JPH08500663A - 可変バネ自由ピストンスターリング機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 自由ピストンスターリングクーラー及びエンジンが、ディスプレイサーをピストンに結合し、可変バネ定数を有するバネによって改良される。そのバネ定数の可制御変化が、ディスプレイサー行程、エンジンパワー出力とクーラー熱ポンピング率の可制御変化を許容し、そしてこうして、発明は、行程制限と負荷整合のために使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 可変バネ自由ピストンスターリング機械 技術分野 本発明は、スターリングサイクル熱機械変換器と広く呼ばれる、自由ピストン スターリングエンジン及びクーラーの分野に関する。発明は、より具体的には、 スターリングサイクル熱機械変換器のためのパワー制御及び行程制限に向けられ る。 背景技術 自由ピストンスターリングエンジンは、通常、ポンプ又は電気交流機の如く、 機械的負荷を駆動する。自由ピストンスターリングクーラーは、通常、一方の場 所から別の場所に、例えば冷凍機キャビネットの内側から外側に、熱を伝達する ために、電気モーター又は同等物によって駆動される。エンジンのための負荷パ ワー需要とクーラーのための熱伝達需要における揺らぎにより、スターリング機 械は、エンジン出力又はクーラー熱輸送を機械が協働しているシステムの必要性 に合わせるために、パワー制御を有さなければならない。例えば、電気交流機の 如く、ある時点にパワー需要を減少又は増大させる負荷を駆動する自由ピストン スターリングエンジンは、エンジンパワー出力を相応して増大又は減少させなけ ればならない。 ディスプレイサーとピストンの振動の振幅は、所望の限界を超えて増大し、内 部エンジン部品の不調和と多分障害を生じさせるために、エンジンにおける負荷 が減少するか、あるいはクーラー熱伝達需要が減少するならば、付随問題が生ず る。そのようなオーバーストロークは、エン ジンへのエネルギー入力が、エンジンのエネルギー出力とエネルギー損失の合計 に等しいために発生する。負荷需要が減少する時、負荷にもはや結合されない過 剰なエネルギーは、ディスプレイサーを通常最大所望振幅を超えた高振幅に駆動 する傾向があり、そして暴走条件を生ずる。このため、実質的な負荷需要減少の 場合に、ディスプレイサーとピストンの振動の振幅を制限することが、さらに望 ましい。 このため、パワー出力を制御し、自由ピストンスターリングエンジンの振幅を 制限し、自由ピストンスターリングクーラーの熱輸送を制御するための手段の必 要性がある。 発明の簡単な開示 本発明は、ハウジング内で自由に往復運動するパワーピストンとディスプレイ サーピストンを有する形式のスターリングサイクル熱機械変換器における改良で ある。改良は、可変バネ定数とディスプレイサーピストンとパワーピストンの間 の相対変位に比例するバネ偏向を有する、バネ手段を具備する。バネ定数の制御 変化は、パワーピストン振幅対デイスプレイサーピストン振幅の比率を可制御に 変化させ、そしてまた、変位の相対フェーズを変動させる。これはまた、バネの バネ定数を可制御に変化させることにより、エンジンパワー又は熱輸送の直接的 な可制御な変化を可能にする。 このバネは、ディスプレイサーからピストンへパワーを結合する。バネが剛性 にされる、すなわち、バネ定数Ｘを高める時、ディスプレイサーからピストンに 結合されるディスプレイサーパワーの比率は増大される。その結果、剛性の増大 は、ディスプレイサーを変位させるためのパワーを低下させ、これにより、その 振幅（すなわち、最大変位）を縮小 させ、このため、ディスプレイサーは熱空間と冷空間の間で移動する動作ガスの 割合を低下させるために、ピストンへのパワーを低減させる。同時に、ディスプ レイサーとピストンの間の相対バネは、ピストンにおけるディスプレイサー位相 進みを縮小させるようにディスプレイサーとピストンにおける等価共振バネ定数 を変化させ、これはまた、サイクルパワーを低減させる。 パワー制御又は熱輸送制御は、手動で、又は制御システムにより自動的に、負 荷需要の関数として、バネ定数を変化させることにより達成される。例えば、負 荷需要の縮小が検出され、そして制御システムを通して、エンジンパワー制御に おいて等しい縮小を生じさせるために十分にバネ剛性を増大させる。スターリン グクーラー又は熱ポンプにおいて、バネ定数は、熱ポンピング率を低減するため に剛性にされ、これにより、過度の冷却を防止する。 クーラーの熱ポンピング率を低減する通常の方法は、単にそれを小さく駆動す る（すなわち、クーラーを駆動する電気モーターへの入力電圧を低下する）こと であるが、発明のバネ定数変化方法は、ピストン振幅が固定されるか、又は従来 の熱ポンプパワー制御における他の制限がある場合に有益である。 行程制限は、バネ定数が、振動の振幅が設計限界振幅に接近する時増大される 如く、ピストン又はディスプレイサー変位の関数として、バネ定数を変化させる ことにより達成される。 図面の簡単な説明 第１図は、制御を獲得するための可変電磁石バネを具える３００ワットエンジ ンを例示する、本発明の好ましい実施態様の側面断面図である。 第２図は、可変ガスバネを使用する本発明の代替態様の側面断面図である。 第３図は、第１図の実施態様のバネ定数対振幅のグラフ図である。 第４図は、種々の制御バネ定数に対するパワー対ピストン振幅のグラフ図であ る。 図面において示された発明の好ましい実施態様を記載する際に、特定の術語が 、明確性のために使用される。しかし、発明は、そうした選択された特定用語に 限定されることは意図されず、各特定用語は同様の目的を達成するために同様の 方法で動作するすべての技術的な等価物を包含することが理解される。 詳細な説明 本発明の好ましい実施態様が、ディスプレイサー１２、ピストン１４、及びそ れらの間の電磁作動バネ１６を有する自由ピストンスターリングエンジン１０を 示す第１図に概略的に例示される。 可変バネのこの実施態様は、ディスプレイサー１２とピストン１４の間の従来 のリニアモーターの等価物であり、この場合、移動する磁石１８が、ディスプレ イサー１２に取り付けられ、そして磁束パス２０と電機子巻線２２が、ピストン １４に取り付けられる。そのようなリニアモーターは、電機子インダクタンスを 大きくすることにより、非常に低いパワー因子を有するようにされ、その結果、 電機子電流が流れている時、交流機は、非常に低いパワー因子を有し、そして磁 石の力は、電機子電圧を９０度の大きさ遅らせる。このため、力は、相対的な機 械バネとほぼ同一位相関係にある。すなわち、ディスプレイサーとピストンの間 の相対変位にほぼ比例する。この相対バネは、電機子電流を制御すること により剛性を変化され、高電流は、バネ定数を高める。この電流は、任意のピス トン行程において所望のエンジンパワーを生じさせるために、従来の電流制御回 路によって制御される。 この実施態様において、交流機における磁石はまた、電機子電流なしでも、バ ネとして動作する。このバネは、低相対行程においてわずかに負であり、そして 磁石が磁束パスから移動し始める時、強く正になる。これは、低相対振幅におい てピストンからディスプレイサーへパワー流を、高振幅においてディスプレイサ ーからピストンへパワー流を生じさせ、そしてこのため、ディスプレイサー相対 振幅を制限する有益な効果に役立つ。電磁バネはまた、磁石動作のみからのバネ 効果はないが、電機子電流からバネ効果がある如く設計される。 電磁バネ１６のバネ定数を可制御に変化させるための電磁石制御電流が、機械 のケースに取り付けたワイヤ２４から送られ、たわみ部材によって電磁石に支持 される。そのような電磁バネの剛性は、非常に公知な如く、そのコイルを通った 電流に比例する。例えば、コイル電流が増大される時、バネ定数Ｋは、増大され る。このため、より多くのエネルギーが、ディスプレイサー１２からピストン１ ４に結合される。より多くのエネルギーがディスプレイサー１２からピストン１ ４に結合される時、ディスプレイサー１２を駆動するために利用されるエネルギ ーは少なくなる。このため、ディスプレイサー１２の振幅は低下し、そして変位 させる動作ガスは少なくなる。より少ない動作ガスがディスプレイサー１２によ って変位される時、より少ない動作ガスが、スターリングエンジン１０の膨張及 び圧縮空間の間で移動され、そしてこのため、より少ない仕事が、動作ガスの膨 張及び圧縮中行われる。動作ガスがピストン１ ４を駆動するために、動作ガスによって行われる仕事の低下は、ピストン１４に おける仕事が低下され、そしてこのため、スターリングエンジン１０によるパワ ー生産は縮小することを意味する。 こうして、第１図の実施態様において、エンジンパワー出力が大きすぎる時、 電磁石への電流の増大は、ピストン１４をディスプレイサー１２に結合するバネ の剛性を増大させる。これは、より多くのエネルギーをディスプレイサー１２か らピストン１４に結合させ、上記の如くパワー出力を減少させる。 バネの剛性を変化させることにより、エンジンパワー出力とディスプレイサー 振幅が変化される。剛性における変化は、パワー又は行程制御の２つの目的の一 方のみを達成するために意図されるが、２つの結果の第２は、剛性における変化 のために同時に発生する。 第１図の実施態様において、ピストン１４は、電力発生リニア交流機３０の永 久磁石２８を駆動する。永久磁石は、電機子３６が巻装される極片３２と３４の 間で往復移動する。例示の実施態様におけるこの交流機３０は、発明の一部を形 成しない。第１図はまた、従来の目的のために交流機３０の内部で、エンジン１ ０のハウジングに固定して据え付けたガスバネにディスプレイサーを連結するデ ィスプレイサー連接棒４０を示す。 他の実施態様が、ディスプレイサー又はピストン変位の連続増大関数としてバ ネ定数を漸次的に増大させるために技術における当業者には明らかになるであろ う。 ディスプレイサー又はピストン振幅の関数としてバネ定数Ｋを変化させる代わ りに、ディスプレイサーをピストンに結合するバネの剛性又は バネ定数は、負帰還制御システム、あるいは機械の動作を監視し、機械の動作を 変えるためにバネ剛性を変化させる「インテリジェント」コンピュータ制御シス テムによって制御される。例えば、操作員は、機械を監視し、そしてバネ定数を 手動で変化させる。代替的に、機械を監視しバネの剛性を自動的に変化させるた めにコンピュータ化論理装置を含む帰還制御システムが、実現される。 第４図は、一般スターリングサイクル機械のためのパワー対ピストン変位の曲 線族のグラフ図である。曲線Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤとＥの各々は、異なる制御バネ定数 と、このため、ディスプレイサー振幅比率を表現する。振幅比率は、ピストン変 位対ディスプレイサー変位の比率Ｘ_p／Ｘ_dとして定義され、制御バネ定数Ｋの減 少関数である。すなわち、Ｋが増大する時、振幅比率は減少する。第４図のグラ フにおいて、曲線は、増大するバネ定数を有し、Ｋ_Aは最小バネ定数であり、Ｋ_D は最大バネ定数である。 一般に、自由ピストンスターリングエンジンは、最小バネ定数Ｋ_Aで始動され 、そしてこのため、曲線Ａに沿って動作する。ピストン振幅が増大する時、パワ ー出力は相応して増大し、そして値は曲線Ａに従う。振幅Ｘ_cは、ピストンがそ の近傍で正常最大パワー出力動作において動作する選択臨界振幅である。ピスト ンの振幅は、変位Ｘ_cを超えるために、制限されることが望ましい。 バネ定数がＫ_Bまで増大されるならば、エンジンは、曲線Ｂにおいて動作し、 そしてさらに、バネ定数における増大は、次第に曲線Ｃ〜Ｄにエンジン動作を移 動させる。バネ定数が，振幅の関数として、又は減少する負荷パワー需要に応答 して、Ｋ_AからＫ_Dに増大されるならば、機械 動作は曲線Ｆに沿う。 曲線Ｆは、パワー対ピストン変位曲線が本発明に適用された時従う同様の連続 パスとして、第４図のグラフにおいて示される。ピストン又はディスプレイサー 振幅が増大する時、Ｘ_cの如くある値を超えるならば、振幅比率は、Ｋ値を調整 し、これにより、パワー出力を減少させることにより調整される。ピストン振幅 の増大は、これにより、大きく縮小される。これは、バネ定数Ｋを増大させるこ とにより行われ、上記の如く、より多くのエネルギーをディスプレイサーからピ ストンへ結合させる。 第１図はまた、本発明で使用される帰還制御システムの種類の例として簡単な 制御システムを概略的に示す。交流機３０の出力は、従来の方式で負荷４０に適 用される。電圧検出器４２は、交流機出力電圧を検出し、そしてその出力信号は 、基準入力信号とともに、総和接続点４４に適用される。結果的に、総和接続点 ４４の出力は、所望の出力電圧と基準入力の間の誤差又は差分を表現する。総和 接続点４４からの誤差信号は、高利得伝達関数回路を通して磁気バネ１６の電機 子に印加され、そのバネ定数を変化させ、ほぼ一定の出力電圧を維持する。 この発明はまた、類似の方式で輸送された熱エネルギーを変化させるために、 スターリングサイクルクーラーにおいて使用される。バネ定数の増大は、所与の ピストン行程に対して冷却効果を変化させるために熱輸送を減少させる。 パワー又は熱輸送を制御し、あるいはピストン又はディスプレイサー振幅を制 限するためにバネ定数を変化させるための本発明の原理がいったん理解されるな らば、バネ定数を変化させるための多くの種々の形式のシステムが、技術におけ る当業者には明らかになり、あるいは将来に 明らかになるであろう。例えば、バネは、ガス又は磁気、あるいは機械及び電磁 バネの組み合わせを含む組み合わせである。ガスバネのバネ定数は、ガスバネの 圧力における変化によって変化される。ガスバネの容積を変化させ、かつ、ガス をガスバネ室にポンプで投入又は排出することによりガスバネの圧力を変化させ るために、多様な機械的構造がまた、作り出される。 第２図は、第１図に示された磁気バネに対する代替代用品であるガスバネを示 す。第２図に示された特定の実施態様は、圧カサイクルの低部分中、ガス流をガ スバネに流入させるために逆止め弁５２と直列のソレノイド弁５０と、そのサイ クルの高圧力部分中、バネから流出させるために逆止め弁５６と直列のソレノイ ド５４とを使用する。こうして、バネ定数又は圧力は、制御システムのための電 気信号により、ソレノイド弁の一方又は他方を作動させることにより、随意に変 化される。 同様に、ガスと他のバネの非直線特性が理解されるために、バネを固有に非直 線にするための多様なシステムが、また、明らかになる。 さらに、パワー又は行程を検出するための非常に多様な手段がまた、バネ定数 を変化させるための制御信号を発生させるために検出パワー又は行程信号を使用 する実質的に多様な制御システムとともに、技術における当業者には明らかにな る。しかし、この発明は、原理的に、自由ピストンスターリングエンジン又はク ーラーのディスプレイサーとピストンの間のバネが、変換技術又は制御システム 技術よりも、自由ピストンスターリング機械によって行われる仕事、すなわち、 パワー出又は熱輸送の率を制御するために可制御に変化されるという発見である ために、これらの例は設けられない。 これらの明示の例は、スターリングサイクルのパワー出力を制御するためにデ ィスプレイサー振幅と位相を制御するように変化される任意の種類−電気、機械 、空気、又はその他−の可変バネである基本発明の一般性を縮減するように解釈 してはならない。 本発明の好ましい実施態様が詳細に開示されたが、多様な修正が、発明の精神 又は次の請求の範囲に反することなく採用されることが理解される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年８月２２日 【補正内容】 請求の範囲 １．ハウジング内で往復運動するディスプレイサーピストンとパワーピストン を有するスターリングサイクル熱機械変換器において、可変バネ定数を有し、デ ィスプレイサーピストンをパワーピストンに機械的に結合するバネを具備するこ とを特徴とするスターリングサイクル熱機械変換器。 ２．負荷パワー需要の増大関数としてバネ定数を変化させるための制御システ ムをさらに具備する請求の範囲１に記載の改良スターリングサイクル熱機械変換 器。 ３．制御システムが、負帰還制御システムを具備する請求の範囲３に記載の改 良スターリングサイクル熱機械変換器。 ４．バネが、電磁作動バネを具備する請求の範囲１に記載の改良スターリング サイクル熱機械変換器。 ５．ハウジング内で往復運動するディスプレイサーとピストンを有する改良ス ターリングサイクルクーラーにおいて、可変バネ定数を有し、ディスプレイサー ピストンをパワーピストンに機械的に結合するためのバネを具備することを特徴 とするスターリングサイクルクーラー。 ６．ディスプレイサーとピストンを機械的にリンクするバネを有する自由ピス トンスターリング熱機械変換器のディスプレイサーとピストンの振動の相対振幅 を可制御に変化させるための方法において、該バネのバネ定数を可制御に変化さ せることを含む方法。 ７．該バネ定数が、該ディスプレイサーの振幅を制限するために振幅の関数と して増大する請求の範囲６に記載の方法。 ８．バネ定数が、負荷電圧の増大関数として変化する請求の範囲６に 記載の方法。 ９．バネ定数が、熱輸送需要の減少関数として変化する請求の範囲６に記載の 方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＺ， ＦＩ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＫ，ＵＡ ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハウジング内で往復運動するディスプレイサーピストンとパワーピストン を有するスターリングサイクル熱機械変換器において、ディスプレイサーピスト ンをパワーピストンに結合する、可変バネ定数を有するバネを具備することを特 徴とするスターリングサイクル熱機械変換器。 ２．負荷パワー需要の増大関数としてバネ定数を変化させるための制御システ ムをさらに具備する請求の範囲１に記載のスターリングサイクル熱機械変換器。 ３．制御システムが、負帰還制御システムを具備する請求の範囲３に記載のス ターリングサイクル熱機械変換器。 ４．バネが、ピストンとディスプレイサーの間に連結した電磁作動バネを具備 する請求の範囲１に記載のスターリングサイクル熱機械変換器。 ５．ハウジング内で往復運動するディスプレイサーとピストンを有するスター リングサイクルクーラーにおいて、ディスプレイサーピストンをパワーピストン に結合するための、可変バネ定数を有するバネを具備するスターリングサイクル クーラー。 ６．ディスプレイサーとピストンをリンクするバネを有する自由ピストンスタ ーリング熱機械変換器のディスプレイサーとピストンの振動の相対振幅を可制御 に変化させるための方法において、該バネのバネ定数を可制御に変化させること を含む方法。 ７．該バネ定数が、該ディスプレイサーの振幅を制限するために振幅の関数と して増大する請求の範囲６に記載の方法。 ８．バネ定数が、負荷電圧の増大関数として変化する請求の範囲６に記載の方 法。 ９．バネ定数が、熱輸送需要の減少関数として変化する請求の範囲６に記載の 方法。