JP5768688B2 - 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１０に示すように、一般的な熱音響冷凍装置５０は、気体が封入されたループ状の気柱管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の軸方向に、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の軸方向に、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。

特開２０１１−２１５３号公報 特開２００６−２１４４０６号公報

ところで、上述した従来の熱音響冷凍装置では、封入されている気体は気柱管内を移動して循環することができる。そのため、クーラ部熱交換器５７で低温となった気体（冷気）が拡散すると、この気体がクーラ部熱交換器５７から離間することで、クーラ部熱交換器５７の冷却効率は低下する。

例えば、図１０に示す気柱管５１においては、気柱管５１内に封入された気体は、冷凍機５３のクーラ部熱交換器５７から再生器５９、常温部熱交換器５８を通り、ループを通って原動機５２へと移動する。さらに、気体は原動機５２の加熱部熱交換器５４から再生器５６、常温部熱交換器５５を通り、ループを通って冷凍機５３へと移動する。その結果、気柱管５１内には、図１０中に矢印で示すようなループに沿った循環流が発生する。

このような循環流を抑制すべく、例えば図１１に示すように、気柱管５１内のクーラ部熱交換器５７と隣接する位置に、気体の流れを遮断する遮断壁６０を配設することが考えられる。遮断壁６０を設けることで、クーラ部熱交換器５７から気柱管５１を通って常温部熱交換器５８側に流れるエネルギが遮断され、冷凍機出力の向上を図ることができる。

しかしながら、原動機５２側の出力が大きくなると、気体の振動振幅が増大されて再生器５９よりも長くなり（図１１中の矢印Ｘ参照）、クーラ部熱交換器５７の冷凍エネルギが再生器５９を介して常温部熱交換器５８に運ばれる所謂ドリームパイプ効果により、出力の低下を引き起こす可能性がある。

また、冷凍機５３や遮断壁６０の外径を大きくして、気柱管５１にこれら冷凍機５３と遮断壁６０とを収容する二つの拡径部を形成する構造も考えられる。しかしながら、二つの拡径部を形成する構造では、クーラ部熱交換器５８と遮断壁６０との間の管路径の変化による損失を増大させる虞がある。

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、クーラ部熱交換器の冷凍エネルギが再生器を介して常温部熱交換器に運ばれるドリームパイプ効果及び、管路径の変化による損失を低減して、冷凍機の出力を効果的に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、気体が封入される気柱管と、前記気柱管の軸方向に、常温よりも高温の熱源と熱交換を行う第１の熱交換器、温度勾配を保持する第１の再生器、及び、常温の熱源と熱交換を行う第２の熱交換器を配置した原動機と、前記気柱管の軸方向に、常温よりも低温の熱が取り出される第３の熱交換器、温度勾配を保持する第２の再生器、及び、常温の熱源と熱交換を行う第４の熱交換器を配置した冷凍機と、前記第３の熱交換器と隣接する前記気柱管に配置されて該気柱管に封入された気体の循環流を抑止する遮断壁とを備える熱音響冷凍装置であって、前記冷凍機及び前記遮断壁を配置した前記気柱管に、該気柱管よりも内径が長く、かつ、その軸方向に沿って同一径で延在する拡径部を形成すると共に、前記冷凍機及び前記遮断壁の外径を前記拡径部の内径と同一径に形成して該拡径部内に収容したことを特徴とする。

また、前記拡径部内の前記遮断壁が配置される位置を、前記第３の熱交換器の側面と前記遮断壁との距離が該遮断壁の最大振幅の５倍よりも短く、かつ、最大振幅の半分の値よりも長くなる位置に設定してもよい。

本発明の熱音響冷凍装置によれば、クーラ部熱交換器の冷凍エネルギが再生器を介して常温部熱交換器に運ばれるドリームパイプ効果及び、管路径の変化による損失を低減して、冷凍機の出力を効果的に向上することができる。

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。 冷凍機が収容される拡径部と遮断壁が収容される拡径部とを別体に形成した熱音響冷凍装置の一部を示す模式的な断面図である。 （ａ）は従来の遮断壁を示す模式的な断面図、（ｂ）は本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置の遮断壁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。 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。 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。 他の実施形態に係る熱音響冷凍装置の遮断壁を示す模式的な断面図である。 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の要部を示す模式的な断面図である。

以下、図１〜４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、気体が封入されるループ状の気柱管２と、気柱管２よりも内径を長く形成された拡径部１１と、気柱管２に配置された原動機３と、拡径部１１内に配置された冷凍機４と、拡径部１１内に配置されて気体の循環流を抑止する遮断壁１２とを有する。

原動機３は、気柱管２の長手方向（以下、軸方向という）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１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２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１の再生器）７とを配置して構成されている。

冷凍機４は、拡径部１１の軸方向に、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３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４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２の再生器）１０とを配置して構成されている。なお、冷凍機４を構成するクーラ部熱交換器８、常温部熱交換器９及び、再生器１０の外径は、拡径部１１の内径と同一径に形成されている。

拡径部１１は、図２に示すように、その内径を拡径部１１の内径よりも長く（本実施形態では約２倍）形成されており、気柱管２の軸方向に沿って同一径で延在して設けられている。この拡径部１１の内部には、冷凍機４及び遮断壁１２が適切な間隔を隔てて収容されている。

遮断壁１２は、拡径部１１内に位置して気柱管２内の気体の振動に随伴して振動するように、その周縁部の全周を拡径部１１の内周面に固定されている。すなわち、遮断壁１２は、気柱管２内の気体の振動により、その中央部が気柱管２の軸方向に振動して破線及び二点鎖線の状態に変形するように構成されている。この遮断壁１２は、気柱管２内の気体が反対側に漏れない程度の気密性を有し、かつ、その中央部が振動できる程度の柔軟性（弾性）を有することが好ましい。このような遮断壁１２としては、例えば比較的厚さが薄く形成された金属、ガラス、セラミックス、樹脂、ゴム、繊維などがある。

なお、本実施形態において、遮断壁１２が拡径部１１の内周面に固定される位置は、クーラ部熱交換器８の側面からの距離が遮断壁１２の最大振幅の５倍よりも短くなる位置に設定されている。これは、遮断壁１２を設けたことにより循環流は抑止されるが、遮断壁１２がクーラ部熱交換器８から遠くなると冷気の拡散が大きくなり、期待した効果を得られなくなるためである。遮断壁１２の位置は、クーラ部熱交換器８の側面から遮断壁１２の最大振幅の５倍よりも近い位置が望ましく、最大振幅の２倍、１倍と近づくほど好適となる。最適位置は、冷気の拡散が最も小さくなり、かつ、クーラ部熱交換器８の側面と遮断壁１２との接触（干渉）を回避できる最大振幅の半分よりも若干長くなる位置である。

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、気柱管２の拡径部１１内に収容された再生器１０は、その外径を気柱管２の内径よりも長く形成されている。すなわち、再生器１０の外径を長く（再生器１０を太く）形成したことで、図１０に示すような再生器５９を気柱管５１と同一径に形成した従来構造に比べて内部気体の振幅は短く抑制される（図２の矢印Ｙ参照）。結果として、内部気体の振幅は再生器１０内に収められ、クーラ部熱交換器８の冷凍エネルギが再生器１０を介して常温部熱交換器９に運ばれる所謂ドリームパイプ効果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、ドリームパイプ効果を低減することが可能になると共に、原動機３の出力が大きくなった場合においても冷凍機４の出力を効果的に向上することができる。

また、本実施形態の熱音響冷凍装置１では、冷凍機４及び遮断壁１２が収容される拡径部１１は、気柱管２の軸方向に沿って同一径で延在して形成されている。すなわち、図３に示すように、冷凍機４が収容される拡径部１１ａと遮断壁１２が収容される拡径部１１ｂとを別体に形成した場合は、クーラ部熱交換器８と遮断壁１２との間の管路径の変化による損失を増大させる虞がある。これに対し、本実施形態の熱音響冷凍装置１によれば、クーラ部熱交換器８と遮断壁１２との間の管路径は同一に形成されているので、管路径の変化による損失を効果的に低減することができる。

また、本実施形態の熱音響冷凍装置１では、気柱管２内の気体の循環流を抑止する遮断壁１２の外径は、気柱管２の内径よりも長く形成されている。すなわち、本実施形態の熱音響冷凍装置１では、図４（ａ）に示す気柱管５１内に遮断壁６０を直接的に設けた従来構造と比べて、遮断壁１２の表面積は拡径部１１の分だけ拡張して形成されている。その結果、遮断壁１２の振幅は、従来構造の遮断壁６０の振幅に比べて小さく抑制されるようになっている（図４（ｂ）参照）。

したがって、遮断壁１２が気柱管２内の気体の振動と随伴して大きく振動することを効果的に抑制できると共に、遮断壁１２がクーラ部熱交換器８の側面に接触（干渉）して破損することを確実に防止することができる。

また、本実施形態の熱音響冷凍装置１では、遮断壁１２の拡径部１１内に固定される位置は、クーラ部熱交換器８の側面からの距離が遮断壁１２の最大振幅の５倍よりも短くなる位置に設定されている。

したがって、遮断壁１２がクーラ部熱交換器８から離間することで引き起こされる冷気の拡散を防止することができると共に、熱音響冷凍装置１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５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、原動機３が配設された原動機ループ管２ｂと、これら二つのループ管２ａ，２ｂを相互に接続する直線状の接続管２ｃとを備え構成してもよい。

また、図６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、冷凍機ループ管２ａに接続されると共に原動機３が配設された直線状の接続管２ｃとを備えて構成してもよく、図７に示すように、気柱管２を原動機３が配設された原動機ループ管２ｂと、原動機ループ管２ｂに接続されると共に冷凍機４が配設された直線状の接続管２ｃとを備えて構成してもよい。さらに、図８に示すように気柱管２を直線状の配管のみで構成してもよい。

また、図９に示すように、遮断壁１２をピストン２１と一対のバネ部材２２とを備え構成してもよい。ピストン２１は、気柱管２の長手方向に間隔を隔てて対向配置された一対のピストンヘッド２３と、これら一対のピストンヘッド２３を連結するピストンロッド２４とを有する。ピストンロッド２４は一対のバネ部材２２により気柱管２の長手方向に移動可能に支持されている。気柱管２内の気体が振動すると、ピストン２１は破線及び、二点鎖線で示すように気柱管２内を長手方向に摺動移動して振動するように構成されている。係る構造により、遮断壁１２の全体は、図１〜８に示すものに比べて気柱管２の長手方向の幅は長くなるが、厚みのない剛体の遮断壁に仮想的に置き換えることが可能となる。

１ 熱音響冷凍装置
２ 気柱管
３ 原動機
４ 冷凍機
５ 加熱部熱交換器（第１の熱交換器）
６ 常温部熱交換器（第２の熱交換器）
７ 再生器（第１の再生器）
８ クーラ部熱交換器（第３の熱交換器）
９ 常温部熱交換器（第４の熱交換器）
１０ 再生器（第２の再生器）
１１ 拡径部
１２ 遮断壁

Claims (2)

1. 気体が封入される気柱管と、
   前記気柱管の軸方向に、常温よりも高温の熱源と熱交換を行う第１の熱交換器、温度勾配を保持する第１の再生器、及び、常温の熱源と熱交換を行う第２の熱交換器を配置した原動機と、
   前記気柱管の軸方向に、常温よりも低温の熱が取り出される第３の熱交換器、温度勾配を保持する第２の再生器、及び、常温の熱源と熱交換を行う第４の熱交換器を配置した冷凍機と、
   前記第３の熱交換器と隣接する前記気柱管に配置されて該気柱管に封入された気体の循環流を抑止する遮断壁と、を備える熱音響冷凍装置であって、
   前記冷凍機及び前記遮断壁を配置した前記気柱管に、該気柱管よりも内径が長く、かつ、その軸方向に沿って同一径で延在する拡径部を形成すると共に、前記冷凍機及び前記遮断壁の外径を前記拡径部の内径と同一径に形成して該拡径部内に収容したことを特徴とする熱音響冷凍装置。
2. 前記拡径部内の前記遮断壁が配置される位置を、前記第３の熱交換器の側面と前記遮断壁との距離が該遮断壁の最大振幅の５倍よりも短く、かつ、最大振幅の半分の値よりも長くなる位置に設定した請求項１に記載の熱音響冷凍装置。