JP2013117319A - Thermoacoustic pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱音響機関を用いて作動流体の供給を行う熱音響ポンプに関する。 The present invention relates to a thermoacoustic pump that supplies a working fluid using a thermoacoustic engine.
従来、トラック等の車両には圧縮空気により駆動されるアクチュエータが様々な用途で採用されており、そのようなアクチュエータとして、例えば、オートクラッチ等が知られている。また、そのオートクラッチ等に圧縮空気を供給するために、エアーコンプレッサが使用されている。そのようなエアーコンプレッサとして、例えば、ピストンポンプが用いられている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, an actuator driven by compressed air has been employed in various applications for vehicles such as trucks. As such an actuator, for example, an auto clutch or the like is known. An air compressor is used to supply compressed air to the auto clutch or the like. For example, a piston pump is used as such an air compressor (see, for example, Patent Document 1).
従来のピストンポンプは、一般的に、可動部品であるピストン、シリンダ等を有していた。 Conventional piston pumps generally have pistons, cylinders and the like that are movable parts.
従来のピストンポンプにおいては、ピストンとシリンダとの間はピストンシールによりシールするが、そのシールは通常接触シールであるためシールの耐久性が低いという問題があった。また、シールの耐久性を高めるためにはシール部をオイルで潤滑する必要があるが、オイルの循環や圧縮空気へのオイル混入に注意する必要があり、フィルタやエアードライヤ等によりオイルを取り除く必要があった。 In the conventional piston pump, the piston and the cylinder are sealed with a piston seal. However, since the seal is a normal contact seal, there is a problem that the durability of the seal is low. In order to increase the durability of the seal, it is necessary to lubricate the seal with oil. However, it is necessary to pay attention to the circulation of the oil and the mixing of oil into the compressed air, and it is necessary to remove the oil with a filter or air dryer. was there.
また、近年、機械的な可動部分が無い所謂熱音響機関の開発研究が活発に行われており（例えば、特開２０１１−２０８９１１号公報参照）、熱音響機関内部で発生する圧力変動を利用することでピストン等の可動部品の無い熱音響ポンプが実現され得る。しかしながら、同熱音響ポンプを車両に搭載し、車両の排気により熱音響機関を加熱して作動させる場合、排気の温度（すなわち、熱源温度）の変化により所望の圧力を得られない状況の発生が想定され、問題となり得る。 In recent years, research and development of so-called thermoacoustic engines having no mechanical moving parts has been actively carried out (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-208911), and pressure fluctuations generated inside the thermoacoustic engine are utilized. Thus, a thermoacoustic pump without moving parts such as a piston can be realized. However, when the thermoacoustic pump is mounted on a vehicle and the thermoacoustic engine is heated and operated by exhaust of the vehicle, a situation in which a desired pressure cannot be obtained due to a change in exhaust temperature (that is, heat source temperature) may occur. Envisioned and could be a problem.
そこで、本発明の目的は、ピストン等の可動部品が無く、耐久性が高く、且つ、熱音響機関を利用する際に、熱源温度が低い場合でも所望の圧力を得ることができるポンプを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a pump that has no moving parts such as a piston, has high durability, and can obtain a desired pressure even when the heat source temperature is low when a thermoacoustic engine is used. There is.
上述の目的を達成するために、本発明は、作動流体が充填された管部に、熱源との熱交換を行う加熱部とスタックと冷却部とが配設された熱音響機関と、前記熱音響機関の前記管部に接続された吸入管と、前記吸入管に取り付けられ、前記熱音響機関側に向かう流れを許容し且つ逆方向の流れを阻止する吸入用逆止弁と、前記熱音響機関の前記管部に接続された吐出管と、前記吐出管に取り付けられ、前記熱音響機関側に向かう流れを阻止し且つ逆方向の流れを許容する吐出用逆止弁と、前記熱音響機関の前記加熱部に設けられる電気ヒータと、前記熱源の温度低下時に前記電気ヒータを作動とする制御機構とを備えたことを特徴とする熱音響ポンプである。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a thermoacoustic engine in which a heating part that exchanges heat with a heat source, a stack, and a cooling part are arranged in a pipe part that is filled with a working fluid. A suction pipe connected to the pipe portion of the acoustic engine, a suction check valve attached to the suction pipe and allowing a flow toward the thermoacoustic engine and blocking a reverse flow; and the thermoacoustic A discharge pipe connected to the pipe portion of the engine; a discharge check valve attached to the discharge pipe for preventing a flow toward the thermoacoustic engine and allowing a reverse flow; and the thermoacoustic engine A thermoacoustic pump comprising: an electric heater provided in the heating unit; and a control mechanism that activates the electric heater when the temperature of the heat source decreases.
前記熱音響ポンプは、前記吐出用逆止弁よりも下流の前記吐出管に配設され、前記吐出用逆止弁を通過した作動流体を貯留するタンクをさらに備えても良い。 The thermoacoustic pump may further include a tank that is disposed in the discharge pipe downstream of the discharge check valve and stores the working fluid that has passed through the discharge check valve.
前記制御機構は、前記タンクに装着され、前記タンク内の圧力を検出する圧力センサと、前記熱音響機関の前記加熱部に装着され、前記熱源の温度を検出する温度センサと、前記圧力センサにより検出した前記タンク内の圧力が所定圧力以下で且つ前記温度センサにより検出した前記熱源の温度が所定温度以下であると判定したときに前記電気ヒータに通電するコントローラとを有しても良い。 The control mechanism is attached to the tank and detects a pressure in the tank, a temperature sensor that is attached to the heating unit of the thermoacoustic engine and detects the temperature of the heat source, and the pressure sensor. A controller may be provided that energizes the electric heater when it is determined that the detected pressure in the tank is equal to or lower than a predetermined pressure and the temperature of the heat source detected by the temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature.
前記制御機構は、前記電気ヒータと電源とを繋ぐ電気回路に配設され、前記タンク内の圧力が所定圧力以下で導通される圧力スイッチと、前記電気回路に前記圧力スイッチと直列に配設され、前記熱音響機関における前記加熱部内の前記熱源の温度が所定温度以下で導通される温度スイッチとを有しても良い。 The control mechanism is disposed in an electric circuit connecting the electric heater and a power source, and is disposed in series with the pressure switch in the electric circuit and a pressure switch that conducts when the pressure in the tank is equal to or lower than a predetermined pressure. And a temperature switch that conducts when the temperature of the heat source in the heating unit in the thermoacoustic engine is equal to or lower than a predetermined temperature.
本発明によれば、ピストン等の可動部品が無く、耐久性が高く、且つ、熱音響機関を利用する際に、熱源温度が低い場合でも所望の圧力を得ることができるポンプを提供することができるという優れた効果を奏する。 According to the present invention, there is provided a pump that has no moving parts such as a piston, has high durability, and can obtain a desired pressure even when the heat source temperature is low when using a thermoacoustic engine. There is an excellent effect of being able to.
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明の第一実施形態に係る熱音響ポンプの構造を図１に示す。 The structure of the thermoacoustic pump according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG.
図１に示すように、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、熱音響機関１１と、吸入管１２と、第一チェック弁（吸入用逆止弁）１３と、吐出管１４と、第二チェック弁（吐出用逆止弁）１５と、タンク（エアータンク）１６とを備えている。 As shown in FIG. 1, a thermoacoustic pump 10 according to this embodiment includes a thermoacoustic engine 11, a suction pipe 12, a first check valve (suction check valve) 13, a discharge pipe 14, and a second pipe. A check valve (discharge check valve) 15 and a tank (air tank) 16 are provided.
熱音響機関１１は、作動流体が充填された管部１７に、加熱部（加熱器）１８とスタック（再生器）１９と冷却部（冷却器）２０とを配設して構成されている。管部１７内の作動流体を加熱部１８において局所的に加熱し、冷却部２０において冷却すると、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部１７内の作動流体が自励振動を起こし、管部１７内に音響振動すなわち音波が発生する。 The thermoacoustic engine 11 is configured by arranging a heating part (heater) 18, a stack (regenerator) 19, and a cooling part (cooler) 20 in a pipe part 17 filled with a working fluid. When the working fluid in the pipe part 17 is locally heated in the heating part 18 and cooled in the cooling part 20, a part of the heat energy is converted into acoustic energy, which is mechanical energy, and the working fluid in the pipe part 17 is changed. A self-excited vibration is generated, and an acoustic vibration, that is, a sound wave is generated in the tube portion 17.
管部１７は、ループ状に形成されたループ管２１と、直線状に形成され、ループ管２１に接続された共鳴管２２とを有する。本実施形態では、加熱部１８、スタック１９及び冷却部２０は、ループ管２１に配設されている。作動流体には、空気、ヘリウム、窒素、アルゴン等の気体（圧縮性流体）を用いるのが好ましい。 The tube portion 17 includes a loop tube 21 formed in a loop shape and a resonance tube 22 formed in a straight line and connected to the loop tube 21. In the present embodiment, the heating unit 18, the stack 19, and the cooling unit 20 are disposed in the loop pipe 21. As the working fluid, it is preferable to use a gas (compressible fluid) such as air, helium, nitrogen, or argon.
加熱部１８は、高温熱源との熱交換を行うものである。加熱部１８は、ループ管２１よりも寸法が大きい両端が開放された加熱部管２３ａと、加熱部管２３ａの内部に流路（加熱部管２３ａの長手方向）と平行になるように複数配設された内部フィン２３ｂと、加熱部管２３ａの外周に接続され、高温熱源が流通する熱源供給部２３ｃとを有している。本実施形態では、高温熱源には、他のシステムで生じた廃熱（車両廃熱や工場廃熱等）を用いる。より詳細には、廃熱としては、エンジン（内燃機関）の排気、ボイラーの排気、焼却炉の排気などが利用できる。 The heating unit 18 performs heat exchange with a high-temperature heat source. The heating unit 18 includes a heating unit tube 23a having both ends that are larger than the loop tube 21, and a plurality of heating units 18 arranged in parallel to the flow path (longitudinal direction of the heating unit tube 23a) inside the heating unit tube 23a. It has an internal fin 23b provided and a heat source supply unit 23c connected to the outer periphery of the heating unit tube 23a and through which a high-temperature heat source flows. In this embodiment, waste heat (vehicle waste heat, factory waste heat, etc.) generated in another system is used as the high-temperature heat source. More specifically, exhaust heat from an engine (internal combustion engine), boiler exhaust, incinerator exhaust, or the like can be used as waste heat.
スタック１９は、加熱部１８と冷却部２０との間で温度勾配を保持するものである。スタック１９は、スタック１９内に流路（ループ管２１の長手方向）を横断するように複数積層された金属メッシュ材料（例えば、金網）２４を有している。 The stack 19 maintains a temperature gradient between the heating unit 18 and the cooling unit 20. The stack 19 includes a metal mesh material (for example, a wire mesh) 24 that is stacked in plural in the stack 19 so as to cross the flow path (longitudinal direction of the loop tube 21).
冷却部２０は、低温熱源との熱交換を行うものである。冷却部２０は、冷却部２０内に流路（ループ管２１の長手方向）と平行になるように複数配設された内部フィン２５を有している。 The cooling unit 20 performs heat exchange with a low-temperature heat source. The cooling unit 20 has a plurality of internal fins 25 arranged in the cooling unit 20 so as to be parallel to the flow path (longitudinal direction of the loop tube 21).
吸入管１２は、熱音響機関１１の管部１７（本実施形態では、共鳴管２２）に接続され、作動流体を管部１７内に吸入するためのものである。吸入管１２は、ループ管２１及び共鳴管２２よりも十分に径が小さい細管からなる。吸入管１２の下流端は、管部１７内の圧力変動が最も大きくなる箇所に接続するのが好ましい。また、吸入管１２の下流端は、熱音響機関１１のエンジン部分（加熱部１８、スタック１９、冷却部２０）から離れた箇所に接続するのが好ましい。本実施形態では、吸入管１２の上流端は、大気開放されている。 The suction pipe 12 is connected to the pipe part 17 (resonance pipe 22 in the present embodiment) of the thermoacoustic engine 11 and sucks the working fluid into the pipe part 17. The suction pipe 12 is formed of a thin tube having a sufficiently smaller diameter than the loop pipe 21 and the resonance pipe 22. The downstream end of the suction pipe 12 is preferably connected to a place where the pressure fluctuation in the pipe portion 17 is the largest. Further, the downstream end of the suction pipe 12 is preferably connected to a location away from the engine portion (the heating unit 18, the stack 19, and the cooling unit 20) of the thermoacoustic engine 11. In the present embodiment, the upstream end of the suction pipe 12 is open to the atmosphere.
第一チェック弁１３は、熱音響機関１１の管部１７に向かって作動流体が流れるように吸入管１２に取り付けられている。すなわち、第一チェック弁１３は、熱音響機関１１側に向かう流れを許容し、その逆方向の流れを阻止するものである。第一チェック弁１３の開弁圧（セット荷重）は、例えば、第一チェック弁１３の上流側圧力が下流側圧力よりも大きくなると開弁するように設定される。 The first check valve 13 is attached to the suction pipe 12 so that the working fluid flows toward the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11. That is, the first check valve 13 allows a flow toward the thermoacoustic engine 11 and blocks a flow in the opposite direction. The valve opening pressure (set load) of the first check valve 13 is set so as to open when the upstream pressure of the first check valve 13 becomes larger than the downstream pressure, for example.
吐出管１４は、熱音響機関１１の管部１７（本実施形態では、共鳴管２２）に接続され、作動流体を管部１７内から吐出するためのものである。吐出管１４は、ループ管２１及び共鳴管２２よりも十分に径が小さい細管からなる。吐出管１４の上流端は、管部１７内の圧力変動が最も大きくなる箇所に接続するのが好ましい。また、吐出管１４の上流端は、熱音響機関１１のエンジン部分（加熱部１８、スタック１９、冷却部２０）から離れた箇所に接続するのが好ましい。本実施形態では、吐出管１４の下流端は、タンク１６に接続されている。 The discharge pipe 14 is connected to the pipe part 17 (resonance pipe 22 in this embodiment) of the thermoacoustic engine 11 and discharges the working fluid from the pipe part 17. The discharge pipe 14 is composed of a narrow tube having a sufficiently smaller diameter than the loop tube 21 and the resonance tube 22. The upstream end of the discharge pipe 14 is preferably connected to a place where the pressure fluctuation in the pipe portion 17 is the largest. The upstream end of the discharge pipe 14 is preferably connected to a location away from the engine portion (the heating unit 18, the stack 19, and the cooling unit 20) of the thermoacoustic engine 11. In the present embodiment, the downstream end of the discharge pipe 14 is connected to the tank 16.
第二チェック弁１５は、熱音響機関１１の管部１７からタンク１６に向かって作動流体が流れるように吐出管１４に取り付けられている。すなわち、第二チェック弁１５は、タンク１６側から熱音響機関１１側に向かう流れを阻止し、その逆方向の流れを許容するものである。第二チェック弁１５の開弁圧（セット荷重）は、例えば、第二チェック弁１５の上流側圧力が下流側圧力よりも大きくなると開弁するように設定される。 The second check valve 15 is attached to the discharge pipe 14 so that the working fluid flows from the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11 toward the tank 16. That is, the second check valve 15 blocks the flow from the tank 16 side toward the thermoacoustic engine 11 side and allows the flow in the opposite direction. For example, the valve opening pressure (set load) of the second check valve 15 is set to open when the upstream pressure of the second check valve 15 becomes larger than the downstream pressure.
タンク１６は、第二チェック弁１５よりも下流の吐出管１４に配設され、第二チェック弁１５を通過した作動流体を貯留するものである。タンク１６は、タンク１６に貯留した作動流体を他のシステムにおいて使用するために、吐出管１４に対して着脱可能に接続されている。なお、本実施形態ではタンク１６は吐出管１４の下流端に接続されているが、タンク１６を吐出管１４の途中に接続すると共に、タンク１６よりも下流の吐出管１４に止め弁を設けても良い。 The tank 16 is disposed in the discharge pipe 14 downstream of the second check valve 15 and stores the working fluid that has passed through the second check valve 15. The tank 16 is detachably connected to the discharge pipe 14 in order to use the working fluid stored in the tank 16 in another system. In the present embodiment, the tank 16 is connected to the downstream end of the discharge pipe 14, but the tank 16 is connected to the middle of the discharge pipe 14 and a stop valve is provided in the discharge pipe 14 downstream of the tank 16. Also good.
本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、電気ヒータ２６と、制御機構２７とをさらに備えている。 The thermoacoustic pump 10 according to the present embodiment further includes an electric heater 26 and a control mechanism 27.
電気ヒータ２６は、熱音響機関１１の加熱部１８に設けられている。本実施形態の電気ヒータ２６は、加熱部１８の熱源供給部２３ｃに配設され、加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内を流通する排気を加熱するものである。電気ヒータ２６は、タンク１６内の圧力が所定圧力以下で且つ加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下の場合に作動とされる。なお、電気ヒータ２６は、加熱部１８の加熱部管２３ａの外周に配設され、加熱部管２３ａ（すなわち、加熱部管２３ａ内を通過する作動流体）を加熱するものであっても良い。 The electric heater 26 is provided in the heating unit 18 of the thermoacoustic engine 11. The electric heater 26 of the present embodiment is disposed in the heat source supply unit 23 c of the heating unit 18 and heats the exhaust gas flowing through the heat source supply unit 23 c of the heating unit 18. The electric heater 26 is activated when the pressure in the tank 16 is lower than a predetermined pressure and the temperature of the exhaust gas in the heat source supply unit 23c of the heating unit 18 is lower than the predetermined temperature. The electric heater 26 may be disposed on the outer periphery of the heating section tube 23a of the heating section 18 to heat the heating section tube 23a (that is, the working fluid passing through the heating section tube 23a).
制御機構２７は、高温熱源（排気）の温度低下時に電気ヒータ２６を作動とするものである。制御機構２７は、タンク１６に装着され、タンク１６内の圧力を検出する圧力センサ２８と、加熱部１８の熱源供給部２３ｃに装着され、加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度を検出する温度センサ２９と、圧力センサ２８により検出したタンク１６内の圧力が所定圧力以下で且つ温度センサ２９により検出した加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下であると判定したときに電気ヒータ２６に通電するコントローラ３０とを有している。温度センサ２９は、電気ヒータ２６による加熱前の排気の温度を検出するために、電気ヒータ２６よりも排気上流側に位置させて加熱部１８の熱源供給部２３ｃに配設されている。上述の所定圧力は、例えば、熱音響ポンプ１０の最大発生圧力などに基づいて適切な値とされ、上述の所定温度は、例えば、エンジンなどの排気の平均温度などに基づいて適切な値とされる。 The control mechanism 27 operates the electric heater 26 when the temperature of the high-temperature heat source (exhaust gas) decreases. The control mechanism 27 is attached to the tank 16, is attached to the pressure sensor 28 that detects the pressure in the tank 16, and the heat source supply unit 23 c of the heating unit 18, and controls the temperature of the exhaust gas in the heat source supply unit 23 c of the heating unit 18. The temperature sensor 29 to be detected and the pressure in the tank 16 detected by the pressure sensor 28 are below a predetermined pressure, and the temperature of the exhaust gas in the heat source supply part 23c of the heating unit 18 detected by the temperature sensor 29 is below a predetermined temperature. A controller 30 that energizes the electric heater 26 when it is determined. The temperature sensor 29 is disposed in the heat source supply unit 23 c of the heating unit 18 so as to be positioned on the exhaust upstream side of the electric heater 26 in order to detect the temperature of the exhaust before heating by the electric heater 26. The above-mentioned predetermined pressure is an appropriate value based on, for example, the maximum generated pressure of the thermoacoustic pump 10, and the above-mentioned predetermined temperature is an appropriate value based on, for example, the average temperature of exhaust gas from the engine or the like. The
図３を用いてコントローラ３０による電気ヒータ２６の制御フローを説明する。 A control flow of the electric heater 26 by the controller 30 will be described with reference to FIG.
図３に示す制御フローは、熱音響ポンプ１０の始動から停止までの間、繰り返し実行されるものである。なお、熱音響ポンプ１０の始動から所定時間の間は、本制御を実行しないようにしても良い。 The control flow shown in FIG. 3 is repeatedly executed from the start to the stop of the thermoacoustic pump 10. It should be noted that this control may not be executed for a predetermined time from the start of the thermoacoustic pump 10.
先ず、コントローラ３０は、ステップＳ１において、圧力センサ２８の検出値（タンク１６内の圧力）が所定圧力以下であるか否かを確認する。次いで、ステップＳ１において圧力センサ２８の検出値（タンク１６内の圧力）が所定圧力以下であると判定した場合、コントローラ３０は、ステップＳ２において、温度センサ２９の検出値（加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度）が所定温度以下であるか否かを確認する。次いで、ステップＳ２において温度センサ２９の検出値（加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度）が所定温度以下であると判定した場合、コントローラ３０は、ステップＳ３において電気ヒータ２６を作動とする。そして、コントローラ３０は、ステップＳ４において温度センサ２９の検出値（加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度）が所定温度より高くなったと判定した場合に、ステップＳ５において電気ヒータ２６を非作動とし、本制御をリターンする。 First, in step S1, the controller 30 confirms whether or not the detection value of the pressure sensor 28 (pressure in the tank 16) is equal to or lower than a predetermined pressure. Next, when it is determined in step S1 that the detection value of the pressure sensor 28 (pressure in the tank 16) is equal to or lower than the predetermined pressure, the controller 30 detects the detection value of the temperature sensor 29 (supply of heat from the heating unit 18) in step S2. It is confirmed whether the temperature of the exhaust gas in the portion 23c is equal to or lower than a predetermined temperature. Next, when it is determined in step S2 that the detected value of the temperature sensor 29 (the temperature of the exhaust gas in the heat source supply unit 23c of the heating unit 18) is equal to or lower than the predetermined temperature, the controller 30 activates the electric heater 26 in step S3. To do. When the controller 30 determines in step S4 that the detected value of the temperature sensor 29 (the temperature of the exhaust gas in the heat source supply unit 23c of the heating unit 18) has become higher than the predetermined temperature, the controller 30 turns off the electric heater 26 in step S5. Activate and return to this control.
一方、ステップＳ１において圧力センサ２８の検出値（タンク１６内の圧力）が所定圧力より高いと判定した場合、又は、ステップＳ２において温度センサ２９の検出値（加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度）が所定温度より高いと判定した場合、コントローラ３０は、本制御をリターンする。 On the other hand, when it is determined in step S1 that the detection value of the pressure sensor 28 (pressure in the tank 16) is higher than the predetermined pressure, or in step S2, the detection value of the temperature sensor 29 (in the heat source supply unit 23c of the heating unit 18). When it is determined that the temperature of the exhaust gas is higher than the predetermined temperature, the controller 30 returns this control.
図２を用いて本実施形態に係る熱音響ポンプ１０の作動原理を説明する。 The operation principle of the thermoacoustic pump 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
作動流体は、空気であるとする。また、熱音響機関１１の管部１７内の圧力は、初期状態で大気圧であるとする。この初期状態から熱音響機関１１が自励発振を始めると、熱音響機関１１の管部１７内に周期的な圧力変動が発生する。このとき、管部１７内の圧力が大気圧よりも低い負圧の領域（負圧時）では、外気が吸入管１２及び第一チェック弁１３を通って外部から熱音響機関１１の管部１７内に流入する。第一チェック弁１３の上流側圧力（外部の圧力すなわち大気圧）が下流側圧力（管部１７内の圧力）よりも高くなるためである。 It is assumed that the working fluid is air. Further, the pressure in the tube portion 17 of the thermoacoustic engine 11 is assumed to be atmospheric pressure in the initial state. When the thermoacoustic engine 11 starts self-oscillation from this initial state, periodic pressure fluctuations are generated in the tube portion 17 of the thermoacoustic engine 11. At this time, in a negative pressure region where the pressure in the pipe portion 17 is lower than atmospheric pressure (at the time of negative pressure), outside air passes through the suction pipe 12 and the first check valve 13 from the outside, and the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11 from the outside. Flows in. This is because the upstream pressure (external pressure, that is, atmospheric pressure) of the first check valve 13 is higher than the downstream pressure (pressure in the pipe portion 17).
次に、熱音響機関１１の管部１７内の圧力が上昇すると、管部１７内の圧力は大気圧以上となる。このとき、管部１７内の圧力が大気圧以上である正圧の領域（正圧時）においてタンク１６内の圧力が管部１７内の圧力よりも低いと、圧縮空気が吐出管１４及び第二チェック弁１５を通って熱音響機関１１の管部１７からタンク１６に流れる。 Next, when the pressure in the pipe part 17 of the thermoacoustic engine 11 rises, the pressure in the pipe part 17 becomes atmospheric pressure or more. At this time, if the pressure in the tank 16 is lower than the pressure in the pipe portion 17 in a positive pressure region where the pressure in the pipe portion 17 is equal to or higher than atmospheric pressure (at the time of positive pressure), the compressed air is discharged from the discharge pipe 14 and the first pipe. It flows from the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11 to the tank 16 through the two check valves 15.
このようなサイクルを繰り返すと熱音響機関１１の管部１７内の平均圧力は徐々に上昇し、それに伴い管部１７内の圧力振幅も増大する。最終的に図２の右端のような圧力状態になると、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０により発生可能な圧力の上限（最大発生圧力）になる。図２の右端のような圧力状態においては、管部１７内の圧力が大気圧よりも低くならず、第一チェック弁１３による熱音響機関１１の管部１７への外気の吸入が行われなくなるためである。但し、熱音響機関１１の加熱部１８における加熱温度を上げれば、さらに高い圧力を熱音響機関１１の管部１７内及びタンク１６内に発生させることは可能である。 When such a cycle is repeated, the average pressure in the tube portion 17 of the thermoacoustic engine 11 gradually increases, and the pressure amplitude in the tube portion 17 also increases accordingly. When the pressure state finally reaches the right end in FIG. 2, the upper limit (maximum generated pressure) of the pressure that can be generated by the thermoacoustic pump 10 according to the present embodiment is reached. In the pressure state as shown in the right end of FIG. 2, the pressure in the pipe portion 17 is not lower than the atmospheric pressure, and the first check valve 13 does not suck the outside air into the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11. Because. However, if the heating temperature in the heating unit 18 of the thermoacoustic engine 11 is increased, higher pressure can be generated in the pipe portion 17 and the tank 16 of the thermoacoustic engine 11.
すなわち、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、熱音響機関１１の管部１７内で発生する圧力振動を利用し、熱音響機関１１の管部１７内の圧力が低圧となったときに外気を熱音響機関１１の管部１７内に吸入し、熱音響機関１１の管部１７内の圧力が高圧となったときに圧縮空気を熱音響機関１１の管部１７内からタンク１６に吐き出す、ピストン等の可動部品の無いコンプレッサ（エアーコンプレッサ）として機能する。 That is, the thermoacoustic pump 10 according to the present embodiment uses pressure vibration generated in the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11, and the outside air is discharged when the pressure in the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11 becomes low. Is sucked into the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11, and when the pressure in the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11 becomes high, compressed air is discharged from the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11 to the tank 16. Functions as a compressor (air compressor) with no moving parts such as pistons.
なお、タンク１６は、必ずしも吐出管１４に接続しておく必要はない。すなわち、圧縮空気をタンク１６に貯留せずに流すだけなら、熱音響ポンプ１０は、ピストン等の可動部品の無いポンプ（エアーポンプ）として機能する。 Note that the tank 16 is not necessarily connected to the discharge pipe 14. That is, if the compressed air is simply flowed without being stored in the tank 16, the thermoacoustic pump 10 functions as a pump (air pump) having no moving parts such as a piston.
また、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０では、排気の温度が低い場合、加熱部１８の熱源供給部２３ｃに設けた電気ヒータ２６により排気を温めるようにしたので、エンジンなどの排気の温度が低い状況でも所望の空気圧（圧力）を得ることができる。特に、本実施形態では、タンク１６内の圧力が所定圧力以下で且つ加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下である場合に、排気の温度が所定温度を超えるまでの間、電気ヒータ２６を作動とするようにしたので、他のシステムで生じた廃熱（車両廃熱や工場廃熱等）を高温熱源として利用することによる省エネルギ効果が損なわれることはない。 Further, in the thermoacoustic pump 10 according to the present embodiment, when the temperature of the exhaust gas is low, the exhaust gas is heated by the electric heater 26 provided in the heat source supply unit 23c of the heating unit 18. A desired air pressure (pressure) can be obtained even in a low situation. In particular, in the present embodiment, when the pressure in the tank 16 is equal to or lower than the predetermined pressure and the temperature of the exhaust gas in the heat source supply unit 23c of the heating unit 18 is equal to or lower than the predetermined temperature, the temperature until the exhaust gas temperature exceeds the predetermined temperature. Meanwhile, since the electric heater 26 is operated, the energy saving effect by using waste heat (vehicle waste heat, factory waste heat, etc.) generated in other systems as a high-temperature heat source is not impaired.
以上要するに、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０によれば、作動流体が充填された管部１７に、熱源との熱交換を行う加熱部１８とスタック１９と冷却部２０とが配設された熱音響機関１１と、熱音響機関１１の管部１７に接続された吸入管１２と、吸入管１２に取り付けられ、熱音響機関１１側に向かう流れを許容し且つ逆方向の流れを阻止する吸入用逆止弁１３と、熱音響機関１１の管部１７に接続された吐出管１４と、吐出管１４に取り付けられ、熱音響機関１１側に向かう流れを阻止し且つ逆方向の流れを許容する吐出用逆止弁１５と、熱音響機関１１の加熱部１８に設けられ、熱源を加熱する電気ヒータ２６と、熱源の温度低下時に電気ヒータ２６を作動とする制御機構２７とを備えたので、ピストン等の可動部品が無く、耐久性が高く、且つ、熱音響機関１１を利用する際に、熱源温度が低い場合でも所望の圧力を得ることができるポンプを提供することができる。 In short, according to the thermoacoustic pump 10 according to the present embodiment, the heating unit 18, the stack 19, and the cooling unit 20 that perform heat exchange with the heat source are disposed in the tube unit 17 filled with the working fluid. The thermoacoustic engine 11, the suction pipe 12 connected to the pipe portion 17 of the thermoacoustic engine 11, and the suction pipe that is attached to the suction pipe 12 and that allows the flow toward the thermoacoustic engine 11 and prevents the reverse flow. Check valve 13, discharge pipe 14 connected to pipe portion 17 of thermoacoustic engine 11, and attached to discharge pipe 14, blocking the flow toward thermoacoustic engine 11 and allowing reverse flow. Since the discharge check valve 15, the heating unit 18 of the thermoacoustic engine 11, the electric heater 26 that heats the heat source, and the control mechanism 27 that operates the electric heater 26 when the temperature of the heat source decreases are provided. Durable with no moving parts such as pistons High, and, when using the thermoacoustic engine 11, it is possible to provide a pump capable of obtaining a desired pressure, even if the heat source temperature is low.
また、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、オイルを必要とせず、圧縮空気にオイルの混入がない。 Moreover, the thermoacoustic pump 10 which concerns on this embodiment does not require oil, and there is no mixing of oil in compressed air.
さらに、熱音響機関１１（加熱部１８）の加熱を他のシステムで生じた廃熱（車両廃熱や工場廃熱等）により行うことで、維持費が殆どかからないポンプが実現する。 Furthermore, a pump with little maintenance cost is realized by heating the thermoacoustic engine 11 (heating unit 18) with waste heat (vehicle waste heat, factory waste heat, etc.) generated in another system.
本発明の第二実施形態に係る熱音響ポンプの構造を図４に示す。 The structure of the thermoacoustic pump according to the second embodiment of the present invention is shown in FIG.
なお、図４に示す第二実施形態において、図１に示す第一実施形態と同一の構成要素には同一符号を付して、説明を省略する。 In the second embodiment shown in FIG. 4, the same components as those in the first embodiment shown in FIG.
図４に示すように、制御機構３１は、電気ヒータ２６と電源３２とを繋ぐ電気回路３３に配設され、タンク１６内の圧力が所定圧力以下となる圧力低下で導通される圧力スイッチ３４と、電気回路３３に圧力スイッチ３４と直列に配設され、加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下となる温度低下で導通される温度スイッチ３５とを有している。圧力スイッチ３４は、タンク１６内の圧力を検知するために、タンク１６に装着されている。温度スイッチ３５は、電気ヒータ２６による加熱前の排気の温度を検知するために、電気ヒータ２６よりも排気上流側に位置させて加熱部１８の熱源供給部２３ｃに装着されている。 As shown in FIG. 4, the control mechanism 31 is disposed in an electric circuit 33 that connects the electric heater 26 and the power source 32, and is a pressure switch 34 that is turned on when the pressure in the tank 16 becomes a predetermined pressure or less. The temperature switch 35 is provided in the electric circuit 33 in series with the pressure switch 34 and is turned on when the temperature of the exhaust gas in the heat source supply unit 23c of the heating unit 18 becomes a predetermined temperature or lower. The pressure switch 34 is attached to the tank 16 in order to detect the pressure in the tank 16. The temperature switch 35 is mounted on the heat source supply unit 23 c of the heating unit 18 so as to be positioned on the upstream side of the exhaust from the electric heater 26 in order to detect the temperature of the exhaust before heating by the electric heater 26.
図４に示す制御機構３１では、電気ヒータ２６は、タンク１６内の圧力が所定圧力以下で且つ加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下の場合に、圧力スイッチ３４及び温度スイッチ３５の導通により作動とされる。また、電気ヒータ２６は、タンク１６内の圧力が所定圧力を超えた場合に、圧力スイッチ３４の導通解除により非作動とされ、又は、加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度を超えた場合に、温度スイッチ３５の導通解除により非作動とされる。 In the control mechanism 31 shown in FIG. 4, the electric heater 26 includes the pressure switch 34 and the pressure switch 34 when the pressure in the tank 16 is equal to or lower than the predetermined pressure and the temperature of the exhaust gas in the heat source supply unit 23 c of the heating unit 18 is equal to or lower than the predetermined temperature. The switch is activated by the conduction of the temperature switch 35. Further, when the pressure in the tank 16 exceeds a predetermined pressure, the electric heater 26 is deactivated by releasing the conduction of the pressure switch 34, or the temperature of the exhaust gas in the heat source supply unit 23c of the heating unit 18 is predetermined. When the temperature is exceeded, the temperature switch 35 is deactivated by releasing the conduction.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other embodiments can be adopted.
例えば、熱音響機関１１の構造は図１の実施形態のものには限定されない。熱音響機関１１の変形例を図５に示す。なお、図５では電気ヒータ２６及び制御機構２７、３１を図示省略している。図５（ａ）に示すように、管部４１が、ループ状に形成されたループ管４２を有しており、ループ管４２に加熱部１８とスタック１９と冷却部２０とが配設されていると共に、ループ管４２に吸入管１２及び吐出管１４が接続されている。また、図５（ｂ）に示すように、管部４３が、直線状に形成された共鳴管４４を有しており、共鳴管４４に加熱部１８とスタック１９と冷却部２０とが配設されていると共に、共鳴管４４に吸入管１２及び吐出管１４が接続されている。 For example, the structure of the thermoacoustic engine 11 is not limited to that of the embodiment of FIG. A modification of the thermoacoustic engine 11 is shown in FIG. In FIG. 5, the electric heater 26 and the control mechanisms 27 and 31 are not shown. As shown in FIG. 5A, the pipe part 41 has a loop pipe 42 formed in a loop shape, and the heating part 18, the stack 19, and the cooling part 20 are arranged on the loop pipe 42. In addition, the suction pipe 12 and the discharge pipe 14 are connected to the loop pipe 42. Further, as shown in FIG. 5B, the tube portion 43 includes a linearly formed resonance tube 44, and the heating portion 18, the stack 19, and the cooling portion 20 are disposed in the resonance tube 44. In addition, the suction pipe 12 and the discharge pipe 14 are connected to the resonance pipe 44.
１０ 熱音響ポンプ
１１ 熱音響機関
１２ 吸入管
１３ 吸入用逆止弁（第一チェック弁）
１４ 吐出管
１５ 吐出用逆止弁（第二チェック弁）
１６ タンク
１７ 管部
１８ 加熱部
１９ スタック
２０ 冷却部
２６ 電気ヒータ
２７ 制御機構
２８ 圧力センサ
２９ 温度センサ
３０ コントローラ
３１ 制御機構
３２ 電源
３３ 電気回路
３４ 圧力スイッチ
３５ 温度スイッチ
10 Thermoacoustic Pump 11 Thermoacoustic Engine 12 Suction Pipe 13 Suction Check Valve (First Check Valve)
14 Discharge pipe 15 Discharge check valve (second check valve)
16 Tank 17 Pipe portion 18 Heating portion 19 Stack 20 Cooling portion 26 Electric heater 27 Control mechanism 28 Pressure sensor 29 Temperature sensor 30 Controller 31 Control mechanism 32 Power supply 33 Electric circuit 34 Pressure switch 35 Temperature switch
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