JPH0447150A - フリーピストン型スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、フリーピストン型スターリングエンジンに関
し、より詳しくは、高い運転安定性を有するフリーピス
トン型スターリングエンジンに関する。

（従来の技術） 従来のこの種のエンジンの一例を第７図に基づいて説明
する。、第７図は、例えば、１．Ｌｌｒｉｅｌｉ著　ｒ
　　Ｓｔｅｒｌｉｎｇ　　Ｃｙｃｌｅ　　Ｅｎｇｉｎｅ
　　Ａｎａｌｙｓｉｓ」　（八ｄａｍｈｊ１ｇｅｒ　Ｌ
ｔｄ、　Ｂｒｊｓｔｏｎ、　１９８４）に示される代表
的なフリーピストン型スターリングエンジンを示す断面
図であり、図において、（１）はシリンダ、（２）はシ
リンダ（１）内を往復動するピストン、（３）はピスト
ン（２）に接続された負荷、（４）はピストン（２）の
裏側のバッファ空間である。また、（５）は膨張空間、
（６）は第１圧縮空間、（７）は第２圧縮空間、（８）
は第１圧縮空間（６）と第２圧縮空間（７）を連通ずる
ガス流路である。また、（９）は膨張空間（５）に連通
ずるヒータ、（１０）はヒータ（９）に連通ずる再生器
、（１１）は再生！　（１０）と第１圧縮空間（６）と
を連通ずるタープ、（１２）は膨張空間（５）とヒータ
（９）と再生器（１０）とタープ（１１）と第１圧縮空
間（６）と第２圧縮空間（７）とガス流路（８）とから
形成される作動ガス空間である。（１３）は上面が膨張
空間（５）に、下面が第１圧縮空間（６）に接するディ
スプレーサ、（１４）はディスプレーサロッド、（１５
）はディスプレーサ（１３）とディスプレーサロッド（
１４）とで形成されるガスばね空間、（１６）はピスト
ン（２）とディスプレーサ（１３）以外のエンジン構成
物を全て固定するケーシングである。

次に動作について説明する。ヒータ（９）を外部から加
熱する一方、タープ（１１）を外部から冷却すると、デ
ィスプレーサ（１３）とピストン（２）が適当な位相差
をもって往復運動して動作ガス空間（１２）における動
作ガスに圧力変動を生じさせて仕事を発生する。この圧
力変動による仕事の一部を加振力として、ディスプレー
サ（１３）とピストン（２）とが動作ガス空間（１２）
とバッファ空間（４）とガスばね空間（１５）において
振ａ系を形成し、ディスプレーサ（１３）とピストン（
２）が往復運動を継続して仕事を発生し、負荷（３）が
この仕事を消費する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のフリーピストン型スターリングエンジンは、上記
構成を有するため、その熱効率、及び出力を高くするに
は、膨張空間（５）、第１圧縮空間（６）の死容積、即
ち、ディスプレーサ（１３）の最大ストローク時のシリ
ンダ（１）　　とディスプレーサ（１３）との隙間を小
さくしなければいけない。しかし、膨張空間（５）、第
１圧縮空間（６）の死容積を小さくするとエンジンの運
転中における負荷の変動などにより、ディスプレーサ（
１３）がシリンダ（１）　に衝突し、この衝突に伴って
大きな振動や騒音を発生するという課題があった。また
、従来はこのような衝突を防ぐために膨張空間（５）、
第１圧縮空間（６）の死容積を大きくする必要があり、
これらの死容積を大きくすると、熱効率、出力が低くな
る等の課題があった。また、ディスプレーサ（１３）は
、それ自体に作用し変動する各種の減衰の影響に左右さ
れ易く、安定した運転を得にくい等の課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
ディスプレーサがシリンダ（１）　に衝突するのを防ぎ
、膨張空間、第１圧縮空間それぞれの死容積を小さくす
るとにより低騒音、低振動、高効来、高出力、運転安定
性が高いフリーピストン型スターリングエンジンを提供
することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のフリーピストン型スターリングエンジンは、デ
ィスプレーサの一部であるロッドとシリンダとで囲まれ
該ディスプレーサの運動に伴って体積が変化するディス
プレーサのガスばね空間と、ピストンとシリンダとで囲
まれ該ピストンの運動に件って体積が変化するピストン
のガスばね空間とを有し、上記ディスプレーサ及び上記
ピストンの少なくともいずれか一方のストロークの両端
近傍においてのみ上記ガスはねより大きいばね定数を有
する非線形ばねによる衝突防止機構を有するものである
。

〔作用〕

本発明によれば、ディスプレーサ及びピストンの少なく
ともいずれか一方のストロークの両端近傍においてのみ
非線形のばねがディスプレーサ及びピストンの少なくと
もいずれか一方に作用してその行程を制限し、ディスプ
レーサ及びピストンの少なくともいずれか一方の両端に
おけるシリンダとの衝突を防止することができる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第６図に示す実施例に基づいて、従来と
同一または相当部分には同一符号を付して本発明の特徴
を中心に説明する。尚、各図中、第１図は本発明のフリ
ーピストン型スターリングエンジンの一実施例を示す断
面図、第２図は第１図に示す衝突防止機構の特性図、第
３図〜第６図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す第１
図相当図である。

本実施例のフリーピストン型スターリングエンジンは、
第１図に示す如く、ディスプレーサ（１３）に連結され
たディスプレーサロッド（１４）を収納するシリンダ（
１）と、シリンダ（１）の側方に配設されたケーシング
（１６）とを備え、ケーシング（１６）内には従来と同
様にシリンダ（１）が配設されている。そして、該シリ
ンダ（１）にはピストン（２）　によつて第２圧縮空間
（７）が形成され、第２圧縮空間（７）は、他方のシリ
ンダ（１）の上面とディスプレーサ（１３）との間に形
成された第１圧縮空間（６）に流路（８）を介して連通
している。

また、上記ディスプレーサロッド（Ｉ４）を収納するシ
リンダ（１）内に上下一対の小シリンダ（１７ａ）（１
７ａ）が所定間隔をもって配設され、上方の小シリンダ
（１７ａ）の中心をディスプレーサロッド（１４）が貫
通している。また、該ディスプレーサロッド（１４）の
下端に小ピストン（１７ｂ）が連結され、ディスプレー
サ（１３）のストローク運動に伴って該小ピストン（１
７ｂ）が上記一対の小シリンダ（１７ａ）。

（１７ａ）間を往復動するように構成されている。そし
て、小ピストン（１７ｂ）は、そのストロークの両端近
傍においてのみ各小シリンダ（１７ａ）　、　（１７ａ
）に侵入し、小ピストン（１７ｂ）　と各小シリンダ（
１７ａ）　。

（１７ａ）　　とでガスばね空間（ｔａ）、　　（１ｇ
）を形成し、ディスプレーサ（１３）のストローク近傍
において緩衝機構、つまりディスプレーサ（１３）のシ
リンダ（１）に対する衝突防止機構（１７）を構成する
。そして、上記ガスばね空間（１８）のガスばね定数は
、第２図に示す如く、小ピストン（１７ｂ）が小シリン
ダ（１７ａ）　に接近すると急激に大きくなる非線形の
ばね定数を呈する一方、シリンダ（１）内におけるガス
ばね空間（１５）は路線形のバネ定数を呈する。

次に動作について説明する。基本動作は従来の例と同様
であるが、本実施例において用いられた衝突防止機構（
１７）は、第２図に示す如く、非線形な特性を有してい
るため、ディスプレーサ（１３）が、そのストロークの
両端近傍に達すると、ディスプレーサロッド（１４）の
小ピストン（１７ｂ）　　と小シリンダ（１７ａ）　、
　（１７ａ）　　とで作るガスばね空間（２０ａ）。

（２０ｂ）のばね力によって非常に大きな制動力を受け
る。従って、本実施例によれば、衝突防止機構（１７）
が作用しディスプレーサ（１３）の運動エネルギーを連
続的に吸収し、次いで放出するため、従来のようにディ
スプレーサ（１３）がシリンダ（１）の壁に強く衝突す
ることなく円滑に駆動する結果、衝突音や振動が抑えら
れ、低騒音、低振動で高効率に安定運転をすることがで
きる。

また、第３図〜第６図はそれぞれ本発明のフリーピスト
ン型スターリングエンジンの他の実施例を示す図である
。

第３図に示すスターリングエンジンは、同図に示す如く
、第１図に示すディスプレーサロッド（１４）に対して
更に機械式ばね（１９）を装着した以外は全て上記実施
例と同様に構成されている。従って、本実施例において
も上記実施例と同様の作用効果を期することができる。

第４図に示すスターリングエンジンは、同図に示す如く
、第１図に示す小シリンダ（１７ａ）、　（１７ａ）に
替えてプレート（１７ａ）　、　（１７ａ）を設け、且
つ小ピストン（１７ｂ）　　と各プレート（１７ａ）　
、　（１７ａ）間にそれぞれ非線形なばね定数を有する
機械式はね（１９）を設けた以外は全て第１図に示す実
施例と同様に構成されている。

第５図に示すスターリングエンジンは、同図に示す如く
、衝突防止機構（１７）をシリンダ（１）内に設ける代
わりにケーシング（１６）内に設けたものである。即ち
、ケーシング（１７）内に一対の小シリンダ（＋７ａ）
　、　（１７ａ）を設け、またピストン（２）の一端に
小ピストン（１７ｂ）を設けて、ピストン（２）のスト
ロークの両端近傍においてガスはね空間（１８）（１８
）を形成するようにしたものである。

第６図に示すスターリングエンジンは、同図に示す如く
、ディスプレーサロット（１４）及びピストン（２）の
双方に小シリンダ（１７ａ）　、　（１７ａ）及び小ピ
ストン（１７ｂ）からなる衝突防止機構（１７）を設け
たものである。

従って、第４図〜第６図に示す実施例においても第１図
に示す実施例と同様の作用効果を期することができる。

尚、上記各実施例ではフリーピストン型スターリングエ
ンジンについて説明したが、フリーピストン型スターリ
ング冷凍機についても同様に適用することができる。

〔発明の効果） 以上本発明によれば、ストロークの両端近傍においての
み強いばね定数を有する非線形なガスばねによる衝突防
止機構を設けることにより、デイスプレーサビストンの
少なくともいずれか一方の衝突を防ぎ、死容積が小さく
でき、低騒音、低振動、高効率、高出力で、運転安定性
が高いフリーピストン型スターリングエンジンを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のフリーピストン型スターリングエンジ
ンの一実施例を示す断面図、第２図は第１図に示す衝突
防止機構の特性図、第３図、第４図、第５図及び第６図
はそれぞれ本発明の他の実施例を示す第１図相当図、第
７図は従来のフリーピストン型スターリングエンジンの
一例を示す第１図相当図である。 各図中、（１）はシリンダ、（２）はピストン、（５）
は膨張空間、（６）は第１圧縮空間、（７）は第２圧縮
空間、（８）はガス流路、（９）はヒータ、（１０）は
再生器、（１１）はクーラ、（１２）は動作ガス空間、
（１３）はディスプレーサ、（１４）はディスプレーサ
ロッド、（１５）はガスばね空間、（１７）は衝突防止
機構、（１８）はガスばね空間である。 尚、各図中、同一符号は同一または相当部分を】　　−
□１−フ ２　ピストン ｓ　Ｐｌｔｔ張ｔＬ間 ６７：Ｌ虜シ間 λ℃髪 クーラ 動４〜が又薬量 −ｒＩスアレーづ ７７スプレ一寸Ｄｔｌ 第 凶 第 囚 第 因 第 因 第

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　シリンダと、該シリンダ内の空間を高温の作動流体の
   存在する膨張空間と低温の作動流体の存在する圧縮空間
   とに分割し且つ該シリンダの内壁と隙間を介してあるい
   は接触しながら該シリンダに対して運動するディスプレ
   ーサと、該ディスプレーサによって分割された膨張空間
   と前記圧縮空間とを連通する流路と、該流路に上記膨張
   空間側から上記圧縮空間側へ順次設けられた加熱器、再
   生器及び冷却器と、これらの加熱器、再生器及び冷却器
   によって圧力変動する作動流体を介して上記シリンダに
   対して運動するピストンとを備えたフリーピストン型ス
   ターリングエンジンにおいて、上記ディスプレーサの一
   部であるロッドと上記シリンダとで囲まれ上記ディスプ
   レーサの運動に伴つて体積が変化するディスプレーサの
   ガスばね空間と、上記ピストンと上記シリンダとで囲ま
   れ上記ピストンの運動に伴って体積が変化するピストン
   のガスばね空間とを有し、上記ディスプレーサ及び上記
   ピストンの少なくともいずれか一方のストロークの両端
   近傍においてのみ上記ガスばねより強いばね定数を有す
   る非線形ばねによる衝突防止機構を有することを特徴と
   するフリーピストン型スターリングエンジン。