JP5463745B2

JP5463745B2 - 熱音響機関

Info

Publication number: JP5463745B2
Application number: JP2009141615A
Authority: JP
Inventors: 真也長谷川; 康山本; 阿部　　誠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: JP2010286203A

Description

本発明は、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、小型化が可能な熱音響機関に関する。

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、米国ロスアラモス研究所などにおいて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。

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。

図６に示した熱音響機関６１は、加熱器４、再生器５、冷却器６からなる原動機２を取り付けたループ管１に共鳴管３を付加したものである。共鳴管３を設けることにより、自励振動が起こりやすくなり、発振開始温度（加熱器と冷却器の温度差で表す）を低くすることができる。

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、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。

特許第３０５０５４３号公報特開２００６−１４５１７６号公報

従来の熱音響機関においては、共鳴管は加熱器に対して比較的近い位置に設置することで高いエネルギ変換効率が得られると考えられている。

しかしながら、熱音響機関は発振開始温度が低いことも重要な要件である。発振開始温度を低くするための共鳴管の位置については検討された前例がなく、このため加熱器に対して比較的近い位置に設置するという従来の構成が最適かどうかは、明らかでない。

発振開始温度を低くすることができ、しかも、高いエネルギ変換効率が得られることが望ましい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、小型化が可能な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、ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられると共に発振を促進させる共鳴管が設けられた熱音響機関において、上記発振が一次モードの場合に、上記原動機を起点に加熱器の方向に上記ループ管の全長の３０〜３５％、８０〜８５％のいずれかの範囲内となる位置に上記ループ管の一部としての部分管に直交して接続されたＴ字管として形成され、または、上記ループ管の屈曲部の部分に接合されたＹ字管として形成された上記共鳴管が配置されたものである。

また、本発明は、ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられると共に発振を促進させる共鳴管が設けられた熱音響機関において、上記発振が二次モードの場合に、上記原動機を起点に加熱器の方向に上記ループ管の全長の１５〜１７．５％、４０〜４２．５％、６５〜６７．５％、９０〜９２．５％のいずれかの範囲内となる位置に上記ループ管の一部としての部分管に直交して接続されたＴ字管として形成され、または、上記ループ管の屈曲部の部分に接合されたＹ字管として形成された上記共鳴管が配置されたものである。

また、本発明は、ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられると共に発振を促進させる共鳴管が設けられた熱音響機関において、上記発振が三次モード以上の奇数次モードの場合に、上記ループ管の全長をモード数で等分したいずれかの等分片上であって該等分片の原動機側を起点に加熱器の方向に等分片長の３０〜３５％、８０〜８５％のいずれかの範囲内となる位置に上記ループ管の一部としての部分管に直交して接続されたＴ字管として形成され、または、上記ループ管の屈曲部の部分に接合されたＹ字管として形成された上記共鳴管が配置されたものである。

また、本発明は、ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられると共に発振を促進させる共鳴管が設けられた熱音響機関において、上記発振が四次モード以上の偶数次モードの場合に、上記ループ管の全長をモード数で等分したいずれかの等分片上であって該等分片の原動機側を起点に加熱器の方向に等分片長の１５〜１７．５％、４０〜４２．５％、６５〜６７．５％、９０〜９２．５％のいずれかの範囲内となる位置に上記ループ管の一部としての部分管に直交して接続されたＴ字管として形成され、または、上記ループ管の屈曲部の部分に接合されたＹ字管として形成された上記共鳴管が配置されたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）発振開始温度が低くできる。

（２）大きな音響強度が得られる。

（３）小型化が可能となる。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。従来の熱音響機関に対して共鳴管位置を移動させる実験を説明する図であり、図２（ａ）は熱音響機関の構成図、図２（ｂ）はループ管を展開した位置表示図である。本発明者らが実験により得た熱音響機関における共鳴管位置対発振開始加熱器温度の特性グラフである。本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。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１１は、ループ管１に、熱エネルギを該ループ管１内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる原動機２が設けられると共に発振を促進させる共鳴管３が設けられた熱音響機関１１において、上記発振が一次モードの場合に、原動機２を起点に加熱器４の方向にループ管１の全長の３０〜３５％、８０〜８５％のいずれかの範囲内となる位置に共鳴管３が配置されたものである。

原動機２は、加熱器４、再生器５、冷却器６をループ管１の管軸方向に並べたものである。加熱器４、再生器５、冷却器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。

図１の熱音響機関１１の効果を説明する。

本発明者らは、ループ管１に共鳴管３を設ける位置を移動させる実験を通して、発振開始温度が最も低くなる位置及びそれに準じる発振開始温度が低くなる位置を見出した。

図２（ａ）の熱音響機関２１について、図２（ｂ）のようにループ管１の全長を２０等分してループ管１上の位置の指標を置くものとする。原動機２の中心位置を０番とし、加熱器４の方向に１番、２番、…と順に番号を振り、ループ管１を１周する。２０番は０番と等価となる。なお、等分数は、２０に限定するものではなく、等分数を小さくすると位置特定の精度が粗くなり、等分数を大きくすると位置特定の精度は密になるが実験の工数が増加する。

あらかじめ共鳴管３にはループ管１の一部としての部分管１ａを接合し、部分管１ａに共鳴管３が直交して接続されたＴ字管３ａを形成しておく。これにより、ループ管１の任意の位置を切ってＴ字管３ａを挿入することで、共鳴管３の配置位置を容易に移動させることができる。また、ループ管１の屈曲部に挿入するために、屈曲部の部分を共鳴管３に接合したＹ字管も形成しておく。

このようにして、共鳴管３の位置を移動させ、加熱器４と冷却器６の温度差を徐々に大きくすることにより、一次モードで発振させる場合における発振開始温度を調べた。その結果を図３に示す。

ここでは、ループ管１の全長が１９６０ｍｍであり、原動機２の中心位置を０ｍｍとし、加熱器４の方向に０〜１９６０ｍｍまでの共鳴管３の位置を横軸に取る。また、冷却器温度を一定とし、加熱器温度を可変させるものとし、発振が開始された加熱器温度を縦軸に取る。

図３に示されるように、共鳴管３の位置により発振が開始された加熱器温度が異なる。実験した共鳴管位置のうち、１６００ｍｍ近傍と６００ｍｍ近傍において加熱器温度が顕著に低い。

以上の実験結果から、図２を導くことができる。すなわち、ループ管１の全長を２０等分したとき、原動機２を起点に加熱器４の方向に６番〜７番の区間Ａ１、１６番〜１７番の区間Ａ２が最適な共鳴管位置となる。２０等分による距離で位置を表記すると、６／２０〜７／２０、１６／２０〜１７／２０が上記区間Ａ１，Ａ２に対応し、百分率で表記すると、原動機２を起点にループ管１の全長の３０〜３５％、８０〜８５％の範囲で示される位置が最適な共鳴管位置となる。

図３には温度スケールを示さなかったが、最適な共鳴管位置では、発振開始温度を従来より２００℃低くすることができる。

次に、同様の実験を二次モードで発振させる場合について行ったところ、最適な共鳴管位置は、４０等分による距離で表記したとき、６／４０〜７／４０、１６／４０〜１７／４０、２６／４０〜２７／４０、３６／４０〜３７／４０の各区間であった。よって、百分率で表記すると、原動機２を起点にループ管１の全長の１５〜１７．５％、４０〜４２．５％、６５〜６７．５％、９０〜９２．５％の範囲で示される位置が最適な共鳴管位置となる。

さらに、三次モード、四次モードなどの高次モードで発振させる場合についても同様の実験を行ったところ、三次モードの場合はループ管１の全長を３等分した等分片を考え、それぞれの等分片について原動機側を起点に加熱器の方向に等分片長の３０〜３５％、８０〜８５％の範囲で示される位置が最適な共鳴管位置となることが分かった。

四次モードの場合はループ管１の全長を４等分した等分片を考え、それぞれの等分片について原動機側を起点に加熱器の方向に等分片長の１５〜１７．５％、４０〜４２．５％、６５〜６７．５％、９０〜９２．５％の範囲で示される位置が最適な共鳴管位置となることが分かった。

五次以上の高次モードについても、同様に考えることができる。

以上説明したように、本発明の熱音響機関１１によれば、最適な共鳴管位置に共鳴管３を設けたので、従来に比べて発振開始温度が低くなるという効果が得られる。従来では、例えば、冷却器が常温であるとすると常温よりかなり高い温度の加熱器を必要としたのに対し、本発明では、冷却器が常温であるならば常温よりそれほど高くない温度の加熱器が利用できる。

また、本発明の熱音響機関１１によれば、最適な共鳴管位置に共鳴管３を設けたので、発振開始温度が低くてもよいことから発振が容易になり、エネルギ変換効率が向上するので、従来より大きな音響強度が得られる。

また、本発明の熱音響機関１１によれば、最適な共鳴管位置に共鳴管３を設けたので、発振開始温度が低くてもよいことから発振が容易になり、エネルギ変換効率が向上するので、従来より少ない投入エネルギ量で発振が可能となる。

また、本発明の熱音響機関１１によれば、最適な共鳴管位置に共鳴管３を設けたので、少ない投入エネルギ量で発振が可能になるため、小型化が可能となる。小型化により、熱音響機関１１の体積を従来より小さくすることができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図４に示されるように、熱音響機関からなる冷凍装置４１は、ループ管１に、熱エネルギを該ループ管１内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる原動機２が設けられると共に発振を促進させる共鳴管３が設けられ、さらに冷却器７、再生器８、冷凍器９からなる受動機１０が設けられた冷凍装置４１において、発振が一次モードの場合に、図２で説明した区間Ａ２に共鳴管３が配置されたものである。共鳴管３は、区間Ａ１に配置してもよい。共鳴管３は、図１のように屈曲部の接線に対して直交するようにしてもよい。この構成によれば、前述の理由でエネルギ変換効率が向上するので、従来の熱音響冷凍装置に比べて、原動機２における温度差が同じでも冷凍温度を低温にすることができる。発振が二次モード、奇数高次モード、偶数高次モードの場合でも、本発明の効果は同様である。

図５に示されるように、熱音響機関からなる発電装置５１は、ループ管１に、熱エネルギを該ループ管１内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる原動機２が設けられると共に発振を促進させる共鳴管３が設けられ、さらに冷却器、再生器、冷凍器からなるリニア発電機１２が設けられた発電装置５１において、発振が一次モードの場合に、図２で説明した区間Ａ２に共鳴管３が配置されたものである。共鳴管３は、区間Ａ１に配置してもよい。共鳴管３は、図１のように屈曲部の接線に対して直交するようにしてもよい。この構成によれば、前述の理由でエネルギ変換効率が向上するので、従来の熱音響発電装置に比べて、原動機２における温度差が同じでも発電量が増加する。発振が二次モード、奇数高次モード、偶数高次モードの場合でも、本発明の効果は同様である。

１ループ管
２原動機
３共鳴管
４加熱器
５再生器
６冷却器
１１熱音響機関

Claims

ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられると共に発振を促進させる共鳴管が設けられた熱音響機関において、上記発振が一次モードの場合に、上記原動機を起点に加熱器の方向に上記ループ管の全長の３０〜３５％、８０〜８５％のいずれかの範囲内となる位置に上記ループ管の一部としての部分管に直交して接続されたＴ字管として形成され、または、上記ループ管の屈曲部の部分に接合されたＹ字管として形成された上記共鳴管が配置されたことを特徴とする熱音響機関。
ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられると共に発振を促進させる共鳴管が設けられた熱音響機関において、上記発振が二次モードの場合に、上記原動機を起点に加熱器の方向に上記ループ管の全長の１５〜１７．５％、４０〜４２．５％、６５〜６７．５％、９０〜９２．５％のいずれかの範囲内となる位置に上記ループ管の一部としての部分管に直交して接続されたＴ字管として形成され、または、上記ループ管の屈曲部の部分に接合されたＹ字管として形成された上記共鳴管が配置されたことを特徴とする熱音響機関。
ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられると共に発振を促進させる共鳴管が設けられた熱音響機関において、上記発振が三次モード以上の奇数次モードの場合に、上記ループ管の全長をモード数で等分したいずれかの等分片上であって該等分片の原動機側を起点に加熱器の方向に等分片長の３０〜３５％、８０〜８５％のいずれかの範囲内となる位置に上記ループ管の一部としての部分管に直交して接続されたＴ字管として形成され、または、上記ループ管の屈曲部の部分に接合されたＹ字管として形成された上記共鳴管が配置されたことを特徴とする熱音響機関。
ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設けられると共に発振を促進させる共鳴管が設けられた熱音響機関において、上記発振が四次モード以上の偶数次モードの場合に、上記ループ管の全長をモード数で等分したいずれかの等分片上であって該等分片の原動機側を起点に加熱器の方向に等分片長の１５〜１７．５％、４０〜４２．５％、６５〜６７．５％、９０〜９２．５％のいずれかの範囲内となる位置に上記ループ管の一部としての部分管に直交して接続されたＴ字管として形成され、または、上記ループ管の屈曲部の部分に接合されたＹ字管として形成された上記共鳴管が配置されたことを特徴とする熱音響機関。