JP5532959B2

JP5532959B2 - 熱音響機関

Info

Publication number: JP5532959B2
Application number: JP2010013416A
Authority: JP
Inventors: 真也長谷川; 智久窄; 阿部　　誠; 康山本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: JP2011149670A

Description

本発明は、ループ管に原動機が設けられた熱音響機関に係り、ループ管の最適な曲げ部の個数及び位置を有す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３に示されるように、従来の熱音響機関３１は、円筒管３２をループ状に閉じてなるループ管３３に、加熱器３４と再生器３５と冷却器３６とが順に並べられた原動機３７が設置されたものである。

特許第３０５０５４３号公報特開２００６−１４５１７６号公報

ところで、従来の熱音響機関３１は、ループ管３３が直線部と曲げ部とを４つずつ組み合わせて構成される。すなわち、原動機３７が設置された長辺直線部３８ａの両端に、最小曲げアール等の適宜な曲げアールで９０°曲げられた曲げ部３９ａ，３９ｄが設けられ、それぞれの曲げ部に短辺直線部３８ｂ，３８ｄが繋がり、それぞれ曲げ部３９ｂ，３９ｃを介して原動機３７とは対向側の長辺直線部３８ｃに繋がる。巨視的に見ると、ループ管３３は四角形（長方形）に曲げられることで閉じられている。

しかしながら、一般に熱音響機関においては、曲げ部があると、そこに流速の腹（＝音圧の節）が生じやすい。このため、４つの曲げ部３９ａ〜３９ｄを有する熱音響機関３１においては、音圧の節が４箇所形成されやすいことになる。

一方、一般に熱音響機関においては、熱交換効率を向上させるために最適な音圧の節の箇所は２箇所である。これに対して、従来の熱音響機関３１は、音圧の節が４箇所形成されるので、熱交換効率が低下し、同じ熱エネルギの入力に対し音響エネルギの出力が小さい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ループ管の最適な曲げ部の個数及び位置を有す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、円筒管をループ状に閉じてなるループ管に、加熱器と再生器と冷却器とが順に並べられた原動機が設置された熱音響機関において、前記円筒管の曲げ部が前記ループ管に２箇所のみ形成され、それぞれの曲げ部における曲げ角度が１８０°であり、それぞれの曲げ部がループ長の２０等分の区画の１つ分に相当する範囲の中に含まれ、音圧の節がそれぞれの曲げ部に形成されると共に音圧の腹が前記原動機から外れた位置に形成される熱音響機関である。

前記２箇所の曲げ部が前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の３０〜３５％の位置と８０〜８５％の位置に設けられてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ループ管の最適な曲げ部の個数及び位置を有する熱音響機関が提供される。

（ａ）は本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図、（ｂ）はループ管を展開して示した配置区画図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態による曲げ部の拡大図である。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、円筒管２をループ状に閉じてなるループ管３に、加熱器４と再生器５と冷却器６とが順に並べられた原動機７が設置された熱音響機関１である。この熱音響機関１において、円筒管２の曲げ部８ａ，８ｂがループ管３に２箇所のみ形成され、それぞれの曲げ部８ａ，８ｂにおける曲げ角度が１８０°である。

ループ管３は、直線部９ａ，９ｂと曲げ部８ａ，８ｂとを２つずつ組み合わせて構成される。すなわち、原動機７が設置された直線部９ａの両端に、１８０°曲げられた曲げ部８ａ，８ｂが設けられ、それぞれの曲げ部８ａ，８ｂに原動機７とは対向側の直線部９ｂが繋がることで、円筒管２がループ状に閉じられている。

ループ管３の内部には、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４は、円筒管２の内部に複数の内部フィン（図示せず）が配置され、円筒管２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４から軸方向に適宜な距離を隔てた箇所に冷却器６が設けられる。冷却器６は、加熱器４と同様に、円筒管２の内部に複数の内部フィンが配置され、円筒管２の周囲に複数の外部フィンが配置されてなる。加熱器４と冷却器６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５が設けられる。

本発明の熱音響機関の作用効果を説明する。

すでに説明したように、一般に熱音響機関においては、曲げ部があると、そこに流速の腹（＝音圧の節）が生じやすい。このため、２つの曲げ部８ａ，８ｂのみを有する本発明の熱音響機関１においては、音圧の節が２箇所のみ形成されることになる。

一方、すでに説明したように、一般に熱音響機関においては、熱交換効率を向上させるために最適な音圧の節の箇所は２箇所である。本発明の熱音響機関１においては、音圧の節が２箇所のみ形成されるので、熱交換効率が向上し、従来に比して同じ熱エネルギの入力に対し音響エネルギの出力が大きくなる。

本発明者らは、上記の作用効果をいっそう良好にするため、曲げ部８ａ，８ｂをどの位置に配置するとよいか検討することにした。

このために、原動機７の中心（再生器５の中心）を基準とし、ループ長を２０等分してなる２０の区画を定義する。原動機７から見て何番目と何番目の区画に、２つの曲げ部８ａ，８ｂが配置されるとよいかを発振温度差（音響振動の発生に最低必要な加熱器と冷却器の温度差）により調べた。発振温度差が小さい区画が曲げ部８ａ，８ｂの配置に好ましい区画となり、最も発振温度差が小さい２箇所の区画を見いだせばそれが最適の配置を示すこととなる。曲げ部８ａ，８ｂの位置は、曲げ部の中心の位置で表す。

調査の結果、図１（ｂ）に示されるように、区画Ａ１（６／２０〜７／２０）、すなわち基準からループ管３の全長の３０〜３５％の位置に曲げ部８ａを配置し、区画Ａ２（１６／２０〜１７／２０）、すなわち基準からループ管３の全長の８０〜８５％の位置に曲げ部８ｂを配置するのが最適であることが分かった。

区画Ａ１に曲げ部８ａを配置し、区画Ａ２に曲げ部８ｂを配置することにより、音圧の節が区画Ａ１と区画Ａ２に形成される。したがって、音圧の腹は区画Ａ１と区画Ａ２のちょうど中央に形成される。よって、音圧の腹は、原動機７から外れた位置に形成されることになる。図３の熱音響機関３１では、音圧の腹（＝流速の節）が原動機３７の位置に形成されるが、音圧の腹では流体変位が微小であるため、大きな熱交換を行うことができず、熱交換効率が低くなる。これに対して本発明の熱音響機関１は、２箇所の曲げ部８ａ，８ｂに音圧の節が形成されるので、音圧の腹が原動機７から外れた位置に形成される。よって、原動機７の熱交換器（加熱器４及び冷却器６）において適切な大きさの流体変位を確保することができ、熱交換効率が向上する。

次に、曲げ部の定義と実施形態を説明する。

本発明における曲げ部８ａ，８ｂは、円筒管２が１８０°曲げられたものであるが、その形態は種々考えられる。

図２（ａ）の曲げ部２１は、曲げの開始から終了まで、最小の曲率半径を保って曲げたもので、曲げの内側の曲率半径はほぼ０、曲げの外側の曲率半径は円筒管２の直径とほぼ等しい。これにより、直線部９ａと直線部９ｂは接する。

図２（ｂ）の曲げ部２２は、曲げの開始から終了まで適宜な曲率半径を保って曲げたものである。曲げの内側の曲率半径に対して曲げの外側の曲率半径が円筒管２の直径だけ大きい。直線部９ａと直線部９ｂの間は離れている。

図２（ｃ）の曲げ部２３は、軸に対して４５°の角度で切った円筒管２をつなぎ合わせたもので、曲げの外側にも曲げの内側にも直角部分がある。また、直線部９ａと直線部９ｂの間に、ごく短い直線部が存在する。

図２（ｄ）の曲げ部２４は、曲げの内側において曲げの開始から終了まで適宜な曲率半径を保っており、直線部９ａと直線部９ｂの間は離れている。曲げの外側には、アールの部分と直線の部分がある。

本発明では、ループ長に対して十分に短い範囲、例えば、図１（ｂ）に示した２０等分の区画の１つ分に相当する範囲の中にトータル１８０°の曲げが含まれていれば、１箇所で１８０°曲げられたものと定義する。よって、図２（ａ）〜（ｄ）に示したものは、全て本発明の曲げ部に含まれる。例えば、図２（ｂ）の曲げ部２２や図２（ｃ）の曲げ部２３は、曲げの開始から終了までが区画の１つ分に相当する範囲Ａに含まれている。

以上説明したように、本発明によれば、ループ管３の２箇所のみに曲げ角度が１８０°の曲げ部８ａ，８ｂが形成されたので、音圧の節の箇所が２箇所となり、熱交換効率が向上する。

また、本発明によれば、２箇所の曲げ部８ａ，８ｂが原動機７から加熱器４の方向にループ管３の全長の３０〜３５％の位置と８０〜８５％の位置に設けられたので、エネルギ変換効率が向上し、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、原動機３７において冷却器３６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３４を必要としたのに対し、本発明では、冷却器６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４が利用できる。

また、本発明によれば、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、本発明によれば、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、本発明によれば、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１の体積を従来より小さくすることができる。

また、本発明によれば、エネルギ変換効率が向上するので、ループ管３に受動機として冷凍機、冷却機を組み込んで冷凍装置、冷却装置を構成した場合、従来と比較して、冷凍・冷却性能を飛躍的に向上させることができる。

また、本発明によれば、エネルギ変換効率が向上するので、ループ管３に受動機として発電機を組み込んで発電する場合、従来と比較して、発電量を飛躍的に向上させることができる。

１熱音響機関
２円筒管
３ループ管
４加熱器
５再生器
６冷却器
７原動機
８ａ，８ｂ曲げ部
９ａ，９ｂ直線部

Claims

円筒管をループ状に閉じてなるループ管に、加熱器と再生器と冷却器とが順に並べられた原動機が設置された熱音響機関において、
前記円筒管の曲げ部が前記ループ管に２箇所のみ形成され、それぞれの曲げ部における曲げ角度が１８０°であり、それぞれの曲げ部がループ長の２０等分の区画の１つ分に相当する範囲の中に含まれ、音圧の節がそれぞれの曲げ部に形成されると共に音圧の腹が前記原動機から外れた位置に形成されることを特徴とする熱音響機関。
前記２箇所の曲げ部が前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の３０〜３５％の位置と８０〜８５％の位置に設けられたことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。