JP5453950B2 - Thermoacoustic engine - Google Patents
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本発明は、ループ管型の熱音響機関に係り、特に、多くの音響強度をループ管内に励起でき、発振温度差が小さい熱音響機関に関するものである。 The present invention relates to a loop tube type thermoacoustic engine, and more particularly to a thermoacoustic engine that can excite a large amount of acoustic intensity in a loop tube and has a small oscillation temperature difference.
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、様々な形式がある。これに対し、最近では、米国を中心として構造が単純で、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. There are various types of Stirling engines, such as α type, β type, γ type, and free piston type. On the other hand, recently, research and development of a thermoacoustic engine having a simple structure and no moving parts such as pistons has been actively conducted mainly in the United States.
管の中に薄板や細管を束ねた再生器を配置し、その両端に加熱器、冷却器を設置して温度差を与える(管内の気柱を局部的に加熱または冷却する)と、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、管内の気柱が自励振動を起こし音波(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。この現象を利用したものが熱音響機関である。 If a regenerator with thin plates or thin tubes bundled in a tube and a heater or cooler is installed at each end to give a temperature difference (the air column in the tube is heated or cooled locally), heat energy Is converted into mechanical energy, the air column in the tube undergoes self-excited vibration, and sound waves (acoustic vibration) are generated. This action can be seen thermodynamically as a prime mover. A thermoacoustic engine uses this phenomenon.
逆に、管の一端に音波を加えると加熱器と冷却器とに挟まれた再生器の両端に温度差が生じる。この現象を利用することで、冷凍装置(冷却装置)、昇温装置を実現することが可能である。 Conversely, when a sound wave is applied to one end of the tube, a temperature difference occurs between both ends of the regenerator sandwiched between the heater and the cooler. By utilizing this phenomenon, it is possible to realize a refrigeration apparatus (cooling apparatus) and a temperature raising apparatus.
図2に示すように、従来の熱音響機関21は、冷却器(低温側熱交換器)22、再生器(蓄熱器、スタック)23、加熱器(高温側熱交換器)24からなる原動機25をループ管26に1組有するものが一般的である(例えば、特許文献1,2参照)。この熱音響機関21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、熱音響冷凍機が構成される。
As shown in FIG. 2, a conventional
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、熱音響機関21を車両に搭載する場合、原動機25の加熱器24にエンジンの排気熱を高温源として供給し、原動機25の冷却器22に大気を低温源として供給すると共に、受動機の高温側熱交換器に大気を高温源として供給することで、受動機の低温側熱交換器側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。この冷熱出力を用いて、例えば、車両に搭載された各種クーラ(例えば、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタなど)を機能させることができる。
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, when the
しかしながら、図2のようなループ管型の熱音響機関21では、音波の発生源である熱交換器(冷却器22、加熱器24)が必ず音圧の腹(定在波の腹)に位置してしまう。音圧の腹では、流体変位が微小であるために大きな熱交換を行うことができない。そのため、ループ管26のみで形成された従来の熱音響機関21では、大きな出力を発揮することができなかった。
However, in the loop tube type
また、熱音響機関21において原動機25で自励発振を発生させるには、冷却器22に供給する低温源を大気とした場合、加熱器24に供給する高温源として300℃程度の熱源が必要となる。しかし、低温熱源の利用等を考慮すると、発振温度差は小さいことが望ましい。発振温度差とは、原動機25が自励発振を発生するときの冷却器22と加熱器24の温度差のことである。
Further, in order to generate self-excited oscillation by the
そこで、本発明の目的は、多くの音響強度をループ管内に励起でき、発振温度差が小さい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 can excite a large amount of acoustic intensity in a loop tube and has a small oscillation temperature difference.
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、ループ管に、熱エネルギを前記ループ管内の音響エネルギに変換する加熱器・蓄熱器・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、前記ループ管に振動膜を設けた熱音響機関である。 The present invention was devised to achieve the above object, and a thermoacoustic provided with a prime mover comprising a heater, a heat accumulator, and a cooler that converts thermal energy into acoustic energy in the loop tube. The engine is a thermoacoustic engine in which a vibration film is provided on the loop tube.
前記振動膜は、前記ループ管の前記原動機を設けた位置を起点とし、前記原動機の加熱器側から前記ループ管の全長の5〜10%、または55〜60%の位置に設けられてもよい。 The vibration membrane may be provided at a position of 5 to 10% or 55 to 60% of the total length of the loop pipe from the heater side of the prime mover starting from a position where the prime mover of the loop pipe is provided. .
振動モードがn次(nは1以上の自然数)であり、前記振動膜は、前記ループ管の前記原動機を設けた位置を起点として前記ループ管をn等分し、該分割したループ管の前記原動機の加熱器側から5〜10%、または55〜60%の位置に設けられてもよい。 The vibration mode is n-order (n is a natural number of 1 or more), and the vibration membrane divides the loop tube into n equal parts starting from the position where the prime mover of the loop tube is provided. It may be provided at a position of 5 to 10% or 55 to 60% from the heater side of the prime mover.
本発明によれば、多くの音響強度をループ管内に励起でき、発振温度差が小さい熱音響機関を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a thermoacoustic engine that can excite a large amount of acoustic intensity in a loop tube and has a small oscillation temperature difference.
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1(a)は、本実施の形態に係る熱音響機関の構成図である。 Fig.1 (a) is a block diagram of the thermoacoustic engine which concerns on this Embodiment.
図1(a)に示すように、熱音響機関1は、ループ管2に、熱エネルギをループ管2内の音響エネルギに変換する原動機3を設けたものである。
As shown in FIG. 1A, the thermoacoustic engine 1 is provided with a
原動機3は、冷却器4、再生器5、加熱器6をループ管2の管軸方向に並べたものである。冷却器4、再生器5、加熱器6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
熱音響機関1では、ループ管2に振動膜7が設けられる。振動膜7は、振動を維持可能なものであればよく、例えば、ゴム膜からなる。
In the thermoacoustic engine 1, a vibrating
振動膜7は、ループ管2の原動機3を設けた位置(再生器5の管軸方向の中心位置)を起点とし、原動機3の加熱器6側からループ管2の全長の5〜10%の位置A、または55〜60%の位置Bに設けられる。図1(a)では、ループ管2の全長の55〜60%の位置Bに振動膜7を設けた場合を示している。
The
振動膜7は、ループ管2内部に封入された作動流体(気体)を通過させないように、管軸方向に対して垂直に、かつ管壁に密着して設置される。
The vibrating
図1(a)の熱音響機関1において、ループ管2を直線状に展開した展開図を図1(b)に示す。なお、図1(b)では、振動膜7を省略している。
In the thermoacoustic engine 1 of FIG. 1A, a development view in which the
図1(b)に示すように、振動膜7は、ループ管2を管軸方向に20分割したときに、原動機3を設けた位置から加熱器6側に1/20〜2/20の範囲である位置A、あるいは11/20〜12/20の範囲である位置Bのいずれかに配置される。なお、振動膜7はどちらかの位置A,Bに一つだけ取り付ければよい。
As shown in FIG. 1B, the
本実施の形態の作用を説明する。 The operation of the present embodiment will be described.
本実施の形態に係る熱音響機関1では、ループ管2の原動機3を設けた位置を起点とし、原動機3の加熱器6側からループ管2の全長の5〜10%の位置A、または55〜60%の位置Bに、振動膜7を設けている。
In the thermoacoustic engine 1 according to the present embodiment, starting from the position where the
上述のように、従来の熱音響機関では、音波の発生源である熱交換器が必ず音圧の腹に位置してしまうため、熱交換器にて大きな熱交換を行うことができなかった。 As described above, in the conventional thermoacoustic engine, the heat exchanger, which is a sound wave generation source, is always located at the antinode of the sound pressure, and thus it has not been possible to perform large heat exchange with the heat exchanger.
熱音響機関1では、ループ管2の上述の位置A,Bいずれかに振動膜7を設けているため、擬似的に振動膜7を設けた位置にループ管2内に封入された作動流体の流速の最小位置を形成することが可能となる。その結果、定常状態での音圧の位相(定在波の位相)が変化し、熱交換器(冷却器4、加熱器6)が音圧の腹(定在波の腹)に位置しなくなる。つまり、熱交換器4,6において適切な流体変位を保つことが可能となり、熱交換器4,6における作動流体の流体変位が大きくなる。よって、熱交換器4,6にて大きな熱交換を行うことが可能となり、エネルギ変換効率が向上し、多くの音響強度をループ管2内に励起することが可能となる。
In the thermoacoustic engine 1, since the
したがって、熱音響機関1に受動機を組み込んで熱音響冷凍装置として用いた場合、従来と比較して、低温を実現することができる。また、熱音響機関1に音響エネルギを電気エネルギに変換する発電機を組み込んで熱音響発電装置として用いた場合、従来と比較して、発電量の向上が可能である。 Therefore, when a passive machine is incorporated in the thermoacoustic engine 1 and used as a thermoacoustic refrigeration apparatus, a low temperature can be realized as compared with the conventional one. Further, when a generator for converting acoustic energy into electric energy is incorporated in the thermoacoustic engine 1 and used as a thermoacoustic power generator, the amount of power generation can be improved as compared with the conventional case.
また、熱音響機関1によれば、ループ管2の上述の位置A,Bいずれかに振動膜7を設けているため、発振温度差を大幅に下げることが可能となり、少ない投入エネルギ量での発振が可能となる。そのため、装置全体の小型化が可能となり、機器全体の体積を減少させることが可能である。
Further, according to the thermoacoustic engine 1, since the
上記実施の形態では、振動モードが1次である場合を説明したが、1次以上のn次(nは1以上の自然数)の振動モードで用いる場合、ループ管2の原動機3を設けた位置を起点としてループ管2をn等分し、分割したループ管2の原動機3の加熱器6側から5〜10%、または55〜60%の位置に、振動膜7を設けるようにすればよい。振動膜7は分割したループ管2それぞれに設ける必要はなく、ループ管2全体で1つ設ければよい。
In the above embodiment, the case where the vibration mode is the first order has been described. However, when the vibration mode is used in the first or higher order n order (n is a natural number of 1 or more), the position where the
1 熱音響機関
2 ループ管
3 原動機
4 冷却器
5 再生器
6 加熱器
7 振動膜
1
Claims (3)
前記ループ管に管軸方向に対して垂直に、かつ管壁に密着させてゴム膜からなる振動膜を設け、
前記加熱器と前記冷却器が、定常状態で音圧の定在波の腹に位置しなくなる位置に、前記振動膜を設けたことを特徴とする熱音響機関。 In a thermoacoustic engine provided with a prime mover composed of a heater, a heat accumulator, and a cooler that converts heat energy into acoustic energy in the loop tube,
The loop pipe is provided with a vibration film made of a rubber film in a direction perpendicular to the pipe axis direction and in close contact with the pipe wall ,
The thermoacoustic engine , wherein the vibration membrane is provided at a position where the heater and the cooler are not positioned on the antinodes of a standing wave of sound pressure in a steady state .
前記振動膜は、前記ループ管の前記原動機を設けた位置を起点として前記ループ管をn分割し、該分割したループ管の前記原動機の加熱器側から5〜10%、または55〜60%の位置に設けられる請求項1記載の熱音響機関。 The vibration mode is n-order (n is a natural number of 1 or more),
The vibrating membrane divides the loop pipe into n starting from the position where the prime mover of the loop pipe is provided, and is 5 to 10% or 55 to 60% from the heater side of the prime mover of the divided loop pipe The thermoacoustic engine of Claim 1 provided in a position.
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