フリーピストン組立体、及びフリーピストン組立体の制御方法
本発明は、少なくとも１つのピストンチャンバと、対応するピストンチャンバ内で線形運動する少なくとも１つのピストン組立体とを含み、このピストンが第１ピストン表面及び第１ピストン表面から離れる方を向いた第２ピストン表面を有する、フリーピストン装置に関する。ピストンチャンバは、第１ピストン表面により画された膨張空間を含む。ピストン装置は、膨張空間内で膨張する媒体の作用により駆動可能である。ピストンチャンバ内の回復空間は、第２ピストン表面により画され、少なくとも１つの予圧チャンバと流体作用を介して接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのピストン収容装置と、対応するピストン収容装置内で線形に運動し、且つ、第１ピストン表面及び前記第１ピストン表面から離れる方を向いた第２ピストン表面を有する少なくとも１つのピストン装置と、前記ピストン収容装置内に形成され、且つ、前記第１ピストン表面により画された膨張空間とを含むフリーピストン組立体であって、前記ピストン装置が、前記膨張空間内で膨張する媒体の作用により駆動されるように配置されたフリーピストン組立体に関する。
【０００２】
更に、本発明は、ピストン収容装置と、前記ピストン収容装置内で線形に運動するピストン装置と、復元空間とを含むフリーピストン組立体の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えばフリーピストン組立体を用いて、燃焼過程により化学的エネルギーを機械的エネルギー、つまりピストン装置の運動エネルギーに部分的に変換することができ、その後、リニアドライブを用いて、この機械的エネルギーを少なくとも部分的に電気エネルギーに変換することができる。ピストン運動がフリーピストン運動の形態となるように配置することで、クランク軸を設ける必要なしに、ピストンの純粋に線形な動作を実現することができる。
【０００４】
この性質の装置は、例えば、自動車のハイブリッド駆動部の一部として、特に直列ハイブリッド配置の概念と組み合わせて用いることができる。これらの装置は、電気を発生させるためのコンパクトな電流発生ユニットとして用いたり、例えばエンジンベースのコジェネレーションシステムのような定置式アプリケーションと組み合わせて利用することもできる。
【０００５】
例えばGB 854 255及びDE 22 17 194 C3から、フリーピストン組立体が公知である。
【０００６】
US 6,199,519 B1、DE 31 03 432 A1、東ドイツ特許明細書113,593、及びDE 43 44 915 A1から、又は「Proceedings of the 2000 DOE of Hydrogene Program Review」におけるP. van Barriganの論文「Advanced internal combustion engine research」から、発電機を備えた燃焼装置も公知である。
【０００７】
DE 102 19 549 B4から、電気リニアドライブを含むフリーピストン組立体が公知である。このフリーピストン組立体は、少なくとも１つのピストン収容装置と、ピストン収容装置内で線形運動可能なように配置される少なくとも１つのピストン装置とを含む。ここで、ピストン装置はロータ組立体を含み、ステータ組立体がピストン収容装置に配置される。少なくとも１つのピストン装置は、膨張チャンバ内で膨張する媒体の作用により駆動されるように配置されており、ピストン装置の運動における死点が規定可能となるよう、ピストン行程はリニアドライブにより変化されることに適合されている。
【０００８】
WO 01/45977 A2には、電気リニアドライブを含む別のフリーピストン組立体が記載されている。
【０００９】
EP 1 398 863 A1から、媒体が作用する少なくとも１つのピストン装置のピストンが運動可能である第１変位チャンバと、ピストンと関連付けられたロータ組立体が運動可能である第２変位チャンバとが別々のチャンバである、フリーピストン組立体が公知である。
【００１０】
DE 197 81 913 T1から、リニア発電機の運動の制御方法が公知である。このリニア発電機は、対向する２つのピストンが共通の軸に沿って並べられた内燃エンジンにより駆動される。発電機の周期的な往復運動中に、発電機に対する効果的な抵抗力が、少なくとも発電機の運動速度の中央行程範囲内でほぼ比例して生成されるよう、電流消費が制御される。燃焼チャンバ内に圧力センサが設けられており、所定の圧力に達すると、制御ユニットが、燃焼チャンバに供給された混合物に点火する装置をトリガする。
【００１１】
DE 10 2004 062 440 B4から、電気リニアドライブを備えたフリーピストン組立体が公知である。このフリーピストン組立体は、ガスが収容された復元チャンバを含む。復元チャンバ内には少なくとも１つの圧力センサが設けられており、この圧力センサにより、復元チャンバ内のガスの圧力の測定から、ピストン装置の位置及び／又は速度を決定することができる。従って、測定された圧力を用いて、例えば、膨張チャンバへの燃料の注入や膨張チャンバ内の燃料の点火時点に関して、及び／又は、膨張チャンバ上に配置された弁に対して、フリーピストン組立体の制御及び／又は調節処理を行うことができる。
【００１２】
US 5,002,020から、制御／調節及びパワー出力の目的で、往復式ピストン及び電磁変換器を備えたハイブリッドエンジンが公知である。
【００１３】
先行して公開されていないWO 2008/037980 A2から、複動式の配置構成を有するフリーピストンエンジンが公知である。１つのピストンが、一方の側で従来の内燃サイクルを受け、他方の側で蒸気膨張サイクルを受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】GB 854 255
【特許文献２】DE 22 17 194 C3 (US 4,154,200)
【特許文献３】US 6,199,519 B1
【特許文献４】DE 31 03 432 A1
【特許文献５】東ドイツ DD 113,593
【特許文献６】DE 43 44 915 A1
【特許文献７】DE 102 19 549 B4 (US 2005/0081804 A1)
【特許文献８】WO 01/45977 A2
【特許文献９】EP 1 398 863 A1
【特許文献１０】DE 197 81 913 T1 (US 6,181,110 B1)
【特許文献１１】DE 10 2004 062 440 B4
【特許文献１２】US 5,002,020
【特許文献１３】WO 03/091556 A1 (US 2005/0081804 A1)
【特許文献１４】DE 102 42 141 A1
【特許文献１５】WO 2008/037980 A2
【特許文献１６】US 5,287,827 A
【特許文献１７】US 4,454,426 A
【特許文献１８】WO 2007/147789 A1 (US 2009/0101005 A1)
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】"ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH"、Peter van Blarigan著、Proceedings of the 2000 DOE Hydrogen Program Review
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、簡単なやり方で実現可能であって、且つ、コンパクトな構成を有する、上述した種類のフリーピストン組立体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、この目的は、上述したフリーピストン組立体において、前記少なくとも１つのピストン収容装置内に配置された復元空間が前記第２ピストン表面により画され、かつ、前記復元空間が少なくとも１つの予圧チャンバに流体接続されることで達成される。
【００１８】
本発明に係る解決法を用いて、前記ピストン収容装置の長さを最適にして使用することができる。
【００１９】
特に、例えば、前記膨張空間と前記復元空間との間隔がピストンの対応する厚さに略一致する場合、この間隔を最小にすることが可能である。
【００２０】
更に、駆動部とアプリケーション部とをモジュール式に含むフリーピストン組立体を構成することが可能である。本発明に係る解決法の場合、前記駆動部の後端から能動要素を簡単なやり方で案内することができる。その結果、例えば、圧縮機やリニアドライブのようなアプリケーションを、モジュール式に連結することができる。これにより、直列及び／又は並列の連結器を用いて、幾つかのアプリケーションを連結することが可能である。
【００２１】
本発明に係る解決法の場合、前記膨張空間から前記復元空間へのブローバイを使用することが可能である。ブローバイが発生すると、前記ピストン装置と前記ピストン収容装置との間の漏出に起因して、前記膨張空間からのガスが前記復元空間に入る。前記復元空間がガススプリングチャンバの形態である場合、前記ブローバイにより前記復元空間内のガス圧を維持することができる、又は、前記復元空間内の圧力損失を低減するために前記ブローバイを使用することができる。必要に応じ、前記ブローバイは、「漏出」の量についての規定された設定を利用することにより、規定されたやり方で設定することができる。
【００２２】
前記復元空間は、少なくとも１つの予圧チャンバに流体接続される。従って、例えば、前記復元空間のガス圧を、それ故に前記復元空間の弾性特性を、制御又は調節することが可能である。
【００２３】
前記膨張空間及び前記復元空間が前後に線形に配置されると好都合である。これにより、長手方向の寸法を最小にしたコンパクトな構造を得ることができる。
【００２４】
特に、前記膨張空間及び前記復元空間は、前記ピストン装置のピストンにより分離される。ここで、前記ピストンは、前記第１ピストン表面及び前記第２ピストン表面を含む。これにより、前記膨張空間と前記復元空間との間隔は最小にされる。
【００２５】
同じ理由で、前記ピストン収容装置の内部長さが、前記膨張空間の長さ、前記第１ピストン表面と前記第２ピストン表面との間隔、及び前記復元空間の長さから成ると好都合である。
【００２６】
前記第１ピストン表面と前記第２ピストン表面との間隔が、前記ピストン収容装置の総内部長さの最大で３０％である場合、コンパクトな構造を実現することができる。
【００２７】
前記少なくとも１つのピストン収容装置が、前記ピストン装置に接続された少なくとも１つの線形運動可能な能動要素が外方へ案内される側面を含むと特に非常に有利である。前記能動要素から機械的エネルギーを「抽出」することができる。即ち、前記能動要素に１つ又は複数のアプリケーションを連結することができる。これにより、駆動部と、アプリケーション部、特に置換可能なアプリケーション部とを含むフリーピストン組立体から成るモジュラー構造体を実現することができる。
【００２８】
特に、前記少なくとも１つの能動要素はピストン棒である。
【００２９】
前記側面は、前記ピストン装置の動作方向に対して直交する方向に向けられた端面である、ということが考えられる。従って、前記駆動部の連結側を、簡単なやり方で利用可能にすることができる。
【００３０】
特に、前記第２ピストン表面に面する壁が前記側面に配置される。これにより、前記機械的エネルギーを外部につなぐための装置が簡単なやり方で設けられる。
【００３１】
更に、この壁が前記復元空間を画すると好都合である。前記復元空間は、この復元空間に燃料等を供給するための装置を装備する必要がなく、この復元空間から排気ガスを除去する必要がない。これにより、簡単な構造が得られる。もっとも、原則として、前記膨張空間を画する壁から前記能動要素を外方へ案内することも可能である。
【００３２】
前記壁が、前記少なくとも１つの能動要素が通過する開口を有すると好都合である。その場合、前記機械的エネルギーを簡単なやり方で外部につなぐことができる。
【００３３】
更に、前記少なくとも１つの能動要素のための軸受がこの壁に配置されると有利である。前記軸受は、例えば、前記能動要素の変位を案内するための滑り軸受である。これにより、前記要素の全体的な支持を良くすることができる。
【００３４】
前記少なくとも１つの能動要素の下位部分が前記復元空間を通って案内される、ということが考えられる。これにより、簡単な構造が得られ、前記機械的エネルギーを外部につなぐための簡単な装置が提供される。もっとも、上述したように、原則として、前記少なくとも１つの能動要素を前記膨張空間を通って案内することも可能である。
【００３５】
前記少なくとも１つの能動要素が、この能動要素をアプリケーションにリンクさせるための連結器を含むと特に非常に有利である。このようにすることで、前記駆動部からの前記機械的エネルギーを利用するために、アプリケーションを簡単なやり方で取り付けることができる。
【００３６】
前記膨張空間は、この膨張空間と関連付けられた少なくとも１つの入口ポートを有することが好都合である。これにより、入口ポートを用いて燃料を入れることができる、又は、膨張可能な熱伝達媒体を入れることができる。
【００３７】
特に、燃料の進入又は前記膨張可能な熱伝達媒体の供給が制御可能となるように、前記少なくとも１つの入口ポートに、好ましくは制御可能な弁が配置される。
【００３８】
前記膨張空間が、この膨張空間と関連付けられた少なくとも１つの出口ポートを有する場合、例えば、前記燃焼過程から生じる排気ガスをこの膨張空間から除去することができる、又は、前記膨張した熱伝達媒体をこの膨張空間から除去することができる。
【００３９】
従って、前記出口ポートに（制御可能な）弁が配置されると好都合である。
【００４０】
前記復元空間が、圧縮性媒体が収容されるガススプリング空間であると特に好都合である。前記圧縮性媒体（ガス）は、前記ガススプリング空間内で圧力下に保持される。これにより、前記ピストン装置の往復運動を作り出すことができる。更に、WO 03/091556 A1に記載されているように、前記ピストン装置の運動を制御することが可能である。
【００４１】
例えば、前記復元空間内の圧力が調節可能となるように、前記接続を制御するための制御ユニットが設けられると好都合である。
【００４２】
例示的な一実施形態において、前記少なくとも１つの予圧チャンバが、前記ピストン収容装置の端面により、前記復元空間に接続される。これにより、前記ピストン収容装置及び前記予圧チャンバは前後に線形に接続される。
【００４３】
原則として、前記少なくとも１つの予圧チャンバを、能動要素から離間するように配置することも可能である。
【００４４】
別の実施形態において、前記少なくとも１つの予圧チャンバを通って能動要素が案内される。
【００４５】
第１開口及び第２開口を含む少なくとも１つのチャネルが前記少なくとも１つの能動要素に配置され、前記復元空間内及び／又は予圧チャンバの予圧空間内での前記第１開口及び／又は前記第２開口の位置が、前記少なくとも１つの能動要素の位置に依存すると特に有利である。これにより、例えば、外部から時間制御される弁がない場合に、前記予圧空間と前記復元空間との間の圧力を均等化する過程を、時間に依存したやり方で制御することが可能となる。従って、例えば高圧弁を使用する必要はもはやない。
【００４６】
特に、前記予圧チャンバと前記復元空間とは、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置において前記チャネルに流体接続される。これにより、圧力均等化過程が可能となる。
【００４７】
ここで、前記１つ又は複数の位置が、前記ピストン装置の反転点又は反転点付近にあるようにしてもよい。その場合、前記チャネル及び前記開口を適切に構成することにより、原則として、この位置が上方の反転点又は下方の反転点となるように設定することが可能である。
【００４８】
前記予圧チャンバ内に（少なくとも）１つのアプリケーションを配置するようにしてもよい。前記予圧チャンバ内の予圧空間を用いて、前記復元空間内の圧力を調節することができる。前記予圧チャンバを形成するために、リニアドライブ等のアプリケーションが配置されたハウジングを使用することができる。これにより、前記フリーピストン組立体の全体的な長さが最小になると同時に、構成のコンパクトなやり方が得られる。
【００４９】
例えば、少なくとも１つのリニアドライブが前記ピストン装置に接続可能である、又は接続されるようにしてもよい。前記リニアドライブは、例えばリニア発電機の形態である。その場合、電流を発生させることができる。WO 03/091556 A1に記載されているように、原則として、前記リニアドライブにより前記ピストン装置の運動を制御することも可能である。
【００５０】
前記少なくとも１つのリニアドライブは、前記ピストン装置の前記少なくとも１つの能動要素に接続されるステータ及びアクチュエータを含む。前記ピストン装置は、誘導電流を発生させるための機械的エネルギーをもたらす。
【００５１】
例えば、前記少なくとも１つのリニアドライブは、前記ピストン装置の動作方向と平行な方向において、前記ピストン収容装置に続く。従って、例えば、直交方向の寸法を小さくすることができる。
【００５２】
前記少なくとも１つのリニアドライブが、前記少なくとも１つのピストン収容装置及び／又は予圧チャンバを少なくとも部分的に包囲することも可能である。従って、長手方向の寸法を小さく保つことができる。
【００５３】
例えば、少なくとも１つの圧縮機が前記ピストン装置に接続可能である、又は接続されるようにすることもできる。例えば、前記圧縮機によりガス又は液体が圧縮される。
【００５４】
特に、前記少なくとも１つの圧縮機のピストン棒が前記ピストン装置の能動要素に接続される。
【００５５】
更に、本発明の目的は、簡単なやり方で実現可能な、上述した種類の方法を提供することである。
【００５６】
本発明によれば、この目的は、ピストン収容装置と、前記ピストン収容装置内で線形となるように運動可能なピストン装置と、復元空間とを含む前記フリーピストン組立体において、前記復元空間と予圧空間との流体接続が前記ピストン装置の位置に依存して開閉され、前記ピストン装置の１つ又は複数のピストン棒が前記復元空間内及び前記予圧空間内を案内され、かつ、第１開口及び第２開口を有する少なくとも１つのチャネルが前記少なくとも１つのピストン棒に配置されることで達成される。
【００５７】
本発明に係る前記方法は、本発明に係る前記装置に関して既に述べた利点を有する。
【００５８】
本発明に係る前記方法の場合、前記復元空間内の圧力は、前記ピストン装置の位置により自動的に制御される。例えば、前記予圧空間内の圧力を作動点として設定し、自動圧力均等化過程を行うことができる。その場合、前記復元空間内の圧力を制御するための高圧弁はもはや必要でない。更に、前記ピストン装置の位置により前記制御過程が自動的に実施されるため、外部から計時される制御過程はもはや必要でない。
【００５９】
特に、前記第１開口と前記第２開口とは流体接続される。従って、前記チャネルを介してガス交換を行うことができる。
【００６０】
特に、前記第１開口は前記復元空間内にあり、且つ、前記第２開口は前記予圧空間内にある、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置が存在する。これにより、前記復元空間と前記予圧空間との間で前記ガスを均等化することができ、このガス均等化過程により、特に前記復元空間内の圧力を制御することができる。
【００６１】
更に、前記第１開口と前記第２開口の双方が前記復元空間内又は前記予圧空間内のいずれかに設置される、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置が存在すると好都合である。この場合、前記予圧空間と前記復元空間との間で前記ガスの交換を行うことはできない。
【００６２】
本発明をより詳細に説明するために、図面と合わせて考慮される好適な実施形態を以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第１実施形態の略断面図。
【図２】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第２実施形態の略図。
【図３】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第３実施形態の略図。
【図４】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第４実施形態の略図。
【図５】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第５実施形態の略図。
【図６】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第６実施形態の略図。
【図７】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第７実施形態の略図。
【図８】例示的な第８実施形態の略図。
【図９】例示的な第９実施形態の略図。
【図１０】例示的な第１０実施形態の略図。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
図１に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第１実施形態を参照符号１０で示す。この実施形態は、駆動部１２及びアプリケーション部１４を含む。駆動部１２は、機械的エネルギーを、能動要素１６の往復運動の形態で利用可能にする。この機械的エネルギーは、以下に記載するように、圧縮機及び／又はリニアドライブ等の対応するアプリケーションにより、アプリケーション部１４にて利用することができる。
【００６５】
駆動部１２は、ピストン装置２０が線形運動可能なように配置された（少なくとも）１つのピストン収容装置１８（シリンダ）を含む。
【００６６】
ピストン収容装置１８は、ピストン装置２０のピストン２４が一方それから他方の方向２６に線形運動可能なピストン空間２２を有する。この一方及び他方の方向２６は、ピストン収容装置１８の長手方向軸２８と平行である。
【００６７】
ピストン２４は、第１ピストン表面３０と、対向する第２ピストン表面３２とを有する。例えば、第１ピストン表面３０と第２ピストン表面３２とは互いに平行である。例えば一実施形態において、第１ピストン表面３０と第２ピストン表面３２との間には、中実の材料であるピストン２４がある。
【００６８】
これとは別に、ピストン２４は、第１ピストン表面３０と第２ピストン表面３２との間に１つ又は複数の空洞を含むことができる。空洞は、例えば、質量を低減する目的及び／又は熱の非干渉化を提供する目的に役立つ。原則として、空洞をピストン２４の内部冷却に使用することもできる。
【００６９】
ピストン空間２２は、第１端壁３４により第１端面で画され、第２端壁３６により反対側の第２端面で画される。第１端壁３４及び第２端壁３６は、長手方向２８に対して直交する方向に向けられており、それ故に、運動方向２６に対しても直交する方向に向けられている。
【００７０】
第１端壁３４と第１ピストン表面３０との間には、膨張媒体が膨張してピストン２４へ力を及ぼすことができる膨張空間３８が設置されている。
【００７１】
第２ピストン表面３２と第２端壁３６との間には、例えばガススプリング空間の形態の復元空間４０が形成される。従って、復元空間４０内には、圧縮性媒体、特にガスが収容される。この圧縮性媒体は、ピストン２４のばね様の戻りを提供する。
【００７２】
これとは別に又はこれに加えて、復元空間４０内に、１つ又は複数の機械ばね要素４１を配置することができる。少なくとも１つのばね要素４１は、ピストン２２にリンクされており、第２端壁３６上で直接又は中間物を介して支持される。
【００７３】
ピストンチャンバ２２の総容積は、膨張空間３８及び復元空間４０の容積と、ピストン２４の体積との和から成る。膨張空間３８と復元空間４０の容積の比率は、ピストン装置２０のピストン２４の位置に依存する。ピストン２４は、膨張空間３８及び復元空間４０が互いにガス密となるべく密封されるような方法で、ピストンチャンバ２２内に配置され案内される。
【００７４】
原則として、密封公差に起因して、膨張空間３８と復元空間４０との間のブローバイが可能である。膨張空間３８から復元空間４０に入る流体（特にガス）は、復元空間４０内でばね性のある媒体として使用される。ブローバイは、復元空間４０内で、圧力を維持するために又は圧力損失を低減するために利用することができる。その結果、状況によっては、復元空間４０内の圧力を維持するための固定式ポンプなしで済ますことができるため、フリーピストン組立体をコンパクト且つ安価なやり方で実現することができる。
【００７５】
ピストン装置２０は、ピストン２４上に着座し且つ復元空間４０を通って案内されるピストン棒４２を含む。第２端壁３６は開口４４を含み、この開口を（ガス密な）ピストン棒４２が通過する。ピストンが一方そして他方の方向２６へ線形運動する過程で、ピストン棒４２を、従ってピストン装置２０を支持するために、開口４４には例えば滑り軸受の形態の軸受装置４６が配置される。
【００７６】
図１に示す例示的な実施形態では、復元空間４０内の圧縮性媒体が開口４４を通って周囲へ逃散することができないように、復元空間４０はその周辺に対して密封される。
【００７７】
ピストン棒４２は能動要素１６を形成している。連結器４８が、ピストン棒４２上、好ましくはその外端に配置され、連結器４８には利用可能な機械的エネルギーを取り出すためにアプリケーションが連結されるようになっている。
【００７８】
第２端壁３６は、駆動部１２の外端を形成する、又は、駆動部１２の外前端付近に設置される。その場合、駆動部１２に、長手方向１８で続いてアプリケーションを取り付けることができる。これらのアプリケーションは、駆動部１２に前後にある程度まで接続可能である。
【００７９】
復元空間４０は、膨張空間３８と同じピストン収容装置１８内に形成される。ピストン２４は、膨張空間３８及び復元空間４０の分離装置を形成する。
【００８０】
例えば、第１ピストン表面３０は円形である。例えば、第２ピストン表面３２は円形である。
【００８１】
１つ又は複数のアプリケーション部１４が、駆動部１２にモジュール式に接続されるようになっていて、１つ又は複数のアプリケーション部１４は駆動部１２によりもたらされている機械的エネルギーを使用する。
【００８２】
膨張空間３８と復元空間４０とは、同じピストンチャンバ内に形成される。その結果、ピストン収容装置１８は、長手方向軸２８の方向で長手方向の寸法を比較的小さくしてコンパクトに構成することができる。
【００８３】
膨張空間３８内の膨張ガスにより、能動要素１６が（一方そして他方の方向２６へ）振動変位する。
【００８４】
一実施形態において、膨張空間３８内の膨張媒体は、可燃性ガスの形態である。ピストン収容装置１８内には、膨張空間３８用の（少なくとも１つの）入口ポート５０が配置され、前記ポートを通って、燃料又は燃料−酸化剤の混合物が膨張空間３８内に導入可能である。原則として、燃料用及び酸化剤用として別々の入口ポートを設けることが可能である。入口ポート５０には、弁５２、特に制御可能な弁が配置される。供給される燃料又は燃料−酸化剤の混合物の量は、弁５２により制御することができる。
【００８５】
更に、ピストン収容装置１８内には、膨張空間３８から媒体が除去可能である（少なくとも）１つの出口ポート５４が配置される。特に、膨張空間３８から排気ガスが除去可能である。
【００８６】
除去過程を制御できるようにするために、出口ポート５４には弁５６が配置される。
【００８７】
燃料−酸化剤の混合物を点火するための点火装置５７を、膨張空間３８と関連付けることができる。原則として、自己点火媒体を使用することもできる。
【００８８】
この実施形態の変形において、膨張空間３８内の膨張媒体は、膨張空間３８の外部で生成又は加熱される熱伝達媒体である。この熱伝達媒体は膨張空間３８内で膨張することができるので、これによりピストン２４がその振動運動を行うことができる。
【００８９】
この場合、入口ポート５０は、膨張可能な熱伝達媒体を、制御されたやり方で膨張空間３８内へつなぐために役立つ。「膨張した」熱伝達媒体は、出口ポート５４を通って排出することができる。
【００９０】
復元空間４０内の圧力を測定する目的で、復元チャンバは、この復元チャンバと関連付けられた１つ又は複数の圧力センサ５３を有することができる。１つ又は複数の圧力センサ５３は、例えば第２端壁３６上に配置される。
【００９１】
同様のやり方で、膨張空間３８は、膨張空間内の圧力を測定するために役立つこの膨張空間と関連付けられた１つ又は複数の圧力センサ５５を有することができる。１つ又は複数の圧力センサは、特に第１端壁３４上に配置される。
【００９２】
更に、膨張空間３８は、この膨張空間と関連付けられた、例えば燃料が注入されるようになっている少なくとも１つの注入弁５１を有することができる。
【００９３】
図２に、フリーピストン組立体の例示的な第２実施形態を参照符号５８で示す。この実施形態は、基本的に第１フリーピストン組立体１０と同じように構成される。従って、同じ要素には同じ参照符号が使用される。
【００９４】
更に、復元空間４０には、予圧空間６２を含む（少なくとも）１つの予圧チャンバ６０が関連している。予圧チャンバ６０は、能動要素１６から離間するように配置される。例えば、第２端面６４で限定されている端部の後方に配置される。予圧空間６２は、制御可能な弁６６により、復元空間４０に流体接続される。復元空間４０内のガススプリング装置の圧力は、例えば予圧チャンバ６０により調整することができる。特に、この圧力は、制御し、従って、フリーピストン組立体５８の特別な操作モードに適合させることができる。
【００９５】
一実施形態において、圧力は、復元空間４０内でガススプリング装置の下死点にて制御される。復元空間４０の下死点（ＢＤＣ）にて復元空間４０の容積は最大となり、圧力を制御／調節する過程は最も容易になる。
【００９６】
予圧空間６２には、予圧チャンバ６０に圧力を加えるために役立つポンプ６７が取り付けられる。
【００９７】
例えば、予圧チャンバ６０により復元空間４０内の圧力損失を均等化することも可能である。
【００９８】
図３に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第３実施形態を参照符号６８で示す。この実施形態は、第１端面７２及び第２端面７４を有するピストン収容装置７０を含む。ピストン７８及びピストン棒８０を含むピストン装置７６は、ピストン収容装置７０内で、線形運動可能である。ピストン棒８０は能動要素８２を形成し、能動要素により機械振動エネルギーがアプリケーションに伝導可能である。能動要素８２の一端には、アプリケーションに取り付ける目的で、連結器８４が配置される。
【００９９】
ピストン収容装置７０は膨張空間８６及び復元空間８８を含むが、その構成の仕方及び機能は基本的に上述のものと同じである。
【０１００】
第２端面７４上には、予圧空間９２が形成されている予圧チャンバ９０が配置される。予圧チャンバ７４の第１端面９４は、ピストン収容装置７０の第２端面を向いており、例えば、第２端面に当接しており又は第２端面と重なっている。第２端面９６は、ピストン収容装置７０の第２端面７４から離れる方を向いている。
【０１０１】
予圧チャンバ９０及びピストン収容装置７０は、互いに前後するように配置される。予圧チャンバ９０は、ピストン装置７６の動作方向と平行に、ピストン収容装置７０に接している。
【０１０２】
予圧チャンバ９０の第２端面９６では、対応する端壁に、能動要素８２が通された開口９８が設けられる。特に、開口９８内には、能動要素８２を支持するための滑り軸受等の軸受装置が配置される。軸受装置及び能動要素８２は、周囲に対して密封される。
【０１０３】
ピストン収容装置７０の第２端面７４では、対応する端壁１００に、能動要素８２が同様に中を案内されている開口１０２が設けられる。そこには、特に、滑り軸受等の軸受装置が配置される。開口９８は、復元チャンバ８８と予圧チャンバの予圧空間９２との間に設置される。開口９８を通って周囲と予圧空間９２との間のガス交換が実施できないように、開口９８は能動要素８２に対して密封される。
【０１０４】
予圧チャンバ９０は１つ又は複数の開口１０４を含み、この開口を介して予圧空間９２内の圧力を制御することが可能である。
【０１０５】
能動要素８２に、（少なくとも１つの）チャネル１０６が配置され、チャネル１０６は能動要素８２の外面へ向かう第１開口１０８及び第２開口１１０を含む。ガスが、第１開口１０８及び第２開口１１０を介してこのチャネル１０６を流れることができる。チャネル１０６の外側では、能動要素８２はガス不透過性の材料でできている。
【０１０６】
チャネル１０６は、能動要素８２の位置に依存して予圧空間９２と復元チャンバ８８との間の流体交換を可能にする又は抑制する「自動弁」として作用する。
【０１０７】
図３に示す能動要素８２の位置では、第２開口１１０は予圧空間９２内にあり、第１開口１０８は復元チャンバ８８内にある。従って、予圧空間９２と復元空間８８との間の圧力の均等化を行うことができる。従って、例えば、復元空間８８内でガススプリング装置の可変ばね特性を実現する目的で、予圧空間９２内の圧力により、復元空間８８内の圧力を制御することが可能である。
【０１０８】
これにより、（ピストンの位置に関して）空間的に規定されたやり方で、及び／又は時間的に規定されたやり方で、特性を調整することが可能である。これにより、基本的に、ピストンの各位置と各時点とについて、特定のばね剛性を設定することができる。
【０１０９】
チャネル１０６は外部から切替える必要のない弁を形成しており、「自己調節」過程が実現される。第１開口１０８及び第２開口１１０の位置（及びチャネル１０６の幾何学的寸法）に依存して、第１開口１０８が復元チャンバ８８内にあり、第２開口１１０が予圧空間９２内にある状態に到達すると、そこで圧力均等化過程を行うことができる。その場合、復元空間８８用の高圧弁は不要である。更に、能動要素８２自体の位置が圧力均等化過程を制御することから、弁のタイミングを外部から制御することも不要である。
【０１１０】
第１開口１０８と第２開口１１０の双方が復元空間８８内にある場合、又は、これらの双方が予圧空間９２内にある場合、圧力均等化過程は起こり得ない。
【０１１１】
図示する例示的な実施形態において、ピストン７８がピストン装置７６の運動における反転点にあるか、又はその付近にあるとき、圧力の均等化が生じる。これにより、チャネル１０６が第１開口１０８と第２開口１１０とを備えて構成されることに依存して、下方の反転点又は上方の反転点にて、又はその付近にて、復元空間８８と予圧空間９２との間で流体接続させることが可能である。
【０１１２】
開口９８内及び／又は開口１０２内での能動要素８２の支持、特に、褶動支持に起因して、ピストン７８はもはや案内機能を持たない。従って、ピストンは、実質、膨張空間８６と復元空間８８との間を密封することに役立ちさえすればよい。
【０１１３】
図４に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第４実施形態を全体として符号１１２で示す。この実施形態では、図２に関して記載したような駆動部１１４が実現される。この駆動部の能動要素１６は、リニアドライブのアクチュエータ１１６に、連結器４８を介して連結されている。アクチュエータ１１６は、能動要素１６により、線形となるように往復変位される。
【０１１４】
アクチュエータ１１６は磁場内を移動し及び／又は磁場を生成し、この磁場はアクチュエータ１１６により移動される。従って、特に、適切なステータと協動すれば、誘導電流を発生させることができる。
【０１１５】
アクチュエータ１１６は、長手方向軸１１８から離間された、例えば、長手方向軸１１８と平行な長手方向に交番極性の永久磁石１２２を含む磁石装置１２０を担持している。
【０１１６】
駆動部１１４は、固定して配置される。このことは、図４に基部１２４により示されている。同様に固定されたステータ１２６が、アクチュエータ１１６と協動する。ステータ１２６は、例えば巻き線１２８を含む。磁石装置１２０は、能動要素１６の往復運動により、そして、これにより引き起こされるアクチュエータ１１６の往復運動により、ステータ１２６に対して移動される。その結果、電流が誘起され、取り出されるようになっている。対応するリニアドライブ１３０は、電流を生成するリニア発電機として働く。リニアドライブ１３０内で、駆動部１１４により生成される機械的エネルギーを電流に変換することができる。
【０１１７】
もっとも、原則として、リニアドライブ１３０を、駆動部１１４のピストン装置を制御／調節するために使用することも可能である。このことは、明確に参照されているWO 03/091556 A1に記載されている。
【０１１８】
リニアドライブ１３０は、能動要素１６に連結されている。これに加えて又はこれとは別に、他の種類のアプリケーションを連結させることもできる。
【０１１９】
アクチュエータ１１６には、１つ又は複数の電磁石を設けることもできる。アクチュエータは短絡巻線を含んでもよい。アクチュエータが、磁気導電性の材料でできた「受動的な」歯状構造体を担持することも可能である。
【０１２０】
図５に、例示的な第５実施形態を参照符号１３２で示す。この実施形態でも又、駆動部１１４が設けられている。駆動部の能動要素１６には、圧縮機１３４が連結される。圧縮機は、ガス又は液体を圧縮するために役立てることができ、例えば、冷媒用の圧縮機、水力圧縮機、又は水圧縮機（例えばポンプの形態の）とすることができる。
【０１２１】
能動要素１６は、対応するシリンダ１３８内を案内される圧縮機のピストン１３６に連結されている。能動要素１６は、ピストン１３６に、又はピストン１３６に着座しているピストン棒１４０に直接接続される。端壁１４２とピストン１４０との間には、圧縮チャンバ１４４が形成される。この圧縮チャンバ１４４内には１つ又は複数の入口ポート１４６が通じており、各々は中に着座した制御弁１４８を有する。圧縮されるべき媒体が、入口ポート１４６を通って中へつながれるように配置される。
【０１２２】
更に、中に着座した制御弁１５２を各々が有する１つ又は複数の出口ポート１５０が、端壁１４２内に着座している。圧縮された媒体は、出口ポートを通って除去可能である。
【０１２３】
図５に示す圧縮機は、１つのみの圧縮チャンバ１４４を含むという意味で単段圧縮機である。
【０１２４】
図６に、例示的な第６実施形態を参照符号１５４で示す。この実施形態でも又、駆動部１１４が設けられており、この駆動部の能動要素１６は圧縮機１５８のピストン１５６に連結されている。ピストン１５６は、（入口ポート及び出口ポートは別として）第１端壁１６２及び第２端壁１６４にて閉鎖されているシリンダ１６０内に配置される。シリンダ１６０内には、第１圧縮チャンバ１６６及び第２圧縮チャンバ１６８が形成されている。この意味で、圧縮機１５８は単段圧縮機である。第１圧縮チャンバ１６６と第２圧縮チャンバ１６８の双方において、媒体を圧縮することができる。これにより、ピストン１５６の前方運動中及び後方運動中のいずれにおいても、対応する圧縮過程を生成することが可能であることから、二重の効果が得られる。脈動を低減することができる。異なる圧縮媒体を使用して過程全体を最適化することができる。この構造体が占める空間も最小にすることができる。
【０１２５】
圧縮すべき媒体が進入できるようにし、圧縮した媒体が吐き出されるようにするために、第１圧縮チャンバ１６６内及び第２圧縮チャンバ１６８内に、１つ又は複数の入口ポート及び１つ又は複数の出口ポートが設けられる。
【０１２６】
圧縮機１５８は、駆動部１１４と直列に（連続して）接続される。更に、リニアドライブが直列に接続されることができ、このリニアドライブは例えばリニアドライブ１３０と同様なやり方で構成される。この目的で、このリニアドライブの対応するアクチュエータ１１６がピストン棒１７０に連結されており、このピストン棒にはピストン１５６が着座している。ピストン棒１７０は、能動要素１６に連結されている。
【０１２７】
幾つかのアプリケーションユニットを平行に作動させることも可能である。等価回路図において、平行に作動するアプリケーションユニットは、駆動部１２と直列に接続されて組み合わされたものを形成する。
【０１２８】
能動要素１６は、フリーピストン組立体１５４の駆動部１１４により、線形に往復運動する。この運動は、連結器を介してピストン棒１７０に伝導され、その後アクチュエータ１１６に伝導される。ピストン棒１７０により圧縮機１５８が作動し、アクチュエータ１１６によりリニアドライブ１３０内に電流が生成する。
【０１２９】
図７に、フリーピストン組立体の例示的な第７実施形態を参照符号１７２で示す。この実施形態では、図３に係る駆動部に対応する駆動部１７４が設けられている。対応する能動要素８２は、リニアドライブ１７８のアクチュエータ１７６に連結されている。このアクチュエータ１７６は例えばカップ状であり、予圧チャンバ９０を包囲し、ピストン収容装置７０をも一部包囲する。その結果、リニアドライブ１７８を含むフリーピストン組立体１７２の長手方向の寸法を小さく保つことができる。（状況によっては、これにより長手方向での直交方向の寸法が増加する。）
【０１３０】
アクチュエータ１７６は、例えば磁石装置１８０を担持する。この磁石装置は、能動要素８２により、定置式ステータ１８２に対して移動される。従って、電流を生成することができる。
【０１３１】
本発明によれば、駆動部から機械的エネルギーを取り出すことのできるフリーピストン組立体が設けられる。従って、これによりモジュラー構造体が生じ、この駆動部には、例えば１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のリニアドライブ等のアプリケーションを連結することができる。
【０１３２】
更に、互いに直接隣接する膨張空間及び復元空間が実現される。これらの空間は、このピストンの対向する面により、同じピストンにより画される。従って、これにより、長さに関する限りはコンパクトな構造体が生じる。
【０１３３】
図８に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第８実施形態を参照符号１８４で概略的に示す。この実施形態では、その構造は基本的にフリーピストン組立体１０の構造と同じである。対応する要素にはフリーピストン組立体１０と同じ参照符号が使用されている。ピストン２４は、第１端壁１８８と対向する第２端壁１９０とを含むピストン収容装置１８６内を案内される。復元空間４０を画する第２端壁１９０上には、（少なくとも１つの）制御弁１９２が配置される。フリーピストン組立体１８４の場合、復元空間４０はガススプリングチャンバである。残りのガスは、制御弁１９２により復元空間４０から放出することができる。
【０１３４】
ピストン２４は、ピストン収容装置１８６の内面１９４に沿って案内される。ピストン収容装置１８６に面するピストンの周縁面により、ピストン２４用の案内面１９６が設けられる。基本的に、案内面１９６と内面１９４との間には漏れがあり、流体、特にガスが膨張空間３８から復元空間４０に入ることができる。このことは、図８に矢印１９８で示されている。
【０１３５】
膨張空間３８内の圧力が復元空間４０内の圧力よりも高い場合、このような漏れを通してガスが膨張空間３８から復元空間４０へと押しやられる。これはブローバイと呼ばれる。このブローバイは、ガススプリングチャンバの形態である復元空間４０内の圧力を維持するために使用することができ、又は、そこでの圧力損失を低減するために使用することができる。残りのガスは、制御弁１９２により復元空間４０から放出することができる。
【０１３６】
その他の点では、フリーピストン組立体１８６は、フリーピストン組立体１０と同じやり方で機能する。
【０１３７】
図９に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第９実施形態を参照符号２０２で概略的に示す。この実施形態では、フリーピストン組立体１８４の駆動部に対応する駆動部２０４が、予圧チャンバ２０６に接続される。少なくとも１つの制御弁１９２は、予圧チャンバ２０６の予圧空間２０８に流体接続される。これにより、少なくとも１つの制御弁１９２は双方向となり、さもなければ、異なる単方向制御弁が設けられ、駆動部２０４の復元チャンバ４０と予圧空間２０８との間で圧力の双方向交換ができるようになる。
【０１３８】
予圧チャンバ２０６は開口２１０を含み、駆動部２０４の能動要素１６はこの開口を通って突出している。能動部１６は開口２１０内で支持され、特に、褶動するやり方でそこで変位可能なように支持される。この開口は密封されている。予圧空間２０８内には、磁石装置１２０に対応する磁石装置が配置される。従って、同じ参照符号が使用される。その場合、能動要素１６はアクチュエータ１１６に取り付けられる。アクチュエータ１１６は、予圧空間２０８内で同様に設置される。
【０１３９】
予圧チャンバ２０６は磁石装置を収容している。この磁石装置は固定されている。全体として、磁石装置はアプリケーション部２１２を形成し、駆動部２０４はこのアプリケーション部に取り付けられている。
【０１４０】
予圧空間２０８内を規定された圧力に設定することのできるポンプ２１４が、予圧空間２０８に取り付けられる。ポンプ２１４は、例えば三方弁２１６を介して接続される。
【０１４１】
予圧空間２０８内の圧力は、ポンプ２１４により設定される。復元チャンバ４０内の圧力は、予圧空間２０８内の圧力により、制御弁１９２によって設定することができる。
【０１４２】
磁石装置１２０により、能動部１６の運動から電流を生成することができる。
【０１４３】
その他の点では、フリーピストン組立体２０２は、他の例示的な実施形態に関して上述したように機能する。
【０１４４】
図１０に、例示的な第１０実施形態を参照符号２１８で概略的に示す。この実施形態は、第１駆動部２２０及び第２駆動部２２２を含む。これらの駆動部２２０、２２２は、例えば上述の駆動部１１４と同じやり方で構成されている。
【０１４５】
第１駆動部２２０及び第２駆動部２２２は、例えば互いに鏡像対象となるように配置される。これらの駆動部には、燃料−酸化剤の混合物用の共通の供給装置２２４、及び排気ガス用の共通の除去装置２２６が関連付けられている。従って、二重システムが形成される。
【０１４６】
第１駆動部２２０には第１アプリケーション部２２８が取り付けられ、第２駆動部２２２には第２アプリケーション部２３０が取り付けられる。例えば、アプリケーション部２２８及び２３０は、上述のリニアドライブ１３０に対応している。
【０１４７】
配置は、好ましくは、中央面２３２に対して対称である。これにより、この二重システムでは、駆動部及びアプリケーション部２２０−２２８と２２２−２３０とを重複させることができる。
【０１４８】
駆動部２２０、２２２、及び２２８、２３０のアプリケーション部は、上述のように機能する。
【符号の説明】
【０１４９】
１０ フリーピストン組立体
１２ 駆動部
１４ アプリケーション部
１６ 能動要素
１８ ピストン収容装置
２０ ピストン装置
２２ ピストンチャンバ
２４ ピストン
２６ 方向
２８ 長手方向軸
３０ 第１ピストン表面
３２ 第２ピストン表面
３４ 第１端壁
３６ 第２端壁
３８ 膨張空間
４０ 復元空間
４１ ばね要素
４２ ピストン棒
４４ 開口
４６ 軸受装置
４８ 連結器
５０ 入口ポート
５１ 入口弁
５２ 弁
５３ 圧力センサ
５４ 出口ポート
５５ 圧力センサ
５６ 弁
５７ 点火装置
５８ 第２実施形態
６０ 予圧チャンバ
６２ 予圧空間
６４ 第２端面
６６ 弁
６７ ポンプ
６８ 第３実施形態
７０ ピストン収容装置
７２ 第１端面
７４ 第２端面
７６ ピストン装置
７８ ピストン装置
８０ ピストン棒
８２ 弁要素
８４ 連結器
８６ 膨張空間
８８ 復元空間
９０ 予圧チャンバ
９２ 予圧空間
９４ 第１端面
９６ 第２端面
９８ 開口
１００ 端壁
１０２ 開口
１０４ 開口
１０６ チャネル
１０８ 第１開口
１１０ 第２開口
１１２ 第４実施形態
１１４ 駆動部
１１６ アクチュエータ
１１８ 長手方向軸
１２０ 磁石装置
１２２ 磁石
１２４ 基部
１２６ ステータ
１２８ コイル
１３０ リニアドライブ
１３２ 第５実施形態
１３４ 圧縮機
１３６ ピストン
１３８ シリンダ
１４０ ピストン
１４２ 端壁
１４４ 圧縮チャンバ
１４６ 入口ポート
１４８ 制御弁
１５０ 出口ポート
１５２ 制御弁
１５４ 第６実施形態
１５６ ピストン
１５８ 圧縮機
１６０ シリンダ
１６２ 第１端壁
１６４ 第２端壁
１６６ 第１圧縮チャンバ
１６８ 第２圧縮チャンバ
１７０ ピストン棒
１７２ 第７実施形態
１７４ 駆動部
１７６ アクチュエータ
１７８ リニアドライブ
１８０ 磁石装置
１８２ ステータ
１８４ 第８実施形態
１８６ ピストン収容装置
１８８ 第１端壁
１９０ 第２端壁
１９２ 制御弁
１９４ 内面
１９６ 案内面
１９８ 矢印
２０２ 第９実施形態
２０４ 駆動部
２０６ 予圧チャンバ
２０８ 予圧空間
２１０ 開口
２１２ アプリケーション部
２１４ ポンプ
２１６ 三方弁
２１８ 第１０実施形態
２２０ 第１駆動部
２２２ 第２駆動部
２２４ 供給装置
２２６ 除去装置
２２８ 第１アプリケーション部
２３０ 第２アプリケーション部
２３２ 中央面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのピストン収容装置と、対応するピストン収容装置内で線形に運動し、且つ、第１ピストン表面及び前記第１ピストン表面から離れる方を向いた第２ピストン表面を有する少なくとも１つのピストン装置と、前記ピストン収容装置内に形成され、且つ、前記第１ピストン表面により画された膨張空間とを含むフリーピストン組立体であって、前記ピストン装置が、前記膨張空間内で膨張する媒体の作用により駆動されるように配置されたフリーピストン組立体に関する。
【０００２】
更に、本発明は、ピストン収容装置と、前記ピストン収容装置内で線形に運動するピストン装置と、復元空間とを含むフリーピストン組立体の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えばフリーピストン組立体を用いて、燃焼過程により化学的エネルギーを機械的エネルギー、つまりピストン装置の運動エネルギーに部分的に変換することができ、その後、リニアドライブを用いて、この機械的エネルギーを少なくとも部分的に電気エネルギーに変換することができる。ピストン運動がフリーピストン運動の形態となるように配置することで、クランク軸を設ける必要なしに、ピストンの純粋に線形な動作を実現することができる。
【０００４】
この性質の装置は、例えば、自動車のハイブリッド駆動部の一部として、特に直列ハイブリッド配置の概念と組み合わせて用いることができる。これらの装置は、電気を発生させるためのコンパクトな電流発生ユニットとして用いたり、例えばエンジンベースのコジェネレーションシステムのような定置式アプリケーションと組み合わせて利用することもできる。
【０００５】
例えばGB 854 255及びDE 22 17 194 C3から、フリーピストン組立体が公知である。
【０００６】
US 6,199,519 B1、DE 31 03 432 A1、東ドイツ特許明細書113,593、及びDE 43 44 915 A1から、又は「Proceedings of the 2000 DOE of Hydrogene Program Review」におけるP. van Barriganの論文「Advanced internal combustion engine research」から、発電機を備えた燃焼装置も公知である。
【０００７】
DE 102 19 549 B4から、電気リニアドライブを含むフリーピストン組立体が公知である。このフリーピストン組立体は、少なくとも１つのピストン収容装置と、ピストン収容装置内で線形運動可能なように配置される少なくとも１つのピストン装置とを含む。ここで、ピストン装置はロータ組立体を含み、ステータ組立体がピストン収容装置に配置される。少なくとも１つのピストン装置は、膨張チャンバ内で膨張する媒体の作用により駆動されるように配置されており、ピストン装置の運動における死点が規定可能となるよう、ピストン行程はリニアドライブにより変化されることに適合されている。
【０００８】
WO 01/45977 A2には、電気リニアドライブを含む別のフリーピストン組立体が記載されている。
【０００９】
EP 1 398 863 A1から、媒体が作用する少なくとも１つのピストン装置のピストンが運動可能である第１変位チャンバと、ピストンと関連付けられたロータ組立体が運動可能である第２変位チャンバとが別々のチャンバである、フリーピストン組立体が公知である。
【００１０】
DE 197 81 913 T1から、リニア発電機の運動の制御方法が公知である。このリニア発電機は、対向する２つのピストンが共通の軸に沿って並べられた内燃エンジンにより駆動される。発電機の周期的な往復運動中に、発電機に対する効果的な抵抗力が、少なくとも発電機の運動速度の中央行程範囲内でほぼ比例して生成されるよう、電流消費が制御される。燃焼チャンバ内に圧力センサが設けられており、所定の圧力に達すると、制御ユニットが、燃焼チャンバに供給された混合物に点火する装置をトリガする。
【００１１】
DE 10 2004 062 440 B4から、電気リニアドライブを備えたフリーピストン組立体が公知である。このフリーピストン組立体は、ガスが収容された復元チャンバを含む。復元チャンバ内には少なくとも１つの圧力センサが設けられており、この圧力センサにより、復元チャンバ内のガスの圧力の測定から、ピストン装置の位置及び／又は速度を決定することができる。従って、測定された圧力を用いて、例えば、膨張チャンバへの燃料の注入や膨張チャンバ内の燃料の点火時点に関して、及び／又は、膨張チャンバ上に配置された弁に対して、フリーピストン組立体の制御及び／又は調節処理を行うことができる。
【００１２】
US 5,002,020から、制御／調節及びパワー出力の目的で、往復式ピストン及び電磁変換器を備えたハイブリッドエンジンが公知である。
【００１３】
先行して公開されていないWO 2008/037980 A2から、複動式の配置構成を有するフリーピストンエンジンが公知である。１つのピストンが、一方の側で従来の内燃サイクルを受け、他方の側で蒸気膨張サイクルを受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】GB 854 255
【特許文献２】DE 22 17 194 C3 (US 4,154,200)
【特許文献３】US 6,199,519 B1
【特許文献４】DE 31 03 432 A1
【特許文献５】東ドイツ DD 113,593
【特許文献６】DE 43 44 915 A1
【特許文献７】DE 102 19 549 B4 (US 2005/0081804 A1)
【特許文献８】WO 01/45977 A2
【特許文献９】EP 1 398 863 A1
【特許文献１０】DE 197 81 913 T1 (US 6,181,110 B1)
【特許文献１１】DE 10 2004 062 440 B4
【特許文献１２】US 5,002,020
【特許文献１３】WO 03/091556 A1 (US 2005/0081804 A1)
【特許文献１４】DE 102 42 141 A1
【特許文献１５】WO 2008/037980 A2
【特許文献１６】US 5,287,827 A
【特許文献１７】US 4,454,426 A
【特許文献１８】WO 2007/147789 A1 (US 2009/0101005 A1)
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】"ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH"、Peter van Blarigan著、Proceedings of the 2000 DOE Hydrogen Program Review
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、簡単なやり方で実現可能であって、且つ、コンパクトな構成を有する、上述した種類のフリーピストン組立体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、この目的は、上述したフリーピストン組立体において、前記少なくとも１つのピストン収容装置内に配置された復元空間が前記第２ピストン表面により画され、かつ、前記復元空間が少なくとも１つの予圧チャンバに流体接続されることで達成される。
【００１８】
本発明に係る解決法を用いて、前記ピストン収容装置の長さを最適にして使用することができる。
【００１９】
特に、例えば、前記膨張空間と前記復元空間との間隔がピストンの対応する厚さに略一致する場合、この間隔を最小にすることが可能である。
【００２０】
更に、駆動部とアプリケーション部とをモジュール式に含むフリーピストン組立体を構成することが可能である。本発明に係る解決法の場合、前記駆動部の後端から能動要素を簡単なやり方で案内することができる。その結果、例えば、圧縮機やリニアドライブのようなアプリケーションを、モジュール式に連結することができる。これにより、直列及び／又は並列の連結器を用いて、幾つかのアプリケーションを連結することが可能である。
【００２１】
本発明に係る解決法の場合、前記膨張空間から前記復元空間へのブローバイを使用することが可能である。ブローバイが発生すると、前記ピストン装置と前記ピストン収容装置との間の漏出に起因して、前記膨張空間からのガスが前記復元空間に入る。前記復元空間がガススプリングチャンバの形態である場合、前記ブローバイにより前記復元空間内のガス圧を維持することができる、又は、前記復元空間内の圧力損失を低減するために前記ブローバイを使用することができる。必要に応じ、前記ブローバイは、「漏出」の量についての規定された設定を利用することにより、規定されたやり方で設定することができる。
【００２２】
前記復元空間は、少なくとも１つの予圧チャンバに流体接続される。従って、例えば、前記復元空間のガス圧を、それ故に前記復元空間の弾性特性を、制御又は調節することが可能である。
【００２３】
前記膨張空間及び前記復元空間が前後に線形に配置されると好都合である。これにより、長手方向の寸法を最小にしたコンパクトな構造を得ることができる。
【００２４】
特に、前記膨張空間及び前記復元空間は、前記ピストン装置のピストンにより分離される。ここで、前記ピストンは、前記第１ピストン表面及び前記第２ピストン表面を含む。これにより、前記膨張空間と前記復元空間との間隔は最小にされる。
【００２５】
同じ理由で、前記ピストン収容装置の内部長さが、前記膨張空間の長さ、前記第１ピストン表面と前記第２ピストン表面との間隔、及び前記復元空間の長さから成ると好都合である。
【００２６】
前記第１ピストン表面と前記第２ピストン表面との間隔が、前記ピストン収容装置の総内部長さの最大で３０％である場合、コンパクトな構造を実現することができる。
【００２７】
前記少なくとも１つのピストン収容装置が、前記ピストン装置に接続された少なくとも１つの線形運動可能な能動要素が外方へ案内される側面を含むと特に非常に有利である。前記能動要素から機械的エネルギーを「抽出」することができる。即ち、前記能動要素に１つ又は複数のアプリケーションを連結することができる。これにより、駆動部と、アプリケーション部、特に置換可能なアプリケーション部とを含むフリーピストン組立体から成るモジュラー構造体を実現することができる。
【００２８】
特に、前記少なくとも１つの能動要素はピストン棒である。
【００２９】
前記側面は、前記ピストン装置の動作方向に対して直交する方向に向けられた端面である、ということが考えられる。従って、前記駆動部の連結側を、簡単なやり方で利用可能にすることができる。
【００３０】
特に、前記第２ピストン表面に面する壁が前記側面に配置される。これにより、前記機械的エネルギーを外部につなぐための装置が簡単なやり方で設けられる。
【００３１】
更に、この壁が前記復元空間を画すると好都合である。前記復元空間は、この復元空間に燃料等を供給するための装置を装備する必要がなく、この復元空間から排気ガスを除去する必要がない。これにより、簡単な構造が得られる。もっとも、原則として、前記膨張空間を画する壁から前記能動要素を外方へ案内することも可能である。
【００３２】
前記壁が、前記少なくとも１つの能動要素が通過する開口を有すると好都合である。その場合、前記機械的エネルギーを簡単なやり方で外部につなぐことができる。
【００３３】
更に、前記少なくとも１つの能動要素のための軸受がこの壁に配置されると有利である。前記軸受は、例えば、前記能動要素の変位を案内するための滑り軸受である。これにより、前記要素の全体的な支持を良くすることができる。
【００３４】
前記少なくとも１つの能動要素の下位部分が前記復元空間を通って案内される、ということが考えられる。これにより、簡単な構造が得られ、前記機械的エネルギーを外部につなぐための簡単な装置が提供される。もっとも、上述したように、原則として、前記少なくとも１つの能動要素を前記膨張空間を通って案内することも可能である。
【００３５】
前記少なくとも１つの能動要素が、この能動要素をアプリケーションにリンクさせるための連結器を含むと特に非常に有利である。このようにすることで、前記駆動部からの前記機械的エネルギーを利用するために、アプリケーションを簡単なやり方で取り付けることができる。
【００３６】
前記膨張空間は、この膨張空間と関連付けられた少なくとも１つの入口ポートを有することが好都合である。これにより、入口ポートを用いて燃料を入れることができる、又は、膨張可能な熱伝達媒体を入れることができる。
【００３７】
特に、燃料の進入又は前記膨張可能な熱伝達媒体の供給が制御可能となるように、前記少なくとも１つの入口ポートに、好ましくは制御可能な弁が配置される。
【００３８】
前記膨張空間が、この膨張空間と関連付けられた少なくとも１つの出口ポートを有する場合、例えば、前記燃焼過程から生じる排気ガスをこの膨張空間から除去することができる、又は、前記膨張した熱伝達媒体をこの膨張空間から除去することができる。
【００３９】
従って、前記出口ポートに（制御可能な）弁が配置されると好都合である。
【００４０】
前記復元空間が、圧縮性媒体が収容されるガススプリング空間であると特に好都合である。前記圧縮性媒体（ガス）は、前記ガススプリング空間内で圧力下に保持される。これにより、前記ピストン装置の往復運動を作り出すことができる。更に、WO 03/091556 A1に記載されているように、前記ピストン装置の運動を制御することが可能である。
【００４１】
例えば、前記復元空間内の圧力が調節可能となるように、前記接続を制御するための制御ユニットが設けられると好都合である。
【００４２】
例示的な一実施形態において、前記少なくとも１つの予圧チャンバが、前記ピストン収容装置の端面により、前記復元空間に接続される。これにより、前記ピストン収容装置及び前記予圧チャンバは前後に線形に接続される。
【００４３】
原則として、前記少なくとも１つの予圧チャンバを、能動要素から離間するように配置することも可能である。
【００４４】
別の実施形態において、前記少なくとも１つの予圧チャンバを通って能動要素が案内される。
【００４５】
第１開口及び第２開口を含む少なくとも１つのチャネルが前記少なくとも１つの能動要素に配置され、前記復元空間内及び／又は予圧チャンバの予圧空間内での前記第１開口及び／又は前記第２開口の位置が、前記少なくとも１つの能動要素の位置に依存すると特に有利である。これにより、例えば、外部から時間制御される弁がない場合に、前記予圧空間と前記復元空間との間の圧力を均等化する過程を、時間に依存したやり方で制御することが可能となる。従って、例えば高圧弁を使用する必要はもはやない。
【００４６】
特に、前記予圧チャンバと前記復元空間とは、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置において前記チャネルに流体接続される。これにより、圧力均等化過程が可能となる。
【００４７】
ここで、前記１つ又は複数の位置が、前記ピストン装置の反転点又は反転点付近にあるようにしてもよい。その場合、前記チャネル及び前記開口を適切に構成することにより、原則として、この位置が上方の反転点又は下方の反転点となるように設定することが可能である。
【００４８】
前記予圧チャンバ内に（少なくとも）１つのアプリケーションを配置するようにしてもよい。前記予圧チャンバ内の予圧空間を用いて、前記復元空間内の圧力を調節することができる。前記予圧チャンバを形成するために、リニアドライブ等のアプリケーションが配置されたハウジングを使用することができる。これにより、前記フリーピストン組立体の全体的な長さが最小になると同時に、構成のコンパクトなやり方が得られる。
【００４９】
例えば、少なくとも１つのリニアドライブが前記ピストン装置に接続可能である、又は接続されるようにしてもよい。前記リニアドライブは、例えばリニア発電機の形態である。その場合、電流を発生させることができる。WO 03/091556 A1に記載されているように、原則として、前記リニアドライブにより前記ピストン装置の運動を制御することも可能である。
【００５０】
前記少なくとも１つのリニアドライブは、前記ピストン装置の前記少なくとも１つの能動要素に接続されるステータ及びアクチュエータを含む。前記ピストン装置は、誘導電流を発生させるための機械的エネルギーをもたらす。
【００５１】
例えば、前記少なくとも１つのリニアドライブは、前記ピストン装置の動作方向と平行な方向において、前記ピストン収容装置に続く。従って、例えば、直交方向の寸法を小さくすることができる。
【００５２】
前記少なくとも１つのリニアドライブが、前記少なくとも１つのピストン収容装置及び／又は予圧チャンバを少なくとも部分的に包囲することも可能である。従って、長手方向の寸法を小さく保つことができる。
【００５３】
例えば、少なくとも１つの圧縮機が前記ピストン装置に接続可能である、又は接続されるようにすることもできる。例えば、前記圧縮機によりガス又は液体が圧縮される。
【００５４】
特に、前記少なくとも１つの圧縮機のピストン棒が前記ピストン装置の能動要素に接続される。
【００５５】
更に、本発明の目的は、簡単なやり方で実現可能な、上述した種類の方法を提供することである。
【００５６】
本発明によれば、この目的は、ピストン収容装置と、前記ピストン収容装置内で線形となるように運動可能なピストン装置と、復元空間とを含む前記フリーピストン組立体において、前記復元空間と予圧空間との流体接続が前記ピストン装置の位置に依存して開閉され、前記ピストン装置の１つ又は複数のピストン棒が前記復元空間内及び前記予圧空間内を案内され、かつ、第１開口及び第２開口を有する少なくとも１つのチャネルが前記少なくとも１つのピストン棒に配置されることで達成される。
【００５７】
本発明に係る前記方法は、本発明に係る前記装置に関して既に述べた利点を有する。
【００５８】
本発明に係る前記方法の場合、前記復元空間内の圧力は、前記ピストン装置の位置により自動的に制御される。例えば、前記予圧空間内の圧力を作動点として設定し、自動圧力均等化過程を行うことができる。その場合、前記復元空間内の圧力を制御するための高圧弁はもはや必要でない。更に、前記ピストン装置の位置により前記制御過程が自動的に実施されるため、外部から計時される制御過程はもはや必要でない。
【００５９】
特に、前記第１開口と前記第２開口とは流体接続される。従って、前記チャネルを介してガス交換を行うことができる。
【００６０】
特に、前記第１開口は前記復元空間内にあり、且つ、前記第２開口は前記予圧空間内にある、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置が存在する。これにより、前記復元空間と前記予圧空間との間で前記ガスを均等化することができ、このガス均等化過程により、特に前記復元空間内の圧力を制御することができる。
【００６１】
更に、前記第１開口と前記第２開口の双方が前記復元空間内又は前記予圧空間内のいずれかに設置される、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置が存在すると好都合である。この場合、前記予圧空間と前記復元空間との間で前記ガスの交換を行うことはできない。
【００６２】
本発明をより詳細に説明するために、図面と合わせて考慮される好適な実施形態を以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第１実施形態の略断面図。
【図２】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第２実施形態の略図。
【図３】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第３実施形態の略図。
【図４】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第４実施形態の略図。
【図５】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第５実施形態の略図。
【図６】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第６実施形態の略図。
【図７】本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第７実施形態の略図。
【図８】例示的な第８実施形態の略図。
【図９】例示的な第９実施形態の略図。
【図１０】例示的な第１０実施形態の略図。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
図１に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第１実施形態を参照符号１０で示す。この実施形態は、駆動部１２及びアプリケーション部１４を含む。駆動部１２は、機械的エネルギーを、能動要素１６の往復運動の形態で利用可能にする。この機械的エネルギーは、以下に記載するように、圧縮機及び／又はリニアドライブ等の対応するアプリケーションにより、アプリケーション部１４にて利用することができる。
【００６５】
駆動部１２は、ピストン装置２０が線形運動可能なように配置された（少なくとも）１つのピストン収容装置１８（シリンダ）を含む。
【００６６】
ピストン収容装置１８は、ピストン装置２０のピストン２４が一方それから他方の方向２６に線形運動可能なピストン空間２２を有する。この一方及び他方の方向２６は、ピストン収容装置１８の長手方向軸２８と平行である。
【００６７】
ピストン２４は、第１ピストン表面３０と、対向する第２ピストン表面３２とを有する。例えば、第１ピストン表面３０と第２ピストン表面３２とは互いに平行である。例えば一実施形態において、第１ピストン表面３０と第２ピストン表面３２との間には、中実の材料であるピストン２４がある。
【００６８】
これとは別に、ピストン２４は、第１ピストン表面３０と第２ピストン表面３２との間に１つ又は複数の空洞を含むことができる。空洞は、例えば、質量を低減する目的及び／又は熱の非干渉化を提供する目的に役立つ。原則として、空洞をピストン２４の内部冷却に使用することもできる。
【００６９】
ピストン空間２２は、第１端壁３４により第１端面で画され、第２端壁３６により反対側の第２端面で画される。第１端壁３４及び第２端壁３６は、長手方向２８に対して直交する方向に向けられており、それ故に、運動方向２６に対しても直交する方向に向けられている。
【００７０】
第１端壁３４と第１ピストン表面３０との間には、膨張媒体が膨張してピストン２４へ力を及ぼすことができる膨張空間３８が設置されている。
【００７１】
第２ピストン表面３２と第２端壁３６との間には、例えばガススプリング空間の形態の復元空間４０が形成される。従って、復元空間４０内には、圧縮性媒体、特にガスが収容される。この圧縮性媒体は、ピストン２４のばね様の戻りを提供する。
【００７２】
これとは別に又はこれに加えて、復元空間４０内に、１つ又は複数の機械ばね要素４１を配置することができる。少なくとも１つのばね要素４１は、ピストン２２にリンクされており、第２端壁３６上で直接又は中間物を介して支持される。
【００７３】
ピストンチャンバ２２の総容積は、膨張空間３８及び復元空間４０の容積と、ピストン２４の体積との和から成る。膨張空間３８と復元空間４０の容積の比率は、ピストン装置２０のピストン２４の位置に依存する。ピストン２４は、膨張空間３８及び復元空間４０が互いにガス密となるべく密封されるような方法で、ピストンチャンバ２２内に配置され案内される。
【００７４】
原則として、密封公差に起因して、膨張空間３８と復元空間４０との間のブローバイが可能である。膨張空間３８から復元空間４０に入る流体（特にガス）は、復元空間４０内でばね性のある媒体として使用される。ブローバイは、復元空間４０内で、圧力を維持するために又は圧力損失を低減するために利用することができる。その結果、状況によっては、復元空間４０内の圧力を維持するための固定式ポンプなしで済ますことができるため、フリーピストン組立体をコンパクト且つ安価なやり方で実現することができる。
【００７５】
ピストン装置２０は、ピストン２４上に着座し且つ復元空間４０を通って案内されるピストン棒４２を含む。第２端壁３６は開口４４を含み、この開口を（ガス密な）ピストン棒４２が通過する。ピストンが一方そして他方の方向２６へ線形運動する過程で、ピストン棒４２を、従ってピストン装置２０を支持するために、開口４４には例えば滑り軸受の形態の軸受装置４６が配置される。
【００７６】
図１に示す例示的な実施形態では、復元空間４０内の圧縮性媒体が開口４４を通って周囲へ逃散することができないように、復元空間４０はその周辺に対して密封される。
【００７７】
ピストン棒４２は能動要素１６を形成している。連結器４８が、ピストン棒４２上、好ましくはその外端に配置され、連結器４８には利用可能な機械的エネルギーを取り出すためにアプリケーションが連結されるようになっている。
【００７８】
第２端壁３６は、駆動部１２の外端を形成する、又は、駆動部１２の外前端付近に設置される。その場合、駆動部１２に、長手方向１８で続いてアプリケーションを取り付けることができる。これらのアプリケーションは、駆動部１２に前後にある程度まで接続可能である。
【００７９】
復元空間４０は、膨張空間３８と同じピストン収容装置１８内に形成される。ピストン２４は、膨張空間３８及び復元空間４０の分離装置を形成する。
【００８０】
例えば、第１ピストン表面３０は円形である。例えば、第２ピストン表面３２は円形である。
【００８１】
１つ又は複数のアプリケーション部１４が、駆動部１２にモジュール式に接続されるようになっていて、１つ又は複数のアプリケーション部１４は駆動部１２によりもたらされている機械的エネルギーを使用する。
【００８２】
膨張空間３８と復元空間４０とは、同じピストンチャンバ内に形成される。その結果、ピストン収容装置１８は、長手方向軸２８の方向で長手方向の寸法を比較的小さくしてコンパクトに構成することができる。
【００８３】
膨張空間３８内の膨張ガスにより、能動要素１６が（一方そして他方の方向２６へ）振動変位する。
【００８４】
一実施形態において、膨張空間３８内の膨張媒体は、可燃性ガスの形態である。ピストン収容装置１８内には、膨張空間３８用の（少なくとも１つの）入口ポート５０が配置され、前記ポートを通って、燃料又は燃料−酸化剤の混合物が膨張空間３８内に導入可能である。原則として、燃料用及び酸化剤用として別々の入口ポートを設けることが可能である。入口ポート５０には、弁５２、特に制御可能な弁が配置される。供給される燃料又は燃料−酸化剤の混合物の量は、弁５２により制御することができる。
【００８５】
更に、ピストン収容装置１８内には、膨張空間３８から媒体が除去可能である（少なくとも）１つの出口ポート５４が配置される。特に、膨張空間３８から排気ガスが除去可能である。
【００８６】
除去過程を制御できるようにするために、出口ポート５４には弁５６が配置される。
【００８７】
燃料−酸化剤の混合物を点火するための点火装置５７を、膨張空間３８と関連付けることができる。原則として、自己点火媒体を使用することもできる。
【００８８】
この実施形態の変形において、膨張空間３８内の膨張媒体は、膨張空間３８の外部で生成又は加熱される熱伝達媒体である。この熱伝達媒体は膨張空間３８内で膨張することができるので、これによりピストン２４がその振動運動を行うことができる。
【００８９】
この場合、入口ポート５０は、膨張可能な熱伝達媒体を、制御されたやり方で膨張空間３８内へつなぐために役立つ。「膨張した」熱伝達媒体は、出口ポート５４を通って排出することができる。
【００９０】
復元空間４０内の圧力を測定する目的で、復元チャンバは、この復元チャンバと関連付けられた１つ又は複数の圧力センサ５３を有することができる。１つ又は複数の圧力センサ５３は、例えば第２端壁３６上に配置される。
【００９１】
同様のやり方で、膨張空間３８は、膨張空間内の圧力を測定するために役立つこの膨張空間と関連付けられた１つ又は複数の圧力センサ５５を有することができる。１つ又は複数の圧力センサは、特に第１端壁３４上に配置される。
【００９２】
更に、膨張空間３８は、この膨張空間と関連付けられた、例えば燃料が注入されるようになっている少なくとも１つの注入弁５１を有することができる。
【００９３】
図２に、フリーピストン組立体の例示的な第２実施形態を参照符号５８で示す。この実施形態は、基本的に第１フリーピストン組立体１０と同じように構成される。従って、同じ要素には同じ参照符号が使用される。
【００９４】
更に、復元空間４０には、予圧空間６２を含む（少なくとも）１つの予圧チャンバ６０が関連している。予圧チャンバ６０は、能動要素１６から離間するように配置される。例えば、第２端面６４で限定されている端部の後方に配置される。予圧空間６２は、制御可能な弁６６により、復元空間４０に流体接続される。復元空間４０内のガススプリング装置の圧力は、例えば予圧チャンバ６０により調整することができる。特に、この圧力は、制御し、従って、フリーピストン組立体５８の特別な操作モードに適合させることができる。
【００９５】
一実施形態において、圧力は、復元空間４０内でガススプリング装置の下死点にて制御される。復元空間４０の下死点（ＢＤＣ）にて復元空間４０の容積は最大となり、圧力を制御／調節する過程は最も容易になる。
【００９６】
予圧空間６２には、予圧チャンバ６０に圧力を加えるために役立つポンプ６７が取り付けられる。
【００９７】
例えば、予圧チャンバ６０により復元空間４０内の圧力損失を均等化することも可能である。
【００９８】
図３に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第３実施形態を参照符号６８で示す。この実施形態は、第１端面７２及び第２端面７４を有するピストン収容装置７０を含む。ピストン７８及びピストン棒８０を含むピストン装置７６は、ピストン収容装置７０内で、線形運動可能である。ピストン棒８０は能動要素８２を形成し、能動要素により機械振動エネルギーがアプリケーションに伝導可能である。能動要素８２の一端には、アプリケーションに取り付ける目的で、連結器８４が配置される。
【００９９】
ピストン収容装置７０は膨張空間８６及び復元空間８８を含むが、その構成の仕方及び機能は基本的に上述のものと同じである。
【０１００】
第２端面７４上には、予圧空間９２が形成されている予圧チャンバ９０が配置される。予圧チャンバ７４の第１端面９４は、ピストン収容装置７０の第２端面を向いており、例えば、第２端面に当接しており又は第２端面と重なっている。第２端面９６は、ピストン収容装置７０の第２端面７４から離れる方を向いている。
【０１０１】
予圧チャンバ９０及びピストン収容装置７０は、互いに前後するように配置される。予圧チャンバ９０は、ピストン装置７６の動作方向と平行に、ピストン収容装置７０に接している。
【０１０２】
予圧チャンバ９０の第２端面９６では、対応する端壁に、能動要素８２が通された開口９８が設けられる。特に、開口９８内には、能動要素８２を支持するための滑り軸受等の軸受装置が配置される。軸受装置及び能動要素８２は、周囲に対して密封される。
【０１０３】
ピストン収容装置７０の第２端面７４では、対応する端壁１００に、能動要素８２が同様に中を案内されている開口１０２が設けられる。そこには、特に、滑り軸受等の軸受装置が配置される。開口９８は、復元チャンバ８８と予圧チャンバの予圧空間９２との間に設置される。開口９８を通って周囲と予圧空間９２との間のガス交換が実施できないように、開口９８は能動要素８２に対して密封される。
【０１０４】
予圧チャンバ９０は１つ又は複数の開口１０４を含み、この開口を介して予圧空間９２内の圧力を制御することが可能である。
【０１０５】
能動要素８２に、（少なくとも１つの）チャネル１０６が配置され、チャネル１０６は能動要素８２の外面へ向かう第１開口１０８及び第２開口１１０を含む。ガスが、第１開口１０８及び第２開口１１０を介してこのチャネル１０６を流れることができる。チャネル１０６の外側では、能動要素８２はガス不透過性の材料でできている。
【０１０６】
チャネル１０６は、能動要素８２の位置に依存して予圧空間９２と復元チャンバ８８との間の流体交換を可能にする又は抑制する「自動弁」として作用する。
【０１０７】
図３に示す能動要素８２の位置では、第２開口１１０は予圧空間９２内にあり、第１開口１０８は復元チャンバ８８内にある。従って、予圧空間９２と復元空間８８との間の圧力の均等化を行うことができる。従って、例えば、復元空間８８内でガススプリング装置の可変ばね特性を実現する目的で、予圧空間９２内の圧力により、復元空間８８内の圧力を制御することが可能である。
【０１０８】
これにより、（ピストンの位置に関して）空間的に規定されたやり方で、及び／又は時間的に規定されたやり方で、特性を調整することが可能である。これにより、基本的に、ピストンの各位置と各時点とについて、特定のばね剛性を設定することができる。
【０１０９】
チャネル１０６は外部から切替える必要のない弁を形成しており、「自己調節」過程が実現される。第１開口１０８及び第２開口１１０の位置（及びチャネル１０６の幾何学的寸法）に依存して、第１開口１０８が復元チャンバ８８内にあり、第２開口１１０が予圧空間９２内にある状態に到達すると、そこで圧力均等化過程を行うことができる。その場合、復元空間８８用の高圧弁は不要である。更に、能動要素８２自体の位置が圧力均等化過程を制御することから、弁のタイミングを外部から制御することも不要である。
【０１１０】
第１開口１０８と第２開口１１０の双方が復元空間８８内にある場合、又は、これらの双方が予圧空間９２内にある場合、圧力均等化過程は起こり得ない。
【０１１１】
図示する例示的な実施形態において、ピストン７８がピストン装置７６の運動における反転点にあるか、又はその付近にあるとき、圧力の均等化が生じる。これにより、チャネル１０６が第１開口１０８と第２開口１１０とを備えて構成されることに依存して、下方の反転点又は上方の反転点にて、又はその付近にて、復元空間８８と予圧空間９２との間で流体接続させることが可能である。
【０１１２】
開口９８内及び／又は開口１０２内での能動要素８２の支持、特に、褶動支持に起因して、ピストン７８はもはや案内機能を持たない。従って、ピストンは、実質、膨張空間８６と復元空間８８との間を密封することに役立ちさえすればよい。
【０１１３】
図４に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第４実施形態を全体として符号１１２で示す。この実施形態では、図２に関して記載したような駆動部１１４が実現される。この駆動部の能動要素１６は、リニアドライブのアクチュエータ１１６に、連結器４８を介して連結されている。アクチュエータ１１６は、能動要素１６により、線形となるように往復変位される。
【０１１４】
アクチュエータ１１６は磁場内を移動し及び／又は磁場を生成し、この磁場はアクチュエータ１１６により移動される。従って、特に、適切なステータと協動すれば、誘導電流を発生させることができる。
【０１１５】
アクチュエータ１１６は、長手方向軸１１８から離間された、例えば、長手方向軸１１８と平行な長手方向に交番極性の永久磁石１２２を含む磁石装置１２０を担持している。
【０１１６】
駆動部１１４は、固定して配置される。このことは、図４に基部１２４により示されている。同様に固定されたステータ１２６が、アクチュエータ１１６と協動する。ステータ１２６は、例えば巻き線１２８を含む。磁石装置１２０は、能動要素１６の往復運動により、そして、これにより引き起こされるアクチュエータ１１６の往復運動により、ステータ１２６に対して移動される。その結果、電流が誘起され、取り出されるようになっている。対応するリニアドライブ１３０は、電流を生成するリニア発電機として働く。リニアドライブ１３０内で、駆動部１１４により生成される機械的エネルギーを電流に変換することができる。
【０１１７】
もっとも、原則として、リニアドライブ１３０を、駆動部１１４のピストン装置を制御／調節するために使用することも可能である。このことは、明確に参照されているWO 03/091556 A1に記載されている。
【０１１８】
リニアドライブ１３０は、能動要素１６に連結されている。これに加えて又はこれとは別に、他の種類のアプリケーションを連結させることもできる。
【０１１９】
アクチュエータ１１６には、１つ又は複数の電磁石を設けることもできる。アクチュエータは短絡巻線を含んでもよい。アクチュエータが、磁気導電性の材料でできた「受動的な」歯状構造体を担持することも可能である。
【０１２０】
図５に、例示的な第５実施形態を参照符号１３２で示す。この実施形態でも又、駆動部１１４が設けられている。駆動部の能動要素１６には、圧縮機１３４が連結される。圧縮機は、ガス又は液体を圧縮するために役立てることができ、例えば、冷媒用の圧縮機、水力圧縮機、又は水圧縮機（例えばポンプの形態の）とすることができる。
【０１２１】
能動要素１６は、対応するシリンダ１３８内を案内される圧縮機のピストン１３６に連結されている。能動要素１６は、ピストン１３６に、又はピストン１３６に着座しているピストン棒１４０に直接接続される。端壁１４２とピストン１４０との間には、圧縮チャンバ１４４が形成される。この圧縮チャンバ１４４内には１つ又は複数の入口ポート１４６が通じており、各々は中に着座した制御弁１４８を有する。圧縮されるべき媒体が、入口ポート１４６を通って中へつながれるように配置される。
【０１２２】
更に、中に着座した制御弁１５２を各々が有する１つ又は複数の出口ポート１５０が、端壁１４２内に着座している。圧縮された媒体は、出口ポートを通って除去可能である。
【０１２３】
図５に示す圧縮機は、１つのみの圧縮チャンバ１４４を含むという意味で単段圧縮機である。
【０１２４】
図６に、例示的な第６実施形態を参照符号１５４で示す。この実施形態でも又、駆動部１１４が設けられており、この駆動部の能動要素１６は圧縮機１５８のピストン１５６に連結されている。ピストン１５６は、（入口ポート及び出口ポートは別として）第１端壁１６２及び第２端壁１６４にて閉鎖されているシリンダ１６０内に配置される。シリンダ１６０内には、第１圧縮チャンバ１６６及び第２圧縮チャンバ１６８が形成されている。この意味で、圧縮機１５８は単段圧縮機である。第１圧縮チャンバ１６６と第２圧縮チャンバ１６８の双方において、媒体を圧縮することができる。これにより、ピストン１５６の前方運動中及び後方運動中のいずれにおいても、対応する圧縮過程を生成することが可能であることから、二重の効果が得られる。脈動を低減することができる。異なる圧縮媒体を使用して過程全体を最適化することができる。この構造体が占める空間も最小にすることができる。
【０１２５】
圧縮すべき媒体が進入できるようにし、圧縮した媒体が吐き出されるようにするために、第１圧縮チャンバ１６６内及び第２圧縮チャンバ１６８内に、１つ又は複数の入口ポート及び１つ又は複数の出口ポートが設けられる。
【０１２６】
圧縮機１５８は、駆動部１１４と直列に（連続して）接続される。更に、リニアドライブが直列に接続されることができ、このリニアドライブは例えばリニアドライブ１３０と同様なやり方で構成される。この目的で、このリニアドライブの対応するアクチュエータ１１６がピストン棒１７０に連結されており、このピストン棒にはピストン１５６が着座している。ピストン棒１７０は、能動要素１６に連結されている。
【０１２７】
幾つかのアプリケーションユニットを平行に作動させることも可能である。等価回路図において、平行に作動するアプリケーションユニットは、駆動部１２と直列に接続されて組み合わされたものを形成する。
【０１２８】
能動要素１６は、フリーピストン組立体１５４の駆動部１１４により、線形に往復運動する。この運動は、連結器を介してピストン棒１７０に伝導され、その後アクチュエータ１１６に伝導される。ピストン棒１７０により圧縮機１５８が作動し、アクチュエータ１１６によりリニアドライブ１３０内に電流が生成する。
【０１２９】
図７に、フリーピストン組立体の例示的な第７実施形態を参照符号１７２で示す。この実施形態では、図３に係る駆動部に対応する駆動部１７４が設けられている。対応する能動要素８２は、リニアドライブ１７８のアクチュエータ１７６に連結されている。このアクチュエータ１７６は例えばカップ状であり、予圧チャンバ９０を包囲し、ピストン収容装置７０をも一部包囲する。その結果、リニアドライブ１７８を含むフリーピストン組立体１７２の長手方向の寸法を小さく保つことができる。（状況によっては、これにより長手方向での直交方向の寸法が増加する。）
【０１３０】
アクチュエータ１７６は、例えば磁石装置１８０を担持する。この磁石装置は、能動要素８２により、定置式ステータ１８２に対して移動される。従って、電流を生成することができる。
【０１３１】
本発明によれば、駆動部から機械的エネルギーを取り出すことのできるフリーピストン組立体が設けられる。従って、これによりモジュラー構造体が生じ、この駆動部には、例えば１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のリニアドライブ等のアプリケーションを連結することができる。
【０１３２】
更に、互いに直接隣接する膨張空間及び復元空間が実現される。これらの空間は、このピストンの対向する面により、同じピストンにより画される。従って、これにより、長さに関する限りはコンパクトな構造体が生じる。
【０１３３】
図８に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第８実施形態を参照符号１８４で概略的に示す。この実施形態では、その構造は基本的にフリーピストン組立体１０の構造と同じである。対応する要素にはフリーピストン組立体１０と同じ参照符号が使用されている。ピストン２４は、第１端壁１８８と対向する第２端壁１９０とを含むピストン収容装置１８６内を案内される。復元空間４０を画する第２端壁１９０上には、（少なくとも１つの）制御弁１９２が配置される。フリーピストン組立体１８４の場合、復元空間４０はガススプリングチャンバである。残りのガスは、制御弁１９２により復元空間４０から放出することができる。
【０１３４】
ピストン２４は、ピストン収容装置１８６の内面１９４に沿って案内される。ピストン収容装置１８６に面するピストンの周縁面により、ピストン２４用の案内面１９６が設けられる。基本的に、案内面１９６と内面１９４との間には漏れがあり、流体、特にガスが膨張空間３８から復元空間４０に入ることができる。このことは、図８に矢印１９８で示されている。
【０１３５】
膨張空間３８内の圧力が復元空間４０内の圧力よりも高い場合、このような漏れを通してガスが膨張空間３８から復元空間４０へと押しやられる。これはブローバイと呼ばれる。このブローバイは、ガススプリングチャンバの形態である復元空間４０内の圧力を維持するために使用することができ、又は、そこでの圧力損失を低減するために使用することができる。残りのガスは、制御弁１９２により復元空間４０から放出することができる。
【０１３６】
その他の点では、フリーピストン組立体１８６は、フリーピストン組立体１０と同じやり方で機能する。
【０１３７】
図９に、本発明に係るフリーピストン組立体の例示的な第９実施形態を参照符号２０２で概略的に示す。この実施形態では、フリーピストン組立体１８４の駆動部に対応する駆動部２０４が、予圧チャンバ２０６に接続される。少なくとも１つの制御弁１９２は、予圧チャンバ２０６の予圧空間２０８に流体接続される。これにより、少なくとも１つの制御弁１９２は双方向となり、さもなければ、異なる単方向制御弁が設けられ、駆動部２０４の復元チャンバ４０と予圧空間２０８との間で圧力の双方向交換ができるようになる。
【０１３８】
予圧チャンバ２０６は開口２１０を含み、駆動部２０４の能動要素１６はこの開口を通って突出している。能動部１６は開口２１０内で支持され、特に、褶動するやり方でそこで変位可能なように支持される。この開口は密封されている。予圧空間２０８内には、磁石装置１２０に対応する磁石装置が配置される。従って、同じ参照符号が使用される。その場合、能動要素１６はアクチュエータ１１６に取り付けられる。アクチュエータ１１６は、予圧空間２０８内で同様に設置される。
【０１３９】
予圧チャンバ２０６は磁石装置を収容している。この磁石装置は固定されている。全体として、磁石装置はアプリケーション部２１２を形成し、駆動部２０４はこのアプリケーション部に取り付けられている。
【０１４０】
予圧空間２０８内を規定された圧力に設定することのできるポンプ２１４が、予圧空間２０８に取り付けられる。ポンプ２１４は、例えば三方弁２１６を介して接続される。
【０１４１】
予圧空間２０８内の圧力は、ポンプ２１４により設定される。復元チャンバ４０内の圧力は、予圧空間２０８内の圧力により、制御弁１９２によって設定することができる。
【０１４２】
磁石装置１２０により、能動部１６の運動から電流を生成することができる。
【０１４３】
その他の点では、フリーピストン組立体２０２は、他の例示的な実施形態に関して上述したように機能する。
【０１４４】
図１０に、例示的な第１０実施形態を参照符号２１８で概略的に示す。この実施形態は、第１駆動部２２０及び第２駆動部２２２を含む。これらの駆動部２２０、２２２は、例えば上述の駆動部１１４と同じやり方で構成されている。
【０１４５】
第１駆動部２２０及び第２駆動部２２２は、例えば互いに鏡像対象となるように配置される。これらの駆動部には、燃料−酸化剤の混合物用の共通の供給装置２２４、及び排気ガス用の共通の除去装置２２６が関連付けられている。従って、二重システムが形成される。
【０１４６】
第１駆動部２２０には第１アプリケーション部２２８が取り付けられ、第２駆動部２２２には第２アプリケーション部２３０が取り付けられる。例えば、アプリケーション部２２８及び２３０は、上述のリニアドライブ１３０に対応している。
【０１４７】
配置は、好ましくは、中央面２３２に対して対称である。これにより、この二重システムでは、駆動部及びアプリケーション部２２０−２２８と２２２−２３０とを重複させることができる。
【０１４８】
駆動部２２０、２２２、及び２２８、２３０のアプリケーション部は、上述のように機能する。
【符号の説明】
【０１４９】
１０ フリーピストン組立体
１２ 駆動部
１４ アプリケーション部
１６ 能動要素
１８ ピストン収容装置
２０ ピストン装置
２２ ピストンチャンバ
２４ ピストン
２６ 方向
２８ 長手方向軸
３０ 第１ピストン表面
３２ 第２ピストン表面
３４ 第１端壁
３６ 第２端壁
３８ 膨張空間
４０ 復元空間
４１ ばね要素
４２ ピストン棒
４４ 開口
４６ 軸受装置
４８ 連結器
５０ 入口ポート
５１ 入口弁
５２ 弁
５３ 圧力センサ
５４ 出口ポート
５５ 圧力センサ
５６ 弁
５７ 点火装置
５８ 第２実施形態
６０ 予圧チャンバ
６２ 予圧空間
６４ 第２端面
６６ 弁
６７ ポンプ
６８ 第３実施形態
７０ ピストン収容装置
７２ 第１端面
７４ 第２端面
７６ ピストン装置
７８ ピストン装置
８０ ピストン棒
８２ 弁要素
８４ 連結器
８６ 膨張空間
８８ 復元空間
９０ 予圧チャンバ
９２ 予圧空間
９４ 第１端面
９６ 第２端面
９８ 開口
１００ 端壁
１０２ 開口
１０４ 開口
１０６ チャネル
１０８ 第１開口
１１０ 第２開口
１１２ 第４実施形態
１１４ 駆動部
１１６ アクチュエータ
１１８ 長手方向軸
１２０ 磁石装置
１２２ 磁石
１２４ 基部
１２６ ステータ
１２８ コイル
１３０ リニアドライブ
１３２ 第５実施形態
１３４ 圧縮機
１３６ ピストン
１３８ シリンダ
１４０ ピストン
１４２ 端壁
１４４ 圧縮チャンバ
１４６ 入口ポート
１４８ 制御弁
１５０ 出口ポート
１５２ 制御弁
１５４ 第６実施形態
１５６ ピストン
１５８ 圧縮機
１６０ シリンダ
１６２ 第１端壁
１６４ 第２端壁
１６６ 第１圧縮チャンバ
１６８ 第２圧縮チャンバ
１７０ ピストン棒
１７２ 第７実施形態
１７４ 駆動部
１７６ アクチュエータ
１７８ リニアドライブ
１８０ 磁石装置
１８２ ステータ
１８４ 第８実施形態
１８６ ピストン収容装置
１８８ 第１端壁
１９０ 第２端壁
１９２ 制御弁
１９４ 内面
１９６ 案内面
１９８ 矢印
２０２ 第９実施形態
２０４ 駆動部
２０６ 予圧チャンバ
２０８ 予圧空間
２１０ 開口
２１２ アプリケーション部
２１４ ポンプ
２１６ 三方弁
２１８ 第１０実施形態
２２０ 第１駆動部
２２２ 第２駆動部
２２４ 供給装置
２２６ 除去装置
２２８ 第１アプリケーション部
２３０ 第２アプリケーション部
２３２ 中央面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのピストン収容装置（１８；７０）と、対応するピストン収容装置（１８；７０）内で線形となるように運動可能な、第１ピストン表面（３０）及び前記第１ピストン表面（３０）から離れる方を向いた第２ピストン表面（３２）を有する少なくとも１つのピストン装置（２０；７６）と、前記ピストン収容装置（１８；７０）内に配置され、且つ、前記第１ピストン表面（３０）により画された膨張空間（３８；８６）とを含むフリーピストン組立体であって、
前記ピストン装置（２０；７６）が、前記膨張空間（３８；８６）内で膨張する媒体の作用により駆動されるように配置されたフリーピストン組立体において、
前記少なくとも１つのピストン収容装置（１８；７０）内に配置された復元空間（４０；８８）が前記第２ピストン表面（３２）により画されること、及び、
前記復元空間（８８）が、少なくとも１つの予圧チャンバ（９０）に流体接続されること
を特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２】
請求項１に記載のフリーピストン組立体であって、前記膨張空間（３８；８６）及び前記復元空間（４０；８８）が、前後に線形に配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のフリーピストン組立体であって、前記膨張空間（３８；８６）及び前記復元空間（４０；８８）が、前記第１ピストン表面（３０）及び前記第２ピストン表面（３２）を含む、前記ピストン装置（２０；７６）のピストン（２４；７８）により分離されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項４】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記ピストン収容装置（１８；７０）の内部長さが、前記膨張空間（３８；８６）の長さ、前記第１ピストン表面（３０）と前記第２ピストン表面（３２）との間隔、及び前記復元空間（４０；８８）の長さから成ることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項５】
請求項４に記載のフリーピストン組立体であって、前記第１ピストン表面（３０）と前記第２ピストン表面（３２）との間隔が、前記ピストン収容装置（１８；７０）の内部長さ全体の最大で３０％であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項６】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つのピストン収容装置（１８；７０）が、前記ピストン装置（２０；７６）に接続された少なくとも１つの線形運動可能な能動要素（１６；８２）が外方へ案内される側面（６４）を含むことを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項７】
請求項６に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）がピストン棒（４２；８０）であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のフリーピストン組立体であって、前記側面が、前記ピストン装置（２０；７６）の動作方向（２６）に対して直交する方向に向けられた端面（６４）であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記第２ピストン表面（３２）に面する壁（３６；１００）が前記側面（６４）に配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１０】
請求項９に記載のフリーピストン組立体であって、前記壁（３６；１００）が前記復元空間（４０；８８）を画することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のフリーピストン組立体であって、前記壁（３６；１００）が、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）が通過する開口（４４；１０２）を有することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）のための軸受が前記壁（３６；１００）に配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１３】
請求項６〜１２のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）が前記復元空間（４０；８８）を通って部分的に案内されていることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１４】
請求項６〜１３のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）が、アプリケーションに連結するための連結器（４８；８４）を含むことを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１５】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記膨張空間（３８；８６）が、該膨張空間と関連付けられた少なくとも１つの入口ポート（５０）を有することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１６】
請求項１５に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの入口ポートに弁（５２）が配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１７】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記膨張空間（３８；８６）が、該膨張空間と関連付けられた少なくとも１つの出口ポート（５４）を有することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１８】
請求項１７に記載のフリーピストン組立体であって、前記出口ポート（５４）に弁（５６）が配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１９】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記復元空間（４０；８８）が、圧縮性媒体が収容されるガススプリング空間であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２０】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記接続を制御するための制御ユニットが設けられることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２１】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの予圧チャンバ（９０）が、前記ピストン収容装置（７０）の端面（７４）により、前記復元空間（８８）に接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２２】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの予圧チャンバ（６０）が、能動要素（１６）から離間するように配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２３】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（８２）が、前記少なくとも１つの予圧チャンバ（９０）を通って案内されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２４】
請求項２３に記載のフリーピストン組立体であって、
第１開口（１０８）及び第２開口（１１０）を有する少なくとも１つのチャネル（１０６）が前記少なくとも１つの能動要素（８２）に配置されるフリーピストン組立体において、
前記復元空間（８８）内及び／又は前記予圧チャンバ（９０）の予圧空間（９２）内での前記第１開口（１０８）及び／又は前記第２開口（１１０）の位置が、前記少なくとも１つの能動要素（８２）の位置に依存することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２５】
請求項２４に記載のフリーピストン組立体であって、前記予圧空間（９２）及び前記復元空間（８８）が共に、前記ピストン装置（７６）の１つ又は複数の位置において、前記チャネル（１０６）を介して流体接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２６】
請求項２５に記載のフリーピストン組立体であって、前記１つ又は複数の位置が、前記ピストン装置（７６）の反転点又は反転点付近の点であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２７】
請求項２１〜２６のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記能動要素（１６）に連結されるアプリケーションが前記予圧チャンバ（２０６）内に配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２８】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、少なくとも１つのリニアドライブ（１３０；１７８）が、前記ピストン装置（２０；７６）に接続可能である又は接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２９】
請求項２８に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つのリニアドライブ（１３０；１７８）が、前記ピストン装置（２０；７６）の少なくとも１つの能動要素（１６；８２）に接続されるステータ（１２６；１８２）及びアクチュエータ（１１６；１７６）を含むことを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３０】
請求項２８又は２９に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つのリニアドライブ（１３０；１７８）が、前記ピストン装置（２０；７６）の動作方向（２６）と平行な方向において、前記ピストン収容装置（１８；７０）に続くことを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３１】
請求項２８又は２９に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つのリニアドライブ（１７８）が、前記少なくとも１つのピストン収容装置（１８；７０）及び／又は予圧チャンバ（６０；９０）を少なくとも一部包囲することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３２】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、少なくとも１つの圧縮機（１３４；１５８）が、前記ピストン装置（２０；７６）に接続可能である又は接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３３】
請求項３２に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの圧縮機（１３４；１５８）のピストン棒が、前記ピストン装置（２０；７６）の能動要素（１６；８２）に接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３４】
ピストン収容装置と、前記ピストン収容装置内で線形となるように運動可能なピストン装置と、復元空間とを含むフリーピストン組立体を制御するための方法であって、
前記復元空間と予圧空間との流体接続が前記ピストン装置の位置に依存して開閉され、且つ、
前記ピストン装置の１つ又は複数のピストン棒が前記復元空間内及び前記予圧空間内を案内されると共に、前記少なくとも１つのピストン棒が、第１開口及び第２開口を有する少なくとも１つのチャネルを含む
ような方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の方法であって、前記第１開口及び前記第２開口が流体接続されることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３４又は３５に記載の方法であって、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置において、前記第１開口が前記復元空間内にあり、且つ、前記第２開口が前記予圧空間内にあることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３４〜３６のいずれか１項に記載の方法であって、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置において、前記第１開口と前記第２開口の双方が、前記予圧空間内又は前記復元空間内に設置されることを特徴とする方法。
【請求項１】
少なくとも１つのピストン収容装置（１８；７０）と、対応するピストン収容装置（１８；７０）内で線形となるように運動可能な、第１ピストン表面（３０）及び前記第１ピストン表面（３０）から離れる方を向いた第２ピストン表面（３２）を有する少なくとも１つのピストン装置（２０；７６）と、前記ピストン収容装置（１８；７０）内に配置され、且つ、前記第１ピストン表面（３０）により画された膨張空間（３８；８６）とを含むフリーピストン組立体であって、
前記ピストン装置（２０；７６）が、前記膨張空間（３８；８６）内で膨張する媒体の作用により駆動されるように配置されたフリーピストン組立体において、
前記少なくとも１つのピストン収容装置（１８；７０）内に配置された復元空間（４０；８８）が前記第２ピストン表面（３２）により画されること、及び、
前記復元空間（８８）が、少なくとも１つの予圧チャンバ（９０）に流体接続されること
を特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２】
請求項１に記載のフリーピストン組立体であって、前記膨張空間（３８；８６）及び前記復元空間（４０；８８）が、前後に線形に配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のフリーピストン組立体であって、前記膨張空間（３８；８６）及び前記復元空間（４０；８８）が、前記第１ピストン表面（３０）及び前記第２ピストン表面（３２）を含む、前記ピストン装置（２０；７６）のピストン（２４；７８）により分離されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項４】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記ピストン収容装置（１８；７０）の内部長さが、前記膨張空間（３８；８６）の長さ、前記第１ピストン表面（３０）と前記第２ピストン表面（３２）との間隔、及び前記復元空間（４０；８８）の長さから成ることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項５】
請求項４に記載のフリーピストン組立体であって、前記第１ピストン表面（３０）と前記第２ピストン表面（３２）との間隔が、前記ピストン収容装置（１８；７０）の内部長さ全体の最大で３０％であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項６】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つのピストン収容装置（１８；７０）が、前記ピストン装置（２０；７６）に接続された少なくとも１つの線形運動可能な能動要素（１６；８２）が外方へ案内される側面（６４）を含むことを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項７】
請求項６に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）がピストン棒（４２；８０）であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のフリーピストン組立体であって、前記側面が、前記ピストン装置（２０；７６）の動作方向（２６）に対して直交する方向に向けられた端面（６４）であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記第２ピストン表面（３２）に面する壁（３６；１００）が前記側面（６４）に配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１０】
請求項９に記載のフリーピストン組立体であって、前記壁（３６；１００）が前記復元空間（４０；８８）を画することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のフリーピストン組立体であって、前記壁（３６；１００）が、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）が通過する開口（４４；１０２）を有することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）のための軸受が前記壁（３６；１００）に配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１３】
請求項６〜１２のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）が前記復元空間（４０；８８）を通って部分的に案内されていることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１４】
請求項６〜１３のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（１６；８２）が、アプリケーションに連結するための連結器（４８；８４）を含むことを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１５】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記膨張空間（３８；８６）が、該膨張空間と関連付けられた少なくとも１つの入口ポート（５０）を有することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１６】
請求項１５に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの入口ポートに弁（５２）が配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１７】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記膨張空間（３８；８６）が、該膨張空間と関連付けられた少なくとも１つの出口ポート（５４）を有することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１８】
請求項１７に記載のフリーピストン組立体であって、前記出口ポート（５４）に弁（５６）が配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項１９】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記復元空間（４０；８８）が、圧縮性媒体が収容されるガススプリング空間であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２０】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記接続を制御するための制御ユニットが設けられることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２１】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの予圧チャンバ（９０）が、前記ピストン収容装置（７０）の端面（７４）により、前記復元空間（８８）に接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２２】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの予圧チャンバ（６０）が、能動要素（１６）から離間するように配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２３】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの能動要素（８２）が、前記少なくとも１つの予圧チャンバ（９０）を通って案内されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２４】
請求項２３に記載のフリーピストン組立体であって、
第１開口（１０８）及び第２開口（１１０）を有する少なくとも１つのチャネル（１０６）が前記少なくとも１つの能動要素（８２）に配置されるフリーピストン組立体において、
前記復元空間（８８）内及び／又は前記予圧チャンバ（９０）の予圧空間（９２）内での前記第１開口（１０８）及び／又は前記第２開口（１１０）の位置が、前記少なくとも１つの能動要素（８２）の位置に依存することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２５】
請求項２４に記載のフリーピストン組立体であって、前記予圧空間（９２）及び前記復元空間（８８）が共に、前記ピストン装置（７６）の１つ又は複数の位置において、前記チャネル（１０６）を介して流体接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２６】
請求項２５に記載のフリーピストン組立体であって、前記１つ又は複数の位置が、前記ピストン装置（７６）の反転点又は反転点付近の点であることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２７】
請求項２１〜２６のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、前記能動要素（１６）に連結されるアプリケーションが前記予圧チャンバ（２０６）内に配置されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２８】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、少なくとも１つのリニアドライブ（１３０；１７８）が、前記ピストン装置（２０；７６）に接続可能である又は接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項２９】
請求項２８に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つのリニアドライブ（１３０；１７８）が、前記ピストン装置（２０；７６）の少なくとも１つの能動要素（１６；８２）に接続されるステータ（１２６；１８２）及びアクチュエータ（１１６；１７６）を含むことを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３０】
請求項２８又は２９に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つのリニアドライブ（１３０；１７８）が、前記ピストン装置（２０；７６）の動作方向（２６）と平行な方向において、前記ピストン収容装置（１８；７０）に続くことを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３１】
請求項２８又は２９に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つのリニアドライブ（１７８）が、前記少なくとも１つのピストン収容装置（１８；７０）及び／又は予圧チャンバ（６０；９０）を少なくとも一部包囲することを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３２】
先行する請求項のいずれか１項に記載のフリーピストン組立体であって、少なくとも１つの圧縮機（１３４；１５８）が、前記ピストン装置（２０；７６）に接続可能である又は接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３３】
請求項３２に記載のフリーピストン組立体であって、前記少なくとも１つの圧縮機（１３４；１５８）のピストン棒が、前記ピストン装置（２０；７６）の能動要素（１６；８２）に接続されることを特徴とするフリーピストン組立体。
【請求項３４】
ピストン収容装置と、前記ピストン収容装置内で線形となるように運動可能なピストン装置と、復元空間とを含むフリーピストン組立体を制御するための方法であって、
前記復元空間と予圧空間との流体接続が前記ピストン装置の位置に依存して開閉され、且つ、
前記ピストン装置の１つ又は複数のピストン棒が前記復元空間内及び前記予圧空間内を案内されると共に、前記少なくとも１つのピストン棒が、第１開口及び第２開口を有する少なくとも１つのチャネルを含む
ような方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の方法であって、前記第１開口及び前記第２開口が流体接続されることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３４又は３５に記載の方法であって、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置において、前記第１開口が前記復元空間内にあり、且つ、前記第２開口が前記予圧空間内にあることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３４〜３６のいずれか１項に記載の方法であって、前記ピストン装置の１つ又は複数の位置において、前記第１開口と前記第２開口の双方が、前記予圧空間内又は前記復元空間内に設置されることを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１０−５３４２９３（Ｐ２０１０−５３４２９３Ａ）
【公表日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１７３８４（Ｐ２０１０−５１７３８４）
【出願日】平成２０年７月２１日（２００８．７．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５９５３１
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１３２７０
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０８３７２４９０）ユーエムシー ユニバーサル モーター コーポレーション ゲーエムベーハー (2)
【氏名又は名称原語表記】ＵＭＣ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｃｈｕｌｚｅ−Ｄｅｌｉｔｚｓｃｈ−Ｓｔｒａｓｓｅ １５， ７０５６５ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ （ＤＥ）
【公表日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２１日（２００８．７．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５９５３１
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１３２７０
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０８３７２４９０）ユーエムシー ユニバーサル モーター コーポレーション ゲーエムベーハー (2)
【氏名又は名称原語表記】ＵＭＣ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｃｈｕｌｚｅ−Ｄｅｌｉｔｚｓｃｈ−Ｓｔｒａｓｓｅ １５， ７０５６５ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ （ＤＥ）
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