熱音響冷凍装置

【課題】気体の循環流によるクーラ部熱交換器の冷却不足が防止される熱音響冷凍装置を提供する。
【解決手段】気体が封入されたパイプ２に原動機３と冷凍機４が形成され、パイプ２の冷凍機４に対してクーラ部熱交換器８側から臨む位置に、移動する気体を遮断する遮断壁１１が気体の振動に随伴して振動可能に設置されたことにより、音波は遮断壁１１に妨げられることがなく、気体の循環流がなくなる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の循環流によるクーラ部熱交換器の冷却不足が防止される熱音響冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に示されるように、熱音響冷凍装置７１は、気体が封入されたパイプ２に原動機３と冷凍機４が形成され、原動機３に外部からの熱が加えられると音波が発生し、その音波の音響パワーがパイプ２を介して冷凍機４に流れ込み、冷凍機４の温度が低下して対象物の冷凍（冷却）に寄与するようになっている。
【０００３】
原動機３は、パイプ２の長手方向に、常温より高温の熱源との熱交換を行う加熱部熱交換器５と、常温の熱源との熱交換を行う常温部熱交換器６と、これら加熱部・常温部の熱交換器５、６間で温度勾配を保持する再生器７とが配置されて構成される。原動機３では、パイプ２内の気体が加熱部熱交換器５で常温よりも高温となり、常温部熱交換器６で常温となることにより、再生器７に温度勾配が形成され、このとき熱エネルギの一部が力学的エネルギである音響エネルギに変換されてパイプ２内の気体が自励振動を起こし、パイプ２内に音響振動すなわち音波が発生する。
【０００４】
冷凍機４は、パイプ２の長手方向に、常温より低温の熱が取り出されるクーラ部熱交換器８と、常温の熱源との熱交換を行う常温部熱交換器９と、これらクーラ部・常温部の熱交換器８、９間で温度勾配を保持する再生器１０とが配置されて構成される。冷凍機４では、逆スターリングサイクルと同様のサイクルが行われ、クーラ部熱交換器８の気体が常温より低温となる。この低温が外部の媒体に熱交換されることで、対象物が冷凍（冷却）される。
【０００５】
原動機３と冷凍機４の常温部熱交換器６、９では、図示しない外部から供給される冷却水などの熱媒体との熱交換により、気体の温度が常温に保たれる。
【０００６】
熱音響冷凍装置には、パイプ２の形状と原動機３及び冷凍機４の配置に多様な形態がある。
【０００７】
図７の熱音響冷凍装置７１では、パイプ２が単一のループを形成しており、このループに原動機３と冷凍機４がそれぞれ適宜な位置に配置される。
【０００８】
図８の熱音響冷凍装置８１では、パイプ２は、原動機３が設置された原動機ループ８２と、冷凍機４が設置された冷凍機ループ６２と、両ループ８２、６２を相互に接続する直線状部分６３とを有する。原動機ループ８２の原動機３において熱エネルギが音響エネルギに変換され、音波が生じることにより、パイプ２全体の気体にわたり定在波が形成される。冷凍機ループ６２では冷凍機４において音響エネルギが熱エネルギに変換される。
【０００９】
図９の熱音響冷凍装置９１では、パイプ２は、直線状部分があるのみでループはない。このパイプ２の適宜な場所に原動機３が設置され、別の適宜な場所に冷凍機４が設置される。
【００１０】
図１０の熱音響冷凍装置１０１では、パイプ２は、冷凍機４が設置された冷凍機ループ６２と、冷凍機ループ６２に接続する直線状部分６３とを有する。原動機３は、直線状部分６３に設置される。
【００１１】
図１１の熱音響冷凍装置１０１では、パイプ２は、原動機３が設置された原動機ループ８２と、原動機ループ８２に接続する直線状部分６３とを有する。冷凍機４は、直線状部分６３に設置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１１−２１５３号公報
【特許文献２】特開２００６−２１４４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、従来の熱音響冷凍装置７１、８１、９１、１０１、１１１では、封入されている気体がパイプ２内で移動して循環することができる。このためクーラ部熱交換器８で低温となった気体（冷気）が拡散してクーラ部熱交換器８から離れてしまい、クーラ部熱交換器８の温度が下がりにくいという問題が生じる。
【００１４】
図１２に示したパイプ２では、気体は、冷凍機４のクーラ部熱交換器８から再生器１０、常温部熱交換器９を通り、ループを通って原動機３へ移動する。さらに、気体は、原動機３の加熱部熱交換器５から再生器７、常温部熱交換器６を通り、ループを通って冷凍機４へ移動する。この結果、ループに沿った循環流が発生する。
【００１５】
図１３に示したパイプ２では、気体は、冷凍機４のクーラ部熱交換器８から冷凍機ループ６２に流れ、常温部熱交換器９、再生器１０、クーラ部熱交換器８と移動する。この結果、冷凍機ループ６２に沿った循環流が発生する。
【００１６】
図１４に示したパイプ２の一部では、冷凍機４のクーラ部熱交換器８の近傍において、パイプ２の中心部にある気体がクーラ部熱交換器８から離れる方向に移動し、クーラ部熱交換器８から不定の長い区間まで移動する。この不定の長い区間にわたり、パイプ２の周辺部にある気体がクーラ部熱交換器８に近づく方向に移動する。この結果、パイプ２の中心部と周辺部で方向が逆となる循環流が生じる。
【００１７】
図７〜図１１の熱音響冷凍装置では、ループを有するものはループにおいて図１２又は図１３のようなループを回る循環流が発生し、また、ループの有無にかかわらず、パイプ２の一部で図１４のような循環流が発生する。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、気体の循環流によるクーラ部熱交換器の冷却不足が防止される熱音響冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために本発明の装置は、気体が封入されたパイプに原動機と冷凍機が形成され、前記原動機は、常温より高温の熱源との熱交換を行う加熱部熱交換器と、常温の熱源との熱交換を行う常温部熱交換器と、これら加熱部・常温部の熱交換器間で温度勾配を保持する再生器とが前記パイプの長手方向に配置されて構成され、前記冷凍機は、常温より低温の熱が取り出されるクーラ部熱交換器と、常温の熱源との熱交換を行う常温部熱交換器と、これらクーラ部・常温部の熱交換器間で温度勾配を保持する再生器とが前記パイプの長手方向に配置されて構成され、前記パイプ内の前記冷凍機に対して前記クーラ部熱交換器側から臨む位置に、移動する気体を遮断する遮断壁が気体の振動に随伴して振動可能に設置されたものである。
【００２０】
前記遮断壁は、前記クーラ部熱交換器からの距離が前記遮断壁の最大振幅の半分より遠く、前記遮断壁の最大振幅の５倍より近い位置に設置されてもよい。
【００２１】
前記パイプは、前記冷凍機が配置された冷凍機ループと前記冷凍機ループに接続された直線状部分とを有し、前記遮断壁は、前記冷凍機ループに設置されてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２３】
（１）気体の循環流によるクーラ部熱交換器の冷却不足が防止される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態を示す熱音響冷凍装置の構成図である。
【図２】本発明の熱音響冷凍装置の冷凍機近傍の拡大図である。
【図３】本発明の熱音響冷凍装置に用いられる遮断壁の断面図である。
【図４】本発明の熱音響冷凍装置に用いられる遮断壁の断面図である。
【図５】本発明の熱音響冷凍装置に用いられる遮断壁の断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す熱音響冷凍装置の部分構成図である。
【図７】従来の熱音響冷凍装置の構成図である。
【図８】従来の熱音響冷凍装置の構成図である。
【図９】従来の熱音響冷凍装置の構成図である。
【図１０】従来の熱音響冷凍装置の構成図である。
【図１１】従来の熱音響冷凍装置の構成図である。
【図１２】ループを回る循環流を示す熱音響冷凍装置の構成図である。
【図１３】冷凍機ループを回る循環流を示す熱音響冷凍装置の部分構成図である。
【図１４】パイプの一部における循環流を示す熱音響冷凍装置の冷凍機近傍の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２６】
図１に示されるように、本発明に係る熱音響冷凍装置１は、気体が封入されたパイプ２に原動機３と冷凍機４が形成されたものである。原動機３は、常温より高温の熱源との熱交換を行う加熱部熱交換器５と、常温の熱源との熱交換を行う常温部熱交換器６と、これら加熱部・常温部の熱交換器５、６間で温度勾配を保持する再生器７とがパイプ２の長手方向に配置されて構成される。冷凍機４は、常温より低温の熱が取り出されるクーラ部熱交換器８と、常温の熱源との熱交換を行う常温部熱交換器９と、これらクーラ部・常温部の熱交換器間８、９で温度勾配を保持する再生器１０とがパイプ２の長手方向に配置されて構成される。
【００２７】
パイプ２の形状と原動機３及び冷凍機４の配置には、既に説明したように多様な形態があるが、本実施形態では、パイプ２が単一のループを形成しており、このループに原動機３と冷凍機４が適宜な間隔で配置される。
【００２８】
原動機３を構成する加熱部熱交換器５、常温部熱交換器６、再生器７は、公知のものであるから詳しい説明は省く。冷凍機４を構成するクーラ部熱交換器８、常温部熱交換器９、再生器１０は、公知のものであるから詳しい説明は省く。
【００２９】
本発明の熱音響冷凍装置１は、パイプ２内の冷凍機４に対してクーラ部熱交換器８側から臨む位置に、気体を遮断する遮断壁１１が気体の振動に随伴して振動可能に設置されたことに特徴を有する。
【００３０】
遮断壁１１は、クーラ部熱交換器８からの距離が遮断壁１１の最大振幅の半分より遠く、遮断壁１１の最大振幅の５倍より近い位置に設置されるのが好ましい。
【００３１】
次に、熱音響冷凍装置１の動作を説明する。
【００３２】
図２に示されるように、クーラ部熱交換器８から所定の距離の位置に遮断壁１１が設置されている。遮断壁１１よりクーラ部熱交換器８側のパイプ２内では、パイプ２の中心部にある気体がクーラ部熱交換器８から離れる方向に移動しようとするが、遮断壁１１によって遮断されるため、パイプ２の周辺部を通りクーラ部熱交換器８に戻るしかない。よって、図１４で説明したような不定の長い区間にわたる循環流は生じることがない。遮断壁１１とクーラ部熱交換器８に挟まれた狭い区間においてのみパイプ２の中心部と周辺部で逆となる循環流が生じるものの、これは無視できる程度であり、クーラ部熱交換器８の冷気が遮断壁１１より先には拡散することがなく、実質的にクーラ部熱交換器８の近傍に留め置かれた状態となる。
【００３３】
同時に、図１２、図１３で説明したようなループに沿った循環流は、図１の熱音響冷凍装置１では移動する気体が遮断壁１１によって遮断されるため、発生しない。すなわち、ループに沿った循環流によるクーラ部熱交換器８の冷気の拡散は全くなくなる。
【００３４】
以上のように、本発明の熱音響冷凍装置１では、パイプ２の中心部と周辺部で逆となる不定の長い区間にわたる循環流もループに沿った循環流も生じないので、クーラ部熱交換器８で低温になった気体がクーラ部熱交換器８の近傍に留め置かれる。これにより、クーラ部熱交換器８の温度が従来よりもよく下がり、熱音響冷凍装置１の冷凍性能が向上する。
【００３５】
一方、遮断壁１１は、気体の振動に随伴して振動可能に設置されている。図２の例では、遮断壁１１は、中立位置Ｐ０を中心に変位位置−Ｐ１から変位位置＋Ｐ１まで振動可能である。変位位置−Ｐ１から変位位置＋Ｐ１までの距離が遮断壁１１の最大振幅となる。このように、遮断壁１１が気体の振動に随伴して振動可能であるため、気体の振動、すなわち音波は、遮断壁１１に妨げられることがなく、実質的に遮断壁１１を透過して進行することができる。
【００３６】
次に、遮断壁１１が設置される最適位置を検討する。
【００３７】
図２で説明した原理から分かるように、ループに沿った循環流に関しては、遮断壁１１の位置がどこであっても、循環流が防止される。パイプ２の中心部と周辺部を回る循環流に関しては、遮断壁１１の位置がクーラ部熱交換器８に近ければ近いほど循環流が小さく、冷気の拡散が小さい。しかし、遮断壁１１が振動してクーラ部熱交換器８に干渉してはならないので、クーラ部熱交換器８に最も近い位置は遮断壁１１の最大振幅の半分ということになる。遮断壁１１の位置がクーラ部熱交換器８から遠くなればなるほど、循環流が大きくなり、冷気の拡散が大きくなる。期待した効果が得られるためには、遮断壁１１の位置は、クーラ部熱交換器８から遮断壁１１の最大振幅の５倍より近い位置が望ましく、最大振幅の２倍、１倍と近づくほど好適となる。最適位置は、冷気の拡散が最も小さくなるクーラ部熱交換器８から最大振幅の半分の位置である。
【００３８】
次に、遮断壁１１の構成について検討する。
【００３９】
図３に示した遮断壁１１は、遮断壁１１の周辺部がパイプ２の内壁に固定され、遮断壁１１の中央部がパイプ２の長手方向に振動して、破線及び二点鎖線の状態に変形するようになっている。この遮断壁１１は、気体が反対側へ漏れない程度の気密性があり、かつ、周辺部が固定の状態で中央部が長手方向に振動できる程度の柔軟性（弾性）があることが好ましい。遮断壁１１は、比較的厚さが薄く形成され、振動膜と呼ぶことができる。このような遮断壁１１の材料としては、金属、ガラス、セラミックス、樹脂、ゴム、繊維などがある。
【００４０】
図４に示した遮断壁１１は、遮断壁１１の周辺部がパイプ２の内壁に固定され、遮断壁１１の中央部がベローズで構成され、遮断壁１１の中央部がパイプ２の長手方向に振動して、破線及び二点鎖線の状態に変形するようになっている。このような遮断壁１１の材料としては、金属、ガラス、セラミックス、樹脂、ゴム、繊維などがある。
【００４１】
図５に示した遮断壁１１は、ピストン５１とばね部材５２とからなる。ピストン５１は、周辺部がパイプ２の内壁に対して摺動自在で、かつ、スパイラルリング等のばね部材５２によりパイプ２の長手方向に移動可能にばね支持される。破線と二点鎖線で示すようにピストン５１がパイプ２の長手方向に往復移動して振動するようになっている。ピストン５１の周辺部とパイプ２の内壁との間は気体が漏れないようにシールがされており、かつ、摺動抵抗を小さくするよう潤滑性が付与されている。ピストン５１は、部分的な変形が生じにくい剛体からなる。ピストン５１は、パイプ２の長手方向に隔てて配置された２つのピストンヘッド５３と、これら２つのピストンヘッド５３を連結するピストンロッド５４とからなる。ばね部材５２は、ピストンロッド５４をパイプ２の中心軸位置に保持すると共に長手方向にばね支持する。このような構造により、遮断壁１１の全体は、図３や図４の遮断壁１１に比べてパイプ２の長手方向の厚さが厚いが、厚みのない剛体の遮断壁１１に仮想的に置き換えることができる。ピストン５１の材料としては、金属、ガラス、セラミックス、樹脂、ゴム、繊維などがある。
【００４２】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
【００４３】
図６に示されるように、本発明の熱音響冷凍装置６１では、図８や図１０の構成と同様に、パイプ２は、冷凍機４が配置された冷凍機ループ６２と、冷凍機ループ６２に接続された直線状部分６３とを有する。遮断壁１１は、冷凍機ループ６２に設置される。仮に、遮断壁１１が直線状部分６３に設置されると、図１３で説明したような冷凍機ループ６２に沿った循環流が発生する。これに対し、遮断壁１１が冷凍機ループ６２に設置されると、冷凍機ループ６２に沿った循環流が防止される。
【００４４】
冷凍機ループ６２に直線状部分６３が接続された熱音響冷凍装置６１においては、冷凍機ループ６２と直線状部分６３の接続箇所よりクーラ部熱交換器８に近い側に遮断壁１１が設置されることで、冷凍機ループ６２に沿った循環流と、パイプ２の中心部と周辺部を回る循環流が共に防止される。
【００４５】
本発明は、図１のようにパイプ２が単一のループを形成する熱音響冷凍装置１や、図６のように冷凍機ループ６２と直線状部分６３とを有する熱音響冷凍装置６１に限らない。本発明は、図９あるいは図１１のように、冷凍機４が直線状部分６３に設置された熱音響冷凍装置９１、１１１に対しても適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１、６１熱音響冷凍装置
２パイプ
３原動機
４冷凍機
５加熱部熱交換器
６常温部熱交換器
７再生器
８クーラ部熱交換器
９常温部熱交換器
１０再生器
１１遮断壁
６２冷凍機ループ
６３直線状部分

【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体が封入されたパイプに原動機と冷凍機が形成され、
前記原動機は、常温より高温の熱源との熱交換を行う加熱部熱交換器と、常温の熱源との熱交換を行う常温部熱交換器と、これら加熱部・常温部の熱交換器間で温度勾配を保持する再生器とが前記パイプの長手方向に配置されて構成され、
前記冷凍機は、常温より低温の熱が取り出されるクーラ部熱交換器と、常温の熱源との熱交換を行う常温部熱交換器と、これらクーラ部・常温部の熱交換器間で温度勾配を保持する再生器とが前記パイプの長手方向に配置されて構成され、
前記パイプ内の前記冷凍機に対して前記クーラ部熱交換器側から臨む位置に、移動する気体を遮断する遮断壁が気体の振動に随伴して振動可能に設置されたことを特徴とする熱音響冷凍装置。
【請求項２】
前記遮断壁は、前記クーラ部熱交換器からの距離が前記遮断壁の最大振幅の半分より遠く、前記遮断壁の最大振幅の５倍より近い位置に設置されたことを特徴とする請求項１記載の熱音響冷凍装置。
【請求項３】
前記パイプは、前記冷凍機が配置された冷凍機ループと前記冷凍機ループに接続された直線状部分とを有し、
前記遮断壁は、前記冷凍機ループに設置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱音響冷凍装置。

【図１】