(57)【要約】本発明は、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する方法及び装置に関する。この場合、作動媒体が、ディスプレーサによって分離された少なくとも１つの作動空間を流れる。この作動媒体は、少なくとも２つの密閉されている作動空間（１，２）間で往復して流れる。有効動作をさせるため、作動媒体が、駆動機（１２）によって作動空間（１，２）間で送られる。引き続き作動媒体は、作動空間（１，２）内でディスプレーサ（３，４）によって一方の側から再生器（６，７）を通じてディスプレーサ（３，４）の他方の側に向かって流れる。作動媒体の流れが、制御機構、特に弁（１３，２３，２４，２５，２６）によって制御される。各ディスプレーサ（３，４）は、駆動部（５）によって移動される。
2005531708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを運動エネルギーに変換する方法にあって、この場合、作動媒体が、ディスプレーサによって隔離された少なくとも１つの作動空間内で過程中に以下の状態変化を進行させる方法において：
−圧縮空間内の熱放出下の圧縮、特に等温圧縮、
−作動媒体が圧縮空間から膨張空間へ進む間の再生器内での加熱、特に等容加熱、
−膨張空間内に熱を供給して仕事を行う膨張、特に等温膨張、
−圧縮空間内へ戻る時の再生器内での冷却、特に等容冷却、
作動媒体が少なくとも２つの密閉されている作動空間（１，２）間で往復に流れ、この場合、作動媒体が駆動機（１２）によって作動空間（１，２）間で送られて有効動作を解除し、この場合、熱が駆動機（１２）の前で吸収され、熱が駆動機（１２）の後で放出されること、作動媒体が、熱放出の後に作動空間（１，２）内で圧縮され、引き続きディスプレーサ（３，４）によってディスプレーサ（３，４）の一方の側から再生器（６，７）を通じてディスプレーサ（３，４）の他方の側に向かって流れ、この場合、作動媒体の流れが制御機構、特に複数の弁（１３，２３，２４，２５，２６）によって制御され、各ディスプレーサ（３，４）が１つの駆動部（５）によって移動することを特徴とする方法。
【請求項２】
作動空間（１，２）は、ディスプレーサ（３，４）によって２重動作する作動空間（１，２）に分離されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各ディスプレーサ（３，４）は、単一の駆動部（５）によって移動されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
連結された作動空間（１，２）のディスプレーサ（３，４）は、固定連結部（２０）を介して駆動部によって移動されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
作動空間（１又は２）は、ディスプレーサ（３又は４）によって膨張空間と圧縮空間とに分割され、この場合、有効動作に使用される作動媒体が、膨張空間から流出した後にこの作動媒体に割り当てられた駆動機（１２）によって有効動作させるための再生器（６又は７）を通じ、この駆動機（１２）の後で場合によっては冷却されずに連結された作動空間（１又は２）内に流入し、引き続き圧縮側のディスプレーサの移動によってこの動作空間（１又は２）に割り当てられた再生器（６又は７）を通じてこの作動空間（１又は２）の膨張空間内に流入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
作動空間（１又は２）は、ディスプレーサ（３又は４）によって膨張空間と圧縮空間とに分割され、この場合、有効動作に使用される作動媒体が、有効動作させるための膨張空間から流出した後に場合によっては加熱器（１４）、駆動機（１２）を貫流し、引き続き再生器（６又は７）を貫流し、場合によっては圧縮機（１９）を貫流し、場合によっては別の冷却器（１６）を貫流し、連結された作動空間（１又は２）の圧縮空間内に流入し、圧縮側のディスプレーサ（３又は４）の移動によってこの作動空間（１又は２）に割り当てられた再生器（６又は７）を通じてこの作動空間（１又は２）の膨張空間内に流入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
作動空間（１又は２）は、ディスプレーサ（３又は４）によってそれぞれ２つの膨張空間又は２つの圧縮空間に分割され、この場合、有効動作に使用される動作媒体が、膨張空間から流出した後にこの動作空間（１又は２）に割り当てられた駆動機（１２）によって有効動作させるための再生器（６又は７）を貫流し、この駆動機（１２）の後に連結された作動空間（１又は２）の圧縮空間内に流入し、引き続き圧縮側のディスプレーサ（３又は４）の移動によってこの作動空間（１又は２）に割り当てられた再生器（６又は７）を通じてこの作動空間（１又は２）の別の膨張空間内に流入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
等容加熱が、特に駆動機（１２）の直前で実施される請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
圧縮が、圧力平衡によって及び／又は圧縮機によって実施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法を実施する装置において、少なくとも２つの密閉されている作動空間が設けられていて、この場合、各作動空間（１，２）は、駆動部（５）によって移動可能なディスプレーサ（３，４）によって２つの部分に分割されていて、この場合、一方の部分が加熱器（１４）を有し、他方の部分が冷却器（１６）を有し、各作動空間（１，２）はその作動空間（１，２）に割り当てられた再生器（６，７）を有し、この場合、両部分が、この再生器（６，７）に連結されていること、各作動空間（１，２）の少なくとも１つの部分が駆動機（１２）に連結されていて、この場合、後で有効動作をさせるために使用される部分が他方の作動空間（１，２）に対応する部分に連結されていること、及び、複数の制御機構、特に弁（１３，２３，２４，２５，２６）が作動媒体を制御するために設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
それぞれ少なくとも１つの制御機構、特に弁（１３，２３，２４，２５，２６）が、駆動機（１２）と個々の部分との間の連結部分に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
４つ、６つ又は多数の偶数の作動空間（１，２）が設けられていて、この場合、２つの作動空間（１，２）が、常に互いに連結されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
【請求項１３】
駆動機（１２）は、タービン，特にアキシャルタービン，ラジアルタービン又はテスラタービンであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
駆動機（１２）は、ピストンエンジンであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
駆動機（１２）は、スクリューエンジンであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
ディスプレーサ用の駆動部（５）は、リニア駆動部であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
場合によっては加熱器（１４）が、再生器（６，７）の前方に連結されていて及び／又は冷却器（１６）が再生器（６，７）の後方に連結されていることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
作動空間（１，２）はディスプレーサ（３，４）によって膨張空間と圧縮空間とに分割されていること、膨張空間がこの作動空間（１，２）に割り当てられた再生器（６，７）に連結されていて、この再生器（６，７）は駆動機（１２）に連結されていること、この駆動機（１２）の流出側が連結された別の作動空間（１，２）の圧縮空間に連結されていて、この圧縮空間はこの作動空間（１，２）に割り当てられた再生器（６，７）を介してこの作動空間（１，２）の膨張空間に連結されていて、この場合、再生器（６，７）と駆動機（１２）の流入側との間及び駆動機（１２）の流出側と圧縮空間との間にそれぞれ、１つの制御機構、特に１つの弁（１３，２３，２４，２５，２６）が設けられていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
作動空間（１，２）はディスプレーサ（３，４）によって膨張空間と圧縮空間とに分割されていること、この膨張空間は駆動機（１２）の流入側に連結されていて、この駆動機（１２）の流出側が再生器（６，７）を介して場合によっては圧縮機を介して連結された別の作動空間（１，２）の圧縮空間に連結されていて、この圧縮空間はこの作動空間（１，２）に割り当てられた再生器（６，７）を介してこの作動空間（１，２）の膨張空間に連結されていて、この場合、膨張空間と駆動機（１２）の流入側との間及び再生器（６，７）の流出側と圧縮空間との間にそれぞれ、１つの制御機構、特に１つの弁（１３，２３，２４，２５，２６）が設けられていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
作動空間（１又は２）はディスプレーサ（３又は４）によってそれぞれ２つの膨張空間又は２つの圧縮空間に分割されていること、各膨張空間は再生器（６又は７）を介して駆動機（１２）の流入側に連結されていて、駆動機の流出側が連結された別の作動空間（１又は２）の圧縮空間に連結されていて、この圧縮空間は再生器（６又は７）を介して別の作動空間（１又は２）の膨張空間に連結されていて、この場合、膨張空間に後続連結された再生器（６又は７）と駆動機（１２）の流入側との間及びこの駆動機（１２）の流出側と圧縮空間との間にそれぞれ、１つの制御機構、特に１つの弁（１３，２３，２４，２５，２６）が設けられていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
加熱器（１４）が、駆動機（１２）に連結されている部分の後方の流れ方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
加熱器（１４）は、部分から場所的に離れて、例えば高温ボイラーの燃焼空間内に配置されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する方法に関する。この場合、作動媒体が、ディスプレーサによって隔離された少なくとも１つの作動空間内で過程中に以下の状態変化を進行させる：
−圧縮空間内の熱放出下の圧縮、特に等温圧縮、
−作動媒体が圧縮空間から膨張空間へ進む間の再生器内での加熱、特に等容加熱、
−膨張空間内に熱を供給して仕事を行う膨張、特に等温膨張、
−圧縮空間内へ戻る時の再生器内での冷却、特に等容冷却。
【０００２】
さらに本発明は、この方法を実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
エネルギーは、新たに作り出す意味では「生成」されない。確かに各々存在するエネルギー形態が人間の要求に対して同様に利用可能でないものの、エネルギーは、いろいろな形態で自然界に存在する。例えば木材のエネルギーは、加熱の目的に対しては非常に良好に利用できるものの、光又は冷蔵庫等用の冷気の生成には比較的適さない。
【０００４】
例えば自動車用の石油や産業的な加熱用の天然ガスのようなほぼ理想的に入手可能なエネルギー形態が、全ての特定の用途に対して存在するものの、人間の視点から広く使用可能なエネルギーは電気エネルギーである。しかしこの電気エネルギーは、我々が知っているように自然界に実際に存在しない。
【０００５】
すなわち、入手可能なエネルギー形態が、多数のステップでかつ異なる効率で初めて電気エネルギーに変換される必要がある。太陽エネルギーが数百万年の間に化学的な形態で蓄積された、例えば石炭，天然ガスや石油のような化石燃料の場合、電気エネルギーを生成するためには、３つの変換過程及びそれに対応する産業設備が必要になる。まず蓄積された化学エネルギーが、燃焼によって熱に変換される。高圧の蒸気が、この熱によって生成される。この高圧の蒸気は、蒸気タービン内でこの熱を運動エネルギーに変換する。この蒸気タービンは、発電機を駆動させる。この運動エネルギーは、この発電機内で最終的に電気エネルギーに変換される。
【０００６】
これらのエネルギー変換の各々は、特定の効率を有する。すなわち、エネルギーがその都度失われ、全効率がそれに応じて小さい。したがって、石炭，天然ガスや石油の形態で蓄積されているエネルギーのうちの約40％しか電気エネルギーに変換され得ない。残りの60％は、利用に対するいわゆる排気熱として気流の形態で失われる。
【０００７】
例えば石油中の化学エネルギーを自動車，船舶，鉄道車両や飛行機を駆動させる運動エネルギーに変換させるときのような別の変換過程の場合でも、変換の連鎖がより短いものの、その効率は良好でない。
【０００８】
世界中で消費される膨大な量の電力を考慮した場合、どれほど莫大なエネルギー量が利用できずに失われるかが分かる。有限な資源の浪費に起因した電気エネルギーへの変換に対して利用できない一次エネルギーの損失が既に大きな問題である一方で、例えばＣＯ2 の問題のような温室ガスに起因した気候の変化が示すように、燃焼による化学エネルギーの熱エネルギーへの変換に密接に関連する未来の世代に対する環境の悪化がさらに深刻な問題である。
【０００９】
したがって、人類が数十年来変換過程を改良すること及び最適化すること又は例えば遠隔暖房による熱のときのような排気熱の一部も利用することを試みることは、不思議なことではない。発電所からの排気熱の一部を部屋の暖房に利用することが、既に変換効率の向上に著しく寄与している。例えば風力エネルギーや太陽エネルギーのようなその他のエネルギー形態を電気エネルギーに変換する試みも同じ効果をもたらす。
【００１０】
別の変換過程によって変換の連鎖を短縮し全効率を向上させる試みも、非常に有望である。このような興味のある変換過程は、スターリングエンジンで実現されている。このスターリンエンジンは、蒸気による「迂回」なしに熱エネルギーを直接運動エネルギーに変換できる。
【００１１】
スターリングエンジンは、スチームエンジン後の２番目に古い熱駆動型エンジンである。すなわち、エンジンが、熱エネルギーを運動エネルギーに変換できる。スターリングエンジンはその原理に起因してスチームエンジン及びガソリンエンジン又はディーゼルエンジンよりも遥かに高い効率を有するものの、このスターリンエンジンは、今日まで広く普及していない。スチームエンジン及びガソリンエンジン又はディーゼルエンジンが持続してさらに改良されて十分な寿命に加えて特に非常に大きい効率を伴う適切な出力密度を実現する一方で、スターリンエンジンはほとんど忘れられている。環境をほとんど悪化させないこと、及び熱源に依存しないことから、スターリングエンジンは、最近になって初めて注目され始めている。今日のスチームエンジンや乗用車のガソリンエンジンと同様な  「完成度」を実現するためには、確かに研究及び改良に対して多大な研究が必要である。
【００１２】
例えば説明したスターリンエンジンの効率をカルノーサイクルと同じ理想的なスターリンエンジンの効率にするためには、非常に多くの改良作業がさらに必要である。場合によっては自動車で使用するためには、特に出力密度の向上及び迅速な負荷の切換り時の動特性の改良に対して研究する必要がある。
【００１３】
既存の熱駆動型エンジンは、その改良の不備のためにまだ不完全にしか実現できないものの、これらの熱駆動型エンジンに対するスターリンエンジンの最大の利点は：
１．スターリンエンジンは、例えば太陽熱若しくは処理熱又はバイオマス，ごみ処理場のガス若しくは排気されるその他の可燃性の廃棄物等の燃焼で作動する。
２．連続した熱供給、すなわち最適な条件下での燃焼が可能である。その結果、有害物質が、排気ガス中にほとんど含まれていない。
３．密閉された循環媒体−作動媒体を完全に取り換える必要がない。
４．熱力学的に良好なサイクルのために、−部分負荷領域内でも非常に高い効率が原理的に期待できる。
５．非常にスムーズな動き及び低騒音。
【００１４】
現在、３つの異なる形式のスターリンエンジンが、構成によって分類される：α形，β形及びγ形。
これらのスターリンエンジンの形式は、第一に機能原理及び構造上の違いから区別が付く。
【００１５】
理想的なスターリンサイクルは、カルノーサイクルに一致し、それ故に非常に高い効率を呈する。実際には、正確な実施、すなわち理想的な又はより良好な理論サイクルの正確な再現が確かに不可能である。構成されたエンジンの場合、効率及び出力密度に不利に作用する各種の構造に起因した偏差(Abweichung)を我慢しなければならない。
【００１６】
すなわち、今まで構成された又は作られたスターリンエンジンでは、等容加熱又は等容冷却も、等温圧縮又は等温膨張も実現できない。その主な理由は、第一に避けられない死容積及び断続でない連続した容積の変化である。ピストン及びディスプレーサが、フライホイールを有するクランク機構を通じて運動される。その結果、確かに運動の反転が死点で起こるものの、理論サイクルのような短期間の停止は必要ない。
【００１７】
理想的なスターリンサイクルを可能な限り良好に構成されたエンジンで再現できるように、３つの形式α形エンジン，β形エンジン及びγ形エンジンは、今まで改良した原理的に構成した解決手段に一致する。
【００１８】
α形エンジンの場合、２つのピストンが分離されたシリンダ内で使用される。この場合、一方のピストンが加熱膨張空間内に配置されていて、他方のピストンが冷却圧縮空間内に配置されている。両ピストンは、作動ステップ又はクランク軸の角度に応じて作動ピストン又はディスプレーサである。
【００１９】
α形エンジンの大きな欠点は、エンジンの寿命を非常に短くする加熱膨張空間内のピストンの密閉（密閉部，シール）である。このピストンの密閉に対しては、十分な解決手段が今まで改良できなかった。もう１つの欠点は、クランク機構に起因した理論サイクルからの大きな偏差つまり僅かな効率を伴うクランク機構である。
【００２０】
今まで、並列(parallel)シリンダ，対向(fluchtend gegenueber)シリンダ，並列対向(parallel gegenueber) シリンダ，Ｖシリンダ又はフィンケルシュタイン(Finkelstein) の回転シリンダのようなシリンダのいろいろな配置が開発された。これらのシリンダは、全て同じく機能する。これらのシリンダは、同じ弱点又は同じ僅かな効率を有する。
【００２１】
β形エンジンの場合、ピストン及びディスプレーサが使用される。この場合、ピストンとディスプレーサの双方が、同じシリンダ内に格納されている。ピストン及びディスプレーサの動作が複雑であるために、経費のかかる歯車、例えば菱形歯車が必要である。ピストン及びディスプレーサは、工程ごとに１回オーバーラップして移動し、このとき同じ方向に、例えばクランクシャフトに向かって移動するか又はその一方が停止し、その他方が移動する。
【００２２】
β形エンジンの大きな欠点は、α形エンジンと同様に乾燥して作動するシールである。さらにピストン及びディスプレーサの動作が、経費のかかる歯車にもかかわらずクランク動作のように作用し、それ故に動作の反転による死点を有するものの本当の停止を有さない。このβ形でも、構成されたスターリンエンジンの実際に実現した効率は、理想的なスターリンサイクルの効率から大きく乖離している。
【００２３】
β形エンジンのもう１つの大きな欠点は、圧縮ピストン内のディスプレーサのスライドロッドの複雑なシール系である。このディスプレーサのスライドロッドは、同じシリンダ内のピストン及びディスプレーサの配置によって圧縮ピストンを貫通する。
【００２４】
β形エンジンでも、β形エンジンの欠点が影響しうることなしに、例えばRankine-Napie 又はPhilips のような今日までいろいろな構成が開発されている。
【００２５】
γ形エンジンの場合、ピストン及びディスプレーサが、独立したシリンダ内に配置される。そのため、圧縮ピストン内のディスプレーサのスライドロッドの経費のかかるシール系が省略される。その代わりに、効率に有害な死容積が増大する。
【００２６】
γ形エンジンの大きな欠点は、既にα形エンジンとβ形エンジンで説明したように作動ピストンの乾燥して作動するシールである。さらにクランク軸の駆動によって又はクランク軸に類似の駆動によって引き起こされるピストンとディスプレーサの動作が、構成されたエンジンで理想的なスターリンサイクルに良好に近づけることを不可能にする。それ故にγ形エンジンでも、効率が理想的なスターリンエンジンよりも遥かに劣る。
【００２７】
γ形エンジンのもう１つの大きな欠点は、より大きい死容積である。このことは、効率及び比較的低く実現可能な圧縮比に対してさらに否定的に作用する。その結果、小さい体積効率しか実現できない。
【００２８】
説明した単体で作動するエンジンに加えて、２重に作動するスターリンエンジンも、特にα形から開発され構成された。例えばFranchotスターリンエンジンが公知である。このエンジンの場合、両ピストンの上側とこれらのピストンの下側でそれぞれ、１つのスターリンサイクルが空間内で進行する。すなわち、両シリンダが、ピストンの上側又は下側によって同じ時間に対して２つの異なるスターリンサイクルから成る２つの異なる工程を常に実行する。この場合、これらの両ピストン及びこれに付随するシリンダが、４つの可変容積を画定する。これらの容積は、対になって２つの独立したα形エンジンとみなされ得る。単体で作動するα形エンジンのように、膨張ピストン及び圧縮ピストンには、約90°の位相差が付けられている。
【００２９】
２重に作動するα形エンジンの効率は、単体で作動するα形エンジンの効率よりも良くない。重大な欠点及び問題も同じである。体積効率だけが、そのコンパクト性によって改良され得る。
【００３０】
Siemens スターリンエンジンも公知である。このSiemens スターリンエンジンは、任意の多数のシリンダによって、例えば約52kWの出力を有する機械的に結合した4-95' 製のスターリンエンジンのような最大出力のスターリンエンジンの標準的な構成を示す。この構成でも、例えば列状，「Ｕ」状，「Ｖ」状，矩形状又は円状のシリンダ配置のような幾つかの構成が開発された。ピストンのシールが冷却部分のハウジングの側壁内に存在するように、加熱器，再生器及び冷却器の配置が、Siemens スターリンエンジンで選択されたものの、α形エンジンの基本的な欠点は残っている。
【００３１】
フリーピストン配置を有するスターリンエンジンの原理の研究又はロータリーピストンエンジンとしてワンケルのシステムを構成することも公知である。いずれの構成も効率を改善せず、反対に効率がα形エンジンに比べて劣っていることに加えて、欠点及び問題が拡大している。
【００３２】
スターリンエンジンの全てのこれらの異なる構成に共通して、熱交換器，再生器及び返流管(Ueberstroemleitungen)内の死空間がさらなる欠点である。これらの死空間は、圧力比をさらに低下させ、これによって効率を低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
本発明の課題は、一方では上述した欠点を排除し、他方ではスターリンエンジンの動作が従来よりも理想的なスターリンサイクルにより良好に近づくようにスターリンエンジンを構成することを第一に可能にする冒頭で述べた種類の方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
この課題は、本発明によって解決される。
【００３５】
本発明は、作動媒体が少なくとも２つの密閉されている作動空間間で往復に流れ、この場合、作動媒体が駆動機によって作動空間間で送られて有効動作を解除し、この場合、熱が駆動機の前で吸収され、熱が駆動機の後で放出されること、作動媒体が、熱放出の後に作動空間内で圧縮され、引き続きディスプレーサによってディスプレーサの一方の側から再生器を通じてディスプレーサの他方の側に向かって流れ、この場合、作動媒体の流れが制御機構、特に複数の弁によって制御され、各ディスプレーサが１つの駆動部によって移動することを特徴とする。全ての従来の構成されたスターリンエンジンによるよりも遥かに高い効率を実現することが、本発明によって第一に可能である。
【００３６】
より高い効率は、特に構成された作動サイクルを理論的な循環サイクルにより良好に適応させることに起因する。連結された両作動空間内の作動媒体の温度差によって、及びそこから生じる圧力差によって、作動媒体が、低温の作動空間内に流れ込み圧縮される。この発生した平衡状態は、作動媒体の大部分が低温の作動空間内に存在することに起因する。後続する熱供給下の等容な再生器のサイクルの場合、圧力差が、同様に作動空間間で再び発生し、再び駆動機によって作動状態に移行する。この動作は、共振回路に類似し、同じカルノー効率では理論的な理想スターリンサイクルのときよりも高い作動媒体の量にに対する出力密度を可能にする。
【００３７】
本発明の特別な構成では、作動空間が、ディスプレーサによって２重に作用する作動空間に分離される。そのため、返流区間(Ueberstroemstrecken) が省略されるので、サイクルがより迅速に進行する。さらに、場合によってはさらに必要な緩衝空間に対するシールが省略される。
【００３８】
本発明の特徴によれば、各ディスプレーサが、１つの独立した駆動部によって移動する。本発明のこの特徴によれば、構成されたサイクルを理想的なスターリンサイクルから乖離させる原因であるクランク駆動又はクランク駆動に類似の動作がない。このクランク動作の代わりに、リニア動作が使用される。このリニア動作は、その他の運動に関係なく制御され得る。その結果、任意の長さの停止時間が、例えばディスプレーサで実現される。
【００３９】
本発明のもう１つの構成によれば、連結された作動空間のディスプレーサが、駆動部によって固定された連結部を通じて移動される。これによって、簡単な構成が実現され得る。この場合、例えば２つの高温の作動空間又は低温の作動空間が互いに連結される。このことは、加熱媒体と冷却媒体との間の熱伝導による損失を発生させることなしに加熱・加熱作動空間を完全に加熱源にすること及び冷却・冷却作動空間を完全に冷却源にすることを可能にする。両ディスプレーサは、固定されたスライドロッドによって互いに連結されている。このスライドロッドは、ディスプレーサ間で作用する力を受ける。ディスプレーサを移動させるためには、摩擦抵抗及び流れ損失を克服するだけで済む。再生器は、スライドロッドの内側又は外側にあってもよい。これらのスライドロッド自体は、密閉する必要がなくなる。作動媒体の量に対する理論的な出力密度が、理想的なスターリンサイクルのときよりも大きい。この構成は、出力発生のための低温の利用及び低温の発生を可能にする。
【００４０】
本発明の特別な構成によれば、作動空間が、ディスプレーサによって膨張空間と圧縮空間とに分割される。この場合、有効動作に使用される作動媒体が、膨張空間から流出した後にこの作動媒体に割り当てられた駆動機によって有効動作させるための再生器を通じ、この駆動機の後で場合によっては冷却されずに連結された作動空間内に流入し、引き続き圧縮側のディスプレーサの移動によってこの動作空間に割り当てられた再生器を通じてこの作動空間の膨張空間内に流入する。この構成は、いわゆる「コールド」エンジンである。駆動機は高温の負荷に曝されないので、この駆動機は簡単に構成され得る。さらに低温が、再生器によって冷却された低温の作動媒体の膨張によって生成され得る。この低温は、場合によっては低温の作動領域内に流入する前に熱交換器によって利用される。効率及び出力密度が、冷却側に作動ピストンを連結するγ形スターリンエンジンのときよりも大きい。
【００４１】
本発明の別の構成によれば、作動空間が、ディスプレーサによって膨張空間と圧縮空間とに分割される。この場合、有効動作に使用される作動媒体が、有効動作させるための膨張空間から流出した後に場合によっては加熱器、駆動機を貫流し、引き続き再生器を貫流し、場合によっては圧縮機を貫流し、場合によっては別の冷却器を貫流し、連結された作動空間の圧縮空間内に流入し、圧縮側のディスプレーサの移動によってこの作動空間に割り当てられた再生器を通じてこの作動空間の膨張空間内に流入する。この構成は、いわゆる「ホット」エンジンである。この種類の理論的な効率は、カルノー効率の理論的な効率に近い。作動媒体の量に対する理論的な出力密度は、理想的なスターリンサイクルの理論的な出力密度よりも大きい。
【００４２】
本発明の別の構成によれば、作動空間が、ディスプレーサによってそれぞれ２つの膨張空間又は２つの圧縮空間に分割される。この場合、有効動作に使用される動作媒体が、膨張空間から流出した後にこの動作空間に割り当てられた駆動機によって有効動作させるための再生器を貫流し、この駆動機の後に連結された作動空間の圧縮空間内に流入し、引き続き圧縮側のディスプレーサの移動によってこの作動空間に割り当てられた再生器を通じてこの作動空間の別の膨張空間内に流入する。上述したように、この「低温」エンジンは、出力の発生及び低温の発生のための低温の利用を可能にする。
【００４３】
本発明の別の特別な構成によれば、等容加熱が、特に駆動機の直前で実施される。重要な利点は、ディスプレーサ内の温度が再生器の最大温度に限定されている点である。この場合、再生器の温度は、加熱器の温度より低い。
【００４４】
本発明の好適な別の構成によれば、圧縮が、流れを調整することによって及び／又は圧縮機によって実施される。圧縮が圧力の調整だけで実施しなければならない場合、回転機、すなわち圧縮機が省略される。工程が確実に簡単になる。圧縮機を連結した場合、より高い効率が得られる。
【００４５】
さらに本発明の課題は、この方法を実施する装置を提供することにある。
【００４６】
この方法を実施する本発明の装置は、少なくとも２つの密閉されている作動空間が設けられていて、この場合、各作動空間は、駆動部によって移動可能なディスプレーサによって２つの部分に分割されていて、この場合、一方の部分が加熱器を有し、他方の部分が冷却器を有し、各作動空間はその作動空間に割り当てられた再生器を有し、この場合、両部分が、この再生器に連結されていること、各作動空間の少なくとも１つの部分が駆動機に連結されていて、この場合、後で有効動作をさせるために使用される部分が他方の作動空間に対応する部分に連結されていること、及び、複数の制御機構、特に弁が作動媒体を制御するために設けられていることを特徴とする。既に上述したように、より高い出力密度が、本発明の装置によって実現される。
【００４７】
本発明の装置の別の利点は、機械が低いクロック周波数で駆動され得る点にある。作動空間が、本当のピストンシールを有さず、したがって特により大きいピストン容量で発生するシールの問題を回避する。低いクロック周波数で断続的に駆動され得る大容量の作動空間が、この問題の解決によって使用できる。これによって、理想に近いスターリンサイクルが実現される。
【００４８】
従来のスターリングエンジンのときよりも低いクロック周波数及びこれに伴うより長い熱移行時間によって、等温過程がより良好に実現され得る。作動空間の広い熱移行面が、バイオマス燃料の使用を可能にする。
【００４９】
別の利点は、死空間を最小限にすることである。この死空間は、熱力学的な過程に寄与せず、そのため効率を損なう容積である。この死空間は、実際には作動ピストンの正弦運動によって発生し、実際には作動媒体が流れる再生器，加熱器等の容積によって発生する。大容量の作動空間とこれに対して少容量の駆動機，再生器，加熱器及び冷却器のような構成部材との比によって、作動空間に対する死空間の良好な比が、得られ現在構成されている機械の比よりも何倍も小さい。
【００５０】
駆動力の最小化も利点である。これらの駆動力は、作動空間内部の作動媒体の等容加圧の流れ抵抗，弁の操作及び場合によっては圧縮機による作動媒体の圧縮から成る。主な要因のうちの１つである乾燥動作するピストンシールの摩擦が、クランク動作の摩擦と共に消失する。
【００５１】
以上により、既に主な問題であった温度の負荷がかかり乾燥動作する移動シールを省略することによって、このエンジンを標準的な機械構造で作ることが可能である。作動空間と作動機械との分離は、標準的な機械要素の使用を可能にする。再生器は、駆動機が高速回転するためにより小さい構造を有する。機械的な駆動ユニットの省略は、構造をさらに簡単にする。ディスプレーサは、駆動機に同期させる必要がない。最適な動作点が、それぞれ互いに別に設定され得る。
【００５２】
本発明の特別な特徴によれば、少なくとも１つの制御機構、特に１つの弁が、駆動機と個々の部分との間の連結部分にそれぞれ設けられている。これらの弁は、作動サイクル及び再生器のサイクルを解除するために使用される。弁による制御の代わりに、スリット制御を使用してもよい。
【００５３】
本発明の別の特別な特徴によれば、４つ、６つ又は多数の偶数の作動空間が設けられている。この場合、２つの作動空間が、常に互いに連結されている。連結された作動空間の数を増やすことによって、駆動機での過程に関連した振動(Welligkeit)が減少し、再生器のサイクルが、作動サイクルに比べて長くできる。
【００５４】
本発明の特別な特徴によれば、駆動機が、タービン，特にアキシャルタービン，ラジアルタービン又はテスラタービンである。タービンを使用することによって、温度の負荷がかかり乾燥動作する移動シールが省略されている。このシールは、ピストン動作するスターリンエンジンの主な問題である。ディスク又はテスラタービンの場合、特により良好な等温膨張又は圧縮が可能である。
【００５５】
本発明の構成によれば、駆動機がピストンエンジンである。この構成には、構成が安価であり標準部材で構成され得る利点がある。
【００５６】
本発明の別の構成によれば、駆動機はスクリューエンジンである。このスクリューエンジンには、タービンのようにシールがない利点がある。
【００５７】
本発明の特別な構成によれば、ディスプレーサ用の駆動部がリニア駆動部である。このリニア駆動部は、ディスプレーサの正確に制御可能な加速及び制動を保証する。これによって、理想的な熱力学過程に相当する断続運動が損失なしに可能である。ロッド用の全ての管及びシール又はクランク動作が省略できる。迅速な出力制御が、ディスプレーサのクロック周波数を変化させることによって瞬時に可能であり、上限温度を変化させることによって誘導する必要がない。したがって、非常に良好な制御が部分負荷領域内で可能である。
【００５８】
本発明の別の特徴によれば、加熱器が、再生器の前方又は後方に連結されている。加熱器は、作動空間の加熱器のヘッドに加えて作動媒体にエネルギーを供給する。したがってこの加熱器は、加熱領域内の総吸収面を大きくする。
【００５９】
本発明の特別な実施の形態は、作動空間がディスプレーサによって膨張空間と圧縮空間とに分割されていること、膨張空間がこの作動空間に割り当てられた再生器に連結されていて、この再生器は駆動機に連結されていること、この駆動機の流出側が連結された別の作動空間の圧縮空間に連結されていて、この圧縮空間はこの作動空間に割り当てられた再生器を介してこの作動空間の膨張空間に連結されていて、この場合、再生器と駆動機の流入側との間及び駆動機の流出側と圧縮空間との間にそれぞれ、１つの制御機構、特に１つの弁が設けられていることを特徴とする。「コールド」エンジンに対して上述した利点が、ここでも意味的に成立する。
【００６０】
本発明の別の特別な構成は、作動空間がディスプレーサによって膨張空間と圧縮空間とに分割されていること、この膨張空間は駆動機の流入側に連結されていて、この駆動機の流出側が再生器を介して場合によっては圧縮機を介して連結された別の作動空間の圧縮空間に連結されていて、この圧縮空間はこの作動空間に割り当てられた再生器を介してこの作動空間の膨張空間に連結されていて、この場合、膨張空間と駆動機の流入側との間及び再生器の流出側と圧縮空間との間にそれぞれ、１つの制御機構、特に１つの弁が設けられていることを特徴とする。「ホット」エンジンに対して上述した利点が、ここでも意味的に成立する。
【００６１】
本発明の別の異なる構成は、作動空間がディスプレーサによってそれぞれ２つの膨張空間又は２つの圧縮空間に分割されていること、各膨張空間は再生器を介して駆動機の流入側に連結されていて、駆動機の流出側が連結された別の作動空間の圧縮空間に連結されていて、この圧縮空間は再生器を介して別の作動空間の膨張空間に連結されていて、この場合、膨張空間に後続連結された再生器と駆動機の流入側との間及びこの駆動機の流出側と圧縮空間との間にそれぞれ、１つの制御機構、特に１つの弁が設けられていることを特徴とする。「低温」エンジンに対して上述した利点が、ここでも意味的に成立する。
【００６２】
当然に、高温ガスも、ホットエンジンの動作原理にしたがって膨張され得る。
【００６３】
本発明の別の構成は、加熱器が駆動機に連結されている部分の後方の流れ方向に沿って配置されていることを特徴とする。これによって、より高い温度が、駆動機の前方で実現される。これらのより高い温度は、より良好な出力量を発生させる。
【００６４】
本発明の好適な構成によれば、加熱器が、部分から場所的に離れて、例えば高温ボイラーの燃焼空間内に配置されている。これによって、加熱器として使用される装置部分だけが最高温度で負荷される。その結果、この部分を適切に寸法決めするだけで済む。
【００６５】
以下に、本発明を図示した実施の形態に基づいて詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
説明する実施の形態では、同一の部材又は状態は、同じ符号又は同じ構成符号で付記する。この場合、全ての説明中に含まれる開示は、意味的に同じ部材又は状態に対しては同じ符号又は同じ部材符号が付けられ得る。
【００６７】
図１によれば、熱エネルギーを運動エネルギーに変換するための作動媒体の使用下で２つの密閉されている作動空間１，２を有する。この場合、各作動空間１，２は、移動可能なディスプレーサ３，４によって２つの部分、すなわち膨張空間と圧縮空間とに分割されている。各ディスプレーさ３，４は、駆動部によって、特にリニア駆動部５によって移動可能である。各作動空間１，２は、この作動空間に割り当てられた再生器６，７を有する。作動空間１又は２の両部分は、導管８，９又は１０を介してこの再生器６又は７に連結されている。
【００６８】
各作動空間１又は２の部分−この場合では膨張空間−は、駆動機１２に連結されている。有効動作させるために使用される作動空間１のこの膨張空間は、駆動機１２の後方で作動空間２に対応する部分−すなわち圧縮空間−に連結されている。
【００６９】
作動媒体を制御するため、制御機構、特に弁１３が設けられている。これらの弁１３は、駆動機１２と作動空間１又は２の個々の部分との間に配置されている。弁１３の代わりにスリット制御を使用してもよい。
【００７０】
タービン、特にアキシャルタービン又はラジアルタービンを駆動機１２として使用できる。当然に、ピストンエンジン又はスクリューエンジンも、駆動機１２として可能である。駆動機１２は、軸１７を介して発電機１８に連結されている。
【００７１】
作動媒体は、理想的な過程では以下の状態変化を実行する：
−圧縮空間内の熱放出下の等温圧縮
−作動媒体が圧縮空間から膨張空間へ進む間の再生器６又は７内の等容加熱
−膨張空間内に熱を供給して仕事を行う等温膨張
−圧縮空間内へ戻る時の再生器内での等容冷却
通常、作動媒体が、２重動作する密閉されている２つの作動空間１，２間で往復して流れる。有効動作させるため、作動媒体が、駆動機１２によって作動空間１，２間で流れる。引き続き、作動媒体が、２重動作する作動空間１，２内でディスプレーサ３又は４によってディスプレーサ３又は４の一方の側から再生器６又は７によってディスプレーサ３又は４の他方の側に向かって流れる。この場合、作動媒体の流れが弁１３によって制御され、各ディスプレーサ３，４が駆動部５によって移動する。
【００７２】
作動媒体がその最高温度の状態で駆動機１２によって送られるので、上述したように図２では、この装置は４象限タービンとも呼ばれ、「ホット」エンジンとして示されている。膨張空間が、駆動機１２の流入側に連結されている。駆動機１２の流出側が、再生器６又は７を介しかつ圧縮機１９を介して連結された別の作動空間２の圧縮空間に連結されている。この圧縮空間は、この作動空間２に割り当てられた再生器７を介してこの作動空間２の膨張空間に連結されている。この場合、膨張空間と駆動機１２の流入側との間及び再生器７の流出側と圧縮空間との間にそれぞれ１つの弁１３が設けられている。
【００７３】
再生器６又は７は、加熱器１４，連結再生器１５及び冷却器１６から構成される。この場合、膨張空間が加熱器１４に連結されていて、圧縮空間が冷却器１６に連結されている。さらに再生器６又は７が、垂直方向に個々の部分に分割されている。これらの部分は、互いに適切に密閉されている。内側の部分内では、作動媒体が駆動機１２から圧縮機１９に向かって流れる。外側の部分は、作動媒体の再生器のサイクルに対して使用される。
【００７４】
膨張空間は、この作動空間１に割り当てられた再生器６の加熱器１４に連結されている。再生器６は、駆動機１２に連結されている。駆動機１２の流出側は、冷却器１６を介して連結された別の駆動機２の圧縮空間に連結されている。この圧縮空間は、この作動空間２に割り当てられた再生器７を介してこの作動空間２の膨張空間に連結されている。再生器６又は７と駆動機１２の流入側との間及び駆動機１２の流出側又は圧縮機１９と圧縮空間との間にそれぞれ１つの弁１３が設けられている。
【００７５】
図２によれば、４象限タービンが「コールド」エンジンとして示されている。作動空間１，２が、同様にディスプレーサ３，４によって膨張空間と圧縮空間とに分割されている。
【００７６】
この場合、有効動作に使用される作動媒体が、膨張室から流出した後に駆動機１２によって有効動作させるためにこの作動空間１に割り当てられた再生器６を経由し、この駆動機１２の後で連結された作動空間２の圧縮空間内に流れる。引き続き作動媒体は、ディスプレーサ４の移動によって圧縮機側からこの作動空間２に割り当てられた再生器７を通じてこの作動空間２の膨張空間内に流れる。
【００７７】
図３によれば、装置が、低温エンジンとして示されている。この場合、ディスプレーサ３，４が、固定連結部２０を介して駆動部５によって移動する。作動空間１，２は、ディスプレーサ３，４によってそれぞれ２つの膨張空間又は２つの圧縮空間に分割されている。作動空間１の各膨張空間は、再生器６，７を介して駆動機１２の流入側に連結されている。駆動機１２の流出側は、連結された別の作動空間２の圧縮空間に連結されている。この圧縮空間は、再生器６又は７を介して別の作動空間１の膨張空間に連結されている。この場合、膨張空間に後続接続された再生器６又は７と駆動機１２の流入側との間及び駆動機１２の流出側と圧縮空間との間にそれぞれ１つの弁１３が設けられている。
【００７８】
有効動作のために使用される作動媒体は、膨張空間から流出した後に駆動機１２によって有効動作させるためにこの作動空間１に割り当てられた再生器６を経由し、この駆動機１２の後に連結された作動空間２の圧縮空間内に流れる。引き続き作動媒体は、ディスプレーサ３又は４の移動によって圧縮側からこの作動空間２に割り当てられた再生器６又は７を通じて作動空間１の別の膨張空間内に流れる。
【００７９】
作動空間２を冷却するため、この作動空間２を、例えば地中に配置してもよい。
【００８０】
さらにディスプレーサ３又は４を連結された膜として構成してもよい。
【００８１】
図４によれば、各作動空間１，２が、ディスプレーサ３，４によって膨張空間と圧縮空間とに分割される。各ディスプレーサ３，４は、駆動部によって、特にリニア駆動部５によって移動可能である。さらに各ディスプレーサ３，４は、ガイド２２で支承されている。各作動空間１，２は、この作動空間１，２に割り当てられた再生器６，７を有する。作動空間１又は２の両部分が、導管を介してこの再生器６又は７に連結されている。
【００８２】
さらに膨張空間が、中間加熱器２１によって構成されている。この中間加熱器２１は、層状の中間加熱器２１として構成してもよいし又は薄板の束の形態で構成してもよい。圧縮空間が、冷却器１６を有する。
【００８３】
膨張空間は、場合によっては中間加熱器２１を介して場所的に分離された加熱器１４に連結されている。この加熱器１４は、加熱ボイラー内に配置され得る。この加熱器１４内では、等容加熱が実施される。作動媒体が、駆動機１２によって加熱器１４から流れる。この駆動機１２、特にテスラタービンは、直接軸１７を介して発電機１８に連結されている。
【００８４】
過程をもう１回概略的に示す。圧縮された作動媒体が、作動空間１の圧縮空間から付随する再生器６及び中間加熱器２１を経由して同じ作動空間１の膨張空間内に流れ、このときに等容加熱される。この流れは、ディスプレーサ３の移動に基づいて実施される。作動媒体が、作動空間１の膨張空間から流出した後に外部加熱器１４を経由して駆動機１２に流れる。等容加熱が、この外部加熱器１４内で実施される。
【００８５】
作動媒体が、駆動機１２から再生器７及び冷却器１６を経由して作動空間２の圧縮空間内に流れ、後流又は圧縮機によって等温圧縮される。圧縮熱が、作動空間２の冷却器１６内で放出される。圧縮された作動媒体が、作動空間２内のディスプレーサ４を移動させることによって再生器７及び中間加熱器２１を経由して作動空間２の膨張空間内に送られる。
【００８６】
作動媒体は、作動空間２の膨張空間から流出した後に外部加熱器１４を経由して駆動機１２に流れる。等容加熱が、この外部加熱器１４内で実施される。作動媒体は、駆動機１２から同様に作動空間１の圧縮空間内に流れる。
【００８７】
原理的には、作動媒体が８の字を描いて貫流する。この場合、駆動機１２が、中心点に設けられている。個々の方法ステップが、対応する−図示しなかった−弁によって制御される。
【００８８】
弁制御による本発明の動作を図５で実際の例に基づいて説明する。ディスプレーサ３を有する作動空間１内では、作動媒体が、530 ℃の温度Ｔｏ及び30bar の圧力Ｐｏを有する。ディスプレーサ４を有する作動空間２内では、30℃の温度Ｐｕ及び10bar の圧力Ｐｕが支配する。弁２３及び弁２４が、ディスプレーサのサイクルで生じた作動空間１と作動空間２との間の圧力差によって流れ方向に開く。次いで530 ℃の高温の作動媒体が、作動媒体１から弁２３を経由して加熱器１４内に流れ、ここで630 ℃に加熱され、引き続き駆動機１２内で緊急解放(polytrope Entspannung) によって再び530 ℃にされる。引き続き作動媒体は、弁２４及び再生器７を経由しそこで60℃に冷却され、冷却器１６を経由しそこで30℃に冷却されて作動空間２内に到達する。弁２５及び弁２６は、この圧力差に対しては遮断方向にあり、再生器の後続するサイクル後に初めて、すなわち次の作動サイクルで開く。
【００８９】
作動サイクルが両作動空間１，２間の圧力を平衡にした後に、すなわち同じ圧力（平均圧力）が全ての系内で支配する時に、再生器のサイクルが開始する。次いでディスプレーサ３，４が、対向する死点位置に移動し、このときに作動媒体を再生器−冷却ユニットによってそのディスプレーサ３，４のそれぞれの他方の側に移す。このときに進行する作動媒体の等容過熱又は冷却は、それぞれの作動空間１，２内に圧力変化をもたらす；すなわち、圧力上昇が低温から高温に移行する時に発生すし、圧力低下が高温から低温に移行する時に発生する。こうして再生器のサイクルが終了し、圧力差が後続する作動サイクルに対して利用される。
【００９０】
最後に、図中の個々の構成部材及び構成郡は、本発明をより良好に理解するために縮尺を不均衡にかつ歪めて示してある。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】熱エネルギーを運動エネルギーに変換するホットエンジンとしての装置を示す。
【図２】コールドエンジンとしての装置を示す。
【図３】低温エンジンとしての装置を示す。
【図４】場所的に分離された加熱器を有する装置の構成を示す。
【図５】装置の動作の概略図である。
【符号の説明】
【００９２】
１  作動空間
２  作動空間
３  ディスプレーサ
４  ディスプレーサ
５  駆動部
６  再生器
７  再生器
８  導管
９  導管
１０  導管
１１  導管
１２  駆動機
１３  弁
１４  加熱器
１５  連結再生器
１６  冷却器
１７  直接軸
１８  発電機
１９  圧縮機
２０  固定連結部
２１  中間加熱器
２２  ガイド
２３  弁
２４  弁
２５  弁
２６  弁
【図１】
2005531708.tif 000003
【図２】
2005531708.tif 000004
【図３】
2005531708.tif 000005
【図４】
2005531708.tif 000006
【図５】
2005531708.tif 000007
【国際調査報告】
2005531708.tif 000008
2005531708.tif 000009
2005531708.tif 000010
2005531708.tif 000011