JP5878132B2 - スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器 - Google Patents

Description

発明特許のための本出願は、一般に構造的システムに関し、より詳細には「スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器」に関する。これは、その一般的な特性によれば、エネルギーの流れによって、そのようなエネルギーを輸送する要素がタービン又はモータの運動のための十分な仕事を供給する方法による、一つのエネルギー源からエネルギー吸収要素に向かう熱の流れの通路を通じて行われる変換による機械的エネルギーの供給のための基本的な原理を有する。

現在の技術は、長い期間の他の豊富なエネルギーの形態に起因して、遠い昔のロバート・スターリング（Robert Stirling）の発明から著しくは発展しなかった。

現在の既知の技術は、一般的にはピストンによって動作し、これによりピストンの形状（geometry）に起因して、熱エネルギーの気体への効率的な移転は困難にされ、大きな寸法の計画も困難にされている。最も知られたモデルは、図１４上において参照符号１０８の表示によるアルファ、図１４の参照符号１０９によるモデルベータ、図１４の参照符号１１０によるモデルガンマと呼ばれる。疑似タービン（quasiturbine）と呼ばれる新しいモデルも存在し、これは通常四つのチャンバと、二つは熱く二つは冷たい四つの熱移転領域を伴う一つの回転子により動作する。しかし、前記回転子を形成する複雑な接合された（articulated）システムが存在し、前記回転子は楕円の形式を整えられた本体の内部の気体の圧力に起因して回転し、同様の方法により上述した三つのモデルは大きなシステムの寸法決めを困難にする。最近、サンパワー・インコーポレイテッド（Sunpower, Inc）のウィリアム・ビール（William Beale）は図１５の参照符号１１１による新しいモデルを開発した。その実施形態は、アルファ自由ピストンのスターリングのモデルを基礎とする９０°において非同期の四つのシリンダーを含み、ガスタービンをも有する。一方、本明細書において提案する主な実施形態は、高出力（power）システムを得る。前記モデルの殆どは、圧力チャンバの体積変化により動作し、それらの多数は外部環境圧力の影響を受ける。いずれにせよ、示された全ての既存のモデルは、電源装置毎に比較的大きな寸法の変換器を維持する計画に従う仕事を生成するためのエネルギーを受け取るために、その出所への気体の回帰を必要とする。

これらの不便さから、「スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器」が設計され、その基本概念は全体の単純性、エネルギー移転及び変換における効率性、多用途性並びに統合の基本的かつ本質的な特徴を提示する固有の構造に完全に基づいており、特に再生可能又は再生不可能な燃料等からの異なる熱源の使用における柔軟性によって、その実施における設備によっても特徴付けられ、小さい数の構成要素を組み込み、製造、組み立て及び保守時間並びに費用を削減する。

提案される企画は、その寸法に起因して加速された熱転送の過程を構成し、大きな寸法のシステムを促進する共同体（consortium）において熱ユニットの実施を可能にする新規な解決法から構成される。その対称性は均衡（equilibrium）及び優れた平衡度（balancing）を保証し、これらは現在のシステムには存在しない。そして、最も重要な点の一つとして、連続したエネルギーの流れの利用と、その固有の特徴に起因して、それは慣性の開始状態から容易に脱出する（exit）ための特性を有する。

本明細書において述べられる「スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器」は必ずしも燃焼を必要とせず、太陽、地熱、放射性同位体等の他の熱源と共に任意の種類の燃料、固体、液体又は気体の燃焼によってなされ得る熱源を必要とするが、この「スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器」は特定の設計及び形式により、１８１６年に最初の外燃モータを開発したロバート・スターリングの概念を使用する。しかし、その概念はロバート・スターリングにより作成されたものと同一である。

本特許出願は、分化した設計における工程と構成要素の組み合わせにより特徴づけられ、これらは利用の性質、すなわちエネルギー変換システムによって要求される異なる要件を満たすであろう。エネルギー変換システムは、二つの装置内の気体の過熱によって動作し、一つの装置がその内部部分において気体を加熱する間に他の装置が期待から熱を除去する方法により同期して動作し、このサイクルがタービン又はモーターの軸上において利用可能であり続ける変換を生成する。

変換されたエネルギーは、変換機器を通過するエネルギーの流れに比例する。エネルギー又は気体のいずれかの熱損失分離、自由な流れ、エネルギー転送のための要素がより良ければ、変換器はより効率的になるであろう。

本特許出願は、特定の又は一般的な使用のための電気エネルギーの変換のために機械的エネルギーを軸上に供給する、気体圧力によりタービン又はモータを駆動するために加熱、隔離、輸送、膨張要素のセットにより形成された、高い耐久性及び抵抗を有し閉回路内において完全に統合されて対称に配置された、排他的な設計及び特有の特性を有する完全かつ分化した構造的システムから構成される、一般に正確に組み込まれた機械的及び構造的解決法と要素のセットにより形成された、閉回路内の気体の膨張及び収縮（retraction）による現代的で、効率的で、安全かつ機能的な「スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器」の利用から構成される。

本発明の「熱‐機械エネルギー変換器」は、熱源、太陽、地熱、燃焼、原子放射線に含まれるエネルギーを基礎としており、気体がチャンバーのうちの一つの中のエネルギーを受け取るように、膨張して原動機又はタービン軸上の機械的エネルギーに変換される方法により、チャンバー内に含まれる気体へのエネルギーの移転のために熱流体によって行われ、かつチャンバー内において行われ、圧力を増加させて他のチャンバーに位置を変え、その回路はその時点において気体の熱を除去し、この経路においてシステムはタービン又は発動機を動かす変換作業を実行する。

問題の本発明の目的、利点及び他の重要な特徴は、添付の図面と共に読まれたときに容易に理解され得る。

図１は、熱エネルギーの流れを説明するブロック図を表すが、二つの封止された装置の内側の気体への移転は、タービンを通じた気体通路を強制する回路によって相互接続される。これにより、熱エネルギーはブロック１を通じて入り、変形される部分と環境に解放される部分において連続的かつ遮断なしに方向２を取り、ブロック６を通る。これにより、前記の流れの間、エネルギーは封止された装置４及び５において気体に移転される。これにより、所与の瞬間エネルギーは気体を膨張させる封止された装置４に移転し、それ自体の位置を外部環境に代える封止された装置５に除去する。次の段階において、移転は反対の方向に作用し、エネルギーは封止された装置５に蓄積され（deposited）、解放のためにそれ自体の位置をブロック６に変える封止された装置４に除去される。明らかにエネルギーの大部分は、仕事を生成してタービンによってエネルギーを変換するために移転される。符号３にはエネルギーの流れの方向が提示され、これは一旦装置４を通って一旦装置５を通る。符号８には、一方向の流れの弁（unidirectional flow valve）が示され、これは示された方向にのみ気体の流れを可能にする。これにより、提示された図においては、気体の流れ９は、同一の方向における連続的な移動を保証するタービン１０の同一の側面から常に入る。図１の三つのグラフは、動作中のときの封止された各装置における気体圧力曲線１１と、システム平均圧力を示す線１２と、エネルギー源からのエネルギーの流れなしのシステム平均圧力の表示１３を示す。符号１４には封止された装置４，５の間の差分圧力挙動が示され、符号１５には方向弁を通じた通路の後のタービン入口における圧力挙動が示される。本システムについては、その最大動作圧力に起因して、不活性気体を安全に維持するように設計された（dimensioned）圧力の下で封止された装置内に不活性気体が存在することが考慮される。安全性及び高い熱伝導性を有する属性に結合し、熱吸収が空気又は窒素による場合より十倍速く発生する、高く評価されて示されるヘリウムガスについての考慮が存在する。

封止された装置は、圧力がより高ければ体積単位当たりのエネルギー変換の容量がより高くなる方法により加圧される。なぜならまさに気体分子の数がより多ければ、エネルギーを転送するために存在する気体の体積がより大きくなるからである。安全な条件において動作させるために、設備は正確に寸法決めされるべきである。外側に露出されたいかなる移動する要素も存在しないため、本発明の企画はサイクル中に体積の変化を有さず、大気圧からいかなる影響も受けない。

図２には、同一のシステム１７を表す二つのブロック図が存在する。しかし、符号１６は本明細書の以下において詳細に説明される回転子の回転に起因するエネルギーの流れを示す。所与の瞬間において、エネルギーの流れは封止された装置４を通じて入り封止された装置５を通じて出て行き、次の段階においては、エネルギーの流れは封止された装置５を通じて入り封止された装置４を通じて出て行くことが観察される。符号１８には気体の流れが示され、これはエネルギー移動の連続的な交換及び配置に起因して、一旦はより高い圧力を有して封止された装置４から来てタービンに入り、一旦は封止された装置５から来て高い圧力を有してタービンに入る。

図３には、回転子がどのように構築されるかが示される。回転子は軸２２と、熱絶縁材料から作られた飾り座金（escutcheon）１９から形成され、各飾り座金は刃２２により形成される。軸は膨張及び収縮過程中の気体通路のために穴を開けられる（２１）。組み立てられた回転子は、全ては対称的に整列されて間隔を開けられた飾り座金を有する部分２５と、エネルギーの流れによる熱交換において対照的な効果を提供するように間隔を開けられているが同じ数の飾り座金を有し等しい寸法を有する別の部分の、符号２３に示されている。飾り座金を有する回転子の機能は、封止された各装置の内部における循環する方法による、熱い領域及び冷たい領域から連続的に気体の位置を変えさせその逆を行う気体の位置変更（dislocation）を提供することである。この回転子はいかなる圧力をも及ぼさず、別の方法においては（in another way）、気体は回転子の刃にいかなる圧力をも及ぼさない。なぜなら封止された各装置において回転子は常に圧力の完全な平衡状態において動作し、気体が平衡である方法において移動するように排他的に働くからである。考慮されるべき別の重要な点は、飾り座金を形成する刃が回転子に接触せず、直接の摩擦が存在しないことである。なぜなら、刃は一つの領域又は別の領域のチャンバーの内部に気体の体積の位置を変えさせるためにのみ働くからである。

図４には、この企画の最も重要な事項（item）のうちの一つである熱移転ディスクが示される。その概念は次の通りである。閉回路気体システムにおける最良の可能な出力を有するために、気体は熱伝達素子に可能な最も近い経路において接触し続ける。これにより、エネルギーの移転はエネルギー供給過程又はエネルギー除去過程（すなわち熱除去素子との最も近い可能な接触）の間のいずれにおいても効率的である。そのため、エネルギーの熱移転ディスクは熱い部分２７と冷たい部分２８から交互に構成されており、断熱器３０によってそれら自体の間において分離されている。各部分は、熱伝導材料と良好な熱発散特性を有する、中心に向かう最適な角度の鋭いエッジを有するディスクの断片により形成されており、熱流体がその中を場合に応じて熱い状態又は冷たい状態にて輸送される管２９を通じて挿入される。ディスクを形成するこれらの熱い部分及び冷たい部分の板の二つの表面は気体に接触し、同一の温度条件において他の板に完全に平行であり、それらの間の気体は比較的速く加熱又は冷却される。リング３１は、軸についてのエネルギーの損失を削減するために熱的分離材料から作られている。この寸法及び熱移転の概念により、独立している回転子の回転制御によって、常に最適なエネルギー移転条件、すなわちピストン系において好ましくない条件において動作するために、システムは完全な制御を可能にする。

図５には、エネルギー交換ディスクが四つのホットポール３２及び四つのコールドポール３３並びにそれらの組み立てられた概念３４と共に示される。符号３５には熱的分離ディスクが示され、これは筐体及び外部環境のための熱損失を削減するために封止された装置の終端において使用される。

図６には、封止された装置内部の気体エネルギーの除去と共に、気体のための熱移転システムを構成する主要要素がどのように組み込まれるかが示される。符号３８には、二つの封止された装置と四つのポールと共に、設備（equipment）のための回転子が観察される。このサンプル図面においては、回転子は二つの部分と共に示され、一つは三つの対称的な飾り座金を有し、別の部分は第一の部分から間隔を開けられた三つの対称的な飾り座金を有する。この部品（item）においては、工程の間に気体の通過を促進する孔も観察される。符号３６及び３７には、固定子を形成するディスクがどのように分布しているかが示されている。ディスクは筐体上に固定されて静的かつ完全に対称的に全てのディスクを動作させ、また封止された装置を参照するものに整列されている一方、回転子はそのグリッドの間において回転する。ディスクは、図面に従い固定子の飾り座金と別のディスクの間において先端に（at the extremity）装着される。符号４０として示されるディスクはセット熱移転の最後のディスクであり、その後システム内に導入されたエネルギーが気体の膨張を実行するために完全に利用可能であってセット出力を向上させるような方法により、熱的分離ディスク４１から導入される。この詳細と共に、どのようにエネルギー入力と出力の間に対称的な交換が存在するかが観察される。前記交換は封止された装置の間においてそれぞれ起こり、回転子の回転に従って、一つにおいては気体はホットグリッドの熱に完全に晒され続け、他においてはコールドグリッドを通じた熱の除去に完全に晒され続ける。熱エネルギーの機械的エネルギーへの変換を生成するための気体の膨張及び収縮を生成するために、全てのグリッドが常に継続的に加熱下にあり続け、他のグリッドと相互接続されており、かつ同一の方法により常に継続的に冷却下にあり続け、これにより気体へのエネルギー移転及びその除去の過程を確実にすることを想起されたい。このように、本発明を小さい適用又は大きい設置のいずれかに適したものにするために、本発明は多数の飾り座金及び多数のポールの自由な寸法決めを可能にすることが観察される。

図７には、熱交換過程がどのように機能するかが明確に示されている。符号４４には、回転子の最も重要な要素である飾り座金を形成する刃の一つが示され、この刃は熱的分離材料から作られており固定子のディスクの間の空間をほぼ完全に占有してディスクの間の気体の位置を変えさせ、気体を周期的にホット領域およびコールド領域に周期的に晒す。より良い理解のために、ディスク４２及び４３の部分はグリッドであり、これは前記の板の間の気体が高い効率性にて熱交換を実行するように、同一の熱的条件において動作する。符号４５には刃の動きが示され、これはホット領域からコールド領域への、及びその逆の気体の抗力による輸送（dragging tranporting）を連続的に提供し、膨張及び収縮を生成する。同図のすぐ下方には再び構造の詳細が存在し、符号４６は固定子と回転子の局面であり、符号４７は熱的ディスクであって符号４８は先端の熱的分離ディスクである。

図８は、符号５によって示された矢印が常に冷たい領域を規定し、そのため前記矢印に整列された全ての固定子グリッドは常に熱流体を通じてこれらを通過する気体から熱を除去し、一方、符号５４によって示された矢印は常に熱い領域を規定し、この矢印に整列された固定子の全てのグリッドは常にこれらを通過する熱流体を通じて熱を供給していることを非常に明確にしている。グリッド４９とこの熱的ディスク部分に整列された全てのグリッドは冷たく、グリッド５０とこれに整列された全てのグリッドは熱い。刃５１及び５２は回転子の一部であって封止された装置からの全ての気体をそれらの間に保持し、前記気体を熱い領域と冷たい領域に順番に晒す。その下はホットグリッドとコールドグリッドの間の気体の長手方向の図である。符号５６にはコールドグリッドが示され、収縮中の気体は符号５８に、符号５７にはホットグリッドが、膨張中の気体は符号５９に、グリッドの厚さは符号６１に、グリッド間の距離は符号６０に示される。符号６０により示される距離「Ｘ」が小さいほど、熱移転速度は高くなり、結果として回転子の回転はより高くなり、今度は同一の力用のシステムの寸法の削減を可能にする。

図９は、回転子６４の部分のうちの一つと、筐体６２と、熱的分離シリンダ６３を再び示し、熱的分離シリンダ６３は、熱交換要素の損失を削減しながら、ホットディスク及びコールドディスク並びに気体を外部環境と分離するための機能を有する。

図１０においては設備はその最終的な形状にあり、符号６７においては一つの封止された装置の局面の詳細が示され、固定子の一部、熱的分離シリンダ及び筐体と共に固定子が見られ得る。この装置は完全に封止され、図面には詳細が示されない一つの管のみが存在する。この管から、タービン又はモーターによって、封止された装置から他の装置に気体が通過する。同図の底部には、変換機、前面部分６８、熱的分離管経路及び封止を有する蓋、アルファ封止済装置６９、熱的分離及び封止の一つの部分７０、オメガ封止済装置７１、熱的分離及び封止の一つの部分７２、流れ方向弁モジュール７３及びタービン７４が存在する。機械的結合の詳述は、本発明の一部ではない。

図１１は、設置及び応用のための二つの実施形態を一般的に示す。最初に符号７５にはそのエネルギーが太陽エネルギー集光器、地熱、再生可能又は再生不可能な任意の種類の固体、液体気体燃料により、また放射性同位体による原子エネルギーによる加熱を通じて供給され得るヒーター８９と、分離された熱流体タンク７７、流体循環のための増圧ポンプ７８、熱移転のための封止された装置、気体膨張及び収縮８０及び８２、冷却器８３、コールド熱流体タンク８４、冷たい流体用の増圧ポンプ８６、方向弁モジュール８８、タービン８７、並びにそれぞれ熱流体の流れの表示である、熱流体流入７９及び流出７６、コールド流体流入８５及び流出８１により構成される大きな寸法の設置を示す。同図の下には、小さい寸法の応用９０、セットに結合された加熱受容器（heating receiver）９１、結合蓋、ポンプ送り及び分離９２、封止された装置９３、分離部分９４、封止された装置９５、分離部分９６、方向弁モジュール９８、タービン９７及びヒートシンク９９がある。

図１２は、封止された装置の二つのセット１０１及び１０２を有するシステムを示し、同一の着想及び概念により多段階システムを構築するための柔軟性を示す。下において、符号１０３及び１０４はそれぞれ封止された装置の二つのセットの間の気体膨張及び収縮サイクルの挙動を示し、符号１０５には封止された装置の各セットにおいて起こる関連した挙動を示し、符号１０６にはタービン内の気体の流れから生じる結果を示す。簡潔には、同図は大きなプロジェクトにおける本発明の概念の使用の実現可能性を示す。

図１３には、エネルギー集光用の鏡面板を有する太陽光システムにおける設備の応用１０７がより小さな寸法にて示される。太陽は地球の表面上に１平方メートル当たり平均１０００ワットのエネルギーを堆積させ、提案される変換システムにとって有用な流れを生成するために、種々の概念の集光器が前記エネルギーを管理して伝導するために使用され得る。

本明細書において提案される「スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器」は、小さい設置及び大きい設置に対して高い柔軟性と使用時の高い安全性を提供し、その寸法決め、その構築及び応用のための正しい技術的手順を考慮すれば、最も低い雑音、衝撃及び衝突の不存在、工程の単純性のような特徴に起因する強度、小さい分離された設置から住居商業および分散システムにおける応用可能性を提供する。

本明細書において上記に開示した全ての事項を考慮すれば、本発明は一般に電気、空気及び空間企業、政府機関、産業及び使用者により良好に受け入れられるシステムに関する。本発明は、使用中の高い安全性、信頼性及び敏捷性、その一般的概念に起因するその適用における高い出力と性能、使用者にとっての利便性及び安全性、セット全体としての低い摩耗に結合された高い耐久性及び抵抗、大きな費用／利益比を提供する類似の工程及び技術を参照して完全に利用しやすい費用、任意の使用者による実践的で安全な利用、完全な熱及び圧力保護、小さい構築時間、使用された材料の損失の不存在、より高い最終出力、安全性、耐久性及び実践のようなその応用のために必要な基本条件を完全に満たす製品を持つための確実性のような数えきれない利点を提示する。

前記の全ての属性は、有用な仕事を実行するための、又はエネルギー生成企業及び社会により受け入れられるべき清潔かつ再生可能な方法によるエネルギーの熱‐機械的変換のための、操作及び維持が非常に容易でもあり、高い性能及び卓越した一般的特性に結合されているが、寸法及び設置形態は環境又は企画の必要性に従って直接的に変化し得る、完全に多用途、効率的、正確、実用的、環境保護的かつ安全である手段として「スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器」を分類することを可能にする。

Claims (15)

1. 熱い部分と冷たい部分を有する二以上の封止された装置（unit）すなわち緊密な（tight）チャンバーの内部において動作する、スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器であって、
   板の間を通過する作用気体（working gas）を加熱又は冷却することに関与する熱い流体及び冷たい流体が通過する管又は内部サーペンタイン（serpentines）及び平行な板をそれぞれ備えている、両方が円筒形ディスクの一部の形態である、熱い部分と冷たい部分によって分割されて相互接続された、二以上の固定子円筒形ディスクのセットと、
   角度において対称的に配置されて同一の形態を有するチャンバーにより相互接続され、円筒形ディスクの一部の形態である熱絶縁材料の固体の刃により形成された、各チャンバーについて一つのセットである飾り座金（escutcheon）の二つのセットを外部に備え、それぞれのチャンバーに限定された、中空の円筒形の軸により形成された中央回転子と、
   を有し、
   中央回転子の回転により固定子円筒形ディスクの熱い部分と冷たい部分の間において作用気体の位置を変え、それぞれ作用気体の膨張及び収縮をもたらし、これにより外部回路を通じてタービンを通じた気体の流通を強制する圧力差を生成し、タービンの回転後には気体は低い圧力を有するチャンバーに向かい続けること
   を特徴とする、スターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
2. 固定子円筒形ディスクの熱い部分と冷たい部分の区分の側面の間の熱的分離のための長方形の板を有することを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
3. 軸と固定子の間の熱の流れを最小化するために、回転子の回転軸の固定子を形成する熱い部分又は一部と冷たい部分又は一部の基礎を接触なしに分離する熱的分離のための中央のリングを有することを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
4. 封止された装置の内部に、外側の筐体から回転子、固定子及び作用気体を分離して収容する熱的分離シリンダーを有することを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
5. 固定子円筒形ディスクが二又は三以上の熱い部分と、同数の冷たい部分を有することを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
6. 力学系を形成する軸に関係なく熱い部分と冷たい部分の間において作用気体の全体の空間を交互に占める回転子の飾り座金が、各固定子ディスクの熱い部分と冷たい部分の数の合計の半分の数の熱的分離対称材料から作られていることを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
7. 熱い熱流体と冷たい熱流体が管又はサーペンタイン内部を循環し、円筒形ディスクの側面板を加熱又は冷却し、これにより、作用気体の膨張及び収縮を生成してそれによって仕事を生成するために作用気体と最も近い可能な熱的接触にあることを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
8. 中央回転子が全ての封止された装置に共通な軸を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
9. 中央回転子が、作用気体の自由な流通のためにその各チャンバーに限定される穿孔（perforations）を含むことを特徴とする、請求項１又は８に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
10. 回転子軸が封止された各装置のための飾り座金のセットを含み、各セットが、連続したサイクルにおいて回転して動作させるように、他に対して交互に配置された刃を備えていることを特徴とする、請求項１又は６に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
11. 固定子ディスクがチャンバーの外形の内壁上に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
12. 変形例として、変換器が、四又は六以上であり得て、常に対になった二以上の封止された装置すなわちチャンバーを有することを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
13. 回転子軸が封止された装置内部においてモーター力軸から独立して動作する、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
14. 作用気体の流れの機械的エネルギーへの変換のためにタービン軸を通過する管又は外部回路によって二つの封止された装置が結合されていることを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。
15. 作用気体としてヘリウムガスを使用することを特徴とする、請求項１に記載のスターリングサイクルを使用するエネルギー変換器。

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