JPH071028B2 - スタ−リング・サイクルのエンジンおよびヒ−トポンプ - Google Patents

スタ−リング・サイクルのエンジンおよびヒ−トポンプ

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JPH071028B2
JPH071028B2 JP59504068A JP50406884A JPH071028B2 JP H071028 B2 JPH071028 B2 JP H071028B2 JP 59504068 A JP59504068 A JP 59504068A JP 50406884 A JP50406884 A JP 50406884A JP H071028 B2 JPH071028 B2 JP H071028B2
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heat
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、仕事に変換され、またはポンプ移送されるべ
き熱が作用ガスを含むシリンダに外部から与えられるホ
ツトガス・エンジンおよびヒートポンプの斬新な形式を
指向している。特に本発明はスターリング・サイクルの
エンジンおよびヒートポンプの改良形式を指向する。
「ヒートポンプ」なる用語は加熱または冷却の何れにも
使用できる装置を表わす、一般的な意味に使用される。
背景技術 本発明は変形「スターリング・サイクル」を用いる斬新
な機械を指向する。最初のスターリング・サイクル機械
はロバート・スターリングにより1816年に発明された。
これは熱を機械的エネルギに変換するエンジンとして運
転された。以後の開発により、機械的エネルギにより駆
動されて冷却用のヒートポンプとして働くようにスター
リング・サイクル機械を逆にも使用し得ることが判明し
た。下記に述べる実用上の問題のため、スターリング・
サイクル機械が潜在的な用途の何れにおいても広範囲に
使用されるようにはならなかつた。
従来のスターリング・サイクル機械は空気、水素または
ヘリウムの如き作用ガスを用いて作動する。スターリン
グ・サイクル機械をエンジンとして働かせる時には、サ
イクルの「圧縮」段階中にエンジンの低温空間にて冷却
されている間には作用ガスが圧縮される。つぎに作用ガ
スは、サイクルの出力行程段階中に膨張しながら加熱さ
れるようにエンジンの高温空間の中で膨張させられる。
ついで作用ガスはサイクルの「冷却」段階中に一定容積
にてエンジンの高温空間から低温空間に移る。ついでこ
のサイクルが繰返えされる。
サイクルの出力行程中にスターリング・サイクル機械の
高温空間内にて作用ガスが膨張すると、機械がエンジン
として運転されている時、仕事を発生する。スターリン
グ機械がエンジンとして運転される時、サイクルの圧縮
段階では仕事を吸収するけれどもサイクルの膨張段階中
に発生する仕事量よりも吸収する仕事量の方が少ない。
余つた仕事は部分的には機械およびガスの摩擦(変換/
再生段階のそれを含む)により吸収される。残りの仕事
量が有効な仕事となる。
スターリング・サイクル機械をヒートポンプとして運転
する時、サイクルの圧縮段階中に作用ガスを圧縮するの
に要するエネルギはサイクルの膨張段階中に得られるエ
ネルギよりも大きい。それは周囲から熱を吸収する機械
の部分(すなわち膨張空間)は作用ガスが圧縮される機
械の部分(すなわち圧縮空間)より低温であるからであ
る。
以下に圧縮空間を「低温空間」と称し、膨張空間を「高
温空間」と称して本発明をエンジンとして説明する。機
械をエンジンでなく冷凍機(ヒートポンプ)として運転
するとすれば、圧縮および膨張空間の温度は逆になる。
本発明をエンジンとして使用する時もヒートポンプとし
て使用する時も何れも、膨張空間に入るガスは外部加熱
を受け、圧縮空間に入るガスは外部冷却を受ける。
スターリング・サイクルの変形を具体化する数多くの機
械が記載されている(ウオーカ,スターリング・エンジ
ン,Claredon Press,1980;自動車用へのスターリング・
エンジンの設計および見通し、Collie編,Noyes Data Co
rp,1979参照)。
スターリング・サイクル・エンジンの理論的利点は多
い。理論効率は高い。また熱源は作用ガスの外部にある
から内燃機関に伴う大気汚染問題の幾つかは避けること
ができる。スターリング・サイクル・エンジンの燃料は
高温および高圧にて爆発するのでなく大気圧にて定常的
に燃焼することができるので、スターリング・サイクル
・エンジンは比較的静かである。またどのような利用可
能の熱源によつても動力を得ることができ、太陽熱、地
熱または核分裂、核融合による熱を含む任意の種類の燃
料で運転することができる。
しかし幾つかの実用上の問題がスターリング・サイクル
機械の商業利用の妨げとなつた。それらの問題には下記
のものが含まれる。
(1) サイクル(すなわち低温空間にて作用ガスの容
積を減じて、高温空間にて作用ガスの容積を増し、次に
同時に高温空間にて作用ガスの容積を減じて低温空間に
て作用ガスの容積を増す)を遂行するのに必要な機械運
動が歯車およびレバーの複雑で高価な配置や、重量およ
び摩擦損失の大きい多重シリンダの使用を必要とした。
(2) 作用ガスの摩擦によるエネルギ損失はスターリ
ング・サイクル機械での主要な問題であつた。近代のス
ターリング機械では、再生器のそれぞれの側にある高温
および低温チユーブに作用ガスを通すことによつて作用
ガスを加熱し、冷却する。多重チユーブを使用すれば1
本の大口径のチユーブよりも熱伝達に利用し得る表面面
積が増すが、同時にガスの摩擦が大いに増える。スター
リング・エンジンでは通常、高温および低温のチユーブ
の組の間に入れた、編んだワイヤ、ワイヤ網その他類似
の材料の「再生器」が使用される。再生器は或る時点で
ガスから熱を吸収し、後の時点でガスに熱を戻すことに
より機能する。再生器はまた作用ガスが中を行きつ戻り
つする時にかなりの流体摩擦を発生し、エネルギを消費
する。
(3) 作用ガスを冷却したいサイクルの時点で高温の
熱交換に作用ガスを通し、作用ガスを加熱したい時点で
低温の熱交換器に作用ガスを通すという点で、在来の配
置では熱力学的問題も生ずる。
本発明はこれらの領域の全てにおいて改良を達成し、ガ
ス摩擦の小さな単弦運動を用いる機械装置により効率の
高い熱力学サイクルを生ずる。
本発明の一局面によれば、スターリング型サイクルによ
り膨張され圧縮される2つに分れた容積のガスを用い、
順次膨張室と圧縮室を分担し、一方の容積のガスが膨張
される時は他方の容積のガスが圧縮を受けるようにする
ことにより、スターリング・エンジン型式の装置の改良
が得られる。
本発明にいま一つの局面によれば、異る孔口を通つてガ
スがエンジンの膨張空間に入つたり出たりし、入口孔に
ある再生器が圧縮熱を保有し、再生器内の作用ガスの過
熱を可能にすることができる。
改良された高出力、高速の変形スターリング・サイクル
・エンジンを与えることが本発明の一目的である。
変形スターリング・サイクルで作動する改良型ヒートポ
ンプを与えることが本発明のいま一つの目的である。
太陽エネルギの如き低品質の熱源により作動し得る、低
圧、低速の変形スターリング・サイクル・エンジンを与
えることが本発明のさらに一つの目的である。
以下の記載により他の目的が明らかにされよう。
図面の簡単な説明 第1(a)図、第1(b)図および第1(c)図は本発
明によるエンジン内の作用ガスの圧力変化の図解、 第2図は本発明の基本配置の図解、 第3図は2個の再生器およびバイパスを用いる、本発明
による単一シリンダ・エンジンの実施例の図解、 第4A図は第3図のエンジンに使用し得る仕切弁(ゲート
バルブ)の斜視図、 第4B図は第3図のエンジンに使用し得る仕切弁の断面
図、 第4c図は第3図のエンジンに使用し得るキノコ弁組立体
の図解。
発明を実施するための最良の形態 本発明は両端を密閉して、複動ピストンを装備した少な
くとも1個のシリンダを用い、シリンダの一端から他端
へ接続する2個以上の熱交換器組立体を有するエンジン
を与える。各熱交換器組立体はシリンダの一端または他
端に通ずる各端部に少なくとも1個づつの加熱器、冷却
器および弁を含む。各熱交換器はまた1個以上の再生器
および/または1個以上のバイパス弁を有することもで
きる。
上記の弁が作動すると、各熱交換器組立体は熱力学サイ
クルに参加することになり、この熱力学サイクルは、ガ
スの移動によってピストンの動きを順に分担する。以下
に、明らかになるように、全ての熱交換器組立体により
遂行される各サイクルは、同一であって順に連続して行
われる。各熱交換器組立体におけるサイクルの理論的作
動は下記の如くである。
行程1(圧縮):作用ガスはシリンダの圧縮空間から熱
交換器組立体に排出されそこでサイクル中の最低圧力レ
ベルからより高い圧力レベルに圧縮され、本行程中に冷
却器を通りながら冷却されて圧縮に必要な仕事を最少に
する。
行程2(隔離):作用ガスは圧縮状態で熱交換器組立体
の中に封入され容積の変化はなく機械的仕事の入力また
は出力はない。
行程3(膨張):作用ガスは膨張して熱交換器組立体か
らシリンダの膨張空間に入り、その最高圧力から中間圧
力まで落ち、その間この行程中に加熱されて圧力降下を
最少にし、なすべき仕事を最大にする。
行程4(再生):作用ガスは容積変化を生ずることなく
シリンダの膨張空間から熱交換器組立体を通つてシリン
ダの圧縮空間に入り、機械的仕事の大きな入、出力はな
く、そのため再び圧縮されて行程1を繰返すことができ
るようになる。この「再生」行程中、作用ガスは冷却さ
れてその圧力は圧縮行程の開始時にサイクル中の最低点
に達し、行程1中に作用ガスを圧縮するのに必要な仕事
量を減ずるようにする。
これらの圧力変化は第1(a)図にグラフで示される。
このガスの局部圧力の理論的な図解はガスと熱交換器の
表面の間の熱伝達率により変わる。隔離行程中に熱交換
器組立体の中に捕捉されたガスは隣接表面の温度に従つ
て加熱または冷却されるであろう。冷却器内のガスは冷
えるであろう。加熱器内のガスは両方向にその温度を調
節するであろう。すなわち前の(圧縮)行程中に加熱器
に入るガスは隣接する熱交換面より冷たいが加熱器の遠
方の閉鎖端におけるガスは圧縮されて隣接の加熱器面よ
り実際は熱いであろう。
場合により、圧縮行程の開始時に加熱器内にあつた高温
ガスの圧縮により生じた上昇温度は圧縮中に冷却器から
(または随意の再生器から)加熱器に入るガスの低下温
度よりずつと大きい。これは第1(b)図に示すように
頂点を接した2個の3角形状を呈するようにするであろ
う。
温度の上昇と降下が完全に相殺することも考えられる。
この場合は第1(c)図の3角形のP/V線図を生じ、こ
れも理論的に完全な瞬間的熱伝達から生ずる。このよう
に、加熱器、さらには、再生器および冷却器の中の平均
ガス温度が隔離行程中、上昇し、下降しまたは一定に保
たれるかどうかによつて、第1図のP/V線図は1
(a)、1(b)または1(c)の如き形をとる。同一
エンジンでも、異る温度差および/または異る運転速度
で運転される時々にこれら3つのP/V線図の各々を表わ
すことが考えられる。
第1図を参照するに、圧縮曲線(行程1)の下方の面積
は膨張曲線(行程3)の下方の面積より小さく、その差
がエンジンの仕事出力となる。
本発明の基本的な実施例が第2図の説明図に示される。
複動ピストン(10)が密閉されたシリンダ(9)中を移
動する。ピストン(10)はピストン棒(11)に連結され
る。ピストン棒(11)はクロスヘツド(図示せず)によ
つて横運動しないように支持される。ピストン棒(11)
は在来の連接棒を介してクランク棒(図示せず)につな
がる。ピストン棒はシール(22)を通過する。
シリンダ(9)の一端はそれぞれ加熱器(12A,13A)と
冷却器(12B,13B)とから成る熱交換器組立体を通して
シリンダの他端につながる。熱交換器組立体は穴(16,1
7)を通してシリンダの膨張空間に連通し、また他の穴
(18,19)を通してシリンダの圧縮空間に連通する。膨
張空間への各穴(16,17)とその関連加熱器(12A,13A)
との間に弁(16A,17A)がある。圧縮空間への各穴とそ
の関連冷却器(12B,13B)との間に弁(18A,19A)があ
る。各加熱器と冷却器の間にある再生器(14)は任意で
ある。
ピストン(10)がシリンダの膨張端と圧縮端の間を行き
つ戻りつする時、弁(16A,17A,18A,19A)は下記のシー
ケンスで開閉する。
以後このサイクルを繰返す。漏れおよびシリンダから掃
気されない少量の残留ガスを無視すれば弁(16A,18A)
を通過する作用ガスの量は常に弁(17A,19A)を通過す
るガスの量からは隔離されていることに着目すべきあ
る。
もしも各熱交換器組立体を通過して行きつ戻りつする作
用ガスの量の圧力/体積関係を別個に考慮するならば、
かかる量の作用ガスはサイクルの過程中にそれぞれ第1
図の圧力/体積線図に一致するが、二つの量のガスの圧
力/体積関係はサイクル全体を通して相互に180゜位相
がずれていることが判る。
エンジンの望ましい実施例が第3図に示される。複動ピ
ストン(10)が密閉されたシリンダ内を運動する。ピス
トン(10)はピストン棒(11)につながるつぎに、例え
ば、ピストン棒(11)はクランクピンおよびクランク軸
(図示せず)につながる在来型の連接棒(図示せず)に
連結され、望むらくは在来のクロスヘッド(図示せず)
により横運転しないように支持される構成が考えられ
る。この場合、ピストンがシリンダ内で往復運動すると
きには、クロスヘツドがピストンの運動エネルギを貯
え、また、このエネルギをピストンに戻すように作用す
る。
第3図を参照するに、直列に接続された冷却器(12B,13
B)、加熱器(12A,13A)および再生器(14A,14B)から
なる2個の熱交換器組立体(12,13)がある。各熱交換
器組立体の再生器端は弁装置(16A,17A)を有する穴(1
6,17)を通してそれぞれシリンダの高温端に接続され
る。各熱交換器組立体の他端は弁装置(18A,19A)を含
むシリンダの圧縮弁穴(18,19)にそれぞれ接続され
る。それぞれ弁装置(20A,21A)を含むバイパス穴(20,
21)が設けられ、各熱交換器組立体(12,13)の冷却器
(12B,13B)と加熱器(12A,13A)の間にシリンダの膨脹
空間とを接続する第2の組の再生器(23A,23B)を弁(2
0A,21A)と冷却器(12B,13B)の間に設けることもでき
る。
本実施例では、作用ガスは熱交換器組立体を通つて弁
(16A,17A)を介して膨張空間に流入するが、弁(20A,2
1A)を介して膨張空間から出て熱交換器組立体に流れ
る。その結果、弁作動のシーケンスは次のようになる。
このシーケンスの効果は、1サイクルの過程中に作用ガ
スが冷却器を2回(各方向に1回づつ)通過するが、加
熱器および再生器を1回だけ(一方向に)通過して流れ
ることである。反対に在来のスターリング・サイクル・
エンジンでは作用ガスが各サイクル中に加熱器、冷却器
および再生器を両方向に通過する。よつて本発明は従来
のスターリング・サイクル・エンジンに生ずるガスの摩
擦の幾らかを排除する。さらに再生器をガスが通過する
ことにより生ずる摩擦が存在する限り、それが熱に変わ
り、この熱が冷却器よりもむしろ膨張空間に伝達され
る。
加熱器(12A,13A)は燃焼器、太陽エネルギ等の如き加
熱装置(図示せず)により加熱され、冷却器(12B,13
B)は水ジヤケツト、空気その他の適当な吸熱体により
冷却される。
本発明によるエンジンのサイクルは遥かに高い圧縮比が
可能である点が従来のスターリング・サイクルとは異
る。作用ガスの全容積が熱交換器組立体の中に排除され
てそこで各端にある弁により圧縮状態で閉じ込められる
からシリンダの排除容積と熱交換器組立体の容積との比
が圧縮比を決定する。熱交換器組立体を比較的小さな容
積にすると、高圧縮比が得られる。
本エンジンにより達成し得る高圧縮比は、エンジンがそ
の大きさの割りに大きな出力を出すという点で望まし
い。しかし高圧縮比は圧縮行程の終りに機械内に極く高
い圧力を生ずるという形でハンデイキヤツプを伴う。こ
の高圧は圧縮行程が進行するにつれ作用ガスの温度を上
げて、作用ガスの再生に消費される仕事量を増す。
この影響を緩和するために各熱交換器組立体を作用ガス
の圧縮加熱を制限するように配置する。
これは低温の熱交換器(または使用されていれば中央再
生器)からの低温ガスが、例えば従来のスターリング・
サイクル機械に用いられるよりもかなり大きな直径の加
熱器チユーブ、または1本の加熱器チユーブのみを用い
る等して、加熱器に入つた時直ぐに熱せられることのな
いように各熱交換器を装備することにより遂行される。
このように加熱器の熱交換面積を減ずることにより加熱
過程を遅らせることができる。
その反対に再生器および冷却器のチユーブは迅速な熱伝
達を行うように設計して、何れに入るガスもほとんど直
ちに再生器または冷却器の温度になるようにすることが
できる。
圧縮行程の開始時に加熱器(12A,13A)内にあるガスが
圧縮開始の時点で加熱器チユーブの温度に近づいている
ような熱伝達特性を加熱器に持たせることができる。第
3図を参照するに、圧縮行程が進行するにつれ、その高
温ガスは前進的に弁装置(16Aまたは17A)に向つて押さ
れ、さらに圧縮により加熱される。この作用を緩和する
ために膨張端再生器(14A,14B)を加熱器と膨張空間へ
の穴との間に介在させて、加熱器から押し出されて膨張
端再生器に入るガスからの熱が再生器に吸収されて温度
上昇が緩和されるようにする。再生器に充分な熱容量を
持たせれば、任意の1サイクル中に再生器に生ずる温度
上昇は最少限に止まる。しかし、数多くのサイクルを繰
返えし、また作用ガスが交換行程中にバイパス(20,2
1)を通過する場合は、膨張端再生器の温度を加熱器の
温度よりも上げ、それにより膨張行程中の作用ガスの圧
力を増してエンジン性能を向上させることが可能であ
る。この効果は熱交換器組立体の要素の容積、エンジン
の圧縮比、圧縮行程中に加熱器に入るガスの温度および
加熱器内の熱伝達率に左右され、当業者にとつて公知の
解析法により計算することができる。
再生器、加熱器チユーブおよび冷却器チユーブのサイズ
をシリンダの排除体積に対して適切に決めることによ
り、圧縮行程の開始時に加熱器チユーブ内にあるほとん
ど全部のガスがその行程の終りまで膨張端再生器内に押
し込まれ、その結果、その行程の過程中に加熱器チユー
ブの体積の全部が冷却器または中央再生器を通過したば
かりのガスにより満たされることになる。
よつて、膨張行程の開始時に高温端の弁装置(16A,17
A)が開く時、ガスはシリンダ内の膨張空間に入るべく
膨張しながら膨張端再生器の温度まで熱せられる。その
ガスの温度は少なくとも当初は加熱器温度を越える。膨
張行程が進むにつれ加熱器内のガスの温度は下るけれど
も、シリンダに入る途中でガスは膨張端再生器を通過せ
ねばならず、その過程で加熱器チユーブ最高温度に近い
かそれを越える温度まで熱せられる。
膨張端に図示されるものに似たバィパス配備を圧縮端に
設けることもできる。その場合、作用ガスは冷却器(12
B,13B)を通つて圧縮空間に入るが、中央再生器(23A,2
3B)に直接に連通するバイパスを通つて圧縮空間を離れ
る筈である。
隔離段階中、隔離された熱交換器組立体にある全ての弁
は熱交換器内の正圧を受ける。しかし弁装置(16Aまた
は17A)が開いて作用ガスがシリンダの膨張空間に入る
時、シリンダ内の圧力は圧縮がちようど始まつている熱
交換器組立体の中の圧力よりも高い。従つてシリンダの
膨張端と熱交換器組立体の間に圧力差が存在し、膨張空
間の圧力が圧縮空間の圧力よりも高い間は作用ガスが熱
交換器組立体の中に圧縮される。しかし終極的には膨張
空間の圧力は落ち、ガスが圧縮されて送られている熱交
換器の弁装置にかかる圧力は方向を変える。
この問題を処理するために、高圧型のエンジンの膨張空
間に直接連通する弁は両方の方向に圧力密封性を有す
る。温度が比較的低くて潤滑油を用いることのできるヒ
ートポンプの如き用途には、単純な仕切弁(第4A図およ
び第4B図)を使うことができる。かかる弁では仕切板
(30)が作用ガスの流れを横切る。開位置において、仕
切板の孔(31)が流路に整合し、ガスは自由に流れる。
仕切板が閉じると、平らな板がガス流を遮断する。第4B
図を参照するに、仕切板の両側が適切に滑らかで、作用
ガスの通過する開口部の端を滑らかな弁座になるように
研磨することができれば、仕切板は先ず孔の片側に押さ
れ、ガス圧力が逆転すれば孔の反対側に押される。よつ
て何れの方向にも圧力シールを形成する。適当な密封装
置(33)がさらに仕切板(30)の表面の漏れを密封す
る。密封型の電磁作動弁も用いることができる。
高温用途には、2重ポペツト弁(第4C図35)を用いるこ
とができる。弁の圧力密封において公知の他の装置は当
業者には明らかであろう。
ピストンおよびクランク軸の配備を用いる本発明の実施
例において、弁運動のタイミング(時期調節)はクラン
ク軸の位置を感知する在来の機械的、電気的または電子
的装置によりピストン運動に同期される。
2個より多い熱交換器組立体(チユーブ・セツト)を使
うこともできる。比較的多数のチユーブセツトを用いる
ことによる少なくとも2つの実用上の利点がある。交換
行程中に1個のチユーブセツトのみが能動的にガスを受
入れ放出することから、この利点が生ずる。出力/圧縮
行程中は、2個のチユーブセツトのみがガスを受入れ放
出する。残りのチユーブセツトは「隔離」段階にて閉じ
込められるため、熱伝達によつて、温度調整がなされる
時間が確保できるようになる。よつて、加熱器から、中
に入つているガスへ極く迅速に熱伝達を行う必要はな
い。理論的にも、圧縮が完了して弁が作用ガスを熱交換
器組立体に閉じ込め終るまでは、圧縮中に加熱器に入る
低温ガスは加熱器壁からの伝導および対流によつてはあ
まり温められない。
この設計は加熱器チユーブと作用ガスの間の熱伝達を比
較的遅くすることができるから加熱器の製作を大いに単
純化することができる。極端な場合、1本の加熱器チユ
ーブを用いるから、製作が非常に容易になる。
1本の加熱器チユーブ(または少数の比較的大口径の加
熱器チユーブ)を使うことのいま一つの利点はガスの摩
擦抗力を大幅に減ずることができることである。
最適な運転において、本発明による機械は平衡がとれ
る、すなわち熱交換器組立体に関連する作用ガスの容積
は実質的に等しくなるべきである。大抵の実用機械は、
シリンダおよび弁穴をピストンが完全に掃気し得ないか
ら、運転している間に自然に平衡がとれる。各出力/圧
縮行程の終りに圧縮空間および圧縮空間弁穴に少量のガ
スが残る。ガス圧入されたばかりの熱交換器組立体が不
均衡に大量のガスを含むならば、圧縮空間および圧縮空
間弁穴の残留ガス量も不均衡に多くなる。よつて、圧縮
行程の終りに圧縮されたばかりのガスに対して圧縮空間
弁が閉じていま一つの圧縮空間弁が交換行程のために開
く時、余分のガスがまさに交換行程に入ろうとする次の
熱交換器組立体に移送されてその熱交換器組立体の中の
ガス量を少し増す。このようにしてエンジンのサイクル
が繰返えされるにつれて余分のガスを含む熱交換器組立
体からより少ないガスを含む熱交換器組立体へ少量のガ
スが自動的に再配分されて平衡が保たれる。
作用ガスが弁を通つて漏れるなどして自然に再配分され
た状態にされた後でエンジンを始動すべき時、エンジン
としての機械を平衡させるのは始動機構によることがで
きる。すなわちほぼ平衡が達せられるまでエンジンをク
ランクで回す必要があるかも知れない。始動すべき時に
エンジンが既に平衡していれば、始動する迄に1サイク
ルだけクランクで回せばよいであろう。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】分離した第1及び第2の少なくとも2個の
    熱交換器組立体を介して一端と他端とが接続されたシリ
    ンダを有し、前記各熱交換器組立体が直列に配置された
    加熱される熱交換器装置と冷却される熱交換器装置とを
    含み、前記熱交換器組立体の高温端が前記シリンダの高
    温端に取り付けられ、前記熱交換器組立体が前記各端に
    弁装置を備え、前記シリンダが複動型往復移動ピストン
    装置を収容し、該ピストン装置が前記各熱交換器組立体
    から周期的に一定量のガスを排除し又は一定量のガスに
    よって移動させられ、さらに、第1及び第2の熱交換器
    組立体となる一対の前記熱交換器組立体内の一定量のガ
    スが、前記弁装置によって交互に前記熱交換器組立体内
    に閉じ込められまたそれから解放されるように、高温ガ
    スエンジンを運転する方法であって、 (a) 前記ピストンが、前記弁装置を介して前記加熱
    される熱交換器装置に連通する前記シリンダの端部に向
    かう行程のほぼ終りにあって、前記第1の熱交換器組立
    体にある両端の弁装置が開位置にあり、前記第2の熱交
    換器組立体にある両端の弁装置が閉位置にあって第1の
    容量のガスが前記第1の熱交換器組立体及び前記シリン
    ダ内に配設され、第2の容量のガスが前記第2の熱交換
    器組立体の中に圧入され、さらに他の熱交換器組立体が
    存在すれば該各他の熱交換器組立体の中に圧縮された一
    定量のガスが含まれているときに、前記第1の熱交換器
    組立体の高温端にある前記弁装置を閉じ、ほぼ同時に前
    記第2の熱交換器組立体の高温端にある前記弁装置を開
    いて前記第2の容量のガスを前記シリンダ内の前記ピス
    トンの第1の側に向けて膨脹させ、同時に前記第1の熱
    交換器組立体の低温端にある前記弁装置を通して前記ピ
    ストンの第2の側の前記シリンダから前記第1の容積の
    ガスを圧縮して前記第1の熱交換器組立体の中に押し入
    れる段階; (b) 前記ピストンが、前記弁装置を通して前記熱交
    換器組立体の低温端に連通する前記シリンダの端部に向
    かう行程のほぼ終りにあるときに、前記第1の熱交換器
    組立体の低温端にある前記弁装置を閉じほぼ同時に前記
    第2の熱交換器組立体の低温端にある前記弁装置を開い
    て、前記第2の容積のガスを前記ピストンの前記第1の
    側のシリンダから前記第2の熱交換器組立体を通して前
    記ピストンに向かう前記第2の側の前記シリンダ内に排
    出し、同時に前記圧入された前記第1の容量のガスを前
    記第1の熱交換器組立体の中に維持し、さらにエンジン
    装置が3個以上の熱交換器組立体を有する場合には、前
    記第1の熱交換器組立体を一時的に該エンジンの運転方
    法のサイクルから外す段階; (c) 前記ピストンが、前記弁装置を介して前記熱交
    換器組立体の高温端に連通する前記シリンダ端に向かう
    工程のほぼ終りにあるときに、前記第2の熱交換器組立
    体の高温端にある前記弁装置を閉じ、ほぼ同時に、前記
    他の熱交換器組立体の内の1個を第1の熱交換器組立体
    として該エンジンの運転方法のサイクルに加えて該第1
    の熱交換器組立体の高温端にある前記弁装置を開き、前
    記第1の容量のガスを該第1の熱交換器組立体の高温端
    にある該弁装置を通じて前記シリンダ内の前記ピストン
    に向かう第1の側に膨脹させ、いっぽう同時に前記ピス
    トンの第2の側の前記シリンダから前記第2の熱交換器
    組立体の低温端にある前記弁装置を通して前記第2の容
    量のガスを前記第2の熱交換器組立体の中に圧縮して押
    しれる段階; (d) 前記ピストンが、前記弁装置を通して前記熱交
    換器組立体の低温端に連通する前記シリンダ端に向かう
    行程のほぼ終りにあるときに、前記第2の熱交換器組立
    体の前記低温端にある前記弁装置を閉じほぼ同時に前記
    第1の熱交換器組立体の低温端にある前記弁装置を開い
    て前記ピストンに向かう前記第1の側の前記シリンダか
    ら前記第1の熱交換器組立体を通して前記ピストンの前
    記第2の側の前記シリンダ内に前記第1の容量のガスを
    排出し、一方同時に前記圧縮された第2の容量のガスを
    前記第2の熱交換器組立体の中に維持し、さらに、さら
    にエンジン装置が3個以上の熱交換器組立体を有する場
    合には、前記第2の熱交換器組立体を一時的に該エンジ
    ンの運転方法のサイクルから外して、前記他の熱交換器
    組立体の内の1個を第2の熱交換器組立体として該エン
    ジンの運転方法のサイクルに加える段階; (e) 前記(a)から(d)までの段階に示されたエ
    ンジンの運転方法のサイクルを繰り返す段階を含む方
    法。
  2. 【請求項2】前記熱交換器組立体の各々において前記加
    熱される熱交換器装置と前記冷却される熱交換器装置と
    の間に再生器装置が直列に介在している、請求の範囲第
    1項に記載の方法。
  3. 【請求項3】前記熱交換器組立体の各々の高温端におい
    て前記加熱される熱交換器装置と前記弁装置との間に再
    生器装置が直列に介在している、請求の範囲第1項に記
    載の方法。
  4. 【請求項4】前記段階(b)のガス流が、前記第2の熱
    交換器組立体の前記加熱される熱交換器装置をバイパス
    する別の導管を通り、前記段階(d)のガス流が、前記
    第1の熱交換器組立体の前記加熱される熱交換器装置を
    バイパスする別の導管を通る、請求の範囲第1項に記載
    の方法。
  5. 【請求項5】前記熱交換器組立体の高温端にある前記弁
    と前記加熱される熱交換器装置の間に再生器装置が直列
    に介在し、段階(b)の前記ガス流と段階(d)の前記
    ガス流が前記再生器と前記加熱される熱交換器装置の双
    方をバイパスする別の導管を通る、請求の範囲第1項に
    記載の方法。
  6. 【請求項6】複動型往復動ピストン装置を収容するシリ
    ンダと、少なくとも2個の熱交換器組立体であって、各
    々が、加熱される熱交換器装置と冷却される交換器装置
    を直列に配置して含み、各熱交換器組立体の一端が弁装
    置を介して前記ピストンの一方の側で前記シリンダ内に
    接続され、また他端が弁装置を介して前記ピストンの他
    方の側で前記シリンダ内に接続され、前記各熱交換器組
    立体の高温端が前記ピストンの同じ側で前記シリンダに
    接続されている熱交換器組立体と、前記ピストンの運動
    に関係して前記弁の開閉時期を調節する装置であって、
    前記ピストンが一方への行程を移動する間、前記熱交換
    器組立体の一つを膨脹空間に連結するとともに前記熱交
    換器組立体の他の一つの圧縮空間に連結し、また、前記
    ピストンが戻りの行程を移動する間、前記熱交換器組立
    体の一つを膨脹空間及び圧縮空間に連結する装置と、往
    復動サイクル中に前記ピストンの運動エネルギを貯えて
    該エネルギを前記ピストンに戻すための装置と、を有す
    る閉サイクル高温ガス・エンジン。
  7. 【請求項7】前記熱交換器組立体の各々において前記加
    熱される熱交換器装置と前記冷却される熱交換器装置と
    の間に再生器装置が直列に介在する、請求の範囲第6項
    に記載のエンジン。
  8. 【請求項8】前記熱交換器組立体の各々の前記加熱され
    る熱交換器装置をバイパスする導管を組込み、該導管の
    各々に弁装置を組込んでいる、請求の範囲第6項に記載
    のエンジン。
  9. 【請求項9】前記熱交換器組立体の各々の高温端にある
    前記弁装置と前記加熱される熱交換器装置の間に再生器
    装置が直列に介在している、請求の範囲第6項に記載の
    エンジン。
  10. 【請求項10】前記熱交換器組立体の各々の高温端にあ
    る前記弁装置と前記加熱される熱交換器装置の間に追加
    の再生器装置が直列に介在し、前記熱交換器組立体の各
    々の前記加熱される熱交換器装置と前記追加の再生器装
    置をバイパスする導管を組込み、該導管の各々に弁装置
    を組込んでいる、請求の範囲第7項に記載のエンジン。
  11. 【請求項11】分離した第1及び第2の少なくとも2個
    の熱交換器組立体を介して一端と他端とが接続されたシ
    リンダを有し、前記各熱交換器組立体が直列に配置され
    た熱吸収熱交換器装置と熱放出熱交換器装置とを含み、
    前記各熱交換器組立体が前記各端に弁装置を備えてお
    り、前記シリンダが複動型往復移動ピストン装置を収容
    し、該ピストン装置が前記各熱交換器組立体から周期的
    に一定量ガスを排除し又は一定量のガスによって移動さ
    せられ、さらに、第1及び第2の熱交換器組立体となる
    一対の前記熱交換器組立体内の一定量のガスが、前記弁
    装置によって交互に前記熱交換器組立体内に閉じ込めら
    れまたそれから解放されるように、ヒートポンプを運転
    する方法であって、 (a) 前記ピストンが、前記弁装置を介して前記熱吸
    収熱交換器装置に連通する前記シリンダの端部に向かう
    行程のほぼ終りにあって、前記第1の熱交換器組立体に
    ある両端の弁装置が開位置にあり、前記第2の熱交換器
    組立体にある両端の弁装置が閉位置にあって第1の容量
    のガスが前記第1の熱交換器組立体及び前記シリンダ内
    に配設され、第2の容量のガスが前記第2の熱交換器組
    立体の中に圧入され、さらに他の熱交換器組立体が存在
    すれば該各他の熱交換器組立体の中に圧縮された一定量
    のガスが含まれているときに、前記第1の熱交換器組立
    体の熱吸収端にある前記弁装置を閉じ、ほぼ同時に前記
    第2の熱交換器組立体の熱吸収端にある前記弁装置を開
    いて前記第2の容量のガスを前記シリンダ内に前記ピス
    トンに向かう第1の側に対して膨脹させ、一方同時に前
    記第1の熱交換器組立体の熱放出端にある前記弁装置を
    通して前記ピストンの第2の側の前記シリンダから前記
    第1の容量のガスを圧縮して前記第1の熱交換器組立体
    の中に押し入れる段階; (b) 前記ピストンが、前記弁装置を通して前記熱交
    換器組立体の熱放出端に連通する前記シリンダに端に向
    かう行程のほぼ終りにあるときに、前記第1の熱交換器
    組立体の熱放出端にある前記弁装置を閉じほぼ同時に前
    記第2の熱交換器組立体の熱放出端にある前記弁装置を
    開いて、前記第2の容量のガスを前記ピストンの前記第
    1の側のシリンダから前記第2の熱交換器組立体を通し
    て前記ピストンの前記第2の側の前記シリンダ内に排出
    し、同時に、前記圧入された前記第1の容量のガスを前
    記第1の熱交換器組立体の中に維持し、さらにヒートポ
    ンプが3個以上の熱交換器組立体を有する場合には、前
    記第1の熱交換器組立体を一時的にヒートポンプの運転
    方法のサイクルから外す段階; (c) 前記ピストンが、前記弁装置を介して前記熱交
    換器組立体の熱吸収端に連通する前記シリンダ端に向か
    う工程のほぼ終りにあるときに、前記第2の熱交換器組
    立体の熱吸収端にある前記弁装置を閉じ、ほぼ同時に、
    前記他の熱交換器組立体の内の1個を第1の熱交換器組
    立体として該ヒートポンプの運転方法のサイクルに加え
    て該第1の熱交換器組立体の高温端にある前記弁装置を
    開き、前記第1の容量のガスを該第1の熱交換器組立体
    の熱吸収端にある該弁装置を通じて前記シリンダ内の前
    記ピストンに向かう第1の側に膨脹させ、一方同時に前
    記ピストンの第2の側の前記シリンダから前記第2の熱
    交換器組立体の熱放出端にある前記弁装置を通して前記
    第2の容量のガスを前記第2の熱交換器組立体の中に圧
    縮して押し入れる段階; (d) 前記ピストンが、前記弁装置を通して前記熱交
    換器組立体の熱放出端に連通する前記シリンダ端に向か
    う行程のほぼ終りにあるときに、前記第2の熱交換器組
    立体の前記熱放出端にある前記弁装置を閉じほぼ同時に
    前記第1の熱交換器組立体の熱放出端にある前記弁装置
    を開いて前記ピストンに向かう前記第1の側の前記シリ
    ンダから前記第1の熱交換器組立体を通して前記ピスト
    ンの前記第2の側の前記シリンダ内に前記第1の容量の
    ガスを排出し、一方同時に前記圧縮された第2の容量の
    ガスを前記第2の熱交換器組立体の中に維持し、さら
    に、さらにヒートポンプが3個以上の熱交換器組立体を
    有する場合には、前記第2の熱交換器組立体を一時的に
    該ヒートポンプの運転方法のサイクルから外して、前記
    他の熱交換器組立体の内の1個を第2の熱交換器組立体
    として該ヒートポンプの運転方法のサイクルに加える段
    階; (e) 前記(a)から(d)までの段階に示されたヒ
    ートポンプの運転方法のサイクルを繰り返す段階を含む
    方法。
  12. 【請求項12】前記熱交換器組立体の各々において前記
    熱吸収熱交換器装置と前記熱放出熱交換器装置との間に
    再生器装置が直列に介在している、請求の範囲第11項に
    記載の方法。
  13. 【請求項13】前記熱交換器組立体の熱吸収端にある弁
    装置と熱吸収熱交換器装置との間に再生器装置が直列に
    介在する、請求の範囲第11項に記載の方法。
  14. 【請求項14】前記段階(b)のガス流が、前記第2の
    熱交換器組立体の前記熱吸収熱交換器装置をバイパスす
    る別の導管を通り、前記段階(d)のガス流が、前記第
    1の熱交換器組立体の前記加熱吸収熱交換器装置をバイ
    パスする別の導管を通る、請求の範囲第11項に記載の方
    法。
  15. 【請求項15】前記熱交換器組立体の各々の熱吸収端に
    ある弁装置と加熱される熱交換器装置の間に追加の再生
    器装置が直列に介在し、段階(b)の前記ガス流と段階
    (d)の前記ガス流が前記追加の再生器装置と熱吸収熱
    交換器装置の双方をバイパスする別の弁付き導管を通
    る、請求の範囲第12項に記載の方法。
  16. 【請求項16】複動型往復動ピストン装置を収容するシ
    リンダと、少なくとも2個の熱交換器組立体であって、
    各々が、熱吸収熱交換器装置と熱放出熱交換器装置を直
    列に接続して含み、各熱交換器組立体の一端が弁装置を
    介して前記ピストンの一方の側で前記シリンダ内に接続
    され、また他端が弁装置を介して前記ピストンの他方の
    側で前記シリンダ内に接続され、前記各熱交換器組立体
    の熱吸収端が前記ピストンの同じ側で前記シリンダに接
    続されている熱交換器組立体と、前記ピストンの運動に
    関連して前記弁の開閉時期を調節する装置と、周期的な
    往復運動で前記ピストンを動かすための装置と、を含む
    閉サイクル・ヒートポンプ。
  17. 【請求項17】前記熱交換器組立体の各々の熱吸収熱交
    換器装置と熱放出熱交換器装置との間に再生器装置が直
    列に介在する、請求の範囲第16項に記載のヒートポン
    プ。
  18. 【請求項18】各熱交換器組立体の熱吸収端にある前記
    弁装置と前記熱吸収熱交換器装置の間に再生器装置が直
    列に介在する、請求の範囲第16項に記載のヒートポン
    プ。
  19. 【請求項19】各熱交換器組立体の熱吸収熱交換器装置
    をバイパスする導管を組込み、該導管の各々に弁装置を
    組込んでいる、請求の範囲第16項に記載のヒートポン
    プ。
  20. 【請求項20】前記熱吸収熱交換器装置の端を前記シリ
    ンダに接続する前記弁と前記熱吸収熱交換器装置の間に
    追加の再生器装置が直列に介在し、各熱交換器組立体の
    前記熱吸収熱交換器装置と前記追加の再生器装置をバイ
    パスする弁付き導管を組込んでいる、請求の範囲第17項
    に記載のヒートポンプ。
  21. 【請求項21】圧縮室および膨脹室と、その一方の室の
    容積を減ずるいっぽうで他方の室の容積を増すためのピ
    ストン装置と、加熱される容積を前記膨脹室に接続し、
    さらに冷却される容積を前記圧縮室に接続する熱交換器
    装置と、前記室および熱交換器装置を通って循環するた
    めに閉じ込められた一定量の圧縮性ガスと、を有して熱
    と仕事の間でエネルギを変換するためのスターリング・
    サイクル型の装置において、相互に連通する加熱される
    容積と冷却される容積を各々が有する、熱交換器装置を
    形成する第1および第2の熱交換器と、前記第1の熱交
    換器の前記加熱される容積を前記膨脹室に連通するとと
    もに前記第2の熱交換器の前記冷却される容積を前記圧
    縮室に連通し、続いて前記第2の熱交換器の前記加熱さ
    れる容積を前記膨脹室に連通するとともに前記第1の熱
    交換器の前記冷却される容積を前記圧縮室に連通するた
    めの制御装置と、を含み、各運転サイクルにおいて達成
    される実質的に最高圧力の下で、圧縮したガスを周期的
    かつ交互に各熱交換器に閉じこめるエネルギ変換装置。
  22. 【請求項22】前記制御装置が、前記室と前記熱交換器
    との間を接続する弁装置を含んでおり、前記一定量のガ
    スを2つの別れた部分に分割し、該部分を交替で前記室
    の各々に連通する、請求の範囲第21項に記載のエネルギ
    変換装置。
  23. 【請求項23】前記膨脹室を前記熱交換器の前記加熱さ
    れる容積の各々に接続する別々の入口および出口弁装置
    をさらに含み、該出口弁が前記加熱される容積と冷却さ
    れる容積の間で前記熱交換器に連通することを特徴とす
    る、請求の範囲第21項に記載のエネルギ変換装置。
  24. 【請求項24】各熱交換器の前記加熱される部分と前記
    入口弁の間に接続される再生器をさらに含むことを特徴
    とする、請求の範囲第23項に記載のエネルギ変換装置。
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