(57)【要約】  高圧ポンプ及びガス・タービンによって駆動される、動的に制御可能な液圧出口を有する熱機関であって、圧力容器１、蓋部１．１、可動隔壁２、ガス作動空間４、液体作動空間５、及び復熱装置７を有し、封止部１．４が、圧力容器１と蓋部１．１の間に設けられ、隔壁２が、圧力容器１の内部空間において、ヒダ状膜３に運動可能に取り付けられ、ヒダ状膜は、蓋部１．１に取り付けられ、隔壁２が、圧力容器１の内部空間をガス作動空間４と液体作動空間５に分割し、ガス作動空間４が、圧力容器１のうちのより大きい区域を占め、前記ガス作動空間４が、ヒダ状透過膜４．４によって囲まれ、さらに、成形部品１．８が、圧力容器内に配置され、成形部品１．８により、圧力容器１のシェルと成形部品１．８の間に案内される外側ガス通路１０が画定され、一方、周縁ガス通路４．３が、成形部品１．８とヒダ状膜３の間、さらに第１の透過膜４．５と隔壁２の間に位置付けられ、ガス作動空間４が、体積の９９％を超える多孔度を有する固体材料で作成される微細構造体４．１で充填され、且つ復熱装置７が連結される第２の透過膜４．６によって囲まれ、復熱装置７の空間には、熱伝達媒体の入口／出口８．１に連結された熱交換器８が配置され、復熱装置７が、成形部品１．８によってさらに囲まれ、且つ第２の透過膜４．６によってガス作動空間４から隔てられ、外側ガス通路１０が、ガス作動空間４との連結とは反対側で、復熱装置７の空間へと通され、外側ガス通路が、空気圧アクチュエータ６のチャンバ６．１に連結され、チャンバ６．１には、内側ガス通路１０．１がさらに通され、内側ガス通路１０．１は、周縁ガス通路４．３に連結される、熱機関。
2019531441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ポンプ及びガス・タービンによって駆動される熱機関であって、動的に制御される出口を備え、且つ圧力容器（１）と、蓋部（１．１）と、可動隔壁（２）と、ガス作動空間（４）と、液体作動空間（５）と、復熱装置（７）とを有する熱機関において、
封止部（１．４）が、前記圧力容器（１）と前記蓋部（１．１）の間に設けられ、
前記隔壁（２）が、前記圧力容器（１）の内部空間において、ヒダ状膜（３）に運動可能に取り付けられ、前記ヒダ状膜（３）は、前記蓋部（１．１）にさらに取り付けられ、
前記隔壁（２）が、前記圧力容器（１）の内部空間を前記ガス作動空間（４）と前記液体作動空間（５）に分割し、
前記ガス作動空間（４）が、前記圧力容器（１）の内部空間のより大きな区域を占め、
前記ガス作動空間（４）が、前記第１の隔壁の区域でヒダ状透過膜（４．４）によって取り囲まれ、さらに、成形部品（１．８）が前記圧力容器内に配置され、前記成形部品（１．８）により、前記圧力容器（１）のシェルと前記成形部品（１．８）の間に導かれる外側ガス通路（１０）が画定され、  一方、周縁ガス通路（４．３）が、前記成形部品（１．８）と前記ヒダ状膜（３）の間、さらに第１の透過膜（４．５）と前記隔壁（２）の間に位置付けられ、
前記ガス作動空間（４）が、体積の９９％を超える多孔度を有する固体材料で作られた微細構造体（４．１）で充填され、且つ復熱装置（７）が連結される第２の透過膜（４．６）によって取り囲まれ、前記復熱装置（７）の空間には、熱伝達媒体の入口／出口（８．１）に連結された熱交換器（８）が配置され、
前記復熱装置（７）が、前記成形部品（１．８）によってさらに取り囲まれ、且つ前記第２の透過膜（４．６）によって前記ガス作動空間（４）から隔てられ、前記外側ガス通路（１０）が、前記ガス作動空間（４）への連結とは反対側で、前記復熱装置（７）空間へと通され、前記外側ガス通路が、空気圧アクチュエータ（６）チャンバ（６．１）に連結され、前記チャンバ（６．１）には、内側ガス通路（１０．１）がさらに通され、前記内側ガス通路（１０．１）は、前記周縁ガス通路（４．３）に連結される
ことを特徴とする、熱機関。
【請求項２】
前記空気圧アクチュエータ（６）が、電気式エンジンの固定子（６．６）及び回転子（６．５）、並びにチャンバ（６．１）を有し、前記チャンバ（６．１）の内部には、ブレード（６．１１）及びガス整流器（６．１２）を備えたインペラ（６．３）が設けられ、前記インペラ（６．３）が、板ばね（６．４）によって前記電気式エンジンの前記回転子（６．５）のシャフトに連結され、前記電気式エンジンの前記回転子（６．５）が、磁気軸受（６．８）又は軸受（６．７）内に収容されることを特徴とする、請求項１に記載の熱機関。
【請求項３】
前記圧力容器（１）の前記シェルが、前記蓋部（１．１）と前記底部（１．３）の間に配置される中間部分（１．２）を構成し、前記底部（１．３）が、ディスペンシング・プレート（１．６）上に配置される円環部（１．５）に当接し、前記ディスペンシング・プレート（１．６）が、スタッド（１．７）によって前記蓋部（１．１）に連結され、さらに、前記封止部（１．４）が、前記蓋部（１．１）、前記中間部分（１．２）、及び前記底部（１．３）の間に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の熱機関。
【請求項４】
前記微細構造体（４．１）が、その体積全体を基準として９９％を超える多孔度を有し且つ１×１０−４〜０．０３ｇ  ｃｍ−３の密度である材料から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱機関。
【請求項５】
前記微細構造体（４．１）が、カーボン、セラミック及び金属マイクロファイバー及びナノファイバー、エアログラファイト、又はグラファイト・エアロゲルからなることを特徴とする、請求項１及び４に記載の熱機関。
【請求項６】
前記ヒダ状膜（３）が、ガスに対して不透過性であることを特徴とする、請求項１に記載の熱機関。
【請求項７】
前記微細構造体（４．１）が、互いから所定の距離に配置される複数のメッシュ（４．２）の間に配置され、前記メッシュが、前記隔壁の運動ベクトルに対して垂直な複数の面内に設けられ、且つ前記ヒダ状膜（４．４）の折り曲げ部に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の熱機関。
【請求項８】
前記メッシュ（４．２）が、カーボン、セラミック又は金属ファイバーからなり、その面内における前記メッシュ及び前記メッシュファイバーの互いの距離が、前記微細構造体（４．１）要素同士の平均距離の１００〜１０，０００倍の範囲内であることを特徴とする、請求項７に記載の熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大きな力の直線的動作が必要とされる作業活動向けに設計された、高圧ポンプ及びガス・タービンによって駆動される、動的に制御可能な液圧出口を有する熱機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱機関は、供給された物質のエネルギーが運動エネルギーに変換されるサイクル・プロセスを使用する。熱機関のエネルギー出力のトルク特性は、それを直接使用するのには必ずしも適していない場合があり、したがって、実際には、その必要性に応えるために調節される。この目的のために、動力伝達のためのいわゆるインターフェースが利用される。現在、大きな力の直線的動作が必要とされる機械の駆動及び作業活動において、動力伝達用液圧システムが一般に使用されている。
【０００３】
当技術分野の現在の慣行では、高圧ポンプは、駆動源として、電気式エンジン（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｎｇｉｎｅ）のような最も一般的な回転機械を使用する。より高出力で特別な用途の場合、又は利用可能な電気エネルギー源がない場合、内燃機関又はタービンが駆動装置として利用可能である。
【０００４】
ＨＥＡＴ  ＥＮＧＩＮＥ  ＷＩＴＨ  ＨＹＤＲＡＵＬＩＣ  ＯＵＴＰＵＴと題する、高圧ポンプ用の電気エネルギー源として使用される熱機関の一実施例が、国際特許出願公開第０２０７０８８７号に記載されている。この発明による液圧システムは、ピストンが繰り返し誘発する圧力サージが作動液をポンピングするよう働き、作動液の流れの機械的エネルギーを直線運動又は回転運動に変換するよう働くように構成及び構築される。このエンジンの動作のための熱エネルギーは、高温の煙道ガスから得られる。基本的な一実施例では、熱機関のシェルを使用して、高温の煙道ガスから作動ガスへと熱を伝達する。エンジン・シェルでは、高温の煙道ガスの側から、またエンジン内部の作動ガスの側から、薄板リブが、高温の煙道ガスから作動ガスへと熱を伝達するように配置される。作動ガスは、作動液を収容する主ポンプ・チャンバから弾力的に隔てられて、熱機関内で作動チャンバ内に気密封止される。作動チャンバは、ディスプレーサにより、２つの部分、上部分と下部分に分割される。ディスプレーサは、主ポンプ・チャンバ内の作動液に浸漬された電気式エンジンに連結されるシャフトに連結される。ディスプレーサは、作動チャンバを２つの部分、上部分と下部分に分割する。ディスプレーサの上向き及び下向きでのサイクル運動により、作動チャンバの上部と下部の体積が交互に変化し、それにより、好ましくは、あるステージにおいて、作動チャンバ部分の一方の体積は最小になり、他方の作動チャンバ部分の体積は最大になる。ディスプレーサの上に配置された作動チャンバの上部から出入りする作動ガスは、熱機関シェルを通って案内される。ここで、高温の煙道ガスにより、作動ガスに熱エネルギーが伝えられる。作動チャンバの上部で作動ガスの体積が最大になるフェーズにおいて、作動チャンバ全体の体積及び圧力は最大になる。作動ガスの膨張により、主ポンプ・チャンバ内の作動液に圧力が加えられ、この作動液は、その後、パイプラインによって主ポンプ・チャンバから強制排出される。作動液は、ポンプ・チャンバからパイプライン、逆洗弁、及び熱交換器を通って第１のコンテナへと流れる。作動液は、第１のコンテナから出力作動ユニットへと流れ、パイプラインを通って第２のコンテナへと流れ、そこから、別の逆洗弁及び冷却部を通ってポンプの主チャンバに戻るように流れる。アキュムレータにより、システムの圧力がエンジン内の圧力よりも高く保たれ、したがって、ディスプレーサが上向きに動くとき、ポンプ・チャンバでの圧力降下により、逆洗弁を通る作動液の流れが止まることがない。液圧システム全体において、コンテナのサイズ及び配管の直径は、エンジンから出力ユニットへとエネルギーを流すために必要な作動液の流れを可能にするのに十分な大きさでなければならない。動力源として作動液の周期的な圧力サージを利用する液圧ポンプを有する一実施例では、作動液は、入口では接線方向にポンピングされ、出口では接線方向又は軸方向にポンピングされる。ポンプを有するこの実施例では、作動液は、接線方向の入口を通ってポンプに入り、らせん状経路を通って、ポンプ出口が位置付けられたポンプの底面部へと流れる。ポンプの一方向の流れを保つために���ポンプからの液体の入口又は出口で逆洗弁が使用されてもよい。軸方向の出力部を有する液圧ポンプを有する熱機関の一実施例では、作動液は、ポンプの下方部を通ってポンプに入り、そこで、らせん状経路を通って接線方向の出口へと至る流れを提供する三次元エルボへとさらに流れる。この実施例は、エンジンを通る液体の流れの圧力と速度の間の依存関係において、構造的制限を伴う。これらの解決のための動的な出力制御は不可能である。
【０００５】
ヒート・ポンプとして有用なスターリング・エンジンが、国際特許出願公開第８２００３１９号に記載されている。この実施例では、作動容器が、作動ガスであるヘリウムで充填され、この容器は、下方端部では加熱され、その上方端部では冷却される。容器は、作動容器にフレキシブルに取り付けられたディスプレーサを収容する。ディスプレーサは、作動ガスを交互に加熱及び冷却するために、作動容器内で一方の側から他方の側へと作動ガスを変位させる。容器は、容器内で生成される圧力波を受けて屈曲するフレキシブル膜によって閉じられる。膜が屈曲するとき、膜は液圧チャンバ内の作動液を変位させ、リニア・オルタネータ及びガス圧縮機を制御するためのサーボモータを駆動する。
【０００６】
中国特許第１０３８８３４２５（Ｂ）号において、熱源として蓄熱体（ｈｅａｔ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）を有するスターリング・エンジンの液圧式伝動装置が開示されている。エンジンは、外側シェル内のヒート・コンテナ、加熱素子、熱交換システム、空気入口、蓄熱要素、スターリング・エンジン液圧式伝動要素、液圧パイプライン、液圧システム液体リザーバ、液圧エンジン、及び高温空気ダクトを含む。スターリング・エンジン液圧伝動装置の要素は、２ステップ・タイプのものである。
【０００７】
米国特許出願公開第２００２０７３７０３号において、特に自動車用の、ピストン・エンジンを有しないシステムが開示されている。システムは、少なくとも１つの液圧ポンプを含み、液圧ポンプのそれぞれには、第１の液体流路及び第２の液体流路が提供される。ピストンを有しないこの内燃機関は、燃焼シリンダ及び液圧シリンダを含む。低圧アキュムレータが、液体を介して液圧シリンダに連結される。第１の制御弁が、液圧シリンダに低圧アキュムレータを連結する。少なくとも１つの高圧アキュムレータが、液体を介して液圧シリンダに連結され、前記連結部には、少なくとも１つの第２の制御弁が提供される。第３の制御弁により、液圧シリンダが各ポンプの第１の液体通路に相互連結される。第４の制御弁が、液圧シリンダを各ポンプの第２の液体通路に連結する。第１の作動圧力容器は、各ポンプと第３の制御弁又は第４の制御弁との間に連結される。
【０００８】
国際特許出願公開第８４００３９９号には、作動液体によって駆動される作動ピストンが内部に設けられた作動チャンバの高温端部と低温端部の間で可動なディスプレーサを有する熱機関が開示されている。作動液作動ピストン・ポンプ及び液圧制御弁は、液圧出口パイプラインに連結され、したがって、前記弁は、作動液の流れを調整することができる。作動ピストンは、制御ユニットを使用して、ディスプレーサの運動とは独立して制御され得る。
【０００９】
国際特許出願公開第０００４２８７号には、ハウジングと、非圧縮性の液体を収容するチャンバとを有する運動発生装置が開示されている。ハウジングの開口は、可動要素によって密閉される。ハウジング内の、互いに対向する凸形のフレキシブルな壁部が、圧縮性ガスを収容する内部調節チャンバを形成する。これらの壁部の対向する端部は、運動変換装置、たとえばセラミック圧電部材を用いて、互いのほうに、また互いから離れるように動かされて、チャンバを圧縮及び減圧し、それにより、可動要素を動かし、出力運動を生じさせることができる。
【００１０】
国際特許出願公開第２００６０４４３８７号では、第１の低圧供給源から第２の高圧液体供給源へと液体をポンピングするためのポンプが開示されており、このポンプは、チャンバを有する。仕切り部材が、チャンバの中に運動可能に位置決めされ、体積が異なる第１のサブ・チャンバと第２のサブ・チャンバにチャンバを分割し、第１のサブ・チャンバは、第２の液体供給源又は第３の液体供給源に制御可能に連結された開口を有する。第２のサブ・チャンバは、第１の液体供給源及び第２の液体供給源に制御可能に連結された入口開口及び出口開口を有する。ポンプは、第１のサブ・チャンバの液体を冷却するための冷却装置をさらに含む。
【００１１】
液圧式動力伝達は、一般に、エンジンの機械的仕事を液体の位置エネルギー又は運動エネルギーに変化させるものである。これらの液圧システムは、３つの基本部分である、高圧ポンプ、液体流れ制御システム、及び液圧駆動装置又は液圧エンジンから構成される。この実施例による液圧システムでは、作動液の慣性及び実際的な非圧縮性により、作動液の流れを制御する過程で、圧力サージが発生する可能性がある。これらの現象を除去するには、技術的に要求が厳しく、費用のかかる解決策が必要とされる。パイプラインの配設、作動液の流れの制御及び圧力サージによる圧力損失により、システム全体の効率が下がり、耐用期間が短くなる。
【００１２】
熱エネルギーの外部供給源を有する熱機関は、技術的実施には以前から登場していた。燃焼機関の技術的改善に伴い、外部熱源を有する熱機関の利点が、それらの既存の解決策の構造的な難点に打ち勝つことがなくなった。技術的実施での課題は、主に、恒久的な内部過圧を有する装置からの機械的動力出力、及び機械的に高い負荷がかかる内部可動部品の必要性によって生じる。作動信頼性、気密性、及び点検のしやすさが十分に実現されていないことが、技術的実施でこのタイプのエンジンを使用する妨げになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際特許出願公開第０２０７０８８７号
【特許文献２】国際特許出願公開第８２００３１９
【特許文献３】中国特許第１０３８８３４２５（Ｂ）号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２０７３７０３号
【特許文献５】国際特許出願公開第８４００３９９号
【特許文献６】国際特許出願公開第０００４２８７号
【特許文献７】国際特許出願公開第２００６０４４３８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、高圧作動液出力部に通じる動的に制御可能な熱エネルギー伝動装置を有する装置を設計することを目的とする。こうした装置は、液圧出口、１つの液体チャンバ、及びガスで充填された１つの作動チャンバを有する熱機関であり、作動チャンバ内でのガスの運動は、空気圧アクチュエータによって制御することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の欠点は、高圧ポンプ及びガス・タービンによって駆動され、動的に制御される出口を有する熱機関であって、圧力容器、蓋部、可動隔壁、ガス作動空間、液体作動空間、及び復熱装置（レキュペレータ）を有する熱機関によって解消され、その原理は、この熱機関が、蓋部を有する圧力容器を有し、蓋部と圧力容器の間に封止部が設けられ、隔壁が、圧力容器の内部空間において、運動可能に膜に取り付けられ、この膜は、蓋部にさらに取り付けられ、隔壁が、圧力容器の内部空間をガス作動空間と液体作動空間に分割し、ガス作動空間が、そのより大きい区域を占め、前記ガス作動空間が、第１の隔壁の区域では第１の透過膜によって囲まれ、その周縁部ではヒダ状の（又は折り畳まれた）透過膜によって囲まれ、復熱装置との連結点では第２の透過膜によって囲まれ、さらに、成形部品が、圧力容器内に配置され、成形部品により、圧力容器のシェルと成形部品の間に位置付けられる外側ガス通路が画定され、一方、周縁ガス通路が、成形部品とヒダ状透過膜の間、さらに隔壁と第１の透過膜の間に位置付けられ、ガス作動空間が、メッシュによって補強される、多孔度が高い微細構造体で充填されるということに存する。充填されたガス作動空間は、第２の透過膜を介して復熱装置に連結され、復熱装置の空間には、熱エネルギー源に連結された交換器が配置され、復熱装置は、成形部品によってさらに囲まれ、外側ガス通路は、ガス作動空間入口の反対側では復熱装置へと通され、この外側ガス通路は、空気圧アクチュエータ・チャンバに連結され、この空気圧アクチュエータ・チャンバには、内側ガス通路が通され、この内側ガス通路は、周縁ガス通路に連結され、ガス作動空間を囲むヒダ状透過膜及び透過膜にもさらに連結される。
【００１６】
これは、作動ガスが圧力容器のガス作動チャンバ内に気密封止される、ガス熱機関の一実施例である。その熱／体積／圧力の変化が、仕事を行っている。
【００１７】
本発明の原理は、機械的ディスプレーサを空気圧アクチュエータに置き換えることであり、したがって、作動空間の高温部分と低温部分を隔てる必要がない。本来、ディスプレーサによって高温部分と低温部分に分割された作動空間は、本発明の実施例では、単一の作動チャンバとして設計される。この作動空間は、多孔度が高くしたがって体積重量が最小の微細構造体で充填される。微細構造体は、このように充填された空間を通って流れるガスの軽い圧力に耐える必要がある。このような微細構造体をより大きい規模で維持するために、微細構造体は、ガス作動空間が大きく変化する方向に対して垂直な平面において、層になった強化繊維のメッシュによって交絡される。メッシュ及びメッシュ繊維の互いの距離は、作動空間内での作動ガスの流れの所望の力学的挙動に依存することになる。これらの距離は、微細構造体要素の平均距離の１００〜１０，０００倍程度の範囲である。
【００１８】
この微細構造体により、ガス作動空間内での熱の対流伝搬及び放射伝搬の可能性が著しく減少する。ガス作動空間へのガスの入口及び出口の箇所には、ガスの透過性が損なわれた膜が存在する。これらの膜は、作動ガスがガス作動空間へと均一に流れることを確実とし、ガス作動空間内部の微細構造体とともに、低温ガスと高温ガスの乱流混合を最小限に抑える。微細構造体は、ガス作動空間の異なる場所では、異なる嵩密度を有してもよい。このように、この微細構造体を通る作動ガスの通過に対する抵抗は、局所的に決定されてもよく、ガス作動空間での作動ガスの分散方向も、作動ガスの物理的パラメータの変化に対し、その最大体積を存分に活用するように決定されてもよい。ガス作動空間は、一方の側又は中心からは、高温側のガスによって充填され且つ空にされ、他方の側又は周縁部からは、低温側のガスによって充填され且つ空にされる。より大きい規模で乱流を排除することにより、微細構造体内でのガスの運動は、同時に、高温側の作動ガスと低温側の作動ガスの間の界面に、温度勾配が大きい動的運動ゾーンを形成することになる。このゾーンは、空気圧アクチュエータによって制御される作動ガスの流れの変化により、移動及び変化することになる。ガス作動空間での流れを調整することは、理想的には微細構造体及びメッシュ繊維のみを用いて、ガス作動空間の、質量がより大きい部分の温度変化への露出を最小化し、したがって熱容量さえも最小化することを目標とすることになる。ガス作動空間にマス・ディスプレーサがないことにより、平均温度のいかなる急速な変化も可能になり、したがって、ガス作動空間内の作動ガスの圧力／体積のいかなる急速な変化も可能になることが好ましい。ガス作動空間が液体作動空間に圧力結合されていることにより、圧力／体積のこの変化は、液体作動空間でも即座に発生する。この平均温度の変化は、熱交換器及び復熱装置の冷却及び加熱により、ガス作動空間を充填し、同時に空にすることによって可能になる。この変化の力学的挙動は、空気圧アクチュエータによって生み出される圧力差に起因した、この流れの速度によって与えられる。空気圧アクチュエータによって生み出されるこの圧力差は、その回転速度だけでなく、一対の二方向ガス通路に対する、空気圧アクチュエータ・チャンバ内のインペラのセッティングによっても決まる。平均温度の上昇又は下降、したがってガス作動空間内の圧力及び体積の増加又は減少、したがってエンジン全体にわたる圧力の増加又は減少は、作動ガスの内部流れの方向によって生み出される。ガス作動空間での作動ガスの運動は、空気圧アクチュエータを用いて精密に制御することができ、ガス作動空間内でのガスの流れの効果が、微細構造体の不可逆的な圧縮若しくは圧壊、又はその他の部分の機械的破損が起きる限度を絶対に超えないことを確実とすることが必要である。さらに、作動空間内の作動ガス温度が、微細構造体、及び機器の他の部分の耐熱限度を超えないことを確実にすることも必要である。
【００１９】
従来技術の主な欠点は、液圧システムの駆動部分と制御部分を一体化するという原理によって対処される。このように考案された解決策により、駆動／制御液圧システムでの圧力サージの可能性が大幅に減少することになる。このエンジンは、設計がかなり単純になっており、高い圧力が常時かかる部分には、著しく機械的負荷のかかるいかなる部品も含まない。空気圧アクチュエータとともに磁気軸受を使用する場合、熱機関内部の可動部品同士の間の干渉が存在せず、このことは、その信頼性及び耐用期間に対して著しい効果をもつ。圧力変化の力学的挙動が大きい液圧用途では、この熱機関は、既存のシステムでは可能でなかった力学的挙動を伴う解決策を提供することになる。液圧システムの圧力サージでの負荷がより小さくなり、また調整要素が存在しなくてよいので、重量性能比等の他のパラメータは劇的に改善する。液圧エンジン／駆動装置への連結部が、場合によっては短く、制限されないものになるので、システムの圧力降下の著しい低減が期待でき、したがって、特に圧力変化の力学的挙動が大きい液圧システムでは、全体的な効率が向上することがさらに期待できる。この実施例でのエネルギー源は熱エネルギーであるので、動力源の選択肢は、既存の液圧システムの場合よりもかなり広くなる。同時に、これにより、代替の再生可能な熱源及びエネルギー源を使用することが可能になる。最適なモードでサイクル変化する場合、装置の液圧出力部は、ポンプとして直接的に使用されてもよい。圧力を上昇させることにより、同じ作動空間でより大きい動力を得ることができる場合、装置は、高圧で作動することになるのが好ましい。
【００２０】
既存の設計解決策に共通する、作動信頼性、気密性及び点検のしやすさの不適当さは、この新規に設計された装置では解決される。装置の設計により、運動点に封止部をもつ必要なく完全な密閉が可能になるので、高い信頼性が実現される。著しく機械的負荷のかかる部品は熱機関の内部に存在せず、また運動部分の相互接触の必要はないので、潤滑が必要とされず、このことは、これらの部品の耐用期間に対する大きな影響を与え、したがって、定期的なメンテナンス及び内部の部品又は液体の交換の必要性がない、永久気密設計の装置の、著しい加圧部分が可能になる。
【００２１】
本発明について、添付図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】膨張フェーズの内部熱交換器を有する例示的な一実施例を示す図である。
【図２】圧縮フェーズの内部熱交換器を有する例示的な一実施例を示す図である。
【図３】電気復熱装置の詳細を示す図である。
【図４】シェル内の熱交換器を有する熱機関の、膨張フェーズでの例示的な一実施例を示す図である。
【図５】シェル内の熱交換器を有する熱機関の、圧縮フェーズでの例示的な一実施例を示す図である。
【図６】転がり軸受を有する実施例での、ガス・アクチュエータの実施例の詳細「Ｂ」を示す図である。
【図７】空気圧アクチュエータのＡ−Ａの断面図である。
【図８】磁気軸受を有する実施例での、空気圧アクチュエータの詳細を示す図である。
【図９】アクチュエータのインペラを示す図である。
【図１０】作動空間の充填材の実施例についての詳細「Ｃ」を示す図である。
【図１１】メッシュの例示的な一実施例を示す図である。
【図１２】ヒダ状透過膜の折り曲げ部に締結されるメッシュ縁部の実施例についての詳細「Ｄ」を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
動的に制御可能な液圧出力部を有する熱機関の例示的な一実施例の以下の説明では、対応する図面を参照ながら本発明について説明する。これらの図面では、本発明は、内部熱交換器を有する熱機関、及び圧力容器のシェル内の加熱熱交換器を有する熱機関についての、例示的な一実施例を用いて示してある。
【００２４】
内部熱交換器を有する熱機関が、図１及び図２に示してある。この実施例では、熱機関は圧力容器１及び蓋部１．１から構成され、それらの間に封止部１．４が配置される。圧力容器１は円筒形状であり、また体積の小型さ及び内圧の観点から最適であるが、このようなコンテナ形状は、機器の正確な動作のための必要条件ではない。圧力容器１は、隔壁２によって２つの作動空間にさらに分割される。ガス作動空間４及び液体作動空間５が存在し、液体作動空間５には液体通路５．２が通され、この液体通路５．２は、機械的仕事を熱機関から出すように機能する液圧入口／出口５．１を末端とする。ガス作動空間４は、圧力容器１のうちのより大きい部分を占め、その最適な形状は、小型で、体積に比較して表面積が最小である球に類似した形状であり、このガス作動空間４は、第１の透過膜４．５、ヒダ状透過膜４．４、及び第２の透過膜４．６によって囲まれる。加えて、圧力容器１の内部には成形部品１．８が提供され、これにより、圧力容器１のシェルと成形部品１．８の間に位置付けられる外側ガス通路１０が画定され、一方、周縁ガス通路４．３が、成形部品１．８と第１の透過膜４．５、隔壁２、ヒダ状膜（ｆｏｌｄｅｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）３及びヒダ状透過膜４．４との間に位置付けられる。作動ガスの、整えられた定義可能な運動１２を確実にし、ガス作動空間４の中での無秩序な流れ、熱放射、及び熱伝導による作動ガスの温度変化を最小限に抑えるために、ガス作動空間４は微細構造体４．１で充填される。この微細構造体４．１は、エンジンの温度範囲でのサイクル温度変化に耐えられる材料から構成され、その温度範囲内では十分な弾力性及び強度を有する。微細構造体４．１は、その総体積を基準として９９％を超える多孔度を有し、密度は１×１０−４〜０．０３ｇ  ｃｍ−３である。微細構造体４．１の個々の要素を接合する均一性及び方法は、永久変形がなく、また長い耐用期間を伴う体積変化を可能にするものでなければならない。微細構造体４．１を作成するのに適した材料は、カーボン、セラミック及び金属のマイクロファイバー及びナノファイバー、エアログラファイト、グラファイト・エアロゲル、又は上記の材料特性条件を満たす他の材料である。
【００２５】
この微細構造体４．１は、互いから間隔を空けて配置されるメッシュ４．２によって補強することができ、メッシュ４．２は、ガス作動空間４の作動フェーズ中の寸法変化の方向に対して垂直に配向される。メッシュ４．２は、９０°だけ回転された「Ｖ」又は「Ｗ」の形状をもつ円環部内に、撚り合わされた繊維によって形成される。網状織物の形をとった繊維は、半田付け、糊付け、ある円環部の縁部への押圧若しくは２つの円環部の間への押圧により、又は溶着前に２つの円環部の間に挿入することにより、円環部に取り付けることができる。円環部、したがってヒダ状透過膜４．４は、高い弾性及び耐疲労性をもつ薄い金属プレートで作成され、理想的な材料は合金鋼又はチタン合金である。円環部には、その周縁部に穴４．７が提供され、この穴４．７により、これらの円環部から組み立てられたヒダ状透過膜４．４に、作動ガスに対するその透過性が与えられる（図１０及び図１２を参照）。メッシュ４．２の間の空間は、微細構造体４．１で充填される。メッシュ４．２の目的は、ガス作動空間４の体積変化と作動ガスの内部運動１２の変化のどちらの際にも、均一な微細構造体を維持することである。ガス作動空間４でのメッシュ４．２及び微細構造体４．１の配置は、図１０及び図１１に示してある。図１２には、ヒダ状透過膜４．４の縁部の実施例の詳細「Ｄ」が示されている。高温用途では、メッシュ４．２の繊維は、カーボン、セラミック、又は金属で作成されてもよい。
【００２６】
ガス作動空間４と液体作動空間５の設計はどちらも、それらを隔てる隔壁２の運動を可能にするものでなければならない。隔壁２及びヒダ状膜３の設計は、液体が液体作動空間５から吐出された後でも、ガス作動空間４の圧力に耐えるようになされる。同時に、ヒダ状膜３は、内側ガス通路１０．１を流れる作動ガスと液体作動空間５の作動液との間の熱交換表面を形成し、第２の熱交換器を形成する。周縁ガス通路４．３のこの部分では、作動ガスは、作動ガスとヒダ状膜３の間の熱交換を最大化するように案内されることになる。一方のフェーズでの作動ガスの流れは、空気圧アクチュエータ６のチャンバから内側ガス通路１０．１へと案内され、次いで周縁ガス通路４．３のこの部分に案内され、次いで透過膜４．５及びヒダ状透過膜４．４へと至ってガス作動空間４に案内され、熱伝達媒体の入口／出口８．１に連結された熱交換器８が内部に設けられた復熱装置７へと案内されることになり、さらに、この作動ガスは、外側ガス通路１０を通過して、空気圧アクチュエータ６の一部であるチャンバ６．１へと至る（他方のフェーズではこの逆になる）。構造的には、ガス作動空間４の体積と、作動ガスが配置される熱機関の他の部分の体積の比が最善であるのを確実にすることが必要である。
【００２７】
図３には、電熱素子８．２を有する復熱装置７の実施例の一変形形態が示してある。この実施例では、電熱素子８．２は、復熱装置７とガス作動空間の間に接続され、電線９．１を用いて制御ユニット９に電気的に接続され、制御ユニット９は、電圧源９．２に接続される。復熱装置７は、さらに成形部品１．８に当接し、第２の透過膜４．６によってガス作動空間４の側から隔てられ、復熱装置７の第２の端部は、外側ガス通路１０に連結する。
【００２８】
この実施例での熱機関の機能は以下の通りである。ガス作動空間４での作動ガスの運動は、ガス作動空間４の中心から圧力容器１の内部シェルへと広がり、逆の場合も同様になる。ガス作動空間４の充填は、作動空間での作動ガスの均一な流れを確実にするように機能し、作動ガスの流れ方向が交互になるので、作動フェーズ中にガス作動空間４の体積のほぼ全体を移動する高温領域１４を形成するようにも機能する。作動ガスの流れ方向及び流量は、熱機関のあらゆる部分全体を通して様々である。液体作動空間５の圧力上昇及び圧縮が求められると、作動ガスは、空気圧アクチュエータ６から外側ガス通路１０を通り、復熱装置７及び熱交換器８を通り、ガス作動空間４の内部体積から周縁ガス通路４．３へと流れる。このように、装置内部での作動ガスの平均温度は上昇し、ガス作動チャンバ４での圧力の上昇及び膨張が生じ、同時に、液体作動空間の圧縮が生じる。液体作動空間の圧力低下及び膨張が求められた場合、作動ガスは、空気圧アクチュエータ６から内側ガス通路１０．１を通り、ガス作動空間４の壁部に設けられた周縁ガス通路４．３へと案内され、さらにガス作動空間４の内部体積を通り、次いで熱交換器８及び復熱装置７まで案内される。これにより、装置内部の平均作動ガス温度が低下し、ガス作動空間４の圧力低下及び圧縮が生じ、同時に、液体作動空間の膨張が生じる。液体作動空間５は、実質的に同じ作動圧力でガス作動空間４の膨張及び圧縮に反応し、作動空間５は、液体作動空間４の膨張時には同じ比で減少し、作動空間５は、ガス作動空間４の圧縮時には同じ比で増加する。エンジンは、液体作動空間５の圧力及び体積を変化させることによって仕事をする。作動空間４と作動空間５の両方の体積の和は、すべての作動フェーズにおいて実質的に同じである。異なる作動フェーズのエンジンが、図１及び図２に示してある。エンジンが、液体作動空間内よりも低い温度で熱伝達媒体の入口／出口８．１で作動することになる場合、及び熱伝達媒体によりエンジンから熱が除去されることになる場合、膨張フェーズと圧縮フェーズは、作動ガスの内部流れの方向に関して逆転することになる。
【００２９】
技術的実施において、内部熱交換器を有する本発明の圧力容器１は、復熱装置７から外側ガス通路１０への作動ガスの出口での通常の温度にのみ耐える必要がある。
【００３０】
圧力容器のシェルに熱交換器を有する熱機関の別の実施例が、図４及び図５に示してある。熱機関のこの実施例は、図１及び図２に示す解決策とは異なる。この実施例では圧力容器１の設計が異なっており、この場合の圧力容器１は高温に耐えなければならない。圧力容器１は、以下の部分から構成される。蓋部１．１と円環部１．５の間に設けられる中間部分１．２。中間部分１．２は、円環部１．５に支持される底部１．３に当接し、前記円環部は、ディスペンシング・プレート（ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ  ｐｌａｔｅ）１．６を貫通するスタッド１．７を用いて蓋部１．１に連結される。さらに、蓋部１．１と中間部分１．２の間、及び圧力容器１の底部１．３に封止部１．４が提供される。
【００３１】
熱機関の効率の観点からは、圧力容器１の上記の部分が、可能な限り最大の熱抵抗を有すると同時に変化する内圧に耐えることができる機械的強度を有する材料で作成されることが必要である。高温に耐える一般的な材料は、固体結晶原子結合（ｓｏｌｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｂｏｎｄ）を有するが、困難を伴ってしか、応力と緩和の周期的な影響に耐えられない。この負荷により、自然欠陥がある場所ではそれらが増大し、したがってこのような材料の強度が徐々に弱まることがある。これらの負荷は、部品の不均一な加熱からも生じる。高温で負荷がかけられる部品を最適に設計すると、部品が一定の圧力におかれ、また内部張力により部品が緩和状態を作り出さないことが確実になる。これは、部品に事前負荷をかけることにより、部品に追加の圧力を導入することによってのみ実現できる。この事前負荷は、圧力容器１のこれらの部分、すなわち中間部分１．２、円環部１．５、及び底部１．３に導入すべきである。理想的な事前負荷材料は炭素繊維であり、炭素繊維は、高温でも大きい引張り応力を伝達することができる。この実施例では、圧力容器の底部１．３や圧力容器２の中間部分１．２等の圧力容器１の前記部分は、高温での引張り応力が大きい材料として、高温での引張り応力が大きい結晶材料と、事前負荷をかけた炭素繊維の複合材料として設計される。さらに、圧力容器１の底部１．３の材料には、その内面の熱交換器としての機能に関連して、特に電磁放射について、熱伝導率又はエネルギー透過性が最大であることも必要とされる。熱伝導率の点では、圧力容器の底部１．３のための理想的な材料は、たとえば結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又はその修正形態である。エネルギー透過性の点では、サファイアガラス（Ａｌ２Ｏ３）が、圧力容器の底部用の理想的な材料である。
【００３２】
同時に、外側ガス通路１０に隣り合う圧力容器１のシェルは、図１及び図２の変形形態並びに図４及び図５の変形形態では熱交換器及び復熱装置としても機能することができ、それにより、熱交換器としてのヒダ状膜３の機能を補完する。
【００３３】
添付図面から見て取ることができるように、熱機関の、連結される個々の構成要素は、封止部１．４を使用して封止される。圧力容器１の蓋部１．１には、点検用蓋部６．２の形で、空気圧アクチュエータ６へのアクセスが提供される。磁気軸受６．８を有する、空気圧アクチュエータ６の整備が不要なバージョンの場合、製造中に、不透過性がより高い永久接合部（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｊｏｉｎｔ）と同様に接合部を点検用蓋部６．２に作ることが可能である。
【００３４】
液圧損失を可能な限り最小にし、エンジンが素早く反応するのを確実にするために、液体通路５．２の断面積が大きいことが好ましい。液体作動空間５の中の液体も、冷媒として機能する。動力が大きくなるにつれて、液体作動空間５の中の液体交換も増加し、したがって熱機関からの放熱も増加する。液体作動空間５への液体通路５．２の連結部の設計では、液体作動空間５の中の内部液体の一方向の環状の流れのサポート材を提供して、液体交換、及び液体作動空間５でのヒダ状膜３への熱伝達又はヒダ状膜３からの熱伝達を最大化することが好ましい。
【００３５】
作動ガスを冷却するための最大の区域はヒダ状膜３であり、その表面積に加え、その厚みも小さいことが有利である。このような設計の熱交換器では、膨張フェーズの完了時、その空間に閉じ込められた作動ガスの体積が減少し、このことは、ガス作動空間の外の最小の体積の作動ガスで効率を高める助けとなる。ヒダ状膜３は、他の熱交換表面、及びその表面全体の周りにより大きい流れを提供する要素で補われてもよい。
【００３６】
出力の力学的挙動、平均出力及びピーク性能要件の特定の割当てに対して、設計を修正することが可能である。システムの個々の部分を適当な寸法にすることにより、必要とされる液圧出力部５．１の特性を著しく強化することができる。大きい力学的挙動及び高効率の要求に際して、装置は、大きい熱伝達表面を有する熱交換器、復熱装置７での最適な蓄熱容量を有するように設計され得る。復熱装置７及び熱交換器は、圧力損失と効率の最良の比をもつべきである。空気圧アクチュエータ６のより大きい出力、並びに内側ガス通路１０．１及び外側ガス通路１０の断面により、より大きいエンジン力学的挙動が実現され得る。力学的挙動が大きい場合、ヘリウムも好ましい作動ガスである。
【００３７】
図１、図２、図４、図５から見て取ることができるように、示されている両方の熱機関の変形形態の圧力容器の蓋部１．１は同一である。異なる軸受を有する変形形態での空気圧アクチュエータ６の一実施例の詳細が、図６及び図８に示してある。空気圧アクチュエータ６のこの構成では、空気圧アクチュエータ６を配置するために、カバー１．１の中に空間が提供される。この空間は、点検用蓋部６．２によって覆われる。点検用蓋部６．２と蓋部１．１の間の空間に、封止部１．４が提供される。この空間に、電気式エンジンの固定子６．６及び回転子６．５、並びにインペラ６．３が配置される。電気式エンジンの回転子６．５は、磁気軸受６．８及び／又は玉軸受６．７に収納される。空気圧アクチュエータ６は、チャンバ６．１及びインペラ６．３を有する。インペラ６．３は、板ばね６．４によって電気式エンジンの回転子６．５のシャフトに固定される。インペラ６．３の一実例が、図９に示してある。この実施例でのインペラ６ｂは、回転子６．５にマウントされる板ばね６．４から構成され、板ばね６．４は、ガス整流器６．１２によって相互に（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｌｙ）収容されたブレード６．１１に連結される。
【００３８】
図７には、空気圧アクチュエータ６が位置付けられる圧力容器１の蓋部１．１を通る、Ａ−Ａの断面図が示されている。カバー１．１には液体通路５．２が存在し、それらの間で内側ガス通路１０．１と外側ガス通路１０が隔壁１．９によって隔てられていることが、Ａ−Ａの断面図から明らかである。圧力容器１の蓋部１．１の空間内には空気圧アクチュエータ６のチャンバ６．１が形成され、その中にインペラ６．３が配置される。蓋部１．１の空間には、インペラ６．３を偏向させる電磁石６．１０が、インペラ６．３のブレードの上の定位置に位置付けられる。圧力容器１の蓋部１．１の中心には、その軸上に、インペラ６．３の軸を形成する電気式エンジンの回転子６．５が位置付けられる。
【００３９】
空気圧アクチュエータ６により、作動ガスの運動が駆動及び制御される。空気圧アクチュエータ６は、電気式エンジンの回転子６．５によって駆動される。電気式エンジンの回転子６．５の回転速度により、作動ガスの運動速度が決まる。作動ガスの運動方向１２は、内側ガス通路１０．１及び外側ガス通路１０の対に対するインペラ６．３のセッティングによって決まる。インペラ６．３のセッティングの変更は、インペラが、電気式エンジンの回転子６．５に弾性的に取り付けられていることによって可能になる。この弾力的なマウントにより、回転軸に対して平行な方向にインペラ６．３を偏向させることが可能になる。この偏向は、必ずしもではないが理想的には、板ばね６．４によって可能になる。回転子６．５の回転軸の方向でのインペラ６．３の偏向は、電磁石６．１０を用いて実現されてもよいが、電気式エンジンの回転子６．５にインペラ６．３をしっかりと連結することにより、電子的に制御される磁気軸受６．８によっても行うことができる。位置センサ６．９が、インペラ６．３の実際の位置を測定し、インペラ６．３の運動を制御する電子制御ユニット９のためのフィードバック手段として機能し、電子制御ユニット９は、電線９．２により、電気式エンジンの電磁石６．１０、磁気軸受６．８及び固定子６．６に接続される。図４及び図５に基づく、そのシェル内に熱交換器を有する熱機関の例示的な一実施例では、好ましくはガス作動空間４への入口で周縁ガス通路４．３に提供される１つ又は複数の温度センサ９．３が、インペラの運動の制御及び装置の熱的保護のために必要とされる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
この装置は、熱エネルギー源を有し、液圧ポンプ及び液圧バルブを必要としない、液圧アクチュエータ用の動的に制御される液圧圧力／体積源として使用することができる。この装置は、液圧駆動装置が使用されるところならどこにでも使用することができ、液圧駆動装置のより高速な作動のために好ましく、より利用しやすい熱源を使用しながら、より高い効率を有する。
【００４１】
フェーズ交番の通常のサイクル・モードでは、液圧出力部に２つの一方向弁が提供されるとき、装置は、高圧ポンプとして機能することができる。装置は、十分な熱エネルギーがある場合、又は電気式エンジン、内燃機関等の通常の運動エネルギー源が万一使用できない場合に、機械的仕事を得るために使用されてもよい。たとえば、太陽エネルギーを直接機械的仕事に変える、大きな可能性が提供される。技術的実施では、この解決策の利用は、逆浸透法による海水の淡水化でのエネルギー源として、幅広い適用可能性を提供する。
【符号の説明】
【００４２】
１．  圧力容器
１．１  圧力容器の蓋部
１．２  圧力容器の中間部分
１．３  圧力容器の底部
１．４  封止部
１．５  円環部
１．６  ディスペンシング・プレート
１．７  事前負荷をかけたスタッド
１．８  成形部品
１．９  通路隔壁
２．  隔壁
３．  ヒダ状膜
４．  ガス作動空間
４．１  微細構造体
４．２  メッシュ
４．３  周縁ガス通路
４．４  ヒダ状透過膜
４．５  第１の透過膜
４．６  第２の透過膜
４．７  穴
５．  液体作動空間
５．１  液圧入口／出口
５．２  液体通路
６．  空気圧アクチュエータ
６．１  チャンバ
６．２  点検用蓋部
６．３  インペラ
６．４  板ばね
６．５  電気式エンジンの回転子
６．６  電気式エンジンの固定子
６．７  軸受
６．８  磁気軸受
６．９  位置センサ
６．１０  電磁石
６．１１  ブレード
６．１２  ガス整流器
７．  復熱装置
８．  熱交換器
８．１  熱伝達媒体の入口／出口
８．２  電熱素子
９．  電子制御ユニット
９．１  電線
９．２  電圧源
９．３  温度センサ
１０．  外側ガス通路
１０．１  内側ガス通路
１１．  放射エネルギー源
１２．  作動ガスの運動方向
１３．  内部部品の運動方向
１４．  温度勾配が大きい区域
【図１】
2019531441.tif 000003
【図２】
2019531441.tif 000004
【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】
2019531441.tif 000014
【国際調査報告】
2019531441.tif 000015
2019531441.tif 000016
2019531441.tif 000017