JPH0433987B2

JPH0433987B2 -

Info

Publication number: JPH0433987B2
Application number: JP57210685A
Authority: JP
Inventors: Tei Biiru Uiriamu
Original assignee: Sunpower Inc
Current assignee: Sunpower Inc
Priority date: 1981-12-16
Filing date: 1982-12-02
Publication date: 1992-06-04
Also published as: US4458495A; JPS58185960A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、スターリング・サイクル機械におけ
るピストンのオーバーストローク状態の防止に関
し、特にスターリング・サイクルのヒート・ポン
プにリンクされたスターリング・サイクル機関を
含む装置における改良に関する。本装置は、機関
の出力を減少することにより選定された限度を越
えて荷重が減少する時スターリング機関のオーバ
ーストローク状態を防止し、かつ機関がスターリ
ング・ヒート・ポンプを駆動する時機関の出力を
全ての運転温度条件の下でヒート・ポンプにより
吸収される動力と整合させるものである。

太陽エネルギの捕集装置および集中装置からの
エネルギ、および安価な廃棄物の燃焼からのエネ
ルギの需要の増加に伴なつて、熱エネルギを機械
的エネルギに直接変換するための機械として自由
ピストン式スターリング機関の魅力が増してきて
いる。更に、スターリング・サイクルのヒート・
ポンプは、低温体から高温体へ熱を押上げるため
の効率的な機械である。このようなヒート・ポン
プは冷凍設備および加熱設備において有効であ
る。スターリング・サイクルのヒート・ポンプを
駆動するようにリンクされた自由ピストン式スタ
ーリング・サイクル機関は、長い使用寿命を有し
保守が少なくて済む効率のよい耐久性のある装置
である。

このような装置は、選定された荷重を含む選定
された組をなす諸条件の下で有効に作用するよう
に構成することができるが、このような装置が相
対的に固定された熱機関出力を有するがヒート・
ポンプの負荷即ち動力需要が変動する時には種々
の問題に遭遇する。例えば、このようなスターリ
ング・サイクル装置が、もし建築物の内部の暖房
に使用される場合には、比較的安定したエネルギ
入力を有するも広い範囲にわたり負荷の変動を受
ける。このような負荷の変動は、外部の空気また
は熱が圧縮される他の熱量系の温度の変化から生
じるものである。

例えば、もしこのような装置が寒い冬の日中に
おいて有効に作動し、やがて天候が変化して暖か
くなると、このヒート・ポンプはそれ程仕事をす
る必要がなくなる。ヒート・ポンプの熱空間にお
けるガスを所要の温度まで加熱するための仕事は
少なくてよい。

一定の入力温度を有するスターリング機関は単
位行程当り同じ割合で動力を供給し続けようとす
る傾向を有するため、この機関はヒート・ポンプ
の動力需要が低下するに伴ないオーバーストロー
ク状態が始まることになる。その結果、スターリ
ング機関の破損を生じることになる。例えば、こ
の機関のオーバーストローク状態は、ピストンの
シリンダの端部における内壁面に対して動力ピス
トンが衝突する結果となり得るのである。

従つて、本発明の目的は、ヒート・ポンプの温
度が変化する時、スターリング機関からの出力を
スターリング・ヒート・ポンプの動力負荷需要に
更に緊密に整合させることによりこのオーバース
トローク状態を自動的に防止する改良装置の提供
にある。

本発明によれば、機関のピストンがある過大行
程に接近する時は常に、作用ガスを機関からヒー
ト・ポンプに向けて流れるようにさせることによ
り、機関の出力がポンプの負荷に更に近似的に整
合させられる。このため、ヒート・ポンプにおけ
る圧力と作用ガスの質量を増加させ熱機関におけ
る圧力と作用ガスの質量を減少させて、熱機関に
より生じた動力を低下し、ヒート・ポンプにより
吸収される動力を増大させる。

このように、ヒート・ポンプの温度差が減少す
るため動力の減少が必要な時、機関の出力および
ヒート・ポンプの動力吸収は、ヒート・ポンプの
圧力を増加することにより安全な機関行程におい
て平衡状態に維持され、これによりその動力需要
を増大し、そのガス圧力を低下することにより機
関の出力を減少させるのである。

もし機関がポンプのガス量に比して大きなガス
量（相対的に無制限の）を有するならば、平衡状
態の動力レベルは、機関の容積が小さい場合と同
程度にしか変化しない。しかし、もし機関の作用
ガスの体積が小さい時、機関の作用ガスが大幅に
減少してその結果生じる平衡状態の動力レベルを
著しく低下させるのである。

このことは、外部の温度が内部温度に接近する
に従つて仕事の需要が減少するため、建築物の暖
房または冷房のため使用されるヒート・ポンプの
場合には通常望ましいことである。しかし、更に
略々一定の入力の用途の場合には、機関のガス体
積を大きくすることができる。

本発明の実施態様における使用において有利な
１つの弁機構は、ピストンとそのシリンダ壁面と
両者を貫通する内孔により形成される摺動弁であ
る。この内孔は整合位置に配置され、従つてガス
が選定された最大のピストン行程位置において流
れることを許容する。他のピストン位置において
は、ピストンとシリンダ壁面はガスが内孔に流れ
ることを阻止する。

この摺動弁はまた、ピストンの内孔とピストン
が往復運動する中心部の係合するロツドにより形
成することもできる。

非スターリング・サイクル機関により駆動され
るスターリング・サイクルの負荷即ちスターリン
グ・サイクルのヒート・ポンプを駆動するスター
リング機関はまた、スターリング装置と貯溜部間
にガスを送ることにより制限される行程である。

本発明はまた、ずれた位相で作動し、かつ反射
区間が全て小さな容積である場合でさえ比較的小
さな反射区間圧力の変動しか生じないように相互
に結合された反射区間を有する多重スターリング
装置の小さな反射区間容積の使用も考えられてい
る。

図面に示される本発明の望ましい実施態様の説
明においては、明確にするため特定の用語が用い
られる。しかし、このように選定された特定の用
語に限定する意図はなく、特定の各用語は同じ目
的を達成するため類似の方法において作用する全
ての技術的な相当物を含むことを理解すべきであ
る。

本発明の実施態様においては、弁を設けた通路
が機関の作用ガスとポンプの作用ガスとの間に設
けられている。この弁はピストン位置に応答し
て、行程がある選定された極端なピストン位置ま
で延びる時に開口する。

機関がポンプを駆動するようにポンプの動力ピ
ストンに対してリンクされた機関の動力ピストン
を有する装置においては、機関とポンプ間にある
程度のガスの漏洩が存在する。従つて、通常は、
両者の平均圧力は同じとなり、通常の作用におい
ては一方から他方に対して正味のガスの転移は生
じない。

オーバーストローク状態において機関からポン
プに対するガスの転移を許容するため、弁が開口
される時比較的高い圧力にある機関の区間に対し
通路を開口することができる。このような通路は
また、弁が開口される時比較的低い圧力にあるポ
ンプ区間に対しても開口される。

望ましい実施態様においては、このことは、も
し２つのスターリング装置が図面に示されるよう
に直接リンクされるならば、これらの装置の反射
区間の間に連通する通路を形成することによつて
達成されるのである。このように、前記反射区間
の容積がその最小値であつてこの反射区間内のガ
スがその最大圧力である時、もし弁が開口するな
らば、ガスは機関の高圧の反射区間から直接ポン
プの比較的低圧の反射区間に対して流入すること
になる。

しかし、他の実施態様においては、他の区間
は、作用ガスの機関からポンプに対する流れを生
じるように相互に結合することができる。例え
ば、二重のスターリング装置の熱で駆動される熱
ポンプのある実施態様においては、圧縮区間が弁
を設けた通路によつて結合されていることが望ま
しい。比較的小さな圧力変動を有する比較的大き
な反射区間を含む実施態様においては、反射区間
以外の区間を使用することができる。

更に、逆止弁を経由して時間と共に変化する機
関の圧力の区間に対し結合される貯溜部における
高い圧力のガスを収集することによりガスの流れ
を生じることができる。最終的には機関の最大周
期圧力に達することになるこの高圧ガスの貯溜部
は、この時選択されたピストンの最大行程に応答
する弁によりヒート・ポンプのある区間に対して
弁により連通する。

別の態様として、機関からのガス流は、これを
ヒート・ポンプ内に圧送することによつて生じる
ことができる。このガス流はピストンの最大行程
の間隔においてのみヒート・ポンプに直接圧入す
ることができ、あるいはまたこのガス流は貯溜部
に連続的に圧入され次いでピストンの最大行程に
応答してヒート・ポンプ内に送込むこともでき
る。ポンプはスターリング・サイクルの一部とし
て形成することができ、あるいは別個の即ち外部
のポンプでもよい。

実施態様においては、オーバーストローク状態
が存在しない時、通常の中心部の漏洩、あるいは
適当な大きな流動抵抗の特別に設けられた漏洩の
経路が機関とヒート・ポンプ間に圧力の平衡状態
を回復してこれを維持することになる。

第１図は、ピストン・ロツド１２によりスター
リング型ヒート・ポンプ１４に対してリンクされ
た自由ピストンのスターリング機関１０を示す簡
単な図である。ピストン・ロツド１２が機関とヒ
ート・ポンプの双方の動力ピストンに対して固定
されている。ピストン・ロツド１２は機関１０を
ヒート・ポンプ１４から分離する壁面に形成され
たシールを通過するが、このようなシールは機関
とポンプとの間にある少量の漏洩を許容する。通
常の運転中、機関とポンプ内部における圧力は略
略正弦波形で変化することになるが、この双方の
平均圧力はこの両方向の漏洩の故に略々同じ状態
に止まることになる。

第２図は、機関とポンプとの間に設けられた漏
洩経路に加えてガスの通路１６を示している。こ
の通路１６は、一方向のみにガスの流れを許容す
るように形成されている。もしこの通路が本発明
の望ましい実施態様に従つて構成されるならば、
逆止弁は不必要となる。通路１６を流過する流量
は、機関がオーバーストローク状態に接近してヒ
ート・ポンプに対して正味のガス転移が存在する
時は常に、漏洩流量よりもかなり大きなものとな
る。このガスの移動は機関により生じる動力を減
少させ、またその行程を縮小または制限する。ヒ
ート・ポンプはこの時行程を増加することなく所
要量の熱を伝達する。このガスの移動はまた、ヒ
ート・ポンプによつて吸収される動力を増加する
スターリング機関の平均圧力以上にヒート・ポン
プの平均圧力の増加を生じる結果となる。

連続的な漏洩を意味する平均圧力の差異は、ス
ターリング機関が再び圧力を等しくさせようとす
る傾向を生じることになる。

望ましい実施態様においては、ヒート・ポンプ
の任意の負荷に対して平衡状態に達することにな
る。例えば、戸外の温度が上昇して機関のオーバ
ーストローク状態が始まると、ガスがヒート・ポ
ンプに対して送られることになる。ガスの供給
は、スターリング機関において再び漏れるガス量
と等しいガス量が供給されるに丁度充分な行程が
生じるまで機関のオーバーストローク状態を減少
させ、機関はこの平衡状態において運転すること
になる。

前記のオーバーストローク状態に達すると同時
に、熱機関からのガスの移動状態が別の現象によ
つて機関の出力を低減させる。熱機関からのガス
の除去は機関の圧力を低下させ、従つて変位装置
に対して作用するガスのばね作用の圧力を減少さ
せるのである。

作用の周波数は、主としてヒート・ポンプの運
転条件によつて決定される。従つて、機関からの
このガスの損失は作用周波数に大きな影響を及ぼ
すことはない。しかし、ガスのばね作用の圧力の
低下は、機関の出力を低下させることになる機関
における位相の変化を生じさせることになる。更
に、通常は90゜である変位装置のピストン前方の
位相的な進みが、比較的小さな位相進み量、例え
ば60゜まで減少させられる。この位相の変化はま
た、機関の出力を低下させる効果を有する。

第３図および第４図は、更に詳細に本発明の望
ましい実施態様を簡単に示している。これら図面
は、本発明の原理を更に明瞭に示すため、熱交換
器、冷却ジヤケツトおよび他の多くの周知の構造
の細目の如き従来の構造部を取除いた略図であ
る。

第３図および第４図のヒート・ポンプ装置は、
シリンダ２４内部で往復運動するように取付けら
れた変位ピストン２０と動力ピストン２２を含む
自由ピストン式スターリング機関を有する。変位
ピストン２０はガスばね２８と共働するピスト
ン・ロツド２６に対して固定され、その結果作用
空間３０内の作用ガス圧力の変動が従来周知の方
法で変位ピストン２０の適当な往復運動を惹起す
ることになる。この作用空間は高温区間３２と低
温区間３４とを有する。反射区間３６が動力ピス
トン２２に隣接して形成されている。

同様に、ヒート・ポンプは変位ピストン３８と
シリンダ４２内に取付けられる動力ピストン４０
を有し、前記シリンダは高温区間４４と、低温区
間４６と、反射区間４８を画成する。

動力ピストン２２と４０は、機関の反射区間３
６をポンプの反射区間４８から分離する壁面５４
に形成されたシール５２を摺動する結合ロツド５
０によつて結合されている。圧力の平均化を確実
に生じさせるため、ピストン行程の中間点におい
て小さな通路５１がシールにおけるポート５５と
整合状態になるロツドのポート５３等により開口
されるように、漏洩経路を形成する中心部のポー
ト構造がシールにおいて形成される。短期間両方
の反射空間が直接連通状態にあつて等しくする流
れが生じ得るが、通路５１の小さな直径のため、
この流量は動力と整合する流量によつては容易に
対抗し得ないようにそれ程大きなものではない。

機関の作用ガスとポンプの作用ガス間に連通す
る負荷整合用通路が形成されている。この通路
は、反射空間４８から機関のシリンダ壁面２４に
形成されたポート６４を介して延在する経路６０
を含んでいる。この通路はまた、動力ピストン２
２を経由するガス流動経路６２を形成する１対の
交差孔をも含んでいる。

望ましい実施態様においては、機関の動力ピス
トン２２の位置はオーバーストローク状態を検出
するために使用される。動力ピストンが所要の行
程の限界に達する時高い圧力下にある区間におい
て機関に対して開口するように通路が形成されて
いる。

この通路は動力ピストン２２の位置に従つて開
閉される。第３図において示されるように、この
通路は、ポート６４が動力ピストン２２の外壁面
のポート６６と整合関係にある時を除いて閉鎖さ
れている。これらのポートは、動力ピストンが第
４図に示される如きその行程の所要の限度に達す
る時整合関係になるように配置されている。

本発明を実施する本装置の設計においては、予
期される最大負荷条件、例えば予期される最も低
い外気温度の下で本装置が等しい平均圧力におい
て効率よく作動するように、機関およびポンプが
設計されることが望ましい。

外気温度が上昇すると、機関の動力ピストンの
行程はポンプの動力吸収が少ないので増加するこ
とになる。しかし、もし温度が充分に上昇するな
ら、ピストンの行程は過大となつてポートは整合
状態になる。この時、前述の如く、機関の出力を
低減させかつヒート・ポンプの動力吸収を増加さ
せることにより機関の動力ピストンの行程を制限
するようにガスの移動が生じる。

通路が開口されると、機関の反射区間３６はそ
の最大圧力となり、ポンプの反射区間４８は最小
圧力となる。このように、圧力差が最大となる間
通路が開口すると、この通路が開口する間のガス
の移動量は最大となる。

もし熱がそれから圧縮される物質の温度が後で
低下し、従つてヒート・ポンプにより吸収される
動力が増加するならば、前述のシールの漏洩およ
び中心部のポート装置が機関とポンプの双方にお
ける平均圧力の最終的に等しくなることを可能に
する通常の天候条件において充分に遅い速度で温
度変化が生じる。

この作用については第６図に示されている。本
発明は、変化する温度を有する物質からの熱を圧
縮しつつあるヒート・ポンプによつて吸収される
動力に対して一定の温度入力を有する熱機関から
の動力出力を整合させるのである。

第６Ａ図は、異なる平均作用ガス圧力P₁、P₂
およびP₃に対する一定の温度T_Kにおける熱機関
の作用を示している。同図は、一定の入力温度を
有するスターリング熱機関が伝達する動力をその
ピストンの行程と関連付ける特性カーブに沿つて
作用することを示している。機関が作用する異な
る圧力に対して一連の特性カーブが存在する。第
６Ａ図は、作用ガスの平均圧力が低下するとこの
特性カーブが下がることを示している。このこと
は、もし行程が一定の状態を保持しても機関の圧
力が減少するならば、熱機関により供給される動
力は同様に減少させられることを意味する。

第６Ｂ図は、実線のグラフにより、第６Ａ図の
カーブと対応するヒート・ポンプの場合の一連の
カーブを示している。第６Ｂ図の特性カーブは、
第６Ａ図の実線のグラフにより示されたと同じヒ
ート・ポンプに対するカーブを示している。これ
らのカーブは圧力を変化させる一連の一定温度の
カーブである。しかし、第６Ｂ図は更に点線グラ
フを示し、これはヒート・ポンプにより吸収され
た動力とヒート・ポンプの行程との間の関係に対
する温度変化の影響を示している。第６Ｂ図は熱
がそれから圧縮される物質の温度における低下が
特性カーブの上昇をもたらす結果となることを示
している。このことは、もし外気の温度が上昇し
て行程は一定の状態を維持するならば、ヒート・
ポンプにより吸収される動力は減少されることに
なることを示している。また同図は、もしヒー
ト・ポンプにより吸収される動力が一定の状態を
維持するならば、ヒート・ポンプの行程は増加し
て、最終的には本発明により阻止される機関の破
損に至ることを示している。

第６Ｃ図は、本発明が熱機関により供給される
動力を本発明によりヒート・ポンプにより吸収さ
れる動力と整合させる方法について示している。
第６Ｃ図は１対の実線によるカーブを示し、その
１つは圧力P₂および温度T_Kにおけるヒート・ポ
ンプに対する特性カーブを示し、他方は圧力P₂
および一定の機関入力温度である温度T_Kにおけ
る熱機関に対する特性カーブを示している。これ
は、ポンプの圧力および機関の圧力が同じ時機関
が最も効率的に作動する比較的低い外気温度の作
用条件を表わす。これらの２つのカーブの交差点
は、両者が実質的に同じ行程を有する作用点であ
り、熱機関により供給される動力はヒート・ポン
プにより吸収される動力と等しくなる。

第６Ａ図および第６Ｂ図からは、熱が圧縮され
る外部の物質の温度における上昇の結果ポンプの
特性カーブが下方および右側に移動することにな
ることが判る。

もし機関の特性カーブの位置の変化がなけれ
ば、これら２本のカーブの交差点は非常に大きく
増加した行程に向けて移動する。

しかし、もし熱機関の圧力がP₂からP₃へ減少
させられるならば、熱機関における特性カーブは
第６Ｃ図に示される点線位置に移動することにな
る。

更に、熱機関からヒート・ポンプへのガスの移
動は、熱機関により供給される動力を減少させる
許りでなくヒート・ポンプによつて吸収される動
力を更に増加させる。その結果、ヒート・ポンプ
の平均圧力の増加がヒート・ポンプの特性カーブ
を上昇させようとし、これにより外気温度の上昇
により生じるヒート・ポンプの特性カーブの下方
への変移の相殺を助けるため、ヒート・ポンプに
おける特性カーブの移動は最小限度に抑えられる
のである。

従つて、外気温度が上昇すると、両方の特性カ
ーブは変移し、依然として単に安全量だけ増加さ
せられる行程において交差が生じることになる。

外気温度が変化する時、もし大きな反射区間容
積または他の貯溜部の使用によつて熱機関が略々
一定の圧力に保持されるならば、ヒート・ポンプ
の作用線の移動は最小限度に抑えられ、その結果
ヒート・ポンプの圧力が上昇するに伴なつて熱機
関の圧力は僅かに減少するのみである。

本発明の他の実施態様は数多くあり、第５図は
通路および弁を形成するための別の手段を示して
いる。

第５図は、第３図および第４図においてその全
てが示された如き壁面１５４によつて分離された
反射区間を有する機関の動力ピストン１２２とポ
ンプの動力ピストン１４０とを示している。

しかし、ガスを伝達する通路は壁面１５４を介
する内孔１５０である。この内孔１５０はばね１
５３によりその閉鎖位置に偏倚される弁１５２を
含んでいる。この弁は、機関の動力ピストン１２
２の経路内に延在するアーム１５５を含む。動力
ピストン１２２が前記反射区間内に充分移動する
時は常に、動力ピストン１２２の端部１５６は弁
１５２のアーム１５５と衝突してこれを適正な位
相条件の下で開口させる。このため、機関の反射
区間の圧縮サイクルの高圧の部分において、また
ポンプの反射区間の圧縮サイクルの低圧の部分に
おいて、ガスの通過を許容することになる。

また、本発明の諸原理は、機関およびポンプが
ピストン・ロツド５０の如き機械的な結合部以外
の手段により結合されているスターリング装置に
対して適用することができることを理解すべきで
ある。例えば、ピストンはガスばねの如き比較的
固いばねにより結合することもできるのである。

第７図は、双方並列型の反対方向に運動するス
ターリング・サイクル装置を示している。対向運
動は、唯１つの不平衡対しか生じないため振動が
少ないという長所を有する。本装置は、ピスト
ン・ロツド２１２を介してスターリング型ヒー
ト・ポンプ２１６の動力ピストン２１４に対して
結合された第１のスターリング機関２１０を有し
ている。同様に、この装置は、これもまたスター
リング型ヒート・ポンプ２２２に対しピストン・
ロツド２２０を介して結合された第１のスターリ
ング機関２１８を有する。この２つの機関２１０
と２１８の反射空間は、開口２２４を介して相互
に結合され、ヒート・ポンプ２１６と２２２の反
射空間は開口２２６を介して相互に結合されてい
る。この２つの機関とヒート・ポンプの対は、位
相から180゜外れて作動され、従つて機関の反射空
間の総容積も、また同様にヒート・ポンプの反射
空間の総容積も運転中変化することがない。その
結果、反射空間のガス圧力は変化しないのであ
る。

第７図の実施態様においては、各対の機関とヒ
ート・ポンプ間のガスの流れは、通路２２８の如
き通路を介して機関の熱区間からヒート・ポンプ
の熱区間まで生じる。この機関とヒート・ポンプ
は、機関の動力ピストンが作用空間の容積を最小
にする方向に選択された最大距離にある時、即
ち、動力ピストンが熱機関においては作用空間の
圧力が比較的高くヒート・ポンプにおいては比較
的低い位置にある時、前述の如くピストンとシリ
ンダ壁面において形成された摺動弁機構がガスの
流れを許容するように開口されるように位相が与
えられているのである。

第８図は、各サイクルの高圧力間隔においてス
ターリング機関３１４の作用空間３１２からガス
流を受取るため貯溜部が結合される実施態様を示
している。ガスの逆方向の流れは逆止弁３１６に
よつて阻止される。摺動弁は、動力ピストン３２
０、結合ロツド３２２および動力ピストン３２４
による他の実施態様における如く構成されてい
る。

通路３１８は、動力ピストン３２０が最小の作
用ガス容積を生じる選択されたある最大行程位置
にある時、整合位置になつて弁を開口するシリン
ダおよび動力ピストン３２０における内孔によつ
て形成される。他の位置においては、この弁は閉
塞される。

第８図のこの実施態様においては、貯溜部３１
０は作用空間３１２におけるガスのピークのガス
圧力と等しいガス圧力に達する。ピストン３２０
が選択された最大行程位置に達する時は常に、貯
溜部３１０からの高圧のガスが、ヒート・ポンプ
３３２の作用サイクルの低圧部分にあるヒート・
ポンプの作用空間３３０内に通路３１８を介して
流入することになる。

第９図はオーバーストローク状態にあるガスの
伝達を行なうための通路において結合されたポン
プ装置を有する本発明の一実施例を示している。

本実施例では、熱機関４１０が他の実施例の場
合と類似の方法でピストン・ロツド４１４を介し
てヒート・ポンプ４１２と結合されている。しか
し、小ピストン４１６が動力ピストン４１８から
下方に突出するロツドによつて形成されている。
このピストンは、オーバーストローク状態におい
て、ブロツク４２２に形成された係合シリンダ４
２０と共働する。このシリンダ４２０は、圧力に
応答する逆止弁４２４を有する通路を介して結合
されている。

もし反射空間が比較的大きくその結果圧力の変
化が最小であるならば、通常の逆止弁の使用が可
能であるが、もし反射空間が小さいためその各々
が各サイクルにおいて大きな圧力変動を受けるな
らば、逆止弁は大きな圧力に対してのみ応答して
開口しなければならない。

もし動力ピストン４１８が最大行程を越える場
合は、小ピストン４１６は係合シリンダ４２０に
進入して小型ポンプを形成し、これが熱機関４１
０からヒート・ポンプ４１２へのガスの流れを生
じることになる。適当に小さな反射空間および圧
力に応答する逆止弁を用いて、動力ピストン自体
が小ピストン４１６の機能を生じることができ、
その結果小ピストン４１６は除去することができ
る。このような実施態様においては、オーバース
トローク状態が検出されて圧力に応答する逆止弁
４２４はある選択された限度以上の反射空間４３
０内の反射空間圧力の増加によつて作動される。
このような実施例においては、動力ピストン４１
８の端壁および動力ピストン４１８はそれ自体が
ガスのポンプ装置として機能するのである。

あるいはまた、他のガス・ポンプ装置を使用す
ることもできる。例えば、ポンプを外部から機関
に対して結合することがき、あるいはガスを機関
からヒート・ポンプに対して圧送しようとする他
のポンプを使用することもできる。このようなポ
ンプは、オーバーストローク状態により作動させ
られ、あるいはまた前述の如きピストンの最大行
程位置に達すると同時に流れを許容するように開
口される弁と共働して作動させられるのである。

図面における簡略化のため、第３図の２８の如
きガスばねの容積または変位装置に作用力を及ぼ
す相当空間は図示されていないことに留意された
い。当技術おいては周知の如く、自由ピストン型
スターリング装置の変位装置は常に、作用空間の
圧力の変動がこの変位装置の往復運動を生じるよ
うにこのような空間と共働して作用しなければな
らない。このガスばねの空間は、当技術において
周知の如く、反射区間でよく、この区間は前記動
力ピストン、または前記変位装置、または動力ピ
ストンと反対のシリンダハウジングの端部におい
て形成することができる。これら全ての変更は当
技術において周知であるため、これらは常に示さ
ない。

本発明の望ましい実施態様について詳細な図面
および特定の事例を示したが、これらは単に例示
の目的に過ぎず、本発明の装置は開示したその厳
密な細目および条件に限定されるものではなく、
頭書の特許請求の範囲により規定される本発明の
主旨から逸脱することなく多くの変更が可能であ
ることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術のスターリング機関および一
緒に結合されるヒート・ポンプを示すブロツク
図、第２図は本発明の望ましい実施例の作用を示
すブロツク図、第３図および第４図は本発明の望
ましい実施例を示す軸方向の断面図、第５図は別
の実施態様を示す部分図、第６図は本発明の実施
態様の作用を示すグラフ、第７図は本発明の装置
の二重構成を示す図、第８図は貯溜部と逆止弁と
摺動弁装置を有する実施態様を示す図、第９図は
機関からヒート・ポンプに至るガスの流れを生じ
るためポンプと逆止弁を使用する本発明の別の実
施態様を示す図である。１０…機関、１２…ピストン・ロツド、１４…
ヒート・ポンプ、１６…通路、２０…変位ピスト
ン、２２…動力ピストン、２４…シリンダ、２６
…ピストン・ロツド、２８…ガスばね、３０…作
用空間、３２…高温区間、３４…低温区間、３６
…反射区間、３８…変位ピストン、４０…動力ピ
ストン、４２…シリンダ、４４…高温区間、４６
…低温区間、４８…反射区間、４９…反射空間、
５０…結合ロツド、５１…通路、５２…シール、
５３…ポート、５４…壁面、５５…ポート、６０
…経路、６２…経路、６４…ポート、６６…ポー
ト、１２２…動力ピストン、１４０…動力ピスト
ン、１５０…内孔、１５２…弁、１５４…壁面、
１５６…ばね。

Claims

【特許請求の範囲】１自由ピストン型スターリング・サイクル・ヒ
ート・ポンプに対して駆動作用的に結合された自
由ピストン型スターリング・サイクル機関を有す
るスターリング・サイクル装置における負荷の整
合および行程の制限のための方法において、前記
ヒート・ポンプにより吸収される動力が増加する
ようにピストンの最大行程に応答して前記機関か
ら前記ヒート・ポンプに対してガスの流れを生ぜ
しめることを特徴とする方法。２前記ガス流が、ある作用サイクルの最大行程
間隔において該間隔における比較的高い圧力にあ
る前記機関のための区間を前記間隔における比較
的低い圧力にある前記ポンプの区間に対して連通
状態に結合することにより生じることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の方法。３前記ガス流がある作用サイクルの最大行程間
隔において前記機関から前記ポンプに対してガス
を圧送することにより生じることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の方法。４前記ガス流が、前記機関の区間の比較的高い
圧力間隔において前記機関から貯溜部内にガスを
導入し、ある作用サイクルの最大行程間隔におい
て前記貯溜部から前記ポンプに対してガスを導入
することにより生じることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の方法。５少なくとも１対のスターリング・サイクル機
械を含み、その１つが、各々その関連するシリン
ダ内で往復運動するように取付けられた変位ピス
トンと動力ピストンを含む形式の自由ピストン型
スターリング機関を具備し、該機関は、各々がそ
の関連するシリンダ内で往復運動するように取付
けられた変位ピストンと動力ピストンを含む自由
ピストン型のスターリング・サイクル・ヒート・
ポンプを含む第２のスターリング・サイクル機械
に対して駆動作用的にリンクされており、前記機
関と前記ポンプが各々作用ガス区間と反射区間を
一緒に画成する高温区間と低温区間を有する熱で
駆動されるヒートポンプ装置において、負荷の整合および行程調整装置が、 (a) 前記機関の区間と前記ポンプの区間の間で連
通する通路と、 (b) 該通路において、この通路内のガスの流れを
通常閉止し、かつ前記ピストンの選択された１
つの位置に応答し、前記の選択されたピストン
の選択された最高位置に応答して前記通路を開
口して前記機関から前記ポンプに対するガスの
流れを許容する弁装置とを具備することを特徴
とするヒートポンプ装置。６前記通路は前記スターリング・サイクル機械
の各々の反射区間の間に延在することを特徴とす
る特許請求の範囲第５項記載の装置。７前記弁装置は、(i)前記の選択されたピストン
と、(ii)その共働するシリンダ壁面と、(iii)前記通路
の一部として前記シリンダ壁面および前記の選択
されたピストンに形成された内孔とによつて形成
される摺動弁であり、前記内孔が前記ピストンの
最大位置において整合状態になるように配置され
ている特許請求の範囲第５項記載の装置。８前記弁装置が、前記の選択されたピストンの
経路内に延在するアームにより作動させられる弁
を具備する特許請求の範囲第５項記載の装置。９前記通路において前記弁装置と前記ポンプと
の間に貯溜部が形成され、前記通路において前記
貯溜部と該貯溜部に対するガスの流れを許容する
方向の前記機関の区間の間に逆止弁が結合されて
いる特許請求の範囲第５項記載の装置。１０前記弁装置が、(i)前記の選択されたピスト
ンと、(ii)その共働するシリンダ壁面と、(iii)前記シ
リンダ壁面および前記の選択されたピストンにお
いて前記通路の一部として形成された内孔とによ
つて形成される摺動弁を具備し、前記内孔は前記
ピストンの前記の最大位置において整合状態にな
るように配置されることを特徴とする特許請求の
範囲第９項記載の装置。１１前記通路が前記スターリング・サイクル機
械の各々の作用ガス区間の間に延在する特許請求
の範囲第５項記載の装置。１２前記通路が前記スターリング・サイクル機
械の各々の低温区間の間に延在する特許請求の範
囲第５項記載の装置。１３前記弁装置が、(i)前記の選択されたピスト
ンと、(ii)その共働するシリンダ壁面と、(iii)前記シ
リンダ壁面および前記の選択されたピストンにお
いて前記通路の一部として形成された内孔とによ
つて形成される摺動弁を具備し、前記内孔が前記
ピストンの前記の最大位置において整合状態にな
るように配置されている特許請求の範囲第１２項
記載の装置。１４前記装置は、特許請求の範囲第５項に規定
されるスターリング・サイクル機械の複数の対を
具備し、前記機械の反射区間が連通状態に接続さ
れ、前記ポンプの反射区間が連通状態に接続され
ている特許請求の範囲第５項記載の装置。１５前記２つの通路の各々がスターリング・サ
イクル機械の各対の作用ガス空間の間に延在する
特許請求の範囲第１４項記載の装置。１６１対のスターリング・サイクル機械を含
み、その１つが、各々その関連するシリンダ内の
往復運動するように取付けられた変位ピストンと
動力ピストンを含む形式の自由ピストン型スター
リング機関を具備し、該機関は、各々がその関連
するシリンダ内で往復運動するように取付けられ
た変位ピストンと動力ピストンを含む自由ピスト
ン型のスターリング・サイクル・ヒート・ポンプ
を具備する第２のスターリング・サイクル機械に
対して駆動作用的にリンクされており、前記機関
と前記ポンプが各々高温区間と低温区間と反射区
間を有する熱駆動されるヒートポンプ装置におい
て、負荷の整合および行程の調整装置が、 (a) 前記機関のガスと前記ポンプのガスの間に連
通状態にある通路であつて、前記スターリング
機械の選択された１つの区間に開口し、前記区
間は前記の選択されたスターリング機械のピス
トンの１つの端部により画成されている通路
と、 (b) 前記通路におけるガスの流れを通常閉止し、
前記ピストンの前記の１つが前記区間の選択さ
れた位置に移動する時該ピストンの１つの位置
に応答して前記通路を開口する通路弁装置手段
とを具備することを特徴とするヒートポンプ装
置。１７前記通路が前記反射区間の間に延在し、前
記ピストンの前記の１つが動力ピストンである特
許請求の範囲第１６項記載の装置。１８前記弁装置が、前記動力ピストンの１つの
経路に延在するアームによつて作動される弁を具
備する特許請求の範囲第１７項記載の装置。１９前記シリンダが実質的に同心状であり、前
記スターリング・サイクル機械が、各動力ピスト
ンに対して固定されかつ反射空間を分離する壁面
を封止処理的に貫通するピストン・ロツドにより
リンクされ、前記弁および前記通路が前記壁面に
位置づけされている特許請求の範囲第１８項記載
の装置。２０前記機械が、同じ平均ガス圧力を有する選
択された最大動力出力において選択されたピスト
ンの行程の限度以内で作動する質量のガスで充填
され、前記弁のアームは前記機関の動力ピストン
によつて作動される特許請求の範囲第１９項記載
の装置。２１前記シリンダの壁面にポートが形成され、
前記の１つのピストンの外壁面にポートが形成さ
れ、該ポートは、前記の１つのピストンが前記の
選択された位置にある時整合状態に配置される
も、それぞれ前記ピストンおよび前記シリンダの
壁面により前記１つのピストンの他の作動位置に
おいては閉塞され、前記通路は前記ポートおよび
前記１つのピストンを貫通して延在する特許請求
の範囲第１６項記載の装置。２２前記シリンダは実質的に同心状であり、前
記スターリング・サイクル機械は、各動力ピスト
ンに対して固定されかつ前記の２つの反射区間を
分離する壁面を貫通して延在するピストン・ロツ
ドによつてリンクされる特許請求の範囲第２１項
記載の装置。２３少なくとも１対のスターリング・サイクル
機械を含み、その１つが、各々その関連するシリ
ンダ内で往復運動するように取付けられた変位ピ
ストンと動力ピストンを含む形式の自由ピストン
型スターリング機関を具備し、該機関は、各々が
その関連するシリンダ内で往復するように取付け
られた変位ピストンと動力ピストンを含む自由ピ
ストン型のスターリング・サイクル・ヒート・ポ
ンプを具備する第２のスターリング・サイクル機
械に対して駆動作用的にリンクされており、前記
機関と前記ポンプが各々作用ガス区間と反射区間
を一緒に画成する高温区間と低温区間を有する熱
駆動されるヒートポンプ装置において、負荷の整合および行程の調整装置が、 (a) 前記機関の区間と前記ポンプの区間との間で
連通状態にある通路と、 (b) 該通路において接続されて充分な圧力に応答
して前記ポンプに対するガス流を許容する圧力
応答逆止弁と、 (c) 前記通路において接続されて、前記ピストン
の選択された１つと共働するガス・ポンプ装置
とであつて、前記の選択されたピストンが選択
されたオーバーストローク状態位置にある時前
記の選択されたピストンによつて作動させられ
るガス・ポンプ装置とを具備することを特徴と
するヒートポンプ装置。