JP2011007397A

JP2011007397A - 熱音響機関

Info

Publication number: JP2011007397A
Application number: JP2009150193A
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: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-06-24
Also published as: JP5564837B2

Abstract

【課題】発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、小型化が可能な熱音響機関を提供する。
【解決手段】ループ管１に、熱エネルギを該ループ管１内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器２・再生器３・冷却器４からなる原動機５が設置された熱音響機関１１において、ループ管１から分岐してその分岐箇所とは別の箇所でループ管１に合流する分岐管６が設置された。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、小型化が可能な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、米国ロスアラモス研究所などにおいて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３に示した熱音響機関３１は、ループ管１に加熱器、再生器、冷却器からなる原動機５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、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２００６−１４５１７６号公報

しかしながら、従来の熱音響機関３１は、発振開始温度（加熱器と冷却器の温度差で表す）を大幅に低くすることができない。また、従来の熱音響機関３１は、高いエネルギ変換効率が得られないため、大きな音響強度をループ管１内に励起することができず、また、大きな音響強度を得ようとすると大型になってしまう。

熱音響機関は、前述のような家庭や乗り物に利用用途があることから、発振開始温度を低くすることができ、しかも、高いエネルギ変換効率が得られることが望ましい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、小型化が可能な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、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設置された熱音響機関において、上記ループ管から分岐してその分岐箇所とは別の箇所で上記ループ管に合流する分岐管が設置されたものである。

上記分岐管は、上記原動機を起点に上記加熱器の方向に、上記ループ管の全長の５〜１０％、５５〜６０％のいずれかの範囲内となる位置に配置されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）発振開始温度が低くできる。

（２）大きな音響強度が得られる。

（３）小型化が可能となる。

図１（ａ）は本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図であり、図１（ｂ）はループ管を展開した分岐管位置表示図である。本発明者らが実験により得た熱音響機関における分岐管位置対発振開始加熱器温度の特性グラフである。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して発振を生じさせる加熱器２・再生器３・冷却器４からなる原動機５が設置された熱音響機関１１において、ループ管１から分岐してその分岐箇所とは別の箇所でループ管１に合流する分岐管６が設置されたものである。原動機５の加熱器２からループ管１の管軸方向に見て、まず分岐箇所があり、その先に合流箇所がある。

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

分岐管６は、ループ管１と断面形状及び内径が同じの円筒形の管である。分岐管６の長さ（分岐箇所から合流箇所までの管軸方向の長さ）は、限定しないが、例えば、ループ管１の全長の数％程度である。

分岐管６は、分岐箇所においてループ管１に対して直角に分岐され、ループ管１から所定距離離れたところでループ管１と平行になり、合流箇所においてループ管１に対して直角に合流する。平行部分の分岐管６とループ管１との距離は限定しない。

分岐管６は、原動機５の設置位置を起点とし、加熱器２のある方向に、ループ管２の全長の５〜１０％の範囲Ａ１、又は３０〜３５％の範囲Ａ２に設置される。分岐管６の設置位置は、分岐管６の分岐箇所と合流箇所の中心位置で表す。原動機５の設置位置は、原動機５の管軸方向の中心位置で表す。

次に、図１の熱音響機関１１の効果を説明する。

本発明者らは、従来の熱音響機関３１においてループ管１に分岐管６を設けることで、前述の課題が解決できることを見出した。さらに、本発明者らは、ループ管１に分岐管６を設ける位置を移動させる実験を通して、発振開始温度が最も低くなる分岐管６の位置を見出した。

図１（ａ）の熱音響機関１１について、図１（ｂ）のようにループ管１を直線状に展開し、ループ管１の全長を２０等分してループ管１上の位置の指標を置くものとする。原動機５の中心位置を０番とし、加熱器２の方向に１番、２番、…と順に番号を振り、ループ管１を１周する。２０番は０番と等価となる。なお、等分数は、２０に限定するものではなく、等分数を小さくすると位置特定の精度が粗くなり、等分数を大きくすると位置特定の精度は密になるが実験の工数が増加する。

このようにして、分岐管６の位置を移動させ、加熱器２と冷却器４の温度差を徐々に大きくすることにより、一次モードで発振させる場合における発振開始温度を調べた。その結果を図２に示す。

ここでは、ループ管１の全長が３０００ｍｍであり、原動機５の中心位置を０ｍｍとし、加熱器２の方向に０〜３０００ｍｍまでの分岐管６の位置を横軸に取る。

図２に示されるように、分岐管６の位置により発振開始温度が異なる。実験した分岐管位置のうち、約２２５ｍｍと約１７２５ｍｍにおいて発振開始温度が顕著に低い。

以上の実験結果から、図１（ｂ）を導くことができる。すなわち、ループ管１の全長を２０等分したとき、原動機５を起点に加熱器２の方向に１番〜２番の区間Ａ１、１１番〜１２番の区間Ａ２が最適な分岐管位置となる。２０等分による距離で位置を表記すると、１／２０〜２／２０、１１／２０〜１２／２０が上記区間Ａ１，Ａ２に対応し、百分率で表記すると、原動機５を起点に加熱器２の方向にループ管１の全長の５〜１０％、５５〜６０％の範囲で示される位置が最適な分岐管位置となる。

上記の実験は、一次モードで発振する場合の実験であったが、二次モード以上の高次モードで発振させる場合でも、同様の効果が期待できる。なぜなら、分岐管６を設置したことにより、ループ管１内の気柱に分岐が形成され、気柱の音響振動特性が変化して、原動機５の加熱器２及び冷却器４の位置とループ管１内で発振する音響の定在波の位相との関係が発振に有利な関係となる。よって、高次モードで発振させる場合でも、一次モードで発振する場合と同様の効果が期待できる。

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、上記と同様の実験を行うことにより、分岐管６を設置する最適区間を定めることができる。例えば、ループ管１の原動機５を設けた位置を起点としてループ管１をｎ分割し、分割したループ管ごとに、加熱器２の方向に１／２０〜２／２０、１１／２０〜１２／２０の区間を最適区間とする。

以上説明したように、本発明の熱音響機関１１によれば、ループ管１から分岐してその分岐箇所とは別の箇所でループ管１に合流する分岐管６が設置されたので、従来に比べて発振開始温度が低くなるという効果が得られる。従来では、例えば、冷却器が常温であるとすると常温よりかなり高い温度の加熱器を必要としたのに対し、本発明では、冷却器が常温であるならば常温よりそれほど高くない温度の加熱器が利用できる。

また、本発明の熱音響機関１１によれば、発振開始温度が低くてもよいことから発振が容易になり、エネルギ変換効率が向上するので、従来より大きな音響強度が得られる。

また、本発明の熱音響機関１１によれば、発振開始温度が低くてもよいことから発振が容易になり、エネルギ変換効率が向上するので、従来より少ない投入エネルギ量で発振が可能となる。

また、本発明の熱音響機関１１によれば、少ない投入エネルギ量で発振が可能になるため、小型化が可能となる。小型化により、熱音響機関１１の体積を従来より小さくすることができる。

したがって、熱音響機関１１に受動機を組み込んで熱音響機関による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１１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機関による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。

１ループ管
２加熱器
３再生器
４冷却器
５原動機
６分岐管
１１熱音響機関

Claims

ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設置された熱音響機関において、上記ループ管から分岐してその分岐箇所とは別の箇所で上記ループ管に合流する分岐管が設置されたことを特徴とする熱音響機関。
上記分岐管は、上記原動機を起点に上記加熱器の方向に、上記ループ管の全長の５〜１０％、５５〜６０％のいずれかの範囲内となる位置に配置されたことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。