JP4252725B2 - スターリングサイクル機の改良 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、スターリングサイクル熱機関または冷凍器の改良に関し、更に詳しくは、スターリングサイクル熱機関または冷凍器の機械的および熱的部品の改良に関し、これは機関(エンジン)運転効率とその寿命の向上と、大きさ、複雑さおよびコストの削減とに寄与する。
【0002】
発明の背景
機関および冷凍器を含むスターリングサイクル機は長い技術的伝統を有し、その詳細はWalker,Stirling Engines,Oxford University Press (1980)に説明されており、この文献は引用により本明細書に組み込まれている。スターリングサイクル機関の主要な基礎をなすのは、スターリング熱サイクルの機械的実現である。そのスターリング熱サイクルは、シリンダ内の等積加熱、ガスの等熱膨張(駆動ピストンによりガスの作動が実行されている間)、等積冷却および等熱圧縮である。段階が等積でも等熱でもないこのサイクルの実用的な実現は、本発明の範囲内にあり、本説明においては、請求された本発明を限定することなく理想的な実施例の場合に関して説明される。
【0003】
本発明の様々な局面がスターリングサイクル機関およびスターリングサイクル冷凍器の双方に適用され、これらの双方を本説明および請求項においては一括してスターリングサイクル機と称する。スターリングサイクル機の付加的な局面とその改良は"Cantilevered Crankshaft Stirling Cycle Machine" と題された係属中の米国特許出願(出願日1998年7月14日)に説明されており、これは本明細書に引用により組み込まれている。
【0004】
スターリング機関の作動原理は図1a−1eを参照して簡単に説明してあり、ここでは同一の参照符号は同一または類似の部品を示す。スターリングサイクル機の様々な機械的配置が当技術分野では公知であるので、全体的に符号10で示される特定のスターリングサイクル機は単に例示の目的で図示してある。図1a乃至1dにおいては、ピストン12およびディスプレイサー14はシリンダ16内で同期往復移動し、そのシリンダはスターリング機関の幾つかの実施例では単独のシリンダとすることができる。シリンダ16内に包含された作動流体は、ピストン12およびディスプレイサー14の周囲から漏洩しないようにシールにより封止されている。この作動流体は以下に説明するように、その熱力学的特性に基づいて選択されており、代表的には、数気圧下で用いられるヘリウムである。ディスプレイサー14の位置は、界面において作動流体に対して熱が加えられるか除去されるかに応じて、それぞれ作動流体が高温界面18か低温界面20へ接触するように決められる。加熱および除熱について以下に更に詳細に説明する。ピストン12の位置により決められる作動流体の体積を圧縮空間22と称する。
【0005】
機関サイクルの第1段階、即ちその開始状態が図1aに示される段階中においては、ピストン12が圧縮空間22における流体を圧縮する。この圧縮は、熱が流体から周囲環境へ除去されるので、実質的に一定温度で起こる。実際には、以下の説明に述べるようにクーラー68(図2に示される)が設けられている。圧縮の後の機関10の状態は図1bに示されている。サイクルの第2段階中においては、ディスプレイサー14が低温界面20の方向へ移動して、作動流体が低温界面20の領域から高温界面18の領域へ押し退けられる。この段階は移送段階と称し得る。この移送段階の終わりにおいては、作動流体が一定体積で加熱されているので、流体は高圧にある。減少した圧力は図1cにおいては圧力計24の表示により示されている。
【0006】
機関サイクルの第3段階(膨張ストローク)中は、圧縮空間22の体積が、熱が機関10の外側から進入するにつれて増大することにより、熱が仕事へ変換される。実際には、熱はヒータ64(図2に示す)により流体へ与えられ、これは以下の説明において詳細に説明される。膨張段階の終わりにおいては、圧縮空間22は、図1dに示すように、冷却流体で満たされる。機関サイクルの第4段階中においては、ディスプレイサー14の対向方向への移動により、流体は高温界面18の領域から低温界面20の領域へ移送される。この第2の移送段階の終わりにおいては、図1aに示すように、流体は圧縮空間22および低温界面20を満たし、圧縮段階の反復のための準備がなされる。このスターリングサイクルは図1eに示すようにP−V(圧力−体積)ダイアグラムで示される。
【0007】
更に、高温界面18の領域から低温界面20の領域への通過において、流体は再生器66(図2に示す)を通過し得る。再生器66は大きな体積対表面領域比を有する材料の集合であり、これは流体が高温界面18の領域から加熱に入るときに流体から熱を吸収すると共に、流体が低温界面20の領域から通過するときに流体を加熱する役割を果たす。
【0008】
スターリングサイクル冷凍器の操作の原理についても図1a−1eを参照して説明でき、ここでは同一の符号が、同一または類似の部品を示すために用いられている。上述した機関と、冷凍器として採用されたスターリング機との間の差異は、圧縮空間22が典型的に周囲温度と熱的に連通すると共に、膨張体積24が外部冷却負荷(図示せず)へ接続されていることである。冷凍器操作は正味の作動入力を必要とする。
【0009】
外部熱輻射をスターリング機関の作動流体へ移送する従来技術の手段は、流体への輻射を結合する石英窓を必要とする。一般に、この手段は、作動流体と周囲環境との間の相当に大きな圧力差に耐えねばならないので、石英の軟化点を越える操作温度においては不充分である。
【0010】
スターリングサイクル機関は実際の適用では一般的に使用されるには至らず、スターリングサイクル冷凍器は、その開発に幾つかの困難な問題点があるので、極低温の特定の分野に限定される。これらは、効率、振動、寿命、およびコストなど実際に考慮すべき問題を伴う。本発明はこれらの考慮すべき問題に取り組む。
【0011】
発明の概要
本発明の一つの局面によれば、その一実施例においては、全回転運動を第1および第2の接続ロッドの往復直線運動へ変換する菱形駆動装置が設けられており、第1の接続ロッドの直線運動は第2の接続ロッドの直線運動に対して同期関係を有する。菱形駆動装置は、2つの機関の車軸を有する回転運動アセンブリと、2つのリンク機構、即ち上部リンク機構および下部リンク機構とを有する。回転運動アセンブリから第1の接続ロッドへ運動を伝達する上部リンク機構は、第1の上部リンクアームおよび第2の上部リンクアームを有し、その第1の上部リンクアームは、第1の機関の車軸に関して偏心して接続された第1端部と、第2端部とを有し、第2の上部リンクアームは、第2の機関の車軸に関して偏心して接続された第1端部と、第1の上部リンクアームの第2端部に対する共通のピボットにおいて柔軟に接続された第2端部とを有し、その共通のピボットは撓む。下部リンク機構は回転運動アセンブリから第2の接続ロッドへ運動を伝達し、且つ回転ベアリングにより機関の車軸へ偏心して接続された少なくとも2つのリンクを有する。
【0012】
本発明の他の局面によれば、第1および第2の接続ロッドの回転運動および往復直線運動を相互変換する菱形駆動装置が設けられており、ここでは少なくとも1つの接続ロッドが柔軟継手により少なくとも1つのピストンへ接続されている。本発明の代替的実施例によれば、菱形駆動装置は2つのタイミングギアを有してもよく、その各々は相互相殺ピッチで共軸に取り付けられた2つのヘリカルギアの積み重ねを含む。第1および第2のタイミングギアは、第1と第2の接続ロッドの動作の間の位相の微調整のためにヘリカルギアを分離する詰め金を更に含むと共に、菱形駆動装置は、回転ベアリングを事前装填する少なくとも2つのスプリングバンドを含んでもよい。
【0013】
本発明の他の局面によれば、ピストンと、シリンダ内で往復運動を受ける高温端部と低温端部とを有するディスプレイサーとを含む形式のスターリングサイクル機は、ディスプレイサーの高温端部または低温端部を取り囲む熱交換リングを含んでもよい。本発明の更なる代替的実施例によれば、ラジエータをスターリングサイクル機関のヒーターヘッドに関して周方向に配置して、輻射によりヒーターヘッドへ熱を伝達するようにしてもよく、そのラジエータは、ヒーターヘッドに関して周方向に配置された放熱フィンのような輻射部材の積み重ねを有してもよい。ヒーターヘッドは熱輻射を透過させるセラミックヒーターヘッドとしてもよく、マグネシウムアルミン酸塩スピネル、アルミニウム酸化窒化物、およびランタン添加イットリウムの材料の中から選んでもよい。
【0014】
本発明の更なる局面によれば、第2のガス圧を有する領域から第1のガス圧を有する領域を分離する一続きの巻回を有するベローズを制作する方法が与えられ、ここでは第1のガス圧が第2のガス圧を越える。この方法は、第2のガス圧を有する領域へ延伸する継手において代替的な区画を機械的に接続し、且つ第1のガス圧を有する領域へ延伸する継手において代替的な区画を封止する段階を有する。
【0015】
本発明は、添付図面と共になされる以下の説明を参照することにより一層容易に理解されるであろう。
【0016】
好適実施例の詳細な説明
ここで図2を参照すると、断面図で示されるスターリングサイクル機関が全体的に符号28で示されている。本発明については図2に示されるスターリング機関を参照して一般的に説明するが、冷凍器のみならず様々な機関が本発明の対象である様々な実施例および改良から同様に恩恵を受けることを理解されたい。図2に示すスターリング機関28をアルファ形態と称し、これは各々の個別のシリンダ内の直線運動を受ける圧縮ピストン30および膨張ピストン32により特徴付けられる。即ち圧縮ピストン30は圧縮シリンダ34内にあり、膨張ピストン32は膨張シリンダ36内にある。
【0017】
更に圧縮ピストン30および膨張ピストン32に加えて、スターリング機関28の主要部品はヒーター64、再生器66およびクーラー68を含む。一括してピストンと称される圧縮ピストン30および膨張ピストン32は、シリンダライナー42により横方向に規定された各々の体積38および40内の往復直線運動で移動するように束縛されている。シリンダ内室の体積は、機関28のヒーター64およびクーラー68(ここではそれぞれ熱区画および冷却区画と称する)にほぼ等しい。圧縮ピストン30および膨張ピストン32の往復直線運動の相対位相(位相角度)は、クランク室46に収容された駆動機構44に対するそれらの各々の継手により決められる。以下に詳細に説明する駆動機構44は、ピストンの相対的タイミングを支配して、直線運動および回転運動を相互変換するように採用し得る機関設計の当技術分野で公知の様々な機構の一例である。圧縮ピストン30および膨張ピストン32はそれぞれ第1接続ロッド48および第2接続ロッド50を介して駆動機構44へ接続されている。圧縮シリンダ38の体積は圧縮段階中に圧縮作動流体の冷却を可能とするように配管45を介してクーラー68へ接続されている。より詳しくは配管45は、クーラー68、再生器機66およびヒーター64を備える環状熱交換器へ圧縮体積38を接続する。
【0018】
本発明の好適実施例によれば、ロッド48および50は、座屈することなく必要な圧縮負荷を支持する充分な張力および収縮剛性を与えつつ、駆動装置不整合(例えば機関構造の加圧および加熱に起因して生じ得る)に適合するように曲げに関して柔軟になる方式で制作されている。ロッド48および50は、好ましくは高張金属、例えばS−7ツール鋼からつくられ、任意の断面のロッドが本発明の目的の範囲内にあるが、有利なのは楕円断面である。
【0019】
ここで駆動機構44の操作について図3を参照して説明する。本発明の一実施例によれば、新規なリンク機構(L駆動リンク機構と称し得る)が、相対的位相遅延を有する正弦直線運動を受ける2つの部材を接続するように設けられている。遊星ギアセットは全体的に符号70により示されている。この遊星ギアセット70は本発明の一実施例において、(図1に示す)ピストン12および14(代替的に圧縮ピストン12および膨張ピストン14と称する)の往復直線運動を結合するために採用し得る。この遊星ギアセット70は内部ギア72およびピニオンギア74からなり、内部ギア72のピッチ径はピニオンギア74のピッチ径の2倍に等しい。内部ギア72が固定されたままであり、且つピニオンギア74が内部ギア72の内側の回動を可能とするとき、ピニオンギア74の外周76における各点は、線上の基点に関して純粋な正弦運動で直線に沿って移動する。
【0020】
図4a−4hは、図3を参照して説明したように固定された内部ギア72に関して回動するピニオンギア74の反対側へ接続ロッド48および50を介して接続されたピストン12および14の各々の直線移動を示す。ピストン12および14は互いに角度をなして移動し、好ましく直角から約10゜以内の範囲内の角度である。ピストン12および14は、互いに関してピストン移動の軸の角度的方向に実質的に等しい位相角度関係で純粋な正弦線形運動を掃引する。従って、例えば正確に直交するように向き付けられたピストン移動については、ピストン12および14は、互いに関して実質的に矩象(90゜位相ずれ)をなして移動する。ピニオンギア74の回転を伴うピストンの移動の連続的段階は図4a−4hに示されている。
【0021】
図5aを参照すると、ピニオンギア74に関して180゜の位相ずれで回転する複数の釣り合い錘78(明瞭化のために、1つのみの釣り合い錘78が示されている)の使用は機関を動的に平衡させる。図5bに示される駆動装置の断面図を参照すると、1組の「捻れ釣り合い錘」80が偏心クランクシャフト86の軸に関して加えられているならば、駆動装置をその中心線に関して対称に負荷する必要はない。主釣り合い錘78に加えて設けられた2つの対向する釣り合い錘80の組は、主釣り合い錘78が機関を並進運動において平衡させながら、オフセットピストンにより形成されたモーメントを平衡させ得る。図5aにおける斜視図と図5b、図6aおよび図6bにおける上部断面図および側断面図に示された本発明の実施例においては、釣り合い錘78は圧縮ピストンベアリング82および膨張ピストンベアリング84をそれぞれ反対位相で回転させるように設けられている。本発明のリンク駆動実施例に必要な部品は、以下に詳細に説明するように、菱形駆動機構よりも遙かに少ない。更に新規なリンク駆動装置により置換される体積は、同一のピストンストロークを有する菱形駆動装置の置換の体積よりも小さい。更に、2つの直交するピストンの正弦運動は、単純な釣り合い錘により完全に平衡することができ、ピストンシールに側方負荷を負わせることがないので、摩擦が低減して、機関寿命が延び、乾式操作を可能とする。
【0022】
ここで図7aを参照すると、図2のAAに沿って破断したスターリング機関28の断面図が示されている。偏心圧縮ピストンベアリング82および膨張ピストンベアリング84は、機関28のハウジング92に関して主(または外側)クランクシャフト90を支持する主ベアリングセット88から片持ち支持されて、偏心クランクシャフト86の周りに配置されている。図3を参照して説明したように、偏心クランクシャフト86は主クランクシャフト90に対して偏心する軸に関して回転して、遊星ギアセット98を構成するピニオンギア94および内部ギア96の存在により、主クランクシャフト90を回転の反対方向に同一の回転速度で駆動させる。機関に関して固定された任意の点に関する主クランクシャフト86の位置は「クランク角」を規定する。この方式により構成されたクランクシャフトを「調和クランクシャフト」と称する。
【0023】
この片持式クランクシャフト形態は、スターリング機関作動流体、即ち再生器を汚染させて機関の効率操的操作を阻害することがないように清浄に保たねばならない作動流体を汚染させることなく、ギアセット96の注油を有益に可能とする。次いで主クランクシャフト90はトルクを機械的負荷へ付与し得る。機械的負荷の一例はジェネレータ回転子100であり、これは電気エネルギを発生するようにジェネレータ固定子102に関して回転駆動される。偏心はずみ車104および線形釣り合い錘106は、偏心クランクシャフト86へ接続されているので、主ベアリングセット88に関して片持ち支持される。偏心はずみ車104は、前方回転成分と後方回転成分との回転モーメントを含む正味の慣性を零にするために設けられている。従って、機関速度の変化に起因する機関の振動は都合よく回避される。偏心はずみ車104は、本発明の目的の範囲内で、図7aに示したもの以外の配置にしてもよい。例えば図7bを参照すると、図2のスターリング機関の代替的実施例が断面図で示されており、ここでは偏心はずみ車104は、ピストンベアリング82および84の位置から遠方の偏心クランクシャフト86の端部105に配置されている。図7aを再び参照すると、偏心クランクシャフト86は、主クランクシャフト90に関してベアリング108および110により支持されている。主釣り合い錘112および捻れ釣り合い錘114は、ピストンを含めて全ての偏心クランクシャフトアセンブリに関する主クランクシャフト90の動的平衡のために設けられている。
【0024】
主クランクシャフト90上の負荷は、機関のサイクルの経過に亘って方向を変えないことが好ましい。この方式では、前方および後方慣性の平衡の存在により、遊星ギアセット98上のトルク逆転は都合よく防止されるので、ギアのバックラッシに伴う雑音および摩耗が防止される。主車軸90上の負荷が一定であるならば、遊星歯車セット98上のトルクは均一方向となり、所定の正味のパワー出力を得るためにも最小化される。加えられた負荷が電気ジェネレータであるならば、一定トルク操作は最高のジェネレータ効率ももたらす。更に本発明の実施例によれば、上述した有益な操作を実現するために遊星ギアセット98上に一定トルクを与えるように、ジェネレータの電流負荷を調整してもよく、この調整は、電気技術分野で公知のように、例えばプロセッサのような負荷調整器103によりなされる。更に、ジェネレータ回転子100は、はずみ車の質量の全てまたは一部を与えてもよく、ジェネレータは機関を始動するスターターとしての役割を果たしてもよい。
【0025】
ここで本発明の代替的実施例について図8を参照して説明する。図8に断面で示された側面図において、スターリングサイクル機関28は、パワーピストン30およびディスプレイサーピストン32の定位置の直線運動により特徴付けられるベータ形状に構成されている。本発明の実施例によれば、接続ロッド48は中空シャフトとして構成されていると共に、接続ロッド50は接続ロッド48の内側で共軸に往復直線運動を受けるように構成されている。冷凍器および本説明の他の欄で部分的に説明した実施例を含む他の構成も本発明の範囲内にある。
【0026】
図8の実施例において駆動機構36は、回転運動アセンブリ120、上部リンク機構122、および下部リンク機構124からなる菱形駆動機構である。回転運動アセンブリ120は菱形駆動機構36の一部であって、固定軸に関する回転を伴い、図8に示される実施例においては、第1の機関の車軸128と共に回転する第1のタイミングギア126と、第2の機関の車軸132と共に回転する第2のタイミングギア130とからなる。上部リンク機構122は、図2に示されたような機関28の向きに関してそのように名付けられており、回転運動アセンブリ120と第1の接続ロッド48との間の機械的継手を構成する。図示の実施例においては、上部リンク機構122は回転運動アセンブリ120の回転運動をパワーピストン30の直線運動に結合するが、これに代えて他の実施例においては、上部リンク機構122はディスプレイサー32の直線運動に結合してもよい。上部リンク機構122は、機関の車軸128および132に関して偏心された回転運動アセンブリ120へ例えばリンク134を介して接続されている。図2に示された実施例においては、リンク134はピボット136において交差リンク138へ接続されており、その交差リンクは138は接続ロッド48へ直接に接続されている。回転運動アセンブリ120を接続ロッド48へ接続する他の手段は、機械分野の当業者には容易に明らかであり、同様に添付の請求の範囲に含まれる。下部リンク機構124は同様に回転運動アセンブリ120の回転運動を接続ロッド50へ、図8では見えないリンクおよびピボットを介して接続する。
【0027】
上述したスターリングサイクルの膨張段階中に、デイスプレイサー32の高温端部140における作動流体が膨張し、ヒーター64を介して機関28の外側から熱を獲得する。本発明の実施例の目的の範囲内に包含されたヒーター64の異なる構成を以下に説明する。加熱された作動流体は次いで、デイスプレイサー32とパワーピストン30との間の圧縮体積142へ、再生器66を通る通路により連続的に移送され、その通路では、作動流体の熱は除去されて、再生器66に取り込まれる。上述した圧縮段階中は、クーラー68により熱は作動流体から周囲空間へ除去される。
【0028】
本発明の一実施例においては、クランク室46は密封されていて、スターリングサイクル機関の作動流体をなすものと同一の流体を包含する。この作動流体は代表的にはヘリウムであるが、他の流体の使用も本発明の請求の範囲に含まれる。
【0029】
作動体積からクランク室への作動流体の循環により、付加的な冷却を達成し得る。付加的な冷却を与える1つの方法は、本発明の一実施例においては、クランク室流体から周囲環境へ熱を伝達するクーラーと、流体をクランク室からクーラーへ循環させてクランク室へ戻すポンプとを設けることである。
【0030】
本発明の代替的実施例においては、スターリング機関内の作動流体はイオン化されていてもよい。1つのイオン化機構は、例えばグロー放電またはそれと同様な方法の使用であるが、紫外線または共鳴放射によるイオン化も添付の請求の範囲に含まれる。ひとたび作動流体がイオン化されたならば、これは小さな距離に亘って電磁的に移動し得る。これはピストンを電磁場を用いて封止することを可能とする。機関の高温区画と低温区画との間の作動流体の移動におけるデイスプレイサーの機能も電磁的に達成し得る。従って、デイスプレイサー32は機械的部品である必要がない。
【0031】
ピストン30およびデイスプレイサー32を通過する作動流体の流れを最小化する精密許容度シールは、各ピストンの芯合わせをシリンダライナー42の口径において0.001″(1ミル)程度内にする必要がある。この許容差の芯合わせを与えることは、駆動装置に整合する全ての部品の高許容差機械加工、またはこれに代えて、組み立て中の微調整により達成することができる。何れの選択も複雑な手順と費用とを伴う。本発明の一実施例によれば、柔軟継手が接続ロッド48および50内に加えられて、何れのシャフトもオフセットまたは小さな角度で傾斜できるようにしてあり、且つピストン30および32が実際に口径内で作動するようにしてある。従って、小さな不整合はもはや重要ではなく、10ミル未満の不整合はシールにさしたる側方負荷を起こすことはない。この実施例は、図11を参照して以下に説明する三角リンク配置に特に適する。
【0032】
ここで図9a−9dを参照すると、パワーピストン30の圧力負荷を最小化することにより、機械的損失を低減し得るので、駆動機構の寿命を延ばし得る。2つの機構がパワーピストン30へ圧力負荷を生じさせ、その一方は機関パワー出力を増大させ、他方はパワー出力へ何ら影響しない。デイスプレイサーピストン32の周期的運動は作動流体を加熱および冷却して、圧縮体積142内の流体の圧力を変化させる。これらの圧力変化は、パワーピストン30の運動の概ね90゜の位相ずれを有するので、機関により正味の作動出力がもたらされる。
他方、パワーピストン30による運動は、ピストン運動に直接に同期して振動する圧力を起こすので、機関の作動出力には影響しない。
【0033】
所定の駆動負荷のために機関パワーを最大にするには、デイスプレイサーピストン32の移動により生じた全圧力振動の小部分を最大化せねばならない。そのためには、本発明の一実施例によれば、デイスプレイサーピストン32は、スターリングサイクルの連続的段階における図9a−9dに示すように、パワーピストン30の径よりも大きな径を有して設けられている。径が異なるピストンは、例えば、図1a−1dに示すスターリング機関10のように、個別の内径を有する機関においては公知である。図8および図9a−9dのβ形式機関において、径が異なるピストンであり、これらのピストンが同軸でそれらのストロークの或る部分に亘って同一の掃引体積を共有するピストンを設けることにより、大径デイスプレイサーピストン32からの低圧振動の利点が達成され、同時に、無駄な体積が小さくて高圧縮比のβ形式機関の利点が与えられる。アルファ、ベータ、およびガンマ形態はスターリングサイクル機の分野における当業者にはよく知られている。
【0034】
ここで図10を参照すると、従来技術の菱形駆動装置が全体的に符号150により示されて図示されている。ここで回転運動アセンブリ120は、釣り合い錘122および124とタイミングギア126および128とからなる。従来技術の設計においては、釣り合い錘122およびタイミングギア126は共に回転するが、偏心取り付けリンクアーム132および対応する下部リンク機構のリンクアーム(図示せず)の要求する間隙により、車軸130は釣り合い錘122およびタイミングギア126の双方を貫くことができない。従って車軸130は「分割」せねばならない。その結果、機械的不都合を生じる。
【0035】
図11において、本発明の一実施例によれば、車軸130は釣り合い錘122およびタイミングギア126の双方を貫いて示されている。これは回転運動アセンブリに対して大きな回転ベアリング134を介してリンクアーム132の偏心継手を与えることにより達成され、その大回転ベアリング134は、車軸130を貫通車軸として大回転ベアリング134を貫通させることを可能とする。貫通車軸の使用は、駆動の剛性を向上させて、正確な組み立ての容易さに寄与して、機関のコストを低減させる。図11に示されるリンク機構は所謂「台形リンク配置」であり、ここでは回転運動アセンブリのホイールまたは釣り合い錘へそれぞれ偏心して取り付けられたリンクアーム132およびリンクアーム136が、ピボット140において交差リンク(またはプラットフォーム)138へそれぞれ接続されている。交差リンク138は次いで接続ロッド48を駆動する。この配置の不都合は、接続ロッド48が並進運動するにつれて、交差リンク138が前後に揺動してしまうことである。従って駆動装置はピストン30(図8に示す)のシールおよび接続ロッド50に依存しており、これらは揺動の自由度を排除する。その結果、駆動装置における不均衡は、シールへ摩擦およびシールの摩耗を増大させる側方力をもたらす。
【0036】
ここで図12を参照すると、本発明の一実施例においては、リンクアーム132およびリンクアーム136は、図11の台形リンク配置におけるような別個の交差リンクを介してではなくて、ピボット142において互いに接続されている。
リンクアーム132およびリンクアーム136が単独の共通のピボット142にて接続されたこのリンク配置は「三角リンク」または「デルタリンク」配置と称される。測方移動の自由度の削減により、三角リンク配置は振動および摩耗を低減し得るので、接続ロッド48および50(図2に示す)にならった可撓体の使用を可能とし、機関寿命を延ばし得る。
【0037】
リンクアーム132および136の回転が完全ではないため、ピボット142における継手は、完全に360度の回転を可能とする必要がないので、可撓体としてもよい。同様に、回転運動アセンブリに対するリンクアームの継手、リンクアームの間の継手、または交差リンクとリンクアームとの間の継手を可撓体で構成してもよい。向上された機関信頼性を与えるために、不完全な回転能力を持つ可撓体を用いてもよい。
【0038】
本発明の一実施例によれば、リンクアームの対の間の少なくとも1つのピボット、または付加的に少なくとも1つの回転ベアリングに、フェロ流体ベアリングを採用することにより、ピボットまたはベアリングの交換の間の保守間隔を長くすることができる。フェロ流体シールは、フェロ磁性材料の小粒子が包含されたオイルを閉じ込めるように磁場を用いる。このようなシールはボールベアリングまたはブッシングの内部の潤滑剤の恒久的シールとして一般的に使用されている。フェロ流体ベアリングの使用により、摩擦ベアリングシールからの摩擦を除去し得る。
【0039】
更に図12を参照すると、本発明の実施例においては、2つのタイミングギア144および146が回転運動アセンブリの機関の車軸130に装着されており、対応する反対回転タイミングギア150および152は機関の車軸158に装着されている。機関の車軸158上の対応するギア150および152に沿ったギア144および146は、ヘリカルギアである。ギア144および146の螺旋のピッチは相殺し得るので、ヘリングボーンパターンを有するタイミングギアを効果的に形成する。この形式のギアは、ヘリカルギアに伴う側方力を排除しつつ、雑音を低減させるために一般的に用いられている。この設計の付加的な利点は、ギア144と146との間の間隙を詰め金により調整するなどして、2つの車軸の相対位相における微調整を与えることである。これは組み立て中に位相角を微同調させる簡単な手法を与える。
【0040】
個々で図13を参照すると、振動および摩耗はベアリングのへの一定の側方負荷を保持することにより削減でき、スプリングバンドは全体的に符号160で示されている。スプリングバンドをスプリング鋼または同様な材料から制作することにより、ベアリングは典型的に10乃至20ポンドの張力で予備負荷させる。バンド160は、回転ベアリング134および上部リンクピボットベアリング142のベアリング側方負荷を与える。
【0041】
図14はデイスプレイサーピストン32およびシリンダライナ42の対応部分の側断面図を示す。小さなスターリング機における損失の大きな部分は、デイスプレイサーピストン32を取り囲む環状間隙160(「付加間隙」と称する)において自然に生じる。2つの機構がこれらの損失を生じさせる。これは第1に所謂「往復(shuttle)損失」であり、これはデイスプレイサー32の周期運動により増加されたシリンダの壁42に沿った熱伝導である。これはデイスプレイサー32の壁162およびシリンダの壁42に沿った大きな温度勾配の直接の結果である。デイスプレイサーの中間ストロークにおいては、デイスプレイサー壁162とシリンダライナ42との双方が同一の縦方向温度勾配、即ち機関の筐体の上部にて約1200゜F、下部にて約80゜Fを有する。シリンダライナの各点における温度は、付加間隙を各々直接に交接するデイスプレイサー壁上の点と同一温度になる。しかしながら、デイスプレイサーがそのストロークの上部へ移動したときは、温度は整合しなくなる。シリンダが、デイスプレイサー上の対応する点よりも高温になると、熱はライナから付加間隙内のヘリウムを経てデイスプレイサー壁へ流れる。この逆の現象が、デイスプレイサーがそのストロークの下部にあるときに起こる。熱はデイスプレイサーからシリンダへ伝導するが、その場所は壁を更に下降し、クーラーへ接近する。これは「バケツリレー列(bucket brigade)」とも称され、デイスプレイサーが高温側から熱を取り去って、低温側へ向かって周期的に運んでいく。この効果は、デイスプレイサーピストンとシリンダ壁との間の間隙の大きさに逆比例する。
【0042】
第2の効果は典型的に「圧送損失」と称されている。機関の内側の圧力変動に起因して、膨張空間からの流体は各サイクルの間に付加間隙に流入し流出する。ヘリウムが間隙へ流れ込み、その熱の一部をシリンダ壁へ与え、僅かに低いクーラー温度において間隙の外へ戻る。これはサイクルにおける他の熱力学的損失を表し、熱はいかなる仕事にも寄与することなく高温側から低温側へ伝導する。この効果により失われる熱は間隙の大きさに直接に比例する。従って付加間隙の大きさは往復損失と圧送損失との合計を最小化させることに基づいて定められる。しかしながら、適切に最適化されたときでさえも、これらの損失の合計は、小型機関の場合、代表的には入力パワーの10%である。
【0043】
本発明の一実施例によれば、この損失は、添加間隙160の入口において再生式材料164の短い区画を加えることにより低減される。この材料は金属フェルト、層状スクリーンにすることができ、または、再生に通常用いられている大きな湿り面を有する多数の多孔性材料の何れか1つにすることができる。このような熱交換器は、適切に寸法づけられたときは、99%以上の効率を得ることができる。シリンダライナの高温端とデイスプレイサーピストンのボディとの間の熱流の不可逆成分を最小化するために、デイスプレイサーピストン32の壁に何らかの狭い環状の間隙を設けることも、本明細書で「再生式リング」と称する構造の目的の範囲内にある。再生式リングの存在の結果として、付加間隙に去来するガスは、間隙の大きさの以下にかかわらず、同一の温度であるか、非常に近接した温度である。これは、往復損失を低減するために用いられる付加間隙を大きくすることを可能とする役割をなす。正味の結果は機関効率の大きな向上、即ち小型機関について3または4%の上昇となり得る。
【0044】
スターリングサイクル冷凍器の場合、シールが高温端にあり、再生式材料は環状間隙の低温入口に位置している。
【0045】
図15−17は、スターリング機関のヒーターヘッド64(図2に示す)へ熱を与えるために燃料を燃焼させるのに用いられるバーナー170からの熱流の模式図を示す。一般に、周囲温度における空気は、燃料をバーナー170内で燃焼させる酸素を与える。ヒーターヘッド64が加熱された後も燃焼ガスには相当な量のエネルギが依然として存在し、当業者にはよく知られているように、燃焼空気のバーナー170への導入に先立って、排気ガスから燃焼空気へ熱を伝導させるために熱交換器172を使用し得る。従来の予備燃焼加熱に適用可能な代表的な数値が図15に示されている。〜2000K(温度はケルビン温度で与えられる)の2次燃焼ガスが、スターリング機関作動流体を〜950Kの温度へ加熱するのに用いられ、排気ガスが1200Kとなり、環境へ排出するガスの温度としてはあまりに高すぎる。熱交換器172は、排気ガスから熱を取り除き、その熱を予備燃焼空気へ伝導させて、予備燃焼空気を〜900Kへ加熱し、排気ガスを〜600Kとするが、これも周囲空気による更なる希釈を伴わずに安全に排出するには、依然として高温すぎる。
【0046】
図15を参照すると、スターリング機関のヒーター64へ熱を与える目的で、バーナー170を通じて空気を強制送風するように、ファンまたはブロワーが典型的に用いられている。しかしながら、ファンとブロワーは両者共に低効率しか有していない。その結果、機関のパワー出力の幾らかは燃焼に必要な空気の移動中に一般に消費される。
【0047】
図16は本発明の更なる実施例の模式図を示し、この実施例によれば熱交換器172を通過した後の排気ガスを離れるエネルギの或る程度は、電気ブロワー176に動力を与える熱電ジェネレータ174により電力へ変換し得る。図17は本発明のこの更なる実施例においてターボ膨脹器180へ動力を与える高温排気ガスの使用を示し、そのターボ膨脹器180は、燃焼ガスをバーナー170へ推進させるターボコンプレッサ182を駆動する。
【0048】
ここで図18aを参照すると、本発明の1つの実施例において、全体的に符号184で示される空気増幅器へ必要な空気流を入れるために、プロパンのような高圧気体燃料が用いられている。ガス力学の分野で公知のように、空気増幅器184は、高圧ガスの小さな流れを周囲空気のより大きな流れに入れるように用いる。ガス増幅器の作動原理について図18bを参照して説明する。プロパンのような高圧ガス燃料は、体積192から、燃料の壁噴射196を形成する屈曲壁194に沿って指向されて、その燃料の壁噴射196は周囲ガス198に入って、壁噴射196よりも遅い速度で移動するプロパンと空気とがよく混合された大きな流れ200を与える。プロパンの高速壁噴射196は緩慢な移動ガス198を混合するか若しくは同伴して、同伴ガスを一時的に移送して加速する。従って同伴される周囲ガスが多ければ多いほど境界層202の体積が増大して、正味の輸送速度を低下させる。プロパン噴射196と共に流出する同伴ガス198は、空気増幅器184内へ新鮮な空気を引き込む低圧を生成する。従って、高圧プロパン噴射196は空気増幅器184を通じて空気を効果的に圧送する。周囲圧力付近の流れは、高圧ガス流よりも典型的には10−40倍も大きくなる。再び図18aを参照すると、代表的には20−100psigの範囲の圧力で高圧ガスとしてプロパンを使用することができ、空気増幅器184はバーナーを通じて空気を圧送すると共に、燃料および空気がバーナー170へ入る前にそれらを混合する。このことは、ブロワーの必要性を排除(若しくは、要求されるブロワーの大きさを低減)して、その代わりに、さもなければ消費されていたであろう高圧気体燃料の蓄積エネルギを使用する。同様に重要なのは、空気増幅器は、空気制御を伴わずに正確な燃料対空気比を維持するために採用でき、更に、低圧プレナム188が或る程度の量の排気ガスを加えさせるので、酸化窒素の放出を低減する目的で、排気ガス再循環の単純な組み込みが可能なことである。
【0049】
図19aは、符号300で指示される点線矢印で示される高温ガスによりヒーターヘッド64を加熱することにより効率を増大する原理を示す。ガスは燃焼過程において加熱されて、図15−18を参照して上述したように燃料が空気中で燃焼されて典型的には2000K程度の温度になる。高温ガス300がフィン302を通過することにより、対流により熱エネルギをフィンへ伝導するので、ガスが冷却されてフィンが加熱される。フィン302に吸収された熱エネルギは次いでスターリング機関のヒーターヘッド64へ放射されて、そのスターリング機関は典型的には950K程度の低温で操作される。フィン302を出るガス304はフィンの温度よりもわずかに高温である。フィンの温度と、出現するガスの温度とは、典型的には1400K程度である。ガス304はヒーターヘッド64を通過するように指向されて、更なる熱エネルギを対流によりヒーターヘッドへ伝導させる。
【0050】
ここで図19bを参照すると、本発明の代替的実施例は、フィン302により放射された熱エネルギを、ヒーターヘッド64へのみならず、スターリング機関の内部空間306へ熱エネルギを直接に伝導させる。これは、放射フィン302の温度(1400K程度)における熱輻射、すなわち赤外線を実質的に透過させる材料からヒーターヘッド64を制作することにより達成される。このような材料は、例えばマグネシウムアルミナスピネル、アルミニウム酸化窒素などの赤外線透過セラミック、ランタニウム添加イットリウムなどの結晶材料を含む。フィン302により放射された熱エネルギは、スターリング機関の内部空間306内に配置された波形ホイル308により連続的に吸収される。波形ホイル308は、赤外線光学における当業者にはよく知られた技術を用いて黒体吸収体として働くように処理されており、熱を機関の作動流体へ対流により連続的に伝導する。
【0051】
ここで図19cおよび図19dを参照すると、燃焼源からスターリングサイクル機関28の内室へ大量の熱を伝導させる本発明の一実施例による新規な構造が断面図で示されている。バーナー150により生成された高温ガス300から機関の内部体積306に包含された作動流体への熱伝導の効率を向上させる目的で、ヒーターヘッド64の両側面に大きな浸水面領域が必要である。高い表面領域を達成するために、多数の金属ピン310がヒーターヘッド64の内面312と外面314との双方に形成されている。その形成はインベストメント鋳造法などにより低コストで達成し得る。金属ピン310はヒーターヘッド64の両側面における浸水面領域を増大するのみならず、攪乱をも生じさせ、この攪乱は流体の混合を増大するので、熱の流れを更に増大させる。この構造はクーラー68(図2に示す)における熱伝導または、ガスの体積の間に効率的な熱伝導が要求される任意の用途に採用し得る。
【0052】
図20a−20bにおける側面図は、ピストンを封止するベローズ(全体的に符号400で示される)を示す。ここで図20aを参照すると、本発明の代替的実施例においては、ベローズ400は、作動体積402とクランク室体積404との間のシールを与えるように使用し得る。柔軟金属ベローズをこの用途に用いることもできるが、これらは高価であり制作が困難である。これに代えて、圧力差(作動体積402における圧力P1がクランク室体積404における圧力P2を常に越える)がベローズ区画を一体的に保持するように用いられている。この圧力差は、渦408と410との間の凸状継手406を分離させ、一方、渦410と414との間の凹状継手412を押圧して合わせる。凸状継手406は、例えば溶接または蝋付けにより機械的に接続されて分離力に抗するようにされている。凹状継手412は、図20bに示すように、良好なガスシールを与えるように貼り付けられた表面を有する。この配置の利点は、作動体積とクランク室との間に密封シールを設けることを含み、この密封シールは、作動流体を加圧するポンプへ接続するポートには設けないようにすることが可能である。各々の区画414の一つの継手のみがベローズの各対上の構造なので、その制作は単純である。
【0053】
本明細書に説明したデバイスおよび方法は、本発明を説明した意味でのスターリング機関以外のアプリケーションにも適用し得る。ここで説明した本発明の実施例は単に例示を意図しており、様々な変形例および変更例が当業者には明白であろう。このような変形例および変更例の全てが、添付の請求の範囲に規定された本発明の範囲内にあるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1a−1eは従来技術のスターリングサイクル機の操作原理を示す。
【図2】 図2は本発明の一実施例によるスターリングサイクル機関の側断面図である。
【図3】 図3は本発明の一実施例による圧縮ピストンおよび膨張ピストンの往復運動を結合する遊星ギアセットの模式的な断面図である。
【図4】 図4a−4hは本発明の一実施例による偏心リンク結合駆動ロッドを有するスターリングサイクル機の操作の原理を示す。
【図5】 図5aは本発明の一実施例によるスターリングサイクル機の二つのピストンの直交直線運動を結合するために採用された新規なLリンク駆動装置の斜視図である。
図5bは本発明の一実施例による捻れ釣り合い錘を示す図5aのLリンク駆動装置の断面における側面図である。
【図6】 図6aは本発明の一実施例による二つのピストンの直交直線運動を結合する新規なLリンク機構を採用するスターリングサイクル機の上断面図である。
図6bは本発明の一実施例による二つのピストンの直交直線運動を結合する新規なLリンク機構を採用する図6aのスターリングサイクル機の側断面図である。
【図7】 図7aは本発明の一実施例によるカンチレバークランクシャフトを示すスターリングサイクル機関の図2の線AAに沿った断面図である。
図7bは本発明の代替的実施例によるカンチレバークランクシャフトを示すスターリングサイクル機関の図2の線AAに沿った断面図であり、ここでは弾み車が機関シリンダに対する偏心クランクシャフト遠位端の端部に配置されている。
【図8】 図8は本発明の一実施例による菱形駆動装置を採用するベータ形状スターリング機関の断面図である。
【図9】 図9a−9dは本発明の一実施例による異なる径を有する出力ピストンおよびデスプレイサーピストンを採用するベータ形状スターリングサイクル機の連続サイクル段階における側断面図である。
【図10】 図10は、台形リンク配置と、偏心リンク継手を収容する分割車軸とを示す従来技術の菱形駆動機構の斜視図である。
【図11】 図11は本発明の一実施例による台形リンク配置および貫通車軸を有する菱形駆動機構の斜視図である。
【図12】 図12は本発明の一実施例による三角リンク配置、貫通車軸、およびヘリングボーンタイミングギアを示す菱形駆動機構の斜視図である。
【図13】 図13は本発明の一実施例によるスターリングサイクル機の回転ベアリングを事前装填するスプリング鋼バンドの側面図である。
【図14】 図14は本発明の一実施例による再生器を示すスターリングサイクル機関のシリンダおよびデスプレイサーピストンの部分的な断面図である。
【図15】 図15は燃焼空気を予熱する熱交換器を含む従来技術のスターリングサイクル機関の加熱ヘッドへ熱を与えるために用いられた燃焼ガスの温度を示す模式図である。
【図16】 図16は本発明の一実施例による熱電ジェネレータを含む燃焼ガス流の連続的段階におけるスターリングサイクル機関の加熱ヘッドへ熱を与えるために用いられた燃焼ガスの温度を示す模式図である。
【図17】 図17は本発明の一実施例による燃焼空気をバーナーへ送風するようにターボエクスパンダにより駆動されるコンプレッサを含むスターリングサイクル機関の加熱ヘッドへ熱を与えるために用いられた燃焼ガスの温度を示す模式図である。
【図18】 図18aは本発明の一実施例によりスターリング機関ヒーターヘッドの燃焼加熱に先だって、高圧燃料が混合チャンバの長さに沿って空気および再循環排気ガスを混入するのに用いられた空気増幅器の断面図である。
図18bは図18aの空気増幅器の操作の原理を示す空気増幅器の断面図である。
【図19】 図19aは本発明の一実施例によるスターリング機関ヒーターヘッドの輻射加熱の原理を示す模式図である。
図19bは本発明の一実施例によるによるスターリング機関ヒーターヘッドの輻射加熱アセンブリの断面図であり、ここでは輻射エネルギが熱的透過ヘッド内の吸収体により吸収される。
図19cは本発明の一実施例によるピン熱交換器を採用するスターリングサイクル機関の断面図である。
図19dは図19cピン熱交換器のピンヒーターを拡大した詳細な斜視図である。
【図20】 図20aは本発明の一実施例によるベローズ封止ピストンの側断面図である。
図20bは図20aのベローズ封止ピストンの単独区画の側断面図である。
Claims (22)
- 第1と第2の接続ロッドの回転運動と往復直線運動とを相互変換する菱形駆動装置であり、第1の接続ロッドの直線運動は第2の接続ロッドの直線運動に対する同期関係にある菱形駆動装置であって、
a.第1と第2の機関の車軸を有する回転運動アセンブリと、
b.この回転運動アセンブリから第1の接続ロッドへ運動を伝達する上部リンク機構 とを備え、その上部リンク機構は、
i.第1の機関の車軸に関して偏心して接続された第1の端部と、第2の端部とを有する第1の上部リンクアームと、
ii.第2の機関の車軸に関して偏心して接続された第1の端部と、第1の上部リンクアームの第2の端部に対して共通のピボットにおいて柔軟に接続された第2の端部とを有する第2の上部リンクアームとを含み、前記菱形駆動装置は更に、
c.前記回転運動アセンブリから第2の接続ロッドへ運動を伝達する下部リンク機構を備え、この下部リンク機構は、回転ベアリングにより機関の車軸に対して偏心して接続された2つのリンクを有する菱形駆動装置。 - 第1と第2の接続ロッドの回転運動と往復直線運動とを相互変換する菱形駆動装置であり、第1の接続ロッドの直線運動は第2の接続ロッドの直線運動に対する同期関係にある菱形駆動装置であって、
a.2つの機関の車軸を有する回転運動アセンブリと、
b.この回転運動アセンブリから第1の接続ロッドへ運動を伝達する上部リンク機構であり、回転ベアリングにより機関の車軸に対して偏心して接続された少なくとも2つのリンクを有する上部リンク機構と、
c.前記回転運動アセンブリから第2の接続ロッドへ運動を伝達する下部リンク機構であり、回転ベアリングにより機関の車軸に対して偏心して接続された少なくとも2つのリンクを有する下部リンク機構とを備え、少なくとも一方の前記接続ロッドが柔軟な接続継手により少なくとも一つのピストンへ接続されている菱形駆動装置。 - 請求項2の菱形駆動装置において、
d.第1の機関の車軸に対して偏心して取り付けられた第1のタイミングギアと、
e.第2のタイミングギアであり、第1のタイミングギアと第2のタイミングギアとが噛合して反対方向へ回転するように、第2の機関の車軸に対して偏心して取り付けられた第2のタイミングギアとを備え、第1と第2のタイミングギアの各々は、対抗するピッチで同軸に取り付けられた2つのヘリカルギアの積層を含む菱形駆動装置。 - 請求項3の菱形駆動装置であって、第1と第2のタイミングギアが、第1と第2の接続ロッドの運動の間の位相の微調整のために前記ヘリカルギアを分離する詰め金を更に含む請求項3の菱形駆動装置。
- 請求項3の菱形駆動装置であって、前記回転ベアリングを予備装填する少なくとも2つのスプリングバンドを更に含む菱形駆動装置。
- 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、ピストンと、高温端部およびシリンダ内で往復運動を受ける低温端部を有するディスプレイサーとを含み、前記シリンダの第1端部においてガスがヒーターヘッドを介して加熱されており、更にこのスターリングサイクル機は、前記ディスプレイサーの高温端部を包囲する再生リングを含むことを特徴とする菱形駆動装置。
- 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、ピストンと、高温端部およびシリンダ内で往復運動を受ける低温端部を有するディスプレイサーとを含み、前記シリンダの第1端部においてガスがクーラーを介して冷却されており、更にこのスターリングサイクル機は、前記ディスプレイサーの低温端部を包囲する再生リングを含むことを特徴とする菱形駆動装置。
- 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、ピストンと、高温端部およびシリンダ内で往復運動を受ける低温端部を有するディスプレイサーとを含み、前記シリンダの第1端部において作動流体がヒーターヘッドを介して加熱されており、更にこのスターリングサイクル機は、前記ヒーターヘッドに関して円周上に配置され、輻射により前記ヒーターヘッドへ熱を伝導するラジエータを含むことを特徴とする菱形駆動装置。
- 請求項8記載の菱形駆動装置において、前記スターリングサイクル機が、前記ヒーターヘッドに関して円周上に配置された輻射部材の積層を備えるラジエータを更に含む菱形駆動装置。
- 請求項9記載の菱形駆動装置において、前記輻射部材が、フィンである菱形駆動装置。
- 請求項8記載の菱形駆動装置において、前記スターリングサイクル機が、熱輻射を透 過するセラミックヒーターヘッドを更に含む菱形駆動装置。
- 請求項11記載の菱形駆動装置において、前記セラミックヘッドが、マグネシウムアルミネイトスピネル、アルミニウム酸化窒素、ランタニウム添加イットリウムの中から選択されている菱形駆動装置。
- 請求項11記載の菱形駆動装置において、対流により前記ヒーターヘッドを通じて伝導された熱輻射を吸収して作動流体へ熱を伝導するように、シリンダ内に波状ホイルを更に含む菱形駆動装置。
- 請求項3の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置は、ピストンがシリンダ内で往復運動を受けることにより、作動流体の体積を変化させるスターリングサイクル機に組み込まれており、このスターリングサイクル機は、
a.ピストンとシリンダとの間の境界の近傍で局所的にイオン化された作動流体を供給するイオン化装置と、
b.前記ピストンを通過する作動流体の流出を防止するようにピストンを取り囲む磁場とを含む菱形駆動装置。 - 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、加熱区画と冷却区画とを備え、作動流体が加熱および冷却サイクルを受ける形式であり、且つ
a.作動流体をイオン化するイオン化装置と、
b.前記スターリングサイクル機の加熱区画と冷却区画との間で作動流体を移動させる電磁ディスプレイサーとを備える菱形駆動装置。 - 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機関に組み込まれ、このスターリングサイクル機関は、空気と燃料とが燃焼器へ送られて、空気および燃料の燃焼がヒーターヘッドを加熱して高温排気ガスを生成する形式であり、且つ高温排気ガスから電力を引き出す熱伝変換器を備えることを特徴とする菱形駆動装置。
- 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機関に組み込まれ、このスターリングサイクル機関は、空気と燃料とが燃焼器へ送られて、空気および燃料の燃焼がヒーターヘッドを加熱して高温排気ガスを生成する形式であり、且つ高温排気ガスにより駆動されて前記燃焼器へ空気を強制送風するターボコンプレッサを備えることを特徴とする菱形駆動装置。
- 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機関に組み込まれ、このスターリングサイクル機関は、空気と 燃料とが燃焼器へ送られて、空気および燃料の燃焼がヒーターヘッドを加熱して高温排気ガスを生成する形式であり、且つ高温排気ガスにより 動力を与えられて前記スターリング機関を冷却する吸収冷凍機を備えることを特徴とする菱形駆動装置。
- 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機関に組み込まれ、このスターリングサイクル機関は、空気と加圧気体燃料とが燃焼器へ送られて、空気および加圧気体燃料の燃焼がヒーターヘッドを加熱する形式であり、且つ加圧気体燃料により駆動されて前記燃焼器へ送る空気を同伴させる空気増幅器を備えることを特徴とする菱形駆動装置。
- 請求項19記載の菱形駆動装置において、前記空気増幅器が、更に排気ガスを前記燃焼器へ入れる菱形駆動装置。
- 請求項2の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、
a.シリンダ内で往復直線運動を受け、第1の径を有すると共に、前記シリンダ内の体積を掃引するパワーピストンと、
b.このパワーピストンの往復直線運動と共軸の往復直線運動を受け、前記パワーピストンにより掃引される前記体積と少なくとも部分的に共通の体積を掃引すると共に、第1の径よりも大径の第2の径を有するディスプレイサーピストンと、
c.前記パワーピストンおよびディスプレイサーピストンにより掃引される前記体積内に包含されて、加熱、膨張、冷却、および圧縮の連続的サイクルを受ける作動流体とを備える菱形駆動装置。 - 請求項2の菱形駆動装置が、第1のガス圧を有する領域を第2のガス圧を有する領域を分離する一連の渦を有するスターリングサイクル機に組み込まれており、このスターリングサイクル機において第1のガス圧が第2のガス圧を越えるベローズを制作する方法であって、
a.第2のガス圧を有する前記領域へ延出する第1の複数の継手において区画を交互に機械的に接続する段階と、
b.第1のガス圧を有する前記領域へ延出する第2の複数の継手において区画を交互に機械的に封止する段階とを含む方法。
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