JP2011208911A

JP2011208911A - 熱音響機関

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Publication number: JP2011208911A
Application number: JP2010078931A
Authority: JP
Inventors: Makoto Abe; 阿部　　誠; Shinya Hasegawa; 真也長谷川; Yasushi Yamamoto; 康山本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP5423531B2

Abstract

【課題】音場が不安定になることによる出力低下を防止する熱音響機関を提供する。
【解決手段】作動流体が充填されたループ管２に、内部フィンを有する加熱器３，７と金網を収容した再生器４，８と内部フィンを有する冷却器５，９とからなる原動機６，１０が設置された熱音響機関１において、原動機１０における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積より大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、音場が不安定になることによる出力低下を防止す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。

図６に示されるように、原動機が１つ設置された従来の熱音響機関６１においては、円筒管をループ状に閉じてなるループ管６２に作動流体が満たされ、このループ管６２に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６３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６５とが円筒管の長手方向に間隔をあけて配置され、加熱器６３と冷却器６５の間に再生器６４が配置されてなる。加熱器６３と再生器６４と冷却器６５を順に並べて原動機（プライムムーバ）６６が構成される。

図７に示されるように、原動機が２つ設置された従来の熱音響機関７１は、ループ管６２に、加熱器６３と再生器６４と冷却器６５とが順に並べられた原動機６６と、それとは別の加熱器７３と再生器７４と冷却器７５とが原動機６６と同じ周回方向に順に並べられた原動機７６とが設置されたものである。

特開２００８−１０１９１０号公報特許第３０５０５４３号公報特開２００１−２０７９０９号公報

従来の熱音響機関７１では、作動流体の流路断面積がループ全長にわたり均一とはなっておらず、原動機６６，７６のところで流路断面積が減少している。

図８に詳しく示したように、原動機６６，７６の加熱器６３，７３は、ループ管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加熱器円筒管８１を有し、加熱器円筒管８１の内部には流路と平行な複数の内部フィン８２が並べられ、加熱器円筒管８１の外周には複数の外部フィン８３が設けられる。冷却器６５，７５も同様に、ループ管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冷却器円筒管８４を有し、冷却器円筒管８４の内部には流路と平行な複数の内部フィン８５が並べられ、冷却器円筒管８４の外周には複数の外部フィン８６が設けられる。再生器６４，７４は、ループ管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再生器円筒管８７を有し、再生器円筒管８７の内部に流路を横断する複数の金網８８が長手方向に積層される。これにより、片側のループ管６２から加熱器円筒管８１、再生器円筒管８７、冷却器円筒管８４、反対側のループ管６２まで、形状と寸法が同じ断面輪郭のまま連通している。

原動機６６，７６では、加熱器６３，７３において、外部の熱が外部フィン８３に吸収され、その熱が内部フィン８２に伝導され、内部フィン８２から作動流体に熱が放出される。冷却器６５，７５においては、加熱器６３，７３とは逆の熱交換が行われる。

原動機６６，７６では、加熱器６３，７３も冷却器６５，７５も、内部フィン８２，８５の伝熱性能を確保するために、内部フィン８２，８５の厚さをあまり薄くすることはできない。一方、ループ管６２と同一サイズの加熱器円筒管８１あるいは冷却器円筒管８４の内部に内部フィン８２，８５が存在することで、加熱器円筒管８１あるいは冷却器円筒管８４内における作動流体の流路断面積はループ管６２における作動流体の流路断面積に比べて小さくなる。内部フィン８２，８５の厚さを厚くすると、加熱器円筒管８１あるいは冷却器円筒管８４内における流路断面積はいっそう小さくなる。再生器６４，７４においても、再生器円筒管８７内に金網８８が存在するため、流路断面積はループ管６２における流路断面積に比べて小さくなる。

ところで、音波は、作動流体の流路断面積が小さくなるところで音圧の節になる。

図７の熱音響機関７１は、原動機６６，７６において、作動流体の流路断面積が顕著に減少しているため、原動機６６，７６に音圧の節が生じて、熱音響機関７１の出力を低下させる原因となっている。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、音場が不安定になることによる出力低下を防止す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、作動流体が充填されたループ管に、内部フィンを有する加熱器と金網を収容した再生器と内部フィンを有する冷却器とからなる原動機が設置された熱音響機関において、前記原動機における作動流体の流路断面積が前記ループ管における作動流体の流路断面積より大きいものである。

前記ループ管に、前記原動機の他に内部フィンを有する加熱器と金網を収容した再生器と内部フィンを有する冷却器とからなる原動機又は冷凍機が設置され、前記他の原動機又は冷凍機における作動流体の流路断面積が前記ループ管における作動流体の流路断面積と同じであってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）音場が不安定になることによる出力低下を防止することができる。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。図１の熱音響機関の原動機付近の側断面図及び流路断面積分布図である。（ａ）は図１の熱音響機関のループ全長にわたる内径分布図、（ｂ）は流路断面積分布図、（ｃ）は音圧分布で示した定在波イメージ図である。（ａ）は本発明の原理を説明するための原動機を１つ備えた熱音響機関の構成図、（ｂ）は（ａ）の熱音響機関における定在波と外径と流路断面積の分布図である。本発明の他の実施形態を示す熱音響機関の構成図である。従来の原動機を１つ備えた熱音響機関の構成図である。従来の原動機を２つ備えた熱音響機関の構成図である。従来の熱音響機関の原動機付近の側断面図及び流路断面積分布図である。

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、作動流体が充填されたループ管２に、内部フィンを有する加熱器３と金網を収容した再生器４と内部フィンを有する冷却器５とからなる原動機６が設置され、さらに、そのループ管２に、別の加熱器７と再生器８と冷却器９とからなる原動機１０が設置されたものである。原動機１０における作動流体の流路断面積は、ループ管２における作動流体の流路断面積より大きい。

ループ管２は、円筒管がループ状に閉じられたものであり、内部に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。

図２に、原動機１０（原動機６）付近の側断面と流路断面積分布を示す。図２に示されるように、加熱器７は、ループ管２よりも寸法が大きい両端が開放された加熱器円筒管２１を有し、加熱器円筒管２１の内部には流路と平行な複数の内部フィン２２が並べられ、加熱器円筒管２１の外周には複数の外部フィン２３が設けられる。冷却器９も同様に、ループ管よりも寸法が大きい両端が開放された冷却器円筒管２４を有し、冷却器円筒管２４の内部には流路と平行な複数の内部フィン２２が並べられ、冷却器円筒管２４の外周には複数の外部フィン２３が設けられる。再生器８は、ループ管２よりも寸法が大きい両端が開放された再生器円筒管２５を有し、再生器円筒管２５の内部に流路を横断する複数の金網２６が長手方向に積層される。

これにより、片側のループ管２と加熱器円筒管２１の境界、及び冷却器円筒管２４と反対側のループ管２の境界にて、寸法（内径）が段階的に増減している。

一方、加熱器７における流路断面積は、加熱器円筒管２１の断面積から内部フィン２２の総断面積を引いて求められる。流路断面積の分布を見ると、加熱器７における流路断面積は、実線で示されるように、ループ管２における流路断面積よりも大きい。冷却器９における流路断面積も同様に、ループ管２における流路断面積より大きい。再生器８における流路断面積は、再生器円筒管２５の断面積から金網２６の骨格部分の総断面積を引いて求められる。再生器８における流路断面積は、実線で示されるように、ループ管２における流路断面積よりも大きく、さらに、ここでは加熱器７及び冷却器９における流路断面積よりも大きい。

これに対し、もう１つの原動機６においては、内部構造は原動機１０とほぼ同じであるが、諸寸法の違いにより、図２に破線で示されるように、加熱器３、再生器４、冷却器５における流路断面積がいずれもループ管２における流路断面積と同じとなっている。

以下、本発明の熱音響機関１の動作を説明する。

図３（ａ）に、図１のＡ点から矢印方向に見た熱音響機関１のループ全長にわたる内径分布を示す。図３（ａ）に示されるように、原動機６における内径はループ管２の内径に比べて大きく、原動機１０における内径は原動機６における内径よりも大きい。

図３（ｂ）に、図１のＡ点から矢印方向に見た熱音響機関１のループ全長にわたる流路断面積分布を示す。図３（ｂ）に示されるように、原動機６における流路断面積は、ループ管２における流路断面積と同じである。一方、原動機１０における流路断面積は、ループ管２における流路断面積より大きい。原動機１０内では、再生器８における流路断面積が加熱器７及び冷却器９における流路断面積より大きい。

図１に示した本発明の熱音響機関１にあっては、図３（ａ）と図３（ｂ）の比較から分かるように、原動機６では、ループ管２との流路断面積の変化がない程度に内径が拡大されている。詳しくは、図２に示されるように、原動機６は、加熱器円筒管２１、再生器円筒管２５及び冷却器円筒管２４の内径、内部フィン２２の厚さ、枚数、金網２６の骨格材太さ、メッシュ粗さを適宜決めることで、ループ管２との流路断面積の変化がないように構成することができる。

一般に、流路断面積が大きくなる境界あるいは小さくなる境界では、反射波が発生し、ループ管２内の定在波の成分を増大させるが、熱音響機関１の原動機６では、ループ管２との流路断面積の変化がないので、反射波の発生が少なく、定在波成分が増加しない。これにより、進行波成分は増加するので、原動機６における出力が増大する（言い換えると、同じ量の熱エネルギを投入したとき、従来よりも多くの音響エネルギを原動機１０に伝送することができる）。

また、熱音響機関１の原動機６では、流路断面積がループ管２における流路断面積と同じであるが、従来の熱音響機関７１の原動機６６における流路断面積に比べると、原動機６における流路断面積は大きい。よって、原動機６における流速は、従来の原動機６６における流速より低下しており、音波が減衰しにくくなっている。その結果として原動機６における音波出力は、従来の原動機６６における音波出力よりも増大する。

さらに、図１に示した本発明の熱音響機関１にあっては、図３（ａ）と図３（ｂ）の比較から分かるように、原動機１０では、ループ管２に比べて流路断面積が大きくなるように内径が拡大されている。詳しくは、図２に示されるように、原動機１０では、加熱器円筒管２１、再生器円筒管２５及び冷却器円筒管２４の内径、内部フィン２２の厚さ、枚数、金網２６の骨格材太さ、メッシュ粗さを適宜決めることで、ループ管２に比べて流路断面積が大きくなるよう構成することができる。

一般に、ループ内に流路断面積が大きい部分があると、そこを音圧の腹とする定在波が発生しやすい。熱音響機関１では、原動機１０において流路断面積が大きくなっているため、原動機１０の位置を音圧の腹とする定在波が発生することになる。

この結果、原動機６が音圧の節からずれるため、原動機６における熱交換効率が向上して熱音響機関１の動作が安定する。一方、原動機１０が音圧の腹に位置することにより、原動機１０における熱交換効率が向上する。

以上説明したように、本発明は、原動機６と原動機１０が設置された熱音響機関１において、原動機６における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積と同じであり、原動機１０における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積より大きい。これにより、エネルギ変換効率が向上するので、従来に比べて発振開始温度（発振に必要な加熱器３と冷却器５の温度差、加熱器７と冷却器９の温度差）が低くなるという効果が得られる。これにより、従来では、例えば、原動機６６において冷却器６５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６３を必要としたのに対し、本発明では、冷却器５，９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３，７が利用できることになる。

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。

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。

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。

また、本発明によれば、エネルギ変換効率が向上するので、原動機６の代わり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、冷凍性能、冷却性能を飛躍的に向上させることができる。

次に、図４（ａ）に原動機を１つ備えた熱音響機関４１を示す。この熱音響機関４１は、図６に示した従来の熱音響機関６１とは異なり、原動機４２における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積より大きい。具体的には、図４（ｂ）に示されるように、図４（ａ）のＢ点から矢印方向に見た熱音響機関４１のループ全長にわたる外径と流路断面積の分布を見ると、原動機４２の箇所では外径と流路断面積が他の箇所に比べて大きい。これにより、定在波は、音圧の腹が原動機４２の位置に形成される。作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積より大きい原動機４２の代わりに、作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積より大きい受動機を設置しても、同様の定在波のプロファイルを得ることができる。

図５の熱音響機関５１は、図４（ａ）の熱音響機関４１に２つの原動機５２，５３を加えて本発明の構成としたものである。原動機５２，５３は、作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積と同じである。原動機４２における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積より大きいことにより、音圧の腹が原動機４２の位置に形成されているため、ループ全長にわたる定在波のプロファイルが確立されている。このため、原動機５２，５３のように作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積と同じ原動機であれば、２つに限らず、３つ以上の複数個の原動機を任意の箇所に配置することが可能となる。また、原動機の代わりに、作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の流路断面積と同じ受動機（冷凍機）を複数個配置してもよい。

１熱音響機関
２ループ管
３，７加熱器
４，８再生器
５，９冷却器
６，１０原動機

Claims

作動流体が充填されたループ管に、内部フィンを有する加熱器と金網を収容した再生器と内部フィンを有する冷却器とからなる原動機が設置された熱音響機関において、
前記原動機における作動流体の流路断面積が前記ループ管における作動流体の流路断面積より大きいことを特徴とする熱音響機関。
前記ループ管に、前記原動機の他に内部フィンを有する加熱器と金網を収容した再生器と内部フィンを有する冷却器とからなる原動機又は冷凍機が設置され、前記他の原動機又は冷凍機における作動流体の流路断面積が前記ループ管における作動流体の流路断面積と同じであるこことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。