説明

熱音響機関

【課題】発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、原動機や受動機の設置箇所を多様化できる熱音響機関を提供する。
【解決手段】ループ管1に、熱エネルギをループ管1内の音響エネルギに変換する原動機2が設けられた熱音響機関11〜71において、ループ管1に、原動機2が複数個設けられた。これにより、発振開始温度が低くなると共に、大きな音響強度が得られる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、原動機や受動機の設置箇所を多様化できる熱音響機関に関する。
【背景技術】
【0002】
廃熱からエネルギを取り出すためにスターリングエンジンの開発研究が活発に行われている。スターリングエンジンの形式には、α型、β型、γ型、フリーピストン型などがある。これに対し、最近では、ピストン等の可動部を有さない熱音響機関の開発研究が活発に行われるようになった。
【0003】
熱音響機関は、管と熱源で構成される。管内の気柱を局部的に加熱又は冷却すると、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、気柱が自励振動を起こす。すなわち、管内に音響振動が発生する。この作用は、熱力学的には、プライムムーバ(原動機)と見ることができる。この作用を用いたものが熱音響機関である。この熱音響機関に、気柱の振動を熱エネルギに変換する受動機(冷凍機、冷却器)を組み込むと、冷凍装置(冷却装置)が構成される。
【0004】
図8に示した熱音響機関81は、ループ管1に原動機2を取り付けたものである。原動機2は、高温部と再生部と低温部とから構成される。
【0005】
図9に示した熱音響機関91は、原動機2を取り付けたループ管1に共鳴管4を付加したものである。共鳴管4を設けことにより、自励振動が起こりやすくなり、発振開始温度(高温部と低温部の温度差で表す)を低くすることができる。共鳴管4の反対端は開放してもよく閉鎖してもよい。
【0006】
図10に示した熱音響機関101は、原動機2を取り付けたループ管1に受動機3を組み込んだものである(特許文献1)。
【0007】
図11に示した熱音響機関111は、原動機2を取り付けたループ管1に共鳴管4を付加すると共に受動機3を組み込んだものである。
【0008】
原動機2が高温部と再生部と低温部とから構成されるのと同様に、受動機3も高温部と再生部と低温部とから構成される。受動機3の高温部を基準温度とすると、原動機2から伝搬した音響エネルギが熱エネルギに変換される際に、低温部の温度が低下する。
【0009】
熱音響機関81〜111は、建造物や移動体において居室の冷房装置や物品の冷蔵・冷凍装置に応用される。例えば、自動車では、原動機においてエンジンの廃熱を高温源、大気を低温源とし、受動機において大気を高温源とすることで、受動機の低温源から大気より低い温度の冷熱出力を取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特許第3050543号公報
【特許文献2】特開2006−149176号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
従来の熱音響機関81〜111は、図8〜図11に示されているように、共鳴管4の有無に関わらず、ループ管1に設けられる原動機2の個数は1個、受動機3の個数も1個である。
【0012】
従来の熱音響機関81〜111は、原動機2の個数が1個であるため、大きな音響強度をループ管1内に励起することができない。また、従来の熱音響機関81〜111は、原動機2の個数が1個であるため、発振開始温度を大幅に低くすることができない。
【0013】
一方、受動機3を組み込んだ場合も、受動機3の個数が1個であるため、冷凍能力等の熱交換能力が低く、また、複数の異なる箇所で熱交換を行うことができない。
【0014】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、原動機や受動機の設置箇所を多様化できる熱音響機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記目的を達成するために本発明は、ループ管に、熱エネルギをループ管内の音響エネルギに変換する原動機が設けられた熱音響機関において、上記ループ管に、上記原動機が複数個設けられたものである。
【0016】
上記複数個の原動機は、上記ループ管をループ長の1/k(k=自然数)ずつに区切る箇所のいずれかに配置されてもよい。
【0017】
上記ループ管に、ループ管内の音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機が設けられてもよい。
【0018】
上記ループ管に、上記受動機が複数個設けられてもよい。
【0019】
上記複数個の受動機は、上記ループ管をループ長の1/k(k=自然数)ずつに区切る箇所のいずれかに配置されてもよい。
【発明の効果】
【0020】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【0021】
(1)発振開始温度が低くできる。
【0022】
(2)大きな音響強度が得られる。
【0023】
(3)原動機や受動機の設置箇所を多様化できる。
【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機関の構成図である。
【図2】本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。
【図3】本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。
【図4】本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。
【図5】本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。
【図6】本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。
【図7】本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。
【図8】従来の熱音響機関の構成図である。
【図9】従来の熱音響機関の構成図である。
【図10】従来の熱音響機関の構成図である。
【図11】従来の熱音響機関の構成図である。
【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機関11は、ループ管1に、熱エネルギをループ管1内の音響エネルギに変換する原動機2が設けられた熱音響機関11において、ループ管1に、原動機2が2個設けられたものである。原動機2は、高温部と再生部と低温部とから構成されるが、その詳しい構造は従来技術に属するので、ここでは省略する。
【0027】
図1の熱音響機関11は、右上の原動機2を1個目とすると、左下の2個目の原動機2は、1個目の原動機2からループ管1のループ長の1/2離れた箇所に設けられる。つまり、2個の受動機3は、ループ長の1/2ずつに区切る2箇所に配置されている。この構成は、原動機2が1個の場合と同じ周波数(又は同じ波長)の音響が発振する構成、言い換えると、1次モードが励起される構成である。
【0028】
図1の熱音響機関11の効果を説明する。
【0029】
本発明者らは、ループ管1に複数個の原動機2を設けることで、発振開始温度が低くなり、かつ、大きな音響強度が得られることを見出した。
【0030】
発振開始温度に関しては、従来のように原動機の個数が1個であると、高温部と低温部との温度差がある程度大きくならないと発振が得られなかったのに対し、本発明のように原動機2の個数が複数個になったことで、高温部と低温部との温度差が従来より小さくても発振が得られる。
【0031】
音響強度に関しては、原動機2の個数が複数個であることにより、それぞれの原動機2から投入される音響エネルギを重ね合わせてより音響強度を大きくすることができる。
【0032】
図2に示した熱音響機関21は、図1の熱音響機関11と同じループ管1に4個の原動機2を備えたものである。原動機2が4個の場合、各原動機2は、ループ管1のループ長の1/4離れた箇所ごとに設けられる。つまり、4個の原動機2は、ループ管1をループ長の1/4ずつに区切る4箇所の全てに配置されている。この構成は、原動機2が1個の場合の2倍周波数(又は1/2波長)の音響が発振する構成、言い換えると、2次モードが励起される構成である。
【0033】
図3に示した熱音響機関31は、図1の熱音響機関11と同じループ管1に3個の原動機2を備えたものである。原動機2は、ループ管1をループ長の1/4ずつに区切る4箇所のうちの3箇所に配置されている。この構成も、2次モードが励起される構成である。
【0034】
図4に示した熱音響機関41は、図1の熱音響機関11と同じループ管1に、3個の原動機2と、ループ管1内の音響エネルギを熱エネルギに変換する1個の受動機3を備えたものである。原動機2は、ループ管1をループ長の1/4ずつに区切る4箇所のうちの3箇所に配置され、受動機3は、ループ管1をループ長の1/4ずつに区切る4箇所のうちの残った1箇所に配置されている。この構成も、2次モードが励起される構成である。
【0035】
図5に示した熱音響機関51は、図1の熱音響機関11と同じループ管1に、原動機2を2個と、受動機3を1個備えたものである。原動機2は、ループ管1をループ長の1/4ずつに区切る4箇所のうちの互いに隣接する2箇所に配置され、受動機3は、残った2箇所のうちいずれか1箇所に配置されている。
【0036】
図6に示した熱音響機関61は、図1の熱音響機関11と同じループ管1に、原動機2を2個と、受動機3を2個備えたものである。原動機2は、ループ管1をループ長の1/4ずつに区切る4箇所のうちの互いに隣接する2箇所に配置され、受動機3は、残った2箇所に配置されている。
【0037】
この他にも、ループ管1をループ長の1/4ずつに区切る4箇所の配置箇所のうち、右上と左下の2箇所に原動機2を配置することができるが、この場合、図1の熱音響機関11と同様に1次モードが励起される構成となる。
【0038】
図7に示した熱音響機関71は、ループ管1をループ長の1/6ずつに区切る6箇所の配置箇所72を有する。6箇所の配置箇所72に、複数個の原動機2と1個ないし複数個の受動機3を、合わせて最大で6個配置することができる。原動機2と受動機3の配置の組み合わせは、任意であるが、6箇所全てに原動機2を配置した構成、互いに隣接する2箇所を含む複数箇所に原動機2を配置した構成などにおいて、3次モードが励起される。
【0039】
k次モード(kは自然数)が励起されるよう、ループ管1をループ長の1/kずつに区切るk箇所の配置箇所を設けることができる。k箇所の配置箇所に対する複数個の原動機2と1個ないし複数個の受動機3の配置の組み合わせは、任意である。
【0040】
以上の実施形態では、共鳴管が無い構成としたが、共鳴管を備えた構成であっても、本発明を適用することができる。
【0041】
本発明の熱音響機関11〜71によれば、原動機2を複数個備えることで、発振開始温度が低くなるという効果が得られるため、従来では、例えば、低温源が常温であるとすると常温よりかなり高い温度の高温源を必要としたのに対し、本発明では、低温源が常温であるならば常温よりそれほど高くない温度の高温源が利用できる。
【0042】
また、本発明の熱音響機関11〜71によれば、原動機2を複数個備えることで、それぞれの原動機2から音響エネルギをループ管1内に取り込んで、従来より大きな音響強度を得ることができる。
【0043】
また、本発明の熱音響機関41,51,61によれば、1個の受動機3に対して複数個の原動機2からの音響エネルギが供給されるため、より多くの熱エネルギを取り出すことができる。したがって、例えば、受動機3を冷凍機とすると、従来の熱音響機関を用いた場合に比べて、冷凍能力を上げることができる。
【0044】
また、本発明の熱音響機関61によれば、複数個の受動機3を備えるので、複数箇所で熱エネルギを取り出すことができる。したがって、例えば、受動機3を冷凍機とすると、複数箇所における冷凍が可能となる。
【符号の説明】
【0045】
11,21,31,41,51,61,71 熱音響機関
1 ループ管
2 原動機
3 受動機
4 共鳴管

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ループ管に、熱エネルギをループ管内の音響エネルギに変換する原動機が設けられた熱音響機関において、上記ループ管に、上記原動機が複数個設けられたことを特徴とする熱音響機関。
【請求項2】
上記複数個の原動機は、上記ループ管をループ長の1/k(k=自然数)ずつに区切る箇所のいずれかに配置されたことを特徴とする請求項1記載の熱音響機関。
【請求項3】
上記ループ管に、ループ管内の音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機が設けられたことを特徴とする請求項1又は2記載の熱音響機関。
【請求項4】
上記ループ管に、上記受動機が複数個設けられたことを特徴とする請求項3記載の熱音響機関。
【請求項5】
上記複数個の受動機は、上記ループ管をループ長の1/k(k=自然数)ずつに区切る箇所のいずれかに配置されたことを特徴とする請求項4記載の熱音響機関。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【公開番号】特開2010−261687(P2010−261687A)
【公開日】平成22年11月18日(2010.11.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−114872(P2009−114872)
【出願日】平成21年5月11日(2009.5.11)
【出願人】(000000170)いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【出願人】(504157024)国立大学法人東北大学 (2,297)