CN102245888B

CN102245888B - 活塞的气体润滑结构及斯特林发动机

Info

Publication number: CN102245888B
Application number: CN200980149954.6A
Authority: CN
Inventors: 矢口宽; 泽田大作; 片山正章
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: EP2357348A1; JPWO2010067728A1; CN102245888A; US8763514B2; US20110197755A1; EP2357348A4; JP5110173B2; WO2010067728A1; EP2357348B1

Abstract

气体润滑结构(1A)具备：高温侧气缸(22)；在与高温侧气缸(22)之间进行气体润滑的膨胀活塞(21A)；设置在膨胀活塞(21A)的外周面，并由线膨胀系数比膨胀活塞(21A)的基材高且具有柔软性的材料形成的层(60)。常温下的层(60)的厚度为在层(60)和高温侧气缸(22)之间形成的间隙的大小以上。常温下的层(60)的厚度为即使存在在使用条件下产生的热膨胀也能够在层(60)和高温侧气缸(22)之间形成间隙的厚度。

Description

活塞的气体润滑结构及斯特林发动机

技术领域

本发明涉及活塞的气体润滑结构及斯特林发动机，特别是涉及具备在与气缸之间进行气体润滑的活塞的活塞的气体润滑结构、及具备该活塞的气体润滑结构的斯特林发动机。

背景技术

近年来，为了回收搭载在乘用车及公交车、卡车等车辆上的内燃机的废热、工厂废热，逐渐关注理论热效率优良的斯特林发动机。斯特林发动机可期待高的热效率，并且，由于为从外部加热工作流体的外燃机，因此无论热源如何，都能够有效利用太阳能、地热、废热之类的各种低温度差替代能量，存在有利于节省能源的优点。使用斯特林发动机回收内燃机等的废热的情况下，需要尽可能地降低滑动部的摩擦而提高废热的回收效率。与此相对，例如专利文献1、2中，公开了在活塞和气缸之间形成气体轴承而降低两者的摩擦并且通过使用了蚱蜢机构的近似直线机构来支承活塞的斯特林发动机。

此外，作为认为与本发明相关联的技术，例如专利文献3至6公开了在活塞上设置树脂的技术。专利文献3至5的公开技术以降低滑动接触的气缸、活塞间的摩擦为目的而设置树脂。专利文献6的公开技术是以作为缓冲材料起作用为目的而设置树脂。

专利文献1：日本特开2006-183566号公报

专利文献2：日本特开2005-106009号公报

专利文献3：日本特开昭61-135967号公报

专利文献4：日本特开2006-161563号公报

专利文献5：日本特开平5-1620号公报

专利文献6：日本特开平6-93927号公报

发明内容

在活塞与气缸之间进行气体润滑时，存在异物侵入气缸、活塞间的间隙并且侵入的异物成长的情况。具体而言，例如斯特林发动机的情况下，有时残留在热交换器内的金属片等异物在发动机运转时侵入间隙并成长。并且异物介于气缸、活塞间时，因夹着异物的活塞的滑动而导致面压变高，因此发生异物的凝固附着，其结果是，存在有可能导致性能降低的方面的问题。

为了防止异物的侵入，也考虑例如预先除去异物即可。然而，例如斯特林发动机的情况下，有时难以预先从热交换器完全除去侵入进行气体润滑的数十μm左右的气缸、活塞间的间隙的微小异物。另外，即使能够除去异物，由于例如有在发动机运转中微小的金属片从内置金属丝网的热交换器剥落的情况，因此也存在不能应对上述问题的情况。

因此，本发明鉴于上述情况而做出，其目的在于，提供一种活塞的气体润滑结构、及具备该活塞的气体润滑结构的斯特林发动机，该活塞的气体润滑结构能够抑制在进行气体润滑时异物侵入在活塞与气缸之间形成的间隙，另外即使在侵入的异物成长的情况下也能够抑制凝固附着的产生，因此能够大幅提高对于异物的耐性。

用于解决上述课题的本发明为一种活塞的气体润滑结构，具备：气缸；活塞，在所述活塞与所述气缸之间进行气体润滑；及设置在所述活塞的外周面，并由线膨胀系数比所述活塞的基材高且具有柔软性的材料形成的层。

另外，本发明中，优选常温下的所述层的厚度为在所述层和所述气缸之间形成的间隙的大小以上。

另外，本发明中，优选常温下的所述层的厚度为即使存在在使用条件下产生的热膨胀也能够在所述层和所述气缸之间形成间隙的厚度。

另外，本发明中，优选，所述活塞为具备扩径部和缩径部的阶梯式活塞，所述扩径部设有所述层并且在所述扩径部与所述气缸之间进行气体润滑，所述缩径部设于所述扩径部之上。

另外，本发明中，优选所述活塞的厚度中，至少所述扩径部的壁厚较薄。

另外，本发明中，优选所述活塞在内部具备鼓状的加强部件，该加强部件具有两个圆锥台形的组合并连接所述活塞的上部和下部。

另外，本发明为一种斯特林发动机，具备：技术方案1至6中任意一项所述的活塞的气体润滑结构；及与所述活塞连结并支承所述活塞的近似直线机构。

另外，本发明中优选所述活塞为高温侧活塞。。

发明效果

根据本发明，能够抑制在进行气体润滑时异物侵入活塞与气缸之间形成的间隙，并且即使在侵入的异物成长的情况下也能够抑制凝固附着的产生，因此能够大幅提高对于异物的耐性。

附图说明

图1是示意性表示斯特林发动机10A的图。

图2是示意性地表示活塞/曲柄部的概略构成的图。

图3是放大半径间隙周边部分而示意性表示的图。

图4是示意性表示由热膨胀引起的层60的厚度变化的图。

图5是根据热膨胀前后的温度差ΔT对每个不同的线膨胀系数差Δα表示热膨胀后的金属部半径间隙H’的图。

图6是在截面上示意性地表示气体润滑结构1C的图。

图7是在截面上示意性地表示气体润滑结构1D的图。

图8是在截面上示意性地表示气体润滑结构1E的图。

具体实施方式

以下，结合附图详细说明用于实施本发明的方式。

实施例1

图1是示意性表示具备活塞的气体润滑结构(以下仅称为气体润滑结构)1A的斯特林发动机10A的图。斯特林发动机10A是α型(2活塞形)的斯特林发动机，具备直列并行配置的高温侧气缸20A及低温侧气缸30。高温侧气缸20A构成为具有膨胀活塞21A和高温侧气缸22，低温侧气缸30构成为具有压缩活塞31和低温侧气缸32。压缩活塞31设有相位差以相对于膨胀活塞21A以曲柄角计延迟90°左右而移动。

高温侧气缸22的上部空间为膨胀空间。向膨胀空间流入由加热器47加热后的工作流体。加热器47在本实施例中具体而言配置在搭载于车辆上的汽油发动机的排气管100的内部，工作流体利用从废气回收的热能被加热。

低温侧气缸32的上部空间为压缩空间。向压缩空间流入由冷却器45冷却后的工作流体。

再生器46在与在膨胀空间、压缩空间之间往复的工作流体之间进行热的交换。再生器46具体而言，在工作流体从膨胀空间向压缩空间流动时从工作流体接受热，在工作流体从压缩空间向膨胀空间流动时向工作流体放出蓄积的热。

对于工作流体适用空气。但是不限于此，对于工作流体可以适用例如He、H₂、N₂等气体。

接着，对斯特林发动机10A的动作进行说明。通过加热器47加热工作流体时，膨胀而压下膨胀活塞21A，由此进行驱动轴111的转动。接着膨胀活塞21A向上升行程移动时，工作流体通过加热器47而被转移至再生器46，在此放出热而流向冷却器45。由冷却器45冷却的工作流体流入压缩空间，进而伴随压缩活塞31的上升行程而被压缩。这样被压缩的工作流体此次从再生器46获取热并使温度上升而流入加热器47，在此再次加热膨胀。即，通过所述工作流体的往复流动而斯特林发动机10A动作。

在本实施例中斯特林发动机10A的热源为车辆的内燃机的废气，因此获得的热量存在制约，需要在该获得的热量的范围内使斯特林发动机10A动作。因此在本实施例中，尽可能减少斯特林发动机10A的内部摩擦。具体而言，为了消除斯特林发动机10A的内部摩擦中摩擦损失最大的活塞环导致的摩擦损失，而在气缸22、32和活塞21A、31之间进行气体润滑。

在气体润滑中利用在气缸22、32和活塞21A、31之间的微小间隙产生的空气的压力(分布)，形成使活塞21A、31在空中浮起的情形。气体润滑由于滑动阻力极小，因此能够使斯特林发动机10A的内部摩擦大幅降低。在实现使物体在空中上浮的气体润滑时，在本实施例中具体而言进行静压气体润滑。静压气体润滑是指使加压流体喷出，利用产生的静压使物体(本实施例中为活塞21A、31)上浮的气体润滑方式。加压流体在本实施例中为工作流体，工作流体被导入到膨胀活塞21A的内部，并且从多个给气孔(省略图示)喷出，所述给气孔从膨胀活塞21A的内部贯通至外周面而设置。气体润滑不限于静压气体润滑，例如也可以为动压气体润滑。

本实施例中，进行气体润滑的气缸22、32和活塞21A、31之间的间隙为数十μm。并且在该间隙中夹有斯特林发动机10A的工作流体。活塞21A、31分别在通过气体润滑而不与气缸22、32接触的状态、或能够允许的接触状态下被支承。因此在活塞21A、31的周围不设置活塞环，另外一般也不使用与活塞环一起使用的润滑油。在气体润滑中，通过微小间隙分别保持膨胀空间、压缩空间的气密，通过无环密封且通过无油密封进行间隙密封。

进而，活塞21A、31和气缸22、32均为金属制，在本实施例中具体地说适用对应的活塞21A、31及气缸22、32彼此线膨胀系数相同的金属(在此为SUS)。由此，即使发生热膨胀，也能够维持适当的间隙而进行气体润滑。

在气体润滑的情况下，由于负荷能力较小，因此实质上必须使活塞21A、31的侧向力为零。即，由于在进行气体润滑时耐受气缸22、32的直径方向(横方向，推力方向)的力的能力(耐压能力)降低，因此需要活塞21A、31相对于气缸22、32的轴线的直线运动精度较高。

因此，在本实施例中在活塞/曲柄部采用蚱蜢机构50作为近似直线机构。在近似直线机构中除了蚱蜢机构50外，例如还有瓦特机构，但蚱蜢机构50与其他的近似直线机构相比，为了获得相同的直线运动精度而需要的机构的尺寸较小，因此能获得装置整体紧凑化的效果。特别是本实施例的斯特林发动机10A中，由于设置在汽车的底板这样的有限的空间内，因此装置整体紧凑化的情况下设置的自由度增加。另外蚱蜢机构50为了获得相同的直线运动精度而需要的机构的重量比其他机构轻，因此在燃耗这一点上有利。进而由于蚱蜢机构50的机构构成比较简单，因此还具有容易构成(制造/组装)这一优点。

图2是示意性地表示斯特林发动机10A的活塞/曲柄部的概略构成的图。活塞/曲柄部中采用在高温侧气缸20A侧和低温侧气缸30侧共通的构成，因此在以下，仅对高温侧气缸20A侧进行说明，对低温侧气缸30侧省略说明。膨胀活塞21A的往复运动由连杆110传递至驱动轴111，在此变换为旋转运动。连杆110被蚱蜢机构50支承，使膨胀活塞21A直线状往复运动。这样，利用蚱蜢机构50支承连杆110，由此膨胀活塞21A的侧向力F几乎为零，因此即使是进行负荷能力较小的气体润滑的情况下也能够充分地支承膨胀活塞21A。

存在在冷却器45、再生器46、加热器47等热交换器内残留有制造时未完全除去的微小金属片等异物的情况。另外，还存在在发动机运转中微小的金属片作为异物从内置金属丝网的再生器46剥落的情况。有时，所述异物在斯特林发动机10A的动作时，与工作流体一起流入膨胀空间、压缩空间，进而侵入活塞21A、31和气缸22、32间的间隙，成长而凝固附着。与此相对，在斯特林发动机10A中，由于变为高温，因此需要考虑热膨胀、温度的影响，难于管理间隙。作为在该高温环境下的凝固附着对策，在膨胀活塞21A的外周面(例如与高温侧气缸22的壁面相对的面)设置有层60。气体润滑结构1A通过膨胀活塞21A、高温侧气缸22及层60实现。本发明的层60希望设置在膨胀活塞21A的整个外周面，但也可以设置在膨胀活塞21A的外周面的任意部分。另外，本发明的层60也可以设置在高温侧气缸22壁面的任意部分。

图3是放大在活塞与高温侧气缸22之间形成的间隙(以下也称为半径间隙)的周边部分而示意性地表示的图。具体而言，在图3中，图3(a)表示热膨胀前的状态(常温T₀时的状态)，图3(b)表示热膨胀后的状态(最高使用温度T₁时的状态)。在此，h表示半径间隙、H表示金属部半径间隙、t表示层60的厚度、D表示高温侧气缸22的内径、d表示膨胀活塞21A的基材外径、αc表示高温侧气缸22的材料的线膨胀系数、αp表示膨胀活塞21A的材料的线膨胀系数、αr表示层60的材料的线膨胀系数。另外“’”表示热膨胀后的情况。另外，由于工作流体的温度从大气温度(例如-40℃)至数百℃(例如400℃)进行变化，因此常温T₀为例如-40℃、最高使用温度T₁为例如400℃。

层60通过涂敷树脂而设置。树脂为线膨胀系数比金属制的膨胀活塞21A的基材高(αr＞αp)、且具有柔软性的材料。树脂在本实施例中具体而言为氟系的树脂。由于一般树脂的线膨胀系数比金属高4倍至10倍左右，因此存在难于在半径间隙为数十μm程度的膨胀活塞21A的外周面适用树脂的情况。层60的线膨胀系数为能够根据温度上升而使在活塞与高温侧气缸22之间形成的间隙较小的线膨胀系数。

常温T₀下的层60的厚度为半径间隙的尺寸以上(t≥h)。具体而言在本实施例中层60的厚度t为50μm，半径间隙的大小h为20μm。即本实施例中，层60的厚度进而为半径间隙的大小的2倍以上。所述层60的厚度通过数次重复涂敷树脂而实现。

进而常温T₀下的层60的厚度为即使存在在使用条件下产生的热膨胀，也可维持在活塞与高温侧气缸22之间形成的间隙的厚度。具体而言层60的厚度t设定为下述式1表示的范围内。

t≤h/{(1+4ν)(αr-αc)ΔT}…(式1)

在此，ν为泊松比、ΔT为常温T₀和最高使用温度T₁之间的温度差。

对膨胀活塞21A和高温侧气缸22，适用了如上所述线膨胀系数相同的金属(在此为SUS)(αp＝αc)。因此，金属部半径间隙在热膨胀前后几乎不变化(H≒H’)，另一方面，线膨胀系数比金属高的层60的厚度在热膨胀后变大(t＜t’)，因此半径间隙在热膨胀后变小(h＞h’)。

另一方面，可侵入半径间隙的异物的大小基本上限于比常温T₀时的半径间隙h小的异物，例外地，假想层60与高温侧气缸22接触的状态而最大为半径间隙的大小的2倍(2h)左右。

并且，即使是所述异物侵入半径间隙而夹在膨胀活塞21A(更正确地说为层60)及高温侧气缸22之间的情况下，夹着的异物例如在热膨胀时因层60的柔软性而侵入层60而被捕集。并且，进而在之后的发动机运转中，膨胀活塞21A(更正确地说为层60)在接近高温侧气缸22、或根据情况而与高温侧气缸22接触时，埋收于具有柔软性的层60。由此，防止因夹着的异物而使面压变高，因此能够防止产生凝固附着。

另外，即使在侵入的异物彼此结合而成长的情况下，也能够允许异物的侵入、成长直至异物的尺寸达到将半径间隙h和层60的厚度t相加而得到的大小(h+t)。

另外，层60通过作为具有固体润滑功能的材料的氟系树脂形成，因此也防止了起因于层60本身而产生凝固附着。

这样气体润滑结构1A及斯特林发动机10A中，异物侵入半径间隙，另外即使是已经成长的情况下，也能够抑制发生凝固附着，因此能够大幅提高相对于异物的耐性。

为了通过不伴随滑动摩擦而大幅降低内部摩擦而进行气体润滑。因此，具有固体润滑功能的氟系树脂不是以降低滑动摩擦为目的而被选定的。

另外，以下，对式1的导出方法进行详述。

在对层60没有约束的情况下，厚度t的整个方向的热膨胀t”由下式2表示。

t”＝(1+αr×ΔT)×t…(式2)

但是，实际上周方向和高度方向的延伸受到膨胀活塞21A的基材的延伸的制约。膨胀活塞21A的基材的延伸tp由下式3表示。

tp＝(1+αc×ΔT)×t…(式3)

其中，αc＝αp。

接着考虑层60的被制约的延伸。图4是示意性地表示因热膨胀引起的层60的厚度变化的图。如图4(b)所示，层60的周方向的延伸与高度方向的延伸被膨胀活塞21A的基材抑制。然后考虑将被抑制的量的全部热膨胀容积变换为厚度方向。其结果，认为层60的厚度方向的延伸如图4(a)所示在热膨胀的基础上进而延伸Δt’。因此，假设被制约的延伸量的容积全部置换为厚度方向时的厚度的变化量Δt’由下面的式4表示。

Δt’＝{(t”²-tp²)/tp²}×t”

＝[{(1+αr×ΔT)²-(1+αc×ΔT)²}

/(1+αc×ΔT)²]×t”…(式4)

另一方面，最终的热膨胀后的厚度t’由下面的式5表示。

t’＝t”+Δt’…(式5)

将式2和式4代入式5后成为式6。

t’＝{(1+αr×ΔT)²/(1+αc×ΔT)²}×t”

＝{(1+αr×ΔT)³/(1+αc×ΔT)²}×t…(式6)

在此，使热膨胀后的半径间隙h’为零以上时，热膨胀后的金属部半径间隙H’和厚度t’之间的关系由下面的式7表示。

H’≥t’…(式7)

另外，热膨胀后的金属部半径间隙H’由下面的式8表示。

H’＝(1+αc×ΔT)×H…(式8)

将式6和式8代入式7并进行整理后变为式9。

H/t≥(1+αr×ΔT)³/(1+αc×ΔT)³

＝[1+(αr-αc)×ΔT/(1+αc×ΔT)]³

≒1+3(αr-αc)×ΔT/(1+αc×ΔT)…(式9)

另外，金属部半径间隙H由下面的式10表示。

H＝h+t…(式10)

使用式10整理式9后，变为下面的式11。

t≤(1+αc×ΔT)×h/{3(αr-αc)×ΔT}

＝h/{3(αr-αc)×ΔT}…(式11)

在此，式11为泊松比ν＝0.5时(例如水)的情况。因此，作为固体的情况下将泊松比ν代入式11后能够导出式1。

t≤h/{(1+4ν)(αr-αc)ΔT}…(式1)

实施例2

本实施例的斯特林发动机10B代替气体润滑结构1A而具备气体润滑结构1B，除此之外为与斯特林发动机10A实质上相同的结构。气体润滑结构1B代替膨胀活塞21A而具备膨胀活塞21B，除此之外为与气体润滑结构1A实质上相同的结构。膨胀活塞21B与高温侧气缸22的材料不同，除此之外为与膨胀活塞21A实质上相同的结构。因此，在本实施例中对气体润滑结构1B及斯特林发动机10B省略图示。

对于膨胀活塞21B的材料能够适用如下材料，即膨胀活塞21B和高温侧气缸22的线膨胀系数之差即使在使用条件下产生热膨胀也处于能够形成半径间隙的差的范围内的材料。具体而言，对于膨胀活塞21B的材料能够适用如下材料，即膨胀活塞21B和高温侧气缸22的线膨胀系数差Δα为5×10^-6[1/k]以下的材料。所述数值如下所述计算出。

图5是根据热膨胀前后的温度差ΔT对每个不同的线膨胀系数差Δα表示热膨胀后的金属部半径间隙H’的图。在此，算出适当的线膨胀系数差Δα时，判断为膨胀活塞21B及高温侧气缸22的公差的界限分别为0.005mm以下，使在常温下气体润滑所需要的金属部半径间隙H为d/1000mm以下(H≤d/1000)，使在热膨胀后所需要的金属部半径间隙H’为0.01mm(H’≤0.01)。进而作为假想适用的活塞，设最小的活塞的直径为40mm(d＝40)。因此，初始的金属部半径间隙为0.04mm(H＝0.04)。高温侧气缸22的材质为SUS，线膨胀系数之差Δα为Δα＝αc-αp，且αc＜αp。

如图5所示，根据上述条件，作为初始的金属部半径间隙的0.04mm和作为热膨胀后所需的金属部半径间隙的0.01mm之间的区域为高温侧使用范围。可知，与此相对，通过相同的热膨胀后的金属部半径间隙进行比较时，若使线膨胀系数差Δα从25×10^-6mm减小，则能够确保更大的温度差ΔT。然而，即使设定线膨胀系数差Δα为10×10^-6的情况下，热膨胀后的金属部半径间隙在温度差ΔT为100℃时为0mm，作为高温侧使用范围，温度差ΔT在75℃左右成为界限。另一方面，在斯特林发动机10B中，约400℃的高温的工作流体与膨胀活塞21B的顶面接触，温度差ΔT至少超过75℃，因此线膨胀系数差Δα为10×10^-6是不合适的。

与此相对，线膨胀系数差Δα为5×10^-6的情况下，可知，在温度差ΔT达到200℃之前金属部半径间隙不为0mm，而在温度差ΔT达到150℃之前能够使用。关于这一点，金属部半径间隙附近的最高使用温度需要抑制为也考虑了层60的耐热温度(例如260℃)的温度，若温度差ΔT为150℃，则能够将层60的温度抑制为耐热温度以下。另外，如果温度差ΔT为150℃，则通过抑制金属部半径间隙附近的最高使用温度，成为充分考虑了能够使用的可能性的温度差。因此，线膨胀系数差ΔT优选为5×10^-6[1/k]以下。

根据这样具备不同材料的膨胀活塞21B和高温侧气缸22的气体润滑结构1B及斯特林发动机10B，即使膨胀活塞21B和高温侧气缸22的材料不同的情况下，气体润滑结构1A及斯特林发动机10也能够获得同样的作用效果。

在本实施例中对具备膨胀活塞21B和高温侧气缸22的斯特林发动机10B的情况进行了详述，但对于本发明的活塞和气缸也可以适用适当的材料。

实施例3

本实施例的斯特林发动机10C代替气体润滑结构1A而具备气体润滑结构1C，除此之外与斯特林发动机10A实质上相同。气体润滑结构1C代替膨胀活塞21A而具备膨胀活塞21C，除此之外与气体润滑结构1A实质上相同。图6是通过膨胀活塞21C的温度分布的曲线图和截面来示意性地表示气体润滑结构1C的图。膨胀活塞21C在外周面上部具备未设置层60的温度降低区域。温度降低区域在本实施例中进一步具体地说为直径比外周面下部(在此具体而言为裙部)的直径缩小的缩径部21aC。结果，膨胀活塞21C为阶梯式活塞。

在碰到膨胀活塞21C的裙部的扩径部21bC上设置有层60。关于这一点，虽然也能够将层60设置在高温侧气缸22上，但为了抑制凝固附着的产生，需要在膨胀活塞21C的整个可动范围上设置层60。然而，该情况下，不能避免层60和高温的工作流体的接触。因此，在本实施例中，在膨胀活塞21C的扩径部21bC上设置有层60。膨胀活塞21C中的扩径部21bC处，在与高温侧气缸22之间进行气体润滑。

在膨胀活塞21C中，使扩径部21bC的壁厚较薄。进而在膨胀活塞21C中，以残留顶面的形式将头部设置成中空而形成有底圆筒状，并且使温度降低区域(缩径部21aC)的厚度较薄。薄壁化优选尽可能地使壁厚薄，在本实施例中，对膨胀活塞21C进行薄壁化直至需要加强的程度为止。

因此，与此相对应，膨胀活塞21C具有两个圆锥台形的组合，在内部还具备连接膨胀活塞21C的上部和下部的鼓状的加强部件70。加强部件70中，上方的部分与膨胀活塞21C形成一体，下方的部分通过焊接设置。加强部件70的壁厚较薄。温度降低区域(缩径部21aC)、扩径部21bC及加强部件70的形状在膨胀活塞21C的中心轴线上为大致对称的形状。

在斯特林发动机10C中，通过设置温度降低区域，能够降低从膨胀活塞21C的顶面向扩径部21bC的传热Q1。

另外，通过使温度降低区域为缩径部21aC，而能够允许金属露出的缩径部21aC的热膨胀。即，由此能够防止在金属露出的缩径部21aC发生异物的凝固附着。另外，由此，能够使沿温度降低区域的轴线的方向的长度缩短，并使温度降低区域的尺寸变小。

另外，通过使温度降低区域(缩径部21aC)和扩径部21bC的壁厚较薄，能够降低传热Q1。另外，由此，能够使沿温度降低区域的轴线的方向的长度缩短，并使温度降低区域的尺寸变小。

另外，由于具备加强部件70，相对于使温度降低区域(缩径部21aC)、扩径部21bC的壁厚较薄的情况，能够确保刚性。

进而，通过使加强部件70的壁厚较薄，能够降低从通过加强部件70的膨胀活塞21C的顶面向扩径部21bC的传热Q2。

并且，由此如温度分布的曲线图所示，能够将设置有层60的部分(在此为扩径部21bC)的活塞温度抑制为耐热温度(在此为260℃)以下。另外，由此能够使膨胀活塞21C轻量且结构紧凑。

进而，在斯特林发动机10C中，通过使温度降低区域(缩径部21aC)、扩径部21bC及加强部件70的形状在膨胀活塞21C的中心轴线上为大致对称的形状，能够使膨胀活塞21C的热变形均匀。由此，也能够防止由于热变形导致的恶劣影响波及气体润滑。

这样，在气体润滑结构1C及斯特林发动机10C中，与气体润滑结构1A及斯特林发动机10A进行比较，能够进一步将设置了层60的部分的活塞温度抑制为耐热温度以下等。

上述的实施例为本发明的优选实施例。但不限于此，在不脱离本发明的主旨的范围内可进行各种变形实施。

例如在实施例3中，以残留膨胀活塞21C的顶面的形式使头部为中空而形成有底圆筒状，并且设置有缩径部21aC，但也可例如图7所示的气体润滑结构1D这样，实现没有特别使头部为中空而设置的缩径部21aD。另外，薄壁化也可以例如图8所示的气体润滑结构1E这样，仅对于扩径部21bE的厚度进行。

另外，在上述实施例中，对在膨胀活塞21上设置有层60的斯特林发动机10的情况进行了详述，单对于技术方案7记载的本发明，层也可以设置在作为低温侧活塞的压缩活塞上。

另外，本发明的气体润滑结构适于斯特林发动机，但其应用不一定限于斯特林发动机，本发明的斯特林发动机不限于安装在车辆的内燃机的排气管上的形式。

标号说明

1气体润滑结构

10斯特林发动机

20高温侧气缸

21膨胀活塞

22高温侧气缸

30低温侧气缸

45冷却器

46再生器

47加热器

50蚱蜢机构

60层

70加强部件

100排气管

110连杆

111驱动轴

Claims

1.一种活塞的气体润滑结构，具备：

气缸；

活塞，在所述活塞与所述气缸之间进行气体润滑；及

设置在所述活塞的外周面，并由线膨胀系数比所述活塞的基材高且具有柔软性的材料形成的层。

2.如权利要求1所述的活塞的气体润滑结构，其特征在于，

常温下的所述层的厚度为在所述层和所述气缸之间形成的间隙的大小以上。

3.如权利要求1所述的活塞的气体润滑结构，其特征在于，

常温下的所述层的厚度为即使存在在使用条件下产生的热膨胀也能够在所述层和所述气缸之间形成间隙的厚度。

4.如权利要求1所述的活塞的气体润滑结构，其特征在于，

常温下的所述层的厚度为在所述层和所述气缸之间形成的间隙的大小以上，且为即使存在在使用条件下产生的热膨胀也能够在所述层和所述气缸之间形成间隙的厚度。

5.如权利要求1至4中任一项所述的活塞的气体润滑结构，其特征在于，

所述活塞为具备扩径部和缩径部的阶梯式活塞，所述扩径部设有所述层并且在所述扩径部与所述气缸之间进行气体润滑，所述缩径部设于所述扩径部之上。

6.如权利要求5所述的活塞的气体润滑结构，其特征在于，

所述活塞的壁厚中，至少所述扩径部的壁厚较薄。

7.如权利要求5所述的活塞的气体润滑结构，其特征在于，

所述活塞在内部具备鼓状的加强部件，该加强部件具有两个圆锥台形的组合并连接所述活塞的上部和下部。

8.如权利要求6所述的活塞的气体润滑结构，其特征在于，

9.一种斯特林发动机，具备：

权利要求1至8中任一项所述的活塞的气体润滑结构；及

与所述活塞连结并支承所述活塞的近似直线机构。

10.如权利要求9所述的斯特林发动机，

所述活塞为高温侧活塞。