JP2011122567A - Thermoacoustic engine and alpha-type stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流路断面積の変化が小さい熱音響機関及びα型スターリングエンジンに関する。 The present invention relates to a thermoacoustic engine and an α-type Stirling engine with a small change in flow path cross-sectional area.
図5に示されるように、従来の熱音響機関(熱音響スターリングエンジン)51は、中空の音響筒52内に作動流体が満たされ、作動流体に外部からの熱を取り込むためのフィンを有する加熱器53と作動流体から外部に熱を取り出すためのフィンを有する冷却器54とが音響筒52の長手方向に間隔をあけて配置され、加熱器53と冷却器54の間に再生器55が配置されてなる。加熱器53と再生器55と冷却器54を合わせて原動機(プライムムーバ)という。図5の熱音響機関は、音響筒52がループ状に閉じた形態のものである。
As shown in FIG. 5, a conventional thermoacoustic engine (thermoacoustic Stirling engine) 51 is filled with a working fluid in a hollow
図6に示した原動機の場合、加熱器61は、音響筒62に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が開放された外筒63を有し、外筒63の内部には流路と平行な複数の内部フィン64が並べられ、外筒63の外周には複数の外部フィン65が設けられる。冷却器66も同様に、音響筒62に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が開放された外筒63を有し、外筒63の内部には流路と平行な複数の内部フィン64が並べられ、外筒63の外周には複数の外部フィン65が設けられる。再生器67は、音響筒62に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が開放された外筒68を有し、外筒68の内部に流路を横断する複数の金網69が長手方向に積層される。音響筒62から加熱器61、再生器67、冷却器66、反対側の音響筒62まで、形状と寸法が同じ断面輪郭のまま連通している。この原動機では、加熱器61において、外部の熱が外部フィン65に吸収され、その熱が内部フィン64に伝導され、内部フィン64から作動流体に熱が放出される。冷却器66においては、加熱器61とは逆の熱交換が行われる。
In the case of the prime mover shown in FIG. 6, the
図7に示した原動機の場合、加熱器71は、音響筒72に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が閉じられた外筒73を有し、その外筒73の両端間に複数の細管74が挿通されている。冷却器75も同様に、音響筒に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が閉じられた外筒73を有し、その外筒73の両端間に複数の細管74が挿通されている。再生器76は、音響筒72に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が開放された外筒77を有し、外筒77の内部に流路を横断する複数の金網78が長手方向に積層される。音響筒72から再生器76までは加熱器71の細管74を通して連通し、再生器76から反対側の音響筒72までは冷却器75の細管74を通して連通している。加熱器71の外筒73内には高温の熱媒流体が流され、冷却器75の外筒内には低温の熱媒流体が流される。この原動機では、加熱器71及び冷却器75の細管74がフィンの役割をする。
In the case of the prime mover shown in FIG. 7, the heater 71 has an
図6に示した原動機では、加熱器61も冷却器66も、内部フィン64の伝熱性能を確保するために、内部フィン64の厚さをあまり薄くすることはできない。一方、音響筒62と同一サイズの外筒63の内部に内部フィン64が存在することで、外筒63内における流路の断面積は音響筒62における流路の断面積に比べて小さくなる。内部フィン64の厚さを厚くすると、外筒63内における流路の断面積はいっそう小さくなる。
In the prime mover shown in FIG. 6, neither the
図7に示した原動機では、加熱器71も冷却器75も、外筒73の両端が閉じられており、流路は細管74のみとなるので、外筒73内における流路の断面積は音響筒72における流路の断面積に比べて小さくなる。
In the prime mover shown in FIG. 7, both ends of the
ところで、熱音響機関では、発生した音波の反射を少なくすることが望ましい。音波の反射が発生すると、進行波から定在波が励起される。熱音響機関の熱力学的サイクルは、進行波により実現されるため、進行波成分の割合を定在波成分の割合よりも高くすることが望ましい。したがって、音波の反射を抑えることが熱音響機関の出力向上のための必要課題となる。 By the way, in a thermoacoustic engine, it is desirable to reduce reflection of the generated sound wave. When reflection of a sound wave occurs, a standing wave is excited from a traveling wave. Since the thermodynamic cycle of the thermoacoustic engine is realized by traveling waves, it is desirable to make the proportion of the traveling wave component higher than the proportion of the standing wave component. Therefore, suppressing reflection of sound waves is a necessary issue for improving the output of the thermoacoustic engine.
音波の反射は、作動流体の流路の断面積が変化する場所で発生する。例えば、音響筒に閉口部や開口部があると、大きく流路の断面積が変化する。逆に、作動流体の流路の断面積の変化をなるべく少なくすることが音波の反射を抑えるのに有効である。 The reflection of the sound wave occurs at a place where the cross-sectional area of the working fluid flow path changes. For example, if the acoustic cylinder has a closed portion or an opening, the cross-sectional area of the flow path changes greatly. Conversely, reducing the change in the cross-sectional area of the working fluid flow path as much as possible is effective in suppressing reflection of sound waves.
図6や図7の原動機は、音響筒62(72)から加熱器61(71)に入る境界及び冷却器66(75)から音響筒62(72)に入る境界にて大きく流路の断面積が変化するため、音波の反射が著しく、熱音響機関の出力を低下させる原因となっている。 The motor shown in FIGS. 6 and 7 has a large cross-sectional area of the flow path at the boundary from the acoustic cylinder 62 (72) to the heater 61 (71) and the boundary from the cooler 66 (75) to the acoustic cylinder 62 (72). Therefore, the reflection of sound waves is remarkable, which causes a decrease in the output of the thermoacoustic engine.
また、流路の断面積の急縮小や急拡大は、作動流体が流れるときに大きな抵抗となることが知られている。さらに、内部フィン64が配置された外筒63から金網69が配置された外筒68への流体の流れ、またはその逆の流れでは、急激に流れの向きが変えられ、これも流れを阻害する要因となる。このような流路抵抗は、図6や図7の原動機のみならず、キネマスティクスターリングエンジンやフリーピストンスターリングエンジン等の一般的なスターリングエンジンにおいても出力を低下させる原因となっている。
In addition, it is known that sudden reduction or rapid expansion of the cross-sectional area of the flow path causes a large resistance when the working fluid flows. Furthermore, in the flow of fluid from the
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、流路断面積の変化が小さい熱音響機関及びα型スターリングエンジンを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoacoustic engine and an α-type Stirling engine that solve the above-described problems and have a small change in flow path cross-sectional area.
上記目的を達成するために本発明の熱音響機関は、中空の音響筒内に作動流体が満たされ、前記作動流体に外部からの熱を取り込む加熱器と前記作動流体から外部に熱を取り出す冷却器とが前記音響筒の長手方向に間隔をあけて配置され、前記加熱器と前記冷却器の間に再生器が配置された熱音響機関において、前記音響筒に前記加熱器が接続される加熱器接続部から前記冷却器に前記音響筒が接続される冷却器接続部までにわたり、前記作動流体の流路が複数の細管により形成され、前記加熱器から前記再生器を経て前記冷却器までの間、前記複数の細管が相互に間隔をあけて配置され、前記加熱器接続部と前記冷却器接続部では、前記音響筒に向かって徐々に前記複数の細管同士の間隔が狭められ、前記音響筒に至るまでに前記複数の細管が相互に密着させて配置され、前記音響筒における流路断面積と前記複数の細管による総流路断面積との差が所定以下であるものである。 In order to achieve the above object, a thermoacoustic engine of the present invention includes a heater in which a working fluid is filled in a hollow acoustic cylinder, and heat from outside is taken into the working fluid, and cooling from which heat is taken out from the working fluid. In a thermoacoustic engine in which a regenerator is disposed between the heater and the cooler, and the heater is connected to the acoustic tube. The working fluid flow path is formed by a plurality of thin tubes extending from the heater connection portion to the cooler connection portion where the acoustic cylinder is connected to the cooler, and from the heater to the cooler via the regenerator In the meantime, the plurality of thin tubes are arranged with a space therebetween, and in the heater connection portion and the cooler connection portion, the spaces between the plurality of thin tubes are gradually narrowed toward the acoustic cylinder, The plurality of details before reaching the tube There is disposed in close contact with each other, the difference between the total flow path cross-sectional area due to the plurality of capillaries and the flow path cross-sectional area of the acoustic tube is of the predetermined or less.
前記複数の細管が相互に間隔をあけて配置された箇所では、各細管の断面輪郭が円形であり、前記複数の細管が相互に密着させて配置された箇所では、前記断面輪郭が円形の細管が集合され圧縮されて隙間なく密着されることにより、各細管の断面輪郭が六角形であってもよい。 The cross-sectional outline of each thin tube is circular at a location where the plurality of thin tubes are spaced apart from each other, and the cross-sectional contour is circular at a location where the plurality of thin tubes are arranged in close contact with each other. The cross-sectional contours of the thin tubes may be hexagonal by being collected and compressed and closely adhered without gaps.
前記加熱器では前記複数の細管相互の隙間に高温の熱媒流体が流され、前記冷却器では前記複数の細管相互の隙間に低温の熱媒流体が流されてもよい。 In the heater, a high-temperature heat transfer fluid may flow in the gaps between the plurality of thin tubes, and in the cooler, a low-temperature heat transfer fluid may flow in the gaps between the plurality of thin tubes.
また、本発明のα型スターリングエンジンは、前記熱音響機関の音響筒の長手方向両端にそれぞれレシプロ機構が接続されたものである。 In the α-type Stirling engine of the present invention, reciprocating mechanisms are respectively connected to both ends in the longitudinal direction of the acoustic cylinder of the thermoacoustic engine.
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits the following excellent effects.
(1)流路断面積の変化が小さい。 (1) The change in the channel cross-sectional area is small.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1及び図2に示されるように、本発明に係る熱音響機関1は、中空の音響筒2内に作動流体が満たされ、作動流体に外部からの熱を取り込む加熱器3と作動流体から外部に熱を取り出す冷却器4とが音響筒2の長手方向に間隔をあけて配置され、加熱器3と冷却器4の間に再生器5が配置される。加熱器3と再生器5と冷却器4により原動機が構成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a thermoacoustic engine 1 according to the present invention includes a working fluid filled in a hollow
熱音響機関1は、音響筒2に加熱器3が接続される加熱器接続部6と、冷却器4に反対側の音響筒2が接続される冷却器接続部7とを有する。加熱器接続部6から冷却器接続部7までにわたり、作動流体の流路が複数の細管8により形成される。図1には細管8は示していないが、細管8は、図2のように加熱器接続部6から冷却器接続部7までにわたり、切れ目なく続いている。すなわち、本発明では、加熱器3、再生器5、冷却器4が複数の細管8の束で構成される。加熱器3から再生器5を経て冷却器4までの間は、複数の細管8が相互に間隔をあけて配置され、加熱器接続部6と冷却器接続部7では、音響筒2に向かって徐々に複数の細管8同士の間隔が狭められ、音響筒2に至るまでに複数の細管8が相互に密着させて配置される。
The thermoacoustic engine 1 includes a
この実施形態では、細管8には、断面輪郭が円形のものが用いられる。ただし、複数の細管8が相互に間隔をあけて配置された箇所では、各細管8の断面輪郭は円形のままであるが、複数の細管8が相互に密着させて配置された箇所では、断面輪郭が円形の細管8が集合され圧縮されて隙間なく密着されることにより、各細管8の断面輪郭が六角形となる。
In this embodiment, a
図1には、加熱器3及び冷却器4に、細管8が通る穴8aが示されている。この穴8aの配置から分かるように、加熱器3から再生器5を経て冷却器4までの間では、複数の細管8は一定の間隔で規則的に配置される。これは熱交換性能を向上させるためである。特に、本実施形態では、加熱器3から再生器5を経て冷却器4までの間では、複数の細管8が全体的に角形に配置される。これは、全ての細管8が均等に熱媒流体に接するようにして全体としての熱交換量を大きくするためである。また、このとき横一列の細管8が縦に揃えられて碁盤目状の配置となってもよいが、奇数列と偶数列とで半ピッチずれることで千鳥格子状の配置となるのがいっそう好ましい。
In FIG. 1, a hole 8 a through which a
加熱器3には、全ての細管8を囲み込み、断面輪郭が角形で両端が閉じられた加熱器外筒9が設けられる。加熱器外筒9の閉じられた両端には、細管8を通すための穴8aが形成される。この加熱器外筒9には、高温の熱媒流体を導入・排出するための熱媒管10が接続される。これにより、加熱器3では複数の細管8の相互の隙間に高温の熱媒流体が流され、熱交換が行われることになる。
The
冷却器4には、加熱器3と同様に、全ての細管8を囲み込み、断面輪郭が角形で両端が閉じられた冷却器外筒11が設けられる。冷却器外筒11の閉じられた両端には、細管8を通すための穴8aが形成される。この冷却器外筒11には、低温の熱媒流体を外筒内に導入・排出するための熱媒管12が接続される。これにより、冷却器4では複数の細管8の相互の隙間に高温の熱媒流体が流され、熱交換が行われることになる。
Similarly to the
なお、加熱器外筒9と冷却器外筒11に供給される熱媒流体の高温・低温は相対的なもので、両者に適宜な温度差があればよい。また、流体の種類は問わない。例えば、高温の熱媒流体が内燃機関の排気ガス、低温の熱媒流体が冷却水であってもよい。 In addition, the high temperature and low temperature of the heat transfer fluid supplied to the heater outer cylinder 9 and the cooler outer cylinder 11 are relative, and it is sufficient that there is an appropriate temperature difference between the two. Moreover, the kind of fluid is not ask | required. For example, the high-temperature heat transfer fluid may be exhaust gas of an internal combustion engine, and the low-temperature heat transfer fluid may be cooling water.
音響筒2は、断面輪郭が円形に形成される。加熱器接続部6及び冷却器接続部7には、音響筒2への接続箇所では断面輪郭の形状が円形で加熱器3への接続箇所では断面輪郭の形状が角形となるように断面輪郭形状が変化するコーンケーブ状の接続部カバー13,14が設けられる。接続部カバー13,14は、音響筒2から加熱器外筒9又は冷却器外筒11までにわたり、全ての細管8を囲み込む。接続部カバー13,14は、必須のものではないが、原動機の気密性を向上させるために設けられる。
The
再生器5には、加熱器外筒9及び冷却器外筒11と断面輪郭の形状及び寸法が同じ角形の再生器カバー15が設けられる。再生器カバー15は、加熱器外筒9から冷却器外筒11までにわたり、全ての細管8を囲み込む。再生器カバー15は、必須のものではないが、再生器5の周囲の空気の動きを制限すると共に再生器5の機械的強度を補強するために設ける。
The regenerator 5 is provided with a
図3により、複数の細管8を集合・圧縮する様子を説明する。
The manner in which a plurality of
複数の断面輪郭が円形の細管8を互いに接するように集合し、圧縮しない状態では、細管8同士の間に小さい隙間が生じる。もし、この状態で細管8の集合を音響筒2に接続すると、細管8が音響筒2に連通するだけでなく、細管8の間の隙間も音響筒2に連通するため、作動流体が隙間に漏れてしまう。これを防ぐために、隙間を何かで埋めるとそこに端面が形成され、音波の反射を生じることになる。もちろん、この形態でも従来よりは流路断面積の変化は小さく、音響筒2における流路断面積と複数の細管8による総流路断面積との差を所望する程度に小さくすることはできる。しかし、本実施形態では、次のように細管8の圧縮を行う。
In a state where a plurality of circular
本実施形態では、複数の断面輪郭が円形の細管8を互いに接するように集合した後、周囲より圧縮することにより、全ての細管8を隙間なく密着させる。このとき、各細管8の断面輪郭は六角形となる。なお、密着性を高めるために、あらかじめ断面輪郭が円形の細管8の外周にロウ又は接着剤を付けておき、圧縮後に、細管8を相互にロウ又は接着剤で固めてもよい。この形態では、細管8同士の間の隙間がなくなり、作動流体が隙間に漏れることがない。また、端面が形成されないので、音波の反射を生じにくい。この形態では、音響筒2における流路断面積と複数の細管8による総流路断面積との差は、細管8の肉厚に由来する分のみであり、従来よりも著しく小さい所定以下とすることができる。
In this embodiment, a plurality of
図2には、熱音響機関1の長手方向各所における横断面図が示されている。音響筒2の横断面には所定の径の円が表れているのに対し、加熱器接続部6における音響筒2の直前箇所と冷却器接続部7における音響筒2の直前箇所では、音響筒2と同じ径の円の中に密着して圧縮された複数の細管8が表れている。加熱器3と冷却器4(再生器5も同様)では、各細管8が相互に間隔を拡げ、全体的に角形の千鳥格子配置となっている。
FIG. 2 shows cross-sectional views of the thermoacoustic engine 1 at various locations in the longitudinal direction. Whereas a circle having a predetermined diameter appears in the cross section of the
以下、本発明の熱音響機関1の動作を説明する。 Hereinafter, the operation of the thermoacoustic engine 1 of the present invention will be described.
本発明の熱音響機関1は、加熱器3から再生器5を経て冷却器4までの間、作動流体の流路は連続した細管8で構成される。このため、加熱器3と再生器5の境界及び再生器5と冷却器4の境界において、流路断面積の変化が全くないため、流路断面積の変化箇所における音波の反射が生じることがない。その結果、進行波が多く得られ、熱音響機関1の出力を大きくすることができる。
In the thermoacoustic engine 1 of the present invention, the flow path of the working fluid is composed of continuous
本発明の熱音響機関1は、加熱器3から再生器5を経て冷却器4までの間、作動流体の流れの向きが全く変化しないので、再生器67(76)が金網69(78)で構成された従来のものに比べ流路抵抗が小さい。
In the thermoacoustic engine 1 of the present invention, since the direction of the flow of the working fluid does not change at all from the
本発明の熱音響機関1は、音響筒2と加熱器3との間の加熱器接続部6及び冷却器4と反対側の音響筒2との間の冷却器接続部7において、作動流体の流路は、加熱器3から冷却器4までと一貫して連続した細管8で構成される。このため、加熱器接続部6においても冷却器接続部7においても、流路断面積の変化が全くなく、流路断面積の変化箇所における音波の反射が生じることがない。その結果、進行波が多く得られ、熱音響機関1の出力を大きくすることができる。
The thermoacoustic engine 1 according to the present invention includes a
本発明の熱音響機関1は、音響筒2に加熱器接続部6が接続される箇所及び音響筒2に冷却器接続部7が接続される箇所では、細管8が密着させて圧縮されているので、音響筒2における流路断面積と複数の細管8による総流路断面積との差は、細管8の肉厚からくる分のみであり、所定以下とすることができる。
In the thermoacoustic engine 1 of the present invention, the
本発明の熱音響機関1は、細管8内に作動流体を通し、細管8の周囲に熱媒流体を通すので、熱交換効率がよい。
In the thermoacoustic engine 1 of the present invention, since the working fluid is passed through the
本発明の熱音響機関1は、加熱器接続部6から加熱器3、再生器5、冷却器4、冷却器接続部7まで、一貫して連続した細管8で構成され、つなぎ目がない。よって、作動流体の気密性が高く、作動流体が外部に漏れにくい。
The thermoacoustic engine 1 of the present invention is composed of a continuous
細管8は、熱伝導率の低い材料で構成するのが好ましい。これにより、再生器5において温度勾配を安定に確保することが容易になる。一方、細管8は、肉厚をできる限り薄くするのが好ましい。これにより、加熱器3及び再生器5における熱交換を促進することができ、再生器5の両端の温度を熱媒流体の高温と低温に確保することができる。
The
次に、本発明のα型スターリングエンジンを説明する。 Next, the α-type Stirling engine of the present invention will be described.
図4に示されるように、本発明のα型スターリングエンジン40は、熱音響機関1の音響筒2の長手方向両端にそれぞれレシプロ機構41a,41bが接続されたものである。
As shown in FIG. 4, the α-
レシプロ機構41aでは、第一回転体42aが第一クランク43aを介して第一ピストン44aに連結され、第一ピストン44aが挿入された第一シリンダ45aに、これまで説明した熱音響機関1の原動機部分が接続されている。すなわち、第一シリンダ45aのヘッド側は音響筒2に相当し、この音響筒2に加熱器接続部6から加熱器3、再生器5、冷却器4、冷却器接続部7までの複数の細管8が接続されている。
In the reciprocating mechanism 41a, the first rotating body 42a is connected to the first piston 44a via the first crank 43a, and the prime mover of the thermoacoustic engine 1 described so far is connected to the first cylinder 45a in which the first piston 44a is inserted. The parts are connected. That is, the head side of the first cylinder 45a corresponds to the
レシプロ機構41bでは、冷却器接続部7の細管8が音響筒2に相当する第二シリンダ45bのヘッド側に接続される。第二シリンダ45bには第二ピストン44bが挿入され、第二ピストン44bは第二クランク43bを介して第二回転体42bに連結されている。
In the reciprocating mechanism 41 b, the
さらに、第一回転体42aと第二回転体42bには、ベルト46がかけられている。
Further, a
第一ピストン44aが軸方向に単振動することにより、第一シリンダ45a内の作動流体が振動して音波が発生する。この音波が加熱器3、再生器5、冷却器4からなる原動機を通ることにより、増幅作用を受け、第二シリンダ45bに至る。第二シリンダ45b内の作動流体が振動するので第二ピストン44bが軸方向に単振動する。第二ピストン44bの単振動は第二クランク43bにより第二回転体42bの回転振動に変換され、その回転振動がベルト46を介して第一回転体42aに伝達され、第一回転体42aの回転振動が第一クランク43aにより第一ピストン44aに帰還される。
When the first piston 44a vibrates in the axial direction, the working fluid in the first cylinder 45a vibrates to generate sound waves. When this sound wave passes through the prime mover composed of the
このα型スターリングエンジン40において、音響筒2から本発明の原動機を経て反対側の音響筒2へ至る経路中、作動流体の断面積変化が所定以下に抑えられているので、反射波が生じにくく、エネルギの損失が低減される。
In the α-
1 熱音響機関
2 音響筒
3 加熱器
4 冷却器
5 再生器
6 加熱器接続部
7 冷却器接続部
8 細管
9 加熱器外筒
10 熱媒管
11 冷却器外筒
12 熱媒管
13 接続部カバー
14 接続部カバー
15 再生器カバー
40 α型スターリングエンジン
41a,41b レシプロ機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記音響筒に前記加熱器が接続される加熱器接続部から前記冷却器に前記音響筒が接続される冷却器接続部までにわたり、前記作動流体の流路が複数の細管により形成され、
前記加熱器から前記再生器を経て前記冷却器までの間、前記複数の細管が相互に間隔をあけて配置され、
前記加熱器接続部と前記冷却器接続部では、前記音響筒に向かって徐々に前記複数の細管同士の間隔が狭められ、前記音響筒に至るまでに前記複数の細管が相互に密着させて配置され、
前記音響筒における流路断面積と前記複数の細管による総流路断面積との差が所定以下であることを特徴とする熱音響機関。 A hollow acoustic cylinder is filled with a working fluid, and a heater that takes heat from the outside into the working fluid and a cooler that takes heat from the working fluid to the outside are arranged at an interval in the longitudinal direction of the acoustic cylinder In a thermoacoustic engine in which a regenerator is disposed between the heater and the cooler,
From the heater connecting portion where the heater is connected to the acoustic cylinder to the cooler connecting portion where the acoustic cylinder is connected to the cooler, the flow path of the working fluid is formed by a plurality of thin tubes,
Between the heater and the regenerator to the cooler, the plurality of capillaries are spaced apart from each other,
In the heater connection portion and the cooler connection portion, the intervals between the plurality of thin tubes are gradually narrowed toward the acoustic tube, and the plurality of thin tubes are arranged in close contact with each other until reaching the acoustic tube. And
A thermoacoustic engine characterized in that a difference between a cross-sectional area of the channel in the acoustic cylinder and a total cross-sectional area of the plurality of thin tubes is equal to or less than a predetermined value.
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- 2009-12-14 JP JP2009283133A patent/JP2011122567A/en active Pending
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