ピストン機関
【課題】ピストンに作用する加速度が大きい場合であっても、加圧状態保持手段の動作不良を抑制すること。
【解決手段】このピストン機関は、シリンダ内を往復運動するピストン２１を含む。ピストン２１は、ピストン本体２１１の内部に形成された蓄圧室２１２と、シリンダ内の作動空間と蓄圧室２１１とを連通して、作動空間内の作動流体を蓄圧室２１２へ導入する導入通路２１４と、ピストン２１の運動方向に対して直交する方向に動作するリード弁２１５とを備える。そして、ピストン２１は、ピストン本体２１１の側周部２１１ａに複数の給気孔２１６を備え、この給気孔２１６から、蓄圧室２１２内の作動流体をピストン本体２１１の側周部２１１ａとシリンダとの間に噴出する。
【解決手段】このピストン機関は、シリンダ内を往復運動するピストン２１を含む。ピストン２１は、ピストン本体２１１の内部に形成された蓄圧室２１２と、シリンダ内の作動空間と蓄圧室２１１とを連通して、作動空間内の作動流体を蓄圧室２１２へ導入する導入通路２１４と、ピストン２１の運動方向に対して直交する方向に動作するリード弁２１５とを備える。そして、ピストン２１は、ピストン本体２１１の側周部２１１ａに複数の給気孔２１６を備え、この給気孔２１６から、蓄圧室２１２内の作動流体をピストン本体２１１の側周部２１１ａとシリンダとの間に噴出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン装置に関し、さらに詳しくは、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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、特許文献１に開示された技術が知られている。
【０００３】
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が作動空間内へ逆流することを防止する逆止弁と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダとのクリアランス部に噴出するオリフィスとを具備するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４６４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された外燃機関のピストンが備える逆止弁は、ピストンが往復運動する方向と平行な方向に作動するため、ピストンの往復運動によって発生する加速度によって逆止弁の可動部が動き、逆止弁が誤作動するおそれがある。この問題は、特に機関が高回転で運転されるほど、すなわち、ピストンの往復運動によって発生する加速度が高くなるほど顕著になる。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作動空間からピストン内に設けられた中空部内へ加圧状態保持手段を介して作動流体を取り入れ、ピストン側周部から噴出するピストン機関において、加圧状態保持手段に作用する加速度が大きい場合であっても、加圧状態保持手段の動作不良を抑制できるピストン機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの内部に形成された中空部と、前記シリンダ内の作動空間と前記中空部とを連通して、前記作動空間内の作動流体を前記中空部に導入する導入通路と、前記ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作して、前記中空部内へ開口した前記導入通路の導入部開口から前記作動流体を前記中空部へ導入し、また、前記中空部内の作動流体が前記シリンダ内へ逆流することを防止する加圧状態保持手段と、前記ピストンの側周部に複数設けられ、前記中空部内の前記作動流体を前記ピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出する給気孔と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このピストン機関は、シリンダ内の作動空間からピストン内の中空部内へ作動流体を導入し、これをピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出するピストン機関において、ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作する加圧状態保持手段を備える。これによって、ピストンの往復運動に起因する加速度が加圧状態保持手段に加わっても、加圧状態保持手段の動作はほとんど影響を受けない。その結果、加圧状態保持手段に作用する加速度が大きい場合であっても、加圧状態保持手段の動作不良を抑制できる。
【０００９】
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、前記加圧状態保持手段は、板状の弾性体からなり、動作部と固定部とを備えるリード弁であり、前記ピストンの動作方向と平行な平面を座面とする弁座に前記導入部開口が形成されており、前記リード弁の前記固定部が前記弁座に取り付けられ、前記動作部が前記導入部開口を開閉することを特徴とする。
【００１０】
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、前記リード弁の固定部と動作部とは、前記ピストンの運動方向と平行な直線上に配置されることを特徴とする。
【００１１】
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、前記ピストンの頂面側と裾側とに前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの頂面側と裾側とで前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする。
【００１２】
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、前記ピストンの裾側に前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの裾側で前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする。
【００１３】
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、前記ピストンの運動方向と交差する直線上であって、前記ピストンの頂面側と裾側とに前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの頂面側と裾側とで前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする。
【００１４】
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、前記ピストンの運動方向と直交する方向に前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの運動方向と直交する方向で前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする。
【００１５】
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、前記導入通路、前記導入部開口及び前記加圧状態保持手段は、前記ピストンの頂面の中心部に設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係るピストン機関は、作動空間からピストン内に設けられた中空部内へ加圧状態保持手段を介して作動流体を取り入れ、ピストン側周部から噴出するピストン機関において、加圧状態保持手段に作用する加速度が大きい場合であっても、加圧状態保持手段の動作不良を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。そして、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。
【実施例】
【００１８】
この実施例に係るピストン機関は、シリンダ内の作動空間からピストン内の中空部内へ作動流体を導入し、これをピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出するピストン機関である。そして、ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作して、中空部内へ開口した導入通路の導入部開口から作動流体を中空部へ導入し、また、中空部内の作動流体が前記シリンダ内へ逆流することを防止する加圧状態保持手段を備える点に特徴がある。
【００１９】
図１は、この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。図２は、この実施例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。図３は、この実施例に係るピストン機関が備える給気孔を示す正面図である。図４は、図２の矢印Ｃ方向から加圧状態保持手段であるリード弁を見た状態を示す説明図である。図５は、この実施例に係るピストン機関が作動している状態を示す説明図である。
【００２０】
図１に示すように、この実施例に係る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、高温側及び低温側ピストン・シリンダ部２０、３０を備えている。図１に示すように、高温側及び低温側ピストン・シリンダ部２０、３０は、直列並行に配置されている。低温側ピストン・シリンダ部３０のピストン３１は、高温側ピストン・シリンダ部２０のピストン２１に対して、クランク角で９０°程度の位相差がつけられている。
【００２１】
高温側ピストン・シリンダ部２０のピストン２１は、シリンダ（高温側シリンダ）２２内に収められており、この中で往復運動する。また、低温側ピストン・シリンダ部３０のピストン３１は低温側シリンダ３２内に収められており、この中を往復運運動する。高温側シリンダ２２の加熱器４７側における空間（以下、便宜上膨張空間ＥＳという）には、加熱器４７によって加熱された作動流体が流入する。シリンダ（低温側シリンダ）３２の再生熱交換器（以下再生器という）４６側の空間（以下、便宜上圧縮空間ＰＳという）には、冷却器４５によって冷却された作動流体が流入する。なお、膨張空間ＥＳと、圧縮空間ＰＳとは、ともに作動空間ＭＳともいう。
【００２２】
再生器４６は、膨張空間ＥＳと圧縮空間ＰＳとを作動流体が往復する際に熱を蓄える。すなわち、膨張空間ＥＳから圧縮空間ＰＳへと作動流体が流れるときには、再生器４６は、作動流体から熱を受け取り、圧縮空間ＰＳから膨張空間ＥＳ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。
【００２３】
２つのピストン２１、３１の往復運動にともない、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ＥＳ、及び低温側シリンダ３２の圧縮空間ＰＳにある作動流体の割合が変化し、また、全容積も変わるため、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、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、ピストン３１については逆に低くなる。このため、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、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。
【００２４】
図１に示すように、駆動軸４０は、ケース４１内に格納されているクランク軸４３と連結されている。クランク軸４３は、２つのピストン２１、３１と、ピストン側連結棒６１、連結ピン６０、連結棒１０９を介して連結されている。そして、２つのピストン２１、３１の往復運動を回転運動に変換して、駆動軸４０へ伝達する。ケース４１内は、加圧手段により加圧される。これは、作動流体（本実施例では空気）を加圧して、スターリングエンジン１０からより多くの出力を取り出すためである。
【００２５】
この実施例に係るスターリングエンジン１０は、車両において、例えばガソリンエンジンのような内燃機関とともに用いられる。すなわち、スターリングエンジン１０は、例えばガソリンエンジンのような内燃機関の排気ガスを熱源として駆動される。スターリングエンジン１０の加熱器４７は、車両に搭載される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。
【００２６】
この実施例に係る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し、好ましい。そのために、スターリングエンジン１０では、２つの高温側及び低温側シリンダ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。
【００２７】
加熱器４７が排気管１００の内部に配置される場合、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。
【００２８】
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。この実施例においては、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。このように構成することで、スターリングエンジン１０の各構成要素の相対的な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ることができる。
【００２９】
排気管１００のフランジ１００ｆに対して、断熱材を介して、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考えることができる。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。
【００３０】
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とクランク軸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軸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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、すなわち、車両の床面に対して、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、略水平方向に往復動する。この実施例では、説明の便宜上、２つのピストン２１、３１の上死点側を上、上方、上側、上向き、あるいは上方向、下死点側を下、下方、下側、下向き、あるいは下方向であるとして説明する。
【００３３】
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。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、それぞれ微小な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（気体であり、この実施例では空気）が介在して、空気軸受４８を構成している。ここで、空気軸受４８は、ピストン２１、３１とシリンダ２２、３２と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がシリンダ２２、３２内に浮いた状態とする。
【００３４】
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ともに使用される潤滑油も使用されていない。なお、シリンダ２２、３２の内周面には、固体潤滑材を付すことが好ましい。空気軸受４８の機能が十分ではない起動時等において、ピストンとシリンダとの摺動抵抗を低減する効果があるからである。
【００３５】
空気軸受４８（図１）は、スターリングエンジン１０の作動空間ＭＳ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の側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出することで構成される、静圧空気軸受である（図２参照）。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（この実施例ではピストン２１、３１）を浮上させるものである。
【００３６】
この実施例では、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、図１に示すように、膨張空間ＥＳへできるだけ高温の作動流体が流れるように、高温側シリンダ２２の上部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、上死点近傍において、膨張側のピストン２１の上部は排気管１００の内部に位置することになり、膨張側のピストン２１の上部が効果的に加熱される。
【００３７】
ここで、この実施例に係るスターリングエンジン１０では、基板４２を高温側及び低温側シリンダ２２、３２の作動流体の導入側に配置して、両シリンダを基板４２に組み付ける。このような構成により、高温側及び低温側シリンダ２２、３２を拘束して、高温側シリンダ２２と低温側シリンダ３２との距離の増大を抑制する。その結果、スターリングエンジン１０の運転中、加熱器４７が高温になった場合でも、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受４８の機能を発揮させることができる。
【００３８】
次に、図２〜図５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。ここで、図１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。この実施例に係るピストン２１、ピストン３１は、ともに共通の構成を備えるので、以下では、ピストン２１について説明し、ピストン３１については説明を省略する。
【００３９】
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（すなわちピストン２１の内部）に形成された中空部（以下蓄圧室という）２１２と、仕切り部材２１３とを備えている。この実施例において、仕切り部材２１３は、ピストン本体２１１の裾部２１１ｓでピストン２１の内壁２１１ｉｗに取り付けられる。そして、図２に示すように、仕切り部材２１３は、ピストン側連結棒６１にピストン２１を取り付けるためのピストンピン６２を避けるように構成される。このような構成によって、ピストン本体２１１は、仕切り部材２１３によって上部及び下部が塞がれて、内部に蓄圧室２１２が形成される。なお、裾部２１１ｓは、ピストンピン２１よりもクランク軸４３側である（図１参照）。
【００４０】
ピストン本体２１１は、高温側シリンダ２２（図１）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）、ピストン本体のピストン頂部２１１ｔ側へ蓋状に設けられた頂面部２１１ｂとを有している。なお、頂面部２１１ｂの蓄圧室２１２側には、内部に導入流路２１４を備える弁座２１８が設けられる。導入流路２１４は、高温側シリンダ２２内の作動空間ＭＳと蓄圧室２１２とを連通する。導入流路２１４は、頂面部２１２ｂに作動流体入口２１４ｉが開口し、蓄圧室２１２内には作動流体出口２１４ｏが開口している。作動流体出口２１４ｏには、蓄圧室２１２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リード弁２１５が設けられている。
【００４１】
リード弁２１５は、リード弁ガイド２１９とともに、固定手段であるねじ２１８ｓによって弁座２１８に固定される（図２、図４参照）。なお、リード弁２１５は、ピストン２１の下側、すなわち裾部２１１ｓ側で固定される。リード弁２１５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２１５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。特に、スターリングエンジン１０が高回転になるほど、応答性を向上させる必要がある。
【００４２】
リード弁２１５は、固定部２１５1（図２、図４）をねじ２１８ｓによって弁座２１８に固定される。これによって、リード弁２１５は、片持ち状態となって、固定部２１５1を中心として動作部２１５2が動き、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを開閉する。このように、リード弁２１５を片持ちで構成することにより、ピストン２１の中心軸（以下ピストン中心軸）Ｚ方向に対するリード弁２１５の長さを短くできるので、ピストン中心軸Ｚ（図２、図４）方向の長さを小さくできる。なお、リード弁ガイド２１９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。
【００４３】
リード弁２１５は、導入流路２１４を通る作動流体の流れを、作動空間ＭＳから蓄圧室２１２に向かう方向に限定する。リード弁２１５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ＭＳに存在する作動流体の圧力（作動空間内圧力）Ｐｃが上昇し、蓄圧室２１２内の圧力（蓄圧室内圧力）Ｐｐよりも高くなったときに開いて、高温側シリンダ２２内の作動空間ＭＳ内の作動流体を蓄圧室２１２内へ導入する。また、リード弁２１５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ＭＳに存在する作動空間内圧力Ｐｃが下がり、蓄圧室内圧力Ｐｐよりも低くなったときには、弁座２１８に押し付けられて、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ＭＳへ逆流することを防ぐ。このように、リード弁２１５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。
【００４４】
ピストン本体２１１の側周部２１１ａには、周方向に略等間隔に複数の給気孔２１６が設けられている。図２、図３に示すように、給気孔２１６は、オリフィス２１６ｏと拡大部２１６ｓとで構成される。図５に示すように、作動流体は、オリフィス２１６ｏを通って拡大部２１６ｓで広がってピストン２１と高温側シリンダ２２の内壁２２ｉｗとの間のクリアランスに噴出する。拡大部２１６ｓは、オリフィス２１６ｏから噴出された作動流体を溜めて蓄圧する機能を有するので、ピストン２１の起動時には、高温側シリンダ２２の受圧面積を大きくして、より大きな力で安定してピストン２１を浮上させることができる。また、ピストン２１が往復運動を開始した後に、ピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスが変化した場合には、オリフィス２１６ｏによって流量が調整される。これによって、ピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスが略一定に保たれる。
【００４５】
ピストン２１の上昇にともない、高温側シリンダ２２の作動空間ＭＳの作動流体が圧縮されて、作動空間内圧力Ｐｃが蓄圧室内圧力Ｐｐよりも高くなると、リード弁２１５が開く。そして、導入流路２１４を介して、作動空間ＭＳの作動流体の一部が蓄圧室２１２に導入される。導入流路２１４を介して作動流体が蓄圧室２１２に導入されると、図５に示すように、蓄圧室２１２の作動流体の一部が、給気孔２１６を介してピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスに噴出し、空気軸受４８を構成する。なお、クリアランスの大きさｔｃは、１５μｍ〜３０μｍ程度である。次に、加圧状態保持手段であるリード弁２１５、及びこれを取り付ける弁座２１８についてより詳細に説明する。
【００４６】
図６は、この実施例に係る弁座を示す断面図である。図７は、この実施例に係る弁座にリード弁を取り付けた状態を示す断面図である。図６に示すように、リード弁２１５が固定される弁座２１８の座面２１８ｐは、ピストン中心軸Ｚと平行に形成される。そして、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏの開口面２１４ｐは、座面２１８ｐ及びピストン中心軸Ｚに対して平行となる。なお、ピストン中心軸Ｚは、ピストン２１（図２）の運動方向ＭＤと平行である。
【００４７】
すでに説明したように、リード弁２１５は板状の弾性部材なので、リード弁２１５が弁座２１８にねじ２１８ｓによって固定されると、座面２１８ｐと接触して導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを閉じる（図７）。これによって、リード弁２１５の板面は、ピストン中心軸Ｚ、すなわちピストン２１の運動方向ＭＤと平行になる。
【００４８】
作動空間内圧力Ｐｃが蓄圧室内圧力Ｐｐよりも大きくなり、両者の差圧に起因するリード弁に作用する力が、リード弁２１５を座面２１８ｐに押し付ける付勢力を上回ると、リード弁２１５は座面２１８ｐから離れるように動作する。これによって、導入流路２１４を通って作動流体出口２１４ｏから作動流体が蓄圧室２１２（図２参照）へ流れ込む。
【００４９】
作動空間内圧力Ｐｃが蓄圧室内圧力Ｐｐよりも小さくなり、両者の差圧に基づいてリード弁に作用する力が、リード弁２１５がそれ自身を座面２１８ｐに押し付ける付勢力を下回ると、リード弁２１５は座面２１８ｐへ向かって動作する。これによって、作動流体出口２１４ｏが閉じられるため、蓄圧室２１２（図２参照）に対する作動流体の流入は停止する。作動流体出口２１４ｏの開閉にあたり、リード弁２１５は図７に示す矢印Ｘの方向に動作するが、この動作方向（動作を開始する瞬間の方向）は、ピストン２１の運動方向ＭＤ（ピストン中心軸Ｚと平行）に直交するように構成される。この理由について説明する。
【００５０】
図８は、クランク角に対するピストン位置、リード弁に加わる加速度及び作動空間内圧力の関係を示す説明図である。スターリングエンジン１０の運転中、リード弁２１５にはピストン２１の往復運動に起因する加速度が加わる。その方向は、ピストン２１の運動方向ＭＤ（図７）と平行である。
【００５１】
スターリングエンジン１０の運転中にピストン２１の位置がＴＤＣ（Ｔop Dead Center：上死点）及びＢＤＣ（Bottom Dead Center：下死点）にきた場合、リード弁２１５に加わる加速度の絶対値は最も大きくなる。ＴＤＣにおいてリード弁２１５に加わる加速度をαTDC、ＢＤＣにおいてリード弁２１５に加わる加速度をαBDCとする。図７に示すように、ＴＤＣ及びＢＤＣにおいて、リード弁２１５には、ＦTDC（＝αTDC×ｍ）、ＦBDC（＝αBDC×ｍ）の力が、図７の矢印ＦTDC、ＦBDCの方向に作用する。なお、ｍはリード弁２１５の質量である。ここで、ＴＤＣ、ＢＤＣにおいてリード弁２１５に作用する力ＦTDC、ＦBDCの方向は、ピストン２１の運動方向ＭＤ、すなわちピストン中心軸Ｚ方向と平行である。
【００５２】
図８に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン１０では、ＴＤＣ近傍で作動空間内圧力Ｐｃが蓄圧室内圧力Ｐｐよりも大きくなって、蓄圧室２１２内へ作動流体が導入される。リード弁２１５は、このときの作動空間内圧力Ｐｃと蓄圧室内圧力Ｐｐとの差圧で開弁する必要があるが、この差圧は小さいため、リード弁２１５は小さい圧力でも開閉するように設定する必要がある。
【００５３】
ここで、特許文献１に開示されている技術では、逆止弁の動作方向が、ピストン２１の往復運動に起因する加速度と平行であるため、逆止弁が開く方向に向かう最大の力が発生するＢＤＣにおいて逆止弁が誤動作しないように設定すると、ＴＤＣにおいては逆止弁が開かないおそれがある。機関が高回転で運転されるときに、これは顕著になる。このため、特許文献１に開示されている技術では、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ように逆止弁を設定することは困難である。特に機関が高回転で運転される場合、前記設定はほとんど不可能であり、特許文献１に開示されている技術は、事実上機関が低回転で運転される場合にしか適用できない。
【００５４】
この実施例に係るスターリングエンジン１０では、すでに説明したように、リード弁２１５の板面は、ピストン２１の運動方向ＭＤと平行である（すなわちピストン中心軸Ｚと平行）。これによって、リード弁２１５の動作方向は、ピストン２１の運動方向ＭＤ（ピストン中心軸Ｚと平行な方向）に対して直交し、ＴＤＣあるいはＢＤＣにおいて、ピストン２１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。
【００５５】
その結果、ピストン２１の往復運動に起因する加速度がリード弁２１５に加わっても、リード弁２１５の動作にはほとんど影響を与えない。すなわち、リード弁２１５の弾性率や厚さ等で決定されるリード弁２１５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２１５を開閉させることができる。そして、スターリングエンジン１０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２１５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。
【００５６】
また、特許文献１に開示されている逆止弁は、弁体にばねで圧力を付勢する、機械的な稼動部を持つものであるが、このような逆止弁では、動作時に弁体とばねとが摺動する。このため、ピストンの往復運動が繰り返されることに起因する振動によって、弁体とばねとにはフレッチング摩耗等が発生して、逆止弁の耐久性が低下するおそれもある。この実施例においては、加圧状態保持手段として、弾性変形のみによって動作するリード弁を用いるので、リード弁の動作時には摺動は発生しない。このため、ピストンの往復運動に起因する振動によるフレッチング摩耗等は極めて低減される。その結果、加圧状態保持手段の耐久性は極めて高くなる。
【００５７】
また、この実施例においては、加圧状態保持手段（リード弁２１５）は振動の減衰率が低い気体中で使用される。したがって、特許文献１に開示されている技術のように、加圧状態保持手段の動作方向を、ピストンの往復運動に起因する加速度の方向と平行にすると、前記加速度の変化に起因する振動の影響で、加圧状態保持手段は共振する。かかる場合、振動の減衰率が低い気体中で加圧保持手段が使用されると、加圧状態保持手段の振動が減衰し難くなる結果、加圧状態保持手段は容易に共振してしまう。しかし、この実施例においては、加圧状態保持手段（リード弁２１５）の動作方向とピストン２１の運動方向とは直交するので、加圧状態保持手段には、前記加速度の変化による振動の影響はほとんど受けない。これによって、加圧状態保持手段（リード弁２１５）の共振の発生を抑制して、安定した運転が実現できる。
【００５８】
ＴＤＣ近傍においては、リード弁２１５に上向き、すなわちピストン２１の頂面部２１１ｂに向かうの加速度が作用し、ＴＤＣで最大となる。すでに説明したように、リード弁２１５は、ピストン２１の下側、すなわち裾部２１１ｓ側で弁座２１８に固定される（図２）。したがって、ＴＤＣ近傍において、リード弁２１５は前記加速度によって上側に引っ張られることになるため、リード弁２１５は座屈することはない。
【００５９】
一方、ＢＤＣ近傍においては、リード弁２１５に下向き、すなわちピストン２１の裾部２１１ｓ方向の加速度が作用し、ＢＤＣで最大となる。図８に示すように、ＢＤＣにおいては作動空間内圧力Ｐｃが最小となる。一方、蓄圧室内圧力Ｐｐは略一定なので、蓄圧室内圧力Ｐｐと作動空間内圧力Ｐｃとの差圧ΔＰはＢＤＣにおいて最大となる。ＢＤＣにおいて、リード弁２１５は弁座２１８の座面２１８ｐに対してΔＰで押し付けられるため、ＢＤＣ近傍においてリード弁２１５に下向きの力が作用しても、座屈を抑制することができる。ここで、加圧状態保持手段（リード弁２１５）の動作方向とピストン２１の運動方向とは、正確に９０度であることが好ましいが、製作上の誤差は許容される。また、ピストン２１の往復運動に起因する加速度の影響が許容できる範囲内で、加圧状態保持手段（リード弁２１５）の動作方向とピストン２１の運動方向との交差角度は９０度から外れてもよい。
【００６０】
図９、図１０−１は、この実施例に係るピストンの頂面部を示す平面図である。図１０−２は、この実施例に係るピストンの側面図である。図２、図７に示す弁座２１８、リード弁２１５及びねじ２１８ｓからなる構造体ＳＩ（図９）は、ピストン２１の頂面部２１１ｂの中央部に設けることが好ましい。すなわち、ピストン中心軸Ｚに近づけて設けることが好ましい。
【００６１】
このようにすれば、図２に示す弁座２１８内に形成される導入流路２１４と、複数の給気孔２１６との距離を等しくできる。これによって、作動空間ＭＳの作動流体が導入流路２１４を介して蓄圧室２１２に導入されたときに、複数の給気孔２１６からそれぞれ噴出される作動流体の噴出状態（噴出量・噴出圧）が等しくなりやすい。その結果、クリアランスに作動流体が噴出されるときに、ピストン２１の周方向において噴出の偏りを生じるおそれを低減でき、空気軸受４８を安定して機能させることができる。
【００６２】
また、前記構造体ＳＩがピストン２１の中央部に配置されることは、ピストン２１の重心Ｇとの関係で好ましい。特に、この実施例においては、空気軸受４８が使用されているので、ピストン２１の往復運動の軌跡を直線に近似することが重要になる。このような観点から、前記構造体ＳＩをピストン２１の頂面部２１１ｂの中央部に設けるにあたり、図１０−１、図１０−２に示すように、前記構造体ＳＩの重心ｇとピストン２１の重心Ｇとの、ピストン２１の運動方向と直交する断面内における位置を、できるだけ一致させることがより好ましい。なお、図１０−１においては、わかりやすくするため、構造体ＳＩの重心ｇは、正規の位置よりもややずらして記載してある。
【００６３】
次に、図１を参照しながら、ピストン・シリンダの構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。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、得られる熱量には制約があり、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、この実施例では、スターリングエンジン１０の内部摩擦を可能な限り低減させている。このため、この実施例では、スターリングエンジンの内部摩擦のうち、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極限まで低減するため、ピストンリングを使用せずに、上述した空気軸受（エアベアリング）４８を用いる。
【００６４】
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の内部摩擦を大幅に低減させることができる。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。一方、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（負荷能力）が低いため、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにすることが好ましい。このため、シリンダ２２、３２の軸線（中心軸）に対するピストン２１、３１の直線運動精度を高くする必要がある。特に、この実施例で採用する、微小クリアランスにおける空気圧を用いてピストン２１、３１を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、スラスト方向の力に対する負荷能力が低い。このため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。
【００６５】
上記の理由から、この実施例では、ピストン・クランク部に直線近似機構を用いる。図１１は、この実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストン・クランク機構の概略構成図である。この実施例では、直線近似機構として、グラスホッパ機構（近似直線リンク）５０を採用する。グラスホッパ機構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寸法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。
【００６６】
特に、この実施例に係る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、グラスホッパ機構５０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、燃費の点で有利である。さらに、グラスホッパ機構５０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。
【００６７】
この実施例において、ピストン・クランク機構は、高温側のピストン２１側と低温側のピストン３１側とで共通の構成を採用しているため、次の説明では、高温側のピストン２１側についてのみ説明し、低温側のピストン３１側についての説明は省略する。図１及び図１１に示すように、ピストン２１の往復運動は、ピストンピン６２、ピストン側連結棒６１、連結ピン６０及び連結棒１０９を介してクランク軸４３に伝達され、ここで、回転運動に変換される。連結棒１０９は、図１１に示すグラスホッパ機構５０によって支持されており、ピストン２１を直線状に往復運動させる。このように、連結棒１０９をグラスホッパ機構５０によって支持することにより、ピストン２１のサイドフォースＦをほとんど０にできるので、負荷能力の小さい空気軸受４８によっても、十分にピストン２１を支持することができる。
【００６８】
（変形例）
次に、この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例について説明する。図１２−１〜図１４−２は、この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。図１２−１、図１２−２に示す加圧状態保持手段であるリード弁２１５ａは、図１２−２に示すピストン２１ａの中心軸と平行な直線Ｚｃ上に、リード弁２１５ａの固定部２１５ａ1、２１５ａ1と動作部２１５ａ2とが配置される。そして、このリード弁２１５ａは、ピストン２１ａの頂面部２１１ｂ側と裾部２１１ｓ側との二箇所で、ねじ２１８ｓによって弁座２１８に固定される。図１２−１に示す固定部２１５ａ1、２１５ａ1と動作部２１５ａ2とは、連結部２１５ａ3で接続されている。
【００６９】
動作部２１５ａ2は、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを覆っており、作動空間内圧力Ｐｃと蓄圧室内圧力Ｐｐとの差圧がリード弁２１５ａの開弁圧を超えると弁座２１８から離れる。このリード弁２１５ａは、ピストン２１ａの中心軸と平行な直線Ｚｃ上で、かつピストン２１ａの頂面部２１１ｂ側と裾部２１１ｓ側との二箇所で弁座２１８に固定される。このため、ピストン２１を備えるピストン機関が極めて高回転で運転されて、リード弁２１５ａに大きな加速度が加わっても、リード弁２１５ａの変形が抑制されて、確実に動作する。また、動作部２１５ａ2の動作量は、上記実施例で説明したリード弁２１５（図２、図７）よりも小さいので、リード弁ガイド２１９（図２、図７）を設けなくともよい。これによって、構造を簡略化できるとともに、軽量化にも寄与する。
【００７０】
図１３−１、図１３−２に示す加圧状態保持手段であるリード弁２１５ｂは、ピストン２１ｂの中心軸と平行な直線Ｚｃと交差する方向に、リード弁２１５ａの固定部２１５ｂ1、２１５ｂ1が配置される。そして、このリード弁２１５ｂは、二箇所の固定部２１５ｂ1、２１５ｂ1で、ねじ２１８ｓによって、リード弁ガイド２１９ｂ（図１３−２）とともに弁座２１８に固定される。固定部２１５ｂ1、２１５ｂ1と動作部２１５ｂ2とは、連結部２１５ｂ3で接続されている。なお、連結部２１５ｂ3は、前記直線Ｚｃに対して角度θの傾きを有している。
【００７１】
動作部２１５ｂ2は、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを覆っており、作動空間内圧力Ｐｃと蓄圧室内圧力Ｐｐとの差圧がリード弁２１５ｂの開弁圧を超えると弁座２１８から離れる。このリード弁２１５ｂは、二箇所で弁座２１８に固定される。このため、ピストン２１ｂを備えるピストン機関が高回転で運転されて、リード弁２１５ｂに大きな加速度が加わっても、リード弁２１５ｂの変形が抑制されて、確実に動作する。また、リード弁２１５ｂの固定部２１５ｂ1、２１５ｂ1は、ピストン２１ｂの中心軸と平行な直線Ｚｃと交差する方向に配置される。これによって、ピストン２１ｂの運動方向におけるリード弁２１５ｂの寸法を小さくできるので、前記運動方向におけるピストン２１ｂの寸法も小さくすることができる。
【００７２】
図１４−１、図１４−２に示す加圧状態保持手段であるリード弁２１５ｃは、ピストン２１ｃの中心軸と平行な直線Ｚｃと直交する方向に、リード弁２１５ｃの固定部２１５ｃ1が配置される。そして、このリード弁２１５ｃは、前記固定部２１５ｃ1で、ねじ２１８ｓによって、リード弁ガイド２１９ｃ（図１４−２）とともに弁座２１８に固定される。リード弁２１５ｃは、平面視が矩形の板状部材であり、固定部２１５ｃ1で固定された端部とは反対側が動作部２１５ｃ2となる。
【００７３】
動作部２１５ｃ2は、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを覆っており、作動空間内圧力Ｐｃと蓄圧室内圧力Ｐｐとの差圧がリード弁２１５ｃの開弁圧を超えると弁座２１８から離れる。このリード弁２１５ｃは、ピストン２１ｃの中心軸と平行な直線Ｚｃと直交する方向で弁座２１８に固定される。このため、ピストン２１ｃの運動方向におけるリード弁２１５ｂの寸法を小さくできるので、前記運動方向におけるピストン２１ｃの寸法も小さくすることができる。なお、このリード弁２１５ｃは、ピストン２１ｃを備えるピストン機関が比較的低回転で運転される場合に有効な構成である。
【００７４】
以上、この実施例及びその変形例では、シリンダ内の作動空間からピストン内の中空部内へ作動流体を導入し、これをピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出するピストン機関において、ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作する加圧状態保持手段を備える。これによって、加圧状態保持手段は、ピストンの往復運動に起因する加速度が加圧状態保持手段に加わっても、加圧状態保持手段の動作はほとんど影響を受けない。その結果、前記加速度に関係なく、加圧状態保持手段を動作させることができる。そして、ピストン機関が高回転で運転されても、すなわち加圧状態保持手段に作用する加速度が大きい場合であっても加圧状態保持手段は確実に動作して、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。
【００７５】
なお、上記説明では、スターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気ガスを熱源とすべく排気管に取り付けた構成について説明した。ただし、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。また、上記においては、ピストン機関がスターリングエンジンである場合を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係るピストン機関は、スターリングエンジン以外のピストン機関に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の作用、効果を奏し、また上記と同様の有用性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
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、ピストン内に中空部を備え、この中空部からシリンダ内面に向かって流体を噴出させるピストン機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。
【図２】この実施例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。
【図３】この実施例に係るピストン機関が備える給気孔を示す正面図である。
【図４】図２の矢印Ｃ方向からリード弁を見た状態を示す説明図である。
【図５】この実施例に係るピストン機関が作動している状態を示す説明図である。
【図６】この実施例に係る弁座を示す断面図である。
【図７】この実施例に係る弁座にリード弁を取り付けた状態を示す断面図である。
【図８】クランク角に対するピストン位置、リード弁に加わる加速度及び作動空間内圧力の関係を示す説明図である。
【図９】この実施例に係るピストンの頂面部を示す平面図である。
【図１０−１】この実施例に係るピストンの頂面部を示す平面図である。
【図１０−２】この実施例に係るピストンの側面図である。
【図１１】この実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストン・クランク機構の概略構成図である。
【図１２−１】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１２−２】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１３−１】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１３−２】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１４−１】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１４−２】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０ スターリングエンジン
２０ 高温側ピストン・シリンダ部
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ピストン
２２ 高温側シリンダ
３０ 低温側ピストン・シリンダ部
３１ ピストン
３２ 低温側シリンダ
４０ 駆動軸
４１ ケース
４２ 基板
４３ クランク軸
４５ 冷却器
４６ 再生器
４７ 加熱器
４８ 空気軸受
５０ グラスホッパ機構
９０ シュラウド
１００ 排気管
２１１ ピストン本体
２１１ａ 側周部
２１１ｉｗ 内壁
２１１ｓ 裾部
２１１ｂ 頂面部
２１２ 蓄圧室（中空部）
２１３ 仕切り部材
２１４ 導入流路
２１４ｉ 作動流体入口
２１４ｏ 作動流体出口
２１４ｐ 開口面
２１５、２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ リード弁
２１６ 給気孔
２１６ｏ オリフィス
２１６ｓ 拡大部
２１８ 弁座
２１８ｐ 座面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン装置に関し、さらに詳しくは、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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、特許文献１に開示された技術が知られている。
【０００３】
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が作動空間内へ逆流することを防止する逆止弁と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダとのクリアランス部に噴出するオリフィスとを具備するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４６４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された外燃機関のピストンが備える逆止弁は、ピストンが往復運動する方向と平行な方向に作動するため、ピストンの往復運動によって発生する加速度によって逆止弁の可動部が動き、逆止弁が誤作動するおそれがある。この問題は、特に機関が高回転で運転されるほど、すなわち、ピストンの往復運動によって発生する加速度が高くなるほど顕著になる。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作動空間からピストン内に設けられた中空部内へ加圧状態保持手段を介して作動流体を取り入れ、ピストン側周部から噴出するピストン機関において、加圧状態保持手段に作用する加速度が大きい場合であっても、加圧状態保持手段の動作不良を抑制できるピストン機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの内部に形成された中空部と、前記シリンダ内の作動空間と前記中空部とを連通して、前記作動空間内の作動流体を前記中空部に導入する導入通路と、前記ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作して、前記中空部内へ開口した前記導入通路の導入部開口から前記作動流体を前記中空部へ導入し、また、前記中空部内の作動流体が前記シリンダ内へ逆流することを防止する加圧状態保持手段と、前記ピストンの側周部に複数設けられ、前記中空部内の前記作動流体を前記ピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出する給気孔と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このピストン機関は、シリンダ内の作動空間からピストン内の中空部内へ作動流体を導入し、これをピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出するピストン機関において、ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作する加圧状態保持手段を備える。これによって、ピストンの往復運動に起因する加速度が加圧状態保持手段に加わっても、加圧状態保持手段の動作はほとんど影響を受けない。その結果、加圧状態保持手段に作用する加速度が大きい場合であっても、加圧状態保持手段の動作不良を抑制できる。
【０００９】
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、前記加圧状態保持手段は、板状の弾性体からなり、動作部と固定部とを備えるリード弁であり、前記ピストンの動作方向と平行な平面を座面とする弁座に前記導入部開口が形成されており、前記リード弁の前記固定部が前記弁座に取り付けられ、前記動作部が前記導入部開口を開閉することを特徴とする。
【００１０】
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、前記リード弁の固定部と動作部とは、前記ピストンの運動方向と平行な直線上に配置されることを特徴とする。
【００１１】
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、前記ピストンの頂面側と裾側とに前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの頂面側と裾側とで前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする。
【００１２】
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、前記ピストンの裾側に前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの裾側で前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする。
【００１３】
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、前記ピストンの運動方向と交差する直線上であって、前記ピストンの頂面側と裾側とに前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの頂面側と裾側とで前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする。
【００１４】
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、前記ピストンの運動方向と直交する方向に前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの運動方向と直交する方向で前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする。
【００１５】
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、前記導入通路、前記導入部開口及び前記加圧状態保持手段は、前記ピストンの頂面の中心部に設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係るピストン機関は、作動空間からピストン内に設けられた中空部内へ加圧状態保持手段を介して作動流体を取り入れ、ピストン側周部から噴出するピストン機関において、加圧状態保持手段に作用する加速度が大きい場合であっても、加圧状態保持手段の動作不良を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。そして、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。
【実施例】
【００１８】
この実施例に係るピストン機関は、シリンダ内の作動空間からピストン内の中空部内へ作動流体を導入し、これをピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出するピストン機関である。そして、ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作して、中空部内へ開口した導入通路の導入部開口から作動流体を中空部へ導入し、また、中空部内の作動流体が前記シリンダ内へ逆流することを防止する加圧状態保持手段を備える点に特徴がある。
【００１９】
図１は、この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。図２は、この実施例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。図３は、この実施例に係るピストン機関が備える給気孔を示す正面図である。図４は、図２の矢印Ｃ方向から加圧状態保持手段であるリード弁を見た状態を示す説明図である。図５は、この実施例に係るピストン機関が作動している状態を示す説明図である。
【００２０】
図１に示すように、この実施例に係る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、高温側及び低温側ピストン・シリンダ部２０、３０を備えている。図１に示すように、高温側及び低温側ピストン・シリンダ部２０、３０は、直列並行に配置されている。低温側ピストン・シリンダ部３０のピストン３１は、高温側ピストン・シリンダ部２０のピストン２１に対して、クランク角で９０°程度の位相差がつけられている。
【００２１】
高温側ピストン・シリンダ部２０のピストン２１は、シリンダ（高温側シリンダ）２２内に収められており、この中で往復運動する。また、低温側ピストン・シリンダ部３０のピストン３１は低温側シリンダ３２内に収められており、この中を往復運運動する。高温側シリンダ２２の加熱器４７側における空間（以下、便宜上膨張空間ＥＳという）には、加熱器４７によって加熱された作動流体が流入する。シリンダ（低温側シリンダ）３２の再生熱交換器（以下再生器という）４６側の空間（以下、便宜上圧縮空間ＰＳという）には、冷却器４５によって冷却された作動流体が流入する。なお、膨張空間ＥＳと、圧縮空間ＰＳとは、ともに作動空間ＭＳともいう。
【００２２】
再生器４６は、膨張空間ＥＳと圧縮空間ＰＳとを作動流体が往復する際に熱を蓄える。すなわち、膨張空間ＥＳから圧縮空間ＰＳへと作動流体が流れるときには、再生器４６は、作動流体から熱を受け取り、圧縮空間ＰＳから膨張空間ＥＳ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。
【００２３】
２つのピストン２１、３１の往復運動にともない、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ＥＳ、及び低温側シリンダ３２の圧縮空間ＰＳにある作動流体の割合が変化し、また、全容積も変わるため、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、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、ピストン３１については逆に低くなる。このため、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、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。
【００２４】
図１に示すように、駆動軸４０は、ケース４１内に格納されているクランク軸４３と連結されている。クランク軸４３は、２つのピストン２１、３１と、ピストン側連結棒６１、連結ピン６０、連結棒１０９を介して連結されている。そして、２つのピストン２１、３１の往復運動を回転運動に変換して、駆動軸４０へ伝達する。ケース４１内は、加圧手段により加圧される。これは、作動流体（本実施例では空気）を加圧して、スターリングエンジン１０からより多くの出力を取り出すためである。
【００２５】
この実施例に係るスターリングエンジン１０は、車両において、例えばガソリンエンジンのような内燃機関とともに用いられる。すなわち、スターリングエンジン１０は、例えばガソリンエンジンのような内燃機関の排気ガスを熱源として駆動される。スターリングエンジン１０の加熱器４７は、車両に搭載される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。
【００２６】
この実施例に係る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し、好ましい。そのために、スターリングエンジン１０では、２つの高温側及び低温側シリンダ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。
【００２７】
加熱器４７が排気管１００の内部に配置される場合、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。
【００２８】
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。この実施例においては、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。このように構成することで、スターリングエンジン１０の各構成要素の相対的な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ることができる。
【００２９】
排気管１００のフランジ１００ｆに対して、断熱材を介して、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考えることができる。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。
【００３０】
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とクランク軸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軸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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、すなわち、車両の床面に対して、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、略水平方向に往復動する。この実施例では、説明の便宜上、２つのピストン２１、３１の上死点側を上、上方、上側、上向き、あるいは上方向、下死点側を下、下方、下側、下向き、あるいは下方向であるとして説明する。
【００３３】
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。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、それぞれ微小な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（気体であり、この実施例では空気）が介在して、空気軸受４８を構成している。ここで、空気軸受４８は、ピストン２１、３１とシリンダ２２、３２と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がシリンダ２２、３２内に浮いた状態とする。
【００３４】
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ともに使用される潤滑油も使用されていない。なお、シリンダ２２、３２の内周面には、固体潤滑材を付すことが好ましい。空気軸受４８の機能が十分ではない起動時等において、ピストンとシリンダとの摺動抵抗を低減する効果があるからである。
【００３５】
空気軸受４８（図１）は、スターリングエンジン１０の作動空間ＭＳ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の側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出することで構成される、静圧空気軸受である（図２参照）。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（この実施例ではピストン２１、３１）を浮上させるものである。
【００３６】
この実施例では、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、図１に示すように、膨張空間ＥＳへできるだけ高温の作動流体が流れるように、高温側シリンダ２２の上部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、上死点近傍において、膨張側のピストン２１の上部は排気管１００の内部に位置することになり、膨張側のピストン２１の上部が効果的に加熱される。
【００３７】
ここで、この実施例に係るスターリングエンジン１０では、基板４２を高温側及び低温側シリンダ２２、３２の作動流体の導入側に配置して、両シリンダを基板４２に組み付ける。このような構成により、高温側及び低温側シリンダ２２、３２を拘束して、高温側シリンダ２２と低温側シリンダ３２との距離の増大を抑制する。その結果、スターリングエンジン１０の運転中、加熱器４７が高温になった場合でも、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受４８の機能を発揮させることができる。
【００３８】
次に、図２〜図５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。ここで、図１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。この実施例に係るピストン２１、ピストン３１は、ともに共通の構成を備えるので、以下では、ピストン２１について説明し、ピストン３１については説明を省略する。
【００３９】
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（すなわちピストン２１の内部）に形成された中空部（以下蓄圧室という）２１２と、仕切り部材２１３とを備えている。この実施例において、仕切り部材２１３は、ピストン本体２１１の裾部２１１ｓでピストン２１の内壁２１１ｉｗに取り付けられる。そして、図２に示すように、仕切り部材２１３は、ピストン側連結棒６１にピストン２１を取り付けるためのピストンピン６２を避けるように構成される。このような構成によって、ピストン本体２１１は、仕切り部材２１３によって上部及び下部が塞がれて、内部に蓄圧室２１２が形成される。なお、裾部２１１ｓは、ピストンピン２１よりもクランク軸４３側である（図１参照）。
【００４０】
ピストン本体２１１は、高温側シリンダ２２（図１）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）、ピストン本体のピストン頂部２１１ｔ側へ蓋状に設けられた頂面部２１１ｂとを有している。なお、頂面部２１１ｂの蓄圧室２１２側には、内部に導入流路２１４を備える弁座２１８が設けられる。導入流路２１４は、高温側シリンダ２２内の作動空間ＭＳと蓄圧室２１２とを連通する。導入流路２１４は、頂面部２１２ｂに作動流体入口２１４ｉが開口し、蓄圧室２１２内には作動流体出口２１４ｏが開口している。作動流体出口２１４ｏには、蓄圧室２１２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リード弁２１５が設けられている。
【００４１】
リード弁２１５は、リード弁ガイド２１９とともに、固定手段であるねじ２１８ｓによって弁座２１８に固定される（図２、図４参照）。なお、リード弁２１５は、ピストン２１の下側、すなわち裾部２１１ｓ側で固定される。リード弁２１５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２１５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。特に、スターリングエンジン１０が高回転になるほど、応答性を向上させる必要がある。
【００４２】
リード弁２１５は、固定部２１５1（図２、図４）をねじ２１８ｓによって弁座２１８に固定される。これによって、リード弁２１５は、片持ち状態となって、固定部２１５1を中心として動作部２１５2が動き、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを開閉する。このように、リード弁２１５を片持ちで構成することにより、ピストン２１の中心軸（以下ピストン中心軸）Ｚ方向に対するリード弁２１５の長さを短くできるので、ピストン中心軸Ｚ（図２、図４）方向の長さを小さくできる。なお、リード弁ガイド２１９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。
【００４３】
リード弁２１５は、導入流路２１４を通る作動流体の流れを、作動空間ＭＳから蓄圧室２１２に向かう方向に限定する。リード弁２１５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ＭＳに存在する作動流体の圧力（作動空間内圧力）Ｐｃが上昇し、蓄圧室２１２内の圧力（蓄圧室内圧力）Ｐｐよりも高くなったときに開いて、高温側シリンダ２２内の作動空間ＭＳ内の作動流体を蓄圧室２１２内へ導入する。また、リード弁２１５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ＭＳに存在する作動空間内圧力Ｐｃが下がり、蓄圧室内圧力Ｐｐよりも低くなったときには、弁座２１８に押し付けられて、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ＭＳへ逆流することを防ぐ。このように、リード弁２１５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。
【００４４】
ピストン本体２１１の側周部２１１ａには、周方向に略等間隔に複数の給気孔２１６が設けられている。図２、図３に示すように、給気孔２１６は、オリフィス２１６ｏと拡大部２１６ｓとで構成される。図５に示すように、作動流体は、オリフィス２１６ｏを通って拡大部２１６ｓで広がってピストン２１と高温側シリンダ２２の内壁２２ｉｗとの間のクリアランスに噴出する。拡大部２１６ｓは、オリフィス２１６ｏから噴出された作動流体を溜めて蓄圧する機能を有するので、ピストン２１の起動時には、高温側シリンダ２２の受圧面積を大きくして、より大きな力で安定してピストン２１を浮上させることができる。また、ピストン２１が往復運動を開始した後に、ピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスが変化した場合には、オリフィス２１６ｏによって流量が調整される。これによって、ピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスが略一定に保たれる。
【００４５】
ピストン２１の上昇にともない、高温側シリンダ２２の作動空間ＭＳの作動流体が圧縮されて、作動空間内圧力Ｐｃが蓄圧室内圧力Ｐｐよりも高くなると、リード弁２１５が開く。そして、導入流路２１４を介して、作動空間ＭＳの作動流体の一部が蓄圧室２１２に導入される。導入流路２１４を介して作動流体が蓄圧室２１２に導入されると、図５に示すように、蓄圧室２１２の作動流体の一部が、給気孔２１６を介してピストン２１と高温側シリンダ２２との間のクリアランスに噴出し、空気軸受４８を構成する。なお、クリアランスの大きさｔｃは、１５μｍ〜３０μｍ程度である。次に、加圧状態保持手段であるリード弁２１５、及びこれを取り付ける弁座２１８についてより詳細に説明する。
【００４６】
図６は、この実施例に係る弁座を示す断面図である。図７は、この実施例に係る弁座にリード弁を取り付けた状態を示す断面図である。図６に示すように、リード弁２１５が固定される弁座２１８の座面２１８ｐは、ピストン中心軸Ｚと平行に形成される。そして、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏの開口面２１４ｐは、座面２１８ｐ及びピストン中心軸Ｚに対して平行となる。なお、ピストン中心軸Ｚは、ピストン２１（図２）の運動方向ＭＤと平行である。
【００４７】
すでに説明したように、リード弁２１５は板状の弾性部材なので、リード弁２１５が弁座２１８にねじ２１８ｓによって固定されると、座面２１８ｐと接触して導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを閉じる（図７）。これによって、リード弁２１５の板面は、ピストン中心軸Ｚ、すなわちピストン２１の運動方向ＭＤと平行になる。
【００４８】
作動空間内圧力Ｐｃが蓄圧室内圧力Ｐｐよりも大きくなり、両者の差圧に起因するリード弁に作用する力が、リード弁２１５を座面２１８ｐに押し付ける付勢力を上回ると、リード弁２１５は座面２１８ｐから離れるように動作する。これによって、導入流路２１４を通って作動流体出口２１４ｏから作動流体が蓄圧室２１２（図２参照）へ流れ込む。
【００４９】
作動空間内圧力Ｐｃが蓄圧室内圧力Ｐｐよりも小さくなり、両者の差圧に基づいてリード弁に作用する力が、リード弁２１５がそれ自身を座面２１８ｐに押し付ける付勢力を下回ると、リード弁２１５は座面２１８ｐへ向かって動作する。これによって、作動流体出口２１４ｏが閉じられるため、蓄圧室２１２（図２参照）に対する作動流体の流入は停止する。作動流体出口２１４ｏの開閉にあたり、リード弁２１５は図７に示す矢印Ｘの方向に動作するが、この動作方向（動作を開始する瞬間の方向）は、ピストン２１の運動方向ＭＤ（ピストン中心軸Ｚと平行）に直交するように構成される。この理由について説明する。
【００５０】
図８は、クランク角に対するピストン位置、リード弁に加わる加速度及び作動空間内圧力の関係を示す説明図である。スターリングエンジン１０の運転中、リード弁２１５にはピストン２１の往復運動に起因する加速度が加わる。その方向は、ピストン２１の運動方向ＭＤ（図７）と平行である。
【００５１】
スターリングエンジン１０の運転中にピストン２１の位置がＴＤＣ（Ｔop Dead Center：上死点）及びＢＤＣ（Bottom Dead Center：下死点）にきた場合、リード弁２１５に加わる加速度の絶対値は最も大きくなる。ＴＤＣにおいてリード弁２１５に加わる加速度をαTDC、ＢＤＣにおいてリード弁２１５に加わる加速度をαBDCとする。図７に示すように、ＴＤＣ及びＢＤＣにおいて、リード弁２１５には、ＦTDC（＝αTDC×ｍ）、ＦBDC（＝αBDC×ｍ）の力が、図７の矢印ＦTDC、ＦBDCの方向に作用する。なお、ｍはリード弁２１５の質量である。ここで、ＴＤＣ、ＢＤＣにおいてリード弁２１５に作用する力ＦTDC、ＦBDCの方向は、ピストン２１の運動方向ＭＤ、すなわちピストン中心軸Ｚ方向と平行である。
【００５２】
図８に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン１０では、ＴＤＣ近傍で作動空間内圧力Ｐｃが蓄圧室内圧力Ｐｐよりも大きくなって、蓄圧室２１２内へ作動流体が導入される。リード弁２１５は、このときの作動空間内圧力Ｐｃと蓄圧室内圧力Ｐｐとの差圧で開弁する必要があるが、この差圧は小さいため、リード弁２１５は小さい圧力でも開閉するように設定する必要がある。
【００５３】
ここで、特許文献１に開示されている技術では、逆止弁の動作方向が、ピストン２１の往復運動に起因する加速度と平行であるため、逆止弁が開く方向に向かう最大の力が発生するＢＤＣにおいて逆止弁が誤動作しないように設定すると、ＴＤＣにおいては逆止弁が開かないおそれがある。機関が高回転で運転されるときに、これは顕著になる。このため、特許文献１に開示されている技術では、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ように逆止弁を設定することは困難である。特に機関が高回転で運転される場合、前記設定はほとんど不可能であり、特許文献１に開示されている技術は、事実上機関が低回転で運転される場合にしか適用できない。
【００５４】
この実施例に係るスターリングエンジン１０では、すでに説明したように、リード弁２１５の板面は、ピストン２１の運動方向ＭＤと平行である（すなわちピストン中心軸Ｚと平行）。これによって、リード弁２１５の動作方向は、ピストン２１の運動方向ＭＤ（ピストン中心軸Ｚと平行な方向）に対して直交し、ＴＤＣあるいはＢＤＣにおいて、ピストン２１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。
【００５５】
その結果、ピストン２１の往復運動に起因する加速度がリード弁２１５に加わっても、リード弁２１５の動作にはほとんど影響を与えない。すなわち、リード弁２１５の弾性率や厚さ等で決定されるリード弁２１５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２１５を開閉させることができる。そして、スターリングエンジン１０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２１５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。
【００５６】
また、特許文献１に開示されている逆止弁は、弁体にばねで圧力を付勢する、機械的な稼動部を持つものであるが、このような逆止弁では、動作時に弁体とばねとが摺動する。このため、ピストンの往復運動が繰り返されることに起因する振動によって、弁体とばねとにはフレッチング摩耗等が発生して、逆止弁の耐久性が低下するおそれもある。この実施例においては、加圧状態保持手段として、弾性変形のみによって動作するリード弁を用いるので、リード弁の動作時には摺動は発生しない。このため、ピストンの往復運動に起因する振動によるフレッチング摩耗等は極めて低減される。その結果、加圧状態保持手段の耐久性は極めて高くなる。
【００５７】
また、この実施例においては、加圧状態保持手段（リード弁２１５）は振動の減衰率が低い気体中で使用される。したがって、特許文献１に開示されている技術のように、加圧状態保持手段の動作方向を、ピストンの往復運動に起因する加速度の方向と平行にすると、前記加速度の変化に起因する振動の影響で、加圧状態保持手段は共振する。かかる場合、振動の減衰率が低い気体中で加圧保持手段が使用されると、加圧状態保持手段の振動が減衰し難くなる結果、加圧状態保持手段は容易に共振してしまう。しかし、この実施例においては、加圧状態保持手段（リード弁２１５）の動作方向とピストン２１の運動方向とは直交するので、加圧状態保持手段には、前記加速度の変化による振動の影響はほとんど受けない。これによって、加圧状態保持手段（リード弁２１５）の共振の発生を抑制して、安定した運転が実現できる。
【００５８】
ＴＤＣ近傍においては、リード弁２１５に上向き、すなわちピストン２１の頂面部２１１ｂに向かうの加速度が作用し、ＴＤＣで最大となる。すでに説明したように、リード弁２１５は、ピストン２１の下側、すなわち裾部２１１ｓ側で弁座２１８に固定される（図２）。したがって、ＴＤＣ近傍において、リード弁２１５は前記加速度によって上側に引っ張られることになるため、リード弁２１５は座屈することはない。
【００５９】
一方、ＢＤＣ近傍においては、リード弁２１５に下向き、すなわちピストン２１の裾部２１１ｓ方向の加速度が作用し、ＢＤＣで最大となる。図８に示すように、ＢＤＣにおいては作動空間内圧力Ｐｃが最小となる。一方、蓄圧室内圧力Ｐｐは略一定なので、蓄圧室内圧力Ｐｐと作動空間内圧力Ｐｃとの差圧ΔＰはＢＤＣにおいて最大となる。ＢＤＣにおいて、リード弁２１５は弁座２１８の座面２１８ｐに対してΔＰで押し付けられるため、ＢＤＣ近傍においてリード弁２１５に下向きの力が作用しても、座屈を抑制することができる。ここで、加圧状態保持手段（リード弁２１５）の動作方向とピストン２１の運動方向とは、正確に９０度であることが好ましいが、製作上の誤差は許容される。また、ピストン２１の往復運動に起因する加速度の影響が許容できる範囲内で、加圧状態保持手段（リード弁２１５）の動作方向とピストン２１の運動方向との交差角度は９０度から外れてもよい。
【００６０】
図９、図１０−１は、この実施例に係るピストンの頂面部を示す平面図である。図１０−２は、この実施例に係るピストンの側面図である。図２、図７に示す弁座２１８、リード弁２１５及びねじ２１８ｓからなる構造体ＳＩ（図９）は、ピストン２１の頂面部２１１ｂの中央部に設けることが好ましい。すなわち、ピストン中心軸Ｚに近づけて設けることが好ましい。
【００６１】
このようにすれば、図２に示す弁座２１８内に形成される導入流路２１４と、複数の給気孔２１６との距離を等しくできる。これによって、作動空間ＭＳの作動流体が導入流路２１４を介して蓄圧室２１２に導入されたときに、複数の給気孔２１６からそれぞれ噴出される作動流体の噴出状態（噴出量・噴出圧）が等しくなりやすい。その結果、クリアランスに作動流体が噴出されるときに、ピストン２１の周方向において噴出の偏りを生じるおそれを低減でき、空気軸受４８を安定して機能させることができる。
【００６２】
また、前記構造体ＳＩがピストン２１の中央部に配置されることは、ピストン２１の重心Ｇとの関係で好ましい。特に、この実施例においては、空気軸受４８が使用されているので、ピストン２１の往復運動の軌跡を直線に近似することが重要になる。このような観点から、前記構造体ＳＩをピストン２１の頂面部２１１ｂの中央部に設けるにあたり、図１０−１、図１０−２に示すように、前記構造体ＳＩの重心ｇとピストン２１の重心Ｇとの、ピストン２１の運動方向と直交する断面内における位置を、できるだけ一致させることがより好ましい。なお、図１０−１においては、わかりやすくするため、構造体ＳＩの重心ｇは、正規の位置よりもややずらして記載してある。
【００６３】
次に、図１を参照しながら、ピストン・シリンダの構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。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、得られる熱量には制約があり、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、この実施例では、スターリングエンジン１０の内部摩擦を可能な限り低減させている。このため、この実施例では、スターリングエンジンの内部摩擦のうち、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極限まで低減するため、ピストンリングを使用せずに、上述した空気軸受（エアベアリング）４８を用いる。
【００６４】
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の内部摩擦を大幅に低減させることができる。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。一方、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（負荷能力）が低いため、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにすることが好ましい。このため、シリンダ２２、３２の軸線（中心軸）に対するピストン２１、３１の直線運動精度を高くする必要がある。特に、この実施例で採用する、微小クリアランスにおける空気圧を用いてピストン２１、３１を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、スラスト方向の力に対する負荷能力が低い。このため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。
【００６５】
上記の理由から、この実施例では、ピストン・クランク部に直線近似機構を用いる。図１１は、この実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストン・クランク機構の概略構成図である。この実施例では、直線近似機構として、グラスホッパ機構（近似直線リンク）５０を採用する。グラスホッパ機構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寸法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。
【００６６】
特に、この実施例に係る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、グラスホッパ機構５０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、燃費の点で有利である。さらに、グラスホッパ機構５０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。
【００６７】
この実施例において、ピストン・クランク機構は、高温側のピストン２１側と低温側のピストン３１側とで共通の構成を採用しているため、次の説明では、高温側のピストン２１側についてのみ説明し、低温側のピストン３１側についての説明は省略する。図１及び図１１に示すように、ピストン２１の往復運動は、ピストンピン６２、ピストン側連結棒６１、連結ピン６０及び連結棒１０９を介してクランク軸４３に伝達され、ここで、回転運動に変換される。連結棒１０９は、図１１に示すグラスホッパ機構５０によって支持されており、ピストン２１を直線状に往復運動させる。このように、連結棒１０９をグラスホッパ機構５０によって支持することにより、ピストン２１のサイドフォースＦをほとんど０にできるので、負荷能力の小さい空気軸受４８によっても、十分にピストン２１を支持することができる。
【００６８】
（変形例）
次に、この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例について説明する。図１２−１〜図１４−２は、この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。図１２−１、図１２−２に示す加圧状態保持手段であるリード弁２１５ａは、図１２−２に示すピストン２１ａの中心軸と平行な直線Ｚｃ上に、リード弁２１５ａの固定部２１５ａ1、２１５ａ1と動作部２１５ａ2とが配置される。そして、このリード弁２１５ａは、ピストン２１ａの頂面部２１１ｂ側と裾部２１１ｓ側との二箇所で、ねじ２１８ｓによって弁座２１８に固定される。図１２−１に示す固定部２１５ａ1、２１５ａ1と動作部２１５ａ2とは、連結部２１５ａ3で接続されている。
【００６９】
動作部２１５ａ2は、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを覆っており、作動空間内圧力Ｐｃと蓄圧室内圧力Ｐｐとの差圧がリード弁２１５ａの開弁圧を超えると弁座２１８から離れる。このリード弁２１５ａは、ピストン２１ａの中心軸と平行な直線Ｚｃ上で、かつピストン２１ａの頂面部２１１ｂ側と裾部２１１ｓ側との二箇所で弁座２１８に固定される。このため、ピストン２１を備えるピストン機関が極めて高回転で運転されて、リード弁２１５ａに大きな加速度が加わっても、リード弁２１５ａの変形が抑制されて、確実に動作する。また、動作部２１５ａ2の動作量は、上記実施例で説明したリード弁２１５（図２、図７）よりも小さいので、リード弁ガイド２１９（図２、図７）を設けなくともよい。これによって、構造を簡略化できるとともに、軽量化にも寄与する。
【００７０】
図１３−１、図１３−２に示す加圧状態保持手段であるリード弁２１５ｂは、ピストン２１ｂの中心軸と平行な直線Ｚｃと交差する方向に、リード弁２１５ａの固定部２１５ｂ1、２１５ｂ1が配置される。そして、このリード弁２１５ｂは、二箇所の固定部２１５ｂ1、２１５ｂ1で、ねじ２１８ｓによって、リード弁ガイド２１９ｂ（図１３−２）とともに弁座２１８に固定される。固定部２１５ｂ1、２１５ｂ1と動作部２１５ｂ2とは、連結部２１５ｂ3で接続されている。なお、連結部２１５ｂ3は、前記直線Ｚｃに対して角度θの傾きを有している。
【００７１】
動作部２１５ｂ2は、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを覆っており、作動空間内圧力Ｐｃと蓄圧室内圧力Ｐｐとの差圧がリード弁２１５ｂの開弁圧を超えると弁座２１８から離れる。このリード弁２１５ｂは、二箇所で弁座２１８に固定される。このため、ピストン２１ｂを備えるピストン機関が高回転で運転されて、リード弁２１５ｂに大きな加速度が加わっても、リード弁２１５ｂの変形が抑制されて、確実に動作する。また、リード弁２１５ｂの固定部２１５ｂ1、２１５ｂ1は、ピストン２１ｂの中心軸と平行な直線Ｚｃと交差する方向に配置される。これによって、ピストン２１ｂの運動方向におけるリード弁２１５ｂの寸法を小さくできるので、前記運動方向におけるピストン２１ｂの寸法も小さくすることができる。
【００７２】
図１４−１、図１４−２に示す加圧状態保持手段であるリード弁２１５ｃは、ピストン２１ｃの中心軸と平行な直線Ｚｃと直交する方向に、リード弁２１５ｃの固定部２１５ｃ1が配置される。そして、このリード弁２１５ｃは、前記固定部２１５ｃ1で、ねじ２１８ｓによって、リード弁ガイド２１９ｃ（図１４−２）とともに弁座２１８に固定される。リード弁２１５ｃは、平面視が矩形の板状部材であり、固定部２１５ｃ1で固定された端部とは反対側が動作部２１５ｃ2となる。
【００７３】
動作部２１５ｃ2は、導入流路２１４の作動流体出口２１４ｏを覆っており、作動空間内圧力Ｐｃと蓄圧室内圧力Ｐｐとの差圧がリード弁２１５ｃの開弁圧を超えると弁座２１８から離れる。このリード弁２１５ｃは、ピストン２１ｃの中心軸と平行な直線Ｚｃと直交する方向で弁座２１８に固定される。このため、ピストン２１ｃの運動方向におけるリード弁２１５ｂの寸法を小さくできるので、前記運動方向におけるピストン２１ｃの寸法も小さくすることができる。なお、このリード弁２１５ｃは、ピストン２１ｃを備えるピストン機関が比較的低回転で運転される場合に有効な構成である。
【００７４】
以上、この実施例及びその変形例では、シリンダ内の作動空間からピストン内の中空部内へ作動流体を導入し、これをピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出するピストン機関において、ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作する加圧状態保持手段を備える。これによって、加圧状態保持手段は、ピストンの往復運動に起因する加速度が加圧状態保持手段に加わっても、加圧状態保持手段の動作はほとんど影響を受けない。その結果、前記加速度に関係なく、加圧状態保持手段を動作させることができる。そして、ピストン機関が高回転で運転されても、すなわち加圧状態保持手段に作用する加速度が大きい場合であっても加圧状態保持手段は確実に動作して、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。
【００７５】
なお、上記説明では、スターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気ガスを熱源とすべく排気管に取り付けた構成について説明した。ただし、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。また、上記においては、ピストン機関がスターリングエンジンである場合を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係るピストン機関は、スターリングエンジン以外のピストン機関に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の作用、効果を奏し、また上記と同様の有用性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
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、ピストン内に中空部を備え、この中空部からシリンダ内面に向かって流体を噴出させるピストン機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。
【図２】この実施例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。
【図３】この実施例に係るピストン機関が備える給気孔を示す正面図である。
【図４】図２の矢印Ｃ方向からリード弁を見た状態を示す説明図である。
【図５】この実施例に係るピストン機関が作動している状態を示す説明図である。
【図６】この実施例に係る弁座を示す断面図である。
【図７】この実施例に係る弁座にリード弁を取り付けた状態を示す断面図である。
【図８】クランク角に対するピストン位置、リード弁に加わる加速度及び作動空間内圧力の関係を示す説明図である。
【図９】この実施例に係るピストンの頂面部を示す平面図である。
【図１０−１】この実施例に係るピストンの頂面部を示す平面図である。
【図１０−２】この実施例に係るピストンの側面図である。
【図１１】この実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストン・クランク機構の概略構成図である。
【図１２−１】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１２−２】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１３−１】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１３−２】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１４−１】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【図１４−２】この実施例に係るピストン機関が備える加圧状態保持手段の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０ スターリングエンジン
２０ 高温側ピストン・シリンダ部
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ピストン
２２ 高温側シリンダ
３０ 低温側ピストン・シリンダ部
３１ ピストン
３２ 低温側シリンダ
４０ 駆動軸
４１ ケース
４２ 基板
４３ クランク軸
４５ 冷却器
４６ 再生器
４７ 加熱器
４８ 空気軸受
５０ グラスホッパ機構
９０ シュラウド
１００ 排気管
２１１ ピストン本体
２１１ａ 側周部
２１１ｉｗ 内壁
２１１ｓ 裾部
２１１ｂ 頂面部
２１２ 蓄圧室（中空部）
２１３ 仕切り部材
２１４ 導入流路
２１４ｉ 作動流体入口
２１４ｏ 作動流体出口
２１４ｐ 開口面
２１５、２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ リード弁
２１６ 給気孔
２１６ｏ オリフィス
２１６ｓ 拡大部
２１８ 弁座
２１８ｐ 座面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンの内部に形成された中空部と、
前記シリンダ内の作動空間と前記中空部とを連通して、前記作動空間内の作動流体を前記中空部に導入する導入通路と、
前記ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作して、前記中空部内へ開口した前記導入通路の導入部開口から前記作動流体を前記中空部へ導入し、また、前記中空部内の作動流体が前記シリンダ内へ逆流することを防止する加圧状態保持手段と、
前記ピストンの側周部に複数設けられ、前記中空部内の前記作動流体を前記ピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出する給気孔と、
を備えることを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
前記加圧状態保持手段は、板状の弾性体からなり、動作部と固定部とを備えるリード弁であり、
前記ピストンの動作方向と平行な平面を座面とする弁座に前記導入部開口が形成されており、前記リード弁の前記固定部が前記弁座に取り付けられ、前記動作部が前記導入部開口を開閉することを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
【請求項３】
前記リード弁の固定部と動作部とは、前記ピストンの運動方向と平行な直線上に配置されることを特徴とする請求項２に記載のピストン機関。
【請求項４】
前記ピストンの頂面側と裾側とに前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの頂面側と裾側とで前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
【請求項５】
前記ピストンの裾側に前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの裾側で前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
【請求項６】
前記ピストンの運動方向と交差する直線上であって、前記ピストンの頂面側と裾側とに前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの頂面側と裾側とで前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
【請求項７】
前記ピストンの運動方向と直交する方向に前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの運動方向と直交する方向で前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
【請求項８】
前記導入通路、前記導入部開口及び前記加圧状態保持手段は、前記ピストンの頂面部の中心部に設けられ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。
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンの内部に形成された中空部と、
前記シリンダ内の作動空間と前記中空部とを連通して、前記作動空間内の作動流体を前記中空部に導入する導入通路と、
前記ピストンの運動方向に対して直交する方向に動作して、前記中空部内へ開口した前記導入通路の導入部開口から前記作動流体を前記中空部へ導入し、また、前記中空部内の作動流体が前記シリンダ内へ逆流することを防止する加圧状態保持手段と、
前記ピストンの側周部に複数設けられ、前記中空部内の前記作動流体を前記ピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出する給気孔と、
を備えることを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
前記加圧状態保持手段は、板状の弾性体からなり、動作部と固定部とを備えるリード弁であり、
前記ピストンの動作方向と平行な平面を座面とする弁座に前記導入部開口が形成されており、前記リード弁の前記固定部が前記弁座に取り付けられ、前記動作部が前記導入部開口を開閉することを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
【請求項３】
前記リード弁の固定部と動作部とは、前記ピストンの運動方向と平行な直線上に配置されることを特徴とする請求項２に記載のピストン機関。
【請求項４】
前記ピストンの頂面側と裾側とに前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの頂面側と裾側とで前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
【請求項５】
前記ピストンの裾側に前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの裾側で前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
【請求項６】
前記ピストンの運動方向と交差する直線上であって、前記ピストンの頂面側と裾側とに前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの頂面側と裾側とで前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
【請求項７】
前記ピストンの運動方向と直交する方向に前記リード弁の固定部を設け、前記ピストンの運動方向と直交する方向で前記リード弁を前記弁座に固定することを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン機関。
【請求項８】
前記導入通路、前記導入部開口及び前記加圧状態保持手段は、前記ピストンの頂面部の中心部に設けられ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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図１１】
【図１２−１】
【図１２−２】
【図１３−１】
【図１３−２】
【図１４−１】
【図１４−２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図１１】
【図１２−１】
【図１２−２】
【図１３−１】
【図１３−２】
【図１４−１】
【図１４−２】
【公開番号】特開２００６−１８３５６８（Ｐ２００６−１８３５６８Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７８１７６（Ｐ２００４−３７８１７６）
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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