(57)【要約】  第１及び第２の平ばね（７）に対して取り付けられたディスプレーサピストン（３）を有するリニアフリーピストンスターリング装置を提供する。第１のばねは、その変位の増大に伴って高まる剛性を有している。第２のばねは、ディスプレーサピストンの変位が所定の限界を超えると急速に増大する組み合わせ剛性を与えるために、ばね変位に伴ってあまり変化しない剛性を有している。各ばね（７）は、複数の螺旋ばね部（１３）と、螺旋ばね部の外端縁を越える応力緩和穴（１５）とを有している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサピストン及びパワーピストンを備え、ディスプレーサピストンが第１及び第２の平ばねに対して往復動可能に取り付けられ、第１のばねが、その変位の増大に伴って高まる剛性を有し、第２のばねが、その変位に伴って第１のばねに対してあまり変化しない剛性を有しているリニアフリーピストンスターリング装置。
【請求項２】
各平ばねが、複数の螺旋ばね部と、各螺旋ばね部の外端を越えて位置される応力緩和穴とを有している、請求項１に記載のリニアフリーピストンスターリング装置。
【請求項３】
螺旋ばね部が、その径方向最外端に向かって幅が増大する、請求項２に記載のリニアフリーピストンスターリング装置。
【請求項４】
各応力緩和穴が、必要な剛性特性を与えるように寸法付けられている、請求項２又は３に記載のリニアフリーピストンスターリング装置。
【請求項５】
ディスプレーサピストン及びパワーピストンを備え、ディスプレーサピストンが第１及び第２の平ばねに対して往復動可能に取り付けられ、少なくとも一方のばねが、複数の螺旋ばね部と、各螺旋ばね部の外端を越えて位置される応力緩和穴とを有しているリニアフリーピストンスターリング装置。
【請求項６】
螺旋ばね部が、その径方向最外端に向かって幅が増大する、請求項５に記載のリニアフリーピストンスターリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン又は冷却器などのリニアフリーピストンスターリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアフリーピストンスターリングエンジンは一般にディスプレーサピストン及びパワーピストンを備えており、各ピストンは、当分野において既知であるように、エンジン内で独立に往復動する。
【０００３】
１つの構造において、ディスプレーサピストンは、パワーピストンを貫通して延びて一対の板ばねに取り付けられるフレキシブルロッドを有している。フレキシブルロッドにより結合されるばね剛性及びディスプレーサピストン質量により、ディスプレーサピストンが共振して上下動する。
【０００４】
平ばねの過大応力及び衝突音を避けるためには、ディスプレーサピストンの往復の振幅を設計の特定の物理的限界内に維持することが必要である。
【０００５】
この問題を克服するため、米国特許第４，９３７，４８１号に示されるように過度なストロークを防止するためにパワーピストンにばね磁石を使用することを含む多くの方法が提案されてきた。しかしながら、これらのばね磁石は、主磁石からの磁束と相互作用してエンジン効率を低下させるフリンジングフィールドを形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、過度なストロークを防止する代替の方法を提供することに関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを備え、ディスプレーサピストンが第１及び第２の平ばねに対して往復動可能に取り付けられ、第１のばねが、その変位の増大に伴って高まる剛性を有し、第２のばねが、その変位に伴って第１のばねに対してあまり変化しない剛性を有しているリニアフリーピストンスターリング装置が提供される。
【０００８】
このようにしてばねを構成することにより、ばねの組み合わせ応答は、エンジンの通常の動作範囲内で第２のばねが比較的大きい度合いまでディスプレーサピストンに影響を与え、一方、通常の動作範囲外で第１のばねが比較的大きな影響を与えるといったようになる。したがって、通常の動作状態中に消費エネルギを減らす特定の共振剛性を有し且つストローク限界に達する際に更に高い剛性を有するための要件を十分に満たすように一対のばねを構成することができる。これは、２つの同じばねを使用して達成することが困難であり費用がかかる。
【０００９】
各平ばねは、複数の螺旋ばね部と、各螺旋ばね部の外端を越えて位置される応力緩和穴とを有していることが好ましい。この穴は、平ばねの径方向外側のリング部における負荷経路内に位置される。
【００１０】
各応力緩和穴は、必要な剛性特性を与えるように寸法付けられて位置されることが好ましい。
【００１１】
この特徴は、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを備え、ディスプレーサピストンが第１及び第２の平ばねに対して往復動可能に取り付けられ、少なくとも一方のばねが、複数の螺旋ばね部と、各螺旋ばね部の外端を越えて位置される応力緩和穴とを有しているリニアフリーピストンスターリング装置として広く規定される本発明の第２の態様を形成する。この発明は、本発明の第１の態様とは独立に使用されてもよく、あるいは、第１の態様と併せて使用されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ここで、添付図面を参照しながら、本発明に係るリニアフリーピストンスターリング装置の実施形態について説明する。
【００１３】
図１には、リニアフリーピストンスターリングエンジンが概略的に示されている。エンジンの基本的な構造は当分野において周知のように（例えば、ｗｗｗ．Ｓｕｎｐｏｗｅｒ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙで利用できる１９９７年のＬａｎｅ，Ｎ．Ｗ．及びＢｅａｌｅ，Ｗ．Ｔ．による“Ｆｒｅｅ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｆｅａｔｕｒｅｓ”の９頁、図２を参照［Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｓｉｇｎ  ｆｅａｔｕｒｅｓ  ｏｆ  ｆｒｅｅ−ｐｉｓｔｏｎ  Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  ｅｎｇｉｎｅｓ  ｏｆ  ３．０  ａｎｄ  １．１  ｋｗ  ｏｕｔｐｕｔ．］．１９９７年５月２７〜３０日にイタリアのアンコーナ大学における８カ国国際スターリングエンジン会議で紹介された）。
【００１４】
簡単に述べると、エンジンは、バーナ（図示せず）により加熱されるフィン２を有するヘッド１を有している。エンジンハウジング内には、互いに対して相対的に往復動するディスプレーサ３とパワーピストン４がある。パワーピストン４は、オルタネータ５と協働して電力を生成する。
【００１５】
ディスプレーサピストン３は、パワーピストン４の中心を貫通して延び且つ一対の平ばね７に取り付けられたフレキシブルロッド６を有している。これらは、エンジンハウジングに対してボルト８により締結されている。ディスプレーサピストン３が往復動すると、平ばね７が曲がり、それにより、ディスプレーサピストンをその平衡位置に戻すための復元力がディスプレーサピストンに形成される。
【００１６】
ばね７の一方の構造が図２に更に詳しく示されている。図示のように、ばね７は、平坦な円形形状を成しており、シートメタルから打ち抜かれて研磨され、ドリル加工されて焼き戻される。ばねは、軸線に対して対称な一対の螺旋状のカットアウト（切り出し）９を有している。螺旋状のカットアウト９はそれぞれ、丸みカットアウト１０を有する径方向最外端で終端している。ばねの両側には、ボルト８を受けるために一対の取り付け穴１１が設けられている。中心穴１２は、ディスプレーサピストン３のフレキシブルロッド６を受ける。
【００１７】
螺旋状のカットアウト９は一対の螺旋ばね部１３を形成する。これらは、略一定の断面を有しているが、それらの径方向最外部１４で僅かに幅広くなっている。螺旋ばね部１３の端部を越えた位置に応力緩和穴１５が設けられている。
【００１８】
螺旋ばね部の径方向最外部１４の断面の増大と応力緩和穴１５との組み合わせにより、信頼性の高いばね構造が得られる。応力緩和穴１５は、螺旋ばね部１３の径方向最外端でピーク応力を最小限に抑えるとともに、これらの応力を螺旋ばね部の径方向外側にあるばね材料の残りの部分にわたって更に滑らかに伝える役割を果たすことが効果的である。
【００１９】
ばねの所定の変位におけるその剛性に関する特性は、応力緩和穴のサイズ又は螺旋ばね部の最外端に対する応力緩和穴の正確な位置を変えることにより簡単に変化させることができる。
【００２０】
２つのばね７は、図３に示されるように、変位に関して異なる剛性特性を有するように設計されている。線２０は、ディスプレーサピストン３における所望の変位の上限を示している。この上限よりも下側では、ばね対の剛性を、必要な復元力を与えるのに十分な一定のレベルに維持することが望ましい。この上限よりも上側では、ディスプレーサの過度な行程を防止するために剛性を急速に上げることが望ましい。
【００２１】
図３から分かるように、第１のばねは、小さい変位で最初は低いが上限２０に向かって初めにゆっくりと立ち上がる線２１によって示される剛性を有している。立ち上がりは、上限２０に向かって急勾配となった後、上限を超えて再び急勾配になる。これに対し、線２２により示される第２のばねの剛性は、全ての変位において略一定を保つ。第２のばねの剛性は初めに第１のばねの剛性よりも高い大きさで始まるが、上限付近で第１のばねの剛性が第２のばねの剛性を上回る。
【００２２】
２つのばねの組み合わせ剛性が図３に線２３で示されている。図示のように、上限の下側では、ディスプレーサピストン３の通常の行程範囲において、剛性は僅かに増大してはいるものの略一定である。上限の終わりに向かって、剛性が急に上がり始め、これは上限を超えても持続する。組み合わせ剛性は、低い変位領域で第２のばねが優位を占め、高い変位領域で第１のばねが優位を占めることが効果的である。
【００２３】
組み合わされた特性は、図３に示される組み合わせとは異なるばねの組み合わせによって達成されてもよいことは言うまでもない。したがって、例えば、第２のばねは、略一定に示されているが、徐々に増大することもでき、一方、それに応じて第１のばねの応答を調整することができる。そのような構成では、低い変位領域で第２のばねの剛性が第１のばねの剛性を上回っている必要がない可能性がある。
【００２４】
応力緩和穴の位置は、計算されるものではなく、むしろ、試行錯誤によって決定される。その周囲で可能な限り均等な応力分布を維持する応力緩和穴の位置を決定するために、有限要素解析モデルが使用された。当初の構成は、ばね部１３の内端にわたって高い応力集中を有するようにモデリングされて求められた。また、実際に、これは、動作中に破壊が生じる場所である。有限要素解析を使用して、最適な構成が繰り返し得られた。図４は、穴の位置及びサイズに伴ってばねの剛性がどのように変わるかについてのある目安を与えている。穴位置は、図２に示される位置Ｘから位置Ｙへ延びる線を基準にして定められる。図示のように、穴が位置Ｙへと動かされると、ばね剛性が増大する。また、ばね剛性は、穴の直径の増大に伴って減少するのが分かる。穴の直径が増大するとＸからＹへ完全に移動することが明らかに不可能であるため、グラフの両側の影領域は、この設計の限界を示している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】スターリングエンジンを示す概略断面図である。
【図２】一方のばねの斜視図である。
【図３】ばねの変位に伴う剛性の変化を示すグラフである。
【図４】様々な穴直径における穴位置に対するばね剛性の変化を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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