JP5918173B2 - スターリングサイクルマシン - Google Patents

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Description

［関連する出願への相互参照］
本出願は、２００７年４月２３日に出願した仮特許出願番号６０／９２５，８１８号で発明の名称が「４気筒のスターリングエンジン」と、２００７年４月２３日に出願した仮特許出願番号６０／９２５，８１４号で発明の名称が「ロッキングビーム駆動装置」の優先権主張をすると共に、両出願が参照によって本出願に組込まれる。
本発明は、機械に関し、特にスターリングサイクルマシンとその部品に関する。
内燃機関、外燃機関、コンプレッサおよび他の往復運動機器のような多くの機械が、往復ピストンの直線運動を回転運動に変換するピストンと駆動機構の配置を使用する。たいていの応用では、ピストンはシリンダに収容される。そのような機械で遭遇した一般的問題は、回転するクランク軸に対するピストンの連結によってピストンに及ぼされる横力と、シリンダ内のピストンのずれに起因する滑動するピストンによって生成される摩擦の問題である。これらの増加した側面荷重はエンジン騒音を増加させて、ピストン摩耗を増加させ、エンジンの効率と寿命を減少させる。さらに、側面荷重のために、駆動装置は側面荷重の摩擦力を克服する為により多くのパワーを必要とし、それにより機械の効率を低減する。
これらの側面荷重を低減しようとして、改良が駆動機構についてなされた。しかし、多くの改良により、より重くよりかさばった機械が得られた。
結果的に、ピストンに最小の側面荷重を備えた実用的な機械の需要が存在する。
本発明の一実施態様に従って、機械用のロッキングビーム駆動機構が開示される。駆動機構は、ロッカーピボット、少なくとも１本のシリンダおよび少なくとも１本のピストンがあるロッキングビームを備える。ピストンはそれぞれのシリンダ内に収容される。ピストンは、それぞれのシリンダ内でほぼ直線的な往復運動をすることができる。また、駆動機構は、近接端部と遠位端部がある少なくとも１個の継ぎ手アセンブリ（coupling assembly）を備える。近接端部はピストンに接続される。また、遠位端部は端ピボットによってロッキングビームに接続される。ピストンの直線運動はロッキングビームの回転運動に変換される。
本発明のこの態様のある実施形態は、下記の1つ以上を有する：ここで、ロッキングビームは連接棒（connecting rod）を経由してクランク軸に結合している。この実施形態では、ロッキングビームの回転運動はクランク軸に受け渡される。ここで、シリンダはさらに閉鎖端と開放端を有する。開放端は、シリンダに接続されたリニア軸受をさらに有する。リニア軸受は、継ぎ手アセンブリを収容するために開口部を有する。また、ここで、継ぎ手アセンブリはさらにピストン棒とリンクロッドを有する。ピストン棒とリンクロッドは、結合手段によってともに結合している。結合手段がリニア軸受の下に位置する。また、ここで、シールがピストン棒に封ができるように接続される場合、駆動機構はまたシールを有する。また、ここで、シールは転動形ダイアフラム（rolling diaphragm）である。また、ある実施形態では、結合手段がたわみ継手である。ある実施形態では、結合手段がローラ軸受である。ある実施形態では、結合手段がヒンジである。ある実施形態では、結合手段が屈曲部（flexure）である。ある実施形態では、結合手段がジャーナル軸受継手である。
本発明の別の実施態様に従って、スターリングサイクルマシンが開示される。当該マシンは少なくとも１個のロッキング駆動機構を備え、ここでロッキング駆動機構が次のものを有する：ロッカーピボット、少なくとも１本のシリンダ、および少なくとも１本のピストンを有するロッキングビーム。ピストンはそれぞれのシリンダ内に収容される。ピストンは、それぞれのシリンダ内でほぼ直線的に往復運動することができる。また、駆動機構は、近接端部と遠位端部がある少なくとも1個の継ぎ手アセンブリを有する。近接端部はピストンに接続される。また、遠位端部は端ピボットによってロッキングビームに接続される。ピストンの直線運動はロッキングビームの回転運動に変換される。また、ロッキングビームを収容し、継ぎ手アセンブリの第1の部分を収容するクランク室を有する。連接棒経由のロッキングビームに結合したクランク軸も有する。ロッキングビームの回転運動はクランク軸に受け渡される。当該マシンは、また少なくとも１本のシリンダ、少なくとも１本のピストンおよび継ぎ手アセンブリの第２の部分を収容する作業領域を有する。シールはクランク室から作業領域を密閉するために設けられている。
本発明のこの態様のいくつかの実施形態は、下記の1つ以上を有する：ここで、シールは転動形ダイアフラムである。また、シリンダはさらに閉鎖端と開放端を有する。開放端は、シリンダに接続されたリニア軸受をさらに有する。リニア軸受は、継ぎ手アセンブリを収容するために開口部を有する。また、ここで、継ぎ手アセンブリはさらにピストン棒とリンクロッドを有する。ピストン棒とリンクロッドは、結合手段によってともに結合している。結合手段はリニア軸受の下に位置する。また、当該マシンは、またクランク室に潤滑流体ポンプを有する。いくつかの実施形態では、潤滑流体ポンプは、ポンプ駆動アセンブリによって駆動される機械的な潤滑流体ポンプである。これは、クランク軸に接続されており、クランク軸によって駆動されるポンプ駆動アセンブリである。いくつかの実施形態では、潤滑流体ポンプは電気潤滑流体ポンプである。当該マシンは、またクランク軸に接続されたモータを有する。当該マシンは、またクランク軸に接続された発電機を有する。
本発明の別の実施態様に従って、スターリングサイクルマシンが開示される。当該マシンは少なくとも2個のロッキング駆動機構を備える。ロッキング駆動機構の各々は、ロッカーピボット、2本のシリンダおよび2本のピストンがあるロッキングビームを備える。ピストンがそれぞれのシリンダ内に各々収容される。ピストンは、それぞれのシリンダ内でほぼ直線的に往復運動することができる。また、駆動機構は、近接端部と遠位端部を有する２個の継ぎ手アセンブリを備えており、近接端部がピストンに接続されており、遠位端部が端ピボットによってロッキングビームに接続されている。ピストンの直線運動はロッキングビームの回転運動に変換される。当該マシンは、またロッキングビームを収容し、継ぎ手アセンブリの第1の部分を収容するクランク室を有する。クランク軸は、また連接棒経由でロッキングビームに結合される。ロッキングビームの回転運動はクランク軸に受け渡される。当該マシンは、またクランク軸とロッキングビームと継ぎ手アセンブリの第1部分を滑らかにする潤滑流体を汲むためにクランク室内に潤滑流体ポンプを有する。また作業領域はシリンダ、ピストンおよび継ぎ手アセンブリの第２の部分を収容する。クランク室から作業領域を密閉するための転動形ダイアフラムも有する。
本発明のこの態様のいくつかの実施形態は、下記の1つ以上を有する：ここで、シリンダはさらに閉鎖端と開放端を有する。開放端は、シリンダに接続されたリニア軸受をさらに有する。リニア軸受は、継ぎ手アセンブリを収容するために開口部を有する。また、ここで、継ぎ手アセンブリはさらにピストン棒とリンクロッドを有する。ピストン棒とリンクロッドは、結合手段によってともに結合している。結合手段はリニア軸受の下に位置してもよい。また、ここで、結合手段はたわみ継手である。ある実施形態では、結合手段がローラ軸受として開示されている。
発明のこれらの態様は、排他的なものを意図していない。また、添付された請求項および添付の図面と共に読まれた時、本発明の他の特徴、態様および利点は当該技術における通常の熟練を有する者にとって、容易に明らかとなる。
本発明のこれらと他の特徴と利点は、以下の詳述な記述を図面と共に読むことにより一層よく了解される。
図１Ａ〜図１Ｅは先行技術であるスターリングサイクルマシンの動作原理を描く説明図である。 図２は一実施形態によるロッキングビーム駆動の構成図である。 図３は一実施形態によるロッキングビーム駆動の構成図である。 図４は一実施形態によるエンジンの構成図である。 図５Ａは一実施形態によるロッキングビーム駆動の構成図である。 図５Ｂは一実施形態によるロッキングビーム駆動の構成図である。 図５Ｃは他の実施形態によるロッキングビーム駆動の構成図である。 図５Ｄは他の実施形態によるロッキングビーム駆動の構成図である。 図６は一実施形態による軸受型ロッドコネクターの斜視図である。 図７Ａ〜図７Ｂは一実施形態による屈曲部の構成図である。 図８は一実施形態による４気筒の二重ロッキングビーム駆動配置を示す。 図９は一実施形態によるクランク軸の断面図を示す。 図１０Ａは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図１０Ｂは一実施形態による継ぎ手クランク軸の構成図である。 図１０Ｃは一実施形態によるスリーブローターの構成図である。 図１０Ｄは一実施形態によるクランク軸の構成図である。 図１０Ｅは一実施形態によるスリーブローターとスプライン軸の断面図である。 図１０Ｆは一実施形態によるクランク軸とスプライン軸の断面図である。 図１０Ｇは一実施形態によるスリーブローター、クランク軸およびスプライン軸の様々な図である。 図１１は一実施形態によるエンジンのピストンの動作の説明図である。 図１２Ａは一実施形態による作業領域とシリンダの覆いが解かれた概要図である。 図１２Ｂは一実施形態によるシリンダ、ヒータヘッドおよび再生器の構成図である。 図１２Ｃは一実施形態によるシリンダヘッド上部の概略図である。 図１３Ａは、トップシールピストンと底シールピストンの支持と並んで、一実施形態による転動形ダイアフラムの構成図を示す。 図１３Ｂは一実施形態によるロッキングビームで駆動されるエンジンの分解組立図である。 図１３Ｃは一実施形態によるシリンダ、ヒータヘッド、再生器および転動形ダイアフラムの構成図である。 図１３Ｄは一実施形態による動作中の転動形ダイアフラムの様々な構成図である。 図１３Ｅは一実施形態による動作中の転動形ダイアフラムの様々な構成図である。 図１３Ｆは一実施形態による作業領域とシリンダの覆いが解かれた概要図である。 図１３Ｇは一実施形態による外燃機関の構成図である。 図１４Ａ〜図１４Ｅは転動形ダイアフラムの様々な実施形態の構成図である。 図１５Ａは一実施形態による金属ベローズとこれに伴うピストン棒とピストンの構成図である。 図１５Ｂ〜図１５Ｄは一実施形態による金属ベローズダイアフラムの構成図である。 図１５Ｅ〜図１５Ｇは様々な実施形態による金属ベローズの構成図である。 図１５Ｈは一実施形態による様々な負荷領域を確認する転動形ダイアフラムの概要図である。 図１５Ｉは一実施形態による回旋（convolution）領域を確認する転動形ダイアフラムの概要図である。 図１６は一実施形態によるピストンとピストンシールの構成図である。 図１７は一実施形態によるピストン棒とピストン棒シールの構成図である。 図１８Ａは一実施形態によるピストンシール支持環の構成図である。 図１８Ｂは一実施形態による支持環の圧力線図である。 図１８Ｃと図１８Ｄは一実施形態によるピストンシールの構成図である。 図１８Ｅと図１８Ｆは一実施形態によるピストン棒シールの構成図である。 図１９Ａは一実施形態によるピストンシール支持環の構成図である。 図１９Ｂは一実施形態によるピストンシール支持環の圧力線図である。 図２０Ａは一実施形態によるピストン棒シール支持環の構成図である。 図２０Ｂは一実施形態によるピストン棒シール支持環の圧力線図である。 図２１は一実施形態によるピストンガイドリングの構成図である。 図２２は一実施形態による作業領域とシリンダの覆いが解かれた状態の概要図である。 図２３Ａは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図２３Ｂは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図２４は一実施形態によるクランク軸の構成図である。 図２５Ａ〜図２５Ｃは様々な実施形態によるポンプ駆動機構の様々な構成図である。 図２６Ａは一実施形態によるオイルポンプの構成図である。 図２６Ｂは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図２６Ｃは図２６Ｂに描写されたエンジンの他の構成図である。 図２７Ａは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図２７Ｂは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図２７Ｃは一実施形態によるカップリング継手の構成図である。 図２７Ｄは一実施形態によるエンジンのクランク軸とスプライン軸の構成図である。 図２８は一実施形態によるエンジンのヒーター熱交換器（heater exchanger）とバーナの構成図である。 図２９は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図３０は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図３１は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図３２は一実施形態による熱交換器のヒーター管の構成図である。 図３３は一実施形態による熱交換器のヒーター管の構成図である。 図３４は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図３５は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図３６は一実施形態によるエンジンのヒータヘッドの構成図である。 図３７は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図３８は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図３９は一実施形態によるチューブ熱交換器の一部断面図である。 図４０は一実施形態によるチューブ熱交換器の一部構成図である。 図４１は一実施形態によるチューブ熱交換器の一部断面図である。 図４２は一実施形態によるエンジンのヒータヘッドの構成図である。 図４３Ａは一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図４３Ｂは一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図４４Ａは一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図４４Ｂは一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図４５Ａは一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図４５Ｂは一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図４６Ａ〜図４６Ｄは様々な実施形態によるチューブ熱交換器の様々な構成図である。 図４７は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図４８は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図４９は一実施形態によるエンジンのヒータヘッドの構成図である。 図５０は一実施形態によるチューブ熱交換器の構成図である。 図５１Ａは様々な実施形態によるエンジンの熱交換器の構成図である。 図５１Ｂは様々な実施形態によるエンジンの熱交換器の構成図である。 図５２Ａ〜図５２Ｃは一実施形態によるチューブ熱交換器の様々な構成図である。 図５２Ｄは一実施形態による熱交換器の構成図である。 図５３Ａは一実施形態による熱交換器の構成図である。 図５３Ｂは一実施形態による熱交換器の構成図である。 図５３Ｃは一実施形態によるエンジンの熱交換器の構成図である。 図５３Ｄは一実施形態によるエンジンの熱交換器の構成図である。 図５３Ｅは一実施形態によるエンジンの熱交換器の構成図である。 図５３Ｆは一実施形態によるエンジンの熱交換器の構成図である。 図５４Ａは一実施形態によるエンジンの熱交換器の構成図である。 図５４Ｂは一実施形態によるエンジンの熱交換器の構成図である。 図５５Ａ〜図５５Ｄは一実施形態による熱交換器の様々な構成図である。 図５６Ａ〜図５６Ｃは様々な実施形態による熱交換器の様々な構成図である。 図５７Ａと図５７Ｂは一実施形態による熱交換器の物理的性質を示す様々な図である。 図５８は一実施形態によるヒータヘッドの構成図である。 図５９は一実施形態によるヒータヘッドの構成図である。 図６０Ａと図６０Ｂは一実施形態によるヒータヘッドの構成図である。 図６１Ａと図６１Ｂは一実施形態によるヒータヘッドの構成図である。 図６２Ａと図６２Ｂは一実施形態によるヒータヘッドの構成図である。 図６２Ｃは一実施形態によるヒータヘッドの構成図である。 図６２Ｄは一実施形態によるヒータヘッドの構成図である。 図６２Ｅは一実施形態によるヒータヘッドの構成図である。 図６３Ａと図６３Ｂは一実施形態によるスターリングサイクルエンジンの再生器の構成図である。 図６４Ａは一実施形態によるスターリングサイクルエンジンの再生器の構成図である。 図６４Ｂ〜図６４Ｅは様々な実施形態によるスターリングサイクルエンジンの再生器の様々な構成図である。 図６５Ａは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図６５Ｂは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図６５Ｃは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図６５Ｄは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図６５Ｅは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図６５Ｆは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図６５Ｇは一実施形態によるエンジンの構成図である。 図６６Ａと図６６Ｂはある実施形態によるエンジン用の冷却器の構成図である。 図６７Ａは一実施形態によるエンジン用の冷却器の構成図である。 図６７Ｂは一実施形態によるエンジン用の冷却器の構成図である。 図６７Ｃは図６７Ａに示すエンジン用の冷却器の一実施形態による構成図である。 図６８は一実施形態によるエンジン用の吸込マニホルドの構成図である。 図６９Ａは一実施形態によるエンジン用の吸込マニホルドの様々な構成図である。 図６９Ｂは一実施形態によるエンジン用の吸込マニホルドの様々な構成図である。 図７０は本発明の他の実施形態によるエンジンのヒータヘッドの構成図である。 図７１Ａは一実施形態によるエンジンのバーナの構成図である。 図７１Ｂは一実施形態によるエンジンのバーナの構成図である。 図７２は、一実施形態によるスターリングサイクルエンジンに結合した気体燃料バーナであって、排出装置がベンチュリ管である場合を示す。 図７３Ａは図７２のバーナで、空気と燃料の流路を示している。 図７３Ｂはバーナの両端の圧力のグラフ表示である。 図７４は図７２のバーナとして示されるベンチュリ管の構成図である。 図７５と図７５Aは図７２のベンチュリ管の実施形態である。 図７５Ｂは多数の燃料制限とバルブを備えた複合の燃料系統の回路図を示す。 図７６は可変燃料特性用の自動燃料制御装置を備えたバーナの実施形態の回路図を示す。 図７７は温度センサとエンジン速度制御ループを備えたバーナの別の実施形態の回路図を示す。 図７８は温度センサと酸素センサ制御ループを備えたバーナのさらに別の実施形態の回路図を示す。 図７９は燃料が排出装置に直接供給される排出装置の他の実施形態を示す。 図８０は一実施形態によるエンジンの加圧燃焼室の制御用システムを示すブロックダイヤグラムである。 図８１は一実施形態によるピストンポンプを示す。 図８２は図８１のピストンポンプを駆動するのに適合した交流波形を示す。 図８３は一実施形態による図８１のピストンポンプを駆動するのに適合したパルス幅変調された直流波形を示す。 図８４は一実施形態によるダイアフラムポンプの概略図である。 図８５は一実施形態によるダイアフラムポンプ用に中心タップされたコイルの概略図である。 図８６Ａはある実施形態に従って、図８５の中心タップされたコイルを駆動するのに適合するパルス幅変調された直流波形を示す。 図８６Ｂはある実施形態に従って、図８５の中心タップされたコイルを駆動するのに適合するパルス幅変調された直流波形を示す。 図８７Ａは燃料ポンプと燃焼室の間にフィルタを有する実施形態を示す。 図８７Ｂは燃料ポンプと燃焼室の間にフィルタを有する実施形態を示す。 図８７Ｃは燃料ポンプと燃焼室の間にフィルタを有する実施形態を示す。 図８７Ｄは燃料ポンプと燃焼室の間にフィルタを有する実施形態を示す。 図８８は一実施形態によるエンジンの構成図である。 図８９Ａは様々な実施形態によるエンジン用のバーナの構成図を示す。 図８９Ｂは様々な実施形態によるエンジン用のバーナの構成図を示す。 図８９Ｃは様々な実施形態によるエンジン用のバーナの構成図を示す。 図９０は本発明のさらに別の実施形態による多重バーナを備えたエンジンの構成図を示す。 図９１Ｂは様々な実施形態によるエンジン用の多重バーナの構成図を示す。 図９１Ｂは様々な実施形態によるエンジン用の多重バーナの構成図を示す。 図９１Ｃは一実施形態によるチューブヒータヘッドの構成図である。 図９１Ｄは図９１Ｃに示すチューブヒータヘッドの断面図である。
エンジンと冷凍機を有するスターリングサイクルマシンには長い技術的な伝統がある。Ｗａｌｋｅｒ著「スターリングエンジン」“Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｓ，”Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９８０)には、詳細な記述があり、参照によってここに組込まれる。スターリングサイクルエンジンの基礎となる原理はスターリング熱力学サイクルを機械的に実現することである：シリンダ内のガスの等積加熱、ガスの等温膨張（ピストンの駆動により仕事が行なわれる）、等積冷却および等温圧縮。スターリングサイクルマシンとその改善の観点からの関連する追加の背後事情は、Ｈａｒｇｒｅａｖｅｓ著「フィリップス スターリングエンジン」 “Ｔｈｅ Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅ，” Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，（１９９１)で議論されており、参照によってここに組込まれる。
スターリングサイクルマシンの動作原理は、図１Ａから図１Ｅを参照して、容易に記述される。ここでは同一の数字は同じ又は類似の部分を示すために使用される。スターリングサイクルマシンの多くの機械的なレイアウトが当該技術分野で周知であり、数字１０で一般に示された個々のスターリングサイクルマシンは、単なる説明の目的のために示される。図１Ａから図１Ｄでは、ピストン１２とディスプレーサー１４は、シリンダ１６内で同期した往復運動をする。このシリンダ１６は、スターリングサイクルマシンのある実施形態では単気筒であるが、他の実施形態では単気筒より多い。シリンダ１６内に含まれる作動流体は、シールによってピストン１２とディスプレーサー１４のまわりで漏れることが抑制される。下の記述で議論されるように、作動流体はその熱力学的特性のために選ばれ、様々な環境の圧力において典型的にはヘリウムである。しかしながら、水素、アルゴン、ネオン、窒素、空気およびこれらの任意の混合気が使用されてもよいが、これに制限されるものではなく、任意の不活性ガスを含む任意のガスが含まれる。ディスプレーサー１４の位置は、作動流体が高温界面１８又は低温界面２０の何れに接触するかを支配する。これらの界面は、それぞれ、熱が作動流体に供給されるか、または熱が作動流体から奪われるかを決定する。熱の供給と抽出は、さらに詳細に下で議論される。ピストン１２の位置によって支配される作動流体の容積を、圧縮空間２２と称する。
スターリングサイクルの第1段階中では（その出発状態は図１Ａで表される)、ピストン１２は圧縮空間２２中の流体を圧縮する。熱が流体から周囲環境に抽出されるので、圧縮が本質的に一定温度で生じる。圧縮後のスターリングサイクルマシン１０の状態は図１Ｂで表される。サイクルの第２段階中に、ディスプレーサー１４が低温界面２０の方向に移動し、作動流体は低温界面２０の領域から高温界面１８の領域へ排出される。この過程は転送段階と呼ばれる。転送段階の終わりでは、作動流体が一定容積で加熱されたので、流体は高圧状態である。圧力の上昇は、図１Ｃでは、圧力計２４の読みによって象徴的に表される。
スターリングサイクルマシンの第３段階（膨張行程)では、熱がスターリングサイクルマシン１０の外部から引き込まれるので、圧縮空間２２の容積は増加して、その結果として、熱が仕事に変換される。実際上、より非常に詳しく下の記述で議論されるように、ヒータヘッド（図示せず)により流体に熱が供給される。図１Ｄに表されるように、膨張過程の終わりでは、圧縮空間２２は低温流体でいっぱいである。スターリングサイクルマシン１０の第４段階中では、反対の意味で、流体がディスプレーサー１４の運動によって高温界面１８の領域から低温界面２０の領域へ移される。この第２の転送段階の終わりに、図１Ａに表されるように、流体は圧縮空間２２と低温界面２０を満たし、圧縮過程の反復の準備ができる。スターリングサイクルは、図１Ｅで示されるようなＰ−Ｖ（圧力−容積)図で表される。
加えて、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、ある実施形態では、流体は再生器（図４に４０８として示される)を通過する。再生器は、流体が低温界面２０の領域から通過する場合に流体を熱し、流体が高温界面１８の領域から入る場合に流体から熱を吸収する役目をするような、容積に対して表面積の大きな比率を持っている材料のマトリックスである。
スターリングサイクルマシンは、それらの開発にあたりいくつかの手強い難問のために実用化において一般に使用されていない。これらは、効率と寿命のような実用的な考慮事項を含んでいる。その結果、スターリングサイクルマシンに関しては、効率と寿命を高めると共に、ピストンの側面荷重を最小にする必要がある。
スターリングサイクルマシン又はスターリングエンジンの動作原理は、米国特許第６３８１９５８号、２００２年５月７日発行、Ｋａｍｅｎ他で、さらに詳細に議論してあり、その全体は参照によってここに組み入れられる。
ロッキングビーム駆動
ここでは図２から図４を参照して、スターリングサイクルマシンの実施形態は、１個の実施形態によって、断面図で示される。エンジンの実施形態は、数字３００で一般に示される。スターリングサイクルマシンは図２から図４に示されるスターリングエンジン３００の実施形態に関して一般に記述されている。しかし、冷凍機とコンプレッサを含むが、これらに限定されない多くの型式の機械とエンジンは、ここに記述される外燃機関と内燃機関を含んでいるが、これらに限定されない様々な実施形態や改良から同様に利益を得ることが了解される。
図２は、シリンダ２０６、２０８内に直線的に往復するピストン２０２、２０４をそれぞれ収容する、スターリングエンジンのようなエンジン用のロッキングビーム駆動機構２００の実施形態の断面図を表す。ここで、術語「ロッキングビーム駆動」は術語「ロッキングビーム駆動機構」と同義的に使用される。シリンダはリニア軸受２２０を有する。ロッキングビーム駆動２００は、ピストン２０２、２０４の直線運動をクランク軸２１４の回転運動に変換する。ロッキングビーム駆動２００にはロッキングビーム２１６、ロッカーピボット２１８、第1の継ぎ手アセンブリ２１０および第２の継ぎ手アセンブリ２１２がある。ピストン２０２、２０４は、第1の継ぎ手アセンブリ２１０と第２の継ぎ手アセンブリ２１２によって、ロッキングビーム駆動２００にそれぞれ結合している。ロッキングビーム駆動は連接棒２２２によってクランク軸２１４に結合している。
いくつかの実施形態では、ロッキングビームと継ぎ手アセンブリの第1の部分は、クランク室に位置している。一方、シリンダ、ピストンおよび継ぎ手アセンブリの第２の部分は、作業領域に位置する。
図４のクランク室４００では、大抵のロッキングビーム駆動２００が、シリンダハウジング４０２の下に位置する。クランク室４００は、クランク軸２１４、ロッキングビーム２１６、リニア軸受２２０、連接棒２２２、継ぎ手アセンブリ２１０、２１２を有するロッキングビーム駆動２００の動作を許すスペースである。クランク室４００は、ピストン２０２、２０４の軸の平面に対して直角に、シリンダ２０６、２０８と交差する。また図２に示すように、ピストン２０２、２０４はそれぞれのシリンダ２０６、２０８内で往復運動する。シリンダ２０６、２０８はクランク軸ハウジング４００の上に伸びる。クランク軸２１４はシリンダ２０６、２０８より下のクランク室４００に取り付けられる。
図２は、ロッキングビーム駆動２００の一実施形態を示す。継ぎ手アセンブリ２１０、２１２は、ロッキングビーム２１６にピストン２０２、２０４を接続するために、ピストン２０２、２０４からそれぞれ伸びる。ピストン２０４に対する継ぎ手アセンブリ２１２は、ある実施形態では、ピストン棒２２４とリンクロッド２２６を有する。ピストン２０２に対する継ぎ手アセンブリ２１０は、ある実施形態では、ピストン棒２２８とリンクロッド２３０を有する。ピストン２０４は、シリンダ２０8内で垂直に作動し、継ぎ手アセンブリ２１２によってロッキングビーム２１６の端ピボット２３２に接続される。シリンダ２０8はピストン２０４の縦運動のためにガイダンスを与える。ピストン２０４の下位部に設けられた、継ぎ手アセンブリ２１２のピストン棒２２４は、シリンダ２０8の軸に沿ったほぼ直線状の往復運動する経路内で、リンクロッド２２６によって軸方向に駆動される。ピストン棒２２４の遠位端部とリンクロッド２２６の近位端部は、ある実施形態中で、結合手段２３４を介してヒンジ結合する。結合手段２３４は、技術の中で既知の任意の結合手段であればよく、たわみ継手、ローラ軸受要素、ヒンジ、ジャーナル軸受接続（図６に６００として示される)および屈曲部（図７Ａ及び図７Ｂの中で７００として示される) を含むが、これらに限定されない。リンクロッド２２６の遠位端部はロッキングビーム２１６の1個の端ピボット２３２に結合しているが、それは、リンクロッド２２６の近位端の下で垂直で（vertically）あって直立に（perpendicularly）位置する。さらにピストン棒２２４の本質的に直線状の縦運動を確保するために、固定リニア軸受２２０が継ぎ手アセンブリ２１２に沿って位置し、これによりピストン２０４の本質的に直線状の縦運動を保証している。模範的な実施形態では、リンクロッド２２６はリニア軸受２２０を通過しない。これは、ピストン棒２２４が本質的に直線状の縦運動を保持することをとりわけ確保する。
典型的な実施形態では、リンクロッドはアルミニウムから作られる。また、ピストン棒と連接棒はＤ２工具鋼から作られる。また、リンクロッド、ピストン棒、結合ロッドおよびロッキングビームは、４３４０鋼から作られてもよい。ロッキングビーム駆動の部品に使用される別の材料には、チタン、アルミニウム、鋼又は鋳鉄が含まれるが、これに制限されない。ある実施形態では、使用される有形物の疲労限度は動作中に部品によって経験された実際の荷重を越える。
さらに図２から図４を参照して、ピストン２０２は、シリンダ２０６内で垂直に作動し、継ぎ手アセンブリ２１０によってロッキングビーム２１６の端ピボット２３６に接続される。シリンダ２０６は、別の作用の中で特に、ピストン２０２の縦運動の案内をすることに役立つ。継ぎ手アセンブリ２１０のピストン棒２２８はピストン２０２の下位部に設けられており、シリンダ２０６の軸に沿った本質的に直線状の往復運動する経路で、リンクロッド２３０によって軸方向に駆動される。ピストン棒２２８の遠位端部およびリンクロッド２３０の近位端部は、ある実施形態中で、結合手段２３８を介してヒンジ結合する。結合手段２３８は、様々な実施形態において、屈曲部（図７Ａと図７Ｂで７００として示される）、ローラ軸受要素、ヒンジ、ジャーナル軸受（図６に６００として示される）、あるいは当該技術で既知の結合手段が含まれるが、しかしこれに制限されない。リンクロッド２３０の遠位端部は、ある実施形態の中で、ロッキングビーム２１６の1個の端ピボット２３６に結合しており、リンクロッド２３０の近位端の下で垂直であって直立に位置する。さらにピストン棒２２８の直線状の縦運動を確保するために、固定リニア軸受２２０は継ぎ手アセンブリ２１０に沿って位置し、これによりピストン２０２の直線状の縦運動を保証している。模範的な実施形態では、リンクロッド２３０は、ピストン棒２２８がほぼ直線状の縦運動を保持することを確保するためにリニア軸受２２０を通過しない。
継ぎ手アセンブリ２１０、２１２は、それぞれのピストン２０２、２０４の交互の縦運動をロッキングビーム２１６の振動運動へ変換する。伝えられた振動運動は、連接棒２２２によってクランク軸２１４の回転運動に変換される。ここで、連接棒２２２の一端は、ロッキングビーム２１６の端ピボット２３２とロッカーピボット２１８の間に位置する結合ピボット２４０に回転自在につながれ、連接棒２２２の他端は回転自在にクランクピン２４６につながれる。ロッカーピボット２１８は、ほぼ端ピボット２３２と端ピボット２３６の間の中点に位置し、支点としてロッキングビーム２１６を振動するように支持し、これにより、それぞれのピストン棒２２４、２２８が十分な直線運動をするようにガイドする。典型的な実施形態では、クランク軸２１４はロッキングビーム２１６の上方に位置する。しかし、別の実施形態では、図５Ａと図５Ｂで示されるように、クランク軸２１４は、ロッキングビーム２１６より下に位置してもよい。あるいは、ある実施形態では、クランク軸２１４がロッキングビーム２１６に対して平行軸を有するように、クランク軸２１４がロッキングビーム２１６の側に位置する。
さらに図２から図４を参照して、ロッキングビームはロッカーピボット２１８に関して振動し、端ピボット２３２、２３６は弓形経路をたどる。リンクロッド２２６、２３０の遠位端部が端ピボット２３２、２３６でロッキングビーム２１６に接続されるので、リンクロッド２２６、２３０の遠位端部はこの弓形経路をたどり、それぞれのピストン２０２、２０４の運動の縦軸からの角状偏位（angular deviation）２４２、２４４をもたらす。ピストン棒２２４、２２８で経験されたリンクロッド２２６、２３０からの角状偏位２４４、２４２も最小限になるように、結合手段２３４、２３８が構成される。本質的に、ピストン２０４、２０２上の側面荷重を低減して、ピストン棒２２４、２２８がほぼ直線状の縦運動を維持するように、結合手段２３４、２３８は角状偏位２４４、２４２を吸収する。さらに、固定リニア軸受２２０も、角状偏位２４４、２４２をさらに吸収するように、シリンダ２０8、２０６の内側か、あるいは継ぎ手アセンブリ２１２、２１０に沿って置かれてもよい。そして、ピストン・プッシュロッド２２４、２２８とピストン２０４、２０２をピストン２０４、２０２の縦軸に沿った直線運動の状態に保つ。
したがって、ピストン２０２、２０４の往復運動を考慮して、ピストン２０２、２０４の運動をできる限り直線に近く維持することが必要である。ピストン２０２、２０４の往復運動の縦軸からの偏位２４２、２４４により、ノイズ、効率の低下、シリンダの壁への摩擦の増加、側面負荷の増加、並びに部品の耐久性の低下を招くからである。シリンダ２０６、２０８の心合せと、クランク軸２１４、ピストン棒２２４、２２８、リンクロッド２２６、２３０ならびに連接棒２２２の配置は、とりわけ、装置の効率および／または装置の容積に影響を及ぼしている。前述したようにピストン運動の線形性を増加させる目的で、ピストン（図２から図４に２０２と２０４として示される）には、それぞれのシリンダ２０６、２０８の側面にできるだけ接近していることが望ましい。
リンクロッドの角状偏位を減少する別の実施形態では、リンクロッド２２６、２３０は、それぞれのピストン２０４、２０２の運動の縦軸に沿ってほぼ直線的に往復運動する。これにより、角状偏位を減少させて、かつそれ故に各ピストン２０４、２０２に適用される側面荷重を減少させる。角状偏位は、ピストン２０４、２０２の縦軸からのリンクロッド２２６、２３０の偏位を定義する。図２に示されるように、数字２４４、２４２はリンクロッド２２６、２３０の角状偏位を明示する。したがって、ロッキングビーム２１６の端ピボット２３２とロッカーピボット２１８間の距離の長さに基づいて、継ぎ手アセンブリ２１２の位置がリンクロッド２２６の角変位に影響を及ぼす。したがって、継ぎ手アセンブリの位置はリンクロッド２２６の角変位が低減されるような状態である。リンクロッド２３０のために、ロッキングビーム２１６の端ピボット２３２とロッカーピボット２１８間の距離の長さに基づいて、継ぎ手アセンブリ２１０の長さがリンクロッド２３０の角変位を低減するように定められて置かれる。したがって、リンクロッド２２６、２３０の長さ、継ぎ手アセンブリ２１２、２１０の長さおよびロッキングビーム２１６の長さは、図２に示されるようなリンクロッド２２６、２３０の角状偏位に非常に影響を及ぼし、および／または決定する、重要なパラメーターである。
典型的な実施形態では、同じ軸に沿ってエンドポイント２３２、２３６、ロッカーピボット２１８、そして結合ピボット２４０を有する真直ぐなロッキングビーム２１６を備える。しかしながら、別の実施形態では、図５Ｃと図５Ｄで示されるようなピストンが互いに角度をなして置かれるように、ロッキングビーム２１６が湾曲している。
今図２から図４と図７Ａから図７Ｂを参照して、継ぎ手アセンブリのある実施形態において、継ぎ手アセンブリ２１２、２１０は可撓性リンクロッドを有する。可撓性リンクロッドは、軸方向に堅いが、ピストン２０４とリンクロッド２２６の間と、ピストン２０２とリンクロッド２３０の間のそれぞれのロッキングビーム２１６の運動平面で可撓性がある。この実施形態では、リンクロッド２２６、２３０の屈曲部（図７Ａと図７Ｂで７００として示される）は、少なくとも一部分は弾性である。屈曲部７００は、ピストン棒とリンクロッド間の結合手段として働く。屈曲部７００は、ピストンのクランクに引き起こされた側面荷重をより有効に吸収し、それにより、それぞれのピストンが当該ピストンのシリンダ内側での直線状の縦運動を維持することを可能にする。このたわみ７００部は、ピストン２０４とリンクロッド２２６の間と、ピストン２０２とリンクロッド２３０の間のそれぞれのロッキングビーム２１６の運動平面で小さな回転を可能にする。この実施形態では平坦であるとして表されたが、ある実施形態では屈曲部７００が平坦ではない。平坦な屈曲部７００は、リンクロッド２２６、２３０の弾性を増加させる。また、屈曲部７００は、ピストンの下部分、あるいはリンクロッド２２６、２３０の遠位端部の近くに設けられてもよい。屈曲部７００は、一実施形態では、５８―６２のＲＣに鍛えられた＃Ｄ２工具鋼で作られる。ある実施形態では、リンクロッドの弾性を増加させるために、リンクロッド２２６、２３０の上に1個以上の屈曲部（図示せず）があってもよい。
代替の実施形態では、図５Ｃと図５Ｄで表されるように、各シリンダハウジング中のピストンの軸は異なる方角に伸びてもよい。典型的な実施形態では、図２から図４および図５Ａと図５Ｂに表されるように、各シリンダハウジング中のピストンの軸はほぼ並列で、好ましくはほぼ垂直である。図５Ａから図５Ｄには、図２から図４に関して示され記述されたものと同様に、同等の数を有するロッキングビーム駆動機構の様々な実施形態を有する。ロッキングビーム２１６に沿って結合ピボット２４０の相対的な位置を変更することにより、ピストンの行程が変更されることは、当該技術に熟練している人々にとって明らかである。
その結果、ロッキングビーム２１６の結合ピボット２４０の相対位置のパラメーター、ピストン棒２２４、２２８、リンクロッド２３０、２２６、ロッキングビーム２１６の長さ、およびロッカーピボット２１８の位置の変更は、リンクロッド２２６、２３０の角状偏位、ピストン２０４、２０２の整相および装置３００の寸法を様々な態様で変更する。したがって、様々な実施形態では、エンジンの調整可能な寸法と広範囲のピストン位相角はこれらのパラメーターの1個以上の修正に基づいて選ばれる。実際上、典型的な実施形態のリンクロッド２２４、２２８は、ピストン２０４、２０２の縦軸から−０．５度から+０．５度までの範囲内で実質的な側方運動を有する。様々な別の実施形態では、リンクロッドの長さによって、角度は０度に接近するものから０．７５度までのいかなる値にも変化する。しかしながら、別の実施形態では、角度は０度に接近するものから約２０度までのいかなる値までの、より高い値を有する。しかしながら、リンクロッド長さが増加すると、クランク室／全面的なエンジン高さはエンジンの重量と同様に増加する。
典型的な実施形態の1つの特徴は、各ピストンが継ぎ手アセンブリとして形成されるように、付属のピストン棒までほぼ届くリンクロッドを有することである。一実施形態では、図２に示されるように、ピストン２０４のための継ぎ手アセンブリ２１２はピストン棒２２４、リンクロッド２２６および結合手段２３４を有する。より具体的には、ピストン棒２２４の1個の近接端部はピストン２０４の下部分に付けられている。また、ピストン棒２２４の遠位端部は、結合手段２３４によってリンクロッド２２６の近接端部に接続される。リンクロッド２２６の遠位端部は、ロッキングビーム２１６の端ピボット２３２まで垂直に伸びる。上述されるように、結合手段２３４は継ぎ目、ヒンジ、継ぎ手、屈曲部または当該技術中で既知の別の手段であるが、これに限定されない。この実施形態では、ピストン棒２２４およびリンクロッド２２６の比率は、上述されるようなリンクロッド２２６の角状偏位を決定する。
当該マシンの一実施形態では、スターリングエンジンのようなエンジンは、クランク軸上に1個以上ロッキングビーム駆動を使用する。ここでは図８を参照して、覆いを取り除いた「４気筒」ロッキングビーム駆動機構８００が示される。この実施形態では、ロッキングビーム駆動機構には2個のロッキングビーム駆動８１０、８１２に結合した4本のピストン８０２、８０４、８０６、８０８がある。典型的な実施形態では、ロッキングビーム駆動機構８００は、1組のロッキングビーム駆動８１０、８１２に結合した四辺形の配列に位置して、少なくとも４本のピストン８０２、８０４、８０６、８０８を有するスターリングエンジンの中で使用される。ここで、各ロッキングビーム駆動がクランク軸８１４に接続されている。しかしながら、別の実施形態では、スターリングサイクルエンジンはピストンを１個から４個の範囲で有しており、また、さらに別の実施形態では、スターリングサイクルエンジンは4本以上ピストンを含んでいる。ある実施形態では、ロッキングビーム駆動８１０、８１２は、図２から図４に関して上述されたロッキングビーム駆動（図２から図４に２１０と２１２として示される）とほぼ同じである。この実施形態では、ピストンはシリンダの外部に示されるが、実際上、ピストンは内部のシリンダになる。
ある実施形態では、さらに図８を参照して、ロッキングビーム駆動機構８００は、ハウジング中でジャーナルされる（journalled）ように適応した、縦に間を置いて配置され、半径方向かつ逆方向性の1組のクランクピン８１６、８１８と、1組のロッキングビーム駆動８１０、８１２を有する単一のクランク軸８１４を有する。各ロッキングビーム８２０、８２２は各々のロッカーピボット８２４、８２６と、各々のクランクピン８１６、８１８に枢軸的に接続される。典型的な実施形態では、ロッキングビーム８２０、８２２はロッキングビーム軸８２８に結合している。
ある実施形態では、モータ／発電機は作動関係のクランク軸に接続される。一実施形態では、モータはロッキングビーム駆動間に位置する。別の実施形態では、モータは外側寄りに位置する。用語「モータ／発電機」はモータか発電機のいずれかを意味するために使用される。
図9は、クランク軸８１４の一実施形態を示す。永久磁石（「ＰＭ」）発電機のようなモータ／発電機９００がクランク軸に置かれる。モータ／発電機９００は、ロッキングビーム駆動（図示せず、図８に８１０と８１２として示される）の間又は内側に位置し、あるいは図１０Ａ中の数字１０００によって表されるように、クランク軸８１４の端のロッキングビーム駆動８１０、８１２の外側又は外部に位置する。
モータ／発電機９００がロッキングビーム駆動（図示せず、図８に８１０と８１２として示される）間に位置する場合、モータ／発電機９００の長さはロッキングビーム駆動の間の距離に制限されている。モータ／発電機９００の二乗された径は、クランク軸８１４とロッキングビーム軸8２８の間の距離によって制限されている。モータ／発電機９００の容量が2乗された径と長さに比例するので、これらの寸法制限によって、比較的短い長さを有すると共に、比較的大きな二乗された径を有する、制限のある容量の「パンケーキ」モータ／発電機９００となる。「パンケーキ」モータ／発電機９００の使用により、エンジンの全体寸法が減少する。しかし、内側の構成によって課された寸法制限により、モータ／発電機には制限容量が賦課される。
ロッキングビーム駆動の間のモータ／発電機９００を置くことにより、モータ／発電機９００はロッキングビーム駆動の機械的な摩擦によって生じた熱にさらされる。モータ／発電機９００の内側の場所は、モータ／発電機９００を冷やすことをより困難にし、その結果として、ロッキングビーム駆動からモータ／発電機９００によって吸収された熱に加えて、モータ／発電機９００によって生成された熱作用も増加させる。これは過熱および究極的にモータ／発電機９００の故障に結びつく。
図８と図9の両方を参照して、モータ／発電機９００の内側の位置決めは、またピストン８０２、８０４、８０６、８０８の不等辺配置に結びつく。この理由は、ピストン８０２、８０４、８０６、８０８が各々ロッキングビーム駆動８１０、８１２に結合しており、また、距離のいかなる増加も、ピストン８０２、８０４とピストン８０６、８０８の間の距離の増加をもたらす為である。ピストンの不等辺配置がバーナとヒータヘッドに対して熱力学的動作の非効率性を招く。これは次には、全面的なエンジン効率の減少を招く。加えて、ピストンの不等辺配置が、ヒータヘッドと燃焼室寸法をより大きくすることに結びつく。
モータ／発電機配列の典型的な実施形態は図１０Ａの中で示される。図１０Ａで示されるように、モータ／発電機１０００は、ロッキングビーム駆動１０１０、１０１２（図８に８１０、８１２として示される）外側寄りであって、クランク軸１００６の端に位置する。外側寄りの位置は、上述された「パンケーキ」モータ／発電機（図9に９００として示される）よりも、より大きな長さと2乗された径のモータ／発電機１０００を可能にする。先に述べたように、モータ／発電機１０００の容量はその長さと2乗された径に比例する。そして、外側のモータ／発電機１０００はより大きな長さと2乗された径を有しているので、図１０Ａで示される外側のモータ／発電機１０００の構成は、エンジンと連結するより大きな容積のモータ／発電機の使用を可能にする。
図１０Ａの実施形態で示されるように、ロッキングビーム駆動１０１０、１０１２の外側寄りにモータ／発電機１０００を置くことによって、モータ／発電機１０００は、ロッキングビーム駆動１０１０、１０１２の機械的な摩擦によって生じた熱に晒されない。また、モータ／発電機１０００の外側寄りの位置によって、モータ／発電機を冷やすことがより簡単になる。その結果として、一定時間あたりの機械的なエンジンサイクルを増やすことが可能になり、これによってより高い全般的なエンジン性能が可能になる。
また、モータ／発電機１０００はロッキングビーム駆動１０１０、１０１２の外側寄りに位置し、ロッキングビーム駆動１０１０、１０１２の間に位置しないので、ロッキングビーム駆動１０１０、１０１２は互いに隣接して置かれることが可能となり、その結果、ロッキングビーム駆動１０１０、１０１２に結合したピストンを等辺の配置に置くことが可能になる。ある実施形態では、使用されるバーナ形式に依存するが、特に単一のバーナ実施形態の場合には、ピストンの等辺配列によってバーナとヒータヘッドでの熱力学的動作がより効率的になり、これによって同様により高い全般的な機関性能が可能になる。ピストンの等辺配置によって、ヒータヘッドと燃焼室の寸法をより小さくすることが好都合に可能となる。
図８と図9を再び参照して、クランク軸８１４は同心の端９０２、９０４を有する。それらは一実施形態ではクランクジャーナルであり、様々な別の実施形態では、軸受であるが、これに制限されない。各同心の端９０２、９０４はそれぞれクランクピン８１６、８１８を有するが、それらはクランク軸重心軸からオフセットされている。少なくとも1個の釣り合いおもり９０６が、クランク軸８１４が経験するあらゆる不安定性を平衡させるためにクランク軸８１４（図１０Ａの中で１００６として示される）の一方の端に置かれる。上述されたロッキングビーム駆動と結合するこのクランク軸構成によって、ピストン（図８に８０２、８０４、８０６、８０８として示される）が、クランク軸８１４の一回転で作動することを可能にする。この特性はさらに下記で説明される。別の実施形態では、より安定した一定速度のために角速度の変動を減少させるように、フライホイール（図示せず）がクランク軸８１４（図１０Ａの中で１００６として示される）に置かれる。
ある実施形態では、さらに図８と図9を参照して、クランク軸８１４とロッキングビーム駆動８１０、８１２を冷やすために、冷却器（図示せず）が、クランク軸８１４（図１０Ａの中で１００６として示される）とロッキングビーム駆動８１０、８１２（図１０Ａの中で１０１０と１０１２として示される）に沿って位置する。ある実施形態では、冷却器はシリンダの低温室の作動ガスを冷却するために使用され、また、ロッキングビーム駆動を冷却するように構成されてもよい。冷却器の様々な実施形態は詳細に以下で議論される。
図１０Ａから図１０Ｇは、当該マシンの様々な部品のある実施形態を表す。この実施形態で示されるように、クランク軸１００６はモータ／発電機の連結アセンブリによってモータ／発電機１０００に結合している。モータ／発電機１０００がクランク室１００８に取り付けられるので、流体を充填したクランク室の加圧によりクランク室が変形をする。それは、次にはモータ／発電機１０００とクランク軸１００６の間の心のずれに結びつき、クランク軸１００６を屈曲させる。ロッキングビーム駆動１０１０、１０１２がクランク軸１００６に結合しているので、クランク軸１００６のたわみ（deflection）によってロッキングビーム駆動１０１０、１０１２を機能停止に導く。したがって、当該マシンの一実施形態では、モータ／発電機の連結アセンブリはモータ／発電機１０００をクランク軸１００６につなぐために使用される。モータ／発電機の連結アセンブリは、ロッキングビーム駆動１０１０、１０１２の動作中の機能停止の一因となる、モータ／発電機１０００間の心合せでの違いを調整する。
一実施形態では、さらに図１０Ａから図１０Ｇを参照して、モータ／発電機の連結アセンブリは、スプライン軸１００４、モータ／発電機１０００のスリーブローター１００２およびクランク軸１００６を有するスプラインアセンブリである。スプライン軸１００４は、クランク軸１００６の一端をスリーブローター１００２に連結する。スリーブローター１００２は、圧入嵌合、溶接、ネジ切りなどのような機械的手段によってモータ／発電機１０００に取り付けられる。一実施形態では、スプライン軸１００４は、軸の両端上に複数のスプラインを有する。別の実施形態では、スプライン軸１００４は中央のスプラインがない部分１０１４を有しており、それはスプラインされた部分１０１６、１０１８の外径又は内径より小さな径を有している。さらに別の実施形態では、スプライン軸１０１６の一方の端部には、その上にスプラインを有する第２の端部１０１８と比較して、その軸に沿ってより長い距離伸びたスプラインがある。
ある実施形態では、スリーブローター１００２は、スリーブローター１００２の縦軸に沿って伸びる開口部１０２０を有する。開口部１０２０はスプライン軸１００４を受け入れることができる。ある実施形態では、開口部１０２０は、スプライン軸１００４の一方の端部のスプラインと係合できる複数の内側スプライン１０２２を有する。内側スプライン１０２２の外径１０２８は、スプライン軸１００４上のスプラインの外径１０３０より大きい。そこで、内側スプライン１０２２とスプライン軸１００４上のスプライン間の噛み合いが（図１０Ｅで示されるように）緩い。内側スプライン１０２２とスプライン軸１００４上のスプラインの間のゆったりした係合は、スプライン軸１００４のたわみがあってもスプライン軸１００４とロータースリーブ１００２間のスプライン係合を維持するのに寄与する。スプライン軸１００４のたわみはクランク室の加圧によって引き起こされる。別の実施形態では、スプライン軸１００４のより長いスプラインされた部分１０１６は、ローター１００２の内側スプライン１０２２と係合する。
ある実施形態では、さらに図１０Ａから図１０Ｇを参照して、クランク軸１００６はその端上に開口部１０２４を有し、それは、スプライン軸１００４の一方の端部を受け入れることができる。開口部１０２４は、スプライン軸１００４上のスプラインと係合する、複数の内側スプライン１０２６を有することが好ましい。内側スプライン１０２６の外径１０３２は、スプライン軸１００４上のスプラインの外径１０３４より大きい。そこで、内側スプライン１０２６とスプライン軸１００４上のスプライン間の噛み合いが（図１０Ｆで示されるように）緩い。前述したように、内側スプライン１０２６とスプライン軸１００４上のスプラインの間のゆったりした係合は、スプライン軸１００４のたわみがあってもスプライン軸１００４とクランク軸１００６の間のスプライン係合を維持するのに寄与する。スプライン軸１００４のたわみはクランク室の加圧によって引き起こされる。クランク軸１００６とスリーブローター１００２上の内側スプライン１０２６、１０２２と、スプライン軸１００４上のスプラインとの間のゆったりした係合は、スプライン軸１００４のたわみを維持するために寄与する。これは、クランク軸１００６とスリーブローター１００２間の心のずれを許容する。ある実施形態では、スプライン軸１００４のより短いスプライン部分１０１８は、クランク軸１００６の開口部１０２４に係合して、これらの潜在的な心のずれを防止する。
ある実施形態では、スリーブローター１００２の開口部１０２０は、開口部１０２０の長さ伸びた複数の内側スプラインを有する。この配置によって、スプライン軸１００４をアセンブリ中の開口部１０２０に適切に挿入することに寄与する。これは、スプライン軸１００４上のスプラインとスリーブローター１００２上の内側スプラインとの間の適切な心合せを維持することに寄与する。
ここでは図４を参照して、エンジンの一実施形態が示される。ここで、エンジン３００のピストン２０２、２０４は、それぞれシリンダ２０６、２０８の高温室４０４と低温室４０６の間で作動する。2室間に、再生器４０８が設けられている。再生器４０８は可変密度と可変領域を有すると共に、ある実施形態中では、ワイヤで作られている。再生器の可変の密度と領域は、作動ガスが再生器４０８の全域でほぼ等流であるように、調整される。再生器４０８の様々な実施形態は詳細に以下で議論されると共に、米国特許第６５９１６０９号、２００３年７月１７日発行、Ｋａｍｅｎ他と米国特許第６８６２８８３号、２００５年３月８日発行、Ｋａｍｅｎ他が参照によってそれらの全体がここに組み入れられる。作動ガスが高温室４０４を通過する場合、ヒータヘッド４１０は、ガスが膨張してピストン２０２、２０４を低温室４０６に向かって押すように、ガスを加熱する。低温室４０６ではガスが縮む。低温室４０６でガスが縮むと、さらにスターリングサイクルを行うために、ピストン２０２、２０４が高温室４０４へ戻るようにガイドされる。ヒータヘッド４１０は、ピンヘッド（図５２Ａから図５３Ｂに示される）、フィンヘッド（図５６Aから図５６Cに示される）、ひだ状のフィンヘッド（図５６Aから図５６Cに示される）、図４に示されるようなヒータ管（また図２9に２９０４として示される）、あるいは既知の別のヒータヘッドの実施形態であり、下記に述べられたものを含むものであるが、これに制限されない。ヒータヘッド４１０の様々な実施形態は詳細に以下で記述され、米国特許第６３８１９５８号、２００２年５月７日発行、Ｋａｍｅｎ他、米国特許第６５４３２１５号、２００３年４月８日発行、Ｌａｎｇｅｎｆｅｌｄ他、米国特許第６９６６１８２号、２００５年１１月２２日発行、Ｋａｍｅｎ他、並びに米国特許第７３０８７８７号、２００７年１２月１８日発行、ＬａＲｏｃｑｕｅ他は、参照によって、それらの全体が、ここに組み入れられる。
ある実施形態では、低温室４０６に向かって通過するガスをさらに冷却するために、冷却器４１２はシリンダ２０６、２０８と並んで位置している。冷却器４１２の様々な実施形態が、続行する節で詳細に記述され、米国特許第７３２５３９９号、２００８年２月５日発行、Ｓｔｒｉｍｌｉｎｇ他は参照によってその全体がここに組み入れられる。
ある実施形態では、低温室４０６から高温室４０４を密封するために、少なくとも1つのピストンシール４１４がピストン２０２、２０４に置かれる。加えて、各シリンダでピストンの運動をガイドするのを支援するために、少なくとも1つのピストンガイドリング４１６はピストン２０２、２０４に置かれる。ピストンシール４１４とガイドリング４１６の様々な実施形態が詳細に以下に記述され、米国特許出願シリアル番号１０／１７５５０２号、２００２年６月１９日出願、２００３年２月６日公開公報発行（現在は放棄）は、参照によって、その全体がここに組み入れられる。
ある実施形態では、作動ガスがクランク室４００又は代わりにエアロック空間４２０へ漏れることを防ぐために、少なくとも1個のピストン棒シール４１８がピストン棒２２４、２２８に対して置かれる。ピストン棒シール４１８はエラストマーシール、又はばね上げしてあるシールである。ピストン棒シール４１８の様々な実施形態が詳細に以下に記述される。
ある実施形態では、エアロックスペースは、例えば、より詳細に以下で記述される転動形ダイアフラム及び／又はベローズの実施形態中では、除去される。それらの場合には、ピストン棒シール２２４、２２８がクランク室から作業領域を密閉する。
ある実施形態では、エアロックガスがクランク室４００へ漏れるのを防ぐために、少なくとも1つの転動形ダイアフラム／ベローズ４２２はピストン棒２２４、２２８に沿って位置する。転動形ダイアフラム４２２の様々な実施形態がより詳細に以下に記述される。
図４はわずか2本のピストンと1本のロッキングビーム駆動しか表さないエンジン３００の断面図を示すが、ここに記述された動作原理が、図８の数字８００で一般に示されるように、4気筒シリンダの二重ロッキングビーム駆動エンジンに当てはまることが理解される。
ピストン動作
ここでは図８と図１１を参照する。図１１は、クランク軸８１４の1回転におけるピストン８０２、８０４、８０６、８０８の動作を示す。クランク軸８１４の１／４回転で、ピストン８０２がそのシリンダの頂上にあり、別名上死点として知られている。ピストン８０６は上向きのミッドストローク（midstroke）にある。ピストン８０４は、そのシリンダの底にあり、別名下死点として知られている。また、ピストン８０８は下方へのミッドストロークにある。クランク軸８１４の１／２回転で、ピストン８０２は下方へのミッドストロークにある。ピストン８０６は上死点にある。ピストン８０４は上向きのミッドストロークにある。また、ピストン８０８は下死点にある。クランク軸８１４の3／4回転で、ピストン８０２は下死点にある。ピストン８０６は下方へのミッドストロークにある。ピストン８０４は上死点にある。また、ピストン８０８は上向きのミッドストロークにある。最後に、クランク軸８１４の完全な回転で、ピストン８０２は上向きのミッドストロークにある。ピストン８０６は下死点である。ピストン８０４は下方へのミッドストロークにある。また、ピストン８０８は上死点にある。各1／4回転中に、ピストン８０２と８０６の間には９０度の位相差、ピストン８０２と８０４の間には１８０度の位相差、およびピストン８０２と８０８の間には２７０度の位相差がある。図１２Ａは、先行ピストンと後続ピストンで約９０度位相が不一致のピストンの関係を示す。加えて、図１１は、仕事を運搬する機械手段の典型的な実施形態を示す。このように、クランク軸８１４の完全な回転で、すべてのピストンが各々のシリンダのトップから底まで移動することにより、仕事は、ピストン８０２からピストン８０６へ運ばれ、ピストン８０４へ運ばれ、ピストン８０８まで運ばれる。
ここでは図１２Ａから図１２Ｃと共に、図１１を参照して、典型的な実施形態中のピストン間の９０度の位相差を示す。ここで図１２Ａを参照して、シリンダが線形経路で示されているが、これは説明のためだけに過ぎない。４気筒のスターリングサイクルマシンの典型的な実施形態では、シリンダ作業領域内に含まれる作動ガスの流路は、図の８パターンに従う。従って、シリンダ１２００、１２０２、１２０４、１２０６の作動する空間は、図の８パターンに繋がり、例えば、シリンダ１２００からシリンダ１２０２に流れ、シリンダ１２０４に流れ、シリンダ１２０８へ流れる。流体の流れパターンは図の８個に準拠する。さらに、図１２Ａを参照して、図１２Ｃに示される直線Ｂ−Ｂに沿って得られる、シリンダ１２００、１２０２、１２０４、１２０６についての覆いが解かれた図を示す。上述されるようなピストン間の９０度の位相差によって、シリンダ１２０４の高温部１２１２中の作動ガスがシリンダ１２０６の低温部１２２２に送られることを可能にする。ピストン８０２とピストン８０８が９０度の位相の不一致のために、シリンダ１２０６の高温部１２１４中の作動ガスは、シリンダ１２００の低温部１２１６に送られる。ピストン８０２とピストン８０６がまた９０度の位相の不一致のために、シリンダ１２００の高温部１２０８中の作動ガスは、シリンダ１２０２の低温部１２１８に送られる。また、ピストン８０４とピストン８０６がまた９０度の位相の不一致のために、シリンダ１２０２の高温部１２１０中の作動ガスも、シリンダ１２０４の低温部１２２０に送られる。第1のシリンダの高温部の作動ガスが第２のシリンダの低温部に入った時点で、作動ガスは圧縮し始める。また、第２のシリンダ内のピストンは、下降行程にあるが、その後に圧縮された作動ガスが再生器１２２４とヒータヘッド１２２６（図１２Ｂに示される）を経由して戻るように強制し、そして第1のシリンダの高温部に戻る。第1のシリンダの高温部の内側で、作動ガスが膨張してピストンがそのシリンダ内で下方へ駆動された時点で、それにより、第1のシリンダの低温部内の作動ガスが先行の再生器とヒータヘッドを経由してシリンダ内へ後押しされる原因となる。そこで、作動ガスがシリンダ１２００、１２０２、１２０４、１２０６間で循環的に移動する特性が可能となる。この理由は、ピストン８０２、８０４、８０６、８０８がロッキングビーム駆動８１０、８１２を経由して共通のクランク軸８１４（図１１に示される）に接続される為であり、図１２Ａで表されるように、各ピストンの循環的運動が先行ピストンの運動が約９０度先立っているからである。
転動形ダイアフラム、金属ベローズ、エアロックおよび圧力調整器
スターリングサイクルマシンのある実施形態では、潤滑流体が使用される。潤滑流体がクランク室から漏れるのを防ぐために、シールが使用される。
ここでは図１３A乃至図１５を参照して、スターリングサイクルマシンのある実施形態では、クランク室（図示せず）から潤滑流体が漏れるのを防ぐために、ピストン棒１３０２に沿って位置する転動形ダイアフラム１３００を利用する流動潤滑ロッキングビーム駆動を有する。しかし、クランク室に収容される部品は１３０４として表わされるが、潤滑流体によって破損されるエンジンの領域に入っている。潤滑流体が作業領域（図示せず）に入る場合には、潤滑流体を有することは有用である。しかし、作業領域に収容される部品は１３０６として表わされるが、潤滑流体が作動流体を汚染し、再生器１３０８と接触し、再生器１３０８を詰まらせる。転動形ダイアフラム１３００は、ゴムや剛性を提供するために織布または不織布で補強されたゴムのようなエラストマー材料で作られている。転動形ダイアフラム１３００は、代替としては、織布または不織布を備えたフルオロシリコーンあるいはニトリルのような別の材料で作られてもよい。また、転動形ダイアフラム１３００は、カーボンナノチューブ又は細断布がエラストマー中に分散して作られるもので、例えば、ポリエステルまたはＫＥＶＬＡＲ（登録商標）の繊維を備えた不織布である。ある実施形態では、転動形ダイアフラム１３００は、トップシールピストン１３２８と底シールピストン１３１０に支持される。別の実施形態では、図１３Ａで示されるような転動形ダイアフラム１３００はトップシールピストン１３２８のノッチを介して支持される。
ある実施形態では、シール１３００の上方の圧力がクランク室１３０４内の圧力とは異なるように、圧力差が転動形ダイアフラム１３００の向い側に設けられる。この圧力差によりシール１３００が膨張して、転動形ダイアフラムが動作の全体にわたってその形状を維持するように、圧力差によって確保されるとき、シール１３００が動的シールとして動作することが可能になる。図１３Ａと図１３Ｃから図１３Ｈは、圧力差が転動形ダイアフラムに対してどのように影響するか例示する。底シールピストン１３１０がピストン棒１３０２と共に移動するとき、圧力差によって転動形ダイアフラム１３００が底シールピストン１３１０の形状に一致して、動作中に底シールピストン１３１０の面からシール１３００が分離することを防止する。そのような分離はシール故障を引き起す。底シールピストン１３１０がピストン棒１３０２によって移動するとき、圧力差により転動形ダイアフラム１３００は底シールピストン１３１０と一定の接触を維持する。これが生じる理由は、シール１３００の一面がそれに圧力を常にかけるので、底シールピストン１３１０の面に一致するようにシール１３００を膨張させるためである。ある実施形態では、さらに底シールピストン１３１０に接するシール１３００を維持するように、底シールピストン１３１０に接している転動形ダイアフラム１３００の角の上をトップシールピストン１３２８が巻く。典型的な実施形態では、圧力差は１０〜１５ＰＳＩ（重量ポンド毎平方インチ）；（６８．９〜１０３．４ｋＰａ）の範囲にある。好ましくは、圧力差における低圧側はクランク室１３０４にあるのが良く、その結果、転動形ダイアフラム１３００はクランク室１３０４へ膨張する。しかしながら、別の実施形態では、圧力差がより大きな値か、より小さな値の範囲でもよい。
圧力差は下記の使用を含む様々な方法によって作成されるが、これに制限されない：強制潤滑システム、ニューマティクポンプ、センサ、電気ポンプ、クランク室１３０４に圧力上昇を生成するためにロッキングビームを振動させること、転動形ダイアフラム１３００に静電荷を引き起こすこと、あるいは別の同様の方法によることでもよい。ある実施形態では、圧力差は、作業領域１３０６の平均圧より低圧状態にクランク室１３０４を加圧することにより生成される。ある実施形態では、クランク室１３０４は、作業領域１３０６の平均圧より１０〜１５ＰＳＩ（６８．９〜１０３．４ｋＰａ）低い範囲の圧力に加圧される。しかし、様々な別の実施形態では、圧力差はより小さくてもよく、より大きくてもよい。転動形ダイアフラムに関するさらなる詳細は以下に含まれる。
また一方、ここでは図１３Ｃ、図１３Ｇ及び図１３Ｈを参照して、スターリングマシンの別の実施形態が示され、そこでは、エアロック空間１３１２が作業領域１３０６とクランク室１３０４の間に位置する。エアロック空間１３１２は、上述されるような転動形ダイアフラム１３００の作用に必要な圧力差を生成するのに必要な一定容積と圧力を維持する。一実施形態では、エアロック１３１２は、作業領域１３０６から絶対に密閉されるとは限らない。したがって、エアロック１３１２の圧力は作業領域１３０６の平均圧と等しい。したがって、ある実施形態では、作業領域とクランク室の間の有効なシールの不足によって、エアロック空間に対して必要なものが満たされる。そこで、エアロック空間は、ある実施形態では、より効率的でより有効なシールによって除去されてもよい。
動作中に、エアロック１３１２の平均圧が変化するのと同様に、作業領域１３０６の平均圧が変化する。圧力が変化する傾向がある理由の一つは、動作中に作業領域がより高温になることである。作業領域がより高温になると、次には作業領域の圧力が上昇し、エアロックと作業領域が流体連結にあるので、その結果としてエアロックの圧力を同様に増加させる。そのような場合では、エアロック１３１２とクランク室１３０４の間の圧力差もまた変わり、その結果として、シールを故障させることに至るような、転動形ダイアフラム１３００の不必要なストレスを引き起こす。したがって、このマシンのある実施形態では、エアロック１３１２内の平均圧が、エアロック１３１２とクランク室１３０４の間の圧力差を望ましい一定値に維持するように調整され、そして、転動形ダイアフラム１３００が膨張したままであり、その形状を維持することを確保する。ある実施形態では、圧力変換器が、エアロックとクランク室の間の圧力差をモニターして管理し、かつエアロックとクランク室の間で一定の圧力差を維持するように、それに応じて圧力を調整するために使用される。使用される圧力調整器の様々な実施形態は、米国特許７３１０９４５番、２００７年１２月２５日発行、Ｇｕｒｓｋｉ他に更なる詳細が記述され、それは引用によってその全体にここに組み入れられる。
エアロック１３１２とクランク室１３０４の間での一定の圧力差は、ポンプまたは放出弁によってエアロック１３１２からの作動流体を加えるか除去することにより達成されてもよい。代替としては、エアロック１３１２とクランク室１３０４の間での一定の圧力差が、ポンプまたは放出弁によってクランク室１３０４からの作動流体を加えるか除去することにより達成されてもよい。ポンプと放出弁は圧力調整器によって制御される。作動流体は作動流体コンテナのような別々の供給源からエアロック１３１２（またはクランク室１３０４）に加えられてもよいし、あるいはクランク室１３０４から移動されてもよい。万一作動流体がクランク室１３０４からエアロック１３１２に移動される場合は、エアロック１３１２に移動する前に作動流体をフィルタすることが望ましい。これは、クランク室１３０４からエアロック１３１２にいかなる潤滑剤も通過するのを防ぎ、そして究極的にはエンジン故障に帰着するような、作業領域１３０６の中への侵入を防ぐことが目的である。
当該マシンのある実施形態では、クランク室１３０４には、作動流体とは異なる熱的性質を有する流体を詰める。例えば、作動ガスがヘリウムまたは水素である場合、クランク室にはアルゴンを詰める。したがって、クランク室は加圧状態におかれる。ある実施形態では、ヘリウムが使用される。しかし、別の実施形態では、ここに記述されるように、任意の不活性ガスが使用される。したがって、典型的な実施形態では、クランク室はぬれて加圧状態におかれたクランク室である。潤滑流体が使用されない別の実施形態では、クランク室は湿っていない。
典型的な実施形態では、転動形ダイアフラム１３００は、ガスまたは液体がそれらを通過することを許さない。それは作業領域１３０６を乾燥状態に保持し、クランク室１３０４が潤滑流体で湿った油槽状態であることを可能にする。湿式油だめクランク室１３０４が許容されると、そこではロッキングビーム駆動１３１６の摩擦がより少なくなるので、エンジンの寿命と効率を増加させる。ある実施形態では、潤滑流体と転動形ダイアフラムの１３００の使用によって、駆動１３１６中のローラ軸受又は玉軸受の使用もまた、取り除かれる。これがさらにエンジン騒音を低減し、エンジン寿命と効率を増加させる。
図１４Ａから図１４Ｅには、転動形ダイアフラム（１４００、１４１０、１４１２、１４２２および１４２４として示される）の様々な実施形態の断面図を示す。この転動形ダイアフラムは、トップシールピストンと底シールピストンの間（図１３Ａと図１３Ｈで１３２８と１３１０で示される）、およびトップ取付面と底取付面の間（図１３Ａで１３２０と１３１８で示される）で取り付けられるように構成されている。ある実施形態では、トップ取付面はエアロックか作業領域の表面であり、底取付面はクランク室の表面である。
図１４Ａは、転動形ダイアフラム１４００の一実施形態を示す。ここで、転動形ダイアフラム１４００は、トップシールピストンと底シールピストンとの間のシールを形成するように、トップシールピストンと底シールピストンの間に位置する平坦内側端部１４０２を有する。また転動形ダイアフラム１４００は、トップ取付面と底取付面との間のシールを形成するように、トップ取付面と底取付面の間で位置する平坦外側端部１４０４を有する。図１４Ｂは、転動形ダイアフラムの別の実施形態を示す。ここで、転動形ダイアフラム１４１０は、トップシールピストンと底シールピストンとの間の接触をシールして、追加的支持を提供するように、平坦内側端部１４０６までの複数の屈曲部１４０８を有する。図１４Cは、転動形ダイアフラムの別の実施形態を示す。ここで、転動形ダイアフラム１４１２は、トップ取付面と底取付面との間の接触をシールして、追加的支持を提供するように、平坦外側端部１４１４までの複数の屈曲部１４１６を有する。
図１４Ｄは、転動形ダイアフラムの別の実施形態を示す。ここで、転動形ダイアフラム１４２２は、トップシールピストンと底シールピストンとの間で「ｏ−リング」形シールを形成するように、内側端部１４２０に沿ったビード（bead）を有すると共に、底取付面とトップ取付面との間で「ｏ−リング」形シールを形成するように、外側端部１４１８に沿ったビードを有する。図１４Ｅは、転動形ダイアフラムの別の実施形態を示す。ここで、転動形ダイアフラム１４２４は、トップシールピストンと底シールピストンとの間の接触をシールして、追加的支持を提供するように、ビードを付けた内側端部１４２６までの複数の屈曲部１４２８を有する。また、転動形ダイアフラム１４２４は、トップシールピストンと底シールピストンとの間の接触をシールして、追加的支持を提供するように、ビードを付けた外側端部１４３２までの複数の屈曲部１４３０を有する。
図１４Ａから図１４Ｅは、転動形ダイアフラムの様々な実施形態を描いているが、転動形ダイアフラムが当該技術中で既知の別の機械的手段によっても適所に保持されることが理解される。
ここでは図１５Ａを参照して、断面図は、転動形ダイアフラム実施形態の一実施形態を示す。図１３Ｇに１３０６と１３１２で示される作業領域又はエアロックから、図１３Ｇに１３０４で示されるクランク室を密閉するために、金属ベローズ１５００は、ピストン棒１５０２に沿って位置する。金属ベローズ１５００は、トップシールピストン１５０４と固定取付面１５０６に付けられる。代替としては、金属ベローズ１５００は、底シールピストン（図示せず）とトップ固定取付面に付けられてもよい。一実施形態の中で、底の固定取付面は、クランク室面、エアロックの内側面、又は作業領域の内側面である。また、トップ固定取付面は、内部のクランク室面、外部のエアロック、又は外部の作業領域面である。金属ベローズ１５００は、溶接、ろう付けあるいは技術の中で既知の任意の機械的手段によって付けられる。
図１５Ｂから図１５Ｇは、金属ベローズの様々な実施形態の断面斜視図を表す。ここでは金属ベローズは溶接された金属ベローズ１５０８である。金属ベローズのある実施形態では、金属ベローズにはミクロ溶接された金属ベローズが好適である。ある実施形態では、溶接された金属ベローズ１５０８は複数のダイアフラム１５１０を有しており、それは、図１５Ｃと図１５Ｄで示されるように、内側端部１５１２又は外側端部１５１４のいずれかで互いに溶接される。ある実施形態では、ダイアフラム１５１０は三日月形１５１６、フラット１５１８、波形１５２０、あるいは当該技術中で既知の別の形である。
加えて、金属ベローズは、型成形、ハイドロホーミング、爆発性のハイドロホーミング、ハイドラモールデング（hydramolding）あるいは当該技術中で既知の別の手段等の手段によって、代替的に機械的に形成される。
金属ベローズは任意の種類の金属で作られるもので、例えば、鋼、ステンレス鋼、ステンレス鋼３７４、ＡＭ−３５０ステンレス鋼、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ヘインズ（製造会社の商標）、チタン、または別の高強度の耐食材料を含むものであるが、これに限定されない。
一実施形態では、使用した金属ベローズは、マサチューセッツ州シャロン市のシニア航空宇宙金属ベローズ部門（Senior Aerospace Metal Bellows Division, Sharon, MA）やジョージア州カミング市のアメリカンBOA社（American BOA, Inc., Cumming, GA）から入手できる。
転動形ダイアフラム及び／又はベローズの実施形態
転動形ダイアフラム及び／又はベローズの様々な実施形態が上述されており、それらの作用はシールである。さらなる実施形態は、転動形ダイアフラム及び／又はベローズのパラメーターに関係する上述と下記の追加の記述に基づいて、当該技術の専門家にとって明らかになる。
ある実施形態では、転動形ダイアフラム又はベローズの上側は、エアロック空間かエアロック領域（両方の用語は交互に使用される）にあり、この圧力は、当該マシンに関する平均ガス圧力である。ここで、ある実施形態中では、当該マシンはエンジンである。他方、転動形ダイアフラム及び／又はベローズより下は、クランク室領域であり、この圧力は周囲空気（ambient）の圧力又は大気圧である。これらの実施形態では、転動形ダイアフラム及び／又はベローズは大気圧を横切って３０００ｐｓｉ（２０．６７ＭＰａ）と同じくらい（そして、ある実施形態では、１５００ｐｓｉ（１０．３４ＭＰａ）まで、あるいはより高く）作動することを要求される。この場合、転動形ダイアフラム及び／又はベローズのシールは、当該マシン（典型的な実施形態ではエンジン）に対する作動ガス（ヘリウム、水素、又は別のもの）の封じ込め障壁を形成する。また、これらの実施形態では、エンジンの底部端を包含するための重く、圧力定格を満たす、構造用容器に対する要求はなくなる。その理由は、従来の内燃機関（「ＩＣ」）エンジンと同様に、周囲圧力の空気と潤滑流体（油は典型的な実施形態において潤滑流体として使用される）を単純に包含することが要求されるためである。
そのような大気圧を横切る超高圧の転動形ダイアフラム及び／又はベローズシールを使用する能力は、いくつかののパラメーターの相互作用に依存する。ここでは図１５Ｈを参照して、転動形ダイアフラム又はベローズ上の実際の負荷の具体例が示される。図示されるように、負荷は、取り付けられた転動形ダイアフラム及び／又はベローズのシールに対する圧力差と環状の隙間面積の関数である。
領域１は、ピストンとシリンダによって形成された壁に接している転動形ダイアフラム及び／又はベローズの部分を表わす。転動形ダイアフラム及び／又はベローズの両端の圧力差のために、負荷は本質的に軸方向の引張荷重である。転動形ダイアフラム及び／又はベローズの両端の圧力によるこの引張荷重は、次のように表現できる：
Ｌｔ＝Ｐｄ＊Ａａ
ここで、Ｌｔは引張荷重、Ｐｄは圧力差、Ａａは環状の面積である。そして、
Ａａ＝ｐ／４＊（Ｄ２−ｄ２）
ここで、Ｄはシリンダ内径、ｄはピストン直径である。
ベローズ材料中の応力の引張成分は次のように近似できる：
Ｓｔ＝Ｌｔ／（ｐ＊（Ｄ＋ｄ）＊ｔｂ）
これは次のように通分される：
Ｓｔ＝Ｐｄ／４＊（Ｄ−ｄ）／ｔｂ
後で、次のように定義されるシリンダ内径（Ｄ）とピストン直径（ｄ）に対するひだの半径（Ｒｃ）の関係を示す：
Ｒｃ＝（Ｄ−ｄ）／４
したがって、Ｓｔに対するこの公式はその最終式に通分される：
Ｓｔ＝Ｐｄ＊Ｒｃ／ｔｂ
ここで、ｔｂはベローズ材料の厚みである。
さらに図１５Ｈを参照して、領域2はひだを表わす。転動形ダイアフラム及び／又はベローズは、ひだの状態で、角を曲がるので、転動形ダイアフラム及び／又はベローズに課される周方向応力（hoop stress）が計算される。ひだを形成するベローズ断面に対する、応力の周方向成分は、厳密に次のように近似できる：
Ｓｈ＝Ｐｄ＊Ｒｃ／ｔｂ
転動形ダイアフラム及び／又はベローズが巻かれる環状の隙間は、一般にひだ領域と呼ばれる。転動形ダイアフラム及び／又はベローズの疲労寿命は、ひだによる巻取布としての曲げによる疲労のためと同様に、圧力差に起因して、一般に引張荷重と（周方向）荷重の両方の組合せ応力によって制限されている。この「回転」の間に呈する巻取布の半径は、ここでひだの半径Ｒｃとして定義される。
Ｒｃ＝（Ｄ−ｄ）／４
転動形ダイアフラム及び／又はベローズがひだの半径Ｒｃに巻かれる場合に、曲げ応力Ｓｂは、曲げ加工の材料の厚みと同様にその半径の関数である。繊維強化材料に関しては、繊維自体の応力は（典型的な実施形態中で記述されたたわみの間に）、繊維径が減少すると共に、低減される。同じレベルの曲げに対するより低い合応力によって、疲労寿命限度を増加することが可能になる。繊維径がさら減少すると、その疲れ限度で繊維の曲げ応力を維持している間に、ひだの半径Ｒｃを減少させるという柔軟性が得られる。同時に、Ｒｃが減少すると、ピストンとシリンダの間の環形に支持されない領域がより減少するので、繊維の引張荷重が低減される。繊維径が小さいほど、Ｒｃの最小値Ｒｃは小さくなり、環状領域も小さくなる。環状領域が小さくなることで、より高い圧力差が許容されることになる。
指示された半径の前後で曲げることに関して、曲げモーメントが次式で近似される：
Ｍ＝Ｅ＊Ｉ／Ｒ
ここで、Ｍは曲げモーメント、Ｅは弾性係数、Ｉは慣性モーメント、Ｒは曲げの半径である。古典的な曲げ応力Ｓｂは次式で計算される：
Ｓｂ＝Ｍ＊Ｙ／Ｉ
ここで、Ｙは曲げの中立軸からの距離である。代入によって、次式が導かれる
Ｓｂ＝（Ｅ＊Ｉ／Ｒ）＊Ｙ／Ｉ
Ｓｂ＝Ｅ＊Ｙ／Ｒ
曲げが中央の中立軸に関係していると仮定する：
Ｙｍａｘ＝ｔｂ／２
Ｓｂ＝Ｅ＊ｔｂ／（２＊Ｒ）
ある実施形態中で、高いサイクル寿命向けの転動形ダイアフラム及び／又はベローズ設計は、課される曲げ応力が、圧力ベースの荷重（周方向応力と軸方向応力）よりも1桁以上少ない大きさで維持されるような、形状に基づく。式：Ｓｂ＝Ｅ＊ｔｂ／（２＊Ｒ）、に依拠すると、Ｒｃに正比例するｔｂを最小化することが、曲げ応力を増加させないことは明らかである。転動形ダイアフラム及び／又はベローズの材料又は膜の典型的な実施形態における最小厚さは、エラストマーの補強に使用される最小の繊維径と直接関係がある。使用される繊維が小さいほど、与えられた応力水準に対する合成のＲｃが小さくなる。
転動形ダイアフラム及び／又はベローズ上の負荷を制限する別の要素は、ひだの周方向応力である。これは、理論上、ピストンかシリンダに支持される間の、軸方向荷重と同じ大きさである。その荷重に対する支配方程式は以下のとおりである：
Ｓｈ＝Ｐｄ＊Ｒｃ／ｔｂ
したがって、Ｒｃがｔｂに正比例して減少する場合、この領域には膜に対する応力の増加はない。しかしながら、ｔｂより大きな比率でＲｃを減少させる手法でこの比が低減される場合、パラメーターは均衡する必要がある。したがって、Ｒｃに関してｔｂを減少させることは、転動形ダイアフラム及び／又はベローズに対して、圧力によるより重い応力を支えつつ、曲げによる応力水準を低減することを必要とする。圧力ベースの負荷は本質的に一定であるから、これは好都合なことである。しかし、曲げ荷重は周期性であるので、したがって、究極的に疲労寿命を制限するのは曲げ荷重成分である。
曲げ応力を減少するために、ｔｂは理想的には最小値であり、Ｒｃは理想的に最大値である。また、Ｅは、理想的には最小値である。周方向応力の減少に関しては、Ｒｃが理想的には小さく、ｔｂは理想的には大きい。
したがって、転動形ダイアフラム及び／又はベローズの膜材料に対する重大なパラメーターは次のとおりである：
Ｅ、膜材料の弾性係数；
ｔｂ、膜厚（及び／又は繊維径）；
Ｓｕｔ、転動形ダイアフラム及び／又はベローズの最大抗張力；そして、
Ｓｌｃｆ、転動形ダイアフラム及び／又はベローズの疲労限度の制限値．
したがって、Ｅ、ｔｂおよびＳｕｔから、最小の許容できるＲｃが計算される。次に、Ｒｃ、Ｓｌｃｆおよびｔｂを使用して、最大値Ｐｄが計算される。Ｒｃが定常状態の圧力による応力と周期性の曲げ応力との間の負荷（応力）成分のバイアスを移動するように調整される。したがって、理想的な転動形ダイアフラム及び／又はベローズの材料は、非常に薄く、引張力に対して極端に強く、湾曲に対して非常に柔軟である。
したがって、ある実施形態では、転動形ダイアフラム及び／又はベローズの材料（時々「膜」として参照する）は、炭素繊維ナノチューブから作られる。しかしながら、編まれたナノチューブ繊維、よりを解いた織り糸繊維のナノチューブ、あるいは別の従来材料が使用されてもよいが、これに制限されるものではなく、追加の小さな繊維材料も含むものである。ここで、別の従来材料には、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）、ガラス、ポリエステル、合成繊維、および望ましい径及び／又は上記に詳細に記述されるような別の望ましいパラメーターを有する別の物質か、繊維を含むものであるが、これらに限定されない。
ピストンシールとピストン棒シール
ここで図１３Ｇを参照して、当該マシンの実施形態が示され、ここで、エンジン１３２６は、例えばスターリングサイクルエンジン等であり、少なくとも1個のピストン棒シール１３１４、ピストンシール１３２４およびピストンガイドリング１３２２（図１６に１６１６で示される）を備える。ピストンシール１３２４とピストンガイドリング１３２２の様々な実施形態は、以下で述べられると共に、前述された米国特許出願シリアル番号１０／１７５，５０２番（現在放棄されている）で述べられており、この内容は参照文献として組込まれる。
図１６は、シリンダの中心軸１６０２又はシリンダ１６０４に沿って駆動されるピストン１６００の部分的な断面図を示す。ピストンシールは、図１３Ｇで１３２４として示されるもので、シールリング１６０６を有する。シールリング１６０６は、シリンダ１６０４の接触面１６０８に対するシールを提供する。接触面１６０８は、典型的には、１２ＲＭＳ又はこれより平滑な表面仕上げで、硬化した金属（好ましくはＲＣ５８−６２）である。接触面１６０８は、焼き入れされた金属で、例えば硬化鋼８２６０等の、軽く焼入れされ、希望の仕上げを達成するために研がれ、及び／又は磨かれたものである。ピストンシールはさらに支持環１６１０を有する。支持環１６１０は、シールリング１６０６に対するスラスト力を与えるように付勢されて、これによりシールリング１６０６の外部の面全体のまわりの密閉を確保するために十分な接触圧力を与える。シールリング１６０６と支持環１６１０はともにピストンシール合成リングと呼ばれる。ある実施形態では、少なくとも1個のピストンシールは、シリンダ１６０４の低温部分からシリンダ１６０４の高温部分をシールする。
今図１７を参照して、ある実施形態では、ピストン棒シリンダ壁１７００に載置されるピストン棒シール（図１３Ｇで１３１４として示される）を有する。ピストン棒シールは、ある実施形態では、シールリング１７０６を有するものであり、シールリング１７０６はピストン棒１６０４（図１３Ｇで１３０２として示される）の接触面１７０８のシールを提供する。ある実施形態の接触面１７０８は、１２ＲＭＳ又はこれより平滑な表面仕上げで、硬化した金属（好ましくはＲＣ５８−６２）である。接触面１７０８は、焼き入れされた金属で、例えば硬化鋼８２６０等の、軽く焼入れされ、希望の仕上げを達成するために研がれ、及び／又は磨かれたものである。ピストンシールはさらに支持環１７１０を有する。支持環１７１０は、シールリング１７０６に対する半径方向の力、又はスラスト力を与えるように付勢されて、これによりシールリング１７０６の外部の面全体のまわりの密閉を確保するために十分な接触圧力を与える。シールリング１７０６と支持環１７１０はともにピストンシール合成リングと呼ばれる。
ある実施形態では、シールリングと支持環がピストン棒に置かれて、支持環がシールリングに対する外面上の圧力をかけて、シールリングがピストン棒シリンダ壁１７０２と接触する。この実施形態は、前の実施形態より大きなピストン棒シリンダ長さを必要とする。この理由は、ピストン棒シリンダ壁１７０２上の接触面が前の実施形態よりも長くなるからであり、ここで接触面１７０８がピストン棒自体上に位置する。まだ別の実施形態では、ピストン棒シールは、例えば、Ｏ−リング、グラファイト隙間シール（clearance seal）、ガラス外筒中のグラファイトピストン、任意の空気ポット、あるいは、リップシールで活性化されるスプリング等の既知の技術に関する任意のシール機能を有するものであるが、これに限定されない。ある実施形態では、接近した間隙を有する任意のものがすべて用いられるが、別の実施形態では、例えばシールのような妨害（interference）を有するものがすべて使用される。典型的な実施形態では、リップシールで活性化されるスプリングが使用される。カリフォルニア州フットヒルランチのBAL SEALエンジニアリング社で製造されたものを含む、任意のリップシールで活性化されるスプリングが使用される。ある実施形態では、使用されるシールはBAL SEAL部品番号X558604である。
シールリング１６０６、１７０６の材料は、接触面１６０８、１７０８に対するシールリング１６０６、１７０６の各々の摩擦係数と、シールリング１６０６、１７０６が発生させるその磨耗との間のバランスを考慮することにより選ばれる。スターリングサイクルエンジンの高い動作温度でのように、ピストン潤滑が可能でないアプリケーションでは、エンジニアリングプラスチックリングが使用される。組成物の実施形態には、円滑で耐摩耗性の材料が載せられたナイロン母材を含んでいる。円滑にする材料の具体例には、ＰＴＦＥ／シリコーン、ＰＴＦＥ、グラファイト、その他が含まれる。耐摩耗性の材料の例にはガラス繊維と炭素繊維が含まれる。そのようなエンジニアリングプラスチックの具体例は、ペンシルベニア州エクストンのＬＮＰエンジニアリングプラスチック社によって製造される。支持環１６１０、１７１０には金属が好適である。
シールリング１６０６、１７０６とシールリング溝１６１２、１７１２との各々の間の嵌め合いには、動きばめ（約０．００２"・約０．０５０ｍｍ）が好適である。その一方で支持環１６１０、１７１０の嵌め合いには、より緩い適合（ある実施形態では、約０．００５"・約０．１２５ｍｍ）が好適である。シールリング１６０６、１７０６は、接触面１６０８、１７０８の各々に対すると共に、ピストン1６００又はピストン棒１７０４の移動方向とリング１６０６、１７０６の両端の圧力差の方向に依存して、シールリング溝１６１２、１７１２の各々の面１６１４、１７１４の一方に、圧力シールを提供する。
図１８Ａと図１８Ｂに図示するように、支持環１８２０が本質的に環状で対称的であるが、隙間１８００を有する場合、破線の支持環１８０２で示されるように、それは圧縮状態では卵型と考えられる。結果は、シールリング（図示せず、図１６に１６０６として図示、図１７に１７０６として図示）に及ぼされた不均一な半径方向応力又は周方向応力（矢印１８０４で描かれた）である。このために、各々の接触面（図示せず、図１６に１６０８として図示、図１７に１７０８として図示）に対するシールリングの不均一な圧力となり、その結果シールリングにむらのある摩耗を引き起こし、ある事象ではシールの故障を招く。
ピストンシール支持環１８２０に作用する不均一な半径方向応力又は周方向応力の問題の解決策は、実施形態に一致させるものでは、図１８Ｃと図１８Ｄで示されるように、隙間1８００から円周方向変位について変形する断面を有する支持環１８２２である。支持環１８２２の幅の先細りは、数字１８０６によって表示された位置から数字１８０８によって表示された位置で示される。また、図１８Ｃと図１８Ｄで示されるものは、シールリング１６０６の円周の閉鎖を提供する重ね接続１８１０である。あるシールでは寿命の間著しく摩耗するので、支持環１８２２は移動範囲内で均一な圧力（図１９Ｂの数字１９０４によって表される）が与えるべきである。図１８Ｃと図１８Ｄで示されるテーパ支持環１８２２は、この利点を備える。
図１９Ａと図１９Ｂは、実施形態に一致させて、ピストン形シリンダに対するピストンシールの不均一な半径方向応力又は周方向応力の問題の別の解を示すものである。図１９Ａで示されるように、支持環１９１０は卵型に作られる。その結果、シリンダ内の圧縮に際して、リングは、破線の支持環１９０２で示された環状の形である。図１９Ｂで示されるように、シールリングとシリンダ接触面の間の一定の接触圧力は、支持リング１９０２の均一な半径方向力１９０４によってもたらされる。
図１８Ｅと図１８Ｆに示されるように、ピストン棒シール支持環によって作用する不均一な半径方向応力又は周方向応力の問題の解は、実施形態に一致させて、隙間1812から円周方向変位について変形する断面を有する支持環１８２４である。支持環１８２４の幅の先細りは、数字1８１４によって表示された位置から数字１８１６によって表示された位置で示される。また、図１８Ｅと図１８Ｆに示されるものは、シールリング１７０６の円周の閉鎖を提供する重ね接続１８１８である。あるシールでは寿命の間著しく摩耗するので、支持環１８２４は移動範囲内で均一な圧力（図２０Ｂの数字２００4によって表される）が与えるべきである。図１８Ｅと図１８Ｆで示されるテーパ支持環１８２４は、この利点を備える。
図２０Ａと図２０Ｂは、実施形態に一致させて、ピストン棒接触面に対するピストン棒シールリングの不均一な半径方向応力又は周方向応力の問題の別の解を示すものである。図２０Ａで示されるように、（破線の支持環２０００で示される）支持環２０００は卵型に作られる。その結果、シリンダ内の膨張に際して、リングは、支持環２００２で示された環状の形である。図２０Ｂで示されるように、シールリング１７０６とシリンダ接触面との間の一定の接触圧力は、支持リング２００２の均一な心向きスラスト力２００４によってもたらされる。
図１６を再び参照して、実施形態に一致させて、ピストン１６００がシリンダ１６０４を上下に移動するので、ピストン１６００の任意の側面荷重も支えるために、少なくとも1個のガイドリング１６１６に設けられる。ガイドリング１６１６も、好ましくは、潤滑性材料が載せられたエンジニアリングプラスチック材料から作られる。ガイドリング１６１６の斜視図が図２1に示される。重ね継手２１００が図示されると共に、重ね継手２１００がガイドリング１６１６の中心軸に対して対角線である。
潤滑流体ポンプと潤滑流体通路
ここでは図２２を参照して、機械用のエンジン２２００の一実施形態の代表的な具体例が、ロッキングビーム駆動２２０２と潤滑流体２２０４を有して示される。ある実施形態では、潤滑流体は油である。潤滑流体はクランク室２２０６中のエンジン部品に潤滑油を塗るために用いられ、例えば流体力学の圧力によって潤滑油の塗られた軸受に供給される。エンジン２２００の可動部に潤滑油を塗ることは、さらにエンジン部品間の摩擦を低減すると共に、増加エンジン効率とエンジン寿命を更に増加する役目をする。ある実施形態では、潤滑流体は、油だめとして知られているエンジンの底に置かれ、クランク室全体に分配される。潤滑流体は潤滑流体ポンプを経由してエンジン２２００の別部品に配達される。そこでは潤滑流体ポンプはフィルタされた入口を経由して油だめから潤滑流体を集める。典型的な実施形態では、潤滑流体は油である。したがって、潤滑流体ポンプはここに油ポンプと呼ばれる。しかしながら、用語「油ポンプ」は、油が潤滑流体として使用されるような、典型的な実施形態と別の実施形態について記述するために専ら使用される。また、用語は潤滑流体あるいは潤滑流体ポンプを制限するためには解釈されない。
今図２３Ａと図２３Ｂを参照して、エンジンの一実施形態が示される。そこでは潤滑流体は、機械式オイルポンプ２２０８でクランク室２２０６に位置するエンジン２２００の別部品に行き渡らせる。油ポンプ２２０８は駆動歯車２２１０と遊び歯車２２１２を有する。ある実施形態では、機械的な油ポンプ２２０８はポンプ駆動アセンブリによって駆動される。ポンプ駆動アセンブリは駆動歯車２２１０に結合した駆動軸２２１４を有する。ここで、駆動軸２２１４は中間歯車２２１６をその上に有する。中間歯車２２１６は、クランク軸歯車２２２０によって好ましくは駆動される。ここで、図２４に示されるように、クランク軸歯車２２２０はエンジン２２００の主要なクランク軸２２１８に結合している。この構成では、クランク軸２２１８は、間接的にクランク軸歯車２２２０によって機械式オイルポンプ２２０８を駆動する。クランク軸歯車２２２０は、駆動軸２２１４上の中間歯車２２１６を駆動するものであり、次には、駆動軸２２１４は油ポンプ２２０８の駆動歯車２２１０を駆動する。
図２４に示されるように、ある実施形態では、クランク軸歯車２２２０がクランク軸２２１８のクランクピン２２２２と２２２４の間で位置する。他の実施形態では、図２５Ａから図２５Ｃで示されるように、クランク軸歯車２２２０はクランク軸２２１８の端部に置かれてもよい。
製作の容易さのために、クランク軸２２１８は複数の部品で構成されている。これらの実施形態では、クランク軸歯車２２２０はクランク軸のアセンブリ中でクランク軸部品の間に挿入される。
図２３Ａと図２５Ａで示されるように、ある実施形態では、駆動軸２２１４がクランク軸２２１８と垂直に位置する。しかし、ある実施形態では、図２５Ｂと図２５Ｃで示されるように、駆動軸２２１４がクランク軸２２１８と平行に位置する。
ある実施形態では、クランク軸歯車２２３４と中間歯車２２３２は鎖歯車である。ここでは、図２５Ｃと図２６Ｃで示されるように、クランク軸歯車２２３４と中間歯車２２３２はチェーン２２２６で連結される。そのような実施形態では、チェーン２２２６は、（図２６Ａから図２６Ｃでは２６００として示される）チェーンドライブポンプを駆動するために使用される。
ある実施形態では、クランク軸２２１８と駆動軸２２１４の間の歯車比は、動作の全体にわたって一定のままである。そのような実施形態では、歯車比がポンプ速度とエンジンの速度を均衡させるような、クランク軸と駆動軸との間で適切な歯車比を有することは重要である。これにより、特定のエンジンＲＰＭ（回毎分）の動作範囲によって必要とされる潤滑剤の規定された流れが得られる。
ある実施形態では、潤滑流体が電気ポンプによってエンジンの別部品に行き渡される。電気ポンプでは、ポンプ駆動アセンブリの必要がなくなる。これとは逆に、機械的な油ポンプでは、ポンプ駆動アセンブリが必要とされる。
図２３Ａと図２３Ｂを参照して、油ポンプ２２０８は、油溜めから潤滑流体を集めるために入口２２２８と、エンジンの様々な部品に潤滑流体を送る為の出口２２３０を有する。ある実施形態では、駆動歯車２２１２と遊び歯車２２１０の回転によって、油溜めからの潤滑流体が入口２２２８を経由して油ポンプに吸い込まれて、出口２２３０を通してポンプから吐き出される。油ポンプに吸い込む前に潤滑流体で見つかる微粒子を除去するために、好ましくは、入口２２２８にはフィルタを設ける。ある実施形態では、入口２２２８はチューブ、パイプあるいはホースによって油溜めに接続される。ある実施形態では、入口２２２８は油溜めと直接に流体連絡されている。
ある実施形態では、油ポンプ出口２２３０は、様々なエンジン部品内の一連の通路に接続される。この通路を経由して、潤滑流体が様々なエンジン部品に送られる。出口２２３０は通路と直通連絡されるように通路と一体化してもよいし、あるいは一本のホースかチューブ又は、複数のホースあるいはチューブにより通路と接続されてもよい。一連の通路には通路の相互に連結した回路網が好適である。その結果、出口２２３０は単一の通路入口に接続され、さらに、エンジンの潤滑された部品に潤滑流体を送ることができる。
図２７Ａから図２７Ｄには、一実施形態が示され、そこでは油ポンプ出口（図２３Ｂで２２３０として示される）がロッキングビーム駆動２７０４のロッカー軸２７０２内の通路２７００に接続される。ロッカー軸通路２７００はロッカーピボット軸受２７０６に潤滑流体を送り、ロッキングビーム通路（図示せず）に接続され、通路に潤滑流体を送る。ロッキングビーム通路は、連接リストピン軸受２７０８、リンクロッド軸受２７１０およびリンクロッド通路２７１２に潤滑流体を送る。リンクロッド通路２７１２はピストン棒連結軸受２７１４に潤滑流体を送る。連接棒２７２０の連接棒通路（図示せず）は、第1のクランクピン２７２２およびクランク軸２７２６のクランク軸通路２７２４に潤滑流体を送る。クランク軸通路２７２４は、クランク軸ジャーナル軸受２７２８、第２のクランクピン軸受２７３０およびスプライン軸通路２７３２に潤滑流体を送る。スプライン軸通路２７３２はスプライン軸スプライン継ぎ目２７３４および２７３６に潤滑流体を送る。ある実施形態中の油ポンプ出口（図示せず、図２３Ｂで２２３０として示される）は、メイン供給２７４０に接続される。ある実施形態では、油ポンプ出口もカップリング継手リニア軸受２７３８に接続され、カップリングリニア軸受に潤滑流体を供給する。ある実施形態では、油ポンプ出口は、チューブ又はホース、若しくは複数のチューブ又はホースを経由してリニア軸受２７３８に接続される。代替としては、リンクロッド通路２７１２がリニア軸受２７３８に潤滑流体を送ってもよい。
このように、メイン供給２７４０はジャーナル軸受面２７２８に潤滑流体を送る。ジャーナル軸受面２７２８から、潤滑流体がクランク軸主通路に送られる。クランク軸主通路は、スプライン軸通路２７３２とクランクピン２７２４の連接棒軸受の両方に潤滑流体を送る。
潤滑流体は、好ましくは前述の軸受から流れ出ることにより、油溜めまで送られて、油溜めに入る。油溜めでは、潤滑流体が油ポンプによって集められ、エンジンの全体にわたって再分配される。
チューブ熱交換器
例えばスターリングサイクルエンジンのような外燃機関は、高出力を達成するためにチューブヒータヘッドを使用する。図２８は、実施形態となるスターリングサイクルエンジンのシリンダとチューブヒータヘッドの断面図である。チューブヒータヘッド２８００の典型的な形態は、図２８に示されるように、燃焼室２８０４を囲むU字型のヒーター管２８０２のかごを使用する。シリンダ２８０６は例えばヘリウムのような、作動流体を有する。作動流体はピストン２８０８によって排出され、ヒーター管２８０２を通り抜ける。バーナ２８１０は、伝導によってヒーター管２８０２を通して作動流体を熱するために使用される、高温の燃焼ガスを生成するために燃料と空気の組合せを燃焼する。ヒーター管２８０２は再生器２８１２をシリンダ２８０６に接続する。再生器２８１２は、エンジンのサイクル中に作動流体から熱を吸収するか又は作動流体を熱する役目をする、体積に対する表面積の比が大きな材料のマトリックスである。ヒーター管２８０２は、ヒーター管２８０２を通過する燃焼ガスの流れに高表面積（high surface area）と高い熱伝達係数を提供する。チューブヒータヘッドの様々な実施形態は下に議論されると共に、先に述べられた米国特許第６５４３２１５号と第７３０８７８７号は、引用によってそれらの全体が組み入れられる。
図２９は、チューブヒータヘッドとシリンダの断面側面図である。ヒータヘッド２９０６は、ほぼ1個の閉鎖端２９２０（別名ではシリンダヘッドと呼ばれる）と開放端２９２２を有するシリンダである。閉鎖端２９２０は、バーナ３０３６（図３０に示される）に配置される、複数のU字型のヒーター管２９０４を有する。各U字型のヒーター管２９０４には外側部２９１６（別名では「外側ヒーター管」と呼ばれる）と内側部２９１８（別名では「内側ヒーター管」と呼ばれる）がある。ヒーター管２９０４によって、再生器２９１０にシリンダ２９０２が接続される。シリンダ２９０２はヒータヘッド２９０６の内部に配置され、ヒータヘッド２９０６によって典型的に支持される。ピストン２９２４はシリンダ２９０２の内側に沿って移動する。ピストン２９２４がヒータヘッド２９０６の閉鎖端２９２０に向かって移動すると、シリンダ２９０２内の作動流体が排出され、図２９の矢印２９３０と矢印２９３２によって示されるように、ヒーター管２９２４と再生器２９１０を通る流れを生成する。バーナーフランジ２９０８はバーナ３０３６（図３０に示される）用の取付面を提供する。また、冷却フランジ２９１２は冷却器（図示せず）用の取付面を提供する。
図３０を参照して、上述されるように、ヒーター管３００４を含むヒータヘッド３００６の閉鎖端は、燃焼室３０３８を有するバーナ３０３６に配置される。燃焼室３０３８の高温の燃焼ガス（別名では「排気ガス」と呼ばれる）は、ヒータヘッド３００６のヒーター管３００４と直接に熱接触する。熱エネルギは、伝導によって排気ガスからヒーター管３００４へ、そしてヒーター管３００４からエンジンの作動流体（典型的にはヘリウム）まで伝えられる。例えば窒素のような別のガスあるいはガスの混合気は、高い熱伝導率と低粘度を有する望ましい作動流体と共に使用される。不燃性のガスは様々な実施形態で使用される。熱が、ヒーター管３００４の表面まわりの排気ガス流として排気ガスからヒーター管３００４まで運ばれる。矢印３０４２は、排気ガスの流れの一般的な半径方向を示す。矢印３０４０は、排気ガスがバーナー３０３６から出るときの、排気ガスの流れの方向を示す。排気ガスの流れがヒーター管の底（つまりバーナー３０３６の底の近く）よりもヒーター管の上方部の近くでより大きいので、バーナー３０３６から出る排気ガスは、ヒーター管３００４の上方部（Ｕベンドの近くの）を過熱する傾向がある。
外燃機関の総合効率は、一部分が燃焼ガスとエンジンの作動流体の間の熱伝達効率に依存する。
一般に、図２９に戻って、内側ヒーター管２９１８は、摂氏数百度だけ外側ヒーター管２９１６より高温である。バーナー動力と、それ故に作動流体に供給される加熱の量は、内側ヒーター管２９１８の温度によって制限される。内側ヒーター管と外側ヒーター管がほとんど同じ温度ならば、熱の最高値が作動ガスに受け渡される。ここに記述されたように、一般に、実施形態では、外側ヒーター管への熱伝達を増加させるか、あるいは内側ヒーター管への熱伝達速度を減少させる。
図３１は、一実施形態による排出流濃縮器（exhaust flow concentrator）とチューブヒータヘッドの斜視図である。直交流（cross-flow）によるヒーター管のようなシリンダへの熱伝達は、チューブの上流の部分だけに一般に制限されている。しかしながら、チューブの後側側面（または下流の部分）の熱伝達は、流れの剥離と再循環のためにほぼ０である。排出流濃縮器３１０２は、外側ヒーター管の下流側（つまり後側側面）のまわりに熱排気の流動を送ることにより、排気ガスから外側ヒーター管の下流側への熱伝達を改善するために使用される。図３１に示されるように、排出流濃縮器３１０２はヒーター管３１０４の並び（bank）の外側に置かれたシリンダである。排出流濃縮器３１０２は、耐熱合金を用いて製造されるのがよく、例えばインコネル（登録商標）６００、インコネル６２５、ステンレス鋼３１０および３１６のような高ニッケル合金が好ましく、そしてさらに好ましくはハステロイ（登録商標）Xがよい。排出流濃縮器３１０２の開口部３１０６は、外側ヒーター管からみて同じ方向にある。開口部３１０６は、溝穴、丸孔、卵円孔、角穴その他のような形の任意の数である。図３１では、開口部３１０６は溝穴として示される。ある実施形態では、溝穴３１０６はヒーター管３１０４の径とほぼ等しい幅を有する。排出流濃縮器３１０２には、外側ヒーター管からの距離がヒーター管直径の1倍乃至2倍と等しい場合が好適である。
図３２は、図３１に示されるような排出流濃縮器を使用した、排気ガスの流れを示す。上述されるように、熱伝達は一般にヒーター管３２０４の上流側３２１０に限定されている。排出流濃縮器３２０２を使用して、排気ガス流は矢印３２１２によって示されるような開口部３２０６を通り抜けることを余儀なくされる。その結果、図３２に示されるように、排出流濃縮器３２０２はヒーター管３２０４の下流側３２１４を過ぎた排気ガス流３２１２を増加させる。ヒーター管３２０４の下流側３２１４を過ぎた排気ガス流が増加することによって、排気ガスからヒーター管３２０４の下流側３２１４への熱伝達が改善される。これは、次には作動流体への熱伝達効率を増加させて、エンジンの総合効率とパワーを増加させる。
図３１に戻って、排出流濃縮器３１０２は、また放射によってヒーター管３１０４の下流側への熱伝達を改善する。図３３を参照して、排気ガスと排出流濃縮器の間で十分な熱伝達が与えられて、排出流濃縮器３３０２の温度は、排気ガスの温度に接近する。ある実施形態では、排出流濃縮器３３０２は荷重を支えないから、従って１０００℃以上で作動する。対照的に、ヒーター管３３０４は、一般に７００℃で作動する。温度差のために、排出流濃縮器３３０２は、はるかに低温のヒーター管３３０４に対して熱的に放射して、その結果、ヒーター管３３０４とエンジンの作動流体への熱伝達を増加させる。次に、放射によってヒーター管に移動する排出流濃縮器３３０２によって捕らえられた熱エネルギの量を増加させるために、熱伝達面（またはフィン）３３１０が排出流濃縮器３３０２に付加される。フィン３３１０が、開口部３３０６の間であって、その開口部の外側寄りの位置で、排出流濃縮器３３０２に結合している。これによって、排気ガス流が排出流濃縮器に沿って送られ、その結果として、排出流濃縮器の各開口部で失われた放射熱エネルギを削減する。フィン３３１０は、好ましくは、点溶接により排出流濃縮器３３０２に付けられている。代替としては、フィン３３１０は排出流濃縮器３３０２に溶接されてもよく、ろう付けされてもよい。熱膨張の差と続いて起こるクラッキングを最小限にするために、フィン３３１０は排出流濃縮器３３０２と同じ材料から製造される。フィン３３１０は、耐熱合金を用いて製造されるのがよく、例えばインコネル（登録商標）６００、インコネル６２５、ステンレス鋼３１０および３１６のような高ニッケル合金が好ましく、そしてさらに好ましくはハステロイ（登録商標）Xがよい。
図３０に関して上述されるように、バーナーからの排気ガスの半径方向の流れはバーナーの出口に最も接近している場所（つまりヒーター管の上部Uベンド）が最も大きい。これは、部分的には、排気ガスがバーナーを出るときの突然の膨張と、排気ガスの流れに引き起こされた渦による。ヒーター管の頂部での高い排ガス流速によって、ヒーター管の頂部でのホットスポットを作成し、排気ガス流とヒーター管の下側部分での熱伝達を低減する。局所的な過熱（ホットスポット）は、ヒーター管の故障をもたらし、ひいてはそのためにエンジンの故障をもたらす。図３４は、実施形態で用いる排気流の軸方向均一化装置の斜視図である。排気流の軸方向均一化装置３４２０は、チューブヒータヘッドから半径方向に排気ガス流としてヒーター管３４０４の縦軸に沿った排気ガスの分布状態を改善する（排気ガスの典型的な半径方向の流れは図３０に示される）。図３４に示されるように、排気流の軸方向均一化装置３４２０は、開口部３４２２を備えたシリンダである。上述されるように、開口部３１０６は、溝穴、丸孔、卵円孔、角穴その他のような形の任意の数である。排気流の軸方向均一化装置３４２０は、耐熱合金を用いて製造されるのがよく、例えばインコネル（登録商標）６００、インコネル６２５、ステンレス鋼３１０および３１６のような高ニッケル合金が好ましく、そしてさらに好ましくはハステロイ（登録商標）Xがよい。
ある実施形態では、排気流の軸方向均一化装置３４２０がヒーター管３４０４と排出流濃縮器３４０２の外側に置かれる。代替としては、排気流の軸方向均一化装置３４２０がそれ自体で使用され（つまり排出流濃縮器３４０２なしで）、そして、排気ガスからヒーター管３４０４への熱伝達を改善するようにヒーター管３４０４の外側に置かれる。排気流の軸方向均一化装置３４２０の開口部３４２２は、図３４に示されるように、それらがヒーター管３４０４の底でより大きな開口部を提供するように形成される。言いかえれば、図３４に示されるように、開口部３４２２の幅はヒーター管３４０４の縦軸に沿って頂部から底部まで増加する。ヒーター管３４０４のより下側部分に近い排気流の軸方向均一化装置３４２０の開口部３４２２を通り抜ける排気ガス流の増加領域によって、ヒーター管３４０４の頂部付近で集中する排気ガス流の傾向が打ち消され、それによりヒーター管３４０４の縦軸に沿った半径方向の排気ガス流の軸方向分布を均一化する。
別の実施形態では、図３５に示されるように、ヒーター管３５０６間の間隔を低減するために、スペース要素３５０４が排出流濃縮器３５０２に付加される。代替としては、排気流の軸方向均一化装置３５２０が排出流濃縮器３５０４なしで使用される場合に、排気流の軸方向均一化装置３５２０（図３４に示される）にスペース要素３５０４を付加できる。図３５に示されるように、スペース要素３５０４はその開口部の間であって、その内側に置かれる。ヒーター管３５０６の側面を過ぎる排気ガスの速度を増加させることを排気ガスに強いるために、スペース要素３５０４によって狭い排気流通路が作られる。燃焼ガスの速度が増加することによって、燃焼ガスからヒーター管３５０６への熱伝達が増加する。さらに、スペース要素は、また放射によってヒーター管３５０６への熱伝達を改善する。
図３６は、他の実施形態に従うチューブヒータヘッド３６０６とバーナー３６０８の断面側面図である。この実施形態では、バーナー３６０８の燃焼室は、図３０に示されるようなヒーター管３６０４の組の上で向かい合うような、１組のヒーター管３６０４の内側に置かれる。穿孔された燃焼室ライナー３６１５は、燃焼室とヒーター管３６０４の間に置かれる。穿孔された燃焼室ライナー３６１５は、燃焼室の炎による直接の衝突から内側ヒーター管を防御する。排気流の軸方向均一化装置３４２０と同様に、図３４に関して上述されるように、穿孔された燃焼室ライナー３６１５はヒーター管３６０４の縦軸に沿う半径方向の排気ガス流を均等化する。これにより、ヒーター管３６０４の頂部（Uベンドの近く）を横切る半径方向の排気ガス流が、ヒーター管３６０４の底部を横切る半径方向の排気ガス流とほぼ等しくなる。穿孔された燃焼室ライナー３６１５を出る燃焼ガスが内側ヒーター管３６０４の間を通過するように、穿孔された燃焼室ライナー３６１５の開口部が配置される。燃焼ガスを内側ヒーター管３６０４の上流側から遠ざけることにより、内側ヒーター管温度が下がる。それによって、今度はより高いバーナー動力とより高いエンジン出力が可能になる。排出流濃縮器３６０２がヒーター管３６０４の外側に置かれる。排出流濃縮器３６０２は、図３１と図３２に関して上述される。
次には、エンジンの作動流体へ熱を運ぶために、チューブヒータヘッドの燃焼ガスからヒーター管への熱伝達を増加させる別の方法が図３７に示される。図３７は、実施形態に従う分流器フィンを含むチューブヒータヘッドの斜視図である。分流器フィン３７０２は、排気ガスからヒーター管３７０４への熱伝達を増加させるために、ヒーター管３７０４の下流側を含むヒーター管３７０４のまわりの排気ガス流を案内するのに使用される。分流器フィン３７０２は、分流器フィンの全長に沿ったヒーター管３７０４と熱的に接続される。したがって、排気ガスの流れを案内することに加えて、分流器フィン３７０２は、ヒーター管３７０４への伝導による熱伝達のための表面積を増加させ、それ故に作動流体についても同様である。
図３８は、実施形態に従って分流器フィンを含むチューブヒータヘッドの断面平面図である。典型的には、外側ヒーター管３８０６には大きなチューブ間の間隔がある。したがって、図３８に示されるようなある実施形態では、分流器フィン３８０２が外側ヒーター管３８０６上で使用される。他の実施形態では、内側ヒーター管３８０８（また図３９に３９０８として示される）に分流器フィンを置くことができる。図３８に示されるように、1組の分流器フィンは各々の外側ヒーター管３８０６に接続される。1個の分流器フィンはヒーター管の上流側に付けられている。また、１個の分流器フィンはヒーター管の下流側に付けられている。ある実施形態では、分流器フィン３８０２は、図３８に示されるような断面「Ｌ」字形である。1本のヒーター管の内部の（または上流側）分流器フィンが、曲がりくねった流路を形成するように隣接したヒーター管の外側の（または下流側）分流器フィンに重なるように、分流器フィン３８０２はそれぞれ外側ヒーター管にろう付けされる。分流器フィンによって引き起こされた排気ガス流の経路は、矢印３８１４によって示される。分流器フィン３８０２の厚みによって排気ガス流通路の寸法が減少して、排気ガス流の速度が増加する。これにより、外側ヒーター管３８０６への熱伝達が改善される。図３７に関して、上述されるように、分流器フィン３８０２は、また外側ヒーター管３８０６へ伝導で熱伝達するために外側ヒーター管３８０６の表面積を増加させる。
図３９は、実施形態に従って図３７のチューブヒータヘッドの部分断面の平面図である。図３８に関して、上述されるように、1組の分流器フィン３９０２は外側ヒーター管３９０６の各々にろう付けされる。ある実施形態では、分流器フィン３９０２は、ヒーター管の全長に沿ったニッケルろう付けを使用して、外側ヒーター管３９０６に付けられている。代替としては、分流器フィンとヒーター管の間の機械的及び熱的結合を提供する当該技術分野で既知の別の技術を使用して、分流器フィンが別の高温材料でろう付けされ、溶接され、又は接続される。
分流器フィンの他の実施形態が図４０に示される。図４０は、実施形態に従って片流れ分流器フィンを含むチューブヒータヘッドの部分平面図である。この実施形態では、片流れ分流器フィン４００２は各々の外側ヒーター管４００４に接続される。ある実施形態では、分流器フィン４００２は、ヒーター管の全長に沿ったニッケルろう付けを使用して、外側ヒーター管４００４に付けられている。代替としては、分流器フィンとヒーター管の間の機械的及び熱的結合を提供する当該技術分野で既知の別の技術を使用して、分流器フィンが別の高温材料でろう付けされ、溶接され、又は接続される。分流器フィン４００２はヒーター管４００４の下流側を含むヒーター管４００４のまわりの排気ガス流を案内するために使用される。排気ガスからヒーター管４００４への熱伝達を増加させるために、分流器フィン４００２がヒーター管４００４に熱的に接続される。したがって、排気ガスの流れを案内することに加えて、分流器フィン４００２は、ヒーター管４００４への伝導による熱伝達用の表面積を増加させ、それ故に作動流体についても同様である。
図４１は、実施形態に従って図４０に示されるような片流れ分流器フィンを含むチューブヒータヘッドの部分断面の平面図である。図４１に示されるように、分流器フィン４１１０はヒーター管４１０６の上流側に置かれる。分流器フィン４１１０はヒーター管４１０６の下流側から一定距離を維持し、それ故、ヒーター管４１０６への熱伝達を改善するように形成される。他の実施形態では、内側ヒーター管４１０８に分流器フィンを置くことができる。
エンジン性能は、パワーと効率の両方の面から、エンジンの膨張容積中の作動ガスの最高可能温度で最も高い。しかしながら、最高作動ガス温度は、典型的にはヒータヘッドの特性によって制限されている。チューブヒータヘッドを有する外燃機関に関しては、最高温度がヒーター管の冶金学的特性によって制限されている。ヒーター管があまりにも高温になる場合、エンジンの運転停止に帰着して、ヒーター管が柔らかくなり動かなくなる。代替としては、温度が高すぎる状態では、チューブは激しく酸化し動かなくなる。したがって、ヒーター管の温度を制御することがエンジン性能にとって重要である。熱電対のような温度感知装置が、ヒーター管の温度を測定するために使用される。温度センサの実装方式は、センサをヒーター管に熱的に接着し、且つはるかに高温の燃焼ガスからセンサを隔離することである。この実装方式は、ヒータヘッドの生命にあたるヒーター管の近くで生じる衝突する炎と、燃焼ガスの高温の酸化する環境に耐えるのに十分に頑丈である必要がある。1組の実装解決策では、ヒーター管に熱電対を直接ろう付けすることや溶接することが含まれる。熱電対は、最も高温の燃焼ガスに晒されたヒーター管の部分に取り付けられる。別の可能な実装方式は、温度センサの置換を可能にする。一実施形態では、温度センサはヒーター管に熱的に接合したサーモウェル（thermowell）内にある。別の実施形態では、実装方式は、スリーブのようなマウントであり、それはヒーター管に対して機械的に温度センサを保持する。
図４２は、シリンダ４２０４とバーナー４２１０の断面側面図である。温度センサ４２０２は、ヒーター管の温度をモニターし、かつ所望温度でヒーター管を維持するためにエンジンの燃料制御装置（図示せず）にフィードバックを提供するために使用される。ある実施形態では、ヒーター管はインコネル６２５を使用して製造され、所望温度は９３０℃である。所望温度は別のヒーター管材料に対しては異なる。温度センサ４２０２は最も高温の場所に設置されるべきであり、それはヒーター管の限られた箇所である。一般に、ヒーター管の中で最も高温の場所は、ヒーター管の頂部近くの内側ヒーター管４２０６の上流側となる。図４２は、内側ヒーター管４２０６の上流側での温度センサ４２０２の配置場所を示す。ある実施形態では、図４２に示されるように、温度センサ４２０２は、温度センサ４２０２とヒーター管４２０６の間でよい熱接触を提供するためにヒーター管に溶接される細長い金属４２１２と共にヒーター管に固定される。一実施形態では、ヒーター管４２０６と金属片４２１２の両方は、インコネル６２５又はインコネル６００、ステンレス鋼３１０、３１６、ならびにハステロイXのような別の耐熱合金である。温度センサ４２０２はヒーター管とよい熱接触状態にあるべきである。さもないと、温度センサ４２０２はあまりにも高い温度を読むことになり、エンジンは最大限のパワーを生成しない。他の実施形態では、温度センサシースは、ヒーター管に直接溶接される。
別の実施形態では、図４３Ａと図４３Ｂに示されるように、温度センサマウント４３２０は、インコネルのような耐火性又は耐高温性の金属のシース又は成形された細長い一片で作成されて、ヒーター管４３１０の外側に接着される。センサマウントシース４３２０は、ヒーター管に付けられた時、装置を収容する空洞を作るチャネルが形造られるか形成される。特定の実施形態では、チャネルは熱電対装置のような熱のセンサの挿入に適合するV字形である。次に、形造られたチャネルは、図４３Ａで示されるようなヒーター管４３１０の外側に接着される。
図４３Ａはヒーター管４３１０上のセンサマウントシース４３２０の側面図を示し、その一方で図４３Ｂはセンサマウントシース４３２０の軸に沿った図である。金属は成型するには十分に薄いが、ヒータヘッドの定格寿命を乗り切るためには十分に厚い必要がある。ある実施形態では、金属はほぼ厚さ０．００５"（約０．１２７ｍｍ）から０．０２０"（約０．５０８ｍｍ）の間にある。金属が湾曲しており、細長い一片の長さ方向に沿って屈曲が設けられている。次に、この「Ｖチャネル」シース４３２０は高温ろう付け法によってヒーター管の外側に張り付けられる。ろう付けに先立って、図４３Aに示されるように、シースがろう付けプロセスの間に移動しないことを確実にするために、シースが数箇所で仮付け溶接される。好ましくは、ろう付けに使用されるろう付け混合物は典型的には高ニッケル合金である；しかしながら、ろう付け温度に耐える任意の混合物も用いられる。代替としては、シースは電子ビームまたはレーザ溶接によってヒーター管に接着されてもよい。
ここでは図４３Ｂを参照して、空胴４３３０はヒーター管にシースを張り付けることで形成される。この空胴４３３０は、熱電対のような装置を受け入れるように形成される。成型されて、ろう付けされた時、空胴が熱電対に適合するように好都合の大きさに合わせられる。好ましくは、この適合は、熱電対がヒーター管の外側に対して押されるような状態である。好ましくは、シースは、ヒーター管に熱的に接続される。シースがヒーター管に熱的に接続されていない場合、シースは作動ガスによって「冷却」されない。冷却の不足によって、シースは燃焼ガス温度又はその近くの温度で作動することになる。燃焼ガス温度は、典型的には、どんな金属も結局溶かしてしまうのに十分な高さである。ヒーター管へのセンサマウントのろう付けによって、よい熱接触が得られる。代替としては、十分な熱的接続を提供するために両側に沿って連続的にセンサマウントシース４３２０を溶接してもよい。
別の実施形態では、図４４Ａと図４４Ｂで示されるように、第２の金属の細長い一辺がセンサマウント４４２０上のシールド４４５０を形成するために成型される。シールド４４２０は空胴４４３０内の温度センサとヒーター管４４１０の間の熱的接続を改善するのに用いられる。シールドは高温の燃焼ガスの対流加温からセンサマウントシース４４２０を隔離し、従ってヒーター管への熱的接続を改善する。更に、図４４Ｂで示されるように、高温の燃焼ガスから温度センサをさらに隔離することを支援する絶縁空間４４４０を設けるのが好ましい。
別の特定の実施形態では、図４５Ａと図４５Ｂで示されるように、温度センサマウント４５２０は、ヒーター管４５１０の前縁に結合された小口径チューブかスリーブ４５４０である。図４５Ａはヒーター管４５１０上のマウントの側面図を示し、その一方で図４５Bは小口径チューブ４５４０あるいはスリーブの軸に沿った図である。センサチューブ４５４０は、好ましくは、本質的なろう付け隅肉４５３０を有するヒーター管にろう付けされる。大きなろう付け隅肉４５３０は、ヒーター管とセンサマウントの間の熱的結合を最大化する。別の実施形態では、チューブまたはスリーブ４５４０にはシールドを有する。上記されるように、外側シールドカバーは対流熱伝達から温度センサマウント４５２０を隔離することを支援して、ヒーター管への熱的接続を改善する。
チューブヒータヘッドの他の実施形態では、U字型のヒーター管は何回か螺旋形に巻かれたヒーター管に置き替えられる。典型的には、排気ガスと作動流体の間と類似の熱伝達を達成するためには、螺旋形に成型されたヒーター管はより少数で済む。ヒーター管の数を減らすことにより、ヒータヘッドの材料と制作費が低減される。一般に、螺旋形のヒーター管は、フィンを付加すると共に成型する追加の組立て工程を不要とする。さらに、螺旋形のヒーター管は、故障し得る継ぎ目の設置数が少なくなるので、それにより、ヒータヘッドの信頼度が増加する。
図４６Ａから図４６Ｄは、ある実施形態に基づく螺旋形のヒーター管の斜視図である。螺旋形のヒーター管４６０２は、図４６Ａで示されるように、詰まったらせんコイル４６04を成形するために、単一の長い1本の管材料からマンドレルの周りを管材料で包むことにより成形される。次に、螺旋４６０６からの直線のもどり流路を作成するために、チューブは直角にぐるっと曲げられる。もどり流路が正しい角度で計測できるように、最後の螺旋形のループが成形される前に、直角に成型される。図４６Ｂと図４６Ｃは、螺旋形のヒーター管についてのさらなる図を示す。図４６Dは、直線のもどり流路４６０６がらせんコイル４６０４の中心を通り抜ける螺旋形のヒーター管の他の実施形態を示す。図４７は一実施形態による螺旋形のヒーター管を示す。図４７では、螺旋形のヒーター管４７０２は二重らせんとして成型される。ヒーター管４７０２は二重らせんを成形するために巻かれたU字型のチューブを用いて成型される。
図４８は、一実施形態による（図４６Ａ示されたような）螺旋形のヒーター管を有するチューブヒータヘッドの斜視図である。螺旋形のヒーター管４８０２の中心に燃焼室４８０６を成形するために、螺旋形のヒーター管４８０２はヒータヘッド４８０３の頂部で円形パターン状態であるように取り付けられる。螺旋形のヒーター管４８０２は、燃焼室４８０６の外部の周囲に有意な熱量交換面を提供する。
図４９は、ある実施形態で用いる螺旋形のヒーター管を備えた、バーナーとチューブヒータヘッドの断面図である。螺旋形のヒーター管４９０２は、再生器４９０４の高温端をシリンダ４９０５に接続する。螺旋形のヒーター管４９０２は、同軸で螺旋形のヒーター管４９０２の上方に取り付けられるバーナー４９０７用の燃焼室４９０６（また図５０に５００６として示される）を形成するように配置される。燃料と空気はバーナー４９０７ののど４９０８で混ぜられ、燃焼室４９０６で燃焼する。矢印４９１４で示されるように、高温の燃焼ガス（または排気ガス）が螺旋形のヒーター管４９０２を横断して流れて、それが螺旋形のヒーター管４９０２を通過するとき、作動流体に熱を供給する。
一実施形態では、排気ガスが各ヒーター管のらせんコイル部分４９０１（また図５０に５００１として示される）から入り、かつコイルの頂部から出ることを防ぐために、ヒータヘッド４９０３（また図５０に５００３として示される）は、各々の螺旋形に巻かれたヒーター管４９０２の頂部にヒーター管キャップ４９１０をさらに有する。別の実施形態では、金属の環状に成型された部分は、螺旋形に巻かれたヒーター管のすべての頂部をカバーする。ヒーター管キャップ４９１０は、螺旋形のヒーター管間で螺旋形のヒーター管の頂部へのヒータヘッド軸に沿った排気ガスの流れを防ぐ。一実施形態では、ヒーター管キャップ４９１０は、インコネル６２５、又はインコネル６００、ステンレス鋼３１０および３１６、ならびにハステロイXのような、別の耐熱合金である。
別の実施形態では、螺旋形のヒーター管４９０２の下のヒータヘッド４９０３の頂部は、形成しやすいセラミックペーストで覆われている。セラミックペーストは、排気ガスに加えて燃焼室４９０６の炎によって高温になる衝突からヒータヘッド４９０３を隔離する。さらに、セラミックは、螺旋形のヒーター管４９０２の間又は各ヒーター管のらせんコイル部分４９０１の内側のいずれかの螺旋形のヒーター管４９０２の底へのヒータヘッド軸に沿った排気ガスの流れを阻止する。
図５０は、一実施形態による螺旋形のヒーター管を持ったチューブヒータヘッドの平面図である。図５０に示されるように、各々の螺旋形のヒーター管５０００の戻り部または直線部分５００２は、隣接した螺旋形のヒーター管５０００間の間隔５００９の外側寄りに、好都合に置かれる。螺旋形のヒーター管５０００間の間隔５００９を通り抜ける排気ガスの流れと、螺旋形のヒーター管５０００を通り抜ける排気ガスの流れとを、均衡させることは重要である。間隔５００９の外側寄りに螺旋形のヒーター管の直線部５００２を置くことによって、螺旋形のヒーター管を通過する排気ガスに対する圧力降下が増加して、その結果、熱伝達と熱交換領域によって広いらせんコイルを通り抜ける排気ガスを増加させることを余儀なくさせる。螺旋形のヒーター管間を通過しない排気ガスは、螺旋形のヒーター管の直線部５００２に衝突して、排気ガスと直線部の間の高い熱交換を提供する。図４９と図５０の両方は、螺旋形のヒーター管間の排気ガスの流れを最小限にするために、そしてその結果熱伝達を最大化するように、螺旋形のヒーター管を可能な限り互いに近づけて置いたことを示す。一実施形態では、コイルがともに入れ子になるように、螺旋形の巻かれたヒーター管４９０１が配置される。
ピンあるいはフィン熱交換器
ここでは、図５１Ａと図５１Ｂを参照して、フィンあるいはピンは高温流体の燃焼生成物と固体のヒータヘッドの間の界面面積を増加させるために二者択一で使用される。これにより、今度は、エンジンの作動流体へ熱を伝達する。ヒータヘッド５１００は、ヒータヘッドと膨張シリンダライナー５１１５の間の空間の中に、伝熱ピン５１２４を有する。ここで、伝熱ピン５１２４がヒータヘッド５１００の内表面に示される。加えて、伝熱ピン５１３０もヒータヘッド５１００の外面に配置される。これは、図５１Ｂのスターリングサイクルエンジン５１９６の膨張容積５１９８の径に沿って得られた断面図で示されるが、この径は図５１Ａの膨張容積５１９８の径とは異なる径である。この結果、伝熱ピンを過ぎた燃焼器５１２２から流れる燃焼ガスからヒータヘッド５１００への（それ故、作動流体への）伝導による熱伝達に対して大きな表面積を提供する。破線５１３１は、膨張シリンダの縦軸を表わす。また図５１Ｂは、一実施形態によって、ヒータヘッド５１００の頂部の内面と外面を覆う伝熱ピン５１３３を示す。内側に面する伝熱ピン５１２４は、ヒータヘッド５１００から、膨張ピストンによって膨張容積５１９８から排出されると共に再生器室５１３２を通り抜けた作動流体への、伝導による熱伝達用に大きな表面積を提供する役目をする。ヒータヘッド５１００の追加の実施形態は米国特許第６３８１９５８番と第６９６６１８２番に開示される。これらは、前述されており、引用によってそれらの全体が組み入れられる。
ヒータヘッド５１００の寸法に依存して、何百あるいは何千もの内側転写ピン５１２４と外側伝熱ピン５１３０が必要になる。
伝熱ピン５１２４と５１３０を有するヒータヘッド５１００を製造するひとつの方法として、ヒータヘッドとピン（あるいは別の突起物）とを一体構造として鋳造する方法がある。ヒータヘッドとピンとを一体構造として製造する鋳造方法には、例えば、インベストメント鋳造法、砂鋳造法、およびダイカスト鋳造法がある。
ピン状フィンを使用することによって、物体表面と流体との間の熱伝達を改善できることが知られている。また、１つの製造工程でヒータヘッドとその熱伝達表面を鋳造することは、ヒータヘッドを製造するに当たって、コスト上最も効果的なものの一つである。しかし、スターリンエンジンのシリンダのヒータヘッド表面に半径方向のピン状フィンを設ける一体型の鋳造は、現状技術で実用化されていないし、示唆もされていない。半径方向のピン状フィンを設ける一体型の鋳造において遭遇する困難な問題については後で更に説明する。シリンダ壁の一部として鋳造するピン状フィンによって、スターリンエンジン用の高効率のヒータヘッドおよび／あるいは冷却器を低価格で製造することが可能となった。
鋳造は、必要とする部品のメス型を使用して製造される。鋳造の生産様式の全て（砂、インベストメント、およびインジェクション）において、まず鋳型の中に材料を注入して張り出した（extended）表面と細部を形成して、次に、必要なオス型あるいはメス型が後に残るように材料から鋳型を取り外すことを含む。材料から鋳型を取り外すためには、すべての張り出した表面が少なくとも平行であることが必要となる。実際の良い設計慣行では、きれいに取り外すことができるように、これらの張り出した表面上にはわずかな逃げが必要になる。シリンダの内側または外側に半径方向のピンを形成するためには、違った方向へ離型することができる数十、数百の部品からなる鋳型が必要になる。そのような鋳型は極めて高価なものとなる。
様々な実施形態において、砂、インベストメント、あるいは金属インジェクション鋳造法を使用して、スターリング熱交換器の内側表面と外側表面上にピンやフィンを設けることができる。図５２Ａから図５２Ｄと図５３Ｄの中から最初に図５２Ａを参照すると、互いに平行なピン５２０２が、ヒータヘッド５１００のシリンダ壁５２１０の周りに設けられた数個のピンのグループ５２０８内に配列されている。図５２Ｂには中心軸と平行な断面が、そして図５２Ｃには中心軸と垂直な断面が示されている。ここで説明する技術は、他のどのような熱伝達器であっても、有効に適用できる点に留意する必要がある。ピンのグループ５２０８内のピン５２０２は互いに平行である。そして、そのグループ内の中央に位置するピン５２０２のみ真に半径方向を向いている。図５２Ｃと図５２Ｄにおいて５２０４の番号で指定されるグループの外側に位置するピンは、その位置での半径方向よりも内側に角度をもって傾いている。こうすることによって、グループの中心に引いた半径方向の線５２１２に対してほぼ平行になっている。更に、グループの外側のピンを、グループの中心に近いピンよりも少しだけ長くすることが望ましい。しかし図５２Ａから図５２Ｃと図５３Ｄに示したような、平行なピン群となる５個のグループ５２０８によって、シリンダ５２１０の周囲に略半径方向のピン状フィンが形成される実施形態においては、グループの中央からグループの外側にかけて熱伝達はわずかに変化するだけである。
ある実施形態の鋳造プロセスでは、平行なフィンの各グループのオスまたはメスの鋳型は一体に形成される。その後砂鋳造用としてメス型を形成するために数個の鋳型片が組み付けられる。インベストメントモールド鋳造では、ワックスのオス型が、別の方向に分離して取り出せる少数の部品として、インジェクションモールドによって形成される。このようにして得られる鋳型は、許容できる範囲のコストで成形でき、これによりピン状フィンを設けたヒータヘッドが実際に、経済的に生産できる。
シリンダ壁面の内側と外側に伸びるピンのような突起物を有するヒータヘッドを鋳造することは、種々の実施形態によれば、砂鋳造法、ダイカスト鋳造法、又は他の鋳造法と同様に、インベストメント鋳造法、又はロストワックス鋳造法によって実現できる。外側又は内側の突起物、またはそれらの両方を備えたヒータヘッドの部分を一体として鋳造できる。
機械加工やピンアレイを組み立てる方法をとるよりも、より安くできるが、ピンアレイを鋳造することには、なお付随する困難さとかなりのコストを伴う。更に、鋳造工程によってヒータヘッドのピンが十分に密集していない状態が得られると、ガスがヒータヘッドの表面に接触しないで通過する割合を高くして、熱伝達率を低下させる。
ヒータヘッド５１００の表面に伝熱ピンを実装する別の方法の一実施形態として、ヒータヘッド５１００と伝熱ピンアレイとを別の製造工程により製造することを必要とする。伝熱ピン５２５２のアレイ５２５０（また図５３Ｂで５３５０として示される）は、パネル５２５４と一緒に鋳造するかまたはインジェクションモールドによって成形して、図５２Ｄに示すような裏板を有する一体型のパネル構造をつくる。鋳造またはモールディングした後のピンアレイ５２５０は、高温ろう付けによって、ヒータヘッドの内面及び外面に取り付けられる。したがって、ガスがピンの間を接触しないで通過する比率を小さくできる、ピンがより密集したヘッドを実現する。別の実施形態として、パネル５２５４は種々の機械的な方法によりヒータヘッドに固定することができる。
例えば、宇宙航空構造金属ハンドブック（Aerospace Structural Metals Handbook, Code 4218, p.6 （1999））に記載された過渡液相（ＴＬＰ; Transient liquid-phase）接合は、パネルをヒータヘッドへろう付けする方法に比べて特に有利なものとなる。これは、ヒータヘッドの製造に一般に使用されている材料であるニッケルベースの超合金は、従来のプロセスで溶接することは困難であり、高い応力レベルと高い温度環境で使用されるからである。この応用分野におけるＴＬＰ接合の利点は、ＴＬＰによって固定された部品は、母材を使うことによって効果的に溶接することができ、一体型鋳造部品とほとんど同じ引張り強度特性を持つことである。ＴＬＰ接合は温度が上昇しても再溶融しないが、一般的なろう付けの場合、ろう付け温度にあげると再溶融してしまう。この応用のように、温度の暴走（excursions）が生ずるかも知れない高温での連続運転において特に重要になる。
ピンの付いたパネル５２５４を、他の手段によってヒータヘッドや冷却器のいずれかの内面または外面に取り付ける。一実施形態では、パネルの側方のエッジをスロットの中に入れ機械的に取り付ける。このスロットは後述する仕切板５３０６によって形成される。また別の実施形態では、パネルはろう付けによってヒータヘッドまたは冷却器に取り付けられる。更に別の実施形態では、ヒータヘッドまたは冷却器のシリンダ壁面に、パネルは焼結法（sintering）によって取り付けられる。
図５２Ｃ、図５３Ａ、図５３Ｂで示すように、仕切板５３０６はピン状フィンパネルの熱伝達の効率を改善することに寄与する。更に、仕切板は温度センサを配置する場所を提供する。また、一実施形態では、仕切板はピンの付いたパネルをヒータヘッドに取り付けるために都合のよい構造にでき、更に別の実施形態では、仕切板部分を鋳造の際の分離線とする。
仕切板５３０６は、以下の理由によってピン状フィンアレイの熱的な効率を向上させるのに役立つ。再び図５２Ａを参照すると、千鳥状に配置したピン状フィンの間を流れる流体に対する熱伝達の効率は、一直線状に配置したピン状フィンの間を流れる場合よりもかなり高い。千鳥状に配置したピンアレイ５２０８の間を流れる流体は、シリンダの長手方向に沿った軸方向経路に対して４５度の角度で移動する。これは数字５２１４を付した斜めの方向である。熱伝達を向上させるために、本発明の好適な実施形態においては、数字５２１２を付した経路に沿って千鳥状に配置したピン状フィンの間を通って流体を強制的に流すために仕切板５２０６、５３０６が設けられている。軸方向に流体を強制的に流すことに加えて、仕切板は上述した鋳造部品を取り付けるために都合の良い接触面と取付面を提供する。
ある実施形態では、各々その関連するパネル部分５２５４を有する個々のアレイ５２５０は、ヒータヘッド周りの円周距離の弓形の小片を構成する。このことは、図５３Ａの斜視図に示すヒータヘッドアセンブリを上方から見れば明らかである。シリンダヘッド５３２０が、ヒータヘッドの外表面５３０２として、示されている。伝熱ピンのアレイを支持する裏材料のセグメントは、図示されていないが、組み立てる際にヒータヘッドの外表面５３０２を取り巻く空間５３０４の中に挿入される。連続する伝熱ピンアレイのセグメント間には台形状の仕切板５３０６があり、これは排出ガスが伝熱ピンの間を通って下方へ流れるようにブロックする隔壁となる。
一実施形態では、流れ仕切板５３０６には、組み立て中、ろう付け前にパネルセグメント５２５４を機械的に保持するための構造、またはヒータヘッド５３０２に対してパネル５２５４を単に保持するために必要な構造が設けられている。
エンジン出力を最大にするために、金属学的なクリープや引っ張り強度、応力、そして適切な安全係数を考慮して、ヒータヘッドの高温部分は、許容される最大温度に維持することが好ましい。ヒータヘッドの高温部分を最大温度に維持するためには、そのヒータヘッドの高温部分の温度を計測することが必要になる。仕切板は、ピン状アレイに沿った軸方向の任意の位置のヒータヘッド上に温度センサを配置して、その配線を行うのに都合の良い場所を提供する。高温ガスの流路５３１３（図５１A参照）はヒータヘッドの外側に設けたガス流路カバー５３４０によって定義される。排気ガスは仕切板５３０６を通過しては流れないので、熱電対（図５１Aと図５３Cに示す）のような温度センサは、ヒータヘッド５１００に熱的に接触させてその温度をモニタするために仕切板５３０６の中に配置される。ピンアレイ５２５０と仕切板５３０６内に取り付けられた温度センサ５１３８の位置は、ピンを支える物（pin backer）を取り除いた状態で図５３Ｂに、より明確に示してある。
温度センサデバイス５１３８は図５３Ｂに示すように、好ましくは仕切板の内部に配置される。特に、温度センサ５１３８の温度検出用チップ５３３９は、仕切板のスロット内のシリンダヘッド５３２０にできるだけ近い位置に配置するのが望ましい。この領域がシリンダヘッドの中で最も温度の高い部分だからである。これに代えて、温度センサ５１３８はシリンダヘッド５３２０に直接取り付けてもよいが、スロット内のセンサの位置は、前述したような位置がある実施形態で用いられる。出力と効率の両方に関係するエンジン性能は、最大可能温度で最大値となるが、この最大温度は一般的には金属学的特性によって制限される。したがってセンサ５１３８は最も高温の部分の温度を計測する位置に設置され、それ故ヒータヘッドのごく限られた部分である。更に、図５３Cに示すように、温度センサ５１３８は、セラミック絶縁体５３４２によって燃焼ガスと仕切板５３０６の壁から断熱されている。また、セラミックは温度センサを所定位置に保持するように仕切板の壁との間で接着結合を形成する。更に温度センサ５１３８の電気リード線５３４４は、電気的に絶縁する必要がある。
バーナーは円周対称性を有するように設計されているが、過熱点はヒータヘッド５３２０上で発展する。問題を増やすこととして、ヒータヘッドの製造用に典型的に使用される合金には、その高融点を理由とするが、比較的熱伝導率が乏しい。一旦過熱点が生ずれば、仕切板５３０６（図５３Ａの中で示される）がいかなる円周方向の流れも妨害するので、ヘッドの外側のガス流が円周方向というよりむしろ軸方向であるので、過熱点は持続しがちである。加えて、加熱により局所的なガス粘性が増加するので、別の流路（channel）へより多くの流れを変える。ヒータヘッド上の温度分布を一様にするために、銅のような高い熱伝導性金属の層が、蒸着、めっき又は別の適用方法によって、ヒータヘッド５３２０の内表面５３４８に形成される。この層の厚さは０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）より厚く、好適には約０．００５インチ（０．１２５ｍｍ）である。他の実施形態では、類似のコーティングを外側表面に形成することもできる。
スターリングサイクルエンジンの寸法を小さくしておくために、燃焼ガスからヒータヘッドまで熱流束を最大化することは重要である。先行技術は作動流体への熱伝達が達成されるパイプのループを使用したが、ループがより複雑なループ形状と余分な資材を有するために、ループが機械的に脆弱であるので、信頼度の低下と共に、より高額の費用の両方を発生させる。熱流束を制限する拘束条件は、加圧されたヒータヘッドの構造の完全性を維持しつつ、燃焼室の高温に耐えられるヒータヘッド材料の熱機械的性質である。最高の設計温度は、ヒータヘッド上の最も高温の点で決定され、それは典型的には壁の頂部にある。理想的には、例えば燃料流量の制御により制御されるとき、ヒーター壁全体の高温部はこの最高温度である。
燃焼ガスがガス流路５１１３、５３１３（図５１Aで示される）のヒータヘッドを過ぎて進む時に、熱がガスからヒータヘッドまで移動して、ガス温度が低下する。その結果、ガス流路の頂上でヒータヘッド温度として許容され最高値は、ヒータヘッドに使用された材料によって設定される。ヒータヘッドは高ニッケル合金、一般的には超合金として知られているインコネル６００（軟化点最大温度Tmax=８００℃）、インコネル６２５（Tmax=９００℃）、インコネル７４５（Tmax=１０８０℃）、あるいはハステロイＧＭＲ２３５（Tmax=９３５℃）で作ることが望ましい。ガス流路５１１３、５３１３のガスは、流路を通しての移動で３５０℃に冷却され、高温領域の底の下側加熱が得られる。
ある実施形態に従って、ここで記述するように、ヒーター壁の温度プロフィルは熱伝達形状によって制御される。熱伝達形状を制御する1つの方法は、可変断面ガス流路５１１３、５３１３（図５１Ａ及び図５４Ａで示される）を設ける手法を用いることである。ヒータヘッドの壁に垂直である半径の寸法、即ちガス流路の断面は、ヒーター壁の頂上で大きく、この結果ガスの多くが壁の頂上のピンアレイを回避することを可能にする。バイパスによって、より高温のガスが壁の底のピンアレイに達することが可能になり、この結果底のピンアレイが最高温度に接近して作動することが可能になる。ヒーターの頂上から高温部の底（図５１Ａで示される再生器容積５１３２の前の）までの温度勾配は、可変断面ガス流路を使用して、３５０℃から１００℃に低下した。
熱伝達形状を制御する第２の方法は、ガス流路に沿う位置の関数として設置密度とピンアレイの形状を変更することである。ピンの形状は、ピンの高さと径の比率（Ｈ／Ｄ）を変更することにより調整される。鋳造プロセスがピンアレイを成形するために使用される場合、Ｈ／Ｄの割当て範囲がプロセスによって制限される。ピンリングが使用される場合、Ｈ／Ｄ比率の範囲が拡大される。
ここでは図５３Ｅ、図５３Ｆ、図５４Ａ及び図５４Ｂを参照して、矢印５４０２は、ヒータヘッド５１００を通過した熱せられた排気ガスの経路を示す。外側伝熱ピン５１３０は、熱した排気ガスを遮って、ヒータヘッド５１００と内側伝熱ピン５１２４を経由して、膨張シリンダ５１１５により経路５４０４に沿って駆動される作動流体へ熱を移転する。（明快にするために、伝熱ピン５１３０、５１２４が、図５４Ａで概略的に示される。追加の伝熱ピン５１３０、５１２４が図５３Ｅ、図５３Ｆ及び図５４Ｂで表されるが、縮尺比に基づく拡大縮小をしていない。）例えば、連続した伝熱ピン５４０６、５４０８および５４１０は経路５４０２に沿った排気ガスの流れに対して次第により大きな交差部分を現す。このように、排気ガスはより下側のピンへの到着に先立ってその熱のある部分を移動しているが、熱はより大きな伝導速度でそこで抽出され、その結果として、膨張容積５１９８と再生器容積５１３２の間における作動流体の経路の頂部４１２と底５４１４の間の温度勾配を低減する。膨張シリンダ５１１５の表面の典型的な温度は図５４Ａで表わされる：円筒の頂部で８５０℃、円筒の中央部で７５０℃、および再生器容積に近い円筒の底で６００℃である。
図５４Ａの中で示されるように、排気ガスからヒータヘッドまで熱のより均衡のとれた分布を達成する別の方法は、同心テーパピン裏金（tapered pin backer）５１４６によるヒータヘッドの外径に先細の仕切板を作成することである。図５４Ａの断面図は、最も高温の排気ガスのある部分がヒータヘッドの頂部近くのピンを回避するのをテーパピン裏金５１４６がどのようにして可能にするかを示す。テーパピン裏金５１４６は、ピンの外側で狭隘になる環状の間隔を作出して、排気ガスがピン熱伝達器へ次第に寄るように強制する。
ヒータヘッド５１００のような固体部分と燃焼ガスのような流体との間の接触表面を大きくする別の実施形態について、図５５Ａから図５５Ｄを参照しながら説明する。鋳造またはその他の方法によって製造された伝熱ピンと類似する効果が、薄い円環リング５１６２にパンチング穴５１６０を設けることによって得られる。この円環リング５１６２の平面図を図５５Ａに、側面図を図５５Ｂに示す。リング５１６２（これを伝熱ピンリングと呼ぶ）の厚さは、上述した伝熱ピンの厚さに相当するものであり、穴の内部を通過する燃焼ガスによって加熱された高温状態での、その熱伝導材料の強度によって決定される。各リング内における穴５１６０の形状と配置は、特定の応用例に合わせて設計すべき事項であり、実際にも穴５１６０が固体材料によって周囲を取り囲まれていない。リング５１６２の材料としてはインコネル６２５やハステロイＧＭＲ２３５のような耐酸化性の金属が好ましいが、別の熱伝導材料を使用できる。リング５１６２は金属の打ち抜きにより低価格で作ることができる。リング５１６２はその後ヒータヘッド５１００の外側表面にろう付けされ、あるいは他の方法で結合される。外側ピンリング５１６４を図５５Ｃに示し、内側ピンリング５１６６を図５５Ｄに示す。ピンリングの間の垂直方向スペースを制御するためにピンリングの間に追加のリングを所々に配置しても良い。図５５Ｄの内側ピンリング５１６６の内側に膨張シリンダライナ５１１５が描かれている。
熱サイクルエンジンの冷却器の内側と外側の両方に適用できるのと同様、ヒータヘッドの場合にもその内部に伝熱リング５１６２を適用できる。この場合には、リングは高い耐酸化性を有している必要はない。冷却器に使用するリングは、アルミニュウム、銅、亜鉛等を含む種々の高熱伝導性の材料の内の一つから作ることが望ましく、ヒータヘッドの内側には、銅やニッケルを含む材料を使うのが望ましい。
シリンダ軸５１６８に垂直な面でスライスした伝熱ピンの断面積の合計は、一定である必要はなく、逆に図５４に関連して前に詳細に説明したように、変化させたほうが有利になる。
図５６Ａから図５６Ｃを参照して、熱伝達表面の内側又は外側は、様々なひだ状のフィン構造５６００、５６０２、或いは５６０４から成形されてもよい。ひだ状のフィン構造は、ヒータヘッド圧力ドームと同じような材料や、改良されたフィン効率を提供する銅のような高い熱伝導率材料で製造されてもよい。ヒータヘッド５１００（図５１Aで示される）の材料ような高融点材料から製造されたフィンは、ヒータヘッドの頂部から底まで連続的である。ひだ状フィンは薄板金から製造されて、ヒータヘッドの内表面にろう付けされてもよい。３個のひだ状フィン構成が具体例を通して示される：波状のフィン５６００、槍で突かれたフィン５６０２およびオフセットフィン５６０４である。各場合において、ガス流動方向は数字５６０６で示された矢印によって表示される。
熱膨張の差異によりフィンとヒータヘッドの間のろう付け結合が壊されることを回避するために、ヒータヘッド５１００の材料と異種金属で成形されたフィンは、軸方向のセグメントで付けられる。図５６Ｃのオフセットフィン構成によって、平坦なフィンの熱伝達係数に対して卓越した熱伝達係数が好都合に得られる。
ひだ状フィンに対して高熱伝導率の金属を使用することは、フィンがより長くなることを好都合に可能にし、その結果として、ガス流の熱伝達を改善し、ガス流の抵抗を低減し、エンジン効率を改善する。
ヒータヘッド支持リブ
ヒータヘッドの壁面は、運転中の温度において、作動ガスの高圧に耐えられるだけの十分な強度を有する必要がある。スターリンサイクルエンジンは、できるだけ高い作動ガス圧力下で運転することが望ましく、したがって、ヒータヘッドが高圧に耐えるようにすることは非常に有利になる。ヒータヘッドを設計する際、与えられた運転温度において圧力を上げると、一般的にはヒータヘッドの板厚を直接比例させて厚くする必要があることを考慮しなければならない。一方、ヒータヘッド壁を厚くすることにより、外部の熱源と作動ガスとの間の熱伝導経路が長くなる。
更に、熱伝導は熱伝達器の表面面積に比例して増加するので、熱効率はヒータヘッドの直径の増加に伴って向上する。しかし、与えられた温度と内部のガス圧において、壁内の応力はヒータヘッドの直径に比例し、壁の板厚もこれに直接比例させて厚くする必要がある。
典型的なスターリンエンジンのヒータヘッド温度において、強度を検討することは重要である。実際、前にも述べたように温度と共に効率は向上するので、最大運転温度で運転する必要がある。材料のクリープ強度と極限引張強度は、ある温度になると急激に低下する。図５７Ａには、ニッケル合金の代表的な特性を示したものであり、ＧＭＲ２３５ニッケル合金の０．２％耐力と極限引張強度を示してある。同様に図５７Ｂによれば、ＧＭＲ２３５合金が1時間あたり０．０１％のクリープを生じることとなるクリープ速度強度は１５００°F（８１６℃）から１７００°F（９２７℃）まで上昇することにより４０ｋｓｉ（２７．６ＭＰａ）から半分にまで低下することが分かる。
ある実施形態では、図５８の断面図で示されるような、ヒータヘッド５８０１の構造用支持材を増強する内側リブ（または内側フープ）５８００を設ける。これらは、米国特許第６３８１９５８番と第６９６６１８２番に開示されている。リブ５８００は内側口径５８０２によって特徴づけられる。ヒータヘッド５８０１のクリープ強度と破壊強度はヒータヘッドの有効板厚５８０４と、ボア内径５８０２によって主に決定される。ヒータヘッドを通過する熱伝導は、間に介在するヘッドのセグメント５８０６が薄く、これによって熱伝導が高められるので、板厚５８０４によっては影響を受けない。リブ５８００はヘッド５８０１の外側壁５８０８の周方向応力を低減させるばかりでなく、ヒータヘッドの内部に追加的な表面を提供することにもなり、作動流体への熱伝達を効果的に向上させる。
ヒータヘッドの内部にリブ５８００を設けることで生じる更に別の利点は、より高い高温端の作動温度で運転できることと共に、与えられた熱伝達率に対して、ヘッドの壁５８０８における温度の傾きを小さくすることである。さらに、外壁の応力要件を低減することにより、ニッケルベースの超合金以外の材料も使えるようになり、コストを低減できると共に優れた熱伝導性を提供できる。
リブ５８００を有するヒータヘッド５８０１の断面図を図５９にも示す。破線５９１０は膨張シリンダの中央の縦軸を示す。種々の実施形態によれば、膨張シリンダの高温スリーブ５９１２は、作動ガスの流れの方向を案内するために、横断流分流器５９１４を有する。これにより作動ガスへの熱伝達を向上させる円環状リブ５８００の周りの、数字５９１６周りに表される作動ガスの流れが生じる。リブ５８００の追加的される幅hはヒータヘッド５８０１の周方向強度に寄与する。これに対して、熱伝達は主にヒータヘッドの外壁５８０８の薄い板厚tによって決定される。典型的なスターリンエンジンにおける応用例では、ヒータヘッドの外側では1８００°F（９８２℃）まで高温になるのに対して、構造的な強度を提供するために使用されるリブ５８００は、典型的には１３００°F（７０４℃）を越えるような高温にはならない。
図５８に関連して前述したように、周方向強度を向上させることと同時に、熱伝導を向上させるという長所は、他の変形実施形態でも付加的に得られる。図６０Ａと図６０Ｂにはヒータヘッド６０３０の断面図が示されており、その中には、チューブ状の開口部６０３２がヒータヘッドの壁６００８に平行に通っている。線分ＢＢによって切り取った断面図が図６０Ｂに示されており、これによればチューブ６０３２は作動ガスを壁の下方へ通過させ、ヒータヘッドの外部から作動ガスへの熱伝達を向上させるのに役立つ。更に、同じ熱伝達率を持たせるために壁６００８が厚くなり、追加的な強度を付与する。厚い壁の通路６０３２より内側の部分６０１０（また図６１Ｂで６１１０として示される）は、この方法以外の方法による場合よりも温度が低いため、更に追加的な強度を付与する。ヒータヘッド６０３０は好ましくは、丸またはその他の断面形状を持つチューブ状の通路６０３２を備え、鋳造により製造される。
図６１Ａは更なるヒータヘッド６１４０を示したものであり、ここではチューブ状の開口部６１３２がヒータヘッドの壁６１０８に並行に通るようになっており、このチューブはヒータヘッドの壁６１０８の薄い部分６１４２にまで伸びた空間によって遮断されている。線分ＡＡにおいて切り取った断面図を図６１Ｂに示すように、チューブ６１３２は作動流体を壁の下方へ通過させて、図６０Aや図６０Ｂに示すストレートに設計されたチューブによるものよりも、ヒータヘッドの外部から作動ガスへの熱伝達を、ある程度ほぼ向上できる。更に、開口部６１４４は、鋳造工程において細長い穴を形成するために使用されるセラミック中子を除去する追加的な領域を提供する。穴へのアクセスが増えることで、製造工程途中において中子の化学的な浸出が早くなる。
図６２Ｂには、更に別のヒータヘッド６２５０が示され、ここではリブ６２５２がヒータヘッドの壁６２０８内に螺旋状に配置されており、これによって円周方向と軸方向の２方向に対する剛性を向上させた壁が設けられる。作動ガスは、再生器に至る途中、膨張ピストンとヒータヘッドの間のスパイラル部６２５４の経路を通って流れる。図６２Ｂは、図６２Ａの線分ＡＡで切り取った横断面を示したものである。剛性と熱伝達の同程度の利点を得るために、ライナーや別のスパイラル部６２５４に類似するものを使用する、様々な実施形態が含まれる。
図６２Aと図６２Ｂに示すヒータヘッド６２５0は、鋳造によって製造することが望ましい。鋳造によって製造された中子アッセンブリ６２６０の側面図を図６２Ｃに示す。これは、ヒータヘッドのドーム部分を内部から支持するためのリブを設けると共に、ドーム部分に付加的な熱伝達を設けるという付加的な利点であり、これによってドームの内側表面が冷却される。ドームの補足的な中子構造は図６２Ｄで示され、上方から見た断面図が図６２Ｄに示されている。更に中子アッセンブリの斜視図を図６２Ｅに示す。
ここに記述された様々なヒータヘッドの実施形態とヒータヘッドの製造方法は、多数のヒータヘッドの構成中で機能するように適応されることを理解されたい。
再生器（Regenerator）
上述され、また米国特許第６５９１６０９番と第６８６２８８３番に記述されるように、スターリングサイクルの異なる位相中で作動流体に熱を加えたり、除去するために、再生器はスターリングサイクルマシンで使用される。スターリングサイクルマシンに用いられる再生器は高い熱伝達率を有さねばならず、これは典型的には作動流体に対する高い熱伝達率領域と低い流れ抵抗を意味する。低い流れ抵抗は、作動流体を圧送するのに必要なエネルギを低減することにより、エンジンの全効率にも寄与する。更に、再生器は剥落又は破砕を防ぐ方式で製作される必要がある。その理由は、破砕片が作動流体に包含されて圧縮又は膨張シリンダへ移送されて、ピストンシールに対する損傷をもたらすためである。
１つの再生器設計は数百の積層された金属スクリーンを用いる。金属スクリーンは高熱伝達面、低い流れ抵抗、低い剥離性を表すものの、金属スクリーンはその切断及び取り扱いによって、再生器を組み立てる前に除去する必要のある、小さな金属片を生じる不利益をもたす。加えて、ステンレス鋼金網メッシュは、スターリングサイクルエンジンのコストにかなり寄与する。
３次元不規則繊維ネットワーク（例えばステンレス鋼ウール又はセラミック繊維など）を再生器として用いてもよく、これについて図６３Ａを参照して説明する。ステンレス鋼ウール再生器６３００は、大きな表面領域対容積比を都合よく与えるので、好ましい熱伝達率が低い流体流動摩擦で小型な形態によって与えられる。更に、多数のスクリーンの切断、洗浄、及び組み立ての厄介な製造段階が都合よく排除される。鋼ウールの機械的強度の低さと鋼ウールの剥離する傾向は、以下に説明するようにして解消し得る。ある実施形態では、個々の鋼線６３０２，６３０４は単一の３Ｄワイアマトリックスに相互結合されている。
再生器のための開始材料は繊維構成物（fibrilose）としてもよく、鋼ウールやニッケルウールなどの不規則繊維形態としてもよい。繊維の組成はガラス又はセラミック又は金属（鋼、銅など）或いは他の高温材料である。繊維の径は、再生器の大きさ及び金属の特性に依存して好ましくは１０マイクロメートルから１ミリメートルである。開始材料は再生器の最終形態に対応する型枠内に配置してあり、これは図６３Ｂに断面図で示してある。内側容器（canister）の円筒壁６３２０、外側容器の円筒壁６３２２、及び再生器網細工６３００が示してある。再生器の密度は型枠内に配置された開始材料の量により調整される。その型枠は、これを流体が通過可能とするように多孔性としてもよい。
ある実施形態においては、非焼結スチールウールが再生器網細工６３００として使用される。次に、再生器網細工６３００は、再生器保持スクリーン６３２４あるいは別のフィルタによって再生器キャニスタ６３２４内に保持される。その結果として、好都合に鋼ウールの断片を都合よく捕捉する「バスケット」を構成する。
一実施形態においては、開始材料に適用可能なのは電気的導電性材料であり、開始材料は多孔性形態に配置されて電解液槽内に配置される。開始材料は金属（例えばステンレス鋼など）としてもよい。開始材料と共に電気的接続がなされるので電極が形成される。開始材料における個々の繊維の相互結合は、第２材料６３０６を開始材料に電気的に析出する（depositing）ことにより達成される。開始材料の選択は、電気化学の分野の当業者には公知のように、選択された特定の析出技法、第1及び第２材料の化学的適合性などの因子に依存する。析出の間、第２材料が開始材料上に積み上がり、開始材料の個々の繊維が互いに近接している位置で個々の繊維の間にブリッジ６３０８を形成する。析出はブリッジが二つの個々の繊維をしっかりと適所で把持するのに充分な大きさに成長するまで続けられる。
析出継続時間は特定の析出処理に依存しており、通常の当業者により容易に決定される。析出が完了した後、再生器を電解液槽及び型枠から取り出して洗浄する。
他の実施形態では、開始材料を型枠内に配置するが、この型枠は多孔性であってもなくてもよい。開始材料を包含する型枠は炉内に配置されて、一体型の部品へと部分的に焼結される。焼結温度及び焼結時間の選択は焼結技術の当業者により容易に決定される。
他の実施形態においては、開始材料は多孔性型枠内に配置される。開始材料を包含する型枠を化学槽内に配置して、個々の繊維の間のブリッジを形成するようにニッケルなどの第２の材料を化学的に析出する。
他の実施形態においては、開始材料は、多孔性型枠内に配置された石英ガラス繊維である。ガラス繊維及び型枠をテトラエチルオルソシリケイト（tetraethylorthosilicate;TEOS）及びエタノールの溶液に浸して、繊維が溶液で完全に湿るようにする。繊維及び型枠を溶液から取り出して湿気のある大気中へ排出することを可能にする。溶液は繊維を互いに近接させて相互結合させるメニスカスに似た（meniscoidal）形状をなす。大気中の湿気は加水分解凝縮反応を開始させ、これはＴＥＯＳを二つの繊維の間の相互結合を形成するシリカに変換する。繊維及び型枠は、１０００℃未満、最も好適には６００℃未満の温度で熱処理して、反応生成物を除去して繊維の間のシリカブリッジを形成させ得る。
他の実施形態おいては、再生器の形状を有する網目状発泡体へセラミックスラリーを析出する。このスラリーは網目状発泡体上で乾燥させて、発泡体を焼き払ってセラミックを焼結させるように熱処理される。セラミックの組成はコーディライト、アルミナ、又はジルコニアなどの酸化セラミックとし得る。セラミックスラリーの組成及び熱処理プロファイルは、セラミック処理技術分野の当業者により容易に特定される。
さらに別の実施形態では、図６４Ａを参照して記述されるように、編物や金網が再生器の組立てに使用される。これらの実施形態に従って、編物管又は金網管６４０１は、ローラー６４０２によってテープ６４０４へと平らになる。テープ６４０４はマンドレル６４０６に巻きつけられて環状の層６４０８を形成する。ステンレス鋼は、高温動作に耐えるその性能によって編物金網管６４０１に好都合に使用される。また、使用される針金の径は、１−２ミル（０．０２５〜０．０５ｍｍ）の範囲の中に典型的にある。しかしながら、別の材料と寸法が様々な実施形態の中で使用される。代替としては、複数、典型的には５本から１０本のステンレス鋼線が、編物金網管に編まれる前にマルチフィラメント糸に緩く巻かれてもよい。この工程は得られる管６４０１を好都合に強くする。マンドレル６４０６が除去される場合、環状のアセンブリ６４１０は熱サイクルエンジンで再生器として使用される。
さらに、別の実施形態がここでは、図６４Ｂから図６４Ｅを参照して記述される。図６４Ｂで正確な円筒形状で示される編物管又は金網管６４０１は、刻み目を付けられ部分的に圧縮されて図６４Ｃに示される。代替としては、図６４Ｄで示されるように、刻み目は管の重心軸６４１２に関して角度６４１４を有してもよい。次に、金網管６４０１は、図６４Ｅで示されるベーローズ形状６４１６を成形するために重心軸６４１２に沿って軸方向に圧縮される。それは、次に、スターリングサイクルエンジンの再生器容積４０８（図４に示される）内の再生器として配置される。
ここに記述された様々な再生器実施形態とその製造方法が、多シリンダ構成中で機能するように適応されることが、理解される。
冷却剤貫通型の低温端圧力容器（Coolant Penetrating Cold-End Pressure Vessel）
ここでは図６５Ａから図６５Ｃを参照して、スターリングサイクルエンジンのようなエンジンの様々な断面図が、ある実施形態に従って示される。エンジン６５００は、密閉的にシールされる。クランク室６５０２は、低温端圧力容器として役立ち、内部容積６５０４内に充填ガスを含む。クランク室６５０２は、十分に厚い鋼または他の構造材料を使用することによって、熱性能を犠牲にすることなく、任意の強度で作製される。ヒータヘッド６５０６は、高温端圧力容器として役立ち、好ましくはインコネル６２５、ＧＭＲ−２３５などのような高温超合金から製造される。ヒータヘッド６５０６が、外部熱源（図示せず）から作動流体へ伝導によって、熱エネルギを移動するために使用される。熱エネルギは、太陽放射線または燃焼気体のような種々の熱源から提供される。例えば、上述したように、作動流体を加熱するために使用される高温の燃焼ガス（図６５Ｂで６５０７として示される）を生成するために、バーナーが用いられる。シリンダ６５２２の膨張領域（または高温領域）は、ヒータヘッド６５０６の内側に配置され、そして図１に関して上述したように、作動ガス量の部分を規定する。ピストン６５２８は、シリンダ６５２２内に含まれる作動流体を置換するために使用される。
実施形態に従って、クランク室６５０２は、継ぎ目６５０８においてヒータヘッド６５０６に直接溶接されて、冷却器における熱伝達の要件によって制限されること（これは、他の設計である）無しに、任意の圧力を保持するように設計される圧力容器を作製する。代替の実施形態において、クランク室６５０２とヒータヘッド６５０６は、互いに、ろう付けされるかまたはボルト留めされる。ヒータヘッド６５０６は、ヒータヘッドを軸方向に制限すると共に、ヒータヘッド６５０６からクランク室６５０２への軸方向の圧力を移動させる、フランジ又はステップ６５１０を有する。これによって、溶接またはろう付けされた継ぎ目６５０８からの圧力を軽減する。継ぎ目６５０８は、クランク室６５０２（または低温端圧力容器）をシールし、曲げ応力と平面応力に耐えるのに役立つ。代替の実施形態において、継ぎ目６５０８は、エラストマーシールを備える機械的継ぎ目である。なお別の実施形態において、ステップ６５１０は内部溶接で置き換えられると共に、継ぎ目６５０８において外部溶接が付加される。
クランク室６５０２は、２つの部品、即ち上側クランク室６５１２と下側クランク室６５１６で組み立てられる。ヒータヘッド６５０６は、最初に上側クランク室６５１２に接続される。第２に、冷却器６５２０は、上側クランク室６５１２の穴を通り抜ける冷却剤管（図６５Ｂで６５１４として示される）と共に設置される。第３に、複動ピストン６５２８と駆動構成部分（図６５Ａと図６５Ｃでは数字６５４０として一般に指定されたが、図６５Ｂでは図示せず）が取り付けられている。一実施形態では、図６５Ａと図６５Ｃで示されるように、下側クランク室６５１６は、３個の部品、即ち上側部分６５１３、中間部分６５１５および下側部分６５１７で組み立てられる。中間部分６５１５は、上側部分６５１３と下側部分６５１７に対して、当該技術で既知の任意の機械的手段、あるいは溶接によって、それぞれの継ぎ目６５１９、６５２１で接続される。
次に、下側クランク室６５１６は継ぎ目６５１８で上部クランク室６５１２につながれる。好ましくは、上部クランク室６５１２と下側クランク室６５１６は溶接によって連結される。代替としては、（図６５Ｂと図６５Ｃで示されるように）ボルトで締められたフランジが使用されてもよい。
ある実施形態では、ＰＭ発電機のようなモータ／発電機（図６５Ｃで６５０１として示される）は、モータ／発電機ハウジング（図６５Ｃで６５０３として示される）へ取り付けられる。図６５Ｃで示されるように、モータ／発電機ハウジングは下側クランク室６５１６に取り付けられる。モータ／発電機ハウジング６５０３は当該技術で既知の任意の機械的手段によって下側クランク室６５１６に取り付けられ、あるいは下側クランク室６５１６に溶接される。モータ／発電機ハウジング６５０３は前方部６５０５と後方部６５０９の2個の部品で組み立てられる。前方部６５０５は下側クランク室６５１６に取り付けられる。後方部６５０９は前方部６５０５に溶接されてもよいしボルトで締められてもよい。一実施形態では、シール６５１１は、モータ／発電機ハウジング６５０３の後方部６５０９と前方部６５０５の間に位置する。ある実施形態では、後方部６５０９が取外し可能に前方部６５０５に取り付けられる。これは、別の機能の中で、エンジン６５００アセンブリの間でモータ／発電機６５０１の取付けや取外しを容易にするために寄与する。
上側クランク室６５１２にヒータヘッド６５０６を直接的に接続することを可能にするために、熱サイクルの冷却機能は、クランク室６５１２内に配置される冷却器６５２０によって実行され、これによって、冷却器に課せられている圧力格納要件を有利に減少させる。冷却器６５２０をクランク室６５１２内に配置することによって、冷却器の両端の圧力は、作動ガス量内の作動ガスとクランク室の内部容積６５０４内の充填ガスとの間の圧力差に制限される。圧力差は、作動ガスの圧縮と膨張によって作り出され、代表的に、作動圧力のある割合に制限される。一実施形態において、圧力差は、作動圧力の３０％未満に制限される。
冷却剤管（Coolant tubing）６５１４は、都合よく、冷却器６５２０の直径と比較して小さな直径を有する。冷却剤通路の小さな直径（例えば、冷却剤管６５１４によって提供される）は、高い熱伝達の達成と大きな圧力差の支持のために重要である。所定の圧力に耐えるかまたは支持するために必要とされる壁の厚みは、管または容器の直径に比例する。管壁における低い応力によって、種々の材料が、冷却剤管６５１４に使用され得、この材料としては、薄肉のステンレス綱管またはより厚肉の銅管が挙げられるが、これらに限定されない。
クランク室６５０２（または低温端圧力容器）容量内に冷却器６５２０を完全に配置することのさらなる利点は、冷却器６５２０を通る作動ガスのどんな漏れも、エンジン性能の減少を生じるだけであることである。対照的に、冷却器が外部周囲環境と接触する場合、冷却器を通る作動ガスの漏れは、作動ガスの平均圧力が外部供給源によって維持されない限り、作動ガスの漏れによって、エンジンを役に立たない状態にする。漏れのない冷却器についての要件が減少するので、あまり高価でない製造技術の使用を可能にし、例えば粉末金属やダイカストを含むが、これらに限定されない。
冷却器６５２０は、作動ガスからの伝導によって熱エネルギを移動し、それによって、作動ガスを冷却するために使用される。冷却剤（水または別の流体のいずれか）は、冷却剤管６５１４によってクランク室６５０２と冷却器６５２０を通って運ばれる。上側クランク室６５１２を通る冷却剤管６５１４の貫通接続（feedthrough）は、銅管に対してはんだ付けまたはろう付けされた継ぎ目によって、ステンレス鋼と鋼管の場合には溶接によって、あるいはそれ以外に当該分野で公知なようにシールされる。
内部容積６５０４内の充填ガスはまた、モータ／発電機巻線、駆動装置における機械的摩擦、充填ガスの非可逆的圧縮／膨張、および作動ガス量からの高温ガスの吹き抜け（blow-by）において散逸される熱から生じる熱によって、冷却を必要とする。クランク室６５０２内の充填ガスの冷却は、エンジンの能力と効率、ならびにエンジンにおいて使用される軸受の寿命を増加させる。
一実施形態において、冷却剤管の追加的長さ（図６５Ｂで６５３０として示される）がクランク室６５０２の内側に配置されて、内部容積６５０４内の充填ガスから熱を吸収する。冷却剤管６５３０の追加的長さは、さらなる熱伝達を提供するために、例えばフィンのような一組の拡大伝熱面（図６５Ｂで６５４８として示される）を備える。図６５Ｂに示されるように、冷却剤管６５３０の追加的長さは、クランク室６５０２と冷却器６５２０との間で、冷却剤管６５１４に接続される。代替の実施形態において、冷却剤管６５３０の長さは、クランク室６５０２の外側でホースによって冷却ループに接続されるクランク室６５０２のそれ自体の貫通接続とは、分離された管である。
別の実施形態において、拡大冷却剤管６５３０は、冷却器６５２０または駆動ハウジングの外側表面上の、拡大表面（図６５Ａと図６５Ｃで６５７２として示される）で置き換えられる。あるいは、ファン（図６５Ｂで６５３４として示される）が、エンジンのクランクシャフト（図６５Ｂで６５４２として示される）に取り付けられて、充填ガスを内部容積６５０４内で循環させる。ファン６５３４は、追加の冷却剤管６５３０または冷却器６５２０もしくは駆動ハウジング６５７２上の拡大表面とは別個に、あるいはこれらと組み合わせて使用されて、内部容積６５０４内の充填ガスを直接冷却する。
好ましくは、冷却剤管６５１４は、クランク室と冷却器６５２０の内部容積６５０４全体にわたる、連続した管である。代替的に、２本の管が、クランク室と、冷却器の貫通接続ポートとの間に使用される。１本の管は、クランク室６５０２の外側から冷却器６５２０に冷却剤を運ぶ。第２の管は、この冷却剤を冷却器６５２０からクランク室６５０２の外側に戻す。別の実施形態において、クランク室容積６５０４の内部の拡大伝熱面を管に追加するため、または製造を容易にするために、複数の管がクランク室６５０２と冷却器との間に使用される。これらの管は、管の間で連結を続け、そして冷却器は、ろう付けされるか、はんだ付けされるか、溶接されるか、または機械的に連結される。
種々の方法が、冷却剤管６５１４を冷却器６５２０に連結するために使用される。冷却剤管６５１４を冷却器６５２０に連結するための任意の公知の方法が、種々の実施形態で使用される。一実施形態において、冷却剤管６５１４は、ろう付け、はんだ付け、または接着によって、冷却器６５２０の壁に取り付けられる。冷却器６５２０は、円筒形の形態であり、シリンダ６５２２とシリンダ６５２２の外側の作動ガスの環状流路を囲んで配置される。従って、冷却剤管６５１４は、冷却シリンダの壁の内側に巻きつけられ、そして上記のように取り付けられる。
代替の冷却器構成が、図６５Ｄ〜図６５Ｇに示され、これらが冷却器本体の製造の複雑性を減少させる。図６５Ｄは、本発明の実施形態に従う冷却剤管を備える、スターリングサイクルエンジンの側面図である。図６５Ｄにおいて、冷却器６５５２は、冷却器作業領域６５５０を備える。冷却剤管６５４８は、冷却器作業領域６５５０内に配置され、その結果、この作動ガスは、冷却剤管６５４８の外側表面を流れる。この作動ガスは、冷却器本体６５５２と冷却器ライナー６５２６によって、冷却剤管６５４８を通って流れることが制限される。冷却剤管は、冷却器６５５２または駆動ハウジング６５７２（図６５Ａと図６５Ｃに示される）のいずれかにおけるポートを通って、作業領域６５５０に入り、そして作業領域６５５０から出る。冷却器鋳造工程は、冷却剤ライン６５４８の周囲にシールを有することによって、単純化される。さらに、冷却剤ライン６５４８を作業領域内に配置することによって、作動流体と冷却剤流体との間での熱伝達が改善される。冷却剤管６５４８は、平滑であっても、金属管の外側に拡大伝熱面もしくはフィンを有して、作動ガスと冷却剤管６５４８との間での熱伝達を増加させてもよい。別の実施形態において、図６５Ｅに示されるように、作動流体を強制的に冷却剤管６５４８の近くを流すために、スペーシング要素６５５４が、冷却器の作業領域６５５０に付加される。これらのスペーシング要素は、冷却器ライナー６５２６や冷却器本体６５５２とは分離されており、冷却剤管やスペーシング要素を作業領域に挿入することを可能にする。
別の実施形態において、図６５Ｆに示されるように、冷却剤管６５４８は、オーバーキャストされて環状熱シンク６５５６を形成し、この熱シンクにおいて作動ガスが冷却器本体６５５２の両側を流れる。環状熱シンク６５５６はまた、その内側表面と外側表面６５６０の両方に、拡大伝熱面を備える。冷却器６５５２の本体は、作動流体が、熱シンク６５５６の拡大伝熱面を通って流れることを制限する。熱シンク６５５６は、代表的に、図６５Ａと図６５Ｂにおける冷却器６５２０よりも、製造が単純な部品である。環状熱シンク６５５６は、図６５Ａと図６５Ｂに示される冷却器６５２０の、およそ２倍の伝熱面積を提供する。別の実施形態において、図６５Ｇに示されるように、冷却器ライナー６５２６は、冷却剤ライン６５４８を覆って鋳造される。冷却器本体６５５２は、作動流体が冷却器ライナー６５６２を通って流れるように制限する。冷却器ライナー６５２６はまた、熱交換を増加させるために、表面６５６０上に拡大伝熱面を備える。
図６５Ｂを参照すると、冷却剤管６５１４を冷却器６５２０に連結するための方法は、冷却器を冷却剤管の周りにオーバーキャストすることである。この方法は、図６６Ａと図６６Ｂを参照して記載され、そして加圧密閉サイクルマシンと冷却器をクランク室の内部に置くことが有利である他の適用に応用される。
図６６Ａを参照すると、例えば、冷却器６５２０（図６５Ａと図６５Ｂに示される）のような熱交換器は、高温用金属管６６０２を所望の形状に形成することによって、製造される。一実施形態において、金属管６６０２は、銅を用いてコイルに成形される。次いで、（この金属管の溶融温度と比較して）低温での鋳物工程が使用されて、金属管６６０２の上に、熱伝導率の高い材料がオーバーキャスティングされて、気体接触面６６０４（および図６５Ｂにおける６５３２）、このエンジンの残りの部分に対するシール６６０６（および図６５Ｂにおける６５２４）と駆動ハウジング６５７２（図６５Ｂに示される）をヒータヘッド６５０６（図６５Ｂに示される）に機械的に接続するための構造体を形成する。一実施形態において、この金属管をオーバーキャストするために使用される熱伝導性が高い材料はアルミニウムである。金属管６６０２を熱伝導性が高い金属でオーバーキャスティングすることによって、この金属管と作動ガスと接触している伝熱面との間の良好な熱結合が確保される。シールが、金属管６６０２の周りに、この金属管が６６１０において開放鋳型を出る位置で、作製される。熱交換器を製造するこの方法は、有利なことに、鋳物金属部品内に冷却通路を安価に設けることができる。
図６６Ｂは、図６５Ａの冷却コイルを覆って鋳造された、冷却アセンブリの斜視図である。鋳物工程は、以下のうちのいずれかを包含し得る：ダイカスト、インベストメント鋳造法、または砂型鋳物。金属管の材料は、この鋳物工程の間に溶融も崩壊もしない材料から選択される。金属管の材料としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル、および例えば、インコネルのような超合金が挙げられるが、これらに限定されない。鋳物材料は、金属管と比較して相対的に低い温度で溶融する材料から選択される。代表的な鋳物材料としては、アルミニウムとその種々の合金、ならびに亜鉛とその種々の合金が挙げられる。
この熱交換器はまた、拡大伝熱面を備えて、高温の作動ガスと熱交換器との間の界面領域６６０４（および図６５Ｂに示される６５３２）を増加させ、これによって、作動ガスと冷却剤との間の熱伝達を改善する。拡大伝熱面は、内部表面（または気体接触面）６６０４上の拡大表面を機械加工することによって、熱交換器６５２０の作動ガス側に作製される。図６５Ｂを参照すると、熱交換器の内径に気体障壁を形成するように、冷却器ライナー６５２６（図６５Ｂに示される）は熱交換器に圧入される。冷却器ライナー６５２６は、作動ガスの流れを、この冷却器の内側表面を通るように案内する。
拡大伝熱面は、当該分野において公知の方法のいずれかによって、作製される。ある実施形態に従って、長手軸方向の溝６７０４が、図６７Ａと図６７Ｃに詳細に示されるように、この表面に切り込まれる。あるいは、横方向の溝６７０８（また図６７Ｂ−１の拡大断面図で示される）が、長手軸方向の溝６７０４（また図６７Ａ−１の拡大断面図で示される）に加えて切り込まれ、これによって、図６７Ｂに示されるような、整列したピン６７１０を作製する。ある実施形態では、溝は、熱交換面積を増加させるために、螺旋角度で切り込まれる。
代替の実施形態において、冷却器の気体接触面６６０４（図６６Ｂに示されるような）の拡大伝熱面は、金属発泡体、エキスパンドメタル、または高比表面積を有する他の材料から形成される。例えば、金属発泡体のシリンダは、冷却器６６０４の内部表面にはんだ付けされる。上述されたように、冷却器ライナー６５２６（図６５Ｂに示される）は、金属発泡体の内径上に気体障壁を形成するように、押し込まれる。伝熱面を形成し、そしてこの伝熱面を冷却器の本体に取り付ける他の方法は、米国特許第６６９４７３１号、２００４年２月２４日発行、発明の名称”
Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ”に記載されており、参照によってその全体がここに取り込まれる。
追加の冷却剤貫通型の低温端圧力容器の実施形態は、米国特許第７３２５３９９号に記述される。ここで参照される冷却剤貫通型の低温端圧力容器の様々な実施形態が、多シリンダエンジン構成の機能に適応できることを理解されたい。
吸込マニホルド（Intake Manifold）
ここで図６８から図６９Ｂを参照すると、一実施形態によるスターリングサイクルエンジン又は他の燃焼応用例へ適用するための吸込マニホルド６８９９が示してある。吸込マニホルド６８９９の様々な実施形態は、米国特許第６３８１９５８号にさらに開示される。ある実施形態によれば、燃料を空気（これは燃料の自動発火温度よりも高温に加熱される）と事前混合し、燃料と空気とがよく混合されるまで、火炎が形成されないようにしてある。図６８は、吸込マニホルド６８９９及び燃焼室６８１０を含むある実施形態を示す。吸込マニホルド６８９９は、空気６８００を受け入れる入口６８０３を有する軸対称導管６８０１を含む。空気６８００は或る温度、代表的には９００Ｋ以上（この温度は燃料の自動発火温度を上回る）まで予熱される。導管６８０１によって、燃焼軸６８２０に関して内側へ放射状に流れる空気６８００が導管６８０１内に配置された旋回翼６８０２まで運ばれる。
図６９Ａはある実施形態による旋回翼６８０２を含む導管６８０１の断面図を示す。図６９Ａの実施形態において、旋回翼６８０２は、空気６８００の流れを放射状に内側へ向けると共に、空気に回転成分を与えるための幾つかの螺旋状羽根６９０２を有する。導管の旋回翼部分の径は旋回翼部分導管６８０１の長さにより定まり、旋回翼６８０２の入口６９０４から出口６９０６へ向かって小さくなる。旋回翼羽根６９０２の径の減少により、その径にほぼ逆比例して、空気６８００の流量が増大する。この空気流量は燃料の火炎速度を上回るように大きくなる。旋回翼６８０２の出口６９０６において、燃料６８０６（一実施形態においてはプロパン）が、内側へ向かって流れる空気へ噴射される。
ある実施形態において、燃料６８０６は図６９Ｂに示す一連のノズル６９００を通じて燃料噴射器６８０４により噴射される。更に詳しくは、図６９Ｂは導管６８０１の断面を示すもので、燃料噴射ノズル６９００を含めてある。各ノズル６９００は旋回翼の羽根６９０２の出口に位置して、２つの隣接する羽根の中心に位置する。このようにしてノズル６９００は空気と燃料との混合効率を高めるように配置してある。ノズル６９００は空気流６８００を横切るように燃料６８０６を同時に噴射する。空気流は火炎速度よりも速いので、空気燃料混合気の温度が燃料の自動発火温度を超えているときでさえ、火炎は形成されない。プロパンを使用するある実施形態においては、ヒータヘッドの温度によって支配される予熱温度は約９００Ｋである。
再度図６８を参照すると、いま混合された空気及び燃料（以下、空気燃料混合気６８０９と称する）は、のど６８０８を通る方向へ移送される。のど６８０８は流線型輪郭の覆い（contoured fairing）６８２２を有して導管６８０１の出口６８０７へ取り付けられている。燃料６８０６は燃料調整器６８２４を介して供給される。
のど６８０８は内半径６８１４と、外寸法６８１６とを有する。空気燃料混合気の移送は、燃焼軸６８２０のほぼ横方向且つ放射状に内側の方向から燃焼軸６８２０にほぼ平行な方向になされる。のど６８０８の流線型輪郭の覆い６８２２は、燃焼軸に関するのど６８０８の断面積がのどの入口６８１１から出口６８１２まで一定にとどまるように、逆さベルの形状を有する。この輪郭は段差がなくて滑らかであり、旋回翼の出口からのど６８０８の出口まで流れ速度を維持して、流れの分離や面に沿った再循環を防止する。一定の断面積によって、流れ速度を低減させることなく、また、圧力降下を生じさせることなく空気及び燃料が混合し続けることが可能になる。滑らかな一定の断面によって、効率の良い旋回翼がもたらされる。ここで旋回翼効率とは、渦巻流の動圧に変換される旋回翼を横切る静圧力降下の部分を意味する。典型的には、実際上８０％以上の渦巻効率を達成し得る。従って燃焼空気ファンの寄生パワー損失を最小化できる。
のどの出口６８１２が外側に広がって燃えるので、空気燃料混合気６８０９は燃焼室６８１０内で拡散して、その速度が遅くなる。このため、火炎を局在化させて、この火炎を含んで環状火炎が形成される。旋回翼６８０２によって生じる回転モーメントによって、当該技術分野においてよく知られているように、リング状の渦を安定させる火炎が生じる。
図７０を参照すると、先行する図面を参照して上述したような燃焼器７０２２及び排出ガス流経路７０１３の断面図が示してある。別の実施形態によれば、燃料の燃焼温度を超えたままの燃焼排出ガスは燃焼器７０２２の領域を充分に越えることが認められ、また燃料／空気混合気が通例は非常に希薄なので、充分な酸化剤が排出ガスの再燃焼のために残存する。
図７０は温度センサ７００２（典型的には熱電対）の使用を更に示す。温度センサ７００２は外部ピンアレイ７０３０の頂部においてヒータヘッド７０２０の温度を監視して、これによりセンサ７００２における温度をヒータヘッドが強度を相当に損なう温度よりも低く保つように、燃料流を制御する。センサ７００２における温度はヒータヘッド材料の融点を約５０℃下回るように維持される。
図７０に示す形態においては、上述したような可変断面ガス流バイパス路７００４の使用を図示してある。バイパス路のテーパは、図示を明瞭にするために誇張してある。バイパス路を採用しても、ヒータヘッドの頂部からの距離の関数としての温度プロファイルは平坦でないことが好ましい。２つの付加的な温度センサ７００６及び７００８は、外側ピンアレイ７０３０の中部及び下部にそれぞれ示してあり、これによって排出ガスの温度が監視される。
ある実施形態によれば、付加的な燃料がアフターバーナー燃料ライン７０１２を介してノズル７０１０において排出ガスに加えられる。ノズル７０１０は、リングバーナーであり、これはヒータヘッド７０２０を周方向に包囲して、温度センサ７００２及び７００６により図７０に示された位置の間で外側ピンアレイ７０３０に対面する。アフターバーナー燃料ライン７０１２を通じる燃料流量は、温度センサ７００８により測定された排出ガス温度に基づいて制御される。好ましくは温度７００８の正確な位置は、アフターバーナーノズル７０１０から出る燃料の燃焼により生成された外側ピンアレイの最大温度を測定するものとする。
図７１Ａを参照すると、ある実施形態による熱サイクルエンジンのために、全体的に符号７１００で示されるバーナー及び熱回収システムの断面側面図が示してある。図示の実施形態においては、熱は、燃焼器７０２２内で加熱された高温排出ガスと、ヒータヘッドアセンブリに対して外側の熱交換器７１０６における空気入口７１０４において引き込まれた空気との間で交換される。更に燃料入口７１０８と、燃焼器における点火を開始するのに用いられる点火器７１１０とが示されている。排出流７１１２は、熱交換器７１０６へ入る前に伝熱ピン７０３０を通過する。銅又は溶融温度が充分に高い他の金属のシールリング７１１４は、伝熱ピン７０３０の下部列の直下でヒータヘッドフランジ７１１６上にロッド状シールを形成する。銅リング７１１４は、ラビリンスシールを与えるヒータヘッドフランジ７１１６にしっかりと嵌合する。シールの領域を示す図７１Ａの断面図の右側部分を拡大した図を図７１Ｂに示してある。銅シールリング７１１４はヒータヘッド７１０１にしっかりと嵌合すると共に、バーナーカバー７１２０の下面の環状溝７１１８内にぴったりと嵌合する。溝７１１８内のリング７１１４の形状によってラビリンスシールが与えられ、これは排出プレナム７１２２内の排出ガスをシールリング７１１４の後側の周りの渦状経路へ移送するので、排出ガス漏洩が制限される。リング７１１４のヘッド７１０１への緊密嵌合によって、バーナーの軸方向への排出ガス漏洩が制限される。
多重バーナ構成で機能するように、ここに記述された様々な吸込マニホルドの実施形態が適応されることを、理解されたい。
気体燃料バーナー
定義：この発明の詳細な説明の節で使用されるように、もし前後関係が他の場合を必要としない限り、以下の用語が次の意味を表すものとする：［燃料と空気の当量比］Φ＝［実際の燃料と空気の質量比］／［化学量論の燃料と空気の質量比］。化学量論の燃料と空気の質量比は、燃料＋空気の化学方程式を平衡させるために必要とされる質量比として定義される。化学量論の燃料と空気の質量比は、プロパン（０．０６３８ｇの燃料／ｇ空気）のような一般の燃料で周知であり、バイオガスのようなガスには計算可能である。
図７２は、気体燃料バーナ７２０１があるエンジン７２１２実施形態の一実施形態を示す。気体燃料バーナ７２０１の様々な実施形態は、米国特許出願シリアル番号１１／１２２，４４７号（２００５年５月５日出願、２００５年１１月１０日公開）に開示されており、参照によってその全体がここに組み入れられる。この実施形態はスターリングサイクルエンジンの情況の中で使用されるが、しかし、当該マシンの別の実施形態はそのような応用に制限されない。当業者は、現在の当該マシンが、別の種類の外燃機関のような別のシステムに応用を有することを認識する。
気体燃料バーナ中の排出装置の使用によって、好都合に従来の気体燃料バーナーが直面した課題のいくつかが解決される。最初に、排出装置の使用によって、気体燃料ポンプ、燃料制御装置回路類と関連する構成部分のような付加設備、コントロールと空間の必要がなくなる。更に、ベンチュリ管のような排出装置の使用は、別々の燃料制御装置機構の必要をなくすことにより、燃料制御装置を単純化する。真空が気流に対応して上昇することに基づいて、そして次に燃料流が増加することにより、バーナ動力は気流の調整により調整できる。その結果、別々の燃料制御装置の除去により、排出装置を備えた気体燃料バーナ中の自動バーナ制御の開発と実施が単純化される。
第２に、また真空が気流に対応して上昇することにより、温度と気流の割合の変化にもかかわらずほぼ安定した空気と燃料の混合比が得られる。得られる安定した空気と燃料の混合比により、複雑な排気センサとフィードバック燃料制御装置機構の必要がなくなり、バーナの燃料制御装置と操業が単純化される。
図７２を参照して、気体燃料バーナ７２０１は排出装置７２４０、熱交換器７２２０、燃焼室７２５０およびブロワ７２００（図７３Ａで7３００として示される）を有する。ここで使用されるような用語の排出装置（ejector）は、抽出装置（eductor）、サイホン、あるいは別の流体の流れを引き起こすための流体の運動エネルギーを使用できるあらゆる装置を含んでいる。排出装置は、安い準備費用と、可動部がない点と、操業の簡潔さを備えた真空ベースの燃料流システムを生成する信頼できる手法である。
ある実施形態では、図７２をさらに参照して、排出装置７２４０はベンチュリ管である。ベンチュリ管７２４０は、ベンチュリ管プレナム７２４１内で、空気予熱器か熱交換器７２２０の出口の下流に位置し、燃焼室７２５０に近位である。ブロワ７２００はベンチュリ管７２４０を通して空気を追い出す。ベンチュリ管を通る空気の流れによって、燃料入り口ポート７２７９を通る燃料が比例する量で引かれる。燃料入り口ポート７２７９は、ベンチュリ管のど７２４４の喉に最低の圧力がある場所に置かれる。ポート７２７９はベンチュリ管７２４０内の混合をよく促進するような、気流を横切る燃料の煙を生成するための大きさである。この燃料と空気の混合気はベンチュリ管７２４０を出て、燃焼室７２５０内で渦による安定した炎を形成する。ベンチュリ管７２４０に入る空気の気流速度と温度にかかわらず、気流にほぼ直線的に比例する量の燃料が、ベンチュリ管７２４０によって引かれる。
図７３Ａと図７３Ｂで示されるようなある実施形態中では、空気予熱器７３２０と燃焼室７３５０の間にベンチュリ管７３４０を置くことにより、広範囲の気流とベンチュリ管温度に渡ってほぼ安定した空燃比が促進される。図７３Ａは、ブロワ７３００、予熱器７３２０、ベンチュリ管７３４０および燃料供給器７３７２等のバーナの構成部分を含むバーナの概略図である。図面はまた熱負荷交換器（load heat exchanger）又はヒータヘッド７３９０（又図７６から図７８に７２９０として示される）を有する。熱負荷交換器７３９０は、ある上昇された温度でバーナ内の燃焼室７３５０に残るホットガスの熱出力を吸収するエンジンかプロセスの熱交換器である。次に、部分的に冷やされた既燃ガスは空気予熱器の排気側に入る。空気予熱器では、入って来る燃焼用空気によって既燃ガスがさらに冷却される。図７３Ｂは、直線的に配置された同じ構成部分の圧力地図を示す。ブロワによって供給される空気圧、燃料供給圧力および周囲圧力がすべて表示される。バーナ中への燃料の質量流量（m'）は、７３７２の燃料供給圧力とベンチュリ管喉７３４４（図７２に７２４４として示される）中の圧力の間の差、ならびに支配的な制限での燃料温度よって制御される：
ｍ’ＦＵＥＬ ∝ （ＰＦＵＥＬ−ＰＴＨＲＯＡＴ）０．５／ＴＦＵＥＬ ０．５
喉の圧力（ＰＴＨＲＯＡＴ）は、（予熱器７３２０の排気側による圧力降下）＋（ヒータヘッドチューブ７３９０による圧力降下）−（ベンチュリ管喉７３４４によって生成された吸込）によって設定される。圧力降下７３２０、７３９０および喉吸込圧力７３４４はすべて、気流速度とベンチュリ管温度に比例する。
ＰＴＨＲＯＡＴ ∝ ｍ’ ＡＩＲ ２＊Ｔ ｖｅｎｔｕｒｉ
これらの方程式を組み合わせることで、燃料流が気流に応じてほぼ直線的に変わることを示す：
ｍ’ ＦＵＥＬ ∝ [ＰＦＵＥＬ-（ｍ’ ＡＩＲ ２＊Ｔ ｖｅｎｔｕｒｉ）] ０．５／ＴＦＵＥＬ ０．５
燃料圧を周囲圧力近くに調整して、燃料流は気流とほぼ直線関係である。
ｍ’ ＦＵＥＬ ∝
ｍ’ ＡＩＲ＊（ＴＶＥＮＴＵＲＩ／ＴＦＵＥＬ）０．５
このように、ベンチュリ管プレナム（図７２に７２４１として示される）内の支配的な燃料制限７３７８（図７２に７２７８として示される）を設けることで、広範囲の気流速度とベンチュリ管温度に渡ってほぼ安定した空気と燃料の混合比が提供される。
ｍ’ ＦＵＥＬ／ｍ’ ＡＩＲ ∝ constant
図７４は、ベンチュリ管のような排出装置の一実施形態を示す。この実施形態では、ベンチュリ管喉７２４４の開口部の寸法は、喉７２４４で存在する吸込の量を決定する。特定の実施形態では、ベンチュリ管喉は直径およそ０．２４インチ（６．１ｍｍ）である。図７２から図７４まで参照して、燃料送出し手段はベンチュリ管７２４０に結合している。燃料送出し手段はマニホルド、送油経路あるいは燃料チューブである。燃料送出し手段は、燃料制限器７２７８、燃料入り口ポート７２７９および燃料弁（図示せず）のような別の構成部分を有する。圧力調整器７２７２によって供給された燃料は、マニホルド７２７３と燃料入り口７２７９を通って、比較的より低い圧力の喉７２４４に流れる。一実施形態では、燃料入り口ポート７２７９が、燃料送出し手段の圧力降下の最大部分を提供する。好ましくは、燃料送出し手段中で最大の制限を燃料入り口ポートで作ることは、可能な限り大きな燃料煙の生成により燃料空気混合気を最大化すると共に、ベンチュリ管温度で制限が生じることを確保する。再び図７２を参照すると、燃料と空気の流れはベンチュリ管の末広の円錐体か拡散器７２４８の中へ流れ、ここで静圧が回復される。拡散器７２４８では、燃焼室７２５０で発火性の燃料と空気の混合気を生成するために、浮遊させて運ばれた燃料が空気と混合する。次に、発火性の混合気は燃焼室７２５０に入る。ここで、点火器７２６０は混合気を点火する。また、旋回翼７２３０によって引き起こされた接線流は渦の安定した炎を生成する。燃焼室に気体燃料を引き寄せるために排出装置７２４０を使用することで、燃料を運ぶための高圧気体燃料ポンプが不要になる。
一実施形態では、高温に耐えて、かつその構造の完全を維持するために、ベンチュリ管７２４０は、高温材料で構成される。図７４の実施形態に関しては、ベンチュリ管の寸法が、入口直径が約０．９インチ（２２．９ｍｍ）で、出口直径が約０．２４インチ（６．１ｍｍ）の喉を備えている。収束円錐体と末広円錐体の角度の半分は、それぞれ２１度と７度であり、喉は長さ０．２５インチ（６．１ｍｍ）である。この実施形態では、ベンチュリ管はインコネル６００から構成できる。代替としては、別の高温金属を使用することができ、例えば、ステンレス鋼３１０、３１６L、４０９、４３９、ハステロイＣ７６、ハステロイX、インコネル６２５および別の超合金を含むが、これに制限されない。
一実施形態中で、図７２に示されるように、旋回翼７２３０はベンチュリ管７２４０の上流に位置し、ベンチュリ管を通して好都合に空気の接線流を作成する。当該技術において周知のように、旋回翼からの接線流は燃焼室で環状の渦を作成し、それは炎を安定させる。加えて、旋回翼７２３０は、燃料入り口ポート７２７９上の局所的な風速を増加させることにより、ベンチュリ管喉７２４４で吸込圧力を増加させる。旋回翼を加えることで、ベンチュリ管喉７２４４が与えられた吸込圧力をより大きくできる。更に、旋回翼７２３０によって引き起こされた渦巻く作用は、ベンチュリ管７２４０に向かって上流に伝播することから燃焼室圧力の変動を抑圧できる。そのような圧力変動は、ベンチュリ管７２４０中への燃料ガスの流れを一時的に遅くするか止めることができる。そこで、旋回翼７２３０によって、燃焼室内で安定した気流に対して、安定した空気と燃料の混合比が容易になる。旋回翼７２３０は放射状の旋回翼である。
別の実施形態では、ガスバーナは多数の燃料源に接続できる。この構成では、バーナは一種類の燃料で火をつけられ、点火され、又は発火させられて、次に、異なる種類の燃料で運転する。多数の燃料源の使用には、各燃料のために調整された燃料送出し手段が必要になる。図７５、図７５A及び図７５Ｂは、プロパンと天然ガスのような著しく異なるエネルギ密度の二種類の燃料の実施形態を示す。この実施形態では、より濃密なプロパン用の燃料送出し手段は、低密の天然ガスあるいはメタン用の燃料送出し手段より約３倍限定的である。図７５に示される実施形態では、ベンチュリ管には各燃料の異なるマニホルドと燃料ポートがある。プロパンのような高密度燃料では、より限定的な燃料入り口ポート７２７９を必要とするが、その一方で天然ガスのような低密度燃料では、それほど限定的でない燃料入り口ポート７２７９で足りる。この構成は、ベンチュリ管温度で燃料流に最も高い抵抗を保持する。しかしながら、図７５のベンチュリ管の実施形態では、長い狭い流路のためにより高圧の損失による低下を有すると共に、製造することがより難しい。
多数の燃料源を備えたガスバーナに対する別の実施形態が図７５Aの中で示される。この実施形態では、燃料切替え弁７２７６は、濃密ガス用の追加的燃料制限７２７８Ａ又は低密ガス用の追加的燃料制限７２７８Ｂを通じてそれぞれ燃料を送る。マルチポートバルブ７２７６は、任意の数の予め定められたガスが同じバーナによって燃焼されることを可能にする。天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）あるいはバイオガスのような予め定められたガスは、対応する燃料設定値に単に切替え弁をセットすることにより、同じバーナ中で燃焼できる。代替としては、バイオガス中の二酸化炭素部分が５０％から２０％まで変わる場合があるとき、別の実施形態ではバイオガスの異なる品質に対応する多数の設定値が設けられる。燃料制限器は図７５Aで示されるようにバーナの外部で置かれてもよい。あるいは、代替としては、燃料制限器はマニホルド７２７３の入口に位置してもよい。制限器７２７８がバーナの外側に置かれる場合、燃料送出し手段の圧力降下の有効部分はベンチュリ管温度でない。そこで、空気と燃料の混合比はベンチュリ管温度に応じて変わる。バーナは初めにより希薄になり、ベンチュリ管を通って流れるより熱くより急速な空気が燃料に対して強い真空を及ぼすとき、次第により濃くなる。さらに、燃料ポート７２７９から圧力降下の有効部分が移動するので、燃料は空気流までは浸透しない。しかしながら、異なるガス用の多数の制限器７２７８を設けることは、その部品の組立てをより簡単にする。
他の実施形態は、図７５Ｂの中で示され、それは空気と燃料の混合比制御および燃料ガス使用法での有意な柔軟性を提供する。この実施形態では、2つの燃料源７２７２Ａと７２７２Ｂは、各燃料に合わせて調節された別々の燃料送出し手段を通じて個々の圧力と流量に調整される。各燃料送出し手段は、燃料送出し手段の圧力降下を変更するために、1個以上のバルブ７２０２Ａ、７２０２Ｂを備えた２個以上の並列な制限器７２０６Ａ、７２０８Ａと７２０６Ｂ、７２０８Ｂをそれぞれ有する。バルブは手動で又は自動的に作動する。別の燃料を閉鎖している間、燃料切換器７２７６はベンチュリ管に燃料送出し手段を接続する。
多数の制限器７２０６Ａ、７２０８Ａと７２０６Ｂ、７２０８Ｂ、並びにバルブ７２０２Ａ、７２０２Ｂによって、燃料送出し手段の圧力降下をバーナの暖気運転中に調整することが可能になる。このように、空気と燃料の混合比は、ベンチュリ管温度の上昇と共に吸込圧力を増加させて大略維持できる。多数の制限器は、また燃料ガス密度の変更に合わせて調節できる。気体燃料バーナがバイオガス消化槽に接続される場合、燃料ガス密度の変動が生じる。そこではバイオガス消化槽は燃料の源である。バイオガス消化槽の実施形態では、二酸化炭素（ＣＯ２）含有量、したがってエネルギ密度は、毎週変えられる。この実施形態の中で、ＣＯ２含有量が増加する場合、燃料送出し手段による圧力降下を低減して、より低いエネルギ密度の燃料ガスに対してより高い流量を可能にする。さらに、多数の制限器によって、点火用に豊富な混合気を供給することで、燃料ガスの点火を改善する。より豊富な混合気は付加的なバルブ７２０２Ａ又は７２０２Ｂを開くことにより提供される。それは、また燃料送出し手段の圧力降下を低減する。一旦バーナが点火されれば、弁７２０２Ａ又は７２０２Ｂはより希薄な炎を生成するために閉まる。一旦バーナが点火されれば、以前に記述されたように、バーナは異なる燃料上で運転されてもよい。燃料切換器は燃料形式を切り換えるために使用される。代替としては、多数の燃料切換器を備えた実施形態により、バーナの操業中に空気と燃料の混合比を変更することが容易になる。
ここでは図７５Ａ及び図７５Ｂを参照して、バーナは燃料切換器７２７６によってある燃料で点火され、異なる種類の燃料で運転できる。これは、ある燃料は発火するには弱いが、暖められたバーナでは燃焼する場合に、重要になる。一例において、バーナはプロパンのようなより高い密度の燃料で点火される。一旦バーナが暖気運転されれば、燃料切換器７２７６は低密度バイオガスを引くために動かされる。
図７６で示される実施形態は、自動制御装置７２８８が、広範囲に有効なラムダセンサあるいはＵＥＧＯ７２８６によって測定されるような排気酸素定数を保持するために、燃料送出し手段の可変流量弁のような可変制限器７２９２を調整するものを表す。この実施形態では、自動スキームによって、バイオガスからプロパンまで任意の燃料がバーナに接続されることが可能になる。また、制御装置は燃料密度が変動することを補える。この実施形態では、自動制御装置は、プロパンのような濃厚燃料のための燃料通路を制限し、メタンとバイオガスのような低密度燃料のために燃料通路を開く。点火は、完全な開放位置で可変制限器７２９２を始動することにより遂行される。混合気が点火されるまで、可変制限器は最も濃厚な混合気を生成し、その後それを閉じる。点火の後、制御装置は、希望の排気酸素レベルを達成するように燃料流を制御する。そのような実施形態は、効率とバーナ安定性を最適化するために、暖気運転中でも燃料空気比が調整できることが予見される。
図７７に示されるような別の実施形態中では、気体燃料バーナは、スターリングサイクルエンジンのような外燃機関用の高性能バーナである。バーナは、バーナを制御するために手動制御を有する。手動制御は、手動で燃料の種類を選択するためのボール弁７２７０、空気と燃料の混合比を調整するトリム弁７２７４、そしてブロワ速度（その結果気流も）を制御する加減抵抗器７７０２を備える。ベンチュリ管７２４０中の予熱空気７２２２によって、燃料源７２７２から燃料が吸引される。次に、燃料は混合気を作成するために予熱空気と混合する。混合気は燃焼室７２５０に流れ込み、燃焼室７２５０で混合気が燃える。この実施形態では、マイクロプロセッサー／制御装置７２８８は、エンジン速度の変更によっても、温度センサ７２８９によって測定されるヒータヘッド温度の一定値を保持する。更に、ブロワ速度はバーナパワー出力と、それ故エンジン出力を決定する。他の実施形態では、燃料トリム弁７２７４は含まれていない。
図７８を参照して、気体燃料バーナ７２０１は、スターリングサイクルエンジンのような外燃機関用の高性能バーナである。この実施形態では、バーナは、排気流７２８４に位置する酸素センサ７２８６と、可変制限器７２９２と共に自動的に燃料流を制限するマイクロプロセッサー／制御装置７２８８を有する。加えて、バーナはブロワ制御装置（図７７に７７０２として示される）を有する。ブロワ制御装置７７０２はスターリングエンジンパワー出力を負荷と一致させるためにマイクロプロセッサー／制御装置７２８８によって調整できる。この実施形態では、バーナ温度は、エンジン速度を変更して、一定値を保持される。また、エンジン出力はブロワ速度の設定により自動的に調整される。その結果、この実施形態では、バーナは、バイオガスのような一定性状でない燃料を含むたいていの気体燃料を燃焼することができる。
図７９に示されるような別の実施形態中で、燃料はベンチュリ管喉７２４４の近位点でベンチュリ管へ直接供給される。この実施形態は、送油経路または燃料管のような燃料送出し手段を収容するために旋回翼７２３０を有する。旋回翼７２３０には、ベンチュリ管７２４０内でベンチュリ管喉７２４４の上流に位置する軸の旋回翼が好適である。操業では、供給された燃料は、混合気を生成するために原動力となる空気に同伴させて運ばれる。典型的な手動あるいは自動制御メカニズムはこの代替の燃料送出しの実施形態に適応可能である。
図７４を再び参照して、気体燃料バーナはさらに点火器７２６０と炎モニタ装置７２１０を含む。好ましくは、点火器７２６０は、１１５０℃を越える温度に達しても起動しやすい高温表面の点火器である。代替としては、点火器７２６０は陶器の高温表面の点火器あるいは興奮性のグローピンでもよい。
図７４を続いて参照して、別の実施形態は炎モニタ装置７２１０を有する。炎モニタ装置７２１０は炎が存在する状態で信号を出力する。任意のバーナの安全操業のために、消炎事象の場合には燃料を止めることは重要である。炎検出用のモニタ装置は制御回路とフレームロッドを使用した炎整流方法である。
技術において周知の炎整流は、小さな高性能ガスバーナ用の１個の炎検出手法である。装置は、炎を検知するために単一のフレームロッドを使用する。フレームロッドはアースされたヒータヘッドより比較的小さく、また、それは燃焼炎内に位置する。この炎整流の実施形態中で、制御装置の電子装置はキディ−フェンウォル（Kidde-Fenwal）社によって製造され、フレームロッドは国際セラミックス＆暖房装置（International Ceramics and Heating Systems）から市販で入手可能である。
好ましくは、炎モニタ装置はフレームロッドとして高温表面の点火器を使用する。代替としては、炎モニタ装置は高温表面の点火器から遠くてもよく、あるいは単一の装置として点火器とパッケージ化されてもよい。
代替としては、光センサは炎の存在を検知するために使用される。好ましいセンサは、紫外線の透明性ガラスと測温管を通して炎ブラシについての明瞭な視野を備えた紫外線センサである。
多重バーナ構成中で機能するために、ここに記述された様々な燃料バーナの実施形態が適応されることが、理解される。
燃料ポンプ
ある実施形態に従って、スターリングエンジンのようなエンジンの加圧燃焼室への燃料流量は、燃料ポンプの運転パラメーターの変化により測定される。燃料ポンプの様々な実施形態は、以下の記述と共に、米国特許第７１１１４６０号、２００６年９月２６日発行、Ｊｅｎｓｅｎ他と米国特許出願シリアル番号１１／５３４，９７９号（２００６年９月２５日出願、２００７年２月８日公開）に詳述され、これらは、ここに引用によってそれらの全体が組み入れられる。希望の性能は、燃焼室への燃料流量を測定するために通常使用される絞り板か弁、あるいは別の流量制限的な装置なしで達成されてもよい。
図８０は、一実施形態によるエンジン８０２２の加圧燃焼室８０５８に気体燃料を供給する定量ポンプ機構を示す。８００５として一般にラベル表示されたガストレーンは、燃料ポンプ８０１４と連絡配管８０３８、８０４２を有し、また圧力調整器８０１８を有していてもよい。燃料ポンプ８０１４は、連絡配管８０３８の燃料圧力を上昇させて、連絡配管８０４２を高圧にする。ガストレーンはガス供給器から燃料をバーナ８０１０へ送り、ここで燃料が空気と混じり合って、燃焼室８０５８で燃焼する。燃料ポンプは、燃料ポンプ８０１４に送られた電気的信号の1個以上のパラメーターの変化により、燃料流量を調整する制御装置８０３４によって制御される。制御器は、また燃焼室８０５８に空気を供給するブロワ８０６０を調整し、エンジンを操作するパラメーターを報告するセンサーから信号を受け取る。
ある実施形態では、配管８０３８の送られた燃圧は液化石油ガスに対しては６〜１３インチ水柱（１．５６〜３．３７ｋＰａ）である。天然ガスは、配管８０３８中で３〜８インチ水柱（０．７８〜２．０８ｋＰａ）のさらに低い圧力で供給されてもよい。代替としては、圧力調整器８０１８はより低い圧力、負圧さえで燃料を供給できる。連絡配管８０４2の典型的な燃圧は、０．５から５ＰＳＩＧ（重量ポンド毎平方インチ・ゲージ圧）（３．４８〜３４．８ｋＰａ）である。
ある実施形態では、燃料ポンプ８０１４は直線ピストンポンプである。直線ピストンポンプは図８１に示される。ポンプはシリンダ８１００、ピストン８１０２、巻線８１０４、スプリング８１０６、逆止め弁８１０８、８１１２を有する。電気信号が巻線８１０４に印加される場合、鉄類ピストン８１０２を左に引いて、巻線がスプリング８１０６を圧縮する。ピストン中の逆止め弁８１０８は、燃料が圧縮容積８１１０に流れ込むことを可能にする。電気信号が止められ、ピストン上の電磁力が減少し始める場合、ピストン８１０２はスプリング８１０６によって右に押し付けられる。ガスは逆止め弁８１１２から締め出されて、高圧で容器容積８１１４の中へ押し込まれる。
ポンプの流量はピストン８１０２のストロークの変更により調整される。一実施形態では、図８２に示されるように、制御器からポンプまでの信号は半波交流（「ＡＣ」）信号である。この信号を生成する回路類は当該技術において周知である。ＡＣ信号の振幅が増加すると、ピストンストロークと、その結果流量が増加する。ある実施形態では、流量対駆動信号の繰返精度と線形性を改善するために、低振幅信号がわずかに高くバイアスされる。巻線８１０４によってピストン８１０２に加えられる力は、巻線からピストンまで距離に反比例する。低い信号レベルでは、ピストンは巻線にあまり近くならず、摩擦でささいな変化もない。また、ピストンの慣性は、得られるピストンストロークと流量に有意な変化を生成する。バイアス電圧を印加することによって、ピストンの静止位置が巻線に近くなる。その結果、ピストンを駆動する制御器信号中のちいさな変化が、ピストンの摩擦力と慣性に優越する。例えば、信号に加えられるバイアス電圧は、最低の駆動信号（図８２では１０％の信号）で最も高く、駆動信号が５０％に達する前に、０まで減少する。完全なポンプストロークを利用するために、より高い流量レベルではバイアスを減少させる。
別の実施形態では、ポンプを駆動する制御器信号はパルス幅変調（ＰＷＭ）直流（ＤＣ）電圧信号である。図８３は、ポンプを運転するために使用される典型的なＤＣ波形を示す。図８３のＰＷＭＤＣ信号を生成する回路類は当該技術において周知である。異なる３個のドライブ信号が時間に対して図示される。これらの信号変調は、１０％、５０％及び９０％のデューティサイクルに相当する。それは制限としてではなく、実例の目的のために示される。図８１の巻線８１０４に図８３の矩形波電圧を加えると、ピストン８１０２は左に移動し、スプリング８１０６を圧縮する。ストローク、したがって流量は、電圧に信号の継続期間を乗じたものにほぼ比例する。１０％と５０％の、より低い信号は、信号パルス間のバイアス電圧を含んでいる。ＡＣドライブ信号の場合でのように、バイアス電圧は、信号中のちいさな変化に対するより大きなピストン応答をもたらし、かつピストンの摩擦と慣性の力を克服するために巻線近くにピストンを移動させる。このバイアス電圧はドライブ信号の継続期間に応じて変更される。バイアス電圧は最小のドライブ信号継続期間で最も高く、ドライブ電圧パルスデューティサイクルが５０％に達する前に、０まで落ちる。
他の実施形態では、ピストンを運転するために異なる制御器信号波形を使用する。別の実施形態では、図８１のピストンポンプは図８２及び図８３に示されるバイアス電圧なしで運転することができる。
別の実施形態では、ポンプを調整するＰＷＭＤＣ制御器信号の継続期間と周波数の両方は、駆動信号の変化によってポンプを通る流量を線形化するために変更される。
さらなる実施形態では、ポンプ８０１４は図８４に示されるような膜板ポンプである。膜板ポンプでは、1個以上のソレノイド巻きコイル８２００が、ポンプ８２０２のシャフトを前後に運転する。シャフト８２０２によって、二者択一でチャンバ８２１２へガスを引き、次にそれを押し出すために、2個の隔膜８２０４を屈曲させる。2線式コイルは電線（８２３４、８２３６）に接続された交流信号で運転され、それはコイル８２００を流れる電流を逆にしてピストン８２０２を前後に運転する。逆転する磁界によってソレノイドを反対方向に駆動できるように、ソレノイドには永久磁石が設けられている。一方のチャンバが満たされると、相手チャンバは空になるように、２室のチャンバ８２１２のポンプの力は１８０度離れた位相である。下流の弁８２１０が、ポンピングチャンバ８２１２から流れ出して容器容積８２１６への流れ込みを可能にしている間に、ポンピングチャンバ８２１２の上流の逆止め弁８２０８はガスを中へ流れ込ませる。ソレノイド巻きコイル８２００は全波交流信号で駆動される。ピストンポンプへと同様の方法で、交流信号の振幅を変えることでストロークを変えて、その結果膜板ポンプによって燃料流量を変える。
別の実施形態では、図８４の膜板ポンプ８０１４の電気的コイル８２００は、コイル８２００の中心に第三巻線8２３２を加えることで、センタータップされる。電線（８２３４、８２３６）はコイルの各端を接続する。この３個電線接続部によって、ピストン８２０２がＤＣ源で前後に駆動されることが可能になる。ＤＣ源は中心線８２３２に接続され、他の接続電線（８２３４、８２３６）はアースまたは負電圧に交互に接続され、その結果コイルの半分の一方又は他方に電流を流れさせる。
３線式コイル８３０２とコイルのＤＣ電流量制御装置（８３０４、８３０６、８３０８）は、図８５に概略的に示される。図８５のように、コイルは膜板ポンプソレノイドを駆動するために使用される。デバイス（８３０４、８３０６、８３０８）は、リレー、電界効果トランジスター（ＦＥＴ）、バイポーラトランジスタあるいは別の同様のデバイスである。制御器は、使用デバイス８３０４に適用される直流電圧信号８３１２の振幅を変えることで、膜板ポンプを介して燃料の流量を変える。図８６Ａで示されるように、デバイス８３０６、８３０８は駆動される。ここで最初に一方のデバイスは閉じられ、次に開放される。次に、別のデバイスは閉じられ、次に、開放される。図の垂直軸は、正規化されたドライブ電圧に相当し、ここで「１」に等しい信号は、デバイスが閉じられている（つまり、短絡させられた）ことを意味する。図８３に示されるような、ＰＷＭ信号に使用する制御戦略は、先に記述したピストンポンプ用のバイアスなしで、且つ適切な位相であるにも拘らず、図８５の各々のデバイス８３０６、８３０８に適用できる。
別の実施形態では、図８４の膜板ポンプストロークの振幅と周波数は、図８５に示される３個のデバイス（８３０２、８３０４、８３０６）を使用して制御することができる。ポンプストロークの振幅は電線８３１２の平均電圧で制御される。この電圧は高速のパルス幅変調装置８３０４で調整できる。以前のように、ストローク周波数はデバイス８３０６、８３０８で制御される。代わりに、デバイス８３０４を削除して、図８６Ｂで示されるように、スイッチ８３０６、８３０８が、高周波で「オン」状態の間をパルス幅変調される。他の実施形態では、当業者に知られているように、中心タップされたコイルは、フルブリッジまたは半ブリッジと取り替えることができる。
燃料の一定流量が重要な用途で使用される他の実施形態では、フィルタ８７０１はポンプ８７００とバーナーヘッド８７０６の間に設けられ、図８７Ａの中で示されるように、ここで燃料が燃焼用空気と混じり合う。フィルタ８７０１の一実施形態は、静電容量（容積）８７０２を含むＲＣフィルタとオリフィス８７０４である。容積とオリフィスは、必要な燃料流量を可能にし、かつ流量のゆらぎを所望レベルに低減するために大きさが合わせられる。当該技術において周知の数学技法はこれらのフィルタパラメータを決定するために使用される。
容積とオリフィス絞り弁を使用する音響フィルタは、図８７Ｂで示される電気回路に類似している。ガス流の類似物は電流である。ガス圧力の類似物は電気的な電圧である。容積の類似物は静電容量である。流れ抵抗の類似物は電気抵抗である。また、ガス慣性の類似物は電気的なインダクタンスである。オリフィス絞り弁はこのモデルに直接読み替えられない。その理由は、オリフィス流れ抵抗は、モデルが示唆するような気体流に比例するのではなく、この代わりに２乗された（非線形）気体流に比例する為である。モデルは、流れ抵抗の線形化のプロセスを通じて小信号に使用できる。ポンプ気体流脈動は要因１／（１＋２πｆＲＣ）だけ減少する。ここで「ｆ」は、ポンプからフィルタに入る気体流の周波数成分である。オリフィス絞り弁の非線形特性のために、音響フィルタは、平均流量の割合として高いバーナ流量脈動を引き起こすような、低い流量でより低い減衰性を有している。より高い脈動によって、炎不安定性と汚染物質のより多量の排出を引き起こす場合がある。この非線形性は、さらにポンプ最大流能力を低下させるような、より高い流量割合での平均気体流に高抵抗値をもたらす。
図８７Ｃで示されるように、音響フィルタのための長い薄いチューブ８７０３の追加によって、ガス質量加速度を通じて脈動減衰が提供される。電気的類似の図は図８７Ｄに示される。ポンプ気体流脈動は要因１／［１＋（ＬＣ）（２πｆ）２］だけ減じられる。LとCが流量の関数ではないので、フィルタ減衰は流量によって影響を受けず、図８７Ａのフィルタの不都合がない。脈動の減衰によって、さらにポンプの流量が増加する。
図８０を再び参照して、別の実施形態では、制御器８０３４は、エンジンのヒーター管８０２６の熱を制御するために燃料ポンプ８０１４の出力を調整する。ヒーター管８０２６の温度は、ヒーター管８０２６に付けられている熱電対のような温度センサ８０５４によって測定される。エンジンが速度を増加させる場合、エンジンはヒーター管８０２６からより多くの熱エネルギを取り出す。チューブが冷えて、熱電対８０５４が制御器８０３４にこの温度降下を報告する。すると、測定された熱が所定レベルに戻されるまで、次には制御器８０３４が燃料流量を増加させる。燃料ポンプによって燃料を測定するための装置と方法の任意のものが、上述されたように、マシンのこの実施形態の中で使用される。回転翼ポンプ、圧電ポンプ、クランク駆動されたピストンポンプなどを含む様々な燃料ポンプが、使用される。他の実施形態では、与圧室が一部分である機構の様々な操作パラメーターは、当該与圧室への燃料流量を測定して燃料ポンプを制御することで制御される。例えば、内燃機関の速度あるいはエンジンのパワー出力は、制御器で決定される。代わりに、バーナのための燃料／空気混合気比は制御器で維持されてもよい。
多重バーナ構成の中で機能するのに、ここに記述された様々な燃料ポンプ実施形態が適応させることが、了解されている。
単一バーナの多重ピストンエンジン
今図８８、図８９Ａから図８９Ｃを参照すると、スターリングサイクルエンジンのようなロッキングビーム駆動８８０２（さらに図８に８１０、８１２として示される）と複数のピストン（さらに図８に８０２、８０４、８０６、８０８として示される）があり、ピストンのヒータヘッド８８０４を熱するために単一バーナ（図８９Ａと図８９Ｂで8９００として示される）を有するエンジン８８００の様々な実施形態が示される。ヒータヘッド８８０４は、前節に示された様々な実施形態のうちの1個である、図８９Ａの中の数字８９０２で示された（さらに図９１Ｃと図９１Ｄで９１１６として示される）チューブヒータヘッドや、図８９Ｃの数字８９０４で示されるような（さらに図５３Ｄから図５３Ｆで５１００として示される）ピンまたはフィンのヒータヘッドを含むものであるが、これに制限されない。図８９Ｂは、ヒータヘッド８９０４にぴったり合うヒータヘッドライニング８９２６を有するピンヒータヘッド８９０４を含む。バーナ8９００は、前節と米国特許第６９７１２３５番（２００５年１２月６日発行、Ｌａｎｇｅｎｆｅｌｄ他）に示された様々な実施形態のうちの一つでも良く、この米国特許は参考文献でその全体がここに組み入れられる。
一実施形態では、図８９Ａから図８９Ｃで示されるように、燃焼室８９０６はヒータヘッド８９００上に位置する。予燃チャンバ８９０１は予燃チャンバーノズル８９０８によってバーナーヘッド８９０３に燃焼室８９０６を接続する。そこでは予燃チャンバーノズル８９０８は、単純なノズル、旋回翼ノズルあるいは圧力スワールノズルである。バーナーヘッド８９０３は、炎検出用の紫外線窓８９１０、燃料噴射器８９１２（それはDelevan社製のサイホンノズルのような空気を補助に使う燃料噴射器である）および高温表面の点火器８９１４を収容してもよい。さらに、第1の入口８９１６と第２の入口８９１８がバーナーヘッド８９０３に接続される。これらの入口のうちの一方は液体燃料入口であり、他方の入口は霧にする入口である。
予燃チャンバ８９０１は、燃焼室８９０６から上流に位置した、中心に位置する燃料準備ステージである。予燃チャンバ８９０１は拡散炎を形成するために燃料が点火される場所である。液体燃料が使用される一実施形態では、液体燃料は第１の入口８９１６を通り抜ける。噴霧は、液体燃料を霧にし、かつ予燃チャンバ８９０１中の液体燃料と混合するように、第２の入口８９１８を通過する。噴霧と液体燃料が燃料噴射器８９１２経由で予燃チャンバ８９０１に入るとともに、それは高温表面の点火器８９１４で点火される。また空気は、取入れ口８９２０を通過し、噴霧と液体燃料とを混合する予燃チャンバ８９０１へ移動する前に、予熱器８９２２で予め熱せられる。一旦混合物が予め熱せられ、拡散炎を作られれば、ＰＰＶ（予混合予蒸発）炎を形成するために、それは燃焼室８９０６へ予燃チャンバーノズル８９０８によって移動する。拡散炎が予燃チャンバ８９０１を通り過ぎる場合、万一それが燃やされるか燃え尽きても、拡散炎がより簡単に再点火されることを可能にする蒸発が、予燃チャンバ８９０１で生じる。
一旦炎が燃焼室８９０１にあれば、炎からの熱はヒータヘッド８８０４を熱するために使用される。燃焼室８９０１からの熱したガスは、平等に各ヒータヘッド８８０４の表面にあふれて流れる。ここで、ヒータヘッド８８０４はエンジン（図８８に８８００として示される）の作動空間
（図８８に８８０６として示される）に含まれる作動流体に対して、熱したガスに含まれる熱を移送する。さらにＰＰＶ炎が各ヒータヘッド８８０４にわたって平等に分配するのを支援するために、燃焼室８９０１は、その表面に開口部８９２４を有する。
今回の上記と前の節で述べられたように、ヒータヘッド８８０４はピンヒータヘッド、折り重ねられたフィンヒータヘッド、あるいはヒーター管でもよい。ピンまたはフィンのヒータヘッドを使用した実施形態では、ヒータヘッドは、図８９Ｂで示されるような（さらに図５３Ａで５３４０として示される）ヒータヘッドライニング８９２６を有する。ヒータヘッドライニング８９２６はヒータヘッド８９０４にぴったり合うスリーブである。又はヒータヘッドライニング８９２６は、加熱されて拡張し、その後スリーブがそれを冷やして収縮して、ヒータヘッドの周りにしっかりと嵌合する結果、ヒータヘッドにぴったり合うスリーブである。ヒータヘッドライニング８９２６は、熱したガスの等流を確保する。前の節で詳細に議論されるように、等流はヒータヘッド８８０４のまわりのむらのある温度偏差を防ぎ、熱効率を確保する。バーナからの合成排気は排気口８９２８を通じてバーナを出る。
バーナが非常な高温に達してもよいので、バーナを形成するために求められた金属は膨張する。あるバーナ表面８９３０の膨張はエンジンの効率に邪魔をするし、あるいはヒータヘッド８８０４を破損する。代替の実施形態では、柔軟部材がヒータヘッド８８０４の間に位置するか、それが使用される場合には、ヒータヘッドライニング８９２６とバーナ表面８９３０の間に位置する。バーナ表面８９３０がヒータヘッド８８０４内へ膨張しないように、柔軟部材は拡大する金属バーナ表面８９３０に対するバッファーとして働く。
他の実施形態では、プロパンのような気体燃料が使用される。そのような実施形態では、バーナはバーナーヘッド８９０３と燃焼室８９０６を含む。バーナーヘッド８９０３は、炎検出用の紫外線窓８９１０、燃料噴射器８９１２（それはDelevan社製のサイホンノズルのような空気を補助に使う燃料噴射器である）および高温表面の点火器８９１４を収容する。気体燃料は燃料噴射器８９１２によって燃焼室８９０６に入ってもよい。燃料噴射器８９１２を出る際、気体燃料は高温表面の点火器８９１４で点火され、それによって、燃焼室８９０６の内部で炎を生成する。気体燃料の燃焼は、前の節に詳細に記述される。
また別の実施形態ではバーナ8９００に、ガス燃料と液体燃料の両方を使用する。以前に記述された典型的な実施形態や、前節で記述された様々な他の実施形態と同様に、バーナ８９００は燃焼室８９０６、予燃チャンバ８９０１およびバーナーヘッド８９０３を含む。燃焼室８９０６はヒータヘッド８８０４の上に位置する。予燃チャンバ８９０１は予燃チャンバーノズル８９０８経由でバーナーヘッド８９０３に燃焼室８９０６を接続する。そこでは予燃チャンバーノズル８９０８は、単純なノズル、旋回翼ノズルあるいは圧力スワールノズルである。バーナーヘッド８９０３は、炎検出用の紫外線窓８９１０、燃料噴射器８９１２（それはDelevan社製のサイホンノズルのような空気を補助に使う燃料噴射器である）および高温表面の点火器８９１４を収容する。さらに、第1の入口８９１６及び第２の入口８９１８がバーナーヘッド８９０３に接続される。これらの入口のうちの一方は液体燃料入口であり、他方の入口は霧にする入口である。スイッチは第1入口８９１６と第２の入口８９１８の間に位置する。この結果、上述されるような噴霧の代わりに、気体燃料が使用される時、気体燃料が第２の入口８９１８を通って流れる。液体燃料が使用される時、液体燃料が第1入口８９１６を通って流れ、噴霧が第２の入口８９１８を通って流れるようにスイッチは構成される。
バーナの一層の実施形態では、ブロワはバーナ８９００に結合される。
多重バーナ多重ピストンエンジン
今、図９０から図９１Ｂを参照して、図９０に示されるように、エンジン９００0の各ヒータヘッド９００２が個々のバーナ９００４で加熱される別の実施形態が示される。ヒータヘッド９００２は、図９１Ｂから図９１Ｄに数字９１１６で示されるチューブヒータヘッド、図９１Aの数字９１１８で示される（さらに図５３Ｄから図５３Ｆで５１００として示される）ピンまたはフィンのヒータヘッドを含む、前の節に記述された様々な実施形態のいずれかでもよいが、これに制限されない。バーナ９００４は、前の節や米国特許第６９７１２３５番に示された様々な実施形態のうちの任意の1個でもよい。
各バーナ９００４はバーナーヘッド９１００を含んでいる。前に示されたバーナの実施形態と同様に、バーナーヘッド９１００は点火器９１０１、燃料噴射器９１０８および炎検出用の紫外線窓（図９１Ｂで９１０７として示される）を有する。燃料は第1の入口９１０６を通過して、そこでは燃料が点火器９１０１で加熱され、炎を生成する。予熱器９１０２で熱した予熱空気は、燃焼室９１０３で燃料と混じり合う。熱した燃料混合気は、燃焼室９１０３で内部の炎を形成し、ヒータヘッド９００２を熱する。バーナからのどんな排気も排気口９１０５を経てバーナを出る。バーナの他の実施形態では、噴霧は第２の入口９１１０経由で燃料と結合する。バーナの別の実施形態では、ブロワは個々のバーナ９００４中の平均空気定量を維持するために組込まれる。
しかし、図９１Ｂで示されるように、別の実施形態は予燃チャンバ９１１１を有する。この実施形態では、バーナは燃焼室９１０３、予燃チャンバ９１１１およびバーナーヘッド９１００を有する。燃焼室９１０３はヒータヘッド９００２の上に位置する。予燃チャンバ９１１１は、単純なノズル、旋回翼ノズルあるいは圧力スワールノズルのような予燃チャンバーノズル９１１２経由でバーナーヘッド９１００に燃焼室９１０３を接続する。バーナーヘッド９１００は、炎検出用の紫外線窓９１０７、燃料噴射９１０８（それはDelevan社製のサイホンノズルのような空気を補助に使う燃料噴射器である）および高温表面の点火器９１０１を収容する。さらに、第1の入口９１０６及び第２の入口９１１０がバーナーヘッド９１００に接続される。これらの入口のうちの一方は液体燃料入口であり、他方の入口は霧にする入口である。
予燃チャンバ９１１１は、燃焼室９１０３から上流に位置した、中心に位置する燃料準備ステージである。予燃チャンバ９１１１は拡散炎を形成するために燃料が点火される場所である。一実施形態では、液体燃料が使用される場合、液体燃料は第1の入口９１０６を通り抜ける。液体燃料を霧にして、かつ予燃チャンバ９１１１中の液体燃料と混合するように、噴霧は第２の入口９１１０を通過する。噴霧と液体燃料が燃料噴射器9108によって予燃チャンバ９１１１に入るとともに、それは高温表面の点火器９１０１で点火される。また空気は、取入れ口を通過して、噴霧器と液体燃料と混合する予燃チャンバ９１１１へ移動する前に、予熱器９１０２で予め熱せられる。一旦混合気が予め熱せられ、拡散炎を形成すれば、ＰＰＶ（予混合予蒸発）炎を形成するために、それは燃焼室９１０３の中への予燃チャンバーノズル９１１２によって移動する。拡散炎が予燃チャンバ９１１１を通り過ぎる場合、万一それが燃やされるか燃え尽きても、拡散炎がより簡単に再点火することを可能にする蒸発が予燃チャンバ９１１１で生じる。
一旦炎が燃焼室９１０３にあれば、炎からの熱はヒータヘッド９００２を熱するために使用される。燃焼室９１０３からの熱したガスは、平等に各ヒータヘッド９００２の表面にあふれて流れる。そこでは、ヒータヘッド９００２は、熱したガスに含まれていた熱を、エンジン（図９０に９０００として示される）の作動空間に含まれていた作動流体に移転する。さらにＰＰＶ炎が各ヒータヘッド８８０４に渡って平等に分配するのを支援するために、燃焼室９１０３は、その表面に開口部（図９１Aで９１１４として示される）を有する。
本発明の本質はすべての典型のエンジンに適用され、スターリングエンジンを含んでおり、内燃機関、コンプレッサおよび冷蔵庫のようなシリンダを利用する他のピストンマシンに適用される。しかしながら、本発明は複動の4気筒スターリングエンジンに制限されない。
発明の本質はここに記述されているが、発明の範囲に関して制限ではなく、例示のためにのみ、この記述がなされることは、当業者で了解されている。他の実施形態は、ここに示され記述された典型的な実施形態に加えて、本発明の範囲内で考慮される。当該技術における通常の技術による、変更および代用は、本発明の範囲内である。

Claims (1)

  1. ロッカーピボットを有するロッキングビームと；
    少なくとも1本のシリンダと；
    少なくとも1本のピストンであって、前記ピストンはそれぞれのシリンダ内に収容され、これによって前記ピストンがそれぞれの前記シリンダ内でほぼ直線的に往復運動するように構成されたピストンと；
    近位端部と遠位端部を有する少なくとも1個の継ぎ手アセンブリ（coupling assembly）であって、前記近位端部が前記ピストンに接続され、前記遠位端部が前記ロッキングビームに端ピボットで接続されると共に、これによって前記ピストンの直線運動が前記ロッキングビームの回転運動に変換されるように構成された継ぎ手アセンブリと；
    ピストン棒にシール可能に接続されているシールであって、不織布を備える転動形ダイアフラムであるシールとを備え；
    前記シリンダは閉鎖端と開放端を有し；
    前記開放端がさらに前記シリンダに接続されたリニア軸受を有し；
    前記リニア軸受が前記継ぎ手アセンブリを収容するための開口部を有する；
    機械のためのロッキングビーム駆動機構。
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