(57)【要約】【課題】ピストンピンを用い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構造において、ピストンピンを中心とした振れを抑制すること。【解決手段】ピストン２０には、溝２５１、溝２５２が側周部２４に形成される。溝２５１は、ピストン２０の頂面２０Ｔ側に形成され、溝２５２は、ピストン２０の頂面反対側に形成される。溝２５１、溝２５２は、ともにピストン２０の周方向に向かって延在する。また、溝２５１、溝２５２は、それぞれ複数形成される。溝２５１の内部には給気口２３１が開口し、溝２５２の内部には給気口２３２が開口する。給気口２３１は、ピストン内空間２０Ｉと溝２５１の内部とを連通し、給気口２３２は、ピストン内空間２０Ｉと溝２５２の内部とを連通して、ピストン内空間２０Ｉ内の気体を溝２５１、溝２５２の内部に流出させて、ピストン２０とシリンダとの間に気体軸受を形成する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の構造体であり、排熱回収対象の熱が供給される作動流体が内部に存在するシリンダと、
近似直線機構に支持されるとともに、前記作動流体の圧力が変化することによって、前記シリンダの内部を往復運動するピストンと、
前記シリンダと前記ピストンとの間に形成される気体軸受と、
前記ピストンと前記近似直線機構とを連結する連結部材を前記ピストンに取り付ける連結部材取付部材と、
前記ピストンの側周部に、前記ピストンの周方向に向かって断続的に複数形成されるとともに、前記ピストンの頂面側と頂面反対側とにそれぞれ設けられて、前記ピストンの中心軸の方向において前記連結部材取付部材を挟むような位置に配置される溝と、
前記ピストンの内部に形成されるピストン内空間と前記溝の内部とを連通して、前記気体軸受を形成するための気体を前記シリンダと前記ピストンとの間に流出させる給気口と、
を含むことを特徴とする排熱回収機関。
【請求項２】
前記溝は、前記ピストンの中心軸に対して軸対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項３】
前記溝は、偶数かつ４本以上形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収機関。
【請求項４】
頂面側に形成される隣接する前記溝同士の間の部分と、頂面反対側に形成される隣接する前記溝同士の間の部分とは、前記ピストンの周方向においてずれた位置に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排熱回収機関。
【請求項５】
前記連結部材取付部材の中心軸を通り前記ピストンの中心軸と直交する平面と、前記頂面側に形成される溝との距離は、前記平面と前記頂面反対側に形成される溝との距離と等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排熱回収機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダとピストンとの間に気体軸受を介在させる排熱回収機関に関する。
【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、シリンダ内を往復運動するピストンを支持する気体軸受であって、ピストンの外周に、ピストンの周方向に向かって形成された複数の窪みの底部から気体軸受を形成するための気体を流出させるものが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９２１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ピストンピンを用いてピストンを支持する構造においては、ピストンピンを中心とした振れが発生し、場合によってはピストンとシリンダとが接触するおそれもある。特許文献１は、ピストンピンでピストンを支持する構造ではなく、シリンダとピストンとの間に気体軸受を介在させる構造においてピストンピンを用いてピストンを支持する場合、ピストンピンを中心とした振れを抑制するための適切な構造を講ずる必要がある。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンピンを用い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構造において、ピストンピンを中心とした振れ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】
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収機関は、筒状の構造体であり、排熱回収対象の熱が供給される作動流体が内部に存在するシリンダと、近似直線機構に支持されるとともに、前記作動流体の圧力が変化することによって、前記シリンダの内部を往復運動するピストンと、前記シリンダと前記ピストンとの間に形成される気体軸受と、前記ピストンと前記近似直線機構とを連結する連結部材を前記ピストンに取り付ける連結部材取付部材と、前記ピストンの側周部に、前記ピストンの周方向に向かって断続的に複数形成されるとともに、前記ピストンの頂面側と頂面反対側とにそれぞれ設けられて、前記ピストンの中心軸の方向において前記連結部材取付部材を挟むような位置に配置される溝と、前記ピストンの内部に形成されるピストン内空間と前記溝の内部とを連通して、前記気体軸受を形成するための気体を前記シリンダと前記ピストンとの間に流出させる給気口と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記溝は、前記ピストンの中心軸に対して軸対称に配置されることが好ましい。
【０００８】
本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記溝は、偶数かつ４本以上形成されることが好ましい。
【０００９】
本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収機関において、頂面側に形成される隣接する前記溝同士の間の部分と、頂面反対側に形成される隣接する前記溝同士の間の部分とは、前記ピストンの周方向においてずれた位置に配置されることが好ましい。
【００１０】
本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記連結部材取付部材の中心軸を通り前記ピストンの中心軸と直交する平面と、前記頂面側に形成される溝との距離は、前記平面と前記頂面反対側に形成される溝との距離と等しいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ピストンピンを用い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構造において、ピストンピンを中心とした振れを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。なお、下記の説明により本発明が限定されるものではない。また、下記の説明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。
【実施例】
【００１３】
以下においては、排熱回収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、本実施例において、排熱回収機関は外燃機関であることが好ましいが、排熱回収機関はこれに限定されるものではなく、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるものであればよい。また、以下においては、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が排出する排ガスの熱エネルギーを回収する例、すなわち、内燃機関の排熱回収を例として説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。本実施例においては、例えば、工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収対象としてもよい。
【００１４】
本実施例は、ピストンの内部に形成された空間から前記ピストンの側周部に形成した給気口を介してピストンとシリンダとの間に気体を流出させてピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる排熱回収機関において、前記ピストンの側周部に、前記ピストンの周方向に向かって断続的に複数の溝を、前記ピストンの頂面側と頂面反対側とにそれぞれ設けるとともに、頂面側の前記溝と頂面反対側の前記溝とは、前記ピストンの中心軸の方向において前記連結部材取付部材を挟むような位置に配置される点に特徴がある。まず、本実施例に係る排熱回収機関であるスターリングエンジンの構成を説明する。
【００１５】
図１は、本実施例に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、本実施例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に用いる近似直線機構の構成例を示す断面図である。スターリングエンジン１００は、いわゆる外燃機関であり、内燃機関等から排出される排ガス等の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、クランクシャフト１１０の回転運動として取り出すものである。すなわち、クランクシャフト１１０は、スターリングエンジン１００の出力軸となる。なお、クランクシャフト１１０は、回転軸（排熱回収機関回転軸）Ｚｓを中心として回転する。
【００１６】
本実施例において、スターリングエンジン１００は、外燃機関であり、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３０Ｈの内部に収められた第１ピストンである高温側ピストン２０Ｈと、第２シリンダである低温側シリンダ３０Ｌの内部に収められた第２ピストンである低温側ピストン２０Ｌとが一列に並んで、すなわち、直列に配置されている。高温側シリンダ３０Ｈ、及び低温側シリンダ３０Ｌは、いずれも筒状の構造体である。
【００１７】
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、又は間接的に支持されるとともに固定されている。本実施例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。後述するように、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。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１００の組み立ても容易になる。
【００１８】
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が配置される。このように、ヒータ１０５を略Ｕ字形状にすることによって、内燃機関の排ガス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。熱交換器１０８の構成要素のうち、少なくともヒータ１０５が、排熱回収対象である内燃機関の排ガス通路２内に配置される。
【００１９】
ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ３０Ｈと接続され、他方の端部は再生器１０６と接続される。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５と接続され、他方の端部はクーラー１０７と接続される。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６と接続され、他方の端部は低温側シリンダ３０Ｌと接続される。高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌ及び熱交換器１０８内には作動流体（本実施例では空気）が封入されており、高温側シリンダ３０Ｈとヒータ１０５との間、及びヒータ１０５と再生器１０６との間、及び再生器１０６とクーラー１０７との間、及びクーラー１０７と低温側シリンダ３０Ｌとの間で前記作動流体が流出入する。
【００２０】
排熱回収対象である内燃機関の排ガス（すなわち、排熱回収対象の熱）によって加熱されたヒータ１０５から作動流体へ熱が供給され、また、クーラー１０７で作動流体から熱が排出されることによって、スターリングサイクルが構成される。これによって、スターリングエンジン１００は、内燃機関から排出される排ガスから熱エネルギーを回収して、動力を発生する。スターリングエンジン１００が発生した動力は、クランクシャフト１１０から取り出される。ここで、高温側シリンダ３０Ｈの内部であって作動流体が存在する空間を高温側作動空間ＭＳＨ、低温側シリンダ３０Ｌの内部であって作動流体が存在する空間を低温側作動空間ＭＳＬという。両者を区別しない場合には、単に作動空間ＭＳという。作動空間ＭＳは、内部の作動流体が膨張し又は圧縮される空間である。
【００２１】
ここで、ヒータ１０５、クーラー１０７は、例えば、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料（例えば銅や銅合金）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、熱源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。
【００２２】
高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ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、潤滑油を用いないで、ピストンをシリンダ内で往復運動させる構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の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、内燃機関の排ガスから熱エネルギー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排熱回収を行う場合でも、スターリングエンジン１００を運転して熱エネルギーを回収できる。
【００２３】
気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示す、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ｔｃは、高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈの全周にわたって十数μｍ〜数十μｍとする。なお、低温側ピストン２０Ｌ及び低温側シリンダ３０Ｌも同様の構成である。高温側シリンダ３０Ｈと高温側ピストン２０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌと低温側ピストン２０Ｌとは、例えば、加工の容易な金属材料を用いて構成できる。
【００２４】
本実施例においては、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの側周部２４に設けた給気口２３１、２３２から気体（本実施例では作動流体と同じ空気）ａを流出させて、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、それぞれピストン内空間２０Ｉが形成される。
【００２５】
高温側ピストン２０Ｈには、ピストン内空間２０Ｉ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、同様に、低温側ピストン２０Ｌには、ピストン内空間２０Ｉ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をそれぞれのピストン内空間２０Ｉへ導く。
【００２６】
それぞれのピストン内空間２０Ｉ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２４に設けた給気口２３１、２３２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。また、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの頂部に気体取り込み孔を設けて、この気体取り込み孔からそれぞれのピストン内空間２０Ｉへ作動流体である気体ａを取り込み、給気口２３１、２３２から流出させて気体軸受ＧＢを構成してもよい。なお、本実施例の気体軸受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。
【００２７】
高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、頂面２０Ｔに取り付けられるピストン支持部材６２に連結部６１が設けられる。ピストン支持部材６２及び連結部６１は、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの一部を構成する。連結部６１は、連結部材取付部材であるピストンピン６４によって、連結部材である延長ロッド６０の一端部と連結され、延長ロッド６０と高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌとは、ピストンピン６４の中心軸、すなわち、ピストンピン中心軸Ｘｐを中心として回動する。
【００２８】
延長ロッド６０は、連結部６１と連結される端部とは反対側の端部が、コネクティングロッド側連結ピン７４によってコネクティングロッド１０１と連結される。これによって、延長ロッド６０とコネクティングロッド１０１とは、コネクティングロッド側連結ピン７４を中心として回動する。このように、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、延長ロッド６０を介してコネクティングロッド１０１と連結される。本実施例において、コネクティングロッド１０１は、図２に示す近似直線機構１１９によって支持される。このように、延長ロッド６０は、コネクティングロッド１０１を介して高温側ピストン２０Ｈ（あるいは低温側ピストン２０Ｌ）と近似直線機構１１９とを連結する。
【００２９】
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が変化することにより、また、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が変化することによって、それぞれ高温側シリンダ３０Ｈ、低温側シリンダ３０Ｌの内部を往復運動する。高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動は、上述した構成により、延長ロッド６０及びコネクティングロッド１０１を介して出力軸であるクランクシャフト１１０に伝達され、クランクシャフト１１０によって回転運動に変換される。
【００３０】
ここで、気体軸受ＧＢは、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの中心軸（ピストン中心軸）Ｚｐと直交する方向（横方向、スラスト方向）の力（サイドフォースＦｓ）に耐える能力（荷重負荷能力）が低い。このため、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌに作用するサイドフォースＦｓを実質的に０にすることが好ましい。したがって、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌの軸線（シリンダ中心軸Ｚｃ）に対する高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌ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、本実施例において、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１１９によって支持される。そして、近似直線機構１１９によってサイドフォースＦｓの大部分を支持し、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌ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。本実施例では、近似直線機構１１９にグラスホッパ機構を用いる。
【００３１】
このように、コネクティングロッド１０１を介して高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌを近似直線機構１１９によって支持すれば、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（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になる。その結果、荷重負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても十分に高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌを支持することができる。本実施例では、近似直線機構１１９によってサイドフォースＦｓの大部分を支持し、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌ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。
【００３２】
このような構成により、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１１９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１０１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１１９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の動力として取り出される。すなわち、本実施例において、スターリングエンジン１００は、近似直線機構１１９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動力を発生するものである。
【００３３】
なお、上記理由から、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１１９によって支持されることが好ましいが、必ずしも近似直線機構１１９で支持する必要はない。例えば、気体軸受ＧＢを形成するための気体ａの圧力を高くして、気体軸受ＧＢの荷重負荷能力のみで高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌに作用するサイドフォースＦｓを支持できれば、近似直線機構１１９で高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌを支持しなくてもよい。
【００３４】
近似直線機構１１９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７１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７２と、一端部がコネクティングロッド１０１の端部と回動可能に連結され、他端部が第２腕７２の他端部と回動可能に連結される第３腕７３とで構成される。コネクティングロッド１０１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７３の端部と回動可能に連結される。また、第１腕７１の他端部は、第３腕７３の両端部の間に、回動可能に連結される。このような近似直線機構１１９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。なお、本実施例において、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌ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、例えば、ワットリンク等を用いてもよい。
【００３５】
ここで、グラスホッパ機構は、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を車両に搭載されて動力発生源となる内燃機関の排熱回収に用い、内燃機関の排ガスの通路に熱交換器１０８を配置するというような、限られたスペースにスターリングエンジンを設置する場合、スターリングエンジン１００の全体がコンパクトである方が設置の自由度は向上する。また、グラスホッパ機構は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の質量が他の機構よりも軽量で済むため、熱効率を向上させる点で有利である。さらに、グラスホッパ機構は、機構の構成が比較的簡単であるため、製造・組み立てが容易であり、また製造コストも低減できるという利点もある。
【００３６】
図３は、本実施例に係るピストンと近似直線機構との連結機構の他の構成例を示す拡大図である。上述した、高温側ピストン２０Ｈ、低温側ピストン２０Ｌを近似直線機構１１９に連結する連結機構は、ピストンピン６４及びコネクティングロッド側連結ピン７４を用いるものであるが、次のような連結機構を用いてもよい。この連結機構４０は、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの一部を構成する連結部６１とピストンピン６４との間、及び延長ロッド６０とコネクティングロッド側連結ピン７４との間に、球面滑り軸受を設ける。
【００３７】
図３に示すように、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、連結部６１と、延長ロッド６０のピストン側端部６０Ｐとが、ピストン側連結機構４０Ｐを介して連結される。また、延長ロッド６０のコネクティングロッド側端部６０Ｃと、コネクティングロッド１０１とは、クランクシャフト側連結機構４０Ｃを介して連結される。
【００３８】
本実施例において、ピストン側連結機構４０Ｐ及びクランクシャフト側連結機構４０Ｃ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、外輪と内輪とが球面接触をする滑り軸受である。そして、球面滑り軸受は、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。
【００３９】
図３に示すように、ピストン側連結機構４０Ｐは、内輪４０Ｂを回転可能に支持する外輪４０Ｌを連結部６１に取り付け、また、ピストンピン６４を内輪４０Ｂに貫通させるとともに、ピストンピン６４を延長ロッド６０のピストン側端部６０Ｐに固定する。また、クランクシャフト側連結機構４０Ｃは、内輪４０Ｂを回転可能に支持する外輪４０Ｌを延長ロッド６０のコネクティングロッド側端部６０Ｃに取り付け、また、コネクティングロッド側連結ピン７４を内輪４０Ｂに貫通させるとともに、コネクティングロッド側連結ピン７４をコネクティングロッド１０１の一端部に固定する。なお、コネクティングロッド側連結ピン７４には、図２に示す近似直線機構１１９の第３腕７３の一端部が回動できるように取り付けられる。
【００４０】
このような構成により、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、ピストン側連結機構４０Ｐ及びクランクシャフト側連結機構４０Ｃを介してコネクティングロッド１０１に連結されて、図２に示す近似直線機構１１９に支持される。高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、ピストンピン中心軸Ｘｐを中心に回動するとともに、ピストンピン中心軸Ｘｐ及びピストン中心軸Ｚｐと直交する軸Ｙｐを中心に回動する。また、延長ロッド６０は、コネクティングロッド側連結ピン７４の中心軸Ｘｃｌを中心に回動するとともに、中心軸Ｘｃｌ及びコネクティングロッド１０１の中心軸（コネクティングロッド１０１の長手方向における中心軸）Ｚｃｌと直交する軸Ｙｃｌを中心に回動する。
【００４１】
このような構成により、コネクティングロッド１０１が図１に示す排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向にずれた場合には、延長ロッド６０がシリンダ中心軸Ｚｃに対して排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向に向かって傾斜した状態でも、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動が可能になる。これによって、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、コネクティングロッド１０１の中心軸Ｚｃｌとシリンダ中心軸Ｚｃとのずれ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１０１が排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向にずれた場合であっても、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌのピストン中心軸Ｚｐとシリンダ中心軸Ｚｃとが一致した状態で、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌが往復運動する。
【００４２】
すなわち、コネクティングロッド１０１が排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向にずれた場合、延長ロッド６０のピストン側端部６０Ｐに設けられるピストン側連結機構４０Ｐを構成する内輪４０Ｂ及び外輪４０Ｌは軸Ｙｐを中心として回動する。また、前述したずれが発生した場合、コネクティングロッド側端部６０Ｃに設けられるクランクシャフト側連結機構４０Ｃを構成する内輪４０Ｂ及び外輪４０Ｌは軸Ｙｃｌを中心として回動する。これによって、高温側ピストン２０Ｈあるいは低温側ピストン２０Ｌのピストン中心軸Ｚｐとシリンダ中心軸Ｚｃとにずれが生じた場合でも、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における高温側ピストン２０Ｈあるいは低温側ピストン２０Ｌの動きが許容される。その結果、シリンダ中心軸Ｚｃと高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌのピストン中心軸Ｚｐとが一致した状態で高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌが往復運動するので、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの姿勢が安定する。
【００４３】
すなわち、気体軸受ＧＢの静圧によって高温側ピストン２０Ｈと高温側シリンダ３０Ｈとのクリアランスを、高温側ピストン２０Ｈ及び高温側シリンダ３０Ｈ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、高温側ピストン２０Ｈの姿勢が安定する。また、高温側ピストン２０Ｈを支持する近似直線機構１１９に多少の振動が発生した場合でも、ピストン側連結機構４０Ｐ及びクランクシャフト側連結機構４０Ｃによって高温側ピストン２０Ｈへの振動の伝達が抑制される。これによって、高温側ピストン２０Ｈは安定した姿勢を維持できる。低温側ピストン２０Ｌも、高温側ピストン２０Ｈと同様である。
【００４４】
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１０１、クランクシャフト１１０等の各構成要素は、筐体１００Ｃに格納される。ここで、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成されている。筐体１００Ｃ内は、筐体内加圧手段である加圧用ポンプ１１５により加圧される。このように、加圧用ポンプ１１５で筐体１００Ｃ内を加圧して、高温側作動空間ＭＳＨ、低温側作動空間ＭＳＬ、及び熱交換器１０８内の作動流体を加圧することにより、作動流体が熱エネルギーを取り込むときにおける作動流体の容量を大きくする。これによって、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から、より多くの出力を取り出すことができる。
【００４５】
スターリングエンジン１００が規定の出力を発生する場合、筐体１００Ｃの内部は、例えば規定の圧力（例えば１ＭＰａ程度）に加圧されている。このため、クランクシャフト１１０と筐体１００Ｃとの間の気密を保持するように構成して、クランクシャフト１１０の回転運動を筐体１００Ｃの外部へ取り出す必要がある。本実施例では、図１に示すように、クランクシャフト１１０の回転を非接触で従動軸（磁気カップリング従動軸）１１２へ伝達する磁気カップリング１３を介して、クランクシャフト１１０の出力を筐体１００Ｃの外部へ取り出す。すなわち、スターリングエンジン１００の出力は、磁気カップリング１３が備える従動軸１１２から取り出される。このように、従動軸１１２は、スターリングエンジン１００の出力軸となる。なお、磁気カップリング１３の代わりに、クランクシャフト１１０と筐体１００Ｃを構成するクランクケース１１４Ａとの間にシール軸受を設けて、クランクシャフト１１０と筐体１００Ｃとの間の気密を保持するようにしてもよい。
【００４６】
ここで、図１に示すように、クランクシャフト１１０のトルクを変化させて出力する変換手段である増速装置１２を設け、クランクシャフト１１０の回転速度を増速してから磁気カップリング１３へ入力してもよい。これによって、クランクシャフト１１０のトルクを低下させることができるので、磁気カップリング１３のトルク伝達容量を抑えることができる。また、スターリングエンジン１００を起動する際には、電動機のような起動手段の出力を従動軸１１２へ入力してクランクシャフト１１０を回転させるが、この場合には増速装置１２が減速装置として機能する。これによって、磁気カップリング１３のトルク伝達容量を抑えることができる。次に、スターリングエンジン１００が備える高温側ピストン２０Ｈ、低温側ピストン２０Ｌの構成を説明する。
【００４７】
図４は、本実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストンの側面図である。図５−１は、図４のＡ−Ａ断面図であり、図５−２は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図６は、本実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストンに設けられる溝の説明図である。図７は、本実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストンに設けられる溝の一部拡大図である。図８−１は、本実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストンの側面図である。図８−２は、比較例に係るピストンの側面図である。本実施例において、図１に示す高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、ともに同様の構成である。また、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌもともに同様の構成である。以下の説明では、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌをいずれもピストン２０とし、高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌをいずれもシリンダ３０として説明する。
【００４８】
ピストン２０は、図１に示す熱交換器１０８とシリンダとの間で流出入する作動流体と接触する頂面２０Ｔと、頂面２０Ｔに接続される筒状の構造体である側周部２４と、頂面２０Ｔに取り付けられてピストン２０を支持するピストン支持部材６２と、ピストン支持部材６２と側周部２４との間に設けられる封止部材６３とを含んで構成される。ピストンピン６４のピストンピン中心軸（連結部材取付部材中心軸）Ｘｐに対して頂面２０Ｔの反対側の端部は、図１に示すクランクケース１１４Ａ側に配置される。この端部をクランクケース側端部２０Ｂという。頂面２０Ｔと、側周部２４と、封止部材６３とで囲まれる空間がピストン内空間２０Ｉとなる。なお、封止部材６３は、側周部２４の内側であって頂面２０Ｔと側周部２４との間に設けられていればよく、ピストン支持部材６２に取り付けられる必要はない。
【００４９】
図４に示すように、ピストン２０の側周部２４には、頂面２０Ｔ側に溝（頂面側溝）２５１が形成され、頂面反対側（すなわち、クランクケース側端部２０Ｂ側）に溝（頂面反対側溝）２５２が形成される。溝２５１、２５２は、例えば、切削加工により形成される。例えば、ピストン中心軸Ｚｐを中心としてピストン２０を回転させながら、バイトでピストン２０の側周部２４の表面である側周面２４Ｓを切削することにより、溝２５１、２５２が形成される。
【００５０】
図５−１、図５−２に示すように、溝２５１、２５２は、いずれもピストン２０の周方向（図５−１、図５−２の矢印Ｃで示す方向）に向かって複数、かつ断続的に形成される。すなわち、溝２５１、２５２は、いずれもピストン２０の周方向に向かって連続しておらず、頂面２０Ｔ側、頂面反対側において、それぞれ複数設けられる。このように、それぞれの溝２５１、溝２５２は、ピストン２０の周方向に向かって延在する。また、溝２５１、２５２は、ピストン中心軸Ｚｐの方向において、ピストンピン６４を挟むような位置に配置される。本実施例では、溝２５１及び溝２５２は、それぞれ４本ずつ、計８本設けられる。
【００５１】
図４に示すように、溝２５１、２５２が延在する方向は、ピストン中心軸Ｚｐと直交する平面に対して略平行（好ましくは平行）とすることが好ましい。すなわち、溝２５１、２５２は、ピストン中心軸Ｚｐと直交する平面に対して略平行（好ましくは平行）に形成される。これによって、溝２５１、２５２を比較的容易に加工できる。なお、溝２５１、２５２が延在する方向は、上述した方向に限られない。例えば、溝２５１、２５２を前記平面に対して角度を設けて延在させてもよいし、溝２５１、２５２を蛇行しながら延在させてもよい。
【００５２】
図６に示すように、溝２５１、２５２が延在する方向（形成方向）における寸法、すなわち、ピストン２０の周方向に沿った長さ（溝長さ）をＬｃ、溝２５１、２５２が延在する方向と直交する方向の寸法（溝幅）をｈｍとする。本実施例において、溝２５１、２５２は、溝幅ｈｍに対して溝長さＬｃが３倍以上、好ましくは５倍以上のものをいう。また、本実施例において、溝２５１、２５２の溝幅方向に対向する２本の辺は略平行（好ましくは平行）とする。すなわち、溝２５１、２５２の溝長さ方向において、溝幅方向に溝２５１、２５２の２本の辺が対向する部分の溝幅ｈｍは、略一定（好ましくは一定）とする。
【００５３】
図７に示すように、溝２５１、２５２の深さ（溝深さ）ｔ２、すなわち、ピストン２０の側周部２４の側周面２４Ｓから溝底２５Ｂまでの距離は、ピストン２０の側周部２４の厚さｔ１よりも小さい。溝深さｔ２は、ピストン２０の強度や気体の通過しやすさ等を考慮して決定される。
【００５４】
それぞれの溝２５１の内部には、給気口（頂面側給気口）２３１が設けられ、ぞれぞれの溝２５２の内部には、給気口（頂面反対側給気口）２３２が設けられる。図７に示すように、給気口２３１、２３２は、溝２５１、２５２の溝底２５Ｂに開口する。給気口２３１は、ピストン内空間２０Ｉと溝２５１の内部とを連通し、図１、図２に示す気体軸受ＧＢを形成するための気体を、ピストン内空間２０Ｉからピストン２０とシリンダ３０との間に流出させる。同様に、給気口２３２は、ピストン内空間２０Ｉと溝２５２の内部とを連通し、図１、図２に示す気体軸受ＧＢを形成するための気体を、ピストン内空間２０Ｉからピストン２０とシリンダ３０との間に流出させる。
【００５５】
給気口２３１、給気口２３２から溝２５１、溝２５２内へ流出した気体は、溝２５１、溝２５２が延在する方向、すなわち、ピストン２０の周方向に向かって広がりつつ、ピストン２０とシリンダ３０との間に流出する。これによって、ピストン２０とシリンダ３０との間に、気体軸受ＧＢが形成される。
【００５６】
図８−１に示すように、本実施例において、溝２５１、溝２５２から流出した気体は、溝２５１、溝２５２の周囲に広がる。これによって、気体軸受ＧＢが荷重（ピストン２０に作用するサイドフォースＦｓ、図２参照）を負荷するための有効領域（負荷支持有効領域）ＬＡが、ピストン２０の周方向に向かって広がり、ピストン中心軸Ｚｐ方向に向かって小さくなる。
【００５７】
図８−２は、比較例のピストン２２０を示す。ピストン２２０は、頂面２２０Ｔ側と頂面反対側（クランクケース側端部２２０Ｂ側）とのそれぞれに、周方向に向かって複数の給気口２２３１、２２３２が形成される。そして、それぞれの給気口２２３１、２２３２の周囲には、円形の窪み２２５１、２２５２が形成されている。このような構成により、給気口２２３１、２２３２から窪み２２５１、２２５２へ気体を流出させて、気体軸受を形成する。
【００５８】
比較例の場合、負荷支持有効領域ＬＡは円形となるため、負荷支持有効領域ＬＡは、頂面２２０Ｔ及びクランクケース側端部２２０Ｂを超えてしまう。その結果、負荷支持有効領域ＬＡのうち、ピストン２２０側周面２２４Ｓを超えた部分は無効領域ＬＡｌ（図８−２の斜線で示す領域）となり、負荷支持有効領域ＬＡが減少する結果、荷重負荷能力が低下する。
【００５９】
一方、本実施例では、ピストン２０の周方向に延在させた複数の溝２５１、溝２５２から気体を流出させるので、負荷支持有効領域ＬＡは、ピストン２０の周方向に向かって引き伸ばされ、ピストン中心軸Ｚｐ方向に向かって小さくなる。これによって、ピストン２０の負荷支持有効領域ＬＡが頂面２０Ｔ及びクランクケース側端部２０Ｂを超える部分を極めて小さくできる。その結果、負荷支持有効領域ＬＡの無効領域が小さくなって、負荷支持有効領域ＬＡの減少を抑えることができるので、荷重負荷能力の低下を抑制できる。これによって、本実施例では、気体軸受ＧＢの機能を発揮させて、ピストン２０とシリンダ３０との接触を効果的に回避できる。
【００６０】
また、ピストン２０の周方向に延在させた複数の溝２５１、溝２５２から気体を流出させて気体軸受ＧＢを形成するので、給気口２３１、２３２の個数を無闇に増加させることなく負荷支持有効領域ＬＡの減少を抑制できる。給気口２３１、２３２は径が小さく、加工が難しいので、給気口２３１、２３２の個数を増加させる必要がないということは、ピストン２０の製造効率が向上し、ピストン２０を備えるスターリングエンジン１００の製造コストを低減できるという利点がある。
【００６１】
例えば、スターリングエンジン１００の運転中、すなわち、ピストン２０が往復運動しているときに、ピストン２０がピストンピン６４の周りに回動（図８−１の矢印Ｒ方向）することがある。この回動を、ピストン２０の振れという。ピストン２０に振れが発生すると、ピストン２０は、図２に示すシリンダ中心軸Ｚｃに対して傾斜することになる。この場合、傾斜側におけるピストン２０とシリンダ３０との間隔が小さくなり、傾斜反対側におけるピストン２０とシリンダ３０との間隔が大きくなる。
【００６２】
ピストン２０とシリンダ３０との間隔が小さくなると、気体軸受ＧＢの静圧がそれまでよりも大きくなるので、ピストン２０の傾斜方向とは反対方向に向かうモーメント（ピストン傾斜抑制モーメント）をピストン２０へ与える。これによって、シリンダ中心軸Ｚｃに対するピストン２０の傾斜が元に戻されてピストン２０の振れが押さえられる。その結果、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスがピストン２０の周方向に向かって略一定に保たれて、気体軸受ＧＢの機能が発揮される。
【００６３】
ピストン傾斜抑制モーメントは、溝２５１あるいは溝２５２の周囲に形成される気体軸受ＧＢの静圧が同じ大きさであれば、ピストンピン中心軸Ｘｐと溝２５１あるいは溝２５２との距離が大きくなるほど大きくなる。したがって、シリンダ中心軸Ｚｃ（図２参照）に対するピストン２０の傾斜を抑制し、ピストン２０の振れを抑制するためには、溝２５１、溝２５２は、それぞれ頂面２０Ｔ、クランクケース側端部２０Ｂにできるだけ近い位置に設けることが好ましい。
【００６４】
一方、溝２５１を頂面２０Ｔに、溝２５２をクランクケース側端部２０Ｂに接近させすぎると、負荷支持有効領域ＬＡの減少を抑制する効果が低減し、その結果として、ピストン傾斜抑制モーメントも低下する。したがって、頂面２０Ｔと溝２５１との距離ｈｔ、及びクランクケース側端部２０Ｂと溝２５２との距離ｈｂは、負荷支持有効領域ＬＡの減少を抑制でき、かつできるだけ大きいピストン傾斜抑制モーメントを発生できるように設定する。
【００６５】
本実施例では、ピストン中心軸Ｚｐの方向において、ピストン２０の頂面２０Ｔ側に形成される溝２５１と、頂面反対側に形成される溝２５２とで、ピストンピン６４を挟むように構成される。すなわち、ピストン２０の頂面２０Ｔ側に形成される溝２５１と、頂面反対側に形成される溝２５２とは、ピストン中心軸Ｚｐの方向において、ピストンピン６４を挟むような位置に配置される。これによって、ピストン２０に振れが発生した場合には、頂面２０Ｔ側においてピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスが減少した部分に設けられる溝２５１によるピストン傾斜抑制モーメント、及び頂面反対側において前記クリアランスが減少した部分に設けられる溝２５２によるピストン傾斜抑制モーメントが、ピストン２０を元の位置に戻す。すなわち、上記構成により、ピストン２０に振れが発生した場合、ピストン２０には、ピストンピン中心軸Ｘｐを中心として、両方（頂面２０Ｔ側及び頂面反対側）からピストン２０の傾斜を元に戻す方向のモーメントが作用する。このため、ピストンピン６４を中心としたピストン２０の振れをより効果的に抑制して、ピストン２０とシリンダ３０との接触をより確実に回避できる。
【００６６】
なお、頂面２０Ｔ側の溝２５１と頂面反対側の溝２５２との周囲に形成される気体軸受ＧＢの静圧が同じ大きさである場合、ピストンピン中心軸Ｘｐを通り、ピストン中心軸Ｚｐと直交する平面Ｐｐｃと溝２５１との距離ｈｔｍ、及び平面Ｐｐｃと溝２５２との距離ｈｂｍは、略同じ大きさ（好ましくは同じ大きさ）とすることが好ましい。このようにすれば、ピストン２０の頂面２０Ｔ側と頂面反対側とで、ピストン傾斜抑制モーメントを同じ大きさとすることができるので、ピストン２０の振れをより効果的に抑制できる。また、ピストン中心軸Ｚｐの方向において、気体軸受ＧＢの荷重負荷能力をより均一にできるので、ピストン２０が往復運動する際におけるピストン２０の傾きを抑制して、ピストン２０に発生する振れを抑制できる。
【００６７】
なお、必ずしも、平面Ｐｐｃと溝２５１との距離ｈｔｍを、平面Ｐｐｃと溝２５２との距離ｈｂｍと同じ大きさとする必要はなく、ピストン２０の構造（例えば、ピストンピン６４の位置や重心位置、頂面２０Ｔ側と頂面反対側との間での荷重負荷能力の差等）やスターリングエンジン１００の仕様等によって、距離ｈｔｍ及び距離ｈｂｍは適切な大きさに設定する。
【００６８】
ピストン中心軸Ｚｐと直交する方向と平行にピストン２０が移動した場合、ピストン２０が移動した方向においては、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスが略同程度に小さくなる。ピストン２０の頂面２０Ｔ側に形成される溝２５１と、頂面反対側に形成される溝２５２とがピストンピン６４を挟むような位置に配置されるように構成することで、バランスよくピストン２０を元の位置に戻すことができる。また、ピストン２０の頂面２０Ｔ側及び頂面反対側に近づけて、それぞれの溝２５１、溝２５２を配置することで、ピストン２０の重心が、両方の溝２５１、溝２５２に挟まれるようになる。これによっても、バランスよくピストン２０を元の位置に戻すことができる。その結果、ピストン２０の無用な振れを抑制して、安定してスターリングエンジン１００を運転できる。
【００６９】
スターリングエンジン１００は、気体軸受ＧＢでピストン２０をシリンダ３０内に支持するため、図１に示す作動空間ＭＳとクランクケース１１４Ａの内部との間で、作動流体が移動することがある。本実施例では、ピストン２０の周方向に延在させた複数の溝２５１、溝２５２から気体を流出させるので、負荷支持有効領域ＬＡは、ピストン２０の周方向に向かって引き伸ばされる。これによって、ピストン２０の周方向の広い領域にわたって気体軸受ＧＢが形成されるので、作動空間ＭＳとクランクケース１１４Ａの内部との間における作動流体の移動を抑制できる。特に、作動空間ＭＳからクランクケース１１４Ａの内部へ向かう作動流体の移動が抑制されることにより、作動空間ＭＳ内に存在する作動流体の減少が抑制される。その結果、スターリングエンジン１００の出力低下を抑制できる。
【００７０】
本実施例においては、図８−１に示すように、頂面２０Ｔ側に形成される隣接する溝２５１同士の間の部分Ｉ１と、頂面反対側に形成される隣接する溝２５２同士の間の部分Ｉ２とは、ピストン２０の周方向においてずれた位置に配置される。すなわち、ピストン中心軸Ｚｐの方向において、頂面２０Ｔ側に形成される隣接する溝２５１、２５１同士の間の部分Ｉ１は、頂面反対側、すなわち、クランクケース側端部２０Ｂ側に形成される溝２５２と重なるように構成される。同様に、クランクケース側端部２０Ｂ側に形成される隣接する溝２５２、２５２同士の間の部分Ｉ２は、頂面２０Ｔ側に形成される溝２５１と重なるように構成される。
【００７１】
このように構成することで、例えば、頂面２０Ｔ側に形成される隣接する溝２５１、２５１同士の間の部分Ｉ１を通過した作動流体は、クランクケース側端部２０Ｂ側に形成される溝２５２によってせき止められる。その結果、作動空間ＭＳとクランクケース１１４Ａの内部との間における作動流体の移動をより効果的に抑制できるので、スターリングエンジン１００の出力低下をより効果的に抑制できる。
【００７２】
図５−１、図５−２に示すように、本実施例では、給気口２３１はそれぞれの溝２５１に１つずつ計４個設けられ、給気口２３２はそれぞれの溝２５２に１つずつ計４個設けられる。図５−１に示すように、給気口２３１は、ピストン２０の周方向に略等間隔（本実施例では９０度）で配置される。また、図５−２に示すように、給気口２３２は、ピストン２０の周方向に略等間隔（本実施例では９０度）で、かつ、給気口２３１とは、ピストン２０の周方向に向かって４５度ずらして配置される。
【００７３】
図５−１に示すように、４本の溝２５１は、ピストン２０の周方向に略等間隔で配置される。また、図５−２に示すように、４本の溝２５２は、ピストン２０の周方向に略等間隔で、かつ、溝２５１とは、ピストン２０の周方向に向かって４５度ずらして配置される。溝２５１、溝２５２及び給気口２３１、給気口２３２をこのように配置することで、ピストン２０の周方向において気体が偏在して流出することを抑制できるので、ピストン２０とシリンダ３０との間に形成される気体軸受ＧＢの荷重負荷能力の偏りを低減できる。
【００７４】
給気口２３１、給気口２３２は、それぞれの溝２５１、溝２５２に対して複数設けてもよい。この場合、給気口２３１同士、及び給気口２３２同士の間隔は、略等間隔（好ましくは等間隔）とすることが好ましい。これによって、ピストン２０の周方向において気体が偏在して流出することを抑制できるので、ピストン２０とシリンダ３０との間に形成される気体軸受ＧＢの偏りを低減できる。
【００７５】
それぞれの溝２５１、溝２５２に対して給気口２３１、給気口２３２を１個ずつ設ける場合、それぞれの溝２５１、溝２５２の溝長さの中心部分に給気口２３１、給気口２３２を設けることが好ましい。これによって、ピストン２０の周方向において気体が偏在して流出することを抑制できるので、ピストン２０とシリンダ３０との間に形成される気体軸受ＧＢの荷重負荷能力の偏りを低減できる。
【００７６】
図５−１、図５−２に示すように、溝２５１、溝２５２は、ピストン中心軸Ｚｐに対して軸対称に配置されることが好ましい。また、溝２５１、溝２５２は、それぞれ偶数本であることが好ましい。ピストン中心軸Ｚｐに対して軸対称とは、ピストン中心軸Ｚｐ周りの回転によって、溝２５１、溝２５２の幾何学的配置が不変である性質をいう。これは、溝２５１、溝２５２の幾何学的配置が、ピストン中心軸Ｚｐに対して回転対称性を有するということである。すなわち、溝２５１、溝２５２の幾何学的配置は、ピストン中心軸Ｚｐの周りにある回転角（ｎ×３６０度（ｎは１以上の整数）は除く）で回転させたときに、元の幾何学的配置に重なる性質を有する。
【００７７】
このように、ピストン中心軸Ｚｐに対して溝２５１、溝２５２を軸対称に配置することにより、ピストン２０の周方向において気体が偏在して流出することを抑制できるので、ピストン２０とシリンダ３０との間に形成される気体軸受ＧＢの偏りを低減できる。また、ピストン中心軸Ｚｐに対して溝２５１、溝２５２を軸対称かつそれぞれ偶数本ずつ配置することにより、図５−１、図５−２に示すように、ピストンピン中心軸Ｘｐ、及びピストンピン中心軸Ｘｐとピストン中心軸Ｚｐとに直交する軸Ｙｐに対して、溝２５１、溝２５２を対称に配置できる。
【００７８】
例えば、図３に示す連結機構４０を用いた場合、ピストン２０はピストンピン中心軸Ｘｐや軸Ｙｐを中心として、シリンダ中心軸Ｚｃ（図２参照）に対して傾斜することがある。ピストン中心軸Ｚｐに対して溝２５１、溝２５２を軸対称かつ偶数本配置することにより、ピストンピン中心軸Ｘｐ又は軸Ｙｐに対する気体軸受ＧＢの荷重負荷能力を同等にできる。その結果、いずれの軸を中心としてピストン２０が傾斜しても、ピストン２０の前記傾斜を回復させることができ、ピストン２０とシリンダ３０とのクリアランスをピストン２０の周方向にわたって略一定に維持できる。これによって、ピストン２０とシリンダ３０との接触を回避して、スターリングエンジン１００を安定して運転できる。
【００７９】
溝２５１、溝２５２をそれぞれ偶数本ずつ設ける場合、溝２５１、溝２５２は、それぞれ４本以上とすることがより好ましい。このようにすれば、シリンダ中心軸Ｚｃに対するピストン２０の傾斜がさまざまな方向に変化した場合にも、ピストン２０の前記傾斜を回復させやすくなる。特に、図３に示す連結機構４０を用いた場合、給気口２３１、２３２や溝２５１、２５２の加工のばらつき、あるいは経時変化により、シリンダ中心軸Ｚｃに対してピストン２０が傾斜する方向が定まらないことがある。このような場合でも、溝２５１、溝２５２を、それぞれ４本以上とすることにより、ピストン２０の前記傾斜をより確実に回復させやすくなる。なお、溝２５１、溝２５２の本数を多くすると、それにともなって給気口２３１、給気口２３２の個数も増加して、これらの加工に手間を要する。したがって、溝２５１、溝２５２の本数は、それぞれ最大でも８本とすることが好ましい。
【００８０】
溝２５１、溝２５２をピストン中心軸Ｚｐに対して軸対称に配置されることが好ましい理由と同様の理由から、給気口２３１、給気口２３２は、ピストン中心軸Ｚｐに対して軸対称に配置されることが好ましい。また、溝２５１、溝２５２をそれぞれ偶数本とすることが好ましい理由と同様の理由から、給気口２３１、給気口２３２はそれぞれ偶数とすることが好ましい。
【００８１】
図９は、本実施例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。本実施例では、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。
【００８２】
本実施例において、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、本実施例において、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。
【００８３】
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の排ガス通路２内に配置される。なお、排ガス通路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、排ガス通路２内に設けられる。
【００８４】
本実施例において、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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。本実施例では、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の従動軸１１２との間に設けられる。クラッチ６は、係合、開放することによって、スターリングエンジン１００の従動軸１１２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。
【００８７】
クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００の従動軸１１２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の従動軸１１２と切り離されて回転する。
【００８８】
図９に示すスターリングエンジン１００が備えるピストンは、上述した構造である。これによって、ピストンの振れを抑制できるので、スターリングエンジン１００の運転中、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できる。車両に搭載されるスターリングエンジン１００が車両の走行により発生する振動を受けると、ピストンに振れが発生しやすくなるが、上述したピストンの構造により、ピストンの振れが抑制される。その結果、スターリングエンジン１００が車両の振動を受けても、ピストンの振れが抑制されて、ピストンとシリンダとが接触するおそれが低減できる。
【００８９】
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、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、必要十分な耐久性を確保できる。
【００９０】
以上、本実施例では、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる排熱回収機関において、ピストンの側周部に、ピストンの周方向に向かって断続的に形成される複数の気体軸受形成用の溝を、ピストンの頂面側と頂面反対側とにそれぞれ設けるとともに、ピストンの頂面側に設けた溝と頂面反対側に設けた溝とが、ピストンピンを挟むような位置に配置されるように構成する。これによって、ピストンピンから離れた位置で気体軸受の静圧を発生させ、かつ、ピストンピンを中心として両方からピストンピン周りのモーメントをピストンに与えることができる。これによって、ピストンのシリンダ中心軸に対する傾斜が抑制されるので、ピストンピンを用いてピストンを支持し、かつ、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において、ピストンピンを中心とした振れを抑制できる。
【００９１】
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、ピストンがシリンダ中心軸に対して僅かに傾斜した場合でも、ピストンとシリンダとが接触するおそれがある。しかし、本実施例によれば、ピストンピンを挟むような位置に、ピストンの頂面側と頂面反対側とに、それぞれ複数の気体軸受形成用の溝を設けることで、シリンダ中心軸に対するピストンの傾斜を抑制して、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減する。このように、本実施例によれば、確実に気体軸受の機能を発揮させることができるので、ピストンピンを用いてピストンを支持し、かつ、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる排熱回収機関に好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上のように、本発明に係る排熱回収機関は、ピストンピンを用い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構造に有用であり、特に、ピストンピンを中心とした振れを抑制することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本実施例に係るスターリングエンジンを示す断面図である。
【図２】本実施例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に用いる近似直線機構の構成例を示す断面図である。
【図３】本実施例に係るピストンと近似直線機構との連結機構の他の構成例を示す拡大図である。
【図４】本実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストンの側面図である。
【図５−１】図４のＡ−Ａ断面図である。
【図５−２】図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストンに設けられる溝の説明図である。
【図７】本実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストンに設けられる溝の一部拡大図である。
【図８−１】本実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストンの側面図である。
【図８−２】比較例に係るピストンの側面図である。
【図９】本実施例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】
【００９４】
１  内燃機関
２  排ガス通路
２０  ピストン
２０Ｂ  クランクケース側端部
２０Ｈ  高温側ピストン
２０Ｉ  ピストン内空間
２０Ｌ  低温側ピストン
２０Ｔ  頂面
２３１、２３２  給気口
２４  側周部
２４Ｓ  側周面
２５１、２５２  溝
２５Ｂ  溝底
３０  シリンダ
３０Ｈ  高温側シリンダ
３０Ｌ  低温側シリンダ
４０  連結機構
４０Ｂ  内輪
４０Ｃ  クランクシャフト側連結機構
４０Ｌ  外輪
４０Ｐ  ピストン側連結機構
６０  延長ロッド
６０Ｃ  コネクティングロッド側端部
６０Ｐ  ピストン側端部
６１  連結部
６２  ピストン支持部材
６４  ピストンピン
７４  コネクティングロッド側連結ピン
１００  スターリングエンジン
１００Ｃ  筐体
１０１  コネクティングロッド
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
１１９  近似直線機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９】
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