JP2005106011A - ピストン機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン機関の各構成要素の位置精度を確保しつつ、重量増加を抑制すること。
【解決手段】このスターリングエンジン１００は、いわゆるα型のスターリングエンジンであって、高温側シリンダ１０１内に収められた高温側ピストン１０２と、低温側シリンダ１０３内に収められた低温側ピストン１０４とが直列に配置されている。高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、基準体である基板１０に支持されている。クランク軸１１０は、クランク軸支持体２０に設けられた軸受２５で回転可能に支持される。近似直線機構１１３は、クランク軸支持体２０に設けられた近似直線機構支持部２６によって支持される。クランク軸支持体２０は、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板１０に固定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピストン機関に関し、さらに詳しくは、ピストン機関の各構成要素の相対的な位置精度を確保しつつ、重量増加を抑制できるピストン機関に関する。

ピストン機関の一種であるスターリングエンジンは、理論熱効率に優れるという特徴があり、近年、乗用車やバス等の車両に搭載される内燃機関の排熱等を回収するために、スターリングエンジンが注目されている。特許文献１には、触媒コンバータで発生する高い排気浄化反応熱エネルギを、スターリングエンジンの駆動エネルギに活用する技術が開示されている。

特開２００２−２６６７０１号公報

ところで、スターリングエンジンは、取り出す出力を大きくするために、内部に高圧の作動流体を封入するので、スターリングエンジンの筺体には、圧力容器としての機能も求められる。このため、耐圧性を確保しつつ、スターリングエンジン構成要素同士の相対的な取り付け位置精度を確保するためには、スターリングエンジンの筺体の強度を高める必要がある。このため、筺体の大型化、重量増加という問題がある。特許文献１には、スターリングエンジンの加熱部を、排気浄化用触媒コンバータ内に設けられる触媒を担持させた受熱体に接続する技術が開示されているが、上記問題点に関しては言及がない。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、各構成要素の相対的な位置精度を確保しつつ、重量増加を抑制できるピストン機関を提供することを目的とする。

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、作動流体が導入されるシリンダと、前記作動流体と接する頂部を有するとともに、前記作動流体によって前記シリンダ内を往復運動するピストンと、回転運動するクランク軸と、前記ピストンと前記クランク軸とを連結するコンロッドと、前記シリンダの前記作動流体の導入側に配置されて、前記シリンダが組み付けられる基準体と、を有することを特徴とする。

このピストン機関は、ピストン機関を構成する構成要素の位置基準となる基準体を、シリンダの作動流体の導入側に配置して、当該シリンダを基板に組み付け、この基準体によってピストン機関を構成するシリンダやクランク軸その他の構成要素との相対的な位置精度を確保する。これにより、前記構成要素の相対的な位置精度を保持するために、ピストン機関の筺体等の強度向上や補強等は必要ないので、ピストン機関の構成要素の位置精度を確保しつつ、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、さらに、前記クランク軸を回転可能に支持するクランク軸支持体を備え、このクランク軸支持体は、前記シリンダとは独立して前記基準体に取り付けられることを特徴とする。

このピストン機関は、クランク軸支持体を介してクランク軸を基準体に固定するので、クランク軸と、ピストン機関のその他の構成要素との位置精度を前記基準体によって確保することができる。その結果、クランク軸等の位置精度を確保するための補強部材を新た
に追加する必要はないので、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、フレキシブルカップリングを介して、前記クランク軸に対して出力又は入力を行うことを特徴とする。

このピストン機関では、フレキシブルカップリングを介して、ピストン機関の筺体内に配置されたクランク軸に対して出力又は入力を行う。このような構成により、ピストン機関の筺体の膨張を許容できるので、筺体の肉厚増加や補強等は不要になる。その結果、ピストン機関の重量増加を抑えることができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記ピストンは、空気軸受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。

このピストン機関は、空気軸受によってピストンをシリンダ内に支持するので、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、ピストン機関の熱効率を向上させることができる。また、基準体によってピストン機関を構成するシリンダやクランク軸その他の構成要素との相対的な位置精度を確保するので、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受の機能を発揮させることができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記基準体を、前記ピストン機関を搭載する対象の被搭載部に取り付けることを特徴とする。

このような構成により、搭載対象に対するピストン機関の搭載が容易になるとともに、確実にピストン機関を搭載対象へ固定することができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記ピストン機関はスターリングエンジンであり、ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器から送られる作動流体を前記シリンダ内に導入し、前記ピストンを駆動することを特徴とする。

このピストン機関は、簡単な構成でピストン機関の構成要素の相対的な位置精度を保持できるので、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、少なくとも前記クランク軸を内部に密封配置する筺体を備え、運転中は前記筺体内部が加圧されることを特徴とする。

本発明では、ピストン機関の各構成要素は筺体と独立させているので、筺体の膨張を許容できる。これにより、筺体の肉厚増加や補強等が不要になるので、スターリングエンジンの重量増加を抑えることができる。特に、作動流体を加圧する方式のスターリングエンジンでは筺体の補強等が不要になるので、重量増加抑制の観点から有利である。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記熱交換器の少なくとも前記ヒータが、内燃機関の排気経路に配置されて、当該内燃機関の排熱を回収することを特徴とする。

このピストン機関では、重量増加を抑制できるので、乗用車やバス、トラック等の車両に用いられる内燃機関の排熱回収に用いる場合には、車両全体の重量増加を抑制できる。

この発明に係るピストン機関では、ピストン機関を構成する構成要素の位置基準となる基準体によって、ピストン機関を構成するシリンダやクランク軸その他の構成要素との相対的な位置精度を確保するようにした。これにより、前記構成要素の相対的な位置精度を保持するために、ピストン機関の筺体等の強度向上や補強等の必要はなくなるので、ピストン機関の構成要素の位置精度を確保しつつ、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明においては、ピストン機関としてスターリングエンジンを例に説明するが、本発明の適用対象はこれに限られない。例えば、スターリング冷凍機関や、スターリングエンジン以外のピストン機関に対しても本発明は適用できる。

図１は、本発明に係るシリンダ支持構造を備えたスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、図１の矢印Ａ方向から見た断面図である。図３−１は、空気軸受を示す説明図である。図３−２は、高温側シリンダと低温側シリンダとの関係を示す説明図である。本発明に係るピストン機関であるスターリングエンジン１００は、いわゆるα型のスターリングエンジンであって、高温側シリンダ１０１内に収められた高温側ピストン１０２と、低温側シリンダ１０３内に収められた低温側ピストン１０４とが直列に配置されている。高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、基準体である基板１０に支持されている。本発明においては、この基板１０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。このように構成することで、高温側シリンダ１０１や高温側ピストン１０２といった、スターリングエンジン１００の各構成要素の相対的位置精度を確保できる。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、ヒータ１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８によって接続されている。ヒータ１０５の一端は高温側シリンダ１０１に接続され、他端は再生器１０６に接続される。再生器１０６は、一端がヒータ１０５に接続され他端はクーラー１０７に接続される。クーラー１０７の一端は再生器１０６に接続され、他端は低温側シリンダ１０３に接続される。また、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とには作動流体（ここでは空気）が封入されており、ヒータ１０５から供給される熱及びクーラー１０７で排出する熱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１０２、低温側ピストン１０４を駆動する。

図３−１に示すように、高温側ピストン１０２と低温側ピストン１０４とは、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３内に空気軸受１１２を介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。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、内燃機関１２０の排熱回収のような低熱源、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１００を運転することができる。

空気軸受１１２を構成するために、ピストンとシリンダとの間隔ｔは全周にわたって数十μｍとする。これを実現するために、本発明においては高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２と低温側シリンダ１０３と低温側ピストン１０４とをガラスによって構成することが好ましい。なお、ガラスに限られず、セラミックスのような高弾性率材料で高
温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２と低温側シリンダ１０３と低温側ピストン１０４とを構成してもよいし、異なる材料を組み合わせてこれらを構成してもよい。また、加工性を考慮して、金属材料を使用してもよい。

ここで、上記熱交換器１０８のヒータ１０５は、内部を流れる作動流体を加熱するため、高温熱源内に配置される。このため、熱交換器１０８は、スターリングエンジン１００と比較して熱膨張が大きくなる。この熱膨張により、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、その中心軸ＺｈとＺｌとの中心軸間距離ｌが大きくなる。これによって、シリンダとピストンとのクリアランスを維持できなくなる結果、空気軸受１１２の機能が発揮できなくなるおそれがある。なお、高温側シリンダ１０１の中心軸Ｚｈ、低温側シリンダ１０３の中心軸Ｚｌ、中心軸間距離ｌについては図３−２を参照されたい。

実施例に係る本発明では、図３−２に示すように、基板１０を高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３の作動流体の導入側１０１ｉ、１０３ｉに配置して、両シリンダを基板１０に組み付ける。かかる位置に基板１０を配置する構成により、熱交換器１０８（特にヒータ１０５）の熱膨張を拘束して、前記中心軸間距離ｌの増大を抑制する。その結果、スターリングエンジン１００の運転中、ヒータ１０５が高温になって熱膨張した場合でも、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受１１２の機能を発揮させることができる。また、前記中心軸間距離ｌの増大を抑制するために最も効率のよい位置、すなわち、熱交換器１０８（特にヒータ１０５）の熱膨張を効率的に拘束できる位置に基板１０を配置する。これにより、他に拘束部材を設ける必要はないので、スターリングエンジン１００の重量増加を抑制することができる。

高温側ピストン１０２、低温側ピストン１０４の往復運動は、コンロッド１０９によってクランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。コンロッド１０９は、図２に示す近似直線機構１１３によって支持されており、高温側ピストン１０２、低温側ピストン１０４を略直線状に往復運動させる。なお、この近似直線機構１１３は、グラスホッパ機構を利用している。このように、コンロッド１０９を近似直線機構１１３によって支持することにより、高温側及び低温側ピストン１０２、１０４のサイドフォースＦ（ピストンの径方向に向かう力、図２参照）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい空気軸受１１２によって十分にピストンを支持することができる。ここで、上記コンロッド１０９、クランク軸１１０及び近似直線機構１１３は、筺体１１４内に密封して配置される。そして、筺体１１４内をポンプ等の加圧手段１１５で加圧することによって、間接的に高温側シリンダ１０１、熱交換器１０８及び低温側シリンダ１０３内の作動流体を加圧して、スターリングエンジン１００の出力を向上させる。

図４−１は、クランク軸支持体を示す説明図である。図４−２は、図４−１の矢印Ｂ方向からみた図である。クランク軸１１０は、クランク軸支持体２０に設けられた軸受２５で、回転可能に支持される（図１参照）。図４−１、図４−２に示すように、クランク軸支持体２０は板状の部材であり、基板１０に固定される。また、近似直線機構１１３は、クランク軸支持体２０に設けられた近似直線機構支持部２６によって支持される。このとき、クランク軸支持体２０は、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板１０に固定される。これにより、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３は、クランク軸１１０及び近似直線機構１１３の振動や、クランク軸１１０の熱膨張等の影響を受けないので、空気軸受１１２の機能が十分に確保される。また、クランク軸１１０や近似直線機構１１３の位置精度は、クランク軸支持体２０を介して基板１０により確保できるので、クランク軸１１０の位置精度を確保するための補強部材を新たに追加する必要はない。これにより、スターリングエンジン１００の重量増加を抑制することができる。

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１０１、高温側ピストン１０２、クランク軸１１０、近似直線機構１１３等の各構成要素は、筺体１１４に格納される。実施例において、筺体１１４は、複数の板材１１４ａ〜１１４ｅを締結手段であるボルト１１８を用いて基板１０に固定することにより構成される。なお、スターリングエンジン１００の各構成要素を格納する筺体１１４は、位置基準となる基準体（基板１０）を備えていればよく、本実施例に開示した構成に限定されるものではない。

筺体１１４内は、加圧手段１１５により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２、及び熱交換器１０８内の作動流体（本実施例では空気）を加圧して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すためである。この加圧により筺体１１４は膨張して、加圧前と比較して寸法が大きくなる。この加圧に起因する筺体１１４の膨張によって、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０２、クランク軸１１０、近似直線機構１１３等の各構成要素の相対的な位置関係にずれが生ずることがある。このずれを抑えるためには、筺体１１４の膨張を抑えるために筺体１１４自体の肉厚を厚くする等して高剛性としたり、筺体１１４に補強等を設けたりする必要があり、スターリングエンジン１００の重量増加を招く。

本発明では、基準体である基板１０を、スターリングエンジン１００を構成する前記各構成要素の位置基準とし、前記各構成要素は筺体１１４と独立させている。このような構成により、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できるので、筺体１１４の膨張によって各構成要素の相対的な位置関係はほとんど影響を受けることはない。これにより、空気軸受１１２の機能を確保できるとともに、スターリングエンジン１００を安定して運転できる。また、前記各構成要素は筺体１１４と独立させているので、筺体１１４の膨張を許容できる。これにより、筺体１１４の肉厚増加や補強等が不要になるので、スターリングエンジン１００の重量増加を抑えることができる。

また、本発明では、筺体１１４にはシール軸受１１６が取り付けられており、出力軸１１７がシール軸受１１６により支持される。出力軸１１７とクランク軸１１０とは、フレキシブルカップリング３０を解して連結されており、これを介して筺体１１４の外部へスターリングエンジン１００の出力が伝達される。このように、フレキシブルカップリング３０を介することによって、筺体１１４の膨張によってクランク軸１１０の中心軸と筺体１１４との相対位置が変化しても、この位置変化を許容して安定して出力を取り出すことができる。これにより、筺体１１４の膨張を許容でき、その結果、筺体１１４の肉厚増加や補強等は不要になるので、スターリングエンジン１００の重量増加を抑えることができる。なお、この実施例において、フレキシブルカップリング３０には、オルダムカップリングを使用するが、この他にも、例えばディスクタイプやチェーンタイプのフレキシブルカップリングを使用することができる。なお、このスターリングエンジン１００をスターリング冷凍機として使用する場合には、出力軸１１７からクランク軸１１０へ動力を入力することになる。

図５−１、図５−２は、本発明に係るピストン機関の搭載例を示す説明図である。この搭載例は、実施例の本発明に係るピストン機関であるスターリングエンジン１００を、内燃機関の排熱回収に用いるものである。この例では、スターリングエンジン１００で発電機１２５を駆動することにより、内燃機関１２０の排熱を電気エネルギとして回収している。

図５−２に示すように、スターリングエンジン１００に備えられる熱交換器１０８の少なくともヒータ１０５を、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等といった内燃機関１２０の排気通路１２２内に配置する。このような構成により、スターリングエンジン１００によって前記内燃機関１２０の排ガスＧの持つ排熱を回収することができる。こ
のとき、基準体である基板１０を、搭載対象である排気通路１２２に設けられた取付フランジ１２３（被搭載部）へ、スペーサ１２６を介してボルト１２４で固定することによって、スターリングエンジン１００を搭載する。

スターリングエンジン１００の搭載にあたっては、基板１０の一部を張り出させて基板側フランジ１０ｆを形成し、この基板側フランジ１０ｆと前記取付フランジ１２３とを組み合わせると、スターリングエンジン１００を排気通路１２２へ容易に取り付けることができる。このようにすれば、スターリングエンジン１００の搭載が容易になるとともに、確実にスターリングエンジンを搭載対象である排気通路１２２へ固定することができる。

以上、この実施例に係る本発明では、基準体である基板を高温側及び低温側シリンダの作動流体の導入側に配置して、両シリンダを基板に組み付ける。このように、熱交換器（特にヒータ）の熱膨張を効率的に拘束できる位置に基板を配置するので、他に拘束部材を設ける必要はない。その結果、スターリングエンジンの重量増加を抑制できるとともに、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受の機能を発揮させることができる。

また、この実施例に係る本発明では、基準体である基板を、スターリングエンジンを構成する各構成要素の位置基準とし、各構成要素はスターリングエンジンの筺体と独立させる。このような構成により、加圧により筺体が膨張しても、各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。これにより、空気軸受の機能を確保できる。さらに、スターリングエンジンの各構成要素は筺体と独立させているので、筺体の膨張を許容できる。これにより、筺体の肉厚増加や補強等が不要になるので、スターリングエンジンの重量増加を抑えることができる。

また、この実施例に係る本発明では、クランク軸や近似直線機構はクランク軸支持体を介して基板１０に固定されるので、これらの位置精度は基板１０により確保することができる。その結果、クランク軸等の位置精度を確保するための補強部材を新たに追加する必要はないので、スターリングエンジンの重量増加を抑制することができる。さらに、クランク軸や近似直線機構を支持するクランク軸支持体は、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板に固定される。これにより、高温側及び低温側シリンダは、クランク軸及び近似直線機構の振動や、クランク軸の熱膨張等の影響を受けないので、空気軸受の機能を十分に確保することができる。

また、この実施例に係る本発明では、クランク軸の出力は、フレキシブルカップリングを介して筺体の外に取り出される。このような構成により、筺体の膨張によってクランク軸の中心軸と筺体との相対位置が変化しても、この位置変化を許容して安定して出力を取り出すことができる。これにより、筺体の膨張を許容でき、その結果、筺体の肉厚増加や補強等は不要になるので、スターリングエンジンの重量増加を抑えることができる。

以上のように、本発明に係るピストン機関は、スターリングエンジン等のピストン機関に有用であり、特に、ピストン機関の各構成要素の位置精度確保、及びピストン機関の重量抑制に適している。

本発明に係るシリンダ支持構造を備えたスターリングエンジンを示す断面図である。 図１の矢印Ａ方向から見た断面図である。図３−１は、空気軸受を示す説明図である。 空気軸受を示す説明図である。 高温側シリンダと低温側シリンダとの関係を示す説明図である。 クランク軸支持体を示す説明図である。 図４−１の矢印Ｂ方向からみた図である。 本発明に係るピストン機関の搭載例を示す説明図である。 本発明に係るピストン機関の搭載例を示す説明図である。

符号の説明

１０ 基板
２０ クランク軸支持体
２５ 軸受
２６ 近似直線機構支持部
３０ フレキシブルカップリング
１００ スターリングエンジン
１０１ 低温側シリンダ
１０１ｉ、１０３ｉ 作動流体の導入側
１０１ 高温側シリンダ
１０２ 高温側ピストン
１０３ 低温側シリンダ
１０４ 低温側ピストン
１０８ 熱交換器
１１０ クランク軸
１１２ 空気軸受
１１３ 近似直線機構
１１４ 筺体
１２０ 内燃機関
１２２ 排気通路

Claims (8)

1. 作動流体が導入されるシリンダと、
   前記作動流体と接する頂部を有するとともに、前記作動流体によって前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
   回転運動するクランク軸と、
   前記ピストンと前記クランク軸とを連結するコンロッドと、
   前記シリンダの前記作動流体の導入側に配置されて、前記シリンダが組み付けられる基準体と、
   を有することを特徴とするピストン機関。
2. さらに、前記クランク軸を回転可能に支持するクランク軸支持体を備え、このクランク軸支持体は、前記シリンダとは独立して前記基準体に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
3. フレキシブルカップリングを介して、前記クランク軸に対して出力又は入力を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
4. 前記ピストンは、空気軸受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１〜３のいずれか１項に記載のピストン機関。
5. 前記基準体を、前記ピストン機関を搭載する対象の被搭載部に取り付けることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストン機関。
6. 前記ピストン機関はスターリングエンジンであり、ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器から送られる作動流体を前記シリンダ内に導入し、前記ピストンを駆動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストン機関。
7. 少なくとも前記クランク軸を内部に密封配置する筺体を備え、運転中は前記筺体内部が加圧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。
8. 前記熱交換器の少なくとも前記ヒータが、内燃機関の排気経路に配置されて、当該内燃機関の排熱を回収することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のピストン機関。

Images