(57)【要約】ハウジングにおいて室を囲む熱機関は、異なる温度に維持される２つの領域を有する。第１の領域は、外部パワー源から熱エネルギを受ける。第２の領域は、室を満たす流体（例えば、空気、水または他のいかなるガスまたは液体）が２つの領域の間で循環することができるように、２つの導管によって熱領域に連結される。熱領域における流体の膨張および冷領域における流体の圧縮は、パワー出力を提供するためハウジングの回転を駆動する。流体は、効率を向上させるために加圧される可能性がある。固定された貯蔵部において提供される冷却流体は、熱領域および冷領域間の好適な動作温度差を維持する。高い熱容量を有する流体を含む熱蓄積構造は、蓄熱器として提供される。【選択図】図１
2008516147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記熱機関の動作の間、前記第１の領域および前記第２の領域が温度差を有し、前記第１の領域および前記第２の領域の間で循環する作動流体に浸される第１の領域、第２の領域を有する室を含むハウジング；および、前記タービンの第１の部分は前記室に位置し、前記複数の表面の上の前記作動流体の前記運動は、前記タービンを回転運動するように駆動させ、前記室の前記流体経路において複数の表面を有するタービンからなる熱機関。
【請求項２】
請求項１に記載の熱機関であって、タービンの前記第１部分は、前記第１の領域および前記第２の領域の間に位置する熱機関。
【請求項３】
請求項１に記載の熱機関であって、タービンの前記第１の部分は、構造的に前記室に適応し、移動するように前記ハウジングを駆動する熱機関。
【請求項４】
請求項１に記載の熱機関であって、タービンの前記第１の部分は、前記作動流体を循環させるため前記ハウジングに取り付けられる構造によって規定される複数の通路を形成する熱機関。
【請求項５】
請求項１に記載の熱機関であって、前記タービンは、前記室の外側で熱源または冷却源へのアクセスを提供するブレードの第２の集合からなる熱機関。
【請求項６】
請求項１に記載の熱機関であって、更に前記タービンの前記回転運動が、前記回転構造に前記エンジンへ冷却流体を引かせるようなねじ通路を有する回転部を含む冷却装置からなる熱機関。
【請求項７】
請求項１に記載の熱機関であって、前記エンジンの動作の間、前記作動流体に第２の熱的なエネルギ源を提供する前記室の範囲内の熱蓄積構造からなる熱機関。
【請求項８】
熱機関を提供するための方法であって、前記熱機関の動作の間、前記第１の領域および前記第２の領域は温度差を有し、前記第１の領域および前記第２の領域の間で循環する作動流体に浸る第１の領域および第２の領域を有する室を含むハウジングの提供；および、前記タービンの第１の部分は前記室に位置し、前記複数の表面の上の前記作動流体の前記運動は、前記タービンが回転運動するように駆動し、前記室の前記流体経路において複数の表面を有するタービンのていきょう；からなる熱機関の提供方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、タービンの前記第１の部分の提供は、前記第１の領域および前記第２の領域間に位置する方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、タービンの前記第１の部分の提供は、構造的に前記室に適応し、前記ハウジングを動くように駆動する方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法であって、タービンの前記第１の部分の提供は、前記作動流体を循環させるために前記ハウジングに取り付けられる構造によって規定される複数の通路を形成する方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の方法であって、前記タービンの提供は、前記室の外側の熱源または冷却源へのアクセスを提供するブレードの第２の集合からなる方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の方法であって、更に前記タービンの前記回転運動が、前記回転構造に前記エンジンへ冷却流体を引かせるようなねじ通路を有する回転部分を含む冷却装置からなる方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の方法であって、前記エンジンの動作の間、前記室内に前記作動流体に熱を提供する熱蓄積構造を提供することからなる方法。
【請求項１５】
作動流体を含む室を含み、温度差を有して維持される第１の領域および第２の領域を有するハウジング；熱を移動させる前記室の範囲内の第１の熱的な構造；および、前記温度差を維持するために適応する第２の熱的な構造からなる熱機関。
【請求項１６】
請求項１５に記載の熱機関であって、前記第１の熱的な構造は、伝導通路を通じて前記第１の熱的な蓄積構造および外部の熱源の間で熱伝達を実行する熱機関。
【請求項１７】
請求項１５に記載の熱機関であって、前記第１の熱的な構造は、蓄熱装置からなる熱機関。
【請求項１８】
熱機関を提供するための方法であって、作動流体を含む室を含み、温度差を有して維持される第１の領域および第２の領域を有するハウジングの提供；および熱を移動させる前記室の範囲内での第１の熱的な構造の提供；前記温度差を維持するために適応した第２の熱的な構造の提供からなる方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の熱機関であって、前記第１の熱的な構造の提供は、伝導通路を通じて前記第１の熱的な蓄積構造および外部の熱源間の熱伝達を実行する熱機関。
【請求項２０】
前記第１の領域および前記第２の領域間で妨げられずに循環する作動流体に浸される温度差を有する第１の領域および第２の領域を有する室を囲むハウジング；いくつかの前記構造は、前記作動流体をサイクロンのような経路で流れさせるために前記室に位置し、前記領域は前記作動流体と接触する表面を有し、前記室に露出される前記ハウジングの前記部分に取り付けられる複数の構造からなる、熱機関。
【請求項２１】
請求項２０に記載の熱機関であって、ドラフトは、前記第１の領域から前記第２の領域への前記作動流体の速度を向上させる熱機関。
【請求項２２】
請求項２０に記載の熱機関であって、１つのサイクルにおける前記第１の領域へ戻る前記作動流体の前記推進力は、次のサイクルにおける前記作動流体の前記推進力を増加させる熱機関。
【請求項２３】
熱機関を提供するための方法であって、前記第１の領域および前記第２の領域間で妨げられずに循環する作動流体に浸され、温度差を有する第１の領域および第２の領域を有する室を囲むハウジングの提供；および、いくつかの前記構造は、前記作動流体をサイクロンのような経路で流れさせるために前記室に位置し、前記領域は前記作動流体と接触する表面を有し、前記室に露出する前記ハウジングの前記部分に取り付けられる複数の構造の提供からなる方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、前記第１の領域から前記第２の領域への前記作動流体の速度を向上させるためにドラフトを提供するような方法。
【請求項２５】
請求項２３に記載の方法であって、１つのサイクルにおける前記第１の領域へ戻る前記作動流体の前記推進力の提供は、次のサイクルにおける前記作動流体の前記推進力を増加させる方法。
【請求項２６】
流体ベースの熱交換器を有する回転熱機関であって、流体貯蔵部；および、前記構造は、前記回転エンジンの前記回転運動が、前記流体貯蔵部からの流体流の前記速度を決定するように構造的に前記回転エンジンのハウジングに適応し、流体流のためのねじ通路を含む構造からなる熱機関。
【請求項２７】
流体ベースの熱交換器を有する回転熱機関を提供するための方法であって、流体貯蔵部の提供；および、前記構造は、前記回転エンジンの前記回転運動が、前記流体貯蔵部からの流体流の前記速度を決定するように構造的に前記回転エンジンのハウジングに適応し、流体流のためのねじ通路を含む構造の提供からなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置の設計および使用へのスターリング・エンジンの原理の適用に関する。特に、本発明は、例えば機械動力を生成するような動力生成のためのスターリング・エンジンの原理の適用に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング・エンジンは、異なる温度の領域の間で流れる熱エネルギを有用な作業に転換することによって作動する熱機関である。典型的なスターリング・エンジンは、一組のピストンの調整された往復運動の動作を駆動するために熱エネルギを使用する。ピストンの運動は、機構またはジェネレータを駆動する。また、回転運動する熱機関も公知である。回転運動するスターリング・エンジンの数多くの設計は、米国特許Ｎｏ．６，１９５，９９２、３，９８４，９８１および５，３２５，６７１を含む従来技術で見つけることができる。従来技術においては、スターリング・エンジン作動のための可動部品は、ハウジングに入れられ、外部の機構を駆動するため、機械的に外部の部分に（例えば、駆動軸によって）連結される。このような配置における高効率は、ハウジングが密封されるように閉じられることを必要とする。密封の失敗は、エンジンの破損を導く。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、スターリング・エンジン原理に基づいた方法およびロータリーエンジンを提供する。本発明の一実施例によれば、ロータリーエンジンのハウジングは、ハウジングの室の範囲内における異なる温度の２つの領域間の流体流の結果として、回転する。それゆえに、ハウジングの回転運動のトルクは、ハウジングの外側に連結される駆動軸またはギア構造を通じて機構（例えばジェネレータ）を駆動するために使用される可能性がある。従来技術とは異なって、この配置の下で、本発明のロータリーエンジンは、ハウジングを密封する際の漏れに起因する失敗に影響されにくい。
本発明の一実施例によれば、室の熱領域は熱源からのエネルギによって加熱され、冷却装置は冷領域を熱領域よりも低い温度で維持する。冷却流体は、冷却流体の固定された外部の貯蔵部から引かれる可能性がある。一実施例において、ハウジングの回転運動は、冷却流体を引くために使用される可能性がある。この実施例では、ロータリーエンジンに引かれる冷却流体の容積は、順番にロータリーエンジンのパワー出力によって決定される可能性がある回転運動の角速度次第である。自己制御式冷却装置はその結果、達成されることができる。外部の駆動軸（または外歯車構造）が取り付けられることになっている位置で、ハウジングを補強するために使用される構造は、ねじ通路を含む可能性がある。この実施例では、所望の温度範囲内に冷領域を維持するように、冷領域周辺（例えば、冷領域に当接している絶縁体層、流体ガイド構造、または冷領域およびハウジング間の領域）で広がる通路を通じて、回転するねじ通路は、冷却流体をハウジングに付勢する。
本発明の熱機関のタービンは、ハウジングの熱領域または冷領域の内径面上のいかなる適切な場所においても位置する可能性があるが、ハウジングに回転運動を提供するためにハウジングに連結され、ロータリーエンジンの出力パワーを提供するため、駆動軸またはギア構造を直接駆動する必要はない。ロータリーエンジンの室は、圧縮可能な作動流体（例えば空気）で満たされる可能性がある。流体ガイドは、圧縮可能な作動流体の流動を好適な方向に高い効率を提供する流動速度で導くため、室の範囲内で提供される可能性がある。流体ガイドはまた、構造上のまたは機械的なサポートを室に提供する可能性がある。したがって、熱機関の設計は、熱領域、冷領域またはその両方への流体ガイドを通じて冷却供給源または加熱供給源から流体を流動させることによってハウジング１０１内部で作動流体温度を調整する方法を提供する。これはまた、熱供給源または放熱器を変えずにエンジンのパワー出力を調整するための方法を提供する。
一実施例において、一方向のバルブは、熱領域の作動流体が冷領域に逆流するのを妨げるように、熱領域および冷領域の間で提供される可能性がある。
他の一実施例において、熱源から熱領域までの熱伝達の効率を増加させるため、金属のメッシュが熱領域において提供される。熱蓄積構造もまた、エンジン・サイクルの間のロータリーエンジンのパワー出力において変動している熱源のインパクトを最小化するため、または二次的な熱源を熱機関に提供するために提供されることができる。特定の高い熱容量流体または熱蓄積流体が、熱蓄積構造において使われることができる。熱蓄積は、異なるエネルギ要求の時間の間にエネルギ製造または出力要求を等化するために使用される可能性がある。
一実施例において、所定の動作状態（例えば所定の温度）に達した後、導電プレートは熱領域を接触させるために搭載されたばねによって付勢される。
本発明は、以下の詳細な説明および添付の図面を考慮して、よりよく理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
本発明は、熱源からの熱エネルギを機械エネルギに転換するためにスターリング・エンジン原理の下で作動する熱機関を提供する。機械的なエネルギは、有用な作業を実行するため、機構およびジェネレータを駆動するために連結されることができる。適切な熱源の例は、ソーラー、地熱、化石、埋め立て、再生されたまたは別の燃料を含む。
図１は、本発明の一実施例によると、冷却流体貯蔵部１０７を含む熱機関１００の横断面図を示す。図１に示すように、熱機関１００は囲いまたはハウジング１０１に入れられる室１１０を含む。動作中に熱源がハウジング１０１の上面１０１ａに付随して提供される場合、室１１０の範囲内において温度差が「熱領域」１１０ａおよび「冷領域」１１０ｂの間に存在する。本発明は、以下に記載する方法において‘Ｙ’で示される軸の周りでハウジング１０１を回転させるためにこの温度差を活用する。エンジン・ハウジングが動作の間、回転し、作業流体の空間は通路、室および回転パワー出力装置間の孔または接合なしで室に入れられるので、エンジン作動流体は、外部の発電ギアまたは機械的な装置から分離される。それゆえに、特別な封孔処理は必要とされない。
回転運動の回転駆動軸１０９は、外部の機械的な装置の運動を駆動するために使用される可能性がある。図１に示すように、駆動軸１０９は熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂの間の横断面領域または平面に対して本質的に垂直である。別の適切な構造を使用して、回転パワー出力もまた、達成されることができる（例えばギア構造；このような構造は、ハウジング１０１の外側のどこでも位置する、またはハウジング１０１の外壁に構築される可能性がある）。本発明の一実施例によれば、駆動軸１０９は部分的に回転構造１１１で覆われ、冷却貯蔵部１０７を越えて延長する。代替的に、駆動軸１０９はまた、ハウジング１０１の天板１０１ａに連結される可能性がある。したがって、熱機関の設計は、熱領域、冷領域またはその両方への流体ガイドを通じて冷却供給源または熱源から流体を作動させることによって、ハウジング１０１内部での作動流体の温度を調整する方法を提供する。これもまた、熱源または放熱器を変えずにエンジンのパワー出力を調整する方法を提供する。
【０００５】
図１の図示された実施例において、冷却機構は、熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂ間の温度差を維持するために提供される。この温度差はハウジング１０１の回転運動を駆動し、したがって出力パワーを提供する。冷却機構は、冷領域１１０ｂおよび熱領域間の１１０ａ温度差維持するまたは増加させるため、冷却貯蔵部１０７、冷領域１１０ｂ、空間５０８および絶縁体層１０４の間で循環する冷却流体を含んでいる冷却貯蔵部１０７を含む。貯蔵部カバー１１５は、冷却流体の流出および過剰な蒸着を妨げるため、ハウジング１０１および冷却貯蔵部１０７の間で提供される。この詳細な説明において、「熱い」および「冷たい」という用語は、相対的なものである。十分な温度差が熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂの間にある限り、熱機関１００は作動する。
ハウジング１０１内に入れられた要素は、それぞれ、「等積拡大された」側面図および「等積拡大された」斜視図において熱機関１００を示す図２および３と共によりよく図示される。ハウジング１０１の外側の側壁は、示される室１１０の範囲内で熱機関１００の内部構造を可能にするため、図２および３において省略される。図１、２および３に示すように、天板１０１ａおよび下方板１０１ｂはそれぞれ、ハウジング１０１の上部外壁および底部外壁である。本実施例において、熱源（例えば太陽エネルギ）は、天板１０１ａに投射される。以下に記載するように、冷却貯蔵部１０７の冷却流体は、絶縁体層１０４および取付板１０１ｂ間の領域を低温に維持する。熱源および冷却流体の結合された動作は、図１、２および３に示すように熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂを作成する。本実施例において、冷領域１１０ｂは、温度調整を達成するために冷却流体が流れる可能性があるディスク１０８および下方板１０１ｂ間で空間５０８を作成するため、ディスク１０８によって下方板１０１ｂから切り離される。（この記述において、図２の上下の部分は、単にこの詳細な説明の参照を容易にするためにのみ、それぞれ「上部」および「底部」と分類される。本発明の熱機関の動作は、その物理的な配向によって制限されない。）図２および３において、熱機関１００は、熱機関１００の要素間の分離は、図解する目的のために垂直方向において誇張される意味において「分解」図で示される。一実施例において、ディスク１０８は、ハウジング１０１の下方板に隣接して提供され、このことにより、下方板１０１ｂから冷領域１１０ｂを分離する。下方板１０１ｂはディスク１０８を囲み、温度調整を達成するために、冷却流体が流れる可能性がある空間５０８を作成する。ディスク１０８は、ハウジング１０１の底部として示すことができ、下方板１０１ｂは、ハウジング１０１の底部周辺の周囲の囲いとして示すことができ、そのように空間５０８は形成される。
【０００６】
熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂは下記に詳述される絶縁体層１０４によって互いに絶縁される。最適に配置された支持構造物は、ハウジング１０１内部における機械的な支持のため、熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂの全体にわたって提供される可能性がある。例えば、このような支持構造物は、ポスト、支柱、梁および柱を含む可能性がある。熱電子および熱電対装置は、同様に絶縁体層１０４の範囲内で提供される可能性がある。このような装置は、上記の参照に組み込まれる出願中の特許出願において検討されるようにパワー出力を提供するために使用される可能性がある。本実施例において、分離構造１０５は、熱領域１１０ａおよび絶縁体層１０４の間でさらに間に入れられる。流体は、中心の開いた軸１１３および空間１２１を通じて熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂの間で流れる。空間１２１は、流体ガイド構造１０６、分離構造１０５、絶縁体層１０４、回転構造１１１およびハウジング１０１の外壁間のすべての空間を含む。分離構造１０５は下記に詳述される任意の蓄積構造である。室１１０は、所望の流体密度および機械的な、空力のおよび熱的な特性を達成するため、空気、他の流体または流体の混合物であってもよい圧縮可能な作動流体で満たされる。作動流体は、加圧される可能性がある。
熱機関１００は、ハウジング１０１の内部の壁の表面に位置する可能性があるタービン構造によって受容される熱エネルギを集める。例えば、このような場所は、空間１２１、熱領域１１０ａおよび冷領域の中で１１０ｂを含む可能性がある。タービン構造はまた、熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂ間の内部構造の表面に位置する可能性がある。例えば、このような場所は、空間１２１の中、および中心の開いた軸１１３の範囲内を含む可能性がある。タービン構造は、トルクがハウジング１０１の所望の回転運動のために生成されることができるいかなる適切な場所においても位置する可能性がある。タービン構造もまた、ハウジング１０１の内部の壁に構築される可能性がある。これらのタービン構造は、作動流体の膨張および圧縮から最大の急増する動力を抽出するように作動流体速度および圧力を制御し、回転運動のためのトルクを作成するため、作動流体を導くように設計された流体ガイドまたはブレードの１つまたはそれ以上の集合を含む可能性がある。一実施例において、タービン構造の各々の流体ガイドは、ハウジング１０１の回転の間の作動流体と関連して好ましくは所定の角度を維持する。タービン構造は、熱機関１００の用途次第でいかなる適切なサイズもまたは材料であってもよい。
本発明の一実施例によれば、熱機関１００は、本願明細書において熱領域１１０ａにおいて流体ガイド構造１０６として称されるタービン構造を含む。図４は、天板１０１ａの下の熱い領域１１０ａの上面図である。図４に示すように、熱機関１００は、プレート４０１、１１４‐１から１１４‐ｍまで番号付けされる流体ガイド１１４の第１の集合、および、１１２‐１から１１２‐ｎまで番号付けされる流体ガイド１１２の第２の集合を含む流体ガイド構造１０６を含む。ここで、ｎおよびｍは整数である。プレート４０１は、熱機関１００の構造次第である分離構造１０５または絶縁体層１０４の天板であってもよい。流体ガイド１１２および１１４は、協力してまたは別々に作用するように設計され、熱源または放熱器として余熱移送表面として機能する可能性がある。流体ガイド１１２および１１４は、熱機関１００の用途次第でいかなる適切なサイズ、湾曲または、いかなる材料であってもよい。一般に、１１２‐１から１１２‐ｎまでの流体ガイドは、熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂ（空間１２１および中心の開いた軸１１３の範囲内で）間のいかなる構造に取り付けられてもよい。流体ガイド１１２‐１から１１２‐ｎはまた、ハウジング１０１の内部の壁に取り付けられる可能性がある。一実施例において、１１２‐１から１１２‐ｎまでの流体ガイドはハウジング１０１に取り付けられ、図４に示すように空間１２１のプレート４０１の周辺部周辺で一般に配置される。流体ガイド１１２はまた、プレート４０１、流体ガイド構造１０６、分離構造１０５にまたは絶縁体層１０４に取り付けられる可能性がある。流体ガイド１１２は、空体力学の設計を有する可能性がある。空体力学の設計において、表面に沿った異なる速度の流体流として、圧力差が、流体ガイドの２つの表面の間で作成される。一実施例において、各々の流体ガイドは、流体ガイドの１つの側面が別のものより大きい横断面を有するように丸みのある輪郭が提供され、このことにより、ハウジング１０１の回転運動を提供するトルクを作成する。
上記のように、流体ガイド１１２−１から１１２−ｎは、各々の流体ガイド１１２のすぐ近くで作動流体の流れの向きと関連して所定の角度を維持するように設計されている。動作中、熱が熱領域１１０ａにおいて蓄積するので、ハウジング１０１を回転させるトルクを作成するため、熱領域１１０ａの膨張している作動流体は、流体ガイドの集合１１２を押す。熱い領域１１０ａの作動流体は、中心の開いた軸１１３の上の空間から放射状に外側に流れ、環状の空間１２１を通じて冷たい領域１１０ｂに流れる。代替的に、流体ガイド１１２は、例えば、絶縁体層１０４への冷却装置の通路、絶縁体層１０４、分離構造１０５、一方向のバルブ８０１および流体ガイド構造１０６のように中心の開いた軸１１３の範囲内で構造に取り付けられる可能性がある。
【０００７】
タービンを形成するため、駆動軸を有する流体ガイド構造１０６の流体ガイド１１２を使用する一例は、上記の参照によって組み込まれる出願中の特許出願において開示される。回転流体ガイド構造１０６によって作成されるトルクは、ハウジング１０１が流体ガイド構造１０６と一体的に回転するように回転構造１１１（およびしたがって駆動軸１０９）にハウジング１０１の外壁を通じて伝達される。各々の流体ガイド１１２上の非対称の表面積は必要でないが、いくつかの用途においては、例えば所定の方向の運動での始動の容易さのような利点を提供する可能性がある。流体ガイド１１２は、熱伝達のための大きい表面積を提供する可能性がある。したがって、効率を向上させるため、熱機関１００は体積比に対し高い表面を有する。流体ガイド１１２−１から１１２−ｎもまた、トルク生成を最大化するように、好適な角度で作動流体流を制御するため、流体ガイドとして使われることができる。
流体ガイド１１４‐１から１１４‐ｍは、好適な回転力を達成するため、流体ガイド１１２の方へ好適な角度において作動流体を導く。流体ガイド１１４-１から１１４‐ｍは、天板１０１ａおよび分離構造１０５間の支持を提供するための支持構造として形成される可能性がある。流体ガイド１１４‐１および１１４‐ｍが、流体ガイド１１２の設計を収容するのに使われる可能性がある。流体ガイド１１４‐１および１１４‐ｍは、余熱面または冷却面を熱伝達に提供するように熱的な特性を有する可能性がある。流体ガイド１１４‐１および１１４‐ｍはまた、作動流体循環のための通路を形成する、または作動流体圧力を制御するために使用される可能性がある。流体ガイド１１４‐１および１１４‐ｍは、エンジン室の外側の熱または冷却供給源のアクセスとして使われる可能性がある。したがって、熱機関の設計は、熱領域、冷領域または両方への流体ガイドを通じて冷却供給源または熱源から流体に作動させることによって、ハウジング１０１内部で作動流体温度を調整する方法を提供する。これはまた、熱源または放熱器を変えずにエンジンのパワー出力を調整する方法を提供する。流体ガイド１１４‐１から１１４‐ｍは、作動流体容積成型、または、作動流体経路の範囲内で変化する別の流体特性を提供して、作動流体の動きを向上させる可能性がある。例えば、このような特性は、作動流体速度、方向および容積を含む可能性がある。本実施例において示されていないが、流体ガイドの対応している集合を有する類似した流体ガイド構造もまた、作動流体の戻り経路を形成するため、冷たい領域１１０ｂにおいて提供される可能性がある。代替的に、冷たい領域１１０ｂにおける流体ガイド構造は、異なる設計目的を達成するため、異なる構造（例えば、異なる機能を実行する異なる材料、異なって形成された流体ガイド、）において提供される可能性がある。流体ガイド１１４‐１から１１４‐ｍは、ハウジング１０１を所定の方向において回転させるトルクを作成しているタービン構造を助けるブレードとして、成形され、使われる可能性がある。流体ガイド１１４‐１から１１４‐ｍは、用途の必要条件次第で室１１０の範囲内でどこにでも配置される可能性がある。流体ガイド構造１０６は、タービン構造の一部として考えられる可能性がある。
他の実施例によると、流体形成器は、流体または制御流体容積を案内するため、作動流体経路の範囲内で使われる可能性がある。例えば、流体形成器は、円錐、電鈴および漏斗を含む可能性がある。流体形成器は、固体または中空である可能性がある。
流体形成器は、ハウジング１０１の内部の壁上またはそれに組み込まれる可能性がある。流体形成器は、作動流体空間の中の２つの特定の領域間の中間の空間、または作動流体経路の特定の領域の範囲内の１つまたはそれ以上の位置で実行される可能性がある。例えば、作動流体空間の例は、熱領域１１０ａ、冷領域１１０ｂ、中心の開いた軸１１３および空間１２１を含む可能性がある。立体の円錐の形状の流体形成器を使用する例は、図１および図２において示される。そこで、ディスク１０８は中心の開いた軸１１３の方へ延長し、ハウジング１０１の範囲内で円錐の形状の流体形成器２００を形成する部分を有する。また、流体形成器２００は冷領域１１０ｂおよび空間５０７の間で位置し、熱領域１１０ａの方へ作動流体を案内するために使用され、流体流運動の方向を維持するのを援助する可能性がある。流体形成器２００は、流体経路の一部を狭くすることによって作動流体の速度を変える可能性がある。一例では、冷領域１１０ｂから中心の開いた軸１１３に入る作動流体容積を制御するため流体形成器２００を使用する。流体形成器２００および中心の開いた軸１１３の開口部の間の作動流体空間が小さいほど、作動流体はより速く流れる。熱領域１１０ａに向かいより小さい端を有する中心の開いた軸１１３内の漏斗流体ブロックは、内部の作動流体速度を増加させることができる。中心の作動流体出口が軸１１３を開けるまたは作動流体が熱い領域１１０ａに入るところで流体形成器２００が使われる可能性があり、作動流体容積を減少させ、このことにより、作動流体の加速を提供する。流体形成器は、異なる設計目的を達成するため、いかなる適切な材料、形状または機能において提供される可能性がある。流体形成器は、空体力学の設計を有する可能性がある。
【０００８】
熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂの間に相当な温度差が存在する場合、作動流体（図１の流れ曲線１２２によって示される）の循環は、確立される。この循環において、作動流体は、円形の運動において、熱領域１１０ａでさらに、放射状に外側に流れ、空間１２１を通って、冷たい領域１１０ｂに（すなわち下方への螺旋形の運動）入り、円形の運動において、冷領域１１０ｂで放射状に内部に流れ、および開いた軸１１３で熱い領域１１０ａに（すなわち、上方への螺旋形の運動で）戻る。熱い作動流体が冷領域１１０ｂの方へ循環運動で移動するので、それは、冷たい領域の中央において低圧または圧力の低下を生じる。冷作動流体は引かれ、循環運動において熱領域で上昇する可能性がある。各々の領域の流体流は、したがってハリケーンまたはサイクロン（すなわち、「サイクロンに似た」）の流体の運動に類似している。熱領域において、上昇気流は、作動流体が加熱されると、末端部に向かい外側に螺旋形になり冷領域から強く作動流体を引く。末端部において、強い下降気流は冷領域に作動流体を引き、ここで、それから低い圧点に向かい内側で螺旋形になり、またここで、それは熱領域の中へ戻るように引かれる。
作動流体の流動は、渦巻き運動および渦を有する流動を有する。作業流動は連続的な力を出し、タービン構造上に推進力を伝える。作動流体の循環が対流的な垂直の循環であるので、渦巻き運動は、ほとんど水平である。冷領域１１０ｂから熱領域１１０ａへの作動流体の流動は、回転する上昇気流である。同様に、熱領域１１０ａから冷領域１１０ｂへの作動流体の流動は、回転する下降気流である。作動流体の推進力はエンジン・サイクルの間、連続的に維持される。ここで、熱い作動流体は冷たい作動流体に合流する。作動流体は、各々のエンジン・サイクルの間、それぞれの領域において連続的に加熱、膨張、冷却および収縮する。それゆえに、完全なエンジン・サイクルおよび完全な作動流体経路は、室１１０の範囲内で提供される。エンジン・サイクルの間、作動流体は、タービン構造のすべての流体ガイドまたはブレード上に同時に力を出す。タービン構造の各々のガイドまたはブレードは、同時に、作業に関与する。それゆえに、衝撃を提供するようにタービンの特定の部分に作動流体を導くため、流体駆動系において一般に使われる例えばノズルおよび管のような流体制御構造は、本発明の熱機関において必要でない。
上記のように、作動流体は、渦巻き運動を有し、作動流体の加熱および冷却から起こる連続的な推進力および流体ガイドまたはブレードの回転運動を有する。タービン構造は、作動流体の動きによって回転し、交替で、作動流体を回転運動させる。
このエンジン設計において、作動流体の膨張および収縮は、タービン構造に適用される力という結果になり、このことにより、トルクを作成する。各々のサイクルにおいて、作動流体は、膨張している熱い作動流体、熱領域１１０ａから冷領域１１０ｂまで作動流体を流れさせる垂直の回転下降気流、冷領域１１０ｂの作動流体の収縮、および、冷領域１１０ｂから熱領域１１０ａまで作動流体を流れさせる回転上昇の結合された力によって加速される。
それゆえに、この環境下で、エンジンがより長く動作すると、作動流体はより急速に循環する。第１のサイクルの終わりの作動流体の速度は、第２のサイクルの初めの作動流体の速度になり、第２のサイクルの全体にわたって増加する。作動流体速度は運動エネルギによって増加し、それはそれから熱機関によって機械的な作業に変わる。作動流体の速度は、エンジン・サイクルの膨張段階および収縮段階の両方の間、増加する。作動流体は、流体ガイドおよびブレードの回転から推進力を得る。ブレードまたは流体ガイドの形状、および、経絡は、作動流体の回転を助ける。流体ガイドはまた、エンジンの様々な部分の温度を調整する−すなわち、熱領域の温度を減少または増加させる、または、冷領域の温度を減少または増加させる（＊訳注１）ために使用されることができる。
熱領域における作動流体の回転および半径方向の外側の流動、冷領域への下方への動き、冷領域における作動流体の回転および半径方向の内側の流動、および、熱領域への上方への動きは、上昇気流に沿って延長する。効果的な円柱の直径が減少すると、回転またはねじりの速度は増加する。冷たい作動流体は、回転している上昇気流の形で空間を通じてより効果的に担持される。高い流体速度は、角運動量保存の結果として起こる。エンジン設計は、作動流体を移動し、作動流体を回転させるために回転タービン・ブレードを使用する（すなわち、作動流体の推進力を維持する）ための連続的な加熱および冷却に基づく。
本発明の熱機関は、冷領域および熱領域が機械動力を提供することによって作成される可能性があるという点で、可逆性がある。エンジン１００のハウジング１０１の回転運動と一緒に、エンジンはまた、風または水によって動かされる可能性がある。したがって、本発明の熱機関が、例えばソーラー動力のような用途において使われる、または原子力プラントからの排出物から電力を供給される可能性がある。機械動力はまた、室内部の熱領域および冷領域を作成するようにエンジンを回転させるために提供される可能性がある。熱領域はそれから別のエンジンに動力を与えるために使われる可能性があり、所望の用途次第で、冷領域は冷却に使用される可能性がある。エンジンは、異なる出力所要動力に対応するために計測可能であり、有意な温度変化を有する場所で使われる可能性がある。
【０００９】
加熱メッシュは、作動流体が加熱される表面積を増加させるため、開いた軸１１３の付近の上に熱領域１１０ｂにおいて提供される可能性があり、このことにより、作動流体の加熱効率を改善する。熱は、集中し、熱領域１０１ａにおいて加熱メッシュに導かれる可能性がある。この加熱メッシュはまた、外部の熱源および分離構造１０５の蓄熱ヒータ７０１間の接点として機能することができる。この方法では、熱領域１１０ａにおける比較的熱い作動流体は、膨張し、それが冷やされて圧縮される冷領域１１０ｂ内に流入する。一方向弁は、熱い領域１１０ａから冷領域１１０ｂへの作動流体の逆流を妨げるため、熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂ間の開いた軸１１３において提供される可能性がある。熱機関１００の横断面図である図８は、流体ガイド構造１０６を通じた作動流体の循環経路を示す。図８に示されるように、一方向弁８０１は、熱い領域１１０ａから冷領域１１０ｂへの作動流体の逆流を妨げるため、熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂ間の開いた軸１１３において提供される。
上記したものから分かるように、上記した実施例の流体ガイドのシステムは、複数の課題を実行する可能性がある。例えば、各々の流体ガイドは、流体ガイド構造１０６の１つまたはそれ以上の壁、回転構造１１１、回転構造および絶縁体層１０４間の通路、絶縁体層１０４および分離構造１０５に構造的に取り付けられる可能性がある。中心の開いた軸１１３の各々の流体ガイドは、内部の構造の１つまたはそれ以上の壁に構造的に適応される可能性がある。複数の経絡、通路またはハウジング１０１（または室１１０）内の作動流体の流動のための導管は、形成される。これらの通路は、異なる用途のための作動流体の経路のいかなる部分の範囲内においても位置する可能性がある。これらの通路は、作動流体の動きを援助するために作動流体に対して角度をなす可能性がある。隣接した流体ガイド間の流体流のための通路を規定するために流体ガイドまたはブレードを有する１つの利点は、作動流体の乱流を減少させることである。流体ガイドの構造は、例えば作動流体の圧力およびその角速度、作動流体の流動の方向および角度、および、回転運動を引き起こすトルクの大きさのような熱機関１００の機械的なパラメータ１に影響を及ぼすように使用することができる。（１：機械的なパラメータの１つの例は、回転の角速度である。）流体ガイドの設計はそれゆえに、熱機関１００のパワー出力を改善する。また、流体ガイドは、回転構造１１１、絶縁体層１０４および分離構造１０５に取り付けられる必要はない。この例では、作動流体の流動のための複数の経絡、通路または導管は形成されない。結果として単純になる設計は、より均等な熱分配およびより軽いハウジングを有する。
回転構造１１１は、開いた軸１１３の下部に位置し、ハウジング１０１内で収容される熱機関１００の様々な要素を含むハウジング１０１の重さを支持する。回転構造１１１は、ハウジング１０１内のすべてのタービン構造または流体ガイド構造から伝達される結合されたトルクを受けることによって車軸１０９で回転する。上記したように、熱領域１１０ａおよび冷領域１１０ｂ間の動作温度の違いは、冷却流体によって維持される可能性がある。図１、２および３の図示された実施例において、冷却流体は固定された冷却貯蔵部１０７から提供される。本実施例において、回転構造１１１は冷却流体の取り込みを容易にする。図５は、図１および２の回転構造１１１をさらに詳細に示す。図５に示されるように、回転構造１１１は、その一部が貯蔵部カバー１１５の中心開口部を通じて冷却貯蔵部１０７に挿入され、冷却貯蔵部１０７の円柱状の内側の壁５０２を囲む円柱状の外壁５０１を有する。冷却貯蔵部１０７の円柱状の内側の壁５０２は、回転構造１１１の上部壁５０４まで延長する可能性がある。駆動軸１０９は、回転構造１１１の上部壁５０４に取り付けられる可能性がある。回転構造１１１はまた、ハウジング１０１の荷重および熱機関１００のその含まれた要素を支えることを可能にするように、ハウジング１０１の下方板１０１ｂを補強するために役立つ。駆動軸１０９は、回転構造１１１を支持し、駆動されている荷重にハウジング１０１の回転運動を伝達するように設計される。回転構造１１１は、冷却貯蔵部１０７を開けるねじ通路５０５ａを含む。回転構造１１１が回転するので、冷却流体を室５０６にねじ通路５０５ａの上で引き、ここで、冷却流体は、絶縁体層１０４の底部部分において提供される螺旋形の通路６０１および６０２（図３）に冷却流体を分配する空間５０７へ流動する。冷却流体もまた、空間５０７へあふれ出る可能性があり、ここで、それは、冷領域１１０ｂの底面でハウジング１０１およびディスク１０８の下方板１０１ｂの間に位置する空間５０８の中で通路に導かれる。絶縁体層１０４の螺旋形の通路およびディスク１０８の下の通路空間５０８の両方は、冷却流体取込み部５１０で放出口を通じて冷却貯蔵部１０７に冷却流体を戻す。例えばポスト、壁または梁のような支持要素は、サポートを提供し、所望の方法において流体流を流すため、空間５０８の中で提供される可能性がある。冷却流体取込み部５１０は、貯蔵部カバー１１５を通じて冷却流体を流すために囲まれた導管を含む可能性がある。ハウジング１０１が回転すると、冷却流体は外部のポンプなしで冷領域１１０ｂの温度を維持するために循環する。
図５の図示された実施例によれば、冷却装置の構造はそれゆえに、回転構造１１１、冷却貯蔵部１０７、貯蔵部カバー１１５、冷却流体取込み部５１０および冷却貯蔵部１０７から熱を放散させるために提供される放熱器（図示せず）を含む。冷却貯蔵部１０７、貯蔵部カバー１１５および冷却流体取込み部５１０は、固定されていて、外部の構造（図示せず）によって支持されることができる。ハウジング１０１および冷却貯蔵部１０７の壁の間において接触が起こる所で、ベアリングは提供される可能性がある。例えば軸受は、ハウジング１０１の下方板１０１ｂおよび冷却流体取込み部５１０の側壁の間、円柱状の外壁５０１および貯蔵部カバー１１５の円柱状の壁５１１の間、回転構造１１１の上部壁５０４および冷却貯蔵部１０７のうちの５０２の円柱状の内側の壁の間、および、冷却貯蔵部１０７の円柱状の内側の壁５０２および回転構造１１１の凹部５０３の壁の間で提供されてもよい。軸受はまた、熱機関１００の重さを支持し、回転の間、安定性を提供するために機械的に使われる可能性がある。軸受および貯蔵部カバー１１５は、冷却流体の流出を妨げる。もちろん、冷却貯蔵部１０７以外の外部の構造が、機械的にハウジング１０１を支持するために提供される可能性がある。本発明のこの実施例において、冷却流体の取込み部５１０は、軸受によって囲まれる可能性がある。冷却流体の取込み部５１０のための別の構造は可能である。
【００１０】
絶縁体層１０４は、熱的な絶縁材料で満たされる可能性がある。冷却装置の一部は、構造的に絶縁体層１０４に適応する。図６は、本発明の一実施例によれば、冷領域１１０ｂに当接している絶縁体層１０４の部分における冷却流体のための螺旋形の通路６０１および６０２を示す上面図である。（２つの通路のみが図６において示されるにもかかわらず、実際的な実施態様は、後述するように所望の冷却液循環量率に従い、追加的な通路を有する可能性がある）。図６は、開口部６０１ａおよび６０２ａで通路６０１および６０２に入り、流体ガイド構造１０６内の通路を通じて、または、冷領域１１０ｂの支持構造を通じて冷却流体取込み部５１０に戻るため、放出口６０１ｂおよび６０２ｂで導管に通過する冷却流体をそれぞれ示す。冷領域１１０ｂにおける効果的な冷却を達成するため、冷却流体のための通路は、ディスク１０８および流体ガイド構造の間、専用の導管、支持構造物に沿ったまたはそれに組込まれた通路、または、冷領域１１０ｂにおける構造の組合せにおいて提供される可能性がある。一般に、ねじ通路５０１から、冷却流体は、末端部の方へ放射状に流れ、冷却流体取込み部５１０に通過する可能性がある。冷領域１１０ｂの全体にわたって冷却流体を分配する多くの別の方式は、可能である。一実施例によると、支持構造物は、絶縁体層１０４への機械的な支持のための絶縁体層１０４の全体にわたって提供される可能性がある。
冷却流体は好ましくは、作動流体の特定の熱容量より非常に大きい特定の熱容量を有する流体である。冷領域１１０ｂを好適な温度に維持するため、冷領域１１０ｂ内に流入する作動流体の熱は、冷却流体およびハウジング１０１によって放散しなければならない。ハウジング１０１内の熱散逸の効率は、例えば、ハウジング１０１に接触している作動流体から離れて加熱を行うため、冷領域１１０ｂにおける流体ガイド構造１０６の流体ガイドおよびブレードの能力によって決まる。ハウジング１０１によって放散する熱を上回る作動流体の熱は、冷却流体によって放散する。円柱状の囲いが回転する角速度は、冷却流体が回転構造１１１のねじ通路５０５ａに引かれる圧力を決定し、したがって冷領域１１０ｂ内に流入する冷却流体の容積を決定する。より高いエネルギ入力において円柱状の囲いは、より高い角速度で回転し、このことにより、単位時間あたりでより大きな容積の冷却流体を引き、したがって、所望の動作温度範囲内で熱機関１００を維持するため、より大きな冷却効果が起こる。通路周囲冷たい領域１１０ｂの長さおよび分配は、単位時間につき必要とされる冷却流体の容積、および、冷却流体の熱を周囲の環境に移動する冷却貯蔵部１０７の能力次第である。通路が長い場合、または単位時間あたりの通路の中を流れる冷却流体の容積が低い場合、冷却貯蔵部１０７における冷却流体および戻る冷却流体の間の温度差はより大きくなる。逆に、通路の長さが短い場合、または、単位時間あたりの通路の中を流れる冷却流体の容積が高い場合、冷却貯蔵部１０７における冷却流体および戻る冷却流体の間の温度差はより小さくなる。より小さい温度差は、好ましい。従来の放熱器は、超過した熱を放散させるため、冷却貯蔵部１０７の外側の壁に提供される可能性がある。
任意の蓄熱ヒータ７０１は、分離構造１０５において提供される可能性がある。このような蓄熱ヒータは、たとえ熱源によって提供される熱量がエンジン・サイクルの間、変動する可能性があってもパワー出力の変動を最小化する。蓄熱ヒータ７０１は、動力需要の変化に対応するために使用される可能性がある。すなわち、蓄熱ヒータ７０１は、高需要の時間の間不十分であるエネルギ製造を補充し、製造が需要を上回る時に力を蓄える可能性がある。蓄熱ヒータ７０１はまた、主要な熱源がもはや得られない、または、十分な熱的なエネルギを提供しなくなった後に熱を保持し、作動流体上で加熱するための他の熱源として作用することができる。蓄熱ヒータ７０１は、熱領域の加熱容積または加熱効率を増加させるため、主要な熱源に連結する可能性がある。蓄熱ヒータ７０１のための熱蓄積媒体は、相変化材料、または、分離または再結合反応によって貯蔵エネルギをより高い温度に変換する材料であってもよい。分離または再結合反応によって貯蔵エネルギをより低い温度に変換する材料は、絶縁体層１０４において、または冷却の目的のため、冷領域１１０ｂにおいて使われる可能性がある。一実施例において、相変化材料は、蓄熱ヒータ７０１の熱的なエネルギ密度を増加させ、一定の温度で動力性能を改善するために使用される。
【００１１】
本発明の一実施例によれば、図７は、蓄熱ヒータ７０１の横断面図を示す。図７に示すように、蓄熱ヒータ７０１は高い特定の熱容量または熱的な蓄積密度の流体で満たされる空洞、および、ばね７０３ａおよび７０３ｂによって支持される金属プレート７０２を含む。蓄熱ヒータ７０１の流体は、加圧される可能性があり、好ましくは熱機関１００の作動温度の全体の範囲にわたって液体のままである。（２つのばねのみが図７において示されるにもかかわらず、多くのばねは金属プレート７０２を支持するために使用される可能性がある。）金属支持構造（図示せず）が、蓄熱ヒータ７０１の上部および下壁を支持し、熱領域１１０ａから加熱を実行するため、蓄熱ヒータ７０１の全体にわたって提供される可能性がある。最初は、蓄熱ヒータ７０１の流体は冷たく、金属プレート７０２は熱領域１１０ａの底部部分と接触していない。熱機関１００が作動すると、蓄熱ヒータ７０１における流体の温度は上昇する。結果として、ばね７０３ａおよび７０３ｂは、金属プレート７０２が、熱領域１１０ａおよび蓄熱ヒータ７０１の流体間の熱伝達のためのより大きな表面積で熱い領域１１０ａの床面に接触するのを可能にするように膨張する。本発明の一実施例によれば、固体の状態の材料または異なるタイプの材料の混合物は、蓄熱ヒータ７０１において使われることができる。加熱メッシュもまた、熱伝達を容易にするために使用される可能性がある。流体ガイドは、熱領域１１０ａおよび蓄熱ヒータ７０１への熱伝達を増加させるため、外部の熱源通路を提供するために使用される可能性がある。このような設計において、一組の熱パイプまたは加熱流体は、流体ガイドで導かれる可能性がある。熱パイプの作動流体は、外部のハウジング１０１から第１の流体ガイドに入り、蓄熱ヒータ７０１を通過し、熱領域１１０ａにおける第２の流体ガイド内の通路を通じて外部のハウジングに戻る可能性がある。したがって、熱領域１１０ａは、熱効率を提供するために加熱要素で囲まれる可能性がある。
熱源は、所望の用途次第で中心領域または環状の領域においてハウジング１０１と接触する可能性がある。熱領域１１０ａの位置および冷領域１１０ｂが逆転する場合、冷却装置の構造および熱源は異なる操作構造を形成する可能性がある。これは、作動流体を循環させ、熱領域および冷領域間のより大きい温度差を維持する際に利点を提供する可能性がある。
上記の詳細な説明は、本発明の特定の実施例を図示するために提供され、それを制限する意図を有さない。本発明の範囲内の数多くの修正および変更は、可能である。本発明は、以下の請求項において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例により、冷却貯蔵部１０７を有する熱機関１００の横断面の図を示す。
【図２】等積の分解側面図における冷却貯蔵部１０７を有する熱機関１００を示す。
【図３】「拡大された」斜視図における熱機関１００を示す。
【図４】天板１０１ａの下の熱領域１１０ａの上面図である。
【図５】更に詳細に図１および２の回転構造１１１を示す。
【図６】冷領域１１０ｂに当接している絶縁体層１０４の部分における螺旋形の通路６０１および６０２を示す上面図である。
【図７】本発明の一実施例により、蓄熱ヒータ７０１の横断面を示す。
【図８】ハウジング１０１の内部の作動流体循環経路を示している横断面図である。図の中の相互参照を容易にし、以下の詳細な説明を単純にするため、図における同類の要素は、参照番号のように割り当てられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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