(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのスターリングサイクル変換器装置であって、当該装置は、
ハウジングを有し、
前記ハウジングの中に配置された圧縮室を有し、該圧縮室は、該圧縮室の容積を変化させるように作動し得る少なくとも第１のインタフェースを持っており、
前記ハウジングの中に配置された膨張室を有し、該膨張室は、該膨張室の容積を変化させるように作動し得る第２のインタフェースを少なくとも持っており、
前記圧縮室と前記膨張室の各々と流体連絡している熱再生器を有し、該熱再生器は、該再生器を第１の方向に通って流れるガスから熱エネルギーを受け取ることと、該再生器を第１の方向とは反対の方向に通って流れるガスへ熱エネルギーを引き渡すこととを、交互に行うように作動可能であり、前記圧縮室と前記膨張室と前記再生器とが一緒になって、加圧された作動ガスを収容する作動容積を定めており、前記第１及び第２のインタフェースの各々は、変換器軸と一線上にそろった方向への往復運動のために構成されており、該往復運動は前記膨張室と前記圧縮室との間で作動ガスの周期的な交換を引き起こすように作動可能であり、
前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つは、
弾力性を有するダイヤフラムを有し、
前記ダイヤフラムと前記ハウジングとの間に結合された円筒形の管状バネを有し、該管状バネは、該ダイヤフラムによって該管状バネに分与された力に応じて、前記変換器軸と概して一線上にそろった方向へと弾性的に変形し、前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つに所望の固有振動数を持たせるように構成されている、
前記装置。
【請求項２】
前記第１のインタフェースが、弾力性を有するダイヤフラムを有し、
前記第２のインタフェースが、前記膨張室と前記圧縮室との間に配置されたディスプレーサを有し、該第２のインタフェースの往復運動が、前記膨張室と前記圧縮室の双方の容積を変化させるように作動し得る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記膨張室が、前記ディスプレーサの第１の表面と前記ハウジングの壁との間に定められており、該ディスプレーサの第１の表面は、該ディスプレーサの往復運動を許容するように構成されたたわみ部を備え、前記壁の中心部分は、該ディスプレーサの往復運動に対応するため、前記壁の周辺部分に対して前記ディスプレーサから前記変換器軸に沿って片寄っている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記圧縮室が、前記ディスプレーサの第２の表面と前記ダイヤフラムとの間に定められており、該ディスプレーサの前記第２の表面は、該ディスプレーサの往復運動を許容するように構成されたたわみ部を備え、前記ダイヤフラムの中心部分は、該ディスプレーサの往復運動に対応するため、前記ダイヤフラムの周辺部分に対して前記変換器軸に沿って片寄っている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記ディスプレーサがたわみ部を有し、該たわみ部は、
周辺部分を有し、
中心部分を有し、かつ、
前記周辺部分と前記中心部分との間に延びる中間屈曲部分を有し、前記ディスプレーサの往復運動中に実質的に該中間屈曲部分において屈曲が起こるように、該屈曲部分が構成されている、
請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記周辺部分と、前記中間屈曲部分と、前記中心部分とが、一緒になって前記たわみ部の厚さプロフィールを定めており、かつ、該厚さプロフィールは、前記たわみ部が有効面積を持つように選択されており、該有効面積は、前記ディスプレーサの往復運動が第１のインタフェースの往復運動に対して所望の位相角だけ位相を外れるようにするものであり、該有効面積は、往復運動中の前記たわみ部の変形に起因して、該たわみ部の物理的な領域よりも小さいものである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記たわみ部の厚さプロフィールが、当該装置の往復の相補的な振動が存在しないときに、前記ディスプレーサに前記所望の位相角での往復運動を与えるための有効面積を前記たわみ部が有するように選択される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記たわみ部は、前記膨張室の容積を変化させるように作動し得る第１のたわみ部を有し、前記ディスプレーサは、前記圧縮室の容積を変化させるように作動し得る第２のたわみ部を更に有し、前記第１及び第２のたわみ部は、間隔を置いて離されかつ対応した往復運動のために構成され、
前記第２のたわみ部は、
周辺部分を有し、
中心部分を有し、かつ、
前記周辺部分と前記中心部分との間に延びる中間屈曲部分を有し、往復運動中に実質的に該中間屈曲部分において屈曲が起こるように、該中間屈曲部分が構成されている、
請求項５に記載の装置。
【請求項９】
当該装置が、前記第１及び第２のたわみ部同士の間に配置された絶縁材料をさらに有し、該絶縁材料は、前記膨張室と前記圧縮室との間に熱絶縁を提供するように作動し得るものである、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２のたわみ部が、それらの間に絶縁容積を定めており、該絶縁容積は、前記作動ガスよりも低い熱伝導率を有する絶縁ガスを受け入れるように作動し得るものである、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記管状バネが、前記加圧された作動ガスを収容するように配置された少なくとも一部分を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記管状バネが内腔を有し、かつ、当該装置が、前記ダイヤフラムへ機械的に結合されて前記管状バネの前記内腔の内部で外側に延びるロッドをさらに有し、該ロッドは、前記変換器を電気機械的な変換器へ連結することを容易にするように作動し得るものである、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記ダイヤフラムが、無限の疲労寿命で作動し得る材料を有し、該ダイヤフラムは、該ダイヤフラムを渡る厚さプロフィールを有し、前記ダイヤフラムを渡る応力密度が前記材料の疲労閾値限度より下に低減されることを引き起こすように前記厚さプロフィールが選択されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記作動ガスが、前記ダイヤフラムの第１の表面を押し、かつ、当該装置が、前記ダイヤフラムの第２の表面を押す加圧ガス体積を収容するための反発室をさらに有し、かつ、
前記反発室の容積が、前記往復運動中に前記ダイヤフラムによって押し退けられる行程容積よりも十分大きくなるように選択されて、該反発室の中の圧力振動が低減されるようになっており、これにより、該反発室中の前記ガス体積に関係したヒステリシス損失が低減されており、かつ、
当該装置が、前記膨張室と圧縮室の中の作動ガスと、前記反発室中のガス体積との間のガス連絡を容易にするための均等化導管をさらに有し、該均等化導管は、前記作動ガスと前記反発室の内部のガス体積との間の静圧均等化を許容するサイズであると同時に十分に狭く、当該変換器装置の作動サイクル数に対応する期間中の著しいガス連絡を防止する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
当該装置が、さらに、
前記膨張室と連絡している第１の熱交換器を有し、
前記圧縮室と連絡している第２の熱交換器を有し、これら第１及び第２の熱交換器同士の間に前記熱再生器が配置されており、かつ、
前記第１及び第２の熱交換器の各々は、前記ハウジングの内部に前記変換器軸に関して周囲に配置され、それぞれの前記室へまたは前記室から流れる作動ガスを受け取るように、かつ、前記作動ガスの流れの方向を変えて前記再生器を通過させるように構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１及び第２の熱交換器の各々が、高さよりも大きい横方向の広がりを有し、前記熱交換器を通る概して横方向へのガス流を引き起こすように構成されている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１及び第２の熱交換器の各々が、前記再生器と連絡している実質的に横方向に延びるインタフェースを有し、前記インタフェースの近位で前記作動ガス流の方向変えが起こる、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記膨張室が、該膨張室と前記圧縮室との間での熱伝導を低減するための十分な熱絶縁を提供する寸法の絶縁壁によって、前記圧縮室から分離されており、かつ、
当該装置が、さらに、
前記膨張室と前記第１の熱交換器との間、または
前記圧縮室と前記第２の熱交換器との間、
のうちの少なくとも１つにおいて、作動ガスを方向づけるための少なくとも１つのアクセス導管を有する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
当該変換器装置が、熱エネルギーと機械エネルギーとの間での変換を行うために使用され、前記膨張室は膨張室壁を有し、該膨張室壁は、
高い熱伝導率の壁を有し、かつ、
前記壁と前記ハウジングとの間に延びる低い熱伝導率の絶縁スペーサを有する、
請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記高い熱伝導率の壁が、高い熱伝導率を有する第１のシリコンカーバイド材料組成を有し、前記低い熱伝導率の絶縁スペーサが、低い熱伝導率を有する第２のシリコンカーバイド材料組成を有する、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概しては変換機に関するものであり、更に具体的には、熱エネルギーを機械エネルギーへ変換する、または、機械エネルギーを熱エネルギーへ変換する、スターリングサイクル変換器(Stirling cycle transducer)に関する。
【０００２】
２．関連技術の説明
スターリングサイクル熱エンジン及び熱ポンプは、１８１６年に遡り、多くの異なる構成で生産されてきた。そのようなスターリングサイクル装置の潜在的な利点は、高い効率と高い信頼性を含む。スターリングエンジンの採用は、高温度材料のコスト、及び高圧と高温の往復または回転ガスシールを作ることの困難性によって部分的に妨げられてきた。更に、内燃機関と比較して比較的大きい熱交換器と低い比出力を必要とすることも、スターリングエンジンの広い採用を妨げてきた。比出力とは、質量、容積、または面積の単位当たりの出力パワーであり、低い比出力は所与の出力パワーについてエンジンの材料コストを高くする結果となる。
【０００３】
熱音響熱エンジンは、最近になって開発されたものであり、この場合、作動ガスの慣性を無視し得ない。この無視は、スターリングエンジンの分析でしばしば行われる。熱音響エンジンの設計では、ガスの慣性が考慮に入れられるべきであり、エンジン内の同調共振管の使用が要件となる。不都合なことに、合理的な作動サイクル数(operating frequencies)では、音波の波長が長すぎて小型エンジンには許されず、結果として比較的低い比出力を生じる。しかしながら、熱音響エンジンは従来のスターリングエンジンよりも機械的に簡単であり、摺動または回転する高圧シールを必要としない。
【０００４】
スターリングエンジンの１つの有望な変形は、ダイヤフラムエンジンである。ダイヤフラムエンジンでは、ダイヤフラムのたわみ部(flexure)が従来のスターリングエンジンの摺動ピストンに取って代わり、摩擦と摩耗を低減する。幾つかのダイヤフラムエンジンが提案されかつ構築されたが、一般的に低い比出力を有する（即ち、単位容積当たりに生成されるパワーは低い）。改善された熱エンジン及び熱ポンプ、更に具体的には、改善されたダイヤフラム熱エンジン及び熱ポンプの一般的必要性が残存する。
【０００５】
発明の概要
本発明の１つの態様によれば、熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うためのスターリングサイクル変換器装置が提供される。当該装置は、ハウジングを有し、前記ハウジングの中に配置された圧縮室を有し、該圧縮室は、該圧縮室の容積を変化させるように作動し得る少なくとも第１のインタフェースを持っており、前記ハウジングの中に配置された膨張室を有し、該膨張室は、該膨張室の容積を変化させるように作動し得る第２のインタフェースを少なくとも持っており、前記圧縮室と前記膨張室の各々と流体連絡している熱再生器を有する。該熱再生器は、該再生器を第１の方向に通って流れるガスから熱エネルギーを受け取ることと、該再生器を第１の方向とは反対の方向に通って流れるガスへ熱エネルギーを引き渡すこととを、交互に行うように作動可能である。前記圧縮室と前記膨張室と前記再生器とが一緒になって、加圧された作動ガスを収容する作動容積を定めている。前記第１及び第２のインタフェースの各々は、変換器軸と一線上にそろった方向への往復運動のために構成されており、該往復運動は前記膨張室と前記圧縮室との間で作動ガスの周期的な交換を引き起こすように作動可能である。前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つは、弾力性を有するダイヤフラムを有し、前記ダイヤフラムと前記ハウジングとの間に結合された円筒形の管状バネを有し、該管状バネは、該ダイヤフラムによって該管状バネに分与された力に応じて、前記変換器軸と概して一線上にそろった方向へと弾性的に変形し、前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つに所望の固有振動数を持たせるように構成されている。
【０００６】
前記第１及び第２のインタフェースの各々は、弾力性を有するダイヤフラムを有していてもよい。
【０００７】
前記第１及び第２のインタフェースの各々は、少なくとも約２５０Ｈｚの固有振動数での往復運動のために構成されていてもよい。
【０００８】
前記加圧された作動ガスは、少なくとも３ＭＰａの静圧を有していてもよい。
【０００９】
前記第１のインタフェースが、弾力性を有するダイヤフラムを有していてもよく、前記第２のインタフェースが、前記膨張室と前記圧縮室との間に配置されたディスプレーサを有していてもよく、かつ、該第２のインタフェースの往復運動が、前記膨張室と前記圧縮室の双方の容積を変化させるように作動し得るものであってもよい。
【００１０】
当該装置は、当該変換器装置を取付けるための取付け台をさらに有していてもよく、該取付け台は、前記変換器軸の方向に当該装置の往復の相補的な振動を許容するように作動可能に構成され、所望の位相角において前記ディスプレーサへ往復運動を与えるように作動可能に構成されているものであてよい。
【００１１】
前記膨張室は、前記ディスプレーサの第１の表面と前記ハウジングの壁との間に定められており、該ディスプレーサの第１の表面は、該ディスプレーサの往復運動を許容するように構成されたたわみ部を備え、前記壁の中心部分は、該ディスプレーサの往復運動に対応するため、前記壁の周辺部分に対して前記ディスプレーサから前記変換器軸に沿って片寄っていてもよい。
【００１２】
前記圧縮室は、前記ディスプレーサの第２の表面と前記ダイヤフラムとの間に定められており、該ディスプレーサの前記第２の表面は、該ディスプレーサの往復運動を許容するように構成されたたわみ部を備え、前記ダイヤフラムの中心部分は、該ディスプレーサの往復運動に対応するため、前記ダイヤフラムの周辺部分に対して前記変換器軸に沿って片寄っていてもよい。
【００１３】
前記ディスプレーサはたわみ部を有していてもよく、該たわみ部は、周辺部分を有し、中心部分を有し、かつ、前記周辺部分と前記中心部分との間に延びる中間屈曲部分を有し、前記ディスプレーサの往復運動中に実質的に該中間屈曲部分において屈曲が起こるように、該屈曲部分が構成されていてもよい。
【００１４】
前記たわみ部の前記中間屈曲部分は、前記中心部分の近位において増加した厚さを有し、該中心部分の遠位において減少した厚さへとしだいに減っていてもよい。
【００１５】
前記周辺部分と、前記中間屈曲部分と、前記中心部分とが、一緒になって前記たわみ部の厚さプロフィールを定めていてもよく、かつ、該厚さプロフィールは、前記たわみ部が有効面積(effective area)を持つように選択されており、該有効面積は、前記ディスプレーサの往復運動が第１のインタフェースの往復運動に対して所望の位相角だけ位相を外れるようにするものであり、該有効面積は、往復運動中の前記たわみ部の変形に起因して、該たわみ部の物理的な領域よりも小さいものであってよい。
【００１６】
前記たわみ部の厚さプロフィールは、当該装置の往復の相補的な振動が存在しないときに、前記ディスプレーサに前記所望の位相角での往復運動を与えるための有効面積を前記たわみ部が有するように選択されてよい。
【００１７】
前記たわみ部は、前記膨張室の容積を変化させるように作動し得る第１のたわみ部を有してよく、前記ディスプレーサは、前記圧縮室の容積を変化させるように作動し得る第２のたわみ部を更に有してよく、前記第１及び第２のたわみ部は、間隔を置いて離されかつ対応した往復運動のために構成されてよく、
前記第２のたわみ部は、周辺部分を有し、中心部分を有し、かつ、前記周辺部分と前記中心部分との間に延びる中間屈曲部分を有し、往復運動中に実質的に該中間屈曲部分において屈曲が起こるように、該中間屈曲部分が構成されていてもよい。
【００１８】
前記第１及び第２のたわみ部のうちの少なくとも１つの中間屈曲部分が、前記中心部分の近位において増加した厚さを有し、該中心部分の遠位において減少した厚さへとしだいに減っていてもよい。
【００１９】
当該装置は、前記第１及び第２のたわみ部同士の間に配置された絶縁材料をさらに有してよく、該絶縁材料は、前記膨張室と前記圧縮室との間に熱絶縁を提供するように作動し得るものであってよい。
【００２０】
前記第１及び第２のたわみ部は、それらの間に絶縁容積を定め、該絶縁容積が、前記作動ガスよりも低い熱伝導率を有する絶縁ガスを受け入れるように作動し得るものであってもよい。
【００２１】
前記絶縁ガスは、アルゴン、クリプトン、及びキセノンから成る群から選択されるガスを有するものであってよい。
【００２２】
前記周辺部分と、前記中間屈曲部分と、及び前記中心部分とが一緒になって、前記それぞれの第１及び第２のたわみ部についての厚さプロフィールを定めていてもよく、前記第１及び第２のたわみ部の少なくとも１つの前記厚さプロフィールは、前記たわみ部が有効面積を持つように選択されており、該有効面積は、前記ディスプレーサの往復運動が第１のインタフェースの往復運動に対して所望の位相角だけ位相を外れるようにするものであり、該有効面積は、往復運動中の前記たわみ部の変形に起因して、前記第１及び第２のたわみ部の物理的面積よりも小さいものであってよい。
【００２３】
前記第１のたわみ部及び前記第２のたわみ部の少なくとも１つが、少なくとも前記周辺部分と前記中心部分との間に延びる追加のたわみ部を更に備えていてよく、該追加のたわみ部は、前記第１及び第２のたわみ部の間に配置され、前記第１及び第２のたわみ部の少なくとも１つに関連した剛性を増加するように作動し得るものであってよい。
【００２４】
当該装置は、前記第１のたわみ部と前記第２のたわみ部との間に延びる支持体をさらに有していてもよく。該支持体は、前記第１及び第２のたわみ部同士を結合するように作動し得るものであってよい。
【００２５】
前記支持体は、複数の支持体を有していてもよい。
【００２６】
前記支持体は、環状リブを有するものであってもよい。
【００２７】
前記支持体は、前記それぞれの第１及び第２のたわみ部の前記中心部分、及び
前記それぞれの第１及び第２のたわみ部の前記中間屈曲部分、のうちの少なくとも１つの中に配置されていてもよい。
【００２８】
前記第１及び第２のたわみ部の各々は、無限の疲労寿命で作動し得る材料を有するものであってもよい。
【００２９】
当該装置は、前記ディスプレーサに結合された電気機械的な変換器をさらに有していてもよく、該電気機械的な変換器は、前記ディスプレーサへ機械エネルギーを結合し、前記膨張室と前記圧縮室との間で前記作動ガスの周期的な交換を引き起こすこと、前記ディスプレーサから機械エネルギーを結合し、前記ディスプレーサの往復運動を制動すること、のうちの１つのために構成されていてもよい。
【００３０】
前記管状バネが、前記加圧された作動ガスを収容するように配置された少なくとも一部分を備えていてもよい。
【００３１】
前記管状バネが、前記変換器軸と一線上にそろった方向に十分な剛性を提供し、前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つに、少なくとも約２５０Ｈｚの固有振動数を持たせるように構成されていてもよい。
【００３２】
前記管状バネは、外側円筒形壁を有し、該外側円筒形壁は第１及び第２の端部を有し、該第１の端部は前記ハウジングへ連結されていてもよく、かつ、内側円筒形壁を有し、該内側円筒形壁は前記の外側円筒形壁の内部に同軸状に配置され、かつ、該外側円筒形壁の第２の端部と前記ダイヤフラムとの間に連結されていてもよい。
【００３３】
前記作動ガスが前記ダイヤフラムの第１の表面を押すものであり、前記管状バネは、前記ダイヤフラムの第２の表面と前記ハウジングとの間に連結されることで、前記ダイヤフラムの第２の表面と、前記ハウジングと、前記管状バネとの間に反発室を定めており、該反発室は、前記ダイヤフラムの前記第２の表面を押すガス体積を収容するように作動し得るものであってもよい。
【００３４】
前記管状バネは内腔を有してよく、かつ、当該装置は、前記ダイヤフラムへ機械的に結合されて前記管状バネの前記内腔の内部で外側に延びるロッドをさらに有し、該ロッドは、前記変換器を電気機械的な変換器へ連結することを容易にするように作動し得るものであってよい。
【００３５】
当該装置は、前記管状バネの壁上に配置された歪みゲージをさらに有してよく、該歪みゲージは、往復運動中の前記管状バネの壁の瞬時歪みを表す時間変動歪み信号を生成するように作動可能に構成され、該時間変動歪みは、前記ダイヤフラムの往復運動の振幅に比例し、かつ、該時間変動歪み信号の平均値は、さらに、平均の作動ガス静圧に比例するものであってもよい。
【００３６】
前記ダイヤフラムは、無限の疲労寿命で作動し得る材料を有し、該ダイヤフラムは、該ダイヤフラムを渡る厚さプロフィールを有し、前記ダイヤフラムを渡る応力密度が前記材料の疲労閾値限度より下に低減されることを引き起こすように前記厚さプロフィールが選択されていてもよい。
【００３７】
前記ダイヤフラムは、周辺部分を有していてもよく、該周辺部分の厚さよりも大きい厚さを有する中心部分を有し、前記周辺部分と前記中心部分との間に延びる渡り部分を有し、該渡り部分は、前記周辺部分と前記中心部分との間において概して増加する厚さを有するものであってよい。
【００３８】
前記作動ガスは、前記ダイヤフラムの第１の表面を押すものであってよく、かつ、当該装置はが、前記ダイヤフラムの第２の表面を押す加圧ガス体積を収容するための反発室をさらに有してもよい。
【００３９】
前記反発室の容積は、前記往復運動中に前記ダイヤフラムによって押し退けられる行程容積よりも十分大きくなるように選択されていてもよく、該反発室の中の圧力振動が低減されるようになっており、これにより、該反発室中の前記ガス体積に関係したヒステリシス損失が低減されていてもよい。
【００４０】
当該装置は、前記膨張室と圧縮室の中の作動ガスと、前記反発室中のガス体積との間のガス連絡を容易にするための均等化導管をさらに有してもよく、該均等化導管は、前記作動ガスと前記反発室の内部のガス体積との間の静圧均等化を許容するサイズであると同時に十分に狭く、当該変換器装置の作動サイクル数に対応する期間中の著しいガス連絡を防止するものであってもよい。
【００４１】
前記膨張室は、該膨張室の内部の前記作動ガスの温度を増加するため外部源から熱エネルギーを受け取るように構成されていてもよく、前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つの前記往復運動は、前記膨張室の中の増加された温度の作動ガスが再生器を通過し、それによって前記圧縮室の中へ流れる前記作動ガスの温度を低減することと、前記圧縮室の中の低減された温度の作動ガスが前記再生器を通過し、それによって前記膨張室の中へ流れる前記作動ガスの温度を増加することとを、交互に引き起こすものであってよい。前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つの前記往復運動は、前記作動ガスの平均温度が増加されるとき前記作動ガスの膨張を容易にし、前記作動ガスの前記平均温度が低減されるとき前記作動ガスの圧縮を容易にするものであってもよい。
【００４２】
前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つは、前記インタフェースへ結合された電気機械的な変換器を有し、該電気機械的な変換器は、前記インタフェースから機械エネルギーを受け取り、該機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するように作動可能に構成されていてもよい。
【００４３】
前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つは、前記往復運動を該インタフェースへ与えるために該インタフェースに連結された電気機械的な変換器を有してよく、
前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つの前記往復運動が、前記圧縮室の中の前記作動ガスが再生器を通過し、それによって前記膨張室の中へ流れる前記作動ガスの温度を低減することと、前記膨張室の中の前記作動ガスが再生器を通過し、それによって前記圧縮室の中へ流れる前記作動ガスの温度を増加することとを、交互に引き起してよい。前記第１及び第２のインタフェースの少なくとも１つの前記往復運動は、前記作動ガスの平均温度が増加されるとき前記作動ガスの圧縮を容易にし、前記作動ガスの前記平均温度が低減されるとき前記作動ガスの膨張を容易にし、それによって前記膨張室が前記圧縮室に対して冷却されることを引き起こすものであってよい。
【００４４】
本発明の他の態様によれば、熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行なうスターリングサイクル変換器装置が提供される。当該装置は、ハウジングを有し、前記ハウジングの中に配置された圧縮室を有し、該圧縮室は、該圧縮室の容積を変化させるように作動し得る第１のインタフェースを少なくとも持っており、前記ハウジングの中に配置された膨張室を有し、該膨張室は、該膨張室の容積を変化させるように作動し得る第２のインタフェースを少なくとも持っている。当該装置は、また、前記膨張室と連絡している第１の熱交換器を有し、前記圧縮室と連絡している第２の熱交換器を有し、前記第１及び第２の熱交換器の間に配置された熱再生器を有し、該熱再生器は、該再生器を通って第１の方向に流れるガスから熱エネルギーを受け取ることと、該再生器を通って第１の方向とは反対の方向に流れるガスへ熱エネルギーを引き渡すこととを、交互に行うように作動し得るものである。前記膨張室と、前記第１の熱交換器と、前記再生器と、前記第２の熱交換器と、前記圧縮室とは、一緒になって、前記作動ガスを収容する作動容積を定めている。前記第１及び第２のインタフェースの各々は、変換器軸と一線上にそろった方向の往復運動のために構成されており、前記往復運動は、前記膨張室と前記圧縮室との間の作動ガスの周期的な交換を引き起こすように作動し得るものである。前記第１及び第２の熱交換器の各々は、前記ハウジングの内部に前記変換器軸に関して周囲に配置され、それぞれの部屋へまたは部屋から流れる作動ガスを受け取るように、かつ、前記作動ガスの流れの方向を変えて前記再生器を通過させるように構成されている。
【００４５】
前記第１及び第２の熱交換器の各々は、高さよりも大きい横方向の広がりを有し、前記熱交換器を通る概して横方向へのガス流を引き起こすように構成されていてもよい。
【００４６】
前記第１及び第２の熱交換器の各々は、前記再生器と連絡している実質的に横方向に延びるインタフェースを有してよく、前記インタフェースの近位で前記作動ガス流の方向変えが起こるものであってもよい。
【００４７】
前記膨張室と前記圧縮室の各々は、それぞれの部屋の高さよりも著しく大きい横方向の広がりを有してもよく、往復運動中に押し退けられる前記容積の部分が、前記作動ガスを収容する前記容積の割合として増加されるものであってよい。
【００４８】
当該装置は、前記第１及び第２の熱交換器の少なくとも１つと熱連絡するように配置された熱輸送導管をさらに有してよく、該熱輸送導管は、外部環境と前記第１及び第２の熱交換器の少なくとも１つとの間で熱を輸送する熱交換流体を搬送するように構成されていてもよい。
【００４９】
前記膨張室は、前記膨張室と前記圧縮室との間の熱伝導を低減するための十分な熱絶縁を提供する寸法の絶縁壁によって前記圧縮室から分離されていてもよく、当該装置が、さらに、前記膨張室と前記第１の熱交換器との間、または、前記圧縮室と前記第２の熱交換器との間、のうちの少なくとも１つにおいて、作動ガスを方向づけるための少なくとも１つのアクセス導管を有するものであってもよい。
【００５０】
本発明の他の態様によれば、熱エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を行うスターリングサイクル変換器の中で使用される高温壁装置が提供され、前記変換器はハウジングを有し、該ハウジングは、膨張室と、圧縮室と、熱再生器とを有し、前記膨張室と、圧縮室と、熱再生器とが一緒になって、加圧された作動ガスを収容する容積を定めている。
当該高温壁装置は、高い熱伝導率の壁を有し、該壁と前記ハウジングとの間に延びる低い熱伝導率の絶縁スペーサを有する。
【００５１】
前記高い熱伝導率の壁は、シリコンカーバイドを含むセラミック材料、アルミニウムニトリドを含むセラミック材料、シリコンニトリド（Ｓｉ3Ｎ4）を含むセラミック材料、
サファイアを含む材料、耐火性金属、タングステンを含む耐火性金属、及び、炭素−炭素複合材料、のうちの少なくとも１つを有するものであってもよい。
【００５２】
前記高い熱伝導率の壁は、高い熱伝導率を有する第１のシリコンカーバイド材料組成を有するものであってよく、前記低い熱伝導率の絶縁スペーサは、低い熱伝導率を有する第２のシリコンカーバイド材料組成を有するものであってよい。
【００５３】
前記高い熱伝導率の壁は第１の熱膨張率を有する材料を有してよく、前記絶縁スペーサは第２の熱膨張率を有する材料を有してよく、かつ、高温で作動する場合に、前記壁と前記スペーサとの間のインタフェースにおける機械応力を低減するため、熱膨張率同士の間の十分に近い整合を提供する前記材料が選択されてよい。
【００５４】
前記高い熱伝導率の壁は、引っ張りよりも圧縮において大きい強度の材料を有してよく、前記壁はドーム形に組み立てられ、作動中に前記壁は主に圧縮応力に支配されるものであってもよい。
【００５５】
前記低い熱伝導率の絶縁スペーサが、石英ガラスを含む材料、ジルコニアを含むセラミック材料、ムライトを含むセラミック材料、アルミナを含むセラミック材料、及び、サイアロンを含むセラミック材料、のうちの少なくとも１つを有するものであってもよい。
【００５６】
前記低い熱伝導率の絶縁スペーサは、低い熱伝導率を有するシリコン・カーバイド・セラミック、低い熱伝導率を有するシリコンニトリド（Ｓｉ3Ｎ4）セラミック、低い熱伝導率を有するアルミニウム・ニトリド・セラミック、のうちの少なくとも１つを有するものであってもよい。
【００５７】
前記高い伝導率の壁と前記低い熱伝導率の絶縁スペーサの各々は、炭素−炭素複合材料を有してよく、該炭素−炭素複合材料は、高い伝導率のカーボンファイバを有してよく、該高い伝導率のカーボンファイバが半径方向に向けられて、半径方向の高い伝導率と横方向の低い伝導率を同時に提供するものであってもよい。
【００５８】
本発明の他の態様と特徴は、添付の図面と関連させた本発明の具体的な実施形態についての以下の説明を検討することによって、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に従ったスターリングサイクル変換器装置の断面図である。
【図２】図２は、図１で示されたスターリングサイクル変換器装置の前方から見た断面の概略図である。
【図３】図３は、図２で示されたスターリングサイクル変換器装置の断面の概略図である。
【図４】図４は、図２で示されたスターリングサイクル変換器装置の更なる断面の概略図である。
【図５】図５〜図８は、図２で示されたスターリングサイクル変換器装置の作動を描いた一連の前方から見た断面の概略図である。
【図６】図５〜図８は、図２で示されたスターリングサイクル変換器装置の作動を描いた一連の前方からみた断面の概略図である。
【図７】図５〜図８は、図２で示されたスターリングサイクル変換器装置の作動を描いた一連の前方から見た断面の概略図である。
【図８】図５〜図８は、図２で示されたスターリングサイクル変換器装置の作動を描いた一連の前方から見た断面の概略図である。
【図９】図９は、図５から図８までに示されているスターリングサイクル変換器装置のダイヤフラムとディスプレーサのそれぞれの場所のグラフ描写である。
【図１０】図１０は、図２で示されるスターリングサイクル変換器装置における流体導管の拡大断面の概略図である。
【図１１】図１１は、図２で示されるスターリングサイクル変換器装置における音響パワーの流れの概略図である。
【図１２】図１２から図１６までは、図２で示されるスターリングサイクル変換器装置の音響パワーの流れに関連づけられた変数間の相対位相を描いた一連の図形フェーザー図である。
【図１３】図１２から図１６までは、図２で示されるスターリングサイクル変換器装置の音響パワーの流れに関連づけられた変数間の相対位相を描いた一連の図形フェーザー図である。
【図１４】図１２から図１６までは、図２で示されるスターリングサイクル変換器装置の音響パワーの流れに関連づけられた変数間の相対位相を描いた一連の図形フェーザー図である。
【図１５】図１２から図１６までは、図２で示されるスターリングサイクル変換器装置の音響パワーの流れに関連づけられた変数間の相対位相を描いた一連の図形フェーザー図である。
【図１６】図１２から図１６までは、図２で示されるスターリングサイクル変換器装置の音響パワーの流れに関連づけられた変数間の相対位相を描いた一連の図形フェーザー図である。
【図１７】図１７は、本発明の代替実施形態によるスターリングサイクル変換器装置の前方から見た断面の概略図である。
【図１８】図１８は、図１と図２で示される管状バネの断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の代替の実施形態による管状バネの断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の他の代替の実施形態による管状バネの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
詳細な説明
緒言
スターリングエンジンの出力パワーＷoutは、経験的に次の式に従う：
式１
0005519788.tif 000002
ここで、
Ｎw は、「ウエスト(West)」数（”Principles and Applications of Stirling Engines”, Colin D. West, Van Nostrand Reinhold, 1986）、
Ｐm は、平均作動ガス圧、
ｆ は、作動サイクル数、
Ｔh 、Ｔc は、それぞれ高温側と低温側の温度、
Ｖs は、パワーピストンによって押し退けられる容積（行程容積）
である。
【００６１】
ダイヤフラムエンジンでは、ダイヤフラムは、通常、金属、例えばスチールによって組み立てられる。これはダイヤフラムの最大の作動の振れを制限し、式１の行程容積Ｖsに制約を置く。行程容積の制約は、特定のエンジンについて、より大きいパワー出力を提供するため、増加されたサイクル数、増加された温度差、および／または増加された圧力で作動することによって補償される。ウエスト数Ｎwは損失を明らかにし、損失を最小にするエンジン設計は、より大きいウエスト数を有する。先行技術のエンジンの範囲についてのウエスト数は、平均で約Ｎw＝０．２５であることが見出だされた。
【００６２】
式１の温度差項は、高温側温度Ｔhを増加することによって増加される。高温Ｔhの熱リザーバと温度Ｔcの低温熱リザーバとの間で作動している熱エンジンの最大理論効率は、次のカルノー効率である：
式２
0005519788.tif 000003
【００６３】
熱エンジンは、一般的に、この最大理論効率のほんの一部でのみ作動する。高温側温度を上げることは、ガスサイクルへの他の有害な副作用なしにエンジンの比出力と効率を改善する概念的に簡単な方法である。しかしながら、スターリングエンジンで従来まで使用された材料の制限が、高温側の最大実用温度を制約する。増加された圧力が、材料の選択を更に複雑にする。というのは、材料は、増加された温度と圧力の双方を処置しなければならないからである。従来のエンジン設計では、一般的にステンレススチールまたはニッケル合金を採用し、結果として最大の高温側の温度が約８００℃となっている。
【００６４】
より高い、サイクル数および／または作動ガス圧での作動は、式１に従ってＷoutを増加するように見えるが、これらの作動条件のもとでの増加された損失は、ウエスト数Ｎwを低減し、よって利得を相殺する。例えば、流動摩擦パワー消散(flow friction  power dissipation)は、作動ガス(working gas)の速度と共に増加し、よって増加するサイクル数と共に増加する。より高いサイクル数と圧力では、従来のスターリングエンジン分析は、エンジン作動を十分に表現しない。というのは、作動ガスの慣性が増加的に重要となり、故に、熱音響分析を適用してエンジンの作動を正確にモデル化することが必要である。
【００６５】
構造的概観
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に従ったスターリングサイクル変換器装置が概略的に１００で示されている。当該装置１００は、ハウジング１０２、及びハウジングから突き出たロッド１０４を含む。装置は圧縮室１１２を含む。圧縮室１１２は、ハウジング１０２の中に配置され、圧縮室の容積を変化させるように作動可能な少なくとも第１のインタフェース(interface、境界部）を有する。当該装置１００は、膨張室１１０を更に含む。該膨張室１１０は、ハウジング１０２の中に配置され、少なくとも該膨張室の容積を変動させるように作動可能な第２のインタフェース１２２を有する。図示された実施形態では、膨張室と圧縮室１１０と１１２の垂直範囲すなわち高さは、約２００μｍにすぎない。従って、膨張室と圧縮室１１０と１１２は、図面のスケールに起因して図１では明瞭には見えない。
【００６６】
当該装置１００は、圧縮室１１２と膨張室１１４の各々と流体連絡している熱再生器１１４を更に含む。
【００６７】
圧縮室１１２と膨張室１１０と再生器１１４とが一緒になって、加圧された作動ガスを収容するための作動容積を定めている。第１及び第２のインタフェース１２０及び１２２の各々は、変換器軸１２３と一線上にそろった方向に往復運動するように構成される。往復運動は、膨張室と圧縮室との間で作動ガスの周期的な交換を引き起こすように作動可能である。熱再生器１１４は、再生器を第１の方向へ流れているガスから熱エネルギーを受け取ること、及び、再生器を第１の方向とは反対の方向に流れているガスへ熱エネルギーを引き渡すこと、を交互に行い得る。
【００６８】
第１及び第２のインタフェース１２０及び１２２の少なくとも１つは、弾力性ダイヤフラムを含む。図１で示される実施形態では、第１のインタフェース１２０は、支持体１２９の間に延びる弾力性ダイヤフラム１２８を含む。当該装置は、ダイヤフラム１２８とハウジング１０２との間に結合された円筒形管状バネ１５６を更に含む。管状バネ１５６は、ダイヤフラム１２８によって管状バネに分与された力に応答して、概して変換器軸１２３と一線上にそろった方向へ弾性変形し、第１のインタフェース１２０が所望の固有振動数を持つように構成される。
【００６９】
全般的に、当該スターリング変換器装置１００は、任意の方位で作動する。本明細書では、「頂部(top)」または「底部(bottom)」とは、図面に描かれた特定の方位を意味し、作動的な意味を有しない。
【００７０】
図１で示されるスターリングサイクル変換器装置１００は、概して剛性を有する頂部壁１２６を有する「ベータ(beta)」構成と一般的に呼ばれる。他の実施形態では、第２のインタフェース１２２は膨張室の頂部壁を形成し、ダイヤフラム１２８と類似した弾力性ダイヤフラムとして構成される。そのようなスターリングサイクル変換器の実施形態は、一般的に「アルファ(alpha)」構成と呼ばれる。
【００７１】
図１で示される実施形態では、第１のインタフェース１２０は、ダイヤフラム１２８へ機械的に結合されるロッド１０４を含む。ロッド１０４は、装置１００が熱ポンプとして作動するための機械的往復駆動をダイヤフラム１２８へ提供することを容易にする。代替として、装置１００がエンジンとして作動されるとき、ロッド１０４は、被駆動負荷、例えば、機械エネルギーを電気エネルギーへ変換するように作動可能に構成された電気機械的な変換器へ結合される。
【００７２】
当該装置１００は、図２に概略的に示されている。図２では、室１１０、１１２の各々の垂直範囲は、本発明の或る一定の特徴を示すために増加されている。第１のインタフェース１２０、第２のインタフェース１２２、及びこれらのインタフェースのそれぞれの振れも、図２では誇張されている。しかしながら、図２は、本発明の或る一定の特徴を示す目的のみで含められているが、図１に示した当該装置１００は、装置の様々な要素の相対的寸法を一層良好に表現していることを理解すべきである。
【００７３】
図２を参照すると、図示された実施形態では、第２のインタフェース１２２は、第１の弾性的たわみ部(flexure)１３２を含み、該たわみ部１３２は、周辺部分１３３、中心部分１３４、及び支持部分と中心部分との間に延びる中間屈曲部分１３５を有する。第２のインタフェース１２２も、第２の弾性的たわみ部１３６を含み、該たわみ部１３６は、周辺部分１７０、中心部分１７４、及び支持部分と中心部分との間に延びる中間屈曲部分１７２を有する。図示された実施形態では、中心部分１３４、１７４、及び、周辺部分１３３、１７０は、それぞれの中間屈曲部分１３５、１７２よりも厚く、たわみ部１３２、１３６の屈曲は、それぞれの中間屈曲部分で優越的に起こる。中心部分１３４、１７４、及び、周辺部分１３３、１７０の増加された厚さは、第２のインタフェースの往復運動中に、これらのそれぞれの領域で屈曲を最小にする。
【００７４】
１つの実施形態（図示せず）では、屈曲部分１３５は、中心部分１３４の近位領域で増加された厚さを有し、たわみ部１３２の厚さのプロフィールは、中心部分から離れるにつれて低減された厚さにされ、中心部分の遠位で屈曲が優越的に起こるようにされる。中心部分１３４は、一般的に屈曲部分１３５よりも厚く、往復運動中に中心部分の屈曲を低減する。
【００７５】
第２のインタフェース１２２は、支持体１８９を更に含む。支持体１８９は、第１のたわみ部１３２の中心部分１３４と第２のたわみ部１３６の中心部分１７４とを接続し、一緒に運動させる。この実施形態では、第２のインタフェース１２２は支持体１８２を更に含む。支持体１８２は、第１及び第２のたわみ部１３２及び１３６の屈曲部部分１３５及び１７２の間を接続する。支持体１８２、１８９は、環状円筒形支持体として実現されるか、複数の柱として実現される。第２のインタフェース１２２は、絶縁材料１８０、例えば多孔性セラミックまたは繊維材料を更に含む。絶縁材料１８０は、第１及び第２のたわみ部１３２及び１３６の間の空間を占める。この空間は、支持体１８２、１８９、及び他の要素、例えば再生器１１４によって占拠されていない。
【００７６】
当該装置１００は、図３の頂部断面図で示される。図３を参照すると、図示された実施形態では、再生器１１４は、膨張室及び圧縮室１１０及び１１２の周縁１１８に配列される複数の再生器セグメント１１６を有する。
【００７７】
図２へ戻ると、図示された実施形態では、当該装置１００は、膨張室１１０と連絡する第１の熱交換機１３８及び圧縮室１１２と連絡する第２の熱交換器１４０を更に含む。再生器１１４は、第１及び第２の熱交換器の間に配置される。第１の熱交換器１３８、再生器１１４、及び第２の熱交換器１４０は、一緒になって膨張室１１０と圧縮室１１２との間に延びるガス通路１４６を形成する。通路１４６は、圧縮室１１２と連絡するアクセス導管部分１４８を更に含む。アクセス導管部分は、第２の熱交換器１４０と圧縮室１１２との間でガス流を方向づけるように作動可能である。
【００７８】
当該装置１００は、第２の熱交換器１４０と熱連絡している熱輸送導管１４２を更に含む。熱輸送導管１４２は、外部環境１４４と第２の熱交換器との間で熱を輸送する熱交換流体を搬送する（図４では、熱輸送導管１４２の２つが、部分的に切除された図で示され、下にある熱交換器１４０を顕している）。
【００７９】
図４を参照すると、熱輸送導管１４２、アクセス導管部分１４８、及び第２の熱交換器１４０の各々は、図３で示される再生器セグメント１１６と概略的に対応する複数のセグメントを備える（図４の断面図で示される）。図示した実施形態では、熱輸送導管１４２は、流体入口２２０及び流体出口２２２を含む。流体入口２２０は入口マニホールド２２４と連絡しており、出口２２２は出口マニホールド２２６と連絡している。熱輸送導管１４２は、入口マニホールド２２４と出口マニホールド２２６との間に延びる複数の通路２２８を更に含む。通路２２８は第２の熱交換器１４０と熱連絡しており、入口マニホールド２２４及び出口マニホールド２２６は、それぞれ低温輸送流体を受け取り、高温輸送流体を排出する。アクセス導管部分１４８は、圧縮室１１２と第２の熱交換器１４０との間に延びる複数のアクセス管２３０を含む。
【００８０】
作動においては、当該装置１００は、作動ガス、例えばヘリウムまたは水素を用いて圧力Ｐmへ装填される。作動ガスは、膨張室１１０、圧縮室１１２、及び通路１４６を占拠する。作動ガスの装填静圧は、約３ＭＰａ以上である。作動ガス圧は、ダイヤフラム１２８の第１の表面１５０を押す。これはダイヤフラムの順応性に起因してダイヤフラムの外側へ方向づけられた変形を引き起こす。しかしながら、図示された実施形態では、当該装置１００は、ダイヤフラムの第２の表面１５４を押す加圧ガス体積を収容するための反発室(bounce chamber)１５２を更に含む。反発室の中のガスは、ダイヤフラムの第１及び第２のそれぞれの表面１５０、１５４の上の力を少なくとも部分的に均等化するため、圧力ＰB?Ｐmへ装填される。反発室１５２は、ハウジング１０２及びダイヤフラム１２８によって画定される壁を有し、ダイヤフラムの第２の表面１５４とハウジング１０２との間に延びる管状バネ１５６によって密封される。
【００８１】
１つの実施形態では、意図的な漏れが、狭い均等化導管１５５、例えばルビーピンホールの形態で、反発室１５２と圧縮室１１２との間に導入される。均等化導管１５５は、膨張室１１０及び圧縮室１１２の中の作動ガスと反発室１５２の中のガス体積との間で、ガス連絡を容易にする。均等化導管１５５は、作動ガスとガス体積との間の静圧均等化を許容するサイズであるが、十分に狭く、変換器装置の作動サイクル数に対応する時間での著しいガス連絡を防止する。
【００８２】
管状バネ１５６は、往復運動中にダイヤフラム１２８へ復元力を更に提供する。管状バネ１５６、ダイヤフラム１２８、及びロッド１０４は、一緒になって第１のインタフェース１２０を形成する。インタフェース１２０は、図２では、振れていない位置または均衡位置にあるように示されている。
【００８３】
図１へ戻ると、図示した実施形態では、当該装置１００は、概略的に２５２で示される高温側と、概略的に２５４で示される低温側とを有するベータ・スターリングエンジンとして構成されている。ハウジング１０２は、高圧、例えば＞３ＭＰａ）で作動ガスを収容するための圧力容器として構成される。頂部壁１２６は絶縁柱２４６によって定位置に保持され、絶縁柱２４６は、ハウジング１０２と柱２４６との間に作用する１対のバネ２４８によって下方へ強制される。ハウジング１０２とエンジン部品との間の空間は、絶縁材料２５０で充填され、装置１００の高温側２５２からの熱損失を低減する。
【００８４】
作動
スターリングエンジンとしての当該装置１００の概念的な作動は、図５〜図９を参照して説明される。ベータ・スターリングエンジンとして構成されたとき、第２のインタフェース１２２は、膨張室１１０と圧縮室１１２との間に置かれ、ディスプレーサ(displacer、押しのける物）として作用する。便宜と明瞭を目的として、「ディスプレーサ」の用語は、ベータ構成(Beta configuration)のスターリングエンジンの第２のインタフェース１２２を指すときに使用される。
【００８５】
全般的には、スターリングエンジンというものは、外部源（外部ソース）２００から熱エネルギーを受け取る。外部源２００は、膨張室内の作動ガスを加熱し、平均のガス温度の増加を引き起こす。エンジンは、平均作動ガス温度が概して低い間に作動ガスを圧縮し、作動ガス温度が概して高い間に作動ガスを膨張することによって働く。低温作動ガスを圧縮することは、高温作動ガスの膨張を介して提供されるエネルギーよりも少ない作業を必要とし、これらのエネルギー間の差は、正味の機械エネルギー出力を提供する。
【００８６】
図５を参照すると、エンジンとして作動しているとき、第１の熱交換器１３８は、外部熱源から提供された熱エネルギー２００を受け取り、第１の熱交換器を介して流れている作動ガスの温度を上昇させる。作動ガス平均温度の要求される変化は、膨張室及び圧縮室１１０及び１１２の間の作動ガスの周期的な交換によって提供される。これは、この実施形態では、ディスプレーサ１２２の往復運動によって引き起こされる。
【００８７】
図９を参照すると、エンジンの完全な３６０°の作動サイクルについて、ダイヤフラム１２８とディスプレーサ１２２のそれぞれの位置が、グラフの２０２及び２０４でそれぞれ描かれる。第１のインタフェースの運動は、一連の変位位置として２０２でプロットされ、ディスプレーサの運動は、一連の変位位置として２０４でプロットされる。図５〜図９は、ダイヤフラム１２８とディスプレーサ１２２の連続瞬時位置を、それぞれ０°、９０°、１８０°、及び２７０°で表している。この実施形態では、ディスプレーサの往復運動２０４は、第１のインタフェース１２０の往復運動２０２を４５°だけリードしている。
【００８８】
図５を参照すると、ダイヤフラム１２８は、その中心位置で示される。これは任意的に０°の状態として表され、第１のインタフェース１２０は下方へ移動しつつある（矢印２０６によって示される）。ディスプレーサ１２２も下方へ移動しつつあり（矢印２０８によって示される）、その下方ストロークの底部へ近づきつつある。作動ガスの大きい割合は膨張室１１０の中に置かれ、再生器１１４と第１の熱交換器１３８を通過する間に加熱されている。ガスの加熱は瞬時圧力Ｐを増加し、ダイヤフラム１２８を下方へ駆動する。これはエンジンのパワー出力ストロークである。ここで、膨張する作動ガスによって仕事が行われる。仕事の一部分は、ダイヤフラム１２８の弾力性、管状バネ１５６の圧縮、及び反発室１５２の中のガス体積の圧縮に対抗して働き、こうしてエネルギーを貯蔵する。仕事の残りの部分は、出力パワーとしてロッド１０４で利用可能である。
【００８９】
ここで、９０°でのエンジン状態を表す図６を参照する。第１のインタフェース１２０はそのストロークの底部にあり、ディスプレーサ１２２は、方向を逆転して上方への移動を開始している。この時点で、上方へのディスプレーサの運動は、膨張室１１０からガスを強制する。ガスは高温の熱交換器を通過し、及び再生器１１４を通過する。これは高温のガスから熱を抽出して再生器の内部に貯蔵する。次いで、ガスは第２の熱交換器１４０を通過する。第２の熱交換器１４０は、熱輸送導管１４２と熱連絡している。熱輸送導管１４２は、この実施形態では、冷却流体、例えば水を搬送する。第２の熱交換器１４０はガスを冷却する。次いで、ガスはアクセス導管部分１４８を通過して圧縮室１１２の中へ入る。こうして、圧縮室の中の作動ガス部分は、膨張室の中のガスよりも低温の平均温度を有する。ディスプレーサ１２２が上方への移動を継続するにつれて、作動ガスの大きな割合が圧縮室１１２の中へ強制され、よって作動ガスの平均温度を減少させる。
【００９０】
１８０°でのエンジン状態を表す図７を参照すると、ダイヤフラム１２８は再びその中心位置にあり、上方へ移動して作動ガスを圧縮しつつあり、ディスプレーサ１２２はそのストロークの頂部へ近づきつつある。仕事は、作動ガスが圧縮されるにつれて作動ガスの上で行われ、圧縮のためのエネルギーは、ダイヤフラム１２８、管状バネ１５６、及び反発室１５２の中の圧縮されたガス体積の中の貯蔵されたエネルギーによって提供される。幾つかの実施形態では、反発室１５２の中のガス体積に起因する復元力を最小にし、管状バネ１５６によって提供される復元力が優越することが望ましい。反発室１５２によって提供される復元力は、ヒステリシス損失に関連づけられ、管状バネ１５６によって提供されつつある優越復元力に頼ることは、そのようなヒステリシス損失を回避する。反発室１５２によって提供される復元力は、ダイヤフラム１２８の第２の表面１５４によって押し退けられる容積と比較して、反発室の容積を十分大きくすることによって低減される。低温作動ガスの圧縮は、高温作動ガスの膨張から利用可能なエネルギーよりも少ないエネルギーを必要とするので、エンジンは有用な出力パワーをロッド１０４で提供する。
【００９１】
２７０°でのエンジン状態を表す図８を参照すると、第１のインタフェース１２０はそのストロークの頂部にあり、ディスプレーサ１２２は方向を逆転して下方への移動を開始しており、圧縮室１１２から第２の熱交換器１４０と再生器１１４へガスを強制しつつある。再生器１１４では、貯蔵された熱（即ち、図５で描かれた作動段階中の高温ガスから抽出された熱）の少なくとも一部分がガスへ戻される。作動ガスの更なる加熱は、第１の熱交換器１３８を通って膨張室１１０の中へ流れる間に起こる。故に、高温ガスが膨張室１１０の中へ強制されるにつれて、作動ガスの平均温度が上昇する。図６と図７のスターリングエンジンサイクル部分は、いわばスターリングエンジンの高温から低温への吹き出しを表し、図８と図５は、いわばスターリングエンジンの低温から高温への吹き出しを表す。
【００９２】
こうして、サイクルは図５から図８までを反復する。４つだけの瞬時状態が図５〜図８で示されたが、図９で第１のインタフェース１２０とディスプレーサ１２２の正弦波運動２０２、２０４によって示されるように、状態は連続的に変化することを理解すべきである。
【００９３】
エネルギーは、ロッド１０４での機械的仕事の形態で、及び熱輸送導管１４２の内部の熱交換流体の加熱を介して、エンジンから抽出される。熱輸送導管１４２の中の熱交換流体は、エンジンの作動中に加熱され、この熱は、例えば２次加熱目的のために抽出される。熱交換流体の温度増加は、熱交換流体の熱容量と流量に依存する。例えば、約１０℃の温度上昇は、高熱容量の熱交換流体、例えば水の場合に可能性がある。第２の熱交換器１４０の温度は、一般的に、熱交換流体と、およそ同じ温度である。第２の熱交換器１４０は、最良のエンジン効率を得るため可能な限り低温に保たれるべきである。こうして、熱交換流体の低温の維持は、エンジン作動効率に有益である。しかし、熱交換流体からの熱を特定の目的に利用することが望まれる幾つかの実施形態では、エンジンは、熱交換流体での特定の使用のために所望の温度上昇を生成するように作動または構成される。
【００９４】
熱エネルギー２００は、第１の熱交換器１３８の中で優越的に作動ガスへ連続的に提供され、第２の熱交換器１４０の中で優越的に拒絶される。これは、膨張室１１０と圧縮室１１２の中の作動ガス間で温度差を維持するためである。熱エネルギー２００が提供されかつ排出される限り、第１のインタフェース１２０とディスプレーサ１２２の往復運動は自己持続的である。有利には、熱交換器１３８、１４０は、作動ガスと熱的に連絡している大きな表面積を有する。これは、熱交換器表面と、熱を移転するための作動ガスとの間で、必要な温度差を制限するためである。しかしながら、熱交換器１３８、１４０の表面積は、それぞれの熱交換器を通過するガス流を実質的に阻害するほど大きくあってはならない。
【００９５】
図２へ戻ると、第１のインタフェース１２２の第１のたわみ部１３２の表面１８８は、第１の物理的面積と第１の有効面積を有し、第２のたわみ部１３６の表面１９０は第２の物理的面積と第２の有効面積を有する。該有効面積は、類似の固定ピストンディスプレーサの物理的面積に関して定義される。たわみ部１３２と１３６は変位と共に変形するので、それぞれの有効面積は、それぞれの物理的面積よりも小さい。もし表面１８８と１９０の第１及び第２の有効面積が等しければ、ディスプレーサ１２２の往復運動は作動ガス体積を変動しない。流れの摩擦、ガス慣性、及び温度差が存在しない場合、ディスプレーサ１２２の往復運動は作動ガス内に圧力振動を生成しない。しかしながら、もし膨張室及び圧縮室１１０及び１１２の間に温度差が与えられるならば、ディスプレーサ１２２の往復運動は圧力振動を生成する。圧力振動は高温ガスと低温ガスとの容積比に依存し、容積比はディスプレーサの往復運動と共に変動する。膨張室と圧縮室の容積の双方における結果の圧力スイングは、相互に同じ位相であり、運動の符号規約(sign convention)と温度差の符号とに応じて、ディスプレーサ１２２の運動と同じ位相であるか１８０°の位相外れである。ディスプレーサ１２２の往復運動は、膨張室と圧縮室の容積を変更し、室間の圧力不平衡を低減するためガスが通路１４６を流れることを引き起こす。現実のガスは幾らかの粘性を有し、故に、このガス流を駆動するため、膨張室１１０と圧縮室１１２における作動ガスの、それぞれの容積間の駆動圧力差が必要である。この圧力差は、ガスの体積流量と同じ位相であり、再生器１１４で損失を生成し、主な流れ制限として作用する。作動ガスの慣性(inertia)も、高いサイクル数と高い圧力では重要であるが、従来のスターリングエンジン分析では考慮されていない。サイクル当たり２回、ガス流３０４の方向を変更することは、作動ガス質量の加速を必要とする。作動ガスの容積部分の所与の変位について、必要とされる加速は作動サイクル数の二乗として増加する。この加速を提供するためには、膨張室１１０と圧縮室１１２におけるガス体積間の圧力差が必要である。この圧力差は、ガスの体積流量と方形関係にあり、追加の損失を生成しない。しかしながら、それはディスプレーサ１２２の共振振動数に影響する。というのは、作動ガス質量の慣性に起因する圧力差は、ディスプレーサに関連づけられた追加の有効質量として作用するからである。
【００９６】
この後で本明細書で説明するように、１つの操作態様では、ディスプレーサ表面１８８と１９０に作用する力を選択的に平衡させることによって、ディスプレーサ１２２は自己開始と自己持続往復運動を提供する。それぞれの第１及び第２の表面１８８及び１９０の第１及び第２の有効面積が等しいとしても、膨張室及び圧縮室１１０及び１１２の中の圧力スイングに起因して正味の力がディスプレーサ１２２の上に依然として存在する。前記の圧力スイングは、ガス粘性と慣性効果に起因して正確には同位相ではない。
【００９７】
図１と図２で示されるようなベータ型スターリングエンジンとして構成されたときのスターリングサイクル変換器装置１００の様々な部品が、今から一層詳細に説明される。
【００９８】
ダイヤフラム
ダイヤフラム１２８は、金属、例えばスチールから組み立てられ、疲労応力閾値よりも下で作動されたとき、無限の疲労寿命を顕示する。ダイヤフラム１２８の最大振れは、こうして材料の最大無限寿命疲労応力または耐久限度によって限定される。ダイヤフラム１２８は、もし普通の低コストスチール合金、例えば１０４０から作られると、約２００ＭＰａの耐久限度応力を有する。耐久限度応力は、スチール合金の引っ張り強度の約半分であり、最大約７００ＭＰａまでである。故に、もっと高価な合金を使用して、より高い最大応力を利用し得る。例えば、１７−４ＰＨステンレススチールを使用すると、約５００ＭＰａの最大許容ダイヤフラム応力を生じる。耐久限度応力は、温度の増加と共に下降するが、７５０Ｃで最大応力＞３００ＭＰａを有するニッケル超合金が利用可能である。図２で示される実施形態のベータエンジン構成では、ダイヤフラム１２８は上昇した温度では作動されない。
【００９９】
図２では、ダイヤフラムは均衡位置で示される。均衡位置は、ダイヤフラムに作用する正味の力が存在しないときに起こる。均衡位置では、ダイヤフラム１２８の第１の表面１５０の中心部分１３０は、周辺部分１５８に関してオフセットされており、ディスプレーサ１２２が均衡位置から下方へ変位されたときのディスプレーサ１２２の形状に概して対応する形状を有する。図２では、ダイヤフラム１２８のオフセットと形状の垂直目盛は誇張されている。
【０１００】
ダイヤフラム１２８のオフセットと形状は、ダイヤフラムとディスプレーサの運動の入れ子を容易にする。対照的に、もしダイヤフラム１２８の第１の表面１５０が、均衡位置にあるとき平坦であったとすれば、ダイヤフラムとディスプレーサ１２２のそれぞれの往復運動を容易にするためには、より大きい圧縮室容積が必要となるであろう。有利には、ダイヤフラム１２８は、他の場合よりもハウジング１０２の近位で室の高さを小さくすることを可能にし、これによって室１１２の容積を低減する。
【０１０１】
ダイヤフラム１２８は、ダイヤフラムの中心配置部分、概して中心部分１３０の領域で、増加された厚さを有する。より厚い中心部分１３０は、往復運動中にダイヤフラムの中心配置部分で起こる応力を低減する。これらの応力は、作動容積内の圧力条件を変更することによって引き起こされたガス圧応力を含む。ガス圧応力は、ダイヤフラム１２８の中心部分１３０の曲げ応力へ追加され、ダイヤフラムの周辺領域１５８の応力を低減する。図示された実施形態では、ダイヤフラム１２８の厚さプロフィールは、中心部分１３０と周辺領域１５８の応力を均等化するために調整される。ガス圧応力は、作動中の作動容積の周期的な圧力スイングの振幅に依存するので、ダイヤフラム１２８の厚さプロフィールは、設計圧力振幅またはその近傍で作動するとき、応力を均等化するだけである。図１で示される実施形態では、支持体１２９とダイヤフラム１２８は一体的に形成される。装置１００の合理的な作動寿命時間を達成するため、ダイヤフラム１２８は、ダイヤフラムの作動応力が疲労閾値限度の下へ低減されるように設計されるべきである（即ち、無限疲労寿命を提供するため）。この実施形態では、当該装置１００は、均衡位置から約±２００μｍの中心変位に設計される。
【０１０２】
ダイヤフラム１２８の中心部分１３０は、周辺部分１５８よりも大きい厚さを有し、周辺部分１５８と中心部分１３０との間に延びる渡り部分(transition portion)１６０を更に含む。渡り部分１６０は、周辺部分１５８と中心部分１３０との間で、概して増加する厚さを有する。より厚い中心部分１３０は、比較的剛性を有する中心部分を生じ、ダイヤフラムの力を駆動ロッド１０４へ結合する。渡り部分１６０の厚さプロフィールは、この部分の応力が疲労閾値限度の下になるように選択される。ダイヤフラム１２８の選択されたプロフィールは、変位応力を考慮に入れるだけでなく、作動ガス体積を変更する往復運動中のダイヤフラムの振れによって誘起されるガス圧応力も考慮に入れる。ダイヤフラム１２８を渡る(across)厚さの変動は、こうして所与の変位に対するダイヤフラムのピーク応力を材料の疲労閾値限度の下へ低減する。１つの実施形態では、ダイヤフラム１２８の厚さプロフィールは、応力集中を平らにして、最大変位時にダイヤフラム上の点の応力が概して一様になるように選択される。図示したようなダイヤフラム１２８の厚さプロフィールは、ダイヤフラム材料の疲労応力閾値内で一貫して高いダイヤフラム変位を有利に生じる。
【０１０３】
管状バネと反発室
管状バネ１５６は、図１８に詳細に示されている。管状バネ１５６は、第１及び第２の端部２１０及び２１２を持った外側円筒形壁１６２と、第３と第４の端部２１４と２１６を持った内側円筒形壁１６４とを含んでいる。外側円筒形壁１６２の第１の端部２１０はハウジング１０２へ接続され、内側円筒形壁１６４の第３の端部２１４は、環状リング２１５によってダイヤフラム１２８へ強固に結合される。外側円筒形壁１６２の第２の端部２１２と、内側円筒形壁１６４の第４の端部２１６とが一緒に接続され、内側と外側円筒形壁の各々が、往復運動１２４と概して一線上にそろった方向に弾性変形することを引き起こす。有利には、内側と外側の壁１６２と１６４を有する折り返された管の使用は、より短い長さを有する管状バネを生じる。他の実施形態では、管状バネ１５６は、１つを超える折り返しを有する。有利には、管状バネ１５６は反発室１５２の便利な密封を更に提供する。これは、滑動するガスシールを必要とすることなく、ロッド１０４によって、ハウジング１０２の内部からハウジングの外部への機械力結合を可能にする。
【０１０４】
有利には、図２と図１８で示されるような、折り返された(folded back)管状バネ１５６は、ダイヤフラムの有意の変位または管状バネ内の追加の応力を引き起こすことなく、管の長さに沿った温度勾配に起因する管状バネ全体長の変化に順応する。内側壁１６４と外側壁１６２の熱膨張または熱収縮は、実質的に相互を打ち消して、ハウジング１０２とダイヤフラム１２８との間に内側壁１６４の短い非熱補償長さを残すだけである。
【０１０５】
稼動においては、管状バネ１５６は、往復運動１２８の方向で圧縮と膨張の歪みを受ける。内側壁１６４と外側壁１６２は、反対符号の歪みを有する（即ち、もし内側壁１６４が圧縮されていれば、外側壁１６２は引っ張られている）。管状バネ１５６の長さは、所与の振れについて管状バネの壁１６２と１６４の応力を決定し、管内の応力を疲労閾値限度の下へ低減するため、内側と外側壁の最小結合長が計算される。壁の厚さと管の長さは、バネの剛性またはバネ定数ｋを決定する。反発室１５２のガス圧ＰBは、管状バネ１５６を押するものであるが、内側と外側壁１６２と１６４の最小壁厚を更に設定してもよい。
【０１０６】
図２へ戻ると、均等化導管１５５は、反発室１５２の圧力が作動ガス圧と均等化することを引き起こす。しかしながら、エンジンの作動サイクル数の時間目盛での、かなりの圧力均等化は、狭い導管寸法に起因して許容されない。従って、反発室１５２の中の瞬時圧力は、ダイヤフラムの往復運動中に作動ガス圧の振りに従わない。しかしながら、ダイヤフラム１２８の第２の表面１５４の往復運動は、反発室が、ダイヤフラム１２８の行程容積に対応して周期的な容積変化に支配されることを引き起こす。もし反発室１５２の容積がダイヤフラムの行程容積に匹敵したとすれば、反発空間はガスバネとして作用し、第１のインタフェース１２０の全体の機械的こわさに寄与するであろう。図１で示される実施形態では、反発室１５２の容積は、行程容積よりも十分に大きく、有意の圧力振動は反発室内で起こらず、よって反発室内のガス・バネ・ヒステリシス損失を回避する。
【０１０７】
加圧されたガスは、ダイヤフラム１２８の第１及び第２表面１５０及び１５４の両方を押すので、ダイヤフラムは完全な作動ガス圧に耐えるように設計される必要はない。むしろ、ダイヤフラム１２８は、作動ガス体積と反発室１５２の中のガス体積との差圧に耐えることを要求されるだけである。しかしながら、第２の表面１５４へ結合された管状バネ１５６とロッド１０４に起因して、圧力ＰBへ露出される第２の表面の面積は、作動ガス圧Ｐmへ露出される第１の表面１５０の面積よりも小さい。結果として、均等化導管１５５が静圧ＰBとＰmを均等化するこの実施形態では、不平衡に起因する正味の下方への力が存在する。この正味の下方への力は、ダイヤフラム１２８の静的下方振れを引き起こし、管状バネ１５６の中に静的な長手方向の歪を生成する。この長手方向の歪は、フープ応力が反対方向に引き起こした長手方向の歪によって部分的に相殺される。一般的に、フープ応力は、円筒形の構造における円周方向の応力であって、内部のまたは外部の圧力の結果としてのものである。この場合、管状バネ１５６は作動ガス圧に支配される。これは管状バネ壁１６２と１６４の中にフープ応力を引き起こす。フープ応力は、対応するフープ歪み並びに縦方向歪みを引き起こす。ここで、縦方向歪みとフープ歪みとの比は、材料依存特性であるポアソン比を使用して計算される。スチールの場合、ポアソン比は約−０．３である。
【０１０８】
残りの振れは、この力に対抗するため管状バネに予荷重(preloading)を加えることによって補償され、振れていないまたは均衡の位置で、管状バネがダイヤフラムを上方へ強制して不平衡と対抗する。箔歪みゲージ（図示せず）が管状バネの壁に搭載され、この予荷重を調整するための歪み信号を提供する。有利には、往復運動中に、歪みゲージは時間変動歪み信号(time varying strain signal)を生成する。この信号は、ダイヤフラムの往復運動中の管状バネの瞬時歪みを表す。これはダイヤフラムの往復運動の振幅に比例する。更に、時間変動歪み信号の平均またはＤＣ値は、平均の作動ガス静圧に比例する。
【０１０９】
均等化導管１５５を含まない代替の実施形態では、不平衡は、反発室１５２を作動ガス圧よりも大きい圧力へ装填することによって補償される。
【０１１０】
有利には、図２で示される内側と外側壁１６２と１６４を有する管状バネ１５６の折り返し実施形態が、ハウジング１０２の、より短い、従って、より低い質量を可能にする。
【０１１１】
図１９を参照すると、代替の管状バネの実施形態が、大まかに５００で示される。図１９では、ハウジング５０２、ダイヤフラム５０４、及びロッド５０６の部分のみが示され、変換器の他の部品は概して図２で示されるものと同じである。この実施形態では、単一の円筒形壁の管状バネ５０８は、ハウジング５０２とロッド５０６の遠位端との間に延びる。管状バネ５０８は、環状リング５１０によってロッドへ強固に取り付けられる。環状リング５１０もガス密封シールを提供する。ハウジング５０２、ダイヤフラム５０４の下面、及び管状バネの円筒形壁は、一緒になって反発室５１２を画定する。管状バネ５０８の膨張と圧縮は、反発室５１２の中にガス圧ＰBが収容される間にロッド５０６の往復運動を可能にする。この実施形態では、管状バネ５０８はロッド５０６を介してダイヤフラムへ間接的に結合される。
【０１１２】
図２０を参照すると、更なる代替の管状バネの実施形態が大まかに５２０で示される。図２０では、再びハウジング５２２、ダイヤフラム５２４、及びロッド５２６の部分のみが示され、他の部品は図２で示されるものと概して同じである。この実施形態では、単一の円筒形壁の管状バネ５２８は、ハウジング５２２とダイヤフラム５０４との間に延びる。管状バネは、環状リング５３０によってダイヤフラムへ強固に取り付けられる。環状リング５３０もガス・タイト・シールを提供する。ハウジング５２２、ダイヤフラム５２４の下面、及び管状バネの円筒形壁は一緒になって、加圧されたガスを収容するための反発室５３２を画定する。
【０１１３】
第２のインタフェース（ディスプレーサ）
図２へ戻ると、ディスプレーサ１２２は第１及び第２のたわみ部１３２及び１３６を含む。たわみ部１３２、１３６は、それぞれの表面１８８、１９０を有する。表面１８８、１９０は、室１１０、１１２と、たわみ部同士の間の絶縁材料１８０との間のガス交換を許さない（即ち、たわみ部は、ガス不浸透表面を有する）。
【０１１４】
絶縁材料１８０は、膨張室１１０と圧縮室１１２とを熱的に分離する。１つの実施形態では、絶縁材料１８０は、分散された内部容積を有する多孔性絶縁材料を備える。絶縁材料１８０の内部容積は加圧されたガスを装填され、ガス不浸透表面１８８、１９０は作動ガス圧に耐える必要はない。絶縁材料１８０とディスプレーサ１２２の内部容積は、狭い導管またはピンホール１８４を介して膨張室および／または圧縮室１１０、１１２の中の作動ガスと連絡し、装置１００を作動ガスで装填したとき、絶縁材料１８０も同じ静圧に加圧される。狭い導管１８４は、作動サイクル数の時間目盛で狭い導管を通過する流れが有意でない間、静圧の均等化を容易にする。それ故に、絶縁材料１８０の内部容積は、作動ガス体積へ高々弱く接続され、作動中の作動ガス圧の振りは絶縁材料１８０へ伝達されない。故に、たわみ部１３２及び１３６は、作動ガスと絶縁材料１８０の中のガス圧との間の振動差圧のみに耐えなければならない。本明細書で前述されたように、たわみ部１３２及び１３６の屈曲は、比較的に薄い、たわみ部の中間屈曲部分１３５及び１７２の中で優越的に起こる。作動ガス圧の振りのもとでは、中間屈曲部分１３５及び１７２の表面１８８及び１９０は、それでも変形し、支持体１８２は作動中に起こるそのような変形を防止する。有利には、２つのたわみ部１３２及び１３６の使用は、屈曲面１８８及び１９０が相互への支持を提供することを可能にする。というのは、室の中の圧力スイングは、略同じ位相だからである。
【０１１５】
代替の実施形態では、絶縁材料１８０は作動ガス体積から絶縁され、作動ガスよりも低い熱伝導率を有する絶縁ガスを装填される。作動ガスが、低い原子量、例えば水素またはヘリウムである実施形態では、作動ガスと絶縁ガスとの混合を防止するため絶縁材料１８０は作動ガス体積から絶縁され、絶縁材料１８０は重い原子量ガス、例えばアルゴンを装填される。アルゴンは、水素またはヘリウムよりも低い熱伝導率を有し、絶縁材料１８０を介する寄生伝導損失は低くなり、故にエンジン効率は高くなる。有利には、アルゴンは安価であり、エンジン作動コストへの有意の追加はない。他のガス、例えばクリプトン及びキセノンも絶縁ガスとして使用され、より低い熱伝導率を提供するが、コストは高くなる。
【０１１６】
ディスプレーサ１２２の変位は、図２では例示のために誇張されているが、作動では、中間屈曲部分１３５、１７２は、約±２００μｍの変位でディスプレーサ１２２の往復運動を許すように構成される。ダイヤフラム１２８に関連して前述したように、たわみ部１３２及び１３６の厚さプロフィールは、たわみ部材料の疲労限度応力を超過することなくディスプレーサ１２２の所望の変位を許すように選択される。支持体１８２は、たわみ部の厚さプロフィールを選択するときの追加の可能性を提供する。例えば、中間屈曲部分１３５及び１７２は作動ガスの圧力に支配され、支持体１８２が使用されて支持を提供し、中間屈曲部分１３５及び１７２の厚さおよび／またはプロフィールが調整されて、ディスプレーサ１２２のために所望のバネ定数を提供するようにされる。
【０１１７】
ディスプレーサ１２２の第１のたわみ部１３２は、エンジンとして構成されるとき、膨張室１１０の中の高い作業温度に耐えることを要求される。ハウジング１０２の頂部壁１２６も、膨張室１１０の中のディスプレーサ１２２の往復運動に順応するように構成された形状と垂直オフセットを有する。形状とオフセットは、膨張室１１０の全体的容積を低減するが、ディスプレーサ１２２の中心領域上の最小室高を過度に制限することなく、依然としてディスプレーサの運動を許す。後に本明細書で説明されるように、低減された室の高さは、粘性損失の増加を生じる。有利には、頂部壁１２６の形状とオフセットは、ハウジング１０２の近位で、他の場合よりも室の高さを小さくすることを容易にする。図２では、頂部壁１２６のオフセットと形状の垂直目盛は誇張されている。
【０１１８】
概しては、ディスプレーサ１２２の固有振動数が、第１のインタフェース１２０の固有振動数に近いか一致すれば便利である。第１のインタフェース１２０は、より大きい質量（即ち、ダイヤフラム１２８、ロッド１０４、及びロッドによって駆動される負荷の質量の結合質量）を有するので、ディスプレーサ１２２は、中間屈曲部分１３５及び１７２の剛性(stiffness)が、管状バネ１５６とダイヤフラム１２８との組み合わされた剛性よりも小さいことを一般的に要求する。
【０１１９】
全般的には、ディスプレーサ１２２のための外部駆動器を提供する必要を回避することが望まれる。外部ディスプレーサの力の要求がゼロであること(zero required external displacer force)は、この後で本明細書で開示される方法を使用して、ディスプレーサ１２２の有効質量、中間屈曲部分１３５及び１７２のバネ定数、第１及び第２の表面１８８及び１９０の有効面積、及びハウジング１０２の質量を選択することによって達成される。ディスプレーサ１２２の有効質量は、類似する剛性ピストンディスプレーサの物理質量に関して定義され、質量へのたわみ部１３２、１３６、及びガスの動的寄与の効果を考慮に入れる。もし追加のバネ力が必要ならば、それは第１及び第２のたわみ部１３２及び１３６のいずれかまたは双方の間の追加のたわみ部１８３によって提供される。有利には、追加の内部たわみ部１８３の追加は、表面１８８、１９０の有効面積またはこれらの表面のピーク応力を変更することなく、ディスプレーサ１２２のバネ定数を調整することを容易にする。更なる詳細は、この後で、本明細書の見出し「熱音響作動の考慮」のもとで説明される。ディスプレーサ１２２に作用する力が適切に平衡されたとき、外部のディスプレーサ駆動力は、ディスプレーサ運動に必要とされない。
【０１２０】
実際のハードウェアにおけるそのような平衡を正確に予測し、設計によって達成することは、具体的な装置の正確な数学モデルの構築を必要とする。１つの実施形態では、平衡力からの小さい残差の決定を容易にするため、ディスプレーサ１２２の外部駆動が提供される。次いで、前記の小さい残差が特性化及び補償されて、ゼロ駆動力条件が達成され得る。補償された設計に後続する実装は、外部駆動を省略する。図１へ戻ると、図示された実施形態では、ディスプレーサの駆動器は、磁気回路２４２と環状コイル２４４を備える音声コイルによって提供される。コイル２４４は、第１のインタフェース１２２へ機械的に結合され、第１のインタフェースに分与された駆動器力は、コイルを介して電流を制御することにより制御される。
【０１２１】
ガス通路
本明細書で前述されたように、流動摩擦パワー消散は、作動ガス速度と共に増加し、故に増加するサイクル数(frequency)と共に増加する。しかしながら、もし増加するサイクル数が相応のストローク低減を伴うならば、速度は一定に保たれる。しかしながら、振動する流れの速度が一定に保たれたとしても、もし流れの通路の水力学的半径(hydraulic radius、水理学的半径）が粘性特性長よりも大きければ、依然として流れ摩擦はサイクル数と共に増加する。流れの通路の水力学的半径または特性寸法ｒhは、次式のとおりである：
式３
0005519788.tif 000004
ここで、
Ｖi  は、ガス通路の内部のガス浸透容積、
Ａw  は、ガス通路のぬれ表面積
である。
【０１２２】
粘性特性長は、次式のとおりである：
式４
0005519788.tif 000005
ここで、
μは、作動ガスの粘性、
ρは、作業温度と圧力におけるガス密度、
ωは、振動流(oscillating flow)の角振動数
である。
【０１２３】
粘性特性長よりも略小さい水力学的半径を有する構造の中の流れの場合、振動流に対する水力抵抗は、定常の非振動の流れと本質的に同じである。この場合、流れの反転前に流れが定常流れのプロフィールへ完全に発展するための十分な時間が存在する。しかしながら、もし水力学的半径が粘性特性長よりも略大きいならば、水力抵抗は定常流れよりも大きい。故に、せん断された流体層は特性長と略同じ厚さにすぎず、この境界層の外側では流れは振動するプラグ流である。
【０１２４】
類似の熱的特性長は、振動する熱交換に要求される寸法の目盛を与える。２つの実体を分離するインタフェースの特性長の中にある実体の容積のみが、作動サイクル数によって決定されるような時間で相互熱交換へ関与し得る。熱的特性長は次式のとおりである：
式５
0005519788.tif 000006
ここで、
ｋは、熱伝導率、
ωは、作動角振動数、
ρは、ガスまたは材料密度、
Ｃｐは、定圧での材料熱容量
である。
【０１２５】
ガスについては、熱的特性長と粘性特性長は、ほとんど同じである（ガスのプラントル(Prandtl)数は１に近い。プラントル数は粘性拡散率と熱拡散率との比である）。熱交換器のガス側では、密度は圧力に依存し、故に圧力が増加するにつれて熱的特性長は減少する。この理由は、ガスの熱伝導率は圧力から大きく独立しているが、容積熱容量ρＣpはガス分子の数に比例し、故に圧力と共に増加するからである。故に、高圧ガスを完全に加熱または冷却するのは困難であり、これは作動ガスの作動圧に対する制限の１つである。ガスの圧力または作動サイクル数が増加されるにつれて、熱交換器内のガス流の通路の特性寸法は、同じような熱接触を維持するため特性長の低減に対応して収縮すべきである。しかしながら、ガス流の通路の寸法の低減は、流れの摩擦損失の増加を生じる。発明者らは、通路１４６における再生器の縦横比を変更して、より大きい前方面積と、より短い流動長(flow length)を有することにより、これらの増加された損失を緩和することを発見した。
【０１２６】
通路１４６の１つの実施形態が、図１０で詳細に拡大されて示される。この実施形態では、通路１４６は絶縁材料１８０、及びたわみ部１３２、１３６を通過し、膨張室１１０と圧縮室１１２との間に流体流路を提供する。図１０を参照すると、圧縮室１１２から流れるガスは、アクセス導管部分１４８、第１の熱交換器１４０、再生器１１４、及び第２の熱交換器１３８を通過する。絶縁体１８０で満たされたディスプレーサ１２２の厚さは、膨張室１１０と圧縮室１１２との間で十分な絶縁を提供するように選択される。熱交換器１３８、１４０、及び再生器１１４は、ディスプレーサ１２２の完全な厚さを占拠するように構成されているが、これらの要素を最適サイズにすれば、最適効率を得るため、より小さい垂直範囲が要求されるかもしれない。アクセス導管部分１４８は、過剰な垂直範囲を占め、熱交換器１３８、１４０、及び再生器１１４の最適サイズを容易にする。アクセス導管部分１４８に関連づけられた摩擦、弛緩、及び小さい損失（例えば、断面積の曲がりおよび／または変化に起因する）並びに作動ガス体積の増加に起因する圧縮損失が存在する。ディスプレーサ１２２の厚さは、アクセス導管部分１４８の含有に起因する結合損失、及び、ディスプレーサ絶縁体を介する膨張室と圧縮室との間の熱伝導損失が、最小になるように選択される。
【０１２７】
第２の熱交換器
装置１００をエンジンとして作動するとき、第２の熱交換器１４０はガスを冷却する低温熱交換器として働く。第２の熱交換器１４０の高さｈ2は、ガス流３０４が、平均の流れ方向において、アクセス導管部分１４８の概して垂直な流れから、第２の熱交換器を通る概して横方向(transverse)の流れへの変化を受けることを引き起こす。有利には、ガス流方向のこの変化は、ガスが横方向に流れている間、熱抽出を容易にする。第２の熱交換器１４０は、ガス流３０４の通路内で、複数の垂直(vertically)に延びる熱伝導ピンまたはフィン３０２を含む。
【０１２８】
第２の熱交換器１４０は、実質的に横方向(transversely)に延びるインタフェース３００を更に含む。このインタフェースは再生器１１４と連絡している。図示された実施形態では、第２の熱交換器１４０の横方向寸法は、高さｈ2よりもずっと大きく、故に垂直方向では、ピンが水平方向に向いているときよりも、ずっと大きい伝導面積が、伝導ピン３０２を通る高温の流れに利用可能である。加えて、ピンに沿って熱を伝導する必要がある距離は、ピンが水平方向を向いているときよりもずっと短い。更に、第２の熱交換器１４０は再生器１１４よりも広く、第２の熱交換器の入口３０６におけるガス流３０４は、再生器１１４へ入る前に、伝導ピン３０２との最小相互作用長３０８を有する。第２の熱交換器１４０を通るガス流３０４は、概して横方向の流れから、インタフェース３００の近位における概して垂直方向の流れへ、更なる流れの方向変えを経験する。
【０１２９】
当該装置１００をエンジンとして作動させるとき、熱輸送導管１４２は冷却熱交換流体、例えば水を搬送する。熱伝導ピン３０２によって作動ガスから第２の熱交換器の中で抽出された熱は、熱交換流体へ伝導される。有利には、説明されたようにガス流の方向を変えることによって、再生器１１４の中のガス流と同じ公称方向で熱伝導が起こり、故に、より実質的な断面積が、伝導ピン３０２と熱輸送導管１４２との間の熱伝導に利用可能であり、これによって、作動ガスと熱輸送流体との間の温度差を最小にする。対照的に、先行技術のエンジンは、再生器ガスの流れ方向に対して直角に熱を除去しようと試み、結果として、熱伝導用の断面積はずっと小さくなった。
【０１３０】
再生器(Regenerator)
この実施形態では、再生器１１４は、多孔性材料（マイクロ・キャピラリー・アレイ、多孔性セラミック、または、押固めた球(packed spheres)）の母材（マトリックス）３１０によって構築される。代替として、積層ワイヤスクリーンまたは巻線再生器も使用される。式３に従って計算された母材３１０の孔水力学的半径は、式４に従って計算された熱的特性長よりも小さくなければならず、従って再生器１１４の中の局部ガス温度は、局部母材３１０の温度と略同じになる。局部温度は、再生器の１つの端部から他の端部へ変動する。もしこの条件が満足されるならば、再生器を通るガスの熱弛緩損失は無視され得る。しかしながら、母材３１０の小さい孔寸法は、比較的大きい流動摩擦損失を生じる。有利には、再生器１１４は、ガス流３２０に垂直な大きい断面積を有し、比較的短い垂直範囲ｈ3は母材３１０を通る短いガス流動長を生じる。更に、母材３１０の中の孔の数は、ガス流３２０の速度、故に流動摩擦損失が、再生器熱交換効率に対して最適に平衡するように選択される。
【０１３１】
図示した実施形態では、装置１００によって経験される完全な高から低への温度勾配は、再生器１１４を渡って(across)現れ、故に母材３１０は良好な熱絶縁体でなければならない。これは再生器を渡る非生産的な熱伝導を低減するためであり、このような熱伝導は損失を生じる。母材３１０は、高温から低温への吹き出し中に作動ガスから熱を吸収し、母材壁の温度は増加する。これは、吹き出しの終わりへ向かって再生器１１４から出るガスが吹き出しの始まりよりも高温であることを意味する。というのは、再生器の中のガス温度が母材３１０の壁と等温だからである。これは、第２の熱交換器１４０へ移転される不所望の余剰熱を構成する。この余剰熱は、第２の熱交換器によって除去されねばならない。同様に、低温から高温への吹き出しでは、母材が熱をガスへ移動していることに起因して、母材３１０の壁の温度は吹き出しの終わりへ向かって低減される。故に、再生器１１４から出るガスの温度は、吹き出しの終わりでは始まりよりも低温である。これは、第１の熱交換器１３８によって埋め合わせる必要がある温度不足を構成する。故に、母材３１０は、高温から低温または低温から高温への吹き出しに関連づけられた熱を、相当の温度変化なしに貯蔵するための十分な熱容量を有すべきである。適切な再生器母材は、Ｍａｒｔｉｎｉへの米国特許第４，４１６，１１４号で説明されている。この米国特許は、参照によって、その全体を本明細書の中に組み入れられる。
【０１３２】
第１の熱交換器
装置１００をエンジンとして作動するとき、第１の熱交換器１３８は、ガスを加熱する高温熱交換器として作用する。第１の熱交換器１３８は、外部熱源と熱連絡しており、膨張室１１０へ流入及び流出するガスへ熱を伝導する。第１の熱交換器１３８の高さｈ1は、ガス流３０４が、再生器１１４の中の概して垂直方向(vertical)の流れから、第１の熱交換器を通る概して横方向(transverse)の流れへ、平均の流れ方向の更なる変化を受けることを引き起こす。第２の熱交換器の場合と同じように、このガスの流れ方向の変化は、横方向に流れる間のガスへの熱移動を容易にする。第１の熱交換器１３８は、ガス流３０４の通路の中に複数の垂直方向に延びる熱伝導ピンまたはフィン３１２を含む。
【０１３３】
ガス流３０４が再生器１１４を離れ、高温交換器を通るにつれて、ガス流は、再生器と第１の熱交換器１３８との間のインタフェース３１４で、平均の流れ方向の実質的な変化を受ける。このガスの流れ方向の変化は、熱をエンジンへ伝導するための断面積を大きくする。第１の熱交換器１３８は再生器１１４よりも広く、ガス流３０４に対してピンまたはフィン３１２との最小相互作用長を提供する。加えて、第２の熱交換器１４０での余剰幅を補償する余剰幅は、再生器母材３１０が側面方向流(sideways flow)の再分配へ構成されていなくても、再生器１１４と第１の熱交換器１３８を通るガス流３０４の流路部分３１６、３１８、３２０の流れ抵抗を非常に類似なものにする。結果として、再生器を通るガス流３０４は、３１６〜３２０で概略的に示されているように、一様に分布される。
【０１３４】
図２へ戻ると、図示した実施形態では、外部から提供された熱エネルギー２００は、ハウジング１０２を介して装置１００へ伝導される。熱エネルギーは、再生器１１４を通るガス流３２０と略同じ方位で、第１の交換器１３８の伝導ピン３１２の中へ伝導される。有利には、第１の熱交換器１３８の横方向に延びる範囲は、熱交換器を通して熱流束密度を管理可能レベルへ保つための十分な断面積を提供する。
【０１３５】
代替として、他の実施形態では、高温の熱伝導流体と第１の熱交換器１３８との間で熱エネルギーを伝導するため、熱輸送導管１４２に類似した熱輸送導管が提供される。図１で示されるエンジン実施形態では、エンジン装置１００をテストする目的で、熱はカートリッジヒータ２４０によって提供される。
【０１３６】
熱音響作動の考慮
前述したように、高振動数および／または高圧力では、作動ガスの慣性を考慮に入れることを無視すると、装置１００の作動的な振る舞いの数学モデルは不正確になる。
【０１３７】
図１１を参照すると、装置１００の中の音響パワーの流れが３５０で概略的に示されている。図１で示される第１のインタフェース１２０は、略図的に３７０で表され、これからの説明では便宜上、「ダイヤフラム」の用語で呼ばれる。図１で示される第２のインタフェースは、概略的に３７２で表され、便宜上「ディスプレーサ」の用語で呼ばれる。エンジンとして図１で示される装置１００の定常状態作動中、ダイヤフラム３７０とディスプレーサ３７２は固定振幅で振動する。ディスプレーサ３７２の往復運動は、或る位相角（例えば、４５°）だけダイヤフラム３７０の往復運動をリードする。振動は、ダイヤフラム３７０のそれぞれの表面１５０、１９０とディスプレーサ３７２との間で画定された容積内の作動ガスの圧力スイングと流れを引き起こす。作動ガスの流れと随伴する圧力の揺れ(swing)は、圧縮室１１２の中の音響パワーの流れ３５２に対応し、この流れは圧縮室から第２の（低温）熱交換器１４０、再生器１１４、及び第１の（高温）熱交換器１３８を通って膨張室１１０へ移動する。図１１の矢印は、音響パワーの循環方向を表す。
【０１３８】
再生器１１４は、再生器母材３１０の温度と略同じ温度で作動ガスを保つ。というのは、母材内の孔に対応する水力学的半径は、熱的特性長よりも小さいからである（式３と式４）。当該装置１００を渡る温度勾配は、再生器１１４を渡って現れ、温度は圧縮室１１２から膨張室１１０へと増加する。従って、作動ガスが圧縮室１１２から膨張室１１０へ流れるにつれて、温度が増加するので体積流量は増加し、圧力は再生器１１４の全体で略等しく、作動ガスの質量は保存される。これは、理想気体の法則ＰＶ＝ｎＲＴから、次のように定性的に理解される。
【０１３９】
増加する体積流の振幅(volume flow amplitude)は、増加する音響パワーに対応し、故に再生器１１４から流出する音響パワーは、再生器へ流入する音響パワーよりも大きい。再生器１１４は、こうして音響パワー増幅器として作用し、エネルギーは再生器を渡る(across)温度差によって提供される。熱交換器１４０、１３８は、熱をエンジンへ入れ及び出すことによって、この温度差を維持するように機能する。再生器１１４を通る音響パワーの流れを表す破線輪郭の増加幅は、増幅された音響パワー３５４を生じるパワー増加を表すために使用される。
【０１４０】
点線による輪郭３５６によって示されるように、ディスプレーサ３７２は、膨張室１１０に関連づけられた容積（今後は、膨張空間と呼ぶ）の中の増幅された音響パワー３５４を吸収し、圧縮室１１２に関連づけられた容積（今後は、圧縮空間と呼ぶ）へパワーを戻す。図１１で示されるように、輪郭３５６は破線ではなく点線で示される。というのは、音響パワーはディスプレーサ３７２の振動(oscillation)によって移されるのであって、ループ３５０の残りの場合のように、作動ガスを介して伝達されるのではないからである。ディスプレーサ３７２によって戻されたパワーは、圧縮室１１２から流出する定常状態音響パワーよりも大きく、差はダイヤフラム３７０の往復運動３５８を介して流れる。これはエンジンの有用な出力パワーを表す。図１１は、ディスプレーサ３７２の無い、移動波(traveling wave)の熱音響エンジンに対する類似を示唆するために描かれている。むしろ、そのような移動波の熱音響エンジンでは、音響パワーは作動ガスの容積を介して戻る。音響パワーを戻すために機械的なディスプレーサ３７２の運動を使用することは、エンジンサイズを大きく低減すること、並びにガスストリーミングの可能性を除去すること、の利点を有する。ストリーミングは、熱音響エンジン内のループを回る作動ガスの大量循環であり、高温側から低温側への不所望の熱移動を導入する。というのは、高温ガスは低温側へ流れ込み、低温ガスは高温側へ流れ込むからである。対照的に、音響パワーは、ループを回る正味の運動なしに、ガス質量の前後への振動である。ストリーミングは、２次熱音響効果によって引き起こされる。
【０１４１】
図１１に関連して説明された作動は、ベータ構成エンジンの場合である。アルファ構成エンジンの場合、第２のダイヤフラム（またはピストン）は膨張空間内の音響パワーを吸収し、第１及び第２のダイヤフラム間に結合された外部機械的手段または外部電気的手段のいずれかによって、音響パワーを圧縮空間へ戻す。ベータ構成装置は、図１１で示されるように、ディスプレーサ３７２の運動を介して音響パワーの戻りを提供する。
【０１４２】
非理想エンジンでは、上記で説明したプロセスに関連づけられる損失が存在する。圧縮室１１２では、音響パワーを低減する粘性と熱弛緩損失３６０が存在する。同様に、それぞれの熱交換器１３８、１４０の中に損失３６６、３６２が存在し、再生器１１４の中に損失３６４が存在し、膨張室１１０の中に損失３６８が存在する。これらの損失の全ては、音響パワーを熱へ変換することによって音響パワーを低減するように作用し、本明細書で説明されるように、エンジンの寸法と設計を最適化することによって最小にされる。直接の音響パワー損失に加えて、考慮すべき非生産的熱伝達損失も存在する。例えば、再生器母材３１０を介する熱伝導は、有用なエンジン出力パワーに寄与しない。再生器１１４の残留非効率も、追加の非生産的熱伝達に寄与する。熱音響理論は、これらの損失を考慮に入れ、寸法を最適化し、装置１００の最適の性能を達成する適切な方法を提供する。
【０１４３】
図１２を参照すると、音響パワーの流れ（図１１で示される）に関連づけられた動的変数の相対位相を示すフェーザー図(phasor diagram)が、大まかに４００で示されている。全ての動的変数は、この熱音響モデルにおいてシヌソイドとして変動することを暗黙に仮定され、便宜的に複素変数として表される。これらの複素変数は、位相ベクトル（「フェーザー」として知られる）として、フェーザー図４００に表されている。この場合、実部の成分はｘ軸に沿ってプロットされ、虚部の成分はｙ軸に沿ってプロットされている。
【０１４４】
図１２から図１４までは、位置（Ｓ）、速度（Ｖ）、ガス流量（Ｕ）、及び圧力（Ｐ）を表す４つのタイプのフェーザーを描いている。全てのフェーザータイプは、単位参照長を与えられるが、同じタイプのフェーザーについては、それぞれの長さは、これらのフェーザー間の相対的大きさを示す。フェーザー図４１０は、体積流のフェーザーの近似表現のみを提供する。実際の流れのフェーザーの長さと角度は、熱音響的に計算される必要があり、装置を通して連続的に変動する。しかしながら、結果は定性的に非常に類似している。それぞれのフェーザーの間の角度は、対応する動的変数の間の位相関係を表す。フェーザー図４００は、任意的に割り当てられた位相角０°を有するダイヤフラム位置フェーザー４０２（Ｓdia）を有する。ディスプレーサ位置のフェーザー４０４（Ｓdis）は、４５°だけダイヤフラム位置フェーザー４０２をリードしている。対応する速度フェーザーは、ｉωで乗じることによって見出される。ここでωは角振動数であり、ｉは−１の平方根である。対応するダイヤフラムとディスプレーサ速度フェーザー４０６（Ｖdia）と４０８（Ｖdis）は、それらのそれぞれの位置フェーザーＳdisとＳdiaを９０°だけリードしている。ダイヤフラム３７０とディスプレーサ３７２は、この解析では等価の振幅と有効面積を有するものとされる。ダイヤフラムとディスプレーサ３７０、３７２の運動は、室内のガス流を引き起こす。符号規約は、ダイヤフラム３７０の正の速度が図１１では下向きであるようになっており、ダイヤフラム３７０の中心へ向かうガス流に対応する。ガス流は反時計方向であり、従って図１１の正の流れ方向に関しては負である。
【０１４５】
図１３を参照すると、圧縮空間においてダイヤフラムが誘起したガス流量のフェーザー４１２（Ｕdia）は、こうしてダイヤフラム速度Ｖdia（即ち、図１３のフェーザー４０６）と略反対である。圧縮空間においてディスプレーサが誘起した流れは、時計方向で正のディスプレーサ速度であり（図１１の下方）、故に正である。フェーザー４１４は圧縮空間においてディスプレーサが誘起した流れ（Ｕdis）であり、図１２の４０８で示されるディスプレーサ速度フェーザーと略同じ方向にある。圧縮空間内の総ガス流量は、ダイヤフラムとディスプレーサが誘起した流れ（即ち、ＵdiaとＵdis）のベクトル和であり、フェーザー４１６（Ｕtot）によって表される。これは、部分的な流れの打消しが存在するので短い長さになっている。実際の熱音響的に計算された圧縮空間圧力フェーザーは、図１１のエンジンについて４１８（Ｐ１）で示される。膨張室及び圧縮室１１０及び１１２は、低い流動摩擦のガス流の通路によって接続され、図１１で示される音響パワーループに沿って測定されたエンジンの寸法は、作動サイクル数において音の波長よりもずっと短いので、圧力フェーザー４１８は、エンジン内のどこでもほとんど同じである。圧力フェーザー４１８は、圧縮室１１２の中心で計算されるが、圧力フェーザーはエンジン内の他の場所では非常に類似している。ダイヤフラム運動の正方向は、エンジン内で作動ガス体積を増加する方向に割り当てられ（即ち、図１１の下方）、従って、増加された作動容積(working volume)を引き起こす正のダイヤフラム変位はエンジン内の圧力を減少させる。圧力フェーザー４１８は、こうしてダイヤフラム運動Ｓdia（フェーザー４０２）から近１８０°の位相外れであることを期待され、これは計算されたフェーザー４１８によって満足される。
【０１４６】
音響パワーは次式によって与えられる：
式６
0005519788.tif 000007
ここで、
Ｕ１は、ガス流量(volumetric gas flow)の複素変数表現、
Ｐ１＊ は、ガス圧振幅の複素変数表現の共役複素数
である。
【０１４７】
上記の式から、ダイヤフラムによって除去される音響パワーは、ダイヤフラムが誘起したものＵ１（即ち、フェーザー４１２）上のＰ１（即ち、フェーザー４１８）の射影に比例する。図１３は、ダイヤフラムとディスプレーサが誘起した流れＵdia、及びＵdisの上のＰ１の射影を示す。示されたような相対位相角の場合、ダイヤフラムが誘起した流れＵdiaの上のＰ１の射影は負であり、図１１の時計方向音響パワーループから除去される音響パワーを表す。これは、エンジンの有用な出力を表す。ダイヤフラムとディスプレーサのそれぞれの運動における位相差が与えられたとすれば、ディスプレーサが誘起した流れＵdis（フェーザー４１４）の上のＰ１の射影は、ダイヤフラムが誘起した流れＵdia（フェーザー４１２）の上のＰ１の射影よりも大きい。故に、ディスプレーサ運動に起因する音響パワー入力は、ダイヤフラムによって除去される音響パワーよりも大きい。もし、それぞれのたわみ部１３２及び１３６の表面１８８及び１９０が等しい有効面積を有し、ディスプレーサの面が固定距離だけ厳密に間隔を置いているとすれば、膨張室と圧縮室のガス流量に対するディスプレーサの影響は等しい。ガス流量の正の方向は、図１１では反時計方向に取られる。こうして、現在の仮定のもとでは、ディスプレーサによって圧縮空間へ提供されるパワーと等しいパワーが、ディスプレーサによって膨張空間から除去される。
【０１４８】
ディスプレーサ駆動器
膨張と圧縮の空間における圧力フェーザーは、しかしながら、流動摩擦とガス慣性に起因して正確には等しくない。図１４を参照すると、ディスプレーサ位置フェーザーＳdisは４０４で示され、ディスプレーサ速度フェーザーＶdisは４０８で示され、計算された膨張空間圧力フェーザーは４２６で示され、計算された圧縮空間圧力フェーザーは４１８で示される。圧力差はベクトル４３０であり、これは原点へ平行移動されて４３２で示される。この圧力差はディスプレーサを渡って現れ、ディスプレーサに作用する力に対応する。こうして、ディスプレーサの第１及び第２の表面１８８及び１９０の有効面積が等しくても、圧力差がディスプレーサの駆動力または制動力を生成する。この特定の場合、圧力差は、ディスプレーサの位置フェーザー４０４と、ほとんど正確に同調する。ディスプレーサを渡る圧力差は、こうして主として追加の有効ディスプレーサ質量として作用し、その起源は、作動ガスの慣性に対する振動加速を提供するために要求される圧力差である。ガス力学は、こうしてディスプレーサ１２２の固有振動数に影響し、ディスプレーサの運動質量と機械バネ力を設計するときに考慮されねばならない。この特定の場合、ディスプレーサ速度ベクトル４２４への圧力差の射影は非常に小さく、従ってディスプレーサはエンジンガス力学によって実質的に駆動または制動されない。ディスプレーサ表面の有効面積における小さい変化は、ディスプレーサ速度フェーザーへの圧力差フェーザーの非ゼロ投影(non-zero projection)を生成することによって、ダンピングまたはディスプレーサ駆動器を提供し得る。
【０１４９】
図１４のフェーザー図で示される結果は、熱音響学的に計算されるような作動ガス力学に起因するディスプレーサ駆動成分のみを考慮に入れている。これらの力はハウジング１０２の内部で生成され、エンジンに作用する外部の力が存在しないとき、装置の質量中心は空間内で固定されたままである。こうして、当該装置の作動では、ハウジングは、往復する相補振動を有し、この振動は、運動するインタフェースの質量に対するハウジング質量の比に依存した振幅を有する。より重いインタフェース１２０に対するハウジングの質量比は、優越した寄与を提供する。ハウジングが固定される搭載構造体（図示されず）によって提供される制動力とバネ力は、質量中心に作用する外部力を提供する。この外部力も、ハウジング運動の大きさと位相を計算するために考慮されねばならない。図２へ戻ると、ディスプレーサ１２２は周辺部分１３３、１７０でハウジング１０２へ取り付けられるが、中間屈曲部分１３５、１７２によって提供される屈曲に起因して、中心部分１３４、１７４はハウジングとのロックステップで運動しない。
【０１５０】
ディスプレーサは剛性中心（部分１３４及び１７４）として考えられ、この剛性中心は、ハウジング１０２へバネで取り付けられた有効質量と、中間屈曲部分１３５、１７２に起因する有効バネ定数を有する。そのようなシステムの動的モデルでは、周辺部分１３３、１７０に起因するディスプレーサの有効質量は、ハウジング１０２へ割り当てられる。というのは、ディスプレーサ１２２のこの部分は、厳密にハウジングと一緒に運動すると仮定されるからである。ディスプレーサ１２２の剛性中心は、ハウジングと別々に運動し、有効運動質量を割り当てられる。中間屈曲部分１３５、１７２は、バネ定数によって特性化されたゼロ質量バネとしてモデル化される。部分１３５、１７２のたわみに起因して、中心部分に対するハウジングの変位が存在するとき、常にハウジング１０２の振動運動はディスプレーサ１２２の剛性中心部分に駆動力を分与する。この駆動力の大きさは、ハウジング１０２の質量とハウジングが搭載されている搭載構造体の質量を調整することによって制御される。搭載構造体の質量を増加することは、ハウジング１０２の振動の大きさを低減し、故にディスプレーサ１２２の剛性中心部分の上の駆動力を低減する。
【０１５１】
代替的または追加的には、例えば、図２で示される往復部品と１８０°の位相外れで作動する第２のシリンダを装置１００へ追加して、装置１００を動的に平衡させてもよい。他の実施形態では、ハウジング１０２を動的に平衡させることによって、ハウジングの運動に起因するディスプレーサ駆動力が大きく削除される。単一シリンダエンジンは、バネによって装置へ取り付けられた質量を、第１及び第２のインタフェースの運動の質量加重フェーザー和に対して１８０°の位相外れで駆動することによっても平衡する。ハウジングの振動(vibration)は変換器の作動には必要とされない。というのは、ガス圧は、前に検討されたように、有効面積を適切に選択することによって単独でダイヤフラムを駆動し得るからである。
【０１５２】
第１及び第２の表面１８８及び１９０の上のガス圧の力の大きさと符号は、第１の表面１８８と第２の表面１９０の有効面積同士の比を調整することによって調整される。図２では、図示したディスプレーサ１２２は、第１のたわみ部１３２の中心部分１３４と、第２のたわみ部１３６の中心部分１７４の非均等面積を有する。中心部分１７４の面積は、中心部分１３４の面積よりも約１０％大きく、ディスプレーサ１２２に作用する力とディスプレーサの固有振動数は、ディスプレーサ１２２の所望の往復運動を生じるように調整される。この往復運動は、エンジンについて第１のインタフェース１２０の往復運動を位相角だけリードしている。１つの実施形態では、略４５°の位相角が望ましい。しかし他のエンジン実施形態では、４５°以外の角も可能である。
【０１５３】
ディスプレーサ１２２に作用するガス圧の力は、熱音響効果を考慮に入れて装置１００の数学モデルを構築することによって計算される（この後で、本明細書で詳細に説明される）。数学モデルでは、第１のインタフェース１２０とディスプレーサ１２２の所望の往復運動振幅が、これらの運動間の所望の相対位相角（例えば、４５°）と共に指定される。所望の往復運動は数学モデルの入力を形成する。数学モデルは、装置１００の作動容積の全ての点で圧力、振幅、及び圧力位相角を計算するために使用される。ディスプレーサ１２２の第１及び第２の表面１８８及び１９０の上の圧力を積分することは、ディスプレーサに作用する正味の計算されたガス圧の力を生じる。というのは、表面は、略剛性の支持体１８９によって一緒に接続されているからである。周辺支持体１３３、１７０の近位の場所では、表面の上の結果の力は、主としてハウジング１０２に作用し、中心部分１３４、１７４の上では、同じ圧力の力は、主としてディスプレーサ１２２の剛性中心の有効運動質量に作用する。指定された半径におけるディスプレーサ１２２の中心の有効質量の駆動に寄与する力の端数は、その半径での計算された力をスケーリングすることによって決定される。スケーリングは、その半径での往復運動振幅と最大振幅（例えば、ディスプレーサ１２２の中心における振幅）との間の比によって行われる。第１の表面１８８または第２の表面１９０のいずれかの上の圧力積分の結果は、ディスプレーサの運動有効質量に作用する力フェーザー並びにハウジング１０２に作用する力フェーザである。
【０１５４】
代替的には、計算は、ディスプレーサ１２２の表面の有効面積に作用する平均圧力フェーザーを生成することと解釈される。有効面積は、前記表面の真の表面積の部分(fraction)である。平均圧力フェーザーによって乗ぜられた残りの表面積は、ハウジング１０２の上の力を生成する。
【０１５５】
上記の方法を使用して、ディスプレーサ１２２の剛性中心部分に作用する正味の力を表す力フェーザー、及びハウジング１０２に作用する正味の力を表す力フェーザーが、表面１８８に作用するガス圧から計算される。同様に、剛性中心部分１３２とハウジング１０２に作用する力フェーザーが、第２の表面１９０に作用するガス圧から計算される。表面１８８及び１９０の有効面積が等しかったとしても、第１及び第２の表面１８８及び１９０に作用するそれぞれの力は、大きさにおいて近いが、正確には等しくなく、位相は略反対である。第１及び第２の表面１８８及び１９０に作用するそれぞれの力は、等しくない。というのは、ガス圧の振幅と位相は、ガスの粘性と慣性に起因して膨張室１１０と圧縮室１１２の中で正確には等しくないからである。ディスプレーサ１２２の運動中心に作用する正味の力とハウジング１０２に作用する正味の力は、ディスプレーサ１２２の第１及び第２の表面１８８及び１９０にわたって計算されたそれぞれの成分のベクトル和である。
【０１５６】
同じように、ダイヤフラム１２８の上の正味の力を生成するため、数学モデルが適用される。この場合、反発室１５２の効果を考慮に入れるため別個の熱音響計算が使用される（反発室の中のガス体積が有意のガスバネを構成する場合）。
【０１５７】
システムの動的モデルの場合、３つの有意の運動が存在する。これらは、第１のインタフェース１２０の運動、ディスプレーサ１２２の運動、及びハウジング１０２の運動である。これら３つの運動の各々の大きさと位相は、複素平面におけるフェーザーによって便宜に数学的に表される。速度フェーザーは、こうして対応する変位フェーザーを９０°だけリードする。
【０１５８】
３つの力フェーザーが、こうしてディスプレーサ１２２、ダイヤフラム、及びハウジング１０２について計算される。これらの力フェーザーは、対応する往復運動フェーザーと一線上にそろった成分へと分解され得る。往復運動フェーザーは、射影の符号に依存して余剰バネ力または余剰有効質量として作用する。加えて、力フェーザーは、速度フェーザーと一線上にそろった成分へと分解される。この成分は、射影の符号に依存して制動または駆動係数として解釈される。ディスプレーサ１２２、ダイヤフラム、及びハウジング１０２の、結果のバネ類似と制動類似成分（熱音響モデルから計算される）は、次いで他の点で標準的な３質量結合振動器計算の純粋に機械的な寄与へ追加され、要求される追加の外部ディスプレーサとダイヤフラムの力が、所望の定常状態作動について計算される。３質量連成振動子(Three mass coupled oscillator)の計算は、Marion, “Classical Dynamics of Particles and Systems” 2nd edition, J. B. Marion, Academic  Press(1970)で説明されている。この文献は、その全体を本明細書の中に組み入れられる。外部ディスプレーサとダイヤフラムの力とは、図２で示される要素に作用しているガス圧、またはそれらの要素の機械バネ定数に起因しない力である。計算された外部ディスプレーサの力は、ディスプレーサ１２２の中心部分とハウジング１０２との間で作用し、外部ダイヤフラム力は、第１のインタフェース１２０とハウジング１０２との間で作用する。
【０１５９】
定常状態の作動に要求されるダイヤフラム上の計算された外部力フェーザーは、ダイヤフラムの変位フェーザーと一線上にそろった成分、及び対応する速度フェーザーと一線上にそろった成分へと分解される。変位フェーザーと一線上にそろった非ゼロ成分はバネ類似力に対応し、この外部成分は、ダイヤフラム１２８または管状バネ１５６の機械バネ定数、または、第１のインタフェースの質量への対応する調整を行うことによって削除される。速度フェーザーと一線上にそろった非ゼロ成分は、外部駆動器またはダンピングの要件に対応する。
【０１６０】
もし装置１００がエンジンとして構成されるならば、それはパワーを生成し、故に最小でも、ロッド１０４へ取り付けられた負荷（図示されず）は、ロッド（これはインタフェース１２０の一部分である）とハウジング１０２との間に作用する制動力を提供すべきである。そのような制動力（これは、エンジンによって生成されたパワーの利用に対応する）がないと、第１のインタフェース１２０の往復運動の振幅は増大する。この増大は、定義によって、定常状態作動を構成しない。生成器が誘起した制動の大きさは、生成器から見た見かけの負荷抵抗を変更することによって調整される。これは生成器に取り付けられたパワー変換エレクトロニクスによって行われる。
【０１６１】
もし定常状態の作動に必要な外部ディスプレーサ駆動器またはダンピングがゼロでなければ、ディスプレーサ１２２の剛性中心とハウジング１０２との間に接続されたディスプレーサ駆動器が、システムへパワーを供給するかシステムからパワーを除去しなければならない。表面１８８と１９０との間に比較的大きなスペースが与えられたとすれば、絶縁材料１８０の幾分かを除く犠牲を払って、たわみ部１３２と１３６との間に小さいアクチュエータ（例えば、図１で示される音声コイルアクチュエータ）を置くことが可能である。しかしながら、この後で説明するように、要求される外部ディスプレーサの力がゼロとなるように、装置１００を設計することが有利である。
【０１６２】
ハウジング振動とガス力学を考慮に入れたディスプレーサ駆動器のフェーザー表現は、図１５と図１４に示されている。図１５を参照すると、ディスプレーサ運動フェーザーＳdisは再び４０４で示され、対応する速度フェーザーＶdisは４０８で示される。ハウジング運動フェーザーＳhは４４２で示され、ダイヤフラム運動フェーザー４０２（Ｓdia）よりもずっと小さく、圧倒的に位相外れである。というのは、装置の質量中心は固定されたままであり、ハウジング質量はダイヤフラムと取り付けられた負荷の質量よりもずっと大きいからである。ハウジング１０２とディスプレーサ１２２の剛性中心部分との間に作用するバネ力は、ディスプレーサとハウジングとの間の相対運動に依存する。この相対運動は、フェーザー４０４と４４２との間のベクトル差によって表される。このベクトル差は、原点へ平行移動した後のフェーザー４４４として描かれている。中間屈曲部分１３５及び１７２に起因してハウジング１０２とディスプレーサ１２２の中心との間に作用するバネ力は、この相対運動と反対であり、故に力フェーザー４４６として表される。注意すべきは、ディスプレーサ運動フェーザー４０４へのフェーザー４４６の射影は、期待されるようなバネ力であるが、速度フェーザー４０８へのフェーザー４４６の、小さいが非ゼロの射影４４８が更に存在することである。この射影は、正であり非ゼロであるから駆動力を構成する。この駆動力は、ディスプレーサ１２２の剛性中心に作用する総計の力を取得するため、ガス動的寄与力へ追加されなければならない。ハウジング振動駆動力の大きさは、ディスプレーサの運動有効質量に対するハウジングの質量比に依存し、ハウジング質量が増加すると減少する。
【０１６３】
ハウジング振動駆動の寄与とガス動的力の寄与との非ゼロベクトル和は、和の符号に依存して、ディスプレーサが駆動されなければならないか、パワーがディスプレーサから抽出されなければならないことを暗示する。いずれの場合にも、これは前述したようにアクチュエータを提供することによって達成され、アクチュエータはディスプレーサ１２２へパワーを提供するか、パワーを抽出するように構成される。しかしながら、低コストのスターリングエンジンの設計においては、ディスプレーサ駆動器の追加の必要を回避することが有利であり、故に平衡を達成して駆動要求がゼロになることが望ましい。ゼロ駆動要求は、ディスプレーサの第１及び第２の表面１８８及び１９０の有効面積の正確な選択によって達成される。図１６で示される膨張側の力のフェーザー４５０（Ｆe）は、第１の表面１８８の有効面積と膨張側有効圧力フェーザー４２６の大きさとの積である。膨張側の力のフェーザー角は有効圧力フェーザー角と同じである。有効圧力フェーザー角は膨張側の中心の圧力角と略同じであるが、全く同じというわけではない。というのは、圧力の位相はディスプレーサの表面にわたって完全に一定というわけではないからである。同様に、圧縮側の力のフェーザー４５２は、第２の表面１９０の有効面積と圧縮側の有効圧力フェーザー４１８の大きさとの積である。図１１の符号規約（正方向は下方）によれば、圧縮側の力のフェーザー角は膨張側の力のフェーザーに対して約１８０°の位相外れである。というのは、表面１９０の上では、圧力は膨張側からの力と反対だからである。
【０１６４】
図１６に示されているフェーザー図の例では、表面１８８の有効面積に対して表面１９０の有効面積が大きい場合が考慮されている。これは図２で示される実施形態に対応する。この場合、中心部分１７４は中心部分１３４よりも１０％大きい。注意すべきは、結果の力フェーザーが有効圧力フェーザーと一致しているので、双方の力はディスプレーサ運動フェーザー４０４とディスプレーサ速度フェーザー４０８への非ゼロ射影を有することである。ディスプレーサ中心に作用する正味の力４５４は、膨張側４５０の力と圧縮側４５２の力とのベクトル和である。ディスプレーサ速度４０８へのこの正味の力の射影は、ディスプレーサ駆動器またはダンピングへのガス動的寄与である。大きく対抗する力フェーザー４５０及び４５２の大きさは、膨張側と圧縮側の表面１８８と１９０の１つまたは双方の有効面積を変化させることによって調整される。有効面積比における比較的小さい変化は、正味の力４５４の大きさと方向に大きな影響を有する。注意すべきこととして、ディスプレーサ表面の有効面積を変更することはディスプレーサ運動フェーザー４０４への４５４の力射影を更に変更し、これは有効バネ力またはディスプレーサの有効質量を変更することと同じである。ディスプレーサ表面の有効面積の変化は、こうしてディスプレーサの機械バネ力またはディスプレーサ質量の相応の変化を要求する。これは、ディスプレーサの共振振動数を往復運動の所望の固有振動数に保つためである。ディスプレーサ表面の１つの有効面積の変化は、装置内のガス流への２次効果を更に有し、故に圧縮及び膨張室のそれぞれで圧力フェーザー４１８及び４２８への変化を引き起こす。しかしながら、有効面積の小さい変化は、正味のディスプレーサの力に大きな変化を引き起こすが、ガス圧には小さい変化を引き起こすにすぎない。こうして、反復計算は迅速に収斂する。
【０１６５】
第１及び第２の表面１８８及び１９０の１つの有効面積の変化は、表面の実際の面積を変化させることによって達成される。
【０１６６】
代替として、有効面積の変化は、表面の実際の面積を変更することなく達成される。図２へ戻ると、第１及び第２のたわみ部１３２及び１３６は、ディスプレーサ１２２の中心からハウジング１０２の壁１９２まで外側へ延びている。描かれるように、第１及び第２の表面１８８及び１９０の面積は等しいが、有効面積は等しくない。屈曲表面の有効面積は積分によって計算される。これは、共通軸対称の場合、次のように記述され得る：
式７
0005519788.tif 000008
ここで、
ｚは、半径ｒの関数としての表面の局部振動振幅、
ｚ（０）は、表面の中心振幅であり、
ｒoは、表面の外側半径
である。
【０１６７】
各々の面積差環は、こうしてその運動のサイズに比例して有効面積に寄与する。こうして、壁１９２へ取り付けられたたわみ部のエッジは何も寄与せず、ディスプレーサの運動中心は、その完全面積を、計算された有効面積へ寄与する。同様に、たわみ部表面に作用する圧力スイングに起因する力は次式によって与えられる：
式８
0005519788.tif 000009
ここで、
Ｐ1（ｒ）は、半径の関数としての圧力フェーザー、
Ｆ1は、たわみ部の運動中心部分と取り付けられた質量とバネによって構成される動的システムに作用する結果の力フェーザー
である。
【０１６８】
力の符号は、符号規約(sign convention)と対象表面とに応じて、正または負のどちらかとなる。考慮しているケースでは、圧力の位相が表面上で少しだけ変動するとき、しばしば次の近似式が使用され得る：
式９
0005519788.tif 000010
【０１６９】
表面の全体の実際の面積に作用する作業圧の残りの力は、中心動的システムの上ではなくハウジング１０２の壁１９２に作用し、次式によって与えられる：
式１０
0005519788.tif 000011
【０１７０】
上記の式７から、有効面積は、ダイヤフラム１２８について行われたように、関数ｚ（ｒ）の形を制御することによって変更されることが分かる。厚さプロフィールｚ（ｒ）の変化は、漸次的であるか（図２で示される）、主な屈曲部分１３５及び１７２で薄くなる表面１８８及び１９０のように、厚さの階段変化である。たわみ部表面の有効面積は、こうして厚さプロフィールを変更することによって調整される。ディスプレーサの場合、第１及び第２の表面１８８及び１９０のそれぞれのプロフィールは、所望のディスプレーサ駆動器を達成するため異なる。
【０１７１】
プロフィールが半径の関数として漸次に変動されるダイヤフラムの場合、振れたダイヤフラムの形状に結果の変化が存在する。より厚い中心は、より大きい半径で、より多い曲りを生じ、有効面積は、均一厚さのダイヤフラムよりも大きくなる。
【０１７２】
高温度エンジンの実施形態
式１から、高温側と低温側の温度ＴhとＴcの間の差を大きくして作動することにより、エンジンの増加された出力パワーが提供されることが明らかであろう。それ故に、上昇されたＴhでエンジンを作動することが望まれる。もっとも、この温度は、材料の制約に起因して際限なく増加されることはない。図２で示された装置１００では、たわみ部１３２の第１の表面１８８は、温度Ｔhに支配される。所望の振幅と作動サイクル数（例えば、２５０Ｈｚを超える振動数）で運動を往復させるため、たわみ部は、作動時の応力が疲労閾値限度よりも下まわるものに設計されるべきである。少数の材料のみが、無限の疲労寿命を顕示する。スチールは、もっとも目立っている。しかしながら、最大無限疲労応力は温度増加と共に減少し、故にＴhはたわみ部の最大温度によって厳しく制約される。加えて、ハウジング１０２の頂部壁１２６は、作動ガス圧力によって提供された負荷のもとで作動する。最大の作動温度Ｔhは、こうしてハウジング１０２の中で使用される材料によって更に制約される。最大の作動温度は、高いＴhと実質的な負荷のもとでは、負荷なしの最大使用温度よりも小さいであろう。
【０１７３】
図１７を参照すると、高温度エンジンの略図が、大まかに５８０で示される。エンジン５８０は、圧力容器として作用する、ベル形スチールハウジング６００を含む。ハウジング６００の下方部分は概して球形である。これは構築に必要な材料の量を最小にする。エンジン５８０は圧縮室６０１と膨張室６２２を含む。エンジン５８０は、ダイヤフラム６０２、管状バネ６０３、反発室６０４、及びロッド６０５を更に含み、これらの全ては、図２で示された対応要素に略同じである。というのは、これらの要素は全てエンジンの低温側に置かれるからである。
【０１７４】
エンジン５８０はディスプレーサ５８２を更に含む。ディスプレーサ５８２は、第１及び第２のガス不浸透たわみ部６３０及び６３２を含む。これらのたわみ部は、周辺部分６０６、中心部分６０８、及び中間屈曲部分６０７を有する。周辺部分６０６はハウジング６００へ取り付けられる。この実施形態では、ディスプレーサ５８２は、例えば環状リブまたは柱である支持体６０９を更に含む。ディスプレーサ５８２は、ディスプレーサ５８２の高さが低減されていること以外は、図２で示されたディスプレーサ１２２と概して同じである。というのは、この実施形態では、これらの要素は、エンジン５８０の高温側と低温側の間で、もはや主な絶縁体として機能しないからである。
【０１７５】
ディスプレーサ５８２は、運動絶縁体６１０を更に含む。この絶縁体は、少なくとも上部表面６１５で最大エンジン温度Ｔhに耐え得る材料から組み立てられる。運動絶縁体６１０は、たわみ部６３０の中心部分６０８へ取り付けられ、ディスプレーサ５８２と同じ往復運動に支配される。エンジン５８０は、周辺部分６０６へ接続された環状絶縁体６１１を更に含む。環状絶縁体６１１は、運動絶縁体６１０と同一または類似の材料から組み立てられる。運動絶縁体６１０は環状絶縁体６１１に相対して運動する。環状絶縁体６１１と運動絶縁体６１０は、一緒になって狭い環状ギャップ６１２を画定する。このギャップは、今後は「付録ギャップ」と呼ばれる。付録ギャップ６１２は、容積６１３と連絡しており、たわみ部６３０及び６３２の運動と干渉することなくディスプレーサ５８２の運動を容易にする。運動絶縁体６１０と環状絶縁体６１１は、高温膨張室６１４と低温圧縮室６０１との間に主な絶縁を提供する。絶縁体６１０、６１１の壁はガス不浸透であるべきであるが、絶縁体の内部は低い熱伝導率を提供するように作動し得る多孔性セラミックである。
【０１７６】
エンジン５８０は高温壁６１６（この後で詳細に説明する）を更に含み、運動絶縁体６１０の頂部表面６１５は高温壁の形状とマッチする対応形状を有する。運動絶縁体６１０の頂部表面６１５は、ディスプレーサ５８２の高温側表面として作用する。頂部表面６１５の面積は、ディスプレーサ５８２の低温側の有効面積と同じであるべきであるが、前に本明細書で説明したように、作動中にディスプレーサの上の力を平衡させるため少し異なる面積であってもよい。頂部表面６１５は剛性表面であるから、その有効面積は、その物理的面積と同じである。低温側では、図２と関連して前に本明細書で開示したように、半径を有する底部たわみ部のストローク変動を考慮に入れるため、有効面積は物理的面積よりも小さい。
【０１７７】
高温壁６１６は、ドーム形を有し、高伝導率セラミック材料、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）またはアルミニウムニトリド（ＡｌＮ）の使用を可能にする。セラミック材料は、圧縮に強いが引っ張りに弱いことが知られている。高温壁６１６のドーム形状は、図１７で示される向きでは、作動ガスの負荷圧力に起因する高温壁の上の力が、圧縮力によって支配されることを許す。結果として、エンジン５８０の高温壁は、従来のステンレススチールまたはニッケル合金を使用して可能であるよりも、かなり高い最大の作動温度Ｔhを有する。更に、高温壁は、耐火性金属、例えばタングステンまたは繊維複合材、例えば、炭素−炭素複合材料から組み立てられる。この場合、このような材料は引っ張りにも強いので、高温壁は必ずしもドーム形でなくてもよい。代替として、非セラミック材料から組み立てられるとき、高温壁６１６は、外側に向いたドーム形（即ち、図１７で描かれた高温壁６１６とは反対のドーム形）を有する。
【０１７８】
１つの実施形態では、エンジン５８０の外部熱源は集中太陽光である。この場合、高温壁６１６は透明な石英ガラスまたはサファイアのドームとして組み立てられる。熱をエンジンの中へ伝導する代わりに、透明ドームは、太陽光放射がエンジンへ入って、エンジン５８０の内部で吸収されかつ熱へ変換されることを許す。
【０１７９】
エンジン５８０は、ハウジング６００から下方へ延びる絶縁スペーサ６１７を更に含む。絶縁スペーサ６１７は高温壁６１６のマウントを提供し、高温壁の中の圧縮応力が絶縁スペーサへ移転されるようにする。絶縁スペーサ６１７は、低い熱伝導率の耐火性金属、例えば石英ガラス、完全安定化ジルコニアセラミックまたはムライトセラミックから組み立てられる。代替として、絶縁スペーサ６１７は、高温性能と高強度を有するアルミナセラミックから組み立てられる。アルミナセラミックの室温熱伝導率はジルコニアよりも大幅に大きいが、上昇された温度では、アルミナセラミックスの伝導率はジルコニアと同じ値へ急速に低下する。
【０１８０】
通路を長くするか、壁を薄くするか、または双方によって熱伝導損失を十分に低く保った、より高い伝導率の材料を使用することも可能である。代替として、絶縁スペーサ６１７は、入念に調整された特性を有する一層進歩した材料、例えばＳｉＣ、ＡｌＮ、シリコンニトリド（Ｓｉ3Ｎ4）またはサイアロンセラミックスの低熱伝導バージョンから組み立てられる。これらの材料の中で、焼結助剤と焼結プロフィールを調整することによって、材料の機械的特性、例えば熱膨張係数と機械的強度の有意の変更なしに、熱伝導率が大幅に変えられる。
【０１８１】
絶縁リング６１７は、作動ガス圧に起因する負荷を高温壁６１６からハウジング６００へ移転する。こうして、ドーム形高温壁６１６の場合と同じように、絶縁スペーサ６１７も圧縮力の下に置かれ、これはセラミック材料にとって好ましい負荷状態である。絶縁スペーサ６１７とハウジング６００との間の残りの容積６１８は、非負荷保有多孔耐火性材料絶縁材で充填され、作動ガス圧へ加圧される。
【０１８２】
エンジン５８０は、ドーム形高温壁６１６と絶縁スペーサ６１７との間に、密封要素６２０を更に含む。密封要素６２０は、やや柔軟なリングである。このリングは耐ガスシールを提供し、ハウジング６００、スペーサ６１７、及び高温壁６１６１が、一緒になって必要な圧力封入を提供するようにする。密封要素６２０は、高い真空型シールである。このシールは、スペーサ６１７の固いセラミック材料と高温壁６１６との間に、より柔らかい柔軟材料を押し込むことによって提供される。密封要素６２０は、ニッケル・コバルト・超合金金属のような材料から組み立てられる。
【０１８３】
１つの実施形態では、高温壁６１６には高い熱伝導率を有する材料が選択され、絶縁スペーサ６１７には良好な熱絶縁体材料が選択される。２つの非類似材料が類似の熱膨張率を有しないならば、これらの材料の結合は複雑になる。というのは、非類似の熱膨張率は、温度がＴhへ増加されるにつれて、材料間のインタフェースで大きな応力を生成するからである。セラミック材料アルミニウムニトリド（高温壁６１６について）とムライト（絶縁スペーサ６１７について）は、良好な熱膨張のマッチを提供する。
【０１８４】
代替として、半径方向を向いたファイバを有するカーボン−カーボンファイバ高温壁６１６は、ジルコニア絶縁スペーサ６１７とペアにされる。高温壁６１６の半径方向を向いたファイバは、優れた半径方向の熱伝導を提供し、同時に熱膨張係数はファイバ軸に交差する方向に沿ってジルコニアへ近くなるように構成される。半径方向を向いたファイバを有するカーボン−カーボン高温壁６１６は、良好な引っ張り強度を提供しないので、図１７で示されるような向きのドーム形を有するべきである。この場合、ファイバ間の母材が支配的に圧縮状態にある。この選択の更なる利点は、ファイバが母材を通過して延びて、膨張室６１４に熱交換ピンを形成するような配列によって、高温側熱交換器６１９が単純な体裁にされることである。
【０１８５】
代替として、上記で言及したように、熱膨張率へ有意に影響を及ぼすことなく、セラミックスの熱伝導率が入念に変えられる。従って、高温壁６１６と絶縁スペーサ６１７は、有利には同じ材料から製造される。例えば、ドームは高伝導率ＳｉＣであり、リングは低伝導率ＳｉＣである。ドームと絶縁リングは、こうして同じ熱膨張係数を有し、これは結合を容易にする。セラミック材料の高いおよび低い導電率バージョンのものを接着するため、セラミックの焼結助剤と類似した組成を有する接着層が使用される。
【０１８６】
他の代替の実施形態では、熱伝導高温壁６１６と絶縁スペーサは、異方性熱伝導特性を有する単一の複合材料から組み立てられる。これによって、高温シールおよび／または密封要素６２０の必要が回避される。例えば、ドーム状になった高温壁６１６と絶縁スペーサ６１７は、全てのカーボンファイバが半径方向を向いた単一炭素−炭素複合材料として製造される。ファイバは、こうしてスペーサ部分で高温の流れに対して直角をなす向きにされ、故に良好な絶縁を提供する。というのは、炭素複合材の熱伝導率は、ファイバ方向におけるよりもファイバ交差(cross-fiber)方向における方がずっと低いからである。スペーサ６１７は、こうしてハウジング６００からドーム高温壁部分を効果的に絶縁する。高温壁部分では、同じ複合材料は、ドームにおける半径方向のファイバの方向付けに起因して、エンジン５８０の中へ熱を効果的に伝導する。
【０１８７】
エンジン５８０は、高温熱交換器６１９、再生器６２１、及び低温熱交換器６２３を含み、これらは概して図１０で示される対応要素と同じである。一般的に、ドーム高温壁６１６、絶縁スペーサ６１７、非負荷保有絶縁体６１８、第１の熱交換器６１９、再生器６２１、運動絶縁体６１０、及び環状絶縁体６１１に使用される特性のみが、エンジン５８０の高温側温度Ｔhを限定する。これらの部品の全ては、カーボンファイバまたは様々な多孔性および非多孔性のセラミックスから組み立てられる。ドーム高温壁６１６と絶縁スペーサ６１７のみが、完全なガス圧負荷を支持しなければならず、この実施形態では、双方の要素は引っ張られるよりも圧縮されている。こうして、適切な材料選択によって、エンジン５８０は、高温スチールまたはニッケル合金を使用して作られたエンジンよりも高い温度で作動し得ることが明らかであろう。
【０１８８】
代替として、直接加熱ソーラー・パワー・エンジン５８０の場合、高温壁６１６と絶縁スペーサ６１７は、１つの石英ガラスから組み立てられ、高温結合を必要としない。石英ガラスは非常に低い熱伝導率を有し、故に、良好な絶縁スペーサを提供する。従って、そのような実施形態では、熱をエンジンの中へ伝導する必要はなく、ドーム部分（ドーム高温壁６１６に対応する）は、他の実施形態のように高い熱伝導率を有する必要はない。
【０１８９】
ディスプレーサ５８２が作動ガスを圧縮室６０１から膨張室６２２へ前後に強制するプロセスでは、作動ガスは、高温熱交換器６１９、再生器６２１、低温熱交換器６２３、及びアクセス管６２４を通って流れる。これらの部品の機能は、図２と図１０の低温度実施形態で説明したものと同じである。高温度Ｔhでの作動の場合、高温交換器６１９と再生器６２１は、より高い温度に耐えなければならない。カーボンファイバは非常な高温に耐え得るので、カーボンファイバから組み立てられた高温交換器は、温度限定部品にはならない。高温再生器は、多孔性セラミックまたはマイクロ・キャピラリー・アレイから組み立てられる。マイクロ・キャピラリー・アレイは、例えば石英ガラス管組織から組み立てられる。
【０１９０】
エンジン５８０は、エンジンの低温側から熱を抽出するため、低温熱交換器６２３と熱連絡している熱輸送導管６２５を更に含む。故に完全温度勾配Ｔh-Ｔcが再生器６２１を渡って現れ、再生器材料はガスの流れ方向には良好な熱絶縁体でなければならない。再生器６２１は、有意の寄生熱流路を提供する。この流路は、運動絶縁体６１０を介する熱通路長と比較したとき、比較的短い流動長さを与えられる。しかしながら、この短い熱通路長は、再生器６２１の環状面積の上だけにあり、この面積は、エンジンの高温側と低温側とを分離する総断面積の小さい端数にすぎない。再生器６２１の母材の熱伝導率は、エンジン５８０の最適性能を達成するため再生器の前面面積と再生器を通過する流動長を最適化するとき考慮しなければならない１つの項目である。
【０１９１】
高温作動について部品寸法を最適化するとき、一般的に低温作動の場合とは異なった寸法になる。全ての損失と効果を同時に考慮して全体的最適設計を生成しなければならず、これはエンジンの完全な熱音響モデルを構築することによって行われる。図２の低温度エンジンと図１７の高温度エンジンとの更なる差異は、付録ギャップ６１２の中に導入される追加の損失である。ガスが付録ギャップ６１２から出入りして流れるときの粘性流動損失と、熱交換損失との、双方が存在する。最後に、往復損失も存在するが、もしエンジン５８０の中の変位が小さいとすれば、往復損失は無視され得る。
【０１９２】
付録ギャップ６１２を設計する場合、少なくとも３つの選択肢が存在する。第１の実施形態では、ギャップ６１２は、その長さに沿った或る点で十分に狭くされ、流れ抵抗が十分に大きく、付録ギャップ６１２の低温端での容積６１３の圧力が、エンジン５８０の中で圧力スイングに従わないようにされる。この場合、熱弛緩損失は容積６１３の中で回避される。圧縮室６０１と容積６１３との間の異なる圧力に耐えるため、たわみ部６３０及び６３２が必要とされる。というのは、容積６１３の中の圧力は略一定であり、室６０１の中の圧力は振動するからである。環状絶縁体６１１と運動絶縁体６１０を組み立てて、十分に狭い付録ギャップ６１２を提供するには、要素の厳しい製造公差が維持されなければならない。
【０１９３】
代替の実施形態では、付録ギャップ６１２は十分に広く、容積６１３はエンジン５８０の圧力スイングに従う。容積６１３は、故に、エンジン作動容積の一部分であり、ディスプレーサとダイヤフラムによって生成される与えられた行程容積について圧縮を低減する。追加的に、容積６１３の中の圧力スイングに起因する熱弛緩損失が存在する。圧力変化は、付録ギャップ６１２を通るガス流の結果であるので、流動損失も存在する。低温側へ向かう高温のガス流と高温側へ戻る低温のガス流に起因する熱伝達損失も存在する。付録ギャップ６１２は熱的特性長（式３）よりも狭くなければならず、従ってギャップは、容積６１３の中で圧力スイングを生成するガス流の再生器として機能する。もし容積６１３が、低減された容積を有するならば、全てのこれらの損失は低減される。たわみ部６３０及び６３２の中間屈曲部分６０７の半径方向の幅を低減することは、容積６１３の低減を容易にし、この場合、これは可能である。というのは、もし空間６１３の圧力が圧縮室６０１と略同じであれば、たわみ部は実質的な差圧に耐える必要はないからである。故に、２つのたわみ部６３０及び６３２は、より薄くて狭い単一のたわみ部に置き換えてもよい。
【０１９４】
第３の実施形態は、残りのたわみ部がその中へガス通路を切り込まれ、容積６１３が有効に圧縮室６０１の一部分になること以外は、上記の第２の実施形態と概して同じである。この場合、容積６１３の中の圧力スイングは圧縮室からの流れによって優越的に供給され、これによって付録ギャップ６１２の中の流れは低減される。この第３の場合、付録ギャップ６１２は、作動ガスの小さい端数のための平行な再生ガス通路となる。付録ギャップ損失は、これらの設計選択肢に強く依存し、最適設計を達成するためエンジンの熱音響モデルの中に含められねばならない。
【０１９５】
本発明の具体的実施形態が説明されかつ図示されたが、このような実施形態は、本発明の例示にすぎないと考えるべきであり、添付の特許請求の範囲に従って解釈される本発明を限定すると考えるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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