JP6713403B2 - 出力取り出し装置、及びスターリングエンジン - Google Patents

Description

本願発明は、往復運動を回転運動に変換して出力する出力取り出し装置、及び当該出力取り出し装置を備えたスターリングエンジンに関するものである。

従来から、外部からの熱による温度差に基づく作動流体の収縮・膨張により動力を出力する外燃機関として、スターリングエンジンなどが知られている。スターリングエンジンは、作動流体を圧縮空間と膨張空間との間を交互に移動させ、熱交換器による作動流体の膨張と収縮とを繰り返すことで、ピストンを駆動させて、外部からの熱を動力に変換している（特許文献１及び２参照）。このようなスターリングエンジンには、圧縮空間と膨張空間とを別シリンダに構成するアルファ型や、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを共に同一シリンダに収容するベータ型や、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを別シリンダに収容するガンマ型などが知られている。

また、スターリングエンジンは、パワーピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク機構などの出力取り出し装置を備えており、外部に回転動力を出力している。引用文献１のスターリングエンジンは、ピストン下方にクロスヘッド機構による出力取り出し装置を設け、ディスプレーサピストンとパワーピストンが内設されるシリンダ（作動空間）と、クランク機構のクランク軸が軸支されるクランク室（バッファ空間）とを同一ケース内の上下で分室した構成となる。引用文献２のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンが内設されるシリンダ（作動空間）下方のクランクケース（バッファ空間）内に、スコッチ・ヨーク機構による出力取り出し装置を配設している。

特開昭６３−２４３５７４号公報 特許第４８７３６４７号公報

特許文献１のスターリングエンジンは、軸受などの摺動部分に潤滑油を供給する湿式潤滑方式を採用しており、特許文献２のスターリングエンジンは、摺動部分をグリース封入部品や油含侵部品などで構成する無給油潤滑方式を採用している。特許文献１における湿式潤滑方式の場合、バッファ空間内の潤滑油の飛沫が作動空間に侵入し、作動流体と熱交換する熱交換器での目詰まりなどが発生する恐れがある。一方、特許文献２における無給油潤滑方式の場合、高出力化したときに、軸受などの摺動部分における耐荷重を増加させる必要があり、摺動部分における面圧を下げるため、出力取り出し装置が大型化してしまい、エンジン全体の小型化が困難である。

従来の出力取り出し装置は、慣性力による荷重の増大を防ぐために、アルミ合金などの軽合金材料で構成され、装置の軽量化が図られている。しかしながら、軽合金材料で構成した場合、鉄と比べて剛性が低いことから、ピストンからの荷重により出力取り出し装置の部品に変形が生じ、クランク機構の挙動に影響を与えるだけでなく、装置の破損を招く恐れがある。また、軽量合金材料の線膨張係数が、鉄よりも大きいことから、周辺部温度の影響や摩擦などにより出力取り出し装置が高温化した場合、当該部品に熱的変形が生じ、摺動部における異常摩耗などの不具合が生じる恐れがある。

本願発明は、上記のような現状を検討して改善を施した出力取り出し装置、及びスターリングエンジンを提供することを技術的課題としている。

本願発明は、ピストンと連結する往復動部と、往復動部と摺接するとともに該往復動部の往復動により回転するクランク軸とを備えた出力取り出し装置であって、前記往復動部に、前記往復動部よりも剛性の高い材料で構成された変形防止部材が固定されているものである。

上記出力取り出し装置において、前記往復動部が前記クランク軸に沿って複数並んで設けられており、複数の前記往復動部を架設するように前記変形防止部材が設置されているものとしてもよい。

上記出力取り出し装置において、前記変形防止部材が前記クランク軸及び前記ピストンそれぞれの軸方向に対して交差する方向に延設されているものとしてもよい。

上記出力取り出し装置において、前記変形防止部材が、前記ピストンの軸心を中心軸としたリング状で構成されており、前記往復動部における前記ピストンとの接続部分周辺に設置されているものとしてもよい。

上記出力取り出し装置において、前記往復動部が、案内溝を前記クランク軸の軸方向に貫通させたヨーク部であって、前記クランク軸が前記案内溝に挿入されており、前記ヨーク部の往復動に基づいて、前記クランク軸における前記ヨーク部との嵌合部分が偏心回転して、前記クランク軸より回転動力を出力するものとしてもよい。

本願発明は、シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダ内の作動流体の収縮及び膨張を促す熱交換器とを備え、前記熱交換器により前記シリンダ内の作動流体の収縮と膨張を交互に繰り返して前記ピストンを往復動させるスターリングエンジンであって、上記いずれかの出力取り出し装置を備え、前記ピストンからの往復動力を回転動力に変換して出力するものである。

本願発明によると、変形防止部材を往復動部に設けた構成であるため、ピストンへの荷重が大きくなったとしても、剛性の高い変形防止部材により変形防止部材の変形が抑制される。すなわち、ピストンへの荷重により往復動部が変形しようとするが、比重の大きい材料による高剛性の変形防止部材で押圧されることで、往復動部の変形が抑制される。従って、出力取り出し装置での回転動作を安定させるとともに、変形による偏当たりなどによる摺動部における異常摩耗やフレーキングを抑制できる。

本願発明によると、変形防止部材を往復動部に設けた構成であるため、往復動部が高温化しても、線膨張係数の小さい変形防止部材により往復動部の熱変形が抑制される。すなわち、ピストンなどからの熱により往復動部が高温となった場合に、変形防止部材における伸び量が抑えられることで、往復動部の伸び量が抑制される。従って、出力取り出し装置における摺動部の変位量が抑制されることとなり、出力取り出し装置での回転動作を安定させるとともに、変形による偏当たりなどによる摺動部における異常摩耗やフレーキングを抑制できる。

本願発明の実施形態におけるスターリングエンジンの側面断面を示す概略図である。 同スターリングエンジンの正面断面を示す概略図である。 同スターリングエンジンにおける出力取り出し装置の側面断面図である。 同出力取り出し装置におけるディスプレーサピストンとの接続構造を示す説明図である。 同出力取り出し装置におけるパワーピストンとの接続構造を示す説明図である。 同スターリングエンジンにおけるブリーザの別例の説明図であって、（ａ）〜（ｃ）が各別例におけるブリーザの概略断面図である。 同スターリングエンジンにおける変形防止部材の第１例の構成を示す説明図である。 同変形防止部材の第２例の構成を示す説明図である。 同変形防止部材の別構成を示す説明図である。 同変形防止部材の第３例の構成を示す説明図である。 本願発明の別実施形態におけるスターリングエンジンの概略断面図である。

１．スターリングエンジンの全体構成
以下に、本願発明を具備したスターリングエンジンの全体構成について、図面に基づいて説明する。図１は、スターリングエンジンの側面断面を示す概略図であり、図２は、スターリングエンジンの正面断面を示す概略図である。なお、以下では、ベータ型スターリングエンジンを例に挙げて説明する。

図１及び図２に示す如く、スターリングエンジン１は、空気、ヘリウムガス、又は水素などの作動流体が封入されたシリンダ２内に、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４を内装している。シリンダ２は、一端を開口する一方で他端を閉塞した構成で有り、閉塞端部側にディスプレーサピストン３を配置する一方、開口端部側にパワーピストン４を配置している。シリンダ２内には、膨張空間５が、閉塞端部とディスプレーサピストン３との間に、圧縮空間６が、ディスプレーサピストン３とパワーピストン４との間に、それぞれ形成されている。なお、シリンダ２内の膨張空間５と圧縮空間６とを合わせて、作動空間と呼ぶ。

スターリングエンジン１は、シリンダ２内の作動空間における作動流体の温度を昇降させる熱交換器７が配設されている。熱交換器７は、膨張空間５と連通して外部からの入熱により作動流体を加熱するヒータ８と、圧縮空間６と連通して外部への放熱により作動流体を冷却するクーラ９とを、多孔質状の蓄熱材であるマトリクスを内蔵する再生器１０を介して連結した構成を有する。ディスプレーサピストン３がシリンダ２の開口端部側に向けて移動すると、ヒータ８で加熱された作動流体が膨張空間５に流入することで、作動流体の温度が上昇する。一方、ディスプレーサピストン３がシリンダ２の閉塞端部側に向けて移動すると、クーラ９で冷却された作動流体が圧縮空間６に流入することで、作動流体の温度が低下する。従って、熱交換器７とシリンダ２内の作動空間との間で作動流体が順逆に流れることで、シリンダ２の作動空間における内圧が変化し、パワーピストン４の往復動を促す。

ヒータ８は、外部の加熱媒体との伝熱面積を広くするべく、例えば、細管群や集熱フィンなどで構成されており、内部を通過する作動流体が加熱媒体からの熱を受けて昇温する。クーラ９も同様に、外部の冷却媒体との伝熱面積を広くするべく、例えば、細管群や放熱フィンなどで構成されており、内部を通過する作動流体が冷却媒体へ熱を放出して降温する。再生器１０は、例えば、金属繊維や金網を積層させたものや、作動流体の流路をハニカム形状などで配列させたものや、綿状金属繊維を内包させたものなどで構成されており、蓄熱式熱交換器として機能する。すなわち、再生器１０は、ヒータ８からクーラ９に高温の作動流体が流れる際には、作動流体の熱を蓄熱する一方で、クーラ９からヒータ８に低温の作動流体が流れる際には、蓄熱した熱を作動流体に放熱する。

スターリングエンジン１は、シリンダ２の開口端部側には、パワーピストン４の往復動作を回転動作に変換して回転動力を出力する出力取り出し装置１１を備える。出力取り出し装置１１は、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４それぞれと連結したクランク軸１２をクランクケース１３内に軸支させている。そして、クランク軸１２の一端側が出力軸となり、クランクケース１３内で、フライホイール１４を介して発電機１５の入力軸１６と連結されている。また、シリンダ２内におけるパワーピストン４より開口端部側の空間１７ａと、クランクケース１３内の空間１７ｂ，１７ｃとにより、バッファ空間（パワーピストン４の背面空間）１７を形成している。

ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４は、出力取り出し装置１１のクランク軸１２と接続することで、シリンダ２内を互いに所定の位相差で往復動する。なお、本実施形態では、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４の往復動作における位相差を９０°としている。

２．出力取り出し装置の構成例
スターリングエンジン１における出力取り出し装置１１の構成について、図１〜図５を参照して、以下に説明する。図１〜図５に示す如く、出力取り出し装置１１は、クランクケース１３内部に固定されたクランクボックス５０内に設けられている。出力取り出し装置１１は、ディスプレーサピストン３に合わせて往復動するディスプレーサヨーク（往復動部）５１のクランク軸案内溝（貫通溝）５１ａに固定されたプレート５１ｃと、パワーピストン４に合わせて往復動するパワーピストンヨーク（往復動部）５２，５３のクランク軸案内溝（貫通溝）５２ａ，５３ａに固定されたプレート５２ｃ，５３ｃのそれぞれに、軸受５７〜５９を介してクランク軸１２のクランクピン５４〜５６が嵌合わされたスコッチ・ヨーク機構で構成されている。

図１〜図５に示す如く、クランクボックス５０は、クランクケース１３内で連結支持されており、クランクケース１３に挿入されたシリンダ２と連結するとともに、クランク軸１２を軸支している。クランクケース１３は、シリンダ２の一部が挿入されるとともに、シリンダ２の挿入部分と連結して、クランクボックス５０全体を覆っている。すなわち、クランクケース１３とクランクボックス５０とにより二重構造とされたケーシング内部に、出力取り出し装置１１が設置されている。クランク軸１２は、クランクボックス５０を貫通して、クランクケース１３内のフライホイール１４と連結している。

図４に示す如く、ディスプレーサヨーク５１は、その中央部分に、クランク軸１２及びディスプレーサピストン３それぞれの軸方向に対して交差する方向（横方向）に長いクランク軸案内溝５１ａが設けられている。ディスプレーサヨーク５１におけるクランク軸案内溝５１ａを挟んだ両側部には、ディスプレーサピストン３の軸方向に沿う方向（縦方向）に、往復動案内穴（貫通穴）５１ｂが穿設されている。そして、ディスプレーサヨーク５１の往復動案内穴５１ｂには、ロータリブッシングなどの直動軸受６３を介して、クランクボックス５０に固定されたガイド軸６０が挿入されている。ディスプレーサヨーク５１は、一端がディスプレーサピストン３と連結したロッド６６の他端と連結しており、ディスプレーサピストン３の往復動に合わせて、ディスプレーサピストン３と同一方向（縦方向）で往復動する。

図５に示す如く、パワーピストンヨーク５２（５３）は、その中央部分に、横方向に長いクランク軸案内溝５２ａ（５３ａ）が設けられており、クランク軸案内溝５２ａ（５３ａ）を挟んだ両側部に、往復動案内穴（貫通穴）５２ｂ（５３ｂ）が縦方向に穿設されている。そして、パワーピストンヨーク５２（５３）の往復動案内穴５２ｂ（５３ｂ）には、直動軸受６４（６５）を介して、クランクボックス５０に固定されたガイド軸６１（６２）が挿入されている。パワーピストンヨーク５２（５３）は、一端がパワーピストン４と連結したブリッジ６７の他端と連結しており、パワーピストン４の往復動に合わせて縦方向で往復動する。

図３〜図５に示す如く、パワーピストン４及びブリッジ６７の中心には、パワーピストン４の軸方向に沿う方向（縦方向）に貫通穴４ａ，６７ａが設けられており、ディスプレーサピストン３と連結したロッド６６が貫装されている。ロッド６６は、パワーピストン４及びブリッジ６７にと相対的に移動可能であるとともに、パワーピストン４におけるロッド６６の挿入部分にメカニカルシールなどによる動的シール機構（図示省略）が構成されている。

図２〜図５に示す如く、クランク軸１２は、ブリッジ６７とパワーピストンヨーク５２，５３を介して連結したクランクピン５５，５６の間に、ロッド６６とディスプレーサヨーク５１を介して連結したクランクピン５４を設けており、同位相のクランクピン５５，５６に対して所定の位相差（例えば、９０°）でクランクピン５４が取り付けられている。クランクボックス５０におけるシリンダ２との連結部分には、ブリッジ６７が嵌挿されるブリッジ挿入穴６８が設けられている。クランクボックス５０のブリッジ挿入穴６８は、シリンダ２とクランクボックス５０との連結部分に構成されており、ブリッジ６７のシリンダ２側部分がブリッジ挿入穴６８に対して挿脱するようにして、ブリッジ６７がパワーピストン４に合わせて往復動する。シリンダ２内におけるパワーピストン４より開口端部側の第３バッファ空間１７ａにおける、パワーピストン４の往復動に伴う容積変化による内圧の変動を低減する為に、第３バッファ空間１７ａと第１バッファ空間１７ｂとの間に連通口１７ｄを設けている。

ディスプレーサピストン３は、クランク軸１２の回転動力で往復動し、作動流体が膨張空間５と圧縮空間６の間を行き来して、作動空間の内圧が変化する。この圧力変化によりパワーピストン４が往復動し、その往復動力がブリッジ６７を介してパワーピストンヨーク５２，５３に伝達される。これにより、パワーピストンヨーク５２，５３がそれぞれ、ガイド軸６１，６２のそれぞれに沿って縦方向に往復動する。そして、パワーピストンヨーク５２，５３それぞれの往復動により、クランク軸案内溝５２ａ，５３ａそれぞれをクランクピン５５，５６それぞれが回転しながら横方向に往復することで、クランク軸１２が回転する。従って、パワーピストン４の往復動力を受けた出力取り出し装置１１は、スコッチ・ヨーク機構により回転動力に変換してクランク軸１２より出力し、フライホイール１４及び入力軸１６を介して発電機１５を回転させる。

図１〜図５に示す如く、本実施形態のスターリングエンジン１は、出力取り出し装置１１における摺動部分に潤滑油を供給させる湿式潤滑方式を採用している。クランクボックス５０は、潤滑油を貯留するオイルタンクとして構成されており、クランク軸１２の貫通部分だけでなく、シリンダ２とクランクボックス５０との連結部分における、ブリッジ挿入穴６８へのブリッジ６７の挿入部分や貫通穴６７ａへのロッド６６の挿入部分などに、オイルシール（図示省略）が設けられている。すなわち、クランクボックス５０は、貯留させた潤滑油を外部に漏出しないように密封構造を有し、クランクケース１３内には、クランクボックス５０外側の第１バッファ空間１７ｂと、クランクボックス５０内側の第２バッファ空間１７ｃとが形成されている。

すなわち、クランクケース１３がクランクボックス５０を内在させた二重構造を有し、クランクボックス５０内に潤滑油を封入させることで、クランクケース１３内における第１バッファ空間１７ｂへ潤滑油が混入することを未然に防止できる。従って、第１バッファ空間１７ｂから連通口１７ｄを経由して、第３バッファ空間１７ａすなわちシリンダ２内部への潤滑油の浸入をより確実に防ぐことができ、シリンダ２における作動空間や熱交換器７などへの潤滑油の付着などによる故障や駆動上の不具合を抑制できる。

図１及び図３に示す如く、クランクケース１３内の第１バッファ空間１７ｂは、ブリーザ３２を介してクランクボックス５０内の第２バッファ空間１７ｃと連通している。ブリーザ３２は、クランクボックス５０内に貯留された潤滑油の油面より上方となる位置でクランクケース１３に固定されている。また、ブリーザ３２は、第２バッファ空間１７ｃと連通する第１分室３５と、第１バッファ空間１７ｂと連通する第２分室３６とで分室されており、第１分室３５及び第２分室３６が連通口３７により連通している。

このように構成することで、ブリーザ３２内に侵入した潤滑油が第１分室３５で作動流体から分離され、作動流体のみが第２分室３６を通じてクランクケース１３の第１バッファ空間１７ｂに流れ込む。従って、第１バッファ空間１７ｂへの潤滑油の浸入を確実に防止でき、シリンダ２における作動空間や熱交換器７などへの潤滑油の付着による目詰まりなどに基づく駆動上の不具合や機械的な破損を未然に防げる。また、ブリーザ３２は、クランクボックス５０と連結するボックス連結部４４の開口面積を小さくすることでオリフィスを形成し、クランクボックス５０からの潤滑油の侵入を抑制できる構成を有している。更に、第１分室３５と第２分室３６との連通口３７についても、開口面積の小さいオリフィスによって構成する。

ブリーザ３２は、オリフィスを構成するボックス連結部４４によりクランクボックス５０と連結した内側ケース７１を、ボックス連結部４４の外周側で開口したケース連結部３８によりクランクケース１３と連結した外側ケース７２で覆う二重管構造を有する。ブリーザ３２は、ケース連結部３８及びボックス連結部４４による二重の開口部を最下部に設けており、クランクケース１３及びクランクボックス５０と連結される。ボックス連結部４４は、ケース連結部３８とクランクケース１３との連結部分からクランクケース１３内部に突設されて、クランクボックス５０と連結されている。内側ケース７１は、ボックス連結部４４と逆側の最上部に連通口３７を有しており、内側ケース７１内部の第１分室３５と、内側ケース７１と外側ケース７２の間の第２分室３６と連通させる。

ブリーザ３２における内側ケース７１（第１分室３５）は、その容積が、パワーピストン４の往復動によるバッファ空間１７における容積変化量よりも大きくなるように構成されている。そして、連通口３７を設ける内側ケース７１最上部が、ボックス連結部４４に対して十分に高い位置となるように、内側ケース７１が構成されている。これにより、潤滑油を含む作動流体が、クランクボックス５０内の第２バッファ空間１７ｃからボックス連結部４４を通じて第１分室３５内に流入すると、潤滑油が連通口３７まで到達することなく作動流体から分離されるため、第２分室３６及びケース連結部３８を通じて、作動流体のみをクランクケース１３内の第１バッファ空間１７ｂに流入できる。

図１〜図３に示す如く、クランクボックス５０における潤滑油量を確認すべく、油面計４６がクランクケース１３外側に設置されている。従って、スターリングエンジン１の停止時において、油面計４６内における潤滑油の油面位置を確認することで、クランクケース１３内部のクランクボックス５０内の潤滑油量を確認できる。このとき、油面計４６の油面位置が所定位置より低い場合、クランクボックス５０内の潤滑油量が必要最低量から不足していることだけでなく、クランクボックス５０内の潤滑油の一部がクランクケース１３に漏下していることを認識できる。

また、図１〜図３に示す如く、クランクボックス５０からクランクケース１３に漏下した潤滑油を検知するべく、クランクケース１３における底部４５の最下部に、漏油検知部４７が設けられている。クランクケース１３の底部４５は、クランクボックス５０から漏下した潤滑油が漏油検知部４７の設置箇所に向かって流れるように、漏油検知部４７の設置箇所を最下部として傾斜させた形状を有する。これにより、スターリングエンジン１の駆動時において、漏油検知部４７に流入した潤滑油を検出して、クランクボックス５０内の潤滑油の一部がクランクケース１３に漏下していることを認識できる。

図１〜図３に示す如く、パワーピストンヨーク５２，５３及びブリッジ６７それぞれの変形を防止する変形防止部材９１が、パワーピストンヨーク５２，５３とブリッジ６７との連結部分に設置されている。ディスプレーサピストン３、パワーピストン４、ディスプレーサヨーク５１、パワーピストンヨーク５２，５３、ロッド６６、及びブリッジ６７などは、その往復運動に基づく慣性力によるスターリングエンジン１各部への荷重を低減させるべく、比重の軽いアルミなどの軽金属材料又は軽金属合金材料で構成されている。これに対して、変形防止部材９１は、パワーピストンヨーク５２，５３やブリッジ６７を構成する金属材料と比べて比重の大きい鉄などによる金属材料で構成される。

上記変形防止部材９１を設けることで、シリンダ２における圧縮空間６が高圧となり、パワーピストン４を通じてブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３それぞれへの荷重が大きくなったとしても、高剛性材料で構成された変形防止部材９１によりブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３などの変形を抑制できる。従って、パワーピストンヨーク５２，５３のクランク軸案内溝５２ａ、５３ａに摺接している軸受５８，５９における異常摩耗や剥離（フレーキング）を防止できる。

また、ガイド軸６１，６２に対する直動軸受６４，６５の相対位置の位置ずれも抑制されるため、ガイド軸６１，６２と直動軸受６４，６５との間隙（クリアランス）を適正に維持でき、ガイド軸６１，６２及び直動軸受６４，６５における異常摩耗や剥離を防止できる。更に、変形防止部材９１を軽金属材料又は軽金属合金材料と比べて線膨張係数（熱膨張係数）の小さい金属材料で構成することで、ブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３における熱変形をも抑制できる。

なお、本実施形態において、ブリーザ３２は、より確実に潤滑油を作動流体から分離するべく、例えば、図６（ａ）に示す如く、第１分室３５を開口面積の小さい連通穴７４を有した複数の仕切り板７３により更に分室したものとしてもよく、図６（ｂ）に示す如く、ボックス連結部４４に邪魔板７６を設けたものとしてもよく、図６（ｃ）に示す如く、第１分室３５と第２分室３６との連通口３７に濾網７７を設けたものとしても構わない。

３−１．変形防止部材の第１例
次いで、出力取り出し装置１１に設置された変形防止部材９１の第１例について、図７を参照して、以下に説明する。図７に示す如く、本例の変形防止部材９１は、クランク軸１２の軸方向に延設された変形防止フレーム９２であって、パワーピストンヨーク５２，５３を架設するようにして設置されている。より詳細には、２本の変形防止フレーム９２は、その長手方向がクランク軸１２の軸方向と平行となる状態で、ブリッジ６７を挟むようにして、パワーピストンヨーク５２，５３と連結するブリッジ６７の基端側フランジ部６７ｂに固定されている。

鉄材などの剛性の高い金属材料で構成された変形防止フレーム９２が、ブリッジ６７の基端側フランジ部６７ｂを介在させて、剛性の低い軽金属材料によるパワーピストンヨーク５２，５３と連結している。そのため、シリンダ２内の圧縮空間６が高圧力となり、パワーピストン４への荷重が大きくなったとしても、剛性の高い変形防止フレーム９２によりブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３の変形が抑制される。

すなわち、基端側フランジ部６７ｂの中心部への荷重が、パワーピストンヨーク５２，５３と連結している基端側フランジ部６７ｂの外周側にかかる荷重よりも大きくなる。これにより、ブリッジ６７の基端側フランジ部６７ｂが変形し、パワーピストンヨーク５２，５３が傾くといった構造部の変形を生じようとするが、高剛性の変形防止フレーム９２により押圧されることで、ブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３から成る構造部の変形が抑制される。

また、変形防止フレーム９２は、ブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３を構成する軽金属材料又は軽金属合金材料と比べて線膨張係数（熱膨張係数）の小さい金属材料で構成される。そのため、シリンダ２、ディスプレーサピストン３、及びパワーピストン４などからの熱により、ブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３が高温となっても、変形防止フレーム９２における伸び量が抑えられることで、ブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３の変移量が抑制される。

上述のように、変形防止フレーム９２の設置によりパワーピストンヨーク５２，５３の変形が抑制されることで、軸受５８，５９の外周面を軸方向に沿って均一にクランク軸案内溝５２ａ，５３ａへ摺接できる。従って、軸受５８，５９の片当たりを防止して、軸受５８，５９の外周面にかかる面圧を均一化できるため、出力取り出し装置１１での回転動作を安定させるとともに、摺動部における異常摩耗やフレーキングを抑制できる。

３−２．変形防止部材の第２例
次いで、出力取り出し装置１１に設置された変形防止部材９１の第２例について、図８を参照して、以下に説明する。図８に示す如く、本例の変形防止部材９１は、クランク軸１２及パワーピストン４それぞれの軸方向に対して交差する方向に延設された変形防止フレーム９３であって、パワーピストンヨーク５２，５３それぞれのブリッジ６７との連結面に沿うようにして設置されている。より詳細には、変形防止フレーム９２は、その長手方向がクランク軸案内溝５２ａ，５３ａの長手方向と平行となる状態で、ブリッジ６７を挟むようにして、パワーピストンヨーク５２，５３と連結するブリッジ６７の基端側フランジ部６７ｂに固定されている。

鉄材などの線膨張係数の小さい金属材料で構成された変形防止フレーム９３が、ガイド軸６１，６２を貫通させた両側部を架設する方向に延設されている。そのため、シリンダ２、ディスプレーサピストン３、及びパワーピストン４などからの熱により、ブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３が高温となっても、変形防止フレーム９２における伸び量が抑えられることで、ブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３の伸び量が抑制される。

すなわち、パワーピストンヨーク５２，５３は、その金属材料が高温となることで、ガイド軸６１，６２を貫通させた両側部が外側に向かって幅広となる方向に熱膨張し、往復動案内穴５２ｂ，５３ｂを外側に変位させようとするが、線膨張係数の小さい変形防止フレーム９３により伸び量が抑制されて、往復動案内穴５２ｂ，５３ｂの変位量が小さくなる。そのため、ガイド軸６１，６２に対する直動軸受６４，６５の相対位置の変化を抑制でき、パワーピストンヨーク５２，５３の往復動作を安定化させるとともに、摺動部における異常摩耗やフレーキングを抑制できる。

また、鉄材などの剛性の高い金属材料で構成された変形防止フレーム９３が、ブリッジ６７の基端側フランジ部６７ｂを介在させて、剛性の低い軽金属材料によるパワーピストンヨーク５２，５３と連結している。そのため、シリンダ２内の圧縮空間６が高圧力となり、パワーピストン４への荷重が大きくなったとしても、剛性の高い変形防止フレーム９２によりブリッジ６７及びパワーピストンヨーク５２，５３の変形が抑制される。

なお、本例において、ブリッジ６７の基端側フランジ部６７ｂに固定されるものとしたが、例えば、図９に示す如く、パワーピストンヨーク５２，５３の側面部分にクランク軸案内溝５２ａ，５３ａに沿って変形防止フレーム９３を固定するものとしても構わないし、パワーピストンヨーク５２，５３におけるブリッジ６７と逆側となる面に変形防止フレーム９３を固定するものとしても構わない。また、ディスプレーサヨーク５１の側面部分などに、同様の変形防止フレーム９３を固定するものとすることで、ディスプレーサヨーク５１の変形量をも抑制し、出力取り出し装置１１の動作をより安定的なものとできる。

３−３．変形防止部材の第３例
次いで、出力取り出し装置１１に設置された変形防止部材９１の第３例について、図１０を参照して、以下に説明する。図１０に示す如く、本例の変形防止部材９１は、ピストンの軸心を中心軸としたリング状（多角形、円、楕円などによる環形状）の変形防止リング９４であって、パワーピストン４との接続部分周辺に設置されている。より詳細には、変形防止リング９４は、その中央領域の穴にブリッジ６７が挿入されて、ブリッジ６７と同軸状に配置された状態で、パワーピストンヨーク５２，５３と連結するブリッジ６７の基端側フランジ部６７ｂに固定されている。

変形防止リング９４は、上記第１例の変形防止フレーム９２と上記第２例の変形防止フレーム９３とを組み合わせた構成となり、パワーピストンヨーク５２，５３に対して、クランク軸１２と平行な方向への変形量、及び、クランク軸１２及びパワーピストン４それぞれと直交する方向への変形量を抑制できる。すなわち、変形防止リング９４を鉄材などの高剛性で且つ線膨張係数の小さい金属材料で構成することで、パワーピストン４への荷重によるパワーピストンヨーク５２，５３の変形だけでなく、パワーピストンヨーク５２，５３の熱変形をも抑制できる。

また、本例において、第２例における図９のように、パワーピストンヨーク５２，５３の側面部分にクランク軸案内溝５２ａ，５３ａに沿って変形防止フレーム９３を固定するものとしても構わないし、パワーピストンヨーク５２，５３におけるブリッジ６７と逆側となる面に変形防止フレーム９３を固定するものとしても構わない。更に、ディスプレーサヨーク５１の側面部分などに、同様の変形防止フレーム９３を固定するものとしてもよい。

（別実施形態）
上述の実施形態における出力取り出し装置１１が、クランクケース１３内のクランクボックス５０に内装された構成としたが、図１１に示す如く、クランクボックス５０を省略してクランクケース１３内に内装されるものとしてもよい。クランクケース１３にシリンダ２が連結されるとともに、クランクケース１３におけるシリンダ２との連結部分にブリッジ挿入穴６８が設けられ、ブリッジ６７が嵌挿されている。そして、ガイド軸６０〜６２がクランクケース１３に固定されており、ディスプレーサヨーク５１及びパワーピストンヨーク５２，５３がそれぞれ、ガイド軸６０〜６２のそれぞれに沿って所定の位相差で往復動する。

なお、本願発明における各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願
発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ベータ型のスターリングエンジンに基づいて説明したが、アルファ型やガンマ型などといった他の形式のスターリングエンジンであっても構わない。また、出力取り出し装置においても、上記実施形態におけるスコッチ・ヨーク機構に限定されるものではなく、クロスヘッド機構など別の構成であっても構わない。更に、出力取り出し装置において、潤滑油による湿式潤滑方式を採用するものを例に挙げて説明したが、摺動部分をグリース封入部品や油含侵部品などで構成する無給油潤滑方式を採用するものであっても構わない。

１ スターリングエンジン
２ シリンダ
３ ディスプレーサピストン
４ パワーピストン
５ 膨張空間
６ 圧縮空間
７ 熱交換器
１１ 出力取り出し装置
１２ クランク軸
１３ クランクケース
５０ クランクボックス
５１ ディスプレーサヨーク
５２ パワーピストンヨーク
５３ パワーピストンヨーク
５４ クランクピン
５５ クランクピン
５６ クランクピン
５７ 軸受
５８ 軸受
５９ 軸受
６０ ガイド軸
６１ ガイド軸
６２ ガイド軸
６３ 直動軸受
６４ 直動軸受
６５ 直動軸受
６６ ロッド
６７ ブリッジ
９１ 変形防止部材

Claims (5)

1. ピストンと連結する往復動部と、往復動部と摺接するとともに該往復動部の往復動により回転するクランク軸とを備えた出力取り出し装置であって、
   前記往復動部に、前記往復動部よりも剛性の高い材料で構成された変形防止部材が固定されており、
   前記往復動部が前記クランク軸に沿って複数並んで設けられており、複数の前記往復動部を架設するように前記変形防止部材が設置されていることを特徴とする出力取り出し装置。
2. ピストンと連結する往復動部と、往復動部と摺接するとともに該往復動部の往復動により回転するクランク軸とを備えた出力取り出し装置であって、
   前記往復動部に、前記往復動部よりも剛性の高い材料で構成された変形防止部材が固定されており、
   前記変形防止部材が前記クランク軸及び前記ピストンそれぞれの軸方向に対して交差する方向に延設されているとともに、前記変形防止部材が往復部材の前記ピストンと対向する面に沿って設けられていることを特徴とする出力取り出し装置。
3. ピストンと連結する往復動部と、往復動部と摺接するとともに該往復動部の往復動により回転するクランク軸とを備えた出力取り出し装置であって、
   前記往復動部に、前記往復動部よりも剛性の高い材料で構成された変形防止部材が固定されており、
   前記変形防止部材が、前記ピストンの軸心を中心軸としたリング状で構成されており、前記往復動部における前記ピストンとの接続部分周辺に設置されていることを特徴とする出力取り出し装置。
4. 前記往復動部が、案内溝を前記クランク軸の軸方向に貫通させたヨーク部であって、前記クランク軸が前記案内溝に挿入されており、
   前記ヨーク部の往復動に基づいて、前記クランク軸における前記ヨーク部との嵌合部分が偏心回転して、前記クランク軸より回転動力を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の出力取り出し装置
5. シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダ内の作動流体の収縮及び膨張を促す熱交換器とを備え、前記熱交換器により前記シリンダ内の作動流体の収縮と膨張を交互に繰り返して前記ピストンを往復動させるスターリングエンジンであって、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の出力取り出し装置を備え、前記ピストンからの往復動力を回転動力に変換して出力することを特徴とするスターリングエンジン。

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