JP2008516149A - スターリング機関原理を使用した発電および機械動力発生のための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

筐体内に囲われる熱機関が、異なる温度に維持される２つの領域を有する。第１の領域（『熱い領域』）は、外部動力源から熱エネルギーを受け取る。第２の領域（『冷たい領域』）は、２つのダクトによって熱い領域に連結され、そうすると、２つの領域を充填する流体（例えば，空気，水，その他あらゆる気体または液体）が、２つの領域の間を循環することができる。熱い領域内の流体の膨張と冷たい領域内の流体の圧縮とが、パワー出力を提供するようにタービンを駆動する。流体は、効率を高めるために与圧される。一実施例で，タービンは軸の回転運動を推進し，熱機関出力を熱機関筐体の外の発電機へ伝送する。一実施例ではタービンは夫々熱い領域と冷たい領域にある第１の組みのブレードと第２の組みのブレードとを含む。ブレードは夫々２つの同じでない表面を有する平坦な形を有し，これによりタービンは選択的に一方向へ回転する。
【選択図】図２

Description

本発明は、動力変換装置の設計および使用に対してスターリング機関原理を適用することに関する。特に、本発明は、特に直流（ＤＣ）モードでの、あるいは交流（ＡＣ）モードでの、発電および機械動力発生のためにスターリング機関原理を適用することに関する。

スターリング機関は、異なる温度を有する熱機関の２つの部分の間に流れる熱エネルギーを機械動力に変換することによって動作する熱機関である。典型的なスターリング機関は、一組のピストンの連係運動および往復動式運動を駆動するために熱エネルギーを使用する。スターリング機関の数多くの設計は、米国特許第６，５７８，３５９号、第６，０５０，０９２号、第６，１９５，９９２号、第６，７３５，９４６号および第６，１６４，２６３号を含む、従来技術内に見いだすことができる。これらのスターリング機関の設計は、一般的に複雑でおよび数多くの可動部品を含む。その結果として、これらの設計は製造に費用がかかり、かつ、それらの効率は低い。

本発明は、異なる温度に維持される２つの領域を有する筐体内に囲われた熱機関を提供する。第１の領域（「熱い領域」）は、外部動力源から熱エネルギーを受け取る。第２の領域（「冷たい領域」）は、熱い領域に連結され、そうすると、２つの領域を充填する流体（例えば、空気、水あるいはその他の気体あるいは液体）が２つの領域の間を循環することができる。熱い領域内の流体の膨張と冷たい領域内の流体の圧縮とが、パワー出力を供給するようにタービンを駆動するために対称の熱力学サイクルを提供する。流体は、効率を高めるために与圧されることができる。

一実施態様において、タービンは熱機関の機械的パワー出力を伝達するために駆動軸を回転運動に仕向ける。一実施態様において、タービンは熱機関の筐体の外側の発電機に熱機関のパワー出力を伝達するために駆動軸を回転運動に仕向ける。一実施態様において、タービンは熱い領域内に位置する板に取り付けられた第１の組のブレードおよび冷たい領域内に位置する板に取り付けられた第２の組のブレードを含む。これらのブレードは、タービンが一方向へ優先して回転するように、それぞれが２つの等しくない表面を有する平坦な形状を有することができる。タービンのブレード組１０３ａおよびブレード組１０３ｂは、筐体１０７内の異なる温度の２つの領域間の流体流れ圧力の結果として、回転する。別の実施態様に従って、タービンブレードが、作動流体内で回転して渦を形成する。作動流体の速度は、タービンに有用な働きを実行させる。したがって、タービンの回転運動のトルクは、出力駆動軸あるいは軸を通して機械（例えば発電機）を駆動するために使用されることができる。一実施態様において、発電機は駆動軸の回転運動に従う回転運動において、一つ以上の磁石、および一つ以上の磁石の磁場に結合された一つ以上の導電コイルを含む。磁石とコイルの間の結合の量は、コイルを磁石に対して異なる位置に動かすステップモータによって制御されることができる。一実施態様において、発電機は交流電力を供給する。代わりとして、直流電力が、交流電力を整流することによって、あるいは接地端子に対して瞬間的な正の電圧を有するそれらのコイルを選択的に結合することによって、供給されることができる。コイル選択対象に同期させるために、位置センサが磁石の位置を検出するために設けられることができる。一実施態様において、位置センサは光感知センサ、発光ダイオードおよび光反射鏡を含む。

本発明の一実施態様によれば、温度センサが熱機関のパワー出力を制御するために使用されることができる。温度センサの信号出力は、熱い領域と冷たい領域間の温度差を示す。温度センサのこの出力信号に基づいて、制御回路が発電機内の磁石とコイル間の結合を調節する。交流発電用途において、制御回路は、発電機の出力パワーを制御するために発電機の出力パワーの周波数を検出する。

一実施態様において、パワー出力を追加することが、熱電対および熱電子装置を使用して達成される。熱電対は、熱い領域と冷たい領域間の温度差を利用する。熱電子装置は、熱機関の筐体から熱を抽出する。これらの装置は、熱い領域と冷たい領域を区切る２つの板の間の断熱された領域内に格納されることができる。

本発明は、熱い領域と冷たい領域の間で熱を伝導する気体あるいは流体が、タービンを駆動するのに使用され、エネルギー変換過程における低い出力損失に結びつく熱機関を提供する。加えて、筐体は、無駄時間なしで１００％の構成部品使用を可能にするように、中心軸および周辺空間を通して熱い領域と冷たい領域との間に流体流れを形成する。熱機関の円筒形の対称性は、動作中に最小振動および抗力の不在による安定性を形成する。本発明の熱機関は、押出し装置、ピストンあるいは再生用熱交換器の必要なしで、ほんの少しの可動部品を備えた単純な設計を有する。したがって、本発明の熱機関は、軽量で、構成部品コストが低く、保守するのが容易である。

本発明の熱機関は、自動車あるいは別の車両に動力を供給するために使用されることができる。それはまた、例えば熱エネルギーの供給源が提供される任意の用途（例えば燃料電池あるいは廃棄物の燃焼からのエネルギー再生）に、組み込まれることができる。

加えて、本発明の制御システムは、燃料効率を高めるために始終一貫した出力パワーを提供する。

本発明は、下の詳細な説明および添付の図面の考察により十分に理解される。

本発明は、熱エネルギーを機械エネルギーおよび電気エネルギーに変換するために、スターリング機関原理の下で動作する熱機関を提供する。本発明の熱機関を使用して引き出される電気エネルギーは、即時の配電のために、交流（ＡＣ）電力の形、あるいは保存あるいは他の用途を可能にする直流（ＤＣ）の形とすることができる。

本発明の熱機関は、太陽燃料、地熱燃料、化石燃料、回収された埋立てごみ燃料あるいは他の燃料を含む熱エネルギーの任意の供給源によって動作することができる。図１は、本発明の一実施態様に従って、太陽反射鏡１６０から太陽エネルギーを受け取る熱機関１００を示す。図１の熱機関１００の一実施態様は、図２内の交差断面図で示される。図２に示すように、熱エネルギー１００は熱い部分あるいは熱い領域１０７ａと冷たい部分あるいは冷たい領域１０７ｂとを密封する外部筐体１０７を含む。この詳細な説明において、用語「熱い」および「冷たい」は、相対的である。充分な温度差が熱い部分と冷たい部分の間にある限り、本発明の熱機関は動作する。さらに、それぞれ単にこの詳細な説明における参照を容易にするだけのために、図２の上下の部分は、「最上部」および「底部」とラベルがついている。本発明の熱機関は、任意の向きにおいてその位置によって限定されない。

熱い部分１０７ａ（「熱い領域」）および冷たい部分１０７ｂ（「冷たい領域」）は、断熱領域１０６によって互いから断熱される。断熱領域１０６を除いて、筐体１０７は急速なおよび均一な熱分配を可能にするために金属（例えば鋼鉄）とすることができる。熱機関内のタービンは、本発明によれば、この機関の出力パワーを供給するために、筐体１００の熱い領域１０７ａおよび冷たい領域１０７ｂ内部の任意の適切な位置に設置されることができる。熱機関１００の用途に従い、タービンは、任意の適切な寸法あるいは物質とすることができる。一実施態様において、熱機関１００はタービン１０３を含み、図２内に示される実現例において、タービン１０３は、それぞれ、１０３ａおよび１０３ｂとラベルがついており、中心駆動軸１０１によって連結されている、２組のブレードを含む。ブレード組１０３ａおよびブレード組１０３ｂは、それぞれ熱い領域と冷たい領域内に収容される。ブレード組１０３ａおよびブレード組１０３ｂは、流体の運動からタービン上にトルクを生成するように設計されている。熱機関１００の用途に従い、ブレード組１０３ａおよびブレード組１０３ｂは任意の適切な寸法、湾曲とすることができ、あるいは任意の物質から作られることができる。ブレード組１０３ａおよび１０３ｂは、好ましくは均一なおよび急速な熱分配を可能にする金属でできており、および加熱源あるいは放熱器として外部熱移送表面として機能することができる。本実施態様において、ブレード組１０３ａおよび１０３ｂはそれぞれ支持板１１４および１１５上に設けられる。支持板１１４と１１５の間の領域は、最上部と底部上の支持板１１４と１１５あるいは支持板１１４と１１５によって囲まれる領域を備えた開放領域とみなされることができる。さらに、支持板１１４および１１５は一体的に形成された構造として設けられることができる。支持板１１４および１１５は、断熱板（すなわち、断熱された物質の厚い層でできているか、あるいは断熱材で充填されている）として働くことができる。ブレード組１０３ａおよび１０３ｂは、また、熱い領域１０７ａおよび冷たい領域１０７ｂ内の構造に、例えば支持板１１４に、支持板１１５に、中心駆動軸１０１に、取り付けられることができる。

図３は、底部から観察されるラインＣ−Ｃ’に沿った熱機関１００の断面図を表す。矢印は、作動流体運動の方向を表す。それは、その作動流体が冷たい領域１０７ｂの中心の方へ、放射状に内部に移動するのを示す。最上部から観察される、ラインＢ−Ｂ’に沿って、熱機関１００の断面図から観察される作動流体の方向は、放射状に外側に、および熱い領域１０７ａの中心から遠ざかるであろう。関係において、図２の断面図は、図３のラインＡ−Ａ’に沿った断面を表す。ブレード組１０３ａおよび１０３ｂは、それぞれ丸い輪郭を備え、ブレードの片側がもう一方の側と比べて大きな断面積を有し、ブレードが所定の方向に回転することを可能にする。表面領域の差異は、必要ではないが、始動の容易さのような用途によってはいくつかの利点を提供することができる。ブレード組１０３ａおよび１０３ｂは、熱伝達のための大きな表面領域を形成し、空力設計を有することができる。流体がブレードの片側からブレードの反対側より速く流れるので、空力設計は圧差を生成する。したがって、熱機関１００は効率を高めるために高い表面対容積比率を有する。

中心駆動軸１０１は、筐体１０７の熱い部分１０７ａおよび冷たい部分１０７ｂの全体の長さに沿って上から下まで走り、熱い領域と冷たい領域を連結するエアシャフト１０２内に露出される。熱い領域と冷たい領域は、また、筐体１０７の外壁の周縁に沿って、環状の空気スペース１０４によって連結される。中心駆動軸１０１は軸受１０５によって保持され、中心駆動軸１０１−−およびしたがってブレード組１０３ａおよび１０３ｂもまた−−がその中心軸のまわりに回転することを可能にする。軸受１０５と中心駆動軸１０３の間の接触点が、機械的損耗を経験する熱機関１００内の唯一の場所であるので、熱機関１００は、高耐用性および少修理点検要求を有し、したがって容易に保守される。中心駆動軸１０１の一部は、筐体１０７の外側に延伸する。円筒形の磁石１０８が、筐体１０７の外側に延伸する中心駆動軸１０１のこの部分に付着してこの部分とともに回転する。一つ以上のコイル１０９が、磁石１０８を取り囲む。コイル１０９は、磁石１０８の磁場を結合する磁石磁束の量を変化させるために上下動作でステップモータ１１０によって駆動されることができる。図４はラインＤ−Ｄ’に沿った熱機関１００の断面図であり、中心駆動軸１０１、磁石１０８およびコイル１０９を示す。図４に示すように、コイル１０９はそれらのそれぞれの出力端子（「ｘ」とラベルがついている）および共通接地端子を備えた一つ以上のコイルを含むことができる。図２は、また、磁石１０８および位置センサ１１２と共に設けられた反射鏡１１１を示す。位置センサ１１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）および反射鏡１１１から反射された光を感知できるセンサを含む。コイル１０９の各々が位置センサを備えることができ、そのため、制御回路が、磁石によってコイル内に誘導される交互の電流の周波数および位相を求めることができる。

本実施態様において、コイル１０９が（ＤＣ発電のために望ましいように）複数のコイルを含む場合、図６に示すように、各々のコイル内に交互の電流の位相に従って、端子ｘの各々を出力端子ｙに選択的に接続するために、多重化スイッチ６０１が設けられることができる。もし１つのコイルだけがコイル１０９内に存在するならば、コイル１０９の単一の出力端子ｘは末端に直接接続される。

動作中に、熱が、筐体１０７の熱い部分１０７ａ内に蓄積するにつれて、熱い領域内の膨張流体は上昇して、支持板１１４上のブレード組１０３ａを押す。したがって、タービン１０３は膨張流体のトルクによって、中心駆動軸１０１の軸のまわりに回転し始める。膨張流体は、周囲の方へ放射状に外に向かって、および環状の空気スペース１０４を経て冷たい領域１０７ｂに移動する。膨張流体が冷たい領域１０７ｂの中に入るにつれて、冷たい領域１０７ｂ内の流体が、冷却機構によって収縮する（例えば、冷たい領域１０７ｂ内の筐体１０７の壁は、冷却流体を循環させる管を含むことができる）。収縮流体は、膨張流体を冷たい領域１０７ｂに引き入れる。冷たい領域１０７ｂ内の支持板１１５上のブレード組１０３ｂが支持板１１４上の回転ブレード組１０３ａに中心駆動軸１０１によって連結されているので、ブレード組１０３ｂはブレード組１０３ａと同じ角速度で回転し、それによって、トルク回転タービン１０３に寄与する。冷たい領域１０７ｂ内の冷却された流体は、中心駆動軸１０１の方へ放射状に対流によって引張られ、エアシャフト１０２を経て熱い領域１０７ａに押し込まれる。したがって、熱い領域１０７ａ内で放射状に外側に流れ、環状の空気スペース１０４を経て冷たい領域１０７ｂに入り、冷たい領域１０７ｂ内で放射状に内部に流れ、および、エアシャフト１０２を通して熱い領域１０７ａへ戻る、流体の循環が確立される。この過程において、膨張して冷たい領域１０７ｂ内に流れる、熱い領域１０７ａからの相対的に熱い流体は、冷たい領域１０７ｂ内で冷却され、その一方、冷たい領域１０７ｂからの相対的に冷たい流体が熱い領域１０７ａ内で加熱される。機関サイクル中に、作動流体は、ブレード組１０３ａの全てのブレードあるいはブレード組１０３ｂの全てのブレードを同時に仕向ける。ブレード組１０３ａあるいはブレード組１０３ｂの各々のブレードは、同時に、働きに寄与する。したがって、推進力を与えるように、タービンの特定の部分に作動流体を導くための流体駆動システムで一般に使用される、例えばノズルおよび管などの流体制御構造は、本発明の熱機関には必要でない。

磁石１０８が中心駆動軸１０１と共に回転するにつれて、結果として生じる変化する磁場が、コイル１０９内に一つ以上の電流を誘導する。この電流は、下記で更に詳細に論じられるように、ＡＣあるいはＤＣ電力を発生させるために使用されることができる。熱い領域１０７ａと冷たい領域１０７ｂの間の温度差は、出力パワーと筐体１０７から放散される熱とが入力パワーに等しいように、定められることができる。冷たい領域１０７ｂは冷却されることができ、かつ流体（例えば空気）によって所定の温度に維持されることができる。このような流体は、筐体１０７ｂの壁内に設けられる通路内に流れるか、あるいは当業者にとって公知の他の手段によって流れることができる。熱伝達の効率は、熱い領域と冷たい領域に与圧することによって高められることができる。代わりとして、空気を使用するよりはむしろ、他の気体もまた、使用されることができる。

別の実施態様によれば、作動流体はブレード組１０３ａおよび１０３ｂを通して流れ、およびトルク発生を最大化するために好ましい回転方向にブレード組１０３ａおよび１０３ｂを配置する。動作中に、熱が熱い領域１０７ａ内に蓄積するにつれて、熱い領域１０７ａ内の膨張している作動流体が、ブレード組１０３ａに対して、タービン１０３を回転させるためのトルクを生成するよう仕向ける。ブレード組１０３ａの回転は、作動流体運動と相互作用し、および作動流体の方向、あるいは作動流体経路内で変化する他の流体特性に影響を与えるかもしれない。このような特性は、例えば、作動流体速度、方向および容積を含むことができる。ブレード組１０３ａあるいはブレード組１０３ｂは、回転し、および、作動流体を回転運動にもたらすことができ、作動流体内に形成する渦あるいは複数の渦に結びつくことができる。渦は、中心のまわりに回転する作動流体の回転運動の結果である。回転作動流体は、角運動量を有し、かつ作動流体経路内の隣のブレード組を回転させるために使用されることができる。連続回転作動流体は、タービンブレード組で支えられる一連の回転作動流体部分によって保持されることができる。したがって、作動流体の各々の部分は、作動流体に角運動量を追加する。加えて、作動流体の回転運動は、作動流体経路全体に作動流体経路の一つ以上の部分を通して運ばれることができる。機関内の連続回転作動流体は、タービンブレード組の協同および作動流体経路の湾曲によって達成されることができる。したがって、作動流体の角運動量は、蓄積され、およびタービンブレード組を駆動するために使用されることができる。したがって、作動流体の膨張、収縮および回転運動は、組み合わせられることができ、最大トルクを生成するためにタービンブレード組に働きかけることができる。この用途のための１つの適切なタービンは、作動流体の回転運動を維持し、あるいは増大するように設計されているブレードによって、形成されることができる。代わりとして、タービンブレード組は、異なる設計目的を達成するために、異なる構成（例えば、異なる物質、異なって成形されたブレード、実行する異なる機能）で提供されることができる。

別の実施態様において、もし回転作動流体が完全な機関サイクル中に保持されるならば、冷たい領域１０７ｂから熱い領域１０７ａへの作動流体流れは回転上昇流を生成することができる。同様に、熱い領域１０７ａから冷たい領域１０７ｂへの回転作動流体流れは、回転下降流を生成する。これらの回転流は、作動流体および動力タービン１０３の速度を増大するために利用されることができる。熱い作動流体が冷たい作動流体と合わさる各々の機関サイクル中に、作動流体の運動量は、連続的に増大される。作動流体は、各々の機関サイクル中にそれぞれの領域で、連続的に加熱して、膨張して、冷却しておよび収縮する。したがって、完全な機関サイクルおよび完全な作動流体経路が、筐体１０７内に設けられる。

上で議論したように、作動流体は、作動流体の加熱と冷却ならびにブレード組１０３ａとブレード組１０３ｂの回転運動から生じる、連続運動量を有する。タービン１０３は、作動流体流れによって回転し、次に、作動流体を回転運動に駆動する。各々のサイクルにおいて、作動流体は垂直回転下降流および回転上昇流の複合力によって加速される。したがって、この環境の下で、機関がより長く回転すればするほど、作動流体はより速く循環する。作動流体速度は運動エネルギーによって増大され、それは次いで熱機関によって機械仕事に変換される。作動流体は、回転流の形で作動流体経路を通してより効果的に運ばれる。大きな流体速度は、角運動量保存から生じる。この機関設計は、作動流体を動かすために連続的に加熱圧力および冷却圧力を使用すること、およびタービンを動かすために作動流体速度を使用することに基づいている。この設計は、タービンに動力を供給する増強された作動流体速度を使用する。熱い領域１０７ａと冷たい領域１０７ｂの間の動作温度差異は、上で論じられた冷却方法によって、出力パワーを制御することによって、あるいは両方によってのいずれかによる。出力パワーは、磁石１０８とコイル１０９の間の磁場結合を、コイル１０９を上または下に駆動するモータ１１０によって、増減することによって制御されることができる。熱い領域１０７ａと冷たい領域１０７ｂの間の温度差を感知できる温度センサ（図示せず）が、動作温度差異を検出するために設けられることができる。図５は、動作温度差異に基づいて出力パワーを制御することが可能な制御回路５０１を示す。制御スキームは、当業者にとって公知であるように、ディジタルあるいはアナログ技術を使用して実行されることができる。図５に示すように、動作温度差異を表す信号ｖが、温度センサから受信され、制御回路５０１に与えられる。信号ｖの値に基づいて、出力制御信号ｗは、必要に応じて、磁石１０８とコイル１０９の間の磁気結合を変化させるためにステップモータ１１０を上または下に駆動する。

ＡＣ電力を発生させるために、位置センサ１１２が駆動軸１０１の回転数を検出するのに使用されることができる。反射鏡１１１が位置センサ１１２の検出領域に入って来るときはいつでも、位置センサ１１２は制御回路５０１に制御信号（例えば制御信号ｔ）をアサートする。制御信号の連続したアサーション間の時間差は、制御回路５０１が、磁石１０８の回転磁界の周波数およびしたがって出力交流電力の周波数を決定することを可能にする。

上で述べたように、交流電力発電のために、コイル１０９は単一のコイルでなければならないだけであり、出力端子ｙは単一の出力である。更なる処理なしで、出力パワーは端子ｙと接地端子との間を流れるＡＣ電流の形で供給され、その周波数は、中心駆動軸１０１の回転角速度に比例する。出力パワーの量が中心駆動軸１０１上の負荷であるので、磁石１０８とコイル１０９の間の磁気結合の量を増大することは中心駆動軸１０１上の負荷を増大し、それによって、回転角速度に影響を及ぼす。したがって、出力端子ｙは制御回路５０１の高インピーダンス入力端子に接続されることができ、制御回路５０１は周波数検知回路（例えばトリガー回路）を設けられることができる。出力ＡＣ電流の検出された周波数が、ステップモータ１１０を通して調節するのに使用され、ステップモータ１１０は、出力制御信号ｗに従ってコイル１０９を上または下に駆動する。この制御スキームは、したがって家庭用の５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの交流電力と互換の熱機関１１０から、出力パワーを供給するために使用されることができる。

ＤＣ発電において、コイル１０９は複数のコイルを含むことができる。任意の所定の時間において、端子ｘのいくつかは接地端子に対して正の電圧を有し、端子ｘの他のものは接地端子に対して負の電圧を有する。ＤＣ発電中に、コイル１０９の各々と関連する位置センサが、関連する反射鏡が位置センサの検出領域に入って来る時を示す制御信号ｔを制御回路５０１に与える。一度コイル１０９の特定のコイルが所望の正の電圧位相を有するとして識別されると、制御回路５０１は制御信号ｚを、出力端子ｙに特定のコイルの出力端子ｘを選択的に接続するスイッチ６０１（図６）に供給する。このように、ＤＣ発電は、達成される。出力端子ｙの信号は、例えば、ローパスフィルタあるいは定電圧装置を使用して定電圧に整形されることができる。熱機関の効率は、例えば駆動軸回転数によって測定可能なように、ＤＣ発電の効率を決定する。駆動軸回転数は、位置センサからの連続した検出信号の間の時間で測定されることができる。熱機関上の負荷は、所定の最適駆動軸回転数を維持するためにコイルと磁石との間を結合する磁場を変化させることによって調節されることができる。

出力端子ｙの信号は、例えば、ローパスフィルタあるいは定電圧装置を使用して定電圧に整形されることができる。

代わりとして、上記の考察に従って発生されたＡＣ出力電力は、ＤＣ電力出力を供給するために、当業者にとって公知の任意の適切な整流回路を使用して、整流されることができる。

追加のエネルギー変換は、熱い領域１０７ａと冷たい領域１０７ｂの間の温度差に従って出力信号を供給する熱電対を使用して達成されることができる。代わりとして、熱い領域１０７ａの筐体１０７の壁が、熱電子原理を使用して電力を発生させるために使用されることができる。熱電対あるいは熱電子構成部品は、例えば、図１の断熱領域１０６に収容されることができる。

上記の詳細な説明は、本発明の特定の実施態様を例示するために提供され、かつ限定することを意図されない。本発明の範囲内で数多くの修正および変更が、可能である。本発明は、以下の請求の範囲内に記載される。

本発明の一実施態様に従って、太陽反射鏡１６０から太陽エネルギーを受け取る熱機関１００を示す。 断面図での図１の熱機関１００の１つの実現例を示す。 底部から観察する、ラインＣ−Ｃ’に沿った熱機関１００の断面図を表す（最上部から観察する、ラインＢ−Ｂ’に沿った熱機関１００の断面図が、放射状に外へ向かう流れを示す）。 ラインＤ−Ｄ’に沿った熱機関１００の交差断面図であり、中心駆動軸１０１、磁石１０８およびコイル１０９を示す。 動作温度差異に基づいて出力パワーを制御することが可能な制御回路５０１を示す。 出力端子ｙに選択的に端子ｘの各々を接続するために設けられた多重化スイッチ６０１を示す。

Claims (27)

1. 熱機関であって、
   第１の領域と第２の領域を有し、その間に温度差を有するチャンバであって、前記第１の領域と前記第２の領域との間を遮るものがなく循環する作動流体に浸されるチャンバ、を囲う筐体と、
   前記チャンバの流体経路内の複数の構造であって、前記作動流体と接触する表面を有する構造、とを備え、前記構造のいくつかが、前記チャンバ内に位置して前記作動流体が円運動で流れるようにする構造と、
   からなる、熱機関。
   
2. 前記作動流体は、軸のまわりに回転する、ことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
   
3. 前記流体経路は、サイクロンに似た経路を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
   
4. 前記構造は、第１の組のブレードが機械動力を発生させるために回転するように、前記作動流体に連結される第１の組のブレードを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
   
5. 前記第１の組のブレード内の各々のブレードは、第一表面と第二表面を有し、各々のブレードの前記第一表面と前記第二表面は、等しくない表面積を有し、そのため、前記第１の組のブレードが所定の回転方向に回転する、ことを特徴とする請求項４に記載の熱機関。
   
6. 前記構造は、前記第１の領域を前記第２の領域から分離するために支持板を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
   
7. 前記構造は、動力出力のために前記第１の領域と前記第２の領域の間の表面の断面に対して垂直に向けられた駆動軸を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
   
8. 前記流体経路は、前記第１の領域と前記第２の領域との間を動く前記作動流体のための空間を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
   
9. 前記熱機関によって電力を供給する発電機の出力を調節するためのステップモータを更に備える、請求項１に記載の熱機関。
   
10. 前記ステップモータは、制御回路から、例えば前記発電機の機関温度およびコイル位置などの入力を受ける、ことを特徴とする請求項９に記載の熱機関。
    
11. 熱機関を形成するための方法であって、
    筐体が、第１の領域と第２の領域を有し、その間に温度差を有するチャンバであって、前記第１の領域と前記第２の領域との間を遮るものがなく循環する作動流体に浸されるチャンバ、を囲う筐体を提供し、
    前記構造のいくつかが、前記チャンバ内に位置して前記作動流体が円運動で流れるようにし、
    前記チャンバの前記流体経路内にある複数の、前記作動流体と接触する表面を有する構造、を提供する
    ことからなる、方法。
    
12. 前記作動流体は、軸のまわりに回転する、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    
13. 前記流体経路は、サイクロンに似た経路を含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    
14. 前記構造は、前記作動流体に連結される第１の組のブレードを備え、そのため、前記第１の組のブレードが機械動力を発生させるように回転する、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    
15. 前記第１の組のブレード内の各々のブレードは、第一表面と第二表面を有し、各々のブレードの前記第一表面と前記第二表面は、等しくない表面積を有し、そのため、前記第１の組のブレードが所定の回転方向に回転する、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
    
16. 前記構造は、前記第１の領域を前記第２の領域から分離する支持板を更に備える、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    
17. 前記構造は、動力を出力するために前記第１の領域と前記第２の領域の間の表面の断面に対して垂直に向けられた駆動軸を更に備える、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    
18. 前記流体経路は、前記第１の領域と前記第２の領域との間を動く前記作動流体のための空間を含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
    
19. 前記熱機関によって電力を供給する発電機の出力を調節するためにステップモータを更に備える、請求項１１に記載の方法。
    
20. 前記ステップモータは、制御回路へ、前記発電機の機関温度およびコイル位置を入力する、ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
    
21. 出力パワー装置を有する熱機関と前記出力パワー装置の回転運動からの発電機の出力パワーを増強する方法であって、前記方法が、
    前記装置の回転速度を、前記発電機内の制御装置ないにあり、その温度差における前記発電機の最大出力パワーを示す磁気結合の量、に関連づける性能表を較正し、
    前記装置内の回転速度センサを使用して前記回転速度を検出し、
    前記性能表から前記回転速度に対応する前記磁気結合の量を得、
    前記制御装置を磁気結合のその量に設定する、
    ことからなる、熱機関。
    
22. 前記磁気結合の量は、磁石に対するコイルの位置によって表される、ことを特徴とする請求項２１に記載の熱機関。
    
23. 前記制御装置は、前記コイルを所望の位置に移動させるステップモータと通信する、ことを特徴とする請求項２１に記載の熱機関。
    
24. 出力パワー装置と前記出力パワー装置の回転運動によって駆動される発電機とを有する熱機関において、前記機関の発電機の前記出力パワーを増強するための方法であって、
    前記装置における温度差を、前記発電機内の制御装置内にあり、その温度差における前記発電機の最大出力パワーを示す磁気結合の量、に関連づける性能表を較正し、
    前記装置内の温度センサを使用して前記温度差を検出し、
    前記性能表から前記温度差に対応する前記磁気結合の量を得、
    前記制御装置を磁気結合のその量に設定する、
    ことからなる、方法。
    
25. 前記磁気結合の量は、磁石に対するコイルの位置によって表される、ことを特徴とする請求項２４に記載の熱機関。
    
26. 前記制御装置は、前記コイルを所望の位置に移動させるステップモータと通信する、ことを特徴とする請求項２４に記載の熱機関。
    
27. 囲まれた筐体を備えた熱機関を使用した機械的動力発生のための熱機関であって、その方法が、
    前記筐体を第１の領域と第２の領域に仕切り、一方の領域が、加熱源から熱を受け取ることからさらに適合され、かつもう一方の領域が、放熱器に熱を伝達することにさらに適合され、
    前記第１の領域に対して実質的に一定の距離を有する一組のブレードを有しており、かつ出力動力装置を駆動するように連結されるタービンを提供し。
    前記作動流体は、前記第１の領域と前記第２の領域との間の温度差に起因して流れ、前記作動流体は、前記第１の組のブレードを駆り立て、前記タービン内の回転運動に結びつき、それによって前記駆動軸を駆動する動力を供給し、
    前記第１の領域と第２の領域に作動流体を供給する、
    ことからなる熱機関。

Images