JPS59501472A - 共振フリーピストン・スターリング・エンジンおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 共振フリーピストン・スターリング・エンジンの始動および制御の方法および装 置アメリカ合衆国政府は合衆国エネルギー省にょシ決定された契約Ｎｎ　ＤＥＮ 　３−５６に従って本発明に権利を有するものである。

技術分野 本発明は共搗フリーピストンφスターリング・エンジンに関するものである。こ の場合に、共振というのは゛、エンジン系統のほぼ固有振２ＩＩ数での動作を示 すことを意図するものである。

更に詳しくいえば、本発明は、フリーピストン型のスターリング−エンジンから のパワー出力を確実に制御するため、および、そのエンジンの確実な始動を容易 にする新規かつ改良した制御方法と装置に関するものである。

背景先行技術 １９８０年８月５日に発行された米国特許第４，２１５．５４８号［フリーピス トン再生高温ガス油圧エンジｙ　（Ｆｒｅｅ−Ｐｉｓｔｏｎ　Ｒｅｇｅｎｅｒａ ｔｉｖｅ　Ｈｏｔ　Ｇａｓ　ＨｙｄｒａｕｌｉｃＥｎｇｉｎｅ　）　Ｊにはフリ ーピストン・スターリング・エンジンの構造が開示されている。それは共振フリ ーピストン・スターリング・エンジンではないが、フリーピストンΦスターリン グ・エンジンの動作を制御し、出力パワーを制御するために企てられている方策 にとって極めて有益である。米国特許第４，２１５゜５４８号に記述されている エンジンはディスプレーサのための外部ぷ過装置を使用することを必要とし、こ の外部、フ勘装置は、ディスプレーサに１効力を外部から与えるために空気サブ システム、１磁サブシステム、または油圧サブシステムを採用できるＯ米を４３ するための外力を加えるために電磁的に力作させられるンレノイドを用いる実施 例を示す。

本発明は、ディスプレーサのパワーの少くとも一部がエンジンの熱力学的サイク ルからとり出され、かつ、ディスプレーサへ外部からパワーを加えることによシ 、マたはディスプレーサから外部へパワーをとり出すことによシ、エンジンの力 作部材（動力ビストン）の位相角に対してディスプレーサの位相角を調整するこ とによって、エンジンからとシ出される出力パワーを制御する共振フリーピスト ン−スターリング・エンジンであるという点で、米国特許第４，２１５，５４８ 号の第４図に示されているフリーピストン・スターリング・エンジンと対照され る。

発明の概要 したがって、本発明の主な目的は、共振フリーピストン・スターリングΦエンジ ンによシ発生されるパワー出力を制御するための新規かつ改良した制御方法およ び装置を得ることである。

本発明の別の目的は、共振フリーピストン・スタ−リング争エンジンの確実な始 動を容易にもするそのような制郭方法および装置を得ることでａる。

本発明の実施列において、共多フリーピストン・スターリング拳エンジンの漬作 を１８１］即する改良した方法と装置が得られる。スターリング拳エンジンは、 スターリングｅエンジンのハウジング内に形成されている力作スペース内に封入 されている作用ガスを加熱するための加鳥容器を有する種類のエンジンである。

作用ガスは）作スペースの一重部において容器によシ加熱され、他端部において 冷却器によシ冷ヨされる。作用ガスは、スターリング・エンジンのハウジング内 で＠線方向に往復して、エンジンの希望の運転掻力数で作用ガス甲に周期的な圧 力波を発生するディスプレーサによって、作用スペースの加熱端部から冷却端部 までの相互間で往復させられる。

その周期的な圧力波は作用部材に作用して、その作用部材を」動する。その作用 部材は、エンジンから出力パワーをとシ出すために動力ビストン、またはダイア フラム々どの形をとることができる。ディスズ１／−サ・リニヤ電気力学的機械 が得られる。その電気力学的機械は、ディスプレーサに固定されてそのディスプ レーサとともに動くことができる電機子と、この電機子に並んでスターリングｅ エンジンのハウジングにより支持される固定子とを備える０デイスプレーサ・リ ニヤ電気力学的機械は、リニヤモータまたはりニ”ヤ発電機として動作できる汎 用機でらる０この改良した方法と装置は、スターリング・エンジンの希望の動作 振動数と同じ周波数を有するが、作用部材の急きに対して調奎できる位相関係を 有する励振電気信号により、ディスプレーサ・リニヤ電気力学的機械を１気的に 励振するための手段を有する０この電気制御方法および装置は、スターリング・ エンジンの出力パワーを減少させたい条件の下に、ディスプレーサ・リニヤ電気 力学的機械をディスプレーサからパワーをとシ出すためのゼネレータ負荷として 機能させるように選択的に制御する手段を含む０その結果、ストロークを減少さ せるかスターリング・エンジンの動作部材（動力ビストン）に対する位相角を大 きくするかの少くとも一方の状態で、ディスプレーサは動かされ、かつエンジン の出力パワーを減少させるためにダンピングされる。あるいは、この制御方法お よび装置は、スターリング・エンジンからの出力パワーを増大させたい条件の下 に、周期的な圧力波によシブイスプレーサに帰還される熱力学的動力に加えて、 ディスプレーサ・リニヤ電気力学的機械をして付加入力動力をディスプレーサに 加える電気的駆動モータとして動作させられるように、選択的に制御することが できる。このように動作させられると、ディスプレーサは、ストロークを大きく されるが、スターリング・エンジンの動作ピストン（ｊｈカビストン）に対する 位相角を小さくされるかの少くとも一方の状況で動がされ、エンジンから大きい パワー出力がとシ出される。

本発明の別の特徴は、電気的ぷ効モータモードにおいて、共擾フリーピストンΦ スターリング−エンジンを始動させるための手段としてディスプレーサ・リニで １気力学的麦械を用いるための方法と装置を提供することである。

図面の簡単な説明 本発明のそれらの目的およびその池の目的、ならびにそれに付随する利点の多く は、添附図面を参照して以下の詳しい説明を読むこと番でよシ良く理解されるよ うになるであろう。各図において同様な部分は同じ参照数字で示されている。

第１図は、本発明（で従って作られた新規かつ改良した始動および制御ｉｉを有 する共振フリーピストン・スターリング−エンジンの縦断面図、第２図ｉまディ スプレーサ・リニヤ電気力学的機械のコ截子がスターリング・エンジンのディス プレーサに固定されて、ディスプレーサとともに易くことができるようにされ、 かつ固定子が電機子に並ばされてエンジン・ハウジング内に装置されている様子 を詳しく示す、第１図に示すスターリング・エンジンの一部の縦断面図、第３図 は、第１図のスターリング・エンジンからのパワー出力を減少させたいという条 件の下に、ディスプレーサ・リニヤｌ気力学的機濠を発電機として選択的′／Ｃ ：ＪＪＪ作させ、または、スターリング・エンジンのパワー出力を増大させるた めにディスプレーサφリニヤ戎気力学的議械を電気的」勲モータとして選択的Ｋ 　］ｍ作させるために１デイスプレーサφす二マ這気力学的攪械に使用するため の制御回路の一例の機能的な略図である。

発明実施の最良の態様 第１図は、共振フリーピストン・スターリング・エンジンによシ発生される出力 パワーを制御するための、本発明に従って構成された新規かつ改良した訓＃装置 と方法を有する共振フリーピストン・スターリング−エンジンの樅断面である。

第１図に示す共振フリーピストン・スターリング・エンジンは、ハウジング１１ を含む。このハウジングの中には、ディスプレーサ１２が外部加熱容器１３の内 部で往復上下、ｊ！ａするように支持される。外部加熱容器１３には熱交換器の ひれ１４が固着される。燃焼室（図示せず）またはその他の加熱源、たとえば太 陽熱集熱器のような、加熱容器１３の頂部上に支持されている熱源からの高温ガ スがひれ１４の間を流れる。

第１図に示すエンジンに使用できる適当な熱源（図示せず）が１９８０年７月２ ５日付出願の米国特許第１７２，３７３号−発明者Ｊｏｈｎ　Ｊ、Ｄｉｎｅｅｎ 他−「ダイアフラム−ディスプレーサ・スターリングＯエンジンによりｊ力を供 給される交流機−圧棒機（Ｄｉａ−ｐｈｒａｇｍ　Ｄｉｓｐｌａｃｅｒ　Ｓｔｉ ｒｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｐｏｗｅｒｅｄ　Ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ−Ｃｏｍｐｒ ｅａｓｏｒ　）　Ｊ　（メカニカル・テクノロジー社（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ　）に譲渡されている）に開 示されている。熱交換器は、エンジンのＪ転中に加熱容器すなわち殻１３の周囲 を流れ、熱交換器の排気ポートを通って排出される高温の燃焼ガスを供給するこ とにより、ディスプレーサ１２と殻１３の間のスペースの中に入れられている作 用ガスを加熱する。そのようにして供給される燃焼ガスは、殻１３の内部に含ま れている作用ガスを連続して加熱および膨張させる。

ディスプレーサ１２は中間スカート部分１５を含む。この中間スカート部分は、 上部の可撓性ダイアフラム１６と下部の可撓性ダイアフラム１７によυ、中空の 中心支持柱１８に固定される。この支持柱は中心棒２０によってハウジング１１ に固定される。

前記したように、スターリング・エンジン内の動作スペースには作用ガスが含ま れる０その作用ガスは、殻１３の内側とディスプレーサ１２の外面の間の参照記 号Ｐｅによシ示されているスペースの中で、加熱および膨張させられる０そのス ペースは、殻の内部に沿って適当な蓄熱室２６と冷却室２９を通って冷却スペー スまで下側へ延びる狂い通路を介して冷却スペースに通じ、その冷却スペースに おいて記号Ｐｃによ〕示されているように作用ガスが圧縮される。冷却スペース Ｐｃ内の作用ガスは、勤カビストン１ａにニジ１成されている作用部材の上面に 接している。

ディスプレーサ・リニヤ〕気力学的イ、＆械２１は永久磁石可動ユ機子２２を有 する。この電機子は、図面の第２図に最もよく示されているように、ディスプレ ーサ１２の下側ス刀−ト部分２３に固定される０この好適な実施例に２いては、 電機子でめる永久磁石２２は１組の巻線２４に向逐合って配置される。

それらの巻線は支持アーム２５によシ中心柱１８の下側の拡大径部分２Ｔに固定 される。このようにして作られたディスブレーナ・リニで電気力学的機械２１は 、スターリング［相］ニンジンのディスプレーサへの電機子を取りつけるやシ方 を除き、構造と動作は従来のものとは異ならず、メカニカル・チクノルジ−社（ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ　） に譲渡された、ローチ（Ｊｅｆｆｒｅｙ　Ｓ、Ｒａｕｃｈ　）の１９８０年７月 １４日付の米国特許出３３１６８，７１６号「フリーピストン・スターリング・ エンジンパワー制御装置（Ｆｒｅａ−Ｐｉｓｔｏｎ　Ｓｔｉｒｌｉｎｇ　Ｅｎｇ ｉｎｅ　Ｐｏｖｒｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）　Ｊに詳しく記載されているリニヤ機 械と全体として同じ種類および構造のものとすることができる。その米国特許出 願の開示を本願の開示に七つくシ含ませる０ 上記のディスプレーサ・リニヤ電気力学的慢誠２１ば、リニヤモータ、またはリ ニヤ発Ｘ鳩として１作でさる汎用機である。この好運な冥上例に３いては、固定 子である巻デ２４は、スターリング会エンジンの−ｉ’ｌ；望の運宏邊励蚊にほ ぼ等しい周波数を有する交流！源から励磁される。この目的のための→当なり１ １・卸回路がス面の第３図に示されてい２゜第３図において、ディスプレーサは 、下側スカーｒに固定される電気力蛍的機筏手段２１の一梶毀子２２を有し、１ ２でもって１洛示されている。’Ｘ　’ＰＩ子２２は固定子７ｊ線２４に並ｎさ 力、る。それらの巻線２４ｔ＝　、ｊ１３　’５Ｊ　’ｌ：’ｔ　’ｉ　Ｉ）・ インバータ／コンバータ４０に接読セ几る。その−「ンバータ／フンバータの特 性についてンま謙で詳しく説明アろ。ディスプレーサ１２へのべ占力学的バクー 人力が、ディスプレーサの右端部における津状須識の１部１／Ｃつけられている 太い矢印によシ示されているっ、ｇ　３１．ｌ　：て示されているディスプレー サの物理的な溝道は、第１図に示されているものとは多少異なることにりがつく であろう。それは、スターリング・エンジン内で発生された周期的な圧力波の作 用を受ける往またげ俸を有するディスプレーサを示アためのものである。この構 造は、本発明の用途がダイアフラムによ勺支持されるディスプレーサまたは任意 の特定のディスプレーサ構造に使用することのみに限定されず、任意の共振フリ ーピストン曇スターリング・エンジンのディスプレーサトともに−Ｂ　’ｔｃ採 用できることを例示している０デイスプレーサΦリニヤ゛工気力学的機誠２１へ のパワー人力は、直流ヱ源電池４１からインバータ／コンバータ４０を介して供 給される。その直流１源電池４１は、後で説明するように、スターリング会エン ジンによ）フ勘されるリニヤ交流機３３　、３４からとシ出される交流電力によ って充電できる。交流ａ　３３　、３４によシ発生された交流電力は、出力端子 ４４を経て適当な負荷へ供給され、かつその電力の一部を全波整流ブリッジ４２ を経てとシ出し、電池４１へ供給して、運転中は電池４１を完全充電状態に保つ 。インバータ／コンバータ４０の動作は、利得調整制御入力を有する増幅器３９ と、位相調整入力を有する移相器２８とによ多制御される。インバータ／コンバ ータ４０の動作、したがってディスプレーサ電気力学的機械２１の動作を、リニ ヤ交流機３３．３４によシ発生される出力交流電力に同期させるために、リニヤ 交流機３３．３４からの出力に比例する信号レベル帰還信号が移相器２８に供給 される。

希望によっては、出力端子４４はそれの電力出力をそれに接続されている他の交 流機／発電機セットを有するパワー・グリッドに供給できる。

移相器２８と、増幅器３９と、インバータ／コンバータ４０とを介して固定子巻 線２４に供給される励振信号の位相を変えることにょシ、ラニー１−１気力学的 機械２１が、エンジン内の周期的な圧力Ｊ！１．に対して調）できる周期的な力 をディスブレーナに与えるようにすることが可能である。こうすること）Ｃよシ 、エンジン内の周期的圧力波によるディスプレーサフ勘力と、ディスプレーサ・ リニヤ這気力学的機械によシ加えられる力とのベクトル和である上米のディスプ レーサ駆ｌ力の位相角を、作用部材の３Ｊすに対して調整できるようになる。こ の相対的な位相角を大きくすることによシ、エンジンにより発生されるパワー出 力が少くなる。あるいは、可変移相器２８を介して固定子巻線２４に与えられる 励振信号の位相ｔａｐ切に調整すること【３、ディスブレーナ・ＩＪ　ニヤ電気 力学的機械２１を駆動モータとして動作させることができる。その、ｆｆ１ＪＩ モータはパワーをディスプレーサに与えて、勤カビストン１９に対する小さな位 相角でそのディスプレーサを妻かす。

その結果として、スターリング・エンジンからよシ大きいパワー出力が発生され る。共振フリーピストン・スターリングｅエンジンのパワー出力の力作を良く制 御する別の調整モードは、増幅器３９の利得を調整することによシ得られる。イ ンバータ／コンバータ４０からディスプレーサ電気力学的機械２１のリードへ供 給される励振信号の振幅を適切に調整することによシ、ディスプレーサのストロ ークを調整し、それＬ０エンジン／交流機の組合せによって発生されるパワー出 力を制御することが可能である０ 以上説明し、かつ本発明によシ行うことができる同じ一般的な装置で種々の制御 方法が可能で必る〇たとえば、周期的なエンジン圧力波によシブイスプレーサに 供給されるパワーは、ディスプレーサがオーバードライブされるよう々ものであ る。この条件の下では、ディスプレーサ・リニーｆ電気力学的機械手段は速読負 荷として作用し、ディスプレーサがオーバーストロークする１頃向を抑える。デ ィスプレーサ・ＩＪ　ニヤｌ気力学的機械手段からと）出されるパワーを変調す ることによシ、ディスプレーサのストローク、したがってエンジンのパワー出力 を、連続して調整できる。これは、インバータ／コンバータ４０に組込まれてい る制御論理回路４３を用いてインバータ／コンバータ４０を電力整流器モードで 動作させることによって行われ、それにょシブイスプレーサ電気力学的機械２１ が交流機として動作している間に、その状態が制御論回路４３によって検出され 、インバータ／コンバータ４０は電力整流器モードに切シ換えられる。それＫよ シ発生された電力は多流され、電池４１に供給されてその電池を充電状態に保つ 。第２の例においては、周期的圧力波によシブイスプレーサに供給されるパワー が、ディスプレーサをアンダードライブする：うな志のでちる。

そのような条件の下においては、ディスブレーナ・ＩＪ　ニヤ電気力学的機械２ １は、ある程度のパワーをディスプレーサ１２に供給して、エンジンを運転状Ｍ 　Ｋ　医つ。このモードシておいては、ニンジンの出カワ−は、ディスプレーサ ・１．に−！ｉ気カ学的機へ）入力パワーに直接追従する。その理由は、ディレ ーサ・ストロークがディスプレーサに供給さイしっ人力パワーの直接関数であシ 、かつ与えられた位相角に２いては出力パワーがディスプレーサのスｐｒｙ−７ に比例するからである。この第２の例においては、上記のように位相制御または ストローク制御のいずれか、あるいは、両方を使用できる。

勘カビストンすなわち作用部材１９の下側表面には中心中空ｒ１鵬部材３ｏが固 定して吊シ下けられる。その部材３０は勤カビストン１９の動きにょ如上下に振 励する。勤カビストン１９と吊シ下げられている中心、駆動軸３０は、エンジン の下側ハウジング部分３１の中に形成されている適当な支持面内で軸支され、適 切な支持面内に構成されている空気軸受（図示せず）によシ、それらの支持部分 内を自由に動くことができるようにされる。この全体の構造は、下側の外部ハウ ジング３２内に含まれる。そのハウジング３２は、中心蕊動勘部材３ｏに固定さ れて、それとともに動くことができる電機子３３にょジ構成されていＳ負荷ＩＪ 　ニヤ発１機も支持する０電機子３３は負荷ＩＪ　ニヤ発電機の固定千巻臓３４ に向き合って物理的に配置される。＠線３４は、下側ハウジング部材３１によシ 、電栽子３３に１置されて外側ハウジング部材３２の円部に支持される。負荷リ ニート発電機３３．３４の特定の１広は本発明の一部ではなく、シたがって、動 力ビストン１９と中心壓勤細部材３０によシ往復這勘させられるような、適当な 任意の発１１８をそれのあるべき場所に採用できることに注意丁べきである。希 望によっては、前記米国特許出願第１６８，７１６号に開示されている：うな種 類のＩＪ　ニヤ空気圧縮機のような全く異なる揖虜の負荷を、負荷リニヤ発電慨 ３３．３４の代シに採用できる。あるいは、動力ビストン１９と中心、Ｋ　１軸 部材３０により駆動される負荷を、リニヤ油圧ホンプなどでｔｉ４成できる。そ れらの例のいずれにおいても、第３図の移相器２８に供給される位相制御帰還信 号を、エンジンの出力部材のストロークを検出するために結合されている適当々 信号トランスデユーサによシ与えねばならず、それの大きさを表す適当な帰還信 号をとシ出さなけれはならない。

動力ビストン１９と中心負荷駆動軸３０との下側動力ビストン３５が中心駆動軸 ３０の下端部に固定される。下側動力ビストン３５は、下側フレーム部材３１に 固定されて、気体ばねを構成する気密の囲み部を形成する囲み部材３７にょシ形 成されている囲７れたはね返シスペース３６の内部で動作する。

気体ばねは、１９，３０，３３．３５に組合わされて、エンジンの効作長劾致と ほぼ同じ固有振蜀数を有するばね一５１系を形成する。

動作時には、スターリング・工／ジン／発トｒセンブリは、ディスプレーサ・リ ニヤ這気力学的機械２１を１妻モータモードに置いて、ディスプレーサ１２を上 下に、思）することにょシ始勘させられん同時に、熱の形の熱力学的入力がひれ １４とエンジンの燃焼器および熱交換器部分（図示せず）を介して加熱容器１３ の外面へ与えられる。Ｐａで示されているスペース内の作用ガスの加熱によシガ スが膨張させられ、その間にディスプレーサ１２はモータ２１により下方へ７駆 動される。ディスプレーサ１２が下方へ勘くと、ＰＣと名づけられている作用ス ペース内のガスが、その作用スペースから、冷却器と蓄熱器（ｒｅｇｅｎｅｒａ ｔｏｒ　）　２８を通ってエンジンの加熱シ膨張させられる。そのために内部エ ンジン圧力が上昇し、ディスプレーサ１２を下方へ駆動することを更に助ける。

下方移動が終ると、２つのダイアフラム１６，１７のばね作用によりディスプレ ーサ１２の動く向きがグレーサ１２が上方へ一幼キ恍けていると、ディスプレー サ１２の上端部と加熱容器１３７）間のスペース内の作用ガスの大部分が、相互 運吉二Ａ路と蓄熱５２６および冷却器２９を通って勅かさｎる。冷却器２９はガ スから清をうばってＰｃと名づけられている作用スペース内のガスの圧力を低下 させ、ディスプレーサ１２の移動の上限にディスプレーサが到達するまで、ディ スプレーサ１２を上方へ、［ｌＪするのを更に助ける。ディスプレーサ１２の移 動の上限においては、新しい往復サイクルを開始させるためにそれの力く同きが 再び反転させられる。

スターリング・エンジンの作用スペース内における作用ガスの周期的な加熱と冷 却により、　Ｐｃで示されている下ツクスペースを含むエンジン内の作用スペー ス内に周期的な圧力波が生ずる。その圧力波は勤カビストン１９の表面に作用し て、膨張スペースＰａ　内のガスが加熱されるにつれて動力ビストン１９を下へ 実りする。そのために中心冨動軸３０と、負荷発電機３３．３４の電機子３３と がはね返シスペース３６の圧力に抗して下へ動かされる。動力ビストン１９と［ １１軸３０および下側ピストン３５が下向き運動の下端部に達すると、はね返シ スペース３６の中に上昇した圧力として蓄積されているエネルギーのために動力 ビストン・アセンブリが減速させられ、停止させられ、それから反対に上向きに 動かされて、いまは正帰スペースＰｃ内にるるエンジン・サイクルガス１再び正 帰する。それの上昇過励が終ると、ガスはね返）スペース３ａ内の圧力が低下し 、それとともに作用スペース　Ｐｃ内の圧力が上昇して湧カビストン！アセンブ リを減速し、停止させ、反対に下向きへの戻シを開始させることによシ往復の１ サイクルを完了する。この上下運動の結果として、負荷発電機の固定子巻線３４ を貫通する磁界が変化し、そのために電機子３３の物理的位置が変化して、固定 子巻線３４中に電力が生ずる。その電力は装置によシ発生される出力電力の使用 者に供給される。

フリーピストン會スターリング書エンジンの動作に含まれる熱力学のよシ詳しい 説明のために英国オックスフォード（ｏｘｆｏｒｄ　）所在のクラレンドン・プ レス（Ｃ１ａｒｅｎｄｏｎ　Ｐｒｅｓｓ　）によ、９１９８０年に出版されたウ ォーカー（Ｇ、　Ｗａｌｋｅｒ）著の「スターリング・エンジン（Ｓｔｉｒｌｉ ｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　）　Ｊと題する教科書と、前記米国特許出願第１６８． ７’１６号、とくに第７図についての明Ａ　ｉｆの部分と、第８図のフエーザー 図とを参照する０ エンジン／負荷の組合ぜからとシ出されるノ（ワー出力は、ディスプレーサの動 きと動力ビストン（作用部材）の動きとの間の位相角の直接関数である。

発’Ｓ　ｍ　３３　、３４からのパワー出力を増大させたい場合には、ディスプ レーサ・リニヤ電気力学的機械２１の５定子巻コ斐２４に供給される励損信号が 位相調整回路２３によシ調寝されて、ディスプレーサと効力ビストンの・間の相 対的な位相角を小さい値としてディスプレーサ電気力学的機械２１を動作させ、 したがってエンジンと負荷発生器から犬逐いノくワー出力を発生させる。それと は逆に、負荷発電機３３．３４によシ発生されるパワー出′力を減少させたい場 合には、ディスプレーサ・リニヤ１気力学的機ｙｔ２１の励損回路の位相制御器 ２８が選択的に１作させられて、電気力学的機械２１を、ディスプレーサおよび パワーピストンの動きの間の位相角を大きくして機能させ、装置からのパワー出 力を減少させる。あるいは、増幅器３９の利得の調整による、ディスプレーサ・ ストロークの調整によって、パワー出力を同様に増大または減少することが可能 である。

以上の説明から、本発明は、共振フリーピストン型スターリング・エンジンから のパワー出力を制御するだめの、そのエンジンの確実な始漫を容易にする新規か つ改良した制御方法２よび装置を提供するものであることがわかるであろう０本 発明を用いて共振フリーピストン・スターリング・エンジンを動作している間に 、少くとも部分的なディスプレーサヨ勘ハワーをエンジンの熱力学的サイクルか らとシ出すことができ、ディスプレーサへ外部からパワーを加えることによシ、 フたはディスプレーサからパワーを外部へとり出すことによシ、エンジンの作用 部材（勤カビストン）の位相角に対してディスプレーサの位相角を同調させおこ とに：つで、エンジンからと９出さする出力パワーが」］・即さ几る。ちＳいは 、ディスプレーサ電気力学釣機−戒２１で介してディスプレーサ−ストローク” ｒ　’Ｖ：　ｆｆ　ｆることによってバフ−出力を’ｆｉ制御でさる。

工業的な応用性 本発明に−Ａ振フリーピストン・スノーリング・エンジンと、家庭用、商業用お よび工業用ンこＷ用１発５Ｔ、　ｈ　％圧縮機、油圧ポンプおよびその他の項似 ＠誼として使用するための原動機のよりなエンジン金採用する組合せパワーパッ ケージに関するものである。

不発明に；そって作られた共振フリーヒストン・スターリング・ニンジン用の新 規かつ改良した始局および制御方法と装置の−λ２例ならびにこのｇｒ規な始動 および制御方法と装置を用いる新規かつ改良しり共振フリーピストン・スターリ ング・エンジンについて説明したが、以上の説明を基ンこして本発明のその特定 の実施例を当業者が変更できることが明らかであると信ぜられる。したがって、 全てのそのような変更と、追加、削除は、附属の請求の範囲によシ定められてい る不発明の意図する全範囲内に入るものと信ぜられる。

国際調査報告

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　エンジンのハウジング内で往復運ぶでき、かつ二／ジン内部で周期的に発 生される作用ガス圧力波によシ少くとも部分的ＫＸｍされて、それからエンジン からのパワーをと）出す作用部材を１劾するディスプレーサを有する種類のＡ” ３フリーピストン轡スターリング・エンジンにおいて、前記ディスプレーサに） 作的に関連させられるディスプレーサ・リニヤ電気力学的機械手段を含み、前記 ディスプレーサ・ＩＪ　ニヤ電気力学的機成手段は、周期的々作用ガス圧力波と ともに前記ディスプレーサを部分的に駆動するためのＩＪ　ニヤ電力機として、 また（ｄ１前記ディスプレーサに負荷をかける発電機として、ニヘ択的に動作で きる汎用機である、共振フリーピストン・スターリング・エンジン。 ２、　スターリング−エンジン内で往復ＪＥ功でさ、スターリング・エンジン内 に周期的：Ｃ発生される作用ガス圧力波にさらされて、エンジンからの力作をそ れからとり出す作用部材を駆：助するディスプレーサと、このディスプレーサに 固定されてそのディスプレーサとともに動くことができる電機子、およびこの電 機子に並置されてスターリングエンジンの２１ウジングにより支持される固定子 を有し、リニヤモータまたはリニヤ発電、機として動作できる汎用機であるディ スプレーサ・リニヤ電気力学的機械手段と、スターリング・エンジンのカ作昼瀦 数とほぼ同じ周波数を有する電気的′ＪＪ振言号【Ｊ前記ディスプレーサ・リニ ヤ電気力学的機械手段を′；電気的励損するための手段と、前記ディスプレーサ ・リニヤ４気力学的ＦＡ掴手段を、ディスプレーサがらパワーをとシ出すことＫ よ）、スターリング−エンジンの作用部材に対してよ）大きな位相角で前記ディ スプレーサを」かし、かつ熱力学的エンジン力作をダンピングさせてエンジンか らの出力パワーを減少させるために、発′ユ機負尚として選択的かつ制御できる ようにして機能させ、または、その代シに付加入力パワーを前記ディスプレーサ に与えることにより、前記ディスプレーサを瀦作部材に対してよ）小さい位相角 でａかし、かつエンジンからよ）大きなパワー出力をとシ出すために、前記ディ スプレーサ電気方学的機累手段を電気的１累勘モータとして選択的に勲作させる ための選択的に動作できる電気的制御器とを含む改良した始勘および制御装置を 有する共振フリーピストン会スターリンク争エンジン。 ３、　エンジンの動作振動数にほぼ一致する固有振功数を有するばね一貞１系が 形成されるように、前記ディスプレーサに作用するばね手段を含む特許請求の範 囲の第２項に記載の共振フリーピストン・スターリング・エンジン。 ４　前記ディスプレーサ−ＩＪ　ニヤ電気カ学的機械手段は、１気的Ｊでモータ モードで１作している間に、共掻フリーピストン・スターリング・エンジンを始 動させるための手段としても機能する特許請求のＫＭの第３項に配置の共振フリ ーピストン・スターリング−エンジン。 ５　スターリング・エンジン内に形成されている動作スペース内に封入されてい る作用ガスを加熱スるための容器を含み、前記動作スペースは前記容器の内部を 含み、前記作用ガスは力作スペースの一端部において容器によシ加熱され、かつ 、他端部において冷却器によシ冷却され、作用ガスはディスプレーサによシ蓄熱 器と冷却器を介して動作スペースの加熱端部から冷却端部へ相互に往復させられ 、前記ディスプレーサはスターリング・エンジンのハウジング内を軸線方向に往 彼して、作用ガス中にスターリング・エンジンの動作共振振動数の周期的な圧力 波を発生し、周期的な圧力波は、スターリング・エンジンのハウジング内で往復 運動できて、エンジンからの出力仕＄がそれからとシ出される作用部材に作用し てその作用部材全駆動する、新規かつ改良した始動および制御装置を有する共振 フリーピストン・スターリング番エンジンにおいて、前記ディスプレーサに固定 されて、そのディスプレーサとともに動くことができる電機子およびこの電機子 に並置されてスターリング・エンジンのノーウジングにより支持される固定子全 有し、リニヤモータまたはリニヤ発電機として動作できる九用哉であるディスプ レーサ・リニヤ電気力学的機械手段と、スターリング・エンジンの力作周波数と ほぼ同じ周波数を有する電気的励振信号により前記ディスプレーサ・リニヤ電気 力学的機械手段を電気的に励振するための手段と、前記ディスプレーサ・リニヤ 電気力学的機械手段を、前記ディスプレーサからパワーをとシ出すことによシ、 スターリング番エンジンの作用部材に対してよシ大きな位相角で前記ディスプレ ーサを力かし、かつ熱力学的エンジン動作をダンピングさせてエンジンからの出 力動力を減少させるために、発電機負荷として選択的かつ制御できるようにして 機能させ、または、その代シに付加入力パワーを前記ディスプレーサに与えるこ とＫよシ、前記ディスプレーサを作用部材に対してより小さい位相角で勘かし、 かつエンジンからよシ大きな動力出力をとシ出すため風前記ディスプレーサ電気 力学的機械手段を電気的、ぷ動モータとして選択的に動作させるための選択的に 動作できる電気的制御器とを備える、新規かつ改良した始動および制御装置を有 する共振フリーピストン・スターリング・エンジン。 ６、　前記ディスプレーサ・リニヤ電気力学的機械手段は、眠気的駆動モータモ ードで動作している間に共振フリーピストン・スターリング・エンジンを始動さ せる之めの手段としても機能し、エンジンの力作振湧−改にほぼ一致する固有振 動数を有するばね−振動系が形成されるように、前記ディスプレーサに作用する ばね手段を含む特許請求の範囲の第５項にａ己虞の共振フリーピストン・スター リング・エンジン。 ７、　スターリング書エンジン内に形成されている作用スペース内に閉じ込めら れている作用ガスを加熱するための加熱される容器と、ディスプレーサ書リニヤ 電気力学的機械手段を有し、前記作用スペースは容器の内部を更に含み、前記作 用ガスは、作用スペースの一端部において容器によ）加熱され、かつ他端部にお いて冷却器により冷却され、作用ガスはディスプレーサによシ蓄熱器と冷却器？ 介して作用スペースの加熱端部から冷却端部へ相互に往復させられ、前記ディス プレーサはスターリング番エンジンのハウジング内を識線方向に往復して、作用 ガス中にスターリングエンジンの勘作共去退勘致の周期的な圧力波を発生し、周 期的な圧力波は、スターリング・エンジンのハウジング内で往復運動できて、エ ンジンからの出力仕事がそれからとり出される作用部材に作用してその作用部材 を駆動し、前記ディスプレーサ・リニヤ電気力学的観械手段は、前記ディスプレ ーサに固定されてそのディスプレーサとともに効くことができる電機子と、この 電双子に並置されてスターリング番エンジンのハウジングにより支狩される固定 子を再し、リニヤモータまたはリニヤ発１機として動作できる汎用機である、種 漬の共振フリーピストン・スターリング・エンジンの力作’ｚ　２１１　Ｊする 改良した方法に２いて、スターリング番エンジンの希望の劾作振力致とほぼ同じ 周波数を有する電気的励振信号で前記ディスプレーサ・リニヤ電気励力侵手段を 励振する過程と、スターリング・エンジンのパワー出力を減少させたい条件の下 に、前記ディスプレーサ・リニヤ電気力学的機械手段の励秀を選択的に制御して 、前記ディスプレーサからパワーをとシ出すだめの発電機負荷としてそれを動作 させることによシ、スターリング・エンジンの作用部材に対する位相角を大きく して前記ディスプレーサを動かす過程と、スターリングエンジンからのパワー出 力を増大させたい条件の下に、前記ディスプレーサ・リニヤ電気力学的機械手段 の励振を選択的に制御して、前記ディスプレーサに付加入力パワーを加えるため の電気的、不動モータとしてそれを動作させることによシ、作用部材に対する位 相角を小さくして前記ディスプレーサを動かす過程とを備える共掻フリーピスト ン嘲スターリング・エンジンの力作を制御する改良した方法。 ８、　電動機１駆動モードで前記ディスプレーサ・すニヤ電気力学的機械手段を 用いて共損フリーピストン脅スターリング・エンジンを始動させる過程を含む特 許請求の範囲の第７項に記載の方法。 ９、　スターリング・エンジンの妻作遥」数にほぼ一致する固有釡′ＪＪＪ敗を 有する゛共振はね一部」系が形成されるように、前記ディスプレーサに及ぼされ る実効ばね作用はよシスターリングφエンジンのハウジングを介して基礎に対し て前記ディスプレーサをはねさせるために前記ディスプレーサにばね作用を行わ せろ過８を含む特許請求の範囲の第８項に記載の方法。 １０、エンジンのハウジング内で往復ｉｉｉ！Ｊでき、エンジン内に周期的に発 生される作用ガスの圧力波によシ少くとも部分的に、ｕ目れて、作用部材を１勲 するディスプレーサを有し、前記作用部材はそれに対して１成２よび配置されて いる詰合手段を介して前記ディスプレーサに結合され、その作用部材からエンジ ンからの仕事がとシ出される種類の共振フリーピストン・スターリング・エンジ ンにおいて、前記ディスプレーサに組合わされて動作するディスプレーサ・ＩＪ 　ニヤ電気力学的機械手段と、前記ディスプレーサに固定されてそのディスプレ ーサとともに動くことができる電機子手段と、この電機子手段に並置して前記エ ンジンのハウジングにょシ支持される前記電気力学的機械手段のための固定子手 段と、前記ディスプレーサ・リニヤ賀気動力機手段を電気的励損信号によって励 損することにより、エンジンの運恥中に、前記作用部材の勘きに対する前記ディ スプレーサの易きの位相角を導圧できるようにするだめの手段とを含む共振フリ ーピストン・スターリング・エンジン。