(57)【要約】    ＤＣＨＰシステム用のスターリングエンジンアセンブリ。スターリングエンジン（１）は、複数の引張りばね（６）によって装架枠（５）から懸架されている。環状の吸収器質量体（２）は、スターリングエンジンを囲んでいて、主軸線の周りに非対称的に配置されている弾性部材（３）上のエンジンから懸架されている。この非対称的な配置構成は、剛性の異なる部材によって、又は部材の不規則な間隔によって形成される。吸収器質量体（２）自体の質量を弾性部材付近について低減してもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングエンジンと、装架枠とを備えているスターリングエンジンアセンブリであって、使用時に往復運動構成要素が往復運動する軸線が垂直であるように、前記エンジンが前記装架枠に装架されており、前記エンジンが、複数の引張りばねによって前記装架枠から吊られている、スターリングエンジンアセンブリ。
【請求項２】
ゴムパッドが各ばねに直列に結合されている、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記ばねが１００〜１５０ｍｍの間の自由長を有する、請求項１又は２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記スターリングエンジンが前記ばねから吊るされているときに、前記ばねが前記エンジン本体の長さに等しい（±２０％）長さを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記ばねが０．６〜０．９ｋｇ／ｍｍの総剛性を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記装架枠が前記エンジンの下側半分に結合されている、請求項１又は２に記載のアセンブリ。
【請求項７】
振動吸収質量体が少なくとも１つの弾性部材上の前記エンジンから懸架されていて、前記振動吸収質量体が、前記エンジンに逆位相の力を供給するように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記振動吸収質量体が環状であり、かつ前記スターリングエンジンを囲んでいる、請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記弾性部材が前記環状部材の主軸線の周りに非対称的に配置されている、請求項８に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記非対称的な配置が、剛性の異なる弾性部材によって形成されている、請求項９に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記弾性部材が、前記主軸線に垂直な第１の軸線の対向する側に対称的に配置されている、請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記弾性部材が、前記主軸線と前記第１の軸線とに垂直である第２の軸線の対向する側にも対称的に配置されている、請求項１１に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記非対称的な配置構成が、前記主軸線に垂直な第１の軸線の近くに前記弾性部材をグループ化することによって形成されている、請求項９に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記弾性部材が、前記第１の軸線の対向する側に対称的に配置されている、請求項１３に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記弾性部材付近の前記振動吸収質量体の質量が、前記振動吸収質量体の残りと比較して低減されている、請求項９〜１４のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
スターリングエンジンと、装架枠とを備えているスターリングエンジンアセンブリであって、使用時に往復運動構成要素が往復運動する軸線が垂直であるように、前記エンジンが前記装架枠に装架されており、環状吸収質量体が、前記エンジンに逆位相の力を供給するために、前記スターリングエンジンを囲んでおり、かつ、複数の弾性部材上の前記エンジンから懸架されており、前記弾性部材が、前記環状部材の主軸線の周りに非対称的に配置されている、スターリングエンジンアセンブリ。
【請求項１７】
前記非対称的な配置が、剛性の異なる弾性部材によって形成されている、請求項１６に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
前記弾性部材が、前記主軸線に垂直な第１の軸線の対向する側に対称的に配置されている、請求項１７に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
前記弾性部材が、前記主軸線と前記第１の軸線とに垂直である第２の軸線の対向する側にも対称的に配置されている、請求項１８に記載のアセンブリ。
【請求項２０】
前記非対称的な配置構成が、前記主軸線に垂直な第１の軸線の近くに前記弾性部材をグループ化することによって形成されている、請求項１６に記載のアセンブリ。
【請求項２１】
前記弾性部材が、前記第１の軸線の対向する側に対称的に配置されている、請求項２０に記載のアセンブリ。
【請求項２２】
前記弾性部材付近の前記振動吸収質量体の質量が、前記振動吸収質量体の残りと比較して低減されている、請求項１６〜２１のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジンアセンブリに関する。詳細には、本発明は、家庭用熱電併給（ＤＣＨＰ）装置における使用に適するアセンブリに関する。
【発明の背景】
【０００２】
このような装置は、家庭環境において従来のボイラーの代わりに使用されることを目的としている。このような状況では、消費者に受け入れられるように騒音と振動が非常に低いレベルに維持されることが極めて重要である。
【０００３】
通常の方法は、エンジンの通常動作時に発生する振動を遮断するばねの上にエンジンを装架することによって、エンジンを支持することである。このような配置構成を有するスターリングエンジンの一例は、米国特許４，４００，９４１号である。遮断の程度を最大にするためには、低い剛性の装架システムが必要である。しかしながら、圧縮ばねを有するこの実施形態は、不安定性につながることがある。
【発明の開示】
【０００４】
本発明によると、スターリングエンジンアセンブリは、スターリングエンジンと装架枠とを備えており、前記装架枠には、使用時にエンジンの往復運動構成要素が往復運動する軸線が垂直であるように、エンジンが装架され、またエンジンは、複数の引張りばねによって装架枠から吊られている。
【０００５】
スターリングエンジンをばねの上に置くのではなくばねから吊るすことによって、剛性が低く、たわみが大きいばねを使用することができる。従って、先行技術における、安定的な支持が必要であることと剛性の低い装架システムが必要であることとの間の矛盾が取り除かれる。
【０００６】
エンジンが懸架されるばねは、低周波数の振動の伝達を防止するのに特に適している。より広い周波数範囲にわたる減衰性を向上させるため、各ばねに直列にゴムパッドが結合されていることが好ましい。このパッドは、ばねとエンジンとの間、又はばねと装架枠との間、若しくはこの両方でよい。これらのゴムパッドは、高周波数の振動を弱めるのに特に有用である。
【０００７】
装架枠は、エンジンの下半分に結合されていることが好ましい。これによって、装架枠がエンジの上側部分に結合されている場合に必要なばねよりも、長いばねを使用することができる。
【０００８】
周囲の懸架配置構成内でのスターリングエンジンの半径方向の安定性を向上させるためと、燃焼領域に対する好適なシールを形成するために、エンジンの上側円蓋の上と周りに位置するバーナー用ハウジングに、その内側の下面とエンジンの間に可撓性の環状ガイドを組み込むことができる。このガイドは、例えば、振動があり高温のこの環境における使用に好適な材料の「Ｏ」リングでよい。これによって、横方向の若干の動きが可能となり、従って、エンジンの振動に起因して損傷することがなく、不要な力の伝達が防止される一方で、エンジンの安定性も維持される。高温、高振動の環境に耐えることのできる代替のシーリング配置構成を使用することもできる。
【０００９】
ばねは、自由長が１００〜１５０ｍｍ、総剛性が０．６〜０．９ｋｇ／ｍｍの間であることが好ましい。エンジンが吊るされているときのばねの長さは、エンジン本体の長さ±２０％に等しい。
【００１０】
上述した配置構成は、スターリングエンジン用の特に有利な懸架配置構成である。しかしながら、エンジンの振動を最小にし、従って懸架配置構成にかかる負担を低減させるための振動吸収配置構成を設けることによって、設計におけるさらなる改良を達成することができる。従って、好ましくは、少なくとも１つの弾性部上のエンジンから振動吸収質量体が懸架され、この振動吸収質量体が、エンジンに逆位相の力を供給するように構成される。振動吸収質量体は、エンジンの下に懸架されているか、エンジンを囲むように懸架されている環状質量体のいずれかでよい。後者の配置構成は、全高の短いスターリングエンジンを設けるときに有利なことがある。
【００１１】
対称性の環状の振動吸収質量体の場合には、水平軸線の周りの質量体の慣性と、この同じ軸線の周りのばね系の回転剛性の組み合わせに起因して、ピッチング周波数が垂直周波数に一致する傾向にある。
【００１２】
ピッチングの程度は、直径方向の剛性の対称性がないことと、ばねの剛性中心と吸収器質量体とがずれることがあることと、励振周波数と調整された垂直周波数（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｔｕｎｅｄ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）及びピッチング周波数との近さに関係する。従って、弾性部材は、環状部材の主軸線の周りに非対称的に配置されていることが好ましい。このことは、例えば、剛性の異なる弾性部材を設けることによって行うことができる。弾性部材は、主軸線に垂直な第１の軸線の対向する側に対称的に配置されていることが好ましく、主軸線と第１の軸線とに垂直である第２の軸線の対向する側にも対称的に配置されていることがより好ましい。
【００１３】
これに代えて、主軸線に垂直な第１の軸線の近くに弾性部材をグループ化することによって、非対称的な配置構成を形成することができる。この配置構成の場合、弾性部材は、第１の軸線の対向する側に対称的に配置されていることが好ましい。
【００１４】
いずれの場合にも、回転剛性が高い方の水平軸線付近の振動吸収質量体の質量を、振動吸収質量体の残りと比較して低減することができる。
【００１５】
この非対称性の環状吸収質量体は、本発明の独立した態様を形成し、この態様は、スターリングエンジンと装架枠とを備えているスターリングエンジンアセンブリであって、使用時に往復構成要素が往復運動する軸線が垂直であるように、エンジンが装架枠に装架されており、環状吸収質量体が、エンジンに逆位相の力を供給するために、スターリングエンジンを囲み、かつ、複数の弾性部材上のエンジンから懸架されており、弾性部材が、環状部材の主軸線の周りに非対称的に配置されている、スターリングエンジンアセンブリとして広義に定義される。
【００１６】
この配置構成は、本発明の第１の態様に従ってエンジンがばねから吊るされているか、又は何らかの他の弾力性装架部材から懸架されているときに、使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明によるスターリングエンジンアセンブリの実施形態について、添付されている図面を参照しながら以下に説明する。
【００１８】
スターリングエンジンアセンブリは、この分野において周知であるスターリングエンジン１を備えている。このスターリングエンジンは、ディスプレーサとパワーピストンを有し、これらはどちらも垂直方向に往復運動するように配置されている。これによって、スターリングエンジン１自体の正味の垂直振動が発生する。
【００１９】
この振動を低減するため、振動吸収器質量体２が、この振動吸収器質量体２の上下両方の多数の圧縮ばね３によって支持されている。この配置構成は、スターリングエンジン１の底部に一体に固定されているハウジング４の中に収納されている。質量体２とばね３は、スターリングエンジン１がその通常動作周波数で動作しているときに、吸収器質量体２ができる限りスターリングエンジン１の逆相近くで振動するように調整されている。この結果として、スターリングエンジン１とハウジング４の全体的な振動が大きく低減される。
【００２０】
この配置構成は、１０．５ｋｇ（±１０％）の絶縁器質量体２の上に８本の圧縮ばね３と、下に８本の圧縮ばね３を組み込んでいる。これらのばねは、例えば、自由長が６７ｍｍであり、剛性が６６．２５Ｎ／ｍｍ（±１０％）である。吸収器は、周波数４８Ｈｚ〜５２Ｈｚの振動を吸収するように調整されている（５０．２５Ｈｚにおいて最小振動）。
【００２１】
上述したスターリングエンジン１とハウジング４のアセンブリは、図１に示されているようにエンジンのヘッドを囲む装架枠５に装架されている。エンジン１とハウジング４は、スターリングエンジンの周囲に間隔をあけて配置されている複数の装架アセンブリによって装架枠から懸架されており、装架アセンブリの１つが図２Ａと図２Ｂに示されている。各装架アセンブリは、装架枠５に取り付けるためのフック７が上端部に設けられている一対の引張りばね６を備えている。第２のフック８は、各ばねの下端部を枠９に取り付ける。
【００２２】
スプリングワイヤの太さは、エンジン１と吸収器質量体２の重量を支持するのに十分であるように選択され、吸収器質量体の重量は４０〜８０ｋｇの間でよいが、代表的には６０ｋｇである。この場合、ワイヤの直径は、代表的には２．４ｍｍである。
【００２３】
最適な懸架絶縁を達成して低周波端数の振動を低減させるために、ばねはできる限り長く、装架点は設計上許容される限り離れている必要がある。この場合、上側装架枠５は、エンジンバーナーハウジングのすぐ下に位置し、下側エンジン装架リング１２は、下側エンジンフランジの上に位置する。このとき、伸びたばねの長さは、（図１に示されているように）冷却器１３、伝熱ヘッド（ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｈｅａｄ）１４、及び後端円蓋１５を除くエンジン本体の長さ（代表的には１９０ｍｍ）とほぼ等しくなる。更に、ばねの自然（サージ）周波数がエンジンの運転周波数又はその高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）に一致する（結果として許容されない共鳴につながる）ことがないように、注意を払う必要がある。
【００２４】
６〜１２本のばね（代表的には８本）が、エンジンの周囲に一定の間隔に位置する対に配置されているこの構成においては、ばねの自由長は、１００〜１５０ｍｍ（代表的には１２７ｍｍ）であることが好ましい。ばねの総剛性は、０．６〜０．９ｋｇ／ｍｍの間（代表的には０．７５ｋｇ／ｍｍ）であり、このとき各ばねの剛性は、この構成において代表的には０．０９ｋｇ／ｍｍとなる。
【００２５】
各枠９の中には、ゴム要素１０が着座している。このゴム要素１０は、取り付けボルト１１を支え、これによって装架アセンブリがスターリングエンジン１の装架リング１２に取り付けられる。従って、スターリングエンジン１における振動が、ボルト１１を介してゴム要素１０に、すなわち枠９に伝達され、更にばね６を通じて装架枠５に伝達される。
【００２６】
各ばねの底部におけるゴム要素１０の代替として、又はこれに加えて、各ばねの上部にゴム要素を設けてもよい。
【００２７】
４組のばねに基づいたときのゴム要素１０あたりの剛性は、例えば、１１０Ｎ／ｍｍである。ゴム要素は、高周波数の振動を除去するように設計されており、従って、ゴムの能力が高温において低下することを念頭に置くと、上記の剛性値は十分であり、かつひずみが実用的なレベル内に維持される。
【００２８】
高周波数の振動は、ゴム要素１０によって弱められる傾向にある一方で、低い周波数の振動は、ばね６によって弱められる。従って、装架枠５が受ける振動は、無視することができ、ＤＣＨＰ装置に対して許容可能な限界内である。
【００２９】
図１に示されているアセンブリの代替アセンブリが、図３に示されている。この配置構成においては、ハウジング４’は、図１の場合のようにエンジン１の下に懸架されるのではなく、スターリングエンジン１を囲むように装架されている。この場合、吸収器質量体２’は、環状であり、スターリングエンジンを囲んでいる。この実施形態では、装架リング１２の直径が図１のものよりも相当に大きい必要がある。しかしながら、装置の全高が低減されており、従ってこの設計は、高さ的な空間が限られているときに有用である。この点を除き、この配置構成は図１に示されているとおりであり、同一の構成要素は同一・相当参照記号によって示してある。
【００３０】
このアセンブリの動力学は、図４に示されている。この図において、各要素は次のとおりである。
ｍ１  −  主エンジン質量体
ｍ２  −  吸収器質量体（２）
ｋ１  −  引張りばね（６）の剛性×引張りばねの数
ｃ１  −  引張りばね配置構成に対応する減衰値
ｋ２  −  ゴム要素（１０）の圧縮剛性×ゴム要素の数
ｃ２  −  圧縮ゴム要素に対応する減衰値
ｋ３  −  圧縮ばね（３）の剛性×圧縮ばねの数（代表的には１６）
ｃ３  −  圧縮ばねと吸収器質量体の周囲の空気の動きとに対応する減衰値
【００３１】
図３の環状吸収器質量体の修正されているバージョンについて、図５〜図８を参照しながら以下に説明する。
【００３２】
図５Ａと図５Ｂは、環状質量体の軸系を定義している。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、相互に直交し、Ｘ軸とＹ軸は、環状質量体の平面における水平軸線であり環状質量体の中心において交差しており、Ｚ軸は吸収器質量体２’の中心から延びている垂直軸線である。自然励振周波数に起因して、矢印２０の方向に垂直な往復運動が生じる。しかしながら、ピッチング周波数は、この垂直周波数に一致する傾向にあり、これに起因して、それぞれ矢印２１と矢印２２によって示されているようなＸ軸とＹ軸の周りのピッチングが生じる。環状吸収器質量体は、矢印２３によって示されているようにＺ軸の周りにも回転する。Ｘ軸とＹ軸の周りのピッチングを低減させるため、ばねの非対称的な配置構成、又は吸収器質量体の慣性の非対称性が提案されている。
【００３３】
このことの第１の実施形態が、図６に示されている。この配置構成は、一般的には、Ｘ軸とＹ軸の周りの吸収器質量体の回転慣性が等しい状況に適している。この場合、吸収器質量体２’は、均一な横断面と均一な質量を持つ。図６に示されているように、４本のばねの剛性がＫであり、残りの４本の剛性が０．５Ｋであるようにばねを配置すると、注目すべき点として、質量体の周辺部の周りに剛性の偏差が生じるが、ばねの剛性がＸ軸とＹ軸の対向する側で対称的であるため、質量体をまたいでの偏差は生じない。ばねのこの剛性パターンは、吸収器質量体の上と下で同じである。第２の配置構成においては、ばねの剛性と吸収器質量体の回転慣性の両方が非対称的である。
【００３４】
第２の配置構成は、図７に示されていて、吸収器環状体の回転慣性がＸ軸とＹ軸の周りで異なるときに特に適している。この場合、等しい剛性Ｋ’の８本のばねが設けられているが、運転時に十分な安定性を維持する必要性に矛盾しないように、慣性が高い方の軸線（Ｘ）によってグループ化されている。この場合、対向する側に本質的に一対の切り取り部分２５を有する環状質量体２”が設けられていて、８本のばねが、各切り取り部分の上と下の装架点２６に取り付けられるように配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】アセンブリの概略的な断面図である。
【図２Ａ】２つのばねを含んでいる装架アセンブリの一部の正面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示されている配置構成の側面図である。
【図３】図１に示されているアセンブリの代替アセンブリの概略的な断面図である。
【図４】懸架配置構成の動力学の概略図である。
【図５Ａ】環状吸収質量体の振動のさまざまなモードを示している図である。
【図５Ｂ】吸収質量体の軸線を示している図である。
【図６】第１のばね配置構成を示している概略図である。
【図７】第２のばね配置構成を示している概略図である。
【図８】図７の配置構成における使用に好適な環状質量体の斜視図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2005509789.tif 000013
2005509789.tif 000014
2005509789.tif 000015