JPH0381063B2 - - Google Patents

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JPH0381063B2
JPH0381063B2 JP58022642A JP2264283A JPH0381063B2 JP H0381063 B2 JPH0381063 B2 JP H0381063B2 JP 58022642 A JP58022642 A JP 58022642A JP 2264283 A JP2264283 A JP 2264283A JP H0381063 B2 JPH0381063 B2 JP H0381063B2
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Shii Hoiitorii Jon
Daburyu Suifuto Guregorii
Miguriori Arubaato
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US Department of Energy
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には、ヒートポンプや原動機、
さらには音響を用いて熱流を生成させる音響ヒー
トポンプを含む熱機関に関するものである。
本明細書中で“熱機関”という用語は、熱を仕
事に変換する装置、すなわち原動機や、熱流を発
生させるために仕事をする装置、例えば冷凍機を
指す用語として一般的に用いられる。後者の装置
を本明細書中ではヒートポンプと称する。本発明
の熱機関は“本質的に不可逆な”ものと称され
る。なぜならば、この熱機関は熱力学的にみて本
質的に不可逆な特定の熱伝達プロセスを利用する
からである。熱伝達プロセスが次第に可逆的様式
で行なわれるにつれて最適効率レベルに達するよ
うな慣用的熱機関とは違なり、本発明の本質的に
不可逆な熱機関は、その作動の不可欠な要素とし
て不可逆的熱伝達プロセスを必要とし、熱伝達プ
ロセスが不可逆的プロセスからはずれるとこの機
関の効率は実際に低下する。本発明のこれらの特
徴は後述する。
本発明は、ヨーロツパの物理学者である
SondhaussおよびRijkeによつて1850年代に研究
された、ガラスまたは金属管の一端を加熱すると
音が発生するという現象に関連するものである。
この現象および類似の現象は、1878年にLord
Rayleighによつて“Theory of Sound”という
題目の彼の論文において検討された。これらの現
象においては、音の形の仕事を発生させるために
熱が用いられている。近年になつて、同様な原理
に基く補足的現象、すなわち仕事が消費されて熱
が一つの場所から他の場所へポンピングされると
いう現象が説明されている。一世紀にわたり十分
に解明されてきた慣用的熱機関の一般的な熱力学
的原理とは対照的に、上記の現象の基礎となる原
理や関連現象の範囲または一般性については現在
不完全ながら理解されている。
ここで考えられている現象に関連する熱ポンピ
ング現象は、International Advances in
Cryogenic Engineering（Plenum Prees、NY）、
vol.12、p171−179（1965）に掲載された
“Surface Heat Pumping”という表題のW.E.
GiffordとR.C.Longsworthによる論文において報
告されている。GiffordとLongsworthにより報告
された熱ポンピング現象は、パルス・チユーブ冷
凍機として知られている熱ポンピング装置に利用
された。かような装置はGifford等による一連の
論文において説明されているが、特に関連するも
のとしては次のようなものがある： Gifford、W.E.およびLongsworth、R.C.、
“Pulse Tube Refrigerator”、Trans of the A.
S.M.E.、J.of Eng.for Industry、p.264−68
（1964）； Gifford、W.E.およびLongsworth、R.C.、
“Pulse Tube Refrigeration Process”
International Advances in Cryogenic
Engineering（Plenum Press、NY）、vol、10、
p.69−79（1964）； Gifford、W.E.およびKyanka、G.H.、
“Reversible Pulse Tube Refrigeration”、
International Advances in Cryogenic
Engineering、vol、12、p.619−630（1966）。
もう１つの関連論文としては、International
Advances in Cryogenic Engineering、vol.12、
p.608−18（1966）に掲載された“An
Experimental Investigotion of Pulse Tube
Refrigeration Heat Pumping Rates”という表
題のR.C.Longsworthの論文がある。上述の論文
はいずれも、中空パルス・チユーブへのガスの注
入および排気を熱再生器を介して交互に行なうよ
うなパルス・チユーブ冷凍機に関するものであ
る。その結果、熱はパルス・チユーブの再生器側
端から閉止端へ供給される。この効果を利用する
ためにこのチユーブの両端に熱交換器が接続され
る。例えば、高温端部を周囲温度のヒート・シン
クに接続すれば、低温端部を冷凍機として利用す
ることができる。かようなパルス・チユーブ冷凍
装置は、密閉室内で周期的に圧縮される単一容量
のガスしか存在しない点、および慣用的冷凍装置
に必要であつたバルブ、スロツトル、鉛管類の多
くを不要とする点で、従来慣用されていた冷凍装
置とは異なつている。後述する検討から明らかな
ように、本発明者等は同様な特徴のいくつかを具
備ししかも外部熱再生器の使用を要しないこの種
の装置を開発したものである。
本発明の特定の実施例に関連して特に興味深い
もう１つの従来装置は進行波熱機関である。この
熱機関については米国特許第4114380号
（Ceperley特許）およびJ.Acoust.Soc.Am.，66、
1508（1979）に掲載の“Ａ pistonless Stirling
Engine−the Traveling Wave Heat Engine”
と題するP.H.Ceperleyの論文に記載されている。
この装置は筒状容器内で圧縮しうる流体と音響進
行波を用いている。この容器には応差的に加熱さ
れる熱再生器が入つている。熱は再生器の一方の
側で流体に加えられ、再生器の他方の側で流体か
ら取出される。この再生器は流体に比較して大き
い有効熱容量を有しているため、大きい温度変化
なしに受熱し排熱することができる。再生器の両
端間の物質は流体と局部的熱平衡を保ち、これに
よつて流体中の温度勾配を実質的に不変に維持せ
しめる。この装置の作動はいくつかの点で本発明
装置とは相違する。前記Ceperleyの装置は局部
振動圧力Ｐが機関のどの点においても音響インピ
ーダンスρc（ρは密度、ｃはガス中の音速）と局
部流体速度ｖとの積に必ず等しくなるえような音
響進行波を用い、これによつて粘性損失
（viscous loss）を極めて大きい値にまで増加さ
せるのに対し、後述するように、本発明の音響的
実施態様はＰ≫ρcvなる条件が得られるような音
響定在波を用い、これによつて粘性散逸効果
（viscously dissipative effect）に対する熱力学
的効果の比率を高めている。進行波は、系内では
反射が起らないという条件を必要とするが、熱再
生器が進行波を反射する傾向をもつ障害物として
作用するため、かような条件を達成するのは困難
である。加えて、熱力学的に純粋な進行波系は、
定在波系よりも技術的に達成しにくい。前記
Ceperley装置はまた、１次流体が再生器と優れ
た局部的熱平衡にあることを必要とする。このこ
とは、この装置をスターリング機関と非常に近似
させる効果をもつ。しかしながら、良好な熱的平
衡を与えるに必要な流体ジオメトリーに対する要
求は、進行波に対するＰ＝ρcvなる条件の要求と
ともに、必然的に大きい粘性損失をもたらす（極
めて低いプランドル数と高い熱力学的活性の流体
（かような流体は未知である）を除く）。後述する
ように、本発明は、熱ポンピングプロセスの不可
欠な要素として第２の媒体との不完全な熱接触を
利用する。その結果、本発明に従つて作製された
機関は、Ceperleyの進行波機関における高い粘
性損失をもつ必要はない。
米国特許第3237421号（Gifford特許）には、前
述したGifford等の文献で検討された熱ポンピン
グ装置が記載されている。既に述べたように、本
発明は、Gifford装置の圧力源とパルス・チユー
ブとの間に必要とされていた再生器が本発明では
必要ない点、およびGifford装置では開放すなわ
ち“パルス”チユーブ中で有効な熱力学的効果が
生じるのに対して本発明では第２媒体中で有効な
熱力学的効果が生じる点において、Gifford装置
とは相違する。再生器を本発明装置に含めると、
前記Ceperley装置を特徴づけたと同様な粘性加
熱（viscous heating）の問題の結果として、そ
の性能が劣化することになろう。さらに、
Gifford装置は可動シール部が必要であるが、本
発明のいくつかの実施態様では不要である。ま
た、Gifford装置における伝熱速度はその低振動
数に制限し、そのため本発明で達成できるような
高出力密度を達成できない。
従つて本発明の目的は、本質的に不可逆的な伝
熱プロセスに基く熱機関を提供することである。
更に述べるならば、不可逆的伝熱プロセスに基く
けれども、ヒートポンプとしても原動機としても
作動可能であるという観点からみれば機能的には
可逆的であるような機関を提供することである。
本発明の目的はまた、音響的に駆動されるヒー
トポンプを提供することである。
本発明の別な目的は、可動シール部をもたない
熱機関を提供することである。
本発明のさらに別な目的は、ヒートポンプ、特
に冷凍機として使用しうるヒートポンプにおい
て、フライホイールや圧縮機のごとき外部機械的
慣性装置の必要をなくすことである。
本発明のさらに他の目的、利点および新規な特
徴は、以下の詳細な説明から明らかになろう。
本発明による本質的に不可逆的な熱機関は、第
１の熱力学的媒体と第２の熱力学的媒体とからな
り、これらは互いに不完全な熱接触をしており、
かつ互いに対して壊れた熱力学的対称を有してい
る。
第１の媒体は第２の媒体に対してレシプロカル
様式で移動できる。さらに、第１媒体のこのレシ
プロカル運動（reciprocal motion）は、第１媒
体中に温度変化を生起せしめあるいは随伴し、第
１媒体の温度をその位置の関数として変化させ
る。
第１および第２媒体が互いに対して壊れた熱力
学的対称を有しているということは、２つの媒体
間の単位長さ当りの平均熱流が、第２媒体に対す
る第１媒体のレシプロカル運動の進路に対して垂
直方向をとると、第１領域でのレシプロカル運動
の進路に沿つて増加し、第２領域でのレシプロカ
ル運動の進路に沿つて減少することを意味する。
この単位長さ当りの平均熱流が一定の場合、熱力
学的対称が存在すると云い、一定でない場合を熱
力学的対称が壊れたと云う。通常の適用において
は、壊れた熱力学的対称は、第１および第２媒体
間の単位長さ当りの不連続的または急激に変化す
る熱伝導係数を課すことによつて達成される。
ヒートポンプあるいは原動機のいずれとしても
使用しうるという観点においては、本発明の機関
は実用的には機能的に可逆的なものである。
ヒートポンプとして使用するときには、第２媒
体に対する第１媒体の熱緩和時間にほぼ逆比例的
関係をもつ振動数で、第２媒体に対する第１媒体
のレシプロカル運動を行なわせる駆動手段をこの
機関は具備する。かようなレシプロカル運動は、
第１媒体の圧力と温度における循環的変動ととも
に、第２媒体中に温度差、すなわち温度勾配の生
成をもたらす。さらに詳しく述べれば、２つの媒
体間の単位長さ当りの平均熱流が第１媒体の温度
増加を随伴する第１媒体のレシプロカル運動の成
分の方向に減少するような領域において、第２媒
体は相対的に一層温かくなる。逆に、２つの媒体
間の単位長さ当りの平均熱流が第１媒体が加熱さ
れる方向に増加するような領域において、第２媒
体は相対的に一層冷たくなる。代表的ヒートポン
プの応用においては、単位長さ当りの第２媒体表
面積が１つの点で急に増加し、別の点で急に減少
するように、第２媒体を構成する。これらの点で
第２媒体中で著しい冷却および加熱効果が起る。
これらの効果は、第２媒体を適当な熱交換器に接
続することによつて利用することができる。例え
ば、加熱を受ける第２媒体の部分をヒートシンク
に接続すれば、相対的冷却を受ける部分を冷凍装
置として利用することができる。
この熱機関をヒートポンプとして用いる場合に
得られるのとは反対の第２媒体中の応差温度分布
を生ずるように、第２媒体の部分を選択的に加熱
および冷却することによつて、この熱機関を原動
機として利用することができる。かように加熱さ
れる場合は、第１媒体を、装置の幾何学的形状、
装置の機械的負荷、および第２媒体に対する第１
媒体の熱緩和時間によつて決められる振動数でレ
シプロカル運動で駆動させることができる。
GiffordとLongsworthは、“表面ヒートポンピ
ング（surface heat pumping）”と称する概念に
よつて彼等の装置に起るプロセスを記述してい
る。ここで云う“表面（surface）”という語は、
互いに接触する１次媒体と２次媒体の両者の存在
を意味する。この２次媒体は、Robert Stirling
による1816年の特許の熱機関中に導入される基本
的特質のものである。本発明の本質的に不可逆な
機関は、Stirling機関の特質に付加した特質を有
し、熱をポンピングするだけでなく外部的仕事も
することができるので、壊された熱力学的対称の
より適切な新しい概念によつて本発明の機関を説
明したい。
本発明の代表的実施例においては、第１熱力学
的媒体はガスであり、第２熱力学的媒体は固体物
質である。これら媒体間の熱力学的対称を壊わす
簡単な方法は、第１媒体の運動の軸に沿つて第１
媒体と接触する第２媒体の量に急激な変化（増加
または減少）があるように、第２媒体を構成する
方法である。この点において熱力学的効果が生じ
ることになり、この効果の符号（加熱または冷
却）は、第１媒体がそのレシプロカル運動におい
て温度が増加する方向に第１媒体と接触する第２
媒体の量が減少するかあるいは増加するかに依存
する。
最も簡単な構成においては、本発明によるヒー
トポンプは、ガスを含有する閉止円筒；この円筒
の１端からガスの圧縮および膨張を交互に行なう
駆動手段、例えば簡単な往復運動ピストンまたは
音響駆動装置；および、この円筒内に配置させた
第２熱力学的媒体（前記のガスが“第１”熱力学
的媒体である）からなる。第２熱力学的媒体は、
いくつかの点で熱再生器と同様な構造的特性を有
している。例えば、１つの実施例においては、第
２熱力学的媒体は、互いに隔置されかつ円筒の長
手軸に平行に延びる一組の平行板から構成され
る。別な実施例においては、第２熱力学的媒体
は、円筒の軸に沿つて隔置された一組のメツシ
ユ・スクリーンから構成される。これらの構造は
別な適用においてはいずれも熱再生器として機能
するが、本発明者等は、かような構造が本発明装
置に利用された場合には、熱ポンピング効果を生
じ、再生器の機能とは対照的に、ガスと隣接固体
媒体との間の不完全な熱的接触を必要とすること
を発見した。
第２熱力学的媒体は一般に次のような性質を有
する媒体であると定義することができる。すなわ
ち、流体の流れに対して低インピーダンスを有す
ること；長手方向すなわち流体の流れ方向に高い
熱抵抗を有すること；表面積対容量比が高いこ
と；および、効率的な熱機関を形成する目的に対
しては、必要に応じて１次媒体から熱を吸収しま
たは１次媒体へ熱を排除することができるよう
に、比熱と熱伝導率の十分に大きい組合せを有す
ることである。１次媒体がガスでありかつ作動温
度があまり低くない場合には、上記の最後の要求
は実質的にすべての固体物質によつて満たされ
る。
本発明者等は、上記の種々の必要条件が満たさ
れた場合には、第２熱力学的媒体は駆動手段から
離れた端部で著しい加熱を受け、駆動手段に近い
端部で著しい冷却を受けることを発見した。この
効果は、第２熱力学的媒体が円筒に沿つたどの個
所に配置されるかに関係なく（この装置の長さが
１／４波長より短かい限り）得られる。しかしなが
らこの効果の大きさは、閉止端と熱力学的対称が
壊れる領域との間の距離が増すにつれて増加す
る。さらに、第２熱力学的媒体の長さが、各サイ
クルにおける流体の最小容量を表わす円筒の長さ
の部分よりも実質的に小さい場合にも、この効果
は得られる。
第２熱力学的媒体の両端で観察される加熱およ
び冷却効果は、第２熱力学的媒体のこれら両端を
適当な熱交換器に熱的接続することによつて利用
することができる。例えば、第２熱力学的媒体の
高温端を適当なヒートシンクに接続して、低温端
を冷凍装置として利用することができる。
本発明者等はまた、熱貯槽へのまた熱貯槽から
の熱伝達に関するこの装置の効率は、第２熱力学
的媒体を２種の異なる材料から構成することによ
つてさらに向上させることができることを発見し
た。高い熱伝導率を有する第１の材料、例えば銅
を、第２媒体の両端に使用する。この材料を用い
れば、この媒体両端および隣接の円筒壁と熱交換
手段との間で横断方向に最大の熱伝達を得ること
ができる。第２の材料は、これら両端の間の媒体
を構成するために使用される。この第２の材料
は、第１の材料よりもかなり低い熱伝導率をもつ
ように選択される。これによつて、高温端から低
温端へ媒体に沿う長手方向の熱伝導を最小とする
ことができる。第２媒体の熱容量と熱伝導率の積
がガスのそれよりも大きいということも重要であ
る。簡単な実施例においては、フアイバ・グラス
または重合体ストリツプが適当な材料の例であ
る。かような材料は、各サイクルの間に流体から
熱を吸収し、また流体へ熱を排除するように作用
する。これによつて、全体的なエネルギ伝達を向
上させることができる。同様なプロセスが
GiffordおよびLongsworthによつて
International Advances in Cryogenic
Engineering、vol.11、p.171（1965）に記載され
ている。
関節連結されたピストンの運動に基いてこの現
象の１つ例を説明すると、ピストンの各圧縮スト
ロークの間に円筒の閉止端方向へ圧縮され押しや
られるガスの増分容量を考えてみよう。この運動
は急なものであり、ガスはほぼ断熱的に圧縮され
るので、その温度が上昇する。圧縮ストロークの
終りに休止期間があり、この休止期間にガスの加
熱された増分は第２熱力学的媒体のすぐ隣接する
表面へ熱を伝達し、かくしてその点での媒体の温
度を上昇させる。このサイクルにおける次の工程
では、ガスの増分はほぼ断熱的に急激に膨張さ
れ、この間にガスは円筒内をピストン方向へ移動
し、さらに低い温度に冷える。このストロークの
終りに再び休止期間があり、この休止期間にガス
の増分はすぐ隣接の熱力学的媒体の表面から熱を
吸収し、これによつてこの媒体を冷却する。これ
で機関の１つの完全サイクルが終了する。上述し
たような様式で、媒体の１つの点から、円筒の閉
止端により近い媒体の別の点へ熱が伝達されるこ
とが理解できるであろう。第２熱力学的媒体内の
流体のすべての増分は、同じタイプのサイクルを
受けるので、正味の結果は、この媒体の１つの端
から他の端へ熱を伝達することである。第２媒体
の領域内では、すべての点で小さい正味加熱が起
りうるが、熱力学的対称が壊される媒体両端で
は、著しい加熱および冷却効果をもたらす正味熱
伝達効果が存在する。円筒の閉止端に最も近い端
部では、第２媒体の温度が上昇するように熱が加
えられ、反対端では媒体が冷却される。
装置が作動される振動数は、熱ポンピングにお
けるこの装置の動作係数、すなわち効率に影響を
及ぼす重要な因子である。これは、上述した熱伝
達プロセスを非常に高いまたは非常に低い振動数
のいずれかで作動させた際に生じる現象と比較す
ることによつて最も簡単に説明することができ
る。加圧の振動数が十分に低くければ、流体の膨
張と圧縮はゆつくり起り、断熱的ではなくむしろ
第２熱力学的媒体に対してほぼ等温的に起る。例
えば、サイクルの加圧段階がゆつくりなされれ
ば、流体が圧縮されて円筒内に押しやられるにつ
れて、熱は円筒の壁へ連続的に伝達される。圧縮
ストロークの終りでは、流体の温度は隣接円筒壁
の温度よりも高くなく、サイクルにおけるこの点
で熱伝達は起らない。サイクルの次の段階におけ
る引続く流体の膨張の間、流体が媒体に沿つて移
動するにつれ流体は漸進的に冷却し、先の段階で
放出したと丁度同じ量の熱を連続的に抽出する。
この仮説的に非常に遅いサイクルの重要な特徴
は、流体は第２媒体の壁と常に熱的平衡にあると
いうことである。振動数が十分に高ければ、ピス
トンの各ストロークの終りで、流体と円筒壁との
間で測定可能な熱伝達が起るのに十分な時間はな
い。しかしながら、振動数がこれらの等温的極限
と断熱的極限との間であれば、流体と円筒壁との
間でいくらかの熱伝達を行なうような流体の膨張
と圧縮が起り、上述した熱ポンピングプロセスが
起りうる。従つて、装置の動作係数は高振動数お
よび低振動数のいずれでも減少する。いくつかの
中間的振動数では、与えられたいかなる装置に対
しても最適な動作係数が存在する。
上述したようなタイプの第２熱力学的媒体を用
いる１つの効果は、最適動作係数が得られる振動
数が、かような第２熱力学的媒体のないパルス・
チユーブ冷凍で得られるよりもかなり高いことで
ある。事実、この発見は、音響振動数で作動する
効果的な熱ポンピング機関の開発を可能にした。
かような機関の一つの重要な利点は、この機関を
駆動させるために非常に簡単な電気駆動される音
響駆動装置を使用することができることであり、
従つて、往復運動するピストン、クランク軸、可
動流体シール部、はずみ車等に関連する機械的問
題を解消することができる。高振動数で作動する
もう１つの主要な利点は、装置の出力密度を作動
振動数にほぼ正比例的に増加させることができる
点であり、かくして、既知装置よりも大きい出力
密度と動作係数をもつコンパクトなヒートポンプ
装置または冷凍装置が可能となる。
本発明は、単に非平衡熱力学によつて説明され
るプロセスに基いているので、熱力学的観点では
この熱機関は本質的に不可逆的である。しかしな
がら、同時に、実用的応用においては本発明は機
能的に可逆的であり、本発明によつて作製された
装置はヒートポンプとして機能するように機械的
に駆動させることもでき、あるいは熱および低温
源に接続して原動機として機能させることもでき
る。
上述した本発明の特定の観点によれば、円筒容
器、例えば直管、Ｕ字状またはＪ字状円筒容器か
らなる音響熱ポンピング機関が提供される。この
容器の一端は蓋がされ、容器内部には音響定在波
を維持できる圧縮可能な流体が充たされる。容器
の他端は、流体媒体内に音響波を発生させるため
の音響駆動装置のダイアフラムおよびボイス・コ
イルのごとき装置で閉止されている。好ましい実
施例においては、圧力タンクのごとき装置を用い
て、容器内の流体に特定圧力を付与する。第２熱
力学的媒体を蓋付端部近傍でかつこの端部から隔
置された容器内に配置し、波サイクルの圧力を増
加させる時間の間にそこを通つて移動する流体か
ら熱を受容し、かつ波サイクルの適当な部分の間
にガスの圧力が減少するにつれて流体へ熱を与え
る。流体と第２媒体との間の不完全な熱接触は、
局部流体温度とその局部速度との間に90゜異なる
位相遅れをもたらす。その結果、媒体の長さを横
切る温度差、好ましい実施例においてはＪ字状容
器の短幹の長さを横切る温度差が存在する。本発
明装置を冷凍用および／または加熱用に用いるた
めにはヒートシンクおよび／または熱源を組込む
ことができる。
本明細書の一部をなす添付図面は、本発明のい
くつかの実施例を示すものであり、詳細な説明と
ともに本発明の原理を説明するためのものであ
る。
第１〜第４図は本発明に従つて構成されたヒー
トポンプの簡単な実施例を模式的に示すものであ
る。このヒートポンプは閉止端と開放端とをもつ
円筒容器１０からなり、その開放端にはピストン
１２が摺動できるように配置されている。このピ
ストン１２はピストンピン１３を介してロツド１
４によつてクランク軸１６に接続されている。こ
のクランク軸は通な機械的動力源に接続され、円
筒容器１０内でピストン１２をレシプロカル運動
で駆動させるようにしてある。
この円筒１０には例えばヘリウムのごときガス
を含有させる。このガスは第１熱力学的媒体を構
成し、ピストン１２のレシプロカル運動によつて
交互に圧縮および膨張がなされる。
ピストン１２は第１図に示すように、位置Ａと
Ｂとの間でレシプロカル運動する。ピストン１２
がＡ位置にくると、ガスは最大容量となり、ピス
トン１２がＢ位置にくると、ガスは圧縮されて最
小容量かつ最大圧力となる。
第２の熱力学的媒体１６が円筒容器１０内の閉
止端近傍位置に置かれる。第２媒体１６は一組の
平行かつ隔置された板１８からなつている。各板
１８は一般に四角形であり、閉止端１０ａ近傍の
点からピストン１２の最大変位位置であるＢ位置
よりやや短い点へ円筒容器１０内の長手方向に延
びている。各板１８の厚さは図中では説明のため
に拡大されている。
各板１８は３つの部分からなつている。すなわ
ち銅製端部１８ａと１８ｂ、およびフアイバ・グ
ラス製中間部１８ｃからなる。端部１８ａ，１８
ｂは円筒容器１０の直径を完全に横切つて延び、
円筒容器１０の壁に溶着させて、容器１０とこれ
ら端部との間の熱伝導を高めてある。各フアイ
バ・グラス中間部１８ｃは対応する各々の端部１
８ａ，１８ｂよりも比較的小さい幅を有し、各中
間部１８ｃの縁部は円筒容器１０の壁とは間隔を
もたせてある。
第１〜第４図の熱機関はさらに複数の熱交換器
２０，２２を備えており、これらの熱交換器は第
２熱力学的媒体１６の端部１８ａ，１８ｂ近傍の
円筒容器１０を包囲している。熱交換器２０を低
温（コールド）熱交換器と呼び、熱交換器２２を
高温（ホツト）熱交換器と呼ぶが、かような呼称
の理由は以下の説明から明らかとなろう。
作動に際しては、クランク軸１６によつてピス
トン１２が往復運動し、円筒１０内に含有されて
いるガスの圧縮と膨張を交互に行なう。かような
作動の結果、第２熱力学的媒体の端部１８ａは始
動時の周囲温度に比べて冷たくなり、端部１８ｂ
は熱くなる。従つて、この装置を冷凍機として作
動させるためには、高温熱交換器２２を適当な手
段、例えばタツプ水の循環によつて冷却させるこ
とができ、端部１８ｂで蓄積された熱を除去し、
これによつて端部１８ａおよび関連する低温熱交
換器２０を始動時周囲温度よりかなり低い温度ま
で相対的に冷却することができる。
第２熱力学的媒体に沿う熱の流れを起すもの
は、交互になされるガスの圧縮と膨張に関連する
ガスのレシプロカル運動と、不完全な熱的接触
と、壊された熱力学的対称である。この効果は、
ガスを駆動させるために用いられる手段に関係な
く得られる。駆動手段は、上述した簡単な実施例
におけるピストンのような、機械的装置でもよ
い。しかしながら、音響振動数で作動する電磁駆
動装置が特に有用であることが判明している。な
ぜならばこれらの駆動装置を用いれば、外部可動
部品や流体密封用の可動シール部のない装置を作
製できるからである。さらには、かような駆動装
置は高い出力密度と大きい動作係数をもたらす。
第５図は、長さ約10cm程度の簡単な実証用装置
を示しており、第２熱力学的媒体の中央板に沿つ
て配置された５個の熱電対（Ａ〜Ｅ）が装着され
ている。板はポリエステル樹脂含浸フアイバ・グ
ラスから作製されている。この装置にはヘリウム
が約5atmの圧力まで充填されており、音響駆動
装置（図示せず）によつて400サイクル／秒の振
動数で駆動させた。
第６図は、音響駆動装置作動後の最初の数秒間
の第５図の装置の応答を示すものである。この図
では、各熱電対の温度を、瞬時の温度Ｔと最初の
温度Tiとの間の差として表わしている。最初の
温度Tiは各熱電対とも同じで、装置の実証時の
室温周囲温度であつた。第２熱力学的媒体を構成
する複数の板の両端部に配置された熱電対ＡとＥ
は、それらの共通した最初の始動温度Tiからそ
れぞれ反対方向に即時的かつ実質的な温度変化を
受けることがわかる。中間の熱電対Ｂ、Ｃおよび
Ｄが受ける温度変化はあまり激しくない。
第７図は比較的長時間にわたる実際の試験結果
を示している。第７図の試験結果は別の同様な実
施例の装置によつて得られたものであり、この装
置は内径2.81cmのインコネル製チユーブ内に19枚
のフアイバ・グラス製板を平行に配置させて構成
した。インコネル製チユーブは水平な直管で絶縁
していなかつた。板の各々は長さ10cm、厚さ
0.0125cmであり、0.094cmの間隔で隔置した。板
の幅は第５図に示した様に変化させた。このチユ
ーブの閉止端に最も近接する板の端部は、閉止端
から６cmの距離の位置に置かれた。チユーブには
ヘリウムを1.903気圧の圧力まで充填し、音響駆
動装置により268Hzの振動数で駆動させた。中央
板の両端に一組の熱電対を配置した。２つの熱電
対によつて時間の関数として記録された温度を、
第７図の２つの曲線によつて示す。
音響駆動装置の作動に先立つて、板とそれを取
巻くガスとを所定時間室温と平衡させた。この時
間は０〜１分の時間間隔にわたつて曲線の最初の
部分によつて示されている。この時間間隔の間は
２つの曲線はフラツトであり、18.44℃の室温で
互いに重なり合う。熱的平衡が達成されたのち、
時間軸の１分のところで音響駆動装置を始動させ
た。グラフに示すように、熱電対は数秒以内に即
時的な温度変化を記録した。板の低温側端の熱電
対は約１分後に約−3.7℃の最低温度に達したの
ち、約14分にわたつて徐々に温められて約1.4℃
になつた。板の高温側端の熱電対は数分間にわた
つて急激に温められ、最終的には約93.8℃の定常
温度に達した。
この機関の作動は、第５図の実証装置のごとき
簡単な実施例の円筒内のエネルギ流を解析するこ
とによつて説明できる。説明を簡単にするため
に、以下の説明では粘度の影響を無視することに
する。先ず、圧縮しうるガスが例えばピストンに
よつて一端から圧縮を受け、このプロセスにおい
て円筒が駆動されるような、からの円筒を考え
る。断面積Ａの円筒においては、この円筒上のい
かなる固定点でもその固定点を通過するガスの増
分容量dVは下式で与えられる： dV＝Avdt (1) ここでｖは固定点でのガスの瞬間速度、ｔは時
間を表わす。固定点を通過するガスの増分容量の
質量は dm＝ρdV (2) で与えられる。ここでρはガスの密度である。式
(1)を式(2)に代入すると dm＝ρAvdt (3) 時間dtにおいて固定点を通過して流れるエネル
ギの増分量は、ガスの増分質量dmの内部エネル
ギとこのガスdmによりなされた仕事との和にな
る。これは下式で表わされる： dE＝udm＋PdV (4) ここでｕはガスの単位質量すなわち比内部エネ
ルギ当りの内部エネルギであり、Ｐは円筒内のガ
スの圧力である。上記の式は次のようにも書くこ
とができる： dE＝（ｕ＋Pν）dm (5) ここでνはガスの比容、すなわち単位質量当り
の容量（１／ρ）である。
ヘリウムのごとき単原子ガスにおいては、分子
内部エネルギＵは下式で与えられる： Ｕ＝（３／２）RT (6) 従つて比内部エネルギｕは下式で与えられる： ｕ＝（３／２）RT／M.W. (7) ここでM.W.はガスの分子量を表わす。
古典的熱力学から、分子エンタルピＨ（Vmな
る分子容量をもつ）の下式が知られている： Ｈ＝Ｕ＋PVm (8) 従つて比エンタルピｈは下式で与えられる： ｈ＝ｕ＋Pν (9) (9)式と(5)式から下式が得られる： dE＝hdm (10) (3)式におけるdmの式を上式に代入すると下式
が得られる： dE＝hρAvdt （11） 従つて、円筒内の固定点を横切るエネルギ流量
H〓は次のように書くことができる： H〓≡dE／dt＝hρAv （12） 式(7)と式(9)よりｈを下式により表わすことがで
きる： ｈ＝ｕ＋Pν＝（３／２）RT／M.W.＋Pν （13） 理想気体の法則PV＝nRTを導入すれば上式
（13）を次のように書き直すことができる： ｈ＝（３／２）PT／M.W.＋RT／M.W.＝（５／２）RT／
M.W. （14） 式（12）は、上記ｈについての式を導入するこ
とによつて次のように書き直せる： H〓＝（５／２）RTρAv／M.W. （15） 一定圧力でのガスの比熱容量Cpは、熱力学か
ら下式のように表わせる： Cp＝dh／dT （16） 式（14）からCpについての式（16）を下式の
ように表わすことができる： Cp＝（５／２）Ｒ／M.W. （17） 従つて、式（15）は次のように書き直せる： H〓＝ρCpTAν （18） Ｔ＝＋δT＝＋Tacosωtのように平均温度
Ｔから温度変化δTを受けるガス（最後の形式は
容器壁から遠いガスに対して適している）につい
ては、対応するエンタルピ変化δhが存在し、こ
れは次のように書ける： ｈ＝＋δh （19） この式を式（14）の式で表わせば ｈ＝（５／２）RT／M.W.＋（５／２）RδT／M.W.（
20） 式（17）を式（20）に代入すると ｈ＝Cp＋CpδT （21） 時平均（time−averaged）エネルギ流量を考
えてみる。これはH〓で表わされる。この量は式
（12）の時平均をとることによつて、次のように
表わすことができる： H〓＝＝ρ（＋δh）Av＝ρAv＋

（22） ガスがレシプロカル様式で振動すれば、時平均
速度は零に等しくなり、式（22）中のρAv
なる項は零になり、他の変数は一定になる。すな
わち、 H〓＝ （23） 式（21）中のδhを上式に代入すると H〓＝p （24） ガスが正弦往復運動様式で振動していると仮定
すれば、圧力は次式のように平均圧力について
δPの量だけ変化するだろう： Ｐ＝＋δP＝＋Pacosωt （25） ここで、振動圧力の相は、壁から離れた振動温
度の相と同じとする。ガスの膨張と圧縮が断熱的
であれば、δPは下式によつて壁から離れた温度
変化に関連すると考えることができる： δP＝Pacosωt＝ρCpδT （26） ガスはまた、どの点においてもレシプロカル変
位を受ける。これは、粘度をないとすると、下式
で与えられる： ｘ＝xacosωt （27） ここでｘは最初の平均位置からの瞬間的変位で
あり、xaはその位置からの両方向の最大変位であ
る。従つて、容器壁から離れたパラメータｘ、
δPおよびδTは互いに相が変化する。
ガスの速度ｖはどの点においても下式で与えら
れる： ｖ＝dx／dt＝−ωxasinωt （28） ここで、H〓＝p（式（24））なる関係を
思い出せば、上記式（26）と（28）は式（24）に
挿入することができ、下式を与える： H〓＝（a）（−a ）(A)
（29） （）（）＝（１／２）2
であるか
ら、上式は次のようになる： H〓＝（１２）a a2 （30） また、正弦関数の時平均は零であるから、H〓＝
０となる。従つて、壁が熱的効果をもたない円筒
内で往復運動するガスにおける正味エネルギ流は
ない。
ガスの運動方向に平行に配向された温度の板
が円筒内に導入されると（円筒軸に垂直で板に垂
直）、状況は変わつてくる。板の隣りに厚さδ〓の
ガスの境界層が生じ、この中では熱的ビヘビアは
概略次のように云うことができる。すなわち、ガ
スの温度は断熱的に変化せず、むしろ板の温度と
なる。すなわち、境界層中のガスは、上述したよ
うに、等温的に膨張し収縮する。このことは、板
の熱容量および熱伝導率が、板の温度を変えない
程に十分に大きいことを示している。
板への熱流Q〓は下式で表わすことができる： Q〓＝dQ／dt＝−kadT／dy （31） ここでdT／dyは板表面から離れた局部的温度
勾配であり、ａは板の面積であり、ｋはガスの熱
伝導率である。
ｙ＝０に対してρCpδT＝０、および大なるｙに
対してρCpδT＝ρCpδTa cosωtなる条件であると
すると、プランドル数零および長手方向温度勾配
零の制限内の熱伝達の式は容易に解くことがで
き、次のように表わされる： ρCpδT＝ρCpδTa cosωt −ρCpδTae-y/〓〓cos（ωt−ｙ／δ〓） （32） ここでδ〓はガス中の熱浸透深さ（thermal
penetration depth）であり、δ〓≡（2κ／ω）1/2
と
定義される（κはガスの熱拡散率）。
上式中のcos（ωt−ｙ／δ〓）なる項は拡張でき、
次のようになる： ρCpδT＝ρCpδTa（cosωt）（１−e-y/〓〓cos
y／δ〓） −ρCpδTa（sinωt）e-y/〓〓sin ｙ／δ〓（
33） H〓＝ρCpδTvA（２本線は時間とともに空間につ
いても平均することを表わす）を想起すれば、H〓
の値が決定できる。cosωtとsinωtの項の積の時
平均は零に等しく、またsin2ωtの時平均は1/2に
等しいことに留意すれば、上式は次のようにな
る。
H〓＝（−ρCpδTa）（−va）2
∫∞ OΠdy e-y/〓〓sin ｙ／δ〓（34） ここでΠは、円筒中に導入された仮定的板の周
囲、すなわちまわりの距離である。すなわち、板
の幅をｗ、厚さをｄとすれば、dA＝Πdy＝（2w＋
2d）dyである。このことはまた、一層複雑な形
状に対しては、Πは円筒内に配置された第２熱力
学的媒体の単位長さ当りの表面積であると云え
る。
上式は次のようになる： H〓＝（１／４）ρCpδTavaΠδ〓 （35） ρCpδTa＝Paと置けば次のようになる： H〓＝（１／４）PavaΠδ〓 （36） 従つて、円筒に沿つたガス中の正味エネルギ流
H〓は、円筒およびこの円筒内に含まれる第２熱力
学的媒体の単位長さ当りの総表面積に依存するこ
とがわかるであろう。Πで表わされるこの量は第
１〜第５図に示した型式の第２熱力学的媒体の両
端での不連続の影響を受けるから、関数H〓（ｚ）
もこの媒体の両端での不連続の影響を受ける。こ
のことは第８図のグラフに示されている。
円筒の閉止端に近接した媒体の端部では、閉止
端方向のガス中の正味エネルギ流H〓は不連続的に
減少するため、エネルギの保存により熱はこの端
部で第２媒体へ伝達されなければならず、第２媒
体は熱くなる。
逆に、駆動手段に近接した端部では、ガス中の
エネルギ流の閉止端方向へ向う流れは不連続な段
階的に増加する。それ故、熱はこの端部で第２媒
体から除去される。
第２媒体のどちらの端部でもΠは不連続的に変
化するけれども、H〓は実際にはこれらの区域にお
いて急激にしかし連続的に変化し、その幅は当該
点でのδ〓とxaとの和にほぼ等しい。
さらに、式（36）中のvaなる項は閉止端におい
て常に零に向つて減少するから、H〓は円筒の閉止
端へ向つて常に減少することが、上記（36）式か
らわかるであろう。従つて、すべての点において
円筒壁中への熱の一定の流れが存在するが、この
熱の流れは第２媒体の導入によりもたらされる熱
容量よりもかなり小さい。
第９図と第１０図は本発明の別な実施例を示す
ものであり、この実施例では第２熱力学的媒体は
一組の円形ワイヤ・メツシユ・スクリーン２４か
ら構成されている。このスクリーンは円筒の軸に
垂直に配向され、小さいスペーサ２６により保持
されている。
第９図と第１０図においては、複数のスクリー
ン２４の間の間隔が、円筒の長さに沿つて漸進的
に変化している点に注意されたい。特に、これら
のスクリーンは、円筒の閉止端へ近づくにつれて
その間隔が狭くなる。この特徴は本発明に不可欠
な要素ではないが、本発明の原理を示すために図
示する。その原理は、円筒に沿つたいかなる点に
おいても、第２熱力学的媒体の隣り合う要素間の
間隔は、当該点でのガスの２倍の振幅、すなわち
レシプロカル変位よりも小さくする、ということ
である。間隔がガスの局部レシプロカル変位より
も大きい場合には、性能が低下するだろう。ガス
のレシプロカル変位は円筒の閉止端へ向うにつれ
て漸進的に減少するから、この型式の第２熱力学
的媒体の要素間の最大許容間隔も閉止端へ向うに
つれて減少する。この型式の第２熱力学的媒体は
均一な間隔をもつようにして用いることもできる
が、この場合には間隔はどこでも、ガスの最小レ
シプロカル変位より小さくしなければならない。
発明の第３実施例は第１１図に示すような音響
ヒートポンプ３０であり、これはＵ形曲折部、短
幹および長幹を備えたＪ字状の一般的に円筒形状
の容器３２からなつている。長幹は音響駆動容器
３４で蓋がされており、この駆動容器３４は基板
３６上に保持され、基板３６にボルト３８によつ
て取付けられて、基板３６と駆動容器３４との間
に加圧流体密封シールを形成する。好ましい実施
例における基板３６は、容器３２の壁から外方へ
延びるフランジ４０の頂部に載置される。音響駆
動容器３４は磁石４２、ダイアフラム４４および
ボイスコイル４６をその内部に封入している。基
板３６のシール５８を貫通する配線４８，５０は
可聴周波数電流源５６へ伸びている。ボイスコイ
ル−ダイアフラム組立体は柔軟性のある環５４に
よつて磁石４２に取付けたベース５２に載置され
ている。図示した音響駆動装置はその性質におい
て従来慣用されているものであることが当業者な
らば理解できるであろう。好ましい実施例におい
ては、この駆動装置は400Hz範囲で作動する。し
かしながら、好ましくは100〜1000Hz範囲を使用
することができる。好ましい実施例では容器３２
にヘリウムを充填した。しかしながら、空気や水
素ガスのごときガス、フレオン類やプロピレンの
ごとき液体、液体ナトリウム−カリウム共融混合
物のごとき液体金属といつた他の流体類を用いて
も本発明を実施できることは当業者ならば理解で
きよう。短幹頂部にはフランジ６０が例えば溶接
によつて取付けられている。このフランジ６０の
頂部には端蓋６２がボルト６４により取付けら
れ、加圧流体密封シールを形成する。第１１図の
実施例における第２の熱力学的媒体６６は第１〜
第４図に示したものと同様であり、好ましくは、
マイラー（Mylar）、ナイロン、カプトン
（Kapton）、エポキシ、またはフアイバ・グラス
等の材料からなる複数の平行板６６ｂ、および銅
またはその他の適当な材料から形成される熱伝導
性端部６６ａ，６６ｃから構成される。使用され
る材料は、容器３２内で流体と熱交換しうるもの
でなければならない。作動の振動数において単位
面積当りの有効熱容量が隣接する流体のそれより
もかなり大きく、かつ適当に低い長手方向熱伝導
係数をもつような固体物質ならいかなる物質でも
第２熱力学的媒体として機能するであろう。端蓋
６２と熱力学的媒体６６との間には端部スペース
がある点に留意すべきである。この端部スペース
近傍の容器３２と媒体６６の頂部は、導管６８を
介してヒートシンク７０と連通し、高温熱交換を
もたらす。
熱力学的媒体６６の低端部の容器３２では第２
の導管７２が熱源７４と連通し、低温熱交換をも
たらす。
所望または所定の圧力は導管７８とバルブ８０
を介して流体圧力給源８４から与えられる。この
圧力は圧力計８２により監視できる。
音響駆動装置組立体は、その一端が端蓋６２に
より閉じられたＪ字状の音響共鳴器すなわち容器
３２に機械的に取付けられており、放射方向磁場
を与える永久磁石４２を有している。この放射方
向磁場はボイスコイル４６内の電流に対して作用
してダイアフラム４４に対する力を発生し、流体
内に音響振動を送る。代表的装置においては、こ
の共鳴器はその基本的共鳴においてほぼ1/4波長
とすることができるが、この装置の作動のために
はこれに限定されない。Ｊ字状管内で共鳴する１
次流体自身によつて必要な慣性が与えられるの
で、機械的慣性装置は不要である。複数層６６か
らなる第２熱力学的媒体は、熱損失を低減するた
めに、その長手方向熱伝導率を小さくするべきで
ある。好ましい実施例においては、媒体６６の複
数板の間の間隔を均一の距離ｄとする。第２の媒
体についてのもう一つの要求は、その単位面積当
りの有効熱容量CA2が隣接する一次媒体の単位面
積当り有効熱容量CA1よりかなり大となるべきで
あるということである。これらの性質は数式的に
次のように表わされる。
CA1＝C1ｄ／２；CA2＝C2δ2 ここでC1とC2はそれぞれ１次流体媒体と第２
の固体媒体の単位容積当り熱容量であり、δ2＝
（2〓2／ω）1/2の関係がある。δ2は角振動数ω＝2πf
（ここでｆは音響振動数）での熱拡散率κ2の第２
媒体中への熱浸透深さである。約10気圧のヘリウ
ムガス圧力で振動数を数百Hzとした場合に第２媒
体の材料としてカプトン、マイラー、ナイロン、
エポキシ類またはステンレス鋼を用いれば、条件
CA2≫CA1が容易に達成でき、また長手方向熱損失
を低くできる。効果的作動のためには、粘性損失
が小さいことが必要である。これはＬ／＊≪１と
すれば達成できる。ここでＬは第２媒体の長さ、
＊は＊＝λ／2π＝ｃ／2πf（ｃは流体媒体中での音
速）で与えられる音響波のラジアン長である。こ
の機関の寸法を決める場合には、先ず妥当なＬを
選定し、次いでＬ／＊≪１から一般的な振動数を
選定する。約10〜15cmのＬに対して、妥当な振動
数は室温付近のヘリウムの場合300〜400Hzであ
る。次に、必要な温度変動および温度変化と１次
流体速度との間の必要な整相（phasing）を与え
るために必要とされるωτ〓＞〓１なる要求によつ
て、概略の間隔ｄを決める。τ〓は拡散熱緩和時間
（diffusive thermal relaxation time）であり、
平行板配列の場合に下式で与えられる： τ〓＝d2／π2κ1 ここでκ1は１次流体媒体の熱拡散率である。気
体の場合、κは圧力に非常に近似的に反比例す
る。次に間隔ｄは下記の不等式によつて概略的に
決定される： ｄ＞〓π2κ1／ω1/2 ヘリウムガスによる10気圧の圧力は、きわめて
妥当なｄの値、すなわち約0.25mm（約10mils）を
与える。
これらの考え方は機関の寸法を決めるに際して
の代表的なものである。第１１図を参照して以下
にヒートポンプまたは冷凍機としての作動を説明
する。音響駆動装置は作業流体圧力に耐えるよう
に容器に取付けられており、共鳴器であるＪ字状
管３２に流体を密封シールするようにして機械的
に結合される。ボイスコイル４６からの電流導線
はシール部５８を貫通して可聴周波数電流源５６
に伸びている。この音響システムは流体圧力供給
源８４を用いバルブ８０を介して圧力Ｐに加圧さ
れている。可聴周波数電流源５６の振動数と振幅
はＪ字状管３２内でほぼ1/4波長共鳴に相当する
基本的共鳴を生ずるように選定される。ジエーム
ズ ビイ．ランシング サウンド、インコーポレ
ーテツド社（James B.Lansing Sound、Inc.）
により製造されたJBL375ABのごとき駆動装置
を用いれば、容器３２内の平均圧力が約10気圧で
Ｊ字状管３２の直径が１インチの場合に、１気圧
最低最高圧力変動を 4Heガス中に容易に発生さ
せる。
媒体６６の長さは＊よりもかなり小さいから、
この第２熱力学的媒体間の圧力はほぼ均一とな
る。かくして、そこでの効果は、この高振動数で
同様な圧力変動を生ずる通常のピストンとシリン
ダーの機械的配列により得られるものと実質的に
同じである。
熱ポンピング作用を以下に説明する。振動性圧
力が零であり正に向いつつある瞬間における第２
媒体付近の流体のわずかな増分を考えると、圧力
が上昇するにつれてこの流体増分は端蓋６２方向
へ移動し、移動するにつれて暖まる。時間遅延τ〓
を以つて、流体がその平衡位置から端蓋方向へ移
動したのち、熱は高温の流体増分から第２媒体へ
と伝えられ、これによつて端蓋方向へ熱を伝達す
る。次いで圧力が低下すると、それとともに温度
が低下する。しかしながらこの温度低下は、同一
の流体増分が端蓋６２からＵ字状曲折部方向へそ
の平衡位置から離れてかなりの距離移動して初め
て伝達され、これによつてＵ字状曲折部方向へ低
温を伝達する。零温度勾配の最初の条件下の第２
媒体内では、近傍流体粒子の加熱および冷却効果
はほとんど取消されるが、端蓋６２付近の第２媒
体の端部ではかような取消しは起らず、加熱がな
される。同様にして、端蓋６２から離れた第２媒
体の端部は冷却がなされる。底部での冷却は、流
体の移動につれて第２媒体温度と隣接する可動流
体温度とが一致するような状態に温度勾配と損失
がなるまで続くことになる。端蓋下方の端部スペ
ースの寸法調節は、熱ラグスペースの端部での流
体の容量変位を決定し、それ故、ポンピングされ
る熱量を決める上で重要な役目をする。底部が低
温であるため、図示のようなＪ字状管構成は１次
流体の自然対流に対して重力的に安定であること
に留意して欲しい。本発明装置が大気圏外空間の
ごとき無重力環境で作動するような構造であれ
ば、必ずしもＪ字状管とする必要はない。いくら
かの性能劣化が許容されるならば、管３２のＪ字
形状を変更して、例えば直管やＵ字状管とするこ
とも可能である。
以上説明した好ましい実施例は、本発明を説明
するためのものである。本発明は図示の実施例の
みに限定されるものではなく、特許請求の範囲内
で多くの変更や修正が可能であることは、当業者
にとつて容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の簡単な好ましい実施例を示す
切断側面図である。第２図は第１図の線２−２に
沿つて切断した端面図である。第３図は第１図の
線３−３に沿つて切断した端面図である。第４図
は第３図の線４−４に沿つて切断した平面図であ
る。第５図は第２熱力学的媒体の中央板に沿つて
熱電対Ａ〜Ｅを配置した試験装置の一部切欠斜視
図である。第６図は第５図の５個の熱電対につい
ての温度−時間のグラフである。第７図は第５図
と同様な試験装置の両端に配置した一組の熱電対
についての温度−時間のグラフである。第８図は
第５図のごとき本発明装置内の場所とエネルギ流
H〓（ｚ）との関係を示す模式説明図であり、音響
出力源の駆動直後でかつ第２媒体中に温度勾配が
形成する前のものである。第９図は第２熱力学的
媒体が一組のワイヤ・メツシユ・スクリーンから
なる本発明の第２実施例の一部切欠斜視図であ
る。第１０図は第９図の実施例の側面図である。
第１１図は本発明による音響駆動ヒートポンプの
好ましい実施例の断面図である。 １０……円筒容器、１０ａ……閉止端、１２…
…ピストン、１６……第２熱力学的媒体、１８…
…隔置板、１８ａ，１８ｂ……板両端部分、１８
ｃ……板中間部分、２０，２２……熱交換器、２
４……ワイヤ・メツシユ・スクリーン、３０……
音響ヒートポンプ、３３……円筒容器、３４……
音響駆動装置容器、６２……端蓋、６６……第２
熱力学的媒体、７０……ヒートシンク。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 所定の長さを有する容器と、該容器内に収容
    された流体媒体と、該流体媒体を受入れる該容器
    の第１の部分に支持された熱力学的構造体とから
    なり、該熱力学的構造体は該容器の長手方向軸に
    沿う該流体媒体の流れに対して低いインピーダン
    スを有するとともに該流体媒体に比較して低い長
    手方向熱伝導率と大きい熱容量を有し、該容器の
    所定長さに比較して小さいレシプロカル運動長さ
    をもつ該熱力学的構造体内の該流体媒体のレシプ
    ロカル運動が該熱力学的構造体を横切る温度差と
    機能的に関連するようにしたことを特徴とする熱
    機関。 ２ 前記熱力学的構造体は、前記流体媒体のレシ
    プロカル運動と平行に延びるように配向させた、
    互いに隔置された複数の細長い板からなる特許請
    求の範囲第１項に記載の熱機関。 ３ 前記複数の板の各々は、高い熱伝導率をもつ
    第１の材料からなる両端部と、比較的低い熱伝導
    率をもつ第２の材料からなる中間部とから構成さ
    れる特許請求の範囲第２項記載の熱機関。 ４ 前記熱力学的構造体は、複数の実質的に平面
    なワイヤ・メツシユ・スクリーンからなり、これ
    らスクリーンの各々は互いに平行にかつ前記流体
    媒体のレシプロカル運動の方向を横断して延びる
    ように配向されており、各スクリーンは互いに隔
    置されている特許請求の範囲第１項に記載の熱機
    関。 ５ 所定の長さを有する容器と、該容器内に収容
    された流体媒体と、該流体媒体を受入れる該容器
    の第１の部分に支持された熱力学的構造体とから
    なり、該熱力学的構造体は該容器の長手方向軸に
    沿う該流体媒体の流れに対して低いインピーダン
    スを有するとともに該流体媒体に比較して低い長
    手方向熱伝導率と大きい熱容量を有し、該容器の
    所定長さに比較して小さいレシプロカル運動長さ
    をもつ該熱力学的構造体内の該流体媒体のレシプ
    ロカル運動を該熱力学的構造体を横切る温度差と
    機能的に関連せしめた熱機関であつて、該熱力学
    的構造体の両端に熱源およびヒートシンクを配設
    するとともに該流体媒体の小さいレシプロカル運
    動を起こさせる振動数を有するポンプを配設し、
    該温度差が該熱源から該ヒートシンクへ熱をポン
    ピングするようにしたことを特徴とする熱機関。 ６ 前記ポンプは、前記容器の所定長さと共鳴す
    る振動数で作動する音響駆動装置である特許請求
    の範囲第５項に記載の熱機関。 ７ 前記容器の所定長さは、前記熱力学的構造体
    に対する前記流体媒体の熱緩和時間にほぼ逆比例
    的関係を持つ共鳴振動数を維持している特許請求
    の範囲第６項記載の熱機関。 ８ 所定の長さを有する容器と、該容器内に収容
    された流体媒体と、該流体媒体を受入れる該容器
    の第１の部分に支持された熱力学的構造体とから
    なり、該熱力学的構造体は該容器の長手方向軸に
    沿う該流体媒体の流れに対して低いインピーダン
    スを有するとともに該流体媒体に比較して低い長
    手方向熱伝導率と大きい熱容量を有し、該容器の
    所定長さに比較して小さいレシプロカル運動長さ
    をもつ該熱力学的構造体内の該流体媒体のレシプ
    ロカル運動を該熱力学的構造体を横切る温度差と
    機能的に関連せしめた熱機関であつて、該熱力学
    的構造体の両端に熱源およびヒートシンクをさら
    に配設し、該流体媒体中に小さいレシプロカル運
    動を起こさせるのに有効な該熱力学的構造体を横
    切る温度差をもたらすようにしたことを特徴とす
    る熱機関。
JP58022642A 1982-11-30 1983-02-14 熱機関 Granted JPS59100365A (ja)

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NL (1) NL8300549A (ja)

Families Citing this family (68)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4538464A (en) * 1983-10-04 1985-09-03 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method of measuring reactive acoustic power density in a fluid
CH667517A5 (de) * 1985-01-22 1988-10-14 Sulzer Ag Thermoakustische vorrichtung.
US4722201A (en) * 1986-02-13 1988-02-02 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cooling engine
US4858441A (en) * 1987-03-02 1989-08-22 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Heat-driven acoustic cooling engine having no moving parts
US4928496A (en) * 1989-04-14 1990-05-29 Advanced Materials Corporation Hydrogen heat pump
EP0402516B1 (en) * 1989-06-16 1993-05-05 George Sidaway A heat engine
US4953366A (en) * 1989-09-26 1990-09-04 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cryocooler
US5263341A (en) * 1990-03-14 1993-11-23 Sonic Compressor Systems, Inc. Compression-evaporation method using standing acoustic wave
US5174130A (en) * 1990-03-14 1992-12-29 Sonic Compressor Systems, Inc. Refrigeration system having standing wave compressor
DE69110868T2 (de) * 1991-04-30 1996-02-22 Ibm Tieftemperaturerzeugungsverfahren und Expansionsmaschine.
US5165243A (en) * 1991-06-04 1992-11-24 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Compact acoustic refrigerator
GB9115140D0 (en) * 1991-07-13 1991-08-28 Boc Group Plc Improvements in refrigerators
GB2263538B (en) * 1992-01-21 1996-01-17 Michael Hilary Christoph Lewis Expander for open-cycle and cryogenic refrigerators
US5303555A (en) * 1992-10-29 1994-04-19 International Business Machines Corp. Electronics package with improved thermal management by thermoacoustic heat pumping
US5349813A (en) * 1992-11-09 1994-09-27 Foster Wheeler Energy Corporation Vibration of systems comprised of hot and cold components
US5414997A (en) * 1993-01-11 1995-05-16 Tailer; Peter L. Thermal lag machine
DE4303052C2 (de) * 1993-02-03 1998-07-30 Marin Andreev Christov Irreversible thermoakustische Wärmemaschine
US5561984A (en) * 1994-04-14 1996-10-08 Tektronix, Inc. Application of micromechanical machining to cooling of integrated circuits
US5456082A (en) * 1994-06-16 1995-10-10 The Regents Of The University Of California Pin stack array for thermoacoustic energy conversion
GB2291959B (en) * 1994-08-03 1998-09-16 Scient Generics Ltd Thermoacoustic refrigeration systems
CN1064746C (zh) * 1995-06-05 2001-04-18 中国科学院低温技术实验中心 热声发动机
US5647216A (en) * 1995-07-31 1997-07-15 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy High-power thermoacoustic refrigerator
US6059020A (en) * 1997-01-16 2000-05-09 Ford Global Technologies, Inc. Apparatus for acoustic cooling automotive electronics
US5953921A (en) * 1997-01-17 1999-09-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Torsionally resonant toroidal thermoacoustic refrigerator
US5901556A (en) * 1997-11-26 1999-05-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy High-efficiency heat-driven acoustic cooling engine with no moving parts
US6032464A (en) * 1999-01-20 2000-03-07 Regents Of The University Of California Traveling-wave device with mass flux suppression
US6307287B1 (en) 1999-03-12 2001-10-23 The Penn State Research Foundation High-efficiency moving-magnet loudspeaker
US20060156727A1 (en) * 1999-11-12 2006-07-20 Jacobsen Stephen C Method and apparatus for phase change driven actuator
US6332323B1 (en) 2000-02-25 2001-12-25 586925 B.C. Inc. Heat transfer apparatus and method employing active regenerative cycle
US7043925B2 (en) 2001-01-17 2006-05-16 Sierra Lobo, Inc. Densifier for simultaneous conditioning of two cryogenic liquids
US7347053B1 (en) 2001-01-17 2008-03-25 Sierra Lobo, Inc. Densifier for simultaneous conditioning of two cryogenic liquids
US6604363B2 (en) 2001-04-20 2003-08-12 Clever Fellows Innovation Consortium Matching an acoustic driver to an acoustic load in an acoustic resonant system
US6578364B2 (en) * 2001-04-20 2003-06-17 Clever Fellows Innovation Consortium, Inc. Mechanical resonator and method for thermoacoustic systems
US6574968B1 (en) 2001-07-02 2003-06-10 University Of Utah High frequency thermoacoustic refrigerator
US7240495B2 (en) * 2001-07-02 2007-07-10 University Of Utah Research Foundation High frequency thermoacoustic refrigerator
US6688112B2 (en) 2001-12-04 2004-02-10 University Of Mississippi Thermoacoustic refrigeration device and method
NL1020137C2 (nl) * 2002-03-11 2003-09-12 Stichting Energie Werkwijze en inrichting voor het scheiden van gassen en/of vloeistoffen.
US6755027B2 (en) * 2002-04-10 2004-06-29 The Penn State Research Foundation Cylindrical spring with integral dynamic gas seal
US6725670B2 (en) * 2002-04-10 2004-04-27 The Penn State Research Foundation Thermoacoustic device
US6792764B2 (en) * 2002-04-10 2004-09-21 The Penn State Research Foundation Compliant enclosure for thermoacoustic device
US6658862B2 (en) 2002-04-18 2003-12-09 The Regents Of The University Of California Cascaded thermoacoustic devices
JP4411829B2 (ja) * 2002-08-26 2010-02-10 株式会社デンソー 蒸気エンジン
FR2848293B1 (fr) 2002-12-04 2007-09-14 T2I Ingenierie Echangeur de chaleur pour application aux fluides oscillants notamment dans une cellule thermoacoustique
US7081699B2 (en) * 2003-03-31 2006-07-25 The Penn State Research Foundation Thermoacoustic piezoelectric generator
DE102005022846B4 (de) * 2004-05-19 2015-12-17 Denso Corporation Dampfmaschine
JP4321353B2 (ja) * 2004-05-20 2009-08-26 株式会社デンソー 蒸気エンジン
JP4696992B2 (ja) * 2006-03-22 2011-06-08 株式会社デンソー 外燃機関
JP4277909B2 (ja) * 2007-02-07 2009-06-10 株式会社デンソー 外燃機関
JP4285561B2 (ja) * 2007-05-17 2009-06-24 株式会社デンソー 外燃機関
JP5628672B2 (ja) * 2007-09-17 2014-11-19 ピコターム エービーＰｉｃｏｔｅｒｍ Ａｂ エネルギー変換供給装置
US8004156B2 (en) * 2008-01-23 2011-08-23 University Of Utah Research Foundation Compact thermoacoustic array energy converter
JP4434286B2 (ja) * 2008-03-06 2010-03-17 株式会社デンソー 外燃機関
JP2009209870A (ja) * 2008-03-06 2009-09-17 Denso Corp 外燃機関
ITLI20080007A1 (it) * 2008-07-08 2010-01-08 Fabio Prosperi Generatore elettrico alimentato mediante fonti di calore
CN101726137B (zh) * 2008-10-16 2012-06-27 中科力函(深圳)热声技术有限公司 回热器及其制造方法
US20100223934A1 (en) * 2009-03-06 2010-09-09 Mccormick Stephen A Thermoacoustic Refrigerator For Cryogenic Freezing
IN2012DN00280A (ja) 2009-07-10 2015-05-08 Etalim Inc
US8227928B2 (en) * 2009-07-31 2012-07-24 Palo Alto Research Center Incorporated Thermo-electro-acoustic engine and method of using same
US8205459B2 (en) * 2009-07-31 2012-06-26 Palo Alto Research Center Incorporated Thermo-electro-acoustic refrigerator and method of using same
US8584471B2 (en) 2010-04-30 2013-11-19 Palo Alto Research Thermoacoustic apparatus with series-connected stages
US8375729B2 (en) 2010-04-30 2013-02-19 Palo Alto Research Center Incorporated Optimization of a thermoacoustic apparatus based on operating conditions and selected user input
US9562522B2 (en) 2010-07-19 2017-02-07 Technion Research & Development Foundation Limited System and method for energy conversion by pressure wave and/or phase-exchange
US9382874B2 (en) 2010-11-18 2016-07-05 Etalim Inc. Thermal acoustic passage for a stirling cycle transducer apparatus
WO2012114158A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 Nokia Corporation Method and apparatus for thermoacoustic cooling
JP5892582B2 (ja) * 2011-09-02 2016-03-23 学校法人東海大学 熱音響機関
WO2014043790A1 (en) 2012-09-19 2014-03-27 Etalim Inc. Thermoacoustic transducer apparatus including a transmission duct
JP6498008B2 (ja) * 2015-03-26 2019-04-10 大阪瓦斯株式会社 熱音響機関
US11041458B2 (en) * 2017-06-15 2021-06-22 Etalim Inc. Thermoacoustic transducer apparatus including a working volume and reservoir volume in fluid communication through a conduit

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2836033A (en) * 1953-07-15 1958-05-27 Bell Telephone Labor Inc Heat-controlled acoustic wave system
US3237421A (en) * 1965-02-25 1966-03-01 William E Gifford Pulse tube method of refrigeration and apparatus therefor
US4114380A (en) * 1977-03-03 1978-09-19 Peter Hutson Ceperley Traveling wave heat engine

Also Published As

Publication number Publication date
GB2131533A (en) 1984-06-20
JPS59100365A (ja) 1984-06-09
DE3305061A1 (de) 1984-05-30
CA1203085A (en) 1986-04-15
NL8300549A (nl) 1984-06-18
US4489553A (en) 1984-12-25
IT8319580A0 (it) 1983-02-14
GB8302604D0 (en) 1983-03-02
IT1161896B (it) 1987-03-18
GB2131533B (en) 1986-09-24

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