JP2005061330A - Free piston type stirling engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a free piston type stirling engine, of low cost, high efficiency, and high output, without using an expensive flexure spring. <P>SOLUTION: Surface hardening treatment of DLC coating is applied to bearing surfaces of a power piston 2, a rod 4, etc., to reduce reciprocating and sliding loss, and improve bearing precision. A low-cost coil spring can be used instead of using a high-cost flexure spring. In addition, a displacer controller 33 is provided to function as a small motor and power generator at an end of a displacer rod 4a. Engine start becomes easy. Control to keep the power piston 2 and the displacer piston 3 at their optimum phases becomes possible in any operation state. In stationary operation, it can be added to main power generation output as the compact generator. Engine efficiency and output can be maintained high. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、フリーピストン型スターリングエンジン、特にフリーピストン型スターリングエンジンで一体的に駆動されるリニア型発電機として好適なフリーピストン型スターリングエンジンに関する。   The present invention relates to a free piston type Stirling engine, and more particularly to a free piston type Stirling engine suitable as a linear generator that is integrally driven by a free piston type Stirling engine.

従来フリーピストン型スターリングエンジンは、一般的には図３に示すように、高温空間４０と低温空間４１の作動ガスを複数個の熱交換器を介して周期的に移動せしめるディスプレーサピストン４２、該ディスプレーサピストンに固定されて軸方向に伸びたロッド４３、該ロッドと同心軸上に配置され、前記低温空間側の圧力を受けて軸方向に往復動するパワーピストン４４、該パワーピストンに一体に結合され軸方向に往復動される可動部４５からなり、フリーピストン型スターリングエンジン発電機の場合は、可動部に発電用永久磁石４６を有し、固定部の内ヨーク４７に発電用コイル４８を設けてリニア発電部を構成している。このように構成されたフリーピストン型スターリングエンジン（以下、単にスターリングエンジンという）において、従来ロッド４３とパワーピストン４４の摺動部の一方、及び該パワーピストン４４と内ヨーク４７との摺動部の一方に、例えばテフロン（登録商標）等の無潤滑樹脂製軸受５０を用いているが、磨耗が大きく半径方向のクリアランスが大きくなりがちで、半径方向の精度が維持できない欠点がある。このため、ディスプレーサピストンおよびパワーピストンのそれぞれのセンタリングを精度高く維持するために、センターリングと軸方向の往復動弾性荷重を与えることの可能な図３に示すようなフレクシャースプリングと言われる複数個の特殊円板状の板バネ５１を各ピストンの片側(図３)または両側(図４)に配置しているのが一般的である。   As shown in FIG. 3, the conventional free piston type Stirling engine generally has a displacer piston 42 for periodically moving the working gas in the high temperature space 40 and the low temperature space 41 via a plurality of heat exchangers, and the displacer. A rod 43 which is fixed to the piston and extends in the axial direction, a power piston 44 which is arranged on a concentric shaft with the rod and reciprocates in the axial direction under the pressure on the low temperature space side, and is integrally coupled to the power piston In the case of a free piston type Stirling engine generator, which includes a movable part 45 reciprocated in the axial direction, a permanent magnet 46 for power generation is provided in the movable part, and a power generation coil 48 is provided in an inner yoke 47 of the fixed part. The linear power generation unit is configured. In the free piston type Stirling engine (hereinafter simply referred to as Stirling engine) configured as described above, one of the sliding portions of the conventional rod 43 and the power piston 44 and the sliding portion of the power piston 44 and the inner yoke 47 are provided. On the other hand, for example, a non-lubricated resin bearing 50 such as Teflon (registered trademark) is used. However, there is a drawback that the radial accuracy cannot be maintained because the wear is large and the radial clearance tends to be large. For this reason, in order to maintain the centering of each of the displacer piston and the power piston with high accuracy, a plurality of flexure springs as shown in FIG. 3 capable of applying a reciprocating elastic load in the axial direction with the center ring. The special disc-shaped leaf spring 51 is generally arranged on one side (FIG. 3) or both sides (FIG. 4) of each piston.

しかも、このような無潤滑樹脂製軸受は、摩擦係数が０．２と大きく摩擦損失が大きくなり、発電効率と出力の低下を招くという欠点がある。また、前記フレクシャースプリングはさまざまな形状のものが提案されている（例えば特許文献１、２参照）が、殆どのものは変位が大きくなると応力が高くなるため、±１０ｍｍ以下の低変位のものにしか対応できない、及び形状が複雑で必要精度が高いため製造が困難である等の問題点がある。また、複数のフレクシャースプリングの組みつけ精度も要求されるので、製造組み付けコストがかかるという欠点があった。   In addition, such a non-lubricating resin bearing has a drawback that the friction coefficient is as large as 0.2 and the friction loss increases, resulting in a decrease in power generation efficiency and output. The flexure springs have various shapes (see, for example, Patent Documents 1 and 2), but most of them have a low displacement of ± 10 mm or less because the stress increases as the displacement increases. However, it is difficult to manufacture because the shape is complicated and the required accuracy is high. Moreover, since the assembly accuracy of a plurality of flexure springs is also required, there is a drawback that manufacturing and assembly costs are required.

スターリングエンジンでは、エンジンの効率・出力を高く維持するために、ディスプレーサピストンとパワーピストンの軸方向の動きの位相差をある最適値に維持する必要がある。一般のスターリングエンジンでは、ディスプレーサピストンとパワーピストンが、カムやクランクなどによって機械的に接合されており、常に位相差は一定値に維持される。本件のような、ディスプレーサピストンとパワーピストンが機械的に連結されていないフリーピストンスターリングエンジンでは、両ピストンの位相差を一定に保つことは困難であり、位相差を維持するために、ロッド４３とパワーピストン４４間に特別なガススプリングを形成することが、一般に行われている。しかし、あるワンポイントの運転条件でのみしか、最適な位相差を維持できず、運転条件が少しでも変わると効率・出力を悪化させる方向に位相差が変化するのはやむを得ないことである。
特開平１１-２４７０号公報 特開平１１−２４６９号公報 In a Stirling engine, in order to maintain high engine efficiency and output, it is necessary to maintain the phase difference between axial movements of the displacer piston and the power piston at a certain optimum value. In a general Stirling engine, a displacer piston and a power piston are mechanically joined by a cam or a crank, and the phase difference is always maintained at a constant value. In the free piston Stirling engine in which the displacer piston and the power piston are not mechanically connected as in the present case, it is difficult to keep the phase difference between the pistons constant, and in order to maintain the phase difference, In general, a special gas spring is formed between the power pistons 44. However, the optimum phase difference can be maintained only under certain one-point operating conditions, and it is inevitable that the phase difference changes in a direction that deteriorates efficiency and output when the operating conditions change even a little.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-2470 Japanese Patent Laid-Open No. 11-2469

本発明は、上記のようなフリーピストン型スターリングエンジンにおいて、パワーピストンとスリーブ間およびパワーピストンとロッド間の摺動に伴う機械損失を軽減し、フレクシャースプリングという複雑で精度の高い高価なスプリングを使用しないで、低コストでディスプレーサピストン及びパワーピストンのセンターリング精度を高く維持でき、かつどのような運転条件下でもディスプレーサピストンとパワーピストンの軸方向動きの位相差を最適に保ち、エンジンの効率及び出力を高く維持することができるフリーピストン型スターリングエンジン及びフリーピストン型スターリングエンジン発電機を提供することを目的とする。   The present invention reduces the mechanical loss caused by sliding between the power piston and the sleeve and between the power piston and the rod in the free piston type Stirling engine as described above, and provides a complicated, highly accurate and expensive spring called a flexure spring. Without using it, the centering accuracy of the displacer piston and power piston can be maintained at a low cost, and the phase difference between the axial movement of the displacer piston and the power piston is optimally maintained under any operating conditions, and the engine efficiency and An object of the present invention is to provide a free piston type Stirling engine and a free piston type Stirling engine generator capable of maintaining a high output.

上記課題を本発明のフリーピストン型スターリングエンジンは、高温空間と低温空間の作動ガスを複数個の熱交換器を介して周期的に移動せしめるディスプレーサピストン、該ディスプレーサピストンに固定されて軸方向に伸びたロッド、該ロッドと同心軸上に配置され前記低温空間側の圧力を受けて軸方向に往復動するパワーピストン、該パワーピストンに一体に結合され軸方向に往復動される可動部を有するスターリングエンジンにおいて、少なくとも前記ロッドと前記パワーピストンの摺動部の一方及び又は該パワーピストンとスリーブの摺動部の一方をＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティング等の表面硬化処理し、かつ前記ロッドに一体に結合されたロッド可動部材と前記パワーピストンに一体に結合された可動部材および軸方向中間に位置しケースに固定された中間固定部材のそれぞれの間に、複数個のコイルスプリングを円周上に配置してなることを特徴とするものである。   To solve the above problems, a free piston type Stirling engine of the present invention is a displacer piston that periodically moves working gas in a high temperature space and a low temperature space through a plurality of heat exchangers, and is fixed to the displacer piston and extends in the axial direction. A power piston that is arranged on a concentric shaft with the rod and reciprocates in the axial direction by receiving pressure on the low-temperature space side, and a Stirling that is integrally coupled to the power piston and reciprocated in the axial direction In the engine, at least one of the sliding portions of the rod and the power piston and / or one of the sliding portions of the power piston and the sleeve is subjected to surface hardening treatment such as DLC (diamond-like carbon) coating, and is integrated with the rod. The coupled rod movable member and the movable member integrally coupled to the power piston. During each beauty axial middle is fixed to the case a position intermediate the fixed member, is characterized in that formed by arranging a plurality of coil springs on the circumference.

前記スターリングエンジンは、前記パワーピストンに一体に結合され軸方向に往復動される可動部に発電用永久磁石を有し、かつ該発電用永久磁石と対向する固定部に配置された発電用コイルを有して該発電用コイルと前記発電用永久磁石によりリニア発電部を構成することによってスターリングエンジン発電機となる。そして、前記ロッドの延長軸端に一体にコントローラ用永久磁石を結合して設け、該コントローラ用永久磁石をカバーで密閉的に囲い、該カバーの外周部にコントローラ用コイルが配置されたヨークを嵌合して構成されてなるディスプレーサコントローラを有することによって、ディスプレーサを任意にコントロールでき、負荷によって変化する位相差、ストローク、出力をコントロールすることが可能となる。また、前記ディスプレーサコントローラは、前記パワーピストンが往復動する稼働中は、前記ロッドに一体のコントローラ用永久磁石の往復動により、前記コントローラ用コイルに電流が発生することで、前記リニア発電部に付加して電力を発生させることができ、より効率良く発電できる。   The Stirling engine has a power generation permanent magnet in a movable part integrally coupled to the power piston and reciprocated in the axial direction, and a power generation coil arranged in a fixed part facing the power generation permanent magnet. A linear power generation unit is configured by the power generation coil and the power generation permanent magnet to form a Stirling engine generator. Then, a controller permanent magnet is integrally coupled to the extension shaft end of the rod, the controller permanent magnet is hermetically surrounded by a cover, and a yoke having a controller coil disposed on the outer periphery of the cover is fitted. By having the displacer controller configured in combination, the displacer can be arbitrarily controlled, and the phase difference, stroke, and output that change depending on the load can be controlled. Further, the displacer controller is added to the linear power generation unit by generating a current in the controller coil by a reciprocating motion of the controller permanent magnet integrated with the rod during operation in which the power piston reciprocates. Thus, electric power can be generated and electric power can be generated more efficiently.

パワーピストンおよびロッド等の軸受け面にＤＬＣコーティング等の表面硬化処理を施すことによって、往復動摺動損失が減少して効率向上につながると共に軸受け精度、耐磨耗性を上げることができ、高価なフレクシャースプリングを使用せず、安価なコイルスプリングを使用することが可能となる。更に、ディスプレーサロッド端に小型のモータ兼発電機となるディスプレーサコントローラを設けることで、エンジンの始動が容易になるばかりでなく、いかなる運転状態においてもパワーピストンとディスプレーサピストンの位相を最適に保つ制御が可能となり、且つ、安定運転時には小型発電機としてメインの発電出力に加えることが可能となる。これにより、安価で高効率・高出力フリーピストン型スターリングエンジン発電機を提供することが可能となった。   By subjecting bearing surfaces such as power pistons and rods to surface hardening treatment such as DLC coating, reciprocating sliding loss can be reduced, leading to improved efficiency and increased bearing accuracy and wear resistance. An inexpensive coil spring can be used without using a flexure spring. Furthermore, the displacer controller, which is a small motor and generator, is installed at the end of the displacer rod, which not only makes it easy to start the engine, but also allows control to keep the phases of the power piston and the displacer piston optimal under any operating condition. It is possible to add to the main power output as a small generator during stable operation. As a result, it has become possible to provide a low-cost, high-efficiency, high-power free-piston Stirling engine generator.

ディスプレーサピストンに固定されたロッドおよびパワーピストンの摺動部の一方ならびに該パワーピストンとスリーブの摺動部の一方をＤＬＣコーティングのような表面硬化処理をすることで、精度が高く、摩擦損失の少ないセンターリングを確保することができる。これにより、フレクシャースプリングのようなセンターリング機能を有する高価なスプリングを使用せず、ロッドに一体に結合されたロッド可動部材とパワーピストンに一体に結合された可動部材および軸方向中間に位置し、ケースに固定された中間固定部材のそれぞれの間に複数個の単純なコイルスプリングを円周上に配置し、それぞれに可動部材が軸方向には往復動するが、円周方向に回転するのを防ぐスライドピンを配置するだけでエアーギャップの少ない高精度で、且つ、機械損失の少ないフリーピストンスターリング発電機を得ることができる。   One of the sliding part of the rod and the power piston fixed to the displacer piston and one of the sliding part of the power piston and the sleeve is subjected to a surface hardening treatment such as DLC coating, so that the accuracy is high and the friction loss is small. Center ring can be secured. As a result, an expensive spring having a centering function such as a flexure spring is not used, and the rod movable member integrally coupled to the rod and the movable member integrally coupled to the power piston and the axially intermediate position are located. A plurality of simple coil springs are arranged on the circumference between each of the intermediate fixing members fixed to the case, and each of the movable members reciprocates in the axial direction, but rotates in the circumferential direction. It is possible to obtain a free piston Stirling generator with high accuracy with less air gap and less mechanical loss simply by arranging a slide pin that prevents the above.

また、前記ロッドの延長軸端に一体にコントローラ用永久磁石を結合して設け、該コントローラ用永久磁石をカバーで密閉的に囲い、該カバーの外周部にコントローラ用コイルが配置されたヨークを嵌合することによって、ディスプレーサコントローラを構成し、該コイルに電流を投入した時には前記ロッドおよび該ロッドに一体のディスプレーサピストンを軸方向に強制的に可動せしめ、該ディスプレーサピストンに対する前記パワーピストンの変位に最適な位相を与えスターリングエンジンの出力・効率を高めることができる。また、前記パワーピストンが往復動して安定して仕事をしている時には、前記ロッドおよび該ロッドに一体のディスプレーサピストンが、逆に、軸方向に駆動される。結果、前記ロッドに一体の永久磁石の往復動により、カバー外周のヨーク内のコイルに電流が発生することで、主のリニア発電にプラスで電力を発生させることができる高出力なスターリングエンジン発電機を得ることができる。   Further, a controller permanent magnet is integrally coupled to the extension shaft end of the rod, and the controller permanent magnet is hermetically surrounded by a cover, and a yoke having a controller coil disposed on the outer periphery of the cover is fitted. By combining, the displacer controller is configured, and when a current is supplied to the coil, the rod and the displacer piston integrated with the rod are forcibly moved in the axial direction, and the displacement of the power piston relative to the displacer piston is optimal. The output and efficiency of the Stirling engine can be improved by providing a stable phase. Further, when the power piston reciprocates and works stably, the rod and the displacer piston integrated with the rod are driven in the axial direction. As a result, a high-power Stirling engine generator capable of generating power in addition to the main linear power generation by generating a current in the coil in the yoke on the outer periphery of the cover by the reciprocating motion of the permanent magnet integrated with the rod. Can be obtained.

以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明のフリーピストン型スターリングエンジンをフリーピストン型スターリングエンジン発電機に適用した実施例を示す断面図である。
フリーピストン型スターリングエンジン発電機本体１はスターリングエンジン部とリニア型発電機部が一体に構成されたものである。スターリングエンジン部は、高温空間９と低温空間３０に存在する作動ガス(一般的にはヘリュームガス等の熱伝導性が高く、流動損失が少ないガスが使用される)を、クーラ５と再生器６および加熱器７等の熱交換器を介して周期的に移動せしめるディスプレーサピストン３、該ディスプレーサピストン３に固定され軸方向に伸びたロッド４、該ロッド４と同心軸上に配置され、前記低温空間３０側の圧力を受けて軸方向に往復動するパワーピストン２から構成されている。一方、リニア型発電機部は、パワーピストン２に一体に結合され軸方向に往復動する発電用永久磁石１４を有する可動部１５、発電用永久磁石１４の外周位置に配置された外ヨーク１６、発電用永久磁石１４の内周側に配置され発電用コイル１３を有する内ヨーク１２とから構成され、パワーピストン２の往復動に伴う発電用永久磁石１４の往復動で発電用コイル１３に電流が流れて発電する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment in which the free piston type Stirling engine of the present invention is applied to a free piston type Stirling engine generator.
The free piston type Stirling engine generator main body 1 is configured such that a Stirling engine portion and a linear generator portion are integrally formed. The Stirling engine unit supplies a working gas (generally gas having high thermal conductivity such as helium gas and low flow loss) existing in the high temperature space 9 and the low temperature space 30 to the cooler 5, the regenerator 6, and A displacer piston 3 that is periodically moved through a heat exchanger such as a heater 7, a rod 4 that is fixed to the displacer piston 3 and extends in the axial direction, is arranged on a concentric shaft with the rod 4, and is disposed in the low-temperature space 30. It is composed of a power piston 2 that reciprocates in the axial direction under pressure on the side. On the other hand, the linear generator unit includes a movable unit 15 having a power generation permanent magnet 14 integrally coupled to the power piston 2 and reciprocating in the axial direction, an outer yoke 16 disposed at an outer peripheral position of the power generation permanent magnet 14, An inner yoke 12 having a power generation coil 13 disposed on the inner peripheral side of the power generation permanent magnet 14, and a current is generated in the power generation coil 13 by the reciprocation of the power generation permanent magnet 14 accompanying the reciprocation of the power piston 2. It flows and generates electricity.

パワーピストン２は、その外周に位置するスリーブ２９に軸方向摺動可能に嵌合しており、どちらか一方の摺動面に例えばＤＬＣコーティングによって表面硬化処理がなされている。また、パワーピストン２の軸心部にはロッド４が軸方向摺動可能に嵌合しており、どちらか一方の摺動面に同様にＤＬＣコーティングにより表面硬化処理がなされている。それぞれの嵌合のクリアランスは径で数ミクロン〜数十ミクロン単位で精密に嵌合している。表面硬化処理は、表面硬度、耐磨耗性、低摩擦係数に優れているものであれば、ＤＬＣコーティングに限定されるものでなく任意の表面硬化処理方法が採用可能であるが、ＤＬＣコーティングを採用することによって、容易に表面硬度を２０００Ｈｖ以上と高く維持し、耐磨耗性を向上させるだけでなく摺動摩擦係数を０．０５まで極端に減少させる効果がある。従って、パワーピストン２およびロッド４に連結するディスプレーサピストン３を正確にセンターリングしながら摩擦損失の少ない状態で往復摺動させることができる。   The power piston 2 is fitted to a sleeve 29 located on the outer periphery of the power piston 2 so as to be slidable in the axial direction, and one of the sliding surfaces is subjected to a surface hardening process by DLC coating, for example. Further, the rod 4 is fitted in the axial center portion of the power piston 2 so as to be slidable in the axial direction, and the surface hardening treatment is similarly applied to one of the sliding surfaces by DLC coating. The clearance of each fitting is precisely fitted with a diameter of several microns to several tens of microns. The surface hardening treatment is not limited to DLC coating as long as it is excellent in surface hardness, wear resistance, and low friction coefficient, and any surface hardening treatment method can be adopted. By adopting it, it is easy to maintain the surface hardness as high as 2000 Hv or more and not only improve the wear resistance but also extremely reduce the sliding friction coefficient to 0.05. Therefore, the displacer piston 3 connected to the power piston 2 and the rod 4 can be reciprocally slid in a state with little friction loss while accurately centering.

このように本実施例によれば、パワーピストン２とロッド３のセンターリングが高精度でなされるため、前述のようにセンターリングの機能を有する高価なフレクシャースプリングを用いる必要がない。このため、本発明では、ロッド４に一体に結合された可動部材１９、パワーピストン２に一体に結合された可動部材１５、および軸方向中間に位置しケースに固定された中間固定部材１７のそれぞれの間に複数個の単純なコイルスプリング２１，２２，２３，２４を円周上に複数個配置し、それぞれに可動部材１５、１９が軸方向には往復動するが、円周方向に回転するのを防ぐスライドピン２０を配置するだけでエアーギャップの少ない高精度なリニア発電機が構成できる。   As described above, according to the present embodiment, since the centering of the power piston 2 and the rod 3 is performed with high accuracy, it is not necessary to use an expensive flexure spring having a centering function as described above. Therefore, in the present invention, each of the movable member 19 integrally coupled to the rod 4, the movable member 15 integrally coupled to the power piston 2, and the intermediate fixed member 17 positioned in the middle in the axial direction and fixed to the case. A plurality of simple coil springs 21, 22, 23, 24 are arranged on the circumference between them, and the movable members 15, 19 reciprocate in the axial direction, but rotate in the circumferential direction. A highly accurate linear generator with few air gaps can be configured simply by disposing the slide pin 20 to prevent this.

また、本発明では、負荷によって変化するディスプレーサピストンの位相差、ストローク、出力をコントロールする手段として、小型発電機、また電力を加えればリニアアクチュエータ（モータ）として働くディスプレーサコントローラ３３を設けてある。該ディスプレーサコントローラ３３は、ディスプレーサピストン３と一体に連結されたロッド４の延長軸端４ａに一体にコントローラ用永久磁石２８を結合して設け、該コントローラ用永久磁石２８をガススプリング３１を形成する磁性材料であるカバー２５で密閉的に囲い、該カバー２５の外周に内径側に配置されたコントローラ用コイル２７が配置されたヨーク２６を嵌合して構成されている。したがって、コントローラ用コイル２７に電流を投入した時には、ロッド４および該ロッド４に一体のディスプレーサピストン３を軸方向に強制的に可動せしめるリニアアクチュエータとして作用し、該ディスプレーサピストン３に対する前記パワーピストン２の変位に最適な位相を与えるように作用する。また、安定作動時には、ロッド４の往復動により発電機として機能し、出力を取出すことができる。   In the present invention, as a means for controlling the phase difference, stroke, and output of the displacer piston that changes depending on the load, a displacer controller 33 that functions as a small generator or a linear actuator (motor) when electric power is applied is provided. The displacer controller 33 is provided with a controller permanent magnet 28 integrally coupled to the extension shaft end 4 a of the rod 4 integrally connected to the displacer piston 3, and the controller permanent magnet 28 forms a gas spring 31. A cover 25, which is a material, is hermetically sealed, and a yoke 26 having a controller coil 27 disposed on the inner diameter side is fitted to the outer periphery of the cover 25. Therefore, when a current is supplied to the controller coil 27, the rod 4 and the displacer piston 3 integral with the rod 4 act as a linear actuator forcibly moving in the axial direction, and the power piston 2 with respect to the displacer piston 3 It works to give an optimal phase to the displacement. Moreover, at the time of a stable operation, it functions as a generator by the reciprocating motion of the rod 4, and an output can be taken out.

また、ディスプレーサコントローラ３３は、もともと発電機なので、外部から電流を加えなくても、コイルに電流が流れる。そのため、例えば図２に示すように、内部等価回路３４に対して外部回路３５として可変抵抗ＲＬ、コイルＬＬなどを取り付けてこれらの値を調整することにより、外部から入力を必要とせずにコントロールできる。その場合の運動方程式は、数１の通りとなる。

Figure 2005061330
但し、
ｍｄ：ディスプレーサ質量
ｃｄ：ディスプレーサ減衰係数
ｋｄ：ディスプレーサバネ定数
ｋＧ：ディスプレーサコントローラ推力定数
ｉ： ディスプレーサコントローラの電流
Ｌ０：ディスプレーサコントローラ内部インダクタンス
Ｒ０：ディスプレーサコントローラ内部抵抗
ｄＰ：動作空間圧力変化 Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ
Ａｒ：ディスプレーサロッドの断面積
ＬＬ：外部インダクタンス
ＲＬ：外部抵抗
ここで、回転数が一定の場合を考えると、Ｃｅとｋｅは数２の通りにおくことができる。
Figure 2005061330
 よって、数１の運動方程式は、数３のとおりとなる。
Figure 2005061330
 Further, since the displacer controller 33 is originally a generator, a current flows through the coil without applying an external current. Therefore, for example, as shown in FIG. 2, a variable resistor R L , a coil L L and the like are attached to the internal equivalent circuit 34 as an external circuit 35 and these values are adjusted, so that no input is required from the outside. You can control. In this case, the equation of motion is as follows.
Figure 2005061330
 However,
m d: displacer weight c d: displacer attenuation coefficient k d: displacer spring constant k G: displacer controller thrust constant i: displacer controller's current L 0: displacer controller internal inductance R 0: displacer controller internal resistance dP: operating space pressure change Pmax-Pmin
A r: displacer rod cross-sectional area L L: External inductance R L: where external resistor, the rotational speed Consider the case of a constant, C e and k e may be placed as the number 2.
Figure 2005061330
 Therefore, the equation of motion of Equation 1 is as shown in Equation 3.
Figure 2005061330

したがって、上記運動方程式より、外部抵抗ＲＬや外部インダクタンスＬＬの値を変えると、運動方程式中のバネ定数や減衰定数が変化し、ディスプレーサの共振周波数、外力からの位相遅れ、変位量などを変化させることができる。よって、外部から電流を入れることなく、ディスプレーサピストンの運転を制御できる。例えば、単純な例として、パワーピストンのリニア発電機が断線した場合、負荷が０となるため暴走する。そのとき、ディスプレーサコントローラをＲＬ＝０、ＬＬ＝０、即ちショートさせると、ディスプレーサピストンの見かけ上のバネ定数が増加し、停止する。その結果エンジンが停止する。 Therefore, from the equation of motion, changing the value of the external resistor R L and the external inductance L L, the spring constant and the damping constant in the equation of motion is changed, the resonance frequency of the displacer, the delay phase from external forces, and displacement Can be changed. Therefore, the operation of the displacer piston can be controlled without applying an electric current from the outside. For example, as a simple example, when the linear generator of the power piston is disconnected, the load becomes zero and the motor runs away. At that time, when the displacer controller is made R L = 0, L L = 0, that is, short-circuited, the apparent spring constant of the displacer piston increases and stops. As a result, the engine stops.

本発明のフリーピストン型スターリングエンジンは、その出力形態により大型・小型を問わず種々の分野で利用可能であり、リニア型の発電機に限らず、圧縮機、その他の回転機関や直動機関として利用できる。また、宇宙での大要ネルギーを利用した場合、太陽電池よりも高効率の発電機として利用可能である。   The free piston type Stirling engine of the present invention can be used in various fields regardless of whether it is large or small, depending on its output form, and is not limited to a linear generator, but as a compressor, other rotary engines or linear motion engines. Available. In addition, when using a large amount of energy in space, it can be used as a generator with higher efficiency than solar cells.

本発明の実施例の一つでフリーピストン型スターリングエンジン発電機の断面である。フリーピストン型スターリングエンジン発電機の例を示す。1 is a cross section of a free piston type Stirling engine generator in one embodiment of the present invention. The example of a free piston type Stirling engine generator is shown. ディスプレーサコントローラの回路図の一例である。It is an example of the circuit diagram of a displacer controller. 従来のフリーピストン型スターリングエンジン発電機の断面図である。It is sectional drawing of the conventional free piston type Stirling engine generator. 従来のフリーピストン型スターリングエンジン発電機におけるフレクシャースプリングの形態を示す概略図である。It is the schematic which shows the form of the flexure spring in the conventional free piston type Stirling engine generator.

符号の説明Explanation of symbols

１ フリーピストン型スターリングエンジン発電機本体
２ パワーピストン ３ ディスプレーサピストン
４ ロッド ４ａ ロッド延長軸
５ クーラ ６ 再生器
７ 加熱器 ９ 高温空間
１２ 内ヨーク １３ 発電用コイル
１４ 発電用永久磁石 １５ 可動部
１７ 中間固定部材 １９ 可動部材
２０ スライドピン ２１、２２、２３、２４ コイルスプリング
２５ カバー ２７ コントローラ用コイル
２８ コントローラ用永久磁石 ２９ スリーブ
３０ 低温空間 ３１ ガススプリング
３３ ディスプレーサコントローラ ３４ 内部等価回路
３５ 外部回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Free piston type Stirling engine generator main body 2 Power piston 3 Displacer piston 4 Rod 4a Rod extension shaft 5 Cooler 6 Regenerator 7 Heater 9 High temperature space 12 Inner yoke 13 Electric power generation coil 14 Electric power generation permanent magnet 15 Movable part 17 Intermediate fixed Member 19 Movable member 20 Slide pin 21, 22, 23, 24 Coil spring 25 Cover 27 Controller coil 28 Controller permanent magnet 29 Sleeve 30 Low temperature space 31 Gas spring 33 Displacer controller 34 Internal equivalent circuit 35 External circuit

Claims (4)

高温空間と低温空間の作動ガスを複数個の熱交換器を介して周期的に移動せしめるディスプレーサピストン、該ディスプレーサピストンに固定されて軸方向に伸びたロッド、該ロッドと同心軸上に配置され前記低温空間側の圧力を受けて軸方向に往復動するパワーピストン、該パワーピストンに一体に結合され軸方向に往復動される可動部を有するスターリングエンジンにおいて、少なくとも前記ロッドと前記パワーピストンの摺動部の一方及び又は該パワーピストンとスリーブの摺動部の一方を表面硬化処理し、かつ前記ロッドに一体に結合されたロッド可動部材と前記パワーピストンに一体に結合された可動部材および軸方向中間に位置しケースに固定された中間固定部材のそれぞれの間に、複数個のコイルスプリングを円周上に配置してなることを特徴とするフリーピストン型スターリングエンジン。   A displacer piston that periodically moves the working gas in the high temperature space and the low temperature space through a plurality of heat exchangers, a rod that is fixed to the displacer piston and extends in the axial direction, and is disposed on a concentric shaft with the rod. In a Stirling engine having a power piston that reciprocates in the axial direction under pressure in the low-temperature space, and a movable part that is integrally coupled to the power piston and reciprocates in the axial direction, at least the rod and the power piston slide One of the parts and / or one of the sliding portions of the power piston and the sleeve is subjected to surface hardening treatment, and the rod movable member integrally coupled to the rod, the movable member integrally coupled to the power piston, and the intermediate in the axial direction. A plurality of coil springs are arranged on the circumference between each of the intermediate fixing members positioned at Free-piston Stirling engine characterized by comprising. 前記フリーピストン型スターリングエンジンは、前記パワーピストンに一体に結合され軸方向に往復動される可動部に発電用永久磁石を有し、かつ該発電用永久磁石と対向する固定部に配置された発電用コイルを有して該発電用コイルと前記発電用永久磁石によりリニア発電部を構成するスターリングエンジン発電機である請求項１に記載のフリーピストン型スターリングエンジン。   The free piston type Stirling engine has a permanent magnet for power generation in a movable part that is integrally coupled to the power piston and reciprocated in the axial direction, and is disposed in a fixed part that faces the permanent magnet for power generation. The free piston type Stirling engine according to claim 1, wherein the Stirling engine generator includes a coil for power generation and a linear power generation unit is configured by the power generation coil and the power generation permanent magnet. 前記ロッドの延長軸端に一体にコントローラ用永久磁石を結合して設け、該コントローラ用永久磁石をカバーで密閉的に囲い、該カバーの外周部にコントローラ用コイルが配置されたヨークを嵌合して構成されてなるディスプレーサコントローラを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のフリーピストン型スターリングエンジン。   A permanent magnet for the controller is integrally connected to the extension shaft end of the rod, and the permanent magnet for the controller is hermetically surrounded by a cover, and a yoke having a controller coil disposed on the outer periphery of the cover is fitted. The free piston type Stirling engine according to claim 1, further comprising a displacer controller configured as described above. 前記ディスプレーサコントローラは、前記パワーピストンが往復動する稼働中は、前記ロッドに一体のコントローラ用永久磁石の往復動により、前記コントローラ用コイルに電流が発生することで、前記リニア発電部に付加して電力を発生させることを特徴とする請求項２又は３に記載のフリーピストン型スターリングエンジン。   The displacer controller is added to the linear power generation unit by generating a current in the controller coil by a reciprocating motion of the controller permanent magnet integrated with the rod during the operation of reciprocating the power piston. The free piston type Stirling engine according to claim 2 or 3, wherein electric power is generated.
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