JP2004530829A - スターリン・エンジンの熱システムの改良 - Google Patents

Abstract

ヒーター・ヘッドを通して加熱された外部流体から作動流体に熱エネルギーを伝達するための熱交換器を備えた熱サイクル・エンジンである。熱交換器は、膨張シリンダーのシリンダー壁から離れる方向の軸を持つ熱伝達ピンの一組のセットを備えている。 熱伝達ピンの高さおよび配置の密度は、流路方向の距離に応じて変えることができ、そのピン構造はヒーター・ヘッドに接触させ、穴を明けたリングを積み重ねることによって作ることもできる。フープ強度と熱の伝達を向上させるため、ヒーター・ヘッドの内部にリブを設けている。
【選択図】図３

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリン・サイクル・ヒート・エンジンの熱的な要素、特にヒーター・ヘッドのような熱伝達面の改良に関係するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンや冷凍機を含むスターリン・サイクルを利用した機械は、長い技術的歴史を有し、オックスフォード大学出版のWalker著、Stirling Engines (1980)に詳細に記載されており、ここではこれをリファレンスとして引用している。スターリン・サイクル・エンジンの基本原理は、スターリン熱力学を機械的に実現することである。即ち、シリンダ内におけるガスの等容加熱、等温膨張(ピストンを動かすことによってある仕事がなされる行程である)、等容冷却、および等温圧縮である。
【０００３】
スターリン・サイクルを利用した機械とこれに関する改良に関連した追加的な説明は、Hargreaves著、The Phillips Stirling Engine (Elsevier, Amsterdam, 1991)、および対応する米国特許出願No. 09/115,383 (出願日1998年7月14日)とNo. 09/115,381 (出願日1998年7月14日)に記載されており、これらを引用することにより本明細書の一部を成す。
【０００４】
スターリン・サイクル・エンジンの作動原理は、図1A-1Eを参照しつつ簡単に説明してあり、これらの図で示す識別番号は同じ部品または類似の部品を識別するために使用している。スターリン・サイクル・エンジンの機械的なレイアウトに関しては多くのものが知られている。数字10を付して図示するスターリン・エンジンは単にイラストとして示したものに過ぎない。図1A-1Dに示す、ピストン12と排出ピストン14はシリンダ16の中を位相を同じくして直線運動をして動く。そしてある種の実施例においては、このシリンダは単一のシリンダであってもよい。シリンダ16内に充填されている作動流体は、ピストン12と排出ピストン14の周囲から逃げないようにシールされている。この作動流体は、その熱力学的特性に基づいて選択され、本明細書において後述するように、典型的には数気圧に加圧されたヘリウムが使用される。排出ピストン14の位置によって、作動流体は高温インターフェース面18に接触するか、または低温インターフェース面20に接触するかが決まり、このインターフェース面に対応して、作動流体に熱が供給され、または作動流体から熱が奪われることになる。作動流体に熱が供給され、または作動流体から熱が奪われることについては更に後で詳細に説明する。ピストン12の位置によって決定される作動流体の体積は、圧縮空間22に依存する。
【０００５】
図1Aに示すエンジン・サイクルのスタート時点である第一のフェーズでは、ピストン12が圧縮空間22において作動流体を圧縮する。熱が作動流体から外部環境に奪われるので、この圧縮は実質的には等温圧縮となる。圧縮フェーズ後のエンジン10の状態を図1Bに示す。エンジン・サイクルの第二のフェーズでは、排気ピストン14は低温インターフェース面20の方向へ移動し、その結果作動流体は低温インターフェース面20の領域から高温インターフェース面18の領域へ移動する。このフェーズはトランスファー・フェーズと呼ぶこともできる。トランスファー・フェーズの最後では、作動流体は等容加熱されるので、作動流体は高圧になる。圧力の上昇は、図1Cに示す圧力計24のインジケータによってシンボリックに表している。
【０００６】
エンジン・サイクルの第三のフェーズ(膨張行程)では、圧縮空間22の体積は熱をエンジン10の外部から取り込みながら増加し、それによって熱を仕事に変換する。実際問題として、熱は後で詳細に説明するヒーター・ヘッド100(図2参照)を介して流体に供給される。この膨張フェーズの最後では、圧縮空間22は図1Dに示すように冷えた流体で満たされる。エンジン・サイクルの第四のフェーズ(膨張行程)では、作動流体は排気ピストン14の動きによって逆に高温インターフェース面18の領域から低温インターフェース面20の領域へ移動する。この第二のトランスファー・フェーズの最後では、圧縮空間22と低温インターフェース面20は図1Aに示すように作動流体で満たされ、圧縮行程を繰り返す準備が整うことになる。図1Eには、スターリン・サイクルをP-V(圧力―体積)線図によって表わしてある。
【０００７】
高温インターフェース面18の領域から低温インターフェース面20の領域へ移動する際、作動流体は再生器134(図2参照)を通過することができる。再生器134は体積に対する表面積の比率の大きい材料からできたマトリックスであり、これは作動流体が高温インターフェース面18の領域から入った高温状態にあるときには、この作動流体から熱を吸収し、低温インターフェース面20の領域を通って入った場合には作動流体を加熱するよう機能する。
【０００８】
スターリン・サイクル・エンジンは実際の効率、寿命、およびコストのためにまだ現実的に応用されていない状況にあり、このことは本発明が取り扱う課題でもある。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の好適な実施例においては、熱サイクル・エンジンのヒーター・ヘッドや冷却器などに使用する熱伝達突起物を製造するための方法を提供する。ここで、熱伝達突起物は作動ガスが内在するシリンダーの壁を通して外部流体と作動ガスの間で熱を伝導するものである。この製造方法には、一つの製造工程でシリンダーの壁と熱伝達突起物を同時に鋳造する方法が含まれる。鋳造方法には、インベストメント鋳造法、砂鋳造法、あるいはダイカスト鋳造法がある。また、この製造方法には、複数の分割されたメス型モールドを製造する工程も含まれる。このモールドの各々は熱伝達突起物に対応した実質的に平行な方向を向いた一群の穴のグループである。シリンダー壁と熱伝達突起物を鋳造するためのメス型を形成するために、複数のメス型モールドは組み立てられる。
【００１０】
本発明の別の実施例では、シリンダー壁を通して外部の熱源から熱を伝導させる熱伝達ピンを製造するための方法が提供されている。この製造方法は少なくとも一つの裏板と熱伝達ピンとを一体に製造する工程を有し、熱伝達ピンは裏板に対して垂直な軸を持っている。また、この工程の後、少なくとも一つの裏板がシリンダー壁へ熱的に接触した状態で取り付けられる。一つの裏板と熱伝達ピンとを一体に製造する工程には鋳造またはインジェクション・モールドによって裏板と熱伝達ピンとを製造する工程が含まれる。裏板を取り付ける工程には、ヒーター・ヘッドへ裏板を機械的に取り付ける方法、熱伝達ピンのアレイを備えた裏板をロウ付けによってヒーター・ヘッドへ取り付ける方法、あるいはトランジェット・リキッド-フェーズ(TLP; Transient liquid-phase)・ボンディングによって熱伝達ピンのアレイを有する裏板をヒーター・ヘッドへ取り付ける方法がある。
【００１１】
本発明の更に別の発明では、内側表面を有する熱サイクル・エンジン用ヒーター・ヘッドを通した作動ガスへの熱伝達の効率を向上させるための方法が提供されている。この方法には、ヒーター・ヘッドの内側面または外側面の少なくとも一つの面へ高熱伝導金属の層を施工する方法がある。
【００１２】
また本発明の別の実施例では、実質的にシリンダー状となっている壁の部分を有する熱サイクル・ヒート・エンジン用のヒーター・ヘッドを改良する方法を提供している。一つの改良方法は、フープ強度を向上させるためにシリンダー状の壁の部分の内側に複数のリブを設けることである。本発明に関する、ヒーター・ヘッドに対する別の改良方法としては、シリンダー状の壁の中心軸に平行に伸び、壁の中に配置された複数の通路を備えたヒーター・ヘッドや、シリンダー状の壁の部分の中に実質的にヘリカル状となっているチャンネルを備えたものもある。更に別の改良方法として、ドームの強度を向させるためにドームの内側に複数のリブを設けたものもある。シリンダー状の壁部分の内側に同心円状に配置された高温スリーブから横方向に伸びた複数のフロウ・ダイバーターを設けることもできる。
【００１３】
別の観点から、本発明は加熱された外部の流体からシリンダー壁を通して熱エネルギーを伝達するために熱交換器を提供する。熱交換器は、千鳥状に配置された熱伝達突起物の1組のセットを備え、この熱伝達突起物はシリンダー壁から実質的に離れる方向の軸を有し、そして千鳥状に配置された熱伝達突起物の間を通過する流体の流れを拘束するために、シリンダー壁の長手方向に沿って配置された複数のデバイダーを有する。
【００１４】
更に別の観点から、本発明は加熱された外部の流体からシリンダー壁を通して熱エネルギーを伝達するために熱交換器を提供し、この熱交換器はシリンダー壁から実質的に離れる方向の軸を持つ熱伝達突起物の一組のセットを有すると共に、熱伝達突起物の一群のセットを通り、シリンダー壁の長手方向に沿った方向で特徴付けられる流路内に、加熱された外部流体をガイドするためのバッカーを有する。バッカーとシリンダー壁の間の隙間は外部流体の流路方向に進むに従って小さくなっていく。本発明の他の実施例では、熱伝達突起物の流路に直交する表面領域が、流路の方向に沿って大きくなっていくものもある。本発明の更に別の実施例では、流路の方向に沿って熱伝達ピンの配置密度が増加する。また、別の実施例では、熱伝達ピンの高さあるいは配置密度のうちの少なくとも一つが、流路方向の距離に応じて変化するものもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図2は、熱サイクル・エンジンの膨張空間98の断面図を示したものてあり、これは数値96を付されたスターリン・サイクル・エンジンと、これに対応する熱制御構造を説明するために示したものである。ヒーター・ヘッド100は一方がクローズド・エンド120(あるいはシリンダー・ヘッドと呼ぶ)であり、他方がオープン・エンド118となっている実質上シリンダー状をなしている。クローズド・エンド120は、内側の燃焼器構造110によって定義される燃焼室122の中に配置されている。燃焼室122内の高温燃焼ガスは、ヒーター・ヘッド100に直接接触し、熱エネルギは、伝導によって燃焼ガスからヒーター・ヘッドへ、そしてヒーター・ヘッドから熱エンジンの作動流体(典型的にはヘリウムであるが)へと伝達される。本発明においては、例えば作動流体として窒素や混合ガスを使用することができ、高い熱伝導率と低粘度の特性を有するものが好適な作動流体として使われる。更に非可燃性のガスが望ましい。燃焼ガスがガス・フロウ・チャネル113の内側にあるクローズド・エンド120の外側表面に沿って流れるときに、熱は燃焼ガスからヒーター・ヘッドへ伝達される。
【００１６】
膨張空間98は、その内側を膨張シリンダ・ライナ115によって取り囲まれている。この膨張シリンダ・ライナ115はヒーター・ヘッド100の内側に配置され、典型的にはヒーター・ヘッドによって支持されている。膨張ピストン121は、膨張シリンダ・ライナ115の内側に沿って移動する。膨張ピストンがヒーター・ヘッド100のクローズド・エンド120の方へ移動するとき、ヒーター・ヘッド内の作動流体は移動し、膨張シリンダ・ライナ115の外側表面とヒーター・ヘッド100の内側表面によって定義されるガス・フロウ・チャネルを通って流れる。
【００１７】
熱エンジンの全体としての効率は、エンジンの燃焼ガスと作動流体の間の熱伝達の効率にある程度依存している。燃焼室122内の燃焼ガスから膨張空間98内の作動流体への熱伝達の効率を考える方法として知られているものは、ヒーター・ヘッドを通過して燃焼室にまで至る複数の熱ループ(図2に示していない。図2で示した特定の実施例において特別な役割を果たす訳ではないからである。)を考える必要がある。
【００１８】
本発明の実施例では、エンジンの作動流体へ熱を伝達するために、高温の燃焼生成ガスと固体のヒーター・ヘッドの間のインターフェース表面を増加させるためにフィンやピンなどの突起を設けてることができる。ヒーター・ヘッド100には熱伝達ピン124を設けることができ、この場合の熱伝達ピンはヒーター・ヘッド100の内面に設けたものであり、ヒーター・ヘッドと膨張シリンダ・ライナ115の間の空間に設けられている。更に、図2の膨張空間98とは異なった直径の膨張空間98を有するスターリン・サイクル・エンジンの図3に示す断面図では、ヒーター・ヘッド100への伝導による熱伝達に貢献することができる大きな表面積を確保するため、ヒーター・ヘッド100の外表面上に熱伝達ピン130を設けることができる。その結果、熱は燃焼器122内を流れる燃焼ガスから熱伝達ピンを通って作動流体に伝達される。図中の点線131は、膨張シリンダの長手方向の軸を表したものである。図3はまた、本発明の他の実施例に関係したものであり、ヒーター・ヘッド100の上部の内面および外面をライニングする熱伝達ピン133を示している。内面に向いた熱伝達ピン124は、ヒーター・ヘッド100から伝導によって作動流体に熱を伝達するための大きな表面積を提供するのに役立つ。そして、この作動流体は、膨張ピストンによって膨張空間98から排気され、再生チャンバー132を通って動く。ヒーター・ヘッド100のサイズによっては、数百または数千の内側熱伝達ピン124および外側熱伝達ピン130が望ましいものとなる。
【００１９】
熱伝達ピン124と130を有するヒーター・ヘッド100を製造するひとつの方法として、ヒーター・ヘッドとピン(あるいはこの他の突起物)とを一体構造として鋳造する方法がある。ヒーター・ヘッドとピンとを一体構造として製造する鋳造方法には、例えば、インベストメント鋳造法、砂鋳造法、およびダイカスト鋳造法がある。
【００２０】
ピン状フィンを使用することによって、物体表面と流体との間の熱伝達を改善できることは知られているとしても、1つの製造工程でヒーター・ヘッドとその熱交換表面を鋳造することは、ヒーター・ヘッドを製造するに当たって、コスト上最も効果的なものの一つであるにもかかわらず、スターリン・エンジンのシリンダのヒーター・ヘッド表面に半径方向のピン状フィンを設ける一体型の鋳造は、現状技術で実用化されていないし、示唆もされていない。半径方向のピン状フィンを設ける一体型の鋳造において遭遇する困難な問題については後で更に説明する。シリンダ壁の一部として鋳造するピン状フィンによって、スターリン・エンジン用の高効率のヒーター・ヘッドおよび／あるいは冷却器を低価格で製造することが可能となった。
【００２１】
鋳造は、必要とする部品のメス型を使用して製造される。生産用として鋳造(砂、インベストメント、およびインジェクション)に使用するいずれの型であっても、まず表面部分と細部を形成した成形体をつくり、モールドの中へその成形体を入れ込む。必要なオス型あるいはメス型が後に残るように入れ込んだ成形体からモールドを取り外すことが必要である。入れ込んだ成形体からモールドを取り外すためには、すべての成形体の突起した表面が少なくとも平行であることが必要となる。実際の設計上の問題として、きれいに取り外すことができるように、これらの突起した表面上にはわずかなテーパーが必要になる。シリンダの内側または外側に半径方向のピンを形成するためには、違った方向へ離型することができる数十、数百の部品からなるモールドが必要になる。そのようなモールドは極めて高価なものとなる。
【００２２】
本発明によれば、砂、インベストメント、あるいは金属インジェクション鋳造法を使用することによって、スターリン機関の熱交換器の内側表面および外側表面上にピンやフィンを設けることができる。図4A-4Dの中から最初に図4Aを参照すると、互いに平行なピン2002が、ヒーター・ヘッド100のシリンダ壁2010の周りに設けられた数個のピンのグループ2008内に配列されている。図4Bには中心軸と平行な断面が、そして図4Cには中心軸と垂直な断面が示されている。ここで説明する技術は、他のどのような熱交換器であっても、有効に適用することができるということに注目しておく必要がある。ピンのグループ2008内のピン2002は互いに平行である。そして、そのグループ内の中央に位置するピン2002のみ真に半径方向を向いている。図4Cにおいて2004の番号で指定されるグループの外側に位置するピンは、その位置での半径方向よりも内側に角度をもって傾いている。そして、そうすることによってグループの中心に引いた半径方向の線2012に対して実質的に平行になっている。更に、グループの外側のピンを、グループの中心に近いピンよりも少しだけ長くすることが望ましい。しかし図4A-4Cに示したような、平行なピン群となる5個のグループ2008によって、シリンダ2010の周囲に略半径方向のピン状フィンが形成される実施例においては、グループの中央からグループの外側にかけて熱伝達はわずかに変化する。本発明の好適な実施例である鋳造プロセスでは、平行なフィンの各グループのオスまたはメスのモールドは一体に形成される。その後砂鋳造用としてメス型を形成するために数個のモールド片が組み付けられる。インベストメント・モールド鋳造では、ワックスでできた互いに分離した数個の部品として、オス型がインジェクション・モールドによって形成され、これらは個々に別の方向で取り出すことができるものである。このようにして得られるモールドは、許容できる範囲のコストで成形でき、これによりピン状フィンを設けたヒーター・ヘッドが実際に、経済的に生産することができる。シリンダ壁面の内側および外側に伸びるピンのような突起物を有するヒーター・ヘッドを鋳造することは、本発明の実施例に従えば、砂鋳造法、ダイカスト鋳造法、インベストメント鋳造法、あるいはロスト・ワックス鋳造法によって実現することができる。本発明によれば、外側あるいは内側の突起物、またはそれらの両方を備えたヒーター・ヘッドの部分を一体として鋳造することができる。
【００２３】
機械加工やピン・アレイを組み立てる方法をとるよりも、より安くすることができるが、ピン・アレイを鋳造することには、なお困難さとかなりのコストが伴うことになる。更に、ヒーター・ヘッドのピンが十分に密集していない状態で鋳造プロセスが行われると、ガスがヒーター・へッドの表面に接触しないで通過する割合が高くなり、熱伝達率が低下する。本発明の他の実施例によれば、ヒーター・ヘッド100の表面に熱伝達ピンを設ける別の方法として、ヒーター・ヘッド100と熱伝達ピン・アレイとを別の製造プロセスにより製造する方法がある。熱伝達ピン152のアレイ150は、パネル154と一緒に鋳造するかまたはインジェクション・モールドによって成形することができ、図4Dに示すような裏板を有する一体型のパネル構造をつくることができる。鋳造またはモールディングした後のピン・アレイ150は、高温ロウ付けによって、ヒーター・ヘッドの内面または外面に取り付けられる。したがって、ガスがピンの間を接触しないで通過する比率を小さくできる、ピンがより密集したヘッドを実現することができる。この他の実施例として、パネル154は種々の機械的な方法によりヒーター・ヘッドに固定することができる。
【００２４】
例えば、宇宙航空構造金属ハンドブック(Aerospace Structural Metals Handbook Code 4218, p.6 (1999))に記載されたトランジェット・リキッド-フェーズ(TLP; Transient liquid-phase)・ボンディングは、パネルをヒーター・ヘッドへロウ付けする方法に比べて特に有利なものとなる。これは、ひーたー・ヘッドの製造に一般に使用されている材料であるニッケルベースのスーパーアロイは、従来のプロセスで溶接することは困難であり、高い応力レベルおよび高い温度環境で使用されるものであるからである。この応用分野におけるTLPボンディングの利点は、TLPによって固定された部品は、母材を使うことによって効果的に溶接することができ、一体型鋳造部品とほとんど同じ引張り強度特性を持つことである。TLP接合は温度が上昇しても再溶融しないが、一般的なロウ付けの場合、ロウ付け温度にあげると再溶融してしまう。ヒーター・ヘッドのように、温度の変動が生ずるかも知れない高温での連続運転において特に重要になる。
【００２５】
ピンの付いたパネル154を、他の手段によってヒーター・ヘッドや冷却器のいずれかの内面または外面に取り付けることがもできる。一つの実施例では、パネルの側方のエッジをスロットの中に入れ機械的に取り付けることもできる。このスロットは後述するデバイダー506によって形成される。また別の実施例では、パネルはロウ付けによってヒーター・ヘッドまたは冷却器に取り付けられる。更に別の実施例では、ヒーター・ヘッドまたは冷却器のシリンダ壁面に、パネルは焼結法（sintering）によって取り付けられる。
【００２６】
図4C, 5A, および5Bに示すように、デバイダー506はピン状フィン・パネルの熱伝達の効率を向上させることに寄与する。更に、デバイダーは温度センサーを配置するための場所を提供することにもなる。また、デバイダーはピンの付いたパネルをヒーター・ヘッドに取り付けるために都合のよい構造とすることができ、更に別の実施例では、デバイダー部分を鋳造の際の分離面とすることもできる。
【００２７】
デバイダー506は、以下に説明するような理由によってピン状フィン・アレイの熱的な効率を向上させるのに役立つ。再び図4Aを参照すると、千鳥状に配置したピン状フィンの間を流れる流体に対する熱伝達の効率は、一直線状に配置したピン状フィンの間を流れる場合よりもかなり高い。千鳥状に配置したピン・アレイ2008の間を流れる流体は、シリンダの長手方向に沿った軸方向経路に対して45度の角度で移動する。これは数値2014を付した斜めの方向である。熱伝達を向上させるために、本発明の好適な実施例においては、数値2012を付した経路に沿って千鳥状に配置したピン状フィンの間を通って流体を強制的に流すためにデバイダー506が設けられている。軸方向に流体を強制的に流すことに加えて、デバイダーは上述した鋳造部品を取り付けるために都合の良いインターフェースと取り付け面を提供するものである。
【００２８】
本発明のある実施例では、パネル部分154を有する個々のアレイ150は、ヒーター・ヘッド周りの円周上の曲率に相当するカーブを有している。このことは、図5Aの斜視図に示すヒーター・ヘッド組み立てを上方から見れば明らかである。ヒーター・ヘッドの外表面として、シリンダ・ヘッド120が示されている。熱伝達ピン・アレイを備えたパネル部分のセグメントは、図示されていないが、組み立てる際にヒーター・ヘッドの外表面502を取り巻く空間504の中に挿入される。連続する熱伝達ピン・アレイのセグメント間には台形状のデバイダー506があり、これは排出ガスが熱伝達ピンの間を通って下方へ流れるようにブロックする隔壁となるものである。
【００２９】
一つの実施例では、フロウ・デバイダー506には、組み立て中、ロウ付け前にパネル・セグメント154を機械的に保持するための構造、またはヒーター・ヘッド502に対してパネル154を単に保持するために必要な構造が設けられている。エンジン出力を最大にするために、金属学的なクリープや引っ張り強度、応力、そして適切な安全係数を考慮して、ヒーター・ヘッドの高温部分は、許容される最大温度に維持することが好ましい。ヒーター・ヘッドの高温部分を最大温度に維持するためには、そのヒーター・ヘッドの高温部分の温度を計測することが必要になる。デバイダーは、ピン状アレイに沿った軸方向の任意の位置のヒーター・ヘッド上に温度センサーを配置し、その配線を行うのに都合の良い場所を提供する。高温ガスの流路113（図2参照）はヒーター・ヘッドの外側に設けたガス流路チャンネルのカバー140によって定義される。排気ガスはデバイダー506を通過して流れることはないので、サーモカップル(図2および図5Cに示す)のような温度センサーは、ヒーター・ヘッド100に熱的に接触させてその温度をモニターするためにデバイダー506の中に配置される。ピン・アレイ150の位置とデバイダー506内に取り付けられた温度センサ138は、ピン・バッカー(ガス流路チャンネルのカバー)を取り除いた状態で図5Bに、より明確に示してある。温度センサ・デバイス138は図5Bに示すように、好ましくはデバイダーの内部に配置される。特に、温度センサー138の温度検出のためのチップ139は、デバイタのスロット内にシリンダー・ヘッド120にできるだけ近い位置に配置するのが望ましい。この領域がシリンダー・ヘッドの中で最も温度の高い部分だからである。更に、温度センサー138はシリンダー・ヘッド120に直接取り付けてもよいが、スロット内のセンサーの位置は、前述したような位置が望ましい。出力と効率の両方に関係するエンジン性能は、より高い温度であるほうが高くなり、この最大温度は一般的には金属学的特性によって制限される。したがってセンサー138は最も高温の部分の温度、すなわちヒーター・ヘッドの部分の中で最大となる部分の温度を計測すべきである。更に、温度センサー138は燃焼ガスおよびデバイダー506の壁から断熱する必要がある。一つの実施例では、図5Cに示すように温度センサーと燃焼ガスおよびデバイダーの壁との間は、セラミック・インシュレーション142によって断熱されている。セラミックは温度センサーを内部に保持するようにデバイダーの壁との間で接着結合することができる。更に温度センサー138の電気リード線144は、電気的に絶縁する必要がある。エンジンの出力はヒーター・ヘッドの熱効率とその他の種々のファクターから定まる。この熱効率はピン状フィンのフィン効率に依存している。非常に高い運転温度において、高いクリープ強度と耐酸化性が要求されるため、高ニッケル合金を使用することが望ましい。内側フィンの効率は、ニッケルまたは銅のような高い熱伝導率を有する金属の層を適用することによって向上させることができる。この層の厚さは0.001インチより厚く、好適には約0.005インチであり、ヒーター・ヘッド120の内側表面に蒸着またはメッキ、あるいはその他の方法によって形成される。本発明の他の実施例では、上述した内側フィンに代えて、類似のコーティングを外側表面に形成することもできる。スターリン・サイクル・エンジンのサイズを小さく維持するために、ヒーター・ヘッドを通って燃焼ガスから入ってくる熱流束を、望ましくは最大化することである。図6Aを参照すると、スターリン・エンジンのヒーター・ヘッドへの熱伝達、すなわちスターリン・エンジンの出力は、上述したようにヒーター・ヘッドの最大温度によって限定される。出力を最大化するために、ヒーター・ヘッドは高ニッケル合金、一般的にはスーパー・アロイとして知られているインコネル600(軟化点最大温度T_max=800℃、インコネル625ではT_max=900℃、インコネル745ではT_max=1080℃)、あるいはハステロイGMR235(T_max=935℃)で作ることが望ましい。シリンダー壁面2010の上方に配置された熱交換面を有するヒーター・ヘッド・ドーム2216は、熱交換器2218の上部2200の温度によって制限を受ける。ここでは火炎2220の温度によって支配されるので、ガス温度は最も高く(一般的には1500℃以上)、ヒーター・ヘッドの外側面においては高温の燃焼ガスからの熱伝達率、内側面においては作動流体からの冷却にも支配される。熱交換器の上部2200からの距離の関数として、図6Bに示した表した熱伝達率は、バーナー出力と空気流の関数となっている。燃焼ガスとヒーター・ヘッドの間の熱伝達が燃焼ガスの温度が最も高い位置で低くなると、バーナー出力すなわちエンジン出力は増加する。
【００３０】
熱交換器の表面領域の上部2200が非常に高温になり過ぎると、熱交換器2218の下部2210での熱伝達される量は非常に小さくなる。熱交換器の上部からの距離の関数として表した図6Dの線図に示すように、ガスがヒーター・ヘッドに熱エネルギーを放出すると、急速に冷却される。その結果、ガスが熱交換器を出るまでにガス温度2202はヒーター・ヘッドの温度2214に近づき、熱伝達率2206はゼロに近づく。
【００３１】
最も効率の良い熱交換器は、その全領域において高い熱交換を有するものである。このことは、与えられた最大のヒーター・ヘッド温度においてヘッドに伝達される熱の量を最大化することである。問題は、ガス温度2204が急激に低下する一方、熱交換器の上部からの距離の関数として表した図6Cにプロットするように、熱伝達係数2204はかなり一定値に近くなっている。
【００３２】
本発明の好適な実施例によれば、この問題を解決するために、ガスが冷却されたときに、燃焼ガスの温度変化を補償するために熱伝達係数を変えることである。すなわち、図6Gにプロットするように、熱伝達係数2304を好ましくは、ヒーター・ヘッドの熱交換器の上部で低くし、下部で最大となるように増加させることである。このことは以下に説明するように、本発明に包含されるいくつかの方法によって実現することができる。
【００３３】
図6Eを参照すると、第一の実施例ではピン状フィン2320あるいはその他の熱伝達面は、熱交換器2318の上部2300から下部2310にかけて一定になっている。ピン・バッカー2316がヒーター・ヘッドの熱交換器の外側に形成されており、これによって燃焼ガスの一部が熱交換器の上部2300をバイパスするようになっている。このようにすることにより、熱交換器2318の全長にわたって冷却されていない燃焼ガスが徐々に熱交換機の中に入り込むようになる。燃焼ガスの一部を熱交換器の上部2300をバイパスさせ、ピン状フィンの間を流れている燃焼ガスの流れに徐々に加えていくことにより、少なくとも2つの理由によって、図6Fにプロットするようにヘッドに対する熱伝達率を平均化することができる。第一の理由は、熱交換器の下流域には、より多くのガスが強制供給されるので、下部側2310に向かって流速が増加し、更に図6Gにプロットするように熱伝達係数2304が増加することである。第二の理由は、フレッシュな高温ガスが熱交換器に連続的に供給され、その結果図6Hにプロットするように燃焼ガス温度2302は、ヘッド温度2314に対して相対的に高い平均温度に維持されることである。
【００３４】
この他の実施例として、ピン・バッカー板の内径が一定であり、ピン状フィンの幾何学的形状を、熱交換器の長手方向に沿って変化させることもできる。熱交換器の上部において低く、下部において最大となるよう熱伝達係数を変化させることができる。このことはいろいろな方法によって実現することができる。一つの実施例は、一定寸法のピンの密度を熱交換器の上部において低くし、下部において最大となるように増加させることである。また別の実施例では、ピンの高さを熱交換器の上部から下部にかけて増加させていくことである。更に別の実施例では、上部から下部にかけてピンの間隔を小さくしていくこともできる。理想的なピンの高さ、直径、および間隔は特定の応用例によって定まるものである。この発明が示唆することは、ヒーター・ヘッドに沿って熱伝達率をより一定化させるために、燃焼ガス温度が低下していくのを補償する必要があり、ヒーター・ヘッドの熱交換器の上部から下部にかけて熱伝達係数を増加させることによりこれを実現することができるということである。
【００３５】
上述したような種々の断面形状を持ったガス流路チャンネル113を、機械的に実現したものを更に図6Iに示す。図6Iの断面図は、テーパーのついたピン・バッカー146が高温の排気ガスの一部をヒーター・ヘッドの上部近傍のピンをバイパスさせている状態を示している。ピン・バッカー146はピンの外周部分に狭くなっていく円環状の隙間を作り出し、これによって排気ガスが熱交換器のピンの間に強制的に徐々に入っていくことになる。ヒーター・ヘッドの上部から高温部分の下部(図2に示す再生器の空間132の手前の部分)までの温度の差は、種々の断面を持ったガス流路チャンネルを使用することにより、350℃から100℃にまで低減されている。
【００３６】
ヒーター・ヘッド100のような固体部分と燃焼ガスのような流体との間のインターフェース表面を大きくする別の実施例について、図7A-7Dを参照しながら説明する。鋳造またはその他の方法によって製造された熱伝達ピンと類似する効果を、薄い円環リング162にパンチング穴160を設けることによって得ることができる。この円環リング162の平面図を図7Aに、側面図を図7Bに示す。リング162(これを熱伝達ピン・リングと呼ぶ)の厚さは、上述した熱伝達ピンの厚さに相当するものであり、穴の内部を通過する燃焼ガスによって加熱された高温状態での、その熱伝導材料の強度によって決定されるものである。各リング内における穴160の形状および配置は、特定の応用例に合わせて設計すべき事項である。この方法は本発明の範囲に含まれ、添付する特許請求の範囲には固体材料によって周囲を取り囲まれていない穴160も含まれている。リング162の材料としてはインコネル625やハステロイGMR235のような耐酸化性の金属が好ましが、この他の熱伝導材料を使用することもできる。リング162は金属の打ち抜きにより低価格で作ることができる。リング162はその後ヒーター・ヘッド100の外側表面にロウ付けされ、あるいは他の方法で結合される。外側ピン・リング164を図7Cに示し、内側ピン・リング166を図7Dに示す。ピン・リングの間の垂直方向スペースをコントロールするためにピン・リングの間に追加のリングを所々に配置しても良い。図7Dの内側ピン・リング166の内側に膨張シリンダー・ライナーが描かれている。
【００３７】
熱サイクル・エンジンの冷却器の内部および外部の両方に適用することができるのと同様、ヒーター・ヘッドの場合にもその内部に熱伝達リング162を適用すことができる。この場合には、リングは高い耐酸化性を有している必要はない。冷却器に使用するリングは、アルミニュウム、銅、亜鉛等を含む種々の高熱伝導性の材料の内の一つから作ることが望ましく、ヒーター・ヘッドの内部には、銅やニッケルを含む材料を使うのが望ましい。シリンダー軸168に垂直な面でスライスした熱伝達ピンの断面積の合計は、一定である必要はなく、逆に図6に関連して前に詳細に説明したように、変化させたほうが有利になる。
【００３８】
ヒーター・ヘッドの壁面は、運転中の温度において、作動ガスの圧力に耐えれるだけの十分な強度を有していなければならない。スターリン・サイクル・エンジンは、できるだけ高い作動ガス圧力下で運転することが望ましく、したがって、ヒーター・ヘッドを高圧に耐えるようにすることは非常に有利になる。ヒーター・ヘッドを設計する際、与えられた運転温度において圧力を上げると、一般的にはヒーター・ヘッドの板厚を直接比例させて厚くしなければならないということを考えなければならない。一方、ヒーター・ヘッド壁を厚くすることにより、外部の熱源と作動ガスとの間の熱伝導経路が長くなる。
【００３９】
更に、熱伝導は熱交換器の表面面積に比例して増加するので、熱効率はヒーター・ヘッドの直径の増加に伴って向上する。しかし、与えられた温度および内部のガス圧において、壁内の発生応力はヒーター・ヘッドの直径に比例し、壁の板厚もこれに直接比例させて厚くする必要がある。
【００４０】
典型的なスターリン・エンジンのヒーター・ヘッド温度において、強度を検討することは重要である。実際、前にも述べたように温度と共に効率は向上するので、最大運転温度で運転する必要がある。材料のクリープ強度と極限引張強度は、ある温度になると急激に低下する。図8Aには、ニッケル合金の代表的な特性を示したものであり、GMR235ニッケル合金の0.2%耐力と極限引張強度を示してある。同様に図8Bによれば、GMR235合金が1時間あたり0.01%のクリープを生じることとなるクリープ速度強度は1500°Fから1700°Fまで上昇することにより40ksiから半分にまで低下することが分かる。
【００４１】
本発明の好適な実施例では、図9の断面図中に示すように、ヒーター・ヘッド100を構造的に補強支持する内部リブ(あるいはフープ)200を設けている。リブ200はボア内径202によって特徴づけられている。ヒーター・ヘッド100のクリープ強度と破壊強度はヒーター・ヘッドの有効板厚204と、ボア内径202によって主に決定される。ヒーター・ヘッドを通過する熱伝導は、間に介在するヘッドのセグメント206が薄く、これによって熱伝導が高められるので、板厚204によっては影響を受けない。リブ200はヘッド100の外側壁のフープ応力を低減させるばかりでなく、ヒーター・ヘッドの内部に追加的な表面を提供することにもなり、作動流体への熱伝達を向上させる。
【００４２】
ヒーター・ヘッドの内部にリブ200を設けることによって生じる更に別の利点は、より高い作動温度で運転することができるようになることの他に、与えられた熱伝達率に対して、ヘッドの壁208における温度の傾きを小さくすることである。さらに、外壁に生じる応力を低減することにより、ニッケルベースのスーパーアロイ以外の材料も使うことができるようになり、コストを低減することができると共に優れた熱伝導性を提供することができる。
【００４３】
リブ200を有するヒーター・ヘッド100の断面図を図10にも示す。破線210は膨張シリンダの長手方向の軸心を示す。本発明の実施例によれば、膨張シリンダの高温スリーブ212は、作動ガスの流れの方向を変えるために、横方向の流れを生じさせるダイバーター214を有する。これにより作動ガスへの熱伝達を向上させるために設けた円環状リブ200の周りの流れ216が生じる。熱伝達は主にヒーター・ヘッドの外壁208の薄い板厚tによって決定されるのに対して、リブ200の幅hはヒーター・ヘッド100のフープ強度に寄与する。典型的なスターリン・エンジンにおける応用例では、ヒーター・ヘッドの外側では1800°Fまで温度が上がるのに対して、構造的な強度を上げるために使用されるリブ200は、典型的には1300°Fを越えるような高温にはならない。
【００４４】
図9に関連して前にも述たように、フープ強度を向上させることと同時に、熱伝導を向上させるという考え方は、その他のいくつかの実施例においても利用されている。図11Aと図11Bにはヒーター・ヘッド230の断面図が示されており、その中には、チューブ状の開口部232がヒーター・ヘッドの壁208に平行に通っている。線分AAによって切り取った断面図が図11Bに示されており、これによればチューブ232は作動ガスを下方へ通過させ、ヒーター・ヘッドの外部から作動ガスへの熱伝達を向上させるのに役立つ。更に、同じ熱伝達率を持たせた上で、壁208を厚くすることができるため、追加的な強度を付与することができる。厚い壁の通路232より内側の部分210は、この方法以外の方法による場合よりも温度が低いため、更に強度が向上する。ヒーター・ヘッド230は好ましくは、丸またはその他の断面形状を持つチューブ状の通路を備え、鋳造により製造される。
【００４５】
図12Aは本発明の更に別の実施例によるヒーター・ヘッド240を示したものであり、ここではチューブ状の開口部232がヒーター・ヘッドの壁208に並行に通るようになっており、このチューブはヒーター・ヘッドの壁208の薄い部分242にまで伸びた空間によって遮断されている。線分AAにおいて切り取った断面図を図12Bに示す。この図から判るようにチューブ232は作動流体を壁の下方へ通過させる。この方式によれば、図11Aや11Bに示すストレートに設計されたチューブによる方式よりも、ヒーター・ヘッドの外部から作動ガスへの熱伝達を向上させることができる。更に、開口部244は、鋳造工程において細長い穴を形成するために使用されるセラミックを除去するにも都合が良い。穴にアクセスする領域が増えると、製造工程途中においてコアの部分を化学的に溶解して除去するのが早くなる。
【００４６】
図13Bには、更に別のヒーター・ヘッドを示す。これは、リブ252がヒーター・ヘッドの壁内に螺旋状に配置されており、これによって円周方向および軸方向の2方向に対する剛性を向上させた壁を提供することができる。作動ガスは、再生器に至る途中、膨張ピストンとヒーター・ヘッドの間のスパイラル部254の経路を通って流れる。図13Bは、図13Aの線分AAで切り取った横断面を示したものである。これもまた、剛性と熱伝達の観点からの優位性を引き出すためにライナーあるいはスパイラル部254を使用するという考え方を採用したものであり、本発明の範囲に含まれるものである。
【００４７】
図13Aおよび図13Bに示すヒーター・ヘッド250は、鋳造によって製作することが望ましい。鋳造によって製作されたコア・アッセンブリ260の側面図を図14Aに示す。これは、ヒーター・ヘッドのドーム部分を内部から支持するためのリブを有し、ドーム部分における熱交換を向上させる機能を更に提供するものであり、これによってドームの内表面が冷却される。ドーム部のコア構造を上方から見た図が図14Bに示されている。更にコア・アッセンブリの斜視図を図15に示す。
【００４８】
本発明について説明してきたが、ここで述べた装置や方法は、スターリン・エンジン以外のものにも応用することができる。また本発明として説明してきた実施例は、単に代表的なものを示すことを意図したものであり、本技術分野に精通した者であれば多数の変形や修正が可能である。このような変形や修正は、本明細書に添付した特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
本発明は、この明細書に添付する図面に関して行う以下の説明によって、より理解し易くなるものと思われる。
【図１】図1Aは、従来技術であるスターリン・サイクル・エンジンの動作原理を示したものである。図1Bも同様に従来技術であるスターリン・サイクル・エンジンの動作原理を示したものである。図1Cも同様に従来技術であるスターリン・サイクル・エンジンの動作原理を示したものである。図1Dも同様に従来技術であるスターリン・サイクル・エンジンの動作原理を示したものである。図1Eも同様に従来技術であるスターリン・サイクル・エンジンの動作原理を示したものである。
【図２】図２は、本発明の好適な実施例に係る熱エンジンのヒーター・ヘッドと燃焼室の側方断面図を示したものである。
【図３】図3は、本発明の他の実施例に係る図であって、内側と外側に面した熱ピンが明確に見えるような方向に沿った断面を示したものであり、図2に示すヒーター・ヘッドと燃焼室とは別のものである。ここには、ヒーター・ヘッドの上部の内外部表面にライニングした熱伝達ピンを含めて示してある。
【図４】図4Aは、本発明の実施例に係るものであり、シリンダー状ヒーター・ヘッドの中心軸に向かって見た場合の並行なピンのグループを示したものである。図4Bは、図4Aに示すヒーター・ヘッド・シリンダーの中心軸に並行に切り取った断面を示したものである。図4Cは、図4Aに示すヒーター・ヘッド・シリンダーの中心軸に垂直方向に切り取った断面を示したものである。図4Dは、本発明の実施例に係るものであり、ヒーター・ヘッドを組み立てるために、分割して鋳造した熱伝達ピン・アレイの斜視図を示したものである。
【図５】図5Aは、図4に示すような熱伝達ピン・アレイの鋳造されたセグメントを取り付けるためのヒーター・ヘッドを上方からの斜視図で示したものである。図5Bは、熱伝達ピン・アレイの鋳造されたセグメントを取り付けたヒーター・ヘッドを上方からの斜視図として示したものであり、熱伝達ピンを示すためにピン・バッカーを取り除いてある。図5Cは、本発明の実施例に係るものであり、ヒーター・ヘッドの温度センサーと排気ガスとの間を断熱するセラミックを配置した状態を示すものであり、図3のヒーター・ヘッド組立の側方断面図を示したものである。
【図６Ａ】図6Ａは、ヒーター・ヘッド・シリンダーの壁に平行なピン・バッカーと共に、外側の熱伝達ピン状フィンを備えたヒーター・ヘッド組立の側方断面図を示したものである。
【図６Ｂ】図6Bは、図6Ａに示す熱交換器の上部からの距離の関数として熱伝達率をプロットしたものである。
【図６Ｃ】図6Cは、図6Ａに示す熱交換器の上部からの距離の関数として熱伝達係数をプロットしたものである。
【図６Ｄ】図6Dは、図6Ａに示す熱交換器の上部からの距離の関数としてガス温度をプロットしたものである。
【図６Ｅ】図6Eは、ヒーター・ヘッド・シリンダーの壁に対してテーパーを有するピン・バッカーと共に、外側の熱伝達ピン状フィンを備えたヒーター・ヘッド組立の側方断面図を示したものである。
【図６Ｆ】図6Fは、図6Eに示す熱交換器の上部からの距離の関数として熱伝達率をプロットしたものである。
【図６Ｇ】図6Gは、図6Eに示す熱交換器の上部からの距離の関数として熱伝達係数をプロットしたものである。
【図６Ｈ】図6Hは、図6Eに示す熱交換器の上部からの距離の関数としてガス温度をプロットしたものである。
【図６Ｉ】図6Iは、本発明の実施例に係るものであり、図3に示すヒーター・ヘッド組立の側方断面図を示したものである（明確にするために熱伝達ピンのいくつかを図示してある）。そしてこの図にはスターリン・サイクル・エンジンの再生器内へ作動流体が導入された場合の典型的な温度の傾きを示してある。
【図７】図7Aは、本発明に係るものであり、流体とヒーター・ヘッドの間の熱伝達のために使用する熱伝達ピン・リングを応用したものを示している。図7Bも、流体とヒーター・ヘッドの間の熱伝達のために使用する熱伝達ピン・リングを応用したものを示している。図7Cも、流体とヒーター・ヘッドの間の熱伝達のために使用する熱伝達ピン・リングを応用したものを示している。図7Dも、流体とヒーター・ヘッドの間の熱伝達のために使用する熱伝達ピン・リングを応用したものを示している。
【図８】図8Aは、典型的なニッケル合金の温度の関数として表した強度線図(左側縦軸)と、伸び線図(右側縦軸)を示したものである。図8Bは、温度1500°Fから1700°Fの間における3水準における典型的なニッケル合金のクリープ速度と応力の関係を示したものである。
【図９】図9は、本発明の実施例に係るものであり、内部にリブを設けたヒーター・ヘッドの断面図を示したものである。
【図１０】図10は、本発明の実施例に係るものであり、図9で示したような、内部にリブを設けたヒーター・ヘッドの部分断面図を示したものであり、フロウ・ダイバーターを有する膨張シリンダーの高温スリーブを併せて示したものである。
【図１１】図11Aは、本発明の別の実施例に係るものであり、外壁に平行で途中で中断されないチューブを有する熱サイクル・エンジン用のヒーター・ヘッドの断面図を示したものである。図11Bも、外壁に平行で途中で中断されないチューブを有する熱サイクル・エンジン用のヒーター・ヘッドの断面図を示したものである。
【図１２】図12Aは、本発明の別の実施例に係るものであり、外壁に平行で途中で中断されるチューブを有する熱サイクル・エンジン用のヒーター・ヘッドの断面図を示したものである。図12Bも、外壁に平行で途中で中断されるチューブを有する熱サイクル・エンジン用のヒーター・ヘッドの断面図を示したものである。
【図１３】図13Aは、本発明の更に別の実施例に係るものであり、外壁の内側に沿ってヘリカル状のフィンを備えた熱サイクル・エンジン用のヒーター・ヘッドの断面図を示したものである。図13Bも、外壁の内側に沿ってヘリカル状のフィンを備えた熱サイクル・エンジン用のヒーター・ヘッドの断面図を示したものである。
【図１４】図14Aは、本発明の更に別の実施例に係るものであり、リブを設けたドームと壁の内外面に沿ってヘリカル状のフィンを備えた熱エンジン用のヒーター・ヘッドを鋳造するためのコア組立の側面図である。図14Bは、同じく本発明の更に別の実施例に係るものであり、ヒーター・ヘッドを鋳造するための図14Aで示したコア組立の軸心に垂直な断面を示したものである。
【図１５】図15は、同じく本発明の更に別の実施例に係るものであり、図14Aで示したコア組立の斜視図を示したものである。これはドームにリブを設け、壁の内外面に沿ってヘリカル状のフィンを備えた熱エンジン用のヒーター・ヘッドを鋳造する際に使用する組立である。

Claims (27)

1. シリンダー壁外部の流体とシリンダ壁内部の作動ガスの間にあるシリンダー壁を通して熱を伝導するための熱伝達用突起物を製造する方法において、当該方法がシリンダー壁と熱伝達用突起物とを1つの製造工程で製造する鋳造方法からなることを特徴とする製造方法。
2. 請求項1に記載の方法において、シリンダー壁および熱伝達用突起物を鋳造するステップが、インベストメント鋳造法、砂鋳造法、およびダイカスト鋳造法の内の少なくとも一つを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項1に記載の方法において、
   a.複数のメス型用モールドを作る工程であって、当該各モールドが実質的に平行な方向を向いた穴のグループである工程と、
   b.シリンダー壁と熱伝達用突起部を鋳造するためのメス型を形成するために当該複数のメス型用モールドを組み立てる工程と、
   を更に備えることを特徴とする方法。
4. 請求項1に記載の方法において、インベストメント鋳造法のための一つのオス型を作る工程を更に備え、当該型が実質的に平行な方向を向いた複数の熱伝達用突起部のグループを有することを特徴とする方法。
5. 請求項1に記載の方法において、
   a. ダイカストまたはメタル・インジェクションによってメス型用モールドを製造する工程であって、メス型用モールドが複数の部分から成り、当該部分の少なくとも一つが実質的に平行な方向を向いた熱伝達用突起部のグループからなるメス用モールドである工程と、
   b. 鋳造した部品を分割するために当該複数の部分を引き離す工程と、
   を更に備えることを特徴とする方法。
6. 請求項1に記載の方法において、実質的に平行な方向を向いた熱伝達用突起部のグループの長手方向の間に、分割構造を挿入する工程を更に備えることを特徴とする方法。
7. シリンダー壁外部の流体とシリンダ壁内部の作動ガスの間にあるシリンダー壁を通して熱を伝導するための熱伝達用突起物を製造する方法において、
   a. シリンダー壁のセグメントと、シリンダー軸に垂直な軸を有し、実質的に平行な方向を向いた熱伝達用突起部のグループとを有する少なくとも一つの裏板を一体的に製造する工程と、
   b. シリンダー壁の構造へ熱的に接触させて、少なくとも一つの裏板を結合する工程と、
   を備えることを特徴とする方法。
8. 請求項7に記載の方法において、前期裏板を一体的に製造する工程には、裏板を鋳造で製造する工程が含まれることを特徴とする方法。
9. 請求項7に記載の方法において、前期裏板を一体的に製造する工程には、裏板をインジェクション・モールドで製造する工程が含まれることを特徴とする方法。
10. 請求項7に記載の方法において、前期結合する工程には前期裏板をヒーター・ヘッドに機械的に結合することが含まれることを特徴とする方法。
11. 請求項7に記載の方法において、前期結合する工程には熱伝達ピン・アレイの板をヒーター・ヘッドにロウ付け結合することが含まれることを特徴とする方法。
12. 請求項7に記載の方法において、前期結合する工程には熱伝達ピン・アレイの板をヒーター・ヘッドにトランジェット・リキッド-フェーズ・ボンディングにより結合することが含まれることを特徴とする方法。
13. 請求項7に記載の方法において、実質的に平行な方向を向いた熱伝達用突起部のグループの長手方向の間に、分割構造を挿入する工程を更に備えることを特徴とする方法。
14. 熱サイクル・ヒート・エンジンにおいて、ヒーター・ヘッドを通じた作動ガスへの熱伝達の効率を向上させるための方法であって、ヒーター・ヘッドが内側表面を有し、ヒーター・ヘッドの内側表面と外側表面の少なくとも一つに、1またはそれ以上の高熱伝導金属の層を設ける工程を備えることを特徴とする方法。
15. 熱サイクル・ヒート・エンジンにおいて、ヒーター・ヘッドが実質的にシリンダー状をした壁の部分を有し、フープ強度を向上させるためにシリンダー状の壁の部分の内側表面に複数のリブを備えて改良したことを特徴とするエンジン。
16. 熱サイクル・ヒート・エンジンにおいて、ヒーター・ヘッドが実質的にシリンダー状をした壁の部分と長手方向中心軸を有し、シリンダー状の壁の部分の中に、長手方向中心軸と平行に伸びた複数の通路を備えて改良したことを特徴とするエンジン。
17. 熱サイクル・ヒート・エンジンにおいて、ヒーター・ヘッドが実質的にシリンダー状をした壁の部分と長手方向中心軸を有し、フープ強度を向上させるためにシリンダー状の壁の部分の内側表面に複数のリブを備え、更に長手方向中心軸と実質的に平行であり、リブの中を通過する複数の通路を備えて改良したことを特徴とするエンジン。
18. 熱サイクル・ヒート・エンジンにおいて、ヒーター・ヘッドが実質的にシリンダー状をした壁の部分を有し、シリンダー状の壁の部分の中に、実質的にヘリカル状のチャンネルを備えて改良したことを特徴とするエンジン。
19. 熱サイクル・ヒート・エンジンにおいて、ヒーター・ヘッドがドームを有し、ドームの強度を向上させるためにドームの内側表面に複数のリブを備えて改良したことを特徴とするエンジン。
20. 請求項15から19のいずれかに記載のヒーター・ヘッドにおいて、シリンダー壁部分の内側に同心円状に配置された高温スリーブから、横方向へ伸びた複数のフロウ・ダイバーダーを備えて更に改良したことを特徴とするエンジン。
21. 膨張シリンダー内を往復直線運動を行うピストンを有するタイプの熱サイクル・ヒート・エンジンにおいて、膨張シリンダーがシリンダー状の壁を有すると共に、ヒーター・ヘッドを通して伝導される外部熱源からの熱によって加熱された作動流体を含み、当該熱伝導が熱伝達係数によって影響をうけ、
    a. 加熱された外部流体から作動流体へ、ヒーター・ヘッドを通して熱エネルギーを伝達するための熱交換器であって、1セットの熱伝達突起物と、当該各熱伝達突起物が膨張シリンダーのシリンダー壁から実質的に離れる方向の軸を持つ当該熱交換器と、
    b. 加熱された外部流体の流れの方向において、熱伝達係数を増加させる手段と、
    によって改良したことを特徴とするエンジン。
22. 加熱された外部流体からシリンダー壁を通して熱エネルギーを伝達するための熱交換器であって、当該シリンダー壁が当該シリンダー壁の中心軸と平行であり、当該熱交換器が
    a. 1セットの千鳥状に配置された熱伝達突起物であって、シリンダー壁から実質的に離れる方向の軸を持つ当該各熱伝達突起物と、
    b. 千鳥状に配置された熱伝達突起物を通って流体を強制的に流すために、シリンダー壁の実質的に長手方向に沿って配置された複数のデバイダーと、
    を備えることを特徴とする熱交換器。
23. 加熱された外部流体からシリンダー壁を通して熱エネルギーを伝達するための熱交換器であって、当該熱交換器が、
    a. 1セットの熱伝達突起物であって、実質的にシリンダー壁から離れる方向の軸を持つ当該各熱伝達突起物と、
    b. 熱伝達突起物のセットを通って、シリンダー壁の軸方向に実質的に沿った流路の中へ加熱された外部流体をガイドするためのバッカー板と、
    を備えることを特徴とする熱交換器。
24. 請求項18に記載の熱交換器であって、バッカー板とシリンダー壁の間の隙間が軸方向に沿って減少していくことを特徴とする熱交換器。
25. 請求項18に記載の熱交換器であって、熱伝達突起物が軸方向に沿って増加していく流路に対して、直交する表面領域を有することを特徴とする熱交換器。
26. 請求項18に記載の熱交換器であって、熱伝達ピンの設置密度が軸方向に沿って増加していくことを特徴とする熱交換器。
27. 請求項18に記載の熱交換器であって、熱伝達ピンの高さと設置密度の少なくとも一つが軸方向の距離によって変化することを特徴とする熱交換器。

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