JPH0346745B2 - - Google Patents
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- JPH0346745B2 JPH0346745B2 JP57140899A JP14089982A JPH0346745B2 JP H0346745 B2 JPH0346745 B2 JP H0346745B2 JP 57140899 A JP57140899 A JP 57140899A JP 14089982 A JP14089982 A JP 14089982A JP H0346745 B2 JPH0346745 B2 JP H0346745B2
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- fluid
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Classifications
-
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
- F02G2243/50—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders having resonance tubes
- F02G2243/52—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders having resonance tubes acoustic
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
- F05C2225/08—Thermoplastics
-
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1404—Pulse-tube cycles with loudspeaker driven acoustic driver
-
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
-
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- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1416—Pulse-tube cycles characterised by regenerator stack details
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は熱ポンピング機関、さらに詳しくはシ
ール部を動かす必要のない音響熱ポンピング機関
に関するものである。
ール部を動かす必要のない音響熱ポンピング機関
に関するものである。
熱機関の重要な役割は、機械的仕事により第１
の温度の第１の熱貯槽から第２のより高温度の第
２の熱貯槽への熱のポンピングである。スターリ
ング（Stirling）機関は、理想気体とともに用い
た場合に可逆的に熱をポンピングできる装置の一
例である。この機関は２個の機械的要素、すなわ
ちパワーピストンと変位素子（displacer）を備
え、これらの運動は互いに整相されて所望の効果
を達成する。ダブリユ．イー．ギフオード（W.
E.Gifford）とアール．シイ．ロングスワース
（R.C.Longsworth）は、ASMEのTransactions、
1964年８月、264−268頁に掲載の論文“パルス−
チユーブ リフリジレーシヨン（Pulse−Tube
Refrigeration）”に、本質的に不可逆的な機関を
記載している。彼等はこの機関をパルス−チユー
ブ冷却装置または表面熱ポンピング冷却装置と称
しており、原理的には単一の可動要素を必要と
し、１次気体媒体と第２熱力学的媒体（彼等の場
合にはステンレス鋼製チユーブの複数壁）との間
の熱的接触に対する時間遅延を用いることによつ
て、温度変化と流体速度との間の必要な整相を達
成している。ギフオードとロングスワースのこの
装置は、パワーピストンの代わりに回転弁を利用
しており、この回転弁はコンプレツサーにより保
持された高圧および低圧貯槽に約１Hzの割合で周
期的にチユーブを接続する。本発明による装置は
表面熱ポンピング原理を利用するものであるが、
作動の振動数をギフオードとロングスワースの装
置の振動数よりも約100の係数増加させている。
本発明装置はコンプレツサーを用いずに音響駆動
装置を用いており、これによつてすべての可動シ
ール部を排除し、フライホイールのごとき外部の
機械的慣性装置を不要とする。
の温度の第１の熱貯槽から第２のより高温度の第
２の熱貯槽への熱のポンピングである。スターリ
ング（Stirling）機関は、理想気体とともに用い
た場合に可逆的に熱をポンピングできる装置の一
例である。この機関は２個の機械的要素、すなわ
ちパワーピストンと変位素子（displacer）を備
え、これらの運動は互いに整相されて所望の効果
を達成する。ダブリユ．イー．ギフオード（W.
E.Gifford）とアール．シイ．ロングスワース
（R.C.Longsworth）は、ASMEのTransactions、
1964年８月、264−268頁に掲載の論文“パルス−
チユーブ リフリジレーシヨン（Pulse−Tube
Refrigeration）”に、本質的に不可逆的な機関を
記載している。彼等はこの機関をパルス−チユー
ブ冷却装置または表面熱ポンピング冷却装置と称
しており、原理的には単一の可動要素を必要と
し、１次気体媒体と第２熱力学的媒体（彼等の場
合にはステンレス鋼製チユーブの複数壁）との間
の熱的接触に対する時間遅延を用いることによつ
て、温度変化と流体速度との間の必要な整相を達
成している。ギフオードとロングスワースのこの
装置は、パワーピストンの代わりに回転弁を利用
しており、この回転弁はコンプレツサーにより保
持された高圧および低圧貯槽に約１Hzの割合で周
期的にチユーブを接続する。本発明による装置は
表面熱ポンピング原理を利用するものであるが、
作動の振動数をギフオードとロングスワースの装
置の振動数よりも約100の係数増加させている。
本発明装置はコンプレツサーを用いずに音響駆動
装置を用いており、これによつてすべての可動シ
ール部を排除し、フライホイールのごとき外部の
機械的慣性装置を不要とする。
興味ある従来装置の１つに、米国特許第
4114380号に記されている進行波熱機関がある。
この装置は筒状容器内で圧縮しうる流体と音響進
行波を用いている。熱エネルギーは第２熱力学的
媒体の一方の側で流体に加えられ、この第２熱力
学的媒体の他方の側で流体から取出される。これ
ら２つの側の間の物質は流体とほぼ熱的平衡に維
持されており、これによつて流体中の温度勾配を
実質的に不変に保持せしめる。この従来装置の作
動は本発明装置の作動とはいくつかの点で相違す
る。この従来装置は、局部振動圧力ｐが機関のど
の点においても音響インピーダンスρcと局部速度
ｖの積に必ず等しくなるような音響進行波を用い
るのに対し、本発明では条件ｐ≫ρcvが第２熱力
学的媒体の近傍で達成されうるような音響定在波
を用い、これにより粘性散逸効果（viscously
dissipative effects）に対する熱力学的効果の比
率を向上させている。進行波は、系内では反射が
起らないという条件が必要であるが、第２媒体が
波を反射する傾向をもつ障害物として作用するた
めに、かような条件を達成するのは困難である。
加えて、熱力学的に有効な純粋な進行波系は、定
在波系よりも技術的に達成しにくい。前記米国特
許発明はまた、１次流体が第２媒体との局部的熱
平衡に優れているものであることを必要とする。
このことは、この装置をスターリング機関と非常
に近似させる効果をもつ。しかしながら、良好な
熱的平衡をもたらすに必要な流体ジオメトリーに
対する要求は、進行波に対してｐ＝ρcvなる条件
の要求とともに、必然的に大きい粘性損失
（viscous loss）（極めて低いプランドル数をもつ
未知流体を除く）を押しつけることになる。本発
明は、熱ポンピング・プロセスの不可欠な要素と
して、第２媒体との不完全な熱接触を利用する。
その結果、本発明による機関は、前記米国特許の
進行波機関における高い粘性損失をもつ必要はな
い。
4114380号に記されている進行波熱機関がある。
この装置は筒状容器内で圧縮しうる流体と音響進
行波を用いている。熱エネルギーは第２熱力学的
媒体の一方の側で流体に加えられ、この第２熱力
学的媒体の他方の側で流体から取出される。これ
ら２つの側の間の物質は流体とほぼ熱的平衡に維
持されており、これによつて流体中の温度勾配を
実質的に不変に保持せしめる。この従来装置の作
動は本発明装置の作動とはいくつかの点で相違す
る。この従来装置は、局部振動圧力ｐが機関のど
の点においても音響インピーダンスρcと局部速度
ｖの積に必ず等しくなるような音響進行波を用い
るのに対し、本発明では条件ｐ≫ρcvが第２熱力
学的媒体の近傍で達成されうるような音響定在波
を用い、これにより粘性散逸効果（viscously
dissipative effects）に対する熱力学的効果の比
率を向上させている。進行波は、系内では反射が
起らないという条件が必要であるが、第２媒体が
波を反射する傾向をもつ障害物として作用するた
めに、かような条件を達成するのは困難である。
加えて、熱力学的に有効な純粋な進行波系は、定
在波系よりも技術的に達成しにくい。前記米国特
許発明はまた、１次流体が第２媒体との局部的熱
平衡に優れているものであることを必要とする。
このことは、この装置をスターリング機関と非常
に近似させる効果をもつ。しかしながら、良好な
熱的平衡をもたらすに必要な流体ジオメトリーに
対する要求は、進行波に対してｐ＝ρcvなる条件
の要求とともに、必然的に大きい粘性損失
（viscous loss）（極めて低いプランドル数をもつ
未知流体を除く）を押しつけることになる。本発
明は、熱ポンピング・プロセスの不可欠な要素と
して、第２媒体との不完全な熱接触を利用する。
その結果、本発明による機関は、前記米国特許の
進行波機関における高い粘性損失をもつ必要はな
い。
米国特許第3237421号（ギフオード特許）は、
前記ギフオードとロングスワースによる文献で検
討されている表面熱ポンピング装置を記載してい
る。本発明装置は前述した点においてギフオード
特許装置と相違するだけでなく、ギフオード特許
装置において必要な圧力源と表面熱ポンピング部
分との間の再生器（regenerator）を本発明では
必要としないという点でも相違する。事実、かよ
うな再生器を本発明装置に含めると、前記米国特
許第4114380号の発明を特徴づけたと同様な粘性
加熱の問題の結果として、その性能が劣化するで
あろう。また、ギフオード特許では大型の従つて
重いコンプレツサーを必要とするが、本発明では
かようなコンプレツサーを必要としないから軽量
となる。さらに、ギフオード装置は可動シール部
が必要であるが本発明では必要としない。
前記ギフオードとロングスワースによる文献で検
討されている表面熱ポンピング装置を記載してい
る。本発明装置は前述した点においてギフオード
特許装置と相違するだけでなく、ギフオード特許
装置において必要な圧力源と表面熱ポンピング部
分との間の再生器（regenerator）を本発明では
必要としないという点でも相違する。事実、かよ
うな再生器を本発明装置に含めると、前記米国特
許第4114380号の発明を特徴づけたと同様な粘性
加熱の問題の結果として、その性能が劣化するで
あろう。また、ギフオード特許では大型の従つて
重いコンプレツサーを必要とするが、本発明では
かようなコンプレツサーを必要としないから軽量
となる。さらに、ギフオード装置は可動シール部
が必要であるが本発明では必要としない。
本発明の目的は、音響駆動装置により形成され
る定在波を用いて効果的な熱伝達をもたらすこと
ができ、従つて可動シール部を必要としない冷却
および／または加熱装置を提供することである。
る定在波を用いて効果的な熱伝達をもたらすこと
ができ、従つて可動シール部を必要としない冷却
および／または加熱装置を提供することである。
本発明の他の目的は、冷却または加熱装置にお
いてフライホイールのごとき外部の機械的慣性手
段の必要を除くことである。
いてフライホイールのごとき外部の機械的慣性手
段の必要を除くことである。
本発明のさらに別な目的は、作動の振動数を多
くの機械的装置についての代表的振動数よりもは
るかに高めることである。
くの機械的装置についての代表的振動数よりもは
るかに高めることである。
本発明によれば、直管、Ｕ字状管またはＪ字状
管のごとき筒状容器からなる音響熱ポンピング機
関が提供される。この容器の一端は蓋がされてい
て、容器には音響定在波を持続しうる圧縮可能な
流体が充填されている。容器他端はダイアフラム
およびボイスコイルのごとき装置で覆われて、流
体媒体内に音波を発生するようになつている。好
ましい実施例においては、圧力タンクのごとき装
置を用いて、容器内の流体に所定圧力をもたら
す。第２熱力学的媒体を前記容器の蓋つき端部近
傍でかつその端部から離れた容器内に配置して、
波サイクルの圧力増加部分の間この第２媒体を通
つて移動してきた流体から熱を受取り、波サイク
ルの適当部分の間気体圧力が減少するときに流体
へ熱を与える。流体と第２媒体との間の不完全な
熱接触は、局部流体温度とその局部速度との間に
90°異なる位相のずれをもたらす。その結果、媒
体の長さを横切る温度差を生じ、特に好ましい実
施例の場合にはＪ字状管容器の短幹の長さを実質
的に横切る温度差を生じる。熱シンクおよび／ま
たは熱源は、本発明装置を冷却および／または加
熱に使用するために本発明装置に組込むことがで
きる。
管のごとき筒状容器からなる音響熱ポンピング機
関が提供される。この容器の一端は蓋がされてい
て、容器には音響定在波を持続しうる圧縮可能な
流体が充填されている。容器他端はダイアフラム
およびボイスコイルのごとき装置で覆われて、流
体媒体内に音波を発生するようになつている。好
ましい実施例においては、圧力タンクのごとき装
置を用いて、容器内の流体に所定圧力をもたら
す。第２熱力学的媒体を前記容器の蓋つき端部近
傍でかつその端部から離れた容器内に配置して、
波サイクルの圧力増加部分の間この第２媒体を通
つて移動してきた流体から熱を受取り、波サイク
ルの適当部分の間気体圧力が減少するときに流体
へ熱を与える。流体と第２媒体との間の不完全な
熱接触は、局部流体温度とその局部速度との間に
90°異なる位相のずれをもたらす。その結果、媒
体の長さを横切る温度差を生じ、特に好ましい実
施例の場合にはＪ字状管容器の短幹の長さを実質
的に横切る温度差を生じる。熱シンクおよび／ま
たは熱源は、本発明装置を冷却および／または加
熱に使用するために本発明装置に組込むことがで
きる。
本発明の利点は、製造が容易で作動および維持
が簡単かつ安価なこと；可動シール部がなくわず
かに１つの可動部しかないこと；コンパクトで軽
量なこと；使用する物質、圧力および振動数に依
存して極低温から高温に至る所定温度範囲にわた
る加熱または冷却に使用できること等である。
が簡単かつ安価なこと；可動シール部がなくわず
かに１つの可動部しかないこと；コンパクトで軽
量なこと；使用する物質、圧力および振動数に依
存して極低温から高温に至る所定温度範囲にわた
る加熱または冷却に使用できること等である。
特に本発明においては、容器の一端および他端
の間を所定振動数で約1/4波長隔てて配置し、蓋
つき端部の近傍に第２熱力学的媒体を配置してい
る。換言すれば、定在波の腹にこの熱力学的媒体
を置くようにする。これによつて、容器内部の圧
縮可能流体に与える運動を極く僅かにすることが
でき、その結果、熱損失に結び付く粘性損失を最
少とすることができる。
の間を所定振動数で約1/4波長隔てて配置し、蓋
つき端部の近傍に第２熱力学的媒体を配置してい
る。換言すれば、定在波の腹にこの熱力学的媒体
を置くようにする。これによつて、容器内部の圧
縮可能流体に与える運動を極く僅かにすることが
でき、その結果、熱損失に結び付く粘性損失を最
少とすることができる。
さらに本発明における第２熱力学的媒体は、作
動振動数において圧縮可能流体の熱容量よりも遥
かに大きな有効熱容量を有し、かつまた、低い長
手方向熱伝導率を有している。これによつて流体
の僅かな運動で定在波に沿つた効果的な熱伝達が
達成される。
動振動数において圧縮可能流体の熱容量よりも遥
かに大きな有効熱容量を有し、かつまた、低い長
手方向熱伝導率を有している。これによつて流体
の僅かな運動で定在波に沿つた効果的な熱伝達が
達成される。
第２熱力学的媒体内の相対的熱容量の特定は、
本発明の定在波条件での熱伝達を考慮してなされ
たものであり、これによつて、複雑なコンプレツ
サやチエツクバルブなどの可動部品に代えて音響
駆動装置の使用が可能になるのである。
本発明の定在波条件での熱伝達を考慮してなされ
たものであり、これによつて、複雑なコンプレツ
サやチエツクバルブなどの可動部品に代えて音響
駆動装置の使用が可能になるのである。
以下に実施例を示す図面を参照して本発明をさ
らに詳述する。第１図は本発明の好ましい実施例
の装置１０を示しており、Ｕ形曲折部、短幹およ
び長幹を備えたＪ字状の一般的に円筒形状の容器
１２からなつている。長幹は音響駆動容器１４で
蓋がされており、この駆動容器１４は基板１６上
に保持され、基板１６にボルト１８によつて取付
けられて、基板１６と駆動容器１４との間に加圧
流体密封シールを形成する。好ましい実施例にお
ける基板１６は、容器１２の壁から外方へ延びる
フランジ２０の頂部に載置される。音響駆動容器
１４は磁石２２、ダイアフラム２４およびボイス
コイル２６をその内部に封入している。基板１６
のシール３８を貫通する配線２８，３０は可聴周
波数電流源３６へ伸びている。ボイスコイル−ダ
イアフラム組立体は柔軟性のある環３４によつて
磁石２２に取付けたベース３２に載置されてい
る。図示した音響駆動装置はその性質において従
来慣用されているものであることが当業者ならば
理解できるであろう。好ましい実施例において
は、この駆動装置は400Hz範囲で作動する。しか
しながら、好ましくは100〜1000Hz範囲を使用す
ることができる。好ましい実施例では容器１２に
充填するのにヘリウムを使用したが、空気や水素
ガスのごとき流体、フロン類やプロピレンのごと
き液体、液体ナトリウム−カリウム共融混合物の
ごとき液体金属を用いても本発明を実施できるこ
とは当業者ならば理解できよう。短幹頂部にはフ
ランジ４０が例えば溶接によつて取付けられてい
る。このフランジ４０の頂部には端蓋４２がボル
ト４４により取付けられ、加圧流体密封シールを
形成する。第２熱力学的媒体４６は好ましくは、
マイラー（Mylar）、ナイロン、カプトン
（Kapton）、エポキシ、薄壁状ステンレス鋼等の
材料からなる同心状の複数の円筒、渦巻状の一枚
の板、または互いに平行な複数の板からなり、好
ましい実施例におけるその断面を第２図に示す。
使用される材料は、容器１２内で流体と熱交換し
うるものでなければならない。作動の振動数にお
いて単位面積当りの有効熱容量が隣接する流体の
それよりもかなり大きくかつ適当に低い長手方向
熱伝導係数をもつような固体物質ならいかなる物
質でも第２熱力学的媒体として機能するであろ
う。第２図の小さい点５６は、同心状円筒、渦
巻、または平行板を互いにほぼ同間隔に保持する
ために用いられるデインプリングまたはその他の
手段とすることができる。端蓋４２と熱力学的媒
体４６との間には端部スペースがある点に留意す
べきである。この端部スペース近傍の容器１２と
媒体４６の頂部は、導管４８を介して熱シンク５
０と連通し、高温熱交換をもたらす。熱力学的媒
体４６の低端部の容器１２では第２の導管５２が
熱源５４と連通し、低温熱交換をもたらす。
らに詳述する。第１図は本発明の好ましい実施例
の装置１０を示しており、Ｕ形曲折部、短幹およ
び長幹を備えたＪ字状の一般的に円筒形状の容器
１２からなつている。長幹は音響駆動容器１４で
蓋がされており、この駆動容器１４は基板１６上
に保持され、基板１６にボルト１８によつて取付
けられて、基板１６と駆動容器１４との間に加圧
流体密封シールを形成する。好ましい実施例にお
ける基板１６は、容器１２の壁から外方へ延びる
フランジ２０の頂部に載置される。音響駆動容器
１４は磁石２２、ダイアフラム２４およびボイス
コイル２６をその内部に封入している。基板１６
のシール３８を貫通する配線２８，３０は可聴周
波数電流源３６へ伸びている。ボイスコイル−ダ
イアフラム組立体は柔軟性のある環３４によつて
磁石２２に取付けたベース３２に載置されてい
る。図示した音響駆動装置はその性質において従
来慣用されているものであることが当業者ならば
理解できるであろう。好ましい実施例において
は、この駆動装置は400Hz範囲で作動する。しか
しながら、好ましくは100〜1000Hz範囲を使用す
ることができる。好ましい実施例では容器１２に
充填するのにヘリウムを使用したが、空気や水素
ガスのごとき流体、フロン類やプロピレンのごと
き液体、液体ナトリウム−カリウム共融混合物の
ごとき液体金属を用いても本発明を実施できるこ
とは当業者ならば理解できよう。短幹頂部にはフ
ランジ４０が例えば溶接によつて取付けられてい
る。このフランジ４０の頂部には端蓋４２がボル
ト４４により取付けられ、加圧流体密封シールを
形成する。第２熱力学的媒体４６は好ましくは、
マイラー（Mylar）、ナイロン、カプトン
（Kapton）、エポキシ、薄壁状ステンレス鋼等の
材料からなる同心状の複数の円筒、渦巻状の一枚
の板、または互いに平行な複数の板からなり、好
ましい実施例におけるその断面を第２図に示す。
使用される材料は、容器１２内で流体と熱交換し
うるものでなければならない。作動の振動数にお
いて単位面積当りの有効熱容量が隣接する流体の
それよりもかなり大きくかつ適当に低い長手方向
熱伝導係数をもつような固体物質ならいかなる物
質でも第２熱力学的媒体として機能するであろ
う。第２図の小さい点５６は、同心状円筒、渦
巻、または平行板を互いにほぼ同間隔に保持する
ために用いられるデインプリングまたはその他の
手段とすることができる。端蓋４２と熱力学的媒
体４６との間には端部スペースがある点に留意す
べきである。この端部スペース近傍の容器１２と
媒体４６の頂部は、導管４８を介して熱シンク５
０と連通し、高温熱交換をもたらす。熱力学的媒
体４６の低端部の容器１２では第２の導管５２が
熱源５４と連通し、低温熱交換をもたらす。
所望または所定の圧力は導管５８とバルブ６０
を介して流体圧力給源６４から与えられる。この
圧力は圧力計６２により監視できる。
を介して流体圧力給源６４から与えられる。この
圧力は圧力計６２により監視できる。
音響駆動装置組立体は、その一端が端蓋４２に
より閉じられたＪ字状の音響共鳴器すなわち容器
１２に機械的に取付けられており、放射方向磁場
を与える永久磁石２２を有している。この放射方
向磁場はボイスコイル２６内の電流に対して作用
してダイアフラム２４に対する力を発生し、流体
内に音響振動を送る。本発明装置においては、こ
の共鳴器はその基本的共鳴においてほぼ1/4波長
とする。Ｊ字状管内で共鳴する１次流体自身によ
つて必要な慣性が与えられるので、機械的慣性装
置は不要である。複数層４６からなる第２熱力学
的媒体は、熱損失を低減するために、その長手方
向熱伝導率を小さくするべきである。好ましい実
施例においては、複数の同心状円筒４６の間隔を
均一の厚さｄとする。第２媒体についてのもう一
つの要求は、その単位面積当りの有効熱容量CA2
が隣接する一次媒体の単位面積当り有効熱容量
CA1よりかなり大となるべきであるということで
ある。これらの性質は数式的に次のように表わさ
れる。
より閉じられたＪ字状の音響共鳴器すなわち容器
１２に機械的に取付けられており、放射方向磁場
を与える永久磁石２２を有している。この放射方
向磁場はボイスコイル２６内の電流に対して作用
してダイアフラム２４に対する力を発生し、流体
内に音響振動を送る。本発明装置においては、こ
の共鳴器はその基本的共鳴においてほぼ1/4波長
とする。Ｊ字状管内で共鳴する１次流体自身によ
つて必要な慣性が与えられるので、機械的慣性装
置は不要である。複数層４６からなる第２熱力学
的媒体は、熱損失を低減するために、その長手方
向熱伝導率を小さくするべきである。好ましい実
施例においては、複数の同心状円筒４６の間隔を
均一の厚さｄとする。第２媒体についてのもう一
つの要求は、その単位面積当りの有効熱容量CA2
が隣接する一次媒体の単位面積当り有効熱容量
CA1よりかなり大となるべきであるということで
ある。これらの性質は数式的に次のように表わさ
れる。
CA1＝C1ｄ／２；CA2＝C2δ2
ここでC1とC2はそれぞれ１次流体媒体と第２固
体媒体の単位容積当り熱容量であり、δ2は角振動
数ω＝2πf（ここでｆは音響振動数）での熱拡散率
κ2の第２媒体中への熱侵入度（thermal
penetration depth）でありδ2＝（2κ2／ω）１／２
で 表わされる。約10気圧のヘリウムガス圧力で振動
数を数百Hzとした場合に第２媒体の材料としてカ
プトン、マイラー、ナイロン、エポキシ類または
ステンレス鋼を用いれば、条件CA2≫CA1が容易に
達成でき、また長手方向熱損失を低くできる。効
果的作動のためには、粘性損失が小さいことが必
要である。これはＬ／＊≪１とすれば達成でき
る。ここでＬは第２媒体の長さ、＊は＊＝λ／
2π＝ｃ／2πf（ｃは流体媒体中での音速）で与えら
れる音波のラジアン長である。この機関の寸法を
決める場合には、先ず妥当なＬを選定し、次いで
Ｌ／＊≪１から一般的な振動数を選定する。約10
〜15cmのＬに対して、妥当な振動数は室温付近の
ヘリウムの場合300〜400Hzである。次に、必要な
温度変動および温度変化と１次流体速度との間の
必要な整相を与えるために必要とされるωτ〓１
なる要求によつて、概略の間隔ｄを決める。τ〓は
拡散熱緩和時間（diffusive thermal relaxation
time）であり、平行板配列の場合に下式で与え
られる： τ〓＝d2／π2κ1 ここでκ1は１次流体媒体の熱拡散率である。気体
の場合、κはほぼ圧力に反比例する。次に間隔ｄ
は下記の不等式によつて概略的に決定される： ｄπ2κ1／ω1/2 ヘリウムガスによる10気圧の圧力は、きわめて妥
当なｄの値、すなわち約0.25mm（約10mils）を与
える。
体媒体の単位容積当り熱容量であり、δ2は角振動
数ω＝2πf（ここでｆは音響振動数）での熱拡散率
κ2の第２媒体中への熱侵入度（thermal
penetration depth）でありδ2＝（2κ2／ω）１／２
で 表わされる。約10気圧のヘリウムガス圧力で振動
数を数百Hzとした場合に第２媒体の材料としてカ
プトン、マイラー、ナイロン、エポキシ類または
ステンレス鋼を用いれば、条件CA2≫CA1が容易に
達成でき、また長手方向熱損失を低くできる。効
果的作動のためには、粘性損失が小さいことが必
要である。これはＬ／＊≪１とすれば達成でき
る。ここでＬは第２媒体の長さ、＊は＊＝λ／
2π＝ｃ／2πf（ｃは流体媒体中での音速）で与えら
れる音波のラジアン長である。この機関の寸法を
決める場合には、先ず妥当なＬを選定し、次いで
Ｌ／＊≪１から一般的な振動数を選定する。約10
〜15cmのＬに対して、妥当な振動数は室温付近の
ヘリウムの場合300〜400Hzである。次に、必要な
温度変動および温度変化と１次流体速度との間の
必要な整相を与えるために必要とされるωτ〓１
なる要求によつて、概略の間隔ｄを決める。τ〓は
拡散熱緩和時間（diffusive thermal relaxation
time）であり、平行板配列の場合に下式で与え
られる： τ〓＝d2／π2κ1 ここでκ1は１次流体媒体の熱拡散率である。気体
の場合、κはほぼ圧力に反比例する。次に間隔ｄ
は下記の不等式によつて概略的に決定される： ｄπ2κ1／ω1/2 ヘリウムガスによる10気圧の圧力は、きわめて妥
当なｄの値、すなわち約0.25mm（約10mils）を与
える。
これらの考え方は機関の寸法を決めるに際して
の代表的なものである。第１図を参照して以下に
作動を説明する。音響駆動装置は作業流体圧力に
耐えるように容器に取付けられており、共鳴器で
あるＪ字状管１２に流体を密封シールするように
して機械的に結合される。ボイスコイル２６から
の電流導線はシール部３８を貫通して可聴周波数
電流源３６に伸びている。この音響システムは流
体圧力供給源６４を用いバルブ６０を介して圧力
Ｐに加圧されている。
の代表的なものである。第１図を参照して以下に
作動を説明する。音響駆動装置は作業流体圧力に
耐えるように容器に取付けられており、共鳴器で
あるＪ字状管１２に流体を密封シールするように
して機械的に結合される。ボイスコイル２６から
の電流導線はシール部３８を貫通して可聴周波数
電流源３６に伸びている。この音響システムは流
体圧力供給源６４を用いバルブ６０を介して圧力
Ｐに加圧されている。
可聴周波数電流源３６の振動数と振幅は、Ｊ字
状管１２内で１／４波長共鳴に相当する基本的共鳴 を生ずるように選定される。ジエームズ ビイ．
ランシング，サウンド、インコーポレーテツド社
（James B.Lansing，Inc.）により製造された
JBL2482のごとき駆動装置を用いれば、容器１２
内の平均圧力が約10気圧の場合に、 4Heガス中
で１気圧最低最高圧力変動を端蓋４２に容易に発
生させる。
状管１２内で１／４波長共鳴に相当する基本的共鳴 を生ずるように選定される。ジエームズ ビイ．
ランシング，サウンド、インコーポレーテツド社
（James B.Lansing，Inc.）により製造された
JBL2482のごとき駆動装置を用いれば、容器１２
内の平均圧力が約10気圧の場合に、 4Heガス中
で１気圧最低最高圧力変動を端蓋４２に容易に発
生させる。
媒体４６の長さは＊よりもかなり小さいから、
この第２熱力学的媒体間の圧力はほぼ均一とな
る。かくして、そこでの効果は、この高振動数で
同様な圧力変動を生ずる通常のピストンとシリン
ダーの機械的配列により得られるものと実質的に
同じである。
この第２熱力学的媒体間の圧力はほぼ均一とな
る。かくして、そこでの効果は、この高振動数で
同様な圧力変動を生ずる通常のピストンとシリン
ダーの機械的配列により得られるものと実質的に
同じである。
熱ポンピング作用を以下に説明する。振動性圧
力が零であり正に向いつつある瞬間における第２
媒体付近の流体の小部分を考えると、圧力が上昇
するにつれてこの流体小部分は端蓋４２方向へ移
動し、移動するにつれて暖まる。時間遅延τκを以
つて、流体がその平衡位置から端蓋方向へ移動し
たのち、熱は流体小部分から第２媒体へと伝えら
れ、これによつて端蓋方向へ熱を伝達する。次い
で圧力が低下すると、それとともに温度が低下す
る。しかしながらこの温度低下は、上記の流体小
部分が端蓋４２からＵ字状曲折部方向へその平衡
位置から離れてかなりの距離移動して初めて伝達
され、これによつてＵ字状曲折部方向へ低温を伝
達する。それ故、熱ラグスペース（thermal lag
space）の底部から頂部への熱の正味伝達があ
る。底部での冷却は、流体の移動につれて第２媒
体温度と隣接する可動流体温度とが一致するよう
な状態に温度勾配と損失がなるまで続くことにな
る。端蓋下方の端部スペースの寸法調節は、熱ラ
グスペースの端部での流体の容量置換を決定し、
それ故、ポンピングされる熱量を決める上で重要
な役目をする。底部が低温であるため、図示のよ
うなＪ字状管構成は１次流体の自然対流に対して
重力的に安定であることに留意して欲しい。本発
明装置が大気圏外空間のごとき無重力環境で作動
するような構造であれば、必ずしもＪ字状管とす
る必要はない。いくらかの性能劣化が許容される
ならば、管１２のＪ字形状を変更して、例えば直
管やＵ字状管とすることも可能である。
力が零であり正に向いつつある瞬間における第２
媒体付近の流体の小部分を考えると、圧力が上昇
するにつれてこの流体小部分は端蓋４２方向へ移
動し、移動するにつれて暖まる。時間遅延τκを以
つて、流体がその平衡位置から端蓋方向へ移動し
たのち、熱は流体小部分から第２媒体へと伝えら
れ、これによつて端蓋方向へ熱を伝達する。次い
で圧力が低下すると、それとともに温度が低下す
る。しかしながらこの温度低下は、上記の流体小
部分が端蓋４２からＵ字状曲折部方向へその平衡
位置から離れてかなりの距離移動して初めて伝達
され、これによつてＵ字状曲折部方向へ低温を伝
達する。それ故、熱ラグスペース（thermal lag
space）の底部から頂部への熱の正味伝達があ
る。底部での冷却は、流体の移動につれて第２媒
体温度と隣接する可動流体温度とが一致するよう
な状態に温度勾配と損失がなるまで続くことにな
る。端蓋下方の端部スペースの寸法調節は、熱ラ
グスペースの端部での流体の容量置換を決定し、
それ故、ポンピングされる熱量を決める上で重要
な役目をする。底部が低温であるため、図示のよ
うなＪ字状管構成は１次流体の自然対流に対して
重力的に安定であることに留意して欲しい。本発
明装置が大気圏外空間のごとき無重力環境で作動
するような構造であれば、必ずしもＪ字状管とす
る必要はない。いくらかの性能劣化が許容される
ならば、管１２のＪ字形状を変更して、例えば直
管やＵ字状管とすることも可能である。
以上説明した好ましい実施例は、本発明を説明
するためのものである。本発明は図示の実施例の
みに限定されるものではなく、特許請求の範囲内
で多くの変更や修正が可能であることは、当業者
にとつて容易に理解できるであろう。
するためのものである。本発明は図示の実施例の
みに限定されるものではなく、特許請求の範囲内
で多くの変更や修正が可能であることは、当業者
にとつて容易に理解できるであろう。
第１図は本発明装置の好ましい実施例の断面図
であり、第２図は本発明で用いる第２熱力学的媒
体を示す第１図Ａ−Ａ線に沿う断面図である。 １０……音響熱ポンピング機関、１２……Ｊ字
状円筒容器（共鳴器）、１４……音響駆動装置容
器、２２……磁石、２４……ダイアフラム、２６
……ボイスコイル、３６……可聴周波数電流源、
４２……端蓋、４６……第２熱力学的媒体、５０
……熱シンク、５４……熱源、６４……流体圧力
給源。
であり、第２図は本発明で用いる第２熱力学的媒
体を示す第１図Ａ−Ａ線に沿う断面図である。 １０……音響熱ポンピング機関、１２……Ｊ字
状円筒容器（共鳴器）、１４……音響駆動装置容
器、２２……磁石、２４……ダイアフラム、２６
……ボイスコイル、３６……可聴周波数電流源、
４２……端蓋、４６……第２熱力学的媒体、５０
……熱シンク、５４……熱源、６４……流体圧力
給源。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 所定振動数で共鳴する容器；前記所定振動数
で略1/4波長隔てて配置された前記容器の第１お
よび第２端部；前記容器の第１端部を閉じる蓋手
段；前記容器内に配置され音響定在波を維持しう
る圧縮可能な流体；前記容器の第２端部に配置さ
れ前記容器内に音響定在波を生じさせる音響駆動
手段；および前記蓋手段近傍でかつ該蓋手段から
離れた前記容器内に配置された第２熱力学的媒体
からなり、前記第２熱力学的媒体は前記圧縮可能
流体の熱容量より大きい有効熱容量を有し、かつ
前記第２熱力学的媒体に沿つて長手方向に熱を伝
達するための長手方向の温度勾配を形成させる長
手方向低熱伝導率を有していることを特徴とする
可動シール部のない音響熱ポンピング機関。 ２ 前記容器は直管を含む特許請求の範囲第１項
記載の熱ポンピング機関。 ３ 前記容器はＵ字状曲折部を含む特許請求の範
囲第１項記載の熱ポンピング機関。 ４ 前記容器は短幹と長幹とを有するＪ字状管で
ある特許請求の範囲第１項記載の熱ポンピング機
関。 ５ 前記蓋手段は短幹端部に配設され、前記音響
駆動手段は長幹端部に配設されている特許請求の
範囲第４項記載の熱ポンピング機関。 ６ 前記第２熱力学的媒体は短幹内に配設されて
いる特許請求の範囲第５項記載の熱ポンピング機
関。 ７ 前記所定振動数は約100〜1000ヘルツである
特許請求の範囲第１項記載の熱ポンピング機関。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/292,979 US4398398A (en) | 1981-08-14 | 1981-08-14 | Acoustical heat pumping engine |
| US292979 | 1989-01-03 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5852948A JPS5852948A (ja) | 1983-03-29 |
| JPH0346745B2 true JPH0346745B2 (ja) | 1991-07-17 |
Family
ID=23127079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57140899A Granted JPS5852948A (ja) | 1981-08-14 | 1982-08-13 | 音響熱ポンピング機関 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4398398A (ja) |
| JP (1) | JPS5852948A (ja) |
| CA (1) | CA1170852A (ja) |
| DE (1) | DE3229435A1 (ja) |
| FR (1) | FR2511427A1 (ja) |
| GB (1) | GB2105022B (ja) |
| IT (1) | IT1152367B (ja) |
| NL (1) | NL8203171A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010276216A (ja) * | 2009-05-26 | 2010-12-09 | Utsunomiya Univ | 熱音響冷風器 |
Families Citing this family (67)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH660779A5 (de) * | 1983-06-20 | 1987-06-15 | Sulzer Ag | Kaeltemaschine oder waermepumpe mit thermoakustischen antriebs- und arbeitsteilen. |
| US4490983A (en) * | 1983-09-29 | 1985-01-01 | Cryomech Inc. | Regenerator apparatus for use in a cryogenic refrigerator |
| US4538464A (en) * | 1983-10-04 | 1985-09-03 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method of measuring reactive acoustic power density in a fluid |
| US4599551A (en) * | 1984-11-16 | 1986-07-08 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Thermoacoustic magnetohydrodynamic electrical generator |
| CH667517A5 (de) * | 1985-01-22 | 1988-10-14 | Sulzer Ag | Thermoakustische vorrichtung. |
| JPS61168568A (ja) * | 1985-01-23 | 1986-07-30 | 日産自動車株式会社 | 炭化珪素質焼結体の製造方法 |
| GB8626562D0 (en) * | 1986-11-06 | 1986-12-10 | Wells A A | Gas resonance device |
| US4858441A (en) * | 1987-03-02 | 1989-08-22 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Heat-driven acoustic cooling engine having no moving parts |
| GB8809707D0 (en) * | 1988-04-25 | 1988-06-02 | British Aerospace | Cooling apparatus |
| US5357757A (en) * | 1988-10-11 | 1994-10-25 | Macrosonix Corp. | Compression-evaporation cooling system having standing wave compressor |
| US5167124A (en) * | 1988-10-11 | 1992-12-01 | Sonic Compressor Systems, Inc. | Compression-evaporation cooling system having standing wave compressor |
| US4953366A (en) * | 1989-09-26 | 1990-09-04 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Acoustic cryocooler |
| US5263341A (en) * | 1990-03-14 | 1993-11-23 | Sonic Compressor Systems, Inc. | Compression-evaporation method using standing acoustic wave |
| US5174130A (en) * | 1990-03-14 | 1992-12-29 | Sonic Compressor Systems, Inc. | Refrigeration system having standing wave compressor |
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