説明

熱音響機関

【課題】多くのエネルギを投入可能で大きな音響強度を励起することができ、低温で発振が可能であり、かつ、熱音響冷凍機として用いた場合に冷凍能力を向上でき、複数個所での冷凍が可能な熱音響機関を提供する。
【解決手段】円筒状の中央パイプ2に、中央パイプ2の上下外周端を結ぶように分岐パイプ3を設けてループ管4を形成し、かつ、中央パイプ2に、中央パイプ2を中心として放射状に複数の分岐パイプ3を設けて、中央パイプ2を共通化して複数のループ管4を形成し、中央パイプ2と各分岐パイプ3にそれぞれ蓄熱器ユニット5,6を設けたものである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ループ管型の熱音響機関に係り、特に、大きな音響強度を励起することができ、かつ、熱音響冷凍機として用いた場合に冷凍能力を向上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】
管の中に薄板や細管を束ねた蓄熱器を配置し、その両端に熱交換器を設置して温度差を与えると、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、管内の気柱が自励振動を起こし音波(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。この現象を利用したものが熱音響機関である。
【0004】
逆に、管の一端に音波を加えると熱交換器に挟まれた蓄熱器の両端に温度差が生じる。この現象を利用することで、冷凍装置、昇温装置を実現することが可能である。
【0005】
図2に示すように、従来の熱音響機関21は、低温側熱交換器22、蓄熱器(再生器)23、高温側熱交換器24からなる蓄熱器ユニット(スタック)25をループ管26に1組有するものが一般的であった。
【0006】
また、熱音響冷凍機として作動させる場合は、図3に示す熱音響機関31のように、同一のループ管26に2組目の蓄熱器ユニット27を配置する提案がなされている(例えば、特許文献1参照)。2組目の蓄熱器ユニット27は、気柱の振動を熱エネルギに変換する受動機(冷凍機)として作用し、蓄熱器ユニット27の高温側熱交換器24を基準温度とすると、原動機である蓄熱器ユニット25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、低温側熱交換器22側の温度が低下する。
【0007】
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、原動機となる蓄熱器ユニット25においてエンジンの排気熱を高温源として高温側熱交換器24に供給し、大気を低温源として低温側熱交換器22に供給すると共に、冷凍機となる蓄熱器ユニット27において大気を高温源として高温側熱交換器24に供給することで、蓄熱器ユニット27の低温側熱交換器22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】
【0008】
【特許文献1】特許第3050543号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、従来の熱音響機関21,31では、ループ管26内に原動機となる蓄熱器ユニット25が1つしか配置されていないため、大きな音響強度を励起することは難しく、低温側熱交換器22と高温側熱交換器24の温度差が小さい場合は発振は不可能であった。つまり、従来の熱音響機関21,31はエネルギ変換効率が低かったといえる。よって、熱音響冷凍機として用いた場合の性能も低く、当然、複数箇所の冷凍は不可能であった。
【0010】
そこで、本発明の目的は、多くのエネルギを投入可能で大きな音響強度を励起することができ、低温で発振が可能であり、かつ、熱音響冷凍機として用いた場合に冷凍能力を向上でき、複数個所での冷凍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、蓄熱器の両端に熱交換器を配置した蓄熱器ユニットが設けられた熱音響機関において、円筒状の中央パイプに、該中央パイプの上下外周端を結ぶように分岐パイプを設けてループ管を形成し、かつ、前記中央パイプに、前記中央パイプを中心として放射状に複数の前記分岐パイプを設けて、前記中央パイプを共通化して複数のループ管を形成し、前記中央パイプと前記各分岐パイプにそれぞれ前記蓄熱器ユニットを設けた熱音響機関である。
【0012】
前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットが原動機とされ、前記各分岐パイプに設けられた蓄熱器ユニットが冷凍機とされてもよい。
【0013】
前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットが冷凍機とされ、前記各分岐パイプに設けられた蓄熱器ユニットが原動機とされてもよい。
【0014】
前記中央パイプは、その断面積が、前記各分岐パイプの断面積の合計と略等しくなるようにされてもよい。
【0015】
前記各分岐パイプの長さを等しくしてもよい。
【0016】
前記各分岐パイプの蓄熱器ユニットは、前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットからの距離が等距離となるように前記各分岐パイプに設けられてもよい。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、多くのエネルギを投入可能で大きな音響強度を励起することができ、低温で発振が可能であり、かつ、熱音響冷凍機として用いた場合に冷凍能力を向上でき、複数個所での冷凍が可能な熱音響機関を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の一実施の形態に係る熱音響機関の斜視図である。
【図2】従来の熱音響機関の構成図である。
【図3】従来の熱音響冷凍機の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
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。
【0020】
図1は、本実施の形態に係る熱音響機関の斜視図である。
【0021】
図1に示すように、熱音響機関1は、円筒状の中央パイプ2に、中央パイプ2の上下外周端を結ぶように分岐パイプ3を設けてループ管4を形成し、かつ、中央パイプ2に、中央パイプ2を中心として放射状に複数の分岐パイプ3を設けて、中央パイプ2を共通化して複数のループ管4を形成し、中央パイプ2に蓄熱器ユニット(以下、中央ユニットという)5を、各分岐パイプ3に蓄熱器ユニット(以下、衛星ユニットという)6をそれぞれ設けたものである。
【0022】
つまり、熱音響機関1は、中央ユニット5を配置した中央パイプ2に、その上端部から分岐し、下端部にて再度結合される分岐パイプ3を複数個放射状に配置し、各分岐パイプ3に衛星ユニット6を配置したものである。各分岐パイプ3の長さは等しくされる。
【0023】
中央ユニット5および各衛星ユニット6は、薄板や細管を束ねた蓄熱器(再生器)7の両端に低温側熱交換器8、高温側熱交換器9を配置してなる。各衛星ユニット6は、その高温側熱交換器9が中央ユニット5の高温側交換器9側となるように、各分岐パイプ3に設けられる。
【0024】
各分岐パイプ3の衛星ユニット6は、中央パイプ2に設けられた中央ユニット5からの距離が等距離となるように各分岐パイプ3に設けられる。具体的には、中央ユニット5および各衛星ユニット6は、各ループ管4を2等分する位置に設けられ、中央ユニット5は中央パイプ2の長手方向中央部に、衛星ユニット6は分岐パイプ3の中央部、つまり、分岐パイプ3の上端部と下端部(中央パイプ2との両接続部分)から等距離となるように配置される。
【0025】
また、中央パイプ2は、その断面積(軸直角方向の断面積)が、各分岐パイプ3の断面積(軸直角方向の断面積)の合計と略等しくなるようにされる。
【0026】
本実施の形態に係る熱音響機関1では、中央ユニット5を原動機として用いる場合、衛星ユニット6は冷凍機として用いる。また、中央ユニット5を冷凍機として用いる場合、衛星ユニット6は原動機として用いる。
【0027】
本実施の形態の作用を説明する。
【0028】
本実施の形態に係る熱音響機関1では、中央パイプ2に、中央パイプ2の上下外周端を結ぶように分岐パイプ3を設けてループ管4を形成し、かつ、中央パイプ2に、中央パイプ2を中心として放射状に複数の分岐パイプ3を設けて、中央パイプ2を共通化して複数のループ管4を形成し、中央パイプ2と各分岐パイプ3にそれぞれ蓄熱器ユニット5,6を設けている。
【0029】
これにより、中央ユニット5を原動機として用いる場合、各衛星ユニット6を冷凍機として用いるので、複数個所での冷凍が可能となる。
【0030】
また、中央ユニット5を冷凍機として用いる場合、各衛星ユニット6を原動機として用いるので、1つの熱音響機関1に原動機を2つ以上配置できることとなり、多くのエネルギを投入可能となる。そのため、従来の熱音響機関と比較して、大きな音響強度を励起することが可能となり、冷凍機として用いる中央ユニット5における冷凍能力を向上させることが可能である。また、1つの熱音響機関1に原動機を2つ以上配置できるので、従来の熱音響機関と比較して、発振温度を大幅に下げ、低温側熱交換器8と高温側熱交換器9との温度差が小さくても自励発振を発生させることが可能となる。つまり、エネルギ変換効率を向上できる。
【0031】
さらに、熱音響機関1では、中央パイプ2の断面積を各分岐パイプ3の断面積の合計と略等しくなるようにしているため、中央パイプ2を共通とした複数のループ管4を備えた熱音響機関1を実現できる。
【0032】
また、熱音響機関1では、各分岐パイプ3の長さを等しくし、各分岐パイプの衛星ユニット6と中央ユニット5との距離を等しくしているため、各ループ管4における条件を同じとすることが可能となると共に、エネルギ変換効率を向上できる。
【0033】
本発明の熱音響機関1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。
【0034】
熱音響機関1を車両に搭載する場合、例えば、中央ユニット5を冷凍機として用いる場合は、各衛星ユニット6の高温側熱交換器9にエンジンの排気熱を高温源として供給し、各衛星ユニット6の低温側熱交換器8に大気を低温源として供給し、かつ、中央ユニット5の高温側熱交換器9に大気を高温源として供給するようにすればよい。これにより、中央ユニット5の低温側熱交換器8より大気より低い温度の冷熱出力を取り出すことができる。
【符号の説明】
【0035】
1 熱音響機関
2 中央パイプ
3 分岐パイプ
4 ループ管
5 中央ユニット(蓄熱器ユニット)
6 衛星ユニット(蓄熱器ユニット)
7 蓄熱器
8 低温側熱交換器(熱交換器)
9 高温側熱交換器(熱交換器)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ループ管に、蓄熱器の両端に熱交換器を配置した蓄熱器ユニットが設けられた熱音響機関において、
円筒状の中央パイプに、該中央パイプの上下外周端を結ぶように分岐パイプを設けてループ管を形成し、かつ、前記中央パイプに、前記中央パイプを中心として放射状に複数の前記分岐パイプを設けて、前記中央パイプを共通化して複数のループ管を形成し、前記中央パイプと前記各分岐パイプにそれぞれ前記蓄熱器ユニットを設けたことを特徴とする熱音響機関。
【請求項2】
前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットが原動機とされ、前記各分岐パイプに設けられた蓄熱器ユニットが冷凍機とされる請求項1記載の熱音響機関。
【請求項3】
前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットが冷凍機とされ、前記各分岐パイプに設けられた蓄熱器ユニットが原動機とされる請求項1記載の熱音響機関。
【請求項4】
前記中央パイプは、その断面積が、前記各分岐パイプの断面積の合計と略等しくなるようにされる請求項1〜3いずれかに記載の熱音響機関。
【請求項5】
前記各分岐パイプの長さを等しくした請求項1〜4いずれかに記載の熱音響機関。
【請求項6】
前記各分岐パイプの蓄熱器ユニットは、前記中央パイプに設けられた蓄熱器ユニットからの距離が等距離となるように前記各分岐パイプに設けられる請求項1〜5いずれかに記載の熱音響機関。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2010−270926(P2010−270926A)
【公開日】平成22年12月2日(2010.12.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−120906(P2009−120906)
【出願日】平成21年5月19日(2009.5.19)
【出願人】(000000170)いすゞ自動車株式会社 (1,721)