活塞发动机及斯特林发动机转让专利
申请号 : CN200880104628.9
文献号 : CN101790634A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 片山正章 , 矢口宽 , 泽田大作
申请人 : 丰田自动车株式会社
摘要 :
活塞(20)经由延长杆(12)连结于与曲轴(10)可转动地连结的连杆(13)。由此，活塞(20)的往复运动传递到曲轴(10)而转换为旋转运动。在延长杆(12)的两端部上设有由球面滑动轴承构成的活塞侧接头机构(30P)和曲轴侧接头机构(30C)。活塞(20)经由活塞侧接头机构(30P)与延长杆(12)连结，延长杆(12)经由曲轴侧接头机构(30C)与连杆(13)连结。
权利要求 :
1.一种活塞发动机，具备在气缸内往复运动的活塞和将所述活塞的往复运动变换为旋转运动的曲轴，其特征在于，以即使在与所述活塞连结且设置于所述活塞和所述曲轴之间的连结部件至少相对于所述气缸的中心轴朝向与所述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，所述活塞也能够在所述气缸内往复运动的方式，将所述连结部件与所述活塞及所述曲轴侧的连结对象连结。
2.如权利要求1所述的活塞发动机，其特征在于，在所述连结部件的各端部上设有第一接头机构和第二接头机构，经由所述第一接头机构将所述活塞和连结于所述活塞的连结部件连结，且经由所述第二接头机构将所述连结部件和所述曲轴侧的连结对象连结。
3.如权利要求2所述的活塞发动机，其特征在于，所述第一接头机构及所述第二接头机构为球面滑动轴承，该球面滑动轴承包括：具备球面作为滑动面的内圈；及与所述滑动面接触且以所述内圈能够旋转的方式支承所述内圈的外圈。
4.如权利要求3所述的活塞发动机，其特征在于，所述曲轴侧的连结对象为连结于所述曲轴的连杆。
5.如权利要求4所述的活塞发动机，其特征在于，具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
6.如权利要求5所述的活塞发动机，其特征在于，所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
7.如权利要求4所述的活塞发动机，其特征在于，所述连结部件和所述连杆之间的连结部分被近似直线机构支承。
8.如权利要求7所述的活塞发动机，其特征在于，具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
9.如权利要求8所述的活塞发动机，其特征在于，所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
10.如权利要求1～9中任一项所述的活塞发动机，其特征在于，所述活塞被介于所述活塞和所述气缸之间的气体支承在所述气缸内。
11.如权利要求1所述的活塞发动机，其特征在于，所述连结部件与所述曲轴侧的连结对象连结的部分被近似直线机构支承。
12.如权利要求11所述的活塞发动机，其特征在于，在所述连结部件的各端部上设有第一接头机构和第二接头机构，经由所述第一接头机构将所述活塞和连结于所述活塞的连结部件连结，且经由所述第二接头机构将所述连结部件和所述曲轴侧的连结对象连结。
13.如权利要求12所述的活塞发动机，其特征在于，所述第一接头机构及所述第二接头机构为球面滑动轴承，该球面滑动轴承包括：具备球面作为滑动面的内圈；及与所述滑动面接触且以所述内圈能够旋转的方式支承所述内圈的外圈。
14.如权利要求13所述的活塞发动机，其特征在于，所述曲轴侧的连结对象为连结于所述曲轴的连杆。
15.如权利要求14所述的活塞发动机，其特征在于，具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
16.如权利要求15所述的活塞发动机，其特征在于，所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
17.如权利要求14所述的活塞发动机，其特征在于，所述连结部件和所述连杆之间的连结部分被近似直线机构支承。
18.如权利要求17所述的活塞发动机，其特征在于，具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
19.如权利要求18所述的活塞发动机，其特征在于，所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
20.如权利要求11～19中任一项所述的活塞发动机，其特征在于，所述活塞被介于所述活塞和所述气缸之间的气体支承在所述气缸内。
21.一种活塞发动机，其特征在于，具备：
活塞，在气缸内往复运动；
曲轴，将所述活塞的往复运动变换为旋转运动；
连结部件，其第一端部连结于所述活塞，并且其第二端部连结于所述曲轴侧的连结对象；
第一接头机构，将所述活塞和所述连结部件的所述第一端部连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动；以及第二接头机构，将所述连结部件的所述第二端部和所述曲轴侧的连结对象连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动。
22.如权利要求21所述的活塞发动机，其特征在于，所述第一接头机构及所述第二接头机构为球面滑动轴承，该球面滑动轴承包括：具备球面作为滑动面的内圈；及与所述滑动面接触且以所述内圈能够旋转的方式支承所述内圈的外圈。
23.如权利要求22所述的活塞发动机，其特征在于，所述曲轴侧的连结对象为连结于所述曲轴的连杆。
24.如权利要求23所述的活塞发动机，其特征在于，具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
25.如权利要求24所述的活塞发动机，其特征在于，所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
26.如权利要求23所述的活塞发动机，其特征在于，所述连结部件和所述连杆之间的连结部分被近似直线机构支承。
27.如权利要求26所述的活塞发动机，其特征在于，具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
28.如权利要求27所述的活塞发动机，其特征在于，所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
29.如权利要求21～28中任一项所述的活塞发动机，其特征在于，所述活塞被介于所述活塞和所述气缸之间的气体支承在所述气缸内。
30.一种斯特林发动机，其特征在于，具备：
热交换器，包括加热工作流体的加热器、与所述加热器连接并且所述工作流体通过的再生器、以及连接于所述再生器并且冷却所述工作流体的冷却器而构成；
气缸，通过所述热交换器的工作流体流入该气缸并从该气缸流出；
活塞，在所述气缸内往复运动，并且在内部形成有蓄压室；
给气口，设置于所述活塞的侧部，使所述蓄压室内的气体流出到所述活塞和所述气缸之间；
曲轴，将所述活塞的往复运动变换为旋转运动；
连杆，将所述活塞的往复运动传递到所述曲轴；
连结部件，其第一端部连结于所述活塞，并且其第二端部连结于所述连杆；
近似直线机构，支承所述连结部件和所述连杆之间的连结部分；
第一接头机构，将所述活塞和所述连结部件的所述第一端部连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动；以及第二接头机构，将所述连结部件的所述第二端部和所述曲轴侧的连结对象连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动。
31.如权利要求30所述的斯特林发动机，其特征在于，所述第一接头机构及所述第二接头机构为球面滑动轴承，该球面滑动轴承包括：具备球面作为滑动面的内圈；及与所述滑动面接触且以所述内圈能够旋转的方式支承所述内圈的外圈。
32.如权利要求30或31所述的斯特林发动机，其特征在于，具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
33.如权利要求32所述的斯特林发动机，其特征在于，所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
说明书 :
技术领域
本发明涉及不使用活塞环、润滑油地活塞在气缸内往复运动的活塞发动机。
背景技术
近年来，为了回收装载于乘用车、公共汽车、卡车等车辆的内燃机的废热及工厂废热，理论热效率优良的斯特林发动机备受关注。在专利文献1中公开了一种由近似直线机构支承活塞并且使气体轴承介于活塞和气缸之间的斯特林发动机。
专利文献1：(日本)特开2005-106009号公报
但是，在专利文献1所公开的斯特林发动机中，有时会因近似直线机构或装置的公差等而发生与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴之间的偏离。另外，在采用使气体轴承介于活塞和气缸之间的结构的情况下，与使润滑油介于活塞和气缸之间的结构不同，活塞和气缸不接触成为前提。另外，气体轴承的载荷承载能力小，因此优选以活塞中心轴和气缸中心轴尽可能一致的方式使活塞往复运动。
因此，在使气体轴承介于活塞和气缸之间的结构中，如专利文献1所公开的技术那样，通过近似直线机构使活塞的轨迹为大致直线。但是，有时因制造上的偏差、公差等而在活塞在气缸内往复运动时的理想的直线轨迹和由近似直线机构支承的活塞的轨迹之间发生偏离。其结果是，担心会在活塞和气缸的间隙上产生偏差，从而不能有效地利用介于活塞和气缸之间的气体轴承的载荷承载能力。
专利文献1：(日本)特开2005-106009号公报
但是，在专利文献1所公开的斯特林发动机中，有时会因近似直线机构或装置的公差等而发生与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴之间的偏离。另外，在采用使气体轴承介于活塞和气缸之间的结构的情况下，与使润滑油介于活塞和气缸之间的结构不同，活塞和气缸不接触成为前提。另外，气体轴承的载荷承载能力小，因此优选以活塞中心轴和气缸中心轴尽可能一致的方式使活塞往复运动。
因此，在使气体轴承介于活塞和气缸之间的结构中，如专利文献1所公开的技术那样，通过近似直线机构使活塞的轨迹为大致直线。但是，有时因制造上的偏差、公差等而在活塞在气缸内往复运动时的理想的直线轨迹和由近似直线机构支承的活塞的轨迹之间发生偏离。其结果是，担心会在活塞和气缸的间隙上产生偏差，从而不能有效地利用介于活塞和气缸之间的气体轴承的载荷承载能力。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而开发的，其目的在于，在发生与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
为了实现上述目的，本发明的活塞发动机，具备在气缸内往复运动的活塞和将所述活塞的往复运动变换为旋转运动的曲轴，其特征为，以即使在与所述活塞连结且设置于所述活塞和所述曲轴之间的连结部件至少相对于所述气缸的中心轴朝向与所述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，所述活塞也能够在所述气缸内往复运动的方式，将所述连结部件和所述活塞及所述曲轴侧的连结对象连结。
由此，在发生了与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，在连结部件向与曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，活塞往复运动。其结果是，活塞中心轴和气缸中心轴偏离的原因通过连结部件向与曲轴的旋转轴平行的方向倾斜而吸收，因此能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述连结部件与所述曲轴侧的连结对象连结的部分被近似直线机构支承。由此，由近似直线机构支承的连结部件的曲轴侧的连结对象的轨迹和气缸内的活塞的实际轨迹的偏离通过连结部件倾斜的状态而吸收。其结果是，能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选在所述连结部件的各端部上设置第一接头机构和第二接头机构，经由所述第一接头机构将所述活塞和连结于所述活塞的连结部件连结，且经由所述第二接头机构将所述连结部件和所述曲轴侧的连结对象连结。
为了实现上述目的，本发明的活塞发动机的特征为，具备：活塞，其在气缸内往复运动；曲轴，其将所述活塞的往复运动变换为旋转运动；连结部件，其第一端部连结于所述活塞，并且第二端部连结于所述曲轴侧的连结对象；第一接头机构，其将所述活塞和所述连结部件的所述第一端部连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动；以及第二接头机构，其将所述连结部件的所述第二端部和所述曲轴侧的连结对象连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动。
由此，在发生了与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，设置于连结部件的两端部的第一接头机构和第二接头机构使连结部件向与曲轴的旋转轴平行的方向倾斜。其结果是，允许气缸中心轴和曲轴侧的连结部件的连结对象的偏离，因此能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述第一接头机构及所述第二接头机构为球面滑动轴承，其包括：具备球面作为滑动面的内圈；及与所述滑动面接触且以所述内圈能够旋转的方式支承所述内圈的外圈。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述曲轴侧的连结对象为连结于所述曲轴的连杆。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述连结部件和所述连杆之间的连结部分被近似直线机构支承。由此，由近似直线机构支承的连结部件的曲轴侧的连结对象即连杆的轨迹和气缸内的活塞的实际轨迹的偏离通过连结部件倾斜的状态而吸收。其结果是，能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述活塞被介于所述活塞和所述气缸之间的气体支承在所述气缸内。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
为了实现上述目的，本发明的斯特林发动机的特征为，具备：热交换器，其包括加热工作流体的加热器、与所述加热器连接并且所述工作流体通过的再生器、以及连接于所述再生器并且冷却所述工作流体的冷却器而构成；气缸，供通过所述热交换器的工作流体流入并流出；活塞，其在所述气缸内往复运动，并且内部形成有蓄压室；给气口，其设置于所述活塞的侧部，使所述蓄压室内的气体流出到所述活塞和所述气缸之间；曲轴，其将所述活塞的往复运动变换为旋转运动；连杆，其将所述活塞的往复运动传递到所述曲轴；连结部件，其第一端部连结于所述活塞，并且其第二端部连结于所述连杆；近似直线机构，其支承所述连结部件和所述连杆之间的连结部分；第一接头机构，其将所述活塞和所述连结部件的所述第一端部连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动；以及第二接头机构，其将所述连结部件的所述第二端部和所述曲轴侧的连结对象连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动。
由此，在发生了与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，设置于连结部件的两端部的第一接头机构和第二接头机构使连结部件向与曲轴的旋转轴平行的方向倾斜。其结果是，允许气缸中心轴和连杆中心的偏离，因此能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述斯特林发动机中，优选所述第一接头机构及所述第二接头机构为球面滑动轴承，该球面滑动轴承包括：具备球面作为滑动面的内圈；及与所述滑动面接触且以所述内圈能够旋转的方式支承所述内圈的外圈。
作为本发明优选的形式，在所述斯特林发动机中，优选具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
作为本发明优选的形式，在所述斯特林发动机中，优选所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
本发明在发生了与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
为了实现上述目的，本发明的活塞发动机，具备在气缸内往复运动的活塞和将所述活塞的往复运动变换为旋转运动的曲轴，其特征为，以即使在与所述活塞连结且设置于所述活塞和所述曲轴之间的连结部件至少相对于所述气缸的中心轴朝向与所述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，所述活塞也能够在所述气缸内往复运动的方式，将所述连结部件和所述活塞及所述曲轴侧的连结对象连结。
由此，在发生了与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，在连结部件向与曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，活塞往复运动。其结果是，活塞中心轴和气缸中心轴偏离的原因通过连结部件向与曲轴的旋转轴平行的方向倾斜而吸收，因此能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述连结部件与所述曲轴侧的连结对象连结的部分被近似直线机构支承。由此，由近似直线机构支承的连结部件的曲轴侧的连结对象的轨迹和气缸内的活塞的实际轨迹的偏离通过连结部件倾斜的状态而吸收。其结果是，能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选在所述连结部件的各端部上设置第一接头机构和第二接头机构，经由所述第一接头机构将所述活塞和连结于所述活塞的连结部件连结，且经由所述第二接头机构将所述连结部件和所述曲轴侧的连结对象连结。
为了实现上述目的，本发明的活塞发动机的特征为，具备：活塞，其在气缸内往复运动；曲轴，其将所述活塞的往复运动变换为旋转运动；连结部件，其第一端部连结于所述活塞，并且第二端部连结于所述曲轴侧的连结对象；第一接头机构，其将所述活塞和所述连结部件的所述第一端部连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动；以及第二接头机构，其将所述连结部件的所述第二端部和所述曲轴侧的连结对象连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动。
由此，在发生了与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，设置于连结部件的两端部的第一接头机构和第二接头机构使连结部件向与曲轴的旋转轴平行的方向倾斜。其结果是，允许气缸中心轴和曲轴侧的连结部件的连结对象的偏离，因此能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述第一接头机构及所述第二接头机构为球面滑动轴承，其包括：具备球面作为滑动面的内圈；及与所述滑动面接触且以所述内圈能够旋转的方式支承所述内圈的外圈。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述曲轴侧的连结对象为连结于所述曲轴的连杆。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述连结部件和所述连杆之间的连结部分被近似直线机构支承。由此，由近似直线机构支承的连结部件的曲轴侧的连结对象即连杆的轨迹和气缸内的活塞的实际轨迹的偏离通过连结部件倾斜的状态而吸收。其结果是，能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述活塞被介于所述活塞和所述气缸之间的气体支承在所述气缸内。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
作为本发明优选的形式，在所述活塞发动机中，优选所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
为了实现上述目的，本发明的斯特林发动机的特征为，具备：热交换器，其包括加热工作流体的加热器、与所述加热器连接并且所述工作流体通过的再生器、以及连接于所述再生器并且冷却所述工作流体的冷却器而构成；气缸，供通过所述热交换器的工作流体流入并流出；活塞，其在所述气缸内往复运动，并且内部形成有蓄压室；给气口，其设置于所述活塞的侧部，使所述蓄压室内的气体流出到所述活塞和所述气缸之间；曲轴，其将所述活塞的往复运动变换为旋转运动；连杆，其将所述活塞的往复运动传递到所述曲轴；连结部件，其第一端部连结于所述活塞，并且其第二端部连结于所述连杆；近似直线机构，其支承所述连结部件和所述连杆之间的连结部分；第一接头机构，其将所述活塞和所述连结部件的所述第一端部连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动；以及第二接头机构，其将所述连结部件的所述第二端部和所述曲轴侧的连结对象连结，并且至少允许绕与所述曲轴的旋转轴平行的轴的转动、以及绕与所述曲轴的旋转轴和所述气缸的中心轴正交的轴的转动。
由此，在发生了与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，设置于连结部件的两端部的第一接头机构和第二接头机构使连结部件向与曲轴的旋转轴平行的方向倾斜。其结果是，允许气缸中心轴和连杆中心的偏离，因此能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
作为本发明优选的形式，在所述斯特林发动机中，优选所述第一接头机构及所述第二接头机构为球面滑动轴承，该球面滑动轴承包括：具备球面作为滑动面的内圈；及与所述滑动面接触且以所述内圈能够旋转的方式支承所述内圈的外圈。
作为本发明优选的形式，在所述斯特林发动机中，优选具备旋转抑制单元，该旋转抑制单元抑制所述活塞和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转、以及所述连杆和所述连结部件之间的绕所述气缸的中心轴的旋转中的至少一种旋转。
作为本发明优选的形式，在所述斯特林发动机中，优选所述旋转抑制单元为缓和所述连结部件与连结对象接触时的冲击的缓冲件。
本发明在发生了与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离的情况下，能够抑制活塞和气缸的间隙的偏差。
附图说明
图1是表示本实施方式的活塞装置及废热回收装置即斯特林发动机的剖面图；
图2是支承活塞的气体轴承的说明图；
图3-1是表示本实施方式的斯特林发动机具备的高温侧活塞及低温侧活塞具备的给气口的配置例的说明图；
图3-2是表示本实施方式的斯特林发动机具备的高温侧活塞及低温侧活塞具备的给气口的配置例的说明图；
图4是表示可适用于本实施方式的斯特林发动机的活塞的另一例的说明图；
图5是表示本实施方式的斯特林发动机具备的活塞的支承结构的说明图；
图6-1是表示本实施方式的活塞的连结结构的放大图；
图6-2是表示本实施方式的活塞的连结结构的放大图；
图6-3是表示本实施方式的活塞的连结结构的放大图；
图7是表示构成本实施方式的活塞的连结结构的接头的构成的剖面图；
图8是表示用于说明图7所示的接头的动作的座标的示意图；
图9是构成本实施方式的活塞的连结结构的延长杆的说明图；
图10是对通过本实施方式的活塞的连结结构可允许连杆中心轴和气缸中心轴的偏离的情况进行说明的概念图；
图11是对活塞绕气缸中心轴的旋转进行说明的示意图；
图12是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的放大图；
图13是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的放大图；
图14是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的放大图；
图15是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的示意图；
图16是表示将本实施方式的斯特林发动机用于内燃机的废热回收时的构成例的示意图。
符号说明
1 斯特林发动机
2 热交换器
2C 冷却器
2H 加热器
2R 再生器
4 曲轴箱
5 箱体
10 曲轴
11 加压单元
12 延长杆
12A 高温侧延长杆
12B 低温侧延长杆
12C 连杆侧端部
12P 活塞侧端部
12Tp 旋转抑制销
12T 突起部
13、13a 连杆
13A 高温侧连杆
13B 低温侧连杆
14 工作空间
14A 高温侧工作空间
14B 低温侧工作空间
15 气缸
15A 高温侧气缸
15B 低温侧气缸
16 气体轴承用泵
17 气体供给管
18 蚱蜢机构
18A 第一臂
18B 第二臂
18C 第三臂
20 活塞
20A 高温侧活塞
20B 低温侧活塞
20t 顶部
20u 底部
21 连结部
22 蓄压室
22A 高温侧蓄压室
22B 低温侧蓄压室
231、232 给气口
24、24’ 侧部
25P 活塞侧安装销
25C 连杆侧安装销
29 气体导入通路
30 接头机构
30B 内圈
30L 外圈
30H 轴孔
30P 活塞侧接头机构
30C 曲轴侧接头机构
32 缓冲件
40 止回阀
50 内燃机ECU
101 内燃机
102 排气通路
103 加热器壳体
104 内燃机用变速器
105 斯特林发动机用变速器
105s 输入轴
106 离合器
107 输出轴
109 变速器输出轴
110 差动齿轮
图2是支承活塞的气体轴承的说明图；
图3-1是表示本实施方式的斯特林发动机具备的高温侧活塞及低温侧活塞具备的给气口的配置例的说明图；
图3-2是表示本实施方式的斯特林发动机具备的高温侧活塞及低温侧活塞具备的给气口的配置例的说明图；
图4是表示可适用于本实施方式的斯特林发动机的活塞的另一例的说明图；
图5是表示本实施方式的斯特林发动机具备的活塞的支承结构的说明图；
图6-1是表示本实施方式的活塞的连结结构的放大图；
图6-2是表示本实施方式的活塞的连结结构的放大图；
图6-3是表示本实施方式的活塞的连结结构的放大图；
图7是表示构成本实施方式的活塞的连结结构的接头的构成的剖面图；
图8是表示用于说明图7所示的接头的动作的座标的示意图；
图9是构成本实施方式的活塞的连结结构的延长杆的说明图；
图10是对通过本实施方式的活塞的连结结构可允许连杆中心轴和气缸中心轴的偏离的情况进行说明的概念图；
图11是对活塞绕气缸中心轴的旋转进行说明的示意图；
图12是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的放大图；
图13是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的放大图；
图14是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的放大图；
图15是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的示意图；
图16是表示将本实施方式的斯特林发动机用于内燃机的废热回收时的构成例的示意图。
符号说明
1 斯特林发动机
2 热交换器
2C 冷却器
2H 加热器
2R 再生器
4 曲轴箱
5 箱体
10 曲轴
11 加压单元
12 延长杆
12A 高温侧延长杆
12B 低温侧延长杆
12C 连杆侧端部
12P 活塞侧端部
12Tp 旋转抑制销
12T 突起部
13、13a 连杆
13A 高温侧连杆
13B 低温侧连杆
14 工作空间
14A 高温侧工作空间
14B 低温侧工作空间
15 气缸
15A 高温侧气缸
15B 低温侧气缸
16 气体轴承用泵
17 气体供给管
18 蚱蜢机构
18A 第一臂
18B 第二臂
18C 第三臂
20 活塞
20A 高温侧活塞
20B 低温侧活塞
20t 顶部
20u 底部
21 连结部
22 蓄压室
22A 高温侧蓄压室
22B 低温侧蓄压室
231、232 给气口
24、24’ 侧部
25P 活塞侧安装销
25C 连杆侧安装销
29 气体导入通路
30 接头机构
30B 内圈
30L 外圈
30H 轴孔
30P 活塞侧接头机构
30C 曲轴侧接头机构
32 缓冲件
40 止回阀
50 内燃机ECU
101 内燃机
102 排气通路
103 加热器壳体
104 内燃机用变速器
105 斯特林发动机用变速器
105s 输入轴
106 离合器
107 输出轴
109 变速器输出轴
110 差动齿轮
具体实施方式
下面，参照附图对本发明详细地进行说明。另外，本发明不受用于实施本发明的最佳方式(以下简称实施方式)限定。另外，以下实施方式的构成要素中包括本领域技术人员容易设想的结构、实质上相同的结构、所谓等同的范围的结构。另外，以下作为活塞发动机的一个例子，采用了斯特林发动机，但活塞发动机不限定于此。另外，对利用活塞发动机即斯特林发动机来回收装载于车辆等的内燃机的废热的例子进行说明，但废热的回收对象不局限于内燃机。例如对于回收工厂、车间、或发电设施的废热的情况，也可应用本发明。
本实施方式的活塞发动机具备在气缸内往复运动的活塞、以及将上述活塞的往复运动变换为旋转运动的曲轴。而且在构成上具有如下特征：连结于上述活塞且设置于上述活塞和上述曲轴之间的连结部件，无论是在相对于上述气缸中心轴朝向与上述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下还是在不倾斜的状态下，上述活塞和上述气缸之间的间隙都朝向上述活塞及上述气缸的圆周方向保持恒定的状态，上述活塞可在上述气缸内往复运动。即，即使是在上述连结部件至少相对于上述气缸中心轴朝向与上述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，上述活塞也可在上述活塞中心轴和上述气缸中心轴一致的状态下，在上述气缸内往复运动。另外，在上述连结部件相对于气缸中心轴朝向与曲轴的旋转轴平行的方向以外的方向倾斜的状态下，活塞也可在气缸内往复运动。
例如，在上述连结部件的各自的端部设置第一接头机构和第二接头机构，经由上述第一接头机构，将上述活塞和连结于上述活塞的连结部件连结，且经由上述第二接头机构，将上述连结部件和上述曲轴侧的连结对象连结。而且，第一接头机构及第二接头机构采用例如球面滑动轴承，该球面滑动轴承至少允许绕与上述曲轴的旋转轴平行的轴的转动和绕与上述曲轴的旋转轴和上述气缸中心轴正交的轴的转动。
图1是表示本实施方式的活塞装置及废热回收装置即斯特林发动机的剖面图。图2是支承活塞的气体轴承的说明图。图3-1、图3-2是表示本实施方式的斯特林发动机具备的高温侧活塞及低温侧活塞具备的给气口的配置例的说明图。首先，对适用本实施方式的活塞装置的废热回收装置即斯特林发动机进行说明。
本实施方式的活塞装置及废热回收装置即斯特林发动机1为所谓的α型直列双气缸斯特林发动机。而且，收纳于第一气缸即高温侧气缸15A内的第一活塞即高温侧活塞20A、和收纳于第二气缸即低温侧气缸15B内的第二活塞即低温侧活塞20B并列配置。
在高温侧活塞20A的内部设有高温侧蓄压室22A，在低温侧活塞20B的内部设有低温侧蓄压室22B。另外，根据需要，高温侧气缸15A及低温侧气缸15B称为气缸15，高温侧活塞20A及低温侧活塞20B称为活塞20，高温侧蓄压室22A及低温侧蓄压室22B称为蓄压室22。
高温侧气缸15A及低温侧气缸15B固定支承于基准体即基板3。在本实施方式的斯特林发动机1中，该基板3为斯特林发动机1的各构成要素的位置基准。通过如此构成，能够确保上述各构成要素的相对位置精度。另外，如后所述，本实施方式的斯特林发动机1使气体轴承GB介于高温侧气缸15A和高温侧活塞20A之间、及低温侧气缸15B和低温侧活塞20B之间。
通过将高温侧气缸15A和低温侧气缸15B直接或间接地安装于基准体即基板3，能够精度良好地保持活塞20和气缸15的间隙，因此能够充分发挥气体轴承GB的功能。而且，斯特林发动机1的装配也变得容易。另外，在将斯特林发动机1用于废热回收的情况下，还具有该基板3可用作将斯特林发动机1向内燃机的排气通路等安装时的基准的优点。
高温侧气缸15A和低温侧气缸15B通过由加热器2H、再生器2R和冷却器2C构成的热交换器2而连接。此处，加热器2H的一端连接于高温侧气缸15A，另一端连接于再生器2R。加热器2H将工作流体加热。再生器2R一端连接于加热器2H，另一端连接于冷却器2C，从加热器2H或冷却器2C流入的工作流体通过再生器2R。冷却器2C的一端连接于再生器2R，另一端连接于低温侧气缸15B。冷却器2C将工作流体冷却。通过热交换器2的工作流体流入、流出于高温侧气缸15A及低温侧气缸15B。
另外，在高温侧气缸15A内的高温侧工作空间14A、低温侧气缸15B内的低温侧工作空间14B、及热交换器2内封入有工作流体(为气体，在本实施方式中为空气)。然后，工作流体通过从加热器2H供热并由冷却器2C排出热而构成斯特林循环，驱动高温侧活塞20A、低温侧活塞20B。此处，例如加热器2H、冷却器2C可以采用将多根导热系数高且耐热性优良的材料的管捆束而成的构成。另外，再生器2R可以由多孔质的蓄热体构成。另外，加热器2H、冷却器2C及再生器2R的构成不局限于该例，可以根据废热回收对象的热条件、斯特林发动机1的规格等选择合适的构成。
高温侧活塞20A及低温侧活塞20B分别经由气体轴承GB支承于高温侧气缸15A及低温侧气缸15B内。由此，能够不使用润滑油而降低活塞20和气缸15的摩擦，提高斯特林发动机1的净热效率。另外，通过降低活塞和气缸的摩擦，例如像回收内燃机的废热时那样，即使在低热源、低温度差的运转条件下，也能够使斯特林发动机1运转而回收废热。
本实施方式的气体轴承GB为所谓的静压气体轴承。另外，本实施方式的气体轴承GB为将往复运动的活塞20支承在气缸15内的气体轴承(以下同样)。即，在本实施方式中，气体轴承为气体介于滑动的一对结构物彼此之间而具有降低结构物彼此间的摩擦的功能的气体轴承(以下同样)。为了构成气体轴承GB，活塞20和气缸15的内面15i之间的间隙tc(参照图2)在活塞20的全周上设定为数μm～数十μm。气缸15及活塞20可以采用例如金属材料而构成。
在本实施方式中，如图2所示，活塞20内的蓄压室22的气体(工作流体)从开口于活塞20的侧部(活塞侧部)24的第一给气口231及第二给气口232流出。由此在气缸15和活塞20之间形成气体轴承GB。此处，活塞20内的蓄压室22为至少由与气缸15相对的活塞20的侧部24和安装于侧部24的隔壁26包围的空间。
蓄压室22连接有气体供给管17。而且，从气体轴承用气体供给单元即气体轴承用泵16经由气体供给管17向蓄压室22供给用于形成气体轴承GB的气体FL。在本实施方式中，气体FL为与斯特林发动机1的工作流体相同的气体，具体地说为空气。以下，称气体FL为工作流体FL。
在图1所示的斯特林发动机1中，气体轴承用泵16设置于斯特林发动机1的曲轴箱4的外部。而且，通过该气体轴承用泵16，从气体供给管17A向高温侧活塞20A的高温侧蓄压室22A供给工作流体FL，并从气体供给管17B向低温侧活塞20B的低温侧蓄压室22B供给工作流体FL。供给到蓄压室22的工作流体FL从第一给气口231及第二给气口232向活塞20的侧部24和气缸15之间流出，形成气体轴承GB。
高温侧活塞20A及低温侧活塞20B的往复运动分别通过高温侧延长杆12A、高温侧连杆13A、及低温侧延长杆12B、低温侧连杆13B传递到曲轴10，通过曲轴10变换为旋转运动。此处，曲轴10以曲轴旋转轴Xc为中心而旋转。高温侧延长杆12A、高温侧连杆13A、低温侧延长杆12B、低温侧连杆13B设置于活塞20和曲轴10之间，将活塞20的往复运动传递到曲轴10。
高温侧活塞20A和高温侧延长杆12A经由活塞侧接头机构30P连结，低温侧活塞20B和低温侧延长杆12B经由活塞侧接头机构30P连结。另外，高温侧延长杆12A和高温侧连杆13A经由曲轴侧接头机构30C连结，低温侧延长杆12B和低温侧连杆13B经由曲轴侧接头机构30C连结。此处，曲轴侧接头机构30C配置于相比活塞侧接头机构30P靠曲轴10一侧的位置。
此处，在不将高温侧延长杆12A、低温侧延长杆12B区别对待的情况下，称为延长杆12，在不将高温侧连杆13A、低温侧连杆13B区别对待的情况下，称为连杆13，在不将活塞侧接头机构30P、曲轴侧接头机构30C区别对待的情况下，称为接头机构30。
如图1所示，曲轴10由设置于曲轴箱4的轴承9可转动地支承。另外，曲轴箱4固定于基板3。这时，曲轴箱4以与高温侧气缸15A及低温侧气缸15B独立地、即不与这两个气缸接触的方式，固定于基板3。由此，由于能够将高温侧气缸15A及低温侧气缸15B受到的曲轴10的振动、曲轴10的热膨胀等影响降低到最小限度，因此充分确保了气体轴承GB的功能。
如图1所示，构成斯特林发动机1的高温侧气缸15A、高温侧活塞20A、曲轴10等各构成要素收纳于箱体5中。箱体5内利用加压单元11进行加压。这是为了对高温侧气缸15A及低温侧气缸15B、及热交换器2内的工作流体(在本实施方式中为气体且为空气)进行加压，从而从斯特林发动机1取得更多的输出。由此，即使在如废热回收那样只能利用低质热源的情况下，也能够从斯特林发动机1取得更多的输出。此处，斯特林发动机1的输出大体上与充填于箱体5内的气体的压力成比例而增大。
另外，在本实施方式的斯特林发动机1中，在箱体5上安装有密封轴承6，输出轴7由密封轴承6支承。输出轴7和曲轴10经由弹性联轴器8连结，经由其向箱体5的外部传递曲轴10的输出。另外，在本实施方式中，对于弹性联轴器8使用欧氏联轴器(ォルダムカップリング)。接着，对活塞20具备的给气口的配置进行说明。
如图3-1、图3-2所示，在本实施方式的高温侧活塞20A中，分别设有4个第一给气口231及第二给气口232，共计设有8个。如图3-1所示，第一给气口231沿高温侧活塞20A的周方向大致等间隔(约90度)地配置。另外，如图3-2所示，第二给气口232沿高温侧活塞20A的周方向大致等间隔(约90度)且与第一给气口231错开约45度地配置。通过如此配置，能够降低气体轴承GB的偏差。另外，给气口的个数、配置不局限于该例。
图4是表示可适用于本实施方式的斯特林发动机的活塞的另一例的说明图。图4所示的活塞20’在内部设置蓄压室22。即，蓄压室22为由活塞20’的外壳即顶部20t’、侧部24’、底部20u’包围的空间。在活塞20’的顶部20t’上设有与蓄压室22连通的气体导入通路29。工作空间14内的工作流体FL通过气体导入通路29而导入活塞20’的蓄压室22。
如图4所示，在气体导入通路29的蓄压室22侧为防止导入蓄压室22内的工作流体FL的倒流而设有止回阀40作为加压状态保持单元。止回阀40配置在蓄压室22的内部，将工作空间14内的工作流体FL从气体导入通路29导入蓄压室22，另外防止蓄压室22内的工作流体FL向工作空间14内倒流。
通过活塞20’的动作，图4所示的气缸15内的工作空间14中存在的工作流体FL的压力(工作空间内压力)Pc上升，超过止回阀40的开阀压力时，止回阀40开阀。由此，工作空间14内的工作流体FL通过气体导入通路29流入蓄压室22内。此处，止回阀40的开阀压力Po设定为比蓄压室22内的压力(蓄压室内压力)Pp高的规定压力。
另外，在通过活塞20’的动作使工作空间内压力Pc下降而比蓄压室内压力Pp低时止回阀40闭阀。由此防止蓄压室22内的工作流体FL向工作空间14倒流。这样，止回阀40具有保持蓄压室22内的加压状态的加压状态保持功能，并且具有将工作流体FL导入蓄压室22内的工作流体导入功能。导入蓄压室22内的工作流体FL从开口于活塞20’的侧部24上的第一给气口231及第二给气口232流出。由此在气缸15和活塞20’之间形成气体轴承GB。接着，对本实施方式的斯特林发动机1的活塞20的支承结构进行说明。
图5是表示本实施方式的斯特林发动机1具备的活塞的支承结构的说明图。本实施方式的斯特林发动机1经由气体轴承GB将活塞20支承于气缸15内。气体轴承GB承受活塞20的直径方向(横向、侧向)的力的能力(承载能力)低，因此优选使活塞20的侧向力(向活塞20的直径方向的力)Fs实质上为零。因此，需要提高活塞20相对于气缸15的中心轴(气缸中心轴)的直线运动精度。为了实现之，在本实施方式中，活塞20(高温侧活塞20A及低温侧活塞20B)由近似直线机构支承。在本实施方式中，作为近似直线机构，采用图5所示的蚱蜢机构18。
蚱蜢机构18由一端部可转动地安装于斯特林发动机1的箱体5的第一臂18A、同样地一端部可转动地安装于斯特林发动机1的箱体5的第二臂18B、以及一端部可转动地连结于延长杆12和连杆13的连结部分且另一端部可转动地连结于第二臂18B的另一端部的第三臂18C构成。另外，第一臂18A的另一端部可转动地连结于第三臂18C的两端部之间。这样，连结部件即延长杆12和连杆13的连结部分由近似直线机构即蚱蜢机构18支承。由此，与连结部件12的曲轴侧的连结对象、即连杆13连结的部分被近似直线机构支承。延长杆12与活塞20可转动地连结，因此，活塞20经由延长杆12被近似直线机构即蚱蜢机构18支承。
如果使用如此构成的蚱蜢机构18，就能够使活塞20大致直线状地往复运动。其结果是，活塞20的侧向力Fs几乎为0，因此即使利用承载能力小的气体轴承GB，也能够充分支承活塞20。另外，支承活塞20的近似直线机构不局限于蚱蜢机构18，也可以使用瓦特连杆等。
另外，蚱蜢机构18与其他的直线近似机构相比，为了得到相同的直线运动精度可减小所需要的机构的尺寸，因此具有使斯特林发动机1整体小型化的优点。特别是，在将本实施方式的斯特林发动机1用于装载于车辆的内燃机的废热回收、在内燃机的废气通路上配置热交换器2那样的在有限的空间内设置斯特林发动机1的情况下，斯特林发动机1的整体为小型时，设置的自由度增大。另外，蚱蜢机构18为了得到相同的直线运动精度所需要的机构质量比其他机构轻，因此有利于提高热效率。另外，蚱蜢机构18的机构构成比较简单，因此制造、装配容易，还具有能够降低制造成本的优点。
在本实施方式中，活塞20经由延长杆12及连杆13与曲轴10连结。在活塞20和延长杆12之间、及延长杆12和连杆13之间分别设有接头机构30。此处，延长杆12为连结于活塞20、且设置于活塞20和曲轴10之间的连结部件。在该例中，连结于活塞20的连结部件即延长杆12的曲轴10侧的连结对象为连杆13。
这样，活塞20经由延长杆12及配置于延长杆12的各端部的接头机构(第一接头机构和第二接头机构)30与连杆13连结。通过这种连结结构，活塞20的往复运动传递到曲轴10，通过曲轴10变换为旋转运动。
图6-1～图6-3是表示本实施方式的活塞的连结结构的放大图。图7是表示构成本实施方式的活塞的连结结构的接头的构成的剖面图。图8是表示用于说明图7所示的接头的动作的座标的示意图。图9是构成本实施方式的活塞的连结结构的延长杆的说明图。图10是对通过本实施方式的活塞的连结结构可允许连杆中心轴和气缸中心轴的偏离的情况进行说明的概念图。
如图6-1所示，活塞20在活塞20的底部20u、即活塞20的与延长杆12相对的一侧(与图1、图5所示的曲轴10相对的一侧)设有连结部21。而且，连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P(第一端部)经由第一接头机构即活塞侧接头机构30P而连结。另外，延长杆12的连杆侧端部(第二端部)12C和连杆13经由第二接头机构即曲轴侧接头机构30C而连结。
在本实施方式中，活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C为球面滑动轴承。球面滑动轴承与滚动轴承不同，没有滚动体，是外圈和内圈进行球面接触的滑动轴承，是主要用于摆动运动、倾斜运动的滑动轴承，并且是滑动面为球面的滑动轴承。如图7所示，接头机构30(活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C)由具备球面作为滑动面的内圈30B和与上述滑动面接触且以内圈30B能够旋转的方式支承内圈30B的外圈30L构成。在内圈30B上贯通有轴孔30H，接头机构30经由轴孔30H安装于安装对象上。
图8所示的座标系与图7所示的座标系相对应。图7、图8的Z轴为图1、图6所示的气缸15的中心轴(气缸中心轴)，X轴为与图1所示的曲轴旋转轴Xc平行的轴。X轴与Z轴正交。即，Z轴(气缸中心轴)与曲轴旋转轴Xc及平行于曲轴旋转轴Xc的轴正交。
另外，Y轴为与Z轴和X轴正交的轴。即，Y轴与Z轴(气缸中心轴)、和曲轴旋转轴Xc及平行于曲轴旋转轴Xc的轴正交。在本实施方式中，接头机构30由球面滑动轴承构成，因此至少能绕X轴(图7、图8的箭头Mx方向)和Y轴(图7、图8的箭头My方向)转动。另外，接头机构30也能绕Z轴转动。
如图6-2所示，活塞侧接头机构30P的外圈30L安装于活塞20的连结部21上。另外，在活塞侧接头机构30P的内圈30B上设置的轴孔30H中，插入有在延长杆12的活塞侧端部12P上固定的活塞侧安装销25P。由此，经由活塞侧接头机构30P将活塞20的连结部21和延长杆12连结。
如图6-3所示，曲轴侧接头机构30C的外圈30L安装于延长杆12的连杆侧端部12C上。另外，在曲轴侧接头机构30C的内圈30B上设置的轴孔30H中，插入有在与延长杆12连结的部分的连杆13的端部上固定的连杆侧安装销25C。由此，经由曲轴侧接头机构30C将延长杆12和连杆13连结。
图6-1所示的状态为气缸中心轴Z、连杆13的中心轴(连杆13的长度方向的中心轴)Zc和延长杆12的中心轴(延长杆12的长度方向的中心轴，参照图9)Zi一致的状态。当因装配公差等而连杆13向与图1所示的曲轴10的曲轴旋转轴Xc平行的方向偏移时，在连杆13的中心轴Zc和气缸中心轴Z偏离的状态下，活塞20往复运动。于是，在活塞20的中心轴和气缸中心轴Z偏离的状态下，活塞20往复运动。
本实施方式的斯特林发动机1经由气体轴承GB将活塞20支承于气缸15内。因此，当活塞20的中心轴和气缸中心轴Zc偏离时，在活塞20和气缸15的间隙上产生偏差。其结果是，在图2所示的气体轴承GB的载荷承载能力上也发生偏差，不能有效利用气体轴承GB的载荷承载能力。
在本实施方式中，将两个至少能绕与曲轴旋转轴Xc平行的轴即X轴及与X轴和气缸中心轴Z正交的Y轴转动的接头机构30配置于活塞20和连杆13之间。即，在将活塞20和连杆13连结的延长杆12的两端分别设置接头机构30。
通过这种构成，如图10所示，在连杆13向与曲轴旋转轴Xc平行的方向偏移的情况下，即使在连结部件即延长杆12相对于气缸中心轴Z向曲轴旋转轴Xc倾斜的状态下，也可实现活塞20的往复运动。由此，活塞20能够在保持连杆13的中心轴Zc和气缸中心轴Z的偏移量δ的状态下往复运动。其结果是，即使在因公差等连杆13向与曲轴旋转轴Xc平行的方向偏移的情况下，活塞20也可在活塞20的中心轴和气缸中心轴Zc一致的状态下往复运动。
即，在连杆13向与曲轴旋转轴Xc平行的方向偏移的情况下，分别构成设置于延长杆12的两端部的活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C的内圈30B和外圈30L绕与气缸中心轴Z和曲轴旋转轴Xc正交的Y轴相对转动。由此，即使在活塞20的中心轴和气缸中心轴Z产生偏离的情况下，也允许活塞20沿与曲轴旋转轴Xc平行的方向移动。因此，活塞20在气缸中心轴Z和活塞20的中心轴一致的状态下往复运动，从而活塞20的姿态稳定。
即，通过气体轴承GB的静压，能够将活塞20和气缸15的间隙向活塞20和气缸15的周方向保持恒定，因此能够有效地利用气体轴承GB的载荷承载能力，从而活塞20的姿态稳定。另外，即使在支承活塞20的蚱蜢机构18中发生些许振动的情况下，也可通过活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C来抑制振动向活塞20传递。由此活塞20能够维持稳定的姿态。
该情况下，延长杆12的中心轴Zi相对于气缸中心轴Z倾斜(倾斜角为θ)，但可维持连杆13的中心轴Zc、气缸中心轴Z和活塞20的中心轴的平行。即，活塞20能够在延长杆12的中心轴Zi和气缸中心轴Z倾斜的状态下往复运动，但仍可维持连杆13的中心轴Zc、气缸中心轴Z和活塞20的中心轴的平行。
图11是对活塞绕气缸中心轴的旋转进行说明的示意图。如图11所示，在本实施方式中，活塞20经由在各端部设有活塞侧接头机构30P、曲轴侧接头机构30C的延长杆12与连杆13连结。如上所述，活塞侧接头机构30P、曲轴侧接头机构30C可绕图7、图8所示的X轴、Y轴、Z轴转动。因此，如图11所示，活塞20也可绕气缸中心轴Z(图11的箭头Mz所示的方向)转动。
当活塞20绕气缸中心轴Z转动时，活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P接触，或延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13接触。其结果是，在这些部分上发生磨损，或从这些部分产生噪音。在本实施方式的变形例中，通过抑制活塞20绕气缸中心轴Z的转动，来抑制活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P之间等部分的磨损、噪音的产生。
图12～图14是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的放大图。在图12所示的活塞的连结结构中，在活塞20的连结部21和延长杆12(更具体地为延长杆12的活塞侧端部12P)之间形成突起部12T作为旋转抑制单元。另外，在延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13之间也形成突起部12T作为旋转抑制单元。另外，旋转抑制单元即突起部12T优选设置于活塞20的连结部21与延长杆12之间、和延长杆12与连杆13之间中的至少一方。
在活塞20一侧，突起部12T可以形成于延长杆12上，也可以形成于活塞20的连结部21上。另外，在连杆13一侧，突起部12T可以形成于延长杆12上，也可以形成于连杆13上。突起部12T也可以与延长杆12、连杆13等形成为一体。另外，如图13所示，例如也可以从延长杆12的活塞侧端部12P的外侧打入旋转抑制销12Tp，使其向内侧突出，形成突起部12T。
通过这种构成，来抑制活塞20绕气缸中心轴Z的转动。由此能够抑制活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P的接触、延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13的接触。其结果是，能够抑制在这些部分上发生的磨损、从这些部分发出的噪音。尤其是，由于图1所示的斯特林发动机1的噪音小，因此当抑制了活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P的接触等引起的噪音后，对斯特林发动机1整体的噪音降低是有效的。
在图14所示的活塞的连结结构中，在活塞20的连结部21和延长杆12(更具体地为延长杆12的活塞侧端部12P)之间设置缓冲件32作为旋转抑制单元。另外，在延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13之间也设置缓冲件32作为旋转抑制单元。缓冲件32优选弹性部件，例如可以使用树脂、海绵、聚氨酯、毛毡等。
通过这种构成，来抑制活塞20绕气缸中心轴Z的转动。由此能够抑制活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P的接触、及延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13的接触。另外，即使在这些部分上两个部件发生接触的情况下，也能够通过缓冲件32来缓和接触时的冲击。其结果是，能够更有效地抑制发生在这些部分上的磨损、从这些部分发出的噪音。另外，由于通过缓冲件32来夹持活塞20的连结部21、延长杆12的连杆侧端部12C，因此对活塞20的姿态稳定性也有效。
图15是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的示意图。该活塞的连结结构直接由连杆13a将活塞20和曲轴10连结。在该情况下，连杆13a设置于活塞20和曲轴10之间，成为连结于活塞20的连结部件。在该例中，连结于活塞20的连结部件即延长杆12的曲轴10侧的连结对象为曲轴10。
在连杆13a的活塞侧端部(第一端部)上设有活塞侧接头机构30P作为第一接头结构。另外，在连杆13a的曲轴侧端部(第二端部)上设有曲轴侧接头机构30C作为第二接头结构。活塞侧接头机构30P的内圈30B安装于连杆13a，外圈30L安装于活塞20的连结部21。另外，曲轴侧接头机构30C的内圈30B安装于曲轴10，外圈30L安装于连杆13a。通过这种构成，连杆13a经由活塞侧接头机构30P安装于活塞20，而经由曲轴侧接头机构30C安装于曲轴10。
在该活塞的支承结构中，也将两个至少可绕与曲轴10的旋转轴平行的轴即X轴、及与X轴和气缸中心轴Z正交的Y轴转动的接头机构30配置于活塞20和连杆13a之间。即，在将活塞20和曲轴10连结的连杆13a的两端上分别设置接头机构30。通过这种构成，在连杆13a向与曲轴的旋转轴平行的方向偏移的情况下，在连杆13a相对于气缸中心轴Z向与曲轴10的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，活塞20可在气缸15内往复运动。由此，即使在因公差等连杆13a向与曲轴10的旋转轴平行的方向偏移的情况下，活塞20也在活塞20的中心轴和气缸中心轴Zc一致的状态下往复运动。
即，在连杆13a向与曲轴10的旋转轴平行的方向偏移的情况下，分别构成设置于连杆13a的两端部上的活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C的内圈30B和外圈30L绕与气缸中心轴Z和曲轴10的旋转轴正交的Y轴相对转动。由此，即使在活塞20的中心轴和气缸中心轴Z产生偏离的情况下，也允许活塞20沿曲轴10的旋转轴方向移动。
因此，活塞20自身能够通过气体轴承GB的静压将与气缸15的间隙保持为恒定，因此活塞20的姿态稳定。即，活塞20在气缸中心轴Z和活塞20的中心轴一致的状态下往复运动，因此能够有效地利用气体轴承GB的载荷承载能力。
图16是表示将本实施方式的斯特林发动机用于内燃机的废热回收时的构成例的示意图。在本实施方式中，将斯特林发动机1的输出经由斯特林发动机用变速器105输入到内燃机用变速器104，与内燃机101的输出合成而输出。
在本实施方式中，内燃机101装载于例如乘用车、卡车等车辆，成为上述车辆的动力源。内燃机101在上述车辆的行驶中作为主要的动力源而产生输出。另一方面，斯特林发动机1在废气Ex的温度达不到某个程度的温度时，不能产生必要最低限的输出。因此，在本实施方式中，斯特林发动机1在内燃机101排出的废气Ex的温度超过规定温度时从内燃机101的废气Ex回收热能而产生输出，与内燃机101一起驱动上述车辆。这样，斯特林发动机1成为上述车辆的辅助动力源。
斯特林发动机1具备的加热器2H配置于内燃机101的排气通路102内。另外，在排气通路102内也可以配置图1所示的斯特林发动机1的再生器2R。斯特林发动机1具备的加热器2H设置于中空的加热器壳体103内，该加热器壳体103设置于排气通路102内。
在本实施方式中，利用斯特林发动机1回收的废气Ex的热能通过斯特林发动机1变换为动能。在斯特林发动机1的输出轴即曲轴10上安装有动力离合装置即离合器106，斯特林发动机1的输出经由离合器106传递到斯特林发动机用变速器105。
内燃机101的输出经由内燃机101的输出轴107输入到内燃机用变速器104。而且，内燃机用变速器104将内燃机101的输出和从斯特林发动机用变速器105输出的斯特林发动机1的输出合成，输出到变速器输出轴109，经由差动齿轮110驱动驱动轮111。
此处，动力离合装置即离合器106设置于内燃机用变速器104和斯特林发动机1之间。在本实施方式中，设置于斯特林发动机用变速器105的输入轴105s和斯特林发动机1的曲轴10之间。离合106通过卡合、释放，对斯特林发动机1的曲轴10和斯特林发动机用变速器105的输入轴105s的机械连接进行离合。此处，离合器106由内燃机ECU(电子控制单元)50控制。
斯特林发动机1由于回收内燃机101排出的废气Ex的热能，在如内燃机101冷起动时等那样废气Ex的温度低的情况下，不能从废气Ex回收热能，从而不能产生输出。因此，直到斯特林发动机1能够产生输出为止释放离合器106，切断斯特林发动机1和内燃机101，抑制因斯特林发动机1被内燃机101驱动而造成的能量损失。
当将离合器106卡合时，斯特林发动机1的曲轴10和内燃机101的输出轴107经由斯特林发动机用变速器105及内燃机用变速器104直接连结。由此，斯特林发动机1产生的输出和内燃机101产生的输出通过内燃机用变速器104进行合成，从变速器输出轴109输出。另一方面，当将离合器106释放时，内燃机101的输出轴107与斯特林发动机1的曲轴10切断而旋转。
图16所示的本实施方式的斯特林发动机1具备的活塞通过上述的构成能够确保稳定的运转。另外，即使在装载于车辆的斯特林发动机1受到振动的情况下，由于活塞的姿态稳定，因此也能够将活塞和气缸的间隙维持为恒定，从而充分发挥气体轴承的载荷承载能力。另外，由于在活塞的连结部和延长杆之间等设有抑制活塞绕气缸中心轴旋转的旋转抑制单元，因此能够抑制噪音的产生。由此能够确保斯特林发动机1的安静性。另外，通过上述旋转抑制单元，能够抑制活塞的连结部和延长杆的接触等，从而抑制两者的磨损，因此能够抑制斯特林发动机1的耐久性的下降。
以上，在本实施方式中，即使在连结于在气缸内往复运动的活塞且设置于上述活塞和曲轴之间的连结部件相对于上述气缸中心轴朝向与上述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，上述活塞也可在上述气缸内往复运动。由此吸收公差等引起的、在与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离，从而在使活塞中心轴和气缸中心轴一致的状态下活塞往复运动。其结果是，能够可靠地发挥介于活塞和气缸之间的气体轴承的功能即载荷不可能力，因此即使在以不使活塞和气缸接触为前提的活塞发动机中，也能够稳定运转。
另外，在对于例如活塞和连结部件的连结部、连结部件和连杆的连结部使用球关节的情况下，需要在球关节座的两端新设置具有与球中心一致的中心轴的轴，结构变得复杂。由此，活塞的连结结构大型化且复杂化，因滑动部增加而摩擦也增加。在本实施方式中，采用球面滑动轴承作为至少可绕两个轴转动的接头结构，在设置于活塞和曲轴之间的连结部件的两端部上分别设置球面滑动轴承作为第一接头机构及第二接头机构。由此能够通过一根部件及两个接头机构将活塞和连杆连结。其结果是，可简易且紧凑地构成自由度高的活塞和曲轴的连结结构。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的活塞发动机适用于不使用活塞环的活塞发动机，特别适于使气体轴承介于活塞和气缸之间的活塞发动机。
本实施方式的活塞发动机具备在气缸内往复运动的活塞、以及将上述活塞的往复运动变换为旋转运动的曲轴。而且在构成上具有如下特征：连结于上述活塞且设置于上述活塞和上述曲轴之间的连结部件，无论是在相对于上述气缸中心轴朝向与上述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下还是在不倾斜的状态下，上述活塞和上述气缸之间的间隙都朝向上述活塞及上述气缸的圆周方向保持恒定的状态，上述活塞可在上述气缸内往复运动。即，即使是在上述连结部件至少相对于上述气缸中心轴朝向与上述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，上述活塞也可在上述活塞中心轴和上述气缸中心轴一致的状态下，在上述气缸内往复运动。另外，在上述连结部件相对于气缸中心轴朝向与曲轴的旋转轴平行的方向以外的方向倾斜的状态下，活塞也可在气缸内往复运动。
例如，在上述连结部件的各自的端部设置第一接头机构和第二接头机构，经由上述第一接头机构，将上述活塞和连结于上述活塞的连结部件连结，且经由上述第二接头机构，将上述连结部件和上述曲轴侧的连结对象连结。而且，第一接头机构及第二接头机构采用例如球面滑动轴承，该球面滑动轴承至少允许绕与上述曲轴的旋转轴平行的轴的转动和绕与上述曲轴的旋转轴和上述气缸中心轴正交的轴的转动。
图1是表示本实施方式的活塞装置及废热回收装置即斯特林发动机的剖面图。图2是支承活塞的气体轴承的说明图。图3-1、图3-2是表示本实施方式的斯特林发动机具备的高温侧活塞及低温侧活塞具备的给气口的配置例的说明图。首先，对适用本实施方式的活塞装置的废热回收装置即斯特林发动机进行说明。
本实施方式的活塞装置及废热回收装置即斯特林发动机1为所谓的α型直列双气缸斯特林发动机。而且，收纳于第一气缸即高温侧气缸15A内的第一活塞即高温侧活塞20A、和收纳于第二气缸即低温侧气缸15B内的第二活塞即低温侧活塞20B并列配置。
在高温侧活塞20A的内部设有高温侧蓄压室22A，在低温侧活塞20B的内部设有低温侧蓄压室22B。另外，根据需要，高温侧气缸15A及低温侧气缸15B称为气缸15，高温侧活塞20A及低温侧活塞20B称为活塞20，高温侧蓄压室22A及低温侧蓄压室22B称为蓄压室22。
高温侧气缸15A及低温侧气缸15B固定支承于基准体即基板3。在本实施方式的斯特林发动机1中，该基板3为斯特林发动机1的各构成要素的位置基准。通过如此构成，能够确保上述各构成要素的相对位置精度。另外，如后所述，本实施方式的斯特林发动机1使气体轴承GB介于高温侧气缸15A和高温侧活塞20A之间、及低温侧气缸15B和低温侧活塞20B之间。
通过将高温侧气缸15A和低温侧气缸15B直接或间接地安装于基准体即基板3，能够精度良好地保持活塞20和气缸15的间隙，因此能够充分发挥气体轴承GB的功能。而且，斯特林发动机1的装配也变得容易。另外，在将斯特林发动机1用于废热回收的情况下，还具有该基板3可用作将斯特林发动机1向内燃机的排气通路等安装时的基准的优点。
高温侧气缸15A和低温侧气缸15B通过由加热器2H、再生器2R和冷却器2C构成的热交换器2而连接。此处，加热器2H的一端连接于高温侧气缸15A，另一端连接于再生器2R。加热器2H将工作流体加热。再生器2R一端连接于加热器2H，另一端连接于冷却器2C，从加热器2H或冷却器2C流入的工作流体通过再生器2R。冷却器2C的一端连接于再生器2R，另一端连接于低温侧气缸15B。冷却器2C将工作流体冷却。通过热交换器2的工作流体流入、流出于高温侧气缸15A及低温侧气缸15B。
另外，在高温侧气缸15A内的高温侧工作空间14A、低温侧气缸15B内的低温侧工作空间14B、及热交换器2内封入有工作流体(为气体，在本实施方式中为空气)。然后，工作流体通过从加热器2H供热并由冷却器2C排出热而构成斯特林循环，驱动高温侧活塞20A、低温侧活塞20B。此处，例如加热器2H、冷却器2C可以采用将多根导热系数高且耐热性优良的材料的管捆束而成的构成。另外，再生器2R可以由多孔质的蓄热体构成。另外，加热器2H、冷却器2C及再生器2R的构成不局限于该例，可以根据废热回收对象的热条件、斯特林发动机1的规格等选择合适的构成。
高温侧活塞20A及低温侧活塞20B分别经由气体轴承GB支承于高温侧气缸15A及低温侧气缸15B内。由此，能够不使用润滑油而降低活塞20和气缸15的摩擦，提高斯特林发动机1的净热效率。另外，通过降低活塞和气缸的摩擦，例如像回收内燃机的废热时那样，即使在低热源、低温度差的运转条件下，也能够使斯特林发动机1运转而回收废热。
本实施方式的气体轴承GB为所谓的静压气体轴承。另外，本实施方式的气体轴承GB为将往复运动的活塞20支承在气缸15内的气体轴承(以下同样)。即，在本实施方式中，气体轴承为气体介于滑动的一对结构物彼此之间而具有降低结构物彼此间的摩擦的功能的气体轴承(以下同样)。为了构成气体轴承GB，活塞20和气缸15的内面15i之间的间隙tc(参照图2)在活塞20的全周上设定为数μm～数十μm。气缸15及活塞20可以采用例如金属材料而构成。
在本实施方式中，如图2所示，活塞20内的蓄压室22的气体(工作流体)从开口于活塞20的侧部(活塞侧部)24的第一给气口231及第二给气口232流出。由此在气缸15和活塞20之间形成气体轴承GB。此处，活塞20内的蓄压室22为至少由与气缸15相对的活塞20的侧部24和安装于侧部24的隔壁26包围的空间。
蓄压室22连接有气体供给管17。而且，从气体轴承用气体供给单元即气体轴承用泵16经由气体供给管17向蓄压室22供给用于形成气体轴承GB的气体FL。在本实施方式中，气体FL为与斯特林发动机1的工作流体相同的气体，具体地说为空气。以下，称气体FL为工作流体FL。
在图1所示的斯特林发动机1中，气体轴承用泵16设置于斯特林发动机1的曲轴箱4的外部。而且，通过该气体轴承用泵16，从气体供给管17A向高温侧活塞20A的高温侧蓄压室22A供给工作流体FL，并从气体供给管17B向低温侧活塞20B的低温侧蓄压室22B供给工作流体FL。供给到蓄压室22的工作流体FL从第一给气口231及第二给气口232向活塞20的侧部24和气缸15之间流出，形成气体轴承GB。
高温侧活塞20A及低温侧活塞20B的往复运动分别通过高温侧延长杆12A、高温侧连杆13A、及低温侧延长杆12B、低温侧连杆13B传递到曲轴10，通过曲轴10变换为旋转运动。此处，曲轴10以曲轴旋转轴Xc为中心而旋转。高温侧延长杆12A、高温侧连杆13A、低温侧延长杆12B、低温侧连杆13B设置于活塞20和曲轴10之间，将活塞20的往复运动传递到曲轴10。
高温侧活塞20A和高温侧延长杆12A经由活塞侧接头机构30P连结，低温侧活塞20B和低温侧延长杆12B经由活塞侧接头机构30P连结。另外，高温侧延长杆12A和高温侧连杆13A经由曲轴侧接头机构30C连结，低温侧延长杆12B和低温侧连杆13B经由曲轴侧接头机构30C连结。此处，曲轴侧接头机构30C配置于相比活塞侧接头机构30P靠曲轴10一侧的位置。
此处，在不将高温侧延长杆12A、低温侧延长杆12B区别对待的情况下，称为延长杆12，在不将高温侧连杆13A、低温侧连杆13B区别对待的情况下，称为连杆13，在不将活塞侧接头机构30P、曲轴侧接头机构30C区别对待的情况下，称为接头机构30。
如图1所示，曲轴10由设置于曲轴箱4的轴承9可转动地支承。另外，曲轴箱4固定于基板3。这时，曲轴箱4以与高温侧气缸15A及低温侧气缸15B独立地、即不与这两个气缸接触的方式，固定于基板3。由此，由于能够将高温侧气缸15A及低温侧气缸15B受到的曲轴10的振动、曲轴10的热膨胀等影响降低到最小限度，因此充分确保了气体轴承GB的功能。
如图1所示，构成斯特林发动机1的高温侧气缸15A、高温侧活塞20A、曲轴10等各构成要素收纳于箱体5中。箱体5内利用加压单元11进行加压。这是为了对高温侧气缸15A及低温侧气缸15B、及热交换器2内的工作流体(在本实施方式中为气体且为空气)进行加压，从而从斯特林发动机1取得更多的输出。由此，即使在如废热回收那样只能利用低质热源的情况下，也能够从斯特林发动机1取得更多的输出。此处，斯特林发动机1的输出大体上与充填于箱体5内的气体的压力成比例而增大。
另外，在本实施方式的斯特林发动机1中，在箱体5上安装有密封轴承6，输出轴7由密封轴承6支承。输出轴7和曲轴10经由弹性联轴器8连结，经由其向箱体5的外部传递曲轴10的输出。另外，在本实施方式中，对于弹性联轴器8使用欧氏联轴器(ォルダムカップリング)。接着，对活塞20具备的给气口的配置进行说明。
如图3-1、图3-2所示，在本实施方式的高温侧活塞20A中，分别设有4个第一给气口231及第二给气口232，共计设有8个。如图3-1所示，第一给气口231沿高温侧活塞20A的周方向大致等间隔(约90度)地配置。另外，如图3-2所示，第二给气口232沿高温侧活塞20A的周方向大致等间隔(约90度)且与第一给气口231错开约45度地配置。通过如此配置，能够降低气体轴承GB的偏差。另外，给气口的个数、配置不局限于该例。
图4是表示可适用于本实施方式的斯特林发动机的活塞的另一例的说明图。图4所示的活塞20’在内部设置蓄压室22。即，蓄压室22为由活塞20’的外壳即顶部20t’、侧部24’、底部20u’包围的空间。在活塞20’的顶部20t’上设有与蓄压室22连通的气体导入通路29。工作空间14内的工作流体FL通过气体导入通路29而导入活塞20’的蓄压室22。
如图4所示，在气体导入通路29的蓄压室22侧为防止导入蓄压室22内的工作流体FL的倒流而设有止回阀40作为加压状态保持单元。止回阀40配置在蓄压室22的内部，将工作空间14内的工作流体FL从气体导入通路29导入蓄压室22，另外防止蓄压室22内的工作流体FL向工作空间14内倒流。
通过活塞20’的动作，图4所示的气缸15内的工作空间14中存在的工作流体FL的压力(工作空间内压力)Pc上升，超过止回阀40的开阀压力时，止回阀40开阀。由此，工作空间14内的工作流体FL通过气体导入通路29流入蓄压室22内。此处，止回阀40的开阀压力Po设定为比蓄压室22内的压力(蓄压室内压力)Pp高的规定压力。
另外，在通过活塞20’的动作使工作空间内压力Pc下降而比蓄压室内压力Pp低时止回阀40闭阀。由此防止蓄压室22内的工作流体FL向工作空间14倒流。这样，止回阀40具有保持蓄压室22内的加压状态的加压状态保持功能，并且具有将工作流体FL导入蓄压室22内的工作流体导入功能。导入蓄压室22内的工作流体FL从开口于活塞20’的侧部24上的第一给气口231及第二给气口232流出。由此在气缸15和活塞20’之间形成气体轴承GB。接着，对本实施方式的斯特林发动机1的活塞20的支承结构进行说明。
图5是表示本实施方式的斯特林发动机1具备的活塞的支承结构的说明图。本实施方式的斯特林发动机1经由气体轴承GB将活塞20支承于气缸15内。气体轴承GB承受活塞20的直径方向(横向、侧向)的力的能力(承载能力)低，因此优选使活塞20的侧向力(向活塞20的直径方向的力)Fs实质上为零。因此，需要提高活塞20相对于气缸15的中心轴(气缸中心轴)的直线运动精度。为了实现之，在本实施方式中，活塞20(高温侧活塞20A及低温侧活塞20B)由近似直线机构支承。在本实施方式中，作为近似直线机构，采用图5所示的蚱蜢机构18。
蚱蜢机构18由一端部可转动地安装于斯特林发动机1的箱体5的第一臂18A、同样地一端部可转动地安装于斯特林发动机1的箱体5的第二臂18B、以及一端部可转动地连结于延长杆12和连杆13的连结部分且另一端部可转动地连结于第二臂18B的另一端部的第三臂18C构成。另外，第一臂18A的另一端部可转动地连结于第三臂18C的两端部之间。这样，连结部件即延长杆12和连杆13的连结部分由近似直线机构即蚱蜢机构18支承。由此，与连结部件12的曲轴侧的连结对象、即连杆13连结的部分被近似直线机构支承。延长杆12与活塞20可转动地连结，因此，活塞20经由延长杆12被近似直线机构即蚱蜢机构18支承。
如果使用如此构成的蚱蜢机构18，就能够使活塞20大致直线状地往复运动。其结果是，活塞20的侧向力Fs几乎为0，因此即使利用承载能力小的气体轴承GB，也能够充分支承活塞20。另外，支承活塞20的近似直线机构不局限于蚱蜢机构18，也可以使用瓦特连杆等。
另外，蚱蜢机构18与其他的直线近似机构相比，为了得到相同的直线运动精度可减小所需要的机构的尺寸，因此具有使斯特林发动机1整体小型化的优点。特别是，在将本实施方式的斯特林发动机1用于装载于车辆的内燃机的废热回收、在内燃机的废气通路上配置热交换器2那样的在有限的空间内设置斯特林发动机1的情况下，斯特林发动机1的整体为小型时，设置的自由度增大。另外，蚱蜢机构18为了得到相同的直线运动精度所需要的机构质量比其他机构轻，因此有利于提高热效率。另外，蚱蜢机构18的机构构成比较简单，因此制造、装配容易，还具有能够降低制造成本的优点。
在本实施方式中，活塞20经由延长杆12及连杆13与曲轴10连结。在活塞20和延长杆12之间、及延长杆12和连杆13之间分别设有接头机构30。此处，延长杆12为连结于活塞20、且设置于活塞20和曲轴10之间的连结部件。在该例中，连结于活塞20的连结部件即延长杆12的曲轴10侧的连结对象为连杆13。
这样，活塞20经由延长杆12及配置于延长杆12的各端部的接头机构(第一接头机构和第二接头机构)30与连杆13连结。通过这种连结结构，活塞20的往复运动传递到曲轴10，通过曲轴10变换为旋转运动。
图6-1～图6-3是表示本实施方式的活塞的连结结构的放大图。图7是表示构成本实施方式的活塞的连结结构的接头的构成的剖面图。图8是表示用于说明图7所示的接头的动作的座标的示意图。图9是构成本实施方式的活塞的连结结构的延长杆的说明图。图10是对通过本实施方式的活塞的连结结构可允许连杆中心轴和气缸中心轴的偏离的情况进行说明的概念图。
如图6-1所示，活塞20在活塞20的底部20u、即活塞20的与延长杆12相对的一侧(与图1、图5所示的曲轴10相对的一侧)设有连结部21。而且，连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P(第一端部)经由第一接头机构即活塞侧接头机构30P而连结。另外，延长杆12的连杆侧端部(第二端部)12C和连杆13经由第二接头机构即曲轴侧接头机构30C而连结。
在本实施方式中，活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C为球面滑动轴承。球面滑动轴承与滚动轴承不同，没有滚动体，是外圈和内圈进行球面接触的滑动轴承，是主要用于摆动运动、倾斜运动的滑动轴承，并且是滑动面为球面的滑动轴承。如图7所示，接头机构30(活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C)由具备球面作为滑动面的内圈30B和与上述滑动面接触且以内圈30B能够旋转的方式支承内圈30B的外圈30L构成。在内圈30B上贯通有轴孔30H，接头机构30经由轴孔30H安装于安装对象上。
图8所示的座标系与图7所示的座标系相对应。图7、图8的Z轴为图1、图6所示的气缸15的中心轴(气缸中心轴)，X轴为与图1所示的曲轴旋转轴Xc平行的轴。X轴与Z轴正交。即，Z轴(气缸中心轴)与曲轴旋转轴Xc及平行于曲轴旋转轴Xc的轴正交。
另外，Y轴为与Z轴和X轴正交的轴。即，Y轴与Z轴(气缸中心轴)、和曲轴旋转轴Xc及平行于曲轴旋转轴Xc的轴正交。在本实施方式中，接头机构30由球面滑动轴承构成，因此至少能绕X轴(图7、图8的箭头Mx方向)和Y轴(图7、图8的箭头My方向)转动。另外，接头机构30也能绕Z轴转动。
如图6-2所示，活塞侧接头机构30P的外圈30L安装于活塞20的连结部21上。另外，在活塞侧接头机构30P的内圈30B上设置的轴孔30H中，插入有在延长杆12的活塞侧端部12P上固定的活塞侧安装销25P。由此，经由活塞侧接头机构30P将活塞20的连结部21和延长杆12连结。
如图6-3所示，曲轴侧接头机构30C的外圈30L安装于延长杆12的连杆侧端部12C上。另外，在曲轴侧接头机构30C的内圈30B上设置的轴孔30H中，插入有在与延长杆12连结的部分的连杆13的端部上固定的连杆侧安装销25C。由此，经由曲轴侧接头机构30C将延长杆12和连杆13连结。
图6-1所示的状态为气缸中心轴Z、连杆13的中心轴(连杆13的长度方向的中心轴)Zc和延长杆12的中心轴(延长杆12的长度方向的中心轴，参照图9)Zi一致的状态。当因装配公差等而连杆13向与图1所示的曲轴10的曲轴旋转轴Xc平行的方向偏移时，在连杆13的中心轴Zc和气缸中心轴Z偏离的状态下，活塞20往复运动。于是，在活塞20的中心轴和气缸中心轴Z偏离的状态下，活塞20往复运动。
本实施方式的斯特林发动机1经由气体轴承GB将活塞20支承于气缸15内。因此，当活塞20的中心轴和气缸中心轴Zc偏离时，在活塞20和气缸15的间隙上产生偏差。其结果是，在图2所示的气体轴承GB的载荷承载能力上也发生偏差，不能有效利用气体轴承GB的载荷承载能力。
在本实施方式中，将两个至少能绕与曲轴旋转轴Xc平行的轴即X轴及与X轴和气缸中心轴Z正交的Y轴转动的接头机构30配置于活塞20和连杆13之间。即，在将活塞20和连杆13连结的延长杆12的两端分别设置接头机构30。
通过这种构成，如图10所示，在连杆13向与曲轴旋转轴Xc平行的方向偏移的情况下，即使在连结部件即延长杆12相对于气缸中心轴Z向曲轴旋转轴Xc倾斜的状态下，也可实现活塞20的往复运动。由此，活塞20能够在保持连杆13的中心轴Zc和气缸中心轴Z的偏移量δ的状态下往复运动。其结果是，即使在因公差等连杆13向与曲轴旋转轴Xc平行的方向偏移的情况下，活塞20也可在活塞20的中心轴和气缸中心轴Zc一致的状态下往复运动。
即，在连杆13向与曲轴旋转轴Xc平行的方向偏移的情况下，分别构成设置于延长杆12的两端部的活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C的内圈30B和外圈30L绕与气缸中心轴Z和曲轴旋转轴Xc正交的Y轴相对转动。由此，即使在活塞20的中心轴和气缸中心轴Z产生偏离的情况下，也允许活塞20沿与曲轴旋转轴Xc平行的方向移动。因此，活塞20在气缸中心轴Z和活塞20的中心轴一致的状态下往复运动，从而活塞20的姿态稳定。
即，通过气体轴承GB的静压，能够将活塞20和气缸15的间隙向活塞20和气缸15的周方向保持恒定，因此能够有效地利用气体轴承GB的载荷承载能力，从而活塞20的姿态稳定。另外，即使在支承活塞20的蚱蜢机构18中发生些许振动的情况下，也可通过活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C来抑制振动向活塞20传递。由此活塞20能够维持稳定的姿态。
该情况下，延长杆12的中心轴Zi相对于气缸中心轴Z倾斜(倾斜角为θ)，但可维持连杆13的中心轴Zc、气缸中心轴Z和活塞20的中心轴的平行。即，活塞20能够在延长杆12的中心轴Zi和气缸中心轴Z倾斜的状态下往复运动，但仍可维持连杆13的中心轴Zc、气缸中心轴Z和活塞20的中心轴的平行。
图11是对活塞绕气缸中心轴的旋转进行说明的示意图。如图11所示，在本实施方式中，活塞20经由在各端部设有活塞侧接头机构30P、曲轴侧接头机构30C的延长杆12与连杆13连结。如上所述，活塞侧接头机构30P、曲轴侧接头机构30C可绕图7、图8所示的X轴、Y轴、Z轴转动。因此，如图11所示，活塞20也可绕气缸中心轴Z(图11的箭头Mz所示的方向)转动。
当活塞20绕气缸中心轴Z转动时，活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P接触，或延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13接触。其结果是，在这些部分上发生磨损，或从这些部分产生噪音。在本实施方式的变形例中，通过抑制活塞20绕气缸中心轴Z的转动，来抑制活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P之间等部分的磨损、噪音的产生。
图12～图14是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的放大图。在图12所示的活塞的连结结构中，在活塞20的连结部21和延长杆12(更具体地为延长杆12的活塞侧端部12P)之间形成突起部12T作为旋转抑制单元。另外，在延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13之间也形成突起部12T作为旋转抑制单元。另外，旋转抑制单元即突起部12T优选设置于活塞20的连结部21与延长杆12之间、和延长杆12与连杆13之间中的至少一方。
在活塞20一侧，突起部12T可以形成于延长杆12上，也可以形成于活塞20的连结部21上。另外，在连杆13一侧，突起部12T可以形成于延长杆12上，也可以形成于连杆13上。突起部12T也可以与延长杆12、连杆13等形成为一体。另外，如图13所示，例如也可以从延长杆12的活塞侧端部12P的外侧打入旋转抑制销12Tp，使其向内侧突出，形成突起部12T。
通过这种构成，来抑制活塞20绕气缸中心轴Z的转动。由此能够抑制活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P的接触、延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13的接触。其结果是，能够抑制在这些部分上发生的磨损、从这些部分发出的噪音。尤其是，由于图1所示的斯特林发动机1的噪音小，因此当抑制了活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P的接触等引起的噪音后，对斯特林发动机1整体的噪音降低是有效的。
在图14所示的活塞的连结结构中，在活塞20的连结部21和延长杆12(更具体地为延长杆12的活塞侧端部12P)之间设置缓冲件32作为旋转抑制单元。另外，在延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13之间也设置缓冲件32作为旋转抑制单元。缓冲件32优选弹性部件，例如可以使用树脂、海绵、聚氨酯、毛毡等。
通过这种构成，来抑制活塞20绕气缸中心轴Z的转动。由此能够抑制活塞20的连结部21和延长杆12的活塞侧端部12P的接触、及延长杆12的连杆侧端部12C和连杆13的接触。另外，即使在这些部分上两个部件发生接触的情况下，也能够通过缓冲件32来缓和接触时的冲击。其结果是，能够更有效地抑制发生在这些部分上的磨损、从这些部分发出的噪音。另外，由于通过缓冲件32来夹持活塞20的连结部21、延长杆12的连杆侧端部12C，因此对活塞20的姿态稳定性也有效。
图15是表示本实施方式变形例的活塞的连结结构的示意图。该活塞的连结结构直接由连杆13a将活塞20和曲轴10连结。在该情况下，连杆13a设置于活塞20和曲轴10之间，成为连结于活塞20的连结部件。在该例中，连结于活塞20的连结部件即延长杆12的曲轴10侧的连结对象为曲轴10。
在连杆13a的活塞侧端部(第一端部)上设有活塞侧接头机构30P作为第一接头结构。另外，在连杆13a的曲轴侧端部(第二端部)上设有曲轴侧接头机构30C作为第二接头结构。活塞侧接头机构30P的内圈30B安装于连杆13a，外圈30L安装于活塞20的连结部21。另外，曲轴侧接头机构30C的内圈30B安装于曲轴10，外圈30L安装于连杆13a。通过这种构成，连杆13a经由活塞侧接头机构30P安装于活塞20，而经由曲轴侧接头机构30C安装于曲轴10。
在该活塞的支承结构中，也将两个至少可绕与曲轴10的旋转轴平行的轴即X轴、及与X轴和气缸中心轴Z正交的Y轴转动的接头机构30配置于活塞20和连杆13a之间。即，在将活塞20和曲轴10连结的连杆13a的两端上分别设置接头机构30。通过这种构成，在连杆13a向与曲轴的旋转轴平行的方向偏移的情况下，在连杆13a相对于气缸中心轴Z向与曲轴10的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，活塞20可在气缸15内往复运动。由此，即使在因公差等连杆13a向与曲轴10的旋转轴平行的方向偏移的情况下，活塞20也在活塞20的中心轴和气缸中心轴Zc一致的状态下往复运动。
即，在连杆13a向与曲轴10的旋转轴平行的方向偏移的情况下，分别构成设置于连杆13a的两端部上的活塞侧接头机构30P及曲轴侧接头机构30C的内圈30B和外圈30L绕与气缸中心轴Z和曲轴10的旋转轴正交的Y轴相对转动。由此，即使在活塞20的中心轴和气缸中心轴Z产生偏离的情况下，也允许活塞20沿曲轴10的旋转轴方向移动。
因此，活塞20自身能够通过气体轴承GB的静压将与气缸15的间隙保持为恒定，因此活塞20的姿态稳定。即，活塞20在气缸中心轴Z和活塞20的中心轴一致的状态下往复运动，因此能够有效地利用气体轴承GB的载荷承载能力。
图16是表示将本实施方式的斯特林发动机用于内燃机的废热回收时的构成例的示意图。在本实施方式中，将斯特林发动机1的输出经由斯特林发动机用变速器105输入到内燃机用变速器104，与内燃机101的输出合成而输出。
在本实施方式中，内燃机101装载于例如乘用车、卡车等车辆，成为上述车辆的动力源。内燃机101在上述车辆的行驶中作为主要的动力源而产生输出。另一方面，斯特林发动机1在废气Ex的温度达不到某个程度的温度时，不能产生必要最低限的输出。因此，在本实施方式中，斯特林发动机1在内燃机101排出的废气Ex的温度超过规定温度时从内燃机101的废气Ex回收热能而产生输出，与内燃机101一起驱动上述车辆。这样，斯特林发动机1成为上述车辆的辅助动力源。
斯特林发动机1具备的加热器2H配置于内燃机101的排气通路102内。另外，在排气通路102内也可以配置图1所示的斯特林发动机1的再生器2R。斯特林发动机1具备的加热器2H设置于中空的加热器壳体103内，该加热器壳体103设置于排气通路102内。
在本实施方式中，利用斯特林发动机1回收的废气Ex的热能通过斯特林发动机1变换为动能。在斯特林发动机1的输出轴即曲轴10上安装有动力离合装置即离合器106，斯特林发动机1的输出经由离合器106传递到斯特林发动机用变速器105。
内燃机101的输出经由内燃机101的输出轴107输入到内燃机用变速器104。而且，内燃机用变速器104将内燃机101的输出和从斯特林发动机用变速器105输出的斯特林发动机1的输出合成，输出到变速器输出轴109，经由差动齿轮110驱动驱动轮111。
此处，动力离合装置即离合器106设置于内燃机用变速器104和斯特林发动机1之间。在本实施方式中，设置于斯特林发动机用变速器105的输入轴105s和斯特林发动机1的曲轴10之间。离合106通过卡合、释放，对斯特林发动机1的曲轴10和斯特林发动机用变速器105的输入轴105s的机械连接进行离合。此处，离合器106由内燃机ECU(电子控制单元)50控制。
斯特林发动机1由于回收内燃机101排出的废气Ex的热能，在如内燃机101冷起动时等那样废气Ex的温度低的情况下，不能从废气Ex回收热能，从而不能产生输出。因此，直到斯特林发动机1能够产生输出为止释放离合器106，切断斯特林发动机1和内燃机101，抑制因斯特林发动机1被内燃机101驱动而造成的能量损失。
当将离合器106卡合时，斯特林发动机1的曲轴10和内燃机101的输出轴107经由斯特林发动机用变速器105及内燃机用变速器104直接连结。由此，斯特林发动机1产生的输出和内燃机101产生的输出通过内燃机用变速器104进行合成，从变速器输出轴109输出。另一方面，当将离合器106释放时，内燃机101的输出轴107与斯特林发动机1的曲轴10切断而旋转。
图16所示的本实施方式的斯特林发动机1具备的活塞通过上述的构成能够确保稳定的运转。另外，即使在装载于车辆的斯特林发动机1受到振动的情况下，由于活塞的姿态稳定，因此也能够将活塞和气缸的间隙维持为恒定，从而充分发挥气体轴承的载荷承载能力。另外，由于在活塞的连结部和延长杆之间等设有抑制活塞绕气缸中心轴旋转的旋转抑制单元，因此能够抑制噪音的产生。由此能够确保斯特林发动机1的安静性。另外，通过上述旋转抑制单元，能够抑制活塞的连结部和延长杆的接触等，从而抑制两者的磨损，因此能够抑制斯特林发动机1的耐久性的下降。
以上，在本实施方式中，即使在连结于在气缸内往复运动的活塞且设置于上述活塞和曲轴之间的连结部件相对于上述气缸中心轴朝向与上述曲轴的旋转轴平行的方向倾斜的状态下，上述活塞也可在上述气缸内往复运动。由此吸收公差等引起的、在与曲轴的旋转轴平行的方向上的活塞中心轴和气缸中心轴的偏离，从而在使活塞中心轴和气缸中心轴一致的状态下活塞往复运动。其结果是，能够可靠地发挥介于活塞和气缸之间的气体轴承的功能即载荷不可能力，因此即使在以不使活塞和气缸接触为前提的活塞发动机中，也能够稳定运转。
另外，在对于例如活塞和连结部件的连结部、连结部件和连杆的连结部使用球关节的情况下，需要在球关节座的两端新设置具有与球中心一致的中心轴的轴，结构变得复杂。由此，活塞的连结结构大型化且复杂化，因滑动部增加而摩擦也增加。在本实施方式中，采用球面滑动轴承作为至少可绕两个轴转动的接头结构，在设置于活塞和曲轴之间的连结部件的两端部上分别设置球面滑动轴承作为第一接头机构及第二接头机构。由此能够通过一根部件及两个接头机构将活塞和连杆连结。其结果是，可简易且紧凑地构成自由度高的活塞和曲轴的连结结构。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的活塞发动机适用于不使用活塞环的活塞发动机，特别适于使气体轴承介于活塞和气缸之间的活塞发动机。