(57)【要約】フリーピストンスターリングマシン内で往復運動するフリーピストンの位置を検出するためのセンサ。センサは、パワーピストンの端面にシリンダと同軸線上に取り付けられてピストンとともに往復運動するディスクを有する。ディスクはその外周を取り囲む、導電性の材料から成るリムを含む。コイルが、シリンダと同軸線上に、ディスクの外周から外へ向かって間隔を空けて巻装され、圧力容器に関して定位置に、好適に、圧力容器の壁の外側に取り付けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスを収容するための外側の圧力容器、及び該圧力容器内のシリンダ内を定格最大ストロークにおいて往復運動の軸線に沿って自由に往復運動可能な少なくとも一つのパワーピストンを有するフリーピストンスターリングマシンにおける往復運動するフリーピストンの並進移動又は位置を検出するためのセンサであって、
（ａ）前記ピストンの端面に前記シリンダと同軸線に取り付けられ前記ピストンとともに往復運動するディスクであって、その外周を取り囲んだ、導電性材料から形成されたリムを含む、ディスクと、
（ｂ）前記シリンダと同軸線に巻装されたコイルであって、前記ディスクの前記外周から外に向かって間隔を空け、前記圧力容器に関して定位置に取り付けられたコイルと、を含み、
前記コイルが、検出回路に接続するための導電体のリードを有する、
センサ。
【請求項２】
前記ディスクが、前記定格最大ストロークの３０パーセント以内の軸線方向の厚さを有し、該軸線方向の厚みよりも大きい、前記軸線に対して垂直な半径方向寸法を有する、
請求項１に記載されたセンサ。
【請求項３】
前記コイルが、少なくとも前記定格最大ストロークに実質的に等しい長さを有し、前記定格最大ストロークの中心に実質的に中心がある、
請求項２に記載されたセンサ。
【請求項４】
前記コイルが、前記圧力容器の外に巻装され、前記圧力容器が非強磁性材料から成る、
請求項３に記載されたセンサ。
【請求項５】
前記ディスクが、前記ピストンに取り付けられた中心ハブ、外周リム、及び前記ハブと前記リムとを連結するスポークから成る、
請求項４に記載されたセンサ。
【請求項６】
前記リムが前記スポークよりも高い導電率を有する導電材料から成り、前記スポークがばね材料から形成されている、
請求項５に記載されたセンサ。
【請求項７】
前記往復運動するフリーピストンが最大定格許容ストロークを有し、前記センサがさらに、前記圧力容器に関して定位置に前記圧力容器の内側に取り付けられた少なくとも一対の止め具を含み、
前記一対の止め具が、前記最大定格許容ストロークと等しい間隔を空け、前記定格最大ストロークの中心をはさんで両側に等距離で同軸線上に置かれ、ストロークが前記最大定格許容ストロークを越えた場合に前記ディスクの前記リムが接触するように整列して並べられている、
請求項５に記載されたセンサ。
【請求項８】
前記ディスクと前記ピストンの端面との間に同軸線上にスペーサが位置し、
前記スペーサが、前記スポークが前記リムと前記スペーサとの間で曲がることができるよう、前記ピストンの直径よりも小さい直径を有する、
請求項７に記載されたセンサ。
【請求項９】
前記ディスクが、円形の外側の周縁を有する、
請求項８に記載されたセンサ。
【請求項１０】
前記コイルがその両端において、巻線がより集中して巻装されている、
請求項３に記載されたセンサ。
【請求項１１】
前記ディスクが、前記ピストンに取り付けられた中心ハブ、外周リム、及び前記ハブと前記リムとを連結するスポークから成る、
請求項１０に記載されたセンサ。
【請求項１２】
前記リムが前記スポークよりも高い導電率を有する導電材料から成り、前記スポークがばね材料から形成されている、
請求項１１に記載されたセンサ。
【請求項１３】
前記往復運動するフリーピストンが最大定格許容ストロークを有し、前記センサがさらに、前記圧力容器に関して定位置に前記圧力容器の内側に取り付けられた少なくとも一対の止め具を含み、
前記一対の止め具が、前記最大定格許容ストロークと等しい間隔を空け、前記定格最大ストロークの中心をはさんで両側に等距離で同軸線上に置かれ、ストロークが前記最大定格許容ストロークを越えた場合に前記ディスクの前記リムが接触するように整列して並べられている、
請求項１０に記載されたセンサ。
【請求項１４】
前記ディスクと前記ピストンの端面との間に同軸線上にスペーサが位置し、
前記スペーサが、前記スポークが前記リムと前記スペーサとの間で曲がることができるよう、前記ピストンの直径よりも小さい直径を有する、
請求項１３に記載されたセンサ。
【請求項１５】
前記ディスクが、円形の外側の周縁を有する、
請求項１４に記載されたセンサ。
【請求項１６】
前記ディスクが、前記ピストンに取り付けられた中心ハブ、外周リム、及び前記ハブと前記リムとを連結するスポークから成る、
請求項３に記載されたセンサ。
【請求項１７】
前記リムが前記スポークよりも高い導電率を有する導電材料から成り、前記スポークがばね材料から形成されている、
請求項１６に記載されたセンサ。
【請求項１８】
前記往復運動するフリーピストンが最大定格許容ストロークを有し、前記センサがさらに、前記圧力容器に関して定位置に前記圧力容器の内側に取り付けられた少なくとも一対の止め具を含み、
前記一対の止め具が、前記最大定格許容ストロークと等しい間隔を空け、前記定格最大ストロークの中心をはさんで両側に等距離で同軸線上に置かれ、ストロークが前記最大定格許容ストロークを越えた場合に前記ディスクの前記リムが接触するように整列して並べられている、
請求項１６に記載されたセンサ。
【請求項１９】
前記ディスクと前記ピストンの端面との間に同軸線上にスペーサが位置し、
前記スペーサが、前記スポークが前記リムと前記スペーサとの間で曲がることができるよう、前記ピストンの直径よりも小さい直径を有する、
請求項１８に記載されたセンサ。
【請求項２０】
前記ディスクが、円形の外側の周縁を有する、
請求項１９に記載されたセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストンスターリングエンジン、クーラー、及びヒートポンプに関し、特に、そのようなフリーピストンマシンの往復運動するパワーピストンの位置を検出するためのポジションセンサ（位置検出器）に関する。センサは、それがフリーピストンマシンの長さをわずかしか増加させないという利点を有する。また、電気出力信号を提供するセンサのコイル部分を、フリーピストンマシンの圧力容器のヘッドの外側に取り付けることができ、それによって、いかなる導電体も圧力容器を貫いて通す必要がないという利点を有する。
【背景技術】
【０００２】
２０１０年２月１９日に出願された、優先権主張の基礎となる出願番号第６１／３０５９８６号の仮特許出願は、当該言及により本件出願に組み込まれる。米国特許第４，６６７，１５８号、米国特許第４，８６６，３７８号、及び米国特許第４，９１２，４０９号もまた、当該言及によって組み込まれる。
【０００３】
フリーピストンスターリングマシンは、先行技術で周知の熱機械オシレータである。フリーピストンスターリングマシンは、それらの周波数、位相、振幅を制御する能力、それらの周囲から密閉シールされる能力、及び作動ガスと潤滑油の混合を防ぐために可動部間の機械的な流体シールを必要としないことを含む、非常に多くの利点を提示する。概して、フリーピストンスターリングマシンは、シリンダ内で往復運動し、ばねに接続されて共振システムを形成するパワーピストンを含む。パワーピストンはまた、スターリングマシンがエンジンとして運転されるときには、負荷に結合され、スターリングマシンがヒートポンプ又はクーラーとして運転されるときは、ピストンの往復運動を駆動するための往復運動原動機に結合される。フリーピストンスターリングマシンにおいては、ピストン、及びディスプレーサ（それがある場合）は、それらの往復運動を一定のストロークに制限する機械的リンク機構、例えば、連接棒やクランク軸によって、互いに結合されておらず、あるいは、負荷又は原動機に結合されていない。代わりに、往復運動するピストンのストロークは自由に変化し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，６６７，１５８号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８６６，３７８号明細書
【特許文献３】米国特許第４，９１２，４０９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
典型的に、フリーピストンマシンは、定格ストロークを有するピストンを念頭において設計されている。しかしながら、マシンがさまざまな負荷、あるいはさまざまな運転温度などの様々な運転パラメータに直面するにつれて、ピストンのストロークは、そのストロークが機械的リンク機構によって制限されていないために、定格ストロークから離れて変化する。運転ストロークが相当に増大した場合、ディスプレーサ、あるいはピストンがその中を往復運動するシリンダの軸線方向の両端に固定された部分など、マシンの他の機械的構造物に衝突し得る。
【０００６】
運転パラメータの関数としてのストロークの変化及び衝突の可能性ゆえに、フリーピストンマシンは一般に、電子制御システムを有する。制御システムによって検出され使用される最も重要なパラメータのひとつは、ピストンの直線変位である。例えば、その周期的運動を通してピストンが往復運動しているときの瞬間的な直線変位ないしはピストンの並進移動を検出すること、及び／又はピストンの往復運動の両端の限界（リミット）を検出することが好ましいことがある。
【０００７】
上記三つのRobert W. Redlichによる先行文献である米国特許は、伸長したコイルを有するポジションセンサ、及びコイルを出たり入ったりして往復運動する管体を示す。コイルのインダクタンス、従ってインピーダンスは、コイル内への管体の挿入の長さの関数として減少する。Redlichのセンサは効果的であるが、スターリングマシン内で、少なくともストロークの約二倍という長さを占有する。それは、ストローク全体に沿って位置を検出するために、コイル及び管体の両方が、少なくともストロークと等しい長さを有しなければならないからである。管体はコイルから最大に引き出された位置とコイル内に最大に挿入された位置との間を往復することができなければならず、最大の引出しと最大の挿入の間の距離は少なくともストロークに等しくなくてはならない。結果として、Redlichのセンサの全長は、最大の引出し位置において少なくともストロークの二倍でなければならないことになる。Redlichのセンサの長さに加えて、スターリングマシンの設計は、マシン内でのコイル及び往復運動する管体の位置決めを規定しなければならない。結果として、Redlichのセンサは、フリーピストンスターリングマシンの容量と長さを増加させる。さらに、Redlichのセンサのコイルが、スターリングマシンの密閉シールされた圧力容器内に位置決めされなければならないので、コイルから導電体のリード線が、制御回路への接続のために、圧力容器の壁を貫いて伸長しなければならない。そのことは、そのような電気的貫通接続が高圧に耐えるようにシールされなければならないゆえに、マシンの信頼性を低下させる。シールは付加的な失敗のリスクをもたらす。
【０００８】
本発明の目的及び特徴は、フリーピストンスターリングマシンの長さ及び容量を、無視できる程度にしか増加させないポジションセンサを提供することである。
【０００９】
本発明のもう一つの目的及び特徴は、圧力容器を貫通して伸長する導電体のリード線を必要としない本発明の実施形態を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、フリーピストンスターリングマシンにおいて往復運動するフリーピストンの並進移動又は位置を検出するためのセンサに係る。当該技術分野において周知であるとおり、スターリングマシンは、作動ガスを収容するための外側の圧力容器と、圧力容器内のシリンダ内を往復運動の軸線に沿った定格最大ストロークにおいて自由に往復運動可能な少なくとも一つのパワーピストンを有する。本発明は、シリンダと同軸線上にピストンの端面に取り付けられピストンと一緒に往復運動するディスクを有する。ディスクは外側の周囲を取り囲んだ導電性の材料から成るリム（周縁）を含み、好適には、ディスク全体が導電性の材料から成る。コイルが、シリンダと同軸に、ディスクの外側の周囲から外向きに間隔を空けて巻回され、圧力容器に関して定位置に、好適には圧力容器の外部に取り付けられる。ディスクは、その軸線方向における長さが、コイルに比較して極めて短い。好適に、コイルは、少なくともピストンの定格最大ストロークと実質的に等しい長さを有し、実質的に、定格最大ストロークの中心にコイルの中心を有する。二つのコイルの好適な実施形態があり、それらは、分布（巻）コイル（distributed coil）と端部集中（巻）コイル（end concentrated coil）である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明のひとつの実施形態を設置したフリーピストンスターリングマシンの一部分の軸線方向断面図である。
【図２】図２は、本発明を具現化し動作原理を示す簡略化されたコイル及びセンサ回路のブロック図である。
【図３】図３は、本発明のもう一つの実施形態を設置したフリーピストンスターリングマシンの軸線方向断面図である。
【図４】図４は、図３の実施形態の、実質的に図３の線４−４に沿った断面図である。
【図５】図５は、本発明の分布コイルの実施形態について、ピストンの位置の関数として皮相コイルインピーダンス（apparent coil impedance）を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の端部集中コイルの実施形態について、ピストンの位置の関数として皮相コイルインピーダンスを示すグラフである。
【図７】図７は、ピストンの位置の関数であるコイルからの信号を検出するための検出回路及びコイルのブロック図である。
【図８】図８は、本発明の分布コイルの実施形態について、時間の関数として図７の検出回路からの出力信号を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の端部集中コイルの実施形態について、時間の関数として図７の検出回路からの出力信号を示すグラフである
【図１０】図１０は、二つの異なるコイルの配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面に図示された本発明の好適な実施形態の説明において、明確にするために特定の専門用語が用いられるであろう。しかしながら、それは、本発明が、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図するものではなく、各々の特定の用語は、同様の目的を達成するために同様の方法で機能する、全ての技術的に同等のものを含むことが理解されるべきである。
【００１３】
図１は、従来技術において周知のフリーピストンスターリングマシンに取り付けられた本発明の実施形態を概略的に示す。スターリングマシンの従来技術に係る構成部品は、軸線１４に沿ってシリンダ１２内を往復運動するパワーピストン１０を含む。また、従来技術において周知であるとおり、一つの磁石又は一連の磁石１６が、軸線１４を取り囲んで環状に配置されている。磁石１６はピストン１０に取り付けられ、それによって磁石１６は、電機子コイル（ステータコイル）１８、及び低リラクタンスの、強磁性コア２０から成る電機子内でピストン１０と一緒に往復運動する。これらの構成部品は、密閉シールされ、スターリングマシンの作動ガスを収容する外側の圧力容器２２の中に格納される。当該技術分野において周知であるとおり、図１の構造は、スターリングエンジンによって駆動されるリニアオルタネータとして運転されてよく、あるいはリニアモータ（電動機）によって駆動されるスターリングクーラー又はスターリングヒートポンプとして運転されてもよい。また、当該技術分野において周知であるとおり、パワーピストンは代替的に、他の負荷又は原動機に接続されてもよい。本発明は、往復運動の軸線１４に沿って往復運動するフリーピストン１０の位置を検出するためのセンサに係る。センサはシリンダ１２と同軸にピストン１０の端面２６に取り付けられ、ピストン１０と一緒に往復運動するディスク２４を有する。ディスク２４は、その外側の周囲を取り囲んだ、例えばアルミニウムなどの導電性の材料から成る周縁２８を含む。アルミニウムは、その高導電性により、好適である。この外側の周縁２８が導電体でさえあれば足りるが、通常は、ディスク全体を金属で形成することが好ましい。
【００１４】
センサコイル３０が、シリンダ１２と同軸に巻回（巻装）され、ディスク２４の外側の周囲（周縁）２８から外向きに間隔を空けて、圧力容器に関して定位置に取り付けられる。図１の実施形態において、コイルは圧力容器２２の外部を取り囲んで取り付けられており、圧力容器は、例えばステンレス鋼又はインコネルなどの非強磁性材料で構成されており、それゆえに、ディスク２４とコイル３０との間には有意な電磁結合といったものがない。コイル３０は、検出回路に接続するための導電体のリード３２を有する。代わりに、コイルは圧力容器の内部に巻装されてもよいが、そのことは、導電体のリードが圧力容器２２の壁を貫通して伸長し、圧力容器２２の壁にシールされることを要するという不利な点をもたらす。しかしながら、ディスクとコイルとの間の電磁結合がより大きくなるという利点をもたらす。また、標遊電磁界による干渉を防ぎ、ディスクとコイルとの間の電磁結合を最大化するために、コイルの外側に環状の強磁性体シールド（遮蔽）を配置することが好ましい。
【００１５】
動作の基本原理は、コイルの誘導リアクタンス、従ってインピーダンスが、コイルの端部の内側又はその近傍のディスクの位置の関数として（位置に応じて）変化するということである。コイルの誘導リアクタンスは、ディスクとコイルとの間の電磁結合の減少関数である。すなわち、ディスクの位置における磁束（コイル電流による）が増大するほど、コイルの誘導リアクタンスは減少する。コイル３０の長さは、ピストン１０の定格最大ストロークと少なくとも実質的に等しく、コイルの中心は、実質的に定格最大ストロークの中心にある。定格ストロークは、フリーピストンスターリングマシンのサイズや用途によって大幅に変化するが、典型的なピストンのストロークの例は１０ｍｍである。同様に、マシンのサイズや用途によって、フリーピストンスターリングマシンの圧力容器は、約１０ｃｍないし３０ｃｍの直径を有する場合がある。結果として、コイル３０は長さに対する直径のアスペクト比を有し、短いコイルになる。コイルの直径がコイルの長さに比較してずっと大きいことにより、コイルエンド（端部）の効果がコイルの全長を通して存在する。そのため、コイルにおける磁束及びコイルとディスクとの間の電磁結合は、コイル全体の軸に沿って変化する。ディスクの並進移動の増大は本質的になく、コイルのインピーダンスの変動を招かない。
【００１６】
図２を参照し、約５０ｋＨｚないし２００ｋＨｚの搬送周波数で交流電源４０がコイルに印加される。交流は、ディスクの周縁に渦電流を生じさせ、その結果、ディスクは短絡した第二の変圧器のようになる。渦電流に関する磁界は、コイル３０に磁気的に結合し、この電磁結合の増大に応じて、コイルのリアクタンスが減少する。電磁結合は、ディスクがコイル（その巻線がその全長に渡って分布している）内で中心にあるときに最大となる。そのため、コイルのインピーダンスは、ディスクとコイルの間の電磁結合の関数として変化し、ディスクがコイル（その巻線がその全長に渡って分布している）内で中心にあるときに最小となる。ＡＣ電流源４０が定電流源であり、コイルのインピーダンスがディスクの位置の関数として変化することから、ディスクがコイル内を移動しているとき、搬送周波数でのコイル全体の電圧の振幅は、ディスクの位置の関数として変化する。その振幅変動は、振幅変復調器４２によって検出され、ディスクの位置の関数であるエンベロープ信号が与えられる。
【００１７】
ディスクとコイルとの間の電磁結合が増大すると、ディスクの渦電流に起因する抵抗損は、コイル端子における皮相抵抗を増大させる。しかしながら、コイルのインピーダンスの無効分における減少は優勢であり、コイルの皮相インピーダンスの抵抗成分における増大よりも大幅に大きい。
【００１８】
ディスク
好適に、ディスクは円形であり、軸線方向の厚さが定格最大ストロークの３０パーセント以下であり、最も好適には、そのストロークの１０パーセントである。また、軸線に垂直な径方向の大きさ、あるいは好適に真円のディスクの半径は、軸線方向のディスクの厚さよりも大きい。より好適には、径方向の大きさは、ディスクの軸線方向の厚さの少なくとも１０倍以上である。このディスクのアスペクト比及びディスクの比較的に小さい厚さにより、本発明に係るセンサは、スターリングマシンの長さをほとんど増加させないようにすることができる。ディスクの厚さは、技術的なトレードオフに従う。より薄いディスクはより一層の解決策をもたらすだろう。しかしながら、そのようなディスクは、ピストンの往復運動の変化する加速や減速を受けてもあまり曲がらないよう十分に硬いことがまた好ましい。例えば、約２ｍｍの厚さを有するディスクが使用された。
【００１９】
コイルが圧力容器の内側に配置されるか外側に配置されるかに関わらず、ディスクは放射状に外向きに伸長し、ディスクとコイルとの間の電磁結合を最大にするために、ディスクの外側の周縁をコイルに実施できるだけ近接して配置することが好ましい。そのことは、外側のコイルに関しては、圧力容器の壁に実施できるだけ近接することを意味する。「実施できる」とは、径方向運動の設計許容度を考慮して、物理的に接触するリスクがなく工学的判断が許す限り近接することを意味する。
【００２０】
ディスクは、導電材料の単一で孔の無いシートで構成されてよいが、ディスクを、孔を有するものに形成すること、特に、ホイールの形状に形成することには利点がある。ディスクに孔を設けることで、作動ガスがスターリングマシン内で、より自由に移動することができ、それによってポンプ損失を低減することができる。図３及び図４は、有利に、ピストン５２に取り付けられた中心ハブ５０及び外側の周縁リム５４を有し、スポーク５６がハブ５０をリム５４に連結して成るディスク４９を有するフリーピストンスターリングマシンを図示する。
【００２１】
本発明に係るディスク、特に、スポークを有する形状のディスクの他の利点はまた、それが、ピストン５２のストロークが最大許容ストロークを越えた場合に、ピストン５２の往復運動の反対側（互いに向き合った側）における衝撃を和らげるためのバンパー（緩衝器）として機能し得るということである。そのようなオーバストロークの衝撃を和らげるために、少なくとも一対の環状の止め具６０及び６２が各々、ディスク４９をまたいで反対側（両側）に、圧力容器６４に対して定位置に、圧力容器６４の内側に取り付けられる。止め具６０及び６２は、最大定格許容ストロークに等しい間隔を空けて置かれる。止め具６０及び６２は、定格最大ストロークの中心から軸線方向両側に等距離を空けて固定され、ストロークが最大定格許容ストロークを越える場合に、ディスク４９のリム５４が接触するように配列されている。代わりに、止め具６０及び６２は、間を置いて飛び飛びに配置された、ディスク４９のリム５４に同じ様に接触するよう環状に分布した不連続な止め具であってもよい。
【００２２】
放射状のスポークは、板ばねのように機能する。実質的なオーバストロークはいずれもスポークをゆがめ、ピストンの運動エネルギーをそれが停止するよう吸収する。次に、スポークのばねは、蓄えられた運動エネルギーを放出して、ピストンを反対方向へ押し返す。この有利な特徴をさらに強化するために、ディスクは二種類の材料から構成されてよい。リム５４はスポーク５６よりも導電率が高い導電材料で形成されてよく、スポークはばね材料で形成されてよい。ディスク４９のそのような二つの部分の構成では、リムは典型的に、ディスク４９の半径の５％ないし１５％の径方向の幅を有するように作られる。
【００２３】
上記ばね及びバンパーの効果からの利点を最大にするため、スペーサ６４が、ディスク４９のハブ５０とピストン５２の端面６６との間で同軸線上に位置する。スペーサ６４はピストン５２の直径未満の直径を有し、それによってスポーク５６は、リム５４とスペーサ６４の間で曲がることができる。ディスク４９は、ハブ５０を同軸上で貫通する中心の穴を通る機械ネジ又はナットによって、ピストン５２に取り付けられる。
【００２４】
コイル
本発明のセンサにおいて使用されるコイルは、複数の異なる実施形態で製造することができる。二つの最も重要なものは、分布（巻）コイルと端部集中（巻）コイルである。違いは、コイルの長さに沿ったコイルの巻線の分布である。
【００２５】
図１０はこれら二つのコイルの実施形態を図示する。分布コイルの実施形態３０Ａにおいて、コイルの巻線はコイルの全長にわたって分布しており、好適に、均一に分布している。端部集中コイルの実施形態３０Ｂにおいては、巻線はコイルの端部に集中している。好適に、集中コイルは、二つの短コイル要素各々のコイル要素の中心が、好適に、定格最大動作ストロークの両端にあり、直列に接続されているものと考えてよい。好適に、二つの短コイル要素の各々の長さは、ピストンのストロークの約２５％であり、二つのコイル要素の間に直列接続部が伸長している。
【００２６】
どちらのコイルの実施形態においても、巻線の数は決定的に重要な意味を持つものではないが、巻線の数が増加するほど、コイルの内側のディスクの位置の関数としてのインピーダンスの変化は増大する。結果として、巻線の数の選択は、有効な信号を得るために十分な巻線と、追加の巻線のために利益を損なうほどには多くない巻線との間の工学的トレードオフである。
【００２７】
コイルの長さは、「実質的に」最大定格動作ストロークの長さである。考慮すべき事項は以下のようなものである。フリーピストンスターリングマシンは、単一のストロークで動作するよう設計される場合がある。定格ストロークは、そのストロークで動作する設計のストロークである。コイルの好適な長さは少なくともストロークの長さであって、コイルの端部が、そのストロークの端の位置において、ディスクから半径方向の外側に位置している。しかしながら、工学及び自然科学における非常に多くのパラメータと同様に、僅かな逸脱は、動作においてわずかな差異を生じさせるに過ぎず、従ってデバイスは、好適な長さ及び配置のいずれの側に伸長して越えた範囲でも実施可能であり、有効であり続ける。そのことは本発明においても当てはまる。コイルの長さが定格ストロークと等しいか又はそれを越えるものであることが好適であるが、必ずしも正確に定格ストロークと等しくなくてもよい。コイルの長さは、定格ストロークよりも長くても短くてもよいが、コイルの長さがストロークの長さから相当逸脱するにつれて、本発明の好ましい特性及び特徴は次第に減少する。ストロークの長さの９０％ないし１１０％の範囲にあるコイルの長さについて、本発明は依然として実施可能であり効果的であり、コイルは定格ストロークよりわずかに長いことが好ましいと考えられる。その範囲からの著しい逸脱が、操作上の実効性を低下させ、あるいは、圧力容器内で不必要に追加の空間を占める恐れを生じさせると考えられる。しかしながら、ピストンの位置を、ピストンの位置のより広い範囲にわたって検出することが好ましい場合、コイルはさらに伸長してよい。あるフリーピストンスターリングマシンは、定格の範囲を越えて変化する、様々なストロークにおいて動作するように設計されている。その場合は、本発明の単一のコイルの実施形態の長さは、好適に、定格ストロークの範囲内の最大ストローク（上記のとおり、その長さ範囲から逸脱可能な長さを有する）であることが好ましいだろう。
【００２８】
演算回路及び検出回路
図５は、分布コイル（グラフでは単一コイルとされている）の実施形態において、ディスクの位置の関数としてのコイルのインピーダンスの変化を図示したグラフである。グラフは、ピストンが、ピストン運動の特性である実質的な正弦波運動で、そのストロークの一方の端部からそのストロークの反対側の端部へ移動しているときのインピーダンスの変化を示す。図５に示されているとおり、コイル内の磁束の分布が一方の端部から他方の端部にかけて正弦波分布を有しているため、コイルのインピーダンスは、ディスクの位置の関数として、概ね正弦曲線に従って変化する。ディスクの存在によってインピーダンスが減少するので、ディスクが、磁束が最大であるコイルの中心にあるときに、最小のインピーダンスが現れる。グラフは、ピストン（コイルに交互に近づいたり離れたりして移動する、それ自体がディスクの近くに位置する大きな導体塊である）の存在の寄生効果ゆえに、水平方向に非対称である。他の追加の寄生効果は、フリーピストンスターリングマシンの内部の構造が、軸線方向において非対称であるという事実に起因する。
【００２９】
図６は、本発明に係る端部集中コイルの実施形態において、ピストンが実質的な正弦波運動でそのストロークの一方の端部からそのストロークの反対側の端部へ移動するとき、ディスクの位置の関数としてコイルのインピーダンスの変化を図示したグラフである。図６のグラフは、コイルの皮相インピーダンスが、ディスクが二つの端部集中コイル要素の一方の中心に接近するときに減少し、ディスクが二つのコイル要素の間の端部集中コイルの中心に接近するときに増大することを示す。インピーダンスは、ディスクが二つの端部集中コイル要素の間のコイルの中心を通過し第二のコイル要素により近く接近したあと、ディスクが第二のコイル成分の中心に達するまで減少し、次に、ディスクがコイルの端部に向かって移動するときに増大する。
【００３０】
図７は、ピストンの位置の関数である信号を検出するための好適な回路を図示する。１２５ｋＨｚの正弦波発生器が電流源を駆動し、コイル３０に１２５ｋＨｚの電流源の電流を印加する。コイルがＡＣ電流源によって駆動されるため、正弦波の振幅をもつコイル全体にわたる１２５ｋＨｚのＡＣ電圧は、コイルインピーダンスと比例することになる。言い換えれば、１２５ｋＨｚの搬送周波数でのコイル全体にわたる電圧は、コイルのインピーダンスの瞬時値により振幅変調される。結果としてコイル全体にわたる電圧を、ＡＭ復調器によって増幅し、フィルタをかけて復調することができ、それによりその出力７０において、コイルインピーダンスと比例する信号を与えることができる。コイルインピーダンスはピストンの位置の関数であるので、出力７０の信号はピストンの位置の関数である。図７の増幅検出回路は増幅器を含み、出力信号を反転する。当業者には明らかであるように、出力信号は、通常は必要ないが、望ましければ再び反転され得る。
【００３１】
図７の回路はさらに詳細に検討される。正弦波発生器７２は、１２５ｋＨｚの方形（矩形）波を形成するためのカウンタ（計数器）を有し、１２５ｋＨｚの方形波は１２５ｋＨｚの正弦波を作るために強くフィルタをかけられる。正弦波は、非常に安定し他の周波数成分をほとんど含まないものでなければならない。正弦波発生器７２からの出力は、定電流源７４に印加され、定電流源７４はＩＬＳコイル３０に１２５ｋＨｚの正弦波電流を生成する。定電流発生器７４は、正弦波発生器及び検出抵抗器によって生成された電圧波形を使用して、定電流特性を有する信号を生成する。コイルからの電流シンクは接地面である。
【００３２】
コイル３０のインピーダンスは、ディスクのコアがその中を通って移動するに従って変化する。４線測定法が使用される。２線がコイルに電流を与え、他の２線がコイル全体にわたる電圧を計測する。位相調整器７６が、正弦波の位相を約９０度ずらす（シフトする）。この位相シフトは、ローパスフィルタで生成される。正弦―方形回路７８（sine to square circuit）７８は、同期復調器８０で使用するために、位相シフト正弦波から方形波を生成する。計測増幅器８２は、ＩＬＳコイル全体にわたる電圧を計測する。この電圧は、コイルを流れる１２５ｋＨｚの正弦波電流によって作られ、ＩＬＳコイルインピーダンスによって決まる。前置フィルタ８４は復調器のフロントエンドであり、好ましくない低周波信号が復調器へ通り抜けていくことを防ぐ。
【００３３】
方形波発生器は、その平均値を変化させる５０％ちょうどのデューティー比では、信号を作り出さない。ハイパス前置フィルタなしでは、ある好ましくない低周波信号が復調器へ通り抜けることを可能にするだろう。シフト正弦波のデューティー比が５０％ちょうどであった場合、この前置フィルタは必要ない場合がある。復調器８０は、計測増幅器からの変調信号を取得する同期復調器である。１２５ｋＨｚの正弦波信号は、ＩＬＳコイルのインピーダンスの変化に伴い変調される。復調器８０は、計測増幅器からの信号とシフト方形波とを掛け合わせる。次に、ローパスフィルタが、高周波成分を取り除きＩＬＳコイルのインピーダンスを表す変調信号のみを残すために使用される。それは、方形波の形状及びレベルが完全ではないため、スイッチ（開閉器）を制御するために使用されるものである。閉じているとき、スイッチは信号に０を掛け、開いているとき、スイッチは信号に有効に１を掛ける。
【００３４】
図８に、分布コイルの実施形態に関する、ピストン運動の１サイクルにわたる時間の関数としての復調器８０からの出力信号が示されている。ピストンが、分布コイルの一方の端部に近いストロークの一方の端部から、コイルの端部の反対端に近いストロークの反対の端部へ移動し、次に再び戻ってくるときの出力信号を示すものである。グラフから明らかであるように、図８のグラフは、単に、図５を反転したものである第一部分を有し、その後に、ピストンが戻るときの、第一部分のミラーイメージである第二部分が続く。図９は、端部集中コイルに関して、同様の事柄を示し、図６と同様の関連を有する。
【００３５】
ピストンの位置で直線変化する振幅を有する信号を得るために、出力７０からの信号を直線化することが好ましい場合、従来技術において云われるような方法が使用されて良い。例えば、図７の検出回路の出力は、アナログからデジタルのフォーマットに変換され得る。研究所の試験手順では、ピストンは、平行移動の小さな、不連続の間隔によって分離された連続的な停止を行いながら、往復運動の軸に沿って移動する。各々の停止ごとに、出力信号の振幅は、計測された関連するピストンの位置と関連付けられてデジタルメモリに記憶される。これらの関連付けられた対のデータの集まりは、ルックアップテーブルを提供する。検出回路を使用する本発明に係るセンサの動作の間、検出回路の復調器の出力は、周期的にサンプリングされ、デジタルフォーマットに変換され、ルックアップテーブルの入力に使用され、検出された復調器からの出力の振幅に対応するピストンの位置を見つける。
【００３６】
図５及び図６から、本発明に係るセンサはピストンの位置の絶対値の関数である信号を提供するものであるが、上記のとおり、ピストンの位置の極性に関する情報を提供するものではなく、すなわち、検出された出力信号の振幅が、ピストンが、中心ピストン位置のどちらの側にあるのかを示さないことは明らかである。しかしながら望ましい場合、その情報は、従来技術を使用することにより得ることができる。例えば、電機子コイル３０（図１）全体の電圧の極性をモニターすることができ、それはピストンが中心のどちらの側にあるのかを示す。あるいは、図面に図示されたグラフの非対称性は、例えば、上記のルックアップテーブルにグラフの非対称な部分を含んで使用されて良い。
【００３７】
図面との関係におけるこの詳細な説明は、主として、本発明の目下の好適な実施形態の説明とすることを意図するものであり、本発明が構成され利用される唯一の形態を表すことを意図するものではない。説明は、図示された実施形態との関連において、本発明を実装するところの設計、機能、手段、方法を説明するものである。しかしながら、同様の又は均等な機能及び特徴が、本発明の思想及び範囲に包含されるよう意図された異なる実施形態によって達成できるものであり、さまざまな修正が、本発明の思想又は以下の特許請求の範囲から逸脱することなく採用され得ることが理解されなければならない。
【図２】
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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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【図１０】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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