JP2011149670A - Thermoacoustic engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ループ管に原動機が設けられた熱音響機関に係り、ループ管の最適な曲げ部の個数及び位置を有する熱音響機関に関する。 The present invention relates to a thermoacoustic engine in which a prime mover is provided in a loop tube, and relates to a thermoacoustic engine having an optimal number and position of bent portions of the loop tube.
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。 In order to extract energy from waste heat, research and development of Stirling engines have been actively conducted. Stirling engine types include α type, β type, γ type, and free piston type. On the other hand, in recent years, research and development of thermoacoustic engines that have a simple structure and do not have moving parts composed of pistons and cranks have been actively conducted in the United States and the like.
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。 The thermoacoustic engine maintains a temperature gradient between the heater and the cooler in the axial direction of the tube, a heater that exchanges heat with the high-temperature heat source, a cooler that exchanges heat with the low-temperature heat source, and the like. A regenerator is arranged. When the working fluid in the tube is locally heated in one place and cooled in another, a part of the heat energy is converted into acoustic energy, which is mechanical energy, and the working fluid in the tube undergoes self-excited vibration, Acoustic vibration, that is, sound waves are generated in the tube. This action can be seen thermodynamically as a prime mover. A thermoacoustic engine converts energy from heat energy into mechanical energy based on this principle.
図3に示されるように、従来の熱音響機関31は、円筒管32をループ状に閉じてなるループ管33に、加熱器34と再生器35と冷却器36とが順に並べられた原動機37が設置されたものである。
As shown in FIG. 3, a conventional
ところで、従来の熱音響機関31は、ループ管33が直線部と曲げ部とを4つずつ組み合わせて構成される。すなわち、原動機37が設置された長辺直線部38aの両端に、最小曲げアール等の適宜な曲げアールで90°曲げられた曲げ部39a,39dが設けられ、それぞれの曲げ部に短辺直線部38b,38dが繋がり、それぞれ曲げ部39b,39cを介して原動機37とは対向側の長辺直線部38cに繋がる。巨視的に見ると、ループ管33は四角形(長方形)に曲げられることで閉じられている。
By the way, the conventional
しかしながら、一般に熱音響機関においては、曲げ部があると、そこに流速の腹(=音圧の節)が生じやすい。このため、4つの曲げ部39a〜39dを有する熱音響機関31においては、音圧の節が4箇所形成されやすいことになる。
However, in general, in a thermoacoustic engine, if there is a bent portion, an antinode of flow velocity (= node of sound pressure) tends to occur there. For this reason, in the
一方、一般に熱音響機関においては、熱交換効率を向上させるために最適な音圧の節の箇所は2箇所である。これに対して、従来の熱音響機関31は、音圧の節が4箇所形成されるので、熱交換効率が低下し、同じ熱エネルギの入力に対し音響エネルギの出力が小さい。
On the other hand, in general, in a thermoacoustic engine, there are two optimal sound pressure nodes in order to improve heat exchange efficiency. On the other hand, in the conventional
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ループ管の最適な曲げ部の個数及び位置を有する熱音響機関を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a thermoacoustic engine having an optimal number and position of bent portions of a loop tube.
上記目的を達成するために本発明は、円筒管をループ状に閉じてなるループ管に、加熱器と再生器と冷却器とが順に並べられた原動機が設置された熱音響機関において、前記円筒管の曲げ部が前記ループ管に2箇所のみ形成され、それぞれの曲げ部における曲げ角度が180°であるものである。 To achieve the above object, the present invention provides a thermoacoustic engine in which a prime mover in which a heater, a regenerator, and a cooler are arranged in order is installed in a loop tube formed by closing a cylindrical tube in a loop shape. Only two bent portions of the tube are formed in the loop tube, and the bending angle at each bent portion is 180 °.
前記2箇所の曲げ部が前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の30〜35%の位置と80〜85%の位置に設けられてもよい。 The two bent portions may be provided at positions of 30 to 35% and 80 to 85% of the entire length of the loop pipe in the direction from the prime mover to the heater.
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)ループ管の最適な曲げ部の個数及び位置を有する熱音響機関が提供される。 (1) A thermoacoustic engine having an optimal number and position of bent portions of a loop tube is provided.
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に示されるように、本発明に係る熱音響機関1は、円筒管2をループ状に閉じてなるループ管3に、加熱器4と再生器5と冷却器6とが順に並べられた原動機7が設置された熱音響機関1である。この熱音響機関1において、円筒管2の曲げ部8a,8bがループ管3に2箇所のみ形成され、それぞれの曲げ部8a,8bにおける曲げ角度が180°である。
As shown in FIG. 1, in a
ループ管3は、直線部9a,9bと曲げ部8a,8bとを2つずつ組み合わせて構成される。すなわち、原動機7が設置された直線部9aの両端に、180°曲げられた曲げ部8a,8bが設けられ、それぞれの曲げ部8a,8bに原動機7とは対向側の直線部9bが繋がることで、円筒管2がループ状に閉じられている。
The
ループ管3の内部には、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。
The inside of the
加熱器4は、円筒管2の内部に複数の内部フィン(図示せず)が配置され、円筒管2の周囲に複数の外部フィン(図示せず)が配置されてなる。加熱器4から軸方向に適宜な距離を隔てた箇所に冷却器6が設けられる。冷却器6は、加熱器4と同様に、円筒管2の内部に複数の内部フィンが配置され、円筒管2の周囲に複数の外部フィンが配置されてなる。加熱器4と冷却器6との間には、複数の金網を軸方向に積層したもの、あるいは多孔質セラミックスなどからなる再生器5が設けられる。
In the
本発明の熱音響機関の作用効果を説明する。 The effects of the thermoacoustic engine of the present invention will be described.
すでに説明したように、一般に熱音響機関においては、曲げ部があると、そこに流速の腹(=音圧の節)が生じやすい。このため、2つの曲げ部8a,8bのみを有する本発明の熱音響機関1においては、音圧の節が2箇所のみ形成されることになる。
As already explained, in general, in a thermoacoustic engine, if there is a bending portion, an antinode of a flow velocity (= node of sound pressure) is likely to occur there. For this reason, in the
一方、すでに説明したように、一般に熱音響機関においては、熱交換効率を向上させるために最適な音圧の節の箇所は2箇所である。本発明の熱音響機関1においては、音圧の節が2箇所のみ形成されるので、熱交換効率が向上し、従来に比して同じ熱エネルギの入力に対し音響エネルギの出力が大きくなる。
On the other hand, as already explained, in a thermoacoustic engine, in general, there are two optimal sound pressure nodes in order to improve heat exchange efficiency. In the
本発明者らは、上記の作用効果をいっそう良好にするため、曲げ部8a,8bをどの位置に配置するとよいか検討することにした。 In order to further improve the above-described effects, the present inventors have decided where to place the bent portions 8a and 8b.
このために、原動機7の中心(再生器5の中心)を基準とし、ループ長を20等分してなる20の区画を定義する。原動機7から見て何番目と何番目の区画に、2つの曲げ部8a,8bが配置されるとよいかを発振温度差(音響振動の発生に最低必要な加熱器と冷却器の温度差)により調べた。発振温度差が小さい区画が曲げ部8a,8bの配置に好ましい区画となり、最も発振温度差が小さい2箇所の区画を見いだせばそれが最適の配置を示すこととなる。曲げ部8a,8bの位置は、曲げ部の中心の位置で表す。
For this purpose, 20 sections are defined by dividing the loop length into 20 parts with the center of the prime mover 7 (the center of the regenerator 5) as a reference. The oscillation temperature difference (the temperature difference between the heater and the cooler that is the minimum necessary for the generation of acoustic vibrations) is determined in what number and what section when viewed from the
調査の結果、図1(b)に示されるように、区画A1(6/20〜7/20)、すなわち基準からループ管3の全長の30〜35%の位置に曲げ部8aを配置し、区画A2(16/20〜17/20)、すなわち基準からループ管3の全長の80〜85%の位置に曲げ部8bを配置するのが最適であることが分かった。
As a result of the investigation, as shown in FIG. 1 (b), the bent portion 8a is arranged at a position of 30 to 35% of the total length of the
区画A1に曲げ部8aを配置し、区画A2に曲げ部8bを配置することにより、音圧の節が区画A1と区画A2に形成される。したがって、音圧の腹は区画A1と区画A2のちょうど中央に形成される。よって、音圧の腹は、原動機7から外れた位置に形成されることになる。図3の熱音響機関31では、音圧の腹(=流速の節)が原動機37の位置に形成されるが、音圧の腹では流体変位が微小であるため、大きな熱交換を行うことができず、熱交換効率が低くなる。これに対して本発明の熱音響機関1は、2箇所の曲げ部8a,8bに音圧の節が形成されるので、音圧の腹が原動機7から外れた位置に形成される。よって、原動機7の熱交換器(加熱器4及び冷却器6)において適切な大きさの流体変位を確保することができ、熱交換効率が向上する。
By disposing the bent portion 8a in the section A1 and arranging the bent portion 8b in the section A2, sound pressure nodes are formed in the sections A1 and A2. Therefore, the antinode of the sound pressure is formed at the exact center between the sections A1 and A2. Therefore, the antinode of the sound pressure is formed at a position away from the
次に、曲げ部の定義と実施形態を説明する。 Next, the definition and embodiment of the bending part will be described.
本発明における曲げ部8a,8bは、円筒管2が180°曲げられたものであるが、その形態は種々考えられる。
The bent portions 8a and 8b in the present invention are formed by bending the
図2(a)の曲げ部21は、曲げの開始から終了まで、最小の曲率半径を保って曲げたもので、曲げの内側の曲率半径はほぼ0、曲げの外側の曲率半径は円筒管2の直径とほぼ等しい。これにより、直線部9aと直線部9bは接する。
The
図2(b)の曲げ部22は、曲げの開始から終了まで適宜な曲率半径を保って曲げたものである。曲げの内側の曲率半径に対して曲げの外側の曲率半径が円筒管2の直径だけ大きい。直線部9aと直線部9bの間は離れている。
The bent portion 22 in FIG. 2B is bent with an appropriate radius of curvature from the start to the end of bending. The radius of curvature outside the bend is larger by the diameter of the
図2(c)の曲げ部23は、軸に対して45°の角度で切った円筒管2をつなぎ合わせたもので、曲げの外側にも曲げの内側にも直角部分がある。また、直線部9aと直線部9bの間に、ごく短い直線部が存在する。
The bending
図2(d)の曲げ部24は、曲げの内側において曲げの開始から終了まで適宜な曲率半径を保っており、直線部9aと直線部9bの間は離れている。曲げの外側には、アールの部分と直線の部分がある。
The bending
本発明では、ループ長に対して十分に短い範囲、例えば、図1(b)に示した20等分の区画の1つ分に相当する範囲の中にトータル180°の曲げが含まれていれば、1箇所で180°曲げられたものと定義する。よって、図2(a)〜(d)に示したものは、全て本発明の曲げ部に含まれる。例えば、図2(b)の曲げ部22や図2(c)の曲げ部23は、曲げの開始から終了までが区画の1つ分に相当する範囲Aに含まれている。
In the present invention, a bending of a total of 180 ° is included in a range sufficiently short with respect to the loop length, for example, in a range corresponding to one of the 20 equal sections shown in FIG. For example, it is defined as being bent 180 ° at one place. Therefore, all shown in FIGS. 2A to 2D are included in the bent portion of the present invention. For example, the bending portion 22 in FIG. 2B and the bending
以上説明したように、本発明によれば、ループ管3の2箇所のみに曲げ角度が180°の曲げ部8a,8bが形成されたので、音圧の節の箇所が2箇所となり、熱交換効率が向上する。
As described above, according to the present invention, since the bent portions 8a and 8b having a bending angle of 180 ° are formed only in two places of the
また、本発明によれば、2箇所の曲げ部8a,8bが原動機7から加熱器4の方向にループ管3の全長の30〜35%の位置と80〜85%の位置に設けられたので、エネルギ変換効率が向上し、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、原動機37において冷却器36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34を必要としたのに対し、本発明では、冷却器6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4が利用できる。
Further, according to the present invention, since the two bent portions 8a and 8b are provided in the direction from the
また、本発明によれば、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。 In addition, according to the present invention, the energy conversion efficiency is improved, so that a greater acoustic intensity can be obtained than before.
また、本発明によれば、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。 In addition, according to the present invention, since the energy conversion efficiency is improved, it is possible to oscillate with a smaller amount of input energy than before.
また、本発明によれば、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1の体積を従来より小さくすることができる。
In addition, according to the present invention, it is possible to oscillate with a small amount of input energy, and thus it is possible to reduce the size. By miniaturization, the volume of the
また、本発明によれば、エネルギ変換効率が向上するので、ループ管3に受動機として冷凍機、冷却機を組み込んで冷凍装置、冷却装置を構成した場合、従来と比較して、冷凍・冷却性能を飛躍的に向上させることができる。
Further, according to the present invention, the energy conversion efficiency is improved. Therefore, when a refrigeration unit and a cooling unit are incorporated in the
また、本発明によれば、エネルギ変換効率が向上するので、ループ管3に受動機として発電機を組み込んで発電する場合、従来と比較して、発電量を飛躍的に向上させることができる。
In addition, according to the present invention, the energy conversion efficiency is improved. Therefore, when a power generator is incorporated in the
1 熱音響機関
2 円筒管
3 ループ管
4 加熱器
5 再生器
6 冷却器
7 原動機
8a,8b 曲げ部
9a,9b 直線部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記円筒管の曲げ部が前記ループ管に2箇所のみ形成され、それぞれの曲げ部における曲げ角度が180°であることを特徴とする熱音響機関。 In a thermoacoustic engine in which a prime mover in which a heater, a regenerator, and a cooler are arranged in order is installed in a loop tube formed by closing a cylindrical tube in a loop shape,
The thermoacoustic engine, wherein the bent portion of the cylindrical tube is formed in only two places on the loop tube, and the bending angle at each bent portion is 180 °.
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