JP2010276216A - Thermoacoustic cold air blower - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoacoustic cold air blower directly producing cold air by generating heat gradient with a simple structure. <P>SOLUTION: This thermoacoustic cold air blower 1 has a body container 2 having a sealed end at one side in the axial direction and an opened end with a throttle 9 at the other side. In the body container 2, a regenerator 3 is received. The regenerator 3 is received with a resonance space 6 formed at a side of the sealed end 2a, and an expansion space 7 formed at a side of the opened end 2b. The resonance space 6 has a function for generating resonance in the body container 2. The expansion space 7 has a function for adiabatically expanding a gas flowing in through the throttle 9 and lowering a temperature. A circulation pipe 10 is connected to the body container 2. The circulation pipe 10 is connected to the throttle 9 at its connection end 10a at one end, and the cold air is discharged from an inflow/outflow port 10b at the other end. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、熱音響効果によって周囲よりも低い温度の冷風を発生させる冷風器に関する。   The present invention relates to a cool air fan that generates cool air having a temperature lower than that of the surroundings by a thermoacoustic effect.

熱と音波との間ではお互いにエネルギをやりとりする作用があり、管の一端を加熱すると内部に音が発生したり、管内に音を入れると管内で冷凍作用が発生したりする。これらは、熱音響効果と称されている。特に、後者の音で冷凍する現象は熱音響冷凍と称されるが、ノンフロン代替技術として注目されている。
熱音響冷凍装置１００の基本構成は以下の通りである（非特許文献１）。図６に示すように、管１０１の一端に音波を発生するスピーカ１０２を設け、管１０１の反対側を封止端１０３とする。管１０１の内部の封止端１０３に近い側に再生器１０４と称される熱交換器を配置する。再生器１０４は、微細な空隙が管１０１の長手方向に沿って形成されるように、細かい平板を積層したものや、細管を束ねるものが知られている。 Heat and sound waves exchange energy with each other. When one end of the tube is heated, sound is generated inside, and when sound is put into the tube, a freezing action is generated in the tube. These are called thermoacoustic effects. In particular, the phenomenon of freezing with the latter sound is called thermoacoustic refrigeration, but has attracted attention as a non-fluorocarbon alternative technology.
The basic configuration of the thermoacoustic refrigeration apparatus 100 is as follows (Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 6, a speaker 102 that generates sound waves is provided at one end of the tube 101, and the opposite side of the tube 101 is a sealed end 103. A heat exchanger called a regenerator 104 is arranged on the side near the sealed end 103 inside the tube 101. As the regenerator 104, one in which fine flat plates are laminated or one in which thin tubes are bundled so that a fine gap is formed along the longitudinal direction of the tube 101 is known.

管１０１内で共鳴が生ずるようにスピーカ１０２を駆動させて管１０１内に音を入れると、管１０１内に１／４波長の定在波ができる。再生器１０４の図中左端の温度が下がり、右端の温度が下がる。
再生器１０４内に存在する気体の微小部分（気体塊Ｇ）に注目すると、気体塊Ｇは以下のように挙動する。つまり、気体塊Ｇは音波により圧力の高い右側に移動させられながら圧縮されて体積が減少する。このとき断熱圧縮により気体塊Ｇの温度は上がるが、近くの再生器壁１０４Ｗに放熱して温度が下がる。その気体塊Ｇは、再度音波により左側の圧力の低い側に移動させられ、このとき断熱膨張されるので温度が下がる。先ほどの温度が高い側で再生器壁１０４Ｗに放熱して温度が下がった分だけ周囲より温度がより低くなる。この微少サイクルが再生器壁１０４Ｗに沿って連なってあたかもバケツリレーで熱を運び、結局、再生器１０４の左端が最も低温に、右側が最も高温になる。気体塊Ｇは、音波により再生器１０４内を移動するため、非常に短い時間で圧縮・膨張が繰り返される。 When the speaker 102 is driven so that resonance occurs in the tube 101 and sound is input into the tube 101, a standing wave of ¼ wavelength is generated in the tube 101. The temperature at the left end in the figure of the regenerator 104 decreases and the temperature at the right end decreases.
When attention is paid to a minute gas portion (gas mass G) existing in the regenerator 104, the gas mass G behaves as follows. That is, the gas mass G is compressed while being moved to the right side with high pressure by the sound wave, and the volume is reduced. At this time, the temperature of the gas mass G rises due to adiabatic compression, but heat is released to the nearby regenerator wall 104W and the temperature drops. The gas mass G is again moved to the low pressure side on the left side by the sound wave, and is adiabatically expanded at this time, so that the temperature decreases. The temperature becomes lower than the surroundings by the amount of heat that is released to the regenerator wall 104W on the higher temperature side and the temperature is lowered. This micro cycle continues along the regenerator wall 104W and carries heat by the bucket relay. As a result, the left end of the regenerator 104 becomes the lowest temperature and the right side becomes the highest temperature. Since the gas mass G moves in the regenerator 104 by sound waves, compression and expansion are repeated in a very short time.

排気体の熱エネルギ（排熱）を熱音響効果に結びつけて冷却を行うことができれば、エネルギの有効活用を図ることができる。例えば特許文献１には、焼結鉱を冷却する焼結鉱クーラの後段から排出される排熱を熱音響冷凍装置で低温の熱エネルギとして回収し、回収された熱エネルギを焼結鉱クーラの後段に供給される冷却用空気を冷却するのに用いる排熱利用方法が開示されている。この熱音響冷凍装置は、ループ管内の離間した位置に蓄熱体を設けるタイプのものである。   If cooling can be performed by combining the thermal energy (exhaust heat) of the exhaust body with the thermoacoustic effect, the energy can be effectively utilized. For example, Patent Document 1 discloses that exhaust heat discharged from a subsequent stage of a sinter cooler that cools the sinter is recovered as low-temperature heat energy by a thermoacoustic refrigeration apparatus, and the recovered thermal energy is recovered from the sinter ore cooler. An exhaust heat utilization method used for cooling the cooling air supplied to the subsequent stage is disclosed. This thermoacoustic refrigeration apparatus is of a type in which a heat storage body is provided at a spaced position in a loop tube.

ループ管内に２つの蓄熱体を設けるタイプの熱音響冷凍装置は、構造が複雑であることから、特許文献２ではより簡易な構造の冷凍装置が提案されている。特許文献２の冷凍装置２００は、図７に示すように、駆動部２０１、再生器２０２、パルス管２０４及び冷凍気体貯蔵所２０５を有し、再生器２０２とパルス管２０４との間には外部と熱交換する第１の高温熱交換器２０６が設けられ、パルス管２０４と冷凍気体貯蔵所２０５との間には外部と熱交換する低温熱交換器２０７が設けられている。また、冷凍気体貯蔵所２０５の内部には冷凍気体貯蔵所２０５とパルス管２０４との間を往復する駆動気体の量を制御して冷凍気体貯蔵所２０５の圧力を一定に維持する絞り２０８が設けられている。この冷凍装置２００は、駆動気体がパルス管２０４を中心として圧縮及び膨張する過程を繰り返し行うことができるように構成されている。特許文献２の冷凍装置２００は、ループ管からなる冷凍装置に比べて構造が比較的簡易である。   Since a thermoacoustic refrigeration apparatus of a type in which two heat storage bodies are provided in a loop tube has a complicated structure, Patent Document 2 proposes a refrigeration apparatus having a simpler structure. As shown in FIG. 7, the refrigeration apparatus 200 of Patent Document 2 includes a drive unit 201, a regenerator 202, a pulse tube 204, and a refrigeration gas storage 205, and an external device is provided between the regenerator 202 and the pulse tube 204. A first high-temperature heat exchanger 206 for exchanging heat is provided, and a low-temperature heat exchanger 207 for exchanging heat with the outside is provided between the pulse tube 204 and the refrigeration gas storage 205. In addition, a throttle 208 for controlling the amount of driving gas reciprocating between the freezing gas storage 205 and the pulse tube 204 and maintaining the pressure of the freezing gas storage 205 constant is provided inside the freezing gas storage 205. It has been. The refrigeration apparatus 200 is configured to repeatedly perform the process of compressing and expanding the driving gas around the pulse tube 204. The refrigeration apparatus 200 of Patent Document 2 has a relatively simple structure as compared with a refrigeration apparatus including a loop tube.

特開２００７−２６３５００号公報JP 2007-263500 A 特開２００４−９３１２４号公報JP 2004-93124 A

http://www.jsrae.or.jp/yougo/36.htmlhttp://www.jsrae.or.jp/yougo/36.html

特許文献２の冷凍装置２００は、約７７Ｋ（−１９６℃）で駆動される赤外線センサー冷却分野、極低温手術及びＭＲＩ分野、移動通信用超伝導ＲＦフィルターなどの電子装備分野、超伝導電力応用機器分野などに適用されることを前提としている。
産業界において、極低温まで冷却することが要求されない用途は多々ある。例えば、前述した排熱を利用して冷却を行う場合には、エネルギの有効活用を図りつつ、周囲の環境よりも低い温度の冷気・冷風が生成されれば、利用価値は十分にある。
そこで本発明は、簡易な構造でありながら、温度勾配を利用して冷風を直接生成する熱音響冷風器及びこの冷風器を用いた冷風の発生方法を提供することを目的とする。 The refrigeration apparatus 200 of Patent Document 2 includes an infrared sensor cooling field driven at about 77 K (−196 ° C.), a cryogenic surgery and MRI field, an electronic equipment field such as a superconducting RF filter for mobile communication, and a superconducting power application device. It is assumed that it will be applied to fields.
There are many applications in the industry that do not require cooling to cryogenic temperatures. For example, in the case of cooling using the above-described exhaust heat, the utility value is sufficient if cool air / cold air having a temperature lower than that of the surrounding environment is generated while effectively utilizing energy.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoacoustic cooler that directly generates cool air using a temperature gradient, and a method for generating cool air using the cool air, while having a simple structure.

ある種のスターリングエンジンの駆動終了後に、数百ヘルツの音が数秒間発生することがある。この現象が熱音響現象である。このスターリングエンジンは、高温部と低温部とが長いチューブで連結されたものであり、絞り（オリフイス）が存在する。本発明者は、この絞りに繋がれたチューブの先から冷風が発生しているのを確認した。しかるに、出入口が個別に存在しない１本のチューブから冷風が吐出されることに疑問を抱き、簡単な実験を行ったところ、以下のことが推測された。つまり、チューブの先から流入した空気がチューブの内周壁近傍を通り、さらにこの空気は絞りを通って容積の大きい空間に噴出することにより断熱膨張して温度が下がる。こうして冷却された空気は、今度はチューブの中心部を通ってチューブの先から吐出される。   Hundreds of hertz may be generated for several seconds after a certain Stirling engine has been driven. This phenomenon is a thermoacoustic phenomenon. In this Stirling engine, a high temperature part and a low temperature part are connected by a long tube, and an orifice is present. The inventor has confirmed that cold air is generated from the tip of the tube connected to the aperture. However, when a simple experiment was conducted with the doubt that cold air was discharged from a single tube having no individual entrances and exits, the following was estimated. That is, air flowing in from the tip of the tube passes through the vicinity of the inner peripheral wall of the tube, and further, this air is adiabatically expanded by being jetted into a large volume space through the throttle, and the temperature is lowered. The air thus cooled is then discharged from the tip of the tube through the center of the tube.

本発明は以上の知見に基づく熱音響冷風器であり、軸方向の一方側が封止端とされ、他方側に絞りが設けられる開放端とされる本体容器を備える。
この本体容器内には、スタックとも称される再生器が収容されている。再生器は、封止端の側に共鳴空間を、開放端の側に膨張空間を設けて収容される。共鳴空間は、再生器内に存在する気体の振動に基づいて本体容器に共鳴を生じさせる機能を有する。膨張空間は、絞りを通って流入する気体を断熱膨張させて気体の温度を下げる機能を有する。
本体容器には、流通管が繋がれる。この流通管は、その一端が絞りに繋がれ、他端が気体の出入り口となる。
本発明の熱音響冷風器は、再生器に、封止端側を高温とし開放端側を低温とする温度勾配を生じさせる温度勾配生成手段を備える。 The present invention is a thermoacoustic cooler based on the above knowledge, and includes a main body container having an axial end as a sealed end and an open end with a throttle on the other side.
A regenerator, also called a stack, is accommodated in the main body container. The regenerator is accommodated by providing a resonance space on the sealed end side and an expansion space on the open end side. The resonance space has a function of causing resonance in the main body container based on the vibration of the gas present in the regenerator. The expansion space has a function of lowering the temperature of the gas by adiabatically expanding the gas flowing in through the throttle.
A circulation pipe is connected to the main body container. One end of the flow pipe is connected to the throttle, and the other end is a gas inlet / outlet.
The thermoacoustic cooler of the present invention is provided with a temperature gradient generating means for generating a temperature gradient in which the sealed end side has a high temperature and the open end side has a low temperature.

本発明の熱音響冷風器は、温度勾配生成手段により再生器に温度勾配を生じさせることにより、流通管の他端から流入した気体が膨張空間に流入されることにより冷却され、冷却された気体を流通管の流出入口より吐出させる。この気体は流通管の他端から流入したときよりも数℃低い冷風となってパルス状に吐出される。
温度勾配生成手段は、封止端側を加熱する加熱手段と、開放端側を冷却する冷却手段とから構成することができる。 In the thermoacoustic cooler of the present invention, the temperature gradient is generated in the regenerator by the temperature gradient generating means, whereby the gas flowing in from the other end of the flow pipe is cooled by flowing into the expansion space, and the cooled gas Is discharged from the outlet of the distribution pipe. This gas is discharged in pulses in the form of cold air that is several degrees lower than when it flows from the other end of the flow pipe.
The temperature gradient generating means can be composed of a heating means for heating the sealed end side and a cooling means for cooling the open end side.

本発明の熱音響冷風器は、本体容器、絞り、再生器及び流通管という数少ない要素で構成できるので、構造が極めて簡易である。しかも、この熱音響冷風器は、再生器に温度勾配を生じさせることにより冷風を直接生成できる。   Since the thermoacoustic cooler of the present invention can be configured with few elements such as a main body container, a throttle, a regenerator, and a flow pipe, the structure is extremely simple. Moreover, this thermoacoustic cooler can directly generate cool air by creating a temperature gradient in the regenerator.

本実施の形態にかかる熱音響冷風器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the thermoacoustic cooler concerning this Embodiment. 本実施の形態にかかる熱音響冷風器の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the thermoacoustic cooler concerning this Embodiment. 本実施の形態にかかる熱音響冷風器による送風の確認試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the check test of the ventilation by the thermoacoustic cooler concerning this embodiment. スチールウールを再生器に用いた場合の膨張空間の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the expansion space at the time of using steel wool for a regenerator. 加熱配管、冷却配管を備える本実施の形態にかかる熱音響冷風器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the thermoacoustic cooler concerning this Embodiment provided with heating piping and cooling piping. 従来の熱音響冷凍装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional thermoacoustic refrigeration apparatus. 特許文献２に開示された熱音響冷凍装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the thermoacoustic refrigeration apparatus disclosed by patent document 2. FIG.

以下、図面を参照して本発明を説明する。
本実施の形態にかかる熱音響冷風器１は、一方が封止端２ａ、他方が開放端２ｂである本体容器２と、本体容器２の開放端２ｂに接続端１０ａを介して接続される流通管１０とから構成される。熱音響冷風器１は、熱から音響に変換される時に発生する振動エネルギを利用し、流通管１０の流出入口１０ｂより冷風を吐出させるものである。 The present invention will be described below with reference to the drawings.
The thermoacoustic cooler 1 according to the present embodiment has a main body container 2 having one sealed end 2a and the other an open end 2b, and a flow connected to the open end 2b of the main body container 2 via a connection end 10a. And the tube 10. The thermoacoustic cooler 1 uses vibration energy generated when heat is converted into sound, and discharges cool air from the inlet / outlet port 10 b of the flow pipe 10.

金属、セラミックス、ガラス等の耐熱材料で構成される本体容器２の内部には、再生器３が収容されている。
再生器３は、スタックとも称されるものであり、軸方向に連なる微細な通路が多数設けられている。この微細な通路の軸方向に沿って、気体、典型的には空気が流通可能である。微細な通路は、本体容器２の開口面積の１／１０〜１／２０の開口面積を有することが好ましい。再生器３は、多孔性の焼結金属又はセラミックス、金属製不織布、細い板材の積層体、スチールウールのような金属細線の束等の種々の形態で実現される。 A regenerator 3 is accommodated in the main body container 2 made of a heat-resistant material such as metal, ceramics, and glass.
The regenerator 3 is also called a stack, and is provided with a large number of fine passages that are continuous in the axial direction. A gas, typically air, can flow along the axial direction of the fine passage. The fine passage preferably has an opening area of 1/10 to 1/20 of the opening area of the main body container 2. The regenerator 3 is realized in various forms such as a porous sintered metal or ceramic, a metal nonwoven fabric, a laminate of thin plate materials, and a bundle of fine metal wires such as steel wool.

熱音響冷風器１において冷風を発生させるには、再生器３の封止端２ａ側の端部を加熱する。再生器３のこの端部が高温部４を構成する。また、再生器３の開放端２ｂ側の端部は、低温部５を構成する。高温部４が加熱され、低温部５が冷却されている間、再生器３には、高温部４と低温部５の間で温度勾配が生ずる。   In order to generate cool air in the thermoacoustic cooler 1, the end of the regenerator 3 on the sealed end 2a side is heated. This end of the regenerator 3 constitutes the high temperature part 4. Further, the end of the regenerator 3 on the open end 2 b side constitutes a low temperature part 5. While the high temperature part 4 is heated and the low temperature part 5 is cooled, the regenerator 3 has a temperature gradient between the high temperature part 4 and the low temperature part 5.

本体容器２内には、再生器３を基準として、封止端２ａ側に共鳴空間６が、また、開放端２ｂ側に膨張空間７が形成される。
共鳴空間６は、本体容器２に共鳴を生じさせるために設けられるものである。共鳴空間６を設けることにより、後述するように再生器３で生じる気体の微小な振動を増幅させる。共鳴空間６は、この目的を達成するのに必要な容積を有する。この容積をどの程度にするかは、実験的に確認することができる。 In the main body container 2, with the regenerator 3 as a reference, a resonance space 6 is formed on the sealed end 2a side, and an expansion space 7 is formed on the open end 2b side.
The resonance space 6 is provided for causing resonance in the main body container 2. By providing the resonance space 6, minute vibrations of gas generated in the regenerator 3 are amplified as will be described later. The resonant space 6 has the volume necessary to achieve this purpose. To what extent this volume is made can be confirmed experimentally.

また、膨張空間７は、流通管１０を通って流入する気体に断熱膨張を生じさせるために設けられる。膨張空間７は、流入する気体が断熱膨張することができれば、その容積は問われない。ただし、ポアソンの式（Ｔ１Ｖ１ (γ-1)＝Ｔ２Ｖ２ (γ-1)）により、膨張空間７の容積が小さいほど、断熱膨張による気体の温度低下は大きくなる。
膨張空間７は、明らかに空間が存在すると認識できる場合に限らず、流入する気体が断熱膨張できる領域が存在していればよい。たとえば、再生器３が空隙を多く含む例えばスチールウールからなる場合には、再生器（スチールウール）３が、外観上、図４に示すように、プラグ８の内側に接していても、スチールウールの当該接触部近傍の空隙が膨張空間７を構成することになる。つまり、この膨張空間７は、流入する気体が断熱膨張できる領域が実質的に存在するか否かで判断される。 The expansion space 7 is provided to cause adiabatic expansion in the gas flowing in through the flow pipe 10. The volume of the expansion space 7 is not limited as long as the inflowing gas can adiabatically expand. However, according to Poisson's equation (T 1 V 1 (γ-1) = T 2 V 2 (γ-1) ), the lower the volume of the expansion space 7, the greater the temperature drop of the gas due to adiabatic expansion.
The expansion space 7 is not limited to the case where it can be clearly recognized that there is a space, and it is sufficient that there is a region where the inflowing gas can be adiabatically expanded. For example, when the regenerator 3 is made of, for example, steel wool having many voids, even if the regenerator (steel wool) 3 is in contact with the inside of the plug 8 as shown in FIG. The gap in the vicinity of the contact portion constitutes the expansion space 7. That is, the expansion space 7 is determined based on whether or not there is a region where the inflowing gas can be adiabatically expanded.

本体容器２の開放端２ｂには、プラグ８が設けられている。プラグ８はリング状をなしているので、プラグ８が設けられた開放端２ｂには、絞り９が形成される。この絞り９を通って気体が膨張空間７に流入することにより、断熱膨張により気体の温度が低くなる。
絞り９の開口面積の最適な値は未だ不明なところがあるが、小さすぎると気体をスムーズに流通させることができなくなり、また、大きすぎると絞りとしての機能を果たさなくなる。これらの観点から、絞り９の開口面積は膨張空間７の開口面積の１／１０〜１／２０の範囲で設定することが好ましい。 A plug 8 is provided at the open end 2 b of the main body container 2. Since the plug 8 has a ring shape, an aperture 9 is formed at the open end 2b where the plug 8 is provided. When the gas flows into the expansion space 7 through the throttle 9, the temperature of the gas is lowered by adiabatic expansion.
The optimum value of the aperture area of the diaphragm 9 is still unknown, but if it is too small, the gas cannot be circulated smoothly, and if it is too large, the function as the diaphragm cannot be achieved. From these viewpoints, the opening area of the diaphragm 9 is preferably set in a range of 1/10 to 1/20 of the opening area of the expansion space 7.

プラグ８には、絞り９と同口径（１０ｍｍ）の流通管１０が接続されている。流通管１０の長さが長くなりすぎると、流通管１０内を流れる気体に生ずる圧力損失が大きくなり、冷風を流通管１０から吐出しにくくなる。また、流通管１０の長さが短くなりすぎると、冷風が生成されずに、流通管１０に音が生ずる。このことを考慮すると、流通管１０の長さはＬ〜６Ｌ（Ｌ：本体容器２の全長）とすることが好ましく、より好ましくは３Ｌ〜５Ｌとする。
流通管１０は、ゴム等の可撓性材料から構成することができるし、金属材料から構成することもできる。また、プラグ８側に金属管を設け、その先端に可撓性材料のチューブを繋げてもよい。 A flow pipe 10 having the same diameter (10 mm) as the throttle 9 is connected to the plug 8. If the length of the flow pipe 10 becomes too long, the pressure loss generated in the gas flowing through the flow pipe 10 becomes large, and it becomes difficult to discharge cold air from the flow pipe 10. Further, if the length of the circulation pipe 10 becomes too short, cold air is not generated and sound is generated in the circulation pipe 10. Considering this, the length of the flow pipe 10 is preferably L to 6L (L: full length of the main body container 2), more preferably 3L to 5L.
The flow pipe 10 can be made of a flexible material such as rubber, or can be made of a metal material. Alternatively, a metal tube may be provided on the plug 8 side, and a flexible material tube may be connected to the tip of the metal tube.

以上のように構成される熱音響冷風器１の動作を説明する。
図２に示すように、例えばバーナＶにより再生器３の封止端２ａ側の端部を加熱する。再生器３は、当該端部が高温部４となり、他方端がこれよりも温度の低い低温部５を構成し、再生器３には温度勾配が生じる。なお、低温部５は、水で濡らした布を当該部分に当てることにより、室温程度に維持した。
再生器３内の微小部分に注目する。微小な気体塊Ｇが本体容器２の開放端２ｂ側（右側）に動いたとすると、動く前よりも温度の低い再生器３の部分に接触して微小な気体塊Ｇは冷却される。冷却された微小な気体塊Ｇは、圧力が下がり収縮する。したがって、微小な気体塊Ｇよりも図中右側の気体が左側に動くことになる。
左側に動いた微小な気体塊Ｇは、今度は、動く前よりも温度の高い再生器３の部分に接触して加熱される。加熱された微小な気体塊Ｇは、圧力が上がり膨張する。したがって、微小な気体塊Ｇは右側に動くことになる。
このようにして、微小な気体塊Ｇは冷却→収縮→加熱→膨張→…のサイクルを繰り返しながら、再生器３内を軸方向に往復動するので、共鳴空間６及び膨張空間７を含む本体容器２内の気柱全体に波及して自励振動が起きる。 Operation | movement of the thermoacoustic cooler 1 comprised as mentioned above is demonstrated.
As shown in FIG. 2, the end of the regenerator 3 on the sealed end 2 a side is heated by, for example, a burner V. The regenerator 3 constitutes a high temperature part 4 at the end thereof, and constitutes a low temperature part 5 having a lower temperature at the other end, and the regenerator 3 has a temperature gradient. In addition, the low temperature part 5 was maintained at about room temperature by applying the cloth wetted with water to the said part.
Attention is paid to a minute portion in the regenerator 3. If the minute gas mass G moves to the open end 2b side (right side) of the main body container 2, the minute gas mass G is cooled by contacting the portion of the regenerator 3 having a lower temperature than before the movement. The cooled small gas mass G contracts with a reduced pressure. Therefore, the gas on the right side in the figure moves to the left side from the minute gas mass G.
The minute gas mass G that has moved to the left side is heated in contact with the portion of the regenerator 3 having a higher temperature than before the movement. The heated fine gas mass G expands in pressure. Therefore, the minute gas mass G moves to the right side.
In this way, the minute gas mass G reciprocates in the regenerator 3 in the axial direction while repeating the cycle of cooling → shrinkage → heating → expansion → ..., so that the main body container including the resonance space 6 and the expansion space 7 The self-excited vibration occurs in the entire air column in 2.

上記の動作の中で、本体容器２内の気柱が左側に動くのに伴って、膨張空間７に連通する流通管１０内の気体は、絞り９を通って膨張空間７に流入する。このとき、膨張空間７には、流通管１０の内周壁近傍の気体が流入するものと解される。この内周壁近傍は、流速が生じているために、流通管１０の中心部に比べて圧力が高い。
膨張空間７に流入した気体は、断熱膨張により温度が下がる。温度の下がった気体は、本体容器２内の気柱が右側に動くのに伴って、膨張空間７から絞り９を通って流通管１０に流入し、さらに流通管１０の流出入口１０ｂから外部に向けて吐出される。温度の下がった気体は、流通管１０の概ね中心部を通るものと解される。この中心部は内周壁近傍に比べて圧力が低いために、ここを通る気体の温度は、理想的には、膨張空間７に流入して断熱膨張により低下した温度に維持される。 In the above operation, as the air column in the main body container 2 moves to the left side, the gas in the flow pipe 10 communicating with the expansion space 7 flows into the expansion space 7 through the throttle 9. At this time, it is understood that the gas in the vicinity of the inner peripheral wall of the flow pipe 10 flows into the expansion space 7. In the vicinity of the inner peripheral wall, a pressure is higher than the central portion of the flow pipe 10 because of the flow velocity.
The temperature of the gas flowing into the expansion space 7 decreases due to adiabatic expansion. As the air column in the main body container 2 moves to the right side, the gas whose temperature has decreased flows from the expansion space 7 through the throttle 9 into the flow pipe 10 and further to the outside through the outlet 10b of the flow pipe 10. It is discharged toward. It is understood that the gas whose temperature has decreased passes through the central portion of the flow pipe 10. Since the central portion has a lower pressure than the vicinity of the inner peripheral wall, the temperature of the gas passing through the central portion ideally flows into the expansion space 7 and is maintained at a temperature reduced by adiabatic expansion.

以上のようにして、再生器３に温度勾配を設けることにより、熱音響冷風器１は、流通管１０の流出入口１０ｂから冷たい気体を送風できる。
本発明者等の実験によると、高温部４を気体バーナＶで約４００℃に加熱し、低温部５に水で濡らした布を当てることにより室温程度に冷却、保持することにより、室温よりも約１℃低い冷風が得られることを確認した。この冷風は、パルス状に出力される。このことは、図３に示されている。図３は、流通管１０の流出入口１０ｂから吐出される冷風をスピーカに当てて得られる圧力をＡＤ変換した電圧値として計測したものである。
なお、この実験に供した熱音響冷風器１は、本体容器２として全長Ｌが１８０ｍｍ、直径が２７ｍｍの試験管を用い、プラグ８の絞り９に対応するように全長が１５０ｍｍ、直径が１０ｍｍの金属製の管を繋げ、さらにこの金属製の管に全長が４００ｍｍのチューブを繋いで流通管１０とした。また、この熱音響冷風器１は、再生器３としてスチールウールを用いた。この再生器３は、軸方向の一方端がプラグ８に接するように本体容器２内に配置された。 As described above, by providing a temperature gradient in the regenerator 3, the thermoacoustic cooler 1 can blow cold gas from the inlet / outlet port 10 b of the flow pipe 10.
According to the experiments by the present inventors, the high temperature portion 4 is heated to about 400 ° C. with a gas burner V, and the low temperature portion 5 is cooled and held at about room temperature by applying a cloth wetted with water. It was confirmed that a cold air about 1 ° C. lower was obtained. This cold air is output in pulses. This is illustrated in FIG. FIG. 3 shows a voltage value obtained by AD-converting the pressure obtained by applying cold air discharged from the inlet / outlet port 10b of the flow pipe 10 to the speaker.
The thermoacoustic cooler 1 used in this experiment uses a test tube having a total length L of 180 mm and a diameter of 27 mm as the main body container 2, and has a total length of 150 mm and a diameter of 10 mm so as to correspond to the throttle 9 of the plug 8. A metal tube was connected, and a tube having a total length of 400 mm was connected to the metal tube to obtain a flow tube 10. The thermoacoustic cooler 1 uses steel wool as the regenerator 3. The regenerator 3 was disposed in the main body container 2 so that one end in the axial direction was in contact with the plug 8.

上記した実験では、気体バーナＶにより高温部４を加熱したが、加熱手段はこれに限定されない。例えば、特許文献２のように工場排熱により加熱することができるし、また、自動車の排気体を用いて加熱することもできる。さらに、地熱、温泉熱、その他の排熱を利用して、再生器３を加熱することもできる。また、上記した実験では、低温部５を室温程度に維持するために、水で濡らした布を用いたが、冷却手段はこれに限定されない。これらのことを考慮したより現実的な熱音響冷風器２０の構成を図５に示す。   In the experiment described above, the high temperature portion 4 is heated by the gas burner V, but the heating means is not limited to this. For example, it can heat by factory exhaust heat like patent document 2, and can also heat using the exhaust body of a motor vehicle. Furthermore, the regenerator 3 can be heated using geothermal heat, hot spring heat, and other exhaust heat. In the experiment described above, a cloth wetted with water is used to maintain the low temperature part 5 at about room temperature, but the cooling means is not limited to this. FIG. 5 shows a more realistic configuration of the thermoacoustic cooler 20 in consideration of these matters.

図５に示す熱音響冷風器２０の基本的な構成は図１に示した熱音響冷風器１と同じであるが、高温部１４、低温部１５の構成が相違する。すなわち、高温部１４には高温配管１４１が蛇行して配設され、低温部１５には低温配管１５１が蛇行して配設される。   Although the basic structure of the thermoacoustic cooler 20 shown in FIG. 5 is the same as that of the thermoacoustic cooler 1 shown in FIG. 1, the structures of the high temperature part 14 and the low temperature part 15 are different. That is, the high temperature pipe 14 is meanderingly disposed at the high temperature portion 14, and the low temperature pipe 151 is meanderingly disposed at the low temperature portion 15.

高温配管１４１の入り口管１４１（in）には、工場排熱等の高温気体が流入される。流入された高温気体が、高温部１４内を蛇行する高温配管１４１を流れることにより、高温部１４を所定の温度に加熱する。高温部１４内の高温配管１４１を流れた高温気体は、高温配管１４１の出口管１４１（out）から排出される。入り口管１４１（in）と出口管１４１（out）とを繋ぎ、高温気体が循環されるシステムとすることもできる。   A high temperature gas such as factory exhaust heat flows into the inlet pipe 141 (in) of the high temperature pipe 141. The inflowing high temperature gas flows through the high temperature pipe 141 that meanders in the high temperature portion 14, thereby heating the high temperature portion 14 to a predetermined temperature. The high temperature gas that has flowed through the high temperature pipe 141 in the high temperature section 14 is discharged from the outlet pipe 141 (out) of the high temperature pipe 141. An inlet pipe 141 (in) and an outlet pipe 141 (out) may be connected to form a system in which high-temperature gas is circulated.

低温配管１５１の入り口管１５１（in）には、工場用水等の冷却水が流入される。流入された冷却水が、低温部１５内を蛇行する低温配管１５１を流れることにより、低温部１５を所定の温度に冷却維持する。低温部１５内の低温配管１５１を流れた冷却水は、低温配管１５１の出口管１５１（out）から排出される。入り口管１５１（in）と出口管１５１（out）とを繋ぎ、冷却水が循環されるシステムとすることもできる。   Cooling water such as factory water flows into the inlet pipe 151 (in) of the low-temperature pipe 151. The cooling water that has flowed in flows through the low-temperature pipe 151 that meanders in the low-temperature portion 15, thereby maintaining the low-temperature portion 15 at a predetermined temperature. The cooling water that has flowed through the low temperature pipe 151 in the low temperature section 15 is discharged from the outlet pipe 151 (out) of the low temperature pipe 151. An inlet pipe 151 (in) and an outlet pipe 151 (out) may be connected to form a system in which cooling water is circulated.

本実施の形態による熱音響冷風器１で生成される冷風は、温度低下が室温（熱音響冷風器１の周囲の温度）より数℃程度であるが、人間は周囲の環境よりも温度が２〜３℃低いだけで涼しさを感じる。したがって、本発明にかかる冷風器は、利用価値が十分ある。しかも、本発明に係る冷風器は、構造が単純であることから、小型化、軽量化が図れるとともに、可動部がないことによる高耐久性が期待できる。   The cold air generated by the thermoacoustic cooler 1 according to the present embodiment has a temperature drop of about several degrees Celsius from room temperature (temperature around the thermoacoustic cooler 1), but humans have a temperature 2 lower than the surrounding environment. I feel cool just -3 ℃ lower. Therefore, the cool air fan according to the present invention is sufficiently useful. Moreover, since the chiller according to the present invention has a simple structure, it can be reduced in size and weight, and high durability can be expected due to the absence of moving parts.

これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、熱音響冷風器１（２０）は、本体容器２０を一体で構成したが、共鳴空間６に対応する部分、再生器３に対応する部分、膨張空間７に対応する部分を別個の管体で作製して、結合することもできる。 Other than this, as long as the gist of the present invention is not deviated, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
For example, in the thermoacoustic cooler 1 (20), the main body container 20 is integrally formed. However, a portion corresponding to the resonance space 6, a portion corresponding to the regenerator 3, and a portion corresponding to the expansion space 7 are separated from each other. And can be combined.

１、２０…熱音響冷風器
２…本体容器、２ａ…封止端、２ｂ…開放端
３…再生器、４，１４…高温部、５，１５…低温部
６…共鳴空間、７…膨張空間
８…プラグ、９…絞り
１０…流通管、１０ａ…接続端、１０ｂ…流出入口 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,20 ... Thermoacoustic cooler 2 ... Main body container, 2a ... Sealing end, 2b ... Open end 3 ... Regenerator, 4, 14 ... High temperature part, 5, 15 ... Low temperature part 6 ... Resonance space, 7 ... Expansion space 8 ... Plug, 9 ... Restriction 10 ... Distribution pipe, 10a ... Connection end, 10b ... Outflow inlet

Claims (2)

軸方向の一方側が封止端とされ、他方側に絞りを備える開放端とされる本体容器と、
前記本体容器内にあって、前記封止端の側に共鳴空間を、また前記開放端の側に膨張空間を設けて収容される再生器と、
一端が前記絞りに繋がれ、他端が気体の流出入口となる流通管と、
前記再生器に対して、前記封止端側を高温とし前記開放端側を低温とする温度勾配を生じさせる温度勾配生成手段と、
を備え、
前記温度勾配生成手段により前記温度勾配を生じさせることにより、
前記流通管の前記他端から流入した気体が前記膨張空間に流入されることにより冷却され、冷却された気体を前記流出入口より吐出させることを特徴とする熱音響冷風器。 A main body container having one side in the axial direction as a sealed end and an open end having a throttle on the other side;
A regenerator in the main body container and accommodated by providing a resonance space on the sealed end side and an expansion space on the open end side;
A flow pipe having one end connected to the throttle and the other end serving as a gas inlet / outlet;
A temperature gradient generating means for generating a temperature gradient with respect to the regenerator, wherein the sealing end side has a high temperature and the open end side has a low temperature;
With
By generating the temperature gradient by the temperature gradient generating means,
A thermoacoustic cooler characterized in that a gas flowing in from the other end of the flow pipe is cooled by flowing into the expansion space, and the cooled gas is discharged from the outlet / inlet. 前記温度勾配生成手段は、
前記封止端側を加熱する加熱手段と、前記開放端側を冷却する冷却手段とから構成される請求項１に記載の熱音響冷風器。 The temperature gradient generating means includes
The thermoacoustic cooler according to claim 1, comprising heating means for heating the sealing end side and cooling means for cooling the open end side.
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