JP4682899B2 - ピストン機関 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダとピストンとの間に気体軸受を介在させるピストン機関に関し、さらに詳しくは、ピストンとシリンダとの間に空気を噴射することにより前記気体軸受を形成することに関する。

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や工場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、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成して両者の摩擦を低減するとともに、グラスホッパ機構を用いた近似直線リンク機構でピストンを支持するピストン機関が開示されている。

特開２００５−１０６００９号公報

ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成する際に、ピストンに供給した気体をピストンの側周部から噴射して、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成する方式がある。この方式を用いる場合、気体軸受を形成するための気体をピストンに供給する必要があるが、特許文献１に開示されているピストン機関では、複数の連結部を有する近似直線リンク機構でピストンを支持するため、リンク内部に配管を設けてピストンまで気体を導くことは困難である。

かかる場合、近似直線リンク機構を用いず、例えば、コネクティングロッドでピストンとクランク軸とを連結する構成を採用し、コネクティングロッド内に配管を設ける構成も考えられる。しかし、このような構成では、ピストンに作用するサイドフォースの極小化による気体軸受の負荷軽減、及びピストン支持構造のコンパクト化という、近似直線リンク機構を用いた構成で得られる利点が損なわれてしまう。その結果、気体軸受の機能を十分に発揮させることができないおそれがある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンに供給した気体によってピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成し、かつ近似直線リンク機構を用いて前記ピストンを支持するピストン機関において、ピストン機関の運転中、ピストンへ安定して気体を供給して気体軸受の機能を発揮させ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、前記ピストンの側周部に設けられ、前記ピストンの内部に設けられる中空部から前記ピストンと前記シリンダとの間に気体を噴射して静圧気体軸受を形成する給気口と、前記ピストンに連結されて前記ピストンを支持する近似直線リンク機構と、前記近似直線リンク機構に沿って配置されて、前記気体軸受を形成するための気体を導く気体導入手段と、を備えることを特徴とする。

このピストン機関は、近似直線リンク機構によって直接的、又は間接的にピストンが支持され、かつ、ピストン内部に設けられた中空部に供給された気体を、ピストンの側周部に設けられる給気口からピストンとシリンダとの間に噴射して気体軸受を形成するものである。そして、近似直線リンク機構を構成するリンクに沿って、ピストンに設けられる中空部に気体軸受を形成するための気体を供給する気体導入手段を配置する。これによって、ピストンの往復運動を阻害することなく気体を供給でき、また、気体導入手段がピストンや気体供給手段であるポンプから外れたり、近似直線リンク機構と絡まったりするおそれを最小限にすることができる。その結果、ピストン機関の運転中においては、安定してピストンへ空気を供給して気体軸受を形成し、その機能を発揮させることができる。

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、前記気体導入手段は、前記近似直線リンク機構を構成するリンクの連結部以外の少なくとも一箇所で固定されることを特徴とする。

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、前記気体軸受を形成するための気体を供給する気体供給手段が、前記ピストン機関の筺体内の所定位置に設けられることを特徴とする。

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、前記気体供給手段は、前記近似直線リンク機構を構成するリンクの固定端近傍に配置されることを特徴とする。

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、前記ピストン機関が車両の床下に配置される場合には、前記気体供給手段は、前記車両の床側に配置されることを特徴とする。

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、前記気体供給手段は、前記気体供給手段は、前記ピストン機関の重心を通る直線上に配置されることを特徴とする。

次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関は、排熱が持つ熱エネルギを回収して運動エネルギに変換する排熱回収機関であることを特徴とする。

この発明に係るピストン機関は、ピストンに供給した気体によってピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成し、かつ近似直線リンク機構を用いて前記ピストンを支持するピストン機関において、ピストン機関の運転中、ピストンへ安定して気体を供給して気体軸受の機能を発揮させることができる。

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（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、いわゆる均等の範囲内のものが含まれる。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。

なお、例えば、スターリングエンジンを排熱回収機関として用いて、内燃機関が排出する排ガスや工場排熱等から熱エネルギを回収して運動エネルギに変換する場合、低質な熱源を使用する。したがって、排熱回収効率を向上させるために、内部摩擦を極限まで低減する必要があり、以下に説明する実施形態では、ピストンとシリンダとの間に気体を供給することによって気体軸受を形成して、内部摩擦を低減する。本発明は、このような気体軸受を備えたピストン機関を排熱回収機関として用いる場合に好適である。

（実施形態１）
実施形態１に係るピストン機関は、近似直線リンク機構によってピストンが支持され、かつ、ピストンに供給された気体をピストンとシリンダとの間に噴射して気体軸受を形成するものであり、近似直線リンク機構を構成するリンクに沿って、ピストンに気体を供給する気体導入手段を配置する点に特徴がある。次に、実施形態１に係るピストン機関について説明する。

図１は、実施形態１に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。図２−１は、実施形態１に係るピストン機関であるスターリングエンジンに用いられる気体軸受の構成を示す説明図である。図２−２は、図２−１のＹ−Ｙ矢視図である。この実施形態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、高温側のシリンダ（高温側シリンダ）１０１内に収められた高温側のピストン（高温側ピストン）１０２と、低温側のシリンダ（低温側シリンダ）１０３内に収められた低温側のピストン（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及び低温側シリンダ１０３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。

この実施形態では、例えば、内燃機関（例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン）を動力発生源とする乗用車等の車両にスターリングエンジン１００を搭載し、前記内燃機関が排出する排ガスＥｘの熱エネルギをスターリングエンジン１００によって回収する。このため、スターリングエンジン１００が備える熱交換器１０８のうち少なくともヒータ１０５を、前記内燃機関の排ガス通路５内に配置する。なお、この実施形態では、再生器１０６も排ガス通路５内に配置する。

また、この実施形態では、高温側シリンダ１０１及び高温側ピストン１０２が排ガスＥｘの入口ＩＮ側に配置され、低温側シリンダ１０３及び低温側ピストン１０４が排ガスＥｘの出口ＯＵＴ側に配置される。これによって、排ガスＥｘの温度低下が少ない状態で高温側シリンダ１０１内に流入する作動流体を加熱できる。その結果、低質の熱源である排ガスＥｘから熱エネルギを効率よく回収できるので、排熱の回収効率を向上させることができる。

図２−１、図２−２に示すように、高温側ピストン１０２は、内に気体軸受（静圧気体軸受）ＧＢを介して高温側シリンダ１０１内に支持されている。同様に、低温側ピストン１０４も、気体軸受ＧＢを介して低温側シリンダ１０３内に支持されている。すなわち、高温側ピストン１０２、低温側ピストン１０４は、ピストンリングを介さないで、それぞれ高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０３内に支持される。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の排熱回収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。

気体軸受ＧＢを構成するために、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１との間隔ｔ、及び低温側ピストン１０４と低温側シリンダ１０３との間隔ｔは、ピストン及びシリンダの全周にわたって数十μｍとする。そして、この実施形態では、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の側周部ＰＳに設けた給気口４からピストンとシリンダとの間に気体（この実施形態では作動流体と同じ気体であり、空気）Ｇを噴射することによって、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１との間、及び低温側ピストン１０４と低温側シリンダ１０３との間に、気体軸受ＧＢを形成する。

図２−２に示すように、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の側周部ＰＳには、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の周方向に向かって複数（この実施形態では４個）の給気口４が設けられる。また、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の側周部ＰＳには、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の往復運動方向と平行な方向において、２箇所に給気口４が設けられる。なお、給気口４の数や配置位置は、この実施形態の構成に限定されるものではない。

高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の内部には、給気口４と連通する中空部ＰＩが形成される。また、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の底部ＰＢには、中空部ＰＩと連通する気体通路３が設けられる。気体通路３は、気体導入手段である気体導入配管１と接続されており、気体導入配管１及び気体通路３を介して、気体供給手段（気体加圧手段）であるポンプ２から中空部ＰＩへ気体Ｇが供給される。そして、中空部ＰＩへ供給された気体Ｇは、給気口４からピストンとシリンダとの間に噴射される。このように、気体供給手段であるポンプ２は、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１との間、及び低温側ピストン１０４と低温側シリンダ１０３との間に気体軸受ＧＢを形成するための気体を供給する。なお、ポンプ２は、スターリングエンジン１００で駆動してもよいし、スターリングエンジン１００以外の駆動手段を用いて駆動してもよい。次に、この実施形態に係るスターリングエンジン１００が備える近似直線リンク機構について説明する。

図３は、実施形態１に係るスターリングエンジンが備える近似直線リンク機構の構成を示す説明図であり、図１のＸ−Ｘ矢視図である。図４は、実施形態１に係るスターリングエンジンが備える近似直線リンク機構の構成を示す概略図である。高温側ピストン１０２、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。コネクティングロッド１０９は、図３、図４に示す近似直線リンク機構５０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、この近似直線リンク機構５０は、グラスホッパ機構を利用している。次に、この実施形態に係る近似直線リンク機構について説明する。

図３は、実施形態１に係るスターリングエンジンが備える近似直線リンク機構を示しており、図１のＸ−Ｘ矢視図である。図４は、実施形態１に係るスターリングエンジンが備える近似直線リンク機構を示す概略図である。なお、次の説明においては、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１とを例として説明するが、低温側ピストン１０４及び低温側シリンダ１０３でも同様の構成である。

この実施形態に係る近似直線リンク機構５０は、連結点Ｑを中心として回動運動する第２リンク５０Ｂと、この第２リンク５０Ｂと連結点Ｍで連結される第１リンク５０Ａと、連結点Ｂで第１リンクと連結されるとともに連結点Ｒを中心として揺動運動する第３リンク５０Ｃとを備えて構成される。図３、図４からわかるように、連結点には、自由端の連結点（連結点Ａ、Ｂ、Ｍ）と固定端の連結点（連結点Ｑ、Ｒ）とがある。

自由端の連結点Ａ、連結点Ｍ、連結点Ｂは、高温側ピストン１０２の往復運動に応じて、高温側シリンダ１０１に対する相対位置が変化する連結点である（図中白丸で示す）。連結点Ｑ、連結点Ｒは、高温側シリンダ１０１に対する相対位置は変化しない連結点である（図中黒丸で示す）。自由端の連結点Ａ、連結点Ｍ、連結点Ｂを、それぞれ自由端支点Ａ、自由端支点Ｍ、自由端支点Ｂといい、固定端の連結点Ｑ、連結点Ｒを、それぞれ固定端支点Ｑ、固定端支点Ｒという。図３、図４に示される支点、連結点を次に示す。
（１）連結点Ｐ：高温側ピストン１０２とピストン連結用リンク１１３とを連結する連結点。
（２）自由端支点Ａ：ピストン連結用リンク１１３と第１リンク５０Ａとコネクティングロッド１０９とを連結する連結点。
（３）自由端支点Ｂ：自由端支点Ａとは反対側の端部で、第１リンク５０Ａと第３リンクとを連結する連結点。コネクティングロッド１０９の自由端支点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（４）自由端支点Ｍ：自由端支点Ａと自由端支点Ｂとの間で、第１リンク５０Ａと第２リンク５０Ｂとを連結する連結点。
（５）固定端支点Ｑ：自由端支点Ｍとは反対側の端部で、第２リンクを回動可能に支持する連結点。
（６）固定端支点Ｒ：自由端支点Ｂとは反対側の端部で、第３リンクを回動可能に支持する連結点。
（７）連結点Ｃ：コネクティングロッド１０９とクランク軸１１０とを連結する連結点。

図３、図４に示すように、この近似直線リンク機構５０は、グラスホッパ機構を利用した近似直線リンク機構である。ここで、固定端支点Ｑは、高温側シリンダ１０１の中心軸（以下高温側シリンダ中心軸）Ｌ（図４）上からオフセットされるとともに、シリンダ中心軸Ｚに対して自由端支点Ｂの反対側に配置される。固定端支点Ｑは、第２の近似直線リンク機構支持部２６ｂに取り付けられる（図３参照）。

また、第２リンク５０Ｂは、自由端支点Ａの運動方向に対して交差し、かつ高温側ピストン１０２とクランク軸１１０とを連結するコネクティングロッド１０９と交差するように配置される。ここで、自由端支点Ｂを、例えば直線移動ガイドによって支持して、高温側ピストン１０２の往復運動に応じて前記自由端支点Ｂを直線往復運動させるように構成してもよい。このようにすれば、第３リンク５０Ｃが不要になるので、スターリングエンジン１００の筐体１１４をコンパクトにすることができる。

第１リンク５０Ａは、自由端支点Ａの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１リンク５０Ａの一方の端部には自由端支点Ａが設けられており、当該自由端支点Ａは、ピストン連結用リンク１１３によって高温側ピストン１０２と連結されている。第１リンク５０Ａの自由端支点Ａとは反対側の端部には、自由端支点Ｂが備えられている。第１リンク５０Ａは、自由端支点Ｂで第３リンク５０Ｃと連結されており、第１リンク５０Ａは、自由端支点Ａの近似直線運動とともに揺動運動する。このとき、第３リンク５０Ｃは、固定端支点Ｒを中心として揺動運動する。なお、固定端支点Ｒは、第１の近似直線リンク機構支持部２６ａに取り付けられている（図３参照）。

ここで、自由端支点Ｍは、式（１）を満たすように設定される。
ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ²・・・（１）
ここで、ＡＭは、自由端支点Ａと自由端支点Ｍとの距離を表し、ＱＭは固定端支点Ｑと自由端支点Ｍとの距離を表し、ＢＭは自由端支点Ａと自由端支点Ｍとの距離を表す。

高温側ピストン１０２とクランク軸１１０とを連結するコネクティングロッド１０９は、上述したように、自由端支点Ａで第１リンク５０Ａと連結されている。これにより、高温側ピストン１０２の往復運動は、ピストン連結用リンク１１３を介してクランク軸１１０に伝達され、クランク軸１１０は、その回転軸Ｚｒを中心として回転する。このように、高温側ピストン１０２の往復運動は、クランク軸１１０によって回転運動に変換される。

このように、コネクティングロッド１０９を近似直線リンク機構５０によって支持することにより、高温側ピストン１０２のサイドフォースＦ（高温側ピストン１０２の径方向に向かう力、図３参照）をほとんど０にできるので、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１０２を支持することができる。なお、低温側ピストン１０４についても、高温側ピストン１０２と同様である。

ここで、上記コネクティングロッド１０９、クランク軸１１０及び近似直線リンク機構５０は、スターリングエンジン１００の筺体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からより多くの出力を取り出す。なお、加圧手段１１５は、スターリングエンジン１００で駆動してもよいし、スターリングエンジン１００以外の駆動手段を用いて駆動してもよい。

スターリングエンジン１００のクランク軸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１、図３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。クランク軸支持体２０には、第１の近似直線リンク機構支持部２６ａ及び第２の近似直線リンク機構支持部２６ｂが設けられる。上述したように、第１の近似直線リンク機構支持部２６ａには固定端支点Ｒが、第２の近似直線リンク機構支持部２６ｂには固定端支点Ｑが取り付けられる。これにより、近似直線リンク機構５０は、第１及び第２の近似直線リンク機構支持部２６ａ、２６ｂ、及びクランク軸支持体２０を介して基板１０に支持される。このような構成により、クランク軸１１０や近似直線リンク機構５０の位置精度を、基板１０により確保することができる。

図１、図３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、近似直線リンク機構５０等の各構成要素は、筺体１１４内に格納される。この実施形態において、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。

この実施形態に係るスターリングエンジン１００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を介して連結されている。これによって、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。この実施形態において、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。

この実施形態では、気体軸受ＧＢを形成するため、ポンプ２から吐出される空気を、気体導入配管１を介して高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の内部に設けられる中空部ＰＩに空気を供給する。これによって、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４の側周部ＰＳに設けられる複数の給気口４から空気を噴射して、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１との間、及び低温側ピストン１０４と低温側シリンダ１０３との間に気体軸受ＧＢを形成する。

ポンプ２と高温側ピストン１０２等とは距離が離れているため、また、高温側ピストン１０２等は往復運動するため、ポンプ２と高温側ピストン１０２等とを気体導入配管１で接続する。これによって、ポンプ２から離れた距離にある高温側ピストン１０２等へ空気を供給するとともに、高温側ピストン１０２等の往復運動を許容する。

気体導入配管１は、例えばゴムやエラストマー等の弾性を有する弾性材料で構成される。また、気体導入配管１は、近似直線リンク機構５０を構成するリンク（第１リンク５０Ａ、第２リンク５０Ｂ、第３リンク５０Ｃ）に沿って配置される。図３には、気体導入配管１を、第１リンク５０Ａ及び第３リンク５０Ｃに沿って配置した例、及び第２リンク５０Ｂに沿って配置した例を示してある。なお、図３には、２台のポンプ２が示されているが、少なくとも１台のポンプ２及び少なくとも１本の気体導入配管１を用いればよい。

図５−１〜図５−４は、近似直線リンク機構の動作を示す説明図である。図５−１〜図５−４において、高温側ピストン１０２は簡略化してある。また、高温側シリンダ１０１の中心軸（以下高温側シリンダ軸）を、Ｌで示す。近似直線リンク機構５０の３つの自由端支点Ａ、Ｂ、Ｍのうち自由端支点Ａ、Ｍは、高温側ピストン１０２の移動にともなう移動量が大きい。一方、第１リンク５０Ａと第３リンク５０Ｃとを連結する自由端支点Ｂは、高温側ピストン１０２の移動にともなう移動量が自由端支点Ａ、Ｍよりも小さいことがわかる。

図５−１には、近似直線リンク機構５０の形状変化の程度を示す指標として利用できる２つの角度θ、φが示されている。第１の角度θは、横方向（高温側シリンダ軸Ｌと直交する方向）Ｈ−Ｈから測った第２リンク５０Ｂの角度∠ＭＱＨである。また、第２の角度φは、高温側シリンダ軸Ｌと平行、かつ固定端支点Ｒを通る直線ｌに対する第３リンク５０Ｃの傾き角度で、∠ＢＲｌである。これらの角度θ、φの値が取る範囲は、自由端支点Ａの移動範囲（すなわち高温側ピストン１０２のストローク）の設定と、近似直線リンク機構５０の各リンクの長さに依存する。

図５−１に示す状態、すなわち、高温側ピストン１０２が上死点の位置において、自由端支点Ｂは高温側シリンダ中心軸Ｌへ最も接近し、第３リンク５０Ｃと、高温側シリンダ軸Ｌと平行、かつ固定端支点Ｒを通る直線ｌとの傾き角度φが最も大きくなる。この位置から、高温側ピストン１０２がクランク軸１１０の方向へ移動すると、クランク軸１１０は、図５−１の矢印方向に回転する。

第２リンク５０Ｂは、固定端支点Ｑを中心として揺動する。また、第２リンク５０Ｂの固定端支点Ｑとは反対側端部に位置して第２リンク５０Ｂと第１リンク５０Ａとを連結する自由端支点Ｍは、自由端支点Ａの移動範囲、すなわち高温側ピストン１０２が上死点と下死点とを移動する範囲で、固定端支点Ｑを中心に移動する。このような構成により、この実施形態に係る近似直線リンク機構５０では、自由端支点Ａが高温側シリンダ中心軸Ｌに略沿って往復運動する。すなわち、自由端支点Ａは近似直線運動をする。その結果、高温側ピストン１０２に作用するサイドフォース（高温側ピストン１０２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、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても十分にピストンを支持することができる。

この実施形態では、高温側ピストン１０２の底部ＰＢとピストン連結用リンク１１３とは、連結点Ｐで互いに回動可能に連結されている。この構成によれば、ピストン連結用リンク１１３とコネクティングロッド１０９とを連結する自由端支点Ａが、直線から多少ずれた場合であっても、そのずれが、高温側ピストン１０２を傾かせる力として働かない。すなわち、ピストン連結用リンク１１３の自由端支持点Ａにおけるずれが高温側ピストン１０２にほとんど影響を与えないという利点がある。

即ち、この実施形態では、近似直線リンク機構５０の往復運動時に生じる、直線運動からの自由端支持点Ａのずれを吸収するために、高温側ピストン１０２とピストン連結用リンク１１３とを固定ではなく、連結点Ｐで、相対的に移動可能な状態（フリーな状態）で連結する。

一方、ピストン連結用リンク１１３と高温側ピストン１０２とを一体として構成することもできる。このように構成した場合には、仮に何らかの原因で高温側ピストン１０２が高温側シリンダ１０１に対して傾きかけた場合にも、ピストン連結用リンク１１３が近似直線運動を行うときに、その傾きが矯正されるという利点がある。

図５−１〜図５−４に示すように、近似直線リンク機構５０は、高温側シリンダ軸Ｌと直交する方向の移動量が小さい（自由端支点Ｂの移動量が小さい）。すなわち、近似直線リンク機構５０では、高温側ピストン１０２等の往復運動方向と直交する方向におけるリンクの移動量が小さくなる。これによって高温側ピストン１０２等の往復運動を阻害することを抑制できる。また、近似直線リンク機構５０のリンクに沿って気体導入配管１を配置すれば、高温側ピストン１０２等の往復運動にともなう気体導入配管１の動きを小さくできる。その結果、気体導入配管１がポンプ２や高温側ピストン１０２等から外れたり、クランク軸１１０や近似直線リンク機構５０と絡まったりするおそれを最小限にすることができる。これによって、スターリングエンジン１００に運転中においては、安定して高温側ピストン１０２等の内部に設けられる中空部ＰＩへ空気を供給して、気体軸受ＧＢを形成し、その機能を十分に発揮させることができる。

図３に示すように、スターリングエンジン１００の運転中における気体導入配管１の余分な動きを抑えるため、気体導入配管１は、近似直線リンク機構５０に固定することが好ましい。このとき、近似直線リンク機構５０を構成するリンクの連結部（自由端支持点や固定端支点）以外の少なくとも一箇所で、気体導入配管１を固定することが好ましい。この実施形態では、第１リンク５０Ａや第３リンク５０Ｃに、取付冶具７を用いて気体導入配管１を固定する。このように、近似直線リンク機構５０のリンクの連結部を避けて気体導入配管１を固定するので、気体導入配管１がリンクの揺動を阻害するおそれを最小限に抑えることができる。

なお、気体導入配管１の配置上、近似直線リンク機構５０のリンクの連結部を気体導入配管１が通る場合（図３における自由端支点Ｂの部分を参照）、連結部における気体導入配管１は、ある程度たるませておくことが好ましい。このようにすれば、気体導入配管１がリンクの揺動を阻害するおそれをより効果的に抑えることができる。

上述したように、この実施形態では、筐体１１４内を加圧手段１１５により加圧する。筐体１１４の外部にポンプ２を配置した場合、気体軸受ＧＢを形成するため、ポンプ２は、気体軸受ＧＢを形成するために必要な圧力Δｐに加え、筐体１１４内の圧力ｐｉ分を加圧しなければ、高温側ピストン１０２等の内部に設けられる中空部ＰＩへ空気を供給することはできない。すなわち、ポンプ２に要求される吐出圧力ｐｏは、（ｐｉ＋Δｐ）となる。その結果、ポンプ２を駆動するための動力が大きくなってしまう。

そこで、この実施形態に係るスターリングエンジン１００では、ポンプ２を筐体１１４の内部の所定位置に配置し、筐体１１４内の空気をポンプ２によって加圧して高温側ピストン１０２等の内部に設けられる中空部ＰＩへ供給する。これによって、ポンプ２は、気体軸受ＧＢを形成するために必要な圧力Δｐまで筐体１１４内の空気を加圧すればよいので、ポンプ２の吐出圧力ｐｏはΔｐ（＜ｐｉ＋Δｐ）となる。これによって、ポンプ２を筐体１１４の外部に配置した場合よりもポンプ２を駆動するための動力を小さくすることができる。なお、スターリングエンジン１００を車両に搭載する場合、車両の振動の影響を低減するため、ポンプ２は、前記筐体１１４内であって、スターリングエンジン１００の重心にできる限り近い位置に配置することが好ましい。

図３に示すように、ポンプ２は、近似直線リンク機構５０の固定端支点Ｒ、Ｑの近傍に配置することが好ましい。固定端支点Ｒ、Ｑは、第１、第２の近似直線リンク機構支持部２６ａ、２６ｂに設けられるので、上記構成とすれば、第１の近似直線リンク機構支持部２６ａ等を利用してポンプ２を容易に取り付けて、固定することができる。このようにすることで、ポンプ２を取り付けるためのステー等を筺体１１４内に新たに設ける必要はないので、その分、スターリングエンジン１００を小型化することができ、また、近似直線リンク機構５０やクランク軸１１０等の配置の自由度も向上する。

ここで、近似直線リンク機構５０の固定端支点Ｒ、Ｑの近傍とは、例えば、近似直線リンク機構５０を支持する近似直線リンク機構支持部である。この実施形態では、固定端支点Ｒ、あるいは固定端支持点Ｑを介して近似直線リンク機構５０を支持する、第１の近似直線リンク機構支持部２６ａ、あるいは第２の近似直線リンク機構支持部２６ｂにポンプ２を取り付ける。

以上、この実施形態では、近似直線リンク機構に沿って気体導入配管を配置する。これによって、ピストンの往復運動を阻害することなく空気を供給でき、また、気体導入配管がポンプやピストンから外れたり、クランク軸や近似直線リンク機構と絡まったりするおそれを最小限にすることができる。その結果、スターリングエンジンの運転中においては、安定してピストンの内部に設けられる中空部へ空気を供給して、気体軸受を形成し、その機能を発揮させることができる。なお、この実施形態と同様の構成を備えるものは、この実施形態と同様の作用、効果を奏する。また、この実施形態の構成は、以下の実施形態においても適用できる。

（実施形態２）
実施形態２では、実施形態１で説明したスターリングエンジン１００（図１、図３等参照）を、車両に搭載する例を説明する。スターリングエンジンの構成は、実施形態１で説明したものと同様である。なお、以下の説明では、適宜図１〜図５を参照されたい。

図６は、スターリングエンジンを車両の床下に配置した例を示す正面図である。図７−１は、スターリングエンジンを車両の床下に配置した例を示す側面図である。図７−２は、スターリングエンジンを車両の床下に配置した場合において、車両の床下側から見た状態を示す平面図である。この実施形態においてスターリングエンジン１００（図１、図３等参照）を車両２００に搭載する場合には、例えば、車両２００の車両床２０１の下（床下）に搭載する。そして、車両２００の床下には、内燃機関６の排ガス通路５が配置されており、スターリングエンジン１００は、前記排ガス通路５に隣接するスペースに横置きされる。すなわち、車両床２０１の床面２０１ｐに対して、高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０３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、高温側ピストン１０２及び低温側ピストン１０４は、水平方向に往復運動する（図３の矢印Ｈ方向）。

この実施形態において、スターリングエンジン１００は、エンジンマウント２０２を介して車両床２０１に取り付けられる。上記実施形態１で説明したように、スターリングエンジン１００は、気体軸受ＧＢを形成するため、ポンプ２を筺体１１４の内部に備える。スターリングエンジン１００を車両２００の床下に配置する場合には、図７−１に示すように、ポンプ２は、スターリングエンジン１００の筺体１１４内であって、車両２００の車両床２０１側に配置することが好ましい。このとき、スターリングエンジン１００の重心ｇを通る直線Ｎ上にポンプ２を配置することが好ましい。ここで、直線Ｎは、車両床２０１の床面２０１ｐに直交する直線であることがより好ましい。このようにすることで、車両２００の振動がポンプ２に与える影響を最小限に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、ピストンに供給した気体によってピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成し、かつ近似直線リンク機構を用いて前記ピストンを支持するピストン機関に適している。

実施形態１に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。 実施形態１に係るピストン機関であるスターリングエンジンに用いられる気体軸受の構成を示す説明図である。 図２−１のＹ−Ｙ矢視図である。 実施形態１に係るスターリングエンジンが備える近似直線リンク機構の構成を示す説明図であり、図１のＸ−Ｘ矢視図である。 実施形態１に係るスターリングエンジンが備える近似直線リンク機構の構成を示す概略図である。 近似直線リンク機構の動作を示す説明図である。 近似直線リンク機構の動作を示す説明図である。 近似直線リンク機構の動作を示す説明図である。 近似直線リンク機構の動作を示す説明図である。 スターリングエンジンを車両の床下に配置した例を示す正面図である。 スターリングエンジンを車両の床下に配置した例を示す側面図である。 スターリングエンジンを車両の床下に配置した場合において、車両の床下側から見た状態を示す平面図である。

符号の説明

１ 気体導入配管
２ ポンプ
３ 気体通路
４ 給気口
５ 排ガス通路
６ 内燃機関
７ 取付冶具
１０ 基板
２０ クランク軸支持体
２６ａ 第１近似直線リンク機構支持部
２６ｂ 第２近似直線リンク機構支持部
３０ フレキシブルカップリング
５０Ａ 第１リンク
５０Ｂ 第２リンク
５０Ｃ 第３リンク
５０ 近似直線リンク機構
１００ スターリングエンジン
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
１０９ コネクティングロッド
１１０ クランク軸
１１３ ピストン連結用リンク
１１４ 筐体
１１５ 加圧手段
２００ 車両
２０１ 車両床
２０１ｐ 床面

Claims (7)

1. シリンダ内を往復運動するピストンと、
   前記ピストンの側周部に設けられ、前記ピストンと前記シリンダとの間に気体を噴射して気体軸受を形成する給気口と、
   前記ピストンに連結されて前記ピストンを支持する近似直線リンク機構と、
   前記近似直線リンク機構に沿って配置されて、前記気体軸受を形成するための気体を導く気体導入手段と、
   を備えることを特徴とするピストン機関。
2. 前記気体導入手段は、前記近似直線リンク機構を構成するリンクの連結部以外の少なくとも一箇所で固定さ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. 前記気体軸受を形成するための気体を供給する気体供給手段が、前記ピストン機関の筺体内の所定位置に設けられる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. 前記気体供給手段は、前記近似直線リンク機構を構成するリンクの固定端近傍に配置されることを特徴とする請求項３に記載のピストン機関。
5. 前記ピストン機関が車両の床下に配置される場合には、前記気体供給手段は、前記車両の床側に配置されることを特徴とする請求項３又は４に記載のピストン機関。
6. 前記気体供給手段は、前記ピストン機関の重心を通る直線上に配置されることを特徴とする請求項５に記載のピストン機関。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストン機関は、排熱が持つ熱エネルギを回収して運動エネルギに変換する排熱回収機関であることを特徴とするピストン機関。

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