(57)【特許請求の範囲】
【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）スイッチ回路であるが、該スイッチ回路が閉じた時該ピストンを該端部壁から離すよう駆動する極性で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回路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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【背景】
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】
【本発明の分野】
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 ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）である。
【０００５】
【関係技術の説明】
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（ｌｏａｄｉｎｇ）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ 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、５４７号、第４、６４９、２８３号、第５、６４２、０８８号、第４、９１２、４０９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。
【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。
【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。
【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。
【００１７】
【本発明の概要】
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。
【００１８】
【本発明の詳細な説明】
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。
【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２６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２８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。
【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。
【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 Ｓｔｉｒｌｉｎｇ 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（ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒｓ）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 ｐｉｓｔｏｎ 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３６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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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（ｔｒｉａｃｓ）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 ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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３４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２３４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２５２，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２４６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２４６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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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５２３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５３６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５３６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。
【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。
【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４０４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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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