(57)【要約】密封可能なハウジングを備え、第１回転変位ユニットが第２回転変位ユニットと流体連通し、各ユニットはハウジング内に別個の流体密部分内で各ユニットを操作可能に備え付け、使用中作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの周期的変化を生じ得るスターリングサイクル装置を提供する。さらに、第１及び第２の回転変位ユニットそれぞれは、作動流体の第１部分を受け容れ得る第１コンプレッサ作動チャンバ、及び作動流体の第２部分を受け容れ得る少なくとも第２コンプレッサ作動チャンバを有する、コンプレッサ機構を備え、第１コンプレッサ作動チャンバは第１出口ポートを有し、また第２コンプレッサ作動チャンバは第２出口ポートを有する。第１及び第２の回転変位ユニットそれぞれは、さらに、作動流体の第１部分を受け容れ得る第１エキスパンダ作動チャンバ、及び作動流体の第２部分を受け容れ得る少なくとも第２エキスパンダ作動チャンバを有する、エキスパンダ機構を備え、第１エキスパンダ作動チャンバは第１入口ポートを有し、また第２エキスパンダ作動チャンバは第２入口ポートを有し、また第１エキスパンダ機構を第１コンプレッサ機構に操作可能かつ動作可能に連結し得る駆動連結アセンブリを備える。駆動連結アセンブリは、さらに、第１コンプレッサ作動チャンバと第１エキスパンダ作動チャンバとの間、及び第２コンプレッサ作動チャンバと第２エキスパンダ作動チャンバとの間において第１及び第２の回転変位ユニットの回転角度の所定インターバルで所定シーケンスの周期的流体交換を生じ得る回転バルブ機構を備える。スターリングサイクル装置は、さらに、第１及び第２の回転変位ユニットに操作可能に連結し、また第１回転変位ユニットの回転運動を第２の回転変位ユニットに同期するようリンクさせ、これにより、使用中に、作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの第１所定周期変化が、作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの第２所定周期変化に対して所定位相角だけオフセットし得るようにした、アクチュエータを備える。【選択図】図７ａ
2019504239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングサイクル装置において、
密封可能なハウジングと、
第１回転変位ユニットが第２回転変位ユニットと流体連通し、各ユニットは前記ハウジング内に別個の流体密部分内で各ユニットを操作可能に備え付け、使用中作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの周期的変化を生じ得るようにした、該第１及び第２の回転変位ユニットであって、前記第１及び第２の回転変位ユニットそれぞれは、
コンプレッサ機構であって、前記作動流体の第１部分を受け容れ得る第１コンプレッサ作動チャンバ、及び前記作動流体の第２部分を受け容れ得る少なくとも第２コンプレッサ作動チャンバを有し、前記第１コンプレッサ作動チャンバは第１出口ポートを有し、また前記第２コンプレッサ作動チャンバは第２出口ポートを有する、該コンプレッサ機構、
エキスパンダ機構であって、前記作動流体の前記第１部分を受け容れ得る第１エキスパンダ作動チャンバ、及び前記作動流体の前記第２部分を受け容れ得る少なくとも第２エキスパンダ作動チャンバを有し、前記第１エキスパンダ作動チャンバは第１入口ポートを有し、また前記第２エキスパンダ作動チャンバは第２入口ポートを有する、該エキスパンダ機構、
前記第１エキスパンダ機構を前記第１コンプレッサ機構に対して操作可能かつ動作可能に連結し得る駆動連結アセンブリであって、
前記第１コンプレッサ作動チャンバと前記第１エキスパンダ作動チャンバとの間、及び前記第２コンプレッサ作動チャンバと前記第２エキスパンダ作動チャンバとの間において、前記第１及び第２の回転変位ユニットの回転角度の所定インターバルで所定シーケンスの周期的流体交換を生じ得る回転バルブ機構を有する、該駆動連結アセンブリ、
を含む、該第１及び第２の回転変位ユニットと、
前記第１及び第２の回転変位ユニットに操作可能に連結したアクチュエータであって、前記第１回転変位ユニットの回転運動を前記第２の回転変位ユニットに同期するようリンクさせ、これにより、使用中に、前記作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの前記第１所定周期変化が、前記作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの前記第２所定周期変化に対して所定位相角だけオフセットし得るようにした、該アクチュエータと、
を備える、スターリングサイクル装置。
【請求項２】
請求項１記載のスターリングサイクル装置において、前記第１駆動連結アセンブリは、さらに、少なくとも１個の第１駆動シャフトと、内壁を有して、前記少なくとも１個の第１駆動シャフトを操作可能に包囲するよう構成された少なくとも１個の第１シャフトケーシングとを有する、スターリングサイクル装置。
【請求項３】
請求項２記載のスターリングサイクル装置において、前記少なくとも１個の第１シャフトケーシングは、前記内壁の第１周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第１軸方向位置に設けられ、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する複数の第１流体チャンネルと、及び前記内壁の第２周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第２軸方向位置に設けられ、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する複数の第２流体チャンネルと、を有し、また、前記第１周方向セグメントは前記第２周方向セグメントとは半径方向反対側に設けられるものであり、また前記第１軸方向位置それぞれは前記第２軸方向位置のそれぞれとは軸線方向にオフセットされるものである、スターリングサイクル装置。
【請求項４】
請求項３記載のスターリングサイクル装置において、前記軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する第１流体チャンネル、及び第２流体チャンネルは、１８０゜の角度より大きい角度にわたり存在する、スターリングサイクル装置。
【請求項５】
請求項２〜４のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記少なくとも１個の駆動シャフトは、前記第１出口ポートに流体接続される第１開口を有する第１導管及び前記第１入口ポートに流体接続される第１開口を有する第２導管よりなる２つの互いに対応する導管の第１セットを備え、前記互いに対応する前記第１及び第２の導管それぞれは、所定の第１半径方向角度で前記駆動シャフトから半径方向に抜け出るよう互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口を有し、前記互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口のうち一方の開口は、前記複数の第１流体チャンネルのうち１つと流体的に係合し得るものであり、また前記互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口のうち他方の開口は、前記複数の第２流体チャンネルのうち１つと流体的に係合し得るものである、スターリングサイクル装置。
【請求項６】
請求項５記載のスターリングサイクル装置において、前記少なくとも１個の駆動シャフトは、前記第２出口ポートに流体接続される第１開口を有する第１導管及び前記第２入口ポートに流体接続される第１開口を有する第２導管よりなる２つの互いに対応する導管の少なくとも第２セットを備え、前記互いに対応する前記第１及び第２の導管それぞれは、所定の第１半径方向角度で前記駆動シャフトから半径方向に抜け出るよう互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口を有し、前記互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口のうち一方の開口は、前記複数の第１流体チャンネルのうち１つと流体的に係合し得るものであり、また前記互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口のうち他方の開口は、前記複数の第２流体チャンネルのうち１つと流体的に係合し得るものである、スターリングサイクル装置。
【請求項７】
請求項６記載のスターリングサイクル装置において、前記複数の第１流体チャンネルのそれぞれは、前記複数の第２流体チャンネルのうち対応する１つと流体接続し、使用中に、前記第１コンプレッサ作動チャンバと前記第１エキスパンダ作動チャンバとの間、及び前記第２コンプレッサ作動チャンバと前記第２エキスパンダ作動チャンバとの間における熱交換を所定シーケンスで行うことを可能にする、スターリングサイクル装置。
【請求項８】
請求項７記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニット内で流体接続された前記第１コンプレッサ作動チャンバ及び前記第１エキスパンダ作動チャンバ、並びに流体接続された前記第２コンプレッサ作動チャンバ及び第２エキスパンダ作動チャンバのそれぞれのために、第１作動空間及び第２作動空間が形成される、スターリングサイクル装置。
【請求項９】
請求項７又は８記載のスターリングサイクル装置において、前記第２回転変位ユニット内で流体接続された前記第１コンプレッサ作動チャンバ及び前記第１エキスパンダ作動チャンバ、並びに流体接続された前記第２コンプレッサ作動チャンバ及び第２エキスパンダ作動チャンバのそれぞれのために、第１作動空間及び第２作動空間が形成される、スターリングサイクル装置。
【請求項１０】
請求項９記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニットの前記第１作動空間及び第２作動空間それぞれは、前記第２回転変位ユニットの前記第１作動空間及び第２作動空間の対応する作動空間に流体連通する、スターリングサイクル装置。
【請求項１１】
請求項７〜１０のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第１流体チャンネル及び前記第２流体チャンネルそれぞれは、前記第２回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第１流体チャンネル及び前記第２流体チャンネルそれぞれに対応する１つの流体チャンネルに流体連通する、スターリングサイクル装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第１流体チャンネル及び前記第２流体チャンネルそれぞれと、前記第２回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第１流体チャンネル及び前記第２流体チャンネルそれぞれとの間における流体連通は、第１熱交換器、再生器、及び第２熱交換器のうち任意な１つ又はそれらの任意な直列的組合せを有する、スターリングサイクル装置。
【請求項１３】
請求項１２記載のスターリングサイクル装置において、前記第１熱交換器は、前記作動流体に熱を供給し得るものであり、また前記第２熱交換器は、前記作動流体から熱を除去し得るものである、スターリングサイクル装置。
【請求項１４】
請求項１２又は１３記載のスターリングサイクル装置において、前記再生器は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間を流体接続する、スターリングサイクル装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記第１熱交換器は、前記第１回転変位ユニットの一体部分であり、及び／又は前記第２熱交換器は、前記第２回転変位ユニットの一体部分である、スターリングサイクル装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニット及び前記第２回転変位ユニットそれぞれは、２軸スクリュー機構を有する、スターリングサイクル装置。
【請求項１７】
請求項１〜１５のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニット及び前記第２回転変位ユニットそれぞれは、スクロール機構又は回転円錐スクリュー機構を有する、スターリングサイクル装置。
【請求項１８】
請求項１〜１５のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニット及び前記第２回転変位ユニットそれぞれは、２軸スクリュー機構、スクロール機構又は回転円錐スクリュー機構のうち任意な１つを有する、スターリングサイクル装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記アクチュエータは、モータと、前記第１及び前記第２の回転変位ユニットを同期駆動し得る変速装置とを有する、スターリングサイクル装置。
【請求項２０】
請求項１〜１８のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記アクチュエータは、モータと、前記第１及び前記第２の回転変位ユニットのうち任意な１つによって動力を受け得る変速装置とを有する、スターリングサイクル装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニットの前記コンプレッサ機構及びエキスパンダ機構それぞれ、並びに前記第２回転変位ユニットの前記コンプレッサ機構及びエキスパンダ機構それぞれは、前記ハウジングにおける個別かつ密封された部分内に設けられる、スターリングサイクル装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のうちいずれか一項記載のスターリングサイクル装置において、前記第１回転変位ユニットは圧縮ユニットであり、また前記第２回転変位ユニットは膨張ユニットである、スターリングサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してスターリングサイクルのマシン、及びより具体的にはスターリング式の機関（エンジン）、冷却器（クーラー）、ヒートポンプの分野に関する。とくに、本発明は、回転式の（ロータリー）エキスパンダ機構及びコンプレッサ機構を利用するピストンレスのスターリングサイクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングサイクルは、とりわけ空気又は他のガス（すなわち、作動流体）の異なる温度での周期的圧縮及び膨張を含み、これにより熱エネルギーを機械的仕事に掛け値なく変換する熱力学的サイクルである。さらに、このサイクルは可逆的であることも知られており、このことは、機械的動力が供給される場合、装置はヒートポンプ又は冷却マシンとして機能することができ、対応する加熱又は冷却、及び極低温冷却でさえも行うことを意味する。
【０００３】
より具体的には、スターリングサイクルは、概して永久的にガス状作動流体を利用する閉じた再生的サイクルである。ここで、「閉じたサイクル（closed-cycle）」とは、作動流体が熱力学系内に恒久的に封入されていることを意味し、また用語「再生的（regenerative）」は、内部熱交換器、いわゆる再生器（regenerator）を使用することに言及する。再生器は、さもないと不可逆的に通り抜けてしまうであろう内部熱を再循環させることによってデバイスの熱効率を向上させる。スターリングサイクルは、多くの他の熱力学的サイクルと同様に、４つの主要プロセス、すなわち、(i)圧縮、(ii)熱付与、(iii)膨張、及び(iv)熱除去のプロセスからなる。しかし、実際の機関において、これらプロセスは個別のものではなく、むしろオーバーラップする。
【０００４】
クランク駆動機構を有する典型的なスターリング機関（エンジン）１０の例を図１に示す。ここで、単一ガス回路は、３つの熱交換器、すなわちヒータ１６、再生器１８及び冷却器２０のチャンネルを介して互いに接続した２つのシリンダ１２、１４で形成される。ヒータ１６の外面は高温環境に露出することによって上昇した温度を有し、その機能は、作動流体がヒータ１６のチャンネルを流動する間に機関内の作動流体に熱を伝達する。冷却器２０の外面は比較的低温環境に曝され、その機能は、作動流体が冷却器２０のチャンネルを流動する間に作動流体から熱を放出する。
【０００５】
再生器１８は熱損失を回避するため６と冷却器２０との間に導入し、そうしないとヒータ１６及び冷却器２０が直接接触する場合に熱損失を生ずる。この実施例の再生器１８は、金属ケーシング内に包囲した多孔質媒体を有する。この多孔質媒体は、高熱容量を有する、また理想的には無限放射方向熱伝導及びゼロ軸方向熱伝導を有する材料から形成するものとする。多孔質媒体は、ヒートスポンジとして作用し、熱を再生器の材料に伝達し、また作動流体が「ホット」ゾーンから「コールド」ゾーンに流動するとき蓄熱するものと理解することができる。作動流体が逆方向に流れるとき蓄積された熱は再生器から作動流体に帰還する。通常断熱材を使用して多孔質媒体をケーシングの壁から隔離し、熱損失を少なくする。
【０００６】
熱入力フェーズ中作動流体の大部分をホットゾーン（すなわち、熱シリンダ１２及びヒータ１６）に供給するため、熱除去フェーズ中作動流体の大部分をコールドゾーン（すなわち、冷シリンダ１４及び冷却器２０）に供給するため、熱シリンダ１２内のピストン２２は、通常は変位の９０゜〜１１０゜だけ冷シリンダ１４のピストン２４に対して先行し、熱シリンダ１２の容積は、その変動に関して冷シリンダ１４の容積に対して９０゜〜１２０゜の角度だけ先行する。
【０００７】
図２ａは、熱シリンダ１２内の容積変化（変動）の例示的グラフ（破線）及び冷シリンダ１４の容積変化の例示的グラフ（実線）を示す。
【０００８】
熱交換器のセット（ヒータ１６、再生器１８及び冷却器２０）によって接続される２つの可変容積（熱及び冷）、冷空間の容積変動に対して９０゜〜１１０゜だけ先行する熱空間の容積変動、及び熱交換器のセット１６、１８、２０のチャンネルを介して可変の熱空間と冷空間との間における作動ガスの往復流動が、スターリングサイクル・マシンの特徴である。可変の熱又は膨張体積（破線）及び可変の冷又は圧縮体積（実線）の典型的なＰＶグラフを図２ｂに示す。
【０００９】
したがって、ヒータ１６が比較的高温の環境に曝され、また冷却器２０が比較的低温の環境に曝される場合、マシンは力を発揮する（すなわち、熱又は膨張空間面積は冷又は圧縮空間面積よりも大きい、図２ｂ参照）エンジンとして機能する。
【００１０】
しかし、冷却器２０が比較的低温の環境に曝され、またピストンが電動モータ（例えば、シャフトを介する）又は他の作動源を用いて駆動される場合、熱交換器１６及び可変膨張空間１２内における作動流体の温度は相当減少し（例えば、極低温レベルまで低下し）、これによりマシンは、低温を発生する冷却デバイスとして作用する（すなわち、ＰＶグラフにおける膨張空間面積は、圧縮空間面積よりも小さい）。
【００１１】
代案として、熱交換器１６が比較的低温の環境に曝され、またピストンが電動モータ（例えば、シャフトを介する）又は他の作動源を用いて駆動される場合、冷却器２０内における熱除去温度は、熱交換器１６の温度よりも相当高くなり、またマシンはヒートポンプとして作動する（すなわち、低温で熱を吸収し、また高温で熱を配給する。）
【００１２】
シリンダ内でピストンが往復運動する従来式スターリングマシンのサイクルは、通常３６０゜のシャフト角後に完了する。
【００１３】
しかし、シリンダ内でピストンが往復運動する従来式スターリングマシン（運動学的駆動機関又は自由ピストン往復運動マシン）のサイクルは、例えば、以下のような相当な欠点、すなわち、
・マシンの重量及び寸法をより大きくする結果となるシリンダ内可変容積の比較的大きな容積及び大きな固有面積；
・クランクケースの比較的大きな容積及び重量、並びにクランク駆動又は他のタイプの運動学的駆動機構の複雑さ；
・自由ピストンマシンにおけるシャフトの比較的低い回転速度又はピストン往復振動数を結果として生ずるピストンの比較的低い線速度、
という欠点がある。
【００１４】
これらマシンのサイズ及び重量を減少するため、設計者は、垂直ロッド連接ピストン及び駆動機構（すなわち、いわゆる非加圧クランクケース）の「封止」を用いて、クランクケースを機関のガス回路を分離することができる。
【００１５】
このような封止は極めて限られた数のスターリングマシンしか達成されておらず、またそれら機関ですら、内部ガス回路内における作動流体は、ロッド封止における作動流体漏れを完全に解消することができないため、繰り返し補充しなければならない。
【００１６】
さらに、自由ピストンマシンにおいては従来型の駆動機構は存在せず、またピストンは、マシンの内部ガス回路内で生ずるガス力及び機械的ばねを利用して往復駆動される。冷ピストンの往復振動は、銅コイルによって包囲されたレアアース磁石をピストンに取り付けることによって電力に変換することができる（すなわち、リニア発電装置）。このようなマシンは、大きなクランクケースを有しておらず、またエンジンは、リニア交流発電機をエンジンケーシング内に配置することによって、完全に封止される。その固有重量及び寸法は、従来型運動学的マシンのそれらよりもかなり改善されているが、今までのところ電力出力は約３〜１０ｋＷ（キロワット）に制限されており、これは、従来型運動学的エンジンの出力よりも相当低い。ピストン往復振動数は２０００〜４０００ＲＰＭ（回転数／分）シャフト回転速度に対応する。
【００１７】
往復ピストンマシンにおける問題の解決法は、回転式マシンにあると考えられる。したがって、回転式スターリング機関／マシンの開発に多大な労力が注がれた。
【００１８】
例えば、特許文献１（米国特許出願公開第１３／７９５、６３２号）には、同一シャフトに取り付け、また断熱バリアによって互いに分離した「熱（ホット）」及び「冷（コールド）」ジロータのセットを用いるスターリングサイクル機関について記載している。そのバリアは、ガスが流れることができる、したがって、「熱（ホット）」及び「冷（コールド）」ジロータのセットにおける変位チャンバを接続する再生ガス通路を提供する。ジロータ式スターリングサイクル機関は、電気又は機械的動力を発生するのに使用することができる。
【００１９】
特許文献２（米国特許出願公開第０５／７９０，９０４号）は、回転機構を有するスターリングサイクル・マシンの他の実施例について記載している。この特別な設計において、回転ベーン式エキスパンダ及び回転ベーン式コンプレッサを同一シャフトに取り付け、これにおいて、各ベーンユニットは４つの作動容積部を形成する。エキスパンダ及びコンプレッサの対応する作動容積部は、エキスパンダのケーシング内及びシャフト内に設けた熱交換器のセットを介して接続する。
【００２０】
これら従来技術のすべての実施例は、スターリングサイクル・マシンの基本的な同一特徴、すなわち、エキスパンダ及びコンプレッサのユニットにおける対応する作動空間を連続的に接続することによる調和変動又は近似調和変動という特徴がある。したがって、各チャンバを熱交換器のセットにより接続した後、作動ガスは、対応する作動空間相互間で往復運動するよう流動する。しかし、当業者であれば、上述の回転機構は極めて複雑であり、回転機構自体の欠点が付随する。
【００２１】
したがって、２軸スクリュー又はスクロール機構のような回転機構はスターリングサイクル・マシンでの使用が考慮された。２軸スクリュー機構は、とくに、コンプレッサに対する極めて一般的な選択肢であった。図３（ａ）〜（ｄ）は、例えば、２軸スクリュー式コンプレッサ３０の全周期を示す。動作中（すなわち、２軸スクリューシャフトの回転中）、２つの互いに噛合して対向回転する雄形ロータ及び雌形ロータが、両者間の対応ローブ及び包囲ケーシング３４内に作動流体３２（例えば、ガス）を捕捉する。互いに噛合する雄形及び雌形のローブによって軸線方向前方に押しやられ、これにより互いに噛合する雄形及び雌形のローブによって生ずるチャンバの容積部は徐々に減少し、捕捉したガスを圧縮させる。
【００２２】
図３に示すように、(a) ガス３２は吸気ポート３６から取り込まれ、(b) 次にガス３２は捕捉されて軸線方向の移動し、(c) このガスは、互いに噛合するローブによって生ずる減少していくチャンバ容積部により圧縮され、(d) ガス３２は排気ポート３８から排出される。
【００２３】
図４（ａ）〜（ｄ）は、作動流体を圧縮又は膨張させるのに使用できる交互回転機構を示し、とくに、図４は、一方が他方に対して１８０゜にわたり回転する２つの入れ子式同一スクロール４２、４４を備えるスクロールコンプレッサ４０を示す。古典的設計において、双方のスクロール４２、４４は円形インボリュート曲線であり、一方のスクロール４２又はスパイラルは回転可能のであり、また整合する固定スクロール４４によって画定される経路において周回する。固定スクロール４４はコンプレッサ本体に固着することができ、周回するスクロール４２はクランクシャフトに結合することができ、これにより周回運動は、２つのスクロール４２、４４間で移動する一連のガスポケットを生ずる。形成されたポケットはガスを引き込み、ガスをスクロール４２、４４の外側部分から中心部分に移動し、この中心部分でガスを排出する。ガスが中心に向かって移動するにつれて、ポケット容積部は減少し、またその温度及び圧力は所望排出圧力まで増加する。スクロール機構及び２軸スクリュー機構の双方とも、反転モードで動作することもでき、すなわち、単に回転方向を逆転することによってエキスパンダとして動作することができる。
【００２４】
ガスの圧縮又は膨張用に使用される回転機構の他の例は、図５に示すような円錐スクリュー回転コンプレッサ５０（例えば、ヴァート・ローターズ社製造）である。この機構は回転内部ロータ５２及び回転外部ロータ５４よりなる。内部及び外部のロータ５２、５４は同期機構を介して電動モータにより駆動される。内部及び外部のロータ５２、５４双方の回転運動により、ガスを変位及び圧縮するようガスを回転軸線に沿って移動させる。動作中、低圧ガスが大径側面５６における入口に供給され、この後、より高圧になるよう圧縮され、小径側面５８における出口から排出される。この回転機構５０はエキスパンダとして使用するよう逆転することもできる。図５において、円錐スクリュー回転コンプレッサの２つの異なるジオメトリ、すなわち、(a) 2+3プロファイル（輪郭）、及び(b) 3+4プロファイル（輪郭）を示す。
【００２５】
しかし、２軸スクリュー式、スクロール式、又は円錐スクリュー式の回転機構によって与えられる周期的体積変化は、図６に示すような線形的又は非線形的な鋸歯状関数に追従し、この図６は、膨張中（正傾斜部）及び圧縮中（負傾斜部）における作動流体の体積変化の例を示す。ここで、ゆるい傾斜は、一次関数（すなわち、真直ぐなライン）によって定義されるが、非線形関数（例えば、調和関数又は非調和関数の一部分）によって記述することもできる。
【００２６】
これら回転マシンによって与えられる作動流体体積変動の鋸歯状特性は、スターリングサイクルに使用するには不向きなしかし、２軸スクリュー式、スクロール式、又は円錐スクリュー式の機構によって形成されてきた。
【００２７】
２軸スクリュー式又はスクロール式のいずれかの機構を利用する現在利用可能な熱力学的装置は、それぞれ一方向のみの作動流体軸フローを必要とするランキンサイクル又はジュール／ブライトン・サイクルで供給される。例えば、特許文献３又は４（独国特許第１０１２３０７８号又はオーストリア国特許第４１２６６３号）は、２軸スクリュー式エキスパンダを利用する熱力学的サイクルについて記載している。
【００２８】
とくに、特許文献３（独国特許第１０１２３０７８号）は、閉熱力学的サイクルで動作し、２軸スクリュー機構によって高圧ガスが供給され、また膨張させられるマシンについて記載している。ガス膨張で生ずる仕事は、回転する２軸スクリューのシャフトにより有用な機械的仕事に変換されてから、作動流体が再加熱（又は再加圧）されて、サイクルを繰り返す２軸スクリュー機構に戻される。
【００２９】
回転式熱力学的エンジンの他の例（スクロール機構を利用する）は、ユンミン・キム氏、ドンキル・シン氏、ヤンヒー・リー氏、及びクウェン・パーク氏による非特許文献１（a publication by Youngmin Kim, Dongkil Shin, Janghee Lee and Kwenha Park (“Noble Stirling engine employing scroll mechanism”, Proceedings of the 11th International  Stirling Engine Conference, 19-21 September 2004, pp. 67-75）に記載されているが、ガスフローは一方向で循環し、往復運動では循環しないため、いわゆるスターリング機関は、実際には閉じたジュール／ブライトン・サイクルで動作することを、簡単な解析が明らかにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】米国特許出願公開第１３／７９５、６３２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第０５／７９０，９０４号明細書
【特許文献３】独国特許第１０１２３０７８号明細書
【特許文献４】オーストリア国特許第４１２６６３号明細書
【非特許文献】
【００３１】
【非特許文献１】publication by Youngmin Kim, Dongkil Shin, Janghee Lee and Kwenha Park (“Noble Stirling engine employing scroll mechanism”, Proceedings of the 11th International  Stirling Engine Conference, 19-21 September 2004, pp. 67-75）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
したがって、本発明の目的は、与えられる作動流体体積変化が線形的又は非線形的な鋸歯状波形に基づく場合であっても、回転エキスパンダ及び回転コンプレッサの機構、例えば、２軸スクリュー式、スクロール式、又は円錐スクリュー式の機構を利用することができるスターリングサイクル装置を提供することにある。さらに、本発明の特別な目的は、現在利用可能なスターリングサイクル冷却器よりも小さくすることができ、また改善した効率を有する回転式スターリングサイクル冷却器を得るにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の好適な実施形態は、従来技術の上述した欠点のうち１つ又はそれ以上を克服することを目指す。
【００３４】
本発明の第１実施形態によれば、スターリングサイクル装置を提供し、このスターリングサイクル装置は、
密封可能なハウジングと、
第１回転変位ユニットが第２回転変位ユニットと流体連通し、各ユニットは前記ハウジング内に別個の流体密部分内で各ユニットを操作可能に備え付け、使用中作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの周期的変化を生じ得るようにした、該第１及び第２の回転変位ユニットであって、前記第１及び第２の回転変位ユニットそれぞれは、
コンプレッサ機構であって、前記作動流体の第１部分を受け容れ得る第１コンプレッサ作動チャンバ、及び前記作動流体の第２部分を受け容れ得る少なくとも第２コンプレッサ作動チャンバを有し、前記第１コンプレッサ作動チャンバは第１出口ポートを有し、また前記第２コンプレッサ作動チャンバは第２出口ポートを有する、該コンプレッサ機構、
エキスパンダ機構であって、前記作動流体の前記第１部分を受け容れ得る第１エキスパンダ作動チャンバ、及び前記作動流体の前記第２部分を受け容れ得る少なくとも第２エキスパンダ作動チャンバを有し、前記第１エキスパンダ作動チャンバは第１入口ポートを有し、また前記第２エキスパンダ作動チャンバは第２入口ポートを有する、該エキスパンダ機構、
前記第１エキスパンダ機構を前記第１コンプレッサ機構に対して操作可能かつ動作可能に連結し得る駆動連結アセンブリであって、
前記第１コンプレッサ作動チャンバと前記第１エキスパンダ作動チャンバとの間、及び前記第２コンプレッサ作動チャンバと前記第２エキスパンダ作動チャンバとの間において、前記第１及び第２の回転変位ユニットの回転角度の所定インターバルで所定シーケンスの周期的流体交換を生じ得る回転バルブ機構を有する、該駆動連結アセンブリ、
を含む、該第１及び第２の回転変位ユニットと、
前記第１及び第２の回転変位ユニットに操作可能に連結したアクチュエータであって、前記第１回転変位ユニットの回転運動を前記第２の回転変位ユニットに同期するようリンクさせ、これにより、使用中に、前記作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの前記第１所定周期変化が、前記作動流体の少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの前記第２所定周期変化に対して所定位相角だけオフセットし得るようにした、該アクチュエータと、
を備える。
【００３５】
本発明装置は、２つの回転変位ユニットの対応する回転式のコンプレッサ機構及びエキスパンダ機構における少なくとも１つの熱力学的状態パラメータの線形的又は非線形的な「鋸歯状」周期的変化を、従来型スターリングサイクル・マシン（例えば、ピストン運動）に典型的な周期的調和関数に近似して追従する作動空間容積の全体変動を生ずるように対を成しかつ組み合わせることができる利点をもたらし、これにより構造がより簡単であり、また、とくに、小型化した形態にするとき向上した効率及び性能を有する正真正銘の回転式スターリングサイクル装置を提供する。本発明は、機械的仕事を行うよう動作することができるが、冷却器又はヒートポンプとして可逆的にも動作することができる。
【００３６】
有利には、前記第１駆動連結アセンブリは、さらに、少なくとも１個の第１駆動シャフトと、内壁を有して、前記少なくとも１個の第１駆動シャフトを操作可能に包囲するよう構成された少なくとも１個の第１シャフトケーシングとを有することができる。
【００３７】
有利には、前記少なくとも１個の第１シャフトケーシングは、前記内壁の第１周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第１軸方向位置に設けられ、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する複数の第１流体チャンネルと、及び前記内壁の第２周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第２軸方向位置に設けられ、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する複数の第２流体チャンネルと、を有することができ、また、前記第１周方向セグメントは前記第２周方向セグメントとは半径方向反対側に設けられるものであり、また前記第１軸方向位置それぞれは前記第２軸方向位置のそれぞれとは軸線方向にオフセットされるものとする。
【００３８】
好適には、前記軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する第１流体チャンネル、及び第２流体チャンネルは、１８０゜の角度より大きい角度にわたり存在することができる。
【００３９】
有利には、前記少なくとも１個の駆動シャフトは、前記第１出口ポートに流体接続される第１開口を有する第１導管及び前記第１入口ポートに流体接続される第１開口を有する第２導管よりなる２つの互いに対応する導管の第１セットを備えることができ、前記互いに対応する前記第１及び第２の導管それぞれは、所定の第１半径方向角度で前記駆動シャフトから半径方向に抜け出るよう互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口を有し、前記互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口のうち一方の開口は、前記複数の第１流体チャンネルのうち１つと流体的に係合し得るものであり、また前記互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口のうち他方の開口は、前記複数の第２流体チャンネルのうち１つと流体的に係合し得るものとすることができる。
【００４０】
より有利には、前記少なくとも１個の駆動シャフトは、前記第２出口ポートに流体接続される第１開口を有する第１導管及び前記第２入口ポートに流体接続される第１開口を有する第２導管よりなる２つの互いに対応する導管の少なくとも第２セットを備え、前記互いに対応する前記第１及び第２の導管それぞれは、所定の第１半径方向角度で前記駆動シャフトから半径方向に抜け出るよう互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口を有し、前記互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口のうち一方の開口は、前記複数の第１流体チャンネルのうち１つと流体的に係合し得るものであり、また前記互いに軸線方向に隣接して接続した２つの第２開口のうち他方の開口は、前記複数の第２流体チャンネルのうち１つと流体的に係合し得るものとすることができる。
【００４１】
より有利には、前記複数の第１流体チャンネルのそれぞれは、前記複数の第２流体チャンネルのうち対応する１つと流体接続し、使用中に、前記第１コンプレッサ作動チャンバと前記第１エキスパンダ作動チャンバとの間、及び前記第２コンプレッサ作動チャンバと前記第２エキスパンダ作動チャンバとの間における熱交換を所定シーケンスで行うことを可能にすることができる。
【００４２】
有利には、前記第１回転変位ユニット内で流体接続された前記第１コンプレッサ作動チャンバ及び前記第１エキスパンダ作動チャンバ、並びに流体接続された前記第２コンプレッサ作動チャンバ及び第２エキスパンダ作動チャンバのそれぞれのために、第１作動空間及び第２作動空間が形成されるようにすることができる。
【００４３】
有利には、前記第２回転変位ユニット内で流体接続された前記第１コンプレッサ作動チャンバ及び前記第１エキスパンダ作動チャンバ、並びに流体接続された前記第２コンプレッサ作動チャンバ及び第２エキスパンダ作動チャンバのそれぞれのために、第１作動空間及び第２作動空間が形成されるようにすることができる。
【００４４】
有利には、前記第１回転変位ユニットの前記第１作動空間及び第２作動空間それぞれは、前記第２回転変位ユニットの前記第１作動空間及び第２作動空間の対応する作動空間に流体連通することができる。
【００４５】
好適には、前記第１回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第１流体チャンネル及び前記第２流体チャンネルそれぞれは、前記第２回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第１流体チャンネル及び前記第２流体チャンネルそれぞれに対応する１つの流体チャンネルに流体連通することができる。
【００４６】
有利には、前記第１回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第１流体チャンネル及び前記第２流体チャンネルそれぞれと、前記第２回転変位ユニットの前記対応して流体接続した前記第１流体チャンネル及び前記第２流体チャンネルそれぞれとの間における流体連通は、第１熱交換器、再生器、及び第２熱交換器のうち任意な１つ又はそれらの任意な直列的組合せを有することができる。
【００４７】
好適には、前記第１熱交換器は前記作動流体に熱を供給し得るものであり、また前記第２熱交換器は前記作動流体から熱を除去し得るものとすることができる。このことにより、装置は異なるモードで動作することができ、例えば、再生器との組合せにおいて、第１及び第２の熱交換器をどこに配置するかに基づいて、冷却器として又はヒートポンプとして動作することができるという利点をもたらす。
【００４８】
より好適には、前記再生器は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間を流体接続することができる。
【００４９】
代案として、前記第１熱交換器は、前記第１回転変位ユニットの一体部分であり、及び／又は前記第２熱交換器は、前記第２回転変位ユニットの一体部分であるものとする。
【００５０】
好適には、前記第１回転変位ユニット及び前記第２回転変位ユニットそれぞれは、２軸スクリュー機構を有することができる。
【００５１】
代案として、前記第１回転変位ユニット及び前記第２回転変位ユニットそれぞれは、スクロール機構又は回転円錐スクリュー機構を有することができる。
【００５２】
他の代替的実施形態において、前記第１回転変位ユニット及び前記第２回転変位ユニットそれぞれは、２軸スクリュー機構、スクロール機構又は回転円錐スクリュー機構のうち任意な１つを有することができる。
【００５３】
有利には、前記アクチュエータは、モータと、前記第１及び前記第２の回転変位ユニットを同期駆動し得る変速装置とを有することができる。
【００５４】
代案として、前記アクチュエータは、モータと、前記第１及び前記第２の回転変位ユニットのうち任意な１つによって動力を受け得る変速装置とを有することができる。
【００５５】
有利には、前記第１回転変位ユニットの前記コンプレッサ機構及びエキスパンダ機構それぞれ、並びに前記第２回転変位ユニットの前記コンプレッサ機構及びエキスパンダ機構それぞれは、前記ハウジングにおける個別かつ密封された部分内に設けることができる。
【００５６】
好適には、前記第１回転変位ユニットは圧縮ユニットであり、また前記第２回転変位ユニットは膨張ユニットであるようにすることができる。代案として、装置の用途、すなわち、ヒートポンプ、冷却又は機関（エンジン）としての用途に基づいて、前記第１回転変位ユニットは膨張ユニットであり、また前記第２回転変位ユニットは圧縮ユニットであるようにすることができる。
【００５７】
本発明の好適な実施形態を以下に単に例としてであり、限定的な意味ではなく、添付図面につき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】「熱（hot）」及び「冷（cold）」のシリンダ、ヒータ、冷却器、及び再生器を有する運動学的駆動スターリング機関を示す。
【図２】(a)は「熱（hot）」シリンダ内容積変化（破線）及び「冷（cold）」シリンダ内容積変化（実線）のグラフ、並びに(b)はスターリングサイクル機関における「熱」シリンダのＰＶグラフ（破線）及び「冷」シリンダのＰＶグラフ（実線）である。
【図３】(a)〜(d)は２軸スクリューコンプレッサ及びその動作状態を示す。
【図４】スクロール機構コンプレッサの概略図及び動作原理を示し、(a) は最大充填位置にあるスクロール機構を示し、(b) は入口遮断状態にあるスクロール機構を示し、(c) は排出開始時におけるスクロール機構を示し、及び(d) は排出終了時におけるスクロール機構を示す。
【図５】２つの異なるジオメトリ、すなわち、(a) 2+3プロファイル（輪郭）、及び(b) 3+4プロファイル（輪郭）を有する円錐スクリュー回転コンプレッサの実施例を示す。
【図６】膨張（正傾斜）中及び圧縮（負傾斜）中における体積変化を表す線形的鋸歯状波形を示す。
【図７ａ】本発明装置の実施形態における、「膨張」又は「冷」ユニット側からみた等角投影図を示す。
【図７ｂ】本発明装置の実施形態における、「圧縮」又は「暖（又は熱）」ユニット側からみた等角投影図を示す。
【図８】図７に示す装置の内部の一部断面とする等角投影図を示す。
【図９】図７及び８に示す装置の２つ連結した２軸スクリュー機構の等角投影図を示し、各２軸スクリュー機構は圧縮チャンバ及び膨張チャンバを有する。
【図１０】２軸スクリュー機構における一方のロータであって、内部導管（破線）及び出口／入口を含むロータの等角投影図を示す。
【図１１】内部圧縮／膨張チャンバを有する回転ユニット（図７に示す装置のような）の線図的断面図を示す。
【図１２】回転バルブ機構の内部導管を露出させるシャフトの拡大断面図を示す。
【図１３】２軸スクリュー機構における雄形ロータシャフトの断面図を示す。
【図１４】図１３の雄形ロータシャフトの頂面図であって、内部導管の開口を示す。
【図１５】周方向及び軸線方向のオフセットした流体チャンネルを有する回転バルブ機構のケーシングの一部における等角投影図的断面図を示す。
【図１６】回転バルブ機構のロータシャフトを包囲するケーシング内に配置した流体チャンネル及びそれに隣接する封止リングの拡大断面図を示す。
【図１７】シャフト、ケーシング及び導管よりなる回転バルブアセンブリの細部の拡大断面図を示す。
【図１８】本発明装置の(a) 「冷」回転変位ユニット及び(b) 「暖」回転変位ユニットにおける対応するコンプレッサ空間及びエキスパンダ空間を接続するパイプを示す。
【図１９】「冷」回転変位ユニット及び「暖」回転変位ユニットにおける２つの対応する作動空間相互間の流体接続状況の概略図を示す。
【図２０】「冷」ユニットにおけるコンプレッサ（実線）及びエキスパンダ（破線）の第１チャンバにおける容積変動のグラフを示す。
【図２１】「冷」ユニットの第１チャンバにおける容積変動のグラフであり、２つの作動空間形成を示す。
【図２２】「冷」ユニット（実線）及び「暖」ユニット（破線）における対にした作動空間容積変動のグラフを示す。
【図２３】図２１の対にした作動空間容積変動の和のグラフを示す。
【図２４】本発明冷却スターリングサイクル装置の膨張空間（実線）及び圧縮空間（破線）におけるＰＶグラフを示す。
【図２５】多ブロック構成であって、単一共通雄形又は雌形のいずれかのロータが対応の雌形ロータ又は雄形ロータ間に配置される本発明スターリングサイクル装置用の２軸スクリュー機構を示す。
【図２６】３ローブ構成のロータを利用する２軸スクリュー機構の代替的セットを示す。
【図２７】４ローブ構成のロータを利用する２軸スクリュー機構の他の代替的セットを示す。
【図２８】回転バルブアセンブリの他の実施形態であって、周縁流体チャンネルを回転駆動シャフト上に設けた回転バルブアセンブリの等角投影図を示す。
【図２９】図２８の回転バルブアセンブリにおける他の実施形態の断面図を示す。
【図３０】図３０ａは、駆動シャフトの外面及び内部導管に設けた周縁流体チャンネルを露出させる駆動シャフトの一部分の等角投影図を示す。図３０ｂは、駆動シャフトの外面及び内部導管に設けた周縁流体チャンネルを露出させる駆動シャフトの一部分の側面図を示す。図３０ｃは、駆動シャフトの外面及び内部導管に設けた周縁流体チャンネルを露出させる駆動シャフトの一部分の断面図を示す。
【図３１】本発明装置のスクロール機構を利用する代替的実施形態であって、「冷」及び「暖」ユニットが熱交換器アセンブリ（冷熱交換器、再生器、暖熱交換器）を介して流体接続されている実施形態の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
本発明の例示的実施形態は回転式スターリングサイクル冷却器につき説明する。しかし、概して本発明スターリングサイクル装置はスターリング機関モード（すなわち、機械的仕事出力）又はヒートポンプ（熱出力）でも同様に機能すると理解されたい。
【００６０】
さらに、互いに噛合する雄形及び雌形のスクリューロータには異なるローブ数比を与えることができる。論理的には、この比は、「１」（すなわち「2/2」）で始まるが、特別な他の（例えば、より大きい）比を使用することもがきる。実際に使用される比の代表的例は、「３／４」、「３／５」、「４／６」、「５／７」、「６／８」等とすることができる。さらに、スクリューローブは対称的又は非対称のプロファイル（輪郭）を有することができる。単に本発明の基本原理を説明する目的のため、例示的実施形態は、「２／２」比（すなわち、この比は「１」に等しい）ローブを有する一層簡単な対称的プロファイル（輪郭）付けしたスクリューロータを備える。さらに、当業者であれば、最適性能は任意な他の（すなわち、より適した）比及び／又はローブプロファイル（非対称又は対称的）を利用してのみ達成できることは理解するであろう。しかし、本発明の基本原理は任意の好適なローブ数比及びローブプロファイルに適用可能である。
【００６１】
図７〜１１につき説明すると、本発明スターリングサイクル装置の第１実施形態であって、「膨張（expanding）」又は「冷（cold）」ユニット１０２、及び「圧縮（compression）」又は「暖（warm）」ユニット１０４を備える。「冷」ユニット１０２及び「暖」ユニット１０４のそれぞれは、さらに、コンプレッサ機構１０６及びエキスパンダ機構１０８を有する。「冷」ユニット１０２及び「暖」ユニット１０４は、熱交換器の４つのセットを介して流体連通し、各セットは、直列的に配列した「冷」熱交換器１１０、再生器１１２、及び「暖」熱交換器１１４を含む。「冷」ユニット１０２及び「暖」ユニット１０４のそれぞれは、２軸スクリュー機構１１６、１１８を有し、これら２軸スクリュー機構１１６、１１８は、図８及び９に示す２軸スクリューロータ１２０、１２２よりなる。２軸スクリュー機構１１６、１１８それぞれは、圧縮パート１２４、１２８及び膨張パート１２６、１３０を有する。雄形ロータ１２０及び雌形ロータ１２２のそれぞれにおける対応する圧縮パート１２４、１２８及び膨張パート１２６、１３０は、単一駆動シャフト１３２、１３４によって結合し、この結合は、膨張パート１２６、１３０が圧縮パート１２４、１２８と同一の鏡対称となるように行う。
【００６２】
さらに、２つの圧縮パート１２４、１２８及び２つの膨張パート１２６、１３０のそれぞれは、それら自体が密封されたエンクロージャ１３６内に配置される（図１１参照）。
【００６３】
モータ（図示せず）及び変速装置（図示せず）はそれぞれ対応の２軸スクリュー機構１１６、１１８に動作可能に連結し、この場合、変速装置（例えば、ボックス１３８内における駆動連結アセンブリとして備え付けた噛合ギア）を用いて、雄形ロータ１２０及び雌形ロータ１２２が同期されるようにする。ボックス１３８は、さらに、変速装置を介して２軸スクリュー機構を駆動し得るアクチュエータ（すなわち、効率的かつ制御可能な電動モータ）を有する。代案として、変速装置（すなわち、軸受、ギア機構）は、ハウジングの異なる部分、例えば、２軸スクリュー機構１１６、１１８のシャフト１３２、１３４を包囲するケーシング１４０内に配置することもできる。
【００６４】
次に、図１０、１２、１３及び１４につき説明すると、対応する導管１４４、１４６、１４８、１５０のセットを雄形ロータ１２０のシャフト１３２内に設ける。圧縮パート１２４高圧側端部及び膨張パート１２６の低圧側端部において、半径方向に配置した流体ポート１５２は、雄形スクリューロータ１２０の互いに隣接する２つのローブ間に設け、また図１２及び１３に詳細に示すように、導管１４４、１４６、１４８、１５０（軸方向内部円筒状チャンネルである）のセットにおける対応する導管に流体接続する。流体導管１４４、１４６、１４８、１５０のそれぞれは、第１出口１５４及び第２出口１５６を有し、流体導管１４４、１４６、１４８、１５０それぞれにおける第１及び第２の出口は、互いに隣接配置される。
【００６５】
次に、図１５、１６及び１７につき説明すると、１８０゜より大きい中心角にわたる大扇状形状で周方向に部分的に延在する流体チャンネル１５８（すなわち、溝孔）の第１セットを、雄形ロータ１２０のシャフト１３２を包囲するケーシングの第１部分でそれぞれに対応する所定軸方向位置に形成する（図１５参照）。１８０゜より大きい中心角にわたる大扇状形状で周方向に部分的に延在する流体チャンネル１６０（すなわち、溝孔）の第２セットを、雄形ロータ１２０のシャフト１３２を包囲するケーシングの第２部分でそれぞれに対応する所定軸方向位置に形成し（図１５参照）、ケーシングの第１部分は、ケーシングの第２部分に対して半径方向に対向させる（図１５参照）。さらに、周方向に部分的に延在する流体チャンネル１５８の第１セットのそれぞれは、周方向に部分的に延在する流体チャンネル１６０の第２セットのそれぞれから軸線方向にオフセットする。
【００６６】
図１７に示すように、第１出口１５４それぞれは、周方向に部分的に延在する流体チャンネル１５８の第１セットのそれぞれにのみ流体接続できるよう配列し、また第２出口１５６それぞれは、周方向に部分的に延在する流体チャンネル１６０の第２セットのそれぞれにのみ流体接続できるよう配列する。
【００６７】
図１６に示すように、すべての流体チャンネル１５８、１６０は「Ｏ」型のシールリング１６１によって分離し、これらシールリング１６１はケーシングのシャフト１３２を包囲する部分内に配置する。さらに、ロータ相互間又はロータとケーシングとの間におけるギャップでの潜在的ガス漏洩を減少するため、適当なシール構成を適用することができる。例えば、ローブの隆起部に沿って延びる溝にシール細条を設けることができ、又はいかなるギャップをも塞ぐテフロン及び他の適当な封止材料をシール細条として使用することができる。さらに、雄形及び雌形のロータ、ケーシング又は熱交換器を製造するのに使用される材料（例えば、非金属材料）は、スターリングサイクルに使用される温度に基づいて異なるようにすることができる。
【００６８】
図１８（ａ）及び（ｂ）につき説明すると、「冷」ユニット１０２及び「暖」ユニット１０４のそれぞれにおいて、流体チャンネル１５８の第１セットそれぞれは、流体接続部１６２（例えば、パイプ）を介して流体チャンネルの第２セットの対応する部分に流体接続する。「冷」ユニットにおける流体接続部１６２のそれぞれは、パイプ１６４を介して「暖」ユニットの対応する流体接続部１６２に流体接続する。上述したように、一連の「冷」熱交換器１１０、再生器１１２及び「暖」熱交換器１１４は、各パイプ１６４の流体経路に流体接続する。
【００６９】
図１９〜２４につき説明すると、本発明装置１００の動作中（すなわち、冷却モード）、２つの２軸スクリュー機構１１６、１１８それぞれの駆動シャフト１３２、１３４は、モータ及び変速装置（図示せず）を介して同期回転する。対応する雄形及び雌形のロータ１２０、１２２のローブは噛み合って、「冷」ユニット１０２及び「暖」ユニット１０４それぞれのための、２つの圧縮チャンバ及び２つの膨張チャンバを形成する（すなわち、２ローブスクリューロータが２つの個別チャンバを形成する）。
【００７０】
「冷」ユニット１０２における、圧縮パート１２８のチャンバのうち１つ（すなわち、チャンバ１）及び膨張パート１３０のチャンバのうち１つ（すなわち、チャンバ１）における容積変動を図２０に示す。圧縮容積変動１６６は膨張容積変動１６８と同一であるが、この容積変動は、「冷」ユニット１０２の２軸スクリュー機構１１８の互いに対向する端部に配置される２軸スクリューロータの鏡対称対によって形成されるため、容積変化１６８は容積変化１６６とは逆位相である（図２０参照）。
【００７１】
以下は本発明装置１００で生ずる個別のプロセスの説明である。「冷」ユニット１０２の２軸スクリュー機構１１８における圧縮パート１２８及び膨張パート１３０のチャンバ１に捕捉された作動流体（すなわち、ガス）の往復運動的圧縮及び膨張中に第１作動空間１７０が形成され、また「冷」ユニット１０２の２軸スクリュー機構１１８における圧縮パート１２８及び膨張パート１３０のチャンバ２に捕捉された作動流体（すなわち、ガス）の往復運動的圧縮及び膨張中に第２作動空間１７２が形成される。これと同等の第１及び第２の作動空間（図示せず）が「暖」ユニット１０４の２軸スクリュー機構１１６によって形成される。
【００７２】
プロセスの説明を簡明にするため、「冷」ユニット１０２のチャンバ１は、冷却マシンにおけるこの実施形態のための代表例として考慮する。サイクル全体（２軸スクリューロータ１１６、１１８の３６０゜回転）を３つの特徴的位相に分割することができる。
【００７３】
位相１
持続期間はシャフト１３２、１３４の０゜回転から互いにオフセットする周方向に部分的に延在する流体チャンネル１５８、１６０のオーバーラップ部分の開始までである。ここで、流体チャンネル１５８の第１セットそれぞれは、対応する第１出口１５４に整列した状態に留まる。流体チャンネル１５８の第１セットは、対応する流体チャンネル１６０の第２セットに対して外部流体接続部１６２により流体接続される（図１８参照）。さらに、第２流体チャンネル１６０はそれぞれの第２出口１５６からは整列しない（図１２及び１９参照）。基本的に、上述の対となる流体チャンネル１５８、１６０並びにこれに対応する軸方向にオフセットした第１及び第２の出口１５４、１５６は回転バルブ機構として機能し、この回転バルブ機構は、チャンバ１の膨張パート１３０及び圧縮パート１２８を適時的に分離及び接続し得る。したがって、第１位相中、「冷」ユニット１０２における膨張パート１３０のチャンバ１に位置するガスは、完全膨張のほぼ半分まで膨張され続け、また「冷」ユニット１０２における圧縮パート１２８のチャンバ１に位置するガスは、完全圧縮のほぼ半分まで圧縮され続ける。
【００７４】
位相２
持続期間は、互いにオフセットする周方向に部分的に延在する流体チャンネル１５８、１６０のオーバーラップの開始時から、オーバーラップの終了時までである。サイクルの中間近傍で、圧縮パート１２８におけるチャンバ１の容積と膨張パート１３０におけるチャンバ１の容積との間で流体接続が生ずる。この位相の持続期間は、流体チャンネル１５８、１６０における２つの軸方向にオフセットしかつ周方向に部分的に延在する第１及び第２のセット間の所定オーバーラップによって予め決定される。正確なオーバーラップは、圧縮パート１２８及び膨張パート１３０におけるチャンバ１の容積間のガス交換を「円滑化する」、すなわち、圧縮パート１２８と膨張パート１３０との間における圧力衝撃を最小化する又は回避すらするのを最適にする。
【００７５】
位相３
持続期間は、オーバーラップの終了時からサイクルの全３６０゜までである。この位相中、流体チャンネル１６０の各第２セットは対応する第２出口１５６に整列した状態に留まる。位相１の説明で述べたように、流体チャンネル１５８の第１セットそれぞれは、対応する流体チャンネル１６０の第２セットそれぞれに対して外部流体接続部１６２により流体接続される（図１８及び１９参照）。第１流体チャンネル１５８は対応する第１出口１５４からは整列しない。したがって、「冷」ユニット１０２における膨張パート１３０のチャンバ１に位置するガスは、完全膨張のほぼ半分まで膨張され続け、また「冷」ユニット１０２における圧縮パート１２８のチャンバ１に位置するガスは、完全圧縮のほぼ半分まで圧縮され続ける。
【００７６】
上述したように、オーバーラップ期間が完了した後、サイクルの第１ハーフ中に圧縮パート１２８内で圧縮され続けるガス体積は、サイクルの第２ハーフ中に膨張パート１３０内で膨張することになる。同時に、膨張パート１３０内で膨張し続けるガス体積は、サイクルの第２ハーフ中に圧縮パート１２８内で圧縮プロセスを受けることになる。したがって、２つの形成される作動空間１７０及び１７２における容積変動の大きさはほぼ同一である（図２１参照）。さらに（上述したように）、２軸スクリュー機構１１６、１１８のロータ１２０、１２２は２つのローブを有していることから、第１及び第２の各流体チャンネルを他の導管セット（例えば、第１対応導管セット１４４、１４６、第２対応導管セット１４８、１５０）の対応する第１及び第２の出口に組み合わせることによって、２つの同等な作動空間が、膨張パート１３０及び圧縮パート１２８のチャンバ２に対して形成される。この結果、２ローブ２軸スクリュー機構１１６、１１８に対して、「冷」ユニット１０２に形成される全体として４つの作動空間、及び「暖」ユニット１０４に形成される全体として整合する４つの作動空間がある。
【００７７】
図１９は、「冷」ユニット１０２及び「暖」ユニット１０４、並びに２つの作動空間間における対応する流体接続部（一連の熱交換器１１０、１１４及び再生器１１２を介する）の簡略化した概略図を示す。
【００７８】
さらに、「暖」ユニット１０４の各作動空間における容積変動は、「冷」ユニット１０２における対応して対を成す作動空間の容積変動に「追従」するが、９０゜〜１２０゜のシャフト角度（位相角度）遅延を伴う。本発明のこの特別な実施形態において、「暖」ユニット１０４の各作動空間の容積変動は、「冷」ユニット１０２における対応して対を成す作動空間の容積変動に対して９０゜の遅延を有して「追従」する。しかし、当業者であれば、他の位相角度遅延を、「冷」ユニット１０２と「暖」ユニット１０４との間に使用して、スターリングサイクル装置１００の出力（例えば、冷却出力）を制御することができる。
【００７９】
「冷」ユニット１０２における対応して対を成す作動空間の容積１７４、及び「暖」ユニット１０４における対を成す作動空間の容積１７６の変動グラフを図２２に示す。「暖」ユニット１０４における２軸スクリュー機構１１６の回転は、「冷」ユニットの２軸スクリュー機構１１８とは９０゜オフセットする。
【００８０】
図２３は、２つの対を成す作動空間のための２つの対を成す作動容積１７４、１７６の合計１７８を示す。２つの対を成す作動容積１７４、１７６の合計１７８は、従来型スターリング機関における作動空間の変動（図２ａ参照）に極めて近似する。したがって、「冷」ユニット１０２における対を成す作動空間を「暖」ユニット１０４における対を成す作動空間に接続するとき（熱交換器１１０、１１４及び再生器１１２２のセットを介して）、スターリングサイクル冷却装置１００を実現することができる。「冷」ユニット１０２における４つの作動空間及び「暖」ユニット１０４における４つの作動空間が存在するため、スターリングサイクル冷却器は、４つの個別ガス回路による同等物を有し、４つのガス回路それぞれは、図２４に示すのと同様の圧力−体積（pressure-volume）グラフを有し、圧縮空間のＰＶグラフ１８０は膨張空間のＰＶグラフ１８２よりも大きい（すなわち、冷却モード）。
【００８１】
スクリュー機構の代替的設計を図２５、２６及び２７に示し、これら機構のすべては、本発明の例示的実施形態で説明した２ローブ２軸スクリュー機構１１６、１１８の代わりに使用することができる。当業者であれば、本発明の特徴的概念から逸脱することなく、「冷」及び「熱」ユニットのための及びそれらの間における対応する内部及び外部の流体接続部、導管及び流体出口に対する変更が必要となることは理解されるであろう。例えば、多ブロック式スクリュー機構を図２５に示し、この場合、単一の共通雄形又は雌形のロータ２０２を対応する雄形ロータ２０４と雌形ロータ２０６との間に配列する。
【００８２】
さらに、様々な異なるロータローブのジオメトリ形態及びプロファイルをスターリングサイクル装置に使用することができ、例えば、圧縮及び膨張の作動空間相互間の位相角度が適切な冷却／加熱性能又は機械的仕事の出力を発生するのに適しているならば、２つより多いローブを有するスクリューを利用することができる。さらに、ロータ及びローブは、異なる直径及び／又は長さで形成することができ、例えば、「冷」ユニットにおける２軸スクリューロータは、「暖」ユニットにおける２軸スクリューロータよりも大きい、又はそれとは逆に小さいものにすることができ、熱源とヒートシンクとの比較的小さい温度差でパワー、冷又は熱発生を増幅することができる。
【００８３】
図２６は、３ローブロータ３０２を有する２つの２軸スクリュー機構３００の例を示し、図２７は、４ローブロータ４０２を有する２つの２軸スクリュー機構４００の例を示す。雄形シャフトの中間区域（回転バルブ機構）は、対応する導管の追加セット（例えば、追加ローブあたり対応する導管のセットを各個に追加する）を有することができ、それぞれは、膨張パート及び圧縮パートにおける対をなすチャンバの総和を対応する２つの作動空間に分割し、シャフト回転によるガス圧縮／膨張の必要な周期的体積変動を生ずるようにすることができる。さらに、作動空間の追加セット（例えば、追加ローブによって形成される追加チャンバからの）は、結果として追加ガス回路を形成することになると、理解されたい。
【００８４】
本発明の他の代替的実施形態において、駆動連結アセンブリは、図２８〜３０（ａ）、（ｂ）に示す代替的なバルブ機構５０２を有することができる。この代替的なバルブ機構において、駆動シャフト５０６の外面の第１周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第１軸方向位置に、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する第１流体チャンネル５０４を設け、また駆動シャフト５０６の外面の第２周方向セグメントにわたり延在して、それぞれに対応の所定第２軸方向位置に、軸線方向に互いに離間しかつ周方向に部分的に延在する第２流体チャンネル５０８を設け、この場合、第１周方向セグメントは第２周方向セグメントとは半径方向反対側に設けられ、また第１軸方向位置それぞれは第２軸方向位置のそれぞれとは軸線方向にオフセットされるものである。さらに、第１流体導管５１０及び第２流体導管５１２は駆動シャフト５０６に設ける。流体導管５１０、５１２それぞれは、２つの流体的結合した出口ポート５１１、５１３を有し、第１出口ポート５１１は第１流体チャンネル５０４のうちの１つに流体結合され、また第２出口ポート５１３は第１流体チャンネル５０８のうちの１つに流体結合される。流体接続部５１４は、駆動シャフト５０６を包囲するケーシング５１６に配置し、また各流体接続部５１４は、駆動シャフト５０６の回転中に第１流体チャンネル５０４又は第２流体チャンネル５０８のうちの一方に対する流体接続部を一時的に形成し得る。
【００８５】
本発明の他の代替的実施形態６００を図３１に示し、この場合、スクロール機構６０２、６０４を上述した２軸スクリュー機構の代わりに使用する。この動作原理は、２軸スクリューロータを有する実施形態につき説明したのと同一であり、すなわち、「冷」ユニット６０４におけるシャフト回転を「暖」ユニット６０２におけるシャフト回転と同期させ、「冷」ユニット６０４の作動空間変動と「暖」ユニット６０２の作動空間変動との間に最適な位相角度が存在するようにする。作動プロセスは、図２０〜２３に示したグラフによって説明することができるが、サイクルの完了には２回又はそれ以上のシャフト周回転を必要とすることを理解されたい。
【００８６】
さらにまた他の代替的実施形態（図示せず）において、異なる圧縮／膨張機構（例えば、スクロール及び２軸スクリュー）を組み合わせることができる。しかし、体積変動（線形的又は非線形的な鋸歯状関数に従う）を同期させて、閉じた再生式スターリングサイクルを形成するものと理解されたい。
【００８７】
さらに、実施形態における容積部の接続は、回転円錐スクリュー機構を利用するとき、２軸スクリューロータと同様にすることができる。
【００８８】
加えて、本発明の多段構成（冷却モードにおける）を使用して、上述の実施形態で可能であるように、より低い温度でさえも達成することができる。さらに、本発明スターリングサイクルのマシンは、フラット型、ボックス型、円筒型及び他の形式として設けることができる。上述したように、熱交換器又は熱交換器の少なくとも一部は、ケーシング又はロータシャフトの少なくとも一部に組み込み、本発明スターリングサイクル装置のサイズを小型化することができる。代案として、ケーシング又はシャフトの一部を熱交換器のうちの１つとして利用することができる。
【００８９】
当業者であれば、上述の実施形態は単に例として説明され、限定する意味はないものであり、また特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく種々の改変及び変更が可能であることは理解されるであろう。
【符号の説明】
【００９０】
１０２    「膨張」又は「冷」ユニット
１０４    「圧縮」又は「暖」ユニット
１０６    コンプレッサ機構
１０８    エキスパンダ機構
１１０    「冷」熱交換器
１１２    再生器
１１４    「暖」熱交換器
１１６    ２軸スクリュー機構
１１８    ２軸スクリュー機構
１２０    ２軸スクリューロータ（雄形）
１２２    ２軸スクリューロータ（雌形）
１２４    圧縮パート
１２６    膨張パート
１２８    圧縮パート
１３０    膨張パート
１３２    単一駆動シャフト
１３４    単一駆動シャフト
１３６    エンクロージャ
１３８  ボックス（変速装置）
１４０    ケーシング
１４４    導管
１４６    導管
１４８    導管
１５０    導管
１５２    流体ポート
１５４    第１出口
１５６    第２出口
１５８    流体チャンネル
１６０    流体チャンネル
１６１    シールリング
１６２    流体接続部
１６４    パイプ
１６６    圧縮容積変動
１６８    膨張容積変動
１７０    第１作動空間
１７２    第２作動空間
２０２    単一の共通雄形又は雌形のロータ
２０４    雄形ロータ
２０６    雌形ロータ
３００    ２軸スクリュー機構
３０２    ３ローブロータ
４００    ２軸スクリュー機構
４０２    ４ローブロータ
５０２    バルブ機構
５０４    第１流体チャンネル
５０６    駆動シャフト
５０８    第２流体チャンネル
５１０    第１流体導管
５１１    出口ポート
５１２    第２流体導管
５１３    出口ポート
５１４    流体接続部
５１６    ケーシング
６０２    スクロール機構（「暖」ユニット）
６０４    スクロール機構（「冷」ユニット）
【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（ａ）】
2019504239.tif 000009
【図７（ｂ）】
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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】
2019504239.tif 000020
【図１８（ａ）】
2019504239.tif 000021
【図１８（ｂ）】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2019504239.tif 000030
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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2019504239.tif 000037
2019504239.tif 000038