WO2005093341A1

WO2005093341A1 - 熱音響装置

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Publication number: WO2005093341A1
Application number: PCT/JP2005/005221
Authority: WO
Inventors: Yoshiaki Watanabe; Shinichi Sakamoto
Original assignee: The Doshisha
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2005-10-06
Also published as: US7603866B2; JP4364032B2; US20070220903A1; JP2005274101A

Abstract

音波の発生までの時間を短縮化するとともに、スタック内でうまく熱交換できるようにすべく、ループ管２の内部に、第一高温側熱交換器４と第一低温側熱交換器５に挟まれた第一のスタック３ａと、第二高温側熱交換器６と第二低温側熱交換器７に挟まれた第二のスタック３ｂとを設け、第一高温側熱交換器４を加熱することによって定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって第二低温側熱交換器７を冷却し、又は／及び、第一低温側熱交換器５を冷却することによって定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって第二高温側熱交換器６を加熱する熱音響装置１であって、ループ管内に音速が速く、プラントル数が小さく、比重も小さいヘリウムを封入した状態で定在波及び進行波を発生させ、その後、音速が遅く、プラントル数が大きく、比重も小さいアルゴンを注入する。

Description

明細書

熱音響装置

技術分野

[0001] 本発明は、熱音響効果を利用して対象物を冷却し、若しくは、加熱しうる熱音響装置に関するものである。

背景技術

[0002] 音響効果を利用した熱交換装置の従来技術に関しては下記の特許文献 1ゃ非特許文献 1などに記載されるものが存在する。

[0003] 特許文献 1に記載される装置は、熱音響効果を利用して冷却を行う装置に関するものであり、ヘリウムやアルゴン、若しくはこれらの混合ガスを封入したループ管の内部に、高温側熱交換器及び低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、高温側熱交及び低温側熱交^^に挟まれた蓄冷器とを設け、第一のスタック側の高温側熱交換器を加熱することによって生じた自励の定在波及び進行波によって蓄冷器側の低温側熱交を冷却するようにしたものである。

[0004] また、非特許文献 1にも同様に、熱音響効果を利用した冷却装置の実験的検討が開示されている。この実験に用いられる冷却装置も、内部にヘリウムやアルゴン、若しくはこれらの混合ガスを封入したループ管と、ヒーター（高温側熱交及び低温側熱交^^とに挟まれた第一のスタックと、この第一のスタックの対向する位置に設けられた第二のスタックとを設けて構成される。そして、第一のスタック側に設けられたヒーター (高温側熱交を加熱するとともに、低温側熱交^^に水道水を循環させることによって第一のスタック内に温度勾配を発生させ、この温度勾配と逆方向に自励による音波を発生させる。そして、その音エネルギーをループ管を介して蓄冷器側に移送し、エネルギー保存の法則により、第二のスタック側でその音エネルギーと逆方向に熱エネルギーを移送させて、第二のスタックの他端側に設けられた温度計近傍を冷却するようにしたものである。この文献によれば、所定の条件のもと、温度計が設けられる部分で約 16°Cの温度低下が確認されている。

特許文献 1：特開 2000-88378号公報非特許文献 1 :坂本眞一、村上和宏、渡辺好章著「熱音響効果を用いた音響冷却現象の実験的検討」社団法人電子情報通信学会信学技報 TECHNICAL REPORT OF IEICE. US2002-118(2003-02)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] ところで、このような熱音響効果を利用した装置では、一般の熱交換装置などと同様に、エネルギー変換の効率性が要求される。そして、この熱音響効果を用いた装置のエネルギー変換の効率を向上させるには、加熱力定在波及び進行波の発生までの時間を短縮ィ匕する必要があり、また、音波が発生した後においてもエネルギー変換の効率を向上させる必要がある。このため、従来の装置では、ループ管の内部にプラントル数の小さいヘリウムや、プラントル数の大きいアルゴン、若しくは、これらの混合ガスを封入して定在波及び進行波の発生までの時間の短縮ィ匕と、音エネルギ一及び熱エネルギーの変換効率の向上を図っている。

[0006] しかしながら、このような従来用いられて、る装置のように、プラントル数の小さ!/ヽへリウムを使用すれば、音波の発生までの時間を短縮ィ匕できるようになるものの、発生した音波の音速が速くなつてしまい、スタックの内壁との間でうまく熱交換を行うことができないという問題がある。また、アルゴンなどのように比較的プラントル数の大きい作動流体を使用すれば、その粘性によって音速を落とすことができるものの今度は逆に音波の発生までの時間が長くなつてしまうという問題がある。一方、ヘリウムとアルゴンの混合ガスを封入した場合は、その混合割合によつては音速が速くなり過ぎてしまつたり、また、逆に、音波の発生までの時間が長くなり過ぎてしまったりする問題があつた。更に、混合ガスの割合を最適な状態にした場合であっても、ループ管を長時間放置することによって混合されたガスが上下に分離してしまい、均一に混合された初期の状態と同じ効果を得ることができなくなるなどの問題があった。

[0007] そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、音波の発生までの時間を短縮ィ匕できるようにするとともに、スタック内でうまく熱交換できるような熱音響装置などを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 [0008] 本発明は上記課題を解決するために、ループ管の内部に、第一高温側熱交換器と第一低温側熱交^^に挟まれた第一のスタックと、第二高温側熱交^^と第二低温側熱交^^に挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一高温側熱交を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器を冷却し、又は Z及び、前記第一低温側熱交を冷却することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二高温側熱交換器を加熱する熱音響装置であって、ループ管の内部に第一の作動流体を封入した後、当該第一の作動流体と異なる作動流体を注入して混合する混合手段を設けるようにしたものである。

[0009] このように構成すれば、第一の作動流体を封入しておき、例えば、音の発生直前や音が発生した後、若しくは、音が急に大きくなつた後に、この第一の作動流体と異なる作動流体を注入するので、使用時においてループ管内の作動流体を均一な状態にすることができ、また、音の発生と熱の出力のバランスを考慮しながら最適な状態にガスを混合させることができるようになる。

[0010] そして、このように作動流体を混合する場合、先にループ管に封入された音速の速 V、作動流体に対して、後から音速の遅!、作動流体を注入する。

[0011] このように構成すれば、迅速に音波を発生させることができるようになるとともに、音波発生後においては、熱交換の効率の良い状態に遷移させることができるようになる

[0012] そして、このような態様としては、例えば、比重の小さい作動流体を先に封入しておき、後から比重の大きい作動流体を注入する。

[0013] また、別の態様としては、先にループ管に封入されたプラントル数の小さな作動流体に対して、後からプラントル数の大き、作動流体を注入する。

[0014] このように構成すれば、一定条件下において、プラントル数の小さな作動流体 (すなわち、熱拡散係数に対して動粘性係数が小さい作動流体)を用いることによって迅速に音波を発生させることができ、その後注入されたプラントル数の大き、作動流体 (すなわち、動粘性係数に対して熱拡散係数の小さい作動流体）によって、熱交換の効率に最も適した状態にすることができるようになる。 [0015] そして、このようなループ管として、地面に対して起立する複数の直線管部と、これら複数の直線管部を連結する連結管部とを具備してなるものを用い、混合手段を、当該ループ管の中央よりも上側に設けるようにする。

[0016] このように構成すれば、相対的に重さの異なる作動流体を混合させる場合において後から重、作動流体を上方から注入すれば、ループ管内にお、て作動流体を均一に混合させることができるよう〖こなる。

[0017] また、このようなループ管を、地面に対して起立する複数の直線管部と、これら複数の直線管部を連結する連結管部とを設けて左右対称形状に構成し、このようなループ管に対して、混合手段を上側の連結管部の中央に設けるようにする。

[0018] このように構成すれば、左右対称形状に構成されたループ管の上側中央力作動流体を注入するので、その注入された作動流体が均等に左右に分かれ、ループ管全体を均一に混合させることができるようになる。

[0019] 更に、音の発生を検知する音検知手段を設け、この音検知手段によってループ管内に発生した音が検知された場合や音の状態変動が検知された場合に、作動流体の注入を開始する。

[0020] このように構成すれば、音の発生した後や音が急に大きくなつたような場合に作動流体を注入するので、音の発生後若しくは大きな音が発生した後、迅速に熱交換に効率の良い状態にすることができるようになる。

[0021] 力!]えて、ループ管内の圧力を計測する圧力計測手段を設け、この圧力計測手段によって一定の圧力が計測された場合に作動流体の注入を停止する。

[0022] このように構成すれば、常にループ管内の圧力を一定の圧力値に保つことができ、使用の都度、圧力が異なることによって熱変換の効率が変わってしまうなどといった不具合を防止することができるようになる。

[0023] また、第二高温側熱交換器若しくは第二低温側熱交換器から出力される熱の時間的変化に基づ、て作動流体の注入を停止する。

[0024] このように構成すれば、第二高温側熱交 ^ ^力出力される熱の変化がなくなった場合であっても作動流体を注入し続けてしまうと、つた不具合を防止することができる。 [0025] また、作動流体として、空気よりも軽ヽ作動流体と空気よりも重!ヽ作動流体からなる作動流体を使用する場合、ループ管の下端部分に空気よりも重い作動流体を抜くための開口部を設けるようにする。

[0026] このように構成すれば、例えば、空気よりも軽いヘリウムと空気よりも重いアルゴンなどを使用した場合、アルゴンのみを下端に設けられた開口部力も抜くことができ、全ての作動流体を入れ替える必要がなくなる。

発明の効果

[0027] 本発明では、ループ管の内部に、第一高温側熱交換器と第一低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、第二高温側熱交換器と第二低温側熱交換器に挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一高温側熱交を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器を冷却し、又は Z及び、前記第一低温側熱交換器を冷却することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によつて前記第二高温側熱交換器を加熱する熱音響装置であって、ループ管の内部に第一の作動流体を封入した後、当該第一の作動流体と異なる作動流体を注入して混合する混合手段を設けるようにしたので、ループ管内の作動流体を均一に混合させることができ、し力も、音の発生と熱の出力の加減を見ながら最適な混合状態にすることができる。

発明を実施するための最良の形態

[0028] 以下、本発明に係る熱音響装置 1の第一の実施の形態について図面を参照して説明する。

[0029] この実施の形態における熱音響装置 1は、図 1に示すように、全体として略長方形状に構成されたループ管 2の内部に、第一高温側熱交換器 4及び第一低温側熱交換器 5に挟まれた第一のスタック 3aと、第二高温側熱交換器 6及び第二低温側熱交 7に挟まれた第二のスタック 3bとを具備してなるもので、第一のスタック 3a側の第一高温側熱交 4を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波を第二のスタック 3b側へ伝搬して第二のスタック 3b側に設けられた第二低温側熱交 7を冷却させるようにしたものである。 [0030] そして、この実施の形態では、第一高温側熱交換器 4の加熱開始から定在波及び進行波の発生までの時間を短縮ィ匕するとともに、発生した定在波及び進行波によるエネルギー変換の効率を上げるために、まず、ループ管 2内に音速が速ぐプラントル数が小さぐ比重も小さい第一の作動流体を封入しておき、その後、定在波及び進行波を発生させて力この第一の作動流体よりも音速が遅ぐプラントル数が大きぐ比重も大き、第二の作動流体を注入するようにしたものである。

[0031] 一般に、このプラントル数 Prは以下のように示される。

P = v (動粘性係数) / κ (熱拡散係数） =C μ _Ε/ λ

Ρ

C：定圧比熱、 μ：粘性率、 g :重力加速度、 λ：熱伝導率

Ρ

[0032] 従って、異なる作動流体の熱拡散係数 κが同じであると、プラントル数の小さ!/ヽ作動流体の方が動粘性係数 Vは小さくなり、これにより、音波の発生までの時間が短くなり、また、発生した音波の音速も早くなる。これに対して、プラントル数の大きい作動流体は相対的に動粘性係数 Vの方が大きくなり (熱拡散係数 _Κが小さくなる）、音波の発生までに時間が力かる力プラントル数が大きければ熱変換の効率は良くなる。また、比重と音速との関係については、比重が小さければ相対的に音速は速くなる傾向がある。このため、本実施の形態では、最初にヘリウムなどのような音速が速ぐプラントル数力、さぐ比重も小さい作動流体をループ管 2内に封入しておき、これによって定在波及び進行波を迅速に発生させた後に、アルゴンなどのような音速が遅く、プラントル数が大きぐ比重も大きい作動流体を適宜注入して熱変換の効率を向上させるようにしている。以下、本実施の形態における熱音響装置 1の詳細について説明する。

[0033] この熱音響装置 1を構成するループ管 2は、地面に対して鉛直状に設けられた対向する一対の直線管部 2aと、これら直線管部 2aを連結する連結管部 2bを具備してなるもので、金属製のパイプなどによって構成される。なお、このループ管 2aの材質については金属などに限らず、透明なガラス、若しくは榭脂などによって構成することもでき、透明なガラスゃ榭脂などの材料で構成した場合は、実験等における第一のスタック 3aや第二のスタック 3bの位置の確認や管内の状況を容易に観察することができる。 [0034] このように設けられた直線管部 2a及び連結管部 2bの長さは、直線管部 2aの長さを La、連結管部 2bの長さを Lbとした場合、

[0035] 1 : 0. 01≤La : Lb<l : l

の範囲に設定され、好ましくは可能な限り直線管部 2aを長くすべぐ

[0036] 1 : 0. 01≤La : Lb≤l : 0. 5

の範囲に設定するのが好ましい。

[0037] このように直線管部 2aの長さを長く設定すれば、この第一のスタック 3aから発生した音波の波面をできる限り早く安定させることができる。

[0038] そして、このように構成されたループ管 2の内部には、第一高温側熱交換器 4と第一低温側熱交 5とに挟まれた第一のスタック 3a及び、第二高温側熱交 6と第二低温側熱交 7とに挟まれた第二のスタック 3bが設けられる。

[0039] この第一のスタック 3aは、ループ管 2の内壁に接するような円柱状に構成され、セラミタス、燒結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きい材質であって、ループ管 2の軸方向に貫通する多孔を有して構成される。なお、この第一のスタック 3 aは、図 2や図 3に示すように、中心力順次外側へ向けて内径を大きくした導通路 3 0を多数有するようなスタック 3cや、中心力順次外側へ向けて内径を小さくした導通路 30を有するスタック 3dを用いるようにしても良い。また、図 4や図 5に示すように、例えば、微小の球状セラミクスなどを多数敷き詰めて蛇行する導通路 30 (太線で示される導通路 30)を有するようなスタック 3eや、ループ管 2の内周面に近い側の導通路 3 0の流路長を短くしたスタック 3fなどを用いても良い。

[0040] 第一高温側熱交換器 4及び第一低温側熱交換器 5は、共に薄、金属で構成され、その内側に定在波及び進行波を導通させるための貫通孔を設けて構成される。そして、これらの熱交のうち、第一高温側熱交 4は外部カゝら供給される電力、若しくは、廃熱や未利用エネルギーなどによって加熱されるように構成される、一方、第一低温側熱交換器 5はその周囲に水を循環させて相対的に第一高温側熱交換器 4 よりも低、温度となるように設定される。

[0041] そして、このように第一高温側熱交換器 4及び第一低温側熱交換器 5によって挟まれた第一のスタック 3aは、第一高温側熱交換器 4を上側に設けた状態で直線管部 2 aの中央よりも下方側に設けられる。このように第一のスタック 3aを直線管部 2aの中央より下方に設けるようにするのは、第一高温側熱交換器 4を加熱する際に生じる上昇気流を利用して迅速に音波を発生させるようにするためであり、また、第一高温側熱交換器 4を加熱する際に発生する暖かい作動流体を第一のスタック 3a内に入り込ませないようにするためである。そして、このように第一のスタック 3a内に暖かい作動流体を入り込ませないようにすることによって、第一のスタック 3a内で大きな温度勾配を形成させられるようにして、る。

[0042] ここで第一のスタック 3aで自励による音波が発生するための条件としては、この第一のスタック 3a内に作動流体が流れる際の平行通路の流路半径、作動流体の角周波数を ω、温度拡散係数を ex、温度緩和時間を τ ( =r²/2 a )とした場合、 ω τ が 0. 2— 20の範囲内である場合に最も効率良く自励による音波を発生させることができる。このため、これらの関係を満たすように!:、 ω、 τを設定する。また、図 1におけるループ管 2の左上における直線管部 2aの一端と連結管部 2bの一端とを連結したときのそれぞれの中心軸の交点を回路の始点 Xとし、回路全長を 1. 00とした場合、第一のスタック 3aの中心を始点 Xから反時計回りに回路全長の 0. 28 ±0. 05となる位置に設定すれば、より迅速かつ効率良く自励による音波を発生することができる。

[0043] 一方、第二のスタック 3bは、第一のスタック 3aと同様に、ループ管 2の内壁に接するような円柱状に構成され、セラミタス、燒結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大き、材質であって、ループ管 2の軸方向に貫通する孔を多数有して構成される。この第二のスタック 3bは、ループ管 2に沿った作動流体の圧力変動力第一のスタック 3aの近傍に第一のピークが存在し、更に回路全長の約 1/2進んだ位置に第二のピークが存在する場合に、そのスタック 3bの中心が第二のピークを過ぎた場所に位置するように設置される。この第二のスタック 3bの構造については、第一のスタック 3aと同様に、図 2や図 3に示すように、中心力順次外側へ向けて内径を大きくした導通路 30を多数有するようなスタック 3cや、中心力順次外側へ向けて内径を小さくした導通路 30を有するスタック 3dを用いるようにしても良い。また、図 4や図 5に示すように、例えば、微小の球状セラミクスなどを多数敷き詰めて蛇行する導通路 30 (太線で示される導通路 30)を有するようなスタック 3eや、ループ管 2の内周面に近 V、側の導通路 30の流路長を短くしたスタック 3fなどを用いても良、。

[0044] また、この第二のスタック 3b側に設けられる第二高温側熱交 6及び第二低温側熱交換器 7も、同様に、ともに薄い金属で構成され、その内側に定在波及び進行波を導通させるための貫通孔を設けて構成される。そして、第二高温側熱交 6の周囲に水を循環させるようにするとともに、第二低温側熱交 7に冷却の対象物に接続する。この冷却の対象物としては、外気や、発熱を伴う家電製品、パーソナルコンピュータの CPUなどが考えられるが、これ以外の対象物を冷却するようにしても良い。

[0045] このように構成されたループ管 2の内部には、プラントル数の小さい第一の作動流体としてのヘリウムと、この第一の作動流体よりもプラントル数の大きい第二の作動流体としてのアルゴンが封入される。

[0046] これらの作動流体を封入する場合、音速が速ぐプラントル数力 S小さぐ比重も小さいヘリウムを使用すれば、音波の発生までの時間を短縮ィ匕することができるが、音速が速くなつてしまって、スタック内壁との間でうまく熱交換を行うことができない。また、逆に音速が遅ぐプラントル数が大きぐ比重も小さいアルゴンなどを使用すると、粘性が高くなつて音波を迅速に発生させることができない。このため、本実施の形態では、迅速に音波を発生させるために、最初にヘリウムをループ管 2の内部に封入しておき、その後、定在波及び進行波が発生した後にアルゴンを注入するようにしている。そして、このような第二の作動流体を注入する場合としては、次のようにして行う。

[0047] まず、図 1に示すように、ループ管 2の上側にヘリウムを充填したヘリウム気体注入装置 9aとアルゴンを充填したアルゴン気体注入装置 9bを設け、これらの気体注入装置 9a、 9bを共通の注入口 9dに接続しておく。この注入口 9dは上側の連結管部 2bの中央部分に設けられ、ヘリウム気体注入装置 9aのバルブ 9cとアルゴン気体注入装置 9bのバルブ 9cを開放することによって共通の注入口 9dからそれぞれの作動流体をループ管 2内に注入できるようにする。このようにした状態で、まず、ヘリウム気体注入装置 9aのバルブ 9cを開放しループ管 2内にヘリウムを封入する。そして、このようにへリウムを封入した状態で第一低温側熱交換器 5及び第二高温側熱交換器 6の周囲に水を循環させるとともに、第一高温側熱交 4側を加熱する。すると、第一高温側熱交 4と第一低温側熱交 5との間の温度差によって第一のスタック 3a 内に温度勾配が発生し、作動流体が微小に揺らぎ始め、次に、この作動流体が大きく振動し始めてループ管 2内を周回する。この際、ループ管 2内に音速が速ぐプラントル数が小さぐ比重も小さいヘリウムガスを封入しているため、定在波及び進行波を迅速に発生させることができる。そして、この定在波及び進行波を発生させた後、ァルゴン気体注入装置 9bのバルブ 9cを開放し、音速が遅ぐプラントル数が大きぐ比重も大きいアルゴンをループ管 2の上側から注入していく。すると相対的に比重の大きいアルゴンはループ管 2内の下方に向かって移動し、その際、比重の小さいへリウムと均一に混ざり合わされる。そして、このように混合された状態で第一のスタック 3a 力も発生した音エネルギーは、エネルギー保存の法則に基づき、第一のスタック 3a 内での熱エネルギーの移送方向（第一高温側熱交換器 4カゝら第一低温側熱交換器 5の方向）と逆方向、すなわち、第一低温側熱交翻5から第一高温側熱交翻4の方向に移送され、ループ管 2を介して第二のスタック 3b側へ移送される。そして、第二のスタック 3b側では、定在波及び進行波に基づく作動流体の圧力変化及び体積変化によって作動流体を膨張'収縮させ、その際に生じた熱エネルギーを音エネルギ一の移送方向と逆方向である第二低温側熱交 7から第二高温側熱交 6 側へ移送させる。このようにして、第二低温側熱交換器 7を冷却し、目的の対象物を冷却するようにする。

[0048] なお、このようにアルゴンを注入する場合の方法としては、次のような方法を用いることができる。

[0049] まず、ループ管 2の外周部分若しくは内部に、図 6に示すような音の発生を検知する音検知手段 8aを設け、この音検知手段 8aからの出力信号によってアルゴン気体注入装置 9bのノレブ 9cを開放するようにする。この音検知手段 8aとしては、特定周波数の音波を検知する方法や、ループ管 2の振動を検知する方法などが考えられる 1S これ以外に、種々の方法を用いるようにしても良い。

[0050] また、アルゴン気体注入装置 9bからの注入を停止する場合は、次のようにして行う

[0051] まず、ループ管 2内の圧力を計測する圧力計などの圧力計測手段 90を設け、この圧力計測手段 90が一定の圧力値を計測した場合にアルゴン気体注入装置 9bのバルブ 9cを閉じるようにする。この圧力としては、例えば、 0. OlMPa— 5MPaの範囲内で設定され、ループ管 2が比較的小さく構成されてヽる場合は粘性の影響を少なくすべく小さな圧力値に設定される。

[0052] また、このように圧力計測手段 90によってアルゴン気体注入装置 9bのバルブ 9cを制御するだけでなぐ第二低温側熱交 7から出力される熱の変化に基づいてバルブ 9cの開閉制御する熱変化制御手段 91を設けるようにしても良い。この熱変化制御手段 91を用いる場合、例えば、第二低温側熱交 7から出力される熱の時間的変化が一定値以下になった場合にアルゴン気体注入装置 9bのバルブ 9cを閉じて注入を停止するように制御する。このように構成すれば、無駄にアルゴンを注入してしまうことがなくなり、ガスを節約することができるようになる。なお、このように熱の時間的変化に基づいてバルブ 9cの開閉制御をする場合、上述のような圧力によるノレブ 9c の開閉制御と併用するようにしても良い。このように構成すれば、無制限に加圧してしまうことがなくなり、装置 1の破損などを防止することができるようになる。

[0053] 更に、このような装置 1を用いる場合、使用の都度ガス抜き作業をして新たな混合ができるように、ループ管 2に閉止可能な開口部 2cを設ける。この開口部 2cはループ管 2の下端部分に設けるのが好ましぐ装置 1の使用終了後この開口部 2cを開放することによって相対的に比重の大き、作動流体を空気中に放出する。このように構成すれば、使用の終了後一定時間を経過すると相対的に比重の大きいアルゴンがループ管 2の下方に沈殿し、空気よりも重いアルゴンのみが開口部 2cから空気中に放出されることになる。また、次回の使用時に再びヘリウムを上側から充填する場合、ループ管 2内に入り込んだ空気を押し出して下方の開口部 2cから放出することができ、ループ管 2内のヘリウムの密度を高くすることができるようになる。

[0054] このように上記実施の形態によれば、ループ管 2の内部に一の作動流体を封入した状態で自励による定在波及び進行波を発生させ、その後、この作動流体と異なる作動流体を注入する気体注入装置 9bを設けるようにしたので、音波の発生とェネルギー変換の効率性を考慮した最もノランスのとれた状態に設定することができるようになる。 [0055] そして、この実施の形態においては、音速が速ぐプラントル数が小さぐ比重も小さいヘリウムを先に封入しておき、その後、音速が遅ぐプラントル数が大きぐ比重も大きいアルゴンを注入するようにしたので、このようなヘリウムによって音波を迅速に発生させるとともに、音波発生後、アルゴンによって熱交換の効率に最も適した状態にすることができる。

[0056] また、ループ管 2として、地面に対して鉛直状に設けられた複数の直線管部 2aと、この直線管部 2aを連結する連結管部 2bを具備してなるものを用い、このループ管 2 の中央よりも上側にアルゴン気体注入装置 9bを設けるようにしたので、ヘリウムよりも重いアルゴンを上側力注入することによって均一に作動流体を混合することができるよつになる。

[0057] そして、ループ管 2を左右対称形状に構成し、そのループ管 2の上側中央部分にその気体注入装置 9bの注入口 9dを設けるようにしたので、注入口 9dから注入されたァルゴンを左右に分離してループ管内に均一に作動流体を注入することができるようになり、これにより、音波発生のムラや熱交換のムラをなくすことができるようになる。

[0058] 更に、音の発生を検知する音検知手段 8aを設け、この音検知手段 8aによってループ管内に発生した音が検知された場合に、プラントル数の大きい作動流体を注入するようにしたので、音波の発生時間の短縮化を図ると同時に熱交換の効率を向上させることがでさるよう〖こなる。

[0059] 力!]えて、圧力計測手段 90を設け、ループ管 2内の圧力が一定値になった場合に作動流体の注入を停止するようにしたので、常にループ管内の圧力を一定に保つことができ、使用の都度、圧力が異なることによって熱変換の効率が変わってしまうといつた不具合を防止することができるようになる。

[0060] また、作動流体の注入を停止する場合の別の態様として、第二高温側熱交換器 6 力出力される熱の時間的変化に基づいて作動流体の注入を停止するようにしたので、無駄に作動流体を注入し続けてしまうと、つた無駄を防止することができるようになる。

[0061] 更に、空気よりも軽、ヘリウムに対して空気よりも重、アルゴンを注入する場合、ループ管 2の下端部分にアルゴンを抜くための開口部 2cを設けるようにしたので、その開口部 2cを開放することによってアルゴンのみを空気中に放出することができ、全ての作動流体を入れ替える必要がなくなる。

[0062] なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなぐ種々の態様で実施することができる。

[0063] 例えば、上述のような熱音響装置 1では、第一のスタック 3a内に設けられた温度勾配によって自励による音波を発生させるようにして、るが、この自励による音波の発生を促進するために、ループ管 2の外周部若しくは内部に音波発生装置 8bを設けるようにしても良い。この音波発生装置 8bとしては、スピーカーゃ圧電素子、その他、外部から作動流体を強制振動させるような装置で構成され、好ましくは、発生する定在波及び進行波の 1Z2波長、 1Z4波長の間隔を設けて取り付けられる。また、定在波及び進行波の進行方向に対応してループ管 2の軸方向に作動流体を強制振動させるように設けるのが好ましい。このように音波発生装置 8bを設けると、定在波及び進行波の発生時間を短縮することができ、迅速に第二低温側熱交 7を冷却することがでさるよう〖こなる。

[0064] また、このような熱音響装置 1だけでは充分な冷却効果を得ることができな、場合、図 7に示すように、熱音響装置 1を複数連結させた熱音響システム 100を用いるようにするようにしても良い。図 7において、 la、 lb' " Inは上述のように構成された熱音響装置 1を示す。これらの第一の熱音響装置 la、第二の熱音響装置 lb…第 nの熱音響装置 Inは隣接して直列に設けられ、また、気体注入装置 9a、 9bは全て若しくは複数の熱音響装置 la、 lb…： Lnに対して共通に設けられる。これらの熱音響装置 la …における第一高温側熱交 4は、全てヒーターなどで加熱され、一方、それぞれにおける熱音響装置 la…の第二低温側熱交 7は、これに隣接する熱音響装置 lb…の第一低温側熱交翻5に連結される。これによつて、第一の熱音響装置 laにおける第一のスタック 3aの温度勾配よりも第二の熱音響装置 1における温度勾配の方を大きくすることができ、順次下流側に向けて熱音響装置 Inの温度勾配が大きくすることができて、末端の熱音響装置 Inからより低、熱を出力することができるようになる。なお、このように熱音響装置 la…を連結する場合、各熱音響装置 la…で音波を自励させようとすると、末端の熱音響装置 Inで定在波及び進行波が発生するまでの間に非常に長い時間を要することになる。このため、特にループ管 2の外周面若しくは内部に音波発生装置 8bを設けて各熱音響装置 la…での定在波及び進行波の発生までの時間を短縮ィ匕するように構成すると良い。また、このようなシステム 100において各ループ管 2で音波を発生させる場合、共通に設けられた気体注入装置 9b のバルブ 9cを制御し、各ループ管 2で音波が発生するごとにそのループ管 2に対応したノレブ 9cを開放して作動流体を注入すると良ぐまた、注入を停止する場合についても同様に、各ループ管 2に設けられた圧力計測手段 90や熱変化制御手段 91によって注入の停止を行うようにしても良!、。

[0065] また、上記実施の形態では、第一のスタック 3a側を加熱して第二のスタック 3b側を冷却する熱音響装置 1を例に挙げて説明したが、これとは逆に、第一のスタック 3a側を冷却して第二のスタック 3b側を加熱するようにしても良い。この熱音響装置 1の例を図 8に示す。

[0066] 図 8において、図 1から図 6までと同じ符号を示すものは上記説明したものと同じ構造を有するものを示す。この図 8においては、第一のスタック 3aを直線管部 2aの中央よりも上方に設けるとともに、第二のスタック 3bをこれに対向する直線管部 2aの適所に設けるようにして、る。この第一のスタック 3a及び第二のスタック 3bの設置位置としては、上記実施の形態における設置条件と同じ条件となる位置に設けると良い。そして、第一低温側熱交 5にマイナス数十度若しくはこれよりも低い冷熱を入力するとともに、第一高温側熱交換器 4および第二低温側熱交換器 7に不凍性の液体を循環させる。すると熱音響効果の原理により、第一のスタック 3aに形成された温度勾配によって自励の音波が発生し、比較的長く設定された直線管部 2aで波面を安定させ、また、冷熱の下降気流を利用して迅速に定在波及び進行波を発生させる。この定在波及び進行波の音エネルギーの進行方向は、第一のスタック 3aにおける熱ェネルギ一の移送方向（第一高温側熱交 4力第一低温側熱交 5の方向）と逆方向に向力うように発生する。この定在波及び進行波による音エネルギーは、第二のスタック 3b側へ伝搬され、第二のスタック 3b側では、定在波及び進行波に基づく作動流体の圧力変化及び体積変化によって作動流体が膨張'収縮を繰り返し、その際に生じた熱エネルギーを音エネルギーの移送方向と逆方向である第二低温側熱交換器 7から第二高温側熱交換器 6側へ移送する。このようにして、第二高温側熱交換器 6を加熱する。

[0067] なお、この実施の形態にぉ、ても、定在波及び進行波の発生を促進するためにループ管 2の外周面若しくは内部に音波発生装置 8bを設けるようにしても良ぐまた、このような熱音響装置 1を図 7に示すように連結して末端側の熱音響装置 1からより高 Vヽ熱を出力するようにしても良!、。

図面の簡単な説明

[0068] [図 1]本発明の一実施の形態を示す熱音響装置の概略図

[図 2]他の実施の形態におけるスタックの形状を示す図

[図 3]他の実施の形態におけるスタックの形状を示す図

[図 4]他の実施の形態におけるスタックの形状を示す図

[図 5]他の実施の形態におけるスタックの形状を示す図

[図 6]音検知手段、圧力計測手段、熱変化制御手段を設けた熱音響装置の概略図 [図 7]音響暖房装置を連結させた音響暖房システムの概略図

[図 8]他の実施の形態における熱音響装置の概略図

符号の説明

1·· •熱音響装置

2" •ループ管

2a- ··直線管部

2b- ··連結管部

2c ··開口部

3a- ··第一のスタック

3b- ··第二のスタック

3c- • 'スタック

3d· • 'スタック

3e- • 'スタック

3f- • 'スタック

30· ··導通路 ·· 第一高温側熱交換器·· 第一低温側熱交換器 · · 第二高温側熱交換器...第二低温側熱交換器a- •音検知手段b- ··音波発生装置a- 'ヘリウム気体注入装置b- ··アルゴン気体注入装置c- 'ノノレブ

d- ,·注入口

0· ··圧力計測手段1· ··熱変化制御手段00 ···熱音響システム

Claims

請求の範囲

[1] ループ管の内部に、第一高温側熱交換器と第一低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、第二高温側熱交^^と第二低温側熱交^^に挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一高温側熱交を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器を冷却し、又は Z及び、前記第一低温側熱交換器を冷却することによって定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二高温側熱交換器を加熱する熱音響装置であって、

ループ管の内部に第一の作動流体を封入した後、当該第一の作動流体と異なる作動流体を注入して混合する混合手段を設けたことを特徴とする熱音響装置。

[2] 前記混合手段が、先にループ管に封入された音速の速い作動流体に対して、後から音速の遅、作動流体を注入する手段である請求項 1に記載の熱音響装置。

[3] 前記混合手段が、先にループ管に封入された比重の小さい作動流体に対して、後から比重の大き!/、作動流体を注入する手段である請求項 1に記載の熱音響装置。

[4] 前記混合手段が、先にループ管に封入されたプラントル数の小さな作動流体に対して、後からプラントル数の大き、作動流体を注入する手段である請求項 1に記載の熱音響装置。

[5] 前記ループ管が、地面に対して起立する複数の直線管部と、これら複数の直線管部を連結する連結管部とを具備してなるものであり、前記混合手段が、当該ループ管の中央よりも上側に設けられたものである請求項 1に記載の熱音響装置。

[6] 前記ループ管が、地面に対して起立する複数の直線管部と、これら複数の直線管部を連結する連結管部とを具備して左右対称形状に構成されるものであり、前記混合手段が、上側の連結管部の中央に設けられたものである請求項 1に記載の熱音響装置。

[7] 更に、前記音の発生を検知する音検知手段を設け、この音検知手段によって定在波及び進行波の発生が検知された場合、若しくは、音波状態の変動が検知された場合に、前記作動流体の注入を開始する請求項 1に記載の熱音響装置。

[8] 更に、前記ループ管内の圧力を計測する圧力計測手段を設け、この圧力計測手段によって一定の圧力が計測された場合に作動流体の注入を停止する請求項 1に記載の熱音響装置。

[9] 前記混合手段が、前記第二高温側熱交換器若しくは第二低温側熱交換器から出力される熱の時間的変化に基づいて作動流体の注入を停止するものである請求項 1 に記載の熱音響装置。

[10] 前記混合された作動流体が、空気よりも軽、作動流体と空気よりも重、作動流体と力なるものであり、ループ管の下端に前記空気よりも重い作動流体を抜くための開口部を設けた請求項 1に記載の熱音響装置。