JP2009236456A - Pulse tube-type heat storage engine - Google Patents
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Abstract
【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1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pulse tube type heat storage engine which is highly efficient, small in size and convenient in any case operating as an engine or a refrigerator.
A power unit including a power cylinder, a power piston, and a drive unit, a first pulse tube, a first heat exchanger, a regenerative heat exchange. The heat exchanging operation unit 40 that sequentially communicates with the heat exchanger 44 and the second heat exchanger 45, the first operating unit 61 configured on the front side of the displacer piston 63, and the second configured on the back side of the displacer piston 63. A displacer unit 60 having an operating unit 66, the power operating unit 21 and the first moving unit 61 are connected to the first pulse tube 42, and the second operating unit 66 is connected to the second heat exchanger 45. The temperature of the first heat exchanger 43 is higher than the temperature of the second heat exchanger 45.
[Selection] Figure 1
Description
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。 The present invention relates to a pulse tube type heat storage engine provided with a heat accumulator or a cool accumulator (generally both are regenerative heat exchangers) and a pulse tube.
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。 As a pulse tube type heat storage engine of the prior art, a vibration generator, a regenerator, a cold head, and a pulse tube are sequentially connected in series, and there is a phase difference between the reciprocation and pressure fluctuation of the working fluid flowing into them. In a pulse tube type heat storage engine that generates low temperature or power by generating a displacer system, there is a displacer system that connects the connection between the vibration generator and the regenerator and the high temperature end of the pulse tube. The system constitutes a displacer working space into which the working fluid flows in and out, a displacer working space that constitutes at least a part of the displacer working space, and is disposed so as to be capable of reciprocating with respect to the displacer working space. A buffer space isolated from the displacer working space in the direction in which the part reciprocates, and a displacer As well as extending in a direction reciprocation of placer unit, one end attached to the displacer part, the displacer bar at least partially disposed in the buffer space, the pulse tube heat storage engine having disclosed.
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。 When the above pulse tube type heat storage engine is used as an engine, the cold head of the cold head portion is heated with, for example, combustion gas, and the working gas is compressed in the displacer working space on the front side of the displacer. The compressed working gas expands in the working space obtained by adding the compression space of the compressing portion and the displacer working space on the rear side of the displacer to reciprocate the piston. By reciprocating the piston, a linear motor (in the case of a refrigerator) is used as a generator to obtain electric power.
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。)。 On the other hand, when used as a refrigerator, the piston of the compression unit is reciprocated by a linear motor to compress the working gas in the compression space and the displacer working space on the front side of the displacer, and the compressed working gas is placed on the front side of the displacer. The piston expands in the displacer working space and reciprocates to generate refrigeration (see, for example, Patent Document 1).
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。
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。
However, according to
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。 However, when used as an engine, when the first heat exchanger is heated, the temperature of the working space on the vibration oscillator side and the small-diameter displacer working space becomes high due to conduction heat from the first heat exchanger, and the piston reciprocates. It becomes impossible to move. For this reason, the above-mentioned cold head is heated at high temperature, and the compression heat is radiated by the first heat exchanger. Therefore, the end on the cold head side of the regenerator is the high temperature end, and the end on the first heat exchanger side of the regenerator is the low temperature end. The scavenging volume V1 on the high temperature side of the regenerator is the scavenging volume on the low temperature side of the regenerator (compressed volume obtained by adding the volume V of the compression space and the volume V2 of the displacer operating space on the back side of the displacer in consideration of the phase) Vsum2. Since it is smaller, there is a problem that the efficiency of the pulse tube type heat storage engine is lowered.
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。 In addition, since the above efficiency is lowered, in order to obtain a required expansion work, the expansion volume and the compression volume must be increased, and there is a problem that the pulse tube heat storage engine becomes large.
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a pulse tube type heat storage engine that is highly efficient, small in size and convenient in any case operating as an engine or a refrigerator. Objective.
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。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in
A power unit comprising a power cylinder and a power piston housed on the inner peripheral surface of the power cylinder so as to be capable of reciprocating; and a drive unit to which the power piston is coupled; and the working gas absorbs heat. Alternatively, the first heat exchanger that radiates heat, the second heat exchanger that radiates and absorbs the working gas, and one end of the first heat exchanger and one end of the second heat exchanger that are in communication with the working gas, heat absorption, and exhaust heat. A regenerative heat exchanger that repeats alternately, and a first pulse tube that is provided on at least the first heat exchanger side of the first heat exchanger and the second heat exchanger and communicates with the other end of the first heat exchanger. A displacer cylinder, a displacer cylinder, and a displacer cylinder, and a displacer piston back surface. And a displacer portion having a rod connected to the back surface and a second operating portion formed in the displacer cylinder and formed by a partition wall through which the rod passes, the power operating portion being one end of the heat exchange operating portion. Is connected to the end of the first pulse tube, and the second working part is connected to the other end of the heat exchange working part, and the second working part is connected to the other end of the heat exchange working part. When the operating unit communicates with the end of the first pulse tube, the first operating unit is connected to the other end of the heat exchange operating unit, and the temperature of the first heat exchanger is higher than that of the second heat exchanger.
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。
In the invention according to
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。 According to a third aspect of the present invention, when the pulse tube type heat storage engine operates as an engine, the working gas is heated via the first heat exchanger, and the compression heat of the working gas is radiated by the second heat exchanger. In the case where the expansion work in which the working gas is expanded in the power working unit is taken out from the driving unit and operated as a refrigerator, the working gas is compressed in the power working unit by the driving unit, and the compression heat of the working gas in the first heat exchanger The compressed working gas expands in the displacer section and generates refrigeration.
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。
Further, in the invention according to claim 4, the drive unit is provided with linear drive means provided with a mover connected to the power piston, and the mover supports the power piston so as to be able to reciprocate with a support spring,
When the pulse tube heat storage engine operates as an engine, the linear drive means operates as a generator,
When the pulse tube heat storage engine operates as a refrigerator, the linear drive means operates as a motor.
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。
In the invention according to
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。
Moreover, the invention described in
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。 According to the first aspect of the present invention, when the first operating part communicates with the end of the first pulse tube that is one end of the heat exchange operating part, the second operating part is connected to the other end of the heat exchange operating part. In the case of (Case 1) and when the second operating part communicates with the end of the first pulse tube that is one end of the heat exchange operating part, the first operating part is connected to the other end of the heat exchange operating part. (Case 2).
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。 The scavenging volume V1 of the first working chamber of the first working part is larger than the volume of the rod occupied by the rod than the scavenging volume V2 of the second working chamber of the second working part. By making the scavenging volume V of the power operating chamber of the power operating unit sufficiently larger than the volume occupied by the rod, the combined operation is performed by adding the scavenging volume V of the power operating chamber and the scavenging volume V1 of the first operating chamber in consideration of the phase. The combined volume Vsum2 of the part is larger than the scavenging volume V1 of the second working chamber. Further, the combined volume Vsum2 of the combined working unit, which is the sum of the scavenging volume V of the power working chamber and the scavenging volume V2 of the second working chamber, is larger than the scavenging volume V1 of the second working chamber.
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。 When operating a pulse tube type heat storage engine as an engine, the first heat exchanger is heated to a high temperature (for example, approximately 500 ° C.) with combustion gas or the like, and the compression heat of the working gas compressed by the second heat exchanger is increased. The heat is radiated at a lower temperature (for example, approximately 60 ° C.) than the first heat exchanger. Thereby, the temperature of the 1st heat exchanger is higher than the temperature of the 2nd heat exchanger. Therefore, the end of the regenerative heat exchanger on the first heat exchanger side is a high temperature end, and the end of the regenerative heat exchanger on the second heat exchanger side is a low temperature end. The temperature of the first heat exchanger is higher than the temperature of the second heat exchanger. And, as will be described later, by arranging the first pulse tube on the first heat exchanger side, the first pulse tube acts as a heat insulating material and suppresses the power part and the displacer part from becoming high temperature. The first heat exchanger can be heated with combustion gas and can operate as an engine.
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。 On the other hand, when the pulse tube type heat storage engine is operated as a refrigerator, the compression heat of the compressed working gas having a high temperature (for example, approximately 60 ° C.) is radiated at, for example, approximately 60 ° C. by the first heat exchanger. And a to-be-cooled body is cooled at the temperature (for example, about -20 degreeC) lower than the temperature of a 1st heat exchanger by interposing a 2nd heat exchanger with the refrigeration which generate | occur | produced by expansion | swelling of working gas. Thereby, the temperature of the 1st heat exchanger is higher than the temperature of the 2nd heat exchanger. Therefore, for the same purpose as the engine, the end of the regenerative heat exchanger on the first heat exchanger side is the high temperature end, and the end of the regenerative heat exchanger on the second heat exchanger side is the low temperature end.
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。 That is, regardless of whether it operates as an engine or a refrigerator, the end on the first heat exchanger side of the regenerative heat exchanger becomes a high temperature end, and the end on the second heat exchanger side of the regenerative heat exchanger Becomes the cold end.
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。 As described above, regardless of whether the engine or the refrigerator is operated, the scavenging volume Vsum1 of the combined working space located on the high temperature end side of the regenerative heat exchanger is located on the low temperature end side of the regenerative heat exchanger. 2 It is larger than the scavenging volume V2 of the operating part (case 1). Further, the scavenging volume Vsum2 of the combined working space located on the high temperature end side of the regenerative heat exchanger is larger than the scavenging volume V1 of the first working part located on the low temperature end side of the regenerative heat exchanger (case 2). As a result, the pulse tube type heat storage engine has high efficiency.
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。 In the prior art, the power operation unit and the second operation unit communicate with the first pulse tube of the heat exchange operation unit, and the first operation unit communicates with the second heat exchanger of the heat exchange operation unit. This corresponds to (Case 2). When operating as a refrigerator, the object to be cooled is cooled by the second heat exchanger, but when operating as an engine, the second heat exchanger is heated.
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。 When operating as a refrigerator, the first heat exchanger releases heat of compression of the working gas, and the second heat exchanger cools the object to be cooled. The combined working space of the scavenging volume Vsum2, which is the sum of the power working chamber of the scavenging volume V of the power working unit and the second working chamber of the scavenging volume V2 of the second working unit, is located on the high temperature end side of the regenerative heat exchanger. The first working chamber performs expansion work and generates refrigeration. In this case, the high temperature end of the regenerative heat exchanger is located at the end on the first heat exchanger side, and the low temperature end is located at the end on the second heat exchanger side. Therefore, the scavenging volume Vsum2 of the combined working space located on the high temperature end side of the regenerative heat exchange is larger than the scavenging volume V1 of the first working part located on the low temperature end side of the regenerative heat exchanger, so that the conventional pulse The tubular heat accumulator is efficient when operated as a refrigerator.
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。 When operating as an engine, the second heat exchanger is heated to high temperatures with combustion gases. The combined working space of the scavenging volume Vsum2 obtained by adding the power working chamber of the scavenging volume V of the power working unit and the second working chamber of the scavenging volume V2 of the second working unit is located on the low temperature end side of the regenerative heat exchanger. , Do the expansion work. On the other hand, the first working chamber of the scavenging volume V1 of the first working part to which compression work is applied is located on the high temperature end side of the regenerative heat exchanger. Therefore, since the scavenging volume Vsum2 of the combined working space located on the low temperature end side of the regenerative heat exchange is larger than the scavenging volume V1 of the first working part located on the high temperature end side of the regenerative heat exchanger, the conventional pulse tube type When the regenerator operates as an engine, the efficiency is low.
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。
However, as described above, the present invention relates to the combined scavenging of the combined operation unit located on the high temperature end side of the regenerative heat exchanger, regardless of whether the pulse tube type heat accumulator operates as an engine or a refrigerator. Since the volume is larger than the scavenging volume of the working chamber (the second working chamber in the
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。 Further, when the same electric power or power as in the prior art is obtained due to the increased efficiency, the pulse tube type heat storage engine is smaller than the prior art.
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。 Further, as described above, since the pulse tube type heat storage engine can be used as a refrigerator even if the engine is used, a highly convenient pulse tube type heat storage engine can be provided.
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。 Moreover, the 1st pulse tube is arrange | positioned between the union operation part and the 1st heat exchanger. A first gas piston made of working gas is formed in the first pulse tube. Further, a first gas piston working chamber is formed in which the working gas expands and compresses by the first pulse tube, the first gas piston, and the first heat exchanger.
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。
The first gas piston functions as a heat insulator that reciprocates in the first pulse tube,
The heat of the working gas at a high temperature (for example, approximately 500 ° C.) in the first gas piston working chamber is prevented from entering the power section and the displacer section. Thereby, the temperature rise of the power cylinder, power piston, and each member of the drive unit of the power unit is suppressed, and the clearance seal and each member (permanent magnet, support spring) of the drive unit function appropriately. Similarly, the temperature rise of the displacer cylinder, the displacer piston, the rod, the partition wall, and the support spring of the displacer unit is suppressed, and the clearance seal and the support spring function properly. As a result, the durability and reliability of the pulse tube
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。 In addition, by suppressing the temperature rise of the power unit and the displacer unit, the loss associated with the temperature rise, for example, the electrical loss of the drive unit (heating of the coil, reduction of the holding power of the permanent magnet) is reduced. The efficiency of the heat storage engine is improved.
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。 As described above, in any case of operating as an engine or a refrigerator, it is possible to provide a pulse tube type heat storage engine that is highly efficient, compact, and convenient.
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。
In the invention according to
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。 Regardless of whether the second pulse tube is provided or the engine or the refrigerator operates, the end of the regenerative heat exchanger on the first heat exchanger side is the high temperature end, and the second heat exchanger of the regenerative heat exchanger The end on the side becomes the low temperature end. Therefore, as in the first aspect, even when the pulse tube type heat storage engine is operated on the engine or the refrigerator, it is possible to provide a pulse tube type heat storage engine that is highly efficient, small in size, and convenient.
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。 Further, by disposing the second pulse tube between the second heat exchanger and the displacer unit, when the pulse tube type heat storage engine operates as a refrigerator, the displacer unit on the high temperature side (for example, approximately 40 ° C.) Therefore, conduction heat entering the low temperature side of the second pulse tube at a low temperature (for example, approximately −60 ° C.) can be suppressed. That is, a gas piston (hereinafter referred to as a second gas piston) formed in the second pulse tube serves as a heat insulating material and suppresses conduction heat. As a result, the amount of refrigeration generated in the second gas piston working chamber formed by the second pulse tube, the second gas piston, and the second heat exchanger is increased, and the efficiency of the pulse tube heat storage engine is improved.
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。
In the invention according to
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。 On the other hand, the power piston is reciprocated in the drive unit, and the power operating unit and the first operating unit are integrated to compress helium, and the compressed helium is expanded by the second operating unit via the heat exchange operating unit. Work and generate refrigeration. With this refrigeration, the object to be cooled is efficiently cooled through the second heat exchanger. As a result, the pulse tube heat storage engine can operate as a refrigerator with high efficiency.
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。 As described above, the pulse tube heat storage engine can be used with high efficiency both as an engine and as a refrigerator, so that a convenient pulse tube heat storage engine can be provided.
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。 The above explanation is for the case (case 1) described above, but the case (case 2) also produces the same effect for the same reason.
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。 According to a fourth aspect of the present invention, the power piston has linear drive means supported by a support spring so as to be reciprocally movable. Therefore, the power piston is supported by the support spring with a minute gap between the power piston and the cylinder. As a result, the working gas is sealed, and the power piston can reciprocate without contacting the power cylinder. As a result, mechanical loss due to sliding friction is reduced, so that a highly efficient pulse tube type heat storage engine can be provided.
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。 Further, mechanical parts such as piston rings or bearings associated with sliding friction are not required, and the durability of the pulse tube type heat storage engine is improved.
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。
In the invention according to
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。 Further, mechanical parts such as piston rings or bearings accompanying sliding friction are not required, and the durability of the pulse tube heat storage engine is improved.
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。
In the invention according to
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。 Moreover, when using as a refrigerator, the to-be-cooled body is cooled at different temperatures in the second heat exchange section of each heat exchange operation section. For example, the blown air for cooling is cooled by the first second heat exchange, and the cooled blown air is cooled to a lower temperature by the second heat exchange part of the next heat exchange operation part. Similarly, the blown air is sequentially cooled by the second heat exchange unit. Thereby, the quantity of heat by which the blown air is cooled increases, and the efficiency of the pulse tube heat storage engine is improved.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The pulse tube type heat storage engine of the present invention can be used as a refrigerator or an engine. The regenerative heat exchanger is referred to as a regenerator in the case of a refrigerator, and is referred to as a regenerator in an engine. Hereinafter, the regenerator and the regenerator are collectively referred to as a regenerative heat exchanger.
(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。
(First embodiment)
FIG. 1 is an explanatory diagram according to the first embodiment of the present invention. In the figure, (A) shows the case where the first working chamber communicates with the first pulse tube, and the second working chamber communicates with the second heat exchanger, and (B) shows the second working chamber, The case where it communicates with one pulse tube and the first working chamber communicates with the second heat exchanger is shown. Since the operation and effect of FIG. 1B are substantially the same as those of FIG. 1A, the following description will be made mainly with reference to FIG.
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。
As shown in FIG. 1A, the pulse tube
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The outer periphery of the
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。
The
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。
In addition, the first working
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。
The
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。
When the pulse tube
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。
In the heat
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。
The other end of the
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。
One end of the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
In addition, the
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。
The
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。 Next, the operation and effect of the first embodiment of the present invention shown in FIG.
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。
A case where the pulse tube
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。
The
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。
More specifically, helium reciprocatingly flowing through the
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。
The
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。
When the
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。
The helium that has flowed into the
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。
The helium that has flowed into the
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。
The helium flowing into the first gas
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。
Next, when the
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。
The
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。
In addition, as will be described later, by providing the
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。
Therefore, the variable volume width V (scavenging volume) of the
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。
The combined scavenging volume Vsum1 is the value of A in the equation Vsin (2πft) + V1sin (2πft + α) = Asin (ωt + β). Here, π is the circumference, f is the operating frequency of the pulse tube type heat storage engine, t is time, α is the phase difference of the variable volume of the first working
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。
Further, an associated scavenging volume Vsum2 to be described later is a value of A in the equation Vsin (2πft) + V2sin (2πft + γ) = Asin (ωt + δ). Here, γ is the phase difference of the variable volume of the second working
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。
The prior art will be described with reference to FIG. That is, in the prior art, the
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。
However, as described above, according to the present invention, the combined scavenging volume Vsum1 of the combined
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。
Further, when the same electric power or power as in the conventional technology is obtained due to the increased efficiency, the pulse tube type
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。
The same effect can be obtained even when described from the first gas
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。
The
The heat of high-temperature (for example, approximately 500 ° C.) helium in the first gas
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。
In addition, since the electric resistance of the coil (not shown) of the
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。
Next, the case where the pulse tube
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。
The
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。
Further, a part of the expansion work generated in the second working
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。 In one cycle as an engine, the temperature of the first heat exchanger 43 (for example, approximately 60 ° C.) is higher than the temperature of the second heat exchanger 45 (for example, approximately −20 ° C.).
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。
The
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。
In the reverse flow, the helium that has passed through the
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。
Accordingly, the combined variable volume width obtained by adding the variable volume width V1 of the
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。
In the prior art, the
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。
Therefore, when the pulse tube type
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。
The same effect can be obtained even when described from the first gas
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。
The
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。
Moreover, since the electric resistance of the coil of the
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。
Next, the case of (Case 2) in FIG. As shown in FIG. 1 (B), the pulse tube type
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。
As a result, the combined working
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。
When the pulse tube type
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。
When the pulse tube type
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。
Therefore, in any case where the pulse tube type heat storage engine operates as an engine or a refrigerator, the
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。
As described above, the pulse tube type heat storage engine provides the pulse tube type
(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。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is an explanatory diagram according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts and the same parts as those in FIG.
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。
As shown in FIG. 2, the heat
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。
The
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。
The
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。
When the pulse tube
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。
In the pulse tube type
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。
When the pulse tube
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。
On the other hand, when the pulse tube type
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。
Therefore, in any case where the pulse tube
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。
When the pulse tube type
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。
When the pulse tube type
(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。
(Third embodiment)
FIG. 3 is an explanatory diagram according to the third embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts and the same parts as those in FIG.
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。
As shown in FIG. 3, the pulse tube
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。
By providing the
(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。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is an explanatory diagram according to the fourth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts and the same parts as those in FIG.
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。
As shown in FIG. 4, in the pulse tube type heat storage engine 4, a flow path resistance adjusting means 84 is connected between a
(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。
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is an explanatory diagram according to the fifth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts and the same parts as those in FIG.
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。
As shown in FIG. 5, the pulse tube type
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。
Both the
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。
The pulse tube type
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。
In the case of a refrigerator, for example, cooling air is supplied to the
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。
Other operations and effects are the same as those of the pulse tube type
(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。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is an explanatory view according to the sixth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG.
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。
As shown in FIG. 6, as shown in FIG. 6, the pulse tube type
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。
The pulse tube
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。
In this case, the loop F3 indicated by the dotted line reciprocates (through the second heat chamber 43a through the
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。
Further, when the pulse tube type
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。
Further, the
(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。
(Seventh embodiment)
FIG. 7 is an explanatory view according to the seventh embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIGS. 1 and 6 denote the same parts and the same parts as those in FIGS.
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。
As shown in FIG. 7, the pulse tube heat storage engine 7 is a modified embodiment of the pulse tube
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。
The pulse tube type heat storage engine 7 is preferably operated as an engine in the same manner as the pulse tube type
(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。
(Eighth embodiment)
FIG. 8 is an explanatory view according to the eighth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIGS. 5 and 7 denote the same parts and the same parts as those in FIGS.
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。
As shown in FIG. 8, the pulse tube heat storage engine 8 is a modified embodiment of the pulse tube
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。
The pulse tube type heat storage engine 8 is suitable as an engine in the same manner as the pulse storage type
(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。
(Ninth embodiment)
FIG. 9 is an explanatory diagram according to the ninth embodiment of the present invention. The same reference numerals as in FIG. 8 denote the same parts and parts as those in FIG.
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。
As shown in FIG. 9, the pulse tube
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。
The pulse tube type
(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。
(10th Embodiment)
FIG. 10 is an explanatory diagram according to the tenth embodiment of the present invention, and the same reference numerals as those in FIG.
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。
As shown in FIG. 10, the pulse tube type
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。
That is, the
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。
The pulse tube type
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。
The other effects are the same as those of the pulse tube
(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。
(Eleventh embodiment)
FIG. 11 is an explanatory view according to the eleventh embodiment of the present invention, and the same reference numerals as those in FIG.
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。
As shown in FIG. 10, the pulse tube
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。
That is, the back side of the
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。
Since the pressures of the second moving
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。
Further, the pulse tube type
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
1, 1B, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 Pulse tube type
26
Claims (6)
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。 A pulse tube type heat storage engine that generates power or refrigeration by giving a phase difference between the reciprocating motion of the working gas and the pressure fluctuation,
A power unit including a power cylinder and a power operating unit that is housed in an inner peripheral surface of the power cylinder so as to be reciprocally movable; and a driving unit to which the power piston is connected;
The working gas communicates with a first heat exchanger that absorbs or dissipates heat, a second heat exchanger that dissipates and absorbs heat, and one end of the first heat exchanger and one end of the second heat exchanger. The regenerative heat exchanger that alternately repeats the working gas, heat absorption, and exhaust heat, and the first heat exchanger provided on at least the first heat exchanger side of the first heat exchanger and the second heat exchanger. A first pulse tube in communication with the other end of the heat exchange operating part,
A first actuating portion comprising a displacer cylinder and a front surface of a displacer piston housed in a reciprocating manner on an inner peripheral surface of the displacer cylinder; the displacer cylinder; a back surface of the displacer piston; A displacer portion, and a second actuating portion formed by a rod provided in the displacer cylinder and formed by a partition wall through which the rod passes,
Connecting the power operating part to the end of the first pulse tube forming one end of the heat exchange operating part;
When communicating the first operating part to the end of the first pulse tube, connect the second operating part to the other end of the heat exchange operating part,
When communicating the second operating part to the end of the first pulse tube, the first operating part is connected to the other end of the heat exchange operating part,
The first heat exchanger has a higher temperature than the second heat exchanger, and is a pulse tube type heat storage engine.
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。 When the pulse tube type heat storage engine operates as an engine, the working gas is heated via the first heat exchanger, the compression heat of the working gas is radiated by the second heat exchanger, and the power operating unit Taking out the expansion work in which the working gas has expanded in the drive unit,
When operating as a refrigerator, the driving unit compresses the working gas in the power operating unit, dissipates the compression heat of the working gas in the first heat exchanger, and the compressed working gas flows in the displacer unit. 3. The pulse tube type heat storage engine according to claim 1, wherein the pulse tube type heat storage engine expands and generates refrigeration.
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。 The drive unit is provided with a linear drive means provided with a mover connected to the power piston, and the mover supports the power piston so as to be reciprocally movable by a support spring.
When the pulse tube heat storage engine operates as an engine, the linear drive means operates as a generator,
4. The pulse tube type heat storage engine according to claim 1, wherein when the pulse tube type heat storage engine operates as a refrigerator, the linear drive unit operates as a motor. 5.
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-
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