(57)【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、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトとを備え、
前記ピストンに連結し、かつ前記ピストンと前記クランクシャフトとの間に設けられる連結部材が、少なくとも前記シリンダの中心軸に対し前記クランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって傾斜した状態でも、前記ピストンが前記シリンダ内を往復運動可能となるように、
前記ピストンと前記連結部材の第１の端部とを連結するとともに、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第１の継ぎ手機構と、
前記連結部材の第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結するとともに、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第２の継ぎ手機構と、を備え、更に、
前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記連結対象と前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段としての突起部を、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とのうちのいずれか一方、または、前記連結対象と前記連結部材の前記第２の端部とのうちのいずれか一方に備えることを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
前記連結部材が前記クランクシャフト側の連結対象と連結される部分は、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１に記載のピストン機関。
【請求項３】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、
第１の端部が前記ピストンに連結するとともに、第２の端部が前記クランクシャフト側の連結対象に連結する連結部材と、
前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とを連結するとともに、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第１の継ぎ手機構と、
前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結するとともに、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第２の継ぎ手機構と、を備え、更に、
前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記連結対象と前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段としての突起部を、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とのうちのいずれか一方、または、前記連結対象と前記連結部材の前記第２の端部とのうちのいずれか一方に備えることを特徴とするピストン機関。
【請求項４】
前記第１の継ぎ手機構及び前記第２の継ぎ手機構は、球面を滑り面として備える内輪と、前記滑り面と接触し、前記内輪を回転可能に支持する外輪と、を備える球面滑り軸受であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項５】
前記クランクシャフト側の連結対象は、前記クランクシャフトに連結されるコネクティングロッドであることを特徴とする請求項３又は４に記載のピストン機関。
【請求項６】
前記連結部材と前記コネクティングロッドとの連結部分は、近似直線機構により支持されることを特徴とする請求項５に記載のピストン機関。
【請求項７】
前記ピストンは、前記ピストンと前記シリンダとの間に介在する気体によって前記シリンダ内に支持されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストン機関。
【請求項８】
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とともに、内部に蓄圧室が形成されるピストンと、
前記ピストンの側部に設けられ、前記蓄圧室内の気体を前記ピストンと前記シリンダとの間に流出させる給気口と、
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、
前記ピストンの往復運動を前記クランクシャフトへ伝達するコネクティングロッドと、
第１の端部が前記ピストンに連結するとともに、第２の端部が前記コネクティングロッドに連結する連結部材と、
前記連結部材と前記コネクティングロッドとの連結部分を支持する近似直線機構と、
前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とを連結するとともに、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第１の継ぎ手機構と、
前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結するとともに、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第２の継ぎ手機構と、を備え、更に、
前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記連結対象と前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段としての突起部を、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とのうちのいずれか一方、または、前記連結対象と前記連結部材の前記第２の端部とのうちのいずれか一方に備えることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項９】
前記第１の継ぎ手機構及び前記第２の継ぎ手機構は、球面を滑り面として備える内輪と、前記滑り面と接触し、前記内輪を回転可能に支持する外輪と、を備える球面滑り軸受であることを特徴とする請求項８に記載のスターリングエンジン。
【請求項１０】
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とともに、内部に蓄圧室が形成されるピストンと、
前記ピストンの側部に設けられ、前記蓄圧室内の気体を前記ピストンと前記シリンダとの間に流出させる給気口と、
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、
前記ピストンの往復運動を前記クランクシャフトへ伝達するコネクティングロッドと、
第１の端部が前記ピストンに連結するとともに、第２の端部が前記コネクティングロッドに連結する連結部材と、
前記連結部材と前記コネクティングロッドとの連結部分を支持する近似直線機構と、
前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とを連結するとともに、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第１の継ぎ手機構と、
前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結するとともに、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第２の継ぎ手機構と、を備え、更に、
前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記連結対象と前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段を、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とのうちのいずれか一方、または、前記連結対象と前記連結部材の前記第２の端部とのうちのいずれか一方に備え、
前記回転抑制手段は、前記連結部材が連結対象と接触する際の衝撃を緩和する緩衝材であることを特徴とするスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。特許文献１には、近似直線機構によってピストンを支持するとともに、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるスターリングエンジンが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１０６００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されたスターリングエンジンでは、近似直線機構や装置の公差等に起因して、クランクシャフトの回転軸と平行な方向におけるピストンの中心軸とシリンダの中心軸とのずれが発生することがある。また、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場合、ピストンとシリンダとの間に潤滑油を介在させる構造とは異なり、ピストンとシリンダとは接触しないことが前提となる。また、気体軸受の荷重負荷能力は小さいため、できる限りピストンの中心軸とシリンダの中心軸上とが一致するようにピストンが往復運動することが好ましい。
【０００５】
このため、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では、特許文献１に開示された技術のように、近似直線機構によってピストンの軌跡を略直線とする。しかしながら、製造上のばらつきや公差等のため、シリンダ内でピストンが往復運動する際の理想的な直線の軌跡と、近似直線機構によって支持したピストンの軌跡との間にはずれが発生することがある。その結果、ピストンとシリンダとのクリアランスに偏りが発生し、ピストンとシリンダとの間に介在する気体軸受の荷重負荷を有効に利用できないおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、クランクシャフトの回転軸と平行な方向におけるピストンの中心軸とシリンダの中心軸とのずれが発生した場合に、ピストンとシリンダとのクリアランスの偏りを抑制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、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトとを備え、前記ピストンに連結し、かつ前記ピストンと前記クランクシャフトとの間に設けられる連結部材が、少なくとも前記シリンダの中心軸に対し前記クランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって傾斜した状態でも、前記ピストンが前記シリンダ内を往復運動可能となるように、前記ピストンと前記連結部材の第１の端部とを連結するとともに、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第１の継ぎ手機構と、前記連結部材の第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結するとともに、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第２の継ぎ手機構と、を備え、更に、前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記連結対象と前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段としての突起部を、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とのうちのいずれか一方、または、前記連結対象と前記連結部材の前記第２の端部とのうちのいずれか一方に備えることを特徴とする。
【０００８】
これにより、クランクシャフトの回転軸と平行な方向におけるピストンの中心軸とシリンダの中心軸とのずれが発生した場合には、連結部材がクランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって傾斜した状態でピストンが往復運動する。その結果、ピストンの中心軸とシリンダの中心軸とのずれの原因は、連結部材がクランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって傾斜することによって吸収されるので、ピストンとシリンダとのクリアランスの偏りを抑制できる。
【０００９】
本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記連結部材が前記クランクシャフト側の連結対象と連結される部分は、近似直線機構によって支持されることが好ましい。これによって、近似直線機構で支持される連結部材のクランクシャフト側における連結対象の軌跡と、シリンダ内におけるピストンの実際の軌跡とのずれは、連結部材が傾斜した状態で吸収される。その結果、ピストンとシリンダとのクリアランスの偏りを抑制できる。
【００１０】
本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記連結部材のそれぞれの端部に第１の継ぎ手機構と第２の継ぎ手機構とを設け、前記第１の継ぎ手機構を介して前記ピストンと前記ピストンに連結する連結部材とを連結し、かつ前記第２の継ぎ手機構を介して前記連結部材と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結することが好ましい。
【００１１】
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、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、第１の端部が前記ピストンに連結するとともに、第２の端部が前記クランクシャフト側の連結対象に連結する連結部材と、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とを連結するとともに、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第１の継ぎ手機構と、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結するとともに、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第２の継ぎ手機構と、を備え、更に、前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記連結対象と前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段としての突起部を、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とのうちのいずれか一方、または、前記連結対象と前記連結部材の前記第２の端部とのうちのいずれか一方に備えることを特徴とする。
【００１２】
これにより、クランクシャフトの回転軸と平行な方向におけるピストンの中心軸とシリンダの中心軸とのずれが発生した場合には、連結部材の両端部に設けた第１の継ぎ手機構と第２の継ぎ手機構とが、クランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって連結部材を傾斜させる。その結果、シリンダの中心軸とクランクシャフト側における連結部材の連結対象とのずれが許容されるので、ピストンとシリンダとのクリアランスの偏りを抑制できる。
【００１３】
本発明の望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の継ぎ手機構及び前記第２の継ぎ手機構は、球面を滑り面として備える内輪と、前記滑り面と接触し、前記内輪を回転可能に支持する外輪と、を備える球面滑り軸受であることが好ましい。
【００１４】
本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記クランクシャフト側の連結対象は、前記クランクシャフトに連結されるコネクティングロッドであることが好ましい。
【００１５】
本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記連結部材と前記コネクティングロッドとの連結部分は、近似直線機構により支持されることが好ましい。これによって、近似直線機構で支持される連結部材のクランクシャフト側における連結対象であるコネクティングロッドの軌跡と、シリンダ内におけるピストンの実際の軌跡とのずれは、連結部材が傾斜した状態で吸収される。その結果、ピストンとシリンダとのクリアランスの偏りを抑制できる。
【００１６】
本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストンは、前記ピストンと前記シリンダとの間に介在する気体によって前記シリンダ内に支持されることが好ましい。
【００１７】
本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記コネクティングロッドと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段を備えることが好ましい。
【００１８】
本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記回転抑制手段は、前記連結部材が連結対象と接触する際の衝撃を緩和する緩衝材であることが好ましい。
【００１９】
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とともに、内部に蓄圧室が形成されるピストンと、前記ピストンの側部に設けられ、前記蓄圧室内の気体を前記ピストンと前記シリンダとの間に流出させる給気口と、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、前記ピストンの往復運動を前記クランクシャフトへ伝達するコネクティングロッドと、第１の端部が前記ピストンに連結するとともに、第２の端部が前記コネクティングロッドに連結する連結部材と、前記連結部材と前記コネクティングロッドとの連結部分を支持する近似直線機構と、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とを連結するとともに、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第１の継ぎ手機構と、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結するとともに、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第２の継ぎ手機構と、を備え、更に、前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記連結対象と前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段としての突起部を、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とのうちのいずれか一方、または、前記連結対象と前記連結部材の前記第２の端部とのうちのいずれか一方に備えることを特徴とする。
【００２０】
これにより、クランクシャフトの回転軸と平行な方向におけるピストンの中心軸とシリンダの中心軸とのずれが発生した場合には、連結部材の両端部に設けた第１の継ぎ手機構と第２の継ぎ手機構とが、クランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって連結部材を傾斜させる。その結果、シリンダの中心軸とコネクティングロッドの中心とのずれが許容されるので、ピストンとシリンダとのクリアランスの偏りを抑制できる。
【００２１】
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、前記第１の継ぎ手機構及び前記第２の継ぎ手機構は、球面を滑り面として備える内輪と、前記滑り面と接触し、前記内輪を回転可能に支持する外輪と、を備える球面滑り軸受であることが好ましい。
【００２２】
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とともに、内部に蓄圧室が形成されるピストンと、前記ピストンの側部に設けられ、前記蓄圧室内の気体を前記ピストンと前記シリンダとの間に流出させる給気口と、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、前記ピストンの往復運動を前記クランクシャフトへ伝達するコネクティングロッドと、第１の端部が前記ピストンに連結するとともに、第２の端部が前記コネクティングロッドに連結する連結部材と、前記連結部材と前記コネクティングロッドとの連結部分を支持する近似直線機構と、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とを連結するとともに、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第１の継ぎ手機構と、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結するとともに、前記連結部材の前記第２の端部と前記クランクシャフト側の連結対象とが、互いに、前記シリンダの中心軸周りと、前記クランク軸の回転軸に平行な軸周りと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸周りに回動することを許容する第２の継ぎ手機構と、を備え、更に、前記ピストンと前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、前記連結対象と前記連結部材との間における前記シリンダの中心軸周りの回転と、のうち少なくとも一方を抑制する回転抑制手段を、前記ピストンと前記連結部材の前記第１の端部とのうちのいずれか一方、または、前記連結対象と前記連結部材の前記第２の端部とのうちのいずれか一方に備え、前記回転抑制手段は、前記連結部材が連結対象と接触する際の衝撃を緩和する緩衝材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、クランクシャフトの回転軸と平行な方向におけるピストンの中心軸とシリンダの中心軸とのずれが発生した場合に、ピストンとシリンダとのクリアランスの偏りを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
本実施形態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、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトとを備える。そして、前記ピストンに連結し、かつ前記ピストンと前記クランクシャフトとの間に設けられる連結部材が、前記シリンダの中心軸に対し前記クランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって傾斜した状態であっても、傾斜していない状態であっても、前記ピストンと前記シリンダとのクリアランスが前記ピストン及び前記シリンダの周方向に向かって一定の状態を保持して、前記ピストンが前記シリンダ内を往復運動可能となるように構成される点に特徴がある。すなわち、前記連結部材が、少なくとも前記シリンダの中心軸に対し前記クランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって傾斜した状態でも、前記ピストンの中心軸と前記シリンダの中心軸とが一致した状態で、前記ピストンが前記シリンダ内を往復運動可能となるように構成される。なお、連結部材が、シリンダの中心軸に対しクランクシャフトの回転軸と平行な方向以外の方向に向かって傾斜した状態でも、ピストンはシリンダ内を往復運動可能に構成される。
【００２７】
例えば、前記連結部材のそれぞれの端部に第１の継ぎ手機構と第２の継ぎ手機構とを設け、前記第１の継ぎ手機構を介して前記ピストンと前記ピストンに連結する連結部材とを連結し、かつ前記第２の継ぎ手機構を介して前記連結部材と前記クランクシャフト側の連結対象とを連結する。そして、第１の継ぎ手機構及び第２の継ぎ手機構は、少なくとも、前記クランクシャフトの回転軸に平行な軸の周りの動きと、前記クランクシャフトの回転軸と前記シリンダの中心軸とに直交する軸の周りの動きと、を許容する、例えば、球面滑り軸受を用いる。
【００２８】
図１は、本実施形態に係るピストン装置及び排熱回収装置であるスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、ピストンを支持する気体軸受の説明図である。図３−１、図３−２は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストン及び低温側ピストンが備える給気口の配置例を示す説明図である。まず、本実施形態に係るピストン装置が適用された排熱回収装置であるスターリングエンジンについて説明する。
【００２９】
本実施形態に係るピストン装置及び排熱回収装置であるスターリングエンジン１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。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１５Ａ内に収められた第１ピストンである高温側ピストン２０Ａと、第２シリンダである低温側シリンダ１５Ｂ内に収められた第２ピストンである低温側ピストン２０Ｂとが直列に配置されている。
【００３０】
高温側ピストン２０Ａの内部には、高温側蓄圧室２２Ａが設けられ、低温側ピストン２０Ｂの内部には、低温側蓄圧室２２Ｂが設けられる。なお、必要に応じて高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂはシリンダ１５といい、高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂはピストン２０といい、高温側蓄圧室２２Ａ及び低温側蓄圧室２２Ｂを蓄圧室２２という。
【００３１】
高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとは、基準体である基板３に固定されて支持される。本実施形態に係るスターリングエンジン１においては、この基板３が、スターリングエンジン１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１は、高温側シリンダ１５Ａと高温側ピストン２０Ａとの間、及び低温側シリンダ１５Ｂと低温側ピストン２０Ｂとの間に気体軸受ＧＢを介在させる。
【００３２】
基準体である基板３に、高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストン２０とシリンダ１５とのクリアランスを精度よく保持することができるので、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１の組み立ても容易になる。また、スターリングエンジン１を排熱回収に用いる場合、この基板３は、スターリングエンジン１を内燃機関の排気通路等へ取り付けるときの基準として使用できるという利点もある。
【００３３】
高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとは、ヒータ２Ｈと再生器２Ｒとクーラー２Ｃとで構成される熱交換器２によって接続されている。ここで、ヒータ２Ｈの一端は高温側シリンダ１５Ａに接続され、他端は再生器２Ｒに接続される。ヒータ２Ｈは、作動流体を加熱する。再生器２Ｒは、一端がヒータ２Ｈに接続され他端はクーラー２Ｃに接続されて、ヒータ２Ｈ又はクーラー２Ｃから流入する作動流体が通過する。クーラー２Ｃの一端は再生器２Ｒに接続され、他端は低温側シリンダ１５Ｂに接続される。クーラー２Ｃは、作動流体を冷却する。高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂには、熱交換器２を通過した作動流体が流入し、流出する。
【００３４】
また、高温側シリンダ１５Ａ内の高温側作動空間１４Ａ、低温側シリンダ１５Ｂ内の低温側作動空間１４Ｂ、及び熱交換器２内には作動流体（気体であり、本実施形態では空気）が封入されている。そして、作動流体はヒータ２Ｈから熱を供給されるとともに、クーラー２Ｃで熱を排出することによってスターリングサイクルを構成し、高温側ピストン２０Ａ、低温側ピストン２０Ｂを駆動する。ここで、例えば、ヒータ２Ｈ、クーラー２Ｃ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た構成とすることができる。また、再生器２Ｒは、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ２Ｈ、クーラー２Ｃ及び再生器２Ｒ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１の仕様等によって、好適な構成を選択できる。
【００３５】
高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂは、それぞれ高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂ内に、気体軸受ＧＢを介して支持されている。これによって、潤滑油を用いることなくピストン２０とシリンダ１５との摩擦を低減して、スターリングエンジン１の正味熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱を回収する場合のように、低熱源、低温度差の運転条件下においても、スターリングエンジン１を運転して排熱を回収できる。
【００３６】
本実施形態に係る気体軸受ＧＢは、いわゆる静圧気体軸受である。また、本実施形態における気体軸受ＧＢは、往復運動するピストン２０をシリンダ１５内で支持するものである（以下同様）。すなわち、本実施形態において、気体軸受は、摺動する一対の構造物同士の間に気体が介在して、構造物同士間の摩擦を低減する機能を有するものである（以下同様）。気体軸受ＧＢを構成するため、ピストン２０とシリンダ１５の内面１５ｉとの隙間ｔｃ（図２参照）は、ピストン２０の全周にわたって数μｍ〜数十μｍとする。シリンダ１５及びピストン２０は、例えば、金属材料を用いて構成することができる。
【００３７】
本実施形態においては、図２に示すように、ピストン２０の側部（ピストン側部）２４に開口する第１の給気口２３１及び第２の給気口２３２から、ピストン２０内の蓄圧室２２の気体（作動流体）が流出する。これによって、シリンダ１５とピストン２０との間に気体軸受ＧＢを形成する。ここで、ピストン２０内の蓄圧室２２は、少なくとも、シリンダ１５と対向するピストン２０の側部２４と、側部２４に取り付けられる隔壁２６とで囲まれる空間である。
【００３８】
蓄圧室２２には、気体供給管１７が接続されている。そして、蓄圧室２２には、気体軸受用気体供給手段である気体軸受用ポンプ１６から気体供給管１７を介して気体軸受ＧＢを形成するための気体ＦＬが供給される。気体ＦＬは、本実施形態ではスターリングエンジン１の作動流体と同じ気体であり、具体的には空気である。以下、気体ＦＬを作動流体ＦＬという。
【００３９】
図１に示すスターリングエンジン１では、気体軸受用ポンプ１６はスターリングエンジン１のクランクケース４の外部に設けられている。そして、この気体軸受用ポンプ１６によって、高温側ピストン２０Ａの高温側蓄圧室２２Ａには気体供給管１７Ａから、低温側ピストン２０Ｂの低温側蓄圧室２２Ｂには気体供給管１７Ｂから作動流体ＦＬが供給される。蓄圧室２２へ供給された作動流体ＦＬは、第１の給気口２３１及び第２の給気口２３２からピストン２０の側部２４とシリンダ１５との間へ流出して、気体軸受ＧＢを形成する。
【００４０】
高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂの往復運動は、それぞれ高温側延長ロッド１２Ａ、高温側コネクティングロッド１３Ａ、及び低温側延長ロッド１２Ｂ、低温側コネクティングロッド１３Ｂによってクランクシャフト１０に伝達され、クランクシャフト１０で回転運動に変換される。ここで、クランクシャフト１０はクランクシャフト回転軸Ｘｃを中心として回転する。高温側延長ロッド１２Ａ、高温側コネクティングロッド１３Ａ、低温側延長ロッド１２Ｂ、低温側コネクティングロッド１３Ｂは、ピストン２０とクランクシャフト１０との間に設けられて、ピストン２０の往復運動をクランクシャフト１０に伝達する。
【００４１】
高温側ピストン２０Ａと高温側延長ロッド１２Ａとは、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐを介して連結され、低温側ピストン２０Ｂと低温側延長ロッド１２Ｂとは、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐを介して連結される。また、高温側延長ロッド１２Ａと高温側コネクティングロッド１３Ａとは、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃを介して連結され、低温側延長ロッド１２Ｂと低温側コネクティングロッド１３Ｂとは、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃを介して連結される。ここで、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃは、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐよりもクランクシャフト１０側に配置される。
【００４２】
ここで、高温側延長ロッド１２Ａ、低温側延長ロッド１２Ｂを区別しない場合には、延長ロッド１２といい、高温側コネクティングロッド１３Ａ、低温側コネクティングロッド１３Ｂを区別しない場合には、コネクティングロッド１３といい、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐ、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃを区別しない場合には、継ぎ手機構３０という。
【００４３】
図１に示すように、クランクシャフト１０は、クランクケース４に設けられた軸受９で、回転可能に支持される。なお、クランクケース４は基板３に固定される。このとき、クランクケース４は、高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂと独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板３に固定される。これにより、高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂが受けるクランクシャフト１０の振動やクランクシャフト１０の熱膨張等の影響を最小限にできるので、気体軸受ＧＢの機能が十分に確保される。
【００４４】
図１に示すように、スターリングエンジン１を構成する高温側シリンダ１５Ａ、高温側ピストン２０Ａ、クランクシャフト１０等の各構成要素は、筐体５に格納される。筐体５内は、加圧手段１１により加圧される。これは、高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂ、及び熱交換器２内の作動流体（本実施形態では気体であり空気）を加圧して、スターリングエンジン１からより多くの出力を取り出すためである。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１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１の出力は、筐体５内に充填される気体の圧力にほぼ比例して大きくなる。
【００４５】
また、本実施形態に係るスターリングエンジン１では、筐体５にシール軸受６が取り付けられており、出力軸７がシール軸受６により支持される。出力軸７とクランクシャフト１０とは、フレキシブルカップリング８を介して連結されており、これを介して筐体５の外部へクランクシャフト１０の出力が伝達される。なお、本実施形態において、フレキシブルカップリング８には、オルダムカップリングを使用している。次に、ピストン２０が備える給気口の配置を説明する。
【００４６】
図３−１、図３−２に示すように、本実施形態に係る高温側ピストン２０Ａでは、第１の給気口２３１及び第２の給気口２３２はそれぞれ４個ずつ、計８個設けられる。図３−１に示すように、第１の給気口２３１は、高温側ピストン２０Ａの周方向に略等間隔（約９０度）で配置される。また、図３−２に示すように、第２の給気口２３２は、高温側ピストン２０Ａの周方向に略等間隔（約９０度）で、かつ、第１の給気口２３１とは、約４５度ずらして配置される。このように配置することで、気体軸受ＧＢの偏りを低減できる。なお、給気口の数、配置はこの例に限られるものではない。
【００４７】
図４は、本実施形態に係るスターリングエンジンに適用できるピストンの他の例を示す説明図である。図４に示すピストン２０’は、内部に蓄圧室２２が設けられる。すなわち、蓄圧室２２は、ピストン２０’の外殻、すなわち頂部２０ｔ’、側部２４’、底部２０ｕ’で囲まれる空間である。ピストン２０’の頂部２０ｔ’には、蓄圧室２２と連通する気体導入通路２９が設けられる。作動空間１４内の作動流体ＦＬは、気体導入通路２９を通ってピストン２０’の蓄圧室２２へ導入される。
【００４８】
図４に示すように、気体導入通路２９の蓄圧室２２側には、蓄圧室２２内に導入された作動流体ＦＬ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、蓄圧室２２の内部へ配置され、気体導入通路２９から作動空間１４内の作動流体ＦＬを蓄圧室２２へ導入し、また、蓄圧室２２内の作動流体ＦＬが作動空間１４内へ逆流することを防止する。
【００４９】
ピストン２０’の動きにより、図４に示すシリンダ１５内の作動空間１４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、逆止弁４０の開弁圧力に打ち勝ったときに逆止弁４０が開弁する。これによって、作動空間１４内の作動流体ＦＬが、気体導入通路２９を通って蓄圧室２２内へ流入する。ここで、逆止弁４０の開弁圧力Ｐｏは、蓄圧室２２内の圧力（蓄圧室内圧力）Ｐｐよりも高い所定の圧力に設定される。
【００５０】
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、蓄圧室内圧力Ｐｐよりも低くなったときには、閉弁する。これによって、蓄圧室２２内の作動流体ＦＬが作動空間１４へ逆流することを防ぐ。このように、逆止弁４０は、蓄圧室２２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を蓄圧室２２内へ導入する作動流体導入機能を有する。蓄圧室２２内へ導入された作動流体ＦＬは、ピストン２０’の側部２４に開口する第１の給気口２３１及び第２の給気口２３２から、ピストン２０’内の蓄圧室２２の作動流体ＦＬが流出する。これによって、シリンダ１５とピストン２０’との間に気体軸受ＧＢが形成される。次に、本実施形態に係るスターリングエンジン１におけるピストン２０の支持構造を説明する。
【００５１】
図５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１は、気体軸受ＧＢを介してピストン２０をシリンダ１５内に支持する。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（ピストン２０の直径方向に向かう力）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１５の中心軸（シリンダ中心軸）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、ピストン２０（高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂ）は、近似直線機構によって支持される。本実施形態では、近似直線機構として、図５に示すグラスホッパ機構１８を用いる。
【００５２】
グラスホッパ機構１８は、一端部がスターリングエンジン１の筐体５へ回動可能に取り付けられる第１腕１８Ａと、同じく一端部がスターリングエンジン１の筐体５へ回動可能に取り付けられる第２腕１８Ｂと、一端部が延長ロッド１２とコネクティングロッド１３との連結部分へ回動可能に連結され、他端部が第２腕１８Ｂの他端部と回動可能に連結される第３腕１８Ｃとで構成される。また、第１腕１８Ａの他端部は、第３腕１８Ｃの両端部の間に、回動可能に連結される。このように、連結部材である延長ロッド１２とコネクティングロッド１３との連結部分は、近似直線機構であるグラスホッパ機構１８により支持される。これによって、連結部材１２のクランクシャフト側における連結対象、すなわちコネクティングロッド１３と連結される部分は、近似直線機構によって支持される。延長ロッド１２は、ピストン２０と回動可能に連結されているので、ピストン２０は、延長ロッド１２を介して近似直線機構であるグラスホッパ機構１８に支持される。
【００５３】
このように構成されるグラスホッパ機構１８を用いれば、ピストン２０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を支持することができる。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１８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。
【００５４】
なお、グラスホッパ機構１８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１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１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２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１を設置する場合、スターリングエンジン１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１８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１８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。
【００５５】
本実施形態において、ピストン２０は、延長ロッド１２及びコネクティングロッド１３を介してクランクシャフト１０と連結される。ピストン２０と延長ロッド１２との間、及び延長ロッド１２とコネクティングロッド１３との間には、それぞれ継ぎ手機構３０が設けられる。ここで、延長ロッド１２は、ピストン２０に連結し、かつピストン２０とクランクシャフト１０との間に設けられる連結部材である。この例において、ピストン２０に連結する連結部材である延長ロッド１２のクランクシャフト１０側の連結対象は、コネクティングロッド１３である。
【００５６】
このように、ピストン２０は、延長ロッド１２及び延長ロッド１２のそれぞれの端部に配置される継ぎ手機構（第１の継ぎ手機構と第２の継ぎ手機構）３０を介してコネクティングロッド１３と連結される。このような連結構造により、ピストン２０の往復運動がクランクシャフト１０へ伝達され、クランクシャフト１０で回転運動へ変換される。
【００５７】
図６−１〜図６−３は、本実施形態に係るピストンの連結構造を示す拡大図である。図７は、本実施形態に係るピストンの連結構造を構成する継ぎ手の構成を示す断面図である。図８は、図７に示す継ぎ手の動きを説明するための座標を示す模式図である。図９は、本実施形態に係るピストンの連結構造を構成する延長ロッドの説明図である。図１０は、本実施形態に係るピストンの連結構造によって、コネクティングロッドの中心軸とシリンダ中心軸とのずれを許容できることを説明する概念図である。
【００５８】
図６−１に示すように、ピストン２０は、ピストン２０の底部２０ｕ、すなわち、ピストン２０の延長ロッド１２と対向する側（図１、図５に示すクランクシャフト１０と対向する側）に、連結部２１が設けられる。そして、連結部２１と、延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐ（第１の端部）とが、第１の継ぎ手機構であるピストン側継ぎ手機構３０Ｐを介して連結される。また、延長ロッド１２のコネクティングロッド側端部（第２の端部）１２Ｃと、コネクティングロッド１３とは、第２の継ぎ手機構であるクランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃを介して連結される。
【００５９】
本実施形態において、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐ及びクランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃは、球面滑り軸受である。球面滑り軸受は、転がり軸受とは異なり転動体がなく、外輪と内輪とは球面接触をする滑り軸受であり、主として揺動運動、傾斜運動のための滑り軸受であり、滑り面が球面である滑り軸受である。図７に示すように、継ぎ手機構３０（ピストン側継ぎ手機構３０Ｐ及びクランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃ）は、球面を滑り面として備える内輪３０Ｂと、前記滑り面と接触し、内輪３０Ｂを回転可能に支持する外輪３０Ｌと、で構成される。内輪３０Ｂには軸孔３０Ｈが貫通しており、継ぎ手機構３０は、軸孔３０Ｈを介して取付対象に取り付けられる。
【００６０】
図８に示す座標系は、図７に示す座標系と対応する。図７、図８のＺ軸は、図１、図６に示すシリンダ１５の中心軸（シリンダ中心軸）であり、Ｘ軸は、図１に示すクランクシャフト回転軸Ｘｃと平行な軸である。Ｘ軸はＺ軸に直交する。すなわち、Ｚ軸（シリンダ中心軸）は、クランクシャフト回転軸Ｘｃ及びクランクシャフト回転軸Ｘｃに平行な軸と直交する。
【００６１】
また、Ｙ軸は、Ｚ軸とＸ軸とに直交する軸である。すなわち、Ｙ軸は、Ｚ軸（シリンダ中心軸）と、クランクシャフト回転軸Ｘｃ及びクランクシャフト回転軸Ｘｃに平行な軸とに直交する。本実施形態において、継ぎ手機構３０は、球面滑り軸受で構成されるので、少なくともＸ軸の周り（図７、図８の矢印Ｍｘ方向）、Ｙ軸の周り（図７、図８の矢印Ｍｙ方向）に回動できる。また、継ぎ手機構３０は、Ｚ軸の周りにも回動できる。
【００６２】
図６−２に示すように、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐの外輪３０Ｌは、ピストン２０の連結部２１に取り付けられる。また、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐの内輪３０Ｂに設けられた軸孔３０Ｈには、延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐに固定されるピストン側取り付けピン２５Ｐが差し込まれる。これによって、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐを介してピストン２０の連結部２１と、延長ロッド１２とが連結される。
【００６３】
図６−３に示すように、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃの外輪３０Ｌは、延長ロッド１２のコネクティングロッド側端部１２Ｃに取り付けられる。また、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃの内輪３０Ｂに設けられた軸孔３０Ｈには、延長ロッド１２と連結される部分におけるコネクティングロッド１３の端部に固定されるコネクティングロッド側取り付けピン２５Ｃが差し込まれる。これによって、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃを介して、延長ロッド１２と、コネクティングロッド１３とが連結される。
【００６４】
図６−１に示す状態は、シリンダ中心軸Ｚと、コネクティングロッド１３の中心軸（コネクティングロッド１３の長手方向における中心軸）Ｚｃと、延長ロッド１２の中心軸（延長ロッド１２の長手方向における中心軸、図９参照）Ｚｉとが一致した状態である。組み立て公差等によって、図１に示すクランクシャフト１０のクランクシャフト回転軸Ｘｃと平行な方向にコネクティングロッド１３がずれると、コネクティングロッド１３の中心軸Ｚｃとシリンダ中心軸Ｚとがずれた状態でピストン２０が往復運動する。すると、ピストン２０の中心軸とシリンダ中心軸Ｚｃとがずれた状態で、ピストン２０が往復運動することになる。
【００６５】
本実施形態に係るスターリングエンジン１は、気体軸受ＧＢを介してシリンダ１５内にピストン２０が支持される。このため、ピストン２０の中心軸とシリンダ中心軸Ｚｃとがずれると、ピストン２０とシリンダ１５とのクリアランスに偏りが生ずる。その結果、図２に示す気体軸受ＧＢの荷重負荷能力にも偏りが発生して、気体軸受ＧＢの荷重負荷能力を有効に利用できない。
【００６６】
本実施形態では、少なくともクランクシャフト回転軸Ｘｃと平行な軸であるＸ軸の周り、及びＸ軸とシリンダ中心軸Ｚと直交するＹ軸の周りに回動できる継ぎ手機構３０を、ピストン２０とコネクティングロッド１３との間に２個配置する。すなわち、ピストン２０とコネクティングロッド１３とを連結する延長ロッド１２の両端に継ぎ手機構３０がそれぞれ設けられる。
【００６７】
このような構成により、図１０に示すように、コネクティングロッド１３がクランクシャフト回転軸Ｘｃと平行な方向にずれた場合には、連結部材である延長ロッド１２がシリンダ中心軸Ｚに対してクランクシャフト回転軸Ｘｃに向かって傾斜した状態でもピストン２０の往復運動が可能になる。これによって、ピストン２０は、コネクティングロッド１３の中心軸Ｚｃとシリンダ中心軸Ｚとのずれδを保った状態で往復運動できる。その結果、公差等によってコネクティングロッド１３がクランクシャフト回転軸Ｘｃと平行な方向にずれた場合であっても、ピストン２０の中心軸とシリンダ中心軸Ｚｃとが一致した状態で、ピストン２０が往復運動する。
【００６８】
すなわち、コネクティングロッド１３がクランクシャフト回転軸Ｘｃと平行な方向にずれた場合、延長ロッド１２の両端部に設けられるピストン側継ぎ手機構３０Ｐ及びクランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃそれぞれを構成する内輪３０Ｂと外輪３０Ｌとは、シリンダ中心軸Ｚとクランクシャフト回転軸Ｘｃとに直交するＹ軸の周りを相対的に回動する。これによって、ピストン２０の中心軸とシリンダ中心軸Ｚとにずれが生じた場合でも、クランクシャフト回転軸Ｘｃと平行な方向におけるピストン２０の動きが許容される。したがって、シリンダ中心軸Ｚとピストン２０の中心軸とが一致した状態でピストン２０は往復運動するので、ピストン２０の姿勢が安定する。
【００６９】
すなわち、気体軸受ＧＢの静圧によってピストン２０とシリンダ１５とのクリアランスを、ピストン２０及びシリンダ１５の周方向に向かって一定に保つことができるので、気体軸受ＧＢの荷重負荷能力を有効に利用でき、ピストン２０の姿勢が安定する。また、ピストン２０を支持するグラスホッパ機構１８に多少の振動が発生した場合でも、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐ及びクランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃによってピストン２０への振動の伝達が抑制される。これによって、ピストン２０は安定した姿勢を維持できる。
【００７０】
この場合、延長ロッド１２の中心軸Ｚｉは、シリンダ中心軸Ｚに対して傾斜するが（傾斜角はθ）、コネクティングロッド１３の中心軸Ｚｃとシリンダ中心軸Ｚとピストン２０の中心軸との平行は維持される。すなわち、延長ロッド１２の中心軸Ｚｉとシリンダ中心軸Ｚとが傾斜した状態でピストン２０は往復運動できるが、コネクティングロッド１３の中心軸Ｚｃとシリンダ中心軸Ｚとピストン２０の中心軸との平行は維持される。
【００７１】
図１１は、シリンダ中心軸周りにおけるピストンの回転を説明する模式図である。図１１に示すように、本実施形態において、ピストン２０は、それぞれの端部にピストン側継ぎ手機構３０Ｐ、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃを設けた延長ロッド１２を介してコネクティングロッド１３と連結される。上述したようにピストン側継ぎ手機構３０Ｐ、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃは、図７、図８に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りに回動できる。したがって、図１１に示すように、ピストン２０は、シリンダ中心軸Ｚの周り（図１１の矢印Ｍｚで示す方向）にも回動できる。
【００７２】
ピストン２０がシリンダ中心軸Ｚの周りに回動すると、ピストン２０の連結部２１と延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐとが接触したり、延長ロッド１２のコネクティングロッド側端部１２Ｃとコネクティングロッド１３とが接触したりする。その結果、これらの部分に摩耗が発生したり、これらの部分から騒音が発生したりする。本実施形態の変形例では、シリンダ中心軸Ｚ周りにおけるピストン２０の回動を抑制することにより、ピストン２０の連結部２１と延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐとの間等における摩耗や騒音の発生を抑制する。
【００７３】
図１２〜図１４は、本実施形態の変形例に係るピストンの連結構造を示す拡大図である。図１２に示すピストンの連結構造においては、ピストン２０の連結部２１と延長ロッド１２（より具体的には延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐ）との間に、回転抑制手段として、突起部１２Ｔを形成する。また、延長ロッド１２のコネクティングロッド側端部１２Ｃとコネクティングロッド１３との間にも、回転抑制手段として突起部１２Ｔを形成する。なお、回転抑制手段である突起部１２Ｔは、ピストン２０の連結部２１と延長ロッド１２との間と、延長ロッド１２とコネクティングロッド１３との間と、のうち少なくとも一方に設けることが好ましい。
【００７４】
ピストン２０側において、突起部１２Ｔは、延長ロッド１２に形成してもよいし、ピストン２０の連結部２１に形成してもよい。また、コネクティングロッド１３側において、突起部１２Ｔは、延長ロッド１２に形成してもよいし、コネクティングロッド１３に形成してもよい。突起部１２Ｔは、延長ロッド１２やコネクティングロッド１３等と一体に形成してもよい。また、図１３に示すように、例えば、延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐの外側から回転抑制ピン１２Ｔｐを打ち込み、これを内側に突出させ、突起部１２Ｔを形成してもよい。
【００７５】
このような構成により、シリンダ中心軸Ｚの周りにおけるピストン２０の回動が抑制される。これによって、ピストン２０の連結部２１と延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐとの接触や、延長ロッド１２のコネクティングロッド側端部１２Ｃとコネクティングロッド１３との接触を抑制できる。その結果、これらの部分に発生する摩耗や、これらの部分から発生する騒音を抑制できる。特に、図１に示すスターリングエンジン１は騒音が小さいので、ピストン２０の連結部２１と延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐとの接触等による騒音を抑制すると、スターリングエンジン１全体の騒音低下に効果的である。
【００７６】
図１４に示すピストンの連結構造においては、ピストン２０の連結部２１と延長ロッド１２（より具体的には延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐ）との間に、回転抑制手段として緩衝材３２を設ける。また、延長ロッド１２のコネクティングロッド側端部１２Ｃとコネクティングロッド１３との間にも、回転抑制手段として緩衝材３２を設ける。緩衝材３２は、弾性部材が好ましく、例えば、樹脂、スポンジ、ウレタン、フェルト等が使用できる。
【００７７】
このような構成により、シリンダ中心軸Ｚの周りにおけるピストン２０の回動が抑制される。これによって、ピストン２０の連結部２１と延長ロッド１２のピストン側端部１２Ｐとの接触や、延長ロッド１２のコネクティングロッド側端部１２Ｃとコネクティングロッド１３との接触を抑制できる。また、これらの部分において二つの部材に接触が発生した場合でも、緩衝材３２によって接触時における衝撃を緩和できる。その結果、これらの部分に発生する摩耗や、これらの部分から発生する騒音をより効果的に抑制できる。また、緩衝材３２によって、ピストン２０の連結部２１や延長ロッド１２のコネクティングロッド側端部１２Ｃを挟持するので、ピストン２０の姿勢安定性にも効果的である。
【００７８】
図１５は、本実施形態の変形例に係るピストンの連結構造を示す模式図である。このピストンの連結構造は、ピストン２０とクランクシャフト１０とを、直接コネクティングロッド１３ａで連結する。この場合、コネクティングロッド１３ａが、ピストン２０とクランクシャフト１０との間に設けられて、ピストン２０に連結される連結部材となる。この例において、ピストン２０に連結する連結部材である延長ロッド１２のクランクシャフト１０側の連結対象は、クランクシャフト１０である。
【００７９】
コネクティングロッド１３ａのピストン側端部（第１の端部）には、第１の継ぎ手構造として、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐが設けられる。また、コネクティングロッド１３ａのクランクシャフト側端部（第２の端部）には、第２の継ぎ手構造として、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃが設けられる。ピストン側継ぎ手機構３０Ｐの内輪３０Ｂはコネクティングロッド１３ａに取り付けられ、外輪３０Ｌはピストン２０の連結部２１に取り付けられる。また、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃの内輪３０Ｂはクランクシャフト１０に取り付けられ、外輪３０Ｌはコネクティングロッド１３ａに取り付けられる。このような構成により、コネクティングロッド１３ａは、ピストン側継ぎ手機構３０Ｐを介してピストン２０に取り付けられ、また、クランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃを介してクランクシャフト１０に取り付けられる。
【００８０】
このピストンの支持構造においても、少なくともクランクシャフト１０の回転軸と平行な軸であるＸ軸の周り、及びＸ軸とシリンダ中心軸Ｚと直交するＹ軸の周りに回動できる継ぎ手機構３０を、ピストン２０とコネクティングロッド１３ａとの間に２個配置する。すなわち、ピストン２０とクランクシャフト１０とを連結するコネクティングロッド１３ａの両端に継ぎ手機構３０がそれぞれ設けられる。このような構成により、コネクティングロッド１３ａがクランクシャフトの回転軸と平行な方向にずれた場合には、シリンダ中心軸Ｚに対しクランクシャフト１０の回転軸と平行な方向に向かってコネクティングロッド１３ａが傾斜した状態で、ピストン２０がシリンダ１５内を往復運動できる。これによって、公差等によってコネクティングロッド１３ａがクランクシャフト１０の回転軸と平行な方向にずれた場合であっても、ピストン２０の中心軸とシリンダ中心軸Ｚｃとが一致した状態で、ピストン２０が往復運動する。
【００８１】
すなわち、コネクティングロッド１３ａがクランクシャフト１０の回転軸と平行な方向にずれた場合、コネクティングロッド１３ａの両端部に設けられるピストン側継ぎ手機構３０Ｐ及びクランクシャフト側継ぎ手機構３０Ｃそれぞれを構成する内輪３０Ｂと外輪３０Ｌとは、シリンダ中心軸Ｚとクランクシャフト１０の回転軸とに直交するＹ軸の周りを相対的に回動する。これによって、ピストン２０の中心軸とシリンダ中心軸Ｚとにずれが生じた場合でも、クランクシャフト１０の回転軸方向におけるピストン２０の動きが許容される。
【００８２】
したがって、ピストン２０自身が気体軸受ＧＢの静圧によってシリンダ１５とのクリアランスを一定に保つことができるので、ピストン２０の姿勢が安定する。すなわち、シリンダ中心軸Ｚとピストン２０の中心軸とが一致した状態でピストン２０は往復運動するので、気体軸受ＧＢの荷重負荷能力を有効に利用できる。
【００８３】
図１６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１の出力を、スターリングエンジン用変速機１０５を介して内燃機関用変速機１０４へ入力し、内燃機関１０１の出力と合成して取り出す。
【００８４】
本実施形態において、内燃機関１０１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１０１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１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１は、内燃機関１０１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１０１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１０１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１は、前記車両の従たる動力源となる。
【００８５】
スターリングエンジン１が備えるヒータ２Ｈは、内燃機関１０１の排気通路１０２内に配置される。なお、排気通路１０２内には、図１に示すスターリングエンジン１の再生器２Ｒを配置してもよい。スターリングエンジン１が備えるヒータ２Ｈは、排気通路１０２に設けられる中空のヒータケース１０３内に設けられる。
【００８６】
本実施形態において、スターリングエンジン１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１で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン１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１０６が取り付けられており、スターリングエンジン１の出力は、クラッチ１０６を介してスターリングエンジン用変速機１０５に伝達される。
【００８７】
内燃機関１０１の出力は、内燃機関１０１の出力軸１０７を介して内燃機関用変速機１０４に入力される。そして、内燃機関用変速機１０４は、内燃機関１０１の出力と、スターリングエンジン用変速機１０５から出力されるスターリングエンジン１の出力とを合成して、変速機出力軸１０９に出力し、デファレンシャルギヤ１１０を介して駆動輪１１１を駆動する。
【００８８】
ここで、動力断続手段であるクラッチ１０６は、内燃機関用変速機１０４とスターリングエンジン１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１０５の入力軸１０５ｓとスターリングエンジン１のクランクシャフト１１０との間に設けられる。クラッチ１０６は、係合、解放することによって、スターリングエンジン１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１０５の入力軸１０５ｓとの機械的な接続を断続する。ここで、クラッチ１０６は、機関ＥＣＵ５０によって制御される。
【００８９】
スターリングエンジン１は、内燃機関１０１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１０１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１が出力を発生できるようになるまではクラッチ１０６を解放して、スターリングエンジン１と内燃機関１０１とを切り離して、スターリングエンジン１が内燃機関１０１に駆動されることによるエネルギー損失を抑制する。
【００９０】
クラッチ１０６を係合すると、スターリングエンジン１のクランクシャフト１１０と内燃機関１０１の出力軸１０７とは、スターリングエンジン用変速機１０５及び内燃機関用変速機１０４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１の発生する出力と内燃機関１０１の発生する出力とは、内燃機関用変速機１０４で合成され、変速機出力軸１０９から取り出される。一方、クラッチ１０６を開放すると、内燃機関１０１の出力軸１０７はスターリングエンジン１のクランクシャフト１１０と切り離されて回転する。
【００９１】
図１６に示す本実施形態のスターリングエンジン１が備えるピストンは、上述した構成により安定した運転が確保できる。また、車両に搭載されるスターリングエンジン１が振動を受けた場合でも、ピストンの姿勢が安定しているため、ピストンとシリンダとのクリアランスを一定に維持して、気体軸受の荷重負荷能力を十分に発揮させることができる。また、ピストンの連結部と延長ロッドとの間等に、シリンダ中心軸周りにおけるピストンの回転を抑制する回転抑制手段を設けるので、騒音の発生を抑制できる。これによって、スターリングエンジン１の静粛性を確保できる。また、前記回転抑制手段により、ピストンの連結部と延長ロッドとの接触等を抑制して、両者の摩耗を抑制できるので、スターリングエンジン１の耐久性低下を抑制できる。
【００９２】
以上、本実施形態では、シリンダ内を往復運動するピストンに連結し、かつ前記ピストンとクランクシャフトとの間に設けられる連結部材が、前記シリンダの中心軸に対し前記クランクシャフトの回転軸と平行な方向に向かって傾斜した状態でも、前記ピストンが前記シリンダ内を往復運動可能となるように構成する。これによって、公差等に起因する、クランクシャフトの回転軸と平行な方向におけるピストンの中心軸とシリンダ中心軸とのずれを吸収して、ピストンの中心軸とシリンダ中心軸とを一致させた状態でピストンが往復運動する。その結果、ピストンとシリンダとの間に介在する気体軸受の機能を荷重不可能力を確実に発揮させることができるので、ピストンとシリンダとを接触させないことを前提とするピストン機関においても、安定して運転できる。
【００９３】
また、例えば、ピストンと連結部材との連結部や、連結部材とコネクティングロッドとの連結部にボールジョイントを用いる場合、ボールの中心と一致した中心軸を持つシャフトをボールジョイントのソケットの両端へ新たに設ける必要があり、構造が複雑になる。これによって、ピストンの連結構造が大型化するとともに複雑化し、摺動部が増加することにより摩擦も増加する。本実施形態では、少なくとも２軸の周りを回動可能な継ぎ手構造として球面滑り軸受を用い、ピストンとクランクシャフトとの間に設けられる連結部材の両端部に第１の継ぎ手機構及び第２の継ぎ手機構として、それぞれ球面滑り軸受を設ける。これによって、ピストンとコネクティングロッドとを、１本の部材及び２個の継ぎ手機構で連結できる。その結果、自由度の高いピストンとクランクシャフトとの連結構造を簡易かつコンパクトに構成できる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
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適している。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本実施形態に係るピストン装置及び排熱回収装置であるスターリングエンジンを示す断面図である。
【図２】ピストンを支持する気体軸受の説明図である。
【図３−１】本実施形態に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストン及び低温側ピストンが備える給気口の配置例を示す説明図である。
【図３−２】本実施形態に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストン及び低温側ピストンが備える給気口の配置例を示す説明図である。
【図４】本実施形態に係るスターリングエンジンに適用できるピストンの他の例を示す説明図である。
【図５】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支持構造を示す説明図である。
【図６−１】本実施形態に係るピストンの連結構造を示す拡大図である。
【図６−２】本実施形態に係るピストンの連結構造を示す拡大図である。
【図６−３】本実施形態に係るピストンの連結構造を示す拡大図である。
【図７】本実施形態に係るピストンの連結構造を構成する継ぎ手の構成を示す断面図である。
【図８】図７に示す継ぎ手の動きを説明するための座標を示す模式図である。
【図９】本実施形態に係るピストンの連結構造を構成する延長ロッドの説明図である。
【図１０】本実施形態に係るピストンの連結構造によって、コネクティングロッドの中心軸とシリンダ中心軸とのずれを許容できることを説明する概念図である。
【図１１】シリンダ中心軸周りにおけるピストンの回転を説明する模式図である。
【図１２】本実施形態の変形例に係るピストンの連結構造を示す拡大図である。
【図１３】本実施形態の変形例に係るピストンの連結構造を示す拡大図である。
【図１４】本実施形態の変形例に係るピストンの連結構造を示す拡大図である。
【図１５】本実施形態の変形例に係るピストンの連結構造を示す模式図である。
【図１６】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】
【００９６】
１  スターリングエンジン
２  熱交換器
２Ｃ  クーラー
２Ｈ  ヒータ
２Ｒ  再生器
４  クランクケース
５  筐体
１０  クランクシャフト
１１  加圧手段
１２  延長ロッド
１２Ａ  高温側延長ロッド
１２Ｂ  低温側延長ロッド
１２Ｃ  コネクティングロッド側端部
１２Ｐ  ピストン側端部
１２Ｔｐ  回転抑制ピン
１２Ｔ  突起部
１３、１３ａ  コネクティングロッド
１３Ａ  高温側コネクティングロッド
１３Ｂ  低温側コネクティングロッド
１４  作動空間
１４Ａ  高温側作動空間
１４Ｂ  低温側作動空間
１５  シリンダ
１５Ａ  高温側シリンダ
１５Ｂ  低温側シリンダ
１６  気体軸受用ポンプ
１７  気体供給管
１８  グラスホッパ機構
１８Ａ  第１腕
１８Ｂ  第２腕
１８Ｃ  第３腕
２０  ピストン
２０Ａ  高温側ピストン
２０Ｂ  低温側ピストン
２０ｔ  頂部
２０ｕ  底部
２１  連結部
２２  蓄圧室
２２Ａ  高温側蓄圧室
２２Ｂ  低温側蓄圧室
２３１、２３２  給気口
２４、２４’  側部
２５Ｐ  ピストン側取り付けピン
２５Ｃ  コネクティングロッド側取り付けピン
２９  気体導入通路
３０  継ぎ手機構
３０Ｂ  内輪
３０Ｌ  外輪
３０Ｈ  軸孔
３０Ｐ  ピストン側継ぎ手機構
３０Ｃ  クランクシャフト側継ぎ手機構
３２  緩衝材
４０  逆止弁
【図１】
0004803140.tif 000002
【図２】
0004803140.tif 000003
【図３−１】
0004803140.tif 000004
【図３−２】
0004803140.tif 000005
【図４】
0004803140.tif 000006
【図５】
0004803140.tif 000007
【図６−１】
0004803140.tif 000008
【図６−２】
0004803140.tif 000009
【図６−３】
0004803140.tif 000010
【図７】
0004803140.tif 000011
【図８】
0004803140.tif 000012
【図９】
0004803140.tif 000013
【図１０】
0004803140.tif 000014
【図１１】
0004803140.tif 000015
【図１２】
0004803140.tif 000016
【図１３】
0004803140.tif 000017
【図１４】
0004803140.tif 000018
【図１５】
0004803140.tif 000019
【図１６】
0004803140.tif 000020