JP5768687B2 - 熱音響冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱音響冷凍装置に関し、特に、気柱管内に封入された気体に熱音響効果により自励振動を発生させ、この自励振動を利用して冷凍処理を行う熱音響冷凍装置に関する。

図４に示すように、一般的な熱音響冷凍装置５０は、気体が封入された気柱管５１に原動機５２と冷凍機５３とを配設して構成されている。熱音響冷凍装置５０では、原動機５２に外部からの熱が加えられると音波が発生し、この音波の音響パワーが気柱管５１を介して冷凍機５３に流れ込むと、冷凍機５３の温度を低下させることで、対象物の冷凍（冷却）に寄与するようになっている。

原動機５２は、気柱管５１の長手方向に、常温よりも高温状態の熱源と熱交換を行う加熱部熱交換器５４と、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器５５と、これら加熱部・常温部の熱交換器５４，５５間で温度勾配を保持する再生器５６とを配置して構成されている。この原動機５２では、気柱管５１内の気体が加熱部熱交換器５４で常温よりも高温となり、常温部熱交換器５５で常温となることで、再生器５６に温度勾配が形成される。そして、この時に発生する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、気柱管５１内の気体が自励振動を起こすことで、気柱管５１内に音響振動、すなわち音波を発生させる。

冷凍機５３は、気柱管５１の長手方向に、常温よりも低温の熱が取り出されるクーラ部熱交換器５７と、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器５８と、これらクーラ部・常温部の熱交換器５７，５８間で温度勾配を保持する再生器５９とを配置して構成されている。この冷凍機５３では、逆スターリングサイクルと同様のサイクルが行われ、クーラ部熱交換器５７の気体は常温よりも低温となる。そして、この低温と外部の媒体との間で熱交換が行われることで、対象物は冷凍（冷却）される。

原動機５２及び、冷凍機５３の常温部熱交換器５５，５８では、図示しない外部から供給される冷却水等の熱媒体との熱交換により、気体の温度は常温に保たれている。

ところで、熱音響冷凍装置には、気柱管５１の形状や、原動機５２及び冷凍機５３の配置により多様な形態がある。

例えば、図４に示す熱音響冷凍装置５０では、気柱管５１は単一のループ状に形成されており、このループに原動機５２と冷凍機５３とがそれぞれ適切な位置に配置されている。

また、図５に示す熱音響冷凍装置６０では、気柱管５１は、原動機５２を配設した原動機ループ管６２と、冷凍機５３を配設した冷凍機ループ管６３と、これら二つのループ管６２，６３を相互に接続する直線状の接続管６４とを有する。原動機ループ管６２の原動機５２において熱エネルギが音響エネルギに変換されて音波が生じることにより、気柱管５１全体の気体にわたり定在波が形成される。冷凍機ループ管６３では冷凍機５３において音響エネルギが熱エネルギに変換される。

また、図６に示す熱音響冷凍装置７０では、気柱管５１は、冷凍機５３が配設された冷凍機ループ管７２と、冷凍機ループ管７２に接続された直線状の接続管７３とを有する。原動機５２は接続管７３に配設されている。

特開２０１１−２１５３号公報 特開２００６−２１４４０６号公報

ところで、図５，６に示すように冷凍機５３が冷凍機ループ管６３，７２に配設される構造においては、出力が大きくなればなるほど、クーラ部熱交換器５７で低温になった内部気体はループ内を循環する（図７中の矢印参照）。そのため、クーラ部熱交換器５７で生成された冷気が常温部熱交換器５８に到達すると、再生器５９を通ってクーラ側から移動した熱の外部への放出が阻害され、クーラ部の性能も低下することになる。結果として、従来構造の冷凍機５３では、再生器５９で生成された冷凍エネルギの外部への取り出しが十分に行われなくなる問題があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、再生器で生成された冷凍エネルギを外部に効果的に取り出して、冷凍性能を向上させることにある。

上記目的を達成するため、本発明の熱音響冷凍装置は、ループ状に形成され第１の気柱管と、前記第１の気柱管に接続された第２の気柱管と、前記第１の気柱管の長手方向に、常温よりも低温の熱が取り出される第１の熱交換器、常温の熱源と熱交換を行う第２の熱交換器、及び該第１の熱交換器と該第２の熱交換器との間で温度勾配を保持する第１の再生器を配置した冷凍機と、前記第２の気柱管の長手方向に、常温よりも高温の熱源と熱交換を行う第３の熱交換器、常温の熱源と熱交換を行う第４の熱交換器、及び該第３の熱交換器と該第４の熱交換器との間で温度勾配を保持する第２の再生器を配置した原動機とを備える熱音響冷凍装置であって、前記第１の熱交換器を、前記第１の気柱管の長手方向に沿って前記第２の熱交換器よりも長く形成したことを特徴する。

また、前記第１の熱交換器を、前記第１の再生器から前記第１の気柱管と前記第２の気柱管との接続部まで延在させてもよい。

また、前記第２の気柱管が、前記原動機を配設したループ状のループ管と、該ループ管と前記第１の気柱管とを接続する接続管とを有するものであってもよい。

本発明の熱音響冷凍装置によれば、再生器で生成された冷凍エネルギを外部に効果的に取り出して、冷凍性能を向上すことができる。

本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置の要部を示す模式的な断面図である。 他の実施形態に係る熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 従来の熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 従来の熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 従来の熱音響冷凍装置を示す模式的な構成図である。 冷凍機ループ管を回る循環流を示す熱音響冷凍装置の模式的な構成図である。

以下、図１，２に基づいて、本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態の熱音響冷凍装置１は、気体が封入される気柱管２に、原動機３と冷凍機４とを配設したものである。気柱管２は、冷凍機４が配設された冷凍機ループ管（第１の気柱管）２ａと、原動機３が配設された原動機ループ管（第２の気柱管）２ｂと、これら冷凍機ループ管２ａと原動機ループ管２ｂとを接続する直線状の接続管（第２の気柱管）２ｃとを有する。なお、本実施形態において、気柱管２の冷凍機ループ管２ａと接続管２ｃとの接続部２ｄは略Ｔ字状に形成されている。

原動機３は、原動機ループ管２ｂの長手方向に、常温よりも高温状態の熱源と熱交換を行う加熱部熱交換器（第３の熱交換器）５と、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器（第４の熱交換器）６と、これら加熱部・常温部の熱交換器５，６間で温度勾配を保持する再生器（第２の再生器）７とを配置して構成されている。

冷凍機４は、冷凍機ループ管２ａの長手方向に、常温よりも低温の熱が取り出されるクーラ部熱交換器（第１の熱交換器）８と、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器（第２の熱交換器）９と、これらクーラ部・常温部の熱交換器８，９間で温度勾配を保持する再生器（第１の再生器）１０とを配置して構成されている。

次に、図２に基づいて本実施形態のクーラ部熱交換器８の詳細について説明する。

クーラ部熱交換器８は、再生器１０で生成される冷凍エネルギの大部分を外部に取り出すことができるように、冷凍機ループ管２ａの長手方向に沿って常温部熱交換器９よりも長く形成されている。本実施形態において、このクーラ部熱交換器８は、冷凍機ループ管２ａ内を長手方向に沿って再生器１０の側面から冷凍機ループ管２ａと接続管２ｃとの接続部２ｄ（Ｔ字状の分岐部）まで延在して設けられている。

なお、クーラ部熱交換器８は、その接続部２ｄ側に臨む端部８ａが、図２中に破線で示す冷凍機ループ管２ａの屈曲部２ｅ内に突出しないように形成されている。これは、クーラ部熱交換器８の端部８ａが屈曲部２ｅ内まで突出して形成されると、冷凍機ループ管２ａ内の気体の流れが阻害されるためである。

次に、本実施形態に係る熱音響冷凍装置１による作用効果について説明する。

本実施形態の熱音響冷凍装置１では、クーラ部熱交換器８が冷凍機ループ管２ａの長手方向に沿って常温部熱交換器９よりも長く形成されている。すなわち、クーラ部熱交換器８を冷凍機ループ管２ａと接続管２ｃとの接続部２ｄまで延在させたことで、再生器１０で生成された冷凍エネルギは、図２の白抜き矢印で示すように、その大部分がクーラ部熱交換器８の端部８ａに達するまでに外部へと取り出される。その結果、冷凍機ループ管２ａ内の気体は、クーラ部熱交換器８を通過した後には常温となり、冷気がループを回って常温部熱交換器９に達することを効果的に抑制することができる。

したがって、本実施形態の熱音響冷凍装置１によれば、再生器１０で生成される冷凍エネルギの大部分を外部に効果的に取り出すことが可能になると共に、冷凍機４の冷凍性能を効果的に向上することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図３に示すように、気柱管２を冷凍機４が配設された冷凍機ループ管２ａと、この冷凍機ループ管２ａに接続される直線状の接続管２ｃとを備えて構成してもよい。この場合、原動機３は接続管２ｃの適切な位置に配設すればよい。

また、クーラ部熱交換器８は、必ずしも冷凍機ループ管２ａと接続管２ｃとの接続部２ｄまで延在させる必要はなく、再生器１０で生成された冷凍エネルギの大部分を外部に取り出すことができる長さであれば、この接続部２ｄよりも再生器１０側の位置で留められてもよい。

１ 熱音響冷凍装置
２ 気柱管
２ａ 冷凍機ループ管（第１の気柱管）
２ｂ 原動機ループ管（第２の気柱管）
２ｃ 接続管（第２の気柱管）
３ 原動機
４ 冷凍機
５ 加熱部熱交換器（第３の熱交換器）
６ 常温部熱交換器（第４の熱交換器）
７ 再生器（第２の再生器）
８ クーラ部熱交換器（第１の熱交換器）
９ 常温部熱交換器（第２の熱交換器）
１０ 再生器（第１の再生器）

Claims (3)

1. ループ状に形成され第１の気柱管と、
   前記第１の気柱管に接続された第２の気柱管と、
   前記第１の気柱管の長手方向に、常温よりも低温の熱が取り出される第１の熱交換器、常温の熱源と熱交換を行う第２の熱交換器、及び該第１の熱交換器と該第２の熱交換器との間で温度勾配を保持する第１の再生器を配置した冷凍機と、
   前記第２の気柱管の長手方向に、常温よりも高温の熱源と熱交換を行う第３の熱交換器、常温の熱源と熱交換を行う第４の熱交換器、及び該第３の熱交換器と該第４の熱交換器との間で温度勾配を保持する第２の再生器を配置した原動機と、を備える熱音響冷凍装置であって、
   前記第１の熱交換器を、前記第１の気柱管の長手方向に沿って前記第２の熱交換器よりも長く形成したことを特徴する熱音響冷凍装置。
2. 前記第１の熱交換器を、前記第１の再生器から前記第１の気柱管と前記第２の気柱管との接続部まで延在させた請求項１に記載の熱音響冷凍装置。
3. 前記第２の気柱管が、前記原動機を配設したループ状のループ管と、該ループ管と前記第１の気柱管とを接続する接続管とを有する請求項１又は２に記載の熱音響冷凍装置。