JP5532938B2 - 熱音響機関 - Google Patents

Description

本発明は、ループ管に原動機と受動機が設けられた熱音響機関に係り、ループを短くすることができる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、米国などにおいて、構造が単純でピストンやクランクで構成された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、管の軸方向に、高温熱源との熱交換を行う加熱器と、低温熱源との熱交換を行う冷却器と、これら加熱器と冷却器との間で温度勾配を保持する再生器とを配置して構成される。管内の作動流体をある場所で局部的に加熱し、別のある場所で冷却すると、熱エネルギの一部が力学的エネルギである音響エネルギに変換されて管内の作動流体が自励振動を起こし、管内に音響振動すなわち音波が発生する。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。この原理で熱エネルギを力学的エネルギにエネルギ変換を行うものが熱音響機関である。

図６に示されるように、従来の熱音響機関６１は、円筒管をループ状に閉じてなるループ管６２に、加熱器６３と再生器６４と冷却器６５とが順に並べられた原動機６６が設置されたものである。

特許第３０５０５４３号公報 特開２００９−７４７３４号公報

従来の熱音響機関６１では、ループ管６２内に、ループ長と同じ長さの波長を有する一次モードの共振振動が発生する。ループ管６２の１周内に、音圧の腹が２箇所、音圧の節が２箇所生じる。一方の音圧の腹における位相を０°とすると、もう一方の音圧の腹における位相は１８０°となる。

このとき共振周波数はループ長に規定されるので、低周波の共振を得たい場合は、ループ長を長くしなくてはならない。しかし、ループ長を長くすると、ループ管６２を設置するスペースが大きくなる。

また、従来の熱音響機関６１では、音響エネルギの輸送をループ管６２が兼ねるので、ループ長が長くなると、音響エネルギの散逸が生じ、図示しない受動機にて取り出すことのできる音響エネルギ、すなわち出力が低下する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ループを短くすることができ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、作動流体が充填されたループ管に、加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設置された熱音響機関において、前記ループ管に、片側と反対側で作動流体の位相を反転させる位相反転機構が設置され、前記位相反転機構は、片側の作動流体に面して前記ループ管内を塞ぐ片側振動子と、反対側の作動流体に面して前記ループ管内を塞ぐ反対側振動子と、これら２つの振動子間に挟まれ、前記片側振動子が近づくと直角方向に膨らむことにより前記反対側振動子を近づけ、前記片側振動子が遠ざかると直角方向に縮むことにより前記反対側振動子を遠ざける伸縮リンクと、を備え、前記片側振動子と前記反対側振動子は、適宜な質量を有する剛体からなる円柱又は円盤を前記ループ管内で滑らかに摺動できるように構成されたものである。

前記位相反転機構は直動発電機を備え、前記直動発電機の固定子が前記ループ管に対して固定であり、前記直動発電機の可動子が前記いずれかの振動子と前記伸縮リンクとの間に挿入されてこれら振動子と連動するよう構成されてもよい。

前記直動発電機は、前記固定子と、前記可動子と、前記固定子に巻き付けられたコイルと、前記可動子に取り付けられた磁石と、を有し、前記可動子が振動すると、前記可動子の振動に伴う前記磁石の位置変化に応じて前記固定子を通る磁路が変化し前記コイルに交わる磁束が交互に逆方向に発生してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ループを短くすることができる。

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の熱音響機関に用いられる位相反転機構の詳細図である。 図２の位相反転機構における伸縮リンクの動作原理説明図である。 本発明の他の実施形態を示す熱音響機関の構成図である。 図４の熱音響機関に用いられる直動発電機の構造と動作を説明する図である。 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、作動流体が充填されたループ管２に、加熱器３・再生器４・冷却器５からなる原動機６が設置された熱音響機関１において、ループ管２に、片側と反対側で作動流体の位相を反転させる位相反転機構７が設置されたものである。

ループ管２は、円筒管がループ状に閉じられたものであり、内部に作動流体が充填される。作動流体には、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの気体を用いるのが好ましい。

加熱器３は、円筒管の内部に複数の内部フィン（図示せず）が配置され、円筒管の周囲に複数の外部フィン（図示せず）が配置されてなる。加熱器３から軸方向に適宜な距離を隔てた箇所に冷却器５が設けられる。冷却器５は、加熱器３と同様に、円筒管の内部に複数の内部フィンが配置され、円筒管の周囲に複数の外部フィンが配置されてなる。加熱器３と冷却器５との間には、複数の金網を軸方向に積層したもの、あるいは多孔質セラミックスなどからなる再生器４が設けられる。

図２に示されるように、位相反転機構７は、片側の作動流体に面してループ管２内を塞ぐ片側振動子２１と、反対側の作動流体に面してループ管２内を塞ぐ反対側振動子２２と、これら２つの振動子２１，２２間に挟まれ、片側振動子２１が近づくと直角方向に膨らむことにより反対側振動子２２を近づけ、片側振動子２１が遠ざかると直角方向に縮むことにより反対側振動子２２を遠ざける伸縮リンク２３とを備える。

片側振動子２１と反対側振動子２２は、適宜な質量を有する剛体からなる円柱又は円盤をループ管２内で滑らかに摺動できるように構成された、いわゆるピストンであり、このピストンの軸が適宜な弾性係数を有するスパイラルリング等のバネ２４に支持されることにより、ピストンが弾性的に軸方向移動自在に支持される。あるいは、片側振動子２１と反対側振動子２２は、適宜な弾性を有する膜がループ管２の内壁全周に固定され、この弾性膜の中央部分が振動するように構成されたものであってもよい。

伸縮リンク２３は、２本の交差する中間アーム２５が交差角度が開閉自在な中間支点部２６で支えられ、それぞれの中間アーム２５に、開閉自在な入力側支点部２７で支えられた２本の入力アーム２８と開閉自在な出力側支点部２９で支えられた２本の出力アーム３０が径方向移動自在な外側支点部３１，３２において連結されたものである。入力側支点部２７には片側振動子２１が連結され、出力側支点部２９には反対側振動子２２が連結される。

図３に示されるように、入力側支点部２７が中間支点部のほうに押されると、２本の入力アーム２８の内角が開き、これに伴い２本の中間アーム２５の左右の内角が開き、外側支点部３１，３２が径方向に離れる。この結果、出力アーム３０の角度が開くことにより、出力側支点部が中間支点部のほうに引き寄せられる。入力側支点部が中間支点部から引き離されると、入力アームの角度が狭まり、これに伴い２本の中間アームの左右の角度が狭まり、中間アームが横に長くなる。この結果、出力アームの角度が狭まることにより、出力側支点部が中間支点部から遠ざけられる。つまり、伸縮リンク２３は、図２の片側振動子２１が右へ移動すれば反対側振動子２２が左へ移動するというように、片側振動子２１の移動運動を反転させて反対側振動子２２に伝達するものである。

本発明の熱音響機関１の作用効果を説明する。

図１に示されるように、本発明の熱音響機関１は、ループ管２に位相反転機構７が設置されている。位相反転機構７では、片側振動子２１が右へ移動すれば反対側振動子２２が左へ移動するというように、片側振動子２１の移動運動が反転して反対側振動子２２に伝達される。このため、片側振動子２１に作動流体の振動である音波の振動が伝達されると、その振動が反対側振動子２２では位相が反転されて伝達され、反対側振動子２２によって作動流体が加振されるので、片側振動子２１に入力された音波とは位相が反転した音波が生成される。

このことは、図６の従来の熱音響機関において、一方の音圧の腹である位相０°の箇所からもう一方の音圧の腹である位相１８０°の箇所までのループ管が位相反転機構７に置き換えられたのと等価である。すなわち、本発明の熱音響機関１は、従来の熱音響機関と同等に発振する。ここで、本発明の熱音響機関１の音圧の腹である位相０°の箇所からもう一方の音圧の腹である位相１８０°の箇所までのループ管２の長さと、従来の熱音響機関の音圧の腹である位相０°の箇所からもう一方の音圧の腹である位相１８０°の箇所までのループ管６２の長さが同じとすれば、両熱音響機関は同じ周波数で発振する。

この結果、同じ共振周波数を得るのに、本発明の熱音響機関１は、従来の熱音響機関よりループ長が短い。特に、低周波では、ループ長が大変に長く、これに比して位相反転機構７が占める長さは微小であるため、ループ長は従来の約半分となる。よって、ループ管２を設置するスペースが小さくできる。

また、本発明の熱音響機関１は、従来の熱音響機関よりループ長が短いため、音響エネルギの散逸が防止され、図示しない受動機にて音響エネルギから熱エネルギを取り出そうとするとき、十分に大きな出力を得ることができる。

次に、本発明の変形実施形態を説明する。

図４に示されるように、本発明の熱音響機関４１は、これまで述べた熱音響機関１の構成に加えて位相反転機構７に直動発電機４２を備える。直動発電機４２は、磁性体からなる固定子に対する磁性体からなる可動子の直線移動により磁束が変化することを利用して巻き線に起電力を生じさせるものである。

図５（ａ）〜図５（ｃ）に示されるように、直動発電機４２は、固定子５１と、可動子５２と、固定子５１に巻き付けられたコイル５３と、可動子５２に取り付けられた磁石５４とを有する。

固定子５１は、いわゆる外側ヨークであり、内側ヨークである可動子５２の外周を覆うように設けられる。固定子５１は、軸方向中央部で分離された内壁部５１ａ、５１ｂと、ヨーク内壁部５１ａ、５１ｂの軸方向両端から径方向に延びた端面部５１ｃ、５１ｄと、端面部５１ｃ、５１ｄ間にわたる外壁部５１ｅとを有する。コイル５３は、内壁部５１ａ、５１ｂと端面部５１ｃ、５１ｄと外壁部５１ｅで囲まれたリング状の空間に収容される。

固定子５１は、図４のループ管２に対して固定に設けられる。

可動子５２は、固定子５１よりも軸方向に長く形成された円柱状の本体部５２ａと、本体部５２ａの外周面の軸方向両端部より径方向外方に突き出され固定子５１に対してエアギャップを介して臨む突起部５２ｂとを一体的に構成したものである。本体部５２ａの外周面の軸方向中央部に磁石５４が取り付けられ、磁石５４は固定子５１に対してエアギャップを介して臨む。

可動子５２は、図４のように片側振動子２１と伸縮リンク２３との間に挿入されるか、又は反対側振動子２２と伸縮リンク２３との間に挿入されて、片側振動子２１及び反対側振動子２２と連動するよう構成される。

次に、直動発電電動機４２における発電動作を説明する。

図５（ｂ）では、可動子５２が可動子５２の振動による往復運動範囲の中間に位置している状態を示している。このとき、磁石５４による磁路は、本体部５２ａ、突起部５２ｂ、内壁部５１ｂ（又は５１ａ）を通る短い閉磁路を形成する。この閉磁路による磁束はコイル５３に交わらないため発電に関与しない。

図５（ａ）のように、可動子５２が可動子５２の振動による往復運動範囲の一端に位置している状態では、磁石５４が内壁部５１ｂに対向して位置する。このとき磁石５４による磁路は、本体部５２ａ、突起部５２ｂ、端面部５１ｃ、外壁部５１ｅ、端面部５１ｄ、内壁部５１ｂを通る。この閉磁路により、コイル５３に交わる磁束が発生する。

図５（ｃ）のように、可動子５２が可動子５２の振動による往復運動範囲の反対端に位置している状態では、磁石５４が内壁部５１ａに対向して位置する。このとき磁石５４による磁路は、本体部５２ａ、突起部５２ｂ、端面部５１ｄ、外壁部５１ｅ、端面部５１ｃ、内壁部５１ａを通る閉磁路を形成する。この閉磁路により、コイル５３に交わる磁束が発生する。図５（ａ）と図５（ｃ）では磁束の方向が逆方向である。

以上のように、可動子５２が振動すると、可動子５２の振動に伴う磁石５４の位置変化に応じて固定子５１を通る磁路が変化しコイル５３に交わる磁束が交互に逆方向に発生するので、大きな磁束密度変動が発生して発電が行われる。

図４の熱音響機関４１は、位相反転機構７に直動発電機４２を備えるので、作動流体の振動と共に位相反転機構７が単振動するとき、可動子５２が移動して磁束が変化してコイル５３に起電力が生じる。これにより、原動機６から入力した熱エネルギに応じて直動発電機４２から電気エネルギを取り出すことができる。従来の熱音響機関６１のループ管６２に受動機として直動発電機を設ける場合に比べ、本発明では位相反転機構７に直動発電機４２を備えるので、ループ管２が短くできるだけでなく、直動発電機４２を追加するためのスペースが節約される。

以上説明したように、本発明によれば、ループ長が従来の約半分になることで、省スペース及び材料節約の効果が大である。

また、本発明によれば、ループ管２が短縮されたことにより、熱音響機関１，４１の体積及び重量を小さくすることができる。

また、本発明によれば、ループ長が短いので、エネルギの散逸が防止される。この結果、少ない熱エネルギの入力で作動流体を発振させることが可能となる、あるいは、熱エネルギの入力が同じならば、高い出力を取り出すことができる。

１ 熱音響機関
２ ループ管
３ 加熱器
４ 再生器
５ 冷却器
６ 原動機
７ 位相反転機構
２１ 片側振動子
２２ 反対側振動子
２３ 伸縮リンク
４２ 直動発電機
５１ 固定子
５２ 可動子

Claims (3)

1. 作動流体が充填されたループ管に、加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設置された熱音響機関において、
   前記ループ管に、片側と反対側で作動流体の位相を反転させる位相反転機構が設置され、
   前記位相反転機構は、
   片側の作動流体に面して前記ループ管内を塞ぐ片側振動子と、
   反対側の作動流体に面して前記ループ管内を塞ぐ反対側振動子と、
   これら２つの振動子間に挟まれ、前記片側振動子が近づくと直角方向に膨らむことにより前記反対側振動子を近づけ、前記片側振動子が遠ざかると直角方向に縮むことにより前記反対側振動子を遠ざける伸縮リンクと、
   を備え、
   前記片側振動子と前記反対側振動子は、適宜な質量を有する剛体からなる円柱又は円盤を前記ループ管内で滑らかに摺動できるように構成されたことを特徴とする熱音響機関。
2. 前記位相反転機構は直動発電機を備え、
   前記直動発電機の固定子が前記ループ管に対して固定であり、
   前記直動発電機の可動子が前記いずれかの振動子と前記伸縮リンクとの間に挿入されてこれら振動子と連動するよう構成されることを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
3. 前記直動発電機は、
   前記固定子と、
   前記可動子と、
   前記固定子に巻き付けられたコイルと、
   前記可動子に取り付けられた磁石と、
   を有し、
   前記可動子が振動すると、前記可動子の振動に伴う前記磁石の位置変化に応じて前記固定子を通る磁路が変化し前記コイルに交わる磁束が交互に逆方向に発生することを特徴とする請求項２記載の熱音響機関。

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