JP2003508663A - フリーピストン機械の直流による中央配置装置と方法 - Google Patents
フリーピストン機械の直流による中央配置装置と方法Info
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- F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
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Abstract
(57)【要約】
フリーピストン機械（１０）で、コイル（３４）がそのハウジングに設置され、かつ、リニアモーターを形成するためにそのピストン部材（３８）上の永久磁石（３６）又は電磁石と磁気的にリンクされる。該コイルと磁石とは、本発明を具体化するために追加されるか、又は該フリーピストン機械の部品である交流リニア発電機又は交流リニアモーターの部分であるか何れかである。直流電流源（４２）と該直流源を該コイルに接続するスイッチ（４０）とが、該スイッチが閉じた時該コイルに直流電流を供給するので、該コイルと磁石とは、該ピストンが衝突無しでのスタートアップ用に適当に中央配置されるまで、１時的に直流リニアモーターとして動作する。該直流源電圧は、該ピストンを該シリンダーの端部壁から離れるよう移動させるために、該コイルに１時的に印加される。これは、予め決められた時間インターバルの間該直流電流を該コイルに印加することにより、或いは該ピストンが適当に中央配置される位置に何時到達したかを検出することにより達成される。
Description
【０００１】
名称：フリーピストン機械の直流による中央配置装置と方法
関連出願の相互参照
適用なし。
【０００２】
連邦をスポンサーとする研究開発に関する表明
適用なし。
【０００３】
”マイクロフイルム付録（microfiche appendix）”の参照
適用なし。
【０００４】
本発明は一般にフリーピストンスターリングエンジン（free piston Stirling
engines）、クーラー及び極低温クーラー（cryocoolers）を含むフリーピスト
ンヒートポンプ（free piston heat pump）、そしてリニア圧縮機及びポンプの
様なフリーピストン機械（free piston machines）に関しており、特に交流リニ
ア電気モーター（AC linear electric motor）又は発電機（alternator）に接続
されたフリーピストン機械に関する。本発明は該フリーピストン機械にオッシレ
ートする動的駆動力（oscillating dynamic drive）が印加される前に該フリー
ピストン及びその付随構造体を中央配置するための装置（apparatus for center
ing）である。
engines）、クーラー及び極低温クーラー（cryocoolers）を含むフリーピスト
ンヒートポンプ（free piston heat pump）、そしてリニア圧縮機及びポンプの
様なフリーピストン機械（free piston machines）に関しており、特に交流リニ
ア電気モーター（AC linear electric motor）又は発電機（alternator）に接続
されたフリーピストン機械に関する。本発明は該フリーピストン機械にオッシレ
ートする動的駆動力（oscillating dynamic drive）が印加される前に該フリー
ピストン及びその付随構造体を中央配置するための装置（apparatus for center
ing）である。
【０００５】
従来技術は広い範囲のフリーピストン機械を提供し続けて来ており、今後も続
けるであろう。フリーピストン機械では、ピストンはシリンダー内でリニアにオ
ッシレート（oscillates）する。しかしながら、該ピストンは、その変位の相対
する端部が、クランク及びロッド又は特定の限定された通路に沿って動く部品を
有する他の運動伝達構造体の様な、機械的結合により拘束されない意味でフリー
である。通常はフリーピストンの往復（reciprocation）の振幅は負荷印加（loa
ding）又は動力（power）の関数として変化する。幾つかのフリーピストン機械
では、該フリーピストンは動力が向けられる負荷の部品であり、他のものではそ
れは主要移動体（prime mover）又は駆動部（drive）の部品である。通常は該フ
リーピストンは該ピストンと共に往復する他の構造体に機械的にリンクされてい
る。この様な他の構造体はリニア電気モーター（linear electric motors）又は
リニア交流発電機（linear alternators）を含む。従って、該用語”フリーピス
トン部材（free piston member ）”はここでは該ピストンと、それと共に往復
するために該ピストンと機械的にリンクされた他の部品構造体との組合せを呼称
するために使用される。
けるであろう。フリーピストン機械では、ピストンはシリンダー内でリニアにオ
ッシレート（oscillates）する。しかしながら、該ピストンは、その変位の相対
する端部が、クランク及びロッド又は特定の限定された通路に沿って動く部品を
有する他の運動伝達構造体の様な、機械的結合により拘束されない意味でフリー
である。通常はフリーピストンの往復（reciprocation）の振幅は負荷印加（loa
ding）又は動力（power）の関数として変化する。幾つかのフリーピストン機械
では、該フリーピストンは動力が向けられる負荷の部品であり、他のものではそ
れは主要移動体（prime mover）又は駆動部（drive）の部品である。通常は該フ
リーピストンは該ピストンと共に往復する他の構造体に機械的にリンクされてい
る。この様な他の構造体はリニア電気モーター（linear electric motors）又は
リニア交流発電機（linear alternators）を含む。従って、該用語”フリーピス
トン部材（free piston member ）”はここでは該ピストンと、それと共に往復
するために該ピストンと機械的にリンクされた他の部品構造体との組合せを呼称
するために使用される。
【０００６】
該全ピストン部材がフリーであるため、それが、往復運動のそれの意図範囲の
何れかの端又は両端を越えて位置付けられた構造体と衝突する条件がある。この
様な構造体はここで”端部壁（end wall）”と名付けられる。該用語”端部壁”
は、もし該ピストンがその軸方向にオッシレートする往復の意図限界を越えて動
けば、打たれるかも知れない構造体を一般的に呼ぶ。
何れかの端又は両端を越えて位置付けられた構造体と衝突する条件がある。この
様な構造体はここで”端部壁（end wall）”と名付けられる。該用語”端部壁”
は、もし該ピストンがその軸方向にオッシレートする往復の意図限界を越えて動
けば、打たれるかも知れない構造体を一般的に呼ぶ。
【０００７】
ピストン部材の端部壁との衝突を避けるニーヅは、各空間が該ピストンの相対
する端部により接される、２つの流体空間内の時間変化するガス圧力に該ピスト
ンが曝される機械では、特に深刻（acute）である。フリーピストン機械がその
往復運動でリニアにオッシレートする時、それはそのピークの、軸方向の相対す
る行程（excursions）間の中央に配置された（centered）平均位置から反対方向
にオッシレートする。該ピストンとシリンダー壁間のギャップを通しての幾らか
の正味ガスの漏洩（net gas leakage）が、往復の各サイクル中１つの流体空間
からもう１つへ通常起こるので、該２つの空間内のガス質量は徐々に変化する。
この変化は該往復の中心を減少した質量を有する空間の方へクリープ（creep）
させる。もしこのクリープが続くなら、結果として該ピストン中央位置は、その
オッシレートする運動の１つのピークで該ピストンが端部壁と衝突する程充分に
遠くまで変位する。
する端部により接される、２つの流体空間内の時間変化するガス圧力に該ピスト
ンが曝される機械では、特に深刻（acute）である。フリーピストン機械がその
往復運動でリニアにオッシレートする時、それはそのピークの、軸方向の相対す
る行程（excursions）間の中央に配置された（centered）平均位置から反対方向
にオッシレートする。該ピストンとシリンダー壁間のギャップを通しての幾らか
の正味ガスの漏洩（net gas leakage）が、往復の各サイクル中１つの流体空間
からもう１つへ通常起こるので、該２つの空間内のガス質量は徐々に変化する。
この変化は該往復の中心を減少した質量を有する空間の方へクリープ（creep）
させる。もしこのクリープが続くなら、結果として該ピストン中央位置は、その
オッシレートする運動の１つのピークで該ピストンが端部壁と衝突する程充分に
遠くまで変位する。
【０００８】
フリーピストン機械の動的な、定常状態動作中にこの結果を避けるために、種
々の動的な中央に配置する構造体が使用される。これらの中央配置構造体は往復
の固定的中央を保持する構造体のみならずピストン部材の変位を安全範囲内に保
持するために該ピストン部材の該端部運動を制限する構造体も両方含む。かくし
て、ここで使用される用語”中央配置（centering）”は往復の特定の、固定的
中央を保持する構造体のみならず、衝突を避ける程充分に該端部壁から隔てられ
た範囲限界内にピストン部材変位を制限する構造体も両方呼んでいる。動的中央
配置構造体の２，３の例が、引用によりここに組み入れられる下記特許、すなわ
ち、第４，１８３，２１４号、第４、４０４、８０２号、第４、５８３、３６４
号、第５、４６１、８５９号、第５、３８５、０２１号、第５、５３７、８２０
号、そして第５、８７３、２４６号に示されている。
々の動的な中央に配置する構造体が使用される。これらの中央配置構造体は往復
の固定的中央を保持する構造体のみならずピストン部材の変位を安全範囲内に保
持するために該ピストン部材の該端部運動を制限する構造体も両方含む。かくし
て、ここで使用される用語”中央配置（centering）”は往復の特定の、固定的
中央を保持する構造体のみならず、衝突を避ける程充分に該端部壁から隔てられ
た範囲限界内にピストン部材変位を制限する構造体も両方呼んでいる。動的中央
配置構造体の２，３の例が、引用によりここに組み入れられる下記特許、すなわ
ち、第４，１８３，２１４号、第４、４０４、８０２号、第４、５８３、３６４
号、第５、４６１、８５９号、第５、３８５、０２１号、第５、５３７、８２０
号、そして第５、８７３、２４６号に示されている。
【０００９】
大抵のフリーピストン機械は、効率が遙かに高いので共振で、又はその近くで
運転される。機械的共振は、ばねの様なエネルギー貯蔵素子に駆動的にリンクさ
れた質量（mass）を要する。従って、該ピストン部材は、該フリーピストン機械
の動作周波数で機械的に共振する質量を有するよう設計される。該ピストンは１
つ以上のばねにより該ハウジングにリンクされる。この様なばねは螺旋の及び／
又は平面のばね（helical and/or planar spring）、ガスばね（gas springs）
、磁気ばね（magnetic springs）そして該ピストンの端部に接する該空間内の圧
縮性流体のばね効果を含む。
運転される。機械的共振は、ばねの様なエネルギー貯蔵素子に駆動的にリンクさ
れた質量（mass）を要する。従って、該ピストン部材は、該フリーピストン機械
の動作周波数で機械的に共振する質量を有するよう設計される。該ピストンは１
つ以上のばねにより該ハウジングにリンクされる。この様なばねは螺旋の及び／
又は平面のばね（helical and/or planar spring）、ガスばね（gas springs）
、磁気ばね（magnetic springs）そして該ピストンの端部に接する該空間内の圧
縮性流体のばね効果を含む。
【００１０】
種々のフリーピストン機械がある。これらは、ビール型（Beale-type）フリー
ピストンスターリングエンジンそしてクーラー及び極低温クーラーの様なヒート
ポンピング装置のみならずフリーピストン、リニア圧縮機及びポンプも含む。屡
々これらのフリーピストン機械は、リニアモーター又はリニア交流発電機又は他
の発電機の様な交流電磁リニア変換器（AC electromagnetic linear transducer
）に機械的にリンクされたそれらのピストンを有する。例えば、交流発電機にリ
ンクされたフリーピストンスターリングエンジンは発電用に燃料の外部燃焼の熱
を使用出来て、リニモーターにリンクされたフリーピストンヒートポンピング装
置は冷却及び極低温冷却用に使用され得る。ガス圧縮機及び流体ポンプを提供す
るために交流リニアモーターは入り口及び出口弁を有するシリンダー内でフリー
ピストンを駆動出来る。
ピストンスターリングエンジンそしてクーラー及び極低温クーラーの様なヒート
ポンピング装置のみならずフリーピストン、リニア圧縮機及びポンプも含む。屡
々これらのフリーピストン機械は、リニアモーター又はリニア交流発電機又は他
の発電機の様な交流電磁リニア変換器（AC electromagnetic linear transducer
）に機械的にリンクされたそれらのピストンを有する。例えば、交流発電機にリ
ンクされたフリーピストンスターリングエンジンは発電用に燃料の外部燃焼の熱
を使用出来て、リニモーターにリンクされたフリーピストンヒートポンピング装
置は冷却及び極低温冷却用に使用され得る。ガス圧縮機及び流体ポンプを提供す
るために交流リニアモーターは入り口及び出口弁を有するシリンダー内でフリー
ピストンを駆動出来る。
【００１１】
モーターであろうと交流発電機であろうと、交流電磁的、リニア変換器は一般
に、該機械用のハウジングに設置されたコイルと、電磁石として動作するよう電
気的に接続された第２コイルか、又は該ピストン部材の部品として該ピストンに
設置された永久磁石が好ましいがその何れかと、から成る。又可動コイル型の実
用的リニア変換器もあるがそこでは該コイルは該往復ピストン部材の部品として
該ピストンに設置されそして永久磁石か又は電磁石か何れかの磁石が該ハウジン
グに設置されている。該用語”磁石”はここでは永久磁石及び電磁石の両者を集
合的に呼称するよう使用される。ソレノイドの様に動作するリラクタンスモータ
ー（reluctnace motor）を形成するためにコイルと高透磁率の、強磁性体（ferr
omagnetic material）により交流リニアモーターも又形成され得るが、これらは
非効率的で従って好まれない。
に、該機械用のハウジングに設置されたコイルと、電磁石として動作するよう電
気的に接続された第２コイルか、又は該ピストン部材の部品として該ピストンに
設置された永久磁石が好ましいがその何れかと、から成る。又可動コイル型の実
用的リニア変換器もあるがそこでは該コイルは該往復ピストン部材の部品として
該ピストンに設置されそして永久磁石か又は電磁石か何れかの磁石が該ハウジン
グに設置されている。該用語”磁石”はここでは永久磁石及び電磁石の両者を集
合的に呼称するよう使用される。ソレノイドの様に動作するリラクタンスモータ
ー（reluctnace motor）を形成するためにコイルと高透磁率の、強磁性体（ferr
omagnetic material）により交流リニアモーターも又形成され得るが、これらは
非効率的で従って好まれない。
【００１２】
リニア交流発電機又はリニアモーターを使用する装置の例は、引用によりここ
に組み入れられる下記米国特許、第４、６０２、１７４号、第４、６４２、５４
７号、第４、６４９、２８３号、第５、６４２、０８８号、第４、９１２、４０
９号、第４、９２６、１２３号、そして第５、１４８、０６６号で示されている
。
に組み入れられる下記米国特許、第４、６０２、１７４号、第４、６４２、５４
７号、第４、６４９、２８３号、第５、６４２、０８８号、第４、９１２、４０
９号、第４、９２６、１２３号、そして第５、１４８、０６６号で示されている
。
【００１３】
フリーピストン機械が動作を始める時、それは、小さな振幅のオッシレーショ
ン（oscillation）で最初にリニアにオッシレートすることにより静的から動的
条件へ移行を行う。これらのオッシレーションの振幅は、該機械がその定常状態
の動作条件に到達するまで増加し続ける。大抵のフリーピストン機械は、静的条
件で該フリーピストン部材を該端部壁から離して保持する機械的又は他のばねを
備えるので、これらの小さな過渡的オッシレーションは端部壁衝突を引き起こさ
ない。該オッシレーションが成長すると、上記説明の、定常状態動作中端部壁衝
突を防止するための該動的中央配置構造体が効果を発揮し、端部壁衝突を妨げる
。
ン（oscillation）で最初にリニアにオッシレートすることにより静的から動的
条件へ移行を行う。これらのオッシレーションの振幅は、該機械がその定常状態
の動作条件に到達するまで増加し続ける。大抵のフリーピストン機械は、静的条
件で該フリーピストン部材を該端部壁から離して保持する機械的又は他のばねを
備えるので、これらの小さな過渡的オッシレーションは端部壁衝突を引き起こさ
ない。該オッシレーションが成長すると、上記説明の、定常状態動作中端部壁衝
突を防止するための該動的中央配置構造体が効果を発揮し、端部壁衝突を妨げる
。
【００１４】
しかしながら、幾つかのフリーピストン機械は、該機械が動作していない時端
部壁から離して該静的ピストン部材を保持するばねを有しない。結果的に、それ
らは、衝突を避けるためにスタートアップ中（startup）該リニアにオッシレー
トするピストン部材を該端部壁から充分遠く保持する何等かのもの（something
）を要する。これは往復の軸線が垂直な又は向きの垂直成分を有するフリーピス
トン機械について特に問題である。この様な機械では、該機械が動作していない
時に、時には振動により助けられた重力が、該ピストン部材を端部壁に対して摺
動させる。もし、オッシレートする動的駆動力（oscillating dynamic drive）
が該フリーピストン機械に印加された時該ピストン部材が端部壁の所にあるか又
はその近くにあって、スタートアップが始動されるならば、該オッシレーション
の振幅が該動的中央配置構造体が動作可能になる程充分大きくなるまで、必然的
に該ピストン部材は該端部壁に対し繰り返し叩く（bang）か又は、衝突する。こ
れらの動的中央配置構造体の多くは、該ピストンが中央配置された位置にある時
の、１つ以上の該ピストン及びシリンダー壁内のポートが合致（registration）
することに依存しているので、該中央配置がもたらされる得る程該ピストンのオ
ッシレーション振幅が充分大きくなる前に、実質的時間インターバルが経過する
。
部壁から離して該静的ピストン部材を保持するばねを有しない。結果的に、それ
らは、衝突を避けるためにスタートアップ中（startup）該リニアにオッシレー
トするピストン部材を該端部壁から充分遠く保持する何等かのもの（something
）を要する。これは往復の軸線が垂直な又は向きの垂直成分を有するフリーピス
トン機械について特に問題である。この様な機械では、該機械が動作していない
時に、時には振動により助けられた重力が、該ピストン部材を端部壁に対して摺
動させる。もし、オッシレートする動的駆動力（oscillating dynamic drive）
が該フリーピストン機械に印加された時該ピストン部材が端部壁の所にあるか又
はその近くにあって、スタートアップが始動されるならば、該オッシレーション
の振幅が該動的中央配置構造体が動作可能になる程充分大きくなるまで、必然的
に該ピストン部材は該端部壁に対し繰り返し叩く（bang）か又は、衝突する。こ
れらの動的中央配置構造体の多くは、該ピストンが中央配置された位置にある時
の、１つ以上の該ピストン及びシリンダー壁内のポートが合致（registration）
することに依存しているので、該中央配置がもたらされる得る程該ピストンのオ
ッシレーション振幅が充分大きくなる前に、実質的時間インターバルが経過する
。
【００１５】
従って、該フリーピストン機械のスタートアップ中は該静的中央配置装置が周
期的衝突を防止する様に、該機械が動作していない時該ピストン部材が端部壁の
方へクリープ出来る、該フリーピストン機械と共に使用するための静的中央配置
装置のニーヅが存在する。
期的衝突を防止する様に、該機械が動作していない時該ピストン部材が端部壁の
方へクリープ出来る、該フリーピストン機械と共に使用するための静的中央配置
装置のニーヅが存在する。
【００１６】
従って本発明の目的と特徴は、端部壁衝突を避けるために、スタートアップ中
、静止ピストン部材をその休止位置から該動的中央配置システムが動作可能な位
置内へ移動させる装置を提供することである。
、静止ピストン部材をその休止位置から該動的中央配置システムが動作可能な位
置内へ移動させる装置を提供することである。
【００１７】
本発明は、該ハウジングに設置されそして、リニアモーターを形成するために
、永久磁石又は電磁石の様な、ピストン部材部品に磁気的にリンクされた、コイ
ルを使用する。これらの部品は本発明を実施するために排他的に提供され得るが
、好ましくは該コイルと、該コイルが磁気的にリンクされる該ピストン部材部品
、最も好ましくは永久磁石であるが、とはどちらもフリーピストン機械の部品で
ある交流リニア発電機又は交流シニアモーターの部分であるのがよい。本発明は
更に直流電流源と該直流源を該コイルに接続するスイッチとを有するが、それは
衝突のないスタートアップ用に該ピストンが適当に中央配置されるまで、該コイ
ルと、それが磁気的にリンクされるピストン部材部品とが直流リニアモーターと
して動作するように、該スイッチが閉じた時該コイルに直流を供給するためであ
る。該直流源電圧は、該ピストンを該シリンダーの端部壁から離すよう移動させ
るために該コイルに１時的に印加される。これは、予め決められた時間インター
バルの間該コイルに該直流を印加するか、又は適当に中央配置された位置に何時
該ピストンが到達したかを検出することにより達成されてもよい。
、永久磁石又は電磁石の様な、ピストン部材部品に磁気的にリンクされた、コイ
ルを使用する。これらの部品は本発明を実施するために排他的に提供され得るが
、好ましくは該コイルと、該コイルが磁気的にリンクされる該ピストン部材部品
、最も好ましくは永久磁石であるが、とはどちらもフリーピストン機械の部品で
ある交流リニア発電機又は交流シニアモーターの部分であるのがよい。本発明は
更に直流電流源と該直流源を該コイルに接続するスイッチとを有するが、それは
衝突のないスタートアップ用に該ピストンが適当に中央配置されるまで、該コイ
ルと、それが磁気的にリンクされるピストン部材部品とが直流リニアモーターと
して動作するように、該スイッチが閉じた時該コイルに直流を供給するためであ
る。該直流源電圧は、該ピストンを該シリンダーの端部壁から離すよう移動させ
るために該コイルに１時的に印加される。これは、予め決められた時間インター
バルの間該コイルに該直流を印加するか、又は適当に中央配置された位置に何時
該ピストンが到達したかを検出することにより達成されてもよい。
【００１８】
図面で図解される本発明の好ましい実施例の説明では、明確のために特定の用
語に頼っている。しかしながら、本発明はそう選択された該特定の用語に限定さ
れず、各特定の用語は同様の目的を達成するために同様な仕方で動作する全ての
技術的な均等物を含むことは理解されるべきである。例えば、言葉、接続された
、又はそれと同様な用語が屡々使用される。それらは直接的接続に限定されず、
この様な接続が均等であると当業者により認められる他の回路素子を通しての接
続も含む。加えて、電子的信号で良く知られた動作をする種類の回路が図解され
る。当業者は、それらが該信号で同じ動作を提供するので均等物と認められる代
替えの回路が多数存在しそして将来追加されることを認めるであろう。
語に頼っている。しかしながら、本発明はそう選択された該特定の用語に限定さ
れず、各特定の用語は同様の目的を達成するために同様な仕方で動作する全ての
技術的な均等物を含むことは理解されるべきである。例えば、言葉、接続された
、又はそれと同様な用語が屡々使用される。それらは直接的接続に限定されず、
この様な接続が均等であると当業者により認められる他の回路素子を通しての接
続も含む。加えて、電子的信号で良く知られた動作をする種類の回路が図解され
る。当業者は、それらが該信号で同じ動作を提供するので均等物と認められる代
替えの回路が多数存在しそして将来追加されることを認めるであろう。
【００１９】
図１はピストン部材１２を有するフリーピストン機械１０を図解する。該ピス
トン部材１２はハウジング１８内に形成されたシリンダー１６内で摺動可能に往
復可能なピストン１４を有する。該シリンダー又はハウジングは端部壁２０と反
対端部壁２２とを有する。該ピストン１４は第１流体空間２４を第２流体空間２
６から分離するのでこれらの流体空間の各々は該ピストン１４の相対する端部２
８と３０と接する。
トン部材１２はハウジング１８内に形成されたシリンダー１６内で摺動可能に往
復可能なピストン１４を有する。該シリンダー又はハウジングは端部壁２０と反
対端部壁２２とを有する。該ピストン１４は第１流体空間２４を第２流体空間２
６から分離するのでこれらの流体空間の各々は該ピストン１４の相対する端部２
８と３０と接する。
【００２０】
該フリーピストン機械１０は又従来の中央配置システムを備えるが、その最も
簡単化されたものが図１に図解される。この中央配置システムは通路１１を有す
るが、該通路は、該空間２６内に開くポート１３から、内側に面したシリンダー
壁及び外方に面するピストン壁内に形成された、１５のインターフエース用ポー
トを通り、そして空間２４内に開くポートＤを最後に通るよう延びている。
簡単化されたものが図１に図解される。この中央配置システムは通路１１を有す
るが、該通路は、該空間２６内に開くポート１３から、内側に面したシリンダー
壁及び外方に面するピストン壁内に形成された、１５のインターフエース用ポー
トを通り、そして空間２４内に開くポートＤを最後に通るよう延びている。
【００２１】
該フリーピストン機械１０は垂直に向けられている。結果として、スタートア
ップ（start-up）前に該ピストン部材１２は重力の力で下方へ該端部壁２０に接
するよう動く。
ップ（start-up）前に該ピストン部材１２は重力の力で下方へ該端部壁２０に接
するよう動く。
【００２２】
図１に示す該フリーピストン機械１０は従来技術で公知の広範な種類のフリー
ピストン機械を線図的に図解している。この様な機械は典型的に更に部品３２を
有するが、それは、フリーピストン機械の種類により、例えば、圧縮機又はポン
プの弁機構か、又はフリーピストンスターリングエンジン（free piston Stirli
ng engine）又は共通してヒートポンプ、クーラー又は極低温クーラー（cryocoo
lers）と呼ばれるフリーピストンスターリングヒートポンピング装置（free pis
ton Stirling heat pumping device）の、デイスプレーサー（displacer）、再
生器（regenerator）そして熱交換構造体（heat exchange structures）であっ
てもよい。
ピストン機械を線図的に図解している。この様な機械は典型的に更に部品３２を
有するが、それは、フリーピストン機械の種類により、例えば、圧縮機又はポン
プの弁機構か、又はフリーピストンスターリングエンジン（free piston Stirli
ng engine）又は共通してヒートポンプ、クーラー又は極低温クーラー（cryocoo
lers）と呼ばれるフリーピストンスターリングヒートポンピング装置（free pis
ton Stirling heat pumping device）の、デイスプレーサー（displacer）、再
生器（regenerator）そして熱交換構造体（heat exchange structures）であっ
てもよい。
【００２３】
コイル３４は該ハウジング１８に設置され、リニアモーターを形成するために
ピストン部材部品３６に磁気的にリンクされる。該好ましいピストン部材部品３
６はコネクチングロッド３８又は他の機械的結合により該ピストン１４へ設置さ
れた永久磁石である。結果として、該ピストン部材１２の該部品は機械的に一緒
にリンクされ、一緒に往復しそして該結合ロッド３８，該ピストン部材部品３６
そして該ピストン１４を含む。
ピストン部材部品３６に磁気的にリンクされる。該好ましいピストン部材部品３
６はコネクチングロッド３８又は他の機械的結合により該ピストン１４へ設置さ
れた永久磁石である。結果として、該ピストン部材１２の該部品は機械的に一緒
にリンクされ、一緒に往復しそして該結合ロッド３８，該ピストン部材部品３６
そして該ピストン１４を含む。
【００２４】
単極双投スイッチ（single pole, double throw switch）４０は該コイル３４
を、スイッチ接点４４を通る該スイッチ回路が閉じられた時は、該コイルに直流
電流を供給するために直流電流源４２へ、或いは該コイル３４を接続するために
、交流源４６又は他の交流回路へ、交互に接続する。
を、スイッチ接点４４を通る該スイッチ回路が閉じられた時は、該コイルに直流
電流を供給するために直流電流源４２へ、或いは該コイル３４を接続するために
、交流源４６又は他の交流回路へ、交互に接続する。
【００２５】
該コイル３４は交流リニア発電機のコイル、交流リニアモーターのコイル又は
本発明を実施する目的で設置されたコイルであってもよい。もし該コイル３４が
交流発電機のコイルであるなら、該交流源４６は代わりに交流負荷である。同様
に、磁石又は電磁石部品３６も又交流リニアモーター又は交流発電機用に主とし
て使用されてもよく、或いは本発明を実施するため設置されてもよい。
本発明を実施する目的で設置されたコイルであってもよい。もし該コイル３４が
交流発電機のコイルであるなら、該交流源４６は代わりに交流負荷である。同様
に、磁石又は電磁石部品３６も又交流リニアモーター又は交流発電機用に主とし
て使用されてもよく、或いは本発明を実施するため設置されてもよい。
【００２６】
該スイッチ４０の制御入力４８は電子的タイマー回路５０に接続される。該タ
イマー回路は、その入力５２で、手動の、電気的、機械的又は他の入力信号を受
信すると、直流電圧を該コイル３４に印加するために該スイッチ４０の該ワイパ
ー５４が接点４４に切り替えるよう従来のタイミングサイクルを始動するので、
該コイル３４と磁石３６の組合せは１時的に直流リニアモーターとして動作する
。明らかな様に、該ピストン部材を望ましい方向に動かすためには該電圧極性は
適当に選択されねばならない。該タイマー５０のタイミングインターバルが選択
された時間間隔の後タイムアウト（time out）になると、該ワイパーを該ターミ
ナル５６へ切り替えるために該タイマーはスイッチ４０の制御入力４８へ信号を
印加する。これは該直流リニアモーター動作を終了させ、オッシレートする動的
駆動を印加するために交流リニアモーター又は交流発電機動作を実質的に直ちに
始動する。
イマー回路は、その入力５２で、手動の、電気的、機械的又は他の入力信号を受
信すると、直流電圧を該コイル３４に印加するために該スイッチ４０の該ワイパ
ー５４が接点４４に切り替えるよう従来のタイミングサイクルを始動するので、
該コイル３４と磁石３６の組合せは１時的に直流リニアモーターとして動作する
。明らかな様に、該ピストン部材を望ましい方向に動かすためには該電圧極性は
適当に選択されねばならない。該タイマー５０のタイミングインターバルが選択
された時間間隔の後タイムアウト（time out）になると、該ワイパーを該ターミ
ナル５６へ切り替えるために該タイマーはスイッチ４０の制御入力４８へ信号を
印加する。これは該直流リニアモーター動作を終了させ、オッシレートする動的
駆動を印加するために交流リニアモーター又は交流発電機動作を実質的に直ちに
始動する。
【００２７】
該直流源１２が該コイル３４に印加される、該タイマー５０の動作時間は各フ
リーピストン機械用に実験的に決定されてもよい。該時間インターバルは該ピス
トン部材１２を、該端部壁２０から離して該ピストン及びシリンダー壁上の該中
央配置ポートが１５でインターフエースし該中央配置用通路１１が動作可能にな
る位置近くに動かすために要する時間である。その後該スイッチ４０は該交流源
４６を該コイル３４に印加するよう切り替えられるので該オッシレートする動的
駆動が該ピストン部材１２のオッシレートするリニア運動を始動するよう作動可
能になる。
リーピストン機械用に実験的に決定されてもよい。該時間インターバルは該ピス
トン部材１２を、該端部壁２０から離して該ピストン及びシリンダー壁上の該中
央配置ポートが１５でインターフエースし該中央配置用通路１１が動作可能にな
る位置近くに動かすために要する時間である。その後該スイッチ４０は該交流源
４６を該コイル３４に印加するよう切り替えられるので該オッシレートする動的
駆動が該ピストン部材１２のオッシレートするリニア運動を始動するよう作動可
能になる。
【００２８】
該コイルを直流リニアモーターとして駆動するために該コイルに該直流源が印
加される時間の長さは通常重要ではなく、何故ならば該ピストン１４が通常該空
間２４又は２６の１つ又は両者内のガスに対して作用するからである。このガス
は該ピストンシールを過ぎる漏洩を有するガスばね（gas spring）の様に作用す
る。従って、該ガスばね力は該直流電磁リニアモーターの力による該ピストンの
運動の加速度及び速度を制限する。例として、１つの機械では、適当な時間イン
ターバルは４又は５秒であることが実験的に決定された。
加される時間の長さは通常重要ではなく、何故ならば該ピストン１４が通常該空
間２４又は２６の１つ又は両者内のガスに対して作用するからである。このガス
は該ピストンシールを過ぎる漏洩を有するガスばね（gas spring）の様に作用す
る。従って、該ガスばね力は該直流電磁リニアモーターの力による該ピストンの
運動の加速度及び速度を制限する。例として、１つの機械では、適当な時間イン
ターバルは４又は５秒であることが実験的に決定された。
【００２９】
図面では単極双投スイッチが図解されるが、追加的目的を達成するために追加
極と追加スイッチ位置を有してもよい。例えば、該交流負荷又は源４６にオフス
イッチが含まれないならばオフ位置が追加されることが可能である。該スイッチ
４０は該リレーコイルであるその制御入力４８を有するリレーであることが好ま
しいが、電子技術でスイッチとして共通的に呼ばれる種々の他の素子と回路があ
り、使用され得る。該用語”スイッチ”は、電流をオン又はオフと切り替えるそ
して該オンとオフの状態の間で切り替えるための制御入力を有する、必要な導体
を含む、種々のスイッチング素子及び回路を呼ぶために、広い電子的意味で使用
される。これらは共通してスイッチとして使用されるリレー、トライアック（tr
iacs）そしてトランジスターの良く知られた例を含む。この様なスイッチの制御
入力は典型的にリレーのコイル、トライアック又はモストランジスター（MOS tr
ansistor）のゲート、又はバイポーラートランジスターのベース又は他のターミ
ナルであり、それらの全てはスイッチング機能を提供するために良く知られたト
ランジスター構成（transister configuration）で使用される。これらの回路は
通常、バイアス及び電流制限用抵抗器及び保護ダイオードの様なサポート回路素
子を含む。典型的に電子的スイッチは多数の種類がある制御回路又は駆動回路と
接続された入力を有する。典型的にスイッチ制御回路は電圧又は電流の様な入力
信号を受け、該入力電圧又は電流と比較するための基準電圧又は電流を有する。
それらは該電圧又は電流振幅が設定点基準（set point reference）の上に上昇
するか又はその下に降下すると該スイッチをオン又はオフに替える。スイッチ駆
動回路は、振幅を被駆動装置の入力に受け入れ可能な値に替えるための、電圧、
電流又はインピーダンスの変換回路又はバイアス回路を有するか又は単にそれ自
体である。
極と追加スイッチ位置を有してもよい。例えば、該交流負荷又は源４６にオフス
イッチが含まれないならばオフ位置が追加されることが可能である。該スイッチ
４０は該リレーコイルであるその制御入力４８を有するリレーであることが好ま
しいが、電子技術でスイッチとして共通的に呼ばれる種々の他の素子と回路があ
り、使用され得る。該用語”スイッチ”は、電流をオン又はオフと切り替えるそ
して該オンとオフの状態の間で切り替えるための制御入力を有する、必要な導体
を含む、種々のスイッチング素子及び回路を呼ぶために、広い電子的意味で使用
される。これらは共通してスイッチとして使用されるリレー、トライアック（tr
iacs）そしてトランジスターの良く知られた例を含む。この様なスイッチの制御
入力は典型的にリレーのコイル、トライアック又はモストランジスター（MOS tr
ansistor）のゲート、又はバイポーラートランジスターのベース又は他のターミ
ナルであり、それらの全てはスイッチング機能を提供するために良く知られたト
ランジスター構成（transister configuration）で使用される。これらの回路は
通常、バイアス及び電流制限用抵抗器及び保護ダイオードの様なサポート回路素
子を含む。典型的に電子的スイッチは多数の種類がある制御回路又は駆動回路と
接続された入力を有する。典型的にスイッチ制御回路は電圧又は電流の様な入力
信号を受け、該入力電圧又は電流と比較するための基準電圧又は電流を有する。
それらは該電圧又は電流振幅が設定点基準（set point reference）の上に上昇
するか又はその下に降下すると該スイッチをオン又はオフに替える。スイッチ駆
動回路は、振幅を被駆動装置の入力に受け入れ可能な値に替えるための、電圧、
電流又はインピーダンスの変換回路又はバイアス回路を有するか又は単にそれ自
体である。
【００３０】
図２は本発明の代替えの実施例を図解する。それはスイッチ２４０を通して、
直流源２４２にそして交替的に交流源２４６に、接続される一般的に表されたフ
リーピストン機械２１０を有する。しかしながら、図１に図解された該タイマー
５０の代わりに、図２の回路は電流センサー２５２とパルス検出器２５４とから
成る位置検出回路２５０を有する。該電流センサー２５２は、例えば、コイル３
４を通る電流を表す電圧降下を提供するための低抵抗抵抗器であってもよい。該
出力２５６は該パルス検出器２５４の入力に接続されるが、該検出器は今度は該
スイッチ２４０の制御入力２５８に接続される。
直流源２４２にそして交替的に交流源２４６に、接続される一般的に表されたフ
リーピストン機械２１０を有する。しかしながら、図１に図解された該タイマー
５０の代わりに、図２の回路は電流センサー２５２とパルス検出器２５４とから
成る位置検出回路２５０を有する。該電流センサー２５２は、例えば、コイル３
４を通る電流を表す電圧降下を提供するための低抵抗抵抗器であってもよい。該
出力２５６は該パルス検出器２５４の入力に接続されるが、該検出器は今度は該
スイッチ２４０の制御入力２５８に接続される。
【００３１】
該フリーピストン機械２１０の本来の特性は、該電圧源２４２を該コイル２３
４に印加することにより該ピストンが駆動された時該空間２２４及び２２６内の
ガスが該空間の１つからもう１つへ低流量の漏洩しか有しないことである。結果
として、該ピストンは、該中央配置通路２１１が該空間２２４と２２６の間の連
通を提供するまで該端部壁２２０から離れるようゆっくり移動する。その連通が
起こると、該空間２２４と２２６の間の流れ抵抗は階段関数（step function）
の様に減少する。結果的に該ピストン部材２１２は加速を、そして速度の階段関
数的増加を、得る。該磁石２３６の速度のこの突然の増加は、電流センサー２５
２，該直流源２４２、該スイッチ２４０そして該コイル２３４を含む直列回路内
に電流スパイク（current spike）を発生する。この電流スパイクは該電流セン
サー２５２により電圧スパイクに変換され該パルス検出器２５４により検出され
る。該スパイクに応答して、該パルス検出器２５４はスイッチ２４０を、該コイ
ル２３４の該直流源２４４への接続から切り離し該、コイル２３４の該交流源２
４６との接続へ切り替える。
４に印加することにより該ピストンが駆動された時該空間２２４及び２２６内の
ガスが該空間の１つからもう１つへ低流量の漏洩しか有しないことである。結果
として、該ピストンは、該中央配置通路２１１が該空間２２４と２２６の間の連
通を提供するまで該端部壁２２０から離れるようゆっくり移動する。その連通が
起こると、該空間２２４と２２６の間の流れ抵抗は階段関数（step function）
の様に減少する。結果的に該ピストン部材２１２は加速を、そして速度の階段関
数的増加を、得る。該磁石２３６の速度のこの突然の増加は、電流センサー２５
２，該直流源２４２、該スイッチ２４０そして該コイル２３４を含む直列回路内
に電流スパイク（current spike）を発生する。この電流スパイクは該電流セン
サー２５２により電圧スパイクに変換され該パルス検出器２５４により検出され
る。該スパイクに応答して、該パルス検出器２５４はスイッチ２４０を、該コイ
ル２３４の該直流源２４４への接続から切り離し該、コイル２３４の該交流源２
４６との接続へ切り替える。
【００３２】
結果として、図２の実施例の動作では、該パルス検出器２５４への手動の又は
信号の入力２５１は該スイッチを切り替えるのでそれは直流源２４２の電圧を該
コイル２３４に印加し、それにより該ピストン部材２１２を該端部壁２２０から
離すよう移動させる。該ピストン部材２１２が、該動的中央配置システムが動作
可能となる位置に到達すると、該スパイクが発生され、該パルス検出器２５４に
より検出されるが、該検出器は該スイッチ２４０が該コイル２３４を該交流源２
４６へ接続するよう切り替える。
信号の入力２５１は該スイッチを切り替えるのでそれは直流源２４２の電圧を該
コイル２３４に印加し、それにより該ピストン部材２１２を該端部壁２２０から
離すよう移動させる。該ピストン部材２１２が、該動的中央配置システムが動作
可能となる位置に到達すると、該スパイクが発生され、該パルス検出器２５４に
より検出されるが、該検出器は該スイッチ２４０が該コイル２３４を該交流源２
４６へ接続するよう切り替える。
【００３３】
図３は本発明のなおもう１つの代替えの実施例を図解する。該スターリング機
械（Stirling machine）３１０はコイル３３４を有するが、該コイルは、もし該
フリーピストン機械が該コイル３３４を使用する交流発電機を含むならば、該ス
イッチ３４０のターミナル３５６を通して交流負荷３４６に接続可能である。該
フリーピストン機械３１０は上記説明のどの種類であってもよいが、交流発電機
と該交流負荷３４６との使用は１つの変型（one variation）を図解する。
械（Stirling machine）３１０はコイル３３４を有するが、該コイルは、もし該
フリーピストン機械が該コイル３３４を使用する交流発電機を含むならば、該ス
イッチ３４０のターミナル３５６を通して交流負荷３４６に接続可能である。該
フリーピストン機械３１０は上記説明のどの種類であってもよいが、交流発電機
と該交流負荷３４６との使用は１つの変型（one variation）を図解する。
【００３４】
図２に図解される、該コイルに電力を供給する回路内に流れる電流から該ピス
トン部材位置を検出する代わりに、図３の該実施例は、入手可能である又は入手
可能になる幾つかの位置検出又は変位変換器（displacement transducer）のど
れか１つを使用することも可能であることを図解する。図３は変位変換器３８０
の使用を図解するが、該変換器は該ハウジング３１８に結合された１端３８２と
該ピストン部材３１２に結合された運動可能な反対端３８４とを有する。該変位
変換器３８０は位置検出器回路３８６に信号を提供するが、該回路は今度は該ス
イッチ３４０を、直流源３４２からの電圧を該コイル３４４に印加するターミナ
ル３４４との接触から、該ピストン部材３１２が、選択され、充分に中央配置さ
れた位置に到達する時の該ターミナル３５６との接触に切り替える。
トン部材位置を検出する代わりに、図３の該実施例は、入手可能である又は入手
可能になる幾つかの位置検出又は変位変換器（displacement transducer）のど
れか１つを使用することも可能であることを図解する。図３は変位変換器３８０
の使用を図解するが、該変換器は該ハウジング３１８に結合された１端３８２と
該ピストン部材３１２に結合された運動可能な反対端３８４とを有する。該変位
変換器３８０は位置検出器回路３８６に信号を提供するが、該回路は今度は該ス
イッチ３４０を、直流源３４２からの電圧を該コイル３４４に印加するターミナ
ル３４４との接触から、該ピストン部材３１２が、選択され、充分に中央配置さ
れた位置に到達する時の該ターミナル３５６との接触に切り替える。
【００３５】
該従来技術は往復するボデイの変位を測定するために広範な種類の適用可能な
位置検出素子と回路とを有する。例が、引用によりここに組み入れられる下記特
許、第４、８６４、２３２号、第４、８６６、３７８号、第５、３４２、１７６
号そして第５、４９６、１５３号に図解されている。
位置検出素子と回路とを有する。例が、引用によりここに組み入れられる下記特
許、第４、８６４、２３２号、第４、８６６、３７８号、第５、３４２、１７６
号そして第５、４９６、１５３号に図解されている。
【００３６】
本発明の最も重要な側面は、該コイルに直流電圧を１時的に印加することによ
り該ピストン部材を該シリンダーの端部壁から離れるよう動かすことであるが、
或る状況では、端部壁に対し既知の位置へ該ピストン部材を動かすために最初に
該直流電圧を反対極性で印加することが望ましい。これは、該ピストン部材の静
的位置が不確実（uncertain）であり、該コイルへの該直流電圧の印加を終了す
るために該タイミング法（timing method）が使用されるフリーピストン機械応
用で望ましい。不確実なピストン部材位置は、例えば、インターフエースするピ
ストンとシリンダー壁を過ぎるガス漏洩が少なく、そして該２つのガス空間の間
に他のガス流通が無い時に、存在する。又それは、該軸線の向きに少ししか垂直
成分が無い場合で、そして特にもし該フリーピストン機械が、静的状態にある時
、振動に曝されるならば、存在する。
り該ピストン部材を該シリンダーの端部壁から離れるよう動かすことであるが、
或る状況では、端部壁に対し既知の位置へ該ピストン部材を動かすために最初に
該直流電圧を反対極性で印加することが望ましい。これは、該ピストン部材の静
的位置が不確実（uncertain）であり、該コイルへの該直流電圧の印加を終了す
るために該タイミング法（timing method）が使用されるフリーピストン機械応
用で望ましい。不確実なピストン部材位置は、例えば、インターフエースするピ
ストンとシリンダー壁を過ぎるガス漏洩が少なく、そして該２つのガス空間の間
に他のガス流通が無い時に、存在する。又それは、該軸線の向きに少ししか垂直
成分が無い場合で、そして特にもし該フリーピストン機械が、静的状態にある時
、振動に曝されるならば、存在する。
【００３７】
該ピストン部材位置が不確実な場合、該直流電圧は、該実効直流リニアモータ
ーが該ピストン部材を該シリンダーの１つの端部壁へ動かす極性で該コイルに印
加される。これは、次いで該コイルに直流電圧を反対極性で１時的に印加するこ
とにより該ピストン部材が該端部壁から離れるよう動かされる時、常に同じ位置
から始まることを可能にする。
ーが該ピストン部材を該シリンダーの１つの端部壁へ動かす極性で該コイルに印
加される。これは、次いで該コイルに直流電圧を反対極性で１時的に印加するこ
とにより該ピストン部材が該端部壁から離れるよう動かされる時、常に同じ位置
から始まることを可能にする。
【００３８】
図５は交流リニア電気モーターにより駆動される極低温クーラーの形式でのフ
リーピストン機械５１０を図解する。その特徴は本発明に対し特にユニークでは
なく本発明と共に使用され得る多くの他のフリーピストン機械があるので、それ
を詳細には説明しない。該フリーピストン機械５１０は、ハウジング５１８内に
形成されたシリンダー５１６内に摺動可能なピストン５１４を有するピストン部
材５１２を備える。該ピストンは通路（passageway）５１１から成る中央配置シ
ステムを備える。該通路５１１はポート５１３から該ピストン５１４内に形成さ
れたポート５１５を通るよう延びる。環状の溝５２１が該シリンダー内に形成さ
れているので、ガスは該ポート５１５から該残りのインターフエース用ポート５
２３へ周るよう連通しそして該通路を通りポート５１７のその出口まで続く。結
果的に、該ピストン部材が図５に図解された該位置にある時に該中央配置を保持
するよう該連通を提供するために、該通路５１１の端部で１つのポートが該ガス
空間５２６内へ開き、一方反対ポート５１７はガス空間５２４内へ開く。
リーピストン機械５１０を図解する。その特徴は本発明に対し特にユニークでは
なく本発明と共に使用され得る多くの他のフリーピストン機械があるので、それ
を詳細には説明しない。該フリーピストン機械５１０は、ハウジング５１８内に
形成されたシリンダー５１６内に摺動可能なピストン５１４を有するピストン部
材５１２を備える。該ピストンは通路（passageway）５１１から成る中央配置シ
ステムを備える。該通路５１１はポート５１３から該ピストン５１４内に形成さ
れたポート５１５を通るよう延びる。環状の溝５２１が該シリンダー内に形成さ
れているので、ガスは該ポート５１５から該残りのインターフエース用ポート５
２３へ周るよう連通しそして該通路を通りポート５１７のその出口まで続く。結
果的に、該ピストン部材が図５に図解された該位置にある時に該中央配置を保持
するよう該連通を提供するために、該通路５１１の端部で１つのポートが該ガス
空間５２６内へ開き、一方反対ポート５１７はガス空間５２４内へ開く。
【００３９】
該ピストン５１４は構成的に形成されたフランジ５３３を通して永久磁石５３
６及び５３７に結合される。該永久磁石５３６及び５３７は該ピストン５１４と
共に往復する。円形コイル５３４が第１環状極片５３５内に配置される。磁石５
３６及び５３７は該ハウジング５１８に固定された環状極片５３５とやはり該ハ
ウジング５１８に固定された第２極片５３９との間で往復する。該フリーピスト
ン機械５１０はスターリングサイクル極低温クーラーであるから、再生器を有し
そしてコネクチングロッド５７４により平面ばね（planar spring）５７６に設
置されるデイスプレーサー５７２もそれは備えている。又該フリーピストン機械
５１０はその冷たい先端５８０から汲み上げられる熱を廃棄するために熱廃棄シ
ステム（heat rejection system）５７８を有する。
６及び５３７に結合される。該永久磁石５３６及び５３７は該ピストン５１４と
共に往復する。円形コイル５３４が第１環状極片５３５内に配置される。磁石５
３６及び５３７は該ハウジング５１８に固定された環状極片５３５とやはり該ハ
ウジング５１８に固定された第２極片５３９との間で往復する。該フリーピスト
ン機械５１０はスターリングサイクル極低温クーラーであるから、再生器を有し
そしてコネクチングロッド５７４により平面ばね（planar spring）５７６に設
置されるデイスプレーサー５７２もそれは備えている。又該フリーピストン機械
５１０はその冷たい先端５８０から汲み上げられる熱を廃棄するために熱廃棄シ
ステム（heat rejection system）５７８を有する。
【００４０】
該フリーピストン機械５１０は垂直向きで図解されている。結果として、静止
条件では、該ピストン５１４は、該環状フランジ５３３がＯリング５８２に対峙
して座るまで下方へ降下する。該Ｏリングは該ピストンフランジ５３３が該内部
極片５３９の上端に対し直接降下することを防止するために幾らかの緩衝作用を
提供する。該コイル５３４に接続された該導体５８４及び５８６は、該交流源が
該導体５８４及び５８６に印加されるまで該磁石５３６及び５３７に上方への力
を１時的に印加する極性で直流電圧を該コイル５３４に印加するために本発明を
具体化する回路に接続される。
条件では、該ピストン５１４は、該環状フランジ５３３がＯリング５８２に対峙
して座るまで下方へ降下する。該Ｏリングは該ピストンフランジ５３３が該内部
極片５３９の上端に対し直接降下することを防止するために幾らかの緩衝作用を
提供する。該コイル５３４に接続された該導体５８４及び５８６は、該交流源が
該導体５８４及び５８６に印加されるまで該磁石５３６及び５３７に上方への力
を１時的に印加する極性で直流電圧を該コイル５３４に印加するために本発明を
具体化する回路に接続される。
【００４１】
図４は本発明の好ましい実施例のブロック線図であり、図６−９はそのブロッ
ク線図の大部分の詳細を図解する。従って、図４と図６−９は同時に説明されそ
して適用可能な場合は図４と同一引用番号が図６−９で使用される。
ク線図の大部分の詳細を図解する。従って、図４と図６−９は同時に説明されそ
して適用可能な場合は図４と同一引用番号が図６−９で使用される。
【００４２】
交流源又は負荷４００はリレーターミナル４０２の常閉接点を通してコイル４
０４に接続される。交流電流はトライアック（triac）制御回路４０８により制
御される直列接続トライアック４０６により制御される。該トライアック制御回
路は、この様な回路が良く知られており従来型であるので詳細には図解しない。
直流電圧源はシリコン制御整流器（silicon controlled rectifier）ブリッジ回
路４１０により提供される。該整流器ブリッジ４１０の該エスシーアール（SCR
）はエスシーアールゲート駆動回路４１２により制御される。該ブリッジ整流器
４１０とそのゲート駆動部４１２は図６で破線４１０／４１２内で図解されてい
る。ゼロクロス検出器回路（zero cross detector circuit）４１４は該交流源
又は負荷４００の電圧がゼロ電圧をクロスする時刻を検出するので該整流器ブリ
ッジ４１０の該エスシーアールエス（SCRs）は該ゼロクロスオーバー後望ましい
位相後れで該位相制御回路４１６により点弧（fired）される。該点弧位相は、
該コイルを直流リニアモーターのアーマチャー捲き線として１時的に動作させる
ために安全で有効な直流電流を提供するよう選択される。該整流器ブリッジとそ
の駆動回路は従来技術で公知の種類の回路であり、従って更に詳細には説明しな
い。
０４に接続される。交流電流はトライアック（triac）制御回路４０８により制
御される直列接続トライアック４０６により制御される。該トライアック制御回
路は、この様な回路が良く知られており従来型であるので詳細には図解しない。
直流電圧源はシリコン制御整流器（silicon controlled rectifier）ブリッジ回
路４１０により提供される。該整流器ブリッジ４１０の該エスシーアール（SCR
）はエスシーアールゲート駆動回路４１２により制御される。該ブリッジ整流器
４１０とそのゲート駆動部４１２は図６で破線４１０／４１２内で図解されてい
る。ゼロクロス検出器回路（zero cross detector circuit）４１４は該交流源
又は負荷４００の電圧がゼロ電圧をクロスする時刻を検出するので該整流器ブリ
ッジ４１０の該エスシーアールエス（SCRs）は該ゼロクロスオーバー後望ましい
位相後れで該位相制御回路４１６により点弧（fired）される。該点弧位相は、
該コイルを直流リニアモーターのアーマチャー捲き線として１時的に動作させる
ために安全で有効な直流電流を提供するよう選択される。該整流器ブリッジとそ
の駆動回路は従来技術で公知の種類の回路であり、従って更に詳細には説明しな
い。
【００４３】
タイミングは該直流スタートタイミング制御部４１８により達成される。該タ
イミング制御部４１８用のタイミングサイクルは、該フリーピストン機械をスタ
ートすることが望まれた時該回路の電力立ち上げ（power up）により始動される
。該タイミング制御回路４１８の出力は該エスシーアールゲート駆動部４１２の
みならずスタート／ラン選択駆動部４２０にも印加される。該タイミング制御部
４１８の出力４２２は、タイミングインターバルの始動時には第１状態を、そし
て該タイミングインターバルの終わりでは第２状態を、有する。結果的に、該リ
レーコイル４２４を駆動する、該スタート／ラン選択駆動部４２０（図８）は該
スイッチ４０２を、該整流器ブリッジ４１０の直流電圧出力と該交流源又は負荷
４００の間で、上記の仕方で、切り替える。該整流器ブリッジ４１０からの該直
流電圧が該コイル４０４に印加されない時該エスシーアールエスの点弧を防止す
るために該タイミング制御部４１４の出力４２２も該エスシーアールゲート駆動
部４１２に印加される。
イミング制御部４１８用のタイミングサイクルは、該フリーピストン機械をスタ
ートすることが望まれた時該回路の電力立ち上げ（power up）により始動される
。該タイミング制御回路４１８の出力は該エスシーアールゲート駆動部４１２の
みならずスタート／ラン選択駆動部４２０にも印加される。該タイミング制御部
４１８の出力４２２は、タイミングインターバルの始動時には第１状態を、そし
て該タイミングインターバルの終わりでは第２状態を、有する。結果的に、該リ
レーコイル４２４を駆動する、該スタート／ラン選択駆動部４２０（図８）は該
スイッチ４０２を、該整流器ブリッジ４１０の直流電圧出力と該交流源又は負荷
４００の間で、上記の仕方で、切り替える。該整流器ブリッジ４１０からの該直
流電圧が該コイル４０４に印加されない時該エスシーアールエスの点弧を防止す
るために該タイミング制御部４１４の出力４２２も該エスシーアールゲート駆動
部４１２に印加される。
【００４４】
本発明の或る好ましい実施例が詳細に開示されたが、本発明の精神又は付属す
る請求項の範囲から離れることなく種々の変型が採用されることは理解されるべ
きである。
る請求項の範囲から離れることなく種々の変型が採用されることは理解されるべ
きである。
【図１−３】
本発明の原理を図解する簡単化された線図である。
【図４】
本発明を具体化する電気回路のブロック図である。
【図５】
本発明が適用されるフリーピストン機械の線図である。
【図６，７，８そして９】
本発明の好ましい実施例の詳細の略図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年３月２日（２００１．３．２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ
，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，
ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ
Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ
，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，
ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，
ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ
Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ
，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，
ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ
Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ
，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，
ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ
Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ
，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，
ＺＡ，ＺＷ
Claims (13)
- 【請求項１】 ハウジング部材内に形成されたシリンダー内で摺動可能に往
復可能なピストンを有する、フリーピストン部材を端部壁から離すよう移動させ
るためのピストン中央配置装置に於いて、該ピストンがその相対する端部に接す
る２つの流体空間を分離している、該装置が、 （ａ）前記部材の１つに設置されそしてリニアモーターを形成するために前記
部材のもう１つに磁気的にリンクされたコイルと、 （ｂ）直流電流源と、そして （ｃ）スイッチであるが、該スイッチ回路が閉じた時該コイルに直流電流を供
給するために、該直流電流源を該コイルに接続する該スイッチとを具備すること
を特徴とする装置。 - 【請求項２】 請求項１の装置に於いて、該スイッチは、該スイッチを閉じ
るためそして選択された時間間隔の間該リニアモーターを駆動するため、タイマ
ー回路に接続された制御入力を有することを特徴とする装置。 - 【請求項３】 請求項１の装置に於いて、該スイッチは、選択されたピスト
ン部材位置に応答して該スイッチを開き、該リニアモーターの駆動を停止するた
めにピストン部材位置検出回路に接続された制御入力を有することを特徴とする
装置。 - 【請求項４】 請求項３の装置に於いて、該ピストン部材は該コイルに磁気
的にリンクされた磁石をピストン部材部品として有しており、該位置検出回路は
該スイッチ、該コイルそして該直流源と直列に接続されたインピーダンスを有し
ており、該装置は更に、該ピストンが中央配置された位置にある時流体が該流体
空間の１つからもう１つの流体空間へ流れることを可能にすることにより該ピス
トンを動的に中央配置するために該ハウジング内に形成された通路と、該ピスト
ンが前記流体流れを可能にする位置にある時パルスの検出に応答して該スイッチ
を開くために該インピーダンスに接続された入力及び該スイッチ制御入力に接続
された出力を有するパルス検出器と、を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項５】 ハウジング部材内に形成されたシリンダー内で摺動可能に往
復可能なピストンと、前記部材の１つに機械的にリンクされそして交流の電気機
械的リニア変換器を形成するためにもう１つの前記部材に設置されたコイルに磁
気的にリンクされた磁石と、を有するフリーピストン装置で、該ピストンがその
相対する端部に接する２つの流体空間を分離しており、該ピストンを該シリンダ
ーの端部壁から離すよう動かすためのピストン中央配置装置に於いて、該装置が
、 （ａ）直流電流源と、そして （ｃ）スイッチであるが、該コイルと磁石を直流リニアモーターとして動作さ
せるために該スイッチが閉じた時該コイルに直流電流を供給するように、該直流
電流源を該コイルに接続する該スイッチとを具備することを特徴とするピストン
中央配置装置。 - 【請求項６】 請求項５の装置に於いて、該スイッチは、選択された時間間
隔の間該スイッチを閉じそして該リニアモーターを駆動するためにタイマー回路
に接続された制御入力を有することを特徴とする装置。 - 【請求項７】 請求項６の装置に於いて、該スイッチは、該コイルを前記直
流源に接続するための１つの位置と該コイルを交流回路に接続するための第２位
置との少なくとも２つの位置を有することを特徴とする装置。 - 【請求項８】 請求項５の装置に於いて、該スイッチは、選択されたピスト
ン位置に応答して該スイッチを開き該直流リニアモーターの駆動を停止するため
にピストン位置検出回路に接続された制御入力を有することを特徴とする装置。 - 【請求項９】 請求項８の装置に於いて、該スイッチは、該コイルを前記直
流源に接続するための１つの位置と該コイルを交流回路に接続するための第２位
置との、少なくとも２つの位置を有することを特徴とする装置。 - 【請求項１０】 請求項８の装置に於いて、該位置検出回路は該スイッチ、
該コイルそして該直流源と直列に接続されたインピーダンスを有しており、該装
置は更に、該ピストンが中央配置された位置にある時流体が該流体空間の１つか
らもう１つの流体空間へ流れることを可能にすることにより該ピストンを動的に
中央配置するために該ハウジング内に形成された通路と、そして該ピストンが前
記流体流れを可能にする位置にある時パルスの検出に応答して該スイッチを開く
ために該インピーダンスに接続された入力及び該スイッチ制御入力に接続された
出力を有するパルス検出器と、を備えることを特徴とする装置。 - 【請求項１１】 ハウジング部材内に形成されたシリンダー内で摺動可能に
往復可能なピストンと、前記部材の１つに機械的にリンクされそしてもう１つの
前記部材に設置されたコイルに磁気的にリンクされた磁石とを有するフリーピス
トン装置のスタートアップを始動するための方法に於いて、該方法は、 該コイルに直流電圧を１時的に印加することにより該ピストンを該シリンダー
の端部壁から離れるよう動かす過程を具備することを特徴とする方法。 - 【請求項１２】 請求項１１の方法に於いて、該装置は該直流電圧が該コイ
ルに印加される前は静止しており、該コイルから該直流電圧が遮断された実質的
に直後に該装置にオッシレートする動的駆動力が印加されることを特徴とする方
法。 - 【請求項１３】 請求項１２の方法が更に、最初該ピストンを該シリンダー
の端部の方へ駆動する電圧極性で直流電圧を該コイルに印加する過程と次いで該
ピストンを該端部から離れるように駆動するために該反対極性で直流電圧を印加
する過程とを具備することを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/389,191 | 1999-09-02 | ||
| US09/389,191 US6199381B1 (en) | 1999-09-02 | 1999-09-02 | DC centering of free piston machine |
| PCT/US2000/021517 WO2001016463A1 (en) | 1999-09-02 | 2000-08-04 | Dc centering of free piston machines |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003508663A true JP2003508663A (ja) | 2003-03-04 |
| JP3630661B2 JP3630661B2 (ja) | 2005-03-16 |
Family
ID=23537229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001519989A Expired - Fee Related JP3630661B2 (ja) | 1999-09-02 | 2000-08-04 | フリーピストン機械の直流による中央配置装置と方法 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6199381B1 (ja) |
| EP (1) | EP1208288B1 (ja) |
| JP (1) | JP3630661B2 (ja) |
| KR (1) | KR100503821B1 (ja) |
| AT (1) | ATE307963T1 (ja) |
| AU (1) | AU754032B2 (ja) |
| DE (1) | DE60023514T2 (ja) |
| WO (1) | WO2001016463A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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