JP5098534B2 - 熱音響機関 - Google Patents

Description

本発明は、熱音響機関に関し、中でも、圧力発生器又は冷熱発生器として稼動可能な熱音響機関に関する。

熱音響機関は、スターリングエンジンが有するような、パワーを外部へ取り出すためのピストン等の機械的な可動部分がなく、シンプルな構成で、圧力発生器又は冷熱発生器として働く。例えば、従来の熱音響機関を利用した冷凍機は、高温吸熱器（加熱器）、２つのスタック、２つの放熱器（室温放熱器）、低温吸熱器（冷熱器）、共鳴管、バッファタンクの要素から基本的に構成されている。

熱音響機関の基本構成形状としては、現在のところ三つある。一つ目は、全体の配管並びに要素構成が直線的なもの、すなわち、両端部は行き止まり構成となっているものである（非特許文献２中の図１参照）。二つ目は、全体構成がループ状につながっているものである（非特許文献３中の図１参照）。三つ目は、ループ構成に直線構成を組み込んだループ・直線構成である（非特許文献１中の図１参照）。

また、特許文献１には、作動気体が封入されるループ管と、前記ループ管と連通する直管状のシリンダと、前記シリンダの背部に接続された共鳴タンクと、前記ループ管内にそれぞれ配置された高温側再生器及び低温側再生器と、前記直管状のシリンダ内に配置されたピストンと、を有し、前記シリンダ、前記ピストン及び前記共鳴タンクから共鳴器を構成し、前記ピストンが前記シリンダ内を振動することによって、高温側再生器から出力される仕事量を大きくすることが可能なＰ−Ｘ位相差（作動気体の圧力Ｐとガスピストンの変位Ｘの位相差）を得ることを特徴とする熱音響冷凍機が提案されている。

八束他、熱音響エンジン内のワークフローの測定、第７回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集、２００３、Ｐ９７−９８． 森田浩之他、熱音響冷凍機の特性、第３回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集、１９９９、Ｐ１４５−１４８． 田中峰雄他、ループ型熱音響エンジンの圧力振幅分布、第４回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集、２０００、Ｐ１０１−１０２． 特開２００６−１１８７２８号公報（明細書の段落００１２〜００１４参照）

上記した三つの熱音響機関のうち、熱音響効果による音響パワーや冷凍出力の性能が最も高いものが、ループ・直線構成のものである。しかし、ループ・直線構成のものは、全体の構成が大きなものになるという問題がある。

他の二つの熱音響機関においても、管内の圧力変動と作動流体の位置変動のタイミングのずれ（位相差）を大きくするためには、管を長くしたり、共鳴管やバッファタンクを接続したりする必要があるため、同様に、全体の構成が大きなものになっている。

特許文献１の熱音響冷凍機によれば、ピストンを設けることによって、共鳴タンク等の小型化を図っている。しかしながら、熱音響冷凍機においては、ある一点の条件でしか十分な特性が得られないという傾向があるため、所望の冷凍能力を得るために、熱音響冷凍機の様々な条件、例えば、ループ管の長さや温度条件に応じてピストンの特性を変える必要があるという問題がある。特許文献１には、このような問題点及びピストンの特性を変更する手段が開示されていない。

本発明の目的は、熱音響機関をコンパクトに構成できる熱音響機関を提供することである。

本発明は、第１の視点において、作動流体が充填された管内に、少なくとも一つの吸熱器、スタック及び放熱器が配置されて、外部の熱源より前記吸熱器が得た熱エネルギーの一部をエンタルピーとして前記スタックを経由して前記放熱器から外部へ放熱する過程で前記管内に圧力変動を発生させるか又は前記管内の圧力変動を冷熱に変化させる熱音響機関であって、前記管内の圧力変動と前記作動流体の位置変動のタイミングをコントロールする位相制御機構を有し、前記位相制御機構は、前記管内で変位自在なピストンと、前記ピストンに付勢力を付与するコイルスプリングと、電磁石が発生する電磁力を可変に設定する電磁力制御手段によって前記コイルスプリングが発生する弾性力を可変に設定する弾性力設定機構と、を備えたフリーピストン機構を含む、ことを特徴とする熱音響機関を提供する。なお、このフリーピストン機構は、単に管内の作動流体の動きを制御するような機構である。本発明による熱音響機関においては、スターリングエンジンのようにパワーを直接取り出すためのピストン機構は不要となる。

本発明によれば、管内の振動系の特性を可変に設定することができるフリーピストン機構を設けたことにより、熱音響機関の管長さを大幅に低減しても、又は共鳴管やバッファタンクを管に接続しなくても、或いは、直管構造の熱音響機関であっても、管内の圧力変動と作動流体の位置変動とのタイミングのずれを大きくして、大きな仕事、例えば、圧力変動や冷凍能力を得ることができる。また、本発明によれば、フリーピストン機構の弾性特性を容易に可変に（例：バネ定数の変更）設定することができるため、様々な条件、例えば、外部の熱源の温度、室温、管の形状などに応じて最適な振動系の特性を設定し、上記タイミングの十分なずれを得ることができる。この結果、熱音響機関をコンパクトに構成しながら、様々な条件下で所望の性能を容易に得ることができる。

本発明の好ましい実施の形態において、本発明の熱音響機関は、外部から熱入力を得て、出力として圧力変動を発生する圧力発生器、或いは、外部から熱入力を得て、出力として冷熱を発生する冷凍器として用いられる。

本発明の好ましい実施の形態において、吸熱器が高温吸熱器（加熱器）、放熱器が第１の室温放熱器となり、高温吸熱器、第１の室温放熱器及びそれらの間に配置される第１のスタックからなる構成部分が、外部からの熱を圧力変動に変える圧力発生器として働く。

本発明の好ましい実施の形態において、吸熱器が低温吸熱器（冷熱器）、放熱器が第２の室温放熱器となり、低温吸熱器、第２の室温放熱器及びそれらの間に配置される第２のスタックからなる構成部分が、低温発生器（冷凍器）として働く。

本発明の好ましい実施の形態において、高温吸熱器（加熱器）、第１のスタック及び第１の室温放熱器の部分が圧力発生器として働き、第１の室温放熱器、低温吸熱器（冷熱器）、第２のスタック及び第２の室温放熱器の部分が低温発生器として働く。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記圧力発生器及び前記低温発生器が組み合わされて、冷凍機が構成される。

本発明の好ましい実施の形態においては、弾性手段を備えたフリーピストン機構を導入することにより、位相制御機構として働く共鳴管及びバッファタンクを不要としたり、熱音響機関の直線構成部の大きさを低減したりすることができる。

本発明の好ましい実施の形態において、弾性手段として、ストローク幅が取れ、装填が簡単なコイルバネ（コイルスプリング）が用いられる。

本発明の好ましい実施の形態において、前記弾性手段は、温度により形状ないし弾性定数が変化する形状記憶合金である。形状記憶合金を温度制御することによりフリーピストン機構の特性が容易に可変される。

本発明の好ましい実施の形態において、前記弾性力設定機構は、前記弾性力ないし弾性定数を可変する電磁石を含む。これによって、フリーピストン機構の特性を容易に可変に設定することができる。

本発明の好ましい実施の形態において、前記管内に、前記吸熱器、前記スタック、前記放熱器、前記フリーピストン機構が直線状に配列される。これによって、熱音響機関がよりコンパクトに構成される。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。図１は、本発明の一実施例に係る熱音響機関の構成図である。

図１を参照すると、この熱音響機関１は、直線構成の音響発信器であって、外部から熱入力を得て、出力として圧力変動を発生する機関として働き、外部の熱源より吸熱器４が得た熱エネルギーの一部を、エンタルピーとしてスタック５を経由して放熱器６から外部へ放熱する過程で管２内に圧力変動を発生させる。

熱音響機関１においては、作動流体が充填された管２内に、順に、高温バッファ３、吸熱器（高温吸熱器、加熱器）４、スタック５及び放熱器６が配置されている。放熱器６の一側には、管２内の圧力変動と作動流体の位置変動のタイミングをコントロールする位相制御機構として、フリーピストン機構７が配置されている。

フリーピストン機構７は、管２内で変位自在であるピストン８と、ピストン８に付勢力を付与するコイルスプリング（弾性手段）９と、コイルスプリング９が発生する弾性力を可変に設定する弾性力設定機構１０を備えている。弾性力設定機構１０は、管２内に配置された電磁石１１と、電磁石１１が発生する電磁力を可変する電磁力制御手段１２と、を有している。

電磁力制御手段１２は、例えば、電磁石１１に供給する電流を可変することにより、電磁力を可変に設定することができる。ピストン８の一部又は全部は、磁力に感応する部材から形成されており、電磁石１１が発生する電磁力の大きさに応じて、ピストン８が電磁石１１の方へ引き寄せられる。このようにして、コイルスプリング９がピストン８に作用する弾性力が可変され、コイルスプリング９の見掛け上のバネ定数が可変され、すなわち、ピストン８の振動特性が可変される。

ここで、ピストン８に加わる作動流体の圧力変動、すなわち、作動流体から構成される仮想的なガスピストンによる圧力変動をＦ（ｔ）、ピストン８の変位をｘ、ピストン８の質量をｍ、コイルスプリング９のバネ定数をｋとすると、管２内の振動系は、Ｆ（ｔ）＝ｍｘ”＋ｋｘ、と表すことができる。本実施例においては、電磁力制御手段１２によって、バネ定数ｋを可変していくことにより、最適な振動特性を設定することができる。

以上説明した本発明の一実施例に係る熱音響機関１の動作を説明する。図１を参照すると、外部の熱源から供給される熱によって吸熱器４を室温よりも少なくとも高温（例えば摂氏２００度程度）に加熱し、放熱器６を室温に設定すると、吸熱器４、スタック５及び放熱器６の構成部分が、外部からの熱を管２内の作動流体の圧力変動に変える圧力発生器として働く。このとき、フリーピストン機構７によって、管２内の圧力変動と作動流体の位置変動のタイミングがずらされる。このタイミングのずれは、弾性力設定機構１０において、電磁力制御手段１２が電磁石１１が発生する電磁力を可変することにより、様々な条件に応じて任意に最適な状態で設定することができる。

本実施例の熱音響機関１においては、このようなフリーピストン機構７を設けたことにより、熱音響機関１の管長さを大幅に低減しても、或いは、共鳴管やバッファタンクを接続しなくても、上記タイミングの十分なずれを得ることができる。また、本実施例の熱音響機関１によれば、フリーピストン機構７の特性を容易に可変に設定することができるため、様々な条件、例えば、外部の熱源の温度、室温、管２の形状などに応じて、上記タイミングの十分なずれを得ることができる。この結果、熱音響機関１をコンパクトに構成しながら、熱音響機関１の性能を高めることができる。

本発明による熱音響機関は、圧力発生器、又は冷熱発生器、或いは発電機として適用される。

本発明の一実施例に係る熱音響機関の構成図である。

符号の説明

１ 熱音響機関
２ 管
３ 高温バッファ
４ 吸熱器（高温吸熱器、加熱器）
５ スタック
６ 放熱器（室温放熱器）
７ フリーピストン機構（位相制御機構）
８ ピストン（フリーピストン）
９ コイルスプリング（弾性手段）
１０ 弾性力設定機構
１１ 電磁石
１２ 電磁力制御手段

Claims (3)

1. 作動流体が充填された管内に、少なくとも一つの吸熱器、スタック及び放熱器が配置されて、外部の熱源より前記吸熱器が得た熱エネルギーの一部をエンタルピーとして前記スタックを経由して前記放熱器から外部へ放熱する過程で前記管内に圧力変動を発生させるか又は前記管内の圧力変動を冷熱に変化させる熱音響機関であって、
   前記管内の圧力変動と前記作動流体の位置変動のタイミングをコントロールする位相制御機構を有し、
   前記位相制御機構は、前記管内で変位自在なピストンと、前記ピストンに付勢力を付与するコイルスプリングと、電磁石が発生する電磁力を可変に設定する電磁力制御手段によって前記コイルスプリングが発生する弾性力を可変に設定する弾性力設定機構と、を備えたフリーピストン機構を含む、ことを特徴とする熱音響機関。
2. 前記管内に、前記吸熱器、前記スタック、前記放熱器、前記フリーピストン機構が直線状に配列される、ことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
3. 前記弾性手段は、形状記憶合金である、ことを特徴とする請求項１又は２記載の熱音響機関。

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