JPS63220009A - ガス共振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスの振動コラム（ｃｏｌｕｍｎ）に於て、ガスの少な
い部分が初めに一方向に移され、圧縮され、反対方向に
移り、そして膨張される。圧縮の間にガスは熱せられ、
そして膨張の間に冷却場れる。このようなガスの振動カ
ラムが静止した固体導体と接触する時、熱伝達ががスと
導体間で起こる。この導体がガスのそれと比べて高い効
果的熱容量と、ガスの振動の前進方向での低い熱伝導率
とを有する場合に、導体がガスの断熱圧縮の結果得た熱
を蓄え、その後の膨張の後にこの蓄熱をガスに戻す。

この事実は常に導体と隣シ合りて存在するガス領域に関
して確かであると同時に、別の状態が導体の端部で現わ
れる。振動の進行方向で見て導体の下流端部では、導体
の端部と熱接触したガス部分が導体から離れる１つの方
向に動かされ、そして振動中に圧縮される。ガスは圧縮
で熱せられる。

他の方向に実質上動きそして膨張することで、ガスは導
体の端部に隣接する位置に戻る。ここで、ガスは膨張の
間に冷却するので、ガスはもう一度導体から熱を受取る
。この事は導体の下流端から加熱されたガスの下流部分
に上昇を課す。

逆に言えば、導体の上流端で、通常は導体と接触してな
いガスの分子が振動中に一方向に移動し。

圧縮され、加熱され、そしてその後、その移動位置では
導体と熱接触して導体に熱を与える。ガスのこの部分が
その最初の位置に戻るために、反対方向に移動する時、
ガスは膨張し、冷却する。それらの最初の位置ではガス
分子は導体と熱接触しないから、この事は導体の上流端
から上流に律動領域を生起する。

振動ガスコラム内に位置するような導体は、通常熱交換
器と呼ばれ、スターリングサイクルエンジン（Ｓｔｉｒ
ｌｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ　ｅｎｇｉｎｅ）　　で良く用い
られている。典型的には、このような熱交換器は、出来
るだけ大きな表面積と、ガスのそれと比べて高い有効熊
谷量と、ガス移動の方向に沿った低い熱伝導率とを有し
なければならない。慣例では、任意に近接収納され九金
楓線のパッドが熱交換器として用いられているが、しか
し近接して収納された非金属プレートの積み重ねを用い
ることも又可能で６Ｄ、そしてこれはガス摩擦損失及び
熱伝達に関してよシ有効である。従って、熱交換器の使
用は振動するガス流から創シ出される温度差に対処出来
る。

換言すれば、若し十分な虻の温度差がこのような熱交換
器に交差状に付与されれば、振動が自然にこの熱交換器
をとりまくガスで引起こされることが知られている。

若し十分高い温度差が作シ出ちれれば、共振チャンバー
内に位置するガスのカラム内では、チャンバーの一端に
熱を単に付与することによシ振動が作り出される事も又
知られている。

この例として、オルガン／Ｊイブ内でのガスカッ４イグ
の底で水素の炎によって共振さ也られることは、１７７
７年からヒギンス（Ｈｌｇｇｉｎｓ）　　によシ。

そしてチューブを極低温貯蔵容器内に室温で置く時に経
験した１９４９年報告のタコニス（Ｔａｃｏｎｉｓ）振
動によシ記述されている。これらの効果の論理的議論が
、１９８５年２月に発行された一ｒｉｃａｌＪｏｕｒｎ
ａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｍｌｅｌｌ”第１４７頁で開示され
た”Ａｎ　　１ｎｔｒｉｎｉｌａａｌｌｙ　　１ｒｒｅ
ｖｖｒｓｌｂｌｅｔｈ＊ｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ　＠ｎ
ｇｉｎ＠”の題名の記事でホイトレー（Ｗｈｅａｔｌｅ
ｙ）、ホフラー（Ｈｏｆｌｅｒ）、スイス）　（Ｓｗｉ
ｆｔ）、及びミグリオリ（Ｍｉｇｌｉｏｒｉ）諸氏によ
って述べられている。

本発明によれば、熱的に駆動されるガス共振装　置は、
一端から他端へその長さに浴って断面で伸びる１つの共
振筒と、共振筒の一端に設置された熱源と、共振筒内で
ガスに振動を引起こす手段とを含んでいる。

熱源は簡単で間接的なヒーターで形成でれており、そし
てヒーターに於ては、電気的加熱要素か、ガス又はオイ
ルバーナーアッセンブリーの如き熱源が、ガス共振筒の
一端に形成又は設置式れたプレートを加熱するために用
いられている。

好ましくは、加熱されるプレートは、共振筒の一端でグ
レートからガスへの熱伝達を増進するためにフィンを持
っている。

熱交換器は、共振筒内で、加熱てれるプレートに接近す
るが接触せずに、そして振動を起こす手段から配置され
ると良い。熱交換器は、大きな表面積と、共振筒内での
ガスと比べて高い有効熱容量と、共振筒の長さに浴った
低い熱伝導率とを有する材料か、ヅ〜りておシ、そして
装置（プランジメント）は６．使用に際し、熱源が共振
筒内でガスの振動を引起こす熱交換器に沿りて温度勾配
を引起こすようになっている。

しかしながら、熱源と共振筒内でガスに振動を引起こす
手段とは、ガス共振筒の共振周波数と一致したパルス反
復周波数を有する・母ルス熱源で共に形成されるのが非
常に好ましい。

この上つｆｚ　／量ルス熱源は、パルプを通ってフレー
ムトラップ（ｆｌａｍ＠ｔｒａｐ）によって進められる
可燃性のガス又は蒸気と空気との予しめ混合された供給
物の供給されるパルス燃焼室又は共振火災と、共振筒内
での一端でか共振筒内に引入れる燃焼チャンバーで混合
気体に最初に点火する点火装置とを會んでいる。

好ましくは、混合気体を入れるための、−パルプは、ノ
臂ルス撚焼に応答して後続の点火のために、共振筒の一
端又は燃焼チャンバー内に混合気体の噴出を許すために
、パルプの開放状態と閉止状態との間で振動する調律さ
れた逆止弁（ｎｏｎ−ｒｅｔｕｒｎｖａｌマ・）で形成
されている。共振筒内でのガスに振動を引起こすための
ノ臂ルス熱源の使用は、安定した共振作用で続けられる
条件の広い範囲での各易な開始を提供する。点火装置は
ノヤルス熱源の最初の点火を引起こすために点火グラブ
で形成されると良く、一度点火されればパルス熱源は好
適に自己継続する。この事は、引き続く混合気体の噴出
の結果として、先行の燃焼パルスからのフエーｆ”イン
グフレーム（ｆａｃｉｎｇ　ｆｌａｍｅ）によシ、圧縮
波の結果としての自発的な点火により、或いは点火を生
ずるための局部加熱スポットを規矩するグロープラグ（
ｇｌｏｗ　ｐｌｕｇ）の形態を有する点火装置により点
火されることである。

パルス熱源は又、共振筒の一端に位置する間接的ヒータ
ーを含んでいる。間接的ヒーターは、共振筒の一端の全
断面積にわたって実質上均一に燃焼熱を拡布するために
、パルス熱源によって加熱される熱交換表面で形成され
ると良い。

好ましくは、ガス共振装置がｉ４ルス燃焼室を含む場合
には、共振筒の一端は、パルス化された燃焼の効力をよ
シ均一に共振筒の一端全体にわたって拡げるための放物
反射体として形成される。

この場合、ノ４ルス燃焼は、実質上放物反射体の焦点で
引起こすようになっている。ガス共振装置がパルス熱源
を含む場合に、該装置は又、ノ母ルス゛熱源で引起こさ
れる振動に同調するために、それの一方から他方に渡っ
て存在する熱勾配と協同作用する熱交換器を含むと良い
。

ガス内に振動を引起こすためのこれら全配置（装置）に
ついて、共振筒の形状を、必要な相対圧力と核部の両端
の断熱温度振幅とを規定するためと、ガスの共振振動を
抑制するのに役立つガス壁摩擦損失を最少にするために
、配置することが必要である。一端から他端に断面積の
拡大する共振筒を有することによって、よシ大きな圧力
と断熱振幅が小径端で大径端に比例して発揮され、そし
てこの事は後で力学的に詳細に論じられる。

好ましくは、共振筒は通常、基底径の高名に対する比が
約１：３に等しい形状の截頭円錐形である。

まず第１に、これは、実用的で種摩擦損失を最少にする
大きさであるガスピストンとして考えられる縦方向振動
のための、径の長さに対す比率を規定する。共振筒の共
振周波数は、主にその長さに依存し、その形状と無関係
である。共振筒をその一端から他端に断面積が増加する
ように形成することで、振動するガスの童を増加し、そ
れによって所定の体積圧縮比に関するその速度を減少す
ることが可能となる。摩擦損失はガス速度の３乗に比例
し、そしてその結果として摩擦損失を減少して共振装置
の性能を相当に尚める。

好ましくは、共振筒は、断面で見た場合にその側壁がカ
ーブするように、縦断面で裁頭オジバル形状（ｆｒｎｓ
ｔｒｏ−ｏｇｉｖａｌ　５ｈａｐ＠）を有している。

これは一端に近接する振動ガスの漣でのよシ増大をもた
らし、そして摩擦損失の減少をよシ一層進める。

ガス共振装置内で振動するガスのために作られる機械的
エネルギーは分子ふるい材料を備えた圧力揺動ガス分離
器を作用するのに用いられる。最も明瞭な配置（装置）
の１つは、空気から酸素を圧力揺動分離するために、装
置内でガス共振装置を用いることである。この場合、共
振筒の他端は分子ふるい材料を含んでおシ、ガス交換ポ
ートが分子ふるい材料の面上で熱源の方に備えられ、そ
してガス出口が熱源から離れた分子ふるい材料面上に備
えられている。空気が分子ふるい材料のベッド（ｂｅｄ
）を貫通して前方に移動する振動の間、窒素は分子ふる
い材料によりて選択的に吸着される。空気が後方に動く
時、減圧が創シ出され、分子ふるい材料の表面に吸着さ
れたガスが脱着される。

従って、分子ふるい材料が共振筒内で発生される振動に
委ねられる時、分子ふるい材料によって選択的に吸着さ
れる窒素は、共振筒の内側に、そしてその後ガス交換ポ
ートの外に戻されことになるのに対し、分子ふるい材料
でほとんど吸着されない酸素は、分子ふるい材料のベッ
ドを通過し、分子ふるい材料下流側にあるガス出口から
流出することとなる。振動中のガスの限定された変位を
生ずるガスは、共振筒内でわずか上方の周囲で平均圧力
を創出し、分離された酸素の連続流を分子ふるい材料の
ベッドよシ下流に出す。

典型的には、分子ふるい材料は展開されたゼオライト（
沸石）であるが、活性炭も利用可能である。

分子ふるい材料は高い窒素吸盾率を可能とするために十
分な表面積を有するのが好ましく、そして吸着と放出の
累積率が圧力揺動に比例し、サイクル比から殆んど独立
していることがわかった。

代シの形状に於て、共振筒内の撮動ガスで作られる機械
的エネルギーは、ヒートポンプを駆動するために用いら
れる。この場合、ガス共振装置は、その一端に置かれた
ヒートシンク（ｈ＠ａｔ　５ｉｎｋ）と、他端に近接配
置された熱交換器と、共振筒内のガスと低グレード熱の
源との間で熱交換を果たすための熱交換器の熱源側の手
段、とを含んでいる。

この配置にありては、まもなく論じられる効力はヒート
ポンプの駆動されるヒートエンジンを提供するのに用い
られる。従って共振筒内のガスでの振動は、加熱される
共振筒の他端での熱交換器の下流ガスと冷却される熱交
換器から上流のガスとで熱交換器を譲る温度差を作るた
めに、熱交換器に適用される。熱交換器の上流で引起さ
れる熱交換は、熱交換器から上流でのガスの膨張につい
ての熱を規定し、そして共振筒の他端でのヒートシンク
（ｈ＠ａｔ　５ｉｎｋ）で移される熱の一部を提供する
ために注入される熱の源を規定する。これに加えるに、
共振筒の他端でのヒートシンクは、又熱源で供給される
熱を受入れる。− 出願人は、レーザー（ｌａｍａｒ）　　及びメーデー（
ｍａｇ＠ｒ）　　の頭字語での類推によって、放熱の刺
戟された放射による熱増幅（Ｈ＠ａｔ　Ａｍｐｌｉｆｉ
ａａｔｌｏｎｂｙ　Ｓｔｉｍｕｌａｔ＠ｄ　Ｅｍｌｍｓ
ｉｏｎ　ａｔ　Ｒａｄｌａｔｌｏｎ）を表わす頭字語で
ヒートポンプ駆動ＩＣ−）工／ジンのこの型式を記述す
るために頭字語″ＨＡＳＥＲ（ヘイデー）”を案出した
。

低グレード熱の源が大気である時、直接の熱交換が大気
と熱交換器上流領域でのガスとの間で引起されるのが好
ましい。この事を準備するために、ガス交換デートが圧
力の無効点（０点）の位置で共振筒の壁内に備えられる
。

縦方向振動が共振筒を下方へ通過するので、圧縮振動が
ポートを通過した後、大気がポートを通って共振筒内に
引込まれる傾向になる。大気から共振筒内に引入れられ
たガスはそのあと、大気からのガスと既に共振筒内にお
るガスとの間で引起こす熱交換を生ずるために、共＠筒
内のガスと混合される。次の振動がそこでポートから今
しがた冷却された大気を押流す傾向になる。

しかしながら好ましくは、ヘイデー（ｈａｓ＠ｒ）は又
大気からガス交換ポートを逸して共振筒内に空気を取シ
入れるためのファン（ｆａｎ）を言んでいる。

好ましくは外側チャンバーは上部、即ち熱源を備えた共
振筒の端部、に置かれたファンを備えて共振筒を取囲ん
でおシ、そしてファンによって吹かれる空気をポート群
の半分を貫通しで注ぐためのガス交換ポートにｌ！４接
した波うった環状バッフル（ｂａｆｆｌ・）であシ、そ
して冷却された空気がポート群の他の半分から出て外側
チャンバーの下方部分を貫通して流れることを許す。

外側チャンバーを貫通する空気流は熱源及びガス共振筒
の上部から放出された熱を吸収し、そしてこの熱はへイ
ブ−〇熱出力を更に改善するように、低グレード熱の一
部としてシステム内に再導入される。

共振筒断面の一端から他端への拡大はへイブ−に更に利
点を生ずる０両端の相対断面積はへイブ−での改善され
た圧縮比を限定する。小さな断面は篩圧縮率を引出し、
そしてその逆もまた同じである。これの影響は小さな変
位に属する音響学上の原理から引出すことが出来、そし
てその後の個個の例に関して詳しく説かれる。共振筒の
一端から他端への拡大する断面積は、駆動端のための高
圧縮率とポンプ端での低圧ＭＩ率を導き、そしてこの事
は最適の熱効率を提供する。

共振筒の他端のヒートシンクは、水の浅いグー、ＴＬ／
’６含むと良く、この場合、金属の如き熱良導体のフィ
ンが水のプールと熱接触し、水のプールと熱交換器の下
流側との間のスペース中に広かりているのが好ましい。

この様なヒートシンクは熱交換器の下流で熱ガスと良好
な熱接触をする。ゾール内の水は共振筒の他端から熱を
取除くためにシステムのまわりを循環され、この循環シ
ステムは。

プール内の水訟面で作用する共振筒内側での圧力変動に
よりて水がシステムのまわりに押し流されるように、プ
ールの両側に逆止弁を含むのが良い。

このようなヘイデーは、住宅ば屋を暖房したり冷房した
シするのに用いるための温水発生杭としての特定の応用
を有している。このヘイデーは典型的には建物の屋根ス
ペースに配置され、そして冬には屋根スペニスは、低グ
レード熱の源として空気を供給するように、外側ダクト
から空気が換気される。共振筒の他端のヒートシンクは
たとえば４０℃の温度に水を熱するために用いられ、そ
してこの水は必要な家庭温水として用いられ、家屋のセ
ントラルヒーティングシステムを回りて循環される。夏
の間、ヘイデーは、屋根スペースの換気ｔ−閉じ、そし
て屋根スペース下方の部屋の天井に冷却通風孔を開ける
か、ヘイデーを出る空気を部屋に送るかして、建物を冷
房するのに用いられる。

共振チャンバーの他端でのヒートシンクからの水は所望
の家庭温水として用いられ、そして又、冷えている屋外
の熱交換器に導かれる。共振筒から放出される冷却空気
は屋根スペースを冷却し、そして順番に天井内の冷却筒
を通り、又はダクトを経由して建物を冷やす。

圧力揺動ガス分離器は、熱交換器上方の共振キャビティ
内に分子ふるい材料を設置することによって、ヘイデー
と結合出来る。この結合によって出口ポートからの出力
は冷却であり鴬累に富んでいる。

このような出力は生鮮食料品を保護するのに良好であシ
、このような結合装置は鼠素の濃厚にされた冷却空気の
自給式の源を提供する。

本発明のへイブ−の個々の例は、以下添付図面を参照し
て記述でれる。

〔実施例〕 第１図に示された圧力揺動ガス分離器と第２図に示され
たヘイデー（ｈａｓｓｒ）　　の両方が、縦断面でオシ
パル（ｏｇｉｖａｌ）である共振筒３の一端に乗せられ
たパルス熱源２によって形成されたヒートシンクｙ（ｈ
＠ａｔ　ｅｎｇｉｎｓ）　１１ｆｒ官んでいる。共振筒
３の全体にわたる寸法はその高さがその原寸法の約３倍
である。

熱交換器４が共振筒の頂部近くに包含妊れると良く、そ
してこれは典型的にはガラス又はガラス様材料で作られ
た非金属ハニカム製である。１つの外側の同心環状チャ
ンバー５が共振筒３を囲み、１つの電動ファン６がチャ
ンバー５を通して空気を吹きおろすために、チャンバー
頂部に据付けられている。波形にされた゛環状バッフル
（ｂａｆｆｌｅ）７が、圧力零点で共振筒３の側壁に設
けられた交互のオープンポート８を貫通する空気流を支
配している。

空気は外側ポート８を貫通し、外側チャンバー５の下方
部分に放出てれる。オープンポート８はオリフィス流を
作り、そしてそれによって交互の（１つおきの）ポート
８を貫通する内方への流れが強く収束され、そしてポー
ト８を通る空気流の充満及び放出が不都合に混交されな
くする。

ノ臂ルス熱源２は第３図でよシ詳細に示されており、そ
してガスと空気が供給され、混合されるガス混合スペー
ス９と、共振筒３のそれと同様の共振周波数の共振逆止
弁１０と、フレームドラッグ（ｆｌａｍｅ　ｔｒａｐ）
１１とを含んでいる。共振逆止弁１０は２サイクルエン
ジンに適用されるものと同一で良く、且つ一方の縁をポ
ート１２に固定された弾性プレート１３でおおわれたオ
ープンポート１２を含んでいる。

ガス混合スペース９内での圧力より大きくなった共振筒
内での瞬間圧力に応じて、弁がポート１２の縁に対向閉
止する弾性プレート１３で閉止保持され、そしてガス混
合スペース９内での圧力に対して共振筒３内での圧力の
瞬間的な減少に応じて、弾性グレート１３がガスと空気
の混合体のポート１２を貫通して共振筒内へ通ることを
可能にするためにたわむ。共振チャンバー圧縮、ｐＪ？
ルスとの状態でより厳密にガス混合体の放出に、従って
附随するパルス燃焼での改善に導くための好ましい形状
では、共振逆止弁は比較的大径で、燃焼チャパーと共軸
に配置され、その縁部がわずかに凹んだ合板に把持され
た金＾ディスクから成ってお９、そして該合板にはフレ
ームトラップ（ｆ　ｌ　ａｍｅｔｒａｐ）が中央に配置
されている。

ガス混合体は、把持された縁部に近接した内側環体に低
圧で導かれ、そしてフレームトラップの方へ半径方向内
方に／４′ルスで供、＠される。ディスクはその本来の
軸方向振動の周波数が共振空洞のそれよシ低いような厚
さで６９、それ故にガス振動減衰と空洞圧力パルスとの
結合作用が空洞の共振周波数でディスクの実質上反対振
動状態を作る。

この振動は、最大吸引の時よシも圧力増加の時に、ガス
混合体を燃焼チャンバーにフレームトラップを通して導
き、そしてヒートエンジン運転に関する役に立たない時
期尚早の燃焼の程度を減少する。

ノぐルス熱源２は、また放電プラグ１４を含み。

そして共振筒３の頂部はｔＪ？ルス熱源の作用を共振筒
３の端部上に実質上均等に拡げる放物反射面１５として
作られている。

ヒートエンジン１は、ガス振動を共振筒３に押し下げ、
そしてガスの垂直振動皿は、圧力及び筒３の上下で断熱
的な温度変化を創出するピストンとして作用する。

振動は、共振筒３の頂部に導入されたガスと空気の混合
体に最初放電プラグ１４で点火して引起こされ、そのあ
と筒３内でガスが共振を始め、弁１０が混合体の連続的
爆発を導き、これらは先の点火からフェーディングフレ
ーム（ｆａｄｉｎｇ　ｆｌａｍ・）によりて点火される
。この４には約１惧長の共振筒を有する装置でおよそ２
００Ｈｚの反復周波数を生ずるパルス燃焼を生ずる。熱
交換器４は、共振筒３の上端の温度を増加し作り出され
た振動の振幅を増加することによって、ヒートエンジン
１の効率を増進する。

今述べられたヒートエンジンｌは圧力揺動ガス分離器の
ための機械的エネルギー人力を提供するために用いられ
、そしてこの場合には第１図に示す如く、窒素を選択的
に吸収するゼオライト（ｚｅｏｌｉｔ・）の浅いペッド
１６が共去筒３の下端近くに配置されており、共振筒の
底はガス出口１８を備えたプレート１７で閉止されてい
る。共振筒３内で空気がゼオライト（沸石）ペッド１６
内へ移動しながら共振振動する闇、窒素はゼオライトで
選択的に吸着される。空気が後方に移動するにつれて減
圧が創出され、ゼオライトの表面に吸収されたガスは窒
素の豊富な空気が放散されるように放出てれる。ガスの
限定された排除の結果としてその事が振動の間に生じ、
共振筒３内部の平均圧力が外気よυ犬となシ、それ故に
ゼオライトペッド１６を貫通するガス流は出口１８から
出る酸素の豊富な流れとなるが、同時にポート８から出
るチャンバー５の下方′５ｒ：ＪＨするガス流は窒素の
豊富な流れとなる。

ヒートエンジン１は、ヒートポンプ１９を駆動するため
の機械的エネルギーを供給するために選択的に使用され
ても良い。ヒートポンプの駆動されるヒートエンジンは
、全体の仕事係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｐ
＠ｒｆｏｒｍａｎｃｅ　（ＣＯＰ））を有低グレード出
力熱 し・　００Ｐ＝高グレード入方熱　で・３−ト″″″′
ジンの断熱温度比率はヒートポンプのそれをかなシ超越
して調和を超越している。熱出力はまたヒートエンジン
１から捨てられる熱によって直接補なわれても良い。装
置のヒートポンプ部分１９は、非金属のガラス又はガラ
ス様材料で作られた熱交３Ａ器２０とヒートシンク（ｈ
ｅａｔｓｉｎｋ）　２１　とを會んでいる。ヒートシン
ク２１は大径を備えた水の浅いプール２２によって形成
されており、そして水の浅いグーＡ／２２と熱接触した
金属フィン２３が熱交ｇｓ、器２０の方へ共振筒３中で
広がっている。この場合に熱の低グレード源（ｌｏｗ　
ｇｒａｄｅｓｏｕｒｃｅ　）をまかなう空気はポート８
を貫通して出入し、熱はヒートポンプ１９によってこの
空気から抽出され、ヒートシンク２１内の水に伝達され
る。

従りて運転中は、ガス振動がヒートエンジン１によって
共振筒３内で引起こ嘔れる。この振ｉｉ！Ｉは熱交換器
２０を含むヒートポンプ１９のための駆動力をまかなう
。ガスが熱交換器２０のまわシに振動するので、熱交換
器２０下方のスペースが加熱され、熱交換器上方のスペ
ースが冷却される。

ポート８を通る空気泥は共振筒３内でガスと混合し、熱
交換器２０上方の共振筒３内でガスに熱を付与する。ヒ
ートシンク２１は熱交換器２０下方の熱のたくわえを除
去する。

典型的には、ヒートシンク２１内で水を循漆テせる浅い
プール２２のレベルはフロート弁（図示なし）によって
制御される。プール２２への水の出入口は逆止弁（図示
なし）を肩しておシ、共振筒３内で引起こされるガス振
動はプール２２内の水の表面に作用し、且つ入口及び出
口逆止９ｆ−を通る水の循環全引起こす。

典型的には、水出口の部層は約４０℃でおって、そして
これは家庭用温水源又はセントラルヒーティングシステ
ムを営むための温水源として使用出来る。典型的には、
この例で示されたようなヘイデー（ｈａｓｅｒ）は、家
の屋根スペースに据付けられ、冬期にはポート８に出入
シする低グレード温度の源をまかなうために外気から空
気を支給するための換気がてれる。若し夏期の間建物を
冷やしたければ、屋根スペースについての通風装置は閉
止され、そして天井のルーバー（ｌｏｕｙｅｒ）が、家
屋内に重力によりて下降するヘイデーによって住する冷
却空気を支給するために開けられる。この場合に、ヒー
トシンク２１から放出てれる温水は、必要麓が家屋温水
として供給された後、再循＠逼れる前に、ヘイデー内で
発生した熱を散らすために屋外の大気温度交換器へ通さ
れる。−このようなヘイデーに関するｃｏｐ　（仕事係
数）の目標値は加熱状態で２である。

ガス共握力学の詳細、共振チャンバーのオシパル形状（
ｏｇｉマａｌ　５ｈａｐ・）の好適性、壁面摩擦につい
ての論考、及び慈交換器２０の特性についての論考は次
に用意されている。

ガス共振の力学 ヘイデーを設計するためにガス運動の量の論述を展囲す
ることが必要である。

平行外形（４ａ図）での一定の固体又は流体の一次弾性
変位は公知の公式によりて決定され：ここでαは関連距
’ａＸでの変位、ｔは経過時間、Ｃは音速。断面も又一
定の端部の閉止嘔れた筒内πＸ　　　　πＣｔ での継続波に関してαは画−白□　に比例する。

截頭円錐内の振動流に適用出来る球面対称に関する相応
して決定する公式は、コーンー（Ｃａｕｓｙ）とポアソ
ン（Ｐｏｉｓｓｏｎ）の時代以来知られておシ：ここで
γは第４ｂ図での如く決定される。どちらの場合でも ／″Ｏ ここでｒは特定の熱の割合で６５　、Ｐｏは比重がρ。

での中間圧力。円錐が半径すとａで裁−頭された時、任
意常数Ａの継続波の解法が容易に確かめられ： ａ−ｂ−＝１であるから１両者共γ＝ｂ、及びγ＝ａで
０となる。

次の如＜ｉｓすると便利である。

時最大でアシ、これは第５図の如く、下式に留意してθ
の個々の値に関するθ。の項で解ける。

ここでｄは小さな端部からの最大距離位置。

秒の次数の小さな鼠を無視すれば、瞬間的な密度比率は
示され： 法で解かれる。最大の変位及び述度が円錐の中間点から
小嘔な端部近くに置き換りた点で生じ、そして密度と圧
力の無効点が大きな端部近くの相応距離によって置き換
えられることが理解される。

公式（５）からのρ。の極端な値は、帽ωｔと魚（θ−
θ。）が共に±１の時得られ、それ故にそれぞれ小さな
端部と大きな端部に関する体積圧縮比が決定される。そ
ういうわけで： ｂ 若しｍｏと−とが条件として指定てれれば、Ａは公式（
６）からの推論で消去され： ｍ０−１ ｂ　　ｍ０＋ｔ’ 更にまた、第５図との組合せで、小さな端部からの距離
Ｘのどの点に関しても、公式（３）又は（４）から演経
出来： 特に、最大変位又は速度のためにｘ　＝　ｄ　、そして
密度又は圧力変化の無動点に対応する変位又は速しかし
ながら、第６図ＶＣ７ｒ−盲ｎるーＶ（河丁ゐ−ｔ　　
　　ρ。

の極限値のプロットとして限定された変位を考慮する時
、無効点（０点）での−の現実の値は関ρ０ 連鎖の単位に関して比例減少する。この比例減少がｘ＝
ｄ′で公式（８）から得られた。

この事項から、流入と流出とが均衡ぢれねばならないか
ら、オープンサイクル適用に関しては平均密度及び圧力
値の同一超過値がるることが留意でれるだろう。

これまで述べられた解析は、ガスがｉｔんの小さな変位
で実現される一次弾性関係に基いている。

断熱挙動は一次（線状）でないが、しかし非一次の作用
が自由ピストン適用に関して広範囲にわたって鯛ぺられ
、そしてそれ自体が一次弾性手段で計算された値から限
界まで増加てれた尚い圧縮比率に関してのみ重要なこと
が見出され、変化の時間評価が時々刻々と増加されるの
で、それ故に振動数（＠数）が計算値よシ幾分高くなる
。

−次理論は振動するヘイデーでの実験で圧力無効点の位
置を首尾良く予示するが、しかし観察される共振周波数
は、上述した断熱ガス圧縮の非−次性と、共揖筒の上端
に於ける温度での音速の増加との両者と一致する予鉤値
よシ高い。その結果。

与えられた理論が信頼して用いられるに十分正確である
こと、及び圧力と絶対温度の対応比例断熱偏位が、それ
ぞれ・臂ワーγとｒ−ｔに対する温度上昇によって、比
例密度偏位から得られることが要求される。

サイクルに於ける絶対温度の比例関係から、決められる
加熱端のカルノー（Ｃａｒｎｏｔ）熱効率から：Ｌ′４
０ でアリ、そしてサイクル中でのアゲソーパー（ａｂｓｏ
ｒｂ＊ｒ）端では絶対温度の比例関係から決められる対
応ヒートポンプダイン（ｈ＠ａｔ　ｐｕｍｐ　ｇａｉｎ
）−ｔ は：ｍ。

ｒ−ｔ　　　　　　　　　’ ｍｌ　　　　−１ であシ、理論化された仕事係数（ｃｏｐ　）は：空気に
関してｒ＝１．４を用い、第６図の例に関するこの値は
２．７７であるが、しかしそれは幾つものファクターに
よって変更されるだろう。

諏１に、熱が加熱端部での広かシに相応して低温で捨て
られることがなく、またアブソーバ一端部での完全圧縮
に相応する温度で吸い込まれもしない事を論する仁とが
出来る。この事は、熱交換器の作用が両端部で平均温度
の上昇を示す熱交換器に関してのアブソーバ一端部と見
なされ、故に想像上のものがよシ厳密に近似される。

第２に、壁摩擦熱の比率が、この場合にはヒートエンジ
ン端で捨てられる熱としてウォータージャケット（ｗａ
ｔ＠ｒ　ｊａｃｋ＠ｔ）　　で償はれると言えども、前
者（ウォータージャケット）はヒートエンジン作用の制
限された熱効率に従属する機械ノ母ワーとして準備され
ねばならず、そして実質上てζ装置に委ねられる。機械
的パワーは、また空気の入口とポー）７．８ｉ通る流出
量で消費されるが、この比率は、両者が境界層と見なさ
れるので、種摩擦損失と共通である。

与えられる端部の径に関するこの目的は振動するガスの
量を増大することにあシ、そのために与えられる体積圧
縮比に関してガス速度を減少することにある。効力は、
摩擦損失が速度の３乗に比例するので、一体とするのに
値する。完全な数字解析が便利であるが、しかし効力は
修正の範囲内で適切に割シ切られることが適当である。

修正手続のかぎは、形状が平行か、円錐か、或いはオシ
パルかに関係なく、長さＬでの自己振動数ｆの一次の下
記依存関係で見出される。

振動システムに関する角振動数ωは又下記依存間ここで
ｋは硬度でおり、ｍは質ｔである。従ってオシパルの場
合には、硬度は質ｔと比例して増加することを考慮され
ねばならない。

この結果が第７図で理解きれ、そこでは３つの想像円錐
ＯＡ　、　ＯＢ　、及びＱＣがある。ＯＡは両端部の寸
法を含み、ＯＢはオシパル曲線に外接し、そしてＯＣは
補間である。３つの円錐に関しては、全てが同一比率の
−を有しているので、前出の理論は変わらない。円錐Ｑ
Ｃは１つの質量領域と２つの硬度領域を限定するために
オシパル曲線を切っている。

若しＯＡと００間の径比率がｌ＋ｅであれば、硬度も又
１＋ｅによって増加されることが、体積及び横断面積の
要件の結果として起こる。しかしながら、ｅの限定に関
係なく、質量として指速された囲われた体積はぎ＋２６
を超過する率によって増加され、そしてこの偏差は仮想
質量なる流体力学の概念用語で説明可能であり、この場
合に仮想質量は、拡大された断面の内部では速度がよシ
小である故にマイナス（−）である。硬度はあいまいで
なく計算可能なので、硬度と見掛は質量との両方がｌ＋
ｅで増加し、そしてＯＣが２つの端部間でのオシパル曲
線の中間軸として定められると考慮するのが適切である
。従ってオシパル形状は、あたかも比率４＋θで増加し
た径を有する円錐の如く、圧縮率又は出力に関してでは
なく摩擦損失に関し減少する。

第１図及び第２図に示されたオシパル形状の効果は他の
点で均等な環境について摩擦損失を５０Ｌｌｂまで減少
する。

種摩擦損失 円錐体内での振動する流れに対する明細なデータがない
から、同等の長嘔及び径の平行パイプ内での不変状態の
境界層摩擦を考慮するのが適切である。摩擦係数Ｃ，は
レイノルズ数（Ｒｅｙｎｏｌｄ’ｓｎｕｍｂ＠ｒ　）　
　に依存し、表面粗さに比例し、そしてニクラドス（Ｎ
ｉｋｕｒａｄｓａ）の標準データによって与えられる。

レイノルズ数が１０以上、表面粗さが５０ミクロン以下
では、Ｃｆ＝　０．００３５となる。

半径Ｒの円筒形チー−プ内の軸方向変位と１波長とは： α＝α。（２）□房ωｔ、で与えられる。

を 及び関連時間で積分された平均仕事率Ｗは：し、ガンマ
（γ）関数を計算すると、 ｕｔ＝０．５６５　ｕｏ　　　　　　　　　αやｕｏは
軸方向速度の振幅であシ、Ａは壁の全面積。

チェープ内のガス最大運動エネルギーの部分がηとして
明示されて、半ストロークにわたる摩擦仕事の集積は二 これら要件は、壁摩擦損失が展開される機械的パワーの
重大な部分ではあるが、これらは若しオシパル形状が編
入されれば個々に入れられることがわかる。

熱交換器の特性 熱交換器はスターリングサイクル（Ｓｔｉｒｌｉｎｇｃ
ｙｃｌｅ）エンジンが最初に作られて以来便用されてお
シ、そして効率の増大に応じている。熱フィルターとし
てのその機能は、断熱体積変化でガスが通過されるレシ
プロサイクルの一部分で獲得した熱を蓄え、且つサイク
ルが転換された時にその熱を戻すことにある。その２つ
の基本特性は従ってガスにさらされ、ガス移動の方向に
小嘔な熱伝導率で結合された大きな表面積にるる。

典型的には、これらがガスのｗｌ擦損失と熱伝達に関す
る効率であるので該フィルターは間隔を置いて非金属材
プレートを積重ねた形状を有している。

この場合の熱交換器の有利な使用は第５図での密度比の
該当プロットから明らかにされる断熱温度変化の最大値
（第７図）のプロットかられかるだろう。第７図の傾斜
線は、実際には線が熱伝達を説明するループであるから
、簡明化のために転換出来る方法ではあるが、断熱温度
変化を受けるガスのバケツ）　（ｐａｃｋ＠ｔ）で揺ら
れる経路を閂的に描いている。熱交換器の位置は示され
ており、そしてこれが熱伝達表面が位置する共振筒の端
部に達していない事は注目出来るだろうし、間隙は熱接
触を避けるに十分である。

線ＢＢ’とＥＥ’は常に熱交換器内に残存するガスパケ
ットを表わしている。これらのノ９ケットは、空洞（キ
ャビティ）の中央近くの位置で拡げられ冷やされた時に
、熱を獲得することによって温度勾配に抗して熱を供給
し、そしてキャビティの端部近くの位置で圧縮てれ熱せ
られた時に熱交換によって熱を放出する。

従ってキャビティ（Ｃａｖｉｔｙ）の端部に向かりて傾
斜上昇する温度勾配が熱交換器内に存在する。

熱交換器の中間の温度は、圧縮ガスからの熱交換が薄め
られたガスからよりもよυＭ効でおるので、また周囲よ
シ高い。

熱交換器の最も完全な効果はキャビティの端に近い熱交
換器端部で生ずる。なぜならこれら位置には膨張され、
冷却され、そして熱を受入れる時にガスが入るからであ
る。

熱交換器は、キャビティの端部での平均温度がかなり上
昇されるようにガスが圧縮され、熱される状態に置かれ
ている。効力は線Ａ　Ａ’とＦ　Ｆ’で描かれる。反対
の効力は、線ＣＣ′及びＤＤ’から見られる如く、熱交
換器の内側端部で生ずる。全体の効力は、平均温度が熱
交換器外で温度振幅の半分にまでかなり高められ、そし
て熱交換器内でよシ大きな体積のより小さな址まで下げ
られることである。

熱交換器の長さは指定位置での全体の転置の限度を超過
せねばならず、そして下方の熱交換器とヒートアブソー
バ−との間の間隔は実用的な最小である。熱交換器材料
に関する最適基準は、各サイクルでの伝達熱の浸透が帯
鋼の厚さを越えてはならず、そしてこの事は関連した瞬
時の熱流動の取扱いから： で説示嘔れる。

ｔ　＝　０．１　ａｍ　、ω＝　８１７／ｓｅｅ　で、
これは指定熱拡張係数αが約１Ｏ−２ｃｒｎ２／８ｅｃ
　　に等しいことを指し、ぞしてこれはガラス賞材料に
よって満足される。金属は伝達過剰である。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧力揺動ガス分離器の部分断面側面図であり：
第２図はへイブ−の部分断面側面図でろシ：第３図は熱
源を通る断面図であシ：第４　ｃｔ　−＋ｂ田はヰ（；
共振筒とガス変位の次元を表わす線図：第５図は共振筒
の特性を示すグラフ図：第６図は共振筒の長さにわたる
時間に関してどのように変位と密度との大きさが変化す
るかを示すグラフ図：第７図はオシパル補正の効果を示
すグラフ図：第８図は熱交換器の作用を説明するための
位置を対照した温度線図。 １・・・ヒートポンプ、２・・す９ルス熱源、３・・・
共振筒、４，２０・・・熱交換器、訃・・外側チャンバ
ー、６・・・ファン、７・・・環状バッフル、８．１２
・・・ポート、９・・・ガス混合スペース、１４・・・
点火グラフ、１５・・・放物反射体、１６・・・ベッド
、１７・・・プレート、１８・・・ガス出口、１９・・
・ヒートポンプ、２１・・・ヒートシンク、２２・・・
プール、２３・・・金属フィン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一端から他端までその長さに沿って断面が拡大する
   共振筒（３）と、該共振筒（３）の一端に位置した熱源
   （２）と、共振筒（３）内でガスに振動を引起こすため
   の手段（２、４）とを含んだ熱で運転されるガス共振装
   置。 ２、熱源と、共振筒（３）内でガスに振動を引起こすた
   めの手段とが共に、ガス共振筒（３）の共振周波数に一
   致するパルス繰返し周波数を有するパルス熱源（２）に
   よって形成された特許請求の範囲第１項のガス共振装置
   。 ３、パルス熱源が、可燃のガス又は蒸気と空気との供給
   物を貫通導入する弁（１９）と、次に続いたフレームト
   ラップ（１１）と、共振筒（３）の一端で混合気体を最
   初に点火するための点火装置（１４）とを含んでいる特
   許請求の範囲第２項のガス共振装置。 ４、混合気体を入れるための弁（１０）が、後続の点火
   のために共振筒（３）の一端内部に混合気体の噴出を許
   すための、弁の閉止状態と開放状態との間で、パルス燃
   焼に応じて振動する調律された逆止弁によって形成され
   ている特許請求の範囲第３項のガス共振装置。 ５、パルス熱源が共振筒（３）の一端に位置した間接的
   ヒーターを含んでいる特許請求の範囲第２項から第４項
   までのいずれか１項のガス共振装置。 ６、熱交換器（４）が共振筒（３）内の一端に近接する
   が接触せずに設置されている特許請求の範囲第１項から
   第５項までのいずれか１項のガス共振装置。 ７、共振筒（３）が、断面で見た場合に、その側壁が曲
   がっている縦断面の裁頭オジバル形状を有している特許
   請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項のガス
   共振装置。 ８、共振筒（３）の他端が分子ふるい材料のベッド（１
   ６）を含み、ガス交換ポート（８）が分子ふるい材料の
   ベッド（１６）の熱源（２）側に備えられ、そしてガス
   出口（１８）が、圧力揺動ガス分離器を提供するために
   、分子ふるい材料のベッド（１６）の熱源（２）から離
   れた面上に備えられている特許請求の範囲第１項から第
   ７項までのいずれか１項のガス共振装置。 ９、分子ふるい材料が、酸素よりはむしろ窒素を吸着す
   る展開されたゼオライトである特許請求の範囲第８項の
   ガス共振装置。 １０、共振筒（３）の他端に置かれたヒートシンク（２
   １）を含むヒートポンプ（１９）と、該他端に隣接した
   熱交換器（２０）と、熱交換器の熱源（２）側の手段（
   ８）とが、共振筒（３）内のガスと低グレード熱の源と
   の間で熱交換を果たすために結合している特許請求の範
   囲第１項から第７項までのいずれか１項のガス共振装置
   。 １１、低グレード熱の源が大気であり、大気と熱交換器
   （２０）の上流の領域のガスとの間で直接熱交換が引起
   され、そしてガス交換ポート（８）が圧力無効点の位置
   で共振筒（３）の壁内に備えられている特許請求の範囲
   第１０項のガス共振装置。 １２、共振筒（３）内にガス交換ポート（８）を通して
   大気から空気を取入れるためのファン（６）を含んでい
   る特許請求の範囲第１１項のガス共振装置。 １３、頂部、即ち熱源（２）を備えた共振筒（３）の一
   端部、に位置するファン（６）を備え共振筒（３）を取
   囲んでいる外側チャンバー（５）と、ファン（６）によ
   ってポート群（８）の半分を通して空気流を注ぎ、ポー
   ト群（８）の他の半分から冷却空気を出し、且つ外側チ
   ャンバー（５）の下方部分を通して流すためにガス交換
   ポート群（８）に隣接した波打った環状バッフル（７）
   とを含む特許請求の範囲第１２項のガス共振装置。 １４、共振筒（３）の他端でヒートシンク（２１）は、
   浅い水のプール（２２）を含み、熱良導体のフィン（２
   ３）が水のプールと熱接触し、且つ水のプール（２２）
   と熱交換器（２０）の下流側との間のスペース中に広が
   っている特許請求の範囲第１０項から第１３項までのい
   ずれか１項のガス共振装置。