JP2011002152A

JP2011002152A - 熱音響機関

Info

Publication number: JP2011002152A
Application number: JP2009145295A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hasegawa; 真也長谷川; Tomohisa Saku; 智久窄; Kota Saito; 宏太斎藤
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: JP5446498B2

Abstract

【課題】多くの音響強度をループ管内に励起でき、発振温度差が小さい熱音響機関を提供する。
【解決手段】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加熱器６・蓄熱器５・冷却器４からなる原動機３が設けられた熱音響機関において、ループ管２に縮小管７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、多くの音響強度をループ管内に励起でき、発振温度差が小さい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、様々な形式がある。これに対し、最近では、米国を中心として構造が単純で、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再生器を配置し、その両端に加熱器、冷却器を設置して温度差を与える（管内の気柱を局部的に加熱または冷却する）と、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、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加熱器と冷却器とに挟まれた再生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（冷却装置）、昇温装置を実現することが可能である。

図３に示すように、従来の熱音響機関３１は、冷却器（低温側熱交換器）３２、再生器（蓄熱器、スタック）３３、加熱器（高温側熱交換器）３４からなる原動機３５をループ管３６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３１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、熱音響冷凍機が構成される。

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、熱音響機関３１を車両に搭載する場合、原動機３５の加熱器３４にエンジンの排気熱を高温源として供給し、原動機３５の冷却器３２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。

特許第３０５０５４３号公報特開２００６−１４９１７６号公報

しかしながら、図３のようなループ管型の熱音響機関３１では、音波の発生源である熱交換器（冷却器３２、加熱器３４）が必ず音圧の腹（定在波の腹）に位置してしまう。音圧の腹では、流体変位が微小であるために大きな熱交換を行うことができない。そのため、ループ管３６のみで形成された従来の熱音響機関３１では、大きな出力を発揮することができなかった。

また、熱音響機関３１において原動機３５で自励発振を発生させるには、冷却器３２に供給する低温源を大気とした場合、加熱器３４に供給する高温源として３００℃程度の熱源が必要となる。しかし、低温熱源の利用等を考慮すると、発振温度差は小さいことが望ましい。発振温度差とは、原動機３５が自励発振を発生するときの冷却器３２と加熱器３４の温度差のことである。

そこで、本発明の目的は、多くの音響強度をループ管内に励起でき、発振温度差が小さい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、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、前記ループ管に縮小管を設けた熱音響機関である。

前記縮小管は、前記ループ管の前記原動機を設けた位置を起点とし、前記原動機の加熱器側から前記ループ管の全長の３０〜３５％、または８０〜８５％の位置に設けられてもよい。

振動モードがｎ次（ｎは１以上の自然数）であり、前記縮小管は、前記ループ管の前記原動機を設けた位置を起点として前記ループ管をｎ等分し、該分割したループ管の前記原動機の加熱器側から３０〜３５％、または８０〜８５％の位置に設けられてもよい。

本発明によれば、多くの音響強度をループ管内に励起でき、発振温度差が小さい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を示す図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）はその展開図である。本発明において、縮小管の位置を変化させたときの発振温度差の変化を示すグラフ図である。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（ａ）は、本実施の形態に係る熱音響機関の構成図である。

図１（ａ）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、冷却器４、再生器５、加熱器６をループ管２の管軸方向に並べたものである。冷却器４、再生器５、加熱器６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。

熱音響機関１では、ループ管２に縮小管７が設けられる。縮小管７の径は、ループ管２の径よりも小さく形成され、例えば、ループ管２の径の半分程度に形成される。縮小管７の両端部は、ループ管２との接続部に向かって徐々に拡径するようにテーパ状に形成されている。

縮小管７は、ループ管２の原動機３を設けた位置（再生器５の管軸方向の中心位置）を起点とし、原動機３の加熱器６側からループ管２の全長の３０〜３５％の位置Ａ、または８０〜８５％の位置Ｂに設けられる。図１（ａ）では、ループ管２の全長の８０〜８５％の位置Ｂに縮小管７を設けた場合を示している。

縮小管７の長さ（管軸方向の長さ）は、例えば、ループ管２の全長の３％程度とされる。縮小管７は、その管軸方向の中心が上述の位置Ａ，Ｂとなるようにループ管２に設けられる。

図１（ａ）の熱音響機関１において、ループ管２を直線状に展開した展開図を図１（ｂ）に示す。なお、図１（ｂ）では、縮小管７を省略している。

図１（ｂ）に示すように、縮小管７は、ループ管２を管軸方向に２０分割したときに、原動機３を設けた位置から加熱器６側に６／２０〜７／２０の範囲である位置Ａ、あるいは１６／２０〜１７／２０の範囲である位置Ｂのいずれかに配置される。なお、縮小管７はどちらかの位置Ａ，Ｂに一つだけ取り付ければよい。

ここで、縮小管７を設ける位置をループ管２の全長の３０〜３５％の位置Ａ、または８０〜８５％の位置Ｂとする理由について説明する。

ループ管２の全長を約３０００ｍｍとし、縮小管７を設ける位置（縮小管位置；再生器５の中心位置からの距離）を変更して、各々の位置に縮小管７を設けたときの発振温度差（原動機３が自励発振を発生するときの冷却器４と加熱器６の温度差）を測定した。測定結果を図２に示す。

図２に示すように、再生器５の中心位置から約１０００ｍｍの位置、あるいは２５００ｍｍの位置に縮小管７を設けたときに、発振温度差が最も小さくなることが分かる。つまり、ループ管２の全長の３０〜３５％の位置Ａ、または８０〜８５％の位置Ｂに縮小管７を設けたときに、発振温度差が最も小さくなる。

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の原動機３を設けた位置を起点とし、原動機３の加熱器６側からループ管２の全長の３０〜３５％の位置Ａ、または８０〜８５％の位置Ｂに、縮小管７を設けている。

上述のように、従来の熱音響機関では、音波の発生源である熱交換器が必ず音圧の腹に位置してしまうため、熱交換器にて大きな熱交換を行うことができなかった。

熱音響機関１では、ループ管２の上述の位置Ａ，Ｂいずれかに縮小管７を設けているため、ループ管２内に封入された作動流体の流速が縮小管７を設けた部分でのみ速くなる。その結果、定常状態での音圧の位相（定在波の位相）が変化し、熱交換器（冷却器４、加熱器６）が音圧の腹（定在波の腹）に位置しなくなる。つまり、熱交換器４，６において適切な流体変位を保つことが可能となり、熱交換器４，６における作動流体の流体変位が大きくなる。よって、熱交換器にて大きな熱交換を行うことが可能となり、エネルギ変換効率が向上し、多くの音響強度をループ管２内に励起することが可能となる。

したがって、熱音響機関１に受動機を組み込んで熱音響冷凍装置として用いた場合、従来と比較して、低温を実現することができる。また、熱音響機関１に音響エネルギを電気エネルギに変換する発電機を組み込んで熱音響発電装置として用いた場合、従来と比較して、発電量の向上が可能である。

また、熱音響機関１によれば、ループ管２の上述の位置Ａ，Ｂいずれかに縮小管７を設けているため、発振温度差を大幅に下げることが可能となり、少ない投入エネルギ量での発振が可能となる。そのため、装置全体の小型化が可能となり、機器全体の体積を減少させることが可能である。

上記実施の形態では、振動モードが１次である場合を説明したが、１次以上のｎ次（ｎは１以上の自然数）の振動モードで用いる場合、ループ管２の原動機３を設けた位置を起点としてループ管２をｎ等分し、分割したループ管２の原動機３の加熱器６側から３０〜３５％、または８０〜８５％の位置に、縮小管７を設けるようにすればよい。縮小管７は分割したループ管２それぞれに設ける必要はなく、ループ管２全体で１つ設ければよい。

１熱音響機関
２ループ管
３原動機
４冷却器
５再生器
６加熱器
７縮小管

Claims

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、
前記ループ管に縮小管を設けたことを特徴とする熱音響機関。
前記縮小管は、前記ループ管の前記原動機を設けた位置を起点とし、前記原動機の加熱器側から前記ループ管の全長の３０〜３５％、または８０〜８５％の位置に設けられる請求項１記載の熱音響機関。
振動モードがｎ次（ｎは１以上の自然数）であり、
前記縮小管は、前記ループ管の前記原動機を設けた位置を起点として前記ループ管をｎ等分し、該分割したループ管の前記原動機の加熱器側から３０〜３５％、または８０〜８５％の位置に設けられる請求項１記載の熱音響機関。