JP2011145006A - 熱音響機関 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率が高い熱音響機関を提供する。
【解決手段】内管２と外管内壁３と外管外壁４と内側端壁５と外側端壁６とにより囲まれる閉じた作動流体用空間７が形成され、作動流体用空間７に作動流体が充填され、内管２の端部から軸方向に距離を隔てた箇所にて外管内壁３と外管外壁４との間に複数の内部フィン９が放射状に配置された加熱器１０と、加熱器１０から軸方向に距離を隔てた箇所にて外管内壁３と外管外壁４との間に複数の内部フィン１１が放射状に配置された冷却器１２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ループ型の熱音響機関に係り、熱交換効率が高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、管の軸方向に、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。

図３に示されるように、従来のループ型の熱音響機関３１は、ループ状に閉じられた中空円筒状の管３２内に作動流体が充填され、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３３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３４とが管３２の軸方向に間隔をあけて配置され、加熱器３３と冷却器３４の間に再生器３５が配置されてなる。加熱器３３と再生器３５と冷却器３４を合わせて原動機（プライムムーバ）３６という。

図４に示されるように、原動機３６の加熱器３３の内部には互いに平行な複数の内部フィン３７が管３２の軸に沿って並べられる。冷却器３４も同様の構造である。この原動機３６では、加熱器３３において、外部の熱が加熱器３３の外周から内部フィン３７に伝導され、内部フィン３７から作動流体に熱が放出される。冷却器３４においては、加熱器３３とは逆の熱交換が行われる。

特開２００８−１０１９１０号公報 特開２００３−３２４９３２号公報

加熱器３３や冷却器３４において外部との熱交換効率を向上させるためには、外部に接する受熱面積を大きくすることが考えられる。具体的には、加熱器３３や冷却器３４においては管３２の外周が外部に接しているので、管３２の外周面積を大きくすることになる。外周面積を大きくするためには、管３２径を大きくすることになる。

ところが、加熱器３３や冷却器３４においては管３２の径を大きくすると、外部に接する受熱面積は大きくなるが、内部フィン３７における熱交換効率は低下する。なぜなら、図５に示されるように、従来の熱音響機関においては、加熱器３３（冷却器３４も同）内には、互いに平行な複数の内部フィン３７が管の軸に沿って並べられる。このとき、並び方向の端の方に位置する内部フィン３７ａは断面幅方向の長さが短い。これに対し、並び方向中央付近に位置する内部フィン３７ｂは断面幅方向の長さが長い。このように長い内部フィン３７ｂは、断面幅方向中央付近において管３２の外周からの距離が長いため熱が伝導しにくい。外部からの熱が内部フィン３７に伝導しにくいということは、熱交換効率が低下するということであり、ある一定量の廃熱量に対して熱音響機関の出力が上げられず、あるいは、生じている廃熱がうまく吸収処理できないことになる。

これを改善するには、内部フィン３７の根本（管３２との境界近傍）における肉厚を厚くすることが考えられるが、内部フィン３７間の間隙を音波が抵抗なく通過するためには、内部フィン３７の肉厚はできるだけ薄くさせる必要があるため、肉厚を厚くするという対策は採用できない。

また、従来の熱音響機関においては、図５に示されるように、複数の内部フィン３７は断面幅方向の長さが異なるため、長い内部フィン３７ｂにおいて断面幅方向中央付近と管３２の外周付近とで温度が異なり、あるいは長い内部フィン３７ｂの断面幅方向中央付近と短い内部フィン３７ａとで温度が異なるため、同一断面における温度分布が均一でなくなる。

また、従来の熱音響機関においては、内部フィン３７の枚数をあまり増やすと内部フィン３７の相互間隔が狭くなるため、内部フィン３７の枚数は少ない。内部フィン３７の枚数が少ないため、加熱器３３（冷却器３４）内で作動流体と内部フィン３７が接する総面積が小さく、熱交換効率がよくない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、熱交換効率が高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、中空円筒状の内管と、前記内管から径方向に距離を隔てて前記内管を覆う外管内壁と、前記外管内壁から径方向に距離を隔てて前記外管内壁を覆う外管外壁と、前記内管の端部と前記外管内壁の端部との間を覆う内側端壁と、前記内側端壁から軸方向に距離を隔てて前記外管外壁の端部を覆う外側端壁とを備えることにより、前記内管と前記外管内壁と前記外管外壁と前記内側端壁と前記外側端壁とにより囲まれる閉じた作動流体用空間が形成され、前記作動流体用空間に作動流体が充填され、前記内管の端部から軸方向に距離を隔てた箇所にて前記外管内壁と前記外管外壁との間に複数の内部フィンが放射状に配置された加熱器と、前記加熱器から軸方向に距離を隔てた箇所にて前記外管内壁と前記外管外壁との間に複数の内部フィンが放射状に配置された冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間に形成された再生器とを備えるものである。

前記内管における軸に直角な断面の断面積と、前記外管内壁と前記外管外壁との間の部分における軸に直角な断面の断面積とが等しくてもよい。

前記内管と前記外管内壁と前記内側端壁とにより囲まれる閉じた遮蔽用空間が形成されてもよい。

前記遮蔽用空間が真空であってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）熱交換効率が高い。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の側断面図である。 図１の熱音響機関の加熱器における横断面図である。 従来の熱音響機関の概略構成図である。 従来の熱音響機関の原動機部分における側断面図である。 従来の熱音響機関の加熱器における横断面図である。

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、中空円筒状の内管２と、内管２から径方向に距離を隔てて内管２を覆う外管内壁３と、外管内壁３から径方向に距離を隔てて外管内壁３を覆う外管外壁４と、内管２の端部と外管内壁３の端部との間を覆う内側端壁５と、内側端壁５から軸方向に距離を隔てて外管外壁４の端部を覆う外側端壁６とを備える。

内管２と外管内壁３と外管外壁４と内側端壁５と外側端壁６とにより囲まれる閉じた作動流体用空間７が形成される。作動流体用空間７は、内管２の内側を占める内側作動流体用空間７ａと、外管内壁３と外管外壁４との間を占める外側作動流体用空間７ｂと、内側端壁５と外側端壁６の間を占めて内側作動流体用空間７ａと外側作動流体用空間７ｂとを連通させる折返作動流体用空間７ｃ，７ｄとにより立体的な循環構造を形成している。作動流体用空間７には作動流体が充填される。作動流体には、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの気体を用いるのが好ましい。

また、内管２と外管内壁３と内側端壁５とにより囲まれる閉じた遮蔽用空間８が形成される。遮蔽用空間８は、内管２と外管内壁３との間の熱的な遮蔽を図るものである。遮蔽用空間８には、気体を充填するほかに、綿、グラスウールなどの素繊維集合体、スポンジや石膏ボードのような多孔質部材、発泡樹脂、粒状樹脂などを入れてもよい。この実施形態では、遮蔽用空間８は真空である。真空の度合いは限定しないが、熱的な遮蔽に有効な程度とする。

さらに、本発明に係る熱音響機関１は、内管２の端部から軸方向に距離を隔てた箇所にて外管内壁３と外管外壁４との間に複数の内部フィン９（図２参照）が放射状に配置された加熱器１０と、加熱器１０から軸方向に距離を隔てた箇所にて外管内壁３と外管外壁４との間に複数の内部フィン１１（図２参照）が放射状に配置された冷却器１２とを備える。加熱器と冷却器との間には、外管内壁３と外管外壁４との間に積層金網、多孔質セラミックスなどが配置されて再生器１３が形成される。加熱器１０と再生器１３と冷却器１２とにより原動機１４が構成される。

図２に示されるように、加熱器１０の横断面を見ると、軸心から順に、内側作動流体用空間７ａ、内管２、遮蔽用空間８、外管内壁３、外側作動流体用空間７ｂ、外管外壁４が同軸状に配置されている。複数の内部フィン９は、それぞれ直径を通る線に沿わせて設けられ、周方向に等円周角間隔で並べられている。冷却器１２の断面構造は加熱器１０と同じであり、内部フィン９と同様の内部フィン１１が配置される。

次に、熱音響機関１の作用効果を説明する。

原動機１４において作動流体に軸方向の温度勾配が形成されると、作動流体用空間７内の作動流体が自励振動を起こし、音波が発生する。図１には音波の進行波が進むようすが矢印で示されている。すなわち、進行波は、加熱器１０から外側作動流体用空間７ｂを経て折返作動流体用空間７ｃで径方向内側へ折り返され、内側作動流体用空間７ａを経て折返作動流体用空間７ｄで径方向外側に折り返され、冷却器１２に戻る。定在波もこの経路に沿って生じる。

このとき、本発明の熱音響機関１の加熱器１０の横断面（図２）と従来の熱音響機関の加熱器３３の横断面（図５）が同じ縮尺で描かれているとして両者を比較すると、外管外壁４の径が管３２の径より大きいため、本発明の熱音響機関１の方が加熱器１０における受熱面積が大きい。冷却器１２も同様に受熱面積が従来より大きい。受熱面積が大きいことにより、熱交換効率が向上する。

本発明の熱音響機関１は、内部フィン９（１１）が放射状に配置されているため、従来の内部フィン３７ｂのような外部からの熱が伝導しにくいものが存在せず、熱交換効率が向上する。

本発明の熱音響機関１は、全ての内部フィン９（１１）の幅（径方向長さ）が均一で、かつ、短いので、同一断面における温度分布が均一となる。

本発明の熱音響機関１は、内部フィン９（１１）における熱の伝導がよくなった結果、内部フィン９（１１）の肉厚を薄くすることができる。肉厚を薄くすることで、内部フィン９（１１）間の間隙を音波が抵抗なく通過することができる。

本発明の熱音響機関１は、内部フィン９（１１）が外管内壁３よりも径方向外側にあるため、内部フィン９（１１）の枚数を増やしても内部フィン９（１１）の相互間隔を十分に広くすることができる。例えば、図２の内部フィン９は、図５の内部フィン３７の約１．５倍設けられている。内部フィン９（１１）の枚数が多くなることで、作動流体と内部フィン９（１１）が接する総面積が大きくなり、熱交換効率が向上する。なお、従来のループ管による熱音響機関３１において仮に内部フィンを放射状に配置しようとすると、軸心部分では内部フィンが密集してしまい、好ましくない。

本発明の熱音響機関１は、熱交換効率が向上するため、ある一定量の廃熱量に対して熱音響機関の出力を大きくすることができると共に、生じている廃熱を余さず吸収処理することができる。

本発明の熱音響機関１は、図３のようなループを形成しないので、従来の熱音響機関３１に比べて、小型にでき、狭いスペースに設置することができる。

本発明の熱音響機関１は、内管２と外管内壁３との間に遮蔽用空間８が存在する。これにより、加熱器１０、再生器１３、冷却器１２からなる原動機１４と内管２とが熱的に遮蔽される。ここでもし、内管２と外管内壁３が接していたり、あるいは遮蔽がなされていないと、加熱器１０がある位置の内管２は加熱器１０の温度に近づき、冷却器１２がある位置の内管２は冷却器１２の温度に近づいて、逆向きの温度勾配が形成される。これは内管２に図１とは逆向きの進行波を生じる原動機が存在するのと同じことになり、熱音響機関の出力を低下させてしまう。その点、本発明の熱音響機関１は、遮蔽用空間８が存在するので、内管２に逆向きの温度勾配が形成されることが防止される。

本発明の熱音響機関１は、遮蔽用空間８が存在するため、加熱器１０に入力された熱が逃げにくくなり、熱交換効率が向上する。

ところで、熱音響機関１においては、作動流体の流路の断面積は場所によって変化しないことが望ましい。そこで、内管２における軸に直角な断面の断面積と、外管内壁３と外管外壁４との間の部分における軸に直角な断面の断面積とを等しくするとよい。これにより、内側作動流体用空間７ａにおける作動流体の流路の断面積と、外側作動流体用空間７ｂにおける作動流体の流路の断面積が同じになる。さらに、折返作動流体用空間７ｃ，７ｄにおいても作動流体の流路の断面積が変化しないよう、本実施形態では、外側端壁６の軸心部分をラッパ状に凹ませてある。

１ 熱音響機関
２ 内管
３ 外管内壁
４ 外管外壁
５ 内側端壁
６ 外側端壁
７ 作動流体用空間
８ 遮蔽用空間
９ 内部フィン
１０ 加熱器
１１ 内部フィン
１２ 冷却器
１３ 再生器
１４ 原動機

Claims (4)

1. 中空円筒状の内管と、
   前記内管から径方向に距離を隔てて前記内管を覆う外管内壁と、
   前記外管内壁から径方向に距離を隔てて前記外管内壁を覆う外管外壁と、
   前記内管の端部と前記外管内壁の端部との間を覆う内側端壁と、
   前記内側端壁から軸方向に距離を隔てて前記外管外壁の端部を覆う外側端壁とを備えることにより、
   前記内管と前記外管内壁と前記外管外壁と前記内側端壁と前記外側端壁とにより囲まれる閉じた作動流体用空間が形成され、
   前記作動流体用空間に作動流体が充填され、
   前記内管の端部から軸方向に距離を隔てた箇所にて前記外管内壁と前記外管外壁との間に複数の内部フィンが放射状に配置された加熱器と、
   前記加熱器から軸方向に距離を隔てた箇所にて前記外管内壁と前記外管外壁との間に複数の内部フィンが放射状に配置された冷却器と、
   前記加熱器と前記冷却器との間に形成された再生器とを備えることを特徴とする熱音響機関。
2. 前記内管における軸に直角な断面の断面積と、前記外管内壁と前記外管外壁との間の部分における軸に直角な断面の断面積とが等しいことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
3. 前記内管と前記外管内壁と前記内側端壁とにより囲まれる閉じた遮蔽用空間が形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の熱音響機関。
4. 前記遮蔽用空間が真空であることを特徴とする請求項３記載の熱音響機関。

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