JP2014169841A

JP2014169841A - 熱音響冷凍装置

Info

Publication number: JP2014169841A
Application number: JP2013042986A
Authority: JP
Inventors: Makoto Abe; 阿部　　誠; Hirofumi Kurosawa; 博文黒澤; Yasushi Yamamoto; 康山本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: JP6286837B2

Abstract

【課題】熱音響冷凍装置に関し、冷凍機の出力を向上させる。
【解決手段】気柱管１１と、気柱管１１に、低温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器２１、温度勾配を保持する高温側再生器２２、高温の熱源と熱交換を行う加熱側熱交換器２３を順に配置した原動機２０と、気柱管１１の軸方向に、常温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器３１、温度勾配を保持する低温側再生器３２、常温よりも低温の熱が取り出される冷凍側熱交換器３３を順に配置した冷凍機３０とを備え、加熱側熱交換器２３と冷却側熱交換器３１との離間距離は、加熱側熱交換器２３と冷却側熱交換器３１との間の気柱管１１内の空間体積を再生器２２，３２の空間体積と等しくする距離を最短距離とし、この最短距離から２倍の範囲内に設定される。
【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る圧力振動を発生させ、この圧力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５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６０及び冷凍機７０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６０に外部からの熱が加えられると音波が発生し、この音波の音響エネルギが気柱管５１を介して冷凍機７０に流れ込むと、冷凍機７０の温度を低下させることで、対象物の冷凍（冷却）に寄与するように構成されている。

原動機６０は、気柱管５１の軸方向に、常温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器６１と、常温よりも高温状態の熱源と熱交換を行う加熱側熱交換器６２と、これら冷却側・加熱側熱交換器６１，６２間で温度勾配を保持する再生器６３とを配置して構成されている。この原動機６０では、気柱管５１内の気体が冷却側熱交換器６１で常温となると共に、加熱側熱交換器６２で常温よりも高温となることで、再生器６３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、気柱管５１内の気体が自励的な圧力振動を起こすことで、気柱管５１内に音波を発生させる。

冷凍機７０は、気柱管５１の軸方向に、常温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器７１と、常温よりも低温の熱が取り出される冷凍側熱交換器７２と、これら冷却側・冷凍側熱交換器７１，７２間で温度勾配を保持する再生器７３とを配置して構成されている。この冷凍機７０では、逆スターリングサイクルが行われて、冷凍側熱交換器７２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を行うことで、対象物を冷凍（冷却）するように構成されている。

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５０では、スターリングサイクルと逆スターリングサイクルとの組み合わせになるため、原動機６０及び冷凍機７０は対称位置に離間して配置される。

気柱管５１がループ状の場合、原動機６０及び冷凍機７０は、ループ中心ＬＣを挟んで対向配置される（図５（ａ）参照）。また、気柱管５１が直線状の場合、原動機６０及び冷凍機７０は、気柱管５１の中間位置ＭＣを中心に離間して対向配置される（図５（ｂ）参照）。

すなわち、何れの場合も原動機６０と冷凍機７０との離間距離は長く確保される。その理由は、音波の作動周波数が気柱管５１の長さで決定されるため、原動機６０と冷凍機７０との距離をある程度長く確保する必要があるためである。このように、原動機６０と冷凍機７０との離間距離が長くなると、原動機６０で発生した音波は冷凍機７０に達するまでに減衰されることになり、冷凍機７０の出力を低下させるといった課題がある。

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、原動機で発生して冷凍機に達する音波の減衰を効果的に抑制して、冷凍機の出力を向上させることにある。

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、前記気柱管の軸方向に、低温の熱源と熱交換を行う第１熱交換器、温度勾配を保持する第１再生器、高温の熱源と熱交換を行う第２熱交換器を順に配置した原動機と、前記気柱管の軸方向に、前記第２熱交換器から所定間隔を隔てて設けられて常温の熱源と熱交換を行う第３熱交換器、温度勾配を保持する第２再生器、常温よりも低温の熱が取り出される第４熱交換器を順に配置した冷凍機と、を備え、前記第２熱交換機と前記第３熱交換機との離間距離は、前記第２熱交換機と前記第３熱交換機との間の気柱管内の空間体積を前記第１再生器又は前記第２再生器の少なくとも一方の空間体積と等しくする距離を最短距離とし、当該最短距離から２倍の範囲内に設定されることを特徴とする。

本発明の熱音響冷凍装置によれば、原動機で発生して冷凍機に達する音波の減衰を効果的に抑制して、冷凍機の出力を向上させることができる。

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全体構成図である。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拡大図である。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。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。

以下、図１，２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１０は、気体が封入されるループ状の気柱管１１と、気柱管１１に配置された原動機２０及び、冷凍機３０とを備え構成されている。

原動機２０は、気柱管１１の長手方向（以下、軸方向という）に、低温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器２１と、温度勾配を保持する高温側再生器２２と、高温の熱源と熱交換を行う加熱側熱交換器２３とを順に配置して構成されている。なお、冷却側熱交換器２１は本発明の第１熱交換器、高温側再生器２２は本発明の第１再生器、加熱側熱交換器２３は本発明の第２熱交換器に相当する。

冷凍機３０は、気柱管１１の軸方向に、常温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器３１と、温度勾配を保持する低温側再生器３２と、常温よりも低温の熱が取り出される冷凍側熱交換器３３とを順に配置して構成されている。なお、冷却側熱交換器３１は本発明の第３熱交換器、低温側再生器３２は本発明の第２再生器、冷凍側熱交換器３３は本発明の第４熱交換器に相当する。

本実施形態において、原動機２０及び冷凍機３０は、加熱側熱交換器２３と冷却側熱交換器３１との間に所定の離間距離Ｄ（図２参照）を確保して配置されている。以下の、この離間距離Ｄの詳細な設定について説明する。

高温側再生器２２及び低温側再生器３２は、図示しない薄板や細管を束ねた構造を備えており、両端に設けられた熱交換機の間の温度勾配を保持することで、自励的な圧力振動を起こして音波を生じさせる。原動機２０から冷凍機３０に達する音波の減衰を抑止するためには、離間距離Ｄを可能な限り短く設定することが好ましいが、高温側再生器２２及び低温側再生器３２で発生する圧力振動が互いに影響を及ぼさない距離は確保する必要がある。

本実施形態では、この圧力振動の影響を回避させるために、離間距離Ｄは、加熱側熱交換器２３と冷却側熱交換器３１との間の気柱管１１内の空間体積Ｖ_Tを、高温側再生器２２又は低温側再生器３２の薄板や細管を除いた空間体積Ｖ_Rと等しくする最短距離に設定される。これにより、圧力振動が互いに影響することを回避しつつ、音波の減衰を効果的に抑制することができる。なお、圧力振動の影響をより確実に回避するためには、離間距離Ｄを高温側再生器２２又は低温側再生器３２の幅Ｗと同等に設定してもよい。また、離間距離Ｄの上限は、上述の最短距離の２倍以下に設定することが好ましい。

次に、本実施形態に係る熱音響冷凍装置１０による作用効果について説明する。

従来の熱音響冷凍装置では、原動機と冷凍機との離間距離を長く確保している。そのため、原動機で発生した音波は冷凍機に達するまでに減衰され、冷凍機の出力低下を招くといった課題がある。

これに対し、本実施形態の熱音響冷凍装置１０では、離間距離Ｄは、加熱側熱交換器２３と冷却側熱交換器３１との間の気柱管１１内の空間体積Ｖ_Tを高温側再生器２２又は低温側再生器３２の空間体積Ｖ_Rと等しくする距離に設定されている。すなわち、離間距離Ｄは、再生器２２，３２で発生する圧力振動が互いに影響を与えることを回避しつつ、原動機２０から冷凍機３０に達する音波の減衰を効果的に抑制できる最適な距離に設定されている。

したがって、本実施形態の熱音響冷凍装置１０によれば、原動機２０から冷凍機３０に達する音波の減衰を抑制することが可能となり、冷凍機３０の出力を効果的に向上することができる。結果として、原動機２０に入力されるエネルギに対して、冷凍機３０から出力されるエネルギが大きくなり、エネルギ変換効率の向上が図られる。

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、気柱管１１はループ状に限定されず、図３に示すように、気柱管１１を直線状に形成してもよい。また、図４に示すように、気柱管１１をループ状と直線状との組み合わせで形成してもよい。これら何れの場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

１０熱音響冷凍装置
１１気柱管
２０原動機
２１冷却側熱交換器（第１熱交換器）
２２高温側再生器（第１再生器）
２３加熱側熱交換器（第２熱交換器）
３０冷凍機
３１冷却側熱交換器（第３熱交換器）
３２低温側再生器（第２再生器）
３３冷凍側熱交換器（第４熱交換器）

Claims

気体が封入される気柱管と、
前記気柱管の軸方向に、低温の熱源と熱交換を行う第１熱交換器、温度勾配を保持する第１再生器、高温の熱源と熱交換を行う第２熱交換器を順に配置した原動機と、
前記気柱管の軸方向に、前記第２熱交換器から所定間隔を隔てて設けられて常温の熱源と熱交換を行う第３熱交換器、温度勾配を保持する第２再生器、常温よりも低温の熱が取り出される第４熱交換器を順に配置した冷凍機と、を備え、
前記第２熱交換機と前記第３熱交換機との離間距離は、前記第２熱交換機と前記第３熱交換機との間の気柱管内の空間体積を前記第１再生器又は前記第２再生器の少なくとも一方の空間体積と等しくする距離を最短距離とし、当該最短距離から２倍の範囲内に設定される
ことを特徴とする熱音響冷凍装置。