JP4872816B2 - ピストン装置及び排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダと、このシリンダ内を往復運動するピストンとの間に気体軸受を介在させるピストン装置及び排熱回収装置に関する。

シリンダ内をピストンが往復運動するピストン装置は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンあるいはスターリングエンジン等の発動機、あるいはピストン型圧縮機等に広く用いられている。例えば、特許文献１には、内燃機関用のピストンにおいて、断面が略円形のピストンヘッドと、前記ピストンヘッドの一端面に形成された一対のスカート部と、前記一対のスカート部の端部同士をそれぞれ連結する一対の壁部と、前記ピストンヘッドの一端面に前記一対のスカート部及び前記壁部とは独立に形成され、ピストンピンを回動自在に挿通するための挿通穴を設けたピンボス部とを備えた内燃機関が開示されている。

特開２００４−１７６５７３号公報 段落番号００１５

例えば、スターリングエンジンにピストン装置を適用し、内燃機関の排ガス等の熱エネルギーを回収する場合、低質な熱源から熱エネルギーを回収する必要がある。このため、ピストン内に蓄圧室を設けるとともに、ピストンとシリンダとの間に形成される微小なクリアランスに蓄圧室から気体を放出することにより、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成し、両者の摩擦を低減する構成が考えられる。この場合、ピストンとシリンダとのクリアランスは数μｍ〜数十μｍ程度である。

気体軸受は荷重の負荷能力が小さく、ピストンが往復運動する方向に対して傾斜すると、ピストンとシリンダとの隙間の一部が大きくなり、その部分から気体が流出して気体軸受の負荷能力が低下して、気体軸受の機能が十分に発揮できなくなるおそれがある。特許文献１に開示されている技術では、かかる点について考慮されておらず、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、ピストン内部に形成された蓄圧室から放出する気体によりピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成するにあたり、ピストンの傾斜を抑制して、気体軸受の機能低下を抑制できるピストン装置及び排熱回収装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係るピストン装置は、シリンダ内に気体軸受を介して支持されて往復運動するとともに、前記往復運動をクランク軸によって回転運動に変換するピストン装置であって、前記ピストンからの荷重を受けるピストンピンと、前記ピストンピンに取り付けられ、前記ピストンピンに対して回動可能に支持されて、前記ピストンの往復運動を前記クランク軸に伝達する連結部材と、を備え、前記ピストンからの荷重が集中する荷重集中部と、前記ピストンの重心位置とが、前記気体軸受による気体潤滑領域の中心位置に配置されることを特徴とする。

このピストン装置は、ピストンからの荷重が集中する荷重集中部と、ピストンの重心位置とを、気体軸受による気体潤滑領域の中心位置に配置して構成されるので、ピストン荷重の変化によるピストンの傾きや揺動を抑制することができる。これによって、ピストンの傾きや揺動に起因するピストンの傾きによる気体軸受の機能低下を抑制できる。

上述した課題を解決するために、本発明に係るピストン装置は、シリンダ内に気体軸受を介して支持されて往復運動するとともに、前記往復運動をクランク軸によって回転運動に変換するピストン装置であって、前記ピストンからの荷重を受けるピストンピンと、前記ピストンピンに取り付けられ、前記ピストンピンに対して回動可能に支持されて、前記ピストンの往復運動を前記クランク軸に伝達する連結部材と、を備え、前記ピストンからの荷重を前記連結部材へ伝達する荷重伝達部に、前記ピストンからの荷重が集中する荷重集中部と、前記ピストンの重心位置と、前記気体軸受による気体潤滑領域の中心位置とが含まれることを特徴とする。

このピストン装置は、ピストンからの荷重を連結部材へ伝達する荷重伝達部に、ピストンからの荷重が集中する荷重集中部と、ピストンの重心位置と、気体軸受による気体潤滑領域の中心位置とが含まれるように、これらを配置する。これによって、ピストン荷重の変化によるピストンの傾きや揺動を抑制することができる。その結果、ピストンの傾きや揺動に起因するピストンの傾きによる気体軸受の機能低下を抑制できる。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン装置において、前記ピストンは、前記シリンダ内の作動流体から圧力を受けるピストン頂部と、前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に設けられて前記ピストンを支持する円錐状のピストン頂部支持部材と、を備え、前記ピストンピンは、前記ピストン頂部支持部材に取り付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、前記ピストン装置において、少なくとも、前記シリンダと対向する前記ピストンのピストン側部と、前記ピストン側部に取り付けられる隔壁とで囲まれる空間を、前記気体軸受を構成するための気体が導入される蓄圧室とし、前記ピストン側部に設けた気体放出孔から前記蓄圧室内の気体を放出して、前記気体軸受を構成することが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン装置において、前記ピストン頂部と前記ピストン側部とが一体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、前記ピストン装置において、前記ピストンの側部であって、前記ピストンの頂部と前記気体潤滑領域との間の範囲は、前記気体潤滑領域よりも直径が小さいことが好ましい。

上述した課題を解決するために、本発明に係る排熱回収装置は、前記ピストン装置と、ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器と、を備え、前記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。

この排熱回収装置は、上述したピストン装置を備える。これによって、ピストン荷重の変化によるピストンの傾きや揺動を抑制することができる。その結果、ピストンの傾きや揺動に起因するピストンの傾きによる気体軸受の機能低下を抑制して、安定して排熱を回収することができる。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収装置において、前記ヒータで加熱された作動流体と接するピストンの側部であって、前記ピストンの頂部と前記気体潤滑領域との間は、前記気体潤滑領域よりも直径が小さいことが好ましい。

本発明によれば、ピストン内部に形成された蓄圧室から放出する気体によりピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成するにあたり、ピストンの傾斜を抑制して、気体軸受の機能低下を抑制できる。

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（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、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。なお、以下の説明においては、この発明に係るピストン装置及び排熱回収装置の一例としてスターリングエンジンを取り上げるが、ピストン装置及び排熱回収装置はこれに限られるものではない。

本実施形態は、ピストンの軸力やピストンの重量といったピストン荷重が集中する荷重集中部と、ピストンの重心位置とを、気体軸受による気体潤滑領域の中心位置に配置する点に特徴がある。すなわち、ピストンからの荷重をコネクティングロッドへ伝達する荷重伝達部に、ピストンの重心位置と、気体軸受による気体潤滑領域の中心位置とが含まれるように配置する点に特徴がある。

図１は、本実施形態に係るピストン装置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、ピストンを支持する気体軸受の説明図である。まず、本実施形態に係るピストン装置が適用された排熱回収装置であるスターリングエンジンについて説明する。

本実施形態に係るピストン装置及び排熱回収装置であるスターリングエンジン１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る。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１５Ａ内に収められた第１ピストンである高温側ピストン２０Ａと、第２シリンダである低温側シリンダ１５Ｂ内に収められた第２ピストンである低温側ピストン２０Ｂとが直列に配置されている。なお、必要に応じて高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂはシリンダ１５といい、高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂはピストン２０という。

高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとは、基準体である基板３に固定されて支持される。本実施形態に係るスターリングエンジン１においては、この基板３が、スターリングエンジン１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。また、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１は、高温側シリンダ１５Ａと高温側ピストン２０Ａとの間、及び低温側シリンダ１５Ｂと低温側ピストン２０Ｂとの間に気体軸受ＧＢを介在させる。

基準体である基板３に、高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストン２０とシリンダ１５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１の組み立ても容易になる。また、スターリングエンジン１を排熱回収に用いる場合、この基板３は、スターリングエンジン１を排気通路等へ取り付けるときの基準として使用できるという利点もある。

高温側シリンダ１５Ａと低温側シリンダ１５Ｂとは、ヒータ２Ｈと再生器２Ｒとクーラー２Ｃとで構成される熱交換器２によって接続されている。ここで、ヒータ２Ｈの一端は高温側シリンダ１５Ａに接続され、他端は再生器２Ｒに接続される。再生器２Ｒは、一端がヒータ２Ｈに接続され他端はクーラー２Ｃに接続される。クーラー２Ｃの一端は再生器２Ｒに接続され、他端は低温側シリンダ１５Ｂに接続される。

また、高温側シリンダ１５Ａ内の高温側作動空間１４Ａ、低温側シリンダ１５Ｂ内の低温側作動空間１４Ｂ、及び熱交換器２内には作動流体（気体であり、本実施形態では空気）が封入されており、ヒータ２Ｈから供給される熱及びクーラー２Ｃ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２０Ａを駆動する。ここで、例えば、ヒータ２Ｈ、クーラー２Ｃ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２Ｒは、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ２Ｈ、クーラー２Ｃ及び再生器２Ｒ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１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２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂは、それぞれ高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂ内に、気体軸受ＧＢを介して支持されている。これによって、潤滑油を用いることなく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１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、内燃機関の排熱を回収する場合のように、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１を運転して排熱を回収できる。

本実施形態に係る気体軸受ＧＢは、いわゆる静圧気体軸受である。また、本実施形態における気体軸受は、往復運動するピストン２０を支持するものである（以下同様）。すなわち、本実施形態において、気体軸受は、摺動する一対の構造物同士の間に気体が介在して、構造物同士間の摩擦を低減する機能を有するものである（以下同様）。気体軸受ＧＢを構成するため、ピストン２０とシリンダ１５の内面１５ｉとの隙間ｔｃ（図２参照）は、ピストン２０の全周にわたって数μｍ〜数十μｍとする。シリンダ１５及びピストン２０は、例えば、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、図２に示すように、ピストン２０のピストン側部２４に開口する第１の気体放出孔２３_１及び第２の気体放出孔２３_２から、ピストン２０内の蓄圧室２２の気体（作動流体）を放出する。これによって、シリンダ１５とピストン２０との間に気体軸受ＧＢを形成する。ここで、ピストン２０内の蓄圧室２２は、少なくとも、シリンダ１５と対向するピストン２０のピストン側部２４と、ピストン側部２４に取り付けられる隔壁２６とで囲まれる空間である。

蓄圧室２２には、気体供給管１７が接続されている。そして、蓄圧室２２には、気体軸受用気体供給手段である気体軸受用ポンプ１６から気体供給管１７を介して気体軸受ＧＢを形成するための気体ｇが供給される。図１に示すスターリングエンジン１では、気体軸受用ポンプ１６はスターリングエンジン１のクランクケース４の外部に設けられている。そして、この気体軸受用ポンプ１６によって、高温側ピストン２０Ａの蓄圧室２２Ａには気体供給管１７Ａから、低温側ピストン２０Ｂの蓄圧室２２Ｂには気体供給管１７Ｂから気体ｇが供給される。蓄圧室２２へ供給された気体ｇは、第１の気体放出孔２３_１及び第２の気体放出孔２３_２からピストン２０のピストン側部２４とシリンダ１５との間に放出されて、気体軸受ＧＢを形成する。ここで、気体ｇは、本実施形態ではスターリングエンジン１の作動流体と同じ種類の気体であり、具体的には空気である。

図３−１、図３−２は、気体軸受の気体潤滑領域を説明する側面図である。図３−３は、気体軸受の気体潤滑領域を説明する平面図である。気体軸受ＧＢの気体潤滑領域ＧＬＡは、ピストン２０のピストン側部２４の外周部に形成される領域であり、ピストン軸及びシリンダ軸Ｚａ（すなわち、ピストン２０が往復運動する方向）方向においてピストンの直径Ｄｐが一定に形成される範囲である。例えば、図３−１に示すピストン２０のように、ピストン頂部２０ｔからピストン底部（ピストン頂部２０ｔとは反対側の端部）２０ｂまでピストン２０の直径が一定に形成される場合、ピストン頂部２０ｔからピストン底部２０ｂまでの領域が気体潤滑領域ＧＬＡとなる（図３−１でハッチングされている範囲）。

ここで、図３−２に示すピストン２０’のように、ピストン頂部２０ｔ側にピストン２０’の径方向への熱膨張を吸収するため、ピストン頂部２０ｔからピストン底部２０ｂまでの所定の範囲は、ピストン底部２０ｂ側よりもピストン２０’の直径を小さく形成することがある。この場合、ピストン底部２０ｂからピストン頂部２０ｔに向かって所定の範囲は、ピストン２０’の直径がＤｐ１で形成され、ピストン２０’の直径が一定の大きさＤｐ１で形成される範囲よりもピストン頂部２０ｔ側は、ピストン２０’の直径が、前記範囲の直径Ｄｐ１よりも小さいＤｐ２で形成される（Ｄｐ１＞Ｄｐ２）。ここで、ピストン２０’の直径が変化する位置を、ピストン直径変更位置ＣＰという。この場合、ピストン底部２０ｂからピストン頂部２０ｔに向かってピストン２０’の直径が一定の大きさで形成される範囲、すなわち、ピストン底部２０ｂからピストン頂部２０ｔに向かってピストン２０の直径が小さくなるまでの範囲（ピストン底部２０ｂからピストン直径変更位置ＣＰまでの範囲）が、気体潤滑領域ＧＬＡとなる（図３−２でハッチングされている範囲）。

ピストン２０、２０’のピストン軸Ｚａ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの長さは、図３−１、図３−２におけるｈである。ピストン軸Ｚａ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの中心部ＧＬＡＣ＿Ａは、ｈ／２の位置になる。すなわち、図３−１に示すピストン２０では、ピストン頂部２０ｔ又はピストン底部２０ｂからｈ／２離れた位置が前記中心部ＧＬＡＣ＿Ａとなり、図３−２に示すピストン２０’では、ピストン底部２０ｂ又はピストン直径変更位置ＣＰからｈ／２離れた位置が前記中心部ＧＬＡＣ＿Ａとなる。また、ピストン２０、２０’の往復運動方向と直交する断面内における気体潤滑領域ＧＬＡの中心部ＧＬＡＣ＿Ｒは、ピストン２０、２０’の前記断面内における重心、すなわち図心であり、ピストン軸Ｚａとなる。したがって、ピストン２０、２０’の中心部は、ピストン軸Ｚａ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの中心部ＧＬＡＣ＿Ａと、ピストン軸Ｚａとの交点になる。

高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂの往復運動は、それぞれ高温側連結部材１２Ａ、高温側コネクティングロッド１３Ａ、及び低温側連結部材１２Ｂ、低温側コネクティングロッド１３Ｂによってクランク軸１０に伝達され、クランク軸１０で回転運動に変換される。高温側連結部材１２Ａ、高温側コネクティングロッド１３Ａ、低温側連結部材１２Ｂ、低温側コネクティングロッド１３Ｂは、ピストン２０の往復運動をクランク軸１０に伝達する連結部材である。

なお、高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂの往復運動は、例えば、グラスホッパ機構やワットリンク等の近似直線機構を介して、クランク軸１０へ伝達してもよい。このようにすれば、高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０ＢのサイドフォースＦｓ（高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂの径方向に向かう力、図２参照）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても、十分に高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂを支持することができる。

図１に示すように、クランク軸１０は、クランクケース４に設けられた軸受９で、回転可能に支持される。なお、クランクケース４は基板３に固定される。このとき、クランクケース４は、高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂと独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板３に固定される。これにより、高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂが受けるクランク軸１０の振動やクランク軸１０の熱膨張等の影響を最小限にできるので、気体軸受ＧＢの機能が十分に確保される。

図１に示すように、スターリングエンジン１を構成する高温側シリンダ１５Ａ、高温側ピストン２０Ａ、クランク軸１０等の各構成要素は、ケース５に格納される。ケース５内は、加圧手段１１により加圧される。これは、高温側シリンダ１５Ａ及び低温側シリンダ１５Ｂ、及び熱交換器２内の作動流体（本実施形態では気体であり空気）を加圧して、スターリングエンジン１からより多くの出力を取り出すためである。

また、本実施形態に係るスターリングエンジン１では、ケース５にシール軸受６が取り付けられており、出力軸７がシール軸受６により支持される。出力軸７とクランク軸１０とは、フレキシブルカップリング８を介して連結されており、これを介してケース５の外部へクランク軸１０の出力が伝達される。なお、本実施形態において、フレキシブルカップリング８には、オルダムカップリングを使用している。次に、本実施形態に係るスターリングエンジン１が備える高温側ピストン２０Ａ及び低温側ピストン２０Ｂについて、より詳細に説明する。

図４−１は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストンの構造を示す断面図である。図４−２は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える低温側ピストンの構造を示す断面図である。図５−１、図５−２は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストン及び低温側ピストンが備える気体放出孔の配置例を示す説明図である。図４−１に示すように、高温側ピストン２０Ａは、ピストン頂部２０Ａｔと、ピストン側部２４Ａと、ピストン支持部材２５Ａと、ピストンピン２７Ａと、隔壁２６Ａと、ピストン頂部支持部材２８Ａとを含んで構成される。

高温側ピストン２０Ａは、ピストン頂部２０Ａｔとピストン側部２４Ａとが一体で形成されている。これによって、高温側ピストン２０Ａの強度を確保することができる。ピストン支持部材２５Ａはピストンピン２７Ａを支持しており、高温側ピストン２０Ａからの荷重（ピストン荷重という）、すなわち軸力Ｆａ及び高温側ピストン２０Ａの重量を受けて、ピストンピン（荷重伝達部）２７へ伝達する。ピストンピン２７へ伝達されたピストン荷重は、高温側連結部材１２Ａを介して、クランク軸１０に取り付けられる高温側コネクティングロッド１３Ａ（図１参照）へ伝達される。これによって、高温側ピストン２０Ａの往復運動がクランク軸１０へ伝達されて回転運動へ変換される。ここで、ピストン支持部材２５Ａは、ピストン頂部２０Ａｔに取り付けられるピストン頂部支持部材２８Ａを介して、高温側ピストン２０Ａへ取り付けられる。

ピストン支持部材２５Ａが取り付けられるピストン頂部支持部材２８Ａは、外形形状が円錐状の形状であり、ピストン頂部２０Ａｔの受圧面とは反対側に設けられて、高温側ピストン２０Ａを支持する。なお、「円錐状」には、いわゆる円錐の形状の他、いわゆる円錐台の形状も含むものとする（以下同様）。ピストン頂部支持部材２８Ａは中空構造であり、ピストン頂部２０Ａｔとピストン頂部支持部材２８Ａとで囲まれる空間が形成される。これにより、高温側ピストン２０Ａの軽量化を図ることができる。本実施形態において、ピストン頂部支持部材２８Ａとピストン頂部２０ｔとは別個の構造体で構成されるが、ピストン頂部支持部材２８Ａは、ピストン頂部２０ｔと一体で形成してもよい（以下同様）。

ピストン頂部支持部材２８Ａによって、高温側作動空間１４Ａ（図１参照）内の気体（作動流体）の圧力を受けるピストン頂部２０Ａｔを支持することにより、前記気体の圧力による軸力Ｆａによるピストン頂部２０ｔの変形を最小限に抑える。また、ピストン頂部支持部材２８Ａは、ピストン荷重をピストン支持部材２５Ａへ伝達する。

ピストン頂部支持部材２８Ａには、隔壁２６Ａが取り付けられている。隔壁２６Ａは、外形形状が円錐状の構造体であり、円錐の頂部側がピストン頂部支持部材２８Ａに取り付けられる。そして、隔壁２６Ａは、円錐の裾部、すなわち、ピストン頂部支持部材２８Ａに取り付けられる側とは反対側がピストン側部２４Ａの内面に取り付けられる。そして、高温側ピストン２０Ａのピストン側部２４Ａと、ピストン頂部２０Ａｔと、ピストン頂部支持部材２８Ａと、隔壁２６Ａとで囲まれる空間が、高温側ピストン２０Ａの蓄圧室２２Ａを構成する。隔壁２６Ａをピストン側部２４Ａに取り付けることにより、ピストン側部２４Ａの変形を抑制することができる。すなわち、隔壁２６Ａを、ピストン側部２４Ａの変形を抑制する強度部材として用いることができる。

図１に示す気体軸受用ポンプ１６から吐出され、気体供給管１７Ａから蓄圧室２２Ａへ流入した気体（作動流体）は、ピストン側部２４Ａに設けられる第１の気体放出孔２３_１及び第２の気体放出孔２３_２から放出される。図５−１に示すように、第１の気体放出孔２３_１は、高温側ピストン２０Ａのピストン頂部２０Ａｔ側に設けられ、第２の気体放出孔２３_２は、高温側ピストン２０Ａのピストン側部２４Ａのピストン底部２０Ａｂ側に設けられる。

本実施形態に係る高温側ピストン２０Ａは、ピストン頂部２０Ａｔが高温の作動流体と接触して熱膨張するため、ピストン頂部２０Ａｔ側には熱膨張吸収部ＨＡＡが形成される。ここで、熱膨張吸収部ＨＡＡは、ピストン頂部２０Ａｔからピストン底部２０Ａｂに向かって所定の範囲に形成されており、この範囲では、気体潤滑領域ＧＬＡよりも直径が小さく形成されている。このように、高温側ピストン２０Ａに熱膨張吸収部ＨＡＡを設けることにより、熱膨張によって高温側ピストン２０Ａと高温側シリンダ１５Ａとが接触することを回避して、確実にスターリングエンジン１を動作させることができる。

ここで、高温側ピストン２０Ａのピストン軸Ｚａ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの長さ（気体潤滑領域軸方向長さ）をｈとするとき、気体潤滑領域軸方向長さがｈ／２の位置を、高温側ピストン２０Ａの気体潤滑領域ＧＬＡのピストン軸Ｚａ方向における中心軸ＺＬとする。第１の気体放出孔２３_１は、前記中心軸ＺＬからｈ／４の位置に、第２の気体放出孔２３_２は、前記中心軸ＺＬからｈ／４の位置に設けられる。このようにすることで、ピストン側部２４Ａと図１に示す高温側シリンダ１５Ａの間に、バランスよく気体軸受ＧＢを形成することができる。

図５−１、図５−２に示すように、本実施形態に係る高温側ピストン２０Ａでは、第１の気体放出孔２３_１及び第２の気体放出孔２３_２はそれぞれ４個ずつ、計８個設けられる。図５−１に示すように、第１の気体放出孔２３_１は、高温側ピストン２０Ａの周方向に略等間隔（約９０度）で配置される。また、図５−２に示すように、第２の気体放出孔２３_２は、高温側ピストン２０Ａの周方向に略等間隔（約９０度）で、かつ、第１の気体放出孔２３_１とは、約４５度ずらして配置される。このように配置することで、気体軸受ＧＢの偏りを低減できる。なお、気体放出孔の数、配置はこの例に限られるものではない。

上述したように、本実施形態に係る高温側ピストン２０Ａのピストン頂部２０Ａｔは、ピストン頂部支持部材２８Ａによって支持される。ピストン頂部支持部材２８Ａの外形形状は円錐状であり、頂部側支持部ＳＰ_１で高温側ピストン２０Ａを支持する。そして、ピストン頂部支持部材２８Ａの頂部側支持部ＳＰ_１で支持するピストン荷重（軸力Ｆａやピストン２０の質量）は、ピストンピン２７Ａが高温側連結部材１２Ａを支持する部分に集中する。この部分を荷重集中部ＳＰ_２という。

本実施形態では、ピストン頂部２０Ａｔを中空構造かつ円錐状のピストン頂部支持部材２８Ａで支持するので、ピストン頂部支持部材２８Ａの剛性を確保しつつ、高温側ピストン２０Ａ全体を軽量化することができる。また、ピストン頂部支持部材２８Ａを円錐状に形成することで剛性を確保できるので、ピストン頂部２０Ａｔに作用する荷重はピストン頂部支持部材２８Ａで十分に受けることができる。これにより、ピストン頂部２０Ａｔの剛性を必要以上に高くする必要はなく、高温側ピストン２０Ａ全体を軽量化できる。

スターリングエンジン１を排熱回収に用いる場合は、低質の熱源から熱エネルギーを回収する必要がある。本実施形態に係るピストンのように、ピストン頂部支持部材２８Ａを円錐状とすれば、高温側ピストン２０Ａの質量を小さくして、排熱の回収効率を向上させることができるので、スターリングエンジン１を排熱回収に用いる場合は特に効果的である。

荷重集中部ＳＰ_２と高温側ピストン２０Ａの重心位置Ｇとは、気体軸受ＧＢによる気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置に配置される。すなわち、高温側ピストン２０Ａからの荷重を連結部材である高温側連結部材１２Ａへ伝達する荷重伝達部であるピストンピン２７Ａ内に、前記ピストンからの荷重が集中する荷重集中部と、高温側ピストン２０Ａの重心位置Ｇと、気体軸受ＧＢによる気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置とが含まれるように配置される。なお、高温側コネクティングロッド１３Ａが直接ピストンピン２７Ａに取り付けられる場合、高温側コネクティングロッド１３Ａが連結部材となる。ここで、気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置は、ピストン軸Ｚａ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの中心部ＧＬＡＣ＿Ａ、かつ高温側ピストン２０Ａの往復運動方向と直交する断面内における気体潤滑領域ＧＬＡの中心部ＧＬＡＣ＿Ｒ（すなわちピストン軸Ｚａ）が満たされる位置である。

なお、荷重集中部ＳＰ_２と、高温側ピストン２０Ａの重心位置Ｇと、気体軸受ＧＢによる気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置（ＧＬＡＣ＿Ａ、ＧＬＡＣ＿Ｒ）とは、完全に一致しなくてもよい。上述したように、少なくとも荷重伝達部であるピストンピン２７Ａ内に、荷重集中部ＳＰ_２と、高温側ピストン２０Ａの重心位置Ｇと、気体軸受ＧＢによる気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置（ＧＬＡＣ＿Ａ、ＧＬＡＣ＿Ｒ）とが配置されていればよい。

このような構成により、ピストン荷重の変化による高温側ピストン２０Ａの傾きや揺動を抑制することができるので、前記傾きや揺動に起因する高温側ピストン２０Ａの傾きによる気体軸受ＧＢの機能低下を抑制して、高温側ピストン２０Ａを高温側シリンダ１５Ａ内に支持することができる。また、高温側ピストン２０Ａと高温側シリンダ１５Ａとのかじり等の発生を抑えることができる。その結果、スターリングエンジン１の信頼性が向上する。次に、低温側ピストン２０Ｂを説明する。低温側ピストン２０Ｂは、高温側ピストン２０Ａとほぼ同様の構成であるが、熱膨張吸収部ＨＡＡを有さない点が異なる。

図４−２に示すように、低温側ピストン２０Ｂは、ピストン頂部２０Ｂｔと、ピストン側部２４Ｂと、ピストン支持部材２５Ｂと、ピストンピン２７Ｂと、隔壁２６Ｂととを含んで構成される。

ピストン支持部材２５Ｂはピストン頂部２０Ａｔに取り付けられる。ピストン支持部材２５Ｂは、ピストンピン２７Ｂを支持しており、低温側ピストン２０Ｂからの荷重（ピストン荷重という）、すなわち軸力Ｆａ及び低温側ピストン２０Ａの重量を受けて、ピストンピン（荷重伝達部）２７Ｂへ伝達する。ピストンピン２７Ｂへ伝達されたピストン荷重は、低温側連結部材１２Ｂを介してクランク軸１０に取り付けられる低温側コネクティングロッド１３Ｂ（図１参照）へ伝達される。これによって、低温側ピストン２０Ｂの往復運動がクランク軸１０で回転運動へ変換される。

低温側ピストン２０Ｂのピストン頂部２０Ｂｔには、隔壁２６Ｂが取り付けられている。隔壁２６Ｂは、外形形状が円錐状の構造体であり、ピストン頂部２０Ｂｔが作動流体と接する面とは反対面に円錐の頂部側が取り付けられる。そして、隔壁２６Ｂは、円錐の裾部、すなわち、ピストン頂部２０Ｂｔに取り付けられる側とは反対側がピストン側部２４Ｂの内面に取り付けられる。そして、低温側ピストン２０Ｂのピストン側部２４Ｂと、ピストン頂部２０Ｂｔと、隔壁２６Ｂとで囲まれる空間が、低温側ピストン２０Ｂの蓄圧室２２Ｂを構成する。隔壁２６Ｂをピストン側部２４Ｂに取り付けることにより、ピストン側部２４Ｂの変形を抑制することができる。すなわち、隔壁２６Ｂを、ピストン側部２４Ｂの変形を抑制する強度部材として用いることができる。

図１に示す気体軸受用ポンプ１６から吐出され、気体供給管１７Ｂから蓄圧室２２Ｂへ流入した気体（作動流体）は、ピストン側部２４Ｂに設けられる第１の気体放出孔２３_１及び第２の気体放出孔２３_２から放出される。図５−１に示すように、第１の気体放出孔２３_１は、低温側ピストン２０Ｂのピストン頂部２０Ｂｔ側に設けられ、第２の気体放出孔２３_２は、低温側ピストン２０Ｂのピストン側部２４Ｂのピストン底部２０Ｂｂ側に設けられる。

低温側ピストン２０Ｂのピストン頂部２０Ｂｔが接触する作動流体は、図１に示す熱交換器２のクーラー２Ｃで冷却されるので、低温側ピストン２０Ｂの熱膨張の影響は高温側ピストン２０Ａと比較して非常に小さい。このため、本実施形態に係る低温側ピストン２０Ｂは、上述した高温側ピストン２０Ａとは異なり、熱膨張吸収部ＨＡＡを有していない。

低温側ピストン２０Ｂのピストン軸Ｚａ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの長さ（気体潤滑領域軸方向長さ）をｈとするとき、気体潤滑領域軸方向長さがｈ／２の位置を、低温側ピストン２０Ｂの気体潤滑領域ＧＬＡのピストン軸Ｚａ方向における中心軸ＺＬとする。第１の気体放出孔２３_１は、前記中心軸ＺＬからｈ／４の位置に、第２の気体放出孔２３_２は、前記中心軸ＺＬからｈ／４の位置に設けられる。このようにすることで、ピストン側部２４Ｂと図１に示す低温側シリンダ１５Ｂの間に、バランスよく気体軸受ＧＢを形成することができる。

図５−１、図５−２に示すように、本実施形態に係る低温側ピストン２０Ｂでは、第１の気体放出孔２３_１及び第２の気体放出孔２３_２はそれぞれ４個ずつ、計８個設けられる。図５−１に示すように、第１の気体放出孔２３_１は、低温側ピストン２０Ｂの周方向に略等間隔（約９０度）で配置される。また、図５−２に示すように、第２の気体放出孔２３_２は、低温側ピストン２０Ｂの周方向に略等間隔（約９０度）で、かつ、第１の気体放出孔２３_１とは、約４５度ずらして配置される。このように配置することで、気体軸受ＧＢの偏りを低減できる。なお、気体放出孔の数、配置はこの例に限られるものではない。

上述したように、本実施形態に係る低温側ピストン２０Ｂにおいて、ピストン荷重（軸力Ｆａやピストン２０の質量）は荷重集中部ＳＰ_２に集中する。そして、本実施形態においては、荷重集中部ＳＰ_２と低温側ピストン２０Ｂの重心位置Ｇとは、気体軸受ＧＢによる気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置に配置される。すなわち、低温側ピストン２０Ｂからの荷重を連結部材である低温側連結部材１２Ｂへ伝達する荷重伝達部であるピストンピン２７Ｂ内に、低温側ピストン２０Ｂの重心位置Ｇと、気体軸受ＧＢによる気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置とが含まれるように配置される。なお、低温側コネクティングロッド１３Ｂが直接ピストンピン２７Ｂに取り付けられる場合、低温側コネクティングロッド１３Ｂが連結部材となる。ここで、気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置は、ピストン軸Ｚａ方向における気体潤滑領域ＧＬＡの中心部ＧＬＡＣ＿Ａ、かつ低温側ピストン２０Ｂの往復運動方向と直交する断面内における気体潤滑領域ＧＬＡの中心部ＧＬＡＣ＿Ｒ（すなわちピストン軸Ｚａ）が満たされる位置である。

なお、荷重集中部ＳＰ_２と、低温側ピストン２０Ｂの重心位置Ｇと、気体軸受ＧＢによる気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置（ＧＬＡＣ＿Ａ、ＧＬＡＣ＿Ｒ）とは、完全に一致しなくてもよい。上述したように、少なくとも荷重伝達部であるピストンピン２７Ｂ内に、荷重集中部ＳＰ_２と、低温側ピストン２０Ｂの重心位置Ｇと、気体軸受ＧＢによる気体潤滑領域ＧＬＡの中心位置（ＧＬＡＣ＿Ａ、ＧＬＡＣ＿Ｒ）とが配置されていればよい。

このような構成により、ピストン荷重の変化による低温側ピストン２０Ｂの傾きや揺動を抑制することができるので、前記傾きや揺動に起因する低温側ピストン２０Ｂの傾きによる気体軸受ＧＢの機能低下を抑制して、低温側ピストン２０Ｂを低温側シリンダ１５Ｂ内に支持することができる。また、低温側ピストン２０Ｂと低温側シリンダ１５Ｂとのかじり等の発生を抑えることができる。その結果、スターリングエンジン１の信頼性が向上する。

以上、本実施形態では、ピストン荷重が集中する荷重集中部とピストンの重心位置とを、気体軸受による気体潤滑領域の中心位置に配置する。すなわち、ピストンからの荷重をコネクティングロッドへ伝達する荷重伝達部内に、ピストンの重心位置と、気体軸受による気体潤滑領域の中心位置とが含まれるように配置する。このような構成により、ピストン荷重の変化によるピストンの傾きや揺動を抑制することができるので、前記揺動に起因するピストンの傾きによる気体軸受の機能低下を抑制して、ピストンをシリンダ内に支持することができる。また、ピストンとシリンダとのかじり等の発生を抑えることができる。その結果、排熱回収装置の信頼性が向上する。

以上のように、本発明に係るピストン及びピストン装置は、ピストン内部に形成された蓄圧室から放出する気体によりピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成するものに有用であり、特に、ピストンの傾きや揺動を抑制して気体軸受の機能低下を抑制することに適している。

本実施形態に係るピストン装置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。 ピストンを支持する気体軸受の説明図である。 気体軸受の気体潤滑領域を説明する側面図である。 気体軸受の気体潤滑領域を説明する側面図である。 気体軸受の気体潤滑領域を説明する平面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストンの構造を示す断面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える低温側ピストンの構造を示す断面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える高温側ピストン及び低温側ピストンが備える気体放出孔の配置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高温側ピストン及び低温側ピストンが備える気体放出孔の配置例を示す説明図である。

符号の説明

１ スターリングエンジン
２ 熱交換器
３ 基板
４ クランクケース
５ ケース
６ シール軸受
７ 出力軸
８ フレキシブルカップリング
９ 軸受
１０ クランク軸
１１ 加圧手段
１２Ａ 高温側連結部材
１２Ｂ 低温側連結部材
１３Ａ 高温側コネクティングロッド
１３Ｂ 低温側コネクティングロッド
１４Ａ 高温側作動空間
１４Ｂ 低温側作動空間
１５ シリンダ
１５Ａ 高温側シリンダ
１５Ｂ 低温側シリンダ
１６ 気体軸受用ポンプ
１７、１７Ａ、１７Ｂ 気体供給管
２０ ピストン
２０ｔ、２０Ａｔ、２０Ｂｔ ピストン頂部
２０ｂ、２０Ａｂ、２０Ｂｂ ピストン底部
２０Ａ 高温側ピストン
２０Ｂ 低温側ピストン
２２、２２Ａ、２２Ｂ 蓄圧室
２３_１、２３_２ 気体放出孔
２４、２４Ａ、２４Ｂ ピストン側部
２５Ａ、２５Ｂ ピストン支持部材
２６、２６Ａ、２６Ｂ 隔壁
２７、２７Ａ、２７Ｂ ピストンピン
２８Ａ ピストン頂部支持部材
２８Ｂ ピストン頂部支持部材

Claims (7)

1. シリンダ内に気体軸受を介して支持されて往復運動するとともに、前記往復運動をクランク軸によって回転運動に変換するピストン装置であって、
   前記ピストンからの荷重を受けるピストンピンと、
   前記ピストンピンに取り付けられ、前記ピストンピンに対して回動可能に支持されて、前記ピストンの往復運動を前記クランク軸に伝達する連結部材と、を備え、
   前記ピストンからの荷重を前記連結部材へ伝達する前記ピストンピンに、前記ピストンからの荷重が集中する荷重集中部と、前記ピストンの重心位置と、前記気体軸受による気体潤滑領域の中心位置とが含まれることを特徴とするピストン装置。
2. 前記ピストンは、
   前記シリンダ内の作動流体から圧力を受けるピストン頂部と、
   前記ピストン頂部の受圧面とは反対側に設けられて前記ピストンを支持する円錐状のピストン頂部支持部材と、を備え、
   前記ピストンピンは、前記ピストン頂部支持部材に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のピストン装置。
3. 少なくとも、前記シリンダと対向する前記ピストンのピストン側部と、前記ピストン側部に取り付けられる隔壁とで囲まれる空間を、前記気体軸受を構成するための気体が導入される蓄圧室とし、
   前記ピストン側部に設けた気体放出孔から前記蓄圧室内の気体を放出して、前記気体軸受を構成することを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン装置。
4. 前記ピストン頂部と前記ピストン側部とが一体で構成されることを特徴とする請求項３に記載のピストン装置。
5. 前記ピストンの側部であって、前記ピストンの頂部と前記気体潤滑領域との間の範囲は、前記気体潤滑領域よりも直径が小さいことを特徴とする請求項４に記載のピストン装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストン装置と、
   ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器と、を備え、
   前記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排熱回収装置。
7. 前記ヒータで加熱された作動流体と接するピストンの側部であって、前記ピストンの頂部と前記気体潤滑領域との間は、前記気体潤滑領域よりも直径が小さいことを特徴とする請求項６に記載の排熱回収装置。

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