特表 2016-537603 ヴェルミエヒートポンプのための４プロセスサイクル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2016-537603(P2016-537603A)

(43)【公表日】2016年12月1日

(54)【発明の名称】ヴェルミエヒートポンプのための４プロセスサイクル

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/14 20060101AFI20161104BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/14 520A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-530121(P2016-530121)

(86)(22)【出願日】2014年11月18日

(85)【翻訳文提出日】2016年7月1日

(86)【国際出願番号】US2014066098

(87)【国際公開番号】WO2015077214

(87)【国際公開日】20150528

(31)【優先権主張番号】61/907,268

(32)【優先日】2013年11月21日

(33)【優先権主張国】US

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US

(71)【出願人】

【識別番号】516137580

【氏名又は名称】サーモリフト，インク．

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】特許業務法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ホーフバウアー，ピーター

(57)【要約】

機械電子制御ディスプレーサを有するヴェルミエヒートポンプ用の４プロセスサイクルが開示されている。ディスプレーサの駆動にクランクを使用するヴェルミエヒートポンプは以前に開発されている。しかし、機械電子制御はディスプレーサの制御のために増加した自由度を提供する。４プロセスサイクルは、クランク駆動ヴェルミエヒートポンプでの従来サイクルおよび従来の機械電子駆動ヴェルミエヒートポンプのサイクルよりも向上した成績係数を提供する。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヒートポンプを作動する方法であって、前記ヒートポンプは、高温シリンダ内でレシプロ運動するように構成されているホットディスプレーサと、低温シリンダ内でレシプロ運動するように構成されているコールドディスプレーサとを有しており、前記ホットディスプレーサは前記高温シリンダ内にリモート位置と中央位置とを有しており、前記コールドディスプレーサは前記低温シリンダ内に中央位置とリモート位置とを有しており、前記方法は、
前記ホットディスプレーサを前記高温シリンダ内でその中央位置からそのリモート位置に移動させるように駆動することと、
前記コールドディスプレーサを前記低温シリンダ内でその中央位置からそのリモート位置に移動させるように駆動することと、
前記ホットディスプレーサを前記高温シリンダ内でそのリモート位置からその中央位置に移動させるように駆動することと、
前記コールドディスプレーサを前記低温シリンダ内でそのリモート位置からその中央位置に移動させるように駆動することと、
を含み、それら駆動は上記の順序で実行されることを特徴とする方法。

【請求項2】

前記コールドディスプレーサは、前記ホットディスプレーサが、前記高温シリンダ内において、その中央位置とそのリモート位置との間を移動する時間の少なくとも一部の間、静止状態を保ち、
前記ホットディスプレーサは、前記コールドディスプレーサが、前記低温シリンダ内において、そのリモート位置とその中央位置との間を移動する時間の少なくとも一部の間、静止状態を保つ、請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記ホットディスプレーサをその中央位置からそのリモート位置に移動させるように駆動することは、プロセス１を含み、
前記コールドディスプレーサをその中央位置からそのリモート位置に移動させるように駆動することは、プロセス２を含み、
前記ホットディスプレーサをそのリモート位置からその中央位置に移動させるように駆動することは、プロセス３を含み、
前記コールドディスプレーサをそのリモート位置からその中央位置に移動させるように駆動することは、プロセス４を含み、
１サイクルは、プロセス１、プロセス２、プロセス３およびプロセス４をこの順序で含む、請求項１記載の方法。

【請求項4】

プロセス１とプロセス２との間の第１所定時間、前記両ディスプレーサを静止状態に保つことと、
プロセス２とプロセス３との間の第２所定時間、前記両ディスプレーサを静止状態に保つことと、
プロセス３とプロセス４との間の第３所定時間、前記両ディスプレーサを静止状態に保つことと、
プロセス４とプロセス１との間の第４所定時間、前記両ディスプレーサを静止状態に保つことと、
をさらに含む、請求項３記載の方法。

【請求項5】

ヒートポンプであって、
ホットディスプレーサシリンダ内に配置されたホットディスプレーサと、
コールドディスプレーサシリンダ内に配置されたコールドディスプレーサと、
駆動されると、前記ホットディスプレーサを前記ホットディスプレーサシリンダ内においてリモート位置と中央位置との間でレシプロ運動させるホットディスプレーサアクチュエータと、
駆動されると、前記コールドディスプレーサを前記コールドディスプレーサシリンダ内においてリモート位置と中央位置との間でレシプロ運動させるコールドディスプレーサアクチュエータと、
前記ホットディスプレーサアクチュエータと前記コールドディスプレーサアクチュエータとに結合された電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、
を備え、
前記ＥＣＵは、前記ホットディスプレーサと前記コールドディスプレーサとに、以下の一連の配置で移動するよう命令し、前記一連の配置は、
前記ホットディスプレーサが前記ホットディスプレーサシリンダ内でその中央位置に存在し、前記コールドディスプレーサが前記コールドディスプレーサシリンダ内でその中央位置に接近している第１配置と、
前記ホットディスプレーサが前記ホットディスプレーサシリンダ内でそのリモート位置に存在し、前記コールドディスプレーサが前記コールドディスプレーサシリンダ内でその中央位置に接近している第２配置と、
前記ホットディスプレーサが前記ホットディスプレーサシリンダ内でそのリモート位置に存在し、前記コールドディスプレーサが前記コールドディスプレーサシリンダ内でそのリモート位置に接近している第３配置と、
前記ホットディスプレーサが前記ホットディスプレーサシリンダ内でその中央位置に存在し、前記コールドディスプレーサが前記コールドディスプレーサシリンダ内でそのリモート位置に接近している第４配置と、
から構成されていることを特徴とするヒートポンプ。

【請求項6】

１サイクルは、前記第１配置から、前記第２配置、前記第３配置、前記第４配置、前記第１配置への移動を含み、
前記コールドディスプレーサは、前記ホットディスプレーサが、その中央位置からそのリモート位置へ移動するのに要する時間の少なくとも一部の間、その中央位置で静止したままであり、
前記ホットディスプレーサは、前記コールドディスプレーサが、その中央位置からそのリモート位置へ移動するのに要する時間の少なくとも一部の間、そのリモート位置で静止したままであり、
前記コールドディスプレーサは、前記ホットディスプレーサが、そのリモート位置からその中央位置へ移動するのに要する時間の少なくとも一部の間、そのリモート位置で静止したままであり、
前記ホットディスプレーサは、前記コールドディスプレーサが、そのリモート位置からその中央位置へ移動するのに要する時間の少なくとも一部の間、その中央位置で静止したままである、請求項５記載のヒートポンプ。

【請求項7】

前記コールドディスプレーサシリンダの中心軸は、前記ホットディスプレーサシリンダの中心軸と同軸である、請求項５記載のヒートポンプ。

【請求項8】

前記ホットディスプレーサシリンダの直径は、前記コールドディスプレーサシリンダの直径よりも大きい、請求項５記載のヒートポンプ。

【請求項9】

前記ホットディスプレーサがそのリモート位置からその中央位置に移動する距離は、前記コールドディスプレーサがそのリモート位置からその中央位置に移動する距離より大きい、請求項５記載のヒートポンプ。

【請求項10】

前記ホットディスプレーサがその中央位置とそのリモート位置との間の移動に要する時間は、前記コールドディスプレーサがその中央位置とそのリモート位置との間の移動に要する時間とは異なる、請求項５記載のヒートポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明はヒートポンプ、特にヴェルミエヒートポンプ（vuilleumierheat pump）におけるサイクルに関する。

【背景技術】

【0002】

背景
ＵＳ１２７５５０７で説明されているように、ほとんどの従来のヴェルミエヒートポンプのディスプレーサ（displacer）はクランクによって駆動される。クランク駆動ディスプレーサを備えたそのようなヒートポンプの概略は図１で示されている。この５０７特許においては、ディスプレーサは図２で示されるように９０°の位相差を有する。本開示発明の譲受人に共通に譲渡されている機械電子駆動（mechatronically-actuated）ヴェルミエヒートポンプはＷＯ２０１３／１５５２５８に開示されている。そのようなヒートポンプにおいては、それらディスプレーサは独立的に運転され、一方のディスプレーサを静止させたままで、他方のディスプレーサを運転する。それにより、ディスプレーサの動作を制御することで数多くの追加的自由度が提供される。ＷＯ２０１３／１５５２５８Ａ１には３プロセスサイクルも開示されている。高い成績係数を提供するサイクルが望まれている。

【発明の概要】

【0003】

概要
モデリング結果に基づく上記の３プロセスサイクルより高い成績係数を示す４プロセスサイクルが開示されている。

【0004】

ヒートポンプを操作する方法が開示されている。ヒートポンプは、高温シリンダ内でレシプロ運動（往復運動）するように構成（適合）されているホットディスプレーサと、低温シリンダ内でレシプロ運動するように構成されているコールドディスプレーサとを有する。ホットディスプレーサはリモート位置（中心部から離れた位置）と中央位置とを有しており、コールドディスプレーサは中央位置とリモート位置とを有する。この方法は、ホットディスプレーサをその中央位置からそのリモート位置に移動するように駆動し、コールドディスプレーサをその中央位置からそのリモート位置に移動するように駆動し、ホットディスプレーサをそのリモート位置からその中央位置に移動するように駆動し、コールドディスプレーサをそのリモート位置からその中央位置に移動するように駆動する。それらの駆動は所定の順序で実行される。

【0005】

作動状況によっては、コールドディスプレーサは、ホットディスプレーサがその中央位置とそのリモート位置との間を移動する時間の少なくとも一部の間、静止状態を保ち、ホットディスプレーサは、コールドディスプレーサがそのリモート位置とその中央位置との間を移動する時間の少なくとも一部の間、静止状態を保つ。

【0006】

ホットディスプレーサをその中央位置からそのリモート位置に移動させる駆動はプロセス１を含む。コールドディスプレーサをその中央位置からそのリモート位置に移動させる駆動はプロセス２を含む。ホットディスプレーサをそのリモート位置からその中央位置に移動させる駆動はプロセス３を含む。コールドディスプレーサをそのリモート位置からその中央位置に移動させる駆動はプロセス４を含む。１サイクルは、プロセス１、プロセス２、プロセス３そしてプロセス４の順番で成る。

【0007】

この方法は、両方のディスプレーサに、プロセス１とプロセス２の間の第１設定時間、静止状態を維持するように命令（指示、コマンド）すること、両方のディスプレーサに、プロセス２とプロセス３の間の第２設定時間、静止状態を維持するように命令すること、両方のディスプレーサに、プロセス３とプロセス４の間の第３設定時間、静止状態を維持するように命令すること、および、両方のディスプレーサに、プロセス４とプロセス１の間の第４設定時間、静止状態を維持するように命令すること、をさらに含む。

【0008】

ホットチャンバは、ホットディスプレーサシリンダ内のホットディスプレーサの位置が関係するホットチャンバ内の容積で、ホットディスプレーサシリンダ内に画定される。コールドチャンバは、コールドディスプレーサシリンダ内のコールドディスプレーサの位置が関係するコールドチャンバ内の容積で、コールドディスプレーサシリンダ内に画定される。ホットディスプレーサがそのリモート位置にあるとき、ホットチャンバ内の容積は、ホットディスプレーサが中央位置内にあるときよりも小さい。コールドディスプレーサがそのリモート位置にあるとき、コールドチャンバ内の容積は、コールドディスプレーサが中央位置内にあるときよりも小さい。

【0009】

ホットディスプレーサシリンダ内に配置されたホットディスプレーサ、コールドディスプレーサシリンダ内に配置されたコールドディスプレーサ、駆動されるとホットディスプレーサシリンダ内においてそのリモート位置とその中央位置との間でホットディスプレーサをレシプロ運動させるホットディスプレーサアクチュエータ、駆動されるとコールドディスプレーサシリンダ内においてそのリモート位置とその中央位置との間でコールドディスプレーサをレシプロ運動させるコールドディスプレーサアクチュエータ、およびホットディスプレーサアクチュエータとコールドディスプレーサアクチュエータとに結合された電子制御ユニット（ＥＣＵ）を有したヒートポンプが開示されている。このＥＣＵは、一連の配置：ホットディスプレーサがホットディスプレーサシリンダ内でその中央位置に存在し、コールドディスプレーサがコールドディスプレーサシリンダ内でその中央位置に接近（近接）している第１配置、ホットディスプレーサがホットディスプレーサシリンダ内でそのリモート位置に存在し、コールドディスプレーサがコールドディスプレーサシリンダ内でその中央位置に接近している第２配置、ホットディスプレーサシリンダ内でホットディスプレーサがそのリモート位置に存在し、コールドディスプレーサがコールドディスプレーサシリンダ内でそのリモート位置に接近している第３配置、および、ホットディスプレーサがホットディスプレーサシリンダ内でその中央位置に存在し、コールドディスプレーサがコールドディスプレーサシリンダ内でそのリモート位置に接近している第４配置、を通じて移動するようにホットディスプレーサとコールドディスプレーサに命令する。

【0010】

１サイクルは、第１配置から第２配置、第２配置から第３配置、第３配置から第４配置、第４配置から第１配置に移動することを含む。

【0011】

コールドディスプレーサは、ホットディスプレーサがその中央位置からそのリモート位置に移動する時間の少なくとも一部の間、その中央位置で静止している。ホットディスプレーサは、コールドディスプレーサがその中央位置からそのリモート位置に移動する時間の少なくとも一部の間、そのリモート位置で静止している。コールドディスプレーサは、ホットディスプレーサがそのリモート位置からその中央位置に移動する時間の少なくとも一部の間、そのリモート位置で静止している。ホットディスプレーサは、コールドディスプレーサがそのリモート位置からその中央位置に移動する時間の少なくとも一部の間、その中央位置で静止している。

【0012】

実施態様によっては、コールドディスプレーサシリンダの中心軸はホットディスプレーサシリンダの中心軸と同軸的（共線的）である。実施態様によっては、コールドディスプレーサシリンダの直径はホットディスプレーサシリンダの直径よりも大きい。別実施態様では、ホットディスプレーサシリンダの直径はコールドディスプレーサシリンダの直径よりも大きい。さらに別な実施態様である請求項６のヒートポンプでは、ホットディスプレーサシリンダの直径はコールドディスプレーサシリンダの直径と等しい。実施態様によっては、ホットディスプレーサがそのリモート位置からその中央位置に移動する距離はコールドディスプレーサがそのリモート位置からその中央位置に移動する距離よりも大きい。別実施態様では、ホットディスプレーサがそのリモート位置からその中央位置に移動する距離はコールドディスプレーサがそのリモート位置からその中央位置に移動する距離よりも小さい。実施態様によっては、ホットディスプレーサがその中央位置とそのリモート位置との間を移動する時間はコールドディスプレーサがその中央位置とそのリモート位置との間を移動する時間とは異なる。アクチュエータがスプリングを含んでいるヒートポンプにおいては、ディスプレーサに作用するスプリングは、各ディスプレーサがそれぞれ中央位置とリモート位置との間で移動する時間が同じにならないように選択できる。

【0013】

ホットディスプレーサシリンダ内に配置されたホットディスプレーサが、ホットディスプレーサシリンダ内でレシプロ運動するように構成され、コールドディスプレーサが、コールドディスプレーサシリンダ内に配置され、かつ、コールドディスプレーサシリンダ内でレシプロ運動するように構成されているヒートポンプが開示されている。このヒートポンプは、ホットディスプレーサに連結されているホットディスプレーサアクチュエータであって、ホットディスプレーサをホットディスプレーサシリンダ内において中央位置とリモート位置との間で移動させるように構成されているホットディスプレーサアクチュエータと、コールドディスプレーサに連結されているコールドディスプレーサアクチュエータであって、コールドディスプレーサをコールドディスプレーサシリンダ内において中央位置とリモート位置との間で移動させるように構成されているコールドディスプレーサアクチュエータと、ホットディスプレーサアクチュエータとコールドディスプレーサアクチュエータとに結合されている電子制御ユニット（ＥＣＵ）と、を有する。１サイクルは、次のプロセスを次の順序で含む：ホットディスプレーサアクチュエータがホットディスプレーサにホットディスプレーサシリンダ内において中央位置からリモート位置に移動するように命令するプロセス；コールドディスプレーサアクチュエータがコールドディスプレーサにコールドディスプレーサシリンダ内において中央位置からリモート位置に移動するように命令するプロセス；ホットディスプレーサアクチュエータがホットディスプレーサにホットディスプレーサシリンダ内においてリモート位置から中央位置に移動するように命令するプロセス；コールドディスプレーサアクチュエータがコールドディスプレーサにコールドディスプレーサシリンダ内においてリモート位置から中央位置に移動するように命令するプロセス。

【0014】

ヒートポンプは、ホットディスプレーサシリンダの一端にホットチャンバを有しており、コールドディスプレーサシリンダの一端にコールドチャンバを有している。ホットチャンバ内の容積は、ホットディスプレーサが中央位置にあるときは、ホットディスプレーサがリモート位置にあるときよりも大きい。コールドチャンバ内の容積は、コールドディスプレーサが中央位置にあるときは、コールドディスプレーサがリモート位置にあるときよりも大きい。ヒートポンプは、ウォーム（暖）チャンバを含んでおり、このウォームチャンバは、ホットチャンバの反対側のホットディスプレーサの端部に存在するホットシリンダ内の容積が、コールドチャンバの反対側のコールドディスプレーサ端部に存在する容積に加えられた容積部のことである。

【0015】

実施態様によっては、ホットディスプレーサシリンダの中心軸はコールドディスプレーサの中心軸と同軸的である。別実施態様では、ホットディスプレーサシリンダの中心軸はコールドディスプレーサシリンダの中心軸に実質的に平行であり、コールドディスプレーサシリンダの中心軸とはオフセットしている（離れている）。実施態様によっては、ホットディスプレーサシリンダの直径はコールドディスプレーサシリンダの直径よりも大きい。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、従来技術ヴェルミエヒートポンプの概略図である。

【0017】

【図2】図２は、クランク駆動ディスプレーサを備えたそのヴェルミエヒートポンプ内のディスプレーサの動作（動き）のグラフである。

【0018】

【図3】図３は、機械電子的に制御されるディスプレーサを備えたヴェルミエヒートポンプの概略図である。

【0019】

【図4】図４は、そのヴェルミエヒートポンプ内の３プロセスサイクルを示す。

【0020】

【図5】図５は、そのヴェルミエヒートポンプ内の４プロセスサイクルを示す。

【0021】

【図6】図６は、３プロセスサイクルの時間の関数としてのホットディスプレーサおよびコールドディスプレーサの移動を示すチャートである。

【0022】

【図7】図７は、４プロセスサイクルの時間の関数としてのホットディスプレーサおよびコールドディスプレーサの移動を示すチャートである。

【0023】

【図8】図８は、ディスプレーサ同士の移動がオーバラップしている４プロセスサイクルの時間の関数としてのホットディスプレーサおよびコールドディスプレーサの移動を示すチャートである。

【0024】

【図9】図９は、両方のディスプレーサが静止している時間が存在するホットディスプレーサおよびコールドディスプレーサの移動を示すチャートである。

【0025】

【図10】図１０は、ホットディスプレーサシリンダの直径がコールドディスプレーサシリンダの直径よりも大きいヴェルミエヒートポンプの図である。

【0026】

【図11】図１１は、ホットディスプレーサのストロークがコールドディスプレーサのストロークよりも短いヴェルミエヒートポンプの図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

詳細な説明
当該技術の通常技術者であれば、図面のいずれかに図示およびその図面に関して説明されている実施例の様々な特徴が、明示的に図示または説明されていない別実施態様を具現化するために他の図面に示されている特徴と組み合わせることが可能であることを理解するであろう。図示されている特徴の組み合わせは典型的な適用形態のための代表的実施態様を提供する。しかしながら、本開示発明の教示に即した特徴の様々な組み合わせと改良が特定の適用形態または実施形態に望まれることであろう。当該技術の通常技術者であれば、ここに明確に説明あるいは図示されている（またはされていない）類似した適用形態あるいは実施形態を認識することであろう。

【0028】

機械電子駆動ヴェルミエヒートポンプにより実行されるサイクルを説明する前に、そのようなヒートポンプ５０の非限定実施例を図３に示す。ヒートポンプ５０は、ハウジング５２とシリンダ５４とを有しており、シリンダ５４内にはホットディスプレーサ６２およびコールドディスプレーサ６６が配置されている。ディスプレーサ６２と６６は、中心軸５３に沿ってシリンダライナ５４内でレシプロ運動する。ホットディスプレーサ６２用のアクチュエータは、強磁性要素１０２、１１２、電磁石９２、スプリング１４２、１４４、および支持構造体１４３を含む。図３で示すように、支持構造体１４３は、ハウジング５２のコールド（冷）端部８６に連結されている中央ポスト（柱体）８８に連結された電磁石９２に取り付けられている。中央ポスト８８、電磁石９２、および支持構造体１４３は固定されている（動かない）。ホットディスプレーサ６２が図３で示される位置から上方にレシプロ運動すると、スプリング１４２は釣り合った状態（平衡状態）のプレロード（予備荷重）より大きく圧縮され、スプリング１４４の圧縮は相対的に小さくなる。電磁石９２は強磁性要素１０２または１１２を自身の方向にスプリング１４２、１４４のバネ力に対抗して引っ張るようにエネルギー付与される。同様に、コールドディスプレーサ６６は、中央ポスト８８に連結された電磁石９６、電磁石９６に連結された支持構造体１４７、およびスプリング１４６、１４８を含むコールドアクチュエータを有する。スプリング１４６は、支持構造体１４７とコールドディスプレーサ６６の第１キャップ１２６との間に連結されている。スプリング１４８は、支持構造体１４７とコールドディスプレーサ６６の第２キャップとの間に連結されている。電磁石９２、９６は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００を介して制御される。

【0029】

強磁性ブロック１０２、１１２、１０６、１１６は、ホットディスプレーサ６２の第１キャップ１２２に関係するスタンドオフ（standoff）、ホットディスプレーサ６２の第２キャップ１３２、コールドディスプレーサ６６の第１キャップ１２６に関係するスタンドオフ、およびコールドディスプレーサ６６の第２キャップ１３６にそれぞれ連結されている。コールドディスプレーサ６６を通過してホットディスプレーサ６２内へと上方に延出する中央ポスト８８を収容するため、開口部がホットディスプレーサ６２の第２キャップ１３２、およびコールドディスプレーサ６６の第１キャップ１２６と第２キャップ１３６とに設けられている。

【0030】

環状チャンバがハウジング５２の内表面の一部とシリンダ５４の外表面との間に形成されている。ホットレキュペレータ（ホット復熱装置）１５２、ウォーム熱交換器（暖熱交換器）１５４、コールドレキュペレータ（コールド復熱装置）１５６およびコールド熱交換器（冷熱交換器）１５８が環状チャンバ内に配置されている。シリンダ５４を通る開口部により、流体はシリンダ５４の内部と環状チャンバとの間で通流することができる。開口部１６６により、流体は、コールドチャンバ７６と環状チャンバ内のコールド熱交換器１５８との間を通流することができる。開口部１６４により、流体は、ウォームチャンバと環状チャンバとの間を通流することができる。ヒートポンプ５０もハウジング５２のホット（温）端部近くに提供されたホット熱交換器１６５を有する。キャップ８２を通る開口部１６２は、環状チャンバに通じる通路１６３を有する熱交換器１６５に通じる。ホット熱交換器１６５は、バーナ配置または他のエネルギー源と関係することができる。加熱対象の流体は、開口部１７４に流入してウォーム熱交換器１５４を通り、開口部１７２を出て直交流（クロス流）となる。冷却対象の流体は、開口部１７６からコールド熱交換器１５８に流れ、開口部１７８から出る。熱交換器を通過する流れは逆平行流であってもよい。

【0031】

ヴェルミエヒートポンプ内の３プロセスサイクルでのディスプレーサの端部位置は図４に示されている。状態“ａ”では、ホットディスプレーサ１２とコールドディスプレーサ１４の両方はシリンダ１０内で上方位置に存在する。図４の状態“ｂ”では、コールドディスプレーサ１４は下方位置に移動する。状態“ａ”から状態“ｂ”への変化が第１プロセスである。状態“ｂ”から状態“ｃ”へとホットディスプレーサ１２が上方位置から下方位置へ移動する。すなわち第２プロセスである。状態“ｃ”から状態“ａ”への戻り移動において、ホットディスプレーサ１２とコールドディスプレーサ１４の両方が上方に移動する。すなわち第３プロセスである。

【0032】

図４で示すサイクルでは、ホットディスプレーサ１２とコールドディスプレーサ１４とは、そのサイクルにおける異なる時点で、シリンダ１０内の中央スペース内に存在する。すなわち状態“ａ”ではコールドディスプレーサ１４はシリンダ１０内の中央スペースに存在し、状態“ｃ”ではホットディスプレーサ１２はシリンダ１０内の中央スペースに存在する。図３のヒートポンプは３プロセスサイクルに適している。４プロセスサイクルを可能にするヒートポンプは、そのシリンダが長形である点を除いて図３のものに類似する。その理由は以下の説明で明確になるであろう。

【0033】

ヴェルミエヒートポンプで使用する４プロセスサイクルは図５に示されており、ホットディスプレーサ２２はホットディスプレーサシリンダ２０内でレシプロ運動し、コールドディスプレーサ２４はコールドディスプレーサシリンダ２１内でレシプロ運動する。状態“ｄ”では、ホットディスプレーサ２２はシリンダ２０内で中央位置に存在し、コールドディスプレーサ２４はシリンダ２１内で中央位置に存在する。状態“ｄ”から状態“ｅ”への移動では、ホットディスプレーサ２２はシリンダ２０内でそのリモート位置に移動する。これは第１プロセスすなわちプロセス１である。状態“ｅ”から状態“ｆ”に移るとき、コールドディスプレーサ２４はシリンダ２１内のそのリモート位置に移動する。これは第２プロセスすなわちプロセス２である。状態“ｆ”から状態“ｇ”に移るとき、ホットディスプレーサ２２はシリンダ２０内のその中央位置に移動する。これは第３プロセスすなわちプロセス３である。状態“ｇ”から状態“ｄ”に戻るとき、コールドディスプレーサ２４はシリンダ２１内のその中央位置に移動する。これは第４プロセスすなわちプロセス４である。

【0034】

前述したように、図４の３プロセスサイクルでは、ホットディスプレーサ１２とコールドディスプレーサ１４とは同じスペースを占拠するが、もちろん、サイクル中の異なる時間においてである。図５の４プロセスサイクルではホットディスプレーサ２２とコールドディスプレーサ２４は中央線２６を越えない。シリンダ２０と２１は同軸的および同一径であり、中央線２６の上方のシリンダ２０および中央線２６の下方のシリンダ２１によって表わされている（画定されている）。

【0035】

図４に示すディスプレーサ移動の端部位置は、図６にて時間の関数として示されている。ホットディスプレーサの下縁部の動作は曲線１６で示されている。コールドディスプレーサの上縁部の動作は曲線１８で示されている。コールドディスプレーサは状態“ａ”から状態“ｂ”へと下方に移動し、その間ホットディスプレーサは静止状態である。状態“ｂ”から状態“ｃ”へとホットディスプレーサは下方に移動し、その間コールドディスプレーサは静止状態である。このサイクルを終了させる状態“ｃ”から状態“ａ”への移動において両方のディスプレーサは上方に動く。

【0036】

図５に図示するディスプレーサ移動の端部位置が図７に時間の関数として示されている。ホットディスプレーサの下縁部は曲線２８として示されており、コールドディスプレーサの上縁部は曲線３０として示されている。状態“ｄ”では両方のディスプレーサは中央位置で互いに隣接している。状態“ｄ”から状態“ｅ”ではコールドディスプレーサは静止したままであり、ホットディスプレーサは上方に動く。状態“ｅ”から状態“ｆ”では、ホットディスプレーサは静止したままであり、コールドディスプレーサは下方に動く。状態“ｆ”から状態“ｇ”では、ホットディスプレーサは下方に動き、コールドディスプレーサは静止したままである。状態“ｇ”から開始位置である状態“ｄ”への戻りでは、ホットディスプレーサは静止したままであり、コールドディスプレーサは上方に動く。図６のサイクルは３プロセスで完了し、図７のサイクルは４プロセスで完了する。よって、もし図６のサイクルでディスプレーサが図７のサイクルと同一速度で移動すると、ディスプレーサが同じ動力学（エネルギー；dynamics）で作動すれば、図７のサイクルは図６のサイクルよりも約１倍から１／３倍だけ長くかかる。

【0037】

図７のサイクルの別形態は図８で示すサイクルであり、そこではディスプレーサの動作は少々オーバラップしている（重なっている）。ホットディスプレーサの動作の上縁部は曲線３２により示されており、コールドディスプレーサの動作の下縁部は曲線３４により示されている。図８の時間２２０において、コールドディスプレーサはその上方への動作を終了しつつあり、ホットディスプレーサはその上方への動作を開始しつつある。時間２２２において、コールドディスプレーサはその上方位置（そのリモート位置）に到達しており、時間２２４までそこに留まる。時間２２４では、ホットディスプレーサは上方位置（そのリモート位置）には未到達であり、その到達は時間２２６で発生する。一方、コールドディスプレーサは時間２２４から時間２２６の間に上方の移動を終了する。ホットディスプレーサは時間２２６から時間２２８では上方位置で静止している。コールドディスプレーサは下方移動を時間２３０で完了し、時間２３２まで下方位置に留まる。一方、ホットディスプレーサは時間２２８から時間２３４まで下方に移動する。時間２３２からコールドディスプレーサは時間２３４、時間２２０’および時間２２２’を通じて上方に移動する。ホットディスプレーサは時間２３４から時間２２０’まで静止したままである。時間２２０’で完全サイクルが完了している。ディスプレーサの位置は時間２２０で時間２２０’と同じである。

【0038】

ディスプレーサが移動する速度はバネ定数およびシステムの他の特性によって決定される。図７と図８が同じ形態を図示しているように、ディスプレーサは図７と図８では同じ速度で移動する。しかし、図８で示すサイクルでは、ホットディスプレーサの動作はコールドディスプレーサが最端位置を達成する前に開始しており、あるいはその逆であるので、図８のサイクルは図７のサイクルよりも短い。そのようなサイクルはさらに大きな出力を提供する。

【0039】

図６から図８に示すサイクルの説明は可能な最大出力サイクルを説明する。出力を降下させるため、両方のディスプレーサはサイクルの一部の時間を静止状態に保たれる。そのようなディスプレーサ動作の１例は図９に示されている。ホットディスプレーサの動作は曲線２６０として示されており、コールドディスプレーサの動作は曲線２６２として示されている。時間２４０で両方のディスプレーサはシリンダ内の中央位置に存在する。ホットディスプレーサは時間２４０と時間２４２の間を上方に移動する。両方のディスプレーサは時間２４２と時間２４４の間で静止状態にある。その静止時間は図９で示すものより短くても長くてもよい。両方のディスプレーサが静止状態にあるその他の間隔は、時間２４６と時間２４８との間および時間２５０と時間２５２との間である。要求される出力を得るために、これらの時間は短くても長くてもよい。さらに、例えば、ホットディスプレーサがそのリモート位置に存在し、コールドディスプレーサがその中央位置に存在する時間２４２と時間２４４との間の間隔などの、サイクルの異なる部分でディスプレーサが異なることが可能である間隔は、時間２４６から時間２４８の間隔または時間２５０から時間２５２の間隔のいずれとも異なる長さであってもよい。

【0040】

シリンダの直径が異なるヴェルミエヒートポンプは図１０に示されている。ホットディスプレーサシリンダ２８はコールドディスプレーサシリンダ３０よりも大きな直径を有する。ホットディスプレーサシリンダ２８内でレシプロ運動するホットディスプレーサ３２もコールドディスプレーサシリンダ３２内でレシプロ運動するコールドディスプレーサ３４より大きい。ストロークが異なるヒートポンプは図１１に示されている。ホットディスプレーサシリンダ４０はホットディスプレーサ４２を有しており、コールドディスプレーサシリンダ４１はコールドディスプレーサ４４を有している。ホットディスプレーサ４２のストロークはコールドディスプレーサ４４のストロークよりも小さい。

【0041】

本発明の最良態様が特定実施例に関わって詳細に説明されているが、当該技術の専門家であれば、本発明の請求項のスコープ内の様々な変形デザインおよび実施態様が可能であることを認めるであろう。様々な実施態様が利点を提供し、１以上の望ましい特性に関して他の実施形態に勝る利点を提供し、またはそれより好適であると解説されているであろうが、当該技術の専門家であれば、１以上の特徴が、特定の利用形態および実施形態に応じて、所望のシステム特性を達成するために犠牲にできることを理解するであろう。これら特性は、限定はしないが、費用、強度、耐久性、ライフサイクルコスト、市場性、外観、梱包、サイズ、サービス性、重量、製造容易性、組み立て容易性、等々を含む。１以上の特徴に関して、他の実施態様または従来の形態のものより好適とは言えないと説明されているような実施態様でも本開示発明の範囲外ではなく、特定の実施態様にとって望ましいこともあろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】