JP4035069B2

JP4035069B2 - 熱音響効果を利用した音波増幅・減衰器を備えた配管装置

Info

Publication number: JP4035069B2
Application number: JP2003051756A
Authority: JP
Inventors: 哲志琵琶; 太一矢崎; 雄亮田代; 祐樹上田; 宇一郎水谷; 基樹小塚; 高雄鷲見; 克芳熊澤; 一志立花
Original assignee: Denso Corp; Nagoya Industrial Science Research Institute
Current assignee: Denso Corp; Nagoya Industrial Science Research Institute
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP2004258543A; US20040170287A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，外部音源（スピーカ，ピストン，熱音響自励振動など）から供給される音波を熱音響効果を通じて音響強度を増幅，または減衰するための音波増幅・減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
外部からの熱源を使って温度勾配を軸方向に付けたスタックを使って音波の音響強度を増幅する方法をCeperleyは非特許文献１の中で提案している。
彼は長い配管の一端に取り付けたスピーカから供給される進行波音波が温度勾配のあるスタックを通過するとき、スターリングサイクルを通じて音波と熱エネルギーの間でエネルギー変換がおこり、その結果、スタックの温度勾配の符号によってそれぞれ音波の音響強度の増幅および減衰が起こると予期した。進行波音波では圧力と流速が同位相であり、スターリングエンジン内のスタックの振動流体と同様だからである。彼は音波が低温側から高温側へスタックを通過する場合には、従来型のスターリングエンジンと同様に理想的には最高で温度比に達する音響強度の増幅率が得られると述べている。しかしながら彼はこの実験に失敗しており、熱による増幅作用は実証されなかった。スターリングサイクルを実行するためにはスタック内での等温的熱交換が必須であるが、このためにスタック内の流路を狭くすると、粘性によるロスもまた増大するからである。
【０００３】
Petculescuらは非特許文献の中で、配管内の定在波の流速の節の部分に上記のスタックを設置することを提案している。
その他、本発明に関連する技術として、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４を参照されたい。
【０００４】
特許文献１特許３０１５７８６号公報
特許文献２特表２００１−５２１１２５号公報
特許文献３特開２００２−３１４２３号公報
特許文献４特表２００２−５３５５９７号公報
非特許文献１ "Gain and efficiency of a short traveling-wave heat engine," 77 J.Acoust.Soc.Am., pp.1239-1294 (1985)
非特許文献２ ”Traveling -wave amplification in a variable standing wave ratio device”, Acoustics Research Letters on Line, vol.3, pp71-76 (2002)
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Petculescuらは、Ceperleyと同様に進行波のみに由来するエネルギー変換を利用し、定在波によるエネルギー変換を利用していない。進行波によるエネルギー変換を実行するためには、スタック内での等温的熱交換が必要不可欠であるが、このために、スタックでの粘性によるロスが無視できず、スタックの位置が流速の節の位置からずれるとたちまちに増幅率が低下するという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、次の構成を有する。即ち、
配管に音を導入する音源装置と、
前記配管内の音波を他のエネルギーに変換する変換装置と、
前記配管において前記音源と前記変換装置との間に設けられ、高温側熱源、低温側熱源及びこれらに挟まれたスタックを備えてなる熱音響効果を利用した音波増幅・減衰器と
を備えてなる配管装置。
【０００７】
上記において、配管は音波の媒体（空気等の気体）を囲み込むことができるものであれば、その材質、断面形状、内径、形状、分枝の有無は特に限定されない。
音源装置としては、熱音響自励振動，スピーカ，ピストンなど、他のエネルギーを音波のエネルギーに変換できるものであればよい。また、音波自体を配管内に導入する場合も音源装置に含まれる。
音源装置から配管内に導入された音波は、配管内において定在波及び進行波を構成する。
【０００８】
音波を他のエネルギーに変換する変換装置にはヒートポンプとして蓄熱器（音波を熱エネルギーに変換するもの）のほか、マイクロフォン（音波を電気エネルギーに変換するもの）やピストン（音波を機械的エネルギーに変換するもの）を用いることができる。
【０００９】
音波増幅・減衰器は高温側熱源、低温側熱源及びこれらに挟まれたスタックを備えてなる。高温側熱源として例えば多数の薄肉金属板を微小間隔に配置してスタックの上流もしくは下流側に配置し、これら金属板を直接的に又は間接的に高熱源に連結し、薄肉金属板が高温になるようにする。同様に低温側熱源として多数の薄肉金属板を微小間隔に配置してスタックの上流もしくは下流側に配置し、これら金属板を直接的に又は間接的に低熱源に連結し、薄肉金属板が低温になるようにする。
スタックは配管の軸と平行で配管の内径より狭い径の複数の平行流路を有する。かかるスタックとしてハニカム構造やメッシュ薄板の積層体等を用いることができ、その材質は使用環境に応じて任意に選択することができる。高温側熱源と低温側熱源とに挟まれることによりこの狭い平行流路内で空気等の音波媒体が振動し、配管内の音波を増幅もしくは減衰させる。この発明は、当該音波増幅・減衰器を配管内に設けることにより、配管内の音波を任意に増幅もしくは減衰し、そのように制御された音波を蓄熱器等の変換装置で有効利用しようとするものである。
【００１０】
本発明者らの検討によれば、この発明の音波増幅器によれば、その高温側熱源と低温側熱源の温度比（Ｔ_Ｈ／Ｔ_Ｃ）を超えて配管内の音波を増幅することができた（図１参照）。これは、配管内の進行波と定在波を共に利用したためと考えられる。進行波と定在波をともに利用するためには、スタックのωτを１〜２０とすることが好ましい。更に好ましくは、２〜１０、更に更に好ましくは３〜７である。ここにωは音波の角振動数であり、τ＝ｒ^２／２α（ここに、ｒはスタック内の流路の半径、αは音波媒体の熱拡散係数である）である。ωτが１未満のときは、図２に示すように温度比（Ｔ_Ｈ／Ｔ_Ｃ）を超えて配管内の音波を増幅することができない。
【００１１】
さらに進行波と定在波をともに利用するには、スタックの中心が定在波の節の部分（圧力と流速の間の位相差Φｍがゼロの部分）を外すようにすることが好ましい。当該節の部分では進行波の利用が最大化するものの定在波を利用することができないからである。
勿論、位相差Φｍがゼロの位置にスタックの中心をおいても、進行波のみによる音波の増幅が可能なことはいうまでもない。
増幅する場合、位相差Φが正でかつ音波がスタックを低温部から高温部へ通過する向きに温度勾配を与えることが好ましい。進行波、定在波がともに増幅に寄与するからである。また減衰する場合は、位相差Φが負でかつ音波が高音部から低温部へ通過する向きに温度勾配を与えることが好ましい。進行波、定在波がともに減衰に寄与するからである。
【００１２】
以下、位相差Φと温度勾配との関係表１に示す。
【表１】

【００１３】
定在波の波長（λ）からながめると、スタック中心の位置は節より±０．２λの範囲内においてかつ節から外れていることが好ましい。スタックでの粘性のロスが大きくなるのを避けるためである。更に好ましくは、±０．１２５λの範囲内とする。
【００１４】
配管内の音波の進行方向において、低温側熱源が上流側（高温側熱源が下流側）にあると、スタック内において音波を増幅するように圧力振動が形成される。かかる音波増幅器を多段に用いることにより、音源のパワーが小さくても変換装置から充分に大きな出力を得られることができる。
他方、低温側熱源が下流側（高温側熱源が上流側）にあると、スタック内において音波を減衰するように圧力振動が形成される。かかる音波減衰装置を多段に用いることにより、不必要に大きなエネルギーの音波を変換装置の容量に適合させることができる。
一つの配管において音波増幅器と音波減衰器とを併用することもできる。
音波増幅・減衰器を多段に用いることは、高温側熱源及び／又は低温側熱源に供給できる熱の温度に制限がある場合に有効である。特に、高温側熱源の温度が低い場合、音波増幅・減衰器を多段に用いることで大きな出力を達成できる。
【００１５】
このように構成された本発明の配管装置によれば、可動部が存在しないで製造コスト及び消費エネルギーを可及的に小さくすることができ、また長寿命化も達成できる。また本発明により、大出力音波を単に吸音材、干渉効果だけにたよらず熱によってより積極的に減衰することが出来る。
【００１６】
図３は本発明に係る配管装置１の概略構成図を示す。配管内３には、作業用ガスが０.1〜３ＭPa程度の圧力で充填してある。この充填する作業用ガスとしては、ヘリウム，窒素，空気，水素，その他の混合ガスを使用することができる。配管３の一端には音源２であるスピーカ、ピストン、または熱音響自励振動発生器がある。配管に使用できる材料としては、例えばステンレス鋼からなる円形断面のものである。配管の内径は必ずしも一様である必要は無い。また配管は途中で枝別れしてもよいし、曲線を描いてもよい。
配管３の多端には音波エネルギーを熱エネルギーに変換するための蓄冷器４が取付けられている。蓄冷器４にはその熱（冷熱）を外部へ取り出すためのインターフェース９が取付けられている。当該インターフェースとして熱媒体の循環装置等を挙げることができる。
【００１７】
配管内には低温側熱交換器５と高温側熱交換器７で挟まれたスタック６からなる音波増幅・減衰器８を少なくとも一つ設ける。スタック６は、多数の平行な平行通路を有するセラミックス製または薄板金属製のハニカム構造体、多数枚の金属製メッシュ薄板が積層されたものであり、作業用ガスが通過するための狭い流路が配管の軸方向に形成されている。高温側熱交換器７は複数枚の薄肉金属板が微小間隔で配設されたもの、または複数枚の金属製メッシュが積層されたものである。周囲を図示しないヒータ，火炎，廃熱などで加熱される。低温側熱交換器５は、高温側熱交換器７と類似の構造を持ち、周囲を図示しない室温冷却水等で冷却される。配管３内を伝播する音波の波長を１とするとき、スタックの中心位置が配管３内に形成される流速の節の位置から±0.2以内の位置に来るように設置する。
【００１８】
音波増幅・減衰器８には、その高温側熱源と低温側熱源に熱を供給するための熱源のほか実質的に外部に接続されていない。この音波増幅・減衰器８においても音波を熱エネルギー等に変換可能であるが、その目的とするところは配管内音波の増幅もしくは減衰であり、そのためのエネルギーを熱エネルギー等に変換することは増幅効率、減衰効率の低下につながるからである。換言すれば、蓄冷器に接続されるようなエネルギーを取り出すためのインターフェース９は実質的に音波増幅・減衰器８にはつながれていない。
音波増幅・減衰器において音波の進行方向上流側に低温側音源を配置したときこれは増幅器となり、他方、音波の進行方向上流側に高温側音源を配置したときこれは減衰器となる。
【００１９】
【実施例】
図２は図１に示した実施形態の一例である。内径が24mm、肉厚が0.5mmのステンレス製の配管１１の一端には金属ベローズ１２を介して音源であるスピーカ１３が接続されている。レーザードップラー流速計１４を用いて流速測定を可能とするためにこの実施例では配管の一部を内径21mm，肉厚2mmのガラス管とした。全長は3.3mであり、内部には大気圧の空気が作業用ガスとして充填されている。音源の振動数は103Hzであり、ちょうど１波長共鳴が実現する周波数である。そのため、音波増幅・減衰器１８は配管のおよそ中央に設置するが、二つの熱交換器の両側の配管１１、１９を取り替える事で，配管の全長は不変のまま、音波増幅・減衰器１８の位置を相対的に軸方向にずらす事が出来る。スタックは#60のステンレス鋼製のメッシュを２センチだけ積層して使用している。
【００２０】
図５にスタックの中心をスピーカの振動面から1.69mの位置に置き、スタック全体を室温に保ったまま、小型の圧力センサ１５とLDV１４を用いて測定した圧力と流速の間の位相差の軸方向分布を示す。位相差がちょうどゼロになる位置が流速の節であるので，スタックは節の若干手前に位置している事が分かる。このとき、音波増幅・減衰器１８においてスタック中心の位相はおよそ＋２０度という値を取っている。位相は連続的に分布しているので、スタックの位置を軸方向にずらすことで、スタック内部の位相を変化させる事が可能である。また、このためにはスタックの位置はかならずしもずらす必要は無く、音源の周波数を高く、または低くして調整してもよい。
【００２１】
図６はスタック中心の位相差を＋２０度に保ったまま、温度勾配が無い場合、正の場合（音波はスタックを低温から高温へ通過する）、そして負の場合の音波の音響強度の分布である。温度勾配のある時、一端は室温であり、一端は２９０℃に加熱している。またスタックに流入する音響強度を一定に保っている。温度勾配が正の場合はスタック内で増幅し、また負の場合は減衰できることが分かる。これが熱エネルギーを使った音波増幅・減衰器である。スタックから出てくる音響強度を流入する音響強度の値で除した数値を増幅率と呼ぶことにする。増幅率が１を超すと、音響強度は増幅し、１より小さいと減衰することを意味する。使用したスタックのωτはおよそ０．２であり、ωτがこのように小さい場合にはほぼ進行波エネルギー変換しか利用できないために、最大でも温度比（＝５６０Ｋ／３００Ｋ）よりも小さな増幅率しか得られないことを述べておく。
【００２２】
次にステンレス鋼製メッシュの代わりにセラミックス製のハニカムを使用した場合について説明する。このハニカムでは１平方インチ当たり２００個の孔となるような孔密度を有していて、先のステンレス鋼製メッシュよりも広い流路半径を持っている。このスタックについて先と同様の実験を行ない、さらにこの位置を配管内で相対的に変化させた結果を図１にまとめて示した。縦軸には増幅率、横軸にはスタック中心での位相を示している。使用したスタックは作業用ガスとの熱交換の程度を表すωτがおよそ４．９であり、進行波も定在波もエネルギー変換に寄与する事が出来る。スタックがちょうど流速の節にある場合には進行波しかエネルギー変換できないが、温度勾配の正負によって増幅減衰する様子は確認できる。スタックをずらして定在波が利用できるようにすると、温度勾配が正で位相が正の時、増幅率は増加し、温度比すら越えることが分かった。定在波のエネルギー変換の寄与が利用できたからである。また温度勾配が正で、位相が負の時、音波は減衰する。定在波エネルギー変換が進行波エネルギー変換とは異なって、温度勾配の符号と位相の符号の組み合わせによって増幅、または減衰に寄与するか、変わるからである。これを利用すれば、温度勾配の符号を変化するのが困難な場合でも音響強度の増幅、減衰が変更可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は熱音響自励振動，スピーカ，ピストン，など外部の音源から供給される音波に対してその音響強度を熱音響効果を通じて増幅し大出力音波を得たり、または音波を減衰することを可能とする。これにより、音源を駆動するのに必要な電力、動力、または高温の熱源がなくても、実質的に必要なだけの出力の音波を熱音響効果を通じて、可動部無しに得られる。また複数個の音波増幅器を組み合わせる事で、単一の熱音響増幅器だけでは得ることが出来ない程の大出力の音波を得る事が可能になる。可動部のある音源では最終的に同じ出力の音波を得るのに低電力，低動力ですむので所要エネルギーの低減、長寿命化に役立つ。自励振動装置では一つのスタックでは発生困難な大出力音波をより低い温度で実現できる。また本発明により、大出力音波を単に吸音材、干渉効果だけにたよらず熱によってより積極的に減衰することが出来る。熱音響効果を利用した音波増幅・減衰器では可動部がないために、安価、長寿命、高信頼性があるというメリットも享受する事が出来る。
【００２４】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の実施例ωτ＝４．９の音波増幅・減衰器の変換効率を示すグラフ図である。
【図２】図２は同じくωτ＝０．１８の音波増幅・減衰器の変換効率を示すグラフ図である。
【図３】図３はこの発明の実施例の配管装置１の概念構成図である。
【図４】図４は試験装置の断面図である。
【図５】図５は圧力と流速の間の位相差の軸方向分布を示す。
【図６】図６はスタック中心の位相差を＋２０度に保ったまま、温度勾配が無い場合、正の場合（音波はスタックを低温から高温へ通過する）、そして負の場合の音波の音響強度の分布である。
【符号の説明】
１配管装置
２、１３音源
３、１１、１９配管
４蓄冷器
５低温側熱源
６スタック
７高温側熱源
８、１８音波増幅・減衰器

Claims

配管に音を導入する音源装置と、
前記配管内の音波を他のエネルギーに変換する変換装置と、
前記配管において前記音源と前記変換装置との間に設けられ、高温側熱源、低温側熱源及びこれらに挟まれたスタックを備えてなる熱音響効果を利用した音波増幅器及び／又は減衰器とを備え、前記スタックの中心位置は定在波の節より±０．２λの範囲内においてかつ該節から外れる配管装置であって、
前記増幅器は、圧力と流速との間の位相差Φが正でかつ音波がスタックを低温部から高温部へ通過する向きに温度勾配を与える位置に配置され、前記減衰器は前記圧力と流速との間の位相差Φが負でかつ音波が高温部から低温部へ通過する向きに温度勾配を与える位置に配置される、ことを特徴とする配管装置。
前記スタックのωτは１〜２０である、ことを特徴とする請求項１に記載の配管装置。
前記音源装置は熱音響自励振動装置であり、前記変換装置は蓄冷器である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の配管装置。
前記音波増幅装置は前記高温側熱源と低温側熱源の温度比を超えた音波増幅率を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の配管装置。
既存の配管に音源装置を組み付ける工程と、
前記配管内の音波を他のエネルギーに変換する変換装置と該配管に組み付ける工程と、
高温側熱源、低温側熱源及びこれらに挟まれたスタックを備えてなる熱音響効果を利用した音波増幅・減衰器を前記配管において前記音源と前記変換装置との間に組み付ける工程と、を含んでおり、前記スタックの中心位置が定在波の節より±０．２λの範囲内においてかつ該節から外れるように設定され、前記増幅器を、圧力と流速との間の位相差Φが正でかつ音波がスタックを低温部から高温部へ通過する向きに温度勾配を与える位置に配置し、前記減衰器を前記圧力と流速との間の位相差Φが負でかつ音波が高温部から低温部へ通過する向きに温度勾配を与える位置に配置する、ことを特徴とする配管装置の製造方法。