JP2022007676A - 熱音響冷却器 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022007676000001
【課題】太陽光や排気ガス等の廃熱供給源の出力が変動した場合でも、負荷の冷熱出力を安定させ、安定的に運転できる熱音響冷却器を実現する。
【解決手段】熱音響冷却器（１００）は、気柱管（１０）と、原動機（２０）と、負荷（３０）と、蓄熱槽（４０）とを備えている。蓄熱槽（４０）に供給されて蓄熱槽（４０）より排出された排気ガスを熱源として気柱管（１０）の内部に配置された原動機（２０）に供給し、気柱管（１０）に封入されている作動気体を自励発振させて音波を発生させ、音波により同じく気柱管（１０）の内部に配置された負荷（３０）により音熱交換して冷熱を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響現象を利用した熱音響冷却器に関する。
従来、熱音響現象を利用した冷房・冷凍施設が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来の熱音響冷却器は、原動機と、負荷と、配管と、から構成されており、熱源として太陽光を利用していた。また、特許文献１には、応用例として、自動車の排気ガスを熱源とする自動車用クーラーボックスが開示されている。
特許第３０５０５４３号公報
しかしながら、特許文献１に開示の従来技術は、排気ガス等の廃熱供給源を熱源としているため、熱源の出力が変動した場合、原動機へ供給される熱量が変動する。その結果、負荷の冷熱出力も変動するので、熱音響冷却器を安定的に運転できないという問題があった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽光や排気ガス等の廃熱供給源の出力が変動した場合でも、負荷の冷熱出力を安定させ、安定的に運転できる熱音響冷却器を実現することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱音響冷却器は、作動気体が封入された気柱管と、該気柱管の内部に配置され音波を発生する原動機と、前記気柱管の内部に配置され冷熱出力する負荷と、内部空間に蓄熱体が設けられ、前記原動機と接続される蓄熱槽と、を備え、前記蓄熱槽に前記原動機を接続し、前記蓄熱槽に第１熱媒体が供給され、熱交換により前記蓄熱槽から排出された前記第１熱媒体を前記原動機に供給することにより前記作動気体を自励発振させて音波を発生させ、該音波の波動によって前記負荷を作動させる構成である。
上記の課題を解決するために、本発明の他の態様に係る熱音響冷却器は、作動気体が封入された気柱管と、該気柱管の内部に配置され音波を発生する原動機と、前記気柱管の内部に配置され冷熱出力する負荷と、内部空間に蓄熱体が設けられ、前記原動機と接続される蓄熱槽と、を備え、第１熱媒体が供給されて蓄熱された蓄熱槽に前記原動機を接続し、前記蓄熱された蓄熱槽に所定風量の第２熱媒体が供給され、熱交換により加熱された第２熱媒体を前記原動機に供給することにより前記作動気体を自励発振させて音波を発生させ、該音波の波動によって前記負荷を作動させる構成である。
本発明の一態様によれば、太陽光や排気ガス等の廃熱供給源の出力が変動した場合でも、負荷の冷熱出力を安定させ、安定的に運転できる熱音響冷却器を実現できる。
実施形態１の熱音響冷却器を示す概略構成図である。 実施形態２の熱音響冷却器を示す概略構成図である。 実施形態２の熱音響冷却器の使用方法を示すフローチャートである。 実施形態３の熱音響冷却器を示す概略構成図である。 切替機構と複数個の蓄熱槽との組み合わせの一例を示す説明図である。 実施形態４の第１の蓄熱槽を示す斜視図と部分拡大図である。 実施形態４の蓄熱槽の変形例を示す斜視図である。 実施形態４の蓄熱槽の変形例と各配管との接続状態を示す横断面図である。 図５の切替機構の半回動後の状態を示す説明図である。 実施形態５の熱音響冷却器を示す概略構成図である。 実施形態６の熱音響冷却器を示す概略構成図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に何ら限定されない。
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、詳細に説明する。本実施形態の熱音響冷却器１００は、熱媒体の廃熱を利用するものである。熱媒体は、本実施形態では、第１熱媒体の１種類を用いる。例えば、熱音響冷却器１００は、ダクト２から排出される排気ガスを第１熱媒体として利用する。熱音響冷却器１００は、例えば、冷房及び冷凍施設の冷却器として用いられる。熱音響冷却器１００は、図１に示すように、供給配管３と、排気配管４と、気柱管１０と、原動機２０と、負荷３０と、蓄熱槽４０とを備えている。なお、ダクト２には、第１熱媒体用送風機１を介して排気ガスが流れている。
気柱管１０は、金属製のループ管である。図１では、気柱管１０は非円形状ループ管であり、作動気体としてヘリウム等が封入されている。気柱管１０の内部には、原動機２０と、負荷３０が配置されている。なお、気柱管１０の材質は、作動気体の圧力および作動温度条件において十分な強度を有する材質であれば金属にこだわらない。
原動機２０は、原動機側高温熱交換器２１と、原動機側低温熱交換器２２と、蓄熱器２３とを備え、原動機側高温熱交換器２１は蓄熱器２３の一端に配置され、原動機側低温熱交換器２２は蓄熱器２３の他の一端に配置されている。原動機２０は音波発生手段としての機能を発揮する。
負荷３０は、負荷側高温熱交換器３１と、負荷側低温熱交換器３２と、蓄冷器３３とを備え、負荷側高温熱交換器３１は蓄冷器３３の一端に配置され、負荷側低温熱交換器３２は蓄冷器３３の他の一端に配置されている。負荷３０は再生式熱交換器の機能を発揮する。
蓄熱槽４０は、例えば、供給配管３及び排気配管４と着脱自在に接続される、コンテナ、金属製筐体又は缶体で構成されている。これにより、蓄熱槽４０は、各配管と着脱自在に接続される。特に、本実施形態では、排気配管４の途中に原動機側高温熱交換器２１が接続される。このため、原動機側高温熱交換器２１に接続された排気配管４を介して、蓄熱槽４０は、原動機２０に着脱自在に接続される。また、蓄熱槽４０は、外側または内側周囲が断熱材に覆われている。蓄熱槽４０は、ダクト２と原動機２０の間に設けられている。なお、蓄熱槽４０は、原動機２０と接続されるものであればよく、必ずしも原動機２０と着脱自在に接続されるものではなくてよい。
また、蓄熱槽４０は、蓄熱体４３が内部空間４０ａに設けられている。より具体的には、蓄熱槽４０は、蓄熱槽４０の内部空間４０ａに複数の蓄熱体４３が充填されている。蓄熱槽４０では、第１熱媒体である排気ガスが内部空間４０ａを通る際に、排気ガスと蓄熱体４３との間で熱が交換される。
蓄熱体４３としては、例えば、金属製又はセラミック製の通気性多孔質物体又は複数の通気性多孔質物体が積層された積層体が挙げられる。蓄熱体４３は、熱容量が大きく、かつ熱伝導率が大きい材質が好ましく、さらに熱媒体の通過抵抗が小さく、かつ、伝熱面積が広い形状が好ましい。具体的に、蓄熱体４３として、セラミックハニカム、金網、石が挙げられる。蓄熱槽４０は、これらを内部空間４０ａに充填して複数の通路を有するように設けたものが挙げられる。
蓄熱槽４０の一方側には、ダクト２と接続された供給配管３が着脱自在に接続され、蓄熱槽４０の他方側には、排気配管４が着脱自在に接続されている。
蓄熱槽４０を通る排気ガスは、ダクト２から供給配管３を介して内部空間４０ａへ供給され、内部空間４０ａに充填された蓄熱体４３と熱交換して排気配管４へ流れる。
なお、ダクト２を流れる排気ガスの温度が変動した場合でも、蓄熱体４３の熱容量が十分大きいため、排気ガスと蓄熱体４３が熱交換することで、蓄熱槽４０から排出される排気ガスの温度は時間的に変動の幅が狭くなる。
排気配管４を流れる排気ガスは、原動機側高温熱交換器２１で熱交換され、排気用送風機５からダクト２へ戻される。また、原動機側低温熱交換器２２と負荷側高温熱交換器３１には、循環配管７が接続されている。なお、図１の例では、排気ガスをダクト２へ戻しているが、排気ガスを必ずしもダクト２へ戻す必要はなく、例えば、大気にそのまま放出してもよい。
循環配管７には、循環水を冷却する冷却器６と、循環ポンプ１７が設けられており、その循環水が循環配管７を循環する。
なお、図１の例では、循環水を使用しているが、グリコールなどの冷媒でも構わない。また、循環水を循環して再利用するため冷却器６を使用して冷却しているが、冷却器６を使用せず、所定の温度の水道水や井戸水を循環せずに利用してもよい。
さらに、図１の例では、循環水が原動機２０と負荷３０とに並列に供給されているが、原動機２０と負荷３０とに直列に供給されるようにしてもよい。
排気ガスが原動機側高温熱交換器２１に供給され、かつ循環水が原動機側低温熱交換器２２に供給されると蓄熱器２３の両端に所定の温度差が生じて作動気体が自励振動する。他方、負荷側低温熱交換器３２には、冷却配管８が接続され、冷却配管８にポンプ１８が設けられている。
冷却配管８は、冷却用に用いられる不凍液等の冷媒が流れている。循環水が負荷側高温熱交換器３１に供給され、かつ冷媒が負荷側低温熱交換器３２に供給され、原動機２０で発生した音波が負荷３０に伝播すると音熱変換により蓄冷器３３の両端に温度差が生じ、冷媒の温度が冷却される。
冷却配管８には、ラジエータ９が設けられており、負荷側低温熱交換器３２より排出された冷媒はラジエータ９を介して冷房に用いられる。
なお、図１の例では、負荷側低温熱交換器３２とラジエータ９との間で冷媒を循環して、冷房に利用しているが、冷媒の代わりに水を利用することで直接冷却水を得ることもできる。
本実施形態では、上述したように、ダクト２と原動機２０の間に蓄熱槽４０を設け、蓄熱槽４０の一方側を供給配管３に接続している。さらに、蓄熱槽４０の他方側を排気配管４と接続し、蓄熱槽４０から排出される排気ガスを原動機２０へ直接供給して熱源としている。このようにして、蓄熱槽４０で温度の変動幅が狭められた排気ガスを熱源として作動気体を原動機２０により自励発振させて音波を発生させ、この音波によって負荷３０を作動させる。
以上説明した熱音響冷却器１００によれば、原動機側高温熱交換器２１を加熱する熱媒体として、蓄熱槽４０から排出される安定的で、かつ、高温の排気ガスを用いることができる。換言すれば、熱音響冷却器１００によれば、蓄熱槽４０に充填された蓄熱体４３の蓄熱量と熱容量が大きいため、排気ガスの温度が変動した場合でも、蓄熱槽４０から排出される排気ガスの温度を安定化させることができる。それゆえ、原動機２０への熱源の出力の変動が少なく、冷熱出力が安定し、熱音響冷却器１００を安定的に運転できる。
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、図２及び図３を用いて以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
実施形態２の熱音響冷却器２００は、図２に示すように、さらに、第２熱媒体用送風機１１と、流体配管１２と、熱源配管１３と、複数個の蓄熱槽とを備えている。図２の例では、複数個の蓄熱槽は、第１の蓄熱槽２４０と第２の蓄熱槽２４１の２個の蓄熱槽であり、第１の蓄熱槽２４０と第２の蓄熱槽２４１とが熱源として順次使用されるものである。なお、図２の例において、第１の蓄熱槽２４０の「第１」と第２の蓄熱槽２４１の「第２」とは単なる説明の便宜上の定義であり、例えば、「第１」と「第２」とを互いに入れ替えても、本発明の本質が変わるものではない。後述の各実施形態においても同様である。
また、本実施形態では、熱媒体として、第１熱媒体と第２熱媒体の２種類の熱媒体を用いる点が実施形態１と異なる。
第２熱媒体用送風機１１は、所定風量の第２熱媒体を蓄熱槽に供給する送風機である。第２熱媒体用送風機１１は、本実施形態では第２の蓄熱槽２４１の前段に設けられている。例えば、第２熱媒体用送風機１１は、流体配管１２に接続されており、流体配管１２は第２の蓄熱槽２４１に着脱自在に接続されている。第２の蓄熱槽２４１の一方側は、流体配管１２により第２熱媒体用送風機１１と着脱自在に接続されており、第２の蓄熱槽２４１の他方側は、熱源配管１３と着脱自在に接続されており、熱源配管１３により原動機側高温熱交換器２１と接続されている。即ち、第２の蓄熱槽２４１は、熱源配管１３を介して原動機２０と着脱自在に接続される。本実施形態では、第２熱媒体として空気が使用されており、第２熱媒体用送風機１１により、流体配管１２を介して第２の蓄熱槽２４１へ供給されている。なお、第１熱媒体は、実施形態１と同様である。
第１の蓄熱槽２４０と第２の蓄熱槽２４１は、各々の内部空間４０ａ，４０ａに蓄熱体４３，４３が設けられている。蓄熱槽２４０，２４１は、供給配管３及び排気配管４と着脱自在に接続される、コンテナ、金属製筐体又は缶体で構成されている点は、実施形態１の蓄熱槽４０と同様である。さらに、蓄熱槽２４０，２４１は、流体配管１２及び熱源配管１３と着脱自在に接続される構造とされている。そして、第１の蓄熱槽２４０の一方側の供給配管３との接続は実施形態１と同様である。ただし、第１の蓄熱槽２４０の他方側と排気配管４との接続は、実施形態１と異なる。即ち、排気配管４と原動機側高温熱交換器２１とが接続されておらず、排気ガスは原動機２０を経由せず排気用送風機５を介してダクト２へ戻される。
なお、第１の蓄熱槽２４０と第２の蓄熱槽２４１は、各配管と着脱自在に接続される、コンテナ、金属製筐体又は缶体で構成されている場合には、例えば、供給配管３と排気配管４を取り外して蓄熱後の蓄熱槽を輸送することができる。また、各々の蓄熱槽は、各配管と着脱自在に接続され、原動機２０と着脱自在に接続されるので、次に示す蓄熱処理と順次処理を１個の蓄熱槽で行うことができる。
第２の蓄熱槽２４１は、図２の例では、第２熱媒体用送風機１１と原動機２０との間に設けられている。なお、本実施形態では、第２熱媒体用送風機１１は、蓄熱槽の前段に設けられているが、必ずしも第２の蓄熱槽２４１の前段に設けられていなくてもよい。
次に、熱音響冷却器２００の使用方法について、図２及び３を用いて詳細に説明する。
（蓄熱処理）
まず、図３に示すように、ユーザは蓄熱処理を行う。ユーザは、例えば、ステップＳ１として、図２に示すように、第１の蓄熱槽２４０に供給配管３と排気配管４とを接続する。次いで、ステップＳ２として、排気用送風機５により排気ガスを第１の蓄熱槽２４０に供給する。そして、ステップＳ３として、所定時間の経過を待つ。蓄熱処理における所定時間は、第１の蓄熱槽２４０から排出される排気温度が所定の温度に到達するまでの時間である。ステップＳ３において、所定時間経過していない場合は、ステップＳ２に戻り、排気ガスを供給し続け、蓄熱処理を継続する。
第１の蓄熱槽２４０に排気ガスを供給した直後において蓄熱体４３は十分冷えて（例えば常温）いるため、排気ガスと蓄熱体４３との温度差が最も高く、蓄熱体４３との熱交換により第１の蓄熱槽２４０より排出される排気ガスの温度は最も低下する。時間経過に伴って蓄熱体４３が十分加熱蓄熱されると、排気ガスと蓄熱体４３の温度差が小さくなる。このため、排気ガスと蓄熱体４３との間で交換される熱量も小さくなり、その結果、第１の蓄熱槽２４０から排出される排気ガスの温度は、供給配管３を流れる排気ガスの温度に近づく。
図３の例では、排気温度が所定の温度に到達するまでの予め想定した経過時間、例えば１２時間経過した時点で、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４で、ユーザは排気用送風機５を停止させ、排気ガスの供給を停止する。次いで、ステップＳ５で、ユーザは、第１の蓄熱槽２４０から供給配管３と排気配管４とを取り外して、第１の蓄熱槽２４０の蓄熱処理が終了する。蓄熱処理が終了した場合、ステップＳ６以下の順次処理に進む。
なお、蓄熱処理後直ちに順次処理に進まず、蓄熱後の蓄熱槽を輸送することもできる。また、ステップＳ３の所定の時間経過判断に代えて次のようにすることもできる。例えば、供給配管３と排気配管４とにそれぞれ温度計を設置し、これら２つの温度計の計測温度、または２つの温度計の計測温度の差が所定の値に到達した時点でステップＳ４に進み、蓄熱処理を終了するようにしてもよい。
（順次処理）
次に、ユーザは順次処理を行う。ユーザは、例えば、ステップＳ６として、第１の蓄熱槽２４０の両側に、それぞれ流体配管１２と熱源配管１３を接続する。次いで、ステップＳ７として、第２熱媒体用送風機１１により空気を第１の蓄熱槽２４０に供給する。これにより、蓄熱処理で排気ガスが供給されて蓄熱された第１の蓄熱槽２４０に所定風量の空気が供給される。そして、ステップＳ８として、所定時間の経過を待つ。ステップＳ８において、所定時間経過していない場合は、ステップＳ７に戻り、空気を供給し続ける。
このようにして、原動機２０には、第１の蓄熱槽２４０の蓄熱体４３との熱交換により加熱された空気が供給されて熱源として使用されることになる。熱音響冷却器２００は、原動機２０により作動気体を自励発振させて音波を発生させ、この音波の波動によって負荷３０を作動させる。
図３の例では、排気温度が所定の温度に到達するまでの予め想定した経過時間、例えば１２時間経過した時点で、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９で、第２熱媒体用送風機１１を停止させ、空気の供給を停止する。所定時間経過すると、第１の蓄熱槽２４０から排出される空気の温度が原動機２０において作動気体が自励振動するために必要な最低温度を下回るために、第１の蓄熱槽２４０への空気の供給を停止するためである。次いで、ステップＳ１０で、ユーザは、第１の蓄熱槽２４０から流体配管１２と熱源配管１３を取り外して、順次処理が終了する。
なお、単に所定の時間経過時点で空気の供給を停止するのではなく、次のようにしてもよい。例えば、熱源配管１３に温度計を設置し、この温度計の計測温度が所定の値まで低下した時点で第１の蓄熱槽２４０への空気の供給を停止するようにしてもよい。上記所定の値は、例えば原動機２０において作動気体が自励振動する最低温度値である。
この後、ステップＳ１へ戻り、ユーザは、第１の蓄熱槽２４０を蓄熱する。なお、第１の蓄熱槽２４０を原動機２０への熱源として使用しているとき、第２の蓄熱槽２４１の両側にそれぞれ供給配管３と排気配管４とを接続し、蓄熱処理することができる。これにより、第１の蓄熱槽２４０と第２の蓄熱槽２４１を熱源として順次使用することができる。
熱音響冷却器２００によれば、排気ガスの風量が変動し、あるいは完全にゼロになっても、次のように原動機側高温熱交換器２１への熱源の安定供給が可能となる。即ち、第２熱媒体用送風機１１を介して第１の蓄熱槽２４０又は第２の蓄熱槽２４１での熱交換により加熱された所定量の空気を安定して原動機側高温熱交換器２１に供給することができる。それゆえ、熱音響冷却器２００によれば、熱源として使用されている蓄熱槽に所定以上の熱が保持されている間、高温となった空気の出力の変動が少なく、冷熱出力が安定し、熱音響冷却器２００を安定的に運転できる。
ここで、上記所定以上の熱が保持されている間とは、例えば熱源配管１３に設置された温度計の計測温度が、例えば原動機２０において作動気体が自励振動する最低温度まで低下するまでの間である。
〔実施形態３〕
実施形態３の熱音響冷却器３００は、図４に示すように、さらに、切替機構５０を備えている。なお、図２と対応する部分に同一参照番号を付けて示し、その説明は適宜省略する。
切替機構５０は、複数個の蓄熱槽の間で排気ガスが供給される蓄熱槽と空気が供給される蓄熱槽を切替可能にするものである。切替機構５０の切替方式は、例えば、複数個の蓄熱槽の槽自体を回転させる槽自体回転方式、槽自体は回転しないが回転弁で切り替える回転弁方式又は切替弁で切り替える切替弁方式が挙げられる。切替機構５０の切替タイミングは、例えば、切替後の経過時間により切り替える場合、又は熱媒体の温度計測を行うための温度センサを用いた温度計測値により切り替える場合、さらには常時蓄熱槽の槽自体もしくは回転弁を回転する場合が挙げられる。
切替機構５０により複数個の蓄熱槽を切り替える場合、原動機側高温熱交換器２１の入口側における高温の空気又は熱媒油その他の熱媒体の温度計測値が最も重要である。なぜなら、原動機側高温熱交換器２１の入口側における熱媒体の温度が所定温度より低くなる場合には、原動機側高温熱交換器２１と原動機側低温熱交換器２２の間の温度差が許容値を下回る。このため、蓄熱器２３で生じる音波が少なくなり、蓄冷器３３の所望の冷熱出力が得られないためである。そのため、少なくとも空気が供給される蓄熱槽の出口側の温度を計測することが好ましい。より好ましくは、切替機構５０は、例えば、流体配管１２及び熱源配管１３の各空気の温度、又は流体配管１２及び熱源配管１３の各空気間の温度差により切り替えることが好ましい。
熱音響冷却器３００によれば、切替頻度が多くなっても容易にかつ簡単に切り替えることができる。
〔実施形態４〕
実施形態４の熱音響冷却器は、実施形態３の切替機構の一例として、槽自体回転方式の切替機構４５０を採用したものである。なお、各々の蓄熱槽の内部空間４０ａに蓄熱体４３を備えている点は、上記実施形態１～３と同様である。
切替機構４５０は、図５に示すように、回動部４５２と、駆動部４５５と、チェーン４５３と、制御部６０とを備えている。
回動部４５２は、中空部を有する略円筒形状に形成されており、その外周部にチェーン４５３が回動可能に篏合する構造を有する。また、回動部４５２は、その中空部に複数個の蓄熱槽を収納可能な構造とされている。さらに、回動部４５２の中心には、回動軸としての軸部４５１が設けられており、軸部４５１を中心軸にして回動可能な構造とされている。
駆動部４５５は、スプロケット４５６とモータ４５７とを備えており、チェーン４５３を介して回動部４５２を回動させる動作を行う。スプロケット４５６は、モータ４５７の回転軸に設けられている。
チェーン４５３は、回動部４５２の外周部とスプロケット４５６とに巻回されている。制御部６０によってモータ４５７が回動駆動されることで、スプロケット４５６を介して回動部４５２が回動される。
なお、図５の例では、チェーン４５３が回動部４５２の周囲に篏合するように配置されているが、軸部４５１に篏合するように配置してもよく、さらに、モータ４５７と軸部４５１をチェーン４５３を用いずに直結してもよい。
回動部４５２の中空部に、第１の蓄熱槽４４０と第２の蓄熱槽４４１が設けられており、第１の蓄熱槽４４０及び第２の蓄熱槽４４１と、回動部４５２とは組み合わされて一体的に構成されている。
第１の蓄熱槽４４０は、回動部４５２の中空部の半円柱状に形成されており、この半円の面積に相当する第１の開口部４４４を一方側に有し、他方側に第３の開口部４４６を有する。第１の開口部４４４と第３の開口部４４６の開口面積は、同一である。
より具体的には、第１の蓄熱槽４４０は、図６に示すように、半円柱状の槽壁４４２内に複数の蓄熱体４３が充填されて構成されている。第１の開口部４４４には、蓄熱体４３のハニカム端面である複数の六角孔を有する。なお、蓄熱体４３は、六角孔を有するものに何ら限定されず、例えば、ハニカムの仕切壁で三角孔又は四角孔を有するものであってもよい。また、蓄熱体４３は、ハニカムでなくてもよく、石等の充填物であってもよい。
第２の蓄熱槽４４１は、回動部４５２の中空部の他の半円柱状に形成されており、この他の半円の面積に対応する第２の開口部４４５を有し、他方側に第４の開口部４４７を有する。第２の開口部４４５と第４の開口部４４７の開口面積は、同一である。半円柱状の槽壁内に複数の蓄熱体が設けられている点は、第１の蓄熱槽４４０と同様である。
第１の蓄熱槽４４０及び第２の蓄熱槽４４１は、第１の開口部４４４と第２の開口部４４５の開口面積比が、排気ガスと空気の風量比に基づいて設定されている。
なお、図５及び６の例では、二つの蓄熱槽（４４０、４４１）を組み合わせて１つの円柱状の回動部４５２を構成しているが、何らこれに限定されず、例えば、図７及び図８に示す変形例としてもよい。
変形例の蓄熱槽４４３は、例えばハニカムセラミックのように軸部４５１に対して並行する方向のみに排気ガス及び空気が流れ、軸部４５１に対して垂直である円周方向には排気ガス及び空気が拡散しないような材質または細分化された形状を有する蓄熱体からなる。蓄熱槽４４３には、例えば、図７に示すように、第１の蓄熱槽４４０の両開口部を貫通する貫通孔４４８を複数有し、それぞれの貫通孔４４８どうしを仕切る仕切壁４４９を有する。この場合、図８に示すように、一つの円柱状の蓄熱槽４４３の両端面に、排気ガスの給気用の供給配管３と空気の排気用の熱源配管１３と、排気ガスの排気用の排気配管４と空気の給気用の流体配管１２とを、蓄熱槽４４３のそれぞれの端面に接触するように配置する。蓄熱槽４４３と４つの配管（３，４，１２，１３）との間にはパッキンを有し、蓄熱槽４４３の端面は第４の実施形態の４つの開口部（４４４～４４７）の面積と同程度の面積を有する。
供給配管３及び熱源配管１３と接触する端面においては、供給配管３から、供給配管３の出口に対向する貫通孔４４８に排気ガスが供給される。また、熱源配管１３の入口に対向する貫通孔４４８から、熱源配管１３に空気が排出される。一方、排気配管４及び流体配管１２と接触する端面においては、流体配管１２から、流体配管１２の出口に対向する貫通孔４４８に空気が供給される。また、排気配管４の入口に対向する貫通孔４４８から、排気配管４に排気ガスが排出される。
すなわち、供給配管３の出口及び排気配管４の入口と対向する貫通孔４４８には排気ガスが通過し、流体配管１２の出口及び熱源配管１３の入口と対向する貫通孔４４８には空気が通過する。
変形例の場合、一つの円柱状の蓄熱槽の両端面に、排気ガスの給気用の供給配管３と空気の排気用の熱源配管１３と、排気ガスの排気用の排気配管４と空気の給気用の流体配管１２とを、それぞれ蓄熱槽の端面に接触するように配置する。このように配置することにより、一つの蓄熱槽４４３であっても、内部を流れる空気と排気ガスとが蓄熱体としての貫通孔４４８周囲の仕切壁４４９の間隙を通過して混ざることがないため、二つの蓄熱槽として機能する。
即ち、本実施形態の変形例に係る熱音響冷却器は、蓄熱体は、軸部４５１に対して並行する方向のみに排気ガス及び空気が流れ、軸部４５１に対して垂直である円周方向には排気ガス及び空気が拡散しないような材質または細分化された形状を有する構成とされていてもよい。
また、本実施形態の変形例に係る熱音響冷却器は、この構成に加えて、蓄熱槽は、回動可能な略円筒形状に形成されており、その内部空間に蓄熱体が設けられていてもよい。さらに、回動可能な略円筒形状の蓄熱槽を回動させる回動機構を備えていてもよい。その場合、回動機構は、駆動部４５５と、チェーン４５３を備えていてもよい。この場合、回動可能な略円筒形状の外周部にチェーン４５３が回動可能に篏合する構造とされていてもよい。また、回動機構は、軸部４５１にチェーン４５３が回動可能に篏合する構造とされていてもよい。また、モータ４５７と軸部４５１をチェーン４５３を用いずに直結してもよいし、制御部６０によって蓄熱槽が回動される構成としてもよい。
制御部６０は、例えば、シーケンサ、プログラマブルコントローラ、ＣＰＵ等が挙げられる。制御部６０は、タイマを備えており、例えば、切替後の時間計測が可能である。制御部６０は、モータ４５７を駆動することで、回動部４５２を、所定時間の経過後に半回動させる。即ち、制御部６０は、回動部４５２を半回動させて蓄熱槽の切替えを行い、この切替後に所定時間の経過を待って半回動する動作を繰り返す。この場合の所定時間は、例えば、３０秒から５分間が挙げられる。なお、制御部６０は、回動部４５２を、例えば、図５の構成で蓄熱槽の内部空間に蓄熱体としてのハニカムを充填した場合、および図８の構成の場合には、１ｒｐｍで常時一定方向に回動させてもよい。また、制御部６０は、回動部４５２を、バッチ処理で所定の角度、例えば３０度、４５度、６０度、９０度あるいは１８０度回動させてもよい。
排気ガスは、回動部４５２に対して図５に示す矢印Ｅの向きに流れており、回動部４５２の中空部を通って矢印Ｆの向きに流れてダクト２側へ向かう。他方、空気は、矢印Ｅ及びＦの向きとは逆方向に流れている。即ち、空気は、回動部４５２に対して矢印Ｇの向きに流れ、回動部４５２の中空部を通って矢印Ｈの向きに流れて原動機２０側へ向かう。
次に実施形態４の熱音響冷却器の動作について、図５及び９を参照して詳細に説明する。まず、図５に示すように、第１の開口部４４４に排気ガスが供給され、第１の蓄熱槽４４０の蓄熱体４３に排気ガスの熱が蓄熱されている。他方、第２の蓄熱槽４４１の第４の開口部４４７に所定風量の空気が供給されている。
次いで、制御部６０により回動部４５２が半回動される。半回動されて図９に示す状態のとき、第３の開口部４４６から第１の蓄熱槽４４０に供給された所定風量の空気は、第１の蓄熱槽４４０の蓄熱体４３との熱交換により加熱され、かつ、第１の蓄熱槽４４０の蓄熱体４３は熱を奪われ冷却される。上記加熱された所定風量の空気が、第１の開口部４４４から原動機２０側へ排気される。
一方、第２の蓄熱槽４４１の第２の開口部４４５には排気ガスが供給され、第２の蓄熱槽４４１の蓄熱体４３が再び加熱される。
実施形態４の熱音響冷却器によれば、制御部６０が駆動部４５５を駆動して回動部４５２を回動させることで、複数個の蓄熱槽４４０，４４１を容易かつ簡単に切り替えることができる。また、実施形態４の熱音響冷却器によれば、蓄熱槽４４０，４４１の熱交換により高温となった所定風量の空気を熱源とすることができる。
また、実施形態４の熱音響冷却器によれば、同様にして、高温となった空気を使用して熱媒油その他の液体熱媒を加熱することにより熱源とすることができる。また、熱源又は熱源近傍に温度センサを設け、この温度センサの検出結果に基づき、複数個の蓄熱槽を回動駆動することもできる。
さらに、実施形態４の熱音響冷却器によれば、排気ガスと空気との風量比から各々の蓄熱槽４４０，４４１の開口部の面積比を適切な値とすることができる。この面積比を適切な値とすることにより排気ガスから最大限熱を回収して原動機の熱源として使用することができるようになる。したがって、実施形態４の熱音響冷却器によれば、開口部の面積比に応じた安定出力を得ることができる。
実施形態４の変形例の熱音響冷却器によれば、貫通孔４４８の周囲の仕切壁４４９が熱を貯め、複数の貫通孔４４８があたかも１個の蓄熱槽のようになる。また、仕切壁４４９があるため、排気ガスと空気が互いに混ざらない。排気ガスと空気は、貫通孔４４８の中を通過し、熱交換が行われる。
〔実施形態５〕
実施形態５の熱音響冷却器５００は、実施形態３の切替機構の一例として、切替弁方式の切替機構５５０を採用したものである。熱音響冷却器５００は、図１０に示すように、気柱管１０と、原動機２０と、負荷３０と、第１の蓄熱槽５４０と、第２の蓄熱槽５４１と、切替機構５５０と、制御部５６０と、複数の温度センサ７１～７４を備えている。なお、図１～４と対応する部分に同一参照番号を付けて示し、その説明は適宜省略する。
第１の蓄熱槽５４０及び第２の蓄熱槽５４１は、実施形態２の第１の蓄熱槽２４０及び第２の蓄熱槽２４１と対応するものであるが、各配管との接続構成が異なる。
実施形態５の供給配管３は、第１供給配管３ａと、第２供給配管３ｂとに分岐され、第１供給配管３ａは、第１の蓄熱槽５４０の一方側５４４に接続されて、第２供給配管３ｂは、第２の蓄熱槽５４１の一方側５４６に接続されている。
実施形態５の排気配管４は、第１の蓄熱槽５４０の他方側５４５に接続されている第１排気配管４ａと、第２の蓄熱槽５４１の他方側５４７に接続されている第２排気配管４ｂとが合流してなる。
実施形態５の流体配管１２は、第１流体配管１２ａと、第２流体配管１２ｂとに分岐され、第１流体配管１２ａは、第１の蓄熱槽５４０の他方側５４５に接続されて、第２流体配管１２ｂは、第２の蓄熱槽５４１の他方側５４７に接続されている。
実施形態５の熱源配管１３は、第１の蓄熱槽５４０の一方側５４４に接続されている第１熱源配管１３ａと、第２の蓄熱槽５４１の一方側５４６に接続されている第２熱源配管１３ｂとが合流してなる。
切替機構５５０は、複数の切替弁で構成されている。切替弁は、例えば、ポペット式またはバタフライ式の切替ダンパである。第１の切替弁５５１は、第１熱源配管１３ａに設けられており、第２の切替弁５５２は、第１流体配管１２ａに設けられている。第３の切替弁５５３は、第１供給配管３ａに設けられており、第４の切替弁５５４は、第１排気配管４ａに設けられている。第５の切替弁５５５は、第２熱源配管１３ｂに設けられており、第６の切替弁５５６は、第２流体配管１２ｂに設けられている。第７の切替弁５５７は、第２供給配管３ｂに設けられており、第８の切替弁５５８は、第２排気配管４ｂに設けられている。
そして、複数の切替弁は、供給配管３及び排気配管４を複数個の蓄熱槽のうちのいずれに接続するか、及び、流体配管１２及び熱源配管１３を複数個の蓄熱槽のうちのいずれに接続するか、を切替える。
制御部５６０は、複数の切替弁を開閉制御するものであり、例えば、シーケンサ、温調系ＳＷ、プログラマブルコントローラ、ＭＰＵ等が挙げられる。制御部５６０は、タイマを備えており、例えば、切替後の時間計測が可能である。また、制御部５６０には、温度センサ７１～７４の計測データが入力されおり、排気ガス及び空気の温度の計測が可能である。
また、制御部５６０は、複数の切替弁を開閉制御することにより、複数個の蓄熱槽の間で、供給配管３及び排気配管４が接続される第１の蓄熱槽５４０と流体配管１２及び熱源配管１３が接続される第２の蓄熱槽５４１とを切替える。
温度センサ７１は、ダクト２または供給配管３に設けられており、温度センサ７２は、排気配管４に設けられているので、蓄熱槽に供給され、その後蓄熱槽より排出される排気ガスの温度を計測することができる。
温度センサ７３は、流体配管１２に設けられており、温度センサ７４は、熱源配管１３に設けられているので、蓄熱槽に供給され、その後蓄熱槽より排出されて原動機２０に供給される空気の温度を計測することができる。
熱音響冷却器５００では、制御部５６０による切替動作が、次のように行われる。制御部５６０は、まず、第１の切替弁５５１及び第２の切替弁５５２を開くと共に、第３の切替弁５５３及び第４の切替弁５５４を閉じ、同時に、第５の切替弁５５５及び第６の切替弁５５６を閉じると共に、第７の切替弁５５７及び第８の切替弁５５８を開く。
その結果、第２熱媒体である空気は、第１の蓄熱槽５４０の他方側５４５に供給され、第１の蓄熱槽５４０の内部に充填された蓄熱体４３と熱交換して加熱されたのち、第１の蓄熱槽５４０の一方側５４４より排出される。
一方、第１熱媒体である排気ガスは、第２の蓄熱槽５４１の一方側５４６に供給され、第２の蓄熱槽５４１の内部に充填された蓄熱体４３と熱交換して蓄熱体４３を加熱したのち、第２の蓄熱槽５４１の他方側５４７より排出される。
制御部５６０は、この切替後、所定時間経過後に、複数個の蓄熱槽５４０，５４１の間で排気ガスが供給される第２の蓄熱槽５４１と空気が供給される第１の蓄熱槽５４０とを切り替える制御を行う。所定時間とは、前回の切り替え後に複数の温度センサ７１～７４を介して計測している排気ガスと空気の温度の入口側と出口側の温度及び温度差が再び所定の温度に到達するまでの時間である。所定時間経過後に、上記とは逆に、第１の切替弁５５１と第２の切替弁５５２と第７の切替弁５５７と第８の切替弁５５８を閉じると共に、第３の切替弁５５３と第４の切替弁５５４と第５の切替弁５５５と第６の切替弁５５６を開く。
その結果、第１の蓄熱槽５４０には排気ガスが供給されるので、切替操作前に空気と熱交換したことにより熱を奪われ冷えた蓄熱体と排気ガスとが熱交換し、蓄熱体は加熱される。同時に第２の蓄熱槽５４１には空気が供給されるので、切替操作前に排気ガスと熱交換したことにより加熱された蓄熱体と空気とが熱交換し、空気が加熱される。
以降、所定時間の経過に伴い上記の切替制御を繰り返して行う。
なお、単に熱源配管１３に設けられた温度センサ７４を介して計測された空気の温度が、所定の温度まで低下したときに切替制御を行ってもよい。所定の温度とは、具体的には原動機２０において作動流体が自励振動するために必要な最低温度、例えば１００℃である。さらには、単にタイマからの入力値に基づき前回の切り替え後の経過時間が所定の時間、例えば１分に達したときに、切替制御を行ってもよい。
熱音響冷却器５００によれば、制御部５６０が複数の切替弁を制御し、第１の蓄熱槽５４０と第２の蓄熱槽５４１を移動させることなく固定したままで切り替えることができる。また、熱音響冷却器５００によれば、複数個の蓄熱槽の切替を容易に切り替えることができる。なお、本実施形態では２個の蓄熱槽の例を説明したが、蓄熱槽が３個以上となる場合であっても、その切替は蓄熱槽の数により調整しやすい。
また、熱音響冷却器５００によれば、例えば、１分間毎という短時間での切替ができる。この場合には、短時間の切替のため、１回あたりに熱交換される総熱量が相対的に少なくなるので、蓄熱槽に充填する蓄熱体の量を削減することができ、結果として蓄熱槽を小型化することができる。他方、熱音響冷却器５００によれば、例えば、約１時間から２時間といった長時間での切替ができる。このように、短時間でも長時間でも、いずれの切替も可能である。さらに、熱音響冷却器５００によれば、制御部５６０により送風機の運転周波数を可変させることにより蓄熱槽を流れる排気ガスおよび空気の風量の調節が可能である。
さらに、熱音響冷却器５００によれば、負荷３０の冷熱出力が不要な場合、４つの切替弁（５５１，５５２，５５５，５５６）を閉じ、１個または２個の蓄熱槽に排気ガスを供給して蓄熱体を加熱することもできる。また、排気ガスの供給が停止した場合、次のように加熱された空気を原動機２０に供給することができる。例えば、４つの切替弁（５５３，５５４，５５７，５５８）を閉じ、２個の切替弁、第１の切替弁５５１と第２の切替弁５５２、または第５の切替弁５５５と第６の切替弁５５６、を開く。
〔実施形態６〕
実施形態６の熱音響冷却器６００は、複数個の蓄熱槽として３個の蓄熱槽を用いる場合である。熱音響冷却器６００は、図１１に示すように、気柱管１０と、原動機２０と、負荷３０と、第１の蓄熱槽５４０と、第２の蓄熱槽５４１と、第３の蓄熱槽６４２と、切替機構６５０と、制御部５６０と、複数の温度センサ７１～７４を備えている。なお、図１～５と対応する部分に同一参照番号を付けて示し、その説明は適宜省略する。
第３の蓄熱槽６４２は、実施形態５の第１の蓄熱槽５４０及び第２の蓄熱槽５４１と対応するものであるが、各配管との接続構成が異なる。
即ち、実施形態６の供給配管３は、さらに第３供給配管３ｃにも分岐しており、第３供給配管３ｃは、第３の蓄熱槽６４２の一方側６４４に接続されている。
また、実施形態６の排気配管４には、さらに第３排気配管４ｃも合流しており、第３排気配管４ｃは、第３の蓄熱槽６４２の他方側６４５に接続されている。
さらに、実施形態６の流体配管１２は、さらに第３流体配管１２ｃにも分岐しており、第３流体配管１２ｃは、第３の蓄熱槽６４２の他方側６４５に接続されている。
さらにまた、実施形態６の熱源配管１３には、第３熱源配管１３ｃも合流しており、第３熱源配管１３ｃは、第３の蓄熱槽６４２の一方側６４４に接続されている。
切替機構６５０は、さらに第９の切替弁６５１、第１０の切替弁６５２、第１１の切替弁６５３、及び第１２の切替弁６５４を備えている。これらの切替弁は、実施形態５の複数の切換え弁と同様の構成であり、例えば、ポペット式またはバタフライ式の切替ダンパである。第９の切替弁６５１は、第３熱源配管１３ｃに設けられており、第１０の切替弁６５２は、第３流体配管１２ｃに設けられている。第１１の切替弁６５３は、第３供給配管３ｃに設けられており、第１２の切替弁６５４は、第３排気配管４ｃに設けられている。
熱音響冷却器６００は、実施形態５の温度センサ７１～７４と同じ位置、すなわち、温度センサ７１はダクト２または供給配管３に、温度センサ７２は排気配管４に、温度センサ７３は流体配管１２に、温度センサ７４は熱源配管１３に、それぞれ設けられている。
制御部５６０は、複数の温度センサ７１～７４を介して排気ガスおよび空気の温度及び両側の温度差を計測している。制御部５６０は、その入口側と出口側の温度及び温度差に基づいて複数の切替弁を制御する。
熱音響冷却器６００によれば、蓄熱槽が３個あるから、蓄熱槽が２個の場合と比較して、蓄熱槽における排気ガスまたは空気の通過抵抗小さくすることができる。また、複数の蓄熱槽の切替を、同時に切り替えることなく、異時に切り替えることができる。このため、切換弁の開閉動作による圧力変動を少なくすることができる。例えば、制御部５６０及び切替機構６５０により、次のように制御することができる。
第１の状態として図１１に示すように、６個の切替弁（５５１，５５２，５５７，５５８，６５３，６５４）が開いており、他の６個の切替弁（５５３，５５４，５５５，５５６，６５１，６５２）が閉じている。このため、空気は第１の蓄熱槽５４０に供給され、排気ガスは第２の蓄熱槽５４１と第３の蓄熱槽６４２とに供給されている。
上記第１の状態で、温度センサ７４を介して計測している空気の温度が所定の温度まで低下したとき、まず２個の切替弁（５５５，５５６）を開き、かつ２個の切替弁（５５７，５５８）を閉じる。このことで、第２の蓄熱槽５４１には排気ガスに代わって空気が供給されるようになる。
引き続いて２個の切替弁（５５３，５５４）を開き、かつ２個の切替弁（５５１，５５２）を閉じることで、第１の蓄熱槽５４０には空気に代わって排気ガスが供給されるようになり、第２の状態となる。この時、第３の蓄熱槽６４２は、排気ガスが供給された状態を保持している。
さらに、上記第２の状態で、温度センサ７４を介して計測している空気の温度が再び所定の温度まで低下したとき、まず２個の切替弁（６５１，６５２）を開き、かつ２個の切替弁（６５３，６５４）を閉じる。このことで、第３の蓄熱槽６４２には排気ガスに代わって空気が供給されるようになる。
引き続いて２個の切替弁（５５７，５５８）を開き、かつ２個の切替弁（５５５，５５６）を閉じることで、第２の蓄熱槽５４１に空気に代わって再び排気ガスが供給されるようになり、第３の状態となる。この時、第１の蓄熱槽５４０は、排気ガスが供給された状態を保持している。
さらに、上記第３の状態で、温度センサ７４を介して計測している空気の温度が再び所定の温度まで低下したとき、まず２個の切替弁（５５１，５５２）を開き、かつ２個の切替弁（５５３，５５４）を閉じる。このことで、第１の蓄熱槽５４０には排気ガスに代わって再び空気が供給されるようになる。
引き続いて２個の切替弁（６５３，６５４）を開き、かつ２個の切替弁（６５１，６５２）を閉じることで、第３の蓄熱槽６４２に空気に代わって再び排気ガスが供給されるようになり、第１の状態に戻る。この時、第２の蓄熱槽５４１は、排気ガスが供給された状態を保持している。
以降、順次上記の制御を繰り返すことで継続的かつ安定的に原動機２０に加熱された高温の空気を供給することができる。
上記構成および制御の結果、蓄熱槽が２個の場合と比較して、排気ガスが流れる蓄熱槽の数が２倍に増加したため、蓄熱槽における排気ガスの通過抵抗は概ね半減するので、排気用送風機５の消費電力を削減することができる。
さらに、排気ガスおよび空気の流れを完全に遮断することなく、少なくとも１個分の蓄熱槽の流路を確保したまま空気と排気ガスの流れ方向を切り替えることが可能となるので、切替弁の切替操作に伴う圧力変動を緩和することができる。
〔変形例〕
なお、上記実施形態は、冷房及び冷凍施設の冷却器として用いられる場合を挙げたが、何らこれに限定されるものではなく、例えば、車両、船舶又は潜水艇に設けることができる。また、上記実施形態では、ダクト２から排出される排気ガスを利用しているが、何らこれに限定されるものではない。例えば、他の例として、太陽光を利用してもよいし、自動車等の排気ガスを利用してもよい。これらの変形例のいずれの場合も、負荷の冷熱出力を安定させることができ、熱音響冷却器を安定的に運転できる。
また、上記実施形態では、気柱管として、非円形状単ループ管の例を挙げたが、何らこれに限定されるものではない。例えば、気柱管は、直線管部からなる直管タイプであってもよいし、円形状単ループ管、一対の直線管部を備える単ループ管であってもよい。又は原動機と負荷とがそれぞれ異なるループ管の内部に配置されており、２つのループ管が配管により連結された所謂ダブルループ管タイプであってもよい。
さらに、気柱管がループ管の場合、一対の直線管部の夫々に、原動機と負荷を非対称に配置してもよいし、線対称もしくは中心点対称（１８０°相当）に配置してもよい。
さらに、上記実施形態では、気柱管の内部に原動機と負荷とをそれぞれ１個配置した例を挙げたが、複数個の原動機と負荷とを配置してもよい。なお、原動機と負荷の個数は、必ずしも同一である必要はなく、例えば３個の原動機と１個の負荷の構成でも構わない。
さらにまた、上記実施形態では、蓄熱槽から排出される排気ガス又は空気を原動機に直接供給する場合を挙げたが、何らこれに限定されるものではない。例えば、蓄熱槽と原動機の間に熱媒用熱交換器を設け、この熱媒用熱交換器で排気ガス又は空気の熱を受け取り、加熱された熱媒油その他の液体熱媒を原動機に供給するようにしてもよい。熱媒油その他の液体熱媒による熱源の場合は、気体よりも液体のほうが小さい量でより熱をより安定して送ることができるので、原動機側高温熱交換器を小さくできるとともに、より安定して出力できる。
また、上記実施形態では、第１熱媒体として排気ガスを挙げ、第２熱媒体として空気を挙げたが、何らこれに限定されるものではない。また、第２熱媒体用送風機１１は、所定風量の出力が得られるものであればよい。
切替機構によって切り替え可能とされる複数個の蓄熱槽の数は、好ましくは、２個又は３個である。なお、図３～６、９，１０では、２個の場合を例示したが、何らこれに限定されるものではなく、３個であってもよい。また、実施形態２における複数個の蓄熱槽は、その数に特に限定はなく、使用できる。
温度センサは、蓄熱槽の入口側と出口側に設けられているものであればよく、上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、温度センサは、各蓄熱槽の両端部に設けられていてもよい。
また、制御部６０，５６０は、複数の切替弁を開閉制御することにより、複数個の蓄熱槽の間で、供給配管及び排気配管が接続される第１の蓄熱槽と流体配管及び熱源配管が接続される第２の蓄熱槽とを切替えるものであればよく、上記実施形態で挙げた構成に何ら限定されるものではない。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る熱音響冷却器は、作動気体が封入された気柱管と、該気柱管の内部に配置され音波を発生する原動機と、前記気柱管の内部に配置され冷熱出力する負荷と、内部空間に蓄熱体が設けられ、前記原動機と接続される蓄熱槽と、を備え、前記蓄熱槽に前記原動機を接続し、前記蓄熱槽に第１熱媒体が供給され、熱交換により前記蓄熱槽から排出された前記第１熱媒体を前記原動機に供給することにより前記作動気体を自励発振させて音波を発生させ、該音波の波動によって前記負荷を作動させる構成である。
ここで、蓄熱槽は、内部空間に蓄熱体が設けられ、前記原動機と接続される構成とされている。この場合、例えば、蓄熱槽に原動機を接続し、蓄熱槽に熱媒体が供給され、熱交換により蓄熱槽から排出された熱媒体を原動機に直接供給する場合と、蓄熱槽から排出された熱媒体の熱を別の熱交換器が受け取り、別の熱交換器により加熱された熱媒油その他の液体を原動機に供給する場合を含む。
態様１の熱音響冷却器によれば、蓄熱槽に第１熱媒体が供給され、蓄熱体に蓄熱された熱により蓄熱体を通過する第１熱媒体の温度を安定化させることができる。それゆえ、蓄熱槽から原動機側へ排出される熱源の出力の変動が少なく、冷熱出力が安定し、熱音響冷却器を安定的に運転できる。また、熱媒体の温度の変動に対応可能である。
本発明の態様２に係る熱音響冷却器は、作動気体が封入された気柱管と、該気柱管の内部に配置され音波を発生する原動機と、前記気柱管の内部に配置され冷熱出力する負荷と、内部空間に蓄熱体が設けられ、前記原動機と接続される蓄熱槽と、を備え、第１熱媒体が供給されて蓄熱された蓄熱槽に前記原動機を接続し、前記蓄熱された蓄熱槽に所定風量の第２熱媒体が供給され、熱交換により加熱された第２熱媒体を前記原動機に供給することにより前記作動気体を自励発振させて音波を発生させ、該音波の波動によって前記負荷を作動させる構成である。
ここで、第２熱媒体は、第１媒体のように必ずしも予め熱を伴わないものであってもよい。また、熱源は、蓄熱槽での熱交換により高温となった第２熱媒体を原動機に直接供給する場合と、蓄熱槽での熱交換により高温となった第２熱媒体の熱を別の熱交換器が受け取り、別の熱交換器により加熱された熱媒油その他の液体を原動機に供給する場合を含む。
態様２の熱音響冷却器によれば、第１熱媒体の風量（質量流量）が変動しても、蓄熱槽から排出される高温の第２熱媒体の風量を安定化させることができる。それゆえ、蓄熱槽から原動機側へ排出される熱源の出力の変動が少なく、冷熱出力が安定し、熱音響冷却器を安定的に運転できる。また、第１熱媒体の完全停止にも対応可能である。
本発明の態様３に係る熱音響冷却器は、上記の態様２において、熱源として順次使用される、複数個の前記蓄熱槽を備え、前記複数個の蓄熱槽の間で、前記第１熱媒体が供給される蓄熱槽である第１の蓄熱槽と前記第２熱媒体が供給される蓄熱槽である第２の蓄熱槽とを切替可能にする切替機構を備えている構成としてもよい。
この場合には、切替頻度が多くなっても容易にかつ簡単に切り替えることができる。
本発明の態様４に係る熱音響冷却器は、態様３において、前記切替機構は、軸部を中心にして回動可能な構造の回動部と、該回動部を回動させる動作を行う駆動部とを備え、前記複数個の蓄熱槽と前記回動部とは、組み合わされて一体的に構成されている構成としてもよい。
この場合には、駆動部により回動部を回動させることで、容易かつ簡単に切り替えできる。また、蓄熱槽で、熱交換された第２熱媒体により又は熱交換された第２熱媒体を使用して熱媒油その他の液体熱媒を加熱することにより、蓄熱槽の出力を熱源とするとともに、熱源又は熱源近傍に温度センサを設け、温度センサの検出結果に基づき回動駆動することができる。熱媒油その他の液体熱媒による熱源の場合は、気体よりも液体のほうが小さい量でより熱をより安定して送ることができるので、より安定して出力できる。
本発明の態様５に係る熱音響冷却器は、態様４において、各々の前記蓄熱槽の開口部における開口面積比は、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との風量比に基づいて設定されている構成としてもよい。
この場合には、例えば、５０ｍ３／分～１，０００ｍ３／分の第１熱媒体と、５ｍ３／分～１００ｍ３／分の第２熱媒体との風量比から各々の蓄熱槽の開口部の面積比を適切な値とすることができ、この面積比に応じた安定出力を得ることができる。
本発明の態様６に係る熱音響冷却器は、上記の態様３において、前記第１の蓄熱槽に前記第１熱媒体を通すための供給配管及び排気配管と、前記第２の蓄熱槽に前記第２熱媒体を通すための流体配管及び熱源配管とを備えており、前記切替機構は、前記供給配管及び前記排気配管を前記複数個の蓄熱槽のうちのいずれに接続するか、及び、前記流体配管及び前記熱源配管を前記複数個の蓄熱槽のうちのいずれに接続するか、を切替える複数の切替弁と、前記複数の切替弁を開閉制御することにより、前記複数個の蓄熱槽の間で、前記供給配管及び前記排気配管が接続される前記第１の蓄熱槽と前記流体配管及び前記熱源配管が接続される前記第２の蓄熱槽とを切替える制御部とを有する構成としてもよい。
態様６の熱音響冷却器によれば、短時間の切替えと、長時間の切替のいずれの切替えも可能である。短時間の切替えの場合は、蓄熱槽を小型化することができる。
本発明の態様７に係る熱音響冷却器は、上記の態様６において、前記蓄熱槽の入口側と出口側に温度センサが設けられており、前記制御部は、切替後の時間と前記温度センサによる前記入口側と出口側の温度及び温度差に基づいて前記複数の切替弁を制御する構成としてもよい。
この場合には、蓄熱の程度や排出された第２熱媒体の温度管理が容易にできる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
例えば、気柱管に封入されている作動気体は、上記実施形態のヘリウムに限定されるものではなく、窒素、アルゴン、あるいはヘリウムとアルゴンなど複数のガスの混合気体、さらには空気であってもよい。
また、蓄熱槽の槽数は単数でも複数でもよい。蓄熱槽の形状は立方体、直方体、円柱状いずれの形状であってもよい。蓄熱槽は、例えば、２０フィートのコンテナであってもよいし、１ｍ３のダクトであってもよい。また、蓄熱槽の構造は、実施形態４のように構成した円柱状のものであってもよい。
さらに、蓄熱体の形状、材質、構造は、上記実施形態に何ら限定されず、所定の耐熱温度を有するもの、即ち、設定温度で形状を保てるものであれば、形状、材質、構造は何であってもよい。
２ ダクト
３ 供給配管
３ａ 第１供給配管
３ｂ 第２供給配管
３ｃ 第３供給配管
４ 排気配管
４ａ 第１排気配管
４ｂ 第２排気配管
４ｃ 第３排気配管
１２ 流体配管
１２ａ 第１流体配管
１２ｂ 第２流体配管
１２ｃ 第３流体配管
１３ 熱源配管
１３ａ 第１熱源配管
１３ｂ 第２熱源配管
１３ｃ 第３熱源配管
１０ 気柱管
２０ 原動機
３０ 負荷
４０，２４０，２４１，４４０，４４１，４４３，５４０，５４１，６４２ 蓄熱槽
２４０、４４０、５４０ 第１の蓄熱槽
２４１、４４１、５４１ 第２の蓄熱槽
４０ａ 内部空間
４３ 蓄熱体
５０，４５０，５５０，６５０ 切替機構
６０，５６０ 制御部
７１，７２，７３，７４ 温度センサ
１００，２００，３００，５００，６００ 熱音響冷却器
５５１ 第１の切替弁
５５２ 第２の切替弁
５５３ 第３の切替弁
５５４ 第４の切替弁
５５５ 第５の切替弁
５５６ 第６の切替弁
５５７ 第７の切替弁
５５８ 第８の切替弁
６５１ 第９の切替弁
６５２ 第１０の切替弁
６５３ 第１１の切替弁
６５４ 第１２の切替弁

Claims (7)

  1. 作動気体が封入された気柱管と、
    該気柱管の内部に配置され音波を発生する原動機と、
    前記気柱管の内部に配置され冷熱出力する負荷と、
    内部空間に蓄熱体が設けられ、前記原動機と接続される蓄熱槽と、を備え、
    前記蓄熱槽に前記原動機を接続し、前記蓄熱槽に第１熱媒体が供給され、熱交換により前記蓄熱槽から排出された前記第１熱媒体を前記原動機に供給することにより前記作動気体を自励発振させて音波を発生させ、該音波の波動によって前記負荷を作動させることを特徴とする熱音響冷却器。
  2. 作動気体が封入された気柱管と、
    該気柱管の内部に配置され音波を発生する原動機と、
    前記気柱管の内部に配置され冷熱出力する負荷と、
    内部空間に蓄熱体が設けられ、前記原動機と接続される蓄熱槽と、を備え、
    第１熱媒体が供給されて蓄熱された蓄熱槽に前記原動機を接続し、前記蓄熱された蓄熱槽に所定風量の第２熱媒体が供給され、熱交換により加熱された第２熱媒体を前記原動機に供給することにより前記作動気体を自励発振させて音波を発生させ、該音波の波動によって前記負荷を作動させることを特徴とする熱音響冷却器。
  3. 熱源として順次使用される、複数個の前記蓄熱槽を備え、
    前記複数個の蓄熱槽の間で、前記第１熱媒体が供給される蓄熱槽である第１の蓄熱槽と前記第２熱媒体が供給される蓄熱槽である第２の蓄熱槽とを切替可能にする切替機構を備えていることを特徴とする請求項２に記載の熱音響冷却器。
  4. 前記切替機構は、軸部を中心にして回動可能な構造の回動部と、
    該回動部を回動させる動作を行う駆動部とを備え、
    前記複数個の蓄熱槽と前記回動部とは、組み合わされて一体的に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱音響冷却器。
  5. 各々の前記蓄熱槽の開口部における開口面積比は、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との風量比に基づいて設定されていることを特徴とする請求項４に記載の熱音響冷却器。
  6. 前記第１の蓄熱槽に前記第１熱媒体を通すための供給配管及び排気配管と、
    前記第２の蓄熱槽に前記第２熱媒体を通すための流体配管及び熱源配管とを備えており、
    前記切替機構は、
    前記供給配管及び前記排気配管を前記複数個の蓄熱槽のうちのいずれに接続するか、及び、前記流体配管及び前記熱源配管を前記複数個の蓄熱槽のうちのいずれに接続するか、を切替える複数の切替弁と、
    前記複数の切替弁を開閉制御することにより、前記複数個の蓄熱槽の間で、前記供給配管及び前記排気配管が接続される前記第１の蓄熱槽と前記流体配管及び前記熱源配管が接続される前記第２の蓄熱槽とを切替える制御部とを有することを特徴とする請求項３に記載の熱音響冷却器。
  7. 前記蓄熱槽の入口側と出口側に温度センサが設けられており、
    前記制御部は、切替後の時間と前記温度センサによる前記入口側と出口側の温度及び温度差に基づいて前記複数の切替弁を制御することを特徴とする請求項６に記載の熱音響冷却器。
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