(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部熱源及び外部ヒートシンクと共に動作する熱機械であって、前記熱機械が、
−共通の第１の取付具に備えられ、第１の複数のシリンダー内に形成された対向する第１の複数の穴に作用する第１の一対のディスプレーサと、
−第１の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第１のケーシングと、
−共通の第２の取付具に備えられ、第２の複数のシリンダー内に形成された対向する第２の複数の穴に作用する第２の一対のディスプレーサと、
−第２の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第２のケーシングと、
−第１及び第２の取付具を相互接続する機構であって、第１及び第２の対のディスプレーサの間の位相角を維持するように構成された機構と、
−複数のディスプレーサの取付具から離れた側の複数のシリンダー内の空間により規定される複数の作動流体室と、を有し、
前記複数のケーシング内及び前記複数の作動流体室内の圧力を監視して比較する為の手段が備えられ、そして、前記比較の結果によって、ケーシング及び作動流体の圧力の１つ又は両方を調節する為の手段が備えられることを特徴とする熱機械。
【請求項２】
圧力を調節する手段が、ケーシング内の圧力がケーシングのシリンダーの室内の監視された圧力に対して規定の範囲内に入るように、必要に応じてケーシング内に流体を駆動するか、ケーシングから流体を引き出すように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱機械。
【請求項３】
圧力を調節する手段が、ケーシング内の圧力を作動流体室内の圧力以下の値又はわずかに低い値に維持するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱機械。
【請求項４】
第１及び第２のケーシングが単一のケーシングに一体化されていることを特徴とする請求項３に記載の熱機械。
【請求項５】
熱機械がさらに、
−共通の第３の取付具に備えられ、第３の複数のシリンダー内に形成された対向する第３の複数の穴に作用する第３の一対のディスプレーサと、
−第３の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第３のケーシングと、
−共通の第４の取付具に備えられ、第４の複数のシリンダー内に形成された対向する第４の複数の穴に作用する第４の一対のディスプレーサと、
−第４の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第４のケーシングと、
−第３及び第４の取付具を相互接続する機構であって、第３及び第４の対のディスプレーサの間の位相角を維持するように構成された機構と、
−第３及び第４の対のディスプレーサと結合する機構であって、第１及び第２の対のディスプレーサに対して第３及び第４の対のディスプレーサの位相角を維持するように構成された機構と、
−第３及び第４のディスプレーサの取付具から離れた側の複数のシリンダー内の空間により規定される複数の作動流体室と、を有し、
前記複数のケーシング内及び前記複数の作動流体室内の圧力を監視して比較する為の手段が備えられ、そして、前記比較の結果によって、ケーシング及び作動流体の圧力の１つ又は両方を調節する為の手段が備えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の熱機械。
【請求項６】
第１及び第３のケーシングが共通のケーシングに一体化されており、そして、第２及び第４のケーシングが更なる共通のケーシングに一体化されており、そして、共通の第１及び第３のケーシング内の圧力と共通の第２及び第４のケーシング内の圧力を実質的に同じに維持する為の手段が備えられていることを特徴とする請求項５に記載の熱機械。
【請求項７】
共通の第１及び第３のケーシングと共通の第２及び第４のケーシングが単一のケーシングに一体化されており、そして、第１の機構が第１及び第３の対のディスプレーサと結合し、そして、第２の機構が第２及び第４の対のディスプレーサと結合し、第１及び第２の機構が同期動作の為に連結されていることを特徴とする請求項６に記載の熱機械。
【請求項８】
第１及び第２の機構の相対位相を調節することにより、第１及び第３の対のディスプレーサと第２及び第４の対のディスプレーサの間の位相角を調節する為の手段が備えられていることを特徴とする請求項７に記載の熱機械。
【請求項９】
第１及び第２の対のディスプレーサと結合する機構が回転出力軸を含み、そして、第３及び第４の対のディスプレーサと結合する機構も回転出力軸を含み、そして、第１及び第２の対のディスプレーサの位相を第３及び第４の対のディスプレーサに対して調節する為の手段が備えられていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１つに記載の熱機械。
【請求項１０】
複数の機構の複数の出力軸が実質的に同軸であり、複数の出力軸の対向する端部が反対のねじ山を付けられ、そして、調節要素が、前記ねじ山に係合し、出力軸に対して軸方向の運動の為に配置され、それにより、複数の出力軸の間の相対角度の調節を達成することを特徴とする請求項９に記載の熱機械。
【請求項１１】
当該機構又はそれぞれの機構が、ディスプレーサの運動を実質的に正弦曲線になるように制御するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の熱機械。
【請求項１２】
当該機構又はそれぞれの機構が偏心駆動装置を有し、偏心駆動装置が、ディスプレーサの取付具に連結する外面を有する偏心部材と、偏心部材の外面に対して偏心して配置されている歯車と、偏心部材の歯車とかみ合う歯車を有する出力軸と、を有し、そして、第１及び第３の対のディスプレーサが実質的に互いに対して９０度に配置され、第２及び第４の対のディスプレーサが実質的に互いに対して９０度に配置され、そして、第１及び第３の対のディスプレーサ並びに第２及び第４の対のディスプレーサにおいて、それぞれの偏心駆動機構が互いに対して１８０度に接続された２つの偏心部材を有し、一方の偏心部材が一方の対のディスプレーサの取付具に連結する外面を有し、他方の偏心部材が他方の対のディスプレーサの取付具に連結する外面を有することを特徴とする請求項５に記載の熱機械。
【請求項１３】
実質的にスターリングサイクルで動作する外燃機関として構成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の熱機械。
【請求項１４】
高温及び低温の対のディスプレーサを有するスターリング機関として構成される熱機械であって、
−ディスプレーサの運動を制御する機構であって、ディスプレーサの基本的に正弦曲線の運動を引き起こし、それにより、機構のケーシング内の体積を一定に維持する機構と、
−高温の対のディスプレーサ及び低温の対のディスプレーサのそれぞれの為の２つの機構の位相を調節することにより、高温及び低温の対のディスプレーサの相対位相を調節する手段と、そして、
−複数のディスプレーサの機構から離れた側の作動流体内の圧力、及び機構のケーシング内の圧力を監視して制御する手段と、
を有することを特徴とする請求項５に記載の熱機械。
【請求項１５】
外部熱源及び外部ヒートシンクを有する熱機械を運転する方法であって、前記熱機械が、
−共通の第１の取付具に備えられ、第１の複数のシリンダー内に形成された対向する第１の複数の穴に作用する第１の一対のディスプレーサと、
−第１の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第１のケーシングと、
−共通の第２の取付具に備えられ、第２の複数のシリンダー内に形成された対向する第２の複数の穴に作用する第２の一対のディスプレーサと、
−第２の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第２のケーシングと、
−第１及び第２の取付具を相互接続する機構であって、第１及び第２の対のディスプレーサの間の位相角を維持するように構成された機構と、
−複数のディスプレーサの取付具から離れた側の複数のシリンダー内の空間により規定される複数の作動流体室と、を有し、
前記方法において、外部熱源からの熱が第１の一対のディスプレーサに隣接する複数の作動流体室内の作動流体に供給され、第２の一対のディスプレーサに隣接する複数の作動流体室内の作動流体からの熱が外部ヒートシンクに放出され、前記複数のケーシング内及び前記複数の作動流体室内の圧力が監視されて比較され、そして、前記比較の結果によって、複数のケーシング及び複数の作動流体室の１つ又は両方の中の流体の圧力が調節され、ケーシング内の圧力が作動流体室内の監視された最低圧力よりも下になるように維持されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部熱源及び外部ヒートシンクと共に動作するように配置された熱機械に関し、そして、そのような熱機械を運転する方法に関する。限定的ではないが、特に、本発明は（下記で定義される）スターリング機関に関し、しかしながら、本発明の様々な特徴は、その他の往復ディスプレーサ機械への用途をも見出すことができる。
【０００２】
以下、本発明は、主としてスターリングサイクルに近似するサイクルで動作する熱機関に関して記載し、そして、そのような機関を「スターリング機関」と呼ぶが、本発明はそのような機関に限定されるものではないと理解される。さらに、スターリング機関と記載した時、実際のスターリング機関は正確にスターリングサイクルで動作できるものではないと理解される。
【背景技術】
【０００３】
スターリング機関は外部熱源からの熱に由来する熱機関である。しばしば、スターリング機関は外燃機関の形式で実施されるが、他の処理からの廃熱、又は同位体、太陽等からの熱のように、他の熱源を使用することもできる。スターリング機関は、作動流体の周期的な圧縮と拡張により、熱エネルギーの機械的作用への正味の変換が行われるような方法で動作する。熱源（通常は燃焼プロセス）から高温のディスプレーサ及びシリンダーの組合せ内の作動流体への熱の移動は、作動流体から低温のディスプレーサ及びシリンダーの組合せ内のヒートシンクへの熱の移動と同様に、ディスプレーサ及びシリンダーの組合せの壁を通じて起こる。
【０００４】
普通は、ディスプレーサは、シリンダー内に形成された穴内で作用する慣習的な円形ピストンの形式で実施されるが、ディスプレーサは、ダイアフラムのような他の形式で実施することもできる。便宜上、この明細書を通して、シリンダー内を摺動するピストンの形式のディスプレーサを有する機関について記載しているが、用語「ピストン」は広く解釈されるべきであり、他の種類のディスプレーサをも含むものであると理解される。機関は、ディスプレーサの往復運動を引き起こす機構を含み、そして、普通は、前記機構は回転出力軸を有し、それにより、機関から機械的エネルギーを引き出すことができる。
【０００５】
スターリング機関において、作動流体は通常、より低温のピストン及びシリンダーの組合せ内で圧縮され、より高温のピストン及びシリンダーの組合せ内で拡張される気体であり、圧縮及び拡張はシリンダー内のピストンの運動により行われる。ピストンは、ピストンの必要な往復運動を達成する為に、関連するクランク軸に連結され、そして、しばしば慣習的なクランク軸が採用されるが、これらは不利になることがある。クランク軸は、所定の作動流体の変位の為に、比較的大きな体積内に収容される必要があるから、クランクケースが加圧された時に構造上の問題の原因となる。また、クランク軸を有するピストン運動は理想的とは言えず、ピストンの真の正弦曲線運動を引き起こすことができる偏心機構等の、要素を接続し、回転及び往復させる為の他の種類の機構により、性能向上を達成することができる。そのような機構は本発明の特定の実施形態において採用されている。
【０００６】
高温及び低温のピストン及びシリンダーの組合せの間を移動する作動流体の為の再生器を採用することにより、スターリング機関の効率を改善することができることは周知である。再生器は、各々のピストン及びシリンダーの組合せの高温室及び低温室の間の作動流体の経路において、機関の内部に配置された一時的な熱貯蔵である。再生器は、最大及び最低サイクル温度の間の温度で、システム全体の熱を内部に保持し、そうしないと、熱は周囲環境に失われてしまう。この方法により、熱効率は、これらのサイクルの最大及び最低温度により定義される限界値に近づくことができる。
【０００７】
再生器が熱効率を増加させるので、低温及び高温のピストン及びシリンダーの組合せに結合する所定の組の熱交換器の為の機関からのより高い機械的出力が可能になる。反対に、スターリング機関内に再生器を組み込むことに関連する損失も存在し、これらの損失は重大になりえる。再生器はピストン及びシリンダーの組合せの死容積を増加し、そして、再生器を通過する作動流体の為のポンプ損失も存在する。注意して設計された場合、再生器はそれでも、全体として、システムの全体効率を増加することができる。
【０００８】
スターリング機関は大体２００年前から知られているが、そのような機関の非常に限定的な商業的利用しか存在しておらず、そして、それらはしばしば珍しいものとみなされている。スターリング機関に関連する問題には、高度に加圧された作動流体を採用しない限り起こる出力密度の欠如と、特にクランク空間が加圧されていない時に、滑りシールが使用されると、そして作動流体の圧力が高くなるにつれてより重要になる密閉問題と、構造重量と、加圧された場合のクランク空間内の体積変化と、構造によるそしてクランクケース流体による高温のピストン及びシリンダーの組合せから低温のピストン及びシリンダーの組合せへの熱短絡と、制御性の欠如、特に出力需要の変化への迅速な応答の欠如と、幅広い範囲の回転速度において機関が動作できないことと、自己作動能力及び可逆性の欠如と、が含まれる。さらに、スターリング機関は同程度の内燃機関に比べてより多くの熱を周囲環境に廃棄する必要があり、そして、このことがより高い資本費用、重量及び工学的複雑性の原因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
スターリング機関の研究により、従来の設計は特に３つの問題に苦しんでいることが明らかになった。これらの問題の内最も重要な問題は、特に作用空間（シリンダー内のクランク機構から離れたピストン側の空間）からクランク空間内への、機関のシールを通過した作動流体の漏れである。漏れを減少させる為にクランク空間を加圧することが知られているが、その結果、ピストンの往復運動により引き起こされるクランク空間内のポンプ損失が起こる。スターリング機関の漏れ問題は、内燃機関の漏れ問題とは区別されるものである。なぜなら、内燃機関のそれぞれの作業サイクルにおいては、出力サイクル毎に新たな作動流体を充填することの導入により、機関内の状態が効果的にリセットされ、そして、サイクル内のどんな漏れの結果もそのサイクルだけに限定される。漏れの結果が次のサイクルには持ち越されないので、次の作用サイクルの作動条件に悪影響を与えない。一方、作動流体の固定された充填が行われる外部熱機関においては、作動流体の漏れのような通常動作のどんな有害な影響も通常動作内で補填されることは無いので、悪影響が蓄積される。このことが、機関の性能の急速な低下の原因となる。機関の可使時間にわたる進行性の磨耗が漏れに関連する問題を著しく悪化させる。
【００１０】
本発明は、既存の外燃熱機関の上記周知の問題を考慮した上での、周知の形式のスターリング機関の研究及び開発に起因するものである。出発点として、本出願人による以前の出願であるＷＯ９６／２３９９１号公報（ＥＰ０８０７２１９Ｂとして特許取得）に記載された機構が、スターリング機関として動作可能なように、開発され、その過程で、本発明の概念及び特定の実施形態に関する以下の記載から明らかになるであろう、機構の更なる特徴及び改善が実現された。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの側面によると、外部熱源及び外部ヒートシンクと共に動作する熱機械であって、前記熱機械が、
−共通の第１の取付具に備えられ、第１の複数のシリンダー内に形成された対向する第１の複数の穴に作用する第１の一対のディスプレーサと、
−第１の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第１のケーシングと、
−共通の第２の取付具に備えられ、第２の複数のシリンダー内に形成された対向する第２の複数の穴に作用する第２の一対のディスプレーサと、
−第２の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第２のケーシングと、
−第１及び第２の取付具を相互接続する機構であって、第１及び第２の対のディスプレーサの間の位相角を維持するように配置された機構と、
−複数のディスプレーサの取付具から離れた側の複数のシリンダー内の空間により規定される作動流体室と、を有し、
前記複数のケーシング内及び前記複数の作動流体室内の圧力を監視して比較する為の手段が備えられ、そして、前記比較の結果によって、ケーシング及び作動流体の圧力の１つ又は両方を調節する為の手段が備えられることを特徴とする熱機械を提供する。
【００１２】
本発明の第２の、しかし密接な関係にある側面によると、外部熱源及び外部ヒートシンクを有する熱機械を運転する方法であって、前記熱機械が、
−共通の第１の取付具に備えられ、第１の複数のシリンダー内に形成された対向する第１の複数の穴に作用する第１の一対のディスプレーサと、
−第１の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第１のケーシングと、
−共通の第２の取付具に備えられ、第２の複数のシリンダー内に形成された対向する第２の複数の穴に作用する第２の一対のディスプレーサと、
−第２の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第２のケーシングと、
−第１及び第２の取付具を相互接続する機構であって、第１及び第２の対のディスプレーサの間の位相角を維持するように配置された機構と、
−複数のディスプレーサの取付具から離れた側の複数のシリンダー内の空間により規定される作動流体室と、を有し、
前記方法において、外部熱源からの熱が、第１の一対のディスプレーサと隣接する作動流体室内の作動流体に供給され、第２の一対のディスプレーサと隣接する作動流体室内の作動流体からの熱は、外部ヒートシンクに放出され、前記複数のケーシング内及び前記複数の作動流体室内の圧力が監視されて比較され、そして、前記比較の結果によって、複数のケーシング及び複数の作動流体室の１つ又は両方の中の流体の圧力が調節されることを特徴とする方法を提供する。
【００１３】
上述のように、熱機関内のディスプレーサを通過した作動流体の漏れは効率の著しい低下の原因となる。１つには、漏れによる加熱流体の損失の結果による熱の損失があり、そして失われた流体を補給する必要がある。このことは機関の動作圧力で行われなければならず、したがって、機械の室内に流体を駆動する為の作業の費用が必要となる。
【００１４】
相互接続機構の為の実質的に閉鎖された加圧ケーシングを有すること、そして、ディスプレーサのケーシングから離れた側の作動流体室内で感知された圧力に関連して（好ましくは感知された圧力よりわずかに低くなるように）該ケーシング内の圧力を制御することにより、ディスプレーサを通過した後の漏れが著しく減少する。好ましくは、ケーシング内の圧力は作動流体室内の圧力以下の値、好ましくはわずかに低い値に維持されるが、実際には作動流体室内の圧力は周期的に変化するので、ケーシングの圧力が作動流体内の圧力を正確に追跡することは不可能であるかもしれない。したがって、ケーシングの圧力は作動流体内の最低圧力よりもわずかに低くなるように維持されるべきである。
【００１５】
ケーシングの圧力を作動流体の最低圧力より低く維持することにより、漏れは作用空間からケーシング内へのみ発生するので、ケーシング空間から作用空間への油の移動を軽減する。ケーシングの圧力を作動流体の最低圧力より低く維持することにより、作動流体の漏れを最小限に抑えることができる。本発明においては、ケーシング内の温度上昇の結果として、そしてまた、ディスプレーサ・シールを通過した後の漏れによりケーシングの圧力が上昇した場合、ケーシングの圧力を必要な値に維持する為に流体がケーシングの外に移動される。また、ディスプレーサを通過した後の漏れにより作動流体の圧力が低下した場合、作動流体空間内に流体を移動することができる。これらの流体移動の要因は、機械の動作時の最低作用空間過渡圧力である。
【００１６】
ディスプレーサのそれぞれの側への相対圧力は作用空間内の絶対圧力に比べると低くなることができるので、ケーシング空間から作用空間へ作動流体を移動する為には少しポンプで送り込むことしか必要ではない。低圧及び高圧の作動流体の為の相対的に小さな貯蔵タンクを備えることができる。好ましくは、流体が作用空間に戻る前に、ケーシングから回収される流体から油を除去する為にフィルターが配置される。
【００１７】
監視及び圧力調節は、自動弁装置を有することにより、完全に機械的に達成することができる。この方法により、作動流体の圧力及びケーシングの圧力の安定制御を達成することができる。代替案においては、このことは、コンピュータ制御システム等を使用することにより、電子的に又は電気機械的に達成することができる。
【００１８】
慣習的には、ピストンは、ピストンの頭部の周囲に形成された溝内に取り付けられたリングにより、シリンダー壁に密閉される。本発明のディスプレーサが慣習的なピストンの形をとるので、そして、ケーシングの圧力が作動流体の最低圧力よりもわずかに低く維持されるので、そのようなリング・シールはケーシング内への作動流体の漏れを最小限に抑えるのに十分であるかもしれない。ディスプレーサ及びシリンダーの間に周知の形状の環状回転シールを使用することが提案されており、そして、極めて柔軟な環状ダイアフラムが、ディスプレーサに密閉する内周と、シリンダー壁に密閉する外周と、を有する。作用条件の理由により、そして特に、スターリング機関内に広がる温度及び圧力の理由により、そのような回転シールは完全に実用的でなく、非常に早く機能しなくなることが発見されている。
【００１９】
ケーシング内の必要な圧力の維持を容易にする為には、ケーシングの体積を可能な限り減少することが有利である。それぞれのディスプレーサ（ピストン）を出力軸に相互接続している機構が慣習的なクランク軸及び接続ロッドの形であった場合、その機構を収容する為にケーシング内に比較的大きな体積が必要になる。さらに、前記機構によりディスプレーサが移動するので、ケーシング内の体積が変化する。
【００２０】
上記の問題は、ディスプレーサの取付具に接続される偏心部材を採用する、ＷＯ９６／２３９９１号公報に記載の形式の機構を提供することにより対処することができる。この機構は、ディスプレーサに真の正弦曲線運動を引き起こすという利点を有し、さらに、この機構は、非常に小さな内部体積を有するケーシング内に収容することができる。これらの手段が共に、ケーシング内の圧力を必要な値に維持することを容易にする。
【００２１】
有利なことに、第１及び第２のケーシング内の圧力を実質的に同じに維持する為の手段が備えられ、このことは、これらのケーシングの間に伸びている管又は導管を有することにより達成することができる。代替案においては、第１及び第２のケーシングを単一のケーシングに統合することもできる。
【００２２】
本発明の熱機械の好ましい形態は、共通の第３の取付具に備えられ、第３の複数のシリンダー内に形成された対向する第３の複数の穴に作用する第３の一対のディスプレーサと、第３の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第３のケーシングと、共通の第４の取付具に備えられ、第４の複数のシリンダー内に形成された対向する第４の複数の穴に作用する第４の一対のディスプレーサと、第４の一対のディスプレーサの間の体積を取り囲む第４のケーシングと、第３及び第４の取付具を相互接続する機構であって、第３及び第４の対のディスプレーサの間の位相角を維持するように配置された機構と、第３及び第４の対のディスプレーサと結合する機構であって、第１及び第２の対のディスプレーサに対して位相角を維持するように構成された機構と、を有する。
【００２３】
機械のこの好ましい形態により、第１及び第３の対のディスプレーサは共通のケーシング（即ち、第１及び第３のケーシングが共通である）内に配置された直接的に連結された相互接続機構を有することができ、第２及び第４の対のディスプレーサは共通のケーシング（即ち、第２及び第４のケーシングが共通である）内に配置された直接的に連結された相互接続機構を有することができる。この好ましい装置がスターリング機関として配置された場合、第１及び第３のディスプレーサ及びシリンダーの組合せが高温の組合せの役目を果たし、第２及び第４のディスプレーサ及びシリンダーの組合せが低温の組合せの役目を果たすことができる。
【００２４】
第１及び第３のケーシングが単一の共通ケーシングに統合され、第２及び第４のケーシングが更なる単一の共通ケーシングに統合された場合、２つの共通ケーシング内の圧力を実質的に同じに維持する為の手段を備えることができ、そして、このことはこれらのケーシングの間に伸びている管又は導管を有することにより達成することができる。代替案においては、第１、第２、第３及び第４のケーシングを全て単一の共通ケーシングに統合することもできる。
【００２５】
それぞれの組合せにおいてディスプレーサの真の正弦曲線運動を引き起こす機構を採用することにより、それぞれのケーシング内の体積は機械の動作に伴って変化せず、そして、それぞれのケーシング内の平均圧力を必要な値、機械の作用空間内の最低圧力よりわずかに低い値に維持することができる。
【００２６】
本発明の熱機械の上記の好ましい形態は、それぞれ第１及び第３の対のディスプレーサの為の、そして第２及び第４の対のディスプレーサの為の、直接的に連結された第１及び第２の相互連結機構を有する。第１及び第２の機構は、有利なことに、機械がスターリング機関として動作することを可能にする為に、同期動作の為に連結される。そのような機関の性能は、第１及び第２の機構の相対位相を調節することにより、第１及び第３の対のディスプレーサの間の位相角を第２及び第４の対のディスプレーサに対して調節する手段を備えることにより向上させることができる。また、位相調節を備えたスターリング機関は、第１及び第２の機構の相対位相の適切な調節により、機関の起動特性を向上することを可能にする。
【００２７】
上述のことから、最も好ましい形態においては、本発明は高温及び低温の対のディスプレーサを有するスターリング機関であって、
・ディスプレーサの運動を制御する機構であって、ディスプレーサの基本的に正弦曲線の運動を引き起こし、それにより、機構の為のケーシング内の体積を一定に維持する機構と、
・それぞれ高温の対のディスプレーサ及び低温の対のディスプレーサの為の２つの機構の位相を調節することにより、高温及び低温の対のディスプレーサの相対位相を調節する手段と、そして、
・複数のディスプレーサの機構から離れた側の作動流体の圧力及び機構の為のケーシング内の圧力の為の監視及び制御手段と、
を有する機関に関することが理解される。
【００２８】
作動流体の圧力を変化させることにより、スターリング機関の出力を制御することが知られている。一般的に、作動流体の圧力が高くなるにつれて達成可能な出力も高くなるが、当然ながら、機関のハウジング、クランク・ケーシング、及びシール等の強度のような他の機械的な要因により、最高圧力は限定される。上記の本発明のスターリング機関の出力は、作動流体内の絶対圧力を変化させることによっても制御することができるが、この場合、ケーシング内の圧力も本発明で規定される対応する方法で変化させるべきである。
【００２９】
上記手段の全てを採用することにより、自動作動可能であり、ディスプレーサのシールの通過後は作動流体の漏れを最小限に抑え、有用な出力作用を実現する為に効果的に運転される、スターリング機関の実用的な実施形態を作成することが可能になる。したがって、本発明は、ディスプレーサの両側の作動流体内の圧力が監視及び制御され、そして、高温及び低温の対のディスプレーサの相対位相が機関の性能及び回転運動の向きを最適化する為に調節される、そのようなスターリング機関を運転する方法にも関する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】図１Ｃの切断線Ａ−Ａによる、４つの高温のピストン及びシリンダーの組合せと、４つの低温のピストン及びシリンダーの組合せと、を有するスターリング機関の第１の実施形態の概略断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｃの切断線Ｂ−Ｂによる、４つの高温のピストン及びシリンダーの組合せと、４つの低温のピストン及びシリンダーの組合せと、を有するスターリング機関の第１の実施形態の概略断面図である。
【図１Ｃ】４つの高温のピストン及びシリンダーの組合せと、４つの低温のピストン及びシリンダーの組合せと、を有するスターリング機関の第１の実施形態の概略断面図である。
【図２Ａ】図１に図示される装置と比較して、高温及び低温のピストン及びシリンダーの組合せの位相を変化させる為の代替機構を示す概略図である
【図２Ｂ】図２Ａの機構で使用される調節スラグの側面図である。
【図２Ｃ】図２Ａの機構で使用される調節スラグの端面図である。
【図２Ｄ】図２Ａの機構の軸の端部を通る断面図である。
【図２Ｅ】図２Ａの機構の軸の端部の端面図である。
【図３】図２の位相制御装置により改良されている、図１の機関内の流体圧力の電子制御装置を示す概略図である。
【図４】図２の位相制御装置により改良されている、図１の機関内の流体圧力の機械的制御装置を示す概略図である。
【図５Ａ】図１と比較して、代替偏心機構を有する代替ピストン及びシリンダーの組合せの横断面図である。
【図５Ｂ】図１と比較して、代替偏心機構を有する代替ピストン及びシリンダーの組合せの軸方向断面図である。
【図５Ｃ】図５Ａ及び５Ｂの機関の偏心機構に使用されているピストン・ドライバーの三面投影図である。
【図５Ｄ】図５Ａ及び５Ｂの機関の偏心機構に使用されているピストン・ドライバーの三面投影図である。
【図５Ｅ】図５Ａ及び５Ｂの機関の偏心機構に使用されているピストン・ドライバーの三面投影図である。
【図５Ｆ】図５Ａ及び図５Ｂの機関に使用されている偏心部材の軸方向図である。
【図５Ｇ】図５Ａ及び図５Ｂの機関に使用されている偏心部材の端面図である。
【図５Ｈ】図５Ａ及び図５Ｂの機関に使用されている出力軸の軸方向図である。
【図５Ｊ】図５Ａ及び図５Ｂの機関に使用されている出力軸の端面図である。
【図６Ａ】図１と相違し、結合された出力軸を有していない、偏心機構を使用する代替ピストン及びシリンダーの組合せの横断面図である。
【図６Ｂ】図１と相違し、結合された出力軸を有していない、偏心機構を使用する代替ピストン及びシリンダーの組合せの軸方向断面図である。
【図６Ｃ】図６Ａ及び図６Ｂの機関に使用されている偏心部材の軸方向図である。
【図６Ｄ】図６Ａ及び図６Ｂの機関に使用されている偏心部材の端面図である。
【図７Ａ】出力軸及び偏心機構の両方が外側に歯が付いた歯車を備えている、２組のピストン及びシリンダーの組合せを有するもう１つの装置の概略断面図である。
【図７Ｂ】出力軸及び偏心機構の両方が外側に歯が付いた歯車を備えている、２組のピストン及びシリンダーの組合せを有するもう１つの装置の概略断面図である。
【図７Ｃ】図７Ａ及び図７Ｂの装置の偏心部材の側面図である。
【図７Ｄ】図７Ａ及び図７Ｂの装置の偏心部材の端面図である。
【図７Ｅ】図７Ａ及び図７Ｂの装置の出力軸の側面図である。
【図７Ｆ】図７Ａ及び図７Ｂの装置の出力軸の端面図である。
【図７Ｇ】図７Ａ及び図７Ｂの装置に使用されている滑り線形要素の三面図である。
【図７Ｈ】図７Ａ及び図７Ｂの装置に使用されている滑り線形要素の三面図である。
【図７Ｊ】図７Ａ及び図７Ｂの装置に使用されている滑り線形要素の三面図である。
【図８Ａ】クランクケース及び偏心部材に固定された内側歯車を有する、図７Ａ及び図７Ｂの装置の改良形態を示す図である。
【図８Ｂ】クランクケース及び偏心部材に固定された内側歯車を有する、図７Ａ及び図７Ｂの装置の改良形態を示す図である。
【図８Ｃ】これらの固定歯車とかみ合って２：１の比率を与え、そして出力軸とかみ合う外歯車を示す図である。
【図８Ｄ】これらの固定歯車とかみ合って２：１の比率を与え、そして出力軸とかみ合う外歯車を示す図である。
【図８Ｅ】機構のバランスを保つカウンターウェイトを示す図である。
【図８Ｆ】機構のバランスを保つカウンターウェイトを示す図である。
【図８Ｇ】歯車の相互接続を示す部分断面図である。
【図８Ｈ】歯車の相互接続の更なる詳細を示す図である。
【図９Ａ】機構のバランスを改善する為にカウンターウェイトを備えている、ＷＯ９６／２３９９１号公報の機構の改良形態を示す図である。
【図９Ｂ】機構のバランスを改善する為にカウンターウェイトを備えている、ＷＯ９６／２３９９１号公報の機構の改良形態を示す図である。
【図９Ｃ】図９Ａ及び図９Ｂの機構の詳細を示す端面図である。
【図９Ｄ】図９Ａ及び図９Ｂの機構の詳細を示す断面図である。
【図９Ｅ】図９Ａ及び図９Ｂの機構の詳細を示す端面図である。
【図９Ｆ】図９Ａ及び図９Ｂの機構の詳細を示す断面図である。
【図１０Ａ】出力軸及び偏心部材上にかみ合う外歯車を備えている、図９Ａから図９Ｆの機構の改良形態を示す図である。
【図１０Ｂ】出力軸及び偏心部材上にかみ合う外歯車を備えている、図９Ａから図９Ｆの機構の改良形態を示す図である。
【図１０Ｃ】出力軸及び偏心部材上にかみ合う外歯車を備えている、図９Ａから図９Ｆの機構の改良形態を示す図である。
【図１０Ｄ】出力軸及び偏心部材上にかみ合う外歯車を備えている、図９Ａから図９Ｆの機構の改良形態を示す図である。
【図１０Ｅ】出力軸及び偏心部材上にかみ合う外歯車を備えている、図９Ａから図９Ｆの機構の改良形態を示す図である。
【図１１Ａ】ディスプレーサの真の正弦曲線運動を引き起こす、対のディスプレーサを出力軸と接続する為の代替機構の概略図である。
【図１１Ｂ】ディスプレーサの真の正弦曲線運動を引き起こす、対のディスプレーサを出力軸と接続する為の代替機構の概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
単なる実施例として、本発明の様々な側面により構成されており配置されているスターリング機関、往復ピストン機構及び他の機関及びポンプの特定の実施形態を、添付の図面を参照にして、以下に詳細に記載する。
【００３２】
以下に記載される熱機械は、上述のＷＯ９６／２３９９１号公報に記載の機構の発展である機構を含むものである。これらの機械のいくつかはスターリング機関として動作することを意図とし、他の機械は流体を移動する為に機械的エネルギー入力を必要とするポンプとして動作することができ、そして、その他の機械は発電機として動作することができる。以下に記載の機械に組み込まれている偏心機構の基本的な動作原理は、ＷＯ９６／２３９９１号公報に記載されている通りであっても改良形態であっても、ＷＯ９６／２３９９１号公報を参照すべきである。
【００３３】
まず図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃを参照すると、一組の４つの高温のピストン及びシリンダーの組合せ１５と、一組の４つの低温のピストン及びシリンダーの組合せ１６と、を有するスターリング機関が示されており、それぞれの組のピストン及びシリンダーの組合せは９０度の円弧の角度間隔で配置されている。それぞれの組において、対向する一対のピストン１８の間に伸びている硬質の接続要素１７を有する２つの対向するピストン及びシリンダーの組合せが備えられ、それぞれの接続要素が中央円形開口１９を有する。（ＷＯ９６／２３９９１号公報により詳しい詳細が記載されている）偏心機構２０は、ピストン及びシリンダーの組合せのシリンダーを保持するケーシング２１内に回転可能に配置され、そして、接続要素１７の開口１９に受け入れられている各々の偏心部材２２を有する。それぞれの機構２０の偏心部材２２は、図１Ａから分かるように、又は代替偏心機構を示す図５（特に図５Ｆ及ぶ図５Ｇ）から分かるように、１８０度位相をずらして配置されている。
【００３４】
図１Ａに示されているように、偏心機構２０の回転運動は、他の一対のピストンに対して９０度の位相角で動作する一対のピストン１８を有し、したがって、一対のピストンがそれぞれ下死点及び上死点に配置されている時（図１Ａのピストン１８Ｃ及び１８Ｄ）、他の一対のピストンがストロークの中間に配置される（ピストン１８Ａ及び１８Ｂ）。
【００３５】
それぞれの機構２０の偏心部材２２は、偏心部材２２の外表面に対して偏心する内側に歯が付いた穴２３を備え付けられ、そして、偏心部材は接続要素の円形開口１９内に受け入れられる。出力軸２４は、ケーシング２１内にはまり合い、そして、偏心部材の内側に歯が付いた穴２３とかみ合う外側に歯が付いた歯車２５を有する。出力軸２４の周りの偏心部材の回転運動は出力軸の回転を引き起こし、機械から出力を引き出すことを可能にする。
【００３６】
上述のように、図１の機構はスターリング機関、即ちスターリング・サイクルに近似するサイクルで動作する機関として構成される。一組の高温のピストン及びシリンダーの組合せ１５は、（図示されていない）熱交換器内に配置され、使用時に熱交換器に供給された熱がこれらのピストン及びシリンダーの組合せ１５に移動する。同様に、一組の低温のピストン及びシリンダーの組合せ１６は、（図示されていない）他の熱交換器内に配置され、これらのピストン及びシリンダーの組合せ１６から熱が引き出される。作動流体の為の移動管２７は、高温及び低温の組の位置合せされたピストン及びシリンダーの組合せをそれぞれ相互接続するので、図１Ｂから良く分かるように、４つのそのような移動管２７が備えられる。それぞれの移動管内に、（図示されていないが、当業者には周知の方法の）再生器が備えられ、上述のように、再生器は実質的に、機関の動作中に作動流体が通過する一時的な熱貯蔵である。
【００３７】
高温及び低温のピストン及びシリンダーの組合せの間を流体が移動するスターリング機関の一般的な動作は、機械的な装置は上述されていないが、スターリング機関の技術分野においては周知であるから、ここで詳細には記載しない。
【００３８】
いわゆるアルファ・スターリング機関においては、相互接続された高温及び低温シリンダーのピストンは通常９０度位相がずれている一対を構成するが、位相角のずれの調節を可能にする機構を備えることは周知である。図１の装置においては、（高温及び低温のピストン及びシリンダーの組合せの）２つの出力軸２４が同軸に位置合せされ、それらの直面する端部がかさ歯車２８を備え、そして、かさ歯車２８にかみ合う更なるかさ歯車３０を備えた駆動軸２９が備えられる。駆動軸２９は、２つの出力軸２４の軸の周りの回転運動の為に取り付けられた運搬装置３１上に取り付けられる。ケーシング２１に対する運搬装置３１の位置の角度調節が、２つの出力軸２４の位相を調節し、同様に、高温及び低温のピストン及びシリンダーの組合せのそれぞれと結合する偏心機構２０の相対位相も調節する。
【００３９】
図２Ａには、高温及び低温のピストン及びシリンダーの組合せの位相角のずれを変更する為の代替機構が示されており、図２Ｂから図２Ｅには、その代替機構の構成部品が示されている。
【００４０】
（図１の実施形態の出力軸２４に相当する）２つの出力軸３５及び３６は、図２Ｄ及び図２Ｅに示されているように、穴内にらせん状に伸びている正方形断面溝を備える、並目ねじ穴３７を有する。（図２Ａにおいて）左側の出力軸の穴のねじ山は右回りであり、右側の出力軸においては左回りである。出力軸３５、３６はそれぞれ、そのねじ山部分３７を超えて軸内により深く軸方向に伸びている止まり穴３９を有する。調節スラグ４０（図２Ｂ及び図２Ｃ）は、２つの出力軸の左回り及び右回りのねじ穴とそれぞれ協働するように配置されたらせん状のリブ４１により規定される外側ねじ付き端部を有し、そして、スラグ４０は、スラグから軸方向に伸びており止まり穴３９内に受け入れられるピストン４２を有している。Ｏリングのようなシールが、ピストン４２の自由端に備えられる。
【００４１】
スラグ４０の中央領域の周りに環状溝４３Ａ、４３Ｂが形成され、環状溝４３Ａは、（図２Ａにおいて）スラグ及びそのピストン４２の左側に伸びており、ピストンの端部及び関連する止まり穴３９の間の空間に通じている軸方向通路と連絡している。同様に、環状溝４３Ｂは、スラグ及びそのピストン４２の右側に伸びており、ピストンの端部及び関連する止まり穴３９の間の空間に通じている軸方向通路と連絡している。弁部材４４が、スラグの中央領域の周りに滑動可能に取り付けられ、そして、加圧下の流体の為の送り管４４Ａ及び戻り管４４Ｂが弁部材４４に接続される。弁部材４４の為の制御装置が備えられ、それにより、弁部材はスラグ４０に対して軸方向に移動することができる。この方法により、加圧下の流体を、スラグを右側に移動させる為に、スラグの左側のピストン及び止まり穴の間の空間に供給することもでき、又は、スラグを左側に移動させる為に、スラグの右側のピストン及び止まり穴の間の空間に供給することもできる。左側又は右側へのスラグの軸方向運動は、出力軸３５及び３６上の反対回りのねじ山及び出力軸と係合するスラグ４０を考慮して、出力軸３５及び３６の間の相対角度が変化することを引き起こすと理解される。２つの出力軸の間のねじ調節器の他の装置を採用することもできる。
【００４２】
上述のように、スターリング機関に関連するいくつかの周知の問題が存在する。これらの問題の１つが、ピストン・シール通過後の、そしてまた出力軸からケーシングのシール通過後の作動流体の漏れである。作動流体が空気であった場合、このことは単に効率の損失の原因となるが、作動流体として水素又はヘリウムを使用することによりはるかによい効率を達成することができる。しかし、そのような低分子量の気体の漏れを防止することはさらに困難になる。さらに、失われたこの種の気体を補給する為にはより多くの費用がかかる。
【００４３】
上述の機械は、偏心機構の周りに密閉されたケーシングを備え、そして、どのピストンにおいても圧力低下を最小値に維持することを要求することにより、この問題を解決する。それぞれの組の４つのピストン及びシリンダーの組合せは、対抗する一対として配置された組合せを有し、密閉されたケーシング内の圧力変化は最小限に抑えられる。１つのピストンが下死点から上死点に移動すると、１８０度反対のピストンが上死点から下死点に移動し、したがって、ケーシング内の全体積は変化しないが、動的に動作している時は、ケーシング内の気体の移動により、実際にケーシング内で圧力変化が起こる。この効果は、上述の偏心機構を使用することにより、ケーシング内に収容される体積を最小限に抑えることが可能になるので、最小限に抑えられる。さらに、偏心機構が、慣習的なクランク及び接続ロッド装置の場合と異なり、ピストンの運動が真の正弦曲線になるように制御する。
【００４４】
ケーシング内の圧力とは反対に、作動流体が高温のピストン及びシリンダーの組合せから低温のピストン及びシリンダーの組合せに、又はその逆に、移動すると、ピストンの偏心機構から離れた側の作動流体の圧力は変化する。このことはピストン通過後の多少の漏れの原因となるが、その漏れを最小限に抑える為に、それぞれのケーシング内の圧力と同様にそれぞれの移動管内の圧力が監視され、そして、ケーシングの圧力は、移動管の圧力との圧力差を狭帯域内に維持する為の必要に応じて、漏れを最小限に抑える為に調節される。原則としてケーシング内の圧力は常に移動管内の圧力よりわずかに低くなるべきであり、それにより、作動流体の漏れは全て、ピストンの偏心機構から離れた側からケーシング内へ起こる。
【００４５】
図１において、一組の高温のピストン及びシリンダーの組合せ及び低温のピストン及びシリンダーの組合せのそれぞれのケーシングの圧力タップ４６及び４７、並びに移動管の圧力タップ４８が示されている。これらのタップは制御装置４９に接続され、該制御装置は、測定された圧力を比較し、圧力差を所定の帯域に維持する為に、（必要に応じて）ケーシング又は作用空間内にさらに流体を送り込むか、ケーシング又は作用空間から流体を引き出す。制御装置４９は、（図示されていない）適切な弁装置と共に作動流体の供給源及びポンプを含み、ケーシング内の圧力を移動管内で発生する最低圧力よりもわずかに低く維持する目的で、必要な空間内に流体を送り込み、又は必要な空間から流体を引き出すことができる。
【００４６】
次に図３を参照すると、図１の機械に基づくが図２の位相調節機構により改良された機械が示されている。図３には、電子圧力制御装置の詳細も含まれる。
【００４７】
圧力変換器５１がケーシングの圧力タップ４６、４７に接続され、そして、典型的にはマイクロコンピュータ又はＰＬＣの形の制御装置４９に電気入力を提供する。同様に、更なる圧力変換器５２が移動管の圧力タップ４８に接続され、そして、制御装置４９に電気入力を提供する。ケーシング及び移動管のそれぞれに更なる圧力タップ５３及び５４が備えられ、そのような更なる圧力タップのそれぞれに個別の３位置弁５５が備えられる。
【００４８】
システムは、低圧貯蔵タンクから高圧貯蔵タンクへ流体を移動する為に配置されたポンプ５８を備えた低圧流体貯蔵タンク５６及び高圧流体貯蔵タンク５７を含み、ポンプは随意的に機械の出力軸２４から駆動される。２つの貯蔵タンクの流体圧力差が所定値を超えないことを保障する為に、圧力バイパス弁５９がポンプを越えて配置される。
【００４９】
高圧流体貯蔵タンクは管６０を通じて３位置弁５５の一面に接続し、低圧流体貯蔵タンクは管６１を通じて３位置弁の他の面に接続し、制御装置４９は必要に応じて３位置弁のそれぞれに制御信号を提供する。この制御信号は、関連する弁を閉鎖された設定に維持することができ、又は、高圧貯蔵タンクから関連する空間内に圧力タップを通して流体を送り込むことを可能にするか、その空間から低圧貯蔵タンクに流体が流出することを可能にすることができる。
【００５０】
制御装置４９は、ケーシング及び移動管の圧力変換器からの入力を監視し、ピストンの作用空間からケーシング内への作動流体の漏れが最小限に抑えられることを保障する為に、作動流体及びケーシング内の圧力体制を維持する為に、３位置弁５５への出力を提供するようにプログラムされている。圧力差を所定の最小値に維持することにより、漏れを最小限に抑えることができる。ピストン通過後の漏れによりケーシング内の圧力が上昇すると、そしてまた、動作時の温度上昇によって、これらのケーシングから流体が流出される。ピストン通過後の漏れにより作動流体内の圧力が低下すると、作用空間内に流体が流入する。偏心機構の使用が、ケーシング内の体積が最小化され、対向する対のピストンの運動が正確に正弦曲線になることを可能にする。そのようにして、ケーシング内の圧力変化が最小化され、そして、機械の動作に伴って作動流体内の圧力は変化するが、ケーシングの圧力は作動流体の最低圧力より下に容易に維持されることができる。制御装置４９は、この結果を達成する為に適切なアルゴリズムにより機能することができる。
【００５１】
図３には、制御装置４９に出力を提供する軸位置エンコーダ６２、及び、制御装置４９により駆動されるスラグ４０の位置を制御する為の（図式的に示されている）位相角作動装置６３も示されている。以下に記載するように、これらは機関の起動を補助する為に備えられている。
【００５２】
図４には、制御装置４９が弁室６４により置き換えられている装置が示されており、該弁室は、個別の電子制御装置を備える必要なく、機械内に広がっている様々な圧力だけに基づいて動作する。図示されているように、弁室は８つの自動感圧弁を含むが、これらの中の６つだけが機械に接続するように図示されている。それぞれの弁は一方向弁であり、通常は閉鎖されているが、弁をわたる圧力差が所定値を超えた時に開放される。低圧及び高圧流体貯蔵タンク５６及び５７、ポンプ５８及び圧力バイパス弁５９の配置は、図３を参照にして記載した配置と全て同じである。図３の装置のような、圧力タップに結合する圧力センサー又は弁は備えられておらず、これらの圧力タップは弁室６４内の弁に再び接続されている。
【００５３】
図４に示されるような通常構成から、弁室内の通路６６が、図４に示される弁室内の５つの上部弁６７Ａ〜６７Ｅの出力側を相互接続し、そしてまた、３つの下部弁６８Ａ〜６８Ｃの入力側を相互接続する、起動構成に動作を切り替える為に、弁室に制御器６５が備えられている。その通常構成時には、通路６６は回路から外れており、５つの上部弁６７Ａ〜６７Ｅのそれぞれの出力側及び３つの下部弁６８Ａ〜６８Ｃのそれぞれの入力側は相互接続されていない。
【００５４】
図４の装置は、位相角作動装置６３を手段として、高温及び低温のピストン及びシリンダーの組合せの間の位相角を調節することと組み合わせて使用すると、機械の初期加圧の問題を解決することを可能にする。機械が低温で停止している時に、高温及び低温の対のピストンが１８０度位相がずれるように位相角が調節され、したがって、通常動作時の最大作動流体体積よりもわずかに大きい作動流体体積を取り囲む。真の正弦曲線運動を引き起こす偏心機構の結果として、静的位相角とは関係なく作動流体の体積は同一であるから、機械の全ての部分は、作動流体の為の動作設計圧力の所定の割合で設定される、共通の圧力を同時に加えられることができる。所定の割合は、様々な機関パラメータ、周囲温度、作動流体の種類等の関数に基づいている。
【００５５】
機械は弁室の制御器６５を起動構成に設定することにより起動され、そして、機械に熱が加えられ、それにより、作動流体の圧力及び温度が上昇する。同時に、その作動流体のケーシングへの多少の漏れが起こり、それにより、ケーシング内の圧力が上昇する。その後、弁室の制御器６５を通常の動作位置に移動すると共に、高温のピストン及びシリンダーの組合せ及び低温のピストン及びシリンダーの組合せの間の位相角を１８０度から必要な回転方向に応じた作用角、典型的には９０度又は約９０度又は２７０度又は約２７０度に移動すると、回転が開始する。その後、機械の動作が開始され、安定した閉回路内の自動圧力調節と共に継続する。
【００５６】
図５には、ＷＯ９６／２３９９１号公報及びその明細書に記載の機構の改良が示されており、ただ一組の４つのピストン及びシリンダーの組合せが図示されている。ここで、２つの偏心部材７０が互いに隣接して、共通軸７１上であるが互いに１８０度位相がずれて、取り付けられ、共通軸７１上に２つの外側に歯が付いた歯車７２が、一対の偏心部材（図５Ｆ及び図５Ｇ）のそれぞれの脇に１つずつ備えられる。それにより偏心部材が協働する２つの出力軸７３は図５Ｈ及び図５Ｊに明確に示されている。出力軸７３は、歯車７２の１つとかみ合う内側に歯が付いたハブ７４を備え、そして、もう１つの歯車７２とかみ合う第２の同様の出力軸７３が備えられる。図５Ｃ〜図５Ｅには、機構の２つの線形滑り要素７５の１つが示されており、線形滑り要素は偏心部材７０の１つが受け入れられる円形中央開口７６を有する。
【００５７】
図５の機構においては、歯車７２及び内側に歯が付いたハブ７４の歯車比が２：１ではないことが重要である。もしそうであった場合、出力軸７３に回転運動は伝えられないが、その他の歯車比を有していることにより、回転運動が起こる。
【００５８】
図６には、ＷＯ９６／２３９９１号公報の機構のもう１つの改良形態が示されており、図６の装置には出力軸が含まれていないので、同様に２つの偏心部材７８に結合する歯車も存在しないこと以外は、図５を参照して上述した機構に大まかに対応している。この実施形態においては、偏心部材は、図５Ｃ〜図５Ｅに図示されている滑り要素と正確に対応する、互いに９０度の角度で軸に沿って動作する滑り要素７５の開口７６内で回転する。この機構は回転出力を産出することを意図していないが、その代わりにポンプの基礎を形成することができ、２つのピストン及びシリンダーの組合せが出力を産出し、他の２つのピストン及びシリンダーの組合せが第１の２つのピストン及びシリンダーの組合せにより駆動されるポンプ室の役割を果たす。代替案においては、機構は、全ての４つのピストン及びシリンダーの組合せが図１を参照にして記載した方法で出力を産出し、コイル７９が発電を可能にする適切な方法で滑り要素に隣接して配置されている、発電機として構成されることができる。
【００５９】
図７には、図５の機構と大体同様であるが、図７Ｃ及び図７Ｄに示されており、図５Ｆ及び図５Ｇの偏心部材に対応する偏心部材７０の外側歯車７２とかみ合う外側の歯７７を備えた出力軸７３（図７Ｅ及び図７Ｆ）を有する、もう１つの機構が示されている。滑り要素（図７Ｇ、図７Ｈ及び図７Ｊ）は上述の滑り要素と基本的には同様であるが、図５の実施形態と比較して異なる割合で作成されている。その他の面においては、図７の機構は図５の実施形態の機構と大体対応しているので、更なる詳細はここでは記載しない。
【００６０】
図８の機構は、図５の滑り要素と同様の一対の滑り要素を含む上述の機構と大まかに同様であるので、ここで再び記載はしないが、これらは図８Ａ及び図８Ｂに示されている。滑り要素の中央開口が図８Ｃ及び図８Ｄに示されているそれぞれの偏心部材を受け入れており、そして、外側に歯が付いた歯車８０がスタブ軸８２により隣接する偏心部材８１から軸方向に間隔を置いて配置されること以外は、これらは基本的には図５の実施形態と同様である。この実施例においては、それぞれの歯車８０は組み立てを可能にする為にそのスタブ軸８２から分離可能でなければならないが、この接続の詳細は本発明にとって重要ではないのでここでは記載しない。
【００６１】
この機構の出力軸は図８Ｅ及び図８Ｆに記載されている。出力軸８３は、機構の内部のカウンターボアを規定するケーシング８４（図８Ｇ及び図８Ｈ）内にはまり合い、このカウンターボアが内側の歯を備えている。スタブ軸８２は、出力軸の一部であるカウンターウェイト８６に形成された穴８５内に運び込まれる。歯車８０は、出力軸の主要部８３をカウンターウェイト８６と相互接続する突起８８内の、出力軸の陥凹部８７内に受け入れられる。したがって、外側の歯車８０の共通軸は２つの出力軸の軸に対して偏心している。
【００６２】
この機構の１つの側面の装置が図８Ｇ及び図８Ｈに示されている。図示されているように、外側に歯が付いた歯車８０が、出力軸の陥凹部８７内に受け入れられ、ケーシング８４のカウンターボア内の内側歯車とかみ合う。歯車８０と内側の歯の歯車比は、偏心部材８１が滑り要素７５により駆動され、歯車８０がケーシングの内側の歯の周りを移動して、回転軸を回転させるように、機構が動作する為に２：１でなければならない。出力軸が偏心部材８１により回転されるので、カウンターウェイト８６は偏心部材及び滑り要素の質量を相殺することを意図とする。
【００６３】
図９Ａ〜図９Ｆには、ＷＯ９６／２３９９１号公報に記載の機構と同様の機構が示されており、その機構には、位相がずれている隣接偏心部材９３、９４内に形成された内側歯車９２の歯とかみ合う外側に歯が付いた中央歯車９１を備えた単一の出力軸９０が備えられている。一対のカウンターウェイト９５、９６（図９Ｃ及び図９Ｄ）が出力軸９０上に、出力軸の中央歯車９１のそれぞれの側に１つずつはまり合い、そして、図９Ｅ及び図９Ｆに示されているように、出力軸と偏心部材の間の歯車接続を収容するような外形を有する。カウンターウェイトは出力軸９０の周りの一致した回転の為にピン９７により互いに接続され、それぞれのカウンターウェイトと隣接するクランクケースの間にはボールレース９８が備えられている。
【００６４】
偏心部材９３、９４は、偏心部材とカウンターウェイトの間に、中央歯車のそれぞれの側に１つずつ配置されたボールレース９９上に支持される。それぞれのカウンターウェイトは中心がずれている釣合い重りを有し、該釣合い重りが、偏心部材９３、９４の回転と同期して出力軸の軸の周りを回転し、したがって、カウンターウェイトが偏心部材と出力軸を連結して、該釣合い重りが滑り要素と偏心部材の往復質量と平衡を保つ役目を果たす。
【００６５】
図１０Ａ〜図１０Ｅの装置は図９実施形態の装置と概念が多少似ている装置であるが、ここでは、それぞれの偏心部材１０８、１０９の脇に１つずつ配置された外側歯車１０６，１０７をそれぞれが支持する、２つの出力軸１０４、１０５が備えられる。これらの外側歯車１０６、１０７はそれぞれ、偏心部材と結合する外側に歯が付いた歯車１１０、１１１とかみ合う。それぞれの出力軸はそれぞれのカウンターウェイト１１２、１１３を支持し、該カウンターウェイトが、出力軸と関連する偏心部材のそれぞれのかみ合った外側歯車を受け入れる半径方向溝を有し、偏心部材の歯車が、カウンターウェイト内にはまり合うスタブ軸１１４を有する。
【００６６】
動作において、偏心部材は滑り要素の往復運動により駆動されるので、偏心部材は出力軸の軸の周りを回転する。それにより関連する偏心部材の歯車１１０、１１１が回転して出力軸の歯車１０６、１０７を駆動し、それにより出力軸の回転が生じる。さらに、出力軸の周りの偏心部材の運動は、偏心部材の回転と同期してカウンターウェイトが回転することを引き起こし、したがって、カウンターウェイトが偏心部材と出力軸を連結して、往復質量と平衡を保つ。
【００６７】
図１１Ａ及び図１１Ｂには、上述の２つの偏心機構とは異なる機構であって、対のディスプレーサ及び出力軸を相互接続する為の機構が示されている。図１１Ａ及び図１１Ｂの機構は、スコッチ・ヨーク連結に基づいており、出力軸の回転によりディスプレーサの真の正弦曲線運動を引き起こす。
【００６８】
図１１Ａ及び図１１Ｂにおいては、上述の実施形態のように、複数対のディスプレーサ１２０が取付具１２１上に支持され、それぞれの対のディスプレーサがそれぞれの位置合せされた穴１２２内を移動し、該穴が互いに直角の軸を有する。それぞれの取付具の中央には、取付具の長さ方向に対して９０度に伸びている細長い穴を規定する枠１２３が備えられ、したがって、２つの取付具の２つの細長い穴は互いに対して９０度に伸びている。出力軸１２４は機構のケーシング１２５内にはまり合い、出力軸１２４に固定されたカウンターウェイト・ウェブ１２７上のクランクピン１２６を支持している。ディスプレーサのそれぞれの穴内への軸方向運動が出力軸１２４の回転を引き起こすが、ディスプレーサの運動はスコッチ・ヨーク連結により真の正弦曲線運動になるように制御される。その結果、スコッチ・ヨーク連結を収容するケーシング内の体積は、ディスプレーサの往復運動にもかかわらず、変化しない。同様に、このことがケーシング内の平均圧力が一定に維持されることを可能にし、ケーシング内の圧力はディスプレーサの反対側の作動流体の最低圧力よりもわずかに低くなるように制御されることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１５  高温のピストン及びシリンダーの組合せ
１６  低温のピストン及びシリンダーの組合せ
１７  接続要素
１８  ピストン
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ  ピストン
１９  １７の中央円形開口
２０  偏心機構
２１  ケーシング
２２  偏心部材
２３  ２２の内側に歯が付いた穴
２４  出力軸
２５  ２４の外側に歯が付いた歯車
２７  移動管
２８  かさ歯車
２９  駆動軸
３０  かさ歯車
３１  運搬装置
３５  出力軸
３６  出力軸
３７  ねじ穴、ねじ山部分
３９  止まり穴
４０  スラグ
４１  らせん状のリブ
４２  ピストン
４３Ａ、４３Ｂ  環状溝
４４  弁部材
４４Ａ  送り管
４４Ｂ  戻り管
４６  圧力タップ
４７  圧力タップ
４８  圧力タップ
４９  制御装置
５１  圧力変換器
５２  圧力変換器
５３  圧力タップ
５４  圧力タップ
５５  ３位置弁
５６  低圧流体貯蔵タンク
５７  高圧流体貯蔵タンク
５８  ポンプ
５９  圧力バイパス弁
６０  管
６１  管
６２  軸位置エンコーダ
６３  位相角作動装置
６４  弁室
６５  制御器
６６  通路
６７Ａ、６７Ｂ、６７Ｃ、６７Ｄ、６７Ｅ  上部弁
６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃ  下部弁
７０  偏心部材
７１  共通軸
７２  歯車
７３  出力軸
７４  内側に歯が付いたハブ
７５  線形滑り要素
７６  ７５の円形中央開口
７８  偏心部材
７９  コイル
８０  外側に歯が付いた歯車
８１  偏心部材
８２  スタブ軸
８３  出力軸
８４  ケーシング
８５  ８６の穴
８６  カウンターウェイト
８７  陥凹部
８８  突起
９０  出力軸
９１  中央歯車
９２  内側歯車
９３  偏心部材
９４  偏心部材
９５  カウンターウェイト
９６  カウンターウェイト
９７  ピン
９８  ボールレース
９９  ボールレース
１０４  出力軸
１０５  出力軸
１０６  外側歯車
１０７  外側歯車
１０８  偏心部材
１０９  偏心部材
１１０  外側に歯が付いた歯車
１１１  外側に歯が付いた歯車
１１２  カウンターウェイト
１１３  カウンターウェイト
１１４  スタブ軸
１２０  ディスプレーサ
１２１  取付具
１２２  穴
１２３  枠
１２４  出力軸
１２５  ケーシング
１２６  クランクピン
１２７  カウンターウェイト・ウェブ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｊ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｊ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図８Ｈ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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