L’invention exploite, de préférence avec un fluide caloporteur gazeux, le cycle thermodynamique de Stirling. Un cycle moteur de Stirling réalise les étapes suivantes, tel qu’illustré sur les figures 1A et 1B (P : pression ; V volume ; T : température ; S : entropie du fluide)
-    1->2 : Compression isotherme au contact de la source froide de température Tf, le fluide passant d’un volume maximum Vmax à un volume minimum Vmin,
-    2->3 : Réchauffement isochore au volume Vmin, avec augmentation de la pression du fluide,
-    3->4 : Détente isotherme au contact de la source chaude de température Tc, le fluide passant du volume Vmin à Vmax,
-    4->1 : Refroidissement isochore au volume Vmax, avec diminution de la pression du fluide.

    Les étapes 2->3 et 4->1 sont isochores et ne prélèvent ou fournissent aucun travail au gaz : 2->3 fait passer le gaz de Tf à Tc et 4->1 de Tc à Tf.

    En revanche, les échanges de travail mécanique se déroulent pendant les étapes 1->2 et 3->4 :
-    à l’étape 1->2, le caractère isotherme de la compression communique un transfert thermique du fluide vers la source froide et
      nécessite  la fourniture d’un travail mécanique au fluide.
-    à l’étape 3->4, le caractère isotherme de la détente nécessite un transfert thermique de la source chaude vers le fluide : celui-ci cède
     ainsi un travail mécanique supérieur à celui qu’il a reçu lors de la compression 1->2, d’où le caractère moteur du cycle.

Robert Stirling choisit rapidement d’améliorer sa machine en l’équipant d’un régénérateur.

    Ce régénérateur permet au fluide de récupérer au cours de son réchauffement isochore 2->3 la chaleur qu’il y a déposée au cours de son refroidissement isochore 4->1. Grâce à ce recyclage interne de chaleur, le rendement thermodynamique du cycle Stirling avec régénérateur vaut celui du cycle moteur de Carnot :

   
   

    Pour un cycle récepteur, tel qu’illustré sur les figures 1C et 1D, le sens de parcours du cycle est inversé :
-    1->4 : Réchauffement isochore au volume Vmax, avec augmentation de la pression du fluide,
-    4->3 : Compression isotherme au contact de la source chaude de température Tc, le fluide passant d’un volume maximum Vmax à un
     volume minimum Vmin,
-    3->2 : Refroidissement isochore au volume Vmin, avec diminution de la pression du fluide,
-    2->1 : Détente isotherme au contact de la source froide de température Tf, le gaz passant du volume Vmin à Vmax.

    Les étapes 1->4 et 3->2 sont isochores et ne prélèvent ou fournissent aucun travail au fluide. Ce sont des étapes de transferts thermiques uniquement : 1->4 fait passer le fluide de Tf à Tc et 3->2 de Tc à Tf.
    A l’étape 4->3, le caractère isotherme de la compression communique un transfert thermique du fluide vers la source chaude et nécessite la fourniture d’un travail mécanique au fluide.
    A l’étape 2->1, le caractère isotherme de la détente nécessite un transfert thermique de la source froide vers le fluide et contraint le fluide à céder un travail mécanique inférieur à celui qu’il a reçu lors de la compression 4->3, d’où le caractère récepteur du cycle.

    La machine peut alors être utilisée soit en réfrigérateur, soit en pompe à chaleur à condition de lui communiquer du travail mécanique. Lorsque la machine est équipée d’un régénérateur, permettant au fluide de récupérer au cours de son réchauffement 4->1 la chaleur qu’il y a déposée au cours de son refroidissement 3->2, les efficacités thermodynamiques du cycle valent celles de Carnot, plus précisément :
   





 

Ces quelques rappels fondamentaux de thermodynamique vont permettre de mieux comprendre les limites de l’art actuel des machines de Stirling et les multiples avantages de la présente invention (1).