(57)【要約】【課題】ガス状流体を圧縮するためのデバイスに関する。【解決手段】デバイスは、熱源（６）と熱的に結合された第１のチャンバー（２１）と、低温源（５）と熱的に結合された第２のチャンバー（２２）と、ロッド（８）によって動作させられる可動ピストン（７）と、第１および第２のチャンバー間に流体連通状態を確立する再生式熱交換器（９）とを具備し、ロッドは円筒状ソケット（１７）内に配置され、かつ、スリーブと接触せずにピストンを案内するように直線案内システム（３）によって軸方向並進移動に関して案内され、円筒状ソケットに取り付けられたシーリングリング（１８）は、可動ロッドに沿ったガス状流体の移動を制限するために非常に小さな半径方向クリアランスを伴ってロッドを取り囲む。一体型低温ケーシングは、機械加工された穿孔、高温ケーシングにおける熱スクリーン、そして弾性復帰手段を備えた自己駆動システムを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状流体の圧縮のための圧縮デバイスであって、
圧縮されるガス状流体の入口（４６）および圧縮されたガス状流体の出口（４７）と、
前記ガス状流体を収容するための作動エンクロージャ（２）と、
前記ガス状流体に熱を提供するよう構成された熱源（６）と熱的に結合された第１のチャンバー（２１）と、
前記ガス状流体から低温源へと熱を伝達するために前記低温源（５）と熱的に結合された第２のチャンバー（２２）と、
円筒形スリーブ内で軸方向（Ｘ）に沿って可動であるように設けられ、かつ、前記第１のチャンバーと第２のチャンバーとを分離するピストン（７）であって、該ピストンは、該ピストンに接続されたロッド（８）によって、軸方向の往復動作において可動である、ピストン（７）と、
前記第１のチャンバーと前記第２のチャンバーとの間に配置された再生式熱交換器（９）と、
を備え、
前記圧縮デバイスは、前記ロッドの一端部に作用して、前記ロッドに連結された連結ロッド（４１）および該連結ロッドに接続されフライホイール（４２）を備えた自己駆動デバイス（４）と、前記ロッドに連結され、かつ、前記ピストンの中間ストロークでのまたはその付近の位置に対応した中立点を備えた複動弾性復帰手段（４５）と、を備えている、圧縮デバイス。
【請求項２】
前記弾性復帰手段は、前記フライホイール（４２）に蓄えられるエネルギーと並行して、周期的にエネルギーを蓄積する、請求項１に記載の圧縮デバイス。
【請求項３】
前記弾性復帰手段は、引っ張りにおいておよび圧縮において作動するスプリング（４５）である、請求項１または２に記載の圧縮デバイス。
【請求項４】
前記弾性復帰手段は、向かい合って作動する二つのスプリングを備えている、請求項１または２に記載の圧縮デバイス。
【請求項５】
前記自己駆動デバイス（４）は、前記フライホイールに連結されたモーターを備えている、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の圧縮デバイス。
【請求項６】
前記モーターは、磁気的手段によりフライホイールに結合されている、請求項５に記載の圧縮デバイス。
【請求項７】
前記自己駆動デバイス（４）は補助チャンバー（２３）内に配置され、該補助チャンバー内では、入口圧力Ｐ１および出口圧力Ｐ２の合計の半分である平均圧力が優勢である、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の圧縮デバイス。
【請求項８】
前記自己駆動デバイス（４）は、前記連結ロッド（４１）を前記フライホイールに対して回転可能に連結するためのころ軸受（４３）を備えている、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の圧縮デバイス。
【請求項９】
前記連結ロッド（４１）は、別のころ軸受（４４）によって前記ロッド（８）に連結されている、請求項８に記載の圧縮デバイス。
【請求項１０】
熱伝達回路と、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の少なくとも一つの圧縮デバイスと、を備える熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス状流体圧縮デバイスに関し、特に再生式熱圧縮機を扱う。
【背景技術】
【０００２】
既に、いくつかの技術的な解決策が熱源を使用してガスを圧縮するために存在している。
【０００３】
特許文献１および２に開示されたものなどの熱圧縮機において、受け取った熱は、直接、圧縮される流体に伝達され、これによって圧縮および排出のステップのための機械的要素が排除される。
【０００４】
特許文献１および２においては、熱源に向かってまたは低温源に向って流体を交互に移動させるために変位ピストン（「ディスプレーサ」）がチャンバー内に移動可能に設けられる。変位ピストンは制御ロッドに接続される。変位ピストンおよび／または関連する制御ロッドは摩擦および摩耗にさらされ、これはそうした圧縮機の耐用年数を制限し、あるいは定期的なメンテナンスを必要とする。さらに、圧縮機内での熱交換の効率ならびに変位ピストンの制御原理はさらに改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２，１５７，２２９号明細書
【特許文献２】米国特許第３，４１３，８１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、第一に、耐用年数を増大させかつ／またメンテナンスの必要性を低減する必要がある。第二に、圧縮機内での熱交換の良好な効率によって性能を向上させることが絶え間ない関心事である。さらに、変位ピストンの動作の制御を改善することが望ましい。最後に、魅力的なコストで圧縮機の重要部品を製造できるようにする必要性に対処しなければならない。これらの必要性の全ては、競争力がありかつ産業的規模で製造するのが容易でありながら、改善された性能を提供する再生式熱圧縮機を提案する目的に貢献する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的のために、ガス状流体の圧縮のためのデバイスが提案され、当該デバイスは、  圧縮されるガス状流体の入口および圧縮されたガス状流体のための出口と、
ガス状流体を収容するための作動エンクロージャと、
ガス状流体に熱を提供するよう構成された熱源と熱的に結合された第１のチャンバーと、
ガス状流体から低温源へと熱を伝達するために低温源と熱的に結合された第２のチャンバーと、
円筒形スリーブ内で軸方向に沿って可動であるように設けられ、かつ、作動エンクロージャ内で第１のチャンバーと第２のチャンバーとを分離するピストンであって、ピストンはこのピストンと一体のロッドによって動作させられる、ピストンと、
再生式熱交換器および第１および第２のチャンバーを流体連通状態とする連通チャネルと、を具備し、
ロッドは作動エンクロージャと一体の円筒状ソケット内に配置され、かつ、ロッドは、スリーブと接触せずにピストンを案内するように、直線案内システムによって軸方向並進移動に関して案内され、
円筒状ソケット内に取り付けられた円筒状シーリングリングは、補助チャンバーへの、そして補助チャンバーからの可動ロッドに沿ったガス状流体の移動を著しく制限するために、２ないし２０μｍの半径方向クリアランスを伴ってロッドを取り囲む。
【０００８】
こうした構成によれば、関係する圧力の交互サイクルと適合性のある液密性を維持しながら、ピストンとスリーブとの間およびロッドとそれに関連するシーリング手段との間の両方において摩擦を著しく低減することができる。したがって、可動部品の摩耗の低減を実現し、そしてメンテナンス作業の頻度を低減するかあるいは完全に除去するさえ可能である。さらに、摩擦を低減することで効率が改善する。
【０００９】
本発明のさまざまな実施形態では、ことによると、以下の構成の一つ以上を採用することができる。
【００１０】
本発明の一態様では、交互サイクル中の動的モードでの十分なシール性を確保しつつ、接触の排除および摩擦の排除が実現されるように、ピストンはスリーブに隣接して配置された外側エッジを有していてもよく、かつ、ピストンの外側エッジは、５μｍないし３０μｍ、好ましくは約１０μｍの、外側エッジとスリーブとの間の機能クリアランスを伴って、摩擦を伴わずにスリーブ内で案内される。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、直線案内システムは円筒ころ軸受デバイスであってもよい。ころの転がりは、無視できる摩擦を伴って、ロッドの精密な案内のための効率的な解決策を提供する。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、直線案内システムは、ＰＴＦＥからなる滑り軸受を備えてもよい。これはロッドの精密な案内のための効率的な解決策であり、極めて低い摩擦および無視できる磨耗しか生じない。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、圧縮デバイスは液体潤滑を持たない。したがってデバイスは簡単であり、かつ、汚染あるいは作動流体との混合といった潤滑剤の使用に固有の特定の問題が回避される。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、ロッドは、冷却されたガス状流体の流れを偏向させるバッフルデバイスによって冷却できる。このためロッドの加熱が回避され、ロッドを介した高温領域から低温領域への熱の伝達が低減される。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、ロッドはピストンの直径の４分の１よりも大きい直径を有していてもよい。これによって、圧力差からの作用は自己駆動デバイスのサイクルを作動させるのに十分であり、加えて、案内の特性が改善される。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、その定常状態でのデバイスの動作が自律的であるように、デバイスは、ロッドの一端部に作用すると共に、ロッドに対して連結された連結ロッドと、連結ロッドに対して連結されたフライホイールとを備える自己駆動デバイスをさらに備えてもよい。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、その自己駆動システムを備えたデバイスの全体的な液密性を向上させるために、自己駆動デバイスはガス状流体で満たされた補助チャンバー内に配置され、シーリングリングが第２のチャンバーと補助チャンバーとの間に介在させられる。
【００１８】
ロッドの案内およびシーリングとは独立した、開示されたデバイスの別の態様によれば、効率はまた、高温チャンバーと低温チャンバーとの間に直接的な伝導性熱交換を制限することによって改善される。
【００１９】
実際、ガス状流体の圧縮のためのデバイスが提案され、当該デバイスは、
圧縮されるガス状流体のための入口および圧縮されたガス状流体のための出口と、
ガス状流体を収容するための作動エンクロージャであって、軸線を中心として略回転対称であり、かつ、一つに組み合わされた第１のハウジングおよび第２のハウジングによって形成された、作動エンクロージャとを具備し、
作動エンクロージャは、
第１のハウジングを介してガス状流体に熱を提供するよう構成された熱源と熱的に結合された第１のチャンバーと、
第２のハウジングを介してガス状流体から低温源へと熱を伝達するために低温源と熱的に結合された第２のチャンバーと、
円筒形スリーブ内で軸方向に沿って可動であるように設けられ、かつ、作動エンクロージャ内で第１のチャンバーと第２のチャンバーとを分離するピストンであって、ピストンはこのピストンに対して連結されたロッドによって、軸方向往復運動で動作させられる、ピストンと、
ピストンの周囲に配置されかつ第１および第２のチャンバーを流体連通状態とする再生式熱交換器と、
再生式熱交換器と第１のチャンバーの少なくとも一つの開口とを接続する熱伝達チャネルであって、軸線を中心として略回転対称形状を有する熱伝達チャネルと、を具備し、
断熱環状円筒状部分によって形成された第１の熱シールドがピストンと熱伝達チャネルとの間に介在させられ、熱伝達チャネルは第１の熱シールドと第１のハウジングとの間の半径方向ギャップによって形成される。
【００２０】
したがって熱伝導の影響は、特に中間軸方向部分において低減され、しかも高温および低温部分間の熱交換の大半は作動流体の物理的対流によって生じる。
【００２１】
補足的な態様によれば、第１のハウジングは金属製であり、そして低い熱伝導の軸方向環状部分の形態の環状断熱領域を提供する。これはさらに軸方向の熱伝達を低減させる。
【００２２】
補足的な態様によれば、低い熱伝導率を有する環状部分はカラーで取り囲まれる。これは十分な機械的強度を提供する。
【００２３】
補足的な態様によれば、（断熱環状領域を形成する）低い熱伝導率を有する環状部は、熱シールドの周囲に割り当てられる複数のリセス（溝）を形成することによって第１のハウジング内に一体的に得られる。これは制御された内部ジオメトリーを伴う簡単な解決策である。
【００２４】
補足的な態様によれば、熱伝達チャネルが非常に限定された体積を呈し、したがって、第１のチャンバーおよび完全に再生器までの作動流体の高温チャネルを含む高温ガスの体積は、ピストンがその最高点にあるとき、最低点と最高点との間でピストンによって掃引される容積の１５％未満であるように、熱伝達チャネルを形成するギャップは、４ｍｍ未満、あるいは２ｍｍ未満の幅を有することができる。
【００２５】
補足的な態様によれば、第１のハウジングは、熱シールドの上側部分およびピストンの上側部分がそうであるように、半球ドームの形状の端部を有する。これは圧力に抗するために最適な形状である。
【００２６】
補足的な態様によれば、ピストンは低熱伝導の上側部分を備えることができる。これは、高温部分から低温部分への熱の流れを低減するのに寄与する。
【００２７】
補足的な態様によれば、第１のハウジングおよび第２のハウジングは、中間部分を伴わずに、直接、一つに組み合わされる。これは簡単かつ頑丈な解決策である。
【００２８】
補足的な態様によれば、第１のハウジングは、上側ドーム状部分と断熱スリーブ領域との間に配置された第１の補強フランジと、第２のハウジングへの取り付けのためのフランジ部として機能する第２の補強フランジとを備える。これは第１のハウジングの機械的強度に寄与する。
【００２９】
ロッドの案内およびシーリングとは、そして既に述べた軸方向の熱伝導の減少とは独立した、開示されたデバイスの別の態様によれば、第２のチャンバーおよび作動流体の低温チャネルは一体部品として形成され（ここでは第２のハウジング、あるいは「低温ハウジング」または「低温構造部」と呼ばれる）、チャネルは機械加工によって得られた穿孔の形態で形成される。
【００３０】
実際、ガス状流体の圧縮のためのデバイスが提案され、当該デバイスは、
圧縮されるガス状流体のための入口および圧縮されたガス状流体のための出口と、
ガス状流体を収容するための作動エンクロージャであって、一つに組み合わされた第１のハウジングおよび第２のハウジングによって形成された、作動エンクロージャとを具備し、
作動エンクロージャは、
ガス状流体に熱を提供するよう構成された熱源と熱的に結合された第１のチャンバーと、
第２のハウジングを介してガス状流体から低温源へと熱を伝達するために低温源と熱的に結合された第２のチャンバーと、
円筒形スリーブ内で軸方向に沿って可動であるように設けられ、かつ、第１のチャンバーと第２のチャンバーとを分離するピストンであって、ピストンはこのピストンに対して連結されたロッドによって、軸方向往復運動で動作可能である、ピストンと、
ピストンの周囲に配置されかつ第１および第２のチャンバーを流体連通状態とする再生式熱交換器と、
再生式熱交換器を少なくとも第２のチャンバーと接続する少なくとも一つの低温伝達チャネルであって、第２のチャンバーの周囲で第２のハウジング内に配置された複数の軸方向穿孔を備える低温伝達チャネルと、を具備する。
【００３１】
このようにして、冷却連通チャネルの通路は一つの中実部品を機械加工することにより得られるが、これは、必要な部品数を減少させ、そしてまた低温部分におけるデッドボリュームを減少させる。
【００３２】
補足的な態様によれば、低温源からカップリング流体を輸送する第１の補助低温チャネルは軸方向に対して平行に延在し、かつ、第２の補助低温チャネルは軸方向に対して垂直に延在すると共にそれに対して接続された第１の補助低温チャネルのためのマニホールドとして機能する。熱交換器はしたがって、作動流体の低温チャネルに対する補助チャネルの近接によって容易に得られる。
【００３３】
代替の補足的な態様によれば、低温源からカップリング流体を輸送する全ての第１の補助チャネルは軸方向に対して垂直に延びる。これは工業的に加工が容易であり、しかも特定のパイプに蓋をする必要がなくなる。
【００３４】
補足的な態様によれば、第２のハウジング１２は、ピストンの下側部分を受け入れるよう構成された円筒状のキャビティと、円筒状キャビティの底部に配置されると共に穿孔の底部出口を接続する下側マニホールドとして機能する円形溝とを備える。したがって、低温チャネルのためのマニホールドの小さな体積によってデッドボリュームが低減する。
【００３５】
補足的な態様によれば、バッフルが円筒形キャビティの底部に配置され、当該バッフルは、低温連通チャネルの一部であるディスク形状リセスを第２のチャンバーの底と共に形成するが、これによってロッドの加熱が回避され、そしてロッドを介した高温領域から低温領域への熱の伝達が低減される。
【００３６】
補足的な態様によれば、第２のハウジングは、円筒形スリーブの下側部分、低温連通チャネル、さまざまな補助低温チャネルならびに作動流体のための入口および出口を含む単一のユニタリー部品であってもよい。これは低温部分における必要な部品数を減少させる。
【００３７】
補足的かつ追加的な態様によれば、第２のチャンバーおよび完全に再生器への作動流体の低温チャネルを含む低温ガスの体積は、ピストンが最低点にあるとき、最低点と最高点との間でピストンによって掃引される容積の１５％未満ある。これは熱効率を向上させるのに役立つ。
【００３８】
ロッドの案内およびシーリング、軸方向熱伝導の減少および上記低温部分の発展的構造から独立した、開示されたデバイスの別の態様によれば、ピストン動作の制御の改善が提案される。
【００３９】
この目的のために、ガス状流体の圧縮のためのデバイスが提案され、当該デバイスは、
圧縮されるガス状流体のための入口および圧縮されたガス状流体のための出口と、
ガス状流体を収容するための作動エンクロージャと、
ガス状流体に熱を提供するよう構成された熱源と熱的に結合された第１のチャンバーと、
ガス状流体から低温源へと熱を伝達するために低温源と熱的に結合された第２のチャンバーと、
円筒形スリーブ内で軸方向に沿って可動であるように設けられ、かつ、第１のチャンバーと第２のチャンバーとを分離するピストンであって、ピストンはこのピストンに対して連結されたロッドによって、軸方向往復運動で動作可能である、ピストンと、
第１および第２のチャンバーを流体連通状態とする再生式熱交換器と、を具備し、
圧縮デバイスは、ロッドの一端部に作用すると共に、ロッドに対して連結された連結ロッドと、連結ロッドに対して連結されたフライホイールとを備える自己駆動デバイスと、ロッドに対して連結されかつピストンの中間ストロークでのあるいはその付近の位置に対応する中立点を有する弾性複動復帰手段とを備える。
【００４０】
この構成によって、弾力復帰手段は、フライホイールに蓄えられるエネルギーと並行して、周期的にエネルギーを蓄積するが、これは、ロッド・フライホイールアセンブリの軸受にかかる力を低減することを可能とし、かつ、可能な限り正確に当該アセンブリをサイジングすることを可能とする。
【００４１】
補足的な態様によれば、弾性復帰手段は、向かい合って作用する二つのスプリングを備えることができる。したがって、ヒステリシスおよびデッドトラベルを回避し、かつ／またはスプリング特性のばらつきを補償することができる。
【００４２】
補足的な態様によれば、自己駆動デバイスは、フライホイールに対して磁気的に結合されたモーターを備えることができ、これにより初期始動プッシュが提供され。その後、回転速度が調節される。
【００４３】
補足的な態様によれば、自己駆動デバイスは、その内部では入口圧力Ｐ１および出口圧力Ｐ２の合計の半分である平均圧力が優勢である補助チャンバー内に配置される。第２のチャンバーとのバランスのとれた限定された交換はこうして実現される。
【００４４】
最後に、本発明はまた、熱伝達回路と、上記特性の一つに係る少なくとも一つの圧縮機とを備えた熱システムに関する。当該熱システムは、取り囲まれた領域から熱を抽出するために意図されてもよく、この場合には、それは空気調整または冷凍システムであるが、当該熱システムはまた取り囲まれた領域に熱を加えるように意図されてもよく、この場合には、それは、住宅暖房あるいは工業加熱といった加熱システムである。
【００４５】
本発明のその他の特徴、目的および利点は、非限定的な例として与えられた、本発明のいくつかの実施形態の以下の説明から明らかとなるであろう。本発明はまた、添付図面を参照することでより良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係るガス状流体を圧縮するためのデバイスの概略軸方向断面図である。
【図２】ロッド案内部の部分的拡大図である。
【図３】図１のデバイスに含まれる低温部分の斜視図である。
【図４】図１のデバイスに含まれる高温部分の斜視図である。
【図５】断面および切欠きを含む図３の低温部分の斜視図である。
【図６】シーリングリングに関する拡大図である。
【図７】ピストン・スリーブインタフェースの拡大図である。
【図８】特に自己駆動デバイスのためのデバイスにおいて実施される熱力学サイクルのグラフである。
【図９】低温部分の第２実施形態を示す図である。
【図１０】自己駆動デバイスに関する第２実施形態を示す図である。
【図１１】ピストンアセンブリを示す図である。
【図１２】最も低い熱伝導率を有する部分を示す、第１のハウジングの部分的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
各図面において、同じ参照数字は同一または類似の要素を示している。
【００４８】
図１は、圧力Ｐ１で入口または取り込み口４６を経てガス状流体（「作動流体」とも呼ばれる）を受け入れ、かつ、４７で示される出口において圧力Ｐ２で圧縮された流体を供給するよう構成された、ガス状流体の圧縮のためのデバイス１を示す。
【００４９】
図１ないし図１２に示されるように、デバイスは軸方向Ｘの周りに設計され、これは好ましくは垂直に配向されるが、これはその他の構成を排除するものではない。ピストン７は、少なくとも円筒状スリーブ内で、この軸線に沿って動作可能であるように設けられる。上記ピストンは、それぞれ第１のチャンバー２１および第２のチャンバー２２と呼ばれる、二つの密閉空間を気密分離し、これら二つのチャンバーは（入口／出口を除いて）気密である作動エンクロージャ２内に収容される。作動エンクロージャ２は上側端部２ｈと下側端部２ｂとを有する。ピストンはドーム形状、例えば半球状の上側部分を有する。
【００５０】
作動エンクロージャ２は、アセンブリの上側部分内に少なくとも上側領域において熱源と熱接触状態で配置された第１のハウジング１１によって、そして下側部分内に配置されかつ低温源によって冷却される第２のハウジング１２によって形成される。公知の英語の用語を使用して、第１のハウジング１１は「ヒーター（heater）」と呼ぶことができ、そして第２のハウジング１２は「クーラー（cooler）」と呼ぶことができる。円筒状スリーブ５０は、以下でさらに説明する「熱シールド」３５と呼ばれる部品と接触状態で、第２のハウジング内へと、そして第１のハウジング内で延在する。
【００５１】
第１のハウジング１１は、ステンレススチールまたは高温部分の温度に耐えるために十分な耐性のある合金から製造される。第２のハウジング１２は、好ましくは、軽金属からなる。なぜなら、その動作温度は低いからである。
【００５２】
図示の例では、第１のハウジング１１と第２のハウジング１２とは、直接、中間部品を伴わずに一つに組み合わされる。しかしながら、それらは、一つ（またはそれ以上）の中間部品と共に一つに組み合せることができる。
【００５３】
「高温チャンバー」とも呼ばれる第１のチャンバー２１はピストンの上方に配置され、かつ、ガス状流体に熱を提供するよう構成された熱源６に対して熱的に接続される。第１のチャンバーは回転対称であり、ピストンの直径Ｄ１に対応する直径を有する円筒状部分と上部における半球部分とを備える。
【００５４】
熱源６が高温チャンバー２１を完全に取り囲んでおり、特に、第１のハウジング１１と接触状態である。
【００５５】
（「低温チャンバー」とも呼ばれる）第２のチャンバー２２はピストンの下方に配置され、ガス状流体から低温源へと熱を伝達するために低温源５と熱的に結合されている。第２のチャンバーは略円筒形であり、ピストンの直径に対応する直径Ｄ１を有する。
【００５６】
円筒状スリーブ５０の周囲には、スターリング熱力学エンジンで使用される従来型の再生式熱交換器９が配置される。この交換器（以下では単に「再生器」とも呼ぶ）９は、小断面の流体チャネルと、熱エネルギーを蓄えるための要素および／または金属ワイヤの密なネットワークを備える。この再生器９は、作動エンクロージャの上側端部２ｈと下側端部２ｂとの間の中間高さに配置され、そして上部に面する高温側９ａおよび底部に面する低温側９ｂを有する。
【００５７】
高温側９ａは、マニホールド２８、環状通路２５を含む熱伝達チャネル２５によって第１のチャンバー２１と（流体連通状態で）接続されているが、これは第１のチャンバー２１の上部に配置された開口２４につながっている。
【００５８】
環状通路２５の上側部分は第１のハウジング１１の上側部分に対して流体が打ち寄せることを可能とするが、それは特に高温である。というのは、それが熱源と接触しているからである（非常に良好な熱的結合）。
【００５９】
熱伝達チャネル２５は、第１のハウジング１１と、第１の熱シールドを備えた部品との間に形成された薄い半径方向ギャップ（＜４ｍｍ、さらには＜２ｍｍ、さらには約１ｍｍ）によって形成される。断熱環状円筒状部分によって形成された第１の熱シールド３５はピストン７と熱伝達チャネル２５との間に介在され、その結果、作動流体はピストンの側面部分を加熱しない。
【００６０】
第１の熱シールド３５はセラミックまたは高温断熱体からなる。その厚みは、図示の例では実質的に一定である。
【００６１】
円筒状部分は実質的に一定の厚みの半球部によって上部において延長されてもよく、この半球部は、それがその最上位置にあるとき、ピストンの外面の形状に一致するように構成される。半球部分の上部は、第１のチャンバー２１内へのあるいはそこからの流体の流れを可能にする開口２４を備える。
【００６２】
再生器９の低温側９ｂは、マニホールド２７および第２のハウジングにおける穿孔の形態の低温チャネル２６を備える低温連通チャネルを介して、第２のチャンバー２２と（流体連通状態で）接続されるが、その配置は以下に説明する。
【００６３】
図から明らかであるように、ピストンが移動するとき、第１および第２のチャンバー２１，２２の容積の総和は、ピストンがその最上位置にあるときロッド８が占める体積が僅かに大きいことを除いて、実質的に一定のままである。さらに、再生器９、低温チャネル２６，２７および熱伝達チャネル２８，２５に含まれる作動流体の量は一定であり、したがって作動エンクロージャ２内のガス状流体の全体積は多かれ少なかれ一定である。
【００６４】
選択された有利な構造的アーキテクチャによると、第１のチャンバー２１および完全に再生器までの高温チャネル２５を含む高温ガスの体積は、ピストンがその最高点にあるとき、最低点と最高点との間でピストンによって掃引される容積の１５％未満であり、あるいは１０％未満でさえある。
【００６５】
同様に、第２のチャンバー２２および低温伝達チャネル２６の残留体積を含む低温ガスの体積は、ピストンが最低点にあるとき、ピストンによって掃引される容積の１５％未満であり、あるいは１０％未満でさえある。
【００６６】
その構造的アーキテクチャの観点から、デバイスは、
ピストンの下側部分と共に上記スリーブによって第２のチャンバー２２を画定する第２のハウジング１２であって、この部品は相対的に中実であり、かつ、さらに流体のための入口４６および出口４７を含む第２のハウジングと、
ピストン７ｈの上部と共に熱シールド３５の内面によって第１のチャンバー２１を画定する第１のハウジング１１であって、再生器の一部に面する低熱伝導部分３７によって形成された断熱スリーブ部を備える第１のハウジング１１（図１２参照）と、
その内面上に円筒状スリーブ５０を形成し、かつ、その外面上に熱伝達チャネル２５の半径方向内面を形成する熱シールド３５と、
熱伝達チャネル２５と第１のハウジングの低伝導の部分３７との間に介在させられた補助熱シールド３６と、
上記ピストン７と、このピストンと一体のロッド８とを備えた可動アセンブリ７８であって、ロッド８は直径Ｄ２の円形断面を有しており、かつ、ピストンの軸線上にセンタリングおよび取り付けシステム８７を提供する可動アセンブリ７８と、
上側構造部１１の内部でかつスリーブ５０の周囲に配置された上記再生器９と、を具備する。
【００６７】
ロッド８の下方にはピストンの動作を制御するためのシステムが配置されており、これは第３のチャンバー２３または補助チャンバー２３を形成する補助ハウジング１３内に収容されている。補助ハウジング１３は、孔１６０を通って螺着されるネジによって、第１のハウジング１１の一部であるフランジ１０に対して固定される。
【００６８】
任意選択で、デバイスは、その制御システムとして特別な自己駆動デバイス４を備えることも可能であり、これについて以下でさらに詳しく説明する。
【００６９】
さらに、第２のハウジング１２は、精密に加工された内側円筒面を有する、ぴったりと嵌合させられた円筒状ソケット１７を受ける軸方向孔１２ａを備える。このソケットは、下側構造部１２の孔１２ａ内に圧力嵌めされる。
【００７０】
このソケット１７は、さらに以下で説明するように、好ましくはスリーブとの接触を伴わずに、ピストン７を正確に案内するために、ロッド８を正確に案内する直線案内システム３を受ける。
【００７１】
図示の例では、直線案内システム３は、円筒ころ軸受、好ましくはボールあるいはローラー３１を備えた円筒形シース３０である。ローラー３１はソケット上で転がり、そしてシース３０はロッド８の半分の速度で３０が移動する。
【００７２】
代替例（図示せず）では、直線案内システム３は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製の滑り軸受を備えてもよい。
【００７３】
可動ロッドの液密性に関して、円筒状のシーリングリング１８が円筒状のソケット１７内に固定され、そして案内システムから分離されている。このシーリングリング１８は、２ないし２０μｍの半径方向クリアランスｅ１を伴ってロッドを取り囲んでおり、可動ロッド８に沿ったガス状流体の通過を著しく制限する（図６参照）。好ましくは、半径方向クリアランスｅ１は好ましくは１０ないし１５μｍである。
【００７４】
ロッドの精密案内によって、ピストンの精密案内は、ロッドに対するピストンの強固な取り付けによって相応に実現される。より正確には、ピストン７はスリーブ５０に隣接して配置された外側エッジ７３，７４を有しており、かつ、ピストンの外側エッジは、５μｍないし３０μｍの、好ましくは約１０μｍの外側接合エッジとスリーブとの間の機能的クリアランスｅ２を伴って摩擦を伴わずにスリーブ内に案内される（図７参照）。外側エッジは、好ましくは、ピストンの下側部分７１から一体的に得られるが、その他の解決策も可能である。
【００７５】
この精密なジオメトリーによって、ピストンの往復運動の間の動的モードにおいて十分な液密性が実現されるが、交互運動の周波数は、数ヘルツと、数十ヘルツないし数百ヘルツとの間である。
【００７６】
さらに、この構成は摩擦あるいは接触による摩耗を防止する。したがって、デバイスが液体潤滑を持たないように液体潤滑を伴わずに実施できる。
【００７７】
容積式圧縮機とは異なり、この熱圧縮機においては、ピストンを動作させるのは熱交換器であり、ロッドおよび連結ロッドではない。したがって、この熱圧縮機においてはロッドおよびピストンには非常に小さな半径方向の力しか作用せず、これは上述したように正確な案内および摩擦なしを可能とする。したがって、メンテナンスなしで数万時間の耐用寿命が得られる。
【００７８】
作動流体として選択された流体は、いかなる適切な流体であってもよく、特に軽いガスであってもよい。それはアンモニアであってもよいが、ＣＯ２が環境上の理由のために選択されてもよい。
【００７９】
本発明の例示的実施形態によれば、低温部分の温度は５０℃付近であり、一方、高温部分の温度は６５０°Ｃ付近である。
【００８０】
断熱スリーブ３７は、図１２に示すように、放射状壁３９によって分離された複数のリセス３８によって実現され、リセスと放射状壁とのこの交替は、再生器９の上側部分の第１のハウジングの全周にわたって繰り返される。
【００８１】
断熱スリーブ領域の周囲には、最も低い熱伝導率の領域において第１のハウジングの機械的強度を補強するよう意図されたカラー１５が配置される。放射状壁３９の端部は、このカラー１５の存在によって半径方向内側に押しやられるが、これは、僅かなプレストレスを伴って設けることができ、したがって第１のハウジング１１のこの中間部分の十分な機械的強度を実現する。
【００８２】
さらに、第１のハウジング１１は、上側ドーム状部分と断熱スリーブ領域との間に配置された第１の補強フランジ部１１ａと、第２のハウジング１２  に対する取り付けのための取り付けフランジとして機能する第２の補強フランジ１１ｂとを備える。
【００８３】
第１のハウジング１１は、高温部分の底部（第１のハウジング１１のフランジ１１ｂ）において孔１１０を、そして低温部分の上部において孔１１２を経て挿入される複数のネジによって、インターフェース面Ｐにおいて第２のハウジング１２に組み付けられるが、これはネジ孔であってもよい。
【００８４】
圧縮機の動作は、ピストン７の往復運動によって、そして入口４６の入口バルブ４６ａおよび出口４７を経て排出するためのチェックバルブ４７ａの動作によって保証される。
【００８５】
以下で説明するさまざまなステップＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄが図１および図８に示されている。  ステップＡ
最初に上端にあるピストンは下方に移動し、第１のチャンバー２１の容積が増大し、一方、第２のチャンバー２２の容積は減少する。これは、底部から上端へと再生器９を経て流体を押し出し、その過程でそれを加熱する。圧力Ｐｗが付随的に増大する。
ステップＢ
圧力Ｐｗが一定値を超えたとき、出口バルブ４７ａが開き、圧力Ｐｗは圧縮された流体排出圧力Ｐ２で落ち着き、そして流体は出口において排出される（当然ながら入口バルブ４６ａはこの時間の間、閉じたままである）。これは、ピストンが底部停止点に到達するまで続く。
ステップＣ
ピストンは、いま、底部から上方に移動しており、第２のチャンバーの容積が増大し、一方、第１のチャンバーの容積は減少する。これは、上端から下端へと再生器９を経て流体を押し出し、その過程でそれを冷却する。圧力Ｐｗが付随的に減少する。上方移動が始まると出口バルブ４７ａが閉じる。
ステップＤ
圧力Ｐｗが一定値を下回ると、入口バルブ４６ａが開き、圧力Ｐｗは流体取り込み圧力Ｐ１で落ち着き、流体は入口４６を経て引き込まれる（当然ながら出口バルブ４７ａは、この時間の間、閉じたままである）。これはピストンが上端停止位置に到達するまで続く。ピストンがその下降を開始したとき入口バルブ４６ａは閉じる。
【００８６】
ロッド８の移動は、補助チャンバー２３内に配置された適切な駆動デバイスによって制御することができる。図示の例では、ロッドの一端部に作用する自己駆動デバイス４が存在する。この自己駆動デバイス４は、フライホイール４２と、回動接続、例えばころ軸受４３によってフライホイールに連結された連結ロッド４１とを備える。連結ロッド４１は、別の回動接続、例えばころ軸受４４によってロッドに対して連結される。
【００８７】
図示の例では、自己駆動デバイス４は、Ｐａで表す圧力でガス状作動流体が充填された補助チャンバー２３内に収容される。シーリングリング１８が、第２のチャンバー２２と補助チャンバーとの間に介在される。デバイス２３の動作中、補助チャンバー２３内の圧力Ｐａは、最小値Ｐ１および最大値Ｐ２圧力の合計の半分にほぼ等しい平均圧力に収束する。デバイスがある時間だけ停止した場合、補助チャンバー内の圧力Ｐａは、第２のチャンバー２２内の圧力と等しくなる。実際、リング１８とロッド８との間の２ないし２０μｍの機能クリアランスによって、非常に僅かな漏れは長期的に圧力差を維持することを可能としないが、動的モードでは、この非常に僅かな漏れは動作に影響を与えることはなく、無視される。
【００８８】
フライホイールが１回転するとき、ピストンは、直径Ｄ１を乗じた、最高点と最低点との間の距離に対応する体積を掃引する。
【００８９】
ロッドの直径Ｄ２は、ピストンに作用する圧力が（Ｐｗ−Ｐａ）×Ｄ２であるように、ピストンの直径Ｄ１の４分の１よりも大きなものである。
【００９０】
熱力学サイクルは、図８に示すように、自己駆動デバイスに正の仕事を提供する。
【００９１】
図８に示すように、ピストンに作用する力は、ステップＡ，Ｂの間にフライホイールにエネルギーを与え、一方、ステップＣ，Ｄにおいてピストントレインにパワーを供給するのはフライホイールであり、ピストンが常に最小残存摩擦あるいは転がり抵抗に打ち勝つ必要があることが分かる。完全なサイクルによって提供される仕事は正のバランスを持っている。その結果、ピストン７の往復運動は、当該駆動システム４によって自己維持できる。
【００９２】
自己駆動仕事はロッドの断面に比例し、したがってロッドの断面は十分な仕事を発生させるように選択される。例えば、ピストンの直径Ｄ１の少なくとも４分の１である直径Ｄ２が選択される。
【００９３】
電気モーター（図示せず）が、本実施例では磁気的手段により、フライホイールと結合される。このモーターは、サイクルを開始するための最初のプッシュを提供する。モーターはまた、定常状態時に、サイクル速度を調節するのに役立つ。モーターとフライホイールとの間の磁気結合は、回転ジョイントの問題および関連する潜在的な漏れを排除する。
【００９４】
さらに、有利なことに、図１０に示される任意の態様によれば、付加的な複動弾性復帰４５が存在し、これは上記ロッド・フライホイールアセンブリと並列に動作する。例えば、これは、交互に引っ張られかつ圧縮されると共にサイクルの中間点で力を加えないように選択される静止長さを有するスプリングから形成されてもよい。
【００９５】
弾性復帰手段は、周期的に、エネルギーを蓄え、そして戻す。
【００９６】
代替的に、拮抗的に働きかつサイクルの中間段階でバランスのとれた力を加える二つのスプリングが存在してもよい。
【００９７】
有利なことに、ロッド・フライホイールアセンブリへの力が低減される。なぜなら、力の一部が弾性復帰システムによって支持されるからである。
【００９８】
したがって、より正確に軸受４３，４４を寸法設定できるが、これは、駆動機構の最適化ならびにメンテナンスの必要性の排除に寄与する。
【００９９】
伝導による熱伝達を最小にするために、ピストンは、特に図１１に示されるように、二つの部分、すなわち上述したような非常に正確な幾何学的特性を備えたベース７１（特にエッジ７３）と、僅かな熱伝導率しか提供しない材料からなるか、あるいは断熱材で区切られたいくつかの層として形成されたヘッド７２とから構成される。
【０１００】
さらに、ロッド８は、冷却されたガス状流体の流れを偏向させるバッフルデバイス１４によって冷却される。このデバイスは、ロッド８に対して冷却されたガス状流体が打ち寄せ、そしてそれを冷却するように、流体を案内する。
【０１０１】
バッフル１４は、ロッドの直径Ｄ２よりもわずかに大きな直径の中心孔を有する外径Ｄ１のディスクの形態であり（図２参照）、これによって通路１４ａを形成するが、これによって低温作動流体はロッド８に対して打ち寄せ、それを冷却する。
【０１０２】
チャネルは、下側構造部１１、つまり第１のハウジングまたは「クーラー」に機械加工された穿孔として作成される。好ましくは、第１のハウジングは、図３および図５に示すように中実な単一部品である。
【０１０３】
ガス状作動流体の低温チャネル２６は、軸方向Ｘに対して平行に延びる穿孔１６によって、この位置に形成され、かつ、第２のチャンバーの周りで互いに円周方向に隣接して配置される。上記穿孔１６は、入口４６および出口４７に対する接続部の直径に沿った領域に、小径の穿孔６７および大径の穿孔６６を備える。
【０１０４】
さらに、低温源からカップリング流体を輸送する第１の補助低温チャネル５１は、軸方向と平行に延在し、かつ、フランジ１０の孔１６０に面した四角内に配置される。さらに、別な第２の補助低温チャネル５２は軸方向に対して垂直にＹ１に沿って延び、そしてそれらに接続することにより第１の補助低温チャネル５１のためのマニホールドとして機能する（図５参照）。さらに、別な第２の補助低温チャネル５３は、ＸおよびＹ１に対して垂直にＹ２に沿って延びる。
【０１０５】
第１の補助低温チャネル５１および第２の補助低温チャネル５２もまた、第１のハウジング１１によって形成された中実部分を貫通する穿孔によって作成される。
【０１０６】
さらに、低温チャンバーは、ピストンの直径Ｄよりも大きな直径の下側溝５５を備えるが、これは、第２のチャンバー２２の底部６５との連通状態で上記低温チャネル２６を配置するために、低温チャネル２６（穿孔１６）のためのマニホールド２６として機能する（図２および図３を参照）。
【０１０７】
さらに、図９に示される別の解決策によれば、第１の補助低温チャネル５７，５８の全ては軸方向に対して直交する穿孔によって得られる。穿孔の第１の列５７は、Ｙ２に沿って、一方が他方の上に存在するように、そして穿孔１６が配置される円を貫通して配置される。穿孔の第２の列５８もまた、Ｙ１に沿って一方が他方の上に存在するように、第１の列の穿孔５７と交差し、それと流体連通状態で、そしてやはり穿孔１６が配置される円を貫通して配置される。この変形例は、そうした中実部品も工業生産において、そしてその機械加工においてある利益をもたらす。
【０１０８】
チェックバルブ４６ａ，４７ａは、圧縮機において一般的に使用されるいかなるタイプのものであってもよく、必ずしも入口および出口４６，４７の近くには配置されないことに留意されたい。
【０１０９】
デバイスの構成は逆転することが、すなわち上部に低温部分を、そして底部に高温部分を持つようにできることに留意されたい。だが、垂直構成は、デバイスの半径方向に関する、にロッドの案内およびピストンの案内および摩擦の排除に関する重力の影響を排除することを理解されたい。
【０１１０】
圧縮のレベルを増大させるために、上述した複数の圧縮デバイスを直列に配置することが可能であることに留意されたい。
【０１１１】
第１のハウジングと第２のハウジングとの間の境界は異なる位置に配置されてもよいことに留意されたい。
【０１１２】
断熱スリーブ３７は、第１および第２のハウジング間に介在させられた特別な部品によって形成されてもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１  デバイス
２  作動エンクロージャ
２ｂ  下側端部
２ｈ  上側端部
３  直線案内システム
４  自己駆動デバイス
５  低温源
６  熱源
７  可動ピストン
８  可動ロッド
９  再生式熱交換器
９ａ  高温側
９ｂ  低温側
１０  フランジ
１１  第１のハウジング
１１ａ  第１の補強フランジ
１１ｂ  第２の補強フランジ
１２  第２のハウジング
１２ａ  軸方向孔
１３  補助ハウジング
１４  バッフルデバイス
１４ａ  通路
１５  カラー
１６  穿孔
１７  円筒状ソケット
１８  円筒状シーリングリング
２１  第１のチャンバー
２２  第２のチャンバー
２３  補助チャンバー
２４  開口
２５  熱伝達チャネル
２６  マニホールド
２７  低温チャネル
２８  熱伝達チャネル
３０  円筒形シース
３１  ローラー
３５  第１の熱シールド
３６  補助熱シールド
３７  断熱スリーブ
３８  リセス
３９  放射状壁
４１  連結ロッド
４２  フライホイール
４３  軸受
４４  軸受
４５  複動弾性復帰
４６  入口
４６ａ  チェックバルブ
４７  出口
４７ａ  チェックバルブ
５０  円筒状スリーブ
５１  第１の補助低温チャネル
５２  第２の補助低温チャネル
５３  第２の補助低温チャネル
５５  下側溝
５７  穿孔の第１の列
５８  穿孔の第２の列
６５  底部
６６  穿孔
６７  穿孔
７１  ベース
７２  ヘッド
７３  外側エッジ
７４  外側エッジ
７８  可動アセンブリ
８７  システム
１１０  孔
１１２  孔
１６０  孔
【図１】
2018141623.tif 000003
【図２】
2018141623.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018141623.tif 000009
【図８】
2018141623.tif 000010
【図９】
2018141623.tif 000011
【図１０】
2018141623.tif 000012
【図１１】
2018141623.tif 000013
【図１２】
2018141623.tif 000014
【外国語明細書】
2018141623000001.pdf