JP2014501868A - スターリングサイクル変換器装置 - Google Patents

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Abstract

熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのスターリングサイクル変換器装置が開示される。当該装置は、長手軸に沿って相隔たった位置関係で配置された膨張室および圧縮室を有する。当該装置はまた、少なくとも１つの連絡通路を有し、該少なくとも１つの連絡通路は、前記膨張室と前記圧縮室との間で延び、かつ、前記膨張室と前記圧縮室との間での作動ガスの周期的な交換を可能とするように作動可能である。前記少なくとも１つの連絡通路は、アクセス導管を有し、該アクセス導管は、前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つと連絡しており、かつ、前記少なくとも１つの連絡通路は、熱再生器を有し、該熱再生器は、前記アクセス導管に連絡している。前記再生器は、前記連絡通路を通って第１の方向に流れるガスから熱エネルギーを受け取ることと、前記連絡通路を通って第１の方向とは反対の方向に流れるガスに熱エネルギーを引き渡すこととを、交互に行うように作動可能である。１つの態様では、前記アクセス導管は、柔軟な部分を有し、該柔軟な部分は、作動中に前記膨張室と前記圧縮室との間に確立される温度勾配によって引き起こされる熱誘発性の歪みの下で屈曲するように作動可能である。別の態様では、前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つは、前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる表面を有してもよく、かつ、前記表面は、その中に形成された複数のチャンネルを有してもよく、該複数のチャンネルは、前記圧縮室中のガス流を前記連絡通路へおよび前記連絡通路から向かわせるように方向付けられている。
【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、Thomas Walter Steiner、Briac Medard de ChardonおよびTakao Kanemaruによる「STIRLING CYCLE TRANSDUCER APPARATUS」と題する米国仮出願第６１/４１５，１９６号（２０１０年１１月１８日出願）の出願日の利益を主張するものであり、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概しては変換機に関するものであり、更に具体的には、熱エネルギーを機械エネルギーへ変換する、または、機械エネルギーを熱エネルギーへ変換する、スターリングサイクル変換器(Stirling cycle transducer)に関する。
２．関連技術の説明
スターリングサイクル熱エンジンおよび熱ポンプは、１８１６年に遡り、多くの異なる構成で生産されてきた。そのようなスターリングサイクル装置の潜在的な利点は、高い効率と高い信頼性を含む。スターリングエンジンの採用は、高温度材料のコスト、および高圧と高温の往復または回転ガスシールを作ることの困難性によって部分的に妨げられてきた。更に、内燃機関と比較して比較的大きい熱交換器と低い比出力を必要とすることも、スターリングエンジンの広い採用を妨げてきた。比出力とは、質量、容積、または面積の単位当たりの出力パワーであり、低い比出力は所与の出力パワーについてエンジンの材料コストを高くする結果となる。
熱音響熱エンジンは、最近になって開発されたものであり、この場合、作動ガスの慣性を無視し得ない。この無視は、スターリングエンジンの分析でしばしば行われる。熱音響エンジンの設計では、ガスの慣性が考慮に入れられるべきであり、エンジン内の同調共振管の使用が要件となる。不都合なことに、合理的な作動サイクル数(operating frequencies)では、音波の波長が長すぎて小型エンジンには許されず、結果として比較的低い比出力を生じる。しかしながら、熱音響エンジンは従来のスターリングエンジンよりも機械的に簡単であり、摺動または回転する高圧シールを必要としない。
スターリングエンジンの１つの変形は、ダイヤフラムエンジンである。ダイヤフラムエンジンでは、ダイヤフラムのたわみ部(flexure)が従来のスターリングエンジンの摺動ピストンに取って代わり、機械的な摩擦と摩耗を除去する。一つのそのような装置が、共通の所有者に係るＰＣＴ特許出願ＣＡ２０１０／００１０９２（２０１０年７月１２日出願）および米国仮特許出願第６１／２１３，７６０号（２００９年７月１０日出願）に開示されており、これらは両方とも、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。ダイヤフラムエンジンは、その高さと比べて比較的大きな半径を有するため、低温側に対して高温側の半径方向の熱膨張を吸収することが問題となり得る。
本発明の１つの態様によれば、熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのスターリングサイクル変換器装置が提供される。当該装置は、長手軸に沿って相隔たった位置関係で配置された膨張室および圧縮室を有する。当該装置はまた、少なくとも１つの連絡通路を有し、該少なくとも１つの連絡通路は、前記膨張室と前記圧縮室との間で延び、かつ、前記膨張室と前記圧縮室との間での作動ガスの周期的な交換を可能とするように作動可能である。前記少なくとも１つの連絡通路は、アクセス導管を有し、該アクセス導管は、前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つと連絡しており、かつ、前記少なくとも１つの連絡通路は、熱再生器を有し、該熱再生器は、前記アクセス導管に連絡している。前記再生器は、前記連絡通路を通って第１の方向に流れるガスから熱エネルギーを受け取ることと、前記連絡通路を通って第１の方向とは反対の方向に流れるガスに熱エネルギーを引き渡すこととを、交互に行うように作動可能である。前記アクセス導管は、柔軟な部分を有し、該柔軟な部分は、作動中に前記膨張室と前記圧縮室との間に確立される作動温度勾配によって引き起こされる熱誘発性の歪みの下で屈曲するように作動可能である。
前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つは、弾性ダイヤフラムを有してもよく、該弾性ダイヤフラムは、前記膨張室と前記圧縮室との間での前記作動ガスの周期的な交換の間に屈曲するように構成されている。
当該装置は、ディスプレーサを有してもよく、該ディスプレーサは、前記圧縮室と前記膨張室との間に配置されており、前記圧縮室および前記膨張室の各々と連絡しており、かつ、該ディスプレーサは、前記作動ガスの周期的な交換の間に、往復運動して前記膨張室および前記圧縮室の容積を変動させるように構成されている。
前記ディスプレーサは、前記圧縮室と連絡する第１の弾性ディスプレーサ壁を有してもよく、前記膨張室と連絡する第２の弾性ディスプレーサ壁を有してもよく、かつ、該第１の弾性ディスプレーサ壁と該第２の弾性ディスプレーサ壁との間で延びる少なくとも１つの支持体を有してもよく、該支持体は、前記往復運動のために前記第１のディスプレーサ壁と前記第２のディスプレーサ壁とを連結するように作動可能である。
前記少なくとも１つの連絡通路は、各々のアクセス導管および熱再生器をそれぞれ有する複数の連絡通路を有してもよい。
前記複数の連絡通路は、前記長手軸の周囲に放射状の配列で並んでいてもよい。
前記再生器は、前記長手軸に沿った前記膨張室と前記圧縮室との間隔よりも短い長さを有していてもよく、かつ、前記再生器の長さは、該再生器を通じての流動摩擦に起因する損失を最小化しながら、該再生器を流れるガスとの熱エネルギーの交換を促進するように選択されていてもよく、かつ、前記アクセス導管は、前記膨張室と前記圧縮室との間隔の残りの部分にわたるように構成されていてもよい。
前記膨張室と前記圧縮室との間の熱伝導に起因する損失と前記連絡通路における損失との合計が最小となるように、前記膨張室と前記圧縮室との間隔が選択されていてもよい。
前記アクセス導管は、弾性限界を有する材料から作られていてもよく、かつ、前記膨張室と前記圧縮室との間隔は、前記アクセス導管における応力を前記材料の弾性限界以内に低減するように選択されていてもよい。
前記アクセス導管は、弾性限界を有する材料から作られていてもよく、かつ、前記アクセス導管は、少なくとも１つの長手方向に向いた部分を有してもよく、該少なくとも１つの長手方向に向いた部分は、前記アクセス導管における応力を前記材料の弾性限界以内に低減するように選択された長さ寸法を有する。
前記アクセス導管は、弾性限界を有する材料から作られていてもよく、かつ、前記アクセス導管は、少なくとも１つの概して半径方向に向いた部分を有してもよく、該少なくとも１つの概して半径方向に向いた部分は、前記アクセス導管における応力を前記材料の弾性限界以内に低減するように選択された長さ寸法を有する。
前記アクセス導管の前記柔軟な部分は、該柔軟な部分にわたって延びる穴を画定する壁を有してもよく、該壁は、前記熱誘発性の歪みの下で屈曲するような寸法を有する。
前記柔軟な部分は、概して管状の断面を有してもよい。
前記柔軟な部分は、扁平な管状の断面を有してもよく、該扁平な管状の断面は、内側の高さ寸法および幅寸法を有し、該高さ寸法は、該幅寸法よりも実質的に小さいものであってもよい。
前記アクセス導管の前記柔軟な部分は、半径方向に向いた歪みを吸収するように作動可能である概して長手方向に向いた部分、および、長手方向に向いた歪みを吸収するように作動可能である概して半径方向に向いた部分を有してもよい。
前記柔軟な部分は、少なくとも１つの曲線状の部分を有してもよい。
前記少なくとも１つの連絡通路は、前記長手軸に対して周囲に配置されていてもよく、かつ、前記柔軟な部分は、前記膨張室と連絡する前記連絡通路の第１の部分と、前記圧縮室と連絡する前記連絡通路の第２の部分との間の半径方向のオフセットを吸収するように構成されていてもよい。
前記再生器は、前記膨張室と連絡していてもよく、かつ、前記アクセス導管は、前記再生器と前記圧縮室との間で延びていてもよい。
前記膨張室および前記圧縮室は、それらの間に、低い熱伝導率を有する絶縁スペースを画定していてもよい。
当該装置は、熱伝導率の低い絶縁材料を有してもよく、該絶縁材料は、前記絶縁スペース内に配置されている。
前記絶縁材料は、多孔質の絶縁材料を有してもよい。
前記絶縁スペースは、前記作動ガスよりも低い熱伝導率を有するガスを含むように構成されていてもよい。
前記絶縁材料の細孔の大きさは、前記絶縁ガスの平均自由行程よりも小さくてもよい。
前記絶縁材料は、クローズドセルの多孔質材料を有してもよい。
前記連絡通路は、第１の熱交換器を更に有してもよく、該第１の熱交換器は、前記圧縮室と前記再生器との間でガスを運ぶように配置されており、かつ、該第１の熱交換器は、前記ガスと外部環境との間で熱を伝達するように構成されている。
前記第１の熱交換器は、熱伝導率の高い複数の炭素繊維を有してもよく、該複数の炭素繊維は、それらを通るガスの流れを促すように互いに十分に離れた位置にある。
前記第１の熱交換器は、前記再生器と物理的に接触した圧縮性材料を有してもよく、かつ、前記連絡通路は、前記第１の熱交換器および前記再生器に圧縮力を前もって負荷するように構成されていてもよく、該圧縮力は、前記の作動温度勾配によって引き起こされる熱誘発性の歪みの下で、前記第１の熱交換器と前記再生器とを物理的に接触したままとするのに十分なものである。
前記炭素繊維は、長手方向に熱を運搬するために概して長手方向に向いていてもよい。
前記炭素繊維は、概して、該繊維の少なくとも一部の先端が前記再生器と接触するように配置されていてもよい。
前記繊維は、概して、前記長手軸に対して鋭角を成すように配置され、それにより、前記再生器と接触する前記繊維の先端の屈曲を促進してもよい。
当該装置は、第１の熱導体を有してもよく、該第１の熱導体は、前記第１の熱交換器と熱連絡するように配置されており、かつ、該第１の熱導体が、前記第１の熱交換器と外部環境との間で熱を運搬するように作動可能である。
前記第１の熱導体は、熱交換流体を運搬するための導管を有してもよい。
前記第１の熱導体は、ヒートパイプを有してもよい。
前記第１の熱交換器は、前記圧縮室と連絡する外周に位置する部分を有してもよく、かつ、前記再生器は、該再生器を流れるガスのための概して長手方向に一線にそろった複数の流路を提供するように構成されていてもよく、かつ、前記複数の流路中の外周に配置された流路は、内側に配置された流路よりも大きな流れ抵抗を有することにより、前記再生器を通る概して均一なガス流を促すように構成されていてもよい。
前記再生器は、前記複数の流路を提供するように作動可能であるマトリクス材料を有してもよく、かつ、前記第１の熱交換器と前記再生器との接触面は、前記外周に配置された流路が前記内側に配置された流路よりも大きな長さを有するような形状であってもよい。
前記再生器は、前記複数の流路を提供する複数の個別のチャンネルを有してもよく、かつ、外周に配置された個別のチャンネルは、内側に配置された個別のチャンネルよりも小さい直径を有していてもよい。
前記第１の熱交換器は、前記圧縮室と連絡する外周部分を有してもよく、かつ、前記第１の熱交換器の寸法は、前記外周部分が前記再生器の外周範囲を超えて配置されることにより、前記圧縮室と前記再生器との間で運ばれているガスが、前記第１の熱交換器の少なくとも前記外周部分を通って流れるようなものであってもよい。
前記第１の熱交換器は、前記圧縮室と連絡する外周部分を有してもよく、かつ、前記再生器は、遮断部分を有してもよく、該遮断部分は、前記第１の熱交換器の前記外周部分の近くに配置されており、かつ、該遮断部分は、前記第１の熱交換器にて受け取られたガスまたは前記第１の熱交換器から排出されたガスが、前記第１の熱交換器の少なくとも前記外周部分を通って流れるようにするように作動可能である。
前記連絡通路は、第２の熱交換器を更に有してもよく、該第２の熱交換器は、前記膨張室と前記再生器との間でガスを運ぶように配置されており、かつ、該第２の熱交換器は、前記ガスと外部環境との間で熱を伝達するように構成されている。
前記第２の熱交換器は、前記再生器と物理的に接触した圧縮性材料を有してもよく、かつ、前記連絡通路は、前記第２の熱交換器および前記再生器に圧縮力を前もって負荷するように構成されていてもよく、該圧縮力は、前記の作動温度勾配によって引き起こされる熱誘発性の歪みの下で、前記第２の熱交換器と前記再生器とを物理的に接触したままとするのに十分なものである。
前記第２の熱交換器は、熱伝導率の高い複数の炭素繊維を有してもよい。
前記炭素繊維は、長手方向に熱を運搬するために概して長手方向に向いていてもよい。
前記炭素繊維は、概して、該繊維の少なくとも一部の先端が前記再生器と接触するように配置されていてもよい。
前記繊維は、概して、前記長手軸に対して鋭角を成すように配置され、それにより、前記再生器と接触する前記繊維の先端の屈曲を促進してもよい。
当該装置は、第２の熱導体を有してもよく、該第２の熱導体は、前記第２の熱交換器と熱連絡するように配置されており、かつ、該第２の熱導体は、外部環境と前記第２の熱交換器との間で熱を運搬するように作動可能である。
前記第２の熱導体は、熱伝導性の壁を有してもよい。
前記第２の熱導体は、ヒートパイプを有してもよい。
前記第２の熱導体は、熱交換流体を運搬するための導管を有してもよい。
前記第２の熱交換器は、前記圧縮室と連絡する外周に位置する部分を有してもよく、かつ、前記再生器は、該再生器を流れるガスのための概して長手方向に一線にそろった複数の流路を提供するように構成されていてもよく、かつ、前記複数の流路中の外周に配置された流路は、内側に配置された流路よりも大きな流れ抵抗を有することにより、前記再生器を通る概して均一なガス流を促すように構成されていてもよい。
前記再生器は、前記複数の流路を提供するように作動可能であるマトリクス材料を有してもよく、かつ、前記第１の熱交換器と前記再生器との接触面は、前記外周に配置された流路が前記内側に配置された流路よりも大きな長さを有するような形状であってもよい。
前記再生器は、前記複数の流路を提供する複数の個別のチャンネルを有してもよく、かつ、外周に配置された個別のチャンネルは、内側に配置された個別のチャンネルよりも小さい直径を有していてもよい。
前記第２の熱交換器は、前記膨張室と連絡する外周部分を有してもよく、かつ、前記第２の熱交換器の寸法は、前記外周部分が前記再生器の外周範囲を超えて配置されることにより、前記膨張室と前記再生器との間で運ばれているガスが、前記第２の熱交換器の少なくとも前記外周部分を通って流れるようなものであってよい。
前記第２の熱交換器は、前記膨張室と連絡する外周部分を有してもよく、かつ、前記再生器は、遮断部分を有してもよく、該遮断部分は、前記第２の熱交換器の前記外周部分の近くに配置されており、かつ、該遮断部分は、前記第２の熱交換器にて受け取られたガスまたは前記第１の熱交換器から排出されたガスが、前記第２の熱交換器の少なくとも前記外周部分を通って流れるようにするように作動可能である。
前記連絡通路は、少なくとも１つのシールを有してもよく、該シールは、当該装置の作動中に、前記作動ガスの周期的な交換に起因する作動圧力変動に付されてもよいものであり、かつ、前記連絡通路は、前記連絡通路にわたって圧縮力をかけるための設備を更に有してもよく、それにより、前記作動圧力変動に起因して前記少なくとも１つのシールにかかる力が、前記圧縮力により少なくとも部分的に相殺され得る。
前記圧縮力を提供するための前記設備は、ばねを有してもよく、該ばねは、前記連絡通路に軸方向に前もって負荷を与えるように配置されている。
前記再生器は、概して円筒形状を有してもよい。
前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つは、前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる表面を有してもよく、かつ、前記表面は、その中に形成された複数のチャンネルを有してもよく、該複数のチャンネルは、前記圧縮室中のガス流を前記連絡通路へおよび前記連絡通路から向かわせるように方向付けられている。
前記表面は、
弾性ダイヤフラムの表面であって、屈曲して前記圧縮室の容積を変動させるように構成されたもの、
ディスプレーサの表面であって、前記圧縮室と前記膨張室との間に配置されており、かつ前記圧縮室および前記膨張室の各々と連絡しており、前記ディスプレーサが、移動して前記膨張室および前記圧縮室の容積を変動させることにより、前記作動ガスの前記周期的な交換を引き起こすように構成されているもの、および、
前記膨張室の壁部分の表面であって、前記膨張室と連絡する前記ディスプレーサの前記表面に対向するもの
のうちの少なくとも１つを有してもよい。
前記連絡通路は、前記長手軸に対して周囲に配置されていてもよく、かつ、前記複数のチャンネルは、前記長手軸に対して概して半径方向に向いていてもよい。
前記複数のチャンネルの各々は、半径方向に向いたブランチを有してもよく、該半径方向に向いたブランチは、前記連絡通路に向かって延び、かつ、複数の斜め方向のブランチと連絡しており、該複数の斜め方向のブランチは、前記半径方向に配置されたブランチ内に入り込むように配置されている。
前記連絡通路は、長手軸の周りに放射状の配列で並んだ複数の連絡通路を有してもよく、かつ、各々の連絡通路は、前記圧縮室と連絡する各々の入口を有し、かつ、前記複数のチャンネルは、ガスを前記各々の入口に向けて導くための各入口と関連付けられた少なくとも１つのチャンネルを有してもよい。
本発明の他の態様によれば、熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのスターリングサイクル変換器装置が提供される。当該装置は、長手軸に沿って相隔たった位置関係で配置された膨張室および圧縮室を有する。当該装置はまた、少なくとも１つの連絡通路を有し、該少なくとも１つの連絡通路は、前記膨張室と前記圧縮室との間で延び、かつ、前記膨張室と前記圧縮室との間での作動ガスの周期的な交換を可能とするように作動可能である。前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つは、弾性ダイヤフラムを有してもよく、該弾性ダイヤフラムは、前記膨張室と前記圧縮室との間での前記作動ガスの周期的な交換の間に屈曲するように構成されており、かつ、前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つは、前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる表面を有してもよく、前記表面は、その中に形成された複数のチャンネルを有してもよく、該複数のチャンネルは、前記圧縮室中のガス流を前記連絡通路へおよび前記連絡通路から向かわせるように方向付けられている。
前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる前記表面は、前記ダイヤフラムの表面を有してもよい。
当該装置は、ディスプレーサを有してもよく、該ディスプレーサは、前記圧縮室と前記膨張室との間に配置されており、前記圧縮室および前記膨張室の各々と連絡しており、かつ、該ディスプレーサが、前記作動ガスの周期的な交換の間に、往復運動して前記膨張室および前記圧縮室の容積を変動させるように構成されており、かつ、前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる前記表面は、前記ディスプレーサの表面を有してもよい。
前記ディスプレーサは、前記圧縮室と連絡する第１の弾性ディスプレーサ壁、前記膨張室と連絡する第２の弾性ディスプレーサ壁、および、該第１の弾性ディスプレーサ壁と該第２の弾性ディスプレーサ壁との間で延びる少なくとも１つの支持体を有してもよく、該支持体は、前記往復運動のために前記第１のディスプレーサ壁と前記第２のディスプレーサ壁とを連結するように作動可能であり、かつ、前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる前記表面は、前記第１のディスプレーサ壁と前記第２のディスプレーサ壁の少なくとも１つの表面を有してもよい。
前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる前記表面は、前記膨張室の壁部分の表面であって、前記膨張室と連絡する前記ディスプレーサの前記表面に対向するものを有してもよい。
本発明の他の態様および特徴は、添付の図面とあわせて、本発明の特定の実施形態の以下の説明を検討すれば、当業者には明らかとなるであろう。
本発明の実施形態を説明する図面
図１は、本発明の第１の実施形態によるスターリングサイクル変換器装置の斜視図である。 図２は、図１に示されるスターリングサイクル変換器装置の断面図である。 図３は、線３−３に沿って切り取った、図２に示されるスターリングサイクル変換器装置の断面図である。 図４は、図２に示されるスターリングサイクル変換器装置に含まれる連絡通路の斜視図である。 図５は、図４に示される連絡通路の部分切欠き斜視図である。 図６は、図４および図５に示される連絡通路の概略断面図である。 図７は、図４および図５に示される連絡通路の代替的な実施形態の概略断面図である。 図８は、線８−８に沿って切り取った、図２に示されるスターリングサイクル変換器装置の断面図である。 図９は、線９−９に沿って切り取った、図２に示されるスターリングサイクル変換器装置の断面図である。
図１を参照すると、熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのスターリングサイクル変換器装置が、全体として１００で示されている。装置１００は、ハウジング１０２を有し、ハウジング１０２には、スターリングサイクル変換器の高温側１０４および低温側１０６を画定する該装置の構成要素が入っている。装置１００は更に、装置１００に電気的接続を提供する一対の電気端子１０８を有する。
装置１００の断面の詳細を図２に示す。図示される実施形態では、装置１００は、エンジンとして作動するように構成されており、スターリングサイクル変換器部分１１０および発電機部分１１２を有している。変換器部分１１０は、駆動ロッド１１４によって、発電機部分１１２に機械的に連結されており、発電機は、電気端子１０８に電気的に接続されている。エンジンとしての装置１００の作動の際に、熱エネルギーが高温側１０４で受け取られ、変換器部分１１０によって機械エネルギーに変換される。機械エネルギーは、駆動ロッド１１４によって発電機部分１１２に連結され、発電機は、端子１０８において、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。端子１０８は、エンジンの電力出力として機能する。
他の実施形態では、スターリングサイクル変換器装置１００は、ヒートポンプとして構成されていてもよく、ヒートポンプでは、電気端子１０８で受け取られた電気エネルギーが、モータとして機能する発電機部分１１２によって機械エネルギーに変換される。更に機械エネルギーは駆動ロッド１１４によって変換器部分１１０に連結され、変換器部分１１０は、側１０６と側１０４との間で温度勾配を生成する。そのような実施形態では、側１０６が周囲温度付近に保たれれば、側１０４は周囲温度よりも冷却されることになる。
更に図２を参照すると、装置１００は、長手軸１２４に沿って相隔たった位置関係で配置された膨張室１２０および圧縮室１２２を有する。軸１２４の方向における膨張室１２０および圧縮室１２０の長手方向の範囲は、例えば約２００μｍの領域内のみであってもよく、従って、図２のように概して縮尺通りに示した場合、各々の室は、はっきりとは見えない。装置１００はまた、連絡通路１２６を有し、連絡通路１２６は、膨張室１２０と圧縮室１２２との間で延びる。連絡通路１２６は、膨張室１２０と圧縮室１２２との間での作動ガスの周期的な交換を可能とするように作動可能である。
連絡通路１２６は、アクセス導管１８０を有し、アクセス導管１８０は、膨張室１２０と圧縮室１２２のうちの少なくとも１つと連絡している（図２では、一対のアクセス導管１８０が破線で示されており、本明細書中でより詳細に後述する。）。連絡通路１２６はまた、熱再生器１８２を有し、熱再生器１８２は、アクセス導管に連絡している。再生器１８２は、連絡通路１２６を通って第１の方向に流れるガスから熱エネルギーを受け取ることと、連絡通路を通って第１の方向とは反対の方向に流れるガスに熱エネルギーを引き渡すこととを、交互に行うように作動可能である。
変換器部分１１０は、弾性ダイヤフラム１２８を更に有し、弾性ダイヤフラム１２８は、屈曲して圧縮室１２２の容積を変動させるように構成されている。ダイヤフラムは、圧縮室１２２の方を向いた表面１５２、および、圧縮室から離れる方を向いた第２の表面１５６を有する。
作動ガスは、ヘリウムや水素などのガスであってよく、膨張室１２０、圧縮室１２２および連絡通路１２６によって規定される作動容積を占拠する。作動ガスの静圧Ｐｍは、約３ＭＰａ以上であってよい。装置１００の作動中、作動容積の圧力は、Ｐｍ±ΔＰ（ΔＰは、示差圧力変動である。）の間で変動する。
装置１００はまた、管状ばね１５４を有し、管状ばね１５４は、弾性ダイヤフラム１２８に連結されている。管状ばね１５４は、長手軸１２４と概して一線にそろった方向に追加のばね力を提供し、それが、弾性ダイヤフラム１２８によって提供されるばね力と一緒になって、ダイヤフラム、および、発電機部分１１２の付属構成要素の機械的共振振動数を増加させる。
作動ガスの静圧Ｐｍは、ダイヤフラム１２８を圧縮室１２２に対して外側に押す傾向にある。装置１００はまた、ハウジング１０２内に壁１５９を有し、壁１５９は、管状ばね１５４、および、ダイヤフラム１２８の表面１５６と一緒になって、反発室１５７を画定する。反発室１５７は、加圧されたガス体積を含み、該加圧されたガス体積は、ダイヤフラム１２８の表面１５６に圧力を加える。反発室内のガスは、圧力ＰＢ≒Ｐｍまで装填され、ダイヤフラム１２８の表面１５２および１５６にかかる力を少なくとも部分的に均等化する。それにより、ダイヤフラムは、作動ガスの静圧Ｐｍによって外側に過度には屈曲しない。１つの実施形態では、意図的な漏れが、狭い均等化導管、例えばルビーピンホール（図示せず）の形態で、反発室１５７と圧縮室１２２との間に導入されてもよい。均等化導管は、作動ガスと反発室１５７の中のガス体積との間で、ガス連絡を容易にする。均等化導管は、作動ガスとガス体積との間の静圧均等化を許容するサイズであってよいが、十分に狭く、変換器装置の作動振動数に対応する時間での著しいガス連絡を防止する。反発室１５７の体積、作動体積、ダイヤフラム１２８および管状ばね１５４が一緒に作動することにより、ダイヤフラム１２８、および発電機部分１１２の付属構成要素は、所望の固有振動数を有する。所望の作動振動数は、少なくとも約２５０Ｈｚであり得、１つの例示的な実施形態では、約５００Ｈｚであり得る。他の実施形態では、作動振動数は、５００Ｈｚより大きくてよい。
変換器部分１１０はまた、ディスプレーサ（displacer、押しのける物）１３０を有し、ディスプレーサ１３０は、移動して膨張室１２０および圧縮室１２２の容積を変動させ、それにより各々の室の間での作動ガスの周期的な交換を引き起こすように構成されている。図示される実施形態では、ディスプレーサ１３０は、第１の弾性ディスプレーサ壁１３２および第２の弾性ディスプレーサ壁１３４を有している。ディスプレーサ壁１３２、１３４はそれぞれ、各々の環状の切欠き部１３６および１３８を有し、これらは、ディスプレーサ壁の弾性屈曲を容易にして、ディスプレーサ１３０の中央移動部分を画定する。ディスプレーサ１３０の中央移動部分は、通常、環状の切欠き部の間に配置される。第１のディスプレーサ壁１３２および第２のディスプレーサ壁１３４は、複数の支持体１４２（図２では、１つの支持体１４２のみが見られる。）によって、中央移動部分において互いに離れた位置関係で保たれている。支持体１４２によって、環状の切欠き部１３６および１３８の間に配置される第１のディスプレーサ壁１３２および第２のディスプレーサ壁１３４の部分は、ディスプレーサ１３０の往復運動の間、ユニットとして一緒になって動く。他の実施形態では、支持体１４２は、第１のディスプレーサ壁１３２と第２のディスプレーサ壁１３４との間で延びる、中央に位置する単一の支持体（図示せず）を有してもよい。
膨張室の第１の壁を形成する第２のディスプレーサ壁１３４の表面１４４と、膨張室の第２の壁を形成する熱伝導性の壁１４６によって提供される表面１４８との間で、膨張室１２０は画定される。第１のディスプレーサ壁１３２は、圧縮室１２２の第１の壁を形成する表面１５０、および、圧縮室の第２の壁として機能するダイヤフラム１２８の表面１５２とを有する。
図示される実施形態では、ダイヤフラム１２８およびディスプレーサ１３０の運動は、長手軸１２４と一線にそろった方向の往復運動である。ダイヤフラム１２８の往復運動は駆動ロッド１１４と連結しており、更に駆動ロッド１１４は、発電機部分１１２を駆動する。ダイヤフラム１２８およびディスプレーサ１３０の往復運動は、それぞれ、ダイヤフラムおよびディスプレーサの屈曲の最大無限疲労応力によって制限される振幅を有する。ダイヤフラムにおける曲げ応力を低く保ちながら、作動容積の大部分となる、ダイヤフラム１２８の移動容積を提供するために、膨張室１２０および圧縮室１２２は、長手方向の高さよりもはるかに大きい半径方向の範囲を有する。通常、装置１００の最良の作動効率のために、作動容積を十分に小さく保ち、それによりエンジンの圧縮比を増加させることが望ましい。圧縮比は、ダイヤフラム１２８およびディスプレーサ１３０の運動に起因する圧力振幅と、作動ガスの静圧Ｐｍとの比として定義され得る。１つの実施形態では、約１０％の圧縮比を有することが望ましい。
当該装置はまた、熱伝導性の壁１４６を有し、熱伝導性の壁１４６は、外部の熱源と装置１００の変換器部分１１０との間の熱的接触面を形成し、かつ、装置１００を作動するために、熱エネルギーを膨張室１２０内に連結させる。図示される実施形態では、熱伝導性の壁１４６は、外部の熱源（図示せず）と熱連絡する壁の表面積を増加させるために、複数のフィン１４７を有する。図示される実施形態では、熱源は、燃料源の燃焼を通じて発熱するように作動可能であるバーナーを有してもよく、かつ、熱伝導性の壁１４６は、バーナーから直接的に熱を受け取るように構成されている。他の実施形態では、壁１４６は、例えば、ヒートパイプまたは熱伝達流体を運ぶ導管から間接的に熱を受け取るように連結され得る。
通常、エンジンとして装置１００を作動する場合、熱エネルギーは、熱伝導性の壁１４６において外部の熱源から受け取られ、熱は膨張室１２０内の作動ガスに連結され、平均ガス温度の上昇を引き起こす。平均作動ガス温度が概してより低いときに作動ガスを圧縮し、平均作動ガス温度が概してより高いときに作動ガスを膨張させることによって、エンジンは作動する。より低温の作動ガスを圧縮するのに要する仕事は、より高温の作動ガスの膨張を通じて提供されるエネルギーよりも小さく、これらのエネルギーの差によって、駆動ロッド１１４に連結されたダイヤフラム１２８において、正味の機械エネルギーの出力が提供される。
絶縁材料
この実施形態では、連絡通路１２６は、長手軸１２４に対して周囲に位置し、かつ、ディスプレーサ壁１３２と１３４との間のスペースにわたって延びる。ディスプレーサ壁１３２と１３４との間のスペースの残りの部分は、熱伝導率の低い絶縁材料１４０により占拠される。
１つの実施形態では、絶縁スペース１４０は、作動ガスよりも低い熱伝導率を有する絶縁ガスの導入を容易にするように構成される。有利には、絶縁スペース１４０中の絶縁ガスは、膨張室１２０から圧縮室１２２への熱伝導を更に低減させるように機能する。絶縁ガスを圧力Ｐｉ≒Ｐｍまで加圧して、第１のディスプレーサ壁１３２および第２のディスプレーサ壁１３４にかかる静圧負荷を最小化してもよい。１つの実施形態では、絶縁材料１４０は、オープンセルの多孔質材料であってもよく、その場合、絶縁ガスが絶縁材料を透過することになる。
他の実施形態では、絶縁材料１４０は、クローズドセルの多孔質材料であって、クローズドセル内に取り込まれた絶縁ガスを有するか、またはクローズドセル内に部分的真空を有するものであってもよい。１つの特定の実施形態では、クローズドセルの多孔質材料は、絶縁ガスの平均自由行程よりも小さい平均細孔径を有してもよい。分子の平均自由行程が容器の特徴的な寸法よりもはるかに小さい場合、平均自由行程は圧力に依存するが、ガスの熱伝導率は圧力に依存しない。従って、細孔内の絶縁ガス圧が十分低くなるようにクローズドセル材料を装填することによって、絶縁ガスの平均自由行程が容器の大きさと同程度になり、それにより、熱伝導率が劇的に低減される。セル内のガスの平均自由行程が、セルの寸法より大きくなるように十分に小さいクローズドセルを有する絶縁材料１４０を選択することによって、絶縁材料１４０の熱伝導率は、高い真空絶縁の性能に迫るレベルまで低減され得る。例えば、装置１００の通常の作動圧力において、オープンセルの絶縁材料１４０に求められる寸法は、１ｎｍのオーダーとなるであろう。大気圧に近いクローズドセル内の絶縁ガス圧を有するクローズドセルの絶縁材料とは対照的に、絶縁材料１４０の十分に低い熱伝導率を達成するためには、１０ｎｍのセル寸法で十分であろう。
有利には、膨張室１２０と圧縮室１２２との間の熱伝導の低減は、通常、装置１００の作動効率の向上と関連する。
連絡通路
図２に示される実施形態では、装置１００は、複数の連絡通路１２６を有している（図２では、その２つのみを示している）。装置１００の断面を図３に示す。図３を参照すると、この実施形態では、連絡通路１２６は、概して円形であり、長手軸１２４に対して放射状の配列で周囲に配置されている。複数の連絡通路１２６が一緒になって、膨張室１２０と圧縮室１２２との間の作動ガスの連絡を提供する。
連絡通路１２６の１つを膨張室１２０の一部分と共に図４に斜視図で示す。図４を参照すると、膨張室１２０の一部分は、第２のディスプレーサ壁１３４と熱伝導性の壁１４６との間で画定されている。分かりやすくするために、図４では圧縮室１２２は割愛されている。
連絡通路１２６は、円筒軸２５８を有する円筒状のボディ２０４を有する。円筒状のボディ２０４はまた、ポスト２０５を有し、ポスト２０５は、軸２５８と概して一線にそろった方向に該ボディから外側に延びる（ポスト２０５の機能については後述する）。ボディ２０４は、一対のアクセス導管１８０を有し、一対のアクセス導管１８０は、ボディ２０４から延び、かつ、圧縮室１２２（図４では示していない）と連絡するための各々の第１の端部２００を有する。他の実施形態では、第２のアクセス導管１８０は割愛されてもよいし、あるいは、２つより多くのアクセス導管が設けられてもよい。ボディ２０４は、ポート２１２およびポート２１４を有し、これらは、連絡通路１２６と外的環境との間で熱を運搬するために熱交換流体を運ぶように構成される。ポート２１２および２１４は、各々の開口部２１３にて終了する。開口部２１３は、外部の熱交換システム（図示せず）へ、または外部の熱交換システムから、熱交換流体を伝達するためのものである。
連絡通路１２６が部分切欠け斜視図として図５に示されている。図５を参照すると、圧縮室１２２を画定する第１のディスプレーサ壁１３２の一部分が示されている。図５では、分かりやすくするために、弾性ダイヤフラム（図２では１２８）は割愛されている。アクセス導管１８０は、円筒状のボディ２０４内の第２の端部２０２にて終了する。ボディ２０４は、第１の熱交換器２０６を収容し、第１の熱交換器２０６は、アクセス管１８０と再生器１８２との間でガス流を伝えるために配置されている。第１の熱交換器は、熱伝導性の材料を有し、熱伝導性の材料は、それを通じたガス流を許容する。ボディ２０４はまた、第１の熱導体２０８を収容し、第１の熱導体２０８は、第１の熱交換器２０６と熱連絡するように配置される。第１の熱導体２０８は、複数の、半径方向に向いたチャンネル２１６を有する。ボディ２０４はまた、中央導管２１０を有し、中央導管２１０は、熱伝達流体を受け取るためにポート２１２と連絡しており、熱伝達流体は、複数のチャンネル２１６を通るように導かれ、かつ、ポート２１４を通じて排出される。図示される実施形態では、第１の熱導体２０８は、銅などの熱伝導率の高い金属を有する。他の実施形態では、第１の熱導体は、熱をヒートパイプへ伝達させるように連結されていてもよい。
作動時に、第１の熱交換器２０６は、熱を作動ガスから熱伝導性の材料へ伝達させる。熱伝導性の材料は、第１の熱導体２０８に熱的に連結されている。更に第１の熱導体２０８は、熱を、チャンネル２１６を流れる熱伝達流体へ伝達する。熱交換は、ポート２１４を通じて排出され、熱を装置１００から外部の熱交換システムへ運搬し、従って外的環境へ運搬する。
１つの実施形態では、第１の熱交換器２０６は、熱伝導率の高い炭素繊維を有する炭素繊維材料を有してもよい。炭素繊維材料は、熱伝導率の高い炭素複合材料であってもよい。そのような複合材料は、炭素ベール上に電気フロック処理され、樹脂で被覆された炭素繊維から形成されていてもよい。該ベールは、繊維を全体としてコヒーレントに保持する一方、炭素繊維は樹脂に付着する。その後、該材料は非常に高温で熱分解され、いわゆる炭素−炭素複合材料を形成する。熱分解により樹脂は純粋な炭素に変換され、オールカーボンの材料が生じる。生じる構造は、一般にカーボンベルベットと呼ばれる。第１の熱交換器２０６に関して、熱が繊維に沿って第１の熱導体２０８に伝達されるように、繊維を長手軸１２４と一線にそろった方向に概して向けることが望ましい。カーボンベルベットは、概してランダムな繊維充填密度を有し、それにより、繊維間のガス流を許容しながら、ガスと繊維との間の熱伝達のために大きな表面積を提供する。
その後、生じた炭素複合材料は、熱伝導性のペーストを用いて金属熱導体２０８に接着される。熱伝導性のペーストは、オーブンで焼かれた後、炭素複合材料を熱導体へ接着させる。熱伝導性のペーストは、炭素複合材料を金属へ接着させることと、炭素複合材料の炭素繊維の中および外へ熱を伝えるために良好な熱接触面を提供することという、二重の機能を果たす。有利には、炭素複合材料は、例えば金属フィン熱交換器によって容易に提供され得るものよりも、熱伝達のためにガスと接触する顕著に大きな表面積を提供する。他の実施形態では、熱交換器は、金属のフィンまたはピンから作られていてもよい。
代替的には、第１の熱交換器２０６は、ポリマーなどの担体上に炭素繊維を電気フロック処理することにより作られていてもよい。その後、炭素繊維を担持するポリマーは、熱伝導性のペーストを用いて、第１の熱導体２０８に適用される。その後、ポリマー担体、炭素繊維および第１の熱導体２０８をオーブン中で焼いてポリマーを焼ききり、第１の熱導体に接着されかつ熱的に連結された炭素繊維を残し、それにより、最初に炭素−炭素複合体を製造することなく、カーボンベルベットを製造する。他の実施形態では、第１の熱交換器２０６は、炭素繊維を熱伝導性のペーストに直接的にフロック処理することによって作られてもよい。
上記に開示した通り、いくつかの実施形態では、繊維は、軸２５８と概して一線にそろった向きであり得る。有利には、炭素繊維材料中の個々の炭素繊維は、通常、柔軟であり、圧縮させて再生器と接触させると、柔軟な繊維は曲がるため、繊維の先端と再生器１８２との間の緊密な物理的接触を提供する。他の実施形態では、炭素繊維を軸２５８に対して斜めの角度として柔軟性を増加させ、それにより更に各々の熱交換器の圧縮性を増加させるように、炭素繊維材料を作ってもよい。
図５に示される実施形態では、熱導体２０８および複数のチャンネル２１６は、円筒状のボディ２０４の穴２１８に入るような大きさの直径を有する、概して円筒状のディスクの形態で作られている。熱交換器２０６もまた、ディスクの形状に作られており、穴２１８内に入るような寸法である。有利には、熱伝導率の高い炭素繊維材料を前もって作り、それを穴２１８に適合する大きさに切断してもよいし、あるいは、上記に詳述したように、第１の熱導体２０８の形状に対応するように作ってもよい。
ボディ２０４は、第１の熱交換器２０６の外周を囲む環状のプレナム２２０を更に有する。環状のプレナム２２０は、アクセス導管１８０の端部２０２と連絡する。プレナム２２０は、アクセス導管１８０と第１の熱交換器２０６との間でガスを伝えるように機能する。
熱再生器１８２は、第１の熱交換器２０６と熱連絡するように配置される。第１の熱交換器２０６が、上述のように、熱伝導率の高い炭素材料を有する実施形態では、炭素繊維が再生器に接触し、それにより、第１の熱交換器２０６と再生器との間の良好な熱連絡が提供される。再生器１８２は、十分に低い流動摩擦損失を提供する一方、再生器を流れるガスとマトリクス材料との間の効率的な熱伝達を提供するように選択された流路径を有するマトリクス材料２２６から作られていてもよい。作動中、再生器マトリクス材料２２６は、再生器１８２を通過する作動ガスから熱エネルギーを受け取ることと、熱エネルギーを作動ガスに引き渡すこととを交互に行う。
再生器１８２を通じた熱伝導を低減させるために、マトリクス材料２２６は、軸２５８の方向において低い熱伝導率を有することが望ましい。好適な再生器マトリクス材料２２６のいくつかの例としては、多孔質セラミックまたは充填球などの多孔質材料、あるいは、マイクロキャピラリーアレイなどの個別の流れチャンネルを有する材料が挙げられる。代替的には、積層ワイヤスクリーンまたは巻き線型再生器を用いてもよい。いくつかの好適な再生器マトリクス材料は、Martiniの米国特許第４，４１６，１１４号に記載されており、該特許は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
図示される実施形態では、再生器１８２は、薄壁スリーブ２２２中に受け入れられており、スリーブ２２２は、この実施形態では、第２のディスプレーサ壁１３４と一体化された部分である。代替的には、スリーブ２２２は、第２のディスプレーサ壁１３４に対して溶接されるか、または他の方法で接着されてもよい。スリーブ２２２は、第２のディスプレーサ壁から外側に延び、遠位端２６２を有する。高温側１０４と低温側１０６との間のスリーブに沿った熱伝導を最小化しつつ、作動ガスの圧力変動ΔＰに耐えるのに十分な構造的完全性を提供するように、スリーブ２２２の壁の厚さは選択される。
連絡通路１２６はまた、第２の熱交換器２２８を有し、第２の熱交換器２２８は、再生器１８２と膨張室１２０との間でガス流を伝えるように配置される。第２の熱交換器２２８は、第２の熱導体と熱連絡し、第２の熱導体は、この場合、熱伝導性の壁１４６によって提供される。外的環境から、熱伝導性の壁１４６にて受け取られた熱は、第２の熱交換器１２８へと伝達され、更に第２の熱交換器１２８は、熱を作動ガスへと伝達する。
第１の熱交換器２０６に関して上述したように、第２の熱交換器２２８もまた、熱伝導率の高い炭素材料から形成されていてもよい。熱伝導性の壁１４６は、突出した円筒状の部分２３０を有し、かつ、概して上述したように、炭素材料は、熱伝導性のペーストを用いて、突出した部分２３０に接着されてもよい。高い温度差での装置１００の作動のために、熱伝導性のペーストは、高温での作動に耐えることができなければならない。熱伝導性の壁１４６の円筒状の部分２３０は、ディスプレーサ壁１３４に形成された穴２３２内に受け入れられ、穴２３２は、膨張室１２０と第２の熱交換器２２８との間で連絡する環状のプレナム２３４を画定する大きさである。１つの実施形態では、環状のプレナムは、穴２３２と部分２３０との間で、約３００μｍの寸法を有する。
連絡通路１２６を通る作動ガスの連絡を許容するために、再生器マトリクス材料２２６は、第１の熱交換器２０６および第２の熱交換器２２８の各々と接触するように配置される。第１の熱交換器２０６および／または第２の熱交換器２２８が、熱伝導率の高い炭素材料を有する実施形態では、軸２５８と一線にそろった方向におけるボディ２０４およびスリーブ２２２の寸法は、装置１００の作動中に生じる熱誘発性の歪みの下で、炭素材料の炭素繊維が再生器マトリクスと接触したままとなるようなものである。有利には、熱交換器２０６および２２８の炭素繊維は、いくぶん柔軟であり、屈曲して若干大き過ぎる再生器１８２に対処するか、または、若干小さ過ぎる再生器に付随する間隙を吸収するように作動可能であり、それにより、再生器および連絡通路１２６と関連する機械公差を緩和する。
一般に、作動ガス流が、熱交換器２０６および２２８の材料と十分な熱を交換することなく再生器マトリクス材料２２６に到達することにより、装置１００の作動効率が低下する可能性を回避することが望ましい。炭素繊維と再生器マトリクス材料２２６との間に間隙が開いている場合、作動ガスの大部分は、各々の熱交換器２０６および２２８によって加熱または冷却されることなく、再生器１８２に到達できる可能性がある。そのような条件下では、再生器１８２へ流れ込むガスは各々の熱交換器とは異なる温度となり、再生器にわたる有効な温度差を低減して、装置１００の作動効率を低下させるであろう。熱交換器２０６および２２８の炭素繊維もまた、繊維の長さがある程度異なってよく、また、炭素材料が圧縮されるように連絡通路を構成および組み立てし、それにより、最長の炭素繊維の先端のみならず、繊維の大部分が再生器１８２と接触することを確実にしてもよい。上記に開示された通り、いくつかの実施形態では、炭素繊維はまた、軸２５８に対して斜めの角度とすることでそれらの柔軟性を増加させ、かつそれによって各々の熱交換器の圧縮性を増加させてもよい。
１つの実施形態では、第１の熱交換器２０６、再生器１８２および第２の熱交換器２２８が、第１の熱導体２０８と熱伝導性の壁１４６の突出した円筒状の部分２３０との間に挟まれるようにして連絡通路１２６は組み立てられる。組み立て中に、組み立て時の前もっての負荷が適用され、スリーブ２２２の遠位端２６２がボディ２０４の底に達し、それにより、第１の熱交換器２０６および第２の熱交換器２２８が、前記の前もっての負荷により、緊密に接触するように促される。第１の熱交換器２０６、再生器マトリクス材料２２６および第２の熱交換器２２８の間に最小の負荷を与える前にスリーブがボディ２０４の底に達することがないように、軸２５８の方向におけるスリーブ２２２の長さは選択される。まだ組み立て時の前もっての負荷の下にある間に、スリーブ２２２の遠位端２６２をボディ２０４に密封的に接着して、膨張室１２０と圧縮室１２２との間で連絡通路１２６を通じたガスの密接なシールを提供してもよい。このシールは周囲温度付近での作動のためにのみ必要とされるため、ボディ２０４に使用される材料は、スリーブ２２２の材料とは異なっていてもよく、かつ、端部２６２は、ボディに対して、溶接され、ろう付けされ、はんだ付けされ、またはそれ以外の方法で接着されてもよい。組み立て時の前もっての負荷により、熱交換器２０６および２２８は若干圧縮され、それにより、熱交換器と再生器マトリクス材料２２６との間の緊密な接触が、作動中に生じる熱誘発性の歪みの下で接触面２５４および２５６において維持される。作動中に生じる熱誘発性の歪みは、さもなければ、望ましくない流れを許容して熱交換器２０６および２２８をバイパスすることによって、連絡通路１２６を通るガス流の経路の完全性を劣化させ得る。
図５を再び参照すると、図示される実施形態では、連絡通路１２６のボディ２０４は、圧縮力によって前もって負荷を与えられる。この実施形態では、圧縮力はばね２３６によって与えられる。ばね２３６は、ポスト２０５に受け入れられ、第１のディスプレーサ壁１３２にもたれる。圧縮力によって、ボディ２０４、薄壁スリーブ２２２および第２のディスプレーサ壁１３４は、熱伝導性の壁１４６の方へ押しやられる。示差作動圧力変動ΔＰに起因する力に対抗するのに十分に大きい圧縮力を提供するようにばねは選択される。さもなければ、示差作動圧力変動ΔＰに起因する力により、スリーブ２２２とボディ２０４との間の遠位端２６２において該シールに応力がかかることになる。有利には、該圧縮力は、作動圧力変動に起因してシールが耐えるべき応力を著しく低減する。
連絡通路１２６を概略的に断面で図６に示す。図６を参照すると、図示される実施形態では、マトリクス材料２２６は、多孔質マトリクスを有するが、他の実施形態において上述したように、該材料は、複数の個別の長手方向に延びるチャンネルまたはマイクロキャピラリーを有してもよい。連絡通路を通るガス流は、複数の線２５０で表される。図６では、流れの方向が、圧縮室１２２から膨張室１２０への流れについて矢印２５２で示されている。しかしながら、ガス流は周期的であり、かつ、矢印２５２の方向は、膨張室１２０から圧縮室１２２へのガス流については逆転することが理解されるべきである。作動中、ディスプレーサ１３０およびダイヤフラム１２８が移動して圧縮室１２２の容積の減少を引き起こすとき、圧縮室から、連絡通路１２６に関連する各アクセス導管１８０中にガスが流れる（図６では、１つのアクセス導管１８０のみが示されているが、１つより多くのアクセス導管があってもよい）。アクセス導管１８０から環状のプレナム２２０中へのガス流は、概して軸方向（軸２５８に対して）から、第１の熱交換器２０６の外周に配置された環状部分２６４中への半径方向内側の流れに、方向を変化させる。第１の熱交換器２０６中のガス流は別れて、第１の熱交換器２０６と再生器１８２との間の接触面２５４に向かう複数の経路をたどる。同様に、再生器１８２と第２の熱交換器２２８との間で第２の接触面２５６を横切って流れるガスは、再生器における概して軸方向の流れから、第２の熱交換器２２８を通る概して半径方向の流れに、方向を変化させる。ガス流は、第２の熱交換器２２８の外周に配置された環状部分２６６を通じてプレナム２３４内へ排出される。プレナム２３４は、作動ガスの流れを膨張室１２０内へと導く。膨張室１２０と圧縮室１２２との間のガス交換の周期的な性質に起因して、作動ガスの一部分は、通常、作動容積内で往復することになる。例えば、接触面２５４付近の作動ガスの一部分は、再生器１８２または第１の熱交換器２０６を離れることなく、接触面を横切って往復し得る。
図６に示される実施形態では、再生器１８２の再生器マトリクス材料２２６は、第１の環状の遮断部分２６０および第２の環状の遮断部分２６１を有し、これらは、マトリクス材料２２６の外縁の周りで延びる。遮断部分２６０は、作動ガスが第１の熱交換器２０６の少なくとも外縁部分２６４を通過せずに、外周に配置された再生器マトリクス材料２２６に到達することを防止する。同様に、遮断部分２６１は、作動ガスが第２の熱交換器２２８の少なくとも外縁部分２６６を通過せずに、外周に配置された再生器マトリクス材料２２６に到達することを防止する。遮断部分２６０および２６１がなければ、作動ガスは、第１の熱交換器２０６および第２の熱交換器２２８との最小限の相互作用さえもすることなく、再生器１８２の外縁部分に到達できてしまうであろう。遮断部分２６０および２６１は、遮断部分内でキャピラリーまたは細孔を遮断するためのシーリング材料を導入することによって設けられてよい。代替的には、マトリクス材料２２６の外縁部分は、例えば、ガラスのキャピラリーの端部を焼いてガラスの一部分を溶かすことによって、外縁の細孔またはキャピラリーを選択的に遮断するように処理されてもよい。
図１−図３に示される装置１００の実施形態では、装置の概して円筒状の構成によって、通常、長手軸１２４に対して大部分は軸対称である、装置を通じたガス流が生じる。従って、膨張室１２０および圧縮室１２２内のガス流は、スターリングサイクルの作動期間に従って、主として半径方向外側または半径方向内側の方向の間で変動する。図８を参照すると、第１のディスプレーサ壁１３２の表面１５０が平面図で示されており、アクセス導管１８０の各々の第１の端部２００は、圧縮室１２２内を半径方向に流れるガス（矢印２８２によって表される）のための複数の個別の入口２８０として機能する。図８には、完全性の目的で、外部の熱交換システムへおよび外部の熱交換システムから熱交換流体を伝達するための開口部２１３が示されている。
有利には、複数の個別の入口２８０は、アクセス導管１８０の各々の第１の端部２００を受け入れるための複数の開口部をディスプレーサ壁１３２中にあけることによって、実装され得る。一方、個別の入口２８０の代わりに環状のスロットによって、圧縮室１２２を通る、より均一な半径方向の流れが提供され得るが、このようなスロットは、実際には実装が難しい可能性があり、またいくつかの欠点を有する。このようなスロットはまた、作動温度の差に起因する熱膨張を吸収（accommodate）できないであろう。更には、入口２８０およびアクセス導管１８０と同じ自由流れ断面の環状スロットは、より大きな粘性損失を被ることになる。これは、環状のスロットは、狭い間隔の壁を有するため、アクセス導管部分３３９よりも小さい径深を有することになるからである。一般に、径深が小さいほど、より大きな粘性損失が付随する。環状スロットの壁の間の環状の間隔を増加させることにより、流動摩擦は低減するが、より大きな作動容積を生じることにもなる。上述の通り、良好な作動効率のためには、十分に低く作動容積を保ち、１０％のオーダーの圧縮比を提供することが望ましい。従って、完全な流れの対称性は必要でなく、また最適でもない可能性がある。
いくつかの実施形態では、アクセス導管１８０の端部２００の形状を、入口２８０に出入りするガスについて起こり得る流れ集中に起因する任意の局所的な粘性損失を低減するようなものとしてもよい。例えば、端部２００は、ベルマウス形状に丸くしてもよい。
熱膨張
装置１００の効率的な作動のために、高温側１０４と低温側１０６との間の温度差を大きくすることが望ましい。いくつかの実施形態では、温度差は、約６００℃以上の範囲内であってよい。従って、作動条件下で、膨張室１２０と圧縮室１２２との間で大きな温度勾配が確立され得る。大きな温度差に付随する１つの問題は、熱膨張において付随する差異であり、これは、装置を作るのに用いられた構成要素および材料、特に、装置１００の高温側１０４および低温側１０６の両方と連絡する再生器などの構成要素において、吸収されるべきである。作動中、比較的大きな機械的応力をそのような構成要素は経験し得る。更には、装置１００を構成するのに用いられる多様な異なる材料に起因して、そのような材料が示すしばしば顕著に異なる熱膨張率に細心の注意を払って、例えば、ガスの漏洩または所望の流れ経路からのガス流の逸脱などの作動上の問題を回避する必要がある。ダイヤフラム型のスターリングエンジンの膨張室および圧縮室は、その性質上、比較的大きな半径方向の寸法を有するため、大きな温度差の下で作動するときに、低温側１０６に対する高温側１０４の熱膨張は、著しい構造的な問題を引き起こす。
更に、連絡通路１２６の円筒状の構成は、いくつかの利点を提供する。上記に開示された通り、再生器１８２が軸方向に低い熱伝導率を有していることによって、装置１００の高温側１０４と低温側１０６との間でほぼ完全な温度差が、再生器１８２にわたって現れることが望ましい。
この結果、エンジンの構成において、接触面２５４が接触面２５６よりも著しく低温となる。再生器１８２にわたる温度差の１つの効果は、接触面２５６が、軸２５８付近で外側に湾曲する傾向にありつつ、接触面の外縁端部は平面内のままとなるということである。第２の接触面２５６において、再生器マトリクス材料２２６は２次元内で熱膨張し、この結果、第２の接触面が外側に湾曲して、概して球状の形状を取る。図６に示される実施形態では、再生器マトリクス材料２２６は、スリーブ２２２内において自由であり得る。代替的には、マトリクス材料２２６は、一端のみにおいてスリーブにシールされてもよく、その場合、再生器１８２の円形の断面が有利である。これは、熱応力下にあるときに、再生器の外周縁部が平面内にあるままとなり、スリーブへのシーリングが著しく簡単になるためである。これに対して、本発明者らは、円形でない再生器の構成をシールすることは、２次元的な熱膨張の結果、外周縁部が平面の外に出るため、著しく難しいことを見出した。
有利には、温度勾配に起因する再生器マトリクス材料２２６の湾曲は、スリーブ２２２の端部２６２とボディ２０４との間のシールに応力をかけず、接触面２５４の任意の湾曲も、第１の熱交換器２０６の炭素繊維の柔軟性によって吸収される。
更には、いくつかの実施形態では、再生器マトリクス材料２２６は、セラミックまたはガラス材料から作られていてもよく、一方、スリーブ２２２は金属を有してもよい。セラミックまたはガラス材料は、通常、スリーブ２２２に用いられる金属の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有するため、内部の穴２２４の少なくとも一部分に沿って間隙が広がる可能性がある。従って、図５に示される実施形態では、スリーブ２２２の寸法は、再生器マトリクス材料２２６が緊密に嵌合する配置で受け入れられるようなものである。
上記に開示された通り、再生器１８２にわたる温度差全体がスリーブ２２２にわたっても現れ、従って、スリーブの壁の厚さは、スリーブを通じた熱伝導を最小化するために、それが耐えなければならない機械的応力に合致してできるだけ薄くするように選択される。再生器マトリクス材料２２６は、スリーブ２２２内において概して緊密な嵌合を提供し、マトリクス材料とスリーブの内壁との間において外周で生じ得るガス流を低減するような寸法とされる。実際には、マトリクス材料２２６の外周とスリーブ２２２の内壁との間の間隙が、マトリクス材料を通じた流れチャンネルと同様の径深を有するように、嵌合の緊密性が決定され得る。例えば、多孔質マトリクス材料２２６の場合、追加の熱損失および粘性損失を回避するために、間隙は、マトリクスの細孔サイズのオーダーの寸法（例えば、約２０μｍであり得る）に保持され得る。この基準は、再生器１８２の最大直径を制限することにもなるであろう。一部の作動温度差の下では、より大きな直径の再生器ではこの基準を満たすことができない可能性があるためである。所与の材料について、マトリクス材料２２６の外周とスリーブ２２２の内壁との間の間隙の大きさは、再生器１８２の直径、および温度差に対応するものとなる。１つの実施形態では、再生器１８２の直径は、約１ｃｍである。
図７を参照すると、代替的な実施形態では、柔軟な環状高温シール３００が、マトリクス材料２２６と第２のディスプレーサ壁１３４との間に導入されてもよく、かつ、柔軟な環状シール３０２が、マトリクス材料２２６とボディ２０４との間に導入されてもよい。図示される実施形態では、シール３００および３０２はそれぞれ、薄い曲線状の金属部分を有する。他の実施形態では、シール３００は、作動温度差の下で生じる熱的歪みを吸収するための１以上のコルゲーションを有する金属部分を有してもよい。
図示される実施形態では、マトリクス材料２２６は、マイクロキャピラリー管からなり、該マイクロキャピラリー管は、再生器１８２の長さを伸長し、それにより、シールされた再生器の外周を提供する。マトリクス材料２２６が多孔質マトリクスである他の実施形態では、再生器の外周は、例えば追加のスリーブ（図示せず）によって、シールされ得る。有利には、作動温度差の下でマトリクス材料２２６の外周縁部を平面内のままとさせる再生器１８２の円筒状の構成はまた、環状シール３００および３０２に対する要求を低減することにより膨張の差を吸収するのを助け、該シールは、再生器１８２の外周縁部の平面内の半径方向の膨張のみを吸収する必要がある。図示される実施形態では、連絡通路１２６は更に絶縁体３０４を有し、絶縁体３０４は、ボディ２０４と第２のディスプレーサ壁１３４との間で延びる。絶縁体３０４は、ばね２３６に起因する圧縮負荷に耐えるように構成されており、さもなければ、該圧縮負荷により、熱交換器２０６および２２８の炭素繊維、または再生器マトリクス２２６がつぶれてしまい得る。１つの実施形態では、絶縁体３０４は多孔質のセラミック材料を有する。
図示される実施形態では、マトリクス材料２２６は、接触面２５４において、および接触面２５６において、輪郭形状を有する。この実施形態では、接触面２５４および２５６の形状は、窪んだものであり、概して球状の輪郭を有しているが、他の実施形態では、接触面２５４および２５６は、連絡通路１２６を通る実際の流路２５０に応じて、非球形の輪郭を有してもよい。一般に、輪郭を取った接触面２５４および２５６は、再生器の外周においてよりも、再生器１８２の軸２５８付近において、再生器マトリクス材料２２６を通る、より短い経路長さを提供する。接触面２５４および２５６の輪郭は、再生器１８２を通るすべての経路の流れ抵抗を実質的に均等化するように選択され得る。軸２５８付近における再生器を通るより短い経路は、ガスが第１の熱交換器２０６および第２の熱交換器２２８を通じて進まなければならないより長い経路を少なくとも部分的に相殺するため、第１の熱交換器、再生器１８２および第２の熱交換器を合わせて通る全ての流路が、概して同様の流体流れ抵抗を有するようになる。有利には、輪郭を取った接触面２５４および２５６を設けることによって、マトリクス材料２２６を通るより均一なガス流を生じさせ、それが、装置１００の作動効率の向上に寄与する。マトリクス材料２２６を通る均一な流れを促進することは、図７に示されるマイクロキャピラリー・マトリクス材料の場合のように、軸２５８に対して横方向に限られた流量再配分を提供するマトリクス材料２２６を有する実施形態において、特に重要である。これに対して、（図６に示されるような）多孔質マトリクス材料は、通常、軸２５８に対して横方向に少なくともいくらかの流量再配分を許容する。そのような場合、接触面が輪郭を取ることは不必要であり得、または、マイクロキャピラリー・アレイ・マトリクス材料についてよりも、輪郭を取ることは、目立たないものであり得る。従って、接触面２５４および２５６が輪郭を取ることは、再生器１８２のために選択された特定の構成およびマトリクス材料に応じて、より著明である、より著明でない、または完全に割愛され得る。
代替的には、他のマイクロキャピラリー再生器の実施形態（図示せず）では、中心軸２５８付近に位置するマイクロキャピラリー管の径深は、再生器１８２の異なる部分を通じた流れ抵抗を実質的に均等化するために、軸から離れて位置する管よりも若干大きくされ得る。
図７に示される実施形態では、第１および第２の熱交換器は、外側に伸長して、再生器マトリクス材料２２６よりも大きな直径を有する。第１の熱交換器２０６は環状部分２６８を有し、かつ第２の熱交換器２２８は環状部分２７０を有し、これらはそれぞれ、再生器１８２の外周縁部を超えて伸長する。外側に伸長する部分２６８および２７０は、第１の熱交換器２０６および第２の熱交換器２２８にて受け取られたか、または第１の熱交換器２０６および第２の熱交換器２２８から排出された作動ガスが、接触面２５４および２５６を横切って流れる前に、各々の熱交換器の少なくともこれらの部分を通って流れることを引き起こし、それにより、作動ガスと熱交換器２０６および２２８との間の最初の相互作用を提供する。他の実施形態では、環状の遮断部分２６０（図６に示される）と同様の遮断部分が、伸長部分２６８および２７０の代替としてまたはそれらの追加として実装されてもよく、それにより、第１の熱交換器および／または第２の熱交換器との作動ガスの相互作用が増大される。マイクロキャピラリー再生器マトリクス材料２２６については、キャピラリーを通る流れを遮断するために単一の遮断部分のみが必要であり、この部分は、有利には、再生器の低温側に（即ち、図６に示される遮断部分２６０と同じ位置に）位置し得る。これにより、低温シーリング材料の使用が促進され、そしてまた、図６の多孔質マトリクス再生器の実施形態に示されるように遮断部分が更に伸長された場合にキャピラリーを通じて生じるであろう、更なる熱伝導が低減される。
柔軟なアクセス導管
上記に開示した通り、ばね２３６によって提供される圧縮力によって、連絡通路１２６は、第２のディスプレーサ壁１３４との接触を促され、従って、装置の高温側１０４との接触を促される。作動中、熱膨張によって、第１のディスプレーサ壁１３２および第２のディスプレーサ壁１３４が互いに対して長手方向に動いて、連絡通路１２６（第１のディスプレーサ壁１３２に連結したアクセス導管１８０の各々の端部２００を有する）に熱的歪みが生じ得る。しかしながら、熱的歪みは半径方向（即ち、長手軸１２４に対して概して垂直）にも導入され、これらの半径方向の歪みは、長手方向の歪みよりも大きいものであり得る。半径方向の歪みは、圧縮室１２２の第１のディスプレーサ壁１３２に対する、膨張室１２０の第２のディスプレーサ壁１３４および熱伝導性の壁１４６の熱膨張に起因して生じる。
図４を再び参照すると、図示される実施形態では、アクセス導管１８０の各々は、第１の概して長手方向に向いた部分１８４（ボディ２０４から外側へ延びる）、ならびに、第１および第２の曲線状の部分１８６および１８８（概して半径方向に向いた部分１８９を画定する）を有する。第２の概して長手方向に向いた部分１９０は、第２の曲線状の部分１８８から延びて、第１の端部２００において終了する。
第１の長手方向の部分１８４は、その長さに沿って曲がることによって半径方向の歪みを吸収し、それにより、アクセス導管１８０のこの部分の壁に応力がかかる。１つの実施形態では、アクセス導管１８０は、薄壁の管状ステンレス鋼から作られており、これは、作動ガスの圧力変動に耐えることが構造的に可能であり、それと同時に、熱誘発性の歪みの下で屈曲するような寸法である。アクセス導管１８０は、導管壁の弾性屈曲についての関連する最大応力限界を有することになる。装置１００に最大の半径方向の膨張を引き起こす条件下において、壁にかかる応力は最大となり、長手方向の部分の長さは、材料と関連する最大応力限界を下回るようにこれらの壁の応力を低減するように選択される。
同様に、半径方向の部分１８９は、その長さに沿って曲がることによって長手方向の歪みを吸収し、それにより、アクセス導管１８０のこの部分の壁に応力がかかる。最大の長手方向の変位の条件下では、壁にかかる応力は最大となり、半径方向の部分の長さは、アクセス導管材料と関連する最大応力限界を下回るようにこれらの壁の応力を低減するように選択される。
１つの実施形態では、アクセス導管１８０は、その長さに沿って概して均一な壁の厚さを有してよいが、他の実施形態では、壁の厚さを薄くして、熱的歪みを吸収するために曲がる必要があるアクセス導管の部分の柔軟性を増大させてもよい。他の実施形態では、アクセス導管１８０は、追加のループまたはカーブを有して、長手方向および／または半径方向の歪みを吸収してもよい。図４に示される実施形態では、アクセス導管１８０は概して円形の断面を有するが、他の実施形態では、導管は、扁平であってもよいし、あるいは、高さよりも大きい幅を有する扁平な部分を有して、導管が優先的な屈曲方向を有するようにしてもよい。作動温度差に起因して生じる歪みを吸収するように優先的な屈曲方向が位置合わせされるように、扁平なアクセス導管は向けられるであろう。導管の内寸法は、導管を流れるガスに同等の流動摩擦を提供するように選択され得る。
アクセス導管１８０の全長は、長さに比例する粘性損失および熱緩和損失によって制限される。更には、アクセス導管が更に長くなることによって、装置１００の作動容積が増大し、それにより、達成可能な圧縮比が低減される。ディスプレーサ壁１３２と１３４との間隔を増大させることにより、通常、作動効率が上がるが、ある時点で、更に間隔を増大しても、アクセス導管１８０に関連するこれらの損失がもはや補われなくなる。従って、アクセス導管１８０の寸法を、最大の熱誘発性の歪みを吸収するのに必要とされるのと同等にすることが有利である。１つの実施形態では、アクセス導管１８０の長さおよび構成は、周囲温度下で、応力が、作動温度において見られるであろう応力と概して等しい大きさであるが反対符号となるように選択される。有利には、そのような前もって応力を負荷する構成では、さもなければ必要とされるであろうよりも短いアクセス導管の長さとすることを許容する。アクセス導管１８０における応力限界を超えることなく、半径方向および長手方向の熱的歪みを吸収することによって、第１のディスプレーサ壁１３２と第２のディスプレーサ壁との間隔の下限が設定される。
一般に、再生器マトリクス材料２２６を通るガスの流動摩擦に関して考慮することによって、長手軸１２４の方向の再生器１８２（図２に示される）の長さは制限される。通常、高温側１０４と低温側１０６との間の熱伝導を低減するための、第１のディスプレーサ壁１３２と第２のディスプレーサ壁１３４との所望の間隔は、再生器１８２の最適な長さよりも大きい。有利には、アクセス導管１８０が更なる間隔に及ぶため、第１のディスプレーサ壁１３２と第２のディスプレーサ壁１３４との間隔の増大が提供され、再生器が壁間の間隔の大部分を占める構成においてもたらされるであろう間隔を超えたものとなる。この増大した間隔は、ディスプレーサ壁１３２と１３４との間の絶縁材料の厚みの増大を受け入れ、装置１００の高温側１０４と低温側１０６との間の熱的分離の向上を提供する。
図３を再び参照すると、追加的に、図示される実施形態では、複数の連絡通路１２６は、各通路がそれに隣接する通路に対して移動し、長手方向および半径方向の熱誘発性の歪みを吸収することを許容する。有利には、開示される実施形態にように、柔軟なアクセス管１８０と共に、複数の個別の連絡通路１２６を有するように装置１００を構成することによって、装置１００の低温側１０６と高温側１０４との間に過度の機械的応力を生じることなく、半径方向および長手方向の両方において相対運動が提供される。有利には、これらの熱誘発性の機械的応力の低減は、ガスシールの構造的な完全性を維持しながら、装置１００の反復的な熱サイクリングを促進する。
本明細書に示される実施形態では、再生器１８２は、通常、第２の熱交換器２２８を介して膨張室１２０と連絡している。しかしながら、他の実施形態では、再生器１８２およびアクセス導管１８０がその他の方法で構成されて、再生器が代替的に圧縮室１２２と連絡していてもよい。更に他の実施形態では、再生器１８２は、２つのアクセス導管部分の間に配置されていてもよいし、あるいは、再生器は、１つより多くの再生器部分に分割されて、各々が再生器の間のアクセス導管の一部分によって分離されていてもよい。
有利には、連絡通路１２６は、装置１００を構成する材料の応力限界内での作動の間に、作動ガスを入れるため、および、膨張室１２０と圧縮室１２２との間でガス流を導くために必要とされるシールに対する顕著な応力を加えることなく、熱膨張を促す。更には、連絡通路１２６の使用はまた、装置１００を構成する構成要素の殆どについて厳しい寸法的許容誤差を維持する必要性を低減させる。
１つの実施形態では、膨張室１２０を画定する第２のディスプレーサ壁１３４および熱伝導性の壁１４６は、インコネルなどの高温に耐えることができる材料から作られていてもよい。圧縮室１２２を画定する第１のディスプレーサ壁１３２およびダイヤフラム１２８は、合金鋼から作られていてもよい。作動温度差に起因して膨張室１２０の半径方向の膨張が生じるが、周囲温度付近のままである圧縮室１２２は、大きく膨張しない。この結果、いくらかの歪みが、第１のディスプレーサ壁１３２および第２のディスプレーサ壁１３４を連結する複数の支持体１４２（図２に示される）に加えられることになる。しかしながら、図２に示される実施形態では、支持体１４２は、第２のディスプレーサ壁１３４の中央移動部分の付近に位置し、そのため、壁の外周部分よりも小さい側方の熱誘発性の変位が生じる。この変位は、機械的に抑制されない。
圧力容器
図２を再び参照すると、上記に開示される通り、装置１００の作動容積は、膨張室１２０の容積、複数の連絡通路１２６の各々の容積および圧縮室１２２の容積を含む。これもまた上記に開示された通り、熱伝導率の低い絶縁材料１４０を絶縁ガスによって圧力Ｐｉ≒Ｐｍまで加圧して、第１のディスプレーサ壁１３２および第２のディスプレーサ壁１３４への静圧負荷を最小化してもよい。図示される実施形態では追加の絶縁領域１５５があり、これらは、ハウジング１０２内であるが、作動容積または反発室１５７の外側にある。これらの領域１５５は、熱伝導率の低い絶縁材料と連絡していてもよく、従って作動静圧Ｐｍと概して同等の静圧まで加圧されることになる。装置１００の加圧される領域は、通常、壁１５９、１６０、１６２、熱伝導性の壁１４６および管状ばね１５４の間で画定され、圧力容器を画定する。該圧力容器内でスターリングサイクル変換器部分１１０が作動する。圧力容器の内部は３つの領域、即ち、作動ガススペース１２０、１２２、１２６、反発スペース１５７および絶縁スペース１４０、１５５に更に分割される。３つの領域は、任意には、互いに分離して、異なるガスを用いて同様の圧力に加圧されてもよいし、あるいは、さもなければ、弱く接続されて、同じガスを用いて同じ圧力に加圧されてもよいし、あるいは、上記の組み合わせであってもよい。体積１６４および１６６などのハウジング１０２内の他の体積は、加圧されなくてもよいし、または真空であってもよい。反発スペースおよび絶縁スペースが加圧されると、作動容積を定める構造体の大部分（即ち、ダイヤフラム１２８、第１のディスプレーサ壁１３２、第２のディスプレーサ壁１３４および連絡通路１２６）は、作動圧力Ｐｍ全体に耐える必要はなく、むしろ示差作動圧力変動ΔＰにのみ付される。示差作動圧力変動ΔＰは、作動静圧Ｐｍの約１０％の振幅を有し得る。従って、作動容積を定めるこれらの構造体は、Ｐｍの約１０％にのみ耐える必要がある。
１つの例外は、熱伝導性の壁１４６である。熱伝導性の壁１４６は、圧力容器の外壁を形成するため、作動圧力全体および作動圧力変動（即ち、Ｐｍ＋ΔＰ）に耐えなければならない。しかしながら、熱伝導性の壁１４６は、ダイヤフラム１２８のようには、作動中に曲がる必要はなく、従って、圧力に耐えるように十分に厚くしてもよい。
樹状チャンネル
上記に開示された通り、膨張室１２０および圧縮室１２２内のガス流は、概して半径方向に向いており、そしてそれは、膨張室および圧縮室の長手方向の範囲が限られていることに起因して、膨張室を画定する表面１４４および表面１４８ならびに圧縮室１２２を画定する表面１５０および表面１５２の付近にて生じる。従って、膨張室１２０と圧縮室１２２との間の作動ガスの周期的な交換もまた、室内の粘性損失と関連する。図９を参照すると、図示される実施形態では、ダイヤフラム１２８は、ダイヤフラムの表面１５２に形成された複数のチャンネル３８０を有する。１つの実施形態では、チャンネル３８０は、ダイスを用いて表面１５２内にプレス加工されてもよい。
チャンネル３８０は、圧縮室内のガス流を複数の個別の入口２８０（これらは、アクセス導管１８０の端部２００によって画定される第１のディスプレーサ壁１３２にある）へ導く向きになっている。チャンネルは、複数の個別の入口２８０の領域においてガス流のためのより広いチャンネルを提供し、それにより粘性損失を低下させる。チャンネルは、概して半径方向に向いており、比較的浅い。図９に示される実施形態では、チャンネル３８０は、より小さいブランチ３８２を有するツリー状の構造を有し、より小さいブランチ３８２は、より狭くかつより浅く、入口２８０付近で終了する１以上の主要チャンネルまたはトランク３８４へガス流を導く。図９に示されるツリー構造は、約２４個の入口２８０を有する実施形態のために与えられたものであるが、他の実施形態では、より多くの個数およびより長いブランチを樹状構造が実装されてもよい。一般に、チャンネル３８０に丸みを帯びた角３０６を持たせて、チャンネルに出入りするガスの局所的な粘性損失を最小化することが望ましい。主要チャンネル３８４の深さは、粘性損失を最小化するために、その幅と同様にされてよい。１つの実施形態では、主要チャンネル３８４の深さは、約１ｍｍである。
有利には、チャンネル３８０は、圧縮室１２２内のガス流の粘性損失を低減し、かつ、粘性損失の制約に起因してさもなければ可能であったであろう、ダイヤフラム１２８の表面１５２と第１のディスプレーサ壁１３２の表面１５０との間のより緊密な間隔を促進する。これは作動容積の更なる低減を促進し、従って、それに相応した圧縮比の増加を促進する。チャンネル３８０は、ダイヤフラム１２８の外周近くにも配置される。これは、圧縮室１２２（および膨張室１２０）の容積の大部分が外周に位置するため、室の高さを最小化することが望ましい領域である。圧縮室１２２（および膨張室１２０）の外周は、最大のガス流が生じるため、この流れに起因して粘性損失の大部分の源となる領域でもある。
同様に、図８を再び参照すると、対応する浅いチャンネル２８４が、第１のディスプレーサ壁１３２に形成されていてもよい（図８には１つの経路２８４のみを示している）。ダイヤフラムと、第１のディスプレーサ壁の対向する表面１５０とにおいて、一致するチャンネルがある場合、２つのチャンネルの深さの合計は、チャンネルの幅と同様であるべきである。同様のチャンネルが、膨張室１２０を画定する第２のディスプレーサ壁１３４および熱伝導性の壁１４６において形成されていてもよい。
チャンネル３８０の特定の構成が図８に示されているが、他の実施形態では、チャンネルは、異なるように構成されていてもよく、また、図示されているものと同様または異なるレイアウトを有する、より多いまたはより少ないブランチおよび／またはトランクを有していてもよい。
本発明の特定の実施形態を説明し、図示したが、そのような実施形態は、本発明を例示するに過ぎず、本発明を限定するものではないと考えられるべきである。

Claims (64)

  1. 熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのスターリングサイクル変換器装置であって、当該装置は、
    長手軸に沿って相隔たった位置関係で配置された膨張室および圧縮室を有し、
    少なくとも１つの連絡通路を有し、該少なくとも１つの連絡通路は、前記膨張室と前記圧縮室との間で延び、かつ、前記膨張室と前記圧縮室との間での作動ガスの周期的な交換を可能とするように作動可能であり、前記少なくとも１つの連絡通路は、
    アクセス導管を有し、該アクセス導管は、前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つと連絡しており、
    熱再生器を有し、該熱再生器は、前記アクセス導管と連絡しており、該再生器は、前記連絡通路を通って第１の方向に流れるガスから熱エネルギーを受け取ることと、前記連絡通路を通って第１の方向とは反対の方向に流れるガスに熱エネルギーを引き渡すこととを、交互に行うように作動可能であり、かつ、
    前記アクセス導管は、柔軟な部分を有し、該柔軟な部分は、作動中に前記膨張室と前記圧縮室との間に確立される作動温度勾配によって引き起こされる熱誘発性の歪みの下で屈曲するように作動可能である、
    前記装置。
  2. 前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つが、弾性ダイヤフラムを有し、該弾性ダイヤフラムは、前記膨張室と前記圧縮室との間での前記作動ガスの周期的な交換の間に屈曲するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  3. 更にディスプレーサを有し、該ディスプレーサは、前記圧縮室と前記膨張室との間に配置されており、前記圧縮室および前記膨張室の各々と連絡しており、かつ、該ディスプレーサは、前記作動ガスの周期的な交換の間に、往復運動して前記膨張室および前記圧縮室の容積を変動させるように構成されている、請求項２に記載の装置。
  4. 前記ディスプレーサが、
    前記圧縮室と連絡する第１の弾性ディスプレーサ壁を有し、
    前記膨張室と連絡する第２の弾性ディスプレーサ壁を有し、かつ、
    該第１の弾性ディスプレーサ壁と該第２の弾性ディスプレーサ壁との間で延びる少なくとも１つの支持体を有し、該支持体は、前記往復運動のために前記第１のディスプレーサ壁と前記第２のディスプレーサ壁とを連結するように作動可能である、
    請求項３に記載の装置。
  5. 前記少なくとも１つの連絡通路が、各々のアクセス導管および熱再生器をそれぞれ有する複数の連絡通路を有する、請求項１に記載の装置。
  6. 前記複数の連絡通路が、前記長手軸の周囲に放射状の配列で並んでいる、請求項５に記載の装置。
  7. 前記再生器が、前記長手軸に沿った前記膨張室と前記圧縮室との間隔よりも短い長さを有し、かつ、前記再生器の長さが、該再生器を通じての流動摩擦に起因する損失を最小化しながら、該再生器を流れるガスとの熱エネルギーの交換を促進するように選択されており、かつ、前記アクセス導管が、前記膨張室と前記圧縮室との間隔の残りの部分にわたるように構成されている、請求項１に記載の装置。
  8. 前記膨張室と前記圧縮室との間の熱伝導に起因する損失と前記連絡通路における損失との合計が最小となるように、前記膨張室と前記圧縮室との間隔が選択されている、請求項７に記載の装置。
  9. 前記アクセス導管が、弾性限界を有する材料から作られており、かつ、前記膨張室と前記圧縮室との間隔が、前記アクセス導管における応力を前記材料の弾性限界以内に低減するように選択されている、請求項１に記載の装置。
  10. 前記アクセス導管が、弾性限界を有する材料から作られており、かつ、前記アクセス導管が、少なくとも１つの長手方向に向いた部分を有し、該少なくとも１つの長手方向に向いた部分が、前記アクセス導管における応力を前記材料の弾性限界以内に低減するように選択された長さ寸法を有する、請求項１に記載の装置。
  11. 前記アクセス導管が、弾性限界を有する材料から作られており、かつ、前記アクセス導管が、少なくとも１つの概して半径方向に向いた部分を有し、該少なくとも１つの概して半径方向に向いた部分が、前記アクセス導管における応力を前記材料の弾性限界以内に低減するように選択された長さ寸法を有する、請求項１に記載の装置。
  12. 前記アクセス導管の前記柔軟な部分が、該柔軟な部分にわたって延びる穴を画定する壁を有し、該壁が、前記熱誘発性の歪みの下で屈曲するような寸法を有する、請求項１に記載の装置。
  13. 前記柔軟な部分が、概して管状の断面を有する、請求項１２に記載の装置。
  14. 前記柔軟な部分が、扁平な管状の断面を有し、該扁平な管状の断面が、内側の高さ寸法および幅寸法を有し、該高さ寸法が、該幅寸法よりも実質的に小さいものである、請求項１２に記載の装置。
  15. 前記アクセス導管の前記柔軟な部分が、
    半径方向に向いた歪みを吸収するように作動可能である概して長手方向に向いた部分、および、
    長手方向に向いた歪みを吸収するように作動可能である概して半径方向に向いた部分を有する、
    請求項１に記載の装置。
  16. 前記柔軟な部分が、少なくとも１つの曲線状の部分を有する、請求項１に記載の装置。
  17. 前記少なくとも１つの連絡通路が、前記長手軸に対して周囲に配置されており、かつ、前記柔軟な部分が、前記膨張室と連絡する前記連絡通路の第１の部分と、前記圧縮室と連絡する前記連絡通路の第２の部分との間の半径方向のオフセットを吸収するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  18. 前記再生器が、前記膨張室と連絡しており、かつ、前記アクセス導管が、前記再生器と前記圧縮室との間で延びている、請求項１に記載の装置。
  19. 前記膨張室および前記圧縮室が、それらの間に、低い熱伝導率を有する絶縁スペースを画定している、請求項１に記載の装置。
  20. 熱伝導率の低い絶縁材料を更に有し、該絶縁材料が、前記絶縁スペース内に配置されている、請求項１９に記載の装置。
  21. 前記絶縁材料が、多孔質の絶縁材料を有する、請求項２０に記載の装置。
  22. 前記絶縁スペースが、前記作動ガスよりも低い熱伝導率を有するガスを含むように構成されている、請求項２１に記載の装置。
  23. 前記絶縁材料の細孔の大きさが、前記絶縁ガスの平均自由行程よりも小さい、請求項２１に記載の装置。
  24. 前記絶縁材料が、クローズドセルの多孔質材料を有する、請求項２１に記載の装置。
  25. 前記連絡通路が、第１の熱交換器を更に有し、該第１の熱交換器が、前記圧縮室と前記再生器との間でガスを運ぶように配置されており、かつ、該第１の熱交換器が、前記ガスと外部環境との間で熱を伝達するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  26. 前記第１の熱交換器が、前記再生器と物理的に接触した圧縮性材料を有し、かつ、前記連絡通路が、前記第１の熱交換器および前記再生器に圧縮力を前もって負荷するように構成されており、該圧縮力が、前記の作動温度勾配によって引き起こされる熱誘発性の歪みの下で、前記第１の熱交換器と前記再生器とを物理的に接触したままとするのに十分なものである、請求項２５に記載の装置。
  27. 前記第１の熱交換器が、熱伝導率の高い複数の炭素繊維を有し、該複数の炭素繊維は、それらを通るガスの流れを促すように互いに十分に離れた位置にある、請求項２５に記載の装置。
  28. 前記炭素繊維が、長手方向に熱を運搬するために概して長手方向に向いている、請求項２７に記載の装置。
  29. 前記炭素繊維が、概して、該繊維の少なくとも一部の先端が前記再生器と接触するように配置されている、請求項２７に記載の装置。
  30. 前記繊維が、概して、前記長手軸に対して鋭角を成すように配置され、それにより、前記再生器と接触する前記繊維の先端の屈曲を促進する、請求項２９に記載の装置。
  31. 第１の熱導体を更に有し、該第１の熱導体が、前記第１の熱交換器と熱連絡するように配置されており、かつ、該第１の熱導体が、前記第１の熱交換器と外部環境との間で熱を運搬するように作動可能である、請求項２５に記載の装置。
  32. 前記第１の熱導体が、熱交換流体を運搬するための導管を有する、請求項３１に記載の装置。
  33. 前記第１の熱導体が、ヒートパイプを有する、請求項３１に記載の装置。
  34. 前記第１の熱交換器が、前記圧縮室と連絡する外周に位置する部分を有し、かつ、前記再生器が、該再生器を流れるガスのための概して長手方向に一線にそろった複数の流路を提供するように構成されており、かつ、前記複数の流路中の外周に配置された流路が、内側に配置された流路よりも大きな流れ抵抗を有することにより、前記第１の熱交換器および前記再生器を通る概して均一なガス流を促すように構成されている、請求項２５に記載の装置。
  35. 前記再生器が、前記複数の流路を提供するように作動可能であるマトリクス材料を有し、かつ、前記第１の熱交換器と前記再生器との接触面が、前記外周に配置された流路が前記内側に配置された流路よりも大きな長さを有するような形状である、請求項３４に記載の装置。
  36. 前記再生器が、前記複数の流路を提供する複数の個別のチャンネルを有し、かつ、外周に配置された個別のチャンネルが、内側に配置された個別のチャンネルよりも小さい直径を有する、請求項３４に記載の装置。
  37. 前記第１の熱交換器が、前記圧縮室と連絡する外周部分を有し、かつ、前記第１の熱交換器の寸法が、前記外周部分が前記再生器の外周範囲を超えて配置されることにより、前記圧縮室と前記再生器との間で運ばれているガスが、前記第１の熱交換器の少なくとも前記外周部分を通って流れるようなものである、請求項２５に記載の装置。
  38. 前記第１の熱交換器が、前記圧縮室と連絡する外周部分を有し、かつ、前記再生器は、遮断部分を有し、該遮断部分が、前記第１の熱交換器の前記外周部分の近くに配置されており、かつ、該遮断部分が、前記第１の熱交換器にて受け取られたガスまたは前記第１の熱交換器から排出されたガスが、前記第１の熱交換器の少なくとも前記外周部分を通って流れるようにするように作動可能である、請求項２５に記載の装置。
  39. 前記連絡通路が、第２の熱交換器を更に有し、該第２の熱交換器が、前記膨張室と前記再生器との間でガスを運ぶように配置されており、かつ、該第２の熱交換器が、前記ガスと外部環境との間で熱を伝達するように構成されている、請求項１に記載の装置。
  40. 前記第２の熱交換器が、前記再生器と物理的に接触した圧縮性材料を有し、かつ、前記連絡通路が、前記第２の熱交換器および前記再生器に圧縮力を前もって負荷するように構成されており、該圧縮力は、前記の作動温度勾配によって引き起こされる熱誘発性の歪みの下で、前記第２の熱交換器と前記再生器とを物理的に接触したままとするのに十分なものである、請求項３９に記載の装置。
  41. 前記第２の熱交換器が、熱伝導率の高い複数の炭素繊維を有する、請求項３９に記載の装置。
  42. 前記炭素繊維が、長手方向に熱を運搬するために概して長手方向に向いている、請求項４１に記載の装置。
  43. 前記炭素繊維が、概して、該繊維の少なくとも一部の先端が前記再生器と接触するように配置されている、請求項４１に記載の装置。
  44. 前記繊維が、概して、前記長手軸に対して鋭角を成すように配置され、それにより、前記再生器と接触する前記繊維の先端の屈曲を促進する、請求項４３に記載の装置。
  45. 第２の熱導体を更に有し、該第２の熱導体が、前記第２の熱交換器と熱連絡するように配置されており、かつ、該第２の熱導体が、外部環境と前記第２の熱交換器との間で熱を運搬するように作動可能である、請求項３９に記載の装置。
  46. 前記第２の熱導体が、熱伝導性の壁を有する、請求項４５に記載の装置。
  47. 前記第２の熱導体が、ヒートパイプを有する、請求項４５に記載の装置。
  48. 前記第２の熱導体が、熱交換流体を運搬するための導管を有する、請求項４５に記載の装置。
  49. 前記第２の熱交換器が、前記膨張室と連絡する外周部分を有し、かつ、前記第２の熱交換器の寸法が、前記外周部分が前記再生器の外周範囲を超えて配置されることにより、前記膨張室と前記再生器との間で運ばれているガスが、前記第２の熱交換器の少なくとも前記外周部分を通って流れるようなものである、請求項３９に記載の装置。
  50. 前記第２の熱交換器が、前記膨張室と連絡する外周部分を有し、かつ、前記再生器が、遮断部分を有し、該遮断部分が、前記第２の熱交換器の前記外周部分の近くに配置されており、かつ、該遮断部分は、前記第２の熱交換器にて受け取られたガスまたは前記第１の熱交換器から排出されたガスが、前記第２の熱交換器の少なくとも前記外周部分を通って流れるようにするように作動可能である、請求項４９記載の装置。
  51. 前記再生器が、前記複数の流路を提供する複数の個別のチャンネルを有し、かつ、外周に配置された個別のチャンネルは、内側に配置された個別のチャンネルよりも小さい直径を有する、請求項５０に記載の装置。
  52. 前記連絡通路が、少なくとも１つのシールを有し、該シールが、当該装置の作動中に、前記作動ガスの周期的な交換に起因する作動圧力変動に付され、かつ、前記連絡通路にわたって圧縮力をかけるための手段を更に有し、それにより、前記作動圧力変動に起因して前記少なくとも１つのシールにかかる力が、前記圧縮力により少なくとも部分的に相殺される、請求項１に記載の装置。
  53. 前記圧縮力を提供するための前記手段が、ばねを有し、該ばねが、前記連絡通路に軸方向に前もって負荷を与えるように配置されている、請求項５２に記載の装置。
  54. 前記再生器が、概して円筒形状を有する、請求項１に記載の装置。
  55. 前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つが、前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる表面を有し、かつ、前記表面が、その中に形成された複数のチャンネルを有し、該複数のチャンネルが、前記圧縮室中のガス流を前記連絡通路へおよび前記連絡通路から向かわせるように方向付けられている、請求項１に記載の装置。
  56. 前記表面が、
    弾性ダイヤフラムの表面であって、屈曲して前記圧縮室の容積を変動させるように構成されたもの、
    ディスプレーサの表面であって、前記圧縮室と前記膨張室との間に配置されており、かつ前記圧縮室および前記膨張室の各々と連絡しており、前記ディスプレーサが、移動して前記膨張室および前記圧縮室の容積を変動させることにより、前記作動ガスの前記周期的な交換を引き起こすように構成されているもの、および、
    前記膨張室の壁部分の表面であって、前記膨張室と連絡する前記ディスプレーサの前記表面に対向するもの
    のうちの少なくとも１つを有する、請求項５５に記載の装置。
  57. 前記連絡通路が、前記長手軸に対して周囲に配置されており、かつ、前記複数のチャンネルが、前記長手軸に対して概して半径方向に向いている、請求項５５に記載の装置。
  58. 前記複数のチャンネルの各々が、半径方向に向いたブランチを有し、該半径方向に向いたブランチが、前記連絡通路に向かって延び、かつ、複数の斜め方向のブランチと連絡しており、該複数の斜め方向のブランチは、前記半径方向に配置されたブランチ内に入り込むように配置されている、請求項５５に記載の装置。
  59. 前記連絡通路が、長手軸の周りに放射状の配列で並んだ複数の連絡通路を有し、かつ、各々の連絡通路が、前記圧縮室と連絡する各々の入口を有し、かつ、前記複数のチャンネルが、ガスを前記各々の入口に向けて導くための各入口と関連付けられた少なくとも１つのチャンネルを有する、請求項５５に記載の装置。
  60. 熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのスターリングサイクル変換器装置であって、当該装置は、
    長手軸に沿って相隔たった位置関係で配置された膨張室および圧縮室を有し、
    少なくとも１つの連絡通路を有し、該少なくとも１つの連絡通路は、前記膨張室と前記圧縮室との間で延び、かつ、前記膨張室と前記圧縮室との間での作動ガスの周期的な交換を可能とするように作動可能であり、
    前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つは、弾性ダイヤフラムを有し、該弾性ダイヤフラムが、前記膨張室と前記圧縮室との間での前記作動ガスの周期的な交換の間に屈曲するように構成されており、かつ、
    前記膨張室と前記圧縮室のうちの少なくとも１つは、前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる表面を有し、前記表面は、その中に形成された複数のチャンネルを有し、該複数のチャンネルは、前記圧縮室中のガス流を前記連絡通路へおよび前記連絡通路から向かわせるように方向付けられている、
    前記装置。
  61. 前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる前記表面が、前記ダイヤフラムの表面を有する、請求項６０に記載の装置。
  62. ディスプレーサを更に有し、該ディスプレーサが、前記圧縮室と前記膨張室との間に配置されており、前記圧縮室および前記膨張室の各々と連絡しており、かつ、該ディスプレーサが、前記作動ガスの周期的な交換の間に、往復運動して前記膨張室および前記圧縮室の容積を変動させるように構成されており、かつ、前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる前記表面が、前記ディスプレーサの表面を有する、請求項６１に記載の装置。
  63. 前記ディスプレーサが、
    前記圧縮室と連絡する第１の弾性ディスプレーサ壁を有し、
    前記膨張室と連絡する第２の弾性ディスプレーサ壁を有し、
    該第１の弾性ディスプレーサ壁と該第２の弾性ディスプレーサ壁との間で延びる少なくとも１つの支持体を有し、該支持体は、前記往復運動のために前記第１のディスプレーサ壁と前記第２のディスプレーサ壁とを連結するように作動可能であり、かつ、
    前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる前記表面が、前記第１のディスプレーサ壁と前記第２のディスプレーサ壁の少なくとも１つの表面を有する、請求項６２に記載の装置。
  64. 前記作動ガスの前記周期的な交換の間にガスがそれに沿って流れる前記表面が、前記膨張室の壁部分の表面であって、前記膨張室と連絡する前記ディスプレーサの前記表面に対向するものを有してもよい、請求項６２に記載の装置。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104797816B (zh) * 2012-09-19 2017-11-21 埃塔里姆有限公司 具有传输管道的热声换能器装置
US20140331689A1 (en) * 2013-05-10 2014-11-13 Bin Wan Stirling engine regenerator
CN104481726A (zh) * 2014-11-06 2015-04-01 南京航空航天大学 三活塞式自由活塞斯特林发动机
DE202016106860U1 (de) * 2016-12-08 2018-03-09 Pressure Wave Systems Gmbh Regenerator für Kryo-Kühler mit Helium als Arbeitsgas
US11041458B2 (en) 2017-06-15 2021-06-22 Etalim Inc. Thermoacoustic transducer apparatus including a working volume and reservoir volume in fluid communication through a conduit
CN114279244B (zh) * 2021-12-27 2023-07-28 理纯(上海)洁净技术有限公司 一种半导体制造的尾气回收系统

Family Cites Families (97)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3548589A (en) 1968-01-19 1970-12-22 Atomic Energy Authority Uk Heat engines
USRE29518E (en) 1971-08-02 1978-01-17 United Kingdom Atomic Energy Authority Stirling cycle heat engines
GB1397548A (en) 1971-08-02 1975-06-11 Atomic Energy Authority Uk Stirling cycle heat engines
US3851472A (en) * 1971-08-28 1974-12-03 Philips Corp Hot-gas engine
US4004421A (en) 1971-11-26 1977-01-25 Ketobi Associates Fluid engine
GB1361979A (en) 1971-12-09 1974-07-30 Atomic Energy Authority Uk Stirling cycle heat engines
GB1329538A (en) * 1972-05-19 1973-09-12 United Stirling Ab & Co Tubular heat-exchangers
US4020896A (en) 1974-07-25 1977-05-03 Owens-Illinois, Inc. Ceramic structural material
GB1563699A (en) 1975-08-27 1980-03-26 Atomic Energy Authority Uk Stirling cycle thermal devices
US4164848A (en) 1976-12-21 1979-08-21 Paul Viktor Gilli Method and apparatus for peak-load coverage and stop-gap reserve in steam power plants
US4078976A (en) 1977-01-31 1978-03-14 Uop Inc. Solar potable water recovery and power generation from salinous water
US4078975A (en) 1977-01-31 1978-03-14 Uop Inc. Solar potable water recovery and power generation from salinous water
US4114380A (en) 1977-03-03 1978-09-19 Peter Hutson Ceperley Traveling wave heat engine
US4276747A (en) 1978-11-30 1981-07-07 Fiat Societa Per Azioni Heat recovery system
US4241580A (en) * 1978-11-30 1980-12-30 Ford Motor Company Stirling engine
US4418533A (en) 1980-07-14 1983-12-06 Mechanical Technology Incorporated Free-piston stirling engine inertial cancellation system
US4350012A (en) 1980-07-14 1982-09-21 Mechanical Technology Incorporated Diaphragm coupling between the displacer and power piston
US4387567A (en) 1980-07-14 1983-06-14 Mechanical Technology Incorporated Heat engine device
US4380152A (en) 1980-07-25 1983-04-19 Mechanical Technology Incorporated Diaphragm displacer Stirling engine powered alternator-compressor
US4361008A (en) 1980-07-25 1982-11-30 Mechanical Technology Incorporated Stirling engine compressor with compressor and engine working fluid equalization
US4423599A (en) 1980-08-01 1984-01-03 Veale Charles C Solar energy utilization apparatus and method
US4355517A (en) 1980-11-04 1982-10-26 Ceperley Peter H Resonant travelling wave heat engine
US4377400A (en) 1980-11-11 1983-03-22 Nippon Soken, Inc. Heat exchanger
FR2503259A1 (fr) * 1981-04-01 1982-10-08 Eca Module d'echangeurs thermiques pour moteur stirling
DE3116309C2 (de) 1981-04-24 1985-05-02 Sigri Elektrographit Gmbh, 8901 Meitingen Graphitrohr
US4416114A (en) * 1981-07-31 1983-11-22 Martini William R Thermal regenerative machine
US4398398A (en) 1981-08-14 1983-08-16 Wheatley John C Acoustical heat pumping engine
US4489553A (en) 1981-08-14 1984-12-25 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Intrinsically irreversible heat engine
US4359872A (en) 1981-09-15 1982-11-23 North American Philips Corporation Low temperature regenerators for cryogenic coolers
JPS58129199A (ja) 1982-01-28 1983-08-02 Nippon Soken Inc 全熱交換器
US4434617A (en) 1982-07-27 1984-03-06 Mechanical Technology Incorporated Start-up and control method and apparatus for resonant free piston Stirling engine
US4766013A (en) 1983-03-15 1988-08-23 Refractory Composites, Inc. Carbon composite article and method of making same
US4603731A (en) 1984-11-21 1986-08-05 Ga Technologies Inc. Graphite fiber thermal radiator
US4607424A (en) 1985-03-12 1986-08-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Thermal regenerator
US4623808A (en) 1985-04-04 1986-11-18 Sunpower, Inc. Electromechanical transducer particularly suitable for a linear alternator driven by a free-piston Stirling engine
US4832118A (en) 1986-11-24 1989-05-23 Sundstrand Corporation Heat exchanger
US4753072A (en) 1987-02-11 1988-06-28 Stirling Power Systems Corporation Stirling engine heating system
US5170144A (en) 1989-07-31 1992-12-08 Solatrol, Inc. High efficiency, flux-path-switching, electromagnetic actuator
DE3931312A1 (de) 1989-09-20 1991-03-28 Eckhart Weber Stirling-maschine
US5042565A (en) 1990-01-30 1991-08-27 Rockwell International Corporation Fiber reinforced composite leading edge heat exchanger and method for producing same
US5224030A (en) 1990-03-30 1993-06-29 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Semiconductor cooling apparatus
US5316080A (en) 1990-03-30 1994-05-31 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics & Space Administration Heat transfer device
US5301506A (en) 1990-06-29 1994-04-12 Pettingill Tom K Thermal regenerative device
FR2665104B1 (fr) 1990-07-26 1992-10-09 Lorraine Carbone Procede de fabrication de pieces etanches en materiau composite tout carbone.
US5389844A (en) 1990-11-06 1995-02-14 Clever Fellows Innovation Consortium, Inc. Linear electrodynamic machine
DE4104447A1 (de) 1991-02-14 1992-08-20 Sigri Gmbh Korrosions- und hitzebestaendige geordnete packung fuer stoff- und waermeaustauschprozesse
US5329768A (en) 1991-06-18 1994-07-19 Gordon A. Wilkins, Trustee Magnoelectric resonance engine
DE4137756C2 (de) * 1991-11-16 1993-11-11 Kernforschungsz Karlsruhe Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip
US5749226A (en) 1993-02-12 1998-05-12 Ohio University Microminiature stirling cycle cryocoolers and engines
ATE191826T1 (de) 1993-02-12 2000-04-15 Univ Ohio Mikrominiature tieftemperaturkühler und maschinen mit einem stirling kreislauf
US5431016A (en) 1993-08-16 1995-07-11 Loral Vought Systems Corp. High efficiency power generation
US5389695A (en) 1993-12-22 1995-02-14 General Electric Company Insulating foam of low thermal conductivity and method of preparation
EP0732743A3 (en) 1995-03-17 1998-05-13 Texas Instruments Incorporated Heat sinks
GB2298903B (en) 1995-03-17 1998-03-25 Auckland David W A stirling engine and a combined heat and power system using a stirling engine
US5628363A (en) 1995-04-13 1997-05-13 Alliedsignal Inc. Composite continuous sheet fin heat exchanger
US5655600A (en) 1995-06-05 1997-08-12 Alliedsignal Inc. Composite plate pin or ribbon heat exchanger
US6282895B1 (en) 1997-07-14 2001-09-04 Stm Power, Inc. Heat engine heater head assembly
US6694731B2 (en) 1997-07-15 2004-02-24 Deka Products Limited Partnership Stirling engine thermal system improvements
US6591609B2 (en) 1997-07-15 2003-07-15 New Power Concepts Llc Regenerator for a Stirling Engine
DE19730389C2 (de) 1997-07-16 2002-06-06 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Wärmetauscher
US6673328B1 (en) 2000-03-06 2004-01-06 Ut-Battelle, Llc Pitch-based carbon foam and composites and uses thereof
US6021648A (en) 1997-09-29 2000-02-08 U. S. Philips Corporation Method of manufacturing a flat glass panel for a picture display device
NL1007316C1 (nl) * 1997-10-20 1999-04-21 Aster Thermo Akoestische Syste Thermo-akoestisch systeem.
US6041598A (en) 1997-11-15 2000-03-28 Bliesner; Wayne Thomas High efficiency dual shell stirling engine
US6263671B1 (en) * 1997-11-15 2001-07-24 Wayne T Bliesner High efficiency dual shell stirling engine
US6526750B2 (en) 1997-11-15 2003-03-04 Adi Thermal Power Corp. Regenerator for a heat engine
US5962348A (en) 1998-03-05 1999-10-05 Xc Associates Method of making thermal core material and material so made
AU3181999A (en) 1998-03-30 1999-10-18 Igor Ivakhnenko Fiber heat sink and fiber heat exchanger
US6659172B1 (en) 1998-04-03 2003-12-09 Alliedsignal Inc. Electro-hydrodynamic heat exchanger
US6032464A (en) 1999-01-20 2000-03-07 Regents Of The University Of California Traveling-wave device with mass flux suppression
DE19916684C2 (de) 1999-04-14 2001-05-17 Joachim Schwieger Verfahren zur Wärmetransformation mittels eines Wirbelaggregats
US6913075B1 (en) 1999-06-14 2005-07-05 Energy Science Laboratories, Inc. Dendritic fiber material
US7132161B2 (en) 1999-06-14 2006-11-07 Energy Science Laboratories, Inc. Fiber adhesive material
JP3751175B2 (ja) * 1999-12-21 2006-03-01 シャープ株式会社 スターリング冷凍機
NL1014087C2 (nl) 2000-01-17 2001-07-18 Claassen Energy Systems Inrichting voor het omzetten van thermische energie.
JP2002130854A (ja) 2000-10-25 2002-05-09 Sharp Corp スターリング冷凍装置及びそれを備えた冷却庫
FI20002454A (fi) 2000-11-09 2002-05-10 Hydrocell Ltd Oy Lämmönsiirrin
RU2206502C2 (ru) 2000-11-21 2003-06-20 Акционерное общество закрытого типа "Карбид" Композиционный материал
US6578364B2 (en) 2001-04-20 2003-06-17 Clever Fellows Innovation Consortium, Inc. Mechanical resonator and method for thermoacoustic systems
US7007469B2 (en) 2001-07-13 2006-03-07 Bliesner Wayne T Dual shell Stirling engine with gas backup
FR2838183B1 (fr) 2002-04-09 2004-07-09 Snecma Propulsion Solide Structure d'echangeur thermique haute temperature
US6796123B2 (en) 2002-11-01 2004-09-28 George Lasker Uncoupled, thermal-compressor, gas-turbine engine
US6701711B1 (en) 2002-11-11 2004-03-09 The Boeing Company Molten salt receiver cooling system
US7051529B2 (en) 2002-12-20 2006-05-30 United Technologies Corporation Solar dish concentrator with a molten salt receiver incorporating thermal energy storage
US7081699B2 (en) 2003-03-31 2006-07-25 The Penn State Research Foundation Thermoacoustic piezoelectric generator
FR2858465A1 (fr) 2003-07-29 2005-02-04 Commissariat Energie Atomique Structures poreuses utilisables en tant que plaques bipolaires et procedes de preparation de telles structures poreuses
US6978611B1 (en) 2003-09-16 2005-12-27 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration MEMS closed chamber heat engine and electric generator
JP3796498B2 (ja) * 2003-10-30 2006-07-12 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 スターリングエンジン
US7284709B2 (en) 2003-11-07 2007-10-23 Climate Energy, Llc System and method for hydronic space heating with electrical power generation
US7306823B2 (en) 2004-09-18 2007-12-11 Nanosolar, Inc. Coated nanoparticles and quantum dots for solution-based fabrication of photovoltaic cells
US7325401B1 (en) 2004-04-13 2008-02-05 Brayton Energy, Llc Power conversion systems
US20060179834A1 (en) * 2005-02-11 2006-08-17 Stirling Technology Company Channelized stratified heat exchangers system and method
US7076941B1 (en) * 2005-08-05 2006-07-18 Renewable Thermodynamics Llc Externally heated engine
US8074638B2 (en) 2006-08-23 2011-12-13 Coolearth Solar Inflatable solar concentrator balloon method and apparatus
AU2007288134A1 (en) 2006-08-25 2008-02-28 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation A heat engine system
WO2008022407A1 (en) 2006-08-25 2008-02-28 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation A system and method for producing work
US9394851B2 (en) * 2009-07-10 2016-07-19 Etalim Inc. Stirling cycle transducer for converting between thermal energy and mechanical energy

Also Published As

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US20130239564A1 (en) 2013-09-19
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