JP5423484B2

JP5423484B2 - 熱音響機関

Info

Publication number: JP5423484B2
Application number: JP2010048136A
Authority: JP
Inventors: 康山本; 阿部　　誠; 真也長谷川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: JP2011185456A

Description

本発明は、２つのループ管を共鳴管で繋ぎ合わせた熱音響機関に係り、小さな温度差で大きな仕事が得られる熱音響機関に関する。

図３に示されるように、従来の熱音響機関３１は、管軸方向に加熱器２と再生器３と冷却器４を有することにより、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機５が配置された第一ループ管６と、第一ループ管６に一端が接続されて直線状に延びた共鳴管７と、共鳴管７の反対端に接続され、管軸方向に加熱器８と再生器９と冷却器１０を有することにより、音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機１１が配置された第二ループ管１２とを備える。

この熱音響機関３１では、原動機５が第一ループ管６の管軸方向に並んだ加熱器２と再生器３と冷却器４を有することにより、原動機５において熱エネルギが音響エネルギに変換され、第一ループ管６内に定在波が生じる。

第一ループ管６で発生した音響エネルギが進行波として共鳴管７を通って第二ループ管１２に伝搬し、受動機１１では進行波の音響エネルギが吸収されて熱エネルギとして取り出される。

このように、原動機５において熱エネルギが音響エネルギに変換され、その音響エネルギが受動機１１において熱エネルギに変換される。

特許第３０５０５４３号公報特開２００７−２３７０２０号公報

図３の熱音響機関３１では、共鳴管７内に定在波と進行波が混在している。すなわち、共鳴管７内の定在波成分により、第一ループ管６と共鳴管７内の作動流体が安定な周波数で振動し、一方、共鳴管７及び第二ループ管１２では、進行波によって音響エネルギが輸送される。

しかしながら、図３の熱音響機関３１では、原動機５におけるエネルギの供給能力によっては、受動機１１において需要に対して十分なエネルギ供給が果たせないことがある。

また、熱音響機関３１の利用用途として、例えば、車両の廃熱から冷凍、冷却の仕事を得ようとする場合、原動機５の加熱器２における廃熱の温度と冷却器４における大気の温度（あるいは冷却水の温度）の温度差が小さいために、第一ループ管６における音響エネルギが小さく、受動機１１から取り出せる仕事が大きくできない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小さな温度差で大きな仕事が得られる熱音響機関を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機が配置された第一ループ管と、前記第一ループ管に一端が接続されて直線状に延びた共鳴管と、前記共鳴管の反対端に接続され、管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機が配置された第二ループ管とを備えた熱音響機関において、前記共鳴管に、前記共鳴管の管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、前記共鳴管内を前記第一ループ管から前記第二ループ管に向かって進む進行波を増幅する増幅機を備えたものである。

前記増幅機を前記共鳴管の管軸方向に複数備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）小さな温度差で大きな仕事が得られる。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。図１の熱音響機関における共鳴管の管軸方向の音響パワー分布図である。従来の熱音響機関の構成図である。

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。

図１に示されるように、本発明に係る熱音響機関１は、管軸方向に加熱器２と再生器３と冷却器４を有することにより、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機５が配置された第一ループ管６と、第一ループ管６に一端が接続されて直線状に延びた共鳴管７と、共鳴管７の反対端に接続され、管軸方向に加熱器８と再生器９と冷却器１０を有することにより、音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機１１が配置された第二ループ管１２とを備えた熱音響機関１において、共鳴管７に、共鳴管７の管軸方向に加熱器１３と再生器１４と冷却器１５を有することにより、共鳴管７内を第一ループ管６から第二ループ管１２に向かって進む進行波を増幅する増幅機１６を備える。

第一ループ管６は、断面が円形で中空の円筒管が４箇所の曲がり部にてそれぞれ９０°曲がっていることにより、ほぼ矩形のループ状に閉じられたものである。その１箇所の曲がり部に共鳴管７の一端が接続される。共鳴管７は、断面が円形で、一端から他端まで曲がりのない中空の円筒管である。第二ループ管１２は、第一ループ管６と同様に、断面が円形で中空の円筒管が４箇所の曲がり部にてそれぞれ９０°曲がっていることにより、ほぼ矩形のループ状に閉じられたものである。その１箇所の曲がり部に共鳴管７の他端が接続される。

第一ループ管６、共鳴管７及び第二ループ管１２に充填される作動流体は、音波の媒体となるものであり、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの気体が好ましい。第一ループ管６、共鳴管７及び第二ループ管１２は、ステンレス等の金属で構成される。

原動機５は、管軸方向に順に配置された加熱器２と再生器３と冷却器４とからなる。加熱器２は、円筒管の内外にフィンを有することにより、円筒管内の作動流体を加熱する熱交換器である。再生器３は、金網、複数の細管の集合、多孔質セラミックなどで構成される。冷却器４は、円筒管の内外にフィンを有することにより、円筒管内の作動流体を冷却する熱交換器である。冷却器４、再生器３、加熱器２は、公知のものを使用することができるので、詳細な構造の説明は省略する。

受動機１１は、原動機５と同様、管軸方向に順に配置された加熱器８と再生器９と冷却器１０とからなる。加熱器８、再生器９、冷却器１０の構造は、原動機５に用いられるものと同様である。このように、構造は原動機５と同じであるが、音響エネルギを熱エネルギに変換するものが受動機１１である。

受動機１１は、加熱器８が所定の温度であるとき、冷却器１０がそれより低い温度となる。ここでは、受動機１１は、大気より低い温度を得るための、いわゆる冷凍機あるいは冷却機であることが望ましいので、例えば、加熱器８の温度を大気の温度（冷却水の温度）にすることで、冷却器１０の温度を大気より低い温度とすることができる。

増幅機１６は、原動機５や受動機１１と同様、管軸方向に順に配置された加熱器１３と再生器１４と冷却器１５とからなる。加熱器１３、再生器１４、冷却器１５の構造は、原動機５や受動機１１に用いられるものと同様である。

増幅機１６は、管軸方向に適宜な間隔で任意の複数個が配置されるが、ここでは３つの増幅機１６が示されている。各増幅機１６における冷却器１５には共通の冷熱源を適用することができ、また、各増幅機１６における加熱器１３には共通の加熱源を適用することができる。ここでは、各増幅機１６における冷却器１５の温度をＴｃとし、加熱器１３の温度をＴｃより高温のＴｈとする。

以下、熱音響機関１の動作を説明する。

原動機５において、加熱器２と冷却器４に異なる温度の熱源が適用され、再生器３に温度勾配が生じることにより、熱エネルギが音響エネルギに変換され、第一ループ管６に定在波が生じる。

第一ループ管６で発生した音波は、共鳴管７内を管軸方向に進行波音波として進行する。進行波音波は、１段目の増幅機１６に入力される。この進行波音波は、増幅機１６を通過するとき冷却器１５と加熱器１３に異なる温度の熱源が適用され、再生器１４に温度勾配が生じることにより、増幅される。

なお、熱音響機関１の共鳴管７に増幅機１６を設置すると、音響パワーが増幅されること、及び共鳴管７に増幅機１６を直列多段に配置すると、増幅機１６を経るたびに、音響パワーが増幅されていくことについては、本発明者らがすでに実験で確認し、発明を出願している。

このようにして、各段の増幅機１６において、進行波音波が増幅されるので、最終段の増幅機１６では従来よりもはるかに大きな音響エネルギを受動機１１に輸送することが可能となる。この結果、従来よりも大きな仕事が得られる。したがって、原動機５のみによるエネルギの供給能力が受動機１１における需要に対して十分でない場合でも、増幅機１６からのエネルギの追加によって、受動機１１における需要に対して十分なエネルギ供給が果たせるようになる。

また、原動機５や各段の増幅機１６において、例えば、車両の廃熱から電力を得ようとする場合のように廃熱の温度と大気の温度（あるいは冷却水の温度）の温度差が小さくても、段階的に増幅を行うことにより、受動機１１に輸送するエネルギが大きくできることになる。

以上説明したように、本発明によれば、原動機５が配置された第一ループ管６と、受動機１１が配置された第二ループ管１２とを繋ぐ共鳴管７に増幅機１６を備えるので、受動機１１において従来よりも大きな仕事が得られる。

また、共鳴管７に複数の増幅機１６を備える構成により、個々の増幅機１６における温度差が小さくても、段階的な増幅により受動機１１には大きな音響エネルギが輸送され、その結果、大きな仕事が得られる。

１熱音響機関
２加熱器
３再生器
４冷却器
５原動機
６第一ループ管
７共鳴管
８加熱器
９再生器
１０冷却器
１１受動機
１２第二ループ管
１３加熱器
１４再生器
１５冷却器
１６増幅機

Claims

管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機が配置された第一ループ管と、
前記第一ループ管に一端が接続されて直線状に延びた共鳴管と、
前記共鳴管の反対端に接続され、管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機が配置された第二ループ管とを備えた熱音響機関において、
前記共鳴管に、前記共鳴管の管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、前記共鳴管内を前記第一ループ管から前記第二ループ管に向かって進む進行波を増幅する増幅機を備えたことを特徴とする熱音響機関。
前記増幅機を前記共鳴管の管軸方向に複数備えたことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。