JPH05106926A - パルス管式熱機関 - Google Patents
パルス管式熱機関Info
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- JPH05106926A JPH05106926A JP3266181A JP26618191A JPH05106926A JP H05106926 A JPH05106926 A JP H05106926A JP 3266181 A JP3266181 A JP 3266181A JP 26618191 A JP26618191 A JP 26618191A JP H05106926 A JPH05106926 A JP H05106926A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression 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
- F25B9/145—Compression 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 pulse-tube cycle
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1419—Pulse-tube cycles with pulse tube having a basic pulse tube refrigerator [PTR], i.e. comprising a tube with basic schematic
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1426—Pulse tubes with basic schematic including at the pulse tube warm end a so called warm end expander
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- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 パルス管式熱機関の効率向上を目的とする。
【構成】 圧縮空間、放熱器、蓄熱器（蓄冷器）、吸熱
器（コールドヘッド）、パルス管、膨張空間等からなる
パルス管式熱機関であって、作動流体の圧縮空間と膨張
空間との間に、放熱器、蓄熱器（蓄冷器）、吸熱器（コ
ールドヘッド）及びパルス管を、または膨張空間周りに
熱交換器を連結し、前記膨張空間の容積可変を圧縮空間
の容積可変より同位相から６０度の範囲内のある一定の
位相差で進角させた原動機（冷凍機、ヒートポンプ）と
して動作させるようにした。
器（コールドヘッド）、パルス管、膨張空間等からなる
パルス管式熱機関であって、作動流体の圧縮空間と膨張
空間との間に、放熱器、蓄熱器（蓄冷器）、吸熱器（コ
ールドヘッド）及びパルス管を、または膨張空間周りに
熱交換器を連結し、前記膨張空間の容積可変を圧縮空間
の容積可変より同位相から６０度の範囲内のある一定の
位相差で進角させた原動機（冷凍機、ヒートポンプ）と
して動作させるようにした。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パルス管式冷凍機の断
熱過程に用いられている主機器であるパルス管をスター
リングサイクル機関に導入して、理想的な動作では二つ
の等容と二つの断熱過程からなる熱サイクル（疑似スタ
ーリングサイクル）を構成し、スターリングサイクル機
関の冷凍機や原動機で必要不可欠であった低温度や高温
度で往復動させていた膨張ピストンやディスプレーサを
一切必要としない単純構造で、しかも高効率で高信頼度
の安価な冷凍機や原動機の提供を可能としたパルス管式
熱機関に関するものである。
熱過程に用いられている主機器であるパルス管をスター
リングサイクル機関に導入して、理想的な動作では二つ
の等容と二つの断熱過程からなる熱サイクル（疑似スタ
ーリングサイクル）を構成し、スターリングサイクル機
関の冷凍機や原動機で必要不可欠であった低温度や高温
度で往復動させていた膨張ピストンやディスプレーサを
一切必要としない単純構造で、しかも高効率で高信頼度
の安価な冷凍機や原動機の提供を可能としたパルス管式
熱機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】パルス管式冷凍機は、１９６３年 Ｗ．
Ｅ Ｇｉｆｆｏｒｄらにより初めて提案された。この低
温生成の方式は、機器構成が単純で、然も低温部に可動
部分がないため吸熱部（コールドヘッドとも言う）での
機械的振動がないことと、信頼性が高い冷凍機として実
用化への期待が高かった。しかしながら低温生成は作動
流体の非平衡状態の特性を動作原理としているため、実
際の動作状態での方程式を導き、サイクルとしての解析
を困難にしている。また、熱音響学的な視点やその他か
ら論文が発表されているが、いづれも条件に近似が多
く、その動作原理は理論的には確立されたとは言えない
のが現状である。然も実際には低い効率であるが低温生
成が可能なことは実証されている。
Ｅ Ｇｉｆｆｏｒｄらにより初めて提案された。この低
温生成の方式は、機器構成が単純で、然も低温部に可動
部分がないため吸熱部（コールドヘッドとも言う）での
機械的振動がないことと、信頼性が高い冷凍機として実
用化への期待が高かった。しかしながら低温生成は作動
流体の非平衡状態の特性を動作原理としているため、実
際の動作状態での方程式を導き、サイクルとしての解析
を困難にしている。また、熱音響学的な視点やその他か
ら論文が発表されているが、いづれも条件に近似が多
く、その動作原理は理論的には確立されたとは言えない
のが現状である。然も実際には低い効率であるが低温生
成が可能なことは実証されている。
【０００３】ここでは、動作原理の説明は除くが、その
サイクルの機器構成では、金属、または複合材料の中空
の円筒管である単純形状のパルス管が主構成要素であっ
て断熱過程を担っていることは明らかである。サイクル
動作において流体は、圧縮空間とバッファータンク内と
の移動時にパルス管内で圧力変化の相がずれて低温生成
が行われていると考えられる。
サイクルの機器構成では、金属、または複合材料の中空
の円筒管である単純形状のパルス管が主構成要素であっ
て断熱過程を担っていることは明らかである。サイクル
動作において流体は、圧縮空間とバッファータンク内と
の移動時にパルス管内で圧力変化の相がずれて低温生成
が行われていると考えられる。
【０００４】この方式の特長は、この機関構成のみでは
原動機として動作させるとこは不可能であるが、冷凍機
としては、低温度で往復動する膨張ピストンを必要とし
ないことである。
原動機として動作させるとこは不可能であるが、冷凍機
としては、低温度で往復動する膨張ピストンを必要とし
ないことである。
【０００５】本発明はこのパルス管を後で述べるスター
リングサイクルの機器構成の中に導入した改良型スター
リングサイクルの熱機関についてである。
リングサイクルの機器構成の中に導入した改良型スター
リングサイクルの熱機関についてである。
【０００６】一方、スターリングサイクルは、理論的に
は二つの等温過程と二つの等容過程からなる理想サイク
ルであって、実働機関においては、作動流体（ヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、窒素、水素、空気等、或いは混
合期待、以後、流体と言う）にヘリウムや水素を使用す
る閉サイクル機関である。冷凍機としての動作では、他
の如何なる冷凍サイクルよりも効率が高く、また原動機
にしても他の機関よりも振動騒音が低く効率も高いこと
が知られている。
は二つの等温過程と二つの等容過程からなる理想サイク
ルであって、実働機関においては、作動流体（ヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、窒素、水素、空気等、或いは混
合期待、以後、流体と言う）にヘリウムや水素を使用す
る閉サイクル機関である。冷凍機としての動作では、他
の如何なる冷凍サイクルよりも効率が高く、また原動機
にしても他の機関よりも振動騒音が低く効率も高いこと
が知られている。
【０００７】Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ方式のスターリングサ
イクルの構造を図１に、Ｐ−Ｖ線図およびＴ−Ｓ線図を
図２に挙げ、冷凍機の場合で説明する。
イクルの構造を図１に、Ｐ−Ｖ線図およびＴ−Ｓ線図を
図２に挙げ、冷凍機の場合で説明する。
【０００８】図示しない電動機等で駆動されるクランク
シャフト２に接続し、コンロッド１２、往復動する圧縮
ピストン３により圧縮シリンダー４内で容積可変される
圧縮空間１とその容積可変の位相差が７０度から１１０
度の範囲内（最適な位相差はほぼ９０度）の一定の位相
角差を維持しながら進んで膨張ピストン９により形成さ
れる膨張空間１０との間に放熱器５、蓄冷器６、吸熱器
７（冷凍機の場合には被冷却体を冷却する冷凍部やコー
ルドヘッド、原動機では火炎等で加熱され９００〜１０
００Ｋにされる高温熱交換器とも言う）が接続されてい
る。動作原理は、理論的には圧縮空間１での流体は、放
熱器５で放熱しながら等温的に圧縮される（等温圧縮過
程、ａ−ｂ１）。次に流体は、圧縮ピストン３が上死点
に向かうため蓄冷器６で蓄冷材で３０Ｋ（マイナス２４
３度℃）程度に冷やされ、吸熱器７、そして膨張空間１
０に一定容積で入る（等容過程、ｂ１−ｃ）。次にこの
流体は、膨張ピストン９を押す仕事をするためコーンロ
ッド１２を介しクランク２で動力として回収される（吸
熱器７で被冷却体から熱を吸収しながら、即ち冷却しな
がらの等温膨張過程、ｃ−ｄ１）。最後に膨張仕事をし
て最大になった膨張空間１０の流体は、膨張ピストン９
が下死点より上死点に向かうため押し出されて蓄冷器
６、放熱器７より膨張空間１に戻り（等容過程、ｄ１−
ａ）、１サイクルが終わる。１１はピストンリングを示
す。
シャフト２に接続し、コンロッド１２、往復動する圧縮
ピストン３により圧縮シリンダー４内で容積可変される
圧縮空間１とその容積可変の位相差が７０度から１１０
度の範囲内（最適な位相差はほぼ９０度）の一定の位相
角差を維持しながら進んで膨張ピストン９により形成さ
れる膨張空間１０との間に放熱器５、蓄冷器６、吸熱器
７（冷凍機の場合には被冷却体を冷却する冷凍部やコー
ルドヘッド、原動機では火炎等で加熱され９００〜１０
００Ｋにされる高温熱交換器とも言う）が接続されてい
る。動作原理は、理論的には圧縮空間１での流体は、放
熱器５で放熱しながら等温的に圧縮される（等温圧縮過
程、ａ−ｂ１）。次に流体は、圧縮ピストン３が上死点
に向かうため蓄冷器６で蓄冷材で３０Ｋ（マイナス２４
３度℃）程度に冷やされ、吸熱器７、そして膨張空間１
０に一定容積で入る（等容過程、ｂ１−ｃ）。次にこの
流体は、膨張ピストン９を押す仕事をするためコーンロ
ッド１２を介しクランク２で動力として回収される（吸
熱器７で被冷却体から熱を吸収しながら、即ち冷却しな
がらの等温膨張過程、ｃ−ｄ１）。最後に膨張仕事をし
て最大になった膨張空間１０の流体は、膨張ピストン９
が下死点より上死点に向かうため押し出されて蓄冷器
６、放熱器７より膨張空間１に戻り（等容過程、ｄ１−
ａ）、１サイクルが終わる。１１はピストンリングを示
す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この冷凍機の欠点（原
動機も同様）は、比較的長い（冷凍出力が８０Ｋで２０
０Ｗ程度で膨張空間が一つの場合では、図示しないガイ
ドピストンを含めて３５〜４５ｃｍの長さ）膨張ピスト
ン９の往復動作によって膨張シリンダ８との接触や共振
を起こし、機械振動を発生させ、これが吸熱器７で冷却
する被冷却体に悪い影響を与える。例えばエレクトロニ
ックスのセンサーに振動が伝わってノイズの原因となっ
ていた。膨張ピストン９を無仕事にして機械振動を少な
くしたディスプレーサ型の冷凍機や原動機を含めたスタ
ーリング機関があるが、それでも高温度や極低温度にな
る比較的長いディスプレーサを機械的に高精度で製作し
ても大きな温度変化によって寸法精度が狂い、往復動中
の接触事故が頻繁におきていた。その結果、機械振動を
発生させたり、ディスプレーサの接触摩耗で塵埃やそれ
らの分解ガスを発生させ、流体を汚染させて性能劣化の
原因となっている。更に、無数の小球体や金網の蓄冷材
からなる蓄冷器６での塵埃や不純ガスの混合流体が詰ま
り（冷凍機では沸点の高いガスの凝縮・凝固）閉塞事故
を起こしていた。更に、高い工作精度を要求される膨張
ピストンやディスプレーサ、これらのシリンダー内面仕
上げや駆動機構の製造コストは非常に高価であった。結
果として、長い膨張ピストンやディスプレーサの使用は
スターリング機関としての信頼性の低下につながってい
た。
動機も同様）は、比較的長い（冷凍出力が８０Ｋで２０
０Ｗ程度で膨張空間が一つの場合では、図示しないガイ
ドピストンを含めて３５〜４５ｃｍの長さ）膨張ピスト
ン９の往復動作によって膨張シリンダ８との接触や共振
を起こし、機械振動を発生させ、これが吸熱器７で冷却
する被冷却体に悪い影響を与える。例えばエレクトロニ
ックスのセンサーに振動が伝わってノイズの原因となっ
ていた。膨張ピストン９を無仕事にして機械振動を少な
くしたディスプレーサ型の冷凍機や原動機を含めたスタ
ーリング機関があるが、それでも高温度や極低温度にな
る比較的長いディスプレーサを機械的に高精度で製作し
ても大きな温度変化によって寸法精度が狂い、往復動中
の接触事故が頻繁におきていた。その結果、機械振動を
発生させたり、ディスプレーサの接触摩耗で塵埃やそれ
らの分解ガスを発生させ、流体を汚染させて性能劣化の
原因となっている。更に、無数の小球体や金網の蓄冷材
からなる蓄冷器６での塵埃や不純ガスの混合流体が詰ま
り（冷凍機では沸点の高いガスの凝縮・凝固）閉塞事故
を起こしていた。更に、高い工作精度を要求される膨張
ピストンやディスプレーサ、これらのシリンダー内面仕
上げや駆動機構の製造コストは非常に高価であった。結
果として、長い膨張ピストンやディスプレーサの使用は
スターリング機関としての信頼性の低下につながってい
た。
【００１０】そこで、本発明では上述したような欠点の
ないパルス管式熱機関を提供することを、その技術的課
題とする。
ないパルス管式熱機関を提供することを、その技術的課
題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の技術的
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、圧
縮空間、放熱器、蓄熱器、吸熱器、パルス管、膨張空間
等からなるパルス管式熱機関において、作動流体の圧縮
空間と膨張空間との間に、放熱器、蓄熱器、吸熱器及び
パルス管を、または放熱器、蓄熱器、吸熱器、パルス管
及び熱交換器等を連結し、前記膨張空間の容積可変を圧
縮空間の容積可変より同位相からプラス５０度の範囲内
のある一定の位相差で進めて保持した１組、または複数
組の組み合わせで冷凍機や電動機として動作させるよう
な機器構成を特徴としたことである。
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、圧
縮空間、放熱器、蓄熱器、吸熱器、パルス管、膨張空間
等からなるパルス管式熱機関において、作動流体の圧縮
空間と膨張空間との間に、放熱器、蓄熱器、吸熱器及び
パルス管を、または放熱器、蓄熱器、吸熱器、パルス管
及び熱交換器等を連結し、前記膨張空間の容積可変を圧
縮空間の容積可変より同位相からプラス５０度の範囲内
のある一定の位相差で進めて保持した１組、または複数
組の組み合わせで冷凍機や電動機として動作させるよう
な機器構成を特徴としたことである。
【００１２】
【作用】上述した本発明の技術的手段によれば、冷凍機
又は電動機として作用する。
又は電動機として作用する。
【００１３】
【実施例】図３は機器構造の単純化を目的にした本発明
のパルス管式熱機関の流路ならびに断面構造に関する実
施例を示す。熱力学的な動作過程は、図２のＴ−Ｓ線図
に挙げるが、理論的には二つの断熱過程（ａ−ｂ，ｃ−
ｄ）と二つの等容過程（ｂ−ｃ，ｄ−ａ）からなる疑似
スターリングサイクルの熱機関である。実際の動作では
非可逆過程となって鎖線（ａ−ｂｘ，ｃ−ｄｘ）の如く
なる。
のパルス管式熱機関の流路ならびに断面構造に関する実
施例を示す。熱力学的な動作過程は、図２のＴ−Ｓ線図
に挙げるが、理論的には二つの断熱過程（ａ−ｂ，ｃ−
ｄ）と二つの等容過程（ｂ−ｃ，ｄ−ａ）からなる疑似
スターリングサイクルの熱機関である。実際の動作では
非可逆過程となって鎖線（ａ−ｂｘ，ｃ−ｄｘ）の如く
なる。
【００１４】大きな特長は、図１のスターリング機関に
おいて高温度や極低温度で往復動する膨張ピストン９お
よび膨張シリンダー８を除き、その代替としてパルス管
式冷凍機において断熱過程が行われていると推定される
パルス管２１をサイクルの機器構成に導入し、断熱膨張
過程を常温の膨張ピストン２４による膨張空間２６とパ
ルス管との相乗機能によってスターリングの固体ピスト
ンに代わってガスピストンとして動作させていることで
ある。この結果、図１での膨張空間１０とクランク機構
等の常温部と、高温度や極低温度になって往復動するピ
ストン、その他の機器に、断熱のための長い距離の必要
性がなくなったことである。これにより、先のスターリ
ング機関の欠点は総て除かれた。
おいて高温度や極低温度で往復動する膨張ピストン９お
よび膨張シリンダー８を除き、その代替としてパルス管
式冷凍機において断熱過程が行われていると推定される
パルス管２１をサイクルの機器構成に導入し、断熱膨張
過程を常温の膨張ピストン２４による膨張空間２６とパ
ルス管との相乗機能によってスターリングの固体ピスト
ンに代わってガスピストンとして動作させていることで
ある。この結果、図１での膨張空間１０とクランク機構
等の常温部と、高温度や極低温度になって往復動するピ
ストン、その他の機器に、断熱のための長い距離の必要
性がなくなったことである。これにより、先のスターリ
ング機関の欠点は総て除かれた。
【００１５】詳細な説明を冷凍機でする。
【００１６】機器構成は、電磁気的、流体的に、圧縮空
間１３での流体の圧縮を、或いは図示しない電動機等で
駆動されるクランクシャフト１４の回転でコーンロッド
１５、図示しないガイドピストンを介して機械的に往復
動される圧縮ピストン１６とシリンダー１７で形成され
る流体の圧縮空間１３（吐出弁、吸入弁を有しない圧縮
機のため圧縮空間部とも言い、圧縮空間１３は、膨張空
間を含めてピストン・シリンダーに限らず、ダイアフラ
ム、ベローズなどでも形成可能）とクランクシャフト１
４にコーンロッド２５、図示しないガイドピストンを介
し、圧縮空間１３の容積可変よりも同位相から６０度の
範囲内（最適な位相差は、ほぼ２０度）のある一定の位
相差で進んで（運転条件により異なり、膨張空間の容積
変化が圧縮空間の容積変化より進んだ一定の位相差を保
持しながら運転されていることで、位相角差やクランク
角とも言う）運転される常温の膨張シンリダ２３、膨張
ピストン２４によって形成される膨張空間２６との間に
空冷や液冷等（２７）される放熱器１８、ステンレスや
ブロンズのメッシュ、無数の小球の鉛や奇土類等の蓄冷
材の詰められた蓄冷器１９、被冷却体を冷凍し冷凍を発
生する吸熱器２０およびパルス管２１を介して接続され
る。或いはパルス管２１と膨張空間２６との間に図４に
示すごとく図３の放熱器１８と一体化して製造した熱交
換器２８を介して接続する。この熱交換器２８は断熱膨
張過程に於いて発生する非可逆性によって流体の温度が
常温の膨張空間２６よりも下がるのを防ぐと同時に冷熱
を回収し、放熱器１８の放熱の負荷２７を下げる効果が
ある。さらに熱交換器２８と膨張空間２６との配管２２
−１，２２−２と熱交換器２８と圧縮空間１３との配管
２２−３，２２−４をフレキシブル管にすれば、吸熱部
２０での機械振動を完全に除くことができる。図３にお
いて、膨張空間２６と圧縮空間１３の距離は、図示しな
いが、同一のクランクケースで形成されることが多いた
め短く、図３の配管２２ａと２２ｂを同心の２重管にす
れば、それぞれ熱交換して前記の放熱器２８と同様な効
果をあげ、しかも配管系を見かけ上は１本とすることが
でき、全体としてコンパクトにまとめることができる。
間１３での流体の圧縮を、或いは図示しない電動機等で
駆動されるクランクシャフト１４の回転でコーンロッド
１５、図示しないガイドピストンを介して機械的に往復
動される圧縮ピストン１６とシリンダー１７で形成され
る流体の圧縮空間１３（吐出弁、吸入弁を有しない圧縮
機のため圧縮空間部とも言い、圧縮空間１３は、膨張空
間を含めてピストン・シリンダーに限らず、ダイアフラ
ム、ベローズなどでも形成可能）とクランクシャフト１
４にコーンロッド２５、図示しないガイドピストンを介
し、圧縮空間１３の容積可変よりも同位相から６０度の
範囲内（最適な位相差は、ほぼ２０度）のある一定の位
相差で進んで（運転条件により異なり、膨張空間の容積
変化が圧縮空間の容積変化より進んだ一定の位相差を保
持しながら運転されていることで、位相角差やクランク
角とも言う）運転される常温の膨張シンリダ２３、膨張
ピストン２４によって形成される膨張空間２６との間に
空冷や液冷等（２７）される放熱器１８、ステンレスや
ブロンズのメッシュ、無数の小球の鉛や奇土類等の蓄冷
材の詰められた蓄冷器１９、被冷却体を冷凍し冷凍を発
生する吸熱器２０およびパルス管２１を介して接続され
る。或いはパルス管２１と膨張空間２６との間に図４に
示すごとく図３の放熱器１８と一体化して製造した熱交
換器２８を介して接続する。この熱交換器２８は断熱膨
張過程に於いて発生する非可逆性によって流体の温度が
常温の膨張空間２６よりも下がるのを防ぐと同時に冷熱
を回収し、放熱器１８の放熱の負荷２７を下げる効果が
ある。さらに熱交換器２８と膨張空間２６との配管２２
−１，２２−２と熱交換器２８と圧縮空間１３との配管
２２−３，２２−４をフレキシブル管にすれば、吸熱部
２０での機械振動を完全に除くことができる。図３にお
いて、膨張空間２６と圧縮空間１３の距離は、図示しな
いが、同一のクランクケースで形成されることが多いた
め短く、図３の配管２２ａと２２ｂを同心の２重管にす
れば、それぞれ熱交換して前記の放熱器２８と同様な効
果をあげ、しかも配管系を見かけ上は１本とすることが
でき、全体としてコンパクトにまとめることができる。
【００１７】更に、理想的な動作状態に於ける動作をＴ
−Ｓ線図およびＰ−Ｖ線図の図２と図３で説明する。圧
縮空間１３の流体は、常温のａ点より等エントロピー的
に圧縮され（断熱圧縮過程）で高い温度および圧力のｂ
点になり、次に容積一定の過程でｂ１まで熱交換器１８
で常温部の冷却流体２７に放熱し、ｂ１より蓄冷器１９
に入りｃ点まで冷やされる（等容過程）。次に膨張ピス
トン２４が下死点に向かうと蓄冷器１９、吸熱部２０内
の流体は、パルス管２１と膨張空間２３の流体がピスト
ン２４を押しクランクシャフト１４を回す仕事をして膨
張しｄ点となる（断熱膨張過程で容積が最大になる）。
次に等容的に膨張空間２６の流体が配管２２を通じ、パ
ルス管２１内の流体と共に吸熱器２０で図示しない被冷
却体を冷却（ｄ−ｄ１）し、ｄ１より蓄冷器１９、放熱
器１８に入ってａ点まで暖められて圧縮空間１３に戻っ
て（等容過程）１サイクルが終わる。実際の動作過程で
は、非可逆過程をともなって鎖線（ａ−ｂｘ，ｃ−ｄ
ｘ）のようになる。
−Ｓ線図およびＰ−Ｖ線図の図２と図３で説明する。圧
縮空間１３の流体は、常温のａ点より等エントロピー的
に圧縮され（断熱圧縮過程）で高い温度および圧力のｂ
点になり、次に容積一定の過程でｂ１まで熱交換器１８
で常温部の冷却流体２７に放熱し、ｂ１より蓄冷器１９
に入りｃ点まで冷やされる（等容過程）。次に膨張ピス
トン２４が下死点に向かうと蓄冷器１９、吸熱部２０内
の流体は、パルス管２１と膨張空間２３の流体がピスト
ン２４を押しクランクシャフト１４を回す仕事をして膨
張しｄ点となる（断熱膨張過程で容積が最大になる）。
次に等容的に膨張空間２６の流体が配管２２を通じ、パ
ルス管２１内の流体と共に吸熱器２０で図示しない被冷
却体を冷却（ｄ−ｄ１）し、ｄ１より蓄冷器１９、放熱
器１８に入ってａ点まで暖められて圧縮空間１３に戻っ
て（等容過程）１サイクルが終わる。実際の動作過程で
は、非可逆過程をともなって鎖線（ａ−ｂｘ，ｃ−ｄ
ｘ）のようになる。
【００１８】尚、原動機の動作では、Ｔ−Ｓ線上での各
過程が冷凍機とは逆向きとなり、ａ点を常温としての断
熱圧縮（ｄ−ｃ）、等容過程（ｃ−ｂ）であるが、ｂ１
からｂまで吸熱器２０で７００〜１０００Ｋまで加熱さ
れる。次に断熱膨張して動力発生（断熱膨張過程、ｂ−
ａ）、クランクシャフト１４より動力が得られる。最後
に流体はａ−ｄの等容過程で、圧縮空間１３に流体が戻
って１サイクルが終わる。
過程が冷凍機とは逆向きとなり、ａ点を常温としての断
熱圧縮（ｄ−ｃ）、等容過程（ｃ−ｂ）であるが、ｂ１
からｂまで吸熱器２０で７００〜１０００Ｋまで加熱さ
れる。次に断熱膨張して動力発生（断熱膨張過程、ｂ−
ａ）、クランクシャフト１４より動力が得られる。最後
に流体はａ−ｄの等容過程で、圧縮空間１３に流体が戻
って１サイクルが終わる。
【００１９】このときの膨張空間の容積は、圧縮空間の
５０％から１２０％の範囲内であり、吸熱器２１（高温
熱交換器、ヒータチユウブとも言う）の温度が高ければ
高いほど容積を大きくすることが出来、出力の増加と共
に効率も高くなる。尚、これらの過程は、実際の動作運
転時には非効率を伴うポリトロピック過程となり、ＰＶ
線図を描かせば各過程での鋭角部は削れて滑らかにな
る。
５０％から１２０％の範囲内であり、吸熱器２１（高温
熱交換器、ヒータチユウブとも言う）の温度が高ければ
高いほど容積を大きくすることが出来、出力の増加と共
に効率も高くなる。尚、これらの過程は、実際の動作運
転時には非効率を伴うポリトロピック過程となり、ＰＶ
線図を描かせば各過程での鋭角部は削れて滑らかにな
る。
【００２０】図５には、本発明の熱機関の冷凍機の実験
によって得た位相差（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）
の関係の曲線（ａ）とスプリットのスターリングサイク
ル冷凍機（ｂ）のをそれぞれ挙げ比較する。
によって得た位相差（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）
の関係の曲線（ａ）とスプリットのスターリングサイク
ル冷凍機（ｂ）のをそれぞれ挙げ比較する。
【００２１】本発明では、最適な位相差は２０度で蓄冷
器がブロンズ金網のみで最低の到達温度は （機器の諸
元と運転条件による異なっても、は膨張空間の容積が
圧縮空間の容積の１０％で３３Ｋ、では１５％で３８
Ｋ、では２０％で４２Ｋであり、最大効率は２０度を
中心にしてマイナス１５度、プラス２５度以内で得られ
る）でで約３３Ｋであり、最大効率となる。即ち２０
度で運転すれば最大の冷凍出力が得られる。この低温生
成の可能な位相角の範囲は、０度、即ち同位相から６０
度の範囲で可能であり、この曲線内で充分な冷凍出力が
得られることを意味している。２０度を離れ６０度に近
づくに従って得られるＴｍｉｎは緩やかに上昇し、効率
も冷凍出力も減少することを意味している。２０度以下
のマイナス５度にかけての曲線は鋭角で、急に冷凍出力
が低下する。マイナス１５度になると、図示しないがＴ
ｍｉｎは急激に高くなって１００Ｋ以上に上昇する。本
発明の熱機関による冷凍機の運転では、０度以下ではマ
イナス５度が限界で、これ以下では冷凍出力が充分得ら
れないことを意味している。スターリング（ｂ）では、
最適な位相角はほぼ９０度で、これを中心にした±３０
度の範囲（６０度〜１２０度）であり、本発明の機関よ
り広い範囲で生成可能である。しかも緩やかな曲線内で
冷凍出力が得られる。しかし多少の運転条件によっても
異なるが、９０度±１０度の範囲内の効率が高い。スタ
ーリングの原動機でもこのαは同様で、ほぼ９０度で最
大効率が得られることは周知のことである。
器がブロンズ金網のみで最低の到達温度は （機器の諸
元と運転条件による異なっても、は膨張空間の容積が
圧縮空間の容積の１０％で３３Ｋ、では１５％で３８
Ｋ、では２０％で４２Ｋであり、最大効率は２０度を
中心にしてマイナス１５度、プラス２５度以内で得られ
る）でで約３３Ｋであり、最大効率となる。即ち２０
度で運転すれば最大の冷凍出力が得られる。この低温生
成の可能な位相角の範囲は、０度、即ち同位相から６０
度の範囲で可能であり、この曲線内で充分な冷凍出力が
得られることを意味している。２０度を離れ６０度に近
づくに従って得られるＴｍｉｎは緩やかに上昇し、効率
も冷凍出力も減少することを意味している。２０度以下
のマイナス５度にかけての曲線は鋭角で、急に冷凍出力
が低下する。マイナス１５度になると、図示しないがＴ
ｍｉｎは急激に高くなって１００Ｋ以上に上昇する。本
発明の熱機関による冷凍機の運転では、０度以下ではマ
イナス５度が限界で、これ以下では冷凍出力が充分得ら
れないことを意味している。スターリング（ｂ）では、
最適な位相角はほぼ９０度で、これを中心にした±３０
度の範囲（６０度〜１２０度）であり、本発明の機関よ
り広い範囲で生成可能である。しかも緩やかな曲線内で
冷凍出力が得られる。しかし多少の運転条件によっても
異なるが、９０度±１０度の範囲内の効率が高い。スタ
ーリングの原動機でもこのαは同様で、ほぼ９０度で最
大効率が得られることは周知のことである。
【００２２】以上の如く本発明は、低温で可動する膨張
ピストンやディスプレーサがなくとも充分な低温が得ら
れ、図５のαとＴｍｉｎの関係からも既存のスターリン
グ機関との熱力学的な差異が明らかである。
ピストンやディスプレーサがなくとも充分な低温が得ら
れ、図５のαとＴｍｉｎの関係からも既存のスターリン
グ機関との熱力学的な差異が明らかである。
【００２３】尚、パルス管２１は、複合材やセラミック
材でもよいが、主に熱伝導の悪いステンレス等の中空の
円筒管が用いられている。冷凍出力が７７Ｋで１００Ｗ
程度では、長さ２５〜３２ｃｍで内径２．５ｃｍ±０．
５ｃｍであり、図示しないが内部にはメッシュ等からな
る流体用の整流器が出入り口に付けられる場合があり、
原動機では膨張空間２６側の整流器は冷やされている。
また、大型化や高速化に伴って複数のパルス管を並列に
用いる場合もある。またパルス管の形状は円筒に限らず
楕円や角形、円錐形状でも可能であるが、流体が高圧に
なれば、円筒形状は肉厚を薄くすることができ、これに
よって常温からの熱侵入損失を少なくする有利さがあ
る。
材でもよいが、主に熱伝導の悪いステンレス等の中空の
円筒管が用いられている。冷凍出力が７７Ｋで１００Ｗ
程度では、長さ２５〜３２ｃｍで内径２．５ｃｍ±０．
５ｃｍであり、図示しないが内部にはメッシュ等からな
る流体用の整流器が出入り口に付けられる場合があり、
原動機では膨張空間２６側の整流器は冷やされている。
また、大型化や高速化に伴って複数のパルス管を並列に
用いる場合もある。またパルス管の形状は円筒に限らず
楕円や角形、円錐形状でも可能であるが、流体が高圧に
なれば、円筒形状は肉厚を薄くすることができ、これに
よって常温からの熱侵入損失を少なくする有利さがあ
る。
【００２４】膨張空間２６の容積は、冷凍機では圧縮空
間１３の容積の４％〜３０％の範囲内で冷凍温度によっ
て効率よく低温の生成が可能であり、所要冷凍温度が低
ければ低いほど４％に近づく。また、最適な割合は吸熱
部２０での冷凍温度や出力により異なり、更に流体の平
均動作圧力、回転数、位相差などの運転条件や配管の長
さ（配管内の死容積と圧力損失）などによって異なる。
間１３の容積の４％〜３０％の範囲内で冷凍温度によっ
て効率よく低温の生成が可能であり、所要冷凍温度が低
ければ低いほど４％に近づく。また、最適な割合は吸熱
部２０での冷凍温度や出力により異なり、更に流体の平
均動作圧力、回転数、位相差などの運転条件や配管の長
さ（配管内の死容積と圧力損失）などによって異なる。
【００２５】膨張空間２６の圧縮空間１３に対する割合
は、冷凍温度が２００Ｋで３０％、１５０Ｋで２０％、
１００Ｋで１６％、７７Ｋで１０％、３０Ｋで８％がお
よその割合で、３０Ｋ以下では４％に近づく。４％以下
でも低温生成が可能であるが、成績係数が大幅に低下す
る。原動機では、加熱温度が高くなるに従って膨張空間
の容積が１２０％に近づく。
は、冷凍温度が２００Ｋで３０％、１５０Ｋで２０％、
１００Ｋで１６％、７７Ｋで１０％、３０Ｋで８％がお
よその割合で、３０Ｋ以下では４％に近づく。４％以下
でも低温生成が可能であるが、成績係数が大幅に低下す
る。原動機では、加熱温度が高くなるに従って膨張空間
の容積が１２０％に近づく。
【００２６】冷凍出力が７７Ｋで１００Ｗの時の諸元の
１例を示す。
１例を示す。
【００２７】パルス管：ステンレスで３ｃｍφ、長さ３
０ｃｍ、蓄冷器：ステンレスの２００メッシュ３．８ｃ
ｍφ、８００枚。圧縮空間の容積：９００ｃｃ。膨張空
間の容積：９０ｃｃ。回転数：２４０ｒｐｍ。作動平均
圧力（Ｈｅ）：１７．５ａｔａ。位相差：２１度。最低
到達温度：３２Ｋ。入力：３．３ｋＷ。性能指数：３３
００／１００＝３３。成績係数：１／３３＝０．０３。
０ｃｍ、蓄冷器：ステンレスの２００メッシュ３．８ｃ
ｍφ、８００枚。圧縮空間の容積：９００ｃｃ。膨張空
間の容積：９０ｃｃ。回転数：２４０ｒｐｍ。作動平均
圧力（Ｈｅ）：１７．５ａｔａ。位相差：２１度。最低
到達温度：３２Ｋ。入力：３．３ｋＷ。性能指数：３３
００／１００＝３３。成績係数：１／３３＝０．０３。
【００２８】効率を％カルノー値で表すと、η％＝（３
００−７７）／７７／３３＊１００％＝８．８％とな
る。同出力のギホード・マクマホンサイクル冷凍機とほ
ぼ同じ値である。
００−７７）／７７／３３＊１００％＝８．８％とな
る。同出力のギホード・マクマホンサイクル冷凍機とほ
ぼ同じ値である。
【００２９】本発明の熱機関による冷凍機の効率は、開
発の初期段階でありながら非常に高いことが明らかであ
る。
発の初期段階でありながら非常に高いことが明らかであ
る。
【００３０】尚、吸熱部（コールドヘッドとも言う）２
０の膨張空間２６や圧縮空間１３の機構部からの機械振
動を防止するため図３に示す常温の配管２２ａと２２ｂ
とを１〜２ｍのフレキシブル管にすれば無振動化が容易
である。但し、フレキシブル管の距離が長くなると、配
管内の死容積が増えるのと長さによる圧力損失によって
圧縮空間１３内での流体の圧縮比が低下するため、冷凍
出力は配管の長さが長くなるに従って減少する。上記の
冷凍機の諸元では、１ｍの長さで約８％低下する。しか
し、他のどのサイクルの冷凍機にもある吸熱器の数μか
ら拾数μの機械的な振動を、本発明では、吸熱部の近く
に低温ピストン等の可動機構を必要としないことと、フ
レキシブル管の使用で完全に取り除くことが可能であ
る。
０の膨張空間２６や圧縮空間１３の機構部からの機械振
動を防止するため図３に示す常温の配管２２ａと２２ｂ
とを１〜２ｍのフレキシブル管にすれば無振動化が容易
である。但し、フレキシブル管の距離が長くなると、配
管内の死容積が増えるのと長さによる圧力損失によって
圧縮空間１３内での流体の圧縮比が低下するため、冷凍
出力は配管の長さが長くなるに従って減少する。上記の
冷凍機の諸元では、１ｍの長さで約８％低下する。しか
し、他のどのサイクルの冷凍機にもある吸熱器の数μか
ら拾数μの機械的な振動を、本発明では、吸熱部の近く
に低温ピストン等の可動機構を必要としないことと、フ
レキシブル管の使用で完全に取り除くことが可能であ
る。
【００３１】尚、原動機ではフレキシブル管の使用は効
率が大幅に低下する。即ち、短ければ短いほど効率は良
い。また、所要冷凍温度が３０Ｋよりも低い場合には、
蓄冷器１９の無数の鉛の小球の奇土類の蓄冷材を詰め、
膨張空間２６の圧縮空間１３に対する容積の割合を小さ
くすれば容易に得られる。但し、所要冷凍温度が低下す
るに従って容積の割合は小さくなり、効率は大幅に低下
する。２７はピストンリングであり、１９，２０，２１
は多重に輻射遮蔽され真空で断熱されるが、原動機では
常圧の断熱方式でもよい。
率が大幅に低下する。即ち、短ければ短いほど効率は良
い。また、所要冷凍温度が３０Ｋよりも低い場合には、
蓄冷器１９の無数の鉛の小球の奇土類の蓄冷材を詰め、
膨張空間２６の圧縮空間１３に対する容積の割合を小さ
くすれば容易に得られる。但し、所要冷凍温度が低下す
るに従って容積の割合は小さくなり、効率は大幅に低下
する。２７はピストンリングであり、１９，２０，２１
は多重に輻射遮蔽され真空で断熱されるが、原動機では
常圧の断熱方式でもよい。
【００３２】尚、圧縮空間１３の容積が膨張空間２６に
較べて非常に大きくなるため、スターリング機関で実施
されているような、圧縮空間の容積１３を二つに分割
し、その圧縮空間を形成する二つの圧縮ピストンを水平
対向型に配置して駆動させれば、二つの圧縮空間の容積
変化が同位相で行われるため、機械的な動バランスの良
さから、常温の圧縮部はより低振動化が計れる。また、
本発明の熱機関を複数組に組み合わせて製作すれば、低
振動化と共に効率がより向上するとは容易に理解でき
る。
較べて非常に大きくなるため、スターリング機関で実施
されているような、圧縮空間の容積１３を二つに分割
し、その圧縮空間を形成する二つの圧縮ピストンを水平
対向型に配置して駆動させれば、二つの圧縮空間の容積
変化が同位相で行われるため、機械的な動バランスの良
さから、常温の圧縮部はより低振動化が計れる。また、
本発明の熱機関を複数組に組み合わせて製作すれば、低
振動化と共に効率がより向上するとは容易に理解でき
る。
【００３３】低温原動機にして動作させるには、冷凍機
動作のときの２６の膨張空間で流体を圧縮し、吸熱部２
０を例えば液化天然ガス（メタン１気圧の沸点１１２
Ｋ）で冷却し、放熱器１８を海水や温水で２７４〜３７
３Ｋ温度に加熱すると圧縮空間１３が断熱膨張空間とな
って圧縮ピストン１６が膨張仕事をするためクランクシ
ャフト１４を回転させる。即ち動力を発生させる。この
時の膨張空間の圧縮空間の容積に対する割合は、サイク
ルが逆の右回りになるので、冷凍機の場合の圧縮空間を
膨張空間に、膨張空間を圧縮空間にすればよい。
動作のときの２６の膨張空間で流体を圧縮し、吸熱部２
０を例えば液化天然ガス（メタン１気圧の沸点１１２
Ｋ）で冷却し、放熱器１８を海水や温水で２７４〜３７
３Ｋ温度に加熱すると圧縮空間１３が断熱膨張空間とな
って圧縮ピストン１６が膨張仕事をするためクランクシ
ャフト１４を回転させる。即ち動力を発生させる。この
時の膨張空間の圧縮空間の容積に対する割合は、サイク
ルが逆の右回りになるので、冷凍機の場合の圧縮空間を
膨張空間に、膨張空間を圧縮空間にすればよい。
【００３４】理論効率ηは加熱温度を３７３Ｋとすれ
ば、η＝１−（１１２／３７３）＝０．７となり、実効
率はスターリング機関と同様にほぼこの半分の３０％が
得られ、本発明は液化メタンを蒸発させて都市ガスに供
給するときの発電型蒸発器システムに適応でき、これは
スターリング機関に代わって応用可能である。
ば、η＝１−（１１２／３７３）＝０．７となり、実効
率はスターリング機関と同様にほぼこの半分の３０％が
得られ、本発明は液化メタンを蒸発させて都市ガスに供
給するときの発電型蒸発器システムに適応でき、これは
スターリング機関に代わって応用可能である。
【００３５】
【発明の効果】本発明をスターリング機関やその他の冷
凍機との比較で整理する。
凍機との比較で整理する。
【００３６】イ）比較的に長い低温や高温度で往復同さ
せるディスプレーサや膨張ピストンを使用しなくとも比
較的高い効率が得られる。
せるディスプレーサや膨張ピストンを使用しなくとも比
較的高い効率が得られる。
【００３７】ロ）低温・高温の可動部やこの駆動機構が
ないため、ピストンとシリンダーの接触による塵埃の発
生がなくなった。このため作動流体の汚染がなくなり、
長期間にわたり性能が安定し、且つ機械的な部品数の低
下で信頼性が大きく向上した。
ないため、ピストンとシリンダーの接触による塵埃の発
生がなくなった。このため作動流体の汚染がなくなり、
長期間にわたり性能が安定し、且つ機械的な部品数の低
下で信頼性が大きく向上した。
【００３８】ハ）膨張および圧縮ピストンが常温部のみ
の往復運動であり、既存の機関に較べて常温部での振動
・騒音が非常に少なくなった。
の往復運動であり、既存の機関に較べて常温部での振動
・騒音が非常に少なくなった。
【００３９】ニ）冷凍機において、被冷却体に与えてい
た吸熱部２０での機械的な振動が完全に除去され、特に
エレクトロニックスシステムへの応用の期待が高まっ
た。
た吸熱部２０での機械的な振動が完全に除去され、特に
エレクトロニックスシステムへの応用の期待が高まっ
た。
【００４０】ホ）冷凍機構造の単純化によってシステム
応用での信頼性の向上の期待が高まった。
応用での信頼性の向上の期待が高まった。
【００４１】ヘ）本発明は、低温可動部を必要としない
ため、常温の流体機械と同様に、既存技術で容易に製作
できるようになった。
ため、常温の流体機械と同様に、既存技術で容易に製作
できるようになった。
【００４２】ト）機器構造が単純で、部品数の低下と共
に精密加工を要する部品・機構がなくなったため、製造
価格が大幅に低下し、高信頼度の冷凍機や原動機が安価
で提供できる。
に精密加工を要する部品・機構がなくなったため、製造
価格が大幅に低下し、高信頼度の冷凍機や原動機が安価
で提供できる。
【００４３】チ）単サイクルでも複数サイクルに複合し
ても製作できるため、用途に応じて冷凍温度や冷凍出力
を調整し、且つ、効率もより高めることなどが容易にな
った。
ても製作できるため、用途に応じて冷凍温度や冷凍出力
を調整し、且つ、効率もより高めることなどが容易にな
った。
【００４４】リ）高価な製作費を要し、且つ壊れ易い比
較的長い膨張ピストンやディスプレーサがなくなったた
め、装置の移動に伴う取扱いが容易になった。また運転
操作も同様に容易になった。
較的長い膨張ピストンやディスプレーサがなくなったた
め、装置の移動に伴う取扱いが容易になった。また運転
操作も同様に容易になった。
【図１】Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ方式のスターリングサイク
ルの構造を示す。
ルの構造を示す。
【図２】Ｐ−Ｖ線図およびＴ−Ｓ線図を示す。
【図３】本発明のパルス管式熱機関の流路ならびに断面
構造を示す。
構造を示す。
【図４】本発明のパルス管式熱機関の流路ならびに断面
構造を示す。
構造を示す。
【図５】本発明の熱機関の冷凍機の実験によって得た位
相差（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）の関係の曲線
（ａ）とスプリットのスターリングサイクル冷凍機にお
ける（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）の関係の曲線
（ｂ）のをそれぞれ示す。
相差（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）の関係の曲線
（ａ）とスプリットのスターリングサイクル冷凍機にお
ける（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）の関係の曲線
（ｂ）のをそれぞれ示す。
１３ 圧縮空間、 １８ 放熱器、 ２０ 吸熱部、 ２１ パルス管、 ２６ 膨張空間、
【手続補正書】
【提出日】平成３年１１月２２日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 パルス管式熱機関
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パルス管式冷凍機の断
熱過程に用いられている主機器であるパルス管をスター
リングサイクル機関に導入して、理想的な動作では二つ
の等容と二つの断熱過程からなる熱サイクル（疑似的な
スターリングサイクル）を構成し、スターリングサイク
ル機関の冷凍機や原動機で必要不可欠であった低温度や
高温度で往復動させていた膨張ピストンやディスプレー
サを一切必要としない単純構造で、しかも高効率で高信
頼度の安価な冷凍機や原動機の提供を可能としたパルス
管式熱機関に関するものである。
熱過程に用いられている主機器であるパルス管をスター
リングサイクル機関に導入して、理想的な動作では二つ
の等容と二つの断熱過程からなる熱サイクル（疑似的な
スターリングサイクル）を構成し、スターリングサイク
ル機関の冷凍機や原動機で必要不可欠であった低温度や
高温度で往復動させていた膨張ピストンやディスプレー
サを一切必要としない単純構造で、しかも高効率で高信
頼度の安価な冷凍機や原動機の提供を可能としたパルス
管式熱機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】パルス管式冷凍機は、１９６３年 Ｗ．
Ｅ Ｇｉｆｆｏｒｄらにより初めて提案された。この低
温生成の方式は、機器構成が単純で、然も低温部に可動
部分がないため吸熱器（コールドヘッドとも言う）での
機械的振動がないことと、信頼性が高い冷凍機として実
用化への期待が高かった。しかしながら低温生成は作動
流体の非平衡状態の特性を動作原理としているため、実
際の動作状態での方程式を導き、サイクルとしての解析
を困難にしている。また、熱音響学的な視点やその他か
ら論文が発表されているが、いづれも条件に近似が多
く、その動作原理は理論的には確立されたとは言えない
のが現状である。然も実際には低い効率であるが低温生
成が可能なことは実証されている。
Ｅ Ｇｉｆｆｏｒｄらにより初めて提案された。この低
温生成の方式は、機器構成が単純で、然も低温部に可動
部分がないため吸熱器（コールドヘッドとも言う）での
機械的振動がないことと、信頼性が高い冷凍機として実
用化への期待が高かった。しかしながら低温生成は作動
流体の非平衡状態の特性を動作原理としているため、実
際の動作状態での方程式を導き、サイクルとしての解析
を困難にしている。また、熱音響学的な視点やその他か
ら論文が発表されているが、いづれも条件に近似が多
く、その動作原理は理論的には確立されたとは言えない
のが現状である。然も実際には低い効率であるが低温生
成が可能なことは実証されている。
【０００３】ここでは、動作原理の説明は除くが、その
サイクルの機器構成では、金属、または複合材料の中空
の円筒管である単純形状のパルス管が主構成要素であっ
て断熱過程を担っていることは明らかである。サイクル
動作において流体は、圧縮空間とバッファータンク内と
の移動時にパルス管内で圧力変化の位 相がずれて低温生
成が行われていると考えられる。
サイクルの機器構成では、金属、または複合材料の中空
の円筒管である単純形状のパルス管が主構成要素であっ
て断熱過程を担っていることは明らかである。サイクル
動作において流体は、圧縮空間とバッファータンク内と
の移動時にパルス管内で圧力変化の位 相がずれて低温生
成が行われていると考えられる。
【０００４】この方式の特長は、この機関構成のみでは
原動機として動作させるとこは不可能であるが、冷凍機
としては、低温度で往復動する膨張ピストンを用いずに
低温生成ができることにある。
原動機として動作させるとこは不可能であるが、冷凍機
としては、低温度で往復動する膨張ピストンを用いずに
低温生成ができることにある。
【０００５】本発明はこのパルス管を後で述べるスター
リングサイクルの機器構成の中に導入した改良型スター
リングサイクルの熱機関についてである。
リングサイクルの機器構成の中に導入した改良型スター
リングサイクルの熱機関についてである。
【０００６】一方、スターリングサイクルは、理論的に
は二つの等温過程と二つの等容過程からなる理想サイク
ルであって、実働機関においては、作動流体（ヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、窒素、水素、空気等、或いは混
合気体、以後、流体と言う）にヘリウムや水素を使用す
る閉サイクル機関である。冷凍機としての動作では、他
の如何なる冷凍サイクルよりも効率が高く、また原動機
にしても他の機関よりも振動騒音が低く効率も高いこと
が知られている。
は二つの等温過程と二つの等容過程からなる理想サイク
ルであって、実働機関においては、作動流体（ヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、窒素、水素、空気等、或いは混
合気体、以後、流体と言う）にヘリウムや水素を使用す
る閉サイクル機関である。冷凍機としての動作では、他
の如何なる冷凍サイクルよりも効率が高く、また原動機
にしても他の機関よりも振動騒音が低く効率も高いこと
が知られている。
【０００７】Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ方式のスターリングサ
イクルの構造を図１に、Ｐ−Ｖ線図およびＴ−Ｓ線図を
図２に挙げ、冷凍機の場合で説明する。
イクルの構造を図１に、Ｐ−Ｖ線図およびＴ−Ｓ線図を
図２に挙げ、冷凍機の場合で説明する。
【０００８】図示しない電動機等で駆動されるクランク
シャフト２に接続し、コンロッド１２、往復動する圧縮
ピストン３により圧縮シリンダー４内で容積可変される
圧縮空間１とその容積可変の位相差が７０度から１１０
度の範囲内（最適な位相差はほぼ９０度）の一定の位相
角差を維持しながら進んで膨張ピストン９により形成さ
れる膨張空間１０との間に放熱器５、蓄冷器６、吸熱器
７（原 動機では火炎等で加熱され ９００〜１０００Ｋに
され る高温熱交換器、またはヒ ータとも言う）が接続さ
れている。動作原理は、理論的には圧縮空間１での流体
は、放熱器５で放熱しながら等温的に圧縮される（等温
圧縮過程、ａ−ｂ１）。次に流体は、圧縮ピストン３が
上死点に向かうため蓄冷器６の蓄冷材で３０Ｋ（マイナ
ス２４３度℃）程度に冷やされ、吸熱器７、そして膨張
空間１０に一定容積で入る（等容過程、ｂ１−ｃ）。次
にこの流体は、膨張ピストン９を押す仕事をするためコ
ンロッド１２を介しクランク２で動力として回収される
（吸熱器７で被冷却体から熱を吸収しながら、即ち冷却
しながらの等温膨張過程、ｃ−ｄ１）。最後に膨張仕事
をして最大になった膨張空間１０の流体は、膨張ピスト
ン９が下死点より上死点に向かうため押し出されて蓄冷
器６、放熱器７より膨張空間１に戻り（等容過程、ｄ１
−ａ）、１サイクルが終わる。１１はピストンリングを
示す。
シャフト２に接続し、コンロッド１２、往復動する圧縮
ピストン３により圧縮シリンダー４内で容積可変される
圧縮空間１とその容積可変の位相差が７０度から１１０
度の範囲内（最適な位相差はほぼ９０度）の一定の位相
角差を維持しながら進んで膨張ピストン９により形成さ
れる膨張空間１０との間に放熱器５、蓄冷器６、吸熱器
７（原 動機では火炎等で加熱され ９００〜１０００Ｋに
され る高温熱交換器、またはヒ ータとも言う）が接続さ
れている。動作原理は、理論的には圧縮空間１での流体
は、放熱器５で放熱しながら等温的に圧縮される（等温
圧縮過程、ａ−ｂ１）。次に流体は、圧縮ピストン３が
上死点に向かうため蓄冷器６の蓄冷材で３０Ｋ（マイナ
ス２４３度℃）程度に冷やされ、吸熱器７、そして膨張
空間１０に一定容積で入る（等容過程、ｂ１−ｃ）。次
にこの流体は、膨張ピストン９を押す仕事をするためコ
ンロッド１２を介しクランク２で動力として回収される
（吸熱器７で被冷却体から熱を吸収しながら、即ち冷却
しながらの等温膨張過程、ｃ−ｄ１）。最後に膨張仕事
をして最大になった膨張空間１０の流体は、膨張ピスト
ン９が下死点より上死点に向かうため押し出されて蓄冷
器６、放熱器７より膨張空間１に戻り（等容過程、ｄ１
−ａ）、１サイクルが終わる。１１はピストンリングを
示す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】この冷凍機の欠点（原
動機も同様）は、比較的長い（冷凍出力が８０Ｋで２０
０Ｗ程度で膨張空間が一つの場合では、図示しないガイ
ドピストンを含めて３５〜４５ｃｍの長さ）膨張ピスト
ン９の往復動作によって膨張シリンダ８との接触や共振
を起こし、機械振動を発生させ、これが吸熱器７で冷却
する被冷却体に悪い影響を与える。例えばエレクトロニ
ックスのセンサーに振動が伝わってノイズの原因となっ
ていた。膨張ピストン９を無仕事にして機械振動を少な
くしたディスプレーサ型の冷凍機や原動機を含めたスタ
ーリング機関があるが、それでも高温度や極低温度にな
る比較的長いディスプレーサを機械的に高精度で製作し
ても大きな温度変化によって寸法精度が狂い、往復動中
の接触事故が頻繁におきていた。その結果、機械振動を
発生させたり、ディスプレーサの接触摩耗で塵埃やそれ
らの分解ガスを発生させ、流体を汚染させて性能劣化の
原因となっている。更に、無数の小球体や金網の蓄冷材
からなる蓄冷器６での塵埃や不純ガスの混合流体が詰ま
り（冷凍機では沸点の高いガスの凝縮・凝固）閉塞事故
を起こしていた。更に、高い工作精度を要求される膨張
ピストンやディスプレーサ、これらのシリンダー内面仕
上げや駆動機構の製造コストは非常に高価であった。結
果として、長い膨張ピストンやディスプレーサの使用は
スターリング機関としての信頼性の低下につながってい
た。
動機も同様）は、比較的長い（冷凍出力が８０Ｋで２０
０Ｗ程度で膨張空間が一つの場合では、図示しないガイ
ドピストンを含めて３５〜４５ｃｍの長さ）膨張ピスト
ン９の往復動作によって膨張シリンダ８との接触や共振
を起こし、機械振動を発生させ、これが吸熱器７で冷却
する被冷却体に悪い影響を与える。例えばエレクトロニ
ックスのセンサーに振動が伝わってノイズの原因となっ
ていた。膨張ピストン９を無仕事にして機械振動を少な
くしたディスプレーサ型の冷凍機や原動機を含めたスタ
ーリング機関があるが、それでも高温度や極低温度にな
る比較的長いディスプレーサを機械的に高精度で製作し
ても大きな温度変化によって寸法精度が狂い、往復動中
の接触事故が頻繁におきていた。その結果、機械振動を
発生させたり、ディスプレーサの接触摩耗で塵埃やそれ
らの分解ガスを発生させ、流体を汚染させて性能劣化の
原因となっている。更に、無数の小球体や金網の蓄冷材
からなる蓄冷器６での塵埃や不純ガスの混合流体が詰ま
り（冷凍機では沸点の高いガスの凝縮・凝固）閉塞事故
を起こしていた。更に、高い工作精度を要求される膨張
ピストンやディスプレーサ、これらのシリンダー内面仕
上げや駆動機構の製造コストは非常に高価であった。結
果として、長い膨張ピストンやディスプレーサの使用は
スターリング機関としての信頼性の低下につながってい
た。
【００１０】そこで、本発明では上述したような欠点の
ないパルス管式可逆サイクルの熱機関を提供すること
を、その技術的課題とする。
ないパルス管式可逆サイクルの熱機関を提供すること
を、その技術的課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の技術的
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、圧
縮空間、放熱器、蓄熱器（蓄冷器）、吸熱器（コールド
ヘッド）、パルス管、膨張空間等からなるパルス管式熱
機関において、作動流体の圧縮空間と膨張空間との間
に、放熱器、蓄熱器（蓄冷器）、吸熱器（コールドヘッ
ド）及びパルス管を、または膨張空間周りに熱交換器を
連結し、前記膨張空間の容積可変を圧縮空間の容積可変
より同位相からプラス５０度の範囲内のある一定の位相
差で進角させた原動機（冷凍機、ヒートポンプ）として
動作させるような機器構成を特徴とするパルス管式熱機
関としたことである。
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、圧
縮空間、放熱器、蓄熱器（蓄冷器）、吸熱器（コールド
ヘッド）、パルス管、膨張空間等からなるパルス管式熱
機関において、作動流体の圧縮空間と膨張空間との間
に、放熱器、蓄熱器（蓄冷器）、吸熱器（コールドヘッ
ド）及びパルス管を、または膨張空間周りに熱交換器を
連結し、前記膨張空間の容積可変を圧縮空間の容積可変
より同位相からプラス５０度の範囲内のある一定の位相
差で進角させた原動機（冷凍機、ヒートポンプ）として
動作させるような機器構成を特徴とするパルス管式熱機
関としたことである。
【００１２】
【作用】上述した本発明の技術的手段によれば、効率の
高い原動機、冷凍機またはヒートポンプとして作用す
る。
高い原動機、冷凍機またはヒートポンプとして作用す
る。
【００１３】
【実施例】図３は機器構造の単純化を目的にした本発明
のパルス管式熱機関の流路ならびに断面構造に関する実
施例を示す。熱力学的な動作過程は、図２のＴ−Ｓ線図
に挙げるが、理論的には二つの断熱過程（ａ−ｂ，ｃ−
ｄ）と二つの等容過程（ｂ−ｃ，ｄ−ａ）からなる疑似
スターリングサイクルの熱機関である。実際の動作では
一部非可逆過程を伴って鎖線（ａ−ｂｘ，ｃ−ｄｘ）の
如くなる。
のパルス管式熱機関の流路ならびに断面構造に関する実
施例を示す。熱力学的な動作過程は、図２のＴ−Ｓ線図
に挙げるが、理論的には二つの断熱過程（ａ−ｂ，ｃ−
ｄ）と二つの等容過程（ｂ−ｃ，ｄ−ａ）からなる疑似
スターリングサイクルの熱機関である。実際の動作では
一部非可逆過程を伴って鎖線（ａ−ｂｘ，ｃ−ｄｘ）の
如くなる。
【００１４】大きな特長は、図１のスターリング機関に
おいて高温度や極低温度で往復動する膨張ピストン９お
よび膨張シリンダー８を除き、その代替としてパルス管
式冷凍機において断熱過程が行われていると推定される
パルス管２１をサイクルの機器構成に導入し、断熱膨張
過程を常温の膨張ピストン２４による膨張空間２６とパ
ルス管との相乗機能によってスターリングの固体ピスト
ンに代わってガスピストンとして動作させていることで
ある。この結果、図１での膨張空間１０とクランク機構
等の常温部と、高温度や極低温度になって往復動するピ
ストン、その他の機器に、断熱のための長い距離の必要
性がなくなったことである。これにより、先のスターリ
ング機関の欠点は総て除かれた。
おいて高温度や極低温度で往復動する膨張ピストン９お
よび膨張シリンダー８を除き、その代替としてパルス管
式冷凍機において断熱過程が行われていると推定される
パルス管２１をサイクルの機器構成に導入し、断熱膨張
過程を常温の膨張ピストン２４による膨張空間２６とパ
ルス管との相乗機能によってスターリングの固体ピスト
ンに代わってガスピストンとして動作させていることで
ある。この結果、図１での膨張空間１０とクランク機構
等の常温部と、高温度や極低温度になって往復動するピ
ストン、その他の機器に、断熱のための長い距離の必要
性がなくなったことである。これにより、先のスターリ
ング機関の欠点は総て除かれた。
【００１５】次に、冷凍機を一実施 例として実施例の説
明をす る。
明をす る。
【００１６】機器構成は、電磁気的、流体的に、圧縮空
間１３での流体の圧縮を、或いは図示しない電動機等で
駆動されるクランクシャフト１４の回転でコ ンロッド１
５、図示しないガイドピストンを介して機械的に往復動
される圧縮ピストン１６とシリンダー１７で形成される
流体の圧縮空間１３（吐出弁、吸入弁を有しない圧縮機
のため圧縮空間部とも言い、圧縮空間１３は、膨張空間
を含めてピストン・シリンダーに限らず、ダイアフラ
ム、ベローズなどでも形成可能）とクランクシャフト１
４にコンロッ ド２５、図示しないガイドピストンを介
し、圧縮空間１３の容積可変よりも同位相から６０度の
範囲内（最適な位相差は、ほぼ２０度）のある一定の位
相差で進んで（運転条件により異なり、膨張空間の容積
変化が圧縮空間の容積変化より進んだ一定の位相差を保
持しながら運転されていることで、位相角差やクランク
角とも言う）運転される常温の膨張シンリダ２３、膨張
ピストン２４によって形成される膨張空間２６との間に
空冷や液冷等（２７）される放熱器１８、ステンレスや
ブロンズのメッシュ、無数の小球の鉛や奇土類等の蓄冷
材の詰められた蓄冷器１９、被冷却体を冷凍し冷凍を発
生する吸熱器２０（コ ールドヘッドとも言う）およびパ
ルス管２１を介して接続される。或いはパルス管２１と
膨張空間２６との間に図４に示すごとく図３の放熱器１
８と一体化して製造した熱交換器２８を介して接続す
る。この熱交換器２８は断熱膨張過程に於いて発生する
非可逆性によって流体の温度が常温の膨張空間２６より
も下がるのを防ぐと同時に冷熱を回収し、放熱器１８の
放熱の負荷２７を下げる効果がある。さらに熱交換器２
８と膨張空間２６との配管２２−１，２２−２と熱交換
器２８と圧縮空間１３との配管２２−３，２２−４をフ
レキシブル管にすれば、吸熱器２０での機械振動を完全
に除くことができる。図３において、膨張空間２６と圧
縮空間１３の距離は、図示しないが、同一のクランクケ
ースで形成されることが多いため短く、図３の配管２２
ａと２２ｂを同心の２重管にすれば、それぞれ熱交換し
て前記の放熱器２８と同様な効果をあげ、しかも配管系
を見かけ上は１本とすることができ、全体としてコンパ
クトにまとめることができる。
間１３での流体の圧縮を、或いは図示しない電動機等で
駆動されるクランクシャフト１４の回転でコ ンロッド１
５、図示しないガイドピストンを介して機械的に往復動
される圧縮ピストン１６とシリンダー１７で形成される
流体の圧縮空間１３（吐出弁、吸入弁を有しない圧縮機
のため圧縮空間部とも言い、圧縮空間１３は、膨張空間
を含めてピストン・シリンダーに限らず、ダイアフラ
ム、ベローズなどでも形成可能）とクランクシャフト１
４にコンロッ ド２５、図示しないガイドピストンを介
し、圧縮空間１３の容積可変よりも同位相から６０度の
範囲内（最適な位相差は、ほぼ２０度）のある一定の位
相差で進んで（運転条件により異なり、膨張空間の容積
変化が圧縮空間の容積変化より進んだ一定の位相差を保
持しながら運転されていることで、位相角差やクランク
角とも言う）運転される常温の膨張シンリダ２３、膨張
ピストン２４によって形成される膨張空間２６との間に
空冷や液冷等（２７）される放熱器１８、ステンレスや
ブロンズのメッシュ、無数の小球の鉛や奇土類等の蓄冷
材の詰められた蓄冷器１９、被冷却体を冷凍し冷凍を発
生する吸熱器２０（コ ールドヘッドとも言う）およびパ
ルス管２１を介して接続される。或いはパルス管２１と
膨張空間２６との間に図４に示すごとく図３の放熱器１
８と一体化して製造した熱交換器２８を介して接続す
る。この熱交換器２８は断熱膨張過程に於いて発生する
非可逆性によって流体の温度が常温の膨張空間２６より
も下がるのを防ぐと同時に冷熱を回収し、放熱器１８の
放熱の負荷２７を下げる効果がある。さらに熱交換器２
８と膨張空間２６との配管２２−１，２２−２と熱交換
器２８と圧縮空間１３との配管２２−３，２２−４をフ
レキシブル管にすれば、吸熱器２０での機械振動を完全
に除くことができる。図３において、膨張空間２６と圧
縮空間１３の距離は、図示しないが、同一のクランクケ
ースで形成されることが多いため短く、図３の配管２２
ａと２２ｂを同心の２重管にすれば、それぞれ熱交換し
て前記の放熱器２８と同様な効果をあげ、しかも配管系
を見かけ上は１本とすることができ、全体としてコンパ
クトにまとめることができる。
【００１７】更に、理想的な動作状態に於ける動作をＴ
−Ｓ線図およびＰ−Ｖ線図の図２と図３で説明する。圧
縮空間１３の流体は、常温のａ点より等エントロピー的
に圧縮され（断熱圧縮過程）て高い温度および圧力のｂ
点になり、次に容積一定の過程でｂ１まで熱交換器１８
で常温部の冷却流体２７に放熱し、ｂ１より蓄冷器１９
に入りｃ点まで冷やされる（等容過程）。次に膨張ピス
トン２４が下死点に向かうと蓄冷器１９、吸熱器２０内
の流体は、パルス管２１と膨張空間２３の流体がピスト
ン２４を押しクランクシャフト１４を回す仕事をして膨
張しｄ点となる（断熱膨張過程で容積が最大になる）。
次に等容的に膨張空間２６の流体が配管２２を通じ、パ
ルス管２１内の流体と共に吸熱器２０で図示しない被冷
却体を冷却（ｄ−ｄ１）し、ｄ１より蓄冷器１９、放熱
器１８に入ってａ点まで暖められて圧縮空間１３に戻っ
て（等容過程）１サイクルが終わる。実際の動作過程で
は、一部非可逆過 程を伴って鎖線（ａ−ｂｘ，ｃ−ｄ
ｘ）のようになる。
−Ｓ線図およびＰ−Ｖ線図の図２と図３で説明する。圧
縮空間１３の流体は、常温のａ点より等エントロピー的
に圧縮され（断熱圧縮過程）て高い温度および圧力のｂ
点になり、次に容積一定の過程でｂ１まで熱交換器１８
で常温部の冷却流体２７に放熱し、ｂ１より蓄冷器１９
に入りｃ点まで冷やされる（等容過程）。次に膨張ピス
トン２４が下死点に向かうと蓄冷器１９、吸熱器２０内
の流体は、パルス管２１と膨張空間２３の流体がピスト
ン２４を押しクランクシャフト１４を回す仕事をして膨
張しｄ点となる（断熱膨張過程で容積が最大になる）。
次に等容的に膨張空間２６の流体が配管２２を通じ、パ
ルス管２１内の流体と共に吸熱器２０で図示しない被冷
却体を冷却（ｄ−ｄ１）し、ｄ１より蓄冷器１９、放熱
器１８に入ってａ点まで暖められて圧縮空間１３に戻っ
て（等容過程）１サイクルが終わる。実際の動作過程で
は、一部非可逆過 程を伴って鎖線（ａ−ｂｘ，ｃ−ｄ
ｘ）のようになる。
【００１８】尚、原動機の動作では、Ｔ−Ｓ線上での各
過程が冷凍機とは逆向きとなり、ａ点を常温としての断
熱圧縮（ｄ−ｃ）、等容過程（ｃ−ｂ）であるが、ｂ１
からｂまで吸熱器２０で７００〜１０００Ｋまで加熱さ
れる。次に断熱膨張して動力発生（断熱膨張過程、ｂ−
ａ）、クランクシャフト１４より動力が得られる。最後
に流体はａ−ｄの等容過程で、圧縮空間１３に流体が戻
って１サイクルが終わる。
過程が冷凍機とは逆向きとなり、ａ点を常温としての断
熱圧縮（ｄ−ｃ）、等容過程（ｃ−ｂ）であるが、ｂ１
からｂまで吸熱器２０で７００〜１０００Ｋまで加熱さ
れる。次に断熱膨張して動力発生（断熱膨張過程、ｂ−
ａ）、クランクシャフト１４より動力が得られる。最後
に流体はａ−ｄの等容過程で、圧縮空間１３に流体が戻
って１サイクルが終わる。
【００１９】このときの膨張空間の容積は、圧縮空間の
５０％から１２０％の範囲内であり、吸熱器２１（高温
熱交換器、ヒータチユウブとも言う）の温度が高ければ
高いほど容積を大きくすることが出来、出力の増加と共
に効率も高くなる。尚、これらの過程は、実際の動作運
転時には非効率を伴うポリトロピック過程となり、ＰＶ
線図を描かせば各過程での鋭角部は削れて滑らかにな
る。
５０％から１２０％の範囲内であり、吸熱器２１（高温
熱交換器、ヒータチユウブとも言う）の温度が高ければ
高いほど容積を大きくすることが出来、出力の増加と共
に効率も高くなる。尚、これらの過程は、実際の動作運
転時には非効率を伴うポリトロピック過程となり、ＰＶ
線図を描かせば各過程での鋭角部は削れて滑らかにな
る。
【００２０】図５には、本発明の熱機関の冷凍機の実験
によって得た位相差（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）
の関係の曲線（ａ）とスプリットのスターリングサイク
ル冷凍機（ｂ）のをそれぞれ挙げ比較する。
によって得た位相差（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）
の関係の曲線（ａ）とスプリットのスターリングサイク
ル冷凍機（ｂ）のをそれぞれ挙げ比較する。
【００２１】本発明では、最適な位相差は２０度で蓄冷
器がブロンズ金網のみで最低の到達温度は機器の諸元と
運転条件による異なっても、図５に 示した通り、曲線
では膨 張空間の容積が圧縮空間の 容積の１０％で３３
Ｋ、曲 線では１５％で３８Ｋ、 曲線では２０％で４
２Ｋ であり、最大効率は２０度 を中心にしてマイナス１
５ 度、プラス２５度以内、即 ち位相差角度は５度から４
５度の範囲で得ることがで きる。図５では、曲線で 示
されたように到達温度は 約３３Ｋである。このとき の位
相差角は２０度であっ た。この低温生成の可能な位相角
の範囲は、０度、即ち同位相から６０度の範囲で可能で
あり、この曲線内で充分な冷凍出力が得られることを意
味している。２０度を離れ６０度に近づくに従って得ら
れるＴｍｉｎは緩やかに上昇し、効率も冷凍出力も減少
することを意味している。２０度以下のマイナス５度に
かけての曲線は鋭角で、急に冷凍出力が低下する。マイ
ナス１５度になると、図示しないがＴｍｉｎは急激に高
くなって１００Ｋ以上に上昇する。本発明の熱機関によ
る冷凍機の運転では、０度以下ではマイナス５度が限界
で、これ以下では冷凍出力が充分得られないことを意味
している。スターリング（ｂ）では、最適な位相角はほ
ぼ９０度で、これを中心にした±３０度の範囲（６０度
〜１２０度）であり、本発明の機関より広い範囲で生成
可能である。しかも緩やかな曲線内で冷凍出力が得られ
る。しかし多少の運転条件によっても異なるが、９０度
±１０度の範囲内の効率が高い。スターリングの原動機
でもこのαは同様で、ほぼ９０度で最大効率が得られる
ことは周知のことである。
器がブロンズ金網のみで最低の到達温度は機器の諸元と
運転条件による異なっても、図５に 示した通り、曲線
では膨 張空間の容積が圧縮空間の 容積の１０％で３３
Ｋ、曲 線では１５％で３８Ｋ、 曲線では２０％で４
２Ｋ であり、最大効率は２０度 を中心にしてマイナス１
５ 度、プラス２５度以内、即 ち位相差角度は５度から４
５度の範囲で得ることがで きる。図５では、曲線で 示
されたように到達温度は 約３３Ｋである。このとき の位
相差角は２０度であっ た。この低温生成の可能な位相角
の範囲は、０度、即ち同位相から６０度の範囲で可能で
あり、この曲線内で充分な冷凍出力が得られることを意
味している。２０度を離れ６０度に近づくに従って得ら
れるＴｍｉｎは緩やかに上昇し、効率も冷凍出力も減少
することを意味している。２０度以下のマイナス５度に
かけての曲線は鋭角で、急に冷凍出力が低下する。マイ
ナス１５度になると、図示しないがＴｍｉｎは急激に高
くなって１００Ｋ以上に上昇する。本発明の熱機関によ
る冷凍機の運転では、０度以下ではマイナス５度が限界
で、これ以下では冷凍出力が充分得られないことを意味
している。スターリング（ｂ）では、最適な位相角はほ
ぼ９０度で、これを中心にした±３０度の範囲（６０度
〜１２０度）であり、本発明の機関より広い範囲で生成
可能である。しかも緩やかな曲線内で冷凍出力が得られ
る。しかし多少の運転条件によっても異なるが、９０度
±１０度の範囲内の効率が高い。スターリングの原動機
でもこのαは同様で、ほぼ９０度で最大効率が得られる
ことは周知のことである。
【００２２】以上の如く本発明は、低温で可動する膨張
ピストンやディスプレーサがなくとも充分な低温が得ら
れ、図５のαとＴｍｉｎの関係からも既存のスターリン
グ機関との熱力学的な差異が明らかである。
ピストンやディスプレーサがなくとも充分な低温が得ら
れ、図５のαとＴｍｉｎの関係からも既存のスターリン
グ機関との熱力学的な差異が明らかである。
【００２３】尚、パルス管２１は、複合材やセラミック
材でもよいが、主に熱伝導の悪いステンレス等の中空の
円筒管が用いられている。冷凍出力が７７Ｋで１００Ｗ
程度では、長さ２５〜３２ｃｍで内径２．５ｃｍ±０．
５ｃｍであり、図示しないが内部にはメッシュ等からな
る流体用の整流器が出入り口に付けられる場合があり、
原動機では膨張空間２６側の整流器は冷やされている。
また、大型化や高速化に伴って複数のパルス管を並列に
用いる場合もある。またパルス管の形状は円筒に限らず
楕円や角形、円錐形状でも可能であるが、流体が高圧に
なれば、円筒形状は肉厚を薄くすることができ、これに
よって常温からの熱侵入損失を少なくする有利さがあ
る。
材でもよいが、主に熱伝導の悪いステンレス等の中空の
円筒管が用いられている。冷凍出力が７７Ｋで１００Ｗ
程度では、長さ２５〜３２ｃｍで内径２．５ｃｍ±０．
５ｃｍであり、図示しないが内部にはメッシュ等からな
る流体用の整流器が出入り口に付けられる場合があり、
原動機では膨張空間２６側の整流器は冷やされている。
また、大型化や高速化に伴って複数のパルス管を並列に
用いる場合もある。またパルス管の形状は円筒に限らず
楕円や角形、円錐形状でも可能であるが、流体が高圧に
なれば、円筒形状は肉厚を薄くすることができ、これに
よって常温からの熱侵入損失を少なくする有利さがあ
る。
【００２４】膨張空間２６の容積は、冷凍機では圧縮空
間１３の容積の６．６％〜３０％の範囲内で冷凍温度に
よって効率よく低温の生成が可能であり、所要冷凍温度
が低ければ低いほど６．６％に近づく。また、最適な割
合は吸熱器２０での冷凍温度や出力により異なり、更に
流体の平均動作圧力、回転数、位相差などの運転条件や
配管の長さ（配管内の死容積と圧力損失）などによって
異なる。
間１３の容積の６．６％〜３０％の範囲内で冷凍温度に
よって効率よく低温の生成が可能であり、所要冷凍温度
が低ければ低いほど６．６％に近づく。また、最適な割
合は吸熱器２０での冷凍温度や出力により異なり、更に
流体の平均動作圧力、回転数、位相差などの運転条件や
配管の長さ（配管内の死容積と圧力損失）などによって
異なる。
【００２５】膨張空間２６の圧縮空間１３に対する割合
は、冷凍温度が２００Ｋで３０％、１５０Ｋで２０％、
１００Ｋで１６％、７７Ｋで１０％、３０Ｋで８％がお
よその割合で、３０Ｋ以下では６．６％に近づく。６．
６％以下でも低温生成が可能であるが、成績係数が低下
してしまう。原動機では、加熱温度が高くなるに従って
膨張空間の容積が１２０％に近づく。
は、冷凍温度が２００Ｋで３０％、１５０Ｋで２０％、
１００Ｋで１６％、７７Ｋで１０％、３０Ｋで８％がお
よその割合で、３０Ｋ以下では６．６％に近づく。６．
６％以下でも低温生成が可能であるが、成績係数が低下
してしまう。原動機では、加熱温度が高くなるに従って
膨張空間の容積が１２０％に近づく。
【００２６】冷凍出力が７７Ｋで１００Ｗの時の諸元の
１例を示す。
１例を示す。
【００２７】パルス管：ステンレスで３ｃｍφ、長さ３
０ｃｍ、蓄冷器：ステンレスの２００メッシュ３．８ｃ
ｍφ、８００枚。圧縮空間の容積：９００ｃｃ。膨張空
間の容積：９０ｃｃ。回転数：２４０ｒｐｍ。作動平均
圧力（Ｈｅ）：１７．５ａｔａ。位相差：２１度。最低
到達温度：３２Ｋ。入力：３．３ｋＷ。性能指数：３３
００／１００＝３３。成績係数：１／３３＝０．０３。
０ｃｍ、蓄冷器：ステンレスの２００メッシュ３．８ｃ
ｍφ、８００枚。圧縮空間の容積：９００ｃｃ。膨張空
間の容積：９０ｃｃ。回転数：２４０ｒｐｍ。作動平均
圧力（Ｈｅ）：１７．５ａｔａ。位相差：２１度。最低
到達温度：３２Ｋ。入力：３．３ｋＷ。性能指数：３３
００／１００＝３３。成績係数：１／３３＝０．０３。
【００２８】効率を％カルノー値で表すと、η％＝（３
００−７７）／７７／３３＊１００％＝８．８％とな
る。同出力のギホード・マクマホンサイクル冷凍機とほ
ぼ同じ値である。
００−７７）／７７／３３＊１００％＝８．８％とな
る。同出力のギホード・マクマホンサイクル冷凍機とほ
ぼ同じ値である。
【００２９】本発明の熱機関による冷凍機の効率は、開
発の初期段階でありながら非常に高いことが明らかであ
る。
発の初期段階でありながら非常に高いことが明らかであ
る。
【００３０】尚、吸熱器２０の膨張空間２６や圧縮空間
１３の機構部からの機械振動を防止するため図３に示す
常温の配管２２ａと２２ｂとを１〜２ｍのフレキシブル
管にすれば無振動化が容易である。但し、フレキシブル
管の距離が長くなると、配管内の死容積が増えるのと長
さによる圧力損失によって圧縮空間１３内での流体の圧
縮比が低下するため、冷凍出力は配管の長さが長くなる
に従って減少する。上記の冷凍機の諸元では、１ｍの長
さで約８％低下する。しかし、他のどのサイクルの冷凍
機にもある吸熱器の数μから拾数μの機械的な振動を、
本発明では、吸熱器の近くに低温ピストン等の可動機構
を必要としないことと、フレキシブル管の使用で完全に
取り除くことが可能である。
１３の機構部からの機械振動を防止するため図３に示す
常温の配管２２ａと２２ｂとを１〜２ｍのフレキシブル
管にすれば無振動化が容易である。但し、フレキシブル
管の距離が長くなると、配管内の死容積が増えるのと長
さによる圧力損失によって圧縮空間１３内での流体の圧
縮比が低下するため、冷凍出力は配管の長さが長くなる
に従って減少する。上記の冷凍機の諸元では、１ｍの長
さで約８％低下する。しかし、他のどのサイクルの冷凍
機にもある吸熱器の数μから拾数μの機械的な振動を、
本発明では、吸熱器の近くに低温ピストン等の可動機構
を必要としないことと、フレキシブル管の使用で完全に
取り除くことが可能である。
【００３１】尚、原動機ではフレキシブル管の使用は効
率が大幅に低下する。即ち、短ければ短いほど効率は良
い。また、所要冷凍温度が３０Ｋよりも低い場合には、
蓄冷器１９の無数の鉛の小球の奇土類の蓄冷材を詰め、
膨張空間２６の圧縮空間１３に対する容積の割合を小さ
くすれば容易に得られる。但し、所要冷凍温度が低下す
るに従って容積の割合は小さくなり、効率は大幅に低下
する。２７はピストンリングであり、１９，２０，２１
は多重に輻射遮蔽され真空で断熱されるが、原動機では
常圧の断熱方式でもよい。
率が大幅に低下する。即ち、短ければ短いほど効率は良
い。また、所要冷凍温度が３０Ｋよりも低い場合には、
蓄冷器１９の無数の鉛の小球の奇土類の蓄冷材を詰め、
膨張空間２６の圧縮空間１３に対する容積の割合を小さ
くすれば容易に得られる。但し、所要冷凍温度が低下す
るに従って容積の割合は小さくなり、効率は大幅に低下
する。２７はピストンリングであり、１９，２０，２１
は多重に輻射遮蔽され真空で断熱されるが、原動機では
常圧の断熱方式でもよい。
【００３２】尚、圧縮空間１３の容積が膨張空間２６に
較べて非常に大きくなるため、スターリング機関で実施
されているような、圧縮空間の容積１３を二つに分割
し、その圧縮空間を形成する二つの圧縮ピストンを水平
対向型に配置して駆動させれば、二つの圧縮空間の容積
変化が同位相で行われるため、機械的な動バランスの良
さから、常温の圧縮部はより低振動化が計れる。また、
本発明の熱機関を複数組に組み合わせて製作すれば、低
振動化と共に効率がより向上するとは容易に理解でき
る。
較べて非常に大きくなるため、スターリング機関で実施
されているような、圧縮空間の容積１３を二つに分割
し、その圧縮空間を形成する二つの圧縮ピストンを水平
対向型に配置して駆動させれば、二つの圧縮空間の容積
変化が同位相で行われるため、機械的な動バランスの良
さから、常温の圧縮部はより低振動化が計れる。また、
本発明の熱機関を複数組に組み合わせて製作すれば、低
振動化と共に効率がより向上するとは容易に理解でき
る。
【００３３】低温原動機にして動作させるには、冷凍機
動作のときの２６の膨張空間で流体を圧縮し、吸熱器２
０を例えば液化天然ガス（メタン１気圧の沸点１１２
Ｋ）で冷却し、放熱器１８を海水や温水で２７４〜３７
３Ｋ温度に加熱すると圧縮空間１３が断熱膨張空間とな
って圧縮ピストン１６が膨張仕事をするためクランクシ
ャフト１４を回転させる。即ち動力を発生させる。この
時の膨張空間の圧縮空間の容積に対する割合は、サイク
ルが逆の右回りになるので、冷凍機の場合の圧縮空間を
膨張空間に、膨張空間を圧縮空間にすればよい。
動作のときの２６の膨張空間で流体を圧縮し、吸熱器２
０を例えば液化天然ガス（メタン１気圧の沸点１１２
Ｋ）で冷却し、放熱器１８を海水や温水で２７４〜３７
３Ｋ温度に加熱すると圧縮空間１３が断熱膨張空間とな
って圧縮ピストン１６が膨張仕事をするためクランクシ
ャフト１４を回転させる。即ち動力を発生させる。この
時の膨張空間の圧縮空間の容積に対する割合は、サイク
ルが逆の右回りになるので、冷凍機の場合の圧縮空間を
膨張空間に、膨張空間を圧縮空間にすればよい。
【００３４】理論効率ηは加熱温度を３７３Ｋとすれ
ば、η＝１−（１１２／３７３）＝０．７となり、実効
率はスターリング機関と同様にほぼこの半分の３０％が
得られ、本発明は液化メタンを蒸発させて都市ガスに供
給するときの発電型蒸発器システムに適応でき、これは
スターリング機関に代わって応用可能である。
ば、η＝１−（１１２／３７３）＝０．７となり、実効
率はスターリング機関と同様にほぼこの半分の３０％が
得られ、本発明は液化メタンを蒸発させて都市ガスに供
給するときの発電型蒸発器システムに適応でき、これは
スターリング機関に代わって応用可能である。
【００３５】
【発明の効果】本発明をスターリング機関やその他の冷
凍機との比較で整理する。
凍機との比較で整理する。
【００３６】イ）比較的に長い低温や高温度で往復動さ
せるディスプレーサや膨張ピストンを使用しなくとも高
い運転効率が得られる。
せるディスプレーサや膨張ピストンを使用しなくとも高
い運転効率が得られる。
【００３７】ロ）低温・高温の可動部やこのための駆動
機構がないため、ピストンとシリンダーの接触による塵
埃の発生がなくなった。したがって、作動流体の汚染が
なくなり、長期間にわたり性能が安定し、且つ機械的な
部品数の低下で信頼性が大きく向上した。
機構がないため、ピストンとシリンダーの接触による塵
埃の発生がなくなった。したがって、作動流体の汚染が
なくなり、長期間にわたり性能が安定し、且つ機械的な
部品数の低下で信頼性が大きく向上した。
【００３８】ハ）膨張および圧縮ピストンが常温部のみ
の往復運動であり、既存の機関に較べて常温部での振動
・騒音が非常に少なくなった。
の往復運動であり、既存の機関に較べて常温部での振動
・騒音が非常に少なくなった。
【００３９】ニ）冷凍機において、被冷却体に与えてい
た吸熱器での機械的な振動が完全に除去され、特にエレ
クトロニックスシステムへの応用の期待が高まった。
た吸熱器での機械的な振動が完全に除去され、特にエレ
クトロニックスシステムへの応用の期待が高まった。
【００４０】ホ）冷凍機構造の単純化によってシステム
応用での信頼性の向上の期待が高まった。
応用での信頼性の向上の期待が高まった。
【００４１】ヘ）本発明は、低温可動部を必要としない
ため、常温の流体機械と同様に、既存技術で容易に製作
できるようになった。
ため、常温の流体機械と同様に、既存技術で容易に製作
できるようになった。
【００４２】ト）機器構造が単純で、部品数の低下と共
に精密加工を要する部品・機構がなくなったため、製造
価格が大幅に低下し、高信頼度の冷凍機や原動機が安価
で提供できる。
に精密加工を要する部品・機構がなくなったため、製造
価格が大幅に低下し、高信頼度の冷凍機や原動機が安価
で提供できる。
【００４３】チ）単サイクルでも複数サイクルに複合し
ても製作できるため、用途に応じて冷凍温度や冷凍出力
を調整し、且つ、効率もより高めることなどが容易にな
った。
ても製作できるため、用途に応じて冷凍温度や冷凍出力
を調整し、且つ、効率もより高めることなどが容易にな
った。
【００４４】リ）高価な製作費を要し、且つ壊れ易い比
較的長い膨張ピストンやディスプレーサがなくなったた
め、装置の移動に伴う取扱いが容易になった。また運転
操作も同様に容易になった。
較的長い膨張ピストンやディスプレーサがなくなったた
め、装置の移動に伴う取扱いが容易になった。また運転
操作も同様に容易になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ方式のスターリングサイク
ルの構造を示す。
ルの構造を示す。
【図２】Ｐ−Ｖ線図およびＴ−Ｓ線図を示す。
【図３】本発明のパルス管式熱機関の流路ならびに断面
構造を示す。
構造を示す。
【図４】本発明のパルス管式熱機関の流路ならびに断面
構造を示す。
構造を示す。
【図５】本発明の熱機関の冷凍機の実験によって得た位
相差（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）の関係の曲線
（ａ）とスプリットのスターリングサイクル冷凍機にお
ける（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）の関係の曲線
（ｂ）のをそれぞれ示す。
相差（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）の関係の曲線
（ａ）とスプリットのスターリングサイクル冷凍機にお
ける（α）と最低到達温度（Ｔｍｉｎ）の関係の曲線
（ｂ）のをそれぞれ示す。
【符号の説明】 １３ 圧縮空間、 １８ 放熱器、 ２０ 吸熱器（コールドヘッド ）、 ２１ パルス管、 ２６ 膨張空間、
Claims (3)
- 【請求項１】 圧縮空間、放熱器、蓄熱器、吸熱器、パ
ルス管、膨張空間等からなるパルス管式熱機関におい
て、作動流体の圧縮空間と膨張空間との間に、放熱器、
蓄熱器、吸熱器及びパルス管を、または放熱器、蓄熱
器、吸熱器、パルス管及び熱交換器等を連結し、前記膨
張空間の容積可変を圧縮空間の容積可変より同位相から
プラス５０度の範囲内のある一定の位相差で進めて保持
した１組、または複数組の組み合わせで冷凍機や電動機
として動作させるような機器構成を特徴とするパルス管
式熱機関。 - 【請求項２】 請求項１において、冷凍機を目的にする
場合には、膨張空間の容積を圧縮空間の容積の３０％以
下で、並びに原動機の場合には５０％から１２０％の範
囲内にして動作させるような機器構成を特徴とするパル
ス管式熱機関。 - 【請求項３】 請求項１において、冷凍機の場合には圧
縮空間の容積が膨張空間の容積の３倍から２５倍までの
大きさになるため、この圧縮空間を複数空間に分割して
同位相で動作させるような機器構成を特徴とするパルス
管式熱機関。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3266181A JP2947649B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | パルス管式熱機関 |
| DE4234678A DE4234678C2 (de) | 1991-10-15 | 1992-10-14 | Reversible Schwingrohr-Wärmekraftmaschine |
| US07/960,837 US5435136A (en) | 1991-10-15 | 1992-10-14 | Pulse tube heat engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3266181A JP2947649B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | パルス管式熱機関 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05106926A true JPH05106926A (ja) | 1993-04-27 |
| JP2947649B2 JP2947649B2 (ja) | 1999-09-13 |
Family
ID=17427387
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3266181A Expired - Lifetime JP2947649B2 (ja) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | パルス管式熱機関 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2947649B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ITTV20100059A1 (it) * | 2010-04-09 | 2011-10-10 | Enalias Srl | Macchina termodinamica per la trasformazione di energia termica in movimento, in grado di sfruttare con la massima efficienza l'energia potenziale disponibile fra due sorgenti che si trovano a differenti temperature |
| JP2014020719A (ja) * | 2012-07-20 | 2014-02-03 | Toshiba Corp | スターリング型冷凍機 |
| JP2014129995A (ja) * | 2012-12-28 | 2014-07-10 | Hyundai Motor Company Co Ltd | スターリング冷凍機用整流ユニット |
-
1991
- 1991-10-15 JP JP3266181A patent/JP2947649B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ITTV20100059A1 (it) * | 2010-04-09 | 2011-10-10 | Enalias Srl | Macchina termodinamica per la trasformazione di energia termica in movimento, in grado di sfruttare con la massima efficienza l'energia potenziale disponibile fra due sorgenti che si trovano a differenti temperature |
| JP2014020719A (ja) * | 2012-07-20 | 2014-02-03 | Toshiba Corp | スターリング型冷凍機 |
| JP2014129995A (ja) * | 2012-12-28 | 2014-07-10 | Hyundai Motor Company Co Ltd | スターリング冷凍機用整流ユニット |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2947649B2 (ja) | 1999-09-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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