(57)【要約】  パワー磁石（３）を有する往復運動するパワーピストンと、パワー磁石に電磁的に結合したコイル（９）を有するステータ（６）と、を備えるスターリング装置。少なくとも１つのスプリング磁石（４）が、ピストンに対し軸方向のセンタリング力を提供するように配置されている。スプリング磁石は、ステータに対して固定されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー磁石を有する往復運動するパワーピストンと、
前記パワー磁石に電磁的に結合しているコイルを有するステータと、
前記ピストンに軸方向のセンタリング力を与えるように配置された少なくとも１つのスプリング磁石と
を備え、
前記スプリング磁石が前記ステータに対して固定されている、スターリング装置。
【請求項２】
前記ステータの各軸方向端部にスプリング磁石がある、請求項１に記載のスターリング装置。
【請求項３】
前記パワーピストンが、前記パワー磁石が装着されている中空ドラムを含み、前記ステータが、前記ドラムと前記パワー磁石とが往復運動する環状間隙を備える、請求項１または２に記載のスターリング装置。
【請求項４】
前記スプリング磁石が内側ステータ要素上に配置されている、請求項３に記載のスターリング装置。
【請求項５】
前記スプリング磁石が外側ステータ要素上に配置されている、請求項３に記載のスターリング装置。
【請求項６】
前記スプリング磁石間の軸方向の間隔が前記パワー磁石の軸方向全長より大きい、請求項２に記載のスターリング装置。
【請求項７】
前記スプリング磁石間の前記軸方向の間隔が前記パワー磁石の前記軸方向全長よりも少なくとも１０％大きい、請求項６に記載のスターリング装置。
【請求項８】
前記スプリング磁石間の間隔が前記パワー磁石の前記軸方向全長より少なくとも２０％大きい、請求項６に記載のスターリング装置。
【請求項９】
前記スプリング磁石が、往復運動の方向に間隔を置いた２つ以上のスプリング磁石部分から構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスターリング装置。
【請求項１０】
前記スプリング磁石が、前記往復運動するパワーピストンから径方向に間隔を置かれている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスターリング装置。
【請求項１１】
前記スプリング磁石が、使用中に前記パワーピストンが前記スプリング磁石の方に、および、前記スプリング磁石から離れる方向に、往復運動するように、前記パワーピストンから軸方向に間隔を置かれている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスターリング装置。
【請求項１２】
軸方向に間隔を置かれた前記スプリング磁石には、該スプリング磁石と前記パワーピストンとの間に弾性クッションが設けられている、請求項１１に記載のスターリング装置。
【請求項１３】
前記スプリング磁石のそれぞれが、前記パワーピストン上に配置された補助磁石と関連付けられており、前記スプリング磁石のそれぞれが、関連づけられたスプリング磁石と協働するように配置されて、前記ピストンに対しセンタリング力を生成する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のスターリング装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はスターリング装置に関し、詳細には、スターリング装置のためのオルタネータの改良された設計に関する。
【０００２】
スターリング装置においては、パワーピストンがステータ内で往復運動してパワーピストンを駆動する、または電気を発生させる。パワーピストンには、ステータに対して往復運動する少なくとも１つのパワー磁石が設けられている。
【０００３】
ステータに対して中心位置にピストンを維持するために、２次すなわちスプリング磁石が、ピストンに設けられている。これらはパワー磁石の両側に配置されており、かつ主磁石の極性と反対の極性を有している。ピストンが変位すると、スプリング磁石は、変位の方向と反対の方向に力を及ぼし、それによって、ピストンをピストン自体の中心位置の方へ引き寄せる。また、ピストンのストロークが所定の限界を超えた場合には、スプリング磁石は、変位の増加と共に増大した復元力を生じ、それによって、パワーピストンの各ストロークが所定の限界内に留まるのが確実になるよう支援している。
【０００４】
このタイプの構造を有するスターリング装置は、米国特許第４，８２７，１６３号および米国特許第５，１４８，０６６号において公知である。
【０００５】
本発明によるスターリング装置は、パワー磁石を有する往復運動するパワーピストンと、パワー磁石に電磁的に結合しているコイルを有するステータと、ピストンにセンタリング力を提供するように配置された少なくとも１つのスプリング磁石とを備え、スプリング磁石がステータに対して固定されている。
【０００６】
ステータに対してスプリング磁石を固定することによって、いくつかの利点が生じる。
【０００７】
従来技術においては、ピストンが往復運動するにつれて、スプリング磁石がステータ内の積層体と協働して復元力を生じる。しかし、本発明では、スプリング磁石はパワー磁石と協働し、スプリング磁石の所定の大きさに対して増大した復元力を生じる。
【０００８】
また、静止しているステータ上にあるこれらのスプリング磁石は、ピストンの往復運動の中心から更に離れて配置されることができる。これは、パワーピストンに装着されたスプリング磁石の場合は、往復運動する要素の長さおよび装置の全体としての長さを増大してしまうため、達成することは更に難しい。このような態様でスプリング磁石を位置づけることにより、パワー磁石がパワー磁石自体の動きの正常範囲内にある場合には、パワー磁石が妨害されにくく、それによってまた、装置の効率を改善することができる。
【０００９】
最も広い意味において、本発明は、少なくともピストンストロークの一端に対して上述した利点を提供するであろうから、ステータの一端に単一のスプリング磁石を設けた状態で実施され得る。しかし、これらの利点がピストンストロークの両端において提供されるように、ステータの各端部にスプリング磁石を有することが好ましい。
【００１０】
本発明は、パワー磁石をパワーピストンに直接装着した状態で実施され得る。しかし、パワーピストンは、パワー磁石が装着される中空ドラムを含むことが好ましく、また、ステータは、ドラムとパワー磁石とが往復運動する環状間隙を備えることが好ましい。この場合、ステータは内側のステータ要素と外側のステータ要素とを備える。上記または各スプリング磁石は、内側のステータ要素または外側のステータ要素のどちらかに配置されることができる。
【００１１】
スプリング磁石がステータの対向する両端部に設けられる場合、スプリング磁石の間の間隔は、パワー磁石の軸方向全長より大きいことが好ましい。通常は、スプリング磁石の間の軸方向間隔は、パワー磁石の軸方向全長より少なくとも１０％大きく、また、少なくとも２０％大きいことがより好ましい。このように磁石間に間隔を置くことによって、磁石は、主要な磁束回路の実質的外側にあり、したがって、動作の間、磁束パターンを分断しない。
【００１２】
各スプリング磁石は、往復運動の方向に間隔を置かれ、かつ非磁性の間隙によって隔てられた、２つ以上のスプリング磁石部から構成されることが好ましい。往復運動の中心に最も近い部分は、往復運動するパワーピストンに対し、上述した態様でパワーピストンをセンタリングするように作用する第１のピーク力を生成する。往復運動の中心から最も遠い部分は、好ましくは第１のピーク力より大きい第２のピーク力を生成し、この第２のピーク力は、過度の振幅が生じる極端な動作が行われている間に、往復運動しているピストンに作用する。これは、オーバーストロークが起こる前にピストンを捕えるように作用し、第１のピーク力に対し効果的にバックアップを提供する。
【００１３】
各スプリング磁石は、パワーピストンから径方向に間隔を置かれることが好ましい。これにより効果的に、パワーピストンが、パワーピストンとスプリング磁石との間に実質的に一定の間隙を保持しつつ、スプリング磁石を通り越して往復運動することができる。しかし、代替的にまたは追加的に、各スプリング磁石は、パワーピストンが、使用中にスプリング磁石に向かって、またスプリング磁石から遠ざかるように往復運動するように、パワーピストンから軸方向に間隔を置かれる。
【００１４】
この場合、スプリング磁石は、パワーピストンがスプリング磁石に接近するにつれて増大する反発力を生成するように、パワーピストン上の隣接する磁石と同じ極性に磁化されなければならない。この場合、軸方向に間隔を置かれたスプリング磁石には、スプリング磁石とパワーピストンとの間に弾性クッションが設けられることが好ましい。このクッションは、万一、パワーピストンが所定の限界を越えて進んでしまった場合に、損傷や騒音を低減する。
【００１５】
センタリング力に寄与する磁石の全部をステータ上に設けてもよく、その結果、パワー磁石のみが、パワーピストン上に設けられるようになる。これには、パワーピストンおよびステータにそれぞれ単一の極性の磁石が設けられうる、という利点がある。これにより、両方の構成要素は、組み立てられ、その後、磁化されることが可能になる。これは、複数の反対の磁石が単一の構成要素上に設けられ、したがって、現場で磁化されることができない従来技術と対照的である。この場合には代わりに、予め磁化されたスプリング磁石が、磁化されたパワー磁石が既に設けられているピストンに、取り付けられなければならない。
【００１６】
しかし、代替的に、各スプリング磁石が、パワーピストン上に配置されたそれぞれの補助磁石と関連づけられ、かつ各スプリング磁石自体の関連づけられたスプリング磁石と協働するように配置されて、ピストンに対してセンタリング力を生成することもできる。補助磁石は、パワー磁石に対し反対の極性であってよいが、この場合には、組立ての容易さの利点は生じない。しかし、補助磁石は、ピストンの行程の両端に向かうパワーピストンに対しさらに高い復元力を提供することと、より小さい中程度の減速力を提供し、それによって、パワーピストンが通常の往復運動をする間、パワーピストンに対する悪影響をより少なくすることが、見いだされている。
【００１７】
本発明に従って構築される装置の実施形態を、添付図面を参照しながら以下に説明する。
【００１８】
本発明は、電気機械式スターリング装置に関するものであり、電気機械式スターリング装置は当分野では周知であるため、本明細書では詳しく説明しない。本発明は、家庭用熱電併給（ＤＣＨＰ）システムと共に使用されるよう意図された、リニアフリーピストンスターリングエンジンのために特に設計されている。しかし、原理は、このようないずれの電気機械式スターリング装置にも適用できる。周知のように、スターリングエンジンは、パワーピストンを駆動するまたは電気を生成するためにステータに対して往復運動するパワーピストンを備える。
【００１９】
図１は、例えば、米国特許第４，８２７，１６３号および米国特許第５，１４８，０６６号におけるような、従来技術における公知の装置を表す。この装置は、往復運動の中心軸を提供する主軸１を有する。図１および後続の図においては、オルタネータの右側部分のみが示されている。構成要素は、断面図で示されており、軸１を中心とする環状構造を有する。したがって、オルタネータの左側は、軸１の左に、対応する距離を置いて配置された右側の鏡像である。
【００２０】
パワーピストン（図示せず）は、パワーピストンと共に軸方向に往復運動するように配置された、環状ドラム２に取り付けられている。環状パワー磁石３は、ドラムに取り付けられている。パワー磁石３と反対の極性の環状スプリング磁石４が、パワー磁石３の両端部に配置されている。
【００２１】
ドラム２および磁石３、４は、図１に示す静止したままの構成要素の残部に対して往復運動する。
【００２２】
静止構成要素は環状シリンダ５を備えており、この環状シリンダ５に対して内部に、環状の内側ステータ要素６が位置している。これらの構成要素は、ドラム２の径方向内側に配置されている。ドラムの径方向外側に、外側ステータ要素７があり、この外側ステータ要素７は、当分野では周知であるように、複数の積層体８とコイル９とを備える。
【００２３】
パワーピストンおよびドラム２が往復運動するにつれて、パワー磁石３は、コイル９と電磁的に結合して、コイル９内に電気を生成するかまたはパワーピストンを動かす。停止位置にある場合、スプリング磁石４は、パワーピストンに対し中心位置に向けて作用する力を生成する。これは、さもなければパワーピストンを下方へ移動させる、パワーピストンに作用するいかなる重力影響をも克服するのに十分であり、それによって、パワーピストンを中心位置に維持することができる。中心位置（ドラム２は図１に示す位置より高い位置にある）において、スプリング磁石４は、ステータのそれぞれの端部から等間隔に設置される。
【００２４】
ドラム２が所定の位置を越えて移動するにつれて、往復運動する力に対向する、スプリング磁石によって生成される力はますます大きくなり、それによって、ドラムがドラム自体の望ましい動作限界の外に移動しないようになっている。
【００２５】
本発明の第１の実施形態を図２に示す。大部分の構成要素は、図１に示す構成要素と同じであり、同じ符号で示している。唯一の違いは、この図では、スプリング磁石４Ａがドラム１ではなく外側ステータ要素７上にあることである。スプリング磁石４Ａは、リング磁石または円周上に配置された複数の部分であってもよい。
【００２６】
第２の実施形態を図３に示す。再度、この実施形態は、大部分が先の実施形態と同じ構成要素である。
【００２７】
この場合、スプリング磁石４Ｂは、内側ステータ要素６上に配置されている。
【００２８】
どちらの場合も、スプリング磁石４Ａ、４Ｂの間の間隔は、スプリング磁石４の間の間隔より大きいことがわかる。図２および３の配置のどちらかを製造するために、スプリング磁石が、適切なステータ要素６，７に装着され、その後現場で磁化されるが、これらの磁石は組立ての前に磁化されてもよい。
【００２９】
スプリング磁石をドラムからステータに移すことの効果が、図４Ａおよび４Ｂに図示されている。
【００３０】
図４Ａは、往復運動の中心から所定の位置における、スプリング磁石によって生成される力を示す。ライン１０は、図１の従来技術の配置によって生成される力を表し、一方、ライン１１は、本発明によって生成される力を表す。いずれの場合においても、力はほぼ同じ地点でピークに達する。ピーク力は、サイクルの各端部で生じ、常に往復運動の中心に向かって作用するので、上下の限界点において対向する方向を向いている。スプリング磁石をドラム２からステータに移動させることによって、センタリング力が非常に増大されることが分かる。中央領域の力は、中心の方に向かって約３０Ｎに維持されている。これは、往復運動していない場合、沿直方向に装着されたピストンにかかる重力の影響を克服しながらパワーピストンを中心に保持するためには、十分である。
【００３１】
また、ドラムがピークを通過した後により大きいセンタリング力を維持することも、有利である。極端な動作が行われている間には、往復運動の振幅がより大きいと、結果的に、ピークの外側の立ち下がり部分に生じるセンタリング力が小さくなってしまうことがあり得る。このような場合、この領域の力がより小さいと、ピストンを中心の方へ引き戻すのに十分でないことがあり得、オーバーストロークが生じてしまうことがあり得る。いくつかの極端な条件下では、スプリング磁石によって生成された力が、ピストンを引き戻さずにピストンを更に外側へ押しやってしまうことさえあり得る。したがって、動作の両端において生成される臨界のセンタリング効果を失わずに、サイクルの内側にある間に必要最低限の力を提供できるように、スプリング磁石を位置づけることが有利である。ピークは、次いで、立ち下がり部分でセンタリング力が小さくなってしまわないようにするために、できるだけ平坦でなければならない。
【００３２】
図５に示した実施形態によれば、スプリング磁石４Ｃは、軸方向に更に離されている。この実施形態は、これ以外の点では図２の実施形態と同一である。
【００３３】
この効果は、図４Ｂに示されている。これは、図４Ａに示したのと同じ２本のライン１０、１１を示している。加えて、グラフが、スプリング磁石の間隔を徐々に１ｍｍずつそれぞれ徐々に増大させた、更なるライン１２〜１５の数を示している。分かるように、中心から軸方向外側へ磁石を移動させることにより、ピーク力は往復運動の中心からさらに離れて生じ、往復運動のより大きな振幅が達成されている。これにより、生成される電力が増大する。スプリング磁石を移動することは、ピークのセンタリング力を外側へ移動させることに加えて、図４Ｂのライン１５から明らかなように、カーブを平らにする効果を有する。現行の設計では、ピークのセンタリング力が生じる理想的な位置は、往復運動振幅が１２〜１３ｍｍのところである。これは、スプリング磁石を主磁石から更に約４ｍｍ離して位置づけることによって、達成され得る。これにより、より小さいセンタリング力（約３０Ｎ）がサイクルの中央部分に存在し、センタリング力が中心から１２〜１３ｍｍのところで生じ、かつピークが拡張され、その結果、より大きなセンタリング力が理想のピストン限界値をはるかに越えて提供されるようになる、という点において、最善の妥協点が提供される。
【００３４】
本発明の第４の実施形態を、図６Ａおよび６Ｂに示す。この実施形態は、図５の第３の実施形態の全ての特徴を有する。しかし、この実施形態はまた、図１および２の第１および第２の実施形態にも適用できることを理解される。第４の実施形態において提供される改良点は、ドラム２の上に補助磁石２０があることである。これらは、パワー磁石３の対向する軸方向端部に配置される（この場合は、２つの個別の部分として示されている）。補助磁石２０は、パワー磁石３と反対の極性を有しており、かつスプリング磁石４Ｃに対しても反対の極性を有する。補助磁石２０があることにより、図６Ｂに示すような力−振幅カーブに更なる改良が提供される。この実施形態において、ライン２１は、磁石がドラム２のみに装着されている従来技術によって提供される復元力を表し、ライン２２は、磁石がステータのみに装着されている第３の実施形態の復元力を表し、ライン２３は、図６Ａの力を表す。ピーク力が非常に高められている（第３の実施形態の４００ニュートンおよび従来技術の２００ニュートンと比べて、約６００ニュートンにまで）ことがわかる。より小さい振幅の領域（図６Ｂの領域２４によって表されている）における復元力は従来技術および第３の実施形態より小さく、それによって、装置の動作の正常範囲内における装置の動作の効率を改善していることが明らかである。
【００３５】
本発明の第５の実施形態を、図７Ａおよび７Ｂに示す。これは、図６Ａの第４の実施形態の特徴の全てを有するものとして図示されているが、この概念は、これより前の実施形態にも等しく適用できることが理解される。換言すれば、この実施形態は、必ずしも補助磁石２０があることを必要とせず、この実施形態はまた、外側ステータ要素７ではなく内側ステータ要素６に装着されたスプリング磁石に適用することも可能である。
【００３６】
この実施形態においては、各スプリング磁石は、非磁性の間隙によって隔てられた２つのばね要素４Ｄ、４Ｅからできている。スプリング磁石要素４Ｄは、往復運動の中心に最も近いという意味において、内側の要素であり、スプリング磁石要素４Ｅは、往復運動の中心から最も遠いという意味において、外側の要素である。ピストンが初めてピストン自体の正常動作のストロークの範囲を超えて進み始めるにつれ、内側磁石要素４Ｄが、図７Ｂのピーク２５によって描かれるように、ドラムに対する復元力を生成する。これがドラムの方向を逆転させるには不十分であり、ドラムが中心位置からさらに移動する場合には、外側スプリング要素４Ｅが、図７Ｂのピーク２６によって描かれるように、ドラム２に対する第２の復元力を生成する。これによって、効果的に、内部スプリング要素４Ｄによって提供された力にバックアップ力が提供される。
【００３７】
本発明の第６の実施形態を図８に示す。再度、この実施形態は、これより前の実施形態の特徴の多くを有している。外側ステータ７は、内側ステータ要素と外側ステータ要素との間の間隙を渡って突出する径方向内側に延出するフランジ３０を有する。フランジ３０は内側ステータ要素６から径方向外側に同様に延出することができることが、理解される。スプリング磁石４Ｆは、フランジ３０の下を向いている表面に固定されており、かつ往復運動するドラム２の経路内にじかにある。ゴムクッション３１が、スプリング磁石４Ｆの下面に配置されており、ドラム２からの衝撃のためのクッションを提供する。図８で分かるように、スプリング磁石４Ｆは、ドラム上の補助磁石２０と同じ極性に磁化されている。補助磁石がない場合には、スプリング磁石４Ｆは、パワー磁石３と同じ極性に磁化される。ドラム２がスプリング磁石４Ｆに接近するにつれて、同じ極性の磁石は、磁石間の距離が短くなるにつれて増大する反発力を生成する。極端な場合には、磁石によって生成された力は、ドラムを止めるのに十分でなく、この地点で、ドラム２はクッション３１と衝突し、その結果、ドラムが突然停止することになる。この軸方向に間隔を置かれたスプリング磁石４Ｆは、先の実施形態で説明したスプリング磁石と同様の態様で動作する、径方向に間隔を置かれたスプリング磁石４Ｇに追加して、設けることができる、またはこれらの磁石なしで単独で動作することができる。上述したように、この実施形態は、補助磁石２０の有無にかかわらず実施され得る。
【００３８】
補助磁石２０またはパワー磁石３の底部に対する反発力を提供するために、ステータの下端部に同様の配置を有することもまた可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来技術によるオルタネータアセンブリの右側部分の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の同様の図である。
【図３】第２の実施形態の同様の図である。
【図４Ａ】本発明によって提供される利点を図示したグラフである。
【図４Ｂ】本発明によって提供される利点を図示したグラフである。
【図５】本発明の第３の実施形態を示す、図１〜３と同様の図である。
【図６Ａ】本発明の第４の実施形態を示す、図１〜３および５と同様の図である。
【図６Ｂ】図６Ａの実施形態によって提供された改良を示す、図４Ａおよび４Ｂに示されたグラフと同様のグラフである。
【図７Ａ】第５の実施形態を示す、図１〜３、５および６Ａと同様の図である。
【図７Ｂ】図７Ａの実施形態の応答特性を示す、図４Ａ、４Ｂおよび６Ｂと同様のグラフである。
【図８】本発明の第６の実施形態を示す、図１〜３、５、６Ａおよび７Ａと同様の図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2009520913.tif 000009
【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2009520913.tif 000011
【図７Ｂ】
2009520913.tif 000012
【図８】
2009520913.tif 000013
【国際調査報告】
2009520913.tif 000014
2009520913.tif 000015
2009520913.tif 000016