(57)【要約】加圧密閉サイクル機械に対する改善が提供される。この機械は、冷端部圧力容器（７０）を有し、そして外部熱源からの熱によって、ヒータ（５２、１０６）を介して伝導によって加熱される作業流体を含むシリンダ内で、往復線形運動を受けるピストン（６０、１２８）を有する型のものである。この改善は、作業流体を冷却するための熱交換器を含み、ここで、この熱交換器は、溶接または他の方法によって、この冷端部圧力容器内に配置されている。冷剤管（１３０）が、この熱交換器を通して冷剤を運ぶために使用される。
2006518021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧密閉サイクル機械であって、該加圧密閉サイクル機械は、冷端部圧力容器を有し、そしてシリンダ内で往復線形運動を受けるピストンを有する型のものであり、該シリンダは、外部熱源からの熱によって、ヒータヘッドを介して伝導によって加熱される作業流体を含み、該加圧密閉サイクル機械において、改善が、
該作業流体を冷却するための熱交換器であって、該熱交換器は、該冷端部圧力容器内に配置されている、熱交換器、
を含む、加圧密閉サイクル機械。
【請求項２】
前記ヒータヘッドが、前記冷端部圧力容器に直接接続されている、請求項１に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項３】
前記ヒータヘッドが、該ヒータヘッドから前記冷端部圧力容器へと機械的負荷を伝達するためのフランジをさらに備える、請求項１に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項４】
前記冷端部圧力容器を通過する冷剤管をさらに備え、該冷剤管は、冷剤を、該冷端部圧力容器の外側から前記熱交換器を通して該熱交換器へと運ぶため、および冷剤を、該熱交換器から該冷端部圧力容器の外側へと運ぶためのものである、請求項１に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項５】
前記冷剤管のセクションが、前記熱交換器内に収容されている、請求項４に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項６】
前記熱交換器に収容されている、前記冷剤管のセクションが、チュービングの単一の連続したセクションを備える、請求項５に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項７】
前記冷剤管が、単一の連続したチュービングのセクションを備える、請求項４に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項８】
前記冷端部圧力容器を通過する、前記冷剤管のセクションの外径が、該冷端部圧力容器に密着されている、請求項４に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項９】
前記冷剤管のセクションが、前記熱交換器の作業体積内に配置されている、請求項４に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１０】
前記熱交換器の前記作業体積内に配置された、前記冷剤管のセクションが、延在する複数の熱移動表面を備える、請求項９に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１１】
少なくとも１つのスペーシング要素をさらに備え、該スペーシング要素は、前記作業気体の流れを、前記熱交換器の前記作業体積内の前記冷剤管のセクションの特定の近くに方向付ける、請求項９に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１２】
前記熱交換器が、前記冷剤管を囲む環状熱シンクをさらに備え、該環状熱シンク内で、前記熱交換器の前記作業体積内の前記作業気体の流れが、該環状熱シンクの少なくとも１つの表面に沿って方向付けられる、請求項４に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１３】
前記冷剤管のセクションが、前記熱交換器の内壁の周りに巻きつけられている、請求項４に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１４】
前記冷端部圧力容器が、充填流体を含み、前記加圧密閉サイクル機械が、該充填流体を冷却するための、該冷端部圧力容器内に配置されている冷剤管のセクションをさらに備える、請求項１に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１５】
前記冷端部圧力容器が、充填流体を含み、前記加圧密閉サイクル機械が、該充填流体を循環および冷却するためのファンをさらに備える、請求項１に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１６】
前記冷端部圧力容器内に配置された、前記冷剤管のセクションが、該冷剤管の外側に、延在する熱移動表面を備える、請求項１４に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１７】
前記冷端部圧力容器が、充填流体を含み、前記加圧密閉サイクル機械が、
該充填流体を冷却するための、該冷端部圧力容器内に配置された冷剤管のセクションであって、該冷剤管のセクションが、該冷剤管の外側表面に、延在する熱移動表面のセットを有する、冷剤管のセクション；および
該充填流体を循環および冷却するためのファン、
をさらに備える、請求項１に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１８】
前記熱交換器が、該熱交換器の少なくとも１つの表面上に、延在する複数の熱移動表面をさらに備える、請求項１に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項１９】
前記熱交換器が、前記冷剤管上に金属をキャスティングすることによって形成された本体を有する、請求項５に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項２０】
前記熱交換器の本体が、延在する複数の熱移動表面を備える作業流体接触表面を備える、請求項１９に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項２１】
流れ収縮カウンター表面をさらに備え、該カウンター表面は、前記熱交換器の本体の特定の近くへの、前記作業流体の任意の流れを制限するためのものである、請求項１９に記載の加圧密閉サイクル機械。
【請求項２２】
外燃機関において作業流体を冷却するための熱交換器であって、該熱交換器は、
ａ．該熱交換器を通して冷剤を運ぶための、金属チュービング；および
ｂ．該金属チュービングを覆って材料をキャスティングすることによって形成された、熱交換器本体、
を備える、熱交換器。
【請求項２３】
前記熱交換器本体が、延在する複数の熱移動表面を備える作業流体接触表面を備える、請求項２２に記載の熱交換器。
【請求項２４】
流れ収縮カウンター表面をさらに備え、該カウンター表面は、前記熱交換器本体の特定の近くへの前記作業流体の任意の流れを制限するためのものである、請求項２２に記載の熱交換器。
【請求項２５】
作業流体から冷剤へと、冷却器を横切って熱エネルギーを移動させるための熱交換器を製造するための方法であって、該方法は、
ａ．チュービングの螺旋形状のセクションを形成する工程；および
ｂ．チュービングの環状形状のセクションを覆って材料をキャスティングして、熱交換器本体を形成する工程、
を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、圧力閉じ込め構造および加圧密閉サイクル機械の冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
スターリングサイクル機械（エンジンおよび冷却装置を含む）は、長い技術的遺産を有し、本明細書中において参考として援用される、Ｗａｌｋｅｒ，Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  Ｅｎｇｉｎｅｓ，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（１９８０）に詳細に記載される。スターリングサイクルエンジンの基礎となる原理は、スターリング熱力学サイクル（シリンダ内の気体の等積加熱、気体の等温膨張（この間に、ピストンを駆動することによって仕事がなされる）、等積冷却、および等温圧縮）の機械的実現である。
【０００３】
先行技術において、作業気体と冷却流体との間の熱移動構造は、スターリングサイクルエンジンの高圧作業気体を含む。熱移動および圧力閉じ込めという２つの機能は、設計において競合する要求を生じる。熱移動は、最も高い熱伝導材料から作製される、できるだけ薄い壁によって最大化される。しかし、弱い材料の薄い壁は、最大許容作動圧力を制限し、従って、エンジンの能力を制限する。さらに、規約および製造基準は、通常の名目上の作業圧力で数回保証試験され得る設計を要求する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（発明の要旨）
本発明の好ましい実施形態に従って、冷端部圧力容器を有し、そして外部熱源からの熱によってヒータヘッドを介する伝導により加熱される作業流体を含むシリンダ内で往復線形運動を行うピストンを有する型の、加圧密閉サイクル機械に対する改善が提供される。この改善として、作業流体を冷却するための熱交換器であって、この熱交換器が、冷端部圧力容器内に配置されている熱交換器を含む。ヒータヘッドは、溶接または他の方法によって冷端部圧力容器に直接接続され得る。１つの実施形態において、ヒータヘッドは、ヒータヘッドから冷端部圧力容器へと機械的負荷を伝達するためのステップまたはフランジを備える。
【０００５】
本発明のさらなる実施形態に従って、加圧密閉サイクル機械は、冷剤管を備え、この冷剤管は、冷剤を、冷端部圧力容器の外側から熱交換器を通して熱交換器へと運ぶため、および冷剤を、熱交換器から冷端部圧力容器の外側へと運ぶためのものである。この冷剤管は、チュービングの単一の連続したセクションを備え得る。１つの実施形態において、冷剤管のセクションは、熱交換器内に収容されている。熱交換器に収容されている、冷剤管のセクションは、チュービングの単一の連続したセクションであり得る。冷端部圧力容器を通過する、冷剤管のセクションの外径が、冷端部圧力容器に密着され得る。１つの実施形態において、冷剤管のセクションは、熱交換器の内部の周りに巻きつけられている。
【０００６】
別の実施形態において、冷剤管のセクションは、熱交換器の作業体積内に配置されている。熱交換器の作業体積内に配置された、冷剤管のセクションが、延在する複数の熱移動表面を備え得る。少なくとも１つのスペーシング要素が、作業気体の流れを、熱交換器の作業体積内の冷剤管のセクションの特定の近くに方向付けるために備えられ得る。この熱交換器は、冷剤管を囲む環状熱シンクをさらに備え、この環状熱シンク内で、熱交換器の作業体積内の作業気体の流れが、環状熱シンクの少なくとも１つの表面に沿って方向付けられる。この熱交換器は、熱交換器の少なくとも１つの表面上に、複数の熱移動表面をさらに備え得る。
【０００７】
なお別の実施形態において、冷端部圧力容器は、充填流体を含み、そして冷剤管のセクションは、該充填流体を冷却するために、冷端部圧力容器内に配置されている。加圧密閉機械はまた、冷端部圧力容器内に、充填流体を循環および冷却するためのファンをさらに備える。冷端部圧力容器内に配置された冷剤管のセクションが、冷剤管の外側に、延在する熱移動表面を備え得る。さらなる実施形態において、熱交換器は、冷剤管上に金属をキャスティングすることによって形成された本体を有する。熱交換器の本体は、延在する複数の熱移動表面を備える作業流体接触表面を備え得る。流れ収縮カウンター表面は、熱交換器の本体の特定の近くへの、作業流体の任意の流れを制限するために使用され得る。
【０００８】
本発明の別の局面に従って、熱交換器は、外燃機関において作業流体を冷却するために提供される。この熱交換器は、熱交換器を通して冷剤を運ぶための、金属チュービング、およびこの金属チュービングを覆って材料をキャスティングすることによって形成された、熱交換器本体を備える。１つの実施形態において、熱交換器本体は、延在する複数の熱移動表面を備える作業流体接触表面を備える。熱交換器は、流れ収縮カウンター表面をさらに備え、このカウンター表面は、熱交換器本体の特定の近くへの作業流体の任意の流れを制限するためのものである。
【０００９】
本発明の別の局面において、作業流体から冷剤へと、熱エネルギーを移動させるための熱交換器を製造するための方法が提供される。この方法は、チュービングの螺旋形状のセクションを形成する工程、およびチュービングの環状形状のセクションを覆って材料をキャスティングして、熱交換器本体を形成する工程、を包含する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明の実施形態に従って、加圧密閉サイクル機械の冷却器の熱移動機能および圧力容器機能は、分離され、これによって、作業気体の冷却と作業気体の許容される作業圧力との両方を有利に最大化する。最大許容作業圧力および冷却の増加はともに、エンジン能力を増加させる。本発明の実施形態は、良好な熱移動を達成し、熱を移動させ、高圧力の作業気体から冷却流体を分離するために、（ヒータヘッド直径と比較して）小さな金属チュービングを使用することによって、圧力閉じ込めについての規約要件に適合する。
【００１１】
ここで、図１を参照して、密閉的にシールされたスターリングサイクルエンジン（本発明の好ましい実施形態に従う）が断面で示され、数字５０によって一般的に指定される。本発明が図１および図２に示されるように、スターリングエンジンを参照して一般的に記載されているものの、多くのエンジン、冷却器、および他の機械が同様に種々の実施形態および本発明の主題である改善から利益を得ることができる。スターリングサイクルエンジン（例えば、図１に示される）は、加圧条件下で作動する。スターリングエンジン５０は、高圧作業流体（好ましくは、ヘリウム、窒素または気体の混合物）を２０〜１４０滑で含む。代表的に、クランク室７０は、エンジンの移動部分を囲んで遮蔽し、そしてスターリングエンジンが作動する（そして冷端部圧力容器として作動する）加圧条件を維持する。自由ピストンスターリングエンジンはまた、エンジンの加圧条件を維持するために冷端部圧力容器を使用する。ヒータヘッド５２は、熱端部圧力容器として役立つ。
【００１２】
スターリングエンジン５０は、ピストンシールリング６８によって分離される２つの別々の容量の気体（作業気体容量および充填気体容量）を含む。作業気体容量において、作業気体は、ヒータヘッド５２、リジェネレーター５４、冷却器５６、圧縮ヘッド５８、膨張ピストン６０、膨張シリンダ６２、圧縮ピストン６４および圧縮シリンダ６６によって収容され、ピストンシールリング６８の外側に収容される。充填気体は、冷端部圧力容器７０、膨張ピストン６０、圧縮ピストン６４によって囲まれる別の容量の気体であり、ピストンシールリング６８の内側に収容される。
【００１３】
作業気体は、圧縮ピストン６４および膨張ピストン６０によって、交互に圧縮および膨張する。作業気体の圧力は、ピストンの行程にわたって有意に振動する。操作の間、ピストンシールリング６８が密閉されていないので、ピストンシールリング６８を横切る漏れが存在し得る。この漏れは、作業気体容量と充填気体容量との間の気体のいくらかの交換を生じる。しかし、冷端部圧力容器７０の充填気体は、作業気体の平均圧力に充填されるので、２つの容量間の正味の質量交換はゼロである。
【００１４】
図２は、本発明の実施形態に従う図１の図に対して垂直に切断された、図１のスターリングサイクルエンジンの断面を示す。スターリングサイクルエンジン１００は、密閉的にシールされる。クランク室１０２は、冷端部圧力容器として役立ち、エンジンの平均作動圧力において、内部容量１０４内に充填気体を含む。クランク室１０２は、十分に厚い鋼または他の構造材料を使用することによって、熱性能を犠牲にすることなく、任意の強度で作製され得る。ヒータヘッド１０６は、熱端部圧力容器として役立ち、好ましくは、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５、ＧＭＲ−２３５などのような高温超合金から製造される。ヒータヘッド１０６は、外部熱源（図示しない）から作業流体への伝導によって、熱エネルギーを移動するために使用される。熱エネルギーは、太陽放射線または燃焼気体のような種々の熱源から提供され得る。例えば、バーナーを使用して、作業流体を加熱するために使用される熱燃焼気体１０７を生成し得る。膨張シリンダ（または作業空間）１２２は、ヒータヘッド１０６の内側に配置され、そして図１に関して上で考察されるように、作業気体容量の部分を規定する。膨張ピストン１２８は、膨張シリンダ１２２内に含まれる作業流体を置換するために使用される。
【００１５】
本発明の実施形態に従って、クランク室１０２は、ジョイント１０８においてヒータヘッド１０６に直接溶接されて、冷却器における熱移動の要件によって制限されること（これは、他の設計である）無しに、任意の圧力を保持するように設計され得る圧力容器を作製する。代替の実施形態において、クランク室１０２およびヒータヘッド１０６は、ともに、鑞付けされるかまたはボルト留めされるかのいずれかである。ヒータヘッド１０６は、フランジまたはステップ１１０を有し、このフランジまたはステップ１１０は、ヒータヘッドを軸方向に制限し、ヒータヘッド１０６からクランク室１０２への軸方向の圧力を移動させ、それによって、溶接されるかまたは鑞付けされたジョイント１０８からの圧力を軽減する。ジョイント１０８は、クランク室１０２（または冷端部圧力容器）をシールし、曲げ応力および平面応力に耐えるのに役立つ。代替の実施形態において、ジョイント１０８は、エラストマーシールを備える機械的ジョイントである。なお別の実施形態において、ステップ１１０は、ジョイント１０８において外部溶接に加えて、内部溶接で置き換えられる。
【００１６】
クランク室１０２は、２つの部品（上側クランク室１１２および下側クランク室１１６）で組み立てられる。ヒータヘッド１０６は、最初に上側クランク室１１２に接続される。第２に、冷却室１２０は、上側クランク室１１２の穴を通って、冷剤チュービング１１４を設置する。第３に、膨張ピストン１２８および圧縮ピストン６４（図１に示される）ならびに駆動要素１４０、１４２が設置される。下側クランク室１１６は、次いで、ジョイント１１８において上側クランク室１１２に接続される。好ましくは、上側クランク室１１２および下側クランク室１１６は、溶接によって接続される。あるいは、ボルト留めされたフランジが図２において示されるように使用され得る。
【００１７】
上側クランク室１１２へのヒータヘッド１０６の直接的な接続を可能にするために、熱サイクルの冷却機能は、クランク室１１２内に配置される冷却器１２０によって実行され、これによって、冷却器に与えられる圧力閉じ込め要件を有利に減少させる。冷却器１２０をクランク室１１２内に配置することによって、冷却器を横切る圧力は、作業気体容量（膨張シリンダ１２２を含む）内の作業気体とクランク室の内部容量１０４内の充填気体との間の圧力差に制限される。圧力差は、作業気体の圧縮および膨張によって作り出され、代表的に、作動圧力のパーセンテージに制限される。１つの実施形態において、圧力差は、作動圧力の３０％未満に制限される。
【００１８】
冷剤チュービング１１４は、有利には、冷却１２０の直径と比較して小さな直径を有する。冷剤通路の小さな直径（例えば、冷剤チュービング１１４によって提供される）は、高い熱移動の達成および大きな圧力差の支持のための重要である。所定の圧力に耐えるかまたは支持するために必要とされる壁の厚みは、管または容器の直径に比例する。管壁における低い応力によって、種々の材料が、冷剤チュービング１１４に使用され得、この材料としては、薄い壁のステンレス綱チュービングまたはより厚い壁の銅チュービングが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１９】
全体的に、クランク室１０２（または冷端部圧力容器）容量内に冷却器１２０を配置することのさらなる利点は、冷却器１２０を通る作業気体の任意の漏れが、エンジン性能の減少を生じるだけであることである。対照的に、冷却器が外部周囲環境と接触する場合、冷却器を通る作業気体の漏れは、作業気体の平均圧力が外部供給源によって維持されない限り、作業気体の漏れに起因して、エンジンを役に立たなくする。漏れのない冷却器についての減少した要件は、粉末金属およびダイキャスティングを含むがこれらに限定されないあまり高価でない製造技術の使用を可能にする。
【００２０】
冷却器１２０は、作業気体からの伝導によって熱エネルギーを移動し、それによって、作業気体を冷却するために使用される。冷剤（水または別の流体のいずれか）は、冷剤チュービング１１４によってクランク室１０２および冷却器１２０を通って運ばれる。上側クランク室１１２を通る冷剤チュービング１１４のフィードスルー（ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）は、銅管に対してはんだ付けまたは鑞付けされたジョイントによって、ステンレス鋼および鋼チュービングの場合には溶接によって、あるいはそれ以外で当該分野で公知なようにシールされ得る。
【００２１】
内部容量１０４内の充填気体はまた、モータ／発生器巻線、駆動装置における機械的摩擦、充填気体の非可逆的圧縮／膨張、および作業気体容量からの熱気体のブローバイ（ｂｌｏｗ−ｂｙ）において散逸される熱から生じる熱に起因して、冷却を必要とし得る。クランク室１０２内の充填気体の冷却は、エンジンの能力および効率、ならびにエンジンにおいて使用されるベアリングの寿命を増加させる。
【００２２】
１つの実施形態において、冷剤チュービング１３０のさらなる長さがクランク室１０２の内側に配置されて、内部容量１０４内の充填気体から熱を吸収する。冷剤チュービング１３０のさらなる長さは、さらなる熱移動を提供するために、一組の延在する熱移動表面１４８（例えば、フィン）を備え得る。図２に示されるように、冷剤チュービング１３０のさらなる長さは、クランク室１０２と冷却器１２０との間で、冷剤チュービング１１４に接続され得る。代替の実施形態において、冷剤チュービング１３０の長さは、クランク室１０２の外側のホースによって冷却ループに接続されるクランク室１０２のそれ自体のフィードスルーを備える別の管であり得る。
【００２３】
別の実施形態において、延在する冷剤管１３０は、冷却器１２０または駆動ハウジング７２の外側表面上の、延在する表面で置き換えられ得る。あるいは、ファン１３４が、エンジンのクランクシャフトに取り付けられて、充填気体を内部体積１０４内で循環させ得る。ファン１３４は、さらなる冷剤チュービング１３０または冷却器１２０もしくは駆動ハウジング７２上の延在する表面とは別個にかあるいはこれらと組み合わせて使用されて、内部体積１０４内の充填気体を直接冷却し得る。
【００２４】
好ましくは、冷剤チュービング１１４は、クランク室および冷却器１２０の内部体積１０４全体にわたる、連続した管である。あるいは、２本のチュービングが、クランク室と、冷却器のフィードスルーポートとの間に使用され得る。１つの管は、クランク室１０２の外側から冷却器１２０へと冷剤を運ぶ。第２の管は、この冷剤を、冷却器１２０からクランク室１０２の外側へと戻す。別の実施形態において、クランク室体積１０４の内部の延在する熱交換表面をチュービングに追加する目的、または製造を容易にする目的で、複数のチュービングが、クランク室１０２と冷却器との間に使用され得る。これらのチュービングは、チュービング間で連結を続け、そして冷却器は、鑞付けされ得るか、はんだ付けされ得るか、溶接され得るか、または機械的連結部であり得る。
【００２５】
種々の方法が、冷剤チュービング１０４を冷却器２２０に連結するために使用され得る。冷剤チュービング１１４を冷却器１２０に連結するための任意の公知の方法が、本発明の範囲内である。１つの実施形態において、冷剤チュービング１１４は、鑞付け、はんだ付け、または接着によって、冷却器１２０の壁に取り付けられ得る。冷却器１２０は、円筒形の形態であり、膨張シリンダ１２２および膨張シリンダ１２２の外側の作業気体の環状流路を囲んで配置される。従って、冷剤チュービング１１４は、冷剤シリンダの壁の内側に巻きつけられ得、そして上記のように取り付けられ得る。
【００２６】
代替の冷却器構成が、図３ａ〜３ｄに提示され、これらは、冷却器本体の製造の複雑性を減少させる。図３ａは、本発明の実施形態に従う冷剤チュービングを備える、スターリングサイクルエンジンの側面図である。図３ａにおいて、冷却器１５２は、冷却器作業空間１５０を備える。冷剤チュービング１４８は、冷却器作業空間１５０内に配置され、その結果、この作業気体は、冷剤チュービング１４８の外側表面を覆って流れ得る。この作業気体は、冷却器本体１５２および冷却器ライナー１２６によって、冷剤チュービング１４８を通って流れることが制限される。冷剤管は、冷却器１５２または駆動ハウジング７２（図２に示される）のいずれかにおけるポートを通って、作業空間１５０に入り、そして作業空間１５０から出る。冷却器キャスティングプロセスは、冷剤ライン１４８の周囲にシールを有することによって、単純化される。さらに、冷剤ライン１４８を作業空間内に配置することによって、作業流体と冷剤流体との間での熱移動が改善される。冷剤チュービング１４８は、平滑であっても、チュービングの外側に延在する熱移動表面もしくはフィンを有して、作業気体と冷剤チュービング１４８との間での熱移動を増加させてもよい。別の実施形態において、図３ｂに示されるように、スペーシング要素１５４が、冷却器の作業空間１５０に付加されて、作業流体を強制的に、冷剤管１４８の近くを流し得る。これらのスペーシング要素は、冷却器ライナー１２６および冷却器本体１５２とは別個であり、冷剤管およびスペーシング要素の、作業空間への挿入を可能にする。
【００２７】
別の実施形態において、図３ｃに示されるように、冷剤チュービング１４８は、オーバーキャストされて、環状熱シンク１５６を形成し、この熱シンクにおいて、作業気体が、冷却器本体１５２の両側を流れ得る。環状熱シンク１５６はまた、その内側表面および外側表面１６０の両方に、延在する熱移動表面を備え得る。冷却器１５２の本体は、作業流体が、熱シンク１５６の延在する熱交換表面を通って流れることを制限する。熱シンク１５６は、代表的に、図２における冷却器１２０よりも、製造が単純な部品である。環状熱シンク１５６は、図２に示される冷却器１２０の、およそ２倍の熱移動面積を提供する。別の実施形態において、図３ｄに示されるように、冷却器ライナー１２６は、冷剤ライン１４８を覆ってキャスティングされ得る。冷却器本体１５２は、作業流体が、冷却器ライナー１６２を通って流れるように制限する。冷却器ライナー１２６はまた、熱移動を増加させるために、表面１６０上に、延在する熱交換表面を備え得る。
【００２８】
図２を参照すると、冷剤チュービング１１４を冷却器１２０に連結するための好ましい方法は、冷却器を、冷剤チュービングの周りにオーバーキャストすることである。この方法は、図４ａおよび４ｂを参照して記載され、そして加圧密閉サイクル機械、および冷却器をクランク室の内部に置くことが有利である他の適用に応用され得る。
【００２９】
図４ａを参照すると、熱交換器（例えば、冷却器１２０（図１に示される））は、高温用金属チュービング３０２を所望の形状に形成することによって、製造され得る。好ましい実施形態において、金属チュービング３０２は、銅を使用して、コイルに形成される。次いで、（このチュービングの融解温度と比較して）低温でのキャスティングプロセスが使用されて、チュービング３０２の上に、熱伝導率の高い材料がオーバーキャスティングされて、気体インターフェース３０４（および図２における１３２）、このエンジンの残りの部分に対するシール３０６（および図２における１２４）、および駆動ハウジング７２（図２に示される）をヒータヘッド１０６（図２に示される）に機械的に接続するための構造体を形成する。好ましい実施形態において、このチュービングをオーバーキャストするために使用される、熱伝導性が高い材料は、アルミニウムである。チュービング３０２を、熱伝導性が高い金属でオーバーキャスティングすることによって、このチュービングと、作業気体と接触している熱移動表面との間の、良好な熱結合が保障される。シールが、チュービング３０２の周りに、このチュービングが３１０において開放鋳型を出る位置で、作製される。熱交換器を製造するこの方法は、有利なことに、キャスティング金属部品内に安価に冷却通路を提供する。
【００３０】
図４ｂは、図４ａの冷却コイルを覆ってキャスティングされた、冷却アセンブリの斜視図である。キャスティングプロセスは、以下のうちのいずれかを包含し得る：ダイキャスティング、インベストメントキャスティング、またはサンドキャスティング。チュービングの材料は、このキャスティングプロセスの間に融解も崩壊もしない材料から選択される。チュービングの材料としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル、および超合金（例えば、インコネル）が挙げられるが、これらに限定されない。キャスティング材料は、チュービングと比較して相対的に低い温度で融解する材料から選択される。代表的なキャスティング材料としては、アルミニウムおよびその種々の合金、ならびに亜鉛およびその種々の合金が挙げられる。
【００３１】
この熱交換器はまた、延在する熱交換表面を備えて、熱い作業気体と熱交換器との間の界面領域３０４（および図２に示される１３２）を増加させ得、これによって、作業気体と冷剤との間の熱移動を改善する。延在する熱交換表面は、延在する表面を、内部表面（または気体界面）３０４に機械加工することによって、熱交換器１２０の作業気体側に作製され得る。図２を参照すると、冷却器ライナー１２６（図２に示される）は、熱交換器を通されて、気体障壁を、熱交換器の内径に形成し得る。冷却器ライナー１２６は、作業気体の流れを、この冷却器の内側表面を通るように方向付ける。
【００３２】
延在する熱交換表面は、当該分野において公知の方法のいずれかによって、作製され得る。本発明の好ましい実施形態に従って、長手軸方向の溝５０４が、図５ａに詳細に示されるように、この表面に切り込まれる。あるいは、横方向の溝５８が、長手軸方向の溝５０４に加えて切り込まれ得、これによって、図５ｂに示されるような、整列したピン５１０を作製する。本発明のなお別の実施形態に従って、溝は、熱交換面積を増加させるために、螺旋角度で切り込まれる。
【００３３】
代替の実施形態において、冷却器の気体界面３０４（図４ｂに示されるような）の延在する熱交換表面は、金属発泡体、エキスパンデッドメタル、または高い比表面積を有する他の材料から形成される。例えば、金属発泡体のシリンダは、冷却器３０４の内部表面にはんだ付けされ得る。上で議論されたように、冷却器ライナー１２６（図２に示される）は、金属発泡体の内径上に気体障壁を形成するように、押し込まれ得る。熱交換表面を形成し、そしてこの熱交換表面を冷却器の本体に取り付ける他の方法は、同時係属中の米国特許出願番号０９／８８４，４３６（２００１年６月１９日出願、発明の名称「Ｓｔｉｒｌｉｎｇ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ」、これは、本明細書中に参考として援用される）に記載されている。
【００３４】
本明細書中に記載されるシステムおよび方法の全ては、スターリングの機械、または本発明がその文脈で記載された他の加圧密封サイクル機械に加えて、他の用途において適用され得る。本発明の記載される実施形態は、単に例示であることが意図され、そして多数のバリエーションおよび改変が、当業者に明らかである。このようなバリエーションおよび改変の全ては、添付の特許請求の範囲において定義されるような、本発明の範囲内であることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明は、添付の図面とともに、以下の説明を参照することによってより容易に理解される。
【図１】図１は、本発明の実施形態に従う作業空間を備えるスターリングサイクルエンジンの断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従う、図１のスターリングサイクルエンジンに対して垂直に切断された断面図である。
【図３ａ】図３ａは、本発明の実施形態に従う冷剤管を備えるスターリングサイクルエンジンの側面断面図である。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明の代替の実施形態に従う冷剤管を備えるスターリングサイクルエンジンの側面断面図である。
【図３ｃ】図３ｃは、本発明の代替の実施形態に従う冷剤管を備えるスターリングサイクルエンジンの側面断面図である。
【図３ｄ】図３ｄは、本発明の代替の実施形態に従う冷剤管を備えるスターリングサイクルエンジンの側面断面図である。
【図４ａ】図４ａは、本発明の実施形態に従う熱交換器のための冷却コイルの斜視図である。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明の実施形態に従う図４ａの冷却コイルを覆う冷却アセンブリキャストの斜視図である。
【図５ａ】図５ａは、本発明の実施形態に従う垂直溝を示す、図４ｂのオーバーキャスト冷却熱交換器の内部セクションの詳細な断面上面図である。
【図５ｂ】図５ｂは、本発明の別の実施形態に従う熱交換ピンを作製する垂直溝および水平溝を示す、図４ｂのオーバーキャスト冷却熱交換器の内部セクションの詳細な断面上面図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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