JP2005106013A - ピストン機関 - Google Patents

Abstract

【課題】筺体を小型化すること。
【解決手段】近似直線機構１０は、支点Ｑを中心として回動運動する第１横方向腕１１と、この第１横方向腕１１と連結される第３移動連結点Ｍを胴部１２ｂに備える第２横方向腕１２とを備えて構成される。第１横方向腕１１は、第２移動連結点Ｂの近似直線運動方向に対して交差するように配置されており、端部１１ｍが、第２横方向腕１２の第３移動連結点Ｍで回動可能に連結されている。また、第２横方向腕１２の一方の端部には第２移動連結点Ｂが設けられており、当該第２移動連結点Ｂは、ピストン連結部材３によってピストン１と連結されている。第２横方向腕１２の第１移動連結点Ａは、直線移動ガイド２０で往復運動可能に支持されており、第２移動連結点Ｂの近似直線運動とともに、当該直線移動ガイド２０を図３−１中の直線Ｘ−Ｘ上を往復運動する。
【選択図】 図３−１

Description

本発明は、ピストン機関に関し、さらに詳しくは、筺体を小型化することが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。スターリングエンジンの熱効率を向上させるためには、摩擦損失を低減することが重要である。特許文献１には、ワットリンクを用いた近似直線機構でピストンを略直線状に往復運動させることにより、ピストンとシリンダとの摩擦を低減する技術が開示されている。

特開平４−３１１６５６号公報

しかし、特許文献１に開示されているピストン機関は、近似直線機構にワットリンクを用いるため、２本の水平かん子がピストンの往復運動方向に直交する方向へ張り出す。このため、ワットリンクを格納するクランクケースが大型化するとともに、ピストン機関の重量増加を招く。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストン機関の筺体を小型化することが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、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をコンロッドで連結したピストン機関であって、前記コンロッドと交差するとともに、前記ピストンと前記クランク軸との間で、かつ前記シリンダの中心軸からオフセットした位置に配置される支点を中心に回動可能な第１横方向腕と、往復直線運動する第１移動連結点と前記ピストンと連結される第２移動連結点とを両端部に備えるとともに、前記第１横方向腕の前記支点とは反対側の端部が回動可能に連結される第３移動連結点を前記第１移動連結点と前記第２移動連結点との間に備える第２横方向腕と、前記第１移動節点を支持して直線運動させる直線移動ガイドと、を有することを特徴とする。

このピストン機関は、上記構成によって、近似直線機構であるグラスホッパ機構で必要だった縦方向腕が不要になるので、近似直線機構を格納するピストン機関のケースをコンパクトにすることができる。その結果、ピストン機関全体をコンパクトにできるとともに、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、前記直線移動ガイドは、筒状のガイド部と、このガイド部内を摺動するスライダピストンとで構成されるとともに、前記スライダピストンの往復運動によって前記ガイド部内の気体を圧縮する圧縮手段であることを特徴とする。

このピストン機関は、第２横方向腕が備える第１移動連結点を往復直線運動させる直線移動ガイドを圧縮手段として機能させる。これにより、ピストン機関を小型化できるとともに、直線移動ガイドをピストン機関の補機として利用することができる。

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、前記ピストンを複数有する場合には、複数の前記圧縮手段を備えるとともに、それぞれの前記圧縮手段を直列に接続して段階的に気体を昇圧することを特徴とする。

このピストン機関は、複数の直線移動ガイドを直列に接続して圧縮手段として用いることにより、複数段階で気体を圧縮するので、単独の圧縮手段で圧縮するよりも高い圧力まで気体を昇圧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、後段の吐出量を前段の吐出量よりも小さくすることを特徴とする。

このような構成により、さらに効率よく気体を高圧まで圧縮することができる。

また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関はスターリング機関であり、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。

この発明では、近似直線機構であるグラスホッパ機構で必要だった縦方向腕が不要になるので、ケース及びスターリングエンジン全体をコンパクトにできるとともに、スターリングエンジン全体の重量増加を抑制することができる。特に、作動流体を加圧する方式のスターリングエンジンにおいては、ケースをコンパクトにできるので、耐圧性確保に起因する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、前記圧縮手段によって、前記筺体内部を加圧することを特徴とする。

これにより、作動流体を加圧する手段として別個に圧縮機を設ける必要はないので、ピストン機関の製造コスト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、ケースあるいはピストン機関全体をコンパクトにできるので、内燃機関の排熱回収に用いる場合には、配置の自由度が向上する。また、ピストン機関全体の重量増加も抑えることができるので、乗用車やバス等の車両に搭載された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も抑制できる。

この発明に係るピストン機関では、近似直線機構であるグラスホッパの縦方向腕が不要になるので、ピストン機関全体をコンパクトにできるとともに、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として説明するが、本発明の適用対象はこれに限られない。例えば、スタ
ーリングエンジン以外のピストン機関や、スターリング冷凍機関に対しても本発明は適用できる。

図１は、実施例１の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Ｄ方向から見た断面図である。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型の直列２気筒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とを備えている。

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。また、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。さらに、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。

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内に空気軸受け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。

空気軸受け１１２を構成するために、ピストンとシリンダとの間隔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、加工性に優れた金属材料を使用してもよい。

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１０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。この近似直線機構１０の詳細については後述する。このように、コンロッド１０９を近似直線機構１０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（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい空気軸受け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１０は、筺体であるクランクケース１１８内に密封して配置される。そして、クランクケース１１８内を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。次に、本発明に係る近似直線機構１０について説明する。

図３−１は、実施例１の本発明に係るスターリングエンジンが備える近似直線機構を示す説明図である。図３−２は、グラスホッパ機構を示す説明図である。以下の説明におい
て、黒丸で表されている連結点（例えば支点Ｑ等）は、その軸を中心に回転するが、シリンダ２との相対位置が変化しない連結点（以下、単語の後に「支点」を付して表す）である。また、白丸で表されている連結点（第２移動連結点Ｂ等）は、その軸を中心に回転又は回動するとともに、シリンダ２との相対位置が変化する連結点（以下、単語の後に「移動連結点」を付して表す）である。

図３−１に示すように、この近似直線機構１０は、グラスホッパ機構１５０（図３−２）を利用した直線近似リンク機構である。より具体的には、グラスホッパ機構１５０の第１移動連結点Ａを直線移動ガイド２０によって支持して、第２移動連結点Ｂの近似直線運動に応じて前記第１移動連結点Ａを直線往復運動させるものである。これにより、本発明の近似直線機構１０では、グラスホッパ機構１５０で必要だった縦方向腕１５３を設ける必要はない。これによって、スターリングエンジン１００のクランクケース１１８をコンパクトにすることができる。特に、クランクケース１１８を加圧することによって、作動流体の圧力を高める方式のスターリングエンジンにおいては、クランクケース１１８が大型化すると耐圧性を確保するために、大幅な重量増加を招く。

しかし、本発明によればクランクケース１１８をコンパクトにできるので、かかる重量増加を抑制することができる。また、縦方向腕１５３が不要になる結果、クランクケース１１８の設計に対する自由度が向上するので、ケース肉厚を薄くしつつ耐圧性を確保する設計もしやすくなる。さらに、スターリングエンジン１００の設計に対する自由度も向上することにつながるので、スターリングエンジン１００が搭載される機器に応じた設計も容易になる。

図３−１に示すように、実施例１の本発明に係る近似直線機構１０は、支点Ｑを中心として回動運動する第１横方向腕１１と、この第１横方向腕１１と連結される第３移動連結点Ｍを胴部１２ｂに備える第２横方向腕１２とを備えて構成される。第１横方向腕１１は、第２移動連結点Ｂの近似直線運動方向に対して交差するように配置されており、支点Ｑとは反対側の端部１１ｍが、第２横方向腕１２の第３移動連結点Ｍで回動可能に連結されている。ここで、支点Ｑは、シリンダ中心軸Ｚ上からオフセットされるとともに、シリンダ中心軸Ｚに対して第１移動連結点Ａの反対側に配置される。また、第１横方向腕１１は、ピストン１（高温側ピストン１０２又は低温側ピストン１０４）とクランク軸４とを連結するコンロッド５と交差するように配置される。なお、次の説明においては、上記高温側ピストン１０２又は上記低温側ピストン１０４を、説明の便宜上、必要に応じてピストン１と表現する。

第２横方向腕１２も、第１横方向腕１１と同様に、第２移動連結点Ｂの近似直線運動方向に対して交差するように配置されている。また、第２横方向腕１２の一方の端部には第２移動連結点Ｂが設けられており、当該第２移動連結点Ｂは、ピストン連結部材３によってピストン１と連結されている。第２横方向腕１２の第２移動連結点Ｂとは反対側の端部には、第１移動連結点Ａが備えられている。第１移動連結点Ａは、直線移動ガイド２０で往復運動可能に支持されており、第２移動連結点Ｂの近似直線運動とともに、当該直線移動ガイド２０を図３−１中の直線Ｘ−Ｘ上を往復運動する。ここで、直線Ｘ−Ｘは、ピストン１の往復運動方向（図中Ｚ方向）に対して直交する。また、第３移動連結点Ｍは、次の（１）式を満たすように設定される。
ＢＭ×ＭＱ＝ＡＭ²・・・（１）
ここで、ＢＭは第２移動連結点Ｂと第３移動連結点Ｍとの距離を表し、ＭＱは第３移動連結点Ｍと支点Ｑとの距離を表し、ＡＭは第１移動連結点Ａと第３移動連結点Ｍとの距離を表す。

ピストン１とクランク軸４とを連結するコンロッド５は、第２移動連結点Ｂで第２横方
向腕１２と連結されている。これにより、ピストン１の往復運動（図中Ｚ方向における運動）は、ピストン連結部材３を介してクランク軸４に伝達され、クランク軸４は、その回転軸を中心として回転する。このように、ピストン１の往復運動は、クランク軸４によって回転運動に変換される。なお、クランク軸４の回転運動をピストン１の往復運動に変換することもできる。

図４−１、図４−２は、実施例１の本発明に係るスターリングエンジンが備える近似直線機構の直線移動ガイド部を示す説明図である。図４−１に示すように、直線移動ガイド２０は、筒状のガイド部２０ｇと、当該ガイド部２０ｇ内を摺動するスライダピストン２５（直線移動部）とで構成される。スライダピストン２５と第２横方向腕１２とは、第１移動連結点Ａで連結されており、スライダピストン２５がガイド部２０ｇ内を往復運動することによって、第１移動連結点Ａがガイド部２０ｇ内を直線移動する。このように、スライダピストン２５で直線移動部を構成すれば、スライダピストン２５を圧縮機としても利用できる。これについては後述する。なお、ガイド部２０ｇは、スターリングエンジン１００の筺体であるクランクケース１１８に設けられる。

また、図４−２に示す直線移動ガイド２１は、スターリングエンジン１００のクランクケースに設けられたガイド部２１ｇと、当該ガイド部２１ｇ内を転動する転輪２６（直線移動部）とで構成される。転輪２６と第２横方向腕１２とは、第１移動連結点Ａで連結されており、転輪２６がガイド部２１ｇ内を往復運動することによって、第１移動連結点Ａがガイド部２１ｇ内を直線移動する。このように、転輪２６で直線移動部を構成すれば、ガイド部２１ｇとの摩擦を低減できる。これにより、スターリングエンジン１００全体としての摩擦損失を低減でき、特に低温熱源からエネルギを回収する場合に好ましい。なお、上述したように、第１移動連結点Ａはピストン１の往復運動方向（図中Ｚ方向）に対して直交する方向の直線Ｘ−Ｘ上を往復運動するので、ガイド部２０ｇ、２１ｇは、この直線Ｘ−Ｘ上に配置される。

図５−１〜図５−４は、ピストンの移動にともなう実施例１の本発明に係る近似直線機構の動作を示す説明図である。これらの図を用いて、実施例１の本発明に係る近似直線機構１０の動作について説明する。なお、直線移動ガイドは、転輪２６を用いた直線移動ガイド２１を適用するが、スライダピストン２５を用いた直線移動ガイド２０も同様に適用できる。図５−１に示す状態、すなわち、ピストン１が上死点の位置において、第１移動連結点Ａはシリンダ２へ最も接近する。この位置から、ピストン１がクランク軸４の方向へ移動すると、クランク軸４は、図５−１の矢印Ｒ方向に回転する。すると、第２移動連結点Ｂがクランク軸４側へ移動するので、これにともなって、第２横方向腕１２及びこれに設けられている第３移動連結点Ｍは、第１移動連結点Ａを中心としてクランク軸４の方向へ向かって回動する。また、第３移動連結点Ｍが第１移動連結点Ａを中心としてクランク軸４の方向へ向かって回動することにより、第１横方向腕１１は、支点Ｑを中心としてクランク軸４の方向へ向かって回動する。

このとき、第１移動連結点Ａは、直線移動ガイド２０をシリンダ２から遠ざかる方向へ移動する（図５−２）。ピストン１が下死点の位置にきたとき、近似直線機構１０は図５−３に示す形状となる。このとき、ピストン１が下死点に向かうにしたがって、第１移動連結点Ａは、直線移動ガイド２０をシリンダ２へ近づく方向へ移動する。ピストン１が下死点を過ぎて再び上死点へ向かう過程で、第１移動連結点Ａは、直線移動ガイド２０をシリンダ２から遠ざかる方向へ移動する（図５−４）。

第１横方向腕１１は、支点Ｑを中心として回動する。また、第１横方向腕１１の支点Ｑとは反対側端部に位置する第３移動連結点Ｍは、第２移動連結点Ｂ、すなわちピストン１が上死点と下死点とを移動する範囲で、支点Ｑを中心に回動する。したがって、ピストン
１が上死点位置において、直線Ｘ−Ｘと第１横方向腕１１とのなす角θの大きさにもよるが、ピストン１が上死点又は下死点のうち少なくとも一方で、第１移動連結点Ａはシリンダ２へ最も接近する。また、第１移動連結点Ａと、第２移動連結点Ｂと、第３移動連結点Ｍとが直線Ｘ−Ｘ上に位置したとき、第１移動連結点Ａはシリンダ２から最も遠ざかる。このように、第１移動連結点Ａは直線Ｘ−Ｘ上を行程Ｓ（図５−１）で往復運動する。

このような構成により、実施例１の本発明に係る近似直線機構１０では、第２移動連結点Ｂがシリンダ中心軸Ｚにほぼ沿って近似直線状に往復運動する。これにより、ピストン１も同様に往復運動する。その結果、ピストン１に作用するサイドフォース（ピストン１の径方向に向かう力）をほとんど０にできるので、上記スターリングエンジン１００のように、負荷能力の小さい空気軸受け１１２によっても十分にピストンを支持することができる。

このとき、上死点近傍におけるピストン１と直線Ｙ−Ｙ（シリンダ中心軸Ｚ）とのずれ量は、下死点近傍におけるピストン１と直線Ｙ−Ｙとのずれ量よりも小さく設定することが好ましい。これは次の理由による。スターリングエンジン１００において、ピストン１（高温側ピストン１０２等）が上死点近傍に位置するときには、ピストン１に作用する作動流体の圧力は大きくなる。したがって、上死点におけるピストン１の前記ずれ量が小さければ、ピストン１に作用するサイドフォースＦを小さくして、ピストン１とシリンダ２との摩擦を低減できるからである。一方、ピストン１が下死点近傍に位置するときには、ピストン１に作用する作動流体の圧力は小さくなる。このため、下死点におけるピストン１の前記ずれ量が多少大きくても、ピストン１とシリンダ２との摩擦に対する影響は小さいからである。なお、上記ずれ量δｌｔ、δｌｕは、第１、第２横方向腕１１、１２の長さや、第３移動連結点Ｍの位置等によって調整することができる。

図６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。図６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。

以上、実施例１に係る本発明によれば、近似直線機構であるグラスホッパの縦方向腕が不要になるので、近似直線機構を格納するピストン機関のケースをコンパクトにすることができる。その結果、ピストン機関全体をコンパクトにできるとともに、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。特に、クランクケースを加圧することによって作動流体の圧力を高める方式のピストン機関においては、クランクケースをコンパクトにできるので、耐圧性確保に起因する重量増加を抑制することができる。また、縦方向腕が不要になる結果、クランクケースの設計に対する自由度が向上するので、ケース肉厚を薄くしつつ耐圧性を確保する設計もしやすくなる。さらに、ピストン機関の設計に対する自由度も向上することにつながるので、ピストン機関が搭載される機器に応じた設計も容易になる。特に、内燃機関の排熱回収に用いる場合には、搭載位置の制約が多くなるが、かかる場合において配置の自由度が向上する。

実施例２の本発明に係るピストン機関は、上記実施例１に係るピストン機関と略同一の構成であるが、直線移動ガイドを筒状のガイド部と、当該ガイド部内を摺動するスライダピストンとで構成し、第１移動連結点を直線運動可能に保持するとともに、前記ガイド部と前記ピストンとで圧縮手段を構成する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様
なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。

図７−１、図７−２は、実施例２の本発明に係るピストン機関を示す断面図である。ここでは、ピストン機関であるスターリングエンジン１００の低温側ピストン１０４側に圧縮手段３０を構成した例について説明する。図７に示すように、このスターリングエンジン１００は、低温側ピストン１０４に設けられる近似直線機構１０の直線移動ガイド２０を、圧縮手段３０として利用する。

直線移動ガイド２０は、筒状のガイド部２０ｇと、当該ガイド部２０ｇ内を摺動するスライダピストン２５（直線移動部）とで構成される。スライダピストン２５と第２横方向腕１２とは、第１移動連結点Ａで連結されている。ピストン機関であるスターリングエンジン１００の運転により高温側ピストン１０２が往復運動すると、スライダピストン２５がガイド部２０ｇ内を往復運動する。これにより、ガイド部２０ｇとスライダピストン２５との空間に導入された気体（ここでは空気）が、ガイド部２０ｇの頂部２０ｇｔに形成された吐出孔４１ｏから吐出される。

圧縮手段３０としての機能を発揮させるために、ガイド部２０ｇの頂部２０ｇｔには、吸入孔４１ｉと吐出孔４１ｏとを形成し、それぞれに吸入側逆止弁４２ｉ、吐出側逆止弁４２ｏを取付ける。吸入側逆止弁４２ｉは、ガイド部２０ｇ内から外に移動する気体の流れを止め、また、吐出側逆止弁４２ｏはガイド部２０ｇ内へ流入する気体の流れを止める。このような構成によって、スライダピストン２５がガイド部２０ｇの頂部２０ｇｔの反対側へ移動したときに吸入孔４１ｉからガイド部２０ｇ内へ気体を吸引し、スライダピストン２５が頂部２０ｇｔ側へ移動したときに、吸引した気体を吐出孔４１ｏから吐出する。これによって、直線移動ガイド２０が圧縮手段３０として機能する。なお、圧縮手段３０としての機能を発揮させるために、摺動抵抗が許容できる範囲でスライダピストン２５の外面とガイド部２０ｇの内面との間に、シール部材を設けることが好ましい。

このように、実施例２の本発明に係るスターリングエンジン１００では、第１移動連結点の直線移動ガイド２０を圧縮手段３０として機能させるので、これをスターリングエンジン１００の補機として利用することができる。特に、このスターリングエンジン１００は、出力を向上させるため、クランクケース１１８内を加圧することによって、作動流体を加圧する。この場合、図７−２に示すように、吐出孔４１ｏから吐出される気体をクランクケース１１８内へ導くことにより、クランクケース内加圧手段として直線移動ガイド２０を利用することができる。これにより、クランクケース加圧手段（作動流体加圧手段）として別個に圧縮機を設ける必要はないので、スターリングエンジン１００の製造コストを抑えることができる。

図８−１、図８−２は、実施例２の第１変形例を示す説明図である。この第１変形例に係るスターリングエンジン１００は、上記実施例１に係るピストン機関と略同一の構成であるが、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の双方に圧縮手段を設け、これらを直列に接続することにより気体を複数段階に圧縮する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、シリンダ−ピストンを３組以上備えるスターリングエンジンにおいては、圧縮手段は３個以上備えることができる。

高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４には、それぞれ第１直線移動ガイド２０₁、第２直線移動ガイド２０₂が設けられており、それぞれが第１圧縮手段３０₁、第２圧縮手段３０₂を構成する。第１圧縮手段３０₁のガイド部２０₁ｇには、第１吸入側逆止弁４２₁ｉ、第１吐出側逆止弁４２₁ｏが取付けられ、また、第２圧縮手段３０₂のガイド部２０₂ｇには、第２吸入側逆止弁４２₂ｉ、第２吐出側逆止弁４２₂ｏが取付けられる。
そして、第１圧縮手段３０₁で圧縮された気体は、第１吐出側逆止弁４２₁ｏを介して蓄圧タンク４３へ送られ、蓄圧タンク４３からは第２吸入側逆止弁４２₂ｉを介して第２圧縮手段３０₂へ圧縮された気体が送られる。第２圧縮手段３０₂でさらに圧縮された気体は、第２吐出側逆止弁４２₂ｏを介してクランクケース１１８内へ送られ、当該ケース内を加圧する。このように、第１圧縮手段３０₁と第２圧縮手段３０₂とは直列に接続されて、複数段階に気体を圧縮する。

第１圧縮手段３０₁で圧縮された気体は、蓄圧タンク４３へ溜められてから、第２圧縮手段３０₂へ送られる。そして、第２圧縮手段３０₂でさらに圧力を高められた気体がクランクケース１１８内へ送られる。このように、複数段階（ここでは二段階）で気体を圧縮するので、単独の圧縮手段で圧縮するよりも高い圧力まで気体を昇圧させることができる。また、圧縮手段としての効率も、最適な設計にできるので、圧縮効率も向上する。また、図８−２に示すように、複数段で気体を圧縮する場合には、前段である第１圧縮手段３０₁の吐出量Ｖ１を（体積）を、後段である第２圧縮手段３０₂の吐出量Ｖ２（体積）よりも大きくしてもよい。このようにすれば、さらに効率よく気体を高圧まで圧縮することができる。

図９は、実施例２の第２変形例を示す説明図である。このスターリングエンジンが備える圧縮手段３１は、ダイヤフラム５０によって構成されている。直線移動ガイド２２は、クランクケース１１８に設けられたダイヤフラムベース１１９に設けられている。また、直線移動ガイド２２は、スライダピストン２５'と、これを摺動支持する支持部２２ｇとを備える。スライダピストン２５'とダイヤフラム板５１とは、連結棒５２によって連結されている。また、ダイヤフラムベース１１９は、連通孔１１９ｈによって、クランクケース１１８内部の圧力Ｐがダイヤフラム板５１の背面に作用するようになっている。そして、高温側ピストン１０２等の往復運動によって、スライダピストン２５'が往復運動することによって、ダイヤフラム板５１が往復運動をして、ダイヤフラム５０内の気体を吐出する。このように、ダイヤフラム５０によっても、圧縮手段としての機能を発揮させることができ、また、ベローズを用いても同様である。

以上、実施例２に係る本発明によれば、第１移動連結点の直線移動ガイドを圧縮手段として機能させるので、これをピストン機関の補機として利用することができる。その結果、別個に補機を設ける必要がないので、ピストン機関の製造コストや、これを搭載する聞き全体としてみた場合の製造コストを低減できる。特に、作動流体を加圧する形式のピストン機関では、当該圧縮手段によって作動流体を加圧することができる。これにより、加圧手段として別個に圧縮機を設ける必要はないので、その分、ピストン機関の製造コストも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、近似直線機構を用いてピストンを支持するピストン機関に適している。

実施例１の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Ｄ方向から見た断面図である。 実施例１の本発明に係るスターリングエンジンが備える近似直線機構を示す説明図である。 グラスホッパ機構を示す説明図である。 実施例１の本発明に係るスターリングエンジンが備える近似直線機構の直線移動ガイド部を示す説明図である。 実施例１の本発明に係るスターリングエンジンが備える近似直線機構の直線移動ガイド部を示す説明図である。 ピストンの移動にともなう実施例１の本発明に係る近似直線機構の動作を示す説明図である。 ピストンの移動にともなう実施例１の本発明に係る近似直線機構の動作を示す説明図である。 ピストンの移動にともなう実施例１の本発明に係る近似直線機構の動作を示す説明図である。 ピストンの移動にともなう実施例１の本発明に係る近似直線機構の動作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。 実施例２の本発明に係るピストン機関を示す断面図である。 実施例２の本発明に係るピストン機関を示す断面図である。 実施例２の第１変形例を示す説明図である。 実施例２の第１変形例を示す説明図である。 実施例２の第２変形例を示す説明図である。

符号の説明

１ ピストン
２ シリンダ
３ ピストン連結部材
４ クランク軸
５ コンロッド
１０ 近似直線機構
１１ 第１横方向腕
１２ 第２横方向腕
２０、２０₁、２０₂、２１、２２ 直線移動ガイド
２０ｇ、２０₁ｇ、２０₂ｇ、２１ｇ ガイド部
２５、２５' スライダピストン
２６ 転輪
３０、３０₁、３０₂ 圧縮手段
３１ 圧縮手段
１００ スターリングエンジン
１１８ クランクケース
１２０ 内燃機関
１２２ 排気通路
Ａ 第１移動連結点
Ｂ 第２移動連結点
Ｍ 第３移動連結点
Ｑ 支点

Claims (7)

1. 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をコンロッドで連結したピストン機関であって、
   前記コンロッドと交差するとともに、前記ピストンと前記クランク軸との間で、かつ前記シリンダの中心軸からオフセットした位置に配置される支点を中心に回動可能な第１横方向腕と、
   往復直線運動する第１移動連結点と前記ピストンと連結される第２移動連結点とを両端部に備えるとともに、前記第１横方向腕の前記支点とは反対側の端部が回動可能に連結される第３移動連結点を前記第１移動連結点と前記第２移動連結点との間に備える第２横方向腕と、
   前記第１移動節点を支持して直線運動させる直線移動ガイドと、
   を有することを特徴とするピストン機関。
2. 前記直線移動ガイドは、筒状のガイド部と、このガイド部内を摺動するスライダピストンとで構成されるとともに、前記スライダピストンの往復運動によって前記ガイド部内の気体を圧縮する圧縮手段であることを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
3. 前記ピストンを複数有する場合には、複数の前記圧縮手段を備えるとともに、それぞれの前記圧縮手段を直列に接続して段階的に気体を昇圧することを特徴とする請求項２に記載のピストン機関。
4. 後段の吐出量を前段の吐出量よりも小さくすることを特徴とする請求項３に記載のピストン機関。
5. 上記ピストン機関はスターリング機関であり、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１〜４のいずれか１項に記載のピストン機関。
6. 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、前記圧縮手段によって、前記筺体内部を加圧することを特徴とする請求項５に記載のピストン機関。
7. 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５又は６に記載のピストン機関。

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