JP5862249B2 - 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７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７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８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９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８，９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１０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、気体が封入される気柱管と、前記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、前記気柱管の長手方向に、常温の熱源と熱交換を行う第３の熱交換器、及び、温度勾配を保持する第２の再生器を配置した冷凍機と、を備える熱音響冷凍装置であって、前記第２の再生器に対して前記第３の熱交換器と反対側に位置する前記気柱管に、前記第２の再生器を通過した気体の流れを蛇行させる少なくとも一つ以上の屈曲部が形成され、前記第２の再生器を通過した気体が前記屈曲部の内周壁でのみ熱交換されることを特徴する。

前記屈曲部が、前記第２の再生器を通過した気体の流れを前記気柱管の軸心から離間する方向に変化させる第１の屈曲部と、該第１の屈曲部を通過した気体の流れを前記第２の再生器から離間する方向に変化させる第２の屈曲部と、該第２の屈曲部を通過した気体の流れを前記気柱管の軸心に向かう方向に変化させる第３の屈曲部と、該第３の屈曲部を通過した気体の流れを前記第２の再生器から離間する方向に変化させる第４の屈曲部とを有するものであってもよい。

また、前記屈曲部は、その径方向の断面積が常に一定となるように形成されてもよい。

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。 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要部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２ａと、原動機３が配設された原動機ループ管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２ｃとを有する。

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、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、冷凍機ループ管２ａの長手方向に、常温の熱源と熱交換を行う常温部熱交換器（第３の熱交換器）９と、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。

また、再生器１０に対して常温部熱交換器９と反対側に位置する冷凍機ループ管２ａには、再生器１０を通過した気体の流れを蛇行させる屈曲部２０が形成されている。以下、図２に基づいて屈曲部２０の詳細を説明する。

屈曲部２０は、再生器１０を通過した気体の流れを略Ｓ字状に蛇行させる上流側屈曲部２０ａと、この上流側屈曲部２０ａを通過した気体の流れをさらに略Ｓ字状に蛇行させる下流側屈曲部２０ｂとを備え構成されている。なお、これら上流側・下流側屈曲部２０ａ，２０ｂを設ける個数は、熱音響冷凍装置１や再生器１０等の仕様に応じて適宜変更することが可能である。

上流側屈曲部２０ａは、再生器１０を通過した気体の流れを冷凍機ループ管２ａの軸心から離間する方向（図２中の矢印Ａ方向）に向けて変化させる第１の円弧状配管２１と、この第１の円弧状配管２１を通過した気体の流れを再生器１０から離間する方向（図２中の矢印Ｂ方向）に向けて変化させる第２の円弧状配管２２と、この第２の円弧状配管２２を通過した気体の流れを冷凍機ループ管２ａの軸心に向かう方向（図２中の矢印Ｃ方向）に向けて変化させる第３の円弧状配管２３と、この第３の円弧状配管２３を通過した気体の流れを再生器１０から離間する方向（図２中の矢印Ｂ方向）に向けて変化させる第４の円弧状配管２４とを有する。上流側屈曲部２０ａは、その内部を流れる気体が略Ｓ字状に蛇行するように、これら４個の円弧状配管２１〜２４を互いに反転させて連続的に配置して構成されている。

下流側屈曲部２０ｂは、第４の円弧状配管２４を通過した気体の流れを冷凍機ループ管２ａの軸心から離間する方向（図２中の矢印Ａ方向）に向けて変化させる第５の円弧状配管２５と、この第５の円弧状配管２５を通過した気体の流れを再生器１０から離間する方向（図２中の矢印Ｂ方向）に向けて変化させる第６の円弧状配管２６と、この第６の円弧状配管２６を通過した気体の流れを冷凍機ループ管２ａの軸心に向かう方向（図２中の矢印Ｃ方向）に向けて変化させる第７の円弧状配管２７と、この第７の円弧状配管２７を通過した気体の流れを再生器１０から離間する方向（図２中の矢印Ｂ方向）に向けて変化させる第８の円弧状配管２８とを有する。下流側屈曲部２０ｂは、その内部を流れる気体が略Ｓ字状に蛇行するように、これら４個の円弧状配管２５〜２８を互いに反転させて連続的に配置して構成されている。なお、これら第１〜８の円弧状配管２１〜２８は、気体入口部から気体出口部にわたり流路面積、すなわち径方向の断面積が一定となるように形成されている。

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、再生器１０に対して常温部熱交換器９と反対側に位置する冷凍機ループ管２ａに、再生器１０を通過した気体の流れを蛇行させる屈曲部２０（上流側・下流側屈曲部２０ａ，２０ｂ）が形成されている。

すなわち、再生器１０を通過した気体は、上流側屈曲部２０ａの第１の円弧状配管２１に流れ込むと、この第１の円弧状配管２１の円弧内周壁２１ａに衝突することでその流れ方向は冷凍機ループ管２ａの軸心から離間する方向（図２中の矢印Ａ方向）へと変化される。その後、第１の円弧状配管２１を通過した気体は、円弧状配管２２〜２４の円弧内周壁２２ａ〜２４ａに衝突して上流側屈曲部２０ａ内を略Ｓ字状に蛇行しながら通過する。さらに、下流側屈曲部２０ｂに流れ込んだ気体は、円弧状配管２５〜２８の円弧内周壁２５ａ〜２８ａに衝突して下流側屈曲部２０ｂ内を略Ｓ字状に蛇行しながら通過する。

この様に、屈曲部２０内を通過する気体を略Ｓ字状に蛇行させることで、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、その大部分が円弧状配管２１〜２８の円弧内周壁２１ａ〜２８ａと衝突する都度外部へと効率よく取り出される。その結果、冷凍機ループ管２ａ内の気体は、屈曲部２０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、冷凍性能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、上流側屈曲部２０ａを構成する円弧状配管２１〜２４及び、下流側屈曲部２０ｂを構成する円弧状配管２５〜２８は、その流路面積が一定となるように形成されている。

したがって、本実施形態の熱音響冷凍装置１によれば、冷凍機ループ管２ａ内を流れる内部気体の循環流を妨げることなく、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い。また、図４に示すように、気柱管２を単一のループ状に形成してもよく、図５に示すように、気柱管２を直線状に形成してもよい。これら何れの場合も、再生器１０に対して常温部熱交換器９と反対側に位置する気柱管２に、再生器１０を通過した気体の流れを蛇行させる屈曲部２０を形成することで、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、上流側屈曲部２０ａを構成する円弧状配管２１〜２４及び、下流側屈曲部２０ｂを構成する円弧状配管２５〜２８は、必ずしも円弧状に形成される必要はなく、例えば、図６に示すように略Ｌ字状に形成されてもよい。この場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

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）
９ 常温部熱交換器（第３の熱交換器）
１０ 再生器（第２の再生器）
２０ 屈曲部
２１ 第１の円弧状配管（第１の屈曲部）
２２ 第２の円弧状配管（第２の屈曲部）
２３ 第３の円弧状配管（第３の屈曲部）
２４ 第４の円弧状配管（第４の屈曲部）

Claims (3)

1. 気体が封入される気柱管と、
   前記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、
   前記気柱管の長手方向に、常温の熱源と熱交換を行う第３の熱交換器、及び、温度勾配を保持する第２の再生器を配置した冷凍機と、
   を備える熱音響冷凍装置であって、
   前記第２の再生器に対して前記第３の熱交換器と反対側に位置する前記気柱管に、前記第２の再生器を通過した気体の流れを蛇行させる少なくとも一つ以上の屈曲部が形成され、前記第２の再生器を通過した気体が前記屈曲部の内周壁でのみ熱交換されることを特徴する熱音響冷凍装置。
2. 前記屈曲部が、前記第２の再生器を通過した気体の流れを前記気柱管の軸心から離間する方向に変化させる第１の屈曲部と、該第１の屈曲部を通過した気体の流れを前記第２の再生器から離間する方向に変化させる第２の屈曲部と、該第２の屈曲部を通過した気体の流れを前記気柱管の軸心に向かう方向に変化させる第３の屈曲部と、該第３の屈曲部を通過した気体の流れを前記第２の再生器から離間する方向に変化させる第４の屈曲部とを有する請求項１に記載の熱音響冷凍装置。
3. 前記屈曲部は、その径方向の断面積が常に一定となるように形成されている請求項１又は２に記載の熱音響冷凍装置。