JP2006145176A - Thermoacoustic engine - Google Patents

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JP2006145176A JP2004339264A JP2004339264A JP2006145176A JP 2006145176 A JP2006145176 A JP 2006145176A JP 2004339264 A JP2004339264 A JP 2004339264A JP 2004339264 A JP2004339264 A JP 2004339264A JP 2006145176 A JP2006145176 A JP 2006145176A
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JP2004339264A
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Masaya Hayakawa
雅也 早川
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Aisan Industry Co Ltd
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Aisan Industry Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1403Pulse-tube cycles with heat input into acoustic driver

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve output efficiency by specifying a component such as a stack more precisely. <P>SOLUTION: The thermoacoustic engine is provided with a looped piping 1 sealing predetermined gas, the columnar stack 2 arranged in the looped piping 1, a high temperature side heat source 3 provided on one end of the stack 2, and a low temperature side heat source 4 provided on another end of the stack. A length Lh of the stack 2 is set at a length of 20mm or more, and such that a temperature gradient of an interior of the stack 2 becomes 4K/mm or more. The looped piping 1 includes a vertically arranged erected part 1a, the stack 2 is vertically arranged in the erected part 1a, the high temperature side heat source 3 is provided on the lower end of the stack 2, and the low temperature side heat source 4 is provided on the upper end of the stack 2. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、所定の気体(作業ガス)を封入したループ状配管内にて熱音響現象により圧力振動をもたらして音波を発生させる熱音響エンジンに関する。   The present invention relates to a thermoacoustic engine that generates a sound wave by causing pressure vibration by a thermoacoustic phenomenon in a looped pipe filled with a predetermined gas (working gas).

従来、「熱音響現象」として、配管の中に薄板や細管を束ねたスタックを設置し、その両端に設けた熱交換器によりスタックに温度差を与えることにより音波が発生する現象がある。また、その逆に配管の一端に音波を加えることにより熱交換器にはさまれた蓄熱器の両端に温度差が生じる現象がある。このような熱音響現象を利用することで、ピストンやバルブ等の可動部の代わりに音波を用いて音と熱との間のエネルギー交換を実現することができる。このような熱音響現象に基づく新しいエンジンを「熱音響エンジン」と称する。   Conventionally, as a “thermoacoustic phenomenon”, there is a phenomenon in which sound waves are generated by installing a stack in which thin plates or thin tubes are bundled in a pipe and applying a temperature difference to the stack by heat exchangers provided at both ends thereof. On the contrary, there is a phenomenon in which a temperature difference is generated between both ends of a heat accumulator sandwiched between heat exchangers by applying a sound wave to one end of a pipe. By utilizing such a thermoacoustic phenomenon, energy exchange between sound and heat can be realized using sound waves instead of moving parts such as pistons and valves. A new engine based on such a thermoacoustic phenomenon is referred to as a “thermoacoustic engine”.

下記の特許文献1及び2には、この種の熱音響エンジンについて記載されている。特許文献1には、気体を封入したループ状配管に、高温側熱交換器及び低温側熱交換器にはさまれたスタックを挿入し、スタックと非対称な位置に蓄冷器を高温側熱交換器及び低温側熱交換器と共に配置して回路を形成したループ管気柱音響波動冷凍機が記載されている。この冷凍機は、スタックにて封入された気体から自励的に発生する定在波及び進行波を配管を通じて蓄冷器に伝搬させ、蓄冷器を蓄冷・冷凍すると同時に、円滑な熱放熱を行うようになっている。   Patent Documents 1 and 2 below describe this type of thermoacoustic engine. In Patent Document 1, a stack sandwiched between a high-temperature side heat exchanger and a low-temperature side heat exchanger is inserted into a loop-shaped pipe filled with gas, and a regenerator is placed at a position asymmetric with the stack. And a loop tube air column acoustic wave refrigerator that is arranged with a low temperature side heat exchanger to form a circuit. In this refrigerator, standing waves and traveling waves generated from the gas sealed in the stack are propagated to the regenerator through the pipe so that the regenerator cools and freezes, and at the same time, performs smooth heat dissipation. It has become.

特許文献2には、作業用ガスを封入してなるループ管路に進行波を生じさせる熱音響エンジンにおいて、ループ管路を少なくとも一部に立ち上がり管を有する状態に形成し、その立ち上がり管部分に高温側吸熱器、蓄熱器(スタック)及び低温側放熱器を上から順に配置し、高温側吸熱器の上側部分に第二の放熱器を配置することが記載されている。この熱音響エンジンは、高温側吸熱器で加熱された作業用ガスが対流上昇することにより、スタック内での熱音響自励振動が起こりやすくなり、小さな温度勾配でも熱音響自励振動が発生するようになっている。   In Patent Document 2, in a thermoacoustic engine that generates a traveling wave in a loop pipe formed by enclosing a working gas, the loop pipe is formed in a state having a rising pipe at least partially, and the rising pipe portion is formed in the rising pipe portion. It is described that a high-temperature side heat absorber, a heat accumulator (stack), and a low-temperature side radiator are arranged in order from the top, and a second radiator is arranged in the upper part of the high-temperature side heat absorber. In this thermoacoustic engine, the working gas heated by the high-temperature side heat absorber rises in convection, so that the thermoacoustic self-excited vibration easily occurs in the stack, and the thermoacoustic self-excited vibration is generated even with a small temperature gradient. It is like that.

2000−88378号公報No. 2000-88378 2002−31423号公報Japanese Patent Publication No. 2002-31423

ところが、特許文献1及び2には、スタックの長さに関する記載がなく、設計上、効率のよいスタックの長さが不明であった。また、特許文献2には、出力効率向上の観点から、高温側吸熱器をスタックの下側部分に配置することについて何も記載されていない。更に、特許文献1には、ループ管路のどの位置にスタックを配置するかについて記載されているが、出力効率向上の観点から、スタックの位置の厳密な検討はなされていない。   However, Patent Documents 1 and 2 have no description regarding the length of the stack, and the efficient stack length is unknown in design. Further, Patent Document 2 does not describe anything about disposing the high-temperature side heat absorber in the lower portion of the stack from the viewpoint of improving the output efficiency. Further, Patent Document 1 describes at which position of the loop pipe the stack is arranged, but from the viewpoint of improving the output efficiency, no strict examination of the position of the stack has been made.

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、スタック等の構成要素を厳密に特定することにより、出力効率向上を図ることを可能とした熱音響エンジンを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a thermoacoustic engine capable of improving output efficiency by strictly specifying components such as a stack. is there.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、所定の気体を封入したループ状配管と、ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、スタックの一端に設けられた高温側熱源及びスタックの他端に設けられた低温側熱源とを備えた熱音響エンジンにおいて、スタックの長さを、20mm以上で、かつ、スタックの内部の温度勾配が4K/mm以上となる長さとしたことを趣旨とする。   In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is provided at a loop-shaped pipe filled with a predetermined gas, a columnar stack disposed in the loop-shaped pipe, and one end of the stack. In a thermoacoustic engine provided with a high temperature side heat source and a low temperature side heat source provided at the other end of the stack, the length of the stack is 20 mm or more and the temperature gradient inside the stack is 4 K / mm or more. The purpose is to do so.

上記発明の構成によれば、高温側熱源及び低温側熱源によりスタックの両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタックにて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。この音波が、例えば、冷凍機に伝搬することにより、冷凍機が蓄冷・冷凍する。ここで、音波が熱サイクルを形成するためには、スタックにある程度の長さが必要になり、スタックの内部にある程度の温度勾配が必要になる。そこで、スタックの長さを、20mm以上で、かつ、スタックの内部の温度勾配が4K/mm以上となる長さとしたことにより、熱から音波への変換効率が向上する。   According to the configuration of the invention, a standing wave and a traveling wave are self-excited from a gas enclosed in the stack by a thermoacoustic phenomenon by giving a temperature difference to both ends of the stack by the high temperature side heat source and the low temperature side heat source. The sound wave which consists of is generated. This sound wave propagates to the refrigerator, for example, so that the refrigerator cools and freezes. Here, in order for sound waves to form a thermal cycle, a certain length is required for the stack, and a certain temperature gradient is required inside the stack. Therefore, the length of the stack is set to 20 mm or more, and the temperature gradient inside the stack is set to 4 K / mm or more, so that the conversion efficiency from heat to sound waves is improved.

上記目的を達成するために、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、スタック、高温側熱源及び低温側熱源を一組として構成される原動機を複数並列に配置したことを趣旨とする。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein a plurality of prime movers configured as a set of the stack, the high temperature side heat source and the low temperature side heat source are arranged in parallel. Intended to be

上記発明の構成によれば、請求項1に記載の発明の作用に加え、原動機が複数並列に配置されるので、スタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上する。   According to the configuration of the invention described above, in addition to the operation of the invention according to claim 1, since a plurality of prime movers are arranged in parallel, the conversion efficiency from heat to sound waves is increased without unnecessarily increasing the length of the stack. improves.

上記目的を達成するために、請求項3に記載の発明は、所定の気体を封入したループ状配管と、ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、スタックの一端に設けられた高温側熱源及びスタックの他端に設けられた低温側熱源とを備えた熱音響エンジンにおいて、ループ状配管は、垂直に配置された直立部を含み、その直立部にスタックが垂直に配置されることと、高温側熱源はスタックの下端に設けられ、低温側熱源はスタックの上端に設けられることとを備えたことを趣旨とする。   In order to achieve the above object, the invention described in claim 3 is provided in a loop-shaped pipe filled with a predetermined gas, a columnar stack arranged in the loop-shaped pipe, and one end of the stack. In a thermoacoustic engine having a high temperature side heat source and a low temperature side heat source provided at the other end of the stack, the loop-shaped pipe includes an upright portion arranged vertically, and the stack is arranged vertically on the upright portion. And the high temperature side heat source is provided at the lower end of the stack, and the low temperature side heat source is provided at the upper end of the stack.

上記発明の構成によれば、高温側熱源及び低温側熱源によりスタックの両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタックにて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。この音波が、例えば、冷凍機に伝搬することにより、冷凍機が蓄冷・冷凍する。ここで、ループ状配管の垂直に配置された直立部にスタックが垂直に配置され、そのスタックの下端に高温側熱源が設けられ、スタックの上端に低温側熱源が設けられるので、スタックの下端に設けた高温側熱源から上昇気流が生じ、その上昇気流による熱移動が音波の発生に有効に作用する。   According to the configuration of the invention, a standing wave and a traveling wave are self-excited from a gas enclosed in the stack by a thermoacoustic phenomenon by giving a temperature difference to both ends of the stack by the high temperature side heat source and the low temperature side heat source. The sound wave which consists of is generated. This sound wave propagates to the refrigerator, for example, so that the refrigerator cools and freezes. Here, the stack is arranged vertically in the upright portion arranged vertically of the loop-shaped pipe, the high temperature side heat source is provided at the lower end of the stack, and the low temperature side heat source is provided at the upper end of the stack. An ascending airflow is generated from the provided high temperature side heat source, and the heat transfer by the ascending airflow effectively acts on the generation of sound waves.

上記目的を達成するために、請求項4に記載の発明は、所定の気体を封入したループ状配管と、ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、スタックの一端に設けられた高温側熱源及び前記スタックの他端に設けられた低温側熱源とを備えた熱音響エンジンにおいて、ループ状配管は、第1コーナ、第2コーナ、第3コーナ及び第4コーナを含むことと、スタックの中心を、第1コーナからループ状配管の全長の23%となる位置と第2コーナとの間に配置することとを備えたことを趣旨とする。   In order to achieve the above-mentioned object, the invention described in claim 4 is provided at a loop-shaped pipe filled with a predetermined gas, a columnar stack disposed in the loop-shaped pipe, and one end of the stack. In a thermoacoustic engine including a high temperature side heat source and a low temperature side heat source provided at the other end of the stack, the loop-shaped pipe includes a first corner, a second corner, a third corner, and a fourth corner; The purpose of the present invention is to arrange the center of the stack between the second corner and a position that is 23% of the total length of the looped pipe from the first corner.

上記発明の構成によれば、高温側熱源及び低温側熱源によりスタックの両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタックにて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。この音波が、例えば、冷凍機に伝搬することにより、冷凍機が蓄冷・冷凍する。ここで、スタックの中心が、ループ状配管の第1コーナからループ状配管の全長の23%となる位置と第2コーナとの間に配置されるので、ループ状配管内の流速特性が冷凍出力を発生しやすい特性になる。   According to the configuration of the invention, a standing wave and a traveling wave are self-excited from a gas enclosed in the stack by a thermoacoustic phenomenon by giving a temperature difference to both ends of the stack by the high temperature side heat source and the low temperature side heat source. The sound wave which consists of is generated. This sound wave propagates to the refrigerator, for example, so that the refrigerator cools and freezes. Here, since the center of the stack is arranged between the first corner of the loop-shaped pipe and the second corner from the position where it is 23% of the entire length of the loop-shaped pipe, the flow velocity characteristic in the loop-shaped pipe is the refrigeration output. It becomes the characteristic that is easy to generate.

上記目的を達成するために、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、スタック、高温側熱源及び低温側熱源を一組として構成される原動機を複数並列に配置したことを趣旨とする。   In order to achieve the above object, the invention described in claim 5 is the invention described in claim 4, wherein a plurality of prime movers configured as a set of a stack, a high temperature side heat source and a low temperature side heat source are arranged in parallel. Intended to be

上記発明の構成によれば、請求項4に記載の発明の作用に加え、原動機が複数並列に配置されるので、スタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上する。   According to the configuration of the invention, in addition to the operation of the invention according to claim 4, since a plurality of prime movers are arranged in parallel, the conversion efficiency from heat to sound waves can be improved without increasing the length of the stack more than necessary. improves.

請求項1に記載の発明によれば、スタックの長さを厳密に特定することで、熱音響エンジンの出力効率を向上させることができる。   According to the first aspect of the present invention, the output efficiency of the thermoacoustic engine can be improved by strictly specifying the stack length.

請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加え、各原動機を構成するスタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上することができ、スタックを所要の長さにするのに有効である。   According to the invention described in claim 2, in addition to the effect of the invention described in claim 1, the conversion efficiency from heat to sound waves is improved without increasing the length of the stack constituting each prime mover more than necessary. It is possible to make the stack the required length.

請求項3に記載の発明によれば、スタックに対する高温側熱源及び低温側熱源の配置を厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率を更に向上させることができる。   According to the third aspect of the present invention, the output efficiency of the thermoacoustic engine can be further improved by strictly specifying the arrangement of the high temperature side heat source and the low temperature side heat source with respect to the stack.

請求項4に記載の発明によれば、ループ状配管におけるスタックの配置を更に厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率を更に向上させることができる。   According to invention of Claim 4, the output efficiency as a thermoacoustic engine can be further improved by specifying the arrangement | positioning of the stack | stuck in loop-shaped piping further strictly.

請求項5に記載の発明によれば、請求項4に記載の発明の効果に加え、各原動機を構成するスタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上することができ、スタックを所要の長さにするのに有効である。   According to the invention described in claim 5, in addition to the effect of the invention described in claim 4, the conversion efficiency from heat to sound wave is improved without increasing the length of the stack constituting each prime mover more than necessary. It is possible to make the stack the required length.

[第1実施形態]
以下、本発明の熱音響エンジンを具体化した第1実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of a thermoacoustic engine according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

この実施形態の熱音響エンジンは、例えば、自動車に搭載されて使用される。この場合、自動車のエンジンから排出される排気熱を熱源として熱音響エンジンを駆動することができる。この熱音響エンジンを使用して冷凍機を駆動することで、自動車に搭載される各種クーラを機能させることができる。適用対象として、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタを冷却するクーラ等が考えられる。   The thermoacoustic engine of this embodiment is mounted and used, for example in a motor vehicle. In this case, the thermoacoustic engine can be driven using the exhaust heat discharged from the engine of the automobile as a heat source. By driving the refrigerator using this thermoacoustic engine, various coolers mounted on the automobile can be functioned. Applicable objects include a cooler for cooling a passenger compartment, an oil cooler, a cooler for cooling a canister, and the like.

図1に、熱音響エンジンの概略構成図を示す。熱音響エンジンは、所定の気体(作業ガス)を封入したループ状配管1と、その配管1内に配置された柱形状をなすスタック2と、そのスタック2の一端に設けられた高温側熱源3及びスタック2の他端に設けられた低温側熱源4とを備える。この実施形態で、ループ状配管1は閉ループをなし、垂直に配置された第1の直立部1a及び第2の直立部1bを含み、第1の直立部1aにスタック2が垂直に配置される。ここで、高温側熱源3はスタック2の下端に設けられ、低温側熱源4はスタック2の上端に設けられる。これらスタック2、高温側熱源3及び低温側熱源4は一組の原動機5を構成する。このような構成において、高温側熱源3及び低温側熱源4によりスタック2の両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタック2にて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生することになる。ここで、この実施形態では、スタック2の長さ(スタック長さ)Lhは、20mm以上で、かつ、スタック2の内部の温度勾配が4K/mm以上となる長さに設定される。この実施形態では、具体的には、「60mm」のスタック長さLhに設定される。   FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a thermoacoustic engine. The thermoacoustic engine includes a loop-shaped pipe 1 filled with a predetermined gas (working gas), a column-shaped stack 2 disposed in the pipe 1, and a high-temperature side heat source 3 provided at one end of the stack 2. And a low temperature side heat source 4 provided at the other end of the stack 2. In this embodiment, the loop-like pipe 1 forms a closed loop and includes a first upright portion 1a and a second upright portion 1b arranged vertically, and the stack 2 is arranged vertically on the first upright portion 1a. . Here, the high temperature side heat source 3 is provided at the lower end of the stack 2, and the low temperature side heat source 4 is provided at the upper end of the stack 2. The stack 2, the high temperature side heat source 3, and the low temperature side heat source 4 constitute a set of prime movers 5. In such a configuration, a temperature difference is given to both ends of the stack 2 by the high temperature side heat source 3 and the low temperature side heat source 4, so that the standing wave and A sound wave composed of a traveling wave is generated. Here, in this embodiment, the length (stack length) Lh of the stack 2 is set to a length that is 20 mm or more and the temperature gradient inside the stack 2 is 4 K / mm or more. In this embodiment, specifically, the stack length Lh is set to “60 mm”.

従来は、ある条件により熱音響エンジンを製作する場合、原動機のスタックの長さをどの程度にすれば原動機による熱から音波への変換効率が最も良くなるかが明確ではなかった。そこで、この実施形態では、このスタック長さLhをパラメータとしてループ状配管2の中の圧力挙動を計測することにより、最適なスタック長さLhを実験的に確かめた。   Conventionally, when producing a thermoacoustic engine under certain conditions, it has not been clear how much the efficiency of conversion from heat into sound waves by the prime mover is maximized by the length of the prime mover stack. Therefore, in this embodiment, the optimum stack length Lh was experimentally confirmed by measuring the pressure behavior in the looped pipe 2 using the stack length Lh as a parameter.

図2に、実験に使用した熱音響エンジンの構造を断面図により示す。この実施形態で、ループ状配管1は「φ55mm」の内径を有する。ループ状配管1は、複数の曲管6及び複数の直管7を組み合わせて接続することにより構成される。この実施形態で、ループ状配管1の中に封入される気体は空気である。原動機5は、前述した低温側熱源4としての低温側熱交換器11と、スタック2としてのハニカムセラミック12と、高温側熱源3としてのシースヒータ13と、シースヒータ13に電力を供給する給電ブロック14とを含む。給電ブロック14は、シースヒータ13へ向けて突出するヒータホルダ15を含む。図3に、原動機5の主要部を分解断面図により示す。図3に示すように、シースヒータ13は2枚の伝熱メッシュ16を介してハニカムセラミック12の下端に接続される。低温側熱交換器11も、2枚の伝熱メッシュ16を介してハニカムセラミック12の上端に接続される。ここでは、低温側熱交換器11が、曲管6と直管7との間に保持されるので、その熱交換器11へ向けてシースヒータ13、伝熱メッシュ16、ハニカムセラミック12及び伝熱メッシュ16が、ヒータホルダ15により押圧されて互いに接続することになる。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of the structure of the thermoacoustic engine used in the experiment. In this embodiment, the loop-shaped pipe 1 has an inner diameter of “φ55 mm”. The loop pipe 1 is configured by connecting a plurality of curved pipes 6 and a plurality of straight pipes 7 in combination. In this embodiment, the gas enclosed in the loop-shaped pipe 1 is air. The prime mover 5 includes a low temperature side heat exchanger 11 as the low temperature side heat source 4, a honeycomb ceramic 12 as the stack 2, a sheath heater 13 as the high temperature side heat source 3, and a power supply block 14 that supplies power to the sheath heater 13. including. The power supply block 14 includes a heater holder 15 that protrudes toward the sheath heater 13. In FIG. 3, the principal part of the motor | power_engine 5 is shown with an exploded sectional view. As shown in FIG. 3, the sheath heater 13 is connected to the lower end of the honeycomb ceramic 12 through two heat transfer meshes 16. The low temperature side heat exchanger 11 is also connected to the upper end of the honeycomb ceramic 12 through two heat transfer meshes 16. Here, since the low temperature side heat exchanger 11 is held between the curved pipe 6 and the straight pipe 7, the sheath heater 13, the heat transfer mesh 16, the honeycomb ceramic 12 and the heat transfer mesh are directed toward the heat exchanger 11. 16 are pressed by the heater holder 15 and connected to each other.

図2に示すように、第2の直立部1bにおいて原動機5とは非対称な位置に、圧力・流速計測機17が設けられる。この計測機17により、気体の圧力と流速が計測される。   As shown in FIG. 2, a pressure / flow velocity measuring device 17 is provided at a position asymmetric with respect to the prime mover 5 in the second upright portion 1b. The measuring device 17 measures the gas pressure and flow velocity.

図4に、ハニカムセラミック12の端面を平面図により示す。図5に、ハニカムセラミック12の正面図を示す。図6に、図4の一部を拡大して示す。ハニカムセラミック12は、円筒形状をなし、平面視がメッシュ状をなす多孔質セルより構成される。図6に示すように、この実施形態で、多孔質の隔壁12aの厚みは「0.102mm」で、正方形状をなす各セル12bの幅は「0.936mm」である。   FIG. 4 shows a plan view of the end face of the honeycomb ceramic 12. FIG. 5 shows a front view of the honeycomb ceramic 12. FIG. 6 shows an enlarged part of FIG. The honeycomb ceramic 12 is formed of a porous cell having a cylindrical shape and having a mesh shape in plan view. As shown in FIG. 6, in this embodiment, the thickness of the porous partition wall 12a is “0.102 mm”, and the width of each square cell 12b is “0.936 mm”.

図7に、シースヒータ13を平面図により示す。図8に、シースヒータ13を正面図により示す。シースヒータ13は、線材により略渦巻き状に構成され、その線材の両端が電極13a,13bとなっている。略渦巻き状に構成された線材の間の隙間を、気体が流通するようになっている。   FIG. 7 is a plan view showing the sheath heater 13. FIG. 8 is a front view of the sheath heater 13. The sheath heater 13 is formed in a substantially spiral shape with a wire, and both ends of the wire are electrodes 13a and 13b. Gas is allowed to flow through the gaps between the wires configured in a substantially spiral shape.

図9に、低温側熱交換器11を正面図により示す。図10に、図9の右側面図を示す。この熱交換器11は、六角形状の金属厚板材よりなる本体11aを含み、その本体11aの右側面に水の出入り口となる一対をなす管継手18,19が設けられる。本体11aの内部には、図3に示すように、水通路11bが形成される。また、本体11aの中央には、気体を通すための複数のスリット11cが形成される。   FIG. 9 is a front view of the low temperature side heat exchanger 11. FIG. 10 is a right side view of FIG. The heat exchanger 11 includes a main body 11a made of a hexagonal thick metal plate, and a pair of pipe joints 18 and 19 serving as water inlets and outlets are provided on the right side surface of the main body 11a. As shown in FIG. 3, a water passage 11b is formed inside the main body 11a. A plurality of slits 11c for allowing gas to pass through are formed in the center of the main body 11a.

図11に、本実施形態の実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を表に示す。この表から分かるように、ハニカムセラミック12のセル12bの幅の半分(ハニカムセル半径)rは「0.47mm」である。シースヒータ13に対する入力電力は「180W」である。図1,2における管路高さLVは「940mm」である。同じく、図1,2における管路幅LHは「460mm」である。ループ状配管1の管路長(全長)Lは「2800mm」である。原動機5におけるハニカムセラミック12の位置(原動機ハニカム位置)Lsは「770mm」である。このハニカム位置Lsは、第1の直立部1aの下方からスタック2(ハニカムセラミック12)の中心位置までの距離を意味する。ループ状配管1内の圧力(管路内圧力)は「1atm」である。圧力・流速計測機17の位置、すなわち圧力・流速計測位置は「原動機から0.55×L」、すなわち、原動機5から管路長Lの「55%」の位置である。つまり、スタック2(ハニカムセラミック12)の中心から反時計回りに「1540mm」の地点である。この実験では、上記のような諸条件の下、スタック長さ(ハニカムセラミック12の長さ)Lhを、「20mm」、「60mm」、「100mm」に変えて圧力・流速計測機17により圧力及び流速を計測した。   FIG. 11 is a table showing various conditions related to the thermoacoustic engine used in the experiment of the present embodiment. As can be seen from this table, the half (honeycomb cell radius) r of the cell 12b of the honeycomb ceramic 12 is “0.47 mm”. The input power to the sheath heater 13 is “180 W”. The pipe height LV in FIGS. 1 and 2 is “940 mm”. Similarly, the pipe line width LH in FIGS. 1 and 2 is “460 mm”. The pipe length (full length) L of the loop-shaped pipe 1 is “2800 mm”. The position (prime mover honeycomb position) Ls of the honeycomb ceramic 12 in the prime mover 5 is “770 mm”. The honeycomb position Ls means a distance from the lower side of the first upright portion 1a to the center position of the stack 2 (honeycomb ceramic 12). The pressure in the looped pipe 1 (pressure in the pipe line) is “1 atm”. The position of the pressure / flow velocity measuring machine 17, that is, the pressure / flow velocity measuring position is “0.55 × L from the prime mover”, that is, the position of “55%” of the pipe length L from the prime mover 5. That is, the point is “1540 mm” counterclockwise from the center of the stack 2 (honeycomb ceramic 12). In this experiment, under various conditions as described above, the stack length (the length of the honeycomb ceramic 12) Lh was changed to “20 mm”, “60 mm”, and “100 mm”, and the pressure and flow velocity measuring device 17 was used to change the pressure and flow rate. The flow rate was measured.

図12に圧力計測結果をグラフに示す。このグラフから明らかなように、スタック長さLhを「60mm」にした場合が最も圧力振幅が大きいことが分かる。また、流速についても、図示しないが、同様の結果が得られた。一般に、音波のエネルギーは、圧力と流速との積で評価することができるので、この場合、スタック長さLhを「60mm」にしたときに原動機5の出力効率が最も良いと言える。これは、スタック長さLhがあまり短いと、スタック2(ハニカムセラミック12)内で熱から音波へ変換するための熱サイクルが阻害され、スタック長さLhが長すぎると、同一の熱量を与えた場合、熱サイクルの温度差(スタック2内の温度勾配に相当する。)が小さくなり、熱効率が小さくなるため効率が減少するためと考えられる。よって、スタック長さLhの下限は「20mm」程度であり、スタック長さLhの上限は、「60mm」の場合のスタック2(ハニカムセラミック12)内の温度勾配より温度勾配が大きくなるような長さとすればよいことになる。また、単位面積当たりの熱入力が一定の場合、例えば、自動車の排気熱が熱入力となる場合には、スタック長さLhの大きい原動機を使用すると、上記範囲に入らない場合が出てくる。そのような場合には、図13に示すように、原動機5を複数並列に配置してスタック2を上記長さにすることが有効である。   FIG. 12 is a graph showing the pressure measurement result. As is apparent from this graph, the pressure amplitude is greatest when the stack length Lh is set to “60 mm”. The flow rate was similar, although not shown. In general, the energy of sound waves can be evaluated by the product of pressure and flow velocity. In this case, it can be said that the output efficiency of the prime mover 5 is the best when the stack length Lh is set to “60 mm”. This is because if the stack length Lh is too short, the heat cycle for converting heat into sound waves in the stack 2 (honeycomb ceramic 12) is inhibited, and if the stack length Lh is too long, the same amount of heat is given. In this case, it is considered that the temperature difference (corresponding to the temperature gradient in the stack 2) of the thermal cycle is reduced, and the thermal efficiency is reduced, so that the efficiency is reduced. Therefore, the lower limit of the stack length Lh is about “20 mm”, and the upper limit of the stack length Lh is such that the temperature gradient is larger than the temperature gradient in the stack 2 (honeycomb ceramic 12) in the case of “60 mm”. That's all you need to do. In addition, when the heat input per unit area is constant, for example, when the exhaust heat of an automobile becomes heat input, if a prime mover with a large stack length Lh is used, there may be cases where the heat input does not fall within the above range. In such a case, as shown in FIG. 13, it is effective to arrange a plurality of prime movers 5 in parallel so that the stack 2 has the above length.

図14には、熱音響エンジンを応用した熱音響冷凍装置の構造を断面図により示す。この熱音響冷凍装置は、ループ状配管1に冷凍機20を組み込んだものである。図14に示す構成は、図2に示す圧力・流速計測機17を冷凍機20に置き換えたものであり、冷凍機20以外は図2と同じ構成である。冷凍機20は、原動機5とは非対称な位置にて第2の直立部1bに配置される。   In FIG. 14, the structure of the thermoacoustic refrigeration apparatus which applied the thermoacoustic engine is shown with sectional drawing. In this thermoacoustic refrigeration apparatus, a refrigerator 20 is incorporated in a loop-shaped pipe 1. The configuration shown in FIG. 14 is obtained by replacing the pressure / flow velocity measuring device 17 shown in FIG. 2 with a refrigerator 20, and the configuration other than the refrigerator 20 is the same as FIG. 2. The refrigerator 20 is disposed in the second upright portion 1b at a position asymmetric with the prime mover 5.

図15に、冷凍機20の主要部を分解断面図に示す。図15に示す冷凍機20は、図14に示す冷凍機20と上下逆に示される。図15に示すように、冷凍機20は、水冷式の低温側熱交換器21(原動機5の低温側熱交換器11と同様の構成を有する。)と、ハニカムセラミック22と、冷凍部として機能する吸熱板23とを備える。低温側熱交換器21は、本体21aを含み、その本体21aの内部には、水通路21bが形成される。また、本体21aの中央には、気体を通すための複数のスリット21cが形成される。低温側熱交換器21は、2枚の伝熱メッシュ24を介してハニカムセラミック22の一端に接続される。この熱交換器21と伝熱メッシュ24との間には第1の温度センサ25が設けられる。また、吸熱板23も、2枚の伝熱メッシュ24を介してハニカムセラミック22の他端に接続される。吸熱板23と伝熱メッシュ24との間には第2の温度センサ26が設けられる。ここでは、冷凍機20は、曲管6と直管7との間に挟まれて保持されることにより、各部材21〜26が押圧されて互いに接続する。図16に、吸熱板23を正面図により示す。図17に、図16の右側面図を示す。この吸熱板23は、円形状の金属厚板材より構成され、その吸熱板23の中央には、気体を通すための複数のスリット23aが形成される。   In FIG. 15, the principal part of the refrigerator 20 is shown in an exploded sectional view. The refrigerator 20 shown in FIG. 15 is shown upside down with the refrigerator 20 shown in FIG. As shown in FIG. 15, the refrigerator 20 functions as a water-cooled low-temperature side heat exchanger 21 (having the same configuration as the low-temperature side heat exchanger 11 of the prime mover 5), a honeycomb ceramic 22, and a refrigeration unit. And an endothermic plate 23. The low temperature side heat exchanger 21 includes a main body 21a, and a water passage 21b is formed in the main body 21a. A plurality of slits 21c for allowing gas to pass are formed in the center of the main body 21a. The low temperature side heat exchanger 21 is connected to one end of the honeycomb ceramic 22 through two heat transfer meshes 24. A first temperature sensor 25 is provided between the heat exchanger 21 and the heat transfer mesh 24. The heat absorbing plate 23 is also connected to the other end of the honeycomb ceramic 22 through two heat transfer meshes 24. A second temperature sensor 26 is provided between the heat absorbing plate 23 and the heat transfer mesh 24. Here, the refrigerator 20 is sandwiched and held between the curved pipe 6 and the straight pipe 7, whereby the members 21 to 26 are pressed and connected to each other. FIG. 16 is a front view of the heat absorbing plate 23. FIG. 17 is a right side view of FIG. The endothermic plate 23 is formed of a circular metal thick plate material, and a plurality of slits 23 a for allowing gas to pass through are formed in the center of the endothermic plate 23.

以上説明したように、この実施形態の熱音響エンジンによれば、図1においては、高温側熱源3及び低温側熱源4によりスタック2の両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタック2にて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。図2においては、シースヒータ13及び低温側熱交換器11によりハニカムセラミック12の両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、同セラミック12にて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。従って、図14に示すように、この熱音響エンジンを適用した熱音響冷凍装置では、原動機5からの音波が、冷凍機20に伝搬することにより、冷凍機20が蓄冷・冷凍する。この冷凍機20により所要の冷凍機能を発揮することができる。   As described above, according to the thermoacoustic engine of this embodiment, in FIG. 1, the temperature difference is given to both ends of the stack 2 by the high temperature side heat source 3 and the low temperature side heat source 4, so A sound wave composed of a standing wave and a traveling wave is generated from the gas enclosed in 2 in a self-excited manner. In FIG. 2, a temperature difference is given to both ends of the honeycomb ceramic 12 by the sheath heater 13 and the low temperature side heat exchanger 11, so that a standing wave is self-excited from the gas enclosed in the ceramic 12 due to a thermoacoustic phenomenon. And a sound wave consisting of a traveling wave is generated. Therefore, as shown in FIG. 14, in the thermoacoustic refrigeration apparatus to which this thermoacoustic engine is applied, the chiller 20 cools and refrigerates when sound waves from the prime mover 5 propagate to the refrigerator 20. The refrigerator 20 can exhibit a required refrigeration function.

ここで、音波が熱サイクルを形成するためには、スタック2(ハニカムセラミック12)にある程度の長さが必要になり、スタック2(ハニカムセラミック12)の内部にある程度の温度勾配が必要になる。この実施形態では、スタック長さLhを、20mm以上で、かつ、スタック2(ハニカムセラミック12)の内部の温度勾配が4K/mm以上となる長さとしたので、熱から音波への変換効率が向上する。このため、ループ状配管1の管路内における音波の強度(圧力・流速)を大きくすることができる。このように、スタック長さLhを厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率向上を図ることができる。このため、図14に示す熱音響冷凍装置によれば、冷凍機20による冷凍出力を向上させることができる。   Here, in order for sound waves to form a heat cycle, a certain length is required for the stack 2 (honeycomb ceramic 12), and a certain temperature gradient is required inside the stack 2 (honeycomb ceramic 12). In this embodiment, the stack length Lh is 20 mm or more, and the temperature gradient inside the stack 2 (honeycomb ceramic 12) is 4 K / mm or more, so the conversion efficiency from heat to sound waves is improved. To do. For this reason, the intensity | strength (pressure and flow velocity) of the sound wave in the pipe line of the loop-shaped piping 1 can be enlarged. As described above, by strictly specifying the stack length Lh, the output efficiency of the thermoacoustic engine can be improved. For this reason, according to the thermoacoustic refrigeration apparatus shown in FIG. 14, the refrigeration output by the refrigerator 20 can be improved.

また、図13に示すように、原動機5を複数並列に配置した熱音響エンジンでは、各原動機5を構成するスタック2のスタック長さLhを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上する。従って、スタック2に対する単位面積当たりの熱入力が一定となる場合、例えば、自動車の排気熱が原動機5のスタック2に対する熱入力となる場合では、相対的に長いスタック2を使用すると、スタック長さLhが、上記した20mm以上で、かつ、スタック2の内部の温度勾配が4K/mm以上となる長さの範囲には入らない場合が出てくる。そのような場合に、図13に示すように原動機5を複数並列に配置することで、スタック長さLhを、上記特定の範囲にすることができ有効である。   Further, as shown in FIG. 13, in a thermoacoustic engine in which a plurality of prime movers 5 are arranged in parallel, the conversion efficiency from heat to sound waves without increasing the stack length Lh of the stacks 2 constituting each prime mover 5 more than necessary. Will improve. Therefore, when the heat input per unit area to the stack 2 is constant, for example, when the exhaust heat of the automobile becomes the heat input to the stack 2 of the prime mover 5, if the relatively long stack 2 is used, the stack length There is a case where Lh is not in the range of 20 mm or more as described above, and the temperature gradient inside the stack 2 is 4 K / mm or more. In such a case, it is effective that the stack length Lh can be set within the specific range by arranging a plurality of prime movers 5 in parallel as shown in FIG.

[第2実施形態]
次に、本発明の熱音響エンジンを具体化した第2実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment that embodies the thermoacoustic engine of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

尚、以下に説明する各実施形態(本実施形態を含む。)において、第1実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。   In each embodiment described below (including this embodiment), the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The explanation is centered.

上述した特許文献2には、ループ管路の一部に形成した立ち上がり管部分に高温側吸熱器、蓄熱器(スタック)及び低温側放熱器を上から順に配置することで、熱から音波への変換効率を向上させることが記載されている。しかし、特許文献2には、実施例として数値的な評価がなされておらず、改善の余地があった。そこで、この実施形態では、スタック2に対する高温側熱源3と低温側熱源4の配置を、特許文献2に記載の構成とは逆、すなわち、高温側熱源3をスタック2の下端に、低温側熱源4をスタック2の上端に設けることとした。そして、これら熱源3,4の配置の違いによるループ状配管1の中の圧力挙動の違いを実験的に確かめた。   In the above-mentioned Patent Document 2, a high-temperature side heat absorber, a heat accumulator (stack), and a low-temperature side radiator are arranged in order from the top in a riser portion formed in a part of a loop pipe line, so that heat is converted into sound waves. It is described that the conversion efficiency is improved. However, Patent Document 2 has not been evaluated numerically as an example, and has room for improvement. Therefore, in this embodiment, the arrangement of the high temperature side heat source 3 and the low temperature side heat source 4 with respect to the stack 2 is opposite to the configuration described in Patent Document 2, that is, the high temperature side heat source 3 is at the lower end of the stack 2 4 is provided at the upper end of the stack 2. And the difference in the pressure behavior in the loop-shaped piping 1 by the difference in arrangement | positioning of these heat sources 3 and 4 was confirmed experimentally.

この実験には、図2の熱音響エンジンに準ずる構成を備えた熱音響エンジンを使用した。但し、原動機5の位置の効果を排除するために、ループ状配管1における第1の直立部1aの中心に原動機5の中心が位置するように原動機5を配置した。   In this experiment, a thermoacoustic engine having a configuration similar to the thermoacoustic engine of FIG. 2 was used. However, in order to eliminate the effect of the position of the prime mover 5, the prime mover 5 is arranged so that the center of the prime mover 5 is located at the center of the first upright portion 1 a in the looped pipe 1.

図18に、本実施形態の実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を表に示す。この表から分かるように、ハニカムセル半径rは「0.47mm」である。シースヒータ13に対する入力電力は「180W」である。図1,2における管路高さLVは「1140mm」である。同じく、図1,2における管路幅LHは「460mm」である。ループ状配管1の管路長(全長)Lは「3200mm」である。原動機ハニカム位置Lsは「570mm」である。ループ状配管1の圧力(管路内圧力)は「1atm」である。圧力・流速計測位置は「原動機から音波の進行方向に0.55×L」、すなわち、原動機5から音波の進行方向に管路長Lの「55%」の位置である。ここでは、ループ状配管1内で発生する音波は原動機5の中の熱の流れと逆方向に進行することから、管路内の圧力・流速の計測位置は、原動機5の中心から音波の進行方向へ向かって「0.55×L」としている。従って、原動機5の下側、すなわち、スタック2(ハニカムセラミック12)の下端に高温側熱源3(シースヒータ13)を配置した場合は、図1,2において、反時計回りに原動機5のスタック2(ハニカムセラミック12)の中心から「1760mm」の地点で計測を行い、原動機の上側、すなわち、スタックの上端に高温側熱源を配置した場合は、図1,2において、時計回りに原動機5のスタック2(ハニカムセラミック12)の中心から「1760mm」の地点で計測を行った。   FIG. 18 shows various conditions regarding the thermoacoustic engine used in the experiment of the present embodiment. As can be seen from this table, the honeycomb cell radius r is “0.47 mm”. The input power to the sheath heater 13 is “180 W”. The pipeline height LV in FIGS. 1 and 2 is “1140 mm”. Similarly, the pipe line width LH in FIGS. 1 and 2 is “460 mm”. The pipe length (full length) L of the loop-shaped pipe 1 is “3200 mm”. The prime mover honeycomb position Ls is “570 mm”. The pressure of the looped pipe 1 (pressure in the pipe line) is “1 atm”. The pressure / flow velocity measurement position is “0.55 × L in the traveling direction of the sound wave from the prime mover”, that is, the position of “55%” of the pipe length L in the traveling direction of the sound wave from the prime mover 5. Here, since the sound wave generated in the loop-shaped pipe 1 travels in the opposite direction to the heat flow in the prime mover 5, the measurement position of the pressure / velocity in the pipe is the progression of the sound wave from the center of the prime mover 5. It is set to “0.55 × L” in the direction. Therefore, when the high temperature side heat source 3 (sheath heater 13) is disposed below the prime mover 5, that is, at the lower end of the stack 2 (honeycomb ceramic 12), the stack 2 ( When measurement is performed at a point “1760 mm” from the center of the honeycomb ceramic 12) and a high-temperature side heat source is arranged on the upper side of the prime mover, that is, at the upper end of the stack, the stack 2 of the prime mover 5 is clockwise in FIGS. Measurement was performed at a point of “1760 mm” from the center of (honeycomb ceramic 12).

図19に圧力計測結果をグラフに示す。このグラフから明らかなように、高温側熱源3を下側、すなわちシースヒータ13を下側に配置した場合(ヒータ下)には、シースヒータ13を上側に配置した場合(ヒータ上)に比べて、圧力振幅が大きいことが分かる。また、流速についても、図示しないが、同様の結果が得られた。また、何れの条件においても発生した音波が消滅したり、大きく変動したりすることは観測できなかった。前述したように音波のエネルギーは、圧力と流速の積で評価できるので、この場合は、特許文献2に記載の熱音響エンジンとは異なり、原動機5の下側を加熱することで、原動機5の出力効率が良いと言える。これは、原動機5の下側を加熱することで発生する上昇気流によりスタック2(ハニカムセラミック12)及びスタック2(ハニカムセラミック12)内を通過する空気の熱移動が促進され、エネルギーの変換度合いが向上することによるものと考えられる。   FIG. 19 is a graph showing the pressure measurement result. As is clear from this graph, when the high-temperature side heat source 3 is disposed on the lower side, that is, the sheath heater 13 is disposed on the lower side (under the heater), the pressure is higher than when the sheath heater 13 is disposed on the upper side (on the heater). It can be seen that the amplitude is large. The flow rate was similar, although not shown. Moreover, it was not possible to observe that the generated sound wave disappeared or fluctuated greatly under any condition. As described above, the energy of the sound wave can be evaluated by the product of the pressure and the flow velocity. In this case, unlike the thermoacoustic engine described in Patent Document 2, by heating the lower side of the prime mover 5, It can be said that the output efficiency is good. This is because the heat transfer of the air passing through the stack 2 (honeycomb ceramic 12) and the stack 2 (honeycomb ceramic 12) is promoted by the rising airflow generated by heating the lower side of the prime mover 5, and the degree of energy conversion is increased. This is thought to be due to improvement.

以上説明したようにこの実施形態の熱音響エンジンによれば、ループ状配管1の垂直に配置された第1の直立部1aにスタック2(ハニカムセラミック12)が垂直に配置され、そのスタック2(ハニカムセラミック12)の下端に高温側熱源3(シースヒータ13)が設けられ、スタック2(ハニカムセラミック12)の上端に低温側熱源4(低温側熱交換器11)が設けられるので、スタック2(ハニカムセラミック12)の下端に設けた高温側熱源3(シースヒータ13)から上昇気流が生じ、その上昇気流による熱移動が音波の発生に有効に作用する。この意味から、熱音響エンジンにおいて、熱から音波への変換効率が更に向上し、ループ状配管1の管路内における音波の強度(圧力・流速)を更に大きくすることができる。このため、このようにスタック2(ハニカムセラミック12)に対する高温側熱源3(シースヒータ13)及び低温側熱源(低温側熱交換器11)の配置を厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率を更に向上させることができる。   As described above, according to the thermoacoustic engine of this embodiment, the stack 2 (honeycomb ceramic 12) is arranged vertically on the first upright portion 1a arranged vertically of the loop-shaped pipe 1, and the stack 2 ( The high temperature side heat source 3 (sheath heater 13) is provided at the lower end of the honeycomb ceramic 12), and the low temperature side heat source 4 (low temperature side heat exchanger 11) is provided at the upper end of the stack 2 (honeycomb ceramic 12). Ascending airflow is generated from the high temperature side heat source 3 (sheath heater 13) provided at the lower end of the ceramic 12), and the heat transfer by the ascending airflow effectively acts on the generation of sound waves. In this sense, in the thermoacoustic engine, the conversion efficiency from heat to sound waves can be further improved, and the intensity (pressure / flow velocity) of sound waves in the pipe line of the looped pipe 1 can be further increased. For this reason, output as a thermoacoustic engine is specified by strictly specifying the arrangement of the high temperature side heat source 3 (sheath heater 13) and the low temperature side heat source (low temperature side heat exchanger 11) with respect to the stack 2 (honeycomb ceramic 12). Efficiency can be further improved.

[第3実施形態]
次に、本発明の熱音響エンジンを具体化した第3実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the thermoacoustic engine of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

上述した特許文献1には、ループ管路のどの位置にスタックを配置するかについて記載されているが、出力効率向上の観点から、スタックの位置の厳密な検討がなされていない。そこで、この実施形態では、ループ状配管1につき、縦横比率が大きく異なる条件において、原動機5の配置と管路内の音波の特性について実験的に確かめた。   Patent Document 1 described above describes in which position of the stack the stack is arranged, but from the viewpoint of improving the output efficiency, strict examination of the position of the stack has not been made. Therefore, in this embodiment, the arrangement of the prime mover 5 and the characteristics of the sound wave in the pipe line were experimentally confirmed under the condition that the aspect ratio of the loop pipe 1 is greatly different.

図20に、熱音響エンジンの概略構成図を示す。この実施形態では、図20に示すように、ループ状配管1は、第1コーナC1、第2コーナC2、第3コーナC3及び第4コーナC4を含む。そして、スタック2の中心P1が、第1コーナC1からループ状配管1の全長の23%となる位置と第2コーナC2との間に配置される。ここで、第1コーナC1から第2コーナC2への方向は、原動機5から発生する音波の進行方向(原動機5の常温側からヒータ加熱される高温側へ向かう方向)である。この実験には、図21に示すように、図2の熱音響エンジンに準ずる構造を備えた熱音響エンジンを使用した。   FIG. 20 shows a schematic configuration diagram of a thermoacoustic engine. In this embodiment, as shown in FIG. 20, the loop-shaped pipe 1 includes a first corner C1, a second corner C2, a third corner C3, and a fourth corner C4. The center P1 of the stack 2 is disposed between the second corner C2 and a position that is 23% of the entire length of the loop-shaped pipe 1 from the first corner C1. Here, the direction from the first corner C1 to the second corner C2 is the traveling direction of the sound wave generated from the prime mover 5 (the direction from the normal temperature side of the prime mover 5 toward the high temperature side where the heater is heated). In this experiment, as shown in FIG. 21, a thermoacoustic engine having a structure similar to the thermoacoustic engine of FIG. 2 was used.

図22に、本実施形態の実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を表に示す。この表から分かるように、ハニカムセル半径rは「0.47mm」である。ハニカム長(スタック長さ)Lhは「60mm」である。シースヒータ13に対する入力電力は「180W」である。図20における管路高さLVは「1140mm」である。同じく、図20における管路幅LHは「260mm」である。ループ状配管1の管路長(全長)Lは「2800mm」である。ループ状配管1内の圧力(管路内圧力)は「1atm」である。圧力・流速計測位置は「原動機から0.55×L」、すなわち、原動機5から管路長Lの「55%」の位置である。   In FIG. 22, various conditions regarding the thermoacoustic engine used in the experiment of this embodiment are shown in a table. As can be seen from this table, the honeycomb cell radius r is “0.47 mm”. The honeycomb length (stack length) Lh is “60 mm”. The input power to the sheath heater 13 is “180 W”. The pipe line height LV in FIG. 20 is “1140 mm”. Similarly, the pipe line width LH in FIG. 20 is “260 mm”. The pipe length (full length) L of the loop-shaped pipe 1 is “2800 mm”. The pressure in the looped pipe 1 (pressure in the pipe line) is “1 atm”. The pressure / velocity measurement position is “0.55 × L from prime mover”, that is, “55%” of the pipe length L from prime mover 5.

図23に、第1コーナC1からスタック2(ハニカムセラミック12)の中心までの距離(管路長Lに対する割合)Xの違いよる流速波形を比較してグラフに示す。ここでは、「X=0.154L」、「X=0.236L」、「X=0.296L」の間で流速波形を比較して示す。このグラフにおいて、縦軸の流速が負となるのは、振動流のため流れの向きが変わることを意味する。図23から明らかなように、「X=0.296L」の場合と、その他の場合とでは、波形が異なることが分かる。図24には、図14に示すように、圧力・流速測定位置に冷凍機20を配置して、その冷凍機20内のハニカムセラミック22の両端面の温度差の計測結果を比較して示す。図24から明らかなように、「X=0.296L」の場合は、その他の場合と比較して、温度差が小さく、冷凍能力が劣ることが分かる。管路の縦横比を、管路幅LHが大きくなる方向に変更した場合、冷凍能力が劣るようになる距離Xの値が若干大きくなるが、この場合は、特許文献1に記載された範囲を理由に、除外する。従って、距離Xの上限は、「X=0.236L」程度と考えることができる。また、図24に示される結果から、距離Xの下限は、コーナ付近であることが分かる。図22の表に示す条件では、「X=0.154L」までとなり、特許文献1に記載された範囲を外れたとしても、冷凍能力が得られることが分かった。   FIG. 23 is a graph comparing the flow velocity waveforms depending on the distance X (ratio to the pipe length L) X from the first corner C1 to the center of the stack 2 (honeycomb ceramic 12). Here, the flow velocity waveform is compared between “X = 0.154L”, “X = 0.236L”, and “X = 0.296L”. In this graph, the negative flow velocity on the vertical axis means that the flow direction changes due to the oscillating flow. As is apparent from FIG. 23, it can be seen that the waveform is different between “X = 0.296L” and other cases. In FIG. 24, as shown in FIG. 14, the refrigerator 20 is arranged at the pressure / flow velocity measurement position, and the measurement results of the temperature difference between both end faces of the honeycomb ceramic 22 in the refrigerator 20 are compared and shown. As is apparent from FIG. 24, in the case of “X = 0.296L”, it is understood that the temperature difference is small and the refrigerating capacity is inferior compared to the other cases. When the aspect ratio of the pipe is changed in the direction in which the pipe width LH is increased, the value of the distance X at which the refrigeration capacity becomes inferior is slightly increased. In this case, the range described in Patent Document 1 is used. Exclude on reason. Therefore, the upper limit of the distance X can be considered to be about “X = 0.236L”. Also, from the results shown in FIG. 24, it can be seen that the lower limit of the distance X is near the corner. Under the conditions shown in the table of FIG. 22, “X = 0.154L” was obtained, and it was found that the refrigerating capacity could be obtained even if the range described in Patent Document 1 was not satisfied.

以上説明したようにこの実施形態の熱音響エンジンによれば、スタック2(ハニカムセラミック12)の中心が、ループ状配管1の第1コーナC1からループ状配管1の全長の23%となる位置と第2コーナC2との間に配置されるので、ループ状配管1内の流速特性が冷凍出力を発生しやすい特性になる。このため、このようにループ状配管1におけるスタック2(ハニカムセラミック12)の配置を更に厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率を更に向上させることができ、冷凍出力を更に向上させることができる。   As described above, according to the thermoacoustic engine of this embodiment, the center of the stack 2 (honeycomb ceramic 12) is a position where the center of the looped pipe 1 is 23% of the total length of the looped pipe 1 from the first corner C1. Since it is arrange | positioned between 2nd corners C2, the flow velocity characteristic in the loop-shaped piping 1 becomes a characteristic which is easy to generate | occur | produce a refrigeration output. For this reason, by specifying the arrangement of the stack 2 (honeycomb ceramic 12) in the looped pipe 1 more strictly in this way, the output efficiency as the thermoacoustic engine can be further improved, and the refrigeration output is further improved. be able to.

尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented as follows without departing from the spirit of the invention.

例えば、前記第3実施形態では、ループ状配管1に一つの原動機5を設けたが、図13に示すと同様に、ループ状配管に原動機を複数並列に配置して設けるようにしてもよい。この場合、各原動機を構成するスタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上する。このため、スタックを所要の長さにするのに有効である。   For example, in the third embodiment, one prime mover 5 is provided in the loop-shaped pipe 1, but a plurality of prime movers may be arranged in parallel in the loop-shaped pipe as shown in FIG. In this case, the conversion efficiency from heat to sound waves is improved without increasing the length of the stack constituting each prime mover more than necessary. For this reason, it is effective to make the stack the required length.

熱音響エンジンを示す概略構成図。The schematic block diagram which shows a thermoacoustic engine. 実験に使用した熱音響エンジンの構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the thermoacoustic engine used for experiment. 原動機の主要部を示す分解断面図。The exploded sectional view showing the principal part of a motor. ハニカムセラミックの端面を示す平面図。The top view which shows the end surface of a honeycomb ceramic. ハニカムセラミックを示す正面図。The front view which shows a honeycomb ceramic. 図4の一部を示す拡大図。The enlarged view which shows a part of FIG. シースヒータを示す平面図。The top view which shows a sheath heater. シースヒータを示す正面図。The front view which shows a sheath heater. 低温側熱交換器を示す正面図。The front view which shows a low temperature side heat exchanger. 図9の右側面図。The right view of FIG. 実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を示す表。The table | surface which shows various conditions regarding the thermoacoustic engine used in experiment. 実験結果を示すグラフ。The graph which shows an experimental result. 熱音響エンジンを示す概略構成図。The schematic block diagram which shows a thermoacoustic engine. 熱音響冷凍装置の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of a thermoacoustic refrigeration apparatus. 冷凍機を示す分解断面図。The exploded sectional view showing a refrigerator. 吸熱板を示す正面図。The front view which shows an endothermic board. 図16の右側面図。The right view of FIG. 実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を示す表。The table | surface which shows various conditions regarding the thermoacoustic engine used in experiment. 実験結果を示すグラフ。The graph which shows an experimental result. 熱音響エンジンを示す概略構成図。The schematic block diagram which shows a thermoacoustic engine. 実験に使用した熱音響エンジンの構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the thermoacoustic engine used for experiment. 実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を示す表。The table | surface which shows various conditions regarding the thermoacoustic engine used in experiment. 実験結果を示すグラフ。The graph which shows an experimental result. 実験結果を示すグラフ。The graph which shows an experimental result.

符号の説明Explanation of symbols

1 ループ状配管
1a 第1の直立部
1b 第2の直立部
2 スタック
3 高温側熱源
4 低温側熱源
5 原動機
11 低温側熱交換器
12 ハニカムセラミック
13 シースヒータ
Lh スタック長さ
L 管路長
C1 第1コーナ
C2 第2コーナ
C3 第3コーナ
C4 第4コーナ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Loop-shaped piping 1a 1st upright part 1b 2nd upright part 2 Stack 3 High temperature side heat source 4 Low temperature side heat source 5 Engine 11 Low temperature side heat exchanger 12 Honeycomb ceramic 13 Sheath heater Lh Stack length L Pipe length C1 1st Corner C2 Second Corner C3 Third Corner C4 Fourth Corner

Claims (5)

所定の気体を封入したループ状配管と、
前記ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、
前記スタックの一端に設けられた高温側熱源及び前記スタックの他端に設けられた低温側熱源と
を備えた熱音響エンジンにおいて、
前記スタックの長さを、20mm以上で、かつ、前記スタックの内部の温度勾配が4K/mm以上となる長さとしたことを特徴とする熱音響エンジン。
A looped pipe filled with a predetermined gas;
A columnar stack arranged in the loop-shaped pipe;
In a thermoacoustic engine comprising a high temperature side heat source provided at one end of the stack and a low temperature side heat source provided at the other end of the stack,
A thermoacoustic engine characterized in that a length of the stack is 20 mm or more and a temperature gradient inside the stack is 4 K / mm or more.
前記スタック、前記高温側熱源及び前記低温側熱源を一組として構成される原動機を複数並列に配置したことを特徴とする請求項1に記載の熱音響エンジン。 2. The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein a plurality of prime movers configured by combining the stack, the high temperature side heat source, and the low temperature side heat source are arranged in parallel. 所定の気体を封入したループ状配管と、
前記ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、
前記スタックの一端に設けられた高温側熱源及び前記スタックの他端に設けられた低温側熱源と
を備えた熱音響エンジンにおいて、
前記ループ状配管は、垂直に配置された直立部を含み、その直立部に前記スタックが垂直に配置されることと、
前記高温側熱源は前記スタックの下端に設けられ、前記低温側熱源は前記スタックの上端に設けられることと
を備えたことを特徴とする熱音響エンジン。
A looped pipe filled with a predetermined gas;
A columnar stack arranged in the loop-shaped pipe;
In a thermoacoustic engine comprising a high temperature side heat source provided at one end of the stack and a low temperature side heat source provided at the other end of the stack,
The loop-shaped pipe includes an upright portion arranged vertically, and the stack is arranged vertically in the upright portion;
The thermoacoustic engine, wherein the high temperature side heat source is provided at a lower end of the stack, and the low temperature side heat source is provided at an upper end of the stack.
所定の気体を封入したループ状配管と、
前記ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、
前記スタックの一端に設けられた高温側熱源及び前記スタックの他端に設けられた低温側熱源と
を備えた熱音響エンジンにおいて、
前記ループ状配管は、第1コーナ、第2コーナ、第3コーナ及び第4コーナを含むことと、
前記スタックの中心を、前記第1コーナから前記ループ状配管の全長の23%となる位置と前記第2コーナとの間に配置することと
を備えたことを特徴とする熱音響エンジン。
A looped pipe filled with a predetermined gas;
A columnar stack arranged in the loop-shaped pipe;
In a thermoacoustic engine comprising a high temperature side heat source provided at one end of the stack and a low temperature side heat source provided at the other end of the stack,
The loop-shaped pipe includes a first corner, a second corner, a third corner, and a fourth corner;
A thermoacoustic engine comprising: the center of the stack being disposed between a position that is 23% of the total length of the loop-shaped pipe from the first corner and the second corner.
前記スタック、前記高温側熱源及び前記低温側熱源を一組として構成される原動機を複数並列に配置したことを特徴とする請求項4に記載の熱音響エンジン。 5. The thermoacoustic engine according to claim 4, wherein a plurality of prime movers configured by combining the stack, the high temperature side heat source, and the low temperature side heat source are arranged in parallel.
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