(57)【要約】    【課題】  エンジンあるいは冷凍機として作動するいずれの場合でも、高効率で、小型であると共に、利便性の良いパルス管型蓄熱機関を提供すること。    【解決手段】  パワーシリンダ２２と、パワーピストン２３とで構成されるパワー作動部２１と、駆動部２５とを有するパワー部２０と、第１パルス管４２、第１熱交換器４３、再生熱交換器４４、第２熱交換器４５とを順次連通した熱交換作動部４０と、ディスプレーサピストン６３の前面側に構成される第１作動部６１と、ディスプレーサピストン６３の背面側に構成される第２作動部６６とを有するディスプレーサ部６０と、を備え、パワー作動部２１と、第１動部６１とを第１パルス管４２に接続し、第２作動部６６を第２熱交換器４５に接続し、第１熱交換器４３の温度は第２熱交換器４５の温度より高い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスの往復動と圧力変動とに位相差を持たせることにより動力あるいは冷凍を発生させるパルス管型蓄熱機関であって、
パワーシリンダと、前記パワーシリンダの内周面に往復動可能に収納されたパワーピストンとで構成されるパワー作動部と、前記パワーピストンが連結される駆動部と、を有するパワー部と、
前記作動ガスが吸熱又は放熱する第１熱交換器と、前記作動ガスが放熱、吸熱する第２熱交換器と、前記第１熱交換器の一端と前記第２熱交換器の一端に連通され前記作動ガスと吸熱、排熱を交互に繰返す再生熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器のうち少なくとも前記第１熱交換器側に設けられ前記第１熱交換器の他端に連通する第１パルス管と、を有する熱交換作動部と、
ディスプレーサシリンダと、前記ディスプレーサシリンダの内周面に往復動可能に収納されたディスプレーサピストンの前面とで構成される第１作動部と、前記ディスプレーサシリンダと、前記ディスプレーサピストンの背面と、前記背面に連結されたロッドと、前記ディスプレーサシリンダに設けられ前記ロッドが貫通する隔壁とで形成される第２作動部と、を有するディスプレーサ部と、を備え、
前記パワー作動部を前記熱交換作動部の一端を形成する前記第１パルス管の端部に接続し、
前記第１作動部を前記第１パルス管の前記端部に連通する場合は、前記第２作動部を前記熱交換作動部の他端に接続し、
前記第２作動部を前記第１パルス管の前記端部に連通する場合は、前記第１作動部を前記熱交換作動部の他端に接続し、
前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器より温度が高い、ことを特徴とするパルス管型蓄熱機関。
【請求項２】
前記第２熱交換器の他端に、第２パルス管が配備される、ことを特徴とする請求項１に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項３】
前記パルス管型蓄熱機関は、エンジンとして作動する場合、前記第１熱交換器を介し前記作動ガスが加熱され、前記第２熱交換器で前記作動ガスの圧縮熱を放熱し、前記パワー作動部で前記作動ガスが膨張した膨張仕事を前記駆動部から取出し、
冷凍機として作動する場合、前記駆動部により前記パワー作動部で作動ガスが圧縮され、前記第１熱交換器で前記作動ガスの圧縮熱を放熱し、圧縮された前記作動ガスが前記ディスプレーサ部で膨張し冷凍を発生する、ことを特徴と請求項１または２のいずれかに記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項４】
前記駆動部は、前記パワーピストンに連結される可動子を配設したリニア駆動手段を配備し、前記可動子は支持バネで前記パワーピストンを往復動可能に支持し、
前記パルス管型蓄熱機関がエンジンとして作動する場合は、前記リニア駆動手段が発電機として作動し、
前記パルス管型蓄熱機関が冷凍機として作動する場合は、前記リニア駆動手段がモータとして作動する、ことを特徴とする請求項１乃至３の少なくともいずれか一項に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項５】
前記ディスプレーサピストンは、支持バネで往復動可能に支持される、ことを特徴とする請求項１乃至４の少なくともいずれか一項に記載のパルス管型蓄熱機関。
【請求項６】
前記パルス管型蓄熱機関は、複数個の前記熱交換作動部を備える、ことを特徴とする請求項１乃至５の少なくともいずれか一項に記載のパルス管型蓄熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱器又は蓄冷器(両方を総称して再生熱交換器)と、パルス管とを備えたパルス管型蓄熱機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術のパルス管型蓄熱機関として、振動発生器と蓄冷器とコールドヘッドとパルス管とを順次直列に連結するとともに、これらに流入される作動流体の往復動と圧力変動とに位相差を持たせることにより低温あるいは動力を発生させるパルス管型蓄熱機関において、振動発生器と蓄冷器との連結部とパルス管の高温端との間に、これらを連結するディスプレーサ系統が存在されており、ディスプレーサ系統は、作動流体が流入・流出するディスプレーサ作動空間と、ディスプレーサ作動空間の少なくとも一部を構成するとともに、ディスプレーサ作動空間に対して往復動可能に配設されるディスプレーサ部と、ディスプレーサ作動空間のディスプレーサ部が往復動する方向にディスプレーサ作動空間とは隔絶されたバッファ空間と、ディスプレーサ部の往復動する方向に延在するとともに、一端がディスプレーサ部に取り付けられ、その少なくとも一部がバッファ空間に配設されるディスプレーサバーと、を有するパルス管型蓄熱機関が開示されている。
【０００３】
上記のパルス管型蓄熱機関をエンジンとして使用する場合、コールドヘッド部のコールドヘッドを例えば燃焼ガスで加熱し、ディスプレーサ前面側のディスプレーサ作動空間で作動ガスを圧縮する。圧縮した作動ガスは、圧縮部の圧縮空間とディスプレーサ背面側のディスプレーサ作動空間を足し合わせた作動空間で膨張してピストンを往復動させる。そしてピストンの往復動により、リニアモータ（冷凍機の場合）を発電機として使い、電力が得られる。
【０００４】
一方、冷凍機として使用する場合、圧縮部のピストンをリニアモータで往復動し圧縮空間と、とディスプレーサ背前面側のディスプレーサ作動空間とで作動ガスを圧縮し、圧縮した作動ガスをディスプレーサ前面側のディスプレーサ作動空間で膨張してピストンを往復動させ、冷凍を発生する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
一般に、パルス管型蓄熱機関は、冷凍機として使用する場合、蓄冷器の高温側の掃気容積が、蓄冷器の低温側の掃気容積より大きいと効率が高くなり、小さいと低くなる。エンジンとして使用する場合も、蓄冷器の高温側の掃気容積が、蓄冷器の低温側の掃気容積より大きいと効率が高くなり、小さいと低くなる。
【特許文献１】特開２００６−２７５３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１によれば、パルス管型蓄熱機関を冷凍機とし使用する場合は、コールドヘッドで被冷却体を冷却し、圧縮空間側の熱交換器（以下、第１熱交換器）で圧縮熱を放熱する。従って、蓄冷器のコールドヘッド側の端部が低温端で、蓄冷器の第１熱交換器側の端部が高温端となる。蓄冷器の高温側の掃気容積（圧縮空間の容積Ｖとディスプレーサ背面側のディスプレーサ作動空間の容積Ｖ２を、位相を考慮し、足し合わせた圧縮容積）Ｖｓｕｍ２が、蓄冷器の低温側の掃気容積（ディスプレーサ前面側のディスプレーサ作動空間の膨張容積）Ｖ１より大きいので、効率が高い。
【０００７】
しかし、エンジンとし使用する場合、第１熱交換器を加熱すると、第１熱交換器からの伝導熱で、振動発振器側の作動空間および小径のディスプレーサ作動空間の温度が高温になり、ピストンが往復動できなくなる。このため、前述のコールドヘッドを高温で加熱し、第１熱交換器で圧縮熱を放熱する。従って、蓄冷器のコールドヘッド側の端部が高温端で、蓄冷器の第１熱交換器側の端部が低温端となる。蓄冷器の高温側の掃気容積Ｖ１は、蓄冷器の低温側の掃気容積（圧縮空間の容積Ｖとディスプレーサ背面側のディスプレーサ作動空間の容積Ｖ２を、位相を考慮し、足し合わせた圧縮容積）Ｖｓｕｍ２より小さいので、パルス管型蓄熱機関の効率は低下する問題がある。
【０００８】
また、上記の効率が低下するため、所要の膨張仕事を得るには、膨張容積と、圧縮容積を増大させなければならず、パルス管型蓄熱機関が大型になる問題がある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、エンジンあるいは冷凍機として作動するいずれの場合でも、高効率で、小型であると共に、利便性の良いパルス管型蓄熱機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、作動ガスの往復動と圧力変動とに位相差を持たせることにより動力あるいは冷凍を発生させるパルス管型蓄熱機関であって、
パワーシリンダと、パワーシリンダの内周面に往復動可能に収納されたパワーピストンとで構成されるパワー作動部と、パワーピストンが連結される駆動部と、を有するパワー部と、作動ガスが吸熱又は放熱する第１熱交換器と、作動ガスが放熱、吸熱する第２熱交換器と、第１熱交換器の一端と第２熱交換器の一端に連通され作動ガスと吸熱、排熱を交互に繰返す再生熱交換器と、第１熱交換器と第２熱交換器のうち少なくとも第１熱交換器側に設けられ第１熱交換器の他端に連通する第１パルス管と、を有する熱交換作動部と、ディスプレーサシリンダと、ディスプレーサシリンダの内周面に往復動可能に収納されたディスプレーサピストンの前面とで構成される第１作動部と、ディスプレーサシリンダと、ディスプレーサピストンの背面と、背面に連結されたロッドと、ディスプレーサシリンダに設けられロッドが貫通する隔壁とで形成される第２作動部と、を有するディスプレーサ部と、を備え、パワー作動部を熱交換作動部の一端を形成する第１パルス管の端部に接続し、第１作動部を第１パルス管の端部に連通する場合は、第２作動部を熱交換作動部の他端に接続し、第２作動部を第１パルス管の端部に連通する場合は、第１作動部を熱交換作動部の他端に接続し、第１熱交換器は、第２熱交換器より温度が高い。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、第２熱交換器の他端に、第２パルス管が配備される。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、パルス管型蓄熱機関は、エンジンとして作動する場合、第１熱交換器を介し作動ガスが加熱され、第２熱交換器で作動ガスの圧縮熱を放熱し、パワー作動部で作動ガスが膨張した膨張仕事を駆動部から取出し、冷凍機として作動する場合、駆動部によりパワー作動部で作動ガスが圧縮され、第１熱交換器で作動ガスの圧縮熱を放熱し、圧縮された作動ガスがディスプレーサ部で膨張し冷凍を発生する。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、駆動部は、パワーピストンに連結される可動子を配設したリニア駆動手段を配備し、可動子は支持バネでパワーピストンを往復動可能に支持し、
パルス管型蓄熱機関がエンジンとして作動する場合は、リニア駆動手段が発電機として作動し、
パルス管型蓄熱機関が冷凍機として作動する場合は、リニア駆動手段がモータとして作動する。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、ディスプレーサピストンは、支持バネで往復動可能に支持される。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、パルス管型蓄熱機関は、複数個の熱交換作動部を備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明では、第１作動部を熱交換作動部の一端である第１パルス管の端部に連通する場合は、第２作動部を熱交換作動部の他端に接続する（ケース１）の場合と、第２作動部を熱交換作動部の一端である第１パルス管の端部に連通する場合は、第１作動部を前記熱交換作動部の他端に接続する（ケース２）の場合とがる。
【００１７】
第１作動部の第１作動室の掃気容積Ｖ１は、第２作動部の第２作動室の掃気容積Ｖ２よりロッドの占める体積分多きい。パワー作動部のパワー作動室の掃気容積Ｖをロッドの占める体積より十分大きくすることで、パワー作動室の掃気容積Ｖと第１作動室の掃気容積Ｖ１を位相を考慮し、足し合せた連合作動部の連合容積Ｖｓｕｍ２は、第２作動室の掃気容積Ｖ１より大きい。また、パワー作動室の掃気容積Ｖと第２作動室の掃気容積Ｖ２を足し合せた連合作動部の連合容積Ｖｓｕｍ２は、第２作動室の掃気容積Ｖ１より大きい。
【００１８】
パルス管型蓄熱機関をエンジンとして作動させるる場合、第１熱交換器を燃焼ガス等で高温（例えば、略５００℃）に加熱し、第２熱交換器で圧縮された作動ガスの圧縮熱を第１熱交換器より低い温度（例えば、略６０℃）で放熱する。これにより、第１熱交換器の温度は、第２熱交換器の温度より高い。従って、再生熱交換器の第１熱交換器側の端部は高温端となり、再生熱交換器の第２熱交換器側の端部は低温端となる。第１熱交換器の温度は、第２熱交換器の温度より高い。そして、後述するように、第１熱交換器側に第１パルス管を配備することで、第１パルス管が断熱材として作用し、パワー部、および、ディスプレーサ部が高温になるのを抑制し、第１熱交換器を燃焼ガスで加熱可能になり、エンジンとして作動できる。
【００１９】
一方、パルス管型蓄熱機関を冷凍機として作動させる場合、圧縮した高温（例えば、略６０℃）の作動ガスの圧縮熱を第１熱交換器で例えば、略６０℃で放熱する。そして作動ガスの膨張により発生した冷凍で第２熱交換器を介在し、第１熱交換器の温度より低い温度（例えば略−２０℃）で被冷却体を冷却する。これにより、第１熱交換器の温度は、第２熱交換器の温度より高い。従って、エンジンの場合と同じ用に、再生熱交換器の第１熱交換器側の端部は高温端となり、再生熱交換器の第２熱交換器側の端部は低温端となる。
【００２０】
即ち、エンジンとして、あるいは、冷凍機としていずれに作動しても、再生熱交換器の第１熱交換器側の端部は高温端となり、再生熱交換器の第２熱交換器側の端部は低温端となる。
【００２１】
以上により、エンジンとして、あるいは、冷凍機としていずれに作動しても、再生熱交換器の高温端側に位置する連合作動空間の掃気容積Ｖｓｕｍ１は、再生熱交換器の低温端側に位置する第２作動部の掃気容積Ｖ２より大きい（ケース１）。また、再生熱交換器の高温端側に位置する連合作動空間の掃気容積Ｖｓｕｍ２は、再生熱交換器の低温端側に位置する第１作動部の掃気容積Ｖ１より大きい（ケース２）。結果、パルス管型蓄熱機関は、効率が高い。
【００２２】
従来技術は、パワー作動部と、第２作動部とを、熱交換作動部の第１パルス管に連通し、第１作動部は熱交換作動部の第２熱交換器に連通するので、上述の（ケース２）に相当する。そして冷凍機として作動する場合、第２熱交換器で被冷却体を冷却するが、エンジンとして作動する場合、第２熱交換器が加熱される。
【００２３】
冷凍機として作動する場合、第１熱交換器で作動ガスの圧縮熱を放熱し、第２熱交換器で被冷却体を冷却する。パワー作動部の掃気容積Ｖのパワー作動室と、第２作動部の掃気容積Ｖ２の第２作動室が足し合わせた掃気容積Ｖｓｕｍ２の連合作空間は、再生熱交換器の高温端側に位置して圧縮仕事をし、第１作動室は膨張仕事をなし、冷凍を発生する。この場合、再生熱交換器の高温端は、第１熱交換器側の端部で、低温端は第２熱交換器側の端部に位置する。従って、再生熱交換の高温端側に位置する連合作動空間の掃気容積Ｖｓｕｍ２は、再生熱交換器の器の低温端側に位置する第１作動部の掃気容積Ｖ１より大きいので、従来技術のパルス管型蓄熱機は、冷凍機として作動すると、効率が良い。
【００２４】
エンジンとして作動する場合、第２熱交換器を燃焼ガスで高温に加熱する。パワー作動部の掃気容積Ｖのパワー作動室と、第２作動部の掃気容積Ｖ２の第２作動室が足し合わせた掃気容積Ｖｓｕｍ２の連合作動空間は、再生熱交換器の低温端側に位置し、膨張仕事をなす。一方、圧縮仕事が加えられる第１作動部の掃気容積Ｖ１の第１作動室は、再生熱交換器の高温端側に位置する。従って、再生熱交換の低温端側に位置する連合作動空間の掃気容積Ｖｓｕｍ２は、再生熱交換器の高温端側に位置する第１作動部の掃気容積Ｖ１より大きいので、従来技術のパルス管型蓄熱機は、エンジンとして作動すると、効率が低い。
【００２５】
しかし、前述したように、本発明は、パルス管型蓄熱機がエンジンとして、あるいは、冷凍機として、いずれに作動しても、再生熱交換器の高温端側に位置する連合作動部の連合掃気容積は、再生熱交換器の低温端側に位置する作動室（（ケース１）の場合は第２作動室、（ケース２）の場合は第１作動室）の掃気容積より大きいので、パルス管型蓄熱機関がエンジンとして作動する場合は、従来技術に比べ効率が高くなる。また、パルス管型蓄熱機関が冷凍機として作動する場合は、従来技術と同じように効率が高い。
【００２６】
また、効率が高くなることにより、従来技術と同じ電力あるいは動力を得る場合、パルス管型蓄熱機関は、従来技術に比べ小型になる。
【００２７】
また、パルス管型蓄熱機関は、前述したように、エンジンしても、冷凍機とし利用できるので、利便性の高いパルス管型蓄熱機関を提供できる。
【００２８】
また、連合作動部と、第１熱交換器の間には第１パルス管を配備している。第１パルス管内には、作動ガスからなる第１ガスピストンが形成される。また、第１パルス管と、第１ガスピストン、第１熱交換器で作動ガスが、膨張、圧縮する第１ガスピストン作動室が形成される。
【００２９】
第１ガスピストンは、第１パルス管内で往復動する断熱材として機能しており、
第１ガスピストン作動室の高温（例えば略５００℃）の作動ガスの熱が、パワー部およびディスプレーサ部へ侵入するのを抑制する。これにより、パワー部のパワーシリンダ、パワーピストン、駆動部の各部材、の温度上昇を抑制し、クリアランスシール、駆動部の各部材（永久磁石、支持バネ）は適正に機能する。同様に、ディスプレーサ部のディスプレーサシリンダ、ディスプレーサピストン、ロッド、隔壁、支持バネの温度上昇を抑制し、クリアランスシール、支持バネは適正に機能する。結果、パルス管型蓄熱機関１の耐久性、信頼性が向上する。
【００３０】
また、パワー部およびディスプレーサ部の温度上昇を抑制することで、温度上昇に伴う損失、例えば、駆動部の電気的損失（コイルの発熱、永久磁石の保持力低下）が減少するので、パルス管型蓄熱機関の効率が向上する。
【００３１】
以上により、エンジンあるいは冷凍機として作動するいずれの場合でも、高効率で、小型であると共に、利便性の良いパルス管型蓄熱機関を提供できる。
【００３２】
また、請求項２に記載の発明では、第２熱交換器の端部に、第２パルス管が配備される。
【００３３】
第２パルス管が配備されても、エンジンあるいは冷凍機に作動しても、再生熱交換器の第１熱交換器側の端部が、高温端で、再生熱交換器の第２熱交換器側の端部が、低温端となる。従って、請求項１と同じように、パルス管型蓄熱機関がエンジンあるいは冷凍機に作動しても、高効率で、小型であると共に、利便性の良いパルス管型蓄熱機関を提供できる。
【００３４】
また、第２熱交換器と、ディスプレーサ部との間に第２パルス管を配備することにより、パルス管型蓄熱機関が冷凍機として作動する場合、高い温度（例えば略４０℃）側のディスプレーサ部から低い温度（例えば略−６０℃）の第２パルス管の低温側に侵入する伝導熱を抑制できる。即ち、第２パルス管内に形成されるガスピストン（以下、第２ガスピストン）が断熱材となり、伝導熱を抑制する。結果、第２パルス管と、第２ガスピストンと、第２熱交換器で形成される第２ガスピストン作動室で発生する冷凍量が増大しパルス管型蓄熱機関の効率が向上する。
【００３５】
また、請求項３に記載の発明では、第１熱交換器を、例えば燃焼ガスで高温（例えば、略５００℃）に加熱し、第１熱交換器を往復流動するヘリウムに燃焼ガスの熱エネルギーを加え、パワー作動部で膨張仕事にし、第２熱交換器でヘリウムの熱を放熱（排熱）する。パワー作動部での膨張仕事は、パワーピストンに伝えられロッドを介在し駆動部に伝達される。駆動部は、伝達された膨張仕事を動力あるいは電力として外部に供給する。またディスプレーサ部の第１作動部で膨張した膨張仕事は第２作動部の圧縮仕事に費やされる。結果。パルス管型蓄熱機関は、エンジンとして高い効率で作動できる。
【００３６】
一方、駆動部にパワーピストンを往復動させ、パワー作動部と第１作動部が一体となって、ヘリウムを圧縮し、圧縮されたヘリウムは熱交換作動部を介在し、第２作動部により膨張仕事をし、冷凍を発生する。この冷凍で第２熱交換器を介在し効率良く被冷却体を冷却する。結果、パルス管型蓄熱機関は、冷凍機とし高い効率で作動できる。
【００３７】
以上により、パルス管型蓄熱機関は、エンジンとしても、また冷凍機としても高い効率で利用できるので、利便性の良いパルス管型蓄熱機関を提供できる。
【００３８】
尚、上記の説明は、前述の（ケース１）の場合であるが、（ケース２）の場合も同じ理由で、同じ効果を生じる。
【００３９】
また、請求項４に記載の発明では、パワーピストンは、支持バネで往復動可能に支持されるリニア駆動手段を有する。従って、パワーピストンは、支持バネによりパワーピストンとシリンダとの間に微小な間隙を保って支持される。これにより、作動ガスがシールされると共に、パワーピストンはパワーシリンダに接触することなく往復動できる。結果、摺動摩擦による機械損失が、低減されるので効率の高いパルス管型蓄熱機関を提供できる。
【００４０】
また、摺動摩擦に伴うピストンリングあるいはベアリング等の機械部品が不要になりパルス管型蓄熱機関の耐久性が向上する。
【００４１】
また、請求項５に記載の発明では、ディスプレーサピストンは、支持バネで往復動可能に支持される。従って、ディスプレーサピストンは、ディスプレーサピストンとディスプレーサシリンダとの間、および、ロッドと隔壁との間に微小な間隙を保って支持される。これにより、ヘリウムがシールされると共に、ディスプレーサピストン、および、ロッドが、それぞれディスプレーサシリンダ、および、隔壁に接触することなく往復動できる。結果、摺動摩擦による機械損失が、低減されるので効率の高いパルス管型蓄熱機関を提供できる。
【００４２】
また、摺動摩擦に伴うピストンリングあるいはベアリング等の機械部品が不要となりパルス管型蓄熱機関の耐久性が向上する。
【００４３】
また、請求項６に記載の発明では、パルス管型蓄熱機関は、複数個の熱交換作動部を備えている。従って、エンジンとして使用する場合、各々の熱交換作動部の第１熱交換部を異なった温度で加熱する。例えば、燃焼ガスで一番目の第１熱交換を加熱し、加熱し終った燃焼ガスを無駄に排気することなく次の熱交換作動部の第１熱交換部を加熱する。同様に順次、燃焼ガスを排気することなく次々と第１熱交換部を加熱する。これにより、燃焼ガスの熱を有効に活用できパルス管型蓄熱機関の効率が向上する。
【００４４】
また、冷凍機として使用する場合、各々の熱交換作動部の第２熱交換部を異なった温度で被冷却体を冷却する。例えば、冷房用の送風空気を一番目の第２熱交換で冷却し、冷却終った送風空気を次の熱交換作動部の第２熱交換部で更に低い温度に冷却する。同様に順次、送風空気を次々と第２熱交換部で冷却する。これにより、送風空気が冷却される熱量が増大し、パルス管型蓄熱機関の効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下に本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、本発明のパルス管型蓄熱機関は、冷凍機として用いることも、エンジンとして用いることも出来る。再生熱交換器は、冷凍機の場合は蓄冷器と称し、エンジンでは蓄熱器と称する。以下において、蓄冷器、蓄熱器を総称して再生熱交換器と称する。
【００４６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係わる説明図である。図中、（Ａ）は第１作動室が、第１パルス管に連通し、第２作動室が、第２熱交換器に連通する場合を示し、（Ｂ）は第２作動室が、第１パルス管に連通し、第１作動室が、第２熱交換器に連通する場合を示す。図１（Ｂ）の作動、効果は、図１（Ａ）と略同じであるので、以下、図１（Ａ）を主体に説明する。
【００４７】
図１（Ａ）に示すように、パルス管型蓄熱機関１は、ヘリウム（作動ガス）を圧縮、膨張するパワー部２０と、ヘリウムを膨張、圧縮するディスプレーサ部６０と、パワー部２０およびディスプレーサ部６０により圧縮、膨張され流出入するヘリウムと熱交換する熱交換作動部４０とから構成される。
【００４８】
パワー部２０は、パワー作動部２１と駆動部２５から構成される。パワー作動部２１は、小径部と大径部を有するパワーシリンダ２２の小径部と、パワーシリンダ２２の小径部の内周面を往復動するパワーピストン２３から構成され、ヘリウムが圧縮、膨張を繰返すパワー作動室２１ａ有する。
【００４９】
駆動部２５は、パワーシリンダ２２の大径部に設けられ、パワーピストン２３に連結するリニア駆動部２５ａ（リニア駆動手段）と、パワー部２０の振動を抑制するバランサー３０とから構成される。
【００５０】
リニア駆動部２５ａは、パワーピストン２３の背面側のバッファ部２９に設けられ、パワーシリンダ２２の大径部に固定された固定子２７と、固定子２７に対し往復動する永久磁石を有する可動子２６とから構成される。固定子２７は、銅線が巻かれたコイルを有する。可動子２６は、ロッド２４を備え、外周側がパワーシリンダ２２の大径部に固定され、内周側がロッド２４に固定される一対の支持バネ２８を有する。
【００５１】
ロッド２４はパワーピストン２３の背面中心に連結され、パワーピストン２３は一対の支持バネ２８によってパワーシリンダ２２の内周面に対し微小間隙を持って支持される。この微小間隙は、ワーピストン２３がパワーシリンダ２２の内周面に対し往復動可能にすると共に、パワー作動室２１ａと、バッファ部２９のヘリウムをシールするクリアランスシールとして機能する。
【００５２】
尚、リニア駆動部２５ａは、パルス管型蓄熱機関１がエンジンとして作動する場合は、発電機として機能し、パルス管型蓄熱機関１が冷凍機として作動する場合は、モータとして機能する。
【００５３】
バランサー３０は、質量３１と、質量３１に固定されるロッド３２、外周側がパワーシリンダ２２の大径部に固定され、内周側がロッド３２に固定される一対の支持バネ３３を有する。バランサー３０は、パワーピストン２３と可動子２６が一体となって往復動する際に発生する振動を抑制する。
【００５４】
ディスプレーサ部６０は、小径部と大径部を有するディスプレーサシリンダ６２と、ディスプレーサシリンダ６２に設けた隔壁６５と、ディスプレーサピストン６３と、ディスプレーサピストン６３の背面中心に連結したロッド６４と、内周側がロッド６４に固定された一対の支持バネ６７とから構成される。
【００５５】
支持バネ６７の外周は、隔壁６５の背面側に設けられたバッファ部６８側のディスプレーサシリンダ６２に固定される。一対の支持バネ６７によってディスプレーサピストン６３はディスプレーサシリンダ６２の小径部の内周面に対し微小間隙を持って支持される。この微小間隙は、ディスプレーサピストン６３がディスプレーサシリンダ６２の内周面に対し往復動可能にすると共に、ヘリウムをシールするクリアランスシールとして機能する。同じように、ロッド６４は隔壁６５に設けた貫通孔の内周面に対し微小間隙を持って支持される。この微小間隙は、貫通孔の内周面に対し往復動可能にすると共に、ヘリウムをシールするクリアランスシールとして機能する。
【００５６】
第１作動部６１は、ディスプレーサシリンダ６２と、ディスプレーサピストン６３で構成され、第１作動室６１ａを有する。また、第２作動部６６は、ディスプレーサシリンダ６２と、ディスプレーサピストン６３の背面と、隔壁６５と、ロッド６４とで構成され、第２作動室６６ａを有する。
【００５７】
また、第１作動部６１の第１作動室６１ａと、パワー作動部２１のパワー作動室２１ａとは、配管８１で連通されて、パワー部２０のパワー作動部２１と、ディスプレーサ部６０の第１作動部６１とが一体となって、ヘリウムが膨張、圧縮を繰返す連合作動部３５を構成する。
【００５８】
パワー作動部２１と、第１作動部６１とが一体となって、連合ガス作動部３５が形成され、パワー作動部２１のパワー作動室２１ａと、第１作動部６１の第１作動室６１ａとが足し合わさり連合作動室が形成される。
【００５９】
パルス管型蓄熱機関１がエンジンとして作動する場合、連合ガス作動部３５、即ちパワー作動部２１と、第１作動部６１は、膨張部として機能し、冷凍機として作動する場合は、圧縮部として機能する。
【００６０】
熱交換作動部４０は、順次、ディストリビュータ４１の一端が、順次、第１パルス管４２(パルス管)と、第１熱交換器４３と、再生熱交換器４４と、第２熱交換器４５の一端に連通さて構成される。
【００６１】
ディストリビュータ４１の他端は、配管８２と、配管８１を介在してパワー作動部２１のパワー作動室２１ａと、第１作動部６１の第１作動室６１ａとに連通する。
【００６２】
第２熱交換器４５の一端は、配管８３を介在して第２作動部６６の第２作動室６６ａに連通する。そしてエンジンの場合、第２熱交換器４５は、ヘリウムの圧縮熱を放熱する放熱器として、冷凍機の場合は、被冷却体を冷却する吸熱器として機能する。
【００６３】
第１パルス管４２には、往復動する第１ガスピストン４８（図示の一点鎖線）が形成される。第１パルス管４２と、第１ガスピストン４８と、第１熱交換器４３とで囲まれて第１ガスピストン作動室４８ａが形成される。そして第１パルス管４２は、熱伝導率の低い、薄肉で、軸方向に長いステンレス管などから成る。
【００６４】
第１ガスピストン４８は、第１パルス管４２の内周と同じ円柱形状のヘリウムで形成され、質量は一定で、ヘリウムの圧力変動に伴い体積は変化する。即ち、第１ガスピストン４８は、ヘリウムの圧力変動に伴い体積が変化する弾性ピストンの様態をなす。そして第１ガスピストン４８は、それぞれ体積を変化しつつ、第１パルス管４２の端部４２ａと端部４２ｂの間で往復動する。そして第１ガスピストン作動室４８ａは、エンジンの場合、膨張室として、冷凍機の場合は圧縮室として機能する。
【００６５】
また、第１熱交換器４３は、エンジンの場合、燃焼ガス等の高温の熱エネルギーを吸熱する吸熱器として機能し、冷凍機の場合は、ヘリウムの圧縮熱を放熱する放熱器として機能する。
【００６６】
また、再生熱交換器４４は、熱伝導率の低い、薄肉のステンレスの容器に熱容量の大きいステンレスなどの材料から成る金網のエレメントを多数枚積層して構成され、エンジンの場合は蓄熱器として、冷凍機の場合は蓄冷器として機能する。そしてエンジンとして作動する場合は、端部４４ａが高温端で、端部４４ｂが低温端になり、端部４４ｂから端部４４ａに沿って蓄熱・蓄冷材エレメントの温度が徐々に高くなる。冷凍機として作動する場合は、端部４４ａが高温端で、端部４４ｂが低温端になり、端部４４ａから端部４４ｂに沿ってエレメントの温度が徐々に低くなる。
【００６７】
尚、パワーピストン２３は、パワーピストン２３と、ロッド２４を含む可動子２６の合計質量と、一対の支持バネ２８のバネ定数とから定まる固有振動数を有する振動系を形成する。同じように、ディスプレーサピストン６３は、ディスプレーサピストン６３と、ロッド６４の合計質量と、一対の支持バネ６７のバネ定数とから定まる固有振動数を有する振動系を形成する。パワーピストン２３の固有振動数と、ディスプレーサピストン６３の固有振動数とを略合せ、この固有振動数近傍でパルス管型蓄熱機関１は運転される。
【００６８】
次に、図１（Ａ）の本発明の第１実施形態の動作と効果について説明する。
【００６９】
パルス管型蓄熱機関１がエンジンとして作動する場合について説明する。この場合、パワー作動部２１が膨張部、パワー作動室２１ａが膨張室、第１ガスピストン作動室４８ａが膨張室、第１熱交換器４３が吸熱器、再生熱交換器４４が蓄熱器、そして第２熱交換器４５が放熱器、ディスプレーサ部６０の第１作動部６１が膨張部、第１作動室６１ａが膨張室、そしてディスプレーサ部６０の第２作動部６６が圧縮部、第２作動室６６ａが圧縮室として機能する。
【００７０】
第１熱交換器４３を、例えば燃焼ガスで高温（例えば、略５００℃）に加熱し、第１熱交換器４３を往復流動するヘリウムに燃焼ガスの熱エネルギーを加え、連合作動部３５、即ち、パワー作動部２１と、第１作動部６１とで膨張仕事にし、第２熱交換器４５でヘリウムの熱を放熱（排熱）する。パワー作動室２１ａで膨張した膨張仕事は、パワーピストン２３に伝えられロッドを介在しリニア駆動部２５ａに伝達される。リニア駆動部２５ａは、発電機として作動し、伝達された膨張仕事を電気エネルギーに変換し電力として外部に供給する。第１作動室６１ａで膨張した膨張仕事は、ディスプレーサ部６０の第１作動部６１での圧縮仕事に費やれ、この際、発生する圧縮熱は、前述したように第２熱交換器４５で放熱される。
【００７１】
更に詳しく述べると、第１熱交換器４３を往復流動するヘリウムは、燃焼ガスで加熱され、例えば略５００℃に昇温される。昇温したヘリウムガスは、第１ガスピストン４８を往復動させ、第１ガスピストン４８の動きは、パワーピストン２３と、ディスプレーサピストン６３とに伝達される。即ち、パワーピストン２３は、パワー作動室２１ａの容積変動と第１作動室６１の容積変動を足し合せた連合容積変動と第１ガスピストン作動室４８ａの容積変動との位相が、略同一位相になるように往復動する。
【００７２】
またディスプレーサピストン６３は、第１ガスピストン作動室４８ａの容積変動が第２作動室６６ａの容積変動に対し位相が略９０°進むように往復動する。
【００７３】
ディスプレーサピストン６３が、隔壁６５の方向に移動すると、第２作動室６６ａのヘリウムは圧縮され、第２熱交換器４５に流入しそこで圧縮熱を第１熱交換器の温度（例えば、略５００℃）より低い温度（例えば、略６０℃）で放熱し再生熱交換器４４に流入する。
【００７４】
再生熱交換器４４に流入したヘリウムは、蓄熱材エレメントで加熱され流れ方向に沿って徐々に昇温され第１熱交換器４３に流入する。
【００７５】
第１熱交換器４３に流入したヘリウムは、そこで略５００℃の燃焼ガスによって加熱され熱エネルギーを吸収し略５００℃となって第１ガスピストン作動室４８ａに流入する。
【００７６】
第１ガスピストン作動室４８ａに流入したヘリウムは、そこで第１ガスピストン４８を第１パルス管４２の端部４２ａ側方向（下死点方向）に移動させ、第１ガスピストン４８は膨張仕事をなす。この膨張仕事は、第１ガスピストン４８を介在してパワー作動部２１と、第１作動部へ伝達される。
【００７７】
次に第１ガスピストン４８が、第１パルス管４２の端部４２ｂ側方向（上死点方向）に移動すると、第１ガスピストン作動室４８ａのヘリウムは、第１熱交換器４３を通過し再生熱交換器４４に流入し、そこで蓄熱材エレメントで冷却され、流れ方向に沿って徐々に降温され第２熱交換器４５を通過し、そして第２作動室６６ａに流入して１サイクルを終了する。エンジンとしての１サイクルにおいて、第１熱交換器４３の温度（例えば、略５００℃）は、第２熱交換器４５の温度（例えば、略６０℃）より高い。
【００７８】
再生熱交換器４４は、第１熱交換器４３から流出し第２熱交換器４５に流入するヘリウムを再生熱交換器４４に充填した蓄熱材エレメントで徐々に冷却する。また、前述と逆方向の流れにでは、第２熱交換器４５から流出し第１熱交換器４３に流入するヘリウムを蓄熱材エレメントで徐々に加熱する。これにより、再生熱交換器４４の端部４４ａが高温端、端部４４ｂが低温端となる。
【００７９】
また、そして、後述するように、第１熱交換器４３側に第１パルス管４２を配備することで、第１パルス管４２が断熱材として作用し、パワー部４０、および、ディスプレーサ部６０が高温になるのを抑制され、第１熱交換器４３を燃焼ガスで加熱可能になり、パルス管型蓄熱機関をエンジンとして作動できる。
【００８０】
従って、パワー作動室２１ａの変動容積幅Ｖ（掃気容積）と、第１作動室６１の変動容積幅Ｖ１（掃気容積）とを、位相を考慮し、足し合せた連合作動空間の変動容積幅、即ち連合掃気容積Ｖｓｕｍ１は、高温端である再生熱交換器４４の端部４４ａ側に位置し、膨張仕事がなされる。一方、圧縮仕事が加えられる変動容積幅Ｖ２（掃気容積）の第２作動室６６ａは、低温端である再生熱交換器４４の端部４４ｂ側にある。結果、パルス管型蓄熱機関１は、効率が高くなる。
【００８１】
尚、連合掃気容積Ｖｓｕｍ１は、Ｖｓｉｎ（２πｆｔ）＋Ｖ１ｓｉｎ（２πｆｔ＋α）＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋β）の式のＡの値である。ここで、πは円周率、ｆはパルス管型蓄熱機関の運転周波数、ｔは時間で、αはパワー作動室２１ａの変動容積に対する第１作動室６１ａの変動容積の位相差、βはパワー作動室２１ａの変動容積に対する連合作動空間の変動容積Ｖｓｕｍ１の位相差である。
【００８２】
また、後述する連合掃気容積Ｖｓｕｍ２は、Ｖｓｉｎ（２πｆｔ）＋Ｖ２ｓｉｎ（２πｆｔ＋γ）＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋δ）の式のＡの値である。ここで、γはパワー作動室２１ａの変動容積に対する第２作動室６６ａの変動容積の位相差、δは２パワー作動室２１ａの変動容積に対する連合作動空間の変動容積Ｖｓｕｍの位相差である。
【００８３】
従来技術を図１を用い説明する。即ち、従来技術では、パワー作動室２１ａ（掃気容積Ｖ）と、第２作動室６６ａ（掃気容積Ｖ２）が配管で連通され、一体となって連合作動空間（掃気容積Ｖｓｕｍ２）を形成し、第１パルス管の端部４２ａに連通される。第１作動室（掃気容積Ｖ１）は、第２熱交換器４５に連通する。そして第２熱交換器４５が燃焼ガスで加熱され、再生熱交換器４４の端部４４ｂが高温端になり、端部４４ａが低温端になる。膨張仕事がなされる掃気容積Ｖｓｕｍ２の連合作動空間は、再生熱交換器４４の低温端側に位置し、圧縮仕事が加えられる第１作動室（掃気容積Ｖ１）は、再生熱交換器４４の高温端側に位置する。結果、従来技術のパルス管型蓄熱機関の効率は低い。
【００８４】
しかし、前述したように、本発明は、再生熱交換器４４の高温端４４ａ側に位置する連合作動部３５の連合掃気容積Ｖｓｕｍ１は、再生熱交換器４４の低温端４４ｂ側に位置する第２作動室６６ａの掃気容積Ｖ２より大きいので、パルス管型蓄熱機関１がエンジンとして作動する場合、従来技術に比べ効率が高くなる。
【００８５】
また、効率が高くなることにより、従来技術と同じ電力あるいは動力を得る場合、パルス管型蓄熱機関１は、従来技術に比べ小型になる。
【００８６】
尚、第１ガスピストン作動室４８側から説明しても同じ効果を得る。即ち、第１ガスピストン作動室４８ａの掃気容積Ｖｇは、連合掃気容積Ｖｓｕｍ１と略同じである。従って、再生熱交換器４４の高温端４４ａ側に位置する第１ガスピストン作動室４８ａの掃気容積Ｖｇは、再生熱交換器４４の低温端４４ｂ側に位置する第２作動室６６ａの掃気容積Ｖ２より大きいので、パルス管型蓄熱機関１をエンジンとして作動する場合、従来技術に比べ効率が高くなる。
【００８７】
また、第１ガスピストン４８は、第１パルス管４２内で往復動する断熱材として機能しており、
第１ガスピストン作動室４８ａの高温（例えば略５００℃）のヘリウムの熱が、パワー作動部２１ａおよびディスプレーサ部６０へ侵入するのを抑制する。これにより、パワー部２０のパワーシリンダ２２、パワーピストン２３、リニア駆動部２５ａの支持バネ２８、永久磁石（図示せず）、バランサー３０の支持バネ３３の温度上昇を抑制し、クリアランスシール、永久磁石、支持バネ２８、支持バネ３３は適正に機能する。同様に、ディスプレーサ部６０のディスプレーサシリンダ６２、ディスプレーサピストン６３、ロッド６４、隔壁６５、支持バネ６７の温度上昇を抑制し、クリアランスシール、支持バネ６７は適正に機能する。結果、パルス管型蓄熱機関１の耐久性、信頼性が向上する。
【００８８】
また固定子２７のコイル（図示せず）の電気抵抗、可動子２６の永久磁石の保持力が適正に維持され、リニア駆動部２５ａの効率が向上するので、パルス管型蓄熱機関１の効率が向上する。
【００８９】
次に、パルス管型蓄熱機関１が冷凍機として作動する場合について説明する。この場合、パワー作動部２１が圧縮部、作動室２１ａが圧縮室、第１ガスピストン作動室４８ａが圧縮室、第１熱交換器４３が放熱器、再生熱交換器４４が蓄冷器、第２熱交換器４５が吸熱器、ディスプレーサ部６０の第１作動部６１が圧縮部、第１作動室６１ａが圧縮室、ディスプレーサ部６０の第２作動部６６が膨張部、第２作動室６６ａが膨張室として機能する。
【００９０】
リニア駆動部２５ａは、モータとして機能し、リニア駆動部２５ａにパワーピストン２３の固有振動数に略同じ振周波数の電流を通電すると、リニア駆動部２５ａが発生する磁力によりパワーピストン２３は往復動する。パワーピストン２３が往復動すると、パワー作動室２１ａを流出入するヘリウムにより、第１ガスピストン４８が往復動する。この往復動により、第１ガスピストン作動室４８ａの容積変動が第２作動室６６ａの容積変動に対し位相が略９０°遅れるようにディスプレーサピストン６３が往復動する。第１ガスピストン作動室４８ａの容積変動は、パワー作動室２１ａの変動容積と第１作動室６１ａの変動容積が足し合わさった連合作動部３５の変動容積に略同じになる。そして第１ガスピストン作動室４８ａで圧縮され、昇温(例えば、略６０℃)したヘリウムは、第１熱交換器４３で圧縮熱を略６０℃で放熱し、再生熱交換器４４と、第２熱交換器４５を通過して第２作動室６６ａに流入する。流入したヘリウムは、ディスプレーサピストン６３の隔壁６５方向（下死点方向）の移動により、第２作動室６６ａで膨張して、第１熱交換器４３のヘリウムより低い温度(例えば、略−２０℃)の冷凍を発生する。冷凍を発生したヘリウムは、ディスプレーサピストン６３の上死点方向の移動により、第２作動室６６ａから第２放熱器４５流入し、第２放熱器４５で略−２０℃の冷凍により被冷却体（図示せず）を冷却する。
【００９１】
また、第２作動室６６ａで発生した膨張仕事の一部は、ディスプレーサピストン６３を介して第１作動室６１ａのヘリウムの圧縮仕事に費やされる。そして、被冷却体を冷却したヘリウムは、順次、再生熱交換器４４、第１熱交換器４３を経て第１ガスピスト作動室４８ａに戻り、１サイクルを終了する。
【００９２】
エンジンとしての１サイクルにおいて、第１熱交換器４３の温度（例えば、略６０℃）は、第２熱交換器４５の温度例えば、略−２０℃）より高い。
【００９３】
再生熱交換器４４は、第１熱交換器４３から流出し、第２熱交換器４５に流入するヘリウムを再生熱交換器４４に充填した蓄冷材エレメントで徐々に冷却する。
【００９４】
前述と逆方向の流れにでは、第２熱交換器４５を通過したヘリウムは、再生熱交換器４４の端部４４ｂに流入し、蓄冷材エレメントで徐々に加熱される。従って、再生熱交換器４４の端部４４ａは高温端、端部４４ｂは低温端になる。
【００９５】
従って、パワー作動室２１ａの変動容積幅Ｖと第１作動室６１の変動容積幅Ｖ１を、位相を考慮し、足し合せた連合変動容積幅、即ち連合掃気容積Ｖｓｕｍ１の連合した連合作動空間は、高温端である再生熱交換器４４の端部４４ａ側に位置し、圧縮仕事が加えられる。一方、膨張仕事がなされる掃気容積Ｖ２の第２作動室６６ａは、低温端である再生熱交換器４４の端部４４ｂ側にある。結果、パルス管型蓄熱機関１は、効率が高い。
【００９６】
従来技術では、パワー作動室２１ａ（掃気容積Ｖ）と、第２作動室６６ａ（掃気容積Ｖ２）が配管で連通され、一体となって連合作動空間（掃気容積Ｖｓｕｍ２）を形成し、第１パルス管の一端側に連通される。第１作動室（掃気容積Ｖ１）は、第２熱交換器４５に連通する。そして第２熱交換器４５は第１作動室で発生した冷凍で被冷却体を冷却するので、再生熱交換器４４の端部４４ｂが低温端になり、端部４４ａが高温端になる。圧縮仕事が加えられる掃気容積Ｖｓｕｍ２の連合作動空間は、再生熱交換器４４の高温端側に位置し、膨張仕事がなされる第１作動室（掃気容積Ｖ１）は、再生熱交換器４４の低温端側に位置する。結果、従来技術のパルス管型蓄熱機関は効率が高い。
【００９７】
従って、パルス管型蓄熱機関１が冷凍機として作動する場合は、従来技術と同じように効率が高くなる。
【００９８】
尚、第１ガスピストン作動室４８側から説明しても同じ効果を得る、即ち、第１ガスピストン作動室４８ａについて第１ガスピストン作動室４８ａの掃気容積Ｖｇは、連合掃気容積Ｖｓｕｍ１と略同じである。従って、再生熱交換器４４の高温端４４ａ側に位置する第１ガスピストン作動室４８ａの掃気容積Ｖｇは、再生熱交換器４４の低温端４４ｂ側に位置する第２作動室６６ａの掃気容積Ｖ２より大きいので、パルス管型蓄熱機関１を冷凍機として作動する場合は、従来技術と同じように効率が高くなる。
【００９９】
また、第１ガスピストン４８は、第１パルス管４２内で往復動する断熱材として機能しており、パワー作動部２１の例えば略６０℃のヘリウムの熱が、パワー作動部２１ａおよびディスプレーサ部６０への侵入を抑制する。これにより、パワー部２０のパワーシリンダ２２、パワーピストン２３、リニア駆動部２５ａの支持バネ２８、永久磁石、バランサー３０の支持バネ３３の温度上昇を抑制し、クリアランスシール、永久磁石、支持バネ２８、支持バネ３３は適正に機能する。同様に、ディスプレーサ部６０のディスプレーサシリンダ６２、ディスプレーサピストン６３、ロッド６４、隔壁６５、支持バネ６７の温度上昇を抑制し、クリアランスシール、支持バネ６７は適正に機能する。結果、パルス管型蓄熱機関１の耐久性、信頼性が向上する。
【０１００】
また、固定子２７のコイルの電気抵抗、可動子２６の永久磁石の保持力が適正に維持され、リニア駆動部２５ａの効率が向上するので、パルス管型蓄熱機関１の効率が向上する。
【０１０１】
次に、図１（Ｂ）の（ケース２）の場合について説明する。図１（Ｂ）に示すように、パルス管型蓄熱機関１Ｂは、第１作動室６１ａの連通先と、第２作動室６１ｂの連通先が、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と異なり、他の構成はパルス管型蓄熱機関１と同じである。即ち、配管８３を介在し第１作動室６１ａと、第２熱交換器４５と連通する。第２作動室６６ａと、パワー作動室２１ａとを配管８１を介し接続する。配管８１の途中を配管８２の一端に接続し、配管８２の他端をディストリビュータ４１に接続する。
【０１０２】
これにより、連合作動部３５ａは、パワー作動部２１のパワー作動室２１ａと、第２作動部６６の第２作動室６６ａとが足し合わされ形成される。連合作動部３５ａの連合作動空間の変動容積幅Ｖｓｕｍ２（連合掃気容積）は、パワー作動室２１ａの変動容積幅Ｖと、第２作動室６６ａの変動容積幅Ｖ２とを位相を考慮し、足し合せた値となる。
【０１０３】
パルス管型蓄熱機関１Ｂがエンジンと作動する場合、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じように第１熱交換器４３が高温に加熱され、第２熱交換器４５で圧縮熱が放熱される。
【０１０４】
パルス管型蓄熱機関１Ｂが冷凍機と作動する場合、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じように第２熱交換器４５を介在して第１作動室で発生した冷凍により被冷却体が冷却され、第１熱交換器４５で圧縮熱が放熱される。
【０１０５】
従って、パルス管型蓄熱機関は、エンジンあるいは冷凍機として作動するいずれの場合でも、再生熱交換器４４の端部４４ａが高温端で、再生熱交換器４４の端部４４ｂが低温端となる。結果、再生熱交換器の高温端側に位置する連合作動部の連合掃気容積（Ｖｓｕｍ２）は、再生熱交換器の低温端側に位置する第２作動室の掃気容積Ｖ１より大きい。結果、パルス管型蓄熱機関１Ｂの効果は、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１の効果と同じになる。
【０１０６】
以上により、パルス管型蓄熱機関は、エンジンあるいは冷凍機として作動するいずれの場合でも、高効率で、小型であると共に、利便性の良いパルス管型蓄熱機関１およびパルス管型蓄熱機関１Ｂを提供できる。
【０１０７】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係わる説明図である。図１と同じ部品及び同じ部位の符号は、図１と同じ符号を付す。
【０１０８】
図２に示すように、パルス管型蓄熱機関２の熱交換作動部５０は、図１に示す熱交換作動部４０に、第２パルス管４６と、ディストリビュータ４７が新たに備えられ構成される。即ち、図１に示す第２熱交換器４５と、第２作動部６６との間に第２パルス管４６と、ディストリビュータ４７が新たに備えられ、ディストリビュータ４７の端部が配管８３を介在して第２作動部６６の第２作動室６６ａに連通し構成される。
【０１０９】
第２パルス管４６は、図１（Ａ）の第１パルス管４２と同じように、往復動する第２ガスピストン４９（図示の一点鎖線）が形成される。第２パルス管４６と、第２ガスピストン４９と、第２熱交換器４５とで囲まれて第２ガスピストン作動室４９ａが形成される。そして第２パルス管４６は、熱伝導率の低い、薄肉で、軸方向に長いステンレス管などから成る。
【０１１０】
第２ガスピストン４９は、第２パルス管４６の内周と同じ円柱形状のヘリウムで形成され、質量は一定で、ヘリウムの圧力変動に伴い体積は変化する。即ち、第２ガスピストン４９は、ヘリウムの圧力変動に伴い体積が変化する弾性ピストンの様態をなす。そして第２ガスピストン４９は、それぞれ体積を変化しつつ、第２パルス管４６の端部４６ａと端部４６ｂの間で往復動する。
【０１１１】
パルス管型蓄熱機関２がエンジンとして作動する場合、第２ガスピストン作動室４９ａは、圧縮室として機能しヘリウムを圧縮する。冷凍機として作動する場合は。第２ガスピストン作動室４９ａは、膨張室として機能し冷凍を発生する。いずれの場合においても、第２ガスピストン作動室４９ａの容積変動は、第２ガスピストン４９を介在して第２作動室６６ａに伝達され、第２作動室６６ａ容積変動は、第２ガスピストン作動室４９ａの容積変動に略同じになる。
【０１１２】
パルス管型蓄熱機関２は、第２パルス管４６が追加されたことにより、第２パルス管４６の有する機能が追加されるが、基本的には図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じ作動をする。
【０１１３】
パルス管型蓄熱機関２がエンジンとして作動する場合、第１熱交換器４３は例えば燃焼ガス（例えば略５００℃）で加熱され、圧縮熱（例えば略５００℃）は第２熱交換器４５で放熱される。従って、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じように、再生熱交換器４４の端部４４ａは高温端となり、端部４４ｂは低温端となる。
【０１１４】
一方、パルス管型蓄熱機関２が冷凍機として作動する場合、第１熱交換器４３は第１ガスピストン室４８ａで圧縮されたヘリウムの圧縮熱を、例えば略６０℃で放熱し、第２熱交換器４５は第２ガスピストン作動室４９ａで発生した第１熱交換器４３より温度の低い冷凍（例えば−６０℃）で被冷却体を冷却する。これにより、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じように、再生熱交換器４４の端部４４ａは高温端となり、端部４４ｂは低温端となる。
【０１１５】
従って、パルス管型蓄熱機関２は、エンジンあるいは冷凍機として作動するいずれの場合でも、再生熱交換器４４の高温端４４ａ側に位置する連合作動部３５の連合掃気容積Ｖｓｕｍ１は、再生熱交換器４４の低温端４４ｂ側に位置する第２作動室６６ａの掃気容積Ｖ２より大きい。結果、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じ効果を生じ、エンジンあるいは冷凍機として作動するいずれの場合でも、高効率で、小型であると共に、利便性の良いパルス管型蓄熱機関２を提供できる。
【０１１６】
パルス管型蓄熱機関２がエンジンとして作動する場合、第２ガスピストン４９は断熱材となり、高い温度（例えば略６０℃）の第２ガスピストン作動室４９ａから、低い温度（例えば略４０℃）の第２作動部６６に侵入する伝導熱を抑制する。これにより、ディスプレーサ部６０のディスプレーサシリンダ６２、ディスプレーサピストン６３、ロッド６４、隔壁６５、支持バネ６７の温度上昇が抑制される。結果、クリアランスシール、支持バネ６７は適正に機能し、パルス管型蓄熱機関２の耐久性、信頼性が向上する。
【０１１７】
パルス管型蓄熱機関２が冷凍機として作動する場合、第２ガスピストン４９は、断熱材となり、高い温度（例えば略４０℃）の第２作動部６６から低い温度（例えば略−６０℃）の第２ガスピストン作動室４９ａに侵入する伝導熱を抑制する。結果、第２ガスピストン作動室４９ａで発生する冷凍量が増大しパルス管型蓄熱機関２の効率が向上する。
【０１１８】
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係わる説明図である。図１と同じ部品及び同じ部位の符号は、図１と同じ符号を付す。
【０１１９】
図３に示すように、パルス管型蓄熱機関３は、ディスプレーサ部６０の一対の支持バネ６７の間にリニアモータ７０を設け、リニアモータ７０はディスプレーサピストン６３に連結される。他の構成は図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じである。即ち、リニアモータ７０は、ディスプレーサシリンダ６２にされた固定子７２と、永久磁石を有する可動子７１とを備える。可動子７１は支持バネ６７によって支持されたロッド６４を有し、ロッド６４はィスプレーサピストン６３の背面に連結する。
【０１２０】
リニアモータ７０を設けることにより、ディスプレーサピストン６３と、パワーピストン２３との位相差およびディスプレーサピストン６３のストロークを調整でき、使用状況に応じ位相差およびストロークを最適値に設定できるので、パルス管型蓄熱機関３の効率が向上する。他の作動、効果は図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じである。
【０１２１】
（第４実施形態）
図４は、本発明の第４実施形態に係わる説明図である。図１と同じ部品及び同じ部位の符号は、図１と同じ符号を付す。
【０１２２】
図４に示すように、パルス管型蓄熱機関４は、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１の配管８２と配管８３の間に流路抵抗調節手段８４が接続される。即ち、配管８２の途中と配管８３の途中との間にニードル弁などの流量調整手段８４が接続される。流路抵抗調節手段８４を調整して、第１作動室６１ａと、管８１と、配管８２と、熱交換作動部５０と、配管８３、第２作動室６６ａと、ディスプレーサシリンダ６２とディスプレーサピストン６３との間のクリアランスと、第１作動室６１ａとのループＦ１（図４）を循環するヘリウムの循環流の発生を抑制する。結果、パルス管型蓄熱機関４は循環流による損失が減少し、効率が向上する。他の作動、効果は図２のパルス管型蓄熱機関２と同じである。
【０１２３】
（第５実施形態）
図５は、本発明の第５実施形態に係わる説明図である。図１と同じ部品及び同じ部位の符号は、図１と同じ符号を付す。
【０１２４】
図５に示すように、パルス管型蓄熱機関５は、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１の配管８２と配管８３との間に熱交換作動部４０と、熱交換作動部４０Ａとを互いに並列に配備する。即ち、熱交換作動部４０の両端にそれぞれ配管８２の一端と、配管８３の一端に接続し、配管８２の他端は配管８１の途中に接続する。配管８３の他端は第２作動室６６ａに連通し、配管８３の途中には弁８５が配備される。同じように、熱交換作動部４０Ａの両端にそれぞれ配管８６の一端と、配管８７の一端が接続される。配管８６の他端は配管８２の途中に接続され、配管８７の他端を配管８３の途中に接続し、配管８７の途中には弁８５が配備される。
【０１２５】
配管８３側の弁８５と、配管８７側の弁８５の両方を調整し、熱交換作動部４０と、熱交換作動部４０Ａを循環する点線で示すループＦ２の循環流を抑制する。結果、パルス管型蓄熱機関５は循環流による損失が減少し、効率が向上する。
【０１２６】
パルス管型蓄熱機関５は、熱交換作動部４０の第１熱交換器４３と、熱交換作動部４０Ａの第１熱交換器４３を異なった温度で作動させることにより、パルス管型蓄熱機関５の効率は向上する。例えば、エンジンの場合、熱交換作動部４０Ａの第１熱交換器４３を略５００℃の燃焼ガスで加熱し、略２５０℃の排出される燃焼ガスで熱交換作動部４０の第１熱交換器４３を加熱する。これにとより、燃焼ガスの熱エネルギーが広い温度範囲で有効活用される。結果、パルス管型蓄熱機関５の効率が向上する。
【０１２７】
また、冷凍機の場合、例えば、冷房用の送風空気を熱交換作動部４０の第２熱交換器４５に流し略２０℃に冷却し、次に熱交換作動部４０Ａの第２熱交換器４５に流し略１０℃に冷却する。これにより、送風空気を冷却する熱量が増大するので、パルス管型蓄熱機関５の効率が向上する。
【０１２８】
他の作動、効果は図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じである。
【０１２９】
（第６実施形態）
図６は、本発明の第６実施形態に係わる説明図で、図１と同じ部品及び同じ部位の符号は、図１と同じ符号を付す。
【０１３０】
図６に示すように、図６に示すように、パルス管型蓄熱機関６は、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１の熱交換作動部４０と、熱交換作動部４０Ａとを２段に組合せ、２段膨張型（エンジンの場合）の蓄熱機関である。即ち、熱交換作動部４０の両端にそれぞれ配管８２の一端と、配管８３の一端が接続される。配管８２の他端は配管８１の途中に接続し、そして配管８２の途中に弁８８を配備する。配管８３の他端は第２作動室６６ａに連通する。また、熱交換作動部４０Ａの両端にそれぞれ配管８６の一端と、配管８７の一端が接続される。配管８６の他端は配管８２の途中に接続し、そして配管８７の途中に弁８８を配備する。配管８７の他端は、熱交換作動部４０の第１熱交換器４３に接続する。
【０１３１】
パルス管型蓄熱機関６は、エンジンとして作動させると好適である。例えば、熱交換作動部４０Ａの第１熱交換器４３を略５００℃の燃焼ガスで加熱し、２５０℃の排出される燃焼ガスで熱交換作動部４０の第１熱交換器４３を加熱する。これにより、燃焼ガスの熱エネルギーが広い温度範囲で有効活用される。
【０１３２】
この場合、点線で示すループＦ３を往復流動（第２作動室６６ａから熱交換作動部４０の第１熱交換器４３と、  配管８７、熱交換作動部４０Ａの第２熱交換器４５とを経由して熱交換作動部４０Ａの第１ガスピストン作動室４８ａの間を往復流動）するヘリウムの熱交換作動部４０側での熱損失ΔＱは、熱交換作動部４０の第１ガスピストン作動室４８ａで発生する膨張仕事により補償される。これによって熱交換作動部４０Ａの第１ガスピストン作動室４８ａで有効利用できる膨張仕事は、熱損失ΔＱ分増大し、温度の高い側の熱交換作動部４０Ａの効率が向上する。結果、パルス管型蓄熱機関６は、図５のパルス管型蓄熱機関５より高い効率が得られる。
【０１３３】
また、パルス管型蓄熱機関６を冷凍機として作動する場合、熱交換作動部４０Ａの第１ガスピストン作動室４８ａは、温度が常温近傍である。一方、熱交換作動部４０の第１ガスピストン作動室４８ａは、熱交換作動部４０Ａの第１ガスピストン作動室４８ａの温度より低い温度の低温圧縮室となり、熱交換作動部４０の第１ガスピストン作動室４８ａのヘリウムの掃気質量は温度が常温近傍にある場合より多くなる。これにより、第２作動室６６ａで発生する冷凍量は、増大するが、効率は変わらない。
【０１３４】
また、配管８２側の弁８８と、配管８６側の弁８８は、弁８８を含む配管８２と、弁８８を含む配管８６と、熱交換作動部４０Ａと、配管８７と、熱交換作動部４０とから形成されるループＦ３（図６）を循環する循環流を抑制するために配備される。即ち、２つの弁８８を調整して前述の循環流による熱損失を抑制する。結果、パルス管型蓄熱機関６は循環流による損失が減少し、効率が向上する。他の効果は、図１（Ａ）のルス管型蓄熱機関１と同じである。
【０１３５】
（第７実施形態）
図７は、本発明の第７実施形態に係わる説明図で、図１および図６と同じ部品及び同じ部位の符号は、図１および図６と同じ符号を付す。
【０１３６】
図７に示すように、パルス管型蓄熱機関７は、図６のパルス管型蓄熱機関６の変形実施形態である。蓄熱機関としての動作は、パルス管型蓄熱機関６と略同じで、循環流の循環ループが異なる。即ち、図６の配管８１が取除かれ、パワー側作動室２１ａと熱交換作動部４０のディストリビュータ４１とを配管９２で連通し、第１作動室６１ａと熱交換作動部４０Ａとが配管９３で連通され、パワー作動室２１ａと第１作動室６１ａとが分離される。そして配管９２の途中と、配管９３の途中とをニードル弁等の流量調整手段９１を介し接続する。これにより、前述のパルス管型蓄熱機関６の循環ループＦ３（図６）が解消され、新たに第１作動室６１ａ、ディスプレーサピストン６３とディスプレーサシリンダ６２との間隙、第２作動室６６ａ、配管８３、熱交換作動部４０、配管９３とを循環するループＦ４が形成される。流量調整手段９１はこのループＦ４を循環するヘリウムの循環流を抑制する。結果、パルス管型蓄熱機関７は循環流による損失が減少し、効率が向上する。
【０１３７】
パルス管型蓄熱機関７は、図６のパルス管型蓄熱機関６と同様にエンジンとして作動すると好適である。また、他の効果は、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じである。
【０１３８】
（第８実施形態）
図８は、本発明の第８実施形態に係わる説明図で、図５および図７と同じ部品及び同じ部位の符号は、図５および図７と同じ符号を付す。
【０１３９】
図８に示すように、パルス管型蓄熱機関８は、図５のパルス管型蓄熱機関５の変形実施形態である。蓄パルス管型蓄熱機関８は、熱機関としての動作がパルス管型蓄熱機関５と同じでる。図７の蓄パルス管型蓄熱機関と同じように、パワー側作動室２１ａと熱交換作動部４０のディストリビュータ４１とを配管９２で接続し、第１作動室６１ａと熱交換作動部４０Ａとが配管９３で接続され、パワー作動室２１ａと第１作動室６１ａとが分離される。そして配管９２の途中と、配管９３の途中とをニードル弁等の流量調整手段９１を介し接続する。これにより、前述のパルス管型蓄熱機関６の循環ループＦ３が解消され、パルス管型蓄熱機関７と同じように、新たに第１作動室６１ａ、ディスプレーサピストン６３とディスプレーサシリンダ６２との間隙、第２作動室６６ａ、配管８３、熱交換作動部４０、配管９３とを循環するループＦ４が形成される。流量調整手段９１はこのループＦ４を循環するヘリウムの循環流を抑制する。結果、パルス管型蓄熱機関８は循環流による損失が減少し、効率が向上する。
【０１４０】
パルス管型蓄熱機関８は、図５の蓄パルス管型蓄熱機関５と同様にエンジンとして好適である。また、他の効果は、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じである。
【０１４１】
（第９実施形態）
図９は、本発明の第９実施形態に係わる説明図で、図８と同じ部品及び同じ部位の符号は、図８と同じ符号を付す。
【０１４２】
図９に示すように、パルス管型蓄熱機関９は、図８のパルス管型蓄熱機関８の変形実施形態である。蓄パルス管型蓄熱機関９は、熱機関としての動作はパルス管型蓄熱機関９と同じでる。そして図８の弁９１が取除かれる。熱交換作動部４０側のループＦ４（図９）の循環流は、事前に熱交換作動部４０の流路抵抗および熱交換作動部４０Ａの流路抵抗を調整して抑制される。結果、パルス管型蓄熱機関９は循環流による損失が減少し、効率が向上する。
【０１４３】
パルス管型蓄熱機関９は、パルス管型蓄熱機関５および８と同様にエンジンとして好適である。また、他の効果は、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じである。
【０１４４】
（第１０実施形態）
図１０は、本発明の第１０実施形態に係わる説明図で、図９と同じ部品及び同じ部位の符号は、図９と同じ符号を付す。
【０１４５】
図１０に示すように、パルス管型蓄熱機関１０は、図９のパルス管型蓄熱機関９の変形実施形態である。パルス管型蓄熱機関１０は、熱機関としての動作は、基本的にはパルス管型蓄熱機関９と同じで、パワー部２０Ａのパワー作動部２１Ａと、ディスプレーサ部６０Ａの第１作動部６１Ａは、それぞれ図９のパワー作動部２１と、ディスプレーサ部６０の第１作動部６１の構成が異なる。
【０１４６】
即ち、パワーピストン２３ａ、パワーシリンダ２２ａが共に凸型形状で、パワー作動室２１ｂと、２１ｃとが形成される。同じように、ディスプレーサピストン６３ａと、ディスプレーサシリンダ６２ａが共に凸型形状で、第１動室６１ｂと、第１動室６１ｃとが形成される。パワー作動室２１ｂと、第１動室６１ｂとは配管９４で連通され、配管９４の途中と、熱交換作動部４０のディストリビュータ４１とを配管９３で接続する。パワー作動室２１ｃと、第１動室６１ｃとは配管９５で連通され、配管９５の途中と、熱交換作動部４０Ａのディストリビュータ４１とを配管９２で接続する。これにとり、熱交換作動部４０側のループＦ５（図１０）の循環流が発生するがは、ループＦ５の循環流は熱交換作動部４０の流路抵抗と、熱交換作動部４０Ａの流路抵抗を調整して抑制される。結果、パルス管型蓄熱機関１０は循環流による損失が減少し、効率が向上する。
【０１４７】
パルス管型蓄熱機関１０は、蓄パルス管型蓄熱機関５および９と同様にエンジンとして好適である。
【０１４８】
また、他の効果は、図１（Ａ）のパルス管型蓄熱機関１と同じである。
【０１４９】
（第１１実施形態）
図１１は、本発明の第１１実施形態に係わる説明図で、図５と同じ部品及び同じ部位の符号は、図５と同じ符号を付す。
【０１５０】
図１０に示すように、パルス管型蓄熱機関１０は、図５のパルス管型蓄熱機関５および図９のパルス管型蓄熱機関９の変形実施形態である。蓄パルス管型蓄熱機関１１は、熱機関としての動作は、基本的にはパルス管型蓄熱機関９と同じで、ディスプレーサ部６０Ｂの第２作動部６６Ａが、図５の第２作動部６６の構成と異なる。
【０１５１】
即ち、ディスプレーサピストン６３ｂの背面側と、ディスプレーサシリンダ６２ｂの背面側とが、共に凸型形状をなし、第２作動室６６ｂと、第２作動室６６ｃとが形成される。そして、第２動室６６ｂが配管８３を介し熱交換作動部４０の第２熱交換器４５に連通し、第１動室６６ｃが配管８７を介し熱交換作動部４０Ａの第２熱交換器４５に連通する。
【０１５２】
第２動室６６ｂと、第１動室６６ｃの圧力は同圧であるのでディスプレーサピストン６３ｂの小径側のクリアランスシール（第２作動室６６ｂと第２作動室６６ｃの間のシール）を流れるヘリウムは消滅し、図５に示すループＦ２と、図９に示すループＦ４の循環流は消滅する。これにより、パルス管型蓄熱機関１０は、弁などによる流路抵抗あるいは熱交換作動部４０、４０Ａの流路抵抗の調整が不要となる。従って、図５に示される配管８３に配備した弁８５と、配管８７に配備した弁８５を取除くことが出来る。結果、パルス管型蓄熱機関１１は循環流による損失がなくなり効率が向上する。
【０１５３】
また、パルス管型蓄熱機関１０は、蓄パルス管型蓄熱機関５および９と同様にエンジンとして好適である。他のパルス管型蓄熱機関１０の効果は、図５のパルス管型蓄熱機関５と同じである。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係わる説明図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係わる説明図である。
【図４】本発明の第５実施形態に係わる説明図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係わる説明図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係わる説明図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係わる説明図である。
【図８】本発明の第８実施形態に係わる説明図である。
【図９】本発明の第９実施形態に係わる説明図である。
【図１０】本発明の第１０実施形態に係わる説明図である
【図１１】本発明の第１１実施形態に係わる説明図である。
【符号の説明】
【０１５５】
１、１Ｂ、２、３、５、６、７、８、９、１０、１１  パルス管型蓄熱機関
２０、２０Ａ  パワー部
２１、２１Ａ  パワー作動部
２２、２２ａ  パワーシリンダ
２３、２３ａ  パワーピストン
２５  駆動部
２５ａ  リニアモータ（リニア駆動手段）
２６  可動子
２８、６７  支持バネ
４０、４０Ａ、５０  熱交換作動部
４２  第１パルス管
４２ａ  端部
４３  第１熱交換器
４４  再生熱交換器
４５  第２熱交換器
４６  第２パルス管
６０、６０Ａ、６０Ｂ  ディスプレーサ部
６１、６１Ａ  第１作動部
６２、６２ａ、６２ｂ  ディスプレーサシリンダ
６３、６３ａ、６３ｂ  ディスプレーサピストン
６４  ロッド
６５  隔壁
６６、６６Ａ  第２作動部
【図１】
2009236456.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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