(57)【要約】【課題】より小型化できる圧力振動発生装置を提供すること。【解決手段】圧力振動発生装置１では、熱入力部２２を加熱して仕事伝達チューブ３０内に自励振動を生じさせるとともに、共振器５０を共振させ、かつ熱交換器２０に仕事を入力すると、この仕事が熱交換器２０を介して増幅された後、仕事伝達チューブ３０に伝達されて出力部４０に出力されるように構成した。このため、出力された仕事を入力した仕事よりも大きくできるので、出力された仕事の一部をシリンダ１０の駆動用のエネルギとして置換して用いれば、大型のソーラシステムによる電気エネルギ等をなんら用いることなく、加熱するだけで圧力振動発生装置１を継続的に駆動でき、圧力振動発生装置１を格段に小型化できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力仕事を発生させる仕事発生手段と、仕事発生手段からの仕事の入力側に熱放出部を有しかつ出力側に熱入力部が設けられた熱交換器と、熱交換器の熱入力部側に設けられた仕事伝達チューブと、仕事伝達チューブの仕事の出力側に設けられた出力部と、前記仕事伝達チューブおよび出力部の間から分岐して設けられた共振器とを備えていることを特徴とする圧力振動発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力振動発生装置において、前記仕事伝達チューブの仕事の出力側と前記仕事発生手段とは、前記仕事伝達チューブから出力された仕事の一部を前記仕事発生手段に戻す戻り手段を介して連通していることを特徴とする圧力振動発生装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧力振動発生装置において、前記共振器は、前記仕事伝達チューブおよび出力部の間と連通した中空の収容体と、収容体内に配置された固体ディスプレーサと、固体ディスプレーサを前記収容体内に振動可能に付勢する付勢手段とを含んで構成されていることを特徴とする圧力振動発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載の圧力振動発生装置において、前記共振器は少なくとも一対設けられ、それぞれの固体ディスプレーサの振動方向が互いに近接離間するように対向配置されていることを特徴とする圧力振動発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力振動発生装置に係り、例えばパルス管冷凍機へ圧力振動を供給するために用いられる圧力振動発生装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、人工衛星の各種機器類を冷却する目的で、人工衛星にパルス管（クライオ）冷凍機等の冷凍手段を搭載する研究が進められている。パルス管冷凍機はパルス管に圧力振動を供給することで機能するが、そのような圧力振動を発生させる圧力振動発生装置としては通常、電気エネルギを使用したもの、具体的には電動機で駆動されるコンプレッサと、これに設けられた電子制御式の切換バルブとを備えたもの等が提案されている。従って、人工衛星には、圧力振動発生装置を駆動する十分な電気エネルギを得るために、太陽からの熱エネルギを電気エネルギに変換する大型のソーラーシステムが同時に搭載されることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現存のソーラーシステムでは、熱エネルギから電気エネルギへの変換効率が極めて低いため、十分な電気エネルギを得るためには、用いられるソーラーパネル等を大型化する必要があり、人工衛星に搭載するうえで様々な弊害が生じる。このため、圧力振動発生装置の小型化が切望されていた。
【０００４】
本発明の目的は、より小型化できる圧力振動発生装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の圧力振動発生装置は、仕事入力用の仕事発生手段と、仕事発生手段からの仕事の入力側に熱放出部を有しかつ出力側に熱入力部を有した熱交換器と、熱交換器の熱入力部側に設けられた仕事伝達チューブと、仕事伝達チューブの仕事の出力側に設けられた出力部と、前記仕事伝達チューブおよび出力部の間から分岐して設けられた共振器とを備えていることを特徴とする。
【０００６】
このような本発明の圧力振動発生装置においては、熱入力部を十分に加熱することにより、仕事伝達チューブ内に自励振動が生じ、仕事伝達チューブの仕事の出力側に設けられた共振器が共振する。この状態で仕事発生手段から熱交換器の熱放出部側に仕事（圧力波）を入力すると、この仕事は熱交換器を介して増幅された後、仕事伝達チューブに伝達されて出力部に出力される。つまり、圧力振動発生装置が増幅器として機能する。そして、増幅して出力された仕事は入力した仕事よりも大きいので、出力された仕事の一部を仕事発生手段の駆動用のエネルギとして用いれば、加熱するだけでなんら電気エネルギ等を用いることなく、圧力振動発生装置が継続的に駆動されるようになる。従って、圧力振動発生装置を人工衛星に搭載されたパルス管冷凍機等への圧力振動の供給用に用いる場合では、太陽熱等で直に熱入力部を加熱するように設ければよく、そのような熱エネルギを電気エネルギに変換する大型のソーラーシステムを用いなくともよいから、圧力振動発生装置の小型化が格段に促進される。
【０００７】
本発明の請求項２の圧力振動発生装置は、請求項１に記載の圧力振動発生装置において、前記仕事伝達チューブの仕事の出力側と前記仕事発生手段とは、前記仕事伝達チューブから出力された仕事の一部を前記仕事発生手段に戻す戻り手段を介して連通していることを特徴とする。
このような構成では、仕事伝達チューブの仕事の出力側と仕事発生手段とを戻り手段で連通させるので、熱入力部を加熱する限り、仕事伝達チューブから出力された仕事の一部で仕事発生手段も自励的にかつ継続的に駆動されるようになり、圧力振動発生装置としては、駆動開始時のスイッチ機構等も不要になり、より簡素化され、一層の小型化が可能である。
【０００８】
本発明の請求項３の圧力振動発生装置は、請求項１または請求項２に記載の圧力振動発生装置において、前記共振器は、前記仕事伝達チューブおよび出力部の間と連通した中空の収容体と、収容体内に配置された固体ディスプレーサと、固体ディスプレーサを前記収容体内に振動可能に付勢する付勢手段とを含んで構成されていることを特徴とする。
一般的な共振器としては、構造が簡単な共鳴管が知られている。しかし、共鳴管は、構造が簡単な反面、十分な性能を得るためには長さが長くなり過ぎてしまい、かえって配置用の専有スペースが大きくなるという問題がある。
これに対して本発明では、固体ディスプレーサを収容体内で振動させる構成としたので、固体ディスプレーサの振幅が得られるだけの短い長さに設けることが可能であり、小型化が確実に促進される。
【０００９】
本発明の請求項４の圧力振動発生装置は、請求項３に記載の圧力振動発生装置において、前記共振器は少なくとも一対設けられ、それぞれの固体ディスプレーサの振動方向が互いに近接離間するように対向配置されていることを特徴とする。
このような構成では、各共振器の固体ディスプレーサは、互いの振動がキャンセルし合う方向に振幅を繰り返すので、圧力振動発生装置全体が機械的に振動するといった不具合が生じない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る圧力振動発生装置１の全体を示す模式図である。
圧力振動発生装置１は、系内のヘリウム等の作動ガスに圧力振動を生じさせる装置であって、例えば人工衛星に搭載されるパルス管冷凍機に圧力振動を供給するために好適に用いられる。
【００１１】
具体的に圧力振動発生装置１は、所定の大きさの圧力波を入力仕事として発生部１０Ａから発生するシリンダ（仕事発生手段）１０と、一端にシリンダ１０からの仕事が入力されかつ他端から出力される熱交換器２０と、熱交換器２０の出力側に接続された仕事伝達チューブ３０と、仕事伝達チューブ３０の出力側に設けられて例えばパルス管冷凍機等が接続される出力部４０と、仕事伝達チューブ３０および出力部４０の間の管路２から分岐して設けられた一対の共振器５０と、仕事伝達チューブ３０および共振器５０の間と前記シリンダ１０の戻り部１０Ｂとを連通させる管路（戻り手段）６０とを備え、シリンダ１０、熱交換器２０、仕事伝達チューブ３０、および出力部４０が直列に配置されて連通している。
【００１２】
シリンダ１０は、内部にピストン１１を備えているとともに、このピストン１１が振動可能にばね等の任意な付勢手段１２で付勢されている。このピストン１１を所定の周波数で振動させることにより、発生部１０Ａから仕事（圧力波）を発生させ、熱交換器２０に入力することが可能である。
【００１３】
熱交換器２０は、中央の蓄熱器２１を備えており、蓄熱器２１の一端側には熱入力部２２が設けられ、他端側には熱放出部２３が設けられている。熱放出部２３にはシリンダ１０からの仕事が入力されるが、この際に熱入力部２２を加熱すると、入力された仕事が蓄熱器２１を介して増幅し、仕事は低温側である熱放出部２３側から高温側である熱入力部２２側に流れ、仕事伝達チューブ３０に伝達される。これは、熱入力部２２側から熱放出部２３側への熱の流れが逆向きの仕事の流れに変換されるからである。そして、増幅された仕事は、仕事伝達チューブ３０から出力部４０に出力される。
【００１４】
一方、熱入力部２２が十分に加熱されると、仕事伝達チューブ３０内に自励振動が生じ、この自励振動に対して共振器５０が所定の位相差で共振する。なお、仕事伝達チューブ３０の出力側にも熱放熱部３１が設けられ、出力側で生じる熱を放熱している。
【００１５】
各共振器５０は、管路２の途中と連通した円筒状の収容体５１と、収容体５１内に収容された円柱状の固体ディスプレーサ５２と、固体ディスプレーサ５２を振動可能に付勢するばね等の付勢手段５３とを備えており、固体ディスプレーサ５２が軸線方向には振動するが、径方向に殆ど振動しないように構成されている。この際、固体ディスプレーサ５２の質量や、ばね定数等で決定する付勢手段の付勢力は、自励振動に対する位相差を勘案して設定されている。
【００１６】
また、各共振器５０は、管路２を挟んで対向する向きで配置されており、固体ディスプレーサ５２の振動時には、互いの固体ディスプレーサ５２が近接離間する向きで振動し、この振動がキャンセルし合って圧力振動発生装置１全体が機械的に振動するのを抑制している。
【００１７】
このような固体ディスプレーサ５２は、仕事伝達チューブ３０から出力された仕事の一部が管路６０を介してシリンダ１０の戻り部１０Ｂ側に戻された場合に、シリンダ１０内のピストン１１を略同じ共振周波数で振動させる。この戻された仕事はシリンダ１０において、前述の入力仕事の圧力波に置換される。
【００１８】
このような本実施形態では、熱入力部２２を加熱して行くと先ず、仕事伝達チューブ３０内に自励振動が生じはじめ、この自励振動が十分に大きくなって共振器５０が共振する。この共振器５０での共振によって生じる圧力波は定在波であるために、仕事として何ら取り出せるものではない。そして、この圧力波と略同じ共振周波数、つまり位相差を持った共振周波数がシリンダ１０内のピストン１１に付与され、その共振周波数の入力仕事（圧力波）が発生部１０Ａで自励的に発生し、熱交換器２０に入力される。
【００１９】
この後、入力された仕事は、熱交換器２０の蓄熱器２１で増幅され、仕事伝達チューブ３０に伝達された後、進行波として出力部４０に出力される。つまり、圧力振動発生装置１は入力された仕事を増幅して出力する増幅器として機能する。さらに、出力された仕事の一部は、再度シリンダ１０に戻されて入力仕事に置換され、以後、圧力振動発生装置１は、従来のソーラーパネルのような電気エネルギ源なしでも継続的に駆動される。
【００２０】
具体的な例で圧力振動発生装置１を説明すると、安定して加熱される状態で、例えば「１」の仕事を入力した場合に「３」の仕事に増幅できれば、「３」のうちの「１」をシリンダ１０に戻して再度入力仕事として置換でき、残りの「２」でパルス管冷凍機等を駆動できる。そして、戻った「１」が入力されて再度「３」に増幅され、以後、継続的に「２」を取り出して、「１」を戻すことが可能である。
【００２１】
このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）　圧力振動発生装置１においては、これ自身が増幅器として機能することで、出力された仕事を入力した仕事よりも大きくできるので、出力された仕事の一部をシリンダ１０の駆動用のエネルギとして置換して用いれば、加熱するだけでなんら電気エネルギ等を用いることなく、圧力振動発生装置１を継続的に駆動できる。従って、圧力振動発生装置１を人工衛星に搭載されたパルス管冷凍機等への圧力振動の供給用に用いる場合では、太陽熱等で直に熱入力部２２を加熱するだけでよく、そのような熱エネルギを電気エネルギに変換する大型のソーラーシステムを用いなくともよいから、圧力振動発生装置１を格段に小型化できる。
【００２２】
（２）　また、圧力振動発生装置１では、仕事伝達チューブ３０の仕事の出力側とシリンダ１０とが管路６０で連通されているので、熱入力部２２を加熱する限り、仕事伝達チューブ３０から出力された仕事の一部でシリンダ１０を自励的にかつ継続的に駆動でき、圧力振動発生装置１としては、駆動開始時のスイッチ機構等も不要してより簡素化でき、一層の小型化を促進できる。
【００２３】
（３）　圧力振動発生装置１の共振器５０は、固体ディスプレーサ５２を収容体５１内で振動させる構成であるから、例えば長尺な共鳴管を用いる場合に比して、固体ディスプレーサ５２の振幅が得られるだけの短い長さに設けることができ、小型化を確実に促進できる。
【００２４】
（４）　各共振器５０は管路２を挟んで対向配置されているとともに、それぞれの固体ディスプレーサ５２は、互いの振動がキャンセルし合う方向に振幅を繰り返すので、圧力振動発生装置１全体が機械的に振動するといった不具合を防止でき、耐久性、信頼性を向上させることができる。
【００２５】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば前記実施形態では、出力部４０にパルス管冷凍機を接合する前提で圧力振動発生装置１を説明したが、出力部４０に接続されるものはこれに限定されるものではなく、ピストン等であってもよく、また、圧力振動で駆動される任意の装置であってよい。
【００２６】
前記実施形態では、出力された仕事の一部を管路６０を介してシリンダ１０に戻す構造であったが、そのような管路６０を設けず、シリンダ１０のピストン１１を電気エネルギで駆動させてもよい。このような場合では、電気エネルギを得るためにソーラーシステム等が必要になるが、ピストン１１を駆動するのには、従来のようなコンプレッサや切換バルブを駆動するのに比べると小さな電力でよいため、小型のソーラーシステムでよく、そのような小型のソーラーシステムを用いても、圧力振動発生装置としては十分に小型化でき、本発明の目的を達成できる。
【００２７】
その他、本発明に係る仕事発生手段、共振器、あるいは戻り手段等の具体的な構成は、前記実施形態で説明したものに限定されず、本発明を実施するにあたって任意に決められてよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、より小型化できる圧力振動発生装置を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧力振動発生装置の全体を示す模式図である。
【符号の説明】
１…圧力振動発生装置、２…管路、１０…仕事発生手段であるシリンダ、１０Ａ発生部、１０Ｂ…戻り部、１１…ピストン、１２…付勢手段、２０…熱交換器、２１…蓄熱器、２２…熱入力部、２３…熱放出部、３０…仕事伝達チューブ、３１…熱放熱部、４０…出力部、５０…共振器、５１…収容体、５２…固体ディスプレーサ、５３…付勢手段、６０…戻り手段である管路。
【図１】
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