(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１と第２の接続ロッドの回転運動と往復直線運動とを相互変換する菱形駆動装置であり、第１の接続ロッドの直線運動は第２の接続ロッドの直線運動に対する同期関係にある菱形駆動装置であって、
ａ．第１と第２の機関の車軸を有する回転運動アセンブリと、
ｂ．この回転運動アセンブリから第１の接続ロッドへ運動を伝達する上部リンク機構    とを備え、その上部リンク機構は、
ｉ．第１の機関の車軸に関して偏心して接続された第１の端部と、第２の端部とを有する第１の上部リンクアームと、
ii．第２の機関の車軸に関して偏心して接続された第１の端部と、第１の上部リンクアームの第２の端部に対して共通のピボットにおいて柔軟に接続された第２の端部とを有する第２の上部リンクアームとを含み、前記菱形駆動装置は更に、
ｃ．前記回転運動アセンブリから第２の接続ロッドへ運動を伝達する下部リンク機構を備え、この下部リンク機構は、回転ベアリングにより機関の車軸に対して偏心して接続された２つのリンクを有する菱形駆動装置。
【請求項２】
第１と第２の接続ロッドの回転運動と往復直線運動とを相互変換する菱形駆動装置であり、第１の接続ロッドの直線運動は第２の接続ロッドの直線運動に対する同期関係にある菱形駆動装置であって、
ａ．２つの機関の車軸を有する回転運動アセンブリと、
ｂ．この回転運動アセンブリから第１の接続ロッドへ運動を伝達する上部リンク機構であり、回転ベアリングにより機関の車軸に対して偏心して接続された少なくとも２つのリンクを有する上部リンク機構と、
ｃ．前記回転運動アセンブリから第２の接続ロッドへ運動を伝達する下部リンク機構であり、回転ベアリングにより機関の車軸に対して偏心して接続された少なくとも２つのリンクを有する下部リンク機構とを備え、少なくとも一方の前記接続ロッドが柔軟な接続継手により少なくとも一つのピストンへ接続されている菱形駆動装置。
【請求項３】
請求項２の菱形駆動装置において、
ｄ．第１の機関の車軸に対して偏心して取り付けられた第１のタイミングギアと、
ｅ．第２のタイミングギアであり、第１のタイミングギアと第２のタイミングギアとが噛合して反対方向へ回転するように、第２の機関の車軸に対して偏心して取り付けられた第２のタイミングギアとを備え、第１と第２のタイミングギアの各々は、対抗するピッチで同軸に取り付けられた２つのヘリカルギアの積層を含む菱形駆動装置。
【請求項４】
請求項３の菱形駆動装置であって、第１と第２のタイミングギアが、第１と第２の接続ロッドの運動の間の位相の微調整のために前記ヘリカルギアを分離する詰め金を更に含む請求項３の菱形駆動装置。
【請求項５】
請求項３の菱形駆動装置であって、前記回転ベアリングを予備装填する少なくとも２つのスプリングバンドを更に含む菱形駆動装置。
【請求項６】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、ピストンと、高温端部およびシリンダ内で往復運動を受ける低温端部を有するディスプレイサーとを含み、前記シリンダの第１端部においてガスがヒーターヘッドを介して加熱されており、更にこのスターリングサイクル機は、前記ディスプレイサーの高温端部を包囲する再生リングを含むことを特徴とする菱形駆動装置。
【請求項７】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、ピストンと、高温端部およびシリンダ内で往復運動を受ける低温端部を有するディスプレイサーとを含み、前記シリンダの第１端部においてガスがクーラーを介して冷却されており、更にこのスターリングサイクル機は、前記ディスプレイサーの低温端部を包囲する再生リングを含むことを特徴とする菱形駆動装置。
【請求項８】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、ピストンと、高温端部およびシリンダ内で往復運動を受ける低温端部を有するディスプレイサーとを含み、前記シリンダの第１端部において作動流体がヒーターヘッドを介して加熱されており、更にこのスターリングサイクル機は、前記ヒーターヘッドに関して円周上に配置され、輻射により前記ヒーターヘッドへ熱を伝導するラジエータを含むことを特徴とする菱形駆動装置。
【請求項９】
請求項８記載の菱形駆動装置において、前記スターリングサイクル機が、前記ヒーターヘッドに関して円周上に配置された輻射部材の積層を備えるラジエータを更に含む菱形駆動装置。
【請求項１０】
請求項９記載の菱形駆動装置において、前記輻射部材が、フィンである菱形駆動装置。
【請求項１１】
請求項８記載の菱形駆動装置において、前記スターリングサイクル機が、熱輻射を透  過するセラミックヒーターヘッドを更に含む菱形駆動装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の菱形駆動装置において、前記セラミックヘッドが、マグネシウムアルミネイトスピネル、アルミニウム酸化窒素、ランタニウム添加イットリウムの中から選択されている菱形駆動装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の菱形駆動装置において、対流により前記ヒーターヘッドを通じて伝導された熱輻射を吸収して作動流体へ熱を伝導するように、シリンダ内に波状ホイルを更に含む菱形駆動装置。
【請求項１４】
請求項３の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置は、ピストンがシリンダ内で往復運動を受けることにより、作動流体の体積を変化させるスターリングサイクル機に組み込まれており、このスターリングサイクル機は、
ａ．ピストンとシリンダとの間の境界の近傍で局所的にイオン化された作動流体を供給するイオン化装置と、
ｂ．前記ピストンを通過する作動流体の流出を防止するようにピストンを取り囲む磁場とを含む菱形駆動装置。
【請求項１５】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、加熱区画と冷却区画とを備え、作動流体が加熱および冷却サイクルを受ける形式であり、且つ
ａ．作動流体をイオン化するイオン化装置と、
ｂ．前記スターリングサイクル機の加熱区画と冷却区画との間で作動流体を移動させる電磁ディスプレイサーとを備える菱形駆動装置。
【請求項１６】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機関に組み込まれ、このスターリングサイクル機関は、空気と燃料とが燃焼器へ送られて、空気および燃料の燃焼がヒーターヘッドを加熱して高温排気ガスを生成する形式であり、且つ高温排気ガスから電力を引き出す熱伝変換器を備えることを特徴とする菱形駆動装置。
【請求項１７】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機関に組み込まれ、このスターリングサイクル機関は、空気と燃料とが燃焼器へ送られて、空気および燃料の燃焼がヒーターヘッドを加熱して高温排気ガスを生成する形式であり、且つ高温排気ガスにより駆動されて前記燃焼器へ空気を強制送風するターボコンプレッサを備えることを特徴とする菱形駆動装置。
【請求項１８】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機関に組み込まれ、このスターリングサイクル機関は、空気と 燃料とが燃焼器へ送られて、空気および燃料の燃焼がヒーターヘッドを加熱して高温排気ガスを生成する形式であり、且つ高温排気ガスにより 動力を与えられて前記スターリング機関を冷却する吸収冷凍機を備えることを特徴とする菱形駆動装置。
【請求項１９】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機関に組み込まれ、このスターリングサイクル機関は、空気と加圧気体燃料とが燃焼器へ送られて、空気および加圧気体燃料の燃焼がヒーターヘッドを加熱する形式であり、且つ加圧気体燃料により駆動されて前記燃焼器へ送る空気を同伴させる空気増幅器を備えることを特徴とする菱形駆動装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の菱形駆動装置において、前記空気増幅器が、更に排気ガスを前記燃焼器へ入れる菱形駆動装置。
【請求項２１】
請求項２の菱形駆動装置において、この菱形駆動装置が、スターリングサイクル機に組み込まれ、このスターリングサイクル機は、
ａ．シリンダ内で往復直線運動を受け、第１の径を有すると共に、前記シリンダ内の体積を掃引するパワーピストンと、
ｂ．このパワーピストンの往復直線運動と共軸の往復直線運動を受け、前記パワーピストンにより掃引される前記体積と少なくとも部分的に共通の体積を掃引すると共に、第１の径よりも大径の第２の径を有するディスプレイサーピストンと、
ｃ．前記パワーピストンおよびディスプレイサーピストンにより掃引される前記体積内に包含されて、加熱、膨張、冷却、および圧縮の連続的サイクルを受ける作動流体とを備える菱形駆動装置。
【請求項２２】
請求項２の菱形駆動装置が、第１のガス圧を有する領域を第２のガス圧を有する領域を分離する一連の渦を有するスターリングサイクル機に組み込まれており、このスターリングサイクル機において第１のガス圧が第２のガス圧を越えるベローズを制作する方法であって、
ａ．第２のガス圧を有する前記領域へ延出する第１の複数の継手において区画を交互に機械的に接続する段階と、
ｂ．第１のガス圧を有する前記領域へ延出する第２の複数の継手において区画を交互に機械的に封止する段階とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、スターリングサイクル熱機関または冷凍器の改良に関し、更に詳しくは、スターリングサイクル熱機関または冷凍器の機械的および熱的部品の改良に関し、これは機関（エンジン）運転効率とその寿命の向上と、大きさ、複雑さおよびコストの削減とに寄与する。
【０００２】
発明の背景
機関および冷凍器を含むスターリングサイクル機は長い技術的伝統を有し、その詳細はWalker，Stirling Engines，Oxford University Press (1980)に説明されており、この文献は引用により本明細書に組み込まれている。スターリングサイクル機関の主要な基礎をなすのは、スターリング熱サイクルの機械的実現である。そのスターリング熱サイクルは、シリンダ内の等積加熱、ガスの等熱膨張（駆動ピストンによりガスの作動が実行されている間）、等積冷却および等熱圧縮である。段階が等積でも等熱でもないこのサイクルの実用的な実現は、本発明の範囲内にあり、本説明においては、請求された本発明を限定することなく理想的な実施例の場合に関して説明される。
【０００３】
本発明の様々な局面がスターリングサイクル機関およびスターリングサイクル冷凍器の双方に適用され、これらの双方を本説明および請求項においては一括してスターリングサイクル機と称する。スターリングサイクル機の付加的な局面とその改良は"Cantilevered Crankshaft Stirling Cycle Machine" と題された係属中の米国特許出願（出願日１９９８年７月１４日）に説明されており、これは本明細書に引用により組み込まれている。
【０００４】
スターリング機関の作動原理は図１ａ−１ｅを参照して簡単に説明してあり、ここでは同一の参照符号は同一または類似の部品を示す。スターリングサイクル機の様々な機械的配置が当技術分野では公知であるので、全体的に符号１０で示される特定のスターリングサイクル機は単に例示の目的で図示してある。図１ａ乃至１ｄにおいては、ピストン１２およびディスプレイサー１４はシリンダ１６内で同期往復移動し、そのシリンダはスターリング機関の幾つかの実施例では単独のシリンダとすることができる。シリンダ１６内に包含された作動流体は、ピストン１２およびディスプレイサー１４の周囲から漏洩しないようにシールにより封止されている。この作動流体は以下に説明するように、その熱力学的特性に基づいて選択されており、代表的には、数気圧下で用いられるヘリウムである。ディスプレイサー１４の位置は、界面において作動流体に対して熱が加えられるか除去されるかに応じて、それぞれ作動流体が高温界面１８か低温界面２０へ接触するように決められる。加熱および除熱について以下に更に詳細に説明する。ピストン１２の位置により決められる作動流体の体積を圧縮空間２２と称する。
【０００５】
機関サイクルの第１段階、即ちその開始状態が図１ａに示される段階中においては、ピストン１２が圧縮空間２２における流体を圧縮する。この圧縮は、熱が流体から周囲環境へ除去されるので、実質的に一定温度で起こる。実際には、以下の説明に述べるようにクーラー６８（図２に示される）が設けられている。圧縮の後の機関１０の状態は図１ｂに示されている。サイクルの第２段階中においては、ディスプレイサー１４が低温界面２０の方向へ移動して、作動流体が低温界面２０の領域から高温界面１８の領域へ押し退けられる。この段階は移送段階と称し得る。この移送段階の終わりにおいては、作動流体が一定体積で加熱されているので、流体は高圧にある。減少した圧力は図１ｃにおいては圧力計２４の表示により示されている。
【０００６】
機関サイクルの第３段階（膨張ストローク）中は、圧縮空間２２の体積が、熱が機関１０の外側から進入するにつれて増大することにより、熱が仕事へ変換される。実際には、熱はヒータ６４（図２に示す）により流体へ与えられ、これは以下の説明において詳細に説明される。膨張段階の終わりにおいては、圧縮空間２２は、図１ｄに示すように、冷却流体で満たされる。機関サイクルの第４段階中においては、ディスプレイサー１４の対向方向への移動により、流体は高温界面１８の領域から低温界面２０の領域へ移送される。この第２の移送段階の終わりにおいては、図１ａに示すように、流体は圧縮空間２２および低温界面２０を満たし、圧縮段階の反復のための準備がなされる。このスターリングサイクルは図１ｅに示すようにＰ−Ｖ（圧力−体積）ダイアグラムで示される。
【０００７】
更に、高温界面１８の領域から低温界面２０の領域への通過において、流体は再生器６６（図２に示す）を通過し得る。再生器６６は大きな体積対表面領域比を有する材料の集合であり、これは流体が高温界面１８の領域から加熱に入るときに流体から熱を吸収すると共に、流体が低温界面２０の領域から通過するときに流体を加熱する役割を果たす。
【０００８】
スターリングサイクル冷凍器の操作の原理についても図１ａ−１ｅを参照して説明でき、ここでは同一の符号が、同一または類似の部品を示すために用いられている。上述した機関と、冷凍器として採用されたスターリング機との間の差異は、圧縮空間２２が典型的に周囲温度と熱的に連通すると共に、膨張体積２４が外部冷却負荷（図示せず）へ接続されていることである。冷凍器操作は正味の作動入力を必要とする。
【０００９】
外部熱輻射をスターリング機関の作動流体へ移送する従来技術の手段は、流体への輻射を結合する石英窓を必要とする。一般に、この手段は、作動流体と周囲環境との間の相当に大きな圧力差に耐えねばならないので、石英の軟化点を越える操作温度においては不充分である。
【００１０】
スターリングサイクル機関は実際の適用では一般的に使用されるには至らず、スターリングサイクル冷凍器は、その開発に幾つかの困難な問題点があるので、極低温の特定の分野に限定される。これらは、効率、振動、寿命、およびコストなど実際に考慮すべき問題を伴う。本発明はこれらの考慮すべき問題に取り組む。
【００１１】
発明の概要
本発明の一つの局面によれば、その一実施例においては、全回転運動を第１および第２の接続ロッドの往復直線運動へ変換する菱形駆動装置が設けられており、第１の接続ロッドの直線運動は第２の接続ロッドの直線運動に対して同期関係を有する。菱形駆動装置は、２つの機関の車軸を有する回転運動アセンブリと、２つのリンク機構、即ち上部リンク機構および下部リンク機構とを有する。回転運動アセンブリから第１の接続ロッドへ運動を伝達する上部リンク機構は、第１の上部リンクアームおよび第２の上部リンクアームを有し、その第１の上部リンクアームは、第１の機関の車軸に関して偏心して接続された第１端部と、第２端部とを有し、第２の上部リンクアームは、第２の機関の車軸に関して偏心して接続された第１端部と、第１の上部リンクアームの第２端部に対する共通のピボットにおいて柔軟に接続された第２端部とを有し、その共通のピボットは撓む。下部リンク機構は回転運動アセンブリから第２の接続ロッドへ運動を伝達し、且つ回転ベアリングにより機関の車軸へ偏心して接続された少なくとも２つのリンクを有する。
【００１２】
本発明の他の局面によれば、第１および第２の接続ロッドの回転運動および往復直線運動を相互変換する菱形駆動装置が設けられており、ここでは少なくとも１つの接続ロッドが柔軟継手により少なくとも１つのピストンへ接続されている。本発明の代替的実施例によれば、菱形駆動装置は２つのタイミングギアを有してもよく、その各々は相互相殺ピッチで共軸に取り付けられた２つのヘリカルギアの積み重ねを含む。第１および第２のタイミングギアは、第１と第２の接続ロッドの動作の間の位相の微調整のためにヘリカルギアを分離する詰め金を更に含むと共に、菱形駆動装置は、回転ベアリングを事前装填する少なくとも２つのスプリングバンドを含んでもよい。
【００１３】
本発明の他の局面によれば、ピストンと、シリンダ内で往復運動を受ける高温端部と低温端部とを有するディスプレイサーとを含む形式のスターリングサイクル機は、ディスプレイサーの高温端部または低温端部を取り囲む熱交換リングを含んでもよい。本発明の更なる代替的実施例によれば、ラジエータをスターリングサイクル機関のヒーターヘッドに関して周方向に配置して、輻射によりヒーターヘッドへ熱を伝達するようにしてもよく、そのラジエータは、ヒーターヘッドに関して周方向に配置された放熱フィンのような輻射部材の積み重ねを有してもよい。ヒーターヘッドは熱輻射を透過させるセラミックヒーターヘッドとしてもよく、マグネシウムアルミン酸塩スピネル、アルミニウム酸化窒化物、およびランタン添加イットリウムの材料の中から選んでもよい。
【００１４】
本発明の更なる局面によれば、第２のガス圧を有する領域から第１のガス圧を有する領域を分離する一続きの巻回を有するベローズを制作する方法が与えられ、ここでは第１のガス圧が第２のガス圧を越える。この方法は、第２のガス圧を有する領域へ延伸する継手において代替的な区画を機械的に接続し、且つ第１のガス圧を有する領域へ延伸する継手において代替的な区画を封止する段階を有する。
【００１５】
本発明は、添付図面と共になされる以下の説明を参照することにより一層容易に理解されるであろう。
【００１６】
好適実施例の詳細な説明
ここで図２を参照すると、断面図で示されるスターリングサイクル機関が全体的に符号２８で示されている。本発明については図２に示されるスターリング機関を参照して一般的に説明するが、冷凍器のみならず様々な機関が本発明の対象である様々な実施例および改良から同様に恩恵を受けることを理解されたい。図２に示すスターリング機関２８をアルファ形態と称し、これは各々の個別のシリンダ内の直線運動を受ける圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２により特徴付けられる。即ち圧縮ピストン３０は圧縮シリンダ３４内にあり、膨張ピストン３２は膨張シリンダ３６内にある。
【００１７】
更に圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２に加えて、スターリング機関２８の主要部品はヒーター６４、再生器６６およびクーラー６８を含む。一括してピストンと称される圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２は、シリンダライナー４２により横方向に規定された各々の体積３８および４０内の往復直線運動で移動するように束縛されている。シリンダ内室の体積は、機関２８のヒーター６４およびクーラー６８（ここではそれぞれ熱区画および冷却区画と称する）にほぼ等しい。圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２の往復直線運動の相対位相（位相角度）は、クランク室４６に収容された駆動機構４４に対するそれらの各々の継手により決められる。以下に詳細に説明する駆動機構４４は、ピストンの相対的タイミングを支配して、直線運動および回転運動を相互変換するように採用し得る機関設計の当技術分野で公知の様々な機構の一例である。圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２はそれぞれ第１接続ロッド４８および第２接続ロッド５０を介して駆動機構４４へ接続されている。圧縮シリンダ３８の体積は圧縮段階中に圧縮作動流体の冷却を可能とするように配管４５を介してクーラー６８へ接続されている。より詳しくは配管４５は、クーラー６８、再生器機６６およびヒーター６４を備える環状熱交換器へ圧縮体積３８を接続する。
【００１８】
本発明の好適実施例によれば、ロッド４８および５０は、座屈することなく必要な圧縮負荷を支持する充分な張力および収縮剛性を与えつつ、駆動装置不整合（例えば機関構造の加圧および加熱に起因して生じ得る）に適合するように曲げに関して柔軟になる方式で制作されている。ロッド４８および５０は、好ましくは高張金属、例えばＳ−７ツール鋼からつくられ、任意の断面のロッドが本発明の目的の範囲内にあるが、有利なのは楕円断面である。
【００１９】
ここで駆動機構４４の操作について図３を参照して説明する。本発明の一実施例によれば、新規なリンク機構（Ｌ駆動リンク機構と称し得る）が、相対的位相遅延を有する正弦直線運動を受ける２つの部材を接続するように設けられている。遊星ギアセットは全体的に符号７０により示されている。この遊星ギアセット７０は本発明の一実施例において、（図１に示す）ピストン１２および１４（代替的に圧縮ピストン１２および膨張ピストン１４と称する）の往復直線運動を結合するために採用し得る。この遊星ギアセット７０は内部ギア７２およびピニオンギア７４からなり、内部ギア７２のピッチ径はピニオンギア７４のピッチ径の２倍に等しい。内部ギア７２が固定されたままであり、且つピニオンギア７４が内部ギア７２の内側の回動を可能とするとき、ピニオンギア７４の外周７６における各点は、線上の基点に関して純粋な正弦運動で直線に沿って移動する。
【００２０】
図４ａ−４ｈは、図３を参照して説明したように固定された内部ギア７２に関して回動するピニオンギア７４の反対側へ接続ロッド４８および５０を介して接続されたピストン１２および１４の各々の直線移動を示す。ピストン１２および１４は互いに角度をなして移動し、好ましく直角から約１０゜以内の範囲内の角度である。ピストン１２および１４は、互いに関してピストン移動の軸の角度的方向に実質的に等しい位相角度関係で純粋な正弦線形運動を掃引する。従って、例えば正確に直交するように向き付けられたピストン移動については、ピストン１２および１４は、互いに関して実質的に矩象（９０゜位相ずれ）をなして移動する。ピニオンギア７４の回転を伴うピストンの移動の連続的段階は図４ａ−４ｈに示されている。
【００２１】
図５ａを参照すると、ピニオンギア７４に関して１８０゜の位相ずれで回転する複数の釣り合い錘７８（明瞭化のために、１つのみの釣り合い錘７８が示されている）の使用は機関を動的に平衡させる。図５ｂに示される駆動装置の断面図を参照すると、１組の「捻れ釣り合い錘」８０が偏心クランクシャフト８６の軸に関して加えられているならば、駆動装置をその中心線に関して対称に負荷する必要はない。主釣り合い錘７８に加えて設けられた２つの対向する釣り合い錘８０の組は、主釣り合い錘７８が機関を並進運動において平衡させながら、オフセットピストンにより形成されたモーメントを平衡させ得る。図５ａにおける斜視図と図５ｂ、図６ａおよび図６ｂにおける上部断面図および側断面図に示された本発明の実施例においては、釣り合い錘７８は圧縮ピストンベアリング８２および膨張ピストンベアリング８４をそれぞれ反対位相で回転させるように設けられている。本発明のリンク駆動実施例に必要な部品は、以下に詳細に説明するように、菱形駆動機構よりも遙かに少ない。更に新規なリンク駆動装置により置換される体積は、同一のピストンストロークを有する菱形駆動装置の置換の体積よりも小さい。更に、２つの直交するピストンの正弦運動は、単純な釣り合い錘により完全に平衡することができ、ピストンシールに側方負荷を負わせることがないので、摩擦が低減して、機関寿命が延び、乾式操作を可能とする。
【００２２】
ここで図７ａを参照すると、図２のＡＡに沿って破断したスターリング機関２８の断面図が示されている。偏心圧縮ピストンベアリング８２および膨張ピストンベアリング８４は、機関２８のハウジング９２に関して主（または外側）クランクシャフト９０を支持する主ベアリングセット８８から片持ち支持されて、偏心クランクシャフト８６の周りに配置されている。図３を参照して説明したように、偏心クランクシャフト８６は主クランクシャフト９０に対して偏心する軸に関して回転して、遊星ギアセット９８を構成するピニオンギア９４および内部ギア９６の存在により、主クランクシャフト９０を回転の反対方向に同一の回転速度で駆動させる。機関に関して固定された任意の点に関する主クランクシャフト８６の位置は「クランク角」を規定する。この方式により構成されたクランクシャフトを「調和クランクシャフト」と称する。
【００２３】
この片持式クランクシャフト形態は、スターリング機関作動流体、即ち再生器を汚染させて機関の効率操的操作を阻害することがないように清浄に保たねばならない作動流体を汚染させることなく、ギアセット９６の注油を有益に可能とする。次いで主クランクシャフト９０はトルクを機械的負荷へ付与し得る。機械的負荷の一例はジェネレータ回転子１００であり、これは電気エネルギを発生するようにジェネレータ固定子１０２に関して回転駆動される。偏心はずみ車１０４および線形釣り合い錘１０６は、偏心クランクシャフト８６へ接続されているので、主ベアリングセット８８に関して片持ち支持される。偏心はずみ車１０４は、前方回転成分と後方回転成分との回転モーメントを含む正味の慣性を零にするために設けられている。従って、機関速度の変化に起因する機関の振動は都合よく回避される。偏心はずみ車１０４は、本発明の目的の範囲内で、図７ａに示したもの以外の配置にしてもよい。例えば図７ｂを参照すると、図２のスターリング機関の代替的実施例が断面図で示されており、ここでは偏心はずみ車１０４は、ピストンベアリング８２および８４の位置から遠方の偏心クランクシャフト８６の端部１０５に配置されている。図７ａを再び参照すると、偏心クランクシャフト８６は、主クランクシャフト９０に関してベアリング１０８および１１０により支持されている。主釣り合い錘１１２および捻れ釣り合い錘１１４は、ピストンを含めて全ての偏心クランクシャフトアセンブリに関する主クランクシャフト９０の動的平衡のために設けられている。
【００２４】
主クランクシャフト９０上の負荷は、機関のサイクルの経過に亘って方向を変えないことが好ましい。この方式では、前方および後方慣性の平衡の存在により、遊星ギアセット９８上のトルク逆転は都合よく防止されるので、ギアのバックラッシに伴う雑音および摩耗が防止される。主車軸９０上の負荷が一定であるならば、遊星歯車セット９８上のトルクは均一方向となり、所定の正味のパワー出力を得るためにも最小化される。加えられた負荷が電気ジェネレータであるならば、一定トルク操作は最高のジェネレータ効率ももたらす。更に本発明の実施例によれば、上述した有益な操作を実現するために遊星ギアセット９８上に一定トルクを与えるように、ジェネレータの電流負荷を調整してもよく、この調整は、電気技術分野で公知のように、例えばプロセッサのような負荷調整器１０３によりなされる。更に、ジェネレータ回転子１００は、はずみ車の質量の全てまたは一部を与えてもよく、ジェネレータは機関を始動するスターターとしての役割を果たしてもよい。
【００２５】
ここで本発明の代替的実施例について図８を参照して説明する。図８に断面で示された側面図において、スターリングサイクル機関２８は、パワーピストン３０およびディスプレイサーピストン３２の定位置の直線運動により特徴付けられるベータ形状に構成されている。本発明の実施例によれば、接続ロッド４８は中空シャフトとして構成されていると共に、接続ロッド５０は接続ロッド４８の内側で共軸に往復直線運動を受けるように構成されている。冷凍器および本説明の他の欄で部分的に説明した実施例を含む他の構成も本発明の範囲内にある。
【００２６】
図８の実施例において駆動機構３６は、回転運動アセンブリ１２０、上部リンク機構１２２、および下部リンク機構１２４からなる菱形駆動機構である。回転運動アセンブリ１２０は菱形駆動機構３６の一部であって、固定軸に関する回転を伴い、図８に示される実施例においては、第１の機関の車軸１２８と共に回転する第１のタイミングギア１２６と、第２の機関の車軸１３２と共に回転する第２のタイミングギア１３０とからなる。上部リンク機構１２２は、図２に示されたような機関２８の向きに関してそのように名付けられており、回転運動アセンブリ１２０と第１の接続ロッド４８との間の機械的継手を構成する。図示の実施例においては、上部リンク機構１２２は回転運動アセンブリ１２０の回転運動をパワーピストン３０の直線運動に結合するが、これに代えて他の実施例においては、上部リンク機構１２２はディスプレイサー３２の直線運動に結合してもよい。上部リンク機構１２２は、機関の車軸１２８および１３２に関して偏心された回転運動アセンブリ１２０へ例えばリンク１３４を介して接続されている。図２に示された実施例においては、リンク１３４はピボット１３６において交差リンク１３８へ接続されており、その交差リンクは１３８は接続ロッド４８へ直接に接続されている。回転運動アセンブリ１２０を接続ロッド４８へ接続する他の手段は、機械分野の当業者には容易に明らかであり、同様に添付の請求の範囲に含まれる。下部リンク機構１２４は同様に回転運動アセンブリ１２０の回転運動を接続ロッド５０へ、図８では見えないリンクおよびピボットを介して接続する。
【００２７】
上述したスターリングサイクルの膨張段階中に、デイスプレイサー３２の高温端部１４０における作動流体が膨張し、ヒーター６４を介して機関２８の外側から熱を獲得する。本発明の実施例の目的の範囲内に包含されたヒーター６４の異なる構成を以下に説明する。加熱された作動流体は次いで、デイスプレイサー３２とパワーピストン３０との間の圧縮体積１４２へ、再生器６６を通る通路により連続的に移送され、その通路では、作動流体の熱は除去されて、再生器６６に取り込まれる。上述した圧縮段階中は、クーラー６８により熱は作動流体から周囲空間へ除去される。
【００２８】
本発明の一実施例においては、クランク室４６は密封されていて、スターリングサイクル機関の作動流体をなすものと同一の流体を包含する。この作動流体は代表的にはヘリウムであるが、他の流体の使用も本発明の請求の範囲に含まれる。
【００２９】
作動体積からクランク室への作動流体の循環により、付加的な冷却を達成し得る。付加的な冷却を与える１つの方法は、本発明の一実施例においては、クランク室流体から周囲環境へ熱を伝達するクーラーと、流体をクランク室からクーラーへ循環させてクランク室へ戻すポンプとを設けることである。
【００３０】
本発明の代替的実施例においては、スターリング機関内の作動流体はイオン化されていてもよい。１つのイオン化機構は、例えばグロー放電またはそれと同様な方法の使用であるが、紫外線または共鳴放射によるイオン化も添付の請求の範囲に含まれる。ひとたび作動流体がイオン化されたならば、これは小さな距離に亘って電磁的に移動し得る。これはピストンを電磁場を用いて封止することを可能とする。機関の高温区画と低温区画との間の作動流体の移動におけるデイスプレイサーの機能も電磁的に達成し得る。従って、デイスプレイサー３２は機械的部品である必要がない。
【００３１】
ピストン３０およびデイスプレイサー３２を通過する作動流体の流れを最小化する精密許容度シールは、各ピストンの芯合わせをシリンダライナー４２の口径において０．００１″（１ミル）程度内にする必要がある。この許容差の芯合わせを与えることは、駆動装置に整合する全ての部品の高許容差機械加工、またはこれに代えて、組み立て中の微調整により達成することができる。何れの選択も複雑な手順と費用とを伴う。本発明の一実施例によれば、柔軟継手が接続ロッド４８および５０内に加えられて、何れのシャフトもオフセットまたは小さな角度で傾斜できるようにしてあり、且つピストン３０および３２が実際に口径内で作動するようにしてある。従って、小さな不整合はもはや重要ではなく、１０ミル未満の不整合はシールにさしたる側方負荷を起こすことはない。この実施例は、図１１を参照して以下に説明する三角リンク配置に特に適する。
【００３２】
ここで図９ａ−９ｄを参照すると、パワーピストン３０の圧力負荷を最小化することにより、機械的損失を低減し得るので、駆動機構の寿命を延ばし得る。２つの機構がパワーピストン３０へ圧力負荷を生じさせ、その一方は機関パワー出力を増大させ、他方はパワー出力へ何ら影響しない。デイスプレイサーピストン３２の周期的運動は作動流体を加熱および冷却して、圧縮体積１４２内の流体の圧力を変化させる。これらの圧力変化は、パワーピストン３０の運動の概ね９０゜の位相ずれを有するので、機関により正味の作動出力がもたらされる。
他方、パワーピストン３０による運動は、ピストン運動に直接に同期して振動する圧力を起こすので、機関の作動出力には影響しない。
【００３３】
所定の駆動負荷のために機関パワーを最大にするには、デイスプレイサーピストン３２の移動により生じた全圧力振動の小部分を最大化せねばならない。そのためには、本発明の一実施例によれば、デイスプレイサーピストン３２は、スターリングサイクルの連続的段階における図９ａ−９ｄに示すように、パワーピストン３０の径よりも大きな径を有して設けられている。径が異なるピストンは、例えば、図１ａ−１ｄに示すスターリング機関１０のように、個別の内径を有する機関においては公知である。図８および図９ａ−９ｄのβ形式機関において、径が異なるピストンであり、これらのピストンが同軸でそれらのストロークの或る部分に亘って同一の掃引体積を共有するピストンを設けることにより、大径デイスプレイサーピストン３２からの低圧振動の利点が達成され、同時に、無駄な体積が小さくて高圧縮比のβ形式機関の利点が与えられる。アルファ、ベータ、およびガンマ形態はスターリングサイクル機の分野における当業者にはよく知られている。
【００３４】
ここで図１０を参照すると、従来技術の菱形駆動装置が全体的に符号１５０により示されて図示されている。ここで回転運動アセンブリ１２０は、釣り合い錘１２２および１２４とタイミングギア１２６および１２８とからなる。従来技術の設計においては、釣り合い錘１２２およびタイミングギア１２６は共に回転するが、偏心取り付けリンクアーム１３２および対応する下部リンク機構のリンクアーム（図示せず）の要求する間隙により、車軸１３０は釣り合い錘１２２およびタイミングギア１２６の双方を貫くことができない。従って車軸１３０は「分割」せねばならない。その結果、機械的不都合を生じる。
【００３５】
図１１において、本発明の一実施例によれば、車軸１３０は釣り合い錘１２２およびタイミングギア１２６の双方を貫いて示されている。これは回転運動アセンブリに対して大きな回転ベアリング１３４を介してリンクアーム１３２の偏心継手を与えることにより達成され、その大回転ベアリング１３４は、車軸１３０を貫通車軸として大回転ベアリング１３４を貫通させることを可能とする。貫通車軸の使用は、駆動の剛性を向上させて、正確な組み立ての容易さに寄与して、機関のコストを低減させる。図１１に示されるリンク機構は所謂「台形リンク配置」であり、ここでは回転運動アセンブリのホイールまたは釣り合い錘へそれぞれ偏心して取り付けられたリンクアーム１３２およびリンクアーム１３６が、ピボット１４０において交差リンク（またはプラットフォーム）１３８へそれぞれ接続されている。交差リンク１３８は次いで接続ロッド４８を駆動する。この配置の不都合は、接続ロッド４８が並進運動するにつれて、交差リンク１３８が前後に揺動してしまうことである。従って駆動装置はピストン３０（図８に示す）のシールおよび接続ロッド５０に依存しており、これらは揺動の自由度を排除する。その結果、駆動装置における不均衡は、シールへ摩擦およびシールの摩耗を増大させる側方力をもたらす。
【００３６】
ここで図１２を参照すると、本発明の一実施例においては、リンクアーム１３２およびリンクアーム１３６は、図１１の台形リンク配置におけるような別個の交差リンクを介してではなくて、ピボット１４２において互いに接続されている。
リンクアーム１３２およびリンクアーム１３６が単独の共通のピボット１４２にて接続されたこのリンク配置は「三角リンク」または「デルタリンク」配置と称される。測方移動の自由度の削減により、三角リンク配置は振動および摩耗を低減し得るので、接続ロッド４８および５０（図２に示す）にならった可撓体の使用を可能とし、機関寿命を延ばし得る。
【００３７】
リンクアーム１３２および１３６の回転が完全ではないため、ピボット１４２における継手は、完全に３６０度の回転を可能とする必要がないので、可撓体としてもよい。同様に、回転運動アセンブリに対するリンクアームの継手、リンクアームの間の継手、または交差リンクとリンクアームとの間の継手を可撓体で構成してもよい。向上された機関信頼性を与えるために、不完全な回転能力を持つ可撓体を用いてもよい。
【００３８】
本発明の一実施例によれば、リンクアームの対の間の少なくとも１つのピボット、または付加的に少なくとも１つの回転ベアリングに、フェロ流体ベアリングを採用することにより、ピボットまたはベアリングの交換の間の保守間隔を長くすることができる。フェロ流体シールは、フェロ磁性材料の小粒子が包含されたオイルを閉じ込めるように磁場を用いる。このようなシールはボールベアリングまたはブッシングの内部の潤滑剤の恒久的シールとして一般的に使用されている。フェロ流体ベアリングの使用により、摩擦ベアリングシールからの摩擦を除去し得る。
【００３９】
更に図１２を参照すると、本発明の実施例においては、２つのタイミングギア１４４および１４６が回転運動アセンブリの機関の車軸１３０に装着されており、対応する反対回転タイミングギア１５０および１５２は機関の車軸１５８に装着されている。機関の車軸１５８上の対応するギア１５０および１５２に沿ったギア１４４および１４６は、ヘリカルギアである。ギア１４４および１４６の螺旋のピッチは相殺し得るので、ヘリングボーンパターンを有するタイミングギアを効果的に形成する。この形式のギアは、ヘリカルギアに伴う側方力を排除しつつ、雑音を低減させるために一般的に用いられている。この設計の付加的な利点は、ギア１４４と１４６との間の間隙を詰め金により調整するなどして、２つの車軸の相対位相における微調整を与えることである。これは組み立て中に位相角を微同調させる簡単な手法を与える。
【００４０】
個々で図１３を参照すると、振動および摩耗はベアリングのへの一定の側方負荷を保持することにより削減でき、スプリングバンドは全体的に符号１６０で示されている。スプリングバンドをスプリング鋼または同様な材料から制作することにより、ベアリングは典型的に１０乃至２０ポンドの張力で予備負荷させる。バンド１６０は、回転ベアリング１３４および上部リンクピボットベアリング１４２のベアリング側方負荷を与える。
【００４１】
図１４はデイスプレイサーピストン３２およびシリンダライナ４２の対応部分の側断面図を示す。小さなスターリング機における損失の大きな部分は、デイスプレイサーピストン３２を取り囲む環状間隙１６０（「付加間隙」と称する）において自然に生じる。２つの機構がこれらの損失を生じさせる。これは第１に所謂「往復(shuttle)損失」であり、これはデイスプレイサー３２の周期運動により増加されたシリンダの壁４２に沿った熱伝導である。これはデイスプレイサー３２の壁１６２およびシリンダの壁４２に沿った大きな温度勾配の直接の結果である。デイスプレイサーの中間ストロークにおいては、デイスプレイサー壁１６２とシリンダライナ４２との双方が同一の縦方向温度勾配、即ち機関の筐体の上部にて約１２００゜Ｆ、下部にて約８０゜Ｆを有する。シリンダライナの各点における温度は、付加間隙を各々直接に交接するデイスプレイサー壁上の点と同一温度になる。しかしながら、デイスプレイサーがそのストロークの上部へ移動したときは、温度は整合しなくなる。シリンダが、デイスプレイサー上の対応する点よりも高温になると、熱はライナから付加間隙内のヘリウムを経てデイスプレイサー壁へ流れる。この逆の現象が、デイスプレイサーがそのストロークの下部にあるときに起こる。熱はデイスプレイサーからシリンダへ伝導するが、その場所は壁を更に下降し、クーラーへ接近する。これは「バケツリレー列(bucket brigade)」とも称され、デイスプレイサーが高温側から熱を取り去って、低温側へ向かって周期的に運んでいく。この効果は、デイスプレイサーピストンとシリンダ壁との間の間隙の大きさに逆比例する。
【００４２】
第２の効果は典型的に「圧送損失」と称されている。機関の内側の圧力変動に起因して、膨張空間からの流体は各サイクルの間に付加間隙に流入し流出する。ヘリウムが間隙へ流れ込み、その熱の一部をシリンダ壁へ与え、僅かに低いクーラー温度において間隙の外へ戻る。これはサイクルにおける他の熱力学的損失を表し、熱はいかなる仕事にも寄与することなく高温側から低温側へ伝導する。この効果により失われる熱は間隙の大きさに直接に比例する。従って付加間隙の大きさは往復損失と圧送損失との合計を最小化させることに基づいて定められる。しかしながら、適切に最適化されたときでさえも、これらの損失の合計は、小型機関の場合、代表的には入力パワーの１０％である。
【００４３】
本発明の一実施例によれば、この損失は、添加間隙１６０の入口において再生式材料１６４の短い区画を加えることにより低減される。この材料は金属フェルト、層状スクリーンにすることができ、または、再生に通常用いられている大きな湿り面を有する多数の多孔性材料の何れか１つにすることができる。このような熱交換器は、適切に寸法づけられたときは、９９％以上の効率を得ることができる。シリンダライナの高温端とデイスプレイサーピストンのボディとの間の熱流の不可逆成分を最小化するために、デイスプレイサーピストン３２の壁に何らかの狭い環状の間隙を設けることも、本明細書で「再生式リング」と称する構造の目的の範囲内にある。再生式リングの存在の結果として、付加間隙に去来するガスは、間隙の大きさの以下にかかわらず、同一の温度であるか、非常に近接した温度である。これは、往復損失を低減するために用いられる付加間隙を大きくすることを可能とする役割をなす。正味の結果は機関効率の大きな向上、即ち小型機関について３または４％の上昇となり得る。
【００４４】
スターリングサイクル冷凍器の場合、シールが高温端にあり、再生式材料は環状間隙の低温入口に位置している。
【００４５】
図１５−１７は、スターリング機関のヒーターヘッド６４（図２に示す）へ熱を与えるために燃料を燃焼させるのに用いられるバーナー１７０からの熱流の模式図を示す。一般に、周囲温度における空気は、燃料をバーナー１７０内で燃焼させる酸素を与える。ヒーターヘッド６４が加熱された後も燃焼ガスには相当な量のエネルギが依然として存在し、当業者にはよく知られているように、燃焼空気のバーナー１７０への導入に先立って、排気ガスから燃焼空気へ熱を伝導させるために熱交換器１７２を使用し得る。従来の予備燃焼加熱に適用可能な代表的な数値が図１５に示されている。〜２０００Ｋ（温度はケルビン温度で与えられる）の２次燃焼ガスが、スターリング機関作動流体を〜９５０Ｋの温度へ加熱するのに用いられ、排気ガスが１２００Ｋとなり、環境へ排出するガスの温度としてはあまりに高すぎる。熱交換器１７２は、排気ガスから熱を取り除き、その熱を予備燃焼空気へ伝導させて、予備燃焼空気を〜９００Ｋへ加熱し、排気ガスを〜６００Ｋとするが、これも周囲空気による更なる希釈を伴わずに安全に排出するには、依然として高温すぎる。
【００４６】
図１５を参照すると、スターリング機関のヒーター６４へ熱を与える目的で、バーナー１７０を通じて空気を強制送風するように、ファンまたはブロワーが典型的に用いられている。しかしながら、ファンとブロワーは両者共に低効率しか有していない。その結果、機関のパワー出力の幾らかは燃焼に必要な空気の移動中に一般に消費される。
【００４７】
図１６は本発明の更なる実施例の模式図を示し、この実施例によれば熱交換器１７２を通過した後の排気ガスを離れるエネルギの或る程度は、電気ブロワー１７６に動力を与える熱電ジェネレータ１７４により電力へ変換し得る。図１７は本発明のこの更なる実施例においてターボ膨脹器１８０へ動力を与える高温排気ガスの使用を示し、そのターボ膨脹器１８０は、燃焼ガスをバーナー１７０へ推進させるターボコンプレッサ１８２を駆動する。
【００４８】
ここで図１８ａを参照すると、本発明の１つの実施例において、全体的に符号１８４で示される空気増幅器へ必要な空気流を入れるために、プロパンのような高圧気体燃料が用いられている。ガス力学の分野で公知のように、空気増幅器１８４は、高圧ガスの小さな流れを周囲空気のより大きな流れに入れるように用いる。ガス増幅器の作動原理について図１８ｂを参照して説明する。プロパンのような高圧ガス燃料は、体積１９２から、燃料の壁噴射１９６を形成する屈曲壁１９４に沿って指向されて、その燃料の壁噴射１９６は周囲ガス１９８に入って、壁噴射１９６よりも遅い速度で移動するプロパンと空気とがよく混合された大きな流れ２００を与える。プロパンの高速壁噴射１９６は緩慢な移動ガス１９８を混合するか若しくは同伴して、同伴ガスを一時的に移送して加速する。従って同伴される周囲ガスが多ければ多いほど境界層２０２の体積が増大して、正味の輸送速度を低下させる。プロパン噴射１９６と共に流出する同伴ガス１９８は、空気増幅器１８４内へ新鮮な空気を引き込む低圧を生成する。従って、高圧プロパン噴射１９６は空気増幅器１８４を通じて空気を効果的に圧送する。周囲圧力付近の流れは、高圧ガス流よりも典型的には１０−４０倍も大きくなる。再び図１８ａを参照すると、代表的には２０−１００ｐｓｉｇの範囲の圧力で高圧ガスとしてプロパンを使用することができ、空気増幅器１８４はバーナーを通じて空気を圧送すると共に、燃料および空気がバーナー１７０へ入る前にそれらを混合する。このことは、ブロワーの必要性を排除（若しくは、要求されるブロワーの大きさを低減）して、その代わりに、さもなければ消費されていたであろう高圧気体燃料の蓄積エネルギを使用する。同様に重要なのは、空気増幅器は、空気制御を伴わずに正確な燃料対空気比を維持するために採用でき、更に、低圧プレナム１８８が或る程度の量の排気ガスを加えさせるので、酸化窒素の放出を低減する目的で、排気ガス再循環の単純な組み込みが可能なことである。
【００４９】
図１９ａは、符号３００で指示される点線矢印で示される高温ガスによりヒーターヘッド６４を加熱することにより効率を増大する原理を示す。ガスは燃焼過程において加熱されて、図１５−１８を参照して上述したように燃料が空気中で燃焼されて典型的には２０００Ｋ程度の温度になる。高温ガス３００がフィン３０２を通過することにより、対流により熱エネルギをフィンへ伝導するので、ガスが冷却されてフィンが加熱される。フィン３０２に吸収された熱エネルギは次いでスターリング機関のヒーターヘッド６４へ放射されて、そのスターリング機関は典型的には９５０Ｋ程度の低温で操作される。フィン３０２を出るガス３０４はフィンの温度よりもわずかに高温である。フィンの温度と、出現するガスの温度とは、典型的には１４００Ｋ程度である。ガス３０４はヒーターヘッド６４を通過するように指向されて、更なる熱エネルギを対流によりヒーターヘッドへ伝導させる。
【００５０】
ここで図１９ｂを参照すると、本発明の代替的実施例は、フィン３０２により放射された熱エネルギを、ヒーターヘッド６４へのみならず、スターリング機関の内部空間３０６へ熱エネルギを直接に伝導させる。これは、放射フィン３０２の温度（１４００Ｋ程度）における熱輻射、すなわち赤外線を実質的に透過させる材料からヒーターヘッド６４を制作することにより達成される。このような材料は、例えばマグネシウムアルミナスピネル、アルミニウム酸化窒素などの赤外線透過セラミック、ランタニウム添加イットリウムなどの結晶材料を含む。フィン３０２により放射された熱エネルギは、スターリング機関の内部空間３０６内に配置された波形ホイル３０８により連続的に吸収される。波形ホイル３０８は、赤外線光学における当業者にはよく知られた技術を用いて黒体吸収体として働くように処理されており、熱を機関の作動流体へ対流により連続的に伝導する。
【００５１】
ここで図１９ｃおよび図１９ｄを参照すると、燃焼源からスターリングサイクル機関２８の内室へ大量の熱を伝導させる本発明の一実施例による新規な構造が断面図で示されている。バーナー１５０により生成された高温ガス３００から機関の内部体積３０６に包含された作動流体への熱伝導の効率を向上させる目的で、ヒーターヘッド６４の両側面に大きな浸水面領域が必要である。高い表面領域を達成するために、多数の金属ピン３１０がヒーターヘッド６４の内面３１２と外面３１４との双方に形成されている。その形成はインベストメント鋳造法などにより低コストで達成し得る。金属ピン３１０はヒーターヘッド６４の両側面における浸水面領域を増大するのみならず、攪乱をも生じさせ、この攪乱は流体の混合を増大するので、熱の流れを更に増大させる。この構造はクーラー６８（図２に示す）における熱伝導または、ガスの体積の間に効率的な熱伝導が要求される任意の用途に採用し得る。
【００５２】
図２０ａ−２０ｂにおける側面図は、ピストンを封止するベローズ（全体的に符号４００で示される）を示す。ここで図２０ａを参照すると、本発明の代替的実施例においては、ベローズ４００は、作動体積４０２とクランク室体積４０４との間のシールを与えるように使用し得る。柔軟金属ベローズをこの用途に用いることもできるが、これらは高価であり制作が困難である。これに代えて、圧力差（作動体積４０２における圧力Ｐ１がクランク室体積４０４における圧力Ｐ２を常に越える）がベローズ区画を一体的に保持するように用いられている。この圧力差は、渦４０８と４１０との間の凸状継手４０６を分離させ、一方、渦４１０と４１４との間の凹状継手４１２を押圧して合わせる。凸状継手４０６は、例えば溶接または蝋付けにより機械的に接続されて分離力に抗するようにされている。凹状継手４１２は、図２０ｂに示すように、良好なガスシールを与えるように貼り付けられた表面を有する。この配置の利点は、作動体積とクランク室との間に密封シールを設けることを含み、この密封シールは、作動流体を加圧するポンプへ接続するポートには設けないようにすることが可能である。各々の区画４１４の一つの継手のみがベローズの各対上の構造なので、その制作は単純である。
【００５３】
本明細書に説明したデバイスおよび方法は、本発明を説明した意味でのスターリング機関以外のアプリケーションにも適用し得る。ここで説明した本発明の実施例は単に例示を意図しており、様々な変形例および変更例が当業者には明白であろう。このような変形例および変更例の全てが、添付の請求の範囲に規定された本発明の範囲内にあるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１ａ−１ｅは従来技術のスターリングサイクル機の操作原理を示す。
【図２】  図２は本発明の一実施例によるスターリングサイクル機関の側断面図である。
【図３】  図３は本発明の一実施例による圧縮ピストンおよび膨張ピストンの往復運動を結合する遊星ギアセットの模式的な断面図である。
【図４】  図４ａ−４ｈは本発明の一実施例による偏心リンク結合駆動ロッドを有するスターリングサイクル機の操作の原理を示す。
【図５】  図５ａは本発明の一実施例によるスターリングサイクル機の二つのピストンの直交直線運動を結合するために採用された新規なＬリンク駆動装置の斜視図である。
図５ｂは本発明の一実施例による捻れ釣り合い錘を示す図５ａのＬリンク駆動装置の断面における側面図である。
【図６】  図６ａは本発明の一実施例による二つのピストンの直交直線運動を結合する新規なＬリンク機構を採用するスターリングサイクル機の上断面図である。
図６ｂは本発明の一実施例による二つのピストンの直交直線運動を結合する新規なＬリンク機構を採用する図６ａのスターリングサイクル機の側断面図である。
【図７】  図７ａは本発明の一実施例によるカンチレバークランクシャフトを示すスターリングサイクル機関の図２の線ＡＡに沿った断面図である。
図７ｂは本発明の代替的実施例によるカンチレバークランクシャフトを示すスターリングサイクル機関の図２の線ＡＡに沿った断面図であり、ここでは弾み車が機関シリンダに対する偏心クランクシャフト遠位端の端部に配置されている。
【図８】  図８は本発明の一実施例による菱形駆動装置を採用するベータ形状スターリング機関の断面図である。
【図９】  図９ａ−９ｄは本発明の一実施例による異なる径を有する出力ピストンおよびデスプレイサーピストンを採用するベータ形状スターリングサイクル機の連続サイクル段階における側断面図である。
【図１０】  図１０は、台形リンク配置と、偏心リンク継手を収容する分割車軸とを示す従来技術の菱形駆動機構の斜視図である。
【図１１】  図１１は本発明の一実施例による台形リンク配置および貫通車軸を有する菱形駆動機構の斜視図である。
【図１２】  図１２は本発明の一実施例による三角リンク配置、貫通車軸、およびヘリングボーンタイミングギアを示す菱形駆動機構の斜視図である。
【図１３】  図１３は本発明の一実施例によるスターリングサイクル機の回転ベアリングを事前装填するスプリング鋼バンドの側面図である。
【図１４】  図１４は本発明の一実施例による再生器を示すスターリングサイクル機関のシリンダおよびデスプレイサーピストンの部分的な断面図である。
【図１５】  図１５は燃焼空気を予熱する熱交換器を含む従来技術のスターリングサイクル機関の加熱ヘッドへ熱を与えるために用いられた燃焼ガスの温度を示す模式図である。
【図１６】  図１６は本発明の一実施例による熱電ジェネレータを含む燃焼ガス流の連続的段階におけるスターリングサイクル機関の加熱ヘッドへ熱を与えるために用いられた燃焼ガスの温度を示す模式図である。
【図１７】  図１７は本発明の一実施例による燃焼空気をバーナーへ送風するようにターボエクスパンダにより駆動されるコンプレッサを含むスターリングサイクル機関の加熱ヘッドへ熱を与えるために用いられた燃焼ガスの温度を示す模式図である。
【図１８】  図１８ａは本発明の一実施例によりスターリング機関ヒーターヘッドの燃焼加熱に先だって、高圧燃料が混合チャンバの長さに沿って空気および再循環排気ガスを混入するのに用いられた空気増幅器の断面図である。
図１８ｂは図１８ａの空気増幅器の操作の原理を示す空気増幅器の断面図である。
【図１９】  図１９ａは本発明の一実施例によるスターリング機関ヒーターヘッドの輻射加熱の原理を示す模式図である。
図１９ｂは本発明の一実施例によるによるスターリング機関ヒーターヘッドの輻射加熱アセンブリの断面図であり、ここでは輻射エネルギが熱的透過ヘッド内の吸収体により吸収される。
図１９ｃは本発明の一実施例によるピン熱交換器を採用するスターリングサイクル機関の断面図である。
図１９ｄは図１９ｃピン熱交換器のピンヒーターを拡大した詳細な斜視図である。
【図２０】  図２０ａは本発明の一実施例によるベローズ封止ピストンの側断面図である。
図２０ｂは図２０ａのベローズ封止ピストンの単独区画の側断面図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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