JP2006348893A - 熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】熱機関内部の摺動部に形成される空気軸受から流出する気体による熱機関内部の圧力変化を抑制すること。
【解決手段】この熱機関１は、ピストン５０がシリンダ３の内部を往復運動し、この往復運動を、クランク軸３０によって回転運動に変換する。クランク軸３０は、クランクケース９内に格納されるとともに、クランクケース軸受部９Ｂによって回転可能に支持される。そして、クランクケース軸受部９Ｂとクランク軸３０との摺動部のようなクランク軸の摺動部には、空気軸受が形成される。この空気軸受へ供給される気体は、クランクケース内部９ｉの気体である。ポンプ５は、クランクケース内部９ｉの気体を取り出し、これを加圧してから、空気軸受へ供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、摺動部に空気軸受を備える熱機関に関する。

熱機関を用いることにより、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等を回収する技術がある。このような用途に用いられる熱機関としては、例えば、理論熱効率に優れたスターリングエンジンがある。特許文献１には、ピストン内の作動媒体をピストンの周壁面から放出するスターリングエンジンが開示されている。

特開２０００−４６４３１号公報

ところで、特許文献１に開示されているスターリングエンジンでは、ピストンの周壁面から放出される作動媒体により、スターリングエンジン内部の圧力が変化し、それにともなって、意図しない出力変化が発生することがある。特に、スターリングエンジンの外部から作動媒体がピストン内へ供給される場合、スターリングエンジンの内部の圧力変化は大きくなる。

また、スターリングエンジンのような熱機関を排熱回収に用いる場合、低質の熱源から熱エネルギーを回収する必要があるため、熱機関内部の摺動部における摩擦を可能な限り低減する必要がある。このような場合、熱機関内部の摺動部に空気軸受を設け、空気軸受には熱機関の外部から気体を供給する構成が考えられる。かかる構成においても、熱機関内部の圧力が変化し、意図しない出力変化が発生することがある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱機関内部の摺動部に形成される空気軸受から流出する気体による熱機関内部の圧力変化を抑制し、意図しない出力変化を抑制できる熱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、本発明に係る熱機関は、シリンダの内部を往復運動するピストンを備える熱機関であり、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸を格納するクランクケースと、少なくとも前記クランク軸の摺動部に形成される空気軸受と、前記クランクケースの内部の気体を取り出し、加圧してから前記空気軸受へ供給する軸受用気体供給手段と、を含むことを特徴とする。

この熱機関は、クランクケース内の気体を取り出して、熱機関内部の摺動部に形成される空気軸受へ供給する。これによって、熱機関内部の摺動部に形成される空気軸受から流出する気体は、再び空気軸受へ供給される。その結果、空気軸受から流出した気体によって熱機関内部（例えばクランクケース内部）の圧力上昇はほとんど発生しないので、熱機関の意図しない出力変化を抑制できる。

次の本発明に係る熱機関は、前記熱機関において、さらに、前記クランクケースの内部の気体以外の気体を、前記空気軸受を介さずに前記クランクケース内へ供給する気体通路を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る熱機関は、前記熱機関において、前記軸受用気体供給手段は、
さらに、前記クランクケースの内部の気体以外の気体によって、前記クランクケースの内部の圧力を上昇させることを特徴とする。

次の本発明に係る熱機関は、前記熱機関において、前記軸受用気体供給手段は、前記空気軸受に供給する気体の圧力が、前記空気軸受が機能を発揮するために必要な空気軸受要求圧力よりも大きくなってから、前記クランクケースの内部の圧力を上昇させることを特徴とする。

次の本発明に係る熱機関は、前記熱機関において、前記軸受用気体供給手段は、前記空気軸受に供給される気体の圧力を、前記クランクケースの内部の圧力に比例して増加させることを特徴とする。

この発明によれば、熱機関内部の摺動部に形成される空気軸受から流出する気体による熱機関内部の圧力変化を抑制し、意図しない出力変化を抑制できる。

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、以下においては、熱機関の一例としてスターリングエンジンを取り上げるが、この発明に係る熱機関はこれに限定されるものではない。また、以下においては、熱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の排熱を回収する例を説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。

この実施例に係る熱機関は、熱機関内部の摺動部、すなわち、クランク軸とコネクティングロッドの大端部との間、ピストンピンとコネクティングロッドの小端部との間、あるいはピストンとシリンダとの間等にいわゆる空気軸受を備える。そして、この実施例に係る熱機関は、負荷に応じてクランクケース内の圧力を変化させるとともに、クランクケース内の気体を加圧して前記空気軸受に圧力を供給する点に特徴がある。

図１は、実施例１に係る熱機関を示す全体図である。図２は、実施例１に係る熱機関のより詳細な構造を示す拡大断面図である。この実施例に係る熱機関１は、いわゆるディスプレーサ型のスターリングエンジンである。なお、スターリングエンジンの形式は、ディスプレーサ型に限られず、α型スターリングエンジン等、他の形式でもよい。この熱機関１は、例えば、内燃機関２とともに車両に搭載されて、内燃機関２の排ガスを熱源として駆動する。すなわち、この実施例において、熱機関１は、内燃機関２の排熱回収装置として用いられる。

熱機関１が備えるディスプレーサ７は、ディスプレーサシリンダ７Ｔと、この内部を往復運動するディスプレーサピストン７Ｐと、ヒータ７Ｈ、再生器７Ｒ及び冷却器７Ｃで構成される熱交換器７ＨＥとを備える。ディスプレーサシリンダ７Ｔ及び熱交換器７ＨＥ内には、熱機関１の作動流体（この実施例では気体であり、空気）が満たされている。ディスプレーサシリンダ７Ｔは、ディスプレーサピストン７Ｐによって熱交換器７ＨＥのヒータ７Ｈ側の空間（高温空間）と、冷却器７Ｃ側の空間（低温空間）とに仕切られる。そして、冷却器７Ｃ側の空間と、シリンダ（パワーシリンダ）３とは作動流体通路で接続されており、ディスプレーサシリンダ７Ｔ内の作動流体がシリンダ３内へ導かれる。

熱交換器７ＨＥが備えるヒータ７Ｈには内燃機関２の排ガスＥｘが導かれ、この排ガスＥｘによってヒータ７Ｈが加熱される。ディスプレーサピストン７Ｐは、ディスプレーサコネクティングロッド７Ｋによってクランク軸３０に連結されており、ピストン（パワーピストン）５０と所定の位相差をもって往復運動するように構成される。

熱機関１は、シリンダ３と、シリンダ３内を往復運動するピストン５０と、ピストン５０の往復運動を回転運動に変換するクランク軸３０と、ピストン５０とクランク軸３０とを連結する連結棒（以下コンロッドという）２０と、クランクケース９とを備える。ここで、シリンダ３内の空間であって、ピストン５０とシリンダヘッド３Ｈとの間に形成される空間は、作動空間３Ｉである。

クランクケース９は、クランク軸３０を回転可能に支持して、クランクケース９の内部に格納する。シリンダ３は、一端がクランクケース９と接続されている。この実施例に係る熱機関１は、クランクケース内部圧力調整手段４によってクランクケース９内が加圧される。なお、この実施例においてクランクケース９内を加圧する気体は、熱機関１の作動流体（この実施例では空気）と同じ種類の気体である。

クランクケース内部圧力調整手段４とクランクケース９の内部とは、クランクケース内部加圧用気体通路９２によって接続されている。クランクケース内部加圧用気体通路９２は、クランクケース９の内部の気体以外の気体を、後述する空気軸受を介さずにクランクケース９内へ供給する気体通路である。このような気体通路を設け、クランクケース９内の気体以外の気体でクランクケース９内を加圧することで、安定してクランクケース９内へ気体を供給できる。その結果、確実にクランクケース９内を加圧できる。

クランクケース内部圧力調整手段４は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０によって制御され、例えば、熱機関１の負荷に応じて、クランクケース内部加圧用気体通路９２を介してクランクケース９内へ空気Ａを供給して、クランクケース９内を加圧する。また、クランクケース内部圧力調整手段４は、熱機関１の負荷によっては、クランクケース９の内部の空気Ａを、クランクケース内部加圧用気体通路９２を介して大気中へ放出して、クランクケース９内を減圧する。このように、この実施例に係る熱機関１では、熱機関１の負荷に応じてクランクケース内の圧力（以下クランクケース内圧力）Ｐｃが調整される。次に、図２を用いて、この実施例に係る熱機関１の内部構造について説明する。

熱機関１が備えるクランク軸３０は、回転軸部３０ｓと、偏芯部３０ｃとを含んで構成される。クランク軸３０の回転軸部３０ｓは、クランクケース９を構成するクランクケース軸受部９Ｂによって、クランクケース９へ回転可能に支持される。また、偏芯部３０ｃには、コンロッド２０の第１端部（以下大端部）２０₁が組み付けられる。これによって、ピストン５０の往復運動がコンロッド２０を介して回転運動に変換され、熱機関１の出力として回転軸部３０ｓから取り出される。

クランク軸３０の内部には中空部（以下クランク側中空部）３１が形成されている。クランク軸３０の一端部には、蓋３２が取り付けられており、クランク側中空部３１を封止する。また、クランク軸３０の回転軸部３０ｓには、クランク側中空部３１に連通する気体供給口３６が形成されている。この気体供給口３６は、クランクケース軸受部９Ｂの内側に形成される気体供給溝１６に連通している。この気体供給溝１６は、軸受部連通孔１４及びバッファータンク６を介して、軸受用気体供給手段であるポンプ５に接続されている。ポンプ５は、熱機関１に設けられる気体取出通路１８からクランクケース９の内部（以下クランクケース内部）９ｉの気体を取り出し、加圧してから、クランク側中空部３１内へクランクケース内部９ｉの気体を供給する。なお、この実施例において、ポンプ５からクランク側中空部３１内へ供給される気体は空気であり、熱機関１の作動流体と同じである。

ここで、クランクケース軸受部９Ｂの内側には、気体供給溝１６を挟むように、軸受側圧抜き溝１５が形成されている。そして、軸受側圧抜き溝１５には、クランクケース内部９ｉ及びクランクケース外に連通する圧抜き孔１７が接続されている。これによって、クランク軸３０の回転軸部３０ｓに設けられる気体供給口３６の周辺に漏れ出た気体をクランクケース内部９ｉやクランクケース外部に抜いて、気体供給口３６周辺における気体の圧力上昇を抑制し、回転軸部３０ｓの周方向における圧力をバランスさせる。

クランク軸３０には、クランク側給気口３５、３７及び３４が設けられている。より具体的には、回転軸部３０ｓの側周部にはクランク側給気口３５が設けられ、偏芯部３０ｃの側周部にはクランク側給気口３４が設けられる。また、偏芯部３０ｃの端面には、クランク側給気口３７が設けられる。

ポンプ５によってクランク側中空部３１内に導入される気体は、クランク側給気口３５、３７からクランクケース軸受部９Ｂとクランク軸３０との間に流出して、空気軸受を構成する。また、クランク側中空部３１内に導入される気体は、偏芯部３０ｃの側周部に設けられるクランク側給気口３４から流出して、偏芯部３０ｃとコンロッド２０の大端部２０₁との間に空気軸受を構成する。これによって、クランク軸３０とクランクケース軸受部９Ｂとの摩擦、及びクランク軸３０とコンロッド２０の大端部２０₁との摩擦を極めて低減できる。なお、前記空気軸受は、いわゆる静圧空気軸受である。

クランク軸３０の偏芯部３０ｃには、クランク側中空部３１内の気体を、ピストンピン４０内に形成される中空部（以下ピン側中空部）４３へ送るための気体流出口３３が形成されている。クランク軸３０の偏芯部３０ｃに大端部２０₁が組み付けられるコンロッド２０は、内部に気体通路２１が形成されている。そして、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３から流出するクランク側中空部３１内の空気が、前記気体通路２１内へ送り込まれる。

また、コンロッド２０は、第２端部（以下小端部）２０₂が、ピストンピン４０に組み付けられている。なお、大端部２０₁と小端部２０₂とは、コンロッド軸部２０ｓで連結されている。コンロッド２０の内部（すなわち、コンロッド軸部２０ｓの内部）に形成される気体通路２１は、前記大端部２０₁内と前記小端部２０₂内とを連通している。そして、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３から放出されたクランク側中空部３１内の空気は、前記気体通路２１内を通ってコンロッド２０の小端部２０₂まで送られる。

ピストンピン４０は、上述したように、内部にピン側中空部４３が形成される。このピン側中空部４３は、ピストンピン４０を貫通している貫通孔である。また、ピストンピン４０には、コンロッド２０の気体通路２１を介して送られるクランク側中空部３１内の気体を、ピン側中空部４３内へ取り込むための気体流入口４１が設けられる。この気体流入口４１は、ピストンピン４０の側周部に開口して、ピン側中空部４３へ連通する。

また、ピストンピン４０の側周部には、ピン側中空部４３と連通するピン側給気口４２が設けられている。そして、ピン側中空部４３内の気体は、ピン側給気口４２からピストンピン４０とコンロッド２０の小端部２０₂との間に流出して、空気軸受を構成する。これによって、ピストンピン４０とコンロッド２０の小端部２０₂との摩擦を極めて低減できる。なお、この空気軸受は静圧空気軸受である。

この実施例に係る熱機関１が備えるピストン５０は、内部に中空部（以下ピストン側中空部）５１が設けられている。ピストン側中空部５１には、ピストン５０に取り付けられるピストンピン４０のピン側中空部４３が連通しており、ピン側中空部４３内の気体がピストン側中空部５１へ供給される。また、ピストン５０の側周部には、ピストン側給気口５３が、ピストン５０の周方向に一定の間隔で複数設けられている。

ピストン側給気口５３は、ピストン側中空部５１に連通しており、ピストン側中空部５１内の気体をピストン５０とシリンダ３との間に流出させる。これによって、ピストン５０とシリンダ３との間に空気軸受（静圧空気軸受）を形成し、ピストン５０の運動時における、ピストン５０とシリンダ３との摩擦を極めて低減できる。なお、ピストン側中空部５１及びピストン側給気口５３は、例えば近似直線機構等によってピストン５０を支持することにより、ピストン５０のサイドフォースを押さえ込めれば、必ずしも設ける必要はない。

ここで、この実施例に係る熱機関１では、空気軸受に用いられる気体が空気であるため、便宜上「空気軸受」というが、「空気軸受」に用いる気体は空気以外のものであってもよい（以下同様）。また、この実施例において、空気軸受には、クランクケース軸受部９Ｂとクランク軸３０との間に形成されるもののように、回転軸を支持するもののみならず、ピストン５０とシリンダ３との間に形成されるもののように、往復運動するピストン５０を支持するものも含まれる。すなわち、この実施例において、空気軸受は、摺動する一対の構造物同士の間に気体が介在して、摩擦を低減する機能を有するものである。

この実施例に係る熱機関１が備える空気軸受を機能させるためには、摺動する一対の構造物の間に気体（この実施例では空気）を供給する必要がある。この実施例では、軸受用気体供給手段であるポンプ５によって空気軸受を機能させるために必要な気体（以下軸受用気体）を供給する。この実施例において、ポンプ５は、熱機関１が内燃機関２の排熱を回収することによって生み出した出力の一部によって駆動されて、熱機関１の内部の摺動部に設けられる空気軸受へ軸受用気体を供給する。

ところで、上述の通り、この実施例において空気軸受は、クランク軸３０の偏芯部３０ｃとコンロッド２０の大端部２０₁との間や、ピストン５０とシリンダ３との間等の摺動部に設けられる。すなわち、空気軸受は、熱機関１の内部に設けられることになる。そして、ポンプ５から空気軸受へ供給される軸受用気体は、一部がクランク軸３０の偏芯部３０ｃとコンロッド２０の大端部２０₁との間等に形成される空気軸受から熱機関１の内部（主にクランクケース内部９ｉ）へ漏れる。これによって、クランクケース内部９ｉの圧力が上昇するため、これを補正する手段が必要になる。

また、上述したように、この実施例１に係る熱機関は、クランクケース９内を加圧する。ここで、この実施例において、空気軸受が設けられる摺動部は熱機関１の内部にある。このため、クランクケース内圧力Ｐｃが作用する環境下において空気軸受としての機能を発揮させるためには、クランクケース内圧力Ｐｃよりも高い圧力で軸受用気体を摺動部へ供給する必要がある。しかし、クランクケース内圧力Ｐｃよりも高い圧力で軸受用気体を供給するためには、大きなエネルギーが必要となる。

そこで、この実施例に係る熱機関１では、所定のクランクケース内圧力Ｐｃに加圧されたクランクケース内部９ｉの気体をポンプ５へ導入する。そして、この気体をクランクケース内圧力Ｐｃよりも高い軸受用気体供給圧力Ｐｓまで加圧した後、軸受用気体として熱機関１の内部の摺動部へ供給して空気軸受を構成する。このように、クランクケース内部９ｉの気体を軸受用気体として用いるので、空気軸受から熱機関１の内部へ漏れ出た軸受用気体は、クランクケース９内から軸受用気体として再び空気軸受へ供給される。その結果、空気軸受から漏れ出た軸受用気体によるクランクケース内圧力Ｐｃの上昇はほとんど発生しない。すなわち、空気軸受から漏れ出た軸受用気体によって、クランクケース内圧力Ｐｃはほとんど影響を受けない。これによって、意図しない熱機関１の出力変化を極めて低減できる。

また、所定のクランクケース内圧力Ｐｃまで加圧されたクランクケース内部９ｉの気体を軸受用気体として用いることで、軸受用気体を軸受用気体供給圧力Ｐｓまで加圧するためのエネルギーは、大気圧の軸受用気体を軸受用気体供給圧力Ｐｓまで加圧する場合と比較して、クランクケース内圧力Ｐｃ程度に相当するエネルギーが低減できる。次に、ポンプ５によって熱機関１のクランクケース内部９ｉの気体を熱機関１内の摺動部に設けられる空気軸受へ供給する構成を説明する。

ポンプ５は、熱機関１が備えるクランク軸３０の回転軸部３０ｓに、動力断続手段であるクラッチ８を介して取り付けられる。そして、機関ＥＣＵ６０が備える軸受用気体供給制御装置６１によってクラッチ８を断続することにより、必要に応じて熱機関１の内部の摺動部に設けられる空気軸受へ軸受用気体を供給する。

ポンプ５とクランクケース９内とは、気体取出通路９０によって接続されている。ポンプ５は、所定のクランクケース内圧力Ｐｃに加圧されたクランクケース内部９ｉの気体を吸い込み、クランクケース内圧力Ｐｃよりも高い軸受用気体供給圧力Ｐｓまで加圧してから、バッファータンク６へ圧送する。ポンプ５とバッファータンク６との間には逆止弁７０が設けられており、バッファータンク６からポンプ５への気体の逆流を防止する。バッファータンク６と軸受部連通孔１４（図２）とは、クランクケース内部加圧用気体通路９２で接続されており（図２参照）、バッファータンク６内の軸受用気体がクランク軸３０のクランク側中空部３１へ供給される。バッファータンク６を設けることにより、安定して空気軸受へ軸受用気体を供給できる。

バッファータンク６には、軸受用気体供給圧力センサ８２が設けられている。軸受用気体供給制御装置６１は、軸受用気体供給圧力センサ８２の信号を取得して、バッファータンク６内の圧力を監視する。そして、軸受用気体供給制御装置６１は、バッファータンク６内が軸受用気体供給圧力Ｐｓに保たれるようにポンプ５を制御する。例えば、軸受用気体供給制御装置６１がクランクケース内圧力センサ８１によってクランクケース内圧力Ｐｃを監視する。そして、熱機関１の負荷変動によりクランクケース内圧力Ｐｃが変化した場合には、バッファータンク６内の圧力がクランクケース内圧力Ｐｃ以下にならないように、バッファータンク６内の圧力を制御する。

例えば、熱機関１の運転中、バッファータンク６内の圧力が軸受用気体供給圧力Ｐｓ以下になった場合、軸受用気体供給制御装置６１はクラッチ８を係合させる。これによって、ポンプ５を駆動して、バッファータンク６内の圧力を軸受用気体供給圧力Ｐｓよりも大きくする。バッファータンク６内の圧力が軸受用気体供給圧力Ｐｓよりも大きくなったら、軸受用気体供給制御装置６１はクラッチ８を開放して、ポンプ５の駆動を停止させる。このような構成によって、熱機関１内の摺動部に設けられる空気軸受には、クランクケース内圧力Ｐｃよりも高い軸受用気体供給圧力Ｐｓで、軸受用気体が供給される。

上述した通り、軸受用気体供給圧力Ｐｓは、クランクケース内圧力Ｐｃよりも高い圧力である。この実施例に係る熱機関１は、その負荷に応じてクランクケース内圧力Ｐｃを変化させるが、この場合、軸受用気体供給圧力Ｐｓは、クランクケース内圧力Ｐｃに、所定の定数Ｃ１を乗じた値とすることが好ましい（式（１）参照）。
Ｐｓ＝Ｃ１×Ｐｃ・・・（１）
ここで、所定の定数Ｃ１は、（作動空間３Ｉ内における作動流体の圧力振幅）／（クランクケース内圧力）、及び（ピストン５０の受圧面積）／（空気軸受の受圧面積）に比例して設定する。

熱機関１の負荷の影響が極めて小さい摺動部に設けられる空気軸受に軸受用気体を供給する場合、軸受用気体供給圧力Ｐｓは、例えば、式（２）に示すように、軸受用気体供給圧力Ｐｓは、クランクケース内圧力Ｐｃに、所定の定数Ｃ２を加えた値とすることが好ましい（式（２）参照）。
Ｐｓ＝Ｐｃ＋Ｃ２・・・（２）
ここで、定数Ｃ２は、軸受用気体供給圧力Ｐｓが空気軸受の負荷以外の荷重に対応できる範囲で、かつクランクケース内圧力Ｐｃに打ち勝って軸受用気体を空気軸受に供給できる最小値となるように設定される。なお、空気軸受の負荷とは、摺動する一対の構造物同士を気体によって浮上させるための負荷であり、例えば、シリンダ３とピストン５０との間の空気軸受では、ピストン５０を浮上させるための負荷である。

熱機関１の負荷の影響が極めて小さい摺動部とは、例えば、ピストン５０がグラスホッパやワットリンク等の近似直線機構によって支持される場合における、ピストン５０とシリンダ３との間の摺動部である。この場合、ピストン５０のサイドフォース（ピストン５０の運動方向に略直交する方向の力）が、空気軸受の負荷以外の荷重となる。なお、近似直線機構によってピストン５０を支持する場合、サイドフォースは極めて小さくなる。

軸受用気体供給圧力Ｐｓは、前記サイドフォースに対応できる範囲で、かつクランクケース内圧力Ｐｃに打ち勝って、熱機関１の負荷の影響が極めて小さい摺動部に設けられる空気軸受へ、軸受用気体を供給できる最小値に設定する。このようにすれば、空気軸受に供給する軸受用気体の供給量を抑制できるので、軸受用気体を供給するために要するエネルギーを抑制できる。

以上、この実施例に係る熱機関は、負荷に応じてクランクケース内の圧力を変化させ、かつ熱機関内部の摺動部に空気軸受を備えており、クランクケース内の気体を加圧して前記空気軸受に圧力を供給する。このように、この実施例に係る熱機関は、クランクケース内の気体を加圧して、軸受用気体として空気軸受へ供給するので、空気軸受から漏れ出た軸受用気体によって、クランクケース内圧力はほとんど影響を受けない。これによって、意図しない熱機関の出力変化を極めて低減できる。

また、所定の圧力まで加圧されたクランクケース内の気体を軸受用気体として用いるので、軸受用気体を軸受用気体供給圧力まで加圧するためのエネルギーを低減できる。特に、この実施例に係る熱機関を排熱回収用に用いる場合、空気軸受に軸受用気体を供給するエネルギーを抑制できるので、回収した熱エネルギーを有効に利用できる。なお、この実施例で開示した構成と同様の構成を備える熱機関は、この実施例に係る熱機関と同様の作用、効果を奏する。また、この実施例で開示した構成は、以下の実施例でも適用できる。

この実施例に係る熱機関は、実施例１に係る熱機関と略同様の構成であるが、空気軸受へ軸受用気体を供給する軸受用気体供給手段によって、クランクケース内の気体を加圧することにより、熱機関の負荷に応じてクランクケース内の圧力を変更する点が異なる。他の構成は実施例１と同様である。

図３は、実施例２に係る熱機関を示す全体図である。この実施例に係る熱機関１ａは、軸受用気体供給手段であるポンプ５とバッファータンク６との間に、加圧気体供給先切替手段６５が設けられる。また、ポンプ５とクランクケース９内とを接続する気体取出通路９０の途中に、導入気体切替手段６６が設けられる。加圧気体供給先切替手段６５及び導入気体切替手段６６は、軸受用気体供給制御装置６１によって制御される。

図４−１は、加圧気体供給先切替手段の一例を示す説明図である。図４−１に示すように、この実施例において、加圧気体供給先切替手段６５は、三方弁で構成される。ポンプ５から吐出される所定の圧力まで加圧された気体は、気体導入口６５ｉへ導入される。加圧気体供給先切替手段６５は軸受用気体供給制御装置６１によって制御され、気体導入口６５ｉから導入される気体の吐出先は、第１吐出口６５ｏ₁又は第２吐出口６５ｏ₂のいずれか一方に選択できる。

第１吐出口６５ｏ₁が選択された場合、ポンプ５から吐出された気体は、バッファータンク６へ供給される。一方、第１吐出口６５ｏ₂が選択された場合、ポンプ５から吐出された気体は、クランクケース内部加圧用気体通路９３を介してクランクケース９内へ供給される。これによって、軸受用気体供給手段であるポンプ５によって熱機関１ａが備える空気軸受へ軸受用気体を供給し、また熱機関１ａのクランクケース内部９ｉを加圧することができる。ここで、クランクケース内部加圧用気体通路９３は、クランクケース９の内部の気体以外の気体を、後述する空気軸受を介さずにクランクケース９内へ供給する気体通路である。

なお、加圧気体供給先切替手段６５の気体導入口６５ｉをバッファータンク６の出口に接続し、第１吐出口６５ｏ₁を熱機関１ａが備える空気軸受に接続し、第２吐出口６５ｏ₂を熱機関１ａのクランクケース９内へ接続するようにしてもよい。この場合、バッファータンク６内にためられた気体がクランクケース９内へ供給されるので、安定してクランクケース９内を加圧することができる。

図４−２は、導入気体切替手段の一例を示す説明図である。図４−２に示すように、この実施例において、導入気体切替手段６６は、三方弁で構成される。導入気体切替手段６６の気体出口６６ｏとポンプ５とは気体取出通路９０で接続されている。気体取入口６６ｉには、クランクケース９側の気体取出通路９０が接続されており、クランクケース内部９ｉの気体が導入気体切替手段６６へ導かれる。また、気体出入口６６ｉｏは大気に開かれている。

導入気体切替手段６６は、気体出口６６ｏと気体取入口６６ｉとの連通、気体出口６６ｏと気体出入口６６ｉｏとの連通、気体取入口６６ｉと気体出入口６６ｉｏとの連通のうちいずれか一つを選択できる。軸受用気体供給制御装置６１によって気体出口６６ｏと気体取入口６６ｉとの連通が選択された場合、ポンプ５は、クランクケース内部９ｉの気体を加圧して加圧気体供給先切替手段６５へ吐出する。

軸受用気体供給制御装置６１によって気体出口６６ｏと気体出入口６６ｉｏとの連通が選択された場合、ポンプ５は、大気中から空気Ａ（クランクケース内部９ｉの気体以外の気体に相当する）を取り込んで加圧して、加圧気体供給先切替手段６５へ吐出する。軸受用気体供給制御装置６１によって気体取入口６６ｉと気体出入口６６ｉｏとの連通が選択された場合、クランクケース内部９ｉの気体は大気中へ放出される。すなわち、クランクケース内部９ｉの圧力は減圧される。

このように、加圧気体供給先切替手段６５及び導入気体切替手段６６を備えることにより、この実施例に係る熱機関１ａでは、軸受用気体供給手段であるポンプ５によって、クランクケース内部９ｉの気体を加圧して、熱機関１ａが備える空気軸受へ軸受用気体として供給することができる。また、軸受用気体供給手段であるポンプ５により、大気中の空気Ａを、クランクケース内部加圧用気体通路９３を通して直接、又はバッファータンク６を介してクランクケース内部９ｉに供給することで、熱機関１ａのクランクケース内の圧力を調整することができる。すなわち、クランクケース内部９ｉの気体以外の気体（大気中の空気Ａ）によって、熱機関１ａのクランクケース内の圧力を調整することができる。このように、これによって、クランクケース内部９ｉを加圧するための加圧手段を、軸受用気体供給手段で兼用できるので、ポンプ５等の補機類を含めた熱機関１ａの全体を小型化できる。次に、この実施例に係る熱機関の運転制御を説明する。

この実施例に係る熱機関の運転制御では、軸受用気体供給圧力Ｐｓとクランクケース内圧力Ｐｃとを、それぞれ空気軸受要求圧力Ｐｓｌ、目標クランクケース内圧力Ｐｃｌよりも大きくなるように制御する。ここで、この実施例に係る熱機関１ａは、加圧気体供給先切替手段６５によって、軸受用気体供給手段であるポンプ５で加圧した気体の供給先を、熱機関１ａが備える空気軸受又はクランクケース内部９ｉのいずれか一方とする。そして、軸受用気体供給圧力Ｐｓとクランクケース内圧力Ｐｃとの両方が、それぞれ空気軸受要求圧力Ｐｓｌ、目標クランクケース内圧力Ｐｃｌ以下になった場合は、空気軸受を優先してポンプ５で加圧した気体を供給する。

図５は、実施例２に係る熱機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。次の説明では、適宜図３、図４−１、図４−２を参照されたい。この実施例に係る熱機関の運転制御を実行するにあたり、軸受用気体供給制御装置６１は、クランクケース内圧力センサ８１及び軸受用気体供給圧力センサ８２から、クランクケース内圧力Ｐｃ及び軸受用気体供給圧力Ｐｓを取得する（ステップＳ１０１）。次に、軸受用気体供給制御装置６１は、軸受用気体供給圧力Ｐｓと、所定の空気軸受要求圧力Ｐｓｌとを比較する（ステップＳ１０２）。空気軸受要求圧力Ｐｓｌは、例えば、実施例１で説明した式（１）の関係、すなわち、空気軸受要求圧力Ｐｓｌ＝Ｃ１×Ｐｃを用いて、取得したクランクケース内圧力Ｐｃをこの式に与えて決定する。

Ｐｓ＞Ｐｓｌである場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、ステップＳ１０５から始まるクランクケース内圧力Ｐｃの制御に移行する。Ｐｓ≦Ｐｓｌである場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、熱機関１ａが備える空気軸受は十分に機能を発揮していないおそれがあるので、軸受用気体を十分に供給して、空気軸受の機能を発揮させる必要がある。このため、軸受用気体供給圧力Ｐｓが空気軸受要求圧力Ｐｓｌより大きくなるまで軸受用気体を加圧する（ステップＳ１０３）。

このように、この実施例に係る熱機関１ａは、軸受用気体供給圧力Ｐｓが空気軸受要求圧力Ｐｓｌよりも大きくなるように、クランクケース内圧力の調整に優先して、軸受用気体供給圧力Ｐｓを上昇させる。これによって、熱機関１ａが備える空気軸受は、その機能を迅速に発揮できるので、熱機関１ａの摺動部における摩擦の増加に起因する摺動部の摩耗や、熱機関１ａの駆動エネルギーの損失を低減できる。

軸受用気体供給圧力Ｐｓを増加させるにあたり、軸受用気体供給制御装置６１は、加圧気体供給先切替手段６５の気体導入口６５ｉから導入される気体の吐出先として、第１吐出口６５ｏ₁を選択するとともに、導入気体切替手段６６の気体出口６６ｏと気体取入口６６ｉとの連通を選択する。また、軸受用気体供給制御装置６１は、ポンプ５を駆動する。これによって、ポンプ５は、導入気体切替手段６６を介してクランクケース９内から気体を取り込んで加圧する。そして、ポンプ５は、加圧した気体を軸受用気体として、加圧気体供給先切替手段６５を介してバッファータンク６へ供給する。

次に、軸受用気体供給制御装置６１は、軸受用気体供給圧力センサ８２から軸受用気体供給圧力Ｐｓを取得し、軸受用気体供給圧力Ｐｓが所定の空気軸受要求圧力Ｐｓｌに所定のマージン圧力Ｐαを加算した値（Ｐｓｌ＋Ｐα）よりも大きくなっているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ここで、軸受用気体供給圧力Ｐｓが所定の空気軸受要求圧力Ｐｓｌよりも大きくなっていれば、熱機関１ａが備える空気軸受は機能を発揮すると考えられる。

しかし、軸受用気体供給圧力Ｐｓの測定ばらつきや、軸受用気体供給が軸受部連通孔１４、気体供給溝１６等を通過して空気軸受へ供給されることによる供給遅れ等を考慮して、空気軸受要求圧力Ｐｓｌにマージン圧力Ｐαを加算した値を超えるまで、軸受用気体供給圧力Ｐｓを加圧することが好ましい。また、バッファータンク６内の軸受用気体供給圧力Ｐｓを（Ｐｓｌ＋Ｐα）よりも大きい圧力に加圧しておけば、バッファータンク６内の圧力が空気軸受要求圧力Ｐｓｌ以下になるまである程度の時間を要するので、ポンプ５の駆動頻度を少なくすることができる。

Ｐｓ≦Ｐｓｌ＋Ｐαである場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、Ｐｓ＞Ｐｓｌ＋Ｐαとなるまでポンプ５は加圧を継続する。Ｐｓ＞Ｐｓｌ＋Ｐαとなったら（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、軸受用気体供給制御装置６１は、ステップＳ１０１で取得したクランクケース内圧力Ｐｃと、目標クランクケース内圧力Ｐｃｌとを比較する（ステップＳ１０５）。Ｐｃ≠Ｐｃｌである場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、熱機関１ａの負荷に応じたクランクケース内圧力になっていないと判定できる。

この場合には、Ｐｃ＝Ｐｃｌとなるように、クランクケース内圧力Ｐｃを調整する（ステップＳ１０６）。なお、厳密にＰｃ＝Ｐｃｌとなっているか否かを判断してもよいが、クランクケース内圧力Ｐｃの測定ばらつき等を考慮して、クランクケース内圧力Ｐｃが目標クランクケース内圧力Ｐｃｌを中心とした所定の範囲にある場合には、Ｐｃ＝Ｐｃｌとみなしてもよい。次に、クランクケース内圧力Ｐｃの調整方法を説明する。

クランクケース内圧力Ｐｃを調整するにあたりＰｃ≠ＰｃｌかつＰｓ≦Ｐｃｌである場合、軸受用気体供給制御装置６１は、加圧気体供給先切替手段６５の気体導入口６５ｉから導入される気体の吐出先として、第２吐出口６５ｏ₂を選択するとともに、導入気体切替手段６６の気体出口６６ｏと気体出入口６６ｉｏとの連通を選択する。また、軸受用気体供給制御装置６１は、クラッチ８を係合することにより、ポンプ５を駆動する。これによって、ポンプ５は、導入気体切替手段６６を介して大気中から空気Ａを取り込み、加圧する。そして、ポンプ５は、加圧した空気Ａを、加圧気体供給先切替手段６５を介してクランクケース９内へ供給し、クランクケース内部９ｉの気体を加圧する。

クランクケース内圧力Ｐｃを調整するにあたりＰｃ≠ＰｃｌかつＰｓ＞Ｐｃｌである場合、軸受用気体供給制御装置６１は、導入気体切替手段６６の気体取入口６６ｉと気体出入口６６ｉｏとの連通を選択し、クラッチ８を開放することによりポンプ５を停止する。これによって、クランクケース内部９ｉの気体は加圧気体供給先切替手段６５を介して大気中へ放出されるので、クランクケース９内は減圧される。Ｐｃ＝Ｐｃｌである場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、軸受用気体供給制御装置６１は、クラッチ８を開放することによりポンプ５の動作を停止し（ステップＳ１０７）、熱機関１ａの運転制御は終了する。

以上、この実施例に係る熱機関は、空気軸受への軸受用気体を供給する手段と、クランクケース内を加圧する手段とを、軸受用気体供給手段によって共用する。これによって、熱機関の構成要素を少なくできるとともに、補機類を含めた熱機関全体を小型化できる。また、この実施例に係る熱機関は、軸受用気体供給圧力が空気軸受要求圧力よりも大きくなるように、クランクケース内圧力の調整に優先して、軸受用気体供給圧力を上昇させる。これによって、熱機関が備える空気軸受はその機能を迅速に発揮できるので、熱機関内部の摺動部における摩擦の増加に起因する摩耗や駆動エネルギーの損失を低減できる。

なお、上記においては、熱機関がスターリングエンジンである場合の例を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係る熱機関は、スターリングエンジン以外の熱機関や装置に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の有用性を有する。

以上のように、本発明に係る熱機関は、内部の摺動部に空気軸受を備えるものに有用であり、特に、空気軸受から熱機関内部に流出する気体による熱機関内部の圧力変化を抑制することに適している。

実施例１に係る熱機関を示す全体図である。 実施例１に係る熱機関のより詳細な構造を示す拡大断面図である。 実施例２に係る熱機関を示す全体図である。 加圧気体供給先切替手段の一例を示す説明図である。 導入気体切替手段の一例を示す説明図である。 実施例２に係る熱機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１、１ａ 熱機関
２ 内燃機関
３ シリンダ
４ クランクケース内部圧力調整手段
５ ポンプ
６ バッファータンク
８ クラッチ
９ クランクケース
９ｉ クランクケース内部
９Ｂ クランクケース軸受部
３０ クランク軸
５０ ピストン
６０ 機関ＥＣＵ
６１ 軸受用気体供給制御装置
６５ 加圧気体供給先切替手段
６６ 導入気体切替手段
８１ クランクケース内圧力センサ
８２ 軸受用気体供給圧力センサ

Claims (5)

1. シリンダの内部を往復運動するピストンを備える熱機関であり、
   前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸を格納するクランクケースと、
   少なくとも前記クランク軸の摺動部に形成される空気軸受と、
   前記クランクケースの内部の気体を取り出し、加圧してから前記空気軸受へ供給する軸受用気体供給手段と、
   を含むことを特徴とする熱機関。
2. さらに、前記クランクケースの内部の気体以外の気体を、前記空気軸受を介さずに前記クランクケース内へ供給する気体通路を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
3. 前記軸受用気体供給手段は、
   さらに、前記クランクケースの内部の気体以外の気体によって、前記クランクケースの内部の圧力を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
4. 前記軸受用気体供給手段は、
   前記空気軸受に供給する気体の圧力が、前記空気軸受が機能を発揮するために必要な空気軸受要求圧力よりも大きくなってから、前記クランクケースの内部の圧力を上昇させることを特徴とする請求項３に記載の熱機関。
5. 前記軸受用気体供給手段は、
   前記空気軸受に供給される気体の圧力を、前記クランクケースの内部の圧力に比例して増加させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱機関。

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