CN101091053A - 活塞设备、斯特林发动机和外燃机 - Google Patents

Abstract

一种活塞设备，其通过将压缩的工作介质引入活塞内部并从布置在活塞的圆周部分上的多个孔将工作介质排出至活塞和气缸之间的间隙，从而配置空气轴承，同时该活塞设备阻止活塞中的工作介质回流至工作空间，并容易保证可靠性以及提供长的使用寿命。一种应用于外燃机10的活塞设备，其包括：活塞主体211；压力累积室212，其形成在活塞主体的内部；引入部分214，其用于将压缩的工作介质引入压力累积室；和孔216，其布置在活塞主体的圆周部分211b上，并从压力累积室延伸至外燃机的活塞主体和气缸22之间的间隙，其中，引入部分布置为在引入方向上与工作流体的压力累积室连通以及在引入方向的反方向上连通，引入部分中的反方向上的通道阻力大于引入方向上的通道阻力。

Description

活塞设备、斯特林发动机和外燃机

技术领域

本发明涉及活塞设备、斯特林发动机和外燃机。

背景技术

近年来，具有优良的理论热效率的斯特林发动机作为用于回收工厂废热或者安装在诸如客车、公共汽车、和卡车的车辆上的内燃机的废热的装置而引人注意。

在日本专利申请公开No.2000-46431(专利文献1)中描述了一种已知的技术，其公开了一种适用于诸如斯特林发动机的外燃机的活塞设备。专利文献1所公开的外燃机的活塞为如下类型，即该活塞适用于具有由工作介质的作用驱动的换置器(displacer)的斯特林发动机，该工作介质根据气缸中的活塞的往复运动在工作空间内重复压缩和膨胀。活塞设备包括压缩室，该压缩室形成在活塞的内部以暂时存储工作空间中压缩的工作介质；孔口，压缩室中的工作介质通过该孔口排出至活塞和气缸之间的间隙中；和止回阀，该止回阀布置在压缩室侧的孔的末端处。该止回阀布置为以便当工作空间中的工作介质的压力由于活塞的移动而减小时阻止工作介质从压缩室回流至工作空间。

专利文献1：日本专利申请公开No.2000-46431

发明内容

本发明所解决的问题

然而，当工作介质在诸如斯特林发动机的外燃机的工作空间中压缩，并引入活塞中，以及通过形成在活塞的圆周部分(外圆周部分)中的多个孔排出至活塞和气缸之间的间隙时，难以保证如此形成的空气轴承的可靠性和使用寿命。由于通常使用这种构造的单向阀(止回阀)具有机械的活动部分，并根据活塞的垂直运动打开/关闭。有时，止回阀的活动部分的移动相对于活塞的垂直运动的加速度不稳定，该活动部分不停留在预定位置。然后，止回阀不能发挥其精确的作用。因此，止回阀在设计和结构上受到限制。

本发明的目的是提供活塞设备、斯特林发动机和外燃机，该外燃机通过将在外燃机工作空间的内部压缩的工作介质引入活塞内部，以及通过设置在活塞圆周部分中的多个孔将压缩的工作介质排出至活塞和气缸之间的间隙形成空气轴承，其中，可靠地提供抑制活塞内部的工作介质回流至工作空间的作用，同时保证可靠性和使用寿命。

本发明的另一个目的是提供活塞式发动机，该活塞式发动机将工作介质从工作空间通过压缩状态保持单元引入布置在活塞内部的压力累积室，并从活塞的圆周部分排出工作介质。其中，即使大加速度作用于压缩状态保持单元上时，也可抑制压缩状态保持单元的操作故障。

解决问题的方法

根据本发明的一个方面，一种应用于外燃机的活塞设备，其包括：活塞主体；形成在活塞主体内部的压力累积室；引入部分，其用于将在外燃机的工作空间中压缩的工作介质引入压力累积室；和孔，其形成在活塞主体的圆周部分上，并从压力累积室通过活塞主体延伸至外燃机的气缸，其中，引入部分布置为使得工作介质可以在朝向压力累积室的引入方向上和在引入方向的反方向上流动，引入部分具有通道阻力，反方向上的通道阻力大于引入方向上的通道阻力。

根据本发明的另一个方面，在活塞设备中，在引入部分中，引入方向上的通道阻力和反方向上的通道阻力之间的差不基于由诸如阀门元件的移动部分的操作所引起的引入部分的通道的通道打开/关闭操作，而是基于引入部分的形状。

根据本发明的又一个方面，活塞设备还包括：通道，其用于将在工作空间中压缩的工作流体引入至压力累积室，和通道打开/关闭单元，其设置在压力累积室中，并根据诸如阀门元件的移动部分的操作来打开/关闭通道，其中，移动部分设置为当活塞设备被启动时进行操作，以及在活塞设备的正常操作范围中停止操作以便关闭通道。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，设置使移动部分执行打开操作所需的压力Pc，以便满足表达式：

Pc＜P_+P和

Pc＞(P_+P-PF)，

其中，P_+P表示相对于工作空间的平均压力在较高压力侧处的压力振幅，PF表示由引入部分所引起的压力累积室的累积压力的饱和值。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，通道打开/关闭单元布置为以便操作中的移动部分的移动方向与活塞主体的轴线方向基本一致，设置使移动部分执行打开操作所需的压力Pc’，以便满足表达式：

(Pc’+PA)＜P_+P和

(Pc’+PA)＞(P_+P-PF)，

其中，PA表示在低于活塞设备的正常操作范围中的转数的设定转数处，以施加在移动部分上的向上的最大加速度使移动部分执行打开操作所需的压力的上升量。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，室可以布置在通道打开/关闭单元和工作空间之间的通道上，室通过孔口与工作空间连通，工作介质通过室。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，活塞主体可布置成在气缸中往复移动，引入部分可为引入通道，和活塞设备可还包括加压状态保持单元，该加压状态保持单元在垂直于活塞主体的移动方向的方向上操作，以便将工作介质从引入通道的朝压力累积室打开的引入部分开口引入至压力累积室，以及以便阻止压力累积室中的工作介质回流至气缸。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，加压状态保持单元可为簧片阀，该簧片阀设置有板状弹性体并具有操作部分和固定部分，引入部分开口可形成在具有阀门连接部分的阀门形成部分中，该阀门连接部分为平行于活塞主体的移动方向的平面，簧片阀的固定部分连接至阀门连接部分，引入部分开口由操作部分打开/关闭。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，簧片阀的固定部分和操作部分可布置在平行于活塞主体的移动方向的直线上。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，簧片阀的固定部分可布置在活塞主体的上表面侧和折边侧的每一侧上，簧片阀在活塞主体的上表面侧和折边侧处可固定至阀门连接部分。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，簧片阀的固定部分可布置在活塞主体的折边侧，簧片阀在活塞主体的折边侧处固定至阀门连接部分。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，簧片阀的固定部分可布置在与活塞主体的移动方向交叉的直线上、在活塞主体的上表面侧和折边侧，并且簧片阀在活塞主体的上表面侧和折边侧处可固定至阀门连接部分。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，簧片阀的固定部分可布置在垂直于活塞主体的移动方向的方向上，簧片阀在垂直于活塞主体的移动方向的方向上可固定至阀门连接部分。

根据本发明的又一个方面，在活塞设备中，引入通道、引入部分开口、加压状态保持单元布置在活塞主体的上表面部分的中心部分处。

根据本发明的又一个方面，斯特林发动机包括根据上述本发明的一个方面的活塞设备和气缸。

根据本发明的又一个方面，外燃机包括活塞设备和气缸。该活塞设备包括活塞主体，压力累积室，其形成在活塞主体的内部，引入部分，其布置在第一部分中，并用于将在外燃机的工作空间中压缩的工作介质引入压力累积室，该第一部分对应于活塞主体的圆周部分中的预定高度位置，和孔，其布置在第二部分中，并从压力累积室延伸至活塞主体和气缸之间的间隙，该第二部分对应于低于活塞主体的圆周部分中的预定高度位置的位置，和活塞主体的圆周部分中的第一部分和气缸之间的间隙的尺寸设置成，活塞设备处于上止点时的该间隙尺寸大于活塞设备处于下止点时的该间隙尺寸。

根据本发明的又一个方面，在外燃机中，活塞主体的圆周部分中的第二部分和气缸之间的间隙的尺寸设置成，活塞设备处于上止点时的该间隙尺寸和活塞设备处于下止点时的该间隙尺寸基本上相同，和当活塞设备处于下止点时，第一部分和气缸之间的间隙尺寸与活塞主体的圆周部分中的第二部分和气缸之间的间隙尺寸基本上相同。

根据本发明的又一个方面，在外燃机中，当活塞设备处于上止点时活塞主体的圆周部分的第一部分面向的气缸的内圆周壁部分的直径设置为大于当活塞设备处于下止点时活塞主体的圆周部分的第一部分面向的气缸的内圆周壁部分的直径。

根据本发明的又一个方面，在外燃机中，外燃机可为α型斯特林发动机，并且活塞主体的圆周部分中的第一部分和气缸之间的间隙尺寸设置为，活塞设备在上止点的±45°的范围内时的该间隙尺寸大于活塞设备在该范围之外时的该间隙尺寸。

根据本发明的又一个方面，在外燃机中，引入部分的上表面可以平坦形状形成，以便整个上表面具有大约相同的高度。

根据本发明的又一个方面，活塞式发动机包括：活塞，其在气缸中执行往复移动；形成在活塞的内部的空心部分；引入通道，其使气缸中的工作空间与空心部分连通，并将工作空间中的工作流体引入空心部分；加压状态保持单元，其在垂直于活塞的移动方向的方向上操作，并从引入通道的朝空心部分内部打开的引入部分开口引入工作流体，并阻止工作流体从空心部分回流至气缸；和多个供气孔，其布置在活塞的圆周部分上，并将空心部分中的工作流体排出至活塞的圆周部分和气缸之间的空间。

在将工作流体从气缸中的工作空间引入至活塞中的空心部分，并将引入的工作流体排出至活塞的圆周部分和气缸之间的空间的活塞式发动机中，加压状态保持单元设置为以便在垂直于活塞运动方向的方向上操作。因此，即使当可归因于活塞往复运动的加速度施加于加压状态保持单元时，也不显著影响加压状态保持单元的操作。因此，即使当施加在加压状态保持单元上的加速度较大时，也可防止加压状态保持单元发生故障。

本发明的效果

根据本发明，当在外燃机的工作空间中压缩的工作介质引入活塞内部时，引入的工作介质通过布置在活塞的圆周部分上的多个孔排出至活塞和气缸之间的间隙，以便形成空气轴承，本发明可以可靠地提供抑制工作介质从活塞内部回流至工作空间的功能。此外，可容易地保证可靠性和使用寿命。

附图说明

图1是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的垂直剖视图；

图2是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的主要部分的垂直剖视图；

图3是表示根据本发明第一实施例的斯特林发动机的前视图；

图4是说明根据本发明第一实施例的斯特林发动机的缸内压力的图表；

图5是说明根据本发明第一实施例的斯特林发动机所采用的线性近似机构的示图；

图6是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的另一个示例的主要部分的垂直剖视图；

图7是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的又一个示例的垂直剖视图；

图8是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的又一个示例的垂直剖视图；

图9是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的第一变型的垂直剖视图；

图10是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的第一变型的另一个示例的垂直剖视图；

图11是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的第一变型的又一个示例的垂直剖视图；

图12是表示根据本发明第一实施例的活塞设备的第二变型的主要部分的垂直剖视图；

图13是表示根据本发明第二实施例的活塞设备的一个操作状态的垂直剖视图；

图14是表示根据本发明第二实施例的活塞设备的另一个操作状态的垂直剖视图；

图15是表示根据本发明第二实施例的活塞设备的第一变型的垂直剖视图；

图16是表示根据本发明第二实施例的活塞设备的第一变型的主要部分的垂直剖视图；

图17是表示根据本发明第二实施例的活塞设备的第二变型的主要部分的示图；

图18是表示根据本发明第二实施例的活塞设备的第二变型的主要部分的示图；

图19是表示根据本发明第三实施例的活塞设备的垂直剖视图；

图20是根据本发明第三实施例的活塞设备中的工作空间中的压力和流体装置的累积压力饱和值的图表；

图21是说明根据本发明第三实施例的活塞设备中的止回阀的阀门开启压力的设定值的示图；

图22是表示根据本发明第三实施例的活塞设备的第一变型的主要部分的垂直剖视图；

图23是表示根据本发明第三实施例的活塞设备的第一变型的另一个示例的主要部分的垂直剖视图；

图24是说明根据本发明第三实施例的活塞设备的第一变型中的止回阀的阀门开启压力的设定值的示图；

图25是表示根据本发明第三实施例的活塞设备的第二变型的主要部分的垂直剖视图；

图26是表示根据本发明第三实施例的活塞设备的第二变型的另一个示例的主要部分的垂直剖视图；

图27是根据本发明第三实施例的活塞设备的第二变型中的工作空间的压力的变化周期的图表；

图28是表示根据本发明第三实施例的活塞设备的第二变型中的小室中的气压变化的图表；

图29是表示根据本发明第四实施例的活塞设备中的活塞式发动机的剖视图；

图30是表示设置在根据本发明第四实施例的活塞设备的活塞式发动机中的活塞的剖视图；

图31是表示设置在根据本发明第四实施例的活塞设备的活塞式发动机中的供气孔的前视图；

图32是表示从图30的箭头C方向观看的簧片阀的示图；

图33是表示活塞式发动机在根据本发明第四实施例的活塞设备中处于操作状态的示图；

图34是表示根据本发明第四实施例的活塞设备中的阀门形成部分的剖视图；

图35是表示连接至根据本发明第四实施例的活塞设备中的阀门形成部分的簧片阀的剖视图；

图36A是活塞位置相对曲柄角的图表；

图36B是施加于簧片阀的加速度相对曲柄角的图表；

图36C是工作空间内部的压力相对曲柄角的图表；

图37是表示根据本发明第四实施例的活塞设备中的活塞的顶面部分的平面图；

图38A是表示根据本发明第四实施例的活塞设备中的活塞的顶面部分的平面图；

图38B是表示根据本发明第四实施例的活塞设备中的活塞的侧视图；

图39A是表示设置在根据本发明第四实施例的活塞设备的变型中的活塞式发动机中的压缩状态保持单元的变型的示图；

图39B是表示设置在根据本发明第四实施例的活塞设备的该变型中的活塞式发动机中的压缩状态保持单元的变型的示图；

图40A是表示设置在根据本发明第四实施例的活塞设备的变型中的活塞式发动机中的压缩状态保持单元的变型的示图；

图40B是表示设置在根据本发明第四实施例的活塞设备的该变型中的活塞式发动机中的压缩状态保持单元的变型的示图；

图41A是表示设置在根据本发明第四实施例的活塞设备的变型中的活塞式发动机中的压缩状态保持单元的变型的示图；和

图41B是表示设置在根据本发明第四实施例的活塞设备的该变型中的活塞式发动机中的压缩状态保持单元的变型的示图。

附图标记说明

10    斯特林发动机

20    高温侧动力活塞

21    膨胀活塞

211   活塞主体

211a  圆周部分

211b  顶面部分

212   空心部分(压力累积室)

214   连通通道

215   流体装置

216   供气孔

22    高温侧气缸

22b   高温侧气缸的顶部

30    低温侧动力活塞

31    压缩活塞

32    低温侧气缸

45    散热器

46    再生器

46a   再生器的顶面

46b   再生器的下表面

47    加热器

47a   第一端部

47b   第二端部

48    空气轴承

50    线性近似机构

60    活塞销

100   排气管

720   高温侧活塞/气缸单元

721，721a，721b，721c活塞

722   高温侧气缸

730   低温侧活塞/气缸单元

731   活塞

732   低温侧气缸

811   活塞主体

811a  圆周部分

811iw 内壁

811s  折边部分

811b  顶面部分

812   压力累积室

813   分隔构件

814   引入通道

814   工作流体的进口

814o  工作流体的出口

814p  开口表面

815，815a，815b，815c簧片阀

816   供气孔

816o  孔口

816s  放大部分

818   阀门形成单元

818p  阀门联接单元

Pmax  缸内压力最大值

W     缸内压力(复合波形)

具体实施方式

以下将参考附图详细描述作为第一实施例的废热回收系统，该废热回收系统应用于根据本发明的一个实施例的活塞设备。应注意的是，本发明不局限于该实施例。此外，下述实施例的组成部分可包括可由本领域的技术人员容易实现的部分或者与可由本领域的技术人员容易实现的部分相当的部分。

第一实施例

第一实施例的目的是提供一种废热回收设备，其包括具有活塞设备的斯特林发动机。该活塞设备通过将α型斯特林发动机的工作空间内部中压缩的工作流体引入活塞内部，以及将压缩的工作流体通过设置在活塞圆周部分中的多个孔排出至活塞和气缸之间的间隙，从而形成空气轴承，其中，能够可靠地获得抑制活塞中的工作介质朝工作空间回流的作用，并容易保证可靠性和使用寿命。

当斯特林发动机使用废热，例如车辆内燃机的废气的废热作为热源时，在可获得的热量方面存在限制。因此，必须在可获得的热量的范围内尽可能有效地操作斯特林发动机。在这种背景之下，第一实施例的目的为减小活塞的重量。此外，第一实施例的目的是减小斯特林发动机的设备尺寸(总体构造)。这是因为当斯特林发动机使用废热，例如车辆内燃机的废气的废热作为热源时，有时需要将斯特林发动机固定在有限空间中，诸如邻近于布置在车辆底面下方的内燃机的排气管的空间。下述斯特林发动机实现了活塞重量的减小，和总体设备尺寸的减小。

图3是表示根据第一实施例的斯特林发动机的前视图。如图3所示，根据第一实施例的斯特林发动机10为α型(两个活塞型)斯特林发动机，其具有两个动力活塞(活塞/气缸组)20和30。两个动力活塞20和30平行布置并且相串联。相位差设置为以便低温侧动力活塞30的活塞31在曲柄角方面比高温侧动力活塞20的活塞21迟大致90°。

由加热器47加热的工作流体流入高温侧动力活塞20的气缸22(在下文中，气缸22将称为高温侧气缸)的上空间(膨胀空间)中。由散热器45的冷却的工作流体流入低温侧动力活塞30的气缸32(在下文中，气缸32将称为低温侧气缸)的上空间(压缩空间)中。

当工作流体在膨胀空间和压缩空间之间来回移动时，再生器(再生式换热器)46累积热量。具体而言，当工作流体从膨胀空间流动至压缩空间时，再生器46从工作流体接收热量，当工作流体从压缩空间流动至膨胀空间时，再生器46将累积的热量传递至工作流体。

工作气体的往复式流动与两个活塞21和31的往复运动一起发生，其改变高温侧气缸22的膨胀空间中的工作流体与低温侧气缸32的压缩空间中的工作流体的比率，同时改变工作流体的总量，由此产生压力变化。当两个活塞21和31处于相同位置时，压力改变如下。当膨胀活塞21处于低于较高位置的位置时，压力较高。另一方面，当压缩活塞31处于低于较高位置的位置时，压力较低。因此，膨胀活塞21对外部执行大的正功(膨胀功)，压缩活塞31需要从外部接收功(压缩功)。膨胀功由压缩功而部分消耗，其余的功通过驱动轴40输出。

驱动轴40连接至容纳在外壳41中的曲轴43。曲轴43通过活塞侧杆61、联接销60和杆109连接至两个活塞21和31。曲轴43将两个活塞21和31的往复运动转换为旋转运动，并将该旋转运动传递至驱动轴40。外壳41内部的空间由加压单元进行加压。这是用于对工作流体(即第一实施例中的空气)进行加压，以及从斯特林发动机10尽可能多地提取输出。

在车辆中，连同汽油发动机(即内燃机)采用第一实施例的斯特林发动机10，从而形成混合系统。斯特林发动机10使用汽油发动机的废气作为热源。斯特林发动机10的加热器47布置在车辆汽油发动机的排气管100的内部。从废气回收的热能对工作流体进行加热，以便运行斯特林发动机10。

第一实施例的斯特林发动机10固定在车辆的有限空间中，具体而言，其加热器47容纳在排气管100的内部。当整体上使得设备紧凑时，可提高设计方面的自由度。因此，在斯特林发动机10中，两个气缸22和32没有以V字形布置。两个气缸22和32平行布置并且相串联。

当加热器47布置在排气管100的内部时，加热器47的高温侧气缸22布置在上游侧(即接近于汽油发动机的一侧)100a处，在该上游侧100a处，温度较高的废气在排气管100中流动；加热器47的低温侧气缸32布置在下游侧(即远离汽油发动机的一侧)100b处，温度较低的废气在该下游侧100b处流动。这是因为对加热器47的高温侧气缸22侧的加热多于另一侧。

高温侧气缸22和低温侧气缸32都形成为圆柱形形状，并由作为基准线的基板42支承。在第一实施例中，基板42放置在对于斯特林发动机10的每个部件的基准位置处。这种构造确保斯特林发动机10的每个部件的相对定位精度。此外，当斯特林发动机10联接至排气管(排气通道)100时，基板42可作为参考，其中从该排气管100回收废热。

基板42通过隔热体(即未示出的隔离物)固定至排气管100的凸缘100f。由于当排气管100和基板42互相固定时保证排气管其相对定位精度，故基板42可认为是设置在排气管100中作为联接表面的固定结构物体。对于基板42，固定有凸缘22f。凸缘22f布置在高温侧气缸22的侧表面(外圆周表面)上。进一步对于基板42，凸缘46f通过隔热体(即未示出的隔离物)固定。凸缘46f布置在再生器46的侧表面46c(外圆周表面)上。此外，下述的分隔墙70固定至基板42。

基板42支承斯特林发动机10的所有部件。因此，当基板42由于排气管100中的废气的热量而变形时，该变形的影响将遍及斯特林发动机10的所有部件。因此，隔热体布置在排气管100的凸缘100f和基板42之间，另外地，布置遮板90以使从排气管100内部的废气传输至基板42的热量最少。

排气管100通过基板42联接至斯特林发动机10。当斯特林发动机10联接至基板42时，使得基板42基本上平行于连接有加热器47的高温侧气缸22的端面(顶部22b的上表面)和连接有散热器45的低温侧气缸32的端面(顶面32a)。分开来说，斯特林发动机10联接至基板42，以便基板42平行于曲轴43(或驱动轴40)的旋转轴线，或者以便排气管100的中心轴线平行于曲轴43的旋转轴线。因此，在不对现有排气管100的设计进行重大改变的情况下，斯特林发动机10可容易地联接至排气管100。因此，斯特林发动机10可安装在排气管100上，而不会在性能、可安装性、车辆的内燃机本身的噪声相关功能方面恶化，其中从排气管100回收废热。此外，由于仅改变加热器47的规格，即可将同样规格的斯特林发动机10安装至不同类型的排气管，故可提高斯特林发动机10的通用性。

斯特林发动机10布置在邻近于布置在车辆底面下方的排气管100的空间中，以便斯特林发动机10水平放置，换句话说，以便高温侧气缸22和低温侧气缸32的轴线方向都大致平行于车辆的底面表面(未示出)，以及两个活塞21和31在水平方向上往复移动。然而，在第一实施例中，两个活塞21和31的上止点侧称为向上方向，下止点侧称为向下方向。

由于较高平均压力意味着在由散热器45和加热器47引起的相同温差处具有较高的压力差，故具有较高平均压力的工作流体可提供较高的输出。因此，高温侧气缸22和低温侧气缸32中的工作流体维持为高压。

活塞(活塞设备)21和31形成为柱形形状。在活塞21和31中的每个的外圆周表面和相应的气缸22或32的内圆周表面之间，设置有几十微米(μm)的微小间隙。工作流体(其为气态物质，在第一实施例中为空气)存在于该间隙中，从而形成空气轴承48。空气轴承48利用活塞21和31以及气缸22和32之间的微小间隙中产生的空气压力(空气分布)使活塞21和31相对于气缸22和32保持为漂浮状态。活塞21和31被空气轴承48支承为与气缸22和32成非接触状态。因此，在活塞21和31的周围没有布置活塞环，以及没有采用通常与活塞环一起使用的润滑油。然而，优选地，将固体润滑构件布置在气缸22和32中的每个的内圆周表面上。这是因为固体润滑构件有助于降低活塞和气缸之间的滑动阻力，例如当空气轴承48在启动的时候未充分工作时。如上所述，空气轴承48通过使用工作流体(气态物质)维持膨胀空间和压缩空间的气密性，从而以无环、无油的方式设置间隙密封。

如图1所示，空气轴承48为液压静力空气轴承，其通过将斯特林发动机10的工作空间中压缩的工作流体引入活塞21和31的内部，并通过设置在活塞21和31的外圆周部分中的多个孔将工作流体朝活塞21和31以及气缸22和32之间的间隙排出。液压静力空气轴承为排出加压流体以产生静压从而使物体(例如第一实施例中的活塞21和31)漂浮的单元。

在第一实施例中，由于斯特林发动机10的热源为车辆内燃机的废气，故限制了可获得的热量。因此，必须在可获得的热量的限制内尽可能有效地操作斯特林发动机10。因此，高温侧气缸22的顶部(上部)22b和高温侧气缸22的侧表面22c的上部布置在排气管100的内部，以便流过膨胀空间的工作流体的温度尽可能地高。因此，接近上止点的膨胀活塞21的上部放置在排气管100的内部，由此对膨胀活塞21的上部进行有效地加热。在第一实施例的斯特林发动机10中，基板42在引入工作流体的一侧布置至高温侧气缸22和低温侧气缸32，两个气缸22和32固定至基板42。在这种构造中，对高温侧气缸22和低温侧气缸32进行限制，以便抑制高温侧气缸22和低温侧气缸32之间的距离的增加。因此，即使在操作斯特林发动机10期间加热器47发热，也维持气缸和活塞之间的间隙并使空气轴承48正确运行。

下文将参考图1和2详细描述活塞21和31的结构。

图1是表示活塞21的前视图，其表示活塞21的构造。图2是表示活塞21的主要部分的垂直剖视图。如图3所示，活塞21和31在尺寸方面不同，但是构造相同。图1和2示出两个活塞21和31所共有的构造。在下文，将参考图1和2以说明活塞21的构造(不提供具有相同构造的活塞31的描述)。

如图1所示，活塞21包括活塞主体211，和形成在活塞主体211内部的空心部分(压力累积室)212。活塞主体211形成为圆柱体形状，其上部和底部邻近。

活塞主体211具有靠着高温侧圆柱体22(图3)滑动的圆周部分(滑动部分)211a，和形成为与圆周部分211a成整体(即连续)的盖状形状的顶面部分811b。在顶面部分811b中，连通通道214形成为以便连通高温侧气缸22内部的工作空间和空心部分212。

连通通道214配置有流体装置215，该流体装置215对逆流的通道阻力显著大于对顺流的通道阻力，并不具有诸如阀门元件的活动部分。具体而言，流体装置215成形为以便当通过连通通道214的工作流体被向下引导(从工作空间至空心部分212的方向)时(即工作流体形成顺流时)具有较低的通道阻力。相反，流体装置215成形为以便当工作流体被向上引导(从空心部分212至工作空间的方向)时(即工作流体形成逆流时)具有显著大于顺流时的通道阻力。

当活塞21的运动导致高温侧气缸22的工作空间中的工作流体的压力减小时，流体装置215抑制空心部分212中的工作流体朝高温侧气缸22中的工作空间回流。由于流体装置215不具有诸如止回阀(即单向阀)的阀门元件的活动部分，故其容易保证可靠性和使用寿命，此外其在设计和结构上不具有很多的限制。

图2是表示流体装置215的放大视图。在流体装置215中，顺流进口部分215a的曲率R1较大，而逆流进口部分215b的曲率R2为零或者非常小。顺流进口部分215a形成为以便其开口的直径尺寸从外至内逐渐减小，以便引入连通通道214的工作流体形成平滑的流水线。逆流进口部分215b具有锐边，该锐边分离与逆流相似地朝工作空间移动的空心部分212中的工作流体，从而抑制例如根据收缩流的影响而从空心部分212流回至工作空间的流量。

在流体装置215中，虽然在顺流进口部分215a侧上不存在从顶面部分811b朝工作空间侧突出的突出部分(如附图标记D1所示)，但是在逆流进口部分215b侧存在朝空心部分212侧突出的突出部分D2，逆流进口部分215b形成在突出部分D2的尖端处。

在流体装置215中，由逆流进口部分215b侧处的端面S和连通通道214形成的为锐角θ(即小于90°)。然而，当逆流进口部分215b的突出部分D较薄以及端面本身非常小时，不必限定该角度(以下参考图6所述)。如图1和2所示的形成连通通道214的流体装置215可与活塞21(作为一个单元)整体(连续)形成，如图8所示，或者可与活塞21分离，如图6和7所示。

当流体装置215与活塞21形成为一个整体单元时，如图8所示，能够通过冲压出相当于活塞顶面部分811b的部分，并产生塑性变形，而形成流体装置215。当流体装置215形成为与活塞21分开的单元时，能够与活塞21一体形成顺流进口部分215a，并使突出部分(即逆流进口部分215b)配置有与活塞21分开的管218，如图6所示。此外，相当于流体装置215的整体部分可配置有薄片219，如图7所示。

如图1所示，多个供气孔216沿圆周部分211a的圆周方向每隔一定间隔形成。随着活塞21的升高，压缩高温侧气缸22的工作空间中的工作流体。当工作流体的压力超过空心部分212的压力时，工作空间中的一部分工作流体从顺流进口部分215a通过连通通道214进入空心部分212。当将工作流体通过连通通道214引入空心部分212时，空心部分212中的一部分工作流体排出至活塞21和气缸22之间的间隙。

连通通道214形成在顶面部分211b的中心部处。因此，使连通通道214和多个供气孔216之间的距离相等。因此，在将工作空间中的工作流体通过连通通道214引入空心部分212之后，从多个供气孔中的每个供气孔排出的工作流体的排出状态(排出量、排出压力等等)倾向于相同，并很少存在排出至间隙的工作流体产生圆周偏移的可能性。因此，空气轴承48可更加稳定地运行。

所希望的是，在空心部分212中密封的工作流体的压力稍小于工作流体的最大压缩压力。图4示出高温侧活塞21的顶面的位置和低温侧活塞31的顶面的位置的变化。如前所述，相位差设置为以便低温侧活塞31相对于高温侧活塞21延迟90°曲柄角运动。

在图4中，高温侧活塞21的波形和低温侧活塞31的波形的合成波W示出缸内压力。在图4中，附图标记Pmax表示压缩过程中缸内压力的最大值(即最大压缩压力)。在活塞21操作的同时，活塞主体211作为最大值承受最大压缩压力Pmax。当压力稍小于工作流体的最大压缩压力Pmax的工作流体密封在空心部分212中时，活塞主体211可相对于缸内压力具有足够的抗压功能(刚度)，同时小于最大压缩压力Pmax预定量的缸内压力(即小于空心部分212压力的压力)作用在活塞主体211上(即，除了活塞21接近压缩过程中的上止点时)。因此，活塞主体211(尤其是在圆周部分211a上没有形成供气孔216的部分)可以形成得薄，而无需考虑耐压。因此，可实现轻的重量。

当压力稍小于工作流体的最大压缩压力Pmax的工作流体被密封在空心部分212中时，活塞操作如下。在活塞21处于接近压缩过程期间的上止点的位置时，在一个位置处，高温侧气缸22的工作空间的压力超过空心部分212的压力。然后，通过连通通道214引入工作空间中的一部分工作流体，并空心部分212中的一部分工作流体通过供气孔216排出至活塞21的外部。当活塞21放置在除上述位置之外的位置处时，空心部分212的压力大于高温侧气缸22的工作空间的压力。然而，由于流体装置215以如下方式配置，即逆流时的通道阻力显著大于顺流时的通道阻力，故抑制空心部分212中的工作流体从逆流进口部分215b通过连通通道214回流至工作空间内。

至少一个供气孔216与活塞21的大致中心部大致等距地布置在活塞21的上部和下部中(例如，上部和下部都具有两个供气孔，图1示出总共四个供气孔)。这种布置对保持高温侧气缸22中的活塞21的位置的平衡有效。

加热器47具有布置为大致U字形状的多个输热管(管簇)47t。每个输热管47t的第一端部47a连接至高温侧气缸22的上部(顶面22a侧的端面)。多个输热管47t的第一端部47a大致布置在相同的平面上(平坦平面)。多个输热管47t的在大致相同平面上的第一端部47a都连接至高温侧气缸22的上部22b，该上部22b形成为大致平坦表面。元件的这种形状简化了加工和多个输热管47t的第一端部47a侧的连接工作。另一方面，每个输热管47t的第二端部47b连接至再生器46的上部46a(加热器47侧的端面)。

再生器46具有储热材料(未示出的模型)和储存储热材料的再生器外壳46h。再生器外壳46h容纳储热材料，该储热材料为大致柱形，其截面为与低温侧气缸32的上部的形状大致相同的形状。再生器外壳46h形成为柱状(即空心柱状)，其下表面和上表面为与低温侧气缸32的上部的截面大致相同的形状。

在再生器46的圆周表面(外圆周表面)46c上，布置有凸缘46f。凸缘46f通过隔热体固定至基板42。再生器46采用层压线材片(层压材料)作为储热材料。该线材片沿工作流体的流向层压，并以如下状态布置，即，使得在多个金属片之间很少产生热传递。

当储热材料接收来自从膨胀空间流至压缩空间的工作流体的热量时，最接近加热器47的层压的多个线材片的最上的线材片首先接收工作流体的热量，从而降低工作流体的温度。然后，第二最接近加热器47的线材片接收热量，以进一步降低工作流体的温度，然后，第三最接近加热器47的线材片接收热量，以又进一步地降低温度。因此，每当工作流体在再生器46中从顶至底地通过线材片时，工作流体的温度逐渐降低。

由于前述功能，再生器46需要满足以下条件。首先，再生器46必须在工作流体的流向上具有高传热量、高储热量、低流动阻力(流动损失、压力损失)和低导热性，以便可以设置大的温度梯度。因此，需要使线材片之间的传热尽可能地低。线材片可能是不锈钢。

当再生器46设计为布置在排气管100内部时，非常需要抑制在工作流体流动方向上的再生器外壳46h的传热的负面影响。因此，在第一实施例中，再生器外壳46h具有遮板90。遮板90用于阻止排气管100内部的热量(例如，大约600至800℃)传递至再生器外壳46h。尤其，遮板90用于阻止传热至再生器外壳46h的表面，而不是上表面46a(即侧表面46c和凸缘46f)。

此时，由于下列原因，膨胀活塞21在轴线方向上的长度长于压缩活塞31，高温侧气缸22在轴线方向上的长度长于低温侧气缸32。

为了抑制斯特林发动机10的效率退化，在室温下，需要在高温侧动力活塞20中保留除了膨胀空间以外的空间以及在低温侧动力活塞30中保留除了压缩空间以外的空间，即在高温侧动力活塞20和低温侧动力活塞30每个中保留曲轴43周围的空间。因此，必须对高温侧气缸22和膨胀活塞21，以及低温侧气缸32和压缩活塞31进行可靠地密封(尤其，空气轴承48用作下述的密封件)，以便膨胀空间中的高温工作流体不流入在高温侧动力活塞20侧的曲轴43周围的空间，或者压缩空间中的低温工作流体不流入在低温侧动力活塞30侧的曲轴43周围的空间。

另一方面，由于高温侧气缸22的侧表面22c的顶部22b和上部容纳在排气管100内部，以便膨胀空间获得高温，故高温侧气缸22的上部和膨胀活塞21的上部承受热膨胀。在高温侧气缸22和膨胀活塞21的上部的热膨胀部分中，可能不进行可靠地密封。因此，在第一实施例中，膨胀活塞21和高温侧气缸22在轴线方向上的长度设置地较长。因此，膨胀活塞21的温度梯度在轴线方向上设置得较大，密封可靠地设置在不受热膨胀影响的部分中(即膨胀活塞21的下部)。此外，由于高温侧气缸22和膨胀活塞21之间的空间密封在膨胀活塞21的下部处，故高温侧气缸22在轴线方向上的长度设置得较长，以便保证足够长度作为密封部分的移动距离以及充分压缩膨胀空间。

将描述散热器45的构造。

在图3中，仅示出多个输热管45t的一部分，未示出其他输热管45t。

分隔壁(构件)70布置在再生器46和低温侧气缸32之间。分隔壁70由具有低导热性的材料形成。分隔壁70设计为以便其尺寸沿低温侧气缸32的轴线方向尽可能地短，以及其尺寸足够大以便在周围引导输热管45t。这有助于缩小斯特林发动机10的尺寸。

如上所述，分隔壁70固定至基板42。分隔壁70的上表面70a布置为以便直接与再生器46的下表面46b(即与加热器47侧处的端面46a相对的端面)接触。分隔壁70的下表面70b用作低温侧气缸32的顶面32a。在分隔壁70的侧表面70c(即外圆周表面)上，固定有散热器45的散热器外壳45c。

散热器45配置有水冷壳管式换热器或者管式换热器。散热器45包括多个输热管(管簇)45t和散热器外壳45c。散热器45的多个输热管45t的大部分容纳在散热器壳体45c中。容纳在散热器壳体45c中的多个输热管45t的部分与提供给散热器壳体45c的冷却水(冷却剂)相接触，由此冷却流动输热管45t的工作流体。

如上所述，散热器外壳45c固定至分隔壁70的外圆周表面70c。散热器外壳45c在外圆周表面70c的圆周方向上布置为环状。散热器外壳45c形成为环状，以便从圆周方向围绕低温侧气缸32的外圆周部分32k的上部(相当于压缩空间的部分)。作为另一种选择，散热器外壳45c也可布置为以便沿圆周方向围绕低温侧气缸32的外圆周部分32k的一部分。

将描述活塞和气缸的密封机构以及活塞/曲柄单元的机构。

由于如上所述，斯特林发动机10的热源是车辆内燃机的废气，故在可获得的热量方面存在限制，由此必须在可获得的热量的范围内操作斯特林发动机10。因此，在第一实施例中，尽可能地减少斯特林发动机10的内部摩擦。在第一实施例中，不采用活塞环以便消除由活塞环所引起的摩擦损失，该活塞环的摩擦损失占据斯特林发动机中的内部摩擦的最大一部分。作为替代，分别在气缸22和32以及活塞21和31之间设置空气轴承48。

由于空气轴承48的滑动阻力非常小，故可显著地减少斯特林发动机10的内部摩擦。即使采用空气轴承48，也要保证气缸22和32以及活塞21和31之间的气密性，由此不存在在膨胀/压缩期间由高压工作流体渗漏所引起的不便。

空气轴承48为利用气缸22和活塞21以及气缸32和活塞31每一个之间的微小间隙中产生的气压(空气分布)将活塞21和31支承为漂浮状态的轴承。在第一实施例的空气轴承48中，气缸22或32和活塞21或31之间的直径间隙为几十微米(μm)。采用液压静力空气轴承以实现将物体支承为漂浮状态的空气轴承。通过排出加压流体以产生静压，并通过静压将物体(即第一实施例中的活塞21和31)保持为漂浮状态，从而实现液压静力空气轴承。

此外，使用空气轴承48消除采用活塞环所需的润滑油。因此，不存在由润滑油所引起的不便，诸如斯特林发动机10的热交换器(即再生器46、加热器47)的恶化。

当利用空气轴承48分别使活塞21和31在气缸22和内部往复移动时，线性运动的精确度必须低于空气轴承48的直径间隙的尺寸。此外，由于空气轴承48的承载能力低，故活塞21和31的侧向力必须基本上为零。换句话说，由于空气轴承48在气缸22和32的直径方向(即横向、或推力方向)上具有低的承受作用力的能力，故活塞21和31相对于气缸22和32的轴线方向的线性运动的精确度必须很高。尤其，甚至相比于推高压空气的空气轴承，第一实施例中所采用的利用微小间隙中的气压将物体支承为漂浮状态的空气轴承48在推力方向上具有低的承受作用力的能力。因此，需要活塞的线性运动的较高精确度。

由于上述原因，第一实施例使用活塞/曲柄单元中的输送设备机构(grasshopper mechanism)(线性近似连杆)50。输送设备机构50中所需机构的尺寸小于达到线性运动相同精确度的另一线性近似机构(诸如Watt机构)中所需机构的尺寸。因此，利用输送设备机构50使得设备的总体尺寸更加紧凑。尤其，由于第一实施例的斯特林发动机10固定在有限空间中，例如，由于其加热器47容纳在客车的排气管内部，故设备的紧凑性增加了设计方面的自由度。此外，由于输送设备机构50可实现与其他机构相同的线性运动精确度，该输送设备机构50的机构的重量轻于其他机构所需的重量，由此输送设备机构50在能量效率方面有利。此外，输送设备机构50在其机械构造方面较简单，因此易于配置(制造，或者安装)。

图5是表示斯特林发动机10的活塞曲柄机构的示意性构造的示图。在第一实施例中，活塞/曲柄机构在高温侧动力活塞20侧和低温侧动力活塞30侧具有公共的结构。因此，下文将只描述低温侧动力活塞30侧处的结构，不提供高温侧动力活塞20侧的结构。

如图5和3所示，压缩活塞31的往复运动通过活塞销62、活塞侧杆61、联接销60、连杆109传递至曲轴43，并转换为旋转运动。连杆109由图5所示的输送设备机构(线性近似机构)50支承，并使得低温侧气缸32线性往复移动。因此，当输送设备机构50支承连杆109时，压缩活塞31的侧向力F变得基本上为零。因此，具有低承载能力的空气轴承48可充分支承压缩活塞31。

在上述第一实施例中，斯特林发动机10配置为联接至排气管100，以便使用车辆内燃机的废气作为热源。然而，本发明的斯特林发动机不局限于联接至车辆内燃机的排气管的类型。

在上文中，关于构造、操作和作用描述应用于斯特林发动机活塞的活塞设备的示例。然而，活塞设备可容易地应用于除斯特林发动机活塞以外的外燃机，以及在其他应用中一样地有效。

第一实施例的第一变型

参考图9至11描述第一实施例的第一变型。

如图9所示，流体装置215可具有包括小室(缓冲器)220的两级构造(多级构造)。当配置为两级时，相比于第一实施例的一级装置所承受的压力，流体装置215可承受进入空心部分212的更高的压力。这是因为当流体装置215配置有多级时，逆流时的通道阻力更加小于顺流时的通道阻力，因此，进一步阻止空心部分212中的工作流体从逆流进口部分215b通过连通通道214回流至高温侧气缸22中的工作空间内。

如图10所示，当流体装置215配置有两级时，在两级之间布置有小室220，优选空心部分212侧处的流体装置215-1的连通通道214-1较小，而工作空间侧处的流体装置215-2的连通通道214-2较大。此外，为了提高两级构造的功能，有效地布置两个流体装置215-1和215-2，以便连通通道214-1和214-2的流线彼此偏离。当两个流体装置215-1和215-2的连通通道214-1和214-2的流线彼此偏离时，可提高回流抑制作用。

第一实施例的第二变型

参考图12描述第一实施例的第二变型。

在第二变型中，液压静力漂浮机构可布置在高温侧气缸22侧处。在图12中，附图标记201表示设置在高温侧气缸22中的压力累积室，附图标记202表示连通通道，附图标记203表示用于漂浮的静压供应孔(供气孔)。

连通通道202布置在比活塞21的上止点较高的位置处，并连通高温侧气缸22的工作空间和压力累积室201。连通通道202配置有流体装置204，该流体装置204对于逆流的通道阻力显著大于对于顺流的通道阻力，并不具有活动部分。尤其，流体装置204配置为如下形状，使得当通过连通通道202的工作流体的流向为顺流(即从工作空间侧向压力累积室20 1引导)时通道阻力较小，而当工作流体的流向为逆流(即从压力累积室201被导向工作空间侧)时通道阻力相比于顺流时较大。

多个供气孔203在高温侧气缸22的圆周方向上每隔一定间隔设置。随着活塞21的升高，压缩高温侧气缸22的工作空间中的工作流体，工作流体的压力超过压力累积室201的压力。然后，工作空间中的一部分工作流体从流体装置204的顺流进口部分通过连通通道202引入压力累积室201。由于工作流体通过连通通道202引入压力累积室201，故压力累积室201中的一部分工作流体通过供气孔203排出至活塞21和气缸22之间的间隙。此外，流体装置204抑制当高温侧气缸22的工作空间中的工作流体的压力由于活塞2 1运动而降低时压力累积室201中的工作流体回流至高温侧气缸22中的工作空间。

第二实施例

参考图13至18描述第二实施例。

在第二实施例的以下说明中，将不重复说明与第一实施例公共的部件。

在图13和14中，附图标记301表示高温侧气缸22中的工作空间，附图标记22g表示高温侧气缸22的直径扩大部分，和附图标记3 14表示设置在活塞21中的连通孔(连通通道)。

相似于第一实施例，多个供气孔216在活塞21的活塞主体211的圆周部分(滑动部分)211a的圆周方向上每隔一定间隔布置，该圆周部分(滑动部分)211a靠着高温侧气缸22滑动。在圆周部分211a上，连通高温侧气缸22中的工作空间301和空心部分212的连通通道314形成在比供气孔216的位置高的位置处。

连通通道314布置在如下位置，使得连通通道314只有当活塞21接近上止点(图14)时连通空心部分212和工作空间301，以及使得连通通道314在其他的时间(图13)由高温侧气缸22的壁部分关闭。连通通道314是接近圆周部分211a的上部处的顶面部分811b设置的孔，其朝向并接近高温侧气缸22的内圆周壁部分。

直径扩大部分22g布置在高温侧气缸22的内圆周壁部分的上部处(即形成工作空间301的部分)。直径扩大部分22g是直径相比于另一部分被扩大的部分。连通通道314只有当活塞21接近上止点时位于直径扩大部分22g的高度处，该连通通道314连通空心部分212和工作空间301(图14)，然而，连通通道314在其他时候由处于除高温侧气缸22的直径扩大部分22g以外的部分处的壁部分关闭(图13)。

尤其，在图13所示的状态中，虽然高温侧气缸22的工作空间301中的工作流体的压力由于活塞21的运动而降低，但是连通通道314和高温侧气缸22的内圆周壁部分之间的间隙与供气孔216和高温侧气缸22的内圆周壁部分之间的间隙一样小，由此空心部分212内部的压力几乎不泄漏至外部。

如图14所示，随着活塞21的升高，压缩高温侧气缸22的工作空间301中的工作流体，布置在活塞21中的连通通道314到达直径扩大部分22g的高度。然后，高温侧气缸22的内圆周壁部分和活塞21之间的间隙扩大以便与工作空间301连通。然后，工作空间301中的一部分工作流体通过连通通道314引入空心部分212。随着工作流体通过连通通道314引入空心部分212，空心部分212中的一部分工作流体通过供气孔216排出至活塞21和气缸22之间的间隙。

如上所述，连通通道314布置在相应于活塞主体211的圆周部分211a中的预定高度位置的第一部分处，并用于将工作空间301中压缩的工作流体引入压力累积室212。供气孔216布置在相应于低于活塞主体211的圆周部分211a中的预定高度位置的一个位置的第二部分处，并从压力累积室212延伸至活塞主体211和高温侧气缸22之间的间隙。

如果比较活塞21处于上止点时的状态和活塞21处于下止点时的状态，活塞主体211的圆周部分211a的第一部分和高温侧气缸22之间的间隙配置为活塞21处于上止点时大于活塞21处于下止点时。

如果比较活塞21处于上止点时的状态和活塞21处于下止点时的状态，活塞主体211的圆周部分211a的第二部分和高温侧气缸22之间的间隙配置为在两个状态时具有大约相同的尺寸。当比较活塞主体211的圆周部分211a的第一部分和第二部分时，与高温侧气缸22的间隙配置为当活塞21处于下止点时具有大约相同的尺寸。

当活塞21处于上止点时活塞主体211的圆周部分211a的第一部分面对的高温侧气缸22的内圆周壁部分22g的直径配置为大于当活塞21处于下止点时活塞主体211的圆周部分211a的第一部分面对的高温侧气缸22的内圆周壁部分的直径。

如图4所示，在活塞21和31的上止点和压缩过程中缸内压力的最大值(最大压缩压力)Pmax的位置之间都存在大约45°(曲柄角)的相位差，连通通道314设置为在活塞21和31的上止点附近的45°的范围内(即从上止点沿两个方向的45°，因此为90°的范围)处于打开状态(即图14所示的状态)，以便在空心部分212中保持高压，尤其以便防止空心部分212和工作空间301之间的工作流体的流入/溢出降低效率。

如上所述，活塞主体211的圆周部分211a的第一部分和高温侧气缸22之间的间隙配置为当活塞21在从上止点的±45°范围之内时大于当活塞21在该范围之外时。

由于第二实施例中的连通孔314不具有诸如止回阀(单向阀)中的阀门元件的活动部分，故容易保证可靠性和使用寿命，该元件在设计和构造上不受到限制。

第二实施例的第一变型

参考图15和16，描述第二实施例的第一变型。

如图15和16所示，连通通道315配置有流体装置316，流体装置316对于逆流的通道阻力显著大于对于顺流的通道阻力，并不具有活动部分，与第一实施例相似。尤其，流体装置316配置为如下形状，使得当通过连通通道315的工作流体的流动方向为顺流方向时通道阻力较小，而逆流时的通道阻力显著大于顺流时的通道阻力。

根据第一变型，进一步提高了防止空心部分212和工作空间310之间的工作流体的流入/溢出使效率恶化的效果。

第二实施例的第二变型

参考图17和18描述第二实施例的第二变型。

如图17和18所示，不同于第一变型的流体装置，在第二变型的流体装置317和318中，在形成用于工作空间301的一部分工作流体通过连通通道315流入空心部分212的进口的表面之中的顶面317a和318a形成为平坦表面。因此，当活塞21升高时，流体装置317和318的进口的顶面317a和318a同时整体到达直径扩大部分22g的高度，以便连通工作空间310，由此提高连通通道315与工作空间301连通的周期(即打开周期)的精确度。

第三实施例

参考图19至23描述第三实施例。

在第三实施例的以下说明中，将不重复说明与上述实施例公共的部件。

当如在第一实施例中采用没有操作机构(即活动部分)的流体装置时，虽然其容易保证可靠性和使用寿命，但是空心部分中的累积压力值只在启动时缓慢增加。空气轴承不能在延长的时期内提供足够的作用力以漂浮活塞21(图1)。因此，必须对活塞气缸单元的表面进行特殊硬化处理以保证耐磨损特性。将描述空心部分中的累积压力值在启动时缓慢上升的原因。

如前所述，当采用通道阻力根据流向(即根据其是否为顺流或逆流)显著变化的流体装置时，设备必须设计为每单位时间的引入流量小。这种设计的目的是减小工作空间和压力累积空间之间的运动(流入量/溢出量)，同时保持高的流速。因此，需要几十个周期，累积压力值才会在启动时增加。

因此，在第三实施例中，如图19所示，连同止回阀401一起采用流体装置215，作为将压力引入活塞21的空心部分(压力累积室)212的装置。第一连通通道214和第二连通通道414形成在活塞的顶面部分811b处，以便连通高温侧气缸22的工作空间和空心部分212。第一连通通道214配置有流体装置215，该流体装置215在顺流时具有较小的通道阻力，并在逆流时具有相比于顺流时显著较大的通道阻力。此外，止回阀401接近于第二连通通道414位置处设置在空心部分212中。

止回阀401具有阀门元件(活动部分)402、阀座403、和将阀门元件402推入阀座403的弹簧404。止回阀401只在启动时操作(打开)。当开始正常操作时(当设备进入正常操作范围时)，阀门元件402停止(关闭)以停止止回阀的运行并保持第二连通通道414关闭。

在图20中，附图标记501表示高温侧气缸22的工作空间中的压力，附图标记502表示立刻在启动后累积压力的饱和值PF的变化。如图20和21所示，当相对于工作空间的压力501的平均值(平均压力)Pmean在正向侧上的压力振幅表示为P_+P时，流体装置215的累积压力的饱和值表示为PF，如果止回阀401设计为止回阀401的阀门开启压力设定值Pc满足以下表达式时，止回阀401可以如上所述的作用：

Pc＜P_+P，和

Pc＞(P_+P+PF)，或(Pc+PF)＞P_+P。

当PF小时，例如在启动时，P_+P超过止回阀401的阀门开启压力设定值Pc，止回阀401打开。然后，压力通过第二连通通道414引入空心部分212。当PF增加(当启动后空心部分212的累积压力值增加时)，止回阀401关闭。然后，止回阀401的阀门元件402固定至阀座403并停止运动。

如图22所示，基于弹簧404的作用力和阀座的面积设计止回阀401的阀门开启压力设定值Pc。此外，如果采用簧片阀430，上述功能可通过施加相当于阀门开启压力设定值Pc的残余应力至簧片431(处于就位状态)实现。在图23中，附图标记432表示阀门导管。

根据第三实施例，空心部分212的累积压力值可通过止回阀401和430在启动时(包括立刻在启动后)较早地增加。在空心部分212的累积压力值增加至启动时的预定值后，止回阀401的活动部分402和止回阀430的活动部分431保持停止状态(关闭状态)。因此，相似于第一实施例，不确定性、可靠性和耐用性不会存在显著的问题。

第三实施例的第一变型

参考图22至24描述第三实施例的第一变型。

当止回阀401和430如图22和23所示地布置以便止回阀401和430的活动部分402和431的运动方向与活塞21的垂直方向(加速度方向)一致，以及考虑作用于活动部分402和431上的加速度时，可获得具有比第三实施例更有利的性能的活塞设备。

在图24中，附图标记503表示由作用于止回阀401和430的活动部分402和431上的向上(关闭阀门的方向)的最大加速度(在活塞21处于上止点时施加)所引起的阀门开启压力的上升量。如图24所示，阀门开启压力的上升量503根据斯特林发动机10的转数(rpm)增加。

另一方面，附图标记504表示由作用于止回阀401和430的活动部分402和431上的向下(打开阀门的方向)的最大加速度(在活塞21处于下止点时施加)所引起的阀门关闭压力的上升量。如图24所示，阀门关闭压力的上升量504根据斯特林发动机10的转数增加。

如图24所示，当转数为N1时由作用于止回阀401和430的活动部分402和431上的向上最大加速度所引起的阀门开启压力上升量表示为PA时，其中该转数N1设定为低于正常操作范围，止回阀401和430的活动部分402和431的阀门开启压力Pc’满足以下表达式：

Pc’≤(P_+P-PA)，和

Pc’+PA＜(P_+P-PF)，或Pc’＞(P_+P-PF-PA)。

根据第一变型，止回阀401和430的活动部分402和431的阀门开启压力Pc’可设计为比第三实施例的阀门开启压力设定值Pc小PA量(例如，止回阀401的弹簧404的作用力可设计为较弱)，以便使得止回阀401和430在启动早期容易打开，由此空心部分212的累积压力值可在启动早期的较小周期数期间增加。

在第一变型中，当由作用于活动部分402和431上的向上最大加速度所引起阀门开启压力上升量503根据斯特林发动机10的转数的增加而增加时，止回阀401和430变得难以打开。利用该特性，止回阀401和430可设计为以便使得止回阀401和430的活动部分402和431的阀门开启压力Pc’更低。因此，当斯特林发动机10的转数较小时(在启动早期)，可使止回阀401和430容易地打开，由此空心部分212的累积压力值可在较少的周期数之内增加。

当活塞21处于下止点时，由向下最大加速度所引起的阀门关闭压力的上升量作用于活动部分402和431上。此时，由于高温侧气缸22的工作空间的压力低于空心部分212的压力累积室内的压力，即使止回阀40 1的活动部分402和431的阀门开启压力Pc’设计得低，止回阀401和430也难以打开。即使当斯特林发动机10的转数增加以及由作用于活动部分402和431的向下最大加速度所引起的阀门关闭压力上升量增加时，止回阀401和430也不打开，除非阀门关闭压力的上升量504超过(Pc’+PF-P_-P)。在图24所示的示例中，阀门关闭压力的上升量504不超过附图标记505所示的(Pc’+PF-P_-P)，同时转数不超过3000，因此止回阀401和430在该周期中不打开。

鉴于上述，在第一变型中，阀门关闭压力的上升量504设计为不超过(Pc’+PF-P_-P)505，同时转数为实际操作范围内的预定数。作为另一种选择，可减小止回阀401和430的活动部分402和431的质量，以便相应于转数增加的阀门关闭压力的上升量504更平缓地倾斜，从而阀门关闭压力的上升量504在转数为预定转数的实际操作范围内不超过(Pc’+PF-P_-P)505。

如果希望当活塞21处于下止点时通过阻止由活动部分402和431上的向下最大加速度所引起的阀门关闭压力上升量504的影响而可靠地抑制止回阀401和430的打开，即使止回阀401和431的活动部分402和431的质量较大以及转数增加，止回阀的活动部分的运动方向也可设置为不与活塞21的垂直(加速度)方向一致，如图22所示。

第三实施例的第二变型

参考图25至28描述第三实施例的第二变型。

小室(缓冲器)610和620分别布置在止回阀440和450以及高温侧气缸22的工作空间之间，如图25和26所示。小室610和620通过孔口611和621分别与工作空间连通。在图25中，附图标记441表示止回阀440的弹簧，附图标记442表示引导至压力累积室的连通孔，和附图标记443表示通过其引入工作流体的孔。在图26中，附图标记451和452分别表示止回阀450的阀门元件和弹簧。

图27表示工作空间内的压力501的波动循环随时间(即随着斯特林发动机10的转数的增加)变短。在图28中，附图标记509表示小室610和620中的压力。

如图27所示，随着在启动之后转数增加，工作空间内的压力的波动循环缩短。小室610和620的每一个中的压力的振幅相应于工作空间内的压力波动而减少，高压侧的峰值变得低于阀门开启压力设定值Pc。因此，止回阀440和450固定在关闭状态。

在第二变型中，通过孔口611和621与工作空间连通的小室610和620分别设置在止回阀440和450以及工作空间之间。因此，随着斯特林发动机10的转数的增加(即随着工作空间内的压力的波动循环变短)，止回阀440和450变得难以打开。因此，止回阀440和450可设计为具有低阀门开启压力Pc。因此，当斯特林发动机10的转数小时(在启动早期)，可容易打开止回阀440和450，由此空心部分212的累积压力值可在较少周期中增加。

在第二变型中，即使当不满足关于第三实施例描述的阀门开口压力Pc的设定值的条件时，利用通过孔口611和621与工作空间连通的小室610和620设置在止回阀440和450以及工作空间之间，也能够使止回阀仅在启动时操作以及在正常操作范围内关闭。第二变型可与第三实施例相结合，或者与第三实施例的第一变型相结合。

第四实施例

将描述第四实施例。

在下文中将斯特林发动机描述为活塞式发动机的示例。在以下示例中，安装在车辆上的内燃机的废热例如利用斯特林发动机进行回收。从其中回收废热的对象不局限于内燃机。例如，本发明适用于从工厂、车间、或发电站回收废热。

根据第四实施例的活塞式发动机将工作流体从气缸中的工作空间引至活塞中的空心部分，并将引入的工作流体排出至活塞的圆周部分和气缸之间的空间。活塞式发动机包括加压状态保持单元，该加压状态保持单元在垂直于活塞操作方向的方向上操作，并将工作流体从引入通道的朝空心部分打开的进口开口引入工作流体，以及还阻止工作流体从空心部分回流至气缸。

图29是表示根据第四实施例的活塞式发动机的剖视图。图30是表示根据第四实施例的活塞式发动机的活塞的剖视图。图31是表示设置在根据第四实施例活塞式发动机中的供气孔的前视图。图32是表示加压状态保持单元的视图，即从图30的箭头C所示的方向观看的簧片阀。图33是表示根据第四实施例的处于操作状态的活塞式发动机的视图。在这些附图中，与上述部件公共的部件以相同的或相应的附图标记表示，以及不重复其说明。

高压侧活塞/气缸单元720的活塞721容纳在气缸(高温侧气缸)722中，并在该气缸内部往复运动。低温侧活塞/气缸单元730的活塞731容纳在低温侧气缸732的内部，并在该气缸内部往复运动。由加热器47加热的工作流体流入在加热器47侧的高温侧气缸722中的空间(在下文中为了便于说明，称之为膨胀空间ES)。由散热器45冷却的工作流体流入在再生式换热器(在下文中，简单地称之为再生器)46侧的气缸(低温侧气缸732)中的空间(在下文中为了便于说明，称之为压缩空间PS)。膨胀空间ES和压缩空间PS将统一称为工作空间MS。

下文将参考图30至33详细描述活塞721和731的结构。如图29所示，活塞721和731在尺寸方面不同，但是构造相同。由于根据第四实施例的活塞721和731具有相同的构造，下文将只描述活塞721，将不重复对活塞731的描述。

活塞721包括活塞主体811，形成在活塞主体811中(即活塞721的内部)的空心部分(在下文，称为压力累积室)812，和分隔构件813。在第四实施例中，分隔构件813联接至活塞主体811的折边部分811s处的活塞721的内壁811iw。分隔构件813配置为以便避免用于将活塞721联接至活塞侧杆61的活塞销62，如图30所示。根据上述构造，活塞主体811利用分隔构件813在上部和底部封闭，压力累积室812形成在活塞主体811的内部。折边部分811s比活塞销721(见图29)更接近于曲轴43侧。

活塞主体811包括靠着高温侧气缸722(图29)滑动的圆周部分(滑动部分)811a，和顶面部分811b，该顶面部分811b在活塞主体的活塞顶部811t侧处形成为盖状，并与圆周部分811a成整体(连续)。此外，阀门形成部分818设置在压力累积室812侧处的顶面部分811b中。阀门形成部分818在内部包括引入通道814。引入通道814使高温侧气缸722内部的工作空间MS与压力累积室812连通。引入通道814具有在顶面部分811b中打开的工作流体进口814i，和在压力累积室812中打开的工作流体出口814o。工作流体出口814o具有作为加压状态保持单元的簧片阀815，以便阻止引入的工作流体回流至压力累积室812。

簧片阀815通过作为固定单元的螺钉818s(见图30和32)连同簧片阀门导管819固定至阀门形成部分818。簧片阀815在底侧，换句话说，在折边部分811s侧固定至活塞721。簧片阀815为板状弹性构件，同时例如由薄不锈板(大约0.2mm至0.5mm)制成。优选地，簧片阀815尽可能地轻，以提高操作的响应性。尤其，随着斯特林发动机10的转数的增加，必须提高响应性。

簧片阀815在固定部分815₁(图30，32)处通过螺钉818s固定至阀门形成部分818。因此，簧片阀815成悬臂。操作部分815₂围绕固定部分815₁枢轴旋转以便打开/关闭引入通道814的工作流体出口814o。当簧片阀815配置为悬臂式元件时，可使簧片阀815在沿活塞721的中心轴线Z(在下文中，称为活塞中心轴线)的方向上的长度较短，以及可使簧片阀815在活塞中心轴线Z的方向上长度较小(图30和32)。簧片阀门导管819阻止簧片阀的过多打开以及簧片阀的耐用性的退化。

簧片阀815将通过引入通道814的工作流体的流动限制为从工作空间MS至压力累积室812的方向。当高温侧气缸722中的工作空间MS中的工作流体的压力Pc(工作空间内压力)由于活塞721的运动增加，并超过压力累积室812内部的压力Pp(压力累积室内压力)时，簧片阀815打开，以便将高温侧气缸722的工作空间MS中的工作流体引至压力累积室812。此外，当高温侧气缸722中的工作空间MS的工作空间内压力Pc由于活塞721的运动降低，并变得低于压力累积室内压力Pp时，朝阀门形成部分818推动簧片阀815，以便阻止工作流体从空心部分812回流至高温侧气缸722中的工作空间MS。因此，簧片阀815具有保持加压状态的功能和引入工作流体的功能。

多个供气孔816在圆周方向上每隔一定间隔布置在活塞主体811的圆周部分811a上。如图30和31所示，供气孔816包括孔口816o和放大部分816s。如图33所示，工作流体通过孔口816o并在放大部分816s中扩张，以便排出至高温侧气缸722和内壁722iw之间的间隙。由于放大部分816s具有通过保持从孔口816o排出的工作流体而累积压力的功能，故可使高温侧气缸722的压力接收表面面积在活塞721的启动时更大，以便活塞721由较大的作用力支承而稳定地漂浮。此外，如果活塞721和高温侧气缸722之间的间隙在活塞721的往复运动开始之后发生变化，通过孔口816o调节流量。因此，活塞721和高温侧气缸722之间的间隙可基本上维持在固定水平。

随着活塞721升高，压缩高温侧气缸722的工作空间MS中的工作流体，工作空间内压力Pc变得高于压力累积室内压力Pp。然后，簧片阀815打开。工作空间MS中的一部分工作流体通过引入通道814引入压力累积室812。当工作流体通过引入通道814引入压力累积室812时，压力累积室812的一部分工作流体通过供气孔816排出至活塞721和高温侧气缸722之间的间隙，从而形成空气轴承48。该间隙在尺寸ts方面为大约15微米至30微米。将对作为加压状态保持单元的簧片阀815和簧片阀815所联接的阀门形成部分818进行更详细地描述。

图34是表示根据第四实施例的阀门形成部分的剖视图。图35是联接至根据第四实施例阀门形成部分的簧片阀的剖视图。如图34所示，阀门形成部分818的阀座和与阀座处于相同平面中的阀门联接部分818p平行于活塞中心轴线Z形成，其中簧片阀815固定至阀门形成部分818。引入通道814的工作流体出口814o的开口表面814p平行于阀门联接部分818p和活塞中心轴线Z。活塞中心轴线Z平行于活塞721的运动方向MD(图30)。

由于簧片阀815为上述的板状弹性构件，故当簧片阀815通过螺钉818s固定至阀门形成部分818时，簧片阀815与阀门联接部分818p相接触并关闭引入通道814的工作流体出口814o(图35)。然后，簧片阀815的板表面变得平行于活塞中心轴线Z，即活塞721的运动方向MD。

当工作空间内压力Pc超过压力累积室内压力Pp时，由于Pc和Pp之间的压力差而作用于簧片阀的作用力超过将簧片阀815推至阀门联接部分818p的作用力，簧片阀815运转以便离开阀门联接部分818p。然后，工作流体通过引入通道814并从工作流体出口814o流动至压力累积室812(见图30)。

当工作空间内压力Pc变得低于压力累积室内压力Pp时，由于Pc和Pp之间的压力差而作用于簧片阀的作用力变得低于将簧片阀815推至阀门联接部分818p的簧片阀815的作用力，簧片阀815运转以便朝阀门联接部分818p运动。然后，工作流体出口814o关闭，工作流体朝压力累积室812的流动(见图30)停止。当工作流体出口814o打开/关闭时，簧片阀815在图35所示的箭头X的方向上运动。簧片阀815的运动方向(簧片阀开始运动时的方向)设置为垂直于活塞721的运动方向MD(其平行于活塞中心轴线Z)。下文将描述这种构造的原因。

图36A至36C分别示出活塞位置相对于曲柄角、施加于簧片阀的加速度、和工作空间内压力之间的关系。在斯特林发动机10运行同时，可归因于活塞721的往复运动的加速度施加于簧片阀815。加速度所施加的方向平行于活塞721的运动方向MD(图35)。

当在斯特林发动机10运行的同时活塞721到达TDC(上止点)或BDC(下止点)的位置时，施加于簧片阀815的加速度的绝对值达到其最大值。施加于簧片阀815的加速度在活塞721处于TDC时表示为α_TDC，施加于簧片阀815的加速度当活塞721处于BDC时表示为α_BDC。如图35所示，当活塞721在TDC或者BDC时，作用力F_TDC(＝α_TDC×m)，或F_BDC(＝α_BDC×m)在图35所示的箭头F_TDC或F_BDC的方向上作用于簧片阀815。此时，m表示簧片阀815的质量。在TDC和BDC时作用于簧片阀815的作用力F_TDC和F_BDC的方向平行于活塞721的运动方向，即活塞中心轴线Z的方向。

如图36C所示，在根据第四实施例的斯特林发动机10中，在TDC附近工作空间内压力Pc超过压力累积室内压力Pp，工作流体引入压力累积室812。簧片阀815需要在此时的Pc和Pp之间的压力差下打开。然而，由于此时的压力差较小，故必须设计簧片阀815以便响应于低压进行打开/关闭。

当应用专利文献1所述的技术时，由于止回阀的运动方向平行于可归因于活塞721的往复运动的加速度，如果止回阀设置为在沿打开止回阀的方向施加最大作用力的BDC处不产生故障，则止回阀在TDC处可不打开。尤其当发动机以高转速运行时，这种故障变得突出。因此，利用专利文献1所述的技术难以设置止回阀，以便在TDC处将气态物质引入活塞内部的空间并保持该引入的气态物质直到下一次引入。尤其当发动机以高转速运行时，这种设置基本上不可能。因此，只有当发动机以低转速运行时才可实际应用专利文献1所述的技术。

如上所述，在根据第四实施例的斯特林发动机10中，簧片阀815的板表面平行于活塞721的运动方向MD(即平行于活塞中心轴线Z)。因此，簧片阀815的运动方向垂直于活塞721的运动方向MD(即平行于活塞中心轴线Z的方向)，或者垂直于由于活塞721在TDC或BDC处的往复运动所产生的加速度的方向。

因此，即使当可归因于活塞721的往复运动的加速度施加于簧片阀815时，也不会对簧片阀815的操作产生很多的影响。换句话说，根据簧片阀815的弹性模量、厚度等等确定的簧片阀815的阀门开启压力不受加速度的实际影响。因此，簧片阀815可与加速度无关地打开/关闭。即使当斯特林发动机10以高转速运行时，换句话说，甚至在高加速度下，可靠地操作簧片阀815以在TDC处将气态物质引入活塞内部的空间，并保持气态物质直到下一次引入。

专利文献1所公开的止回阀具有机械操作部分，该机械操作部分利用弹簧施加压力至阀门元件。在这种止回阀中，阀门元件和弹簧在操作时彼此滑动。因此，由活塞的重复往复运动所引起的振动例如在阀门元件和弹簧中产生摩擦磨损，止回阀的耐用性也可能退化。然而，在第四实施例中，仅根据弹性变形操作的簧片阀用作加压状态保持单元，因此该元件在簧片阀操作时不产生滑动。因此，由可归因于活塞的往复运动所引起的摩擦磨损等等显著地减少。因此，可显著地提高加压状态保持单元的耐用性。

此外，在第四实施例中，加压状态保持单元(即簧片阀815)用于具有低振动衰减率的气态物质中。因此，如果加压状态保持单元的操作的运动设置为平行于如专利文献1所公开的技术的可归因于活塞往复运动的加速度的方向，加压状态保持单元由于可归因于加速度变化的振动的影响而共振。然后，如果加压状态保持单元用于具有低振动衰减率的气态物质中，加压状态保持单元容易共振，其原因为其振动几乎没有被衰减。另一方面，由于在第四实施例中加压状态保持单元(即簧片阀815)的操作方向和活塞21的运动方向互相垂直，故加压状态保持单元基本上不受由加速度变化所引起的振动的影响。因此，抑制加压状态保持单元(即簧片阀815)的共振，可实现稳定操作。

在TDC的附近，向上加速度，即朝活塞721的顶面部分811b作用的加速度，施加于簧片阀815，并在TDC处达到其最大值。如前所述，簧片阀815在活塞721的底侧，即折边部分811s侧处，固定至阀门形成部分818(图30)。因此，簧片阀815由TDC附近的加速度向上拉起，且不会弯曲。

另一方面，在BDC的附近，向下加速度，即朝活塞721的折边部分811s的方向作用的加速度，施加于簧片阀815，并在BDC处达到其最大值。如图36C所示，工作空间内压力Pc在BDC处最小。另一方面，由于压力累积室内压力Pp大致恒定，压力累积室内压力Pp和工作空间内压力Pc的压力差ΔP在BDC处达到其最大值。由于在BDC处利用压力ΔP朝阀门形成部分818的阀门联接部分818P推动簧片阀815，故即使在BDC附近向下作用力作用在簧片阀815上，也可阻止簧片阀815弯曲。优选地，加压状态保持单元(即簧片阀815)的操作方向和活塞721的运动方向正好形成90°。然而，制造误差是可容忍的。加压状态保持单元(即簧片阀815)的操作方向和活塞721的运动方向的交叉角可在归因于活塞721往复运动的加速度的影响的可容忍范围内稍微偏离90°。

图37和38A是根据第四实施例活塞的顶面部分的平面图。图38B是表示根据第四实施例的活塞的侧视图。结构体SI(图37)包括阀门形成部分818、簧片阀815和弹簧818s，其优选地布置在活塞721的顶面部分811b的中心部处。换句话说，优选将结构体SI布置在活塞中心轴线Z的附近。

当结构体SI如上所述地布置时，可使如图30所示形成在阀门形成部分818中的引入通道814和多个供气孔816之间的距离相等。然后，当工作空间MS的工作流体通过引入通道814引入压力累积室812时，从多个供气孔816中的每个供气孔排出的工作流体的条件(量、压力)倾向于相同。因此，排出的工作流体在活塞721的圆周方向上偏移至间隙内的可能性较小，可使空气轴承48稳定地工作。

此外，根据结构物体SI与活塞721的重力G的关系，优选将结构物体SI布置在活塞721的中心部处。尤其在第四实施例中，由于采用空气轴承48，活塞721的往复运动的轨道的线性近似很重要。因此，优选的是，当结构物体SI布置在活塞721的顶面部分811b的中心部处时，结构物体SI的重心g的位置与活塞721的重心G尽可能地在垂直于活塞721的运动方向的平面上相吻合，如图38A和38B所示。在图38A中，为了方便起见，将结构物体SI的重心g表示为稍微偏离实际位置。

第四实施例的变型

将描述根据第四实施例的设置在活塞式发动机中的加压状态保持单元的变型。图39A至41B为根据第四实施例的设置在活塞式发动机中的加压状态保持单元的变型的图表。簧片阀815a用作加压状态保持单元并示于图39A和39B中，其布置为以便簧片阀815的固定部分815a₁、815a₁和操作部分815a₂布置在平行于活塞721a的中心轴线的直线Zc上，如图39A所示。簧片阀815a通过螺钉818s在两个位置处固定至阀门形成部分818，该两个位置为活塞721a的顶面部分811b侧和折边部分811s侧。图29A所示的固定部分815a₁、815a₁和操作部分815a₂通过连接部分815a₃连接。

操作部分815a₂覆盖引入通道814的工作流体出口814o，并当工作空间内压力Pc和压力累积室内压力Pp之间的压力差超过簧片阀815a的阀门开启压力时，离开阀门形成部分818运动。簧片阀815a固定在平行于活塞721a的中心轴线的直线Zc上，并在两个位置处固定至阀门形成部分818，该两个位置为活塞721a的顶面部分811b侧和折边部分811s侧。因此，即使当具有活塞721的活塞式发动机以非常高的转速操作以及对簧片阀815a施加大的加速度时，也可抑制簧片阀815a的变形以及可靠地操作簧片阀815a。此外，由于操作部分815a₂的操作量小于第四实施例所述的簧片阀815(图30和35)的操作量，故可排除簧片阀导承819(图30和35)。这种特征可使构造简易以及有助于减轻重量。

作为图40A和40B所示的加压状态保持单元的簧片阀815b布置为以便簧片阀815a的固定部分815b₁和815b₁处于垂直于直线Zc的方向上，该直线Zc平行于活塞721b的中心轴线。簧片阀815b连同簧片阀导承819b(图40B)利用螺钉818s在固定部分815b₁和815b₁的两个位置处固定至阀门形成部分818。固定部分815b1和815b1，以及操作部分815b2通过联接部分815b₃连接。联接部分815b₃布置为以便与直线Zc形成角度θ。

操作部分815b₂覆盖引入通道814的工作流体出口814o，并当工作空间内压力Pc和压力累积室内压力Pp之间的压力差超过簧片阀815b的阀门开启压力时，离开阀门形成部分818运动。簧片阀815b在两个位置处固定至阀门形成部分818。因此，即使当具有活塞721b的活塞式发动机以高转速操作以及对簧片阀815b施加大的加速度时，也可抑制簧片阀815b的变形以及可靠地操作簧片阀815a。簧片阀815b的固定部分815b₁和815b₁布置在垂直于直线Zc的方向上，该直线Zc平行于活塞721b的中心轴线。因此，可使簧片阀815b的尺寸在活塞721b运动的方向上小，因而可使活塞721b的尺寸在运动方向小。

作为加压状态保持单元并示于图41A和41B中的簧片阀815c布置为以便簧片阀815c的固定部分815c₁处于垂直于直线Zc的方向上，该直线Zc平行于活塞721c的中心轴线。簧片阀815c连同簧片阀导承819c(图41B)利用螺钉818s在固定部分815c₁处固定至阀门形成部分818。簧片阀815c为板状构件，该板状构件在平面图中呈矩形，其与固定至固定部分815c₁的端部相对的端部形成操作部分815c₂。

操作部分815c₂覆盖引入通道814的工作流体出口814o，并当工作空间内压力Pc和压力累积室内压力Pp之间的压力差超过簧片阀815c的阀门开启压力时离开阀门形成部分818运动。簧片阀815c在垂直于直线Zc的方向上固定至阀门形成部分818，该直线Zc平行于活塞721c的中心轴线。因此，可使簧片阀815b的尺寸在活塞721c运动的方向上小，以及因而可使活塞721c的尺寸在运动方向小。当具有活塞721c的活塞式发动机以较低转速运转时，簧片阀815c的构造有效。

在根据上述第四实施例和其变型的活塞式发动机中，工作流体从气缸中的工作空间引入至活塞中的空心部分，工作流体排出至活塞的圆周部分和气缸之间的空间，以及活塞式发动机具有在垂直于活塞运动方向的方向上操作的加压状态保持单元。因此，即使当可归因于活塞往复运动的加速度作用在加压状态保持单元上时，基本上不影响加压状态保持单元的操作。因此，可以与加速度无关地操作加压状态保持单元。因此，即使当活塞式发动机以高转速运转时，即即使当作用于加压状态保持单元的加速度较大时，加压状态保持可靠地操作以便在TDC处将气态物质引入活塞内部的空间，以及保持引入的气态物质直到下一次引入气态物质。

在上述示例中，斯特林发动机配置为联接至排气管以便使用车辆内燃机的废气作为热源。然而，本发明的斯特林发动机不局限于联接至车辆内燃机的排气管的类型。在上文中描述了作为斯特林发动机的活塞式发动机的构造、操作和效果。然而，根据实施例的活塞式发动机容易适用于除斯特林发动机以外的活塞式发动机，并执行相同的操作，发挥相同的作用，以及具有相同的有效性。

工业实用性

根据本发明的活塞设备对于不包括活塞环的活塞设备是有效的。根据本发明的活塞设备尤其适用于包括活塞主体内部的压力累积部分和从压力累积部分朝气缸内部排出流体的活塞设备。

Claims (21)

1.一种应用于外燃机的活塞设备，其包括：

活塞主体；

压力累积室，其形成在所述活塞主体的内部；

引入部分，其用于将在所述外燃机的工作空间中压缩的工作介质引入所述压力累积室；和

孔，其形成在所述活塞主体的圆周部分上，并从所述压力累积室通过所述活塞主体延伸至所述外燃机的气缸，其中

所述引入部分布置为使得所述工作介质可以在朝向所述压力累积室的引入方向和所述引入方向的反方向上流动，所述引入部分具有通道阻力，所述反方向上的通道阻力大于所述引入方向上的通道阻力。

2.如权利要求1所述的活塞设备，其中

在所述引入部分中，所述引入方向上的通道阻力和所述反方向上的通道阻力之间的差不基于由诸如阀门元件的移动部分的操作所引起的所述引入部分的通道的通道打开/关闭操作，而是基于所述引入部分的形状。

3.如权利要求1或2所述的活塞设备，还包括：

通道，其用于将在所述工作空间中压缩的所述工作流体引入至所述压力累积室，和

通道打开/关闭单元，其设置在所述压力累积室中，并根据诸如阀门元件的移动部分的操作来打开/关闭所述通道，其中

所述移动部分设置为当所述活塞设备被启动时进行操作，以及在所述活塞设备的正常操作范围中停止操作以便关闭所述通道。

4.如权利要求3所述的活塞设备，其中

设置使所述移动部分执行打开操作所需的压力Pc，以便满足表达式：

Pc＜P_+P和

Pc＞(P_+P-PF)，

其中，P_+P表示相对于所述工作空间的平均压力在较高压力侧处的压力振幅，PF表示由所述引入部分所引起的所述压力累积室的累积压力的饱和值。

5.如权利要求4所述的活塞设备，其中

所述通道打开/关闭单元布置为以便操作中的所述移动部分的移动方向与所述活塞主体的轴线方向基本一致，

设置使所述移动部分执行所述打开操作所需的压力Pc’，以便满足表达式：

(Pc’+PA)＜P_+P和

(Pc’+PA)＞(P_+P-PF)，

其中，PA表示在低于所述活塞设备的正常操作范围中的转数的设定转数处，以施加在所述移动部分上的向上的最大加速度使所述移动部分执行打开操作所需的压力的上升量。

6.如权利要求3至5中的任一项所述的活塞设备，其中

室布置在所述通道打开/关闭单元和所述工作空间之间的通道上，所述室通过孔口与所述工作空间连通，所述工作介质通过所述室。

7.如权利要求1所述的活塞设备，其中

所述活塞主体布置成在所述气缸中往复移动，

所述引入部分为引入通道，和

所述活塞设备还包括加压状态保持单元，该加压状态保持单元在垂直于所述活塞主体的移动方向的方向上操作，以便将所述工作介质从所述引入通道的朝所述压力累积室打开的引入部分开口引入至所述压力累积室，以及以便阻止所述压力累积室中的所述工作介质回流至所述气缸。

8.如权利要求7所述的活塞设备，其中

所述加压状态保持单元为簧片阀，该簧片阀设置有板状弹性体并具有操作部分和固定部分，

所述引入部分开口形成在具有阀门连接部分的阀门形成部分中，该阀门连接部分为平行于所述活塞主体的移动方向的平面，所述簧片阀的所述固定部分连接至所述阀门连接部分，所述引入部分开口由所述操作部分打开/关闭。

9.如权利要求8所述的活塞设备，其中

所述簧片阀的所述固定部分和所述操作部分布置在平行于所述活塞主体的移动方向的直线上。

10.如权利要求8或9所述的活塞设备，其中

所述簧片阀的所述固定部分布置在所述活塞主体的上表面侧和折边侧，所述簧片阀在所述活塞主体的所述上表面侧和所述折边侧处固定至所述阀门连接部分。

11.如权利要求8或9所述的活塞设备，其中

所述簧片阀的所述固定部分布置在所述活塞主体的折边侧，所述簧片阀在所述活塞主体的所述折边侧处固定至所述阀门连接部分。

12.如权利要求8或9所述的活塞设备，其中

所述簧片阀的所述固定部分布置在与所述活塞主体的移动方向交叉的直线上的所述活塞主体的上表面侧和折边侧，所述簧片阀在所述活塞主体的所述上表面侧和所述折边侧处固定至所述阀门连接部分。

13.如权利要求8或9所述的活塞设备，其中

所述簧片阀的所述固定部分布置在垂直于所述活塞主体的移动方向的方向上，所述簧片阀在垂直于所述活塞主体的移动方向的方向上固定至所述阀门连接部分。

14.如权利要求7至13中的任一项所述的活塞设备，其中

所述引入通道、所述引入部分开口、所述加压状态保持单元布置在所述活塞主体的所述上表面部分的中心部分处。

15.一种斯特林发动机，其包括：

如权利要求1至14中的任一项所述的活塞设备，和

气缸。

16.一种外燃机，其包括：

活塞设备；和

气缸，其中

所述活塞设备包括

活塞主体，

压力累积室，其形成在所述活塞主体的内部，

引入部分，其布置在第一部分中，并用于将在所述外燃机的工作空间中压缩的工作介质引入所述压力累积室，该第一部分对应于所述活塞主体的圆周部分中的预定高度位置，和

孔，其布置在第二部分中，并从所述压力累积室延伸至所述活塞主体和所述气缸之间的间隙，该第二部分对应于低于所述活塞主体的圆周部分中的预定高度位置的位置，和

所述活塞主体的所述圆周部分中的所述第一部分和所述气缸之间的间隙的尺寸设置成，所述活塞设备处于上止点时的该间隙尺寸大于所述活塞设备处于下止点时的该间隙尺寸。

17.如权利要求16所述的外燃机，其中

所述活塞主体的所述圆周部分中的所述第二部分和所述气缸之间的间隙的尺寸设置成，所述活塞设备处于上止点时的该间隙尺寸和所述活塞设备处于下止点时的该间隙尺寸基本上相同，和

当所述活塞设备处于下止点时，所述第一部分和所述气缸之间的间隙尺寸与所述活塞主体的所述圆周部分中的所述第二部分和所述气缸之间的间隙尺寸基本上相同。

18.如权利要求16或17所述的外燃机，其中，

当所述活塞设备处于上止点时所述活塞主体的所述圆周部分的所述第一部分面向的所述气缸的内圆周壁部分的直径设置为大于当所述活塞设备处于下止点时所述活塞主体的所述圆周部分的所述第一部分面向的所述气缸的内圆周壁部分的直径。

19.如权利要求16至18中的任一项所述的外燃机，其中

所述外燃机为α型斯特林发动机，和

所述活塞主体的所述圆周部分中的所述第一部分和所述气缸之间的间隙尺寸设置为，所述活塞设备在上止点的±45°的范围内时的该间隙尺寸大于所述活塞设备在所述范围之外时的该间隙尺寸。

20.如权利要求16至19中的任一项所述的外燃机，其中

所述引入部分的上表面以平坦形状形成，以便所述整个上表面具有大约相同的高度。

21.一种活塞式发动机，其包括：

活塞，其在气缸中执行往复移动；

形成在所述活塞的内部的空心部分；

引入通道，其使所述气缸中的工作空间与所述空心部分连通，并将所述工作空间中的工作流体引入所述空心部分；

加压状态保持单元，其在垂直于所述活塞的移动方向的方向操作，并从所述引入通道的朝所述空心部分的内部打开的引入部分开口引入所述工作流体，并阻止所述工作流体从所述空心部分回流至所述气缸；和

多个供气孔，其布置在所述活塞的圆周部分上，并将所述空心部分中的工作流体排出至所述活塞的所述圆周部分和所述气缸之间的空间。

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