ピストン装置
【課題】ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において、内部摩擦を低減すること。
【解決手段】このピストン装置１は、クランク軸３０の内部に設けたクランク側中空部３１から、クランク軸３０とクランクケース９に設けられる軸受部９Ｂとの間、及びクランク軸３０の偏芯部３０ｃとコンロッド２０の大端部２０1との間に気体を流出させ、空気軸受を形成する。また、ピストンピン４０の内部に設けたピン側中空部４３からピストンピン４０とコンロッド２０の小端部２０2との間に気体を流出させ、空気軸受を形成する。
【解決手段】このピストン装置１は、クランク軸３０の内部に設けたクランク側中空部３１から、クランク軸３０とクランクケース９に設けられる軸受部９Ｂとの間、及びクランク軸３０の偏芯部３０ｃとコンロッド２０の大端部２０1との間に気体を流出させ、空気軸受を形成する。また、ピストンピン４０の内部に設けたピン側中空部４３からピストンピン４０とコンロッド２０の小端部２０2との間に気体を流出させ、空気軸受を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内をピストンが往復するピストン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。スターリングエンジンを含む外燃機関に適用可能なピストン装置として、特許文献１に開示された技術が知られている。
【０００３】
上記特許文献１に開示された熱機関のピストンは、ピストンのシリンダ内の往復運動にともなって作動空間内で圧縮、膨張を繰返す作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサを用いるタイプのスターリングエンジンに適用されるものであって、ピストン内部に形成され、作動空間内で圧縮された作動媒体を一時的に蓄える加圧室と、加圧室内の作動媒体が作動空間内へ逆流することを防止する逆止弁と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダとのクリアランス部に噴出するオリフィスとを具備するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４６４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、熱源の温度が低い場合、熱機関の内部摩擦を低減しないと、熱源から取り出される動力は極めて少なくなるか、あるいは動力を取り出すことができない。特許文献１に開示された熱機関が備えるピストンは、内部摩擦を低減するため、ピストンとシリンダとのクリアランス部に作動媒体を噴出する。ここで、特許文献１に開示された熱機関は、ピストンの往復運動を回転運動に変換する必要はない。しかし、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関では、クランク軸とコンロッドとの組み付け部、及びコンロッドとピストンピンとの組み付け部等にも摩擦が発生するため、特許文献１に開示された熱機関のように、ピストンとシリンダとの摩擦を低減しただけでは不十分である。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において、内部摩擦を低減できるピストン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、前記気体流出口と前記クランク側給気口との間に設けられる第１圧抜き部と、前記気体流入口と前記ピン側給気口との間に設けられる第２圧抜き部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、前記第１圧抜き部と前記気体流出口との間、及び前記第２圧抜き部と前記気体流入口との間には、ラビリンスシールが設けられることを特徴とする。
【０００９】
また、次の本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、前記クランク軸が備える気体流出口は、前記偏芯部の最も偏芯している部分を避けて設けられることを特徴とする。
【００１０】
また、次の本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、前記第１端部及び前記第２端部の内周、又は前記ピストンピンの外周及び前記偏芯部の外周に溝を形成し、前記クランク軸の前記気体流出口、及び前記ピストンピンの前記気体流入口は、前記ピストンが１往復する間に前記溝に連通することを特徴とする。
【００１１】
また、次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、前記溝は、前記偏芯部の最も偏芯している部分を含み、かつ前記偏芯部の最も偏芯している部分に対して前記クランク軸の回転軸側に対向する部分を避けて形成されることを特徴とする。
【００１２】
また、次の本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、前記クランク軸の回転軸部における前記クランク軸の回転軸に垂直な断面形状は、前記偏芯部における前記クランク軸の回転軸に垂直な断面形状に包含されることを特徴とする。
【００１３】
また、次の本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含むとともに、前記ピストンは、その内部に形成されるピストン側中空部から、前記ピストンと前記シリンダとの間に気体を流出させるピストン側給気口が側周部に設けられており、前記ピストンピン内部に形成されるピン側中空部は、前記ピストン側中空部に連通していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において、内部摩擦を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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が含まれる。
【００１６】
なお、以下においては、ピストン装置を備える装置の一例として熱機関であるスターリングエンジンを取り上げるが、この発明に係るピストン装置が適用できる装置はこれに限定されるものではない。また、以下においては、スターリングエンジンを用いて車両等に搭載される内燃機関の排熱を回収する例を説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。
【実施例】
【００１７】
この実施例に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備えるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部からピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、内部に形成される気体通路を介してクランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒とを備える。そして、クランク軸の気体流出口とクランク側中空部内の気体を流出させるクランク側給気口との間に第１圧抜き部を設け、また、ピストンピンの気体流入口とピン側中空部内の気体を流出させるピン側給気口との間に第２圧抜き部を設ける点に特徴がある。
【００１８】
図１は、この実施例に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、この実施例に係るスターリングエンジンのピストンとシリンダとの間における空気軸受を示す断面図である。この実施例に係るピストン装置を備える熱機関の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、高温側ピストン装置１と、低温側ピストン装置２とを備える。高温側ピストン装置１は、高温側シリンダ３と、この内部に収められて往復運動する高温側ピストン５０ａと、高温側ピストン５０ａの往復運動をクランク軸３０へ伝達する高温側コンロッド２０ａとを含んで構成される。低温側ピストン装置２は、低温側シリンダ４と、この内部に内に収められて往復運動する低温側ピストン５０ｂと、低温側ピストン５０ｂの往復運動をクランク軸３０へ伝達する低温側コンロッド２０ｂとを含んで構成される。ここで、低温側ピストン５０ｂは、高温側ピストン５０ａに対して、クランク角で９０°程度の位相差がつけられている。
【００１９】
高温側シリンダ３と低温側シリンダ４とは、ヒータ５と再生器６とクーラー７とで構成される熱交換器８によって接続されている。ヒータ５の一端は高温側シリンダ３に接続され、他端は再生器６に接続される。再生器６は、一端がヒータ５に接続され他端はクーラー７に接続される。クーラー７の一端は再生器６に接続され、他端は低温側シリンダ４に接続される。また、高温側シリンダ３と低温側シリンダ４とには作動流体（ここでは空気）が封入されており、ヒータ５から供給される熱によってスターリングエンジン１００を駆動する。
【００２０】
この実施例に係るスターリングエンジン１００は、例えば車両において、ガソリンエンジンのような内燃機関とともに用いられて、内燃機関の排気ガスを熱源として駆動される。この場合、スターリングエンジン１００のヒータ５は、車両に搭載される内燃機関の排気管内部に配置される。そして、内燃機関の排気ガスから回収した熱エネルギにより作動流体が加熱されて、スターリングエンジン１００が作動する。
【００２１】
この実施例に係るスターリングエンジン１００は、排気管の内部にそのヒータ５が収容される。このように、このスターリングエンジン１００は、車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増し、好ましい。そのために、このスターリングエンジン１００では、高温側及び低温側シリンダ３、４を、Ｖ字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。
【００２２】
図１、図２に示すように、高温側ピストン５０ａと低温側ピストン５０ｂとは、高温側シリンダ３と低温側シリンダ４内に空気軸受１２を介して浮いた状態で支持されている。空気軸受１２を構成するために、ピストンとシリンダとの間隔ｔｃは全周にわたって数十μｍとする。すなわち、ピストンリングを使用せず、また潤滑油も使用しないで、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、内燃機関の排熱回収のような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。
【００２３】
なお、高温側及び低温側シリンダ３、４の内周面に固体潤滑材を付してもよい。これによって、ピストンとシリンダとの摺動抵抗をさらに低減させることができる。ここで、この実施例においては、スターリングエンジンの作動流体に空気を用い、それを利用して空気軸受を構成する。作動流体が変更すれば、空気軸受１２を構成する作動流体も変更されるが、かかる場合であっても、空気軸受という。
【００２４】
高温側ピストン５０ａ、低温側ピストン５０ｂの往復運動は、それぞれ高温側ピストンピン４０ａ、低温側ピストンピン４０ｂ、及び高温側コンロッド２０ａ、低温側コンロッド２０ｂによってクランク軸３０に伝達され、ここで回転運動に変換される。クランク軸３０は、クランクケース９の内部に軸受１１を介して支持されている。クランク軸３０の端部は、シール部１３を介してクランクケース９の外部へ突出しており、スターリングエンジン１００の出力は、ここから取り出される。なお。クランクケース９内は、加圧手段により加圧してもよい。これは、高温側及び低温側シリンダ３、４、及びヒータ５内の作動流体（本実施例では空気）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ためである。
【００２５】
なお、高温側及び低温側ピストン５０ａ、５０ｂの往復運動は、例えばグラスホッパ機構のような近似直線機構を介して、クランク軸３０に伝達してもよい。このようにすれば、高温側及び高温側ピストン５０ａ、５０ｂのサイドフォース（ピストンの径方向に向かう力）をほとんど０にできるので、負荷能力の小さい空気軸受１２を用いても、十分に高温側及び高温側ピストン５０ａ、５０ｂを支持することができる。次に、この実施例に係るスターリングエンジン１００が備えるピストン装置について、より詳細に説明する。
【００２６】
図３は、この実施例に係るピストン装置を示す拡大断面図である。この実施例に係るスターリングエンジン１００は、高温側ピストン装置１も低温側ピストン装置２も同様の構成なので、以下においては、高温側ピストン装置１について説明する。なお、以下の説明では、便宜上、高温側ピストン装置１をピストン装置１といい、高温側ピストン５０ａをピストン５０といい、高温側ピストンピン４０ａをピストンピン４０といい、高温側シリンダ３をシリンダ３といい、また高温側コンロッド２０ａをコンロッド２０という。
【００２７】
ピストン装置１が備えるクランク軸３０は、回転軸部３０ｓと、偏芯部３０ｃとを含んで構成される。クランク軸３０の回転軸部３０ｓは、クランクケース９に取り付けられる軸受部９Ｂによって、回転可能に支持される。また、偏芯部３０ｃには、連結棒（以下コンロッドという）２０の第１端部（以下大端部）２０1が組み付けられる。これによって、ピストン５０の往復運動がコンロッド２０を介して回転運動に変換され、スターリングエンジン１００の出力として回転軸部３０ｓから取り出される。
【００２８】
クランク軸３０の内部には中空部（以下クランク側中空部）３１が形成されている。クランク軸３０の一端部には、蓋３２が取り付けられており、クランク側中空部３１を封止する。また、クランク軸３０の回転軸部３０ｓには、クランク側中空部３１に連通する気体供給口３６が形成されている。この気体供給口３６は、軸受部９Ｂの内側に形成される気体供給溝１６に連通している。この気体供給溝１６は、軸受部連通孔１４を介して、気体供給手段であるポンプ１０に接続されている。このような構成によって、ポンプ１０からクランク側中空部３１内へ気体を供給する。なお、この実施例において、ポンプ１０から供給される気体は、空気であり、スターリングエンジン１００の作動流体と同じである。
【００２９】
ここで、軸受部９Ｂの内側には、気体供給溝１６を挟むように、軸受側圧抜き溝１５が形成されている。そして、軸受側圧抜き溝１５には、クランクケース内部９ｉ及びクランクケース外に連通する圧抜き孔１７が接続されている。これによって、クランク軸３０の回転軸部３０ｓに設けられる気体供給口３６の周辺に漏れ出た気体をクランクケース内部９ｉやクランクケース外部に抜いて、気体供給口３６周辺における気体の圧力上昇を抑制し、回転軸部３０ｓの周方向における圧力をバランスさせる。
【００３０】
クランク軸３０には、クランク側給気口３５、３７及び３４が設けられている。より具体的には、回転軸部３０ｓの側周部にはクランク側給気口３５が設けられ、偏芯部３０ｃの側周部にはクランク側給気口３４が設けられる。また、偏芯部３０ｃの端面には、クランク側給気口３７が設けられる。
【００３１】
ポンプ１０によってクランク側中空部３１内に導入される気体は、クランク側給気口３５、３７から軸受部９Ｂとクランク軸３０との間に流出して、空気軸受を構成する。また、クランク側中空部３１内に導入される気体は、偏芯部３０ｃの側周部に設けられるクランク側給気口３４から流出して、偏芯部３０ｃとコンロッド２０の大端部２０1との間に空気軸受を構成する。これによって、クランク軸３０と軸受部９Ｂとの摩擦、及びクランク軸３０とコンロッド２０の大端部２０1との摩擦を極めて低減できる。なお、前記空気軸受は、いわゆる静圧空気軸受である。ここで、この実施例では、クランク側中空部３１内に導入される気体が空気であるため、「空気軸受」というが、「空気軸受」には、前記気体が空気以外のものも含まれるものとする（以下同様）。
【００３２】
クランク軸３０の偏芯部３０ｃには、クランク側中空部３１内の気体を、ピストンピン４０内のピストンピン側中空部４３へ送るための気体流出口３３が形成されている。クランク軸３０の偏芯部３０ｃに大端部２０1が組み付けられるコンロッド２０は、内部に気体通路２１が形成されている。そして、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３から流出するクランク側中空部３１内の空気が、前記気体通路２１内へ送り込まれる。
【００３３】
また、コンロッド２０は、第２端部（以下小端部）２０2が、ピストンピン４０に組み付けられている。なお、大端部２０1と小端部２０2とは、コンロッド軸部２０ｓで連結されている。コンロッド２０の内部（すなわち、コンロッド軸部２０ｓの内部）に形成される気体通路２１は、前記大端部２０1内と前記小端部２０2内とを連通している。そして、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３から放出されたクランク側中空部３１内の空気は、前記気体通路２１内を通ってコンロッド２０の小端部２０2まで送られる。
【００３４】
ピストンピン４０は、内部に中空部（以下ピン側中空部）４３が形成される。このピン側中空部４３は、ピストンピン４０を貫通している貫通孔である。また、ピストンピン４０には、コンロッド２０の気体通路２１を介して送られるクランク側中空部３１内の気体を、ピン側中空部４３内へ取り込むための気体流入口４１が設けられる。この気体流入口４１は、ピストンピン４０の側周部に開口して、ピン側中空部４３へ連通する。
【００３５】
また、ピストンピン４０の側周部には、ピン側中空部４３と連通するピン側給気口４２が設けられている。そして、ピン側中空部４３内の気体は、ピン側給気口４２からピストンピン４０とコンロッド２０の小端部２０2との間に流出して、空気軸受を構成する。これによって、ピストンピン４０とコンロッド２０の小端部２０2との摩擦を極めて低減できる。
【００３６】
この実施例に係るピストン装置１が備えるピストン５０は、内部に中空部（以下ピストン側中空部）５１が設けられている。ピストン側中空部５１には、ピストン５０に取り付けられるピストンピン４０のピン側中空部４３が連通しており、ピン側中空部４３内の気体がピストン側中空部５１へ供給される。また、ピストン５０の側周部には、ピストン側給気口５３が、ピストン５０の周方向に一定の間隔で複数設けられている。ピストン側給気口５３は、ピストン側中空部５１に連通しており、ピストン側中空部５１内の気体をピストン５０とシリンダ３との間に流出させる。これによって、ピストン５０とシリンダ３との間に空気軸受を形成し、ピストン５０の運動時における、ピストン５０とシリンダ３との摩擦を極めて低減できる。なお、ピストン側中空部５１及びピストン側給気口５３は、近似直線機構等によってピストン５０のサイドフォースを押さえ込めれば、必ずしも設ける必要はない。
【００３７】
次に、クランク軸３０の偏芯部３０ｃと、コンロッド２０の大端部２０1とを組み付ける構成について説明する。図４は、クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す断面図である。図５−１は、図４のＡ−Ａ断面図である。図５−２は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図５−３は、クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す一部断面図である。図５−４は、図４の矢印Ｃ方向からみた正面図である。
【００３８】
上述したように、コンロッド２０の大端部２０1は、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに組み付けられる（図４、図５−１〜図５−３）。図４に示すクランク側給気口３４は、偏芯部３０ｃの側周部３０ｃｓに設けられるとともに、偏芯部３０ｃの周方向に対して、略等間隔で複数配置される。また、図５−２に示すように、クランク軸３０の偏芯部３０ｃの端面に設けられるクランク側給気口３７は、偏芯軸（偏芯部３０ｃの中心軸）Ｚｃの周囲に、略等間隔で配置される。
【００３９】
また、偏芯部３０ｃの側周部３０ｃｓの表面には、クランク側中空部３１と連通する気体流出口３３が開口している。この気体流出口３３は、コンロッド２０の大端部２０1の内周に設けられる溝２５とクランク側中空部３１とを連通させる。溝２５は、図５−１に示すように、コンロッド２０を構成する大端部２０1の内周の全周にわたって形成されており、ピストン５０（図３）が１往復する間に、気体流出口３３は溝２５に連通する。この溝２５によって、クランク軸３０の偏芯部３０ｃ、及びコンロッド２０の大端部２０1の周方向における気体の圧力をバランスさせて、偏芯部３０ｃと大端部２０1との間に形成される空気軸受の性能を十分に発揮させることができる。
【００４０】
また、溝２５には、大端部２０1側における気体通路２１が開口している。ピストン５０（図３）が往復運動すると、クランク軸３０が回転軸Ｚｒを中心として回転するが、そのとき、クランク軸３０の偏芯部３０ｃは、コンロッド２０の大端部２０1内を回転する。このとき、前記溝２５によって、気体流出口３３の位置にかかわらず、クランク側中空部３１内の気体を、気体流出口３３から気体通路２１内へ送り込むことができる。なお、前記溝２５は、クランク軸３０が備える偏芯部３０ｃの外周に形成してもよい。
【００４１】
偏芯部３０ｃの側周部に設けられる気体流出口３３は、図５−１に示すように、偏芯部３０ｃの最も偏芯した部分（最偏芯部）３０Ｅを避けて配置することが好ましい。スターリングエンジン１００は、ピストン５０（図３）が上死点にくると、最偏芯部３０Ｅには、上死点から下死点に向かう押付力が作用する。また、クランクケース９内を加圧する場合、ピストン５０が下死点にくると、最偏芯部３０Ｅには、下死点から上死点に向かう押付力が作用する。
【００４２】
クランク軸３０の偏芯部３０ｃに気体流出口３３を設けると、それだけクランク軸３０の強度は低下することになるが、最偏芯部３０Ｅを避けて気体流出口３３を設ければ、上又は下死点位置における前記押付力の影響を緩和することができる。その結果、クランク軸３０は強度面で有利になる。最偏芯部３０Ｅを避けて気体流出口３３を設けるにあたっては、最偏芯部３０Ｅを含む所定の中心角θ1の範囲を避けるようにする。この所定の中心角θ1は、上又は下死点位置における前記押付力の影響が許容できない範囲であり、スターリングエンジン１００の仕様等から決定する。なお、気体流出口３３の個数は１個に限定されるものではないが、クランク軸３０の強度を考慮すると、できるだけ少ない方が好ましい。
【００４３】
図４、図５−２、図５−３に示すように、コンロッド２０の大端部２０1をクランク軸３０の偏芯部３０ｃに組み付けた場合において、コンロッド２０の大端部２０1であって、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３と、クランク側給気口３４との間には、第１圧抜き部２６が設けられる。第１圧抜き部２６は、第１圧抜き溝２６ｇと、第１連通孔２６ｈとから構成される。
【００４４】
この実施例において、第１圧抜き溝２６ｇは、コンロッド２０を構成する大端部２０1の内周の全周にわたって設けられる。なお、第１圧抜き溝２６ｇは、クランク軸３０を構成する偏芯部３０ｃの外周の全周にわたって設けてもよい。第１連通孔２６ｈは、一端がコンロッド２０の大端部２０1の表面に、他の一端は第１圧抜き溝２６ｇ内に開口して、第１圧抜き溝２６ｇと、クランクケース内部９ｉ（図３）とを連通させる。なお、説明の便宜上、図５−３に示す第１連通孔２６ｈの位置は、図４に示す位置と異なっている。
【００４５】
これによって、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３の周辺に漏れ出た気体をクランクケース内部９ｉに抜いて、気体流出口３３周辺における圧力の上昇を抑制し、偏芯部３０ｃの周方向における圧力をバランスさせる。その結果、クランク軸３０の偏芯部３０ｃと、コンロッド２０の大端部２０1との間に形成される空気軸受は、安定して性能を発揮できる。
【００４６】
図４、図５−３に示すように、コンロッド２０の大端部２０1をクランク軸３０の偏芯部３０ｃに組み付けた場合において、コンロッド２０の大端部２０1であって、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３と、第１圧抜き部２６との間には、ラビリンスシール２７が設けられる。クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３の周囲に漏れ出て、第１圧抜き部２６からクランクケース内部９ｉに流出する気体は、できるだけ少ない方がよい。したがって、前記位置にラビリンスシール２７を設けて、第１圧抜き部２６を通ってクランクケース内部９ｉへ流出する気体の量を低減する。ラビリンスシール２７を設ける場合、気体流出口３３と、第１圧抜き部２６との間に少なくとも１個設ける。また、気体の漏れ抑制という観点から、ラビリンスシール２７は、気体流出口３３に、できるだけ近づけて設けることが好ましい。ラビリンスシール２７の個数は、スターリングエンジン１００やピストン装置１の仕様等によって、適宜決定する。
【００４７】
図５−４に示すように、クランク軸３０の回転軸部３０ｓの直径はＤｓであり、クランク軸３０の偏芯部３０ｃの直径であるＤｃよりも小さい（Ｄｓ＜Ｄｃ）。そして、クランク軸３０の回転軸部３０ｓにおけるクランク軸３０の回転軸Ｚｒに垂直な断面形状は、偏芯部３０ｃにおけるクランク軸３０の回転軸Ｚｒに垂直な断面形状に包含される。これによって、クランク軸３０の加工が容易になるとともに、偏芯部３０ｃの加工精度も向上させやすくなる。
【００４８】
次に、ピストンピン４０と、コンロッド２０の小端部２０2とを組み付ける構成について説明する。図６は、クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す断面図である。図７−１は、図６のＤ−Ｄ断面図である。図７−２は、図６のＥ−Ｅ断面図である。図６に示すように、ピストンピン４０は、ピストン５０の取り付け座５４に挿入され、固定手段によってピストン５０へ固定される。
【００４９】
このピストン５０は、上述したように、裾部側が仕切り部材５２で閉じられている。これによって、ピストン５０は、内部にピストン側中空部５１が形成される。そして、ピストン側中空部５１内の気体が、ピストン５０の側周部５０ｓｃに開口するピストン側給気口５３から気体を流出して、シリンダ３（図２）との間に空気軸受を形成する。ピストン側中空部５１には、ピストンピン４０の両端部に設けられるピストンピン開口部４０ｏが開口しており、ピン側中空部４３とピストン側中空部５１とを連通させる。これによって、簡単な構造で、ピン側中空部４３内の気体をピストン側中空部５１へ供給することができる。
【００５０】
上述したように、コンロッド２０の小端部２０2は、ピストンピン４０に組み付けられる（図６、図７−１、図７−３）。図６に示すピン側給気口４２は、ピストンピン４０の側周部４０ｓに設けられるとともに、ピストンピン４０の周方向に対して、略等間隔で複数配置される。
【００５１】
また、ピストンピン４０の側周部４０ｓには、ピン側中空部４３と連通する気体流入口４１が開口している。この気体流入口４１は、コンロッド２０の小端部２０2の内周に設けられる溝２２とピン側中空部４３とを連通させる。溝２２は、図７−１に示すように、コンロッド２０を構成する小端部２０2の内周の全周にわたって形成され、ピストン５０（図３）が１往復する間に、気体流入口４１は溝２２に連通する。この溝２２によって、ピストンピン４０、及びコンロッド２０の小端部２０2の周方向における気体の圧力をバランスさせて、ピストンピン４０と小端部２０2との間に形成される空気軸受の性能を十分に発揮させることができる。
【００５２】
また、溝２２には、小端部２０2側における気体通路２１が開口している。ピストン５０（図６）が往復運動すると、クランク軸３０（図３）が回転軸を中心として回転し、コンロッド２０は、ピストンピン４０を中心として、ピストンピン４０の軸方向に垂直な平面内を所定の角度で揺動運動する。このとき、前記溝２２によって、気体流入口４１の位置にかかわらず、コンロッド２０の気体通路２１内の気体を、気体流入口４１からピン側中空部４３内へ送り込むことができる。なお、前記溝２２は、ピストンピン４０の外周に形成してもよい。
【００５３】
ピストンピン４０の側周部に設けられる気体流入口４１は、図７−１に示すように、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢ、及びピストン頂面側頂部４０ＴＰを避けて配置することが好ましい（図７−１の４１ａ、４１ｂ）。スターリングエンジン１００は、ピストン５０（図３、図６）が上死点にくると、ピストンピン４０のピストン頂面側頂部４０ＴＰには、上死点から下死点に向かう押付力が作用する。また、クランクケース９内を加圧する場合、ピストン５０が下死点にくると、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢには、下死点から上死点に向かう押付力が作用する。
【００５４】
ピストンピン４０に気体流入口４１を設けると、それだけクランク軸３０の強度は低下することになるが、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢ、及びピストン頂面側頂部４０ＴＰを避けて気体流入口３３を設ければ、上死点位置における前記押付力の影響を緩和することができる。その結果、ピストンピン４０は強度面で有利になる。
【００５５】
ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢを避けて気体流入口４１を設けるにあたっては、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢを含む所定の中心角θ2の範囲を避けるようにする。また、ピストンピン４０のピストン頂面側頂部４０ＴＰを避けて気体流入口４１を設けるにあたっては、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢを含む所定の中心角θ4の範囲を避けるようにする。この所定の中心角θ2、θ4は、上又は下死点位置における前記押付力の影響が許容できない範囲であり、スターリングエンジン１００の仕様等から決定する。なお、気体流入口４１の個数は１個に限定されるものではないが、ピストンピン４０の強度を考慮すると、できるだけ少ない方が好ましい。
【００５６】
図６、図７−２に示すように、コンロッド２０の小端部２０2をピストンピン４０に組み付けた場合において、コンロッド２０の小端部２０2であって、ピストンピン４０に設けられる気体流入口４１と、ピン側給気口４２との間には、第２圧抜き部２３が設けられる。第２圧抜き部２３は、第２圧抜き溝２３ｇと、第２連通孔２３ｈとから構成される。
【００５７】
この実施例において、第２圧抜き溝２３ｇは、コンロッド２０を構成する小端部２０2の内周の全周にわたって設けられる。なお、第２圧抜き溝２３ｇは、ピストンピン４０の外周の全周にわたって設けてもよい。第２連通孔２３ｈは、一端がコンロッド２０の小端部２０2の表面に、他の一端は第２圧抜き溝２３ｇ内に開口して、第２圧抜き溝２３ｇと、クランクケース内部９ｉ（図３）とを連通させる。
【００５８】
これによって、ピストンピン４０に設けられる気体流入口４１の周辺に漏れ出た気体をクランクケース内部９ｉに抜いて、気体流入口４１周辺における気体の圧力上昇を抑制し、ピストンピン４０の周方向における圧力をバランスさせる。その結果、ピストンピン４０と、コンロッド２０の小端部２０2との間に形成される空気軸受は、安定して性能を発揮できる。
【００５９】
図６に示すように、コンロッド２０の小端部２０2をピストンピン４０に組み付けた場合において、コンロッド２０の小端部２０2であって、ピストンピン４０に設けられる気体流入口４１と、第２圧抜き部２３との間には、ラビリンスシール２４が設けられる。ピストンピン４０に設けられる気体流入口４１の周囲に漏れ出て、第２圧抜き部２６からクランクケース内部９ｉに流出する気体は、できるだけ少ない方がよい。したがって、前記位置にラビリンスシール２４を設けて、第２圧抜き部２３を通ってクランクケース内部９ｉへ流出する気体の量を低減する。ラビリンスシール２４を設ける場合、気体流入口４１と、第２圧抜き部２３との間に少なくとも１個設ける。ラビリンスシール２４の個数は、スターリングエンジン１００やピストン装置１の仕様等によって、適宜決定する。また、気体の漏れ抑制という観点から、ラビリンスシール２４は、できるだけ気体流入口４１の近傍に設けることが好ましい。
【００６０】
図８−１〜図８−３は、この実施例に係るピストンピンとコンロッドとの他の組み付け例を示す断面図である。ピストンピン４０Ａ内のピン側中空部４３には、クランク側中空部３１、コンロッド２０Ａの気体通路２１を通って、ポンプ１０（図３）から気体が供給される。ここで、ピン側中空部４３は、ある程度の体積を有しているため、バッファーとしての機能も有する。すなわち、時間にもよるが、気体の供給が短時間断たれたとしても、ピストンピン４０Ａとコンロッド２０Ａの小端部２０2との間に空気軸受を形成できないほど、ピン側中空部４３内の気体の圧力が低下する訳ではない。
【００６１】
したがって、気体通路２１とピン側中空部４３とは、必ずしも常に連通している必要はない。また、図８−１に示すように、コンロッド２０Ａは、ピストン５０が一往復する間に、ピストンピン４０Ａを中心として、振れ角２×αの範囲で揺動運動する。こおため、ピストン５０（図６）が１往復する間に気体通路２１と第１気体流入口４１1とが重なる期間は、気体通路２１とクランク軸３０の偏芯部３０ｃの気体流出口３３（図４、図５−１）とが重なる期間よりも長い。したがって、ピン側中空部４３内への気体の供給が断たれる期間は比較的短い。
【００６２】
このため、コンロッド２０の小端部の内周等に、周方向に向かう溝（図６、図７−１）を設けなくとも、ピストンピン４０Ａとコンロッド２０Ａの小端部２０2との間に形成される空気軸受を維持できる。図８−１に示すコンロッド２０Ａの小端部２０2の内周等には、前記溝２２（図６、図７−１）は設けられていない。このようにすれば、コンロッド２０Ａ等の加工が容易になる。ただし、第１気体流入口４１1のみでは、ピストンピン４０Ａの周方向における気体の圧力バランスが崩れるおそれがある。このため、ピストンピン４０Ａの中心軸Ｚｐに対して中心角１２０度の間隔で、第１、第２及び第３気体流入口４１1、４１2及び４１3を配置している。これによって、ピストンピン４０Ａの周方向における気体の圧力バランスの均衡を維持し、ピストンピン４０Ａとコンロッド２０Ａの小端部２０2との間に形成される空気軸受の機能を安定して発揮させるようにしてある。
【００６３】
なお、ピストンピン４０Ａの強度を考慮して、上述したように、第１、第２及び第３気体流入口４１1、４１2及び４１3は、ピストンピン４０Ａのクランク軸側頂部４０ＴＢ、及びピストン頂面側頂部４０ＴＰを避けて配置することが好ましい。これにあたっては、ピストンピン４０ａのクランク軸側頂部４０ＴＢを含む所定の中心角θ2の範囲、及びピストンピン４０ａのピストン頂面側頂部４０ＴＰを含む所定の中心角θ4の範囲を避けるようにする。（中心角θ2、中心角θ4については、図７−１参照）
【００６４】
また、図８−２に示す例では、コンロッド２０Ｂの気体通路２１と、ピストンピン４０Ｂの第１気体流入口４１1とを常に連通させるようにしてある。このため、コンロッド２０Ｂの小端部２０2の内周には、コンロッド２０ｂの揺動を考慮して、コンロッド２０Ｂの振れ角２×αよりもやや大きい範囲で、第１溝２２1を設けている。このようにすれば、常にコンロッド２０Ｂの気体通路２１とピストンピン４０Ｂ内のピン側中空部４３とが連通するようになる。
【００６５】
なお、ピストンピン４０Ｂの中心軸Ｚｐに対して中心角１２０度の間隔で、第１、第２及び第３気体流入口４１1、４１2及び４１3と、これらに対応して第１、第２及び第３溝２２1、２２2、及び２２3を配置している。これによって、ピストンピン４０Ｂの周方向における気体の圧力バランスの均衡を維持することができる。また、ピストン５０（図６）が１往復する間に、第１、第２及び第３気体流入口４１1、４１2及び４１3は、第１、第２及び第３溝２２1、２２2、及び２２3に連通する。
【００６６】
図８−３に示す例では、ピストンピン４０Ｃの強度を考慮して、上述したように、第１気体流入口４１1を、ピストンピン４０Ｃのクランク軸側頂部４０ＴＢを避けて配置している。これにあたっては、ピストンピン４０Ｃのクランク軸側頂部４０ＴＢを含む所定の中心角θ2の範囲を避けるようにする。このため、第１気体流入口４１1と、コンロッド２０Ｃの気体通路２１とが重なり合う期間が短くなり、十分な気体をピン側中空部４３内へ供給できないおそれがある。これを回避するため、コンロッド２０Ｃの小端部２０2の内周に、前記中心角θ2を考慮して、これよりもやや大きい範囲で第１溝２２1を設けている。このようにすれば、常にコンロッド２０Ｃの気体通路２１とピストンピン４０Ｃ内のピン側中空部４３とが連通するようになる。
【００６７】
第１気体流入口４１1のみでは、ピストンピン４０Ｃの周方向における気体の圧力バランスが崩れるおそれがある。このため、ピストンピン４０Ｃには、ピストンピン４０Ｃの中心軸Ｚｐに対して、第１気体流入口４１1と対称となる位置に、第２気体流入口４１2が設けられる。また、コンロッド２０Ｃの小端部２０2の内周には、ピストンピン４０Ｃの中心軸Ｚｐに対して、第１溝２２1と対称となる位置に、第２溝２２2が設けられる。これによって、ピストンピン４０Ｃの周方向における気体の圧力バランスの均衡を維持し、ピストンピン４０Ｃとコンロッド２０Ｃの小端部２０2との間に形成される空気軸受の機能を安定して発揮させるようにしてある。なお、ピストン５０（図６）が１往復する間に、第１、第２気体流入口４１1、４１2は、第１、第２溝２２1、２２2に連通する。
【００６８】
ここで、第１溝２２1が設けられる範囲には、ピストンピン４０Ｃのクランク軸側頂部４０ＴＢが含まれる。また、第２溝２２2が設けられる範囲には、ピストンピン４０Ｃのピストン頂面側頂部４０ＴＰが含まれる。ピストン５０（図６）が上死点又は下死点にくると、ピストンピン４０Ｃのピストン頂面側頂部４０ＴＰ、又はクランク軸側頂部４０ＴＢには押付力が作用する。図８−３に示すピストンピン４０Ｃとコンロッド２０Ｃとの組み付け構造では、コンロッド２０Ｃの小端部２０2の内周に設けられる第１及び第２溝２２1、２２2内の気体の圧力によって、前記押付力を耐えることができる。
【００６９】
（変形例）
この実施例の変形例では、クランク軸の偏芯部の外周に、偏芯部の周方向に向かうとともに偏芯部の最偏芯部を含む溝を設け、さらに前記溝は、前記偏芯部の最も偏芯している部分（最偏芯部）に対してクランク軸の回転軸側に対向する部分を避けて形成される点に特徴がある。図９は、この実施例の変形例に係るクランク軸とコンロッドとの組み付け構造を示す断面図である。図１０−１、図１０−２は、図９のＦ−Ｆ断面図である。
【００７０】
図９、図１０−１に示すように、この変形例に係るクランク軸３０Ａは、偏芯部３０ｃの外周に、偏芯部３０ｃの周方向に向かう溝３８が形成されている。溝３８は、図１０−１に示すように、偏芯部３０ｃの最偏芯部３０Ｅを含み、かつ、最偏芯部３０Ｅに対してクランク軸の回転軸Ｚｒ側に対向する部分（最偏芯部対向部）３０ＥＯを避けて設けられる。このため、溝３８は、回転軸Ｚｒに垂直な断面形状が略Ｃ字形状となっている。すなわち、図１０−１に示すように、偏芯軸Ｚｃに対して、最偏芯部対向部３０ＥＯを含む所定の中心角θ3の範囲には溝３８が設けられず、前記中心角θ3を避けて溝３８が設けられる。これにより、ピストン５０（図３）が１往復する間に、気体流出口３３は溝３８に連通する。なお、溝３８とクランク側中空部３１とを連通する気体流出口３３は、クランク軸３０は強度面を考慮して、偏芯部３０の最偏芯部３０Ｅを避けて設けられる。この点は、上記実施例ですでに説明した通りである。
【００７１】
図１０−１は、ピストン５０（図３）が上死点に位置する状態を示し、図１０−２は、ピストン５０が下死点に位置する状態を示す。この変形例に係るクランク軸３０Ａのように溝３８を形成すると、偏芯部３０ｃの周方向に対して、偏芯部３０ｃとコンロッド２０Ｄの大端部２０1との間に存在する気体の圧力に偏りが生ずる。その結果、偏芯部３０ｃの周方向に対して、気体の圧力の不均衡が発生し、最偏芯部対向部３０ＥＯから最偏芯部３０Ｅへ向かう押付力ＦEが、コンロッド２０Ｄの大端部２０1から偏芯部３０ｃに対して作用する。
【００７２】
ここで、すでに説明したように、ピストン５０が上死点にくると、最偏芯部３０Ｅには、上死点から下死点に向かう押付力ＦTが作用する（図１０−１）。この変形例に係るクランク軸とコンロッドの組み付け構造によれば、最偏芯部対向部３０ＥＯを避けて溝３８を設けたことにより発生する前記押付力ＦEが、上死点において発生する前記押付力ＦTを支える。また、クランクケース９内を加圧する場合には、ピストン５０が下死点にくると、最偏芯部３０Ｅには、下死点から上死点に向かう押付力ＦBが作用する（図１０−２）。この変形例に係るクランク軸とコンロッドの組み付け構造によれば、最偏芯部対向部３０ＥＯを避けて溝３８を設けたことにより発生する前記押付力ＦEが、下死点において発生する前記押付力ＦBを支える。
【００７３】
ピストン５０の上死点、又は下死点においては、ピストン５０の往復運動中、最も大きな押付力ＦTやＦEがクランク軸３０Ａの偏芯部３０ｃに作用するが、この変形例によれば、前記押付力ＦTやＦBは緩和できるので、クランク軸３０Ａやその偏芯部３０ｃの強度面で有利になる。ここで、前記中心角θ3は、上又は下死点位置における押付力ＦT又はＦB、溝３８内に導入される気体の圧力、溝の開口面積等を考慮して決定する。
【００７４】
以上、この実施例及びその変形例では、クランク軸の内部に設けたクランク側中空部から、クランク軸と軸受との間、及びクランク軸の偏芯部とコンロッドの大端部との間に気体を流出させ、空気軸受を形成する。また、ピストンピンの内部に設けたピン側中空部からピストンピンとコンロッドの小端部との間に気体を流出させ、空気軸受を形成する。これによって、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において内部摩擦を低減して、例えば熱源の温度が低い場合であっても、熱機関から動力を取り出すことができる。
【００７５】
また、この実施例及びその変形例では、クランク軸の偏芯部に設けられる気体流出口とクランク側給気口との間に第１圧抜き部を設け、また、ピストンピンに設けられる気体流入口とピン側給気口との間に第２圧抜き部を設ける。これにより、クランク軸の偏芯部の周方向、及びピストンピンの周方向における気体の圧力分布をバランスさせて、安定して空気軸受の機能を発揮させることができる。
【００７６】
なお、上記においては、ピストン装置を備える熱機関がスターリングエンジンである場合の例を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係るピストン装置は、スターリングエンジン以外の熱機関や装置に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の有用性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上のように、本発明に係るピストン装置は、摩擦の低減に有用であり、特に、クランク軸とコンロッドとの組み付け部、及びコンロッドとピストンピンとの組み付け部の摩擦を低減することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】この実施例に係るスターリングエンジンを示す断面図である。
【図２】この実施例に係るスターリングエンジンのピストンとシリンダとの間における空気軸受を示す断面図である。
【図３】この実施例に係るピストン装置を示す拡大断面図である。
【図４】クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す断面図である。
【図５−１】図４のＡ−Ａ断面図である。
【図５−２】図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図５−３】クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す一部断面図である。
【図５−４】図４の矢印Ｃ方向からみた正面図である。
【図６】クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す断面図である。
【図７−１】図６のＤ−Ｄ断面図である。
【図７−２】図６のＥ−Ｅ断面図である。
【図８−１】この実施例に係るピストンピンとコンロッドとの他の組み付け例を示す断面図である。
【図８−２】この実施例に係るピストンピンとコンロッドとの他の組み付け例を示す断面図である。
【図８−３】この実施例に係るピストンピンとコンロッドとの他の組み付け例を示す断面図である。
【図９】この実施例の変形例に係るクランク軸とコンロッドとの組み付け構造を示す断面図である。
【図１０−１】図９のＦ−Ｆ断面図である。
【図１０−２】図９のＦ−Ｆ断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ ピストン装置（高温側ピストン装置）
３ シリンダ（高温側シリンダ）
９ クランクケース
１０ ポンプ
１４ 軸受部連通孔
１５ 軸受側圧抜き溝
１６ 気体供給溝
１７ 圧抜き孔
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ コンロッド
２０1 大端部（第１端部）
２０2 小端部（第２端部）
２０ｓ コンロッド軸部
２１ 気体通路
２２ 溝
２３ 第２圧抜き部
２３ｇ 第２圧抜き溝
２３ｈ 第２連通孔
２４ ラビリンスシール
２５ 溝
２６ 第１圧抜き部
２６ｇ 第１圧抜き溝
２６ｈ 第１連通孔
２７ ラビリンスシール
３０、３０Ａ クランク軸
３０ｃ 偏芯部
３０ｓ 回転軸部
３０Ｅ 最偏芯部
３０ＥＯ 最偏芯部対向部
３１ クランク側中空部
３３ 気体流出口
口３４ クランク側給気口
３５ クランク側給気口
３７ クランク側給気口
３８ 溝
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ ピストンピン
４０ｏ ピストンピン開口部
４０ＴＢ クランク軸側頂部
４０ＴＰ ピストン頂面側頂部
４０ｓ 側周部
４１ 気体流入口
４２ ピン側給気口
４３ ピン側中空部
５０ ピストン
１００ スターリングエンジン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内をピストンが往復するピストン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。スターリングエンジンを含む外燃機関に適用可能なピストン装置として、特許文献１に開示された技術が知られている。
【０００３】
上記特許文献１に開示された熱機関のピストンは、ピストンのシリンダ内の往復運動にともなって作動空間内で圧縮、膨張を繰返す作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサを用いるタイプのスターリングエンジンに適用されるものであって、ピストン内部に形成され、作動空間内で圧縮された作動媒体を一時的に蓄える加圧室と、加圧室内の作動媒体が作動空間内へ逆流することを防止する逆止弁と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダとのクリアランス部に噴出するオリフィスとを具備するものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４６４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、熱源の温度が低い場合、熱機関の内部摩擦を低減しないと、熱源から取り出される動力は極めて少なくなるか、あるいは動力を取り出すことができない。特許文献１に開示された熱機関が備えるピストンは、内部摩擦を低減するため、ピストンとシリンダとのクリアランス部に作動媒体を噴出する。ここで、特許文献１に開示された熱機関は、ピストンの往復運動を回転運動に変換する必要はない。しかし、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関では、クランク軸とコンロッドとの組み付け部、及びコンロッドとピストンピンとの組み付け部等にも摩擦が発生するため、特許文献１に開示された熱機関のように、ピストンとシリンダとの摩擦を低減しただけでは不十分である。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において、内部摩擦を低減できるピストン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、前記気体流出口と前記クランク側給気口との間に設けられる第１圧抜き部と、前記気体流入口と前記ピン側給気口との間に設けられる第２圧抜き部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、前記第１圧抜き部と前記気体流出口との間、及び前記第２圧抜き部と前記気体流入口との間には、ラビリンスシールが設けられることを特徴とする。
【０００９】
また、次の本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、前記クランク軸が備える気体流出口は、前記偏芯部の最も偏芯している部分を避けて設けられることを特徴とする。
【００１０】
また、次の本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、前記第１端部及び前記第２端部の内周、又は前記ピストンピンの外周及び前記偏芯部の外周に溝を形成し、前記クランク軸の前記気体流出口、及び前記ピストンピンの前記気体流入口は、前記ピストンが１往復する間に前記溝に連通することを特徴とする。
【００１１】
また、次の本発明に係るピストン装置は、前記ピストン装置において、前記溝は、前記偏芯部の最も偏芯している部分を含み、かつ前記偏芯部の最も偏芯している部分に対して前記クランク軸の回転軸側に対向する部分を避けて形成されることを特徴とする。
【００１２】
また、次の本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、前記クランク軸の回転軸部における前記クランク軸の回転軸に垂直な断面形状は、前記偏芯部における前記クランク軸の回転軸に垂直な断面形状に包含されることを特徴とする。
【００１３】
また、次の本発明に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含むとともに、前記ピストンは、その内部に形成されるピストン側中空部から、前記ピストンと前記シリンダとの間に気体を流出させるピストン側給気口が側周部に設けられており、前記ピストンピン内部に形成されるピン側中空部は、前記ピストン側中空部に連通していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において、内部摩擦を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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が含まれる。
【００１６】
なお、以下においては、ピストン装置を備える装置の一例として熱機関であるスターリングエンジンを取り上げるが、この発明に係るピストン装置が適用できる装置はこれに限定されるものではない。また、以下においては、スターリングエンジンを用いて車両等に搭載される内燃機関の排熱を回収する例を説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。
【実施例】
【００１７】
この実施例に係るピストン装置は、内部に設けられるピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備えるピストンピンと、内部に設けられるクランク側中空部からピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、内部に形成される気体通路を介してクランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒とを備える。そして、クランク軸の気体流出口とクランク側中空部内の気体を流出させるクランク側給気口との間に第１圧抜き部を設け、また、ピストンピンの気体流入口とピン側中空部内の気体を流出させるピン側給気口との間に第２圧抜き部を設ける点に特徴がある。
【００１８】
図１は、この実施例に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、この実施例に係るスターリングエンジンのピストンとシリンダとの間における空気軸受を示す断面図である。この実施例に係るピストン装置を備える熱機関の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、高温側ピストン装置１と、低温側ピストン装置２とを備える。高温側ピストン装置１は、高温側シリンダ３と、この内部に収められて往復運動する高温側ピストン５０ａと、高温側ピストン５０ａの往復運動をクランク軸３０へ伝達する高温側コンロッド２０ａとを含んで構成される。低温側ピストン装置２は、低温側シリンダ４と、この内部に内に収められて往復運動する低温側ピストン５０ｂと、低温側ピストン５０ｂの往復運動をクランク軸３０へ伝達する低温側コンロッド２０ｂとを含んで構成される。ここで、低温側ピストン５０ｂは、高温側ピストン５０ａに対して、クランク角で９０°程度の位相差がつけられている。
【００１９】
高温側シリンダ３と低温側シリンダ４とは、ヒータ５と再生器６とクーラー７とで構成される熱交換器８によって接続されている。ヒータ５の一端は高温側シリンダ３に接続され、他端は再生器６に接続される。再生器６は、一端がヒータ５に接続され他端はクーラー７に接続される。クーラー７の一端は再生器６に接続され、他端は低温側シリンダ４に接続される。また、高温側シリンダ３と低温側シリンダ４とには作動流体（ここでは空気）が封入されており、ヒータ５から供給される熱によってスターリングエンジン１００を駆動する。
【００２０】
この実施例に係るスターリングエンジン１００は、例えば車両において、ガソリンエンジンのような内燃機関とともに用いられて、内燃機関の排気ガスを熱源として駆動される。この場合、スターリングエンジン１００のヒータ５は、車両に搭載される内燃機関の排気管内部に配置される。そして、内燃機関の排気ガスから回収した熱エネルギにより作動流体が加熱されて、スターリングエンジン１００が作動する。
【００２１】
この実施例に係るスターリングエンジン１００は、排気管の内部にそのヒータ５が収容される。このように、このスターリングエンジン１００は、車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増し、好ましい。そのために、このスターリングエンジン１００では、高温側及び低温側シリンダ３、４を、Ｖ字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。
【００２２】
図１、図２に示すように、高温側ピストン５０ａと低温側ピストン５０ｂとは、高温側シリンダ３と低温側シリンダ４内に空気軸受１２を介して浮いた状態で支持されている。空気軸受１２を構成するために、ピストンとシリンダとの間隔ｔｃは全周にわたって数十μｍとする。すなわち、ピストンリングを使用せず、また潤滑油も使用しないで、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、内燃機関の排熱回収のような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。
【００２３】
なお、高温側及び低温側シリンダ３、４の内周面に固体潤滑材を付してもよい。これによって、ピストンとシリンダとの摺動抵抗をさらに低減させることができる。ここで、この実施例においては、スターリングエンジンの作動流体に空気を用い、それを利用して空気軸受を構成する。作動流体が変更すれば、空気軸受１２を構成する作動流体も変更されるが、かかる場合であっても、空気軸受という。
【００２４】
高温側ピストン５０ａ、低温側ピストン５０ｂの往復運動は、それぞれ高温側ピストンピン４０ａ、低温側ピストンピン４０ｂ、及び高温側コンロッド２０ａ、低温側コンロッド２０ｂによってクランク軸３０に伝達され、ここで回転運動に変換される。クランク軸３０は、クランクケース９の内部に軸受１１を介して支持されている。クランク軸３０の端部は、シール部１３を介してクランクケース９の外部へ突出しており、スターリングエンジン１００の出力は、ここから取り出される。なお。クランクケース９内は、加圧手段により加圧してもよい。これは、高温側及び低温側シリンダ３、４、及びヒータ５内の作動流体（本実施例では空気）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ためである。
【００２５】
なお、高温側及び低温側ピストン５０ａ、５０ｂの往復運動は、例えばグラスホッパ機構のような近似直線機構を介して、クランク軸３０に伝達してもよい。このようにすれば、高温側及び高温側ピストン５０ａ、５０ｂのサイドフォース（ピストンの径方向に向かう力）をほとんど０にできるので、負荷能力の小さい空気軸受１２を用いても、十分に高温側及び高温側ピストン５０ａ、５０ｂを支持することができる。次に、この実施例に係るスターリングエンジン１００が備えるピストン装置について、より詳細に説明する。
【００２６】
図３は、この実施例に係るピストン装置を示す拡大断面図である。この実施例に係るスターリングエンジン１００は、高温側ピストン装置１も低温側ピストン装置２も同様の構成なので、以下においては、高温側ピストン装置１について説明する。なお、以下の説明では、便宜上、高温側ピストン装置１をピストン装置１といい、高温側ピストン５０ａをピストン５０といい、高温側ピストンピン４０ａをピストンピン４０といい、高温側シリンダ３をシリンダ３といい、また高温側コンロッド２０ａをコンロッド２０という。
【００２７】
ピストン装置１が備えるクランク軸３０は、回転軸部３０ｓと、偏芯部３０ｃとを含んで構成される。クランク軸３０の回転軸部３０ｓは、クランクケース９に取り付けられる軸受部９Ｂによって、回転可能に支持される。また、偏芯部３０ｃには、連結棒（以下コンロッドという）２０の第１端部（以下大端部）２０1が組み付けられる。これによって、ピストン５０の往復運動がコンロッド２０を介して回転運動に変換され、スターリングエンジン１００の出力として回転軸部３０ｓから取り出される。
【００２８】
クランク軸３０の内部には中空部（以下クランク側中空部）３１が形成されている。クランク軸３０の一端部には、蓋３２が取り付けられており、クランク側中空部３１を封止する。また、クランク軸３０の回転軸部３０ｓには、クランク側中空部３１に連通する気体供給口３６が形成されている。この気体供給口３６は、軸受部９Ｂの内側に形成される気体供給溝１６に連通している。この気体供給溝１６は、軸受部連通孔１４を介して、気体供給手段であるポンプ１０に接続されている。このような構成によって、ポンプ１０からクランク側中空部３１内へ気体を供給する。なお、この実施例において、ポンプ１０から供給される気体は、空気であり、スターリングエンジン１００の作動流体と同じである。
【００２９】
ここで、軸受部９Ｂの内側には、気体供給溝１６を挟むように、軸受側圧抜き溝１５が形成されている。そして、軸受側圧抜き溝１５には、クランクケース内部９ｉ及びクランクケース外に連通する圧抜き孔１７が接続されている。これによって、クランク軸３０の回転軸部３０ｓに設けられる気体供給口３６の周辺に漏れ出た気体をクランクケース内部９ｉやクランクケース外部に抜いて、気体供給口３６周辺における気体の圧力上昇を抑制し、回転軸部３０ｓの周方向における圧力をバランスさせる。
【００３０】
クランク軸３０には、クランク側給気口３５、３７及び３４が設けられている。より具体的には、回転軸部３０ｓの側周部にはクランク側給気口３５が設けられ、偏芯部３０ｃの側周部にはクランク側給気口３４が設けられる。また、偏芯部３０ｃの端面には、クランク側給気口３７が設けられる。
【００３１】
ポンプ１０によってクランク側中空部３１内に導入される気体は、クランク側給気口３５、３７から軸受部９Ｂとクランク軸３０との間に流出して、空気軸受を構成する。また、クランク側中空部３１内に導入される気体は、偏芯部３０ｃの側周部に設けられるクランク側給気口３４から流出して、偏芯部３０ｃとコンロッド２０の大端部２０1との間に空気軸受を構成する。これによって、クランク軸３０と軸受部９Ｂとの摩擦、及びクランク軸３０とコンロッド２０の大端部２０1との摩擦を極めて低減できる。なお、前記空気軸受は、いわゆる静圧空気軸受である。ここで、この実施例では、クランク側中空部３１内に導入される気体が空気であるため、「空気軸受」というが、「空気軸受」には、前記気体が空気以外のものも含まれるものとする（以下同様）。
【００３２】
クランク軸３０の偏芯部３０ｃには、クランク側中空部３１内の気体を、ピストンピン４０内のピストンピン側中空部４３へ送るための気体流出口３３が形成されている。クランク軸３０の偏芯部３０ｃに大端部２０1が組み付けられるコンロッド２０は、内部に気体通路２１が形成されている。そして、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３から流出するクランク側中空部３１内の空気が、前記気体通路２１内へ送り込まれる。
【００３３】
また、コンロッド２０は、第２端部（以下小端部）２０2が、ピストンピン４０に組み付けられている。なお、大端部２０1と小端部２０2とは、コンロッド軸部２０ｓで連結されている。コンロッド２０の内部（すなわち、コンロッド軸部２０ｓの内部）に形成される気体通路２１は、前記大端部２０1内と前記小端部２０2内とを連通している。そして、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３から放出されたクランク側中空部３１内の空気は、前記気体通路２１内を通ってコンロッド２０の小端部２０2まで送られる。
【００３４】
ピストンピン４０は、内部に中空部（以下ピン側中空部）４３が形成される。このピン側中空部４３は、ピストンピン４０を貫通している貫通孔である。また、ピストンピン４０には、コンロッド２０の気体通路２１を介して送られるクランク側中空部３１内の気体を、ピン側中空部４３内へ取り込むための気体流入口４１が設けられる。この気体流入口４１は、ピストンピン４０の側周部に開口して、ピン側中空部４３へ連通する。
【００３５】
また、ピストンピン４０の側周部には、ピン側中空部４３と連通するピン側給気口４２が設けられている。そして、ピン側中空部４３内の気体は、ピン側給気口４２からピストンピン４０とコンロッド２０の小端部２０2との間に流出して、空気軸受を構成する。これによって、ピストンピン４０とコンロッド２０の小端部２０2との摩擦を極めて低減できる。
【００３６】
この実施例に係るピストン装置１が備えるピストン５０は、内部に中空部（以下ピストン側中空部）５１が設けられている。ピストン側中空部５１には、ピストン５０に取り付けられるピストンピン４０のピン側中空部４３が連通しており、ピン側中空部４３内の気体がピストン側中空部５１へ供給される。また、ピストン５０の側周部には、ピストン側給気口５３が、ピストン５０の周方向に一定の間隔で複数設けられている。ピストン側給気口５３は、ピストン側中空部５１に連通しており、ピストン側中空部５１内の気体をピストン５０とシリンダ３との間に流出させる。これによって、ピストン５０とシリンダ３との間に空気軸受を形成し、ピストン５０の運動時における、ピストン５０とシリンダ３との摩擦を極めて低減できる。なお、ピストン側中空部５１及びピストン側給気口５３は、近似直線機構等によってピストン５０のサイドフォースを押さえ込めれば、必ずしも設ける必要はない。
【００３７】
次に、クランク軸３０の偏芯部３０ｃと、コンロッド２０の大端部２０1とを組み付ける構成について説明する。図４は、クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す断面図である。図５−１は、図４のＡ−Ａ断面図である。図５−２は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図５−３は、クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す一部断面図である。図５−４は、図４の矢印Ｃ方向からみた正面図である。
【００３８】
上述したように、コンロッド２０の大端部２０1は、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに組み付けられる（図４、図５−１〜図５−３）。図４に示すクランク側給気口３４は、偏芯部３０ｃの側周部３０ｃｓに設けられるとともに、偏芯部３０ｃの周方向に対して、略等間隔で複数配置される。また、図５−２に示すように、クランク軸３０の偏芯部３０ｃの端面に設けられるクランク側給気口３７は、偏芯軸（偏芯部３０ｃの中心軸）Ｚｃの周囲に、略等間隔で配置される。
【００３９】
また、偏芯部３０ｃの側周部３０ｃｓの表面には、クランク側中空部３１と連通する気体流出口３３が開口している。この気体流出口３３は、コンロッド２０の大端部２０1の内周に設けられる溝２５とクランク側中空部３１とを連通させる。溝２５は、図５−１に示すように、コンロッド２０を構成する大端部２０1の内周の全周にわたって形成されており、ピストン５０（図３）が１往復する間に、気体流出口３３は溝２５に連通する。この溝２５によって、クランク軸３０の偏芯部３０ｃ、及びコンロッド２０の大端部２０1の周方向における気体の圧力をバランスさせて、偏芯部３０ｃと大端部２０1との間に形成される空気軸受の性能を十分に発揮させることができる。
【００４０】
また、溝２５には、大端部２０1側における気体通路２１が開口している。ピストン５０（図３）が往復運動すると、クランク軸３０が回転軸Ｚｒを中心として回転するが、そのとき、クランク軸３０の偏芯部３０ｃは、コンロッド２０の大端部２０1内を回転する。このとき、前記溝２５によって、気体流出口３３の位置にかかわらず、クランク側中空部３１内の気体を、気体流出口３３から気体通路２１内へ送り込むことができる。なお、前記溝２５は、クランク軸３０が備える偏芯部３０ｃの外周に形成してもよい。
【００４１】
偏芯部３０ｃの側周部に設けられる気体流出口３３は、図５−１に示すように、偏芯部３０ｃの最も偏芯した部分（最偏芯部）３０Ｅを避けて配置することが好ましい。スターリングエンジン１００は、ピストン５０（図３）が上死点にくると、最偏芯部３０Ｅには、上死点から下死点に向かう押付力が作用する。また、クランクケース９内を加圧する場合、ピストン５０が下死点にくると、最偏芯部３０Ｅには、下死点から上死点に向かう押付力が作用する。
【００４２】
クランク軸３０の偏芯部３０ｃに気体流出口３３を設けると、それだけクランク軸３０の強度は低下することになるが、最偏芯部３０Ｅを避けて気体流出口３３を設ければ、上又は下死点位置における前記押付力の影響を緩和することができる。その結果、クランク軸３０は強度面で有利になる。最偏芯部３０Ｅを避けて気体流出口３３を設けるにあたっては、最偏芯部３０Ｅを含む所定の中心角θ1の範囲を避けるようにする。この所定の中心角θ1は、上又は下死点位置における前記押付力の影響が許容できない範囲であり、スターリングエンジン１００の仕様等から決定する。なお、気体流出口３３の個数は１個に限定されるものではないが、クランク軸３０の強度を考慮すると、できるだけ少ない方が好ましい。
【００４３】
図４、図５−２、図５−３に示すように、コンロッド２０の大端部２０1をクランク軸３０の偏芯部３０ｃに組み付けた場合において、コンロッド２０の大端部２０1であって、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３と、クランク側給気口３４との間には、第１圧抜き部２６が設けられる。第１圧抜き部２６は、第１圧抜き溝２６ｇと、第１連通孔２６ｈとから構成される。
【００４４】
この実施例において、第１圧抜き溝２６ｇは、コンロッド２０を構成する大端部２０1の内周の全周にわたって設けられる。なお、第１圧抜き溝２６ｇは、クランク軸３０を構成する偏芯部３０ｃの外周の全周にわたって設けてもよい。第１連通孔２６ｈは、一端がコンロッド２０の大端部２０1の表面に、他の一端は第１圧抜き溝２６ｇ内に開口して、第１圧抜き溝２６ｇと、クランクケース内部９ｉ（図３）とを連通させる。なお、説明の便宜上、図５−３に示す第１連通孔２６ｈの位置は、図４に示す位置と異なっている。
【００４５】
これによって、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３の周辺に漏れ出た気体をクランクケース内部９ｉに抜いて、気体流出口３３周辺における圧力の上昇を抑制し、偏芯部３０ｃの周方向における圧力をバランスさせる。その結果、クランク軸３０の偏芯部３０ｃと、コンロッド２０の大端部２０1との間に形成される空気軸受は、安定して性能を発揮できる。
【００４６】
図４、図５−３に示すように、コンロッド２０の大端部２０1をクランク軸３０の偏芯部３０ｃに組み付けた場合において、コンロッド２０の大端部２０1であって、クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３と、第１圧抜き部２６との間には、ラビリンスシール２７が設けられる。クランク軸３０の偏芯部３０ｃに設けられる気体流出口３３の周囲に漏れ出て、第１圧抜き部２６からクランクケース内部９ｉに流出する気体は、できるだけ少ない方がよい。したがって、前記位置にラビリンスシール２７を設けて、第１圧抜き部２６を通ってクランクケース内部９ｉへ流出する気体の量を低減する。ラビリンスシール２７を設ける場合、気体流出口３３と、第１圧抜き部２６との間に少なくとも１個設ける。また、気体の漏れ抑制という観点から、ラビリンスシール２７は、気体流出口３３に、できるだけ近づけて設けることが好ましい。ラビリンスシール２７の個数は、スターリングエンジン１００やピストン装置１の仕様等によって、適宜決定する。
【００４７】
図５−４に示すように、クランク軸３０の回転軸部３０ｓの直径はＤｓであり、クランク軸３０の偏芯部３０ｃの直径であるＤｃよりも小さい（Ｄｓ＜Ｄｃ）。そして、クランク軸３０の回転軸部３０ｓにおけるクランク軸３０の回転軸Ｚｒに垂直な断面形状は、偏芯部３０ｃにおけるクランク軸３０の回転軸Ｚｒに垂直な断面形状に包含される。これによって、クランク軸３０の加工が容易になるとともに、偏芯部３０ｃの加工精度も向上させやすくなる。
【００４８】
次に、ピストンピン４０と、コンロッド２０の小端部２０2とを組み付ける構成について説明する。図６は、クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す断面図である。図７−１は、図６のＤ−Ｄ断面図である。図７−２は、図６のＥ−Ｅ断面図である。図６に示すように、ピストンピン４０は、ピストン５０の取り付け座５４に挿入され、固定手段によってピストン５０へ固定される。
【００４９】
このピストン５０は、上述したように、裾部側が仕切り部材５２で閉じられている。これによって、ピストン５０は、内部にピストン側中空部５１が形成される。そして、ピストン側中空部５１内の気体が、ピストン５０の側周部５０ｓｃに開口するピストン側給気口５３から気体を流出して、シリンダ３（図２）との間に空気軸受を形成する。ピストン側中空部５１には、ピストンピン４０の両端部に設けられるピストンピン開口部４０ｏが開口しており、ピン側中空部４３とピストン側中空部５１とを連通させる。これによって、簡単な構造で、ピン側中空部４３内の気体をピストン側中空部５１へ供給することができる。
【００５０】
上述したように、コンロッド２０の小端部２０2は、ピストンピン４０に組み付けられる（図６、図７−１、図７−３）。図６に示すピン側給気口４２は、ピストンピン４０の側周部４０ｓに設けられるとともに、ピストンピン４０の周方向に対して、略等間隔で複数配置される。
【００５１】
また、ピストンピン４０の側周部４０ｓには、ピン側中空部４３と連通する気体流入口４１が開口している。この気体流入口４１は、コンロッド２０の小端部２０2の内周に設けられる溝２２とピン側中空部４３とを連通させる。溝２２は、図７−１に示すように、コンロッド２０を構成する小端部２０2の内周の全周にわたって形成され、ピストン５０（図３）が１往復する間に、気体流入口４１は溝２２に連通する。この溝２２によって、ピストンピン４０、及びコンロッド２０の小端部２０2の周方向における気体の圧力をバランスさせて、ピストンピン４０と小端部２０2との間に形成される空気軸受の性能を十分に発揮させることができる。
【００５２】
また、溝２２には、小端部２０2側における気体通路２１が開口している。ピストン５０（図６）が往復運動すると、クランク軸３０（図３）が回転軸を中心として回転し、コンロッド２０は、ピストンピン４０を中心として、ピストンピン４０の軸方向に垂直な平面内を所定の角度で揺動運動する。このとき、前記溝２２によって、気体流入口４１の位置にかかわらず、コンロッド２０の気体通路２１内の気体を、気体流入口４１からピン側中空部４３内へ送り込むことができる。なお、前記溝２２は、ピストンピン４０の外周に形成してもよい。
【００５３】
ピストンピン４０の側周部に設けられる気体流入口４１は、図７−１に示すように、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢ、及びピストン頂面側頂部４０ＴＰを避けて配置することが好ましい（図７−１の４１ａ、４１ｂ）。スターリングエンジン１００は、ピストン５０（図３、図６）が上死点にくると、ピストンピン４０のピストン頂面側頂部４０ＴＰには、上死点から下死点に向かう押付力が作用する。また、クランクケース９内を加圧する場合、ピストン５０が下死点にくると、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢには、下死点から上死点に向かう押付力が作用する。
【００５４】
ピストンピン４０に気体流入口４１を設けると、それだけクランク軸３０の強度は低下することになるが、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢ、及びピストン頂面側頂部４０ＴＰを避けて気体流入口３３を設ければ、上死点位置における前記押付力の影響を緩和することができる。その結果、ピストンピン４０は強度面で有利になる。
【００５５】
ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢを避けて気体流入口４１を設けるにあたっては、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢを含む所定の中心角θ2の範囲を避けるようにする。また、ピストンピン４０のピストン頂面側頂部４０ＴＰを避けて気体流入口４１を設けるにあたっては、ピストンピン４０のクランク軸側頂部４０ＴＢを含む所定の中心角θ4の範囲を避けるようにする。この所定の中心角θ2、θ4は、上又は下死点位置における前記押付力の影響が許容できない範囲であり、スターリングエンジン１００の仕様等から決定する。なお、気体流入口４１の個数は１個に限定されるものではないが、ピストンピン４０の強度を考慮すると、できるだけ少ない方が好ましい。
【００５６】
図６、図７−２に示すように、コンロッド２０の小端部２０2をピストンピン４０に組み付けた場合において、コンロッド２０の小端部２０2であって、ピストンピン４０に設けられる気体流入口４１と、ピン側給気口４２との間には、第２圧抜き部２３が設けられる。第２圧抜き部２３は、第２圧抜き溝２３ｇと、第２連通孔２３ｈとから構成される。
【００５７】
この実施例において、第２圧抜き溝２３ｇは、コンロッド２０を構成する小端部２０2の内周の全周にわたって設けられる。なお、第２圧抜き溝２３ｇは、ピストンピン４０の外周の全周にわたって設けてもよい。第２連通孔２３ｈは、一端がコンロッド２０の小端部２０2の表面に、他の一端は第２圧抜き溝２３ｇ内に開口して、第２圧抜き溝２３ｇと、クランクケース内部９ｉ（図３）とを連通させる。
【００５８】
これによって、ピストンピン４０に設けられる気体流入口４１の周辺に漏れ出た気体をクランクケース内部９ｉに抜いて、気体流入口４１周辺における気体の圧力上昇を抑制し、ピストンピン４０の周方向における圧力をバランスさせる。その結果、ピストンピン４０と、コンロッド２０の小端部２０2との間に形成される空気軸受は、安定して性能を発揮できる。
【００５９】
図６に示すように、コンロッド２０の小端部２０2をピストンピン４０に組み付けた場合において、コンロッド２０の小端部２０2であって、ピストンピン４０に設けられる気体流入口４１と、第２圧抜き部２３との間には、ラビリンスシール２４が設けられる。ピストンピン４０に設けられる気体流入口４１の周囲に漏れ出て、第２圧抜き部２６からクランクケース内部９ｉに流出する気体は、できるだけ少ない方がよい。したがって、前記位置にラビリンスシール２４を設けて、第２圧抜き部２３を通ってクランクケース内部９ｉへ流出する気体の量を低減する。ラビリンスシール２４を設ける場合、気体流入口４１と、第２圧抜き部２３との間に少なくとも１個設ける。ラビリンスシール２４の個数は、スターリングエンジン１００やピストン装置１の仕様等によって、適宜決定する。また、気体の漏れ抑制という観点から、ラビリンスシール２４は、できるだけ気体流入口４１の近傍に設けることが好ましい。
【００６０】
図８−１〜図８−３は、この実施例に係るピストンピンとコンロッドとの他の組み付け例を示す断面図である。ピストンピン４０Ａ内のピン側中空部４３には、クランク側中空部３１、コンロッド２０Ａの気体通路２１を通って、ポンプ１０（図３）から気体が供給される。ここで、ピン側中空部４３は、ある程度の体積を有しているため、バッファーとしての機能も有する。すなわち、時間にもよるが、気体の供給が短時間断たれたとしても、ピストンピン４０Ａとコンロッド２０Ａの小端部２０2との間に空気軸受を形成できないほど、ピン側中空部４３内の気体の圧力が低下する訳ではない。
【００６１】
したがって、気体通路２１とピン側中空部４３とは、必ずしも常に連通している必要はない。また、図８−１に示すように、コンロッド２０Ａは、ピストン５０が一往復する間に、ピストンピン４０Ａを中心として、振れ角２×αの範囲で揺動運動する。こおため、ピストン５０（図６）が１往復する間に気体通路２１と第１気体流入口４１1とが重なる期間は、気体通路２１とクランク軸３０の偏芯部３０ｃの気体流出口３３（図４、図５−１）とが重なる期間よりも長い。したがって、ピン側中空部４３内への気体の供給が断たれる期間は比較的短い。
【００６２】
このため、コンロッド２０の小端部の内周等に、周方向に向かう溝（図６、図７−１）を設けなくとも、ピストンピン４０Ａとコンロッド２０Ａの小端部２０2との間に形成される空気軸受を維持できる。図８−１に示すコンロッド２０Ａの小端部２０2の内周等には、前記溝２２（図６、図７−１）は設けられていない。このようにすれば、コンロッド２０Ａ等の加工が容易になる。ただし、第１気体流入口４１1のみでは、ピストンピン４０Ａの周方向における気体の圧力バランスが崩れるおそれがある。このため、ピストンピン４０Ａの中心軸Ｚｐに対して中心角１２０度の間隔で、第１、第２及び第３気体流入口４１1、４１2及び４１3を配置している。これによって、ピストンピン４０Ａの周方向における気体の圧力バランスの均衡を維持し、ピストンピン４０Ａとコンロッド２０Ａの小端部２０2との間に形成される空気軸受の機能を安定して発揮させるようにしてある。
【００６３】
なお、ピストンピン４０Ａの強度を考慮して、上述したように、第１、第２及び第３気体流入口４１1、４１2及び４１3は、ピストンピン４０Ａのクランク軸側頂部４０ＴＢ、及びピストン頂面側頂部４０ＴＰを避けて配置することが好ましい。これにあたっては、ピストンピン４０ａのクランク軸側頂部４０ＴＢを含む所定の中心角θ2の範囲、及びピストンピン４０ａのピストン頂面側頂部４０ＴＰを含む所定の中心角θ4の範囲を避けるようにする。（中心角θ2、中心角θ4については、図７−１参照）
【００６４】
また、図８−２に示す例では、コンロッド２０Ｂの気体通路２１と、ピストンピン４０Ｂの第１気体流入口４１1とを常に連通させるようにしてある。このため、コンロッド２０Ｂの小端部２０2の内周には、コンロッド２０ｂの揺動を考慮して、コンロッド２０Ｂの振れ角２×αよりもやや大きい範囲で、第１溝２２1を設けている。このようにすれば、常にコンロッド２０Ｂの気体通路２１とピストンピン４０Ｂ内のピン側中空部４３とが連通するようになる。
【００６５】
なお、ピストンピン４０Ｂの中心軸Ｚｐに対して中心角１２０度の間隔で、第１、第２及び第３気体流入口４１1、４１2及び４１3と、これらに対応して第１、第２及び第３溝２２1、２２2、及び２２3を配置している。これによって、ピストンピン４０Ｂの周方向における気体の圧力バランスの均衡を維持することができる。また、ピストン５０（図６）が１往復する間に、第１、第２及び第３気体流入口４１1、４１2及び４１3は、第１、第２及び第３溝２２1、２２2、及び２２3に連通する。
【００６６】
図８−３に示す例では、ピストンピン４０Ｃの強度を考慮して、上述したように、第１気体流入口４１1を、ピストンピン４０Ｃのクランク軸側頂部４０ＴＢを避けて配置している。これにあたっては、ピストンピン４０Ｃのクランク軸側頂部４０ＴＢを含む所定の中心角θ2の範囲を避けるようにする。このため、第１気体流入口４１1と、コンロッド２０Ｃの気体通路２１とが重なり合う期間が短くなり、十分な気体をピン側中空部４３内へ供給できないおそれがある。これを回避するため、コンロッド２０Ｃの小端部２０2の内周に、前記中心角θ2を考慮して、これよりもやや大きい範囲で第１溝２２1を設けている。このようにすれば、常にコンロッド２０Ｃの気体通路２１とピストンピン４０Ｃ内のピン側中空部４３とが連通するようになる。
【００６７】
第１気体流入口４１1のみでは、ピストンピン４０Ｃの周方向における気体の圧力バランスが崩れるおそれがある。このため、ピストンピン４０Ｃには、ピストンピン４０Ｃの中心軸Ｚｐに対して、第１気体流入口４１1と対称となる位置に、第２気体流入口４１2が設けられる。また、コンロッド２０Ｃの小端部２０2の内周には、ピストンピン４０Ｃの中心軸Ｚｐに対して、第１溝２２1と対称となる位置に、第２溝２２2が設けられる。これによって、ピストンピン４０Ｃの周方向における気体の圧力バランスの均衡を維持し、ピストンピン４０Ｃとコンロッド２０Ｃの小端部２０2との間に形成される空気軸受の機能を安定して発揮させるようにしてある。なお、ピストン５０（図６）が１往復する間に、第１、第２気体流入口４１1、４１2は、第１、第２溝２２1、２２2に連通する。
【００６８】
ここで、第１溝２２1が設けられる範囲には、ピストンピン４０Ｃのクランク軸側頂部４０ＴＢが含まれる。また、第２溝２２2が設けられる範囲には、ピストンピン４０Ｃのピストン頂面側頂部４０ＴＰが含まれる。ピストン５０（図６）が上死点又は下死点にくると、ピストンピン４０Ｃのピストン頂面側頂部４０ＴＰ、又はクランク軸側頂部４０ＴＢには押付力が作用する。図８−３に示すピストンピン４０Ｃとコンロッド２０Ｃとの組み付け構造では、コンロッド２０Ｃの小端部２０2の内周に設けられる第１及び第２溝２２1、２２2内の気体の圧力によって、前記押付力を耐えることができる。
【００６９】
（変形例）
この実施例の変形例では、クランク軸の偏芯部の外周に、偏芯部の周方向に向かうとともに偏芯部の最偏芯部を含む溝を設け、さらに前記溝は、前記偏芯部の最も偏芯している部分（最偏芯部）に対してクランク軸の回転軸側に対向する部分を避けて形成される点に特徴がある。図９は、この実施例の変形例に係るクランク軸とコンロッドとの組み付け構造を示す断面図である。図１０−１、図１０−２は、図９のＦ−Ｆ断面図である。
【００７０】
図９、図１０−１に示すように、この変形例に係るクランク軸３０Ａは、偏芯部３０ｃの外周に、偏芯部３０ｃの周方向に向かう溝３８が形成されている。溝３８は、図１０−１に示すように、偏芯部３０ｃの最偏芯部３０Ｅを含み、かつ、最偏芯部３０Ｅに対してクランク軸の回転軸Ｚｒ側に対向する部分（最偏芯部対向部）３０ＥＯを避けて設けられる。このため、溝３８は、回転軸Ｚｒに垂直な断面形状が略Ｃ字形状となっている。すなわち、図１０−１に示すように、偏芯軸Ｚｃに対して、最偏芯部対向部３０ＥＯを含む所定の中心角θ3の範囲には溝３８が設けられず、前記中心角θ3を避けて溝３８が設けられる。これにより、ピストン５０（図３）が１往復する間に、気体流出口３３は溝３８に連通する。なお、溝３８とクランク側中空部３１とを連通する気体流出口３３は、クランク軸３０は強度面を考慮して、偏芯部３０の最偏芯部３０Ｅを避けて設けられる。この点は、上記実施例ですでに説明した通りである。
【００７１】
図１０−１は、ピストン５０（図３）が上死点に位置する状態を示し、図１０−２は、ピストン５０が下死点に位置する状態を示す。この変形例に係るクランク軸３０Ａのように溝３８を形成すると、偏芯部３０ｃの周方向に対して、偏芯部３０ｃとコンロッド２０Ｄの大端部２０1との間に存在する気体の圧力に偏りが生ずる。その結果、偏芯部３０ｃの周方向に対して、気体の圧力の不均衡が発生し、最偏芯部対向部３０ＥＯから最偏芯部３０Ｅへ向かう押付力ＦEが、コンロッド２０Ｄの大端部２０1から偏芯部３０ｃに対して作用する。
【００７２】
ここで、すでに説明したように、ピストン５０が上死点にくると、最偏芯部３０Ｅには、上死点から下死点に向かう押付力ＦTが作用する（図１０−１）。この変形例に係るクランク軸とコンロッドの組み付け構造によれば、最偏芯部対向部３０ＥＯを避けて溝３８を設けたことにより発生する前記押付力ＦEが、上死点において発生する前記押付力ＦTを支える。また、クランクケース９内を加圧する場合には、ピストン５０が下死点にくると、最偏芯部３０Ｅには、下死点から上死点に向かう押付力ＦBが作用する（図１０−２）。この変形例に係るクランク軸とコンロッドの組み付け構造によれば、最偏芯部対向部３０ＥＯを避けて溝３８を設けたことにより発生する前記押付力ＦEが、下死点において発生する前記押付力ＦBを支える。
【００７３】
ピストン５０の上死点、又は下死点においては、ピストン５０の往復運動中、最も大きな押付力ＦTやＦEがクランク軸３０Ａの偏芯部３０ｃに作用するが、この変形例によれば、前記押付力ＦTやＦBは緩和できるので、クランク軸３０Ａやその偏芯部３０ｃの強度面で有利になる。ここで、前記中心角θ3は、上又は下死点位置における押付力ＦT又はＦB、溝３８内に導入される気体の圧力、溝の開口面積等を考慮して決定する。
【００７４】
以上、この実施例及びその変形例では、クランク軸の内部に設けたクランク側中空部から、クランク軸と軸受との間、及びクランク軸の偏芯部とコンロッドの大端部との間に気体を流出させ、空気軸受を形成する。また、ピストンピンの内部に設けたピン側中空部からピストンピンとコンロッドの小端部との間に気体を流出させ、空気軸受を形成する。これによって、ピストンの往復運動を回転運動に変換する熱機関において内部摩擦を低減して、例えば熱源の温度が低い場合であっても、熱機関から動力を取り出すことができる。
【００７５】
また、この実施例及びその変形例では、クランク軸の偏芯部に設けられる気体流出口とクランク側給気口との間に第１圧抜き部を設け、また、ピストンピンに設けられる気体流入口とピン側給気口との間に第２圧抜き部を設ける。これにより、クランク軸の偏芯部の周方向、及びピストンピンの周方向における気体の圧力分布をバランスさせて、安定して空気軸受の機能を発揮させることができる。
【００７６】
なお、上記においては、ピストン装置を備える熱機関がスターリングエンジンである場合の例を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係るピストン装置は、スターリングエンジン以外の熱機関や装置に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の有用性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上のように、本発明に係るピストン装置は、摩擦の低減に有用であり、特に、クランク軸とコンロッドとの組み付け部、及びコンロッドとピストンピンとの組み付け部の摩擦を低減することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】この実施例に係るスターリングエンジンを示す断面図である。
【図２】この実施例に係るスターリングエンジンのピストンとシリンダとの間における空気軸受を示す断面図である。
【図３】この実施例に係るピストン装置を示す拡大断面図である。
【図４】クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す断面図である。
【図５−１】図４のＡ−Ａ断面図である。
【図５−２】図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図５−３】クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す一部断面図である。
【図５−４】図４の矢印Ｃ方向からみた正面図である。
【図６】クランク軸の偏芯部と、コンロッドの大端部との組み付け状態を示す断面図である。
【図７−１】図６のＤ−Ｄ断面図である。
【図７−２】図６のＥ−Ｅ断面図である。
【図８−１】この実施例に係るピストンピンとコンロッドとの他の組み付け例を示す断面図である。
【図８−２】この実施例に係るピストンピンとコンロッドとの他の組み付け例を示す断面図である。
【図８−３】この実施例に係るピストンピンとコンロッドとの他の組み付け例を示す断面図である。
【図９】この実施例の変形例に係るクランク軸とコンロッドとの組み付け構造を示す断面図である。
【図１０−１】図９のＦ−Ｆ断面図である。
【図１０−２】図９のＦ−Ｆ断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ ピストン装置（高温側ピストン装置）
３ シリンダ（高温側シリンダ）
９ クランクケース
１０ ポンプ
１４ 軸受部連通孔
１５ 軸受側圧抜き溝
１６ 気体供給溝
１７ 圧抜き孔
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ コンロッド
２０1 大端部（第１端部）
２０2 小端部（第２端部）
２０ｓ コンロッド軸部
２１ 気体通路
２２ 溝
２３ 第２圧抜き部
２３ｇ 第２圧抜き溝
２３ｈ 第２連通孔
２４ ラビリンスシール
２５ 溝
２６ 第１圧抜き部
２６ｇ 第１圧抜き溝
２６ｈ 第１連通孔
２７ ラビリンスシール
３０、３０Ａ クランク軸
３０ｃ 偏芯部
３０ｓ 回転軸部
３０Ｅ 最偏芯部
３０ＥＯ 最偏芯部対向部
３１ クランク側中空部
３３ 気体流出口
口３４ クランク側給気口
３５ クランク側給気口
３７ クランク側給気口
３８ 溝
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ ピストンピン
４０ｏ ピストンピン開口部
４０ＴＢ クランク軸側頂部
４０ＴＰ ピストン頂面側頂部
４０ｓ 側周部
４１ 気体流入口
４２ ピン側給気口
４３ ピン側中空部
５０ ピストン
１００ スターリングエンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、
前記気体流出口と前記クランク側給気口との間に設けられる第１圧抜き部と、
前記気体流入口と前記ピン側給気口との間に設けられる第２圧抜き部と、
を備えることを特徴とするピストン装置。
【請求項２】
前記第１圧抜き部と前記気体流出口との間、及び前記第２圧抜き部と前記気体流入口との間には、ラビリンスシールが設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。
【請求項３】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、
前記クランク軸が備える気体流出口は、前記偏芯部の最も偏芯している部分を避けて設けられることを特徴とするピストン装置。
【請求項４】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、
前記第１端部及び前記第２端部の内周、又は前記ピストンピンの外周及び前記偏芯部の外周に溝を形成し、
前記クランク軸の前記気体流出口、及び前記ピストンピンの前記気体流入口は、前記ピストンが１往復する間に前記溝に連通することを特徴とするピストン装置。
【請求項５】
前記溝は、前記偏芯部の最も偏芯している部分を含み、かつ前記偏芯部の最も偏芯している部分に対して前記クランク軸の回転軸側に対向する部分を避けて形成されることを特徴とする請求項４に記載のピストン装置。
【請求項６】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、
前記クランク軸の回転軸部における前記クランク軸の回転軸に垂直な断面形状は、前記偏芯部における前記クランク軸の回転軸に垂直な断面形状に包含されることを特徴とするピストン装置。
【請求項７】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含むとともに、
前記ピストンは、その内部に形成されるピストン側中空部から、前記ピストンと前記シリンダとの間に気体を流出させるピストン側給気口が側周部に設けられており、
前記ピストンピン内部に形成されるピン側中空部は、前記ピストン側中空部に連通していることを特徴とするピストン装置。
【請求項１】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、
前記気体流出口と前記クランク側給気口との間に設けられる第１圧抜き部と、
前記気体流入口と前記ピン側給気口との間に設けられる第２圧抜き部と、
を備えることを特徴とするピストン装置。
【請求項２】
前記第１圧抜き部と前記気体流出口との間、及び前記第２圧抜き部と前記気体流入口との間には、ラビリンスシールが設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。
【請求項３】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、
前記クランク軸が備える気体流出口は、前記偏芯部の最も偏芯している部分を避けて設けられることを特徴とするピストン装置。
【請求項４】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、
前記第１端部及び前記第２端部の内周、又は前記ピストンピンの外周及び前記偏芯部の外周に溝を形成し、
前記クランク軸の前記気体流出口、及び前記ピストンピンの前記気体流入口は、前記ピストンが１往復する間に前記溝に連通することを特徴とするピストン装置。
【請求項５】
前記溝は、前記偏芯部の最も偏芯している部分を含み、かつ前記偏芯部の最も偏芯している部分に対して前記クランク軸の回転軸側に対向する部分を避けて形成されることを特徴とする請求項４に記載のピストン装置。
【請求項６】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含み、
前記クランク軸の回転軸部における前記クランク軸の回転軸に垂直な断面形状は、前記偏芯部における前記クランク軸の回転軸に垂直な断面形状に包含されることを特徴とするピストン装置。
【請求項７】
内部に設けられるピン側中空部から気体を流出させるピン側給気口と、前記ピン側中空部に気体を取り込む気体流入口とを備え、かつシリンダ内を往復運動するピストンに取り付けられるピストンピンと、
内部に設けられるクランク側中空部から気体を流出させるクランク側給気口と、前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送るための気体流出口とを備えるクランク軸と、
第１端部が前記クランク軸の偏芯部に組み付けられ、第２端部が前記ピストンピンに組み付けられて、内部に形成される気体通路を介して前記クランク側中空部の気体を前記ピン側中空部へ送る連結棒と、を含むとともに、
前記ピストンは、その内部に形成されるピストン側中空部から、前記ピストンと前記シリンダとの間に気体を流出させるピストン側給気口が側周部に設けられており、
前記ピストンピン内部に形成されるピン側中空部は、前記ピストン側中空部に連通していることを特徴とするピストン装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図５−３】
【図５−４】
【図６】
【図７−１】
【図７−２】
【図８−１】
【図８−２】
【図８−３】
【図９】
【図１０−１】
【図１０−２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図５−３】
【図５−４】
【図６】
【図７−１】
【図７−２】
【図８−１】
【図８−２】
【図８−３】
【図９】
【図１０−１】
【図１０−２】
【公開番号】特開２００６−１８９１３６（Ｐ２００６−１８９１３６Ａ）
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８７１（Ｐ２００５−２８７１）
【出願日】平成１７年１月７日（２００５．１．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月７日（２００５．１．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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