JP5279027B2 - 熱音響冷風器 - Google Patents

Description

本発明は、熱音響効果によって周囲よりも低い温度の冷風を発生させる冷風器に関する。

熱と音波との間ではお互いにエネルギをやりとりする作用があり、管の一端を加熱すると内部に音が発生したり、管内に音を入れると管内で冷凍作用が発生したりする。これらは、熱音響効果と称されている。特に、後者の音で冷凍する現象は熱音響冷凍と称されるが、ノンフロン代替技術として注目されている。
熱音響冷凍装置１００の基本構成は以下の通りである（非特許文献１）。図６に示すように、管１０１の一端に音波を発生するスピーカ１０２を設け、管１０１の反対側を封止端１０３とする。管１０１の内部の封止端１０３に近い側に再生器１０４と称される熱交換器を配置する。再生器１０４は、微細な空隙が管１０１の長手方向に沿って形成されるように、細かい平板を積層したものや、細管を束ねるものが知られている。

管１０１内で共鳴が生ずるようにスピーカ１０２を駆動させて管１０１内に音を入れると、管１０１内に１／４波長の定在波ができる。再生器１０４の図中左端の温度が下がり、右端の温度が下がる。
再生器１０４内に存在する気体の微小部分（気体塊Ｇ）に注目すると、気体塊Ｇは以下のように挙動する。つまり、気体塊Ｇは音波により圧力の高い右側に移動させられながら圧縮されて体積が減少する。このとき断熱圧縮により気体塊Ｇの温度は上がるが、近くの再生器壁１０４Ｗに放熱して温度が下がる。その気体塊Ｇは、再度音波により左側の圧力の低い側に移動させられ、このとき断熱膨張されるので温度が下がる。先ほどの温度が高い側で再生器壁１０４Ｗに放熱して温度が下がった分だけ周囲より温度がより低くなる。この微少サイクルが再生器壁１０４Ｗに沿って連なってあたかもバケツリレーで熱を運び、結局、再生器１０４の左端が最も低温に、右側が最も高温になる。気体塊Ｇは、音波により再生器１０４内を移動するため、非常に短い時間で圧縮・膨張が繰り返される。

排気体の熱エネルギ（排熱）を熱音響効果に結びつけて冷却を行うことができれば、エネルギの有効活用を図ることができる。例えば特許文献１には、焼結鉱を冷却する焼結鉱クーラの後段から排出される排熱を熱音響冷凍装置で低温の熱エネルギとして回収し、回収された熱エネルギを焼結鉱クーラの後段に供給される冷却用空気を冷却するのに用いる排熱利用方法が開示されている。この熱音響冷凍装置は、ループ管内の離間した位置に蓄熱体を設けるタイプのものである。

ループ管内に２つの蓄熱体を設けるタイプの熱音響冷凍装置は、構造が複雑であることから、特許文献２ではより簡易な構造の冷凍装置が提案されている。特許文献２の冷凍装置２００は、図７に示すように、駆動部２０１、再生器２０２、パルス管２０４及び冷凍気体貯蔵所２０５を有し、再生器２０２とパルス管２０４との間には外部と熱交換する第１の高温熱交換器２０６が設けられ、パルス管２０４と冷凍気体貯蔵所２０５との間には外部と熱交換する低温熱交換器２０７が設けられている。また、冷凍気体貯蔵所２０５の内部には冷凍気体貯蔵所２０５とパルス管２０４との間を往復する駆動気体の量を制御して冷凍気体貯蔵所２０５の圧力を一定に維持する絞り２０８が設けられている。この冷凍装置２００は、駆動気体がパルス管２０４を中心として圧縮及び膨張する過程を繰り返し行うことができるように構成されている。特許文献２の冷凍装置２００は、ループ管からなる冷凍装置に比べて構造が比較的簡易である。

特開２００７−２６３５００号公報 特開２００４−９３１２４号公報

http://www.jsrae.or.jp/yougo/36.html

特許文献２の冷凍装置２００は、約７７Ｋ（−１９６℃）で駆動される赤外線センサー冷却分野、極低温手術及びＭＲＩ分野、移動通信用超伝導ＲＦフィルターなどの電子装備分野、超伝導電力応用機器分野などに適用されることを前提としている。
産業界において、極低温まで冷却することが要求されない用途は多々ある。例えば、前述した排熱を利用して冷却を行う場合には、エネルギの有効活用を図りつつ、周囲の環境よりも低い温度の冷気・冷風が生成されれば、利用価値は十分にある。
そこで本発明は、簡易な構造でありながら、温度勾配を利用して冷風を直接生成する熱音響冷風器及びこの冷風器を用いた冷風の発生方法を提供することを目的とする。

ある種のスターリングエンジンの駆動終了後に、数百ヘルツの音が数秒間発生することがある。この現象が熱音響現象である。このスターリングエンジンは、高温部と低温部とが長いチューブで連結されたものであり、絞り（オリフイス）が存在する。本発明者は、この絞りに繋がれたチューブの先から冷風が発生しているのを確認した。しかるに、出入口が個別に存在しない１本のチューブから冷風が吐出されることに疑問を抱き、簡単な実験を行ったところ、以下のことが推測された。つまり、チューブの先から流入した空気がチューブの内周壁近傍を通り、さらにこの空気は絞りを通って容積の大きい空間に噴出することにより断熱膨張して温度が下がる。こうして冷却された空気は、今度はチューブの中心部を通ってチューブの先から吐出される。

本発明は以上の知見に基づく熱音響冷風器であり、軸方向の一方側が封止端とされ、他方側に絞りが設けられる開放端とされる本体容器を備える。
この本体容器内には、スタックとも称される再生器が収容されている。再生器は、封止端の側に共鳴空間を、開放端の側に膨張空間を設けて収容される。共鳴空間は、再生器内に存在する気体の振動に基づいて本体容器に共鳴を生じさせる機能を有する。膨張空間は、絞りを通って流入する気体を断熱膨張させて気体の温度を下げる機能を有する。
本体容器には、流通管が繋がれる。この流通管は、その一端が絞りに繋がれ、他端が気体の出入り口となる。
本発明の熱音響冷風器は、再生器に、封止端側を高温とし開放端側を低温とする温度勾配を生じさせる温度勾配生成手段を備える。

本発明の熱音響冷風器は、温度勾配生成手段により再生器に温度勾配を生じさせることにより、流通管の他端から流入した気体が膨張空間に流入されることにより冷却され、冷却された気体を流通管の流出入口より吐出させる。この気体は流通管の他端から流入したときよりも数℃低い冷風となってパルス状に吐出される。
温度勾配生成手段は、封止端側を加熱する加熱手段と、開放端側を冷却する冷却手段とから構成することができる。

本発明の熱音響冷風器は、本体容器、絞り、再生器及び流通管という数少ない要素で構成できるので、構造が極めて簡易である。しかも、この熱音響冷風器は、再生器に温度勾配を生じさせることにより冷風を直接生成できる。

本実施の形態にかかる熱音響冷風器の構成を示す図である。 本実施の形態にかかる熱音響冷風器の動作を説明する図である。 本実施の形態にかかる熱音響冷風器による送風の確認試験の結果を示すグラフである。 スチールウールを再生器に用いた場合の膨張空間の例を示す図である。 加熱配管、冷却配管を備える本実施の形態にかかる熱音響冷風器の構成を示す図である。 従来の熱音響冷凍装置の構成を示す図である。 特許文献２に開示された熱音響冷凍装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。
本実施の形態にかかる熱音響冷風器１は、一方が封止端２ａ、他方が開放端２ｂである本体容器２と、本体容器２の開放端２ｂに接続端１０ａを介して接続される流通管１０とから構成される。熱音響冷風器１は、熱から音響に変換される時に発生する振動エネルギを利用し、流通管１０の流出入口１０ｂより冷風を吐出させるものである。

金属、セラミックス、ガラス等の耐熱材料で構成される本体容器２の内部には、再生器３が収容されている。
再生器３は、スタックとも称されるものであり、軸方向に連なる微細な通路が多数設けられている。この微細な通路の軸方向に沿って、気体、典型的には空気が流通可能である。微細な通路は、本体容器２の開口面積の１／１０〜１／２０の開口面積を有することが好ましい。再生器３は、多孔性の焼結金属又はセラミックス、金属製不織布、細い板材の積層体、スチールウールのような金属細線の束等の種々の形態で実現される。

熱音響冷風器１において冷風を発生させるには、再生器３の封止端２ａ側の端部を加熱する。再生器３のこの端部が高温部４を構成する。また、再生器３の開放端２ｂ側の端部は、低温部５を構成する。高温部４が加熱され、低温部５が冷却されている間、再生器３には、高温部４と低温部５の間で温度勾配が生ずる。

本体容器２内には、再生器３を基準として、封止端２ａ側に共鳴空間６が、また、開放端２ｂ側に膨張空間７が形成される。
共鳴空間６は、本体容器２に共鳴を生じさせるために設けられるものである。共鳴空間６を設けることにより、後述するように再生器３で生じる気体の微小な振動を増幅させる。共鳴空間６は、この目的を達成するのに必要な容積を有する。この容積をどの程度にするかは、実験的に確認することができる。

また、膨張空間７は、流通管１０を通って流入する気体に断熱膨張を生じさせるために設けられる。膨張空間７は、流入する気体が断熱膨張することができれば、その容積は問われない。ただし、ポアソンの式（Ｔ_１Ｖ_１ ^(γ-1)＝Ｔ_２Ｖ_２ ^(γ-1)）により、膨張空間７の容積が小さいほど、断熱膨張による気体の温度低下は大きくなる。
膨張空間７は、明らかに空間が存在すると認識できる場合に限らず、流入する気体が断熱膨張できる領域が存在していればよい。たとえば、再生器３が空隙を多く含む例えばスチールウールからなる場合には、再生器（スチールウール）３が、外観上、図４に示すように、プラグ８の内側に接していても、スチールウールの当該接触部近傍の空隙が膨張空間７を構成することになる。つまり、この膨張空間７は、流入する気体が断熱膨張できる領域が実質的に存在するか否かで判断される。

本体容器２の開放端２ｂには、プラグ８が設けられている。プラグ８はリング状をなしているので、プラグ８が設けられた開放端２ｂには、絞り９が形成される。この絞り９を通って気体が膨張空間７に流入することにより、断熱膨張により気体の温度が低くなる。
絞り９の開口面積の最適な値は未だ不明なところがあるが、小さすぎると気体をスムーズに流通させることができなくなり、また、大きすぎると絞りとしての機能を果たさなくなる。これらの観点から、絞り９の開口面積は膨張空間７の開口面積の１／１０〜１／２０の範囲で設定することが好ましい。

プラグ８には、絞り９と同口径（１０ｍｍ）の流通管１０が接続されている。流通管１０の長さが長くなりすぎると、流通管１０内を流れる気体に生ずる圧力損失が大きくなり、冷風を流通管１０から吐出しにくくなる。また、流通管１０の長さが短くなりすぎると、冷風が生成されずに、流通管１０に音が生ずる。このことを考慮すると、流通管１０の長さはＬ〜６Ｌ（Ｌ：本体容器２の全長）とすることが好ましく、より好ましくは３Ｌ〜５Ｌとする。
流通管１０は、ゴム等の可撓性材料から構成することができるし、金属材料から構成することもできる。また、プラグ８側に金属管を設け、その先端に可撓性材料のチューブを繋げてもよい。

以上のように構成される熱音響冷風器１の動作を説明する。
図２に示すように、例えばバーナＶにより再生器３の封止端２ａ側の端部を加熱する。再生器３は、当該端部が高温部４となり、他方端がこれよりも温度の低い低温部５を構成し、再生器３には温度勾配が生じる。なお、低温部５は、水で濡らした布を当該部分に当てることにより、室温程度に維持した。
再生器３内の微小部分に注目する。微小な気体塊Ｇが本体容器２の開放端２ｂ側（右側）に動いたとすると、動く前よりも温度の低い再生器３の部分に接触して微小な気体塊Ｇは冷却される。冷却された微小な気体塊Ｇは、圧力が下がり収縮する。したがって、微小な気体塊Ｇよりも図中右側の気体が左側に動くことになる。
左側に動いた微小な気体塊Ｇは、今度は、動く前よりも温度の高い再生器３の部分に接触して加熱される。加熱された微小な気体塊Ｇは、圧力が上がり膨張する。したがって、微小な気体塊Ｇは右側に動くことになる。
このようにして、微小な気体塊Ｇは冷却→収縮→加熱→膨張→…のサイクルを繰り返しながら、再生器３内を軸方向に往復動するので、共鳴空間６及び膨張空間７を含む本体容器２内の気柱全体に波及して自励振動が起きる。

上記の動作の中で、本体容器２内の気柱が左側に動くのに伴って、膨張空間７に連通する流通管１０内の気体は、絞り９を通って膨張空間７に流入する。このとき、膨張空間７には、流通管１０の内周壁近傍の気体が流入するものと解される。この内周壁近傍は、流速が生じているために、流通管１０の中心部に比べて圧力が高い。
膨張空間７に流入した気体は、断熱膨張により温度が下がる。温度の下がった気体は、本体容器２内の気柱が右側に動くのに伴って、膨張空間７から絞り９を通って流通管１０に流入し、さらに流通管１０の流出入口１０ｂから外部に向けて吐出される。温度の下がった気体は、流通管１０の概ね中心部を通るものと解される。この中心部は内周壁近傍に比べて圧力が低いために、ここを通る気体の温度は、理想的には、膨張空間７に流入して断熱膨張により低下した温度に維持される。

以上のようにして、再生器３に温度勾配を設けることにより、熱音響冷風器１は、流通管１０の流出入口１０ｂから冷たい気体を送風できる。
本発明者等の実験によると、高温部４を気体バーナＶで約４００℃に加熱し、低温部５に水で濡らした布を当てることにより室温程度に冷却、保持することにより、室温よりも約１℃低い冷風が得られることを確認した。この冷風は、パルス状に出力される。このことは、図３に示されている。図３は、流通管１０の流出入口１０ｂから吐出される冷風をスピーカに当てて得られる圧力をＡＤ変換した電圧値として計測したものである。
なお、この実験に供した熱音響冷風器１は、本体容器２として全長Ｌが１８０ｍｍ、直径が２７ｍｍの試験管を用い、プラグ８の絞り９に対応するように全長が１５０ｍｍ、直径が１０ｍｍの金属製の管を繋げ、さらにこの金属製の管に全長が４００ｍｍのチューブを繋いで流通管１０とした。また、この熱音響冷風器１は、再生器３としてスチールウールを用いた。この再生器３は、軸方向の一方端がプラグ８に接するように本体容器２内に配置された。

上記した実験では、気体バーナＶにより高温部４を加熱したが、加熱手段はこれに限定されない。例えば、特許文献２のように工場排熱により加熱することができるし、また、自動車の排気体を用いて加熱することもできる。さらに、地熱、温泉熱、その他の排熱を利用して、再生器３を加熱することもできる。また、上記した実験では、低温部５を室温程度に維持するために、水で濡らした布を用いたが、冷却手段はこれに限定されない。これらのことを考慮したより現実的な熱音響冷風器２０の構成を図５に示す。

図５に示す熱音響冷風器２０の基本的な構成は図１に示した熱音響冷風器１と同じであるが、高温部１４、低温部１５の構成が相違する。すなわち、高温部１４には高温配管１４１が蛇行して配設され、低温部１５には低温配管１５１が蛇行して配設される。

高温配管１４１の入り口管１４１（in）には、工場排熱等の高温気体が流入される。流入された高温気体が、高温部１４内を蛇行する高温配管１４１を流れることにより、高温部１４を所定の温度に加熱する。高温部１４内の高温配管１４１を流れた高温気体は、高温配管１４１の出口管１４１（out）から排出される。入り口管１４１（in）と出口管１４１（out）とを繋ぎ、高温気体が循環されるシステムとすることもできる。

低温配管１５１の入り口管１５１（in）には、工場用水等の冷却水が流入される。流入された冷却水が、低温部１５内を蛇行する低温配管１５１を流れることにより、低温部１５を所定の温度に冷却維持する。低温部１５内の低温配管１５１を流れた冷却水は、低温配管１５１の出口管１５１（out）から排出される。入り口管１５１（in）と出口管１５１（out）とを繋ぎ、冷却水が循環されるシステムとすることもできる。

本実施の形態による熱音響冷風器１で生成される冷風は、温度低下が室温（熱音響冷風器１の周囲の温度）より数℃程度であるが、人間は周囲の環境よりも温度が２〜３℃低いだけで涼しさを感じる。したがって、本発明にかかる冷風器は、利用価値が十分ある。しかも、本発明に係る冷風器は、構造が単純であることから、小型化、軽量化が図れるとともに、可動部がないことによる高耐久性が期待できる。

これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、熱音響冷風器１（２０）は、本体容器２０を一体で構成したが、共鳴空間６に対応する部分、再生器３に対応する部分、膨張空間７に対応する部分を別個の管体で作製して、結合することもできる。

１、２０…熱音響冷風器
２…本体容器、２ａ…封止端、２ｂ…開放端
３…再生器、４，１４…高温部、５，１５…低温部
６…共鳴空間、７…膨張空間
８…プラグ、９…絞り
１０…流通管、１０ａ…接続端、１０ｂ…流出入口

Claims (2)

1. 軸方向の一方側が封止端とされ、他方側に絞りを備える開放端とされる本体容器と、
   前記本体容器内にあって、前記封止端の側に共鳴空間を、また前記開放端の側に膨張空間を設けて収容される再生器と、
   一端が前記絞りに繋がれ、他端が気体の流出入口となる流通管と、
   前記再生器に対して、前記封止端側を高温とし前記開放端側を低温とする温度勾配を生じさせる温度勾配生成手段と、
   を備え、
   前記温度勾配生成手段により前記温度勾配を生じさせることにより、
   前記流通管の前記他端から流入した気体が前記膨張空間に流入されることにより冷却され、冷却された気体を前記流出入口より吐出させることを特徴とする熱音響冷風器。
2. 前記温度勾配生成手段は、
   前記封止端側を加熱する加熱手段と、前記開放端側を冷却する冷却手段とから構成される請求項１に記載の熱音響冷風器。

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