JP2010261687A

JP2010261687A - 熱音響機関

Info

Publication number: JP2010261687A
Application number: JP2009114872A
Authority: JP
Inventors: Makoto Abe; 阿部　　誠; Shinya Hasegawa; 真也長谷川; Yasushi Yamamoto; 康山本; Tetsushi Biwa; 哲志琵琶
Original assignee: Tohoku University NUC; Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18

Abstract

【課題】発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、原動機や受動機の設置箇所を多様化できる熱音響機関を提供する。
【解決手段】ループ管１に、熱エネルギをループ管１内の音響エネルギに変換する原動機２が設けられた熱音響機関１１〜７１において、ループ管１に、原動機２が複数個設けられた。これにより、発振開始温度が低くなると共に、大きな音響強度が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、原動機や受動機の設置箇所を多様化できる熱音響機関に関する。

廃熱からエネルギを取り出すためにスターリングエンジンの開発研究が活発に行われている。スターリングエンジンの形式には、α型、β型、γ型、フリーピストン型などがある。これに対し、最近では、ピストン等の可動部を有さない熱音響機関の開発研究が活発に行われるようになった。

熱音響機関は、管と熱源で構成される。管内の気柱を局部的に加熱又は冷却すると、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、気柱が自励振動を起こす。すなわち、管内に音響振動が発生する。この作用は、熱力学的には、プライムムーバ（原動機）と見ることができる。この作用を用いたものが熱音響機関である。この熱音響機関に、気柱の振動を熱エネルギに変換する受動機（冷凍機、冷却器）を組み込むと、冷凍装置（冷却装置）が構成される。

図８に示した熱音響機関８１は、ループ管１に原動機２を取り付けたものである。原動機２は、高温部と再生部と低温部とから構成される。

図９に示した熱音響機関９１は、原動機２を取り付けたループ管１に共鳴管４を付加したものである。共鳴管４を設けことにより、自励振動が起こりやすくなり、発振開始温度（高温部と低温部の温度差で表す）を低くすることができる。共鳴管４の反対端は開放してもよく閉鎖してもよい。

図１０に示した熱音響機関１０１は、原動機２を取り付けたループ管１に受動機３を組み込んだものである（特許文献１）。

図１１に示した熱音響機関１１１は、原動機２を取り付けたループ管１に共鳴管４を付加すると共に受動機３を組み込んだものである。

原動機２が高温部と再生部と低温部とから構成されるのと同様に、受動機３も高温部と再生部と低温部とから構成される。受動機３の高温部を基準温度とすると、原動機２から伝搬した音響エネルギが熱エネルギに変換される際に、低温部の温度が低下する。

熱音響機関８１〜１１１は、建造物や移動体において居室の冷房装置や物品の冷蔵・冷凍装置に応用される。例えば、自動車では、原動機においてエンジンの廃熱を高温源、大気を低温源とし、受動機において大気を高温源とすることで、受動機の低温源から大気より低い温度の冷熱出力を取り出すことができる。

特許第３０５０５４３号公報特開２００６−１４９１７６号公報

従来の熱音響機関８１〜１１１は、図８〜図１１に示されているように、共鳴管４の有無に関わらず、ループ管１に設けられる原動機２の個数は１個、受動機３の個数も１個である。

従来の熱音響機関８１〜１１１は、原動機２の個数が１個であるため、大きな音響強度をループ管１内に励起することができない。また、従来の熱音響機関８１〜１１１は、原動機２の個数が１個であるため、発振開始温度を大幅に低くすることができない。

一方、受動機３を組み込んだ場合も、受動機３の個数が１個であるため、冷凍能力等の熱交換能力が低く、また、複数の異なる箇所で熱交換を行うことができない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、原動機や受動機の設置箇所を多様化できる熱音響機関を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ループ管に、熱エネルギをループ管内の音響エネルギに変換する原動機が設けられた熱音響機関において、上記ループ管に、上記原動機が複数個設けられたものである。

上記複数個の原動機は、上記ループ管をループ長の１／ｋ（ｋ＝自然数）ずつに区切る箇所のいずれかに配置されてもよい。

上記ループ管に、ループ管内の音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機が設けられてもよい。

上記ループ管に、上記受動機が複数個設けられてもよい。

上記複数個の受動機は、上記ループ管をループ長の１／ｋ（ｋ＝自然数）ずつに区切る箇所のいずれかに配置されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）発振開始温度が低くできる。

（２）大きな音響強度が得られる。

（３）原動機や受動機の設置箇所を多様化できる。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。従来の熱音響機関の構成図である。従来の熱音響機関の構成図である。従来の熱音響機関の構成図である。従来の熱音響機関の構成図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る熱音響機関１１は、ループ管１に、熱エネルギをループ管１内の音響エネルギに変換する原動機２が設けられた熱音響機関１１において、ループ管１に、原動機２が２個設けられたものである。原動機２は、高温部と再生部と低温部とから構成されるが、その詳しい構造は従来技術に属するので、ここでは省略する。

図１の熱音響機関１１は、右上の原動機２を１個目とすると、左下の２個目の原動機２は、１個目の原動機２からループ管１のループ長の１／２離れた箇所に設けられる。つまり、２個の受動機３は、ループ長の１／２ずつに区切る２箇所に配置されている。この構成は、原動機２が１個の場合と同じ周波数（又は同じ波長）の音響が発振する構成、言い換えると、１次モードが励起される構成である。

図１の熱音響機関１１の効果を説明する。

本発明者らは、ループ管１に複数個の原動機２を設けることで、発振開始温度が低くなり、かつ、大きな音響強度が得られることを見出した。

発振開始温度に関しては、従来のように原動機の個数が１個であると、高温部と低温部との温度差がある程度大きくならないと発振が得られなかったのに対し、本発明のように原動機２の個数が複数個になったことで、高温部と低温部との温度差が従来より小さくても発振が得られる。

音響強度に関しては、原動機２の個数が複数個であることにより、それぞれの原動機２から投入される音響エネルギを重ね合わせてより音響強度を大きくすることができる。

図２に示した熱音響機関２１は、図１の熱音響機関１１と同じループ管１に４個の原動機２を備えたものである。原動機２が４個の場合、各原動機２は、ループ管１のループ長の１／４離れた箇所ごとに設けられる。つまり、４個の原動機２は、ループ管１をループ長の１／４ずつに区切る４箇所の全てに配置されている。この構成は、原動機２が１個の場合の２倍周波数（又は１／２波長）の音響が発振する構成、言い換えると、２次モードが励起される構成である。

図３に示した熱音響機関３１は、図１の熱音響機関１１と同じループ管１に３個の原動機２を備えたものである。原動機２は、ループ管１をループ長の１／４ずつに区切る４箇所のうちの３箇所に配置されている。この構成も、２次モードが励起される構成である。

図４に示した熱音響機関４１は、図１の熱音響機関１１と同じループ管１に、３個の原動機２と、ループ管１内の音響エネルギを熱エネルギに変換する１個の受動機３を備えたものである。原動機２は、ループ管１をループ長の１／４ずつに区切る４箇所のうちの３箇所に配置され、受動機３は、ループ管１をループ長の１／４ずつに区切る４箇所のうちの残った１箇所に配置されている。この構成も、２次モードが励起される構成である。

図５に示した熱音響機関５１は、図１の熱音響機関１１と同じループ管１に、原動機２を２個と、受動機３を１個備えたものである。原動機２は、ループ管１をループ長の１／４ずつに区切る４箇所のうちの互いに隣接する２箇所に配置され、受動機３は、残った２箇所のうちいずれか１箇所に配置されている。

図６に示した熱音響機関６１は、図１の熱音響機関１１と同じループ管１に、原動機２を２個と、受動機３を２個備えたものである。原動機２は、ループ管１をループ長の１／４ずつに区切る４箇所のうちの互いに隣接する２箇所に配置され、受動機３は、残った２箇所に配置されている。

この他にも、ループ管１をループ長の１／４ずつに区切る４箇所の配置箇所のうち、右上と左下の２箇所に原動機２を配置することができるが、この場合、図１の熱音響機関１１と同様に１次モードが励起される構成となる。

図７に示した熱音響機関７１は、ループ管１をループ長の１／６ずつに区切る６箇所の配置箇所７２を有する。６箇所の配置箇所７２に、複数個の原動機２と１個ないし複数個の受動機３を、合わせて最大で６個配置することができる。原動機２と受動機３の配置の組み合わせは、任意であるが、６箇所全てに原動機２を配置した構成、互いに隣接する２箇所を含む複数箇所に原動機２を配置した構成などにおいて、３次モードが励起される。

ｋ次モード（ｋは自然数）が励起されるよう、ループ管１をループ長の１／ｋずつに区切るｋ箇所の配置箇所を設けることができる。ｋ箇所の配置箇所に対する複数個の原動機２と１個ないし複数個の受動機３の配置の組み合わせは、任意である。

以上の実施形態では、共鳴管が無い構成としたが、共鳴管を備えた構成であっても、本発明を適用することができる。

本発明の熱音響機関１１〜７１によれば、原動機２を複数個備えることで、発振開始温度が低くなるという効果が得られるため、従来では、例えば、低温源が常温であるとすると常温よりかなり高い温度の高温源を必要としたのに対し、本発明では、低温源が常温であるならば常温よりそれほど高くない温度の高温源が利用できる。

また、本発明の熱音響機関１１〜７１によれば、原動機２を複数個備えることで、それぞれの原動機２から音響エネルギをループ管１内に取り込んで、従来より大きな音響強度を得ることができる。

また、本発明の熱音響機関４１，５１，６１によれば、１個の受動機３に対して複数個の原動機２からの音響エネルギが供給されるため、より多くの熱エネルギを取り出すことができる。したがって、例えば、受動機３を冷凍機とすると、従来の熱音響機関を用いた場合に比べて、冷凍能力を上げることができる。

また、本発明の熱音響機関６１によれば、複数個の受動機３を備えるので、複数箇所で熱エネルギを取り出すことができる。したがって、例えば、受動機３を冷凍機とすると、複数箇所における冷凍が可能となる。

１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１熱音響機関
１ループ管
２原動機
３受動機
４共鳴管

Claims

ループ管に、熱エネルギをループ管内の音響エネルギに変換する原動機が設けられた熱音響機関において、上記ループ管に、上記原動機が複数個設けられたことを特徴とする熱音響機関。
上記複数個の原動機は、上記ループ管をループ長の１／ｋ（ｋ＝自然数）ずつに区切る箇所のいずれかに配置されたことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
上記ループ管に、ループ管内の音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機が設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱音響機関。
上記ループ管に、上記受動機が複数個設けられたことを特徴とする請求項３記載の熱音響機関。
上記複数個の受動機は、上記ループ管をループ長の１／ｋ（ｋ＝自然数）ずつに区切る箇所のいずれかに配置されたことを特徴とする請求項４記載の熱音響機関。