JP5786658B2 - Thermoacoustic engine - Google Patents
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Description
本発明は、熱音響機関の加熱器、及び冷却器として使用される熱交換器と共鳴部との接続部分における音波の反射量を減少できて、熱音響機関のエンジン出力を向上できる熱音響機関に関する。 The present invention relates to a thermoacoustic engine capable of improving the engine output of a thermoacoustic engine by reducing the amount of reflection of sound waves at a connection portion between a heat exchanger used as a heater and a cooler of a thermoacoustic engine and a resonance unit. About.
最近、熱音響現象を利用する熱音響機関の研究及び開発が進展してきている。この熱音響機関は、温度勾配のある細管流路内の振動流体が圧縮、膨張、加熱、冷却という熱力学的プロセスを実行する熱音響現象を利用するものであり、図1に示すように、この熱音響機関10は、ループ管等の共鳴部11、細管流路の集合体(スタック)で形成される再生器12、この再生器12の両端にそれぞれ配置される加熱器13と冷却器14の一対の熱交換器、及び、空気や窒素やヘリウム等の作動流体Gで構成されており、著しく簡単な構造で熱と音波との間のエネルギー変換を行うことができる。
Recently, research and development of thermoacoustic engines using thermoacoustic phenomena have been progressing. This thermoacoustic engine utilizes a thermoacoustic phenomenon in which the oscillating fluid in the narrow channel with a temperature gradient performs a thermodynamic process of compression, expansion, heating, and cooling, as shown in FIG. The
図8〜図10に、従来技術の第1の熱音響機関10Xの加熱器13Xと冷却器14Xの構造を示す。加熱器13Xは、加熱器13Xの管体の壁面13aと外周フィン13bと内周フィン13cを備えて形成されている。この管体の壁面13aは共鳴部11と同じ径で円筒状に形成され、外周フィン13bは、同心円形のリング状の薄板で形成され、管体の壁面13aの外側に、管体の壁面13aの軸線方向に列状に配置される。また、内周フィン13cは、管体の壁面13aの内部に、隙間を設けて並列配置された平板状の薄板で形成され、管体の壁面13aの軸線方向に延びて平行に配置される。
8 to 10 show the structures of the
冷却器14Xも加熱器13Xと同様に、管体の壁面14aと外周フィン14bと内周フィン14cを備えて形成され、加熱器13Xと同様な構造をしている。この加熱器13Xと冷却器14Xの間に、積層した金網等の蓄熱器(スタック)で形成される再生器12Xが配置されている。
Similarly to the
この熱音響機関10Xでは、加熱器12Xでは、外周フィン13aで外部から熱を受け取り、内周フィン13bで作動流体Gに熱を受け渡す。一方、冷却器14Xでは、内周フィン13aで作動流体Gから熱を受け取り、外周フィン13bで放熱する。
In this
この図8〜図10の構成の熱音響機関10Xでは、内周フィン13c、14cにより流路断面積が小さくなるため、図10の下段に示すように、共鳴部11から加熱器13Xに入る部分P1で流路断面積が小さくなり、加熱器13Xから再生器12Xに入る部分P2でやや流路断面積が大きくなり、再生器12から冷却器14Xに入る部分P4で流路断面積が小さくなり、冷却器14Xから共鳴部11に入る部分P2で流路断面積が大きくなる。つまり、共鳴部11から加熱器13Xに入る部分P1と、冷却器14Xから共鳴部11に入る部分P2に大きな流路断面積の変化がある。
In the
このような共鳴部11から加熱器13Xに入る部分P1と、冷却器14Xから共鳴部11に入る部分P2に大きな流路断面積の変化があると、この部分P1、P2で音波が多く反射されてしまい、熱音響機関10Xの出力が低下してしまうという問題がある。
If there is a large change in the cross-sectional area of the flow path in the part P1 entering the
つまり、熱音響機関では、音波の反射が発生すると、進行波から定在波が励起され、その一方で、熱音響機関の熱力学的サイクルは、進行波によって実現されるため、進行波成分の割合が定在波の発生により低くなると熱音響機関10Yの出力が低下することになる。
In other words, in the thermoacoustic engine, when a sound wave is reflected, a standing wave is excited from the traveling wave, while the thermodynamic cycle of the thermoacoustic engine is realized by the traveling wave. When the ratio is lowered due to the generation of the standing wave, the output of the
これに対して、図11〜図13に示すように、加熱器13Y若しくは冷却器14Yと共鳴部11との接続部位P1、P2で、断面積変化を少なくするために、加熱器13Yと再生器12Yと冷却器14Yの内径を大きくすることで断面積変化を少なくする熱音響機関10Yが考えられた。この従来技術の熱音響機関10Yの再生器12Yと加熱器13Yと冷却器14Yの構成は、図8〜図10の従来技術の熱音響機関10Xの再生器12Xと加熱器13Xと冷却器14Xの構成と同じであるが、内径が大きくなっている。
On the other hand, as shown in FIGS. 11 to 13, in order to reduce the change in the cross-sectional area at the connection portions P <b> 1 and P <b> 2 between the
そのため、この図11〜図13の構成の熱音響機関10Yでは、内周フィン13c、14cにより流路断面積が小さくなるが、内径を大きくしているため、図13の下段に示すように、共鳴部11から加熱器13Yに入る部分P1で流路断面積が少し大きくなり、蓄熱器が入った再生器12Yに入る部分P3で更に流路断面積が大きくなり、再生器12Yから冷却器14Yに入る部分P4で流路断面積が小さくなり、冷却器14Yから共鳴部11に入る部分P2と流路断面積が更に小さくなる。
Therefore, in the
つまり、共鳴部11から加熱器13Xに入る部分P1と、冷却器14Xから共鳴部11に入る部分P2に依然として大きな流路断面積の変化が生じている。従って、これらの部分P1、P2で音波が多く反射されてしまい、熱音響機関10Yの出力が低下してしまうという問題は解決できないまま残っている。
That is, a large change in the flow path cross-sectional area still occurs in the portion P1 entering the
この問題に関連して、本発明者らは、流路断面積の変化が小さい熱音響機関を提供するために、音響筒に加熱器が接続される加熱器接続部から冷却器に反対側の音響筒が接続される冷却器接続部までにわたり、作動流体の流路を複数の細管で形成し、加熱器から再生器を経て冷却器までの間は複数の細管が相互に間隔をあけて配置し、加熱器接続部と冷却器接続部では、音響筒に向かって徐々に複数の細管同市の間隔を狭め、音響筒に至るまでは複数の細管を相互に密着させて配置し、音響筒における流路断面積と複数の細管による総流量断面積との差を所定以下とした熱音響機関を提案している(例えば、特許文献1参照)。 In connection with this problem, in order to provide a thermoacoustic engine having a small change in the cross-sectional area of the flow path, the present inventors have provided the opposite side of the cooler from the heater connection where the heater is connected to the acoustic cylinder. The flow path of the working fluid is formed with a plurality of thin tubes up to the cooler connection part to which the acoustic cylinder is connected, and a plurality of thin tubes are arranged at intervals from the heater to the regenerator to the cooler. In the heater connection portion and the cooler connection portion, the interval between the plurality of thin tubes is gradually narrowed toward the acoustic tube, and the plurality of thin tubes are arranged in close contact with each other until reaching the acoustic tube. A thermoacoustic engine has been proposed in which the difference between the flow path cross-sectional area and the total flow cross-sectional area of the plurality of thin tubes is equal to or less than a predetermined value (see, for example, Patent Document 1).
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できる熱音響機関を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and its purpose is to prevent a change in the flow path cross-sectional area from increasing at the connecting portion between the heater or cooler of the thermoacoustic engine and the resonance portion. Thus, an object of the present invention is to provide a thermoacoustic engine that can reduce the amount of sound waves reflected at the connecting portion and suppress a decrease in output of the thermoacoustic engine due to reflection of sound waves.
上記のような目的を達成するための本発明の熱音響機関は、加熱器と冷却器と再生器と共鳴部と作動流体を備えた熱音響機関において、前記再生器の内部の断面積を前記共鳴部の内部の断面積よりも大きく形成すると共に、前記加熱器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記共鳴部と前記再生器の間に配置すると共に、前記冷却器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記再生器と前記共鳴部との間に配置して構成する。 The thermoacoustic engine of the present invention for achieving the above object is a thermoacoustic engine comprising a heater, a cooler, a regenerator, a resonance part, and a working fluid. And forming a wall surface on which the inner peripheral fins of the heater are arranged in a tapered shape so as to be arranged between the resonance unit and the regenerator, The wall surface on which the inner peripheral fins of the cooler are arranged is formed in a tapered shape and is arranged between the regenerator and the resonance unit.
この構成によれば、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止するので、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できる。 According to this configuration, it is possible to prevent a change in the cross-sectional area of the flow path from becoming large at the connection portion between the heater or the cooler of the thermoacoustic engine and the resonance portion, thereby reducing the amount of sound waves reflected at this connection portion. It is possible to suppress a decrease in the output of the thermoacoustic engine due to the reflection of sound waves.
更に、内周フィンが配置される加熱器の形状がテーパー形状になるため、加熱面と内周フィンの接続又は接触の面積が増加し、また、内周フィンが配置される冷却器の形状もテーパー形状になるため、冷却面と内周フィンの接続又は接触の面積が増加し、それぞれ熱伝動の効率が上昇する。 Furthermore, since the shape of the heater in which the inner peripheral fin is arranged becomes a tapered shape, the area of connection or contact between the heating surface and the inner peripheral fin increases, and the shape of the cooler in which the inner peripheral fin is arranged is also increased. Because of the tapered shape, the area of connection or contact between the cooling surface and the inner peripheral fins increases, and the efficiency of heat transfer increases.
上記の熱音響機関において、前記加熱器の内周フィンが接続又は接触する外周側の壁面をテーパー形状に形成し、内周フィンの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成すると共に、前記冷却器の内周フィンが接続又は接触する外周側の壁面をテーパー形状に形成し、内周フィンの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成すると、比較的簡単な構成で、加熱器と冷却器のそれぞれの内部で流路断面積が変化するのを抑制できる。 In the above-described thermoacoustic engine, the outer peripheral wall surface to which the inner peripheral fin of the heater is connected or contacted is formed in a tapered shape, and the inner side of the inner peripheral fin assembly is a cone having a tapered large diameter side as a tip. In addition to forming the shape of the tapered shape on the small diameter side, the outer peripheral wall surface to which the inner peripheral fin of the cooler is connected or in contact is formed in a tapered shape, and the inner side of the inner peripheral fin assembly is If the conical shape with the tapered diameter on the large-diameter side is formed into a shape that is hollowed out to the small-diameter side of the tapered shape, the cross-sectional area of the flow path changes inside the heater and the cooler with a relatively simple configuration. Can be suppressed.
また、上記の熱音響機関において、前記冷却器の外周部に冷却ジャケットを設けると、比較的簡単な構成で冷却器を冷却することができるようになる。 In the thermoacoustic engine, if a cooling jacket is provided on the outer periphery of the cooler, the cooler can be cooled with a relatively simple configuration.
本発明に係る熱音響機関によれば、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できる。 According to the thermoacoustic engine of the present invention, it is possible to prevent a change in the flow path cross-sectional area from increasing at the connection portion between the heater or cooler of the thermoacoustic engine and the resonance portion, and to be reflected at this connection portion. The amount of sound waves can be reduced, and a decrease in output of the thermoacoustic engine due to reflection of sound waves can be suppressed.
以下、本発明に係る実施の形態の熱音響機関について、図面を参照しながら説明する。図1に示すように、この熱音響機関10は、ループ管等で形成される共鳴部11、再生器12、この再生器12の両端にそれぞれ配置される加熱器13と冷却器14、及び、空気や窒素やヘリウムやアルゴン等の作動流体Gとで構成され、著しく簡単な構造で熱音響現象で熱と音波との間のエネルギー変換を行う。
Hereinafter, a thermoacoustic engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
共鳴部11の内部は作動流体Gにより満たされており、この共鳴部11の長さ及び径は封入されたガス状の作動流体Gの自励振動に共振するように決められる。また、再生器12は、細管流路の集合体や金網等の蓄熱器等のスタックで形成されている。加熱器13は熱音響機関10の外部から熱を受け取って作動流体Gを加熱するための熱交換器として構成され、冷却器14は熱音響機関10の外部へ熱を放出して作動流体Gを冷却するための熱交換器として構成される。
The inside of the
この熱音響機関10では、再生器12の細管流路内の気柱を加熱器13で局部的に加熱、又は、冷却器14で局部的に冷却して、再生器12内の気柱に温度勾配を発生させると、気柱が自励振動を起こすという熱音響現象により、熱エネルギーの一部が力学的な音波(振動)エネルギーに変換される。つまり、再生器12のスタック内の作動流体Gが加熱器13による加熱と冷却器14による冷却、及び、膨張と圧縮の自励振動といった熱力学的過程を経験することで、スターリングサイクルと呼ばれる熱力学的サイクルを繰り返し、熱エネルギーが音波エネルギーに変換される。この音波エネルギーは共鳴部11で共鳴して、定在波として共鳴部11内に蓄えられる。
In this
本発明においては、図2〜図7に示すように、再生器12の内部の断面積を共鳴部11の内部の断面積よりも大きく形成する。この構成により、再生器12の流路断面積R12と共鳴部11の流路断面積R11が略同じに、好ましくは同一になるようにする。それと共に、加熱器13の内周フィン13cが配置されている壁面13aをテーパー形状に形成して、共鳴部11と再生器12の間に配置する。また、冷却器14の内周フィン14cが配置されている壁面14aをテーパー形状に形成して、再生器12と共鳴部11との間に配置する。
In the present invention, as shown in FIGS. 2 to 7, the cross-sectional area inside the
また、この冷却器14の周囲に冷却ジャケット15を設け、冷却器14の外周部に冷却水(熱媒体)Wが流れるように構成し、作動流体Gと冷却水Wとの間で熱交換するように構成される。この冷却器14の熱交換で温度上昇した冷却水Wは、循環口15aに接続される循環経路15bを経由して図示しないラジエータに行き、この冷却水Wと外気との間での熱交換でする。これにより、比較的簡単な構成で冷却器14を冷却することができるようになる。
Further, a cooling
更に、図2〜図4に示すように、この加熱器13の内周フィン13cが接続(又は接触)する外周側の壁面13aをテーパー形状に形成する。また、内周フィン13cの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成する。
Furthermore, as shown in FIGS. 2 to 4, the outer
また、冷却器14の内周フィン14cが接続(又は接触)する外周側の壁面14aをテーパー形状に形成する。また、内周フィン14cの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成する。
Moreover, the outer
この加熱器13及び冷却器14の熱交換器16の構成は、図5に示すような円錐台形状の外周面16dと、テーパー形状の大径側Bが先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側Aに刳り抜いた内周面16eを有する素材16を用いて、ワイヤーカッター等により、図6に示すように、作動流体Gが流通可能な隙間を設ける。これにより、内周フィン16cを形成する。つまり、並行に配列され、大径側Bが固定されている内周フィン16cの組を円周方向Rに複数組(図6では8組)配置する。
The structure of the
この構成により、熱交換器16(13、14)は、小径側Aと大径側Bは、内周フィン16c(13c、14c)の相互間に設けられた隙間によりで連通し、作動流体Gが流通可能となる。それと共に、作動流体Gと内周フィン16cとの接触により相互間で熱伝達が行われ、加熱器13では、内周フィン16c(13c)から作動流体Gに熱が移動し、冷却器14では、作動流体Gから内周フィン16c(14c)に熱が移動する。
With this configuration, the heat exchanger 16 (13, 14) allows the small diameter side A and the large diameter side B to communicate with each other through a gap provided between the inner
また、それと同時に、流路断面積に関しては、内周フィン16cの先端側が小径側Aにあり、ここでは、内周フィン16cの断面積の総計F(a)はゼロであり、小径側Aから大径側Bに向かうに連れて、内周フィン16cの断面積の総計F(x)は増加し、内周フィン16cの根元側になると、内周フィン16cの断面積の総計F(b)は最大となる。
At the same time, with respect to the cross-sectional area of the flow path, the tip end side of the inner
一方、熱交換器16の外周側の壁面はテーパーに形成され、内周フィン16cの集合体の外周面16dもテーパー形状となっているため、熱交換器16の断面積は、小径側Aの断面積S(a)は最小になり、小径側Aから大径側Bに向かうに連れて断面積S(x)は増加し、内周フィン16cの根元側になると断面積S(b)は最大となる。
On the other hand, the outer peripheral wall surface of the
そして、この両者の差が流路断面積R(x)(=S(x)−F(x))となるので、この両者の差(S(x)−F(x))が一定になるように、隙間の幅と、外周面16dと内周面16eのテーパー形状を設定することで、流路断面積R(x)を一定にすることができる。
Since the difference between the two is the flow path cross-sectional area R (x) (= S (x) −F (x)), the difference between the two (S (x) −F (x)) is constant. Thus, by setting the width of the gap and the tapered shape of the outer
例えば、断面積中の隙間の占める割合をY%、内周フィン16の占める割合を(100−Y)%とすれば、小径側Aの半径をr1、大径側Bの半径をr2とすれば、それぞれの断面積は「S(a)=π×r1×r1/4」と「S(b)=π×r2×r2/4」となり、「S(b)×(1−Y/100)=S(a)」から、「r2=r1/SQRT(1−Y/100)」となる。
For example, if the ratio of the clearance in the cross-sectional area is Y% and the ratio of the inner
このように、比較的簡単な構成で、加熱器13と冷却器14のそれぞれの内部で流路断面積R(x)が変化するのを抑制できる。
Thus, it is possible to suppress the flow path cross-sectional area R (x) from changing inside each of the
また、内周フィン13cが配置される加熱器13の形状がテーパー形状になるため、加熱面となる壁面13aと内周フィン13cとが接続(又は接触)する面積が増加し、また、内周フィン14cが配置される冷却器14の形状もテーパー形状になるため、冷却面となる壁面14aと内周フィン14cとが接続(又は接触)する面積が増加し、それぞれ熱伝動の効率が上昇する。
Moreover, since the shape of the
更に、熱交換器16(13、14)の小径側Aの流路断面積R(b)を共鳴部11の流路断面積R11と同じになるように、また、大径側Bの流路断面積R(a)を再生器12の流路断面積R12と同じになるように形成する。このように、小径側Aの半径r1と大径側Bの半径r2が決まっている場合は、内周フィン16c間の隙間が占める断面積の割合Y(%)は、「Y=100×(1−(r1/r2)2)」となる。
Further, the flow path cross-sectional area R (b) on the small diameter side A of the heat exchanger 16 (13, 14) is made the same as the flow path cross sectional area R11 of the
この構成によれば、図7に示すように、熱音響機関10の加熱器13若しくは冷却器14と共鳴部11との接続部分P1、P2で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分P1、P2で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関10の出力の低下を抑制できる。
According to this configuration, as shown in FIG. 7, it is possible to prevent a change in the flow path cross-sectional area from increasing at the connection portions P <b> 1 and P <b> 2 between the
本発明の熱音響機関は、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少させて音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できるので、数多くの熱音響機関で利用できる。 The thermoacoustic engine of the present invention prevents the change in the cross-sectional area of the flow path from becoming large at the connection portion between the heater or cooler of the thermoacoustic engine and the resonance portion, and the amount of sound waves reflected at this connection portion. Can be used in many thermoacoustic engines.
10 熱音響機関
11 共鳴部
12 再生器
13 加熱器
13a 壁面
13b 外周フィン
13c 内周フィン
14 冷却器
14a 壁面
14b 外周フィン
14c 内周フィン
15 冷却ジャケット
G 作動流体
W 冷却水
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