熱音響機関
【課題】自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには温度の異なる熱源であっても回生することが可能な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において、ループ管１に、原動機２で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機６を配置してなるものである。
【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において、ループ管１に、原動機２で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機６を配置してなるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには温度の異なる熱源であっても回生することが可能な熱音響機関に関するものである。
【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３に示した熱音響機関３１は、ループ管１に薄板や細管を束ねたスタックからなる原動機２を取り付けたものである。原動機２は、高温部３と再生部４と低温部５とから構成される。この熱音響機関３１に図示しない受動機を組み込むと、冷凍装置となる。
【０００５】
原動機２が高温部３と再生部４と低温部５とから構成されるのと同様に、受動機も高温部と再生部と低温部とから構成される。受動機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。
【０００６】
熱音響機関３１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、熱音響機関３１を車両に搭載する場合、原動機２においてエンジンの排気熱を高温源として高温部３に供給し、大気を低温源として低温部５に供給すると共に、受動機において大気を高温源として高温部に供給することで、受動機の低温部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。この冷熱出力を用いて、例えば、車両に搭載された各種クーラ（例えば、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタなど）を機能させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
ところで、熱音響機関３１において原動機２で自励発振を発生させるには、低温部５に供給する低温源を大気とした場合、高温部３に供給する高温源として３００℃程度の熱源が必要となる。そのため、熱音響機関３１を車両に適用する場合、エンジンの排気熱により加熱するしかなく、例えば、１００℃以下である冷却水廃熱では熱音響機関３１を自励発振させることができず、冷却水廃熱を熱音響機関３１で利用することができなかった。すなわち、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源は、熱音響機関３１では回生できないという問題がある。
【０００９】
したがって、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには、温度の異なる熱源であっても回生することが可能な熱音響機関が望まれている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには温度の異なる熱源であっても回生することが可能な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】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、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、前記ループ管に、前記原動機で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機を配置してなる熱音響機関である。
【００１２】
前記増幅用原動機の高温部に、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源を供給してもよい。
【００１３】
前記増幅用原動機は、前記ループ管の前記原動機が配置された位置の対向位置に配置されてもよい。
【００１４】
前記原動機の高温源として、車両の排気熱を用い、前記増幅用原動機の高温源として、前記車両のラジエータを通過する前の冷却水の廃熱を用いてもよい。
【００１５】
前記ループ管に所定の長さの共鳴管を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには温度の異なる熱源であっても回生することが可能な熱音響機関を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱音響機関の構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る熱音響機関の構成図である。
【図３】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】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る熱音響機関の構成図である。
【００２０】
図１に示すように、熱音響機関１１は、所定の気体（作業ガス）を封入したループ管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で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機６を配置したものである。
【００２１】
原動機２は、薄板や細管を束ねたスタックからなり、高温部３と再生部４と低温部５とから構成される。増幅用原動機６は、原動機２と同様に、薄板や細管を束ねたスタックからなり、高温部７と再生部８と低温部９とから構成される。つまり、熱音響機関１１は、２つのスタック（原動機２と増幅用原動機６）を１つのループ管１に配置したものである。スタックの詳しい構造については、従来技術に属するので、ここでは省略する。
【００２２】
増幅用原動機６は、ループ管１の原動機２が配置された位置の対向位置に配置されることが望ましい。換言すれば、原動機２と増幅用原動機６は、ループ管１におけるループ長の１／２ずつに区切る２箇所に配置されることが望ましい。
【００２３】
熱音響機関１１は、例えば、車両に搭載される。熱音響機関１１が車両に搭載される場合、原動機２の高温部３には、エンジンの排気熱が高温源として供給され、低温部５には大気が低温源として供給される。
【００２４】
増幅用原動機６の高温部７には、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源、例えば、１００℃以下であるラジエータ通過前のエンジンの冷却水が高温源として供給される。増幅用原動機６の低温部９には、原動機２と同様に、大気が低温源として供給される。
【００２５】
増幅用原動機６は、その高温部７が原動機２の低温部５側、その低温部９が原動機２の高温部３側となるようにループ管１内に配置される。すなわち、増幅用原動機６は、原動機２で発生した進行波に対して、増幅用原動機６内に形成される温度勾配が正の温度勾配となるように（原動機２で発生した進行波が増幅用原動機６の低温部９側から入力され、高温部７側から出力されるように）される。
【００２６】
本実施の形態の作用を説明する。
【００２７】
熱音響機関１１では、原動機２の高温部３に高温源としてのエンジンの排気熱が供給されると、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、ループ管１内に自励発振（音響振動）が発生する。この自励発振に伴い、ループ管１内には進行波が発生する。原動機２で発生した進行波はループ管１内を周回する。
【００２８】
原動機２で発生した進行波が増幅用原動機６を通過すると、進行波が増幅用原動機６内の温度勾配（正の温度勾配）の影響を受け、進行波の音響強度が増幅される。なお、進行波が正の温度勾配を有するスタックを通過すると音響強度が増幅されることは実験的に確認されている。
【００２９】
このように、増幅用原動機６では、その高温部７に自励発振を起こすことができない程度の低温熱源が供給されるため、自身で自励発振を発生させることはできないものの、原動機２での自励発振により発生した進行波の音響強度を増幅させることができる。
【００３０】
つまり、熱音響機関１１では、高温のエンジンの排気熱が供給される高温熱源側の原動機２で作動（自励発振）させ、１００℃以下の冷却水が供給される低温熱源側の増幅用原動機６でさらにループ管１内の音響強度を増幅させる。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態に係る熱音響機関１１では、ループ管１に、原動機２で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機６を配置している。
【００３２】
これにより、単独では自励発振を起こすことができない程度の低温熱源の熱エネルギであっても、増幅用原動機６により回生することが可能となる。なお、実験においては、手の平の温度程度でも音響強度を増幅できることが確認されている。
【００３３】
また、増幅用原動機６をループ管１に配置することによって、温度の異なる熱源であっても、それらの熱エネルギを１つの熱音響機関１１で回生することが可能となる。
【００３４】
さらには、増幅用原動機６をループ管１に配置して、低温熱源（ここでは、冷却水の廃熱）も利用することによって、原動機２のみで作動させた場合（排気熱のみで作動させた場合）よりも、熱音響機関１１の音響強度を増加させることが可能となる。
【００３５】
上記実施の形態では、ループ管１に共鳴管（枝管）を設けなかったが、より出力（音響強度）を向上させるためには、図２に示す熱音響機関２１のように、ループ管１に適当な長さの共鳴管（枝管）２２を取り付けることが望ましい。共鳴管２２の反対端は開放してもよく閉鎖してもよいが、開放か閉鎖かで発振周波数が異なる。共鳴管２２の位置や長さは発振周波数に関係するため、発振周波数を考慮して決定するようにすればよい。共鳴管２２を設けることにより、自励発振が起こりやすくなり、発振開始温度（原動機２における高温部３と低温部５の温度差）を低くすることができる。
【００３６】
また、上記実施の形態では、増幅用原動機６の高温部７に、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源を供給したが、自励発振を発生させることが可能な高温熱源を供給するようにしても、同様の効果が得られる。
【００３７】
さらに、上記実施の形態では、ループ管１に増幅用原動機６を１つ設ける場合を説明したが、これに限らず、増幅用原動機６を２つ以上設けるようにしてもよい。
【００３８】
また、上記実施の形態では、受動機について述べなかったが、ループ管１に受動機を配置して冷凍機として使用するようにしてもよい。この場合、受動機の高温部に大気を高温源として供給し、受動機の低温部から大気より低い温度の冷熱出力を取り出すようにすればよい。
【００３９】
本発明の熱音響機関１１，２１は、例えば車両に搭載され、当該車両に搭載された各種クーラ（例えば、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタなど）などを機能させるために用いられる。
【符号の説明】
【００４０】
１ ループ管
２ 原動機
３，７ 高温部
４，８ 再生部
５，９ 低温部
６ 増幅用原動機
１１ 熱音響機関
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには温度の異なる熱源であっても回生することが可能な熱音響機関に関するものである。
【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３に示した熱音響機関３１は、ループ管１に薄板や細管を束ねたスタックからなる原動機２を取り付けたものである。原動機２は、高温部３と再生部４と低温部５とから構成される。この熱音響機関３１に図示しない受動機を組み込むと、冷凍装置となる。
【０００５】
原動機２が高温部３と再生部４と低温部５とから構成されるのと同様に、受動機も高温部と再生部と低温部とから構成される。受動機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。
【０００６】
熱音響機関３１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、熱音響機関３１を車両に搭載する場合、原動機２においてエンジンの排気熱を高温源として高温部３に供給し、大気を低温源として低温部５に供給すると共に、受動機において大気を高温源として高温部に供給することで、受動機の低温部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。この冷熱出力を用いて、例えば、車両に搭載された各種クーラ（例えば、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタなど）を機能させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
ところで、熱音響機関３１において原動機２で自励発振を発生させるには、低温部５に供給する低温源を大気とした場合、高温部３に供給する高温源として３００℃程度の熱源が必要となる。そのため、熱音響機関３１を車両に適用する場合、エンジンの排気熱により加熱するしかなく、例えば、１００℃以下である冷却水廃熱では熱音響機関３１を自励発振させることができず、冷却水廃熱を熱音響機関３１で利用することができなかった。すなわち、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源は、熱音響機関３１では回生できないという問題がある。
【０００９】
したがって、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには、温度の異なる熱源であっても回生することが可能な熱音響機関が望まれている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには温度の異なる熱源であっても回生することが可能な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】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、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、前記ループ管に、前記原動機で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機を配置してなる熱音響機関である。
【００１２】
前記増幅用原動機の高温部に、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源を供給してもよい。
【００１３】
前記増幅用原動機は、前記ループ管の前記原動機が配置された位置の対向位置に配置されてもよい。
【００１４】
前記原動機の高温源として、車両の排気熱を用い、前記増幅用原動機の高温源として、前記車両のラジエータを通過する前の冷却水の廃熱を用いてもよい。
【００１５】
前記ループ管に所定の長さの共鳴管を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源をも回生することができ、さらには温度の異なる熱源であっても回生することが可能な熱音響機関を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱音響機関の構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る熱音響機関の構成図である。
【図３】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】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態に係る熱音響機関の構成図である。
【００２０】
図１に示すように、熱音響機関１１は、所定の気体（作業ガス）を封入したループ管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で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機６を配置したものである。
【００２１】
原動機２は、薄板や細管を束ねたスタックからなり、高温部３と再生部４と低温部５とから構成される。増幅用原動機６は、原動機２と同様に、薄板や細管を束ねたスタックからなり、高温部７と再生部８と低温部９とから構成される。つまり、熱音響機関１１は、２つのスタック（原動機２と増幅用原動機６）を１つのループ管１に配置したものである。スタックの詳しい構造については、従来技術に属するので、ここでは省略する。
【００２２】
増幅用原動機６は、ループ管１の原動機２が配置された位置の対向位置に配置されることが望ましい。換言すれば、原動機２と増幅用原動機６は、ループ管１におけるループ長の１／２ずつに区切る２箇所に配置されることが望ましい。
【００２３】
熱音響機関１１は、例えば、車両に搭載される。熱音響機関１１が車両に搭載される場合、原動機２の高温部３には、エンジンの排気熱が高温源として供給され、低温部５には大気が低温源として供給される。
【００２４】
増幅用原動機６の高温部７には、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源、例えば、１００℃以下であるラジエータ通過前のエンジンの冷却水が高温源として供給される。増幅用原動機６の低温部９には、原動機２と同様に、大気が低温源として供給される。
【００２５】
増幅用原動機６は、その高温部７が原動機２の低温部５側、その低温部９が原動機２の高温部３側となるようにループ管１内に配置される。すなわち、増幅用原動機６は、原動機２で発生した進行波に対して、増幅用原動機６内に形成される温度勾配が正の温度勾配となるように（原動機２で発生した進行波が増幅用原動機６の低温部９側から入力され、高温部７側から出力されるように）される。
【００２６】
本実施の形態の作用を説明する。
【００２７】
熱音響機関１１では、原動機２の高温部３に高温源としてのエンジンの排気熱が供給されると、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、ループ管１内に自励発振（音響振動）が発生する。この自励発振に伴い、ループ管１内には進行波が発生する。原動機２で発生した進行波はループ管１内を周回する。
【００２８】
原動機２で発生した進行波が増幅用原動機６を通過すると、進行波が増幅用原動機６内の温度勾配（正の温度勾配）の影響を受け、進行波の音響強度が増幅される。なお、進行波が正の温度勾配を有するスタックを通過すると音響強度が増幅されることは実験的に確認されている。
【００２９】
このように、増幅用原動機６では、その高温部７に自励発振を起こすことができない程度の低温熱源が供給されるため、自身で自励発振を発生させることはできないものの、原動機２での自励発振により発生した進行波の音響強度を増幅させることができる。
【００３０】
つまり、熱音響機関１１では、高温のエンジンの排気熱が供給される高温熱源側の原動機２で作動（自励発振）させ、１００℃以下の冷却水が供給される低温熱源側の増幅用原動機６でさらにループ管１内の音響強度を増幅させる。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態に係る熱音響機関１１では、ループ管１に、原動機２で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機６を配置している。
【００３２】
これにより、単独では自励発振を起こすことができない程度の低温熱源の熱エネルギであっても、増幅用原動機６により回生することが可能となる。なお、実験においては、手の平の温度程度でも音響強度を増幅できることが確認されている。
【００３３】
また、増幅用原動機６をループ管１に配置することによって、温度の異なる熱源であっても、それらの熱エネルギを１つの熱音響機関１１で回生することが可能となる。
【００３４】
さらには、増幅用原動機６をループ管１に配置して、低温熱源（ここでは、冷却水の廃熱）も利用することによって、原動機２のみで作動させた場合（排気熱のみで作動させた場合）よりも、熱音響機関１１の音響強度を増加させることが可能となる。
【００３５】
上記実施の形態では、ループ管１に共鳴管（枝管）を設けなかったが、より出力（音響強度）を向上させるためには、図２に示す熱音響機関２１のように、ループ管１に適当な長さの共鳴管（枝管）２２を取り付けることが望ましい。共鳴管２２の反対端は開放してもよく閉鎖してもよいが、開放か閉鎖かで発振周波数が異なる。共鳴管２２の位置や長さは発振周波数に関係するため、発振周波数を考慮して決定するようにすればよい。共鳴管２２を設けることにより、自励発振が起こりやすくなり、発振開始温度（原動機２における高温部３と低温部５の温度差）を低くすることができる。
【００３６】
また、上記実施の形態では、増幅用原動機６の高温部７に、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源を供給したが、自励発振を発生させることが可能な高温熱源を供給するようにしても、同様の効果が得られる。
【００３７】
さらに、上記実施の形態では、ループ管１に増幅用原動機６を１つ設ける場合を説明したが、これに限らず、増幅用原動機６を２つ以上設けるようにしてもよい。
【００３８】
また、上記実施の形態では、受動機について述べなかったが、ループ管１に受動機を配置して冷凍機として使用するようにしてもよい。この場合、受動機の高温部に大気を高温源として供給し、受動機の低温部から大気より低い温度の冷熱出力を取り出すようにすればよい。
【００３９】
本発明の熱音響機関１１，２１は、例えば車両に搭載され、当該車両に搭載された各種クーラ（例えば、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタなど）などを機能させるために用いられる。
【符号の説明】
【００４０】
１ ループ管
２ 原動機
３，７ 高温部
４，８ 再生部
５，９ 低温部
６ 増幅用原動機
１１ 熱音響機関
【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、
前記ループ管に、前記原動機で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機を配置してなることを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
前記増幅用原動機の高温部に、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源を供給する請求項１記載の熱音響機関。
【請求項３】
前記増幅用原動機は、前記ループ管の前記原動機が配置された位置の対向位置に配置される請求項１または２記載の熱音響機関。
【請求項４】
前記原動機の高温源として、車両の排気熱を用い、前記増幅用原動機の高温源として、前記車両のラジエータを通過する前の冷却水の廃熱を用いる請求項１〜３いずれかに記載の熱音響機関。
【請求項５】
前記ループ管に所定の長さの共鳴管を設けた請求項１〜４いずれかに記載の熱音響機関。
【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、
前記ループ管に、前記原動機で自励発振した進行波の音響強度を増幅するための増幅用原動機を配置してなることを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
前記増幅用原動機の高温部に、自励発振を起こすことができない程度の低温熱源を供給する請求項１記載の熱音響機関。
【請求項３】
前記増幅用原動機は、前記ループ管の前記原動機が配置された位置の対向位置に配置される請求項１または２記載の熱音響機関。
【請求項４】
前記原動機の高温源として、車両の排気熱を用い、前記増幅用原動機の高温源として、前記車両のラジエータを通過する前の冷却水の廃熱を用いる請求項１〜３いずれかに記載の熱音響機関。
【請求項５】
前記ループ管に所定の長さの共鳴管を設けた請求項１〜４いずれかに記載の熱音響機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２６１６８８（Ｐ２０１０−２６１６８８Ａ）
【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２００９−１１４８８４（Ｐ２００９−１１４８８４）
【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)
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【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)
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