JP2003503636A - 外部燃焼機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 離隔された第１の端部と第２の端部を有する管状作業チャンバ（３）を画定する圧力容器手段を備え、チャンバの第１の端部に隣接し、加熱手段（１０、１１）によって加熱される第１の壁手段（１１）と、チャンバの第２の端部に隣接し、冷却手段によって冷却される第２の壁手段（６）とを含む外部燃焼機関（１）。この機関はさらに、熱交換手段（９）を備え、作業流体が熱交換手段を通過するように管状作業チャンバ（３）内部でチャンバの第１の端部と第２の端部との間で可動な有孔ピストンまたは再生器（７）を有する。再生器（７）はバルビング手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は、離隔された第１の端部と第２の端部を有する管状作業チャンバを画
定する圧力容器手段を備え、チャンバの前記第１の端部に隣接する第１の壁手段
、およびチャンバの前記第２の端部に隣接する第２の壁手段と、前記第１の壁手
段を加熱するための加熱手段と、前記第２の壁手段を冷却するための冷却手段と
、熱交換手段を有するピストン手段と、作動流体が前記熱交換手段を通過するよ
うに管状作業チャンバ内部でチャンバの前記第１の端部と第２の端部との間でピ
ストン手段を往復運動させるための駆動手段とを含むような外部燃焼機関に関す
る。

【０００２】 （背景技術） ほとんどのスターリング・エンジンが、２つの異なる温度レベル間で移動する
含有ガス作業流体の膨張および収縮の原理で動作する。スターリング・エンジン
は、他の熱機関に比べていくつかの利点を有するが、高温水素など作業流体の封
止、およびパワー制御に関する問題を有する。１９２０年代にＭａｌｏｎｅが、
ＵＳ−Ａ−１４８７６６４号およびＵＳ−Ａ−１７１７１６１号修正において、
作業流体として、液体と超臨界との間の状態で変化する水をガスの代わりに使用
するスターリング・エンジンの基本設計を提案している。Ｍａｌｏｎｅのエンジ
ンは、高圧で操作する必要があり、したがって高いパワー密度を提供した。しか
し、Ｍａｌｏｎｅによる研究以来、Ｍａｌｏｎｅエンジンをさらに発展させるよ
うな研究はほとんど行われていない。Ｍａｌｏｎｅサイクルの唯一の重要な発展
は、冷凍および加熱ポンプにある。

【０００３】 既知のＭａｌｏｎｅエンジンの基本構成は、長いチューブの形をした熱力学圧
力容器（すなわち「ＴＤパイル」）を備え、その対向する端部に、両極端の温度
が加えられる。高温端は、炎または熱蓄積材料など熱源に露出され、低温端は、
パイルから熱を除去し、ジャケットを介して循環されている冷却流体にその熱を
伝達することができる冷却ジャケットを有する。ＴＤパイル内部の位置および温
度のこれら極端間に、再生器と変位装置の両方となる有孔ピストンがある（本明
細書では以後、再生器と呼ぶ）。再生器は、正弦の動きに従ってパイル内部で端
から端へ機械的に駆動される。再生器が移動されるとき、流体は、マトリックス
と流体の間で熱を交換するプロセスにおいて、そのコア・マトリックスを介する
ように付勢される。各端部からの流体の変位は、交互に、熱を受け入れる、また
は放出するのに利用可能な流体の質量を低減する。

【０００４】 付勢された再生器の動き、および周期的に変化する熱の進入および排出により
、機械的作業を生むために利用することができるＴＤパイル内部の流体の圧力お
よび体積の変化が生じる。また、ピストンを低温端に接続することも知られてお
り、これは、作業体積を高圧で膨張させ、次いで低減された圧力で収縮すること
ができ、それにより流体と機械的パワーのインターフェースを形成する。より具
体的には、ＴＤパイルの作業体積を制御するために、ＥＰ−Ａ−０４９４２３６
号に開示されたようなデジタル変位水圧ポンプ／モータを提供することが提案さ
れている。

【０００５】 （発明の開示） 本発明は、指摘した種類の外部燃焼機関の基本構成要素の改良を提供すること
を求める。

【０００６】 本発明の一態様によれば、指摘した種類の外部燃焼機関は、前記第１の壁手段
が第１の熱交換面手段を有すること、前記ピストン手段が、作業流体を、前記熱
交換面手段通過後に、ピストン手段がチャンバの前記第２の端部に向けて移動す
るときには前記第１の熱交換面手段を介して流れるように向けて、前記チャンバ
の第２の端部から第１の端部へ作業流体を移動させ、ピストン手段がチャンバの
前記第１の端部に向けて移動するときには前記第１の熱交換面手段を迂回するよ
うに向けて、前記チャンバの第１の端部から第２の端部へ作業流体を移動させる
ように位置決め可能な第１のバルブ手段を含むバルビング手段を有することを特
徴とする。

【０００７】 本発明の別の態様によれば、後続の請求項２０に記載の外部燃焼機関が提供さ
れる。

【０００８】 本発明のさらなる態様によれば、後続の請求項２３に記載の外部燃焼機関が提
供される。

【０００９】 本発明のさらなる態様によれば、後続の請求項２４に記載の外部燃焼機関が提
供される。

【００１０】 次に本発明の実施形態を、添付図面を具体的に参照しながら例示としてのみ説
明する。

【００１１】 （発明の実施の形態） 図１に、一般に参照番号１で表される本発明によるいわゆるＭａｌｏｎｅエン
ジンと、一般に参照番号２で表されるエンジン１用のデジタル変位ポンプ／モー
タおよび再生器ドライブとを備える熱機関システムを示す。

【００１２】 エンジン１を、図１に概略的に示し、図２〜４、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、お
よび７により詳細に示す。図２を見るとわかるように、エンジン１は、エンジン
の「高温端」を画定する上側部分４と、中間部分５と、エンジンの「低温端」を
画定する下側部分６とを備える。ピストン手段または再生器７が、エンジン１の
管状作業チャンバ３内部で軸方向に可動になっている。再生器は、「有孔」マト
リックスまたはコア９（図中に鎖線で概略的に示す）を有し、このマトリックス
またはコア９は、そこを介する流体の流れを可能にし、それとともに作業チャン
バ内部での再生器の移動時に作業チャンバ３内部の流体を移動させる働きもする
。中心タイロッド８がチャンバ３の軸に沿って位置決めされている。

【００１３】 エンジンの上側部分４は、フィン１１ｃを備える外側部分１１ａと、作業流体
、例えば水や蒸気が流れる経路１１ｄを備える内側部分１１ｂとを有する一般に
参照番号１１で表されるフィン付き熱交換器を封入する燃焼室１０を備える。流
れ経路１１ｄは、熱交換面を提供し、熱交換器１１の一端から他端に延在し、通
常は長手方向に、または螺旋状に構成することができる。バーナ１２が、フィン
付き部分１１ａを加熱するために燃焼室の壁に取り付けられている。

【００１４】 エンジン１の高温端は、いくつかの点で元のＭａｌｏｎｅ設計と異なる。内側
部分１１ｂ内に小さな作業流体流れ経路１１ｄが作成されて、はるかに大きな熱
交換領域を提供している。図７に概略的に示すように、再生器７の動きは、再生
器７が低温端に向かって下降するときに、超臨界蒸気が高速でこれらの経路１１
ｄを通るようにし、伝熱をさらに高める。経路１１ｄは、いくつかの形で作成す
ることができる。円形であり、非常に小さなボアからなっていてよい。あるいは
、より大きなボアからなっていて、しかし円形または多角形断面のロッドを含み
、このロッドがコア体積を減少させ、流れを外壁に向ける働きをしていてもよい
。経路はまた、極端な縦横比の長方形スロットから形成することもできる。図面
からは明らかでないが、高温端の末端でこれらの経路の上端部および下端部が必
要に応じて接合されて、内側部分１１ｂの長さに沿って加熱流体の複数の横断を
もたらしている。通常、これらの経路は、蒸気が高温端の頂部でコア体積内へ解
放される前に３つの端端行路を提供する。

【００１５】 高温端熱交換器１１の材料は、Ｍａｌｏｎｅによって当初使用された鋳鋼から
変更されている。いくつかの構成が提案されている。上述した蒸気経路を備え、
モネル合金から作成される機械加工または鋳造フィン付きシリンダは、単一の防
食材料からなっているという利点を有する。モネル合金は、他のニッケルベース
の合金と異なり、温度が上昇すると共に伝熱係数が改善されるという普通とは異
なる特性を有する。

【００１６】 熱交換フィン１１ｃを一体型ユニット（例えば図５ａおよび５ｂ、ならびに図
７に示される）として形成するのではなく、この高温端熱交換器構成は、例えば
、スタック状に構成された「ワッシャ」または「積層」の形のフィンから形成さ
れて、効率の良い熱交換面を提供する。ワッシャ状フィンのスタックは、管状コ
アに交互に配列された外径の異なる大きな「ワッシャ」と小さな「ワッシャ」か
ら作成することができる。フィンは通常、非円形の平面形状を有して、伝熱を高
めることができる。大きい方のワッシャの平面プロフィルのコーナおよびスパイ
クは、燃焼室の乱流ガス流中に突出して金属中への伝熱を高めるように設計する
ことができる。非円形フィンを非整列様式でスタックして、乱流ガスへの露出を
最大にすることができる。図８および９は、丸められたコーナを有する概して正
方形のフィン１１２の第１のセットと、これも概して正方形であり、丸められた
コーナを有し、フィン１１２と交互配置されたフィン１１３の第２のセットとを
有する。フィン１１２は、全て同じ向きに向けられており、フィン１１３も同様
である。ただし、同じ向きに向けられたフィン１１２は、同じ向きに向けられた
フィン１１３に関して９０°オフセットしている。

【００１７】 フィン１１ｃ（すなわち１１２および１１３）は、モネルメタル（銅と、ニッ
ケルと、少量の鉄、マンガン、珪素、および炭素とからなる合金）、またはモリ
ブデンやタングステンなどの耐熱金属から作成することができ、熱伝導率がかな
り高い。これらの耐熱金属が一般に有する酸化の問題は、Ｃｏｍｍａｎｄａｙが
開発し、ＵＳ−Ａ−３０９０７０２号に開示されているＤｕｒａｋ Ｂプロセス
によって、ホウ素が拡散された二珪化モリブデン・コーティングを使用すること
により防止することができる。

【００１８】 フィン１１ｃ（すなわち１１２および１１３）は、エンジン１の高温端の応力
部分を形成する。これらは、高伝導率の銅から適切に作成された管状内側部分１
１ｂを効果的に含む。銅内側部分１１ｂは、高い熱間強度の材料によって被包さ
れ、それにより圧伸またはクリーピングを受けない。内側部分１１ｂは、２つの
環状チューブから適切に作成されており、これらが拡散接合されて単一の部品を
形成している。単一部片高温端に関して上で概説したように蒸気を伝導するため
に、接合前に、内側チューブの外面および／または外側チューブの内面にスロッ
トおよび経路が機械加工される、または形成される。

【００１９】 低温端を画定する下側部分６は、冷却水ジャケットの内壁を形成する延在内側
および外側熱交換面を有する銅スリーブ６ａと、冷却水ジャケットの外壁を形成
する外側スリーブ６ｂとを含む。

【００２０】 再生器の構成は、Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔ
ｏｒｉｅｓのＳｗｉｆｔによって概説された実施例に従い（「Ｓｉｍｐｌｅ Ｔ
ｈｅｏｒｙ ｏｆ ａ Ｍａｌｏｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ」，２４ｔｈ Ｉｎｔｅｒ
−Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ
ｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９８９，Ｐａｐｅｒ Ｎｏ ８９９０５５，ｐ
ｐ２３５５−２３６１参照）、非常に薄いオーステナイト系ステンレス鋼シート
のディンプル・スクロールから形成された「有孔」マトリックスまたはコア９を
有する。スクロールは、表面積が大きく、しかし長手方向流れに対する抵抗が最
小の熱交換器を提供する。Ｓｗｉｆｔに対するさらなる改良は、短い長さの穿孔
で流れ方向にわたってシートを劈開し、または切断し、その後シートを再び平ら
にロールして、ディンプル付けし、次いで切断されディンプル付けされたシート
を螺旋コイルの形に巻くことである。十字形カットが、再生器マトリックスまた
はコアの金属を介する軸方向への熱の流れを遮り、それによりこの構成要素を介
する寄生伝導熱損失を大幅に低減する。頻繁な鋭い縁部が、境界層での妨害をも
たらして乱流を誘発し、これが伝熱を改善する。

【００２１】 元のＭａｌｏｎｅエンジンでは、再生器マトリックスまたはコアを介する非逆
流れを生成するために再生器内でバルブを使用した。本発明の設計でも再生器７
の各端部でバルブ２０、２１を使用するが、これは別の理由のためである。バル
ブ２０、２１はチェック・バルブであり、作業流体の流れが、ストロークの一部
期間中に、その影響が望まれない高温端および低温端の熱交換面を迂回すること
ができるようにする。再生器７が高温端に上昇し、流体がマトリックスを介し低
温端ダミー４０を超えて進むようにするとき、排除される熱を最大にし、作業圧
力を低く維持し、仮想ピストンを上死点にリセットすることが望ましい。これは
、図５ｂおよび６ａに示されるように、チェック・バルブ２０を開き、チェック
・バルブ２１を閉じることによって達成される。再生器７が（低温端ダミー４０
と共に）上に移動するとき、開いているチェック・バルブ２０は、作業流体を再
生器７のコア９を介して流し（図５ｂの矢印Ａ参照）、閉じたチェック・バルブ
２１は、作業流体を、内側スリーブ６ａの熱交換面に対する低温端ダミーにわた
って進める（図６ａの矢印Ｂ参照）。再生器の上部にある開いたチェック・バル
ブ２０は、パイルのコア体積内に捕集された蒸気が、高温端壁において長手方向
経路１１ｄを通過して不必要な熱をもつことなく、再生器マトリックスまたはコ
ア９内に直接戻ることができるようにする。

【００２２】 逆向き、すなわち下方向へのストローク（図５ａおよび６ｂ参照）では、低温
ダミー４０にあるチェック・バルブ２１が開いており、チェック・バルブ２０は
閉じている。開いたチェック・バルブ２１は、水が、低温端のスリーブ６ａに高
速で付勢されて不必要に熱を排除することなく、再生器マトリックスまたはコア
内に直接進むことができるようにする（矢印Ｄ）。閉じたチェック・バルブ２０
は、図５ａに矢印Ｃで示されるように、蒸気が経路１１ｄを介して流れるように
する。

【００２３】 ＴＤパイルの作業チャンバ３内部の内圧によって誘発される長手方向の力は、
簡便にはニッケル超合金からなる内部タイ・ロッド８によって抑制される。ＴＤ
パイルの軸に沿ったロッド８の設置が３つの目的を達成する。第１に、極端に高
温の燃焼ガスからタイ・ロッドを離隔しており、したがってタイ・ロッドが比較
的細長くなっている。第２に、所与のＴＤパイル体積に関して、熱交換が制限さ
れている内部コアまたは作業チャンバ３を占有し、外径をわずかに大きくし、そ
の結果、熱交換面を増大させる。最後に、再生器を駆動するために使用すること
ができる単動水圧ラムの基盤を提供する。

【００２４】 再生器７の動きは、水圧マスタ／スレーブ・シリンダ・システムを介して作業
チャンバ３にパワーを伝達する回転偏心機構３０（図１０参照）によって生成さ
れる。偏心機構３０は、流体パワー機械２の速度の５分の１〜１０分の１の速度
範囲で回転し、同期の目的で駆動シャフトに直接ギアすることができる。マスタ
・シリンダ３１は、正弦に近い流体流れを生成し、タイ・ロッド８で流れ経路４
２（図４参照）を介して再生器７のスレーブ・シリンダ４１に連係されるときに
、流体を作業チャンバ内部で長手方向に振動させる。漏れを生じる可能性がある
シールの摺動は、この流体接続によってなくなる。タイ・ロッド８の円周面に対
してシリンダ４１の下端部を封止するためのシール４３が提供される。

【００２５】 マスタ・シリンダ３１は油など潤滑流体をポンプし、そのため、作業チャンバ
３の作業流体から油を離隔するために隔離仕切板を導入しなければならない。マ
スタおよびスレーブ・シリンダは、それ自体少量の漏れがあり、したがって動作
中にシステムを補充するための機構が必要である。ピストンが下死点に達したと
きにマスタ・シリンダの側部にあるポートを露出することによって、システムの
油側が損失を補填することができ、しかし正弦流れ曲線に小さなフラットスポッ
トが導入されるという犠牲を払う。アイソレータの作業流体側では、再生器７が
所定の動きを超えたときに小さなブリード・ポート３２を露出することができる
。進行端部ばね３３を使用して再生器を拘束することができ、それとともにこれ
らのポートが開いて活動状態になる。このドエル期間によって導入されるわずか
な動きの変化は、流体パワー機械の流れ関数を制御し、所望のＰ−Ｖダイアグラ
ムに対する影響を最小限に抑えることによって補償することができる。

【００２６】 ＴＤパイル作業体積、すなわち作業チャンバ３と流体パワー機械２との接続も
、潤滑流体を用いてポンプ／モータを操作することが強く優先されるので、同様
にアイソレータを必要とする。ＴＤパイルは２つの流体接続しか有さず、摺動機
械的接続がないので、多くの形態のスターリング・エンジンに典型的な封止の問
題がなくなる。再生器駆動システムと同様に、ポンプ／モータの油側での累積漏
れは、余剰ストロークを時々ポンプして必要な圧力を回復することによって補填
することができる。

【００２７】 出力パワーの急速な変化を可能にするという目的をそれぞれが有する２つの自
律制御システムを使用してエンジンを調整する。燃焼空気からはじめて、ブロワ
が、大気をバーナ１２内に誘導し、バーナで大気が液体または気体燃料と結合さ
れる。燃料流量は、燃焼空気の圧力または流量に敏感な機械的比例バルブによっ
て制御される。この手段により一定の空気対燃料比が維持される。バーナ１２は
混合物を燃焼し、結果として得られる高速高温ガスが、高温端で熱交換器の外面
に衝突する。熱電対などの温度センサが、ＰＩＤ制御装置に高温端温度をフィー
ドバックする。制御装置は、インバータ・ドライブの使用によってブロワ・イン
ペラの速度、したがって燃焼ガスの質量流量を変えることによって温度を調節す
る。システムの熱的質量は比較的高く、得られる燃焼制御システムの時定数は長
い。

【００２８】 再生器は、振幅およびサイクル速度を変えない一定の正弦の動きで駆動される
。ポンプ／モータ２も一定の速度で動作し、しかしその要求する流れ関数は、パ
ワー要求の急速な変化を見込んで継続的に変化する。パワー・レベルを変更する
ための主要手段は、仮想パワー・ピストンをオフセットして、ＴＤパイルの平均
動作圧力レベルを増減することである。

【００２９】 ポンプ／モータ２の要求する流れ関数は、感知とポンピングの固有時間遅延の
ため、アナログ要求信号に従うことによっては容易に送達することができない。
その代わりに、主要な制御方法は、各熱力学的サイクル中に従うシリンダ・イネ
ーブル・イベントのルックアップ・テーブルをロードすることである。必要なテ
ーブルの数は、エンジンが動作する最低平均圧力から、ＴＤパイル構造によって
対処することができる最高平均圧力までサイクルをバイアスするためにポンプす
る必要があるシリンダの数に対応する。通常、５〜１０個のシリンダ増分である
。各パワー・レベルに、別個の同調テーブルが必要である。１つのパワー・レベ
ルから別のパワー・レベルへの変化は、遷移テーブルを使用することによって行
われ、これは有用なサイクルを生み出すことができるようにし、かつ次のサイク
ルを始めるのに必要な位置に仮想パワー・ピストンを戻す。予想外のイベントが
起きた時、またはアイソレータ仕切板の両側での累積漏れが生じたときに、アナ
ログ制御をテーブルの一部に重畳し、仮想ピストン位置を復元することができる
。

【００３０】 一定の速度で動く回転シャフトに全てのエンジン・パワーが伝達されたとき、
発電器を直接駆動する場合と同様に、回転グループおよび負荷の慣性によってあ
る程度の出力バッファリングを供給することができる。エンジンが可変速度負荷
を供給している場合、より多くのバンクを追加することによってポンプ／モータ
のシャフトにさらなるサービスを組み込むことができ、所望の速度で水圧モータ
、または線形ラムを駆動することができる制御可能な流れが提供される。負荷パ
ワー要求とエンジン・パワー発生の短期間の不一致は、ガス・アキュミュレータ
に直接接続することができるポンプ／モータ・スタックにエネルギー蓄積のため
の別のサービスを追加することによって補償することができる。この方法では、
負荷とバッファリング・アキュミュレータとの間に、大きく、しかし制御可能な
エネルギー伝達率を生じることができる。クランクシャフトによって提供される
隔離により、両サービスを、当該のマスタによって、そのサービスが要求する圧
力で維持することができる。

【００３１】 エンジンは、バーナ１２を発火することによって始動され、ＴＤパイルまたは
作業チャンバ３にわたって温度差を確立する。次いで、ポンプ／モータ・サービ
スの電動機またはガスアキュミュレータ駆動モータによって、ポンプ／モータお
よび再生器の動きを確立して、サイクルを開始する。ビークルの場合、ワームア
ップ中に再生器ドライブがクラッチを切られ、ＴＤパイル内部で適切な動作温度
を確立しながらアキュミュレータ内の蓄積エネルギーによってビークルが駆動さ
れると考えることができる。

【００３２】 単一サイクルのプロセス中、相対的な加熱および作業流れは、ほぼ以下の割合
になっている。すなわち、高温端壁を介して、蓄積され、次いで再生器マトリッ
クスから解放される８のうち熱２が、１が排除されて冷却水に入り、１が機械的
作業に変換される。

【００３３】 記述した熱機関システムの基本的な構成要素および特徴は、周知のベータ構成
スターリング・エンジンと非常に似ている。Ｍａｌｏｎｅのエンジンと同様に、
改良されたバージョンは多数のＴＤパイルを備えて動作することができる。少な
くとも２つのランニング逆位相を有することによって、有意な利点を得ると想定
される。

【００３４】 Ｍａｌｏｎｅの設計に対する最も基本的な変更は、パワー・ピストンの交換に
あり、ピストンは、高速デジタル制御流体作業機械を用いて、再生器の動きと同
じサイクル率で作動する。典型的には、そのような機械はＥＰ−Ｂ−０４９４２
３６号に開示されるタイプのものであり、シャフト速度はおそらく１０倍速い。
流体機械は、各熱力学サイクル中に作業体積を何度も再利用することができる。
流体機械の変位の高速制御によって、ＴＤパイルの作業体積の非正弦体積変化を
生成することが可能である。この新規な制御により、熱力学サイクルの圧力体積
ダイアグラムを瞬時に、かつサイクルごとに自由に調節することができる。

【００３５】 瞬時制御により、高い応力を受けた高温端（常に赤熱している）の寿命を保証
する範囲内で最大システム圧力を維持するように作業体積膨張率を制御すること
ができる。サイクルごとの制御により、作業流体の体積を、仮想パワーピストン
の動きを効果的にオフセットすることによって増減することができる（仮想パワ
ーピストンの動きは、流体に従ってＴＤパイルの低温端において摺動ピストンが
もたらす動作である）。このオフセットが、サイクル圧力の範囲の変化を生み、
それによりサイクル・エネルギーおよび連続パワーの変化に対応するＰ−Ｖダイ
アグラム中に含まれる領域の変化を生む。

【００３６】 以下に、本発明による外部燃焼機関の設計、またはそのようなエンジンを組み
込む熱機関システムにおいて新規と考えられる特徴を列挙する。 １．任意の流れ関数および再生が可能であり、エンジンの作業スペース内で制
御可能な可変体積を生成する手段として採用される流体パワー機械を有する外部
燃焼機関。 ２．作業流体システム側に長手方向または螺旋状経路の環状アレイを備え、流
体が変位機構／再生器の動きによって推進される熱交換システム。 ３．流れを外壁に向けるように離隔コアが挿入される上述の長手方向経路。 ４．延在面を有する熱伝導圧力容器を生成するために、モネル金属または耐熱
金属の積層から構成される高い熱間強度の構造。 ５．乱流燃焼ガス内への貫入、およびガスとの熱交換を最大にするように延在
面の形状および配列を選択した、高温端交換器を形成する積層またはワッシャ状
フィン。 ６．圧力容器内で使用され、シーリングを保証し、かつ上述の２による熱交換
経路用の長手方向スロットまたは穴を含む高伝導内側コア。 ７．再生器のコア内で金属箔を使用し、金属が流れ方向にわたって周期的に分
けられており、ロールに通して平らにし、その後ディンプル付けし、スクロール
の形に巻いて、接触する媒体の熱伝導率を低減し、乱流を高めること。 ８．再生器の各端部でチェック・バルブを使用し、エンジンに必要な熱力学サ
イクルおよびポンピング・パワーの両方に望ましくない結果をもたらすときに、
サイクルの一部期間中に熱伝達面をショートさせる、または迂回すること。 ９．熱力学圧力容器内部で圧力誘導軸方向力を抑制するために、高い熱間強度
および低い熱伝導率の材料からなる中心タイロッドを使用すること。 １０．ストローク終点位置で再生器を拘束し、流体の小さく継続的な漏れによ
る動きの誤差を補正するために、スレーブ再生器駆動シリンダでバイパス・ポー
トおよび中心合わせばねを使用すること。 １１．隔離仕切板の水圧流体側の下死点での漏れを補給するために、再生器駆
動システムのマスタ・シリンダで補充ポートを使用すること。 １２．シリンダ・イネーブル・イベントと熱力学サイクル位相との同期を保証
するために、固定ギアリングによってポンプ／モータのクランクシャフトに再生
器の動きを固定連係すること。 １３．熱流れおよびパワー出力の変化に関わらず、熱力学圧力容器の高温端で
一定の温度を維持するように自律温度制御システムを使用すること。 １４．ルックアップ・テーブルを使用して、流体パワー機械の固定流れ関数を
生み、それにより、パワー・ストローク中にほぼ一定であり、かつ維持された上
側圧力限界を有する制御された熱力学サイクルを生成し、パワー変換を最大にし
ながら高温端材料のクリープを最小限に抑えること。 １５．サイクルごとにエンジン・パワーを制御するために、単一シリンダの変
位の増分で作業体積を変化させることにより仮想パワー・ピストンをオフセット
すること。 １６．流体パワー機械のシリンダ・イネーブル・レコードを制御するための異
なる、または少なくとも修正されるルックアップ・テーブルを使用することによ
って、各オフセット位置でエンジンのサイクルを制御すること。 １７．遷移ルックアップ・テーブルを使用して、エンジンを異なるパワー状態
間でスムーズに移すことができるようにし、それにより遷移サイクルが有用なパ
ワーを発生し、それと同時に、後続のサイクルの開始時に適切な位置まで仮想パ
ワー・ピストンを戻すようにすること。 １８．圧力および再生器／変位機構位置フィードバックを使用して、ルックア
ップ・テーブルの補正セクションの挿入によって仮想パワー・ピストン位置のず
れを補正し、事前プログラム・イベントを、誤差フィードバックの結果として制
御装置によって作成されるイベントで置き換えることができること。 １９．流体パワー機械の隔離サービスからガス・アキュミュレータへの再生可
能パワー伝達によって、バッファリングを使用して、エンジン・パワー要求の変
化に対する非常に高速の機械的応答を達成すること。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による外部燃焼機関を含む熱機関システムの主要構成要素の概略図であ
る。

【図２】 図１の外部燃焼機関を概略的に、しかしより詳細に示す断面図である。

【図３】 図２に示される機関の高温端の断面図である。

【図４】 図２に示される機関の低温端の中央部の拡大概略断面図である。

【図５ａ】 最上部位置から下方向に、再生器が移動するときのエンジンの再生器の上部で
の作業流体流れを示す図２のエンジンの高温端の上側部分の一部の概略断面図で
ある。

【図５ｂ】 最上部位置に向けて上方向に、再生器が移動するときのエンジンの再生器の上
部での作業流体流れを示す図２のエンジンの高温端の上側部分の一部の概略断面
図である。

【図６ａ】 最上部位置に向けて上方向に、再生器が移動するときのエンジンの再生器の底
部での作業流体流れを示す図２のエンジンの一部の概略断面図である。

【図６ｂ】 最上部位置から下方向に、再生器が移動するときのエンジンの再生器の底部で
の作業流体流れを示す図２のエンジンの一部の概略断面図である。

【図７】 低温端に向けて再生器が移動する間の流体流れを示すエンジンの高温端の概略
断面図である。

【図８】 本発明による外部燃焼機関の別の実施形態の高温端の概略斜視図である。

【図９】 本発明による外部燃焼機関の別の実施形態の高温端の概略上面図である。

【図１０】 図１に示される熱機関システムに関するデジタル変位ポンプ／モータおよび再
生器ドライブの概略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 シュタイン、ウヴェ、ベルンハルト、パス カル イギリス国 エディンバラ、ホーリーバン ク テラス ２ Ｆターム(参考） 3J044 AA08 AA09 BA01 BC11 CC09 DA09

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 離隔された第１の端部と第２の端部を有する管状作業チャン
   バ（３）を画定する圧力容器手段を備え、チャンバの前記第１の端部に隣接する
   第１の壁手段（１１）、およびチャンバの前記第２の端部に隣接する第２の壁手
   段（６）と、前記第１の壁手段（１１）を加熱するための加熱手段（１０、１２
   ）と、前記第２の壁手段（６）を冷却するための冷却手段と、熱交換手段（９）
   を有するピストン手段（７）と、作業流体が前記熱交換手段（９）を通過するよ
   うに管状作業チャンバ（３）内部でチャンバの前記第１の端部と第２の端部との
   間でピストン手段（７）を往復運動させるための駆動手段とを含む外部燃焼機関
   であって、 前記第１の壁手段（１１）が第１の熱交換面手段（１１ｄ）を有すること、前
   記ピストン手段（７）が、作業流体を、前記熱交換手段（９）通過後に、ピスト
   ン手段（７）がチャンバ（３）の前記第２の端部に向けて移動するときには前記
   第１の熱交換面手段（１１ｄ）を介して流れるように向けて、前記チャンバの第
   ２の端部から第１の端部へ作業流体を移動させ、ピストン手段（７）がチャンバ
   （３）の前記第１の端部に向けて移動するときには前記第１の熱交換面手段（１
   １ｄ）を迂回するように向けて、前記チャンバ（３）の第１の端部から第２の端
   部へ作業流体を移動させるように位置決め可能な第１のバルブ手段（２０）を含
   むバルビング手段を有すること を特徴とする外部燃焼機関（１）。
2. 【請求項２】 前記ピストン手段（７）が、管状チャンバ（３）の壁から離
   隔され、チャンバの前記第２の端部により近く位置決めされたピストン手段の端
   部に構成された管状部材（４０）を有し、第２の壁手段（６）が第２の熱交換面
   手段（６ａ）を有し、前記バルビング手段が、前記熱交換手段（９）通過後に前
   記管状部材（４０）から外に出た作業流体を、ピストン手段（７）がチャンバ（
   ３）の前記第２の端部から前記第１の端部に向けて移動しているときに前記第２
   の熱交換面手段（６ａ）を介して流れるように向ける、または前記熱交換手段（
   ９）通過後に前記管状部材（４０）から外に出た作業流体を、ピストン手段（７
   ）がチャンバ（３）の前記第１の端部から前記第２の端部に向けて移動している
   ときに前記第２の熱交換面手段（６ａ）と接触しないように前記管状部材（４０
   ）の内部を介するように向けるように動作可能な第２のバルブ手段（２１）を含
   むことを特徴とする請求項１に記載の外部燃焼機関。
3. 【請求項３】 前記第１の熱交換面手段が、前記第１の壁手段（１１）内に
   形成された経路（１１ｄ）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に
   記載の外部燃焼機関。
4. 【請求項４】 前記経路が小さなボアからなることを特徴とする請求項３に
   記載の外部燃焼機関。
5. 【請求項５】 ロッドが前記経路内部に位置決めされていることを特徴とす
   る請求項３に記載の外部燃焼機関。
6. 【請求項６】 前記経路がそれぞれ、極端な縦横比の断面を有することを特
   徴とする請求項３に記載の外部燃焼機関。
7. 【請求項７】 前記経路が、前記第１の壁手段内で概して長手方向に構成さ
   れていることを特徴とする請求項３から請求項６までのいずれか一項に記載の外
   部燃焼機関。
8. 【請求項８】 前記経路が、壁手段内部に作業流体用の複数のパスを提供す
   るように構成されていることを特徴とする請求項３から請求項７までのいずれか
   一項に記載の外部燃焼機関。
9. 【請求項９】 前記経路が、前記第１の壁手段内に概して螺旋状に構成され
   ていることを特徴とする請求項３から請求項６までのいずれか一項に記載の外部
   燃焼機関。
10. 【請求項１０】 前記第１の壁手段（１１）が、前記加熱手段（１０、１２
    ）の燃焼ガスと熱交換するための外部熱交換面（１１ｃ；１１２、１１３）を有
    することを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の外部燃
    焼機関。
11. 【請求項１１】 前記外部熱交換面が、熱交換フィン（１１ｃ；１１２、１
    １３）によって提供されることを特徴とする請求項１０に記載の外部燃焼機関。
12. 【請求項１２】 前記熱交換フィン（１１２、１１３）が非円形状であるこ
    とを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の外部燃焼機関。
13. 【請求項１３】 前記外部熱交換面が、一体に組み立てられた熱交換部材（
    １１２、１１３）のスタックから形成されることを特徴とする請求項１０、請求
    項１１、または請求項１２に記載の外部燃焼機関。
14. 【請求項１４】 前記非円形熱交換フィン（１１２、１１３）の隣接する１
    つが、互いに関してスタガ配列になっていることを特徴とする請求項１２、また
    は請求項１２に従属するときの請求項１３に記載の外部燃焼機関。
15. 【請求項１５】 前記第１の壁手段（１１）が、銅と、ニッケルと、少量の
    鉄、マンガン、珪素、および炭素とからなる合金、ならびにモリブデンやタング
    ステンなどの耐熱金属から選択される材料からなることを特徴とする請求項１０
    から請求項１４までのいずれか一項に記載の外部燃焼機関。
16. 【請求項１６】 前記熱交換手段（９）が金属箔を備えることを特徴とする
    請求項１から請求項１５までのいずれか一項に記載の外部燃焼機関。
17. 【請求項１７】 前記金属箔が、チャンバ（３）の軸と同軸の軸を有する概
    して螺旋状のコイルとして構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の
    外部燃焼機関。
18. 【請求項１８】 前記金属箔が、内部に複数のカットまたは開口を有するこ
    とを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の外部燃焼機関。
19. 【請求項１９】 静止タイ・ロッド（８）が、前記管状作業チャンバ（３）
    に同軸に、その長さに沿って配置され、ピストン手段（７）が、前記チャンバ（
    ３）の端部間を往復運動するときに、タイ手段を封止的に取り囲み、その長さに
    沿って可動であることを特徴とする請求項１から請求項１８までのいずれか一項
    に記載の外部燃焼機関。
20. 【請求項２０】 離隔された第１の端部と第２の端部を有する管状作業チャ
    ンバ（３）を画定する圧力容器手段を備え、チャンバの前記第１の端部に隣接す
    る第１の壁手段（１１）、およびチャンバの前記第２の端部に隣接する第２の壁
    手段（６）と、前記第１の壁手段（１１）を加熱するための加熱手段（１０、１
    ２）と、前記第２の壁手段（６）を冷却するための冷却手段と、熱交換手段（９
    ）を有するピストン手段（７）と、作業流体が前記熱交換手段（９）を通過する
    ように管状作業チャンバ（３）内部でチャンバの前記第１の端部と第２の端部と
    の間でピストン手段（７）を往復運動させるための駆動手段とを含む外部燃焼機
    関であって、前記熱交換手段が金属箔を備えることを特徴とする外部燃焼機関（
    １）。
21. 【請求項２１】 前記金属箔が、管状作業チャンバ（３）の軸と同軸の軸を
    有する概して螺旋状のコイルとして構成されていることを特徴とする請求項２０
    に記載の外部燃焼機関。
22. 【請求項２２】 前記金属箔が、内部に複数のカットまたは開口を有するこ
    とを特徴とする請求項２０または請求項２１に記載の外部燃焼機関。
23. 【請求項２３】 長手方向軸、および離隔された第１の端部と第２の端部を
    有する管状作業チャンバ（３）を画定する圧力容器手段を備え、チャンバの前記
    第１の端部に隣接する第１の壁手段（１１）、およびチャンバの前記第２の端部
    に隣接する第２の壁手段（６）と、前記第１の壁手段（１１）を加熱するための
    加熱手段（１０、１２）と、前記第２の壁手段（６）を冷却するための冷却手段
    と、熱交換手段（９）を有するピストン手段（７）と、作業流体が前記熱交換手
    段（９）を通過するように管状作業チャンバ（３）内部でチャンバの前記第１の
    端部と第２の端部との間でピストン手段（７）を往復運動させるための駆動手段
    とを含む外部燃焼機関であって、さらに、前記燃焼チャンバ（３）と同軸に配置
    された静止タイ・ロッド（８）を備え、前記ピストン（７）が、タイ・ロッドの
    周りに封止的に取り付けられ、そこに沿って軸方向に可動であることを特徴とす
    る外部燃焼機関（１）。
24. 【請求項２４】 長手方向軸、および離隔された第１の端部と第２の端部を
    有する管状作業チャンバ（３）を画定する圧力容器手段を備え、チャンバの前記
    第１の端部に隣接する第１の壁手段（１１）、およびチャンバの前記第２の端部
    に隣接する第２の壁手段（６）と、前記第１の壁手段（１１）を加熱するための
    加熱手段（１０、１２）と、前記第２の壁手段（６）を冷却するための冷却手段
    と、熱交換手段（９）を有するピストン手段（７）と、作業流体が前記熱交換手
    段（９）を通過するように管状作業チャンバ（３）内部でチャンバの前記第１の
    端部と第２の端部との間でピストン手段（７）を往復運動させるための駆動手段
    とを含む外部燃焼機関であって、圧力容器手段が、銅と、ニッケルと、少量の鉄
    、マンガン、珪素および炭素とからなる合金、ならびにモリブデンやタングステ
    ンなどの耐熱金属から選択される材料を含むことを特徴とする外部燃焼機関（１
    ）。
25. 【請求項２５】 機関の作業チャンバ内に制御可能可変体積を作成するため
    に流体パワー機械、例えば高速デジタル制御流体作業機械と共に、請求項１から
    請求項２４までのいずれか一項に記載の外部燃焼機関を備える熱機関システム。