JPH09184664A - 流体制御機構付蓄熱型機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率の良い蓄熱型機関とすること。 【解決手段】 圧力変動源（１、２ａ、２ｂ）と蓄冷器
（３）との間又はコールドヘッド（４）と位相調節機構
（２２）との間の少なくとも一方に配設された放熱器
（１２、１３）と、放熱器（１２、１３）に連設され蓄
熱型機関の系内の作動流体の往路過程における流路と復
路過程における流路とを独立して規制する流路制御器
（１９）とを備え、流路制御器（１９）は、往路過程に
おける流路を放熱器（１２、１３）に連通し、復路過程
における流路を放熱器（１２、１３）からバイパスする
ように往路過程における流路と復路過程における流路と
を独立して規制することを特徴とする、流体制御機構付
蓄熱型機関としたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流量又は流
れ方向を制御する流体制御器に関するものであり、特
に、蓄熱型機関における作動流体を制御する流体制御器
付蓄熱型機関に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】パルス管冷凍機（以下、既存の方式と云
う）は、1963年 W. Gifford らにより初めて提案され
た。この方式での低温生成は、流体の非平衡状態の特性
を動作原理としており、実際の動作状態を把握し方程式
を導き解析することは極めて困難であった。また、低温
生成温度はあまり低くなく、効率も低かった。最近で
は、いろいろな形式が提案され、１段蓄冷器方式でも最
低到達温度は絶対温度で２３Ｋが得られるような形式も
現れ、 効率も向上した。

【０００３】既存の代表的なパルス管冷凍機の流路及び
機器構成図を図１の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）
に、スターリング機関を図２（ａ）に示す。これらの熱
サイクルにおける低温生成と動力発生に関する原理的な
説明は、既に多くの文献が発表されているので詳細は省
略する。

【０００４】図１（ａ）はダブルインレット方式といわ
れるパルス管冷凍機の流路図で、圧縮機１からの常温の
流体は、吸入弁２ａよりブロンズ、ステンレス等のメッ
シュや磁気比熱の大きな無数の球体が詰められた蓄冷器
３に入り冷却され、蓄冷器３の低温端３ａとパルス管５
の低温端５ａとの間で構成する被冷却体を冷却するコー
ルドヘッド４を通過し、金属、セラミック、プラスチッ
ク材料等で造られたパルス管５で断熱膨張して温度降下
し、徐々に温度上昇して流体の圧力、流量・流速を調整
するニードル弁やオリフィス等の弁６を通過し、弁６と
ほぼ同じ機能を有し、流路系内の流体の流量・速度や圧
力を調整し、且つ、放熱により流体の温度を常温にまで
下げる流体溜（バッファータンクともいう）７に入る
（一部の流体は温度が高くなるが、パルス管５の高温端
部と流体溜７との接続配管や流体溜７で自然冷却され
る。）。つぎに吐出弁２ｂが開くと流体溜７内の流体
は、弁６を通り、一部の流体がパルス管５の高温端部５
ｂより弁８から蓄冷器３の高温端部３ｂ、吐出弁２ｂへ
と戻るが、殆どの流体はパルス管５内で温度降下し、蓄
冷器３の低温端部３ａとパルス管５の低温端部５ａの間
のコールドヘッド４で被冷却体を冷却し、蓄冷器３に入
り徐々に温度上昇して吐出弁２ｂより圧縮機１に戻り、
１サイクルを完了する。

【０００５】従って、図１（ａ）の場合において、圧力
を変動させる圧力変動源として機能するものは、圧縮器
１及び給入弁２ａ、吐出弁２ｂである。

【０００６】尚、導管１７は、ダブルインレット通路と
よばれるものである。ダブルインレット通路１７は、そ
の途中に設けられニードル弁やオリフィス等の構造を有
する弁８を介して蓄冷器３の高温端部３ｂとパルス管５
の高温端部５ｂとを接続し、流体をバイパスして系内の
圧力や流量の調整を行うと共に、蓄冷器高温端部３ｂか
らの常温の流体をパルス管５側から入る比較的高温の流
体と混合して弁６付近での温度上昇を防ぎ、且つ、流体
溜７から流体が吐出弁２ｂに戻る過程での流体の流速を
弁６とともに調整する機能をもつ。このため、ダブルイ
ンレット通路のないシングルオリフィス方式のパルス管
冷凍機においては、系内の流体の流速等を制御して作動
流体の圧力変動と変位変動の位相差を調節する位相調節
機構の役割を果たすものは流体溜７及び弁６であるが、
ダブルインレット方式のパルス管冷凍機においては、位
相調節機構は流体溜７、弁６に加え、ダブルインレット
通路１７、弁８が第２の位相調節機構として機能する。
従って、ダブルインレット方式のパルス管冷凍機は、シ
ングルオリフィス方式のパルス管冷凍機と比較して流体
の制御幅が広く、より最適条件に近い状態で運転できる
ため、効率がよい。

【０００７】尚、吸入弁２ａ及び吐出弁２ｂは、電動機
や機械的・流体的に駆動される１個のロータリー弁を使
用する場合が多い。

【０００８】パルス管５を出た流体は、パルス管５の高
温端部５ｂにおいて、弁８で常温からバイパスされた流
体と混合して温度、流量・流速、圧力等が調整される
が、運転周波数が２〜４Ｈｚの範囲内においても常温よ
り相当高い温度となる（およそ３３０Ｋ）。これらの流
体はその後、弁８より流体溜７に入って自然冷却され
る。

【０００９】従って、流体溜７を小型化したり運転周波
数を高くして冷凍機としての比出力を大きくしようとす
ると、流体溜７の放熱面積が少なくなって装置が高温度
になり、低温部への熱侵入の増加と流体の質量減少によ
り、逆に冷凍出力の減少を招く。

【００１０】図１（ｂ）は、ピストンタイプのパルス管
冷凍機であり、常温のシリンダー９、図示しないクラン
クシャフトやリニアーモータで往復駆動されるピストン
１０により流体の圧縮を繰り返す圧縮空間部１１、流体
の圧縮熱をほぼ一定の入り口温度の冷却流体（空気、水
等の液体、ＬＮＧ等の寒剤）の流路系２４に放出する第
１放熱器１２を備え、他の機器構成は図１（ａ）と同じ
である。尚、２３はピストンリングである。ピストンタ
イプのパルス管冷凍機は、７７Ｋ以下の温度を容易に生
成する。

【００１１】尚、図１（ｂ）において、圧縮変動源は、
ピストン１０、シリンダー９、圧縮空間１１で構成され
る。

【００１２】図１（ｃ）は、スターリングサイクル型の
パルス管冷凍機の流路及び機器構成図である。これは、
圧縮空間部１１、常温のシリンダー１４及び図示しない
クランクシャフトやリニアーモータ等で往復駆動される
膨張ピストン１５により流体の膨張を繰り返す膨張空間
部１６を備え、且つ、圧縮ピストン１０と膨張ピストン
１５とはある位相差を保持して運転される。圧縮空間部
１１と膨張空間部１６との間に、第１放熱器１２、蓄冷
器３、コールドヘッド４、パルス管５、第２放熱器１
３、弁６が接続された構成で低温の生成をする。

【００１３】尚、図１（ｃ）において、圧力変動源は、
図１（ｂ）と同じく、ピストン１０、シリンダー９、圧
縮空間１１で構成され、位相調節機構はピストン１５、
シリンダー１４、膨張空間１６で構成される。

【００１４】図１（ｄ）は、図１（ｃ）の構成に、蓄冷
器３の高温端部３ｂとパルス管５の高温端部５ｂとを弁
８を介して接続し、流体をバイパスする構成となってい
る。

【００１５】図１（ｄ）において、圧力変動源はピスト
ン１０、シリンダー９、圧縮空間１１で構成され、位相
調節機構はピストン１５、シリンダー１４、膨張空間１
６で構成されるが、第２の位相調節機構として、ダブル
インレット通路１７、弁８が付加されている。

【００１６】図２（ａ）は、既存のスターリング機関の
流路系で、数多く知られている蓄熱型機関であり、冷凍
機でも、原動機の場合でも効率は非常に高い。

【００１７】流体の圧縮空間部１１と、図示しないリニ
アモータやクランクシャフトでピストンロッド２８ｂを
介して往復動する比較的に長いシリンダ２５とシリンダ
２５内の膨張ピストン（ディ スプレーサの場合もある）
２６により形成される膨張空間部２７との間に、第１放
熱器１２、蓄冷器３、コールドヘッド４を接続し、コー
ルドヘッド４で低温度を発生し被冷却体を冷却する。

【００１８】尚、膨張ピストン２６は、圧縮ピストン１
０とは８０度から１２０度の間のある進んだ位相差を保
持しながら往復動作する。

【００１９】尚、このサイクルは、コールドヘッド４を
高温度に加熱すれば、膨張ピストン２６の膨張仕事でピ
ストンロッド２８ｂを介して動力が得られる可逆サイク
ルである。この動力を得る原動機を、冷凍発生をする冷
凍機を含めてスターリング機関という。機器構成は冷凍
機でも原動機にする場合でも、ほぼ同じである。

【００２０】尚、原動機の場合には、コールドヘッド４
の部分を、ヒータチューヴ、加熱器などという。

【００２１】また、第１放熱器１２の冷却流路系２４を
液化天然ガス等の寒剤で冷却し、コールドヘッド４を熱
湯や火炎等で加熱すると、圧縮空間部１１が低温圧縮空
間部となり、膨張空間部２７が高温の膨張空間部とな
り、膨張ピストンの膨張仕事で動力発生する低温型のス
ターリング機関となる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】 図１（ａ）に示すダブルインレット型パルス管冷凍機
の問題点 弁８、弁６を行き来する流体の流量・流速は、１サイク
ルにおいて、蓄冷器３の高温端部３ｂから、パルス管５
の高温端部５ｂ、５ｂから流体溜７へと、逆の流体溜７
から高温端部５ｂ、５ｂから３ｂと流れるときには、運
転条件（冷凍サイクル、冷凍温度、運転周波数、流体の
平均圧力等）によって最適な流量・流速値が存在する。
しかしながら、既存の弁構造ではこれらの運転条件の調
整は不可能であり、小型の冷凍機では冷凍温度７７Ｋ
で、成績係数（冷凍出力／消費動力）を０．０１以上に
することは困難であった。

【００２３】図１（ｂ）に示すピストンタイプのパル
ス管冷凍機の問題点 流体は初めのサイクル過程では圧縮空間部１１で作動流
体が、例えば、１５気圧、２９０Ｋから圧縮されて２８
気圧、３５０Ｋとなる。次に、第１放熱器１２で冷却流
体２４で冷却されて１７では約３００Ｋとなり、蓄冷器
３に入る。流体が幾つかの過程を行って圧縮空間部１１
に戻る最終のサイクル過程において、蓄冷器３を出て第
１放熱器１２に入る時の流体の温度は、およそ２８５Ｋ
である。

【００２４】即ち、蓄冷器３側から第１放熱器へ入ると
きの流体の温度は、圧縮空間部１１から第１放熱器１２
に入る時の温度よりも低く、およそ２８５Ｋである。し
かしながらこの温度が低く、ほぼ１５気圧で戻る流体
を、放熱面積が大きく、これを外部より大量の冷却流体
２４、例えば空気で冷却し、しかも熱容量の大きな第１
放熱器１２に入れれば、圧縮空間部１１から第１放熱器
１２を出たときの流体の温度に近い温度勾配で圧縮空間
部１１に戻ってしまう。すなわち、２８５Ｋで戻った流
体は、第１放熱器１２で加熱され、３００Ｋ以上となっ
て圧縮空間部１１に戻る。これにより、流体を圧縮する
ときの初期温度は高くなり、圧縮後の温度も高くなって
圧縮動力が増えることになる。

【００２５】又、放熱器１２（１３も含む）は、放熱面
積を増やして放熱効果を高め、効率を向上させるため、
無数の細管や流路内に複雑なインナーフインが付けら
れ、また、無数の穴あき板が積層された構造をしてい
る。このため、流体抵抗が大きな圧力損失を発生させ、
この結果、消費動力も非常に大きくなる。

【００２６】図１（ｃ）に示すスターリングサイクル
型パルス管冷凍機の問題点 効率は図１（ａ）のパルス管冷凍機よりも高いが、上記
、で説明した流路及び機器構成上の問題点が放熱器
１２、１３、弁６に存在する。

【００２７】図１（ｄ）に示すダブルピストンタイプ
のダブルインレット型パルス管冷凍機の問題点 図１（ｄ）は、図１(c) の構成に、蓄冷器３の高温端部
３ｂとパルス管５の高温端部５ｂとを弁８を介して接続
し、流体をバイパスする構成となっている。

【００２８】このものにおいても、、で指摘した問
題点が、放熱器１２、１３、弁６、８に存在する。

【００２９】図２（ｉ）に示すスターリング冷凍機の
問題点 上記で指摘した問題点が、第１放熱器１２に存在す
る。

【００３０】以上、従来技術における問題点をまとめる
と、 （１）従来の蓄熱型機関においては、往復する作動ガス
の流量、流速を個別に制御することができず、効率の向
上には限界がある。

【００３１】（２）従来の蓄熱型機関においては、往復
する作動ガスが往路、復路共に同じ経路を辿るために、
往路、復路共に作動ガスが放熱器を通り、このため例え
ば冷凍機において冷却された作動ガスが復路において放
熱器に侵入して加熱されてしまい、この温度上昇により
圧縮動力も増大し、効率を低下させる原因となる。

【００３２】（３）従来の蓄熱型機関においては、往復
する作動ガスが往路、復路共に同じ経路を辿るために、
往路、復路共に作動ガスが放熱器を通る。このため、放
熱器を通過させるための圧力損失が、往路、復路とでい
ずれも発生することとなり、この圧力損失が、消費動力
を増大させ、効率を低下させる原因となる。

【００３３】故に、本発明は、上記問題点を解決し、効
率の良い蓄熱型機関を提供することを技術的課題とする
ものである。

【００３４】ここで、従来の蓄熱型機関の問題点につい
て、作動流体の位置と温度との関係から考察してみる。

【００３５】図 （ａ）は、スターリング冷凍機を例と
した機器類の概念図を示し、これは、圧縮ピストン１
０、圧縮シリンダー９、圧縮ピストン１０及び圧縮シリ
ンダー９より区画形成される圧縮空間部１１、放熱器１
２、放熱器１２を冷却する冷却流体路２４、蓄冷器３、
コールドヘッド４、被冷却体６３、膨張ピストン２６、
膨張シリンダー２５、膨張ピストン２６及び膨張シリン
ダー２５により区画形成される膨張空間部２７よりな
る。２３、２３１はピストンリング、６４ａ、６４ｂ、
６４ｃ、６４ｄは各機器類を接続する接続配管である。
尚、各部品の符号について、図２（ａ）に示すものと同
一部分には同一符号にて示した。図において、圧縮ピス
トン１０と膨張ピストン２６はそれぞれ下死点にある。

【００３６】図 （ｂ）は、図 （ａ）において示した
スターリング冷凍機の各機器に対応した位置を模式的に
（Ｌ０〜Ｌ２２）横軸に示し、各機器類の位置とその点
における作動流体の温度（縦軸）との関係を示したグラ
フである。

【００３７】まず、理想の状態について説明する。膨張
ピストン２６を上死点（Ｌ２０）に置き、圧縮ピストン
１０を上死点の方向に動かすと、圧縮空間部１１の流体
は放熱器１２で冷却されながら３００Ｋで等温適に圧縮
される（図における変化ａ→ｂ、温度はＴｃで一定）。
次に圧縮ピストン１０がさらに上死点に向かい、膨張ピ
ストン２６が位置Ｌ２１になると、圧縮空間部１１の流
体は放熱器１２を通り、蓄冷器３で冷却されながら等容
的に膨張空間部２７に入る。流体の温度変化は図におい
てｂ→ｃで示される。さらに膨張ピストンが下死点に向
かうと膨張空間部２７の流体は、コールドヘッド４で被
冷却体６３を冷却しながら等温的に膨張する。膨張ピス
トン９は位置Ｌ２２であり、温度変化はｃ→ｄで、この
ときの冷凍温度Ｔｅは８０Ｋで一定である。最後に膨張
ピストン２６が上死点に向かい、圧縮ピストン１０が下
死点に向かうと、膨張空間部２７の流体はコールドヘッ
ド７を通り、温度ｃから蓄冷器３で加熱され温度上昇し
てｂ（Ｔｃ＝３００Ｋ）となり、圧縮空間部１１に入っ
て１サイクルが終了する。

【００３８】上記は理想サイクルとしての動作を述べた
が、スターリングサイクルは等温圧縮、等容変化、等温
膨張、等容変化の４過程からなり、すでに公知のことで
ある。なお、膨張ピストン２６は、圧縮ピストン１０よ
りほぼ９０度進んだ位相差で動作する。

【００３９】次に、従来の冷凍機についての動作を説明
する。

【００４０】圧縮空間部１１を含む機器内には、例えば
２０気圧のヘリウムの流体が封入されている。ある時間
運転され定常状態における機器内のそれぞれの位置の流
体温度は、一点鎖線で示した温度変化のようになると推
察される。

【００４１】圧縮空間部１１内の流体温度は、初めに常
温Ｔｃ（例えば３００Ｋ）で運転されるが、定常状態に
なると温度上昇し、圧縮ピストン１０の下死点ではＴｃ
１（例えば３２０Ｋ）の温度と高くなってしまう。圧縮
ピストン１０が上死点に向かう圧縮過程では、流体温度
は上昇してｆ１（例えば３３５Ｋ）の温度となる。次
に、容積一定の等容過程で、流体は蓄冷器３に入り冷却
されてｃ１（例えば７５Ｋ）となり、膨張空間部２７に
入る。膨張ピストン２６が下死点（Ｌ２２）まで動くと
膨張空間部２７の流体は、被冷却体６３を冷却しながら
等温膨張（実際にはポリトロピック膨張）し、ｃ１より
も温度降下してｄ１となる。最後に膨張ピストン２６が
上死点に向かうと圧縮ピストン１０も下死点に向かうた
め、膨張空間部２７の流体は押し出され、温度上昇して
ｃ２の温度で蓄冷器３に入り、徐々に加熱され温度上昇
し、ｂ２（例えば３１０Ｋ）となる。そして、放熱器１
２に入るが、運転周波数が高い（例えば６〜２５Ｈｚ）
と、放熱器１２内での伝熱面積を増やす放熱用の内部フ
ィンや多数本のパイプ類による熱容量が大きいため、冷
却流体２４の温度まで下がらず、かえって加熱され、温
度上昇して圧縮空間部３内に入り、Ｔｃ１の温度で１サ
イクルが終わる。

【００４２】本発明は、流体の温度Ｔｃ１、ｆ1 、ｂ１
を限りなくＴｃに近づけ、蓄熱型機関の効率を高める方
法についてである。Ｔｃ１の温度が下がれば、ｆ１、ｂ
１も自動的に下がる。蓄冷器３の温端の温度ｂ１と冷端
の温度ｃ１との温度スパーン（同様にｂ２とｃ２との
差）が小さくなって、蓄冷器３の熱負荷が減り、冷凍出
力が一定でも、冷凍温度Ｔｅを生成するための仕事量は
減少し、効率は高くなる。

【００４３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の熱サイ
クルによる低温生成や動力発生する冷凍機や原動機の効
率向上に関するものであり、基本的には作動流体の流路
系に、流体の流れ方向を規制し、或いは、同時に流体の
流れ方向によっては流量・流速、圧力等を調整するコッ
クを内包した流量及び流路制御器を流路系に設置して流
体の放熱器（熱交換器）での放熱効果を高めると同時に
圧力損失を低減させ、効率を既存の冷凍機では１５〜２
５％、原動機では約１５％向上させた流体制御機構付蓄
熱型熱機関に関するものである。

【００４４】即ち、上記技術的課題を解決するために、
本発明の請求項１において講じた技術的手段は、圧力変
動源と、再生器と、吸熱器と、位相調節機構とを直列接
続し、作動流体の往復動と圧力変動に位相差をもたせる
ことにより低温生成を行い、或いは動力を発生させる蓄
熱型機関において、前記蓄熱型機関は、前記圧力変動源
と前記再生器との間、又は、前記位相調節機構と前記吸
熱器との間の少なくとも一方に配設され前記蓄熱型機関
の系内の作動流体の往路における流量と復路における流
量との少なくとも一方を独立に制御する流量制御器を備
えることを特徴とする流体制御機構付蓄熱型機関とした
ことである。

【００４５】上記技術的手段における作用は以下のよう
である。即ち、圧力変動源と再生器との間、又は、位相
調節機構と吸熱器との間の少なくともどちらか一方に設
けられた流量制御器により、系内の作動流体の往路にお
ける流量と復路における流量との少なくともどちらか一
方の流量を独立に制御する。このため、作動流体の流
量、圧力を往路、復路の各流れ毎に個別に制御可能とな
り、最適な運転条件で蓄熱機関を運転することができ
る。

【００４６】ここで、作動流体の往路とは、圧力変動源
から再生器、再生器から吸熱器、吸熱器から位相調節機
構へと向かう作動流体の流れを示し、作動流体の復路と
は、位相調節機構から吸熱器、吸熱器から再生器、再生
器から圧力変動源へと向かう作動流体の流れを示す。

【００４７】また上記技術的課題を解決するために、本
発明の請求項２において講じた技術的手段は、圧力変動
源と、再生器と、吸熱器と、位相調節機構とを直列接続
し、作動流体の往復動と圧力変動に位相差をもたせるこ
とにより低温生成を行い、或いは動力を発生させる蓄熱
型機関において、前記蓄熱型機関は、前記圧力変動源と
前記再生器との間又は前記吸熱器と前記位相調節機構と
の間の少なくとも一方に配設された放熱器と、該放熱器
に連設され、前記蓄熱型機関の系内の作動流体の往路過
程における流路を前記放熱器に連通し、復路過程におけ
る流路を前記放熱器からバイパスするように前記往路過
程における流路と復路過程における流路とを規制する流
路制御器と、を備えることを特徴とする、流体制御機構
付蓄熱型機関としたことである。

【００４８】上記技術的手段における作用は以下のよう
である。即ち、圧力変動源と再生器との間又は吸熱器と
位相調節機構との間の少なくともどちらか一方に設けら
れた流路制御器により、系内の作動流体の往路流と復路
流との流路が各々規制される。そして、往路過程におけ
る流路は、流路制御手段に連設して設けられた放熱器に
連通し、復路過程における流路は放熱器からバイパスす
るよう構成される。従って、流路制御器が圧力変動源と
再生器との間にあるときは、作動流体はその往路過程に
おいて圧力変動源から放熱器を経て再生器に侵入し、そ
の復路過程においては再生器から放熱器を経ずに圧力変
動源に帰還する。また、流路制御器が吸熱器と位相調節
機構との間にあるときは、作動流体はその往路過程にお
いて吸熱器から放熱器を経て位相調節機構に侵入し、そ
の復路過程においては位相調節機構から放熱器を経ずに
吸熱器に侵入する。このため、復路における作動流体が
放熱器を通ることによる温度上昇、圧力損失を減少させ
ることができる。

【００４９】上記技術的手段を解決するにあたって、本
発明の請求項３において講じた技術的手段のように、請
求項２において、前記流路制御器は、往路における作動
流体が通過する第１流体通路と、復路における作動流体
が通過する第２流体通路とを備えることが好ましい。こ
のように構成することにより、系内を往復動する作動流
体は、その往路においては流路制御器の第１流体通路を
通過し、その復路においては流路制御器の第２流体通路
を通過する。

【００５０】また、上記技術的手段を解決するにあたっ
て、本発明の請求項４において講じた技術的手段のよう
に、請求項２において、前記流路制御器は、復路におけ
る作動流体が通過する第２流体通路を備えており、往路
における作動流体は前記流路制御器をバイパスするよう
に構成するのが好ましい。上記構成によれば、往路にお
ける作動流体は、流路制御器をバイパスして放熱器に通
じる。一方、復路における作動流体は、放熱器をバイパ
スして流路制御器の第２流体通路を通過する。これは、
例えば圧力変動源と再生器との間又は吸熱器と位相調節
機構との間に往路用配管と復路用配管とをそれぞれ設
け、往路用配管は放熱器に連通し、復路用配管は放熱器
には連通せずに、その途中に復路流のみを通す一方向弁
（流路制御器）を介在させた簡単な構成で実現できる。
このものにおいては、作動流体の往路流は直接放熱器と
連通し、作動流体の復路流は放熱器をバイパスした復路
用配管を流れる。このため流路制御器の構成が非常に簡
単となり、また復路流は流路制御器を通らないため、さ
らに圧力損失が低減され、効率が向上する。

【００５１】より好ましくは、本発明の請求項５におい
て講じた技術的手段のように、請求項３において、前記
流体制御機構付蓄熱型機関は、前記第１流体通路と前記
第２流体通路との少なくともどちらか一方に介装され、
内部を通過する作動流体の流量を制御する流量制御器を
具備して成ることが好ましい。これは、流路制御器に、
流量制御機能を付加した構成である。即ち、系内を往復
動する作動流体において、その往路流は流路制御器の第
１流体通路を通り、また復路流は流路制御器の第２流体
通路を通る。このとき第１流体通路又は第２流体通路の
少なくともどちらか一方に介装された流量制御器によ
り、その通路内を通過する作動流体の流量が制御される
ものである。このように、流路制御器と流量制御器とを
一体化したことにより、さらに簡単な構成で作動流体の
制御を実現できる。

【００５２】より好ましくは、本発明の請求項６におい
て講じた技術的手段のように、請求項４において、前記
流体制御機構付蓄熱型機関は、前記第２流体通路に介装
され作動流体の往路における流量を制御する流量制御器
を具備して成ることである。この構成も、上記説明した
ものと同様流路制御器に流量制御機能を付加した構成で
ある。このように、流路制御器と流量制御器とを一体化
することにより、さらに簡単な構成で作動流体の制御を
実現できる。

【００５３】さらにより好ましくは、本発明の請求項７
において講じた技術的手段のように、請求項３又は５の
いずれか１項において、前記第１通路内には、作動流体
の復路方向に付勢された弁板を具備する弁機構を備え、
該弁機構により前記第１通路内への復路における作動流
体の通過を遮断し、前記第２通路内には、作動流体の往
路方向に付勢された弁板を具備する弁機構を備え、該弁
機構により前記第２通路内への往路における作動流体の
通過を遮断ように構成することである。これによれば、
第１通路内には、作動流体の復路方向に付勢された弁板
を具備する弁機構が設けられているので、第１通路内に
復路流が入ろうとすると、弁板がさらに付勢されるため
に、復路流の侵入が不可能となる。一方、第１通路内に
往路流が入ろうとすると、弁板の付勢力に抗した力が働
くため、開弁し、往路流が第１通路を通行可能となるも
のである。また、第２通路内には、作動流体の往路方向
に付勢された弁板を具備する弁機構が設けられているの
で、第２通路内に往路流が入ろうとすると、弁板がさら
に付勢されるために往路流の侵入が不可能となる。一
方、第２通路内に復路流が入ろうとすると、弁板の付勢
力に抗した力が働くため、開弁し、復路流が第２通路を
通行可能となるものである。

【００５４】また、さらにより好ましくは、本発明の請
求項８において講じた技術的手段のように、請求項４又
は６のいずれか１項において、前記第２通路内には、作
動流体の往路方向に付勢された弁板を具備する弁機構を
備え、該弁機構により前記第２通路内への往路における
作動流体の通過を遮断するように構成することである。
これによれば、第２通路内には、作動流体の往路方向に
付勢された弁板を具備する弁機構が設けられているの
で、第２通路内に往路流が入ろうとすると、弁板がさら
に付勢されるために往路流の侵入が不可能となる。ま
た、第２通路内に復路流が入ろうとすると、弁板の付勢
力に抗した力が働くため、開弁し、復路流が第２通路を
通行可能となるものである。

【００５５】さらにより好ましくは、本発明の請求項９
において講じた技術的手段のように、請求項５、６、７
又は９のいずれか１項において、前記流量制御器は、該
流量制御器が介装された流路内を通過する作動流体の流
量を制御するコックで構成されることである。これは、
前記第１通路又は前記第２通路に介装される流量制御器
として、安価で組付けも簡単なコックにより構成するも
のである。

【００５６】又、上記技術的手段を解決するために、本
発明の請求項１０において講じた技術的手段は、圧力変
動源と、再生器と、吸熱器と、パルス管と、位相調節機
構とを直列接続し、作動流体の往復動と圧力変動に位相
差をもたせることにより低温生成を行い、或いは動力を
発生させるパルス管型蓄熱型機関において、前記パルス
管型蓄熱機関は、前記再生器の高温端と前記吸熱器の高
温端とを連通したダブルインレット通路と、前記ダイブ
ルインレット通路内の作動流体の往路における流量と復
路における流量との少なくとも一方を独立に制御する流
量制御器を備えることを特徴とする、流体制御機構付パ
ルス管型蓄熱機関としたことである。

【００５７】上記技術的手段における作用は以下のよう
である。即ち、ダブルインレット方式のパルス管型蓄熱
型機関において、ダブルインレット通路内を往復する作
動流体の往路における流量と復路における流量との少な
くとも一方が、流量制御器によって独立に制御される。
ここで、ダブルインレット通路内を往復する作動流体の
往路とは、圧力変動源から位相調節機構に向かう作動流
体の流路のことであり、作動流体の復路とは、位相調節
機構から圧力変動源に向かう作動流体の流路のことであ
る。

【００５８】ダブルインレット方式のパルス管型蓄熱機
関においては、そのダブルインレット内を往復する作動
流体の流量、圧力等を制御することにより、更に蓄熱機
関の運転条件の最適化を図ることができる。さらに、作
動流体の流量、圧力等を、往路流、復路流とで個別に制
御することにより、さらに最適な運転条件で蓄熱機関を
運転することができる。

【００５９】特に、ダブルインレット方式の蓄熱機関
は、往復動する作動流体の交流的な流れに加え、再生
器、吸熱器、パルス管、ダブルインレット通路を循環す
る直流的な流れも存在する。この直流的な循環流は蓄熱
機関の効率に悪影響を及ぼすが、上記構成としてダブル
インレット通路での流れを制御することにより、この種
の循環流も制御することが可能となる、効率を更に改善
させることができる。

【００６０】上記技術的手段を解決するにあたって、本
発明の請求項１１において講じた技術的手段のように、
請求項１０において、前記流体制御機構付パルス管型蓄
熱型機関は、前記ダブルインレット通路内を往復する作
動流体の往路と復路とを独立して規制する流路制御器を
備えることが好ましい。これは、ダブルインレット通路
内を往復する作動流体は、流路制御器により往路におけ
る流路と復路における流路とが独立に規制されるもので
ある。

【００６１】より好ましくは、本発明の請求項１２にお
いて講じた技術的手段のように、請求項１１において、
前記流路制御器は、往路過程における作動流体が通過す
る第３通路と、復路過程における作動流体が通過する第
４通路とを備えて成ることが好ましい。これによれば、
ダブルインレット通路内を通過する作動流体の往路流は
流路制御器の第３流体通路を通過し、復路流は第４流体
通路を通過するものである。

【００６２】さらにより好ましくは、本発明の請求項１
３において講じた技術的手段のように、請求項１２にお
いて、前記第３通路内には、作動流体の復路方向に付勢
された弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により前
記第３通路内への復路における作動流体の通過を遮断
し、前記第４通路内には、作動流体の往路方向に付勢さ
れた弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により前記
第４通路内への往路における作動流体の通過を遮断する
ように構成することである。これによれば、第３通路内
には、作動流体の復路方向に付勢された弁板を具備する
弁機構が設けられているので、第３通路内に復路流が入
ろうとすると、弁板がさらに付勢されるために、復路流
の侵入が不可能となる。一方、第３通路内に往路流が入
ろうとすると、弁板の付勢力に抗した力が働くため、開
弁し、往路流が第３通路を通行可能となるものである。
また、第４通路内には、作動流体の往路方向に付勢され
た弁板を具備する弁機構が設けられているので、第４通
路内に往路流が入ろうとすると、弁板がさらに付勢され
るために往路流の侵入が不可能となる。一方、第４通路
内に復路流が入ろうとすると、弁板の付勢力に抗した力
が働くため、開弁し、復路流が第４通路を通行可能とな
るものである。

【００６３】さらにより好ましくは、本発明の請求項１
４において講じた技術的手段のように、請求項１３にお
いて、前記流量制御器は、該流量制御器が介装された流
路内の作動流体の流量を制御するコックで構成されるこ
とである。これにより、簡単な構成で流量及び流路の調
節が達成できる。

【００６４】尚、本発明において、蓄熱型機関を冷凍機
として使用する場合には、熱を蓄積する部分を蓄冷器と
呼び、冷凍を発生する部分をコールドヘッド呼ぶ。一
方、蓄熱型機関を原動機として使用する場合には、熱を
蓄積する部分を蓄熱器と呼び、熱を吸収する部分を加熱
器と呼ぶ。蓄冷器と蓄熱器とをまとめて再生器と呼ぶこ
ともできる。また、コールドヘッドも加熱器も熱を吸収
する部分であることに変わりないので、これらをまとめ
て吸熱器と呼ぶ。蓄熱型機関において、蓄冷器は蓄熱器
に、コールドヘッドは加熱器に対応する。又本発明は、
蓄熱型機関を冷凍機、原動機のいずれに使用する場合で
も適用可能である。

【００６５】

【発明の実施の形態】従来技術において、蓄熱機関の効
率を低下させている因子を説明したが、本発明はこの損
失の因子を除くため、サイクル過程における流体の流れ
方向によって放熱器を通したり、通さなかったり、ま
た、流れ方向によってはコックの開度により流量を調整
できる流体制御機構を開発し、これを流路系に附加して
熱サイクルを改良し、冷凍機ならびに原動機の効率をよ
り向上させた。流体制御器を附加した流路系を、図２の
（ｂ）、図３の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に挙げ
る。流体制御器自体の構成を、図４〜図１１に示す。ま
た、従来技術と同一部分については同一符号で示し、そ
の説明を省略する。

【００６６】本発明の流量制御器の用途は広いため、主
としてパルス管の冷凍機とスターリング機関への応用例
について述べる。また、以下において、作動流体の流
量、又は流路を制御する流量制御器、流路制御器を総称
して流体制御器と称することとする。

【００６７】（第１実施形態例）図４は本発明の実施形
態例１である流体制御器の構造の部分断面図で、流路４
０、４１よりの流体は、板バネの弁板３２１を介して流
路３７に侵入する。反対側の流れは、流路３７、３８か
ら弁板３２２を介して流路３９に侵入する。

【００６８】尚，３０は弁板２個を有するフランジ、３
５、３６はＯリング、２９１、２９２は流路口をもつフ
ランジ、３４はボルト・ナットである。

【００６９】図４と図２（ｂ）を基に、この流体制御器
の動作について説明する。尚、この場合は、図４に示す
流体制御器は、図２（ｂ）の符号１９で表される。

【００７０】図２（ｂ）において、ピストン１０が上死
点に向かうと往路流としての圧縮空間部１１からの流体
は、圧縮されて圧縮空間部の流路口５５より第１放熱器
１２に入り、例えば空気の冷却流体２４で冷却されて流
路管５６より第１流体制御器１９に入る。

【００７１】即ち、往路流としての圧縮空間部１１から
の流体は、図４の流体制御器の断面構造図の流路４０、
４１に入り、弁板３２１を開かせて流路３７に侵入し、
流路３７より図２（ｂ）の流路管５７から蓄冷器３に入
る。

【００７２】尚、圧縮された流体は、弁板３２１から蓄
冷器３にいかずに流路３８、弁板３２２、流路３９に侵
入することはない。何故なら、圧縮空間部１１で圧縮さ
れた流体は、第１放熱器１２で冷却され、初めの圧力よ
りも低下し、弁板３２１を通過する。弁板３２２は、圧
縮空間部１１より流路管５８を介して弁板を閉めるよう
直接圧力がかかるが、この圧力は作動ガスが第１放熱器
１２により冷却されていないため、流路３７側からかか
る圧力よりも高い。このため、弁板３２２が開くことは
ない。

【００７３】即ち、冷凍機が運転されているときには、
弁板３２１、３２２に動圧が掛かり、流体の圧縮過程で
は、それぞれの流路での圧力の高さがＰ３９＞Ｐ４１＞
Ｐ３７（Ｐ３９は流路３９での圧力、Ｐ４１は流路４１
での圧力、Ｐ３７は流路３７での圧力をそれぞれ示
す。）であり、Ｐ３９≫Ｐ３７となって弁板３２２は開
かない。また、圧縮ピストン１０が上死点に向かうとき
は、熱サイクル上は圧縮過程か等容過程であり、膨張空
間２７の圧力は３７よりも低い。

【００７４】この熱サイクルでピストン１０が下死点に
向かう等容と膨張過程では、圧縮空間部１１の圧力は蓄
冷器３よりも減少する。このため、復路流としての蓄冷
器３より戻る流体は、流路管５７より流路３７、３８、
そして流路３８と３９との圧力差が大きくなって弁板３
２２を開かせ、流路３９、５８、吸入口５８１より圧縮
空間部１１に戻る。

【００７５】即ち、先の機能と動圧分布は逆になる。Ｐ
３７＞Ｐ４１＞Ｐ３９で、Ｐ３７≫Ｐ３９となり、弁３
２１は開かない。この結果、往路流と復路流とがそれぞ
れ別々に規制され、蓄冷器３より圧縮空間部１１に戻る
ときの復路流体のみを、第１放熱器１２からバイパスさ
せることが可能となる。尚、流路口５５と吸入口５８１
とを一つにして導通させても動作可能である。また、３
３は弁板３２１、３２２の止めネジである。

【００７６】図５は、図４よりも構造が簡単で部品数も
少なく、且つ、高い運転周波数でも応答可能な構造であ
る流体制御器の部分断面図である。耐久性と弁の応答性
の良さから弁板の付勢力としてスプリング４２を使用し
た。

【００７７】この流体制御器は、弁板４７１、４７２、
弁座４６、５０をもつ弁箱４３、４４、これを止めるボ
ルトナット５３、Ｏリング５４を主構成とし、流路４
９、４８は図４の４０、３９に対応する。流路５２、４
５は一つ口に導通させれば図４の流路３７にそれぞれ対
応する。

【００７８】また、図５に示す構成であると、図４の弁
板２個を有するフランジ３０が除かれるため、構造がよ
り単純化されると同時に、流路長さが短くなり死容積も
少なくなる。尚、この図５に示す流体制御器の動作につ
いては、上記図４及び図２（ｂ）を基に説明したものと
略同一であるため、説明を省略する。

【００７９】この図４、図５に示す流体制御器１９の蓄
熱機関への他の適用例は、図２（ｂ）および図３
（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す冷凍サイクルの
流路系の符号１９で示され、これらの第１放熱器１２で
の圧力損失は半分になり熱効率も向上して冷凍機の消費
動力は減少する。

【００８０】尚、図４において、流路４０、４１が本発
明の第１流体通路に、流路３８、３９が本発明の第２流
体通路に該当し、又、図５において、流路４９、５１が
本発明の第１流体通路に、流路４５、４８が本発明の第
２流体通路に該当する。

【００８１】（第２実施形態例）本発明の第２実施形態
例である流体制御器の部分断面図を図６の（ａ）に、斜
視図を図７（ａ）に、平面図を図７（ｂ）に示す。図６
（ａ）に示すものは、図４に示す流体制御器の弁機構
に、１つのコックを附加して一体化構造にし、流体の一
方向の流量・流速、圧力の調整をおこなうようにしたも
のである。

【００８２】コックの斜視図を図６（ｂ）に、断面図を
図６（ｃ）に、正面図を図６（ｄ）にそれぞれ示す。

【００８３】図６（ａ）及び図７において、７１はコッ
ク、７２はコック内を通過する流体の流体通路、７３は
流体通路７２と平行に削られ弁開度を示すコック回転用
溝、７４はＯリング溝、７５はコックのストッパー溝、
７６は流路であり、他の番号は図４と同じである。図６
（ａ）に示す流体制御器の動作を図３（ａ）と図６
（ａ）で説明する。この場合において、図６（ａ）に示
す流体制御器は、図３（ａ）において符号２０１で表さ
れる第２流体制御器の部分に適用するものとする。

【００８４】圧縮機１からの高圧の流体は、吸入弁２ａ
が開くと蓄冷器３の高温端３ｂより蓄冷器３に侵入し、
蓄冷器３内の蓄冷材で徐々に冷やされ温度降下し、低温
度となってコールドヘッド４、パルス管５を通過し、蓄
冷器３の高温端３ｂより第３流体制御器２０２（後述）
を経てきた流体とパルス管５の高温端５ｂで合流し、第
２放熱器１３で冷却されて第２流体制御器２０１に侵入
する。第２流体制御器２０１に侵入した流体は、図６
（ａ）の流路７６、適当な開度にされたコック７１の流
体通路７２、流路４０、弁板３２１を通過し、流路３７
より図３（ａ）に示す導管２９を経て流体溜２２に入
る。つぎに吸入弁２ａが閉まり、吐出弁２ｂが開くと系
内の流体は吐出弁２ｂより圧縮機１に戻る流体に断熱膨
張仕事をして温度降下する。流体溜２２の流体は導管２
９より図６（ａ）に示す流路３７、弁板３２２、流路３
９、を通り、第２放熱器１３をバイパスしてパルス管
５、コールドヘッド４で被冷却体を冷却し、蓄熱器３内
で蓄熱材に冷熱を与えて温度上昇し、パルス管５の高温
端５ｂより第３流体制御器２０２からの流体とともに吐
出弁２ｂより圧縮機１に戻る。吐出弁２ｂが閉まると１
サイクルが終わる。

【００８５】流体制御器の導入により、パルス管５の温
端から流体溜２２に入る流体を、第２放熱器１３で冷却
した後に入れることができ、且つ、冷凍機の効率が最大
になるよう、その流量・流速、圧力の最適値をコックの
開度の調整で得られる。

【００８６】この流体制御器の他の適用例は、図３
（ｂ），（ｃ）の２０１である。

【００８７】尚図６（ａ）において、流路５５、４０が
本発明の第３流体通路に、流路３９が本発明の第４流体
通路に該当する。又、コック５７が、本発明の第１調節
手段に該当する。

【００８８】（第３実施形態例）図８に、本発明の第３
実施形態例である流体制御器の断面図を示す。これは、
図４に示す流体制御器に、二つのコックを附加して一体
化構造にし、それぞれの流体の流量・流速、圧力の調整
をおこなうようにしたものである。

【００８９】この流体制御器の適用例は、図３において
符号２０２で示される第３流体制御器に適用されるもの
とする。

【００９０】図８、図６（ａ）、図３（ａ）を用い、パ
ルス管冷凍機の動作を説明する。

【００９１】図３に示すように、圧縮機１からの高圧の
流体は、吸入弁２ａが開くと流体の殆どは蓄冷器３の高
温端３ｂより蓄冷器３に侵入し、蓄冷器３内の蓄冷材で
徐々に冷やされ温度降下し、低温度となってコールドヘ
ッド４、パルス管５を通過し、蓄冷器３の高温端３ｂよ
り第３流体制御器２０２を経てきた流体とパルス管５の
高温端５ｂで合流し、第２放熱器２１で冷却されて第２
流体制御器２０１に侵入し、図６（ａ）の流路７６、適
当な開度のコック７１の流路７２、流路４０、弁板３２
１を通過し、流路３７を経て、図３（ａ）の導管２９よ
り流体溜２２に入る。吸入弁２ａが閉まり、吐出弁２ｂ
が開くと系内の流体は吐出弁２ｂより圧縮機１に戻る流
体に断熱膨張仕事をして温度降下する。流体溜２２の流
体は、導管２９より図６（ａ）の流路３７、弁板３２
２、流路３９、パルス管５、コールドヘッド４で被冷却
体を冷却し、蓄冷器３内で蓄冷材に冷熱を与えて温度上
昇し、パルス管５の高温端５ｂから流体制御器２０２を
経てきた流体と蓄冷器３の高温端３ｂで合流し、吐出弁
２ｂより圧縮機１に戻る。弁２が閉まると１サイクルが
終わる。

【００９２】蓄冷器３の高温端３ｂから流体制御器２０
２に侵入する流体は、図８の流路７７から流体制御器２
０２に侵入し、弁板３２１、適度に開度されたコック７
１１の流路７２１を経て流体制御器２０２からパルス管
５の高温端５ｂに到達する。又パルス管５の高温端５ｂ
から流体制御器２０２に侵入する流体は、図８の流路６
１から流体制御器２０２に侵入し、弁板３２２、適度に
開度されたコック７１２の流路７２２、流路６２を経て
流体制御器２０２から蓄冷器３の高温端３ｂに到達す
る。

【００９３】尚、流路７７と６２、流路７２１と６１は
小冷凍容量のときには、ここを流れる流量が少ないた
め、それぞれ図４の３７のように導通されて一つ口とな
り、流体の行きと帰りの最適な流量・流速、圧力が調整
される。

【００９４】この第３流体制御器２０２を第２流体制御
器２０１の代わりに使用することも出来る。例えば、図
３（ｃ）の第２流体制御器２０１の代わりに第３流体制
御器２０２を使用すると、その図中の２０２を省略して
図３（ｄ）に示すものとなり、流路系を簡単化すること
も可能である。但し、流路７７と６２、７２１と６１
は、それぞれ独立の流路にして他の機器に接続された
り、一つ口にされたりして流路系に導入される。

【００９５】尚、図８において、流路７７、７２１が本
発明の第１流体通路に、流路６１、７２２、６２が本発
明の第２流体通路に該当する。又、この実施例の場合、
コック７１１、７１２が本発明の流量制御器に該当す
る。又いうまでもないが、図８に示す流体制御器は、他
の部分の流体制御に当然適用可能である。例えば図３
（ｃ）の符号１９で示す第１流体制御器、図３（ｂ）の
符号２０１で示す第２流体制御器に適用も図８に示す流
体制御器は適用可能である。

【００９６】尚、本発明を蓄熱型機関の機器構成を一段
型で説明したが、これらを冷凍温度に応じて複数段に組
み合わせて２０Ｋ以下、４Ｋを生成することも可能であ
る。 （第４実施形態例）第４実施形態例について、説明す
る。

【００９７】図９は、第４実施形態例において使用する
流体制御器の断面図であり、これは、一方向弁としての
機能を有する。図において、流体制御器の内部には、流
路４０、４１、３７が形成されている。流路４１と流路
３７との間には弁板３２１が設けられており、弁板３２
１は、常に流路４１と流路３７との連通を遮断する方向
に付勢されている。このため流路４０側からの流れは弁
板３２１の付勢力に抗して弁板３２１を押し上げ、流路
３７の方へと流れることが可能であるが、流路３７側か
らの流れは弁板３２１をさらに付勢するために、この流
れが流路４０に伝達されることはない。

【００９８】図１０は、図９に示す流体制御器をさらに
簡単に構成したものである。４３、４４は弁箱であり、
５３は両弁箱４３、４４を止めるボルトナットである。
弁箱４３には流路５２が、弁箱４４には流路４９が形成
されており、両流路はスプリング４２により付勢された
弁板４７１によりその連通、遮断が行われる。このため
流路４９側からの流れは弁板４７１の付勢力に抗して弁
板４７１を押し上げ、流路５２の方へと流れることが可
能であるが、流路５２側からの流れは弁板４７１をさら
に付勢するため、この流れが流路４９に伝達されること
はない。

【００９９】図１１は、図９における一方向弁（流体制
御器）に、流量調整用のコック７１を一体化したものの
断面図である。流路７６からの流体は、コック７１によ
り流量を制御され、流路４０を経て、弁板３２１を押し
上げ、流路３７へと流れる。コック７１は、図６
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すものと同一である。この
コック７１での流量を調節するには、図６（ｂ）に示す
溝５８をドライバー等で回してやればよい。

【０１００】ここで、蓄冷型冷凍機では、機器内の流体
の死容積を少なくしないと流体の圧縮比が高くならない
ために効率は上がらない。そのため流路系や配管を極力
細くするとともに、図１１に示すように一方向弁と流量
制御用のコックとを一体化することにより効率の向上を
図ることが可能である。

【０１０１】図９、１０、１１に示す流体制御器を、パ
ルス管冷凍機に適用した例を図１２に示す。図１２にお
いて、符号１９で示されるものに、図９〜１１に示した
流体制御器が連結される。この場合において、図９〜１
１の矢印Ａ方向で示す流れ方向が、図１２に示すパルス
管冷凍機の復路方向（バッファタンク２２からパルス管
５へ向かう流れ、又は、膨張空間１６からパルス管５へ
向かう流れ）と一致するように連結する。

【０１０２】図１２（ａ）に示したものにおいて、圧縮
機１により約２０気圧の流体は吸入弁２ａが開くと蓄冷
器３の低温端３ｂから蓄冷器３、コールドヘッド４、パ
ルス管５、パルス管５の高温端５ｂを流れ、第２放熱器
１３で放熱し、流体溜２２に入る。この流体は、これよ
り先に、ダブルインレット通路１７に入った一部の流体
と混合する。吸入弁２ａが閉まり、吐出弁２ｂが開く
と、流体溜２２の殆どの流体は、流体制御器１９、パル
ス管５、コールドヘッド４、蓄冷器３を通じて圧縮機１
に戻る。これより先に、一部の流体が５ｂより第２流体
制御器２０２、３ｂ、２ｂで戻っていた流体と混合し、
吐出弁２ｂが閉まり、１サイクルが終了する。既存のパ
ルス管冷凍機では、流体制御器１９が流路系に付加され
ていないため、常に第２放熱器１３より戻り、第２放熱
器１３内の流体抵抗による損失があり、サイクルとして
の容積変化の位相ずれにより発生する冷凍発生量の調整
も困難で、効率が悪かった。これに対し、本実施形態例
では、流体の流れ方向によっては放熱器をバイパスする
ことが可能であるため、従来と比較して効率が飛躍的に
向上する。

【０１０３】（第５実施形態例）第５実施形態例とし
て、図１２（ｂ）に示したパルス管冷凍機に図９〜図１
１に示す流体制御器を付加したものを示す。ここで、流
体制御器は、符号１９１及び１９２で示される。これ
は、電磁誘導式や同期式のリニアモータで駆動されるピ
ストン９により容積可変が行われる圧縮空間部１１と、
流体溜２２との間に第１放熱器１２、蓄冷器３、コール
ドヘッド４、パルス管５、第２放熱器１３を接続した機
器構成に、流体制御器１９１及び１９２を導入した応用
例である。圧縮空間部１１からの圧縮された作動ガス
は、第１放熱器１２を経て蓄冷器３に入る。その後、コ
ールドヘッド４、パルス管５を通り、パルス管５の高温
端５ｂに達する。ここで、第２流体制御器２０２を経て
ダブルインレット通路１７からきた作動ガスと合流し、
第２放熱器１３を経て膨張シリンダ１４と膨張ピストン
１５とで区画形成される膨張空間に入る。一方膨張空間
１６からの作動ガスは、流体制御器１９２に入り、第２
放熱器１３をバイパスしてパルス管５、コールドヘッド
４、蓄冷器３を経て流体制御器１９１に入る。そして、
放熱器１２をバイパスし、直接圧縮空間１１に侵入す
る。これにより、１５％以上の効率が向上した。

【０１０４】（第６実施形態例）第６実施形態例とし
て、図１２（ｃ）に示したパルス管冷凍機に図９〜１１
で示した流体制御器１９を付加したものを示す。このも
のにおける作動ガスの流れは、第５実施形態例で説明し
たものとほぼ同じであるため、その説明を省略する。

【０１０５】（第７実施形態例）第７実施形態例とし
て、図１２（ｄ）に示したパルス管冷凍機に図９〜１１
で示した流体制御器１９１、１９２を付加したのを示
す。これは、図１２（ａ）に示す圧縮機１と吸入弁２
ａ、吐出弁２ｂで構成される圧力変動源を、圧縮ピスト
ン１０及び圧縮シリンダ９で構成されるものに置き換
え、図１２（ａ）に示す流体溜２２で構成される位相調
節機構を、膨張シリンダ１４と膨張ピストン１５で構成
されるものに置き換えたものである。作動ガスの流れ
は、第５実施形態例で示したものとほぼ同一であるた
め、その説明を省略する。

【０１０６】上記説明した、本発明の実施形態例におい
て、作動ガスの位置と、その位置における温度の関係
を、図１３に基づいて説明する。図１３（ａ）は、圧力
変動源としての圧縮ピストン１０及び圧縮シリンダ９
と、蓄冷器３との間の構成を示したものであり、図１３
（ｂ）は各機器の位置とその位置における作動ガスの温
度との関係を示したグラフである。従来技術において、
放熱器１２は、流体が往復する再生熱交換器のように使
用されていたが、本発明ではこれを除き、本来の一方向
の高温、高圧の流体を放熱して冷却する放熱器にするた
め、蓄冷器３より圧縮空間部１１に戻る復路流体を、一
方向弁等で構成される流体制御器１９を介在した配管６
５で放熱器１２をバイパスし、圧縮空間部１１に直接戻
すようにした。この結果、図１３（ｂ）の２点鎖線で示
すように、圧縮空間部１１でＴｃ２で圧縮が始まり、高
圧高温の流体はｆ３の温度で配管６４ａから放熱器１２
に入って放熱し、ｂ３に冷却されて蓄冷器３に入る。冷
凍を終えて蓄冷器３より戻る流体は、温度ｂ４で配管６
５から流体抵抗の極小の一方向弁１９を通り、温度はほ
ぼ一定のｈ１で圧縮空間部１１に入って温度上昇し、温
度Ｔｃ２で１サイクルが終わる。これに対し、１点鎖線
で示した従来の冷凍機構成では、圧縮された流体が蓄冷
器３に入るまで、又は冷凍を終えた流体が蓄冷器３から
圧縮空間部１１に入るまでの温度はそれぞれの位置にお
いて本実施形態例のものよりも高く、温度Ｔｃからより
離れていることが分かる。これより、本実施形態例で説
明した機器構成の高効率性が証明される。

【０１０７】尚、蓄冷器３より圧縮空間部１１に戻る等
容過程では、蓄冷器３内の流体の圧力が圧縮空間部１１
の圧力よりも高い。しかし、配管６４ａより放熱器、配
管６５から圧縮空間部に戻る流体の量は極少となり、そ
れが性能に影響することはない。なぜなら、放熱器１２
の流体抵抗が、配管６４ａ、流体制御器１９よりも圧倒
的に大きいからであり、殆どの流体は蓄冷器３を出た温
度で圧縮空間部に戻る。

【０１０８】又、圧縮空間部からの高圧、高温度の流体
は、配管６５、流体制御器１９より蓄冷器３に流れるこ
とは絶対にない。流体制御器１９が一方向弁的な機能を
有しており、逆流を不可能にする構造であるからであ
る。

【０１０９】

【発明の効果】請求項１の発明は、以下の如く効果を有
する。

【０１１０】蓄熱型機関の系内の作動流体の流量、圧力
を往路、復路の各流れ毎に個別に制御可能となり、最適
な運転条件で蓄熱機関を運転することができる。このた
め、効率のよい蓄熱型機関とすることができる。

【０１１１】請求項２の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【０１１２】蓄熱型機関の系内を往復動する作動流体の
往路、復路それぞれの流路を個別に規制可能に構成とし
たため、作動流体が往路、復路共に同じ経路を辿ること
に起因する効率向上の阻害要因を排除でき、蓄熱型機関
の効率を更に向上させることができる。

【０１１３】請求項３の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【０１１４】蓄熱型機関の系内を往復動する作動流体
は、その往路においては流路制御器の第１流体通路を通
過し、その復路においては流路制御器の第２流体通路を
通過する。このように構成することにより簡単な構成で
作動流体の流路制御を実現できる。

【０１１５】請求項４の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【０１１６】蓄熱型機関の系内を往復動する作動流体の
往路においては、流路制御器をバイパスして放熱器に通
じる。一方、復路においては、放熱器をバイパスして流
路制御器の第２流体通路を通過する。このため流路制御
器の構成が非常に簡単となり、また復路流は流路制御器
を通らないため、さらに圧力損失が低減され、効率が向
上する。

【０１１７】請求項５の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【０１１８】蓄熱型機関お系内を往復動する作動流体に
おいて、その往路流は流路制御器の第１流体通路を通
り、また復路流は流路制御器の第２流体通路を通る。こ
のとき第１流体通路又は第２流体通路の少なくともどち
らか一方に介装された流量制御器により、その通路内を
通過する作動流体の流量が制御される。このように、流
路制御器と流量制御器とを一体化したことにより、さら
に簡単な構成で作動流体の制御を効果的に実現できる。

【０１１９】請求項６の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【０１２０】流路制御器と流量制御器とを一体化するこ
とにより、さらに簡単な構成で作動流体の制御を実現で
きる。

【０１２１】請求項７の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【０１２２】第１通路内には、作動流体の復路方向に付
勢された弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により
前記第１通路内への復路における作動流体の通過を遮断
し、第２通路内には、作動流体の往路方向に付勢された
弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により前記第２
通路内への往路における作動流体の通過を遮断するよう
に構成することで、より簡単な構成で往復路の規制が実
現される。

【０１２３】請求項８の効果は、以下の如く効果を有す
る。

【０１２４】流路制御器の第２通路内には、作動流体の
往路方向に付勢された弁板を具備する弁機構が設けられ
ているので、簡単な構成で、流体の流路及び流量を制御
することができる。

【０１２５】請求項９の発明は、以下の如く効果を有す
る。

【０１２６】流量制御器は、該流量制御器が介装された
流路内を通過する作動流体の流量を制御するコックで構
成される。このため、安価で組付けも簡単な流体制御器
とすることができる。

【０１２７】請求項１０の発明は、以下の如く効果を有
する。

【０１２８】ダブルインレット方式のパルス管型蓄熱型
機関において、ダブルインレット通路内を往復する作動
流体の往路における流量と復路における流量との少なく
とも一方が、流量制御器によって独立に制御される。こ
のような構成をとることにより、ダブルインレット通路
を設けたことによる利点（運転条件の最適化）を維持し
つつ、ダブルインレット通路を設けたことによる欠点
（蓄冷器、吸熱器、パルス管、ダブルインレット通路を
循環する直流的な循環流の発生）を減少させることがで
きるため、蓄熱型機関の効率を向上させることができ
る。

【０１２９】請求項１１の発明は、以下の如く効果を有
する。

【０１３０】ダブルインレット通路内を往復する作動流
体の往路と復路とを独立して規制する流路制御器を設け
た。これにより、往路、復路それぞれの作動流体の流路
を個別に規制可能な構成となり、蓄熱型機関の効率を更
に向上させることができる。請求項１２の発明は、以下
の如く効果を有する。

【０１３１】ダブルインレット通路内を通過する作動流
体の往路流は流路制御器の第３流体通路を通過し、復路
流は第４流体通路を通過する構成とした。これにより、
簡単な構成でダブルインレット通路内の作動流体の流路
制御が実現できる。

【０１３２】請求項１３の発明は、以下の如く効果を有
する。

【０１３３】流路制御器を、第３通路及び第４通路内に
設けられた弁機構により構成した。これにより、簡単な
構成でダブルインレット通路内の作動流体の流路制御が
実現できる。

【０１３４】請求項１４の発明は、以下の如く効果を有
する。

【０１３５】流量制御器を、作動流体の流路内に介装さ
れたコックで構成した。これにより、簡単な構成で流量
及び流路の調節が達成できる。可能となるものである。

【０１３６】

【符号の説明】

１ 圧縮器（圧力変動源） ２ａ 吸入弁（圧力変動源） ２ｂ 吐出弁（圧力変動源） ３ 蓄冷器（再生器） ３ａ 蓄冷器低温端 ３ｂ 蓄冷器高温端 ４ コールドヘッド（吸熱器） ５ パルス管 ５ａ パルス管低温端 ５ｂ パルス管高温端 ６ 弁（位相調節機構） ７ 流体溜（位相調節機構） ８ 弁（第２の位相調節機構） ９ シリンダー（圧力変動源） １０ ピストン（圧力変動源） １１ 圧縮空間（圧力変動源） １２ 第１放熱器（放熱器） １３ 第２放熱器（放熱器） １４ シリンダー（位相調節機構） １５ ピストン（位相調節機構） １６ 膨張空間（位相調節機構） １７ ダブルインレット通路 １９ 第１流体制御器（第１流体制御機構） ２０１ 第２流体制御器（第２流体制御機構） ２０２ 第３流体制御器（第３流体制御機構） ２２ 流体溜（位相調節機構） ２３ ピストンリング ２４ 冷却冷媒 ２５ 膨張シリンダー（位相調節機構） ２６ 膨張ピストン（位相調節機構） ２７ 膨張空間（位相調節機構） ２８ａ，２８ｂ ピストンロッド ２９１，２９２ フランジ ３０ フランジ ３２１，３２２ 弁板（弁） ３３ 止めネジ ３４ ボルト・ナット ３５，３６ Ｏリング ３７，３８ 流路 ３９ 流路（第２流体通路，第４流体通路） ４０，４１ 流路（第１流体通路，第３流体通路） ４２ スプリング ４３，４４ 弁箱 ４５，４８ 流路（第２流体通路，第４流体通路） ４６，５０ 弁座 ４７１，４７２ 弁板（弁） ４９，５２ 流路（第１流体通路，第３流体通路） ５３ ボルト・ナット ５４ Ｏリング ７２１ 流路（第１流体通路，第３流体通路） ７２２ 流路（第２流体通路，第４流体通路） ７１、７１１、７１２ コック（流量調節器）

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術のパルス管型蓄熱型機関の流路系と機
器構成を示す図である。

【図２】スターリング機関の流路系と機器構成を示す図
であり、（ａ）は従来技術のスターリング機関であり、
（ｂ）は本発明におけるスターリング機関である。

【図３】本発明のパルス管型蓄熱型機関の流路系と機器
構成を示す図である。

【図４】本発明の第１実施形態例における流体制御器の
部分断面図である。

【図５】本発明の第１実施形態例における、他の流体制
御器の部分断面図である。

【図６】本発明の第２実施形態例における流体制御器を
示す図であり、（ａ）は流体制御器の部分断面図、
（ｂ）はコックの斜視図、（ｃ）はコックの断面図、
（ｄ）はコックの正面図である。

【図７】本発明の第２実施形態例における流体制御器を
示す図であり、（ａ）は流体制御器の斜視図、（ｂ）は
正面図である。

【図８】本発明の第３実施形態例における流体制御器の
部分断面図である。

【図９】本発明の第４〜第７実施形態例において使用可
能な流体制御器の部分断面図である。

【図１０】本発明の第４〜第７実施形態例において使用
可能な流体制御器の部分断面図である。

【図１１】本発明の第４〜第７実施形態例において使用
可能な流体制御器の部分断面図である。

【図１２】本発明の第４〜第７実施形態例のパルス管型
蓄熱機関の流路系を示したものであり、（ａ）が第４実
施形態例、（ｂ）が第５実施形態例、（ｃ）が第６実施
形態例、（ｄ）が第７実施形態例である。

【図１３】本発明における蓄熱型機関の系内の作動流体
の位置と温度との関係を示したグラフである。

【図１４】従来技術における蓄熱型機関の系内の作動流
体の位置と温度との関係を示したグラフである。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力変動源と、再生器と、吸熱器と、位
   相調節機構とを直列接続し、作動流体の往復動と圧力変
   動に位相差をもたせることにより低温生成を行い、或い
   は動力を発生させる蓄熱型機関において、 前記蓄熱型機関は、前記圧力変動源と前記再生器との
   間、又は、前記位相調節機構と前記吸熱器との間の少な
   くとも一方に配設され前記蓄熱型機関の系内の作動流体
   の往路過程における流量と復路過程における流量との少
   なくとも一方を制御する流量制御器を備えることを特徴
   とする流体制御機構付蓄熱型機関。
2. 【請求項２】 圧力変動源と、再生器と、吸熱器と、位
   相調節機構とを直列接続し、作動流体の往復動と圧力変
   動に位相差をもたせることにより低温生成を行い、或い
   は動力を発生させる蓄熱型機関において、 前記蓄熱型機関は、前記圧力変動源と前記再生器との間
   又は前記吸熱器と前記位相調節機構との間の少なくとも
   一方に配設された放熱器と、 該放熱器に連設され、前記蓄熱型機関の系内の作動流体
   の往路過程における流路を前記放熱器に連通し、復路過
   程における流路を前記放熱器からバイパスするように前
   記往路過程における流路と復路過程における流路とを規
   制する流路制御器と、を備えることを特徴とする、流体
   制御機構付蓄熱型機関。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記流路制御器は、往路における作動流体が通過する第
   １流体通路と、復路における作動流体が通過する第２流
   体通路とを備えることを特徴とする、流体制御機構付蓄
   熱型機関。
4. 【請求項４】 請求項２において、 前記流路制御器は、復路における作動流体が通過する第
   ２流体通路を備えており、往路における作動流体は前記
   流路制御器をバイパスすることを特徴とする、流体制御
   機構付蓄熱型機関。
5. 【請求項５】 請求項３において、 前記流体制御機構付蓄熱型機関は、前記第１流体通路と
   前記第２流体通路との少なくともどちらか一方に介装さ
   れ、内部を通過する作動流体の流量を制御する流量制御
   器を具備して成ることを特徴とする、流体制御機構付蓄
   熱型機関。
6. 【請求項６】 請求項４において、 前記流体制御機構付蓄熱型機関は、前記第２流体通路に
   介装され作動流体の往路における流量を制御する流量制
   御器を具備して成ることを特徴とする、流体制御機構付
   蓄熱型機関。
7. 【請求項７】 請求項３又は５のいずれか１項におい
   て、 前記第１通路内には、作動流体の復路方向に付勢された
   弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により前記第１
   通路内への復路における作動流体の通過を遮断し、 前記第２通路内には、作動流体の往路方向に付勢された
   弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により前記第２
   通路内への往路における作動流体の通過を遮断すること
   を特徴とする、流体制御機構付蓄熱型機関。
8. 【請求項８】 請求項４又は６のいずれか１項におい
   て、 前記第２通路内には、作動流体の往路方向に付勢された
   弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により前記第２
   通路内への往路における作動流体の通過を遮断すること
   を特徴とする、流体制御機構付蓄熱型機関。
9. 【請求項９】 請求項５、６、７又は９のいずれか１項
   において、 前記流量制御器は、該流量制御器が介装された流路内を
   通過する作動流体の流量を制御するコックで構成される
   ことを特徴とする、流体制御機構付蓄熱型機関。
10. 【請求項１０】 圧力変動源と、再生器と、吸熱器と、
    パルス管と、位相調節機構とを直列接続し、作動流体の
    往復動と圧力変動に位相差をもたせることにより低温生
    成を行い、或いは動力を発生させるパルス管型蓄熱型機
    関において、 前記パルス管型蓄熱機関は、前記再生器の高温端と前記
    吸熱器の高温端とを連通したダブルインレット通路と、 前記ダイブルインレット通路内の作動流体の往路におけ
    る流量と復路における流量との少なくとも一方を独立に
    制御する流量制御器を備えることを特徴とする、流体制
    御機構付パルス管型蓄熱機関。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、 前記流体制御機構付パルス管型蓄熱型機関は、前記ダブ
    ルインレット通路内を往復する作動流体の往路と復路と
    を規制する流路制御器を備えることを特徴とする、流体
    制御機構付パルス管型蓄熱機関。
12. 【請求項１２】 請求項１１において、 前記流路制御器は、往路過程における作動流体が通過す
    る第３通路と、復路過程における作動流体が通過する第
    ４通路とを備えて成ることを特徴とする、流体制御機構
    付パルス管型蓄熱機関。
13. 【請求項１３】 請求項１２において、 前記第３通路内には、作動流体の復路方向に付勢された
    弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により前記第３
    通路内への復路における作動流体の通過を遮断し、 前記第４通路内には、作動流体の往路方向に付勢された
    弁板を具備する弁機構を備え、該弁機構により前記第４
    通路内への往路における作動流体の通過を遮断すること
    を特徴とする、流体制御機構付蓄熱型機関。
14. 【請求項１４】 請求項１３において、 前記流量制御器は、該流量制御器が介装された流路内の
    作動流体の流量を制御するコックで構成されることを特
    徴とする、流体制御機構付蓄熱型機関。