JP2011127870A - 熱音響機関 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で音波の減衰が低減される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を相互に接続する接続管６と、接続管６内に第一ループ管３側の作動流体と第二ループ管５側の作動流体とを隔離するように設けられ、作動流体の振動方向に振動自在に構成された振動子７とを備え、振動子７により２つに隔離された作動流体と振動子７が所定の共振周波数で振動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、連通する２つのループ管を用いたダブルループ型の熱音響機関に係り、特に、小型化が可能で音波の減衰が低減される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３に示した熱音響機関３１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３１は、原動機３２を備えた第一ループ管３３と受動機３４を備えた第二ループ管３５とが直線状に延びた共鳴管３６を介して相互に接続されたものである。第一ループ管３３の原動機３２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３１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３５に音波が入ると、受動機３４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３４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２００８−１０１９１０号公報

図３に示すようなダブルループ型の熱音響機関３１では、共鳴管３６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３３、３５のループ長にかかわらず共鳴管３６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３３や第二ループ管３５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３６が必要である。共鳴管３６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３６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３１は、直線状に長い共鳴管３６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３１を自動車の中に設置することは難しい。

また、熱音響機関３１では、共鳴管３６の長さが長くなると共鳴管３６内での音波の減衰が大きくなる。音波の減衰が大きいと、熱音響機関３１の出力（受動機３４で取り出される熱エネルギ）が小さくなる。また、音波の減衰が大きいと、原動機３２における発振開始温度（発振に必要な加熱器と冷却器との温度差）が高くなる。熱音響機関３１の出力を大きくさせるには、共鳴管３６の長さを短くすることが望ましい。しかし、共鳴管３６の長さを短くすると、共鳴周波数（共振周波数）が高くなるため、音波の減衰が大きくなる。

このように熱音響機関３１では、損失を減らして出力を大きくするには、共鳴管３６の長さを短くして、しかも、共振周波数を低くしたいという矛盾した要求を満足させなければならない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型化が可能で音波の減衰が低減される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を相互に接続する接続管と、前記接続管内に第一ループ管側の作動流体と第二ループ管側の作動流体とを隔離するように設けられ、作動流体の振動方向に振動自在に構成された振動子とを備え、前記振動子により２つに隔離された作動流体と前記振動子が所定の共振周波数で振動するものである。

前記振動子が振動膜からなり、前記振動膜の周辺部が前記接続管の内壁に固定され、前記振動膜の中央部が軸方向に振動してもよい。

前記振動子がピストンとばね部材とからなり、前記ピストンは、周辺部が前記接続管の内壁に対して摺動自在で、かつ、前記ばね部材により軸方向にばね支持され、前記ピストンが軸方向に往復移動して振動してもよい。

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）音波の減衰が低減され、出力増大や発振開始温度の低下が可能となる。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の熱音響機関に用いる振動子の構成図である。 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を相互に接続する接続管６と、接続管６内に第一ループ管３側の作動流体と第二ループ管５側の作動流体とを隔離するように設けられ、作動流体の振動方向に振動自在に構成された振動子７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接続管６を繋ぎ込むことにより、第一ループ管３と第二ループ管５が接続管６により相互に接続され、これら第一ループ管３、第二ループ管５、接続管６にわたる閉じた空間に作動流体が密閉される。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。

振動子７の詳細を以下の２つの形態で説明する。

図２（ａ）に示した振動子２１は、振動膜２２からなる。振動膜２２の周辺部は、接続管６の内壁に固定され、破線と二点鎖線で示すように振動膜２２の中央部が軸方向に振動するようになっている。振動膜２２は、作動流体が反対側へ漏れない程度の気密性があり、かつ、周辺部が固定の状態で中央部が軸方向に振動できる程度の柔軟性（弾性）があることが好ましい。振動膜２２は、比較的厚さが薄く形成される。このような振動膜２２の材料としては、金属、ガラス、セラミックス、樹脂、ゴム、繊維などがある。

図２（ｂ）に示した振動子２３は、ピストン２４とばね部材２５とからなる。ピストン２４は、周辺部が接続管６の内壁に対して摺動自在で、かつ、スパイラルリング等のばね部材２５により軸方向にばね支持される。破線と二点鎖線で示すようにピストン２４が軸方向に往復移動して振動するようになっている。ピストン２４の周辺部と接続管６の内壁との間は作動流体が漏れないようにシールがされており、かつ、摺動抵抗を小さくするよう潤滑性が付与されている。ピストン２４は、部分的な変形が生じにくい剛体からなる。ピストン２４は、軸方向に隔てて配置された２つのピストンヘッド２６と、これら２つのピストンヘッド２６を連結するピストンロッド２７とからなる。ばね部材２５は、ピストンロッド２７を軸位置に支持すると共に軸方向にばね支持する。このような構造により、振動子２３の全体は、振動子２１に比べて軸方向の厚さが厚いが、図１の振動子７のように厚みのない振動板に仮想的に置き換えることができる。ピストン２４の材料としては、金属、ガラス、セラミックス、樹脂、ゴム、繊維などがある。

以下、本発明の熱音響機関の動作を説明する。

本発明の熱音響機関１は、エネルギ変換に関しては図３の熱音響機関３１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の振動子７は、図３の熱音響機関３１の共鳴管３６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３の熱音響機関３１では共鳴管３６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、振動子７により２つに隔離された作動流体と振動子７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、振動子７が持つバネ定数と作動流体が持つバネ定数とを合成したバネ定数ｋ（Ｎ／ｍ）、振動子７の質量ｍ（ｋｇ）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３の熱音響機関３１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３６を設けたのと同じ効果が得られる。

ここで、作動流体が持つバネ定数は、作動流体の種類と振動子７より第一ループ管側、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、振動子７が持つバネ定数と振動子７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３の熱音響機関３１の共鳴管３６内の作動流体が振動子７に置き換えられたことにより、共鳴管３６が不要となる。図１では、振動子７が収容される接続管６を有限の長さで描いたが、接続管６を極限まで短くして実質的に長さゼロ（つまり、第一ループ管３と第二ループ管５が直接接してつながっており、その境界に振動子７が存在する形態）とすることができる。実際には、振動子７を保持するために接続管６を設ける。接続管６の長さは、振動子７の収容及び振動に十分な程度とすることができ、長くても数センチとなる。

この結果、周波数によっては数メートルにも及ぶ共鳴管３６がなくなったことで、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では、共鳴管が無いので、従来に比べて音波の減衰が低減される。この結果、原動機２において同じ熱エネルギ入力に対して受動機４においてより大きな熱エネルギ出力を取り出すことができる。また、音波の減衰が低減されることにより、原動機２における発振開始温度の低下が可能となる。

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 接続管
７ 振動子

Claims (3)

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を相互に接続する接続管と、
   前記接続管内に第一ループ管側の作動流体と第二ループ管側の作動流体とを隔離するように設けられ、作動流体の振動方向に振動自在に構成された振動子とを備え、
   前記振動子により２つに隔離された作動流体と前記振動子が所定の共振周波数で振動することを特徴とする熱音響機関。
2. 前記振動子が振動膜からなり、前記振動膜の周辺部が前記接続管の内壁に固定され、前記振動膜の中央部が軸方向に振動することを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
3. 前記振動子がピストンとばね部材とからなり、前記ピストンは、周辺部が前記接続管の内壁に対して摺動自在で、かつ、前記ばね部材により軸方向にばね支持され、前記ピストンが軸方向に往復移動して振動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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