂部２０Ｔには、蓄圧空間２０Ｉと連通する気体導入通路２１が設けられる。作動空間ＭＳ内の作動流体ＦＬは、気体導入通路２１を通ってピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ導入される。図４に示すピストン２０’は、頂部２０Ｔ’の作動空間ＭＳとは反対側に、ピストン２０’を支持するピストン支持部２０Ｆが取り付けられる。ピストン２０’の頂部２０Ｔ’には第１の気体導入通路２１ａが設けられ、また、ピストン支持部２０Ｆには第２の気体導入通路２１ｂが設けられる。作動空間ＭＳ内の作動流体ＦＬは、第１の気体導入通路２１ａ及び第２の気体導入通路２１ｂを通って、ピストン２０’の蓄圧空間２０Ｉ’へ導入される。

図３−２に示すように、ピストン２０の気体導入通路２１は、頂部２０Ｔの作動空間ＭＳ側に開口する開口部（作動空間側開口部）２１ｏを有し、また、蓄圧空間２０Ｉへ開口する開口部（蓄圧空間側開口部）２１ｉを有する。気体導入通路２１の蓄圧空間側開口部２１ｉには、蓄圧空間２０Ｉ内に導入された作動流体の逆流を防止するため、加圧状態保持手段として逆止弁４０が設けられる。逆止弁４０は、蓄圧空間２０Ｉの内部へ配置され、蓄圧空間側開口部２１ｉから作動空間ＭＳ内の作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉへ導入し、また、蓄圧空間２０Ｉ内の作動流体ＦＬが作動空間ＭＳ内へ逆流することを防止する。

逆止弁４０は、ボール４３とばね４４とで構成される、いわゆるチェック弁である。逆止弁４０は、弁筐体４１の内部に、ボール４３と、このボール４３を蓄圧空間側開口部２１ｉに向かって押圧するばね４４と、を格納して構成される。弁筐体４１には、気体導入通路２１から流入した作動空間ＭＳ内の作動流体ＦＬが、ピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ流入するための連通孔４１ｈが設けられている。

ボール４３は、ばね４４の押し付け力により蓄圧空間側開口部２１ｉへ押し付けられて、蓄圧空間側開口部２１ｉを閉じている。ピストン２０の動きにより図３−１に示すシリンダ３０内の作動空間ＭＳに存在する作動流体ＦＬの圧力（作動空間内圧力）Ｐｃが上昇し、ばね４４の押し付け力に打ち勝ったときにボール４３が蓄圧空間側開口部２１ｉから離れる方向に移動する。これによって、逆止弁４０が開弁して、作動空間ＭＳ内の作動流体ＦＬが気体導入通路２１を通って弁筐体４１内へ流入する。そして、作動流体ＦＬは、弁筐体４１の連通孔４１ｈを通って蓄圧空間２０Ｉへ導入される。ここで、逆止弁４０が開弁する圧力（開弁圧力）Ｐｏは、蓄圧空間２０Ｉ内の圧力（蓄圧空間内圧力）Ｐｐよりも高い所定の圧力に設定される。

また、逆止弁４０は、ピストン２０の動きにより作動空間内圧力Ｐｃが下がり、開弁圧力Ｐｏよりも低くなったときには、ボール４３が蓄圧空間側開口部２１ｉに押し付けられて、蓄圧空間２０Ｉ内の作動流体ＦＬが作動空間ＭＳへ逆流することを防ぐ。このように、逆止弁４０は、蓄圧空間２０Ｉ内の加圧状態を保持する加圧状態保持機能を有するとともに、作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉ内へ導入する作動流体導入機能を有する。

図３−３に示すピストン２０ａの逆止弁４０ａは、いわゆるリード弁式の逆止弁であり、リード弁４５が開くことにより、作動空間ＭＳ内の作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉ内へ導入する。リード弁４５は、リード弁ガイド４６とともに、固定手段であるねじ４７によって弁座２４に固定される。リード弁４５は、板状の弾性体であり、例えば、ステンレス等の薄板（０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度）によって作られる。リード弁４５は、動作の応答性を向上させるため、できるだけ軽量化することが好ましい。

リード弁４５は、一端部がねじ４７によって弁座２４に固定される。これによって、リード弁４５は片持ち状態となって、固定された端部を中心として図３−３の矢印Ｃ方向に揺動し、気体導入通路２１の蓄圧空間側開口部２１ｉを開閉する。このように、リード弁４５を片持ちで構成することにより、ピストン２０の中心軸、すなわちピストン軸Ｚｐ方向に対するリード弁４５の長さを短くできる。リード弁ガイド４６は、リード弁の開き過ぎを抑制し、リード弁の耐久性低下を抑制する。

リード弁４５は、気体導入通路２１を通る作動流体ＦＬの流れを、作動空間ＭＳから蓄圧空間２０Ｉに向かう方向に限定する。リード弁４５は、ピストン２０の動きにより作動空間内圧力Ｐｃが上昇し、蓄圧空間内圧力Ｐｐよりも高くなったときに開いて、作動空間ＭＳ内の作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉ内へ導入する。また、リード弁４５は、ピストン２０の動きにより作動空間内圧力Ｐｃが下がり、蓄圧空間内圧力Ｐｐよりも低くなったときには、弁座２４に押し付けられて、蓄圧空間２０Ｉ内の作動流体ＦＬが作動空間ＭＳへ逆流することを防ぐ。このように、リード弁４５は、加圧状態保持機能を有するとともに、作動流体導入機能を有する。

加圧状態保持手段であるリード弁４５の動作方向は、ピストン２０の運動方向、すなわちピストン軸Ｚｐと平行な方向と直交する。これによって、リード弁４５の動作方向は、ピストン２０のＴＤＣ（Top Dead Center：上死点）あるいはＢＤＣ（Bottom Dead Center：下死点）において、ピストン２０の往復運動に起因して発生する加速度の方向と直交することになる。

その結果、ピストン２０の往復運動に起因する加速度がリード弁４５に加わっても、リード弁４５の動作にはほとんど影響を与えない。すなわち、リード弁４５の弾性率や厚さ等で決定されるリード弁４５の開弁圧力は、前記加速度によってはほとんど影響を受けない。これによって、前記加速度に関係なく、リード弁４５を開閉させることができる。そして、図１に示すスターリングエンジン１００が高回転で運転されても、すなわち高加速度下においてもリード弁４５は確実に動作して、ＴＤＣにおいてピストン内空間に気体を導入し、次の気体の導入までこれを維持することができる。

図５、図６に示すように、ピストン２０の側部２０Ｓには、ピストン２０の周方向に向かって略等間隔（約９０度）に複数の給気孔２２が設けられている。図５に示すように、ピストン２０のＡ−Ａ断面、すなわち、ピストン２０の頂部２０Ｔ側においては、給気孔２２が４個設けられる。また、図６に示すように、ピストン２０のＢ−Ｂ断面、すなわち、ピストン２０の裾部側においては、ピストン２０の頂部２０Ｔ側の給気孔２２と約４５度ずらして、４個の給気孔２２が設けられる。このように給気孔２２配置することで、気体軸受ＧＢの荷重負荷能力がピストン２０の周方向で偏ることを抑制できる。なお、気体放出孔の数、配置はこの例に限られるものではない。

図３−１に示すように、作動空間ＭＳからピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬは、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の側部２０Ｓ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。なお、気体軸受ＧＢは、静圧気体軸受である。

図１に示すスターリングエンジン１００の運転時には、ピストン２０の上昇にともない、作動空間ＭＳの作動流体ＦＬが圧縮されて、作動空間内圧力Ｐｃが逆止弁４０の開弁圧力よりも高くなると、逆止弁４０が開弁する。そして、気体導入流路２１を介して、作動空間ＭＳの作動流体ＦＬの一部が蓄圧空間２０Ｉに導入される。蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬは、その一部が、給気孔２２を通ってピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃに流出し、気体軸受ＧＢを形成する。

スターリングエンジン１００は、特に熱交換器１０８内における作動流体の通路が複雑で、微小な塵やゴミ等の異物を完全に除去できるとは限られない。また、熱交換器１０８のヒータ１０５等から、長時間運転後に異物が遊離するおそれもある。このため、スターリングエンジン１００の作動流体ＦＬには、異物が混入するおそれがある。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、ピストン２０とシリンダ３０との間の微小なクリアランスｔｃに、ピストン２０内の蓄圧空間２０Ｉから作動流体ＦＬを流出させて気体軸受ＧＢを形成し、これによってピストン２０をシリンダ３０内へ支持する。このため、作動流体ＦＬに微小な異物が混入していても、ピストン２０やシリンダ３０の表面に影響を与えてこれらの耐久性を低下させたり、ピストン２０とシリンダ３０との間の摺動抵抗を増加させたりするおそれがある。

本実施形態では、図３−１に示すように、ピストン２０は、気体導入通路２１と給気孔２２との間に、作動流体ＦＬに含まれる異物を捕捉するための異物捕捉手段として、フィルタ２３が設けられる。これによって、蓄圧空間２０Ｉから給気孔２２を通ってピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃに流出する作動流体ＦＬからは異物を除去できるので、清浄な作動流体ＦＬがクリアランスｔｃへ流出する。その結果、異物がピストン２０の側部２０Ｓの表面やシリンダ３０の内壁３０Ｉの表面に与える影響を最小限に抑えて、安定してピストン２０をシリンダ３０内で往復運動させることができる。次に、本実施形態において、フィルタ２３が異物を捕捉する様子を説明する。

図７−１、図７−２は、本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンが備えるフィルタの近傍を拡大した模式図である。本実施形態では、加圧状態保持手段である逆止弁４０と、図３−１に示す給気孔２２との間に異物捕捉手段であるフィルタ２３を備える。より具体的には、フィルタ２３は、作動空間ＭＳとは反対側におけるピストン２０の頂部２０Ｔに、逆止弁４０を囲んで取り付けられる。図７−１は逆止弁４０が開いた状態であり、作動空間ＭＳ中の作動流体ＦＬがピストン２０の蓄圧空間２０Ｉ内へ流入する。このとき、作動流体ＦＬ中に異物Ｄが含まれていると、異物Ｄは、気体導入通路２１を通って作動流体ＦＬとともに逆止弁４０の弁筐体４１内に流入する。

弁筐体４１内に流入した異物は、さらに、作動流体ＦＬとともに連通孔４１ｈを通過して、ピストン２０の蓄圧空間２０Ｉ内へ流入しようとする。しかし、本実施形態に係るピストン２０は、弁筐体４１と、図３−１に示す給気孔２２との間にフィルタ２３を設けるので、ピストン２０の蓄圧空間２０Ｉ内へ流入しようとする異物Ｄは、図７−１に示すようにフィルタ２３に捕捉される。

これによって、異物Ｄはピストン２０の蓄圧空間２０Ｉ内へ流入しないので、異物Ｄの存在しない清浄な作動流体ＦＬが、図３−１に示すピストン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、図３−１に示すピストン２０の側部２０Ｓとシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間に異物Ｄが侵入することを防ぐことができるので、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下を効果的に抑制できる。

また、逆止弁４０と、図３−１に示す給気孔２２との間にフィルタ２３が設けられるので、異物Ｄは、逆止弁４０の弁筐体４１とフィルタ２３との間に捕捉される。これによって、フィルタ２３によって捕捉された異物Ｄが作動空間ＭＳへ戻ろうとしても、逆止弁４０によって作動空間ＭＳへの異物Ｄの逆流が防止される。また、作動流体ＦＬ中の異物を確実に取り除くことができる。

フィルタ２３は、異物Ｄの最大通過粒径を、図３−１に示すピストン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よりも小さくすることが好ましく、フィルタ２３を通過可能な異物Ｄの最大粒径を５μｍ未満が望ましい。このようにすることで、図３−１に示すピストン２０の側部２０Ｓとシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間に侵入し、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性に影響を与える異物を確実に除去して、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下を効果的に抑制できる。ここで、フィルタ２３は、不織布、ペーパーフィルタ、セラミックフィルタ等を用いることができるが、図１に示す高温側ピストン２０Ｈは高温になるため、これに用いるフィルタ２３は、耐熱性の高いものを用いることが好ましい。

図８は、スターリングエンジンの作動空間圧力の変動を示す概念図である。図８の横軸は、図１に示すスターリングエンジン１００が備えるクランク軸１１０のクランク角度ＣＡであり、縦軸は、作動空間内圧力Ｐｃである。図１に示すスターリングエンジン１００の作動空間内圧力Ｐｃは、図８に示すように周期的に増減する。作動空間内圧力Ｐｃの最大値（最大作動空間内圧力）をＰｃｍａｘ、最小値（最小作動空間内圧力）をＰｃｍｉｎ、平均値（平均作動空間内圧力）をＰｃａとすると、作動空間内圧力ＰｃはＰｃｍｉｎからＰｃｍａｘまで変動する。すなわち、作動空間内圧力Ｐｃの変動幅（作動空間内圧力変動値）ΔＰｃは、（Ｐｃｍａｘ−Ｐｃｍｉｎ）となる。

本実施形態において、逆止弁４０、４０ａの開弁圧力Ｐｏは、作動空間内圧力変動値ΔＰｃの１／２（ΔＰｃ／２）よりも小さく、かつ０よりも大きい値を平均作動空間内圧力Ｐｃａに加算した大きさに設定することが好ましい。すなわち、Ｐｃａ＜Ｐｏ＜（Ｐｃａ＋ΔＰｃ／２）とすることが好ましい。このようにすれば、図３−１に示すピストン２０の蓄圧空間２０Ｉから給気孔２２を通ってピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃに流出する作動流体ＦＬの流れは、時間平均すると必ず作動空間ＭＳ側に向かうようになる。これによって、図３−１に示すピストン２０の側部２０Ｓとシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間に異物Ｄが侵入することをより効果的に防ぐことができるので、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下をより効果的に抑制できる。

図９−１、図９−２は、ピストンに設ける給気孔の配置を説明するための側面図である。図９−１は、図１に示す高温側ピストン２０Ｈであり、図９−２は、図１に示す低温側ピストン２０Ｌである。図９−１に示すように、高温側ピストン２０Ｈに設けられる給気孔２２のうち少なくとも一部は、ピストン軸Ｚｐ方向における気体軸受による気体潤滑領域ＧＬＡの中央部ＣＬよりも作動空間側、すなわち高温側ピストン２０Ｈの頂部２０ＨＴ側に配置することが好ましい。また、図９−２に示すように、低温側ピストン２０Ｌに設けられる給気孔２２のうち少なくとも一部は、ピストン軸Ｚｐ方向における気体軸受による気体潤滑領域ＧＬＡの中央部ＣＬよりも作動空間側、すなわち低温側ピストン２０Ｌの頂部２０ＬＴ側に配置することが好ましい。

本実施形態において、ピストン軸Ｚｐ方向における高温側ピストン２０Ｈの気体潤滑領域ＧＬＡの長さをｈ１とすると、給気孔２２のうち少なくとも一部は、ピストン軸Ｚｐ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの中央部ＣＬから頂部２０ＨＴへ向かってｈ１／２の領域に設けられる。また、ピストン軸Ｚｐ方向における低温側ピストン２０Ｌの気体潤滑領域ＧＬＡの長さをｈ２とすると、給気孔２２のうち少なくとも一部は、ピストン軸Ｚｐ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの中央部ＣＬから頂部２０ＬＴへ向かってｈ２／２の領域に設けられる。

これによって、図３−１に示すピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃに流出した作動流体ＦＬが作動空間ＭＳへ向かう流れを強化できるので、作動空間ＭＳからピストン２０の側部２０Ｓとシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間に異物Ｄが侵入することをより効果的に防ぐことができる。また、上記構成により、図３−１に示す作動空間ＭＳの作動流体ＦＬが、瞬間的にピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃへ流入する頻度を低減できるので、作動空間ＭＳからピストン２０の側部２０Ｓとシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間に異物Ｄが侵入することをより効果的に防ぐことができる。

ここで、図１に示すスターリングエンジン１００が備える高温側ピストン２０Ｈは、頂部２０ＨＴが高温の作動流体と接触して熱膨張するため、頂部２０ＨＴの直径を気体潤滑領域ＧＬＡの直径よりも小さくしてある。この領域を、熱膨張領域ＨＥＡという。これによって、図１に示すスターリングエンジン１００の運転中に高温側ピストン２０Ｈが熱膨張しても、高温側シリンダ３０Ｈとの接触を回避できる。一方、図１に示すスターリングエンジン１００が備える低温側ピストン２０Ｌの頂部２０ＬＴが接触する作動流体は比較的低温であるため、熱膨張領域ＨＥＡは設けていない。

図１０、図１１は、本実施形態の変形例に係るピストンの構成を示す断面図である。図１０に示すピストン２０ｂでは、ピストン２０ｂの蓄圧空間２０Ｉの内部に円筒状のフィルタ２３ｂを設け、逆止弁４０を取り囲み、かつすべての給気孔２２をフィルタ２３ｂで覆うようにしてある。また、図１１に示すピストン２０ｃでは、それぞれの給気孔２２の蓄圧空間２０Ｉ側にフィルタ２３ｃを設けてある。

このようにしても、加圧状態保持手段である逆止弁４０と、給気孔２２との間に異物捕捉手段であるフィルタ２３ｂ、２３ｃを配置するので、作動空間ＭＳから蓄圧空間２０Ｉへ流入した作動流体ＦＬ中の異物Ｄをフィルタ２３ｂ、２３ｃで捕捉して、ピストン２０ｂ、２０ｃの側部２０Ｓと図３−１に示すシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間に異物Ｄが侵入することを防ぐことができる。その結果、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下を効果的に抑制できる。

また、異物Ｄは、逆止弁４０の弁筐体４１とフィルタ２３ｂ、２３ｃとの間に捕捉される。その結果、フィルタ２３ｂ、２３ｃによって捕捉された異物Ｄが作動空間ＭＳへ戻ろうとしても、逆止弁４０によって作動空間ＭＳへの異物Ｄの逆流が防止され、作動流体ＦＬ中の異物を確実に取り除くことができる。

図１２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軸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のクランク軸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のクランク軸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。

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の熱エネルギーを回収するため、内燃機関１の冷間始動時等のように排ガスＥｘの温度が低い場合には、排ガスＥｘから熱エネルギーを回収できず、出力を発生することができない。このため、スターリングエンジン１００が出力を発生できるようになるまではクラッチ６を解放して、スターリングエンジン１００と内燃機関１とを切り離して、スターリングエンジン１００が内燃機関１に駆動されることによるエネルギー損失を抑制する。

クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００のクランク軸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のクランク軸１１０と切り離されて回転する。

図１２に示す本実施形態のスターリングエンジン１００が備えるピストンは、上述した構成により作動流体ＦＬに含まれる異物を除去し、ピストン内の蓄圧空間や作動空間からピストンとシリンダとの間へ異物が侵入することを防止するので、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制して、安定した運転が実現できる。また、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、ピストンとシリンダとの間に異物はほとんど侵入しない。

これによって、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、ピストンとシリンダとの間の異物によってピストンやシリンダの耐久性が低下することを回避できる。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、シリンダ内の作動空間からピストン内の蓄圧空間に導入した作動流体を給気孔からピストンとシリンダとの間に流出させて気体軸受を形成する構造において、作動空間内の作動流体を蓄圧空間に導入する気体導入通路と、給気孔との間に異物捕捉手段を設ける。これによって、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。また、ピストンとシリンダとの間への異物の混入を抑制できるので、気体軸受の荷重負荷能力を確実に発揮させるとともに、ピストンとシリンダとの間の潤滑を確保できる。

また、洗浄では除去し切れなかった塵や部品のバリ等が作動流体へ混入したり、ピストン機関がスターリングエンジンである場合は、高温にさらされた熱交換器の構成部品からの異物等が作動流体へ混入したりすることが考えられる。本実施形態の構成によれば、そのような異物も確実に除去できるので、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

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ピストン機関に有用であり、特に、ピストン内に形成した蓄圧空間からピストンとシリンダとの間へ気体を流出させて気体軸受を構成するピストン機関に適している。

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が備えるピストンの構成を示す断面図である。 図３−１に示すピストンの頂部付近の拡大図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備えるピストンに適用できる他の逆止弁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が備えるピストンの他の構成例示す断面図である。 図３−１のＡ−Ａ矢視図である。 図３−１のＢ−Ｂ矢視図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンが備えるフィルタの近傍を拡大した模式図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンが備えるフィルタの近傍を拡大した模式図である。 スターリングエンジンの作動空間圧力の変動を示す概念図である。 ピストンに設ける給気孔の配置を説明するための側面図である。 ピストンに設ける給気孔の配置を説明するための側面図である。 本実施形態の変形例に係るピストンの構成を示す断面図である。 本実施形態の変形例に係るピスト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、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ ピストン
２０Ｂ 底部
２０Ｆ ピストン支持部
２０Ｉ 蓄圧空間
２０Ｐ 隔壁
２０Ｓ 側部
２０Ｔ、２０ＨＴ、２０ＬＴ 頂部
２１、２１ａ、２１ｂ 気体導入通路
２１ｉ 蓄圧空間側開口部
２２ 給気孔
２３、２３ｂ、２３ｃ フィルタ
３０ シリンダ
３０Ｉ 内壁
４０、４０ａ 逆止弁
４１ 弁筐体
４１ｈ 連通孔
４３ ボール
６０ グラスホッパ機構
６１ コネクティングロッド
６２ 第１腕
６３ 第２腕
６４ 第３腕
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 クランク軸

Claims (2)

1. 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、
   前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出するシリンダと、
   前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの外殻で囲まれる蓄圧空間と、前記シリンダ内の作動空間と前記蓄圧空間とを連通して、前記作動空間内の前記作動流体を前記蓄圧空間に導入する気体導入通路と、前記ピストンの側部に複数設けられ、前記蓄圧空間内の前記作動流体を前記ピストンの側部と前記シリンダとの間に流出させて、前記ピストンと前記シリンダとの間に気体軸受を形成する給気孔と、前記気体導入通路と前記給気孔との間に設けられて、前記作動流体に含まれる異物を捕捉する異物捕捉手段と、前記蓄圧空間の内部へ配置され、前記蓄圧空間へ開口した前記気体導入通路の開口部から前記作動空間内の前記作動流体を前記蓄圧空間へ導入し、また、前記蓄圧空間内の作動流体が前記作動空間内へ逆流することを防止する加圧状態保持手段を備えたピストン機関と、
   前記ピストンを支持して前記ピストンを近似的に直線運動させる近似直線機構と、
   を備え、
   前記異物捕捉手段は、前記加圧状態保持手段と前記給気孔との間に設けられ、かつ、前記加圧状態保持手段を囲むとともに、
   前記加圧状態保持手段は逆止弁であり、前記逆止弁の開弁圧力は、前記作動空間内における前記作動流体の平均圧力に、前記作動空間内における前記作動流体の圧力の変動幅の１／２を加算した値よりも小さいとともに、前記逆止弁は、スターリングエンジンの運転時には、前記作動空間内圧力が前記開弁圧力よりも高くなると、常に開弁することを特徴とするスターリングエンジン。
2. 前記給気孔の一部は、前記ピストンと前記シリンダとの間に流出した前記作動流体による潤滑領域において、前記ピストンの中心軸方向における前記潤滑領域の中央部よりも前記ピストンの頂部側に設けられることを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。

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