JP2011002118A

JP2011002118A - 熱音響機関

Info

Publication number: JP2011002118A
Application number: JP2009143237A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Yamamoto; 康山本; Shinya Hasegawa; 真也長谷川; Makoto Abe; 阿部　　誠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-16
Also published as: JP5299107B2

Abstract

【課題】熱効率が良く、小型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において、ループ管１が複数周回させて形成され、ループ管１の第一の周回部分１ａに第一の原動機２ａが設けられ、第二の周回部分１ｂに第二の原動機２ｂが設けられた。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱効率が良く、小型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、冷却機）を組み込むと、冷凍装置（冷却装置）が構成される。

図５に示した従来の熱音響機関５１は、ループ管１に１つの原動機２を取り付けたものである。

熱音響機関は、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、原動機と類似構造の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

従来の熱音響機関は、ループ管１に設けられる原動機２の個数は１個である。

これに対して本発明者らは、ループ管１に設けられる原動機２の個数を２個以上とし、発振開始温度を低下させると共に大きな音響強度をループ管１内に励起する熱音響機関について、すでに提案を行っている。しかし、このような複数の原動機２を備えた熱音響機関における高温源及び低温源と複数の原動機２との位置関係を工夫することによって、熱効率を改善したり、小型化を容易にすることについては保留していた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、熱効率が良く、小型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加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられた熱音響機関において、上記ループ管が複数周回させて形成され、上記ループ管の第一の周回部分に第一の原動機が設けられ、第二の周回部分に第二の原動機が設けられたものである。

上記第二の周回部分の上記第二の原動機が設けられた箇所は、上記第一の周回部分の上記第一の原動機が設けられた箇所に対して沿う箇所であってもよい。

上記第二の原動機は、上記第一の原動機の冷却器に上記第二の原動機の冷却器が対向し、かつ、上記第一の原動機の加熱器に上記第二の原動機の加熱器が対向てもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）熱効率が良い。

（２）小型化できる。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。本発明者らが提案中の熱音響機関の構成図である。本発明の課題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。

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が複数周回させて形成され、ループ管１の第一の周回部分１ａに第一の原動機２ａが設けられ、第二の周回部分１ｂに第二の原動機２ｂが設けられたものである。

原動機２は、加熱器３、再生器４、冷却器５をループ管１の管軸方向に並べたものである。加熱器３、再生器４、冷却器５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。

本実施形態では、ループ管１が２周回させて形成されるが、３周回以上させてもよい。原動機２も３個以上設けてよい。

本実施形態では、ループ管１の第一の周回部分１ａの周回径より第二の周回部分１ｂの周回径が小さく、第一の周回部分１ａの内周に第二の周回部分１ｂの外周が近接して平行に沿うように配置されているが、第一の周回部分１ａの周回径と第二の周回部分１ｂの周回径を同じにして、第一の周回部分１ａの奥行き方向（紙面に垂直）に第二の周回部分１ｂが隣接するように配置してもよい。

本実施形態では、ループ管１は、直線状のストレート管と所定アールで直角に屈曲したエルボ管を組み合わせて、全体的な外観が角の丸い矩形状に形成されているが、全体的に丸く、いわゆる螺旋状、あるいは渦巻状に形成してもよい。また、全体的な外観が多角形状であってもよい。

第二の周回部分１ｂの第二の原動機２ｂが設けられた箇所は、第一の周回部分１ａの第一の原動機２ａが設けられた箇所に対して沿う箇所である。ここでは、第一の周回部分１ａのストレート管とそれに沿った第二の周回部分１ｂのストレート管に、第一の原動機２ａと第二の原動機２ｂが配置されている。

第二の原動機２ｂは、第一の原動機２ａの冷却器５に第二の原動機２ｂの冷却器５が対向し、かつ、第一の原動機２ａの加熱器３に第二の原動機の加熱器３が対向するよう配置されている。

図示しないが冷却水等の低温源流体を流す配管が各冷却器５を通過するよう設けられると共に、熱気等の高温源流体を流す配管が各加熱器３を通過するよう設けられている。

次に、本発明の前提として、本発明者らが提案中の複数の原動機を備えた熱音響機関について説明する。

図２に示されるように、熱音響機関２１は、ループ管１に２個の原動機２が設けられたものである。本発明者らは、２個の原動機２の配置を、音響が発振するモードに応じてループ管１のループ長をあまり大きくない自然数で等分割した位置とした。これにより、発振開始温度が低くでき、かつ、大きな音響強度が得られる。

しかし、図３に示される熱音響機関３１のように、２個の原動機２が互いに離れた位置に分散して配置されているため、冷却器５同士を繋ぐ配管や加熱器３同士を繋ぐ配管の長さが長い。このため、配管空間Ａの配管を流れる流体からの熱が外部に漏れやすくなり、熱音響機関３１の熱効率が大幅に低下する。また、熱音響機関３１は、２個の原動機２が互いに離れた位置に分散して配置されているため、構成が複雑で大型になる。

これに対し図１の熱音響機関１１は、ループ管１が２周回させて形成され、第一の周回部分１ａに第一の原動機２ａが設けられ、第二の周回部分１ｂに第二の原動機２ｂが設けられているので、２個の原動機２が互いに近接した配置となっている。このため、図３の熱音響機関３１に比べて図１の熱音響機関１１は、２個の原動機２間の冷却器５同士を繋ぐ配管や加熱器３同士を繋ぐ配管の長さを大幅に短くすることができる。特に、図１の実施形態では、それぞれの原動機２の冷却器５同士が対向し、かつ、それぞれの原動機２の加熱器３同士が対向する配置となっているので、配管を最短とすることができる。

以上のように、熱音響機関１１は、配管の長さが短くなるため、配管を流れる流体からの熱が外部に漏れにくくなり、熱音響機関１１の熱効率は大幅に上昇する。

また、熱音響機関１１は、ループ管１が２周回させて形成されているため、ループ管１はその全長に比して占有面積及び占有体積を小さくすることができる。そして、２個の原動機２が互いに近接して配置されているため、構成が簡素となり、小型化が可能になる。

次に、図４に示した熱音響機関４１は、熱音響機関１１に枝管６を取り付けたものである。枝管６を取り付けることで、いっそう大きな音響強度が得られる。

１１，４１熱音響機関
１ループ管
１ａ第一の周回部分
１ｂ第二の周回部分
２原動機
２ａ第一の原動機
２ｂ第二の原動機
３加熱器
４再生器
５冷却器
６枝管

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加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられた熱音響機関において、上記ループ管が複数周回させて形成され、上記ループ管の第一の周回部分に第一の原動機が設けられ、第二の周回部分に第二の原動機が設けられたことを特徴とする熱音響機関。
上記第二の周回部分の上記第二の原動機が設けられた箇所は、上記第一の周回部分の上記第一の原動機が設けられた箇所に対して沿う箇所であることを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
上記第二の原動機は、上記第一の原動機の冷却器に上記第二の原動機の冷却器が対向し、かつ、上記第一の原動機の加熱器に上記第二の原動機の加熱器が対向することを特徴とする請求項１又は２記載の熱音響機関。