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模型フリーピストン形スターリングエンジン |
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本ホームページに示したフリーピストン形スターリングエンジン（FPSE）の近似的な解析手法fpseFLA.exe（Fourier展開に基づく線形化近似）の応用例として，図のような模型FPSEの設計プログラムmodelFPSE.exeを作成しダウンロードできるようにした。 |
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模型FPSEの動画（画像をダブルクリック） |
差圧式 |
跳ね上げ式 |
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このような模型FPSEは，南アフリカWagner
System社のWAGSTIR（跳ね上げ式で，アーク・スプリングではなくコイル・スプリングを使用）等で知られており，注射器（ピストン系），アクリル管（シリンダ），発泡スチロール（ディスプレーサ），OHPフィルム（アーク・スプリング，跳ね上げ板）等を用いて自作可能である。難しく考えなくても適当に製作し調整してやりさえすれば動作するが，modelFPSE.exeを用いれば，ピストン質量（上部の錘で調整）やアーク・スプリングの強さなどが振動数fなどの特性に及ぼす影響を予測することができる。 modelFPSE.exeは差圧式（シリンダ内と大気の圧力差でディスプレーサを駆動する方式）を対象としているが，跳ね上げ式（ピストンロッドによってディスプレーサ・シリンダ底部の跳ね上げ板の中央を押すことにより，ディスプレーサを跳ね上げる方式）にも適用できると考えてよい。 添付した例題（model.in）は，動画で示した差圧式の模型FPSEに対するもので，ピストン質量は500gに設定されている。底部の温度は80℃である。振動数f
の測定値は 4.6Hzであった。アークスプリングを弱くすれば，100g程度にしても約8Hzで安定に動作する。振動数，圧力振幅，ピストン・ディスプレーサ振幅比の測定値は計算値とほぼ一致した。しかし，リークのせいか，ピストン変位と圧力変動の位相差が計算値より小さいため，図示出力は計算による予想よりかなり小さかった。なお，ピストン質量のほか，外部負荷，シリンダ容積，加熱温度を変える実験，跳ね上げ式での実験も行った。 幾何学的寸法，ピストンとディスプレーサの質量と平均位置，圧力（平均圧＝大気圧），アーク・スプリングのバネ定数を与えた場合，ピストン減衰係数Cp（図示出力に比例）が主たる可変パラメータになるが，有意解の存在条件からCpには上下限がある。条件を満たすCpを与えたとき，ディスプレーサ減衰係数Cdの微小変化が可能である。Cdの下限はw =
1，上限はディスプレーサやピストンの振幅限界により決まる。Cdの変化に応じ，振動数比w（= f / fLA）や変動振幅等が変化する。 【注】fLAは単純な線形化近似の場合の振動数である。 【注】fpseFLA.exeで扱う通常のFPSEでは，Cdとwは独立であるが，バッファ空間のない模型 FPSEでは，独立ではない。 なお，modelFPSE.exeは，標準的な条件（例題）から大幅に異なる条件を設定した場合には，エラーが発生して停止する可能性がある。 modelFPSE.exeはLiberty BASICによって作成したもので，手元のWindows
98SE，2000，Xpで正常に動作することを確認している。Vistaでも32ビット版ならば問題なく動作するようである。 FPSEロゴを右クリックし，「対象をファイルに保存」を選択 |
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Cpの可変範囲とその影響（modelFPSE.exeによる計算例） |
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模型FPSEの特性（modelFPSE.exeによる計算例） |
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