JP2021520462A - 浮動ヘッド・ピストン組立体 - Google Patents

Abstract

ピストンと流体連通している浮動ヘッドを用いて往復運動されるピストンを含む、組立体であって、当該組立体は、浮動ヘッドを利用することができ、この浮動ヘッドは、圧力容積調整器から浮動ヘッドに供給される圧力の支援を通じてピストンの往復運動を促進する位置にシフトされる。或いは、浮動ヘッドは、ヘッドの一方の側ではピストンと流体連通し、他方の側では隔離され得る。このように、往復運動中にヘッドのこの他方の側における容積及び圧力を変化させることは、最終的にはピストンの方へ向かう浮動ヘッドの移動をもたらし、したがって継続的な往復運動を促進し得る。さらなる効率性もまた、動作流体及び作動流体の両方の循環のための独特の液圧レイアウトを通じて実現され得る。

Description

本発明は、浮動ヘッド・ピストン組立体に関するものである。

長年にわたり、様々な熱力学サイクルを通じて力を得るための試みがなされてきた。例えば、「ブレイトン」、「スターリング」、又は「有機ランキン」サイクル（ＯＲＣ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ）依存する機器から電力を生成するための技法が開発されてきた。残念なことに、これらの技法は一般に、例えば水の沸点を下回る低温熱源では無力且つ非効率的であった。

実例として、ＯＲＣ機器又は機関の製造業者は、７６．６７℃（１７０°Ｆ）ほどの低い入力熱温度での実作業を可能にするシステムを提供することが多い。しかし、結果的に、これは、得られる出力も劇的に減少した状況にしかなされ得ず、したがって、事業を著しく経済的でないものにする。部分的には、これは、動作方法が、液体から気体へまた気体から液体へ、サイクル毎に２回の相変化を使用し、且つ、生産的な仕事を生成するために気体の空気力を変換するためのタービン又はタービン様の技術を使用するという事実に起因するものである。

非常に低位の熱を有用な仕事に変換するための代替的な技法も存在する。本明細書において、非常に低位の熱は、海面位における水の沸点を下回ると定義される。とにかく、これらの技法は一般に、効率的でないか、さらには非生産的である。繰り返すが、これらの技法のほとんどもまた、液体から気体へのまた気体から液体への変換を伴う、有機ランキン熱力学サイクルに基づくものである。つまり、サイクル毎の２回の相変化が示される。したがって、これらの「サーマル・ニューマチック熱機関（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｈｅａｔ ｅｎｇｉｎｅ）」は、効率性に関して問題に直面する。

ＯＲＣ機関は、冷媒などの沸点が低い液体を気体に変換し、次いでその気体、又は気体と液体の混合物をタービン様のデバイスに通して、回転運動を生じさせる。そのような機関は、５，０００ｒｐｍ近くの「低い」回転速度で動作する。次いで、気体混合物は、冷却されて液体状態に戻され、再使用の前に再び相を変化させる。たとえそれらの自然に生じる相変化の効率の悪さに目をつぶるとしても、そのような速度及び相変化は、ジェット機関と大して違わない著しい騒音を引き起こす。

試みられてきた別の技術は、「サーマル・ハイドロリック熱機関（ｔｈｅｒｍａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｈｅａｔ ｅｎｇｉｎｅ）」として知られている。これらは、比較的高い膨張率を有し得る液体に印加される熱の使用を伴う。しかし、実際問題として、ほとんどの液体は、加熱されたときにほんの少ししか膨張せず、また、冷却されたときにほんの少ししか収縮しない。したがって、実際には、そのような機関は、主に液体の十分な膨張並びに液体の十分に迅速な膨張及び収縮を得ることの難しさのために、営利化の成功を収めることができず、そのような難しさは、そのような機関の経済的な実行可能性を制限する。さらに、利用された場合でも、そのような機関は、様々な使途に対する利用可能な修正の観点から全般的な不可変性を考慮すると、限られた特定の状況での使用にのみ有用である。実際には、機関が効率的に利用され得る状況でさえ、多大な試行錯誤が一般に必要とされる。これは、部分的には、熱の導入及び除去による液体の膨張及び収縮に依存することに関連する固有の限界によるものである。

相対的に言えば、これらのタイプの機関は、加熱された気体及び冷却された液体を交互に適用することによって往復運動されるピストンの使用を一般に含む。結果として、ピストンは、直線的な往復運動によく適している。したがって、理論的には、直線往復運動の追加の効率性が、仕事を生成するにあたって利用可能であり得る。しかし、実際問題として、そのような直線往復運動をするピストンから仕事を効率的に得る能力は、さらなる課題に直面する。つまり、上述したような他の熱ヒート・システムでは当たり前である相変化及び他の機関の非効率性に加えて、直線的に往復運動するどのピストンとも同様に、完全停止及び方向反転が、ストロークのたびに必要とされる。しかし、ピストンのストローキングを促進するにあたって一般に低い入力温度を使用することに起因して、ピストンは、ストロークのたびに効率性の問題に直面し得る。これは、ストロークの終わりに達するピストンが、一般に約９３．３３３℃（２００°Ｆ）を下回る一般に低い入力温度によってのみ促進される反対方向へのストローキングのために、一方向からの力を克服しなければならないためである。

米国仮特許出願第６２／４２４，４９４号 ＰＣＴ／ＵＳ１７／６０７２２ 米国仮特許出願第６２／６１８，６８９号

熱サイクル機関のためのピストン組立体が提供される。組立体は、容積を変化させるための動作チャンバを画定するヘッドを有するピストンを含む。浮動ヘッドも含まれ、この浮動ヘッドは、圧縮可能なチャンバを画定し、且つ、ピストンの往復運動を強化するために動作チャンバと液圧連通している。さらに、圧縮可能なチャンバの容積は、動作チャンバの容積に動的に依存する。１つの実施例では、動作チャンバは、一方の側におけるピストン・ヘッドによって画定されるが、浮動ヘッド自体は、チャンバの他方の側を画定する。別の実施例では、動作チャンバは、事実上、第１の動作チャンバであり、浮動ヘッドとの液圧連通は、第１の動作チャンバから第２の動作チャンバへの管状接続部を含み、第２の動作チャンバは、第１の動作チャンバから離れた位置における浮動ヘッドによって画定される。

浮動ヘッド・ピストン組立体の単一実施例の側面斜視図である。 浮動ヘッド・ピストン組立体のセグメント化された実施例の概略図である。 図２Ａのセグメント化された実施例の一部分の拡大図である。 図１の浮動ヘッド・ピストン組立体の往復運動を行わせるために循環作動流体を用いるシステムの概略図である。 組立体のピストンが第１の上方位置にある、循環動作流体を用いる図３のシステムの概略図である。 上方中間チャンバから動作流体を循環させるためにピストンにより上方中間チャンバの容積が減少されるときの図４Ａのシステムの概略図である。 ピストンが動作チャンバを実質的に閉鎖している、図４Ｂのシステムの概略図である。 ピストンが下方動作チャンバの容積を減少させて下方動作チャンバから動作流体を循環させるのを促進するために下方浮動ヘッドが上方に移動している、図４Ｃのシステムの概略図である。 エネルギーを供給するための仕事を生じさせるためにシステムに浮動ヘッド・ピストン組立体を用いる実施例を要約する流れ図である。

以下の説明では、本開示の理解を与えるために多くの詳細が記述される。しかし、説明される実施例はそれらの具体的な詳細を伴わずに実践され得ることが、当業者には理解されるであろう。さらに、具体的に説明される実施例により依然として企図される多くの変形形態又は修正形態が用いられ得る。例えば、本明細書における実施例は、特定の浮動２ヘッド・ピストン組立体のシステム又は機関を示す図を参照して説明される。しかし、組み込まれた追加的なピストン組立体、多数の追加的な弁操作又はタイミングの制御装置、等を含む、様々なレイアウトが用いられ得る。しかし、システム制約及び意図された用途に応じて、種々の異なる液圧レイアウト、さらには機械的レイアウト、及び他の設計選択肢が用いられ得るので、これらのシステム／機関のレイアウトは説明に役立つものにすぎない。

本明細書において詳述される実施例は、生産的な仕事を生じさせるために、圧縮性流体、ことによると超臨界流体の制御された膨張及び収縮を使用してピストンを移動させ得る。作動流体が超臨界流体であることは必要とされないが、システムは、それぞれの全体が本明細書に組み込まれているＴｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅに対する米国仮特許出願第６２／４２４，４９４号及びＨｉｇｈ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｒａｎｇｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅに対するＰＣＴ／ＵＳ１７／６０７２２において詳述されている実施例に類似した熱力学サイクルを制御し得る。例えば、機関は、毎分約５０サイクル未満の「低い」往復速度を示し得る。さらに、本明細書において詳述される実施例は、相の変化を回避することができ、そのため、本質的に熱力学的により効率的であり、且つ、適切な動作流体により、９３．３３３℃（２００°Ｆ）を下回る入力温度を使用して効率的に動作し得る。実際には、それらの実施例は、６５．５５６℃（１５０°Ｆ）を下回る入力熱でも効率性のわずかな減少を伴って動作するように容易に調整され得る。実施例はまた、騒音を大幅に減少させて動作する。

本明細書において詳述される実施例に示されるように、超臨界流体の循環を必要としない。さらに、超臨界流体のより完全な循環は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｈｅａｄ Ｏｐｐｏｓｉｎｇ Ｐｉｓｔｏｎ Ａｓｓｅｍｂｌｙに対する米国仮特許出願第６２／６１８，６８９号において詳述されるように利用され得る。これらの実施例では、その強化された効率性のために、動作流体チャンバを満たすこと及びピストンのストローキングに対して経時的なタイミングのばね様の支援を提供するように、ピストン・ヘッドに隣接して独特の浮動ヘッドが用いられ得る。

次に図１を特に参照すると、浮動ヘッド・ピストン組立体１００の一体的な実施例の側面斜視図が示されている。この実施例では、作動ピストン１１０が、浮動ピストン１４２、１４７と同じ単体ハウジング１０１を共有する。ハウジング１０１は、単一構造のもの、又は別々に結合された分割部品であり得る。例えば、各浮動ヘッド１４２、１４７のための別々のケーシング、及び作動ピストン１１０のための別のケーシングが、別々に作製されて一緒に溶接されてもよい。とにかく、示された実施例の場合、作動ピストン１１０と浮動ピストン１４２、１４７との間の流体連通を支持するのにいかなる液圧ラインも必要としない単体ハウジング１０１により、一体的な特徴が示される。しかし、他の実施例では、設計の融通性のために（例えば、利用可能な設置面積（ｆｏｏｔ−ｓｐａｃｅ）に応じて）、一体でない液圧ラインの支持による連通が用いられ得る（図２Ａ及び２Ｂ参照）。

本明細書においてさらに詳述されるように、組立体１００は、作動ピストン１１０の往復運動が中間チャンバ１２５、１２６の容積を交互に変化させるために使用されるように、構成される。このようにして、油圧油などの非圧縮性作動流体が、作動水力学（ｗｏｒｋｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ）４００を通じてチャンバ１２５、１２６の外へ交互に循環されて、モータ４３０、はずみ車４４０、発電機４５０、又は他の適切な力回収デバイスに向けられ得る（例えば、図４Ａ及び４Ｂ参照）。

上記のようなピストン１１０の往復運動は、作動ピストン・ヘッド１１４、１１８によって画定された隣接チャンバ１５０、１５５内に動作流体を交互に導入することによって行われる。以下でさらに詳述されるように、動作流体は、ＣＯ_２などの超臨界流体、又は、一般に効率的な加熱及び冷却サイクルにより効率的に循環されるものである他の適切な流体であり得る。とにかく、上方の隣接チャンバ１５０の容積を増大させるために動作流体が使用されると、上方の中間チャンバ１２５の容積が減少されて、上記のように作動流体を強制的に中間チャンバ１２５から出して力回収デバイスに向かわせる。同様に、ピストン１１０が反対方向に往復運動されると、下方の隣接チャンバ１５５内への動作流体の流入により、下方の中間チャンバの容積は圧縮して減少されて、先と同様に作動流体を強制的に出して力回収デバイスに向かわせる。

引き続き図１を参照すると、作動ピストン１１０の往復運動は、隣接チャンバ１５０、１５５の反対側を画定する浮動ヘッド１４２、１４７の追加によって支援される。これらの浮動ヘッド１４２、１４７は、組立体１００のヘッド止め１７５、１７６と密封端部１７７、１７８との間の距離（ｄ）に沿って移動し得る。したがって、隣接チャンバ１５０、１５５の容積は、上記のピストン・ヘッド１１４、１１８、及び浮動ヘッド１４２、１４７のピストンによって画定される。隣接チャンバ１５０、１５５における圧力及び容積の調整の観点から高められた効率を組立体１００に提供することが、浮動ヘッド１４２、１４７の構想である。これは、流体がチャンバ１５０、１５５から離れるときの流体の状態に対する制御を可能にする。流体が高温で離れる場合、その熱エネルギーは、熱交換器を介してサイクル内へ回収されて、熱サイクルをより効率的にし得る。その結果、ピストン１１０の継続的な往復運動、また最終的にはそこから得られる仕事は、より高められ且つ比較的より一貫し且つより円滑な比率をもたらす。

１つの実施例では、浮動チャンバ１４０、１４５は、例えばすぐ近くのアキュムレータ又は他の適切な場所からの油圧油又は他の適切な非圧縮性流体の導入により、容積を選択的に増大され得る。したがって、チャンバ１４０は、ピストン１１０の制御された円滑なストローキングを支援するためにヘッド１４２が距離（ｄ）に沿って強制的に上方の隣接チャンバ１５０へ（図示された右側へ）向かわされることにより、容積を増大され得る。そして、作動流体は、上記のように上方の中間チャンバ１２５の外へ循環され得る。上方の隣接チャンバ１５０の外への動作流体の循環の補助もまた、浮動ヘッド１４２の移動の結果としてこの方法で実現される。浮動ヘッドの作動並びに動作流体及び作動流体の循環に関するこの実施例は、図３及び図４Ａ〜４Ｄそれぞれを特に参照しながら、以下でさらに詳述される。

別の実施例では、浮動ヘッド１４２、１４７の移動は、圧力に応じるものであり得、この場合、浮動ヘッド・チャンバ１４０、１４５は、いかなる外圧源への液圧接続も伴わずに、密封され且つ隔離される。例えば、チャンバ１４０は、ヘッド１４２をヘッド止め１７５において保持するのに十分な所定の圧力の、例えば約１０５．４６０ｋｇ／ｃｍ^２（１，５００ｐｓｉ）の、窒素、空気、又は不活性ガスなどの圧縮性ガスで満たされ得る。したがって、この特徴は、以下に言及するように「ガス」ばね又は「空気」ばねと呼ばれ得る。とにかく、隣接チャンバ１５０が、例えばこのチャンバ１５０を約７７．３３８ｋｇ／ｃｍ^２（１，１００）の初期ｐｓｉから１０５．４６０ｋｇ／ｃｍ^２（１，５００ｐｓｉ）超まで移動させる隣接チャンバ１５０内への動作流体の循環によって膨張されると、対応する浮動ヘッド・チャンバ１４０は、容積が減少し、圧力が上昇し得る。しかし、いったんこのチャンバ１４０内の圧力が隣接チャンバ１５０内の圧力に一致し且つ／又はそれを超えると、例えば両方が約２１０．９２１ｋｇ／ｃｍ^２（３，０００ｐｓｉ）に達すると、ヘッド１４２は、隣接チャンバ１５０の方へ戻されて隣接チャンバ１５０内の圧力を上昇させて、ピストン１１０を反対方向に向け直すための追加の反動力を提供する。当然ながら、これらの圧力は、単に説明に役立つように意図されたものであり、任意適当な圧力範囲選択肢が用いられ得る。

ここで、ピストン１１０の往復運動をもたらすためにピストン１１０に作用する動作流体は、非超臨界流体、又はＣＯ_２、ヘリウム、若しくはことによると超臨界蒸気などの超臨界動作流体、又は他の適切に効率的な温度の有効流体であり得ることを想起されたい。つまり、流体は、低温且つ低圧の状態まで高温且つ高圧の状態を経て循環されて、最終的に仕事を生じさせ得る。説明した浮動ヘッドの構想の追加は、説明的に「ガスばね」又は「空気ばね」と呼ばれる、この循環の効率を高めるエネルギー貯蔵及び回収デバイスを、システムに提供する。このアキュムレータは、最初は、得られる温度で示されるように、一定の加圧状態に保たれる。しかし、加圧によるこのばねの解放、及びそれに続く隣接チャンバの減圧は、示されたような超臨界流体循環の調節に役立つ。浮動ヘッド・チャンバ１４０（又は１４５）が隔離されている実施例では、この作用は、チャンバ１４０のガスにおける定温状態をおおよそ維持して、サイクルによってもたらされる仕事の効率を改善する。

次に図２Ａ及び２Ｂを参照すると、浮動ヘッド・ピストン組立体２００のセグメント化された実施例の概略図が示されている。この実施例では、ピストン１１０は、浮動ヘッド１４２、１４７とは別々に収容される。より具体的には、ヘッド１４２、１４７は、組立体２００の他の部分から分かれた個別のヘッド・チャンバ２２０、２６０に収容される。ヘッド１４２、１４７と隣接チャンバ１５０、１５５との間の流体連通を提供するために、液圧ライン２４０、２８０が使用される。示された実施例では、浮動ヘッド１４２、１４７は、ヘッド・チャンバ２２０、２６０の隣接チャンバ１５０、１５５に最も近い側に位置決めされる。しかし、ヘッド１４２、１４７が隣接チャンバ１５０、１５５から離れる方へ移動するにつれて、流体量はヘッド１４２、１４７とピストン・ヘッド１１４、１１８との間で増大する。このように、組立体２００のセグメント化された実施例は、図１のより一体の実施例とは若干異なる。つまり、隣接チャンバ１５０、１５５の有効容積は、ライン２４０、２８０の容積により、また、浮動ヘッド１４２、１４７が隣接チャンバ１５０、１５５から離れた位置にシフトするときの任意の露出されるヘッド・チャンバの容積により、増大される。とは言うものの、本明細書において詳述される動作原理は、事実上同じままである。

図２Ａ及び２Ｂの組立体２００のセグメント化された実施例のより多くの物質的な差異は、融通性及び提供される選択肢に関して見出され得る。例えば、工業用地において組立体２００が利用される場所に応じて、設置面積の制限が存在し得る。しかし、示された実施例は、セグメント化を可能にする。したがって、ヘッド・チャンバ２２０、２６０は、組立体２００の他の部分とは別の場所に設置されることが可能であり、説明された液圧連通を提供する必要があれば、豊富な長さ及び可撓性の液圧ラインが存在する。実際に、これは、設計の融通性を増大させ、且つ、システム全体における動作に対してコスト効率を高めることができる。

図２Ａ及び２Ｂの実施例に関する別の差異は、ライン２６０、２８０の存在に見出され得る。そのような管状要素の導入は、流量制限を提示し得る。低いモータ回転速度が組立体２００から得られるべき実施例では、特に圧力及び容積の調節のためにアキュムレータ４９０が設けられる実施例では（例えば、図４Ｂ参照）、そのような制限は無視できるものであり得る。実際、ライン２６０、２８０の直径も、流量制限を最小限に抑えるように選択され得る。或いは、流量制限が望ましい実施例では、ライン２６０、２８０の導入は、さらなる設計選択肢を提供する上で生かされ得る。

次に図３を参照すると、図１の浮動ヘッド・ピストン組立体１００の往復運動を行わせるために循環動作流体を用いるシステム３００の概略図が示されている。つまり、この図では、ピストン１１０を往復運動させるために動作流体が用いられるときの動作流体のための液圧レイアウトの一実施例が示されている。これは、例えば図４Ａ〜４Ｄの実施例において示されるような、最終的に電力を供給する作動流体のための対応する液圧レイアウトとは対照的である。

図１のピストン組立体１００と同様に、ピストン１１０の強化された往復運動を促進するために、浮動ヘッド１４２、１４７が設けられる。例えば、図示された実施例では、加熱された超臨界ＣＯ_２などの動作流体が、熱交換器３４０から、熱側弁３３５、３３７に液圧で接続するライン３３０に沿って送られている。したがって、動作流体は、ピストン組立体１００の往復運動をもたらすために、ピストン組立体１００の上方の隣接チャンバ１５０及び下方の隣接チャンバ１５５のうちの一方へ交互に送られ得る。

示されるように、熱流３１５、例えば加熱された水が、熱交換器３４０の熱を維持するために使用され得る。１つの実施例では、熱流を維持することは、複数の低位熱源のいずれかによってなされ得る。例えば、地熱、太陽熱、又は他の無関係のシステム動作からの廃熱が、流れ３１５を約３７．７８℃（１００°Ｆ）から９３．３３３℃（２００°Ｆ）の間に維持するために使用され得る。これは、これまではあまりにも低温であり実際的な経済的価値はないものと考えられていた無数の熱源の効率的且つ経済的な利用を可能にする。当然ながら、他の実施例では、より高い温度が利用され得る。

図３に示されるように、上方の中間チャンバ１２５は、容積をほぼ最大化され、図１の下方の中間チャンバ１２６は、無視できるほどにしか現れていない。したがって、作動流体は、下方の中間チャンバから追いやられて、以下でさらに論じられるような力回収デバイスに向けられている。これは、上方の熱側弁３３７が閉じられている間に下方の熱側弁３３５が開かれて動作流体を下方の動作チャンバ１５５に向かわせることを意味する。上記で論じられたように上方向へのピストン１１０のストローキングの最初に下方の動作チャンバ１５５に向かって移動する下方の浮動ヘッド１４７によって提供される支援も明らかである。

当然ながら、これと同じ時間枠では、上方の低温側弁３５７は開かれ、下方の低温側弁３５５は閉じられたままである。さらに、上方の浮動ヘッド１４２は、ピストン１１０及び上方のヘッド１１４の上方移動にわずかに遅れを取りながら、応答的に上方に移動し始め得る。それでもなお、上述のように、このヘッド１４２はまた、示された時間枠に続いて反対方向へのピストン１１０のストローキングを開始するために、加圧空気を通じたものか又は別の動作流体の導入によるものかに関わらず上方の浮動チャンバ１４０内の圧力上昇に応答し得る。これに関連して、上方の低温側弁３５７は閉じられるが、下方の低温側弁３５５は、それを通る動作流体の流れに対応するように開かれる。

引き続き図３を参照すると、動作流体は、冷交換器（ｃｏｌｄ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）３６０へ送られる。示された実施例では、復熱装置３８０が、冷交換器３６０に達する前に動作流体の流れに最初に導入される。復熱装置３８０は、熱交換器３１５の温度と冷交換器３６０の温度との間の中間温度において動作流体を循環させ得る。したがって、冷交換器３２５に達する前の動作流体により、より一貫性があり且つ効率的な温度降下が示され得る。さらに、熱は、ポンプ３９０の後で動作流体内に回収され、熱交換器３４０による熱交換をあまり必要とせず、したがって、サイクルの効率性が改善される。示された実施例では、冷交換器３６０による動作流体からの熱除去を促進するために、冷流（ｃｏｌｄ ｆｌｏｗ）３２５が使用され得る。この流れ３２５は、室温水、蒸発冷却手段、又は他の適切な手段から引き出され得る。

次いで、冷却された動作流体、ことによると約７９．４４℃（１７５°Ｆ）から約６５．５６℃（１５０°Ｆ）まで冷却された超臨界ＣＯ_２は、交換ポンプ３９０により、復熱装置３８０を通して最終的には熱交換器３４０へ送り戻され得る。したがって、ピストン１１０のストローキングのためのピストン組立体１００への動作流体の循環は、上記のように継続され得る。

次に図４Ａ〜４Ｄを参照すると、上記のようにピストン１１０の往復運動によって行われる作動流体の循環に関与する水力学を強調する、図３のシステム３００の概略図が示されている。図４Ａを特に参照すると、組立体１００のピストン１１０は、上方の浮動ヘッド１４２が上方に移動する（矢印４２４）寸前である第１の上方位置において示されている。しかし、やはり上述したように、これは、上方の浮動チャンバ１４０を加圧する又は「満たす」ことになり、続いて、上方の浮動チャンバ１４０は、ピストン１１０を反対の下降方向に向け直すための追加的な力又は反動力を提供する。実際には、示された実施例では、アキュムレータ４９０が設けられ、このアキュムレータ４９０は、制御された十分な追加の力が浮動ヘッド１４２の下方移動を通じて提供されることを確実にするために、適切なタイミングで作動流体をこのチャンバ１４０へ向かわせるのに使用され得る。

引き続き図４Ａを参照すると、図３に関連して上記で詳述された動作流体の循環は、作動流体を組立体から継続的に循環させるために使用される（矢印４００）。このようにして、作動流体が、最終的には以下でさらに詳述されるような力回収デバイス（例えば、４３０、４４０、４５０）へ向けられ得る。しかし、示された実施例における作動流体の循環において、他の様々な効率性が実現され得る。例えば、上方の浮動チャンバ１４０が作動流体を用いる一実施例では、この流体はまた、浮動ヘッド１４２がピストン１１０を反対方向に向け直すのに役立つものとして利用されるのに先立って上方への移動（４２４）によってセットされているときに、力回収デバイス４３０、４４０、４５０の方へ向けられ得る。

さらに、この動作流体の一部分は、力回収デバイス４３０、４４０、４５０の場所からリザーバ４７０に向けられ得る。例えば、デバイス４３０、４４０、４５０がすでに十分に供給を受けている場合、動作流体の一部分は、リザーバ４７０に向けられて、アキュムレータ４９０が上記のように上方の浮動チャンバ１４０を（又は、（以下で説明されるように）下方の浮動チャンバ１４５を加圧するためにリザーバ４７０を利用できるようにし得る。示された実施例では、アキュムレータ４９０を満たすにあたってリザーバ４７０における引込みを促進するのを支援するために、アキュムレータ・ポンプ４８０が設けられる。アキュムレータ４９０が満たされるときのアキュムレータ・ピストン４９５の上方移動（矢印４９７）に留意されたい。

次に図４Ｂを参照すると、油圧油の循環が継続するときの図４Ａのシステムの概略図が示されている。具体的には、この図では、上方の浮動ヘッド・チャンバ１４０の容積は、ピストン１１０の上方ストローク及び上方の隣接チャンバ１５０内の圧力の上昇を受けて減少されている。上記のように、次いで、浮動ヘッド・チャンバ１４０内の圧力は、上昇される。示された実施例では、この上昇は、アキュムレータ４９０によって提供される補足的な圧力によって支援される。この点において、アキュムレータは、このチャンバ１４０の圧力及び容積の調整器として機能する。次いで、この浮動ヘッド１４２は、ピストン１１０に向かって移動され（矢印４２３）、隣接チャンバ１５０内の圧力を上昇させて、ピストン１１０を他方の方向（矢印４２４）に強制的に向け直し得る。この図では、上記のように下降方向（矢印４２３）への上方の浮動ピストン１４２の反動力又は「ばね」作用を支持するための下方へのアキュムレータ・ピストン４９５の移動（矢印４９８）に注目されたい。

引き続き図４Ｂを参照すると、作動ピストン・ヘッド１１４の下方移動４２４に応答した上方中間チャンバ１２５からの作動流体の循環４００にも注目されたい。実際には、その次に、下方の作動ピストン・ヘッド１１８の上方移動に応答して、下方の中間チャンバ１２６に関して同じことが当てはまる。いずれの場合でも、作動流体は、組立体１００の外へ循環されて、力回収デバイス４３０、４４０、及び４５０に向けられる。示された実施例の場合、これは、最終的にシステム３００から力を得るためにそれらのデバイス４３０、４４０、４５０に作動流体を送る、第１の方法である。当然ながら、前述のように、この作動流体の一部分はまた、デバイス４３０、４４０、４５０によって必要とされていないときに、リザーバ４７０へ再び向けられて、アキュムレータ４９０に利用可能とされ得る。同様に、アキュムレータ４９０によって必要とされない、リザーバ４７０における作動流体は、アキュムレータ・ポンプ４８０の支援により、４１０において組立体１００へ循環され戻される。

次に図４Ｃを参照すると、システム３００の概略図が示されており、ピストン１１０は、図４Ｂの上方の中間チャンバ１２５を実質的に閉鎖している。これは、上方の浮動ヘッド１４２の支援により達成されている。ここで、下方の浮動ヘッド１４７は、ピストン１１０の下方移動の結果としての下方の隣接チャンバ１５５の対応する圧力上昇に応答して下方にシフトされ得る（矢印４０４）ことが、明らかである。上方の浮動ヘッド１４２の上方シフトと同様に、下方の浮動ヘッド１４７の下方シフトは、作動流体を力回収デバイス４３０、４４０、４５０に（例えば、液圧ライン４０５に沿って）向かわせるために用いられ得る。さらに、この作動流体の一部分はまた、上記のようにこれらのデバイス４３０、４４０、４５０からリザーバ４７０へ向け直され得る。

次に図４Ｄを参照すると、ピストン１１０は、ある時点で再び上方にストロークする状態になり得る（矢印４０２参照）。完全に下方にシフトされた下方の浮動ヘッド１４７、及び最大限にある下方の浮動ヘッド・チャンバ１４５の圧力により、下方の浮動ヘッド１４７は、同様に、ピストン１１０の上方へのストロークに空気ばね様の支援を提供するために上方にストロークする準備ができている。上方の浮動ヘッド１４２と同様に、この移動は、アキュムレータ４９０によって促進され得る。この支援を提供するための下降方向４９８におけるアキュムレータ・ピストン４９５の移動に留意されたい。

次に図５を参照すると、エネルギーを供給するための仕事を生じさせるためにシステム内に浮動ヘッド・ピストン組立体を用いる一実施例を要約する流れ図が示されている。具体的には、５２０、５４０、及び５６０に示されるように、加熱された動作流体が、作動流体をその場所から循環させるために、ピストンへ循環される。これと同時に、浮動ヘッドもまた、これらの循環を促進するのに役立つように、ピストンに向けられる。最終的に、作動流体は、５６５に記述されたように様々な力回収デバイスのうちの１つに送達され、したがって、機能的な機関が提供される。次いで、循環動作流体は、サイクルを継続させるために、冷却５２５されて最終的には再加熱５２７されることが可能とされ得る。

上記の説明は、目下好ましい実施例に関連して提示された。これらの実施例に関係する当業者は、説明された構造及び動作方法における改変及び変更がこれらの実施例の原理及び範囲から有意に逸脱することなく実施され得ることを理解するであろう。さらに、上述の説明は、添付の図面において説明され且つ図示された正確な構造にのみ関連すると読まれるべきではなく、むしろ、その完全且つ最も公正な範囲を有する以下の特許請求の範囲に整合的なものとしてまたそれを支持するものとして読まれるべきである。

Claims (20)

1. 熱サイクル機関のためのピストン組立体であって、
   動作流体を循環させるための隣接チャンバを画定するピストン・ヘッドを有するピストンと、
   浮動チャンバを画定し、且つ、前記ピストン・ヘッドの往復運動を強化するために前記隣接チャンバと液圧連通している、浮動ヘッドであって、その位置が前記隣接チャンバの容積と動的に相関がある、浮動ヘッドと、
   を備える、組立体。
2. 前記ピストン・ヘッドが、作動流体から力を得るために作動流体を循環させるための中間チャンバを画定する、請求項１に記載の組立体。
3. 前記作動流体が、非圧縮性流体である、請求項２に記載の組立体。
4. 前記浮動チャンバが、ガスで満たされた隔離されたチャンバである、請求項１に記載の組立体。
5. 前記隣接チャンバ及び前記浮動チャンバが、実質的に一体の構造及び互いに対してセグメント化された構造のうちの一方の構造によるものである、請求項１に記載の組立体。
6. 前記一体構造が、前記隣接チャンバ及び浮動チャンバを画定するための単体ハウジングを含む、請求項５に記載の組立体。
7. 前記セグメント化された構造が、
   前記浮動ヘッドを収容し且つ前記浮動チャンバを画定するためのヘッド・チャンバと、
   前記浮動ヘッドと前記隣接チャンバとの間の流体連通のための液圧ラインと、
   を含む、請求項５に記載の組立体。
8. 浮動チャンバを画定する浮動ヘッドと液圧連通する隣接チャンバを画定するピストンであって、前記浮動ヘッドの位置が前記隣接チャンバの容積と動的に相関がある、ピストンと、
   前記浮動ヘッドの前記位置の変化を介した前記隣接チャンバの容積の変化を促進するために前記浮動チャンバと液圧連通する圧力容積調整デバイスと、
   を備える、システム。
9. 前記ピストンが、作動流体を循環させるための中間チャンバをさらに画定し、前記システムが、前記循環される作動流体を実現するための力回収デバイスをさらに備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記力回収デバイスが、モータ、はずみ車、及び発電機のうちの１つである、請求項９に記載のシステム。
11. 前記隣接チャンバが、動作流体を循環させるように構成され、前記システムが、前記動作流体を加熱するための熱交換器をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
12. 前記動作流体が、超臨界ＣＯ_２、超臨界蒸気、超臨界ヘリウム、及び非超臨界流体からなる群から選択される圧縮性流体である、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記動作流体を冷却するための冷交換器をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記動作流体の中間熱回復及び温度調整のために前記冷交換器及び前記熱交換器のそれぞれと液圧連通している復熱装置をさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
15. システムから力を得る方法であって、
    前記ピストンの往復運動のために前記システムの前記ピストンに動作流体を循環させることと、
    前記往復運動に応答して前記力を得ることのために、前記ピストンから力回収デバイスに作動流体を循環させることと、
    前記ピストンの前記往復運動を強化するために、前記ピストンと流体連通している浮動ヘッドの位置をシフトさせることと、
    を含む、方法。
16. 前記ピストンへの循環に先立って前記動作流体を加熱することと、
    前記動作流体を前記ピストンから循環させることと、
    前記動作流体を冷却することと、
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記動作流体を加熱することが、地熱、太陽熱、及び廃熱のうちの１つによって加熱された水の支援により熱交換器によって促進され、前記動作流体を冷却することが、室温の水及び蒸発で冷却された水のうちの一方を用いて冷交換器によって促進される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記浮動ヘッドの前記位置をシフトさせることが、作動流体を圧力容積調整器から前記浮動ヘッドによって画定された浮動チャンバの方へ向かわせることを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記圧力容積調整器の前記作動流体が、前記システムのリザーバから引き出される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記システムの前記リザーバが、前記力回収デバイスから向きを変えられた作動流体を供給される、請求項１９に記載の方法。

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