JPS58150001A - 等温容積式機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 気体の圧縮又は膨張により仕事をなし又は仕事をさせる
ために用いられる機械には、一般に２つの型がある。こ
れらの２つの一般的な型の機械け、容積式（ｐｏｓｌｔ
ｌｖｅ　ｄｉｓＤｌａｃｅｍｅｎｔ　）とタービンであ
る。容積式の型は、種々の機械的に駆動され又は駆動す
るピストン又は羽根型ロータを包含する。

ガスの体積は、コンプレッサ又はエンジンの機能に依存
しながら、１つの体積からより大きい又はより小さい異
なる体積へ比較的に低い速度て運ばれる。他の型の機械
であるタニピンにおいては、ブレードを通るガスの流れ
は、はぼガスの音速で生ずる。タービンは容積式機械よ
り４効率的に作り得ることが、このような機械を設計す
る人々にはよく知られている。この効率の相違の理由は
、よく判らないことが多い。この非効率の原因について
の知識は、非効率又は損失を重要な要因により最少ｆＩ
ＩＬオで減少させるような方法で、容積式機械を設計す
ることを可能ならしめる。ディスプレーサ、ピストン又
は羽根と室の壁との間の雄耗のために、容積式機械には
良く知られ念追加的なエネルギ損失のあることけ勿論で
ある。タービンは、この非効率を避けるが、然し音速に
近い速１での空気動力学的流れ摩擦のような他の本のを
有する・熱交換および全エネルギ損失 滑動する部品間の摩擦損失け、重要ではあるが、通常、
システム内における主要なエネルギ損失ではない。然し
なから、私は、主要な非効率を生じさせるが良く理解さ
れてｂない、容積式機械の１つの特性に焦点を肖てｔい
。それは、圧縮又は膨張されているガスと容積式の容積
の壁との間の熱交換である。この熱交換は通常、基本的
な本のと關められてｈる。その代りに、私の主＃１け、
熱交換は、機械の目的に最本よく適するように著しく減
少又は増大させることが可能であり、断熱サイクルの場
合には減少され、郷馬サイクルの場合には増大される、
ということである。

オずコンプレッサを考えるが、その説明は、条件を炉に
して膨張エンジンに等しく適用で練る。

もしもガスが断熱的に圧縮されるならば、ガスは、圧力
の増大と圧縮の関数として熱くなる。温度と圧力の増大
は、周知の断熱法則の関係に従う。空気コンルツサのよ
うなある場合には、ガスの中に生じた追加の温１ｆＦｉ
、後に迷惑な本のとして排除されるが、有用な仕事の重
要な部分、その主要な部分さえも、この熱の排除の際に
消費宮れるかも知れない。この熱が排除される場合の空
気コンプレッサの独特の場合において、所望の体積の冷
たい圧縮ガスを達成しながらより少ない仕事がなされる
ように、この熱をサイクル中のできるだけ早期に排除す
ることが一層効果的である。ランキンサイクル熱ポンプ
において又Ｆｉ種々の内燃機関の圧縮サイクルにおいて
コンプレッサが用いられる他の場合は、コンプレッサの
壁と作動流体即ちガスとの熱交換による断熱圧縮からの
この離脱は、システムの主要な不利益と非効率である。

本発明名による関連発明である米国特許出願第５０２．
［６７号（１９８１年９月１４日出願）の主題の一点は
、断熱容積式機械の入口開口部と出口開口部の正しい設
計により、この熱交換を小さい１に減少させ得る、とい
うことである。

この熱損失の機構は、圧縮又は膨張の間に壁と接触する
作動流体のｉ波運動である。この熱交換には２つの部分
がある。即ち（１）もしも唾が等温に保持されたならば
、ガスと螢との間の熱交換、及び（２Ｉ＠自体の熱イン
ピーダンス（ｈ＠ａｔ　１ｍｐ＠ｄｓｎｃ＊）である。

壜の熱インピーダンスは、ストロークの遅れ念位相でガ
スの平均＠賓に等しいＴ１度になってくる時間の遅れを
平均させる槽として雫が作用するようなものである、と
いうことが結局は明らかになる１時間の位相の遅れ、と
熱交換の大所いこととは、共Ｋｌｉ熱効率にとシ゛有害
である。

温度浸透深さく　ｔｈｅｒｍａｌ　５ｋｉｎ　ｄｅｐｔ
ｈ　）熱接触の時間内での温度浸透厚さく　ｔｈ＠ｒｍ
ａｌｓｋｌｎｄ・ｐｔｈ　）　　を計算すること忙より
、がスト一時的な接触をする閣の璧の熱質量（ｈ＠ａｔ
　ｎｎａｓｓ　）を計算することができる。与えられた
時間を内での熱（又は冷）の貫通のＹ轟度浸透厚さｄは
、数字的に次式で表現される。

ｄ＝〔（に／ｃｖ）ｔ〕１／２ 但し、Ｃｖ　＝壁材料の比熱 Ｋ　＝熱伝導度 ｔ　２時間　　　　である。

（に／Ｃｖ）は、しばしば拡散係数と呼ばれる。

Ｃｖ　＝　１力ロリーＣｍ”５　ｄｓ「１　、時間ｔ＝
ＩＱ−２秒（３０００ＲＭＰで１ストロークに対し）又
はそれ以上、である典型的な材料については、温度浸透
厚さは、兼高速度でに＝　１０−３　ｃａｔｃｓ＋−３
ｄｓｇ−Ｉ　Ｙｔもつグラスチックに対して３ＸＩＱ−
５ｃｍと、金属と大きくて侵いピストンに対する３Ｘ１
０−２ｃｓｒと、の関を変動するであろう。最も小さい
浸透厚さでさえも、大気圧の空気又はフレオンの数１に
等−しい熱質量に相当する。それ故、ガスと接触してい
る熱の熱Ｒｔは、がスの熱質量に匹敵しうるが又はこれ
より大きい、工学の実際においては、この浸透厚さの要
因′ｆｒ無視し、壁がガスからの熱の流れの時間平均で
ある一度をとるものと仮定するのが普通である。この４
合には、熱損失を決定する際の主要な要因は、曖の性質
とほとんど無関係な仮定された等ａＩ！とガスとの理論
的な熱交換である。熱の流れの時間による位相の遅れの
重要性は後で示す、＊初に１浸透厚さの効果全立証する
。

室の４１１が滑らかであると仮定すると、熱損失は、滑
らかな壁との乱流交換により支配される。

第１図において、１つの槽１から第２の槽２への熱の拡
散の古典的解法を示す。槽ｌは、温度Ｔ１でより熱く、
ｌ１ｉｌｌｉ３まで熱を運ぶ夷′ぺ的にＳ＠の能力ｔも
つ乱流のガスであると仮定する。熱は、拡散係数に／　
Ｃｖ　　で領域２の中へ又は外へ拡散する。その時、熱
又は温度Ｔの分布は、厚さ真の函数として％’ｆ１４ｓ
函数（ｅｒｒｏｒ　ｆｕｎｃｔｌｏｎ　）’Ｃ）解法の
順序に従う。即ち、 Ｔ　”　Ｔ２　＋　（ＴＩ　　Ｔ２　）　＠ＸＩ）　（
−ｘ２／ｄ２）又ハ、丁＝Ｔ２＋（Ｔ１−Ｔ２）、（−
ｘ２／／ｄ２）１／２ ここ罠、ｄ；〔（に／ＣＶ）　ｔ　）　　　である。

距＃ｄは一熱波（ｔｈ・ｒｍａｌ　ｗａｖ・）の貫通の
深さの重心である。３つの曲ｉ１　ｄｌ　、ｄ２、ｄ５
　＃′ｉ、時間ｔｌ、ｔ２、ｔ３　　の温度輪郭である
。ここに、ｔｌは、ｔ２　　より小さく、ｔ３　　より
小さく□、特性的浸透厚さｄｌ　　は、ｄ２　　より小
さく、ｄ２はｄ３より小さい。もしもＴ、が、二者択一
的に熱いガス又は冷えいイスと共にシリンダ内にあるよ
うに時間に従属するならば、現実の負度分布は、この解
法の単純な追加であるべきである。この意味で、？冷た
い（ｃｏｌｄ　）　’　即ち丁１　がＴ２　　より小さ
いものは、熱い即ちＴ１　　が丁２　よシ大きいときと
全く同様に壷の中に貫通することができる。浸透厚さは
、丁度、時間を内の各１度の変動の特性的平均深さであ
る。各曲線のそばにｄピ載しである熱質量は、ｔ４＝（
Ｔ、−Ｔ２）ＣＶ　　であシ、それ放熱ｄｉ　’浸み込
（ｓｏ社Ｉｎ　）　’　ｔねばならない時間が長いけれ
ば長い椙、椰送される熱が多くなる。典型的な拡散係数
と浸透厚さの熱誓量が、種々の材料について第１表に示
されている。３０００　ＲＰＭの周波数が例として凋ば
れ、浸透厚さの熱質量が、オツトーサイクルエンジンの
典型である８：１に圧縮され九燃焼ガスに対比されてい
る。乱流のない空気の拡散係数を１比做のために加えで
あるａ２１！気中の純粋に拡散的な熱の流れが、唾の熱
質量の１０−５倍という非常に小さい浸透厚さの熱質量
に通ずることが判る。それ故、重要であるべき唾の熱質
量のために１乱１５ｔＫよυｆスの熱の流れを増大させ
ることを必要とする。

第　　１　　表 仮定：　３０００　ＲＰＭ、　　ｔ＝１／（２ｆ）−０
，０１秒炭素ｍ　　　Ｏ，５０；８１　０．１３　０．
０１６４ステンレス、ｍ　　　　　Ｏ，１４０，８１０
，０３６０，００８７ニツケル・クロム　　０．１１　
　　　０．８１　　　０．０２８　　０．００７６燐青
鋼　２．２　０．８４　０．５５　０．０３５ベリリウ
ム鋼　　　０．８　　　　０，８４　　　０，２０　　
０．０２１アルミニウム　　　　　１．６　　　　　０
，５８　　　　０．５７　　　０．０２５合金 カインコーク　　　　０．２Ｂ　　　　　０．５　　　
　　０．２　　　　０．００７５酸化アルミニウム　　
０．３０　　　　０．８　　　　０．０８　　０．０１
３セラミツク 溶かされた二鎖　０．０１６　　０．８　　　０．００
４　０．０（１１３化シリコン 空気１気圧　　　２．３Ｘ１０　　２．８６Ｘ１０”　
０．１９　　１．２５Ｘ１０”−５４ 空気８気圧　　　２．３Ｘ１０　　２．３Ｘ１０−’　
　０．０２３　５．５Ｘ１０−５４ ８倍に圧縮された空気ｌラス燃料のＩＰＩ各ｌｌ１Ｖｉ
、５　Ｘ　１０−５　ｃａＬｃｙｍ−５又ハ圧１１１Ｍ
サレｆｔ空１ｏミ。

熱容量の大兄２ＷＩである。１１の平均寸法で峻大圧綱
においてシリンダとピストンにより自戒された体積は、
炭素鋼の璧の穏度浸透厚さの熱質量の３０９６である債
人物の熱質量１！−有する。従って、圧縮の時期まで遷
らされた燃塙の熱の小さい部分は、顕著となることがあ
り、圧縮の二ネルｄＰｔ−増大させ、サイクルの効率を
低下させる。

滑らかな表面との乱流熱交換 もしもイスが滑らかな管の中ｔ−ａれるならば、そのと
きは、乱流の流体の熱交換の性碕は、がスが大兄管径の
５０倍移動した後に１と１度−Ｊｆ−嚢状ｎに連するよ
うな性繊である（アメリカン・・ンドプック　オプ　フ
ィジックス、１９６５年）。これは、粘性の減速する長
さ又＃ｉ連動エネルイの滴数する長さでもある。＃５０
管径ｌの量は、１−流の下位１の独得の性質により決定
される。これは、乱流の流体の流れと滑らかな管壇との
間の境界１−である。シリンダ又は他の圧喝体慣の場合
において、考慮すべき適当なことは、流体（又はガス）
がストａ−りの時間の間に璧と接触して移動する距離で
ある。もしもがスが、室に関して高速度で弁から入るな
らば、ガスは、圧縮又は膨張ストロークの時間中圧縮室
内で多数回循環するであろう。

循環のサイクルの数は、人口弁を通して入るガスの速度
の、ピストンの速度の対する比率により大兄推定するこ
とができる。ピストン面積に対する弁面積の平均比重は
、約２０対１が多く（テーラ−１１９６６年）、それ故
シリンダに入るガスは、ピストン速度の１０倍〜２０僑
の速度をＭする。

一般に、ガスは、圧縮体積に関して非対称的に室内へ入
るので、それ故、この流れにより発生される乱流は、′
＃ｔ−通して移動する流体の通常の管の流れの中に湾導
される乱流よりも大きくなるであろう、それ故、ｉｌｌ
、流がより大きくなるとき、壜との熱交換がより大きく
なる。約１０回の循環時間内に大兄・培の熱交換が期待
される。その理由は、かどの傍を流れるガスは、真直な
管内の流れよシ４大きい乱流となるからである。それ故
、狭い入口弁をもつ典型的なピストンは、圧縮又は膨張
のストロークの時間中、毫とがスとの間で、ガスの熱差
の約半分の熱交換をＯＴ能とする。ガスに対する毫の温
度差は全温度差の大兄１／２であるので、熱の大兄１／
４が肇へ失なわれる。このようなガスｔＩ！Ｉ１．ａう
機械の主な非効率の原因は、この大きい熱交換である。

この熱損失を避ける唯一の道は、ガスが低速度で圧喝体
積中圧入ることを可能ならしめることである。そのとき
には、ストロークの小さい間にガスが移動する距ｌｌ１
１は小さく（直径で測定された）、熱交換が小さいであ
ろう。もしも入るガスの流速が、ピストン又は池の圧＠
部材の速度に注意深く一致するならば、そのときは、弱
い乱ｆＩｔ即ち完全なノー流ではないがその代９低い乱
流のある境界−＊ｔ−ａ侍できる。乱流のほとんどなめ
流れｔ近似層流（ｍｓａｒ−１ａｍｌｎａｒ　ｆｌｏｗ
　）と呼ぶ。

それ故決定的な設計は、圧縮又は膨張のサイクルの間入
力ガスの近似層流を作り出すことである。

もしも流れが、ピストン速度で近偏Ｉ−流であるべきな
らば、そのときは、人口開口部の面積は、ピストンの全
Ｉｆｉ横に接近しなければならない。又は同様にして、
膨張エンジンにおいて、人口開口部はピストン面積に等
しくなければならない。これは１回転する羽根機械にも
適用される。

断熱サイクルにおけるガスとシリンダ奄との熱交換によ
る効率低下 最初に１度Ｔ１　　のがスが、もしも完全な断熱圧縮で
あったならばその最終温度がＴ３　　となるように８Ｅ
Ｉａされるが、完全な断熱圧縮の代りに、圧縮の後の部
分の間に中間感度Ｔ２　　に等諷に保持されるものと仮
定する。そのとき、Ｔ１はＴ２より小さく、Ｔ３　　よ
り小さい。ガスがピストン速度噛れた後のがス内の熱エ
ネルギは、完全断熱圧縮の場合の熱エネルギより比率ｒ
２／丁３だけ小さいであろう（ガスの質量は保存されて
いる）、Ｓそれ故、非効率ファクタ又は熱損失は、丁度
、ガスの中にあった筈の熱（ｒ３−７１）で除し走差（
丁！５Ｔ２）である、シリンダ噴の冷却と池のファクタ
に依存して、Ｔ２　　は丁１と工３の間の途中のみにあ
る筈である。それ故、圧縮機械は１、断熱圧縮の鏝では
５０−の効率となるであろう、４が祠遜する１度Ｔ２は
、熱交換４程と壁の冷却との複雑な函数である。

一般に、ガスはストローク中のあらゆるＱ点ｖｃおいて
平素状態にならないので、実際にはこの熱損失の近似値
のみが生ずる。然しながら、理論的な鍛大熱量のｓｏｎ
までを交換しうろこと全単純計算が示しているという４
Ｎ喪は、この短い熱回路とそれに付随する効率情夫を透
ける機械ｔ−設計しようと試みる十分な理由である。

もしも櫨が感度Ｔ２　　で等温のままであったならば、
（へのこの熱損失は、コ／ｆレツす、ｎ、ｔば冷凍サイ
クル又は遡５の？！気コ／プレッサにおいてｊＪｔＳの
利益となる。然しながら、壁に対するガスの熱交換は、
これよシ史に４１Ｉ繍である。もしもがスかサイクルの
一部で省へ熱を失いつるならば、もしも愛かガスより熱
いならば、サイクルの他の部分でがスが１から熱を収る
ことができる。＊は、浸ｄ１厚さ効果により、一時的に
ガスより熱い、壁からがスを加熱するこの漫透厚さ効媛
は、コ／ｆレツサの効率に対し特に有優である。その理
由は、ガスの加熱は、壁が人口がスよシ厚いときその誘
導で生ずるためである。そのときガスは、理想的な断熱
サイクルよりも高い熱で圧縮され、それ故理想化された
サイクルに対し要求される仕事よりも多くの仕事が必要
となる。従って、熱は、１Ｎ害な位相の遅れで交換され
る。璧との熱交換をもつ本のともたない、これらの理想
的サイクルを第２図に示す。

ガスは、体積Ｖｏ　Ｋ幻し一定圧力Ｐｏ　Ｋ沿って温度
Ｔｏ　　で出発する誘導ストロークの間、シリンダの中
へ引き入れられる。理、憚的なサイクルにおいて、純粋
の断熱曲線ＩＫ沿って体積Ｖｏ　　で圧匈を開始し、体
積ｖ１　　とｔｌｉ度丁１　で最終槽の圧力Ｐ１に１す
る。、４Ｍによるガスの加熱の故に、種々の可能性が存
在する。即ち、 ｔｌ＋　　もしもがスが誘導の間のみ＋Ｔｄｌｆｆだけ
加熱されるならば、そのときは、圧カ一体積関係は同じ
ままである。叩ち、ガスは、仮定によシ圧喝中ではなく
誘導中にのみ啼により加熱されるので、圧縮は、断熱的
（曲＠１）であり、それ故同じ状態ｖ１、Ｐｌ　　であ
るがより痛い県度丁；（Ｔｄｌｆｆ　＋　Ｔｏ　）／　
Ｔｏ　ｘ　Ｔ１に運する。余分の熱が後で排除されるの
で、同じ′縦置のガスを供給するためにより多くの仕事
を必要とする。

（２）圧縮の開始の後ｍｔ−加えることができ、ガスは
、純粋の断熱の１１１台よりも急勾配の曲＠２に従う、
そのとき、ガスの１度は、多分噸のｒＭ＆を越え、熱を
がスから璧へ戻して４送し、曲線は、断熱的＠ｌより勾
配の小さい曲線３に沿って曲がる。必要な仕事は、より
大きい。曲＠４は、−４現実的であり、サイクルの終り
における圧縮ガスの唾による冷却は、′９Ｉ！際に峻終
のがス舊度、ｖ４　　に２けるＴ４　　を、断熱の４汁
のｖｌにおけるＴ１　　よりも低く減少させることがで
きるが、然しなお、正味の仕ｌＦｉ断熱の場合會越えて
いる。

＋３１　９は、完全に冷却されて滉１１　丁Ｑ　　に保
持することができ、ガスは、完全に噺と！ｐ＃を交換す
ることができ、そのとき圧−ｆａＶｉ、曲４５に沿う等
温圧縮である。これは、Ｉｌｋ終〆Ｍ賓貼＝　Ｔｏで冷
九いｆＸｔ−得るための最少仕事サイクルである。

それは、実際には通常、達成することかで急ない、その
理由は、（１）一時的な基礎で内部を外部から絶縁する
浸透厚さの説明と、（動乱流の熱交換は、通常のシリン
ダとピストンにおいて部分的にのみ効果的であること、
である。

熱損失および断熱サイクルの要約 熱交換は、誘導ガス中の乱流のために生ずる。

蝋大ガス質量又は最小温度ＴＱ　　は、壁が温度ＴＱＫ
保持されるか又Ｆ１ａ導が近似Ｉ−流である場合にのみ
、誘導の間に維持される。圧縮の間、同じ一鍮妙１遍用
される。然しながら、温度浸透厚さの１論によれば、も
しも壜が浸透厚さに比較して厚いならば、暖は、外側で
は熱の流れｔ平均させるが、内側では薄いＩ−の交互に
熱く次に冷たくなる。もしもガスが乱流であれば、この
交互の熱い、冷たい熱の櫂は、最も悪い時に誘導空気の
加熱を生じさせ、圧縮がスをより高い１度丁３　　Ｋ’
ＡＡさせ、このＳ賓Ｔ３　　は、がスｔ−Ｃに加熱し、
なお多くの仕事を必要とする等々であり、遂には璧のよ
り高い平均温度のため熱が運び去られることが６■能と
される。これは非効率的なコ／グレツ賃である。

乱ｆｔｔ減少させ、近似ｌ−流の４導ならびに圧ｍｔ−
もつことにより、ガスと壜との間の熱交換を減少させる
ことの方が良い。

等温圧縮 断熱圧＠（又は膨張）の反対の極限は、ストロークの全
体を通して熱が絶えず取９出される（又は導入される）
場合のＳ温圧縮（又はｌＩＩ張）である、この連続的な
熱交換に基く工／ジンサイクルは、スターリングサイク
ル（Ｓｔｌｒｌｌｎｇ　Ｃｙｃｌｅ）　　である、この
サイクルの九めに設計された通虐の機械ハ、ピストンと
シリンダを用いているが、断熱サイクルの場合に類似し
た困−１即ち壇の中及び外への熱の拡張が部分的な種度
であるという困−をもっている、横殴すれば、ガス熱の
一部分のみが交換される１等温の場合には、ストローク
の間にすべての熱ｔ５ｅ慣することが！ｊましい、浸透
厚さの効果とストローク中の人口乱流の械遇の効果の、
２つの独立した効果が、中途の結果を保証する。

等暉サイクルについて！！まれることは、Ｉｌｌ　　熱
を前後に容易に導くため罠５、壁の温度インピーダンス
（ｔｈｓｒｍａｌ−１ｍｐｅｄａｎｃｅ　）　ｆ小さく
すること、及び ＋２１１！の温度浸透厚さの熱質量をガスの熱質量に比
較して大きくする仁と、 である、この方法で、噸の内側の温度は、等温の１壕で
あシ、即ち温度の脈動を平均させ、外側の１度にとどま
る。

そのとき、壁は、絶えず冷却されることができ、丁０　
の槽によシ、内側と外側の両方を一定温度に維持１され
ることがてきる。そのとき、もしもガスが１．ストロー
クの間圧縮体積を・ｆランドさせるよ、１さ うな、噴との接近したＴｌｉ度接触状暢に横持されるな
らば、尋１圧Ｉａを達成することができる。

部分的な乱流と＠度浸透厚さとＫよる一時的な熱交換は
、すべての容積成熱機械に対し有害である。有用な反間
として、テーラ−（１９６４年）は、約３０−の効率損
失を、ガソリンエンジンにおける熱損失とディーゼルエ
ンジンにおける５０優までの熱損失に帰せしめている。

換絆すれは、ガソリンエンジンは、３０−の代り４Ｃ４
５−の効率でありうるし、ｒイーゼルエンノンは、６５
−〜４５慢よりもむしろ７０−の効率でありうる。

これらは、大きい潜在的な利益であり、それ故これらの
結果を達するための次の複雑さを正当化する。逆圧言え
ば、スターリングサイクルは熱／ノブに対して％に有用
であり、ここでは、有効な熱移送の不足は、コンプレッ
サとエキスパンダの両方が熱移送によシ影響を及ぼされ
るので、この機械の性能の差の２倍Ｘ係数まで進むこと
かで自る。

等温すイクル即ちスターリングサイクルにおいて、含ま
れているがスと温度槽（ｔｈ・ｒｍａｌｒｅｓ＠ｒｖｏ
ｌｒ　）との間に絶えず熱を交換することが望ましい、
シリンダ壜内の浸透厚さく５ｋｉｎ　ｄ＠ｐｔｈ）が、
１つのストロークの一部分の間に熱が外部槽へ貫通する
仁とを如何にして防止するか、そして浸透厚さの債が、
効率にとって最も悪り仕方でガスと熱を如何にして交換
するか、について上に説明した。それ故、もしもサイク
ル中にガスの熱ｔ−領繁く交換する仁と１−望むならば
、＠に対するガスの熱の用度インピーダンスと壁を通す
熱の温度インピーダンスは、両方共小さくしなければな
らない、この結果を達成する丸めに、体積に対する表＃
Ｊ横の比率ｔ−可能な限り大きくしなければならず、そ
しである場合には、乱Ｒを最大にしなければならない。

与えられ九幾何学的体積の、体積に対する表面積の比率
は、球又は直径に等しい長さをもつ真円シリングに対し
て最小である。この比率は、両方の幾何学Ｋｎし、３／
半径である。球又は真円シリングにおいて、内部各項は
、唾からの最大短端である。これは、断熱サイクルに対
して理想的な幾何学である。対照、とじて、等温サイク
ルに対しては、すべての流体を豐Ｋｍ近させるととによ
υ、等しい容積の真円シリンダ罠比鮫して表面を著しく
増大させるようにするのが望ましい、１０の係数の面積
の増大は最少埴であシ、それより著しく大きい比率が、
効率的な等温機械に灯してＯＴ紺であり且つ望ましい。

ベローズ圧縮機および彬張磯 上述の目的を達成するために、本発明に従って提供スる
コ／ｆレツナｅエキスパンダハ、ｏＴＩＩ性の薄い金構
のベロー状Ｗ噸によシ画成された町変容積電を包含し、
側噌の輪郭は、室内のガスのすべてが金！Ｉ４壇に接近
し、いかなるガスの質量も嗜から４＜４Ｃはなく、それ
酸ガスのいかなる体積も準断熱的でなく、その代りにす
べてのガスが家嬌壁と温度接触して等温であること、を
保証するような輪郭である。これは３つのベロー輪郭の
１つにより達成される。第１の場合において、ベローは
、小さい内側半径例えは外側半径の約１７５〜１／１０
の内側半径で設計され、それ改札の面積と従って内側容
積が小さい（例えば、外＠面積又は渦巻き容積の、外側
半径にＮする内側半径の比率１１５に対し、１／２ｓ−
ａ慢）、鵬２の場合において、一対の一方を他方の内側
にし良入れ子犬のベローが、圧線・膨張容積として用い
られる。

この場合、ベロー関の環状空間は小さく作られ、すべて
のガスが金属の熱移送表面に接近することｔ−保証する
よう罠なっている。第３の場合において、外側半径の約
１／３〜２／３の内側半径をもつ単一の周辺ベローが、
各渦巻きに１つある・曽ツフルと嵌合され、円板の間の
継目の中へ締結されている。・ｆツフルは、中央空間の
上゛で分れ、ベローから遣い中央がスとの接近した温度
接触を与えると共に１中央ブスが断熱的となるのを防止
する。

・寸ツフル対・ぐツフル相互間で互い違いの位置で各・
臂ツフルの中心、周辺、又はその両方に適当に配列され
丸孔は、がスをより良く分布すると共に熱の移ｂｔ−促
進する、半径方向と円周方向の流れのツタターンを与、
する、バッフル内の孔は、過大でＭ害なガスの流れの摩
擦を避けるという考え方で設計されるのは勿論である。

ペローの設計の対象は、熱交換のための大きい表［ｌ１
ｌｌ積を与え、乱流を作り出し、熱伝導のための薄い［
１ｔ−もつことである。好ましくは、等し匹体積の真円
シリンダの面積に対するペロー横面積の比率は、１０：
１より小さくすべきでない、ｆに、断熱に近いガスの大
きいトラップされた体積が在るべきでなく、その代りに
、すべて、のガスが、壷と緊密な接触をして等＋Ｍのま
ｔＫｌｌｌまるべきである。ス）Ｑ−りの終りにガスを
変位させる、ぺａ−の内側のカッｆ４！ディスプレーサ
は、十分ではない、砥はされたストロークの容積は大き
く、壇と接触状Ｓ（なく、それ故大きい効率損失である
。

熱は、内側のガスから壜を通して外側のガスへ移送され
ねばならない。成功的な熱交換の基準は、内側のがスが
、圧縮又は膨張に依存する時間の間等温の１壇でなけれ
ばならないこと、及びこの一度が、ガスの外ｌＩＩ槽の
１度と同じであるべきことである。それ故、１度の遅れ
（ｔｎ・「ｍ１１・ｇ）は、成功的な熱移送に不利であ
る１種々のＩＪ１度の遅れがある。即ち、 ＋１）　　内Ｉ！Ｉｔｔスから金属ベロー壁への熱のＳ
送、（２）　　金Ｒ’ｌｌを通しての温度低下、及び　
　□（３）　　金属壁から櫂への外部的熱移送、である
。

ペロ一式コンプレッサ又はエキス／４ンダについて、噸
の多くの渦巻きの表面積は、１帛のシリンダ内のガスの
等しい内部体積に対するものより大きく５０倍〜１００
倍である。通常のシリンダにおいては、内ｓｆスの熱質
量に対する温度浸透厚さの熱質量の比率は、１０より小
さい。ペローの温度浸透厚さの熱質量は、内部ガスの熱
質量に比較して非常に大きく、その１００倍〜１０００
倍である。それ故、サイクル中の内部ガスの僅かな熱は
、雫の１度を顕著には変えず、壁は、サイクルの間、等
温に非盾に近いままである。同じ理由で、金属ベローの
温度の遅れは、無視できるものとなる。内側と外側の２
つの磯の１度差は、有用な大きさの機械に対し１０未満
の極めて小さい１直となるようＫｔｌ算することができ
る。そのとき、主要な１度の遅れは、ベローの内側と外
側の表面への熱移送である。

外部の熱移送は、大きくすることができ、ペローの外側
表面のＷ４り圧扁速度の流体（通常は空気）を誘導する
ことにより、温度の遅れを小さくすることができる。外
部の流体は、サイクル時間内に渦巻きの中で多数回交換
されることができる。この外側表面は、乱流と嵩熱移送
ｔ−誘導するのが当然である。他方において、内部のガ
スは、乱流でなくてもよく、それ故ナイクル内で熱を多
数回交換しないであろう。然しながら、がスのａ４（＆
び排気）の過程は、乱流を導入する。ぺａ−の烏巻きと
ｆＩ４巻きの間のがス窒閣の長さに対する１！１Ｎの比
率は、小さく、熱の移送を高める。ストロークの間、ベ
ローの振動を導入することができる（この撮動は自然に
生ずるものである）、これが、内部のがスをストローク
中一端から他喝へ往儂させると共に、大きい乱流と従っ
て大きい熱移送′ｆｔ祷導する。これらの効果の組合せ
の結果として、大きい熱の移送が内部的に生じ、従って
温度の遅れが小さく、効率的な等温コンデレツ？（又は
エキスパンダ）ｔ−生じさせる。

璧の熱質量は、外部熱移送が全サイクル中起９うるよう
に、平均化温度槽として作用する。１度の遅れを小さく
一持するために、ガスの熱質量に対する壁の有効熱質量
の比率は、非常に大きくあるべきである。壁の有効熱質
量（・ｆｆ・ｃｔｌｖ＠ｈ＠ａｔｍ・５ｓ）ｔｆ、壁厚
（ｔｈｌｃｋｎ＠ｓｓ　）又は温度浸透厚さく　ｔｈ＠
ｒｍａｌ　５ｋｌｎ　ｄ＠ｐｔｈ　）　　のうちの最も
小さいものである。それ故、もしも浸透厚さが壁厚より
大きいならば、壁厚が壁の熱質量となる。他方において
、振動する質量、ばね定数及び疲労寿命のような機械な
考察は、小さい壁厚が望ましいが然しこれはガス圧力に
より誘導される応力により制限される、ということを示
している。

スターリングサイクル熱ポンプとモータは、蓄熱器を介
して相互に結合された一対のコンプレッサ・エキス・母
ン〆を用いる。以下に詳述するように、コンプレッサ・
エキスノナン〆の場合の損失を最少にすることは、蓄熱
−の場合と全く同様に重要である。ガスの流れの拳擦損
失は、蓄熱器内で起ｐうるエネルギ損失のうち最も重要
なものであって、３９１６を越えてはならない。蓄熱器
は、約５〜１０の熱交換長さを与えるように設計すべき
である。蓄熱器の死空間け、比動力の減少を最小にする
ために、作動ガスの圧縮された体積の＃′Ｉ５分の１又
は変位体積の約１０％を越えるべきでない。

本発明の特徴は、可変容積室の容積に対するこの室のベ
ロー状壁の表面積の比率と、ベロー状壁の渦巻きの輪郭
とが、各ストロークの間に、室内の作動ガスとベロー状
壁との間で層流とａＲの両方の熱移送により多数の熱交
換を保証するような比率と輪郭であり、それによって、
熱が、ベロー状壁へ且つベロー状壁を通して導かれ、そ
れからベロー状壁の外側の温度槽へ及び温度槽から導か
れることを保証し、実質的に一定温度のサイクルを生じ
させること、を特徴として込る。

２つの可撓性の薄い金属のベロー状壁の一方が他方の内
部に入れ子にされて埴状ｍを画成する、ベロー状１１を
有する室の場合において、室が、壁の１つと緊密な拡散
乱流温度接触状Ｎ４ＫＦｉないトラップされた容積を実
質的に４たないように、ベロー状壁が接近して離間され
ている。単一の周囲ベロー状壁の場合には、内側の半径
は、外側の半径の約１／３〜約１／１０であり、内情半
径の内部の外側中央容積は、小さく且つ壁と緊密な拡散
乱流温度接触の状態にある。各渦巻き内部のベロー状壁
へ結され且つ作動ガスの循環を高めるための孔を有する
バッフルけ、ガスと壁との間の熱移送を高める。

ベローは、ガスのいかなる質量も、壁の表面から数電リ
メートル（多くて１０鴫、畳重は２−〜５−の範囲）よ
り絶えず大きくないように設計される。更に、最大間隔
は、周波数の２乗の逆数と初期圧力ＰＩ　　の逆数に比
例する。それ故、運転周波数又は圧力が小さくなればな
本捏、ガスと壁の最大間隔を大きくすることができる。

ベロー状壁は、環状円板を包含することができ、環状円
板は、隣接する円板へ内側縁と外側縁の各々で、好まし
くけ内側の継目上のエラストマー接着剤により及び外側
の継目上ではエラスト−ｒ−接着剤と曲げられたチャン
ネルにより、接合され且つシールされる。

本発明の次の他の特徴が好ましい。

（１）　　ポン！とモータの圧縮室と膨張室の可動端部
壁が、約９０度〜約１２０＃の位相角で！―和して駆動
される。この駆動は、開いたオツトーサイクル又はディ
ーゼルサイクルで作動する自由ピストン容積式エンジン
により、又はリニア電気モータにより与えることができ
る。

（２）　　流体が、外部温度槽を通して且つ室の外側の
ベロー状様の表面上を流され、作動ガスからベロー状壁
へ及びベロー状壁を通しての熱移送を高めゐ。

（３）等しい容積の真円シリンダの面積に対するベロー
状様の面積の比率が、約１０＝１より小さくすべきでな
い。バックルを有するぺａ−室の場合ニハ、ベロー柵と
バッフルの全面積の比率が、同様［１０：　１より小さ
くてけならなり０（４）ベロー状壁の温度浸透厚さの熱
質量は、室内の作動ガスの熱質量の約１００倍より小さ
くない。

（６）機械の圧縮比は、２：１〜２．７：１の位数にあ
り、好ましくはこの範囲の上限にある。

蓄熱器（熱交換益とモータに要求される）を有する機械
において、蓄熱器の死容積（ｄ＠ａｄｙｏｌｕｍ・）け
、熱４ンデ又はモータの変位容積の約１０％未満である
。蓄熱器は、約５〜約１０の熟交換長さを与え、蓄熱器
内の金属の熱質量は、作動ガスの熱質量の１０倍〜２０
倍の１度である。

最も重Ｉ！なととけ、蓄熱器内のガスの流れの摩擦損失
が、約３％を越えてはならないことである。

熱−ンデとモータは、２つのスターリングサイクルユニ
ットを包含することが好ましく、各ユニットは、ベロー
圧縮室とベロー膨張室とを有する。

これらの機械において、２つのスターリングサイクルユ
ニットの圧縮室と膨張室は、共同して動くように機械的
に連結されてｈる。

本発明を具体化しているコンプレッサは、適蟲に駆動さ
れる端部壁を有し且つ他方の端部壁内に弁付きの供給口
と排気口を有する、単一のベロー圧縮−膨張室があるこ
とを特徴として込る。

特に興味のある機械は、熟ｂガス例えばバーナからの排
気ガス、太陽熱、又はある他の廃熱により動力を供給さ
れる高温度スターリングサイクルエンジンにより駆動さ
れる低い温度差のスターリングサイクル熱−ンデである
＠ スターリングサイクルにょる熱ポン′ｆ珊論等温熱−ン
ゾ又はスターリングエンジンは、相当な研究努力の主題
であったが、まだ、このような努力の結果としてほんの
僅か麿市場への過大しか生じていないという事実は、こ
の主題の困難であることの証明である。現在の技術水準
は、Ｑ。

Ｗａｌｋ＠ｒ　　＠Ｉ　ｘｐ　−ＩＪ　ンｒサイｊｐｗ
ｍＷｔ’　（１９７３年、１９７６年再印刷、クラーレ
ンドンプレス、オフスフオード）の中にカバーされて因
る。＃７論、その時以来着千の発展はあるが（その１つ
を以下に述べる）、然し先行技術は、Ｗａｌｋ＠ｒ　　
の本の中に最もよく含まれてｈる（　Ｇ、　Ｗａｌｋ・
「の最近の本、ｌ自由ピストンスターリングエンジン’
、　　（１９８２年、カルｆｆ　１７大学、アルバータ
、カナダ）＃−ｔ、刊行前刊行−査され九。そして、次
の一輪を行なっていなり、）。

周知のスターリングサイクルは、２つの等ｌ１ｉｉｉ数
である圧縮と膨張及び可逆移送過権とから構成されてい
る（蓄熱器）。このサイクルの目標は、エネルギ効率と
比動力を最適化することである。

これらは常に衝突するものである。このサイクルの実際
の用途は、熱を移送するための熱Ｉンデとして、又は轡
しく動力用エンジンとしてである。

一般に１熱ｌンデは、材料と熱源に依存してデルタｙ／
Ｔ＝５０１１を利用するエンジンに比較して、比較的に
控え目の温度差デルタＴ／Ｔ＝１０慢の間で効率的に作
動しなければならない。それ故、熱４ンデは、デルタＴ
　／　Ｔ　が小さい場合、商業的な理由で強調される。

その結果として、効率が主要な挑戦となる。小さい損失
が如何に重大であるかが、添付のグラフ（第３図〜第６
図）Ｋ示されている。

サイクルプログラム 最初に、すイクルプログラムを議論しなければならない
、スターリングサイクルの構成要素である、圧縮、移送
、膨張、移送の間の位相関係は、各過糧が別々に起る場
合に理想化することができる。事実、ｌ菱形駆動（ｒｈ
ｏｍｂｌｃ　ｄｒｌｖ＊　）　’は、サイクル要素のこ
のほとんど完全な分離と多分よシ高い効率とを達成する
ための論理的な発展である。然しながら、禎雑さが加わ
ると、摩擦損失が加わること、そして最龜重要なことは
サイクル函数の時間の重なり（ｏｖ・ｒ−１・ｐｐｌｎ
ｇ　）　　の不足とが、ｙａｍ化されたサイクル駆動を
、円形クランクとクランクロッドの単純なＩはぼ（ｍｅ
ａｒ　）　　’　ｐ４和し九運動よりも魅力の少いもの
たらしめている。

ｌサイクル函数の時間の重なりｌの不足は、以下に詳細
に展開される微砂な捕え礫い点であるが、簡単に言えば
、与えられた機械の比動力が周波数により一部において
制限される。効率は、サイクルの移送部分におけるガス
摩擦損失により非直線的に影脅され、この損失に対し高
度に敏感である。

この損失を最少に維持することは、移送のためサイクル
の大部分を用いることを意味する。これは、必然的に、
圧縮又は＊＊の間の熱の移送の九めに必要とされる時間
と比肩する。それ故、調和的サイクルにおいて、これら
の画数は時間において１重なり合い（ｏｖｅｒｌａｐ　
）　’　、正味の比動力において得られる容積効率の損
失となる。結局、菱形サイクルは、恐らくは複雑さに値
しない。それ故、この発展は、単純な調和運動を強調す
るであろう。

効率を論する前に、体積間の相対的な位相角を理鱗しな
ければならない。

与えられた機械（等温サイクル要素）の比動力は、サイ
クル当りの仕事に依存する。この仕事は、仕事”　’ｉ
ｖ＋　（ｔｒｓ　ＣＲ）である。

但、し、ＰＨ”　初期圧力 Ｖ＋＝　初期体積 ｔ、ｃＲ＝ｃＲの自然対数 ｃ、　＝　圧縮比　である。

もしも、最大圧力が材料の強ｆＫより制限され、’ｍａ
ｘ　　”　ＣＲ’ｌ　　＝一定であるならば、比動力は
、（ｔ、ＣＲ）　／　ＣＲＫ比例するであろう。この函
数は、ＣＲ＝・＝２．７のとき最内であり、むしろ単純
な結果である。七れにも拘らず、Ｐｒ１１．ｘＶｃ制隈
制限るときは、ＣＲＫ対する比動力の依存性は、非常に
弱く、ＣＲ＝２であるときの最大値の例えば９４−であ
る。然しながら、本発明の不可決の要素であるベローは
、膨張させたときよりも圧縮させるときの方がけるかに
強いという点で、普通の機械の要素とは異なっている。

その結果として、制限圧力は、Ｐ　であってＰ　　でな
い。仁の場ｌ　　　　　　　　　　　　ｒｎａｘ 合、比動力は、（ｔ、ｃＲ）　　Ｋ比例し、ＣＲの減少
により敏感である。例えば、ＣＲ”　２のとき（ｚ、Ｃ
Ｒ）　　＝　ｏ　−６９であり、Ｐｒｎ、ｘ　　の制限
があるときの０．９４に比較して比動力の着しい損失が
ある。その結果として、圧縮比を２．７倍のように大き
く維持するという顕著な動機がある。

調和位相角度（Ｈａｒｒｎｏｎｌｃ　Ｐｈａｓｅ＾ｎｇ
ｌｅ　）ノヤラメータ化された損失を含め走置適位相角
度が調査されてきた。位相角度の通常の調査（上述のＷ
ａｌｋ・「　参解、第５．４図）＃ｉ、損失をもたなｈ
ときの位相角に対する鈍感さｔ示してｂる。損失が含オ
れるとき（第３図と１１４図参照）、デルタＴ／Ｔ＝０
．５４、ＣＲセ・−２，７２のとき、２つの位相角１２
０度と９０度に対する相対的有用仕事は、損失のない場
合の２８−だけ減少する。

６慢の小さい損失即ち９４−の全サイクル中率があると
き、９０度の位相角に対する有用な仕事は、１２０度の
位相角に対する有用仕事の６３優にすぎない。それ故、
ＣＲ＝２．７を維持するために必要な小さい死容積が得
られることを条件として、位相角は重畳である。位相角
が、圧縮と膨張の間で１２１縦であるとき、もしもＣＲ
＝２．７２＝・であるならけ、許容しうる死容積はゼロ
になる。

それ故、死容積全最小にして大きい位相角を用いる強力
な動機を見出す。

効率損失 有用な仕事のこれらの同じ計算は、全体的な個々のサイ
クル効率Ｎの函数としてパラメータ化される。Ｎは、可
逆等温過程への真の膨張又は圧縮過穫の部分的接近を表
わす効率・母うメータである。

損失部分（１−Ｎ）ａ、全サイクル中の非理想的過程に
より失われた機械的仕事の尺度である。これらの計算の
驚くべき結果は、等温サイクルの有用仕事がこの損失に
極めて敏感であるという意外な新事実である。デルタＴ
／Ｔ＝０．５４の場合即チ熱いエンジンの場合、このサ
イクルの有用な出力仕事は、１２０度の位相角に対し２
の係数だけ減少し、効率が９４優のとき９０度の位相角
に対し５８慢に減少する。低い温度差の場合には、この
感度は、ｊｌ！に誇張される。第５図と１１１６図にお
いて、デルタＴ／Ｔ＝１５−とデルタＴ／Ｔ＝１０噂の
２つの温度差に対する有用な仕事が、１２０度と９０度
の２つの位相角について示されている。ここで、約２ｑ
Ｉｋの損失（９Ｂ優の効率）が、有用な仕事をゼロに減
少式せる。

もしも我々が、エンジンよりむしろ熱ボンデを作ってｂ
るとすれば、サイクル損失に対するこの感度は、加熱又
は冷却の効果が、均畔な理想的カルノーサイクルよりも
多くのエネルプを要求する、ということを意味する。結
論として、非可逆サイクルの損失は、与えられた熱又は
冷を熱ボンデとして作り出すなめに必要な仕事又は有用
な仕◆に大きｈ効果を有する。

次に、機械的損失と熱損失との区別をする。上に言及し
たサイクル損失は、圧力損失であり、従ってサイクル中
の機械的損失である。機械の中での機械的摩擦損失並び
に蓄熱器移送過程におけるガス摩擦損失は、同様に直接
的なサイクル損失である。もしも蓄熱器が、温ｔＴ１　
でガスを受入れ、それを例えば温度Ｔ２　　て冷却器へ
戻すならば、そのガスを−との都電値Ｔ、へ復帰させる
丸めには、ｙ、　　７２に相当する熱を加えなければな
らない。

Ｔ、　−７２の量だけガスを再加熱する過１は、２つの
方法即ち（１）ＰｄＶの仕事により、又は（２）温度Ｔ
。

の楕からの追加の熱の流れ釦より、その何れかによシ遂
行すると七ができる。機械的仕事は、高価１ｋｓ械的エ
ネルーを必要とし、他方、檜からの再加熱は、機械の全
熱効率の比率だけよ〕低Ｉｔｓ’品質（ｑｕａｌｉｔｙ
　）　’のエネルギである。等温すイクル忙対しては、
ＩＩ＆従って圧力が、時間の位相の遅れを受けずそれ故
例えば１／３０又は５饅の直接的サイクル損失を受けな
いために、ガスは、与えられ九ストローク（圧縮又は膨
張）内で例えば３０回を越える多数回、壁又は檜と温度
接触状膝になければならない。それ故、蓄熱器からの熱
損失は、圧縮又＃ｉ膨張のストロ〜りの１／３ｏの時間
で同書されるべきである。それ故、温度サイクル損失は
、ＷＲ＊Ｉ、たより重畳でない。

蓄熱１１０１１ｆＫ対する有用な仕事のこの相対的な鈍
感さは、Ｗａｌｋ＠ｒ　　の本の中に留意されているが
、理解されてはいない。結論として、圧總鯵張体積内の
サイクル損失は、機械の１／非効本の比率による蓄熱器
内の熱損失より重畳である。

直接的サイクル損失損失に通ずるサイクル内の種々の相
は、次の通りである。即ち、 （１）滑る部品の機械的摩擦、 （２）圧纏又Ｆｉ膨張の間の、壁とガスとの間の完全な
温度接触の不足による一度の遅れ、及び（３）蓄熱器内
のガスの流れの＊ｍＫよる圧力低下、である。

最初の渭りＩＩ！ＩＫよる損失Ｆｉ明白である。そして
、渭ゐ部品の１ＩＩＩＩＩｔ減少させる九め、圧縮又は
膨張の讐素としてペローを用いる種々のスターリングサ
イクル機械が過去において提案された。第２の損失は、
すべてのスターリング機械における重畳な損失である。

それは、ガスの重ＩＩｅφ部分が圧縮又は膨張の間に断
熱的に挙動し、ガスの温度が檜の温度より部分的に連れ
る故である。もし本ガスの体積が完全に断熱的であった
ならば、ストローク中の温度費化は次のようになる、デ
ルタ（ｒ−＋） Ｔ冨Ｔ（１−ＣＲ）。機械の圧縮比ＣＲ−２，７２のと
き、デルタＴ／Ｔは、作動ガスが空気の場合に５０鴫と
かり、作動ガスがヘリウムの場合に９５憾となる。それ
故、温度の位相の遅れを小さくするためには、壁との温
度接触が優れていなければならない。ガスのトラップさ
れ熱的に絶縁された断熱体九対するこの極端な敏感さは
、一般的に認識されておらず（Ｗａｌｋ＠ｒ、　１９７
３年、１９７６年）、はとんどすべてのスターリングエ
ンジンについての開示の中で無視されている０本発明の
目的は、ガスの熱的に絶縁されたすべての体積を最小値
にまで減少させ、それ故高い効率を達成することである
。

最後に、ガスの摩ｍ横失は、既に説明したように、比率
（１／サイクル効塞）Ｋよる温度の遅れよυも蓄熱器内
において一層重畳である。流れの摩擦に対するこの敏感
さけ、文献（Ｗａｌｋ・「、１９７３年、１９７６年、
第７章’）Ｋ＃ｉ強調されておらず、それ放蓄熱器の設
計は不確かであり又完成していない。′蓄熱器を全く除
去した１１で、小さいエンジンがより良く作動する“こ
とが述べられている。本発明の目的は、僑突するすべて
の畳件の合理的な最適化として蓄熱Ｗｈｔ−設計するこ
とである。

大きい寸法と高い速度の制限、即ち高いレイノルズ数に
おいて、ガスの中の熱の流れは、一般に乱流の輸送忙よ
り起る。然しながら、粗い壁に沿ってそれに＠＊Ｌ、て
移動する距離は、１つの熱交換長さに対し５〜１０のチ
ャンネル幅のような相当な本のでなければならない。圧
縮又ｔｉ膨張の体積中の郷温東件については、既に指摘
したようＫ、ガスは、ストロークの関に壁と３０回位置
度接触しなければならない。それ故、ガスは、熱を交換
するために、乱流で１５０〜３０００チャンネル幅ｔ−
移動せねばならない、流体の摩擦損失は、小さく、サイ
クル効ｓＫ対し１憾未満でなければならない、摩擦損失
は、動圧力の熱交換長さの数（３０）の倍数である。動
圧力は、ガスの流れの運動エネルギの圧力均等物である
。それは、速度の２乗の密度倍数の２分の１に轡しい、
とれは、動圧力が約５Ｘ１０　　ＸＰＩ　　でなければ
ならないこと、又はガスの速度が約音速×２４よシ小さ
くなければならないことを意味する。この最大流速は、
空気に対し６００５ｆｔ／秒、ヘリウムに対し１７００
ｃＰＩＭ／秒であるが、この値は、圧縮要素ペロー又は
蓄熱器の何れかにおける実際的な上限である。これらの
速度において、典型的なペローチャンネル（渦巻き）の
幅１〜２ＭＫ対し、壁と接触する２分の１幅とチーＩ４
付きチャンネルのレイノルズ数＃ｉ： 宍・ｙ＝〔ｃ幅／４）×速度〕／〔動粘性係数〕であり
、空気に対し約１０００、ヘリウムに対し約１００であ
る。ヘリツムのより高い音速は、空気の場合より４ｈＦ
ｉるかに大きい（７倍）その動粘性係数（１’０ち、粘
性係数／密度）によシ補償される。レイノルズ数のこれ
らの値は１丁度、乱流の熱交換が層流の熱交換を越えて
増大し、そのため熱の流れが部分的に層流で部分的に乱
流である場合である。それは、最大速度が誘導されると
きにのみｔＲとなる。それは、ヘリウムを作動ガスとし
て使用するほとんどの実際の場合について層流である。

スターリングサイクルエンジンに対するヘリウム（又は
水素）の利点は、非常によ＜Ｗ詭されており、性能の改
４Ｉは係数８〜１０であるので、はとんどの実際のエン
ジン又は熱４ンデは拳いガスを使用し、そのとき熱交換
は主として層流であａ、ｔ＊の熱交換は無視することが
できる。

容積式断熱サイクルエンジン内での熱の流れは望すしく
なく且つ主として５ＬｒＩｌであり、我々が熱の流れを
■む装置機械にシいては熱０ｒＩＩれは層流であるがこ
れはチャンネルの寸法とガスの性質の結果である、とい
うのは反語的である。

層ＲＥＪ熱の流れは、拡散係数ＤＫよりｑ＃徴付けるこ
とができる。へり９ムに対し、Ｄ　＝Ｐｉ””　’　ｃ
ＩＲ２７秒であり、この場合Ｐ１は、絶対圧力の大気圧
で糊られる。空気中では、それ＃ｉｌ／７ｊＦ［ＩちＯ
！１　／　７　Ｐ、　　である。ベローを用いるほとん
どの実際の機械に対し、Ｐ１＝１〜２気圧であるので・
Ｄ＝１〜１／２ｃｍ’／秒である。ベロー渦巻きの壁（
渦Ｓき肖り２つの壁）までの平均距離は、渦巻きの関−
〇１／４である。そのとき、熱の移送に対する時間定数
は、 時間＝（＠／Ａ）Ｐ＋秒 である。ストローク中の典型的な平均関陣１ｊ１１ｊ（
２０延ばされた間隙）であり、それ故す−マリゼーショ
ン（ｔｈｅｒｍａｌｌｚａｔｌｏｎ　）　時間は、時間
＝１／８００秒 となる。もし本す−マリゼーションが、１ストローク中
に３０回起らねばならないとすれば、最少のストローク
時聞け、１／３０秒であり、父は回転にして！ＩＯヘル
ツ又＃′ｉ１５ヘルツのストローク間波数である。この
ペローが５０渦巻きｔ一本つとすれば、１０ｃＷＩのス
トローク長さを４つととＫなるであろう。２０３の１経
のベローに対して、変位容積Ｆｉ３ｏｏｏ帰５　であり
、Ｐ１＝２気圧に対して、循環する仕事はｊ　Ｑ　ＫＷ
　であり、その約１／２即ち５にＷが加熱、冷却又Ｆｉ
１力として用いることができる。

蓄熱器の設計 蓄熱器内の損失は、がス摩擦による圧力低下、ガスと壁
との僅かな熱交換、死空間容積、蓄熱器の僅かな熱質量
、及び蓄熱器質量の伝導損失である。第１は、既に指摘
したように最も重要である。

壁との熱交換の要件は、熱交換がＩＨＩ的機械的なエネ
ルギ損失ではなくそれ故５〜１０の熱交換長さを必要と
するＫすぎないという点を除き、コンプレッサー・ヱキ
スノ４ンダの熱交換とほぼ同じである。死空間の容積は
、位相角と圧縮比の両者を制限するので、比動力をｉｌ
接的に減少させる。蓄熱器の死空間容積は、圧縮される
体積の１７１０又は変位容積の約４−を越えるべきでな
い。僅かなガス達廖が、ヘリウムについて３０の交換長
さに対し１７００ｆｆｉ／秒として計算された。それ故
、との２倍３Ｘ１０（ニア１１／秒を蓄熱ｆｓＫ対して
用いることができる。但し、熱又は摩擦の交換長さを７
．５よシ小さく設計することを条件とする。変位容積Ｆ
ｉ（ｐ＋ｒ’）であり、変位又はストロークが１７３０
秒の僅かな時間に起るので、この例の蓄熱器の有効面積
は、 面積＝Ｃ変位容積〕／〔（ストローク時間）×（ガス速
１ｆ）：）＝３０ｉ　　　　　　　　　ゝとなる。蓄熱
器のガス体積は、変位容積の４４より大きくできないの
で、蓄熱器の育効長さけ、長さ＝（４４Ｘ変位容積）／
面積 ＝４鴫（ストローク時間）×（ガス遺産）＝　４０π ＝Ｑ、４Ｘベローの半径 でなければならない。この非常に小さい長さが、機械の
形状寸法を左右する。これを論するＩＩｍ、ガスチャン
ネルの幾何学と蓄積器の熱交換媒質とを考察せねばなら
ない。

全長が４側であ抄、はぼ８交換長さが望ましい。

次に、０．５ｃｆｆｌの粘性交換長さに等しい熱交換長
さが望ましい。

熱粘性交換長さ＝Ｃ幅／４）２（速度／Ｄ）＝０．５ｃ
ＰＲ 速度＝５０００、ｏ＝ｐ、＝２、チャンネル幅＝Ｑ、Ｑ
７ｃｒＲ，チャンネルは０．０７Ｃ１ｎ幅でなけれげな
らない。従って、波形金属が適当である。金属の厚さは
、熱質量と、長さ方向の伝導性と、金属の温度浸透厚さ
とＫより決定されねばならない。

２ｇＰ圧におけるヘリウムガスの熱質量は、はぼ４Ｘ１
０″″’ｃａｔｃｒｓ″″５　ｄ＠ｇ−１であるノテ、
４Ｌ４金１１の熱質量をガスの熱質量の２０倍とすべき
ならば、全部で３０２　の金属が必要となる。蓄熱器の
ガス容積は長さＸ面構＝１２０ｃｒｎ３であるので、こ
れは蓄熱器のガス容積の１７４である。それ故、チャン
ネルの間隙の１７４の長さのフォイルが、必要とされる
熱質量を供給する。フォイルの厚さは０　、０１１ＦＩ
となる。１／３０秒のストローク時間内での金属内の温
度浸透厚さは、ステンレス鋼に対し、 １／２ 浸透厚さ＝（Ｏ×待時間＝０．０８ｃＰＰ１但し、Ｄ＝
　Ｉ　Ｑ　　ｃｍ　７秒 である。浸透厚さは、２分の１の厚さのフォイルに比較
して非常に大きいので、フォイル内の温度の遅れは、無
視することができる。

熱い端から冷たい端へフォイルを通す縦方向の熱伝導は
、 熱横失＝デルタＴＣ（面積×伝導＆）／長さ〕＝０．０
６３Ｘ（デルタＴ）ワット である。これは、材料の性質により制限され九相当な全
温度差に対して無視しうる熱損失である。

それ故、我々は、すべての設計基準に適合する蓄熱器の
設計をした。この設計の蓄熱器が組立てられ、′試験さ
れ、すべての点でとの単純な理論と一致した。

この蓄熱器の設計とペローコンプレッサ・エキスノダン
ダユニットにより、我々は完全な熱サイクルエンジンｔ
−画成することができる。

コンプレッサΦエキスノ々ンダユニットは、機械の熱交
換器でなければならない。それ故、体積に対する面積の
北本は、可能な隈抄大自くしなければならない。金属ペ
ローは、独自的にこの基準を満足させる。ガスの体積の
いかなる部分も、サイクルの僅かな断片についてさえも
温度槽から絶縁されたｔｔＫｉｉｒすることができない
。それ故、ペロー壁から遠い大きい体積が存在すること
ができない。＃４小さい例えば３４８度の非可逆損失が
、機械の性＊！に著しい差を作る。それ故、ベローのコ
ンプレッサ・エキス／母ンダユニットは、一対の入れ子
式のベローで比較的に小さい環状間ＦＪｔ４ち内径が外
側半径に比較して非常に小さいベローの設計とするか、
又は内部容積を２等分する／４ツクルをその渦巻きの所
にもつベローとするか、の何れかでなければならない。

面積は半径の２乗に比例するので、このような単一ベロ
ーのコンプレッサ・エキスパンダユニットの内側の孔の
大キさは、外径の半径の１７６〜１／１０の程度にすべ
きである。

蓄熱器において、ガス−Ｉｌによる圧力低下け、死容積
、熱交換、熱質量、伝導損失、及び浸透厚さのような他
の多くの特徴より４、最本重畳な設計基亀である。すべ
ての死容積は、たとえガスが等温であるとしても最小と
すべきであり、・倍（２，７２倍）に近い圧縮比が、１
２０度に接近する最大の可能な位相角で維持されるよう
にする。

最終設計 ２つのペローコンプレッサ・エキスパンダユニット（１
つＦｉ魅く、１つけ冷たい）＃−ｉ、蓄熱器により結合
されねばならない。もし本両者が分離されたならば、禁
止する圧力損失や死容積なしく作動ガスを移送する可能
性はない。これは、各端部に圧縮・膨張ユニット（入れ
子式のペローの対又は小さい内径のベローの何れか）′
ｆ本つ蓄熱器の輪郭忙通ずる。蓄熱器の設計は、上に説
明しである。各ベローの一端を支持するのが中間平面部
材であるａ４０−は、適当な機構忙より蓄熱器に対抗し
て圧縮父は膨張される。加熱又は冷却する空気、ガス又
は液体さえも、各ペロー管横切って流されて熱い端部と
冷たい端Ｓｔ確立する。ペローの外側の加熱又は冷却す
る流体の流れは、ベロー壁で１つの熱交換長さを作る必
讐があるだけであるので、連１ｆＦｉ、より高くするこ
とができ且つほとんど連続的である。それ故、熱交換は
、１Ｌｆｉとすることができ、ベローの内側よ抄も着し
く大きくすることができる。空気又はガスは、ベローの
軸−に対し横断又は平行の表面を横切って吹くことがで
き、渦巻きで又は渦巻きなしで、適当な加熱又は冷却管
与える。屯し本液体が、ベローの外俸で用いられるなら
ば、液体は非圧縮性であるので、２つの圧縮・膨張ユニ
ットは、熱交換容積内で１８０度位相をずらせて使用さ
れるべきである。

静止した蓄熱器の対向端にベローのコンプレッサユニッ
トとエキスパンダユニットを有スるスターリングサイク
ル熱ｆンデが、従来提案され九（１９７７年３月ラエツ
う対し発行された米国特許”＠ａ、ｏ１（１６２１号参
照）。ラエツの設計は、ペロー壁から分離した熱交換ｍ
＊用い、ベローは、大きいトラップされた断熱容積を残
している。本発明け、ラエツ特許の設計と異なる２つの
重大な相違を包含している。即ち、効率的に作動する機
械を与えること一熱交換要素としてのベローの使用とペ
ロー作動部材の輪郭、及び大きなトラップされた断熱ガ
ス質量の不存在の故に各サイクル内でガスとぺａ−の間
で多数の熱交換を保証するとと、である一 本発明に似ているように見えるベロー機械を開示してい
る他の先行技術の特許と文献があるが、それらは、効率
の著しい増大を与える本発明のや件のすべてを記載して
おらず父示唆してもいない。

このような特許と文献の中にけ次の本のがある。

即ち、１９３１年６月９日フランクルに対し付与された
米国特許第１．８０８．９２１号、１９５２年９月２３
日コーラ等に対し付与された米１３ｉ１１％許第２１６
１１．２３６号、１９７４年８月６日シューｉンに対し
付与された米国特許第 ３．８２７．６７５号、及び上述のＷａｌｋ＠ｒ　　の
本である。

駆動機械 駆動機構は、クランクとクランク了−ふとクロスヘラｒ
′ｆもつ回転する機械的駆動装量、父は自由ピストンエ
ンジン、又は電気リニアモー−１父は燃料で駆動される
エンジンの倒れかとすることができる。一般に、オツト
ー又はディーゼルの自由セストンエンシンカ、ベロー熱
ホンプエンジンよりも効率的である。その理由は、高度
に且つ交互に応力を加えられるベローによ＃）Ｖ＆せら
れる、熱い備の温度の制限のためである。然しなから、
小さくて、高い温度差のエンジンユニットが、顕著な熱
利得を本つ熱ｆンデのようなより大きい、低い温度差の
ユニットを駆動する場合、ペロー熱エンジンと熱ポンプ
の組合せを作ることができる。

オツトー又はディーゼルの自由ピストンエンジンｄ％潤
滑と摩耗する部品の欠点管有する。ペロースターリング
サイクルエンジンは、より長い寿命を有し、よセ完全な
燃焼を与える。

ベローズの設計 Ｓ接された金属ペローけ、種々の製造業者から現在商業
的に入手しうる品目である。一般に、それらは、高価で
あり、傷なしく製造することの困ｓｅｗ殊な品目である
。４Ｉ！ＦＫ、疲労寿命は、溶接部ＫＩＩｌｌ接する応
力集中点Ｋｂいて冶金術により制限され、溶接ｓにおい
ては、冶金術が決定的であり、−との材料から部分的に
品質低下する。

スターリングサイクル熱ポンプ内のペローは、常に正圧
を含み、即ちＰｌ　　が１気圧より大きい。

この場合、渦ｌＩＩ！の内側直径の継目は、圧縮状−に
あり、丁度それだけＩＰまず、それ故疲労しない。

これは、内径が外径より４１Ｆｉるかに小さい場合のペ
ローの設計のために１要である。その理由は、もし本ペ
ローが延ばされ念ならば、引張応力がより大きくなり、
ペローを魚速に疲労させるためである。

私は、その代ねに、小さいａｍ差の室部ペロー熱ポンプ
の中で特に使用するためのベローＷ４造を推奨する。こ
の構造は、より安価であ抄、＃接部がないので寿命がよ
抄長い。継目は、シリコンプムのような現代のエラスト
マーで膠着され、糾とんど無限の曲は寿命を有する。各
渦＊舞の内−の継目は、常に圧縮状１１８にあるので、
支持なしで膠着される。外側の継目は、膠着されるが、
圧延され曲げられたｌ　Ｕ　ｎ字型チャンネルで裏打ち
される。チャンネルとエラストマーは、瀦接された点よ
りも良く応力を分布させる。

単一ペローの各渦巻き内にバッフル板管設けるととＫよ
り、ガスがペローの室中６孔１？通して奪易に直接に流
れることができない代りに、渦書き間のジグザグ径路に
従わなければならないようにするのが好ましい。孔の大
きさは、ガス単振を十分に低く維持するために、ペロー
の蓄熱器端の方へ徐４に大きくしなければならない。こ
れらのバッフルは、ｔ７’ｈ、ペローがのたくる態様の
破損をしないようにペローの強度を増大させるので、厘
％に対しより大きい長さを用いることができる。

ベローズばね スターリングサイクルのコンデレツサーエキスノ量ンダ
ユニットの変位のため自由ピストン駆動装置を用いると
き、しばしば問題となるのは、エネルゼ貯腋機構又はば
ねの要件である。もしも標準の鋼のばねを用いるならば
、与えられ九エネルギ貯腋のためのばね金属の重さは、
他の構成要素に比較して大きい結果とな抄、周波数が減
少する。

このことは、リニア電気モータを６０サイクルの動力線
に′ｌｌ！綬して用いるとき４Ｉに真実である。電気Ｏ
Ｓ波数は再構成できるが、その構成要素は高価であり、
効率が低下する。従って、高い効率のガスばねの要求が
ある。

シリンダとピストンの通常のガスげねけ、−示されたも
のの中でしばしば論じられている１−常の部分的断熱損
失を受ける。その上、滑り一擦と漏洩が、その損失に加
わる。他方において、ＩＩＩＰＩｌペローガスばねけ、
既に述べたように、けるかに大きく動車的とすることが
できる。ｇ！Ｐａ的ながスはねは、対向するスターリン
グすイクルのＩＰＩｔＩＡコンデレツサ−エキスノ中ン
ダユニットである。ツレ故、２つの対向するユニットは
、ガスげねを対の対向部材へ供給する。従って、Ｉ・ウ
ジング内の対向するユニットとして自由ピストン機械の
実権一様を開示する。この場合、質量を与えて１つのば
ねから他のばねへ位相の遅れを生じさせるよう圧する。

１つのばねはフンデレツサであ抄、１つはエキスノタン
ダである。中心質量は、２つのユニットの間で電気アー
マチャとして駆動されるか、父１１ｔ！１シも１対が熱
エンジンと反対の熱ｆンデとであるならば、そのときＦ
ｉ２つのユニットの間の中心質量は、エンジンからのエ
ネルギを貯えて熱４ンプヘ伝送する。金属ばねの重量が
不利益となる場合の何れの用途にも使用しうる、分離し
た等温ペローばねを開示する。このばねの効率は、ガス
から曖への熱の移送ができる限り大きくなければならな
いことｔ意味するもので重要であるａｆ！スの移送が必
要でないので、浮動する・ヤツフルペローが最適であり
、可能とされる初期平ＩＩｔ充填ガスで供給する九めに
小さい孔を必要とするにすぎない。

この場合、ヘリウム又は水素が好ましい充填がスである
。Ｑ（逆減衰係数）は、金属ばね（対するものと同じ大
きさでなく、Ｑは周波数に依存するが、然し質量は、金
属ばねの等しいエネルギ貯蔵のための質量よ）小さく、
その約１０分の１である。エネルギに対する電量のこの
比率は、５０ＱＱＯＥ＞Ｉ＋　（２１０９，５Ｋｇ／　
ｃ＊２）の安全な控え目の値まで応力を加えられた鋼の
峻大エネルギ密度が、約２気圧であり、ベロー内で用い
られる本のと同じである、という事実から導かれる。他
方、ペローは、渦巻きの間隔の約１０分の１の金属厚さ
ｔ−有する。それ故、質量の比率は約１０分の１である
。

ハウスサイズ熱ポンプ ペロー壁の厚さは、作動圧力と手法に左右されるが、然
し鋼、燐Ｗ鋼、又はベリリウム鋼のような良好な疲労寿
命と強Ｉｆを有する人手しうる鳴型的な材料が、２．５
気圧で６００？イクル毎分で作動し且つ直径と長さが共
に３０ＣｗＩ〜４０１であるとき、鴫の庫さは′、＠度
浸透厚さの約１／４となる。そのとき、璧の熱繊普は、
壜の全厚さである。

例えば、サイクルの圧力比が２．５：１であるとすると
、最大圧力差Ｐｄ１ｆｆ　　は、 ’ｄＨマ＝　２．５−１　＝　１．５気圧となる。

スパン１は、ベローの内側半径と外側半径の差でへる。

我々の例において、フイノチ（１７７，８Ｍ）の□外側
半径と６インチ（１５２，４１１）の内−半径を適ぶ、
ス／４／Ｓは１インチ（２５，４ｍ）となる。

我々は、ｔ＝０．００４（ｙチ（０，１ｏ１６．ｍ）の
控え目の金鴫厚さｔ−遇ぶ、そのとき、圧力のみによる
奄の応力は、 壇応力（圧力）　＝　Ｐ　　　ｓ／ｌ　＝　２６００　
Ｐ！ｌ　ｌ１ｆｆ ＝１８２．８Ｋｆ／４２である・ これは、非常に小さい応力の増分であり、ペローの曲げ
応力は、それより著しく大きい。

圧癩のための１／１００秒の１直かなサイクル時間につ
いて、ｌｌ４（０＝０．２ＣＩＩ２／秒）の中の温度浸
透厚さｄは、 ｄ＝Ｑ、０４ｃｍ＝０．０１６インチ又は壁厚の４倍と
なる。そのとき、璧の熱重量は、壁の厚さ全体である。

１１の僅かな温度の遅れは、金属の熱質量に対するがス
の熱質量の比率より小さく、又は１インチ（２５，４１
１１）当りのベローの１０渦巻きに対する１９６より小
さい。もしも外側の壁が、冷却又は加熱する空気の流れ
により適当な一定温度に維持されるならば、この小さい
温度の遅れは、ｌ＄温プサイクル好都合である。

性能係数 すべての熱ポンプは、入る機械的仕事に対する出る熱の
比率である性能係ｅ、（ｃ　ｏ　ｐ　）と呼ばれる効率
をＭする。家庭用の典型的な熱ポ／ｆは、２〜２．５の
ｃｏｐを有する。理想的な効率は、（Ｔ２１／ＴＴ１−
　Ｔ２）である。ここに、Ｔ１とＴ２ｔｉ、夫々熱い慣
と冷たい槽の部間である。サイクルの非効率性と冷凍性
質の両方が、（丁、−丁、）叩ち”ｄｌｆｆ””°に、
Ｔ２＝　３０００Ｋ　、　埋［的Ｃ０Ｐ＝１０（家の加
熱と冷却用）の１合の典ノ貌的な理想的熱ポンプに比較
して小さいＧＯＰＫ通ずる。、理想と実際の差は、コン
プレッサとエキスパンダの非効率と、典型的な冷凍剤に
対するより大きい”ｄｌｆｆの必要性とである。例えば
、丁ｄｏｆｆ　＝　”の理想的ｃａｐに通ずる３０°Ｋ
　であるとする。

もしもコンプレッサとエキスパンダの動車が各々８０係
とすれば、正味のｃａｐは２．９である。

（０，８単位の熱を作る際に１単位の機砿的仕嘔が７１
０見られる。エキスパンダにより］ＯＩ慣される機械的
エネルギは、熱の０．８単位である。エキス／４７ダに
よυｌ１される機械的エネルギは、ｒ＝５０　ＣＫ対し
０．９のカルノー効率の０．８である。それ故、正味の
ａｍ的仕事＝（１−（Ｃ１，９ＸＯ，８））＝０．．２
８である。）カルノーサイクルハ、等温サイクルと同様
によく使用しうるが、黙し掃１サイクルは、同じＣ０Ｐ
ＶＣＺ’ｔしより鳩い作動圧力の利点ｔ−！Ｌ、その上
、ｃｏｐが、よｐ小さい”ｄ　ｌ　ｆ　ｆに対し、一定
ストロークと無関係に改善される。ペロー機砿は、また
、より小さい損失をもつ１１Ｔ能ヰを可し、追加の熱交
喚器をもたず、構成が容易となる、という町Ｉｉ！性を
有する。

典型的な設計は、体噴比ＣＲ＝　２．４１、理想的Ｃ０
Ｐ＝１０、及び（Ｇ−１）ｚｎｃ、１の熱移送＝ガスの
熱の５Ｓ−（ａ−ガスの比熱の比＝空気罠対し１．４）
又はｔｎｃＨ＝ｔｔスの圧力エネルギの０．８８となる
であろう。６００　ｒｐｍで２７０００１３の容積変位
の我々の例に対しては、出力の熱は、２．１　ｋＮ＋２
４　（１−ｏｆｆ２）の人力で、２４ｋＷ　となる。こ
こに、ｏｆｆはコンプレッサとエキスパンダの効率であ
る。もしも効率が９５％ならば、人力エネルギー２ｘ２
．４ｋｖｖ父はｃｏｐ　＝　ｓである。それ故、圧縮と
＃彊の横槍の効率−が高いことｔ４に件として、ｌ！温
プサイクル、熱ポンプ横槍に対して著しい利益？：提共
することが判る。冷凍剤は、丁賓圧縮後（コンデンサ内
で通常起るよう罠圧礫サイクル中に液体ＫＪｌ［するの
で、等温圧縮は、通導の冷凍圧縮のためにｄ感には使用
し得ない、ということｔ−認識されるべ酉である。膨張
が起る前に圧縮体積から液体冷凍剤會移送することは、
？非常に内浦である。それ故、等漏サイクルは、実際上
、全サイクルの間ガスの使用に蟻足される。

ヘリウム又はアルゴン（Ｇ＝１．６７）のよう’９Ｇ（
Ｄ４い１１ｉ［９ガスでより高い圧力で全体的にシール
されたシステムを使用して、与えられ次サイクルに対し
より大きい熱出力を達成することができる。

クランクで駆動されるペロー停ｆ纏機確は、ゆっくり（
例えば１０ヘルツ）駆動されるので、かさ鳥くなる。そ
れは、家の７１１１熱と冷却によく適してｂる。それは
９気コンプレツサにも適している。

その理由は、与えられた体積のＩ冷念い（Ｃｏｌｄ）’
圧縮空気を作るために必要な、：ｓ＠サイクル（おいて
要求される横槍的仕事がより小さい故である。

スターリングサイクルによるぺａ−ズ型熱ポンプの概要
第７図において、１ｌｌｌｌｋ的なスターリングサイク
ル熱ポンプが概略的に示されている。コンプレッサの可
変容積１とエキスパンダの可変容積２とが、熱交慣蓄熱
器３ｔ−通してがス移送するために結合されている。コ
ンプレッサとエキスミ４ンダＦｉ。

９０度の相対角度７のクランクアーム４と５ｔ−通して
駆動装置６により駆動される。冷却空気（ｆ！ス）ハ、
コンプレッサ室ｌを横切って送風され、開襟Ｋｌ）Ｏｌ
＃Ｉｌ空気は、膨張室２を横切って送風される。

運転中、容積１中のガスの圧縮は、ガスを加熱するが、
然し各項１の璧全通しての冷却空気への高い熱移送の丸
め、容積１の内側のがスは、温度Ｔ１　　で等温に維持
される。ストロークの頂部において、ガスは、室２ｔ−
離れ蓄熱器３を通過する。

蓄熱器３＃−ｉ、標準型であり、Ｔ１　　のガスを１度
丁２へ冷却することによりＴ１　　のガスの熱を憧へ移
送する、連継はスポンジ金鴫の大きい熱質量を代表する
罠すぎない、この熱は、後で逆ストロークの関に戻され
る。容積１が、頂点デッドセンタにおいてほぼ一定であ
るとき、容積２内のがスは、温度Ｔ２　　で入り、膨張
する。ガスが、膨張により更に冷却すると、膨張の間が
スを等＠Ｋｍ持する容積２の壁を通しての７１１］熱空
気からの熱移送により再加熱される。２の復帰ストロー
クは、がスｉ１へ蓄熱器を通して容積１へ戻す。蓄熱器
は、いｔ１熱Ｔ１−　Ｔ２　ｔ−Ｉ　Ｋ入るガスへ戻し
、新しい圧＠サイクルが、丁２　のがスで開始されて等
温のままで留まる。移送されるエネルギは、丁２’ｎ”
Ｃ（Ｒｃ　＝圧縮比）Ｋ比例し、膨・邊中に戻して得ら
れるエネルギは、Ｔ　１ｔｎＲＣであり、それ故正味の
仕事は（”２　　”１　）　ｔｎ”ｃ　　となる。熱ポ
／デとしての性能係数（ｃｏｐ）は、 （供給された熱）／（用いられたエネルギ）＝　ＴＩ　
（Ｔ１−７２　）又は理想的熱効率である。損失は、部
品の摩擦と熱移送の非効率とである。この熱移送は、我
々が圧嘲と膨張の容積に対しペローを用いる理由である
。

ぺａ−ズ型熱ボン！ 第８図に示す熱ボンデにおいて、圧喝室ｌと膨張室２は
、外側直径の禰目から中央専横の中へ嫌びる波形バッフ
ルをＭする単一ベロー型である。

この室の設計パラメータは、上に詳細に説明した。

この室は、熱交換蓄熱器３によりＩス移送するため結合
されている。蓄熱器の設計の九めの必要な特性社、上に
すべて説明した。蓄熱器３は、断熱板９内に維持される
。断熱板９は、熱ポンプの場合にはプラスチックで作る
ことができるが、同様な設計の機械に対してであるが高
温度で使用するためＫは、セラミックから作るべきであ
る。蓄熱器３＃−ｉ、波形の又はうねりくねつ九金嬌箔
と、フランクルの米国特許第１．８０８，９２１号に示
されている方法と全く同じ方法で一緒に巻き上げられた
平らな箔のストリップと、から作られる。

板９は、ユニット全体を包囲する・・クランクｌＯの内
部に取付けられる。ハウジング内の開口部１１ｑ、コン
プレッサを含む／Ｓウジンダの区域へ及び区域から冷却
ガス（４甫は空気）の流れの供給と排出を与え、開口部
１２は、膨張室２を通して送風された加熱ガス（通常は
空気）の流れを入れ及び排出する。

取付は板９から遠いペローの４ｆｆｌハ、モータテ駆動
される軸８上のクランクアーム６と７１こより連結ロン
ドを介して駆動される可動の４部ＩＩ！４と５へ喉付け
られている。両方のクランクアームは、６０Ｉｆの相対
角度にある。コンプレッサ室とエキス／４ンダ室は、機
械の対向情で１８０度廟れ°Ｃいるので、位相角即ち１
８０度−６０度＝１２０度を得るために、クランクアー
ムを６０度離して＆置することにより、１２０度の所１
０位柑肉が与えられる。

小波形の壁、例えば第９図と＠１０図に示す２０、をも
つペローを作ることが、必要ではないけれども好ましい
。各膨張室１．２内の小技形ペローは、管状体１５によ
り板９へ取付けられ、端部１１％ｅ＊１６は、シリコン
接ＩＩ剤のようなエラストマー接着剤１７によりＲ状体
の膨張部分１８へ接合されるのが適当である。第９図は
、断面で境われるときの蓄熱器をも示している６池の１
ｉＪれの線も平坦な箔のストリッ７′を表わし、洩シの
磯は、波形層のストリッ７ｓｆＩ−表わす、この−ａＦ
ｉ、　　がスと蓄熱器質量との間で熱変換する丸めの無
数の小さい熱交換通路を与える。

波形ベローと・櫂ツフルについての第１０図の詳細な図
から＠［１，得るように、渦壱色は、溶接又はエラスト
マー接着剤により内側の継目２２と外側継目２３の所で
接合される。外側継目２３の強噴け、Ｕ字形に曲げられ
たシール要素２４により増大させることができる。一般
に、接着剤の継目は、比較的に低い４度の使用に限定さ
れる。熱ヱ／ジン用の高幅度ベローは、多分、溶接構造
を使用せざるを得ないであろう。バッフル２５はその周
辺近くに孔２６をＭし、この孔２６が、がスを強制して
渦巻きの中へ及び外へ曲りくねった径路２７に従わせる
。中心孔２８は、心から外れて板と板で互い違いにする
ことができるが、・ヤツフルと・ヤツフルの間で乱流の
（１１ｒ環２９を生じさせ、従って内側表面と内部のガ
スの緊密な１１度接触を保証する。

第８図〜第１０図罠示す機械は、次のように作用する。

容積１内のガスの圧縮は、がスを加熱するが、然し室ｌ
の１と冷却空気とへの＾い熱移送が、室１の内側のガス
をｌ晶度丁１　で等幅に維持する６癩１の圧棒ス）ｏ−
りの間、ガスは室２から蓄熱器３へ入る。蓄熱器は、小
さいｆ！鷹の大無い熱質量と、ガスの流れに討する小さ
いインピーダンスと、縦方向の小さい略伝４注を示し、
この熱伝導性は、Ｔ１　　のど態度のがスｔ−ｒ２　　
の温度へ冷却することＫよりガスの熱を槽へ移送する。

この熱は、後で逆サイクルの間に戻される。、−ｉ￥２
内のゲスは、温度Ｔ２　　で入り、膨・通させられる。

、影邊によりがスが更に冷却するとき、ガスは、膨張の
閣がスｔ−等温に維持する室２の壁を通してのｎ０熱空
気ｌＯからの熱ゆ送により再ＤＯ熱される。ｄ横２の復
帰ストロークは、ｊｆガス蓄熱器を通してｆｇ横１へ復
帰させる。ｌ＃熱器は、いま、熱Ｔ１−７２１１へ入る
がス（戻し、倉しい圧４ナイクルが、Ｔ２のガスで開始
され、環部のｔｔＶｃ留まる。エネルギの移送は、Ｔ２
ＬｎＣＲに比例しくＣＲ＝圧縮比）％膨張中に戻して得
られるエネルギはｖ、ｚｎｃＲであり、それ故正味の仕
事は（Ｔ２−　Ｔ１）　ｚｎｃＲとな熱ポンプとして性
能係数（ｃｏｐ）は、（供給された熱）／（使用された
エネルギ）　”　Ｔ１／（７ｌ−Ｔ２）又はｊｌｌ想的
熱効卓である。

損失は、部品の摩擦と、がス移送の摩擦と、熱移送の非
効率とである。この熱移送は、圧縮容積と膨張容積に対
し我々がベローを用いる理由である。

再び第８図を参照する。圧縮容積は、・櫂ツフルをもつ
波形ベローによシ画成された内側可変容積室である。も
しも入れ子にされたべａ−を使用するならば、ベロー間
の環状空間は、可変正確容積である。ベローの各組は、
６０度の位相角度差の典型的なりランクアームによシ駆
動される。クランクアームは、モータ（又はドライ・臂
−ジェネレータ）により駆動される。

蛾優に、圧縮比と最大圧力は、コンプレツナとエキスパ
ンダとの間の１２０度の位相角又は６０度のクランク角
度により決定される。最小容積は、ベローが頂部デッド
センタから±６０ｍＫあるときに相当する。そのとき、
容積は、Ｖａｌｍｌｎ　ｇ＝　２（１−ｃｏｓ　６０　
）　＝　１　、０　　である。蝋大容積は、そのとき、
ｖｍ・Ｘミ２　（１＋ｃｏｓ　６０　）−５，０である
。圧縮比ＣＲ＝５．０　　である、蓄熱器の容積とベロ
ーの死容積をｙＤえると、約０．６、最終圧縮比は２．
５となる。ＰＨｘｘ　２　　気圧、父はベローｔ−横切
る圧力差が４気圧即ち５８ｐ１に灯して、最大圧力は５
気圧である。これは、ベロー内の合理的な５６カそれ故
長い疲労寿命に通ずる。

フリーピストン型繰ポング ＠１１図において、眠気コイル１００が交流電流１０２
により励磁されることにより、中空の！−状銑鉄アーマ
チャ１０３’ｉ父互振動させ、アーマチャ１０３は、２
つのベロー圧縮室１０４と共振する。蓄熱器１０５はハ
ウジング７′へ固定されている。ペローｌＩｇｋ室１０
６とヘッドｔｏ８（ｍ１０６の端部Ｉりとは、ロッド１
０９により端部と端部ｔ−結合されるととによシ、ヘッ
ドが単位体として機動するよう（なっている、！４１０
４と１０６の外側圧あり且つハウジング７’によ６４囲
まれ九専横は、冷却と加熱のガス・空気の循環が、中央
の導ｆｌｌＯと両端の導管１１１と１１２とから入るこ
とを可能とする。空気は、導管１１＆１１４、と１１５
を通して出る。

１転中、蓄熱器熱−ンプユニット１０４．１０５、と１
０６は、アーマチャ１０３の共振質量に対するガスばね
として作用する。アーマチャ１０３の質量の機動は、各
熱ポンプユニットを交互に正確と膨張をさせる。コンプ
レッサ容積１０４に対する各エキスパンダ容積の調和的
機動における位相の連れは、ヘッド１０８とロッド１０
１ｉ１の質量により決足される。ベローの１効ばね定数
は、初期圧力ＰＨＫより謂節しうるので、熱ｆンプばね
と機動する質量とは、ＡＣ線１０２０遍当な共振周波数
を与えるようにタイミングを定めることができる。６０
サイクルの電流に対しては、これらのユニットは、かな
り小さく、ス）ｏ−１＃約２ｃｍ。

直径約５１〜１Ω国であ）、Ｐｌ　　は２〜４気圧とな
るであろう、ぺａ−は、高周波数で熱移送を最大にする
丸めに、・臂ツフル設計のものである。

１２０度の位相の遅れを得るために、ヘッドとロントノ
質量は、エキス−１ｆ７ダペロー１０６ての自然周波数
が６０サイクルのＩＩＩＥ流よシ僅かに小さくなるよう
な、質量である。アーマチャ質量１０３は、その自然周
波数が６０サイクルの電流より僅かに／ｊ１さくなるよ
うな質量である。位相の安定性は、＾Ｃ＃Ｉからの所要
のエネルギ入力により生ずる。導管１１０に入る周囲の
入力空気は、導管１１４からより熱くなって出る。導−
１ｉ１１３と１１５を出る出力空気は、導ｆｉｌｌと１
１２に入る人力空気よりも冷えて出る。

熱により駆動される熱ポンプ ＃１１２図において、フリーピ゛スト／熱ボンデは、正
味熱出力を増大させ又は冷凍を与えるために、フリーピ
スト／熱工／シン３０により駆動することかで龜る１輪
郭は、＠１１図（２つの熱／　ｙ　ｆが１つのアーマチ
ャで駆動される場合の、電気的に駆動される熱ボンｆ）
と同じであるが、その代９に１電気コイルを使用せず、
一端が熱エンジ／となっている。熱エンジンのエキス／
中／ダペロー３１は、高１度の故にコンｆｖツサペロ−
３２よシ小さい。高温度は、天然ガスのような燃料の燃
焼等の熱いｆス３３の源から引き出される。高温度ベロ
ー３１４また１、１％＠ｆスに耐えるように溶接構造と
なっている。質量３４ｔｊ、エネルギを熱エンジンから
熱ボンデ３５へ接続するの罠役立つ。

質量３４は、その自然Ｗ４ａ数が二／ジ／の自然周波数
よシ僅かに小さくなるような質量で６９、それ故、それ
が熱ポンプを駆動する。このようにして、位相安定動力
が、エンジンから熱ポンプへ流れる。

ベローズ型スターリングサイクル熱機関第１３図に示す
エンジンは、第１１図の熱／／プに非常に！１４１４；
Ｌ　しているが、但し、相違点は、スターリングサイク
ルユニットを駆動して出力を連結ロッドとクラ／りを介
して軸へ供給するために、温風が二ネルプｔ−供給する
点である１図示の実施ａ様は、入れ子犬のペロー室３６
と３７と環状蓄熱器とを有し、その各々は上述のように
設計されている。

圧縮されたガス利用する前に、圧縮の断熱の熱を排除す
る１合、空気コ／ｆレッサが連継用いられる。これらの
環境の下で、断熱の熱（・ｄｌａ−ｂａｔｌｅ　ｔ’ｎ
ｓｔ　）　　が消費されるａ既に説明しえように１平均
的なピストン−シリンダの組合せは、断熱と等温の途中
にある。（Ｋ１１度浸透厚さの効果は、部分的な熱交換
のみから期待されるものよシもサイクル当りの仕事を幾
分高める。それ故、縄枠に等温の圧縮サイクルの９気コ
ンプレツサに対し効率の利益がある。入れ子にされたペ
ローは、圧縮と膨張の両方のためにその機能ｔ−砿行す
る。

更に、＠械を駆動するペローの摩擦は、シリンダの内＠
にリングをもつピストンに比・咬して小さくすることが
できる。これらの理由のために、冷却される入れ子犬ベ
ローコンプレッサは、与えられた体積の冷たい圧＠空気
を作る際、部分的に断熱のものよシも着しく大きい効率
である。ｍｔｎ的な等１圧纏と断熱圧縮との間の仕事エ
ネルギの比率は、 （Ｑ−１）／Ｇ 仕事の比率＝（（Ｇ　　１）ＡｎＲｃ）／［：（３（Ｒ
ｏ　　　　　　１））である、但し、Ｒｃ＝圧縮比 Ｇ＝生空気比熱の率＝１．４ １２０　ＰＳｌ（８，４４Ｋｆ／ｃｍ２）　　を供給す
る典型的なコンプレッサに対しては、Ｒ（：＝８．５７
であ夛、仕事の比率＝７１慢である。それ故、シリ／ダ
内の摩擦と部分的な熱交換に依存して、３゜慢橿度の廃
熱の減少が、等温コングレッナを用いること罠よシ得ら
れる。

第１４図において、可変正確容積は、蟻逼の中間平面分
離板４３と波形入れ子犬ベロー４１と４２との閣の壜秋
室である。ペローは、駆動装置４４によシフランク４５
ｔ−介して駆動される。ハｆｙＪｙグ４７は、ペローの
周ｐのファ／４８　カラ内側ペロー４２内の孔を通して
冷却空気を導くようにペローを包囲している６人口弁５
０と出口弁５１ｔ−もつヘッド４９は、吸引プレナム５
２と排出プレナム５３へ結合されている。］填転中、入
れ子にされたペローは、クランクの作用にょプ交互に圧
縮と膨張がなされ、空気は、入れ子にされたペローの間
の墳秋空関５４の中へ父圧にａ４され、圧縮され、導管
とプレナム５３に一通して図示されていない受は器へ排
出される。このコンプレッサは、内部のガスと外部のガ
スの高い熱交換から生ずる嶌い効率の等１サイクルを与
える。

【図面の簡単な説明】

第１図は、隔壁を横切る熱移送の線図である。 第２図は、種々の熱サイクルのＰｖ＠図である。 第３図〜第６図は、異なる位相角度ｔもっ機械について
のサイクル中の仕事のグラフであり、性能に及ぼす損失
の１響を示す。 ＠７図は、典型的なスターリングサイクル熱−ンデの概
略的側面ｆｒ面図である。 １８８図は、本発明を為体化しているペロースターリ／
ダｔイクル熱４ンデの概略的形ａｔ−一般的に示す側断
面図である。 第９図は、ペローの一部と蓄熱器の詳細側断面図である
。 第１０図は、／ヤツフルをもつｔＩＬ形ペローの一部の
詳細側断面図である。 第１１図は、本発ｔＩＡｔｉ：具体化している自由ピス
トン熱４ノブの概略的形ａｔ−一般的に示す側断面図で
ある。 ４１２図は、本発明ｔ−具体化している熱で駆動さ、れ
る熱ポンｌの概略的形ｍｔ一般的に示す側断面図である
。 第１３図は、本発明ｔ−具体化している熱で駆動される
エンジンの概略的形態を一般的に示す側断面図である。 第１４図は、本発明を具体化している等温空気コノデレ
ツサの概略的形態を一般的に示す側ｆｒ面図である。 ｌ・・・コングレツサの可変容積、圧縮室、２・・・エ
キスパンダの可変容積、膨張室、３・・・熱交換蓄熱Ｓ
％　９・・・断熱板％　１０・・・ハウジング、１１．
１２・・・−口部、４．５・・・可動端部壁、６．７・
・・クランクアーム、２２・・・内側継目、２３・・・
外側瞬目、２５・・・ノ臂ツフル、２６・・・孔、２７
・・・曲りくねった通路、２８・・・中心孔、１００・
・・電気コイル、１０３・・・アーマチャ、１０４川ベ
ロー圧＠宿、１０５・・・蓄熱器、１０６・・・ペロー
膨張室、１０９・・・ロッド、３１・・・エキスパンダ
ベロー、３２・・・コンプレッサペロー 図面の浄書（内容に変更なし） Ｆ／θ、３ シータ（ω ＆梠免−１２０’ ４ｎ１つ０゜ ＦＩ６．６ ＩＧ　　７ ＦＩＧ、　　９ ＦＩＧ、　ｔｔ Ｆ／に、　／２ ７ｇ″７Ｇ、　／３ ＦＩＧ、　１４ 手続補正書（方式） ２・慟明の４称゛　　等温容積式楢械 ３、補正をする者 事件との関係　　出願人 番称　　　酋ルｒイト　ナー篭ｌイを電ツガス宿ムＩ膏
ニー ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （］）　　複数のｆ／Ｉ４巻きを有すゐ少くとも１つの
   可撓性金属べａ−状壁により部分的に画成され且つべａ
   −状磯の軸線に沿って往復する端部１℃より更に部分的
   に画成され九可変容積の圧縮膨張室を有する等温容積式
   機械において、室の容積に対するぺａ−状壁の表面積の
   比率とペロー状壁の鵜巻きの輪郭とが、各サイクルの間
   、室内の作動がスとべａ−状磯との間で一流と乱流の両
   方の熱移送により多数の熱交換を保証するような比率と
   輪郭であり、それ４Ｃよって熱が、べａ−状壁の方へ且
   つベロー状壁を通して、及びベロー状暗の外側の［ｊｌ
   Ｏ方へ且つ温度慣から導かれることを保証すると共に、
   実質的に一定漏度のサイクルを生じさせること、を特徴
   とする等温容積式機械。 （２１２つの薄い可撓性金属のベロー状壁が、その一方
   が他方の内Ｓ圧入れ予圧され、瑣状室を画成している、
   前記ペロー状噸を設けた郷温容喝式ｆｌｌ撞において、
   内側と外側のベロー状壁は、べａ−秋晴の一方と接近し
   た拡敵ｉ滝ｒａ変接触状＄にないトラップされた専横を
   室が実質的Ｉ【もた壜いように、接近して４間され、そ
   れ１て１って作動ザスがサイクル全体を通して４　堪１
   ７）　ｔまであることを保証することを１￥！徴とする
   呻吟請求の範囲第１項にＦ＃ｔの等温容積式機械。 （３）室が単一の周辺ペロー状−によ轢−成≧ハている
   、等温容積式機械において、ぺａ−秋壁の内側半径が外
   側半径の約１７３〜約１／１０で＃１秒、内側半径内の
   関連する中央容積が、作動ザスがサイクル全体を通して
   等温のｔｔであることを保証するように、小さく且つり
   ａ−状壁と接近した拡散乱ｆｆ、　ｉｌｌ　ｆ　＊融状
   １ＩＩｌにあること、を特徴とする特許−求のｌｌ１１
   １Ｉｌ第１項に配−の等温容積式機械。 （４）金属バクフルが各渦巻き内のベロー状壁へ待合さ
   れ、各バッフルは、ザスと／４ツフル及びベロー状壁と
   の間の熱移送を高めるため室内の作勘ブスの循環を生じ
   させるための孔を有すること、を／ＩＩＩ像とすゐ特許
   請求の範囲第１項〜第３項の何れか一項に記載の４４温
   容積弐機棹。 （５）　　べａ−状壁が環状円板を包含し、環状円板は
   、エラストマー接着剤により各内側継目で接合されてシ
   ールされると共に、外側継目で接合された２つの環状円
   板の外縁と係合する曲げられたチャンネルによ＾及びエ
   ラストマー１１５１１剤によ秒各外ｌｌ継目で接合され
   てシールされていること、を特徴とする特許請求の範囲
   第１項〜第３項の何れか一項に記載の等温容積式機械。 １６）　　作動ガスからベロー状壁へ且つベロー状壁を
   通しての熱の移送を高めるため、流体を、前記外側温度
   槽を通して室の外側のぺａ−状璧の表面上に一面に流す
   こと、を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３順の何
   れか一項番で記載の等温容積式機械。 （７）　　ぺａ−状磯の鵜巻きの輪郭が、室内の作動が
   スがベロー状壁の表面から絶えず１０■よ抄大きく離れ
   ることのないような輪郭であること、を特徴とするＩ￥
   ｌ−求の範囲第１項〜塙３１ｍの何れか一項に記載の等
   温容積式機械。 １８）　　ぺａ−状檀のＰ４巻禽とパライルとの輪郭が
   、室内の作動ガスが篭又はバッフルの表面から絶えず１
   ０ｍｍよ秒大きく離れないような輪郭であること、を特
   徴とする製！？′ｆ−求の範囲第４１１て記載の等Ｓ客
   積式機種。 （９）　　ベロー状壁の各片が、作＠ザスと＠１ｌｌｉ
   ″暗との間の熱移送を高め且つ壁応力を賛少ネせるため
   の小波を５つ以上有すること、を特徴とする特許請求の
   範囲第１項〜第３項の何れか一項に記載の４４１容積式
   機械。 ０１１　　ぺａ−状壁の表面積の、等しい容積の真円シ
   リンダの表面積に対する比率が、約１０＝１より小さく
   ないこと、を特徴とする特許請求のか間第１項〜第３項
   の何れか一項に１．蛾の環基容積式機械。 ０１）　　ベロー状壁とバッフルの合計表面積の、等し
   い容積の真円シリンダのｆ１１面積に対する比率が、約
   １０：１より小さくないこと、を特徴とするＩｌｉ杵請
   求の範囲第４項に記載の等温容積式機械。 （２）　ペロー状ＩＩＯ温度浸透犀Ｏ熱質量が、作動ガ
   スの熱質量の約１００倍以上であること、を特徴とする
   特許請求の範囲第１項〜第３項の何れか一項に記載の等
   温容積式機械。 （至）機械の圧縮比が、２，０：１〜２．７：１の位数
   の圧縮比であること、を特徴とする特許請求の範囲第１
   項〜第３項の何れか一項に記載の等温容積式機械。 ｃＩ４　　圧縮室と膨張室とから構成されたスターりン
   ダサイクルユニットを有し、各室は、ペロー状周Ｉｌ！
   磯を有し、帥記室は、その間番て位置決めされ九蓄熱１
   １によ秒がスの移送をするように互Ｉ【しつか秒と結合
   され、前記蓄熱器は、約９０度〜１２０度の位相関係で
   調和して駆動される可動ｍｓ＊を有し、蓄熱器のガス流
   摩擦損失が約５−を越えないこと、を４Ｉ像とする４１
   １許請求の範囲第１項〜第３項の何れか一項魯て記載の
   等温容積式機械。 （ロ）室と蓄熱器との間のすべての連通する容積と蓄熱
   器の死容積とが、ユニットの変位容積の約１０チより小
   さいこと、を特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載
   の等温容積式機械。 −蓄熱器が、約５〜約１０の熱交換長さを有するように
   設画↑されていること、′ｆ特像とする特許請求の範囲
   第１４項に１絨の等温容積式機械。 （８）蓄熱器の金楓の熱質量が、作動ガスの熱質量の１
   ０倍〜２０倍の倍数の熱質量であること、１に％値とす
   る特許請求の範囲９１４項に記載の等温容積式機械。 １１纏　室の可動端部壁が、オツトーサイクル又はディ
   ーヤルサイクルで作動する自由ピストン容積式エンジン
   により駆動されること、’ｔｓ像とする特許請求の範咄
   第１４］Ｊ−＄１１７項の何れか一項に記載の勢温容横
   弐機械。 鵠　室の可動端部−が、リニア電気モータにより駆動さ
   れること、を特徴とする特許請求の範囲＄１１４ｇｉ〜
   第１７積の倒れか一項に記載の等温容積式機械。 −圧縮室とｊ１彊室とから構成された＃Ｉ２のスタ−リ
   ングサイクルユニットが設けられ、室の各々は、ペロー
   状周囲壁を有すると共に、その間に位置決めされた蓄熱
   器によるガスの移送の恵め互にしっかりと結合され、２
   つのユニットの膨張室と圧縮室とが夫々、共同して動く
   ように機械的に相互結合されていること、を特徴とする
   特許請求の範ＦＩ！４第１４項〜第１９項の何れか一項
   に記載の等温容積式機械。 （２）圧縮室と膨張室とから構成されたスターリングサ
   イクルエンジンが設けられ、室の各々は、ベロー状周囲
   壁を有すると共に、七の関九位葉決めされ九蓄熱器によ
   るがスの移送のため互にしりかりと結合され、ユニット
   とエンジンの膨張室と圧縮室が夫々、共同して動くよう
   に機械的圧結合されてｂること、及びエンジンの膨張室
   の温度槽へ熱ｈガスの流れを供給するための手段を設け
   たこと、全特徴とする特許請求の範四第１４項〜第１７
   項の倒れか一項に記載の眸温容積式機械。 ロ　膨張室のａｔ檜へ熱いガスの流れを供給するための
   手段が設けらｎｌ、それによってユニットがスターリン
   グサイクルエンジンであること、ｆ；ｃ４Ｉ黴とする特
   許請求の範１１４環〜準１７項の倒れか一項に記載の岬
   温客１ａ塚榛械。 曽　室の一方の端部壁を駆動するための手段が設けられ
   ていること、及び室の他方の端部壁が、ガスを室へ入れ
   及び室から放出するた約の弁付きの供給口と排気口を有
   し、そｔ’ＬＫよって機械がコンプレッサであること、
   を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項の何れか一
   項に記載の都電容積式機械。