JPH03263558A - Free piston type expansion engine - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、アルゴン、窒素や水素、ヘリウムなどの気体
の液化、更には超伝導磁石を冷却して磁気浮上列車に積
載したり、医療用の核磁気共鳴装置などに用いられるク
ロードや逆プレイトンサイクルなどの小型の冷却機や液
化機に使用される絶対温度で約200に以下、2に領域
迄の低温度を生成し、高効率で、高い耐久性を有するピ
ストン往復動式の膨脹エンジンの構造に関するものであ
る。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is applicable to the liquefaction of gases such as argon, nitrogen, hydrogen, helium, etc., as well as the cooling of superconducting magnets to be loaded onto magnetic levitation trains, medical applications, etc. It is highly efficient and generates temperatures as low as about 200 or less in absolute temperature, which are used in small coolers and liquefaction machines such as the Claude and inverted Playton cycles used in nuclear magnetic resonance devices. This invention relates to the structure of a reciprocating piston expansion engine that has high durability.
[従来の技術]
既存の大型の冷凍機や液化機には、高速回転の膨脹ター
ビンが使われており、そのエネルギー効率や信頼性は、
他の冷凍サイクルよりも高い。しかし冷凍温度が約4に
で冷凍出力が5ワツトから50ワット程度の小型機では
、サイクルに使用する作動流体(ヘリウム、水素、ネオ
ン、窒素の単一の、或は混合気体、以後、流体と言う)
の流量が少ないため膨脹タービンの使用が不可能である
。[Conventional technology] Existing large refrigerators and liquefaction machines use high-speed rotation expansion turbines, and their energy efficiency and reliability are
Higher than other refrigeration cycles. However, in small machines with a refrigeration temperature of about 4 and a refrigeration output of 5 to 50 watts, the working fluid used in the cycle (single gas or mixed gas of helium, hydrogen, neon, nitrogen, hereinafter referred to as fluid) is To tell)
The use of an expansion turbine is not possible due to the low flow rate.
従ってこれに代わる低温発生用として、ピストン往復動
式の膨脹エンジン(以下、エンジンと言う)を使用しな
ければならない。しかしながら従来このエンジンの断熱
膨張効率(等エントロピー膨張効率、以下効率という)
は、膨脹タービンが60から80%であるのに対して、
45〜50%程度と低く、また、故障も多くて信頼性が
乏しく、更にその耐久性は1千〜2千時間程度と低いも
のであった。Therefore, a reciprocating piston type expansion engine (hereinafter referred to as engine) must be used as an alternative for generating low temperatures. However, conventionally, this engine's adiabatic expansion efficiency (isentropic expansion efficiency, hereinafter referred to as efficiency)
compared to 60 to 80% for expansion turbines.
Furthermore, the reliability was low due to many failures, and the durability was low at about 1,000 to 2,000 hours.
従来、このエンジンの信頼性が低い原因は、サイクル中
のある短い時間内に弁の開閉に伴って、高低圧の流体が
弁を出入りする為弁板や弁の開閉機構に大きな機械的な
負荷を衝撃的に与えて弁板の破損やカム機構などを故障
させ、これが、エンジンとしての信頼性を低下させてい
たものである。Conventionally, the reason for the low reliability of this engine is that when the valve opens and closes during a short period of time during the cycle, high and low pressure fluid flows in and out of the valve, which places a large mechanical load on the valve plate and valve opening/closing mechanism. The impact caused damage to the valve plates and failure of the cam mechanism, reducing the reliability of the engine.
又、耐久性に関しては、ピストンが往復動時にシリンダ
ー内で振動したり、軸中心から外れて往復動じて、ピス
トンリングが偏摩耗しエンジンの性能劣化を早めていた
。特に、エンジンを横置きに使用するとピストンリング
が短時間で劣化していた。Regarding durability, the piston vibrates within the cylinder during reciprocating motion, or reciprocates off-axis, causing uneven wear of the piston rings and hastening the deterioration of engine performance. In particular, when the engine was used horizontally, the piston rings deteriorated in a short period of time.
又、弁作動の改良に関しては、低温にある吸入弁と吐出
弁の開閉駆動用の弁棒がない、いわゆるバルブステムレ
ス膨張エンジンは、出願人らにより開発された(低温工
学 第6巻 頁188、低温工学協会発行)。このバル
ブステムレス膨張エンジンの特徴の一つとして、弁棒に
よる常温からの熱侵入がなく、しかもその開閉駆動機構
も必要としないため単純な構造に出来る反面、吸入弁の
開閉のタイミングには問題が無いが、吐出弁の開と閉の
それぞれのタイミングが固定されてしまう欠点があった
。その結果、高圧流体からの断熱膨脂過程が不十分とな
り、再圧縮過程による損失も増えて高い断熱効率を得る
ことが困難であった。その典型的な構造を第5図に示し
、そのエンジンの流体によって膨脂仕事の効果を表すP
v線図を第6図(a)に示し、低温発生の過程を両図で
説明する。In addition, regarding the improvement of valve operation, the so-called valve stemless expansion engine, which does not have valve stems to drive the opening and closing of the intake and discharge valves at low temperatures, was developed by the applicants (Cryogenic Engineering Vol. 6, p. 188). , published by the Cryogenics Society). One of the features of this valve stemless expansion engine is that there is no heat intrusion from room temperature through the valve stem, and there is no need for an opening/closing drive mechanism, which allows for a simple structure, but on the other hand, there is a problem with the timing of opening and closing the intake valve. However, there was a drawback that the opening and closing timings of the discharge valve were fixed. As a result, the adiabatic expansion process from the high-pressure fluid becomes insufficient, and losses due to the recompression process increase, making it difficult to obtain high adiabatic efficiency. Its typical structure is shown in Figure 5, and P represents the effect of fat expansion work by the fluid in the engine.
A v-diagram is shown in FIG. 6(a), and the process of low temperature generation will be explained using both figures.
構造は薄肉のステンレスで作られたシリンダー6、往復
動じて流体を断熱的に膨脹させ仕事を発生させるピスト
ン5と流体を断熱膨脂させて低温にする膨張室9、左右
にある同形状の流体の吸入弁8とその弁板を押し常時、
閉にするスプリング10、吐出弁7とその開閉力を調整
するスプリング!1.12、ピストンの発生仕事を伝達
し滑らかに回転させて動力を回収する機構であるコーン
ロッド13、クランクシャフト14、はづみ車2、動力
伝達系15.17、動力回収やピストンをスムースに駆
動するインダクションモータ1、ガスシール4、クロス
ヘツド3の構造である。The structure consists of a cylinder 6 made of thin stainless steel, a piston 5 that moves back and forth to adiabatically expand the fluid and generate work, an expansion chamber 9 that adiabatically expands the fluid and lowers the temperature, and fluids with the same shape on the left and right. Press the intake valve 8 and its valve plate at all times.
Spring 10 to close, discharge valve 7 and spring to adjust its opening/closing force! 1.12. Cone rod 13, crankshaft 14, handwheel 2, power transmission system 15.17, which is a mechanism that transmits the work generated by the piston, rotates it smoothly, and recovers power. 15.17. Smooth power recovery and piston The structure includes a driving induction motor 1, a gas seal 4, and a crosshead 3.
以下低温の発生機構を述べる。第5図は従来のエンジン
の一例を示しピストン5が下死点にあって吐出弁7が開
の状態を示している。(第6図のa′位置)
このエンジンが最大効率が得られるような理想的に動作
をした場合は、第6図において高圧流体の吸入過程d−
e、断熱膨脹過膨脂−a、吸入した温度よりも低温度、
低圧になって吐出弁が開き流体がエンジン外に出る吐出
過程a−bSb−c。The mechanism of low temperature generation is described below. FIG. 5 shows an example of a conventional engine in which the piston 5 is at the bottom dead center and the discharge valve 7 is open. (Position a' in Figure 6) If this engine operates ideally to obtain maximum efficiency, the suction process of high-pressure fluid d-
e, adiabatic expanded overexpanded fat-a, lower temperature than the inhaled temperature;
Discharge process a-bSb-c when the pressure becomes low and the discharge valve opens and the fluid exits the engine.
0点で吐出弁が閉じ膨張室内に残留する流体が再圧縮さ
れる過程c−dがあり、この線で囲まれた面積がエンジ
ンの成した理想的な仕事を示す。At point 0, there is a process c-d in which the discharge valve closes and the fluid remaining in the expansion chamber is recompressed, and the area surrounded by this line represents the ideal work done by the engine.
[発明が解決しようとする課題]
上記のごとき従来のエンジンにおける問題点を以下に述
べる。[Problems to be Solved by the Invention] Problems in the conventional engine as described above will be described below.
即ち、吐出過程においてピストン5が下死点から上死点
に近ずくと膨張室9内の低圧になった流体が押し出され
るが、ピストン下部1Gが吸入弁8を押し開かし、スプ
リング10.11.12のヒステリスやその他の安全を
考慮して高圧の流体が膨脹室9に入り始める02点より
も早めの02点で吐出弁7を閉めなければならない。従
って吐出過程はa’ −b’−c’になる。次に吐出弁
7がa′で閉り、ピストン5が上死点に近づくと膨脹室
9に残留する流体を再圧縮するのとピストン下部16が
吸入弁8を押すため少し流体が漏洩を始めて(C/点)
、圧力が上昇しC″−dとなる(再圧縮過程)。d点で
吸入弁8が開き、閉まる点eまで高圧の流体(例えばヘ
リウム16気圧)が膨脹室に入る(吸入過程)。e点よ
りa点までが理想的な断熱膨脂過程であるが、スプリン
グ11.12のそれぞれの弾性率を変えたり、吐出弁7
の材料の重量を変えてもピストンとシリンダーのクリア
ランスO−Fを除いたF−c’の長さよりも余り短くな
らない点a′で吐出弁7が開いてしまう。即ち流体は圧
力がまだ高く断熱膨脂過程が不十分な状態から無仕事で
圧力低下する(a′−b′)。ピストン5が更に下死点
に向かうと一度エンジンを出た流体は再度膨脹室9に引
き込まれてb’−bとなり、次にピストンが下死点すか
ら上死点に向かうb’−c’の間で吐出される。That is, when the piston 5 approaches the top dead center from the bottom dead center during the discharge process, the low-pressure fluid in the expansion chamber 9 is pushed out, but the lower piston 1G pushes the suction valve 8 open, and the spring 10.11 .12 hysteresis and other safety considerations, the discharge valve 7 must be closed at the 02 point earlier than the 02 point at which the high-pressure fluid begins to enter the expansion chamber 9. Therefore, the discharge process becomes a'-b'-c'. Next, the discharge valve 7 closes at a', and when the piston 5 approaches the top dead center, the fluid remaining in the expansion chamber 9 is recompressed and the piston lower part 16 pushes the suction valve 8, so a little fluid begins to leak. (C/point)
, the pressure increases to C''-d (recompression process). At point d, the suction valve 8 opens, and high-pressure fluid (for example, 16 atmospheres of helium) enters the expansion chamber until it closes at point e (suction process). e The process from point A to point a is an ideal adiabatic fat swelling process, but the elastic modulus of each spring 11 and 12 may be changed or the discharge valve 7 may be changed.
Even if the weight of the material is changed, the discharge valve 7 opens at a point a' where the length is not much shorter than the length F-c' excluding the clearance O-F between the piston and the cylinder. That is, the pressure of the fluid is lowered without any work (a'-b') from a state where the pressure is still high and the adiabatic swelling process is insufficient. When the piston 5 moves further towards the bottom dead center, the fluid that once left the engine is drawn into the expansion chamber 9 again and becomes b'-b, and then as the piston moves to the bottom dead center, it moves towards the top dead center b'-c'. It is discharged between.
この結果、エンジンにより膨脂仕事は、a′b’−c’
−d−eで囲まれる面積となる。即ち理想的にエンジン
が作動して得られる仕事よりもa’ a、b、b’
とd、 C/、C#で囲まれる面積だけ減少してしま
う。As a result, the fat expansion work done by the engine is a'b'-c'
-de is the area surrounded by e. In other words, the work a' a, b, b'
The area surrounded by d, C/, and C# decreases.
この損失の主因は、吐出弁の開閉のタイミングをスプリ
ングとピストンとの接触を利用した吐出弁の開閉機構に
問題がある。即ち1サイクル中で要求される最適な吐出
弁の開の位相(a−b−a′の間)と閉の位相(c’
−d−e−a)が異なるのを、ピストン5のシリンダー
6内の位置のみによってスプリング11.12の力や弁
7の重量を調整しても吐出弁の最適なタイミングで開閉
させることが困難であった。よって、高い効率を得るこ
とは実験的にも不可能であった。The main cause of this loss is a problem with the opening/closing mechanism of the discharge valve, which uses contact between a spring and a piston to determine the timing of opening and closing of the discharge valve. In other words, the optimal opening phase (between a-b-a') and closing phase (c') of the discharge valve required in one cycle.
-d-e-a) is different, it is difficult to open and close the discharge valve at the optimal timing even if the force of the spring 11.12 and the weight of the valve 7 are adjusted only by the position of the piston 5 in the cylinder 6. Met. Therefore, it has been experimentally impossible to obtain high efficiency.
また、エンジンが毎分300回転以上で運転されると流
体の圧力は、第6図(b)のb−b’間では過膨脂とな
りサイクルの基準とした1気圧よりも低下し、ピストン
がb点で逆転方向に作用し上死点に向かうb−c’間で
は圧縮されて温度が少し上昇するため損失が更に増える
。In addition, when the engine is operated at 300 revolutions per minute or more, the fluid pressure becomes over-expanded between bb' and bb' in Figure 6(b) and drops below 1 atm which is the cycle standard, causing the piston to At point b, the force acts in the reverse direction, and between b and c' toward the top dead center, the loss increases further because the temperature is slightly increased due to compression.
尚、吸入弁8がピストン下部16に押され開き始める0
2点とピストンが逆転方向に作用し下死点に向い吸入弁
が閉まるe点のそれぞれ0点からの距離は、はぼ同じで
ある。Note that the suction valve 8 is pushed by the piston lower part 16 and begins to open.
The distances from point 0 to point 2 and point e, where the piston acts in the reverse direction and faces the bottom dead center and closes the intake valve, are approximately the same.
一般の膨脂エンジンを含めて2番目の欠点は、高圧の流
体がピストンを押して動力の発生過程が第6図(a)に
於いて、1サイクル中のe−aの狭い位相の範囲であり
、この結果、衝撃的な力や偏心した力がガスシール4や
コン−ロッド13を含むクランク機構の軸受1g、 1
9に掛かつてこれらの劣化を早めていた。The second drawback of general fat-swelling engines is that the power generation process in which high-pressure fluid pushes the piston occurs within a narrow phase range of e-a during one cycle, as shown in Figure 6(a). As a result, impact force and eccentric force are applied to the bearings 1g and 1 of the crank mechanism including the gas seal 4 and connecting rod 13.
9 had accelerated the deterioration of these.
これははづみ車2を付ければある程度は防止できるが、
装置が大きくなると共に重量増加となってしまう欠点が
あった。This can be prevented to some extent by adding a handwheel 2, but
There is a drawback that the size of the device increases and the weight increases.
即ち、ピストンの直線運動をクランクシャフト、その他
を介在させて機械的に回転運動に変換することと、イン
ダクションモータなど動力の回収を単独の方式で行うこ
とに問題があった。That is, there are problems in mechanically converting the linear motion of the piston into rotational motion by intervening a crankshaft or the like, and in recovering the power using an independent system such as an induction motor.
3番目は、第5図のごとくクランクシャフト14に接続
して往復動作するピストン5を機械的に高精度な加工や
組立を行っても、比較的長いシリンダー(例えば、内径
およそ40ミリで長さ400ミリ)内の全長に互って軸
中心で、ガスシール4の周方向の血圧が一定になるよう
にしてのピストンの往復動は困難であり不可能に近い。Third, even if the piston 5, which is connected to the crankshaft 14 and moves reciprocatingly as shown in Fig. 5, is mechanically machined and assembled with high precision, the cylinder is relatively long (for example, the inner diameter is approximately 40 mm and the length is approximately 40 mm). It is difficult and almost impossible to reciprocate the piston so that the blood pressure in the circumferential direction of the gas seal 4 is constant across the entire length (within 400 mm) of the shaft center.
即ち軸受け18やクランクビンの取り付は精度でピスト
ンのシリンダー内の動きを機械的に強制してしまう。更
にピストンがクランクシャフトで往復動させる時には偏
心力がかかる。この結果、ガスシール4が偏摩耗してエ
ンジンとしての耐久性を減少させていた。That is, the mounting of the bearing 18 and the crankshaft mechanically forces the movement of the piston within the cylinder with precision. Furthermore, eccentric force is applied when the piston is reciprocated by the crankshaft. As a result, the gas seal 4 wears unevenly, reducing the durability of the engine.
[課題を解決するための手段]
本発明は前記従来のエンジンの欠点を、高効率で高い耐
久性を有するピストン往復動式のエンジンの構造により
解消しようとするものである。[Means for Solving the Problems] The present invention attempts to eliminate the drawbacks of the conventional engines by providing a piston reciprocating engine structure that is highly efficient and highly durable.
即ち、本発明は、作動流体を断熱的に膨張させて低温度
を生成するクロードサイクルや逆プレイトンサイクルな
どに用いる往復動式のエンジンにおいて、その両端をケ
ーシングに対し各軸受けにより軸方向可動に支承された
弁棒と該弁棒に固定された吐出弁の弁板及び小ピストン
とを軸方向に制御的に可動させ吐出弁を開閉するための
電磁的制御装置と、該弁棒により中心軸位置を貫通され
ており、下端部には前記吐出弁の小ピストンの外周と嵌
合する嵌合部を備えている、リニアーモータにより往復
動する膨脹ピストンを有することを特徴とし、また前記
電磁的制御装置による作動力と、該電磁的制御装置及び
前記小ピストンとに配設されたスプリングの各付勢力と
により、前記吐出弁が常時にて、閉になるようにし、更
に前記膨脹ピストンに配設された位置マーカと、これを
検出する固定された位置センサーとによって膨脹ピスト
ンのシリンダー内における位置及び/又は速度の信号を
検出し、該検出された信号にもとづき、前記膨脹ピスト
ンの速度及び/又は進行方向並びに、前記吐出弁の開閉
の制御を行うようにし、更にまた前記膨脹ピストンの膨
脹室側とは反対の側のは?常温部に圧縮室を設け、膨脹
ピストンによる膨脹室での断熱膨脹仕事の一部を該圧縮
室により構成された圧縮機の圧縮仕事により回収するよ
うにしたことを特徴とするフリーピストン式膨脹エンジ
ンにより解決しようとするものである。That is, the present invention provides a reciprocating engine used in a Claude cycle or a reverse Preyton cycle in which a working fluid is expanded adiabatically to generate a low temperature, in which both ends of the engine are movable in the axial direction with respect to a casing by respective bearings. An electromagnetic control device for opening and closing the discharge valve by controllingly moving a supported valve stem, a valve plate and a small piston of a discharge valve fixed to the valve stem in the axial direction; The expansion piston is reciprocated by a linear motor, and has a fitting part at its lower end that fits with the outer periphery of the small piston of the discharge valve, and the electromagnetic The discharge valve is always closed by the actuation force of the control device and the biasing forces of the springs disposed in the electromagnetic control device and the small piston, and A position marker provided and a fixed position sensor detecting the position marker detect a position and/or speed signal of the expansion piston in the cylinder, and based on the detected signal, the speed and/or speed of the expansion piston is determined. Or, to control the traveling direction and opening/closing of the discharge valve, and furthermore, what about the side of the expansion piston opposite to the expansion chamber side? A free piston type expansion engine characterized in that a compression chamber is provided in a normal temperature part, and a part of the adiabatic expansion work performed by the expansion piston in the expansion chamber is recovered by the compression work of a compressor constituted by the compression chamber. This is what we are trying to solve.
[作用コ
本発明は上記解決手段により、従来の膨脹エンジンの欠
点を解消するものであるが、基本的に、主作動室の吸入
弁としては、第5図のバルブステムレスのエンジンで比
較的良い機能を示した自動吸入弁(以後、吸入弁と言う
)を採用している。[Operations] The present invention solves the drawbacks of the conventional expansion engine by using the above solution, but basically, the valve stemless engine shown in Fig. 5 is relatively easy to use as an intake valve in the main working chamber. An automatic suction valve (hereinafter referred to as suction valve), which has shown good functionality, is used.
これらの手段により本発明の作用としては、ピストン6
2に付けられた位置マーカ48と固定された位置センサ
ー49.50によってピストンのシリンダー81内の位
置や速度を正確に検出し、それにより吐出弁21の動き
を電磁的に制御して、吐出弁21は、a点で開、C′点
で閉と最適なタイミングで且つ高速での開閉が行える。By these means, the action of the present invention is that the piston 6
The position and speed of the piston within the cylinder 81 are accurately detected by the position marker 48 attached to the cylinder 21 and the fixed position sensor 49.50, and the movement of the discharge valve 21 is thereby electromagnetically controlled. 21 can be opened and closed at optimal timing and at high speed, opening at point a and closing at point C'.
この結果、第6図の斜線の面積a’ 、a、b。As a result, the hatched areas a', a, and b in FIG.
b′とd、c、c’を除くことができ、断熱効率を向上
せしめる。b', d, c, and c' can be removed, improving insulation efficiency.
[実施例] 以下図面を参照し、本発明を詳述する。[Example] The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第1図は本発明の一実施例を示し、第2図は第1図の実
施例における膨脹ピストンが上死点(図面では下側)に
位置している場合を示す。第1図において、シリンダー
61、膨脹ピストン(以下、ピストンと言う)62とに
より形成される流体の膨脂空間20、ピストン62のほ
ぼ中心軸位置を貫通する弁棒23に付けられた小ピスト
ン形の吐出弁21(以下、吐出弁と言う)と弁棒の両端
の弁棒用のガイド軸受け24.25、弁棒に付けられた
吐出弁電磁駆動用のアマチャ−22、そのステータ(ソ
レノイドなど)26、ピストン62を常に下死点に押し
戻して吸入弁27を開かす役目と膨脂時の発生仕事の一
部を回収する二重に挿入された主スプリング28゜29
、動力回収と下記で述べる位置センサー系によりピスト
ンの位置を確認し、ピストンB2を最適位置間で往復動
させるリニアーモータ用の複数の永久磁石30、ヨーク
(可動子)31、巻!132、ヨーク(固定子)33、
ピストン62による発生仕事を流体の圧縮仕事として直
接回収する圧縮機を構成する圧縮室34、吸入弁35、
吐出弁36を示す。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a case where the expansion piston in the embodiment of FIG. 1 is located at the top dead center (lower side in the drawing). In FIG. 1, a small piston shape is attached to a valve stem 23 that passes through a substantially central axis position of the piston 62, and a fluid expansion space 20 formed by a cylinder 61 and an expansion piston (hereinafter referred to as piston) 62. discharge valve 21 (hereinafter referred to as the discharge valve), guide bearings 24 and 25 for the valve stem at both ends of the valve stem, an armature 22 for electromagnetically driving the discharge valve attached to the valve stem, and its stator (solenoid, etc.) 26. Double-inserted main spring 28゜29 which plays the role of constantly pushing the piston 62 back to the bottom dead center to open the suction valve 27 and recovers a portion of the work generated during fat expansion.
, a plurality of permanent magnets 30, a yoke (movable element) 31, and a yoke (mover) 31 for a linear motor that confirms the position of the piston by power recovery and a position sensor system described below, and reciprocates the piston B2 between optimal positions. 132, yoke (stator) 33,
A compression chamber 34, a suction valve 35, which constitute a compressor that directly recovers the work generated by the piston 62 as fluid compression work;
Discharge valve 36 is shown.
吐出弁21と吸入弁27を常時にて閉であるような方向
に力を与える低温のスプリング37.38と常温のスプ
リング39、吐出弁27の開用の溝が切られたリング形
状板付きの、ダンパーを構成する押し棒40とそのスプ
リング41.ピストンリング42、低温シールリング4
3、固定シールリング44.45、吸入弁27のガイド
ベアリング46、ピストン下部47、ピストン62に付
けられ、そのシリンダー61内の位置によって吐出弁2
1の開閉とピストン62の往復動作や速度制御を行うタ
イミングを決める反射板(例えば、シリンダー形状で内
面に一定の間隔の黒と白の縞模様の反射板で、以下、位
置マーカーと言う)48及びその検出に対応し固定され
ている発光部である位置センサー(発光ダイオードなど
)49と受光部である位置センサー(ホットダイオード
、その他のトランジスター)50からなる位置センサ−
系、発生動力を圧縮室34で流体圧縮によって回収し、
吐出弁36から図示しない放熱器へ接合するフィン管5
1、冷却されて吸入弁35から圧縮室34に戻る流体口
52、低温の高圧流体の吸入口53と低圧の流体の吐出
口54、カバー57、流体の空間58、リニアーモータ
のヨークホルダー59、ピストンホルダー60から構成
された構造である。Low-temperature springs 37, 38 and normal-temperature springs 39 that apply force in the direction to keep the discharge valve 21 and suction valve 27 closed at all times, and a ring-shaped plate with a groove cut to open the discharge valve 27. , a push rod 40 and its spring 41 that constitute the damper. Piston ring 42, low temperature seal ring 4
3, the fixed seal ring 44, 45, the guide bearing 46 of the suction valve 27, the piston lower part 47, attached to the piston 62, depending on its position in the cylinder 61, the discharge valve 2
1 and the reciprocating movement and speed control of the piston 62 (for example, a cylinder-shaped reflector with black and white stripes at regular intervals on the inner surface; hereinafter referred to as a position marker) 48 and a position sensor consisting of a position sensor (such as a light emitting diode) 49 which is a light emitting part and a position sensor (hot diode or other transistor) 50 which is a light receiving part and is fixed in response to the detection thereof.
system, the generated power is recovered by fluid compression in the compression chamber 34,
Fin pipe 5 connected from discharge valve 36 to a radiator (not shown)
1. A fluid port 52 that is cooled and returns from the suction valve 35 to the compression chamber 34, a low-temperature high-pressure fluid suction port 53 and a low-pressure fluid discharge port 54, a cover 57, a fluid space 58, a yoke holder 59 for the linear motor; This structure is composed of a piston holder 60.
尚、位置マーカー48の反射板を可動するピストン62
と連動する永久磁石30の付近に付け、これを検出でき
る位置に発光部である位置センサー49と受光部である
位置センサー50を固定してもよい。Note that a piston 62 that moves the reflector of the position marker 48
The position sensor 49, which is a light emitting part, and the position sensor 50, which is a light receiving part, may be fixed in the vicinity of the permanent magnet 30 that works in conjunction with the permanent magnet 30, and at a position where it can be detected.
またこの一定の間隔で黒と白の縞模様が付けられた位置
マーカー48の反射板に光を当て、反射光の間隔から速
度を検出したり、パルスを積算して位置を検出する。更
に速度と位置の関係の測定値を予めROMに記録してお
き、計測値と比較してその差に比例してリニアーモータ
の巻線32の電流の大きさを制御すれば、ピストン62
の速度の制御が可能である。またこれとは別に、ピスト
ンの常温部の圧縮空間内に光学式のリミットスイッチや
うず電流形近接スイッチを設けてピストンの往復動の方
向をリニアーモータで制御することも可能である。Light is applied to the reflective plate of the position marker 48, which has a black and white striped pattern at regular intervals, and the speed is detected from the interval of the reflected light, or the position is detected by integrating the pulses. Furthermore, if the measured value of the relationship between speed and position is recorded in ROM in advance, and the magnitude of the current in the linear motor winding 32 is controlled in proportion to the difference by comparing it with the measured value, the piston 62
It is possible to control the speed of In addition, it is also possible to provide an optical limit switch or an eddy current type proximity switch in the compression space of the normal temperature portion of the piston, and to control the direction of the reciprocating movement of the piston using a linear motor.
更にピストンの移動方向と吐出弁の開閉のタイミングの
検出とそれらの切り替え用の電気制御回路として、第3
図(a)のごとくシリンダー(図示しない)に発光部a
、bと受光部を対向形に固定し、ピストン62の常温部
の上下動による遮光と透過によってリニアーモータの制
御や吐出弁21の開閉制御用のステーター26(ソレノ
イド)をオンオフさせることができる。(b)はその基
本電気回路でfは電源である。(a)の(1)でピスト
ン62が上死点にある時、ピストンが遮光して受光させ
ないようにして出力をオンにし、(2)の透過(受光)
で出力をオフにして電流をオンオフさせ、ソレノイドc
、dやリレーeを駆動して吐出弁21の開閉をしたり、
ピストン62の移動方向をリニアーモータで駆動・制御
することも可能である。さらに発光部、受光部、リレー
ソレノイドなどの数を増やせば、より精密にして多岐
なピストンの速度や位置、さらに吐出弁21の開閉の制
御が出来ることは当然のことである。Furthermore, a third electrical control circuit is used to detect the movement direction of the piston and the opening/closing timing of the discharge valve, and to switch between them.
As shown in figure (a), a light emitting part a is attached to the cylinder (not shown).
, b and the light receiving section are fixed in a facing manner, and the stator 26 (solenoid) for controlling the linear motor and opening/closing of the discharge valve 21 can be turned on and off by blocking and transmitting light due to the vertical movement of the normal temperature part of the piston 62. (b) is its basic electric circuit and f is the power supply. When the piston 62 is at the top dead center in (1) of (a), the output is turned on so that the piston blocks light so that it does not receive light, and the transmission (light reception) in (2)
to turn off the output and turn the current on and off, solenoid c
, d and relay e to open and close the discharge valve 21,
It is also possible to drive and control the moving direction of the piston 62 with a linear motor. It goes without saying that by increasing the number of light emitting parts, light receiving parts, relay solenoids, etc., it is possible to more precisely control the speed and position of the piston, as well as the opening and closing of the discharge valve 21.
また第4図には弁棒23とその接続部品である小ピスト
ン形状の吐出弁21.そのホルダー83、ストッパー6
4、吐出弁21の駆動用のアマチャ−22が示されてい
る。弁棒23は軸受け24により23−g部軸受け25
により23−h部を保持される。ピストン62は、この
弁棒23を軸中心にし、且つこれをガイドにしてアマチ
ャ−22とホルダー63との間を機械的には駆動部品に
接続されずにフリーで、リニアーモータによって往復動
される。FIG. 4 also shows a valve stem 23 and a small piston-shaped discharge valve 21 which is a connecting part thereof. The holder 83, stopper 6
4. An armature 22 for driving the discharge valve 21 is shown. The valve stem 23 is connected to the 23-g portion bearing 25 by the bearing 24.
Part 23-h is retained by . The piston 62 is moved freely between the armature 22 and the holder 63 by a linear motor, with the valve stem 23 as its center and guided by the piston 62. .
従ってピストン62は、弁棒23の常温部の軸受け25
と低温部の軸受け24が各々の位置でシリンダー62の
軸中心になるよう組み付ければ、自動調心的にシリンダ
ー62内では、どの位置においても往復動時に於ける均
一なりリアランス(シリンダーとピストンとの)が保障
される。この結果、ピストンリング42はシリンダー6
1に対する周方向の面圧が均一となって偏摩耗が無くな
り、長時間の運転に耐えられるようになった。また、固
体潤滑材で造られる小ピストン形状の吐出弁21の外周
部は、ピストン62とは円筒状の軸受けを兼ねる役目を
し、ピストンの振動発生を防止することによりピストン
リング42の劣化を起きないようにする。尚、弁棒23
の軸受けを更にアマチャ−22と位置センサー49.5
0との間の23−1部に設ける場合がある。Therefore, the piston 62 is attached to the bearing 25 of the normal temperature part of the valve stem 23.
If the bearings 24 and low-temperature section are assembled so that they are aligned with the axial center of the cylinder 62 at each position, the cylinder 62 will self-align at any position with uniform clearance (between cylinder and piston) during reciprocating motion. ) is guaranteed. As a result, the piston ring 42
The surface pressure in the circumferential direction relative to 1 has become uniform, eliminating uneven wear and making it possible to withstand long-term operation. In addition, the outer circumference of the small piston-shaped discharge valve 21 made of solid lubricant also serves as a cylindrical bearing with respect to the piston 62, and prevents the occurrence of vibration of the piston, thereby preventing deterioration of the piston ring 42. Make sure not to. In addition, valve stem 23
Further the bearing of armature 22 and position sensor 49.5
It may be provided in the 23-1 section between 0 and 0.
次に、本発明のエンジンにおける作用行程を順を追って
述べる。先ず1番目の行程であり、第1図はピストン6
2が下死点にあって高圧の流体が断熱膨張して低温度に
なり、低圧力となって膨脹室20の容積が最大になる。Next, the working strokes of the engine of the present invention will be described in order. First, it is the first stroke, and Fig. 1 shows the piston 6.
2 is at the bottom dead center, the high-pressure fluid undergoes adiabatic expansion and becomes lower in temperature, resulting in lower pressure and the volume of the expansion chamber 20 is maximized.
この時に第6図(a)におけるa点で膨脹室20内の吐
出弁21が開き、bの最低圧の状態にあることを示す。At this time, the discharge valve 21 in the expansion chamber 20 opens at point a in FIG. 6(a), indicating that the pressure is at the lowest level b.
この時圧縮室34の流体は、膨脂仕事を受けて圧縮され
、約2気圧で吐出弁3Bが開き、循環冷却装置に導かれ
る。即ち圧縮された流体は、出口51より出て図示しな
い放熱器の入り冷却され、入口52よりカバー57内の
流体の空間58に戻り軸受け25やステーター26を冷
やし、再び圧縮室に戻される。At this time, the fluid in the compression chamber 34 is compressed by the fat expansion work, the discharge valve 3B is opened at about 2 atmospheres, and the fluid is guided to the circulation cooling device. That is, the compressed fluid exits from the outlet 51, enters a radiator (not shown), is cooled, returns to the fluid space 58 in the cover 57 from the inlet 52, cools the bearing 25 and the stator 26, and is returned to the compression chamber again.
次に、2番目の行程では、膨脹室20の作動流体は、ピ
ストン62が上死点に向かうための弁穴5B、吐出口5
4より、C′点で吐出弁21が閉まるまでエンジン外に
排出される。この吐出過程であるが、ここが第5図の吐
出弁の構造とは本質的に異なるところで、吸入弁27が
開き始めて実際に高圧流体が膨脹室20に入る時点(実
験と位置センサーの信号で例えば、C′点)で吐出弁2
1をソレノイドの電流をオン、またはオフにして高速で
閉じることが可能となったことである。a点でも同様で
ある。Next, in the second stroke, the working fluid in the expansion chamber 20 flows through the valve hole 5B and the discharge port 5 for the piston 62 to move toward the top dead center.
4, it is discharged outside the engine until the discharge valve 21 closes at point C'. This discharge process is essentially different from the structure of the discharge valve shown in FIG. For example, at point C') the discharge valve 2
1. It is now possible to close the solenoid at high speed by turning the solenoid's current on or off. The same applies to point a.
一方の流体の圧縮で動力を回収する圧縮室34では、容
積が増加するため冷却された流体が流体の空間57より
吸入弁35の弁板が開いて圧縮室34に入り始める。In the compression chamber 34, which recovers power by compressing one fluid, the volume increases, so that the cooled fluid begins to enter the compression chamber 34 from the fluid space 57 as the valve plate of the suction valve 35 opens.
次に3番目の行程ではC′点において吐出弁21が閉り
膨脹室20に残留する流体は圧縮される(再圧縮)。同
時にピストン下部47内のスプリング41の力が強まり
始め、溝が切られたリング形状板付きのダンパーを構成
する押棒40が吸入弁27の突起部55を押すため吸入
口53より膨脹室20に入り始める。(尚、吸入弁27
は1個、又は複数個を有する)ピストン62が上死点d
で吸入弁27が全開(第2図がこの状態を示す)し、ピ
ストン62が反転し下死点に向かうと、ピストン下部4
7に内包されているスプリング41に押されているダン
パーを構成する押し棒40の吸入弁27の突起部55を
押す力が弱まって吸入弁27が閉まる(吸入過程で、第
6図(a)のd−e)。一方圧縮室34では、最大容積
から圧縮に入る直前である。 第2図においては、ピス
トン62が上死点位置となり膨脹室20の容積がほぼゼ
ロで吸入弁27が開で、動力回収を流体圧縮で行う圧縮
室34が最大で吐出弁36が閉まる直前の状態となって
いる。Next, in the third stroke, the discharge valve 21 closes at point C' and the fluid remaining in the expansion chamber 20 is compressed (recompressed). At the same time, the force of the spring 41 in the piston lower part 47 begins to increase, and the push rod 40 forming a damper with a grooved ring-shaped plate enters the expansion chamber 20 from the suction port 53 to push the protrusion 55 of the suction valve 27. start. (In addition, the suction valve 27
has one or more pistons 62 at top dead center d
When the suction valve 27 is fully opened (FIG. 2 shows this state) and the piston 62 is reversed and heads toward the bottom dead center, the lower piston 4
The force of pushing the protrusion 55 of the suction valve 27 of the push rod 40, which is pushed by the spring 41 contained in the damper 7, weakens and the suction valve 27 closes (during the suction process, as shown in FIG. 6(a) d-e). On the other hand, the compression chamber 34 is just before starting compression from the maximum volume. In FIG. 2, the piston 62 is at the top dead center position, the volume of the expansion chamber 20 is almost zero, the suction valve 27 is open, and the compression chamber 34, which performs power recovery by fluid compression, is at its maximum, just before the discharge valve 36 closes. It is in a state.
次に、第4番目の行程において、高圧の流体は、ピスト
ン62を押してリニアーモータに推力を与え、同時に主
スプリング28.29を圧縮し、更にほぼ常温にある圧
縮室34の容積を少なくする。即ち膨脹室20に閉じこ
められた高圧の流体はピストンB2を押しながら仕事を
し、a点まで膨脹して低温度になる(断熱膨脂過程、e
−a)。Then, in the fourth stroke, the high pressure fluid pushes the piston 62 to provide thrust to the linear motor, simultaneously compressing the main spring 28, 29 and further reducing the volume of the compression chamber 34, which is at about room temperature. That is, the high-pressure fluid confined in the expansion chamber 20 does work while pushing the piston B2, expands to point a, and has a low temperature (adiabatic fat expansion process, e
-a).
上記のごとく、エンジンは4つの行程即ち、吸入、断熱
膨脹、吐出、再圧縮の4過程で1サイクルが終わる。こ
の間、16気圧、20にでエンジンに入ったヘリウムは
、断熱膨脹してほぼ1気圧で、はぼ11.2にとなる。As mentioned above, one cycle of the engine is completed through four strokes: suction, adiabatic expansion, discharge, and recompression. During this time, the helium that entered the engine at 16 atmospheres and 20 degrees will expand adiabatically and become approximately 1 atmosphere, approximately 11.2 degrees.
この時の断熱効率は60%となる。The insulation efficiency at this time is 60%.
尚、e−aの断熱膨脂過程で発生する膨脹仕事の一部は
ピストンに推力を与えることによりリニアーモータでの
発生電力、主スプリングの圧縮仕事、作動流体と同一な
流体を圧縮する圧縮仕事の3方式の負荷仕事により回収
される。Note that part of the expansion work generated in the adiabatic fat expansion process of e-a is the power generated by the linear motor by applying thrust to the piston, the compression work of the main spring, and the compression work of compressing the same fluid as the working fluid. It is recovered by three methods of load work.
また、この間の圧縮室34の流体は、圧力が、初めは約
1気圧であるが、圧縮室34の容積が小さくなるととも
に高くなり、2気圧位で吐出弁36が開き放熱器に入り
冷却されて空間58に戻る。しかしこの圧力は圧縮室3
4の死容積が多い事もあり、あまり高めて動力回収する
と、この付近の温度が高くなってセンサー リニアーモ
ータなどに悪影響を与え、更にピストンがスムースに往
復動じなくなり好ましくない。従って本発明の特徴の1
つは、3つの動力の回収方式を併用し、圧縮室34での
圧力を余り高めず流体を冷却循環させて機能部品の冷却
用のブロワ−としての役目をさせているところにある。During this time, the pressure of the fluid in the compression chamber 34 is initially about 1 atm, but increases as the volume of the compression chamber 34 decreases, and at a pressure of 2 atm, the discharge valve 36 opens and enters the radiator and is cooled. and return to space 58. However, this pressure is
4 has a large dead volume, and if the power is recovered at too high a temperature, the temperature in this area will rise and have a negative effect on the sensor, linear motor, etc., and the piston will not be able to reciprocate smoothly, which is undesirable. Therefore, one of the features of the present invention
The first is that three power recovery methods are used in combination to cool and circulate the fluid without increasing the pressure in the compression chamber 34 so much that it functions as a blower for cooling the functional parts.
ピストンの下死点a点は、位置センサー系48゜49、
50で検出し、この時ピストン62を貫通しく好まし
くはほぼ中心軸位置)、小ピストン形の吐出弁21に連
結している弁棒23に接続している吐出弁の開閉用の電
磁操作型のアマチャ−22をステーター26に電流を流
して引くと同時に、リニアーモータを逆転させてピスト
ンB2を上死点に向かわせる。The bottom dead center point a of the piston is the position sensor system 48°49,
50, at this time passing through the piston 62 (preferably at approximately the central axis position), an electromagnetically operated type for opening and closing the discharge valve is connected to the valve rod 23 connected to the small piston type discharge valve 21. At the same time as the armature 22 is pulled by applying current to the stator 26, the linear motor is reversed to move the piston B2 toward the top dead center.
C′点で吐出弁を閉じ、上死点でピストン62を逆転さ
せる時も位置センサー系からの情報で同様な操作をする
。Similar operations are performed using information from the position sensor system when closing the discharge valve at point C' and reversing the piston 62 at top dead center.
膨脹室20と圧縮室34の目的は正反対であり、前者は
作動流体温度を膨脹仕事をさせてより下げ、後者は前者
が膨脹する時の力を利用して流体を圧縮し、断熱膨張仕
事の回収と共に冷却流体として部品の冷却を行う。The purposes of the expansion chamber 20 and the compression chamber 34 are opposite; the former lowers the temperature of the working fluid by performing expansion work, and the latter compresses the fluid by utilizing the force generated when the former expands, thereby reducing the adiabatic expansion work. Along with recovery, parts are cooled as a cooling fluid.
尚、ピストン62の位置マーカーと固定位置センサーの
発光部と受光部などは各々1個、或いは複数個を取り付
けたり、ピストン62の側面に小穴を複数個貫通させ発
光部が受光部と一致した時に、吐出弁開閉用の電磁駆動
型のステータ(アスチャーを含む意味で)の電流をオン
オフしたり、リニアーモータの駆動方向を切り替えても
良い。また図示しないが、差動トランスを用い、ピスト
ン62に接続されて往復動する鉄片を高周波コイル内で
動かして位置検出して吐出弁の開閉やりニア−モータの
駆動方向の切り替えなどをさせても良い。In addition, one or more light emitting parts and light receiving parts of the position marker and fixed position sensor of the piston 62 may be attached, or multiple small holes may be inserted into the side surface of the piston 62 so that when the light emitting part and the light receiving part coincide with each other, It is also possible to turn on and off the current of an electromagnetically driven stator (in the sense of including an asture) for opening and closing the discharge valve, or to switch the driving direction of the linear motor. Although not shown, a differential transformer may be used to detect the position of a reciprocating iron piece connected to the piston 62 by moving it within a high-frequency coil to open/close a discharge valve or switch the driving direction of a near motor. good.
また、往復動するピストン62に付けられた位置マーカ
ー(光透過用の小穴、反射板、磁石、鉄片、縞模様の円
筒など)48と固定されている位置センサー49.50
(ホットトランジスター、発光ダイオード、LEDなど
による発光部、受光部などの組合せ)によって光、或は
磁気、誘導電流などの変化を検出し、これを電気変換し
てアマチャ−22とステータ2Bによる吐出弁21の電
磁開閉駆動をすると同時に、30.31.32.33か
らなるリニアーモータによりピストン62の往復動の制
御をするようにしても良い。Also, a position marker 48 (a small hole for light transmission, a reflector, a magnet, an iron piece, a striped cylinder, etc.) attached to the reciprocating piston 62 and a fixed position sensor 49.50
(A combination of light emitting parts and light receiving parts using hot transistors, light emitting diodes, LEDs, etc.) detects changes in light, magnetism, induced current, etc., converts this into electricity, and discharges the discharge valve by armature 22 and stator 2B. At the same time as the electromagnetic opening/closing drive of 21, the reciprocating movement of the piston 62 may be controlled by a linear motor 30, 31, 32, and 33.
また、第5図の従来のエンジンに比べて電磁駆動形の吐
出弁と位置センサー系を付加させた為、ピストンのシリ
ンダー内の位置や速度を正確に検出でき、吐出弁をa点
で開、C′点での閉を、最適な位置で高速に行えるよう
になった。この結果、第6図(a)の面積a’ 、a、
b、b’ とd、c’C′が除かれて断熱効率が大幅に
向上した。In addition, compared to the conventional engine shown in Figure 5, an electromagnetically driven discharge valve and a position sensor system have been added, so the position and speed of the piston inside the cylinder can be accurately detected, and the discharge valve can be opened at point a. Closing at point C' can now be performed at high speed in an optimal position. As a result, the areas a', a,
By removing b, b' and d, c'C', the insulation efficiency was greatly improved.
尚、上記は本発明の一実施例により説明されているが、
本発明の特徴を、実施可能にするものであれば、上記実
施例に限定されるものではない。Incidentally, although the above is explained by one embodiment of the present invention,
The present invention is not limited to the above embodiments as long as the features of the present invention can be implemented.
例えば本願における吐出弁の開閉機構はクランク方式の
膨脹エンジンにも適用しうるものである。For example, the discharge valve opening/closing mechanism in the present application can also be applied to a crank type expansion engine.
[発明の効果]
上記のごとく、本発明のフリーピストン式膨脹エンジン
は、次のごとき効果を有する。[Effects of the Invention] As described above, the free piston expansion engine of the present invention has the following effects.
1)最適なタイミングで吐出弁の開閉をするために吐出
弁21は、ピストン62に付けられた位置マーカー48
と固定された位置センサー49.50によってピストン
のシリンダー61内の位置や速度を正確に検出して、a
点で開、C′点で閉と、最適なタイミングで且つ高速に
開閉が行えるようになった。1) In order to open and close the discharge valve at the optimum timing, the discharge valve 21 has a position marker 48 attached to the piston 62.
The position and speed of the piston inside the cylinder 61 are accurately detected by the fixed position sensors 49 and 50, and a
It is now possible to open and close at optimal timing and at high speed, opening at point C' and closing at point C'.
この結果、第6図の斜線の面積a’ 、a、b。As a result, the hatched areas a', a, and b in FIG.
b′とd、 CL 、 CJを除かれて断熱効率が
向上した。The insulation efficiency was improved by removing b', d, CL, and CJ.
2)ピストン・シリンダーは、第5図の1.2.13.
14.15.17のクランクシャフトによる往復機構を
廃してフリーピストンにし且つ弁棒がピストンの軸中心
でガイドの役目をするため、機械的精度を高くしなくと
も組立が可能である。その結果、ピストン往復動作を常
にシリンダー内の中心でリニアーモータで往復動させる
ことが可能となった。2) The piston/cylinder is shown in 1.2.13. in Fig. 5.
Since the reciprocating mechanism using the crankshaft of 14, 15, and 17 is eliminated and a free piston is used, and the valve stem serves as a guide at the center of the axis of the piston, assembly is possible without high mechanical precision. As a result, it has become possible to always reciprocate the piston at the center of the cylinder using a linear motor.
3)動力の回収は、先の位置センサー系からの情報を元
に、リニアーモータ、流体の圧縮、スプリングの弾性利
用の3つの直線駆動・運動機構方式を併用することによ
り動力回収機構に冗長度が増し、信頼性を向上させると
共に駆動機構の単純化からエンジン重量が軽くなった。3) Power recovery is based on the information from the position sensor system mentioned above, and uses three linear drive/movement mechanism methods: linear motor, fluid compression, and spring elasticity, to create redundancy in the power recovery mechanism. In addition to improving reliability, the engine weight was reduced by simplifying the drive mechanism.
第1図は本発明の一実施例を示す断面図、第2図は第1
図の実施例の膨脹ピストン62が上死点位置にある場合
の断面図、
第3図(a)は本発明の検出装置の一実施例の概念図で
、
(1)は膨脹ピストン82が信号a、bを遮ぎった場合
、
(2)は膨脹ピストン62が信号a、bを導通した場合
、
第3図(b)は検出装置の一回路図、
第4図は第1図の実施例における弁棒関連部分の拡大説
明図、
第5図は従来のエンジンの断面図、
第6図(a) 、(b)はエンジンによる性能を説明す
るためのp−v線図を示す。
20・・・膨脂空間、21・・・吐出弁、23・・・弁
棒、24・・・弁棒用ガイド軸受、25・・・弁棒用ガ
イド軸受、26・・・ステーター、27・・・吸入弁、
28・・・主スプリング、29・・・主スプリング、3
0・・・リニアモータ用永久磁石、31・・・リニアー
モータ用ヨーク、32・・・巻線、33・・・固定子、
34・・・圧縮室、35・・・吸入弁、36・・・吐出
弁、37・・・スプリング、48・・・位置マーカー、
49・・・位置センサー、
5ト・・位置センサー、
57・・・カバー、
58・・・流
体の空間、
61・・・シリ
ンダ、
62・・・膨脂ピス
ト
ン。FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3(a) is a conceptual diagram of an embodiment of the detection device of the present invention; (1) is a cross-sectional view when the expansion piston 62 of the embodiment shown in the figure is at the top dead center position; (2) is a case where the expansion piston 62 conducts signals a and b; FIG. 3(b) is a circuit diagram of a detection device; FIG. 4 is a diagram of the embodiment of FIG. 1; FIG. 5 is a sectional view of a conventional engine, and FIGS. 6(a) and 6(b) are p-v diagrams for explaining the performance of the engine. 20... Fat expansion space, 21... Discharge valve, 23... Valve stem, 24... Valve stem guide bearing, 25... Valve stem guide bearing, 26... Stator, 27...・・Suction valve,
28... Main spring, 29... Main spring, 3
0... Permanent magnet for linear motor, 31... Yoke for linear motor, 32... Winding wire, 33... Stator,
34... Compression chamber, 35... Suction valve, 36... Discharge valve, 37... Spring, 48... Position marker,
49... Position sensor, 5... Position sensor, 57... Cover, 58... Fluid space, 61... Cylinder, 62... Fat expansion piston.
Claims (1)
ロードサイクルや逆ブレートンサイクルなどに用いる往
復動型のフリーピストン式膨脹エンジンにおいて、その
両端をケーシングに対し各軸受けにより軸方向可動に支
承された弁棒と該弁棒に固定された吐出弁の弁板及び小
ピストンとを軸方向に制御的に可動させ吐出弁を開閉す
るための電磁的制御装置と、該弁棒により中心軸位置を
貫通させており、下端部には前記吐出弁の小ピストンの
外周と嵌合する嵌合部を備えて、往復動する膨脹ピスト
ンを有することを特徴とするフリーピストン式膨脹エン
ジン。 2)前記電磁的制御装置による作動力と、該電磁的制御
装置及び前記小ピストンとに配設されたスプリングの各
付勢力とにより、前記吐出弁が常時にて、閉となるよう
にしたことを特徴とする請求項1記載のフリーピストン
式膨脹エンジン。 3)前記膨脹ピストンに配設された位置マーカと、これ
を検出する固定された位置センサーとによって膨脹ピス
トンのシリンダー内における位置及び/又は速度の信号
を検出し、該検出された信号にもとづき、前記膨脹ピス
トンの速度及び/又は進行方向並びに、前記吐出弁の開
閉の制御を行うようにしたことを特徴とする請求項1記
載のフリーピストン式膨脹エンジン。 4)前記膨脹ピストンの膨脹室側とは反対の側のほゞ常
温部に圧縮室を設け、膨脹ピストンによる膨脹室での断
熱膨脹仕事の一部を該圧縮室により構成された圧縮機の
圧縮仕事により回収するようにしたことを特徴とする請
求項1記載のフリーピストン式膨脹エンジン。[Scope of Claims] 1) In a reciprocating free piston type expansion engine used in a Claude cycle or a reverse Brayton cycle, which generates a low temperature by adiabatically expanding a working fluid, each end of the engine is connected to the casing. an electromagnetic control device for opening and closing the discharge valve by controllingly moving in the axial direction a valve stem movably supported in the axial direction by a bearing, and a valve plate and a small piston of the discharge valve fixed to the valve stem; A free piston, characterized in that the central axis is penetrated by the valve stem, and the lower end has a fitting part that fits with the outer periphery of the small piston of the discharge valve, and has an expansion piston that reciprocates. type expansion engine. 2) The discharge valve is always closed by the actuation force of the electromagnetic control device and the urging forces of springs disposed in the electromagnetic control device and the small piston. The free piston expansion engine according to claim 1, characterized in that: 3) Detecting a signal of the position and/or speed of the expansion piston in the cylinder by a position marker disposed on the expansion piston and a fixed position sensor that detects the position marker, and based on the detected signal, 2. The free piston type expansion engine according to claim 1, wherein the speed and/or traveling direction of the expansion piston and the opening/closing of the discharge valve are controlled. 4) A compression chamber is provided in a room temperature section on the side opposite to the expansion chamber side of the expansion piston, and a part of the adiabatic expansion work in the expansion chamber by the expansion piston is performed by the compressor constituted by the compression chamber. The free piston type expansion engine according to claim 1, wherein the free piston type expansion engine is adapted to be recovered by work.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6128990A JP2739514B2 (en) | 1990-03-14 | 1990-03-14 | Free piston expansion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP6128990A JP2739514B2 (en) | 1990-03-14 | 1990-03-14 | Free piston expansion engine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03263558A true JPH03263558A (en) | 1991-11-25 |
JP2739514B2 JP2739514B2 (en) | 1998-04-15 |
Family
ID=13166891
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6128990A Expired - Lifetime JP2739514B2 (en) | 1990-03-14 | 1990-03-14 | Free piston expansion engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2739514B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014513269A (en) * | 2011-05-12 | 2014-05-29 | スミトモ クライオジーニクス オブ アメリカ インコーポレイテッド | Cryogenic expansion engine with balanced gas pressure |
CN112302790A (en) * | 2020-09-04 | 2021-02-02 | 山东休普动力科技股份有限公司 | Device and method for identifying position and speed of free piston engine |
-
1990
- 1990-03-14 JP JP6128990A patent/JP2739514B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014513269A (en) * | 2011-05-12 | 2014-05-29 | スミトモ クライオジーニクス オブ アメリカ インコーポレイテッド | Cryogenic expansion engine with balanced gas pressure |
CN112302790A (en) * | 2020-09-04 | 2021-02-02 | 山东休普动力科技股份有限公司 | Device and method for identifying position and speed of free piston engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2739514B2 (en) | 1998-04-15 |
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