JP5299107B2 - Thermoacoustic engine - Google Patents

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Description

本発明は、熱効率が良く、小型化できる熱音響機関に関する。   The present invention relates to a thermoacoustic engine that has good thermal efficiency and can be miniaturized.

廃熱からエネルギを取り出すためにスターリングエンジンの開発研究が活発に行われている。スターリングエンジンの形式には、α型、β型、γ型、フリーピストン型などがある。これに対し、最近では、ピストン等の可動部を有さない熱音響機関の開発研究が活発に行われるようになった。   In order to extract energy from waste heat, research and development of Stirling engines have been actively conducted. Stirling engine types include α type, β type, γ type, and free piston type. On the other hand, recently, research and development of thermoacoustic engines having no moving parts such as pistons have been actively conducted.

熱音響機関は、管と熱源で構成される。管内の気柱を局部的に加熱又は冷却すると、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、気柱が自励振動を起こす。すなわち、管内に音響振動が発生する。この作用は、熱力学的には、プライムムーバ(原動機)と見ることができる。この作用を用いたものが熱音響機関である。この熱音響機関に、気柱の振動を熱エネルギに変換する受動機(冷凍機、冷却機)を組み込むと、冷凍装置(冷却装置)が構成される。   The thermoacoustic engine is composed of a tube and a heat source. When the air column in the tube is locally heated or cooled, a part of the heat energy is converted into mechanical energy, and the air column causes self-excited vibration. That is, acoustic vibration is generated in the tube. This action can be seen thermodynamically as a prime mover. A thermoacoustic engine uses this action. When a passive machine (refrigerator, cooler) that converts vibrations of the air column into heat energy is incorporated in this thermoacoustic engine, a freezer (cooler) is formed.

図5に示した従来の熱音響機関51は、ループ管1に1つの原動機2を取り付けたものである。   A conventional thermoacoustic engine 51 shown in FIG. 5 is one in which one prime mover 2 is attached to a loop pipe 1.

熱音響機関は、建造物や移動体において居室の冷房装置や物品の冷蔵・冷凍装置に応用される。例えば、自動車では、原動機においてエンジンの廃熱を高温源、大気を低温源とし、原動機と類似構造の受動機において大気を高温源とすることで、受動機の低温源から大気より低い温度の冷熱出力を取り出すことができる。   The thermoacoustic engine is applied to a cooling device for a living room and a refrigeration / freezing device for articles in a building or a moving body. For example, in a motor vehicle, the engine waste heat is used as a high-temperature source, the atmosphere is used as a low-temperature source, and the passive machine similar in structure to the motor is used as the high-temperature source. The output can be taken out.

特許第3050543号公報Japanese Patent No. 3050543 特開2006−145176号公報JP 2006-145176 A

従来の熱音響機関は、ループ管1に設けられる原動機2の個数は1個である。   In the conventional thermoacoustic engine, the number of prime movers 2 provided in the loop tube 1 is one.

これに対して本発明者らは、ループ管1に設けられる原動機2の個数を2個以上とし、発振開始温度を低下させると共に大きな音響強度をループ管1内に励起する熱音響機関について、すでに提案を行っている。しかし、このような複数の原動機2を備えた熱音響機関における高温源及び低温源と複数の原動機2との位置関係を工夫することによって、熱効率を改善したり、小型化を容易にすることについては保留していた。   On the other hand, the present inventors have already provided a thermoacoustic engine that uses two or more prime movers 2 provided in the loop tube 1 to lower the oscillation start temperature and excite a large acoustic intensity in the loop tube 1. I am making a proposal. However, by devising the positional relationship between the high-temperature source and the low-temperature source and the plurality of prime movers 2 in the thermoacoustic engine equipped with such a plurality of prime movers 2, it is possible to improve thermal efficiency or facilitate miniaturization. Was on hold.

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、熱効率が良く、小型化できる熱音響機関を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoacoustic engine that solves the above-described problems, has high thermal efficiency, and can be downsized.

上記目的を達成するために本発明は、ループ管に、熱エネルギをループ管内の音響エネルギに変換する加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられた熱音響機関において、上記ループ管が複数周回させて形成され、上記ループ管の第一の周回部分に第一の原動機が設けられ、第二の周回部分に第二の原動機が設けられたものである。   In order to achieve the above object, the present invention provides a thermoacoustic engine provided with a prime mover comprising a heater, a regenerator, and a cooler that converts thermal energy into acoustic energy in the loop pipe. The first prime mover is provided in the first circumference portion of the loop pipe, and the second prime mover is provided in the second circumference portion.

上記第二の周回部分の上記第二の原動機が設けられた箇所は、上記第一の周回部分の上記第一の原動機が設けられた箇所に対して沿う箇所であってもよい。   The location where the second prime mover of the second circumferential portion is provided may be a location along the location where the first prime mover of the first circumferential portion is provided.

上記第二の原動機は、上記第一の原動機の冷却器に上記第二の原動機の冷却器が対向し、かつ、上記第一の原動機の加熱器に上記第二の原動機の加熱器が対向てもよい。   In the second prime mover, the cooler of the first prime mover is opposed to the cooler of the first prime mover, and the heater of the second prime mover is opposed to the heater of the first prime mover. Also good.

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。   The present invention exhibits the following excellent effects.

(1)熱効率が良い。   (1) Thermal efficiency is good.

(2)小型化できる。   (2) The size can be reduced.

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。It is a block diagram of the thermoacoustic engine which shows one Embodiment of this invention. 本発明者らが提案中の熱音響機関の構成図である。It is a block diagram of the thermoacoustic engine which the present inventors are proposing. 本発明の課題を示す熱音響機関の構成図である。It is a block diagram of the thermoacoustic engine which shows the subject of this invention. 本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。It is a block diagram of the thermoacoustic engine which shows one Embodiment of this invention. 従来の熱音響機関の構成図である。It is a block diagram of the conventional thermoacoustic engine.

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1に示されるように、本発明に係る熱音響機関11は、ループ管1に、熱エネルギをループ管1内の音響エネルギに変換する原動機2が設けられた熱音響機関11において、ループ管1が複数周回させて形成され、ループ管1の第一の周回部分1aに第一の原動機2aが設けられ、第二の周回部分1bに第二の原動機2bが設けられたものである。   As shown in FIG. 1, a thermoacoustic engine 11 according to the present invention includes a loop tube 1 in which a prime mover 2 that converts thermal energy into acoustic energy in the loop tube 1 is provided in the loop tube 1. 1 is formed by a plurality of turns, a first prime mover 2a is provided in a first turn portion 1a of the loop pipe 1, and a second drive motor 2b is provided in a second turn portion 1b.

原動機2は、加熱器3、再生器4、冷却器5をループ管1の管軸方向に並べたものである。加熱器3、再生器4、冷却器5の詳しい構造は従来技術に属するので、ここでは省略する。   The prime mover 2 includes a heater 3, a regenerator 4, and a cooler 5 arranged in the tube axis direction of the loop tube 1. Since the detailed structures of the heater 3, the regenerator 4, and the cooler 5 belong to the prior art, they are omitted here.

本実施形態では、ループ管1が2周回させて形成されるが、3周回以上させてもよい。原動機2も3個以上設けてよい。   In the present embodiment, the loop tube 1 is formed by two rounds, but may be three or more rounds. Three or more prime movers 2 may be provided.

本実施形態では、ループ管1の第一の周回部分1aの周回径より第二の周回部分1bの周回径が小さく、第一の周回部分1aの内周に第二の周回部分1bの外周が近接して平行に沿うように配置されているが、第一の周回部分1aの周回径と第二の周回部分1bの周回径を同じにして、第一の周回部分1aの奥行き方向(紙面に垂直)に第二の周回部分1bが隣接するように配置してもよい。   In this embodiment, the circumference diameter of the 2nd circumference part 1b is smaller than the circumference diameter of the 1st circumference part 1a of the loop pipe 1, and the outer periphery of the 2nd circumference part 1b is in the inner circumference of the 1st circumference part 1a. Although it arrange | positions so that it may adjoin and parallel, the circumference diameter of the 1st circumference part 1a and the circumference diameter of the 2nd circumference part 1b are made the same, the depth direction (on paper surface) of the 1st circumference part 1a You may arrange | position so that the 2nd surrounding part 1b may adjoin (vertical).

本実施形態では、ループ管1は、直線状のストレート管と所定アールで直角に屈曲したエルボ管を組み合わせて、全体的な外観が角の丸い矩形状に形成されているが、全体的に丸く、いわゆる螺旋状、あるいは渦巻状に形成してもよい。また、全体的な外観が多角形状であってもよい。   In the present embodiment, the loop tube 1 is formed by combining a straight straight tube and an elbow tube bent at a right angle with a predetermined radius, and the overall appearance is formed in a rectangular shape with rounded corners. Alternatively, it may be formed in a so-called spiral shape or spiral shape. The overall appearance may be a polygonal shape.

第二の周回部分1bの第二の原動機2bが設けられた箇所は、第一の周回部分1aの第一の原動機2aが設けられた箇所に対して沿う箇所である。ここでは、第一の周回部分1aのストレート管とそれに沿った第二の周回部分1bのストレート管に、第一の原動機2aと第二の原動機2bが配置されている。   The location where the second prime mover 2b of the second circumferential portion 1b is provided is a location along the location where the first prime mover 2a of the first circumferential portion 1a is provided. Here, the 1st prime mover 2a and the 2nd prime mover 2b are arrange | positioned at the straight pipe | tube of the 1st surrounding part 1a and the straight pipe | tube of the 2nd surrounding part 1b along it.

第二の原動機2bは、第一の原動機2aの冷却器5に第二の原動機2bの冷却器5が対向し、かつ、第一の原動機2aの加熱器3に第二の原動機の加熱器3が対向するよう配置されている。   In the second prime mover 2b, the cooler 5 of the second prime mover 2b is opposed to the cooler 5 of the first prime mover 2a, and the heater 3 of the second prime mover is opposed to the heater 3 of the first prime mover 2a. Are arranged to face each other.

図示しないが冷却水等の低温源流体を流す配管が各冷却器5を通過するよう設けられると共に、熱気等の高温源流体を流す配管が各加熱器3を通過するよう設けられている。   Although not shown, piping for flowing a low-temperature source fluid such as cooling water is provided so as to pass through each cooler 5, and piping for flowing a high-temperature source fluid such as hot air is provided so as to pass through each heater 3.

次に、本発明の前提として、本発明者らが提案中の複数の原動機を備えた熱音響機関について説明する。   Next, as a premise of the present invention, a thermoacoustic engine having a plurality of prime movers proposed by the present inventors will be described.

図2に示されるように、熱音響機関21は、ループ管1に2個の原動機2が設けられたものである。本発明者らは、2個の原動機2の配置を、音響が発振するモードに応じてループ管1のループ長をあまり大きくない自然数で等分割した位置とした。これにより、発振開始温度が低くでき、かつ、大きな音響強度が得られる。   As shown in FIG. 2, the thermoacoustic engine 21 is one in which two prime movers 2 are provided in a loop pipe 1. The inventors set the positions of the two prime movers 2 at positions where the loop length of the loop tube 1 is equally divided by a natural number which is not so large in accordance with the mode in which the sound oscillates. Thereby, the oscillation start temperature can be lowered and a large acoustic intensity can be obtained.

しかし、図3に示される熱音響機関31のように、2個の原動機2が互いに離れた位置に分散して配置されているため、冷却器5同士を繋ぐ配管や加熱器3同士を繋ぐ配管の長さが長い。このため、配管空間Aの配管を流れる流体からの熱が外部に漏れやすくなり、熱音響機関31の熱効率が大幅に低下する。また、熱音響機関31は、2個の原動機2が互いに離れた位置に分散して配置されているため、構成が複雑で大型になる。   However, like the thermoacoustic engine 31 shown in FIG. 3, since the two prime movers 2 are dispersed and arranged at positions distant from each other, piping that connects the coolers 5 and piping that connects the heaters 3 to each other Is long. For this reason, the heat from the fluid flowing through the piping of the piping space A is likely to leak to the outside, and the thermal efficiency of the thermoacoustic engine 31 is greatly reduced. In addition, the thermoacoustic engine 31 is complicated and large in size because the two prime movers 2 are dispersed and arranged at positions apart from each other.

これに対し図1の熱音響機関11は、ループ管1が2周回させて形成され、第一の周回部分1aに第一の原動機2aが設けられ、第二の周回部分1bに第二の原動機2bが設けられているので、2個の原動機2が互いに近接した配置となっている。このため、図3の熱音響機関31に比べて図1の熱音響機関11は、2個の原動機2間の冷却器5同士を繋ぐ配管や加熱器3同士を繋ぐ配管の長さを大幅に短くすることができる。特に、図1の実施形態では、それぞれの原動機2の冷却器5同士が対向し、かつ、それぞれの原動機2の加熱器3同士が対向する配置となっているので、配管を最短とすることができる。   On the other hand, the thermoacoustic engine 11 of FIG. 1 is formed by rotating the loop tube 1 twice, the first motor part 2a is provided in the first circuit part 1a, and the second motor system is provided in the second circuit part 1b. Since 2b is provided, the two prime movers 2 are arranged close to each other. For this reason, compared with the thermoacoustic engine 31 of FIG. 3, the thermoacoustic engine 11 of FIG. 1 greatly increases the length of the piping connecting the coolers 5 between the two prime movers 2 and the piping connecting the heaters 3. Can be shortened. In particular, in the embodiment of FIG. 1, the coolers 5 of the respective prime movers 2 are opposed to each other, and the heaters 3 of the respective prime movers 2 are opposed to each other. it can.

以上のように、熱音響機関11は、配管の長さが短くなるため、配管を流れる流体からの熱が外部に漏れにくくなり、熱音響機関11の熱効率は大幅に上昇する。   As described above, since the thermoacoustic engine 11 has a short pipe length, heat from the fluid flowing through the pipe is hardly leaked to the outside, and the thermal efficiency of the thermoacoustic engine 11 is significantly increased.

また、熱音響機関11は、ループ管1が2周回させて形成されているため、ループ管1はその全長に比して占有面積及び占有体積を小さくすることができる。そして、2個の原動機2が互いに近接して配置されているため、構成が簡素となり、小型化が可能になる。   Further, since the thermoacoustic engine 11 is formed by rotating the loop tube 1 twice, the loop tube 1 can have an occupied area and an occupied volume smaller than the entire length thereof. Since the two prime movers 2 are arranged close to each other, the configuration is simplified and the size can be reduced.

次に、図4に示した熱音響機関41は、熱音響機関11に枝管6を取り付けたものである。枝管6を取り付けることで、いっそう大きな音響強度が得られる。   Next, the thermoacoustic engine 41 shown in FIG. 4 is obtained by attaching the branch pipe 6 to the thermoacoustic engine 11. By attaching the branch pipe 6, even greater acoustic intensity can be obtained.

11,41 熱音響機関
1 ループ管
1a 第一の周回部分
1b 第二の周回部分
2 原動機
2a 第一の原動機
2b 第二の原動機
3 加熱器
4 再生器
5 冷却器
6 枝管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11,41 Thermoacoustic engine 1 Loop pipe 1a 1st surrounding part 1b 2nd surrounding part 2 Prime mover 2a 1st prime mover 2b 2nd prime mover 3 Heater 4 Regenerator 5 Cooler 6 Branch pipe

Claims (3)

ループ管に、熱エネルギをループ管内の音響エネルギに変換する加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられた熱音響機関において、上記ループ管が複数周回させて形成され、上記ループ管の第一の周回部分に第一の原動機が設けられ、第二の周回部分に第二の原動機が設けられたことを特徴とする熱音響機関。   In a thermoacoustic engine provided with a prime mover comprising a heater, a regenerator, and a cooler that converts heat energy into acoustic energy in the loop tube, the loop tube is formed by a plurality of turns, and the loop tube A thermoacoustic engine, wherein a first prime mover is provided in a first circulation part and a second prime mover is provided in a second circulation part. 上記第二の周回部分の上記第二の原動機が設けられた箇所は、上記第一の周回部分の上記第一の原動機が設けられた箇所に対して沿う箇所であることを特徴とする請求項1記載の熱音響機関。   The location where the second prime mover of the second circumference portion is provided is a location along the location where the first prime mover of the first circumference portion is provided. The thermoacoustic engine according to 1. 上記第二の原動機は、上記第一の原動機の冷却器に上記第二の原動機の冷却器が対向し、かつ、上記第一の原動機の加熱器に上記第二の原動機の加熱器が対向することを特徴とする請求項1又は2記載の熱音響機関。   In the second prime mover, the cooler of the second prime mover faces the cooler of the first prime mover, and the heater of the second prime mover faces the heater of the first prime mover. The thermoacoustic engine according to claim 1 or 2.
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