JP2010270926A

JP2010270926A - 熱音響機関

Info

Publication number: JP2010270926A
Application number: JP2009120906A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hasegawa; 真也長谷川; Yasushi Yamamoto; 康山本; Makoto Abe; 阿部　　誠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-19
Also published as: JP5526600B2

Abstract

【課題】多くのエネルギを投入可能で大きな音響強度を励起することができ、低温で発振が可能であり、かつ、熱音響冷凍機として用いた場合に冷凍能力を向上でき、複数個所での冷凍が可能な熱音響機関を提供する。
【解決手段】円筒状の中央パイプ２に、中央パイプ２の上下外周端を結ぶように分岐パイプ３を設けてループ管４を形成し、かつ、中央パイプ２に、中央パイプ２を中心として放射状に複数の分岐パイプ３を設けて、中央パイプ２を共通化して複数のループ管４を形成し、中央パイプ２と各分岐パイプ３にそれぞれ蓄熱器ユニット５，６を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ループ管型の熱音響機関に係り、特に、大きな音響強度を励起することができ、かつ、熱音響冷凍機として用いた場合に冷凍能力を向上することが可能な熱音響機関に関するものである。

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。

管の中に薄板や細管を束ねた蓄熱器を配置し、その両端に熱交換器を設置して温度差を与えると、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、管内の気柱が自励振動を起こし音波（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。この現象を利用したものが熱音響機関である。

逆に、管の一端に音波を加えると熱交換器に挟まれた蓄熱器の両端に温度差が生じる。この現象を利用することで、冷凍装置、昇温装置を実現することが可能である。

図２に示すように、従来の熱音響機関２１は、低温側熱交換器２２、蓄熱器（再生器）２３、高温側熱交換器２４からなる蓄熱器ユニット（スタック）２５をループ管２６に１組有するものが一般的であった。

また、熱音響冷凍機として作動させる場合は、図３に示す熱音響機関３１のように、同一のループ管２６に２組目の蓄熱器ユニット２７を配置する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。２組目の蓄熱器ユニット２７は、気柱の振動を熱エネルギに変換する受動機（冷凍機）として作用し、蓄熱器ユニット２７の高温側熱交換器２４を基準温度とすると、原動機である蓄熱器ユニット２５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、低温側熱交換器２２側の温度が低下する。

熱音響機関３１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、熱音響機関３１を車両に搭載する場合、原動機となる蓄熱器ユニット２５においてエンジンの排気熱を高温源として高温側熱交換器２４に供給し、大気を低温源として低温側熱交換器２２に供給すると共に、冷凍機となる蓄熱器ユニット２７において大気を高温源として高温側熱交換器２４に供給することで、蓄熱器ユニット２７の低温側熱交換器２２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。この冷熱出力を用いて、例えば、車両に搭載された各種クーラ（例えば、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタなど）を機能させることができる。

特許第３０５０５４３号公報

しかしながら、従来の熱音響機関２１，３１では、ループ管２６内に原動機となる蓄熱器ユニット２５が１つしか配置されていないため、大きな音響強度を励起することは難しく、低温側熱交換器２２と高温側熱交換器２４の温度差が小さい場合は発振は不可能であった。つまり、従来の熱音響機関２１，３１はエネルギ変換効率が低かったといえる。よって、熱音響冷凍機として用いた場合の性能も低く、当然、複数箇所の冷凍は不可能であった。

そこで、本発明の目的は、多くのエネルギを投入可能で大きな音響強度を励起することができ、低温で発振が可能であり、かつ、熱音響冷凍機として用いた場合に冷凍能力を向上でき、複数個所での冷凍が可能な熱音響機関を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、ループ管に、蓄熱器の両端に熱交換器を配置した蓄熱器ユニットが設けられた熱音響機関において、円筒状の中央パイプに、該中央パイプの上下外周端を結ぶように分岐パイプを設けてループ管を形成し、かつ、前記中央パイプに、前記中央パイプを中心として放射状に複数の前記分岐パイプを設けて、前記中央パイプを共通化して複数のループ管を形成し、前記中央パイプと前記各分岐パイプにそれぞれ前記蓄熱器ユニットを設けた熱音響機関である。

前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットが原動機とされ、前記各分岐パイプに設けられた蓄熱器ユニットが冷凍機とされてもよい。

前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットが冷凍機とされ、前記各分岐パイプに設けられた蓄熱器ユニットが原動機とされてもよい。

前記中央パイプは、その断面積が、前記各分岐パイプの断面積の合計と略等しくなるようにされてもよい。

前記各分岐パイプの長さを等しくしてもよい。

前記各分岐パイプの蓄熱器ユニットは、前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットからの距離が等距離となるように前記各分岐パイプに設けられてもよい。

本発明によれば、多くのエネルギを投入可能で大きな音響強度を励起することができ、低温で発振が可能であり、かつ、熱音響冷凍機として用いた場合に冷凍能力を向上でき、複数個所での冷凍が可能な熱音響機関を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る熱音響機関の斜視図である。従来の熱音響機関の構成図である。従来の熱音響冷凍機の構成図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る熱音響機関の斜視図である。

図１に示すように、熱音響機関１は、円筒状の中央パイプ２に、中央パイプ２の上下外周端を結ぶように分岐パイプ３を設けてループ管４を形成し、かつ、中央パイプ２に、中央パイプ２を中心として放射状に複数の分岐パイプ３を設けて、中央パイプ２を共通化して複数のループ管４を形成し、中央パイプ２に蓄熱器ユニット（以下、中央ユニットという）５を、各分岐パイプ３に蓄熱器ユニット（以下、衛星ユニットという）６をそれぞれ設けたものである。

つまり、熱音響機関１は、中央ユニット５を配置した中央パイプ２に、その上端部から分岐し、下端部にて再度結合される分岐パイプ３を複数個放射状に配置し、各分岐パイプ３に衛星ユニット６を配置したものである。各分岐パイプ３の長さは等しくされる。

中央ユニット５および各衛星ユニット６は、薄板や細管を束ねた蓄熱器（再生器）７の両端に低温側熱交換器８、高温側熱交換器９を配置してなる。各衛星ユニット６は、その高温側熱交換器９が中央ユニット５の高温側交換器９側となるように、各分岐パイプ３に設けられる。

各分岐パイプ３の衛星ユニット６は、中央パイプ２に設けられた中央ユニット５からの距離が等距離となるように各分岐パイプ３に設けられる。具体的には、中央ユニット５および各衛星ユニット６は、各ループ管４を２等分する位置に設けられ、中央ユニット５は中央パイプ２の長手方向中央部に、衛星ユニット６は分岐パイプ３の中央部、つまり、分岐パイプ３の上端部と下端部（中央パイプ２との両接続部分）から等距離となるように配置される。

また、中央パイプ２は、その断面積（軸直角方向の断面積）が、各分岐パイプ３の断面積（軸直角方向の断面積）の合計と略等しくなるようにされる。

本実施の形態に係る熱音響機関１では、中央ユニット５を原動機として用いる場合、衛星ユニット６は冷凍機として用いる。また、中央ユニット５を冷凍機として用いる場合、衛星ユニット６は原動機として用いる。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る熱音響機関１では、中央パイプ２に、中央パイプ２の上下外周端を結ぶように分岐パイプ３を設けてループ管４を形成し、かつ、中央パイプ２に、中央パイプ２を中心として放射状に複数の分岐パイプ３を設けて、中央パイプ２を共通化して複数のループ管４を形成し、中央パイプ２と各分岐パイプ３にそれぞれ蓄熱器ユニット５，６を設けている。

これにより、中央ユニット５を原動機として用いる場合、各衛星ユニット６を冷凍機として用いるので、複数個所での冷凍が可能となる。

また、中央ユニット５を冷凍機として用いる場合、各衛星ユニット６を原動機として用いるので、１つの熱音響機関１に原動機を２つ以上配置できることとなり、多くのエネルギを投入可能となる。そのため、従来の熱音響機関と比較して、大きな音響強度を励起することが可能となり、冷凍機として用いる中央ユニット５における冷凍能力を向上させることが可能である。また、１つの熱音響機関１に原動機を２つ以上配置できるので、従来の熱音響機関と比較して、発振温度を大幅に下げ、低温側熱交換器８と高温側熱交換器９との温度差が小さくても自励発振を発生させることが可能となる。つまり、エネルギ変換効率を向上できる。

さらに、熱音響機関１では、中央パイプ２の断面積を各分岐パイプ３の断面積の合計と略等しくなるようにしているため、中央パイプ２を共通とした複数のループ管４を備えた熱音響機関１を実現できる。

また、熱音響機関１では、各分岐パイプ３の長さを等しくし、各分岐パイプの衛星ユニット６と中央ユニット５との距離を等しくしているため、各ループ管４における条件を同じとすることが可能となると共に、エネルギ変換効率を向上できる。

本発明の熱音響機関１は、例えば、車両に搭載され、当該車両に搭載された各種クーラ（例えば、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタなど）などを機能させるために用いられる。

熱音響機関１を車両に搭載する場合、例えば、中央ユニット５を冷凍機として用いる場合は、各衛星ユニット６の高温側熱交換器９にエンジンの排気熱を高温源として供給し、各衛星ユニット６の低温側熱交換器８に大気を低温源として供給し、かつ、中央ユニット５の高温側熱交換器９に大気を高温源として供給するようにすればよい。これにより、中央ユニット５の低温側熱交換器８より大気より低い温度の冷熱出力を取り出すことができる。

１熱音響機関
２中央パイプ
３分岐パイプ
４ループ管
５中央ユニット（蓄熱器ユニット）
６衛星ユニット（蓄熱器ユニット）
７蓄熱器
８低温側熱交換器（熱交換器）
９高温側熱交換器（熱交換器）

Claims

ループ管に、蓄熱器の両端に熱交換器を配置した蓄熱器ユニットが設けられた熱音響機関において、
円筒状の中央パイプに、該中央パイプの上下外周端を結ぶように分岐パイプを設けてループ管を形成し、かつ、前記中央パイプに、前記中央パイプを中心として放射状に複数の前記分岐パイプを設けて、前記中央パイプを共通化して複数のループ管を形成し、前記中央パイプと前記各分岐パイプにそれぞれ前記蓄熱器ユニットを設けたことを特徴とする熱音響機関。
前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットが原動機とされ、前記各分岐パイプに設けられた蓄熱器ユニットが冷凍機とされる請求項１記載の熱音響機関。
前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットが冷凍機とされ、前記各分岐パイプに設けられた蓄熱器ユニットが原動機とされる請求項１記載の熱音響機関。
前記中央パイプは、その断面積が、前記各分岐パイプの断面積の合計と略等しくなるようにされる請求項１〜３いずれかに記載の熱音響機関。
前記各分岐パイプの長さを等しくした請求項１〜４いずれかに記載の熱音響機関。
前記各分岐パイプの蓄熱器ユニットは、前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットからの距離が等距離となるように前記各分岐パイプに設けられる請求項１〜５いずれかに記載の熱音響機関。