(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状流体を圧縮するためのデバイスであって、該デバイスは、
チェックバルブ（８１ａ）を備える、圧縮されるガス状流体の入口、およびチェックバルブ（８２ａ）を備える、圧縮されたガス状流体の出口と、
ガス状流体を収容した円筒形の主筐体（２）と、
前記ガス状流体に熱エネルギを加えるように形成された熱源（６）に熱的に連結された少なくとも１つの第１チャンバ（Ｅ１１）と、
前記ガス状流体から冷熱源に熱エネルギを伝達するために、前記冷熱源（５）に熱的に連結された少なくとも１つの第２チャンバ（Ｅ１２）と、
円筒形スリーブ（５０）内に組み付けられて軸方向（Ｚ）に移動し、前記主筐体の内部において前記第１チャンバと第２チャンバとを隔離した少なくとも１つのピストンアセンブリ（７）と、
前記スリーブの周りに周方向に配置され、少なくとも１つの第１連通ライン（Ｆ１）を利用して前記第１チャンバと第２チャンバとの間の流体連通を確立した少なくとも１つの再生熱交換器（９）と、を具備し、
前記第１チャンバ（Ｅ１１）は、前記筐体の第１端部（２ａ）に配置され且つ前記第１連通ラインに接続された少なくとも１つの第１連通通路（５１）を具備し、前記第２チャンバ（Ｅ１２）は、前記筐体の第２端部（２ｂ）に配置され且つ前記第１連通ラインに接続された少なくとも１つの第２連通通路（５２）を具備し、
前記第１チャンバ（Ｅ１１）、前記第２チャンバ（Ｅ１２）、および前記第１連通ライン（Ｆ１）は第１圧縮ステージ（Ｅ１）を形成し、
前記デバイスは、前記第１端部と第２端部との間の前記筐体の中間部に配置されたポート形状の複数の第３通路（５３）および第４通路（５４）を具備し、該複数の第３通路および第４通路は第３および第４チャンバ（Ｅ２１、Ｅ２２）の流体接続のために事前に配置され、前記第３および第４チャンバは前記第１チャンバと第２チャンバとの間の主筐体内に配置されていることを特徴とするガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項２】
同一の前記主筐体内に、前記第３および第４チャンバ（Ｅ２１、Ｅ２２）ならびに前記第３チャンバと第４チャンバとを隔離した第１固定仕切り（６１）を追加的に具備し、前記ピストンアセンブリは、ロッド（８）によって互いに接続され且つ前記固定仕切りの各側に配置された第１および第２ピストン（７１、７２）を具備し、少なくとも１つの第２連通ライン（Ｆ２）は、前記再生熱交換器を通じた前記第３チャンバと第４チャンバとの間の連通を確立し、前記第３チャンバ（Ｅ２１）、前記第４チャンバ（Ｅ２２）、および前記第２連通ライン（Ｆ２）は、前記第１ステージ（Ｅ１）の連続的後方に機能上配置された第２圧縮ステージを形成していることを特徴とする請求項１に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項３】
前記再生熱交換器（９）は、互いに独立した少なくとも２つの蓄熱器リングセクション（９１、９２）を具備し、一式の該リングセクションは前記第１固定仕切り（６１）近傍で前記スリーブ（５０）の周りに配置されたリングを形成していることを特徴とする請求項２に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項４】
Ｎ個のステージを具備し、Ｎは２、３、４、６、８を含んだ一式の数値から選択され、前記再生熱交換器はＮ個のリングセクションに分割され、各リングセクションは互いに独立して３６０°／Ｎの円弧を有することを特徴とする請求項３に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項５】
同一の前記主筐体内に、第３ステージ（Ｅ３）および第４ステージ（Ｅ４）（Ｎ＝４）を追加的に具備し、前記第３ステージは高温チャンバ（Ｅ３２）、低温チャンバ（Ｅ３１）、および第３連通ライン（Ｆ３）を具備し、前記第４ステージは高温チャンバ（Ｅ４２）、低温チャンバ（Ｅ４１）、および第４連通ライン（Ｆ４）を具備していることを特徴とする請求項４に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項６】
前記第４ステージ（Ｅ４）のチャンバは前記第３ステージ（Ｅ３）のチャンバの間に挿入され、それらのチャンバ自身は前記第２ステージ（Ｅ２）のチャンバの間に挿入され、それらのチャンバ自身は順に前記第１ステージ（Ｅ１）のチャンバの間に挿入されていることを特徴とする請求項５に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項７】
補助チャンバ（Ｅ０）、前記ピストンアセンブリに固定され且つ軸方向にガイドされたロッド（８）、該ロッドに接続された接続ロッド（４１）、および該接続ロッドに接続されたフライホイール（４２）を具備した前記ピストンアセンブリのための駆動システム（４）をさらに具備し、これにより、前記ピストンアセンブリの前後動作は前記駆動システムによって自立され得ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項８】
前記第１連通ライン（Ｆ１）および／または前記第２連通ライン（Ｆ２）および／または前記第３連通ライン（Ｆ３）もしくは第４連通ライン（Ｆ４）は、前記再生熱交換器と前記筐体の少なくとも１つの端部（２ａ、２ｂ）との間において、前記熱源および／または前記冷熱源の個々の直近に配置された少なくとも１つの外側部分（６７）を具備していることを特徴とする請求項５または６に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項９】
前記第２連通ライン（Ｆ２）および／または前記第３連通ライン（Ｆ３）もしくは第４連通ライン（Ｆ４）は、非対称コア（６６）が挿入されたボアホール（６４）を具備していることを特徴とする請求項８に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス。
【請求項１０】
熱伝達回路、および請求項１〜９のいずれか一項に記載のガス状流体を圧縮するためのデバイス具備した熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス状流体を圧縮するためのデバイスに関し、特に熱作動再生コンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の技術的解決策が、熱源を使用したガスの圧縮に関してすでに存在している。
【０００３】
特許文献１および特許文献２に記載されたような熱作動再生コンプレッサにおいて、受容した熱は圧縮される流体に直接伝達され、圧縮および放出ステップのための任意の機械的要素の必要性が排除されている。
【０００４】
特許文献１および特許文献２においては、変位ピストンが筐体内に移動可能に組み付けられており、加熱手段に向かってまたは冷却手段に向かって交互に流体を移動させる。この変位ピストンは制御ロッドに取り付けられており、制御ロッドは制御機構に接続されている。
【０００５】
これらのデバイスは単一ステージシステムとして設計されており、圧縮比を低く、または中間値に制限している。特別な圧縮比を必要とする所定の圧縮機器に関して、複数の単一ステージコンプレッサ（それらが直列に２つ、３つ、または４つ配置された）を増加させること、および多様なステージの制御機構間の機械的な同期を設定することを必要とする。このことは現実の実施のコストおよび複雑さを増大し、機械要素の数の増加による機械的損失も増大する。それに加えて、同期機構の存在に起因して、各ステージに関する流体密シールの破損の危険性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
そのような複数ステージの熱作動コンプレッサ、特にそれらの構造を最適化する必要がある。特に、共通部品を備えたモジュール構造に基づいた、１、２、または４ステージを備えたコンプレッサを提言することが有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
特に駆動機構におけるサービス寿命の延長の必要性および／または維持の減少の必要性も存在する。
【０００９】
この目的のために、ガス状流体を圧縮するためのデバイスが提案され、この該デバイスは、
圧縮されるガス状流体の入り口、および圧縮されたガス状流体の出口と、
ガス状流体を収容した円筒形の主筐体と、
ガス状流体に熱エネルギを加えるように形成された熱源に熱的に連結された少なくとも１つの第１チャンバと、
ガス状流体から冷熱源に熱エネルギを伝達するために、冷熱源に熱的に連結された少なくとも１つの第２チャンバと、
円筒形スリーブ内に組み付けられて軸方向に移動し、主筐体の内部において第１チャンバと第２チャンバとを隔離した少なくとも１つのピストンアセンブリと、
スリーブの周りに周方向に配置され、少なくとも１つの第１連通ラインを利用して第１チャンバと第２チャンバとの間の流体連通を確立した少なくとも１つの再生熱交換器と、を具備し、
第１チャンバは、筐体の第１端部に配置され且つ第１連通ラインに接続された少なくとも１つの第１連通通路を具備し、第２チャンバは、筐体の第２端部に配置され且つ第１連通ラインに接続された少なくとも１つの第２連通通路を具備し、第１チャンバ、第２チャンバ、および第１連通ラインは第１圧縮ステージを形成し、
デバイスは、第１端部と第２端部との間の筐体の中間部に配置されたポート形状の複数の第３通路および第４通路を具備し、複数の第３通路および第４通路は第３および第４チャンバの流体接続のために事前に配置され、第３および第４チャンバは第１チャンバと第２チャンバとの間の主筐体内に配置されている。
【００１０】
これらの手段によって、２つの圧縮ステージを備えたコンプレッサが、そのような単一ステージのコンプレッサから容易に得られる。
【００１１】
本発明の一態様においては、デバイスは同一の前記主筐体内に、第３および第４チャンバならびに第３チャンバと第４チャンバとを隔離した第１固定仕切りを追加的に具備することが可能であり、ピストンアセンブリは、ロッドによって互いに接続され且つ固定仕切りの各側に配置された第１および第２ピストンを具備し、少なくとも１つの第２連通ラインは、再生熱交換器を通じた第３チャンバと第４チャンバとの間の連通を確立し、第３チャンバ、第４チャンバ、および第２連通ラインは、第１ステージの連続的後方に機能上配置された第２圧縮ステージを形成している。２ステージコンプレッサが得られ、それは特に良好な熱降伏を示し、２つのステージ間の同期の最適化に適している。
【００１２】
本発明の多様な実施形態において、１つ以上の以下の手段が使用されてもよい。
【００１３】
本発明の一態様においては、再生熱交換器は、互いに独立した少なくとも２つの蓄熱器リングセクションを具備することが可能であり、一式のリングセクションは第１固定仕切り近傍でシリンダの周りに配置されたリングを形成している。このことは、特に再生熱交換器の機能を組織化するための配置を最適化している。
【００１４】
本発明の別の態様においては、デバイスはＮ個のステージを具備することが可能であり、Ｎは２、３、４、６、８を含んだ一式の数値から選択され、再生熱交換器はＮ個のリングセクションに分割され、各リングセクションは互いに独立して３６０°／Ｎの円弧を有する。モジュール方式は、基本の単一ステージコンプレッサから保証される。
【００１５】
本発明の一態様においては、デバイスは第３ステージおよび第４ステージ（Ｎ＝４）を追加的に具備することが可能であり、第３ステージは高温チャンバ、低温チャンバ、および第３連通ラインを具備し、第４ステージは高温チャンバ、低温チャンバ、および第４連通ラインを具備している。４ステージコンプレッサは、２ステージコンプレッサに類似した構造とともに、モジュール方式に基づいて得られる。
【００１６】
本発明の別の態様においては、第４ステージのチャンバは第３ステージのチャンバの間に挿入され、第３ステージのチャンバは第２ステージのチャンバの間に挿入され、第２ステージのチャンバは第１ステージのチャンバの間に挿入され得る。これにより、特に適切な機器が単一シリンダ内に４ステージを搭載するため、特に断熱を最適化するために得られる。
【００１７】
本発明の別の態様においては、デバイスは補助チャンバ、ピストンアセンブリに固定され且つ軸方向にガイドされたロッド、ロッドに接続された接続ロッド、および接続ロッドに接続されたフライホイールを具備したピストンアセンブリを駆動するためのシステムをさらに具備することが可能であり、これにより、ピストンの前後動作は駆動システムによって自立され得る。
【００１８】
本発明の別の態様においては、第１連通ラインおよび／または第２連通ラインおよび／または第３連通ラインもしくは第４連通ラインは、再生熱交換器と筐体の少なくとも１つの端部との間において、熱源および／または冷熱源の個々の直近に配置された少なくとも１つの外側部分を具備している。熱交換は、各連通ラインに関して最大化されている。
【００１９】
本発明の別の態様においては、第２連通ラインおよび／または第３連通ラインもしくは第４連通ラインは、非対称コアが挿入されたボアホールを具備している。これにより、熱的連結を最大化された外側部分は、工業的に容易に製造される。
【００２０】
最後に、本発明は熱伝達回路および前述の圧縮デバイスを具備した熱システムにも関連している。その熱システムは、囲まれた場所から熱エネルギを除去することを目的とし、そのような場合、冷却または冷凍システムであるが、その熱システムは囲まれた場所に熱エネルギを加えることも目的とし、そのような場合、例えば居住施設の加熱もしくは工業的な加熱のような加熱システムである。
【００２１】
本発明の他の特徴、態様、および利点は、非限定的な例を提供した本発明の実施形態の以下の記載を読むことによってより理解されるだろう。本発明は添付図からもより理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】２つの圧縮ステージを備えた、本発明のガス状流体の圧縮デバイスの概略的な軸方向断面を示した図である。
【図２】図１のデバイスの概略的な横断面を示した図である。
【図３ａ】４つの圧縮ステージを備えた、本発明のガス状流体の圧縮デバイスの概略的な軸方向断面を示した図である。
【図３ｂ】４つの圧縮ステージを備えた、本発明のガス状流体の圧縮デバイスの概略的な軸方向断面を示した図である。
【図４】図３のデバイスの概略的な横断面を示した図である。
【図５】１つの圧縮ステージを備えた、本発明のガス状流体の圧縮デバイスの概略的な軸方向断面を示した図である。
【図６】図５のデバイスの概略的な横断面を示した図である。
【図７】４ステージデバイスにおいて実行される熱力学の図表である。
【図８】自立駆動デバイスのためのサイクルの図表である。
【図９】１つ、２つ、または４つの圧縮ステージを備えたコンプレッサ構造を収容することが可能なコンプレッサシリンダを示した図である。
【図１０】自立駆動デバイスを示した図である。
【図１１】図３のデバイスの変形を示した図である。
【図１２】実施形態の連通ラインの詳細を示した図である。
【図１２Ａ】実施形態の連通ラインの詳細を示した図である。
【図１２Ｂ】実施形態の連通ラインの詳細を示した図である。
【図１２Ｃ】実施形態の連通ラインの詳細を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
様々な図において、同一の参照符号は同一または類似の要素を示すために使用されている。
【００２４】
図１はガス状流体を圧縮するためのデバイス１を示しており、このデバイスは圧力Ｐ１において入口または取り込み口８１によってガス状流体（「作動流体」とも称される）を受け入れ、圧力Ｐ２において出口８２から圧縮された流体を供給するように形成されている。
【００２５】
図１に示された例においては、圧縮デバイスは２つの圧縮ステージを具備しているが、本発明においては、単一ステージまたは４ステージを備えたデバイスが、以下に見られるように、同一の構造に基づいて容易に獲得可能である。
【００２６】
デバイスは好適に軸Ｚに沿って垂直に配置され、軸Ｚに関して全体的に円筒形状とされた主筐体２を備えている。図示された実施例においては、デバイスは上側領域に配置された高温部１６、および下側領域に配置された低温部１５を具備している。高温部は熱源６に熱的に連結されており、熱源６は、熱エネルギをデバイスの高温部に供給するために、好適に主筐体の高温部１６の周囲に隣接して配置されている。
【００２７】
それに類似して、低温部は、デバイスの低温部から熱エネルギを除去するために、冷熱源５に熱的に連結されている。冷熱源は、例えば主筐体２の低温部１５の周囲に隣接して、または良好な熱連結を確立した他の任意の様式において配置されることが可能である。
【００２８】
少なくとも１つのピストンアセンブリ７は主筐体２の内側に配置され、スリーブ（または「シリンダ」）５０内に搭載されて、Ｚ軸方向に移動する。スリーブ５０はＺ軸に関して円筒形状であり、主筐体２の直径よりも小さい直径を有する。
【００２９】
図１の２ステージの例においては、ピストンアセンブリ７はロッド８によって互いに対して接続された第１ピストン７１および第２ピストン７２を具備している。２つのピストン７１、７２の間には、筐体２の上端２ｂと筐体２の下端２ａとの間の中間高さに配置された固定仕切り６１が配置されている。固定仕切り６１は、高温部１６と低温部１５との間の断熱を提供している。リング１８はロッドを取り囲み、流体密機能およびガイド機能を提供している。ロッド８は駆動デバイスによって前進および後退の交互に駆動され、駆動デバイスは図１、３ａ、３ｂには図示されていないが、可能な実施形態の１つが以下に記載される。
【００３０】
低温部１５に関して、第１低温作動チャンバＥ１１は、したがって第１ピストン７１と筐体の下端２ａとの間に形成されている。
【００３１】
高温部１６に関して、第２高温作動チャンバＥ１２は、第２ピストン７２と筐体の上端２ｂとの間に形成されている。
【００３２】
第１連通ラインＦ１は、スリーブの外側において、再生熱交換器９を通じて第１チャンバＥ１１と第２チャンバＥ１２とを接続しており、再生熱交換器９は以下においてより簡易に蓄熱器と称されている。
【００３３】
この様式において、第１チャンバＥ１１、第２チャンバＥ１２、および第１連通ラインＦ１は、第１圧縮ステージＥ１と称されるアセンブリを形成し、略一様な内部圧力ＰＥ１を有する。
【００３４】
それに加えて、低温側の第３作動チャンバＥ２１は、第１ピストン７１と固定仕切り６１との間に形成され、高温側の第４作動チャンバＥ２２は、第２ピストン７２と固定仕切り６１との間に形成されている。第２連通ラインＦ２はスリーブの外側において、蓄熱器９の別の部分を通じて第３チャンバＥ２１と第４チャンバＥ２２とを接続している。
【００３５】
この様式において、第３チャンバＥ２１、第４チャンバＥ２２、および第２連通ラインＦ２は、第２圧縮ステージＥ２と称されるアセンブリを形成し、略一様な内部圧力ＰＥ２を有する。
【００３６】
第２ステージＥ２のチャンバＥ２１、Ｅ２２は、第１ステージＥ１のチャンバＥ１１とＥ１２との間に挿入されている。
【００３７】
より詳細には、第２ピストン７２は高温作動チャンバＥ１２、Ｅ２２を隔離しており、一方で第１ピストン７１は低温チャンバＥ１１、Ｅ２１を隔離しているが、チェックバルブ３ａが追加されており、このバルブは第１ステージＥ１と第２ステージＥ２との間に一方向通路路を提供し、第２ステージＥ２は第１ステージＥ１の連続的な下流に機能的に配置されている。
【００３８】
ピストンアセンブリ７が上向きに移動した場合、チャンバＥ２１およびＥ１２の容積はこれに従って減少し、一方でチャンバＥ１１およびＥ２２の容積は増大する。第１連通ラインＦ１は、流体を蓄熱器内において上から下へと通し、一方で第２連通ラインＦ２は、流体を蓄熱器の別部分内において下から上へと通し、それは以下に見られている。
【００３９】
蓄熱器９に関して、蓄熱器は、筐体の上端２ｂと下端２ａとの間の中間高さにおいて、スリーブ５０の周囲に配置されている。好適にこの蓄熱器９は筐体の中間高さに配置され、例えばその高さは固定仕切り６１の厚さに近づき得るように延びているが、必ずしも必要ではない。
【００４０】
この蓄熱器９は内部パイプ９０および熱エネルギ貯蔵のための要素を具備し、例えば金属ワイヤの格子のような不連続のもしくは連続した要素の形状である。
【００４１】
蓄熱器９は、第１および第２ラインＦ１、Ｆ２の高温部が接続された高温インターフェイス９ｂと、第１および第２ラインＦ１、Ｆ２の低温部が接続された低温インターフェイス９ａと、を具備している。
【００４２】
また、蓄熱器９は、次々に周方向に配置されたいくつかのリングセクションに分割され、スリーブ５０の周囲においてＺ軸のリングを形成している。
【００４３】
特に図２に示されたように、２ステージのバージョンに関して、１つ以上のリングセクションは第１圧縮ステージＥ１の一部であり、１つ以上の相補的セクションは、第２圧縮ステージＥ２の一部である。
【００４４】
ここで示された例においては、蓄熱器９は４分の１セクション３１〜３４の形状の４つの部分またはセクションに分割されており、各々が約９０°の円弧に延びている。セクション３１、３２は第１蓄熱器部分９１を形成し、それらは第１圧縮ステージの一部であり、第１連通ラインＦ１に接続されており、一方でセクション３３、３４は第２蓄熱器部分９２を形成し、それらは第２圧縮ステージの一部であり、第２連通ラインＦ２に接続されている。
【００４５】
したがって、蓄熱器は第１ステージ専用の部分と、第２ステージ専用の第２部分と、の間に分配され、第１部分を横断する流体は、第２部分を横断する流体とは反対向きに移動する。
【００４６】
蓄熱器リングセクション３１〜３４は物理的に独立しており、流体連通によって互いに直接接続されていない。それらのセクションはすべて同一であり得て、標準部品を形成してもよい。
【００４７】
第１ステージに関して、第１チャンバＥ１１は第１端２ａの近傍に配置された第１連通通路５１を具備し、この第１連通通路は第１連通ラインＦ１、特にこのラインの低温部に接続されている。第２チャンバＥ１２は第２端２ｂの近傍に配置された第２連通通路５２を具備し、この第２連通通路５２は第１連通ラインＦ１、特にこのラインの高温部に接続されている。
【００４８】
第２ステージに関して、第３チャンバＥ２１は仕切り６１の近傍に配置された第３連通通路５３を具備し、この第３連通通路５３は第２連通ラインＦ２、特にこのラインの低温部に接続されている。第４チャンバＥ２２は仕切り６１の近傍に配置された第４連通通路５４を具備し、この第４連通通路５４は第２連通ラインＦ２、特にこのラインの高温部に接続されている。
【００４９】
入口８１はバルブ８１ａを介して第１連通ラインＦ１に接続され、一方で出口８２はバルブ８２ａを介して第２連通ラインＦ２に接続されていることが理解される。
【００５０】
図３ａ、図３ｂ、および図４は、前述したものと同じ構造に構成された、連続的に配置された４つのステージを備えた構造の圧縮を示している。
【００５１】
この構造においては、デバイスは第１圧縮ステージＥ１を具備し、そのステージはコンプレッサの低温部１５内に配置された低温チャンバＥ１１と高温部１６内に配置された高温チャンバＥ１２とを具備し、これらのチャンバＥ１１、Ｅ１２は第１連通ラインＦ１によって互いに接続されている。２ステージ構造に類似して、デバイスはＥ２で示された第２圧縮ステージを具備し、このステージは低温部内に配置された低温チャンバＥ２１と高温部内に配置された高温チャンバＥ２２とを具備し、これらのチャンバＥ２１、Ｅ２２は第２連通ラインＦ２によって接続されている。第２連通ラインＦ２は、５７で示された１つ以上の通路またはポートによって対応した低温チャンバＥ２１に接続され、５８で示された１つ以上の通路によって対応した低温チャンバＥ２２に接続されている。
【００５２】
それに加えて、デバイスはＥ３で示された第３圧縮ステージを具備し、このステージは低温部内に配置された低温チャンバＥ３１と高温部内に配置された高温チャンバＥ３２とを具備し、これらのチャンバＥ３１、Ｅ３２は第３連通ラインＦ３によってスリーブの外側において互いに接続されている。第３連通ラインは５５で示された１つ以上の通路またはポートを利用して対応した低温チャンバに接続され、５６で示された１つ以上の通路によって対応した高温チャンバに接続されている。第３圧縮ステージにおいて使用された圧力は、ＰＥ３で示されている。
【００５３】
最後に、デバイスはＥ４で示された第４圧縮ステージを具備し、このステージは低温部内に配置された低温チャンバＥ４１と高温部内に配置された高温チャンバＥ４２とを具備し、これらのチャンバＥ４１、Ｅ４２は第４連通ラインＦ４によってスリーブの外側において互いに接続されている。第４連通ラインＦ４は、すでに述べた１つ以上の通路またはポート５３を利用して対応した低温チャンバに接続されており、すでに述べた５４で示された１つ以上の通路を利用して対応した低温チャンバに接続されている。第４圧縮ステージにおいて使用された圧力は、ＰＥ４で示されている。
【００５４】
図示されたように、第４ステージＥ４のチャンバは、第３ステージＥ３のチャンバの間に挿入されており、それら自身は第２ステージＥ２のチャンバの間に挿入されており、順に第１ステージＥ１のチャンバの間に挿入されている。しかしながら、本発明の範囲を逸脱することなく異なったステージおよびチャンバの順序とするために、例えば高温端２ｂから始まって、高温部に関するステージＥ３、Ｅ４、Ｅ１、Ｅ２および低温部に関するＥ４、Ｅ３、Ｅ２、Ｅ１を備えることが可能である。
【００５５】
ピストンアセンブリ７は第１ピストン７１、第２ピストン７２、第３ピストン７３、および第４ピストン７４を具備している。第１および第２ピストン７１、７２は、２ステージ構造に関して記載されたように、第１および第２ステージＥ１、Ｅ２のチャンバを隔離し、一方で第３および第４ピストン７３、７４は、同様に第３および第４ステージＥ３、Ｅ４のチャンバを隔離している。４つのピストンは、リング１８内においてスライドするロッド８によって互いに対して固定されている。
【００５６】
すでに述べられ且つここで再度表された固定中間仕切り６１は別として、２つの他の固定仕切り６２、６３が存在し、それらは個々に第２および第３圧縮ステージのチャンバを隔離している（図３ａ、図３ｂ参照）。
【００５７】
異なった圧縮ステージの間の連通を確立するために、第１チェックバルブ３ａがすでに述べられたように第１ピストン内に設けられ、流体が第１ステージから第２ステージに移送されることを可能にし、且つ逆流することを防止している。これに類似して、第２チェックバルブ３ｂは第３固定仕切り６３に設けられ、流体が第２ステージから第３ステージに移送されることを可能にし、且つ逆流することを防止している。最後に、第３チェックバルブ３ｃは第３ピストン７３に設けられ、流体が第３ステージから第４ステージに移送されることを可能にし、且つ逆流することを防止している。
【００５８】
蓄熱器９に関して、図４を参照すると、各リングセクション（ここでは各４分の１セクション）は、明確にステージに割り当てられている。したがって、第１リングセクション３１は第１蓄熱器部分９１を形成し、第２リングセクション３２は第２蓄熱器部分９２を形成し、第３リング部分３３は第３蓄熱器部分９３を形成し、最後に、第４リングセクション３４は第４蓄熱器部分９４を形成している。
【００５９】
この構造においては、入口８１は第１連通ラインＦ１に接続され、一方で出口８２は第４連通ラインＦ４に接続されている。
【００６０】
図５および図６は、単一ステージの圧縮構造を示しており、前述の構造と同様の構造で構成されている。
【００６１】
ピストンアセンブリ７は、使用されていない上側ステージのチャンバに等価な容積を占めた大容積の単一ピストンによって形成されている。
【００６２】
スリーブの外側の１つのみの連通ラインＦ１が必要であり、この連通ラインが単一の低温チャンバＥ１１と単一の高温チャンバＥ１２との間の連通を確立している。
【００６３】
第３および第４通路５３、５４は、２ステージバージョンに関して事前の手段を形成しており、直接にまたはブラインドパイプと連通することによって部分的にまたは完全に閉鎖可能とされ、これは以下に記載のとおりである。
【００６４】
これに類似して、１ステージ構造においては、一連の追加通路５５〜５８は、存在する場合、４ステージバージョンに関して事前の手段を形成しており、任意の適切な手段によって遮断または閉鎖される。
【００６５】
この１ステージ構造においては、入口８１および出口８２は、必須ではないが同一の位置、例えば２ステージ構造と均一性を維持するために径方向の反対側の位置において、第１連通ラインＦ１に接続されている。
【００６６】
コンプレッサの動作は、それが１ステージ、２ステージ、または４ステージであっても、ピストン７の往復動作によって、同様に入口８１における入口バルブ８１ａおよび出口８２における流れチェックバルブ８２ａの作動によって保証されている。
【００６７】
以下に記載された多様なステップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが図３、図５、および図７に示されており、図７は個々のステージにおける個々の圧力ＰＥ１、ＰＥ２、ＰＥ３、ＰＥ４、およびピストンアセンブリ７のストロークに対する個々の温度を示しており、ＰＥ３、ＰＥ４に関するサイクルは４ステージバージョンのみに関連したものである。
【００６８】
２ステージコンプレッサの作動
ステップＡ
ピストンアセンブリ７は初期には上部にあって下向きに移動し、且つチャンバＥ１２、Ｅ２１の容積は増大し、一方でチャンバＥ２２、Ｅ１１の容積は減少する。このために、第１ステージの流体は第１蓄熱器部９１を通じて底部から上部へと押され、第１連通ラインＦ１を通過するときおよび対応した蓄熱器部を通過するときに熱くなる。結果的に、第２ステージの流体は第２蓄熱器部９２を通じて上部から底部へと押され、第２連通ラインＦ２を通過するときおよび対応した蓄熱器部を通過するときに冷える。
【００６９】
ステップＢ
圧力ＰＥ１およびＰＥ２がＰＴ２で示された所定値にある場合、チェックバルブ３ａは開いている。バルブ８１ａおよび８２ａはこの期間では閉じたままである。作動流体は連続的に第１ステージから第２ステージへと移送される。ステップＢは下降工程の終了とともに終了する。
【００７０】
ステップＣ（第１ステージ）およびＣ’（第２ステージ）
ピストンアセンブリ７は、ここでは底部から上部に向かって移動し、チャンバＥ２２、Ｅ１１の容積は増大し、一方でチャンバＥ１２、Ｅ２１の容積は減少する。このために、第１ステージの流体は蓄熱器部９１を通じて上部から底部へと押され、第１連通ラインＦ１を通過するときおよび対応した蓄熱器部を通過するときに冷える。同時に、第２ステージの流体は第２蓄熱器部９２を通じて底部から上部へと押され、第２連通ラインＦ２を通過するときおよび対応した蓄熱器部を通過するときに熱くなる。
【００７１】
第１ステージに関連したステップＣにおいて、圧力ＰＥ１は流入圧力Ｐ１よりも小さくなるまで減少し、その点において入口バルブ８１ａは開く。それに類似して、Ｃと同時に発生し且つ第２ステージに関連したステップＣ’に関して、圧力ＰＥ２は放出圧力Ｐ２２よりも大きくなるまで増大し、放出圧力はここでは出口圧力Ｐ２に等しく、その点において出口バルブ８２ａは開く。
【００７２】
ステップＣおよびＣ’はその点で終了する必要はなく、２つのバルブは異なった時間だけ開くことが可能である。
【００７３】
ステップＤ
このステップにおいて、作動流体は出口８２によって放出圧力Ｐ２２においてチャンバＥ２１から放出され、圧力Ｐ１の流体はチャンバＥ１１内に流入する。ステップＤは上昇ストロークの終了とともに終了する。
【００７４】
４ステージ
４ステージコンプレッサの動作に関して、図７を参照すると、最初の２つのステージに関する動作は、ステップＤにおいて第２ステージからの出口が、圧力Ｐ２３のガスを出口に向かってではなくバルブ３ｂを通じて第３ステージに向かって放出することを除いては、先の記載と同一である。
【００７５】
ステップＡの間に、最初の２つのステージに関して記載された事項と完全に類似した様式において、圧力ＰＥ３は第３ステージにおいて増大し、一方で圧力ＰＥ４は第４ステージにおいて減少する。
【００７６】
ステップＢの間に、圧力ＰＴ３４の作動流体は、バルブ３ｃを通じて第３ステージから第４ステージへと放出される。
【００７７】
ステップＣおよびＣ”の間に、最初の２つのステージに関して記載された事項と完全に類似した様式において、圧力ＰＥ３は第３ステージ（ステップＣ”）において減少し、一方で圧力ＰＥ４は第４ステージ（ステップＣ）において増大し、このことは圧力ＰＥ４が、バルブ８２ａが開く出口圧力Ｐ２に到達するまで生じる。バルブ３ｂは、ＰＥ３がＰＥ２よりも小さくなった場合に開く。バルブ８１ａ、３ｂ、および８２ａは、異なった時間だけ開くことが可能である。
【００７８】
個々のステップＣ、Ｃ’、Ｃ”の終了時に開始するステップＤの間に、流体は圧力Ｐ２４で第４ステージから出口８２に向かって放出され、それと同時に第２ステージと第３ステージとの間において圧力ＰＴ２３でバルブ３ｂを通じて流体を移送し且つ入口８１において流体を取り込む。
【００７９】
単一ステージ
単一ステージ構造に関して、第１ステージの「ＰＥ１」に関連したサイクルのみが図７において考慮されている。この場合、出口圧力Ｐ２は、第１ステージからの放出圧力ＰＴ１２に等しい。
【００８０】
３ステージバージョン
共通の標準部品を備えた同一の構造に基づいた、３ステージコンプレッサを形成することが等しく可能である。このために、第４ステージの使用は遮断され、バルブ３ｃは排除され、コンプレッサから第３連通ラインＦ３への出口は除去される。蓄熱器を１２０°円弧を有する３つのリングセクションに分割すること、もしくは前述の４分の１セクションの４つの蓄熱器のうちの３つのみを使用することが可能である。
【００８１】
図５（および図１１）は、ロッド−ピストンアセンブリを駆動するためのデバイスの実施形態を示している。この実施形態は、前述の２ステージまたは４ステージ構造にも同様に適用されることが可能である。
【００８２】
ロッド８の移動は任意の適切なデバイスによって制御可能であり、図５および図１０に図示された例においては、ロッドの端部において作用する自立駆動デバイス４に関連している。この自立駆動デバイス４はフライホイール４２を具備し、接続ロッド４１は回動接続によってこのフライホイールに接続されている。接続ロッド４１は、別の回動接続によってロッドに接続されている。
【００８３】
図示された例においては、自立駆動デバイス４は、Ｐａで示された圧力においてガス状作動流体によって満たされた補助チャンバＥ０内に収容されている。シールリング１８は、チャンバＥ１１と補助チャンバＥ０との間に配置されている。デバイスが動作した場合、補助チャンバＥ０内の圧力Ｐａは平均圧力に収束し、平均圧力は第1ステージの最小圧力ＰＥ１ｍｉｎと最大圧力ＰＥ１ｍａｘとの和の半分に概略等しい。デバイスが少しの間遮断された場合、補助チャンバＥ０内の圧力は第１ステージＥ１１、Ｅ１２のチャンバ内の一般的な圧力に等しくなる。ロッド８に負荷される力は、
（ＰＥ１−Ｐａ）＊Ｓ
の式で表され、Ｓはロッドの断面積である。
【００８４】
軸変位Ｘ１の式としてロッドの断面領域に負荷される力の合力を示した図８に示されたように、熱力学サイクルは図に示された領域Ｗａによって表された、自立駆動デバイスの正の仕事をもたらす。結果的に、ピストンアセンブリ７の前後動作は、前述の駆動システム４によって自立的となり得る。
【００８５】
圧力は、ロッド８の等価セクションを除いてピストンアセンブリ７内で概略平衡である。自立仕事出力はロッドの断面積Ｓに比例し、したがってロッドの断面積Ｓは十分な仕事を発生させるように選択される。
【００８６】
フライホイール４２の回転速度、したがってピストンアセンブリ７のストロークの周波数は、摩擦を通じて消費された力が熱力学サイクルによってロッドに伝達された場合に定着される。
【００８７】
図１０に示されたように、補助チャンバＥ０を収容したハウジング９８は、従来型の取り付け手段９９によってシリンダ５０に取り付けられたベース９３を備えている。それに加えて、駆動システム４は、Ｙを中心としたシャフト９４を介してフライホイール４２に連結された電気モータ９５を具備し得る。図１０に表された例においては、電気モータ９５はハウジング９８の内部、したがってガスが圧力Ｐａで閉じ込められた筐体の内側に配置されている。電力をモータに供給するリード９６のみがハウジングの壁を貫通しているが、あらゆる相対移動は無く、高レベルの流体密を可能にしている。
【００８８】
図示されていない変形においては、電気モータは特別な形式であり、壁に対して筐体の内側に配置された、例えば永久磁石を備えたディスクロータと、壁に対して筐体の外側に、ロータに対抗して配置されたステータと、を備えている。この場合、電磁制御回路およびリードは暴露されている。
【００８９】
しかしながら、モータはハウジング９８の外側に全体的に暴露され得るが、この場合シャフトの周囲のスリップリングが必要であることが理解される。
【００９０】
それに加えて、フライホイールに連結されたこの電気モータ９５は、自立動作を開始するために、初期回転動作をフライホイールに与えるように構成されている。それに加えて、モータは制御ユニット（図示略）によって発電機モードにおいて制御されることが可能であり、そのモードはフライホイールを減速させて、フライホイールの回転速度を調節することが可能である。
【００９１】
通常動作の間、自立駆動デバイス４に伝達された機械的動力は、摩擦によって損失するよりも大きく、残りの電力が入手可能である（動作の通常発電モード）。この追加の電力は、その調節システム、ポンプもしくは冷却システムのファン、始動バッテリの再充電を含んだ、コンプレッサの外部の電気を動力源とした要素のために、または熱電併給の要求のために使用される。
【００９２】
図９は、その内部においてピストンアセンブリ７が移動するシリンダ５０に配置された、異なった一連の通路５３〜５８の可能な手段を示している。
【００９３】
前述の多様な記載から明確なように、固定仕切り６１、６２、６３は随意的であり、それらは構造が構成されるために必要である場合にのみ組み込まれる。
【００９４】
それに類似して、一連の追加ポート５５〜５８は、４ステージ構造を提供しない場合、無くてもよい。
【００９５】
一連の通路およびポート５３〜５８は全周に沿って存在しているように表されているが、各一連のポートは必要なリングセクションのみに、例えばシリーズ５３および５４に関して１８０°ならびに例えばシリーズ５５〜５８に関して９０°のみ存在することも可能である。
【００９６】
標準化のために、１、２、３、または４ステージの構造に適切なシリンダを製造し、以下に記載されたように外部閉鎖器を介して使用されていないポートを遮断し得る。
【００９７】
図１１に表された変形においては、第３および第４ステージのチャンバの容積の減少は、圧力の増大を調整するために準備され得る。この目的のために、第３および第４ステージの低温チャンバおよび高温チャンバ内には、個々に充填リング４８、４９が設けられ、これらのリングは第３および第４ピストン７３、７４の外側直径に一致した内側直径を有し、この直径は第１および第２ピストン７１、７２の直径よりも概略小さい。
【００９８】
シリンダ状スリーブ５０の標準配置を維持するために、一連のポート５３、５４の位置および必要に応じて一連のポート５５〜５８の位置は、前述の充填リング内に配置された移送通路４７のために、あらゆる改良を必要とされない。
【００９９】
図１２、１２Ａ、１２Ｂ、および１２Ｃは、連通ラインＦ１〜Ｆ４に関して特に有利な実施形態、および筐体の端部に配置されていない通路もしくはポートに接続されたさらに特別な連通ラインＦ２〜Ｆ４を示している。連通ラインと個々の熱源または冷熱源との間の熱的結合を最大化するために、筐体の直近に配置された少なくとも１つの外側部分６７が設けられている。低温部１５に関して、連通ラインＦ２〜Ｆ４の外側部分６７は、蓄熱器の低温インターフェイス９ａと筐体の下端２ａとの間に延びている。高温部１６に関して、連通ラインＦ２〜Ｆ４の外側部分６７は、蓄熱器の高温インターフェイス９ｂと筐体の上端２ｂとの間に延びている。
【０１００】
ここに図示された例においては、そのような連通ラインＦ２〜Ｆ４の製造を工業的に最適化することに関連しており、ブラインドホール６４はフレーム８８のピース内にくり抜かれ、その内面はシリンダ５０を形成し、その外面は筐体２の外壁を形成している。このホール６４は軸Ｚに平行な方向に形成されており、径方向通路５３〜５８の１つはこのホール６４内に開口している。それに加えて、このホールの口は、蓄熱器９の接続のためにフレア７７を形成している。
【０１０１】
ホール６４内には、内部チャネル部６８と連通ラインのための外部チャネル部６７とを区切った形状のインサートもしくは非対称コア６６が配置されている。実際には、インサート６６は、周方向にホール６４内に挿入された場合にクリアランスの無い直径部６９と、ポート５３〜５８から最初に内部チャネル部６８を通じて、次に外部チャネル部６７を通じて流体を流し、熱源または冷熱源の近傍のために熱交換が最大化されたプラグ部７６と、を具備している。
【０１０２】
それに加えて、コア６６の形状はプラグまたは１つ以上のポート５３〜５８に有利に使用され、それらは使用された構造内でシールされなければならない。塞がれるポートの口は符号７４によって示されており、図示された例ではプラグ部７６の存在によって閉鎖されている。それに類似して、作動ポート７９と筐体の端部との間に配置された、符号７５で示された塞がれるポートに関して、追加のプラグ部７８が設けられ、塞がれるこのポート７５の口を閉鎖することを可能にしている（図１２Ｃ参照）。このことは、一連のポート５３〜５８の外側口を選択的に閉塞するのに適しており、それらのポートは構成される構造に関して使用されておらず、したがってシールされなければならないという実際の解決策を示している。
【０１０３】
共通の構造および複数の標準部品によって構成された一連のモジュール型コンプレッサを提供可能であることを、当業者が前述の記載を読むことから理解し、そのコンプレッサは単一ステージタイプのコンプレッサ、２ステージタイプのコンプレッサ、４ステージタイプのコンプレッサを含み、３ステージ、６ステージ、またはより多ステージの構造を排除しない。特に、シリンダは共通部品であり、蓄熱器部またはセクションも共通部品である。固定仕切り６１〜６３は、充填リング４８、４９と同様に随意的な部品である。所望の構造は、異なったタイプのインサート６６を管理することによって得られる。
【０１０４】
自立駆動デバイス４の接続ロッドアセンブリ４１、４２に関しては、その幾何形状はピストンアセンブリ７のストロークに適合されなければならず、そのストロークは図に見られているように、ステージの数が増大すると短くなる。
【０１０５】
蓄熱器の仕切り壁が各９０°とされた４つのセクションと異なっているが、ステージの数による３６０°の分割から成る有利な仕切りであり、Ｎがステージの数である場合、３６０°／Ｎを意味していることが理解される。
【０１０６】
第１および第２通路は必ずしもポートではなく、径方向開口部として、またはシリンダ端部の任意の特別な手段によって形成されてもよいことが理解される。
【０１０７】
１つではなく、ピストンまたは関連した仕切りの周囲に沿って分布した複数のバルブ３ａ、３ｂ、３ｃが存在することも可能である。
【０１０８】
前述の１つまたは複数のピストン７には、その周端縁に沿って、技術的選択に従って効率を変化する流体密システムが備わっていることが理解される。
【０１０９】
中間仕切り６１の厚さは、圧縮デバイス１の高温部１６と低温部１５との間の断熱を改良するために、増大され得る。したがって、仕切り６１の厚さは、ロッド８のストロークにほぼ近い、またはわずかに大きいことが理解される。
【０１１０】
１つのステージから別のステージへの流体の再加熱を防ぐために、第３仕切り６３の内側に内部冷却デバイスが設けられてもよい。
【０１１１】
これに類似して、異なったステージ間のチェックバルブの動的挙動の改良のために、第１および第３ピストン７１、７３内ならびに第３固定仕切り６３内には内部補正空間（図示略）が配置可能であり、この空間は低温チャンバ内の圧力間の差の可能性を排除している。
【０１１２】
使用される作動流体は、特にＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ７４４、または等価のハイドロフルオロカーボンを含んだ適切な流体から選択されることが可能であり、Ｃ０２も環境の理由のために選択され得る。
【０１１３】
コンプレッサの往復動作の速度は、５Ｈｚ〜１０Ｈｚ（３００〜６００ｒｐｍ）の範囲で選択され得る。
【０１１４】
多様な圧縮ステージにおいて関連した圧力は、選択された作動流体に依存して、約１０ｂａｒ〜数百ｂａｒの範囲となり得る。
【符号の説明】
【０１１５】
１  ・・・デバイス
２  ・・・主筐体
４  ・・・自立駆動デバイス
５  ・・・冷熱源
６  ・・・熱源
７  ・・・ピストンアセンブリ
８  ・・・ロッド
９  ・・・再生熱交換器
１５  ・・・低温部
１６  ・・・高温部
１８  ・・・リング
４１  ・・・接続ロッド
４２  ・・・フライホイール
５０  ・・・スリーブ
５１  ・・・第１連通通路
５２  ・・・第２連通通路
５３  ・・・第３連通通路
５４  ・・・第４連通通路
５５，５６，５７，５８  ・・・ポート
６１  ・・・固定仕切り
６４  ・・・ブラインドホール
６６  ・・・インサート
６７  ・・・外部チャネル部
６８  ・・・内部チャネル部
６９  ・・・直径部
７１  ・・・第１ピストン
７２  ・・・第２ピストン
７３  ・・・第３ピストン
７４  ・・・第４ピストン
７６  ・・・プラグ部
８１  ・・・入口
８２  ・・・出口
９１  ・・・第１蓄熱器部分
９２  ・・・第２蓄熱器部分
９３  ・・・第３蓄熱器部分
９４  ・・・第４蓄熱器部分
９５  ・・・電気モータ
９８  ・・・ハウジング
９９  ・・・取り付け手段
Ｅ０  ・・・補助チャンバ
Ｅ１  ・・・第１圧縮ステージ
Ｅ２  ・・・第２圧縮ステージ
Ｅ３  ・・・第３圧縮ステージ
Ｅ４  ・・・第４圧縮ステージ
Ｅ１１  ・・・第１低温作動チャンバ
Ｅ１２  ・・・第２高温作動チャンバ
Ｅ２１  ・・・第３作動チャンバ
Ｅ２２  ・・・第４作動チャンバ
Ｆ１  ・・・第１連通ライン
Ｆ２  ・・・第２連通ライン
Ｆ３  ・・・第３連通ライン
Ｆ４  ・・・第４連通ライン
【図１】
0006265991.tif 000002
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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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【図９】
0006265991.tif 000011
【図１０】
0006265991.tif 000012
【図１１】
0006265991.tif 000013
【図１２】
0006265991.tif 000014
【図１２Ａ】
0006265991.tif 000015
【図１２Ｂ】
0006265991.tif 000016
【図１２Ｃ】
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