JP2007255798A - パルス管型低温膨張装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧気体の膨張による仕事を回収しパルス管膨張装置、あるいはその他の装置に有効に利用できるパルス管低温膨張装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明のパルス管型低温膨張装置は、高圧気体が流れる高圧気体通路と低圧気体が流れる低圧気体通路を持つ気体圧力発生手段と、気体圧力発生手段の高圧気体通路の開閉と低圧気体通路の開閉とを切り替える流路切替手段とを有し、一端に気体圧力発生手段の高圧気体通路及び低圧気体通路が接続され、高圧気体を膨張させて低温を生成するパルス管と、パルス管に連結され該パルス管内の気体圧力変動により駆動される出力装置と、を有することを特徴とする。これにより、気体膨脹による仕事が回収できると共に、ピストンの下端部を液体の衝撃から守ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明はパルス管型低温膨張装置に関する。

膨張装置は高圧気体、あるいは液体を膨張させ、低温、低圧を発生するものである。膨張装置は様々な分野に広く使用されている。例えば化学工学や低温工学などに使用される場合が多い。特に、空調装置として良く使われている。

様々な種類の膨張装置の中に、パルス管型低温膨張装置は低温端において動く部材を設置する必要がなく、かつシンプルな構造を有するため、非常に注目されている。例えば、Ａｄｖａｎｃｅｄ ｉｎ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（以下、非特許文献１と称する）はパルス管部を持つ低温膨張装置を開示している。非特許文献１に記載のパルス管膨張装置は、高圧気体をパルス管に膨張させ、低温かつ低圧を生成している。
Ａｄｖａｎｃｅｄ ｉｎ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ２９，（１９８４），６２９−６３７

非特許文献１に開示されたパルス管膨張装置は高圧気体を膨張させ、低温低圧を生成する一方、高圧気体の膨張による仕事が熱として外部へ流出するため、膨張装置の効率が低いという問題がある。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、高圧気体の膨張による仕事を回収し、パルス管膨張装置、あるいはその他の装置に有効に利用できるパルス管低温膨張装置を提供することを課題とする。

本発明のパルス管型低温膨張装置は、高圧気体が流れる高圧気体通路と低圧気体が流れる低圧気体通路を持つ気体圧力発生手段と、気体圧力発生手段の高圧気体通路の開閉と低圧気体通路の開閉とを切り替える流路切替手段とを有し、一端に気体圧力発生手段の高圧気体通路及び低圧気体通路が接続され、高圧気体を膨張させて低温を生成するパルス管と、パルス管に連結され該パルス管内の気体圧力変動により駆動される出力装置と、を有することを特徴とする。本発明のパルス管型低温膨張装置によれば、高圧気体がパルス管の低温端において膨張され低温を生成するとともに、パルス管の高温端において膨張による仕事が出力され、有効なエネルギーとして回収されることができる。これにより、パルス管型低温膨張装置の効率を向上させる効果がある。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置の出力装置は、パルス管に連結し該パルス管と一体に形成されたシリンダー部と、シリンダー部に内置され該シリンダー部の軸長方向に往復運動可能に設けられたピストンと、を有することが好ましい。パルス管に連結されたシリンダー部の内側にシャフトを持つピストンが設けられていることにより、気体の膨張による仕事がピストンに連結されたシャフトを介して外部へ出力することができる。なお、シャフトとしてはクランクシャフトやヨークなどを採用することができる。このように、膨張による仕事がシャフトを介して原動力として出力されることができる。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置の出力装置は、ピストンに連結されたシャフトと、シャフトを介してピストンの往復運動を駆動する駆動手段とを有することが好ましい。これにより、シャフトを介して膨張による仕事が駆動手段に移行され、駆動手段を原動機として働かせることができる。さらに、発電機などに接続されることにより膨張による仕事が最終的に電力として出力されることができる。
また、本発明のパルス管型低温膨張装置のパルス管は、高温端に高温作動気体の拡散を抑える高温気体ディストリビューターが設けられ、低温端に低温作動気体の拡散を抑える低温気体ディストリビューターが設けられていることが好ましい。これにより、パルス管の低温端を流れる気体とパルス管の高温端を流れる気体との間に気体混合による冷凍効率の低下を防ぐことができる。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置の出力装置は、ハウジングと、該ハウジング内に回転あるいは偏心回転可能に配置されたローターと、ローターと共にハウジングの内部空間を区画して少なくとも１個の作動空間を形成するベーンとで構成され、連結部を介してパルス管に連通されていることが好ましい。これにより、気体膨脹による仕事が回転するローターに移行されることができ、膨張による仕事が原動力として外部へ出力されることができる。さらに、発電機などに接続することにより電力として出力されることもできる。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置の出力装置は、パルス管に連結し該パルス管と一体に形成されたシリンダー部と、シリンダー部に内置され、第１ディスプレーサー、第２ディスプレーサー、第１ディスプレーサーと第２ディスプレーサーとの間に設けられ第１ディスプレーサーと第2ディスプレーサーとを連結するシャフト、第１ディスプレーサーと第２ディスプレーサーとの間に設けられ一端が第１ディスプレーサー、または第２ディスプレーサーのいずれか一方に連結され他端がシリンダー部の内側の所定位置に連結される付勢手段とを備えシリンダー部の軸長方向に往復運動可能に設けられたディスプレーサー部と、シリンダー部においてディスプレーサー部を中心としパルス管と反対側に形成された後部空間、後部空間と外部とを遮断するカバー部、さらにカバー部に設けられ後部空間を外部に連通する気体連通手段とからなる圧力出力手段と、を有することが好ましい。また、本発明のパルス管型低温膨張装置の気体連通手段は、後部空間と外部との圧力差により単方向に後部空間に開通する入口弁と単方向に外部に開通する出口弁と、入口弁に連通する入口通路と、出口弁に連通する出口通路とを有することが好ましい。これにより、ディスプレーサー部はシリンダー部において気体圧力の変動に駆動され往復運動が行われる。さらに、ディスプレーサー部の後方に形成された後部空間内の作動気体がディスプレーサー部の往復運動に応じて圧力変動が発生する。このため、後部空間に設けられた単方向入口弁及び単方向出口弁が後部空間内の気体圧力と外部の圧力との圧力差に応じて開閉される。この結果、気体が出口通路を介して外部へ高圧気体を送出して高圧端を形成し、入口通路を介して外部から気体を入れさせて低圧端を形成し、吐出圧と吸入圧との圧力差による力が主に利用できる。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置の出力装置は、パルス管に連結し該パルス管と一体に形成されたシリンダー部と、シリンダー部に内置されたディスプレーサー、ディスプレーサーに連結されたシャフト、シャフトを介してディスプレーサーを弾性的に支持する弾性支持手段とを備えシリンダー部の軸長方向に往復運動可能に設けられたディスプレーサー部と、シリンダー部にディスプレーサーを中心としパルス管と反対側に形成された後部空間、後部空間とパルス管とを連通する気体連通部、さらに気体連通部に設けられた熱転換部とからなる熱転換手段とを有することが好ましい。これにより、膨張により低温が生成される際、膨張による仕事が少ない場合において膨張された気体の圧力変動によりディスプレーサーが動かされる。さらに後部空間内の作動気体がディスプレーサーによって圧縮され、気体連通部を介してパルス管に流される。この際、気体連通部に熱転換部が設けられているため、膨張による仕事が作動気体の流れとともに熱として外部へ流出することができる。すなわち、膨張による仕事が少ない場合において、膨張による仕事が回収されずに直接に熱に転換し流出されることができる。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置の出力装置は、パルス管に連結し該パルス管と一体に形成されたシリンダー部と、シリンダー部に内置されたディスプレーサー、一端がディスプレーサーに連結し他端がシリンダーの最端部に連結される付勢手段とを備えシリンダー部の軸長方向に往復運動可能に設けられたディスプレーサー部と、シリンダー部にディスプレーサーを中心としパルス管と反対側に形成された後部空間、後部空間とパルス管の高温気体通路及び低温気体通路とを連通する気体連通部、さらに気体連通部に設けられた熱機器とからなる冷凍出力装置とを有することが好ましい。これにより、ディスプレーサー部はシリンダー部において気体圧力の変動に応じて往復運動が行われ、ディスプレーサー部の後方に形成された後部空間内の作動気体がディスプレーサー部の往復運動に応じて圧縮され気体連通部を介してパルス管に流される。この際、気体連通部に熱交換器と蓄熱器から構成された熱機器が設けられているため、冷凍力が生成されることができる。すなわち、膨張による仕事が熱機器を介して冷凍力として出力されることができる。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置の後部空間は、開口部を持つ隔壁で後部空間を後部圧縮空間とバッファー空間とに分割し、ディスプレーサー部は、一端がディスプレーサーに連結し他端が隔壁の開口部に摺接しながら挿入されたシャフトと、一端がシャフトに連結し他端がシリンダー部の最端部に連結される付勢手段とを有することが好ましい。本発明のパルス型低温膨張装置によれば、後部空間に十分な容積を有するバッファー空間が設けられているため、バッファー空間内の作動気体の圧力が変動しにくくなり、結果としてパルス管内において高圧振動状態となる。この高圧振動により、ディスプレーサーがシリンダー内においてより容易に動くことができる。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置のディスプレーサー部はシャフトを介してディスプレーサーを弾性的に支持する弾性支持手段を備えることが好ましい。これにより、ピストンとシリンダー部との間にクリアランスシールが形成されることができる。このため、潤滑剤などのメカニカルシールを使用することなく、パルス管低温膨張装置の長寿命化を実現することができる。

本発明のパルス管型低温膨張装置によれば、高圧気体がパルス管の低温端において膨張されるとともに、パルス管の高温端において気体圧力変動により膨張による仕事が出力され、有効なエネルギーとして回収されることができる。これにより、パルス管型低温膨張装置の効率向上に有利である。

また、本発明のパルス管型低温膨張装置は、気液二相共存する低温膨張に使用されていたＪＴバルブの代替装置として使用されることができる。特に、二酸化炭素を冷媒とする空調装置、または冷凍装置などに本発明のパルス管型低温膨張装置が用いられた場合には、顕著に冷凍効率が向上される。例えば、ヒートポンプ、または冷凍装置に二酸化酸素が使用される際、冷凍装置に本発明のパルス管型低温膨張装置を組み込んだ場合はＪＴバルブを組み込んだ場合に比べ、冷凍効率が大きく向上される。

さらに、気液二相共存する低温膨張が行われる際、高圧気体が膨張装置のパルス管に流され、膨張過程を経た後、パルス管において気相と液相（または気液混合相）に分けられる。液体の層（または気液混合相）がパルス管の下部に溜められ、気体の層（いわゆる気体ピストン）がパルス管の上部に溜められる。従って、パルス管の上部に設けられたピストンが往復運動を行う際、ピストンの下端部と液体の層（または気液混合相）との間に、気体の層（気体ピストン）が介在されているため、ピストンの下端部が液体（または気液混合相）に直接に接触することがない。つまりピストンの下端部は、パルス管の上部に形成された気体ピストンをクッションにパルス管の下部に溜まった液体からの衝撃を受けることがなく、ピストンの長寿命化に有利である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

（第１実施形態例）
図１に示すように、本実施形態のパルス管型低温膨張装置は、主にパルス管１と出力装置２から構成される。

パルス管１は気体圧力発生手段１１と、流路切替手段１２と、パルス管部１３とからなる。気体圧力発生手段１１は高圧気体が流れる高圧通路１１１Ａ、１１１Ｂと低圧気体が流れる低圧通路１１２Ａ，１１２Ｂとからなり、高圧通路１１１Ａ、１１１Ｂに高圧弁口１２１が設けられ、低圧通路１１２Ａ，１１２Ｂに低圧弁口１２２が設けられる。高圧弁口１２１と低圧弁口１２２とで本発明の流路切替手段１２が構成される。また、パルス管部１３は高温端１３Ｈと低温端１３Ｌを持ち、筒状容器１０に収容される。さらに、パルス管部１３は連結管１３０を介して高圧通路１１１Ｂおよび低圧通路１１２Ｂに接続されている。また、パルス管１には、作動気体が高圧通路１１１Ｂまたは低圧通路１１２Ｂからパルス管部１３にスムーズに流れるように漏斗状連結部１３１が設けられている。

出力装置２は、容器１０に収容されパルス管部１３と一体に形成されたシリンダー部２１と、シリンダー部２１に内置されシリンダー部２１の軸長方向に往復運動可能に設けられたピストン２２と、ピストン２２に連結されピストン２２の往復運動に連動するシャフト２３と、シャフト２３を駆動する駆動手段２４とから構成されることができる。シリンダー部２１にシリンダー室２１１が形成される。また、ピストン２２はシリンダー部２１のシリンダー室２１１に往復運動ができるように設置されている。駆動手段２４はシャフト２３を介してピストン２２を周期的に駆動するものである。

なお、本実施形態のパルス管型低温膨張装置は気液二相共存する場合にも適応するため、パルス管部１３を縦方向（水平方向に垂直する方向）に設置することが好ましい。これにより、パルス管部１３の上部１３Ｈ（高温端ともいう）に気体の層（いわゆる気体ピストン）とパルス管部１３の下部１３Ｌ（低温端ともいう）に液体の層（または気液混合相）が分けられ、上部１３Ｈに設けられたピストン２２が下部１３Ｌに溜まった液体の層（または気液混合相）と直接に接触せず、ピストン２２の下端部２２１が液体による衝撃を受けることがなく、ピストンの長寿命化に有利である。

次に、本実施形態のパルス管型低温膨張装置の動作を説明する。

図２はパルス管型低温膨張装置の動作サイクルを示すものである。図２に示すように、ピストン２２が下向運動する際、流路切替手段１２の高圧弁口１２１及び低圧弁口１２２が閉じられているため、作動気体は圧縮される。実線Ａ−Ｂに示す。

次に、ピストン２２が引き続き下向運動し、高圧弁口１２１が連通されるため、高圧気体が高圧通路１１１Ａ，１１１Ｂを介してパルス管部１３に流され、作動気体の圧力はさらに向上される。実線Ｂ−Ｃに示す。

次に、ピストン２２が上向運動し、高圧弁口１２１が連通状態のままであるため、作動気体の圧力変化はなし。実線Ｃ−Ｄに示す。

次に、ピストン２２が引き続き上向運動し、高圧弁口１２１が閉じられるため、パルス管部１３内の圧力が減少し、作動気体は膨張される。従って、気体温度及び圧力は同時に減少される。実線Ｄ−Ｅに示す。

次に、ピストン２２が引き続き上向運動し、低圧弁口１１が連通されるため、低圧気体が低圧通路１２１Ａ，１２１Ｂを介してパルス管部１３から流され、作動気体の圧力はさらに減少し、温度も最低温度に達成される。実線Ｅ−Ｆに示す。

次に、ピストン２２が下向運動し、低圧弁口１２２が連通状態のままであるため、作動気体の圧力変化はなし。実線Ｆ−Ａに示す。

このように、一つの動作サイクルを経て、高圧弁口１２１および低圧弁口１２２の開閉に連れ、ピストン２２はシリンダー部２１内に往復運動を行い、パルス管部１３において作動気体の膨張により低温が生成される。

作動気体の膨脹により、パルス管部１３の低温端１３Ｌにおいて膨張による仕事が生成され、圧力振動によってパルス管部１３の高温端１３Ｈに伝えられる。なお、パルス管部１３において、低温端１３Ｌと高温端１３Ｈとの間に存在する気体はピストンの動きに連れて動かされる為、気体ピストン（Ｇａｓ Ｐｉｓｔｏｎ）ともいう。

また、パルス管型低温膨張装置の高冷凍効率を達成するために、ピストン２２の下端部２２１とパルス管部１３の低温端１３Ｌとの間に十分な距離を持つ必要がある。これにより、ピストン２２の下端部２２１における温度と低温端１３Ｌにおける温度差を保つことができ、高冷凍効率に達することができる。

また、パルス管部１３とシリンダー部２１とを収容する容器１０が十分な長さが無い場合には、ピストン２２の長さをより長くし、かつピストン２２を低熱伝導性物質で構成することにより、ピストン２２において高温端と低温端が形成されることができ、気体膨脹により冷凍力を生成することができる。また、この場合でも、気体ピストンが形成されているため、ピストン２２の下端部２２１はパルス管部１３に溜められた液体（または気液混合体）に直接接触することなく、液体の衝撃から守られる。

本実施形態のパルス管型低温膨張装置によれば、高圧気体がパルス管部１３の低温端１３Ｌにおいて膨張され低温を生成するとともに、パルス管部１３の高温端１３Ｈにおいて膨張による仕事を外部へ出力することができる。つまりパルス管部１３と一体に形成されたシリンダー部２１の内側にシャフト２３を持つピストン２２が設けられることにより、気体の膨張による仕事がピストン２２に連結されたシャフト２３を介して外部へ出力される。即ち、膨張による仕事が原動力として出力されることが可能となる。よって、パルス管型低温膨張装置の効率が向上される。

（第２実施形態例）
本実施形態のパルス管型低温膨張装置は、リニアモーターＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｅｒ）が出力装置２として設けられたものである。具体に図３を参照しながら説明する。なお、本実施形態例は第１実施形態例と基本的に同様の構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として説明する。

図３に示すように、出力装置２はリニアモーターＭから構成される。具体的に、ピストン２２に連結されたシャフト２３が弾性支持手段２３Ｂ１、２３Ｂ２により支持されるため、ピストン２２はシリンダー部２１に軸方向に往復運動することができる。また、ピストン２２の往復運動に連れシャフト２３が連動される。さらに、シャフト２３が磁石で構成されるため、シャフト２３の外周に設けられたリニアモーターＭがシャフト２３の往復運動により駆動される。この結果、膨張による仕事がリニアモーターにより動力に転換され、外部へ出力されることができる。また、発電装置に接続された場合には、電流として出力されることもできる。

なお、弾性支持手段２３Ｂ１、２３Ｂ２を弾性軸受で構成することができる。この弾性支持手段２３Ｂ１、２３Ｂ２により、ピストン２２はシリンダー部２１の内側に軸長方向に垂直する方向の移動が少なく、軸長方向のみに往復運動が行われる。このため、ピストン２２の外周面とシリンダー部２１の内周面との間に微小間隙が形成される。即ち、潤滑剤として機能するメカニカルシール（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ）のように、クリアランスシール（Ｃｌｅａｒａｎｃｅ Ｓｅａｌ）が形成される。よって、ピストン２２の両側の気体がシールされるとともに、ピストン２２とシリンダー部２１との間の摩擦によるエネルギー損失を抑えることができる。

（第３実施形態例）
本実施形態のパルス管型低温膨張装置は、パルス管部１３に高温気体と低温気体が乱流による混合を防ぐためにディストリビューター１４Ｈ，１４Ｌが設けられたものである。具体に図４を参照しながら説明する。なお、本実施形態例は第１実施形態例と基本的に同様の構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として説明する。

図４に示すように、パルス管部１３は高温端１３Ｈと低温端１３Ｌを有している。高温端１３Ｈにおける温度は高く、低温端１３Ｌにおける温度は低く設定されている。このため、パルス管部１３を流れる作動気体がピストン２２の往復運動、または高圧通路および低圧通路が連通された際、気流変動による高温端１３Ｈと低温端１３Ｌにおける温度が激しく変動せず気体がスムーズに流れるように、高温端１３Ｈ及び低温端１３Ｌにディストリビューター１４Ｈ、１４Ｌがそれぞれ設置される。ディストリビューター１４Ｈ，１４Ｌが設けられることにより、パルス管部１３を出入する気体がスムーズに流れ、高温端１３Ｈと低温端１３Ｌとの間における温度差を保つことができる。即ち、パルス管型低温膨張装置の冷凍効率の向上に有利である。

（第４実施形態例）
本実施形態のパルス管型低温膨張装置は、設計上のコンパクト性などが考量されたものである。具体に図５を参照しながら説明する。なお、本実施形態例は第１実施形態例と基本的に同様の構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として説明する。

図５に示すように、シリンダー部２１が容器２０に収容され、パルス管部１２が容器１０に収容される。シリンダー部２１とパルス管部１３との間に連結部１５が設けられているため、シリンダー部２１とパルス管部１３が連通されている。シリンダー部２１を収容する容器２０とパルス管部１３を収容する容器１０は別々なので、本実施形態のパルス管型低温膨張装置が設計上においてより自由な形状を持つ、かつコンパクト性を有することができる。

また、パルス管部１３を出入する気体がよりスムーズに流れるようにパルス管部１３の上部に連結部１５と連通する漏斗状連通部１３２と、パルス管部１３の下部に連通管１３０と連通する漏斗状連通部１３１とを設けることができる。さらに、気流をよりスムーズにするために、ディストリビューター１４Ｈ，１４Ｌを設けることもできる。

（第５実施形態例）
本実施形態のパルス管型低温膨張装置は、ロタリーモーターＲ（Ｒｏｔａｒｙ Ｍｏｔｅｒ）が出力装置２として設けられたものである。具体に図６を参照しながら説明する。なお、本実施形態例は第１実施形態例と基本的に同様の構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として説明する。

図６に示すように、出力装置２はロタリーモーターＲから構成される。ロタリーモーターＲは、ハウジング２１５と、ローター２３３と、ベーン２３４、２３５とから構成される。ローター２３３はハウジング215内に回転或いは偏心回転可能に配置されている。また、ローター２３３はベーン２３４、２３５とともにハウジング２１５の内部空間を区画し圧縮空間２３７とバック空間２３６とを形成している。さらに、圧縮空間通孔２３７Ａと連結部１５とを介してパルス管１のパルス管部１３に接続される。なお、ベーン２３４、２３５はハウジング２１５のケース２１５Ａに取り付けられる。また、ハウジング２１５のケース２１５Ａの内周面２１５Ｂに摺接して作動空間を気密的に区画するために、ベーン２３４、２３５はそれぞれ隔壁２３４Ａ，２３５Ａと、隔壁２３４Ａ，２３５Ａの往復運動を引導させる引導孔２３４Ｃ，２３５Ｃと、隔壁２３４Ａ，２３５Ａをローター２３３に向かって付勢する付勢手段２３４Ｂ，２３５Ｂとを持ち、隔壁２３４Ａ，２３５Ａはローター２３３の回転に連れ、付勢手段２３４Ｂ，２３５Ｂによりローター２３３の外周面に摺接しながら、引導孔２３４Ｃ，２３５Ｃ内に往復運動を行う。なお、付勢手段２３４Ｂ，２３５Ｂはバネから構成されることができる。また、ローター２３３の外周側にリング部材２３２を設けることができる。リング部材２３２を設けることにより、ベーン２３４、２３５の隔壁２３４Ａ，２３５Ａがリング２３２の外周面に摺接しがなら、往復運動を行い、ローター２３３の回転による摩擦がリング２３２によって減少されることができる。なお、ローター２３３とリング部材２３２との間に潤滑剤が使用される。また、ベーン２３４、２３５をローター２３３に設けることもできる。この場合では、隔壁２３４Ａ，２３５Ａはケース２１５Ａの内周面に摺接しながら、往復運動を行う。

図７に示すように、ローター２３３はシャフト２３１Ｃに接続される。また、ローター２３３はローター室２３１に設置され、上部と下部にカバー２３１Ａ，２３１Ｂが設けられ、ローター室２３１内に形成された圧縮空間２３７とバック空間２３６の気密性を保つことができる。さらに、膨張による仕事が高温気体を介してパルス管部１３から圧縮空間２３７に流される。このため、ローター２３３が作動気体の圧力で駆動される。シャフト２３１Ｃがローター２３３に連結されているため、ローター２３の回転により膨張による仕事がシャフト２３１Ｃを介して外部に出力される。したがって、シャフト２３１Ｃ側にロタリーモーターＲを取り付ければ、膨張による仕事がロタリーモーターＲを駆動するがことできる。また、発電装置などに接続された場合には電力として出力されることもできる。

（第６実施形態例）
本実施形態例のパルス管型低温膨張装置は、第１実施形態例とは基本に同様な構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図８を参照しながら説明する。

図８に示すように、本実施形態のパルス管型低温膨張装置の出力装置２は、ディスプレーサー部２２０と圧力出力手段２５０とからなる。

ディスプレーサー部２２０は、シリンダー部２１と、第１ディスプレーサー２２Ａと、第２ディスプレーサー２２Ｂと、シャフト２３と、付勢手段２３Ｓとから構成される。第１ディスプレーサー２２Ａと第２ディスプレーサー２２Ｂとの間にシャフト２３が設けられ、第１ディスプレーサー２２Ａと第２ディスプレーサー２２Ｂとを連結している。さらに、付勢手段２３Ｓは、一端が第１ディスプレーサー２２Ａに固定され、他端がシリンダー部２１に固定されている。このため、ディスプレーサー部２２０が作動気体の振動に応じて往復運動を行うことができる。なお、付勢手段２３Ｓはバネで構成されることができる。また、付勢手段２３Ｓが容易にシリンダー部２１の内側に固定されるため、シリンダー部２１を二段式で形成されることができる。つまり、シリンダー部２１は、パルス管部１３と同じ径を有する第２シリンダー部２１Ｂと、第２シリンダー部２１Ｂより大きい径を有する第１シリンダー部２１Ａとで構成されることができる。したがって、第１シリンダー部２１Ａに設けられた第１ディスプレーサー２２Ａの径は第２シリンダー部２１Ｂに設けられた第２ディスプレーサー２２の径より大きく設定されることができる。このように、容易に付勢手段２３Ｓを第１シリンダー部２１Ａの端部２１Ａ１に固定することができる。

また、図８に示すように、圧力出力手段２５０は、第１ディスプレーサー２２Ａの後部側に形成された後部空間２１２と、カバー部２４１と、カバー部２４１に形成された高圧出口２５Ｈ１と低圧入口２５Ｌ１と、高圧出口２５Ｈ１を開閉する単方向弁２５２と低圧入口２５Ｌ１を開閉する単方向弁２５１と、高圧出口２５Ｈ１と低圧入口２５Ｌ１をそれぞれ外部へ連通する連結管２５Ｈと２５Ｌとからなる。ディスプレーサー部２２０が作動気体の圧力の変動により往復運動が行われる際、後部空間２１２内の作動気体の圧力が変化され、後部空間２１２内の圧力は外部の圧力より大きいとき、弁２５１が圧力により閉じられ、弁２５２が開通される。逆に、後部空間２１２内の圧力が外部の圧力より小さいとき、弁２５１が開通となり、弁２５２が閉じられる。結果として、パルス管部１３の低温端１３Ｌにおいて膨張された気体の圧力が高温端１３Ｈに伝えられ、気体変動によってディスプレーサー部２２０が往復運動を行う。そして、後部空間２１２内の作動気体の圧力変動により、外部へ高圧気体を吐出する高圧端２５Ｈと外部から気体を吸入する低圧端２５Ｌが形成され、吐出圧と吸入圧との圧力差による力が出力される。すなわち、膨張による仕事が力として出力されることができる。

（第７実施形態例）
本実施形態例のパルス管型低温膨張装置は、第１実施形態例とは基本に同様な構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図９を参照しながら説明する。

図９に示すように、本実施形態のパルス管型低温膨張装置の出力装置２は、シリンダー部２１と、ディスプレーサー部２２０と、熱転換手段２６とから構成される。

シリンダー部２１は容器２０に収納される。ディスプレーサー部２２０はディスプレーサー２２と、シャフト２３と、弾性支持手段２３Ｂ１，２３Ｂ２とからなる。ディスプレーサー２２はシャフト２３に連結されるとともに、弾性支持手段２３Ｂ１，２３Ｂ２により弾性的に支持される。このため、ディスプレーサー２２とシリンダー部２１との間にクリアランスシールが形成され、ディスプレーサー２２はシリンダー部２１の軸長方向に往復運動を行うことができる。

また、熱交換手段２６はディスプレーサー２２の後方（シリンダー部２１においてディスプレーサー２２を中心としパルス管部１３と反対側に形成された後部空間）に位置するシリンダー空間２２０とパルス管部１３の高温端１３Ｈとを接続する連通部２６０を持ち、さらに、連通部２６０には熱転換部２６１が設けられている。なお、熱転換部２６１をオリフィスなどのもので構成することができる。このように、膨張により低温が生成される際、膨張による仕事が少ない場合において、膨張された気体の圧力の変動によりディスプレーサー２２が往復運動を行う。さらに、後部空間２１０内の作動気体がディスプレーサー２１によって圧縮され、気体連通部２６０を介してパルス管部１３に流される。この際、気体連通部２６０に熱転換部２６１が設けられているため、膨張による仕事が作動気体の流れとともに熱として外部へ流出することができる。すなわち、膨張による仕事が少ない場合において、膨張による仕事を回収せず直接熱に転換し流出させることができる。

（第８実施形態例）
本実施形態例のパルス管型低温膨張装置は、第１実施形態例とは基本に同様な構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図１０を参照しながら説明する。

図１０に示すように、本実施形態のパルス管型低温膨張装置の出力装置２は、シリンダー部２１と、ディスプレーサー部２２０と、冷凍出力手段２７とで構成される。
ディスプレーサー部２２０はシリンダー部２１に内置されシリンダー部２１の軸長方向に往復運動可能に設けられたディスプレーサー２２と、一端がディスプレーサー２２に連結し他端がシリンダー部２１の最端部に接続される付勢手段２３Ｓとを持つ。なお、付勢手段２３Ｓはバネで構成されることができる。

また、冷凍出力手段２７は、シリンダー部２１においてディスプレーサー２２を中心としパルス管部１３と反対側に形成された後部空間２１０と、後部空間２１０とパルス管部１３の高温気体通路１１１Ｂ及び低温気体通路１１２Ｂとを連通する気体連通部２７０と、連通部２７０に設けられた蓄熱器２７２と、熱交換器２７１とからなる。なお、蓄熱器２７２と熱交換器２７１から熱機器２７Ａが構成される。

このように、ディスプレーサー部２２０がシリンダー部２１において気体圧力の変動に応じて往復運動を行い、ディスプレーサー部２２０の後方に形成された後部空間２１０内の作動気体がディスプレーサー部２２０の往復運動に応じて圧縮され、気体連通部２７０を介してパルス管部１３の低温端１３Ｌに流される。この際、気体連通部２７０に熱交換器２７１と蓄熱器２７２から構成された熱機器２７Ａが設けられているため、冷凍力が生成される。すなわち、膨張による仕事が熱機器２７Ａを介して冷凍力として出力されることができる。

（第９実施形態例）
本実施形態例のパルス管型低温膨張装置は、第８実施形態例とは基本に同様な構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図１１を参照しながら説明する。

図１１に示すように、本実施形態のパルス管型低温膨張装置の出力装置２は、シリンダー部２１と、ディスプレーサー部２２０と、冷凍出力手段２７とで構成されることができる。

ディスプレーサー部２２０は、シリンダー部２１に内置されシリンダー部２１の軸長方向に往復運動可能に設けられたディスプレーサー２２と、ディスプレーサー２２に連結さられたシャフト２３と、一端がシャフト２３に連結し他端がシリンダー部２１の最端部に連結された付勢手段２３Ｓとを持つ。なお、付勢手段２３Ｓはバネで構成されることができる。

冷凍出力手段２７は、シリンダー部２１においてディスプレーサー２２を中心としパルス管部１３と反対側に後部空間２１０が形成されている。さらに、隔壁Ｗを介して、後部空間２１０は後部圧縮空間２１０Ａとバッファー空間２１０Ｂとに分割される。隔壁Ｗが開口部Ｗ１を持ち、ディスプレーサー２２に連結されたシャフト２３は開口部Ｗ１に差込まれたままで開口部Ｗ１に摺接しながら軸長方向に往復運動を行う。なお、開口部Ｗ１とシャフト２３との間に潤滑剤が使用されているため、隔壁Ｗの両側の気体が開口部Ｗ１を通して漏れることはない。また、後部圧縮空間２１０Ａとパルス管部１３の高温気体通路１１１Ｂ及び低温気体通路１１２Ｂとを連通する気体連通部２７０と、連通部２７０に設けられた蓄熱器２７２と、熱交換器２７１とからなる。なお、蓄熱器２７２と熱交換器２７１から熱機器２７Ａが構成される。

このように、後部空間２１０に十分な容積を有するバッファー空間２１０Ｂが設けられているため、バッファー空間２１０Ｂ内の作動気体がパルス管部１３内の作動気体の振動に対して変動しにくくなり、結果としてパルス管部１３内の作動気体が高圧振動状態となっている。この高圧振動により、ディスプレーサー２２がシリンダー部２１内においてより容易に動くことができる。また、作動気体が気体連通部２７０を介してパルス管部１３の低温端１３Ｌに流される。この際、気体連通部２７０に熱交換器２７１と蓄熱器２７２から構成された熱機器２７Ａが設けられているため、冷凍力が生成される。すなわち、本実施形態例のパルス管型低温膨張装置によれば膨張による仕事が容易に熱機器２７Ａを介して冷凍力として出力されることができる。

（第１０実施形態例）
本実施形態例のパルス管型低温膨張装置は、第９実施形態例とは基本に同様な構成である。共通機能を奏する部位には共通の符号を付する。以下異なる部分を中心として図１２を参照しながら説明する。

図１２に示すように、本実施形態のパルス管型低温膨張装置の出力装置２のピストン２２に連結されたシャフト２３は弾性支持手段２３Ｂ１，２３Ｂ２により弾性的に支持されている。これにより、隔壁Ｗが持つ開口部Ｗ１とシャフトとの間、または、ディスプレーサー２２とシリンダー部２１との間にクリアランスシールが形成される。このため、潤滑剤としてメカニカルシールを設ける必要性がなく、パルス管膨張装置の長寿命化に有利である。

本発明のパルス管型低温膨張装置は、発電設備、モーター、または冷凍設備などの分野に利用することができる。

第１実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第１実施形態例のパルス管型低温膨張装置の作動サイクルにおいて、圧力（Ｐ）と容積（Ｖ）との関係を示すものである。 第２実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第３実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第４実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第５実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第５実施形態例のパルス管型低温膨張装置の出力手段を示すものである。 第６実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第７実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第８実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第９実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。 第１０実施形態例のパルス管型低温膨張装置の構造を示す図である。

符号の説明

１：パルス管 ２：出力装置 １０：容器
１１：気体圧力発生手段 １２：流路切替手段
１１１Ａ、１１１Ｂ：高圧通路 １１２Ａ、１１２Ｂ：低圧通路
１２１：高圧弁口 １２２：低圧弁口
１３：パルス管部 １３０：連通管 １３１：漏斗状連結部
１３Ｈ：高温端 １３Ｌ：低温端
２１：シリンダー部 ２２：ピストン ２３：シャフト ２４：駆動手段
２１１：シリンダー室 ２２１：下端部

Claims (11)

1. 高圧気体が流れる高圧気体通路と低圧気体が流れる低圧気体通路を持つ気体圧力発生手段と、前記気体圧力発生手段の前記高圧気体通路の開閉と前記低圧気体通路の開閉とを切り替える流路切替手段とを有し、一端に前記気体圧力発生手段の前記高圧気体通路及び前記低圧気体通路が接続され、前記高圧気体を膨張させて低温を生成するパルス管と、
   前記パルス管に連結され該パルス管内の気体圧力変動により駆動される出力装置と、を有することを特徴とするパルス管型低温膨張装置。
2. 前記出力装置は、前記パルス管に連結し該パルス管と一体に形成されたシリンダー部と、前記シリンダー部に内置され該シリンダー部の軸長方向に往復運動可能に設けられたピストンと、を有する請求項１に記載のパルス管型低温膨張装置。
3. 前記出力装置は、前記ピストンに連結されたシャフトと、前記シャフトを介して前記ピストンの往復運動を駆動する駆動手段とを有する請求項２項に記載のパルス管熱機関。
4. 前記パルス管は、高温端に高温作動気体の拡散を抑える高温気体ディストリビューターが設けられ、低温端に低温作動気体の拡散を抑える低温気体ディストリビューターが設けられている請求項１に記載のパルス管型低温膨張装置。
5. 前記出力装置は、ハウジングと、該ハウジング内に回転あるいは偏心回転可能に配置されたローターと、前記ローターと共に前記ハウジングの内部空間を区画して少なくとも１個の作動空間を形成するベーンとで構成され、連結部を介して前記パルス管に連通されている請求項１に記載のパルス管型低温膨張装置。
6. 前記出力装置は、前記パルス管に連結し該パルス管と一体に形成されたシリンダー部と、前記シリンダー部に内置され、第１ディスプレーサー、第２ディスプレーサー、前記第１ディスプレーサーと前記第２ディスプレーサーとの間に設けられ前記第１ディスプレーサーと前記第2ディスプレーサーとを連結するシャフト、前記第１ディスプレーサーと前記第２ディスプレーサーとの間に設けられ一端が前記第１ディスプレーサー、または前記第２ディスプレーサーのいずれか一方に連結され他端が前記シリンダー部の内側の所定位置に連結される付勢手段とを備え前記シリンダー部の軸長方向に往復運動可能に設けられたディスプレーサー部と、前記シリンダー部に前記ディスプレーサー部を中心とし前記パルス管と反対側に形成された後部空間、該後部空間と外部とを遮断するカバー部、さらに前記カバー部に設けられ前記後部空間を外部に連通する気体連通手段とからなる圧力出力手段と、を有する請求項１に記載のパルス管型低温膨張装置。
7. 前記気体連通手段は、前記後部空間と前記外部との圧力差により単方向に後部空間に開通する入口弁と単方向に外部に開通する出口弁と、前記入口弁に連通する入口通路と、前記出口弁に連通する出口通路とを有する請求項１または６のいずれか1項に記載のパルス管型低温膨張装置。
8. 前記出力装置は、前記パルス管に連結し該パルス管と一体に形成されたシリンダー部と、前記シリンダー部に内置されたディスプレーサー、前記ディスプレーサーに連結されたシャフト、前記シャフトを介して前記ディスプレーサーを弾性的に支持する弾性支持手段とを備え前記シリンダー部の軸長方向に往復運動可能に設けられたディスプレーサー部と、前記シリンダー部に前記ディスプレーサーを中心とし前記パルス管と反対側に形成された後部空間、該後部空間と前記パルス管とを連通する気体連通部、さらに該気体連通部に設けられた熱転換部とからなる熱転換手段とを有する請求項１に記載のパルス管型低温膨張装置。
9. 前記出力装置は、前記パルス管に連結し該パルス管と一体に形成されたシリンダー部と、前記シリンダー部に内置されたディスプレーサー、一端が前記ディスプレーサーに連結し他端が前記シリンダーの最端部に連結される付勢手段とを備え前記シリンダー部の軸長方向に往復運動可能に設けられたディスプレーサー部と、前記シリンダー部に前記ディスプレーサーを中心とし前記パルス管と反対側に形成された後部空間、該後部空間と前記パルス管の前記高温気体通路及び前記低温気体通路とを連通する気体連通部、さらに前記気体連通部に設けられた熱機器とからなる冷凍出力装置と、を有する請求項１に記載のパルス管型低温膨張装置。
10. 前記後部空間は、開口部を持つ隔壁で前記後部空間を後部圧縮空間とバッファー空間とに分割し、前記ディスプレーサー部は、一端が前記ディスプレーサーに連結し他端が前記隔壁の前記開口部に摺接しながら挿入されたシャフトと、一端が前記シャフトに連結し他端が前記シリンダー部の最端部に連結される付勢手段とを有する請求項１または９のいずれか１項に記載のパルス管型低温膨張装置。
11. 前記ディスプレーサー部は、前記シャフトを介して前記ディスプレーサーを弾性的に支持する弾性支持手段を備える請求項１０または１１のいずれか１項に記載のパルス管型低温膨張装置。

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