(57)【要約】  少なくとも１つの回転式の電磁変換機に駆動連結されるフリーピストン型のスターリング機関であって、少なくとも１つの滑車が、往復運動するピストンのコネクティング・ロッドを含む面上に配置される。少なくとも１つの運動変換駆動リンクが、少なくとも２つの帯金によって、コネクティング・ロッドを滑車に連結して、この滑車を往復振動運動させる。２つの帯金は、滑車の円弧状の外周面に沿って延伸して、ピストン・ロッドの２つの離れた個所に連結される。滑車は回転式の電磁変換機に連結され、共に回転振動運動する。好ましくはピストンばねが、ピストンをスターリング機関の作動周波数に共振させ、ねじりばねが、滑車の回転振動をスターリング機関の作動周波数に共振させる。
2013509536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの回転式の電磁変換機に駆動連結されたフリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシングを備え、
上記ターリング機関は、少なくとも１つのピストンを含み、
上記ピストンは、シリンダ内で往復運動すると共に、このピストンに固定したコネクティング・ロッドを有し、
上記スターリング機関は、少なくとも１つの滑車を備え、
上記滑車は、上記コネクティング・ロッドを含む面に配置されると共に、この面に垂直な回転軸を有し、
上記滑車は、上記コネクティング・ロッドに隣接する位置まで延伸する円弧状の外周面を有し、
上記スターリング機関は、少なくとも１つの運動伝達駆動リンクを備え、
上記運動伝達駆動リンクは、少なくとも２つの帯金によって、上記コネクティング・ロッドを上記滑車に駆動連結すると共に、この滑車を回転振動運動するように駆動し、またはこの滑車によって回転振動運動するように駆動され、
一方の上記帯金が、上記滑車の上記ピストンから離れた片側に固定されると共に、この滑車の円弧状の外周面に沿って第１の方向（時計回り方向、あるいは反時計回り方向）に延伸して、上記滑車の回転軸より上記ピストンに近く、かつ上記コネクティング・ロッドに沿う個所において、このコネクティング・ロッドに連結され、
他方の上記帯金が、上記滑車の上記ピストンに近い片側に固定されると共に、この滑車の円弧状の外周面に沿って上記第１の方向とは逆の方向に延伸して、上記滑車の回転軸より上記ピストンから遠く、かつ上記コネクティング・ロッドに沿う個所において、このコネクティング・ロッドに連結され、
上記スターリング機関は、ぞれぞれの上記滑車と回転式の電磁変換機との間に機械的な駆動リンクを備えると共に、この回転式の電磁変換機と滑車とを回転振動運動させる
ことを特徴とする。
【請求項２】
上記スターリング機関は、上記ピストンに連結されたピストンばねを備え、
上記ピストンばねは、上記ピストン及びこのピストンに堅固に連結された質量を、上記スターリング機関の運転周波数に共振させ、
上記スターリング機関は、それぞれの上記滑車に連結されたねじりばねを備えると共に、この滑車及びこの滑車に堅固に連結された質量を、このスターリング機関の運転周波数に共振して回転振動させる
ことを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
上記フリーピストン型のスターリング機関は、アルファ型構造のスターリング機関であって、４つの上記ピストンとコネクティング・ロッドとを含み、
上記４つのピストンは、それぞれ０°、９０°、１８０°および２７０°の位相角度で運転するように熱力学的に相互連結され、
上記４つのピストンは、第１の一対の上記ピストンのコネクティング・ロッドを、第１の平面において、それぞれ０°及び１８０°の位相角度で運転するように物理的に配置すると共に、第２の一対の上記ピストンのコネクティング・ロッドを、第２の平面において、それぞれ９０°及び２７０°の位相角度で運転するように物理的に配置し、
第１の上記滑車が、上記第１の一対のピストンのコネクティング・ロッドの間に位置する上記第１の面に配置され、
第２の上記滑車は、上記第２の一対のピストンのコネクティング・ロッドの間に位置する上記第２の面に配置され、
上記運動伝達駆動リンクを、少なくとも４つ備える
ことを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関。
【請求項４】
上記帯金は、それぞれの弾性限度内で予め張力が掛けられた状態になっている
ことを特徴とする請求項３に記載のスターリング機関。
【請求項５】
上記滑車は、それぞれ別個のねじりばねに固定され、
上記ねじりばねは、それぞれ上記滑車から上記ケーシングとの連結個所に延伸している
ことを特徴とする請求項４に記載のスターリング機関。
【請求項６】
上記ねじりばねは、それぞれ竿または棒である
ことを特徴とする請求項５に記載のスターリング機関。
【請求項７】
上記滑車の上記ピストンより離れた片側に固定された上記帯金は、単一の長さの帯金材によって形成され、
上記帯金材は、この帯金材が連結される上記滑車の円弧状の外周面に沿って、全体としてほぼ１８０°延伸し、
上記滑車の上記ピストンに近い片側に固定された上記帯金は、単一の長さの帯金材によって形成され、
上記帯金材は、この帯金材が連結される上記滑車の円弧状の外周面に沿って、全体としてほぼ１８０°延伸する
ことを特徴とする請求項４に記載のスターリング機関。
【請求項８】
第２の回転式の電磁変換機を備え、
第１の上記回転式の電磁変換機は、一方の上記滑車に駆動連結され、
上記第２の回転式の電磁変換機は、他方の上記滑車に駆動連結される
ことを特徴とする請求項７に記載のスターリング機関。
【請求項９】
２つの上記滑車の間に、第３の回転式の電磁変換機が駆動連結されている
ことを特徴とする請求項８に記載のスターリング機関。
【請求項１０】
上記ピストンにそれぞれ連結されて共振させる上記ピストンばねは、一対の平面ばねを備え、
上記一対の平面ばねは、それぞれ上記ケーシングとの固定個所から、関連する上記コネクティング・ロッドとの連結個所に延伸し、
それぞれの上記ピストン用の上記一対の平面ばねは、この一対の平面ばねが連結される上記コネクティング・ロッドに隣接する上記滑車を挟んで相互に反対側に位置する
ことを特徴とする請求項８に記載のスターリング機関。
【請求項１１】
上記コネクティング・ロッドは、それぞれ隣接する上記滑車に対向する平坦な平面を有し、
上記平坦な平面は、この平坦な平面を形成した上記コネクティング・ロッドに連結される上記帯金を着座させるように、それぞれ配置されて、このコネクティング・ロッドに沿って延伸する
ことを特徴とする請求項１０に記載のスターリング機関。
【請求項１２】
上記ねじりばねは、それぞれ竿または棒である
ことを特徴とする請求項１１に記載のスターリング機関。
【請求項１３】
２つの上記滑車の間に、第３の上記回転式の電磁変換機が駆動連結されている
ことを特徴とする請求項１２に記載のスターリング機関。
【請求項１４】
上記スターリング機関は、ベータ型構造のスターリング機関である
ことを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項１５】
上記ピストンに連結されたピストンばねを備え、
上記ピストンばねは、上記ピストン及びこのピストンに堅固に連結された質量を、上記スターリング機関の運転周波数に共振させ、
それぞれの上記滑車に連結されたねじりばねを備えると共に、この滑車及びこの滑車に堅固に連結された質量を、上記スターリング機関の運転周波数に共振して回転振動させる
ことを特徴とする請求項１４に記載のスターリング機関。
【請求項１６】
第２の上記滑車は、上記コネクティング・ロッドを挟んで、第１の上記滑車と反対側に位置し、
第２の上記運動伝達駆動リンクが、上記コネクティング・ロッドを第２の上記滑車に駆動連結する
ことを特徴とする請求項１５に記載のスターリング機関。
【請求項１７】
上記ねじりばねは、それぞれ竿または棒である
ことを特徴とする請求項１６に記載のスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング・エンジン及びスターリング冷却機またはヒートポンプの、双方を意味するスターリング機関に関し、特にフリーピストン型のスターリング機関を冷却機乃至ヒートポンプとして駆動し、あるいは電力を発生させる、回転式の電動機及び発電機という形態の電磁変換機に連結されるスターリング機関に関する。本発明は、質量を低減すると共に、動作変換における摩擦を無くし、これによってスターリング機関の作動ガスを汚染する潤滑剤を不要にする構成方法を提供する。また本発明は、電磁変換機に連結されたスターリング機関の耐用寿命、信頼性及び価格を改善すると共に、潤滑剤が作動ガスを汚染する可能性を消滅させる。さらに本発明は、回転式の電磁変換機を使用することによって、質量に対する出力の割合を高くして、大きさ、重さ及び容積を低減すると共に、摩擦を生じないために潤剤が不要な駆動連結を用いることによって、潤滑剤の必要性を排除する。本発明は、潤滑剤が作動ガスを汚染するという不利な点を有しない回転式の発電機／モーターを備えるという利点を有する。本発明は、アルファ型構造のスターリング機関に好適であるが、ベータ型構造のスターリング機関にも適する。
【０００２】
スターリング機関、特にフリーピストン型のスターリング機関は、周知技術であるため、本特許出願では、その作動について詳述しない。本発明は、本発明による新規な構造や変更を除いて、スターリング機関の構成部品に関する公知技術を使用している。同様に、本発明は、回転式の電磁変換機が、従来技術による駆動形態とは異なる方法で駆動されるという点を除いて、回転式の電磁変換機に関する公知技術を使用している。
【背景技術】
【０００３】
フリーピストン型のスターリング機関が、スターリング技術において、高い信頼性と長期間の運転寿命とを実証した唯一の形態である。電力を生み出す電磁変換機に連結したスターリング・エンジンの実用化のために、従来の全ての専門家は、何らかの形態のリニア発電機を用いてきた。
【０００４】
、
図１及び図２は、従来技術によるリニア電磁変換機に駆動連結されたスターリング機関の実例を示している。図１は、リニア発電機またはモーターに駆動連結された、従来技術によるベータ型構造のフリーピストン型のスターリング・エンジンまたはヒートポンプを示している。この形態は、フリーピストン装置の伝統的な構造であった。ディスプレーサ１は、作動ガスを、膨張空間２と圧縮空間３との間を往復させ、一方ピストン４は、殆どが圧縮空間を占めるときには作動ガスを圧縮し、殆どが膨張空間を占めるときには作動ガスを膨張させる。リニア発電機またはモーター５は、機関がエンジン（原動機）かヒートポンプかによって、それぞれ動力を吸収または供給する。リニア発電機またはモーター５の可動する磁石は、直接ピストン４に連結されているため、ピストン４と磁石７との振幅は、同じになる。したがってピストン４と磁石７との最高速度も同じになる。バランス質量６を、残留振動を減少させるために、運転周波数と同じか、近い周波数に共振させる。ベータ型構造では、より高い出力を得ようとするとサイズが大きくなるという、大きな問題がある。ほぼ１ｋＷを超える高い出力では、機関は過度に大きくなってしまう。アルファ型構造は、より高い出力を得る形態として好適であるが、高い出力を得る場合には、リニア発電機やモーターのサイズは小さくならず、したがってサイズが大きな形態になると共に、磁束が通過する部品には、コバルト軸受合金のような高価な材料が必要になる。
【０００５】
フリーピストの発想を、アルファ型構造のスターリング機関に適用するために、バーコビッツ及びクオンの米国特許７，１７１，８１１、あるいはホワイト等の米国特許７，１３４，２７９に示されている、図２に記載してあるようなリニア発電機またはモーター１２４を、それぞれのピストンに追加することができる。しかしながら、リニア発電機またはモーターは、回転式の発電機またはモーターに較べると、大きな質量を有し、したがって、特に数キロワット以上の高い出力レベルのアルファ型構造のスターリング機関に適用することは困難となる。とりわけ、平均または最高出力と質量との比を表す技術的な変数として使用される、出力密度や比出力という用語がある。実質的に最大の出力密度（単位質量当たりの出力）を有することが望ましいが、リニア電磁変換機は、回転式の電磁変換機よりも、小さな出力密度を有している。それ故、アルファ型構造のスターリング機関は、回転式の電磁変換機に連結するという実際的な方法を採用することが望ましい。
【０００６】
図２は、米国特許７，１３４，２７９によるアルファ型構造の機関であって、４つのシリンダを備え、それぞれのピストンに設けたリニア発電機を駆動するフリーピストンを有する機関を示す。リニア発電機は嵩張るため、ピストン軸の相互の間隔は、熱力学的、及び組立て上の見地に基づく理想的な間隔より、互に離れることを強いられる。図２は、４つのシリンダを有するアルファ型構造のスターリング機関における、ピストン組立１１８と、リニア発電機組立１２４とを示している。この図の出典は、米国特許７，１３４，２７９であり、部品番号も出典どおりである。さらに気体軸受２２８を加えてある。クランク駆動のアルファ型構造の機関は、油潤滑が必要なため、作動ガスを油から隔てるための、極めて間隙の小さなシールを必要とし、その結果、磨耗が生じて耐用寿命が短くなり、信頼性が低下するという問題がある。ベータ型構造のフリーピストン機関が本質的に有するような、信頼性を備えたアルファ型構造の機関を実現する構成は、今日に至るまで生まれなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特に出力が高いアルファ型構造のスターリング機関では、回転式の発電機を駆動するクランク機構が用いられている。しかるにアルファ型構造の機関は、ピストンの往復運動を回転運動に変換する運動変換機構において摩擦が生じるという、大きな問題を有している。アルファ型構造の機関が用いる運動変換機構は、従来の石油ベースあるいは他の潤滑剤による、従来の潤滑手段を必要とする。また運動変換機構は、摩擦に打勝つために多大な動力を消費すると共に、この摩擦は、運動変換機構を短期間に摩損させる。これらの従来技術による機構は、スターリング・サイクル用の作動ガス（通常ヘリウムや水素）を、運動変換機構の潤滑に必要な潤滑剤から隔てることにおいて、厳しい問題を抱えている。作動流体を潤滑剤から隔てるシールは、大きな摩擦を生じて、出力の損失と短期間の損耗とをもたらす。従来技術で十分確立されているように、フリーピストン機関は、油潤滑を必要とせず、したがって油を隔てるシールも必要としない。仮にアルファ型構造の機関に対して、寿命を長くして信頼性を高めるとすれば、リニア発電機に付随する低い比出力（出力密度）を回避しつつ、潤滑油を使用せずに運転できるという全ての優位点、すなわちベータ型構造のフリーピストン機関において今日享受している全ての優位点をもたらす構造を見出す必要がある。
【０００８】
したがって、本発明の主たる目的は、大きな摩擦とそれ故潤滑とが必要になるという、連結における実質的な障害を除去できる、回転式の電磁変換機に駆動連結されたアルファ型構造のスターリング機関を提供することにあり、これによって油潤滑が不要で、摩擦がなく、機械的な磨耗が少なく、かつ高い出力密度を有するスターリング機関と電磁変換機との駆動連結が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、少なくとも１つの回転式の電磁変換機に駆動連結された、フリーピストン型のスターリング機関に関する。少なくとも１つ、好ましくは２つの滑車が、コネクティング・ロッドを含む平面上に配置され、この平面に直交する回転軸を有する。滑車は、コネクティング・ロッドに延伸して隣接する円弧状の外周面を有する。少なくとも１つの運動伝達駆動リンクが、少なくとも２つの帯金によって、コネクティング・ロッドを滑車に連結して、滑車を回転振動運動させる。一方の帯金は、滑車のピストンから離れた側に固定され、滑車の円弧状の外周面に沿って第１の方向に延伸し、滑車の回転軸よりピストンに近いピストン・ロッドに沿う個所において、コネクティング・ロッドに固定される。他方の帯金は、滑車のピストンに近い側に固定され、滑車の円弧状の外周面に沿って第１の方向と逆方向に延伸し、滑車の回転軸よりピストンから遠いピストン・ロッドに沿う個所において、コネクティング・ロッドに固定される。それぞれの滑車と回転式の電磁変換機との間を連結する機械的な駆動リンクは、滑車と回転式の電磁変換機との双方を回転振動運度させる。好ましくは、ピストンばねをピストンに連結して、ピストンをスターリング機関の運動周波数に共振して往復運動させ、ねじりばねを滑車に連結して、滑車をスターリング機関の運動周波数に共振して回転振動させる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術によるベータ型構造のフリーピストン型のスターリング機関の軸を含む断面図である。
【００１１】
【図２】従来技術による４つのピストンを備えるアルファ型構造のフリーピストン型のスターリング機関の主要な構成部品の斜視図である。
【００１２】
【図３】本発明による４つのピストンを備えるアルファ型構造のフリーピストン型のスターリング機関の垂直断面図である。
【００１３】
【図４】図３に示した発明の実施の形態の主要な構成部品の斜視図である。
【００１４】
【図５】図３に示した発明の好ましい実施の形態であって、発明の作動原理を示す概略図である。
【００１５】
【図６】本発明の実施の形態に使用されて回転振動運動を行う、８個の磁極を有する回転式の発電機またはモーターの軸に垂直な断面図である。
【００１６】
【図７】本発明の実施の形態のベータ型構造のフリーピストン型のスターリング機関の軸を含む断面図である。
【００１７】
【図８】図３に示す本発明による実施の形態であって、熱力学的な接続とピストンの配置とを示す線図である。
【００１８】
【図９】本発明の実施の形態における往復運動するピストンの位相関係を示す位相ベクトル図である。
【００１９】
【図１０】スターリング機関に駆動接続された電磁変換機を備える図４と同様な斜視図である。
【００２０】
【図１１】少なくとも２つの帯金によって、コネクティング・ロッドを滑車に接続する運動変換駆動リンクを示す、図４の角度から見た斜視図である。
【００２１】
【図１２】２つの滑車の間に接続された電磁変換機を示す側面図である。
【００２２】
図面に示した本発明の好ましい実施形態を説明する際には、説明を明確にするため、特定の専門用語が用いられる。しかし本発明をそのように選択された特定の用語に限定することを意図するものではなく、それぞれの特定の用語は、同様の目的を達成するために同様の態様で作動する全ての技術的に等価なものを含むものと理解すべきである。例えば、接続される、またはこれに類する用語を、しばしば用いるが、これらの用語は、直接的に接続する場合に限らず、他の構造を介して接続され、当業者に同等と認識される場合も含まれる。当業者は、同等な機能を発揮する故に同等であると認識される代替構造が、現に多数存在すると共に将来追加されることを認識するであろう。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本特許出願に関連する先行技術としては、２００９年１０月２８日に出願した本発明者による暫定的な米国特許出願第６１／２５５５２５号、本発明者が共同発明者となっている米国特許第５，７５３，９８５号、米国特許第７，１３４，２７９及び米国特許第７、１７１、８１１号がある。
【００２４】
用語の定義
【００２５】
本発明の説明では、さまざまな用語を使用する。これらの用語の定義と範囲とが当業者に知られていても、これらを説明することは、何らかの助けになり得る。
【００２６】
スターリング機関、スターリング・エンジン、及びスターリング冷却機またはヒートポンプについて説明する。周知のように、スターリング機関では、膨張空間と圧縮空間とを含む作動空間に、作動ガスを封入する。作動ガスは、交互に膨張及び圧縮して仕事を行うか、あるいは熱を汲み上げる。作動ガスは、受熱器、再生器及び放熱器を介して流体的に接続している膨張空間と圧縮空間との間で、移動を繰り返す。この移動は、各々の空間内を占める作動ガスの割合を、繰り返して変化させる。膨張空間内の作動ガス、及び膨張空間と再生器との間に位置する熱交換器（受熱器）を通過して膨張空間に流入する作動ガスは、外表面から受熱する。圧縮空間内の作動ガス、及び圧縮空間と再生器との間に位置する熱交換器（放熱器）を通過して圧縮空間に流入する作動ガスは、外表面に放熱する。作動ガスの圧力は、全ての作動空間において、いかなる瞬間においても、本質的に同じである。なぜならば、膨張空間と圧縮空間とは、比較的低い流れ抵抗を有する通路で接続されているからである。しかしながら、作動空間内の作動ガスの圧力は、全体としては、定期的に繰返して変化する。作動ガスの殆どが圧縮空間内にあるときには、この作動ガスから熱が放熱する。作動ガスの殆どが膨張空間内にあるときには、この作動ガスは熱を受熱する。このことは、機関がヒートポンプか、あるいはエンジンとして作動するかに関わらず当てはまる。仕事をするか熱を汲み上げるかを区別するものは、膨張工程が行われるときの温度である。もしも膨張工程の温度が圧縮空間の温度より高いと、機関は仕事をするようになって、エンジンとして機能する。もしも膨張工程の温度が圧縮空間の温度より低いと、機関は低温熱源から高温熱源に熱を汲み上げる。
【００２７】
また同じく周知のように、スターリング機関には、３種の基本的な形態がある。アルファ型構造は、少なくとも２つのピストンを別々のシリンダ内に有し、それぞれのピストンによって区画された膨張空間は、別のシリンダ内の別のピストンで区画された圧縮空間に接続する。これらの接続は、多数のシリンダの膨張空間と圧縮空間とが直列的なループを形成するように配置される。ベータ型構造は、同一のシリンダ内にディスプレーサピストンと共に配置される、単一のパワーピストンを有する。ガンマ型スターリング機関は、ベータ型構造のスターリング機関と似ているが、パワーピストンは、ディスプレーサピストンのシリンダと併置された別個のシリンダ内に搭載される。
【００２８】
スターリング機関は、２つの態様のいずれかで作動する。（１）エンジンであって、外部の熱エネルギ源から膨張空間に熱を供給して、圧縮空間から熱を放熱することによって駆動する単一または複数のピストンを有し、したがって機械な仕事を行なうことができる原動機としての態様。あるいは、（２）ヒートポンプであって、原動機によって繰り返し駆動される単一または複数のパワーピストン（ときにはディスプレーサピストン）を有し、膨張空間から圧縮空間へ熱を汲み上げ、したがって熱エネルギを低熱源から温熱源に汲み上げることができる態様。ヒートポンプの態様では、膨張空間に熱的に接続された対象を、極低温を含む温度にまで冷却するために、あるいは圧縮空間に熱的に接続された対象、例えば家庭暖房用熱交換器の加熱のために、スターリング機関を使用することができる。したがって、スターリング「機関」という用語は、スターリング・エンジンとスターリング・ヒートポンプの両方を総称的に含むように用いられ、スターリング・ヒートポンプは、時として冷却器と称される。スターリング・エンジンとスターリング・ヒートポンプとは双方共に、機械的動力及び熱的動力の間において、いずれかの方向に動力を変換できる、基本的には同じ動力変換構造である。
【００２９】
電磁変換機について説明する。周知のように、電気モーターと発電機とは共に、基本的に同等の装置である。これらは、通常は巻き線を備えた電機子（ａｒｍａｔｕｔｅ）を有する固定子と、通常は永久磁石を用いる磁石を含む回転または往復運動する要素とを有する電磁変換機である。これらは、動力を、電力と機械力との間において、いずれかの方向に変換する。モーター／発電機構成は、原動機によって機械的に駆動されて電気的な出力を生み出す、あるいは発電機の電力によって駆動されるモーターとして機械的な出力を生み出す。
【００３０】
したがって、スターリング機関とモーター／発電機構成は共に、２つの態様のいずれかで作動するエネルギ変換器である。これらは相互に駆動接続され、一方が原動機として作動し、他方が、電力を発生または熱を移動する仕事を行うことができる。本発明では、電磁変換機は、スターリング・エンジンとして作動するスターリング機関によって、回転振動運動して電力を生み出すか、あるいは電力によって回転振動運動するモーターとしてスターリング機関を駆動して、熱を移動してヒートポンプまたは冷却機として機能するか、いずれかの回転式の発電機／モーターである。
【００３１】
本発明に使用される発電機／モーターは、例え発明において回転振動運動を行うものであっても、広く市販されている従来型の回転式モーターまたは発電機であってもよい。勿論、本発明に特に適合するように変更した構造を有している。
【００３２】
ピストン・ロッド（コネクティング・ロッド）について説明する。この説明で使用するように、コネクティング・ロッドとは、ピストンを他の構成要素に接続する、実質的に剛体の接続部材である。一般に、コネクティング・ロッドは、中実の円筒形の棒であるが、かならずしも全断面において１種類の中実の材質である必要はなく、また円筒形の外周面であったり、断面外形が軸対称であったりする必要もない。例えば、コネクティング・ロッドは、中空の管であったり、断面形状がＩ字やＬ字のビームであったりしてもよい。したがって、ロッドという用語を使用しても、中実のロッドに限らず、多数の細いアームが一緒になって、あたかも一本の接続アームのように機械的に働く場合等、他の形状の剛体の接続アームも含まれる。
【００３３】
共振とは、ばねが本体に連結または接続されており、ばねと本体の質量とが、ある共振数を有する共振システムを形成するような特性を備えることを意味する。ばね定数、力定数または、ばねのねじり係数は、本体の全質量と関連し、角振動（本体を回転振動させる）、あるいはリニア振動（往復運動）のいずれかの振動について固有振動数を有するようにする。本発明における本体の共振数は、スターリング機関が作動する振動数である。共振システムにおける一つまたはそれ以上の本体の振動運動を記述するときは、しばしばピストンや滑車のような主要な構造が共振すると言う。共振システムにおける本体の実質的な質量には、本体に付属したり一緒に運動したりする全ての構成要素の質量も含まれることを、理解すべきである。ピストンの共振についていえば、ピストンの質量には、ピストン・ロッドの質量と、ピストンやピストン・ロッドに付属する他の質量も含まれる。滑車の共振についていえば、質量には、滑車に剛体的に連結する回転式の電磁変換機の部品のように、この滑車に剛体的に連結する他の質量も含まれる。
【００３４】
本発明において、ばねは、振動及び往復運動する質量を共振させるために使用する。ばねという用語には、機械的なばね（例えばコイルばね、板ばね、平面ばね、及び渦巻きやらせん状のばねのような）、限られた容積内で移動する表面を有するピストンによって形成される気体ばね、電磁ばね、及び公知の他のばね、またはこれらを組合わせたばねが含まれる。また気体ばねは、スターリング機関の作動空間内の作動ガスを含み、ある実施の形態では背後空間（back space）を含む。なぜなら、限られた空間を移動して空間の容積を変化させる移動壁に、がすが、ばね力を与えるからである。当業者には公知であるように、一般に、ばねは、単一の構造または複数の構造の組合せからなり、他の本体に対する一つの本体の変位に比例する力を、２つの本体に与える。変位に対するばね力で表される比例定数は、ばね定数、力定数、あるいはねじり係数と呼ばれる。
【００３５】
後述するように、本発明の回転式の電磁変換機の構成要素を共振させるためには、ねじりばねの使用が望ましいが、時計の部品である髭ゼンマイのような、渦巻き状あるいは螺旋状のばねを使用することができる。
【００３６】
次に好ましい実施の形態を説明する。
【００３７】
図３、４及び５は、本発明による好ましい実施の形態について、それぞれ異なった視点から見て描いた態様を示している。好ましい実施の形態は、４つのピストンＰ１，Ｐ２，Ｐ３及びＰ４を有するアルファ型構造のフリーピストン型のスターリング機関であって、この４つのピストンは、四角形の４隅に中心軸が位置するよう、それぞれ並行に配置したシリンダ内に設けてある。しかるに、図３及び図５は、端面図であるため、ピシトンＰ１とＰ２とだけを示している。ピストンＰ１とＰ２との関係、およびピストンＰ１及びＰ２と関連して協動する図３及び図５に示された構造は、当業者が知っているか、または明らかである事項を除いて、実質的にはピストンＰ３及びＰ４と同じである。図３、４及び５に示す好ましい実施の形態については、最初に幾分一般的な用語を用いて説明する。その後、情報を追加しつつ詳述する。
【００３８】
さて図３〜図５は、少なくとも１つの回転式の電磁変換機に駆動結合された、フリーピストン型のスターリング機関１０を示す。しかしながら、回転式の電磁変換機は、他の構成部品を明示するために省略してあり、この回転式の電磁変換機自体は、図６、１０及び１２に示してある。これらの構成部品は、ケーシング１４に収納される。スターリング機関１０は、ピストンに固定されたコネクティング・ロッドを備えてシリンダ内で往復運動する、少なくとも１つのピストンを含んでいる。図３〜図５に示すフリーピストン型のスターリング機関１０は、アルファ型構造の機関であって、４つのピストンＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４を有している。またそれぞれのピストンに連結される４本のコネクティング・ロッドＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４が存在する。
【００３９】
シリンダとピストンとは、位相角度０、９０、１８０及び２７０度で作動するように、熱力学的に相互連結される。これらの熱力学的な相互連結は、従来技術によるアルファ型構造のフリーピストン型のスターリング機関において、一般的に使用されているものと同じである。本発明における熱力学的な相互連結は、従来技術であるけれども、シリンダ及びピストンの物理的な配置は、一般的な従来技術による配置と相違し、この点が本発明において重要である。この点を、さらに説明する。従来技術において知られているように、アルファ型構造のフリーピストン型のスターリング機関では、それぞれのシリンダにおいて、ピストンの端面に位置する圧縮空間は、受熱器、再生器および放熱器を介して、他のシリンダ及びピストンの膨張空間に、直列的に連結される。このアルファ型構造のフリーピストン型のスターリング機関は、米国特許第７、１７１、８１１号の図１に記載されている。全ての４つのシリンダとピストンとは、数珠繋ぎになるように連結される。膨張空間と圧縮空間とを、数珠繋ぎに連結することは、スターリング機関の熱力学的な連結と呼ばれている。米国特許第７、１７１、８１１号の図１を再度参照すると、ピストンの往復運動軸は、明らかに互いに並行であって、四角形の四隅に位置している。四角形の周囲の一辺を巡れば、それぞれのピストンの位相は、次のピストンの位相から９０度ずれている。すなわち四角形の一辺の両端にある一対のピストンは、９０度の位相角度で作動する。
【００４０】
本発明は、同じ熱力学的な連結を使用しているものの、ピストン及びシリンダの物理的な配置は相違しており、四角形の一辺の両端に位置するピストンは、相互に位相が１８０度相違した状態で作動し、四角形の対向する一辺の両端に位置するピストンは、相互に位相が１８０度相違した状態で作動するように配置されていると考えることもできる。このことは、同時に、四角形の一辺の両端に位置するピストンは、四角形の対向する一辺の両端に位置するピストンに対して、それぞれ位相が相互に９０度（２７０度）相違した状態で作動することを意味している。これらの位相関係を、図９の位相ベクトル図に示す。本発明における重要な特徴は、往復運動軸とそれぞれのピストン・ロッドとを一平面上に有すると共に、相互に１８０度の位相差で往復運動する第１の一対のピストンと、往復運動軸とそれぞれのピストン・ロッドとを一平面上に有すると共に、相互に１８０度の位相差で往復運動する第２の一対のピストンとが存在することにある。第１の一対のピストンとシリンダとが、特別な物理的な位置関係を有することは、必ずしも必要ではないが、全てのピストンが、相互に対称となるように配置された並行な軸に沿って往復運動して、振動を最小限にすることが望ましい。本発明の熱力学的な連結を、図３の概略図に示す。すなわち、本発明の熱力学的な連結を、それぞれのピストンの一端から延伸して、ひと続きの放熱器、再生器及び受熱器を備える容器を通過する流路と、他のピストンの反対側の端部に続く流路とによって示す。この熱力学的な連結を、ピストンとシリンダとの物理的な配置と共に、図８の概略図に示す。図３及び図５では、ピストンＰ１、Ｐ２の組み合わせが見えるように、これらの組み合わせを前列側の一対として示す。ピストンＰ１、Ｐ２は、互いに１８０度の位相差で作動する。ピストンＰ３、Ｐ４の組み合わせは、後列側の一対とする。ピストンＰ３、Ｐ４は、互いに１８０度の位相差で作動する。以上により、本発明の好ましい実施の形態では、第１の一対のピストンのピストン・ロッドが、第１の平面上で、０度及び１８０度の位相で作動し、第２の一対のピストンのピストン・ロッドが、第２の平面上で、９０度及び２７０度の位相で作動するように、４つのピストンの物理的な配置を決める。
【００４１】
ピストンばねについて説明する。
【００４２】
それぞれのピストンは、ピストンばねに連結されて、ピストン及び、このピストンに堅固に接続された質量を、スターリング機関の設計運転振動数に共振させる。したがって、それぞれのピストンについて、設計者は、機関の運転振動数と共振するように、ばねの比例定数と往復運動する全質量との組合せを選択する。図３〜図５に示す実施の形態では、それぞれのピストンＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４は、ピストンにばね力を及ぼす全てのばねの組合せによって、共振を生じる。これらのばねは、主として一対の平面ばねが該当し、副次的に作動ガスも該当する。例えば、ピストンＰ１は、ピストン・ロッドＲ１と、ケーシング１４あるいはその替わりとしてケーシングに固定される構造との間に連結する、主として２つの平面ばね２０及び２２によって共振する。ピストンＰ２は、ピストン・ロッドＲ２と、ケーシング１４との間に連結する、主として２つの平面ばね２４及び２７によって共振する。平面ばねは、またピストン・ロッドを半径方向に支持する。図４に示すように、ピストンＰ３及びＰ４も、同じ態様によって共振すると共に支持される。図４において明らかなように、２つの滑車２８及び３０が設けてある。それぞれのピストンを共振させる一対の平面ばねは、滑車を挟んで互いに対向する両側に配置され、これらの滑車は、一対の平面ばねが連結されるピストン・ロッドに近接している。例えば、平面ばね２０は、滑車２８の上方に配置され、平面ばね２２は、滑車２８の下方に配置される。
【００４３】
滑車について説明する。
【００４４】
本発明は、少なくとも１つのコネクティング・ロッドを含む平面に沿う、少なくとも１つの滑車を有する。単一または複数の滑車は、上記平面に直交する回転軸を有する。上述したように、図３〜図５に示す好ましい実施の形態では、０度及び１８０度の位相で作動する第１の一対のピストンのピストン・ロッドを、第１の平面に沿って配置し、９０度及び２７０度の位相で作動する第２の一対のピストンのピストン・ロッドを、第２の平面に沿って配置するように、ピストンの物理的な位置を決める。したがって、第１の滑車２８は、第１の一対のピストンＰ１及びＰ２のピストン・ロッドＲ１及びＲ２の間に存在する第１の平面に添って位置決めされる。同様に、第２の滑車３０は、第２の一対のピストンＰ３及びＰ４のピストン・ロッドＲ３及びＲ４の間に存在する第２の平面に沿って位置決めされる。滑車２８及び３０は、少なくとも１つ、望ましくは２つのコネクティング・ロッドに隣接する円弧状の外周面３２と３４とを、それぞれ有している。ここでコネクティング・ロッドに隣接するとは、ピストン・ロッドに横方向の力が掛かることを回避するため（すなわち、ピストンの軸に半径方向成分の力が働くことを回避するため）に、ピストン・ロッド上の帯金（後述する）の張力、及び帯金にピストン・ロッドが及ぼす力が、出来る限りピストンの軸方向と平行になるように、近接、真横に配置することを意味する。後述する帯金の説明で明らかになるが、滑車とコネクティング・ロッドの外周面との間には、幾分の間隔を、但し帯金を挟持し得る程度の間隔を設けることが必要である。滑車の円弧状の外周面は、帯金を受け入れるために、溝乃至狭い通路を有する。
【００４５】
帯金の駆動リンクについて説明する。
【００４６】
本発明の実施の形態では、それぞれのコネクティング・ロッドは、このコネクティング・ロッドを滑車に連結する運動伝達駆動リンクに接続される。それぞれの運動伝達駆動リンクは、２つの帯金を備え、それぞれの帯金は、滑車上の２点に固定すると共に、関連するピストン・ロッド上の２点に固定する。図３〜図５に示す実施の形態では、前側の一対のピストン・ロッドＲ１及びＲ２は、それぞれ、このような運動伝達駆動リンクによって、滑車２８に接続される。同様にピストン・ロッドＲ３及びＲ４は、それぞれ、このような運動伝達駆動リンクによって、滑車３０に接続される。４つのピストン・ロッドを有するため、４つの運動伝達駆動リンクが存在し、それぞれの運動伝達駆動リンクは、コネクティング・ロッドを、隣接する滑車に接続する。運動伝達駆動リンクの目的は、ピストン・ロッドの往復運動を滑車の回転振動運動に変換することにある。したがって、ピストンの往復運動によって滑車を回転振動運動させ、あるいは滑車の回転振動運動によってピストンを往復運動させる。
【００４７】
図４、５及び１１は、それぞれのコネクティング・ロッドを滑車に接続する、運動伝達駆動リンクの帯金を示している。図５の概略図では、一対の帯金の輪郭が、黒い実線によって示してあり、他の一対の帯金が、黒い破線によって示してある。コネクティング・ロッドＲ１を滑車２８に連結することに関し、一つの帯金４２が、ピストンＰ１位置とは反対側（distal）となる、滑車２８の片側に連結される。ここで反対側（distal）とは、ピストンから離れた、あるいは遠い側の、滑車の片側を意味し、図３〜５では、滑車の下側半分を意味する。帯金４２は、点４８において、たとえば溶接、さらに好ましくは鍵穴形状の溝に挿入して、この溝の円形の穴部分に嵌め込んで保持するダボによって、滑車２８に固定し、円形の穴の半径方向外側に位置する溝の狭い部分を通過できないようにして、半径方向に動かないようにする。勿論、帯金を滑車に固定するためには、多くの別の方法がある。第１の帯金４２は、滑車２８の円弧状の外周面に沿って、第１の方向（ここでは、時計回り方向）に延伸し、コネクティング・ロッドＲ１に沿いつつ、滑車の回転軸４６よりもピストンＰ１に近い個所４４において、コネクティング・ロッドに固定される。
【００４８】
他の帯金４０は、帯金４２と同等な態様で、滑車のピストン寄りの片側に連結される。ピストン寄りとは、滑車において、ピストンにより近い側の片側を意味し、図３〜図５においては、滑車の上側半分に相当する。帯金４０は、滑車と点５０で連結し、滑車２８の円弧状の外周面に沿って、第１の方向と逆方向（半時計回り）に延伸して、コネクティング・ロッドＲ１に沿いつつ、滑車の回転軸４６よりもピストンＰ１から遠い個所５２において、コネクティング・ロッドＲ１に固定される。
【００４９】
ピストン・ロッドＲ２も同様に、他の一対の帯金によって、滑車２８に連結される。帯金５６は、ピストン・ロッドＲ２の固定点６０から、滑車２８の円弧状の外周面３２に沿って時計方向回りに延伸し、滑車２８と点４８において結合される。同様に、第２の帯金５８は、ピストン・ロッドＲ２の固定点６２から、滑車２８の円弧状の外周面３２に沿って反時計方向回りに延伸し、滑車２８と点５０において結合される。ピストン・ロッドＲ３及びＲ４は、同様に構成されて配置された帯金によって、後側の滑車に連結される。
【００５０】
それぞれのピストンに結合される帯金は、滑車の円弧状の外周面の一部を回って、互いに反対方向に延伸する２つの帯金であるとして、機能的に説明しているが、同一の滑車に駆動連結されるピストンが２つのときには、２つの別々の帯金に替えて、中央部分を滑車に固定した単一の一体的な帯金によって、それぞれのピストン・ロッドのピストンから離れた端部を、滑車に連結するように構成することができる。同様に、それぞれのピストン・ロッドのピストンに近い端部を、滑車のピストンから遠い片側に連結する２つの帯金を、中央部分を滑車に固定した一本の一体的な帯金によって構成することができる。換言すれば、ピストンから離れた滑車の片側に連結する２つの帯金を、滑車の円弧状の外周面をほぼ１８０度回って延伸する長さの、単一の帯金材によって構成することができる。同様に、ピストンに近い滑車の片側に連結する２つの帯金を、滑車の円弧状の外周面をほぼ１８０度回って延伸する長さの、単一の帯金材によって構成することができる。したがって、それぞれの帯金は、機能的及び概念的には、滑車を９０度回って延伸するが、実際的には、２つの帯金を形成する単一の帯金材が、滑車を１８０度回って延伸する。
【００５１】
代替案として、それぞれの帯金について、滑車を９０度以下だけ廻るように延伸させることもできる。かかる場合は、振動角度は、少ない範囲に制限される。それぞれの帯金の延伸角度が９０度、したがって一体的に結合した帯金の延伸角度が１８０度であれば、振動角度の最大範囲は１８０度となる。しかるに、本発明の実施の形態における通常の運転では、振動角度の範囲は、出力要求に応じて変化し、しばしば１８０度以下になることが予想される。
【００５２】
運転に際して、帯金に張力が掛かることは明らかである。また、それぞれのピストン・ロッドに連結される２つの帯金が、自分の張力によって、（ピストンが滑車を駆動するときには）滑車を逆方向に回転させようとすること、すなわち逆方向のトルクを与えることも明らかである。同等な２つの帯金が、同等な剛性の高いピストン・ロッドに、同じように連結される。ピストン・ロッドと滑車との連結における遊びや緩みを回避するために、それぞれの帯金は、伸縮自在で、かつ予め張力を加えた状態で装着することが望ましい。望ましい帯金の材料は、ステンレスのような金属であり、金属はある程度伸縮性を有するので、帯金には、運転中に弾性限度を超えない範囲内で、予め張力を与えておくことが望ましい。
【００５３】
またそれぞれのピストン・ロッドは、面６４のように、隣接する滑車に対面する平坦な平面を有するように形成することが望ましい。それぞれの平坦な平面は、ピストン・ロッドに連結した帯金を着座させるように、ピストン・ロッドに沿って形成する。
【００５４】
帯金（ｓｔｒａｐ）という用語は、本発明において、張力が加わる部品を表現するために使用する。しかしながら、帯金は、コード、ワイヤ、あるいはベルトのような、より一般的に表現される形状であってもよい。本発明による帯金は、張力をある個所から他の個所に伝えることができるように張力に耐え、疲労破損や劣化をしないように十分に曲げ易く、伸びたりがたついたりしないように僅かな伸縮性を有し、かつ弾性限度を超えて疲労破損に至ることなく、滑車に沿って曲げることができるように十分薄いという、数々の特性を有する。好ましい形状は、幅が厚さよりかなり大きいものであって、この形状が上述した特徴をもたらす。しかしながら、断面が円形のワイヤのような、他の断面形状であってもよい。金属が好ましい材料ではあるが、従来技術による複合材料のような、多様な材料も使用できる。
【００５５】
それぞれの駆動用の帯金は、それぞれのピストン・ロッドに結合される２つの帯金を、単一の一体的な帯金としたものであって、この一体的な帯金は、滑車の円弧状の外周面において、その中心から軸方向にずれて、互いに並列するように配置される。しかしながら、かかる構成では、ピストン・ロッドが最も接近する滑車の両端を結ぶ滑車の直径軸（図面では水平軸）回りに捻るトルクを、帯金が滑車に掛けることになる。そこで一方の駆動用の帯金を、間に間隔を設けた平行な２本の部品に分割し、共に単一の帯金として作動させることが望ましい。そして他方の帯金は、二股に分かれた２本の帯金の部品の間で作動させる。
【００５６】
このような二股に分かれた帯金を、図１１に示す。二股に分かれた帯金は、滑車の、ピストンから遠いまたは近い、いずれかの片側に沿って延伸し、他方の単一の帯金は、滑車の反対側の片側に沿って延伸する。さらには、二股に分かれた帯金及び単一の帯金は、２つの滑車において、それぞれ同じ方向、または逆方向のどちらにも延伸させることができる。図１１は、後側の滑車３０の周りに延伸させた帯金を示しているが、図４に示す帯金とは、逆方向に延伸させたものを示している。図１１を参照すると、帯金３５８は、二股に分かれた２本の外側の帯金３５８Ａと３５８Ｂとからなり、双方共に下方に延伸すると共に、滑車の円弧状の外周面に沿って延伸し、鍵穴３４８において滑車に固定される。好ましくは、同一の帯金材を、２本の帯金部品として、引き続き滑車３０の円弧状の外周面に沿って延伸させ、機械加工のねじ３７２と３７４とによってピストン・ロッドＲ３に固定されたクランプ板３７０を使用して、ピストン・ロッドＲ３に連結する。他方の帯金３５６は、単一の帯金材からなり、二股に分かれた部品３５８Ａと３５８Ｂとの間を通って、滑車３０の円弧状の外周面において、ピストンに近い方（上側）の片側に沿って延伸して、鍵穴３５０によって滑車３０に固定される。帯金３５６を構成する帯金材は、引き続き鍵穴３５０から滑車の円弧状の外周面に沿って、ピストン・ロッドとの結合点まで延伸して、機械加工のねじ３７８と３８０とによってピストン・ロッドＲ３に固定されたクランプ板３７６を使用して、ピストン・ロッドＲ３に連結する。この二股に分けた構成は、帯金から加わる力をバランスさせると共に、それぞれの帯金を、互いに接触して干渉することなく通過させることができる。
【００５７】
ねじりばねについて説明する。
【００５８】
それぞれの滑車には、それぞれのねじりばねが連結されており、滑車及び滑車に堅固に連結した質量を、スターリング機関の作動振動数において、回転振動するように共振させる。それぞれのねじりばねは、このねじりばねが結合された滑車から、ケーシングとの結合個所に延伸する。図３と図４とを参照すると、ねじりばね６６は、滑車２８との結合個所から、ケーシング１４との結合個所に延伸する。好ましいねじりばねは、図示されているような竿または棒である。ねじりばね６６は、ハブ７０の穴を通るボルトによって、ケーシングに接続される。同様に、ねじりばね６８は、滑車３０との結合個所から、ハブ７２を介してケーシング１４と結合する個所に延伸する。代替案として、図示のねじりばねに替えて、軸受けで支持した滑車を回転させる剛直な軸と、螺旋状または渦巻き状のばねのような他のばねとによって、滑車を共振させることもできる。しかしながら、このような構成は、一面において好ましくない。なぜならば、構造がより複雑になると共に、滑車を軸受けで保持すると、摩擦力及び潤滑の問題が生じるからである。
【００５９】
回転式の電磁変換機について説明する。
【００６０】
それぞれの滑車と回転式の電磁変換機との間には、機械的な駆動用の連結機構が設けてあり、それぞれの回転式の電磁変換機は、滑車によって駆動されて回転振動運動する。２つの滑車が設けてある場合は、それぞれの滑車は、それぞれ別個の回転式の電磁変換機に連結され、第１の回転式の電磁変換機は、２つの滑車の一方に駆動連結され、第２の回転式の電磁変換機は、２つの滑車の他方に駆動連結される。公知のように、回転式の電磁変換機は、通常回転子と固定子とを有している。いずれかの一方は、滑車に駆動連結され、他方は、それぞれの電磁変換機毎に、ケーシングに連結されて、一方を他方に対して回転振動運動させると共に、他方を保持して静止させる。
【００６１】
図１０は、図４に似ているが、２つの回転式の電磁変換機４０２と４０４とを追加記載している。これらの回転子は、例えば回転子の軸にハブを取り付け（図４に示すハブ７０のように）、このハブを滑車にボルト止めするなどによって滑車に連結し、ボルトとハブとが、電磁変換機と滑車との間の機械的な連結構造を構成する。なお回転子を滑車に連結するこのような配置は、図１２に示すと共に以下説明する配置と同等とも言える。固定子は、例えば固定子に取り付けて、外側に延伸してケーシングとの連結個所に至るアームム４０６及び４０８などによって、ケーシングに連結する。
【００６２】
第３の回転式の電磁変換機を、図１２に示すように、２つの滑車の間に駆動連結することができる。かかる場合には、回転子は一方の滑車に、固定子は他方の滑車に連結され、回転子と固定子との双方は、それぞれ別個の滑車によって、回転振動運動するように駆動されるか、あるいは２つの滑車を駆動する。図１２を参照すると、回転式の電磁変換機の固定子４２０は、滑車２８に連結される。回転子の軸４２２は、滑車３０に取り付けたハブ４２４に連結される。第３の回転式の電磁変換機を使用すると、全ての（３つの）回転式の電磁変換機を合計した出力密度（power density：出力／重量）が増加するため、フリーピストン型のスターリング機関と回転式の電磁変換機とを連結した構成の出力密度を向上することができる。出力密度が向上するのは、合計出力が、より多数の回転式の電磁変換機で消費される発電力またはモーターの駆動力に配分され、よって、それぞれの回転式の電磁変換機は、より少ない配分割合の出力を発生または使用することになるからである。その結果、それぞれの回転式の電磁変換機を、より小型に製作することが可能となり、よって出力密度が高くなる。それぞれの滑車の振動範囲が１８０度であれば、これらの間に設けた電磁変換機の振動範囲は３６０度となり、それぞれの滑車の位相差は９０度となる。
【００６３】
好ましい回転式の電磁変換機は、非整流発電機または非整流モーターであるが、整流直流モーターも使用できる。例えば、回転振動する間において、２つのブラシ（印子）を切り替え（整流）点に到達しないように配置した、２極直流モーターを使用することができる。本発明の実施の態様では、磁界を発生させる永久磁石または電磁石と、磁界との間で相対的な回転振動運動するコイルを巻いた電機子とを備えた回転式の電磁変換機を必要とする。
【００６４】
アルファ型構造のスターリング機関について説明する。
【００６５】
別の観点と情報とを提供することを目的として、図３〜図５を見直す。図３は、本発明をアルファ型構造のスターリング・エンジンに適用した場合を示す。図３は、一端から眺めた場合であって、一対のピストンだけを示しており、この一対のピストンが、反時計方向に最大角度だけ回転した、あるいは２つのピストンの工程差が最大になった場合を示している。ピストンの集合体は、平面ばねによって、直線運動するように配置され、振動する滑車は、ねじりばね、及びピストン・ロッドと滑車とを連結する張力が掛かった帯金によって、回転可能に配置される。一対のピストンは、相互に、かつ１８０度の位相差で振動する滑車に連結される。第２の一対のピストンも、同様に構成され、よって相互に１８０度の位相差で作動する。２組のピストン集合体は、相互に９０度の位相差で作動し、４つのピストンを備えるアルファ型構造のスターリング機関に好適な、９０度の熱力学的位相差に対応することが可能となる。図３〜図５に示す２つのピストンは、熱力学的サイクル的には、相互に連結されていない。
【００６６】
このことは、位相差１８０度で作動する２つのピストンの集合体が２組あることを意味している。２組の集合体は、互いに９０度に位相差で作動する。図３において、ピストンＰ１とＰ２とは、位相差１８０度の一対であり、２つのピストンの工程差が最大になった場合を示している。図３には、ピストンの第２の一対は、示されていない。相互に９０度の位相差を有するピストン間の、熱力学的サイクルとしての連結は、図４及び上記説明に示すとおりである。平面ばね２０と２２とは、コネクティング・ロッドＲ１を支持及び案内し、平面ばね２４と２６とは、コネクティング・ロッドＲ２を支持及び案内する。平面ばねは、第２の目的、すなわちガスの圧力による跳ね上がり以上に、必要とされる跳ね上がりを生じさせて、ピストン及びコネクティング・ロッドからなる線形運動する集合体を、機関の運転周波数に共振させる。したがってばね力と慣性力とをバランスさせる。滑車２８は、ねじりばね６６に取り付けられ、回転慣性力を、作動振動数において、ねじりばね力とバランスさせる。より明確に図４に示すように、滑車の外周面上の帯金をピストンに連結する。
【００６７】
図４の斜視図に、相互に９０度の位相差で作動する２組のピストン集合体を配置した振動機構を示す。ピストンは、上述したように、平面ばねの組合せによって共振しつつ案内され、滑車は、ねじりばねによって共振しつつ案内される。張力が掛かった帯金は、２組のピストンのうち１組を、関連する帯金に連結する。そして２つの滑車は、回転振動する発電機またはモーターに連結される。第３の発電機またはモーターを、必要であれば、２つの滑車の間に配置することもできる。
【００６８】
図４に示すように、張力が掛かった帯金は、鍵穴ピン４８と５０とによって、滑車に連結される。鍵穴ピンは、張力が掛かった帯金を滑車に固定して、滑車と張力が掛かった帯金との連結部分において、相互間にずれが生じないようにする。コネクティング・ロッドの留め金は、同様に、帯金とコネクティング・ロッドとの連結部分において、相互間にずれが生じないようにする。図４は、ピストンＰ１とＰ２とを備えた前側に位置する振動集合体が、反時計方向に最大限移動した状態を示しており、平面ばね２４と２６とが内側方向に向って最大限変形し、平面ばね２０と２２とが外側方向に向って最大限変形した状態を示している。ピストンＰ３とＰ４とを備えた後側に位置する振動集合体は、前側に位置する振動集合体と９０度の位相差があるため、後側に位置する振動集合体の全ての平面ばねは、いずれも変形しておらず、後側に位置する振動集合体は中間位置にあって、かかる場合、前側に位置する振動集合体は、内側方向または外側方向のいずれかに、最大限移動した位置にある。平面ばねが、ガスの圧力と共に、ピストンの集合体を共振させる一方、ねじりばねが、滑車を含む回転部品の回転慣性力を共振させる。直線的に移動する部品を、回転部品と別個に共振させることによって、張力が掛かった帯金により、仕事する力（work force）だけが伝達される。仕事する力は、慣性力やばね力より、極めて小さい。前側及び後側に位置するねじりばねは、フランジ乃至ハブ７０と７２とによって、ケーシングに装着される。仕事の伝達は、供給または引き出しのいずれであっても、滑車２８と３０とから得られ、これらの滑車は、通常、非整流電気モーターまたは非整流発電機と呼ばれる回転振動式の電磁変換機に連結される。熱力学サイクル的な連結は、ピストンの上部の直線矢印で示すように、９０度の位相差を有するピストンの間で構成される。
【００６９】
図５は張力が掛かった帯金の位置、及びこの帯金がどのようにして回転振動運動を滑車に伝えるかを示す、一対のピストンの概略図である。今回は、ピストン・ロッドを案内するための気体軸受けが示されている。ピストンＰ１とＰ２とは（ピストンＰ３及びＰ４のように）、軸受け１０４と１０６とによって案内されている。これらの軸受けは、集合体を磨耗しないようにするため、気体軸受けを使用することが望ましい。なお気体軸受けは周知技術であるため、その詳細は記載しない。ピストンから仕事が供給される原動機では、ピストンは、周期的に変動するガス圧力によって、外側方向１０８に押し出される。これによって、破線で示す張力が掛かった帯金４０は、引張り状態になって方向１１０に引っ張られ、ねじりばねに支持された滑車組立２８を、反時計方向に回転させる。張力が掛かった帯金５８は、同様にして、第２のピストンＰ２を引っ張り上げ、内側方向１１２に移動する。２つのピストンが、相互に逆方向に移動するときには、原動機ではピストンＰ１によって出力が供給され、ピストンＰ２の内側方向への移動は、ガスの移動と圧縮とを行うための抵抗を受けので、張力が掛かった帯金４０と５８とは、張力が掛かった状態に保たれる。張力が掛かった帯金４２と５６とは、原動機の形態では、ピストンに殆ど力を及ぼすことはないが、滑車組立２８を、ピストンのコネクティング・ロッドとの相対位置に保持して配置する役割を果たす。しかしながら、ヒートポンプの形態では、外部から仕事が供給され、張力が掛かった帯金４０、４２、５６及び５８は、運動方向に基づき、交互に引張り状態になる。原動機またはヒートポンプのいずれにおいても、張力が掛かった帯金における張力は、運転中に変動を繰り返すが、この張力の変動には、対称性はない。
【００７０】
上述した方法によって、直線的に振動する部品は、回転して振動する部品とは別個に共振する。このことは、張力が掛かった帯金に掛かる力を最小にする。ピストンと滑車との双方が共振すれば、帯金に掛かる力は比較的小さくなる。ばねは、交互にエネルギを保存及び放出し、これにより交互に仕事を吸収及び放出する。ばねは、往復振動及び回転振動する質量に、力を加える。ピストン及び滑車が共振するときには、帯金によって付加する力は、各振動サイクルにおける仕事の付加的な入力だけである。回転振動及び往復振動する質量を加速する力の殆どは、ばねに委ねられ、エネルギの吸収、並びに回転振動及び往復振動する質量を減速する力の殆ども、ばねに供給される。勿論、実際的に考えれば、直線及び回転振動する部品を、これとは別な組合せ方法で共振させることもできる。もっとも、直線及び回転振動する部品の双方を共振させる全ての力を、作動ガスだけに委ねることも可能であり、かかる場合には、ねじりばねやピストンばねは不要にすることができる。他方において、好ましい実施の形態で示したように、ばねを加えることが望ましい。直線及び回転部品が別個に共振しない全ての場合においては、より大きい力が、張力が掛かった帯金に掛かることになる。通常の技術的な設計慣習では、張力が掛かった帯金や支持機構には、過大な力が掛からないことを確保することが要求される。
【００７１】
本発明の実施の形態では、回転振動の出力は、図６に例示するような非整流型の発電機またはモーターに連結される。図６は、８極を備える回転振動式の発電機またはモーターを示している。鉄心は、平坦に形成された積層材を使用している。磁石に対する半径方向間隙は、材料や形成部品を最適に使用できるように調整する。プラス及びマイナスの記号は、コイルの巻き線方向を示しており、矢印は、磁石の磁化の向きを示している。リング状の磁石は、滑車と伴に前後に回転振動する。このような機能を果たす電磁変換機には、多くの異なった形態がある。ここに示したものは、単なる１例にすぎない。
【００７２】
鉄心は、外側リング２４０と内側リング２４１とからなる。矢視のように半径方向に磁化された永久磁石２４２は、回転振動を付与する手段に、駆動機構を介して物理的に連結される。したがって永久磁石は、矢印２４４の方向に回転振動するように駆動され、変動する磁界の下に鉄心を置いて、コイル３４３にプラスからマイナスに向う電流を発生させる。モーターの場合は、交流電流がコイルに付与され、この交流電流が、鉄心に変動する磁界を生じさせ、この変動する磁界が、永久磁石を回転振動させる。回転振動する発電機またはモーターは、線形振動する発電機またはモーターを凌ぐ、２つの主要な優位点を有している。第１に、回転振動させる設計は、鉄心を積層して平面に形成することなく組立てることができるため、線形モーターを積層して形成する場合より、はるかに積層形成の密度を増加することができる。第２に、永久磁石を、滑車より大きな径に設置することによって、永久磁石の回転振動速度を任意に（実用的な限度内で）増加することができる。したがって、ピストンと永久磁石との速度が同である線形モーターより、出力密度を増加することができる。レドリッヒの米国特許第5,753,985号において、別の回転振動発電機またはモーターが開示されている。
【００７３】
ベータ型構造について説明する。
【００７４】
図７は、本発明を、ベータ型構造のフリーピストン型のスターリング機関に適用した実施の形態を示している。図１における従来技術のように、ベータ型構造のフリーピストン型のスターリング機関は、ケーシング８０、ピストン８２、及びピストン８２の中心穴に延伸するディスプレーサ・ロッド８６を備えたディスプレーサ８４を有している。ピストン８２は、上端をこのピストンに固定したピストン・ロッド８８を有している。ピストン・ロッド８８は、管で形成してもよく、この管の内側を通って、ディスプレーサ・ロッド８６が往復運動すると共に、上端をピストン８２に固定して下方に延伸する一対のアームを有する。なおピストン・ロッド８８を、別の形態に形成してもよい。
【００７５】
単一の滑車を使用することもできるが、この単一の滑車は、不均衡な力と振動とをもたらす。したがって、本発明による好ましいベータ型構造は、２つの滑車９０、９２を有し、これらの滑車は、ピストンのコネクティング・ロッド８８を含む平面上に配置される。滑車９０、９２は、その平面に直交する回転軸を備えている。双方の滑車は、円弧状の外周面を有し、この円弧状の外周面は、コネクティング・ロッド８８に隣接するように延伸する。２つの運動伝達駆動リンクが、ピストンのコネクティング・ロッド８８を、それぞれ２つの滑車のいずれかに駆動連結する。２つの運動伝達駆動リンクは、それぞれ少なくとも２つの帯金を有し、上述しアルファ型構造のスターリング機関の駆動リンクのように構成する。
【００７６】
第１の帯金９３は、鍵穴溝と合わせくぎ９１とによって、滑車９２のピストン８２から離れた側面に固定され、滑車９２の円弧状の外周面に沿って第１の方向（反時計方向）に延伸して、滑車の回転軸９５よりピストンに近い個所９４において、コネクティング・ロッド８８に連結される。第２の帯金９６は、鍵穴溝と合わせくぎ９７とによって、滑車９２のピストン８２に近い側面に固定され、滑車９２の円弧状の外周面に沿って反対方向（時計方向）に延伸して、滑車の回転軸９５よりピストンから離れた個所９８において、コネクティング・ロッド８８に連結される。帯金９９と１００とは、同様な方法によって、コネクティング・ロッド８８と滑車９０との間に連結される。図示した帯金は、いずれもそれぞれの滑車の円弧状の外周面に沿って、ほぼ９０度延伸しているが、本実施の形態において１８０度まで延伸させ、最大３６０度の範囲まで回転振動させることができる。ねじりばね１０１と１０２とは、図３〜図５に示した方法と同様にして、それぞれの滑車とケーシングとに連結され、それぞれの滑車と、この滑車に堅固に固定された質量とを、スターリング機関の作動周波数に共振させて回転振動させる。
【００７７】
また、それぞれの滑車９０と９２とは、それぞれの滑車と回転式の電磁変換機との間に機械的な駆動連結機構を有し、この回転式の電磁変換機を駆動して回転振動運動させる。回転式の電磁変換機は、図７に示されていないが、アルファ型の実施の形態において示したように、あるいは当業者にとって、このアルファ型の実施の形態から自明な他の方法によって、連結することができる。
【００７８】
滑車はさらに、バランス質量を採用でき、これにより機関のケーシングに、残留する力が伝わらないようにする。ベータ型構造のフリーピストン型のスターリング原動機やヒートポンプに、回転振動機構を適用すると、いくつかの有利な点が得られる。図７に示すように、ディスプレーサ８４とピストン８２とは、ベータ型機関において往復運動する部品である。ピストン８２は、このピストンの下方にピストン・ロッド８８を形成する延伸部を有し、張力が掛かった帯金を収納すると共に固定する（実線と破線とで区別する。）。張力が掛かった帯金は、また２つの滑車に連結する。ねじりばね１０１と１０２とが、回転共振を助ける。ここに示す本発明に特有な形態は、それぞれの滑車にそれぞれ固定したバランス質量３０２と３０４とを適用することにある。バランス質量３０２と３０４とは、ピストンとは逆方向に動き、ピストンからの垂直方向の反力を平衡させることに使用できる。同じ様に、バランス質量３０２と３０４とは、横方向の力を平衡させる。上述した態様の発電機またはモーターは、原動機かヒートポンプかによって、機関から動力を得るか、または機関に動力を供給するために使用することができる。バランス質量３０２と３０４とは、滑車９０と９２とに固定することが望ましいが、回転振動する発電機やモーター、または滑車に固定されて一緒に回転振動する他の質量に固定することもできる。
【００７９】
図面と関連する詳細な説明は、主に本発明の現時点における望ましい実施の形態についての説明として意図されており、本発明を構成したり、あるいは利用したりすることができる唯一の構成を表すことを意図するものではない。この説明は、図示の実施の形態と関連して、本発明の設計、機能、手段および方法を記述している。しかしながら、本発明の思想および範囲内に包含するように意図された異なる実施の形態によって、同一または同等な機能および特徴を達成でき、また本発明あるいは次の請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更を採用することができると理解すべきである。
【図１】
2013509536.tif 000003
【図２】
2013509536.tif 000004
【図３】
2013509536.tif 000005
【図４】
2013509536.tif 000006
【図５】
2013509536.tif 000007
【図６】
2013509536.tif 000008
【図７】
2013509536.tif 000009
【図８】
2013509536.tif 000010
【図９】
2013509536.tif 000011
【図１０】
2013509536.tif 000012
【図１１】
2013509536.tif 000013
【図１２】
2013509536.tif 000014
【国際調査報告】
2013509536.tif 000015