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JP2009127519A - Piston engine and Stirling engine - Google Patents

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JP2009127519A
JP2009127519A JP2007303285A JP2007303285A JP2009127519A JP 2009127519 A JP2009127519 A JP 2009127519A JP 2007303285 A JP2007303285 A JP 2007303285A JP 2007303285 A JP2007303285 A JP 2007303285A JP 2009127519 A JP2009127519 A JP 2009127519A
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JP
Japan
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piston
cylinder
top surface
stirling engine
annular member
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007303285A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Sasajima
崇司 笹嶋
Daisaku Sawada
大作 澤田
Hiroshi Yaguchi
寛 矢口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減すること。
【解決手段】ピストン20は、シリンダ30内を往復運動する。ピストン20とシリンダ30との間には、気体軸受GBが形成される。ピストン20は、頂面20Ttから頂面反対側端部20Btに向かってピストン側段差部Kpまでの外径が、ピストン側段差部Kpから頂面反対側端部20Btまでの外径よりも小さく形成される縮径部21を備える。そして、この縮径部21には、環状部材50が嵌め合わされる。環状部材50は、ピストン20の縮径部21の材料よりも熱膨張率が小さい材料で作られる。
【選択図】 図4−1
[PROBLEMS] To reduce the possibility of contact between a piston and a cylinder.
A piston 20 reciprocates in a cylinder 30. A gas bearing GB is formed between the piston 20 and the cylinder 30. The piston 20 is formed such that the outer diameter from the top surface 20Tt to the piston-side stepped portion Kp toward the top-surface opposite end portion 20Bt is smaller than the outer diameter from the piston-side stepped portion Kp to the top surface opposite-side end portion 20Bt. The reduced diameter part 21 is provided. The annular member 50 is fitted into the reduced diameter portion 21. The annular member 50 is made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the material of the reduced diameter portion 21 of the piston 20.
[Selection] Figure 4-1

Description

本発明は、ピストンリングや潤滑油を使用しないでシリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関及びスターリングエンジンに関する。   The present invention relates to a piston engine and a Stirling engine in which a piston reciprocates in a cylinder without using a piston ring or lubricating oil.

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。特許文献1には、高温側ピストンの頂面側の外径を、スカート側の外径よりも小さくすることにより、高温側ピストンの頂面側に段差部を設けたスターリングエンジンが開示されている。   In recent years, Stirling engines with excellent theoretical thermal efficiency have attracted attention in order to recover exhaust heat and factory exhaust heat of internal combustion engines mounted on vehicles such as passenger cars, buses, and trucks. Patent Document 1 discloses a Stirling engine in which a step portion is provided on the top surface side of the high temperature side piston by making the outer diameter on the top surface side of the high temperature side piston smaller than the outer diameter on the skirt side. .

特開2005−106012号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-106012

しかし、特許文献1に開示されたスターリングエンジンでは、段差部においてピストンとシリンダとのクリアランスが急激に狭くなっており、この段差部の熱膨張によって、段差部でピストンとシリンダとが接触するおそれがある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンの頂面側でピストンとシリンダとの間のクリアランスを拡大することにより、ピストンの熱膨張によるピストンとシリンダとの接触を回避する構成において、ピストンとシリンダとの間のクリアランスが拡大する部分の段差部でピストンとシリンダとが接触するおそれを低減することを目的とする。   However, in the Stirling engine disclosed in Patent Document 1, the clearance between the piston and the cylinder at the stepped portion is abruptly narrowed, and the thermal expansion of the stepped portion may cause contact between the piston and the cylinder at the stepped portion. is there. The present invention has been made in view of the above, and has a configuration in which contact between the piston and the cylinder due to thermal expansion of the piston is avoided by enlarging the clearance between the piston and the cylinder on the top surface side of the piston. In the above, an object is to reduce the possibility that the piston and the cylinder come into contact with each other at the step portion where the clearance between the piston and the cylinder is enlarged.

上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、シリンダ内を往復運動するピストンを備えるピストン機関において、前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部と、前記縮径部に嵌め合わされる環状部材と、を含むことを特徴とする。このピストン機関は、環状部材によってピストンの径方向における熱膨張が抑制されるので、ピストンの熱膨張によるピストンとシリンダとの接触を回避する構成において、ピストンとシリンダとの間のクリアランスが拡大する部分の段差部でピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できる。   In order to achieve the above-described object, a piston engine according to the present invention is a piston engine including a piston that reciprocates in a cylinder, and is located at a predetermined position from the top surface of the piston toward the end opposite to the top surface of the piston. A reduced diameter portion formed so that the outer diameter of the portion up to the predetermined position is smaller than the outer diameter of the end opposite to the top surface of the piston, and an annular member fitted into the reduced diameter portion. It is characterized by. In this piston engine, since the thermal expansion in the radial direction of the piston is suppressed by the annular member, the clearance between the piston and the cylinder is increased in the configuration that avoids the contact between the piston and the cylinder due to the thermal expansion of the piston. The possibility that the piston and the cylinder come into contact with each other at the step portion can be reduced.

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において前記環状部材は、前記縮径部における前記ピストンを構成する材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成されることが望ましい。   As a preferred aspect of the present invention, in the piston engine, the annular member is preferably made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than a material constituting the piston in the reduced diameter portion.

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記環状部材の外径は、前記所定位置から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの外径と同一であることが望ましい。   As a preferred aspect of the present invention, in the piston engine, it is desirable that the outer diameter of the annular member is the same as the outer diameter of the piston from the predetermined position to the end opposite to the top surface.

本発明の好ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストンと前記シリンダとの間には、気体軸受が介在することが望ましい。   As a preferred aspect of the present invention, in the piston engine, it is desirable that a gas bearing be interposed between the piston and the cylinder.

上述の目的を達成するために、本発明に係るスターリングエンジンは、作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出するシリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部と、前記縮径部における前記ピストンを構成する材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成されて、前記縮径部に嵌め合わされる環状部材と、前記シリンダと前記ピストンとの間に介在する気体軸受と、を含むことを特徴とする。このスターリングエンジンは、ピストンの縮径部における材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成される環状部材によってピストンの径方向における熱膨張が抑制されるので、ピストンの熱膨張によるピストンとシリンダとの接触を回避する構成において、ピストンとシリンダとの間のクリアランスが拡大する部分の段差部でピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できる。   In order to achieve the above-described object, a Stirling engine according to the present invention includes a heater that heats a working fluid, a regenerator that is connected to the heater and through which the working fluid passes, and is connected to the regenerator. A heat exchanger including a cooler for cooling the working fluid; a cylinder into which the working fluid that has passed through the heat exchanger flows in and out; a piston that reciprocates in the cylinder; A reduced diameter portion in which an outer diameter of a portion from the top surface to a predetermined position toward the end on the opposite side of the top surface of the piston is smaller than an outer diameter of the end on the opposite side of the top surface of the piston from the predetermined position. An annular member that is made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the material constituting the piston in the reduced diameter portion, and is fitted into the reduced diameter portion, the cylinder, and the piston, Characterized in that it comprises a and a gas bearing intervening therebetween. In this Stirling engine, thermal expansion in the radial direction of the piston is suppressed by an annular member made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than that of the material in the reduced diameter portion of the piston. In the configuration for avoiding the contact, it is possible to reduce the possibility that the piston and the cylinder come into contact with each other at the step portion where the clearance between the piston and the cylinder increases.

本発明の好ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記環状部材の外径は、前記所定位置から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの外径と同一であることが望ましい。   As a preferred aspect of the present invention, in the Stirling engine, it is desirable that the outer diameter of the annular member is the same as the outer diameter of the piston from the predetermined position to the end opposite to the top surface.

本発明の好ましい態様としては、前記スターリングエンジンにおいて、前記ピストンは、近似直線機構によって支持されることが望ましい。   As a preferred aspect of the present invention, in the Stirling engine, the piston is preferably supported by an approximate linear mechanism.

本発明は、ピストンの頂面側でピストンとシリンダとの間のクリアランスを拡大することにより、ピストンの熱膨張によるピストンとシリンダとの接触を回避する構成において、ピストンとシリンダとの間のクリアランスが拡大する部分の段差部でピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できる。   The present invention increases the clearance between the piston and the cylinder on the top surface side of the piston, thereby avoiding the contact between the piston and the cylinder due to the thermal expansion of the piston. The possibility that the piston and the cylinder come into contact with each other at the stepped portion of the expanding portion can be reduced.

ピストンあるいはシリンダに設けた段差部で、ピストンとシリンダとのクリアランスが急激に狭くなることに起因して、ピストンの側周部の表面温度がピストンの頂面反対側から頂面に向かって急激に上昇することが見出された。そして、ピストンの側周部の表面温度が急激に上昇することにより、ピストンの径方向における熱膨張が他の部分よりも大きくなり、これによってピストンとシリンダとが接触するおそれがあることが見出された。本発明は、かかる点に着目して完成されたものである。   Due to the stepped portion provided in the piston or cylinder, the clearance between the piston and cylinder abruptly narrows, so the surface temperature of the side periphery of the piston suddenly increases from the opposite side of the piston toward the top surface. It was found to rise. Then, it is found that the surface temperature of the side peripheral portion of the piston suddenly rises, so that the thermal expansion in the radial direction of the piston becomes larger than that of other portions, which may cause the piston and the cylinder to come into contact with each other. It was done. The present invention has been completed with this point in mind.

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態(以下実施形態という)によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the best mode for carrying out the invention (hereinafter referred to as an embodiment). In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those in a so-called equivalent range.

なお、以下においては、ピストン機関の一例としてスターリングエンジンを取り上げるが、ピストン機関はこれに限定されるものではない。また、ピストン機関である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。   In the following, a Stirling engine is taken as an example of a piston engine, but the piston engine is not limited to this. Moreover, although the example which collect | recovers exhaust heat of the internal combustion engine mounted in a vehicle etc. using the Stirling engine which is a piston engine is demonstrated, the collection | recovery object of exhaust heat is not restricted to an internal combustion engine. For example, the present invention can also be applied to recovering waste heat from a factory, plant, or power generation facility.

本実施形態は、ピストンの熱膨張によるピストンとシリンダとの接触を回避するため、ピストンの頂面側においてピストン−シリンダ間のクリアランスを拡大する構成を備えるピストン機関に適用される。そして、本実施形態は、ピストンの頂面からピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置からピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部に、環状部材を嵌め合わせる点に特徴がある。   This embodiment is applied to a piston engine having a configuration in which the clearance between the piston and the cylinder is enlarged on the top surface side of the piston in order to avoid contact between the piston and the cylinder due to thermal expansion of the piston. In this embodiment, the outer diameter of the portion from the top surface of the piston to the predetermined position toward the end opposite to the top surface of the piston is larger than the outer diameter of the end portion on the opposite side of the piston from the predetermined position. It is characterized in that an annular member is fitted to a reduced diameter portion formed to be small.

図1は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。図2は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジン100は、いわゆるα型の直列2気筒スターリングエンジンである。本実施形態において、スターリングエンジン100は、内燃機関の排ガスExを通過させる通路として機能するヒータケース3に熱交換器108を配置して、内燃機関の排ガスExから熱エネルギーを回収する、排熱回収装置として用いられる。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a Stirling engine that is a piston engine according to the present embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of a gas bearing included in the Stirling engine that is the piston engine according to the present embodiment, and a piston support structure. A Stirling engine 100 that is a piston engine according to this embodiment is a so-called α-type in-line two-cylinder Stirling engine. In this embodiment, the Stirling engine 100 arranges the heat exchanger 108 in the heater case 3 that functions as a passage through which the exhaust gas Ex of the internal combustion engine passes, and recovers thermal energy from the exhaust gas Ex of the internal combustion engine. Used as a device.

スターリングエンジン100は、高温側シリンダ30H内に収められた高温側ピストン20Hと、低温側シリンダ30L内に収められた低温側ピストン20Lとが直列に配置されている。なお、以下において、高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30Lとを区別しない場合にはシリンダ30といい、高温側ピストン20Hと低温側ピストン20Lとを区別しない場合にはピストン20という。   In the Stirling engine 100, a high temperature side piston 20H housed in the high temperature side cylinder 30H and a low temperature side piston 20L housed in the low temperature side cylinder 30L are arranged in series. Hereinafter, the high temperature side cylinder 30H and the low temperature side cylinder 30L are referred to as the cylinder 30 when not distinguished from each other, and the high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L are referred to as piston 20 when not distinguished from each other.

高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30Lとは、基準体である基板111に、直接又は間接的に支持、固定されている。本実施形態に係るスターリングエンジン100においては、この基板111が、スターリングエンジン100の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、後述するように、本実施形態に係るスターリングエンジン100は、高温側シリンダ30Hと高温側ピストン20Hとの間、及び低温側シリンダ30Lと低温側ピストン20Lとの間に気体軸受GBを介在させる。   The high temperature side cylinder 30 </ b> H and the low temperature side cylinder 30 </ b> L are supported or fixed directly or indirectly on the substrate 111 which is a reference body. In the Stirling engine 100 according to the present embodiment, the substrate 111 serves as a position reference for each component of the Stirling engine 100. By comprising in this way, the relative positional accuracy of each said component can be ensured. Further, as will be described later, the Stirling engine 100 according to the present embodiment interposes the gas bearing GB between the high temperature side cylinder 30H and the high temperature side piston 20H and between the low temperature side cylinder 30L and the low temperature side piston 20L. .

本実施形態に係るスターリングエンジン100は、基準体である基板111に、高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30Lとを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストンとシリンダとのクリアランスを精度よく保持することができる。これによって、気体軸受GBの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン100の組み立ても容易になる。   The Stirling engine 100 according to the present embodiment can maintain the clearance between the piston and the cylinder with high accuracy by directly or indirectly attaching the high temperature side cylinder 30H and the low temperature side cylinder 30L to the substrate 111 which is a reference body. Can do. Thereby, the function of the gas bearing GB can be sufficiently exhibited. Further, the Stirling engine 100 can be easily assembled.

高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30Lとの間には、略U字形状のヒータ(加熱器)105と再生器106とクーラー107とで構成される熱交換器108が設けられる。このように、ヒータ105を略U字形状にすることによって、内燃機関の排気通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ105を容易に配置できる。また、このスターリングエンジン100のように、高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30Lとを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ105を比較的容易に配置することができる。   Between the high temperature side cylinder 30H and the low temperature side cylinder 30L, a heat exchanger 108 including a substantially U-shaped heater (heater) 105, a regenerator 106, and a cooler 107 is provided. Thus, by making the heater 105 substantially U-shaped, the heater 105 can be easily disposed in a relatively narrow space such as in the exhaust passage of the internal combustion engine. Further, by arranging the high temperature side cylinder 30H and the low temperature side cylinder 30L in series as in the Stirling engine 100, the heater 105 can be disposed relatively easily in a cylindrical space such as the exhaust gas passage of the internal combustion engine. can do.

ヒータ105の一方の端部は高温側シリンダ30H側に配置され、他方の端部は再生器106側に配置される。ヒータ105は、作動流体(本実施形態では空気)を加熱する。再生器106は、一方の端部がヒータ105側に配置され他方の端部はクーラー107側に配置されて、ヒータ105又はクーラー107から流入する作動流体が通過する。クーラー107の一方の端部は再生器106側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ30L側に配置される。クーラー107は、作動流体を冷却する。高温側シリンダ30H及び低温側シリンダ30Lは、熱交換器108を通過した作動流体が流入し、流出する。   One end of the heater 105 is disposed on the high temperature side cylinder 30H side, and the other end is disposed on the regenerator 106 side. The heater 105 heats the working fluid (in this embodiment, air). The regenerator 106 has one end disposed on the heater 105 side and the other end disposed on the cooler 107 side, through which the working fluid flowing from the heater 105 or the cooler 107 passes. One end of the cooler 107 is disposed on the regenerator 106 side, and the other end is disposed on the low temperature side cylinder 30L side. The cooler 107 cools the working fluid. The working fluid that has passed through the heat exchanger 108 flows into and out of the high temperature side cylinder 30H and the low temperature side cylinder 30L.

高温側シリンダ30H、低温側シリンダ30L及び熱交換器108内には作動流体が封入されており、ヒータ105から供給される熱によってスターリングサイクルを構成し、スターリングエンジン100を駆動する。ここで、例えば、ヒータ105、クーラー107は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねて構成することができる。クーラー107は空冷としてもよいし、水冷としてもよい。また、再生器106は、例えば、多孔質の蓄熱体で構成する。なお、ヒータ105、クーラー107及び再生器106の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン100の仕様等によって、好適な構成を選択できる。   A working fluid is sealed in the high temperature side cylinder 30H, the low temperature side cylinder 30L, and the heat exchanger 108, and a Stirling cycle is constituted by the heat supplied from the heater 105 to drive the Stirling engine 100. Here, for example, the heater 105 and the cooler 107 can be configured by bundling a plurality of tubes made of a material having high thermal conductivity and excellent heat resistance. The cooler 107 may be air-cooled or water-cooled. Moreover, the regenerator 106 is comprised with a porous heat storage body, for example. Note that the configurations of the heater 105, the cooler 107, and the regenerator 106 are not limited to this example, and a suitable configuration can be selected depending on the heat conditions of the exhaust heat recovery target, the specifications of the Stirling engine 100, and the like.

高温側ピストン20Hと低温側ピストン20Lとは、高温側シリンダ30Hと低温側シリンダ30L内に気体軸受GBを介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さず、潤滑油を用いないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストン20とシリンダ30との間の摩擦を低減して、スターリングエンジン100の効率を向上させることができる。また、ピストン20とシリンダ30との摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下でスターリングエンジン100を使用する場合でも、スターリングエンジン100により排熱から熱エネルギーを回収できる。   The high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L are supported in the high temperature side cylinder 30H and the low temperature side cylinder 30L via a gas bearing GB. That is, the piston is supported in the cylinder without using a piston ring and without using lubricating oil. Thereby, the friction between the piston 20 and the cylinder 30 can be reduced, and the efficiency of the Stirling engine 100 can be improved. Further, by reducing the friction between the piston 20 and the cylinder 30, for example, even when the Stirling engine 100 is used under a low heat source and low temperature difference operating condition such as exhaust heat recovery of an internal combustion engine, the Stirling engine 100 is used. The heat energy can be recovered from the exhaust heat.

気体軸受GBを構成するため、図2に示すように、ピストン20(高温側ピストン20H、低温側ピストン20L)とシリンダ30(高温側シリンダ30H、低温側シリンダ30L)との間には、所定のクリアランスtcを設ける。クリアランスtcは、ピストン20の全周にわたって数μm〜数10μmとする。高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの往復運動は、コネクティングロッド61によって出力軸であるクランク軸110に伝達され、ここで回転運動に変換される。   In order to constitute the gas bearing GB, as shown in FIG. 2, there is a predetermined gap between the piston 20 (high temperature side piston 20H, low temperature side piston 20L) and the cylinder 30 (high temperature side cylinder 30H, low temperature side cylinder 30L). A clearance tc is provided. The clearance tc is set to several μm to several tens of μm over the entire circumference of the piston 20. The reciprocating motion of the high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L is transmitted to the crankshaft 110, which is the output shaft, by the connecting rod 61, where it is converted into rotational motion.

ここで、気体軸受GBは、ピストン20の径方向(横方向、スラスト方向)の力に耐える能力(負荷能力)が低いため、ピストン20のサイドフォースFsを実質的に0にすることが好ましい。このため、シリンダ30の軸線(中心軸)に対するピストン20の直線運動精度を高くする必要がある。これを実現するため、本実施形態において、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lは、図2に示す近似直線機構(例えばグラスホッパ機構)60によって支持される。本実施形態では、例えば、近似直線機構60によってサイドフォースFsの大部分を支持し、ピストン20の往復運動が近似直線運動から外れる際に発生する分のサイドフォースFsを気体軸受GBによって支持する。本実施形態では、近似直線機構60にグラスホッパ機構を用いる。   Here, since the gas bearing GB has a low ability (load ability) to withstand the force in the radial direction (lateral direction, thrust direction) of the piston 20, it is preferable that the side force Fs of the piston 20 is substantially zero. For this reason, it is necessary to increase the linear motion accuracy of the piston 20 with respect to the axis (center axis) of the cylinder 30. In order to realize this, in the present embodiment, the high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L are supported by an approximate linear mechanism (for example, a grasshopper mechanism) 60 shown in FIG. In the present embodiment, for example, the approximate linear mechanism 60 supports most of the side force Fs, and the side force Fs generated when the reciprocating motion of the piston 20 deviates from the approximate linear motion is supported by the gas bearing GB. In the present embodiment, a grasshopper mechanism is used as the approximate linear mechanism 60.

近似直線機構60は、一端部がスターリングエンジン100の筐体100Cへ回動可能に取り付けられる第1腕62と、同じく一端部がスターリングエンジン100の筐体100Cへ回動可能に取り付けられる第2腕63と、一端部がコネクティングロッド61の端部と回動可能に連結され、他端部が第2腕63の他端部と回動可能に連結される第3腕64とで構成される。コネクティングロッド61は、クランク軸110と回動可能に取り付けられる端部とは異なる端部が、第3腕64の端部と回動可能に連結される。また、第1腕62の他端部は、第3腕63の両端部の間に、回動可能に連結される。   The approximate linear mechanism 60 has a first arm 62 whose one end is rotatably attached to the casing 100C of the Stirling engine 100, and a second arm whose one end is rotatably attached to the casing 100C of the Stirling engine 100. 63, and a third arm 64 having one end rotatably connected to the end of the connecting rod 61 and the other end rotatably connected to the other end of the second arm 63. The connecting rod 61 is rotatably connected to the end of the third arm 64 at an end different from the end that is rotatably attached to the crankshaft 110. Further, the other end of the first arm 62 is rotatably connected between both ends of the third arm 63.

このような近似直線機構60を用いれば、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lを略直線状に往復運動させることができる。その結果、ピストン20のサイドフォースFsがほとんど0になるので、負荷能力の小さい気体軸受GBによっても十分にピストン20を支持できる。なお、ピストン20を支持する近似直線機構はグラスホッパ機構に限られるものではなく、ワットリンク等を用いてもよい。   If such an approximate linear mechanism 60 is used, the high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L can be reciprocated substantially linearly. As a result, since the side force Fs of the piston 20 becomes almost zero, the piston 20 can be sufficiently supported even by the gas bearing GB having a small load capacity. The approximate linear mechanism that supports the piston 20 is not limited to the grasshopper mechanism, and a watt link or the like may be used.

ここで、近似直線機構の一種であるグラスホッパ機構は、他の直線近似機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の寸法が小さくて済む。このため、近似直線機構60としてグラスホッパ機構を用いると、スターリングエンジン100全体がコンパクトになるという利点がある。特に、スターリングエンジン100を車両に搭載される内燃機関の排熱回収に用い、内燃機関の排ガスの通路に熱交換器108を配置するというような、限られたスペースにスターリングエンジンを設置する場合、スターリングエンジン100の全体がコンパクトである方が設置の自由度は向上する。また、グラスホッパ機構は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の質量が他の機構よりも軽量で済むため、熱効率を向上させる点で有利である。さらに、グラスホッパ機構は、構成が比較的簡単であるため、製造・組み立てが容易であり、また製造コストも低減できるという利点もある。   Here, the glass hopper mechanism, which is a kind of approximate linear mechanism, requires a smaller dimension of the mechanism to obtain the same linear motion accuracy than other linear approximate mechanisms. For this reason, when a grasshopper mechanism is used as the approximate linear mechanism 60, there is an advantage that the entire Stirling engine 100 becomes compact. In particular, when the Stirling engine 100 is installed in a limited space such as using the Stirling engine 100 for exhaust heat recovery of an internal combustion engine mounted on a vehicle and disposing the heat exchanger 108 in the exhaust gas passage of the internal combustion engine, The degree of freedom of installation is improved when the entire Stirling engine 100 is compact. Further, the grasshopper mechanism is advantageous in terms of improving the thermal efficiency because the mass of the mechanism necessary for obtaining the same linear motion accuracy is lighter than other mechanisms. Furthermore, since the grasshopper mechanism is relatively simple in structure, it is advantageous in that it can be easily manufactured and assembled, and the manufacturing cost can be reduced.

図1に示すように、スターリングエンジン100を構成する高温側シリンダ30H、高温側ピストン20H、コネクティングロッド61、クランク軸110等の構成要素は、筐体100Cに格納される。スターリングエンジン100の筐体100Cは、クランクケース114Aと、シリンダブロック114Bとを含んで構成される。筐体100C内には気体が充填される。本実施形態において、前記気体は、スターリングエンジン100の作動流体と同一である。筐体100C内に充填される気体は、圧力調整手段であるポンプ115により加圧される。ポンプ115は、例えば、スターリングエンジン100の排熱回収対象である内燃機関によって駆動してもよいし、例えば電動機のような駆動手段を用いて駆動してもよい。   As shown in FIG. 1, components such as the high temperature side cylinder 30H, the high temperature side piston 20H, the connecting rod 61, and the crankshaft 110 that constitute the Stirling engine 100 are stored in a housing 100C. The casing 100C of the Stirling engine 100 includes a crankcase 114A and a cylinder block 114B. The housing 100C is filled with gas. In the present embodiment, the gas is the same as the working fluid of the Stirling engine 100. The gas filled in the housing 100C is pressurized by a pump 115 that is a pressure adjusting means. The pump 115 may be driven by, for example, an internal combustion engine that is an exhaust heat recovery target of the Stirling engine 100, or may be driven using a driving unit such as an electric motor.

スターリングエンジン100は、ヒータ105とクーラー107との温度差が同じ場合、作動流体の平均圧力が高い程、高温側と低温側との圧力差が大きくなるので、より高い出力が得られる。スターリングエンジン100は、筐体100C内に充填される気体を加圧することにより、作動空間MS内の作動流体を高圧に保持して、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ように構成してある。これによって、排熱回収のように低質な熱源しか用いることができない場合でも、より多くの出力をスターリングエンジン100から取り出すことができる。ここで、スターリングエンジン100の出力は、筐体100C内に充填される気体の圧力に略比例して大きくなる。   In the Stirling engine 100, when the temperature difference between the heater 105 and the cooler 107 is the same, the higher the average pressure of the working fluid, the larger the pressure difference between the high temperature side and the low temperature side, so that a higher output can be obtained. The Stirling engine 100 is configured to take out more output from the Stirling engine 100 by holding the working fluid in the working space MS at a high pressure by pressurizing the gas filled in the housing 100C. . As a result, even when only a low-quality heat source can be used, such as exhaust heat recovery, more output can be extracted from the Stirling engine 100. Here, the output of the Stirling engine 100 increases substantially in proportion to the pressure of the gas filled in the housing 100C.

スターリングエンジン100は、筐体100Cにシール軸受116が取り付けられており、クランク軸110はシール軸受116により支持される。スターリングエンジン100は、筐体100C内に充填される気体を加圧するが、シール軸受116により、筐体100C内に充填される気体の漏れを最小限に抑えることができる。クランク軸110の出力は、例えば、オルダムカップリングのようなフレキシブルカップリング119を介して筐体100Cの外部へ取り出される。   In the Stirling engine 100, a seal bearing 116 is attached to the housing 100C, and the crankshaft 110 is supported by the seal bearing 116. The Stirling engine 100 pressurizes the gas filled in the housing 100C, but the seal bearing 116 can minimize leakage of the gas filled in the housing 100C. The output of the crankshaft 110 is taken out of the housing 100C via a flexible coupling 119 such as an Oldham coupling, for example.

図1、図2に示すように、本実施形態においては、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの側周部に設けた給気口HEから気体(本実施形態では作動流体と同じ空気)Aを吹き出して、気体軸受GBを形成する。図1、図2に示すように、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの内部には、それぞれ高温側ピストン内空間20HI及び低温側ピストン内空間20LIが形成される。両者を区別しない場合には、単にピストン内空間20Iという。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, gas (same air as working fluid in the present embodiment) A is provided from the air supply port HE provided in the side peripheral portions of the high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L. Is blown out to form the gas bearing GB. As shown in FIGS. 1 and 2, a high temperature side piston internal space 20HI and a low temperature side piston internal space 20LI are formed inside the high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L, respectively. When they are not distinguished from each other, they are simply referred to as a piston internal space 20I.

高温側ピストン20Hには、高温側ピストン内空間20HIへ気体Aを供給するための気体導入口HIが設けられており、低温側ピストン20Lには、低温側ピストン内空間20LIへ気体Aを供給するための気体導入口HIが設けられている。それぞれの気体導入口HIには、気体供給管118が接続されている。気体供給管118の一端は、気体軸受用ポンプ117に接続されており、気体軸受用ポンプ117から吐出される気体Aを高温側ピストン内空間20HI及び低温側ピストン内空間20LIへ導く。   The high temperature side piston 20H is provided with a gas inlet HI for supplying the gas A to the high temperature side piston internal space 20HI, and the low temperature side piston 20L is supplied with the gas A to the low temperature side piston internal space 20LI. A gas inlet HI is provided. A gas supply pipe 118 is connected to each gas inlet HI. One end of the gas supply pipe 118 is connected to the gas bearing pump 117 and guides the gas A discharged from the gas bearing pump 117 to the high temperature side piston internal space 20HI and the low temperature side piston internal space 20LI.

高温側ピストン内空間20HI及び低温側ピストン内空間20LIへ導入された気体Aは、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの側周部に設けた給気口HEから流出して、気体軸受GBを形成する。なお、この気体軸受GBは、静圧気体軸受であるが、本実施形態において、気体軸受GBの構造はこれに限定されるものではなく、動圧気体軸受であってもよい。   The gas A introduced into the high temperature side piston internal space 20HI and the low temperature side piston internal space 20LI flows out from the air supply port HE provided in the side periphery of the high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L, and flows through the gas bearing GB. Form. In addition, although this gas bearing GB is a static pressure gas bearing, in this embodiment, the structure of the gas bearing GB is not limited thereto, and may be a dynamic pressure gas bearing.

また、高温側ピストン20H及び低温側ピストン20Lの頂面に気体取り込み孔を設けて、この気体取り込み孔から高温側ピストン内空間20HI及び低温側ピストン内空間20LIへ作動流体である気体Aを取り込み、給気口HEから流出させて気体軸受GBを構成してもよい。なお、本実施形態の気体軸受GBは静圧気体軸受であるが、動圧気体軸受を用いてもよい。   Further, a gas intake hole is provided on the top surfaces of the high temperature side piston 20H and the low temperature side piston 20L, and the gas A as a working fluid is taken into the high temperature side piston internal space 20HI and the low temperature side piston internal space 20LI from the gas intake hole, The gas bearing GB may be configured by flowing out from the air supply port HE. In addition, although the gas bearing GB of this embodiment is a static pressure gas bearing, you may use a dynamic pressure gas bearing.

図3は、スターリングエンジンの運転中におけるピストンの表面温度及び熱膨張を示す説明図である。図3は、スターリングエンジン(例えば図1に示すようなα型のスターリングエンジン)のピストン(高温側のピストン)200の表面温度(ピストン表面温度)Tp、ピストン200及びシリンダ(高温側のシリンダ)300の径方向における熱膨張のシミュレーション結果を示している。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the surface temperature and thermal expansion of the piston during operation of the Stirling engine. FIG. 3 shows a surface temperature (piston surface temperature) Tp of a piston (high temperature side piston) 200 of a Stirling engine (for example, an α-type Stirling engine as shown in FIG. 1), a piston 200 and a cylinder (high temperature side cylinder) 300. The simulation result of the thermal expansion in the radial direction is shown.

図3の中央は、ピストン200の側周部の表面温度(ピストン表面温度)Tpを示しており、ピストン200の頂面200Ttに近づくにしたがってピストン表面温度Tpは上昇する。また、Tp_Kは、ピストン側段差部Kpでのピストン表面温度である。図3の左側は、スターリングエンジンを運転する前におけるピストン200及びシリンダ300の熱膨張の状態を示す。また、図3の右側は、スターリングエンジンの運転中におけるピストン200及びシリンダ300の熱膨張の状態を示す。図3の左側及び右側におけるRは、ピストンの中心軸(シリンダの中心軸と同じ)からの距離を示す。   The center of FIG. 3 shows the surface temperature (piston surface temperature) Tp of the side periphery of the piston 200, and the piston surface temperature Tp increases as it approaches the top surface 200Tt of the piston 200. Tp_K is the piston surface temperature at the piston side stepped portion Kp. The left side of FIG. 3 shows the state of thermal expansion of the piston 200 and the cylinder 300 before operating the Stirling engine. Further, the right side of FIG. 3 shows a state of thermal expansion of the piston 200 and the cylinder 300 during operation of the Stirling engine. R on the left side and the right side in FIG. 3 indicates a distance from the central axis of the piston (same as the central axis of the cylinder).

スターリングエンジンの運転中においては、スターリングエンジンの作動流体がピストン200の頂面200Ttへ定常的に熱を与えることにより、頂面200Ttから側周部200Sに向かう熱の流れが発生し、図3の中央に示すようなピストン表面温度Tpの温度勾配が形成される。このピストン200は、後述するピストン側段差部Kp及びシリンダ側段差部Ksを設け、ピストン200とシリンダ300とのクリアランスを気体軸受GBが形成される領域よりも拡大して、ピストン200の頂面200Tt側の熱膨張を回避する。   During operation of the Stirling engine, the working fluid of the Stirling engine constantly applies heat to the top surface 200Tt of the piston 200, so that a heat flow from the top surface 200Tt toward the side peripheral portion 200S is generated. A temperature gradient of the piston surface temperature Tp as shown in the center is formed. This piston 200 is provided with a piston-side stepped portion Kp and a cylinder-side stepped portion Ks, which will be described later, and the clearance between the piston 200 and the cylinder 300 is expanded more than the region where the gas bearing GB is formed. Avoid side thermal expansion.

ここで、ピストン側段差部Kpにおいては、ピストン200とシリンダ300とのクリアランスが急激に変化する。具体的には、ピストン側段差部Kpで、ピストン側段差部Kpよりも頂面反対側端部200Bt側でピストン200とシリンダ300とのクリアランスが急激に縮小する。これに起因して、図3の中央に示すように、ピストン側段差部Kpでは頂面反対側端部200Bt側から頂面200Ttへ向かうにしたがってピストン表面温度Tpは急激に上昇する。ここで、図3のTp_Kが、ピストン側段差部Kpの温度である。   Here, in the piston side stepped portion Kp, the clearance between the piston 200 and the cylinder 300 changes abruptly. Specifically, at the piston-side stepped portion Kp, the clearance between the piston 200 and the cylinder 300 is rapidly reduced at the end 200Bt on the side opposite to the top surface from the piston-side stepped portion Kp. As a result, as shown in the center of FIG. 3, the piston surface temperature Tp rises rapidly as it goes from the top surface opposite end portion 200 Bt side to the top surface 200 Tt at the piston side stepped portion Kp. Here, Tp_K in FIG. 3 is the temperature of the piston side stepped portion Kp.

その結果、スターリングエンジン運転中においては、図3の右側に示すように、ピストン200の径方向に向かうピストン側段差部Kpの熱膨張が他の部分よりも大きくなり、ピストン200とシリンダ300とのクリアランスを気体軸受GBが形成される領域よりも拡大させたとしても、ピストン側段差部Kpでピストン200とシリンダ300とが接触してしまう。そこで、本実施形態では、ピストンの頂面からピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成された縮径部に環状部材を嵌め合わせて取り付ける構造とすることにより、ピストン側段差部Kpの径方向に向かう熱膨張を抑制する。次に、この構造について詳細に説明する。   As a result, during operation of the Stirling engine, as shown on the right side of FIG. 3, the thermal expansion of the piston-side stepped portion Kp in the radial direction of the piston 200 becomes larger than the other portions, and the piston 200 and the cylinder 300 Even if the clearance is made larger than the region where the gas bearing GB is formed, the piston 200 and the cylinder 300 come into contact with each other at the piston side stepped portion Kp. Therefore, in this embodiment, the outer diameter of the portion from the top surface of the piston to the predetermined position toward the end on the opposite side of the top surface of the piston is larger than the outer diameter of the end on the opposite side of the top surface of the piston from the predetermined position. Further, by adopting a structure in which the annular member is fitted and attached to the reduced diameter portion formed to be smaller, the thermal expansion in the radial direction of the piston side stepped portion Kp is suppressed. Next, this structure will be described in detail.

図4−1は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備えるピストン及びシリンダの構成を示す拡大図である。図4−2は、本実施形態に係るピストンに取り付けられる環状部材を示す平面図である。図5−1は、本実施形態に係るピストンの構成を示す模式図である。図5−2は、本実施形態に係るシリンダの構成を示す模式図である。図4−1、図4−2、図5−1、図5−2は、図1に示すスターリングエンジン100の高温側ピストン20H及び高温側シリンダ30Hであるが、次の説明では、便宜上単にピストン20、シリンダ30という。本実施形態に係るピストンとシリンダとの構成は、特に高温側ピストン20H及び高温側シリンダ30Hに適用することが好ましいが、図1に示す低温側ピストン20L及び低温側シリンダ30Lに適用してもよい。   FIG. 4A is an enlarged view showing a configuration of a piston and a cylinder included in a Stirling engine that is a piston engine according to the present embodiment. FIG. 4-2 is a plan view showing an annular member attached to the piston according to the present embodiment. FIG. 5A is a schematic diagram illustrating a configuration of a piston according to the present embodiment. FIG. 5B is a schematic diagram illustrating the configuration of the cylinder according to the present embodiment. 4-1, FIG. 4-2, FIG. 5-1, and FIG. 5-2 show the high temperature side piston 20H and the high temperature side cylinder 30H of the Stirling engine 100 shown in FIG. 20 and cylinder 30. The configuration of the piston and the cylinder according to this embodiment is particularly preferably applied to the high temperature side piston 20H and the high temperature side cylinder 30H, but may be applied to the low temperature side piston 20L and the low temperature side cylinder 30L shown in FIG. .

シリンダ30内を往復運動するピストン20は、頂面20Ttと、頂面20Ttに接続する側周部20Sと、を含んで構成される。ピストン20の頂面20Ttは、ピストン20が作動流体と接する面である。また、ピストン20の頂面20Ttと反対側の端部が、ピストン20の頂面反対側端部20Btとなる。シリンダ30の頂部側端部30Ttには、図1に示す熱交換器108のヒータ105の一端部が接続されている。シリンダ30の頂部側端部30Ttは、シリンダ30の二つの端部のうち、ピストン20が上死点にきたときに、ピストン20の頂面20Ttと最も近接する端部である。シリンダ30の頂部側端部30Ttと反対側の端部は、シリンダ30の頂部反対側端部30Btである。また、ピストン20の側周部20Sと対向するシリンダ30の面は、シリンダ内周面30Sとなる。   The piston 20 that reciprocates in the cylinder 30 includes a top surface 20Tt and a side peripheral portion 20S connected to the top surface 20Tt. The top surface 20Tt of the piston 20 is a surface on which the piston 20 contacts the working fluid. Further, the end portion of the piston 20 opposite to the top surface 20Tt is the top surface opposite end portion 20Bt of the piston 20. One end of the heater 105 of the heat exchanger 108 shown in FIG. 1 is connected to the top end 30Tt of the cylinder 30. The top portion side end portion 30Tt of the cylinder 30 is an end portion that is closest to the top surface 20Tt of the piston 20 when the piston 20 comes to the top dead center among the two end portions of the cylinder 30. The end of the cylinder 30 opposite to the top end 30Tt is the top 30 opposite end 30Bt of the cylinder 30. Further, the surface of the cylinder 30 facing the side peripheral portion 20S of the piston 20 is a cylinder inner peripheral surface 30S.

ピストン20の頂面20Tt側の側周部20Sには、段差部(ピストン側段差部)Kpが設けられる。ピストン側段差部Kpは、ピストン20の頂面20Ttからピストン20の頂面反対側端部20Btに向かった所定位置に設けられる。ここで、ピストン20の頂面20Ttからピストン側段差部Kpまでの距離はL1である。ピストン20の頂面20Ttからピストン側段差部Kpまでにおけるピストン20の外径Dp1は、ピストン側段差部Kpからピストン20の頂面反対側端部20Btまでにおけるピストン20の外径Dp2よりも小さい。すなわち、ピストン20は、その頂面20Ttからピストン20の頂面反対側端部20Btに向かって所定位置までの部分の外径Dp1が、前記所定位置からピストン20の頂面反対側端部20Btの外径Dp2よりも小さく形成される縮径部21を有する。この縮径部21によって、ピストン20の頂面20Tt側の側周部20Sは、ピストン20の頂面20Tt側の外径が小さくなるような階段状に形成される。   A stepped portion (piston side stepped portion) Kp is provided on the side peripheral portion 20S on the top surface 20Tt side of the piston 20. The piston side stepped portion Kp is provided at a predetermined position from the top surface 20Tt of the piston 20 toward the end 20Bt on the opposite side of the top surface of the piston 20. Here, the distance from the top surface 20Tt of the piston 20 to the piston side stepped portion Kp is L1. The outer diameter Dp1 of the piston 20 from the top surface 20Tt of the piston 20 to the piston-side stepped portion Kp is smaller than the outer diameter Dp2 of the piston 20 from the piston-side stepped portion Kp to the end 20Bt on the piston 20 opposite to the top surface. That is, the piston 20 has an outer diameter Dp1 of a portion from the top surface 20Tt to a predetermined position toward the top surface opposite end 20Bt of the piston 20 so that the top surface opposite end 20Bt of the piston 20 from the predetermined position. It has the reduced diameter part 21 formed smaller than the outer diameter Dp2. By this reduced diameter portion 21, the side peripheral portion 20 </ b> S on the top surface 20 </ b> Tt side of the piston 20 is formed in a stepped shape so that the outer diameter on the top surface 20 </ b> Tt side of the piston 20 becomes small.

また、本実施形態において、上死点でのピストン20の頂面20Tt側の側周部20Sに対向するシリンダ30のシリンダ内周面30Sには、段差部(シリンダ側段差部)Ksが設けられる。シリンダ30の頂部側端部30Ttからシリンダ側段差部Ksまでの距離はL2であり、L1<L2となる。また、シリンダ30の頂部側端部30Ttからシリンダ側段差部Ksまでにおけるシリンダ30の内径はDs1であり、シリンダ側段差部Ksからシリンダ30の頂部反対側端部30Btまでにおけるシリンダ30の内径はDs2である。なお、本実施形態において、シリンダ側段差部Ksは設けなくてもよい。   Further, in the present embodiment, a step portion (cylinder side step portion) Ks is provided on the cylinder inner peripheral surface 30S of the cylinder 30 that faces the side peripheral portion 20S on the top surface 20Tt side of the piston 20 at the top dead center. . The distance from the top side end portion 30Tt of the cylinder 30 to the cylinder side stepped portion Ks is L2, and L1 <L2. Further, the inner diameter of the cylinder 30 from the top side end 30Tt of the cylinder 30 to the cylinder side stepped portion Ks is Ds1, and the inner diameter of the cylinder 30 from the cylinder side stepped portion Ks to the top opposite end 30Bt of the cylinder 30 is Ds2. It is. In the present embodiment, the cylinder side stepped portion Ks may not be provided.

上述したようにピストン20とシリンダ30とを構成することにより、ピストン20の頂面20Ttからピストン20の頂面反対側端部20Btに向かって所定距離L1の位置までの部分(ピストン側段差部Kp)におけるピストン20とシリンダ30との間には、クリアランスtceが形成される。また、前記所定距離L1の位置からピストン20の頂面反対側端部20Btまでにおけるピストン20とシリンダ30との間には、クリアランスtcが形成される。そして、クリアランスtceはクリアランスtcよりも大きくなる(tce>tce)。ここで、クリアランスtceは(Ds1−Dp1)/2であり、クリアランスtcは(Ds2−Dp2)/2である。そして、所定距離L1の位置から頂面反対側端部20Btまでにおいてピストン20とシリンダ30との間に形成されるクリアランスtcには、気体軸受GBが介在する。   By configuring the piston 20 and the cylinder 30 as described above, a portion from the top surface 20Tt of the piston 20 to the position of the predetermined distance L1 from the top surface opposite end portion 20Bt of the piston 20 (piston side stepped portion Kp The clearance tce is formed between the piston 20 and the cylinder 30 in FIG. Further, a clearance tc is formed between the piston 20 and the cylinder 30 from the position of the predetermined distance L1 to the end 20Bt on the opposite side of the top surface of the piston 20. The clearance tce is larger than the clearance tc (tce> tce). Here, the clearance tce is (Ds1-Dp1) / 2, and the clearance tc is (Ds2-Dp2) / 2. A gas bearing GB is interposed in a clearance tc formed between the piston 20 and the cylinder 30 from the position of the predetermined distance L1 to the top surface opposite end 20Bt.

図1に示す高温側ピストン20Hの頂面は、ヒータ105で加熱された高温の作動流体と接触するので熱膨張する。ピストン側段差部Kpによってピストン20の頂面20Tt側の側周部20Sが階段状に形成されたピストン20は、上述したように、ピストン20の径方向に向かうピストン側段差部Kpの熱膨張が他の部分よりも大きくなるので、ピストン20とシリンダ30とが接触するおそれがある。そこで、本実施形態では、図4−1、図5−1に示すように、ピストン20の頂面20Tt側に形成された縮径部21に、図4−2に示す環状部材50を嵌め合わせて取り付けて、ピストン20の径方向に向かうピストン側段差部Kpの熱膨張を抑制する。これによって、ピストン20が径方向へ熱膨張することによるピストン20とシリンダ30との接触を回避する。   The top surface of the high temperature side piston 20 </ b> H shown in FIG. 1 is in thermal expansion because it contacts the high temperature working fluid heated by the heater 105. In the piston 20 in which the side peripheral portion 20S on the top surface 20Tt side of the piston 20 is formed in a stepped shape by the piston-side stepped portion Kp, as described above, the thermal expansion of the piston-side stepped portion Kp toward the radial direction of the piston 20 occurs. Since it becomes larger than other parts, there exists a possibility that piston 20 and cylinder 30 may contact. Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 4-1 and 5-1, the annular member 50 shown in FIG. 4-2 is fitted to the reduced diameter portion 21 formed on the top surface 20Tt side of the piston 20. To suppress the thermal expansion of the piston-side stepped portion Kp toward the radial direction of the piston 20. This avoids contact between the piston 20 and the cylinder 30 due to thermal expansion of the piston 20 in the radial direction.

環状部材50の外径はDroであり、内径はDriである。環状部材50はピストン20の頂面20Tt側に形成された縮径部21にはめ込まれて取り付けられるので、環状部材50の内径Driは、縮径部21の外径Dp1以下に設定される。例えば、環状部材50をしまり嵌めでピストン20の縮径部21へ取り付ける場合、環状部材50の内径Driは、縮径部21の外径Dp1よりも小さくする。この場合、環状部材50を加熱して環状部材50の温度をピストン20の縮径部21の温度よりも高くする焼き嵌めを用いるか、ピストン20の縮径部21を冷却して縮径部21の温度を環状部材50の温度よりも低くする冷やし嵌めを用いる。   The outer diameter of the annular member 50 is Dro, and the inner diameter is Dri. Since the annular member 50 is fitted and attached to the reduced diameter portion 21 formed on the top surface 20Tt side of the piston 20, the inner diameter Dri of the annular member 50 is set to be equal to or less than the outer diameter Dp1 of the reduced diameter portion 21. For example, when the annular member 50 is attached to the reduced diameter portion 21 of the piston 20 by tight fitting, the inner diameter Dri of the annular member 50 is made smaller than the outer diameter Dp1 of the reduced diameter portion 21. In this case, shrink fitting is used by heating the annular member 50 so that the temperature of the annular member 50 is higher than the temperature of the reduced diameter portion 21 of the piston 20 or cooling the reduced diameter portion 21 of the piston 20. A cold fit is used in which the temperature of the ring member 50 is lower than the temperature of the annular member 50.

環状部材50は、ピストン20の縮径部21を構成する材料よりも熱膨張率が小さい材料で構成される。これによって、ピストン20の径方向に向かう縮径部21の熱膨張を効果的に抑制できる。本実施形態では、例えば、ピストン20の縮径部21にはステンレス鋼を用い、環状部材50にはステンレス鋼よりも熱膨張率が小さいチタン(Ti)あるいはチタン合金を用いる。   The annular member 50 is made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the material constituting the reduced diameter portion 21 of the piston 20. Thereby, the thermal expansion of the reduced diameter portion 21 in the radial direction of the piston 20 can be effectively suppressed. In the present embodiment, for example, stainless steel is used for the reduced diameter portion 21 of the piston 20, and titanium (Ti) or a titanium alloy having a smaller thermal expansion coefficient than stainless steel is used for the annular member 50.

また、環状部材50の外径Droと、ピストン20の気体軸受GBが形成される領域、すなわち、ピストン側段差部Kpからピストン20の頂面反対側端部20Btまでの領域におけるピストン20の外径Dp2以下とする。好ましくは、環状部材50の外径Droと、ピストン20の気体軸受GBが形成される領域の外径Dp2とを同じ大きさとする。ピストン20の径方向に向かう熱膨張を環状部材50で規制する場合、環状部材50は自身の熱膨張、及びピストン20の熱膨張を規制する際に発生する環状部材50の周方向へ向かう応力によって、環状部材50も径方向へ大きくなる。すなわち、環状部材50の外径Droは、ピストン20が熱膨張する前よりも大きくなる。   Further, the outer diameter Dro of the annular member 50 and the outer diameter of the piston 20 in the region where the gas bearing GB of the piston 20 is formed, that is, the region from the piston-side stepped portion Kp to the top surface opposite end portion 20Bt of the piston 20. Dp2 or less. Preferably, the outer diameter Dro of the annular member 50 and the outer diameter Dp2 of the region where the gas bearing GB of the piston 20 is formed have the same size. When the thermal expansion toward the radial direction of the piston 20 is restricted by the annular member 50, the annular member 50 is caused by its own thermal expansion and the stress toward the circumferential direction of the annular member 50 generated when regulating the thermal expansion of the piston 20. The annular member 50 also increases in the radial direction. That is, the outer diameter Dro of the annular member 50 is larger than before the piston 20 is thermally expanded.

したがって、環状部材50の外径Droを、ピストン20の気体軸受GBが形成される領域の外径Dp2以下とすることにより、環状部材50の外径Droが大きくなっても、環状部材50とシリンダ30との接触を回避できる。また、環状部材50の外径Droと、ピストン20の気体軸受GBが形成される領域の外径Dp2とを同じ大きさとすれば、ピストン20の側周部20Sの表面と、環状部材50の側面50Sとが面一となる。その結果、気体軸受GBが形成される領域は、環状部材50の厚さLr分増加するので、気体軸受GBの負荷能力がその分増加する。ここで、環状部材50の厚さLrは、ピストン中心軸Zp方向における環状部材50の寸法である。なお、環状部材50の厚さLrは、ピストン中心軸Zp方向における縮径部21の寸法L1以下とする。   Therefore, by setting the outer diameter Dro of the annular member 50 to be equal to or smaller than the outer diameter Dp2 of the region where the gas bearing GB of the piston 20 is formed, the annular member 50 and the cylinder are increased even if the outer diameter Dro of the annular member 50 is increased. Contact with 30 can be avoided. Further, if the outer diameter Dro of the annular member 50 and the outer diameter Dp2 of the region where the gas bearing GB of the piston 20 is formed have the same size, the surface of the side peripheral portion 20S of the piston 20 and the side surface of the annular member 50 50S is the same. As a result, the region where the gas bearing GB is formed increases by the thickness Lr of the annular member 50, so that the load capacity of the gas bearing GB increases accordingly. Here, the thickness Lr of the annular member 50 is a dimension of the annular member 50 in the piston central axis Zp direction. In addition, the thickness Lr of the annular member 50 is not more than the dimension L1 of the reduced diameter portion 21 in the piston central axis Zp direction.

図6は、本実施形態に係るスターリングエンジンの運転中におけるピストンの表面温度及び熱膨張を示す説明図である。図6は、図1に示すスターリングエンジン100が備える高温側ピストン20Hのピストン表面温度Tp、高温側ピストン20H及び高温側シリンダ30Hの径方向における熱膨張のシミュレーション結果を示している。ここで、図6は、図4−1、図5−2に示す環状部材50を縮径部に取り付けた高温側ピストン20Hでの結果である。なお、図6は、図1に示すスターリングエンジン100の高温側ピストン20H及び高温側シリンダ30Hについてのものであるが、次においては、説明の便宜上、単にピストン20、シリンダ30という。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing the surface temperature and thermal expansion of the piston during the operation of the Stirling engine according to the present embodiment. FIG. 6 shows a simulation result of the piston surface temperature Tp of the high temperature side piston 20H provided in the Stirling engine 100 shown in FIG. 1, the thermal expansion in the radial direction of the high temperature side piston 20H, and the high temperature side cylinder 30H. Here, FIG. 6 is a result of the high temperature side piston 20H in which the annular member 50 shown in FIGS. 4-1 and 5-2 is attached to the reduced diameter portion. FIG. 6 is for the high temperature side piston 20H and the high temperature side cylinder 30H of the Stirling engine 100 shown in FIG. 1, but in the following, for convenience of explanation, they are simply referred to as the piston 20 and the cylinder 30.

図7は、ピストンの熱膨張を示す説明図である。図7は、環状部材50の有無におけるピストン20の径方向に向かう熱膨張量を、ピストン表面温度との関係で示してある。熱膨張量は、ピストン表面温度が−50℃のときにおけるピストン中心軸Zpからピストン側段差部Kpまでの距離を基準とした場合の値をピストン表面温度に対して記述したものである。すなわち、ピストン表面温度が−50℃のときにおける熱膨張量が0になる。図7中の実線de_rは、図4−1、図4−2、図5−1に示す環状部材50を取り付けた場合の熱膨張量であり、図7中の点線de_wrは、環状部材50を取り付けない場合の熱膨張量である。また、図7は、ピストン20をSUS303で製造し、環状部材50をチタンで製造した場合のシミュレーション結果である。   FIG. 7 is an explanatory view showing the thermal expansion of the piston. FIG. 7 shows the amount of thermal expansion in the radial direction of the piston 20 with and without the annular member 50 in relation to the piston surface temperature. The amount of thermal expansion describes the value when the distance from the piston central axis Zp to the piston side stepped portion Kp when the piston surface temperature is −50 ° C. is set as a reference with respect to the piston surface temperature. That is, the amount of thermal expansion becomes 0 when the piston surface temperature is −50 ° C. The solid line de_r in FIG. 7 is the amount of thermal expansion when the annular member 50 shown in FIGS. 4-1, 4-2, and 5-1 is attached, and the dotted line de_wr in FIG. The amount of thermal expansion when not attached. FIG. 7 shows simulation results when the piston 20 is manufactured from SUS303 and the annular member 50 is manufactured from titanium.

図6の中央は、ピストン20の表面温度(ピストン表面温度)Tpを示している。図6の左側は、図1に示すスターリングエンジン100を運転する前におけるピストン20及びシリンダ30の熱膨張の状態を示す。また、図6の右側は、図1に示すスターリングエンジン100の運転中におけるピストン20及びシリンダ30の熱膨張の状態を示す。図5の左側及び右側におけるRは、図3に示すピストン中心軸Zp(シリンダ中心軸Zsと同じ)からの距離を示す。   The center of FIG. 6 shows the surface temperature (piston surface temperature) Tp of the piston 20. The left side of FIG. 6 shows a state of thermal expansion of the piston 20 and the cylinder 30 before operating the Stirling engine 100 shown in FIG. 6 shows the state of thermal expansion of the piston 20 and the cylinder 30 during operation of the Stirling engine 100 shown in FIG. R on the left and right sides of FIG. 5 indicates the distance from the piston center axis Zp (same as the cylinder center axis Zs) shown in FIG.

図1に示すスターリングエンジン100の運転中においては、作動流体がピストン20の頂面20Ttへ定常的に熱を与えることにより、頂面20Ttから側周部20Sに向かう熱の流れが発生し、図6の中央に示すようなピストン表面温度Tpの温度勾配が形成される。この場合、上述したように、ピストン側段差部Kpにおいては、ピストン20とシリンダ30とのクリアランスが急激に変化することに起因して、図6の中央に示すように、ピストン側段差部Kpでは頂面20Ttへ向かうにしたがってピストン表面温度Tpは急激に上昇する。   During operation of the Stirling engine 100 shown in FIG. 1, the working fluid constantly heats the top surface 20Tt of the piston 20 to generate a heat flow from the top surface 20Tt toward the side peripheral portion 20S. A temperature gradient of the piston surface temperature Tp as shown in the center of FIG. In this case, as described above, at the piston side stepped portion Kp, the clearance between the piston 20 and the cylinder 30 changes abruptly, and as shown in the center of FIG. The piston surface temperature Tp increases rapidly toward the top surface 20Tt.

環状部材50を取り付けない場合、例えば、ピストン表面温度が110℃付近では、ピストンとシリンダとはおよそ3μmのかじりが発生する。すなわち、ピストン中心軸Zpからピストン側段差部Kpまでの距離は、シリンダ中心軸Zs(ピストン中心軸Zpと一致する)からシリンダの内周面までの距離よりも約3μm大きくなる。しかし、図7に示すように、例えば、ピストン表面温度が110℃付近において、縮径部21よりも熱膨張率の低い環状部材50が縮径部21に取り付けられたピストン20(図4−1、図5−2)では、環状部材50を取り付けない場合と比較して、熱膨張量はおよそ6μm小さくなる。すなわち、ピストン表面温度Tp=110℃付近において、δ=(de_wr−de_r)がおよそ6μmとなる。   In the case where the annular member 50 is not attached, for example, when the piston surface temperature is around 110 ° C., the piston and the cylinder are galling by about 3 μm. That is, the distance from the piston center axis Zp to the piston side stepped portion Kp is about 3 μm larger than the distance from the cylinder center axis Zs (which coincides with the piston center axis Zp) to the inner peripheral surface of the cylinder. However, as shown in FIG. 7, for example, when the piston surface temperature is around 110 ° C., the piston 20 (FIG. 4-1) in which the annular member 50 having a lower coefficient of thermal expansion than the reduced diameter portion 21 is attached to the reduced diameter portion 21. In FIG. 5-2), the amount of thermal expansion is reduced by about 6 μm as compared with the case where the annular member 50 is not attached. That is, δ = (de_wr−de_r) is approximately 6 μm near the piston surface temperature Tp = 110 ° C.

その結果、環状部材50をピストン20に取り付けた場合、例えば、ピストン表面温度が110℃付近では、ピストン中心軸Zpからピストン側段差部Kpまでの距離は、シリンダ中心軸Zs(ピストン中心軸Zpと一致する)からシリンダの内周面までの距離よりも約3μm小さくなる。このように、縮径部21よりも熱膨張率の低い環状部材50が縮径部21に取り付けられたピストン20では、ピストン20の径方向に向かう熱膨張(特にピストン側段差部Kpの熱膨張)が、環状部材50によって規制される。その結果、図6の左側に示すように、ピストン20のピストン側段差部Kpとシリンダ30(特にシリンダ側段差部Ks)との接触が回避される。したがって、図1に示すスターリングエンジン100の運転中に、ピストン20の径方向に向かうピストン側段差部Kpの熱膨張が発生しても、ピストン側段差部Kpにおけるピストン20とシリンダ30との接触を回避できるので、スターリングエンジン100が安定して運転される。   As a result, when the annular member 50 is attached to the piston 20, for example, when the piston surface temperature is around 110 ° C., the distance from the piston central axis Zp to the piston side stepped portion Kp is equal to the cylinder central axis Zs (the piston central axis Zp and About 3 μm smaller than the distance from the inner peripheral surface of the cylinder. As described above, in the piston 20 in which the annular member 50 having a lower thermal expansion coefficient than the reduced diameter portion 21 is attached to the reduced diameter portion 21, the thermal expansion in the radial direction of the piston 20 (particularly the thermal expansion of the piston side stepped portion Kp). ) Is regulated by the annular member 50. As a result, as shown on the left side of FIG. 6, contact between the piston-side stepped portion Kp of the piston 20 and the cylinder 30 (particularly the cylinder-side stepped portion Ks) is avoided. Therefore, even if thermal expansion of the piston-side stepped portion Kp in the radial direction of the piston 20 occurs during the operation of the Stirling engine 100 shown in FIG. 1, the piston 20 and the cylinder 30 contact with each other at the piston-side stepped portion Kp. Since this can be avoided, the Stirling engine 100 is stably operated.

図8−1は、ピストン表面温度とピストンの材料及び環状部材の材料のひずみとの関係を示す説明図である。図8−2は、ピストン表面温度とピストンの材料及び環状部材の材料の応力との関係を示す説明図である。環状部材50をピストン20の縮径部21へ嵌め合わせて取り付けて、ピストン20の径方向に向かう熱膨張を抑制する場合、環状部材50には引張応力が発生して引張ひずみが発生し、ピストン20には圧縮応力が発生して圧縮ひずみが発生する。図8−1、図8−2は、図4−1、図5−1に示す環状部材50を嵌め合わせて取り付けたピストン20についてのシミュレーション結果を示している。シミュレーションの条件は次の通りである。
(1)ピストン20の材料はステンレスであり、より具体的にはSUS303、環状部材50の材料はチタンとする。
(2)ピストン表面温度Tpは、−50℃〜150℃とする。Tp=−50℃で環状部材50の内径Driとピストン20の縮径部21における外径Dp1とが一致するような関係で環状部材50をピストン20に嵌め合わせる。そして、図1に示すスターリングエンジン100の使用条件を考慮して、Tp=150℃とする。
(3)ピストン20の縮径部21の外径は85.5mm、縮径部21におけるピストン20の径方向厚さは0.75mmとする。
(4)環状部材50の径方向における寸法は0.25mmとする。なお、環状部材50の径方向における寸法は、図4−2の(Dro−Dri)/2で求めることができる。
(5)ピストン20、環状部材50の最大公差は10μmとする。
(6)最大締め代は20μmとする。ここで、最大締め代は、環状部材50をピストン20へ組み付ける前において、環状部材50が最小公差で製造でき、かつピストン20の縮径部21が最大公差で製造された場合の、縮径部21の外径と環状部材50の内径との差である。
FIG. 8A is an explanatory diagram illustrating a relationship between the piston surface temperature and the distortion of the material of the piston and the material of the annular member. 8-2 is explanatory drawing which shows the relationship between piston surface temperature and the stress of the material of a piston, and the material of an annular member. When the annular member 50 is fitted and attached to the reduced diameter portion 21 of the piston 20 to suppress thermal expansion in the radial direction of the piston 20, tensile stress is generated in the annular member 50 and tensile strain is generated. Compressive stress is generated in 20 and compressive strain is generated. FIGS. 8-1 and FIGS. 8-2 have shown the simulation result about the piston 20 which fitted and attached the annular member 50 shown to FIGS. 4-1 and FIGS. 5-1. The simulation conditions are as follows.
(1) The material of the piston 20 is stainless steel, more specifically, SUS303, and the material of the annular member 50 is titanium.
(2) Piston surface temperature Tp shall be -50 degreeC-150 degreeC. At Tp = −50 ° C., the annular member 50 is fitted onto the piston 20 so that the inner diameter Dri of the annular member 50 and the outer diameter Dp1 of the reduced diameter portion 21 of the piston 20 coincide. Then, considering the use conditions of the Stirling engine 100 shown in FIG.
(3) The outer diameter of the reduced diameter portion 21 of the piston 20 is 85.5 mm, and the radial thickness of the piston 20 in the reduced diameter portion 21 is 0.75 mm.
(4) The dimension of the annular member 50 in the radial direction is 0.25 mm. In addition, the dimension in the radial direction of the annular member 50 can be obtained by (Dro-Dri) / 2 in FIG.
(5) The maximum tolerance of the piston 20 and the annular member 50 is 10 μm.
(6) The maximum tightening allowance is 20 μm. Here, the maximum tightening allowance is the reduced diameter portion when the annular member 50 can be manufactured with the minimum tolerance before the annular member 50 is assembled to the piston 20 and the reduced diameter portion 21 of the piston 20 is manufactured with the maximum tolerance. 21 is the difference between the outer diameter of 21 and the inner diameter of the annular member 50.

図8−1のεmax_tiはTiの最大ひずみ、εu_tiは公差上限におけるTiのひずみ、ε_tiは公差が0である場合におけるTiのひずみ、εmax_suはSUS303の最大ひずみ、εu_suは公差上限におけるSUS303のひずみ、ε_suは公差が0である場合におけるSUS303のひずみである。図8−2のσ_0.2_tiはTiの0.2%耐力、σu_tiは公差上限におけるTiの応力、σ_tiは公差が0である場合におけるTiの応力、σ_0.2_suはSUS303の0.2%耐力、σu_suは公差上限におけるSUS303の応力、σ_suは公差が0である場合におけるSUS303の応力である。   In FIG. 8A, εmax_ti is the maximum strain of Ti, εu_ti is the strain of Ti at the upper limit of tolerance, ε_ti is the strain of Ti when the tolerance is 0, εmax_su is the maximum strain of SUS303, εu_su is the strain of SUS303 at the upper limit of tolerance, ε_su is the strain of SUS303 when the tolerance is zero. 8-2, σ_0.2_ti is the 0.2% proof stress of Ti, σu_ti is the stress of Ti at the upper limit of tolerance, σ_ti is the stress of Ti when the tolerance is 0, and σ_0.2_su is the 0.2% proof stress of SUS303. , Σu_su is the stress of SUS303 at the upper limit of tolerance, and σ_su is the stress of SUS303 when the tolerance is zero.

図8−1から分かるように、上記条件の下では、環状部材50を構成するチタンのひずみ及びピストン20を構成するSUS303のひずみは、ともに弾性領域である。また、上記条件の下では、環状部材50を構成するチタンに発生する応力及びピストン20を構成するSUS303に発生する応力は、ともに0.2%耐力よりも小さい値である。このように、図1に示すスターリングエンジン100の使用条件を考慮した上記条件の下では、環状部材50及びピストン20ともに強度上の問題はなく使用できる。   As can be seen from FIG. 8A, under the above conditions, the strain of titanium constituting the annular member 50 and the strain of SUS303 constituting the piston 20 are both elastic regions. Under the above conditions, both the stress generated in titanium constituting the annular member 50 and the stress generated in SUS 303 constituting the piston 20 are values smaller than 0.2% proof stress. Thus, under the above-mentioned conditions considering the use conditions of the Stirling engine 100 shown in FIG. 1, both the annular member 50 and the piston 20 can be used without any problem in strength.

図9は、本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。本実施形態では、スターリングエンジン100の出力を、スターリングエンジン用変速機5を介して内燃機関用変速機4へ入力し、内燃機関1の出力と合成して取り出す。   FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration example when the Stirling engine according to the present embodiment is used for exhaust heat recovery of an internal combustion engine. In the present embodiment, the output of the Stirling engine 100 is input to the internal combustion engine transmission 4 via the Stirling engine transmission 5 and is combined with the output of the internal combustion engine 1 to be taken out.

本実施形態において、内燃機関1は、例えば、乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力源となる。内燃機関1は、前記車両の走行中においては主たる動力源として出力を発生する。一方、スターリングエンジン100は、排ガスExの温度がある程度の温度にならないと、必要最低限の出力を生み出すことができない。したがって、本実施形態において、スターリングエンジン100は、内燃機関1の排出する排ガスExの温度が所定温度を超えたら内燃機関1の排ガスExから熱エネルギーを回収して出力を発生し、内燃機関1とともに前記車両を駆動する。このように、スターリングエンジン100は、前記車両の従たる動力源となる。   In the present embodiment, the internal combustion engine 1 is mounted on a vehicle such as a passenger car or a truck, and serves as a power source for the vehicle. The internal combustion engine 1 generates an output as a main power source while the vehicle is running. On the other hand, the Stirling engine 100 cannot produce the minimum necessary output unless the temperature of the exhaust gas Ex reaches a certain level. Therefore, in the present embodiment, the Stirling engine 100 collects thermal energy from the exhaust gas Ex of the internal combustion engine 1 to generate an output when the temperature of the exhaust gas Ex discharged from the internal combustion engine 1 exceeds a predetermined temperature. Drive the vehicle. Thus, the Stirling engine 100 is a power source that the vehicle follows.

スターリングエンジン100が備えるヒータ105は、内燃機関1の排気通路2内に配置される。なお、排気通路2内には、スターリングエンジン100の再生器(図1参照)106を配置してもよい。スターリングエンジン100が備えるヒータ105は、排気通路2に設けられる中空のヒータケース3内に設けられる。   The heater 105 provided in the Stirling engine 100 is disposed in the exhaust passage 2 of the internal combustion engine 1. A regenerator (see FIG. 1) 106 of the Stirling engine 100 may be disposed in the exhaust passage 2. The heater 105 provided in the Stirling engine 100 is provided in a hollow heater case 3 provided in the exhaust passage 2.

本実施形態において、スターリングエンジン100を用いて回収した排ガスExの熱エネルギーは、スターリングエンジン100で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン100の出力軸であるクランク軸110には、動力断続手段であるクラッチ6が取り付けられており、スターリングエンジン100の出力は、クラッチ6を介してスターリングエンジン用変速機5に伝達される。   In the present embodiment, the thermal energy of the exhaust gas Ex recovered using the Stirling engine 100 is converted into kinetic energy by the Stirling engine 100. A crank shaft 110 that is an output shaft of the Stirling engine 100 is attached with a clutch 6 that is a power interrupting means, and the output of the Stirling engine 100 is transmitted to the Stirling engine transmission 5 via the clutch 6.

内燃機関1の出力は、内燃機関1の出力軸1sを介して内燃機関用変速機4に入力される。そして、内燃機関用変速機4は、内燃機関1の出力と、スターリングエンジン用変速機5から出力されるスターリングエンジン100の出力とを合成して、変速機出力軸9に出力し、デファレンシャルギヤ10を介して駆動輪11を駆動する。   The output of the internal combustion engine 1 is input to the internal combustion engine transmission 4 via the output shaft 1 s of the internal combustion engine 1. The internal combustion engine transmission 4 synthesizes the output of the internal combustion engine 1 and the output of the Stirling engine 100 output from the Stirling engine transmission 5 and outputs the resultant to the transmission output shaft 9. The drive wheel 11 is driven via

ここで、動力断続手段であるクラッチ6は、内燃機関用変速機4とスターリングエンジン100との間に設けられる。本実施形態では、スターリングエンジン用変速機5の入力軸5sとスターリングエンジン100のクランク軸110との間に設けられる。クラッチ6は、係合、解放することによって、スターリングエンジン100のクランク軸110と、スターリングエンジン用変速機5の入力軸5sとの機械的な接続を断続する。ここで、クラッチ6は、機関ECU50によって制御される。   Here, the clutch 6 serving as the power interrupting means is provided between the internal combustion engine transmission 4 and the Stirling engine 100. In this embodiment, it is provided between the input shaft 5 s of the Stirling engine transmission 5 and the crankshaft 110 of the Stirling engine 100. The clutch 6 engages and disengages, thereby interrupting mechanical connection between the crankshaft 110 of the Stirling engine 100 and the input shaft 5s of the Stirling engine transmission 5. Here, the clutch 6 is controlled by the engine ECU 50.

クラッチ6を係合すると、スターリングエンジン100のクランク軸110と内燃機関1の出力軸1sとは、スターリングエンジン用変速機5及び内燃機関用変速機4を介して直結される。これによって、スターリングエンジン100の発生する出力と内燃機関1の発生する出力とは、内燃機関用変速機4で合成され、変速機出力軸9から取り出される。一方、クラッチ6を開放すると、内燃機関1の出力軸1sはスターリングエンジン100のクランク軸110と切り離されて回転する。   When the clutch 6 is engaged, the crankshaft 110 of the Stirling engine 100 and the output shaft 1 s of the internal combustion engine 1 are directly connected via the Stirling engine transmission 5 and the internal combustion engine transmission 4. As a result, the output generated by the Stirling engine 100 and the output generated by the internal combustion engine 1 are combined by the internal combustion engine transmission 4 and taken out from the transmission output shaft 9. On the other hand, when the clutch 6 is released, the output shaft 1s of the internal combustion engine 1 is separated from the crankshaft 110 of the Stirling engine 100 and rotates.

図9に示すスターリングエンジン100が備えるピストン(少なくとも高温側ピストン)は、上述した構成を備える。これによって、高温の作動流体から定常的に熱を受けて径方向へ熱膨張しても、ピストン、シリンダの少なくとも一方に設けられる段差部におけるピストンとシリンダとのクリアランスの急激な減少を抑制して、ピストンとシリンダとの接触を回避できる。その結果、車両に搭載されるスターリングエンジン100が振動を受けてピストンとシリンダとのクリアランスが変化したとしても、ピストンの径方向に向かう熱膨張に起因して発生する、前記段差部におけるピストンとシリンダとのクリアランスの急激な減少の影響が低減される。   The piston (at least the high temperature side piston) included in the Stirling engine 100 shown in FIG. 9 has the above-described configuration. This suppresses a sudden decrease in the clearance between the piston and the cylinder in the stepped portion provided in at least one of the piston and the cylinder even if the heat is constantly received from the high-temperature working fluid and thermally expanded in the radial direction. The contact between the piston and the cylinder can be avoided. As a result, even if the Stirling engine 100 mounted on the vehicle receives vibration and the clearance between the piston and the cylinder changes, the piston and the cylinder in the stepped portion are generated due to thermal expansion in the radial direction of the piston. And the effect of a sharp decrease in clearance is reduced.

これによって、車両の走行中にスターリングエンジン100を運転している場合には、ピストンとシリンダとが接触するおそれを低減できるので、スターリングエンジン100を安定して運転できるとともに、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。このように、本実施形態に係るスターリングエンジン100を、車両に搭載された内燃機関1の排熱回収に用いる場合には、安定して排熱を回収できるとともに、十分な耐久性を確保できる。   As a result, when the Stirling engine 100 is being operated while the vehicle is running, the possibility of contact between the piston and the cylinder can be reduced, so that the Stirling engine 100 can be stably operated and the durability of the piston and cylinder can be reduced. Reduction can be suppressed. Thus, when the Stirling engine 100 according to the present embodiment is used for exhaust heat recovery of the internal combustion engine 1 mounted on a vehicle, exhaust heat can be recovered stably and sufficient durability can be ensured.

以上、本実施形態では、ピストンの頂面側でピストン−シリンダ間のクリアランスを拡大する構成において、ピストンとシリンダとの少なくとも一方に形成される段差部からピストンの下死点の方向(すなわちピストンの頂面とは反対側の端部の方向)に向かって所定の範囲を、ピストンとシリンダとのクリアランスが徐々に狭くなるテーパー形状に形成する。これによって、段差部でピストンの径方向に向かう大きな熱膨張が発生した場合に、ピストンとシリンダとが接触するおそれを抑制して、安定してピストン機関を運転できる。特に、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構成においては、ピストンとシリンダとのクリアランスが非常に小さいため、ピストンの熱膨張によってピストンとシリンダとが接触しやすい。しかし、本実施形態によれば、ピストンとシリンダとが接触するおそれを抑制して、確実に気体軸受の機能を発揮させることができるので好ましい。   As described above, in the present embodiment, in the configuration in which the clearance between the piston and the cylinder is enlarged on the top surface side of the piston, the direction of the bottom dead center of the piston from the step formed on at least one of the piston and the cylinder (that is, the piston A predetermined range is formed in a taper shape in which the clearance between the piston and the cylinder is gradually narrowed (in the direction of the end opposite to the top surface). Thereby, when large thermal expansion toward the radial direction of the piston occurs at the stepped portion, the possibility that the piston and the cylinder come into contact with each other is suppressed, and the piston engine can be operated stably. In particular, in a configuration in which a gas bearing is interposed between the piston and the cylinder, the clearance between the piston and the cylinder is very small, so that the piston and the cylinder are likely to contact each other due to the thermal expansion of the piston. However, according to the present embodiment, the possibility that the piston and the cylinder come into contact with each other can be suppressed, and the function of the gas bearing can be surely exhibited.

以上のように、本発明に係るピストン機関及びスターリングエンジンは、ピストンリングを用いないで気体軸受によってピストンをシリンダ内に支持するピストン機関に有用であり、特に、ピストンとシリンダとの接触を回避することに適している。   As described above, the piston engine and the Stirling engine according to the present invention are useful for a piston engine that supports a piston in a cylinder by a gas bearing without using a piston ring, and particularly avoids contact between the piston and the cylinder. Suitable for that.

本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the Stirling engine which is a piston engine which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the gas bearing with which the Stirling engine which is a piston engine which concerns on this embodiment is provided, and the support structure of a piston. スターリングエンジンの運転中におけるピストンの表面温度及び熱膨張を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the surface temperature and thermal expansion of a piston during the driving | operation of a Stirling engine. 本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンが備えるピストン及びシリンダの構成を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the structure of the piston and cylinder with which the Stirling engine which is a piston engine which concerns on this embodiment is provided. 本実施形態に係るピストンに取り付けられる環状部材を示す平面図である。It is a top view which shows the annular member attached to the piston which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るピストンの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the piston which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るシリンダの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the cylinder which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るスターリングエンジンの運転中におけるピストンの表面温度及び熱膨張を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the surface temperature and thermal expansion of a piston during the driving | operation of the Stirling engine which concerns on this embodiment. ピストンの熱膨張を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the thermal expansion of a piston. ピストン表面温度とピストンの材料及び環状部材の材料のひずみとの関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between piston surface temperature and the distortion | strain of the material of a piston, and the material of an annular member. ピストン表面温度とピストンの材料及び環状部材の材料の応力との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between piston surface temperature and the stress of the material of a piston, and the material of an annular member. 本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the example of composition in the case of using the Stirling engine concerning this embodiment for exhaust heat recovery of an internal-combustion engine.

符号の説明Explanation of symbols

20 ピストン
20Bt 頂面反対側端部
20H 高温側ピストン
20L 低温側ピストン
20S 側周部
20Tt 頂面
21 縮径部
30 シリンダ
30Bt 頂部反対側端部
30H 高温側シリンダ
30L 低温側シリンダ
30S シリンダ内周面
30Tt 頂部側端部
50 環状部材
50S 側面
100 スターリングエンジン
100C 筐体
105 ヒータ
106 再生器
107 クーラー
108 熱交換器
20 Piston 20Bt Top side opposite end 20H High temperature side piston 20L Low temperature side piston 20S Side circumference 20Tt Top 21 Reduced diameter part 30 Cylinder 30Bt Top opposite side end 30H High temperature side cylinder 30L Low temperature side cylinder 30S Cylinder inner peripheral face 30Tt Top portion side end portion 50 annular member 50S side surface 100 Stirling engine 100C casing 105 heater 106 regenerator 107 cooler 108 heat exchanger

Claims (7)

シリンダ内を往復運動するピストンを備えるピストン機関において、
前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部と、
前記縮径部に嵌め合わされる環状部材と、
を含むことを特徴とするピストン機関。
In a piston engine having a piston that reciprocates in a cylinder,
The outer diameter of the portion from the top surface of the piston to the predetermined position toward the end opposite to the top surface of the piston is formed smaller than the outer diameter of the end portion on the opposite side of the top surface of the piston from the predetermined position. A reduced diameter part,
An annular member fitted to the reduced diameter portion;
A piston engine comprising:
前記環状部材は、前記縮径部における前記ピストンを構成する材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成されることを特徴とする請求項1に記載のピストン機関。   2. The piston engine according to claim 1, wherein the annular member is made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than a material constituting the piston in the reduced diameter portion. 前記環状部材の外径は、前記所定位置から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの外径と同一であることを特徴とする請求項1又は2に記載のピストン機関。   3. The piston engine according to claim 1, wherein an outer diameter of the annular member is the same as an outer diameter of the piston from the predetermined position to an end portion on the opposite side to the top surface. 前記ピストンと前記シリンダとの間には、気体軸受が介在することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のピストン機関。   The piston engine according to any one of claims 1 to 3, wherein a gas bearing is interposed between the piston and the cylinder. 作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出するシリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
前記ピストンの頂面から前記ピストンの頂面反対側端部に向かって所定位置までの部分の外径が、前記所定位置から前記ピストンの頂面反対側端部の外径よりも小さく形成される縮径部と、
前記縮径部における前記ピストンを構成する材料よりも熱膨張率の小さい材料で構成されて、前記縮径部に嵌め合わされる環状部材と、
前記シリンダと前記ピストンとの間に介在する気体軸受と、
を含むことを特徴とするスターリングエンジン。
A heat exchanger comprising: a heater that heats the working fluid; a regenerator that is connected to the heater and through which the working fluid passes; and a cooler that is connected to the regenerator and cools the working fluid. When,
A cylinder into which the working fluid that has passed through the heat exchanger flows in and out;
A piston that reciprocates in the cylinder;
The outer diameter of the portion from the top surface of the piston to the predetermined position toward the end opposite to the top surface of the piston is formed smaller than the outer diameter of the end portion on the opposite side of the top surface of the piston from the predetermined position. A reduced diameter part,
An annular member made of a material having a smaller coefficient of thermal expansion than the material constituting the piston in the reduced diameter portion, and fitted into the reduced diameter portion;
A gas bearing interposed between the cylinder and the piston;
Stirling engine characterized by including.
前記環状部材の外径は、前記所定位置から前記頂面反対側端部までにおける前記ピストンの外径と同一であることを特徴とする請求項5に記載のスターリングエンジン。   The Stirling engine according to claim 5, wherein an outer diameter of the annular member is the same as an outer diameter of the piston from the predetermined position to an end portion on the opposite side to the top surface. 前記ピストンは、近似直線機構によって支持されることを特徴とする請求項5又は6に記載のスターリングエンジン。   The Stirling engine according to claim 5 or 6, wherein the piston is supported by an approximate linear mechanism.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011226440A (en) * 2010-04-22 2011-11-10 Toyota Motor Corp Gas lubrication structure for stirling engine

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