JP2011122765A - 熱音響機関 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、エネルギの無駄がない熱音響機関を提供する。
【解決手段】熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機２が配置された第一ループ管３と、音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機４が配置された第二ループ管５と、第一ループ管３と第二ループ管５の間に配置され音響エネルギと電気エネルギとを相互変換する直動発電電動機６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダブルループ型の熱音響機関に係り、特に、小型化が可能で、エネルギの無駄がない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、米国などにおいて、構造が単純でピストンやクランクで構成された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、管の長手方向に、高温熱源との熱交換を行う加熱器と、低温熱源との熱交換を行う冷却器と、これら加熱器と冷却器との間で温度勾配を保持する再生器とを配置して構成される。管内の作動流体をある場所で局部的に加熱し、別のある場所で冷却すると、熱エネルギの一部が力学的エネルギである音響エネルギに変換されて管内の作動流体が自励振動を起こし、管内に音響振動すなわち音波が発生する。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。この原理で熱エネルギを力学的エネルギにエネルギ変換を行うものが熱音響機関である。

熱音響機関は、逆に、力学的エネルギを熱エネルギに変換することもできる。音波が生じている管に、原動機と同様の構造を有し、作動流体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４に示した熱音響機関４１は、いわゆるダブルループ型の熱音響機関である。

この熱音響機関４１は、原動機４２を備えた第一ループ管４３と受動機４４を備えた第二ループ管４５とが直線状に延びた共鳴管４６を介して相互に接続されたものである。第一ループ管４３の原動機４２において熱エネルギが音響エネルギに変換され、音波が生じる。これにより、熱音響機関４１全体の作動流体にわたり定在波が形成される。第二ループ管４５に音波が入ると、受動機４４において音響エネルギが熱エネルギに変換される。よって、例えば、受動機４４の加熱器に室温を与えておくと、冷却器では室温より低い温度が得られ、冷蔵や冷房を行うことができる。なお、このように音波のエネルギを取り出すところでは、進行波のエネルギを利用していることになる。

特許第３０５０５４３号公報 特開２００７−２３７０２０号公報

図４に示すようなダブルループ型の熱音響機関４１では、共鳴管４６内の作動流体が支配的となって共鳴が発生する。言い換えると、ループ管４３、４５のループ長にかかわらず共鳴管４６の長さが音波の周波数を決定づける。これにより、第一ループ管４３や第二ループ管４５のループ長で規定される周波数よりも十分に低い周波数で音波を発生させることができる。このとき、所望する周波数の音波を発生させるには、その周波数に応じた長さの共鳴管４６が必要である。共鳴管４６の長さは、ループ長の３倍以上あるいは４倍以上を必要とし、周波数によっては、共鳴管４６の長さが数メートルになる。

このように、従来のダブルループ型の熱音響機関４１は、直線状に長い共鳴管４６を含んでいるため、全体が大きなスペースを占め、実用的でない。例えば、数メートルの長いスペースが必要な熱音響機関４１を自動車の中に設置することは難しい。

また、熱音響機関４１では、直線状に長い共鳴管４６が音響エネルギの輸送を行うことになるが、このように長い共鳴管４６では音響エネルギの散逸が生じやすい。音響エネルギが散逸してしまうと、受動機４４で取り出せるエネルギが減少する。

さらに、熱音響機関４１では、第一ループ管４３の原動機４２において熱エネルギが音響エネルギに変換され、第二ループ管４５の受動機４４において音響エネルギが熱エネルギに変換される。これを応用し、例えば、エンジンの廃熱を再利用して冷蔵や冷房を行うシステムを構成することができる。しかしながら、このシステムでは、冷蔵や冷房の需要がないとき、廃熱は再利用されずにエネルギが無駄になり、しかも、高温のままの排気ガスが大気に放出されてしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型化が可能で、エネルギの無駄がない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、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機が配置された第一ループ管と、音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機が配置された第二ループ管と、前記第一ループ管と前記第二ループ管の間に配置され音響エネルギと電気エネルギとを相互変換する直動発電電動機とを備えたものである。

前記直動発電電動機は、前記第一ループ管に接続された第一シリンダと、前記第一シリンダに挿入された第一ピストンと、前記第二ループ管に接続された第二シリンダと、前記第二シリンダに挿入された第二ピストンと、前記第一シリンダと第二シリンダとを一体的に連結するハウジングと、前記ハウジングに取り付けられた固定子と、前記第一ピストンと前記第二ピストンとを一体的に連結する振動子と、前記振動子を弾性的に支持する支持バネと、前記固定子に巻き付けられたコイルと、前記振動子に取り付けられた磁石とを有し、前記第一ピストンと前記第二ピストンと前記振動子と前記支持バネと前記第一ループ管及び前記第一シリンダ内の作動流体と前記第二ループ管及び前記第二シリンダ内の作動流体が所定の共振周波数で振動すると共に、前記振動子の振動に伴う前記磁石の位置変化に応じて前記固定子を通る磁路が変化してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）小型化が可能となる。

（２）エネルギの無駄がなくせる。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の概略構成図である。 図１の熱音響機関の直動発電電動機部分を詳細に示した構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、直動発電電動機の動作を説明する図である。 従来のダブルループ型の熱音響機関の概略構成図である。

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１は、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機２が配置された第一ループ管３と、音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機４が配置された第二ループ管５と、第一ループ管３と第二ループ管５の間に配置され音響エネルギと電気エネルギとを相互変換する直動発電電動機６とを備える。

第一ループ管３及び第二ループ管５は、例えば、円筒管を４箇所において最小曲げ径で曲げることにより、２つの長辺と２つの短辺を有する矩形状のループにしたものである。この矩形状のループとなっている第一ループ管３及び第二ループ管５の曲げ部に穴をあけ、その穴に同じ径の円筒管からなる後述する第一シリンダ７及び第二シリンダ９（図２参照）を繋ぎ込むことにより、第一ループ管３と第一シリンダ７、第二ループ管５と第二シリンダ９が相互に接続され、それぞれ第一ピストン８、第二ピストン１０によって閉じた空間が形成され、作動流体が充填されて密閉される。作動流体は気体であり、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどが好ましい。

原動機２は、高温熱源との熱交換を行う図示しない加熱器と、低温熱源との熱交換を行う図示しない冷却器と、これら加熱器と冷却器との間で温度勾配を保持する図示しない再生器とから構成される。加熱器、冷却器、再生器は、公知のものであるから詳しい説明は省く。受動機４も構造は原動機２と同じであり、詳しい説明は省く。

直動発電電動機６は、後に詳しく述べるように図４の熱音響機関４１の共鳴管４６に置き換えたものであると共に、第一ループ管３からの音響エネルギを電気エネルギに変換して外部に取り出す直動発電機の機能と、外部から取り込んだ電気エネルギを音響エネルギに変換して第二ループ管５に送る直動電動機の機能を有する。

図２に示されるように、直動発電電動機６は、第一ループ管３に接続された第一シリンダ７と、第一シリンダ７に挿入された第一ピストン８と、第二ループ管５に接続された第二シリンダ９と、第二シリンダ９に挿入された第二ピストン１０と、第一シリンダ７と第二シリンダ９とを一体的に連結するハウジング１１と、ハウジング１１に取り付けられた固定子１２と、第一ピストン８と第二ピストン１０とを一体的に連結する振動子１３と、振動子１３を弾性的に支持する支持バネ１４と、固定子１２に巻き付けられたコイル１５と、振動子１３に取り付けられた磁石１６とを有する。

第一シリンダ７及び第二シリンダ９は、すでに述べたように第一ループ管３及び第二ループ管５と同じ径の円筒管からなる。第一ピストン８及び第二ピストン１０は、第一シリンダ７及び第二シリンダ９内を軸方向に気密かつ滑らかに往復可能に構成されている。ハウジング１１は、第一シリンダ７と第二シリンダ９とを一体的に連結すると共に、固定子１２、振動子１３、支持バネ１４等を収容するためのものである。ハウジング１１内は、作動流体を充填する必要はなく、また、密閉する必要はない。

固定子１２は、いわゆる外側ヨークであり、内側ヨークである振動子１３の外周を覆うように設けられる。固定子１２は、軸方向中央部で分離された内壁部１２ａ、１２ｂと、ヨーク内壁部１２ａ、１２ｂの軸方向両端から径方向に延びた端面部１２ｃ、１２ｄと、端面部１２ｃ、１２ｄ間にわたる外壁部１２ｅとを有する。コイル１５は、内壁部１２ａ、１２ｂと端面部１２ｃ、１２ｄと外壁部１２ｅで囲まれたリング状の空間に収容される。

振動子１３は、固定子１２よりも軸方向に長く形成された円柱状の本体部１３ａと、本体部１３ａの外周面の軸方向両端部より径方向外方に突き出され固定子１２に対してエアギャップを介して臨む突起部１３ｂと、本体部１３ａの中心を貫通して軸方向両側に延びる連結軸１３ｃとを有する。連結軸１３ｃは第一ピストン８と振動子１３及び第二ピストン１０と振動子１３を一体的に連結するものである。本体部１３ａの外周面の軸方向中央部に磁石１６が取り付けられ、磁石１６は固定子１２に対してエアギャップを介して臨む。

支持バネ１４は、金属板を渦巻き状に切り欠いたいわゆるスパイラルリングであり、周辺部がハウジング１１に固定され、中心部に連結軸挿通穴を有する。支持バネ１４の連結軸挿通穴に連結軸１３ｃが挿通される。支持バネ１４は、連結軸１３ｃを支持バネ１４の中心に支持することにより、第一ピストン８、振動子１３、第二ピストン１０を第一シリンダ７、ハウジング１１、第二シリンダ９の中心軸に保持すると共に、軸方向の変形に対して弾性力を生じるものである。

以下、本発明の熱音響機関１の動作を説明する。

第一ピストン８と振動子１３（磁石１６を含む）と第二ピストン１０と支持バネ１４とを総合して可動部と呼ぶことにする。可動部の質量をｍ（ｋｇ）とする。支持バネ１４のバネ定数をｋ１（Ｎ／ｍ）とする。第一ループ管３と第一シリンダ７の作動流体及び第二ループ管５と第二シリンダ９の作動流体の弾性によるバネ（例えば、空気バネ）のバネ定数をｋ２（Ｎ／ｍ）とする。

本発明の熱音響機関１は、エネルギ変換に関しては図４の熱音響機関４１と等価の働きをし、同じ周波数の音波を発生することができるものである。本発明の熱音響機関１においては、直動発電電動機６の可動部は、図４の熱音響機関４１の共鳴管４６内の作動流体（気柱）に置き換え可能なものとなっている。図４の熱音響機関４１では共鳴管４６内の作動流体が支配的となって音波が発生したが、本発明の熱音響機関１では、直動発電電動機６の可動部と２つに隔離された作動流体が所定の共振周波数で振動することで音波が発生する。

共振周波数は、支持バネ１４のバネ定数ｋ１と作動流体のバネ定数ｋ２と可動部の質量ｍを用いた式（１）により規定される。

この結果、第一ループ管３や第二ループ管５のループ長で規定される周波数よりも十分に低い式（１）の周波数ｆで音波を発生させることができ、図４の熱音響機関４１のようにループ長の３倍以上あるいは４倍以上の長さの共鳴管４６を設けたのと同じ効果が得られる。

ここで、作動流体のバネ定数ｋ２は、作動流体の種類と第一ループ管側、第二ループ管側の諸部材の寸法により一意的に決まる。よって、支持バネ１４のバネ定数ｋ１と可動部の質量ｍを決定すれば、所望の共振周波数を設定することができる。

このように、本発明の熱音響機関１では、図４の熱音響機関４１の共鳴管４６内の作動流体が直動発電電動機６の可動部に置き換えられたことにより、周波数によっては数メートルにも及ぶ共鳴管４６に代えて直動発電電動機６を第一ループ管３と第二ループ管５の間に配置すればよいことになり、大幅な小型化が実現される。本発明の熱音響機関１を設置するのに必要なスペースは、第一ループ管３と直動発電電動機６と第二ループ管５を合わせたスペース程度であるため、例えば、自動車にも本発明の熱音響機関１を容易に搭載することができる。

また、本発明の熱音響機関１によれば、図４の熱音響機関４１の長い共鳴管４６で生じていた音響エネルギの散逸がなくなり、受動機４で取り出せるエネルギの減少が防止される。このことは、発振に必要な温度差（原動機２における加熱器と冷却器の温度差）を小さくできることを意味している。あるいは、受動機４で所定のエネルギを取り出すのに必要な原動機２への供給エネルギを少なくすることができることを意味している。

次に、直動発電電動機６における発電及び電動の動作を説明する。

図３（ｂ）では、振動子１３が振動子１３の振動による往復運動範囲の中間に位置している状態を示している。このとき、磁石１６による磁路は、本体部１３ａ、突起部１３ｂ、内壁部１２ｂ（又は１２ａ）を通る短い閉磁路を形成する。この閉磁路による磁束はコイル１５に交わらないため発電に関与しない。

図３（ａ）のように、振動子１３が振動子１３の振動による往復運動範囲の一端に位置している状態では、磁石１６が内壁部１２ｂに対向して位置する。このとき磁石１６による磁路は、本体部１３ａ、突起部１３ｂ、端面部１２ｃ、外壁部１２ｅ、端面部１２ｄ、内壁部１２ｂを通る。この閉磁路により、コイル１５に交わる磁束が発生する。

図３（ｃ）のように、振動子１３が振動子１３の振動による往復運動範囲の反対端に位置している状態では、磁石１６が内壁部１２ａに対向して位置する。このとき磁石１６による磁路は、本体部１３ａ、突起部１３ｂ、端面部１２ｄ、外壁部１２ｅ、端面部１２ｃ、内壁部１２ａを通る閉磁路を形成する。この閉磁路により、コイル１５に交わる磁束が発生する。図３（ａ）と図３（ｃ）では磁束の方向が逆方向である。

以上のように、振動子１３が振動すると、振動子１３の振動に伴う磁石１６の位置変化に応じて固定子１２を通る磁路が変化しコイル１５に交わる磁束が交互に逆方向に発生するので、大きな磁束密度変動が発生して発電が行われる。また、これとは逆に、コイル１５に交流電流を印可すると振動子１３が振動する電動の動作が行われる。

本発明の熱音響機関１によれば、直動発電電動機６の振動子１３が音波によって振動することで発電が行われる。すなわち、原動機２が配置された第一ループ管３において熱エネルギが音響エネルギに変換され、その音響エネルギが音波として直動発電電動機６と受動機４が配置された第二ループ管５とに伝搬されることになる。直動発電電動機６では、音響エネルギが電気エネルギとして取り出されるが、このとき、電気エネルギを多く取り出せば受動機４で取り出される熱エネルギは少なくなり、電気エネルギを少なく取り出せば受動機４で取り出される熱エネルギは多くなる。

よって、例えば、エンジンの排気ガスで原動機２の加熱器を加熱し、受動機４の冷却器を冷蔵や冷房の冷却部とするシステムに本発明を適用すれば、冷蔵や冷房の需要が小さいときは、もっぱら直動発電電動機６で発電を行い、余剰の電力はバッテリに蓄えることができる。一方、冷蔵や冷房の需要が大きいときは発電を抑制して受動機４における冷却能力を高めることができる。このように、発電量と冷却能力のトレードオフを制御することが可能となる。これにより、エンジンの廃熱が必ず再利用されることになり、エネルギの無駄がなくなる。また、高温のままの排気ガスが大気に放出されることがなくなる。

さらに、本発明の熱音響機関１によれば、直動発電電動機６に電気エネルギを供給して音響エネルギに変換することができる。したがって、原動機２に入力される熱エネルギが不足しているために受動機４の冷却能力が不足している場合に、直動発電電動機６の電動機の機能を利用して冷却能力を補助することが可能となる。

１ 熱音響機関
２ 原動機
３ 第一ループ管
４ 受動機
５ 第二ループ管
６ 直動発電電動機
７ 第一シリンダ
８ 第一ピストン
９ 第二シリンダ
１０ 第二ピストン
１１ ハウジング
１２ 固定子
１３ 振動子
１４ 支持バネ

Claims (2)

1. 熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機が配置された第一ループ管と、
   音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機が配置された第二ループ管と、
   前記第一ループ管と前記第二ループ管の間に配置され音響エネルギと電気エネルギとを相互変換する直動発電電動機とを備えたことを特徴とする熱音響機関。
2. 前記直動発電電動機は、
   前記第一ループ管に接続された第一シリンダと、
   前記第一シリンダに挿入された第一ピストンと、
   前記第二ループ管に接続された第二シリンダと、
   前記第二シリンダに挿入された第二ピストンと、
   前記第一シリンダと第二シリンダとを一体的に連結するハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられた固定子と、
   前記第一ピストンと前記第二ピストンとを一体的に連結する振動子と、
   前記振動子を弾性的に支持する支持バネと、
   前記固定子に巻き付けられたコイルと、
   前記振動子に取り付けられた磁石とを有し、
   前記第一ピストンと前記第二ピストンと前記振動子と前記支持バネと前記第一ループ管及び前記第一シリンダ内の作動流体と前記第二ループ管及び前記第二シリンダ内の作動流体が所定の共振周波数で振動すると共に、前記振動子の振動に伴う前記磁石の位置変化に応じて前記固定子を通る磁路が変化することを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。

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