(57)【要約】【課題】従来技術の巻線型螺旋スプリングに比べ、交互に横及び側面荷重を除去する向上した構造の精密度の機械スプリングを提供する。【解決手段】ディスプレーサスプリング、及びディスプレーサ/スプリング組立体は、FPSEに用いられ、向上した磨耗特性を有する。一実施例は、引張モード及び圧縮モードで交互に作動する単一機械スプリングの利用を要求し、前記ディスプレーサ移動の作動周波数は、所望の振動周波数で制御することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサ；
ディスプレーサが第1軸方向及び第2軸方向に往復運動されるハウジング；及び
第1端部で前記ディスプレーサに付着され、前記ディスプレーサが前記第1軸方向又は前記第2軸方向のうち、一つの方向に移動する場合、前記ディスプレーサに拘束力を提供する機械スプリングを含むことを特徴とする自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項２】
前記機械スプリングは、前記機械スプリングの第2端部でディスプレーサロッドに付着されていることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項３】
前記機械スプリングは、一つ以上の設置スクリューと共に、前記ディスプレーサに付着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項４】
前記機械スプリングは、前記ディスプレーサと、前記ディスプレーサロッドの質量、及び前記機械スプリングの力の整数が、前記自由ピストンスターリングエンジンの作動周波数で機械的に共振されるよう規定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項５】
前記機械スプリングは、材料の2個以上の絡み合ったコイルで形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項６】
前記材料は、鋼鉄であることを特徴とする請求項５に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項７】
前記機械スプリングは、第1及び第2端部と、その間に位置した複数の螺旋型コイルで構成されていることを特徴とする請求項１乃至4のいずれか一項に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項８】
前記螺旋型コイルは、絡み合っていることを特徴とする請求項7に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項９】
前記機械スプリングは、ロッドストックの単一部品で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項１０】
前記機械スプリングは、前記ディスプレーサ内に含まれていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の自由ピストンスターリングエンジン。
【請求項１１】
ディスプレーサロッド；
前記ディスプレーサロッドが往復運動されるディスプレーサハウジング；
第1端部で、前記ディスプレーサロッドの一部以上に付着され、前記ディスプレーサロッドが、前記ディスプレーサハウジングの内部から第1軸方向又は第2軸方向のうち一つの方向に移動する場合、前記ディスプレーサロッドに拘束力を提供する機械スプリングを含むことを特徴とする自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサ。
【請求項１２】
前記機械スプリングは、前記機械スプリングの第2端部で前記ディスプレーサハウジングに付着されていることを特徴とする請求項１１に記載の自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサ。
【請求項１３】
前記機械スプリングは、前記ディスプレーサと前記ディスプレーサロッドの質量、及び前記機械スプリングの力の整数が、前記ディスプレーサを含む自由ピストンスターリングエンジンの動作周波数で機械的に共振されるよう規定されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサ。
【請求項１４】
前記機械スプリングは、材料の2個以上の絡み合ったコイルで形成されていることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサ。
【請求項１５】
前記材料は鋼鉄であることを特徴とする請求項１４に記載の自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサ。
【請求項１６】
前記機械スプリングは、第1及び第２端部と、その間に位置した複数の螺旋型コイルで構成されていることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサ。
【請求項１７】
前記複数の螺旋コイルは、絡み合っていることを特徴とする請求項１６に記載の自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサ。
【請求項１８】
前記機械スプリングは、前記ディスプレーサ内に含まれていることを特徴とする請求項１1乃至1７のいずれか一項に記載の自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に自由ピストンスターリングエンジンに関するものであって、特にこのようなエンジン内のディスプレーサ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは、内燃機関と対照に外部熱源を有することに特徴がある。外部熱源は、化石燃料の燃焼、集中した太陽エネルギー、放射性同位体の崩壊からの熱、ディーゼルエンジンからの高温排出ガス又はその他の異なる熱源からなり得る。初期のスターリングエンジンは、空気を利用したが、現代のスターリングエンジンは、性能を向上させてエンジンの物理的サイズを減らすために高圧でヘリウム等のガスを利用する。
【０００３】
発電機等のロード(load)に対して有用した機械作業を実行するために、スターリングパワーピストンから力を伝達する2つの主要方法がある。いわゆる“動的”設計で、パワーピストン及びディスプレーサピストンが利用されれば、従来の内燃機関でのようにクランクシャフトに連結される。もし、適用可能であれば、パワーピストン及びディスプレーサピストンは、ロータリー発電機等のロードをターンさせる。この場合に、ピストン行程は、クランクシャフトへのピストンの堅固な機械的連結により成立される制限に拘束される。
【０００４】
第2構成は、いわゆる“自由ピストン”スターリングエンジン(“FPSE”)であり、ここで機械的に拘束されたパワーピストン及びディスプレーサは、基本的にピストンとディスプレーサの質量、空気圧式、機械的な又は他の手段により提供される各種復元弾性率、及びエンジン動作時に発生する減衰効果により決定される正常モードと名目上同一の周波数で線形短振動に移動する。典型的に、FPSEピストン変位は、入力熱流速の適切な動的バランシング及びローディング(loading)により制御されてシリンダ端部に非所望のインパクトを引き起こさせる設計限界を超える行程を回避する。一つの典型的なFPSE適用で、パワーピストンは強制ロードにより線形交流発電機の固定部と協力する円通形磁気構造体（しばしば“ムーバ”と称する）に連結される。ムーバ/パワーピストンの前後移動は、交流発電機の出力でAC電圧を発生させる。
【０００５】
いくつかの適用でFPSE構成は、その運動学的代案に好ましく、一つの明白な利点は、FPSEがこれらの表面を潤滑する必要性と潤滑-不耐性（lubricant-intolerant）のエンジン構成要素を孤立させる手段を回避するピストン-シリンダ壁垂直力を事実上除去することである。
一般的なFPSE/線形交流発電機（FPSE/LA）の組合せ（10）の断面図は、図面の左側にFPSE部（50）及び図面の右側に交流発電機部（60）を有するもので、図1に例示されている。気密ケース（12）は、固定ディスプレーサロード（16）によりガイドされる自由移動ディスプレーサ（14）を含む。移動可能なパワーピストン（18）は、永久磁石構造体（20）に連結される。各種リングシール（未図示）は、ディスプレーサ（14）とパワーピストン（18）とケースの内部部分（12）間の気密シールを形成するのに利用され得る。代案として、密着半径間隙は、ピストンとディスプレーサの構成要素周囲の漏出流れを制限するのに利用され得る。
【０００６】
通常、ケース内部の4つの中央空間は下記のように命名される。ディスプレーサ（14）とケース間の空間は、膨張空間（32）であり；ディスプレーサ（14）内部の空間は、ガススプリング（34）で機能し、ディスプレーサ（14）とパワーピストン（18）間の空間は、圧縮空間（36）であり；パワーピストン（18）とケース（12）間の空間は、バウンス空間（38）である。ケース（12）は、機械スプリング（未図示）上に設けられ得る。スターリングエンジンを作動させる熱エネルギーは、ケース（12）外部のヒーター（40）により供給される。
【０００７】
行程に関するディスプレーサ移動の制御及びパワーピストン運動の位相関係は、FPSE設計で重用な要素である。特に、ディスプレーサを構成し、その固有振動周波数又はその近くで作動させることが有利である。上記要求条件を実施することによって、ピーク効率で又はこのピーク効率近くでエンジン作動を含む多数の利得が得られる（即ち、所定の入力に対しては高エンジン出力が得られる）。
【０００８】
従来技術の解決方法は、一般的に特定のスプリング特性に基づいた選択振動周波数へのディスプレーサ移動のチューニングと関連して各種タイプのスプリングを使用する。そのようなスプリングは、図1に例示されたFPSEの領域（34及び36）内に位置される。典型的に、機械スプリングの場合、スプリングは螺旋形ワイヤーで形成され、ディスプレーサ（14）に連結され、ディスプレーサロードの端部とそのシリンダハウジング間に連結される。
【０００９】
固有振動周波数は、集合的運動体（ディスプレーサ及びスプリング）の質量と弾性率の関数である。所定の質量-弾性システムは、エンジン作動の間に予想される減衰効果に関して、これらの2つの要素の制御を通じて、所望の周波数で作動するようにチューニングされ得る。各特定のスプリングは、その材料、
幾何学的構成及びフックの法則により決定される単一力の整数を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
残念ながら、特定の周波数へのディスプレーサ移動の制御に関してスプリングの利用に関する各種欠点が存在する。従来のコイルスプリングは、ディスプレーサが軸経路に沿って両方向に制御され得るように互いに対向して配置された一対のスプリングの利用を要求する。一つのスプリングよりは却って2つのスプリングが必要であるので、費用と追加的な破壊点が増加する。FPSEでのディスプレーサスプリングと関連した他の特別な問題は、所望の構成要素の寿命より短いというものである。従来の機械コイルスプリングは、剥離、疲労及び究極的に破損することにより摩滅される傾向がある。従来技術のスプリング構造体の各種特性は、上記結果を引き起こす。例えば、放射状に向かう側力及び/又は曲げモーメントは、スプリングによりディスプレーサ及びディスプレーサロードに印加される。これはスプリング及びディスプレーサ自体に関する摩滅寿命を減少させる。また、上記側力は、ディスプレーサロードの壁とシリンダ間で停止摩擦を増加させるので、初期エンジン始動を妨害する効果を有し得る。
【００１１】
更に、ディスプレーサ（14）が初期に適切にセンタリングされないと、又はスプリング変化やスプリング運動の結果として中央を外れて移動すると、受容壁に対するディスプレーサ（14）の摩擦が生じ得る。これは従来のコイルスプリング解決方法が、ある放射状の強性を提供できず、軸上にセンタリングされたディスプレーサ（14）の維持をアシストするためである。
【００１２】
従来技術の機械コイルスプリング解決方法と関連した他の欠点は、ディスプレーサ（14）がその安定位置にある場合にも、各対のスプリングが常にある圧縮範囲下にあるプリロード(pre-load)を必要とするものである。プリロードは、スプリングが順にノイズと微粒子汚染を引き起こすラトリング（rattling）を防止するために必要である。しかし、残念ながら、プリローディングはプリロード無しに得られることに比べて応力レベルを高め、スプリングの寿命を減少させる。更に、現在使用中の対向コイルスプリング設計は、典型的にスプリングを受容するためにFPSE内に追加的な圧縮空間及び表面領域の利用を必要とする。
【００１３】
また、他のスプリングの構成は、ディスプレーサ制御と関連して利用されてきた。例えば、フラット(flat)“曲げ”又は“平面”機械スプリング構成は、ディスプレーサ制御の適用に利用されてきた。上記スプリングの構成は、典型的に低摩滅を提供し、長い寿命を招くが、ディスプレーサの機械設計は、典型的に独特なスプリングの特性を受容してディスプレーサの設計要求を更に複雑にする。更に、“フラット”機械スプリングの構成は、通常的なコイルスプリングの構成に比べて、比較的高価であり得る。
【００１４】
一つの様相は、上述した欠点を解決するディスプレーサ及びスプリング組立体を提供するものである。
別の様相は、従来の機械コイルスプリングに比べて向上された作動寿命を提供するFPSE内のディスプレーサと結合して利用されるスプリングを提供するものである。
また別の様相は、ディスプレーサの摩滅を減少させるFPSE内のディスプレーサと結合して利用されるスプリングを提供するものである。
【００１５】
また別の様相は、ディスプレーサの構成要素上に最少の又は全くない側力や曲げモーメントを発生させるFPSE内のディスプレーサと結合して利用されるスプリングを提供するものである。
また別の様相は、圧縮空間容積及び表面領域要求条件が減少したFPSEと結合して利用されるスプリング及びディスプレーサ組立体を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一つの形態は：
ディスプレーサ；
ディスプレーサが第1軸方向及び第2軸方向に往復運動されるハウジング；及び
第1端部で上記ディスプレーサに付着され、上記ディスプレーサが上記第1軸方向又は上記第2軸方向のうち一つの方向に移動する場合、上記ディスプレーサに拘束力を提供する機械スプリングを含む自由ピストンスターリングエンジンを備える。
【００１７】
本発明の他の形態は：
ディスプレーサロード；
上記ディスプレーサロードが往復運動されるディスプレーサハウジング；
第1端部で上記ディスプレーサロードの一部以上に付着され、上記ディスプレーサロードが上記ディスプレーサハウジング内部で第1軸方向又は第2軸方向のうち一つの方向に移動する場合、上記ディスプレーサロードに拘束力を提供する機械スプリングを含む自由ピストンスターリングエンジン内のディスプレーサを備える。
【００１８】
一実施例は、多重コイルを有する機械スプリングの利用を要求する。本発明の機械スプリングの多重コイルは、あるバウンディング構造に不均衡荷重を伝達する単一コイルの解決策に比べて、曲げモーメント及び側面荷重を最小化する機能をする。本発明の機械スプリングの利用を通じて、コイルの設置面積は、上述した否定的な効果を防止するために、幾何学的にバランスされ得る。本発明の機械スプリングは、引張モード及び圧縮モードで交代に作動し、ディスプレーサ移動の作動周波数が所望の共振周波数で制御されるようにする。本発明の機械スプリングは、従来技術の巻線形螺旋スプリングに比べて、交互に横及び側面荷重を最小化する向上された構造精密度を更に提供する。更に、各ディスプレーサに関して従来技術に典型的に利用される二つの機械コイルスプリングは、本発明の教示により単一機械スプリングに代替され得る。
【００１９】
また、本発明の他の実施例は、以下、更に詳細に説明されるように可能であり、当業者により理解され得る。
いま本発明を、例でのみ与えられた本発明の好ましい形態及び添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
同一の添付番号が利用され、同一の部分を示す図1-3に例示された実施例が下記に言及される。
図2は、ディスプレーサロード（260）に設けられ示したディスプレーサ組立体（220）を例示する。ディスプレーサロード（260）は、エンジンケイシング（未図示）に付着される。ディスプレーサ組立体（220）は、ディスプレーサシール本体（270）、ディスプレーサキャップ組立体（210）及び機械スプリング（230）で構成されている。機械スプリング（230）は、設置スクリュー（240）と共にディスプレーサシール本体（270）に、また設置スクリュー（250）と共にディスプレーサロード（260）に付着される。
【００２１】
上記方式で、ディスプレーサの往復運動の間、機械スプリング（230）の一端部は、ピン組立体（240）を通じて適切に固定されている反面、機械スプリング（230）は、ディスプレーサ（220）の移動に直接関連して自由に膨張して収縮する。機械スプリング（230）がディスプレーサ（220）の移動に直接関連して自由に膨張して収縮することが重要であるが、機械スプリング（230）をディスプレーサロード（260）に付着するための上記開示された器具は、付着を提供する多数の可能な方式のうちの一つであるのみである。機械スプリング（230）が一方に適切に固定されて他方で自由に膨張して収縮する限り、本発明の利点が得られ得る。従って、本発明は、機械スプリング（230）を付着するための開示された実施例に必ず制限するのではない。
【００２２】
本発明の教示によると、ディスプレーサ（220）及び機械スプリング（230）は、機械スプリング（230）の移動質量及び力の整数が、所望の周波数で機械的に共振される組合わせを提供するように設計される。
本発明の好ましい実施例によると、本発明の機械スプリング（230）は、以下の明細書によって形成され得る。スプリング鋼は、2.14×1010kg/m2(3.05×107PSI)のE値と0.28のP比率を有する。このようなスプリングは例えば、Santa Maria, Californiaに位置したHelical Products Companyから入手され得る。本発明の好ましい一実施例によると、本発明の機械スプリングは以下の形態を取ることができる。
【００２３】
材料：15-5PH CRES(AMS 5659当たり熱処理H900)
構造：ロッドストック(rod stock)から機械化された単一部品
サイズ：83mmまでの長さ、44mmまでの外径、28mmまでの内径
構成：各3回の回転を有する2つの巻きついたコイル
個別回転/コイルは、内径から外径まで約3.2mmの高さ範囲であり、約3.2mm離隔されている。スプリングの長さ内のコイルの軸方向の位置決定が変化されて、スプリングの固有周波数を変更させることができる。ディスプレーサに付着されたスプリングの端部に近接したコイルの位置決定は、全体の移動質量を低減させるので、システムの固有周波数を増加させる。ディスプレーサロードに付着されたスプリングの端部に近接したコイルの位置決定は、全体の移動質量を増加させるので、システムの固有周波数を減少させる。
【００２４】
上述したものが本発明の機械スプリングの一つの好ましい形態であるが、当業者はスプリングサイズ、形状又は材料の変化を含む他のスプリング特性が、本発明の範囲と精神から外れること無しに上述したもので、代替され得ることを認識する。例えば、制限無しに本発明の機械スプリングの形成時に使用される材料は、通常ワイヤーコイルスプリングに使用される従来の“スプリング鋼”に必ず制限されるのではない-所望の機械的性質（疲労強度及び製造の容易性）を有する鉄及び非鉄材料は、従来のワイヤーコイルスプリングが使用される場合と対照して利用され得る。
【００２５】
図3は、本発明の教示に関して利用され得る機械スプリングの詳細な側面図である。示したように、機械スプリング（230）は2つの端部部分（310及び320）及び端部部分（310及び320）間に位置された2つの螺旋系コイル（330a及び330b）を含む。図3の実施例は、2つのコイルの利用を示すが、当業者は多数のコイルが使用され、例えば、3つ以上のコイル等のスプリングを形成することもできるということを理解する。
【００２６】
上記特性を有する機械スプリングが与えられると、テスティングは22.7kg（50 lbs）の軸方向圧縮ローディング又は22.7kg(50 lbs)の軸方向引張ローディングのうち一つで最大ミーゼス応力（Von mises stress）が30 Ksiとほぼ類似することを示した。また、軸方向荷重から引き起こされる最大偏向は、0.23cm（0.09インチ）である。テストされたスプリングの最終等価スプリング鋼性は、98.9kg/cm（554 lbf/in）である。最も重要なもので、純粋軸方向弾性力の場合、テスティングは作動の大略200時間にわたってスプリング又はディスプレーサの接触又は摩滅が本来ないということを示した。
【００２７】
当業者に自明なように、上述した特定機械スプリングの特性は、単に例示的であり、本発明は各種適用に関して要求されたり又は所望されるように相異する物理的特性を有する機械スプリングを利用して実施され得る。
ディスプレーサ往復運動に関した引張又は、圧縮を交互に作動する機械スプリングの利用を通じて、各種利点が達成され得る。上述したように、構成要素のセンタリングは、従来技術の螺旋形ワイヤースプリングに比べて更に容易に達成され得るので、摩擦は構成要素の摩滅があり得るが、容易に最小化され得る。
【００２８】
また、本発明に関して利用された機械スプリングで達成され得る高弾性力により、機械スプリングがディスプレーサ内に完全に含まれるので、低減された圧縮空間容積及び表面領域が達成され得る。
FPSEに関して利用される機械スプリング及びディスプレーサ/スプリング組立体が開示されてきた。上記提供された教示が一般的に往復運動部材の制御と関連することに対して、特に多数の適用を有することが理解される。本発明が図面と前述した説明で詳細に例示されると記載されているが、開示された実施例は例示的で特性に制限されない。本発明の範囲内にある全ての変化及び変更は、保護されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この技術分野に公知されたFPSE/LAシステムの基本構造を例示する。
【図２】本発明の好ましい実施例によるディスプレーサ/機械スプリング組立体の断面図である。
【図３】本発明の好ましい実施例によるディスプレーサ作動周波数制御と関連して利用される機械スプリングの詳細な側面図である。
【図１】
2007506030.tif 000003
【図２】
2007506030.tif 000004
【図３】
2007506030.tif 000005
【国際調査報告】
2007506030.tif 000006
2007506030.tif 000007
2007506030.tif 000008