(57)【要約】本発明は、スターリングエンジンにおいて使用される熱交換要素（１０）を提供する。本発明によれば、熱交換要素は、積み重ねられ、かつ互いに接合される複数の板状体（２００）から作成される。熱交換要素を作成するために板状体を使用することにより、熱伝導及び燃焼過程が改善されるので、スターリングエンジンをより効率的に動かすことが可能になる。一実施形態では、異なる種類の燃料を使用する柔軟性と共に、多段階燃焼を板状体と共に導入することができる。他の実施形態では、板状体から構築される単一構成要素が、スターリングエンジンの燃焼気体又は作動気体、再生成装置の作動気体、及び作動気体又は冷却剤流体の間の熱伝導要件を提供することができる。他の実施形態では、板状体用熱交換要素は、スターリングエンジンの作動気体を加熱するために、太陽エネルギーを受け取ることができる。また、本発明は、反対方向又は同じ方向に流れる複数の流体を見込む熱交換方法を提供する。
2005519224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングエンジンにおいて使用される熱交換用板状体のマニホルドであって、
互いに接合される複数の板状体を備え、前記板状体が、当該板状体内に形成される複数の燃焼室を画定するように構成され、前記板状体には、燃料を前記燃焼室に送るための燃料入口と、空気を前記燃焼室に送るための空気入口と、前記燃焼室と連通する排気出口とがさらに形成されており、一つ又はそれ以上の作動気体通路が、作動気体を前記燃焼室の近傍に搬送するために、前記板状体内に形成され、前記作動気体通路が、前記作動気体が前記マニホルドからピストン組立体に流れ込むことを可能にする開端部を有し、前記熱交換用の前記マニホルドが、前記燃焼室において燃料／空気混合物に点火する点火装置を含む、マニホルド。
【請求項２】
スターリングエンジンにおいて使用される熱交換用板状体のマニホルドであって、
ハウジングと、
前記ハウジングの板状体部材とを、組み合わせて備え、前記板状体部材が、互いに接合され通路が形成された複数の板状体要素によって形成され、通路が形成された前記板状体要素のそれぞれが複数の熱交換区間を有し、前記板状体部材がピストン室を画定する、マニホルド。
【請求項３】
前記板状体部材が、複数の燃焼室をさらに備える、請求項２に記載のマニホルド。
【請求項４】
前記複数の熱交換区間が、
複数の作動気体通路及び複数の燃焼気体通路を有する第１熱交換区間であって、作動気体が前記燃焼気体通路に存在する燃焼気体によって加熱される、第１熱交換区間と、
前記第１熱交換区間に隣接し複数の作動気体通路を有する第２熱交換区間であって、前記作動気体からの熱が前記板状体部材に伝達される、第２熱交換区間と、
前記第２熱交換区間に隣接し複数の作動気体通路及び冷却剤を有する冷却システムを有する第３熱交換区間であって、前記作動気体が熱を前記冷却剤に伝達する、第３熱交換区間とを備える、請求項３に記載のマニホルド。
【請求項５】
前記燃焼室が、
複数の空気入口通路と、
点火装置と、
複数の排気出口通路とを備える、請求項４に記載のマニホルド。
【請求項６】
前記ハウジングの周りに配置される予熱器をさらに備え、前記予熱器が前記予熱器と前記ハウジングとの間の予熱空間内に周囲空気を受け入れ、前記予熱空間が前記複数の排気出口通路の極近傍にあり、前記予熱空間の空気が前記燃焼室に向けて送られる、請求項５に記載のマニホルド。
【請求項７】
前記冷却システムが閉ループ式冷却システムであり、前記システムが、
前記ハウジングにある複数の冷却剤入口と、
前記ハウジングにある複数の冷却剤出口と、
前記冷却剤入口及び前記冷却剤出口と流体連通する複数の冷却剤通路とを備え、前記冷却剤通路が前記板状体要素内に形成される、請求項６に記載のマニホルド。
【請求項８】
スターリングエンジンにおいて使用される熱交換用マニホルドであって、
第１端部及び第２端部を有するハウジングと、
前記ハウジングにある板状体部材であって、複数の板状体を含み、ピストン室を画定し、燃焼室を前記板状体部材の内部に含む、板状体部材と、
前記ハウジングの前記第１端部にあり、前記燃焼室に至る複数の空気入口通路と、
前記ハウジングの前記第１端部にあり、前記ハウジングの外部に排気する複数の排気出口通路とを備える、マニホルド。
【請求項９】
前記板状体部材が複数の熱交換区間をさらに備え、前記区間が、
複数の作動気体通路及び複数の燃焼気体通路を有する第１熱交換区間であって、作動気体が前記燃焼気体通路に存在する燃焼気体によって加熱される、第１熱交換区間と、
前記第１熱交換区間に隣接し、複数の作動気体通路を有する第２熱交換区間であって、前記作動気体からの熱が前記板状体部材に伝達される、第２熱交換区間と、
前記第２熱交換区間に隣接し、複数の作動気体通路及び冷却剤を有する冷却システムを有する第３熱交換区間であって、前記作動気体が熱を前記冷却剤に伝達する、第３熱交換区間とを備える、請求項８に記載のマニホルド。
【請求項１０】
前記ピストン室が、
上端部及び下端部を有するピストンであって、前記ピストンの前記上端部が前記ハウジングの前記第１端部に向かって位置合わせされる、ピストンと、
前記第２熱交換区間において前記ピストンの前記上端部より上の前記板状体部材にある複数の上部開口であって、作動気体を前記ピストンより上で収容し、かつ排出するのを可能にする、複数の上部開口と、
前記第３熱交換区間において前記ピストンの前記下端部より下の前記板状体部材にある複数の下部開口であって、作動気体を前記ピストンより下で収容し、かつ排出するのを可能にする、複数の下部開口とを備え、
前記作動気体が前記作動気体通路を通る閉鎖経路において双方向に流れる、請求項９に記載のマニホルド。
【請求項１１】
前記熱交換区間が直列形態で配設される、請求項１０に記載のマニホルド。
【請求項１２】
前記熱交換区間が並列形態で配設される、請求項１０に記載のマニホルド。
【請求項１３】
スターリングエンジンと共に使用される熱交換用のマニホルドであって、
複数の燃焼器と、
板状体積重ね式の熱交換器を形成するように、互いに融着される複数の板状体とを、組み合わせて備え、前記板状体積重ね式の熱交換器が、
第１熱交換区間であって、熱を作動気体に伝達し、当該作動気体が前記第１熱交換区間を通る作動気体通路を流れる、第１熱交換区間と、
第２熱交換区間であって、前記作動気体からの熱を前記板状体積重ね式の熱交換器に伝達する、第２熱交換区間と、
前記燃焼器から前記板状体積重式の熱交換器を通って燃焼気体を流すための複数の通路とを備え、前記作動気体通路及び前記複数の通路が互いに近接する、マニホルド。
【請求項１４】
二次空気注入システムをさらに備え、空気が前記第１熱交換区間を流れる前記燃焼気体に注入される、請求項１３に記載のマニホルド。
【請求項１５】
スターリングエンジンと共に使用される熱交換システムであって、
燃焼装置と、
前記燃焼装置の近傍にある板状体用の作動気体熱交換板と、
前記板状体用の作動気体熱交換板に隣接する板状体用マニホルドと、
周囲空気を前記燃焼装置を出る空気内に向けて送る、板状体用空気注入装置と、
前記燃焼装置及び前記作動気体熱交換板から流れる空気が、排気開口に向けて送られる、排気マニホルドとを、組み合わせて備える、システム。
【請求項１６】
前記板状体用マニホルドが、
作動気体と燃焼気体との間で熱を伝達する第１熱交換区間と、
再生成装置を備える第２熱交換区間であって、前記再生成装置内に複数の通路を有し、熱が前記作動気体に対して伝達されるか、又は熱が前記作動気体から伝達される、第２熱交換区間とをさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記板状体用の作動気体熱交換板が、前記板状体用マニホルドに接合される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記板状体用マニホルドが、前記スターリングエンジン内で、押し退け体ピストンシリンダに直接接合される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
多重シリンダ式のスターリングエンジンであって、
複数の個々の高温端部を組み合わせて備え、それぞれが互いに別個であり、一つが前記多重シリンダ式のスターリングエンジンの各シリンダ用である、エンジン。
【請求項２０】
それぞれの前記個々の高温端部が板状体用高温端部であり、当該板状体用高温端部が、
板状体部材を形成するように互いに接合される複数の板状体を備え、前記板状体部材が作動気体通路及び燃焼気体通路を含み、前記板状体部材が複数の熱交換区間を備える、請求項１９に記載のエンジン。
【請求項２１】
スターリングエンジンと共に使用される熱交換システムであって、
太陽光集束ユニットと、
前記太陽光集束ユニットの近傍にある板状体用の作動気体熱交換板と、
前記板状体用の作動気体熱交換板に隣接する板状体用マニホルドとを、組み合わせて備え、前記板状体用マニホルドが、
熱が前記太陽光集束ユニットから作動気体に伝達される第１熱交換区間と、
再生成装置を備える第２熱交換区間であって、前記再生成装置内に複数の通路を有し、熱が前記作動気体に対して伝達されるか、又は熱が前記作動気体から伝達される、第２熱交換区間とをさらに備える、熱交換システム。
【請求項２２】
前記板状体用の作動気体熱交換板が、２つの分離径方向回路を備える、請求項２１に記載の熱交換システム。
【請求項２３】
前記２つの分離径方向回路が、前記板状体用の作動気体熱交換板において渦巻き状パターンで構成される、請求項２２に記載の熱交換システム。
【請求項２４】
前記２つの分離径方向回路が、前記板状体用の作動気体熱交換板において線形のスポーク状パターンで構成される、請求項２２に記載の熱交換システム。
【請求項２５】
前記板状体用の作動気体熱交換板の一面がその表面に通路を備え、乱流が前記面において生成される、請求項２２に記載の熱交換システム。
【請求項２６】
スターリングエンジンにおいて使用される熱交換マニホルドであって、
互いに接合される複数の板状体を組み合わせて備え、前記板状体が、
空気／燃料の取入れ用板状体区域と、
空気事前処理用板状体区域と、
空気／燃料の混合用板状体区域と、
複数の燃焼用板状体区域と、
膨張／圧縮用板状体区域とを画定する、熱交換マニホルド。
【請求項２７】
前記空気／燃料取入れ用板状体区域が、
複数の燃料取入れ開口及び複数の燃料取入れ通路と、
複数の空気取入れ開口及び複数の空気取入れ通路と、
複数の排気開口及び複数の排気通路とをさらに備え、
各種類の通路が、交差／干渉を防止するように、前記空気／燃料の取入れ用板状体区域において、異なるレベルに配置される、請求項２に記載の熱交換マニホルド。
【請求項２８】
固体、液体、又は気体の燃料を使用する手段をさらに備える、請求項３に記載の熱交換マニホルド。
【請求項２９】
スターリングエンジンにおいて使用される熱交換マニホルドであって、
互いに接合される複数の板状体を組み合わせて備え、前記板状体が、
複数の燃料取入れ開口と、
複数の空気取入れ開口と、
複数の燃焼室と、
空気及び燃料を前記空気取入れ開口及び前記燃料取入れ開口から前記燃焼室に輸送する複数の通路と、
複数の排気出口と、
排気気体を前記燃焼室から前記排気出口に輸送する複数の排気通路とを画定する、熱交換マニホルド。
【請求項３０】
前記複数の板状体が、前記スターリングエンジンのピストン組立体に結合され、前記複数の板状体と前記ピストン組立体との間に封止部が形成されており、前記ピストン組立体がピストンシリンダを含む、請求項５に記載の熱交換マニホルド。
【請求項３１】
前記複数の板状体が複数の作動気体通路をさらに画定し、前記作動気体通路が複数のＵ型湾曲部によって画定され、前記Ｕ型湾曲部が前記燃焼室の近傍にあるものであって、前記作動気体通路が、前記スターリングエンジンの前記ピストンシリンダへ作動気体を輸送し、且つ前記スターリングエンジンの前記ピストンシリンダから作動気体を輸送する、請求項６に記載の熱交換マニホルド。
【請求項３２】
前記作動気体通路のそれぞれが一連の分岐する蛇行経路によって画定され、前記蛇行経路が複数のＵ型湾曲部を備え、前記Ｕ型湾曲部が前記燃焼室の近傍にある、請求項７に記載の熱交換マニホルド。
【請求項３３】
前記複数の板状体が複数の接続通路をさらに画定し、前記接続通路が作動気体を前記作動気体通路に対して導くか、又は前記接続通路が作動気体を前記作動気体通路から導く、請求項７に記載の熱交換マニホルド。
【請求項３４】
前記複数の板状体が複数の燃焼接続通路をさらに画定し、前記燃焼接続通路が前記燃焼室を互いに接続する、請求項５に記載の熱交換マニホルド。
【請求項３５】
前記複数の燃焼室及び前記燃焼接続通路に存在する燃料及び空気の混合物に点火する点火手段をさらに備える、請求項１０に記載の熱交換マニホルド。
【請求項３６】
前記複数の板状体が単一の一体構造を画定し、前記単一の一体構造が前記ピストン組立体に封止される、請求項７に記載の熱交換マニホルド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジンに関し、より具体的には、板状体（プレートレット）で形成される熱交換要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンの基本的な概念は、１８１７年のロバート・スターリングによる開発に遡る。長年にわたり、スターリングエンジンの多くの用途が、調査及び評価されてきた。例えば、スターリングエンジンの一つの可能な使用法は、自動車などの原動機としてである。さらに、スターリングエンジンは、ハイブリッド電気用途のエンジン電力ユニットとして使用することが可能である。他の可能な用途は、補助電力ユニットとしてのスターリングエンジンの使用、及び船舶用途ならびに太陽エネルギー保存用途におけるスターリングエンジンの使用である。
【０００３】
スターリングエンジンは、可逆的熱力学サイクルを有し、従って、熱源から機械出力エネルギーを伝達する手段、又は機械入力エネルギーの適用による熱ポンプとして働く手段として使用することができる。様々な熱源を使用して、機械エネルギーをエンジンによって伝達することができる。このエネルギーは、電気を生成するために使用することができ、又は、負荷に機械的に直接結合することができる。
【０００４】
現在のスターリングエンジンの欠点の一つは、作動気体の死容積の存在と、熱交換組立体の燃焼装置の全体容積の大きさのために、非効率的であることである。熱伝導システムは、燃焼装置から作動気体への熱伝導を使用して、作動気体が熱を受けて膨張し、次いで、作動気体の冷却時に作動気体が圧縮される（収縮する）際にピストンを移動させる。一つの従来の燃焼装置は、空気及び燃料が燃焼装置に注入され、次いで、点火されて熱を生成する装置である。作動気体は、複数の加熱器管内を搬送され、加熱器管は、熱が、燃焼装置から、加熱器管内を流れる作動気体に伝達されるように、燃焼装置の近傍に配置される。
【０００５】
各加熱器管の一端部は、一つ又はそれ以上のピストンを有するピストン室と連通し、加熱され膨張した気体は、ピストンシリンダ内において一つ又はそれ以上のピストンを移動させる。一つ又はそれ以上のピストンは、機械エネルギーをエンジンによって伝達させるために、クランクシャフトなどの駆動部材を移動させる他の作動機械構成要素に動作可能に接続される。
【０００６】
熱を生成し、幾つかの加熱器管内を流れる作動気体への熱伝導を実施するために、単一の燃焼装置が使用されるので、熱は、しばしば、加熱器管内の作動気体に一様に分配されない。従来の装置の燃焼装置は、しばしば、３キロワットのスターリングエンジンで３５．５６センチ（１４インチ）以上の長さを有し、ピストンシリンダから燃焼装置の近傍点までの各加熱器管の長さは、約１５．２４センチ（６インチ）以上である。従って、気体は、加熱器管まで１５．２４センチ（６インチ）移動し、次いで、加熱器管が加熱された後、加熱器管からピストンシリンダまで再び１５．２４センチ（６インチ）移動しなければならない。そのようなシステムの関連する欠点は、従来の加熱器管は、通常、作動気体の死容積を含むことである。これは、膨張／圧縮燃焼過程中に熱管の外部に移動しなかった作動気体の体積を指す。すなわち、これは、滞留作動気体の体積を構成する。これにより、燃焼装置から作動気体への熱伝導は非効率的になり、スターリングエンジン自体の動作が非効率的になる。
【０００７】
さらに、燃焼装置の典型的な大きさのために、燃焼装置は、作動気体への熱伝導が行われる前に、まず、かなりの体積の空気を加熱する。これにより、作動気体が加熱される前に、かなりの量のエネルギーが消費されることになり、その結果、燃焼装置の非効率性のために、作動気体はあまり熱にさらされない。すなわち、燃焼装置によって生成される多くの熱が、作動気体に伝達されない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、スターリングエンジンにおいて使用されるより効率的な熱伝導マニホルドを設計することが依然として必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、スターリングエンジンにおいて使用される熱交換マニホルドを対象とする。本発明によれば、熱交換マニホルドは、板状体（プレートレット）構造を使用して提供される。より具体的には、熱交換マニホルドは、積み重ねられ、かつ互いに接合される複数の板状体で形成される。板状体装置は、流体の流れを制御及び管理するように設計され、かつ個々の層（板状体と呼ばれる）で構築される装置である。熱交換マニホルドの板状体構造は、統合流体管理（ＩＦＭ）を提供し、これにより、熱交換及び燃焼過程が改善されるので、スターリングエンジンをより効率的に動かすことが可能になることが有利である。
【００１０】
板状体には、開口及び通路が形成され、これらは、熱交換マニホルドの要素を形成するように互いに対して向けて配置される。例えば、マニホルドは、燃料ならびに空気を燃焼室に送るための燃料ならびに空気取入れ通路、及び排気気体などを燃焼室から排出するための排気通路を有する燃焼室を含む。マニホルドは、作動気体回路をも含み、作動気体回路は、一つ又はそれ以上の作動気体通路を含み、作動気体通路は、熱が、燃焼室から作動気体通路内を流れる作動気体に伝達されるように、燃焼室の近傍にある板状体用マニホルド内に形成される。
【００１１】
本発明の産業応用性について、以下の本発明の目的の考察により示す。
本板状体構造により、マニホルドの通路及び燃焼室の正確な製作が可能になることが有利である。この結果、各個々の燃焼室及び各作動気体回路の全体的な大きさが、本発明の設計により、従来のマニホルドと比較して低減されるので、作動気体への熱伝導はより効率的になる。より具体的には、ピストンシリンダにつき、１個の燃焼室及び約３６個の作動気体回路（加熱器管）を備える一つの大規模な燃焼装置を有する代わりに、本発明のマニホルドは、ピストンシリンダあたり、例えば１００個を超え、好ましくは２００個を超える、実質的により多数の個々の燃焼室と、１００個を超える作動気体回路とを有する。その結果、各燃焼室及び各作動気体回路の寸法は、大きく低減され、板状体の技術を使用して、正確に調整することが可能である。この結果、各作動気体回路の死容積は低減され、燃焼室から作動気体への熱伝導は改善され、燃焼室において実施される燃焼過程の効率は改善される。
【００１２】
本発明の他の態様では、板状体の技術は、スターリングエンジンに用いる押し退け体（ディスプレーサ）のシリンダヘッド端部の内部領域を、複数の熱交換を提供する板状体の積重ね体に組み込むために使用される。第１態様では、シリンダヘッド端部には、作動気体通路及び開口が形成され、これにより、作動気体がシリンダヘッド端部領域に流れ、及びシリンダヘッド端部領域から流れることが可能になる。作動気体通路をヘッド端部内に形成することによって、さらにより効果的かつ効率的な熱伝導表面領域が提供され、この結果、スターリングエンジンは、より小型かつより軽量になる。他の態様では、本発明は、スターリングサイクルのエンジンのヘッド端部の主要部分の全てが一つのシリンダ板状体装置内に統合される統合構造を提供する。非常に小さい板状体用冷却剤通路の使用により、小さいが、非常に効率的な熱交換器が可能になる。すなわち、一実施形態によれば、溝（チャンネル、通路）付き板状体部材は、ピストン室を形成し、また全ての熱交換器をヘッド端部に提供するために、環状に構成される。
【００１３】
本発明の他の態様では、スターリングエンジンにおいて使用される多段階燃焼装置が提供され、多段階燃焼装置は、段階間冷却を含むことも含まないこともできる。本発明の燃焼器は、多燃料条件又は化学量論条件（低ＮＯｘ放出）において動作する第１室と、燃焼気体を薄めるために二次空気を導入する第２室とを有することによって、ＮＯｘの放出を低減することができ、また、ＮＯｘ放出を低レベルに維持しながら、燃焼温度を下げることができる。高システム性能は、依然として維持される。
【００１４】
他の実施形態では、スターリングエンジンのヘッド端部は、作動気体熱交換板を含み、作動気体熱交換板は、板状体用マニホルドの上に接合され、板状体用マニホルド自体は、ピストンシリンダのヘッド端部に結合される。板状体用マニホルドは、幾つかの通路を含み、この通路は、作動気体を受け取り、作動気体を熱交換板に分配し、またピストン室への連通開口を提供するように働き、これにより、作動気体は、ピストン室に流れ込み、またピストン室から流れ出ることが可能になる。熱交換板は、作動気体を効率的に加熱し、かつ金属冷却能力を提供するために、幾つかの熱伝導通路を有する。熱交換板は、板マニホルドと流体連通し、それにより、被加熱作動気体は、マニホルドの通路に流れ込み、またそれから流れ出る。作動気体は、その板を流れる際に加熱されるが、その理由は、その板の一つの表面が、燃焼過程中に形成される高温燃焼気体と直接接触し、実際に、その板が、燃焼室を部分的に形成するからである。
【００１５】
板状体用空気注入装置が提供され、当該板状体用空気注入装置は、未燃燃焼気体の板状体用マニホルドであり、空気マニホルド板状体の冷却と入り燃焼気体の予熱とを同時に実施するように働く。板状体用空気注入装置には、高温燃焼気体が燃焼室から流れる際に、空気を高温燃焼気体に注入するために、幾つかの渦生成開口部が形成されている。空気は、燃焼混合を改善し、かつ高温燃焼気体と熱交換板との間の熱伝導を補助するために、熱交換板の上面に向けられる。この実施形態は、多燃料気体を完全燃焼させるために、多段階微小燃焼を使用し、これにより、以下に記載される多くの利点が得られる。
【００１６】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を読むとき、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１乃至図７を参照すると、スターリングエンジンにおいて使用される熱伝導マニホルドが、符号１０で示されている。熱伝導マニホルド１０は、従来の種類のスターリングエンジンと共に使用されることを意図されており、熱伝導マニホルド１０は、スターリングエンジンの既存の「高温端部」と置き換わるように設計されることが理解され、また以下により詳細に述べられている。「高温端部」という用語は、本明細書では、熱伝導システムを含むスターリングエンジンの端部を指すために使用される。前述のように、従来のスターリングエンジンの高温端部は、一般に、空気入口、燃料入口、排気手段、燃料／空気混合室、燃焼装置（燃焼室）、及び幾つかの加熱器管を含む。加熱器管は、燃焼装置の周りに間隔をおいて配置され、作動気体を搬送する。燃焼装置内で燃料／空気混合物が燃焼することにより、作動気体が加熱され、膨張する。作動気体は、作動ピストンに動作可能に接続される押し退け体ピストンを収容するピストンシリンダに流れ込み、またそこから流れ出す。気体が膨張する際に、押し退け体ピストン及び作動ピストンは、ピストン室内において移動する。
【００１８】
本発明によれば、熱伝導マニホルド１０は、従来のスターリングエンジンの熱伝導システムの燃焼装置、加熱管、及び他の関係する構成要素と置き換わるように設計される。図１乃至図７に示す熱伝導マニホルド１０は、符号１００で全体的に示す一つのピストン組立体と組み合わせて使用されることが好ましい。ピストン組立体１００は、押し退け体ピストン１２０及び１３０において部分的に示す作動ピストンを収容するピストンシリンダ１１０を含む。押し退け体ピストン１２０は、作動ピストン１３０に動作可能に接続される。一般に、ピストン組立体１００は、ピストンシリンダ１１０を有する環状の形状を有し、ピストンシリンダ１１０は、押し退け体ピストン１２０及び作動ピストン１３０が内部において軸線方向に移動する環状空洞である。ピストン組立体１００の端部は、熱伝導マニホルド１０と対面し、かつ接して位置し、加熱器ヘッド部材１１１を通常有する。図１に示すように、例示的な加熱器ヘッド部材１１１は、ピストンシリンダ１１０を部分的に閉鎖し、また、ピストンシリンダ１１０の壁から外向きに延びるフランジ１１３を形成する。フランジ１１３は、熱伝導マニホルド１０の支持面として働く。本発明の一態様によれば、以下により詳細に述べられているように、加熱器ヘッド部材１１１には、ピストンシリンダ１１０と熱伝導マニホルド１０との間の流体連通を提供するために、加熱器ヘッド部材１１１を通って幾つかの開口１１５が形成されている。
【００１９】
概略的には、熱伝導マニホルド１０は、熱を生成して、ピストンシリンダ１１０と流体連通している作動気体に伝達し、その結果、ピストンシリンダ１１０内の作動気体の膨張により、押し退け体ピストン１２０及び作動ピストン１３０が、熱伝導マニホルド１０から遠ざかる軸線方向に移動する。
【００２０】
本発明によれば、熱伝導マニホルド１０は、拡散接合又は鑞付けなどの様々な方法のいずれか一つで互いに接合された、符号２００として全体的に示す板状体の積重ね体で形成される。板状体は、金属、金属合金、セラミックなどの薄い薄板であり、一体構造を形成するように接合される。板状体の正確な厚さは重要ではなく、通常、各板状体は、０．００２５４センチ（０．００１インチ）から約０．０１０１６センチ（０．０４インチ）の間のおよその厚さを有する。
【００２１】
例示的な熱伝導マニホルド１０は、熱伝導マニホルド１０外の周囲環境と連通する空気入口４０を含み、又は、燃料を燃焼させる、もしくは燃料の燃焼に触媒作用を及ぼすために使用することができる空気又は他の気体の供給源に接続することが可能である。図１、図２、及び図６に最もよく示されているように、空気入口４０は、空気／燃料用板状体区域（ゾーン）２１０内に形成される開口４２によって画定され、区域２１０は、熱伝導マニホルド１０の一端に複数の板状体を備える。複数の板状体は、同じ特徴部分が位置合わせされるように、共に積み重ねられることが理解されるであろう。空気入口４０、及びより具体的にはその開口４２は、板状体構造２００の一つの板状体区域内に形成される幾つかの空気取入れ通路６０によって、所定の数の分離した燃焼室５０に流体連結される。空気取入れ通路６０は、適切で既知の板状体の技術を使用して、空気／燃料用板状体区域２１０内に形成される縦方向の通路であることが好ましい。例えば、空気取入れ通路６０の寸法は、精密な用途に対して簡単に調整することが可能であり、空気取入れ通路６０の寸法が、従来の空気取入れ管などよりかなり小さくなるように形成することが可能である。空気取入れ通路６０を形成する際に、そのような正確さが可能であるが、その理由は、フォトエッチング技術により、寸法の小さい空気取入れ通路６０を形成することが可能であるからである。空気取入れ通路６０及び以下で述べられている他の構造の形成は、フォトエッチング工程の使用に限定されず、レーザ切断など、他の適切な技法を使用することが可能であることが理解されるであろう。化学エッチング方法の適切な説明が、参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第３，４１３，７０４号明細書に記載されている。
【００２２】
板状体部材の製造は、米国特許第５，３８７，３９８号明細書、第５，４５５，４０１号明細書、第５，６１４，０９３号明細書、第５，６８３，８２８号明細書、第６，０５１，３３１号明細書、第５，８５８，５０７号明細書、第５，８０４，０６６号明細書、及び第５，８６３，６７１号明細書にも記載されており、これらは、全て、参照によって本明細書に組み込まれている。
【００２３】
図１及び図６に最もよく示されているように、各燃焼室５０は、板状体構造２００の複数の板状体区域内に形成されることが好ましい第２空気取入れ通路６２によって、縦方向空気取入れ通路６０の一つと流体連通する。一つの例示的な板状体構造２００は、空気／燃料用板状体区域２１０、空気事前処理用板状体区域２２０、空気／燃料混合用板状体区域２３０、及び符号２４０において全体的に示すもう一つの燃焼用板状体区域、ならびに膨張／圧縮用板状体区域２５０を含む複数の層状板状体を含む。各板状体区域は、実際には、幾つかの層状板状体で形成されることが理解されるであろう。第２空気取入れ通路６２は、垂直通路であり、板状体区域２１０、２２０、２３０内に形成されることが好ましく、空気取入れ通路６０の一つと流体連通する第１端部、及び空気／燃料通路７０と流体連通する第２端部を含む。
【００２４】
同様に、熱伝導マニホルド１０は、当該熱伝導マニホルド１０の外部と流体連通する開口８２を有する燃料取入れ口８０を含み、これにより、燃料が開口８２を経て燃焼装置５０に送られることが可能になる。開口８２は、空気／燃料取入れ用板状体区域２１０内に形成され、空気取入れ口４０の開口４２から間隔をおいて配置されることが好ましい。燃料取入れ口８０は、板状体構造２００の一つの層内に形成されることが好ましい幾つかの燃料取入れ通路８４をも有する。燃料取入れ通路８４は、空気／燃料用板状体区域２１０内に形成される縦方向通路であることが好ましい。燃料取入れ通路８４は、燃料取入れ通路８４と空気取入れ通路６２とが、交差せず、かつ互いに干渉しないように、空気取入れ通路６２とは異なるレベル（高さ、位置）において、板状体区域２１０内に形成される。
【００２５】
燃料取入れ口８０は、第２空気取入れ通路８６をも含む。この通路は、板状体区域２１０、２２０、２３０内に形成される垂直通路であり、燃料取入れ通路８４の一つと流体連通する第１端部と、空気／燃料通路７０と流体連通する第２端部とを含む。従って、空気及び燃料の両方が空気／燃料通路７０に送られ、当該空気／燃料通路７０は、好ましくは空気／燃料混合用板状体区域２３０内に形成される縦方向通路を備える。空気／燃料入口通路８８は、空気／燃料通路７０を一つの燃焼室５０に接続する。すなわち、空気／燃料入口通路８８は、空気／燃料混合物を燃焼室５０内に送るために、燃焼室５０に開口している。例示した実施形態では、空気／燃料入口通路８８は、空気／燃料通路７０に対して全体として垂直であり、また、燃料取入れ通路８４に対して全体として平行である。燃料取入れ口８０を形成する全ての通路は、フォトエッチング、レーザ切断など、上述した形成技法を使用して、板状体内に形成されることが好ましいことが理解されるであろう。
【００２６】
本明細書で使用する際に、「燃料」という用語は、熱エネルギーを放出するために燃焼される材料を指す。本明細書において述べられている環境において使用するのに適している限り、任意の数の燃料を使用することが可能である。すなわち、燃料は、本明細書において述べられている条件下において可燃性でなければならず、また、作動気体を効率的に加熱するのに十分な熱エネルギーを生成しなければならない。燃料は、様々な形態とすることが可能であり、例えば、液体、固体、又は気体とすることが可能である。一つの好ましい燃料は、天然ガスである。これは、空気と混合されて燃焼するように、所定の比率で空気と混合される。使用に適している他の燃料は、プロパンガス（又は、他の種類の炭素ベースの気体）であり、さらに他の適切な燃料は、ディーゼル燃料である。上記に列挙した燃料は、単なる例示であり、任意の数の他の種類の燃料を使用することが可能であることが理解されるであろう。異なる燃料が使用されるとき、燃料が燃焼室５０に適切に導入されるのを可能にするために、高温端部をわずかに修正しなければならない可能性がある。しかし、板状体の多用性により、容易に修正することが可能であり、また、これらの新しい構造は、所与の用途に合わせて構造を調整するように、ストックされた板状体で作成することができる。これらのわずかな修正は、板状体構造のスターリングエンジンが動作する方法に関する最も重要な物理的原理を変更しない。
【００２７】
燃焼反応が燃焼室５０において行われるので、熱伝導マニホルド１０は、排気気体などを放出するための、板状体構造２００に組み込まれている排気手段を有する。排気開口９０が、空気／燃料取入れ用板状体区域２１０内に形成され、熱伝導マニホルド１０を囲む環境に対して開いている。開口４２及び８２と同様に、排気開口９０は、開口４２、８２から間隔をおいて配置され、環状の形状を有する。複数の第１排気通路９２が、板状体構造２００の一つの層内に形成される。第１排気通路９２は、空気／燃料用板状体区域２１０内に形成される縦方向通路であることが好ましい。第１排気通路９２は、第１排気通路９２が、板状体区域２１０内に形成される他の通路と交差せず、かつ干渉しないように、空気取入れ通路６２及び燃料取入れ通路８４とは異なるレベル（高さ、位置）において、板状体区域２１０内に形成される。
【００２８】
第２排気通路９４が、垂直通路の形態で提供される。この通路は、板状体区域２１０、２２０、２３０、２４０内に形成され、第１排気通路９２の一つと流体連通する第１端部、及び排気出口通路９６と流体連通する第２端部を含む。排気出口通路９６自体は、燃焼室５０と流体連通する。従って、第２排気通路９４は、燃焼用板状体区域２４０の一つ又はそれ以上の板状体内に形成される。例示的な実施形態では、燃焼用板状体区域２４０は、実際には、４つの板状体区域２４２、２４４、２４６、２４８で形成され、排気出口通路９６が、最下の燃焼用板状体区域２４８において部分的に形成される。燃料が燃焼室５０内において燃焼する際に、排気気体が生成され、本発明の排気システムは、燃焼室５０から排気気体を排出する手段を提供する。個々の燃焼室５０からの排気気体は、それぞれの第２排気通路９４を経て、第１排気通路９２の一つの中に排出され、次いで、周囲環境に排出するための排気開口９０の中に排出される。
【００２９】
上述した排気システムは、単なる例示の性質であり、排気出口通路９６は、幾つかの異なる位置内に形成することが可能であることが理解されるであろう。例えば、排気出口通路９６は、図６に示すように、下部区間５４の代わりに、上部区間５２において燃焼室５０と連通することが可能である。
【００３０】
従って、燃焼室５０は、燃料と空気との混合物を受け取るように設計され、この混合物は、次いで、任意の数の適切な点火装置９８を使用して点火されて、燃料が燃焼する際に熱を生成する。例えば、適切な点火装置９８は、火花生成装置と、静電装置と、燃焼室５０において選択的に燃料に点火するように働く任意の数の他の装置とを含むが、これに限定されるものではない。点火装置９８は、幾つかの異なる方法で燃焼室と連通することが可能であり、単なる例示として、図６は、燃焼用板状体区域２４０の一つを通って、燃焼室の中に縦方向に延びる点火装置９８を示す。点火装置９８は、点火装置９８が板状体区域２１０、２２０、２３０、２４０を通って延び、かつ燃焼室５０の上部区間５２と連通するように、熱伝導マニホルド１０内において垂直に形成することが可能であることが理解されるであろう。
【００３１】
熱伝導マニホルド１０の通路要素と同様に、燃焼室５０は、フォトエッチングなどの従来の技法を使用して、板状体構造２００の様々な板状体内に形成される。板状体技法により、燃焼室５０をより正確に寸法決めして、個々の応用例に合わせて成形することが可能である。従来のスターリングエンジンの設計とは異なり、本発明の熱伝導マニホルド１０は、唯一の燃焼装置の代わりに、多数の燃焼室５０を有する。例えば、一実施形態では、各ピストンシリンダ１１０について、押し退け体及び作動ピストン１２０、１３０を軸線方向に移動させるために、２００個を超える燃焼室５０が存在し、より具体的には、一実施形態では、各ピストンシリンダ１１０あたり、約２６０個の燃焼室５０が存在する。
【００３２】
図１５に示す例示的な燃焼室５０は、全体的に環状の部材であり、上部区間５２及び下部区間５４を含み、上部区間５４は、下部区間５２より大きな直径を有する。図６に最もよく示されているように、下部区間５４は、内向き先細壁５６によって画定される内向きテーパを有する。これにより、下部区間５４の直径は、上部区間５２の直径より小さくなる。
【００３３】
図５からわかるように、一実施形態によれば、燃焼室５０は、熱伝導マニホルド１０において径方向関係で形成され、それにより、多数のリングが形成される。約３５．５６センチ（１４インチ）を超える長さを通常有する従来の燃焼装置とは異なり、本発明の燃焼室５０は、従来の燃焼装置と比較して、大きく低減された寸法を有する。本発明によれば、燃焼室５０は、従来の燃焼装置と比較して大きく低減された大きさを有する。例えば、燃焼室５０の高さは、３キロワットのエンジンで、約５．０８センチ（２インチ）など、わずかに数インチであることが好ましい。スターリングエンジンの大きさが増大すると、燃焼室５０の大きさも変化し、この場合は対応して増大することが理解されるであろう。
【００３４】
熱伝導マニホルド１０は、作動気体を搬送する作動気体通路３００をも含む。作動気体は、加熱されて、ピストンシリンダ１１０内においてピストン１２０、１３０を移動させる。スターリングエンジンにおいて使用するのに適している任意の数の種類の作動気体を本発明において使用することが可能であり、ヘリウムガスを含むが、これに限定されるものではない。作動気体通路３００のそれぞれは、一般に、幾つかの板状体内に形成されるＵ型通路である。一実施形態では、各作動気体通路３００は、ピストンシリンダ１１０と流体連通する一対の開端部３０２を有し、これにより、作動気体が、ピストンシリンダ１１０から任意の数の作動気体通路３００の中に自由に流れることが可能になる。作動気体通路３００のＵ型湾曲部３０１が、一つ又はそれ以上の燃焼室５０の近傍に配置される。図６に示す実施形態では、燃焼室５０の先細第２区間５４は、隣接する作動気体通路３００の間に形成される。板状体の技術が正確であるので、作動気体通路３００は、燃焼室５０に比較的接近して形成することができる。これにより、燃焼室５０から、燃焼室５０の周囲に配置される作動気体通路３００内を流れる作動気体への熱伝導がより効率的になる。板状体構造２００により、作動気体通路３００の寸法を低減することが可能になることが有利である。例えば、従来の加熱器管では、作動気体は、燃焼装置の近傍の位置まで管内を約１５．２４センチ（６インチ）流れ、その後、再びピストンシリンダまで１５．２４センチ（６インチ）流れる。本発明では、作動気体は、作動気体通路内を約数インチだけ流れ、その後、ピストンシリンダ１１０まで同じ又は同程度の距離を流れる。作動気体の流路の長さが大きく低減されるので、作動気体通路３００内の死容積の量は低減される。これにより、作動気体の流れはより効率的になり、その結果、熱伝導効率が増大する。
【００３５】
板状体構造２００内に形成される多数の燃焼室５０及び作動気体通路３００を提供することによって、従来の燃焼器設計の死容積に関連する欠点が排除され、又は少なくとも大きく軽減されることも理解されるであろう。燃焼室５０の体積は、単一燃焼装置の体積よりかなり小さいので、板状体構造２００を経て作動気体に効果的に熱を伝達するために加熱する必要のある空気がより少ないという理由で、燃焼は、より効率的である。これにより、燃焼過程はより清浄になり、作動気体の加熱はより効率的になる。３キロワットのスターリングエンジンでは、熱伝導マニホルド１０は、約１０．１６センチ（４インチ）から１５．２４センチ（約６インチ）の高さを有する可能性がある。あらゆる場合において、熱伝導マニホルド１０の高さは、従来の燃焼装置よりかなり低い。スターリングエンジンの大きさが増大又は減少すると、熱伝導マニホルド１０の大きさも、対応して増大又は減少することが理解されるであろう。
【００３６】
作動気体通路３００内を流れる作動気体が加熱される際に、作動気体は膨張する。作動気体通路３００の端部３０２は開いており、ピストンシリンダ１１０と流体連通するので、膨張気体は、ピストンシリンダ１１０内を流れる。作動気体は、作業流体として働き、これにより、押し退け体ピストン１２０及び作動ピストン１３０が、ピストンシリンダ１１０内において移動する。
【００３７】
熱伝導マニホルド１０とピストン組立体１００との間で漏れがないように、板状体構造２００は、好ましくは間を封止するように、ピストン組立体１００に結合される。作動気体通路３００の開端部は、ピストン組立体１００に対して封止されず、作動気体通路３００を通路１１５と位置合わせすることによって、ピストンシリンダ１１０と直接流体連通する。従って、加熱器ヘッド部材１１１内の通路１１５の数及び構成は、作動気体通路３００の数及び構成に対応する。熱伝導マニホルド１０とピストン組立体１００、より具体的には加熱器ヘッド部材１１１との間の封止部は、作動気体通路３００及び通路１１５が互いに位置合わせされる限り、従来の技法を使用して形成することが可能である。
【００３８】
当業者なら、スターリングエンジンは、被加熱作動気体を冷却する冷却機構をとりわけ提供するために設計される「低温端部」を有することも理解するであろう。本発明の熱伝導マニホルド１０は、スターリングエンジンの「高温端部」として働くように設計され、一方、「低温端部」は、スターリングエンジンなどにおいて使用されるように設計される任意の数の適切な冷却装置を含むことが可能である。冷却機構は、作動気体から熱を効果的に取り出し、それにより作動気体を圧縮する。作動気体のエネルギーの一部は、ピストン１２０、１３０を移動させるために使用されるが、ピストン１２０、１３０をピストンシリンダ１１０において収縮させるために取り出される追加のエネルギーが依然として存在する。冷却機構は、このエネルギー（熱）を作動気体から取り出すように設計される。
【００３９】
スターリングエンジンの「低温端部」は、ピストン組立体１００をスターリングエンジンの駆動部分に動作可能に接続する機械的構成要素及び電気構成要素をも含む。例えば、一つ又はそれ以上のピストンロッド（図示せず）が、通常、押し退け体及び作動ピストン１２０、１３０まで延び、一つ又はそれ以上の接続ロッド（図示せず）に動作可能に接続される。一つ又はそれ以上の接続ロッドは、ピストン組立体１００内に部分的に配置され、また、ピストン組立体１００に接続されるクランクケース（ハウジング）内にも部分的に配置される。一つ又はそれ以上の接続ロッドは、駆動部材として働くクランクシャフト（図示せず）に機械的に結合される。例えば、駆動シャフトは、生成装置（図示せず）に接続することが可能である。
【００４０】
「低温端部」を含めて、スターリングエンジンの動作の全般的な詳細は、米国特許第５，６３８，６８４号明細書、第４，４８１，７７１号明細書、第５，３８８，４０９号明細書、及び第５，７２２，２３９号明細書に記載されており、これらは全て、参照によって本明細書に組み込まれている。
【００４１】
板状体構造２００は、拡散接合、鑞付け、又は他の種類の工程によって形成される。拡散接合は、板状体２００を高温において共に高温圧縮することを含む。拡散接合により、構造２００を形成する板状体間に粒状物が成長し、それにより、親材料の特性を有する一体構造が生成される。構造２００の板状体は、任意の数の適切な材料で形成され、好ましくは、板状体は、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、及びニオブなどの金属又は金属合金の薄い薄板である。さらに、板状体は、セラミック材料から形成することが可能である。
【００４２】
適切な板状体材料の他の詳細及び製造の詳細は、以前に組み込まれた米国特許第５，３８７，３９８号明細書、第５，４５５，４０１号明細書、第５，６１４，０９３号明細書、第５，６８３，８２８号明細書、第６，０５１，３３１号明細書、第５，８５８，５０７号明細書、第５，８０４，０６６号明細書、及び第５，８６３，６７１号明細書において開示されている。
【００４３】
板状体のそれぞれは、同じ又は同様の幅を有することが可能であるが、板状体は、全体として一様な幅を有する必要はなく、板状体のいずれか一つは、他の板状体の幅より広い又は狭い幅を有することが可能であることが理解されるであろう。一つの例示的な実施形態では、各板状体は、約０．０５０８センチ（０．０２０インチ）の厚さを有する。板状体は、環状の形状にも限定されず、矩形又は楕円の形状を含めて、任意の数の形状を有することが可能である。しかし、板状体は、特定の構造及び用途に応じて、他の厚さを有することが可能であることが理解されるであろう。
【００４４】
また、本発明は、図２乃至図５に示した作動気体通路３００及び燃焼室５０の構成に限定されるものではないことも理解されるであろう。これらの構成は、単なる例示の性質であり、本発明の一実施形態を示す。
【００４５】
ここで図８乃至図１５を参照すると、第２実施形態による熱伝導マニホルドが示され、符号４００において表されている。熱伝導マニホルド４００は、熱伝導マニホルド１０と同様であり、従って、同じ要素には、同じ番号が付けられている。
【００４６】
熱伝導マニホルド４００は、空気／燃料取入れ用板状体区域２１０、空気予熱用板状体区域２２０、空気／燃料混合用板状体区域２３０、燃焼用板状体区域２４０、及び作動気体の膨脹又は圧縮用板状体区域２５０によって画定される板状体構造４１０を含む。この実施形態では、燃焼用板状体区域２４０は、実際には、第１燃焼用板状体区域２４２、第２燃焼用板状体区域２４４、第３燃焼用板状体区域２４６、及び第４燃焼用板状体区域２４８によって形成される。さらに、作動気体膨脹又は圧縮用板状体区域２５０は、第１板状体区域２５２、第２板状体区域２５４、第３板状体区域２５６、及び第４板状体区域２５８によって画定される。
【００４７】
板状体構造２００と同様に、板状体４１０の積重ね体は、単一の一体構造を形成するように互いに接合される。板状体４１０の積重ね体は、ピストンシリンダ１１０の形状と全体的に相補的であり、従って、この一つの実施形態では、板状体４１０の積重ね体は、全体的に環状の形状を有する。マニホルド４００は、空気取入れ口４０、燃料取入れ口８０、及び排気システム９０、９２、９４、９６を含む。
【００４８】
この第２実施形態では、燃焼室５０は、マニホルド４００内に形成される一連の燃焼室５０が、燃焼接続通路４２０によって互いに接続されるように修正される。燃焼接続通路４２０は、燃焼用板状体区域２４０の板状体の一つ内に形成される縦方向通路の形態にあることが好ましい。例えば、燃焼接続通路４２０は、第３燃焼用板状体区域２４６内に形成することが可能である。図８に最もよく示されているように、燃焼接続通路４２０は、対向する閉端部４２２を有し、通路４２０は、その端部間において幾つかの燃焼室５０と連通する。例えば、一つの燃焼室５０の各下部区間５４が、燃焼接続通路４２０の一部の中に開き、それにより、燃焼室５０内において生成される熱を燃焼接続通路４２０に伝達することが可能になる。燃焼接続通路４２０により、熱を板状体構造４００のより広い領域に分散させることが可能になり、その結果、熱が、作動気体通路５００内を流れる作動気体に、効果的かつ効率的に伝達される。
【００４９】
第２実施形態では、各作動気体通路５００は、一連の分岐する蛇行経路によって画定される。この経路において、作動気体は、入口５１０を通って通路５００に入り、出口５２０を通って通路から出る。作動気体の流れは、指向性矢印５２２によって全体的に示される。通路５００は、作動気体の蛇行流路を部分的に画定する幾つかのＵ型湾曲部５２４を有する。Ｕ型湾曲部５２４は、燃焼用板状体区域２４０（例えば、第４燃焼用板状体区域２４６）内に形成される。多数のＵ型湾曲部５２４を燃焼室５０及び燃焼接続通路４２０の近傍に配置することによって、これらのＵ型湾曲部５２４内を流れる作動気体は、燃焼室５０において生成され、かつ燃焼接続通路４２０に存在する熱によってより効果的に加熱される。すなわち、通路５００を、燃焼室５０及び通路４２０の極近傍に位置する部分（Ｕ型湾曲部５２４）を有する幾つかの経路に分岐させることによって、熱に暴露される気体の体積が増大し、気体をより効率的に加熱することになる。作動気体の加熱後、気体は、出口５２０を通って、ピストンシリンダ１１０に流れ込み、押し退け体ピストン１２０を移動させる。 
【００５０】
図８に示すように、作動気体通路５００は、幾つかの接続通路５２３を有することが可能であり、これにより、入口又は出口通路５１０が、複数の燃焼室５０の近傍に配置される複数の作動気体通路５００に、作動気体を供給することが可能になる。幾つかの入口又は出口通路５１０は、作動気体がピストンシリンダ１１０に入り、かつそれから出る経路をも提供した。
【００５１】
マニホルド４００は、選択的に燃料に点火して、熱を生成する点火装置５３０をも含む。一つの例示的な実施形態では、点火装置５３０は、板状体区域２１０の上面を越えて延びる第１端部５３２と、燃焼接続通路４２０内に位置する対向する第２端部５３４とを有する。点火装置５３０は、最外板状体２１０から、第３燃焼用板状体区域２４６など、燃焼接続通路４２０が内部に形成されている板状体までの板状体構造４１０内に形成される。点火装置５３０の作動時、第２端部５３４は、火花などを生成するなど、既知の技法を使用して、燃料／空気混合物に点火する。従って、点火装置５３０の作動により、燃焼室５０及び燃焼接続通路４２０に存在する燃料／空気混合物が点火される。
【００５２】
図９は、第２実施形態のマニホルド４００の上面図を示す。図１０乃至図１５は、マニホルド４００の様々な断面図を示す。
従って、本発明は、一態様では、スターリングエンジンの従来の「高温端部」組立体と、板状体の積重ね体で形成される熱伝導マニホルド１０との置き換えを教示する。板状体の技術の当業者なら理解するように、各板状体は、板状体を積み重ねて、互いに接合する際に、内部に形成される開口及び通路が、適切に向けて配置されて、熱伝導マニホルド１０として機能する単一の一体構造を形成するように工夫される
板状体の技術の使用により、本発明の熱伝導マニホルド１０を、一連の相互関連統合流体管理（ＩＦＭ）の板状体で形成することが可能になることが有利である。本発明の熱伝導マニホルド１０をスターリングエンジンに組み込むことによって、熱伝導が改善されるために、燃焼過程及びエンジンの全体的な効率が改善される。
【００５３】
図１６を参照すると、スターリングエンジンの高温端部が、符号５９９として全体的に示されており、熱伝導板状体部材６００を含む。スターリングエンジンの他の設計と同様に、本発明は、押し退け体ピストン６１０及び作動ピストン６２０を含む。押し退け体ピストン６１０及び作動ピストン６２０は、ピストン６１０、６２０を接続するクランク６１２を提供することを含めて、従来の方法を使用して互いに動作可能に接続される。クランク６１２は、通常、はずみ車組立体（図示せず）の一部と動作可能に接続され、又はそれを形成する。さらに、スターリングエンジンは、通常、クランク６１２に動作可能に接続される生成装置（図示せず）を有する。当業者なら理解するように、作動気体が、スターリングエンジンにおいて提供され、この作動気体を熱的に加熱及び冷却することにより、押し退け体ピストン６１０及び作動ピストン６２０が移動する。押し退け体ピストン６１０は、実際には、スターリングエンジンの作業領域の周辺において、作動気体を移動させる、又は往復させるように働く。押し退け体ピストン６１０と、クランク６１２と、作動ピストン６２０と、はずみ車及び生成装置との間の相互接続のために、一つの構成要素の運動は、他の構成要素の運動に変換される。より具体的には、以下により詳細に述べられているように、押し退け体ピストン６１０の移動により、エネルギーが、作動ピストン６２０の他に、はずみ車及び生成装置に供給される。
【００５４】
この実施形態では、ピストン室６３０が、板状体部材６００自体によって画定される。ピストン室６３０は、第１端部６３２及び第２端部（図示せず）を有し、押し退け体ピストン６１０が、第１端部６３２の付近に配置され、作動ピストン６２０が、押し退け体ピストン６１０と第２端部との間に配置される。
【００５５】
本発明によれば、板状体部材６００は、スターリングエンジンの熱交換構成要素の高温端部及び低温端部の両方をその設計に組み込み、また、押し退け体シリンダヘッド端部をその設計に組み込む。板状体部材６００は、板状体の技術を使用して形成され、より具体的には、拡散接合及び鑞付けなど、様々な方法のいずれかで互いに接合（融着）された板状体の積重ね体で形成される。前述のように、板状体は、金属、金属合金、セラミックなどの薄い薄板であり、一体構造を形成するように接合される。板状体の正確な厚さは重要ではなく、通常、各板状体は、約０．００２５４センチ（０．００１インチ）から約０．０１０１６センチ（０．０４０インチ）の厚さを有する。
【００５６】
この実施形態では、板状体部材６００は、ハウジング６４０に挿入される幾つかの溝（チャンネル、通路）付き板状体用熱交換器を含む。ハウジング６４０は、一実施形態では、板状体部材６００を囲む圧力容器に類似しており、高圧力で従来のように機械加工することができる金属ハウジング６４０であることが好ましい。通常、ハウジング６４０は、全体的に環状の形状を有する。ハウジング６４０には、その一側面に一つ又はそれ以上の冷却剤入口６４２、及び一つ又はそれ以上の冷却剤出口６４４が形成されている。さらに、ハウジング６４０には、その一側面に一つ又はそれ以上の燃焼気体出口６４６が形成されている。ハウジング６４０は、第１端部６７０及び対向する第２端部６７２を有する。第１端部６７０は、一般に、板状体部材６００の高温端部に関連付けられ、第２端部６７２は、一般に、板状体部材６００の低温端部に関連付けられる。
【００５７】
第１端部６７０は、本質的に、ハウジング６４０の環状側壁６７６と一体式の端部壁６７４で閉鎖される。壁６７４は、幾つかの形成された開口即ち孔を有し、より具体的には、壁６７４には、複数の空気入口６７８及び複数の燃料入口６８０が形成されている。入口６７８、６８０の数及びそれぞれの寸法は、４０％の空気と６０％の燃料との混合物が、燃焼室６８９内に導入されるように構成されることが好ましい。
【００５８】
ここで図１６乃至図１９を参照すると、板状体部材６００は、溝（チャンネル、通路）付き熱交換要素で形成されることが好ましく、それぞれ、図１７及び図１９に符号６９０として全体的に示されている。図１９に最もよく示されているように、各溝付き熱交換要素６９０は、板状体の積重ね式で形成される。図１９に示す板状体層は、単なる例示であり、各板状体部材６９０は、図１９に示す層状板状体の数よりはるかに多くの数の層状板状体を含むことが好ましいことが理解されるであろう。各板状体要素６９０は、対向側面６９１ならびに内面６９３及び外面６９５を含めて、全体的に台形の断面形状を有する。内面６９３は、外面６９５より小さい表面領域を有する。
【００５９】
図１９は、伸張位置にある溝付き板状体要素６９０を示す。要素６９０が波形の性質であるので、要素６９０は、図１７に示すような環状部材を形成するように加工することが可能である。示した例示的な実施形態では、波形構造は、１６の個々の要素６９０を含む。要素６９０が環状構造を形成するように加工されるとき、要素６９０の側面６９１は、要素６９０の側面６９１間にギャップが存在しないように、互いに係合する。内面６９３は、符号６９９として全体的に示す内部環状表面を形成し、外面６９５は、符号７０１として全体的に示す外部環状表面を形成する。内部環状表面６９９は、滑らかな表面であり、実際には、内部環状表面６９９は、ピストン室６３０を画定することが好ましい。図１８は、図１７の線１８−１８に沿って取った断面図であり、対向する板状体要素６９０を示し、また、各個々の要素６９０が、複数の板状体で形成されることも示す。
【００６０】
図１７は、外部環状表面７０１がハウジング６４０の内部表面６４１に接して位置するように、溝付き板状体要素６９０がハウジング６４０内に配置されることをも示す。単なる例示であり、限定ではなく、側面６９１を含む収束面によって画定されて形成される角度Ａは、約２２．５°である。この角度は、単なる例示であり、要素６９０のそれぞれの数及び大きさに応じて、角度は変化することが理解されるであろう。溝付き板状体構造の全体的な波形形状を形成する個々の板状体要素６９０の数は、各個々の板状体要素６９０の寸法及びハウジング６４０の直径、ならびに溝付き板状体要素６９０によって実際に画定されるピストン室６３０の所望の直径を含めて、幾つかの要因に依存する。
【００６１】
板状体要素６９０は、それぞれ、第１端部７０２及び対向する第２端部７０４を有し、ハウジング６４０の第２端部６７２又はその付近から、ハウジング６４０の第１端部６７０又はその付近まで延びる細長い構造である。図１６に最もよく示されているように、要素６９０の第１端部７０２とハウジング６４０の端部壁６７４との間に、空間７１０が存在することが好ましい。燃焼室６８９は、燃焼部材７２０によって画定される。燃焼部材７２０は、その中央部分に燃焼室６８９が形成されている環状部材であることが好ましい。従って、燃焼室６８９は、空気及び燃料の燃焼が行われ、その結果、熱が生成される環状空間である。一実施形態では、燃焼部材７２０は、端部壁６７４に接続され、それにより、ハウジング６４０の一部を形成する。この実施形態では、符号７２２として全体的に示す複数の径方向開口が存在し、これは、気体が、燃焼室６８９から板状体要素６９０の第１端部７０２まで流れる流体通路を画定する。
【００６２】
燃焼部材７２０が板状体部材６００の一部であるように、燃焼部材７２０を形成することが可能であることが、本発明の範囲内にある。この場合、燃焼室６８９は、板状体の技術を使用して、燃焼部材７２０内に形成される。他の実施形態では、燃焼部材７２０は、板状体で形成されるが、溝付き板状体要素６９０とは別の部材とすることが可能である。この実施形態では、燃焼部材７２０は、板状体拡散接合技法を含めて、任意の適切な技法を使用して、板状体要素６９０に結合される。この実施形態では、径方向開口７２２は排除され、代わりに、環状空間が、燃焼部材６８９の第１端部と端部壁６７４との間に形成される。
【００６３】
環状バッフル（邪魔板）７３０がハウジング６４０の端部壁６７４から燃焼室６８９内に接続され、またハウジング６４０の端部壁６７４から燃焼室６８９内に延びることが好ましい。環状バッフル７３０は、燃焼室６８９の下部領域７３４から間隔をおいて位置する端部７３２を有する。従って、環状バッフル７３０は、燃焼室６８９を第１区間７３８及び第２区間７４０に分割し、第１区間７３８は、環状バッフル７３０内に位置し、第２区間７４０は、環状バッフル７３０と燃焼部材７２０との間に位置する。空気入口６７８及び燃料入口６８０は、それらが第１区間７３８と連通するように、端部壁６７４内に形成される。従って、空気及び燃料は、燃焼室６８９の第１区間７３８内に導入される。空気及び燃料は、注入装置などの従来の装置を使用して、燃焼室６８９内に導入される。断熱材７３６を、燃焼室６８９の下部領域７３４に挿入することが可能である。
【００６４】
点火装置７４５が提供され、また端部壁６７４を経て第１区間７３８内に延びることが好ましい。一つの適切な点火装置７４５は、火花プラグ装置であり、空気及び燃料が、入口６７８、６８０をそれぞれ経て導入されている間、作動時に、第１区間７３８内において火花を生成する。前述のように、多燃料混合物が、燃焼のために第１区間７３８に導入されることが好ましく、空気／燃料混合物の燃焼により生成される例示的な燃焼温度は、約１２２６．８５℃（２７００°Ｒ）である。第１区間７３８内の燃焼過程により、燃焼気体が形成され、この燃焼気体は、矢印７５０によって示す画定流路に従って流れる。燃焼気体は、環状バッフル７３０の第１端部７３２の周囲を流れて、燃焼室６８９の第２区間７４０に流れ込む。次いで、気体は、端部壁６７４に向かって上方に流れ、板状体要素６９０の燃焼室６８９と第１端部７０２との間の連通のために、気体は、第１端部７０２まで流れる。
【００６５】
本発明によれば、溝付き板状体要素６９０は、従来のスターリングエンジンの高温端部、低温端部、及び再生成装置によって実施される従来の機能と置き換わる熱交換要素として働く。図１６に最もよく示されているように、溝付き板状体要素６９０のそれぞれは、第１熱交換区間（セクション）７６０、第２熱交換区間７７０、及び第３熱交換区間７８０を有する。第１熱交換区間７６０は、第１中間点から第１端部７０２まで延び、第３熱交換区間７８０は、第２中間点から第２端部７０４まで延び、第２熱交換区間７７０は、第１中間点と第２中間点との間に延びる。第１熱交換区間７６０は、熱伝導が高温燃焼気体と作動気体との間で行われる領域を備える。ヘリウムが適切であり、通常、好ましい作動気体であるが、他の作動気体を使用することが可能である。例えば、水素を作動気体として使用することが可能である。
【００６６】
第１熱交換区間７６０では、各板状体要素６９０には、板状体の技術を使用して複数の作動気体通路８００及び燃焼気体通路８１０が形成されている。例えば、これらの通路８００、８１０の数、寸法、及び位置は、フォトエッチング工程、化学エッチング工程、又はレーザ切断工程など、正確な板状体通路技法を使用することによって調整することが可能である。本発明によれば、作動気体通路８００は、要素６９０の第１端部７０２において封止され、一方、燃焼気体通路８１０は、要素６９０の第１端部７０２において開いている。燃焼気体通路８１０は、第１端部７０２において開いており、それにより、燃焼気体は、気体が燃焼室６８９を出た後、通路８１０に流れ込む。通路８１０の両端は、ハウジング６４０内に形成された一つ又はそれ以上の燃焼気体出口６４６と連通し、それにより、燃焼気体は、気体が第１端部７０２から出口６４６まで流れた後、板状体要素６９０から排出される。
【００６７】
作動気体通路８００は、当該通路８００及び通路８１０が板状体壁によって他から間隔をおいて配置される所定のパターンに従って、第１熱交換区間７６０において同様に形成される。板状体壁は、熱伝導部材として働き、それにより、通路８１０を流れる高温燃焼気体からの熱は、板状体壁を経て、通路８００内に包含され、かつ通路８００内を流れる作動気体に伝達される。これにより、作動気体は加熱される。従って、作動気体の温度は、要素６９０の第１端部７０２及びその付近においてより高くなる。単なる例示として、作動気体は、第１端部７０２の付近において約７２０℃の温度を有する可能性があり、第２熱交換区間７７０に向かって流れる際に、気体の温度は、燃焼気体が要素６９０から排出される領域において、約６８０乃至７００℃まで下がる可能性がある。
【００６８】
図２０Ａは、図１６の線２０−２０に沿って取った断面図である。しかし、この図は、非常に簡略化された方法で本発明を全般的にのみ示すことが理解されるであろう。すなわち、図２０Ａは、幾つかの作動気体通路８００及び一つの燃焼通路８１０のみを示す。図２０Ｂは、第１熱交換区間７６０の交互で好ましい断面図を示す。この図は、複数の燃焼気体通路８１０及び作動気体通路８００の両方が存在し、これらの通路８００、８１０が、所定のパターンに従って構成されることを示す。示した実施形態では、通路８００、８１０は、作動気体８００の１列が、その両側に一つの燃焼気体通路列８１０を有するように、交互の列で全体的に構成される。これにより、作動気体を効果的に加熱するために、通路８００、８１０が形成される高温燃焼気体からの熱が板状体部材６９０を横断して伝達される際に、通路８００内を流れる作動気体を効果的に加熱することが可能になる。再び、図２０Ｂは、単なる例示の性質であり、より多くの数、又はより少ない数の通路８００、８１０が存在する可能性があることが理解されるであろう。同様に、通路８００、８１０は、任意の数の構成で形成することが可能である。一実施形態では、燃焼気体通路８１０のそれぞれの直径は、作動気体通路８００のそれぞれの直径より大きい。これにより、より多くの体積の高温燃焼気体を、流れる作動気体の近傍に配置することが可能になる。
【００６９】
ここで図１６及び図２１Ａ乃至図２１Ｂを参照すると、燃焼気体通路８１０とは異なり、作動気体通路８００は、第２熱交換区間７７０内に形成され、それにより、被加熱作動気体は、第１熱交換区間７６０から第２熱交換区間７７０に流れる。第２熱交換区間７７０は、従来のスターリングエンジンの従来の再生成装置と同様に働く作動気体再生成装置領域である。第２熱交換区間７７０は、作動気体と板状体要素６９０との間でさらに熱を伝達するように働く。より具体的には、この第２熱交換区間７７０において、作動気体からの熱は、要素６９０を形成する板状体材料に伝達される。この結果、気体が第２熱交換区間７７０の上端部から下端部に流れる際に、作動気体の温度は連続的に低下する。
【００７０】
一実施形態では、第２熱交換区間７７０は、全体として、複数の作動気体通路８００が通って延びる層状で仕切様の構成を有する。流れる作動気体が通路８００を通って第２熱交換区間７７０の一端から他端に流れる際に、流れる作動気体から熱を取り出すように、金属条片の行列又は他の構成を構成することが可能である。第２熱交換区間７７０が、作動気体と周囲の板状体構造との間の熱伝導領域として働く限り、任意の数の他の熱交換材料及び構成を使用することが可能である。第２熱交換区間７７０内に形成される通路のみが、作動気体通路８００であることが理解されるであろう。
【００７１】
単なる例示として、作動気体は、第２熱交換区間７７０の上端において（区間７６０、７７０の間の境界及びその付近において）、約６７０乃至７００℃の温度を有する可能性がある。作動気体が、第２熱交換区間７７０の下端部に向かって流れる際に、気体の温度は、作動気体が第３熱交換区間７８０に入る前に、約１１０乃至１２０℃まで低下する可能性がある。これらの値は、本発明を全く限定せず、単なる例示であることが理解されるであろう。作動気体の種類及び板状体要素６９０の設計全体は、流れる作動気体の温度特性に影響を与える。
【００７２】
図２１Ａは、図１６の線２１−２１に沿って取った断面図である。しかし、この図は、非常に簡略化された方法で本発明を全般的にのみ示すことが理解されるであろう。すなわち、図２１Ａは、第２熱交換区間７７０に存在する幾つかの作動気体通路８００のみを示す。図２１Ｂは、第２熱交換区間７７０の交互で好ましい断面図を示す。この図は、内部に形成される複数の作動気体通路８００が存在し、これらの通路８００が、所定のパターンに従って構成されることを示す。
【００７３】
再び図１６を参照すると、第２熱交換区間７７０の上端部の付近に、複数の上部作動気体開口８２０が、板状体要素６９０内に形成される。より具体的には、一つの要素６９０の各内面６９３は、一つ又はそれ以上の上部開口８２０を含む。一つ又はそれ以上の開口８２０は、作動気体が、開口８２０と通路８００との間を自由に流れるように、一つ又はそれ以上の作動気体通路８００に接続される。開口８２０は、ピストン室６３０の上端部に開いており、従って、開口８２０により、作動気体は、ピストン室６３０の上端部と作動気体通路８００との間を自由に連通することが可能になる。重要なことは、開口８２０は、押し退け体ピストン６１０より上に形成され、その結果、以下により詳細に述べられているように、押し退け体ピストン６１０がピストン室６３０内において移動することにより、全熱交換システムにおいて作動気体が再分配される。
【００７４】
当業者なら理解するように、作動気体は、第１熱交換区間７６０から第３熱交換区間７８０に流れるだけでなく、作動気体は、押し退け体ピストン６３０の軸線方向の運動により、通路８００内を反対方向にも流れる。この場合、作動気体は、通路８００を経て第３区間７８０から第１区間７６０に流れる際に加熱される。
【００７５】
板状体要素６９０が環状に構成されるので、開口８２０は、ピストン室６３０の周囲に径方向に形成される。これにより、押し退け体ピストン６１０が、開口８２０を経て様々な個々の板状体要素６９０の通路８００に、作動気体を一様に分布させることが可能になる。
【００７６】
図１６及び図２２Ａ乃至図２２Ｂに示すように、第３熱交換区間７８０は、第２区間７７０に隣接して形成される。第３区間７８０は、作動気体又は冷却剤熱交換器として機能する。より具体的には、符号８３０として全体的に示す閉ループ式冷却システムが、気体が第３区間７８０内に形成される通路８００を通って流れる際に、作動気体を冷却するために提供される。冷却システム８３０は、冷却剤入口通路８４０及び冷却剤出口通路８５０を含む。入口通路８４０は、ハウジング６４０の一つ又はそれ以上の冷却剤入口６４２に接続され、出口通路８５０は、ハウジング６４０の一つ又はそれ以上の冷却剤出口６４４に接続される。通路８４０、８５０は、管などの任意の数の適切な通路部材を備えることが可能であり、冷却剤は、本明細書において述べられている意図した使用に適している任意の数の種類の冷却剤とすることが可能である。一つの好ましい冷却剤は、水であり、閉ループ式システム８３０を流れる最中に、沸点より低く維持される。
【００７７】
ハウジング６４０内に形成される一つ又はそれ以上の冷却剤入口６４２及び一つ又はそれ以上の冷却剤出口６４４は、板状体要素６９０内に形成される複数の冷却剤通路と流体連通する。従って、各冷却材通路８６０は、一端において冷却剤入口６４２に接続され、他端において冷却剤出口６４４に接続され、それにより、冷却剤は、入口６４２を経て入口通路８４０を通って、複数の冷却剤通路８６０に流れ込み、そこで、冷却剤は、出口６４４に流れ、次いで、出口通路８５０を通ってハウジング６４０から出る。
【００７８】
図２２Ａは、図１６の線２２−２２に沿って取った断面図である。しかし、この図は、非常に簡略化された方法で本発明を全般的にのみ示すことが理解されるであろう。すなわち、図２２Ａは、第３熱交換区間７８０に存在する幾つかの作動気体通路８００と一つの冷却通路８６０のみを示す。図２２Ｂは、第３熱交換区間７８０の交互で好ましい断面図を示す。図２２Ｂでは、複数の冷却剤通路８６０及び複数の作動気体通路８００が、所定のパターンに従って構成される。例えば、通路８００、８６０は、幾つかの行及び／又は列で構成することが可能である。好ましくは、通路８００、８６０は、一般に対で提供され、一つの作動気体通路８００が、一つの冷却剤通路８６０と対面し、かつ一つの冷却通路８６０に対して近接して配置される。この場合、壁が、通路８００、８６０の間に設けられ、それらを分離するだけでなく、熱伝導部材としても働く。この壁は、板状体を形成し、従って通路８００、８６０の対向行間に延びる材料の金属条片に類似している可能性が高い材料で形成することが可能である。
【００７９】
冷却剤が冷却剤通路８６０を流れる際に、熱が、近傍の作動気体から冷却剤に伝達される。従って、冷却剤は、通路８６０を流れる際に、温度の上昇を経験する。例えば、冷却剤が水であるとき、水は、約７３℃の温度で入口６４２を入り、次いで、約８３℃の温度で出口６４４を通って出る可能性がある。これは、作動気体からの熱が、作動気体から板状体要素６９０を経て水に伝達されるからである。反対に、作動気体の温度は、作動気体が通路８００を流れる際に、低下する。
【００８０】
再び図１６を参照すると、第３熱交換区間７８０の下端部の付近において、複数の下部作動気体開口８７０が、板状体要素６９０内に形成される。より具体的には、一つの要素６９０の各内面６９３は、一つ又はそれ以上の下部開口８７０を含む。一つ又はそれ以上の開口８７０は、作動気体が、開口８７０と通路８００との間を自由に流れることが可能であるように、作動気体通路８００に接続される。開口８７０は、ピストン室６３０の下端部に開いており、従って、開口８７０により、作動気体は、ピストン室６３０の下端部と作動気体通路８００との間を自由に連通することが可能になる。重要なことは、開口８７０は、押し退け体ピストン６１０より下に形成され、その結果、ピストン室６３０内において押し退け体ピストン６１０の軸線方向に運動することにより、以下により詳細に述べられているように、作動気体が、熱交換システム全体において再分配される。
【００８１】
当業者なら理解するように、作動気体は、押し退け体ピストン６３０の軸線方向の運動の結果として、第１熱交換区間７６０、第２熱交換区間７７０、及び第３熱交換区間７８０を通って双方向に流れる。作動気体が、要素６９０の第１端部７０２から第２端部７０４に流れるとき、作動気体の温度は次第に低下し、一方、作動気体が、第２端部７０４から第１端部７０２に流れるとき、作動気体の温度は次第に上昇する。
【００８２】
板状体要素６９０は、環状に構成されるので、開口８７０は、ピストン室６３０の周囲に径方向に形成される。これにより、押し退け体ピストン６１０が、燃焼部材７２０から遠ざかるように室６３０内において軸線方向に移動するとき、押し退け体ピストン６１０が、開口８７０を介して様々な個々の板状体要素６９０の通路８００に、作動気体を一様に分配することが可能になる。
【００８３】
予熱装置９００が提供され、ハウジング６４０の周囲に配置されることが好ましく、それにより、予熱空間９１０が、予熱装置９００とハウジング６４０との間に画定される。予熱装置９００は、図１６に部分的に示されている。画定部材の環状形状のために、予熱空間９１０も、本質的に環状である。予熱装置９００は、周囲空気を受け取るための一つ又はそれ以上の空気通路９１２を含む。この周囲空気は、第１端部において点火装置７４５と連通する一つ又はそれ以上の空気通路９２８に向けられ、それにより、空気は、複数の空気入口６７８を経て燃焼室６８９内に導入される。一実施形態によれば、一つ又はそれ以上のバッフル部材９２０が、一つ又はそれ以上の出口６４６を通ってハウジング６４０を出た後で排出される燃焼気体を、一つ又はそれ以上の入口９１２を経て導入される周囲空気から分離するために提供される。次いで、燃焼気体は、排出湾曲部９２６に至る一つ又はそれ以上の排気通路９２４内に供給される。
【００８４】
同時に、一つ又はそれ以上の空気通路９２８を流れる周囲空気は、排気燃焼気体と同じ方向に流れる。空気通路９２８及び排気通路９２４は、互いに平行であり、かつ、一実施形態では、通路９２４及び９２８は、交互に形成されることが好ましい。しかし、排気通路９２４は、ハウジング６４０の第１端部６７０において、又はその近くで開いており、一方、周囲通路９２８は、この領域において閉じており、代わりに点火装置７４５に至ることが理解されるであろう。
【００８５】
スターリングエンジンの他の構成要素が高温において動作するので、熱応力を低減するためなど、板状体要素６９０などの熱交換構成要素も高温に維持することが好ましい。これは、燃焼室６８９に導入される周囲空気を予熱することによって達成される。周囲空気は、排出されている燃焼気体間の熱伝導を使用することによって予熱される。すなわち、空気通路９２８を排気通路９２４の極近傍に配置することによって、周囲空気は、燃焼気体が燃焼室６８９に流れる際に、燃焼気体によって加熱される。これにより、スターリングエンジン全体の全体的な効率がさらに高まるが、その理由は、熱伝導の利点が、可能な限り多くの異なる領域において、かつ可能な限り多くの異なる動作によって、最適化されるからである。すなわち、排気気体の熱は浪費されず、追加の熱伝導を実施するために使用され、これにより、燃焼はより効率的になり、スターリングエンジンの熱交換器構成要素とその他の構成要素との間に大きな温度差がある危険性も低減される。
【００８６】
図２３は、ピストン室６３０を形成するために燃焼部材７２０の周囲に環状に配置されるように適合される、幾つかの溝（チャンネル、通路）付き板状体要素６９０を示す。各個々の板状体要素６９０は、隣接する板状体要素６９０と異なる通路構造を有する、又は有さないことが可能である。すなわち、通路の論理は、作動気体、燃焼気体、及び冷却剤の望ましい流れを提供するように調整される。図２３は、通路６９０のそれぞれが、第１熱交換（ＨＥＸ）区間７６０、第２熱交換区間７７０、及び第３熱交換区間７８０を有することを示す。板状体形成技術が正確であるので、非常に小さい直径の通路を板状体基板内に形成することが可能であり、流体が通路の規定された論理に従って流れるように、各個々の通路の層を構築することが可能である。例えば、流体が複数の層を流れることができるように、通路の幾つかは、他の層に形成される通路と連通することが可能であり、他の実施形態では、一つの層の通路の少なくとも幾つかは、他の周囲層の通路の幾つかと連通しない。他の態様では、符号９０１として全体的に示す通路の幾つかは、径方向流れ通路が、押し退け体室６３０の周囲に形成されるように、個々の板状体要素６９０のそれぞれ内に形成される。
【００８７】
板状体６９０で形成される熱交換構成要素を有するスターリングエンジンの一般的な動作について、図１６乃至図２３を参照して次に述べる。前述のように、本発明のスターリングエンジンは、基本的には、従来のスターリングエンジンと同じ方法で動作するが、熱交換システムの高温端部及び低温端部が異なる。押し退け体ピストン６１０は、作動気体が作動気体通路８００及びピストン室６３０を通って移動するように働く。図１６に最もよく示されているように、ピストン室６３０と流体連通する通路のみが、作動気体通路８００である。従って、ピストン室６３０は、閉ループ式作動気体流路の一部である。
【００８８】
当業者なら理解するように、作動気体は、通路８００を通って双方向に流れる。上部開口８２０及び下部開口８７０により、作動気体は、作動気体の流れる方向に応じて、それぞれの開口８２０、８７０の各々を通ってピストン室６３０に入り、ピストン室６３０を出ることが可能になる。第１位置では、押し退け体ピストン６１０は、最上部位置にあり、この場合、押し退け体ピストン６１０は、上部開口８２０のすぐ下にある。等温圧縮段階としばしば呼ばれる第１段階では、押し退け体ピストン６１０は、最上部位置にあり、作動ピストン６２０は、はずみ車の活動によって、押し退け体ピストン６１０に向けられる、などである。押し退け体ピストン６１０と作動ピストン６２０との距離は減少し、これにより、作動気体は、開口８７０を通って流れ出て、通路８００に流れ込む。作動気体は、一定体積下の圧力を受けて圧縮される。この段階では、作動気体は、一般に、通路８００を通って第３熱交換区間７８０から第１熱交換区間７６０に上方に流れており、再生成装置（第２熱交換区間７７０）は、作動気体が第１熱交換区間７６０に向かって流れ、かつ上部開口８２０にも流れ込む際に、熱を作動気体に供給するように働き、それにより、高温気体が、押し退け体ピストン６１０より上の燃焼室６３０に流れ込む。さらに、作動気体は、通路８１０を流れる高温燃焼気体によって加熱される。これは、スターリングサイクルの等温膨張段階に対応し、等温膨張中、作動気体の体積は、加熱のために膨張する。この段階において、押し退け体ピストン６１０は、作動気体６２０に向かって室６３０において下方に移動する。押し退け体ピストン６１０のこの移動により、作動気体は、対向する反対経路を流れ、それにより、高温作動気体は、第１熱交換区間７６０から第３熱交換区間７８０に通路８００において下方に流れる。作動気体がこの方向に流れる際に、再生成装置（第２熱交換区間７７０）は、作動気体が高温熱膨張空間（第１区間７６０）から低温圧縮空間（第３区間７８０）に流れる際に、熱を貯蔵するように働く。これにより、作動ピストン６２０は、押し退け体ピストン６１０から遠ざかるように下方に向けられ、その結果、２つのピストン６１０、６２０の距離は、押し退け体ピストン６１０が最下位置に到達する際により大きくなる。低温作動気体が、押し退け体ピストン６１０より下であるが、作動ピストン６２０より上にある開口８７０を通って入る。
【００８９】
この作動気体サイクルは、作動気体が、再生成装置（第２熱交換区間７７０）を通って高温膨張空間から低温圧縮空間に流れ、それにより、再生成装置が熱を貯蔵するように、連続的に移動する。次いで、作動気体は、押し退け体ピストン６１０の運動及び活動により、流路を反対にし、その結果、作動気体は、低温圧縮空間から高温膨張空間に流れ、再生成装置は、熱を作動気体に戻す。作動気体のこのサイクルは、ピストン６１０、６２０が室６３０において軸線方向に移動する際に連続的に繰り返される。板状体の技術をスターリングエンジンの高温端部熱交換器及び低温端部熱交換器に組み込むことによって、熱伝導効率が著しく改善され、その結果、エンジンはより効率的に動く。本発明は、スターリングエンジンに用いる押し退け体のシリンダヘッド端部の内部領域を板状体の積重ね体において組み込むことによって、頑強又は長期寿命金属冷却能力を提供する。図１６は、平坦なシリンダヘッド端部を示す。しかし、シリンダヘッド端部は、代わりにドーム型とすることが可能である。板状体の技術により、数百の小さい開口をヘッド端部に有して、冷却剤又は作動気体加熱通路を作成し、従って、現在のセラミック絶縁体の必要性を排除することが可能になる。これにより、ヘッド端部全体のコストが減少する。本発明は、一様でより効果的かつ効率的な熱伝導表面領域にも備え、スターリングエンジン全体は、より小型で軽量になる。
【００９０】
さらに、図１６に示す本発明は、直列形態で機能する熱交換構造を示すが、同じ機能を並列形態において提供することが、本発明の範囲内にある。例えば、内径に作動気体又は水熱交換器を有し、中心シリンダの作動気体再生成装置が続き、次いで、最外シリンダとして高温気体又は作動気体熱交換器が続く同心円シリンダを提供することが可能である。同心円シリンダは、他の代替構成で順序付けることが可能であることが理解されるであろう。
【００９１】
図２４は、本発明の他の態様を示す。従来のスターリングエンジンの現在の技術は、単一段階燃焼過程を使用する。ＣＯ及びＮＯの放出レベルが高いことは、重大な環境問題である。排気気体再循環（ＥＧＲ）又は燃焼気体再循環（ＣＧＲ）などの設計手法が、ＮＯｘの放出を低減するために使用されてきた。これまでどの手法も、性能を損なわずに、又は高い寄生圧力損を呈示せずに、許容可能な放出レベルを達成することができない。他の実施形態によれば、本発明は、符号１０００として全体的に示す多段階燃焼器システムを提供する。多段階燃焼器システム１０００は、高システム性能及び長期ハードウエア寿命を維持しながら、放出レベルを著しく低減する。
【００９２】
図２４に示す多段階燃焼器システム１０００の一実施形態では、段階間冷却のない２段階燃焼過程が呈示される。図２４は、多段階燃焼器システム１０００の熱交換構成要素を全体的に示す。多段階燃焼器システム１０００の熱交換構成要素は、第１区間７６０及び第２区間７７０（再生成装置）を含む。この実施形態は、段階間冷却を含まないので、第３区間７８０（図１６）は、この実施形態では存在しない。第１区間７６０は、第２区間７７０内に延びる複数の作動気体通路８００を含み、また、複数の燃焼気体通路８１０をも含む。
【００９３】
多段階燃焼器システム１０００は、第１（１次）燃焼器１０１０及び第２（２次）燃焼器１０２０を含む。第１燃焼器１０１０は、燃料注入／点火装置１０３０に結合される。装置１０３０は、幾つかの燃料通路１０３２及び空気通路１０３４を含み、これらは、燃料及び空気を第１燃焼器１０１０に提供するように働く。点火器１０３６が、燃料／空気混合物に点火して、熱及び燃焼気体を生成するために、火花などを提供する。第１燃焼器１０１０は、多燃料条件、又は混合物が等しい燃料及び空気の成分を有する化学量論点において動作することができる。第１燃焼器１０１０は、多燃料条件において動作することが好ましい。ＮＯｘ放出は、余分な酸素がないので、第１燃焼器１０１０では非常に低い。第１燃焼器１０１０では、気体は第１温度を有し、一実施形態では、第１温度は、約１３９３．５℃（３０００°Ｒ）である。
【００９４】
第１燃焼器１０１０を出た後、二次空気が、１０４０において第２燃焼器１０２０に導入される。この第２空気は、希釈するために迅速に混合され、かつ燃焼温度を下げ、一方、ＮＯｘ放出を低レベルに維持する（図２５に示す）。これにより、本多段階燃焼器システム１０００は、高システム性能及び低ＮＯｘ放出レベルを同時に達成する。ＣＯ形成の残存時間が長いので、ＣＯは、排出される前に、板状体通路（燃焼通路８１０）においてＣＯ２に変換される。第２燃焼器１０２０では、気体は、第１燃焼器１０１０の第１温度より低い第２温度を有する。例えば、第２温度は、１３９３．５℃（３０００°Ｒ）より低い。
【００９５】
図２５は、本発明によるシステムによって提供される利点を示す。より具体的には、図２５は、空気とＮＧ流れとの比に関するＣＯ及びＮＯの変化を示す。燃料及び空気の成分がほぼ同じである化学量論点も示されている。
【００９６】
図２６は、符号１１００として全体的に示す多段階燃焼器システムが提供される本発明の他の実施形態を示す。システム１１００は、放出レベルを著しく低減し、一方、高システム性能及び長期ハードウエア寿命を維持する。
【００９７】
図２６に示すシステム１１００の一実施形態では、段階間冷却を有する２段階燃焼過程が呈示される。図２４は、多段階燃焼器システム１０００の熱交換構成要素を全体的に示す。多段階燃焼器システム１０００の熱交換構成要素は、第１区間７６０、及び第２区間７７０（再生成装置）、ならびに第３区間（図示せず）を含む。システム１１００は、第１燃焼器１１１０及び第２燃焼器１１２０を含む。第１燃焼器１１１０は、燃料及び空気を第１燃焼器に注入する燃料注入又は点火装置１０３０を含む。第１燃焼器１１１０は、気体温度が約１１１５．７℃（２５００°Ｒ）から１３９３．５℃（３０００°Ｒ）の間にある多燃料条件において動作する。高温燃焼気体は、第１区間７６０において通路８１０を流れ、その後排出される。より詳細に前述のように、第１区間７６０における高温燃焼気体の流れは、作動気体通路８００の近傍を流れる作動気体に熱を伝達する。熱交換器の内部の作動気体に熱を伝達した後、多燃料状況を維持しながら、燃焼気体の温度は低下する。
【００９８】
この実施形態によれば、二次空気注入システム１２００が、流れる燃焼気体が第１区間７６０を流れる際に、流れる燃焼気体に空気を注入する。二次空気を導入することによって、気体の温度は、気体の追加の燃焼によって創出されるエネルギーのために、約１１１５．７℃（２５００°Ｒ）から約１３９３．５℃（３０００°Ｒ）の当初の設計気体温度に再び戻る。高温気体から作動気体への熱伝導機構は、この点を超えると再開される。二次空気を追加するこの工程は、必要に応じて、常に１１１５．７℃（２５００°Ｒ）より低い温度にある燃焼気体を、１３９３．５℃（３０００°Ｒ）になるまで数回繰り返すことができる。ＮＯｘの放出レベルは、非常に低いレベルに維持することができるが、その理由は、全燃焼及び熱伝導過程中の気体温度が、ＮＯｘの運動閾値より低い温度に維持されるからである。一実施形態による段階間冷却を有する２段階燃焼過程を図２６に示す。
【００９９】
従って、図２４乃至図２６は、以下の重要な利点を提供する２つの例示的な多段階燃焼システムを示す。第１に、燃焼の第１段階は、低い空気又は燃料比において行われる。これにより、炎の温度はより低くなり、燃焼室及び作動気体熱交換器は、より耐久的になる。第２に、より低温の多燃料気体の全体積は、空気の化学量論的混合物が初期燃焼に使用された場合に必要とされるより小さくなる。これにより、熱交換再循環（ＥＧＲ）の追加を有する燃焼を冷却することによって生成されるより、著しく低い温度の高温気体となる。第３に、板状体積重ね式の熱交換器のほぼ中間段階においてさらに燃焼空気が追加される燃焼の段階化は、多燃料気体を再点火するのに必要な温度よりわずかに高い温度まで多燃料気体が冷却されたときと場所において、より一様な熱入力を作動気体熱交換器に提供する。
【０１００】
第４に、燃焼の第２段階は、第１段階燃焼が作動気体を加熱することによって冷却されなかった場合に生じた化学量論値と比較して、温度が著しく低減される。第５に、上述した化学量論的燃焼より著しく温度が低いことにより、ＮＯｘの形成は著しく低減され、従って、最終的な排気は、はるかに清浄になる。
【０１０１】
ここで、図２７乃至図２９を参照すると、本発明の他の実施形態による燃焼装置１３００、板状体用の作動気体熱交換板１４００、板状体用マニホルド１５００、及び板状体用空気注入装置１６００が呈示される。装置１３００、板１４００、マニホルド１５００、及び注入装置１６００は、スターリングエンジンの高温端部において使用されることを意図し、より具体的には、これらの構成要素は、押し退け体ピストンシリンダ１３１０と動作可能に連通する。先行実施形態と同様に、スターリングエンジンは、作動気体が流れる際に、作動気体に及び作動気体から熱を伝達するように働く幾つかの熱交換器を含む。ピストン室１３２０が提供され、シリンダ１３１０内に形成され、押し退け体及び作動ピストン（図示せず）が、内部において軸線方向に移動する。これらのピストンは、前述のように機能する。ピストン室１３２０は、シリンダ１３１０のヘッド端部１３３０によって一端において画定され、この場合はドーム型であるが、平坦な形状を有することが可能である。
【０１０２】
シリンダ１３１０は、金属などを使用して従来のように形成することが可能であり、又は、板状体の技術を使用して所望の通路が形成された一連の層状板状体で形成することが可能である。第１熱交換区間１３４０が、熱交換板１４００の一面１４０１から第２熱交換区間（再生成装置）１３５０まで延びる。第１熱交換区間１３４０は、熱交換板１４００、マニホルド１５００、ならびに作動気体通路１３４２を含む。従って、第２熱交換区間１３５０は、例示的な実施形態では、第１熱交換区間１３４０の下に直列で位置する。第１熱交換区間１３４０の熱交換板１４００は、燃焼気体と作動気体との間の熱伝導機構として働き、一方、第２熱交換区間１３５０は、熱が作動気体へ伝達され、又は熱が作動気体から伝達される再生成装置として働く。一実施形態によれば、再生成装置１３５０は、仕切状構造１３５２を備え、それによって画定される複数の通路を有する。作動気体は、仕切構造１３５２によって画定されるこれらの通路を流れる。しかし、仕切構造１３５２は、代わりに、図１６に示す要素６９０の第２区間７７０など、板状体部材で形成することが可能である。
【０１０３】
作動気体通路１３４２は、再生成装置１３５０を通って第１区間１３４０まで延びる。作動気体は、この通路１３４２を流れる。本発明によれば、板状体作動気体マニホルド１５００が、押し退け体ピストンシリンダ１３１０の上に配置され、かつそれに接合される。マニホルド１５００は、板状体の技術を使用して形成される多くのマニホルド通路１５０２を含む幾つかの積層拡散接合金属板状体で形成される。例えば、通路１５０２は、化学エッチング工程によって形成することが可能であり、スターリングサイクルエンジンのヘッド端部ドームにおいて使用される。マニホルド１５００は、述べられているように、押し退け体ピストンシリンダ１３１０に直接接合され、作動気体を板１４００に分配するように働く。図２７に示すように、通路１５０２は、水平及び垂直の両方に形成される。垂直方向に向けて配置される通路１５０２の少なくとも幾つかは、ピストン室１３２０内に開いている。これは、押し退け体ピストン（図示せず）より上に作動気体を導入する手段として働く。従って、通路１５０２は、作動気体を押し退け体ピストンシリンダ１３１０の広い領域に分配するように、通路１３４２と流体連通する。
【０１０４】
作動気体熱交換板１４００は、マニホルド１５００より上に配置され、それに接合されることが好ましい。一つの例示的な板１４００が図２８に最もよく示されている。板１４００は、平坦な円盤状金属の板状体を備えることが可能であり、又は、湾曲したひだ状カップの形状の熱交換器の形態とすることが可能である。後者の実施形態は、複数の層状に接合された錫箔のマフィンカップに類似しており、従って、この実施形態は、「マフィンライナ（マフィン状裏当て）」の熱交換器形態と呼ぶことが可能である。図２８に最もよく示されているように、例示的な板１４００は、複数の通路１４１０がその少なくとも一つの表面上に形成された環状ディスクを有する。板１４００の環状形状のために、通路１４１０は、径方向通路であり、板１４００の中心領域１４１２から板１４００の外縁１４１４まで延びる。通路１４１０の幅は、通路の長さに沿って変化する可能性があり、示した実施形態では、通路１４１０は、中心領域１４１２より外縁１４１４付近において、より大きな直径を有する。
【０１０５】
板１４００がマニホルド１５００の上に配置されるので、通路１５０２は、通路（チェンネル、溝）１４１０の少なくとも幾つかと流体連通する小さい入口開口を備える。さらに、通路１３４２は、板１４００とも流体連通し、実際には、通路１３４２は、作動気体を板１４００に送る。次いで、作動気体は、多数の通路１４１０を流れ、その後、入口開口を流れて、マニホルド１５００の通路１５０２に流れ込み、次いで、最終的にピストン室１３２０に流れ込む。
【０１０６】
板１４００の一面１４０１は、高温燃焼気体を含む燃焼室１３９０と対面する。流れる高温燃焼気体は、通路１４１０を流れる作動気体に熱を伝達する。多数の径方向通路１４１０を提供することによって、作動気体は、効果的かつ一様に分配され、加熱され、次いで、マニホルド１５００に送られ、そこで、高温作動気体は、ピストン室１３２０に送られる。作動気体が、スターリングエンジンの動作中に、より具体的には押し退け体ピストン（図示せず）の運動に応答して、反対方向に流れるとき、反対の現象が起こり、作動気体が通路１４１０から通路１３４２に沿って流れる際に、作動気体は加熱され、その後、再生成装置１３５０に流れ、そこで、作動気体は、熱伝導による著しい温度低下を経験する。板１４００によって提供される効果的な熱伝導により、スターリングエンジンの高温端部において通常使用される現在のセラミック絶縁技術の必要性が排除される。また、より効果的かつ効率的な熱伝導表面領域にも備え、その結果、高温端部は、より小型でより軽量になる。従って、板１４００内に形成される通路１４１０は、作動気体を効率的に加熱し、かつ金属冷却能力を提供する熱伝導通路として働く。
【０１０７】
燃焼装置１３００は、燃料及び空気を燃焼室１３９０に提供するように働く注入装置／点火装置１３０９を含む。装置１３０９は、燃焼室１３９０を画定し、かつ全体的に環状形状を有する本体を有する。本体は、予熱空気通路１３１９を内部に形成した側壁１３１７を有する。側壁１３１７の間には、板状体部材１３２１が延び、板状体部材１３２１は、実際には、燃焼室１３９０を囲い込む上壁を形成する。板状体部材１３２１には、燃料及び空気を燃焼室１３９０に送るために、複数の燃料通路１３２３及び複数の空気通路１３２５が形成されている。さらに、装置１３０９は、燃料／空気混合物を燃焼させる火花プラグなどの点火器１３２７を含む。板状体の技術を使用することによって、通路１３２３、１３２５は、所望の燃料／空気混合物を提供するように、慎重に形成及び調整される。例えば、一実施形態によれば、多燃料混合物が、燃焼室１３９０に提供される。一実施形態では、混合物は、約４０％の空気及び６０％の燃料であり、燃焼室１３９０内の温度は、約１２２６．８５℃（２７００°Ｒ）である。板状体部材１３２１とは対照的に、燃焼室１３９０は、板１４００の面１４０１より上にある空間１３３１に開いている。従って、高温燃焼気体は、面１４０１と接触し、これにより、高温燃焼気体から板１４００を経て、内部を流れる作動気体へ熱が伝達される。板１４００及び燃焼装置１３００が本質的に環状であるために、空間１３３１も、本質的に環状である。板状体空気注入装置１６００は、燃焼装置１３００の一部を形成し、予熱空気通路１３１９と連通する。従って、空間１３３１は、板状体用空気注入装置１６００と板１４００との間において画定され、高温燃焼気体は、この空間１３３１を経て排気マニホルド１７００まで通路で運ばれる。図２７に最もよく示されているように、マニホルド１７００は、燃焼気体を一つ又はそれ以上の排出開口１７０４に送る排気通路１７０２を画定する。
【０１０８】
空気注入装置１６００は、複数の接合板状体で形成される。燃焼装置１３００は、関連する周囲空気マニホルド１８００をも有し、周囲空気マニホルド１８００は、周囲空気を周囲空気通路１８０２内に向けて送り、周囲空気通路１８０２は、符号１９００として全体的に示す予熱装置内に空気を向けて送る。周囲空気マニホルド１８００は、排気マニホルド１７００と相補的な形状を有し、一実施形態では、排気マニホルド１７００の周囲に配置される。マニホルド１７００、１８００の両方とも、シリンダ１３１０の周囲に配置される全体的に環状の部材であり、板状体部材１３２１に向かって上方に延びる。マニホルド１７００、１８００の間の閉じた関係のために、通路１８０２を流れる周囲空気は、排気通路１７０２を通って燃焼室１３９０を出る高温燃焼気体によって加熱される。
【０１０９】
この部分的に加熱された周囲空気は、空気注入装置１６００より上に全体として配置される予熱器装置１９００に送られる。予熱器装置１９００は、部分的に加熱された周囲空気を受け取り、追加の熱を周囲空気に提供するように働く。装置１９００は、板状体用注入装置１６００内に形成される複数の空気開口部１６１０に動作可能に接続される。空気開口部１６１０は、板状体構造内に形成され、高温燃焼気体が燃焼室１３９０から流れる空間１３３１への入口を提供する。従って、空気開口部１６１０は、燃焼の多段階微小燃焼器空気注入「段階化」を提供し、燃焼空気が板１４００の面１４０１の上を通過する際に、より多くの燃焼空気（予熱周囲空気）が追加される。この設計は、板１４００に入力される非常に一様な温度及び熱に備え、また、燃焼気体は、多燃料気体を再点火するのに必要な温度よりはるかに高い温度に連続的に維持される。周囲空気を燃焼気体内に連続的に供給することによって、追加の燃焼が行われ、燃焼気体は、板１４００への熱損のために温度が低下する代わりに、熱を維持する。このようにして、燃焼気体は、燃焼気体が単に燃焼室１３９０から流れ出て、熱伝導が行われる板１４００の上を流れる場合より、はるかに高い温度において、排気通路１７０２に流れ込む。排気気体を高温に維持することによって、通路１８０２に流れ込む周囲空気は、より効果的に加熱される。
【０１１０】
空気注入装置１６００は、基本的には、板状体用マニホルドであり、多燃料未燃燃焼気体に空気を提供し、装置１９００と組み合わされて、入り周囲空気を予熱するように働く。全ての追加空気は、渦生成開口部（スワラオリフィス）１６１０から注入され、渦生成開口部１６１０は、図２９に最もよく示されているように、再生的に冷却される。図２９は、開口部１６１０は、異なる大きさを有することが可能であり、開口部の数は、開口部１６１０の大きさ及び形状に応じて変化する可能性が高いことを示す。次いで、燃焼混合を改善し、かつ熱伝導を補助するために、空気は、板１４００の面１４０１に向けられる。さらに、板１４００（高温に達する）及び高温端部の上端部を予熱器１９００及び周囲マニホルド１８００で包むことによって、システムの外表面は、周囲温度条件に近く維持され、それにより、外部保護絶縁体の必要性が排除される。
【０１１１】
この実施形態は、多燃料気体を完全燃焼させるために、多段階微細燃焼を使用し、これにより重要な利点が得られる。第１に、燃焼の初期段階は、低燃料又は空気比において行われる。これにより、炎の温度はより低くなり、燃料及び空気注入装置、燃焼室壁、ならびにヘリウム熱交換器壁は、より耐久的となる。第２に、多段階燃焼器によって必要とされる燃焼気体の全体積は、幾つかの重要な理由により、従来の燃焼器設計よりはるかにより小さくなる。この種類の燃焼器は、化学量論的燃焼が初期段階燃焼に使用される場合に必要な空気の１００％について必要とされるより、はるかに小さい体積を有するはるかにより低温の初期多燃料期待燃焼段階を有する。燃焼に必要とされる体積は、より小さいが、その理由は、燃焼気体が、化学量論的燃焼気体より低温であり、かつ、燃焼気体が、燃焼気体を冷却するために一般に使用される技法である排気気体再循環を全く含まないために、燃焼気体がより密であるからである。
【０１１２】
さらに、この手法は、燃焼過程をほぼ一定温度に維持する。この一定温度は、燃焼が１ステップで行われ、多微細燃焼段階において熱を板１４００に伝達し、次いで再加熱されることによって、気体が連続的に冷却されされなかった場合の化学量論的値よりはるかにより低い。各開口部１６１０は、気体が、周囲空気を燃焼気体に導入することによって再加熱され、さらに燃焼させる一つの微細燃焼段階に関連すると見なすことが可能である。一様なより低い燃焼気体の温度は、板１４００ならびに段階空気注入マニホルド１６００両方を形成する構造構成要素、及び予熱器１９００の熱勾配を低減する。多段階微細燃焼過程がより低温であることにより、ＮＯｘの形成は著しく低減され、従って、より清浄な最終排気が提供される。
【０１１３】
また、本明細書において議論される板状体原理は、複数のシリンダの板状体用高温端部を提供するように適応させることが可能であることも理解されるであろう。複数のシリンダを有するスターリングエンジンでは、各シリンダは、それ自体の板状体用高温端部を有する。従来、多重シリンダ式のスターリングエンジンは、エンジンの全てのシリンダについて働く単一高温端部を使用した。一つの高温端部を使用して、熱を全てのシリンダに供給する場合、構造に関連する幾つかの欠点がある。第１に、熱を全てのシリンダに供給するために必要とされる高温端部の大きさのために熱が浪費されるので、システムの効率は、一般に最適化されない。第２に、単一高温端部は、全てのシリンダについて働き、従って、シリンダのいずれかの保全又は修理中に処置されなければならないので、この単一高温端部及びシリンダ自体の保全及び修理が困難である。
【０１１４】
対照的に、本明細書において開示される板状体用高温端部構造は、各シリンダがそれ自体の板状体用高温端部ユニットを有するという点で、よりモジュール方式の構成を提供する。すなわち、図２７に示す装置は、一つのシリンダと共に使用され、各シリンダは、板状体で形成されるそれ自体の対応する高温端部ユニットを有する。これは、より優れた効率及び多様性を提供する。各シリンダが、それ自体の閉ループ式の板状体用高温端部ユニットによって動力が与えられるので、スターリングエンジン全体の効率は増大するが、その理由は、各シリンダあたりのエネルギー浪費が、著しく低減されるからである。すなわち、各シリンダの動作時に浪費されるエネルギー量が低減することにより、動作効率が向上する。
【０１１５】
他の利点は、モジュール方式構成により、他の高温端部ユニットを分解する、そうでない場合は妨害することを必要とせずに、一つのモジュール高温端部ユニットを修理又は交換することが可能になることである。例えば、一つのシリンダを修理することが必要である場合、この特定ユニットの板状体用高温端部ユニットは取り外され、そうでない場合はそれについて作業が行われ、一方、他の板状体用高温端部ユニットは、全く影響されないままである。
【０１１６】
図３０は、板状体の設計を使用して構築され、かつ熱伝導マニホルド又は高温端部２０００を有するスターリングエンジンの他の実施形態を示す。この実施形態は、図２７乃至図２９に示した実施形態と同様であり、従って、同じ構成要素は同じ番号であり、詳細には議論されない。図４０の高温端部と以前に議論した実施形態の高温端部の構築との主な違いは、作動気体を加熱する方法である。先行実施形態は、図２７の装置１３００など燃焼装置を有する燃焼に基づくシステムであり、燃料を熱に変換するように働き、この熱は、次いで、作動気体が、高温端部の板状体内に形成された分散通路を流れる際に、作動気体に伝達された。この実施形態の高温端部２０００は、燃焼装置１３００を排除し、代わりに、板状体用マニホルド１４００を流れる作動気体を加熱する手段として、太陽エネルギーを使用する。
【０１１７】
太陽高温端部２０００は、図２７の実施形態と同様の方法で構築することが可能であるが、高温端部２０００の上部分が、排除された燃焼装置１３００の代わりに、作動気体熱交換板１４００である点が異なる。熱交換板１４００は、図２８に示す構造を有することが可能であり、又は、異なる構造を有することが可能である。熱交換板１４００は、マニホルド１５００の上に配置される。熱交換板１４００内に形成される通路が、マニホルド１５００内に形成される通路１５０２と流体連通する。従って、作動気体は、ピストン室１３２０、第１熱交換区間１３４０の一部であるマニホルド１５００、熱交換板１４００、ならびに作動気体通路１３４２によって画定される回路内を流れることが可能である。
【０１１８】
この実施形態では、熱交換板１４００の一面１４０１は、高温端部２０００の暴露表面である。作動気体が、熱交換板１４００内に形成される多数の複雑な通路を流れる際に、作動気体（ヘリウムなど）を加熱するエネルギー源を提供するように、太陽光を一面１４０１の上に直接集束させるために、太陽光集束ユニット２０１０が使用される。太陽光集束ユニット２０１０は、通常、太陽光をある仰角で小さい正確な領域に集束させるある種類のミラー列又はレンズの構造を含む。例えば、太陽光を通常の強度の２０倍に集中させることができる幾つかのレンズが利用可能である。
【０１１９】
太陽光集束ユニット２０１０レンズ又は他の構成要素の正確な種類及び強度は、用途に依存し、かつ用途ごとに異なることが理解されるであろう。あらゆる所与の用途について、最適強度の太陽光を一面１４０１に集束させることによって、太陽光集束ユニット２０１０を最適化することができる。当業者なら、太陽光ユニットは、異なる最大強度値を有することを理解するであろう。作動気体の熱伝導動作の効率を最適化し、従って、スターリングエンジン自体の効率を最適化するために、太陽光強度及び集束太陽光の他の特性を最適化することが望ましい。太陽光の強度が強過ぎる場合、熱交換板１４００又は他の構成要素は、過剰の熱に暴露されることによって損傷することがある。逆に、太陽光の強度が弱過ぎる場合、作動気体への熱伝導が最適より劣るために、作動気体加熱は非効率的となる。この結果、作動気体は、スターリングエンジンの最適動作を保証する望ましい温度に到達しないことになる。
【０１２０】
図３１は、他の実施形態の作動気体熱交換板２１００を示す。一実施形態では、熱交換板２１００は、熱交換板１４００（図２７及び図３０）の代わりに使用され、従って、システムの他の構成要素から、及びシステムの他の構成要素への作動気体の流体の流れを提供するように設計される。例示的な熱交換板２１００は、ピストン室１３２０（図３０参照）から遠ざかる方向を向くように設計される第１面２１１０と、ピストン室１３２０と対面し、かつマニホルド１５００の上に配置される第２面２１２０とを有する。熱交換板２１００は、環状の形状のディスクであり、２つ以上の個々の板状体からなる。個々の板状体は、第１面２１２５内に形成される複数の通路（溝）を有する。より具体的には、通路は、２つの分離径方向回路において構成される。符号２１３０として全体的に示す第１外側回路は、複数の第１通路２１４０で形成され、符号２１５０として全体的に示す第２内部回路は、複数の第２通路２１５２で形成される。随意選択として、通路（図示せず）は、板２１００の質量を低減するために、面２１１０内に形成することができる。これらの通路は、通路２１４０、２１５２と同様のパターンを有することが可能であり、又は、他のパターンを想定することが可能である。通路（溝）を面２１１０内に形成することによって、板２１００の全重量を、性能を損なわずに、低減することが有利である。面２１１０の通路は、乱流を生成し、同時に、通路２１４０及び２１５２の壁の厚さを低減することによって、熱伝導をも増大させる。
【０１２１】
第１回路２１３０及び第２回路２１５０は、示した実施形態では、同心円状に構成される。第１外側回路２１３０の各通路２１４０は、他の通路２１４０から離れて維持され、第１端部２１４２及び第２端部２１４４を含む。通路２１４０は、第１端部２１４２及び第２端部２１４４が互いに近接しているループ構成で形成される。板２１００が環状の形状であるために、通路２１４０は径方向に形成され、この実施形態の一態様では、隣接通路２１４０間の間隔は、一定に維持される。図３１に最もよく示されているように、各通路２１４０は、全体的に細長く狭いＵ型を有し、径方向にも湾曲している。通路２１４０は、任意の数の前述の技法を使用して、熱交換用板状体２１００内に形成される。板状体技法により、この場合は熱交換板２１００である板状体基板において、分散的で小さい寸法の通路を容易に形成することが可能になる。従って、通路２１４０間の正確な間隔、通路２１４０の数、及び通路２１４０の形状ならびに寸法を慎重に制御して、調整することができる。通路２１４０のそれぞれは、同じ長さを有することが好ましい。
【０１２２】
第２内側回路２１５０は、第１外側回路２１３０の中心内に形成される。複数の通路２１５２も、熱交換板２１００内に径方向構成で形成される。一つの例示的な実施形態では、通路２１５２は、渦巻きパターンで構成され、各通路２１５２は、第１端部２１５４及び第２端部２１５６を有する。第１端部２１５４は、熱交換板２１００の中心に向かって収束し、一方、第２端部２１５６は、第１内部回路２１５０の外縁を画定する。各通路２１５０は、規定された曲率で形成され、各通路２１５０について規定された曲率は、通路２１５０のそれぞれが同じ長さを有するように、同じであることが好ましい。通路２１５０は、それぞれが、同じ方向に湾曲するように形成されるべきであり、それにより、渦巻きパターンが提供される。第２端部２１５６は、通路２１４０の第１端部２１４２及び第２端部２１４４に近接して形成される。
【０１２３】
通路２１５２間の間隔は、一定に維持される。通路２１５２間の間隔は、通路２１４０間の間隔と必ずしも同じである必要はない。示した実施形態では、通路２１５２間の間隔は、通路２１４０間の間隔より大きい。従って、回路２１３０、２１５０のそれぞれは、それ自体の通路２１４０、２１５２間において、それぞれ、一定の間隔を維持する。この間隔は、半径の関数である。
【０１２４】
他の態様では、通路２１４０のそれぞれの長さは、通路２１５２のそれぞれの長さにほぼ等しい。この実施形態の渦巻きパターンにより、二重回路構造が可能になるだけでなく、図２７の実施形態などの先行実施形態の通路の長さより、通路２１４０、２１５２の長さを長くすることが可能になる。図２７の通路は、さらに線形のスポーク状であり、これにより、通路のそれぞれが想定することができる全長が低減される。
【０１２５】
図３１の渦巻きパターンは、有利な構成を提供するが、その理由は、効率的な熱伝導が、流体が流れる通路の数と、また、それぞれの通路の長さとの関数であるからである。通路の長さを長くし、多数の通路を維持することによって、より効率的な熱伝導が実現される。一実施形態では、通路２１４０の表面領域は、通路２１５２の表面領域とほぼ同じである。この実施形態では、熱交換板２１００内を流れる流体（例えば、作動気体）は、流体の約半分（体積で）が第１外側回路２１３０に向けられ、一方、流体の他の半分が、第２内部回路２１５０に向けられるように、送られる。
【０１２６】
これを達成するために、熱交換板２１００は、分散流体通路が、通路２１４０と流体連通し、他の分散流体通路が、通路２１５２と流体連通するように、高温端部（例えば、マニホルド１５００）の他の構成要素に流体接続される。例えば、通路１３４２（図２７）を通路２１４０と流体接続することが可能であり、一方、通路１５０２（図２７）を、通路２１５２と流体連通することが可能である。
【０１２７】
熱交換板２１００内において二重回路流れ構造を使用することにより、多様性及び設計の選択肢が増大する。より具体的には、マニホルド１５００などの高温端部の構成要素は、第１外側回路２１３０及び第２内部回路２１５０のそれぞれに接続された入口及び出口を提供するように調整することができる。熱伝導は改善されるが、その理由は、流体（例えば、作動気体）が、多数の通路２１４０、２１５２の上に拡散されて、熱エネルギーを流体に伝達する燃焼装置（図２７）又は太陽光集束ユニット（図３０）に暴露されるからである。熱交換板２１００は、より弾性的な作動気体熱交換構造をももたらすが、その理由は、熱交換板２１００により、通路が内部に形成される機会がより多くなり、それにより柔軟性が増大するからである。
【０１２８】
図３１の二重回路構成の他の利点は、通路２１４０間及び通路２１５２間において、十分な接合表面領域を提供することである。図２７の熱交換板１４００の場合と同様に、図３１の熱交換板２１００は、やはり板状体構造で形成されるマニホルド１５００の上に配置される。従って、熱交換板２１００は、前述の技法を使用して、板状体用マニホルド１５００に接合される。熱交換板２１００とマニホルド１５００との間の強い接合を保証するために、十分な接合表面を、これらの表面が接合動作中に共に対合し、かつ互いに接合されるように、各部材の上に提供することが必要である。熱交換板２１００は、直径にわたって一様であることが好ましい接合表面を提供する。回路２１３０、２１５０のそれぞれの通路２１４０、２１５２間に一定の間隔を有することによって、一様な接合表面領域が、通路２１４０、２１５２間において、回路２１３０、２１５０のそれぞれの内部に提供される。対照的に、図２８の板１４００は、通路１４１０間の外側径方向間隔が、通路１４１０間の内部径方向間隔より大きいので、一様な接合領域を有さない。これにより、板１４００の外側径方向縁は、板１４００の内部径方向縁より大きい接合表面領域を有する。
【０１２９】
図３２乃至図３４は、符号２２００として全体的に示す双方向流体伝達ダクトを示す。流体及び熱管理システムでは、高温（又は低温）流体が、まず一方向に流れ、次いで反対方向に流れなければならない状況が生じる可能性がある。さらに、システムにおいて双方向又は一方向に流れる第２流体回路をも有することが望ましい可能性がある。この第２流体回路は、第２流体の流路を画定し、第２流体は、第１流体回路を流れる第１流体とは異なる温度とすることができる。第２流体は、第２流体回路において、一方向又は両方向に流れることができる。流れている２つの流体流間において、熱伝導（熱交換）を改善する、又は温度差を熱的に隔離することがさらに有利である可能性がある。
【０１３０】
図３２は、双方向流体伝達ダクト２２００の上面図である。ダクト２２００は、第１環状壁２２１０、第２環状壁２２２０、及び第３環状壁２２３０を含む。第１環状壁２２１０、第２環状壁２２２０、及び第３環状壁２２３０は、互いに対して同心円状であることが好ましい。この実施形態では、第１環状壁２２１０は最外部材であり、第３環状壁２２３０は最内部材であり、第２環状壁２２２０は中間部材である。第１壁２２１０、第２壁２２２０、及び第３壁２２３０のそれぞれは、シリンダ構造と見なすことが可能である。
【０１３１】
ダクト２２００は、第１熱交換要素２２４０及び第２熱交換要素２２５０をさらに含む。第１熱交換要素２２４０は、第１流れ回路を画定し、第２熱交換要素２２５０は、第２流れ回路を画定する。第１熱交換要素２２４０は、第１環状壁２２１０と第２環状壁２２２０との間に配置され、第２熱交換要素２２５０は、第２環状壁２２２０と第３環状壁２２３０との間に配置される。一実施形態では、第１熱交換要素２２４０及び第２熱交換要素２２５０は、それぞれ、波形金属薄板の形態にある。
【０１３２】
第１波形熱交換要素２２４０は、２つの別個の流体回路、すなわち第１流体回路２２６０及び第２流体回路２２７０を画定する。第１流体回路２２６０は、第１環状壁２２１０と全体的に境界を接し、第２流体回路２２７０は、第２環状壁２２２０と全体的に境界を接する。例示的な実施形態では、流体回路２２６０、２２７０のそれぞれは、一般に、パイ形状（一辺が弧状の三角形状）であり、第１流体回路２２６０の断面積は、第１環状壁２２１０の付近においてより大きく、第２流体回路２２７０の断面積は、第２環状壁２２２０の付近においてより大きい。「流体」という用語は、第１流れ回路内及び第２流れ回路内を流れるのに適している任意の数の流体について述べることが理解されるであろう。例えば、流体は、液体の形態、気体の形態、又はその組合わせ、もしくは、流体が流れ回路内を流れることができる他の形態とすることが可能である。一実施形態では、空気などの気体が第１流れ回路内を流れ、気体又は液体が第２流れ回路内を流れる。他の実施形態では、水などの液体が第１流れ回路内を流れ、気体が第２流れ回路内を流れる。
【０１３３】
同様に、第２波形熱交換要素２２５０は、２つの流体回路、すなわち第３流体回路２２８０及び第４流体回路２２９０を画定する。第２波形熱交換要素２２５０は、第２環状壁２２２０と第３環状壁２２３０との間に配置され、それにより、第３流体回路２２８０は、第２環状壁２２２０と全体的に境界を接し、第４流体回路２２９０は、第３環状壁２２３０と全体的に境界を接する。この実施形態では、第３回路２２８０及び第４回路２２９０は、やはりパイ形状であり、第３流体回路２２８０は、第２流体回路２２７０と境界を接する。示した実施形態では、第１流体回路２２６０、第２流体回路２２７０、第３流体回路２２８０、及び第４流体回路２２９０のそれぞれは、他と同じ断面積を有する。流体回路２２６０、２２７０、２２８０、及び２２９０は、例示した形状の他に、任意の数の形状を想定することができることが理解されるであろう。
【０１３４】
しかし、第１流体回路２２６０、第２流体回路２２７０、第３流体回路２２８０、及び第４流体回路２２９０の断面積は、所与の用途に応じて互いに異なることが可能であることが理解されるであろう。例えば、第２環状壁２２２０と第３環状壁２２３０との距離は、第１環状壁２２１０と第２環状壁２２２０との距離と比較して大きくすることが可能であり、それにより、第３流体回路２２８０及び第４流体回路２２９０は、第１流体回路２２６０及び第２流体回路２２７０より大きな領域を占有する。代替として、第２環状壁２２２０と第３環状壁２２３０との距離は、第１環状壁２２１０と第２環状壁２２２０との距離と比較して小さくすることが可能である。これにより、第３流体回路２２８０及び第４流体回路２２９０は、第１流体回路２２６０及び第２流体回路２２７０より小さい領域を占有する。
【０１３５】
ダクト２２２０の例示的な使用について、次に述べる。しかし、以下は単なる例示であり、可能な使用法の範囲を限定するものではない。第１応用例では、第１流れ回路を流れる第１流体及び第２流れ回路を流れる第２流体は、ほぼ等しい温度に維持され、熱交換は、問題ではない。第１の場合、第１流体が第１流れ回路において上下に流れ、第２流体が第２流れ回路において上下に流れるという点で、流体は両方とも、双方向である。第１流れ回路及び第２流れ回路の構成により、第１流体が、第１流体回路２２６０を上又は下に流れ、次いで、第２流体回路２２７０を反対方向に流れることが可能になる。同様に、第２流体は、第３流体回路２２８０を上又は下に流れ、次いで、第４流体回路２２９０を反対方向に流れることが可能である。この実施形態の場合のように、熱伝導が望ましくないとき、第１流れ回路及び第２流れ回路のそれぞれにおける双方向流れ能力により、第１流体及び第２流体の多様な流体経路指定が提供される。これにより、使用者は、ダクト２２００の一つの位置へ、又は一つの位置から、第１流体及び第２流体を容易かつ好都合に送ること及び／又は除去することが可能になる。
【０１３６】
第２の場合、第１流体及び第２流体は、依然としてほぼ等しい温度にあり、熱交換は問題ではない。この第２の場合、第１流体及び第２流体の一方は双方向であり、一方、他方は一方向である。例えば、第１流体は、第２流体回路２２７０内において、第１流体回路２２６０を上又は下に移動し、次いで反対方向に流れる。第２流体は、第３回路２２８０又は第４回路２２９０を上又は下に流れる。従って、第３回路２２８０及び第４回路２２９０の一方は、それを流れる流体を有さず、従って、占有されないままである。
【０１３７】
他の実施形態では、ダクト２２００は、異なる温度を有する第１流体及び第２流体を送るために使用される。しかし、熱交換は、この実施形態では望ましくなく、従って、第１流体及び第２流体は、互いに対して適切に配置されなければならない。第１流体及び第２流体の一方は双方向に流れ、一方、他方は一方向に流れる。例えば、第２流体は、第４流体回路２２９０を上に流れ、かつ第３回路２２８０を下に流れ、一方、第１流体は、第１流体回路２２６０を上又は下に流れる。この実施形態では、第２流体回路２２７０は、占有されないままにされるが、その理由は、隣接する第２流体回路２２７０及び第３流体回路２２８０内において異なる温度で流れる流体間の熱伝導が、望ましくないからである。第２流体回路２２７０を占有されないままにすることによって、「バッファ（緩衝部分）」即ち絶縁区域が、第１流体回路２２６０と第２流体回路２２７０との間に形成される。これにより、第１流体と第２流体との間で熱伝導を行わずに、第１流体及び第２流体が、それぞれの流れ回路内を流れることが可能になる。
【０１３８】
以上について一つの可能な応用例は、第１流体を、第１流体回路２２６０を上に流れる冷却流体とすることである。第１流体回路２２６０は、第１環状壁２２１０と境界を接する回路であり、従って、ダクト２２００の最外径方向区間内を流れる流体が、使用者がダクト２２００を掴む、触る、そうでない場合は加工することを可能にするように十分低い温度を有する場合、望ましい。この自己絶縁能力は、偶然に触ることがある高温外表面を有することから保護し、また、ダクト２２００の外表面２２１１から極近傍にいる人に放出される熱量を低減する。第１流体は、ダクト２２００の上部分にも送られ、そこで、第１流体をスターリングエンジンの上部構成要素の一つ（例えば、燃焼室）に向けて、そこにおいて使用することができることが有利である。
【０１３９】
他の実施形態では、第１流体及び第２流体は、異なる温度にあり、第１流体と第２流体との間の熱交換が望ましい。一方の流体は双方向に流れ、一方、他方の流体は一方向に流れる。例えば、第２流体は、第４流体回路２２９０を上又は下に移動し、次いで、第３流体回路２２８０を反対方向に流れる。第１流体は、第２流体回路２２７０を上又は下に流れ、第１流体回路２２６０は、占有されていない。第１流体及び第２流体が異なる温度にあるので、隣接する流体回路間において熱伝導が行われる。すなわち、第２流体回路２２７０又は第３流体回路２２８０を流れるより高温の流体は、第２流体回路２２７０及び第３流体回路２２８０の他方を流れる流体に、その熱の一部を伝達する。この構成により、システムにおける流体の熱管理が可能になり、これは、双方向の流れを可能にする。流体は、熱伝導が流体間において可能である、又は阻止される環境において、一つの位置から他の位置へ、ダクト２２００内において移動することができる。
【０１４０】
流体のそれぞれの流れの方向及び回路の位置が決定された後、流体のそれぞれの入口位置及び出口位置が決定される。図３３は、ダクト２２００の内表面２２０９又は外表面２２１１から、第１流体流れ回路及び第２流体流れ回路内に、又はその外に流体を導入する様々な方法を示す。より具体的には、第１窓状部２３００及び第２窓状部２３１０が、ダクト２２００の内表面内に形成される。内表面２２０９は、実際には、第３環状壁２２３０の内表面である。示した実施形態では、第１窓状部２３００は、第３環状壁２２３０の上部分に形成され、第２窓状部２３１０は、第３環状壁２２３０の下部分に形成される。第１窓状部２３００及び第２窓状部２３１０は、全体的に軸線方向に位置合わせされて示されているが、そのように構成される必要はない（例えば、軸線方向ではない構成で形成することができる）。第１窓状部２３００及び第２窓状部２３１０は、各一つが、第４流体回路２２９０と流体連通する限り、任意の数の形状及び大きさを想定することが可能である。
【０１４１】
第１窓状部２３００は、第４流体回路２２９０内を流れる第２流体を受け取る入口窓状部、又は第４流体回路２２９０から第２流体を受け取る出口窓状部として機能することが可能である。従って、第２窓状部２３１０は、この実施形態では、第１窓状部２３００と比較して反対の方法で機能する。すなわち、第１窓状部２３００が入口窓状部である場合、第２窓状部２３１０は出口窓状部であり、またその反対である。
【０１４２】
また、第１窓状部２３００及び第２窓状部２３１０の両方とも、第１窓状部２３００及び第２窓状部２３１０が、両方とも入口窓状部として機能する、又は両方とも出口窓状部として機能することが可能であるという点で、共通の機能を共有することが可能であることも理解されるであろう。両方が入口窓状部として機能する場合、第２流体は、第１窓状部２３００内及び第２窓状部２３１０内に導入され、次いで、ある位置において出るまで、又は反対方向に流れる第３流体回路２２８０内に向けられるまで、第４流体回路２２９０内を流れる。第１窓状部２３００及び第２窓状部２３１０の両方が、出口窓状部として機能する場合、第２流体は、第３流体回路２２８０などの他の位置から第４流体回路２２９０内を流れる際に、窓状部２３００、２３１０を通って出る。
【０１４３】
図３３は、ダクト２２００の外表面２２１１において第３窓状部２３４０を形成することをも示す。第３窓状部２３４０は、第１流体回路２２６０と直接連通し、第１流体の入口窓状部又は出口窓状部として機能する。第１流体及び第２流体の両方とも、通常、一つの位置から他の位置へ、第１流体回路２２６０及び第２流体回路２２７０を経てポンピングされ、そうでない場合は向けられる。
【０１４４】
図３４は、ダクト２２００の他の態様を示し、より具体的には、図３４は、第１流体及び第２流体の一つ又は複数を、ダクト２２００のどちらかの端部から第１流れ回路内及び第２流れ回路内に、又はその外に導入する特定の方法を示す。ダクト２２００は、通常、端部の一方又は両方に符号２２９９として全体的に示す端部板を有する。端部板２２９９は、第１回路２２６０、第２回路２２７０、第３回路２２８０、及び第４回路２２９０の選択された回路が開いており、また、選択された回路が封止されるように構築することが可能である。開いている回路は、流れるそれぞれの流体を受け取る又は放出するように働く。図３４に示す例示的な実施形態では、開いている回路のみが示されている。例えば、示した第１流体回路及び第２流体回路２２７０は、開放回路が互いにずれているように形成される。しかし、第３流体回路２２８０及び第４流体回路２２９０によって示すように、対向する第３流体回路２２８０及び第４流体回路２２９０が開いていることが可能である。示した実施形態は、１組の開放第４流体回路２２９０にわたって開いている１組の第３流体回路２２８０を示す。さらに、開放第３流体回路２２８０の他の組が、それに対面する開放第４流体回路２２９０を有さないように示されている。
【０１４５】
２つの双方向流体の入口及び出口をマニホルド化することは、双方向第２流体の入口マニホルド又は出口マニホルド（例えば、窓状部）が、図３３に示すように、ダクト２２００の内表面２２０９内に形成された第４流体回路２２９０マニホルドを有し、一方、双方向第１流体が、外表面２２１１上に第１流体回路２２６０マニホルドを有する場合、より複雑ではない。従って、第２流体回路２２７０及び第３流体回路２２８０のマニホルドは、端部板２２９９の一つ又はそれ以上の上に最も容易に配置される（図３４に示すように）。第１流体が一方向に流れる場合、回路マニホルドは、一つ又はそれ以上の端部板２２９９に配置することが可能であり、又は、ダクト２２００の外表面２２１１内に形成することが可能である。より複雑な実施形態の一つは、第１流体及び第２流体の両方が双方向に流れ、第１流体及び第２流体の両方の入口マニホルド及び出口マニホルドが、同じ端部板２２９９内に形成される場合である。この実施形態においてさえ、マニホルドは、両方の流体のそのような入口及び出口が同じ端部板２２９９にあることを可能にするように形成することが可能である。
【０１４６】
図３５及び図３６は、本発明のスターリングエンジン組立体の他の態様を示す。図３５は、符号２４００として全体的に示す、高効率熱交換器の部分的な分解透視図である。この種類の熱交換器２４００は、通常、予熱器と呼ばれる。そのような予熱器は、排気産物から入り供給流体に浪費熱を伝達するために使用される。これにより、多くのエネルギー変換又は化学工程の経済効率が改善される。これらの熱交換器の高い熱効率は、（１）２つの流体流間の大きな表面領域、（２）２つの流れを分離する薄くかつ高導電性の材料、（３）低い圧力降下、（４）一様な熱伝導のための２つの流れ間の一様な質量分布、及び（５）長い残留時間を特徴とする。供給の柔軟性が許すなら、対向流れ熱交換器は、平行流れ装置より効率的である。
【０１４７】
低容量ユニットでは、管状熱交換器が通常使用される。一つの流体が管の内側を流れ、一方、他の流体が外表面上を流れる。管は、横面においてコイル状とすることができ、気体のなどの他の流体が、管と軸線方向に交差し、又は、一連の平行縦方向間を軸線方向に構成することができ、対向する流体が、林立する管を軸線方向に又は横切って通過する。処理量が大量の熱交換器では、管の設計は、より効率的ではない。これは、最適な大きい直径の管をより少なく使用しなければならないため、又は圧力低下を限定するために、より少ない管を使用しなければならないためである可能性がある。これらの種類の熱交換器は、大規模構成要素のエンベロープが必要とされる場合に圧力低下を限定するために、低速で小さい直径の管を多数製造する高コストをも誘起する。
【０１４８】
上述した限定を克服する大量処理量の熱交換器を設計する一つの手法は、符号２４１０として全体的に示す事前に形成された薄膜ストック（シート状材）を使用することであり、この場合、対向流体の並列面が隣接ギャップにある。この改良設計は、（１）大きな表面領域、（２）小さい圧力低下、（３）一様な質量分布、（４）小さい流体水圧直径、及び（５）低製造コストの利点を提供する。事前形成ストック（シート状材）２４１０は、全体的に蛇行形状を想定するように湾曲される。この構成により、第１流体流路２４３０は、第１流体を搬送するように形成され、第２流体流路２４４０は、第２流体を搬送するように形成される。第１流体流路２３４０及び第２流体流路２４４０は、第１流体流路２４３０及び第２流体流路２４４０が互いに隣接し、それにより、第１流体及び第２流体が熱交換器２４００を流れる際に、第１流体と第２流体との間の熱伝導が可能であるように、交互パターンで形成される。
【０１４９】
最大の課題は、完全に動作式で効率的な熱交換器を形成するように、事前形成ストック２４１０の２つの端部２４３１、２４４１を遮断する最低コストの方法である。図３５及び図３６は、２つの端部板２４５０、２４６０が使用される一つの方法を示す。端部板２４５０、２４６０は、流体を第１流体流路２４３０及び第２流体流路２４４０内に送り、かつ向けるための入口及び出口分配供給システムを含む。
【０１５０】
図３６は、事前形成ストック２４１０を端部板２４５０、２４６０に取り付ける効果的であるが低コストの方法を示す。図３６は、端部板２４５０、２４６０の一つの区間の断面図である。保持通路２４７０が、任意の数の適切な技法を使用して、端部板２４５０、２４６０のそれぞれの第１表面２４５９内に形成され、それにより、端部板２４５０、２４６０などの基板において、正確な寸法の通路を形成することが可能になる。例えば、保持通路２４７０を形成する適切な技法は、端部摩砕工程、フォトエッチング、又は端部板２４５０、２４６０内において慎重に調整された通路を形成する他の手段を含むが、これに限定されるものではない。
【０１５１】
保持通路２４７０は、事前形成ストック２４１０の寸法及び形状に対して相補的であるパターンで形成され、間隔をおいて配置される。これにより、事前形成ストック２４１０の端部２４３０、２４４０を、保持通路２４７０と容易に位置合わせして、それに挿入することが可能になる。
【０１５２】
鑞付け材料２４８０が、事前形成ストック２４１０を端部板２４５０、２４６０に接合する材料を提供するために、保持通路２４７０のそれぞれに充填される。鑞付け材料２４８０は、幾つかの異なる形態で保持通路２４７０内に導入することが可能である。例えば、鑞付け材料２４８０は、ホイル、粉末、又はスラリ混合物として、保持通路２４７０内に充填することができる。次いで、鑞付け材料２４８０は、事前形成ストック２４１０と端部板２４５０、２４６０との間を接合させるために、適切な処理工程を受ける。通常、鑞付け材料２４８０は、オーブン又は他の加熱装置により加熱するように導入され、この熱により、鑞付け材料２４８０は、溶融して流れ、それを再度冷却することにより、事前形成ストック２４１０と端部板２４５０、２４６０との間の接合が提供される。
【０１５３】
保持通路２４７０の形成及び鑞付け材料２４８０の使用は、事前形成ストック２４１０の端部２４３１、２４４１を封止する効果的で低コストの方法を提供する。鑞付け材料が加熱される際に、鑞付け材料は、周囲の構成要素の周りを流れ（事前形成ストック２４１０、及び端部板２４５０、２４６０の一方）、熱が除去され、鑞付け材料が再度冷却されて硬化するときに、鑞付け材料と周囲の構成要素との間に接合が創出される。
【０１５４】
他の態様では、端部板２４５０、２４６０は、２つの分散処理ステップにおいて、事前形成ストック２４１０に取り付けられる。より具体的には、２つの鑞付け材料２４８０が使用され、一方の鑞付け材料２４８０は、他の鑞付け材料２４８０よりかなり高い融点を有する。この実施形態では、第１鑞付け材料が、端部板２４５０などの端部板の一つの保持通路２４７０に配置され、次いで、事前形成ストック２４１０が、保持通路２４７０に挿入される。端部板２４５０、及び事前形成ストック２４１０の少なくとも対応する端部は、加熱器などの中に配置され、第１鑞付け材料の融点以上の温度に暴露される。これにより、第１鑞付け材料は融解し、その後、再度冷却される際に、事前形成ストック２４１０と端部板２４５０との間を接合する。
【０１５５】
端部板２４５０が、事前形成ストック２４１０の一端部に確実に取り付けられた後、第２鑞付け材料が、他の端部板（この場合は端部板２４６０）内に形成された保持通路２４７０に配置される。第２鑞付け材料は、第１鑞付け材料の融点温度よりかなり低い融点温度を有さなければならないが、その理由は、通常、完全熱交換器２４００は、加熱器（例えば、オーブン）の中に配置され、従って、硬化した第１鑞付け材料は、再び熱に暴露されるからである。第２鑞付け材料を有する端部板２４６０を含めて、熱交換器２４００は、第２鑞付け材料の融点温度以上であるが、第１鑞付け材料の融点温度より低い温度に暴露される。加熱器の温度は、第１鑞付け材料の融点温度に到達することが可能ではないので、第１鑞付け材料は再度融解せず、代わりに、影響を受けないままとなる。
【０１５６】
端部板２４５０、２４６０のそれぞれが、事前形成ストック２４１０に取り付けられるとき、それぞれの端部板２４５０、２４６０は、保持通路２４７０が上方に開き、それにより、鑞付け材料２４８０が事前形成ストック２４１０の側面を下に流れないように、加熱動作中に配置されることが好ましい。端部板２４５０、２４６０が、加熱器において対向して配置される場合、鑞付け材料が融点に達するとすぐに、鑞付け材料は、重力によって、事前形成ストック２４１０の側面を下に流れる傾向を有する。これは望ましくないが、その理由は、鑞付け材料が保持通路２４７０を流れ出て、それにより、事前形成ストック２４１０と端部板２４５０、２４６０との間の接合が弱くなる可能性が増大するからである。
【０１５７】
本発明は、以上、添付の図面を参照して述べた実施形態に限定されないことを、当業者なら理解するであろう。むしろ、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】一実施形態によるスターリングエンジンにおいて使用される熱伝導マニホルドの概略図である。
【図２】図１の熱伝導マニホルドの上面図である。
【図３】図１の線３−３に沿って取った断面図である。
【図４】図１の線４−４に沿って取った断面図である。
【図５】線５−５に沿って取った断面図である。
【図６】図１に示された矩形６に沿って取った断面図である。
【図７】図１の線７−７に沿って取った断面図である。
【図８】他の実施形態による、スターリングエンジンにおいて使用される熱伝導マニホルドの概略図である。
【図９】図８の熱伝導マニホルドの上面図である。
【図１０】図８の線１０−１０に沿って取った断面図である。
【図１１】図８の線１１−１１に沿って取った断面図である。
【図１２】図８の線１２−１２に沿って取った断面図である。
【図１３】図８の線１３−１３に沿って取った断面図である。
【図１４】図８の線１４−１４に沿って取った断面図である。
【図１５】図８に示された矩形１５に沿って取った断面図である。
【図１６】スターリングエンジンの押し退け体のシリンダヘッド端部を組み込む熱交換部材の断面概略図である。
【図１７】スターリングエンジンのピストンシリンダ及びヘッド端部を組み込み、かつハウジング内に挿入される溝付き板状体用熱交換器の簡略的な上面図である。
【図１８】図１７の線１８−１８に沿って取った断面図である。
【図１９】伸張され、巻かれていない位置において示された図１７の溝付き熱交換器の断片的上面図である。
【図２０Ａ】図１６の線２０−２０に沿って取った断面図である。
【図２０Ｂ】図１６の構造の第１領域の断面図である。
【図２１Ａ】図１６の線２１−２１に沿って取った断面図である。
【図２１Ｂ】図１６の構造の第１領域の断面図である。
【図２２Ａ】図１６の線２２−２２に沿って取った断面図である。
【図２２Ｂ】図１６の構造の第１領域の断面図である。
【図２３】一実施形態によるスターリングエンジンにおいて使用される熱伝導板状体の熱交換区間の様々な通路構造を示す図である。
【図２４】一実施形態によるスターリングエンジンにおいて使用される多段階燃焼器の概略図である。
【図２５】図２４の多段階燃焼器の動作及び利点に関して、空気対ＮＧ流量に対するＮＯ及びＣＯの放出レベルを示すグラフである。
【図２６】他の実施形態によるスターリングエンジンにおいて使用される多段階燃焼装置の概略図である。
【図２７】スターリングエンジンの燃焼装置及び高温端部と統合された作動気体熱交換器の断面図である。
【図２８】例示的な作動気体の熱交換用板状体の底面図である。
【図２９】図２７の装置と共に使用される空気注入装置の板状体の拡大部分上面図である。
【図３０】エネルギーを作業エネルギーに提供する太陽光集束ユニットを有する高温端部を示す作動気体熱交換器の断面図である。
【図３１】他の例示的な作動気体の熱交換用板状体の底面図である。
【図３２】先行実施形態のスターリングエンジンの高温端部において使用される双方向流体移送ダクトの上面図である。
【図３３】分散流れ回路流路で流体を向けるための、内部に形成された入口開口及び出口開口を示す図３２の双方向流体移送ダクトの透視図である。
【図３４】内への流体入口及び／又は分散流れ回路流路の外への流体出口を提供するために、図３２の双方向流体移送ダクトと共に使用される端部板の上面図である。
【図３５】例示的な熱交換器を示す部分的に分解された透視図である。
【図３６】端部板を熱交換器本体に取り付ける方法を示す図３５の熱交換器の区間の拡大部分図である。
【図１】
2005519224.tif 000003
【図２】
2005519224.tif 000004
【図３】
2005519224.tif 000005
【図４】
2005519224.tif 000006
【図５】
2005519224.tif 000007
【図６】
2005519224.tif 000008
【図７】
2005519224.tif 000009
【図８】
2005519224.tif 000010
【図９】
2005519224.tif 000011
【図１０】
2005519224.tif 000012
【図１１】
2005519224.tif 000013
【図１２】
2005519224.tif 000014
【図１３】
2005519224.tif 000015
【図１４】
2005519224.tif 000016
【図１５】
2005519224.tif 000017
【図１６】
2005519224.tif 000018
【図１７】
2005519224.tif 000019
【図１８】
2005519224.tif 000020
【図１９】
2005519224.tif 000021
【図２０Ａ】
2005519224.tif 000022
【図２０Ｂ】
2005519224.tif 000023
【図２１Ａ】
2005519224.tif 000024
【図２１Ｂ】
2005519224.tif 000025
【図２２Ａ】
2005519224.tif 000026
【図２２Ｂ】
2005519224.tif 000027
【図２３】
2005519224.tif 000028
【図２４】
2005519224.tif 000029
【図２５】
2005519224.tif 000030
【図２６】
2005519224.tif 000031
【図２７】
2005519224.tif 000032
【図２８】
2005519224.tif 000033
【図２９】
2005519224.tif 000034
【図３０】
2005519224.tif 000035
【図３１】
2005519224.tif 000036
【図３２】
2005519224.tif 000037
【図３３】
2005519224.tif 000038
【図３４】
2005519224.tif 000039
【図３５】
2005519224.tif 000040
【図３６】
2005519224.tif 000041
【国際調査報告】
2005519224.tif 000042