(57)【要約】  本発明は、複動熱力学的共振フリーピストン式の多シリンダアルファ形態スターリングシステムの実現を可能にする手段を提供する。このスターリングシステム(100)は、ピストン(102)の移動程度を制御して所定限度を超える望ましくないピストン(102)の移動を防止する過剰ストローク防止装置(122)を有する。過剰ストローク防止装置(122)は、制御された仕事をスターリングシステム(100)からの取出したり、スターリングシステム(100)に供与したりすることができる。スターリングシステム(100)は、複式オルタネータ、周波数同調システム、及び／又は振動平衡構造を更に有するのがよい。
2008510933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングシステムであって、
複数のピストンと、
複数の過剰ストローク防止装置と、を有し、各過剰ストローク防止装置は、前記複数のピストンの１つに少なくとも別々に結合され、
更に、複数のシリンダを有し、各シリンダの中にそれぞれ、前記複数のピストンの１つが往復運動自在に配置され、前記シリンダの１つはそれぞれ、その他の２つの前記シリンダ、即ち、第１のシリンダ及び第２のシリンダに流体結合され、
更に、作動流体を有し、前記作動流体の複数の部分が前記複数のシリンダ内に配置され、前記シリンダの１つの中に配置されたピストンの往復運動は、それに対応する第１のシリンダ内に配置されたピストンの往復運動に前記作動流体を介してのみ結合され、且つ、それに対応する第２のシリンダ内に配置されたピストンの往復運動に前記作動流体を介してのみ結合される、スターリングシステム。
【請求項２】
前記シリンダは各々、それに対応する前記２つシリンダのうちの第１のシリンダとの間で前記作動流体の第１の部分を移送できるよう前記第１のシリンダに結合され、且つ、２つのシリンダのうちの第２のシリンダとの間で前記作動流体の第２の部分を移送できるよう前記第２のシリンダに結合される、請求項１に記載のスターリングシステム。
【請求項３】
前記シリンダは各々、ホットエンド及びコールドエンドを有し、前記シリンダの１つはそれぞれ、そのホットエンドとそれに対応する２つのシリンダのうちの第１のシリンダのコールドエンドとが結合され、且つ、そのコールドエンドとそれに対応する２つのシリンダのうちの第２のシリンダのホットエンドとが結合されることにより、それに対応する２つのシリンダに結合される、請求項２に記載のスターリングシステム。
【請求項４】
前記シリンダは各々、それとそれに対応する２つのシリンダのうちの第１のシリンダとが第１の熱交換器回路を介して結合され、且つ、それとそれに対応する２つのシリンダのうちの第２のシリンダとが第２の熱交換器回路を介して結合されることにより、それに対応する２つのシリンダに結合される、請求項２に記載のスターリングシステム。
【請求項５】
複数の撓み軸受を更に有し、前記ピストンは各々、少なくとも前記撓み軸受の各々を介してそれぞれ収容されたシリンダに結合されている、請求項１に記載のスターリングシステム。
【請求項６】
前記シリンダは、振動を減少させるために前記ピストンの作動に起因して生じる反力の大部分を打ち消す位置で互いに対して配置されている、請求項１に記載のスターリングシステム。
【請求項７】
前記過剰ストローク防止装置は各々、原動機を備えたリニアオルタネータを有し、前記過剰ストローク防止装置は各々、前記過剰ストローク防止装置に結合された前記ピストンの望ましくない移動を回避するように前記原動機を制御するコントローラを更に有する、請求項１に記載のスターリングシステム。
【請求項８】
前記コントローラは、往復運動の所定の終点を越える前記ピストンの移動を回避するように制御を行う、請求項２に記載のスターリングシステム。
【請求項９】
第１の流体ライン及び第２の流体ラインを介して前記シリンダのうちの少なくとも１つに流体結合されているアキュムレータを備えたチューニングシステムを更に有し、
前記第１の流体ラインは、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを可能にするが、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを防止するように構成された第１の逆止弁を有し、
前記第２の流体ラインは、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを可能にするが、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを防止するように構成された第２の逆止弁を有する、請求項１に記載のスターリングシステム。
【請求項１０】
スターリングシステムの作動方法であって、
複数のピストンを各々複数のシリンダの各々にそれぞれ収容するステップと、
前記ピストンの各々がそのそれぞれのシリンダ内で往復運動できるようにするステップと、
前記ピストンの各々のそのそれぞれのシリンダ内での往復運動を制御して前記それぞれのシリンダ内での前記ピストンの望ましくない移動を防止するステップと、
作動流体を複数の部分に分けて前記シリンダ内に収容するステップと、
前記ピストンの各々の前記往復運動とその他の２つのピストンの往復運動を作動流体を介してのみ結合するステップとを有する、方法。
【請求項１１】
前記ピストンの各々をそれぞれのシリンダ内で往復運動させることができるようにする前記ステップは、前記ピストンの各々を少なくとも１つの撓み軸受を介して前記それぞれのシリンダに結合するステップを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記作動流体の量を調節して前記ピストンのそれぞれのシリンダ内での往復運動の周波数を調節するステップを更に有する、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記シリンダを前記ピストンの作動に起因して生じる反力の大部分を打ち消す位置で互いに対して配置し、それにより振動を減少させるステップを更に有する、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つのリニアオルタネータを前記ピストンのうちの少なくとも１つに結合するステップを更に有し、前記ピストンの各々の往復運動を制御する前記ステップは、前記少なくとも１つのピストンに結合された前記リニアオルタネータの原動機の移動量を制御するステップを更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
前記ピストンの各々の往復運動を制御する前記ステップは、前記ピストンの１つに対応するその他の２つのピストンに関し、複式リニアオルタネータのステータを制御して前記複式リニアオルタネータの２つの原動機の移動量を制御するコントローラを用いるステップを更に含み、前記２つの原動機は各々、前記２つのピストンのうちの前記ピストンの１つにそれぞれ結合されている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
望ましくない移動を防止するよう前記ピストンの各々の往復運動を制御する前記ステップは、前記ピストン又は前記ピストンが収容されている前記シリンダのうちの少なくとも一方に損傷を生じさせるピストン移動を防止するためである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記ピストンの前記往復運動から仕事を取出すステップを更に有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
仕事を前記ピストンの前記往復運動に入力するステップを更に有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
スターリングシステムであって、
作動流体と、
複数のフリーピストンと、
各々が少なくとも前記ピストンの各々にそれぞれ結合された複数の過剰ストローク防止装置と、
複数のシリンダとを有し、前記シリンダは各々、このシリンダを前記シリンダのうちの他のシリンダから成る対応の対の各々のうちの第１のシリンダとの間で前記作動流体の第１の部分の移送を可能にするよう前記第１のシリンダに結合し、このシリンダを、前記対応の対のうちの第２のシリンダとの間で前記作動流体の第２の部分の移送を可能にするよう前記第２のシリンダに結合するよう前記対応の対に結合され、前記ピストンは各々、前記シリンダの各々の中でそれぞれ往復運動可能にこのシリンダ内に収容され、前記シリンダ内に収容された前記ピストンは、作動流体を介して前記対応の対のうちの前記第１のシリンダ内に収容された前記ピストンに結合されると共に前記作動流体を介して前記対応の対のうちの前記第２のシリンダ内に収容された前記ピストンに結合されている、スターリングシステム。
【請求項２０】
複数の撓み軸受を更に有し、前記ピストンは各々、少なくとも前記撓み軸受の各々を介してそれぞれ収容されたシリンダに結合されている、請求項１９記載のスターリングシステム。
【請求項２１】
前記シリンダは、振動を減少させるために前記ピストンの作動に起因して生じる反力の大部分を打ち消す位置で互いに対して配置されている、請求項１９記載のスターリングシステム。
【請求項２２】
前記過剰ストローク防止装置は、２つの原動機を備えた少なくとも１つの複式リニアオルタネータを有し、各原動機は、前記ピストンの各々にそれぞれ結合され、前記過剰ストローク防止装置は、前記過剰ストローク防止装置に結合された前記ピストンの望ましくない移動を回避するよう少なくとも前記２つの原動機を制御するよう構成されたコントローラを更に有する、請求項１９記載のスターリングシステム。
【請求項２３】
前記コントローラは、前記ピストンの往復運動の所定の終点を越える程度の前記ピストンの各々の移動を回避するよう制御を行う、請求項２０記載のスターリングシステム。
【請求項２４】
第１の流体ライン及び第２の流体ラインを介して前記シリンダのうちの少なくとも１つに流体結合されているアキュムレータを備えたチューニングシステムを更に有し、前記第１の流体ラインは、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを可能にするが、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを防止するよう構成された第１の逆止弁を有し、前記第２の流体ラインは、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを可能にするが、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを防止するよう構成された第２の逆止弁を有する、請求項１９記載のスターリングシステム。
【請求項２５】
スターリングシステムを作動させる方法であって、
複数のフリーピストンの各々が複数のシリンダの各々内でそれぞれ往復運動できるようにするステップと、
作動流体を前記シリンダの少なくとも部分内に収容するステップと、
前記ピストンの各々のそのそれぞれのシリンダ内での往復運動を制御して前記シリンダ内での前記ピストンの移動を制限するステップと、
前記シリンダを各々、前記シリンダのうちの他のシリンダから成る対応の対の各々のうちの第１のシリンダとの間で前記作動流体の第１の部分の移送を可能にするよう前記第１のシリンダに結合し、このシリンダを、前記対応の対のうちの第２のシリンダとの間で前記作動流体の第２の部分の移送を可能にするよう前記第２のシリンダに結合するよう前記対応の対に結合するステップとを有し、各シリンダ内に収容されている前記ピストンは、前記作動流体を介して、前記対応の対のうちの前記第１のシリンダ内の前記ピストンに結合されると共に前記作動流体を介して前記対応の対のうちの前記第２のシリンダ内の前記ピストンと結合されている、方法。
【請求項２６】
前記ピストンの各々をそのそれぞれのシリンダ内で往復運動させることができるようにする前記ステップは、前記ピストンの各々を少なくとも１つの撓み軸受を介して前記それぞれのシリンダに結合するステップを含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記作動流体の量を調節して前記ピストンのこれらそれぞれのシリンダ内での往復運動の周波数を調節するステップを更に有する、請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
前記シリンダを前記ピストンの作動に起因して生じる反力の大部分を打ち消す位置で互いに対して配置し、それにより振動を減少させるステップを更に有する、請求項２５記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも１つのリニアオルタネータを前記ピストンのうちの少なくとも１つに結合するステップを更に有し、前記ピストンの各々の往復運動を制御する前記ステップは、前記少なくとも１つのピストンに結合された前記リニアオルタネータの原動機の移動量を制御するステップを更に含む、請求項２５記載の方法。
【請求項３０】
前記ピストンの各々の往復運動を制御する前記ステップは、別々のピストンの各対に関し、複式リニアオルタネータのステータを制御して前記複式リニアオルタネータの２つの原動機の移動量を制御するコントローラを用いるステップを更に含み、前記２つの原動機は各々、前記対のうちの前記ピストンの各々にそれぞれ結合されている、請求項２５記載の方法。
【請求項３１】
移動を制限するよう前記ピストンの各々の往復運動を制御する前記ステップは、次のもの、即ち、前記ピストン又は前記ピストンが収容されている前記シリンダのうちの少なくとも一方に対する損傷を回避するのに十分ピストン移動を制限するためである、請求項２５記載の方法。
【請求項３２】
前記ピストンの前記往復運動から仕事を取出すステップを更に有する、請求項２５記載の方法。
【請求項３３】
仕事を前記ピストンの前記往復運動に入力するステップを更に有する、請求項２５記載の方法。
【請求項３４】
スターリングシステムであって、
互いに機械的に切り離された複数のピストンと、
複数の過剰ストローク防止装置と、を有し、各過剰ストローク防止装置は、前記複数のピストンの１つに少なくとも別々に結合され、
更に、複数のシリンダを有し、各シリンダの中にそれぞれ、前記複数のピストンの１つが往復運動自在に配置され、前記シリンダの１つはそれぞれ、その他の２つの前記シリンダ、即ち、第１のシリンダ及び第２のシリンダに流体結合され、
更に、作動流体を有し、前記作動流体の複数の部分が前記複数のシリンダ内に配置され、前記複数のピストンの各々の往復運動は、前記複数のピストンの別のピストンの往復運動に前記作動流体を介して結合され、
仕事を前記複数のピストンの前記往復運動から取出す手段を有する、スターリングシステム。
【請求項３５】
スターリングシステムであって、
互いに機械的に切り離された複数のピストンと、
複数の過剰ストローク防止装置と、を有し、各過剰ストローク防止装置は、前記複数のピストンの１つに少なくとも別々に結合され、
更に、複数のシリンダを有し、各シリンダの中にそれぞれ、前記複数のピストンの１つが往復運動自在に配置され、前記シリンダの１つはそれぞれ、その他の２つの前記シリンダ、即ち、第１のシリンダ及び第２のシリンダに流体結合され、
更に、作動流体を有し、前記作動流体の複数の部分が前記複数のシリンダ内に配置され、前記複数のピストンの各々の往復運動は、前記複数のピストンの別のピストンの往復運動に前記作動流体を介して結合され、
仕事を前記複数のピストンの前記往復運動に与える手段を有する、スターリングシステム。
【請求項３６】
スターリングシステムであって、
互いに機械的に切り離された複数のピストンと、
複数の過剰ストローク防止装置と、を有し、各過剰ストローク防止装置は、前記複数のピストンの１つに少なくとも別々に結合され、
更に、複数のシリンダを有し、各シリンダの中にそれぞれ、前記複数のピストンの１つが往復運動自在に配置され、前記シリンダの１つはそれぞれ、その他の２つの前記シリンダ、即ち、第１のシリンダ及び第２のシリンダに流体結合され、
更に、作動流体を有し、前記作動流体の複数の部分が前記複数のシリンダ内に配置され、前記シリンダの各々の中に収容されている前記ピストンの往復運動は、前記作動流体により、前記ピストンが収容されている前記シリンダと前記対応の対のうちの前記第１のシリンダとの流体結合を介して、前記対応の対のうちの前記第１のシリンダ内に収容されている前記ピストンの往復運動に結合されると共に前記作動流体により、前記ピストンが収容されている前記シリンダと前記対応の対のうちの前記第２のシリンダとの流体結合を介して、前記対応の対のうちの前記第２のシリンダ内に収容されている前記ピストンの往復運動に結合される、スターリングシステム。
【請求項３７】
前記シリンダは各々、前記対応の対のうちの前記第１のシリンダとの間で前記作動流体の第１の部分を移送できるよう前記第１のシリンダに結合されると共に前記対応の対のうちの前記第２のシリンダとの間で前記作動流体の第２の部分を移送できるよう前記第２のシリンダに結合されている、請求項３６記載のスターリングシステム。
【請求項３８】
前記シリンダは各々、ホットエンド及びコールドエンドを有し、前記シリンダは各々、前記シリンダの前記ホットエンドと前記対応の対のうちの前記第１のシリンダの前記コールドエンドとの結合及び前記シリンダの前記コールドエンドと前記対応の対のうちの前記第２のシリンダの前記ホットエンドとの結合により、前記対応の対に結合されている、請求項３７記載のスターリングシステム。
【請求項３９】
前記シリンダは各々、第１の熱交換器回路を介する前記シリンダと前記対応の対のうちの前記第１のシリンダとの結合及び第２の熱交換器回路を介する前記シリンダと前記対応の対のうちの前記第２のシリンダとの結合により、前記対応の対に結合されている、請求項３７記載のスターリングシステム。
【請求項４０】
第１の流体ライン及び第２の流体ラインを介して前記シリンダのうちの少なくとも１つに流体結合されているアキュムレータを備えたチューニングシステムを更に有し、前記第１の流体ラインは、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを可能にするが、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを防止するよう構成された第１の逆止弁を有し、前記第２の流体ラインは、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを可能にするが、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを防止するよう構成された第２の逆止弁を有する、請求項３６記載のスターリングシステム。
【請求項４１】
フリーピストン式スターリングシステムであって、
複数の複動形フリーピストンを有し、
複数のシリンダを有し、各シリンダ内には、前記ピストンの各々がそれぞれ往復運動可能に収容され、前記シリンダは各々、このシリンダを前記シリンダのうちの他のシリンダの対応の対のうちの第１のシリンダ及び第２のシリンダに流体結合するよう前記別の対に流体結合され、
作動流体を有し、前記作動流体は、部分に分けて前記シリンダ内に収容され、前記シリンダの各々の中に収容されている前記ピストンの往復運動は、前記作動流体により、前記ピストンが収容されている前記シリンダと前記対応の対のうちの前記第１のシリンダとの流体結合を介して、前記対応の対のうちの前記第１のシリンダ内に収容されている前記ピストンの往復運動に結合されると共に前記作動流体により、前記ピストンが収容されている前記シリンダと前記対応の対のうちの前記第２のシリンダとの流体結合を介して、前記対応の対のうちの前記第２のシリンダ内に収容されている前記ピストンの往復運動に結合され、それにより前記スターリングシステムは、別個のディスプレーサピストンを用いないで作動する、システム。
【請求項４２】
前記シリンダは各々、前記対応の対のうちの前記第１のシリンダとの間で前記作動流体の第１の部分を移送できるよう前記第１のシリンダに結合されると共に前記対応の対のうちの前記第２のシリンダとの間で前記作動流体の第２の部分を移送できるよう前記第２のシリンダに結合されている、請求項４１記載のスターリングシステム。
【請求項４３】
前記シリンダは各々、ホットエンド及びコールドエンドを有し、前記シリンダは各々、前記シリンダの前記ホットエンドと前記対応の対のうちの前記第１のシリンダの前記コールドエンドとの結合及び前記シリンダの前記コールドエンドと前記対応の対のうちの前記第２のシリンダの前記ホットエンドとの結合により、前記対応の対に結合されている、請求項４２記載のスターリングシステム。
【請求項４４】
前記シリンダは各々、第１の熱交換器回路を介する前記シリンダと前記対応の対のうちの前記第１のシリンダとの結合及び第２の熱交換器回路を介する前記シリンダと前記対応の対のうちの前記第２のシリンダとの結合により、前記対応の対に結合されている、請求項４２記載のスターリングシステム。
【請求項４５】
第１の流体ライン及び第２の流体ラインを介して前記シリンダのうちの少なくとも１つに流体結合されているアキュムレータを備えたチューニングシステムを更に有し、前記第１の流体ラインは、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを可能にするが、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを防止するよう構成された第１の逆止弁を有し、前記第２の流体ラインは、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを可能にするが、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを防止するよう構成された第２の逆止弁を有する、請求項４１記載のスターリングシステム。
【請求項４６】
スターリングシステムの作動方法であって、
複数のピストンを各々複数のシリンダの各々にそれぞれ収容するステップを有し、前記ピストンは、互いに機械的に切り離され、
前記ピストンの各々がそのそれぞれのシリンダ内で往復運動できるようにするステップと、前記作動流体を部分に分けて前記シリンダに収容するステップを有し、
前記ピストンの各々の前記往復運動と前記ピストンから成る別の各対の前記往復運動を前記作動流体を介して結合するステップとを有する、方法。
【請求項４７】
前記ピストンの各々の前記往復運動と前記ピストンから成る別の各対の前記往復運動を前記作動流体を介して結合する前記ステップは、前記シリンダの各々を前記対応の対の前記ピストンが収容されている前記シリンダの別の対応の対に流体結合して前記シリンダをシリンダの前記対応の対のうちの前記第１のシリンダ及び第２のシリンダに流体結合するステップを含む、請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
前記作動流体の量を調節して前記ピストンのこれらそれぞれのシリンダ内での往復運動の周波数を調節するステップを更に有する、請求項４６記載の方法。
【請求項４９】
スターリングシステムであって、
作動流体と、
互いに機械的に切り離される複数のピストンと、
複数のシリンダとを有し、前記シリンダは各々、このシリンダを前記シリンダのうちの他のシリンダから成る対応の対の各々のうちの第１のシリンダとの間で前記作動流体の第１の部分の移送を可能にするよう前記第１のシリンダに結合し、このシリンダを、前記対応の対のうちの第２のシリンダとの間で前記作動流体の第２の部分の移送を可能にするよう前記第２のシリンダに結合するよう前記対応の対に結合され、前記ピストンは各々、前記シリンダの各々の中でそれぞれ往復運動可能にこのシリンダ内に収容され、前記シリンダ内に収容された前記ピストンは、作動流体を介して前記対応の対のうちの前記第１のシリンダ内に収容された前記ピストンに結合されると共に前記作動流体を介して前記対応の対のうちの前記第２のシリンダ内に収容された前記ピストンに結合されている、スターリングシステム。
【請求項５０】
第１の流体ライン及び第２の流体ラインを介して前記シリンダのうちの少なくとも１つに流体結合されているアキュムレータを備えたチューニングシステムを更に有し、前記第１の流体ラインは、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを可能にするが、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを防止するよう構成された第１の逆止弁を有し、前記第２の流体ラインは、前記少なくとも１つのシリンダへの前記アキュムレータからの流体の流れを可能にするが、前記アキュムレータへの前記少なくとも１つのシリンダからの流体の流れを防止するよう構成された第２の逆止弁を有する、請求項４９記載のスターリングシステム。
【請求項５１】
スターリングシステムを作動させる方法であって、
複数のフリーピストンの各々が複数のシリンダの各々内でそれぞれ往復運動できるようにするステップを有し、前記ピストンは、互いに機械的に切り離され、
作動流体を前記シリンダの少なくとも部分内に収容するステップと、
前記シリンダを各々、前記シリンダのうちの他のシリンダから成る対応の対の各々のうちの第１のシリンダとの間で前記作動流体の第１の部分の移送を可能にするよう前記第１のシリンダに結合し、このシリンダを、前記対応の対のうちの第２のシリンダとの間で前記作動流体の第２の部分の移送を可能にするよう前記第２のシリンダに結合するよう前記対応の対に結合するステップとを有し、各シリンダ内に収容されている前記ピストンは、前記作動流体を介して、前記対応の対のうちの前記第１のシリンダ内の前記ピストンに結合されると共に前記作動流体を介して前記対応の対のうちの前記第２のシリンダ内の前記ピストンと結合されている、方法。
【請求項５２】
前記作動流体の量を調節して前記ピストンのこれらそれぞれのシリンダ内での往復運動の周波数を調節するステップを更に有する、請求項５１記載の方法。
【請求項５３】
第１のピストンロッド及び第２のピストンロッドを有するスターリング機械用のリニアオルタネータシステムであって、
前記第１のピストンロッドに結合可能に構成された第１の原動機と、
前記第２のピストンロッドに結合可能に構成された第２の原動機と、前記第１の原動機と前記第２の原動機の両方を受け入れるよう形作られたステータとを有する、システム。
【請求項５４】
複数のシリンダを有するスターリング機械用のシステムであって、
アキュムレータと、
前記アキュムレータ及び前記シリンダのうちの少なくとも１つの第１のシリンダに流体結合された第１の流体ラインと、
前記第１の流体ライン内に配置されていて、開閉のために制御されるよう構成された第１のソレノイド弁を有し、
前記第１の流体ライン内に設けられていて、前記第１のソレノイド弁が開いているとき、前記少なくとも１つの第１のシリンダから前記アキュムレータへの流体の流れを可能にするが、前記アキュムレータから前記少なくとも１つの第１のシリンダへの流体の流れを防止するよう構成された第１の逆止弁を有し、
前記アキュムレータ及び前記シリンダのうちの少なくとも１つの第２のシリンダに流体結合された第２の流体ラインを有し、前記少なくとも１つの第１のシリンダ及び前記少なくとも１つの第２のシリンダは、同一のシリンダ又は互いに異なるシリンダであり、
前記第２の流体ライン内に配置されていて、開閉のために制御されるよう構成された第２のソレノイド弁を有し、
前記第２の流体ライン内に設けられていて、前記第２のソレノイド弁が開いているとき、前記少なくとも１つの第２のシリンダから前記アキュムレータへの流体の流れを可能にするが、前記アキュムレータから前記少なくとも１つの第２のシリンダへの流体の流れを防止するよう構成された第２の逆止弁を有する、システム。
【請求項５５】
スターリング機械を作動させる方法であって、
複数のシリンダを用意するステップを有し、各シリンダ内には、ピストンが往復運動可能に設けられており、前記ピストンは、前記ピストンに結合されたストローク防止装置の少なくとも１つの可動部品を有し、
前記シリンダを、作動時における振動を減少させるために前記ピストンの往復運動に起因して生じる反力を打ち消す位置で互いに対して配置するステップを有する、方法。
【請求項５６】
前記シリンダを、反力を打ち消す位置で互いに対して配置する前記ステップは、前記ピストンの各々及び前記ピストンに結合された前記少なくとも１つの可動部品の質量及び加速度を求めるステップを含む、請求項５５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、熱力学的機械に関し、特に、スターリング熱力学サイクルを利用した機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のスターリング機械、例えば、従来のスターリングエンジン及びスターリングクーラの背後にある技術的思想は、１９世紀から知られている。早くから従来のホットエア型スターリング機械が、或る程度の商業的成功を収めたが、電気モータ及び内燃機が、２０世紀初頭よりかかるスターリング機械の使用に取って代わった。
【０００３】
２０世紀半ばに始まった現代の材料及び分析ツールの利用により、効率、出力密度及び全体的機能において改良を行うことができ、それにより、従来のスターリング機械が僅かな特定のすき間市場を獲得することができた。また、従来のスターリング機械は、騒音が少なく、効率が高く、エミッションが極めて少なく、任意の良質の熱源により動作できるという利点を備えている。残念ながら、従来のスターリング機械には欠点もあり、したがって、スターリング機械は、これらすき間市場で利用されたままであり、或いは、好奇心の対象であった。
【０００４】
従来のスターリング機械は、一般にアルファ、ベータ及びガンマと呼ばれる３つの位相形態で製造されており、従来のスターリング機械には、２つの基本的な機械的具体化例、即ち、キネマチック（kinematic）式（機械式と呼ばれる場合がある）機械及びフリーピストン式機械がある。キネマチック式機械は、連接ロッド、クランクシャフト、軸受及び滑りシールによって、特定のストローク及び位相の関係を種々のパワーピストン及び／又はディスプレーサピストンに与える機械的リンク装置を備えていることを特色としている。キネマチック式機械は、機械式リンク装置の潤滑を必要とすると共に或る程度は潤滑剤がシールを越えて漏れ、これと関連して熱交換器が詰まった状態になることに起因して、機械の作動寿命及び信頼性に悪影響を及ぼす滑りシールを有する。
【０００５】
従来のフリーピストン式（非キネマチック式）機械は、単一シリンダ構造としてのみ存在している。単一シリンダ機械は各々、互いに別個独立に動き、別のものには機械的に結合されていない１つの往復運動パワーピストン及び１つのディスプレーサピストンを有している。パワーピストン及びディスプレーサピストンのストローク及び位相の関係は、これに関連した圧力波相互作用及び共振ばね／質量／ダンパ特性の影響を受ける。従来のフリーピストン式単一シリンダ機械の種々の変形例は、潤滑剤及びラビングシールに関する上述の要件に合わせて製作でき、それにより、高い信頼性を持つ非常に長期間にわたる作動が可能である。フリーピストン式単一シリンダ機械は又、一般に、キネマチック式機械よりも機械的に簡単であるが、適正な作動のための設計では、単一の往復運動ピストン及び単一のディスプレーサが過剰ストローク（オーバーストローク）無しにその所望のストローク全体で適正な位相関係で作動できるようにするために非常に複雑精巧な動的分析及びチューニングによる微調整が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フリーピストン式単一シリンダスターリング機械は、非常に単純であるが、動的及び熱力学的分析の観点から見ると機械的に非常に複雑である。この複雑さは、最近の約４０年間にわたる従来の技術的努力によって立証される。かかる年月の間、ほぼ数ダースの組織体が、フリーピストン式単一シリンダスターリング機械を製造しようと試み、ほんの僅かではあるが、著しい成功を収めたことが知られている。
【０００７】
世界中でフリーピストン式単一シリンダスターリング機械の利益を上げている業者は、場合によっては一握りも満たない状態のままである。従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械は、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを備えた単動のベータ又はガンマ形態のものである。ディスプレーサは、典型的には軽量であり減衰が小さい状態で駆動される共振ハーモニックオシレータである。パワーピストンは、代表的には重量があって減衰が大きい状態で（有用な仕事を取出す結果として）駆動される共振ハーモニックオシレータである。
【０００８】
ディスプレーサとパワーピストンとの間の唯一の結合手段は、スターリング機械のホット領域とコールド領域との間で作動流体を行き来させるディスプレーサにより生じる動的圧力波である。２つの共振ハーモニックオシレータは、移動中の質量、ばね定数、ディスプレーサ駆動ロッド面積に影響を及ぼすパラメータを注意深く選択すると共にヒータ、再生器、クーラ及び結合通路を通る流体の流れの損失の結果としてのディスプレーサの減衰によって正しく「チューニング」されなければならない。
【０００９】
上述のチューニングの所望の結果として、ディスプレーサピストンとパワーピストンの両方が全ストロークで作動し、潜在的な過渡時を含むあらゆる時点で過剰ストロークを回避し、これら相互間の位相遅れにより最適に近い出力伝達が得られるようになる。最終的な結果として、フリーピストン式単一シリンダスターリング機械は、適正な作動を生じさせてこれを維持するために、チューニングパラメータ全てを正しいバランスで有することに極めて敏感である。多くの外見上取るに足りないばらつきにより、大きな性能上、又は機能上の劣化が生じる場合がある。フリーピストン式単一シリンダスターリング機械は又、所与の定格容量の場合に望ましくないほど重量があり、これらのピーク出力容量において制限がある。
【００１０】
一般に、出力が約１キロワットに満たないキネマチック式スターリング機械は、ベータ又はガンマ形態の単一シリンダ機械であり、１つのピストン及び１つのディスプレーサを同一の又は異なるシリンダ内に有している（アルファ形態では、定義上、１つのシリンダ当たり１つのピストンが収容された少なくとも２つのピストン／シリンダが必要である）。大形機械は、出力レベルが低い場合、キネマチック式の２シリンダ（２ピストン）アルファ形態であるのがよいが、１０ｋＷ又はこれよりも高い出力を有するほぼすべての機械は、キネマチック式の４シリンダアルファ形態であり、従来のキネマチック式多シリンダ構成例を示す図１に概略的に示されたいわゆるシーメンス（Siemens）又はリンニア（Rinnia）構造の４つのピストンと相互結合された４組の熱交換器（ヒータ／再生器／クーラ）を有している。この構成例１０は、非流体非フリーピストン１２を有し、ピストンロッド１４が、クランクシャフト１６に結合されている。
【００１１】
一般に、従来の単一シリンダ機械及び２シリンダ機械は、単動（ピストンの一端にスターリングサイクル圧力波が生じ、ピストンの他端にほぼ一定の圧力が加わる）の機械であり、他方、一般に、キネマチック式４シリンダ機械は、複動（ピストンの各端部に互いに異なるスターリングサイクル圧力波が生じ、キネマチック式機械により得られる圧力波の間には９０°の位相遅れがある）の機械である。これら要因により、特にキネマチック式複動アルファ形態の機械は、ベータ又はガンマ形態よりも著しく高い出力密度及び典型的は高い効率を有する。かかる利点があるが、スターリング機械について説明した問題は、この技術の一層の商業化の可能性を相変わらず妨げている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるスターリングシステムは、複数のピストンと、複数の過剰ストローク防止装置と、を有し、各過剰ストローク防止装置は、複数のピストンの１つに少なくとも別々に結合され、更に、複数のシリンダを有し、各シリンダの中にそれぞれ、複数のピストンの１つが往復運動自在に配置され、シリンダの１つはそれぞれ、その他の２つのシリンダ、即ち、第１のシリンダ及び第２のシリンダに流体結合され、更に、作動流体を有し、作動流体の複数の部分が複数のシリンダ内に配置され、シリンダの１つの中に配置されたピストンの往復運動は、それに対応する第１のシリンダ内に配置されたピストンの往復運動に作動流体を介してのみ結合され、且つ、それに対応する第２のシリンダ内に配置されたピストンの往復運動に作動流体を介してのみ結合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本具体的構成例は、複動熱力学的共振フリーピストン式多シリンダアルファ形態スターリング機械を考慮に入れた方式を提供する。この方式に基づき、従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械の寿命及び信頼性に関する利点を保持しながら、従来のキネマチック式スターリング機械の性能上の利点を得ることができる。また、従来のフリーピストン式スターリング機械の全てに必要なディスプレーサピストンを無くすことにより複雑な動的分析から分析上の要件を大幅に軽減すると共に、従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械に必要なチューニング要件を大幅に軽減することができる。全ての公知の従来の熱力学的共振フリーピストン式スターリング機械は、単一シリンダ／ピストン／ディスプレーサ構造である。
【００１４】
比較的最近における従来の技術革新では、熱音響的（thermoacoustic）機械が挙げられ、この熱音響的機械は、事実、従来のフリーピストン式機械の物理的ディスプレーサピストンをディスプレーサと同等な機能を発揮するチューニング型ガスコラムで置き換えている。これにより、機械的複雑さが更に単純化されるが、新たなレベルの動的分析及びチューニングの複雑さが取り込まれる。本明細書において説明する具体的構成例は、ディスプレーサ機能を完全に無くすことにより、ハードウェアレベルと動的分析レベル及びチューニング要件レベルの両方でこれら熱音響的機械を越えた別の技術レベルである。
【００１５】
したがって、多シリンダ熱交換器を一体化するという十分に理解が得られ且つ安易な複雑化と引き換えに、本発明の方式の設計は、フリーピストン式スターリング機械の従来のディスプレーサハードウェアを無くし、そうしなかった場合に従来のフリーピストン式スターリング機械又は熱音響的装置に必要である極めて多大な動的分析上の複雑さを、大幅に軽減する。加うるに、従来のキネマチック式複動ピストン及び従来のキネマチック式アルファ形態のスターリング熱力学構造の周知の利点が提供される。
【００１６】
本具体的構成例は、多数のシリンダ（多数のスターリング機械サイクル）を備えていて、既存の単一サイクル機械よりも実質的に高い出力密度をもたらすことができるフリーピストン式スターリング機械を提供する。従来のフリーピストン式スターリング機械は、１つのディスプレーサ及び１つのパワーピストンを備えていて、一般にベータ又はガンマ形態と呼ばれている形態で構成される単一サイクル機械である。
【００１７】
本発明の構成例は、多数のパワーピストン、代表的には、３つ又は４つ以上のピストンを備えたアルファ形態機械に関する。構成例は、ピストンと同じ数の熱交換器回路（直列に配列されたヒータ、再生器、クーラ）を有し、熱交換器回路は、一つのピストンのホットエンドを別のピストンのコールドエンドに結合させる。かかる熱力学的結合は、キネマチック式機械、即ち、機械的結合により種々のピストンの運動間に特定の関係を与える機械と関連して長年にわたって一般に実施されている。
【００１８】
人間の組織体と関連した基本的な地質学的要因又は他の要因に起因するにせよそうでないにせよいずれにせよ、エネルギー資源の乏しい現年代では、化石燃料、バイオマス燃料、太陽光集光、地熱、最新式の核プロセス及び他の源から動力を生じさせるシステム及び方法が、歓迎されている。このシステム及び方法は、作動において非常に耐久性があり、必要な保守が少なく、稼働の信頼性が確かであれば、一層歓迎されよう。このシステム及び方法は、驚くべきほど高い効率が売り物であり、大規模ユニット及び比較的容易な大量生産を見込んでいれば更に一段と歓迎されるであろう。かかる現実性を、図２に概略的に示された構成例により例示されているように、熱力学的共振フリーピストン式複動多シリンダスターリングシステム１００及びそれと関連した方法の具体化により達成できるというのが本発明者の信念である。
【００１９】
システム１００は、フリーピストン式単一シリンダスターリング機械の信頼性の特徴を保持すると同時に、追加の利点、例えば、向上した出力密度及び他の改良点をもたらす。従来のフリーピストン式スターリング機械は、一般にベータ又はガンマ形態と呼ばれる形態に構成された１つのディスプレーサ及び１つのパワーピストンを備えた単一サイクルを含んでいる。
【００２０】
本発明のシステム１００は、アルファ形態機械と呼ばれているものを含んでいるが、従来のアルファ形態機械は、フリーピストン式のものではない。本発明のシステム１００は、アルファ形態機械として、３つ又は４つ以上のピストン１０２と、これと同数の熱交換器回路１０６を利用し、各ピストン１０２は、それぞれのシリンダ１０４内に収容されている。熱交換器回路１０６は各々、熱入力１１０を受取る膨張領域熱交換器（「膨張交換器」）１０８と、再生熱交換器（「再生器」）１１２と、熱出力１１６がシステムから放熱される圧縮領域熱交換器（「圧縮交換器」）１１４とを有している。各シリンダ１０４は、ホットエンド１１８とコールドエンド１２０とを有している。熱交換器回路１０６は、システム１００内において、シリンダ１０４の各々のホットエンド１１８を別のシリンダのコールドエンド１２０に結合するように構成されている。
【００２１】
従来の方式は、多数のシリンダを互いに結合する熱交換器回路を用いているけれども、かかる結合によって従来のピストンを互いに結合するように形成された共用熱力学的システムには用いられていなかった。従来の方式は、その代わりに、従来のピストンを互いに結合するのに機械的結合も用いていた。従来の機械的結合は、種々の従来のピストンの間に特定の関係を課す。上述したように、図１において、例示の従来のアルファシステム１０は、ピストン１２を有し、このピストン１２は、クランクシャフト１６によって互いに機械的に結合されたピストンロッド１４を有している。
【００２２】
従来の方式とは対照的に、システム１００は、フリーピストン式であり、非フリーピストン式スターリング機械の機械的結合を用いていない。その代わりに、システム１００は、ピストン１０２をピストンの熱力学的共振を介して互いに結合するために、シリンダ１０４を熱交換器回路１０６による結合を介して互いに結合する方式を独特な仕方で利用している。
【００２３】
図２では、システム１００と図３に概略的に示した従来の液体ピストンシステム２０との間の幾つかの差異を明確にするために、ピストン１０２を「過剰ストローク防止式非流体フリーピストン」と表示している。液体ピストンシステム２０は、液体ピストン２２を含み、この液体ピストン２２は、液体から成り、機械的に互いに結合されてはいない。液体ピストン２２の固有の特性により、従来の液体ピストンシステム２０は、システム１００に見られるピストンの過剰ストロークを防止する直接的な手段を備えていない。というのは、過剰ストロークは、熱入力と熱出力との間の温度差を十分に低いレベルに保つことにより間接的に回避されるからである。これにより、相当大きなレベルの有用な仕事を取出す能力が大幅に妨げられていた。
【００２４】
システム１００のピストン１０２は、従来のアルファ形態の多シリンダスターリング機械に見られるように互いに機械的に結合されていないので、適正な過剰ストローク防止装置がないと、ピストンのストロークが大きすぎるほど移動する場合があり、これにより、ピストンが損傷を受けるか、システムの他のコンポーネントを損傷させるかのいずれかである可能性が非常に高い。しかしながら、機械的に結合されたピストンを用いる従来の教示は、任意のフリーピストン式多シリンダスターリング機械についての過剰ストローク防止法に取り組んでおらず示唆もしておらず、かかる過剰ストローク防止手段は、本発明のシステム１００までは想定されておらず又は実施化されていなかった。
【００２５】
再び図２を参照すると、過剰ストローク防止を行うため、システム１００は、ピストン１０２の各々に結合されたピストンロッド１２１を有している。過剰ストローク防止装置１２２が、ピストンロッド１２１の各々に結合されている。システム１００の構成例に応じて、過剰ストローク防止装置１２２は、仕事をピストン運動から取出してもよいし、仕事をピストン運動に与えてもよい。仕事を取出す場合、過剰ストローク防止装置１２２は、オルタネータ、ポンプ、圧縮機、及び、仕事を取出すための空気圧装置、電気的装置、機械的装置、電気機械的装置の形態を取ることができる。仕事を与える場合、過剰ストローク防止装置１２２は、モータ、エンジン、タービン、及び、仕事を与えるための電気的装置、機械的装置、電気機械的装置の形態を取ることができる。仕事を取出すか仕事を供与するかのいずれかであるこれら電気的装置、機械的装置又は電気機械的装置のうちの幾つかについて、代表例として以下に詳細に説明するが、これらは、過剰ストローク防止装置１２２として使用できる電気的装置、機械的装置又は電気機械的装置の種類を限定するものではない。
【００２６】
従来のキネマチック式非フリーピストン単一シリンダと関連した従来のキネマチック式非フリーピストン多シリンダスターリング機械には、従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械と比較して多くの利点があり、これら利点は、有利には、多シリンダとフリーピストン式の両方を備えたシステム１００に当てはまる。かかる利点としては、１サイクルと平均圧力バッファスペースとの間の実質的に小さな圧力差を利用する従来方式によってではなく、２つの隣り合う熱力学サイクル相互間の圧力差によって駆動される複動ピストンを用いた結果として、出力密度が高いことが挙げられる。換言すると、システム１００は、フリーピストンの新しい具体化においてアルファ形態を利用したものであり、関連した熱力学的回路を一層効果的な利用することができる。
【００２７】
システム１００は、キネマチック式非フリーピストンスターリング機械と関連した利点、例えば、寿命及び信頼性を制限する複雑な機械式リンク装置が僅かであり又は全く無いという利点、例えば、油蒸気と作動サイクルガスを分けなければならない滑りシールに起因する耐久性又は信頼性に対する制限がほとんど無く又は全くないという利点、必要な潤滑剤がほとんど無く又は全く無いという利点、クランクシャフト軸受、回転斜板、滑りシール又は他のリンク装置と関連した従来の動摩擦による損失が減少し又は全く無くなるという利点を有する。代表的なキネマチック式エンジン設計では、有用な仕事は最初に、エネルギー貯蔵装置、例えば、フライホイール又は回転斜板に伝達され、次に、リンク装置又はクランクシャフトを介して取出され、各サイクルに強要される仕事を駆動する。システム１００の構成例は、幾つかのキネマチック式の信頼性に関する問題を解決すると共に、単にリンク装置を省き且つ過剰ストローク防止装置を追加することにより、キネマチックリンク装置の伝達による非効率性から生じる固有の出力消散を無くすことができる。加うるに、システム１００の構成例は、キネマチック式非フリーピストンスターリング機械の寿命及び信頼性を著しく制限する回転シャフト又は漏れが多くて保守性が高い回転又は滑り油シールを使用しないで、完全に線形（リニア）であるのがよい。
【００２８】
例示の４シリンダ構成例におけるシステム１００の機械的構造は、４つの別々のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械と比較して、一サイクル当たりの可動部材を２つから１つに減らすことにより単純化されている。従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械では、２つの別々の可動部分、即ち、熱入力エネルギーを圧力波状態に変換するのを助けるディスプレーサピストンと、リニアオルタネータの原動機に取り付けられたパワーピストンとがある。システム１００では、この構成に代えて、熱入力エネルギーを直接原動機の振動に変換する単一のピストンが用いられている。従来の単一のフリーピストン式スターリング機械の一サイクル当たりの２つの可動部品を、本システム及び方法の一サイクル当たり１つの可動部品に減少させることによって、単純化された機械的構造を得ることは、相当な改良である。換言すると、一サイクル当たり１つの可動部品は、一サイクル当たり２つの可動部品よりも機械的に単純であり、単一クラスの原動機への移行により、本機械の分析上の要件及び実際の作動が大幅に単純化される。
【００２９】
従来のフリーピストン式スターリング機械と比較した場合の本システム１００の信頼性における重要な利点は、複動フリーピストンを優先して、フリーディスプレーサを完全に取除くことにある。ホットキャップを備えた４つの複動ピストンは、ディスプレーサとパワーピストンの両方の機能を効果的に実行する。これは、４つのピストンの各々が、２つの別々のスターリングサイクルと同時に連係するホットサイド及びコールドサイドを有している図２で理解できる。従来のディスプレーサを取除くことにより、一スターリングサイクル当たりの部品の数が減少すると共に機械作動の制御性が向上する。というのは、全ての可動部品を電磁システム又は他の制御システムに結び付けることができるからである。ガンマ形態及びベータ形態のスターリング機械のフリーディスプレーサは、ガス圧力振動によってのみ駆動され、これらの運動は、圧力、温度及びケーシング変位に非常に敏感である。電磁結合ピストンのみを用いることにより、ディスプレーサ形機械と比較して、非常に広い作動条件範囲にわたって振幅及び周波数（振動数）の制御を向上させる手段を得ることができる。
【００３０】
システム１００において対をなすピストン１０２及びシリンダ１０４の各々は、所与の位相構造で熱力学的にリンクされると共にロックされるので、フリーピストン式単一シリンダスターリング機械の設計を支配する傾向がある多くの設計及び設計後におけるチューニングの問題が無くなる。ピストン１０２がシステム１００内で往復運動する周波数（回数）及びその結果としての出力は、各ピストンについて同じ仕方でピストンの質量及びばね特性を単に変更することによって制御できる。これは、実際には、撓み又は他の機械的ばねを追加し又は除去することにより、或いは、システム１００のピストン１０２又はそれと関連した可動部品に質量を追加し又はこれから質量を除去することにより達成される。当然のことながら、システム１００のチューニングに対する比較的容易な方式を得るには、全てのピストン１０２について質量及びばね特性をほぼ同じに保つことが好ましい。
【００３１】
システム１００は、ピストン１０２を複動ピストンとして用いるフリーピストン式単一シリンダスターリング機械と比較よりも潜在的な利点を有しており、従来の単動ピストンと比較して、圧力−体積（Ｐ−Ｖ）仕事が増大する。別の利点は、有効死空間を減少させた結果として、従来のガンマ形態と比較して、関連した圧力波振幅を潜在的に増大させてシステム１００の性能を向上させることにある。さらに、ピストン相互間の位相角を変化させることにより（例えば、既存のフリーピストン式単一シリンダスターリングエンジンにおける位相角についての従来の６０°〜７０°の値と比較して、例えばこれよりも高い９０°（４シリンダ）又は１２０°位相角（３シリンダ））、動力伝達量を増大させることができる。
【００３２】
フリーピストン式単一シリンダスターリング機械と比較した場合の潜在的な１つの利点としては、互いに反対側のオルタネータを結合してアルファ形態のフリーピストン相互間の所望の１８０°の位相差を強化させる可能性が挙げられる。別の潜在的な利点は、従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械に見られる多種多様なばね／質量及びダンパ特性を備え、非対称に配置され且つチューニングされた２クラスの共振原動機（可動部材の中には、パワーピストンであるものがあり、ディスプレーサピストンであるものもある）を利用するのではなく、本発明のシステム及び方法の幾つかの実施形態で見られる共振的にチューニングされた１クラスの可動部材（可動部材は全て、パワーピストンである）を利用することにより、フリーピストン式単一シリンダスターリング機械で見られるフリーピストンチューニングの問題の実質的に大部分が回避されるということにある。
【００３３】
端的に言えば、システム１００により提供される単一クラスの可動部材（可動部材は全て、パワーピストンである）を用いることにより、システムのチューニングが大幅に単純化される。その結果当然に得られる利点として、システム１００におけるピストン運動の周波数を、撓み軸受（又は他のばね力要素）を追加し又は除去することにより、或いは、全てのピストンに同様に加わるピストン／原動機質量を容易に追加し又は除去することにより、そして、一般に従来のフリーピストン式単一シリンダ構成例で必要な複雑精巧な極めて高次の分析の必要性がもしあったとしても僅かな状態で、容易に変更できるということが理解できる。
【００３４】
これとは対照的に、システム１００は、名目上ほぼ同じばね−質量−ダンパ特性の結果として、共振振動数において安定した作動が得られるという望ましい可能性を有している。システム１００では、パワーピストン構成要素に関して一定の仕方でばね定数及び／又は運動質量を変化させるだけで、容易に予測可能な仕方で作動振動数が変更され、この場合、適正な作動が、複雑精巧な分析及び作動チューニングパラメータの微妙な選択に依存することはない。
【００３５】
システム１００には別の潜在的な利点が存在する。例えば、このシステム及び方法は、フリーピストン式単一シリンダスターリング機械と比較して、位置合わせ（アライメント）に関する要件を単純化できる。システム１００は又、大規模な構成例のための熱交換器設計に関する複雑さを減少させることができる。システム１００は、キネマチック式機械と比較して、寿命及び信頼性において多くの潜在的な利点を有すると共に、既存のキネマチック式多シリンダ機械又はフリーピストン式単一シリンダ機械と比較して、性能において多くの潜在的な利点を有することができる。
【００３６】
これら追加の潜在的利点のうちの幾つかとしては、実際の具体的構成の利点が挙げられる。システム１００の構成例は、この従来にないシステムに適用される従来の技術の使用により制御でき、したがって、既に利用できる既存の機器をシステムに使用できるように容易に変更することができる。例えば、標準型又は最新型コントローラを用いると、極めて複雑精巧な分析及び具体化手順を必要としないで、システム１００のピストン過剰ストロークを防止することができる。
【００３７】
システム１００に関する別の実用的な改良では、並列配置された反対側のオルタネータは、４シリンダ及び６シリンダ構造及びかかる対をなす構造に特に適用できるピストン１０２相互間の所望の１８０°の位相差を一段と強化することができる。別々の互いに異なるが、幾分関連したオルタネータ方式は、後で更に説明するように新たなクラスのコンパクトな複式リニアオルタネータを具体化する機会を提供することによって、システム１００で得られる。
【００３８】
上述したように、システム１００は、高い容量及び出力密度を考慮している。これとの関連で、システム１００は又、大規模な作動をもたらす一方で、依然として、フリーピストン式単一シリンダスターリング機械と同等な信頼性を得るために、スケール変更可能な構造を考慮に入れている。例えば、１０ｋＷ〜１００ｋＷ以上の電気容量をリニアオルタネータの技術の現状を大幅に拡張する必要なく、フリーピストン式多シリンダスターリング機械として製作することができる。他の関連のスターリング利用技術も又、例えばプレートレットヒータ要素及び他の新型オルタネータを用いることにより発電能力を一段と増大させるよう利用できる。
【００３９】
〔宇宙用途〕
システム１００の潜在的な宇宙用途としては、有人飛行及び無人飛行用の原子炉動力及び／又は推進システムが挙げられる。幾つかの潜在的な深宇宙、惑星着陸船及び月インフラストラクチャーミッション（ジュピター・アイシー・ムーンズ・オービタ（Jupiter
Icy Moons Orbiter：ＪＩＭＯ）を含む）は、システム１００が軽量であり、安定性が向上し、そして、潜在的に高いエネルギー変換効率を有していることから著しい恩恵を受けることができる。システム１００は又、顕著な質量（比動力）に関する利点を更に有する可能性が多分にある。この効率（及び質量）に関する利点により、ミッションプランナーに非常に高い融通性が与えられる。追加の動力を用いると、科学モジュールに動力供給することができると共に（或いは）追加の効率を利用すると、反応器のサイズ及び放熱システムを含む動力システム全体のサイズを減少させることができる。これら作動上の利点により、ミッションプランナーに高い融通性が与えられる。
【００４０】
スターリング機械は、宇宙における核エネルギー変換に関する真に実行可能な技術として急速に承認を得ている。核動力システムは、深宇宙の延長及び長期間にわたる惑星ミッションにますます必要であると考えられている。プロジェクト・プロメテウス（Project
Prometheus）は、現在入手できるレベルよりも大形の宇宙対応動力変換器を必要とする深宇宙探検ミッション、例えば、ジュピター・アイシー・ムーンズ・オービタ（ＪＩＭＯ）用の積極的に開発中の原子炉である。システム１００は、深宇宙探検に必要な現行のシステムの信頼性及び長命特性を維持しながらこれまで入手できたより大形でより出力密度の高いスターリングコンバータシステムを提供できる。システム１００は、優れた出力密度及び信頼性を備えた状態で１００ｋＷ以上をもたらすようスケールアップできる可能性を秘めている。
【００４１】
宇宙用のシステム１００の追加の潜在的な用途としては、有人及び無人飛行用の太陽熱動力発電システム及び／又は推進システム並びに電磁パルス及び光電池に悪影響を及ぼす場合のある他の形態の放射線に耐性がある電力消費量の高い衛星用の政府及び商用の太陽発電が挙げられる。
【００４２】
加うるに、提案された技術革新を利用する宇宙冷凍機を現行のスターリング冷凍機よりも高い効率及び出力密度が得られるよう具体化できる。フレキシャ支持型スターリング動力変換器のシステム１００による首尾良い使用を利用した技術は、宇宙用途、例えば、動力変換器、太陽衛星及び他の動力変換器、例えば、ラジオアイソトープ発生器に必要な長い寿命及び信頼性を有するよう設計できる。
【００４３】
システム１００は、数十ｋＷ又は数百ｋＷの範囲の大形宇宙用途、例えば、太陽熱動力発電システム及び動力変換器が得られるようスケール変更できる。商用衛星は、サイズ及び出力に関する受容が増大しているので、現在用いられている太陽パネルは、宇宙船用の適当な動力を提供するのは難しい。システム１００を利用した動力変換器の固有の製造性は、潜在的に低いコスト及び光電池技術により実現可能な環境への影響の減少をもたらすことができる。
【００４４】
〔商業的用途〕
システム１０２は、多種多様な地球用途が存在する。システム１００は、高い信頼性の動力負荷及び分散型発電、住宅用及び工業用コージェネレーション及び太陽エネルギー変換の遠隔オフグリッド（0ff-gird）用途を含む多くの場合に増大した価値をもたらすことができる。システム１００は、高信頼性動力に関する遠隔動力マーケットの相当大きな部分に役立つことができる。システム１００は、既存の熱電及びランキンサイクル技術に取って代わることができる。加うるに、システム１００は、エンジン／発電機、ヒートポンプ又は冷凍機に使用できる。これら装置のうちどれも、従来のスターリング技術から現在得られるレベルよりも高い出力密度、効率、信頼性及びスケール変更性をもってシステム１００で支援できる。システム１００は、ガソリン、ディーゼル、プロパン、天然ガス、バイオマス、太陽光又は他の熱源を用いる多くの既存のシステムに取って代わることができる。潜在的な発電マーケットとしては、組合せ型熱と電力の用途、遠隔スタンドアロン型高信頼性発電、太陽／ディッシュ（方物面反射器）再生電力、バイオマス再生電力並びに船舶及びレクリエーション用自動車のための補助発電機が挙げられる。
【００４５】
アメリカ合衆国だけで発電機の売り上げは、２００３年では２０億ドルを超え、次の数年間に急成長することが見込まれる。システム１００は、発電機の市場ではプレミアム製品であり、多くの用途において高い価値の特徴、例えば、多くの燃料が使えること、動作が静かであること、保守が少ないこと、寿命が長いという特徴を提供する。
【００４６】
熱電併給（ＣＨＰ）方式は、欧州においては非常な人気を博しつつある。例えば、オランダ国は、その電力のほぼ３０％をＣＨＰ用途で生じさせており、その割合は、次の２０年間にわたり著しく増大することが期待される。コジェネレーションシステムにおけるシステム１００の利用は、熱及び電力を単一の建物又は集合住宅に供給できる小規模又はマイクロコージェネレーション（マイクロ熱電併給（ｍＣＨＰ））システムを含む。手頃なマイクロコージェネレーションシステムは、費用のかかる送電線網の拡大を見送り、ピーク負荷期間中、電力不足を防止するに足る電力を提供できる。
【００４７】
システム１００は、非常に高い電力レベルへのスケール変更を可能にする。両方の特徴は、欧州、アジア及び米国ｍＣＨＰ市場に相当の利益をもたらす。これ又システム１００から恩恵を得ることができる別のスターリングコージェネレーション用途としては、熱電併給方式を用いる携帯用及び定置給食施設及び軍事用途、例えば、野外炊事場、洗濯場及び野戦病院が挙げられる。
【００４８】
遠隔高信頼性電力用途としては、遠隔通信用の通信システム及びガス及び油のパイプライン並びに海上石油プラットホームによる小電力用途が挙げられる。これら電力要件は、通常、用途の作動にとって必要不可欠であり、厳しい環境条件下において高信頼度で実施されなければならない。遠隔電力スタンドアロン型システムは、この遠隔高信頼性電力市場の大部分に単一及び多数のシステムの導入を可能にするよう１ｋＷ級のシステム１００を利用するのがよい。システム１００の遠隔高信頼性電力構成例に関する同一又はほぼ同じ値特性は、かなり高い電力要件（５〜１００ｋＷ）を有する電力用途に存在している。
【００４９】
北米の電力会社は、環境に優しい代替手段を具体化する際にヨーロッパの電力会社よりも恐らくは後れを取っている。コージェネレーション及び太陽発電用途のための大規模スターリング機械は、システム１００を備えた状態で可能であり、環境に優しい用途を拡大する。主導権が、既に国及び連邦レベルで存在して試験及び２５〜５０ｋＷスターリング太陽光ディッシュ用途の開発に資金を提供しており、かかる資金及び開発は、十分な電力出力の信頼性のあるスターリングエンジンが無かったために過去において放棄されていた。
【００５０】
システム１００は、政府の幾つかの省及びスターリング・ディッシュ（Stirling Dish）技術と関連した投資家所有電力会社により使用できる。加うるに、米国全体における多くの地方都市の下水処理場は、信頼性のあるエンジン発電機を開発して許容レベルの経済的返還を地方都市にすることができれば、再生可能なダイジェスタ用メタンガスを用いる発電の採算の取れる候補である。現在、レシプロエンジン及びマイクロタービンの燃料処理費用は、期待されたほど採算が取れていない。システム１００の５０〜１００ｋＷ構成例は、多数の再生可能な燃料によるバイオマス作動に信頼性を持って使用できる。システム１００は又、電力だけが必要である用途を支援するのに有用である。かかる例としては、ほぼ静かな軍事用野外発電機が挙げられ、メンテナンスフリーの作動が、有用な属性である。太陽発電用途としては、現在、ＤＯＣ（米国エネルギー省）のイニシアチブにより２０１０年までに１，０００ＭＷの太陽発電が得られるよう計画された実用規模の電力を得るための大型アレイが挙げられる。
【００５１】
世界銀行によれば、２５億人を超える人或いは世界中で約５億の世帯が、適当な電力を享受できないでいる。これら世帯は、毎年、しばしば１ｋＷ時当たり１．５０ドル〜２．００ドルを超える電力費をかけてケロシン（灯油）、ロウソク及び電池充電から低級エネルギー供給で４００億ドルを費やしている。潜在的にバイオマス又は太陽熱により給電されるシステム１００の単一スターリングマイクロコージェネレーション構成例からの電力は、集合住宅、病院又は小さな村に電気及び温水を提供できる。
【００５２】
システム１００は、オフグリッド住宅用電力、レクリエーション用自動車又は船舶用補助電力を供給するために使用できる。見積もりの示すところによれば、スターリング技術がこれら用途において成功を収めるためには、５〜７５ｋＷの電力出力が必要であり、これは現在、フリーピストン式単一シリンダ（「ＦＰＳＣ」）スターリング機械の実用範囲から外れている。幸運なことに、本システム１００は、この範囲を取り扱うことができるはずである。
【００５３】
開発途上国の電力要件に関し、開発途上国において小規模の住居用住民センタ（大抵の世帯が電力無しで且つ電力を得る経済的及び健康上の利点が無い状態にある場所）でこの技術の成功裡の導入を達成するためには、スターリング技術の属性は、意味ある効果を生じさせるのに十分な大きさの発電機に組み込まれる必要がある。既存の内燃機関発電機は、これらのエミッション、騒音及び大規模な保守要件のためにこの用途には望ましくなく、従って、システム１００は、魅力のある代替手段である。
【００５４】
システム１００は構成例が、従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械により現在賄える大型発電システムにおいてフリーピストン技術の独特の利点、例えば、騒音又は保守が殆ど無いレベルから全く無いレベルまで信頼性が高いという利点を必要とする市場及び用途に貢献できるようにする。
【００５５】
〔軍事用途〕
新型通信機器により、米国軍は、現場で益々電気を必要としている。これら電力要件は、現在、主として、環境に騒音及び汚染エミッションで衝撃を与えるディーゼルエンジン型発電機により提供されている。システム１００は、陸軍、海軍及び海兵隊を含む国軍の種々の部門にそのスケール変更可能でほぼ静かでありほぼメンテナンスフリーであってエミッションが少ない発電システムを明らかに提供できる。システム１００の構成例は、騒音が事実上無い状態で高信頼度の電力を提供すると共に戦闘に用いられる既存の発電機と同等又はこれよりも少ない燃料を用いることができる大型で出力密度の高いスターリングエネルギーシステムを提供する可能性を秘めている。システム１００の構成例の製造性及び軍事兵站に用いられる燃料によるその稼働性も又、燃料電池及び他の台頭しつつある技術よりも非常に低いインフラストラクチャ及び作動費を、利点又は信頼性を損なわないで、提供する可能性を秘めている。
【００５６】
〔再生可能品の用途〕
多くの国の政府は、再生可能な電力、例えば、太陽、風及びバイオマス燃料源から得られる電気の割合を増すよう電力会社を奨励している。システム１００は、集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）並びに今日最も利用できる技術よりも良好な多様な廃棄物からエネルギーへの用途及び専用エネルギー作物用途の市場に貢献することができる。というのは、例えば、或る用途について比較的大きな電力出力要件は、従来のフリーピストン式単一シリンダ方式にとっては不可能ではないまでも非常に難題である場合があるからである。高価な改質器を必要とする燃料電池とは異なり、システム１００の汎用性により、事実上任意の再生可能な燃料源に適合するのを容易且つ費用効果がよいようにする。異なる燃焼器技術を備えた同じ発電機は、埋め立てガスや農業用メタンから水素及びＣＳＰで稼働でき、製造経済性を大幅に向上させる。大型発電機に関する予測される長寿命、高信頼性、スケール変更性並びにシステム１００の保守が無いということにより、分散型発電をモニタするために歩き回ることができない遠隔場所での分散型発電のために、このシステムは、従来のスターリング及び他の従来の機械、例えば、内燃機関と比較して、好ましい技術にする。
【００５７】
システム１００の種々の構成例の多くの利点、利益及び用途（本明細書において列記したものを含む）が所与の場合、システム１００が何故ちょうど今流行しているように見えるのか不思議に思われるかもしれない。これは、それほどの技術革新ではないのに何かのタイミングでそのようになっている理由に関する推測である。これとは異なり、以下のことは、従来のスターリングシステム及びシステム１００の真相を考える際の違いに関する考察として提供される。
【００５８】
熱力学的共振フリーピストン式多シリンダアルファ形態スターリング機械は複雑すぎるので、概念上又は実際上の機能的機械のいずれにおいても研究を続行する価値が無いという長年の固定観念とは対照的に、システム１００の構成例は、かかる方式を採用した。従来の技術は、システム１００の分野にあえて冒険することなく、従来のフリーピストン式単一シリンダ方式で止まっている。システム１００は、従来の技術を超えて従来の技術により想像される過度の複雑さ無しに、フリーピストン式多シリンダアルファ形態を実現するよう考察された。
【００５９】
従来方式と比較したシステム１００に関する単純化としては、ディスプレーサピストンを無くすこと、共振調和振動子（ピストン）が名目上同じであるということ、熱力学的回路が対称方式でピストンと相互作用することが挙げられる。その結果、システム１００の本発明の構成例を所望の作動性能が得られるよう「チューニング」してピストンに加わる正味の質量−ばね−ダンパ力に基づく所与の振動数で動作できるようにする。従来の技術とは対照的に、システム１００の構成例は、従来のフリーピストン式スターリング機械の高感度のチューニングパラメータとは対照的に、関連したチューニングパラメータについて寛容である。システム１００の本発明の構成例のチューニングパラメータは、例えば、全てのピストンのばね定数又は質量を同様な仕方で変更することにより容易に調節できる。
【００６０】
従来の技術とは対照的に、システム１００の本発明の構成例は、従来のフリーピストン式単一シリンダ機械に用いられる複雑精巧な従来のフリーピストン式対話型動的分析を必要とせず、これに対し、従来の技術は、フリーピストン式多シリンダアルファ機械を構成する試みでは、少なくとも、従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械よりも分析が多くはなくてもこれと同じほどの分析を必要とすることを予測している。従来の技術とは対照的に、システム１００の本発明の構成例は、相当大きなパラメータの差又は通常は名目上であっても機能するために従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械を得る上で通常必須の未知のパラメータが存在していても、正味の共振振動数で動作することができる。
【００６１】
これら要因は、良好な実証結果の作動が行われたのではなく、従来の技術によっては実証用構成例の失敗を除外するのが妥当ではない程度まで任意の従来のフリーピストン式スターリング機械に全体として不合格であった仕方による実際の作動を通じて、システム１００の実証用構成例によるフリーピストン式多シリンダスターリング機械の最初の作動で明らかに確認された。ミスマッチであって同等ではない部品が用いられた状態でシステム１００の実証用構成例の作動変形例の場合と同じ程度の非一体化が従来のフリーピストン式スターリング機械で生じた場合、従来のフリーピストン式スターリング機械は、故障するであろう。さらに、システム１００の実証用構成例の場合、作動は、構成例の調節の必要性が殆ど無く又は全く無い状態で最初の試みで成功裡に終わった。
【００６２】
実現可能性実証に関する実証用構成例の幾つかの特徴は、従来のフリーピストン式機械の設計基準に対して有利であることが判明した。実証用構成例は、キネマチック部品を取外した状態で基本的構造に関する従来のキネマチック式４シリンダエンジンホットエンド設計の部分を使用した。従来のエンジンは、窒素作動流体を用いるよう設計され、これに対し、実証用のエンジンは、ヘリウムを使用した。さらに、設計周波数は、２５Ｈｚであり、これに対し、作動は、５２Ｈｚであった。設計は、２０ｍｍストロークに関しており、これに対して、作動は、１１ｍｍであった。１７％のロッドとピストンの設計領域比は、このパラメータでは知られていない調整は不要であり、このパラメータは、ほぼ常時、従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械について正確な微調整を要求している。再生器の多孔度及び熱交換器の幾何学的形状は未知であったが、これは、首尾よい作動の一要因ではなく、この場合も又、従来のフリーピストン式スターリング機械について故障を意味した。
【００６３】
実現可能性に関する実証用構成例を構成するため、４つの旧式の冷凍機リニアオルタネータを、６０Ｈｚ設計（５２Ｈｚ作動とは異なる）、１２ｍｍストローク限度（１１ｍｍ作動とは異なる）を有する実証用構成例に関する別の全体としては異なるスターリング機械から廃物利用した。さらに、構成例は、リニアオルタネータに関する２つの互いに異なる設計上の世代を有していた。９％のユニット間モータ定数のばらつきがあった。また、都合の悪い２レベルの取り付けがあった。というのは、ピストン間隔に関する限度により、主要な非対称性が生じたからである。
【００６４】
機器の欠陥及びミスマッチの全てが所与の場合、従来の技術は、実証用構成例が、働かないことを予想した。というのは、第１に、フリーピストン式アルファ形態スターリング機械は、決してそれ以前には試みられず、又、第２に、従来のフリーピストン式スターリング機械は、同様なミスマッチ形態で動作できないからである。さらに、全ての構成部品を組立て、その後「そのままの」状態で一体化し、この場合、組立てに先立って動的又は熱力学的分析は行わなかった。
【００６５】
広く変化するピストンリング摩耗レベル（キネマチックエンジン構成部品からの誤差）の結果として、外気中で６０％のストロークで種々のオルタネータをモータ駆動するのに必要なモータ駆動するのに３０〜５５Ｗの駆動電力が必要であった。調整を殆ど行わず、作動構成例について軸線方向と半径方向の両方において粗い位置合わせのままであった。さらに、従来のフリーピストン式スターリング機械を運命付けるこれら全てのパラメータに関し、実証用構成例は、作動前後に修正を行わないで、最初の試みで安定して成功のうちに作動した。実験室における測定の示すところによれば、関連した４つのフリーピストンの位置が、多くの要因により生じた１２％のストロークばらつきを有していた。このストロークのばらつき及び多くの他の欠点があったにもかかわらず、実証用構成例は、全体として従来の技術とは対照的に、隣り合うピストン相互間にほぼ９０°の位相遅れで作動した。
【００６６】
フリーピストン式機械がいつ設計され且つ／又は構成されようとも、単一シリンダスターリング機械に対して何十年間にもわたって専らの関心が注がれたと仮定しても、これら比較的いざこざの無い結果は、大きな驚きとして従来考えられていたものになる。いざこざの無いという用語は、従来のバージョン、即ち、単一シリンダ機械だけに厳格な分析が必要であったとしても、フリーピストン式スターリング機械の従来の世界には等しくない用語である。本発明者は、システム１００で見受けられるようにフリーピストン式多シリンダアルファ形態機械を実際に製作しようとする試みを知らない。さらに、本発明者は、システム１００を思いつくのに十分な特徴を享受し且つ／又は示唆する技術文献が単独にせよ組合せにしろ無いことを知っている。例えば、ピストン１０２は、非流体タイプのものなので、或る形態の過剰ストローク防止は、ピストンがあまり遠くに移動して別の部品に当たるのを防止し又は違ったやり方でシステムの性能を損ね又は減少させるのを防止するのに必要である。
【００６７】
本発明者は、フリーピストン式多シリンダ機械、例えば、システム１００について何らかの種類の過剰ストローク防止策を実施すべきが何なのかについて何らかの教示を知っておらず又依然として知っていない。フリーピストン式機械について試みられると共に真に単一のシリンダ以外のことを行う上で従来の技術の極端に気乗りのしなかったことはフリーピストン式多シリンダ機械を建造しようとする人がいなかったことや実際の又は理論的機械用のフリーピストン式多シリンダ機械又は任意他の考えられる形式のフリーピストン式多シリンダ機械について過剰ストローク保護について何かを行うということに関して本発明者により最もよく知られているように文献又は文献中のどこか又は別のところの教示が存在していないということにより、過去に立証されている。
【００６８】
システム１００の例示のリニアオルタネータ構成例を図４に概略的に示し、システム１００は、ピストン１０２の各々ためのリニアオルタネータ１２４を有している。リニアオルタネータ１２４は各々、ピストンの往復運動を負荷１２６への電力に変換するために、ピストンロッド１２１によってピストン１０２の各々に一つ一つ結合されている。システム１００は、例えばピストン過剰ストロークの防止に関連して、リニアオルタネータ１２４を制御するコントローラ１２８を更に有している。
【００６９】
出力コントローラ、例えば、コントローラ１２８は、良好な性能を発揮するような仕方で且つ潜在的に損傷をもたらすピストン過剰ストロークを防止するような仕方でピストンストロークを制御するのに役立つ。従来のフリーピストン式単一シリンダスターリング機械のためのピストンストロークを制御する特徴が、例えば米国特許第６，０５０，０９２号明細書、同第６，０９４，９１２号明細書、同第６，３３０，８００号明細書、同第６，７８２，７００号明細書、及び国際公開第０２／０７３７６８号パンフレット等の特許文献に教示されている。重要なことであるが、かかる特許文献は、フリーピストン式多シリンダ構造用のピストンストローク制御工程を教示しておらず、示唆もしていない。フリーピストン式多シリンダスターリング機械用のピストンストローク制御装置は、本明細書において説明している本発明の技術的思想の一部である。本明細書に開示している１つの画期的な発明は、コントローラ１２８が、フリーピストン式単一シリンダ機械用の従来のコントローラの原理を用いることができるということにある。コントローラ１２８は又、他の有用な目的、例えば、負荷に関する要件を満たすと共に負荷変化がピストン又はリニアオルタネータ作動に悪影響を及ぼすことを防止するためのリニアオルタネータと負荷との間のインターフェイスを構成するという目的を達成するのに役立つ。ピストンストローク制御に関する技術背景を更に以下に説明する。
【００７０】
一般に、リニアモータ又はオルタネータストロークを制御するツェナー型コントローラ又は任意他のコントローラは、多シリンダエンジンにおけるピストンストロークを制御するために使用できる。ストロークを制御する一方法は、比逆電磁力を維持して振幅を制御することである。このようにするため、端子電圧を制限して比逆電磁力を維持し、したがって、ピストンストロークを制限し、その結果これを制御する。ファラデーの法則の拡張によりストロークと電圧との間の関連の関係を次に説明する。図５は原動機位置、磁束（フラックス）及び生じた電圧波形相互間の関係を示している。図６Ａ〜図６Ｄ、図７Ａ及び図７Ｂは、図５の位置ａ（図６Ａ及び図６Ｂに示されている）及びｃ（図６Ｃ及び図６Ｄに示されている）並びに図５の位置ｂ及びｄ（図７Ａ及び図７Ｂに示されている）に対応するリニアオルタネータ１２４のステータ１３２に対する原動機１３０の代表的な構成例の場所を示している。
【００７１】
ピストンの過剰ストロークを防止するシステム１００のリニアオルタネータ１２４を制御する充電式構成例が、図８に示されている。リニアオルタネータ１２４は各々、交流（ＡＣ）電力１３６をリニアオルタネータのコントローラ１２８に入力するように、コンデンサ１３４に結合されている。コントローラ１２８は各々、後で更に説明するように、交流電力１３６の何割かを受取るようダンプ抵抗器１３８に結合されている。コントローラ１２８は各々、高電圧直流（ＤＣ）電力１４０を充電器１４２に伝達するよう結合されている。次に、充電器１４２は各々、低電圧直流（ＤＣ）電力１４４を出力して電池負荷１４６を充電する。
【００７２】
図８に示す充電式構成例用のシステム１００のリニアオルタネータ１２４の各々により得られる電力は全て、充電に向けられ、又は、過剰電力が存在している場合、過剰電力の抵抗変換方式を用いて過剰電力を熱エネルギーとして消散する。特に、電池負荷１４６の各々が、リニアオルタネータ１２４の各々によりそれぞれ発生した電力の全量を受取ることができない場合、コントローラ１２８は各々、電池負荷を充電するのに必要な電力よりも過剰の電力をそれぞれのダンプ抵抗器１３８中に消散させる。
【００７３】
以下に更に説明するように、ダンプ抵抗器１３８は各々、実際には、個々の抵抗器（図示せず）の集まりであるのがよく、コントローラ１２８は、過剰電力を消散させるために、任意の１つ又は複数の個々の抵抗器が用いられるかを決定する。変形例としての構成例は、コントローラ１２８の各々を用いてダンプ抵抗器１３８の使用に代えて又はこれに加えて、膨張交換器の各々が受取るべき熱入力の量も調節する。これら構成例は、現在、ピストン１０２のそれぞれの失速を回避するように、リニアオルタネータ１２４の出力容量に応答して制限される形式の充電器１４２を用いている。高ＤＣ電力１４０は、１１０又は２２０VAC RMSに関するリニアオルタネータ１２４の構成例について図８に示されている。他の構成例では、リニアオルタネータ１２４は、電池負荷１４６の電圧レベルにほぼ一致する低電圧で動作するよう構成されたものであるのがよい。
【００７４】
ピストン過剰ストロークを防止するシステム１００のリニアオルタネータ１２４を制御する配電網結合(grid tied)型インバータを利用する電力状態調節構成例が、図９に示されている。この構成例では、コントローラ１２８は、始動時、作動停止及び配電網遮断中、未使用電力を管理するよう組み込まれている。コントローラ１２８は、例えばインフィニア・コーポレイション（Infinia Corporation）又はエナテック・コーポレイション（Enatec Corporation）から市販されているアナログ型のものであるのがよい。コントローラ１２８は各々、ＤＣ−ＡＣインバータ１５２に結合され、このＤＣ−ＡＣインバータは、ＡＣ配電網分配器１５６に結合されている（一般に、配電網分配器は、システム１００のインバータの全てに結合される）。インバータ１５２は、リニアオルタネータ１２４により生じた電力の漸変電圧及び周波数を配電網分配器１５６の特定の構成例の所要の電力及び周波数仕様に変換するよう構成されている。
【００７５】
ピストンの過剰ストロークを防止するために、システム１００のリニアオルタネータ１２４を制御する配電網用安定器を利用する電力調節構成例が、図１０に示されている。この構成例では、複数のＡＣコントローラ１５８の各々が、ＡＣ電力１３６を受取り、そしてＡＣ電力１６０を出力するように、システム１００のリニアオルタネータ１２４の各々にそれぞれ結合されている。安定器１６２が、例えばエナテック・コーポレイションにより配電網ボックスとして製造されたＡＣコントローラ１５８に結合されていて、ＡＣ電力１６０を配電網分配器１５６と関連した仕様に合わせた状態に調節するように構成されている。ＡＣコントローラ１５８は、始動、作動停止及び配電網遮断中、未使用の電量を管理するために用いられる。
【００７６】
代表的には、安定器１６２は、ピストン往復運動の固有の周波数が配電網分配器１５６の設計基準とは異なる（代表的には、数ヘルツだけ異なる）場合、特に有用な場合がある。安定器１６２がシステム１００のこの構成例に無い場合、ピストン往復運動は、ピストン往復運動の固有周波数が配電網周波数とはかけ離れている場合、不安定な状態になる場合がある。安定器１６２は、ＡＣコントローラ１５８の出力周波数及び電圧レベル並びに配電網分配器１５６の出力周波数及び電圧レベルをモニタするよう構成されている。
【００７７】
安定器１６２は、ＡＣコントローラ１５８からのＡＣ電力１６０の相を操って配電網分配器１５６の相に一致させる。或る特定の構成例では、システム１００の始動がいったん達成されると、ピストン往復運動が配電網分配器と同期して、配電網電圧と、位相及び周波数にマッチし、これらの変化に応動する状態で、ＡＣコントローラ１５８を直接配電網分配器１５６に結合することができる。
【００７８】
コントローラ１２８及びＡＣコントローラ１５８の構成例では、過剰ストロークに対する保護は、ダンプ抵抗器１３８への電力を消費することにより達成される。適当な数の演算増幅器に結合された複数の抵抗器と直列に接続されたツェナーダイオードへの入力を有し、固定電圧基準と比較される分圧器（図示せず）を用いている。ショットキーダイオード及びキャパシタンスを用いる全波ブリッジ整流器（図示せず）は、ＤＣレールを確立する。ＤＣレールのＡＣ性能は、ピストン過剰ストローク防止のために用いられる。
【００７９】
ＤＣレール電圧がそれぞれのピストン１０２のストローク振幅の増大に起因してツェナーダイオードの電圧よりも高くなった場合、第１のオペアンプは、ハイになって第１の個々の抵抗器と直列接続された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）をターンオンし、この第１の個々の抵抗器は、上述したように、ひとまとめでダンプ抵抗器１３８の一部である。抵抗型負荷がＤＣレールを引き下げるのに十分ではない場合、次のオペアンプがハイになって次のＦＥＴをターンオンし、以下同様である。幾つかの構成例の目的は、図８の電池負荷１４６又は他の負荷若しくは配電網分配器５６が切り離された場合でも、ピストン過剰ストロークを防止するのに十分な電力消散能力をダンプ抵抗器１３８の個々の抵抗器の集まりにもたらすことにある。
【００８０】
ピストン過剰ストローク防止は又、振幅制御を用いることによっても達成でき、この場合、図１１に示されているストローク位置センサ１６６は、それぞれのピストン１０２のピストン位置情報をそれぞれのコントローラ１２８に提供する。このピストン位置情報を利用するコントローラ１２８は、負荷１２６に送られる出力電力の量を調節する。
【００８１】
リニアオルタネータ１２４に代えてリニアモータ１６８を有するシステム１００のリニアモータ構成例が、図１２に示されている。ピストン過剰ストロークは、コントローラ１２８が、位置センサ１６６からコントローラ１２８に送られるピストン１０２の位置の位置情報に基づいてリニアモータ１６８への電力を制御することにより防止される。リニアモータ構成例は、例えばシステム１００のヒートポンプ又はクーラ構造のような用途に使用できる。
【００８２】
システム１００全体について上述すると共にリニアオルタネータを用いるエンジンに関して説明した利点は、冷凍機又は冷却機としてシステム１０２もほぼ当てはまる。リニアモータ構成例の場合、外部熱入力は不要である。これとは異なり、熱力学的冷却サイクルの駆動力は、ピストン１０２が往復運動するようにするリニアモータ１６８への電気の入力である。ピストンの運動の結果として、シリンダ１０４の膨張交換器１０８に有用な冷却又は冷凍効果が得られる。次に、排熱（熱出力）は、圧縮交換器１１４から周囲に放熱される。ピストン１０２の運動は、隣り合うピストン相互間の適正な位相遅れを保証するように駆動される。４ピストン機械の場合、ピストンリニアモータ１６８相互間に９０°の電気位相遅れが生じる直角位相関係が存在する。これは、互いに逆向きのピストン運動が、電気的且つ機械的に１８０°の位相ずれであることを意味する。
【００８３】
互いに反対向きのピストン運動を同期させるには、電気供給源に別の直角位相ずれを別途設ける必要はない。というのは、適正な極性を持つ互いに反対側に位置したリニアモータ１６８が、ピストン１０２を所望の１８０°の位相関係で動かすからである。その結果、最低２つの電気源が、図１２に「電圧入力」として提供されており、これら電気源は、４ピストン形クーラを駆動するために９０°の位相ずれで動作する。フリーピストン式多シリンダ冷凍システムを駆動する一モードは、１２０°の位相遅れで動作し、広く入手できる３相電力で３つの関連したリニアモータ１６８を駆動するシリンダ１０４を３つ設けることである。これにより、ピストン１０２及び過剰ストローク防止に適正なストローク及び位相の関係を確立するのに必要なピストン制御機能が単純化される。同様な結果を達成する関連形態は、隣り合うピストン相互間に６０°の位相角を有する６つのシリンダを組み込むことである。この場合、３つの位相電力も又、利用でき、各位相は、２つの互いに反対側のリニアモータ１８０を位相外れで駆動する。
【００８４】
生じた電力が電力系統又は他の３相負荷にもたらされる場合の一構成は、シリンダ１０４を３つ（又は、３の倍数、例えば６）を用いるシステム１００を構成することであり、このシステムは、したがって、３相電力を直接発電する。この方式は、システム１００からの有用な仕事の取出しを単純化することができると共に所望のピストン過剰ストローク防止能力をもたらすことができる。典型的には所要の中間電気又は電子変換機構と関連した損失が無いので、効率を増大させることができる。さらに、３相電力と関連した１２０°の位相遅れは、基本的な熱力学的サイクルの効率を向上させることができる。
【００８５】
同様な利点は、ピストン１０２のうちの隣り合うピストンが、互いに６０°の位相外れで動作する６シリンダ機械で得ることができる。ピストン１０２のうち反対側に配置されたピストンは、リニアオルタネータ１２４のそれぞれに対応するリニアオルタネータを有するのがよく、これらリニアオルタネータは、１対の互いに反対側のピストンと関連した位相外れの運動が強化されるように互いに結合されている。
【００８６】
システム１００の別の構成例では、仕事が流体に与えられる。例えば、図１３では、ピストン１０２は、逆止弁１７４を通って流体１７２を圧送するためにポンプ１７０に結合されている。過剰ストローク防止は、ポンプ１７０に結合された緩衝器（スナッバ）１７６を用いることにより達成される。緩衝器１７６は、プランジャ１７８と、プランジャを受け入れるシール１８１付きのチャンバ１８０とを有し、緩衝器１７６は、もしそれがない場合にピストン１０２の過剰ストロークを生じさせる運動を無くす。
【００８７】
ガス状流体に関するシステム１００の構成例が、図１４に概略的に示されており、図１４は、ガス圧縮機として構成されたシステムを示している。このガス構成例用のポンプ１７０は、緩衝器１７６のプランジャ１７８として役立つ端部を有し、緩衝器１７６は、ポンプのプランジャ部分を受け入れるよう配置されたチャンバ１８０により受け入れられる。この場合、ピストン１０２の往復運動は、流体１７２をガスとして圧縮するために用いられる。例えば、ピストンロッド１２１は、シリンダ１０４内で動くことができ、これらシリンダは、ピストン１０２が一方の方向に動いたときに低圧で吸い込まれ、ピストン１０２が他方の方向に動いたときに、ガスが送り出されるような仕方で設けられた逆止弁１７４を有する。動力取出しのこの場合、圧送ガスとして、ピストンが遠くまで移動するのを防止するために追加の要素が必要である。これは、圧力に抵抗するピストンの運動が迅速に生じてピストン運動を所与の方向で停止させるのに必要な力をもたらす所要のストロークの終わりの近くでピストン１０２又はピストンロッド１２１が入る追加のチャンバ（例えば、図１４に示すチャンバ１８０）の形態をしているのがよいが、これは例示であり、これには限定されない。
【００８８】
図１５に示すシステム１００の液体構成例により、システムは、液体ポンプとして働くことができる。この場合、ピストン１０２の往復運動は、液体を圧送するために用いられる。作動は、図１４に示すガス圧縮機構成例について説明した作用と類似している。少なくとも１つの例外があり、即ち、液体圧送の場合、システム１００内の作動ガスのチャージからの圧送中の液体の分離状態を維持するために適当なシール１８１を設けなければならない。図１４に示すシステム１００のガス圧送構成例の場合、シール１８１は、圧送ガスが作動ガスと異なっている場合に用いられる別々のガスを分離する。
【００８９】
ヒートポンプとしてのシステム１００の構成例が、図１６に示されている。このシステムは、多ピストンシステムの１つ又は２つ以上の膨張交換器１０８への高い等級の熱（図１６に「熱入力１１０」として示されている）の追加により駆動される。この熱入力により、ピストンは、有用な仕事を提供する見込みで往復運動する。この場合、１つ又は２つ以上の膨張空間が、熱を吸収して冷凍又はヒートポンピング効果をもたらすために用いられる。図１６のヒートポンプ構成例は、種々の流体１７２のためのポンプ１７０、コントローラ１２８又はＡＣコントローラ１５８として具体化できる過剰ストローク防止装置１２２を更に有している。
【００９０】
〔例示の実証用構成例〕
システム１００の実証用（実例としての）構成例を、最初に、従来の考えに逆行することにより構成した。従来通り、図１７の作動キネマチック式多シリンダスターリング機械を壊して、キネマチック部を取外し、機械をスクラップの山にすることに決めた。この従来の見込みとは対照的に、キネマチックの取外しは、改良の最初のステップであった。図１７に示すキネマチック式多シリンダ機械１９０、即ち、ニュージーランドクリストチャーチ所在のウィスパー・テック（Whisper Tech）社製のWhisperGen発電機をシステム１００の構成例の幾つかの構成要素のための源として用いた。機械１９０は、取外したウォーブル−ヨーク型駆動キネマチック機構体１９２を用いるキネマチック式エンジンの４シリンダ形シーメンス又はリンニア構造である。キネマチックの無い上述の作動キネマチック式多シリンダ機械１９０の部分を用いることは、フリーピストン式多シリンダの技術思想に多シリンダキネマチック機械１９０の一体形４シリンダホットエンド組立体を提供する効率的で且つ費用効果のよい方法であった。
【００９１】
キネマチック式多シリンダ機械１９０は、システム１００の例示の実証用構成例の一部として用いた第１の部分１９６として一体形ホットエンド組立体を有していた。キネマチック式多シリンダ機械１９０は、使用されなかった第２の部分１９８を更に有していた。第１の部分１９６は、ディーゼルバーナシステム（図示せず）、内部ヒータ、再生器及びクーラを備えたヒータヘッド２０２を含む４つの一体形熱交換器回路２００と、１つのピストンのガスクーラを次のピストンの圧縮空間に結合するハウジング２０６に組み込まれたサイクル間相互結合流体通路と、リングシールがピストン本体と一体形中空ピストンロッド２０４の両方の中に組み込まれた４つのピストン１９４と、中空ピストン１９４を貫通した連接ロッド及び一体ピストンロッドに螺着される４つのホットキャップを含む構成部品とを有している。キネマチック式機械１９０をシステム１００の実証用構成例の状態に変換するため、第２の部分１９８を取外し、これに代えて図１８、図１９及び図２０に示す４つのリニアオルタネータ２１０を含む構成部品を用いた。第２の部分１９８は、連接ロッド、この連接ロッドの下に位置するウォブルヨーク１９２及び外側ハウジング２０８を含むキネマチック機構体を有する。リニアオルタネータ２１０のための新たに特注された原動機コネクタロッド２１２（図１９及び図２０参照）を、元々の連接ロッドとピストンのインターフェイスの寸法形状を再現する特徴を用いてピストン１９４及びホットキャップと直接に一体化するよう設計した。図１９〜図２１に示すようにボイラープレート圧力容器２１４を標準型の市販配管要素から構成して４つのリニアオルタネータ２１０を包囲した。
【００９２】
第１の部分１９６とリニアオルタネータ２１０の一体化のため、特注したフランジ２１６が、一方の側の市販のピストンハウジング２０２と他方の側の４つのリニアオルタネータ２１０との間に配置される。用いたリニアオルタネータ２１０を、インフィニア・コーポレイション（旧名は、スターリング・テクノロジー・カンパニー（Stirling Technology Company））製の４つのBeCool（登録商標）冷凍機駆動モータから得たが、これら駆動モータは、350-W STC RG-350変換器のリニアオルタネータとほぼ同じである。リニアオルタネータ２１０は、大きすぎて第１の部分１９６と直接的に連結させることができず、したがって、リニアオルタネータを図１８〜図２０に示すように、２つずつ（１対ずつ）ピストン１９４から別々の距離のところに配置した。リニアオルタネータ２１０から遠い方に位置する２つは、リニアオルタネータ２１０からの近い方に位置する２つと独立して位置決めできるように、中間プレート２１８に取付けられている。
【００９３】
ホットエンドを５００℃以上に加熱し、リニアオルタネータ２１０のうちの２つをモータ駆動して１８０°位相外れにし、ついには、生じたＰ−Ｖ電力が自立型作動を生じさせるのに十分になるようにすることにより、システムを始動させた。その時点で、モータ駆動リード線を切り離し、システムは、引き続き動作して、ヘッド温度が固有の摩擦損失に打ち勝つのに必要なレベルを下回って下がるようにした。システムが冷え、しかしながら、４００ｐｓｉの通常の作動圧力状態にあるとき、オルタネータのうちの２つをモータ駆動して２００ワットの駆動電力を用いてほぼ全ストロークの作動を生じさせるのがよく、他の２つのオルタネータは、事実上非運動状態である。システムを加熱し、駆動電圧が一定のままであるので、モータ駆動電力は次第に低下し、他の２つのピストンは、振幅が増大し、ついには、駆動電力がゼロに達し、システムは、熱的入力のみで作動を続けた。
【００９４】
〔他の構成例〕
システム１００の他の構成例は、フリーピストン式多シリンダスターリング機械の１つ又は２つ以上のモジュールを含む形態を有する。例えば、フリーピストン式多シリンダスターリング機械モジュールは各々、スターリングエンジンとして容易に識別できる容量、例えば、２５ｋＷ出力容量で構成できる。次に、例えば、１０００ｋＷ出力容量のスターリングフリーピストン式発電所を、２５ｋＷモジュールを４０個互いに一体化することによりシステム１００で建造できた。これよりも大きな出力容量のモジュールも又、システム１００で構成することができ、したがって、更に大きな出力容量の発電所を利用することができるようになる。
【００９５】
例えば、２５ｋＷフリーピストン式多シリンダスターリングエンジンベースモジュールは、シリンダ１０４を４個及びリニアオルタネータ１２４を４個有するのがよい。変形例として、図２２に示すように、以下に更に説明する２つの複式リニアオルタネータ２２０を４つのリニアオルタネータ１２４に代えて用いることができる。完全に平衡化されたシステムの場合、図示のスターリングモジュール構成例ともう１つの（第２の）スターリングモジュール構成例と組み合わせると、５０ｋＷシステムを構成することができる。平衡化を、代表的には、フリーピストン式単一シリンダスターリングエンジンに用いられる端と端とを突き合わせた形態のスターリングモジュールによって達成してもよいし、互いに並んだ形態に設けられたスターリングモジュールによって達成してもよい。
【００９６】
並置形態は、或る特定の大きさの具体化構成上の融通性をもたらす。例えば、スターリングモジュールを並置形態にすることにより、熱源の片側にヒータヘッドの全てを互いに配置でき、それにより、或る用途において利点が得られる。変形例として、動的バランサをシステム１００の２５ｋＷの単一モジュール構成例に組み込んでもよい。ベーススターリングモジュールの別の変形例は、３つだけのシリンダ１０４と、リニアオルタネータ１２４の代わりに３つのリニアオルタネータとを使用するのがよい。
【００９７】
複式リニアオルタネータ２２０が非対称であるので、２つの複式リニアオルタネータは、図２３に更に示すように相互の干渉を回避するよう位置決めされる。複式オルタネータ２２０は各々、ピストン１０２の対向した対と一体化される。他の変更例は、ホットエンドのプレートレット(platelet)構成例、例えば、プレートレットヒータヘッド２２２及びコールドエンドのプレートレット構成例、例えば、プレートレットクーラ２２４を有するのがよい。プレートレットヒータヘッド２２２は、広範な熱源に好適である。さらに、プレートレットヒータヘッド２２２は代表的には、熱伝達量が高く、重量が低く、スケール変更性があり、例えば、一シリンダ当たり数十ｋＷである。他の構成例では、プレートレット技術を用いない他の形式のヒータヘッドが使用される。
【００９８】
図２３に示すシステム１００のスターリングモジュール構成例は、プレートレットクーラ２２４の近くでピストン１０２の端部のところに設けられたガス軸受２２６と、ピストンに結合されたピストンロッドの端部と反対側のピストンロッド１２１の端部のところに設けられた撓み軸受２２８とを更に有している。他の種々のリニアオルタネータを、可動磁気リニアオルタネータ並びに可動鉄片、可動コイル又は２つ若しくは３つ以上の様式のハイブリッドを含むスターリングモジュールの別の構成例に使用できる。
【００９９】
〔他の検討事項〕
システム１００の構成例は、性能、信頼性又は他の観点を向上させる改良手段を有する。例えば、多くの構成例は、ピストンの各々を包囲するクリアランスシール、ガス軸受又は他の幾つかの効果的なシールを用い、したがって、ピストンの各々のコールドサイドとホットサイド相互間の漏れ流れが、この漏れがエンジンから過度に劣化するほど出ないようにするのに十分な低いレベルに維持するようになっている。
【０１００】
ピストン１０２は、ピストンストロークに沿って往復運動し、ピストンの各々が平均でピストンが位置するそのそれぞれのストローク中の中間位置を有するようにする。構成例により使用される別の改造手段としては、ピストン１０２の各々の中間位置がこれらのピストンストロークのいずれか一方の端に向かって過度にドリフトすることを防止し、それにより、ピストンとシステム１００の部分との衝突を防止する１つ又は２つ以上の構造が挙げられる。これら構造は、機械的に、例えば、ピストン１０２が中間位置について実質的にあらかじめ定められた場所に向かって戻る傾向を与える軸線方向ばねにより達成できる。軸線方向ばねに代えて、他の構造、例えば、ピストン１０２のドリフト空気圧の作用で制限する心出しポートを用いることができる。
【０１０１】
本構成例のピストン及びロッドを密封して支持する種々の方式を用いることができる。幾つかの構成例は、例えばばね加重又はこれと同等な低摩擦乾式潤滑又は非潤滑式ピストン及びピストンハウジング材料を用いた割りリングシールの形態をしたピストン及びロッド摩耗カップルシールを用いるのがよい。以下に説明する構成例のうちの幾つかにおいて、別の方式が用いられ、かかる別の方式は、これら方式の種々の組合せを含む。
【０１０２】
図２４は、システム１００の性能を向上させるために使用できる種々の改造例を示している。例えば、ピストン１０２の各々を越えるガスの流れを制限するために、ピストンコールドエンド支持軸受及びシール２３０を用いるのがよい。この場合、主要なガス流は、熱交換器回路１０６（図２に示す）を通るガス流である。ロッドシール２３２を用いて、ロッドシールに隣接したシリンダ１０４内部のサイクルガス圧力変動と、シリンダの外部の平均バッファ圧力との間の漏れを制限するのがよい。ピストン１０２から遠い方に位置するピストンロッド１２１の部分に、支持軸受２３４を用いるのがよい。リニアオルタネータ１２４（図４に示す）用の原動機組立体も、ピストンロッド１２１により駆動されるのがよい。固有の作動サイクルガスばねに加えて、追加のばね２３６を設けて、ピストン１０２が所望の作動周波数で往復運動するのを助けるのがよい。多シリンダ形態は、ロッド軸受２３４とピストン軸受２３０との間のピストンロッド１２１の位置合わせ（アライメント）要件を本来的に単純化する。従来の方式として、位置合わせを助けるためにピストンロッド１２１の固有の可撓性を用いることが挙げられる。
【０１０３】
本構成例に使用できる非従来の方式としては、シリンダ１０４の近くに且つその外部に位置する１つ又は２つ以上の自在継手２３８を、ピストンロッド１２１に設けることが挙げられる。多くの種類の自在継手を用いることができ、かかる自在継手としては、ピストンロッド１２１に設けられた２つ又は３つ以上の対をなす平坦部を有する自在継手が挙げられ、これは、一般に、製作しやすい。図２５に示すように、１対の平坦部は、ピストンロッド１２１が第１の側部２４０及びこの第１の側部の反対側の第２の側部２４２のところで円形凹部分だけ短い距離にわたって除去された２つの短い部分であり、したがって、ピストンロッド１２１は、第１の側部及び第２の側部を有するピストンロッドのその部分で扁平なバーのように撓むことができる。典型的には湾曲した部分２４４が凹部分の各端部のところに設けられ、点線で示すような平らな底部分２４６が湾曲部分相互間に位置している。変形例として、２つの対をなす平坦部は、互いに９０°の間隔を置くと共にピストンロッド１２１切除され過ぎないように軸線方向にずらされるのがよい。別の変形例では、３つの対をなす平坦部を６０°間隔に配置する。他の変形例を使用してもよい。
【０１０４】
種々の組合せを構成例に見出すことができ、かかる組合せとしては、例えば、ピストン軸受及びシール２３０、ロッドシール２３２、ロッド軸受２３４及びばね２３６の互いに異なる構成例の種々の組合せが挙げられる。例えば、ピストン軸受及びシール２３０は、ガス軸受及びシール、摩耗カップル軸受及びシール、撓み軸受及びクリアランスシール並びに、撓み軸受及び摩耗カップルシールのうちの１つであるのがよい。上述した他の要素が、上述した方式の任意の組合せによって取入れられてもよい。恐らくは、最も好ましい実施形態は、ピストン軸受及びシール機能にガス軸受を用い、ロッドシールにクリアランスシールを用い、そして、ロッド軸受及びばね機能のために撓み軸受を用いることである。ロッドシール２３２は、クリアランスシール又は摩擦又は摩耗カップル軸受のうちの１つであるのがよい。ばね２３６は、撓みばね、機械的ばね又はガスばねのうちの１つであるのがよい。
【０１０５】
システム１００の構成例は、ピストン１０２に設けられた流体力学的スピン軸受を用いるのがよく、それにより、これと関連したサイクル漏れを減少させる。リニアオルタネータ１２４が非軸対称に構成された構成例では、静圧ガス軸受が適している。この種のガス軸受では、高圧ガスが、軸受領域に及ぼされ、その結果、従来のスターリング機械で生じるレベルでクリアランスシールの両側の空間に漏れ込む。
【０１０６】
もう１つの検討事項は、システム１００の実証用構成例のピストン１０２が、エンジン側の位置合わせ要件をサポートするためにシールと摩耗カップル軸受の両方として役立つことである。したがって、リヤ撓みスタックが１つだけ実証用構成例に用いられ、これは、クリアランスシールと結合され且つ離れた２つの組をなす撓み軸受を用いる典型的な従来方式とは著しく対照的である。
【０１０７】
実証用構成例は、ピストン１０２のための密封システムの一部として割りリング滑りシールによって生じた大きな摩擦損失を受けた。このシール方式をウィスパー・テック社製発電機のキネマチック式エンジン形態から残した。なお、この発電機を部分的に用いて実証用構成例の各部分に給電した。ウィスパー・テック社製発電機のキネマチック設計の残した部分の一部として、密封システムは、ウィスパー・テック社のスターリングエンジン部分から油蒸気を閉め出したままにする重要な要件を扱う。その結果、実証用構成例のための４つのピストン１０２の各々は、キネマチック機構体の潤滑剤をスターリングサイクル作動流体から分離したままにするために、ピストン本体に設けられた４つの割りリングシール及びピストンのロッド部分に設けられた５つ以上の割りリングシールを用いている。システム１０２は一般に潤滑の要件が無いので、この割りリング摩擦発生方式は、不要である。これらシールを何らかの方法で保持した。というのは、第２の組をなす撓み軸受を導入し、図１８〜図２１に示す機械１９０を利用した実証用構成例のためのクリアランスシールを設けることは実際的ではなかったからである。一般に、システム１００の構成例に関し、種々の改良を施して摩耗及び摩擦力を減少させる可能性が存在する。例えば、ピストン１０２及びピストンロッド１２１を、キシランを利用した摩耗カップル軸受とシールの組合せに一体化するのがよい。
【０１０８】
〔関連した考察〕
システム１００の概念的作動に関する別の全体的な考察は、１８０°の位相外れであるフリーピストン式多シリンダエンジンの隣り合うピストン１０２は、ピストン運動に抵抗する圧力の大きな差を有し、その結果、圧力−体積ループが無く、したがって、潜在的な運動が抑制されるようになる。さらに、同相の隣り合うピストンは、ほぼ同じ圧力を受け、その結果、力の差はそれほど無く、したがって、潜在的な運動が抑制されて全てのピストンが、ピストン始動及び停止の終わりまで移動するようになる。他方、ピストン１０２が９０°の位相遅れで動く場合、ピストンの各々には、通常のリンニア形態圧力−体積作動ループが得られるようになる。ピストン往復運動の周波数は、ピストン１０２及びピストンロッド１２１等の可動質量を調節することにより又は関連のある正味のばね定数を調節することにより設定できる。システム１００のこの構成により、従来のフリーピストン式単一シリンダエンジンに必要な複雑な振動数チューニング要件は無い。
【０１０９】
のフレキシャ支持型フリーピストン式多シリンダ機械の使用により、各往復機関を用いてリニアオルタネータ組立体を駆動することができる。次に、ばね（機械式、空気圧式又は電磁式）を用いて典型的なフライホイールではなくキネマチック装置にサイクルエネルギーを貯蔵する。上述した実施可能性実証ユニットの機械的に独立した往復機関（フリーピストン）は、試験中、機械の熱力学に起因して互いに対して適正な位相状態のままであったが、往復機関の制御のための追加の電磁方法、例えばフェーズロックループを用いて必要ならば適正な作動を強化することができる。しかしながら、この種の電磁制御方式では、単一原動機リニアオルタネータ、更に適切に言えば、別の複式リニアオルタネータが必要になるので、かかる電磁制御方式は、必要とすべきでない。
【０１１０】
複式リニアオルタネータ概念（以下に詳細に説明する）は、多くの既存のリニアオルタネータと電磁的に同等であるが、物理的構成では、１８０°の位相ずれで動作する２つのピストンから同時に動力を取出すことができる単一のステータを用いる必要がある。例示の構成例は、各々が互いに逆の極性を備えた２つの軸線方向に積み重ねられている扁平な磁石を有する。原動機のうちの一方が下ストローク位置にあり、原動機のうちの他方のものが、最も上に位置にあるとき、最大磁束は、ステータの鉄片積層部分を通り、コイルを時計回りに結合する。他のストローク極限のところで、空隙領域における磁極の両方は、逆になり、コイルを通る磁束結合は、反時計回りの方向に最大である。
【０１１１】
その結果生じるコイル中のサイクル磁束結合逆転により、ＡＣ電力出力が生じる。この方式は、所要の磁束を運ぶのに必要な最小限の鉄片断面及び磁束経路長のみを提供することにより鉄片を最小限に抑える。銅も又、最小限に抑えられる。というのは、銅は、最小限の鉄片断面領域周りに密に巻かれるからである。各ステータ半部に施されたコイルを、他の２つのピストンを４シリンダ正方形パターンに結合する第２の複式オルタネータのピストンロッドを収容する角度で傾斜させるのがよい。一端部のみが支持された磁石の片持ち円筒形リングを用いる他の可動磁石リニアオルタネータとは異なり、この磁石形態は、剛性の非磁性材料で外縁部周りに構造的に収容すると共に磁石構造体の各端部のところに設けられた軸受を備えるピストンロッドで支持するのがよい。この方式は、非常に頑丈であり且つ外力、例えば、宇宙用発電機により生じる宇宙船発射路振動に対して耐性があるよう構成できる。
【０１１２】
〔作動周波数のチューニング〕
システム１００の作動周波数は、可動質量の量、可動質量に加わる減衰力の量及び可動質量に対するばね力の程度を含む要因の組合せにより決定される。可動質量の量は、ピストン運動に結合されたシステム１００の部材、例えば、ピストン１０２、ピストンロッド１２１及び仕事をシステムに入力し又は仕事をシステムから取出す装置（例えば、リニアオルタネータの原動機）の可動部品の設計及び構造で決まる。
【０１１３】
減衰力は、例えば摩擦、熱交換器の風損及び仕事がシステム１００から取出されている場合に課せられる負荷の組合せ等の組合せと関連している。ばね力は、関与する機械式、電磁式及び／又は空気式ばねと共にピストンに作用するスターリングサイクルガス圧力変動からの効果の組合せによって定められる。主として、多シリンダエンジンが複動形であるので、関連のスターリングガスサイクルに基づくばね力は、同等の単一シリンダエンジンの場合よりも実質的に寄与する度合が大きい。
【０１１４】
スターリングガスサイクルに基づくこのばね力に鑑みて、ピストン１０２が往復運動するシステム１００の作動周波数は、作動中、スターリングサイクル作動流体のチャージ圧力に対して比較的敏感である。この感度は、無視されると、問題をもたらす場合があるが、感度は、システムの作動中、ピストン往復周波数の直接に管理される変化を考慮することにより、恩恵が受けられる新たなチャンスを提供する。作動中におけるシステム１００のピストン往復周波数を所望の周波数にチューニングできるようにすることにより、一層向上した作動が得られる。例えば、システム１００が発電機として構成され、配電網（グリッド）による配電系統に結び付けられる状況が存在する場合がある。システム１００は、配電網分配の作動電気周波数の摂動をモニタし、作動ピストンガスばね定数を調節して、システムが、引き続き、配電網システムの周波数に一致した最適周波数で電力を発生させるシステム１００は又、もしそうではない場合に、ピストン往復運動周波数のドリフトを生じさせる環境又は他の影響、例えば周囲温度の変化が存在している場合、システムのピストン往復運動周波数をモニタすると共にピストン往復運動周波数を調節して、これを所望の公差内に維持するのがよい。
【０１１５】
システム１００は、図２６に示されており、チューニングシステム２５０が、所望のピストン往復運動周波数を達成するよう平均シリンダ圧力を制御するために、作動流体をシリンダ１０４のうちの少なくとも第１のシリンダ（「第１のシリンダ２５１」）に出し入れするアキュムレータ２５２を備えている。図示のように、アキュムレータ２５２は、第１の流体ライン２５４及び第２の流体ライン２５６により、圧縮空間コールド熱交換器１１４の近くで第１のシリンダ２５１の側（「圧縮側２５７」）に流体結合されている。チューニングシステム２５０は、第１の流体ライン２５４内に設けられた第１の逆止弁２６２及び第２の流体ライン２５６内に設けられた第２の逆止弁２６４を更に有している。
【０１１６】
図２６に示すように、アキュムレータ２５２と第１のシリンダ２５１との結合は、第１のソレノイド弁２５８か第２のソレノイド弁２６０かのいずれかが開放位置にあるときにのみ、第１の流体ライン２５４又は第２の流体ライン２５６を介して生じる。他の構成例では、アキュムレータ２５２（図２６に示すように単一のアキュムレータ又は多数のアキュムレータとして設けられる）と今述べた第１のシリンダ２５１以上に、並列の組をなす流体ライン、ソレノイド弁及びシリンダ１０４の結合状態のシリンダの各々に結合された逆止弁と並列に生じる場合がある。アキュムレータ２５２は、システム１００の残部の内部に位置してもよいし、外部に位置してもよい。
【０１１７】
アキュムレータ２５２には、シリンダ１０４及びシステム１００の残部と同一種類の作動流体が、システムの所望の通常の作動圧力（「アキュムレータ圧力」）に近い圧力までチャージされる。第１のシリンダ２５１の圧縮側２５７内の圧力は、アキュムレータ圧力よりも高い圧力値とピストン１０２が第１のシリンダ内で往復運動するときのアキュムレータ圧力よりも低い圧力値との間で変化することになる。第１のシリンダ２５１の圧縮側２５７は、アキュムレータ２５２に流体結合されているので、作動流体は、第１のシリンダの圧縮側内の圧力がアキュムレータ圧力よりも高い場合、第１のシリンダからアキュムレータに流れることができる。作動流体は又、第１のシリンダ２５１の圧縮側２５７内の作動流体の圧力がアキュムレータ圧力よりも低い場合、アキュムレータ２５２から第１のシリンダ２５１に流れることができる。
【０１１８】
作動中、システム１００内の作動流体圧力を増大させ、その結果ピストン往復運動周波数を増大させることが望ましい場合、第２のソレノイド弁２６０を一時的に１度又は２度以上開く。これにより、第１のシリンダの圧縮側２５７内の圧力がシステム１００の通常の作動圧力よりも低い時点で、作動流体は、アキュムレータ２５２から第２の流体ライン２５６、第２のソレノイド弁２６０及び第２の逆止弁２６４を通って第１のシリンダ２５１内に流入することができる。第２のソレノイド弁２６０のこの一時的な開放の結果として、アキュムレータ２５２内の圧力が減少し、シリンダ１０４内の作動流体の平均圧力は増大すると共にシステム１００のピストン往復運動周波数が増大し、かかる増大は、第２のソレノイド弁２６０が開いたままの累積時間で決まる。
【０１１９】
このガス及び圧力伝達プロセスを限界条件まで続行させることができ、かかる限界条件では、アキュムレータ圧力が、システム１００が作動している間のスターリングサイクル圧力変動の一部の間にシリンダ１０４内に存在する場合のある最小圧力に等しい。同様に、第１のソレノイド弁２５８を開くと、ガスが第１のシリンダ２５１からアキュムレータ２５２に移動し、アキュムレータ圧力が、システム１００の作動中、スターリングサイクルの一部の間にシリンダ１０４内に存在する場合のある最大圧力に達したとき、限界圧力が変化する。コントローラ２６６を用いると、所望の圧力条件を維持し、その結果、所望のピストン往復運動周波数を維持する調節を行うことができる。
【０１２０】
〔振動減少〕
ニュートンの運動の第３法則に従って、任意の作用に対し、同一の大きさで逆向きの反作用が存在する。システム１００について、過剰ストローク防止装置１２２がスターリング熱力学サイクルから仕事を受取っているとき、例えば、過剰ストローク防止装置がリニアオルタネータ１２４として作動しているとき、ピストン１０２に加わる力Ｈを有するホットエンド１１８及びピストンに対する力Ｃを有するコールドエンド１２０におけるシリンダ１０４内の局所圧力条件に起因する加速力及び減速力により、ピストンが動く。ピストンロッド１２１を介して加えられたピストン１０２への第３の力は、過剰ストローク防止装置１２２から生じ、環境に応じて、ピストンによる瞬間移動方向と同じ又はこれと逆の場合がある。
【０１２１】
例えば、図２７を参照すると、ピストン１０２がシリンダ１０４のホットエンド１１８に最も近いストローク位置にあるとき、スターリングサイクルの或る特定の時点では、ピストン１０２に加わる力Ｈは、力Ｃよりも大きい。過剰ストローク防止装置１２２は、スターリングサイクルから仕事を受取るよう構成されているので、力Ｐをピストンロッド１２１に及ぼす。過剰ストローク防止装置１２２がスターリングサイクルによって与えることができる量よりも大きい量で仕事を受取るよう構成されていない限り、力Ｐは、力Ｈが力Ｃと力Ｐの合計よりも大きくなるように十分に小さい。力Ｈと、力Ｐと力Ｃとの合計との間のこの瞬間的な差により、ピストン１０２は、コールドエンド１２０の方向に加速する。ピストン移動が力Ｐの方向と逆なので、図２７に示すようにスターリングサイクルから仕事が過剰ストローク防止装置１２２によって取出される。この場合、仕事は、力Ｃと力Ｐの合計と比較した力Ｈの余りの分だけ取出される。
【０１２２】
この場合に関してニュートンの第３法則に従うと、力Ｈ，Ｃ，Ｐは、それぞれ、力Ｈ，Ｃ，Ｐとは逆の方向に反力Ｈ′，Ｃ′，Ｐ′を有する。その結果、反力Ｈ′，Ｃ′，Ｐ′は、ピストン１０２、ピストンロッド１２１及び場合によっては他の関連の他の可動要素によっては感じ取られず、システム１００の静止部分、例えばシリンダ１０４、スターリングサイクルに関連したシステムの他の要素、例えば、熱交換器回路１０６及び場合によってはのシステムの他の要素（図示せず）、例えば、構造的支持要素によって感じ取られることになる。
【０１２３】
過剰ストローク防止装置１２２により力がスターリングサイクルから取出されている状態でホットエンド１１８に向かって移動するピストン１０２の場合が、図２８に示されており、この場合、反力Ｃ′が他よりも大きい。その結果、過剰ストローク防止装置１２２がスターリングサイクルから仕事を取出すと、大きな反力は、力Ｈ′と力Ｃ′との間で互い違いになり、これら２つの力は、互いに逆方向である。システム１００の静止部分は、はっきりと分かる方向に移動するよう構成されていないので、反力Ｈ′，Ｃ′の優位性が交互に起こるので、振動は、１つには、交互に優勢な反力の基本振動数により、更に、１つには、静止部分に及ぼされている瞬間的な力により生じる高次振動数により、システムの静止部分中で生じる。
【０１２４】
過剰ストローク防止装置１２２が仕事をスターリングサイクルに与えている場合についての図２９及び図３０に示されているように、過剰ストローク防止装置の反力Ｐ′は、ピストン１０２がホットエンド１１８に接近している場合（図２９）とピストンがコールドエンド１２０に接近している場合（図３０）との間で方向が交互に変わる。この場合、ピストン１０２がいずれかの方向に移動しているときに反力Ｐ′が他よりも大きいので、反力Ｐ′により、振動が、過剰ストローク防止装置１２２の静止部分及び過剰ストローク防止装置に構造的に結合されているシステム１００の他の静止部分で生じることになる。
【０１２５】
作動機械の振動は、機械の性能にとって望ましくない。従来の解決策は、機械の種々の部分相互間に振動絶縁体を挿入することにより振動を生じさせる機械のこれら部分を隔離して振動力を減衰させようとするものである。この解決策では他の問題が生じる。というのは、機械全体の構造的一体性が、１つには、振動絶縁体の構造的弱さのために損なわれる場合があるからである。
【０１２６】
減衰装置を用いて作動機械の反力により生じる振動を打ち消す減衰力を生じさせることにより振動を直接打ち消す従来の試みが存在する。減衰装置の中には、フィードバック方式のセンサを用いるものがある。減衰装置の中には、予測可能な振動を打ち消す振動を生じさせるよう作動機械の予測可能な振動パターンを利用するものもある。これら方式は、或る程度は有効であるが、減衰装置は、幾分応急処置的な解決策である傾向がある。というのは、減衰装置又は振動絶縁体は、当初生じた振動の量を減衰させようと試みるのではなく、既に存在する振動を軽減しようとするものだからである。
【０１２７】
システム１００の大きな構成に見られる大形可動構造体又は重量及び嵩が望ましくなく又は許容限度を超える用途の場合、システム１００に対する振動減少を行うこれら従来方式は、適当であるとは考えられない。システム１００の全ての場合に関し、システム１００により生じる振動を減少させることによる振動減少では、既に生じている振動を軽減しようとする従来方式よりも、製造、組立て、作動及び維持を行うのに必要な機材の追加の点数が少ない。
【０１２８】
システム１００は、シリンダの中でも動力伝達部品に関してキネマチック結合部が無いのでモジュール方式を考慮に入れている。このモジュール方式は、非常に大きな容量を得る上で可能性を秘めている。大きな容量又は他の状況では、例えば、ノイズ発生が、軽減されるべき要因であり又は正確な作動が必要とされる場合、振動レベルの減少が望ましく又は或る特定の場合には首尾良い作動を得るために時々要件である場合がある。システム１００は、種々のシリンダの空間的関係をレイアウトする際システムのモジュール性を利用する振動レベルの減少に役立つ特定の構成例を有する。
【０１２９】
フリーピストン式多シリンダ機械は、２つの理由でキネマチック式多シリンダ機械の提供する融通性よりも、この種の構造を組み込む上で遙かに高い融通性を提供する。第１に、ピストンは、クランクシャフト又は他の機構体、例えば、回転斜板と整列する必要はない。これにより、ピストンシリンダを任意所望の形態で且つ互いに対し任意所望の空間的な向きに配置することができる。第２に、動力取出しが、リニアオルタネータにより生じた電気の形態である場合、２つの熱力学的に独立した機械を、厄介な機械的結合を必要としないで、単にオルタネータの端子を互いに適切に接続するだけで、互いに同期させることができる。
【０１３０】
システム１００のための振動減少の構成例を、比較的単純な形態を用いた状態で例示として以下に説明する。また、種々のシリンダの空間的位置決めに適正な形態を得るためにより複雑精巧な分析を必要とする場合のあるシステム１００用の振動減少のための他の構成例が存在する。一般的なテーマは、種々のシリンダと関連した反力を用いて互いに打ち消し合うことにある。
【０１３１】
一般に、２つ以上のシリンダ１０４が、グループをなして互いに構造的に結合され、シリンダは、互いに特定の空間的向きを有し、したがって、グループの個々のシリンダの反力は、正味の反力が少なくとも大幅に減少し又はほぼ完全にゼロになるように組み合わされるようになっている。その結果、追加の装置、例えば、上述した振動絶縁体及び減衰器を用いないで、振動減少をシステム１００で達成できる。
【０１３２】
所与の数のシリンダ１０４をグループをなして互いに結合するため、反力の打ち消しにより振動の減少を達成できる２つ以上の空間的構造を設けるのがよい。空間形態が得られるよう示唆された方式としては、かなり大きな反力を生じさせる場合のあるシステム１００の可動部品の運動、例えば、ピストン１０２及びピストンロッド１２１の運動と関連した動的方程式を伴う数学的分析が挙げられる。関連の方式としては、互いに対するピストン１０２の運動をグラフ化することが挙げられる。
【０１３３】
本明細書において説明する振動減衰の原理を任意の個数のシリンダに適用することができるが、最も実用的な用途は、３つ又は４つのシリンダ熱力学的回路に関してであり、したがって、これらの場合について具体的な説明を行う。６シリンダ形態及び８シリンダ形態の特定の例が挙げられるが、これらは、それぞれ、２つの３シリンダ機械及び２つの４シリンダ機械に関する有利なパッケージング方式を効果的に表している。
【０１３４】
例示の場合、全てのピストンが同一の質量及びストロークを有し、ピストンが論理的なパターンで配置されていると仮定する。他の構成例は、ピストンの可動質量パラメータ又はよりランダムな分布の種々の組合せを含み、或いは、全てのピストンの軸線が互いに平行ではない状態で目的を達成する種々の組合せを有する。
【０１３５】
〔４シリンダの振動減少構成例〕
システム１００の４シリンダモジュール２８０の構成例が、図３１に概略的に示されており、この場合、ピストン１０２及びシリンダ１０４は、それぞれ、左から右へピストン１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ、シリンダ１０４ａ、１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄと表示されている。図示の４シリンダモジュール２８０では、シリンダ１０４ａ〜１０４ｄは、ピストン１０２ａ〜１０２ｄと共通平面内で互いに整列しており、各々、他のピストンの軸線と平行な往復運動の軸線を有している。
【０１３６】
他のモジュールでは、構成例は、３つ、４つ及び他の数のシリンダを有し、ピストン１０２の往復運動の軸線のうち少なくとも幾つかは、互いに平行ではなく且つ（或いは）シリンダは、共通平面を全て共有しているわけではなく、望ましくは、種々のシリンダ１０４の全て及び過剰ストローク防止装置１２２に関する反力は、合計で上述したように互いに少なくとも実質的に打ち消す。ピストン１０２は、９０°の位相遅れが隣り合うシリンダのピストン相互間で生じるよう互いに対して位置決めされている。図３１では、ピストン１０２ａは、上に向かう中間ストロークで示され、ピストン１０２ｃは、下に向かう中間ストロークで示されている。
【０１３７】
ピストン１０２ｂは、図３１では、そのストロークの最上部のところで運動方向が逆になる状態で示され、ピストン１０２ｄは、そのストロークの最下部のところで運動方向が逆になる状態で示される。ピストン１０２が各々、引き続きそのサイクル運動を行うにつれ、ピストン軸線に垂直な平面内において、位置の最終的な又は正味の合計は、ゼロであり、速度の最終的な又は正味の合計は、ゼロであり、加速度の最終的な又は正味の合計は、ゼロである（少なくとも等しい重さのピストンの場合）。また、図３１に示すように、一般的な場合及び図３１の特定の記載内容の場合、４つのシリンダ１０４と関連した反力は、この場合もピストン軸線に垂直な平面内においては、最終的な又は正味の合計がゼロである。かくして、従来のフリーピストン式単一シリンダスターリングエンジンの場合とは異なり、ピストン軸線に垂直な平面を横切る正味の反力が存在せず、ピストン軸線が同一直線上には無いということに起因して得られる揺動又は旋回力が存在する。この二次振動力の大きさは、ピストン軸線の離隔距離で決まる。
【０１３８】
４シリンダモジュール２８０内におけるピストン１０２の理想化され且つ標準化された運動を角度位置が互いに９０°ずれた４つの正弦波として表すことができる。Ｘｐが４シリンダモジュール２８０のピストン１０２ａの度（°）で表した瞬時位置である場合、４シリンダモジュール２８０の４つのピストン、即ち、Ｘｐ１０２ａ〜Ｘｐ１０２ｄの相対位置の方程式は、以下のように表すことができ、和、即ち、ＳＵＭ（Ｘｎ）は、４つの運動を合成した和である。
【０１３９】
Ｘｐ１＝Ｘｐ１０２ａ＝ｓｉｎ（Ｘｐ）    ・・・  式（１−１）
Ｘｐ２＝Ｘｐ１０２ｂ＝ｓｉｎ（Ｘｐ＋９０）・・・  式（１−２）
Ｘｐ３＝Ｘｐ１０２ｃ＝ｓｉｎ（Ｘｐ＋１８０）・・・  式（１−３）
Ｘｐ４＝Ｘｐ１０２ｄ＝ｓｉｎ（Ｘｐ＋２７０）・・・  式（１−４）
ＳＵＭ（Ｘｎ）＝Ｘｐ１＋Ｘｐ２＋Ｘｐ３＋Ｘｐ４＝０・・・  式（１−５）
【０１４０】
これら方程式の一サイクルプロットが図３２に示されており、ＳＵＭ（Ｘｎ）は、常にゼロである。システム１００の可動要素、例えば、ピストン１０２及びピストンロッド１２１が全て、等しい質量を有している場合、位置の最終的な又は正味の和がゼロであることは、システムの質量中心の運動を表し、これは、ピストン運動方向においてゼロである。ピストン１０２ａ〜１０２ｄが互いにずれた軸線を有しているので、システム１００は、揺動又は旋回運動を生じる。
【０１４１】
ピストン１０２ａ〜１０２ｄの速度は、それぞれ、ピストン１０２ａ〜１０２ｄの位置の数学的導関数に比例している。したがって、ピストン１０２ａ〜１０２ｄの標準化速度は、ピストンの位置とピストンの速度を表す曲線相互間に９０°の位相ずれがあるようなコサイン関数であることを除き、同様に表現できる。
【０１４２】
ピストン１０２ａ〜１０２ｄの加速度は、それぞれ、ピストン１０２ａ〜１０２ｄの位置の数学的二次導関数に比例する。したがって、ピストン１０２ａ〜１０２ｄの標準化加速度は、ピストン位置及びピストン加速度を表す曲線相互間に１８０°の位相ずれがあるような負のサイン関数であることを除き同様に表現できる。３シリンダモジュール構成例の中には、システム１００の他の構成例と比較して、効率及び出力密度に関して利点を有するものがある。発電機であれ、クーラであれ、圧縮機であれいずれにせよ、３シリンダモジュール構成例の別の利点は、これらを単純化及び効率が得られるよう３相配電系統に直接インターフェイスできるということにある。
【０１４３】
また、システム１００が交流電流（ＡＣ）電力出力を整流して濾波し、それにより直流（ＤＣ）電力をもたらす発電に用いられる場合、３シリンダモジュール構成例から出力される３相ＡＣ電力を良好な効率及び単純化されたエレクトロニクスによりＤＣ電力に変換できる。
【０１４４】
３シリンダモジュール２９０の第１の構成例が、流体送り部分２９２により構造的に且つ流体的に互いに結合された３つのシリンダ１０４ａ〜１０４ｃを有する状態で図３３に示されている。流体送り部分２９２は各々、シリンダ１０４ａ〜１０４ｃのうちの１つのシリンダのコールドエンド１２０及びシリンダのうちの別の１つの圧縮空間クーラ熱交換器１１４に熱力学的に結合されている。第１の３シリンダモジュール２９０の３つのシリンダ１０４ａ〜１０４ｃは、これらの可動部品、例えば、ピストン１０２及びピストンロッド１２１に対して、可動質量（ＣＭ１）の第１の中心が図３３に示す中心場所に位置したままであるように位置決めされる。その結果、シリンダ１０４及び過剰ストローク防止装置１２２の両方に関する反力は、ピストン軸線に垂直なＣＭ１を通る平面に垂直な一次力に関して互いに打ち消し合う。しかしながら、シリンダ１０４の軸線方向分離に起因して生じる偶力の形態の二次反力が存在する。これら二次反力は、フリーピストン式単一シリンダスターリング機械と関連した主要な一次力の場合よりも、軟らかいマウントで隔離するのが非常に容易であり又は第２の３シリンダモジュールで打ち消すのが非常に容易である。
【０１４５】
４シリンダモジュール２８０に用いられる分析と同様な分析を３シリンダモジュール２９０に適用することができる。第１の３シリンダモジュール２９０の場合、隣り合うピストン運動相互間、隣り合うピストン速度相互間及び隣り合うピストンの加速度相互間には１２０°の位相差が存在する。この差は、以下に与えられる修正後の方程式によって分析的に表される。
【０１４６】
第１の３シリンダモジュール２９０内におけるピストン１０２の理想化され且つ標準化された運動を図３４に示すように角度位置が互いに１２０°ずれた３つの正弦波として表すことができる。Ｘｐが３シリンダモジュール２９０のピストン１０２ａの度（°）で表した瞬時位置である場合、第１の３シリンダモジュール２９０の３つのピストン、即ち、Ｘｐ１０２ａ〜Ｘｐ１０２ｃの相対位置の方程式は、以下のように表すことができ、和、即ち、ＳＵＭ（Ｘｎ）は、３つの運動を合成した和である。
【０１４７】
Ｘｐ１＝Ｘｐ１０２ａ＝ｓｉｎ（Ｘｐ）  ・・・  式（２−１）
Ｘｐ２＝Ｘｐ１０２ｂ＝ｓｉｎ（Ｘｐ＋１２０）  ・・・  式（２−２）
Ｘｐ３＝Ｘｐ１０２ｃ＝ｓｉｎ（Ｘｐ＋２４０）  ・・・  式（２−３）
ＳＵＭ（Ｘｎ）＝Ｘｐ１＋Ｘｐ２＋Ｘｐ３  ・・・  式（２−４）
【０１４８】
３シリンダモジュール３００の第２の構成例が、流体送り部分２９２により互いに結合された３つのシリンダ１０４ｄ〜１０４ｆを有する状態で図３５に示されている。流体送り部分２９２は各々、シリンダ１０４ｄ〜１０４ｆのうちの１つのシリンダのコールドエンド１２０及びシリンダのうちの別の１つのシリンダの圧縮交換器１１４に結合されている。シリンダ１０４のうちの１つのシリンダに関し、円筒形壁３０２が、圧縮交換器１１４と関連した領域をピストン１０２に隣接したシリンダのコールドエンド１２０から分離している。シリンダ１０４のうちの最初の１つのシリンダ及びこれに隣接したシリンダの一サイクルに関する直列作動流体流れは、第１のシリンダのピストン１０２のコールドエンド１２０側から流れ送り部分２９２に向かい、そしてこれを通り、圧縮交換器１１４、再生器１１２及び隣接のシリンダの膨張交換器１０８を通り、そして隣のピストンのホット側まで外方に向かう。
【０１４９】
第２の３シリンダモジュール２９０の３つのシリンダ１０４ｄ〜１０４ｆは、これらの可動部品、例えば、ピストン１０２及びピストンロッド１２１に対して、可動質量（ＣＭ２）の第１の中心が図３５に示す中心場所に位置したままであるように位置決めされ、その結果、シリンダ及び過剰ストローク防止装置１２２の両方に関する反力は、第１の３つのシリンダモジュール２９０に関して上述した仕方で互いに打ち消し合う。
【０１５０】
可動質量（ＣＭ１）の第１の中心を有する第１の３シリンダモジュール２９０及び可動質量（ＣＭ２）の第２の中心を有する第２の３シリンダモジュール３００を、６シリンダ構成例３１０として組み立てることができ、したがって、可動質量の第１の中心と可動質量の第２の中心は、図３６及び図３７に示すように同一の場所位置（ＣＭ）を共有するようになる。その結果、第１の３シリンダモジュール２９０に関する反力と第２の３シリンダモジュール３００に関する反力を組み合わせると、二次レベル及び一次レベルにおいて互いに実質的に打ち消し合うことができる。
【０１５１】
６シリンダ構成例３１０のための過剰ストローク組立体３２０が、６つの過剰ストローク防止装置１２２ａ〜１２２ｆを備えた状態で図３８及び図３９に示されている。過剰ストローク防止装置は、過剰ストローク防止装置１２２ａ及び過剰ストローク防止装置１２２ｄを含む第１の対が、コントローラ１２８ａｄと対にされ、過剰ストローク防止装置１２２ｂ及び過剰ストローク防止装置１２２ｅを含む第２の対が、コントローラ１２８ｂｅと対にされ、過剰ストローク防止装置１２２ｃ及び過剰ストローク１２２ｆを含む第３の対が、コントローラ１２８ｃｆと対にされるので、互いに結合される。
【０１５２】
過剰ストローク組立体３２０の場合、過剰ストローク防止装置１２２は各々、熱力学的であり、例えば、スターリング発電機構成例のためのリニアオルタネータ１２４又はスターリングクーラ又はヒートポンプ構成例のためのモータである。コントローラ１２８ａｄ，１２８ｂｅ，１２８ｃｆは、電力管理装置３２２に結合され、この電力管理装置は、６シリンダ構成例３１０の全体的性能を制御する。コントローラ１２８ａｄ，１２８ｂｅ，１２８ｃｆは、対をなすシリンダ１０４の各々のピストン１０２が平行であって逆の運動状態にあり、シリンダの各対のための可動要素の反力が、互いに合計してシステム１００の振動を効果的に打ち消すことができるように対向した対をなす過剰ストローク防止装置１２２に結合されている。互いに逆のピストンが、平行に動いている場合、振動を打ち消すことができることは、図３４を参照すると理解できる。合計するとピストン軸線に垂直な平面内においてゼロになる図３４に示す３つのピストンの運動の場合と同じことは、対向した対をなすピストンが同一方向に同期して動く場合、６つ全てのピストン運動について当てはまる。さらに、同期平行ピストンの可動質量は、個々のピストン軸線に沿ってではなく、組み合わせた対をなす可動質量の中心点のところに位置する。かくして、３つ全てのピストン対の正味の運動は、質量の中心を通る同一の中心軸線に沿って生じ、したがって、別々の軸線に沿う正味のピストン運動により生じる二次偶力は存在しないようになる。
【０１５３】
過剰ストローク組立体３２０は、６シリンダシステム３３０を形成するよう６シリンダ構成例３１０に結合された状態で図４０に示されている。６シリンダシステム３３０は、反力を打ち消し合うよう互いに空間的関係に配置されたシリンダ１０４を備える熱力学的部分３３２、シリンダ１０４と過剰ストローク防止部分３３６を熱力学的にリンクさせる流体送り部分３３４及びリニアオルタネータ及び／又はモータ及び／又は機械的装置のいずれかの過剰ストローク防止装置１２２を有する過剰ストローク防止部分３３６を有する状態で図４１に一般化された形態で示されている。６シリンダシステム３３０の例示の図示の斜視略図が、図４２に示されている。
【０１５４】
熱交換器回路１０６は、システム１００に関し多種多様な仕方で構成される場合がある。例えば、図４３の３シリンダモジュール２９０の構成例は、膨張交換器１０８、再生器１１２及び凝縮器型交換器１１４が、シリンダ各々に対して外部に設置されている熱交換器回路１０６を有する状態で示されている。図４４の３シリンダモジュール２９０の構成例のための熱交換器回路１０６は、シリンダ１０４の内部に位置する膨張交換器１０８及び再生器１２０並びにシリンの外部に位置する圧縮交換器１１４を有している。
【０１５５】
マルチシリンダ機械、代表的には、３又は４個の平行軸線シリンダを備えた機械が、単一シリンダ機械により生じる正味の振動よりも著しく低い正味の振動をもたらすはずである。それぞれ１２０°又は９０°での３つ又は４つの理想的正弦波ピストン運動では、質量（及び更に速度）の正味の運動中心は、単一の平面内に位置したままである。しかしながら、ピストン軸線が単一平面内に位置しているか中心軸線回りに分布して位置しているかに応じて、線に沿う揺動振動モード又は旋回パターンが存在する。この二次振動レベルは、２つのほぼ同じ機械をホットエンド又はコールドエンドを一緒にした状態で配置することにより実質的に減少させることができる。
【０１５６】
他の構成例では、種々の他の構成されたマルチシリンダモジュールを互いに隣接して位置決めすることにより又はシステム１００の２つ又は３つ以上の熱力学的には分離されると共に別個独立のモジュールを別々の且つ別個独立のものとしたままにするが、２つ又は３つ以上のモジュールを単一構造ユニットに統合することによりシステム１００について達成される。
【０１５７】
この方式では、互いに異なるモジュールの互いに異なる流体送り部分は、互いに異なるモジュールが各々互いに分離された作動流体を有するようには互いに結合されない。互いに異なるモジュールは、同一又は異なる周囲の作動流体を用いるのがよく、互いに異なるモジュールは、同じ数又は異なる数のシリンダを有するのがよい。
【０１５８】
しかしながら、互いに異なるモジュールは、構造的に互いに結合され、種々のシリンダは、モジュールのシリンダ及び過剰ストローク防止装置に起因する種々の反力が合計により互いに打ち消し合うことができるように互いに対して空間的に配置されている。
【０１５９】
システム１００の互いに異なるモジュールの構造的一体化のためのこの方式の構成例は、関連の膨張交換器１０８の全てに隣接して位置決めできる熱源及び関連の圧縮交換器１１４の全てに隣接して位置決めできるヒートシンクを利用するのがよい。膨張交換器１０８を全て単一の平面内に配置し、圧縮交換器１１４を全て第２の平面内に配置するかかる構造を、単一シリンダエンジンバリエーションを平衡化させるために用いられる軸上の端と端を突き合わせた平衡化構成の場合よりも非常に楽な仕方で種々の熱源及びヒートシンクに一体化できる。
【０１６０】
システム１００の２つの隣り合う又は違ったやり方で構造的に一体化されたモジュールの振動減少を達成するよう位置決めできる幾つかのやり方が、６つ及び８つのスターリングユニット３４０のモジュールに関して図４５〜図５０に示されている。対称に配置された６シリンダ構成例が、図４５〜図４９に示され、対称に配置された８シリンダ構成例が、図５０に示されている。
【０１６１】
一般に、構成例は、互いに熱力学的に結合された関連の全てのシリンダを有するのがよい。変形例として、２つ又は３つ以上のモジュールを、構成例のためのシリンダの総数に応じて、構造的に互いに結合してもよいが、作動流体を供給することはない。例えば、６シリンダ又は８シリンダ構成例の場合、それぞれ３シリンダ又は４シリンダ備えた２つのモジュールを構造的に結合してもよいが、２つのモジュールは、作動流体を共有することはない。２つ又は３つ以上のモジュールの構造的結合は、モジュールを単一のピストンハウジング、多数の密に結合されたピストンハウジング又は多数の機械的に剛性のハウジング結合部に組み込むことにより達成できる。
【０１６２】
図４５及び図４８〜図５０の例示の位相形態は、第１の形式の構成例と第２の形式の構成例の両方を示している。第１の形式の構成例は、作動流体を共有しないが、構造的に結合されたシステム１００の２つのモジュールを有する。第２の形式の構成例は、シリンダ１０４の全て及び互いに構造的に結合されると共に全てのシリンダが作動流体を共有するようにする過剰ストローク防止装置１２２を有している。
【０１６３】
図４５に示すより一般的な記載の特定の構成例が、システム１００の２つの３シリンダモジュールを構造的に結合しているが、同一の作動流体を共有しない場合について図４６に示されている。図４５に示されたより一般的な記載の特定の構成例は、システム１００の６シリンダ構成例のシリンダが全て、構造的に結合されると共に作動流体を共有する場合について図４７に示されている。
【０１６４】
シリンダ１０４、このシリンダと関連した他の構成部品、例えば、ピストン１０２、ピストンロッド１２１及び過剰ストローク防止装置１２２で構成された各スターリングユニット３４０が、シリンダのホットエンド１１８又はコールドエンド１２０のうちの１つについて上から見た観点で図４５〜図５０に示されている。
【０１６５】
６つのスターリングユニット３４０ａ〜３４０ｆが、スターリングユニットの各々の可動質量が、実質的に等しいと仮定して、可動質量の中心（ＣＭ）に関し対称に配置された状態で図４５に示されている。スターリングユニット３４０の少なくとも１つの可動質量が、相当異なっている場合、スターリングユニットは、それに応じて、スターリングユニットと関連した反力が振動減少を達成するよう依然として実質的に打ち消し合うように配置される。
【０１６６】
図示の３シリンダ構成例の場合、対向して位置決めされた対をなすスターリングユニット３４０は、第１の対をなすスターリングユニット３４０ａ及びスターリングユニット３４０ｄについては破線３４２ａｄで、第２の対をなすスターリングユニット３４０ｂ及びスターリングユニット３４０ｅについては破線３４２ｂｅで、そして、第３の対をなすスターリングユニット３４０ｃ及びスターリングユニット３４０ｆについては破線３４２ｃｆで示されるようにコントローラ１２８の各々にそれぞれ結合されている。
【０１６７】
コントローラ１２８は、各対のスターリングユニット３４０の２つのピストン１０２の平行又は対向した往復運動を達成するために用いられ、したがって、反力は、打ち消され、それにより振動減衰が生じるようになる。対向したスターリングユニット対相互間の破線３４２は又、スターリングユニット対と関連したピストン１０２が、同期して動いていること（同相で又は１８０°の位相ずれ）で示している。１つの望ましい要素は、これら全ての対の可動質量の中心が、示されているのと同じ点ＣＭを通ることである。変形例として、全体としての質量の可動中心の正味の変位を打ち消すよう重なり合う互いに異なる点の合成も又、許容可能である。
【０１６８】
図４５〜図４７、図４８及び図４９の６シリンダ構成例は、互いに構造的に結合されているが、作動流体を共有していない２つのモジュールを備えた互いに異なるデュアル３シリンダ形態を有するのがよく、かかる形態では、スターリングユニット３４０のうちの幾つかの位置及び／又は相対角度を可動質量の全体的な正味の中心又は可動質量の個々の対をなす中心の並進を全く行わないで変化させる。スターリングユニット３４０は、スターリングユニット３４０のリニアオルタネータ１２４が電気的に互いに結合されている結果として、破線３４２で示されているような熱力学的に別個独立の対をなすピストン１０２（２つのモジュールの各々について１つのピストン）が同期して動くように対をなしている。また、上述したように、振動減少のための別の方式は、対をなすスターリングユニット３４０の各々について可動質量の中心を同時に位置決めすることにある。
【０１６９】
リニアオルタネータを用いるかかる構成例のうちの幾つかは、各々がピストン１０２の各々にそれぞれ結合されたリニアオルタネータ１２４の代替手段を用いる場合がある。上述したように、システム１００は、各々が潜在的な性能上の利点を奏する状態でピストン１０２のうちの２つに結合されたリニアオルタネータの複式構成例を更に使用するのがよい。複式オルタネータ２２０は、代表的には、互いに１８０°位相ずれしている。１対のオルタネータ原動機を用いている。
【０１７０】
複式リニアオルタネータ２２０の構成例が、２つの原動機３５０を備えた状態で図５１〜図５３に示されており、各原動機は、１対の互いに逆の極性を持つ磁石３５１を有しており、互いに逆方向Ｖに移動する中間ストロークにある状態で示されている。図示の複式リニアオルタネータ２２０は、別々の積層スタックで作られていて、各々が図５２に示す磁束Ｍを増大させるようステータに巻き付けられたワイヤの１つ又は２つ以上のコイル３５４を有する２つのステータ部分３５２を更に有している。Ｈｉｐｅｒｃｏ積層品を、高い性能が望ましい場合に用いるのがよく、Ｍ−１９シリコン鋼積層品を、価格が安い方が一要因である場合に用いるのがよい。他の構成例は、他形式の積層品を用いることができる。両方のステータ部分３５２は、図示のように対称である必要はなく、又、各々が１つ又は２つ以上のコイル３５４を有する必要はない。
【０１７１】
原動機３５０が、磁石３５１を備えた状態で示されているが、他の構成例における磁石を原動機が鉄で構成されている場合、ステータ３５２に結合するのがよい。原動機３５０を備えた図示の複式リニアオルタネータ２２０は、扁平な磁石３５１を備えた状態で示されており、かかる磁石は、オルタネータのための構造的包囲体を用いるのを助けることができる。図示のステータ３５２は、従来の電気機械製作法を用いて互いに積み重ねて締結できる扁平な積層品を用いている。コイル３５４は、従来方式とは対照的に、材料使用量を減少させると共に抵抗損を減少させた比較的小さな長手方向積層部分に巻き付けられた状態で示されている。数と場所の両方においてコイルを分布させると共にステータ形態及び可動部材（可動鉄片、可動銅片及び可動磁石の他の形態）を分布させると共に２つの可動部材を利用する複式リニアモータ又はオルタネータの本質的な特徴を保持するには他の多くの方法がある。
【０１７２】
複式リニアオルタネータ２２０は、１８０°の位相ずれで動作している２つの原動機３５０から動力を同時に取出すことができる。原動機３５０は、北極及び南極について磁石に施されたＮ及びＳの印により指示されているように互いに逆の極性を持つ軸線方向に積み重ねられた扁平な磁石として有している。原動機３５０がこれらの２つのストローク端位置相互間でサイクル動作すると、ステータ３５２を通る磁束は、コイルの時計回りの結合とコイルの反時計回りの結合との間でサイクル動作する（図５２は、時計回りの仕方を示している）。コイル３５４中におけるこの結果としてのサイクル的な磁束結合の反転により、ＡＣ電力出力が得られる。鉄片を用いることは、所要の磁束を運ぶのに必要な鉄片断面積及び磁束経路長のみを提供することにより減少させることができる。銅の使用量も又、減少した鉄片断面領域周りの密な巻線により減少させることができる。
【０１７３】
複式リニアオルタネータ２２０の全部で４つのコイル３５４を図５４に示すように直列方式でコントローラ３５６に配線するのがよい。変形例として、４つのコイル３５４を２つの対をなした状態で配置し、１つの対のコイルが、直列に配線され、２つの対が、図５５に示すように互いに並列に配線される。
【０１７４】
複式リニアオルタネータ２２０の第１の場合もコイル３５４は各々、角度をなしてこれらのそれぞれのステータ３５２上に位置決めされる。コイル３５４のこの位置決めは、複式リニアオルタネータの第１の場合及び第２の場合が図５６に示すように互いに隣接して位置決めされたときに、複式リニアオルタネータ２２０の第２の場合のピストンロッド１２１の配置に対応して更に図５７に示すシステム１００の４シリンダ構成例で動作するのに役立つ。複式リニアオルタネータ２２０を用いるシステム１００の４シリンダ構成例は、図５８に示す４シリンダの各々について１つのリニアオルタネータを用いる場合と比較して、コンパクトであるという可能性を秘めている。他の４シリンダ構成例は、出力を多くの電圧で供給し、単一の従来のオルタネータを並列に接続することにより一層積極的なフェーズロックをもたらすために、２つの単一原動機リニアオルタネータと一緒に図示の複式リニアオルタネータ２２０を用いるのがよい。
【０１７５】
上述のことから、本発明の特定の実施形態を例示の目的で本明細書において説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の改造例を想到できる。したがって、本発明は、特許請求の範囲の記載にのみ基づいて定められる。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】従来のキネマチック式多シリンダ機械の略図である。
【図２】過剰ストローク防止装置を備えた非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの略図である。
【図３】従来の流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの略図である。
【図４】リニアオルタネータ及びコントローラを含む過剰ストローク防止装置を備えた、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の略図である。
【図５】互いに関連した原動機位置、フラックス及び発生した電圧のそれぞれ波形の関係を示すグラフである。
【図６Ａ】システムの代表的な構成例に用いられるリニアオルタネータのステータに対する、図５の位置ａにおける原動機の例示の構成例の平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示すリニアオルタネータの代表的な構成例の側面図である。
【図６Ｃ】システムの代表的な構成例に用いられるリニアオルタネータのステータに対する、図５の位置ｃにおける原動機の例示の構成例の平面図である。
【図６Ｄ】図６Ｃに示すリニアオルタネータの代表的な構成例の側面図である。
【図７Ａ】システムの代表的な構成例で用いられたリニアオルタネータのステータに対する、図５の位置ｂ及びｄにおける原動機の例示の構成例の平面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示すリニアオルタネータの代表的な構成例の側面図である。
【図８】充電器及びコントローラを含む過剰ストローク防止装置を備えた、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の略図である。
【図９】配電網結合型インバータ及びコントローラを含む過剰ストローク防止装置を備えた、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の略図である。
【図１０】安定器及びコントローラを含む過剰ストローク防止装置を備えた、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の略図である。
【図１１】フィードバック方式のリニアオルタネータ及びコントローラを含む過剰ストローク防止装置を備えた、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の略図である。
【図１２】フィードバック方式のリニアモータ及びコントローラを含む過剰ストローク防止装置を備えた、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の略図である。
【図１３】ストローク制限が、外部空気圧又は液体緩衝器を使用することによってポンプの制御を通じて達成される、図１２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムのポンプ構成例の略図である。
【図１４】ストローク制限が、内部に空気圧緩衝器を有する圧縮機内で用いられるポンプの制御を通じて達成される、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の略図である。
【図１５】ストローク制限が、内部に液体緩衝器を有するポンプの制御を通じて達成される、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの第２のポンプ具体例の略図である。
【図１６】ストローク制限が、本明細書において説明するストローク制限方法を含むものとして表される、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムのヒートポンプ具体例の略図である。
【図１７】従来のキネマチック式多シリンダスターリングシステムを側方から見た断面図である。
【図１８】図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の斜視図である。
【図１９】図１８に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の断面図である。
【図２０】図１８に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の第２の断面図である。
【図２１】関連した圧力容器を備えた、図１８に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の斜視図である。
【図２２】複式リニアオルタネータを含む過剰ストローク防止装置を備えた、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の断面図である。
【図２３】複式リニアオルタネータ及びプレートレットヒータヘッドを含む、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの別の構成例の略図である。
【図２４】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの性能を向上させるために使用される種々の変更例を示す略図である。
【図２５】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の幾つかで用いられるピストンロッドの一部の構成例の略図である。
【図２６】周波数チューニングための追加コンポーネントを備えた、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの構成例の略図である。
【図２７】振動の減少と関連してピストンストロークの膨張部分中に生じた仕事取出しのための力を示す、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムのシリンダの１つ及びそれと関連したコンポーネントの略図である。
【図２８】振動の減少と関連してピストンストロークの圧縮部分中に生じた仕事取出しのための力を示す、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムのシリンダの１つ及びそれと関連したコンポーネントの略図である。
【図２９】振動の減少と関連してピストンストロークの膨張部分中に生じた仕事入力のための力を示す、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムのシリンダの１つ及びそれと関連したコンポーネントの略図である。
【図３０】振動の減少と関連してピストンストロークの圧縮部分中に生じた仕事入力のための力を示す、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムのシリンダの１つ及びそれと関連したコンポーネントの略図である。
【図３１】振動の減少と関連した力を示す、図２に示す非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムのシリンダの略図である。
【図３２】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの４シリンダ構成例における、振動の減少と関連したピストン運動を示すグラフである。
【図３３】振動の減少のための第１の３シリンダモジュール構成例を部分的に断面にした斜視図である。
【図３４】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの３シリンダ構成例における、振動の減少と関連したピストン運動を示すグラフである。
【図３５】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための第２の３シリンダモジュール構成例を部分的に断面にした斜視図である。
【図３６】振動の減少のために図３３に示す第１の３シリンダモジュール構成例及び図３５に示す第２の３シリンダモジュール構成例を有する、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの６シリンダ組立体を部分的に断面にした斜視図である。
【図３７】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、図３６に示す振動減少のための６シリンダ組立体の第２の斜視図である。
【図３８】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための６シリンダ構成例のための過剰ストローク組立体を部分的に断面にした斜視図である。
【図３９】図３８に示す６シリンダ構成例のための過剰ストローク組立体の電気的接続部を示す略図である。
【図４０】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための図３６及び図３７に示す６シリンダ組立体と図３８の過剰ストローク組立体との組合せを示す斜視図である。
【図４１】図４０に示す６シリンダ組合せの外部斜視図である。
【図４２】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの６シリンダ構成例の概略斜視図である。
【図４３】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステム用の図３３及び図３５の３シリンダモジュールの交換器回路に関する第１の構成例の略図である。
【図４４】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムのための図３３及び図３５の３シリンダモジュールの交換器回路に関する第２の実施形態の略図である。
【図４５】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための６シリンダ構成例の全体的なトポロジーを示す図である。
【図４６】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための２つの３シリンダモジュールの組立体のトポロジーを示す図である。
【図４７】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための６シリンダモジュールの組立体のトポロジーを示す図である。
【図４８】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための第２の６シリンダモジュールの組立体のトポロジーを示す図である。
【図４９】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための第３の６シリンダモジュールの組立体のトポロジーを示す図である。
【図５０】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、振動の減少のための８シリンダモジュールの組立体のトポロジーを示す図である。
【図５１】複式リニアオルタネータの構成例の斜視図である。
【図５２】磁束を時計回りに示す図５１の複式リニアオルタネータの平面図である。
【図５３】図５１の複式リニアオルタネータの側面図である。
【図５４】図５１の複式リニアオルタネータの直列配線構成例を示す斜視図である。
【図５５】図５１の複式リニアオルタネータの直列／並列配線構成例を示す斜視図である。
【図５６】非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの、４シリンダ構成例のための２つの複式リニアオルタネータの斜視図である。
【図５７】複式リニアオルタネータを備えた、非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの４シリンダ構成例の斜視図である。
【図５８】シリンダ１つ当たりたった１つのリニアオルタネータを用いる非流体フリーピストン式多シリンダスターリングシステムの４シリンダ構成例の斜視図である。
【図１】
2008510933.tif 000003
【図２】
2008510933.tif 000004
【図３】
2008510933.tif 000005
【図４】
2008510933.tif 000006
【図５】
2008510933.tif 000007
【図６Ａ】
2008510933.tif 000008
【図６Ｂ】
2008510933.tif 000009
【図６Ｃ】
2008510933.tif 000010
【図６Ｄ】
2008510933.tif 000011
【図７Ａ】
2008510933.tif 000012
【図７Ｂ】
2008510933.tif 000013
【図８】
2008510933.tif 000014
【図９】
2008510933.tif 000015
【図１０】
2008510933.tif 000016
【図１１】
2008510933.tif 000017
【図１２】
2008510933.tif 000018
【図１３】
2008510933.tif 000019
【図１４】
2008510933.tif 000020
【図１５】
2008510933.tif 000021
【図１６】
2008510933.tif 000022
【図１７】
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【図１８】
2008510933.tif 000024
【図１９】
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【図２０】
2008510933.tif 000026
【図２１】
2008510933.tif 000027
【図２２】
2008510933.tif 000028
【図２３】
2008510933.tif 000029
【図２４】
2008510933.tif 000030
【図２５】
2008510933.tif 000031
【図２６】
2008510933.tif 000032
【図２７】
2008510933.tif 000033
【図２８】
2008510933.tif 000034
【図２９】
2008510933.tif 000035
【図３０】
2008510933.tif 000036
【図３１】
2008510933.tif 000037
【図３２】
2008510933.tif 000038
【図３３】
2008510933.tif 000039
【図３４】
2008510933.tif 000040
【図３５】
2008510933.tif 000041
【図３６】
2008510933.tif 000042
【図３７】
2008510933.tif 000043
【図３８】
2008510933.tif 000044
【図３９】
2008510933.tif 000045
【図４０】
2008510933.tif 000046
【図４１】
2008510933.tif 000047
【図４２】
2008510933.tif 000048
【図４３】
2008510933.tif 000049
【図４４】
2008510933.tif 000050
【図４５】
2008510933.tif 000051
【図４６】
2008510933.tif 000052
【図４７】
2008510933.tif 000053
【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
2008510933.tif 000056
【図５１】
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【図５２】
2008510933.tif 000058
【図５３】
2008510933.tif 000059
【図５４】
2008510933.tif 000060
【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
2008510933.tif 000063
【図５８】
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【国際調査報告】
2008510933.tif 000065
2008510933.tif 000066