JP2011002119A - Thermoacoustic engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ループ管型の熱音響機関に係り、特に、組み立てが容易で熱が逃げにくい熱音響機関に関するものである。 The present invention relates to a loop tube type thermoacoustic engine, and more particularly, to a thermoacoustic engine that is easy to assemble and hardly releases heat.
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。 In order to extract energy from waste heat, research and development of Stirling engines have been actively conducted. Stirling engine types include α type, β type, γ type, and free piston type. On the other hand, recently, research and development of thermoacoustic engines having no moving parts such as pistons have been actively conducted.
管の中に薄板や細管を束ねた蓄熱器を配置し、その両端に加熱器、冷却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。 When a heat accumulator in which thin plates or thin tubes are bundled in a tube and a heater and a cooler are installed at both ends to give a temperature difference, part of the heat energy is converted into mechanical energy, and the air in the tube The column causes self-excited vibration, and sound waves (acoustic vibration) are generated. This action can be seen thermodynamically as a prime mover. A thermoacoustic engine uses this phenomenon.
逆に、管の一端に音波を加えると加熱器と冷却器と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。 Conversely, when a sound wave is applied to one end of the tube, a temperature difference occurs between both ends of the heat accumulator sandwiched between the heater and the cooler. By utilizing this phenomenon, a refrigeration apparatus and a temperature raising apparatus can be realized.
従来の熱音響機関としては、冷却器(低温側熱交換器)、蓄熱器(再生器、スタック)、加熱器(高温側熱交換器)からなる原動機をループ管に1組有するものが一般的である(例えば、特許文献1,2参照)。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。
As a conventional thermoacoustic engine, one having a set of prime movers consisting of a cooler (low temperature side heat exchanger), a heat accumulator (regenerator, stack), and a heater (high temperature side heat exchanger) in a loop pipe is common. (For example, see
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、熱音響機関を車両に搭載する場合、原動機の加熱器にエンジンの排気熱を高温源として供給し、原動機の冷却器に大気を低温源として供給すると共に、受動機の高温側熱交換器に大気を高温源として供給することで、受動機の低温側熱交換器側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。 The thermoacoustic engine is applied to a cooling device for a living room and a refrigeration / freezing device for articles in a building or a moving body. For example, when a thermoacoustic engine is mounted on a vehicle, the engine exhaust heat is supplied to the motor heater as a high temperature source, the atmosphere is supplied to the motor cooler as a low temperature source, and the high temperature side heat exchanger of the passive machine is supplied. By supplying the atmosphere as a high temperature source, it is possible to extract a cold output having a temperature lower than that of the atmosphere from the low temperature side heat exchanger side of the passive machine. Using this cold output, for example, various coolers mounted on the vehicle (for example, a cooling air conditioner, an oil cooler, a canister, etc.) can be functioned.
従来の熱音響機関では、上述のように、ループ管に設けられる原動機の個数は1個である。これに対して本発明者らは、ループ管に設けられる原動機の個数を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。 In the conventional thermoacoustic engine, as described above, the number of prime movers provided in the loop pipe is one. In contrast, the present inventors have already proposed a thermoacoustic engine in which the number of prime movers provided in the loop tube is two or more, lowering the oscillation start temperature and exciting a large acoustic intensity in the loop tube. Yes.
さらに、本発明者らは、複数の原動機の冷却器同士を繋ぐ配管や加熱器同士を繋ぐ配管の長さを短くし、熱効率の向上および小型化を図るべく、図5(a)に示すように、ループ管52を複数周回させて形成した熱音響機関51を提案中である。 Furthermore, the present inventors have shown in FIG. 5 (a) in order to shorten the length of the piping connecting the coolers of the plurality of prime movers and the piping connecting the heaters to improve the thermal efficiency and reduce the size. Furthermore, a thermoacoustic engine 51 formed by rotating the loop tube 52 a plurality of times is being proposed.
図5(a)の熱音響機関51では、ループ管52を2周回させて形成すると共に、両周回部分の隣り合う箇所に原動機53をそれぞれ設け、両原動機53の加熱器54に高温源のエンジンの排気熱を、両原動機53の冷却器55に低温源として冷却水を供給するようにしている。
In the thermoacoustic engine 51 shown in FIG. 5A, the
しかしながら、上述の熱音響機関51では、加熱器54と冷却器55がそれぞれ独立に配置されているため、図5(b)に示すように、加熱器54同士、冷却器55同士をそれぞれ連結する連結流路56が必要となる。これら加熱器54、冷却器55、及び連結流路56は、エンジンからの排気ガスなど高温の作動流体が通るため、ロー付けまたは溶接構造により製作される。そのため、部品の位置を合わせて製作することが難しく、構造が複雑になってしまうという問題がある。
However, in the above-mentioned thermoacoustic engine 51, since the
さらに、熱音響機関51では、加熱器54同士、あるいは冷却器55同士を連結流路56で連結するため、表面積が大きくなってしまい、熱が外部に逃げやすいという問題もある。
Furthermore, in the thermoacoustic engine 51, since the
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、組み立てが容易で熱が逃げにくい熱音響機関を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a thermoacoustic engine that is easy to assemble and does not easily escape heat.
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、熱エネルギを前記ループ管内の音響エネルギに変換する加熱器・蓄熱器・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、前記ループ管を複数周回させて形成すると共に、その周回部分の隣り合う箇所にそれぞれ前記原動機を設けてなり、前記各原動機の加熱器と冷却器とを、それぞれ一体に形成した熱音響機関である。 The present invention was devised to achieve the above object, and a thermoacoustic provided with a prime mover comprising a heater, a heat accumulator, and a cooler that converts thermal energy into acoustic energy in the loop tube. In the engine, the loop tube is formed by rotating a plurality of times, and the prime movers are provided in adjacent portions of the circulation portion, and the heater and the cooler of each prime mover are integrally formed, respectively. Is an institution.
前記加熱器と前記冷却器は、前記ループ管の周回部分を横断するように設けられる金属ブロックと、該金属ブロックに設けられ、前記金属ブロックと外部から供給される熱媒体との間で熱交換するための熱媒体用熱交換部と、前記金属ブロックに設けられ、前記金属ブロックと前記ループ管内の作動流体との間で熱交換するための複数の作動流体用熱交換部とからなってもよい。 The heater and the cooler are heat exchange between a metal block provided so as to cross a looped portion of the loop pipe, and the metal block provided in the metal block and a heat medium supplied from the outside. A heat exchanging part for a heat medium for carrying out heat and a plurality of working fluid heat exchanging parts provided in the metal block for exchanging heat between the metal block and the working fluid in the loop pipe. Good.
前記熱媒体用熱交換部は、前記金属ブロックに形成された前記熱媒体を流すための熱媒体用流路と、該熱媒体用流路内に設けられ、前記金属ブロックと前記熱媒体との間で熱交換するための熱媒体用フィンとからなってもよい。 The heat exchanger for heat medium is provided in the heat medium flow path for flowing the heat medium formed in the metal block, and is provided in the heat medium flow path. It may consist of a heat medium fin for exchanging heat between them.
前記熱媒体用流路は、前記ループ管の周回部分を横断する横断方向に沿って前記金属ブロックに形成されてもよい。 The heat medium flow path may be formed in the metal block along a transverse direction that traverses a circumferential portion of the loop pipe.
前記作動流体用熱交換部は、前記ループ管内に位置する前記金属ブロックに、該金属ブロックを貫通する多数のスリットを形成してなる作動流体用フィンからなってもよい。 The working fluid heat exchanging section may be formed of a working fluid fin formed by forming a plurality of slits penetrating the metal block in the metal block located in the loop pipe.
本発明によれば、組み立てが容易で熱が逃げにくい熱音響機関を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a thermoacoustic engine that is easy to assemble and hardly releases heat.
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。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施の形態に係る熱音響機関の斜視図であり、図2,3はその別方向から見た斜視図(一部破断面図)である。 FIG. 1 is a perspective view of a thermoacoustic engine according to the present embodiment, and FIGS. 2 and 3 are perspective views (partially broken sectional views) seen from another direction.
図1〜3に示すように、熱音響機関1は、ループ管2に、熱エネルギをループ管2内の音響エネルギに変換する原動機3を設けたものである。原動機3は、加熱器4と、蓄熱器5と、冷却器6とをループ管2の管軸方向に並べたものである。なお、図2,3の破断面においては、図の簡略化のため、蓄熱器5を省略している。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
ループ管2は、複数周回させて形成される。原動機3は、ループ管2の周回部分の隣り合う箇所にそれぞれ設けられる。本実施の形態では、ループ管2を4周回させ、各周回部分の隣り合う箇所に合計4個の原動機3を配置してなる。ループ管2の周回回数や原動機3の個数については、これに限定されない。
The
本実施の形態では、ループ管2を、螺旋状(コイル状)に形成した螺旋部2aと螺旋部2aの両端を接続する接続部2bとで構成しているが、これに限らず、例えば、渦巻き状に形成してもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、ループ管2を、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しているが、全体的に丸く形成するようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, the
さて、本実施の形態に係る熱音響機関1では、各原動機3の加熱器4と冷却器6とを、それぞれ一体に形成している。
Now, in the
具体的には、各原動機3の加熱器4を一体に形成した加熱器モジュール40と、各原動機3の冷却器6を一体に形成した冷却器モジュール41とを形成し、加熱器モジュール40と冷却器モジュール41との間に、薄板や細管を束ねた複数の蓄熱器5をそれぞれ配置するようにしている。
Specifically, a
図4(a),(b)に示すように、加熱器モジュール40と冷却器モジュール41は、ループ管2の周回部分(螺旋部2a)を横断するように設けられる金属ブロック7と、金属ブロック7に設けられ、金属ブロック7と外部から供給される熱媒体(排気ガスなどの高温流体、あるいは冷却水などの低温流体)との間で熱交換するための熱媒体用熱交換部8と、金属ブロック7に設けられ、金属ブロック7とループ管2内の作動流体との間で熱交換するための複数(図4(a)では4つ)の作動流体用熱交換部9とからなる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
熱媒体用熱交換部8は、金属ブロック7に形成された熱媒体を流すための熱媒体用流路10と、熱媒体用流路10内に設けられ、金属ブロック7と熱媒体との間で熱交換するための熱媒体用フィン11とからなる。
The heat medium heat exchanger 8 is provided in the heat
熱媒体用流路10は、ループ管2の周回部分を横断する横断方向(図4(a)では左手前から右奥の方向)に沿って金属ブロック7に形成される。本実施の形態では、金属ブロック7の両側部に熱媒体用流路10を形成している。
The heat
熱媒体用フィン11は、細長い板状の金属からなり、熱媒体用流路10内に、熱媒体用流路10に沿って配置される。熱媒体用フィン11は金属ブロック7と一体に形成される。
The heat medium fins 11 are made of an elongated plate-like metal, and are arranged in the heat
作動流体用熱交換部9は、ループ管2内に位置する金属ブロック7に、金属ブロック7を貫通する多数のスリットを形成してなる作動流体用フィン12からなる。作動流体用フィン12は、金属ブロック7の幅方向中央部に、横断方向に沿って複数(図4(a)では4つ)形成される。
The working fluid heat exchanging section 9 is composed of working fluid fins 12 formed by forming a number of slits penetrating the metal block 7 in the metal block 7 located in the
加熱器モジュール40では、熱媒体用流路10に排気ガスなどの高温流体が供給され、この高温流体の熱が熱媒体用フィン11で受熱され、金属ブロック7に伝わる。金属ブロック7の熱は、作動流体用フィン12に伝わり、作動流体用フィン12にてループ管2内の作動流体を加熱する。
In the
他方、冷却器モジュール41では、熱媒体用流路10に冷却水などの低温流体が供給され、この低温流体の冷熱が熱媒体用フィン11で受熱され、金属ブロック7に伝わる。金属ブロック7の冷熱は、作動流体用フィン12に伝わり、作動流体用フィン12にてループ管2内の作動流体を冷却する。
On the other hand, in the
本実施の形態では、加熱器モジュール40と冷却器モジュール41との間に複数(図4(a)では4つ)の蓄熱器5を配置して原動機モジュール42を予め形成しておき、この原動機モジュール42をループ管2に取り付けるようにした。より具体的には、ループ管2の螺旋部2aの各ストレート管を2分割し、一方を加熱器モジュール40の作動流体用フィン12を形成した位置に接続し、他方を冷却器モジュール41の作動流体用フィン12を形成した位置に接続するようにした。
In the present embodiment, a plurality of (four in FIG. 4A)
以上説明したように、本実施の形態に係る熱音響機関1では、ループ管2を複数周回させて形成すると共に、その周回部分の隣り合う箇所にそれぞれ原動機3を設けてなり、各原動機3の加熱器4と冷却器6とを、それぞれ一体に形成している。
As described above, in the
加熱器4と冷却器6とをそれぞれ一体に形成して加熱器モジュール40、冷却器モジュール41とすることにより、従来のようにロー付けや溶接構造などにより連結流路等を製作する必要がなくなり、組み立てが容易になる。また、複数の加熱器4、あるいは複数の冷却器6が一体に形成されているため、構成が簡素となり、小型化が可能になる。
By forming the
さらに、熱音響機関1では、ループ管2が周回させて形成されているため、ループ管2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。
Furthermore, in the
また、熱音響機関1では、加熱器4と冷却器6を、ループ管2の周回部分を横断するように設けられる金属ブロック7と、金属ブロック7と外部から供給される熱媒体との間で熱交換するための熱媒体用熱交換部8と、金属ブロック7とループ管2内の作動流体との間で熱交換するための複数の作動流体用熱交換部9とで構成しているため、加熱器4と冷却器6の表面が平らになり、表面積が小さくなるため、熱が逃げにくく(外部に漏れにくく)なる。よって、熱音響機関1の熱効率を向上できる。
In the
上記実施の形態では、各原動機3を配置する位置について述べなかったが、各原動機3を配置する位置は、音響が発振するモードに応じてループ管2のループ長を自然数で等分割した位置にそれぞれ配置することが望ましい。
In the above embodiment, the position where each
1 熱音響機関
2 ループ管
3 原動機
4 加熱器
5 蓄熱器
6 冷却器
7 金属ブロック
8 熱媒体用熱交換部
9 作動流体用熱交換部
10 熱媒体用流路
11 熱媒体用フィン
12 作動流体用フィン
40 加熱器モジュール
41 冷却器モジュール
42 原動機モジュール
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ループ管を複数周回させて形成すると共に、その周回部分の隣り合う箇所にそれぞれ前記原動機を設けてなり、
前記各原動機の加熱器と冷却器とを、それぞれ一体に形成したことを特徴とする熱音響機関。 In a thermoacoustic engine provided with a prime mover composed of a heater, a heat accumulator, and a cooler that converts heat energy into acoustic energy in the loop tube,
The loop tube is formed by making a plurality of turns, and the prime mover is provided at each of the adjacent portions of the turn part,
A thermoacoustic engine in which a heater and a cooler of each prime mover are integrally formed.
前記ループ管の周回部分を横断するように設けられる金属ブロックと、
該金属ブロックに設けられ、前記金属ブロックと外部から供給される熱媒体との間で熱交換するための熱媒体用熱交換部と、
前記金属ブロックに設けられ、前記金属ブロックと前記ループ管内の作動流体との間で熱交換するための複数の作動流体用熱交換部とからなる請求項1記載の熱音響機関。 The heater and the cooler are:
A metal block provided so as to cross the circumferential portion of the loop tube;
A heat exchanger for heat medium provided in the metal block for exchanging heat between the metal block and a heat medium supplied from the outside;
2. The thermoacoustic engine according to claim 1, comprising a plurality of working fluid heat exchanging portions provided on the metal block for exchanging heat between the metal block and the working fluid in the loop pipe.
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