JP5892582B2 - Thermoacoustic engine - Google Patents

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Description

本発明は、作動気体の自励振動を発生させる熱音響機関に関する。   The present invention relates to a thermoacoustic engine that generates self-excited vibration of a working gas.

近年、地球温暖化やエネルギ問題が深刻化してきている。工場や車両において発生する膨大な廃熱や、太陽光エネルギを高効率で回収することが可能であれば、地球温暖化やエネルギ問題を解決するための切り札となる。そこで、これらのエネルギを回収し、動力化するために、熱音響機関に関する研究が活発に行われている。   In recent years, global warming and energy problems have become serious. If huge waste heat generated in factories and vehicles and solar energy can be recovered with high efficiency, it will be a trump card for solving global warming and energy problems. Therefore, research on thermoacoustic engines has been actively conducted in order to recover these energies and drive them.

熱音響機関は、管内に生じる自励振動を利用したものである。すなわち、管内に狭い流路の束(以下、蓄熱器と称する)を設置し、蓄熱器両端の温度比をある臨界値以上にすると、管内の流体が自励振動を起こす。この作用は熱力学的には可動部品の無い原動機と見ることができ、この作用を用いたものが熱音響機関である(例えば、特許文献1、2参照)。熱音響機関はスターリングサイクルで駆動する外燃機関であるために、太陽光や工業廃熱等、あらゆる熱源から高効率で仕事を取り出せる可能性がある。また音波を利用して熱交換するシンプルな構成である為に、通常のスターリングエンジンと違い、ピストン、タービン等の可動部品を全く必要とせず、安価、長寿命、メンテナンスフリーという利点を有する。   The thermoacoustic engine utilizes self-excited vibration generated in the tube. That is, when a bundle of narrow flow paths (hereinafter referred to as a heat accumulator) is installed in the pipe and the temperature ratio at both ends of the heat accumulator is set to a certain critical value or more, the fluid in the pipe causes self-excited vibration. This action can be seen thermodynamically as a prime mover having no moving parts, and a thermoacoustic engine using this action (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Since the thermoacoustic engine is an external combustion engine driven by a Stirling cycle, there is a possibility that work can be extracted with high efficiency from any heat source such as sunlight and industrial waste heat. In addition, since it has a simple configuration in which heat is exchanged using sound waves, unlike a normal Stirling engine, it does not require any moving parts such as a piston and a turbine, and has the advantages of low cost, long life, and maintenance-free.

ここで、近年において実用化を目指して研究が行われている代表的な熱音響機関(例えば、非特許文献1参照)の構成を図10に示す。図10(a)に示す熱音響発電機500は、ループ管100と共鳴管111とを備える。そして、ループ管100内には、原動機200を構成する、蓄熱器210、加熱器220および冷却器230を備え、共鳴管111の先端には発電機(リニア発電機)300を備える。熱音響発電機500においては、蓄熱器210に温度勾配を与えると、音波である自励振動(すなわち熱音響自励振動)が励起され、この音の振動エネルギ(すなわち音響エネルギ)Eをリニア発電機300で電力に変換する。熱音響発電機500は廃熱利用発電機やソーラーパネルを超える高効率太陽光発電機としての利用が想定されている。   Here, FIG. 10 shows a configuration of a typical thermoacoustic engine (for example, see Non-Patent Document 1) that has been studied for practical use in recent years. A thermoacoustic generator 500 shown in FIG. 10A includes a loop tube 100 and a resonance tube 111. The loop tube 100 includes a heat accumulator 210, a heater 220, and a cooler 230 that constitute the prime mover 200, and a generator (linear generator) 300 is provided at the tip of the resonance tube 111. In the thermoacoustic generator 500, when a temperature gradient is given to the regenerator 210, self-excited vibration (that is, thermoacoustic self-excited vibration) that is a sound wave is excited, and vibration energy (that is, acoustic energy) E of this sound is linearly generated. Machine 300 converts it into electric power. The thermoacoustic generator 500 is assumed to be used as a high-efficiency solar power generator that exceeds waste heat generators and solar panels.

一方、冷房や保冷庫、極低温を生成する装置として図10(b)に示す熱音響冷凍機600(例えば、非特許文献2参照)の研究も活発に行われている。熱音響冷凍機600は、2つのループ管100,120と共鳴管111とを備える。そしてループ管100内には、原動機200を構成する、蓄熱器210、加熱器220および冷却器230を備え、ループ管120内には、冷凍機400を構成する、冷凍用蓄熱器410、冷気放出器420および冷凍用冷却器430を備える。熱音響冷凍機600では、一方のループ管100内に設置した蓄熱器210に温度勾配を与えると自励振動が励起される。この自励振動による音響エネルギEは、共鳴管111を通じてもう一方のループ管120に流れ込み、逆スターリングサイクルを実行することで冷凍用蓄熱器410を冷凍作動させる。このような管内音波である自励振動を使って低温生成を行う熱音響冷凍機600には、パルス管冷凍機を超えるポテンシャルがある。   On the other hand, researches on a thermoacoustic refrigerator 600 (see, for example, Non-Patent Document 2) shown in FIG. The thermoacoustic refrigerator 600 includes two loop tubes 100 and 120 and a resonance tube 111. The loop pipe 100 includes a heat accumulator 210, a heater 220, and a cooler 230 that constitute the prime mover 200. The loop pipe 120 includes a refrigerating heat accumulator 410 that constitutes the refrigerator 400, and cool air discharge. 420 and a refrigeration cooler 430 are provided. In the thermoacoustic refrigerator 600, when a temperature gradient is applied to the regenerator 210 installed in one loop tube 100, self-excited vibration is excited. The acoustic energy E due to this self-excited vibration flows into the other loop tube 120 through the resonance tube 111, and the refrigerating regenerator 410 is refrigerated by executing a reverse Stirling cycle. The thermoacoustic refrigerator 600 that performs low-temperature generation using self-excited vibration that is such an in-tube acoustic wave has a potential that exceeds that of a pulse tube refrigerator.

以上に代表される熱音響機関は、現在、熱回収や次世代エネルギ利用の観点から多くの企業で研究が行われている。しかしながら、21世紀に入り本格的な研究が始められた新しい分野であるために、未だ基盤技術が確立されていない現状がある。   The thermoacoustic engines represented above are currently being studied by many companies from the viewpoint of heat recovery and next-generation energy utilization. However, since this is a new field where full-fledged research has begun in the 21st century, there is a situation where basic technology has not yet been established.

高効率の熱音響機関を実現するためには、蓄熱器を進行波発生箇所に設置し、可逆的なエネルギ変換を行う必要がある。しかしながら、熱音響機関には適切な音場分布を調整する機構が存在しないため、定在波を用いた不可逆的なエネルギ変換を行っている場合が多く、効率の低下を招いている場合が少なくない。   In order to realize a high-efficiency thermoacoustic engine, it is necessary to install a heat accumulator at a traveling wave generation location and perform reversible energy conversion. However, thermoacoustic engines do not have a mechanism for adjusting the appropriate sound field distribution, so irreversible energy conversion using standing waves is often performed, and efficiency is often reduced. Absent.

さらに熱音響機関の実用化に向けたもう一つの課題として、発振温度の問題も存在する。工場廃熱の大部分は100〜300℃程度であるが、熱音響機関に適した発振温度(駆動温度)は一般に400〜600℃程度と高温である(例えば、非特許文献3参照)。   Furthermore, another problem for the practical application of thermoacoustic engines is the problem of oscillation temperature. Most of the factory waste heat is about 100 to 300 ° C., but the oscillation temperature (drive temperature) suitable for the thermoacoustic engine is generally as high as about 400 to 600 ° C. (see, for example, Non-Patent Document 3).

発振温度の問題を解決するために蓄熱器を多段直列接続することで、大幅に発振温度を低下させることが可能な多段熱音響機関が提案されている(例えば、非特許文献4参照)。しかしながら、多段型は当然蓄熱器が音場に対して分布的に配置されるため、全ての蓄熱器を進行波位置に設置することは困難であり、効率の低下を招くという問題点が生じていた。この問題に対して、琵琶らは、図11に示すように、音響ドライバー450を用いて進行波を発生させ、さらに枝管401を用いる事で管402内の音場を能動的に調整して進行波とすることで、加熱器、蓄熱器、および冷却器から構成される原動機403を複数設けた多段熱音響機関700の効率を向上させることに成功している(例えば、特許文献3、非特許文献5参照)。   In order to solve the problem of oscillation temperature, a multistage thermoacoustic engine that can significantly reduce the oscillation temperature by connecting a plurality of heat accumulators in series has been proposed (for example, see Non-Patent Document 4). However, in the multi-stage type, naturally, the regenerators are distributed with respect to the sound field, so that it is difficult to install all the regenerators at the traveling wave positions, resulting in a problem that the efficiency is reduced. It was. To solve this problem, as shown in FIG. 11, a traveling wave is generated using an acoustic driver 450, and a sound field in the tube 402 is actively adjusted by using a branch tube 401. By making it a traveling wave, it has succeeded in improving the efficiency of the multistage thermoacoustic engine 700 provided with a plurality of prime movers 403 composed of a heater, a heat accumulator, and a cooler (for example, Patent Document 3, Non-Patent Document 3) (See Patent Document 5).

特開2006−118728号公報JP 2006-118728 A 特開2009−74734号公報JP 2009-74734 A 特開2011−99606号公報JP 2011-99606 A

S.Backhaus, E.Tward and M.Petach, Appl.Phys.Lett., Vol.85, pp.1085-1087(2004)、図4S. Backhaus, E. Tward and M. Petach, Appl. Phys. Lett., Vol. 85, pp. 1085-1087 (2004), FIG. M. Miwa, T. Sumi, T. Biwa, Y. Ueda and T. Yazaki, Ultrasonics, 44, e1527-e1529(2006)、図5M. Miwa, T. Sumi, T. Biwa, Y. Ueda and T. Yazaki, Ultrasonics, 44, e1527-e1529 (2006), Fig. 5 S. Backhaus and G. W. Swift, Nature 399(1998), 335-338S. Backhaus and G. W. Swift, Nature 399 (1998), 335-338 D.L.Gardner and G.W.Swift, J.Acoust. Soc. Am.114(2003), 1905-1919D.L.Gardner and G.W.Swift, J.Acoust. Soc. Am.114 (2003), 1905-1919 琵琶哲志, 高尾景, “多段熱音響スターリングエンジン発電機”, 日本機械学会第16回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, (2011), pp.261-264Tetsuji Tsuji, Kei Takao, “Multistage Thermoacoustic Stirling Engine Generator”, Proceedings of the 16th Japan Society of Mechanical Engineers Power and Energy Technology Symposium, (2011), pp.261-264

以上のように、従来の音場分布を適切に調整する機構が存在しない熱音響機関では、エネルギ変換の効率の低下を招いている場合が少なくないという問題がある。
また、音響ドライバーを用いた熱音響機関においては、音響ドライバーを用いて第一蓄熱器に入力する進行波を発生させているため、「可動部を持たない」という熱音響機関の優位性が低下している。そこで、音響ドライバーを用いず広域に渡って純粋な進行波を励起することが出来れば、可動部品を用いることなく、進行波発生位置に複数の蓄熱器を設置することが可能となり、熱音響機関の実用化に向け大きな進歩となる。
As described above, in a thermoacoustic engine in which a conventional mechanism for appropriately adjusting the sound field distribution does not exist, there is a problem that the efficiency of energy conversion is often lowered.
In thermoacoustic engines using acoustic drivers, the acoustic wave is used to generate traveling waves that are input to the first heat accumulator, reducing the superiority of thermoacoustic engines that have no moving parts. doing. Therefore, if a pure traveling wave can be excited over a wide area without using an acoustic driver, it will be possible to install multiple heat accumulators at the traveling wave generation position without using moving parts. It will be a big progress toward the practical application.

ところで、定在波は反射を伴う波の重ね合わせであるために、エネルギ伝搬に伴う減衰が大きい。そのため、音波エネルギを長距離にわたって輸送することができないという問題がある。一方、進行波は一方向に進行する仕事流であるために、エネルギ伝搬に伴う減衰が少ない。そのため、音波エネルギを長距離にわたって輸送することができる。
以上のことから、可動部を設けることなく、共鳴管の広い領域に進行波を発生させることができる熱音響機関の開発が求められている。
By the way, since the standing wave is a superposition of waves accompanied by reflection, attenuation due to energy propagation is large. Therefore, there is a problem that sonic energy cannot be transported over a long distance. On the other hand, since the traveling wave is a work flow traveling in one direction, there is little attenuation due to energy propagation. Therefore, sonic energy can be transported over a long distance.
In view of the above, development of a thermoacoustic engine capable of generating a traveling wave in a wide area of the resonance tube without providing a movable part is required.

本発明はこのような背景のもとになされたものであり、可動部を設けることなく、共鳴管の広い領域に進行波を発生させることができる熱音響機関を提供することを課題とする。   The present invention has been made based on such a background, and an object thereof is to provide a thermoacoustic engine capable of generating a traveling wave in a wide area of a resonance tube without providing a movable part.

前記課題を解決するための手段として、本発明に係る熱音響機関は、一端から他端までに作動気体が満たされる共鳴管を有し、前記共鳴管の管路に設けられ、前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記共鳴管の管路に設けられ、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に隣接して前記共鳴管の管路に設けられ、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、からなる原動機を備え、前記蓄熱器の両端部間に温度勾配を形成して前記作動気体の自励振動を発生させる熱音響機関であって、前記共鳴管は、基準管部と、この基準管部に対して内径が拡大または縮小された変形管部とを有し、前記原動機は、前記基準管部の管路に設けられており、前記変形管部は、予め求めた音響インピーダンス分布において、前記音響インピーダンスの虚数部がゼロとなるような前記共鳴管の所定部位から、前記共鳴管の他端に向けて設けられ、前記変形管部の内径は、前記作動気体の密度をρ、音速をcとしたときに、音響インピーダンスの値がρcとなるように設定されていることを特徴とする。   As means for solving the above problems, a thermoacoustic engine according to the present invention has a resonance tube filled with a working gas from one end to the other end, and is provided in a pipe line of the resonance tube. A regenerator that heats and cools, a heater that is provided in the pipe of the resonance tube adjacent to one end of the regenerator, and that is adjacent to the other end of the regenerator and that heats one end of the regenerator And a cooler that is provided in the pipe of the resonance tube and discharges heat from the other end of the heat accumulator to the outside, and forms a temperature gradient between both ends of the heat accumulator. A thermoacoustic engine for generating self-excited vibration of the working gas, wherein the resonance tube has a reference tube portion and a deformed tube portion whose inner diameter is enlarged or reduced with respect to the reference tube portion, The prime mover is provided in a pipe line of the reference pipe portion, and the deformed pipe portion has a sound obtained in advance. In the impedance distribution, the resonance tube is provided from a predetermined portion of the resonance tube where the imaginary part of the acoustic impedance becomes zero toward the other end of the resonance tube, and the inner diameter of the deformation tube portion is the density of the working gas. It is characterized in that the acoustic impedance value is set to ρc, where ρ and sound velocity are c.

また、本発明に係る熱音響機関は、作動気体が封入される環状のループ管と、当該ループ管に連通して一端が接続された共鳴管と、を有し、前記ループ管の管路に設けられ、前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、からなる原動機を備え、前記蓄熱器の両端部間に温度勾配を形成して前記作動気体の自励振動を発生させる熱音響機関であって、前記共鳴管は、基準管部と、この基準管部に対して内径が拡大または縮小された変形管部とを有し、前記変形管部は、予め求めた音響インピーダンス分布において、前記音響インピーダンスの虚数部がゼロとなるような前記共鳴管の所定部位から、前記共鳴管の他端に向けて設けられ、前記変形管部の内径は、前記作動気体の密度をρ、音速をcとしたときに、音響インピーダンスの値がρcとなるように設定されていることを特徴とする。   The thermoacoustic engine according to the present invention includes an annular loop tube in which a working gas is sealed, and a resonance tube connected to one end of the loop tube and connected to the loop tube. A regenerator that heats and cools the working gas, a heater that is provided adjacent to one end side of the regenerator, and that heats one end of the regenerator, and the regenerator And a cooler that is provided in a pipe line of the loop pipe adjacent to the other end side of the heater and discharges heat of the other end portion of the heat accumulator to the outside, and between both end portions of the heat accumulator A thermoacoustic engine that generates a self-excited vibration of the working gas by forming a temperature gradient in the reference tube, wherein the resonance tube includes a reference tube portion and a deformed tube having an inner diameter enlarged or reduced with respect to the reference tube portion And the deformed tube portion has a predetermined acoustic impedance distribution. It is provided from a predetermined part of the resonance tube where the imaginary part of the acoustic impedance becomes zero toward the other end of the resonance tube, and the inner diameter of the deformation tube portion is ρ for the density of the working gas and c for the speed of sound. In this case, the acoustic impedance value is set to be ρc.

これらの構成によれば、蓄熱器の一端部が加熱器により加熱され、蓄熱器の他端部が冷却器により冷却されることで、蓄熱器の両端部間に温度差、すなわち温度勾配が生じる。そしてこの温度差により、主として作動気体の自励振動(圧力振動)による仕事流が生じる。そして、共鳴管の所定位置に変形管部を有することで、発生した仕事流はこの変形管部の全ての部位で進行波となるため、共鳴管における広い領域に渡って純粋な進行波とすることができる。   According to these configurations, one end of the regenerator is heated by the heater, and the other end of the regenerator is cooled by the cooler, so that a temperature difference, that is, a temperature gradient is generated between both ends of the regenerator. . Due to this temperature difference, a work flow is generated mainly due to self-excited vibration (pressure vibration) of the working gas. Since the deformed tube portion is provided at a predetermined position of the resonance tube, the generated work flow becomes a traveling wave in all parts of the deformed tube portion, so that a pure traveling wave is formed over a wide area in the resonance tube. be able to.

本発明に係る熱音響機関は、さらに、前記変形管部の管路に設けられ、前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記変形管部の管路に設けられ、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に隣接して前記変形管部の管路に設けられ、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、からなる、1つまたは複数の原動機を備えることを特徴とする。   The thermoacoustic engine according to the present invention is further provided in a pipe line of the deformable pipe part, and heat accumulator for heating and cooling the working gas, and a pipe of the deformable pipe part adjacent to one end side of the heat accumulator. A heater that heats one end of the regenerator and a pipe of the deformed tube adjacent to the other end of the regenerator, and heats the other end of the regenerator. It is characterized by comprising one or a plurality of prime movers comprising a cooler that discharges to the outside.

このような構成によれば、共鳴管における進行波位置に1つまたは複数の蓄熱器を設置することが可能となる。これにより、高効率のエネルギ変換が可能となる。   According to such a configuration, it is possible to install one or a plurality of heat accumulators at traveling wave positions in the resonance tube. Thereby, highly efficient energy conversion becomes possible.

本発明に係る熱音響機関は、さらに、前記共鳴管の他端に接続され、前記変形管部に連通して、前記作動気体に発生する自励振動に応動して発電を行なう発電機を備えることで熱音響発電機とすることができる。
このような構成によれば、作動気体に発生した自励振動による音響エネルギが、発電機によって電気エネルギに変換される。そして、変形管部に複数の蓄熱器を設置した場合には、熱音響発電機として、より高効率で駆動することができる。
The thermoacoustic engine according to the present invention further includes a generator that is connected to the other end of the resonance tube, communicates with the deformation tube portion, and generates power in response to self-excited vibration generated in the working gas. It can be set as a thermoacoustic generator.
According to such a configuration, acoustic energy generated by the self-excited vibration generated in the working gas is converted into electric energy by the generator. And when a some heat accumulator is installed in a deformation | transformation pipe | tube part, it can drive with higher efficiency as a thermoacoustic generator.

本発明に係る熱音響機関は、さらに、前記共鳴管の他端に接続され、前記変形管部に連通して接続された環状の冷凍用ループ管を有し、前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記作動気体を冷却する冷凍用蓄熱器と、前記冷凍用蓄熱器の前記自励振動が伝わる一端側に隣接して前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記冷凍用蓄熱器の一端部の熱を外部に放出する冷凍用冷却器と、前記冷凍用蓄熱器の他端側に隣接して前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記冷凍用蓄熱器の他端部に発生する冷気を外部に放出する冷気放出器と、備えることで熱音響冷凍機とすることができる。   The thermoacoustic engine according to the present invention further includes an annular refrigeration loop pipe connected to the other end of the resonance pipe and connected to the deformed pipe portion, and a pipe line of the refrigeration loop pipe A refrigerating regenerator that cools the working gas, and a refrigerating regenerator that is provided in a pipe line of the refrigerating loop pipe adjacent to one end side through which the self-excited vibration of the refrigerating regenerator is transmitted. A refrigeration cooler that discharges heat from one end of the refrigerator to the outside, and the other end of the refrigeration regenerator that is provided in a pipe line of the refrigeration loop pipe adjacent to the other end of the refrigerating regenerator. It can be set as a thermoacoustic refrigerator by providing with the cool air discharger which discharge | releases the cool air which generate | occur | produces in a part outside.

このような構成によれば、冷凍用蓄熱器の一端部が冷凍用冷却器により冷却されるとともに、作動気体に発生した自励振動による音響エネルギが、冷凍用蓄熱器に伝達される。これにより、伝達された音響エネルギが冷凍用蓄熱器一端部と冷凍用蓄熱器の他端部との間における温度差に変換される。そして、この冷凍用蓄熱器の両端の温度差によって冷凍用蓄熱器の他端部に発生した冷気が、冷気放出器によって外部に取り出される。そして、変形管部に複数の蓄熱器を設置した場合には、熱音響冷凍機として、より高効率で駆動することができる。   According to such a configuration, one end of the refrigerating regenerator is cooled by the refrigerating cooler, and acoustic energy generated by the self-excited vibration generated in the working gas is transmitted to the refrigerating regenerator. Thereby, the transmitted acoustic energy is converted into a temperature difference between one end of the refrigerating regenerator and the other end of the refrigerating regenerator. The cold air generated at the other end of the refrigerating regenerator due to the temperature difference between both ends of the refrigerating regenerator is taken out by the cold air discharger. And when a some heat accumulator is installed in a deformation | transformation pipe | tube part, it can drive with higher efficiency as a thermoacoustic refrigerator.

本発明に係る熱音響機関によれば、音響ドライバー等の可動部を設けることなく、共鳴管における任意点より先の音場を全て進行波とすることが可能となる。また、進行波を用いたエネルギ輸送はエネルギ減衰が少ないため、長距離に渡って音波エネルギを輸送することが可能となる。これにより、音波エネルギ輸送を用いた、新しいエネルギ輸送ネットワークの実現を可能とする。   According to the thermoacoustic engine of the present invention, it is possible to make all sound fields ahead of an arbitrary point in the resonance tube a traveling wave without providing a movable part such as an acoustic driver. Moreover, since energy transport using traveling waves has little energy attenuation, it is possible to transport sonic energy over a long distance. This makes it possible to realize a new energy transport network using sonic energy transport.

また、進行波とした位置に蓄熱器を設置すれば、高効率のエネルギ変換が可能となる。さらに、広い領域が進行波となっているために、進行波とした位置に複数の蓄熱器を設置することが出来る。そして、複数の蓄熱器を設置することで、複数の廃熱を用いたエネルギ回収が可能になる。   Further, if a heat accumulator is installed at a position where the traveling wave is set, highly efficient energy conversion becomes possible. Furthermore, since a wide area is a traveling wave, a plurality of heat accumulators can be installed at the position where the traveling wave is set. And energy recovery using a plurality of waste heat becomes possible by installing a plurality of heat accumulators.

さらに、高効率のエネルギ変換が可能なため、装置全体の小型化が可能であり、また装置全体の体積を減少させることが可能である。
また、進行波とした位置に複数の蓄熱器を設置することが出来るため、熱音響発電機として用いた場合、従来の熱音響機関と比較して発電量の向上が可能であり、熱音響冷凍機として用いた場合、従来の熱音響機関と比較して低温駆動を実現することが可能である。
Furthermore, since highly efficient energy conversion is possible, the entire apparatus can be reduced in size, and the volume of the entire apparatus can be reduced.
In addition, since a plurality of regenerators can be installed at the position where the traveling wave is used, when used as a thermoacoustic generator, the amount of power generation can be improved compared to a conventional thermoacoustic engine. When used as a machine, it is possible to realize low-temperature driving as compared with a conventional thermoacoustic engine.

(a)は、本発明の第1実施形態に係るストレート型熱音響機関の構成を模式的に示す模式図、(b)は、本発明の第2実施形態に係るループ型熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows typically the structure of the straight type thermoacoustic engine which concerns on 1st Embodiment of this invention, (b) is the structure of the loop type thermoacoustic engine which concerns on 2nd Embodiment of this invention. It is a schematic diagram which shows typically. (a)、(b)は、変形管部に原動機を設置した熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。(A), (b) is a schematic diagram which shows typically the structure of the thermoacoustic engine which installed the motor | power_engine in the deformation | transformation pipe | tube part. 本発明に係る熱音響機関を熱音響発電機として用いた場合の模式図である。It is a schematic diagram at the time of using the thermoacoustic engine which concerns on this invention as a thermoacoustic generator. 本発明に係る熱音響機関を熱音響冷凍機として用いた場合の模式図である。It is a schematic diagram at the time of using the thermoacoustic engine which concerns on this invention as a thermoacoustic refrigerator. (a)、(b)は、実施例で使用した熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。(A), (b) is a schematic diagram which shows typically the structure of the thermoacoustic engine used in the Example. 第1実施例の本実施例における、インピーダンス分布および仕事流分布(エネルギ輸送による減衰分布)を示すグラフであり、(a)はインピーダンスの実数部、(b)はインピーダンスの虚数部、(c)は仕事流分布を示す。It is a graph which shows impedance distribution and work flow distribution (damping distribution by energy transport) in a present Example of 1st Example, (a) is a real part of an impedance, (b) is an imaginary part of an impedance, (c) Indicates the work flow distribution. 第1実施例の比較例における、インピーダンス分布および仕事流分布(エネルギ輸送による減衰分布)を示すグラフであり、(a)はインピーダンスの実数部、(b)はインピーダンスの虚数部、(c)は仕事流分布を示す。It is a graph which shows the impedance distribution and work flow distribution (damping distribution by energy transport) in the comparative example of 1st Example, (a) is a real part of an impedance, (b) is an imaginary part of an impedance, (c) is The work flow distribution is shown. 第2実施例の本実施例における、インピーダンス分布および仕事流分布(エネルギ輸送による減衰分布)を示すグラフであり、(a)はインピーダンスの実数部、(b)はインピーダンスの虚数部、(c)は仕事流分布を示す。It is a graph which shows impedance distribution and work flow distribution (damping distribution by energy transport) in a present Example of 2nd Example, (a) is a real part of an impedance, (b) is an imaginary part of an impedance, (c). Indicates the work flow distribution. 第2実施例の比較例における、インピーダンス分布および仕事流分布(エネルギ輸送による減衰分布)を示すグラフであり、(a)はインピーダンスの実数部、(b)はインピーダンスの虚数部、(c)は仕事流分布を示す。It is a graph which shows the impedance distribution and work flow distribution (damping distribution by energy transport) in the comparative example of 2nd Example, (a) is a real part of an impedance, (b) is an imaginary part of an impedance, (c) is The work flow distribution is shown. 従来の熱音響機関の構成を模式的に示す模式図であり、(a)は、熱音響機関を熱音響発電機として用いた場合の模式図、(b)は、熱音響機関を熱音響冷凍機として用いた場合の模式図である。It is the model which shows typically the structure of the conventional thermoacoustic engine, (a) is a schematic diagram at the time of using a thermoacoustic engine as a thermoacoustic generator, (b) is a thermoacoustic refrigeration. It is a schematic diagram at the time of using as a machine. 従来の音響ドライバーを用いた熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows typically the structure of the thermoacoustic engine using the conventional acoustic driver.

次に、本発明について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。   Next, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Further, in the following description, the same name and reference sign indicate the same or the same members in principle, and the detailed description will be omitted as appropriate.

≪第1実施形態≫
第1実施形態は、ストレート型熱音響機関に係るものである。
<熱音響機関>
図1(a)に示すように、熱音響機関1は、一端11aから他端11bまでに作動気体が満たされる共鳴管11を有するものである。そして、共鳴管11の管路に、原動機20として、蓄熱器21と、加熱器22と、冷却器23と、を備える。さらに、共鳴管11は、基準管部14と、この基準管部14に対して内径が拡大または縮小された変形管部15を有している。なお、ここでは、共鳴管11の内径が縮小された場合を図示している。ただし、共鳴管11の内径が拡大されたものであってもよい。また、共鳴管11の一端11aとは、基準管部14が形成されている側の端部、すなわち、基準管部14の端部であり、他端11bとは、変形管部15が形成されている側の端部、すなわち、変形管部15の端部のことである。
以下、各構成について説明する。
<< First Embodiment >>
The first embodiment relates to a straight type thermoacoustic engine.
<Thermoacoustic engine>
As shown to Fig.1 (a), the thermoacoustic engine 1 has the resonance tube 11 with which working gas is satisfy | filled from the one end 11a to the other end 11b. Then, a heat accumulator 21, a heater 22, and a cooler 23 are provided as a prime mover 20 in the conduit of the resonance tube 11. Further, the resonance tube 11 has a reference tube portion 14 and a deformed tube portion 15 whose inner diameter is enlarged or reduced with respect to the reference tube portion 14. Here, the case where the inner diameter of the resonance tube 11 is reduced is illustrated. However, the inner diameter of the resonance tube 11 may be enlarged. One end 11a of the resonance tube 11 is an end portion on the side where the reference tube portion 14 is formed, that is, an end portion of the reference tube portion 14, and the other end 11b is formed with a deformed tube portion 15. That is, the end of the deformed tube portion 15.
Each configuration will be described below.

[共鳴管]
共鳴管11は、作動気体が満たされる直線状の管であり、基準管部14と、この基準管部14に対して内径が縮小された変形管部15とを有している。
なお、作動気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物や空気等がよく用いられる。
また、ここでは、共鳴管11の一端11aには、作動気体を封入するバッファータンク16が設けられている。なお、作動気体として大気圧空気を用いる場合は、バッファータンク16を設けずに、一端11aを開口していてもよい(図5(a)参照)。すなわち、バッファータンク16を設ける場合は、作動気体は共鳴管11内にも封入されて満たされるものであり、一端11aを開口した場合は、大気圧空気で満たされるものである。
[Resonance tube]
The resonance tube 11 is a straight tube filled with a working gas, and includes a reference tube portion 14 and a deformed tube portion 15 having an inner diameter reduced with respect to the reference tube portion 14.
As the working gas, nitrogen, helium, argon, a mixture of helium and argon, air, or the like is often used.
Further, here, a buffer tank 16 for enclosing a working gas is provided at one end 11 a of the resonance tube 11. When atmospheric pressure air is used as the working gas, the one end 11a may be opened without providing the buffer tank 16 (see FIG. 5A). That is, when the buffer tank 16 is provided, the working gas is filled and filled in the resonance tube 11, and when the one end 11a is opened, the working gas is filled with atmospheric pressure air.

(基準管部および変形管部)
基準管部14は、共鳴管11の一部を構成するものであり、変形管部15の内径の基準となるものである。
変形管部15は、共鳴管11の一部を構成するものであり、基準管部14よりも大きいあるいは小さい内径を有する(ここでは小さい内径である)。変形管部15は、予め求めた音響インピーダンス分布において、前記音響インピーダンスの虚数部がゼロとなるような共鳴管11の所定部位から、共鳴管11の他端11bに向けて設けられている。すなわち変形管部15は、共鳴管11の管路における所定位置以降(任意点)に設けられ、所定の内径を有する。ここで、「予め求めた音響インピーダンス分布」とは、変形管部15を設けていない所望の長さの共鳴管において、数値計算によって求めた音響インピーダンス分布のことである。
音響インピーダンスは、半導体圧力センサーを用いて、角周波数ω(2πf:fは周波数)、時間t、位相差φを測定し、下記式から求められる(特開2011−99606号公報参照)。
(Reference pipe section and deformation pipe section)
The reference tube portion 14 constitutes a part of the resonance tube 11 and serves as a reference for the inner diameter of the deformable tube portion 15.
The deformation tube portion 15 constitutes a part of the resonance tube 11 and has an inner diameter larger or smaller than that of the reference tube portion 14 (here, a small inner diameter). The deformation tube portion 15 is provided from a predetermined portion of the resonance tube 11 where the imaginary part of the acoustic impedance is zero in the acoustic impedance distribution obtained in advance toward the other end 11 b of the resonance tube 11. That is, the deformable tube portion 15 is provided after a predetermined position (arbitrary point) in the pipe of the resonance tube 11 and has a predetermined inner diameter. Here, the “acoustic impedance distribution obtained in advance” is an acoustic impedance distribution obtained by numerical calculation in a resonance tube having a desired length in which the deformable tube portion 15 is not provided.
The acoustic impedance is obtained from the following equation by measuring an angular frequency ω (2πf: f is a frequency), time t, and phase difference φ using a semiconductor pressure sensor (see JP 2011-99606 A).

音響インピーダンスを、Ζ
気体の圧力振幅を、P=|P|exp(iωt)
音波の流速振幅を、U=|U|exp{i(ωt+φ)}
とするとき、
Ζ=P/U={|P|exp(iωt)}/{|U|exp{i(ωt+φ)}}
Acoustic impedance
The pressure amplitude of the gas is expressed as P = | P | exp (iωt)
The flow velocity amplitude of the sound wave is expressed as U = | U | exp {i (ωt + φ)}
And when
Ζ = P / U = {| P | exp (iωt)} / {| U | exp {i (ωt + φ)}}

すなわち、音響インピーダンスは、気体の圧力振幅(P)の音波の流速振幅(U)に対する比で表され、そして、実数部と虚数部とで構成される。   That is, the acoustic impedance is represented by the ratio of the pressure amplitude (P) of the gas to the flow velocity amplitude (U) of the sound wave, and is composed of a real part and an imaginary part.

そして、変形管部15の内径は、作動気体の密度をρ、音速をcとしたときに、音響インピーダンスの値がρcとなるように設定されている。すなわち、変形管部15は、共鳴管11における音響インピーダンスの値がρcとなるように共鳴管11の内径が縮小された部位である。この変形管部15では、作動気体の自励振動は進行波へと調整される。   The inner diameter of the deformable tube portion 15 is set so that the acoustic impedance value is ρc, where ρ is the working gas density and c is the sound velocity. That is, the deformed tube portion 15 is a portion where the inner diameter of the resonance tube 11 is reduced so that the acoustic impedance value in the resonance tube 11 becomes ρc. In the deformed tube portion 15, the self-excited vibration of the working gas is adjusted to a traveling wave.

ここで、進行波と定在波について説明する。
流体要素の往復運動は「進行波」と「定在波」に分類される。圧力振幅と流速振幅の位相差がゼロである状態を「進行波」、それ以外を「定在波」と定義する。通常の音場は空間的に定在波と進行波との両方を含む。空間的な圧力振幅分布の最大点と最小点はそれぞれ圧力振幅と流速振幅の位相差がゼロ(音響インピーダンス(圧力振幅/流速振幅)の虚数がゼロと同義)であるため、局所的に進行波である。しかし、この進行波は局所的であり音響インピーダンスの虚数がゼロである狭い領域でのみ成立し、それ以外の位置では定在波となる。「圧力振幅と流速振幅の位相差がゼロ」かつ「音響インピーダンスの値が流体要素の密度と音速を乗じた、ρcを満たす」場合のみ圧力振幅分布と流速振幅分布は空間的にフラットとなり、音場は広域に渡って純粋な進行波となる。
Here, traveling waves and standing waves will be described.
The reciprocating motion of the fluid element is classified into “traveling wave” and “standing wave”. A state where the phase difference between the pressure amplitude and the flow velocity amplitude is zero is defined as “traveling wave”, and the other is defined as “standing wave”. A normal sound field spatially includes both standing waves and traveling waves. Since the phase difference between the pressure amplitude and the flow velocity amplitude is zero (the imaginary number of the acoustic impedance (pressure amplitude / flow velocity amplitude) is zero), the maximum and minimum points of the spatial pressure amplitude distribution are locally traveling waves. It is. However, this traveling wave is established only in a narrow region where the imaginary number of the acoustic impedance is zero and is a standing wave at other positions. Only when “the phase difference between the pressure amplitude and the flow velocity amplitude is zero” and “the acoustic impedance value is multiplied by the density of the fluid element and the sound velocity satisfies ρc”, the pressure amplitude distribution and the flow velocity amplitude distribution are spatially flat, and the sound The field becomes a pure traveling wave over a wide area.

熱音響機関で高効率のエネルギ変換を実現するためには、進行波を用いた可逆的なエネルギ変換が必須である。局所的な進行波に対して蓄熱器を設置することを試みる場合、進行波となる領域が狭いために、当然その全てを進行波位置に設置することは不可能である。一方、広い領域において進行波となった状態である「広域的な進行波」であれば、当然、広い領域が進行波であるために容易に複数の蓄熱器を設置することが可能である。本発明は、「広域的な進行波」を実現することを目的とするものである。また、進行波音波は一方向に進行する仕事流であるために、エネルギ伝搬に伴う減衰が少ないというメリットも有する。一方、定在波は反射を伴う波の重ね合わせであるために、エネルギ伝搬に伴う減衰が大きい。よって広域的な進行波はエネルギ輸送の面からも有意義である。   In order to achieve highly efficient energy conversion in a thermoacoustic engine, reversible energy conversion using traveling waves is essential. When attempting to install a heat accumulator for a local traveling wave, it is impossible to install all of them in the traveling wave position because the area that becomes the traveling wave is narrow. On the other hand, if it is a “wide-area traveling wave” that is a traveling wave in a wide area, it is naturally possible to install a plurality of heat accumulators because the wide area is a traveling wave. The object of the present invention is to realize a “wide traveling wave”. Further, since the traveling wave acoustic wave is a work flow that travels in one direction, there is also an advantage that attenuation due to energy propagation is small. On the other hand, since the standing wave is a superposition of waves accompanied by reflection, attenuation due to energy propagation is large. Therefore, wide-area traveling waves are significant from the viewpoint of energy transport.

本発明においては、自励振動動作する熱音響機関を対象に、任意点より先の音場を全て進行波位相とする。以下、「任意点より先の音場を全て進行波位相とする」手法について説明する。   In the present invention, for a thermoacoustic engine that operates by self-excited vibration, all sound fields beyond an arbitrary point are set as traveling wave phases. In the following, a method of “all sound fields ahead of an arbitrary point are set as traveling wave phases” will be described.

広域的な進行波音波では音響インピーダンスは空間的に一様であり、気体の密度をρ、音速をcとすると「実数部」ρcで与えられる。任意点より先の音響インピーダンスをρcとするためには、音響インピーダンスの虚数部がゼロとなるような共鳴管11の所定部位から、共鳴管11の他端11bに向けた所定位置において、ρcを満たす内径に共鳴管を拡大もしくは縮小すればよい。   In a wide-range traveling wave acoustic wave, the acoustic impedance is spatially uniform, and is given by a “real part” ρc where ρ is the gas density and c is the sound velocity. In order to set the acoustic impedance ahead of the arbitrary point to ρc, ρc is set at a predetermined position from the predetermined portion of the resonance tube 11 toward the other end 11b of the resonance tube 11 so that the imaginary part of the acoustic impedance becomes zero. The resonance tube may be enlarged or reduced to the inner diameter to be filled.

変形管部の内径は、下記式(1)により求めた断面積から算出する。
(π・r・(ρc)/Z)=A・・・・式(1)
ここでr:共鳴管の半径(内径の半径),Z:音響インピーダンスの虚数部がゼロとなる点における実数部(インピーダンス値),A:断面積である。
The inner diameter of the deformed tube portion is calculated from the cross-sectional area obtained by the following formula (1).
(Π · r 2 · (ρc) / Z R ) = A ··· Formula (1)
Where r is the radius of the resonance tube (inner radius), Z R is the real part (impedance value) at the point where the imaginary part of the acoustic impedance is zero, and A is the cross-sectional area.

上式でρcが、純粋な進行波を満たす場合の音響インピーダンスであり、作動気体を25℃の大気圧空気とするとρc=約409Ns/mとなる。そして、「音響インピーダンスの虚数部がゼロとなる点における実数部(インピーダンス値)」がρcより大きい場合は共鳴管を縮小、ρcより小さい場合は拡大し、虚数部がゼロとなる点以降の音響インピーダンスの値をρcとなるように調整する。 In the above equation, ρc is an acoustic impedance when a pure traveling wave is satisfied. When the working gas is atmospheric air at 25 ° C., ρc = about 409 Ns / m 3 . If the “real part (impedance value) at the point where the imaginary part of the acoustic impedance is zero” is larger than ρc, the resonance tube is reduced, and if it is smaller than ρc, the resonance tube is enlarged, and the sound after the point where the imaginary part becomes zero Adjust the impedance value to be ρc.

[原動機]
原動機20は、熱音響機関1の自励振動発生手段として機能するものであり、共鳴管11における基準管部14の管路に設けられている。原動機20は、共鳴管11内に設けられた蓄熱器21と、蓄熱器21の両端を挟むように設けられた加熱器22および冷却器23とを有している。そして、加熱器22は蓄熱器21の一端側に配置され、冷却器23はその反対側、すなわち蓄熱器21の他端側に配置されている。なお、原動機20の位置は、基準管部14の管路にあって、自励振動による仕事流が、音響エネルギEとして共鳴管11の他端に伝達される位置であれば、特に限定されるものではない。
[Motor]
The prime mover 20 functions as a self-excited vibration generating unit of the thermoacoustic engine 1 and is provided in a pipe line of the reference pipe portion 14 in the resonance pipe 11. The prime mover 20 includes a heat accumulator 21 provided in the resonance tube 11, and a heater 22 and a cooler 23 provided so as to sandwich both ends of the heat accumulator 21. The heater 22 is disposed on one end side of the regenerator 21, and the cooler 23 is disposed on the opposite side, that is, the other end side of the regenerator 21. The position of the prime mover 20 is particularly limited as long as the position of the prime mover 20 is in the pipeline of the reference pipe portion 14 and the work flow caused by self-excited vibration is transmitted to the other end of the resonance tube 11 as acoustic energy E. It is not a thing.

(蓄熱器)
蓄熱器(原動機用蓄熱器)21は、共鳴管11の管路に設けられ、作動気体を加熱および冷却するものである。
蓄熱器21は、加熱器22および冷却器23によって蓄熱器21の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の自励振動を発生させる。すなわち蓄熱器21は、その一端部(以下、適宜、高温部21bと称する)と、その他端部(以下、適宜、常温部(原動機側常温部)21aと称する)との間に生じる温度差を保つことによって、主として作動気体の自励振動(圧力振動)による仕事流を発生する機能を有している。蓄熱器21は、例えば共鳴管11の延在方向(管路方向)に多数の平行通路を有するセラミックス製のハニカム構造体や、多数枚のステンレス鋼メッシュ薄板を微小ピッチで積層した構造体とすることができる。あるいは金属繊維よりなる不織布状物等を用いることも可能である。
(Regenerator)
The heat accumulator (primary motor heat accumulator) 21 is provided in the pipe of the resonance pipe 11 and heats and cools the working gas.
The heat accumulator 21 forms a temperature gradient between both ends of the heat accumulator 21 by the heater 22 and the cooler 23 to generate self-excited vibration of the working gas. That is, the regenerator 21 has a temperature difference generated between one end thereof (hereinafter appropriately referred to as a high temperature portion 21b) and the other end portion (hereinafter appropriately referred to as a normal temperature portion (primary motor side normal temperature portion) 21a). By maintaining, it has a function of generating a work flow mainly due to self-excited vibration (pressure vibration) of the working gas. The heat accumulator 21 is, for example, a ceramic honeycomb structure having a large number of parallel passages in the extending direction (pipeline direction) of the resonance tube 11 or a structure in which a large number of stainless steel mesh thin plates are laminated at a minute pitch. be able to. Alternatively, a non-woven fabric made of metal fibers can be used.

(加熱器)
加熱器22は、蓄熱器21の一端側に隣接して共鳴管11の管路に設けられ、蓄熱器21の一端部(高温部21b)を加熱するものである。すなわち加熱器22は、外部熱源を用いて蓄熱器21の一端を加熱する熱入力部として機能する。加熱器22は、例えば、加熱用の熱交換器から構成される。具体的には、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされる。この加熱器22には図示しない加熱装置が接続されており、その外周に設けられた環状部材22aを介して加熱処理される構成とされている。なお、図面では便宜上、蓄熱器21と加熱器22の間に環状部材22aの左壁が示されているが、加熱器22は、この左壁を通して蓄熱器21の一端側と隣接、すなわち密着している。
(Heater)
The heater 22 is provided in a pipe line of the resonance tube 11 adjacent to one end side of the heat accumulator 21, and heats one end portion (high temperature portion 21b) of the heat accumulator 21. That is, the heater 22 functions as a heat input unit that heats one end of the heat accumulator 21 using an external heat source. The heater 22 is composed of, for example, a heat exchanger for heating. Specifically, for example, a large number of metal plates such as mesh plates are stacked at a fine pitch. A heating device (not shown) is connected to the heater 22 and is configured to be heated through an annular member 22a provided on the outer periphery thereof. In the drawing, for convenience, the left wall of the annular member 22a is shown between the regenerator 21 and the heater 22, but the heater 22 is adjacent to, in close contact with, one end side of the regenerator 21 through the left wall. ing.

(冷却器)
冷却器23は、蓄熱器21の他端側に隣接して共鳴管11の管路に設けられ、蓄熱器21の他端部(常温部21a)の熱を外部に放出するものである。すなわち冷却器23は、冷却水や空気等を用いて蓄熱器21の他端の熱を外部に放出して冷却する機能を有している。冷却器23は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。冷却器23としては、基本的には加熱器22と同一構成とされており、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされている。この冷却器23は、その周囲に冷却ブラケット23aが配設されている。この冷却ブラケット23aには図示しない冷却水路が接続されており、冷却水路を流れる冷却水により、冷却器23は冷却ブラケット23aを介して一定の冷却温度を維持しうる構成とされている。なお、図面では便宜上、蓄熱器21と冷却器23の間に冷却ブラケット23aの右壁が示されているが、冷却器23は、この右壁を通して蓄熱器21の他端側と隣接、すなわち密着している。
(Cooler)
The cooler 23 is provided in a pipe line of the resonance tube 11 adjacent to the other end side of the heat accumulator 21, and discharges heat of the other end portion (normal temperature portion 21a) of the heat accumulator 21 to the outside. That is, the cooler 23 has a function of cooling by discharging the heat at the other end of the heat accumulator 21 to the outside using cooling water, air, or the like. The cooler 23 is composed of, for example, a heat exchanger for cooling. The cooler 23 basically has the same configuration as that of the heater 22, for example, a configuration in which a large number of metal plates such as mesh plates are stacked at a minute pitch. The cooler 23 is provided with a cooling bracket 23a around it. A cooling water passage (not shown) is connected to the cooling bracket 23a, and the cooler 23 is configured to be able to maintain a constant cooling temperature via the cooling bracket 23a by the cooling water flowing through the cooling water passage. In the drawing, for convenience, the right wall of the cooling bracket 23a is shown between the regenerator 21 and the cooler 23, but the cooler 23 is adjacent to the other end side of the regenerator 21 through this right wall, that is, in close contact. doing.

≪第2実施形態≫
第2実施形態は、ループ型熱音響機関に係るものである。
<熱音響機関>
図1(b)に示すように、熱音響機関1Aは、作動気体が封入される環状のループ管10と、ループ管10に連通して一端11aが接続された共鳴管11と、を有するものである。そして、ループ管10の管路に、原動機20として、蓄熱器21と、加熱器22と、冷却器23と、を備える。さらに、共鳴管11は、基準管部14と、この基準管部14に対して内径が拡大または縮小された変形管部15とを有している。なお、ここでは、共鳴管11の内径が拡大された場合を図示している。ただし、共鳴管11の内径が縮小されたものであってもよい。
以下、各構成について説明する。
<< Second Embodiment >>
The second embodiment relates to a loop thermoacoustic engine.
<Thermoacoustic engine>
As shown in FIG. 1B, the thermoacoustic engine 1A includes an annular loop tube 10 in which a working gas is sealed, and a resonance tube 11 that communicates with the loop tube 10 and has one end 11a connected thereto. It is. Then, a heat accumulator 21, a heater 22, and a cooler 23 are provided as a prime mover 20 in the pipe line of the loop pipe 10. Further, the resonance tube 11 has a reference tube portion 14 and a deformed tube portion 15 whose inner diameter is enlarged or reduced with respect to the reference tube portion 14. Here, the case where the inner diameter of the resonance tube 11 is enlarged is shown. However, the inner diameter of the resonance tube 11 may be reduced.
Each configuration will be described below.

[ループ管および共鳴管]
ループ管(原動機用ループ管)10は、作動気体が封入される環状の管であり、その管路は角丸の四角形に形成され、四辺に該当する直線部を形成する直管部10a〜10dからなる。すなわち、縦方向に略平行に並んだ2つの直管部10a、10bと、横方向に略平行に並んだ2つの直管部10c、10dと、を有している。そして、直管部10aの一端と直管部10cの一端、直管部10bの一端と直管部10cの他端、直管部10bの他端と直管部10dの一端が接続されてこの部位で湾曲している。また、直管部10aの他端と直管部10dの他端が接続されるとともに、この部位において、ループ管10に連通して共鳴管11の一端が接続されている。
[Loop tube and resonance tube]
The loop pipe (primary motor loop pipe) 10 is an annular pipe in which working gas is enclosed, and the pipe line is formed into a rounded quadrangle, and straight pipe portions 10a to 10d that form straight portions corresponding to the four sides. Consists of. That is, it has two straight pipe parts 10a and 10b arranged substantially parallel to the vertical direction, and two straight pipe parts 10c and 10d arranged substantially parallel to the horizontal direction. And one end of the straight pipe part 10a and one end of the straight pipe part 10c, one end of the straight pipe part 10b and the other end of the straight pipe part 10c, the other end of the straight pipe part 10b and one end of the straight pipe part 10d are connected to each other. Curved at the site. In addition, the other end of the straight tube portion 10a and the other end of the straight tube portion 10d are connected, and at this portion, one end of the resonance tube 11 is connected to the loop tube 10.

共鳴管11は、作動気体が封入される直線状の管であり、その一端11aがループ管10に連通して、すなわち作動気体がループ管10と共鳴管11とを通動可能な状態で接続されている。ここで、図1(b)の破線(符号A1)を基準として図1(b)における紙面上、左側の管部がループ管10であり、右側の管部が共鳴管11である。ここでは、共鳴管11におけるループ管10との接続部は、上側が湾曲しているが、直角に形成しているものであってもよい。また、共鳴管11とループ管10の境界は厳密に規定されるものではなく、符号A1の破線が、紙面上、やや右側(例えば、前記湾曲していない部分)に位置するものであってもよい。そして、共鳴管11は、基準管部14と、この基準管部14に対して共鳴管11の内径が拡大された変形管部15を有している。
なお、作動気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物や空気等がよく用いられる。
The resonance tube 11 is a straight tube in which a working gas is enclosed, and one end 11a thereof communicates with the loop tube 10, that is, the working gas is connected in a state where the loop tube 10 and the resonance tube 11 are movable. Has been. Here, with reference to the broken line (reference A1) in FIG. 1B, the left tube is the loop tube 10 and the right tube is the resonance tube 11 in FIG. Here, the connection portion of the resonance tube 11 with the loop tube 10 is curved on the upper side, but may be formed at a right angle. In addition, the boundary between the resonance tube 11 and the loop tube 10 is not strictly defined, and even if the broken line indicated by the symbol A1 is located slightly on the right side of the paper (for example, the uncurved portion). Good. The resonance tube 11 includes a reference tube portion 14 and a deformed tube portion 15 in which the inner diameter of the resonance tube 11 is enlarged with respect to the reference tube portion 14.
As the working gas, nitrogen, helium, argon, a mixture of helium and argon, air, or the like is often used.

(基準管部および変形管部)
基準管部14は、共鳴管11の一部を構成するものであり、変形管部15の内径の基準となるものである。
変形管部15は、共鳴管11の一部を構成するものであり、基準管部14よりも大きいあるいは小さい内径を有する(ここでは大きい内径である)。変形管部15は、予め求めた音響インピーダンス分布において、前記音響インピーダンスの虚数部がゼロとなるような共鳴管11の所定部位から、共鳴管11の他端11bに向けて設けられている。すなわち変形管部15は、共鳴管11の管路における所定位置(任意点)以降に設けられ、所定の内径を有する。
共鳴管11の内径が拡大されていること以外については、前記第1実施形態のストレート型熱音響機関と同様であるので、ここでは説明を省略する。
(Reference pipe section and deformation pipe section)
The reference tube portion 14 constitutes a part of the resonance tube 11 and serves as a reference for the inner diameter of the deformable tube portion 15.
The deformation tube portion 15 constitutes a part of the resonance tube 11 and has an inner diameter larger or smaller than that of the reference tube portion 14 (here, a large inner diameter). The deformation tube portion 15 is provided from a predetermined portion of the resonance tube 11 where the imaginary part of the acoustic impedance is zero in the acoustic impedance distribution obtained in advance toward the other end 11 b of the resonance tube 11. That is, the deformable tube portion 15 is provided after a predetermined position (arbitrary point) in the pipe of the resonance tube 11 and has a predetermined inner diameter.
Since the resonance tube 11 is the same as the straight thermoacoustic engine of the first embodiment except that the inner diameter of the resonance tube 11 is enlarged, the description thereof is omitted here.

[原動機]
原動機20は、熱音響機関1Aの自励振動発生手段として機能するものである。原動機20は、ループ管10内に設けられた蓄熱器21と、蓄熱器21の両端を挟むように設けられた加熱器22および冷却器23とを有している。より具体的には、原動機20は、本実施形態において、ループ管10における共鳴管11が接続されている側、すなわちループ管10の直管部10aの管路に設けられている。そして、加熱器22は蓄熱器21の直管部10d側に配置され、冷却器23はその反対側、すなわち蓄熱器21の直管部10c側に配置されている。なお、原動機20の位置は、ループ管10内にあって、自励振動による仕事流が、音響エネルギEとして共鳴管11の他端11bに伝達される位置であれば、特に限定されるものではない。
[Motor]
The prime mover 20 functions as self-excited vibration generating means of the thermoacoustic engine 1A. The prime mover 20 includes a heat accumulator 21 provided in the loop tube 10, and a heater 22 and a cooler 23 provided so as to sandwich both ends of the heat accumulator 21. More specifically, in the present embodiment, the prime mover 20 is provided on the side of the loop pipe 10 to which the resonance pipe 11 is connected, that is, on the pipe line of the straight pipe portion 10 a of the loop pipe 10. And the heater 22 is arrange | positioned at the straight pipe part 10d side of the heat accumulator 21, and the cooler 23 is arrange | positioned at the other side, ie, the straight pipe part 10c side of the heat accumulator 21. The position of the prime mover 20 is not particularly limited as long as the position is within the loop tube 10 and the work flow due to self-excited vibration is transmitted to the other end 11b of the resonance tube 11 as acoustic energy E. Absent.

原動機20を構成する蓄熱器21、加熱器22、冷却器23については、ループ管10の管路に設けられていること以外は、前記第1実施形態のストレート型熱音響機関と同様であるので、ここでは説明を省略する。   The heat accumulator 21, the heater 22, and the cooler 23 constituting the prime mover 20 are the same as those of the straight thermoacoustic engine of the first embodiment except that they are provided in the pipe line of the loop pipe 10. The description is omitted here.

熱音響機関1,1Aは、変形管部15に、さらに1つまたは複数の原動機を備えることができる。図2(a)、(b)に示すように、熱音響機関1B,1Cは、変形管部15に、2つの原動機20(変形管部用原動機20a)を備えている。   The thermoacoustic engine 1, 1 </ b> A can further include one or more prime movers in the deformable tube portion 15. As shown in FIGS. 2A and 2B, the thermoacoustic engines 1 </ b> B and 1 </ b> C are provided with two prime movers 20 (deformation tube portion prime movers 20 a) in the deformation tube portion 15.

変形管部用原動機20aは、前記に説明した原動機20と同様に、熱音響機関1B,1Cの自励振動発生手段として機能するものである。そして、変形管部用原動機20aは、共鳴管11における変形管部15の管路に設けられ、作動気体を加熱および冷却する蓄熱器21と、蓄熱器21の一端側に隣接して変形管部15の管路に設けられ、蓄熱器21の一端部を加熱する加熱器22と、蓄熱器21の他端側に隣接して変形管部15の管路に設けられ、蓄熱器21の他端部の熱を外部に放出する冷却器23と、からなる。なお、これらについては、変形管部15の管路に設けられていること以外は前記の第1実施形態における原動機20と同様であるので、ここでは説明を省略する。   The deforming tube portion prime mover 20a functions as a self-excited vibration generating means of the thermoacoustic engines 1B and 1C, similarly to the prime mover 20 described above. The deformable tube portion prime mover 20 a is provided in the conduit of the deformable tube portion 15 in the resonance tube 11, and a deformable tube portion adjacent to one end side of the heat accumulator 21 and a heat accumulator 21 that heats and cools the working gas. A heater 22 for heating one end of the heat accumulator 21 and an other end of the heat accumulator 21 adjacent to the other end of the heat accumulator 21. And a cooler 23 for releasing the heat of the part to the outside. Since these are the same as the prime mover 20 in the first embodiment except that they are provided in the pipe line of the deformable pipe portion 15, the description thereof is omitted here.

変形管部15に変形管部用原動機20aを設けることで、進行波発生位置に1つまたは複数の蓄熱器21を設置することが可能となり、高効率のエネルギ変換を行なうことができる。なお、変形管部用原動機20aの設置位置は特に限定されるものではなく、適宜調整すればよい。また、変形管部用原動機20aを複数設ける場合、それらの間隔は特に限定されるものではなく、適宜調整すればよい。   By providing the deformable tube portion prime mover 20a in the deformable tube portion 15, it is possible to install one or a plurality of heat accumulators 21 at the traveling wave generation position, and highly efficient energy conversion can be performed. In addition, the installation position of the deformation | transformation pipe | tube motor | generator 20a is not specifically limited, What is necessary is just to adjust suitably. Further, when a plurality of the deformable tube prime movers 20a are provided, the interval between them is not particularly limited and may be adjusted as appropriate.

本発明の熱音響機関は、主に、熱音響発電機や、熱音響冷凍機として用いられる。
次に、図面を参照して、熱音響機関を用いた熱音響機関の一例として、前記の熱音響機関1Cを用いた場合の熱音響発電機および熱音響冷凍機について説明する。なお、ここでは、変形管部用原動機20aを備えるものについて説明するが、変形管部用原動機20aを備えないものであってもよい。また、ここでは、ループ型熱音響機関を用いた場合について説明するが、ストレート型熱音響機関においても、ループ管を備えないこと以外については同様である。
The thermoacoustic engine of the present invention is mainly used as a thermoacoustic generator or a thermoacoustic refrigerator.
Next, a thermoacoustic generator and a thermoacoustic refrigerator when the thermoacoustic engine 1C is used will be described as an example of a thermoacoustic engine using a thermoacoustic engine with reference to the drawings. In addition, although what is provided with the deformation | transformation pipe part prime mover 20a is demonstrated here, you may not be provided with the deformation | transformation pipe part prime mover 20a. In addition, here, a case where a loop type thermoacoustic engine is used will be described. However, a straight type thermoacoustic engine is the same except that a loop tube is not provided.

<熱音響発電機>
図3に示すように、熱音響発電機50は、前記した熱音響機関1Cに加え、さらに、共鳴管11の他端11bに接続され、変形管部15に連通して、作動気体に発生する自励振動に応動して発電を行なう発電機(リニア発電機)30を備えるものである。発電機30を備える以外については、前記の熱音響機関1Cで説明したとおりであるので、ここでは発電機30について説明する。
<Thermoacoustic generator>
As shown in FIG. 3, the thermoacoustic generator 50 is connected to the other end 11 b of the resonance tube 11 in addition to the above-described thermoacoustic engine 1 </ b> C, communicates with the deformation tube portion 15, and is generated in the working gas. A generator (linear generator) 30 that generates power in response to self-excited vibration is provided. Since it is as having demonstrated the said thermoacoustic engine 1C except having provided the generator 30, the generator 30 is demonstrated here.

[発電機]
発電機30は、共鳴管11の他端11bに接続され、変形管部15に連通して、さらにループ管10の一部に連通するかたちで設けられており、作動気体に発生する自励振動に応動して発電を行なうリニア発電機として機能する。すなわち、音響エネルギEである自励振動に基づき内側ヨーク33を往復振動させて、音響エネルギEを電気エネルギに変換するものである。これにより、共鳴管11を通って伝達した音響エネルギEを、内側ヨーク33の往復運動を介して電気エネルギに変換する、いわゆる熱音響発電機50を形成することができる。
[Generator]
The generator 30 is connected to the other end 11b of the resonance tube 11, communicates with the deformation tube portion 15, and further communicates with a part of the loop tube 10, and self-excited vibration generated in the working gas. It functions as a linear generator that generates power in response to. That is, the inner yoke 33 is reciprocated based on the self-excited vibration that is the acoustic energy E, and the acoustic energy E is converted into electric energy. Thereby, the so-called thermoacoustic generator 50 that converts the acoustic energy E transmitted through the resonance tube 11 into electrical energy through the reciprocating motion of the inner yoke 33 can be formed.

発電機30は、共鳴管11の他端11b、すなわち変形管部15に接続され、ループ管10および共鳴管11の内部で生じる圧力変動に対応した内部圧力変動を受ける圧力容器39を備えている。圧力容器39内には、外側ヨーク(円筒)31,31と、外側ヨーク31,31にそれぞれ収容されるコイル32,32と、外側ヨーク31,31の間に位置する内側ヨーク(円筒)33と、外側ヨーク31,31のそれぞれと内側ヨーク33との間に設けられた永久磁石34,34と、が備えられている。なお、永久磁石34,34は、それぞれS極とN極の磁石から構成されている。   The generator 30 includes a pressure vessel 39 connected to the other end 11 b of the resonance tube 11, that is, the deformation tube portion 15, and receiving an internal pressure variation corresponding to the pressure variation generated inside the loop tube 10 and the resonance tube 11. . Inside the pressure vessel 39, outer yokes (cylinders) 31, 31, coils 32 and 32 accommodated in the outer yokes 31 and 31, and an inner yoke (cylinder) 33 positioned between the outer yokes 31 and 31, respectively. Permanent magnets 34, 34 provided between the outer yokes 31, 31 and the inner yoke 33, respectively. The permanent magnets 34 and 34 are composed of S-pole and N-pole magnets, respectively.

発電機30におけるこのような構造は、コイル32,32を周回する磁束密度の時間変化により電流が発生するという原理に基づいた発電方式を採用している。すなわち、音響エネルギEである自励振動に基づき内側ヨーク33がストロークすることにより、コイル32,32を周回する磁束密度が大きく変化し、発電が行われる。また、内側ヨーク33に突起33aを取り付けることによって、エアギャップを磁束が通過することによる磁束密度の低下を抑止することができる。   Such a structure in the generator 30 employs a power generation method based on the principle that a current is generated by a change in magnetic flux density that circulates around the coils 32 and 32 with time. That is, when the inner yoke 33 strokes based on the self-excited vibration that is the acoustic energy E, the density of the magnetic flux that circulates around the coils 32 and 32 greatly changes, and power generation is performed. Further, by attaching the projection 33a to the inner yoke 33, it is possible to suppress a decrease in magnetic flux density due to the magnetic flux passing through the air gap.

このような直線運動を直接電力に変換するリニア発電システムは、変換機構による変換ロスや摩擦損失が根本的に存在しないというメリットがあり、発電機全体を小型化することや、高効率化を期待することができる。また、往復運動のストローク変動が発生するフリーピストン型スターリングエンジンを用いたり、潮力エネルギ、振動エネルギ等を発電に利用したりした場合、振動を回転に変換することが困難であることから、高効率リニア発電機へのニーズは高まっている。   The linear power generation system that converts such linear motion directly into electric power has the advantage that there is no fundamental conversion loss or friction loss due to the conversion mechanism, and the entire generator is expected to be smaller and more efficient. can do. Also, if you use a free piston type Stirling engine that generates reciprocating stroke fluctuations, or if you use tidal energy, vibration energy, etc. for power generation, it is difficult to convert vibration to rotation. There is a growing need for efficient linear generators.

<熱音響冷凍機>
図4に示すように、熱音響冷凍機60は、前記した熱音響機関1Cに加え、さらに、共鳴管11の他端11bに接続され、変形管部15に連通して接続された環状の冷凍用ループ管12を有する。そして、冷凍用ループ管12の管路に、冷凍機40として、冷凍用蓄熱器41と、冷凍用冷却器43と、冷気放出器42と、を備える。冷凍機40を備える以外については、前記の熱音響機関1Cで説明したとおりであるので、ここでは冷凍機40およびこれを管路に備える冷凍用ループ管12について説明する。
<Thermoacoustic refrigerator>
As shown in FIG. 4, the thermoacoustic refrigerator 60 is connected to the other end 11 b of the resonance tube 11 in addition to the above-described thermoacoustic engine 1 </ b> C, and is connected to the deformed tube portion 15 so as to communicate therewith. A loop tube 12 is provided. The refrigerating loop pipe 12 includes a refrigerating regenerator 41, a refrigerating cooler 43, and a cold air discharger 42 as the refrigerating machine 40. Except for the provision of the refrigerating machine 40, since it is as described in the thermoacoustic engine 1C, the refrigerating machine 40 and the refrigerating loop pipe 12 equipped with the refrigerating machine 40 in the pipeline will be described here.

[冷凍用ループ管]
冷凍用ループ管12は、作動気体が封入される環状の管であり、その管路は角丸の四角形に形成され、四辺に該当する直線部を形成する直管部12a〜12dからなる。すなわち、四辺に該当する直線部を形成する縦方向に略平行に並んだ2つの直管部12a、12bと、横方向に略平行に並んだ2つの直管部12c、12dと、を有している。そして、直管部12aの一端と直管部12cの一端、直管部12bの一端と直管部12cの他端、直管部12bの他端と直管部12dの一端が接続されて湾曲している。また、直管部12aの他端と直管部12dの他端が接続されるとともに、この部位において、冷凍用ループ管12に連通して共鳴管11の他端が接続されている。ここで、図4の破線(符号A2)を基準として図4における紙面上、右側の管部が冷凍用ループ管12であり、左側の管部が共鳴管11である。ここでは、共鳴管11における冷凍用ループ管12との接続部は、上側が湾曲しているが、直角に形成しているものであってもよい。また、共鳴管11と冷凍用ループ管12の境界は厳密に規定されるものではなく、符号A2の破線が、紙面上、やや左側(例えば、前記湾曲していない部分)に位置するものであってもよい。
[Freezing loop tube]
The refrigeration loop pipe 12 is an annular pipe in which working gas is enclosed, and the pipe path is formed into a rounded quadrangular shape and includes straight pipe portions 12a to 12d that form straight portions corresponding to the four sides. That is, it has two straight pipe parts 12a, 12b arranged substantially in parallel in the vertical direction forming a straight part corresponding to the four sides, and two straight pipe parts 12c, 12d arranged substantially in parallel in the horizontal direction. ing. Then, one end of the straight pipe part 12a and one end of the straight pipe part 12c, one end of the straight pipe part 12b and the other end of the straight pipe part 12c, the other end of the straight pipe part 12b and one end of the straight pipe part 12d are connected and curved. doing. In addition, the other end of the straight tube portion 12a and the other end of the straight tube portion 12d are connected, and the other end of the resonance tube 11 is connected to the freezing loop tube 12 at this portion. Here, on the paper surface in FIG. 4 with reference to the broken line (reference A2) in FIG. 4, the right tube portion is the freezing loop tube 12 and the left tube portion is the resonance tube 11. Here, the connection portion of the resonance tube 11 with the refrigeration loop tube 12 is curved on the upper side, but may be formed at a right angle. Further, the boundary between the resonance tube 11 and the refrigeration loop tube 12 is not strictly defined, and the broken line A2 is located slightly on the left side of the paper (for example, the uncurved portion). May be.

[冷凍機]
冷凍機40は、原動機20、および、変形管部用原動機20aによって発生する作動気体の自励振動による仕事流を冷気(冷熱)に変換するヒートポンプ手段として機能するものである。冷凍機40は、冷凍用ループ管12内に設けられた冷凍用蓄熱器41と、冷凍用蓄熱器41の両端を挟むように設けられた冷凍用冷却器43および冷気放出器42とを有している。より具体的には、冷凍機40は、本実施形態において、冷凍用ループ管12における共鳴管11が接続されている側、すなわち冷凍用ループ管12の直管部12aの管路に設けられている。そして、冷凍用冷却器43は冷凍用蓄熱器41の直管部12c側に配置され、冷気放出器42はその反対側、すなわち冷凍用蓄熱器41の直管部12d側に配置されている。
[refrigerator]
The refrigerator 40 functions as a heat pump unit that converts a work flow generated by the self-excited vibration of the working gas generated by the prime mover 20 and the deformation pipe portion prime mover 20a into cold air (cold heat). The refrigerator 40 includes a refrigerating regenerator 41 provided in the refrigerating loop tube 12, and a refrigerating cooler 43 and a cold air discharger 42 provided so as to sandwich both ends of the refrigerating regenerator 41. ing. More specifically, in this embodiment, the refrigerator 40 is provided on the side of the refrigeration loop pipe 12 to which the resonance pipe 11 is connected, that is, on the pipe line of the straight pipe portion 12a of the refrigeration loop pipe 12. Yes. The refrigeration cooler 43 is arranged on the straight pipe portion 12 c side of the refrigeration regenerator 41, and the cold air discharger 42 is arranged on the opposite side, that is, on the straight pipe portion 12 d side of the refrigeration regenerator 41.

(冷凍用蓄熱器)
冷凍用蓄熱器41は、冷凍用ループ管12の管路に設けられ、作動気体を冷却するものである。
冷凍用蓄熱器41は、原動機20から、共鳴管11、冷凍用ループ管12の直管部12d,12b,12c,12aの順にこれらの管を通じて冷凍用蓄熱器41の一端部(以下、適宜、常温部(冷凍機側常温部)41aと称する)に伝達された自励振動を、冷凍用蓄熱器41の一端部(常温部41a)と冷凍用蓄熱器41の他端部(以下、適宜、低温部41bと称する)との間における温度差に変換する機能を有している。冷凍用蓄熱器41の常温部41aは冷凍用冷却器43によって冷却されているため、伝達された自励振動によって、冷凍用蓄熱器41の低温部41bは、常温部41aよりも低い温度まで冷却されて冷気が発生する。この冷気は、冷気放出器42によって外部に取り出される。冷凍用蓄熱器41は、熱容量の大きい蓄冷材からなる。蓄冷材としては、例えば、ステンレス鋼、銅、鉛等を用いることができ、またその形状は多様な形状を適用することが可能である。
(Refrigerating regenerator)
The refrigerating regenerator 41 is provided in the pipe line of the refrigerating loop pipe 12 and cools the working gas.
The refrigerating regenerator 41 is connected to one end of the refrigerating regenerator 41 (hereinafter, appropriately, through the pipes 12d, 12b, 12c, and 12a in this order from the prime mover 20 to the resonance tube 11 and the refrigerating loop tube 12). The self-excited vibration transmitted to the normal temperature part (referred to as the refrigerator normal temperature part) 41a) is converted into one end of the refrigerating regenerator 41 (normal temperature part 41a) and the other end of the refrigerating regenerator 41 (hereinafter referred to as appropriate) It has a function of converting to a temperature difference between the low-temperature portion 41b and the low-temperature portion 41b. Since the normal temperature part 41a of the refrigerating regenerator 41 is cooled by the refrigerating cooler 43, the low temperature part 41b of the refrigerating regenerator 41 is cooled to a temperature lower than the normal temperature part 41a by the transmitted self-excited vibration. Cold air is generated. This cold air is taken out by the cold air discharger 42. The refrigerating regenerator 41 is made of a cold storage material having a large heat capacity. As the regenerator material, for example, stainless steel, copper, lead or the like can be used, and various shapes can be applied.

(冷凍用冷却器)
冷凍用冷却器43は、冷凍用蓄熱器41の自励振動が伝わる一端側に隣接して冷凍用ループ管12の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器41の一端部(常温部41a)の熱を外部に放出するものである。すなわち冷凍用冷却器43は、冷却水や空気等を用いて冷凍用蓄熱器41の一端の熱を外部に放出して冷却する機能を有している。冷凍用冷却器43は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。具体的には、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされている。この冷凍用冷却器43は、その周囲に冷却ブラケット43aが配設されている。この冷却ブラケット43aには図示しない冷却水路が接続されており、冷却水路を流れる冷却水により、冷凍用冷却器43は冷却ブラケット43aを介して一定の冷却温度を維持しうる構成とされている。なお、図面では便宜上、冷凍用蓄熱器41と冷凍用冷却器43の間に冷却ブラケット43aの下壁が示されているが、冷凍用冷却器43は、この下壁を通して冷凍用蓄熱器41の一端側と隣接、すなわち密着している。
(Refrigerator for refrigeration)
The refrigeration cooler 43 is provided in a pipe line of the refrigeration loop pipe 12 adjacent to one end side where the self-excited vibration of the refrigeration regenerator 41 is transmitted. It releases heat to the outside. In other words, the refrigeration cooler 43 has a function of cooling by releasing heat from one end of the refrigeration regenerator 41 using cooling water, air, or the like. The refrigeration cooler 43 is composed of, for example, a cooling heat exchanger. Specifically, for example, a large number of metal plates such as mesh plates are stacked at a fine pitch. The refrigeration cooler 43 is provided with a cooling bracket 43a around it. A cooling water channel (not shown) is connected to the cooling bracket 43a, and the refrigeration cooler 43 can maintain a constant cooling temperature via the cooling bracket 43a by the cooling water flowing through the cooling water channel. In the drawing, for convenience, the lower wall of the cooling bracket 43a is shown between the refrigerating regenerator 41 and the refrigerating cooler 43. However, the refrigerating cooler 43 is connected to the refrigerating regenerator 41 through the lower wall. Adjacent to one end side, that is, in close contact.

(冷気放出器)
冷気放出器42は、冷凍用蓄熱器41の他端側に隣接して冷凍用ループ管12の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器41の他端部(低温部41b)に発生する冷気を外部に放出するものである。すなわち冷気放出器42は、冷凍用蓄熱器41の他端において発生する冷気を外部に取り出す冷気出力部として機能する。冷気放出器42は、例えば、冷凍用の熱交換器から構成される。冷気放出器42としては、基本的には冷凍用冷却器43と同一構成とされており、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされている。この冷気放出器42の外周位置には、冷気(冷熱)を取り出す高熱伝導率材料(例えば、銅)よりなる環状部材42aが配設されている。なお、図面では便宜上、冷凍用蓄熱器41と冷気放出器42の間に環状部材42aの上壁が示されているが、冷気放出器42は、この上壁を通して冷凍用蓄熱器41の他端側と隣接、すなわち密着している。
(Cold air discharger)
The cold air discharger 42 is provided adjacent to the other end of the refrigerating regenerator 41 in the pipe line of the refrigerating loop tube 12, and generates cold air generated at the other end (low temperature part 41 b) of the refrigerating regenerator 41. It will be released to the outside. That is, the cold air discharger 42 functions as a cold air output unit that extracts the cold air generated at the other end of the refrigerating regenerator 41 to the outside. The cool air discharger 42 is composed of, for example, a refrigeration heat exchanger. The cool air discharger 42 basically has the same configuration as the refrigeration cooler 43. For example, a large number of metal plates such as mesh plates are stacked at a minute pitch. An annular member 42a made of a high thermal conductivity material (for example, copper) for extracting cold air (cold heat) is disposed at the outer peripheral position of the cold air discharger 42. In the drawing, for convenience, the upper wall of the annular member 42a is shown between the refrigerating regenerator 41 and the cold air discharger 42. The cold air discharger 42 is connected to the other end of the refrigerating heat accumulator 41 through this upper wall. Adjacent to, ie in close contact with, the side.

<熱音響機関の動作>
次に熱音響機関の動作について、前記説明した熱音響発電機および熱音響冷凍機を例にして図3および図4を参照して説明する。なお、ここでは、ループ型熱音響機関を用いた場合について説明するが、ストレート型熱音響機関においても、動作としては同様である。
<Operation of thermoacoustic engine>
Next, the operation of the thermoacoustic engine will be described with reference to FIGS. 3 and 4 taking the thermoacoustic generator and thermoacoustic refrigerator described above as examples. Here, the case where a loop type thermoacoustic engine is used will be described, but the operation is the same in a straight type thermoacoustic engine.

[熱音響発電機の動作]
図3に示すように、まず、原動機20において、加熱器22によって蓄熱器21の高温部21bを加熱し、かつ、冷却器23によって蓄熱器21の常温部21aを冷却すると、蓄熱器21の両端に、すなわち、高温部21bと常温部21aとの間に温度差が生じる。この温度差により、原動機20(具体的には、蓄熱器21)には、主として作動気体の自励振動による仕事流が生じる。そして、原動機20において発生した自励振動による仕事流は、音響エネルギEとしてループ管10の直管部10a,10c,10b,10d、共鳴管11の順にこれらの管を通じて発電機30に伝達される。なお、ここでは変形管部用原動機20a,20aにおいても自励振動による仕事流が生じ、音響エネルギEとして発電機30に伝達される。そして発電機30に伝達された自励振動に基づき内側ヨーク33を往復振動させることで、音響エネルギEが電気エネルギに変換されて発電が行なわれる。
[Operation of thermoacoustic generator]
As shown in FIG. 3, first, in the prime mover 20, when the high-temperature part 21 b of the regenerator 21 is heated by the heater 22 and the normal temperature part 21 a of the regenerator 21 is cooled by the cooler 23, both ends of the regenerator 21. That is, a temperature difference is generated between the high temperature part 21b and the normal temperature part 21a. Due to this temperature difference, the prime mover 20 (specifically, the heat accumulator 21) generates a work flow mainly due to self-excited vibration of the working gas. The work flow caused by the self-excited vibration generated in the prime mover 20 is transmitted as acoustic energy E to the generator 30 through these tubes in the order of the straight tube portions 10a, 10c, 10b, and 10d of the loop tube 10 and the resonance tube 11. . Here, a work flow due to self-excited vibration is also generated in the deformable tube prime movers 20a, 20a, and is transmitted to the generator 30 as acoustic energy E. Then, by reciprocating the inner yoke 33 based on the self-excited vibration transmitted to the generator 30, the acoustic energy E is converted into electric energy to generate electric power.

[熱音響冷凍機の動作]
図4に示すように、前記した熱音響発電機の動作と同様にして、原動機20(具体的には、蓄熱器21)に主として作動気体の自励振動による仕事流が生じる。そして、原動機20において発生した自励振動による仕事流は、音響エネルギEとして共鳴管11を通じて冷凍機40に伝達される。より具体的には、蓄熱器21の高温部21bから、音響エネルギEとしてループ管10の直管部10a,10c,10b,10d、共鳴管11、冷凍用ループ管12の直管部12d,12b,12c,12aを通じて冷凍用蓄熱器41の常温部41aに伝達される。なお、ここでは変形管部用原動機20a,20aにおいても自励振動による仕事流が生じ、音響エネルギEとして冷凍機40に伝達される。
[Operation of thermoacoustic refrigerator]
As shown in FIG. 4, in the same manner as the operation of the thermoacoustic generator described above, a work flow is generated mainly by the self-excited vibration of the working gas in the prime mover 20 (specifically, the heat accumulator 21). The work flow caused by the self-excited vibration generated in the prime mover 20 is transmitted as acoustic energy E to the refrigerator 40 through the resonance tube 11. More specifically, from the high temperature part 21b of the regenerator 21, as the acoustic energy E, the straight pipe parts 10a, 10c, 10b, 10d of the loop pipe 10, the resonance pipe 11, and the straight pipe parts 12d, 12b of the freezing loop pipe 12 , 12c, 12a are transmitted to the normal temperature part 41a of the refrigerating regenerator 41. Here, in the deformable tube prime movers 20a and 20a, a work flow due to self-excited vibration is generated and transmitted to the refrigerator 40 as acoustic energy E.

次に、冷凍用蓄熱器41に伝達された自励振動は、冷凍用冷却器43によって外部に熱を放出して冷却されている冷凍用蓄熱器41の常温部41aと冷凍用蓄熱器41の低温部41bとの間における温度差に変換される。そして、この冷凍用蓄熱器41の両端の温度差によって冷凍用蓄熱器41の低温部41bに発生した冷気(冷熱)が、冷気放出器42によって外部に取り出されることにより、冷凍能力が得られる。   Next, the self-excited vibration transmitted to the refrigerating regenerator 41 is generated by the refrigerating regenerator 41 being cooled by releasing heat to the outside by the refrigerating cooler 43 and the refrigerating regenerator 41. It is converted into a temperature difference with the low temperature part 41b. Then, the cold air (cold heat) generated in the low temperature portion 41b of the refrigerating regenerator 41 due to the temperature difference between both ends of the refrigerating regenerator 41 is taken out by the cold air discharger 42, whereby the refrigerating capacity is obtained.

次に、本発明に係る実施例について説明する。本実施例では、ストレート型熱音響機関、および、ループ型熱音響機関について、それぞれ、変形管部を有するものと、従来の変形管部を有さないものについて、進行波の発生状況、および、仕事流分布を調べた。   Next, examples according to the present invention will be described. In this example, for the straight type thermoacoustic engine and the loop type thermoacoustic engine, for the one having a deformed tube portion and the one not having the conventional deformed tube portion, the traveling wave generation state, and The work flow distribution was investigated.

[第1実施例]
第1実施例では、共鳴管の一端を開口端としたストレート型熱音響機関を対象として試験を行った。対象とするストレート型熱音響機関を図5(a)に示す。なお、図5(a)においては、ストレート型熱音響機関の形状をわかりやすくするため、模式的に図示している。
本実施例として、作動気体の密度をρ、音速をcとしたときに、音響インピーダンスの虚数部がゼロの位置においてρcを満たすよう共鳴管の内径を縮小し、音場を調整した熱音響機関を準備した。共鳴管の直径(内径)は音響インピーダンスの虚数部がゼロとなる点(この位置のことをゼロ点という)まで40mmとした。一方、ゼロ点以降ではρcを満たすように共鳴管の内径を変更した。
また、比較例として、共鳴管の内径を40mmかつ一様とし、音場を未調整とした熱音響機関を準備した(図示省略)。
[First embodiment]
In the first example, a test was conducted on a straight type thermoacoustic engine having one end of the resonance tube as an open end. FIG. 5 (a) shows a straight type thermoacoustic engine as a target. In FIG. 5A, the shape of the straight type thermoacoustic engine is schematically shown for easy understanding.
As a present example, when the working gas density is ρ and the sound velocity is c, a thermoacoustic engine in which the inner diameter of the resonance tube is reduced so as to satisfy ρc at a position where the imaginary part of the acoustic impedance is zero and the sound field is adjusted. Prepared. The diameter (inner diameter) of the resonance tube was 40 mm up to the point where the imaginary part of the acoustic impedance becomes zero (this position is referred to as the zero point). On the other hand, after the zero point, the inner diameter of the resonance tube was changed to satisfy ρc.
As a comparative example, a thermoacoustic engine in which the inner diameter of the resonance tube was 40 mm and uniform and the sound field was not adjusted was prepared (not shown).

本実施例の熱音響機関について、数値計算によって求めた音場調整時におけるインピーダンス分布および仕事流分布(エネルギ輸送による減衰分布)を図6に示し、比較例の熱音響機関について、音場未調整時の音響インピーダンス分布および仕事流分布を図7に示す。   FIG. 6 shows the impedance distribution and work flow distribution (attenuation distribution due to energy transport) at the time of sound field adjustment obtained by numerical calculation for the thermoacoustic engine of this embodiment, and the sound field unadjusted for the thermoacoustic engine of the comparative example. FIG. 7 shows the acoustic impedance distribution and work flow distribution at the time.

ここで、仕事流の測定方法について以下に示す(琵琶 哲志: “熱音響工学初学者のための計測入門”. 低温工学, Vol. 43, pp.517-526 (2008)参照)。
すなわち仕事流Wは、Z(音響インピーダンス実数部)と次式で関係づけられる。
W=(A/2)(Z)|U|
このときZ:音響インピーダンス実数部,A:管内流路断面積,U:流速振幅である。
上式で与えられる仕事流Wの符号は音響パワーの流れの向きを表す。正ならば座標軸の向きに流れ、負ならば逆方向への流れを表す。
Here, the work flow measurement method is shown below (Tetsuji Tsuji: “Introduction to Measurement for Thermoacoustic Engineering Beginners”. Cryogenic Engineering, Vol. 43, pp.517-526 (2008)).
That is, the work flow W is related to Z R (acoustic impedance real part) by the following equation.
W = (A / 2) (Z R ) | U | 2
At this time, Z R is the real part of the acoustic impedance, A is the cross-sectional area of the flow path in the pipe, and U is the amplitude of the flow velocity.
The sign of the work flow W given by the above equation represents the direction of the flow of acoustic power. If it is positive, it flows in the direction of the coordinate axis, and if it is negative, it indicates a flow in the opposite direction.

図6、7において、横軸は開口端をゼロ点としたときのゼロ点からの距離を表し、縦軸はインピーダンスまたは仕事流を表している。また、図6(a)、図7(a)はインピーダンスの実数部(Real part)、図6(b)、図7(b)はインピーダンスの虚数部(Imaginary part)、図6(c)、図7(c)は仕事流分布(Work flow)である。なお、図中の太線(Regenerator)は蓄熱器位置を示しており、破線は縦軸および横軸の目盛線のおよその位置を示している。   6 and 7, the horizontal axis represents the distance from the zero point when the opening end is the zero point, and the vertical axis represents the impedance or work flow. 6 (a) and 7 (a) are the real part of the impedance (Real part), FIG. 6 (b) and FIG. 7 (b) are the imaginary part of the impedance (Imaginary part), FIG. 6 (c), FIG. 7C shows a work flow distribution (Work flow). In addition, the thick line (Regenerator) in a figure has shown the regenerator position, and the broken line has shown the approximate position of the scale line of a vertical axis | shaft and a horizontal axis.

図6(a)、(b)に示すように、x=1.12mより大きいときは音響インピーダンスの実数部が409Ns/m、かつ虚数部は0Ns/mを満たしていることが分かる。つまり、図5(a)の熱音響機関においてx=1.12mより先では純粋な進行波に調整されている。本例では音響インピーダンスの虚数部がゼロとなった点における実数部は5191Ns/mであるために(図7(a)、(b)参照(予め求めた音響インピーダンス分布に相当))、前記した式(1)において、共鳴管断面積Aを、π・(40mm/2)・(409Ns/m)/5191Ns/m)=99.0mm、すなわち、内径を、40mmから11.2mmに変更することで純粋な進行波を実現することができた。 FIG. 6 (a), the as shown in (b), x = when 1.12m larger than real part of the acoustic impedance 409Ns / m 3, and the imaginary part it is found that meets the 0Ns / m 3. That is, in the thermoacoustic engine shown in FIG. 5A, it is adjusted to a pure traveling wave after x = 1.12 m. In this example, since the real part at the point where the imaginary part of the acoustic impedance becomes zero is 5191 Ns / m 3 (see FIGS. 7A and 7B (corresponding to the acoustic impedance distribution obtained in advance)), In equation (1), the resonance tube cross-sectional area A is π · (40 mm / 2) 2 · (409 Ns / m 3 ) / 5191 Ns / m 3 ) = 99.0 mm 2 , that is, the inner diameter is 40 mm to 11. By changing to 2 mm, a pure traveling wave could be realized.

一方、図7(a)、(b)に示すように、比較例に示した熱音響機関の共鳴管の音場は定在波的であり、音響インピーダンスの実数部は空間的に大きく変動すると同時に、虚数部はゼロから大きく乖離している。また図6(c)と図7(c)の仕事流分布を比較すると、進行波になるように音場を調整した方が、仕事流の減衰が少ないことが確認できる。
以上より音響インピーダンスの虚数部がゼロとなる位置でρcを満たすように管の内径を変更することにより、以降の音波を進行波位相に調整可能であることを示せた。すなわち、任意点より先を進行波とすることが可能であることが確認できた。
On the other hand, as shown in FIGS. 7A and 7B, the sound field of the resonance tube of the thermoacoustic engine shown in the comparative example is standing wave, and the real part of the acoustic impedance varies greatly in space. At the same time, the imaginary part is far from zero. Further, comparing the work flow distributions of FIG. 6C and FIG. 7C, it can be confirmed that the attenuation of the work flow is less when the sound field is adjusted to be a traveling wave.
From the above, it has been shown that by changing the inner diameter of the tube so as to satisfy ρc at the position where the imaginary part of the acoustic impedance is zero, the subsequent sound wave can be adjusted to the traveling wave phase. That is, it was confirmed that it is possible to make a traveling wave ahead of an arbitrary point.

[第2実施例]
第2実施例では、ループ型の熱音響機関を対象として試験を行った。対象とするループ型熱音響機関を図5(b)に示す。なお、図5(b)においては、ループ型熱音響機関の形状をわかりやすくするため、模式的に図示している。
本実施例として、作動気体の密度をρ、音速をcとしたときに、音響インピーダンスの虚数部がゼロの位置において音響インピーダンスがρcを満たすよう共鳴管の内径を拡大し、音場を調整した熱音響機関を準備した。共鳴管の直径(内径)は音響インピーダンスの虚数部がゼロとなる点まで40mmとした。一方、ゼロ点以降ではρcを満たすように共鳴管の内径を変更した。
また、比較例として、共鳴管の内径を40mmかつ一様とし、音場を未調整とした熱音響機関を準備した(図示省略)。
[Second Embodiment]
In the second example, a test was conducted on a loop type thermoacoustic engine. The target loop type thermoacoustic engine is shown in FIG. FIG. 5B schematically illustrates the shape of the loop thermoacoustic engine for easy understanding.
In this example, when the working gas density is ρ and the sound velocity is c, the inner diameter of the resonance tube is expanded so that the acoustic impedance satisfies ρc at the position where the imaginary part of the acoustic impedance is zero, and the sound field is adjusted. A thermoacoustic engine was prepared. The diameter (inner diameter) of the resonance tube was set to 40 mm until the imaginary part of the acoustic impedance became zero. On the other hand, after the zero point, the inner diameter of the resonance tube was changed to satisfy ρc.
As a comparative example, a thermoacoustic engine in which the inner diameter of the resonance tube was 40 mm and uniform and the sound field was not adjusted was prepared (not shown).

本実施例の熱音響機関について、数値計算によって求めた音場調整時におけるインピーダンス分布および仕事流分布を図8に示し、比較例の熱音響機関について、音場未調整時の音響インピーダンス分布および仕事流分布を図9に示す。
図8、9において、横軸はループ管と共鳴管の継手部分(直管部10aと直管部10dの接続部分)の中央(T字部分)をゼロ点としたときのゼロ点からの距離を表し、縦軸はインピーダンスまたは仕事流を表している。また図8(a)、図9(a)はインピーダンスの実数部(Real part)、図8(b)、図9(b)はインピーダンスの虚数部(Imaginary part)、図8(c)、図9(c)は仕事流分布(Work flow)である。なお、図中の太線(Regenerator)は蓄熱器位置を示しており、破線は縦軸および横軸の目盛線のおよその位置を示している。
FIG. 8 shows the impedance distribution and work flow distribution at the time of sound field adjustment obtained by numerical calculation for the thermoacoustic engine of this example, and the acoustic impedance distribution and work at the time of sound field unadjusted for the thermoacoustic engine of the comparative example are shown in FIG. The flow distribution is shown in FIG.
8 and 9, the horizontal axis represents the distance from the zero point when the center (T-shaped portion) of the joint portion of the loop tube and the resonance tube (the connecting portion of the straight tube portion 10a and the straight tube portion 10d) is the zero point. The vertical axis represents impedance or work flow. FIGS. 8A and 9A are the real part of the impedance, and FIGS. 8B and 9B are the imaginary part of the impedance, FIG. 8C, and FIG. 9 (c) is a work flow distribution (Work flow). In addition, the thick line (Regenerator) in a figure has shown the regenerator position, and the broken line has shown the approximate position of the scale line of a vertical axis | shaft and a horizontal axis.

図8(a)、(b)に示すように、x=2.462(図5(b)において「1.217+1.245」)m以降では音響インピーダンスの実数部が409Ns/m、かつ虚数部は0Ns/mを満たしていることが分かる。つまり図5(b)の熱音響機関においてx=2.462m以降では純粋な進行波に調整されている。本例では音響インピーダンスの虚数部がゼロとなった点における実数部は8.4674Ns/mであるために(図9(a)、(b)参照(予め求めた音響インピーダンス分布に相当))、前記した式(1)において、共鳴管断面積Aを、π・(40mm/2)・(409Ns/m)/8.4674Ns/m)=60699mm、すなわち、内径を、40mmから278mmに変更することで純粋な進行波を実現することができた。 As shown in FIGS. 8A and 8B, after x = 2.462 (“1.217 + 1.245” in FIG. 5B) m, the real part of the acoustic impedance is 409 Ns / m 3 and the imaginary number It can be seen that the part satisfies 0 Ns / m 3 . That is, in the thermoacoustic engine of FIG. 5B, after x = 2.462 m, it is adjusted to a pure traveling wave. In this example, the real part at the point where the imaginary part of the acoustic impedance becomes zero is 8.474 Ns / m 3 (see FIGS. 9A and 9B (corresponding to the acoustic impedance distribution obtained in advance)). In the above-described formula (1), the resonance tube cross-sectional area A is π · (40 mm / 2) 2 · (409 Ns / m 3 ) /8.4673 Ns / m 3 ) = 60699 mm 2 , that is, the inner diameter is from 40 mm. A pure traveling wave could be realized by changing to 278 mm.

一方、図9(a)、(b)に示すように、比較例に示した熱音響機関の共鳴管の音場は定在波的であり、音響インピーダンスの実数部は空間的に大きく変動すると同時に、虚数部はゼロから大きく乖離している。また図8(c)と図9(c)の仕事流分布を比較すると、進行波に音場を調整した方が、仕事流の減衰が少ないことが確認できる。   On the other hand, as shown in FIGS. 9A and 9B, the sound field of the resonance tube of the thermoacoustic engine shown in the comparative example is standing wave, and the real part of the acoustic impedance varies greatly in space. At the same time, the imaginary part is far from zero. Further, comparing the work flow distributions of FIG. 8C and FIG. 9C, it can be confirmed that the attenuation of the work flow is less when the sound field is adjusted to the traveling wave.

以上より音響インピーダンスの虚数部がゼロとなる位置でρcを満たすように管の内径を変更することにより、以降の音波を進行波位相に調整可能であることを示せた。すなわち、任意点より先を進行波とすることが可能であることが確認できた。   From the above, it has been shown that by changing the inner diameter of the tube so as to satisfy ρc at the position where the imaginary part of the acoustic impedance is zero, the subsequent sound wave can be adjusted to the traveling wave phase. That is, it was confirmed that it is possible to make a traveling wave ahead of an arbitrary point.

以上、本発明について実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等が可能であることはいうまでもない。   The present invention has been described in detail with reference to the embodiments and examples. However, the gist of the present invention is not limited to the above-described contents, and the scope of right is widely interpreted based on the description of the claims. Must. Needless to say, the contents of the present invention can be widely modified and changed based on the above description.

例えば、熱音響発電機や熱音響冷凍機の構成は、前記説明した形態のものに限定されるものではなく、その他の一般的に用いられている構成の熱音響発電機や熱音響冷凍機においても、本発明における変形管部を有する構成を適用することができる。例えば、熱音響発電機においては、発電機(リニア発電機)の構成は、前記説明したものに限定されるものではなく、熱音響発電機として用いられる発電機であればどのような構成であってもよい。また、熱音響冷凍機においては、原動機と冷凍機を同一のループ管内に設け、1つのループ管を備える構成としてもよい。   For example, the configurations of the thermoacoustic generator and the thermoacoustic refrigerator are not limited to those described above, but in other commonly used thermoacoustic generators and thermoacoustic refrigerators Moreover, the structure which has a deformation | transformation pipe | tube part in this invention is applicable. For example, in a thermoacoustic generator, the configuration of the generator (linear generator) is not limited to the one described above, and any configuration can be used as long as the generator is used as a thermoacoustic generator. May be. In the thermoacoustic refrigerator, the prime mover and the refrigerator may be provided in the same loop pipe, and one loop pipe may be provided.

また、ループ管や冷凍用ループ管の平面視の形状は、前記した実施形態では角丸の四角形としたが、これらの形状はこれに限定されるものではなく、例えば、正方形や円、あるいは楕円の形状であってもよい。   Further, the shape of the loop tube or the loop tube for freezing in plan view is a rounded square in the above-described embodiment, but these shapes are not limited to this, for example, a square, a circle, or an ellipse The shape may also be

1,1A,1B,1C 熱音響機関
10 ループ管
11 共鳴管
12 冷凍用ループ管
14 基準管部
15 変形管部
16 バッファータンク
20 原動機
20a 原動機(変形管部用原動機)
21 蓄熱器
22 加熱器
23 冷却器
30 発電機(リニア発電機)
40 冷凍機
41 冷凍用蓄熱器
42 冷気放出器
43 冷凍用冷却器
50 熱音響発電機
60 熱音響冷凍機
1, 1A, 1B, 1C Thermoacoustic engine 10 Loop tube 11 Resonant tube 12 Refrigeration loop tube 14 Reference tube portion 15 Deformation tube portion 16 Buffer tank 20 Prime mover 20a Prime mover (deformation tube prime mover)
21 Regenerator 22 Heater 23 Cooler 30 Generator (Linear Generator)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 40 Refrigerator 41 Refrigerating regenerator 42 Cold air discharge device 43 Refrigeration cooler 50 Thermoacoustic generator 60 Thermoacoustic refrigerator

Claims (5)

一端から他端までに作動気体が満たされる共鳴管を有し、前記共鳴管の管路に設けられ、前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記共鳴管の管路に設けられ、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に隣接して前記共鳴管の管路に設けられ、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、からなる原動機を備え、前記蓄熱器の両端部間に温度勾配を形成して前記作動気体の自励振動を発生させる熱音響機関であって、
前記共鳴管は、基準管部と、この基準管部に対して内径が拡大または縮小された変形管部とを有し、
前記原動機は、前記基準管部の管路に設けられており、
前記変形管部は、予め求めた音響インピーダンス分布において、前記音響インピーダンスの虚数部がゼロとなるような前記共鳴管の所定部位から、前記共鳴管の他端に向けて設けられ、
前記変形管部の内径は、前記作動気体の密度をρ、音速をcとしたときに、音響インピーダンスの値がρcとなるように設定されていることを特徴とする熱音響機関。
A resonance tube filled with a working gas from one end to the other, provided in a pipe line of the resonance tube, and a heat accumulator that heats and cools the working gas; and adjacent to one end of the heat accumulator A heater for heating one end of the regenerator provided in a pipe of the resonance tube, and a second end of the regenerator provided in a pipe of the resonance tube adjacent to the other end of the regenerator. A thermoacoustic engine comprising a prime mover composed of a cooler that discharges the heat of the outside and generating a self-excited vibration of the working gas by forming a temperature gradient between both ends of the heat accumulator,
The resonance tube has a reference tube portion and a deformed tube portion whose inner diameter is enlarged or reduced with respect to the reference tube portion,
The prime mover is provided in a pipe line of the reference pipe part,
The deformation tube portion is provided from a predetermined portion of the resonance tube such that an imaginary part of the acoustic impedance is zero in the acoustic impedance distribution obtained in advance, toward the other end of the resonance tube,
The thermoacoustic engine is characterized in that an inner diameter of the deformable tube portion is set so that an acoustic impedance value is ρc, where ρ is a density of the working gas and c is a sound velocity.
作動気体が封入される環状のループ管と、当該ループ管に連通して一端が接続された共鳴管と、を有し、前記ループ管の管路に設けられ、前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、からなる原動機を備え、前記蓄熱器の両端部間に温度勾配を形成して前記作動気体の自励振動を発生させる熱音響機関であって、
前記共鳴管は、基準管部と、この基準管部に対して内径が拡大または縮小された変形管部とを有し、
前記変形管部は、予め求めた音響インピーダンス分布において、前記音響インピーダンスの虚数部がゼロとなるような前記共鳴管の所定部位から、前記共鳴管の他端に向けて設けられ、
前記変形管部の内径は、前記作動気体の密度をρ、音速をcとしたときに、音響インピーダンスの値がρcとなるように設定されていることを特徴とする熱音響機関。
An annular loop tube in which a working gas is sealed, and a resonance tube that communicates with the loop tube and has one end connected thereto, and is provided in a pipe line of the loop tube to heat and cool the working gas. A heat accumulator, a heater provided adjacent to one end side of the heat accumulator, and a loop for heating one end of the heat accumulator; and the loop adjacent to the other end side of the heat accumulator. A prime mover that is provided in a pipe line and discharges heat from the other end of the heat accumulator to the outside, and forms a temperature gradient between both ends of the heat accumulator to form the working gas. A thermoacoustic engine that generates self-excited vibration,
The resonance tube has a reference tube portion and a deformed tube portion whose inner diameter is enlarged or reduced with respect to the reference tube portion,
The deformation tube portion is provided from a predetermined portion of the resonance tube such that an imaginary part of the acoustic impedance is zero in the acoustic impedance distribution obtained in advance, toward the other end of the resonance tube,
The thermoacoustic engine is characterized in that an inner diameter of the deformable tube portion is set so that an acoustic impedance value is ρc, where ρ is a density of the working gas and c is a sound velocity.
さらに、前記変形管部の管路に設けられ、前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記変形管部の管路に設けられ、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に隣接して前記変形管部の管路に設けられ、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、からなる、1つまたは複数の原動機を備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱音響機関。   Furthermore, a heat accumulator that is provided in a pipe line of the deformable pipe part, heats and cools the working gas, and is provided in a pipe line of the deformed pipe part adjacent to one end side of the heat accumulator, A heater that heats one end, and a cooler that is provided adjacent to the other end of the heat accumulator and that is provided in a pipe line of the deformed tube and discharges heat from the other end of the heat accumulator to the outside. The thermoacoustic engine according to claim 1, further comprising one or more prime movers. さらに、前記共鳴管の他端に接続され、前記変形管部に連通して、前記作動気体に発生する自励振動に応動して発電を行なう発電機を備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱音響機関。   2. The generator according to claim 1, further comprising a generator connected to the other end of the resonance tube, communicating with the deformable tube portion, and generating power in response to self-excited vibration generated in the working gas. The thermoacoustic engine according to claim 3. さらに、前記共鳴管の他端に接続され、前記変形管部に連通して接続された環状の冷凍用ループ管を有し、前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記作動気体を冷却する冷凍用蓄熱器と、前記冷凍用蓄熱器の前記自励振動が伝わる一端側に隣接して前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記冷凍用蓄熱器の一端部の熱を外部に放出する冷凍用冷却器と、前記冷凍用蓄熱器の他端側に隣接して前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記冷凍用蓄熱器の他端部に発生する冷気を外部に放出する冷気放出器と、備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱音響機関。   Furthermore, it has an annular refrigeration loop pipe connected to the other end of the resonance pipe and connected to the deformation pipe section, and is provided in a pipe line of the refrigeration loop pipe to cool the working gas. A refrigerating regenerator and an end of the refrigerating regenerator adjacent to one end where the self-excited vibration is transmitted to the pipe of the refrigerating loop tube, and heat from one end of the refrigerating regenerator to the outside A refrigeration cooler to be discharged and a refrigeration loop pipe disposed adjacent to the other end of the refrigeration regenerator and discharging the cold air generated at the other end of the refrigeration regenerator to the outside The thermoacoustic engine according to any one of claims 1 to 3, further comprising a cool air discharger.
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