JP2003525385A - スターリング機関熱システムの改良 - Google Patents

スターリング機関熱システムの改良

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Abstract

(57)【要約】 加熱された外部流体から作動流体へヒーターヘッドを横断して熱エネルギを移送する熱交換器を有する熱サイクル機関。熱交換器は１組の熱伝達ピンを有し、その各々は膨張シリンダの円筒壁から離れるように指向された軸を有する。或いはこれに代えて、熱交換器は膨張シリンダの軸にほぼ整合した１組のフィンを有する。熱伝達ピンの高さ及び密度を流路の方向における距離に応じて変化させてもよく、またピン構造体は、穿孔リングをヒーターヘッドに接触させて積層させることにより製作してもよい。リングバーナーは、排出ガスの付加的な燃焼を生じさせる付加的な燃料を供給するようにして主燃焼器を補う。熱サイクル機関用の復熱器は、特定の容積を充填するように形成された繊維の不規則な網織と、この網織の繊維の間の近接点で繊維を架橋させる材料とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明はスターリングサイクル熱機関の発熱部品に対する改良に関し、特にヒ
ーターヘッド及び燃焼チャンバアセンブリと復熱器に関する。
【０００２】
【背景技術】
機関及び冷凍機を含むスターリングサイクルマシンは長い技術的伝統を有して
いる。その詳細は、Walker著”Stirling Engines” （オックスフォード大学出
版局、１９８０年）に詳細に説明されており、この文献は参照のために本明細書
に組み込まれている。スターリングサイクル機関の基礎となる原理は、スターリ
ング熱力学的サイクル、即ちシリンダ内のガスの等積加熱、ガスの等温膨張(こ
の間にピストンを駆動することにより仕事がなされる)、等積冷却、及び等温圧
縮の機械的な実現である。
【０００３】 スターリングサイクル及びその改良に関する付加的な背景はHargreaves著 ”T
he Phillips StirlingEngine”(Elsevier, Amsterdam, 1991) に説明されており
、この文献は参照のために本明細書に組み込まれている。
【０００４】 スターリング機関の作動原理は図１ａ−１ｅを参照して容易に説明される。図
１ａ−１ｅにおいては、同一又は同様の部品を示すために同一の符号を使用する
。スターリングサイクル機の様々な機械的なレイアウトが当該技術分野で知られ
ており、全体的に符号１０で示される特定のスターリング機関は、説明の目的の
みのために図示してある。図１ａ乃至１ｄにおいて、ピストン１２及びディスプ
レーサ１４はシリンダ群１６の中で同期した往復運動を行う。これらのシリンダ
群は、スターリング機関の幾つかの実施形態において単シリンダとすることがで
きる。シリンダ群１６の中に包含された作動流体は、シールによってピストン１
２及びディスプレーサ１４の周囲へ漏洩しないようにされている。作動流体は以
下の記載で説明するように、その熱力学的性質に関して選択されており、通常、
幾つかの大気圧下ではヘリウムである。ディスプレーサ１４の位置は、作動流体
が温インタフェース１８か冷インタフェース２０の何れに接触するかを支配する
。これらのインタフェースはそれぞれ、作動流体に熱が供給されているインタフ
ェース、作動流体から熱を奪うインタフェースである。熱の供給と抽出とについ
て以下に詳細に説明する。ピストン１２の位置によって支配される作動流体の容
積を圧縮容積２２と称する。
【０００５】 機関サイクルの第１段階(機関サイクルの開始状態は図１ａで示す)の間に、ピ
ストン１２は圧縮容積２２内の流体を圧縮する。熱が流体から周囲環境に伝達さ
れるので、圧縮は実質的に一定の温度で起こる。圧縮後の機関１０の状態を図１
ｂに示す。サイクルの第２段階の間に、ディスプレーサ１４が冷インタフェース
２０の方向に移動し、作動流体は冷インタフェース２０の領域から温インタフェ
ース１８の領域へ排出される。この段階は転送段階と称し得る。この転送段階の
終わりには、作動流体が等積加熱されたので、流体はより高圧である。増加した
圧力は図１ｃでは圧力計２４の読みによって象徴的に示してある。
【０００６】 機関サイクルの第３段階(膨張行程)の間、圧縮容積２２の容積は、機関１０か
ら熱が奪われるにつれて増加し、その結果、熱を仕事に変換する。実際には、熱
はヒーターヘッド１００(図２に示す)によって流体へ与えられる。膨脹段階の終
わりでは、圧縮容積２２は図１ｄに示すように冷たい流体で満たされている。機
関サイクルの第４段階の間、流体は、ディスプレーサ１４の反対方向の動きによ
って温インタフェース１８の領域から冷インタフェース２０の領域まで移される
。この第２転送段階の終わりでは、流体は図１ａで示すように、圧縮容積２２と
冷インタフェース２０に満たされ、圧縮段階の反復の準備ができている。スター
リングサイクルは図１ｅに示すようにP-V(圧カー体積)ダイヤグラムで表現され
る。
【０００７】 更に、流体は、温インタフェース１８の領域から冷インタフェース２０の領域
を通るときに、復熱器１３４(図２に示す)を通ることとしてもよい。この復熱器
１３４は、流体が温インタフェース１８の領域から流れるときに流体から熱を吸
収し、流体が冷インタフェース２０の領域から流れるときに流体を加熱する役目
を果たすような大きな表面積一体積比を持つ材料マトリクスとすることができる
。
【０００８】 一般に、スターリングサイクル機関は、その開発を挫かせるような幾つかの技
術的な難題のために、実際的な応用として使用されていない。それらの技術的難
題は、効率、耐用寿命、及び費用のような実用的な問題に関わる。本発明はこれ
らの問題に対処する。
【０００９】
【発明の概要】
本発明の好適実施形態によれば熱サイクル機関が与えられ、これは、ヒーター
ヘッドを通じて伝導する外部熱源からの熱により加熱された作動流体を包含する
膨張シリンダ内で往復直線運動を受けるピストンを有する形式である。熱サイク
ル機関は、ヒーターヘッドを横断して過熱された外部流体から作動流体へ熱エネ
ルギを伝達する熱交換器を有し、この熱交換器は、熱伝達ピンのセットを含み、
その熱伝達ピンの各々は膨張シリンダの円筒壁から離れるように指向された軸を
有する。本発明の代替的実施形態においては、各熱伝達ピンの軸は膨張シリンダ
の円筒壁に対して実質的に垂直にしてもよい。本発明の更なる代替的実施形態に
おいては、熱交換器は膨張シリンダの軸に実質的に整合したフィンのセットを含
んでもよい。熱サイクル機関は、熱伝達ピンのセットを熱伝達ピンのサブセット
へ空間的に隔てる複数の分割構造を含んでもよく、熱伝達ピンの各サブセットの
熱伝達ピンは、互いに実質的に平行な軸を有してもよい。
【００１０】 本発明の他の実施形態において、熱伝達ピンのセットのサブセットには、その
全てに至るまで、ヒーターヘッドから外部流体へ延出する熱伝達ピンを含ませて
もよい。熱伝達ピンのセットを通過する過熱された外部流体を案内するように、
ピン支持体を設けてもよい。ヒーターヘッドに垂直をなすピン支持体の寸法は流
路の方向で減少させてもよく、流路に沿う熱伝達ピンの表面領域は流路の方向で
増大させてもよい。熱伝達ピンには、流路の方向で増大する分布密度を持たせて
もよく、熱伝達ピンの高さ及び密度が流路の方向における距離により変化するよ
うにしてもよい。
【００１１】 本発明の他の局面においては、加熱された外部流体から作動流体へヒーターヘ
ッドを横断して熱エネルギを伝達する熱交換器を製造する方法が与えられる。こ
の方法はパネル上に一体的に鋳造された熱伝達ピンの少なくとも一つのアレイを
鋳造する工程と、その熱伝達ピンのアレイをヒーターヘッドへ接着する接着工程
とを含む。接着工程はパネルをヒーターヘッドへ機械的に取り付ける工程を含ん
でもよく、また熱伝達ピンのアレイのパネルをヒーターヘッドへ蝋付けする工程
を含んでもよい。
【００１２】 本発明の更なる実施形態において熱交換器を製造する方法は、複数の穿孔リン
グを製作する製作工程と、これら穿孔リングをヒーターヘッドに接触させて積層
する工程と、穿孔リングをヒーターヘッドに接着する工程とを与える。その製作
工程は、金属シートからリングを打ち出すスタンピングを含み得る。
【００１３】 本発明の更なる局面によれば、熱センサが設けられており、これは熱サイクル
機関のヒーターヘッドの最大温度点においてヒーターヘッドの温度を測定する。
熱センサは熱電対としてもよく、燃料レギュレータは、少なくとも、最大温度点
におけるヒーターヘッドの温度に基づいて、燃料供給を調整する。
【００１４】 本発明の更に他の実施形態によれば、熱サイクル機関は主燃焼室を補助する二
次リングバーナーを有してもよく、これは排出ガスの付加的な燃焼を起こすよう
に付加的な燃料を供給する。
【００１５】 本発明の他の実施形態によれば、熱サイクル機関用復熱機が設けられており、
これは特定の容積を充填するように枠組をなす繊維の不規則な網織と、網織の繊
維の間の近接点における繊維の架橋のための素材とを有する。繊維は金属（鋼綿
を含む）としてもよく、繊維の架橋のための素材はニッケルを用い得る。繊維は
石英ガラスとしてもよく、ファイバーはテトラエチローシリケイト(tetraethylo
thrthosilicate)を用い得る。
【００１６】 本発明の他の実施形態によれば熱サイクルエンジン用復熱機には、内側スリー
ブ及び外側スリーブ（これら内側スリーブ及び外側スリーブは実質的に偏心して
いる）と、２つの平行な面（その各々は内側及び外側スリーブの各々に対して実
質的に垂直である）とにより規定された容積を持たせてもよい。その容積内に繊
維の不規則な網織が包含されており、内側及び外側スリーブの双方に接続された
２つの平行なスクリーンが、容積内の繊維の不規則な網織を包含する。
【００１７】 本発明の他の実施形態によれば、熱サイクル機関用復熱器を製造する方法が与
えられる。この方法は、導電性繊維の不規則な網織により枠組を充填する段階と
、電気めっき溶液に枠組を浸漬する段階と、溶液と繊維の不規則な網織との間に
電流を流して、繊維の間の近接点において導電性繊維を架橋する素材を溶着させ
る段階とを含む。代替的に、型枠は繊維の不規則な網織で充填してもよく、また
繊維の不規則な網織は、繊維の間の近接点で繊維を架橋させるように焼結させて
もよい。
【００１８】 熱サイクル機関用復熱器を製造する他の方法も与えられ、この方法は網目状発
泡体を特定の形状へ形成する段階と、網目状発泡体上にセラミックスラリーを溶
着させる段階と、発泡体を焼き取るようにスラリーを熱処理する段階と、セラミ
ックを焼結させる段階とを含む。
【００１９】 外部燃焼室を有する熱サイクル機関のヒーターヘッドの一部の測定温度を制御
する方法が与えられ、この方法は外部燃焼室への燃料流を調整することを含む。
熱サイクル機関のヒーターヘッドの周囲へ熱を分散させる方法も与えられ、その
ヒーターヘッドは内面を有し、この方法は、高伝熱性金属の層をヒーターヘッド
の少なくとも１つの内面に塗布する段階を含む。
【００２０】 本発明は添付図面を斟酌してなされる以下の説明を参照することにより一層容
易に理解される。
【００２１】
【好適実施形態の詳細な説明】
ここで図２を参照すると、全体的に符号９６で示されるスターリングサイクル
機関として例示の目的で図示される熱サイクル機関の膨張容積９８と、対応する
熱制御構造との断面図が示してある。ヒーターヘッド１００は実質的にシリンダ
であり、一つの閉止端１２０（シリンダーヘッドとも称する）と開放端１１８と
を有する。閉止端１２０は内部燃焼構造１１０により規定された燃焼チャンバ１
２２内に配置されている。燃焼チャンバ１２２内の高温燃焼ガスはヒーターヘッ
ド１００に直接熱接触し、熱エネルギは燃焼ガスからヒーターヘッドへ、またヒ
ーターヘッドから熱機関の作動流体（代表的にはヘリウム）へ伝導により伝わる
。他のガス、例えば窒素など高い熱伝導性及び低粘度を有する好適な作動流体を
本発明の目的の範囲内で用いてもよい。不燃性ガスも好ましい。熱は燃焼ガスか
らヒーターヘッドへガス流路１１３内の閉止端１２０の外面に沿う燃焼ガス流と
して伝わる。
【００２２】 膨張容積９８は、その側面を膨張シリンダライナー１１５により包囲されてお
り、ヒーターヘッド１００の内側に配置されて、代表的にはヒーターヘッドによ
り支持されている。膨張ピストン１２１は膨張シリンダライナー１１５の内室に
沿って移動する。膨張ピストンがヒーターヘッド１００の閉止端１２０へ向かっ
て移動するにつれて、ヒーターヘッド内の作動流体は押し退けられるので、膨張
シリンダライナー１１５の外面及びヒーターヘッド１００の内面により規定され
た流路を通じて流される。
【００２３】 熱機関の全体的な効率は、燃焼ガスと機関の作動流体との間の熱伝達係数に部
分的に依存している。燃焼チャンバ１２２内の燃焼ガスから膨張容積９８内の作
動流体への効率的に熱を伝えるための公知の方法は、複数の加熱ループ（図２に
示す特定の実施形態の如何なる部分も形成していないので、図２には図示してい
ない）が必要であり、これはヒーターヘッドを越えて燃焼チャンバへ延出する。
作動流体は加熱ループに沿って移送されて、加熱ループを通じる伝導を介して燃
焼ガスにより加熱される。熱伝達を増大する目的で、加熱ループは代表的には薄
い壁を有する。更に、加熱ループは燃焼チャンバ内へ嵌込ませるように通例は鋭
い屈曲を有する。薄壁及び鋭い屈曲の組み合わせは局所的な高応力領域を形成し
、この領域は作動流体を中断させる場所になる傾向にあるので、機関の故障をも
たらす。
【００２４】 代替的にフィン又はピンを用いて、高温流体燃焼生成物と固体ヒーターヘッド
との間の界面領域を増大させて、機関の作動流体へ熱を伝達させるようにしても
よい。ヒーターヘッド１００は熱伝達ピン１２４を有してもよく、このピンは図
示ではヒーターヘッド１００の内面にあり、ヒーターヘッドと膨張シリンダライ
ナー１１５との間の空間にある。更に、図３に示すように、図２の膨張容積９８
の寸法とは異なる寸法に沿って採ったスターリングサイクル機関の断面図におい
て、熱伝達ピン１３０はヒーターヘッド１００の内面に配置して、熱伝達ピンを
通過する燃焼室１２２からの燃焼ガス流からヒーターヘッド１００ひいては作動
流体への伝導による熱伝達のための大きな表面領域を与えるようにしてもよい。
一点鎖線１３１は膨張シリンダの長手軸を示す。図３は本発明の代替的実施形態
によりヒーターヘッド１００の上部の内面及び外面に裏打ちされた熱伝達ピン１
３３も示す。内面向き熱伝達ピン１２４は、ヒーターヘッド１００から、膨張ピ
ストンにより膨張容積９８から押し退けられて復熱器チャンバ１３２を通じて駆
動される作動流体へ伝導により熱を伝えるための大きな表面領域を与えるのに役
立つ。
【００２５】 ヒーターヘッド１００の寸法に依って、数百又は数千の内側熱伝達ピン１２４
及び外側熱伝達ピン１３０が望まれるであろう。
【００２６】 熱伝達ピン１２４及び１３０付きのヒーターヘッド１００を製造する１つの方
法は、ヒーターヘッド及びピンを一体的ユニットとして鋳造することを含む。ピ
ンアレイの鋳造は典型的にはピンアレイの機械加工又は組み立てよりも安価に達
成されるが、依然として困難性及び実質的なコストを伴う。更に、鋳造工程は、
ピンの完全稠密分布が不充分なヒーターヘッドをもたらすので、ヒーターヘッド
の表面に衝突するガスの部分を増大させ、熱伝達効率を低減させる。
【００２７】 本発明の実施形態によりヒーターヘッド１００の表面に熱伝達ピンを分布させ
る方法は、ヒーター１００の製作及び熱伝達ピンの配列を別個の鋳造工程でなす
ことを要する。パネル１５４と共に鋳造された熱伝達ピン１５２のアレイ１５０
を図４に示す。ピンアレイ１５０はその鋳造後にヒーターヘッドの内面及び外面
へ高温蝋接により装着される。従って、より稠密分布したヘッドであって、その
結果、ピンを通過するガス漏洩が低率なヘッドを有益に達成し得る。他の実施形
態においては、パネル１５４は様々な機械的手段によりヒーターヘッドへ取り付
け得る。スロットをディバイダ５０６（次段落で述べる）に設けて、パネルをヘ
ッドに対して所定位置へ保持するようにしてもよい。代替的に、パネル１５４は
ヒーターヘッドへ焼結させてもよい。
【００２８】 本発明の特定実施形態において、個々のアレイ１５０（その各々は関連するパ
ネル区画１５４を有する）は、ヒーターヘッドの周りの円周距離の断片的な弧を
含む。これは図５ａに斜視図で示すヒーターヘッドアセンブリの上面図に明らか
である。シリンダヘッド１２０がヒーターヘッドの外面５０２に示されている。
熱伝達ピンのアレイを支持する支持区画は、図示されていないが、ヒーターヘッ
ドの外面５０２を包囲する空間５０４内に組み立て期間中に挿入されている。連
続的な熱伝達ピンアレイ区画の間は台形状ディバイダ５０６であり、これは、熱
伝達ピンを通らない経路を通じる下向き方向への排出ガス流を遮って阻止するよ
うにされている。高温ガス流路１１３（図２にも示す）がガス流路カバー１４０
によって外側に形成される。排出ガスはディバイダ５０６を通じて流れないので
、温度センサ、例えば熱電対１３８（図２及び図５ｃに示す）をディバイダ５０
６内に都合よく配置でき、この温度センサが熱的に接触するヒーターヘッド１０
０の温度を監視する。ピンアレイ１５０及びディバイダ５０６内に取り付けられ
た温度センサ１３８の位置は図５ｂにより明瞭に示してあり、ここではピン支持
体は除去してある。
【００２９】 図５ｂに示すように、温度検知デバイス１３８は好ましくはディバイダ５０６
内に配置される。更に詳しくは、温度センサ１３８の温度検知尖端１３９は、デ
ィバイダ５０６に対応するスロット内にシリンダヘッド１２０に極力に近接させ
て（この領域は通例はヒーターヘッドの最高温部分である）配置するのが好まし
い。代替的に、温度センサ１３８をシリンダヘッド１２０へ直接に装着してもよ
いが、前述したようにスロット内にセンサを配置することが好ましい。動力と効
率との双方の観点での機関性能は可能な限り高温で最高となるが、最大温度は通
例は冶金学的特性により制限される。従ってセンサ１３８は最高の温度を測定す
るように配置せねばならず、従ってヒーターヘッドの制約された部分である。更
に、温度センサ１３８は燃焼ガス及びディバイダ５０６の壁からセラミック断熱
体１４２により図５ｃに示すように隔絶させねばならない。セラミックは、温度
センサを所定位置に保持するようにディバイダの壁と共に接着剤としての役割を
なすこともできる。温度センサ１３８の電線１４４も電気的に絶縁せねばならな
い。
【００３０】 バーナーは周方向に対称になるように設計されているが、高温点はヒーターヘ
ッド１２０上に生じ得る。この問題に加えて、ヒーターヘッドの製作のために通
例採用されている合金は、それらの高溶融点を考慮しているので、比較的に低い
熱伝導性を有する。ひとたび高温点が形成されると、これら高温点は持続し易い
傾向にある。というのは、ディバイダ５０６（図５ａに示す）が周方向の流れを
妨げるので、ヘッドの外側のガス流が周方向ではなく軸方向に沿っているためで
ある。更に、加熱は局所的なガス粘度を増大させるので、より多くの流れが他の
流路へ再指向されてしまう。ヒーターヘッド上の温度分布を均一にするためには
、高い熱伝導性材料（例えば銅）の層を層厚０．００１インチ（約０．００２５
ｃｍ）より大きく、好ましくは約０．００５インチ（約０．０１２５ｃｍ）でヒ
ーターヘッド１２０の内面１４８へ蒸着又は鍍金、或いは他の塗布方法で施す。
これに代えて、本発明の他の実施形態では、同様な被覆を外面に施してもよい。
【００３１】 スターリングサイクル機関の寸法を小さく保つ目的では、ヒーターヘッドを通
る燃焼ガスからの熱束を最大化することが重要である。従来技術はパイプのルー
プ（その中で作動流体への熱伝達が達成される）を採用しているが、ループは、
機械的に脆弱なことに起因する低信頼性と、より複雑なループ幾何形状及び余分
な材料に起因する高コストとの双方を生じてしまう。本発明の実施形態による熱
束の限定的束縛はヒーターヘッドの材料の熱力学的特性であり、これは、圧力下
のヘッドの構造的保全性を保持しつつ、燃焼チャンバの高温に耐えられるように
せねばならない。最大設計温度はヒーターヘッド上の高温点（これは通例は壁の
上部である）により決定される。理想的には、全体的なヒーター壁高温部分はこ
の最大温度となるので、例えば流量制御により制御し得る。
【００３２】 燃焼ガスがガス流路１１３（図２に示す）内でヒーターヘッドを通過するにつ
れて、熱がガスからヒーターヘッドへ伝わるのでガス温度は低下する。その結果
、ガス流路の上部における最大許容ヒーターヘッド温度は、ヒーターヘッドに使
用された材料により設定されねばならない。この材料は、超合金としてよく知ら
れる高ニッケル合金族、例えばインコネル６００（軟化前の最大温度Ｔｍａｘ＝
８００℃を有する）、インコネル６２５（最大温度Ｔｍａｘ＝９００℃）、イン
コネル７５４（最大温度Ｔｍａｘ＝１０８０℃）、又はHastelloy GMR ２３５
（最大温度Ｔｍａｘ＝９３５℃）から選択するのが好ましい。ガス流路１１３内
のガスは流路の通過により３５０℃までも冷却し得るので、高温領域の底部の過
熱が低くなる。
【００３３】 本発明の好適実施形態によれば、ヒーター壁の温度プロファイルは、以下に説
明するように伝熱形態により制御される。伝熱形態を制御する一つの方法は、可
変断面ガス流路１１３（図２及び図６ａに示される）を与えることによる。流路
の半径方向寸法（ヒーターヘッドの壁に対して垂直）ひいては断面積は、ヒータ
ー壁の上部において大きくなるので、多量のガスに壁上部のピンアレイを迂回さ
せることが可能である。この迂回は高温ガスを壁の底部のピンアレイへ到達させ
るので、底部ピンアレイがその最大温度へ接近させるように制御することが可能
になる。ヒーターの上部から高温部分の底部（図２示す復熱器容積１３２の前）
への温度勾配は、可変断面ガス流路を用いて３５０℃までから１００℃へ低下し
ている。
【００３４】 伝熱形態を制御する第２の方法は、ピンアレイの分布密度及び形態をガス流路
に沿う位置の関数として変化させることによる。ピンの形態はピンの高さ／径（
Ｈ／Ｄ）の比の変化により調整し得る。ピンアレイを形成するのに鋳造処理が用
いられたならば、Ｈ／Ｄ比の範囲はこの処理により制限され得る。ピンリングが
用いられたならば、Ｈ／Ｄ比の範囲は拡張し得る。
【００３５】 ここで図６ａを参照すると、矢印７０２は、ヒーターヘッド１００を通過する
加熱排出ガスの経路を示す。外側熱伝達ピン１３０は、加熱排出ガスを妨げて、
ヒーターヘッド１００及び内側熱伝達ピン１２４を介して、（膨張シリンダ１１
５から経路７０４を沿って駆動された）作動流体へ熱を伝達する。（明瞭化のた
めに、熱伝達ピン１３０及び１２４は図６ａにおいては模式的に示してある。付
加的な熱伝達ピン１３０及び１２４は図６ｂには示してあるが、等尺ではない）
。連続的な熱伝達ピン７０６，７０８及び７１０は例えば、経路７０２に沿う排
出ガスの流れに対して漸進的に増大する断面積を示す。従って、排出ガスは下部
ピンに到達するに先立ってその熱が幾分か移送されているが、熱はそこから大き
な伝導率で抽出されるので、膨張容積９８と復熱器容積１３２との間の作動流体
の経路の上部７１２と下部７１４との間の温度勾配が減少する。膨張シリンダ１
１５の代表的な表面温度が図６ａに示してあり、シリンダの上部においては８５
０℃、シリンダの中部においては７５０℃、復熱器容積に近接するシリンダの端
部においては６００℃である。
【００３６】 本発明の他の実施形態により排出ガスからヒーターヘッドへの熱のより均一な
分布を達成する他の方法は、図６ａに示すように偏心テーパー状ピン支持体１４
６によるヒーターヘッドの外径上にテーパー状デバイダを形成する。図６ａの断
面図はテーパー状ピン支持体１４６が若干の高温排出ガスをヒーターヘッドの上
部近傍のピンを如何にして迂回させるかを示す。ピン支持体１４６はピンの外側
上の狭細環状間隙を形成し、これはできるだけ多くの排出ガスをピン熱交換器へ
漸進的に付勢する。
【００３７】 ここで、上述したような固体（ヒーターヘッド１００など）と流体（燃焼ガス
など）との間の界面の表面領域を増大させる他の方法について、図７ａ―７ｄを
参照して説明する。鋳造又は他の方法による熱伝達ピン製作の効果に類似した効
果が、薄い環状リング１６２へ穿孔１６０を穿つことにより獲得し得る。この環
状リング１６２については図７ａに上面図を、図７ｂに側面図を示してある。「
熱伝達ピンリング」とも称し得るリング１６２の厚さは、上述した熱伝達ピンの
厚さに相当し、燃焼ガス横断孔１６０の高温における熱伝導材料の強度により決
定される。各リング内の孔１６０の形状と配置とは、特定の応用例のための設計
事項であり、実際、固体材料により包囲されていない孔１６０も本発明及び添付
の特許請求の範囲の目的の範囲内にある。リング１６２の材料は好ましくはイン
コネル６２５又はHastelloy GMR ２３５などの耐酸化材料であるが、他の熱伝
導材料を用いてもよい。リング１６２は金属スタンピングにより安価に生成し得
る。次いでリング１６２はヒーターヘッド１００の外面に装着して蝋付け又は接
着され、これは外側ピンリング１６４に関しては図７ｃに、内側ピンリング１６
６に関しては図７ｄに示してある。付加的なリングをピンリングの間に散在させ
てピンの間の垂直間隙を調整するようにしてもよい。膨張シリンダライナー１１
５が内側ピンリング１６６の内室内に示してある。
【００３８】 シリンダ軸１６８に垂直に破断した熱伝達ピンの全断面積は一定である必要は
なく、実際、図６を参照して上述したように有益に変化されている。
【００３９】 図１３ａ−１３ｃを参照すると、熱交換面の内側又は外側は様々な折り曲げフ
ィン構造１２００、１２０２、又は１２０４からも形成し得る。折り曲げフィン
構造はヒーターヘッド圧力ドームの材料と同様な材料、又は改良されたフィン効
率を与え得る高伝導材料（例えば銅）から製作してもよい。ヒーターヘッド１０
０（図２に示す）の材料のような高融点材料からのフィン製作は、ヒーターヘッ
ドの上部から下部へ連続させ得る。折り曲げフィンは金属シートから製作してヒ
ーターヘッドの内面へ蝋付けし得る。３つの折り曲げフィン形態、即ち波打ちフ
ィン１２００、槍状フィン１２０２及び段違いフィン１２０４を例示として示し
てある。各々の場合において、ガス流方向は符号１２０６で図示される矢印によ
り示してある。
【００４０】 ヒーターヘッド１００の金属とは異なる金属から形成されたフィンは本発明の
代替的実施形態により軸状区画へ取り付けられて、フィンとヘッドとの間の蝋付
け継手の破断から差熱膨張を避けるようにされている。図１３ｃの段違いフィン
形態は、平坦フィンに勝る熱伝達効率を有益に与える。
【００４１】 折り曲げフィンのための高熱伝導性金属の使用は、フィンをより長く作成する
ことを有益に可能にするので、熱伝達を改善して、ガスの流れに対する抵抗を減
少させ、機関効率を改善させる。
【００４２】 図２を再度参照すると、作動流体が膨張シリンダ１１５から膨張ピストンによ
り排除されるにつれて、作動流体が内側ピンアレイ１２４上の通路内で更に加熱
されて復熱器チャンバ１３２を通じて駆動される。上述したように復熱器１３４
がスターリングサイクル機に用いられて、スターリングサイクルの異なる段階の
間に作動流体に対して熱の添加及び除去をなすようにする。スターリングサイク
ル機に用いられる復熱器は高い熱伝達率を持たさねばならず、これは代表的には
作動流体に対する高い熱伝達率領域を示唆する。低い流れ抵抗は、作動流体を圧
送するのに必要なエネルギを低減することにより機関の全効率にも寄与する。更
に、復熱器１３４は剥落又は破砕を防ぐ方式で製作せねばならない。というのは
破砕片は作動流体に包含されて圧縮又は膨張シリンダへ移送されてピストンシー
ルに対する損傷をもたらし得るためである。
【００４３】 １つの復熱器設計は数百の積層された金属スクリーンを用いる。金属スクリー
ンは高熱伝達面、低い流れ抵抗、低い剥離性を表すものの、金属スクリーンはそ
の切断及び取り扱いが小さな金属片（これは復熱器を組み立てる前に除去せねば
ならない）を生じるおそれがあるという不利益をもたらし得る。
【００４４】 本発明の実施形態によれば、３次元不規則繊維網織（例えばステンレス鋼ウー
ル又はセラミック繊維など）を復熱器として用いてもよく、これについて図８ａ
を参照して説明する。ステンレス鋼ウール復熱器２００は、大きな表面領域対容
積比を都合よく与えるので、低い流体流摩擦における好ましい熱伝達率が小型な
形態で与えられる。更に、多数のスクリーンの切断、洗浄、及び組み立ての厄介
な製造段階が都合よく排除される。鋼ウールの低い機械的強度及び鋼ウールの剥
離する傾向は、以下に説明するようにして解消し得る。本発明の実施形態におい
ては、個々の鋼ワイア２０２，２０４は均一３Ｄワイアマトリックスへ架橋され
ている。
【００４５】 復熱器のための開始材料は原繊維としてもよく、鋼ウールなどの不規則繊維形
態としてもよい。繊維の組成はガラス又はセラミック又は金属（鋼、銅など）或
いは他の高温材料である。繊維の径は、復熱器の大きさ及び金属の特性に依存し
て好ましくは１０マイクロメートルから１ミリメートルである。開始材料は復熱
器の最終形態に対応する型枠内に配置してあり、これは図８ｂに断面図で示して
ある。内側キャニスタ円筒壁２２０、外側キャニスタ円筒壁２２２、及び復熱器
網織２００が示してある。復熱器の密度は型枠内に配置された開始材料の量によ
り調整される。その型枠は、これを流体が通過可能とするように多孔性としても
よい。
【００４６】 本発明の代替的実施形態においては、非焼結鋼ウールが復熱器網織２００とし
て採用されている。復熱器網織２００は、鋼ウールの断片を都合よく捕捉する復
熱器保持スクリーン２２４により復熱器キャニスタ２２４内に保持される。
【００４７】 本発明の１実施形態においては、開始材料に適用可能なのは電気的導電性材料
であり、開始材料は多孔性形態に配置されて電解液槽内に配置される。開始材料
は金属（例えばステンレス鋼など）としてもよい。開始材料と共に電気的接続が
なされるので電極が形成される。開始材料における個々の繊維の架橋は第２材料
２０６を開始材料に電気的にデポジットすることにより達成される。開始材料の
選択は、電気化学の分野の当業者には公知のように、選択された特定のデポジッ
ト技法、第1及び第２材料の化学的互換性などの因子に依存する。デポジットの
間、第２材料が開始材料上に生長して、開始材料の個々の繊維が互いに近接して
いる位置で個々の繊維の間にブリッジ２０８を形成する。デポジットはブリッジ
が二つの個々の繊維をしっかりと適所で把持するのに充分な大きさに生長するま
で続けられる。
【００４８】 デポジット継続時間は特定のデポジット処理に依存しており、通常の当業者に
より容易に決定される。デポジットが完了した後、復熱器を電解液槽及び型枠か
ら取り出して洗浄する。
【００４９】 本発明の他の実施形態では、開始材料を型枠内に配置するが、この型枠は多孔
性であってもなくてもよい。開始材料を包含する型枠は炉内に配置されて、均一
片へ部分的に焼結される。焼結温度及び焼結時間の選択は焼結技術の当業者によ
り容易に決定される。
【００５０】 本発明の他の実施形態においては、開始材料は多孔性型枠内に配置される。開
始材料を包含する型枠を化学槽内に配置して、個々の材料の間のブリッジを形成
するようにニッケルなどの第２の材料を化学的にデポジットする。
【００５１】 本発明の他の実施形態においては、開始材料は、多孔性型枠内に配置された石
英ガラス繊維である。ガラス繊維及び型枠をテトラエチルオルソシリケイト(tet
raethylorthosilicate;TEOS)及びエタノールの溶液に浸して、繊維が溶液で完全
に湿るようにする。繊維及び型枠を溶液から取り出して湿気のある大気中へ排出
することを可能にする。溶液は繊維を互いに近接させて架橋させるメニスコイダ
ル(meniscoidal)形状をなす。大気中の湿気は加水分解凝縮反応を開始させ、こ
れはＴＥＯＳを二つの繊維の間の架橋を形成する石英ブリッジへ変換する。繊維
及び型枠は、１０００℃未満、最も好適には６００℃未満の温度で熱処理して、
反応性生物を除去して繊維の間の石英ブリッジを形成させ得る。
【００５２】 本発明の他の実施形態おいては、復熱器の形状を有する網目状発泡体へセラミ
ックスラリーをデポジットする。このスラリーは網目状発泡体上で乾燥させて、
発泡体を焼き払ってセラミックを焼結させるように熱処理される。セラミックの
組成はコーディライト、アルミナ、又はジルコニアなどの酸化セラミックとし得
る。セラミックスラリーの組成及び熱処理プロファイルは、セラミック処理技術
分野の当業者により容易に特定される。
【００５３】 図２に示した本発明の実施形態においては、排出燃焼ガスは、ポート１１４を
通じてガス流通路１１３を出る。ポート１１４は、その側面断面図を示す図９を
参照して以下に説明するように、予熱器及びヒーターヘッドアセンブリの前置燃
焼空気予熱器入口へ通じている。
【００５４】 スターリング機関は高い熱効率性及び低い汚染物放出性を与える能力があるが これらの目的は特にスターリング機関のヒーターヘッド１１０を加熱するよう
に採用されたバーナーに熱効率の要求を課す。このような熱効率の成分は、バー
ナー１２２を通じる酸化剤（代表的には空気であるが、本明細書及び添付の特許
請求の範囲においては空気に限定することなく酸化剤と称する）の効率的圧送を
含み、これは燃焼を与えて、ヒーターヘッドを離れる排気に包含されていた熱エ
ネルギを回復させる。多数の適用においては、空気（又は他の酸化剤）を燃焼に
先立ってヒーターヘッドの温度に近い温度で予熱して、熱効率の上述した目標を
達成する。
【００５５】 低放出性を達成する目的では、燃料及び空気は、一酸化炭素（ＣＯ）の放出を
制限するように、充分な量の酸素とよく混合せねばならず、また窒素酸化物（Ｎ
Ｏｘ）の形成を制限するのに充分な低い火炎温度で燃焼させねばならない。予熱
空気の高温は、高い熱効率を達成するのに好ましいが、燃料と空気との事前混合
を困難にし、且つ火炎温度を制限する目的で大量の過剰な空気を必要とするので
、低い放出目標値を達成することを複雑にする。
【００５６】 本明細書及び添付の特許請求の範囲においては、用語「自動点火温度」とは、
空気及び燃料圧力の既存の状態下で温度増加触媒を伴わずに燃料が点火する温度
を定義する。代表的な予熱空気温度は殆どの燃料の自動点火温度を上回るので、
燃料空気混合体が燃焼チャンバへ入る前に発火する虞がある。この問題の１つの
解決策は、非事前混合拡散炎を使用することである。しかしながら、このような
拡散炎は充分に混合されていないので、ＣＯ及びＮＯｘの放出が望まれるよりも
高くなってしまう。火炎力学の詳細な説明がTurns, An Introduction to Combus
tion; Concepts and Applications,(McGraw-Hill, 1996)により与えられており
、この文献は参照により本明細書に組み込まれている。火炎温度を制限するよう
に与えられた増大された空気流は、エアーポンプ又はブロワによる電力消費を通
常は増加させるので、全体的な機関効率を低下させる。
【００５７】 低放出性及び高効率は、燃料の自動点火温度よりも高温に加熱された空気が存
在したとしても、事前混合火炎の生成により、また空気入口と火炎領域との間の
圧力効果を最小化することにより与え得るので、ブロワ−電力消費が最小化する
。これについては本願が優先権を主張する係属中の米国特許第特許出願に説明さ
れている。
【００５８】 用語「火炎速度」は火炎面(flame front)が特定の燃料空気混合体を通じて伝
搬する速度として定義される。本明細書及び添付の特許請求の範囲において、「
燃焼軸」とは流体の燃焼の際に支配的な流体流の方向を意味する。
【００５９】 本発明の実施形態によるバーナー及び予熱器アセンブリの代表的な部品につい
ては図９を参照して説明した。燃焼ガスの目標範囲は１７００−２３００Ｋであ
り、好ましい範囲は１９００−１９５０Ｋである。運転温度は、代表的な幾つか
の大気における運転圧力で作動流体を包含せねばならないヒーターヘッド１１０
の強度により制限される。金属の強度及び酸化に対する抵抗は高温においては通
例は低下するので、高い燃焼温度から金属部品を遮蔽することが重要である。こ
の目的のために、バーナー１２２をセラミック燃焼チャンバ９０４で囲んであり
、そのチャンバ自体が金属燃焼チャンバライナー９０６内に収容されており、ヒ
ーターヘッド１１０に対して熱的に隠されて、予熱器経路（例えば図１２に示す
１１０２）からの到来空気により、又は排出ガス９１０により冷却される。更に
ヒーターヘッド１１０は、ヒーターヘッド火炎キャップ９０２により、直接的な
火炎加熱から遮蔽してある。セラミック燃焼チャンバ９０４は好ましくはセラミ
ック鋳造処理を用いて組み立てられる。燃焼処理流路９０８の排出生成物は、ヒ
ーターヘッド及びそれに包含された作動流体への効率的熱伝達のために、上述の
ように熱伝達ピン又は他の熱伝達手段により与えられる通路を通じてヒーターヘ
ッド１１０を通過する。
【００６０】 次いで排出ガスは、チャンバライナー９０６と内側絶縁体９１２との間の経路
９１０に沿って上方へ向かうので、チャンバライナー９０６から付加的な熱が吸
収されて、チャンバライナー９０６の加熱防止という付加的な利点を伴う。次い
で排出ガスは予熱器９１４を通じて再び下方へ戻り、矢印９１６で示すようにヒ
ーターヘッド１１０の周辺で排出される。予熱器９１４は、代表的にはエアーポ
ンプ又はブロワによって、排出ガスから、雰囲気中より取り込まれた空気への熱
交換を可能とする。予熱器は襞状折り曲げフィン、代表的にはインコネルから製
作し得る。しかしながら、排気から入来空気への熱交換のための任意の手段が本
発明の目的の範囲内にある。２．５ｆｔ２（約７５ｃｍ２）の面積を有する予熱
器を用いると、ヒーターヘッドを越えて排出ガスにより輸送された熱の８０％以
上の回復が可能である。この他の面積的拡がりの予熱器も、ここに説明されて請
求された本発明の目的の範囲内にある。
【００６１】 ここで図１０ａ−１０ｃを参照すると、本発明の実施形態によるスターリング
サイクル機関又は他の燃焼応用例へ適用するためのインテークマニホルド５９９
が示してある。本発明の好適実施形態によれば、燃料を空気（これは燃料の自動
点火温度よりも高温に加熱され得る）と事前混合し、火炎は、燃料と空気とがよ
く混合されるまで形成されないようにしてある。図１０ａは、インテークマニホ
ルド５９９及び燃焼チャンバ６１０を含む装置の好適実施形態を示す。インテー
クマニホルド５９９は、空気６００を受け入れる入口６０３を有する軸対称コン
ジット６０１を含む。空気６００は或る温度、代表的には９００Ｋ以上（この温
度は燃料の自動点火温度を上回るかもしれない）まで予熱される。コンジット６
０１は、燃焼軸６２０に関して内側へ放射状に流れる空気６００をコンジット６
０１内に配置されたスワラ６０２へ運ぶ。
【００６２】 図１０ｂは本発明の実施形態によるスワラ６０２を含むコンジット６０１の断
面図を示す。図１０ｂの実施形態において、スワラ６０２は、空気６００の流れ
を放射状に内側へ向けると共に、空気に回転成分を与えるための幾つかの螺旋状
羽根８０２を有する。コンジットのスワラ部分の径はスワラ部分コンジット６０
１の長さにより定まり、スワラ６０２の入口８０４から出口８０６へ向かって小
さくなる。スワラ羽根８０２の径の減少は、その径にほぼ逆比例して、空気６０
０の流量を増大させる。この空気流量刃燃料の火炎速度を上回るように大きくな
る。スワラ６０２の出口８０６において、燃料６０６（好適実施形態においては
プロパン）が、内側へ向かって流れる空気へ噴射される。
【００６３】 好適実施形態において、燃料６０６は図１０ｃに示す一連のノズル８００を通
じて燃料噴射器６０４により噴射される。更に詳しくは、図１０ｃはコンジット
６０１の断面を燃料噴射ノズル８００を含めて示すものである。各ノズル８００
はスワラの羽根８０２の出口に位置して、２つの隣接する羽根の中心に位置する
。このようにしてノズル８００は空気と燃料との混合効率を高めるように配置し
てある。ノズル８００は空気流６００を横切るように燃料６０６を同時に噴射す
る。空気流は火炎速度よりも速いので、空気燃料混合物の温度が燃料の自動点火
温度を超えているときでさえ、火炎は形成されない。プロパンを使用する好適実
施形態においては、ヒーターヘッドの温度によって支配される予熱温度は約９０
０Ｋである。
【００６４】 再度図１０ａを参照すると、いま混合された空気及び燃料（以下、空気燃料混
合物６０９と称する）は、スロート６０８を通る方向へ移送される。スロート６
０８は輪郭フェアリング６２２を有してコンジット６０１の出口６０７へ取り付
けられている。燃料６０６は燃料調整器６２４を介して供給される。
【００６５】 スロート６０８は内半径６１４と、外寸法６１６とを有する。空気燃料混合物
の移送は、燃焼軸６２０のほぼ横方向且つ放射状に内方の方向から燃焼軸６２０
にほぼ平行な方向になされる。スロート６０８のフェアリング６２２の輪郭は、
燃焼軸に関するスロート６０８の断面積がスロートの入口６１１から出口６１２
まで一定にとどまるように、逆さベルの形状を有する。この輪郭は段差がなくて
滑らかであり、スワラの出口からスロート６０８の出口まで流れ速度を維持して
流れの分離や面に沿った再循環を防止する。一定の断面積は、流れ速度を低減さ
せることなく、また、圧力降下を生じさせることなく空気及び燃料が混合し続け
ることを可能にする。滑らかな一定の断面は効率の良いスワラをもたらす。ここ
でスワラ効率とは、渦巻流の動圧に変換されるスワラを横切る静圧力降下の部分
を意味する。本発明の実施により代表的には８０％以上の渦巻効率を達成し得る
。従って燃焼空気ファンの渦流動力ドレインを最小化できる。
【００６６】 スロートの出口６１２が外側に広がっているので、空気燃料混合物６０９はチ
ャンバ６１０内で拡散して、その速度が遅くなる。このため、火炎を局在化させ
て、この火炎を含んで環状火炎が形成される。スワラ６０２によって生じる回転
モーメントは、当該技術分野においてよく知られているように、リング状の渦を
安定させる火炎を生じさせる。
【００６７】 図１１を参照すると、先行する図面を参照して上述したような燃焼器１２２及
び排出ガス流経路１１３の断面図が示してある。本発明の代替的実施形態によれ
ば、燃料の燃焼温度を超えたままの燃焼排出ガスは燃焼器１２２の領域を充分に
越えることが認められ、また燃料／空気混合物が通例は過剰に偏るので、充分な
酸化剤が排出ガスの再燃焼のために留まる。
【００６８】 図１１は温度センサ１００２（典型的には熱電対）の使用を更に示し、これは
外部ピンアレイ１３０の上部においてヒーターヘッド１２０の温度を監視して燃
料流を制御することにより、センサ１００２における温度をヒーターヘッドが強
度を相当に損なう温度よりも低く保つようにする。センサ１００２における温度
はヒーターヘッド材料の融点を下回る約５０℃に維持される。
【００６９】 図１１に示す形態においては、上述したような可変断面ガス流バイパス路１０
０４の使用を図示してある。バイパス路のテーパーは、図示を明瞭にするために
誇張してある。バイパス路を採用しても、ヒーターヘッドの上部からの距離の関
数としての温度プロファイルは平坦でないことが好ましい。２つの付加的な温度
センサ１００６及び１００８を外側ピンアレイ１３０の中部及び下部にそれぞれ
示してあるので、排出ガスの温度を監視し得る。
【００７０】 本発明の代替的実施形態によれば、付加的な燃料をアフターバーナー燃料ライ
ン１０１２を介してノズル１０１０において排出ガスへ添加する。ノズル１０１
０は、リングバーナーとしてもよく、これはヒーターヘッド１２０を周方向に包
囲して、温度センサ１００２及び１００６により図１１に示された位置の間で外
側ピンアレイ１３０に対面する。アフターバーナー燃料ライン１０１２を通じる
燃料流は、温度センサ１００８により測定された排出ガス温度に基づいて制御し
得る。好ましくは温度１００８の正確な位置は、アフターバーナーノズル１０１
０から排出される燃料の燃焼により生成された外側ピンアレイの最大温度を測定
するようにする。
【００７１】 図１２ａを参照すると、本発明の代替的実施形態による熱サイクル機関のため
に、全体的に符号１１００で示されるバーナー及び熱回復システムの断面側面図
が示してある。図示の実施形態においては、熱は、燃焼器１２２内で加熱された
高温排出ガスと、ヒーターヘッドアセンブリに対して外側の熱交換器１１０６に
おける空気入口１１０４において引き込まれた空気との間で交換される。更に燃
料入口１１０８と、燃焼器における点火を開始するのに用いられる点火器１１１
０とが示されている。排出ストリーム１１１２は、熱交換器１１０６へ入る前に
熱伝達ピン１３０を横切る。銅又は溶融温度が充分に高い他の金属のシールリン
グ１１１４は、熱伝達ピン１３０の下部列の直下でヒーターヘッドフランジ１１
１６上にロッド状シールを形成する。銅リング１１１４は、ラビリンスシールを
与えるヒーターヘッドフランジ１１１６にしっかりと嵌合する。シールの領域を
示す図１２ａの断面図の右側部分を拡大した図を図１２ｂに示してある。銅シー
ルリング１１１４はヒーターヘッド１００にしっかりと嵌合すると共に、バーナ
ーカバー１１２０の下面の環状溝１１１８内の閉止嵌合を有する。溝１１１８内
のリング１１１４の形態はラビリンスシールを与え、これは排出プレナム１１２
２内の排出ガスをシールリング１１１４の後側の周りの渦状経路へ移送するので
、排出ガス漏洩が制限される。リング１１１４のヘッド１００への緊密嵌合はバ
ーナーの軸方向への排出ガス漏洩を制限する。
【００７２】 本発明をスターリング機関に関して説明したが、ここで説明した装置及び方法
はスターリング機関以外の他の例に応用できる。ここに説明した発明の実施形態
は、単なる例示を意図したものであり、多くの変形例及び変更例が当業者にとっ
て明らかである。そのような変形例及び変更例は添付の特許請求の範囲に規定さ
れた発明の範囲内に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａ乃至図１ｅは従来技術のスターリングサイクルマシンの作動原理を示す
。
【図２】 図２は本発明の好適実施形態の熱機関のヒーターヘッド及び燃焼チャンバの側
断面図である。
【図３】 図３は本発明の好適実施形態の熱機関の図２のヒーターヘッド及び燃焼チャン
バを内側対面熱ピン及び外側対面熱ピンの両方が明白になる方向に沿って見た更
なる断面図であり、ヒーターヘッドの上部の内面及び外面に裏打ちされる熱伝達
ピンを含む。
【図４】 図４は本発明の好適実施形態のヒーターヘッドへ組み立てるように個別に鋳造
される熱伝達ピンアレイの斜視図である。
【図５】 図５ａは図４に示すような熱伝達ピンアレイの鋳造区画を取り付けるためのヒ
ーターヘッドの上部斜視図である。図５ｂは熱伝達ピンアレイの鋳造区画が取り
付けられたヒーターヘッドの上部斜視図であり、熱伝達ピンを示すようにピン支
持体は除去されている。図５ｃは本発明の実施形態のヒーターヘッド温度センサ
と排出ガスとの間のセラミック絶縁体の配置を示す図３のヒーターヘッドアセン
ブリの側断面図である。
【図６】 図６ａは図３のヒーターヘッドアセンブリの側断面図（明瞭化のために幾つか
の熱伝達ピンを模式的に示してある）であり、作動流体が本発明の実施形態のス
ターリングサイクル機関の復熱器へ駆動されるときの典型的温度勾配を示す。図
６ｂは図６ａと同様な側断面図を示し、付加的な熱伝達ピンを示してあり（但し
図示上では等尺ではない）、またガス流路カバーは図示の明瞭化のために除去し
てある。
【図７】 図７ａ乃至図７ｄは本発明の実施形態の流体とヒーターヘッドとの間の熱伝達
を与える熱伝達ピンリングの例を示す図である。
【図８】 図８は本発明の実施形態の繊維開始材料の電気めっきによる復熱器の製作を示
す図である。図８ｂは本発明のスターリングサイクル機関の復熱器チャンバの断
面図である。
【図９】 図９は本発明の実施形態のバーナー及び熱回復アセンブリの側断面図である。
【図１０】 図１０ａは本発明の好適実施形態のスターリングサイクル機関を燃料インテー
クマニホールドの側から見た断面図である。図１０ｂは図１０ａのＢＢに沿って
破断した燃料インテークマニホールドの上部から見た断面図である。図１０ｃは
図１０ａのＡＡに沿って破断した燃料インテークマニホールドの上部から見た断
面図であり、燃料ジェットノズルを示す。
【図１１】 図１１は図３のヒーターヘッドアセンブリの側断面図（明瞭化のために幾つか
の熱伝達ピンを模式的に示してある）であり、ここでは本発明の代替的実施形態
における第２燃焼領域を有する。
【図１２】 図１２ａ及び図１２ｂは本発明の代替的実施形態のバーナー及び熱回復アセン
ブリの側断面図である。
【図１３】 図１３ａ乃至図１３ｃは、ヒーターヘッドと排出流体（又は作動流体）との間
の伝熱のための折り曲げフィンの代替的形態を示す。
───────────────────────────────────────────────────── 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，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，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，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 グルスキー、トーマス・キュー アメリカ合衆国、マサチューセッツ州 01843、ローレンス、アパートメント・ナ ンバー１、サウス・ブロードウェイ 485 (72)発明者 ランジェンフェルド、クリストファー・シ ー アメリカ合衆国、ニューハンプシャー州 03063、ナシュア、ダンロギン・ロード ４ (72)発明者 ラロキュー、ライアン・キース アメリカ合衆国、マサチューセッツ州 01450、グロートン、タウンセンド・ロー ド 406 (72)発明者 ノリス、マイケル アメリカ合衆国、ニューハンプシャー州 03104、マンチェスター、ミラー・ストリ ート 95 (72)発明者 オーウェンス、キングストン アメリカ合衆国、ニューハンプシャー州 03110、ベッドフォード、エリソン・ドラ イブ 10

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 膨張シリンダ内で往復線形運動を受けるピストンを有する形式の
    熱サイクル機関であり、その膨張シリンダは円筒壁を有して作動流体を包含し、
    その作動流体は外部熱源の熱のヒーターヘッドを通じる伝導により加熱される熱
    サイクル機関において、 加熱された外部流体から前記作動流体へヒーターヘッドを横断して熱エネルギ
    を移送する熱交換器を更に備え、この熱交換器は１組の熱伝達ピンを含み、各熱
    伝達ピンは前記膨張シリンダの前記円筒壁から離れる方向へ指向された軸を有す
    ることを特徴とする熱サイクル機関。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の熱サイクル機関において、各熱伝達ピンの前記軸
    が、前記膨張シリンダの前記円筒壁に対してほぼ直交する熱サイクル機関。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の熱サイクル機関において、前記熱伝達ピンの組を
    前記熱伝達ピンの複数の補助組へ空間的に隔てる複数の仕切り構造体を更に含む
    熱サイクル機関。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の熱サイクル機関において、前記熱伝達ピンの各補
    助組の前記熱伝達ピンが、互いにほぼ平行な軸を有する熱サイクル機関。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の熱サイクル機関において、前記熱伝達ピンの組の
    補助組が、その全体に亘って熱伝達ピンを含み、各熱伝達ピンは高さ及び径によ
    り特徴付けられ、これら熱伝達ピンはヒーターヘッドから外部流体へ延出する熱
    サイクル機関。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の熱サイクル機関において、加熱された外部流体を
    、前記熱伝達ピンの組を通過する方向により特徴付けられる流路に案内するピン
    支持体を更に含む熱サイクル機関。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の熱サイクル機関において、前記ヒーターヘッドに
    直交する前記ピン支持体の径が、前記流路の方向で減少する熱サイクル機関。
  8. 【請求項８】 請求項６記載の熱サイクル機関において、前記熱伝達ピンが前記
    流路を横切る表面領域を有し、これは前記流路の方向で増大する熱サイクル機関
    。
  9. 【請求項９】 請求項６記載の熱サイクル機関において、前記熱伝達ピンが、前
    記流路の方向で増大する分布密度を有する熱サイクル機関。
  10. 【請求項１０】請求項６記載の熱サイクル機関において、前記熱伝達ピンの前記
    高さ及び密度が、前記流路の方向における距離に応じて変化する熱サイクル機関
    。
  11. 【請求項１１】 加熱された外部流体から作動流体へヒーターヘッドを横切って
    熱エネルギを移送する熱交換器を製作する方法であって、 ａ． パネル上に一体的に鋳造される複数の熱伝達ピンの少なくとも１つのア
    レイを鋳造する段階と、 ｂ． 前記熱伝達ピンのアレイを前記ヒーターヘッドに接着する接着段階とを
    含む方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載の方法において、前記接着段階が、前記パネル
    を前記ヒーターヘッドへ機械的に取り付ける段階を含む方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１１記載の方法において、前記接着段階が、前記熱伝達
    ピンのアレイの前記パネルを前記ヒーターヘッドへ蝋付けする段階を含む方法。
  14. 【請求項１４】 加熱された外部流体から作動流体へヒーターヘッドを横切って
    熱エネルギを移送する熱交換器を製作する方法であって、 ａ． 複数の穿孔リングを製作する製作段階と、 ｂ． 前記穿孔リングを前記ヒーターヘッドに接触させて積層する段階と、 ｃ． 前記穿孔リングを前記ヒーターヘッドに接着する段階とを含む方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１４記載の方法において、前記製作段階が、前記穿孔リ
    ングを金属シートから打ち出すスタンピングを含む方法。
  16. 【請求項１６】 膨張シリンダ内で往復線形運動を受けるピストンを有する形式
    の熱サイクル機関であり、その膨張シリンダは円筒壁を有して作動流体を包含し
    、その作動流体は、燃料供給器を有する外部燃焼器の排出ガスからヒーターヘッ
    ドを通じる熱の伝導により加熱される熱サイクル機関において、 ａ． 前記ヒーターヘッドの最大温度点において前記ヒーターヘッドの温度を
    測定する熱センサを更に備えることを特徴とする熱サイクル機関。
  17. 【請求項１７】 請求項１６記載の熱サイクル機関において、前記熱センサが熱
    電対である熱サイクル機関。
  18. 【請求項１８】 請求項１６記載の熱サイクル機関において、少なくとも、前記
    最大温度点における前記ヒーターヘッドの温度に基づいて、前記燃料供給器を調
    整する燃料調整器を更に備える熱サイクル機関。
  19. 【請求項１９】 膨張シリンダ内で往復線形運動を受けるピストンを有する形式
    の熱サイクル機関であり、その膨張シリンダは円筒壁を有して作動流体を包含し
    、その作動流体は、燃料供給器を有する外部燃焼器の排出ガスからヒーターヘッ
    ドを通じる熱の伝導により加熱される熱サイクル機関において、 ａ． 排出ガスの付加的な燃焼を生じさせるように付加的な燃料を供給する二
    次リングバーナーを更に備えることを特徴とする熱サイクル機関。
  20. 【請求項２０】 熱サイクル機関用復熱器であって、 ａ． 特定の容積を充填するように形成された繊維の不規則な網織と、 ｂ． 前記網織の繊維の間の近接点において前記繊維を架橋させる材料とを備
    える復熱器。
  21. 【請求項２１】 請求項２０記載の復熱器であって、前記繊維が金属である復熱
    器。
  22. 【請求項２２】 請求項２０記載の復熱器であって、前記繊維が鋼ウールである
    復熱器。
  23. 【請求項２３】 請求項２０記載の復熱器であって、前記繊維を架橋させる材料
    が、ニッケルである復熱器。
  24. 【請求項２４】 請求項２０記載の復熱器であって、前記繊維が石英ガラスであ
    り、且つ前記繊維を架橋させる材料がテトラエチローシリケイトである復熱器。
  25. 【請求項２５】 熱サイクル機関用復熱器であって、 ａ． 内側スリーブ及び外側スリーブと２つの平行な平面とにより規定された
    容積を備え、その内側及び外側スリーブはほぼ共芯であり、前記２つの平行平面
    の各々は前記内側及び外側スリーブの各々に対してほぼ直交し、前記復熱器は更
    に、 ｂ． 前記容積内に包含された繊維の不規則な網織と、 ｃ．第１及び第２のスクリーンとを備え、その各々のスクリーンは、前記内側
    及び外側スリーブの両方へ接続されると共に、前記２つの平行平面の一方に置か
    れて、前記容積内に前記繊維の不規則網織を包含させるようにする復熱器。
  26. 【請求項２６】 請求項２５記載の復熱器であって、前記繊維が鋼ウールである
    復熱器。
  27. 【請求項２７】 熱サイクル機関用復熱器を製造する方法であって、 ａ． 型枠に導電性繊維の不規則な網織を充填する段階と、 ｂ． 前記型枠を電気めっき溶液に浸漬する段階と、 ｃ． 前記繊維の間の近接点で前記導電性繊維を架橋させるように、前記溶液
    と前記繊維の不規則な網織との間に電流を通電する段階とを含む方法。
  28. 【請求項２８】 熱サイクル機関用復熱器を製造する方法であって、 ａ． 型枠に繊維の不規則な網織を充填する段階と、 ｂ． 前記繊維の間の近接点で前記繊維を架橋させるように、前記繊維の不規
    則な網織を焼結する段階とを含む方法。
  29. 【請求項２９】 熱サイクル機関用復熱器を製造する方法であって、 ａ． 網状発泡体を特定の形状に形成する段階と、 ｂ． 網状発泡体上にセラミックスラリーをデポジットする段階と、 ｃ． 前記発泡体を焼却するように前記スラリーを熱処理する段階と、 ｄ． 前記セラミックを焼結する段階とを含む方法。
  30. 【請求項３０】 外部燃焼器を有する熱サイクル機関のヒーターヘッド一部の測
    定温度を制御する方法であり、前記外部燃焼器への燃料流を調整する段階を含む
    方法。
  31. 【請求項３１】 膨張シリンダ内で往復線形運動を受けるピストンを有する形式
    の熱サイクル機関であり、その膨張シリンダは縦軸と円筒壁とを有して作動流体
    を包含し、その作動流体は、外部熱源からヒーターヘッドを通じる熱の伝導によ
    り加熱される熱サイクル機関において、 加熱された外部流体から前記作動流体へ前記ヒーターヘッドを横断して熱エネ
    ルギを移送する熱交換器を更に備え、この熱交換器は１組の折り曲げフィンを含
    み、各折り曲げフィンは前記膨張シリンダの前記軸に平行な方向にほぼ整合され
    ていることを特徴とする熱サイクル機関。
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