JP5894663B2 - ガス圧を均衡させた極低温膨張エンジン - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷却を提供する、ブレイトンサイクルで運転する膨張エンジンに関する。

ブレイトンサイクルで運転する冷却システムは、ガスを排気圧力で逆流熱交換器に供給するコンプレッサを備え、吸気バルブを通して膨張室へとガスを送り、ガスを断熱膨張させ、排気バルブから膨張ガス（より低温である）を排出し、この低温ガスを冷却すべき負荷に通して循環させ、その後、このガスを逆流熱交換器に通してコンプレッサに戻すように構成される。

この分野における先駆者であるＳ．Ｃ．Ｃｏｌｌｉｎｓによる米国特許第２，６０７，３２２号には、ヘリウムを液化するために幅広く用いられた、初期の膨張エンジンの構造が記載されている。フライホイールおよびジェネレータ／モータに連結されたクランク機構により、膨張ピストンは往復運動する。吸気バルブは、ピストンがストロークの最下端に達する（最小低温時容積）と開き、高圧ガスがピストンを持ち上げる。これにより、フライホイールのスピードは加速し、ジェネレータを駆動する。ピストンが最上端に達する前に、吸気バルブは閉じ、膨張室内のガス圧および温度が低下する。ストロークが最上端に達すると、排気バルブが開いて、フライホイールが減速し、フライホイールにより駆動されるピストンが下方へと押され、ガスが流出する。フライホイールのサイズに応じて、ジェネレータ／モータを駆動し続けて、出力させることもできるし、自身がモータとして作動して、動力を引き出すことも可能である。

Ｓ．Ｃ．Ｃｏｌｌｉｎｓによる米国特許第３，４３８，２２０号に示されるように、吸気および排気バルブは、典型的に、フライホイールと連結したカムにより駆動される。この特許は、米国特許第２，６０７，３２２号とは異なって、ピストンをフライホイールに連結し、ピストン高温側のシールに横力を与えない機構を開示している。

また、Ｊ．Ｇ．Ｐｉｅｒｃｅによる米国特許第５，３５５，６７９号は、吸気および排気バルブの代替的構造を開示するが、カムにより駆動され、室温におけるシールを有するという点で、米国特許第３，４３８，２２０号のバルブと同様である。

Ｈ．Ｈａｔｔｏｒｉらによる米国特許第５，０９２，１３１号は、スコッチヨーク機構、および、往復ピストンで作動する低温側の吸気および排気バルブについて記述する。これらのエンジンは、すべて、ピストンの高温側で作用する大気を有し、主としてヘリウム、水素、空気を液化するために設計されている。戻りガスは、ほぼ大気圧であり、供給ガスはおよそ１０〜１５気圧である。コンプレッサの入力電力は、典型的に、１５〜５０ｋＷの範囲である。

低出力の冷凍機は、典型的に、ギフォードマクマホンサイクル（ＧＭサイクル）、パルス管冷凍サイクル、またはスターリングサイクルで運転される。高出力の冷凍機は、典型的に、ターボ膨張器を使用し、ブレイトンサイクルまたはクロウドサイクルで運転される。ＧＭサイクルは、Ｗ．Ｅ．ＧｉｆｆｏｒｄおよびＨ．Ｏ．ＭｃＭａｈｏｎが、米国特許第３，０４５，４３６号において開示したサイクルである。低出力の冷凍機は、充填層を通してガスが往復するようになっている、再生式熱交換を使用するため、ガスが膨張器の低温側を離れることはない。このことは、遠隔の負荷へと低温ガスを配給可能なブレイトンサイクルとは対照的である。

米国特許第３，４３８，２２０号のエンジンのジェネレータ／モータにより回収されるエネルギー量は、そのコンプレッサの電源入力に比して小さいため、多くの用途において、機械的な単純性が効率よりも重視される。Ｊ．Ｆ．Ｍａｇｕｉｒｅらによる米国特許第６，２０２，４２１号は、油圧でピストンを駆動するメカニズムを用いることにより、フライホイールとジェネレータ／モータを省略したエンジンを開示する。吸気バルブは、ソレノイドによって作動し、排気バルブは、ソレノイドと圧縮空気の組み合わせによって作動する。エンジンを油圧駆動とする理由は、エンジンを冷却する超電導マグネットと着脱可能に連結可能な、小さくて軽いエンジンを提供するためである。この着脱可能な連結の使用については、本発明の範囲に含められる。

Ｊ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈによる米国特許第６，２０５，７９１号は、ピストン周辺の作動ガス（ヘリウム）で動く浮遊ピストンを有する膨張エンジンを開示する。ピストンの上（高温側）のガス圧は、２つのバッファ容積部に連結された各バルブによって制御される。これら２つのバッファ容積部の一方は、高圧と低圧との差圧のおよそ７５％の圧力であり、もう一方は、前記差圧のおよそ２５％の圧力である。電気的に作動する吸気バルブ、排気バルブ、およびバッファバルブの開閉は、ピストンの上部および下部の僅かな圧力差によってピストンが上下するようタイミングされており、このため、ピストンとシリンダとの僅かな間隙を流れるガスは、ほとんどない。ピストン内のピストンセンサが、前記４つのバルブ開閉タイミングを制御するための信号を提供する。

固体ピストンを気体ピストンに置き換えたパルス管冷却については、Ｚｈｕ Ｓｈａｏｗｅｉによる米国特許第５，４８１，８７８号に、同じ「２つのバッファ容積部の制御」についての記載がある。米国特許第５，４８１，８７８号の図３には、前記４つの制御バルブの開閉タイミングが示され、米国特許第６，２０５，７９１号の図３には、ピストンの位置と制御バルブの開閉の関係をうまくタイミングすることにより達成される、好ましい圧力−容積グラフが示されている。この圧力−容積グラフの面積は、生み出される仕事量に相当し、最良の効率は、図３のグラフに示されているポイント１とポイント３の間の膨張室に引き込まれるガスを、圧力−体積の仕事（冷却量に相当する）に対して最小限にすることにより達成される。

ピストンの位置に応じて吸気および排気バルブを開閉するタイミングは、良好な効率を達成するために重要である。ヘリウムを液化するために構築されたほとんどのエンジンには、米国特許第３，４３８，２２０号と同様のカムで駆動されるバルブが用いられている。米国特許第６，２０５，７９１号および米国特許第６，２０２，４２１号は、電気的に作動するバルブを示している。その他のメカニズムには、Ｈ．Ａｓａｍｉらによる米国特許第５，３６１，５８８号に示されるような、スコッチヨーク機構のドライブシャフト端部に設けられたロータリバルブや、Ｓａｒｃｉａの米国特許第４，３７２，１２８号に示されるような、ピストンのドライブシャフトによって作動するシャトルバルブなどがある。

本発明におけるマルチポートのロータリバルブと同様の例が、Ｍ．Ｘｕらの米国特許出願公開第２００７／０１１９１８８号にも見られる。Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第６，２５６，９９７号には、空気圧作動のピストンに取り付けられ、ピストンがストロークの両端に衝突することで起こる振動を軽減する、Ｏリングの使用が記載されている。このようなＯリングの使用は、本発明にも適用することが可能である。

２０１０年３月１５日に提出された、Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる米国特許出願第６１／３１３，８６８号は、ブレイトンサイクルで運転する往復運動式膨張エンジンを開示するが、この往復運動式膨張エンジンでは、そのピストンは、機械的ドライブ機構または高圧と低圧の間で変化するガス圧により駆動されるドライブステムを高温側に備え、ピストンの作動中、このドライブステム周辺のピストン高温側の圧力は、ピストン低温側の圧力と本質的に同圧である。このコンセプトを空気圧で作動するよう設計して実験したところ、ステムにかかる圧力を、ピストンを往復運動させるために高圧と低圧との間で変化させる必要はなく、むしろ、ステムにかかる圧力を低圧に維持できることが示された。これにより、低温側の高圧および低圧バルブのみを作動させればよくなることから、エンジンの構造が簡素化される。

２０１０年１０月８日に提出された、Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる米国特許出願第６１／３９１，２０７号は、米国特許出願第６１／３１３，８６８号に記載されたブレイトンサイクルで運転する往復運動式膨張エンジンに関して、所定量を極低温へと冷却する時間を最小限にするためのその制御について開示している。

米国特許第２，６０７，３２２号 米国特許第３，０４５，４３６号 米国特許第３，４３８，２２０号 米国特許第４，３７２，１２８号 米国特許第５，０９２，１３１号 米国特許第５，３５５，６７９号 米国特許第５，３６１，５８８号 米国特許第５，４８１，８７８号 米国特許第６，２０２，４２１号 米国特許第６，２０５，７９１号 米国特許第６，２５６，９９７号 米国特許出願公開第２００７／０１１９１８８号 米国特許出願第６１／３１３，８６８号 米国特許出願第６１／３９１，２０７号

本発明は、従来構造の特徴を新しい考え方により組み合わせ、その高効率を実現するものであり、その作動中において、高温側（ドライブステム周辺）と低温側との圧力差が少ない、ドライブステムを備えたピストンを有する米国特許出願第６１／３１３，８６８号に開示された基本的な設計思想の簡略化を可能とする。

ドライブステムは、コンプレッサに通じる低圧ラインに接続され、高温側の変位容積部は、チェックバルブおよび固定あるいは調整可能なバルブをそれぞれ有する２つのラインを通って、前記コンプレッサからの高圧ラインに接続され、ピストンは、低温側の吸気バルブが開くと低温側から高温側に移動し、低温側の排気バルブが開くと低温側へと移動する。前記コンプレッサからの高圧ラインと前記高温側の変位容積部との間にある前記２つのラインに設けられる前記調整可能なバルブは、広範な速度（および温度）においてサイクルを最適化することができる。前記コンプレッサからの高圧ラインと前記高温側の変位容積部との間には、前記ピストンが低温側にある場合に開くアクティブバルブあるいはパッシブバルブを有する第３のラインを追加して設けることができる。

図１は、ドライブステムを高温側に備えた、シリンダ内にあるピストンを有するエンジン１００の断面を示すとともに、バルブ、熱交換器、高温側の変位容積部とコンプレッサの低圧ラインとを接続する、アクティブバルブを備えたラインの配置を概略的に示す。 図２は、ドライブステムを高温側に備えた、シリンダ内にあるピストンを有するエンジン２００の断面を示すとともに、バルブ、熱交換器、高温側の変位容積部とコンプレッサの低圧ラインとを接続する、パッシブバルブを備えたラインの配置を概略的に示す。 図３は、図１および図２に示すエンジンにおける圧力−容積を示すグラフである。 図４は、図１および図２に示すエンジンにおけるバルブ開閉のシーケンスを示すグラフである。

図１および図２に本発明の２つの実施態様を示す。これらの図において、同等の部分については、同じ図式で示し、同じ参照番号を付している。膨張エンジンは、熱交換器内における対流損失を最小限にするために、通常、低温側を下にして配置されることから、低温から高温側へと向かうピストンの動きについて、「上昇」と記述する場合がある。

図１は、エンジンアセンブリ１００について断面ないしは概略で示す図である。ピストン１は、シリンダ６内を往復する。シリンダ６は、低温側キャップ９と、高温側取付フランジ７と、高温側シリンダヘッド８とを備える。ピストン１には、ドライブステム２が取り付けられており、ドライブステム２はドライブステム用シリンダ６９内を往復する。低温側の変位容積部（ＤＶｃ）３は、ピストン１およびシール５０によって、高温側の変位容積部（ＤＶｗ）４から分離される。ドライブステム２の上の変位容積部（ＤＶｓ）５は、シール５１によって、高温側の変位容積部４から分離される。ライン３２は、変位容積部５を、低圧の戻りライン３１内の低圧（Ｐｌ）に接続する。ライン３８は、ライン３０内の高圧（Ｐｈ）を、調整可能なバルブ（加減弁；Ｖｗｉ）１５およびチェックバルブ（逆止弁；ＣＶｉ）１３を通じて、変位容積部４に接続する。ライン３７は、変位容積部４を、チェックバルブ（ＣＶｏ）１２および調整可能なバルブ（Ｖｗｏ）１４を通じて、ライン３０内の高圧（Ｐｈ）に接続する。高圧側の熱変換器４２が、ライン３７上に設けられている。エンジン１００は、開いている場合に、ライン３９を通じてライン３０内の高圧（Ｐｈ）から高温側の変位容積部４へとガスが流れるようにするアクティブバルブ（Ｖａ）１６を備える点で、エンジン２００と異なっている。

低温側の変位容積部（ＤＶｃ）３の容積が最小の状態で、吸気バルブ（Ｖｉ）１０が開き、変位容積部３が高圧（Ｐｈ）となって、変位容積部（ＤＶｗ）４の平衡圧力に対抗して、ピストン１を押し上げる。その後、吸気バルブ１０が閉じて、排気バルブ（Ｖｏ）１１が開くことにより、低圧（Ｐｌ）側にガスが流出して、変位容積部３内のガスが膨張しながら冷却する。このようにして、冷却が達成される。ピストン１が低温側端部９へと押し戻されるにつれ、低圧（Ｐｌ）のガスは変位容積部３から排出される。冷却されたガスは、排気バルブ（Ｖｏ）１１から流出して、ライン３５を通って熱交換器４１に至る。熱交換器４１で、冷却される負荷により熱せられ、その後、ライン３６を通って逆流熱交換器４０に至る。逆流熱交換器４０で、ライン３４を通って吸気バルブ（Ｖｉ）１０へと向かう高圧流入ガスを冷却する。

吸気バルブ（Ｖｉ）１０が開く前においては、ピストン１が低温側で静止する間に、アクティブバルブ（Ｖａ）１６が開くことにより、高温側の変位容積部４は高圧（Ｐｈ）となっている。吸気バルブ１０が開くことにより、低温側の変位容積部３および高温側の変位容積部４はいずれもほぼ高圧となるが、変位容積部５は低圧である。このため、力の不均衡を生じ、ピストン１を高温側へと移動させることになる。ライン３０内の圧力よりやや高圧のガスは、チェッバルブ（ＣＶｏ）１２および調整可能なバルブ（Ｖｗｏ）１４を通じて流出する。ピストン１が高温側へと移動する際のスピードは、調整可能なバルブ１４の設定によって決定される。高温側の変位容積部４が最小容積となると、吸気バルブ１０は閉じ、排気バルブ１１が開く。ライン３０からの高圧（Ｐｈ）なガスが、調整可能なバルブ（Ｖｗｉ）１５およびチェックバルブ（ＣＶｉ）１３を介して、ライン３８を高温側の変位容積部（ＤＶｗ）４まで流れて、ピストン１を低温側へと移動させる。ピストン１が低温側へと移動する際のスピードは、調整可能なバルブ１５の設定によって決定される。アクティブバルブ１６が開いて、高温側の変位容積部４を加圧する過程では、ガスが高温となるが、低温側ではこれと逆の変化が生じる。

この熱は、ガスがライン３７から押し出される際に、熱交換器４２において取り除かれる。

ドライブステム２においてガスが低圧（Ｐｌ）となり、かつ、低温側の変位容積部（ＤＶｃ）３と高温側の変位容積部（ＤＶｗ）４においてガスが高圧（Ｐｈ）となることにより生じる力の不均衡は、高圧側において、ガスがライン３７、熱変換器４０および吸気バルブ（Ｖｉ）１０を流れる際に、ガスの圧力が下がらないようにするために必要である。また、力の不均衡は、シール５０、５１における摩擦にも打ち勝つ。実際の装置においては、ドライブステム２の面積は、通常、ピストン１の冷温側面積の５％〜１５％の範囲にあり、エンジンの作動速度により決定される。

図２は、エンジンアセンブリ２００について断面ないしは概略で示す図である。アクティブバルブ（Ｖａ）１６をパッシブバルブ（Ｖｐ）１７に置き換えたこと以外は、エンジンアセンブリ１００と同様である。パッシブバルブ１７は、ドライブステム２に組み込むことが最も好ましく、これにより、ピストン１が冷温側に近づいた際に、高温のガスが高温側の変化容積部（ＤＶｗ）４に入ってくる。図２に示した実施形態では、パッシブバルブ１７は、ドライブステム２周辺のシリンダヘッド８内の環状溝１８、ドライブステム２上に摺接嵌合されたシールカラー１９、リテーナリング２１により外側の所定位置に保持されたＯリングシール２０、および、ドライブステム２においてポート２３により接続されたクロスポート２２および２４を備える。高圧（Ｐｈ）のガスは、ライン３０からライン３３を通って環状溝１８へと流れる。ピストン１が低温側に近接しているときには、高圧のガスは、パッシブバルブ１７を通じて高温側の変化容積部４に入る。高圧のガスが高温側の変化容積部４に入ると、ピストン１が、排気バルブ１１が開いたままである低温側へと移動する。

Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈによる米国特許出願第６１／３１３，８６８号には、吸気バルブ（Ｖｉ）１０および排気バルブ（Ｖｏ）１１の好ましい構成として、マルチポートのロータリバルブからのガスサイクルにより、室温において空気圧作動する構成が開示されている。

エンジンが負荷を冷却するために使用され、コンプレッサから得られる仕事を一定に保つことが所望される場合、室温において、エンジン速度を最大限にして運転を再開し、冷却が進むにつれ、その速度を落とすことが必要である。これは、マルチポートのロータリバルブの速度を落とし、調整可能なバルブ（Ｖｗｏ）１４およびバルブ（Ｖｗｉ）１５を調整することにより、ピストン１がフルストロークで動くようにしつつも、高温側にあまり長く留まらないようにしながら、高温側の変化容積部（ＤＶｗ）４が高圧になるとすぐにピストン１が低温側から高温側へと移動することにより実現される。代替的に、バルブ（Ｖｗｏ）１４およびバルブ（Ｖｗｉ）１５を最低温度での運転用の位置に固定して、一定の速度で運転することも可能である。速度を一定とする場合、冷却時に、コンプレッサがガスの一部をバイパスさせる。

図３は、圧力−容積を示すグラフであり、図４は、図１および図２に示すエンジンについて適用可能な、バルブ開閉のシーケンスを示している。圧力−容積グラフに示した状態を示すポイントの数字は、図４のバルブ開閉のシーケンスに対応する。バルブ開閉のタイミングは示さず、シーケンスのみを示す。ポイント１は、ピストン１が最下端にあり、変位容積部（ＤＶｃ）３の容積が最小で、変位容積部（ＤＶｗ）４が高圧、変位容積部（ＤＶｓ）５が低圧である状態を示す。吸気バルブ（Ｖｉ）１０が開き、高圧のガスを変位容積部３に入れる。変位容積部４のガスがライン３７を通じて排出されると同時に、変位容積部３は増大する。ポイント２において、吸気バルブ（Ｖｉ）１０は閉じ、ポイント３において、排気バルブ１１（Ｖｏ）が開くため、変位容積部３内の圧力は低下する。変位容積部３が低圧になるにつれ、ピストン１の上方の隙間にある高圧ガスは膨張するため、ピストン１は低温側へと移動し、わずかな時間でポイント４に達する。ガスは、ライン３８を通って変位容積部４へと流入するが、調整可能なバルブ（Ｖｗｉ）１５を通過するので、ガスの圧力は、変位容積部３の容積が最小（ポイント５）になるまで、高圧から低圧へと低下する。ポイント５において、アクティブバルブ（Ｖａ）１６またはパッシブバルブ（Ｖｐ）１７が開き、ガスを変位容積部４に流入させる。ポイント６において、排気バルブ（Ｖｏ）１１は閉じる。

表１は、吸気バルブ（Ｖｉ）１０での圧力が２．２ＭＰａ、排気バルブ（Ｖｏ）１１での圧力が０．８ＭＰａである場合に算出した冷却能力の例である。ヘリウムの流量は６．０ｇ／秒であるが、これには、吸気バルブ１０および排気バルブ１１用のバルブアクチュエータへの流れ、および、空隙容量を許容するための流れも含まれる。熱交換器の効率は、９８％と見積もられる。

エンジンは変速駆動であり、ピストンの速度を制御するメカニズムを備える。また、エンジンは、フルストロークで作動し、ストロークの高温側には少しの時間しか留まらず、ストロークの最下端には十分な時間留まって変化容積部（ＤＶｗ）４を完全に加圧するようなタイミングにバルブが作動するように設定されている。エンジンは、多量のガスを室温から約３０Ｋまで冷却することが可能であり、暖かい場合には、６Ｈｚの最大速度で運転する。最適速度は、絶対温度にほぼ比例する。

エンジンは、冷却のほぼ全般にわたって、想定される圧力と流量で作動するよう設計されている。吸気バルブ（Ｖｉ）１０の温度（Ｔ）が２００Ｋおよび６０Ｋの場合についてそれぞれ、冷凍冷却能力Ｑおよび運転速度Ｎを表に示した。エンジン速度を一定にし、狭い温度範囲、たとえば、水蒸気を捕捉するためのクライオポンプを冷却する温度である１２０Ｋで、運転するように設計することも可能である。エンジンが冷え、その速度を落とすにつれ、高温側で使用されるガスの量がより少なくなるため、カルノーサイクルと比較すると、エンジン効率は増加する。およそ８０Ｋにおいて、効率は最大となり、その後は、熱交換ロスの方が優位になるため低下する。

その他の実施形態も、本発明の範囲に入る。たとえば、調整可能なバルブ（Ｖｗｏ）１４が異なる特徴を持つよう設計されており、高温側の変位容積部（ＤＶｗ）４からガスを流出させるのではなく、流入させるように設計可能であれば、調整可能なバルブ（Ｖｗｉ）１５、チェックバルブ（Ｃｖｉ）１３およびチェックバルブ（ＣＶｏ）１２は設けなくてもよい。アクティブバルブ（Ｖａ）１６あるいはパッシブバルブ（Ｖｐ）１７が開いた際に、調整可能なバルブ（Ｖｗｏ）１４およびチェックバルブ（ＣＶｏ）１２が短時間開くことが可能であれば、アクティブバルブ（Ｖａ）およびパッシブバルブ（Ｖｐ）も設けなくてもよい。サイクルタイミングが理想的でなかったとしても、本サイクルは十分な極低温冷却を提供することができる。

１ ピストン
２ ドライブステム
３ 変位容積部（ＤＶｃ）
４ 変位容積部（ＤＶｗ）
５ 変位容積部（ＤＶｓ）
６ シリンダ
７ 取付フランジ
８ シリンダヘッド
９ 低温側キャップ
１０ 吸気バルブ（Ｖｉ）
１１ 排気バルブ（Ｖｏ）
１２ チェッバルブ（ＣＶｏ）
１３ チェックバルブ（ＣＶｉ）
１４ 調整可能なバルブ（Ｖｗｏ）
１５ 調整可能なバルブ（Ｖｗｉ）
１６ アクティブバルブ（Ｖａ）
１７ パッシブバルブ（Ｖｐ）
１８ 環状溝
１９ シールカラー
２０ Ｏリングシール
２１ リテーナリング
２２ クロスポート
２３ ポート
２４ クロスポート
３０ ライン
３１ 低圧戻りライン
３２、３３、３４ ライン
３５ アクティブバルブ（Ｖａ）
３６、３７、３８、３９ ライン
４０、４１、４２ 熱変換器
５０、５１ シール
６９ シリンダ
１００、２００ エンジンアセンブリ

Claims (6)

1. コンプレッサから供給される高圧の第１のラインから供給され、かつ、低圧の第２のラインに戻されるガスで作動し、極低温までの冷却を可能とする膨張エンジンであって、
   シリンダ内に配置され、高温側において第２のラインからの低圧のガスが作用するドライブステムを備えるピストンと、
   前記ピストンの低温側に配置され、前記ピストンが、前記シリンダの低温側端部付近にある場合および高温側に向かって移動する場合に、高圧のガスが入るようにし、前記ピストンが、前記シリンダの高温側端部付近にある場合および低温側に向かって移動する場合に、前記ガスを排出して低圧にする、吸気バルブおよび排気バルブと、
   前記ピストンが高温側における圧力と前記ピストンの低温側における圧力を異ならせて、前記ピストンを移動させる手段と、
   前記ピストンが高温側に向かって移動する場合に、前記ドライブステムのある領域を除く前記ピストンの高温側の圧力と、前記ピストンの低温側における圧力とを、均等に保つための手段と、
   を備え、かつ、前記ドライブステムのある領域を除く前記ピストンの高温側は、１つ以上のバルブを通じて、前記高圧の第１のラインと流体連通している、
   膨張エンジン。
2. 前記ピストンを移動させる手段は、いずれも前記高温側端部と前記コンプレッサからの高圧ラインとを接続する、吸気チェックバルブとスロットルバルブとを直列に備えた第１のブランチライン、および、排気チェックバルブとスロットルバルブとを直列に備えた第２のブランチラインを含む、請求項１に記載の膨張エンジン。
3. 前記コンプレッサからの高圧ラインと前記ピストンの高温側との間にある、アクティブバルブまたはパッシブバルブによって、前記ピストンが前記低温側端部付近にある際に、前記ピストンの高温側端部の圧力は、低圧から高圧へと増加するように構成されている、請求項２に記載の膨張エンジン。
4. 前記パッシブバルブは、前記ドライブステムに含まれる、請求項３に記載の膨張エンジン。
5. 前記ピストンが前記高温側端部および低温側端部の間を移動する際の速度は、前記スロットルバルブの開度を変更することにより変更されうる、請求項２に記載の膨張エンジン。
6. 前記高温側端部の熱は、前記排気チェックバルブを備えるライン上の冷却装置によって取り除かれる、請求項２に記載の膨張エンジン。

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