(57)【要約】ハウジング内に摺動可能に設置されたフリーピストンの振動の過剰な振幅を検出し、低減する装置。該ハウジングは、該ハウジングにばねを介して設置された質量を有する振動吸収器を備える。該質量は該ピストンと或る位相関係を有して、或る通路に沿って、該ハウジングに対し往復運動する。センサーが該質量の振動の振幅を検出するために該質量の近くに設置される。該質量の振動の振幅が予め決められた最大値に達した時該ピストンの振動の振幅を低減するための制御器が該センサーに接続されている。
2006522275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に摺動可能に設置されたフリーピストンの振動の過剰な振幅を検出し、低減するための装置であって、該ハウジングはばねに設置された振動吸収用ボデイを有しており、該ばねは、該ハウジングに対し該ボデイを通路に沿って該ピストンに対する位相関係を有して往復させるよう、該ハウジングに駆動式にリンクされている装置に於いて、
ａ）該ボデイの振動の該振幅を検出するための該ボデイの近くに設置されたセンサーと、そして
ｂ）該ボデイの振動の該振幅が予め決められた最大値に達した時該ピストンの振動の該振幅を低減するための該センサーに接続された制御器とを具備することを特徴とする装置。
【請求項２】
該センサーが、予め決められた最大値を超えた該ボデイの振動時、該ボデイにより接触されるよう該ボデイの該通路内に設置されることを特徴とする請求項１の該装置。
【請求項３】
該制御器が更に、燃料弁アクチュエーターに接続されたコンピュータを備えることを特徴とする請求項２の該装置。
【請求項４】
該制御器が更に、電気負荷に接続されたコンピュータを備えることを特徴とする請求項２の該装置。
【請求項５】
該ピストン及びハウジングがフリーピストンスターリングサイクル機械の部分であることを特徴とする請求項３の該装置。
【請求項６】
該制御器が更に、ガスポートアクチュエーターに接続されたコンピュータを備えることを特徴とする請求項２の該装置。
【請求項７】
該制御器が更に、該センサーに接続されたコンピュータを備えており、そして該センサーが該ボデイの振動の該振幅を検出し、該ボデイの振動の前記振幅に関するデータを該コンピュータに送信することを特徴とする請求項１の該装置。
【請求項８】
該制御器が更に、燃料弁アクチュエーターを備えることを特徴とする請求項７の該装置。
【請求項９】
該制御器が更に、電気負荷を備えることを特徴とする請求項７の該装置。
【請求項１０】
該ピストン及びハウジングがフリーピストンスターリングサイクル機械の部分であることを特徴とする請求項８の該装置。
【請求項１１】
該制御器が更に、ガスポートアクチュエーターを備えることを特徴とする請求項７の該装置。
【請求項１２】
ハウジング内に摺動可能に設置されたフリーピストンの振動の過剰な振幅を検出し、低減するための装置であって、該ハウジングはばねに設置された振動吸収用ボデイを有しており、該ばねは、該ハウジングに対し該ボデイを通路に沿って該ピストンに対する位相関係を有して往復させるよう、該ハウジングに駆動式にリンクされている装置に於いて、
ａ）該ボデイの振動の該振幅を検出するための、該ボデイの検出範囲内に設置されたセンサーと、
ｂ）該ボデイの該振動が予め決められた最大値に達した時該ピストンの該振幅を低減するための該センサーに接続された手段とを具備することを特徴とする装置。
【請求項１３】
該センサーが、予め決められた最大値を超える該ボデイの振動時、該ボデイにより接触されるよう該ボデイの該通路内に設置されることを特徴とする請求項１２の該装置。
【請求項１４】
該ピストン及びハウジングがフリーピストンスターリングサイクル機械の部分であることを特徴とする請求項１３の該装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にフリーピストン機械（ｆｒｅｅ  ｐｉｓｔｏｎ  ｍａｃｈｉｎｅｓ）に関し、特にフリーピストン機械に於けるピストンの振動の過剰な振幅（ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を低減するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多種類の機械が大きなもの（ｍａｓｓｉｖｅ  ｏｂｊｅｃｔｓ）を通路（ｐａｔｈ）に沿って往復させることにより作動し、振動を引き起こしている。例えば、従来の内燃機関（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｅｎｇｉｎｅ）はシールされた円柱状空洞（ｓｅａｌｅｄ  ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ）内に摺動可能に設置された１つ以上の円柱状ピストンを有する。可燃ガス（ｆｌａｍｍｅａｂｌｅ  ｇａｓ）が該空洞の１端内に注入され、点火されると、最終燃焼反応（ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）は往復路に沿って反対端に向かうよう該ピストンを強制（ｆｏｒｃｅｓ）する。
【０００３】
従来の内燃機関のピストンはクランクシャフトにリンクされ、そしてその行程（ｔｒａｖｅｌ）の限界に達すると、該ピストンは停止し、反対方向に動き始める。これはサイクルで続く。従来の内燃機関のピストンのサイクリックな停止及びスタートは振動を引き起こし、該振動は該エンジンからそれが設置される構造体（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）へ伝達（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ）される。
【０００４】
フリーピストンのスターリングサイクルエンジン（ｆｒｅｅ  ｐｉｓｔｏｎ  Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  ｃｙｃｌｅ  ｅｎｇｉｎｅｓ）の様な他の機械も、それらが熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する時振動を創生する。フリーピストンスターリングサイクルエンジンは作用ガス（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｇａｓ）を有し、該ガスは往復デイスプレーサー（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ  ｄｉｓｐｌａｃｅｒ）により、より暖かい空間（ｗａｒｍｅｒ  ｓｐａｃｅ）とよりクールな空間（ｃｏｏｌｅｒ  ｓｐａｃｅ）の間で動かされ、往復ピストン（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ  ｐｉｓｔｏｎ）を駆動する。
【０００５】
エンジンの様なフリーピストンスターリングサイクル機械（ｆｒｅｅ  ｐｉｓｔｏｎ  Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  ｃｙｃｌｅ  ｍａｃｈｉｎｅｓ）により引き起こされる振動を低減することが望ましいことは従来知られている。この目的を達成する装置が、引用によりここに組み入れられる、ロス他（Ｒｏｓｓ  ｅｔ  ａｌ．）への特許である、特許文献１で説明されている。
【０００６】
ロス他はフリーピストンスターリングサイクル機械のハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）に設置される装置を説明している。該装置は組み合わされたばねと質量（ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｓｐｒｉｎｇ  ａｎｄ  ｍａｓｓ）とを含む。該ばね／質量組み合わせは、該組み合わせを該機械のフリーピストン及びデイスプレーサーと或る位相関係で往復させる固有周波数（ｎａｔｕｒａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に同調（ｔｕｎｅｄ）させられており、該ハウジングの往復運動（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｏｎ）を著しく低減させる。例えば、該質量は一般的に該機械の内部運動部分の組み合わせ慣性に対し反対に動く。かくしてロス他の発明の結果は該機械のハウジングから周囲構造体へ伝達される振動の低減となる。
【０００７】
フリーピストンスターリングサイクル機械と従来の内燃機関との間の１つの差は、上記説明の従来のエンジンのピストンが、クランクシャフトの様なエンジンの部品が、破壊しなければ超えられ得ない予め決められた振動振幅を有することである。反対に、フリーピストンスターリングサイクル機械のピストンは、その往復通路でそれが普通進む距離内では構造的にそれ程限定されない。普通の条件では、フリーピストンは予め決められた振幅範囲内で往復するであろう。しかしながら、或る環境ではこの範囲を超え得て、それにより”オーバーストローク（ｏｖｅｒｓｔｒｏｋｅ）”として普通知られることに帰着する。オーバーストロークは該ピストンが予め決められた振幅範囲を超える条件である。もしオーバーストロークが過剰になる前に停止され得ないならば、エンジンに害（ｈａｒｍ）が起こり得る。
【０００８】
ロス他で説明される様な動的振動吸収器（ｄｙｎａｍｉｃ  ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ａｂｓｏｒｂｅｒｓ）は周囲構造体に伝達される振動を低減することを助けるが、フリーピストン機械でのオーバーストロークを避ける又は停止させるニーヅもある。
【特許文献１】米国特許第５、８９５、０３３号明細書
【発明の開示】
【０００９】
従来の動的振動吸収器の大きなボデイの振動の振幅はフリーピストンの振動の振幅と関係している。本発明は、該動的吸収器の大きなボデイの振動の振幅を検出することによりハウジング内に摺動可能に設置されたフリーピストンの振動の過剰な振幅を検出し、停止させるための装置である。該ハウジングに対して該ボデイを通路に沿い該ピストンに対し位相関係を有して往復させるために、振動吸収ボデイ（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ−ａｂｓｏｒｂｉｎｇ  ｂｏｄｙ）がばねを介して該ハウジングに設置される。本発明は該ボデイの振動の振幅を検出するために該ボデイの近くに設置されたセンサーを有する。該ボデイの振動の振幅が予め決められた最大値（ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ  ｍａｘｉｍｕｍ）に到達すると該ピストンの振動の振幅を低減するために制御器（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）が該センサーに接続されている。
【００１０】
好ましい実施例では、該センサーは該ボデイの通路に設置され、もし該ボデイが予め決められた最大値を超えて振動すれば該ボデイにより接触される。該好ましい実施例での該制御器はコンピュータを有しており、該コンピュータは燃料弁アクチュエーター（ｆｕｅｌ  ｖａｌｖｅ  ａｃｔｕａｔｏｒ）又は、代わりに、電気負荷又はピストン振幅を低減するための何等かの他の手段、に接続される。該ボデイがその予め決められた最大値を超える振幅で振動しつつあることを示すセンサーからの信号を検出すると、該コンピュータは該フリーピストン機械に供給される燃料を減じるよう該アクチュエーターに合図する。この好ましい実施例では、該フリーピストン機械はガスフレーム（ｇａｓ  ｆｌａｍｅ）で加熱されるフリーピストンスターリングサイクルエンジンであり、該燃料弁は該フレームに供給される燃料量を減じるよう駆動され、それにより該スターリングサイクルエンジンに与えられる熱エネルギーの量を減じるが、それは該ピストンの振動の振幅を低減する。
【実施例１】
【００１１】
図で図解される本発明の好ましい実施例の説明に於いては、明確なので特定の用語を頼りにする。しかしながら、本発明は選択された該特定の用語に限定されるようには意図されておらず、各特定の用語は同様な目的を達成するために同様な仕方で動作する全ての技術的等化物（ａｌｌ  ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓ）を含むと理解されるべきである。例えば、接続されると言う単語（ｗｏｒｄ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）又はそれと同様な用語が屡々使われる。それらは直接的接続（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）に限定されず、この様な接続が当業者により等価であると認識される他の要素を介しての接続（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｏｔｈｅｒ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を含んでいる。
【００１２】
本発明の好ましい実施例が図１で示される。従来のスターリングサイクルエンジン（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  ｃｙｃｌｅ  ｅｎｇｉｎｅ）１０はピストン（ｐｉｓｔｏｎ）１２とハウジング１６内のディスプレーサー（ｄｉｓｐｌａｃｅｒ）１４とを有する。該ピストン１２は、該ハウジング１６内のガスを加熱するヒーター１８と、該ガスを再生器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２０を通してクーラー２２へ駆動する該ディスプレーサー１４をディスプレース（ｄｉｓｐｌａｃｉｎｇ）すること、により従来の仕方で駆動される。熱力学的サイクルの正味の結果は該ピストン１２を振動運動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）で駆動することになる。図１のエンジン１０の例では、該エンジンは電気を生じる（ｐｒｏｄｕｃｅｓ  ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ）。該ヒーター１８は、例えば、天然ガスで燃料供給されるフレーム（ｎａｔｕｒａｌ  ｇａｓ  ｆｕｅｌｅｄ  ｆｌａｍｅ）を使う種類の様なガス燃焼ヒーター（ｇａｓ  ｂｕｒｎｉｎｇ  ｈｅａｔｅｒ）の熱交換器の様な部品であり得る。
【００１３】
該エンジン１０を囲む構造体へ伝達される振動を減じるために、該ハウジング１６には大きなボデイ（ｍａｓｓｉｖｅ  ｂｏｄｙ）３０が設置される。該ボデイ３０は好ましくは環状のウエイト（ａｎｎｕｌａｒ  ｗｅｉｇｈｔ）であるのがよい。該ハウジング１６は１対のプレート３１と３２とを有するが、該プレートは該プレート３１と３２との間にギャップを形成するよう該ハウジング１６の全円周の周りで該ハウジング１６から半径方向に延びている。該ボデイ３０はばね３３，３４，４３そして４４の端部への取り付けにより該プレート３１及び３２間に吊られて（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ）いる。
【００１４】
該ボデイ３０と取り付けられたばねとは振動吸収器（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ａｂｓｏｒｂｅｒ）を形成し、該吸収器は該ハウジング１６の振動を従来の仕方で低減又は除去するよう該エンジン１０の固有周波数（ｎａｔｕｒａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に同調させられている。動作中、該ボデイ３０は該ピストン１２と或る位相関係を有して（ｉｎ  ａ  ｐｈａｓｅ  ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ  ｗｉｔｈ  ｔｈｅ  ｐｉｓｔｏｎ  １２）、そして該ピストン１２の振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）の関数（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である振幅を有して、振動する。かくして、該ボデイ３０は該プレート３１と３２との間に延びる通路（ｐａｔｈ）内で振動の正常な振幅（ｎｏｒｍａｌ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｏｆ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）を有する。
【００１５】
センサー５０は該ボデイ３０の通路内であるが、往復運動（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｏｎ）の正常な範囲の縦の端部（ｌｏｎｇｉｔｕｄａｌ  ｅｎｄ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｎｏｒｍａｌ  ｒａｎｇｅ）の丁度外側で、該プレート３１に設置される。該センサー５０は図１に示す配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）でその下端に接触することにより駆動される圧力感応スイッチ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｓｗｉｔｃｈ）とすることが出来る。かくして、もし該ボデイ３０が振動のその正常な振幅を超えるなら、それは往復運動のその正常な範囲の縦端部を超えて進み始め、該センサー５０の下端を打つ（ｓｔｒｉｋｅ）であろう。
【００１６】
該センサー５０は、好ましくは、コンピュータ６０の様な制御器に接続（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）され、該制御器は、好ましい実施例では、該ヒーター１８に供給される燃料量を制御する弁（ｖａｌｖｅ）に接続（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）されるのがよい。従って、該センサー５０が、該センサー５０を打つ該ボデイ３０による様にして、該ボデイ３０の振動の振幅が設定最大値（ｓｅｔ  ｍａｘｉｍｕｍ）を超えたことを検出すると、該センサー５０は該コンピュータ６０に該条件を合図して、該コンピュータ６０は、燃料弁を通って流れる燃料量を減じることによる様にして、該ヒーター１８が該エンジン１０に供給する熱の量を減じる。
【００１７】
該センサー５０は、該ボデイ３０の通路内で、往復運動の正常な範囲の丁度外に置かれた、上記説明の様な圧力感応スイッチ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｓｗｉｔｃｈ）とすることが出来る。勿論、該センサーは、代わりに、振動するボデイの位置を検出し、そのボデイが予め決められた境界（ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）を超えた時信号を生じ得るどんなデバイスとすることも出来る。更に、該センサーは、もし該センサーが該ボデイから隔てられた時該ボデイの位置を検出出来るなら該ボデイの通路内に位置付けられる必要はない。
【００１８】
同様に、該制御器は、該センサーから信号を受け、該ピストンの振動の振幅を減じることが出来るコンピュータ又は何等かの代わりのデバイスとすることが出来る。例えば、該制御器は、該センサーから信号を受け、該振動するボデイがその境界を超える条件が存在する時（ｗｈｅｎ  ｔｈｅ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ｅｘｉｓｔｓ）ガス弁を駆動する論理回路（ｌｏｇｉｃ  ｃｉｒｃｕｉｔ）とすることが出来る。
【００１９】
該ピストンの振幅が低減され得る機構は事実上無数（ｉｎｎｕｍｅｒａｂｌｅ）にある。好ましい実施例では、熱が該エンジンに印加（ａｐｐｌｉｅｄ）される機構は該熱が制御される正常な仕方で減じられる。しかしながら、ガスのポーティングを変える（ｖａｒｙｉｎｇ  ｇａｓ  ｐｏｒｔｉｎｇ）ことにより、又は発電エンジン（ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ−ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  ｅｎｇｉｎｅ）内の抵抗器の様な、該機械への負荷を掛けることにより、該ピストンの振幅を低減することも可能である。他の機構が当業者には明らかであろう。
【００２０】
図２に示す代わりの実施例では、フリーピストンスターリングサイクル機械１１０はロッド１２０が剛体的に（ｒｉｇｉｄｌｙ）設置されたハウジング１１２を有する。１対の平面状ばねが環状の質量をサンドウイッチにして、振動吸収器（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ａｂｓｏｒｂｅｒ）１２２を形成する。該振動吸収器１２２は図１に示すエンジンの振動吸収器と本質的に同じ仕方で機能する。
【００２１】
該機械１１０は該振動吸収器１２２の１つの側でハウジング１１２に設置されたセンサー１５０を有する。該センサー１５０は、振動吸収器１２２の１部分が振動の予め決められた最大振幅を超えたかどうかを検出する光学的又は他のセンサーとすることが出来る。もし該センサー１５０が該振動吸収器がその最大振幅を超えたことを検出したなら、該センサーは接続された制御器（示されてない）に該条件に関し合図する。該制御器は次いで何等かのオーバーストロークを避ける又は和らげるために該ピストン（示されてない）の振動の振幅を低減する。
【００２２】
本発明の或る好ましい実施例が詳細に開示されたが、本発明の精神又は上記請求項の範囲を離れることなく種々の変型が採用され得ることは理解される得ることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のフリーピストンスターリングサイクルエンジン上で本発明を図解する断面での略側面図である。
【図２】本発明の代わりの実施例を図解する側面図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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