JP2008255900A - 動力伝達機構及び排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉された空間から動力を取り出すにあたってエネルギーの損失を低減すること。
【解決手段】スターリングエンジン１００は、クランクケース１１４Ａに、ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸１１０を備える。クランクケース１１４Ａは密封された空間であり、加圧用ポンプ１１５によって加圧される。スターリングエンジン１００が発生する動力は、増速装置２０と磁気カップリング１０とで構成される動力伝達機構１を介してクランクケース１１４Ａの外部へ取り出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、密閉空間に配置される出力軸から動力を取り出す動力伝達機構、及びこの動力伝達機構を用いた排熱回収装置に関する。

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を回収する排熱回収装置がある。このような用途に用いられる排熱回収装置は、例えば、理論熱効率に優れるスターリングエンジンのような外燃機関が用いられる。特許文献１や特許文献２には、出力を向上させるため、クランクケースを密封構造としてクランクケース内を加圧する排熱回収用のスターリングエンジンが開示されている。

特開２００５−３５１２４２号公報 特開２００５−３５１２４３号公報

特許文献１や特許文献２に開示されたスターリングエンジンは、クランクケースを密封構造とするので、密封を保つためにクランク軸にシールを設ける必要がある。このシールは、クランクケース内の圧力が低下しないように、高い密封性能が要求される。密封性能を高めると、動力伝達軸とシールとの摺動抵抗も増加するので、摩擦損失が大きくなる。特に、排熱回収においては低質な熱源から熱エネルギーを回収するため、摩擦損失が発生すると、スターリングエンジンから取り出すことのできるエネルギーが減少してしまう。特許文献１、２には、シールによる摩擦損失には言及されておらず、この点は改善の余地がある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、密閉された空間から動力を取り出すにあたって摩擦損失を低減できる動力伝達機構及び排熱回収装置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、本発明に係る動力伝達機構は、動力発生手段の密閉空間内に配置される出力軸から動力を取り出す動力伝達機構であり、前記出力軸からの動力が伝達される駆動軸と、前記駆動軸に取り付けられて、前記駆動軸とともに回転する第１磁石と、前記駆動軸と同心上に配置される従動軸に取り付けられて、前記密閉空間の外部かつ前記第１磁石と向かい合って配置される第２磁石と、前記第１磁石と前記第２磁石との間に配置されて、前記駆動軸側と前記従動軸側とを区画する隔壁と、を含んで構成されることを特徴とする。

この動力伝達機構は、動力発生手段の密閉空間に配置される出力軸から、第１磁石と第２磁石との間に発生する磁力を利用して、密閉空間の外部へ動力を取り出す。これによって、密閉空間の外部へ動力を取り出す際の摩擦損失を低減することができる。

本発明の望ましい態様としては、前記動力伝達機構において、前記密閉空間は外燃機関の内部空間であり、前記出力軸は、前記外燃機関の内部に配置されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記動力伝達機構において、前記外燃機関はスターリングエンジンであることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記動力伝達機構において、前記出力軸と前記駆動軸との間には、前記出力軸のトルクを変化させて前記駆動軸へ伝達する変換手段が設けられることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記動力伝達機構において、前記変換手段は、前記出力軸のトルクを低下させて前記駆動軸へ伝達することが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記動力伝達機構において、前記変換手段は、増速装置であり、前記出力軸の回転数を増加させることによって、前記出力軸のトルクを低下させて前記駆動軸へ伝達することが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記動力伝達機構において、前記隔壁は、非導電性の材料で構成されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記動力伝達機構において、前記変換手段を構成する要素のうち潤滑を要する要素を、前記動力発生手段の密閉空間に対して密閉する潤滑対象配置空間と、前記密閉空間の内部における圧力と、前記潤滑対象配置空間における圧力との圧力差を吸収する圧力差吸収機構と、を備えることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記動力伝達機構において、前記密閉空間と、前記隔壁で囲まれる空間とを連通する連通通路を備えることが好ましい。

上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関から排出される排熱の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、回転運動として出力軸から出力する動力発生手段と、前記動力発生手段の出力軸から動力を取り出す前記動力伝達機構と、を含むことを特徴とする。

この発明に係る動力伝達機構及び排熱回収装置は、密閉された空間から動力を取り出すにあたって摩擦損失を低減できる。

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（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施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、以下の説明では、動力発生手段及び排熱回収装置として外燃機関であるスターリングエンジンを用い、熱機関である内燃機関の排ガスから熱エネルギーを回収する場合を例とする。なお、動力発生手段及び排熱回収装置としては、スターリングエンジンの他、ブレイトンサイクルを利用した外燃機関等を用いることができる。また、排熱回収対象である熱機関の種類は問わない。

本実施形態に係る動力伝達機構及びこれを用いる排熱回収装置は、例えば、動力発生手段であるスターリングエンジンのクランクケースのような密閉空間に配置されるクランク軸から、磁気カップリングを介して密閉空間の外部へ動力を取り出す点に特徴がある。本実施形態に係る動力伝達機構は、特に、外燃機関やスターリングエンジンの動力伝達機構として好適である。まず、本実施形態に係る動力発生手段及び排熱回収装置であるスターリングエンジンの構成を説明する。

図１は、本実施形態に係る動力発生手段及び排熱回収装置であるスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、本実施形態に係る動力発生手段及び排熱回収装置であるスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例を示す断面図である。図３は、ピストンの支持に用いる近似直線機構の例を示す説明図である。本実施形態に係る動力発生手段及び排熱回収装置であるスターリングエンジン１００は、いわゆる外燃機関であり、排ガス等の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、クランク軸１１０の回転運動として取り出すものである。なお、クランク軸１１０は、回転軸Ｚｒを中心として回転する。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、α型の直列２気筒スターリングエンジンである。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１０１の内部に収められた第１ピストンである高温側ピストン１０３と、第２シリンダである低温側シリンダ１０２の内部に収められた第２ピストンである低温側ピストン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１０２とは、基準体である基板１１１に、直接、又は間接的に支持されるとともに固定されている。本実施形態に係るスターリングエンジン１００においては、この基板１１１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、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。

後述するように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３との間、及び低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４との間に気体軸受ＧＢを介在させる。基準体である基板１１１に、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストンとシリンダとのクリアランスを精度よく保持することができるので、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン１００の組み立ても容易になる。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２との間には、略Ｕ字形状のヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が配置される。このように、ヒータ１０５を略Ｕ字形状にすることによって、内燃機関の排ガス通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置することができる。また、このスターリングエンジン１００のように、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ１０５を比較的容易に配置することができる。

ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ１０１側に配置され、他方の端部は再生器１０６側に配置される。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５側に配置され他方の端部はクーラー１０７側に配置される。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ１０２側に配置される。

また、高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０２及び熱交換器１０８内には作動流体（本実施形態では空気）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する。これによって、スターリングエンジン１００が動力を発生する。ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねた構成とすることができる。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。

高温側ピストン１０３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１０２内に気体軸受ＧＢを介して支持されている。すなわち、潤滑油を用いないで、ピストンをシリンダ内で往復運動させる構造である。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、例えば、内燃機関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を運転して熱エネルギーを回収できる。

気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、高温側ピストン１０３と高温側シリンダ１０１とのクリアランスｔｃは、高温側ピストン１０３等の全周にわたって数十μｍとする。なお、低温側ピストン１０４及び低温側シリンダ１０２も同様の構成である。高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３と低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４とは、例えば、加工の容易な金属材料を用いて構成することができる。

本実施形態においては、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の側壁に設けた気体噴射口ＨＥから気体（本実施形態では作動流体と同じ空気）ａを吹き出して、気体軸受ＧＢを形成する。次に、この構成を説明する。図１、図２に示すように、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の内部には、それぞれ仕切り部材１０３ｃ、１０４ｃが配置されている。そして、高温側ピストン１０３には、ピストンヘッドとピストン側壁と仕切り部材１０３ｃとで囲まれる空間（高温側ピストン内空間）１０３ＩＲが形成され、低温側ピストン１０４には、ピストンヘッドとピストン側壁と隔壁１０４ｃとで囲まれる空間（低温側ピストン内空間）１０４ＩＲが形成される。

高温側ピストン１０３には、高温側ピストン内空間１０３ＩＲへ気体ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられており、低温側ピストン１０４には、低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ気体ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられている。それぞれの気体導入口ＨＩには、気体供給管１１８が接続されている。気体供給管１１８の一端は、気体軸受用ポンプ１１７に接続されており、気体軸受用ポンプから吐出される気体ａを高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ導く。ここで、ポンプ１１７は、密閉空間（すなわち図１に示すクランクケース１１４Ａの内部）から気体取り込み管１２０を介して気体ａを取り込んで加圧し、気体供給管１１８に吐出することが好ましい。

高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ導入された気体ａは、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の側壁に設けた気体噴射口ＨＥから流出して、気体軸受ＧＢを形成する。なお、この気体軸受ＧＢは、静圧気体軸受である。また、高温側ピストン１０３及び高温側ピストン１０４の頂部に気体取り込み孔を設けて、この気体取り込み孔から高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ作動流体である気体ａを取り込み、気体噴射口ＨＥから流出させて気体軸受ＧＢを構成してもよい。すなわち、気体軸受ＧＢを形成するための構成は、上述したような気体軸受用ポンプ１１７から高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ気体を供給して気体噴射口ＨＥから流出させる構成に限定されるものでではない。

高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４の往復運動は、コネクティングロッド１０９によって出力軸であるクランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。なお、コネクティングロッド１０９は、図３に示す近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）１１９によって支持してもよい。このようにすれば、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４を略直線状に往復運動させることができる。

このように、コネクティングロッド１０９を近似直線機構１１９によって支持すれば、高温側ピストン１０３のサイドフォースＦＳ（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても十分に高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４を支持することができる。

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１０３、コネクティングロッド１０９、クランク軸１１０等の各構成要素は、筺体１００Ｃに格納される。ここで、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成されている。筺体１００Ｃ内は、加圧手段である加圧用ポンプ１１５により加圧される。

高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０２、及び熱交換器１０８内の作動流体を加圧することにより、作動流体が熱エネルギーを取り込むときの容量を大きくする。これによって、スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０から、より多くの出力を取り出すことができる。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、筺体１００Ｃ内が加圧されているため（例えば、１ＭＰａ程度）、クランク軸１１０と筐体１００Ｃとの間は気密を保持するように構成して、クランク軸１１０の回転運動を筐体１００Ｃの外部へ取り出す必要がある。このため、本実施形態では、図１に示すように、クランク軸１１０のトルクを変化させて出力する変換手段である増速装置２０と、増速装置２０の出力を非接触で従動軸（磁気カップリング従動軸）２へ伝達する磁気カップリング１０とで構成される動力伝達機構１を介して、クランク軸の出力を筐体１００Ｃの外部へ取り出す。次に、動力伝達機構１の構成を説明する。

図４は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える動力伝達機構の構成図である。図５は、図４のＡ−Ａ矢視図であり、本実施形態に係る動力伝達機構が備える磁気カップリングの構成図である。本実施形態に係る動力伝達機構１は、磁気カップリング１０と、変換手段である増速装置２０とで構成されており、密閉空間であるクランクケース１１４Ａの内部に配置され出力軸であるクランク軸１１０から、クランクケース１１４Ａの外部へ動力を取り出すために用いられる。スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０は、増速装置２０に接続されている。増速装置２０は、クランク軸１１０の回転数（単位時間あたりの回転数）を増速するとともにトルクを低下させて、クランク軸１１０から出力されるスターリングエンジン１００の発生する動力を磁気カップリング１０の駆動軸（磁気カップリング駆動軸）１４へ入力する。

磁気カップリング駆動軸１４には第１磁石１１が取り付けられている。第１磁石１１は、磁気カップリング駆動軸１４と同心上に配置される磁気カップリング従動軸２に取り付けられる第２磁石１２と向かい合って配置される。このような構成により、磁気カップリング駆動軸１４が回転することにより第１磁石１１が回転し、磁力によって第２磁石１２が第１磁石１１とともに連れ回るので、磁気カップリング駆動軸１４からの出力を磁気カップリング従動軸２へ取り出すことができる。すなわち、スターリングエンジン１００の出力を、増速装置２０及び磁気カップリング１０を介してクランクケース１１４Ａの外部へ取り出すことができる。次に、本実施形態に係る動力伝達機構１の構成をより詳細に説明する。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、磁気カップリング１０を介して、加圧されたクランクケース１１４Ａの内部から動力を取り出す。磁気カップリング１０は、非接触で動力を伝達することができるので、加圧されたクランクケース１１４Ａの内部から動力を取り出す際に、クランクケース１１４Ａの密封を確保しつつ、摩擦損失を低減することができる。

本実施形態に係る磁気カップリング１０は、図４、図５に示すように、第１磁石１１と、これに向かい合って配置される第２磁石１２との間で動力を伝達する。第１磁石１１は、磁気カップリング駆動軸１４に連結される駆動側キャリア１１Ｃの外周部に取り付けられている。また、第２磁石１２は、従動側キャリア１２Ｃが連結されるコップ状の従動側キャリア１２Ｃの内周部に取り付けられている。図５に示すように、第１磁石１１は、駆動側キャリア１１Ｃの周方向に向かってＳ極とＮ極とが交互に配置されて、環状に構成される。また、第２磁石１２は、従動側キャリア１２Ｃの周方向に向かってＳ極とＮ極とが交互に配置されて、環状に構成される。

図４、図５に示すように、駆動側キャリア１１Ｃと従動側キャリア１２Ｃとは、それぞれの回転軸Ｚｒを共通としている。また、磁気カップリング駆動軸１４の回転軸、磁気カップリング従動軸２の回転軸は共通である。このように、駆動側キャリア１１Ｃと従動側キャリア１２Ｃと磁気カップリング駆動軸１４と磁気カップリング従動軸２とは、それぞれの回転軸がＺｒで共通である。図５に示すように、環状に構成された第２磁石１２の内側に、環状に構成された第１磁石１１が、隔壁１３を介して配置される。これによって、第２磁石１２は、第１磁石１１と向かい合って配置される。そして、図１に示すスターリングエンジン１００の発生する動力が磁気カップリング駆動軸１４に伝達されて、第１磁石１１が図５の矢印Ｒ１方向に回転すると、第１磁石１１と第２磁石１２との間の磁力により、第２磁石１２は図５の矢印Ｒ２方向に回転する。これによって、第１磁石１１から第２磁石１２へ動力が伝達される。

図６−１〜図６−３は、本実施形態に係る動力伝達機構に適用可能な磁気カップリング変形例を示す構成図である。この磁気カップリング１０ａは、円板状の第１磁石１１ａに円板状の第２磁石１２ａと向かい合わせて配置するとともに、第１磁石１１ａと第２磁石１２ａとの間に隔壁１３を配置する。ここで、第１磁石１１ａと第２磁石１２ａとは、板面が平行に配置される。図６−２、図６−３に示すように、第１磁石１１ａ及び第２磁石１２ａは、周方向に向かってＳ極とＮ極とが交互に配置される。そして、第１磁石１１ａが図６−１の矢印Ｒ１方向に回転すると、第１磁石１１ａと第２磁石１２ａとの間の磁力により、第２磁石１２ａは図６−１の矢印Ｒ２方向に回転する。これによって、第１磁石１１ａから第２磁石１２ａへ動力が伝達される。

本実施形態に係る磁気カップリング１０は、磁気カップリング駆動軸１４が取り付けられる第１磁石１１と、これに向かい合って配置されるとともに磁気カップリング従動軸２が取り付けられる第２磁石１２との間に、隔壁１３が配置される。すなわち、隔壁１３は、磁気カップリング駆動軸１４と磁気カップリング従動軸２とを区画する。隔壁１３は、ボルト３とナット４とによって、増速装置２０及び磁気カップリングカバー１０Ｃとともに、クランクケース１１４Ａのクランク軸１１０の部分に設けられる開口部１１４ＡＨに取り付けられる。なお、磁気カップリングカバー１０Ｃと隔壁１３との間や、隔壁１３と増速装置２０との間、増速装置２０とクランクケース１１４Ａとの間にシール手段を設けて、気密性を向上させてもよい。磁気カップリングカバー１０Ｃは、回転する従動側キャリア１２Ｃの外側に配置されて、回転する従動側キャリア１２Ｃが直接外部に露出しないように構成される。これによって、安全性が確保される。

隔壁１３の内部、すなわち隔壁１３と増速装置２０とで囲まれる空間（隔壁内空間）Ｉ＿ｍｃとクランクケース１１４Ａの内部とは、連通通路１７で連通している。これによって、隔壁内空間Ｉ＿ｍｃの圧力Ｐｍｃとクランクケース１１４Ａの内部の圧力Ｐｃとの圧力差を低減して、両者を略同じ大きさに保つことができる。このような構成により、隔壁１３は、加圧されたクランクケース１１４Ａの内部と、大気圧の外部とを区画して、クランクケース１１４Ａの密封を確保する。

隔壁１３は、回転する第１磁石１１と第２磁石１２との間に配置されるので、隔壁１３を構成する材料によっては、磁界の変化に起因する渦電流が発生する。本実施形態においては、磁界の変化に起因する渦電流による損失を低減するため、隔壁１３は、非導電性の材料で構成することが好ましい。上述したように、本実施形態では、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０の回転数を増速して磁気カップリング１０へ伝達するが、渦電流は回転数の２乗に比例して大きくなる。

非導電性の材料で磁気カップリング１０の隔壁１３を構成すれば、クランク軸１１０の回転数が上昇しても渦電流による損失はほとんど発生しなくなるため、本実施形態のように、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０の回転数を増速して磁気カップリング１０へ伝達する場合には特に好ましい。繊維強化プラスチックのような複合材料である場合、複合材料全体として非導電性であればよく、複合材料の母相や強化繊維自体は導電性であってもよい。

例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）は、強化繊維である炭素繊維は導電性を有するが母相である樹脂材料は非導電性であり、全体としては非導電性である。したがって、本実施形態において、炭素繊維強化プラスチックは非導電性材料となる。また、渦電流は面内を流れるため、電気が一方向にしか流れなければ、面内において渦電流は流れない。したがって、導電性を有する材料であっても、電気が導通する方向に方向性を有する材料であれば、本実施形態の磁気カップリング１０を構成する材料として用いることができる。

本実施形態において、磁気カップリング１０の隔壁１３は、クランクケース１１４Ａの内部の圧力Ｐｃが作用するため、十分な強度を有することが必要である。また、第１磁石１１と第２磁石１２との距離が大きくなると、伝達可能な力が小さくなるため、両者の距離をできる限り小さくする必要がある。このため、第１磁石１１と第２磁石１２とが向かい合う部分における隔壁１３の厚さはできる限り小さくする必要がある。

これらの要求を満たすため、隔壁１３は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastic）で構成することが好ましい。繊維強化プラスチックとしては、例えば、炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastic）を用いることができる。ここで、隔壁１３には引張応力が作用するが、炭素繊維は引張強度が高いため、炭素繊維強化プラスチックは、隔壁１３を構成する材料として好適である。

次に、増速装置２０について説明する。本実施形態では、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０の動力をクランクケース１１４Ａから取り出すにあたって、クランク軸１１０の回転数を増速するとともに、トルクを低下させてから、磁気カップリング１０へ伝達して取り出す。磁気カップリング１０へ入力されるトルクが大きくなると、磁気カップリング１０が備える第１磁石１１と第２磁石１２とが対向する部分の面積を大きくして、トルクの伝達に供する磁力を大きくする必要がある。

しかし、第１磁石１１と第２磁石１２とが対向する部分の面積を大きくすると、両者の間に配置する隔壁１３の面積も大きくなる。このため、クランクケース１１４Ａの内部の圧力を支持するためには、隔壁１３の厚さを大きくして強度を確保する必要がある。その結果、第１磁石１１と第２磁石１２との距離が大きくなり、磁力による動力の伝達効率が低下する。

そこで、本実施形態では、スターリングエンジン１００の動力をクランクケース１１４Ａから取り出すにあたって、クランク軸１１０の回転数を増速することによって、磁気カップリング１０で伝達するトルクを低下させる。これによって、磁気カップリング１０が備える第１磁石１１と第２磁石１２とが対向する部分の面積、及び両者の間に配置する隔壁１３の面積を大きくする必要はないので、隔壁１３の厚さを大きくしなくとも、クランクケース１１４Ａの内部の圧力を支持できる。その結果、第１磁石１１と第２磁石１２との距離の増加を抑制して、磁力による動力の伝達効率低下を抑制できる。また、磁気カップリング１０の大型化も抑制できるので、磁気カップリング１０の配置の自由度が向上し、また商品性も向上する。

本実施形態において、クランク軸１１０の回転数を増速する増速装置２０は、クランク軸１１０と磁気カップリング１０との間に配置される。そして、増速装置２０は、増速機構として遊星歯車装置２１を備えて構成される。これによって、クランク軸１１０と増速装置２０と磁気カップリング１０とを同軸上に配置できるので、動力伝達機構１をコンパクトに構成することができる。なお、増速装置２０の増速機構は遊星歯車装置２１に限定されるものではなく、例えば、チェーンとスプロケットとによって構成してもよい。

遊星歯車装置２１は、リングギヤ２１Ｒと、サンギヤ２１Ｓと、リングギヤ２１Ｒとサンギヤ２１Ｓとの間に配置されるピニオンギヤ２１Ｐとで構成される。ピニオンギヤ２１Ｐにはピニオンギヤ軸２１Ｐｓが取り付けられており、ピニオンギヤ軸２１Ｐｓがピニオンギヤ軸受２２によって支持される。また、ピニオンギヤ軸受２２は、静止系に配置される増速装置２０のフレーム２０Ｆに設けられる。これによって、ピニオンギヤ２１Ｐは、ピニオンギヤ軸受２２を介してフレーム２０Ｆに回転可能に支持される。

リングギヤ２１Ｒには、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０が連結されており、クランク軸１１０によって回転運動に変換されたスターリングエンジン１００の発生した動力が入力される。なお、クランク軸１１０は、リングギヤ軸２１Ｒｓを兼ねている。このように、リングギヤ２１Ｒは、スターリングエンジン１００の発生する動力が入力される増速装置２０の入力部となる。クランク軸１１０、すなわちリングギヤ軸２１Ｒｓは、リングギヤ軸受２３によって回転可能に支持される。ここで、リングギヤ軸受２３は、フレーム２０Ｆに取り付けられる増速装置筐体２０Ｃに取り付けられている。フレーム２０Ｆは静止系に配置されるので、リングギヤ軸受２３も静止系に配置される。

リングギヤ２１Ｒの内周部には、複数のピニオンギヤ２１Ｐが配置され、リングギヤ２１Ｒとかみ合っている。また、リングギヤ２１Ｒの中心部分にはサンギヤ２１Ｓが配置され、複数のピニオンギヤ２１Ｐは、サンギヤ２１Ｓの外周部に配置されて、それぞれがサンギヤ２１Ｓとかみ合っている。サンギヤ２１Ｓに連結されるサンギヤ軸２１Ｓｓは、磁気カップリング１０の磁気カップリング駆動軸１４と共通である。すなわち、サンギヤ２１Ｓは、磁気カップリング駆動軸１４及び駆動側キャリア１１Ｃを介して、磁気カップリング１０の第１磁石１１に接続される。磁気カップリング駆動軸１４、すなわちサンギヤ軸２１Ｓｓは、フレーム２０Ｆに取り付けられる第１サンギヤ軸受１６、及びリングギヤ２１Ｒの中心部分に取り付けられる第２サンギヤ軸受１９によって支持される。

スターリングエンジン１００の発生した動力がクランク軸１１０からリングギヤ２１Ｒへ入力されてリングギヤ２１Ｒが回転すると、前記動力は、ピニオンギヤ２１Ｐを介してサンギヤ２１Ｓへ伝達される。スターリングエンジン１００が発生した動力は、リングギヤ２１Ｒからピニオンギヤ２１Ｐを介してサンギヤ２１Ｓへ伝達される過程で、回転数が増速されるとともにトルクが低下させられて、サンギヤ軸２１Ｓｓ、すなわち磁気カップリング駆動軸１４へ出力される。

遊星歯車装置２１は、複数の歯車がかみ合って構成されるため、歯車同士がかみ合う際の摺動抵抗を低減し、摩耗を抑制するため、潤滑油による潤滑が必要である。このため、増速装置筐体２０Ｃ内に遊星歯車装置２１を配置するとともに、リングギヤ軸受２３とクランクケース１１４Ａの内部との間にクランクケース側オイルシール２４を設け、第１サンギヤ軸受１６と磁気カップリング１０の隔壁内空間Ｉ＿ｍｃとの間に磁気カップリング側オイルシール１５を設ける。これによって、リングギヤ軸受２３とリングギヤ軸２１Ｒｓとの間、及び第１サンギヤ軸受１６とサンギヤ軸２１Ｓｓとの間を通って増速装置筐体２０Ｃの外部へ潤滑油が漏洩することを回避する。

なお、クランクケース側オイルシール２４及び磁気カップリング側オイルシール１５は、潤滑油を密封する機能を有していればよく、クランクケース１１４Ａ内の圧力を保持する機能は不要である。したがって、リングギヤ軸２１Ｒｓやサンギヤ軸２１Ｓｓとの摺動抵抗は小さいので、摺動抵抗に起因する損失を抑制することができる。

スターリングエンジン１００の運転条件や環境条件等の変化によって、クランクケース１１４Ａの内部における圧力Ｐｃ（磁気カップリング１０の隔壁内空間Ｉ＿ｍｃにおける圧力Ｐｍｃに相当する）と、増速装置筐体２０Ｃの内部における圧力Ｐｒｇとに圧力差が発生することがある。この場合、圧力差が発生したままにしておくと、クランクケース側オイルシール２４や磁気カップリング側オイルシール１５の密封能力を超えることがある。そして、増速装置筐体２０Ｃの内部の潤滑油がクランクケース側オイルシール２４とリングギヤ軸２１Ｒｓとの間や磁気カップリング側オイルシール１５とサンギヤ軸２１Ｓｓとの間からクランクケース１１４Ａの内部や隔壁１３の内部へ漏洩するおそれがある。

これを回避するため、本実施形態では、増速装置筐体２０Ｃの内部における圧力Ｐｒｇと、クランクケース１１４Ａの内部における圧力Ｐｃ、あるいは磁気カップリング１０の隔壁内空間Ｉ＿ｍｃにおける圧力Ｐｍｃとの圧力差を吸収する機構（圧力差吸収機構）を備える。本実施形態では、蛇腹を備え、回転軸Ｚｒ方向に伸縮可能なベローズ２５を圧力差吸収手段として用いる。

ベローズ２５は、増速装置筐体２０Ｃの内面と、増速装置筐体２０Ｃの内部に突出したリングギヤ軸受２３の外面との間に設けられる。そして、ベローズ２５と増速装置筐体２０Ｃとフレーム２０Ｆとで囲まれる空間（潤滑対象配置空間）Ｉ＿ｒｇに、増速装置２０を構成する要素のうち潤滑が必要な要素（すなわち潤滑対象）である遊星歯車装置２１が配置される。また、増速装置筐体２０Ｃとクランクケース１１４Ａの内部との間には、クランクケース１１４Ａの内部と連通する連通孔２６が設けられる。この連通孔２６によって、クランクケース１１４Ａの内部における圧力と、増速装置筐体２０Ｃとベローズ２５との間に形成される空間における圧力とが略等しくなる。

このような構成により、潤滑対象配置空間Ｉ＿ｒｇとクランクケース１１４Ａの内部、あるいは磁気カップリング１０の隔壁１３の内部との間に圧力差が発生した場合には、ベローズ２５が回転軸Ｚｒの方向に伸縮することにより、潤滑対象配置空間Ｉ＿ｒｇの体積を変化させる。これによって、潤滑対象配置空間Ｉ＿ｒｇとクランクケース１１４Ａの内部、あるいは磁気カップリング１０の隔壁内空間Ｉ＿ｍｃとの間に発生する圧力差を減少させて吸収することができる。その結果、潤滑対象配置空間Ｉ＿ｒｇ内における潤滑油の漏洩を回避することができる。なお、圧力差吸収機構はベローズ２５に限定されるものではなく、ダイヤフラムその他の機構を用いることができる。

このように、増速装置２０は、密閉空間であるクランクケース１１４Ａの内部に対して、潤滑対象である遊星歯車装置２１を密閉した構造とすることで、クランクケース１１４Ａの内部へ潤滑油や摩耗粉が漏洩することを回避する。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、気体軸受ＧＢによってピストンをシリンダ内に支持するが、増速装置２０を上述した構成とすることにより、潤滑油や摩耗粉が気体軸受ＧＢへ付着して気体軸受ＧＢの機能が低下するおそれを低減できる。これによって、スターリングエンジン１００の運転中においては、気体軸受ＧＢの機能を発揮させて、ピストンとシリンダとの間に発生する摺動抵抗を確実に低減させることができる。

図７は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える動力伝達機構の変形例を示す構成図である。本変形例に係る動力伝達機構１ｂは、図４に示す動力伝達機構１と略同様の構成であるが、磁気カップリング１０ｂの隔壁内空間Ｉ＿ｍｃとクランクケース１１４Ａの内部とを連通させる際に、隔壁１３ｂに設けた連通孔１７ｂとクランクケース１１４Ａに設けた連通孔１１４Ａｈとを、連通通路１８で接続した点が異なる。

本変形例に係る動力伝達機構１ｂでは、図４に示す動力伝達機構１と異なり、増速装置２０ｂをクランクケース１１４Ａの外部に配置している。これによって、クランクケース１１４Ａの内部に増速装置２０ｂを配置できない場合であっても、クランク軸１１０の回転数を増速して磁気カップリング１０ｂへ入力することができる。増速装置２０ｂをクランクケース１１４Ａの外部に配置するため、磁気カップリング１０ｂは、増速装置２０ｂの磁気カップリング駆動軸１４側に取り付けられる。

磁気カップリング１０ｂの隔壁１３ｂは、磁気カップリングカバー１０Ｃｂとともにボルト３ｂ及びナット４ｂによって、増速装置筐体２０Ｃｂに取り付けられる。また、増速装置２０のフレーム２０Ｆｂは、ボルト３とナット４とで、クランクケース１１４Ａのクランク軸１１０の部分に設けられる開口部１１４ＡＨに取り付けられる。このように、磁気カップリング１０ｂは、増速装置２０ｂとともにクランクケース１１４Ａの外部に配置される。このため、連通通路１８によって、隔壁１３ｂに設けた連通孔１７ｂとクランクケース１１４Ａに設けた連通孔１１４Ａｈと接続することにより、磁気カップリング１０ｂの隔壁内空間Ｉ＿ｍｃにおける圧力Ｐ＿ｍｃとクランクケース１１４Ａの内部における圧力Ｐｃとを略等しくする。

本実施形態では、密閉空間であるクランクケース１１４Ａの内部から、クランク軸１１０の動力を取り出すにあたり、磁気カップリング１０を用いて密閉性を確保するとともに、摺動抵抗を低減する。また、スターリングエンジン１００の発生する動力は、クランク軸１１０の回転数を増速してトルクを低下させて、クランク軸１１０から磁気カップリング１０へ伝達される。磁気カップリングは、磁力を用いて動力を伝達するため、脱調のおそれがあるが、本実施形態に係る動力伝達機構１では、上記構成によって磁気カップリング１０で伝達するトルクを低下させることができるので、脱調のおそれを抑制して、密閉空間であるクランクケース１１４Ａの内部から確実に動力を取り出すことができる。

特に、スターリングエンジン１００は、ピストン機関であり、クランク軸１１０のトルク変動が大きいため、脱調のおそれも高くなる。しかし、本実施形態に係る動力伝達機構１によってトルクを低下して磁気カップリング１０へ伝達するので、脱調のおそれを低減して、磁気カップリング１０を介して確実に動力をクランクケース１１４Ａの外部へ取り出すことができる。

図８は、本実施形態に係るスターリングエンジンを車両に搭載した状態を示す説明図である。図９は、本実施形態に係るスターリングエンジンを用いて車両に搭載される内燃機関の排ガスから排熱回収を行う場合の構成を示す概念図である。図８に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン１００は、例えば、車両２００に搭載される。そして、図９に示すように、車両２００の動力発生源として用いられるガソリンエンジンのような内燃機関２２０の排ガスＥｘから排熱を回収する。すなわち、スターリングエンジン１００は、例えばガソリンエンジンのような内燃機関２２０の排ガスＥｘを熱源として駆動される。

図９に示すように、スターリングエンジン１００のヒータ１０５は、車両２００に搭載される内燃機関２２０の排気管１１３の内部に配置され、排ガスＥｘから回収した熱エネルギーにより作動流体が加熱されて、スターリングエンジン１００が動力を発生する。なお、この実施例において、スターリングエンジン１００は、内燃機関２２０の排ガスＥｘを熱源として動力を発生し、磁気カップリング従動軸２を介して発電機２２５を駆動している。

図８に示すように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００が車両２００に搭載される場合には、例えば、車両２００の床下に搭載される。そして、車両２００の床下に配された排気管１１３に隣接するスペースに横置きされる。すなわち、車両の床面２００ｕｐに対して、図１に示す高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２のそれぞれの軸線方向が概ね平行になるように配置され、図１に示す高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４は、水平方向に往復運動する（図８の矢印Ｃ方向）。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、車両２００に搭載されて、車両２００の動力発生源である内燃機関２２０の排熱回収に用いられる。このため、スターリングエンジン１００は、車両２００の走行中において、路面ＧＬからの振動の影響を受け、磁気カップリング１０に脱調が発生するおそれがある。本実施形態に係るスターリングエンジン１００が備える動力伝達機構１は、クランク軸１１０の回転数を高くすることにより磁気カップリング１０の伝達トルクを抑制する。これによって、振動の影響で磁気カップリング１０に脱調が発生するおそれを低減できるので、磁気カップリング１０を用いて確実に動力を伝達することができる。

以上、本実施形態では、動力発生手段の密閉空間に配置される出力軸から、磁気カップリングを介して密閉空間の外部へ動力を取り出す。これによって、密閉空間の外部へ動力を取り出す際の摩擦損失を低減することができ、商品性を向上させることができる。特に、スターリングエンジンや、スターリングエンジンによる排熱回収においては、得られる動力の低下を抑制するために摩擦損失を低減することが重要であるので、本実施形態の構成は有効である。

以上のように、本発明に係る動力伝達機構及び排熱回収装置は、密閉空間内に配置された出力軸から動力を取り出すことに有用であり、特に、摩擦損失を抑制することに適している。

本実施形態に係る動力発生手段及び排熱回収装置であるスターリングエンジンを示す断面図である。 本実施形態に係る動力発生手段及び排熱回収装置であるスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。 ピストンの支持に用いる近似直線機構の例を示す説明図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える動力伝達機構の構成図である。 図４のＡ−Ａ矢視図であり、本実施形態に係る動力伝達機構が備える磁気カップリングの構成図である。 本実施形態に係る動力伝達機構に適用可能な磁気カップリング変形例を示す構成図である。 本実施形態に係る動力伝達機構に適用可能な磁気カップリング変形例を示す構成図である。 本実施形態に係る動力伝達機構に適用可能な磁気カップリング変形例を示す構成図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える動力伝達機構の変形例を示す構成図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンを車両に搭載した状態を示す説明図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンを用いて車両に搭載される内燃機関の排ガスから排熱回収を行う場合の構成を示す概念図である。

符号の説明

１、１ｂ 動力伝達機構
２ 従動軸（磁気カップリング従動軸）
１０、１０ａ、１０ｂ 磁気カップリング
１０Ｃ、１０ｃｂ 磁気カップリングカバー
１１、１１ａ 第１磁石
１１Ｃ 駆動側キャリア
１２、１２ａ、１２ｂ 第２磁石
１２Ｃ 従動側キャリア
１３、１３ｂ 隔壁
１４ （駆動軸）磁気カップリング駆動軸
１５ 磁気カップリング側オイルシール
１６ 第１サンギヤ軸受
１７ 連通通路
１７ｂ 連通孔
１８ 連通通路
１９ 第２サンギヤ軸受
２０Ｃ、２０Ｃｂ 増速装置筐体
２０、２０ｂ 増速装置
２０Ｆ、２０Ｆｂ フレーム
２１ 遊星歯車装置
２１Ｐ ピニオンギヤ
２１Ｒ リングギヤ
２１Ｓ サンギヤ
２４ クランクケース側オイルシール
２５ ベローズ
２６ 連通孔
１００ スターリングエンジン
１００Ｃ 筐体
１０８ 熱交換器
１１０ クランク軸
１１９ 近似直線機構
１１４Ａ クランクケース
１１４ＡＨ 開口部
１１４Ａｈ 連通孔
１１５ 加圧用ポンプ
１１７ 気体軸受用ポンプ
１１８ 気体供給管
２００ 車両
２２０ 内燃機関

Claims (10)

1. 動力発生手段の密閉空間内に配置される出力軸から動力を取り出す動力伝達機構であり、
   前記出力軸からの動力が伝達される駆動軸と、
   前記駆動軸に取り付けられて、前記駆動軸とともに回転する第１磁石と、
   前記駆動軸と同心上に配置される従動軸に取り付けられて、前記密閉空間の外部かつ前記第１磁石と向かい合って配置される第２磁石と、
   前記第１磁石と前記第２磁石との間に配置されて、前記駆動軸側と前記従動軸側とを区画する隔壁と、
   を含んで構成されることを特徴とする動力伝達機構。
2. 前記密閉空間は外燃機関の内部空間であり、
   前記出力軸は、前記外燃機関の内部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達機構。
3. 前記外燃機関はスターリングエンジンであることを特徴とする請求項２に記載の動力伝達機構。
4. 前記出力軸と前記駆動軸との間には、前記出力軸のトルクを変化させて前記駆動軸へ伝達する変換手段が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の動力伝達機構。
5. 前記変換手段は、前記出力軸のトルクを低下させて前記駆動軸へ伝達することを特徴とする請求項４に記載の動力伝達機構。
6. 前記変換手段は、増速装置であり、前記出力軸の回転数を増加させることによって、前記出力軸のトルクを低下させて前記駆動軸へ伝達することを特徴とする請求項５に記載の動力伝達機構。
7. 前記隔壁は、非導電性の材料で構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の動力伝達機構。
8. 前記変換手段を構成する要素のうち潤滑を要する要素を、前記動力発生手段の密閉空間に対して密閉する潤滑対象配置空間と、
   前記密閉空間の内部における圧力と、前記潤滑対象配置空間における圧力との圧力差を吸収する圧力差吸収機構と、
   を備えることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の動力伝達機構。
9. 前記密閉空間と、前記隔壁で囲まれる空間とを連通する連通通路を備えることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の動力伝達機構。
10. 熱機関から排出される排熱の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、回転運動として出力軸から出力する動力発生手段と、
    前記動力発生手段の出力軸から動力を取り出す請求項１〜９のいずれか１項に記載の動力伝達機構と、
    を含むことを特徴とする排熱回収装置。

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