JP2020012601A - Manufacturing method for stack for thermoacoustic device, manufacturing apparatus for stack for thermoacoustic device and thermoacoustic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱音響効果に基づきエネルギー交換する熱音響装置用スタックの製造方法、熱音響装置用スタックの製造装置及び熱音響装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a stack for a thermoacoustic device that exchanges energy based on a thermoacoustic effect, an apparatus for manufacturing a stack for a thermoacoustic device, and a thermoacoustic device.
従来の熱音響装置用スタックとして、所定の管の内部に流れる作動流体の流れ方向に沿って複数の貫通孔が形成されるものが知られる(特許文献1参照)。この種の熱音響装置用スタックは、所定の材料からなる複数の細管が稠密に配設された構造体を用いて製造され、その複数の細管が複数の貫通孔を構成する。 As a conventional stack for a thermoacoustic device, there is known a stack in which a plurality of through holes are formed along a flow direction of a working fluid flowing inside a predetermined pipe (see Patent Document 1). This type of stack for thermoacoustic devices is manufactured using a structure in which a plurality of thin tubes made of a predetermined material are densely arranged, and the plurality of thin tubes constitute a plurality of through holes.
上記特許文献1の熱音響装置用スタックは、その一つの製造方法(以下、従来の第1の製造方法とも言う。)として、次のものが挙げられる。すなわち、複数の細管を稠密に配置して第1の構造体を形成し、この第1の構造体を加熱し冷却して隣接する細管同士を溶着して第2の構造体を形成し、そして、この第2の構造体の軸方一端部を加熱し、この軸方向一端部を引っ張り後冷却して製造する。 One of the manufacturing methods of the thermoacoustic device stack of Patent Document 1 (hereinafter, also referred to as a conventional first manufacturing method) includes the following. That is, a plurality of thin tubes are densely arranged to form a first structure, the first structure is heated and cooled, and adjacent thin tubes are welded to each other to form a second structure, and The second structure is manufactured by heating one end in the axial direction, pulling one end in the axial direction, and then cooling.
また、上記特許文献1の熱音響装置用スタックは、その他の製造方法(以下、従来の第2の製造方法とも言う。)として、次のものが挙げられる。すなわち、複数の細管を、管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器に稠密に収納し、この収納した状態でその内部空間に溶融した所定の材料を流し込んで固化し、細管をその収納容器に固定して製造する。
Further, the following is mentioned as another manufacturing method (hereinafter, also referred to as a second conventional manufacturing method) of the thermoacoustic device stack of
なお、熱音響装置用スタックのエネルギー交換効率を評価する指標の一つとして、ωτが知られる。τは緩和時間を意味し、作動流体の物性値と貫通孔の半径により決まる。また、ωは自励振動角周波数(共鳴角周波数)を意味し、作動流体の音速と流路(管)の長さにより決まる。具体的には、振動角周波数ωが高く、ωτ≫1となる場合には、エネルギー交換はほとんど行われず、断熱過程となる。そのため、貫通孔内を断熱振動波(例えば、音波)が伝搬することとなる。一方、振動角周波数ωが低く、ωτ≪1となる場合には、エネルギー交換が十分に行われ、等温過程となる。 Note that ωτ is known as one of the indexes for evaluating the energy exchange efficiency of the thermoacoustic device stack. τ means the relaxation time, which is determined by the physical property value of the working fluid and the radius of the through hole. Ω means a self-excited vibration angular frequency (resonance angular frequency) and is determined by the sound velocity of the working fluid and the length of the flow path (tube). Specifically, when the vibration angular frequency ω is high and ωτ≫1, almost no energy exchange is performed, and an adiabatic process is performed. Therefore, adiabatic vibration waves (for example, sound waves) propagate in the through holes. On the other hand, when the vibration angular frequency ω is low and ωτ≪1, energy exchange is sufficiently performed, and an isothermal process is performed.
しかしながら、上記従来の第1の製造方法では、貫通孔の外径が細管の延伸比により規定される。すなわち、製造の結果得られる、スタックの貫通孔の断面形状は、引っ張る前の細管と相似する形状であり、例えば細管が断面円形状である場合には、貫通孔は比例縮小した円形状となる。 However, in the first conventional manufacturing method described above, the outer diameter of the through hole is defined by the drawing ratio of the thin tube. That is, the cross-sectional shape of the through hole of the stack obtained as a result of manufacturing is a shape similar to the thin tube before being pulled.For example, when the thin tube has a circular cross section, the through hole has a proportionally reduced circular shape. .
このように断面円形状の細管を用いる場合において、複数の細管を最密に配置する際には、各細管の中心は正六角形の頂点となる位置に配置される。このとき、細管だけでは内部空間を隙間なく埋めることができず、隣接する細管の間には、各辺が弓なりとなる断面略三角状の隙間空間が形成されることになる。 In the case of using thin tubes having a circular cross section as described above, when a plurality of thin tubes are arranged in the closest density, the center of each thin tube is arranged at a position that is a vertex of a regular hexagon. At this time, the internal space cannot be completely filled with the narrow tube alone, and a gap space having a substantially triangular cross section in which each side becomes an arc is formed between adjacent narrow tubes.
従って、断面円形状の細管を用いて熱音響装置用スタックを製造する場合には、この断面略三角形の隙間空間も流路として機能してしまうことになる。また、この隙間空間は貫通孔とは異なる寸法や形状であるため、音響的にも異なる音場(振動場)となってしまう。その結果、局所的なωτが不均一となりエネルギーの交換効率が低下する可能性があった。 Therefore, when manufacturing a thermoacoustic device stack using a thin tube having a circular cross section, the gap space having a substantially triangular cross section also functions as a flow path. In addition, since this gap space has a size and shape different from those of the through-hole, a sound field (vibration field) that is acoustically different is obtained. As a result, the local ωτ may be non-uniform, and the energy exchange efficiency may be reduced.
ここで、断面円形状の代わりに断面正六角形の細管を用いる場合には、隣接する細管の間で隙間空間が発生しないように敷き詰めて稠密に配置することが可能であるが、断面正六角形のガラス製の細管などは、断面円形状と比べて形状が複雑であり、流通量が限られている。そのため、細管の製造又は仕入れの費用がかかり、結果的に製造コストの増大に繋がる可能性があった。 Here, when a narrow tube with a regular hexagonal cross section is used instead of a circular sectional shape, it is possible to lay out and arrange densely so that no interstitial space is generated between adjacent narrow tubes. A glass thin tube or the like has a complicated shape compared to a circular cross-section, and the amount of circulation is limited. Therefore, the cost of manufacturing or purchasing the thin tube is required, which may lead to an increase in the manufacturing cost.
また、上記従来の第2の製造方法では、流し込む材料の注型のための金型類を事前に用いる必要がある。また、この材料は細管の材料よりも融点が低いものに限られ、設計の自由度が少なくなる可能性があった。また、この製造方法で製造される熱音響装置用スタックの使用温度の上限値が、最も融点又は耐熱温度が低い材料により決定されるため、スタック用途や使用環境が制限される可能性があった。 In the second conventional manufacturing method, it is necessary to use molds for casting the material to be poured in advance. Further, this material is limited to a material having a lower melting point than the material of the thin tube, and there is a possibility that the degree of freedom in design may be reduced. In addition, since the upper limit of the operating temperature of the stack for a thermoacoustic device manufactured by this manufacturing method is determined by the material having the lowest melting point or the lowest heat-resistant temperature, there is a possibility that the stack application and operating environment may be limited. .
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー交換効率を向上させるとともに、製造コストの増大を抑制することができる熱音響装置用スタックの製造方法、熱音響装置用スタックの製造装置及び熱音響装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a thermoacoustic device stack that can improve energy exchange efficiency and suppress an increase in manufacturing cost. And a thermoacoustic apparatus.
前述した目的を達成するために、本発明に係る熱音響装置用スタックの製造方法、熱音響装置用スタックの製造装置及び熱音響装置は、下記(1)〜(4)を特徴としている。
(1)
複数の細管を、軸線方向を揃えて束ねて、この束ねられた前記複数の細管を、その内形が当該複数の細管の外形と略等しい収納管の内部に収納した上で、前記複数の細管を加熱して隣接する前記細管同士を溶着させた構造体を形成する溶着工程と、
前記構造体の前記細管の内部空間それぞれを、外気圧よりも高い気圧で加圧する加圧工程と、
前記構造体の軸方向一端部を加熱して、前記構造体の前記軸方向一端部を軸方向に沿って引っ張る引張工程と、
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
(2)
前記構造体の前記収納管の前記軸方向一端部を挟持して引っ張ることにより、前記構造体の前記軸方向一端部を引っ張る
ことを特徴とする(1)に記載の熱音響装置用スタックの製造方法。
(3)
複数の細管が、軸線方向で揃えて束ねられて、その内形がこの束ねられた前記複数の細管の外形と略等しい収納管の内部に収納された状態で、隣接する前記細管同士が溶着された構造体に対し、前記構造体の前記細管の内部空間それぞれを、外気圧よりも高い気圧で加圧する加圧部と、
軸方向一端部が加熱された前記構造体の前記軸方向一端部を把持して、当該軸方向一端部を軸方向に沿って引っ張る引張部と、
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造装置。
(4)
軸線方向を揃えて束ねられた複数の細管が当該複数の細管の外形と略等しい内径を有する収納管の内部に収納され、且つ隣接する前記細管同士が溶着された構造体が、前記細管の内部空間それぞれが外気圧よりも高い気圧で加圧された状態で前記構造体の軸方向一端部が軸方向に沿って引っ張られて形成されたスタック
を有することを特徴とする熱音響装置。
In order to achieve the above-mentioned object, a method for manufacturing a thermoacoustic device stack, a thermoacoustic device stack manufacturing apparatus, and a thermoacoustic device according to the present invention are characterized by the following (1) to (4).
(1)
A plurality of thin tubes are bundled in the same axial direction, and the bundled thin tubes are housed in a storage tube having an inner shape substantially equal to the outer shape of the plurality of thin tubes. A welding step of heating to form a structure in which the adjacent thin tubes are welded to each other;
A pressurizing step of pressurizing each of the internal spaces of the thin tube of the structure at a pressure higher than an external pressure;
A tensioning step of heating one axial end of the structure, and pulling the one axial end of the structure along the axial direction,
A method for manufacturing a stack for a thermoacoustic device, comprising:
(2)
The manufacturing of the thermoacoustic device stack according to (1), wherein the one end in the axial direction of the structure is pulled by sandwiching and pulling the one end in the axial direction of the storage tube of the structure. Method.
(3)
A plurality of thin tubes are bundled together in the axial direction, and the adjacent thin tubes are welded to each other in a state where the inner shape is housed in a housing tube having an inner shape substantially equal to the outer shape of the bundled thin tubes. For the structure, a pressurizing unit that pressurizes each of the internal spaces of the thin tubes of the structure with a pressure higher than the outside pressure.
A tension portion that grips the one axial end of the structure whose one axial end is heated, and pulls the one axial end along the axial direction,
An apparatus for manufacturing a stack for a thermoacoustic device, comprising:
(4)
A plurality of thin tubes bundled in the same axial direction are housed inside a housing tube having an inner diameter substantially equal to the outer shape of the plurality of thin tubes, and a structure in which adjacent thin tubes are welded to each other is formed inside the thin tube. A thermoacoustic apparatus comprising: a stack formed by pulling one end in the axial direction of the structure along the axial direction in a state where each space is pressurized at a pressure higher than the external pressure.
上記(1)の熱音響装置用スタックの製造方法の構成によれば、エネルギー交換効率を向上させるとともに、製造コストの増大を抑制することができる。また、構造体に対し加圧した状態で引っ張ることにより、スタックの貫通孔(流路)の断面形状や寸法を均一にすると共に貫通孔の径が過度に小さくなるのを防止するので、貫通孔間の肉厚が薄くなり貫通孔を可能な限り稠密に設けることができる。これにより、貫通孔のスタック断面に占める割合が増加して、スタックの開口率を高めると共にωτを小さくするので、熱音響装置のスタックとしてエネルギー変換効率の良いものを製造することができる。
上記(2)の熱音響装置用スタックの製造方法の構成によれば、収納管に収納された複数の細管に対し径方向内方に向けて一様に押圧することができるので、引っ張られた後の細管の断面形状をより均一に且つ精度よく形成することができる。
上記(3)の熱音響装置用スタックの製造装置の構成によれば、エネルギー交換効率を向上させるとともに、製造コストの増大を抑制することができる熱音響装置用スタックを製造することができる。
上記(4)の熱音響装置によれば、エネルギー交換効率を向上させるとともに、製造コストの増大を抑制することができる。
According to the configuration of the method for manufacturing a stack for a thermoacoustic device of the above (1), the energy exchange efficiency can be improved and the increase in the manufacturing cost can be suppressed. Further, by pulling the structure in a pressurized state, the cross-sectional shape and dimensions of the through-hole (flow path) of the stack are made uniform and the diameter of the through-hole is prevented from becoming excessively small. The thickness between them becomes thin, and the through holes can be provided as densely as possible. As a result, the ratio of the through hole to the cross section of the stack increases, and the aperture ratio of the stack is increased and ωτ is reduced. Therefore, a thermoacoustic device having good energy conversion efficiency can be manufactured.
According to the configuration of the method for manufacturing a stack for a thermoacoustic device of the above (2), the plurality of thin tubes housed in the housing tube can be uniformly pressed radially inward, so that the tube is pulled. The cross-sectional shape of the later thin tube can be formed more uniformly and accurately.
According to the configuration of the thermoacoustic device stack manufacturing apparatus of the above (3), a thermoacoustic device stack that can improve energy exchange efficiency and suppress an increase in manufacturing cost can be manufactured.
According to the thermoacoustic device of the above (4), the energy exchange efficiency can be improved, and the increase in the manufacturing cost can be suppressed.
本発明の熱音響装置用スタックの製造方法、熱音響装置用スタックの製造装置及び熱音響装置によれば、複数の細管を軸線方向を揃えて束ねる際の、隣接する細管の間での隙間空間が、製造過程で埋められるともに、スタックの各貫通孔(流路)の断面形状やその分布が略均一に形成される。加圧しながら引っ張ることにより、スタックの貫通孔の断面形状や寸法を均一にするとともに貫通孔の径が過度に小さくなるのを防止するので、貫通孔間の肉厚が薄くなり貫通孔を可能な限り稠密に設けることができる。これにより、貫通孔のスタック断面に占める割合が増加して、スタックの開口率を向上させることができる。また、スタックの断面の格子の目が細かくなり、その格子が長手方向に滑らかに連続する。その結果、ωτを小さくしながら圧損を低減することができる。また、構造体からスタックを相似的に縮小して製造する場合と比較して、構造体をその長手方向に引っ張って設けるので、より多くのスタックを切り出すことができるようになり、製造コストを低減することができる。また、安価な断面円形状の細管を用いても、前述の隙間空間から起因する流路が設けられないので、安価且つエネルギー効率の良いスタックを製造することができる。このように、エネルギー交換効率を向上させるとともに、製造コストの増大を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the manufacturing method of the stack for thermoacoustic apparatuses, the manufacturing apparatus of the stack for thermoacoustic apparatuses, and the thermoacoustic apparatus of the present invention, the gap space between adjacent thin tubes when a plurality of thin tubes are bundled with their axial directions aligned. Are filled in the manufacturing process, and the cross-sectional shape and distribution of each through-hole (flow path) of the stack are formed substantially uniformly. By pulling while applying pressure, the cross-sectional shape and dimensions of the through holes of the stack are made uniform and the diameter of the through holes is prevented from becoming excessively small. It can be provided as dense as possible. As a result, the ratio of the through hole to the cross section of the stack increases, and the aperture ratio of the stack can be improved. In addition, the grid of the cross section of the stack becomes finer, and the grid smoothly continues in the longitudinal direction. As a result, pressure loss can be reduced while reducing ωτ. Also, as compared with the case where the stack is similarly reduced from the structure and manufactured, since the structure is provided by being pulled in the longitudinal direction, more stacks can be cut out and the manufacturing cost is reduced. can do. Further, even if an inexpensive thin tube having a circular cross section is used, a flow path originating from the above-mentioned gap space is not provided, so that an inexpensive and energy-efficient stack can be manufactured. As described above, the energy exchange efficiency can be improved, and an increase in manufacturing cost can be suppressed.
以上、本発明について簡潔に説明した。さらに、以下に説明される発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という。)を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細はさらに明確化されるだろう。 The present invention has been briefly described above. Further, details of the present invention will be further clarified by reading through the modes for carrying out the invention described below (hereinafter, referred to as “embodiments”) with reference to the accompanying drawings.
本発明の熱音響装置用スタックの製造方法、熱音響装置用スタックの製造装置及び熱音響装置に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。
なお、「スタック」とは一般的には複数の部材を積層したものを指すが、本明細書では1つの部材から形成された熱音響装置用のエネルギー変換部材も「スタック」と呼ぶこととする。
Specific embodiments of the method for manufacturing a thermoacoustic device stack, the thermoacoustic device stack manufacturing device, and the thermoacoustic device of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Note that the term “stack” generally refers to a stack of a plurality of members, but in this specification, an energy conversion member for a thermoacoustic device formed from one member is also referred to as a “stack”. .
<熱音響エンジン及び熱音響装置用スタックの構成について>
図1を参照して、本実施形態に係る熱音響エンジン(熱音響装置)1及び熱音響装置用スタック(以下、単にスタックとも言う。)10の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る熱音響エンジン1の構成を模式的に説明する断面図である。図2は、本実施形態に係る熱音響装置用スタック10の構造を説明する立体斜視図である。
<Structure of thermoacoustic engine and thermoacoustic device stack>
A configuration of a thermoacoustic engine (thermoacoustic device) 1 and a thermoacoustic device stack (hereinafter, also simply referred to as a stack) 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a
図1に示すように、本実施形態の熱音響装置用スタック10を備える熱音響エンジン1は、管2、スタック10、高温側熱交換器3及び低温側熱交換器4を備える。管2は、作動流体Fが封入された円筒状の管である。スタック10は、管2の内部に配置された部材である。高温側熱交換器3及び低温側熱交換器4は、管2の内部でこのスタック10を管2の軸線方向両方から挟むように配置され、スタック10に温度勾配を与える機器である。
As shown in FIG. 1, a
また、管2の外部において、高温側熱交換器3の側には高温熱源5が、低温側熱交換器4の側には低温熱源6が設けられる。スタック10は、作動流体Fを介して伝搬する熱エネルギーと振動エネルギーとを変換する。この変換により、熱音響エンジン1は、管2の内部に封入された作動流体Fと、高温側熱交換器3から低温側熱交換器4へと流れる熱エネルギーと、の間で、エネルギー交換を行うことが可能となる。
Outside the
図2に示すように、スタック10は、管2の内部形状に対応して円柱状に形成される。また、スタック10は、管2の内部に配置される本体11と、管2の内部を流れる作動流体Fの流れ方向に沿って本体11の中央部に形成され、作動流体Fの流路として用いられる複数の貫通孔11Aと、を有する。また、スタック10の本体11の中央部は、後述するように複数の細管21により形成される。スタック10の本体11の外周部は、複数の細管21をその内部で収納する収納管22により形成される。
As shown in FIG. 2, the
本実施形態では、スタック10の複数の貫通孔11Aは、本体11の中央部に集合(密集)して配置される。複数の貫通孔11A(貫通孔11Aの集合体)は、スタック10を軸線方向から視たとき全体として略円形となるように設けられており、その中心はスタック10の軸心と略一致する。そして、スタック10の貫通孔11Aそれぞれは、断面略正六角形状に形成される。また、この貫通孔11Aの孔径は、管2の長さ(共鳴角周波数ω)と熱緩和時間τ(=r2/α、rは孔径、αは作動流体の物性値)で規定される例えばωτの値が1〜10の範囲となるように設定される。また、貫通孔11Aの間隔(ピッチ)は、スタック10の開口率(空隙率)を高くするため、可能な限り稠密して設けられる。スタック10の開口率が高いほど、圧損が小さくなり、エネルギーのロスが少なくなる。
なお、スタック10の複数の貫通孔11Aは、その軸線方向が管2の軸線方向と略一致した状態で管2の内部に配置される。
In the present embodiment, the plurality of through-
The plurality of through
<スタックの製造方法及びその製造装置について>
次に、図3〜図7を参照して、スタック10の製造方法及びその製造装置30について説明する。図3は、熱音響装置用スタック10の一部を構成する細管21を説明する立体斜視図である。図4は、熱音響装置用スタック10の製造方法、及びその製造装置30を説明する模式図であり、図4(A)〜図4(D)はそれぞれ、その製造方法の一工程を示す図である。図5は、図4(C)で示す加圧部31の構成を模式的に説明する模式図であり、図5(A)は軸線方向を通過する平面で切断した断面図であり、図5(B)は図5(A)のVB−VB断面図である。図6は、図4(D)に示す引張工程、その後の切断工程における構成を模式的に説明する分解斜視図である。図7は、図6に示すY及びZの方向から視た構造体の側面を説明する部分拡大図である。
<Regarding stack manufacturing method and stack manufacturing apparatus>
Next, a method of manufacturing the
図3に示すように、本実施形態では、断面略円形状の細管21、及びこの細管21よりも径の大きい太管の収納管(図4(B)、図5及び図6参照)22を用いてスタック10を製造する。細管21及び収納管22は、ガラス(高い耐熱性を要する場合には石英)材料からなり、円筒状に形成され、貫通孔21A,22Aをそれぞれ有する。また、収納管22の内径は、後述する製造過程で複数の細管21を、軸線方向を揃えて束ねて、この束ねられた複数の細管21の外径(外形)寸法と略等しく設けられる。
なお、前述したように、細管21の貫通孔21Aはスタック10の貫通孔11Aを構成し、収納管22はスタック10の本体11の外周部を構成することになる。
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, a
As described above, the through-
図4(A)に示すように、細管21を複数用意して、この複数の細管21を、軸線方向を揃え、糸やテープなどの拘束手段で束ねる。その後、図4(B)に示すように、この束ねた複数の細管21を、収納管22に収納管22の内周面に内接するように収納する。この収納の際には、可能な限り多くの数量の細管21が収納管22に収納される。これにより、細管21は隣り合う細管21と圧接した状態で収納管22に収納される。そして、ヒータなどにより複数の細管21及び収納管22を軟化点付近まで加熱し、所定時間維持した後、冷却する。このとき、細管21は、隣り合う細管21と圧接しているので、加熱した後に冷却されることで、隣り合う細管21と溶着されることになる。これにより、隣接する細管21同士を溶着させた構造体Aを形成する(すなわち溶着工程)。
なお、溶着工程では、図7(A)に示すように、複数の細管21は、収納管22の内部に稠密に配置される。しかしながら、それでもなお、細管21だけでは内部空間を隙間なく埋めることができず、隣接する細管21の間で、各辺が弓なりとなる略三角状の隙間空間S1が形成されることになる。
As shown in FIG. 4 (A), a plurality of
In the welding step, as shown in FIG. 7A, the plurality of
ここで、本実施形態のスタック10の製造装置30の構成について説明する。
なお、図4(A)及び図4(B)での製造方法を実現する手段、例えば、複数の細管21を束ねる拘束手段(不図示)や、細管21及び収納管22を加熱するヒータなどの加熱手段(不図示)などは、種々様々なものを採用することができる。ここでは、特に図4(C)及び図4(D)の製造方法を実現する部分について具体的に説明する。
Here, the configuration of the
4A and 4B, such as a restraining means (not shown) for bundling a plurality of
本実施形態のスタック10の製造装置30は、図4(C)、図4(D)、図5及び図6に示すように、前述の構造体Aに対し、構造体Aの細管21の内部空間それぞれを、外気圧よりも高い気圧で加圧する加圧部31と、構造体Aの軸方向一端部を径方向で把持して、この軸方向一端部を軸方向に沿って引っ張る引張部38と、後述する引張工程後において引っ張られた構造体Aを径方向で切断する切断機41(図6参照)と、を含んで構成される。
As shown in FIGS. 4C, 4D, 5 and 6, the
加圧部31は、円環状に形成され、その周縁部にフランジ部33,37が設けられる第1及び第2の蓋体32,36により構成される。第1及び第2の蓋体32,36は、構造体Aの軸方向両端部を塞ぎ気密にする(図5(A)参照)。
The
図5(A)に示すように、第1の蓋体32のフランジ部33の内径は、第1の蓋体32が構造体Aに外嵌可能な形状とされる。また、第1の蓋体32の円環部には、気体が通過可能な流路34が設けられる。流路34の他端側は、例えばコンプレッサーなどの圧縮装置(不図示)に接続される。
As shown in FIG. 5A, the inner diameter of the
図5(A)及び図5(B)に示すように、第1の蓋体32のフランジ部33の内周面には、円板状のメッシュ部35が設けられる。メッシュ部35は、メッシュ部35の周縁でフランジ部33の内周面の軸方向中間部と連結しており、第1の蓋体32の内端面との間に所定の隙間空間S2を有する。
なお、隙間空間S2は、後述する加圧工程で流路34を介して外気圧よりも高い気圧で加圧される。
As shown in FIGS. 5A and 5B, a disk-shaped
Note that the gap space S2 is pressurized at a pressure higher than the outside pressure via the
また、メッシュ部35は、メッシュ部35の外端面で構造体Aの軸方向一端面と接触する。そして、メッシュ部35には、第1の蓋体32が構造体Aに外嵌したときに構造体Aの細管21の貫通孔21Aと一致する位置に貫通孔35Aが複数形成される。これにより、メッシュ部35は、第1の蓋体32が構造体Aの軸方向一端部を塞ぐ際、構造体Aに形成された隙間空間S1を塞ぎつつ、他方、細管21の貫通孔21Aを隙間空間S2に連通させる。
In addition, the
このように構成されるスタック10の製造装置30を用いて、図4(C)に示すように、加圧部31の第1及び第2の蓋体32,36により、構造体Aの軸方向両端部を塞ぎ構造体Aを気密にする。そして、コンプレッサーなどの圧縮装置を稼働し、第1の蓋体32側の隙間空間S2を、流路34を通じて外気圧よりも高い気圧で加圧する(すなわち加圧工程)。このとき、この隙間空間S2は、メッシュ部35の貫通孔35Aを介して細管21の貫通孔21Aの内部空間とそれぞれ連通している(図5(A)参照)。このため、隙間空間S2の加圧に伴って、貫通孔21Aの内部空間も同様に均一に加圧されることになる。他方、この加圧工程の際、各細管21の間の、各辺が弓なりとなる略三角状の隙間空間S1(図7(A)参照)の軸線方向一端はメッシュ部35の貫通孔35A以外の部分によって塞がれその軸線方向他端は第2の蓋体36により塞がれているので、加圧されることはない。
As shown in FIG. 4C, the first and
引張部38は、図4(D)に示すように、一対のアーム39により構成される。アーム39の先端には、略C字状の把持部40が設けられる。一対のアーム39は、把持部40の内周面が構造体Aの収納管22の外周面に接触して、構造体Aを径方向で挟持する。このとき、一対のアーム39は、互いに近接する方向で所定の弾性力を有して構造体Aを挟持する。これにより、挟持部分において構造体Aの径が変化してもそれに対応して挟持可能である。この挟持の状態で、引張部38は軸方向に沿って構造体Aの軸方向一端部を引っ張る。
As shown in FIG. 4D, the pulling
そして、図4(D)及び図6に示すように、図4(C)に示す構造体Aを加圧した状態で、構造体Aの軸方向一端部をヒータなどにより軟化点以上まで加熱して、構造体Aの収納管22の軸方向一端部を引張部38の一対のアーム39により挟持して、軸方向他端部から離間するように軸方向に沿って引っ張る。これにより、細管21及び収納管22が軸線方向に延伸した構造体Aが形成される(すなわち引張工程)。
Then, as shown in FIGS. 4D and 6, in a state where the structure A shown in FIG. 4C is pressurized, one end in the axial direction of the structure A is heated to a temperature higher than the softening point by a heater or the like. Then, one end in the axial direction of the
引張工程において、図4(D)及び図6に示す収納管22の引張により、収納管22は径方向内方に向けて複数の細管21を押圧する。このとき、細管21も加熱され軟化しており、且つ各細管21はその内部空間が加圧された状態であるため、各細管21の内部空間は収納管22の押圧に抗する、径方向外方に向かう抗力が作用する。その一方で、各細管21の間の、各辺が弓なりとなる略三角状の隙間空間S1(図7(A)参照)は加圧されず、外気圧と略同じである。従って、収納管22による押圧、及び各細管21の内部空間の抗力により、細管21の断面形状が変化して隙間空間S1内の気体が押し出されることになる。これにより、この隙間空間S1が埋められる。そして、図7(B)に示すように、収納管22による押圧と各細管21の内部空間の抗力とが均衡して、最終的に、細管21の断面形状は、略正六角形に形成される。
In the tensioning step, the
また、引張工程により延伸された細管21の孔径は、細管21の内部空間を加圧する圧力と構造体Aを引っ張る距離のバランスに応じて縮小する。そのため、細管21の内部空間を加圧する圧力と構造体Aの一端部を引っ張る距離を所望する貫通孔21Aの孔径に対応して設定すると良い。また、加熱温度や引張速度も同様に、細管21の断面形状においてガラスなどの材料の厚みの縮小率に影響を与えるため、設定パラメータとして適宜調整すると良い。
Further, the hole diameter of the
引張工程の後、図6に示すようにダイシングソーなどの切断機41により構造体Aを所定の長さに切断するとともに、その切断面を研磨する。これにより、図7(B)に示すように、断面形状が略正六角形の複数の貫通孔11Aが稠密に配設され、ハニカム形状を有するスタック10が形成される。
After the tension step, as shown in FIG. 6, the structure A is cut into a predetermined length by a cutting
(変形例)
次に、図8及び図9を参照して、本実施形態の変形例について説明する。変形例として、図8に示すように、加圧部31の第1の蓋体32の内部に2つの隙間空間S2,S3が形成されるように、第1の蓋体32が図中上下方向で2層構造となるように設けても良い。
(Modification)
Next, a modification of the present embodiment will be described with reference to FIGS. As a modified example, as shown in FIG. 8, the
具体的には、第1の蓋体32の上段には、細管21の外周面で区画された隙間空間S1の空気を逃がすための隙間空間S3が配置される。また、第1の蓋体32の外側壁には、隙間空間S3に連通して外部に空気を逃がすための空気孔50が形成される。そして、第1の蓋体32の下段には、本実施形態と同様に、細管21の内部空間を加圧するための隙間空間S2が配置される。第1の蓋体32の外側壁には隙間空間S2に連通する流路34が形成され、この流路34を通じて隙間空間S2は加圧される。
なお、本変形例でも同様に、第1の蓋体32には、隙間空間S2と、フランジ部33側の外部とを区画する第1のメッシュ部(メッシュ部)35が設けられる。
Specifically, a gap space S3 for releasing air in the gap space S1 defined by the outer peripheral surface of the
Similarly, in the present modified example, the
隙間空間S2,S3の間には、これら隙間空間S2,S3を区画する第2メッシュ部51が設けられる。図8及び図9(A)に示すように、第2メッシュ部51には、第1の蓋体32が構造体Aに外嵌したときに、細管21の外周面で区画された隙間空間S1(図7(A)参照)に対応する位置に貫通孔51Aが複数形成される。第2のメッシュ部51の下端面には、第2のメッシュ51の貫通孔51Aにそれぞれ連通する管体52が下方に延出して一体に複数設けられる。このとき、図9(B)に示すように、管体52は、第1の蓋体32が構造体Aに外嵌した際、細管21の外周面で区画された隙間空間S1に対応して配置されることになる。このため、管体52の内部空間がその隙間空間S1と連通する。
A
このように、図9(C)に示すように、第1のメッシュ部35には、上述した本実施形態と同じ第1の貫通孔(貫通孔)35Aと、この第1の貫通孔35Aよりも小径な第2の貫通孔35Bと、がそれぞれ複数形成される。また、第1のメッシュ部35の第2の貫通孔35Bは、第1の蓋体32が構造体Aに外嵌したときに、細管21の外周面で区画された隙間空間S1に一致する位置にそれぞれ形成される。そして、図8及び図9に示すように、各管体52は、第1のメッシュ部35の第2の貫通孔35B及び第2のメッシュ部51の貫通孔51Aの間を掛け渡すように形成される。
As described above, as shown in FIG. 9C, the
この変形例では、隙間空間S2を通じて構造体Aを加圧しながら当該構造体Aを引っ張る際、細管21の外周面で区画された隙間空間S1の空気を、管体52の内部空間、隙間空間S3及び空気孔50を通じて外部に逃がすことができる。こうして、引っ張られた後の細管21の断面形状をより均一に且つ精度よく形成することができる。
なお、空気孔50から自然に空気を逃がすだけではなく、吸引して積極的に空気を抜くように構成しても良い。このとき、過剰に空気を吸引をしてしまうと、細管21の外周が隙間空間S1の一部を潰し、その一部からスタック10の高さ方向下方(第2の蓋体36側)に位置する隙間空間S1に空気が残った状態で溶着することが起き得る。このため、吸引する時間当たりの量は適宜調整することが望ましい。
In this modification, when the structure A is pulled while pressurizing the structure A through the space S2, the air in the space S1 partitioned by the outer peripheral surface of the
In addition, not only air may naturally escape from the air holes 50, but also air may be sucked and air may be positively removed. At this time, if air is excessively sucked, the outer periphery of the
<本実施形態の熱音響装置用スタックの製造方法、その製造装置及び熱音響装置の利点>
以上説明したように、本実施形態の熱音響装置用スタック10の製造方法、熱音響装置用スタック10の製造装置30及び熱音響装置1によれば、複数の細管21を軸線方向を揃えて束ねる際の、隣接する細管21の間での隙間空間S1が、製造過程で埋められるともに、スタック10の各貫通孔11Aの断面形状やその分布が略均一に形成される。加圧しながら引っ張ることにより、スタック10の貫通孔11Aの断面形状や寸法を均一にするとともに貫通孔11Aの径が過度に小さくなるのを防止するので、貫通孔11A間の肉厚が薄くなり貫通孔11Aを可能な限り稠密に設けることができる。これにより、貫通孔11Aのスタック10断面に占める割合が増加して、スタック10の開口率を向上させることができる。すなわち、細管21の内部空間を加圧する圧力と構造体Aの一端部を引っ張る距離を適切に設定することにより、構造体Aを引っ張る前よりスタック10の開口率を向上させることができる。また、スタック10の断面の格子の目が細かくなり、その格子が長手方向に滑らかに連続する。その結果、ωτを小さくしながら圧損を低減することができる。また、構造体Aからスタック10を相似的に縮小して製造する場合と比較して、構造体Aをその長手方向に引っ張って設けるので、より多くのスタック10を切り出すことができるようになり、製造コストを低減することができる。また、安価な断面円形状の細管21を用いても、前述の隙間空間S1から起因する流路が設けられないので、安価且つエネルギー効率の良いスタック10を製造することができる。このように、エネルギー交換効率を向上させるとともに、製造コストの増大を抑制することができる。
<The manufacturing method of the stack for thermoacoustic devices of the present embodiment, the manufacturing device thereof, and the advantages of the thermoacoustic device>
As described above, according to the method for manufacturing the
また、本実施形態の熱音響装置用スタック10の製造方法、及び熱音響装置用スタック10の製造装置30によれば、構造体Aの収納管22の軸方向一端部を挟持して引っ張ることにより、構造体Aの軸方向一端部を引っ張るため、収納管22に収納された複数の細管21に対し径方向内方に向けて一様に押圧することができるので、引っ張られた後の細管21の断面形状をより均一に且つ精度よく形成することができる。
According to the method for manufacturing the
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれら実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良などが可能である。 This concludes the description of specific embodiments, but aspects of the present invention are not limited to these embodiments, and modifications and improvements can be made as appropriate.
ここで、上述した本発明に係る熱音響装置用スタックの製造方法、熱音響装置用スタックの製造装置及び熱音響装置の特徴をそれぞれ以下[1]〜[4]に簡潔に纏めて列記する。
[1]
複数の細管(21)を、軸線方向を揃えて束ねて、この束ねられた前記複数の細管(21)を、その内形が当該複数の細管(21)の外形と略等しい収納管(22)の内部に収納した上で、前記複数の細管(21)を加熱して隣接する前記細管(21)同士を溶着させた構造体(A)を形成する溶着工程と、
前記構造体(A)の前記細管(21)の内部空間それぞれを、外気圧よりも高い気圧で加圧する加圧工程と、
前記構造体(A)の軸方向一端部を加熱して、前記構造体(A)の前記軸方向一端部を軸方向に沿って引っ張る引張工程と、
を有することを特徴とする熱音響装置用スタック(10)の製造方法。
[2]
前記構造体(A)の前記収納管(22)の前記軸方向一端部を挟持して引っ張ることにより、前記構造体(A)の前記軸方向一端部を引っ張る
ことを特徴とする[1]に記載の熱音響装置用スタック(10)の製造方法。
[3]
複数の細管(21)が、軸線方向で揃えて束ねられて、その内形がこの束ねられた前記複数の細管(21)の外形と略等しい収納管(22)の内部に収納された状態で、隣接する前記細管(21)同士が溶着された構造体(A)に対し、前記構造体(A)の前記細管(21)の内部空間それぞれを、外気圧よりも高い気圧で加圧する加圧部(31)と、
軸方向一端部が加熱された前記構造体(A)の前記軸方向一端部を把持して、当該軸方向一端部を軸方向に沿って引っ張る引張部(38)と、
を有することを特徴とする熱音響装置用スタック(10)の製造装置(30)。
[4]
軸線方向を揃えて束ねられた複数の細管(21)が当該複数の細管(21)の外形と略等しい内径を有する収納管(22)の内部に収納され、且つ隣接する前記細管(21)同士が溶着された構造体(A)が、前記細管(21)の内部空間それぞれが外気圧よりも高い気圧で加圧された状態で前記構造体(A)の軸方向一端部が軸方向に沿って引っ張られて形成されたスタック
を有することを特徴とする熱音響装置(1)。
Here, the method for manufacturing the thermoacoustic device stack, the manufacturing device for the thermoacoustic device stack, and the features of the thermoacoustic device according to the present invention described above will be briefly summarized and listed in the following [1] to [4].
[1]
A plurality of thin tubes (21) are bundled in the same axial direction, and the bundled plural thin tubes (21) are contained in a storage tube (22) whose inner shape is substantially equal to the outer shape of the plural thin tubes (21). A welding step of heating the plurality of thin tubes (21) and forming a structure (A) in which the adjacent thin tubes (21) are welded to each other,
A pressurizing step of pressurizing each of the internal spaces of the thin tube (21) of the structure (A) at a pressure higher than an external pressure;
A tension step of heating one axial end of the structure (A) and pulling the one axial end of the structure (A) along the axial direction;
A method for manufacturing a stack (10) for a thermoacoustic device, comprising:
[2]
The one end in the axial direction of the structure (A) is pulled by holding and pulling the one end in the axial direction of the storage tube (22) of the structure (A). The manufacturing method of the stack (10) for thermoacoustic apparatuses described in the above.
[3]
A plurality of thin tubes (21) are bundled together in the axial direction, and are housed in a storage tube (22) whose inner shape is substantially equal to the outer shape of the bundled thin tubes (21). And pressurizing each of the internal spaces of the thin tubes (21) of the structure (A) with a pressure higher than the outside pressure with respect to the structure (A) in which the adjacent thin tubes (21) are welded to each other. Part (31),
A tension portion (38) for gripping the axial end of the structure (A) having the heated axial end and pulling the axial end along the axial direction;
An apparatus (30) for producing a stack (10) for a thermoacoustic device, comprising:
[4]
A plurality of thin tubes (21) bundled in the axial direction are housed inside a storage tube (22) having an inner diameter substantially equal to the outer shape of the plurality of thin tubes (21), and the adjacent thin tubes (21) are adjacent to each other. Is welded, and one end in the axial direction of the structure (A) extends along the axial direction in a state where the internal space of the thin tube (21) is pressurized at a pressure higher than the outside air pressure. A thermoacoustic device (1), characterized in that it has a stack formed by pulling.
1 熱音響エンジン(熱音響装置)
2 管
3 高温側熱交換器
4 低温側熱交換器
5 高温熱源
6 低温熱源
10 熱音響装置用スタック
11 本体
11A 貫通孔
21 細管
21A 貫通孔
22 収納管
22A 貫通孔
30 熱音響装置用スタックの製造装置
31 加圧部
32 第1の蓋体
33 フランジ部
34 流路
35 メッシュ部(第1メッシュ部)
35A 貫通孔(第1の貫通孔)
35B 第2の貫通孔
36 第2の蓋体
37 フランジ部
38 引張部
39 アーム
40 把持部
41 切断機
50 空気孔
51 第2のメッシュ部
51A 貫通孔
52 管体
F 作動流体
A 構造体
S1 隙間空間
S2 隙間空間
S3 隙間空間
1 Thermoacoustic engine (thermoacoustic device)
2
35A Through hole (first through hole)
35B Second through-
Claims (4)
前記構造体の前記細管の内部空間それぞれを、外気圧よりも高い気圧で加圧する加圧工程と、
前記構造体の軸方向一端部を加熱して、前記構造体の前記軸方向一端部を軸方向に沿って引っ張る引張工程と、
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。 A plurality of thin tubes are bundled in the same axial direction, and the bundled thin tubes are housed in a storage tube having an inner shape substantially equal to the outer shape of the plurality of thin tubes. A welding step of heating to form a structure in which the adjacent thin tubes are welded to each other;
A pressurizing step of pressurizing each of the internal spaces of the thin tube of the structure at a pressure higher than an external pressure;
A tensioning step of heating one axial end of the structure, and pulling the one axial end of the structure along the axial direction,
A method for manufacturing a stack for a thermoacoustic device, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の熱音響装置用スタックの製造方法。 2. The manufacturing of the thermoacoustic device stack according to claim 1, wherein the axial end of the structure is pulled by holding and pulling the axial end of the storage tube of the structure. 3. Method.
軸方向一端部が加熱された前記構造体の前記軸方向一端部を把持して、当該軸方向一端部を軸方向に沿って引っ張る引張部と、
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造装置。 A plurality of thin tubes are bundled together in the axial direction, and the adjacent thin tubes are welded to each other in a state where the inner shape is housed in a housing tube having an inner shape substantially equal to the outer shape of the bundled thin tubes. For the structure, a pressurizing unit that pressurizes each of the internal spaces of the thin tubes of the structure with a pressure higher than the outside pressure.
A tension portion that grips the one axial end of the structure whose one axial end is heated, and pulls the one axial end along the axial direction,
An apparatus for manufacturing a stack for a thermoacoustic device, comprising:
を有することを特徴とする熱音響装置。 A plurality of thin tubes bundled in the same axial direction are housed inside a housing tube having an inner diameter substantially equal to the outer shape of the plurality of thin tubes, and a structure in which adjacent thin tubes are welded to each other is formed inside the thin tube. A thermoacoustic apparatus comprising: a stack formed by pulling one end in the axial direction of the structure along the axial direction in a state where each space is pressurized at a pressure higher than the external pressure.
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