JP4084152B2

JP4084152B2 - 音響流体機械

Info

Publication number: JP4084152B2
Application number: JP2002277350A
Authority: JP
Inventors: 正昭川橋; 完藤岡; 昌之齋藤
Original assignee: Anest Iwata Corp
Current assignee: Anest Iwata Corp
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: JP2004116309A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響共振に基づく振幅圧力変動を応用した流体機械に係り、特に、空気圧縮機を含むガス圧縮機、冷凍圧縮機、真空ポンプ等に用いて好適な音響流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、音響共振管内における管内気柱の共振現象により生じる音響定在波の大振幅の圧力変動を応用した音響圧縮機が注目されている。
音響圧縮機ほかの音響流体機械において重要な要素である音響共振管には、内面の軸方向の断面積を一定とした直管（例えば、特許文献１参照）や、内面の軸方向の断面積を変化させた円錐状管（例えば、特許文献２、３参照）がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２２４２７９号公報（図１、図３他）
【０００４】
【特許文献２】
特開平６−４７３４４号公報（図６、図９）
【０００５】
【特許文献３】
特表平９−５０５９１３号公報（図７、図９他）
【０００６】
音響共振管として直管を用いた場合には、振幅の増加とともに、非線形性による波面の急峻化がもたらされ、音響共振管内には伝播衝撃波が発生する。
そのため、駆動源の振幅増加に対する音響共振管内圧力振幅の増加割合は急速に減少し、音響飽和と言われるような状態となる。
【０００７】
一方、音響共振管として円錐状管を用いた場合には、衝撃波の発生が抑制され、駆動音源の入力振幅増加に比例して、より大きな音響共振管内圧力変動振幅を得られることが知られている。
【０００８】
しかし、上述の直管または円錐状管からなる音響共振管では、産業用として利用しうる圧力比を得にくく、また、温度変化に伴う駆動音源の加速度等の変化によって、共振域が変化する。すなわち、共振点がずれやすく、共振点を維持することが困難で、安定した音響圧縮機が得られないという問題がある。
【０００９】
上記した理由や現象を考慮に入れると、音響共振管として理想的なものは、所望の圧力比を得ることができ、温度変化に伴う駆動音源の加速度等の変化による、共振域の変化が小さく、かつ、共振点がずれ難く、しかもその維持が容易な管であると結論づけることができる
【００１０】
ところで、音響共振管の軸線方向における直径の変化、すなわち断面積の変化には、おおむね図１に示す次の３種類が考えられる。
【００１１】
（ａ）円錐状管
軸線方向の直径変化率は一定。
（ｂ）指数関数状管
大径の加振側端部の直径変化率は大きく、小径の吸込・吐出側端部における直径変化率は小さい。
（ｃ）１／２周期余弦関数状管
大径の加振側端部および小径の吸込・吐出側端部における直径変化率は、ほぼ０である。
【００１２】
これら３種の管の軸線方向における断面積の変化率を、図２に示す。
【００１３】
図２により、次のことが分かる。
円錐状管においては、断面積は、軸線方向に一定の割合で直線的に増減する。
【００１４】
指数関数状管においては、断面積は、軸線方向に急激に減少した後、緩い割合で減少する。
【００１５】
１／２周期余弦関数状管においては、断面積の変化率は、軸線方向の両端部においてはほぼ０であり、軸線方向に進むに従って、緩やかに増加した後、緩やかに減少する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
音響共振によって、管内波動を生み出す音響共振管と、音響共振管に入力振幅を与える駆動音源と、圧力変動に伴い吸入吐出を可能にするバルブ手段とを備える音響流体機械において、音響定在波の振幅圧力変動を最大限にとり、かつ、共振点制御を容易にでき得る音響共振管形状を備えた音響流体機械を得ることが、本発明の課題である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
(１)音響共振によって管内波動を生み出す音響共振管と、音響共振管に入力振幅を与える駆動音源と、圧力変動に伴い吸入吐出を可能にするバルブ手段とを備える音響流体機械において、音響共振管の軸線方向の中間部における断面積変化率を、加振側端部および吸込・吐出側端部側に対してほぼ対称とし、かつ両端部における断面積変化率を、ほぼ０とする。
【００１８】
(２) 上記(１)項において、音響共振管として、１／２周期余弦関数状管を用いる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の音響流体機械の一例としての音響圧縮機の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図３は、音響圧縮機を概略的に示す縦断正面図である。
この音響圧縮機は、加振装置(１)、音響共振管(２)およびバルブ手段(３)の３つの部分から構成されている。
【００２１】
音響共振管(２)の内面形状は、次式により表される１／２周期余弦関数形状となっている。すなわち、
【数式１】

で形成される１／２周期余弦関数形状となっている。
【００２２】
加振器(１)は支持台を兼ね、上面に、図に表れない適宜の振動ユニットによって、上下に振動させられるピストン(11)を備えている。ピストン(11)の外周縁には、シール部材(12)が嵌設されている。
【００２３】
音響共振管(２)は、下端に外向フランジ(21)を有し、この外向フランジ(21)を、加振器(１)の上面に重合し、外向フランジ(21)は、適数のボルト(22)をもって締着されている。
【００２４】
バルブ手段(３)は、外側面に吸入口(31)を備え、かつ底面に逆止弁(32)付き吸入孔(33)を備える吸込室(34)と、外側面に吐出口(35)を備え、かつ底面に逆止弁(36)付き吐出孔(37)を備える吐出室(38)を並設したもので、音響共振管(２)の頂部に装着されている。
【００２５】
逆止弁(32)(36)は、それぞれ一端を、吸込室(34)の底面の下側、および吐出室(38)の底面の上側に止着された薄肉鋼板からなるリード弁、あるいはゴム板弁からなっている。
【００２６】
前記ピストン(11)は、アルミニウムからなり、図示しない振動ユニットに連結されて、音響共振管(２)の大径の加振側端部付近において、軸線方向に微小振幅で高速で往復運動しうるようになっている。
【００２７】
加振ユニットの駆動周波数はファンクションシンセサイザーにより制御され、ピストン(11)の加速度を、０．１Ｈｚ程度の精度で調整しうるようになっている。
【００２８】
ピストン(11)が大径の加振側端部側で軸線方向に微小振幅で往復運動する。これに伴い音響共振管(２)内の圧力振幅が極小となったときに、外気は、吸入口(31)より吸入されて、吸込室(34)へ流入し、吸入孔(33)および逆止弁(32)を経て、音響共振管(２)内へ吸入される。また、音響共振管(２)内の圧力振幅が極大となったときに、音響共振管(２)内から吐出孔(37)および逆止弁(36)を経て、加圧状態で吐出室(38)より吐出口(35)を経て吐出する。
【００２９】
（実験結果）
初期状態を大気圧で、室温（約１５℃）状態とした。
まず、図４および図５は、音響共振管の形状を、それぞれ円錐状管および指数関数状管とした場合におけるピストン加速度５００ｍ／秒²の時の音響共振管閉端面圧力波形を示すものである。圧力波形歪は、ピストン加速度の増加につれて顕著に現れてくる。その結果、初期圧に対して、正の振幅領域と負の振幅領域の波形が非対称となる。
【００３０】
これに対し、図６は、音響共振管の形状を１／２周期余弦関数状管としたもので、この１／２周期余弦関数状管においては、圧力波形は、ほぼ正弦波状を保っていることが確認できる。
また、圧力比については、図７に示すように、最小圧力値が低くなる１／２周期余弦関数状管で最も大きくなることが確認できる。
【００３１】
次に、図８〜図１０には、共振点近傍の加振周波数を低い方から高い方に変化させた場合と、その逆の場合に対する圧力振幅先頭値の変化を示すものである。これによると、図８、図９に示す円錐状管および指数関数状管においては、加速度の増加に対して、加振周波数に対する圧力値の曲線が徐々に周波数の高い方へ傾く現象が確認できる。
このため、ピストン加速度の大きさによって共振周波数が変化し、特に、円錐状管においては、周波数変化に対する圧力振幅変化のヒステリシス現象も観測された。
【００３２】
これに対して、図１０に示す１／２周期余弦関数状管においては、ピストン加速度の大きさによって共振周波数が変化する現象は見られず、また、ピストン加速度の増加に対して、共振周波数が変化しないことが確認できた。
よって、１／２周期余弦関数状管は、共振周波数の変化が小さいため、音響圧縮機として用いる場合の共振点制御を容易にすることができることが判明できた。
【００３３】
【発明の効果】
管内の圧力波形および周波数特性から、上述した音響共振管の内部形状を、前記したような１／２周期余弦関数状管とすることにより、円錐状管および指数関数状管に比べて、波形歪が少なく、ピストン加速度を上昇させても、共振周波数の変化が小さいので、圧縮機としての動作条件（流量、圧力等）に対応した駆動源振幅に対する共振周波数の安定性も優れ共振点制御を容易にすることができる。
よって、高圧力比を得ることができ、同じサイズでも大きな出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】音響共振管の断面積変化の異なる例を示す縦断面図である。
【図２】３種の異なる管の断面積変化率を示す図である。
【図３】本発明の音響圧縮機の一例を概略的に示す縦断面図である。
【図４】円錐状管における音響共振管閉端面（吸込・吐出側端部側）圧力波形を示す図である。
【図５】指数関数状管における音響共振管閉端面（吸込・吐出側端部側）圧力波形を示す図である。
【図６】１／２周期余弦関数状管における音響共振管閉端面（吸込・吐出側端部側）圧力波形を示す図である。
【図７】３種の異なる管の圧力比の変化を示す図である。
【図８】音響共振管が円錐形状管のときのピストン加速度と共振周波数の関係を表すグラフである。
【図９】音響共振管が指数関数形状管のときのピストン加速度と共振周波数の関係を表したグラフである。
【図１０】音響共振管が１／２周期余弦関数状管のときのピストン加速度と共振周波数の関係を表したグラフである。
【符号の説明】
（１）加振器
(11)ピストン
(12)シール部材
（２）音響共振管
(21)外向フランジ
(22)ボルト
（３）バルブ手段
(31)吸入口
(32)逆止弁
(33)吸入孔
(34)吸込室
(35)吐出口
(36)逆止弁
(37)吐出孔
(38)吐出室

Claims

音響共振によって管内波動を生み出す音響共振管と、音響共振管に入力振幅を与える駆動音源と、圧力変動に伴い吸入吐出を可能にするバルブ手段とを備える音響流体機械において、
音響共振管の軸線方向の中間部における断面積変化率を、加振側端部および吸込・吐出側端部側に対してほぼ対称とし、かつ両端部における断面積変化率を、ほぼ０としたことを特徴とする音響流体機械。
音響共振管として、１／２周期余弦関数状管を用いることを特徴とする請求項１記載の音響流体機械。