JP2013117321A - 熱音響冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱音響冷凍装置に関し、遮断壁の破損を効果的に防止する。
【解決手段】気体が封入される気柱管２と、気柱管２の長手方向に加熱部熱交換器５と再生器７と常温部熱交換器６とを配置した原動機３と、気柱管２の長手方向にクーラ部熱交換器８と再生器１０と常温部熱交換器９とを配置した冷凍機４とを備える熱音響冷凍装置１であって、クーラ部熱交換器８と隣接する気柱管２に、気柱管２よりも内径を大きくした拡径部１１が形成されると共に、拡径部１１内に気柱管２に封入された気体の循環流を抑止する遮断壁１２を配設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響冷凍装置に関し、特に、気柱管内に封入された気体に熱音響効果により自励振動を発生させ、この自励振動を利用して冷凍処理を行う熱音響冷凍装置に関する。

図６に示すように、一般的な熱音響冷凍装置５０は、気体が封入された気柱管５１に原動機５２と冷凍機５３とを配設して構成されている。熱音響冷凍装置５０では、原動機５２に外部からの熱が加えられると音波が発生し、この音波の音響パワーが気柱管５１を介して冷凍機５３に流れ込むと、冷凍機５３の温度を低下させることで、対象物の冷凍（冷却）に寄与するようになっている。

原動機５２は、気柱管５１の長手方向に、常温よりも高温状態の熱源と熱交換を行う加熱部熱交換器５４と、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器５５と、これら加熱部・常温部の熱交換器５４，５５間で温度勾配を保持する再生器５６とを配置して構成されている。この原動機５２では、気柱管５１内の気体が加熱部熱交換器５４で常温よりも高温となり、常温部熱交換器５５で常温となることで、再生器５６に温度勾配が形成される。そして、この時に発生する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、気柱管５１内の気体が自励振動を起こすことで、気柱管５１内に音響振動、すなわち音波を発生させる。

冷凍機５３は、気柱管５１の長手方向に、常温よりも低温の熱が取り出されるクーラ部熱交換器５７と、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器５８と、これらクーラ部・常温部の熱交換器５７，５８間で温度勾配を保持する再生器５９とを配置して構成されている。この冷凍機５３では、逆スターリングサイクルと同様のサイクルが行われ、クーラ部熱交換器５７の気体は常温よりも低温となる。そして、この低温と外部の媒体との間で熱交換が行われることで、対象物は冷凍（冷却）される。

原動機５２及び、冷凍機５３の常温部熱交換器５５，５８では、図示しない外部から供給される冷却水等の熱媒体との熱交換により、気体の温度は常温に保たれている。

ところで、熱音響冷凍装置には、気柱管５１の形状や、原動機５２及び冷凍機５３の配置により多様な形態がある。

例えば、図６に示す熱音響冷凍装置５０では、気柱管５１は単一のループ状に形成されており、このループに原動機５２と冷凍機５３とがそれぞれ適切な位置に配置されている。

また、図７に示す熱音響冷凍装置６０では、気柱管５１は、原動機５２を配設した原動機ループ管６２と、冷凍機５３を配設した冷凍機ループ管６３と、これら二つのループ管６２，６３を相互に接続する直線状の接続管６４とを有する。原動機ループ管６２の原動機５２において熱エネルギが音響エネルギに変換されて音波が生じることにより、気柱管５１全体の気体にわたり定在波が形成される。冷凍機ループ管６３では冷凍機５３において音響エネルギが熱エネルギに変換される。

また、図８に示す熱音響冷凍装置７０では、気柱管５１は直線状の配管７１を有するのみである。この配管７１の適切な位置に原動機５２と冷凍機５３とが配置されている。

また、図９に示す熱音響冷凍装置８０では、気柱管５１は、冷凍機５３が配設された冷凍機ループ管８２と、冷凍機ループ管８２に接続された直線状の接続管８３とを有する。原動機５２は接続管８３に配設されている。

また、図１０に示す熱音響冷凍装置９０では、気柱管５１は原動機５２が配設された原動機ループ管９２と、原動機ループ管９２に接続された直線状の接続管９３とを有する。冷凍機５３は接続管９３に配設されている。

特開２０１１−２１５３号公報 特開２００６−２１４４０６号公報

ところで、上述した従来の熱音響冷凍装置では、封入されている気体は気柱管内を移動して循環することができる。そのため、クーラ部熱交換器５７で低温となった気体（冷気）が拡散すると、この気体がクーラ部熱交換器５７から離間することで、クーラ部熱交換器５７の冷却効率は低下する。

例えば、図１１に示す気柱管５１においては、気柱管５１内に封入された気体は、冷凍機５３のクーラ部熱交換器５７から再生器５９、常温部熱交換器５８を通り、ループを通って原動機５２へと移動する。さらに、気体は原動機５２の加熱部熱交換器５４から再生器５６、常温部熱交換器５５を通り、ループを通って冷凍機５３へと移動する。その結果、気柱管５１内には、図１１中に矢印で示すようなループに沿った循環流が発生する。

また、図１２に示す気柱管５１においては、気柱管５１内に封入された気体は、冷凍機５３のクーラ部熱交換器５７から冷凍機ループ管６２に流れ、常温部熱交換器５８、再生器５９、クーラ部熱交換器５７に移動する。その結果、気柱管５１内には、図１２中に矢印で示すような冷凍機ループ管６２に沿った循環流が発生する。

また、図１３に示す気柱管５１の一部では、クーラ部熱交換器５７の近傍において、気柱管５１の中心部にある気体がクーラ部熱交換器５７から離れる方向に移動し、クーラ部熱交換器５７から不定の長い区間まで移動する。この不定の長い区間にわたり、気柱管５１内の内周部気体がクーラ部熱交換器５７に近づく方向に移動する。その結果、気柱管５１内には、図１３中に矢印で示すような気柱管５１の中心部と内周部で方向が逆転される循環流が発生する。

このような循環流を抑制すべく、例えば、気柱管５１内のクーラ部熱交換器５７と隣接する位置に、気体の流れを遮断する遮断壁（不図示）を配置することが考えられる。しかしながら、遮断壁の移動量（振幅）は、気柱管５１内に封入された気体の振幅と同じ距離だけ必要になるため、特に高出力な熱音響冷凍装置になるほど遮断壁の振幅は大きくなる。そのため、遮断壁が大きく振幅すると、遮断壁とクーラ部熱交換器５７の側面とが接触（干渉）して、場合によっては遮断壁を破損させる可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、遮断壁とクーラ部熱交換器の側面との接触（干渉）を回避して、遮断壁の破損を効果的に防止することにある。

上記目的を達成するため、本発明の熱音響冷凍装置は、気体が封入される気柱管と、前記気柱管の長手方向に、常温よりも高温の熱源と熱交換を行う第１の熱交換器、常温の熱源と熱交換を行う第２の熱交換器、及び該第１の熱交換器と該第２の熱交換器との間で温度勾配を保持する第１の再生器を配置した原動機と、前記気柱管の長手方向に、常温よりも低温の熱が取り出される第３の熱交換器、常温の熱源と熱交換を行う第４の熱交換器、及び該第３の熱交換器と該第４の熱交換器との間で温度勾配を保持する第２の再生器を配置した冷凍機と、を備える熱音響冷凍装置であって、前記第３の熱交換器と隣接する前記気柱管に、該気柱管よりも内径を大きくした拡径部が形成されると共に、該拡径部内に前記気柱管に封入された気体の循環流を抑止する遮断壁を配設したことを特徴とする。

また、前記遮断壁は、前記拡経部の幅方向中心位置に設けられると共に、前記拡経部の幅方向長さは、前記遮断壁の最大振幅よりも長く形成されてもよい。

また、前記拡経部は、その幅方向中心位置と前記第３の熱交換器の側面との距離が、前記遮断壁の最大振幅の半分よりも長く、前記遮断壁の最大振幅の５倍よりも短い位置に形成されてもよい。

本発明の熱音響冷凍装置によれば、遮断壁とクーラ部熱交換器の側面との接触（干渉）を回避して、遮断壁の破損を効果的に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置の要部を示す模式的な断面図である。 （ａ）は、従来の遮断壁を示す模式的な断面図。（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置の遮断壁を示す模式的な断面図である。 他の実施形態に係る熱音響冷凍装置の遮断壁を示す模式的な断面図である。 他の実施形態に係る熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 従来の熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 従来の熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 従来の熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 従来の熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 従来の熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 気柱管を回る循環流を示す熱音響冷凍装置の模式的な構成図である。 冷凍機ループ管を回る循環流を示す熱音響冷凍装置の模式的な部分構成図である。 気柱管の一部における循環流を示す熱音響冷凍装置の模式的な要部断面図である。

以下、図１〜３に基づいて、本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態の熱音響冷凍装置１は、気体が封入される気柱管２に、原動機３と冷凍機４とを配設したものである。気柱管２の形状や原動機３及び冷凍機４の配置には、既に説明したように多様な形態があるが、本実施形態では、気柱管２は単一のループ状に形成されており、このループに原動機３と冷凍機４が適切な間隔で配置されている。

原動機３は、気柱管２の長手方向に、常温よりも高温状態の熱源と熱交換を行う加熱部熱交換器（第１の熱交換器）５と、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器（第２の熱交換器）６と、これら加熱部・常温部の熱交換器５，６間で温度勾配を保持する再生器（第１の再生器）７とを配置して構成されている。

冷凍機４は、気柱管２の長手方向に、常温よりも低温の熱が取り出されるクーラ部熱交換器（第３の熱交換器）８と、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器（第４の熱交換器）９と、これらクーラ部・常温部の熱交換器８，９間で温度勾配を保持する再生器（第２の再生器）１０とを配置して構成されている。なお、原動機３を構成する加熱部熱交換器５、常温部熱交換器６、再生器７及び、冷凍機４を構成するクーラ部熱交換器８、常温部熱交換器９、再生器１０は公知のものであるから詳しい説明は省略する。

クーラ部熱交換器８と隣接する気柱管２には、気柱管２よりも内径が長い（本実施形態では約２倍）拡径部１１が形成されている。さらに、この拡径部１１内には、気柱管２内の気体の振動に随伴して振動する遮断壁１２がクーラ部熱交換器８の側面と対向するように配置されている。

遮断壁１２は、図２に示すように、拡径部１１内に位置して気柱管２内の気体の循環流を抑止するように、その周縁部の全周を拡径部１１の内周面１１ａ（本実施形態では、内周面１１ａの幅方向中心位置）に固定されている。すなわち、遮断壁１２は、気柱管２内の気体の振動により、その中央部が気柱管２の長手方向に振動して破線及び二点鎖線の状態に変形するように構成されている。なお、遮断壁１２は、気柱管２内の気体が反対側に漏れない程度の気密性を有し、かつ、その中央部が振動できる程度の柔軟性（弾性）を有することが好ましい。このような遮断壁１２としては、例えば比較的厚さが薄く形成された金属、ガラス、セラミックス、樹脂、ゴム、繊維などがある。

拡径部１１は、その幅方向（気柱管２の長手方向）の長さＬが遮断壁１２の最大振幅よりも長くなるように形成されている。すなわち、拡径部１１の幅方向中心に位置して設けられた遮断壁１２が最大振幅で振動した場合においても、遮断壁１２と拡径部１１の内側面１１ｂ，１１ｃとの接触（干渉）が回避されるように構成されている。

なお、本実施形態において、拡径部１１が形成される位置は、拡径部１１の幅方向の中心位置（遮断壁１２の位置）とクーラ部熱交換器８の側面との距離が遮断壁１２の最大振幅の５倍よりも近くなるように設定されている。これは、遮断壁１２を設けたことにより循環流は抑止されるが、遮断壁１２がクーラ部熱交換器８から遠くなると冷気の拡散が大きくなり、期待した効果を得られなくなるためである。拡径部１１の幅方向の中心位置（遮断壁１２の位置）は、クーラ部熱交換器８の側面から遮断壁１２の最大振幅の５倍よりも近い位置が望ましく、最大振幅の２倍、１倍と近づくほど好適となる。最適位置は、冷気の拡散が最も小さくなる最大振幅の半分の位置である。

次に、本実施形態に係る熱音響冷凍装置１による作用効果について説明する。

本実施形態の熱音響冷凍装置１では、気柱管２内の気体の循環流を抑止する遮断壁１２は、気柱管２よりも内径が長い拡径部１１内に配設されている。すなわち、本実施形態の熱音響冷凍装置１では、図３（ａ）に示す気柱管５１内に遮断壁１２’を直接的に設けた従来構造と比べて、遮断壁１２の面積は拡径部１１の分だけ大きく形成されている。その結果、遮断壁１２の振幅は、従来構造の遮断壁１２’の振幅に比べて小さく抑制されるようになっている。

したがって、遮断壁１２が気柱管２内の気体の振動と随伴して大きく振動することを効果的に抑制できると共に、遮断壁１２がクーラ部熱交換器８の側面に接触（干渉）して破損することを確実に防止することができる。

また、本実施形態の熱音響冷凍装置１では、拡径部１１は、その中心位置に配設された遮断壁１２とクーラ部熱交換器８の側面との距離が遮断壁１２の最大振幅の５倍よりも近くなるように形成されている。

したがって、遮断壁１２がクーラ部熱交換器８から離間することで引き起こされる冷気の拡散を防止することができると共に、熱音響冷凍装置１の冷凍性能を効果的に向上することができる。

また、本実施形態の熱音響冷凍装置１では、拡径部１１の幅方向の長さＬは、遮断壁１２の最大振幅よりも長く形成されている。

したがって、遮断壁１２が最大振幅で振動した場合においても、遮断壁１２と拡径部１１の内側面１１ｂ，１１ｃとの接触（干渉）を確実に防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図４に示すように、遮断壁１２をピストン２１と一対のバネ部材２２とを備え構成してもよい。ピストン２１は、気柱管２の長手方向に間隔を隔てて対向配置された一対のピストンヘッド２３と、これら一対のピストンヘッド２３を連結するピストンロッド２４とを有する。ピストンロッド２４は一対のバネ部材２２により気柱管２の長手方向に移動可能に支持されている。気柱管２内の気体が振動すると、ピストン２１は破線及び、二点鎖線で示すように気柱管２内を長手方向に摺動移動して振動するように構成されている。係る構造により、遮断壁１２の全体は、図１，２に示すものに比べて気柱管２の長手方向の幅は長くなるが、厚みのない剛体の遮断壁に仮想的に置き換えることが可能となる。

また、図５に示すように、気柱管２を冷凍機４が配設された冷凍機ループ管２ａと、この冷凍機ループ管２ａに接続された直線状の接続管２ｂとを備えて構成してもよい。この場合、拡径部１１及び遮断壁１２は、Ｔ字分岐部よりもクーラ部熱交換器８側に隣接する冷凍機ループ管２ａに設ければよい。

また、本実施形態の熱音響冷凍装置１は、例えば図８あるいは図１０に示すような冷凍機５３が直線状の配管７１、接続管９３に配置された熱音響冷凍装置７０，９０等にも広く適用することが可能である。

１ 熱音響冷凍装置
２ 気柱管
３ 原動機
４ 冷凍機
５ 加熱部熱交換器（第１の熱交換器）
６ 常温部熱交換器（第２の熱交換器）
７ 再生器（第１の再生器）
８ クーラ部熱交換器（第３の熱交換器）
９ 常温部熱交換器（第４の熱交換器）
１０ 再生器（第２の再生器）
１１ 拡径部
１２ 遮断壁

Claims (3)

1. 気体が封入される気柱管と、
   前記気柱管の長手方向に、常温よりも高温の熱源と熱交換を行う第１の熱交換器、常温の熱源と熱交換を行う第２の熱交換器、及び該第１の熱交換器と該第２の熱交換器との間で温度勾配を保持する第１の再生器を配置した原動機と、
   前記気柱管の長手方向に、常温よりも低温の熱が取り出される第３の熱交換器、常温の熱源と熱交換を行う第４の熱交換器、及び該第３の熱交換器と該第４の熱交換器との間で温度勾配を保持する第２の再生器を配置した冷凍機と、を備える熱音響冷凍装置であって、
   前記第３の熱交換器と隣接する前記気柱管に、該気柱管よりも内径を大きくした拡径部が形成されると共に、該拡径部内に前記気柱管に封入された気体の循環流を抑止する遮断壁を配設したことを特徴とする熱音響冷凍装置。
2. 前記遮断壁は、前記拡経部の幅方向中心位置に設けられると共に、前記拡経部の幅方向長さは、前記遮断壁の最大振幅よりも長く形成される請求項１に記載の熱音響冷凍装置。
3. 前記拡経部は、その幅方向中心位置と前記第３の熱交換器の側面との距離が、前記遮断壁の最大振幅の半分よりも長く、前記遮断壁の最大振幅の５倍よりも短い位置に形成される請求項２に記載の熱音響冷凍装置。