JP2011002153A - 熱音響機関 - Google Patents

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に振動膜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２に示すように、従来の熱音響機関２１は、冷却器（低温側熱交換器）２２、再生器（蓄熱器、スタック）２３、加熱器（高温側熱交換器）２４からなる原動機２５をループ管２６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２１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２１を車両に搭載する場合、原動機２５の加熱器２４にエンジンの排気熱を高温源として供給し、原動機２５の冷却器２２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２のようなループ管型の熱音響機関２１では、音波の発生源である熱交換器（冷却器２２、加熱器２４）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２６のみで形成された従来の熱音響機関２１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２１において原動機２５で自励発振を発生させるには、冷却器２２に供給する低温源を大気とした場合、加熱器２４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２５が自励発振を発生するときの冷却器２２と加熱器２４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、前記ループ管に振動膜を設けた熱音響機関である。

前記振動膜は、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５〜１０％、または５５〜６０％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、前記振動膜は、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５〜１０％、または５５〜６０％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。 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に振動膜７が設けられる。振動膜７は、振動を維持可能なものであればよく、例えば、ゴム膜からなる。

振動膜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５〜１０％の位置Ａ、または５５〜６０％の位置Ｂに設けられる。図１（ａ）では、ループ管２の全長の５５〜６０％の位置Ｂに振動膜７を設けた場合を示している。

振動膜７は、ループ管２内部に封入された作動流体（気体）を通過させないように、管軸方向に対して垂直に、かつ管壁に密着して設置される。

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、振動膜７を省略している。

図１（ｂ）に示すように、振動膜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１／２０〜２／２０の範囲である位置Ａ、あるいは１１／２０〜１２／２０の範囲である位置Ｂのいずれかに配置される。なお、振動膜７はどちらかの位置Ａ，Ｂに一つだけ取り付ければよい。

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、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５〜１０％の位置Ａ、または５５〜６０％の位置Ｂに、振動膜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いずれかに振動膜７を設けているため、擬似的に振動膜７を設けた位置にループ管２内に封入された作動流体の流速の最小位置を形成することが可能となる。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４，６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いずれかに振動膜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５〜１０％、または５５〜６０％の位置に、振動膜７を設けるようにすればよい。振動膜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 振動膜

Claims (3)

1. 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、
   前記ループ管に振動膜を設けたことを特徴とする熱音響機関。
2. 前記振動膜は、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５〜１０％、または５５〜６０％の位置に設けられる請求項１記載の熱音響機関。
3. 振動モードがｎ次（ｎは１以上の自然数）であり、
   前記振動膜は、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５〜１０％、または５５〜６０％の位置に設けられる請求項１記載の熱音響機関。

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