JP2007147193A - 熱音響冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はループ管内に充填された気体に熱音響効果により発生させた圧力振動をを利用して冷却処理を行う熱音響冷凍機に関し、起動時における管路内の流体抵抗を小さくすることにより、安定した冷却動作を短時間で実現することを課題とする。
【解決手段】気体１４を充填したループ管１１と、第１の高温側熱交換器１５と第１の低温側熱交換器１６との間に第１の蓄熱器１７が配設され気体１４に振動を発生させる振動発生部１２と、第２の高温側熱交換器２０と第２の低温側熱交換器２１との間に第２の蓄熱器２２が配設され振動発生部１２で振動付勢された気体１４が印加されることにより冷却を行う冷凍部１３とを有する熱音響冷凍機であって、ループ管１１に冷凍部１３をバイパスするバイパス通路３０と、このバイパス通路３０を開閉する弁装置３１とを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は熱音響冷凍機に係り、特にループ管内に充填された気体に熱音響効果により圧力振動を発生させ、この圧力振動を利用して冷却処理を行う熱音響冷凍機に関する。

近年、熱と音のエネルギー変換現象である熱音響効果を利用して冷却を行うことが注目されている。この熱音響効果を利用した冷却処理は、フロンガス等の環境に有害が物質を用いることなく、また比較的簡単な構成で冷凍機を構成できるため早期の実用化が期待されている。

この種の熱音響効果を利用した冷凍機としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。図１は、特許文献１に開示されたものと同等の熱音響冷凍機を示している。同図に示すように、熱音響冷凍機５０は大略するとループ管５１、振動発生部５２、及び冷凍部５３等により構成されている。ループ管５１の内部には、予め所定の気体５４（例えば、不活性ガス等）が充填されている。振動発生部５２はこのループ管５１の図中右下部に配設されており、また冷凍部５３はループ管５１の図中左上部に配設されている。

振動発生部５２は、第１の高温側熱交換器５５と第１の低温側熱交換器５６との間に第１の蓄熱器５７を配設した構成とされている。また、冷凍部５３は、第２の高温側熱交換器６０と第２の低温側熱交換器６１との間に第２の蓄熱器６２を配設した構成とされている。尚、第１の低温側熱交換器５６と第２の低温側熱交換器６１とは冷却水が流れる冷却水路６４により接続されており、よって一定の温度に冷却されている。

上記構成とされた熱音響冷凍機５０において、振動発生部５２を構成する第１の高温側熱交換器５５を図示しない加熱手段により加熱すると、水冷されている第１の低温側熱交換器５６との間に熱勾配が発生し、振動発生部５２はこの温度勾配と逆方向に自励による音波を発生させる。

そして、この熱音響効果により発生した音エネルギーは、ループ管５１を介して冷凍部５３に移送される。これにより、冷凍部５３では移送された音エネルギーが熱エネルギーに変換され、これにより第２の蓄熱器６２の第２の高温側熱交換器６０側が冷却される。
特開２０００−０８８３７８号公報

上記のように熱音響冷凍機５０では、振動発生部５２において第１の高温側熱交換器５５を加熱することにより第１の高温側熱交換器５５と第１の低温側熱交換器５６との間に熱勾配を発生させ、これにより第１の蓄熱器５７に自励振動を発生させる必要がある。

しかしながら、起動直後における熱音響冷凍機５０は不安定な状態であり、上記温度勾配によりループ管５１内の不活性ガスが直ちに自励振動が発生するようなことはなく、極めて微小なガスの流れが振動発生部５２において発生するのみである。

更に、第１及び第２の蓄熱器５７，６２は、例えば多数の微細通路が形成されたハニカム構造や多数のメッシュ板を積層した構造を有しており、不活性ガスが通過する際の流体抵抗が大きいものである。よって、熱音響冷凍機５０の必須の構成要素である第１及び第２の蓄熱器５７，６２も、起動時における自励振動の立ち上がりを遅らせる原因となっていた。

このため、従来の熱音響冷凍機５０では、安定して冷凍動作を行うまでに長い時間を要するという問題点があった。必要とするという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、起動時における気体が通過する管路内の流体抵抗を小さくすることにより、安定した冷却動作を短時間で実現しうる熱音響冷凍機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、
気体を充填したループ管と、
第１の高温側熱交換器と第１の低温側熱交換器との間に第１の蓄熱器が配設された構成とされており、前記ループ管内の前記気体に振動を発生させる振動発生部と、
第２の高温側熱交換器と第２の低温側熱交換器との間に第２の蓄熱器が配設された構成とされており、前記振動発生部で振動付勢された前記気体が印加されることにより、冷却が行われる冷凍部とを有する熱音響冷凍機であって、
前記ループ管に、前記冷凍部をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路を開閉する弁装置とを設けたことを特徴とするものである。

上記発明によれば、冷凍部をバイパスするバイパス通路をループ管に設けると共にこのバイパス通路を開閉する弁装置とを設けたことにより、ループ管を流れる気体が冷凍部ではなく、バイパス通路を通過する構成する構成とすることができる。バイパス通路の流体抵抗はバイパス通路の流体抵抗に対して小さいため、起動時等のループ管内の気体の振動が不安定な状態において弁装置を開弁してバイパス通路をループ管１１と連通させることにより、この気体振動が冷凍部で減衰されることを防止できる。よって、安定した自励振動を短時間で実現することが可能となり、冷凍部に短時間で寒冷を発生させることができる。

また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の熱音響冷凍機において、
前記ループ管内における前記気体の自励振動が安定するまで開弁するよう前記弁装置を制御するコントローラを設けたことを特徴とするものである。

上記発明によれば、コントローラによりループ管内における気体の自励振動が安定したことが確認された際、弁装置によりパイパス通路を閉塞することが可能となり、これにより短時間で寒冷の発生を実現することが可能となる。

本発明によれば、ループ管内の気体が加振手段により強制的に加振されるため、安定した自励振動を短時間で実現することが可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図２は、本発明の一実施例である熱音響冷凍機１０を示している。同図に示すように、熱音響冷凍機１０は、大略するとループ管１１，振動発生部１２，冷凍部１３，及び加振装置２５等より構成されている。

ループ管１１は例えばステンレス製の配管であり、ループ状に形成されることにより全体として矩形状とされた構成となっている。このループ管１１の内部には、所定の作業ガスとして例えば窒素等の不活性ガス（気体１４）が封入されている。この気体１４は、窒素，ヘリウム，アルゴン，或いはこれらの混合物等を使用することができる。尚、ヘリウムとアルゴンとを約１：１〜約４：１の容積比率で混合したものが冷凍効率を高めることが知られている。

上記構成とされたループ管１１には、振動発生部１２及び冷凍部１３が配設されている。振動発生部１２はこのループ管１１の図中右下部に配設されており、また冷凍部１３はループ管１１の図中左上部に配設されている。

振動発生部１２は作業ガスに圧力変動を生じさせ、熱音響効果による自励振動を生成させる機能を奏するものである。この振動発生部１２は、第１の高温側熱交換器１５，第１の低温側熱交換器１６，及び第１の蓄熱器１７とにより構成されている。また、第１の蓄熱器１７は、第１の低温側熱交換器１６と第１の蓄熱器１７との間に挟まれた構成とれさている。

第１の高温側熱交換器１５は、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされている。この第１の高温側熱交換器１５には図示しない加熱装置が接続されており、その外周を加熱処理される構成とされている。

第１の低温側熱交換器１６も基本的には第１の高温側熱交換器１５と同一構成とされており、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされている。この第１の低温側熱交換器１６は、その周囲には冷却ブラケット（図示せず）が配設されている。この冷却ブラケットには冷却水路２４が接続されており、冷却水路２４を流れる冷却水により第１の低温側熱交換器１６は冷却ブラケットを介して一定の冷却温度を維持しうる構成とされている。

第１の蓄熱器（スタックともいう）１７は、例えばループ管５１の延在方向に多数の平行通路を有するセラミックス製のハニカム構造体である。この第１の蓄熱器１７を挟むように第１の高温側熱交換器１５及び第１の低温側熱交換器１６が配設されることにより、この一対の熱交換器１５，１６間において第１の蓄熱器１７に一定の熱勾配を発生させることが可能となる。尚、第１の蓄熱器１７の構成はハニカム構造体に限定されるものではなく、多数枚のステンレス鋼メッシュ薄板を微小ピッチで積層した構造体や金属繊維よりなる不織布等を用いることも可能である。

一方、冷凍部１３は、第２の高温側熱交換器２０，第２の低温側熱交換器２１，及び第２の蓄熱器２２により構成されている。また、前記した振動発生部１２と同様に、第２の蓄熱器２２は第２の高温側熱交換器２０と第２の低温側熱交換器２１との間に挟持された構造とされている。

尚、冷凍部１３の第２の低温側熱交換器２１は、ループ管１１を介して振動発生部１２の第１の高温側熱交換器１５と対向した構成（ループ管１１は曲げられているため、直線状には対向してはいない）とされている。また、冷凍部１３の第２の高温側熱交換器２０は、ループ管１１を介して振動発生部１２の第１の低温側熱交換器１６と対向するよう構成されている。

第２の高温側熱交換器２０は、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされている。この第２の高温側熱交換器２０の外周位置には、寒冷を取り出す高熱伝導率材料（例えば、銅）よりなる環状部材が配設されている。

第２の低温側熱交換器２１も基本的には第２の高温側熱交換器２０と同一構成とされており、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされている。この第２の低温側熱交換器２１は、その周囲には冷却ブラケット（図示せず）が配設されている。この冷却ブラケットには冷却水路２４が接続されており、冷却水路２４を流れる冷却水により第２の低温側熱交換器２１は冷却ブラケットを介して一定の冷却温度を維持しうる構成とされている。

第２の蓄熱器２２は、熱容量の大きい蓄冷材からなる。蓄冷材としては、例えば、ステンレス鋼、銅、鉛等を用いることができ、またその形状は多様な形状を適用することが可能である。本実施例では、第２の蓄熱器２２として第１の蓄熱器１７と同様にハニカム構造体を用いている。

加振装置２５は、大略するとスピーカ２６、駆動装置２７、及びコントローラ２８等により構成されている。スピーカ２６は、本実施例ではループ管１１の振動発生部１２と冷凍部１３との間位置（具体的には、図２における左下位置）に配設されている。また、スピーカ２６はループ管１１内に配設されているのではなく、ループ管１１の外壁に配設されている。即ち、スピーカ２６は、ループ管１１内の気体１４に対して非接触な構成とされている。

このスピーカ２６は駆動装置２７に接続されており、駆動装置２７に駆動されて所定の周波数の振動を気体１４に対して印加する。駆動装置２７はコントローラ２８に接続されており、スピーカ２６が発生する振動の振動数はコントローラ２８により制御しうる構成とされている。従って、コントローラ２８により駆動装置２７を介してスピーカ２６を適宜駆動することにより、ループ管１１内の気体１４に対して加振を行うことが可能となる。

上記構成とされた熱音響冷凍機１０において、第１の高温側熱交換器１５に配設された図示しないヒータにより第１の高温側熱交換器１５に高温の熱を供給する共に、冷却水路２４を流れる冷却水により第１の低温側熱交換器１６を冷却すると、第１の蓄熱器１７の両端に所定の大きな温度差が生じ、よって第１の蓄熱器１７の高温側と低温側で温度勾配が生じる。

そして、これに起因して、第１の蓄熱器１７の内部の狭い平行通路内に入っている気体１４が、気体１４の音速とループ管１１の管長とにより決まる所定の周波数（発振周波数）で発振する。いま、気体１４の音速をｖ、ループ管１１の管長をλとしたとき、発振周波数ｆは、ｆ=ｖ／λで求められる。

このように、振動発生部１２においては、第１の高温側熱交換器１５が加熱されることにより、この熱エネルギーが第１の蓄熱器１７において熱音響効果で振動のエネルギー（音）に変換されて定在波及び進行波が生じる。

そして、この熱音響効果により発生した音エネルギーは、ループ管１１を介して冷凍部１３に移送される。冷凍部１３では、熱音響効果により移送された音エネルギーが熱エネルギーに変換され、これにより第２の蓄熱器１２の第２の高温側熱交換器２０側が冷却される。よって、熱音響冷凍機１０によれば、圧縮機等を用いることなく、気体１４に冷凍サイクルに必要な圧力変動を生じさせることができ、コンパクトな熱音響冷凍機１０で冷凍を行うことが可能となる。

ところで、上記構成とされた熱音響冷凍機１０では、必然的にループ管１１内において気体１４を自励振動させる必要がある。しかしながら、起動直後における熱音響冷凍機１０は不安定な状態であり、振動発生部１２に所定の温度勾配を発生させても、ループ管１１内の不活性ガスが直ちに自励振動が発生するようなことはなく、起動当初は極めて微小なガスの流れが振動発生部１２に発生するのみである。

また、第１及び第２の蓄熱器５７，６２も多数の微細通路が形成されたハニカム構造であるため流体抵抗が大きく、これによっても気体１４の自励振動が妨げられ、よって本発明の特徴となる加振装置２５を設けない構成では、安定して冷凍動作を行うまでに長い時間を要してしまうことは前述した通りである。

しかしながら、本実施例に係る熱音響冷凍機１０は、ループ管１１に冷凍部１３をバイパスするバイパス通路３０を設けた構成としている。このバイパス通路３０の気体１４が流れる際の流体抵抗は、気体１４が冷凍部１３を流れる際の流体抵抗に比べて小さく設定されている。具体的なバイパス通路３０の管路内の流体抵抗は、できればループ管１１を気体１４が流れる際の流体抵抗と等しくなるよう構成することが望ましい。

また図２では、図示の便宜上、バイパス通路３０がループ管１１に対して大きく流路が変更される構成を示しているが、ループ管１１とバイパス通路３０との接続部における管路抵抗も小さいほうが望ましい。よって、ループ管１１とバイパス通路３０とが流体損が発生しないよう、滑らかに接続される構成とすることが望ましい。

また、上記構成とされたバイパス通路３０は、弁装置３１を設けた構成とされている。この弁装置３１はバイパス通路３０を開閉するものであり、閉弁することにより気体１４のバイパス通路３０内の通過は遮断され、開弁することにより気体１４のバイパス通路３０内の通過は許容される。前記したように、冷凍部１３の流体抵抗はバイパス通路３０の流体抵抗よりも大きいため、弁装置３１を開弁した場合には、気体１４は冷凍部１３をバイパスしてバイパス通路３０内を流れる。

この弁装置３１は、コントローラ３２により開閉弁動作を制御される構成とされている。本実施例では、起動時においてバイパス通路３０を開弁した状態において気体１４が安定して自励振動を開始するまでの時間（以下、始動時間という）を予め実験により求めておき、この時間をコントローラ３２に記憶させてある。

そして、コントローラ３２は熱音響冷凍機１０が起動された際、弁装置３１を開弁すると共に始動後の時間経過を計測し、経過時間が始動時間となった際に弁装置３１閉弁する。これにより、起動直後における熱音響冷凍機１０が不安定な状態においては、振動発生部１２で発生する極めて微小な気体１４の流れは冷凍部１３をバイパス（迂回）して流れるため、冷凍部１３で減衰されることを防止できる。よって、安定した自励振動を短時間で実現することが可能となり、冷凍部１３に短時間で寒冷を発生させることができる。

また、本実施例ではコントローラ３２により熱音響冷凍機１０の立ち上がりからの経過時間の計測を行ない、気体１４の自励振動が安定したときに弁装置３１を閉弁する制御を行う。よって、気体１４の自励振動が安定したことが確認された際、この自励振動を直ちに冷凍部１３に印加することができるため、これによっても寒冷の発生を短時間で実現することができる。

尚、上記した実施例ではコントローラ３２による弁装置３１の切換を、実験により求められた自励振動が安定する時間に基づき行う構成とした。しかしながら、コントローラ３２による弁装置３１の切換制御はこれに限定されるものではなく、例えばループ管１１内の気体１４の流れを非接触で検出しうる検出器（例えば、ドップラー計測器等）を設け、この検出器からの信号に基づき自励振動の安定を検知し弁装置３１の切換を行う構成としてもよい。

図１は、従来の一例である熱音響冷凍機の構成図である。 図２は、本発明の一実施例である熱音響冷凍機の構成図である。

符号の説明

１０ 熱音響冷凍機
１１ ループ管
１２ 振動発生部
１３ 冷凍部
１４ 気体
１５ 第１の高温側熱交換器
１６ 第１の低温側熱交換器
１７ 第１の蓄熱器
２０ 第２の高温側熱交換器
２１ 第２の低温側熱交換器
２２ 第２の蓄熱器
２４ 冷却水路
３０ バイパス通路
３１ 弁装置
３２ コントローラ

Claims (2)

1. 気体を充填したループ管と、
   第１の高温側熱交換器と第１の低温側熱交換器との間に第１の蓄熱器が配設された構成とされており、前記ループ管内の前記気体に振動を発生させる振動発生部と、
   第２の高温側熱交換器と第２の低温側熱交換器との間に第２の蓄熱器が配設された構成とされており、前記振動発生部で振動付勢された前記気体が印加されることにより、冷却が行われる冷凍部とを有する熱音響冷凍機であって、
   前記ループ管に、前記冷凍部をバイパスするバイパス通路と、該バイパス通路を開閉する弁装置とを設けたことを特徴とする熱音響冷凍機。
2. 前記ループ管内における前記気体の自励振動が安定するまで開弁するよう前記弁装置を制御するコントローラを設けたことを特徴とする請求項１記載の熱音響冷凍機。

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