(57)【要約】フリーピストン装置１１２のためのピストン位置ドリフト制御部１１０。制御部は、装置の内部体積を連結する通路であって装置の音波長よりも実質的に短い通路１２２、及び最大ストロークで装置の最大圧力差の約２０％以上の開放圧力を有する、内部体積の間の流体連通を制御するための通路内の逆止弁１２４を備える。制御部は受動的であり、稼動後は能動的制御が不要であり、損傷及び汚損を受けにくく、必要に応じて調整又は修理しやすいものである。さらに、制御部は小さく低コストであり、制御部がサポートするフリーピストン装置の全動作範囲にわたって機能する。ピストン位置ドリフト制御部を備えた関連したフリーピストン装置も提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン（１１４）に隣接する内部体積（１１８Ａ、１１８Ｂ）の間の不完全シール部（１１６）を持つ往復ピストン（１１４）を有するフリーピストン装置（１１２）のためのピストン位置ドリフト制御部（１１０）であって、
前記内部体積を連結する通路（１２２）であって、前記装置の音波長よりも実質的に短い通路と、
最大ストロークで前記装置の最大圧力差の約２０％以上の開放圧力を有する、前記内部体積の間の流体連通を制御するための前記通路内の逆止弁（１２４）とを含む、ピストン位置ドリフト制御装置。
【請求項２】
前記開放圧力が、最大ストロークで前記装置の最大圧力差の約５０％未満である、請求項１に記載のピストン位置ドリフト制御装置。
【請求項３】
前記ピストンの位置が、ピストンの平均位置から＋／−１ｍｍの範囲に規制される、請求項１に記載のピストン位置ドリフト制御装置。
【請求項４】
前記逆止弁の流量が、前記逆止弁がピストン・ストロークのほぼ低範囲では開いてなく、ピストン・ストロークのほぼ中間範囲で次第に開き、ピストン・ストロークのほぼ高範囲で完全に開くようになった、請求項１に記載のピストン位置ドリフト制御装置。
【請求項５】
前記逆止弁が、前記逆止弁の増加する開きのためピストン・ストロークのほぼ中間範囲における増加する流れを許し、増加する圧力差のためピストン・ストロークのほぼ高範囲における増加する流れを許している、請求項４に記載のピストン位置ドリフト制御装置。
【請求項６】
前記逆止弁が前記不完全シール部を通る漏れを補正する方向の流れを許している、請求項１に記載のピストン位置ドリフト制御装置。
【請求項７】
ピストン（１１４）に隣接する内部体積（１１８Ａ、１１８Ｂ）の間の不完全シール部（１１６）を有する往復ピストン（１１４）と、
装置の音波長よりも実質的に短い、前記内部体積の間の通路（１２２）を備えたピストン位置ドリフト制御部（１１０）と、
最大ストロークで前記装置の最大圧力差の約２０％以上の開放圧力を有する、前記内部体積の間の流体連通を制御するための前記通路内の逆止弁（１２４）とを備える、フリーピストン装置（１１２）。
【請求項８】
前記開放圧力が、最大ストロークで前記装置の最大圧力差の約５０％未満である、請求項７に記載のフリーピストン装置。
【請求項９】
前記逆止弁の流量が、前記逆止弁がピストン・ストロークのほぼ低範囲では開いてなく、ピストン・ストロークのほぼ中間範囲で次第に開き、ピストン・ストロークのほぼ高範囲で完全に開くようになった、請求項７に記載のフリーピストン装置。
【請求項１０】
前記逆止弁が、前記逆止弁の増加する開きのためピストン・ストロークのほぼ中間範囲における増加する流れを許し、増加する圧力差のためピストン・ストロークのほぼ高範囲における増加する流れを許している、請求項９に記載のフリーピストン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、フリーピストン装置のためのピストン位置ドリフト制御に関し、より詳細には、逆止弁及び関連したフリーピストン装置を使用する受動ピストン位置ドリフト制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流（ＡＣ）電力を共振型モータによって往復運動の動力に直接変換し、交流発電機で逆変換することは、パルス管、及びスターリングサイクル低温冷却器、並びに熱音響サイクル又はスターリングサイクルで作動する小型の外部加熱式エンジン発電機などの適用例で重要になっている。より一般的な回転モータとは違って、こうした装置の可動部は通常、組立体の中心軸に沿って往復運動をする。通常、この運動は、非接触軸受又は非摩擦式フレクシャで案内され、ピストンとシリンダの間の非接触且つ非磨耗的な近接した間隙によるシールの使用を可能にするものである。こうしたシールは、動作周波数での交流を完全に阻止することができるが、シール前後の適度な圧力差が生じた場合は、一方向の流れ（漏れ）を許すことがある。実際、こうした圧力漏れは、幾何学的異常、又は非対称の圧力による位置関係から生じる。漏れによって過剰なガスがピストンの一方側にたまり、それによってピストンが「ドリフト」と呼ばれる現象でガスの減少した側に押し付けられる。ドリフトが補正されないと、ピストンが許容移動の終点まで移動することになり、さらなる往復運動が制限又は阻止される。ドリフトの傾向は、装置の圧力波の振幅に比例する。これは、ピストン・ストロークの比例関数よりも大きい。その結果、小さいストロークでは最小のドリフトが生じるが、より大きいストロークではドリフトが深刻な問題になる。
【０００３】
過去の実施例では、特にフリーピストン・スターリング・エンジンでは、漏れ及びピストンの位置ドリフトに対処するために、「センターポート」と呼ばれる特徴が使用されていた。センターポートは、フリーピストン装置のシリンダと可動ピストンの両方の整列した１組のポートである。このポートは、ピストンがその意図された中間ストローク位置付近に存在するときに位置合せされる。このポートの位置依存式位置合せにより、ピストン・シールの一時的な短絡又はバイパスが生じる。ピストンがその意図された中間ストローク位置に存在しない場合、ポートは、ピストンの非接触シールの密閉された嵌合によって有効に封鎖又は閉鎖される。平均圧力及び平均位置が適時に一致する装置では、この構成によって、ポートの位置合せ中に不均衡な圧力を生じるドリフトに対するしっかりした受動的補正がもたらされる。この場合、望ましくない圧力差によって補正ガス流が流れる。しかし、センターポートは、全ての状況に理想的であるわけではない。例えば、圧力と運動の間に著しい位相角がある場合、すなわち（中心のピストン位置で）ポートが位置合せされたときにかなり大きい圧力差がある場合は、センターポートはうまく作用しない。他の点ではセンターポートの補正的な流れが、この場合はポートでの無駄な流れの損失をもたらす。残念なことに、大型の市販の重要な機械はこうした位相シフトを示し、センターポート・システムをこうした機械で使用するには非効率的なものにしている。
【０００４】
いくらかの位相差は常に存在するため、センターポートは、低位相装置（例えばフリーピストン・スターリング・エンジン）に少なくともいくらかの最小限の不可避の損失も発生させる。さらに、通常、低位相装置に必要とされるポートは、過度の補正を回避するために非常に小さい正確な開口である。こうした小さい開口は詰まりやすく、製造コストが高い。センターポートもフリーピストン装置の最も深い部分に完全に含まれるため、故障が生じた場合に高コストの分解及び／又は部品の交換が必要とされる。さらに、個別の故障がなくても、シール又はドリフトにおける変化する状態の補正中に、センターポートを調整する機構が存在しない。
【０００５】
他のピストン位置又はドリフト制御の実施例では、ピストン・シールの周りの外部回路及び回路内の少なくとも１つの制御弁が提供されている。感知手段を使用して、ピストン位置が検出される。ピストン位置データはマイクロプロセッサ制御を介して使用され、過剰なピストンのドリフトが検出された場合に、制御弁を一時的に開放して補正流を可能にする。逆止弁が各制御弁の前又は後にある、２つの活動状態の制御弁が、ネットワークで並行して使用されることが多い。この場合、各制御弁を使用して、一方向にだけ補正流を提供する。これによって、制御アルゴリズムが簡単になり、制御弁に求められる使用率が低減される。こうしたシステムは良好に作用するが、大規模な外部の加圧配管及び弁、並びに高コストの位置センサ及び制御装置が必要とされる。こうした能動システムは、簡単に修理され、簡単に調整され、シールの流れ及びドリフトの変化する状態にさらに関与することなく適合する。しかし、外部の配管は比較的漏れや損傷を受けやすく、さらに複雑になるために信頼性が低下する。
【０００６】
他のピストン位置又はドリフト制御の実施例では、ピストン・シールの周りに同調音響導波バイパスが設けられている。これは、高い交流インピーダンスである（したがって、シール機能の損失がほとんどない）が、低い一方向の流れインピーダンス（したがって、ピストン・シール前後に等しい平均圧力を維持する補正流に対する制限がほとんどないこと）を示す。音響バイパスは、内部又は外部に作成され、装置の内部体積の間の長く狭い通路（例えば管）で構成することができる。バイパスの長さは、その流域の何倍かであり、理想的にはピストンの往復運動の周波数で装置のシールされた媒体内の音の自由伝搬波長の半分（又は波長の倍数）に実質的に等しい。このタイプのバイパスは、センターポートと同様に受動的であるが、センターポートに必要とされる複雑で正確な機械加工が必要ではない。しかし、音響バイパスは動作周波数の影響を受けやすい。さらに音響バイパスは、補正すべきドリフトが非常に小さくない場合は、実際のガス流が管の端部付近で低減されるため、有効に適用するのが難しい。したがって、この実施例は一般に、非常に良好なシールを有し、又は効率が低下しても不利がほとんど生じない装置だけに適している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記を考慮すると、改良型ピストン位置ドリフト制御、及びその制御を使用する関連したフリーピストン装置が当技術分野で求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下の態様により、本発明は、受動的であり、稼動後の能動的制御が不要であり、損傷又は汚損を受けにくく、必要に応じて調整又は修理がしやすいピストン位置ドリフト制御部を提供する。さらに、この制御部は小さく低コストであり、制御部がサポートするフリーピストン装置の操作可能な範囲全体にわたって機能する。ピストン位置ドリフト制御部を含む関連したフリーピストン装置も提供する。
【０００９】
本発明の第１の態様では、ピストンに隣接する内部体積の間の不完全シールを持つ往復ピストンを有するフリーピストン装置のためのピストン位置ドリフト制御部を提供する。この制御部は、内部体積を連結する通路であって、装置の音波長よりも実質的に短い通路と、最大ストロークで装置の最大圧力差の約２０％以上の開放圧力を有する、内部体積の間の流体連通を制御するための通路内の逆止弁とを備える。
【００１０】
本発明の第２の態様は、フリーピストン装置を対象とする。このフリーピストン装置は、ピストンに隣接する内部体積の間の不完全シールを有する往復ピストンと、装置の音波長よりも実質的に短い、内部体積の間の通路を含むピストン位置ドリフト制御部と、最大ストロークで装置の最大圧力差の約２０％以上の開放圧力を有する、内部体積の間の流体連通を制御するための通路内の逆止弁とを備える。
【００１１】
本発明の第３の態様は、ピストンに隣接する内部体積の間の不完全シールを持つ往復ピストンを有するフリーピストン装置のためのピストン位置ドリフト制御部を備えており、この制御部は、内部体積を連結する手段と、内部体積の間の圧力差が最大ストロークで装置の最大圧力差の約２０％以上である場合に、内部体積の間の流体連通を受動的に可能にする手段とを備える。
【００１２】
本発明の上記その他の特徴は、本発明の実施例の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１３】
以下の図を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。図では、同様の記号は同様の要素を示す。
【実施例】
【００１４】
図１を参照すると、従来のフリーピストン装置１２は、ピストン１４に隣接する内部体積１８Ａと１８Ｂの間のシール部１６を有する往復ピストン１４を備えている。ピストン１４の往復運動は、矢印Ａで示されている。フリーピストン装置１２では、（図で示していない構成によって）内部体積１８Ａ、１８Ｂのうちの少なくとも１つで圧力波が生成される。そのような圧力波は、シール部１６前後に時変圧力差（すなわちＰ１がＰ２と等しくない時）を生じさせ、時変圧力差はシール部１６を横切って交互に前後に流れる漏れ流れを駆動する。通常、こうした圧力差は、周期性があり反転する。一定の条件下では、シール部１６を横切る一方向の正味の漏れ流れが生じることがある。こうした条件に影響を与える一因には、例えば全体の動作条件、シールの幾何形状、及び圧力波と運動の間の位相関係が含まれる。流体をピストン１４の一方側にためる傾向がある漏れ流れは、「ピストンのドリフト」として周知の現象において、ピストン１４の平均位置をその蓄積から離れるように押す。こうしたドリフトが補正されないと、該ドリフトはピストン又はピストンを支持する固定具（図示せず）に損傷を与える、又は破壊してしまう。さらに、装置内のピストン運動に対する機械的制限が平均位置のドリフトと組み合わさって、ピストンの有効なストロークを低減し、それによって、装置の達成可能な出力容量を低減する。
【００１５】
本発明は、図２を参照して、フリーピストン装置１１２のためのピストン位置ドリフト制御部１１０を提供する。装置１１２は、ピストン１１４に隣接する内部体積１１８Ａと１１８Ｂの間の不完全シール部１１６を有する往復ピストン１１４を備える。装置１１２は、圧縮機、パルス管及びスターリングサイクル低温冷却器、又は熱音響又はスターリングサイクルなどで作動するエンジン発電機などの適用例で使用される、任意の現在周知の、又はこれから開発されるフリーピストン装置でもよい。ピストン１１４の往復運動は矢印Ａで示されている。ピストン位置ドリフト制御部１１０は、内部体積１１８Ａ、１１８Ｂと逆止弁１２４を連結する通路１２２を備える。逆止弁は、例えばばね１２６によって開口部に対して偏倚された弁である。「開放圧力」とは、偏倚に打ち勝ち、弁シールを開放し、弁シールを通る好ましい方向の流れを可能にするのに十分な圧力である。反対方向の圧力差は、単に弁を閉位置に固定する。通路１２２は、装置１１２の音波長よりも実質的に短く、弁１２４及び／又はピストン・シール部１１６での音響位相シフトの問題をなくしている。通路１２２は、必ずしもセンターポートのように、シール部１１６に近接結合される必要はなく、管状音響バイパス・システムのように、大部分が外部である必要もない。逆止弁１２４は、通路１２２内に位置して、内部体積１１８Ａと１１８Ｂの間の流体連通を制御する。逆止弁１２４は、不完全シール部１１６を通る漏れを補正する方向の流れを可能にする。
【００１６】
図３を参照すると、様々な状況でのピストンのドリフト（縦軸）に対する圧力波の振幅（横軸）を示すグラフが示されている。理解されるように、以下で示し論じる特定の圧力波の振幅及びドリフトは、特定の機械に特有のものであり、この値は、装置のサイズ、シールの構成など幾つかの変数によって変わる。この特定の例では、ピストンのドリフトの許容範囲は、（グラフの比較的太い水平線で示した）＋／−１ｍｍである。
【００１７】
図３では、補正されていないドリフトを有するフリーピストン装置の動作は、ダイヤモンド形の印を付けた線で示してある。図に示したように、正味漏れ流れが、圧力波振幅４バール未満でピストンを平均位置から極端ドリフト位置、例えば２．５ｍｍの位置に線形に押している。図２で示したような、小さい、低開放圧力の逆止弁を有するピストン位置ドリフト制御部の動作は、四角形の印を付けた線で示してある。このタイプの弁は有利であると予想される。なぜならば、米国のグリッド・サプライド（ｇｒｉｄ−ｓｕｐｐｌｉｅｄ）電気に準拠した通常の動作周波数６０Ｈｚで、各サイクルが１５ミリ秒継続し、その半分が許容可能な流れ方向に圧力偏倚されるためである。したがって、迅速な開閉に対する弁の慣性抵抗を最小限に抑える小さく軽い弁要素が有利である。なぜなら、弁が、有効な半サイクル中に十分な好ましい方向の流れを通過させ、他方の半サイクル中に逆流を阻止することができるからである。反対に、大きすぎる弁要素は、こうした周波数で完全に開閉することが予想されず、好ましい方向性がなく、管路内に可変の抵抗をもたらすであろう。弁は小さくなければならないため、開放圧力もできるだけ低くなければならず、弁が開放され、好ましい圧力差でサイクルの最大部分の間開放されたままでなければならない。それにもかかわらず、図３で示したように、小さい低開放圧力の逆止弁は、低及び中間範囲の圧力波の振幅（例えば約０から約２．５バールまで）で作用するが、（例えば約２．５バールより大きい）高範囲の圧力波の振幅では不十分である。
【００１８】
大きい低開放圧力の逆止弁の動作は、図３では三角形の印を付けた線で示してある。この場合、制御は、（例えば約２．５バールより大きい）高圧力波振幅でドリフトを補正する十分な働きをするが、中間範囲の圧力波振幅（例えば約１．０バールから約２．５バールまで）では過剰である。
【００１９】
上記を考慮すると、逆止弁１２４は比較的大きい高開放圧力弁であるように選択される。具体的には、逆止弁１２４は高流量（すなわち容量）を有するが、所与の装置１１２に対する低範囲のピストン・ストロークでは開放されない。図４で円形の印を付けた線で示したように（グラフの軸は図３の軸から切替えられていることを留意されたい）、こうした弁は、低圧力波振幅ドリフトを無視し、中間範囲では（限度内で）過剰に補正し、さらに過小補正高範囲ドリフトを許して蓄積させるが、しかし、ドリフトの限度内に留まる。動作の際、最初のドリフトに関係なく低圧力波振幅では開放しないが、次いで広く開放する逆止弁１２４は、中間範囲のストローク・レベル（例えば、この場合は約０．５バールから約２．５バール）で、その反対側の過剰補正限度に向けてピストン１１４を押すのに十分である。この場合の開放圧力レベルは、約１．３バール又は２０ｐｓｉでよい。開放圧力レベルから、ストロークが大きくなると共にドリフトがさらに大きくなるが、圧力波振幅が増加するため、完全に開放された大きい弁を通る追加の流れによるわずかな抵抗を受けるだけである。しかし、ドリフトは遠い反対側の限界点から始まるため、ドリフトが第１の方向で過剰になる前に最大ストロークが達成されうる。結果は、全体動作範囲が事前定義された許容限度内（すなわちこの場合は＋／−１ｍｍ）のドリフトを示すが、最小補正流量及び最小関連エネルギ損失であることである。
【００２０】
図５は、圧力波の振幅、弁の開口、及びサブサイクル動作中に弁を通る補正ガス流の並列比較を示す。さらに、弁を通る正味流れに関する時間平均効果が示されている。総合的に上記の機能を次のように述べることができる。弁１２４はピストン・ストロークのほぼ低範囲では開いていなく、ピストン・ストロークのほぼ中間範囲で次第に開き、ピストン・ストロークのほぼ高範囲で完全に開く。図５に示したように、各サイクルのより長い継続時間中（例えば圧力波のサイクルの約２０％〜４０％）の弁の増加する開きのため、弁１２４はピストン・ストロークのほぼ中間範囲における増加する流れを許している。主に増加する圧力差（及び弁が各サイクルのわずかにより長い継続時間中、例えば圧力波のサイクルの約５０％の間弁が開いている）ため、弁１２４はピストン・ストロークのほぼ高範囲における増加する流れを許している。しかし、「時間平均効果」で示したように、正味流れの増加は、ピストン・ストロークの中間範囲のより急速な正味流れの増加と比較すると、ピストン・ストロークの高範囲での圧力波振幅の増加と同じ程度である。
【００２１】
この構成の可能性は、圧力波振幅及びドリフトの傾向が通常のフリーピストン装置ではストロークの超線形関数として増加するが、逆止弁を通る流れは、弁が完全に開いた後は、ストロークの増加と共にほぼ線形に増加するという事実に帰着する。その結果、弁が十分に大きく、フルストロークでドリフトを許容限度内に維持できる場合は、より高い開放圧力の弁がより望ましい。
【００２２】
上記の説明によれば、一実施例では、高流量を有するが、ピストン・ストロークの低範囲では開かず、最大ストロークで装置１２の最大圧力差（すなわちＰ２−Ｐ１）の約２０％以上の開放圧力を有する逆止弁１２４が設けられている。他方、開放圧力は最大ストロークで装置の最大圧力差の約５０％未満に設定されてもよい。上記で使用した例では、開放圧力は約１．３バール又は２０ｐｓｉである。さらに、最大圧力差は、約４．９バール又は７５ｐｓｉでもよい。
【００２３】
代替実施例として、特定の装置のドリフトの挙動の状態に合うように調整又は設定することができる絞り開口（図示せず）が通路１２２内に設けられてもよい。この開口を使用して、弁のサイズを小さくする（すなわちその流量を減少する）ことができる。
【００２４】
上記で説明したピストン位置ドリフト制御部１１０は、補正されないドリフトと比較すると許容のドリフト（例えば＋／−１ｍｍ）の限度内で達成可能な有効圧力波振幅を約２倍にする。制御部１１０は受動的であり、稼動後は能動的制御が不要であり、損傷又は汚損を受けにくく、必要に応じて調整又は修理がしやすいものである。さらに、制御部は小さく低コストであり、制御部がサポートするフリーピストン装置の全動作範囲にわたって機能する。その結果、制御部は、ストローク容量の大部分を使用できるようにする、フリーピストン装置のより効率が高い堅固なドリフト制御部を提供する。さらに制御部１１０により、従来の複雑な、又はコストの高い代替のドリフト制御部の必要性が回避される。
【００２５】
本発明を上記で概要を述べた特定の実施例と併せて説明したが、当業者には明白であるように、多くの代替例、修正例、及び変形例が明らかであろう。したがって、上記で述べた本発明の実施例は例示であって、限定的なものではない。特許請求の範囲で記載したように、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術のフリーピストン装置を示す概略図である。
【図２】本発明によるピストン位置ドリフト制御部を有するフリーピストン装置を示す概略図である。
【図３】補正及び様々なピストン位置ドリフト制御逆止弁を使用しない、ピストンのドリフトに対する圧力波の振幅を示すグラフである。
【図４】本発明によるピストン位置ドリフト制御部を使用した、ピストンのドリフトに対する圧力波の振幅を示すグラフである。
【図５】圧力波の振幅、弁の開口、及び弁を通る流れを示す並列グラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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