JP2015514919A - エネルギーコンバータ用のワーキングシリンダ - Google Patents

Abstract

ワーキングシリンダが提供され、ワーキングシリンダは、シリンダブロック（１１４）において回転可能に支持された少なくとも１つの円盤状ディスプレーサ（１２０）を備え、ディスプレーサ（１２０）は、２つの環状フランジ（１１０）の間に配置され、２つの環状のフランジ（１１０）は、前記ディスプレーサ（１２０）の両側で前記ブロック（１１４）から径方向内側に延び、前記ディスプレーサ（１２０）が、回転に際して前記フランジ（１１０）と平行に配置されるようになっており、前記フランジ（１１０）の少なくとも１つは、複数のセクションを備え、複数のセクションは、第１温度を有する第１セクション（１１２ａ）と、前記第１温度より低い第２温度を有する第２セクション（１１２ｂ）と、前記第１セクション（１１２ａ）と前記第２セクション（１１２ｂ）との間の接触を完全に防ぐ２つの断熱セクション（１１２ｃ，１１２ｄ）と、を含み、前記ディスプレーサ（１２０）は、作動流体のボリュームをセクション（１１２）にわたって回転させるためのカットアウト（１２２）を備え、カットアウトは、あらゆる回転位置において、第１セクション（１１２ａ）と第２セクション（１１２ｂ）とに同時に重ならないような寸法になっている。【選択図】図４

Description

本発明は、ワーキングシリンダに関する。より具体的には、本発明は、作動流体の温度差が仕事を生成するのに利用されるためのワーキングシリンダを含む、スターリングエンジン原理に基づいたエネルギーコンバータに関する。

熱エネルギーは、力学的仕事を提供するために様々な方法で使用され得る。これを達成する機械の一つは、スターリングエンジン、すなわち、熱エネルギーを力学的仕事に変換するために作動流体の温度差を利用する熱機関、である。

種類の異なるスターリングエンジンが長年にわたって提案され、その一つは、一般にβ型として表され、定量の空気を封入したシリンダを有する。シリンダの一端はホットサイドである一方、他端はコールドサイドである。パワーピストンは、温度変化によって引き起こされる空気の圧縮および膨張に起因して、シリンダ内で移動可能である。このため、パワーピストンと同期運動するディスプレーサは、シリンダ内に配置され、封入された空気の大部分をホットサイドまたはコールドサイドで、直線運動により、分配する。それゆえ、パワーピストンの相互運動の振動数は、それぞれ、ホットおよびコールドサイドの温度を調節することにより制御され得る。

上記のエンジンは、多くの用途に利用され得るが、迅速な対応でパワーピストンを制御することは、作動流体の加熱の遅れに起因して、困難である。この問題を解決するために、パワーピストンの振動数が、ディスプレーサ運動の振動数を調節することによって直接制御されるように、ディスプレーサをパワーピストンから切り離すことが提案されてきた。

さらに改良された機械が、特許文献１に記載されている。この場合、回転ディスプレーサは、作動流体をヒートゾーンおよびコールドゾーンを通じて移動させるための周辺カットアウトを有し、各ゾーンは、封入シリンダの周辺に沿って１８０°延びる。周辺カットアウトの内側の圧力変動は、ディスプレーサが回転する際に力学的仕事に変換され、再生器が、熱エネルギー損失を減少させるためにさらに設けられる。提案された機械は、顕著な不利な点を有する。出力が増加するように、周辺カットアウトは、作動流体の比較的大きな体積を収容する必要がある。それゆえ、周辺カットアウトは、さらに高い高さ、または大きな角度広がりを、有する必要がある。一方、角度広がりが大きくされすぎると、ディスプレーサが回転する際に、周辺カットアウトが、部分的にホットサイドに、および部分的にコールドサイドにある場合、作動流体の同時の冷却および加熱が生じる。それゆえ、効率損失なしに出力を増加させることは不可能であり、その逆もそうである。

従って、本発明は、望ましくは、当技術分野における上記に示した欠陥および不利な点を、個々にまたは組み合わせて、軽減または除去しようとするものであり、添付の特許請求の範囲による装置を提供することにより、少なくとも上記で言及した問題を解決するものである。

米国出願公開第２００３０００２１０号

本発明の目的は、改善された熱効率を有するエネルギーコンバータに使用され得るワーキングシリンダを、提供することである。

第１の様相によると、エネルギーコンバータ用のワーキングシリンダが提供される。ワーキングシリンダは、シリンダブロックにおいて回転可能に支持された少なくとも１つのディスク状のディスプレーサを備え、ディスプレーサは、２つの環状のフランジの間に配置され、２つの環状のフランジは、前記ディスプレーサの両側で前記ブロックから径方向内側に延び、前記ディスプレーサが、回転に際して前記フランジと平行に配置されるようになっており、前記フランジの少なくとも１つは、複数のセクションを備え、複数のセクションは、第１温度を有する第１セクションと、前記第１温度より低い第２温度を有する第２セクションと、前記第１セクションと前記第２セクションとの間の接触を完全に防ぐ２つの断熱セクションと、を含み、前記ディスプレーサは、作動流体のボリュームをセクションにわたって回転させるためのカットアウトを備え、カットアウトは、あらゆる回転位置において、第１セクションと第２セクションとに同時に重ならないような寸法になっている。

カットアウトは、エクステンション領域を有することができ、エクステンション領域は、水平面にあり、前記断熱セクションの水平面におけるエクステンション領域内のディスプレーサの半径より小さい全ての半径に沿って囲むことができる。

シリンダは、前記ディスプレーサに同軸に接続された回転シャフトを、さらに有してもよい。

前記フランジのそれぞれが、前記回転シャフトを収容するための同心のリセスを有してもよい。

それぞれのセクションは、環状扇形を形成してもよく、前記カットアウトは、環状扇形の形状を有してもよい。

第１セクションは、ブロックの第１部分に熱的に接続されてもよく、第１部分に供給された熱が、前記第１セクションに伝えられるようになっている。対応して、第２セクションは、ブロックの第２部分に熱的に接続されてもよく、第２部分の冷却が、前記第２セクションの冷却をもたらすようになっている。

さらに、ブロックの第１部分は、ブロックの第２部分から完全に熱的に絶縁され得る。

シリンダは、複数のディスプレーサをさらに備えてもよく、それぞれのディスプレーサは、２つの隣り合うフランジの間に配置されている。前記複数のディスプレーサは、共通の回転シャフトによって支持されてもよく、ディスプレーサは、それらの各カットアウトの角度位置に関して互いに整列してもよい。

第２の様相によると、エネルギーコンバータが提供される。エネルギーコンバータは、第１の様相によるシリンダを備え、ブロックはチャネルを備え、チャネルは、ディスプレーサの回転に際して生じる圧力パルスを伝達するために、ディスプレーサにより回転される作動流体と流体接続する。

エネルギーコンバータは、前記チャネルと流体接続する圧力作動装置をさらに備えてもよい。

第３の様相によると、ワーキングシリンダを提供するための方法が提供される。この方法は、シリンダブロックにおいて回転可能に支持された少なくとも１つのディスク状のディスプレーサを提供するステップであって、ディスプレーサは、２つの環状のフランジの間に配置され、２つの環状のフランジは、ディスプレーサの両側で前記ブロックから径方向内側に延び、前記ディスプレーサが、回転に際して前記フランジと平行に配置されるようになっている、ステップと、複数のセクションを有する前記フランジの少なくとも１つを提供するステップと、第１セクションを第１温度に加熱するステップと、第２セクションを、前記第１温度より低い第２温度に冷却するステップと、前記第１セクションと前記第２セクションとの間の接触を完全に防ぐ２つの断熱セクションを提供するステップと、作動流体のボリュームをセクションにわたって回転させるための、前記ディスプレーサにおけるカットアウトを提供するステップであって、カットアウトは、あらゆる回転位置において、第１セクションと第２セクションとに同時に重ならないような寸法になっている、ステップと、を含む。

第４の様相によると、ワーキングシリンダを製造するための方法が提供される。この方法は、ワーキングシリンダのホットサイドを形成するブロックフランジセクションの予め製造されたスタックを提供するステップと、ワーキングシリンダのコールドサイドを形成するブロックフランジセクションの予め製造されたスタックを提供するステップと、ワーキングシリンダの断熱サイドを形成するブロックフランジセクションの２つの予め製造されたスタックを提供するステップと、少なくとも１つのディスク状のディスプレーサを含むディスプレーサアセンブリを提供するステップであって、少なくとも１つのディスク状のディスプレーサは、作動流体のボリュームをワーキングシリンダのホット、コールド、および断熱サイドにわたって回転させるためのカットアウトを有する、ステップと、前記ディスプレーサアセンブリを囲むようにブロックフランジセクションの前記予め製造されたスタックを配置するステップであって、前記ディスプレーサアセンブリは、前記ワーキングシリンダ内で回転可能になっており、前記ディスプレーサのそれぞれは、２つの環状フランジの間に配置されるようになっており、２つの環状フランジは、ブロックフランジセクションにより形成され、前記ディスプレーサの両側でブロックから径方向内側に延び、前記ディスプレーサが回転の際に前記フランジと平行に配置されるようになっており、カットアウトは、あらゆる回転位置において、ホットサイドとコールドサイドとに同時に重ならないような寸法になっている、ステップと、前記ワーキングシリンダをシーリングするために、断熱サイドの外面全体を囲むようにエンクロージャを配置するステップと、を含む。

以下で、本発明は、添付の図を参照して記載される。

実施形態によるエネルギーコンバータを示す概略図である。 実施形態によるワーキングシリンダの円形フランジの斜視図である。 実施形態によるワーキングシリンダのディスプレーサの上面図である。 実施形態によるワーキングシリンダの斜視図である。 実施形態によるフランジのセクションの上面図である。 実施形態によるフランジのセクションの上面図である。

本発明のいくつかの実施形態が、本発明を当業者が実施できるように、添付の図を参照して以下でより詳細に記載される。本発明は、しかしながら、多くの異なった形で具体化され、ここに示した実施形態に限定されると解釈されるべきでない。むしろ、この開示が、徹底的かつ完全になり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように、これらの実施形態は提供される。実施形態は本発明を限定せず、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。さらに、添付の図に示される特定の実施形態の詳細な説明で用いられる用語は、本発明を限定するものではない。

図１から始めて、エネルギーコンバータ１００の実施形態が示される。エネルギーコンバータは、望ましくは、温度勾配を所定周波数の圧力差に変換するための装置として使用され、圧力差は、力学的仕事を生成するのに利用され得る。エネルギーコンバータ１００は、周期的に作動流体の温度を変えるように構成され、作動流体の圧力は、加熱中に増加する。対応して、圧力降下が冷却中に生じ、圧力差が、圧力差を力学的仕事にまたは違うエネルギー形態に変換するための様々な機械的、電気的、または電気機械的システムにより、利用され得る。例えば、エネルギーコンバータ１００は、スターリングエンジンに、または、ピストン、膜、圧電素子などの圧力作動部材を伴う他の機械、に使用され得る。図１に示されるように、エネルギーコンバータ１００は、エンジンシリンダ２００に接続され、エンジンシリンダ２００では、ピストン２１０が直線的に移動するように促される。ピストン２１０は、例えば、直線運動を回転運動に変換するためのクランクシャフト（図示せず）に接続されてもよい。

エンジンシリンダ２００は、ワーキングシリンダ１０１にチャネル２２０によって接続されてもよく、チャネル２２０を通じて、ワーキングシリンダ内の圧力変動が、ピストン２１０を相互的に動かすためにエンジンシリンダ２００に伝えられる。このため、ワーキングシリンダ１０１に接続部１０２が設けられ、接続部１０２とチャネル２２０が流体接続する。

通常、ワーキングシリンダは、モータ１０３により、作動流体をホットセクション１０４とコールドセクション１０５との間で回転させるために、作動する。作動流体がホットセクションにより加熱されると、ワーキングシリンダ内の圧力が上昇し、そのような圧力上昇は、エンジンシリンダ２００のピストン２１０を移動させる。対応して、作動流体の冷却は、ピストン２１０を反対に移動させる圧力降下をもたらす。それゆえ、作動流体の熱サイクルの周波数を制御することにより、エネルギーコンバータを、連続的に速度の広範囲にわたって、動作させることが可能である。

エネルギーコンバータ１００の構造細部を説明するために、図２および３についても言及される。通常、エネルギーコンバータ１００は、ワーキングシリンダ１０１を含み、ワーキングシリンダ１０１は、複数の積み重ねられたフランジ１１０、および複数のディスプレーサ１２０を含み、それぞれのディスプレーサ１２０は、２つの隣り合うフランジ１１０の間に配置される。図２から始めて、シリンダ１０１の円形フランジ１１０の上面図が示される。円形フランジ１１０は、シリンダブロック１１４から径方向内側に延び、フランジ１１０は、複数のセクション１１２を有する。円形フランジ１１０の外周は、シリンダブロック１１４に接続され、またはシリンダブロック１１４と一体的に形成される。このため、ブロック１１４は、シリンダ形状の空洞を形成する。しかし、シリンダブロックの外形は、図１において示されるような立方体などの他の形状を有してもよい。示された実施形態では、それぞれのフランジ１１０は４つのセクション１１２を有し、それぞれのセクションは、円の９０°に広がる。さらに、ブロック１１４は、ブロック１１４に広がらずに円形フランジ１１０に隣り合うディスプレーサ１２０を囲むために、円形フランジ１１０の厚さより少し大きい厚さを有する。

フランジ１１０の第１セクション１１２ａは、ホットセクションとして形成され、熱源（図示せず）は、熱を第１フランジ１１２ａに伝達するために第１セクション１１２ａに接続される。それゆえ、ホットセクション１１２ａは、図１に示されるホットサイド１０４の一部を形成する。第２セクション１１２ｂは、第１セクション１１２ａの向かい側に配置され、従って第１セクション１１２ａから９０°だけ間隔を置かれる。第２セクション１１２ｂは、コールドセクションを形成し、冷却装置（図示せず）は、所望の温度でコールドセクション１１２ｂの温度を保つために第２セクション１１２ｂに接続され、その温度は、ホットセクション１１２ａの温度より低い。それゆえ、コールドセクション１１２ｂは、図１に示されるコールドサイド１０５の一部を形成する。中間セクション１１２ｃ，１１２ｄは、第１セクション１１２ａおよび第２セクション１１２ｂに隣接して配置され、第１および第２セクション１１２ａ，１１２ｂのそれぞれが、中間セクション１１２ｃ，１１２ｄに境界を形成するようになっている。中間セクション１１２ｃ，１１２ｄは、断熱セクションとして設けられ、ホットセクション１１２ａとコールドセクション１１２ｂとの間の熱伝導が、最小化されるようになっている。従って、ホットセクション１１２ａとコールドセクション１１２ｂとの間の温度差は、効果的に維持され得る。

シリンダブロック１１４は、望ましくは、またブロックセクション１１５に分けられ、ブロックセクション１１５のそれぞれは、関連するフランジセクション１１２に熱的に接続される。図２に見られるように、ブロックセクション１１５は、同じ大きさを共有しない。望ましくは、フランジ１１０のホットおよびコールドセクション１１２ａ，１１２ｂに関連するブロックセクション１１５ａ，１１５ｂは、中間ブロックセクション１１５ｃ，１１５ｄよりいくらか大きく、フランジセクション１１２ａ，１１２ｂとの間の熱伝導を増加させるために、熱源および／または冷却装置が、より大きな体積または質量に作用し得るようになっている。ホットブロックセクション１１５ａは、熱に対するバッファとなり、作動流体が一定量の熱エネルギーを回収したときに、フランジ１１０のホットセクション１１２ａは、十分な熱エネルギーを受け取る。結果的に、コールドブロックセクション１１５ｂは、熱キャッシュとなり、フランジ１１０のコールドセクション１１２ｂは、冷却に際し熱キャッシュに熱を吸収し得る。

２つの同一のフランジ１１０を、ノーマル方向に間隔を置いて、積み重ねて配置することにより、２つのフランジ１１０の間に、小さい空間が形成される。この空間内で、望ましくは対称で２つのフランジ１１０の間の軸方向距離が全表面にわたって一定になるようになって、ディスプレーサ１２０が配置される。ディスプレーサ１２０は、図３に示され、円形フランジ１１０の半径に等しい、または円形フランジ１１０の半径より少し少ない、半径を有する。カットアウト１２２が設けられ、カットアウト１２２は、環状扇形の形状を有し得る。望ましくは、カットアウト１２２の角度広がりは、中間セクション１１２ｃ，１１２ｄの角度広がりに対応する。

一度２つのフランジ１１０の間に挿入されると、ディスプレーサ１２０は、回転して、カットアウト１２２をフランジ１１０の異なるセクション１１２ａ−ｄの間で移動させるように、配置される。カットアウト内に封入された、空気またはその他の気体媒質のような作動流体は、従って、フランジのセクション１１２ａ−ｄの間を動くことを余儀なくされ、従って、空気の、または低粘性媒質のような他の作動流体の、温度を周期的に変化させる。

望ましくは、ディスプレーサ１２０は、フランジ１１０の隣接する表面に対しシールされ、作動流体は、ごく少量のみがカットアウト１２２から漏れ得るようになっている。このようにして、作動流体の大部分は、ディスプレーサ１２０がシリンダ内で回転する際に、常にカットアウト１２２内に封入され、一方、ワーキングシリンダ１０１内の圧力を均一にするために、少量の作動流体が、ワーキングシリンダに、例えば、望ましくはディスプレーサ１２０と隣り合うフランジ１１０との間に存在する小さなスリットに、分布する。それゆえ、一度カットアウト１２２がホットセクション１１２ａに配置されると、作動流体は加熱され、その上、カットアウト１２２がホットセクション１１２ａを横切って回転運動を継続するので、加熱は継続する。続いて、カットアウト１２２は、完全にホットセクション１１２ａを横断し、今度は、熱伝達が生じない中間セクション１１２ｃにわたって配置されるようになっている。この位置で、作動流体は、最高温度、およびそれゆえ最大圧力を有する。ディスプレーサ１２０が、２つの積み重ねられた中間セクション１１２ｃ，または１１２ｄにより完全に囲まれる位置から回転し続けるにつれて、カットアウト１２２は、コールドセクション１１２ｂに移り、それによって、作動流体の温度は減少し始める。作動流体の温度の低下は、カットアウト１２２の少なくともある部分がコールドセクション１１２ｂにわたって位置する限り、すなわち約１８０°の間、進行する。

次に図４を見ると、フランジディスプレーサアセンブリが示される。フランジディスプレーサアセンブリは、ワーキングシリンダ１０１を形成し、ワーキングシリンダ１０１は、上カバー（図示せず）および下カバー１０６によって、またディスプレーサをフランジ１１０に対して回転させるための駆動手段および制御手段（図示せず）によって、補われてもよい。制御手段は、このワーキングシリンダの外部に配置されてもよい。見られるように、ワーキングシリンダ１０１は、複数の積み重ねられたフランジ１１０と、対応する複数のディスプレーサ１２０と、を含む。フランジ１１０の実際の数をｎとすると、ディスプレーサ１２０の対応する数は、それぞれのディスプレーサ１２０を２つの隣り合うフランジ１１０の間に配置するために、ｎ−１であり得る。ディスプレーサ１２０は、望ましくは、共通位相を有して配置され、ディスプレーサ１２０のカットアウト１２２が互いに整列するようになっており、その結果として、回転中に同じ角度位置で位置付けられる。それゆえ、ディスプレーサ１２０は、望ましくは、それらが全て接続される共通の回転シャフト１２４により、駆動される。

ワーキングシリンダ１０１を搭載する前に、フランジ１１０は、望ましくは、セミパーツとして提供され、それぞれのセミパーツは、関連するフランジセクション１１２に接続されたシリンダブロックセクション１１５に対応する。複数のセミパーツは、積み重ねる形で接続され、ワーキングシリンダ１０１のホットサイド１０４が、ブロックフランジセクションのスタックを含む、予め製造された部品として提供されるようになっている。対応して、ワーキングシリンダ１０１のコールドサイド１０５だけでなくワーキングシリンダ１０１の断熱サイドも、予め製造された部品として提供され、それぞれの部品は、ブロックフランジセクションのスタックを含む。シリンダブロックフランジセクションの予め製造されたスタックに加えて、ディスプレーサアセンブリが提供され、ディスプレーサアセンブリは、複数のディスプレーサディスク１２０を備え、複数のディスプレーサディスク１２０は、積み重ねる形で配置され、同心回転シャフトによって互いに接続される。それぞれのディスプレーサディスク１２０は、隣り合うディスプレーサディスク１２０から所定距離で配置され、その距離は、ブロックフランジセクションのスタックの２つの隣り合うフランジ１１０の間の距離に、実質的に対応する。

断熱のブロックフランジセクションの予め製造されたスタックによって、ホットおよびコールドのブロックフランジセクションの予め製造されたスタックを互いから離すことにより、ブロック１１４における熱伝達が、著しく減少する。それぞれのブロックフランジセクションの予め製造されたスタックは、成形により、または機械処理されたコンポーネントとして、提供されてもよく、それらは、必ずしもいくつかのブロックフランジセクションの予め製造されたスタックを接続することによって提供されないかもしれない。

ワーキングシリンダ１０１の搭載に際し、ブロックフランジセクションの予め製造されたスタックは、ディスプレーサアセンブリの自由空間（すなわち、２つの隣接するディスプレーサディスク１２０の間の間隔）の中に挿入され、そして、ディスプレーサ１２０が回転できる閉じたシリンダ１０１を形成するために、互いに接続される。作動流体の所望の体積がワーキングシリンダ１０１に、シリンダ１０１をシーリングする前に、例えば上および下カバーを設ける前に、注入され得る。その上、開口箱状の積層エンクロージャ（図示せず）が設けられてもよく、ワーキングシリンダ１０１をシールするために、ワーキングシリンダ１０１にはめられる。シーリングは、溶接により、または積層とブロック１１４との間に十分な接触を提供するためのその他の適切な方法により、行われ得る。積層エンクロージャは、望ましくは、長手および横方向に熱伝導ブリッジを有しないことにより、ブロック１１４から周囲環境への熱伝達を完全に防ぐ。それゆえ、積層エンクロージャは、またワーキングシリンダ１０１用の上カバーを形成する。

積層エンクロージャは、電気モータを設置できるようにするための内部手段および磁気構造を有してもよい。それゆえ、ケーブル等がワーキングシリンダにおいて導かれる必要性を完全になくすために、モータ用の制御手段が、外側に（図１において示されるように）設けられてもよい。

ブロックフランジセクションの予め製造されたスタックの一つは、ボアを有し、ワーキングシリンダ１０１の内側でカットアウト１２２が回転している際に、ボアに作動流体の圧力が分散されてもよい。ボアは、作動流体の圧力がエネルギーコンバータ１００を駆動できるようにするために、導管、例えば図１に示されるチャネル２２０、にさらに接続されてもよい。

モータ（図１で１０３で示される）は、ワーキングシリンダ１０１内でディスプレーサ１２０を回転させるために、ディスプレーサ１２０の回転シャフト１２４に接続されてもよい。さらに、コントローラ（図示せず）が、望ましくは、モータ１０３に接続され、回転の速度を、従って異なるフランジセクション１１２にわたって移動する作動流体の周波数を、制御する。

記載された実施形態に関するいくつかの一般的な解説が、これからされる。ＰＶ＝ｎｒＴに基づき、クローズドシステムにおける作動流体（空気、気体、蒸気等）の膨張／収縮が、仕事をするのに用いられる。作動流体が加熱されると、上昇した圧力は、例えば膜またはピストンを押すことにより、接続された装置上で作動でき、作動流体が収縮すると、それは、圧力作動装置に引く動きをもたらす。

ワーキングシリンダ１０１内で、作動流体は、制御された周期において強制対流による渦で、ホットおよびコールド表面にさらされる。エネルギーコンバータ１００は、望ましくは、スケーリング中に所望の水準で、熱伝達用の表面と、作動流体の体積と、の比を保つ。

実際、カットアウト１２２の回転運動は、制御された形で作動流体が渦巻くようにする（図３における矢印で示されるように）。それゆえ、作動流体と、ホットまたはコールドセクション１１２ａ，１１２ｂとの間の熱伝導が増加し、従ってワーキングシリンダの効率もそうである。一方、ディスプレーサ１２０とフランジセクション１１２との間に形成された空間内に存在する少量の流体は、層流で移動し、従ってこれらの領域での熱伝導を減少させる。

フランジセクション１１２の大きな表面が、作動流体との間で熱を移動させるのに必要とされる。セグメント化された設計でなかったら、媒体の体積は立方体と共に増し、熱伝達面は正方形と共にのみ増すであろう。

作動サイクル中に、すなわちディスプレーサ１２０の１回転中に、作動流体は、４つの完全に分けられる段階を経る：ｉ）スワールを維持するための、ニュートラル、ｉｉ）ホット、すなわち作動流体への熱エネルギー移動中、ｉｉｉ）スワールを維持するための、ニュートラル、ｉｖ）コールド、すなわち作動流体からの熱エネルギー移動中。作動流体は、同時にそれらのセクターの２つを超えて位置することはない。作動流体が段階を経る際に、全周期は、２つの部分：１）「温度上昇サイクル」および２）「冷却サイクル」で定義されてもよい。「温度上昇サイクル」：ａ）ニュートラル‐ウォーム、ｂ）ウォーム、ｃ）ウォーム‐ニュートラルは、ほぼ半ターンを形成する。ホットおよび断熱セクション１１２ａ，１１２ｃにある作動流体は、温かくなり、セグメント化されたワーキングシリンダ全体における圧力は、上昇する。「冷却サイクル」：ニュートラル‐コールド、コールド、コールド‐ニュートラルは、もう半ターンを形成する。作動流体がクールダウンし、セグメント化されたワーキングシリンダ内で圧力が降下する。

温度上昇サイクルと冷却サイクルとの間に、同じく冷却サイクルと温度上昇サイクルとの間に、１００％ニュートラルである非常に短い時間があってもよく、望ましくは、それぞれ、３６０の円の約２度である。

例えば、ピストン、膜、圧力計、圧電素子、またはその他の圧力作動装置によって用いられる、圧力変動が、ワーキングシリンダ内のどこからでも得られる。

作動流体は、ホットおよびコールド表面の間を、モータにより作動されるセグメント化された回転ディスプレーサシャフトにより動く。モータのシャフトを制御することにより、作動流体が温度上昇および冷却サイクルにさらされる時間を、制御することが可能である。０ｒｐｍから、最大性能ｒｐｍを超えるリミットまで、全ての範囲内で、ｒｐｍおよび出力を完全制御することも可能であり得る。最大性能ｒｐｍは、望ましくは、効果的な熱伝達を依然として維持する最高速度として定義される。

例えば磁気トランスミッションにより、ワーキングシリンダの内側に、またはセグメント化されたワーキングシリンダの外側に、モータおよび関連するシャフトを搭載することにより、ワーキングシリンダは、全体的にシールされるようになる。それゆえ、電力漏れのリスクが、従って最小化される。磁気結合の手段によって外部モータがディスプレーサアセンブリを回転させている場合、カットアウトがホットフランジセクション１１２ａにわたって位置する際に、作動流体の圧力が上昇することになり、ホットからコールドフランジセクション１１２ｂに回転する際に、圧力が降下する。熱伝導フランジセクション１１２ａ，１１２ｂは、情報を制御システムにフィードバックするために、例えばフランジの先端近くに、熱センサを有してもよい。それゆえ、フランジ１１０の温度をリアルタイムで測定することが可能であり、従って、ワーキングシリンダの実際のパフォーマンスを、予測および決定することを可能にする。さらに、圧力変動を継続的に測定するために、ワーキングシリンダの中に、圧力センサを設けることも可能であり得る。

用途に応じて、コンバータを操作するのに作動流体が用いられる温度差の範囲内で相転移を有する飽和蒸気を、使用してもよい。これは、例えば空気よりも、より良い性能を提供し得る。例として、低温度差の「環境に優しい」用途において、酢酸エチルエステルを使用してもよい。

さらに、２つのワーキングシリンダを、それぞれのカットアウト間で１８０°の角度で、接続するのは、複動ピストンの使用に適している。３つのワーキングシリンダを、それぞれのカットアウト１２２間で１２０°の角度で、接続するのは、よりスムーズな、ピストンを用いてシャフトを動かす動作を提供し得る。

どのような構成が選ばれても、有利な特徴は、どのシリンダも、ディスプレーサアセンブリの動きを制御する、それ自体のモータを有するので、相対カットアウト位置を変えるおよび同期させることが可能なことである。

望ましくは、ディスプレーサアセンブリは、カウンターウェイトとバランスを取り、シャフトの臨界速度に対応する固有振動数を有する。シャフトの臨界速度は、動作範囲外であるか、または非常に遅い始動領域にある。望ましい実施形態では、カウンターウェイトの少なくとも１つは、磁気的であり、従って、回転運動を外部電磁源からディスプレーサに伝達するのに用いられてもよい。

作動流体は以下を提供する：１）圧力差を圧力作動装置に関与させるスワールを伴う、ディスプレーサアセンブリの回転による強制対流、２）ディスプレーサと円形フランジとの間に層流を形成すること、３）ワーキングシリンダ内で均圧も行う、ニュートラルおよび熱伝導フランジ間の薄い間隙を隔離すること。

次に図５ａ−ｂを見て、フランジ１１０のセクション１１２の異なる実施形態が論じられる。図５ａから始めて、フランジが、８つの異なるセクションに分けられる。セクション１１２のそれぞれは、４５°の固定の角度広がりを有し、セクターを形成する。第１ホットセクター１１２ａに続いて断熱セクター１１２ｄがあり、続いてコールドセクター１１２ｂがある。コールドセクター１１２ｂの後に、断熱セクター１１２ｃが、半ターンが終わる前に配置される。続く半ターンは、図５ａに示されるように最初の半ターンと対称である。

図５ｂは、フランジのセクション１１２の別の実施形態を示す。ここで、コールドセクター１１２ｂは、コールドセクター１１２ｂの両側に配置された２つの断熱セクター１１２ｃ，１１２ｄに隣接している。２つの断熱セクターの間に、５つのホットセクター１１２ａが配置されている。それゆえ、ワーキングシリンダ１０１を、作動流体との間の効果的な熱伝達が得られるように、利用可能な熱源および冷却装置に応じて設計することが可能である。

上記の実施形態を考えると、ホットおよびコールドセクション１１２ａ，１１２ｂを、少なくともディスプレーサ１２０のカットアウト１２２の大きさを有する断熱セクションによってそれらが離される限り、膨大な量の異なる方法で分配することが可能である。円形セクターのみが記述されたが、カットアウトが決して同時にホットセクションおよびコールドセクションにわたって延びることができない限り、セクターおよびカットアウトの異なる形状を設けることは、当然可能である。

ディスプレーサ１２０は、望ましくは、作動流体を移動させるためにそれらが回転する間、乱流および制御された対流渦をもたらすように構成される。それゆえ、フランジ１１０と作動流体との間における放射および強制対流による熱伝達は、増加する。例えば、カットアウト１２２のエッジのテーパリングは、水平面に垂直な方向のスワール成分を与える。さらなる実施形態では、フランジ１１０は、ワーキングシリンダ１０１内で均圧を促進するために、穴が設けられてもよい。これは、表面を増す付加的作用も提供することができ、熱伝達を促進する。穴は、非常に小さく作られてもよく、例えば、ｍｍの範囲の半径を有し、フランジ１１０の全表面にわたって分配されてもよい。

当然のことながら、添付の請求項によって定められる範囲から逸脱せずに、上述の実施形態が組み合わせられてもよい。

特許請求の範囲において、「備える／備えている」という用語は、他の要素またはステップの存在を除外しない。また、個々の特徴は、異なる請求項に含まれる場合があるが、これらは有利に組み合わせられることもでき、異なる請求項に含めることは、特徴の組み合わせが、実行可能でないおよび／または有利でないことを意味しない。加えて、単数の言及は、複数を除外しない。「一つの（ａ）」、「一つの（ａｎ）」、「第１」、「第２」等の用語は、複数を除外しない。特許請求の範囲の引用符号は、単に例を明らかにするものとして提供され、何らかの形で特許請求の範囲を限定するものと見なされるべきではない。

Claims (15)

1. ワーキングシリンダであって、シリンダブロック（１１４）において回転可能に支持された少なくとも１つのディスク状のディスプレーサ（１２０）を備え、ディスプレーサ（１２０）は、２つの環状のフランジ（１１０）の間に配置され、２つの環状のフランジ（１１０）は、前記ディスプレーサ（１２０）の両側で前記ブロック（１１４）から径方向内側に延び、前記ディスプレーサ（１２０）が、回転に際して前記フランジ（１１０）と平行に配置されるようになっており、
   前記フランジ（１１０）の少なくとも１つは、複数のセクションを備え、複数のセクションは、第１温度を有する第１セクション（１１２ａ）と、前記第１温度より低い第２温度を有する第２セクション（１１２ｂ）と、前記第１セクション（１１２ａ）と前記第２セクション（１１２ｂ）との間の接触を完全に防ぐ２つの断熱セクション（１１２ｃ，１１２ｄ）と、を含み、
   前記ディスプレーサ（１２０）は、作動流体のボリュームをセクション（１１２）にわたって回転させるためのカットアウト（１２２）を備え、カットアウトは、あらゆる回転位置において、第１セクション（１１２ａ）と第２セクション（１１２ｂ）とに同時に重ならないような寸法になっている、ワーキングシリンダ。
2. 請求項１に記載のシリンダであって、前記カットアウト（１２２）は、エクステンション領域を有し、エクステンション領域は、水平面にあり、前記断熱セクション（１１２ｃ，１１２ｄ）の水平面におけるエクステンション領域内のディスプレーサ（１２０）の半径より小さい全ての半径に沿って囲むことができる、シリンダ。
3. 請求項１または２に記載のシリンダであって、前記ディスプレーサ（１２０）に同軸に接続された回転シャフト（１２４）をさらに備える、シリンダ。
4. 請求項３に記載のシリンダであって、前記フランジ（１１０）のそれぞれが、前記回転シャフト（１２４）を収容するための同心のリセスを有する、シリンダ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリンダであって、それぞれのセクション（１１２ａ‐ｄ）が環状扇形を形成し、前記カットアウト（１２２）は、環状扇形の形状を有する、シリンダ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリンダであって、第１セクション（１１２ａ）は、ブロック（１１４）の第１部分（１１５ａ）に熱的に接続され、第１部分（１１５ａ）に供給された熱が前記第１セクション（１１２ａ）に伝えられるようになっている、シリンダ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のシリンダであって、第２セクション（１１２ｂ）は、ブロック（１１４）の第２部分（１１５ｂ）に熱的に接続され、第２部分（１１５ｂ）の冷却が前記第２セクション（１１２ｂ）の冷却をもたらすようになっている、シリンダ。
8. 請求項６および７に記載のシリンダであって、ブロック（１１４）の第１部分（１１５ａ）は、ブロック（１１４）の第２部分（１１５ｂ）から完全に熱的に絶縁される、シリンダ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のシリンダであって、複数のディスプレーサ（１２０）を備え、それぞれのディスプレーサは、２つの隣り合うフランジ（１１０）の間に配置される、シリンダ。
10. 請求項９に記載のシリンダであって、前記複数のディスプレーサ（１２０）は、共通の回転シャフト（１２４）によって支持される、シリンダ。
11. 請求項１０に記載のシリンダであって、前記ディスプレーサ（１２０）は、それらのそれぞれのカットアウト（１２２）の角度位置に関して互いに整列する、シリンダ。
12. エネルギーコンバータであって、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシリンダを備え、ブロック（１１４）はチャネルを備え、前記チャネルは、ディスプレーサの回転に際して生じる圧力パルスを伝達するために、ディスプレーサ（１２０）により回転される作動流体と流体接続する、エネルギーコンバータ。
13. 請求項１２に記載のエネルギーコンバータであって、前記チャネルと流体接続する圧力作動部材（２００）を備える、エネルギーコンバータ。
14. ワーキングシリンダを提供するための方法であって、シリンダブロック（１１４）において回転可能に支持された少なくとも１つのディスク状のディスプレーサ（１１０）を提供するステップであって、ディスプレーサ（１１０）は、２つの環状のフランジ（１１０）の間に配置され、２つの環状のフランジ（１１０）は、ディスプレーサ（１２０）の両側で前記ブロック（１１４）から径方向内側に延び、前記ディスプレーサ（１２０）が、回転に際して前記フランジ（１１０）と平行に配置されるようになっている、ステップと、
    複数のセクションを有する前記フランジ（１１０）の少なくとも１つを提供するステップと、
    第１セクション（１１２ａ）を第１温度に加熱するステップと、
    第２セクション（１１２ｂ）を、前記第１温度より低い第２温度に冷却するステップと、
    前記第１セクション（１１２ａ）と前記第２セクション（１１２ｂ）との間の接触を完全に防ぐ２つの断熱セクション（１１２ｃ，１１２ｄ）を提供するステップと、
    作動流体のボリュームをセクション（１１２）にわたって回転させるための、前記ディスプレーサ（１２２）におけるカットアウトを提供するステップであって、カットアウトは、あらゆる回転位置において、第１セクション（１１２ａ）と第２セクション（１１２ｂ）とに同時に重ならないような寸法になっている、ステップと、を含む、方法。
15. ワーキングシリンダを製造するための方法であって、
    ワーキングシリンダのホットサイドを形成するブロックフランジセクションの予め製造されたスタックを提供するステップと、
    ワーキングシリンダのコールドサイドを形成するブロックフランジセクションの予め製造されたスタックを提供するステップと、
    ワーキングシリンダの断熱サイドを形成するブロックフランジセクションの２つの予め製造されたスタックを提供するステップと、
    少なくとも１つのディスク状のディスプレーサを含むディスプレーサアセンブリを提供するステップであって、少なくとも１つのディスク状のディスプレーサは、作動流体のボリュームをワーキングシリンダのホット、コールド、および断熱サイドにわたって回転させるためのカットアウトを有する、ステップと、
    前記ディスプレーサアセンブリを囲むようにブロックフランジセクションの前記予め製造されたスタックを配置するステップであって、前記ディスプレーサアセンブリは、前記ワーキングシリンダ内で回転可能になっており、前記ディスプレーサのそれぞれは、２つの環状フランジの間に配置されるようになっており、２つの環状フランジは、ブロックフランジセクションにより形成され、前記ディスプレーサの両側でブロックから径方向内側に延び、前記ディスプレーサが回転の際に前記フランジと平行に配置されるようになっており、カットアウトは、あらゆる回転位置において、ホットサイドとコールドサイドとに同時に重ならないような寸法になっている、ステップと、
    前記ワーキングシリンダをシーリングするために、断熱サイドの外面全体を囲むようにエンクロージャを配置するステップと、を含む、方法。

Images