JP2013117320A - 熱音響ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】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、熱源温度を上げることなく必要な圧力を得る。
【解決手段】熱音響ポンプ１０は、作動流体が充填された管部２０に、加熱部２１とスタック２２と冷却部２３とが配設された複数の熱音響機関１１と、複数の熱音響機関１１の管部２０を多段に接続する接続管１２と、最上段に位置する熱音響機関１１の管部２０に接続された吸入管１３と、吸入管１３に取り付けられた吸入用逆止弁１４と、接続管１２に取り付けられた接続用逆止弁１５と、最下段に位置する熱音響機関１１の管部２０に接続された吐出管１６と、吐出管１６に取り付けられた吐出用逆止弁１７とを備え、スタック２２は、下段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間が上段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間より短くなるように設定される。
【選択図】図１

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。

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）。

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。

特開２００５−３１５２１２号公報

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。

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ポンプが実現され得る。しかしながら、熱音響機関内部に発生可能な圧力振幅は加熱部と冷却部との温度差に比例して増大するが、熱源温度が低い場合には大きな圧力振幅が得られず、必要な空気圧（圧力）が得られない場合がある。

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、熱源温度を上げることなく必要な圧力を得ることができるポンプを提供することにある。

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、加熱部とスタックと冷却部とが配設された複数の熱音響機関と、前記複数の熱音響機関の前記管部を多段に接続する接続管と、最上段に位置する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、最上段に位置する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、前記接続管に取り付けられ、上段に位置する前記熱音響機関側から下段に位置する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接続用逆止弁と、最下段に位置する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、最下段に位置する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を備え、前記スタックは、下段に位置する前記熱音響機関の前記スタックにおける作動流体の熱緩和時間が上段に位置する前記熱音響機関の前記スタックにおける作動流体の熱緩和時間より短くなるように設定されることを特徴とする熱音響ポンプである。

前記スタックは、前記スタックの内部に流路を横断するように長手方向に複数積層された金属メッシュ材料を有し、前記金属メッシュ材料のメッシュ粗さを下段側の前記熱音響機関ほど細かくすることで、前記スタックは、下段に位置する前記熱音響機関の前記スタックの目開きが上段に位置する前記熱音響機関の前記スタックの目開きより細かくなるように設定されても良い。

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。

前記熱音響ポンプは、前記接続管に配設されたサージタンクをさらに備えても良い。

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、熱源温度を上げることなく必要な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。

本発明の一実施形態に係る熱音響ポンプの構成図である。 本発明の一実施形態に係る熱音響ポンプの作動原理を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係る熱音響ポンプの構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る熱音響ポンプの構成図である。

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。

本発明の一実施形態に係る熱音響ポンプの構造を図１に示す。

図１に示すように、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、複数（本実施形態では、二つ）の熱音響機関１１と、接続管１２と、吸入管１３と、第一チェック弁（吸入用逆止弁）１４と、第二チェック弁（接続用逆止弁）１５と、吐出管１６と、第三チェック弁（吐出用逆止弁）１７と、タンク（エアータンク）１８とを備えている。

各熱音響機関１１は、作動流体が充填された管部２０に、加熱部（加熱器）２１とスタック（再生器）２２と冷却部（冷却器）２３とを配設して構成されている。管部２０内の作動流体を加熱部２１において局所的に加熱し、冷却部２３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２０内の作動流体が自励振動を起こし、管部２０内に音響振動すなわち音波が発生する。

管部２０は、ループ状に形成されたループ管２４と、直線状に形成され、ループ管２４に接続された共鳴管２５とを有する。本実施形態では、加熱部２１、スタック２２及び冷却部２３は、ループ管２４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。

加熱部２１は、高温熱源との熱交換を行うものである。加熱部２１は、加熱部２１内に流路（ループ管２４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２６を有している。また、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）を用いるのが好ましい。

スタック２２は、加熱部２１と冷却部２３との間で温度勾配を保持するものである。スタック２２は、両端が開放されたスタック管２７ａと、スタック管２７ａの内部に流路（スタック管２７ａの長手方向）を横断するように長手方向に複数積層された金属メッシュ材料（例えば、金網）２７ｂとを有している。

本実施形態に係る熱音響ポンプ１０では、スタック２２は、下段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間が上段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間より短くなるように設定されている。スタック２２は、金属メッシュ材料２７ｂの骨格材太さ、金属メッシュ材料２７ｂのメッシュ粗さ（メッシュサイズ）を適宜変更することで、そのスタック２２における作動流体の熱緩和時間を設定することができる。本実施形態では、金属メッシュ材料２７ｂのメッシュ粗さを下段側の熱音響機関１１ほど細かくすることで、スタック２２は、下段に位置する熱音響機関１１のスタック２２の目開きが上段に位置する熱音響機関１１のスタック２２の目開きより細かくなるように設定されている。

ここで、スタック２２の内部で行われる熱交換は、作動流体の角速度ω（オメガ）と作動流体の熱緩和時間τ（タウ）との積で定義されるωτにより決定される。また、作動流体の熱緩和時間τは、流路壁部（金属メッシュ材料２７ｂの骨格材）の温度と流路内の作動流体の温度とが平衡になるまでの時間を表し、τ＝ｒ²／（２α）により求められる。但し、ｒは流路径であり、αは作動流体の熱拡散係数である。上段に位置する熱音響機関１１のスタック２２におけるωτと、下段に位置する熱音響機関１１のスタック２２におけるωτとが等しくなるようにするのが好ましい。

冷却部２３は、低温熱源との熱交換を行うものである。冷却部２３は、冷却部２３内に流路（ループ管２４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２８を有している。

接続管１２は、複数の熱音響機関１１の管部２０（本実施形態では、共鳴管２５）を多段に接続するためのものである。接続管１２は、ループ管２４及び共鳴管２５よりも十分に径が小さい細管からなる。接続管１２は、各熱音響機関１１に対して、管部２０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、接続管１２は、各熱音響機関１１に対して、熱音響機関１１のエンジン部分（加熱部２１、スタック２２、冷却部２３）から離れた箇所に接続するのが好ましい。

吸入管１３は、最上段に位置する熱音響機関１１の管部２０（本実施形態では、共鳴管２５）に接続され、作動流体を最上段に位置する熱音響機関１１の管部２０内に吸入するためのものである。吸入管１３は、ループ管２４及び共鳴管２５よりも十分に径が小さい細管からなる。吸入管１３の下流端は、最上段に位置する熱音響機関１１に対して、管部２０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１３の下流端は、最上段に位置する熱音響機関１１に対して、熱音響機関１１のエンジン部分（加熱部２１、スタック２２、冷却部２３）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１３の上流端は、大気開放されている。

第一チェック弁１４は、最上段に位置する熱音響機関１１の管部２０に向かって作動流体が流れるように吸入管１３に取り付けられている。すなわち、第一チェック弁１４は、最上段に位置する熱音響機関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１４の開弁圧（セット荷重）は、例えば、第一チェック弁１４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。

第二チェック弁１５は、上段に位置する熱音響機関１１の管部２０から下段に位置する熱音響機関１１の管部２０に向かって作動流体が流れるように接続管１２に取り付けられている。すなわち、第二チェック弁１５は、上段に位置する熱音響機関１１側から下段に位置する熱音響機関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。

吐出管１６は、最下段に位置する熱音響機関１１の管部２０（本実施形態では、共鳴管２５）に接続され、作動流体を最下段に位置する熱音響機関１１の管部２０内から吐出するためのものである。吐出管１６は、ループ管２４及び共鳴管２５よりも十分に径が小さい細管からなる。吐出管１６の上流端は、最下段に位置する熱音響機関１１に対して、管部２０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１６の上流端は、最下段に位置する熱音響機関１１に対して、熱音響機関１１のエンジン部分（加熱部２１、スタック２２、冷却部２３）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１６の下流端は、タンク１８に接続されている。

第三チェック弁１７は、最下段に位置する熱音響機関１１の管部２０からタンク１８に向かって作動流体が流れるように吐出管１６に取り付けられている。すなわち、第三チェック弁１７は、タンク１８側から最下段に位置する熱音響機関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。第三チェック弁１７の開弁圧（セット荷重）は、例えば、第三チェック弁１７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。

タンク１８は、第三チェック弁１７よりも下流の吐出管１６に配設され、第三チェック弁１７を通過した作動流体を貯留するものである。タンク１８は、タンク１８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１６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１８は吐出管１６の下流端に接続されているが、タンク１８を吐出管１６の途中に接続すると共に、タンク１８よりも下流の吐出管１６に止め弁を設けても良い。

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。なお、図２では、上段に位置する一段目の熱音響機関１１の管部２０内の圧力を細線で示し、下段に位置する二段目の熱音響機関１１の管部２０内の圧力を太線で示している。

作動流体は、空気であるとする。また、熱音響機関１１の管部２０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２０内に周期的な圧力変動が発生する。このとき、一段目の熱音響機関１１の管部２０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１３及び第一チェック弁１４を通って外部から一段目の熱音響機関１１の管部２０内に流入する。第一チェック弁１４の上流側圧力（外部の圧力すなわち大気圧）が下流側圧力（一段目の熱音響機関１１の管部２０内の圧力）よりも高くなるためである。

次に、熱音響機関１１の管部２０内の圧力が上昇すると、管部２０内の圧力は大気圧以上となる。このとき、二段目の熱音響機関１１の管部２０内の圧力が一段目の熱音響機関１１の管部２０内の圧力よりも低いと、圧縮空気が接続管１２及び第二チェック弁１５を通って一段目の熱音響機関１１の管部２０から二段目の熱音響機関１１の管部２０に流れる。また、二段目の熱音響機関１１の管部２０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１８内の圧力が二段目の熱音響機関１１の管部２０内の圧力よりも低いと、圧縮空気が吐出管１６及び第三チェック弁１７を通って二段目の熱音響機関１１の管部２０からタンク１８に流れる。

このようなサイクルを繰り返すと熱音響機関１１の管部２０内の平均圧力は徐々に上昇し、それに伴い管部２０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、一段目の熱音響機関１１の管部２０内の圧力が大気圧よりも低くならず、第一チェック弁１４による一段目の熱音響機関１１の管部２０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２１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２０内及びタンク１８内に発生させることは可能である。

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２０内で発生する圧力振動を利用し、熱音響機関１１の管部２０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２０内に吸入し、熱音響機関１１の管部２０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２０内からタンク１８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。

なお、タンク１８は、必ずしも吐出管１６に接続しておく必要はない。すなわち、圧縮空気をタンク１８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。

また、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０においては、二段目の熱音響機関１１の管部２０は、一段目の熱音響機関１１の管部２０内で圧力が上昇した状態の圧縮空気を接続管１２及び第二チェック弁１５を介して吸入するため、二段目の熱音響機関１１の管部２０内の平均圧力は一段目の熱音響機関１１の管部２０内の平均圧力よりも高圧となる。従って、吐出管１６及び第三チェック弁１７を通ってタンク１８に流れる圧縮空気の圧力も高くすることが可能となる。また、二段目の熱音響機関１１では管部２０内の平均圧力が一段目の熱音響機関１１よりも高くなるため、管部２０内の圧力振幅も一段目の熱音響機関１１よりも高くなり、より高い圧力を得ることができる。

ところで、熱音響機関１１では管部２０内に充填される作動流体が同じである場合、管部２０内の圧力が上がると作動流体の単位体積当たりの熱容量が増加するため、管部２０内の圧力が高圧になるほど作動流体の熱緩和時間がより短いスタック２２を選定しなければ、スタック２２と作動流体との間の熱交換が十分に行えない。そのため、高圧側すなわち下段側の熱音響機関１１ほど作動流体の熱緩和時間が短いスタック２２を熱音響機関１１に組み込む必要がある。本実施形態では、上述のように、金属メッシュ材料２７ｂのメッシュ粗さを下段側の熱音響機関１１ほど細かくすることで、下段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間が上段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間より短くなるようにしている。

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２０に、加熱部２１とスタック２２と冷却部２３とが配設された複数の熱音響機関１１と、複数の熱音響機関１１の管部２０を多段に接続する接続管１２と、最上段に位置する熱音響機関１１の管部２０に接続された吸入管１３と、吸入管１３に取り付けられ、最上段に位置する熱音響機関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１４と、接続管１２に取り付けられ、上段に位置する熱音響機関１１側から下段に位置する熱音響機関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接続用逆止弁１５と、最下段に位置する熱音響機関１１の管部２０に接続された吐出管１６と、吐出管１６に取り付けられ、最下段に位置する熱音響機関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１７とを備え、スタック２２は、下段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間が上段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間より短くなるように設定されるので、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、熱源温度を上げることなく必要な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。

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。

また、熱音響機関１１（加熱部２１）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。

さらに、作動圧力に合ったスタック２２を各熱音響機関１１に組み込むことにより、より効率の良い加圧が可能となると共に、高い圧力を発生可能となる。

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。

例えば、図１の実施形態では熱音響機関１１の段数を二段とした場合の例を示したが、当然ながら、熱音響機関１１の段数を三段、四段と増やすことで圧力をさらに上げていくことが可能である。すなわち、熱音響機関１１の段数は、二段に限定されず、三段以上であっても良い。熱音響機関１１の熱源温度を上げることなく、熱音響機関１１の段数の変更（追加）により必要な圧力を得ることが可能となる。

また、図３に示すように、作動流体を一時的に貯留するサージタンク１９を接続管１２に設けても良い。図３では、サージタンク１９の上下流の接続管１２に、第二チェック弁１５をそれぞれ配置している。

また、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４に示す。図４（ａ）に示すように、管部３１が、ループ状に形成されたループ管３２を有しており、ループ管３２に加熱部２１とスタック２２と冷却部２３とが配設されていると共に、ループ管３２に、接続管１２、吸入管１３及び吐出管１６が接続されている。また、図４（ｂ）に示すように、管部３３が、直線状に形成された共鳴管３４を有しており、共鳴管３４に加熱部２１とスタック２２と冷却部２３とが配設されていると共に、共鳴管３４に接続管１２、吸入管１３及び吐出管１６が接続されている。

また、図１の実施形態では、金属メッシュ材料２７ｂのメッシュ粗さを下段側の熱音響機関１１ほど細かくすることで、スタック２２は、下段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間が上段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間より短くなるように設定されるとしたが、これには限定されない。例えば、金属メッシュ材料２７ｂの骨格材太さを下段側の熱音響機関１１ほど太くすることで、スタック２２は、下段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間が上段に位置する熱音響機関１１のスタック２２における作動流体の熱緩和時間より短くなるように設定されても良い。

１０ 熱音響ポンプ
１１ 熱音響機関
１２ 接続管
１３ 吸入管
１４ 吸入用逆止弁（第一チェック弁）
１５ 接続用逆止弁（第二チェック弁）
１６ 吐出管
１７ 吐出用逆止弁（第三チェック弁）
１８ タンク
１９ サージタンク
２０ 管部
２１ 加熱部
２２ スタック
２３ 冷却部
２７ｂ 金属メッシュ材料（金網）

Claims (4)

1. 作動流体が充填された管部に、加熱部とスタックと冷却部とが配設された複数の熱音響機関と、前記複数の熱音響機関の前記管部を多段に接続する接続管と、最上段に位置する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、最上段に位置する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、前記接続管に取り付けられ、上段に位置する前記熱音響機関側から下段に位置する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接続用逆止弁と、最下段に位置する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、最下段に位置する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を備え、
   前記スタックは、下段に位置する前記熱音響機関の前記スタックにおける作動流体の熱緩和時間が上段に位置する前記熱音響機関の前記スタックにおける作動流体の熱緩和時間より短くなるように設定されることを特徴とする熱音響ポンプ。
2. 前記スタックは、前記スタックの内部に流路を横断するように長手方向に複数積層された金属メッシュ材料を有し、
   前記金属メッシュ材料のメッシュ粗さを下段側の前記熱音響機関ほど細かくすることで、前記スタックは、下段に位置する前記熱音響機関の前記スタックの目開きが上段に位置する前記熱音響機関の前記スタックの目開きより細かくなるように設定される請求項１に記載の熱音響ポンプ。
3. 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た請求項１又は２に記載の熱音響ポンプ。
4. 前記接続管に配設されたサージタンクをさらに備えた請求項１から３のいずれかに記載の熱音響ポンプ。