JP2014234949A

JP2014234949A - 熱音響機関

Info

Publication number: JP2014234949A
Application number: JP2013116998A
Authority: JP
Inventors: 隆太丸山; Ryuta Maruyama; 拓本田; Hiroshi Honda; 太志筒井; Futoshi Tsutsui; 智久窄; Tomohisa Saku
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2014-12-15
Also published as: WO2014196452A1

Abstract

【課題】熱音響機関に関し、気体の往復流から回転動力を効果的に取り出す。【解決手段】気体が封入された気柱管１０と、気柱管１０の軸方向に、外部から熱を取り込む加熱器２１、温度勾配を保持する再生器２３、外部に熱を放出する冷却器２２を順に配置した原動機２０と、気柱管１０内に配置されて、気体の往復流から回転動力を取り出す抗力式タービン３０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響機関に関する。

一般的な熱音響機関は、気体が封入された気柱管内に、外部から熱を取り込む加熱器、外部に熱を放出する冷却器及び、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を有する原動機が配置されている（例えば、特許文献１参照）。

熱音響機関では、加熱器と冷却器との温度差によって再生器に温度勾配が形成されると、気柱管内の気体に自励振動による往復流が生じる。このような気体の往復流から回転動力を取り出す手法として、従来の熱音響機関では、揚力式タービンが用いられている。

特開２０１２−１１２６２１号公報

揚力式タービンは、図１０に示すように、タービン１００の翼部１１０に作用する揚力ＬＦを利用して、往復流から回転動力を取り出している。しかしながら、揚力式タービンでは、翼部１１０に作用する揚力ＬＦが動圧の一部しか利用できないため、往復流の流量が低下すると（図１１の領域Ａ参照）、回転動力の取り出し効率が悪化するといった課題がある。

本発明の目的は、往復流の流量が低下した時においても、回転動力を効果的に取り出すことができる熱音響機関を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の熱音響機関は、気体が封入された気柱管と、前記気柱管の軸方向に、外部から熱を取り込む加熱器、温度勾配を保持する再生器、外部に熱を放出する冷却器を順に配置した原動機と、前記気柱管内に配置されて、気体の往復流から回転動力を取り出す抗力式タービンと、を備えることを特徴とする。

また、気体の往復流を前記抗力式タービンの位置でＳ字状に変流させる変流手段をさらに備えてもよい。

また、前記変流手段は、前記抗力式タービンが配置された前記気柱管の一部をＳ字状に屈曲して形成されるものであってもよい。

また、前記抗力式タービンの翼部に揚力が発生するように、当該翼部を横断面円弧状に湾曲させて、その中央に凹部を設けてもよい。

本発明の熱音響機関によれば、往復流の流量が低下した時においても、回転動力を効果的に取り出すことができる。

本発明の一実施形態に係る熱音響機関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機関の要部を示す模式的な断面図である。図２に示す要部における気流の流れ（往復流）を説明する模式的な断面図である。図２に示す要部の変形例を示す模式的な断面図である。図２に示す要部のさらなる変形例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機関を示す模式的な全体構成図である。他の実施形態に係る熱音響機関を示す模式的な全体構成図である。他の実施形態に係る熱音響機関を示す模式的な全体構成図である。図２に示す要部の他の実施形態を示す模式的な断面図である。従来の熱音響機関に適用された揚力式のタービンを示す模式的な平面図である。従来の熱音響機関において、回転動力の取り出し効率が悪化する往復流の低流量域を示す図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る熱音響機関を説明する。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機関１は、気体が封入されたループ状の気柱管１０と、気柱管１０内に配置された原動機２０と、気柱管１０内に配置された抗力式タービン３０とを備えている。

原動機２０は、気柱管１０の軸方向に、加熱器２１、再生器２３、冷却器２２を順に配置して構成されている。加熱器２１は、外部から熱を取り込むもので、その内部には図示しない複数のフィンが微小間隔で配置されている。冷却器２２は、外部に熱を放出するもので、その内部には図示しない複数のフィンが微小間隔で配置されている。再生器２３は、加熱器２１と冷却器２２との間の温度勾配を保持するもので、その内部には図示しない複数のフィンが格子状に配置されている。

このように構成された熱音響機関１では、加熱器２１と冷却器２２との温度差によって再生器２３に温度勾配が形成されると、この時に発生する熱エネルギの一部が力学的な音響エネルギに変換されて、気柱管１０内の気体に自励振動による往復流が生じるようになっている。

抗力式タービン３０は、気柱管１０内に回転可能に支持された回転軸３１と、回転軸３１から径方向に延設された複数（本実施形態では４枚）の翼部３２とを備えている。翼部３２は、往復流の動圧を受けるように、平面視で略円弧状に湾曲して形成されている。このように構成された抗力式タービン３０では、往復流により翼部３２に抗力が発生し、翼部３２が回転軸３１と一体に回転することで、回転動力を取り出すようになっている。なお、翼部３２の形状や枚数は上述に限定されず、往復流により抗力を生じさせて回転軸３１を回転できるものであれば、他の形状や枚数を適用することもできる。

本実施形態において、抗力式タービン３０は、気柱管１０に部分的に形成された平面視で略Ｓ字状の屈曲部（変流手段）４０内に配置されている。以下、屈曲部４０の詳細構成を説明する。

図２に示すように、屈曲部４０は、その内部に抗力式タービン３０が収容されたハウジング部４１と、加熱器２１側の気柱管端部１０ａと、冷却器２２側の気柱管端部１０ｂとを有する。ハウジング部４１は、翼部３２の回転外周に沿った一対の円弧壁部４１ａ，４１ｂを備えている。一対の円弧壁部４１ａ，４１ｂは、回転軸３１を中心に互いに対向配置されると共に、その両端部間には加熱器２１側の気柱管端部１０ａ及び、冷却器２２側の気柱管端部１０ｂが互いにオフセットして接続されている。

すなわち、図３（ａ）に示すように、往復流のうち、加熱器２１側から冷却器２２側に向かう気流は、円弧壁部４１ａの内壁に沿って略Ｓ字状にオフセットして変流される一方、図３（ｂ）に示すように、冷却器２２側から加熱器２１側に向かう気流は、円弧壁部４１ｂの内壁に沿って略Ｓ字状にオフセットして変流されるようになっている。これにより、抗力式タービン３０の回転を阻害する方向の往復流が効果的に抑止されて、回転動力を効率よく取り出すことが可能になる。

なお、往復流を略Ｓ字状に変流させる変形例としては、例えば、図４に示すように、気柱管１０内の抗力式タービン３０と隣接する位置に、一対の変流プレート５０ａ，５０ｂを配置して構成することもできる。この変形例では、一対の変流プレート５０ａ，５０ｂを平面視で略Ｌ字状に屈曲して形成すると共に、翼部３２に往復流の動圧が効果的に作用するように、一対の変流プレート５０ａ，５０ｂを抗力式タービン３０の加熱器２１側及び冷却器２２側にそれぞれ対称に配置している。

また、さらなる変形例として、図５に示すように、ハウジング部４１にオフセットして接続される加熱器２１側の気柱管端部１０ａ及び、冷却器２２側の気柱管端部１０ｂをそれぞれ円弧状に湾曲して形成することもできる。このように構成することで、抗力式タービン３０の回転を阻害する往復流の流れを確実に防止することが可能になる。

次に、本実施形態に係る熱音響機関１による作用効果について説明する。

従来の熱音響機関では、回転動力の取り出しに揚力式タービンを利用していた。揚力式タービンでは、翼部に作用する揚力が動圧の一部しか利用できないため、往復流の流量低下時に回転動力の取り出し効率が悪化する課題がある。

これに対し、本実施形態の熱音響機関１は、回転動力の取り出しに、往復流により翼部３２に抗力を発生させて回転する抗力式タービン３０を適用している。したがって、本実施形態の熱音響機関１によれば、往復流の流量低下時を含めた全流量域で回転動力を効率よく取り出すことが可能になる。

また、本実施形態の熱音響機関１において、抗力式タービン３０は、気柱管１０に形成された略Ｓ字状の屈曲部４０内に配置されている。屈曲部４０は、内部に抗力式タービン３０が収容されたハウジング部４１を含み、このハウジング部４１は回転軸３１を中心に互いに対向配置された一対の円弧壁部４１ａ，４１ｂを備えている。さらに、一対の円弧壁部４１ａ，４１ｂの両端部間には、加熱器２１側の気柱管端部１０ａ及び、冷却器２２側の気柱管端部１０ｂが互いにオフセットするように接続されている。

すなわち、往復流のうち、加熱器２１側から冷却器２２側に向かう気流は、円弧壁部４１ａの内壁に沿って略Ｓ字状に変流されて、円弧壁部４１ｂ側への流れ込みが防止される一方、冷却器２２側から加熱器２１側に向かう気流は円弧壁部４１ｂの内壁に沿って略Ｓ字状に変流されて円弧壁部４１ａ側への流れ込みが防止されるように構成されている。したがって、本実施形態の熱音響機関１によれば、抗力式タービン３０の回転を阻害する方向の往復流が効果的に抑止されて、回転動力を安定的に効率よく取り出すことができる。

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６に示すように、直線状の気柱管１１内に、加熱器２１、再生器２３、冷却器２２を有する原動機２０が配置された熱音響機関２にも適用することが可能である。また、図７に示すように、原動機２０が配置されたループ状の気柱管１２に直線状の気柱管１３が接続された熱音響機関３にも適用することができる。さらに、図８に示すように、原動機２０が配置されたループ状の気柱管１２を一対備え、これらループ状の気柱管１２を直線状の気柱管１３で連結した熱音響機関４にも適用することが可能である。また、図９に示すように、抗力式タービン３０の翼部３２（翼面）に抗力のみならず揚力も発生するように、翼部３２を横断面円弧状に湾曲させて、その中央部に凹部３２Ａを設けてもよい。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。

１熱音響機関
１０気柱管
２０原動機
２１加熱器
２２冷却器
２３再生器
３０抗力式タービン
３１回転軸
３２翼部
４０屈曲部

Claims

気体が封入された気柱管と、
前記気柱管の軸方向に、外部から熱を取り込む加熱器、温度勾配を保持する再生器、外部に熱を放出する冷却器を順に配置した原動機と、
前記気柱管内に配置されて、気体の往復流から回転動力を取り出す抗力式タービンと、を備える
ことを特徴とする熱音響機関。
気体の往復流を前記抗力式タービンの位置でＳ字状に変流させる変流手段をさらに備える請求項１に記載の熱音響機関。
前記変流手段は、
前記抗力式タービンが配置された前記気柱管の一部をＳ字状に屈曲して形成される請求項２に記載の熱音響機関。
前記抗力式タービンの翼部に揚力が発生するように、当該翼部を横断面円弧状に湾曲させて、その中央に凹部を設けた請求項１から３の何れか一項に記載の熱音響機関。