JP5067260B2 - フリーピストン型のスターリングサイクル機械 - Google Patents
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Description
ケーシング101内に収容されたシリンダ102には、パワーピストン103とディスプレーサピストン104とがそれぞれ往復動可能に設置されている。ディスプレーサピストン104を挟んで左右に存在する膨張空間105及び圧縮空間106は、再生器Rが置かれた連通管により互いに連通されて作動空間107を形成し、ここに作動流体が封入される。このスターリングサイクル機械は、冷凍機として作動するものであり、図示しない動力源によりパワーピストン103を所定の振動数で往復運動させる。これにより、作動空間107の作動流体の状態変化が生じ、膨張空間105に置かれた伝熱板108を介して低熱源から熱を汲み上げ、これを冷却することができる。
本発明は、フリーピストン型のスターリングサイクル機械において、ばねを利用したパワーピストンとディスプレーサピストンとの連動機構を設け、両者の位相差の調整を容易とするとともに、往復動に伴う振動の発生を防止するようにして、上述の問題点を解決することを課題とする。
「気体状態の作動流体が封入されディスプレーサピストンが往復動する作動空間と、前記作動空間と連通しパワーピストンが往復動するシリンダとを備え、
前記パワーピストン及び前記ディスプレーサピストンの両ピストンのうち、一方のピストンが第1ばねを介して前記シリンダの形成されたケーシングに連結されており、
前記両ピストンのそれぞれは、ストロークが機械的に拘束されることなく、位相差を保持しながら同期して同一の軸線上を往復動するスターリングサイクル機械であって、
前記軸線上で往復動を行う質量体を設けるとともに、前記質量体と前記一方のピストンとを反転機構を介して連結し、かつ、前記質量体と他方のピストンとを第2ばねを介して連結した」
ことを特徴とするフリーピストン型のスターリングサイクル機械となっている。
本発明においては、パワーピストンに反転機構を介して質量体を連結し、この質量体とディスプレーサピストンとを第2ばねを介して連結している。パワーピストンと質量体とは、第1ばねによって、ストロークが機械的に拘束されない単振動を行うが、質量体は、反転機構を介してパワーピストンに連結されているから、パワーピストンと反対に移動して位相差が180°の往復運動を行うこととなる。第2ばねを介して質量体と連結されたディスプレーサピストンは、第2ばねの伸縮による位相の遅れを伴いながら、質量体と同期した単振動を行うようになる。
ディスプレーサピストンの慣性力は残存するが、この慣性力は、ディスプレーサピストンの軽量化を図ることにより、実質上振動に影響を及ぼさない程度に抑制することが可能である。また、装置のケーシングにダイナミックダンパを付設して制振を行う際には、ダイナミックダンパは小型のもので済むとともに、ディスプレーサピストンの往復運動は、特定の固有振動数の単振動であるので、ダイナミックダンパの設計は容易なものとなる。
反転リンク機構8によりパワーピストン1と連結された質量体7は、パワーピストン1と同一の軸線上をパワーピストン1と反対に移動して位相差が180°の往復運動を行うので、パワーピストン1の往復運動に伴う慣性力は、質量体7の往復運動の慣性力によって相殺される。その結果、パワーピストン1の往復運動によって発生する加振力が打ち消され、装置全体の振動を極めて小さいものとすることができる。なお、ディスプレーサピストン3の往復動に伴う慣性力は残存するが、この加振力は、ディスプレーサピストン3の軽量化によって実質上振動に影響を及ぼさない程度に抑えることが可能であり、また、小型のダイナミックダンパを付設して装置の防振を図ることもできる。
ちなみに、第2ばね9による位相遅れは、ディスプレーサピストン3の質量と第2ばね32のばね定数とによって定まる振動系のパラメータを調整することにより、90°に設定可能である。この位相遅れには、パワーピストン1及び質量体8と第1ばね11とで構成される振動系とは基本的に関係がないから、位相遅れの設定作業が容易であり、エンジンの作動中に位相差が最適値から外れる可能性も少なくなる。
2 シリンダ
3 ディスプレーサピストン
4 作動空間
41 膨張空間
42 圧縮空間
5 第1ばね
6 ケーシング
7 質量体
8 反転リンク機構
81 第1リンク
82 第2リンク
83 揺動リンク
9 第2ばね
Claims (4)
- 気体状態の作動流体が封入されディスプレーサピストンが往復動する作動空間と、前記作動空間と連通しパワーピストンが往復動するシリンダとを備え、
前記パワーピストン及び前記ディスプレーサピストンの両ピストンのうち、一方のピストンが第1ばねを介して前記シリンダの形成されたケーシングに連結されており、
前記両ピストンのそれぞれは、ストロークが機械的に拘束されることなく、位相差を保持しながら同期して同一の軸線上を往復動するスターリングサイクル機械であって、
前記軸線上で往復動を行う質量体を設けるとともに、前記質量体と前記一方のピストンとを反転機構を介して連結し、かつ、前記質量体と他方のピストンとを第2ばねを介して連結したことを特徴とするフリーピストン型のスターリングサイクル機械。 - 前記質量体が前記一方のピストンと略同一の質量に設定されている請求項1に記載のフリーピストン型のスターリングサイクル機械。
- 前記反転機構は、前記質量体に一端が連結され対称的に配置された2本の第1リンクと、前記一方のピストンに一端が連結され対称的に配置された2本の第2リンクとを備え、前記第1リンクと前記第2リンクの他端がそれぞれ対称的な連結点において連結されているとともに、前記連結点のそれぞれが、揺動リンクを介して前記ケーシングに連結されている請求項1又は請求項2に記載のフリーピストン型のスターリングサイクル機械。
- 前記作動空間の作動流体に高温の熱を与える加熱器と、前記作動空間の作動流体を常温の低熱源により冷却する冷却器とが設置され、かつ、前記一方のピストンが前記パワーピストンであり、前記他方のピストンが前記ディスプレーサピストンであるように構成されており、熱エネルギを動力に変換するエンジンとして作動する請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のフリーピストン型のスターリングサイクル機械。
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