JPS63246451A - スタ−リング機関の振動低減装置 - 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〕 この発明は、スターリング機関から生ずる圧力変動に基
づく振動を低減させるための振動低減装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

第１４図は例えば特開昭６０−２１９４３８号公報に示
された従来のスターリング機関の概略構成図である。図
において、１はシリンダ、２はこのシリンダ１に装着さ
れる動力ピストン、３は動力ピストン２から垂下するピ
ストンロフト、４はその内径側がピストンロフト３に、
外径側がシール固定具５に固定されたロールソックシー
ル、７は上記ピストンロフト３と接続されるクロスヘッ
ド、６はこのクロスヘッド７の動きを案内するクロスヘ
ッドガイド、８はクロスヘンドアとクランク軸１２とを
接続する連結棒である。また、１０はクランク軸１２を
支承する軸受、１３は軸受１０．クロスヘッド７等の機
械部品を潤滑する潤滑油、１１はクランク軸１２に装着
されたメカニカルシール、９は上記クランク軸１２．軸
受１０．メカニカルシール１１．潤滑油１３等を収納す
るクランクケース、１４はバッファ室１０２と接続され
るバッファタンク、１０１はシリンダ室である。なお図
示していないが、動力ピストン２の上部には、該動力ピ
ストン２と同軸でシリンダ１内を上下するディスプレー
サピストンが設けられている。

次に動作について説明する。シリンダ１内部のシリンダ
室１０１にはヘリウムのような分子量の小さい作動物質
が封入されており、図示しないディスプレーサピストン
が上下することにより、また上記作動流体が外部から熱
エネルギを受けることにより、このシリンダ室１０１内
の作動流体の圧力ＰＡは周期的に変動する（この作用の
詳細な説明は省略する）、一方、バッファ室１０２の圧
力ＰＢはバッファタンク１４の作用でほぼ一定に保持さ
れている。

このような構成になるスターリング機関は、外部からの
熱エネルギーを受けることによりシリンダ室１０１とバ
ッファ室１０２で圧力差ΔＰ　（＝ＰＡ−ＰＢ）が生じ
、この圧力差がシリンダ内部の動力ピストン２に作用す
る。そしてこの圧力差ΔＰは軸力としてピストンロフト
３に作用し、クロスヘッド７に往復運動として伝達され
、さらに連結棒８．クランク軸１２によって回転運動に
変換され、動力として外部に取り出される。このように
、スターリング機関は複ピストンで、かつ弁をもたない
密閉サイクルの往復動式外燃機関であり、内部に封入し
た作動気体を熱交換器を介して加熱・冷却することによ
って作動し、動力を取り出す構成となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のスターリング機関は以上のように構成されている
ので、シリンダ室の動力ピストンに作用する圧力は変動
する。そしてこの圧力変動は軸力の変化となって作用し
、またこの軸力は、前述のようにクランク軸回りの回転
トルクに変換されるので、上記ピストンに作用する圧力
変動はクランク軸回りのトルク変動として現れ、スター
リングり開本体をクランク軸回りに振動させるように作
用する。

ここで、スターリング機関において機関のエネルギー変
換効率を向上させるためには、封入する作動気体を高圧
にする必要があるが、作動気体を高圧にすれば、これに
伴ってトルク変動が大きくなり、スターリング機関の振
動も大きくなり、機関としての静粛性の低下や、信幀性
の低下などを引き起こす。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、スターリング機関の発生するトルク変動に起
因する振動の低減を表現することのできるスターリング
機関の振動低減装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るスターリング機関の振動低減装置は、ス
ターリング機関に固定され外部からの駆動制御信号によ
って制御された割振トルクを発生するアクチュエータと
、スターリング機関のシリンダ内圧力、振動等を検出す
ることによって機関の変動トルクを検出する検出器と、
この検出器からの検出信号に基づいて上記スターリング
機関から生ずる変動トルクを打ち消すよう上記アクチュ
エータを駆動制御する駆動制御手段とを設けたものであ
る。

〔作用〕

この発明においては、検出器により機関の変動トルクを
検出し、その検出結果に基づいてアクチュエータを駆動
制御し、該アクチュエータにより上記変動トルクを低減
するよう制振トルクを発生させて上記変動トルクに起因
する架台の振動等を低減する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図について説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す図であり、スター
リング機関５０は架台１５上に設置され、架台１５はゴ
ム、スプリング等で形成される弾性マウント１６により
支持されている。そしてスターリング機関５０のクラン
ク軸１２には負荷１７が直結されている。

また、１８はスターリング機関５０のクランク軸線上に
固定された割振アクチェエータ、１９ａはシリンダ室内
の圧力を検出する圧力センサであり、その取り付は位置
を第２図に示す。２０ａは圧力センサ１９ａからの信号
を増幅する圧力計、２１は圧力計２０ａからの出力信号
に基づいて機関の変動トルクを相殺し軽減するように上
記アクチュエータ１８を駆動制御するための制御則を内
蔵する制御回路、２２は制御回路２１からの制御信号に
よりアクチュエータ１８を駆動するための電力を供給す
る駆動回路であり、上記制御回路２１及び駆動回路２２
は例えば電子回路で構成されている。これらの一連の制
御システムのブロック図を第３図に示している。

第４図はアクチュエータ１８の詳細を示す断面側面図で
あり、ここでは、アクチュエータ１８として付加重錘の
慣性力を利用した動電形のリニアアクチュエータを示し
ている。このアクチュエータ１８は主に、クランク軸回
りに揺動する付加重錘としての永久磁石１８ｃ及び磁気
ヨーク１８ｄと、これらを駆動する駆動源としてのコイ
ル１８ｂと、このコイル１８ｂが固着された割振アーム
１８ａとから構成されており、上記永久磁石１８Ｃ及び
磁気ヨーク１８ｄでコイル１８ｂを鎖交する磁界を形成
している。そして上記制振アーム１８ａの上端はスター
リング機関５０のクランクケース９に固定され、またそ
の下端には駆動回路２２と結合された巻回したコイル１
８ｂが固着されている。また、上記磁気ヨーク１８ｄは
第５図に示すように、その両端が支持ばね１８ｅを介し
てケーシング１８ｆに固定されている。従って永久磁石
１８ｃと磁気ヨーク１８ｄは支持ばね１８ｅにより支持
されるが、左右方向には自在に揺動できるようになって
いる。

第６図は第５図のＶｌ−Ｖｌ線断面平面図、第７図は永
久磁石１８ｃと磁気ヨーク１８ｄの構成図であり、この
ように構成された装置において、永久磁石１８ｃは厚み
方向に着磁され、磁気ヨーク１８ｄに固着されることに
よって磁気回路を形成しており、コイル１８ｂが挿入さ
れている空隙に所定の磁界を形成している。

次に作用効果について説明する。

第９図はアクチュエータ１８の取付状況を正面から示し
た図で、クランク軸回りの変動トルクＴｅはスターリン
グ機関５０を図中に示すようなロッキング振動角変位θ
で振動させる。そこでこの角変位θを低減すべく、アク
チェエータ１８から割振力（制振トルクＴＣ）を第３図
に示した制御システムで発生する。

ここで、本実施例におけるスターリング機関５０のクラ
ンク軸回りの振動挙動を表わす運動方程式は次のように
なる。

ｌθ＋Σｋ　ｍ　ｌ　”　θ！　Ｔ　ｅ　−Ｔ　ｃ　−
−−−−−（１３Ｉニスタ一リング機関と架台上に設置
される機械を含めた慣性モーメント ｋｍ；弾性マウントのばね定数 θ：角変位 Ｉｌ：クランク軸から弾性マウントまでの距離Ｔｅニス
ターリング機関が発生する変動トルクＴＣ：アクチュエ
ータが発生する割振トルク変動トルクＴｅの特性は主に
シリンダ室１０１内の圧力変動によって左右され、スタ
ーリング機関５０の振動を引き起す外乱となる。そこで
本実施例では、シリンダ室１０１内の圧力変動を検出し
、これに応じて割振トルクを制御して機関の振動を低減
するようにしている。

即ち、圧力センサ１９ａによってシリンダ室１０１内の
圧力変動が検出され、これにより上記変動トルクの大き
さ及びその発生のタイミングが検出される。この圧力信
号は圧力計２０ａにより所定の電圧レベルの電気信号に
増幅された後、制御回路２１に入力される。制御回路２
１では、所定の＠扉側でもって上記信号がスターリング
機関１の変動トルクＴｅを低減するに必要な位相とゲイ
ンを有する信号に変換され、この変換された信号は駆動
回路２２に伝送される。そしてこの駆動回路２２によっ
て、アクチュエータ１８にこれを駆動するための電力が
供給され、該アクチュエータ１８により変動トルクＴｅ
を打ち消すための制振トルクＴｃが発生される。この時
変動トルクＴｅと制振トルクＴｃの位相は互いに逆とな
る。

次に、アクチュエータの詳細な作用について説明する。

駆動回路２２よりコイル１８ｂに駆動電流が供給される
と、電磁気学的作用によってコイル１８ｂと永久磁石１
８ｃとの間には電磁力が発生する。第４図では電磁力の
方向は紙面に対して垂直方向となる。コイル１８ｂはク
ランク軸１２に対して制振アーム１８ａの長さｌｃの位
置に画定されているため、コイル１８ｂで発生する電磁
力Ｕはスターリング機関５０のクランク軸回りのモーメ
ント（ＵＸｆｃ）として作用し、これが（１）式での割
振トルクＴｃとなる。一方、永久磁石１８Ｃにも当然電
磁力は作用することとこなるが、永久磁石１８ｃと磁気
ヨーク１８ｄは機械的に機関と接続されておらず（浮い
た状態となっている）、クランク軸を中心に揺動するた
め、これらの慣性力と上記永久磁石１８ｃに作用する電
磁力が釣り合い、変動トルク、制振トルクには何ら影響
を及ぼさない。

この力学的モデルを第８図に示す。図において、２３は
付加重錘で、永久磁石１８ｃと磁気ヨーク１８ｄの￥ｔ
ｉｌを加え合わせた質量を有し、支持ばね１８ｅで支持
される。コイル１８ｂで発生する電磁力Ｕは制振アーム
１８ａの長さｌｃの位置に作用するためスターリング機
関５０に対してはモーメントとして作用する。また支持
ばね１８ｅは付加重錘２３の中心位置を確保する役割を
も果たしている。

このように本実施例では、機関から発生した変動トルク
の大きさ等をシリンダ室１０１内の圧力変動を検出する
圧力センサ１９ａによって検出し、この検出結果を圧力
計２０ａを介して制御回路２１に入力し、所定の制御則
でもって制御信号に変換して駆動回路２２を制御する。

従ってアクチュエータ１８においては、付加重錘２３は
電磁力を受けて揺動するが、コイル１８ｂで発生する電
磁力は上記変動トルクを打ち消す方向にモーメントとし
て作用し、これによりスターリング機関５０あるいは架
台１５の振動は極めて小さくなる。

なお、上記実施例ではシリンダ室１０１内の圧力を検出
するようにしたが、動力ピストン２に作用する圧力はバ
ッファ室１０２とシリンダ室１０１との圧力差であるた
め、第１０図に示すように、シリンダ室１０１とバッフ
ァ室１０２の両方に圧力センサ１９ａ、２４を装着し、
第１１図に示すように、上記２つの圧力センサ１９ａ、
２４により得られた２つの信号を減算器２５に人力し、
これらを減算してピストン２に作用する差圧を演算する
ようにしてもよい。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

この第２の実施例は、スターリング機関の変動トルクを
検出するために架台の振動を検出するようにしたもので
ある。

この第２の実施例の構成を第１２図に示し、図において
、第１図と同一符号は同−又は相当部分を示している。

１９ｂは架台１５の振動を検出する振動センサ、２０ｂ
はこの振動センサ１９ｂからの信号を増幅する振動計で
ある。アクチュエータ１８の構成については上記第１の
実施例と同様である。

この実施例の作用効果は上記第１の実施例とほぼ同様で
あるが、本実施例では振動センサ１９ｂによってスター
リング機関５０による架台１５の振動が検出され、この
振動信号が振動計２０ｂによって所定レベルの信号に変
換されて制御回路２１に入力される。そしてこの制御回
路２１からの信号は駆動回路２２を介してアクチュエー
タ１８を駆動制御し、これにより変動トルクＴｅに起因
する架台１５の振動を打ち消す制振トルクＴｃが発生さ
れる。また、アクチュエータ１８の詳細動作については
前述の説明と全く同様である。

なお、この第２の実施例では振動センサ１９ｂを架台１
５上に取り付け、スターリング機関５０から発生する変
動トルクに起因する振動を検出するようにしたが、振動
センサ１９の取付位置は上記振動が検出できれば他の個
所、例えばスターリング機関５０本体に取り付けてもよ
く、上記実施例と同様の効果を奏する。

次に本発明の第３の実施例について説明する。

この第３の実施例は、スターリング機関の変動トルクを
検出するためにスターリング機関から地盤へ伝達される
力を検出するようにしたものであり、その構成を第１３
図に示す０図において、第１図と同一符号は同−又は相
当部分を示し、１９ｃは架台１５から地盤へ伝達される
力を検出する荷重変換器、２０Ｃはこの荷重変換器１９
ｃからの信号を増幅する荷重計である。アクチェエータ
１８の構成については上記第１の実施例と同様である。

この実施例の作用効果は上記第１の実施例とほぼ同様で
あるが、本実施例では荷重変換器１９ｃにより、変動ト
ルクに起因して地盤へ伝達される力が検出される。そし
てこの力信号が荷重計２００によって所定レベルの信号
に変換されて制御回路２１に入力される。この制御回路
２１からの信号は駆動回路２２を介してアクチュエータ
１８を駆動制御し、これにより変動トルクＴｅに起因す
る架台１５の振動を打ち消す制振トルクＴｃが発生され
る。また、アクチュエータ１８の詳細動作については前
述の説明と全く同様である。

このような本実施例では、上記各実施例と同様の効果が
得られるとともに、荷重変換器１９ｃでの力信号が最小
となるように制御回路２１を設定してお（と、スターリ
ング機関５０から地盤へ伝達される力は最小にできるこ
ととなる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、制振トルクを発生す
るアクチュエータをスターリング機関本体に固定し、セ
ンサによって機関の変動トルクを検出して該検出結果に
応じて上記アクチュエータを駆動制御し、これにより上
記機関の変動トルクを低減するようにしたので、極めて
低振動のスターリング機関が実現できるとともに、負荷
変動によって圧力等が変化し、変動トルクが変化しても
これに追随できるため、常に十分な制振効果を期待でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例によるスターリング機関
の振動低減装置を示す側面構成図、第２図は該装置の圧
力センサの取り付は位置を示す図、第３図は該装置の制
御ブロック図、第４図はアクチュエータの側面断面図、
第５図はアクチュエータの正面断面図、第６図はアクチ
ュエータにおける付加重錘の平面構成図、第７図はアク
チュエータにおける磁石と磁気ヨークの組立図、第８図
はアクチュエータの力学的モデル図、第９図は第１図に
示す装置の正面図、第１０図は第１図に示す装置の圧力
センサの他の例を示す図、第１１図は第１０図に示す装
置の制御ブロック図、第１２図は本発明の第２の実施例
を示す図、第１３図は本発明の第３の実施例を示す図、
第１４図は従来のスターリング機関の要部断面図である
。 ５０・・・スターリング機関、１・・・シリンダ、２・
・・動力ピストン、１２・・・クランク軸、１５・・・
架台、１６・・・弾性マウント、１７・・・負荷、１８
・・・アクチュエータ、１８ａ・・・制振アーム、１８
ｂ・・・コイル、１８ｃ・・・永久磁石、１８ｄ・・・
磁気ヨーク、１８ｅ・・・支持ばね、１８ｆ・・・ケー
シング、１９ａ、２４・・・圧力センサ、１９ｂ・・・
振動センサ、１９ｃ・・・荷重変換器、２０ａ・・・圧
力計、２０ｂ・・・振動計、２０Ｃ・・・荷重計、２１
・・・制御回路、２２・・・駆動回路、２３・・・付加
重錘、２５・・・減算器。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ディスプレーサの往復動によって圧力変動を生じ
   させ、上記圧力変動を動力ピストンに作用させて動力を
   得るようにしたスターリング機関において、 上記スターリング機関本体に装着して設けられ、外部か
   らの駆動制御信号に応じた制振トルクを発生するアクチ
   ュエータと、 上記機関の変動トルクを検出する検出器と、該検出器か
   らの検出信号に基づいて、上記アクチュエータで発生さ
   れる制振トルクが上記機関の変動トルクを打ち消すよう
   なトルクとなるよう上記アクチュエータへの駆動制御信
   号を出力する駆動制御手段とを備えたことを特徴とする
   スターリング機関の振動低減装置。
2. （２）上記アクチュエータは、 上記スターリング機関のクランク軸回りに自在に揺動運
   動する付加重錘と、 この付加重錘を駆動する駆動源とからなるものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のスターリン
   グ機関の振動低減装置。
3. （３）上記検出器は、上記スターリング機関のシリンダ
   内の圧力変動を検出する圧力センサであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項又は第２項記載のスターリン
   グ機関の振動低減装置。
4. （４）上記検出器は、上記スターリング機関の振動を検
   出する振動センサであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載のスターリング機関の振動低減
   装置。
5. （５）上記検出器は、上記スターリング機関が設置され
   た架台と地盤との間に装着され上記架台から地盤へ伝達
   される力を検出する荷重変換器であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載のスターリング機
   関の振動低減装置。