熱音響機関

【課題】ループを短くすることができる熱音響機関を提供する。
【解決手段】作動流体が充填されたループ管2に、加熱器3・再生器4・冷却器5からなる原動機6が設置された熱音響機関1において、ループ管2に、片側と反対側で作動流体の位相を反転させる位相反転機構7が設置された。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ループ管に原動機と受動機が設けられた熱音響機関に係り、ループを短くすることが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、米国などにおいて、構造が単純でピストンやクランクで構成された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、管の軸方向に、高温熱源との熱交換を行う加熱器と、低温熱源との熱交換を行う冷却器と、これら加熱器と冷却器との間で温度勾配を保持する再生器とを配置して構成される。管内の作動流体をある場所で局部的に加熱し、別のある場所で冷却すると、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管内の作動流体が自励振動を起こし、管内に音響振動すなわち音波が発生する。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。この原理で熱エネルギを力学的エネルギにエネルギ変換を行うものが熱音響機関である。
【0004】
図6に示されるように、従来の熱音響機関61は、円筒管をループ状に閉じてなるループ管62に、加熱器63と再生器64と冷却器65とが順に並べられた原動機66が設置されたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第3050543号公報
【特許文献2】特開2009−74734号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来の熱音響機関61では、ループ管62内に、ループ長と同じ長さの波長を有する一次モードの共振振動が発生する。ループ管62の1周内に、音圧の腹が2箇所、音圧の節が2箇所生じる。一方の音圧の腹における位相を0°とすると、もう一方の音圧の腹における位相は180°となる。
【0007】
このとき共振周波数はループ長に規定されるので、低周波の共振を得たい場合は、ループ長を長くしなくてはならない。しかし、ループ長を長くすると、ループ管62を設置するスペースが大きくなる。
【0008】
また、従来の熱音響機関61では、音響エネルギの輸送をループ管62が兼ねるので、ループ長が長くなると、音響エネルギの散逸が生じ、図示しない受動機にて取り出すことのできる音響エネルギ、すなわち出力が低下する。
【0009】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ループを短くすることが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】
【0010】
上記目的を達成するために本発明は、作動流体が充填されたループ管に、加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設置された熱音響機関において、上記ループ管に、片側と反対側で作動流体の位相を反転させる位相反転機構が設置されたものである。
【0011】
前記位相反転機構は、片側の作動流体に面してループ管内を塞ぐ片側振動子と、反対側の作動流体に面してループ管内を塞ぐ反対側振動子と、これら2つの振動子間に挟まれ、前記片側振動子が近づくと直角方向に膨らむことにより前記反対側振動子を近づけ、前記片側振動子が遠ざかると直角方向に縮むことにより前記反対側振動子を遠ざける伸縮リンクとを備えてもよい。
【0012】
前記位相反転機構は直動発電機を備え、前記直動発電機の固定子が前記ループ管に対して固定であり、前記直動発電機の可動子が前記いずれかの振動子と前記伸縮リンクとの間に挿入されてこれら振動子と連動するよう構成されてもよい。
【発明の効果】
【0013】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【0014】
(1)ループを短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【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】図1の熱音響機関に用いられる位相反転機構の詳細図である。
【図3】図2の位相反転機構における伸縮リンクの動作原理説明図である。
【図4】本発明の他の実施形態を示す熱音響機関の構成図である。
【図5】図4の熱音響機関に用いられる直動発電機の構造と動作を説明する図である。
【図6】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】
【0016】
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。
【0017】
図1に示されるように、本発明に係る熱音響機関1は、作動流体が充填されたループ管2に、加熱器3・再生器4・冷却器5からなる原動機6が設置された熱音響機関1において、ループ管2に、片側と反対側で作動流体の位相を反転させる位相反転機構7が設置されたものである。
【0018】
ループ管2は、円筒管がループ状に閉じられたものであり、内部に作動流体が充填される。作動流体には、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの気体を用いるのが好ましい。
【0019】
加熱器3は、円筒管の内部に複数の内部フィン(図示せず)が配置され、円筒管の周囲に複数の外部フィン(図示せず)が配置されてなる。加熱器3から軸方向に適宜な距離を隔てた箇所に冷却器5が設けられる。冷却器5は、加熱器3と同様に、円筒管の内部に複数の内部フィンが配置され、円筒管の周囲に複数の外部フィンが配置されてなる。加熱器3と冷却器5との間には、複数の金網を軸方向に積層したもの、あるいは多孔質セラミックスなどからなる再生器4が設けられる。
【0020】
図2に示されるように、位相反転機構7は、片側の作動流体に面してループ管2内を塞ぐ片側振動子21と、反対側の作動流体に面してループ管2内を塞ぐ反対側振動子22と、これら2つの振動子21,22間に挟まれ、片側振動子21が近づくと直角方向に膨らむことにより反対側振動子22を近づけ、片側振動子21が遠ざかると直角方向に縮むことにより反対側振動子22を遠ざける伸縮リンク23とを備える。
【0021】
片側振動子21と反対側振動子22は、適宜な質量を有する剛体からなる円柱又は円盤をループ管2内で滑らかに摺動できるように構成された、いわゆるピストンであり、このピストンの軸が適宜な弾性係数を有するスパイラルリング等のバネ24に支持されることにより、ピストンが弾性的に軸方向移動自在に支持される。あるいは、片側振動子21と反対側振動子22は、適宜な弾性を有する膜がループ管2の内壁全周に固定され、この弾性膜の中央部分が振動するように構成されたものであってもよい。
【0022】
伸縮リンク23は、2本の交差する中間アーム25が交差角度が開閉自在な中間支点部26で支えられ、それぞれの中間アーム25に、開閉自在な入力側支点部27で支えられた2本の入力アーム28と開閉自在な出力側支点部29で支えられた2本の出力アーム30が径方向移動自在な外側支点部31,32において連結されたものである。入力側支点部27には片側振動子21が連結され、出力側支点部29には反対側振動子22が連結される。
【0023】
図3に示されるように、入力側支点部27が中間支点部のほうに押されると、2本の入力アーム28の内角が開き、これに伴い2本の中間アーム25の左右の内角が開き、外側支点部31,32が径方向に離れる。この結果、出力アーム30の角度が開くことにより、出力側支点部が中間支点部のほうに引き寄せられる。入力側支点部が中間支点部から引き離されると、入力アームの角度が狭まり、これに伴い2本の中間アームの左右の角度が狭まり、中間アームが横に長くなる。この結果、出力アームの角度が狭まることにより、出力側支点部が中間支点部から遠ざけられる。つまり、伸縮リンク23は、図2の片側振動子21が右へ移動すれば反対側振動子22が左へ移動するというように、片側振動子21の移動運動を反転させて反対側振動子22に伝達するものである。
【0024】
本発明の熱音響機関1の作用効果を説明する。
【0025】
図1に示されるように、本発明の熱音響機関1は、ループ管2に位相反転機構7が設置されている。位相反転機構7では、片側振動子21が右へ移動すれば反対側振動子22が左へ移動するというように、片側振動子21の移動運動が反転して反対側振動子22に伝達される。このため、片側振動子21に作動流体の振動である音波の振動が伝達されると、その振動が反対側振動子22では位相が反転されて伝達され、反対側振動子22によって作動流体が加振されるので、片側振動子21に入力された音波とは位相が反転した音波が生成される。
【0026】
このことは、図6の従来の熱音響機関において、一方の音圧の腹である位相0°の箇所からもう一方の音圧の腹である位相180°の箇所までのループ管が位相反転機構7に置き換えられたのと等価である。すなわち、本発明の熱音響機関1は、従来の熱音響機関と同等に発振する。ここで、本発明の熱音響機関1の音圧の腹である位相0°の箇所からもう一方の音圧の腹である位相180°の箇所までのループ管2の長さと、従来の熱音響機関の音圧の腹である位相0°の箇所からもう一方の音圧の腹である位相180°の箇所までのループ管62の長さが同じとすれば、両熱音響機関は同じ周波数で発振する。
【0027】
この結果、同じ共振周波数を得るのに、本発明の熱音響機関1は、従来の熱音響機関よりループ長が短い。特に、低周波では、ループ長が大変に長く、これに比して位相反転機構7が占める長さは微小であるため、ループ長は従来の約半分となる。よって、ループ管2を設置するスペースが小さくできる。
【0028】
また、本発明の熱音響機関1は、従来の熱音響機関よりループ長が短いため、音響エネルギの散逸が防止され、図示しない受動機にて音響エネルギから熱エネルギを取り出そうとするとき、十分に大きな出力を得ることができる。
【0029】
次に、本発明の変形実施形態を説明する。
【0030】
図4に示されるように、本発明の熱音響機関41は、これまで述べた熱音響機関1の構成に加えて位相反転機構7に直動発電機42を備える。直動発電機42は、磁性体からなる固定子に対する磁性体からなる可動子の直線移動により磁束が変化することを利用して巻き線に起電力を生じさせるものである。
【0031】
図5(a)〜図5(c)に示されるように、直動発電機42は、固定子51と、可動子52と、固定子51に巻き付けられたコイル53と、可動子52に取り付けられた磁石54とを有する。
【0032】
固定子51は、いわゆる外側ヨークであり、内側ヨークである可動子52の外周を覆うように設けられる。固定子51は、軸方向中央部で分離された内壁部51a、51bと、ヨーク内壁部51a、51bの軸方向両端から径方向に延びた端面部51c、51dと、端面部51c、51d間にわたる外壁部51eとを有する。コイル53は、内壁部51a、51bと端面部51c、51dと外壁部51eで囲まれたリング状の空間に収容される。
【0033】
固定子51は、図4のループ管2に対して固定に設けられる。
【0034】
可動子52は、固定子51よりも軸方向に長く形成された円柱状の本体部52aと、本体部52aの外周面の軸方向両端部より径方向外方に突き出され固定子51に対してエアギャップを介して臨む突起部52bとを一体的に構成したものである。本体部52aの外周面の軸方向中央部に磁石54が取り付けられ、磁石54は固定子51に対してエアギャップを介して臨む。
【0035】
可動子52は、図4のように片側振動子21と伸縮リンク23との間に挿入されるか、又は反対側振動子22と伸縮リンク23との間に挿入されて、片側振動子21及び反対側振動子22と連動するよう構成される。
【0036】
次に、直動発電電動機42における発電動作を説明する。
【0037】
図5(b)では、可動子52が可動子52の振動による往復運動範囲の中間に位置している状態を示している。このとき、磁石54による磁路は、本体部52a、突起部52b、内壁部51b(又は51a)を通る短い閉磁路を形成する。この閉磁路による磁束はコイル53に交わらないため発電に関与しない。
【0038】
図5(a)のように、可動子52が可動子52の振動による往復運動範囲の一端に位置している状態では、磁石54が内壁部51bに対向して位置する。このとき磁石54による磁路は、本体部52a、突起部52b、端面部51c、外壁部51e、端面部51d、内壁部51bを通る。この閉磁路により、コイル53に交わる磁束が発生する。
【0039】
図5(c)のように、可動子52が可動子52の振動による往復運動範囲の反対端に位置している状態では、磁石54が内壁部51aに対向して位置する。このとき磁石54による磁路は、本体部52a、突起部52b、端面部51d、外壁部51e、端面部51c、内壁部51aを通る閉磁路を形成する。この閉磁路により、コイル53に交わる磁束が発生する。図5(a)と図5(c)では磁束の方向が逆方向である。
【0040】
以上のように、可動子52が振動すると、可動子52の振動に伴う磁石54の位置変化に応じて固定子51を通る磁路が変化しコイル53に交わる磁束が交互に逆方向に発生するので、大きな磁束密度変動が発生して発電が行われる。
【0041】
図4の熱音響機関41は、位相反転機構7に直動発電機42を備えるので、作動流体の振動と共に位相反転機構7が単振動するとき、可動子52が移動して磁束が変化してコイル53に起電力が生じる。これにより、原動機6から入力した熱エネルギに応じて直動発電機42から電気エネルギを取り出すことができる。従来の熱音響機関61のループ管62に受動機として直動発電機を設ける場合に比べ、本発明では位相反転機構7に直動発電機42を備えるので、ループ管2が短くできるだけでなく、直動発電機42を追加するためのスペースが節約される。
【0042】
以上説明したように、本発明によれば、ループ長が従来の約半分になることで、省スペース及び材料節約の効果が大である。
【0043】
また、本発明によれば、ループ管2が短縮されたことにより、熱音響機関1,41の体積及び重量を小さくすることができる。
【0044】
また、本発明によれば、ループ長が短いので、エネルギの散逸が防止される。この結果、少ない熱エネルギの入力で作動流体を発振させることが可能となる、あるいは、熱エネルギの入力が同じならば、高い出力を取り出すことができる。
【符号の説明】
【0045】
1 熱音響機関
2 ループ管
3 加熱器
4 再生器
5 冷却器
6 原動機
7 位相反転機構
21 片側振動子
22 反対側振動子
23 伸縮リンク
42 直動発電機
51 固定子
52 可動子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
作動流体が充填されたループ管に、加熱器・再生器・冷却器からなる原動機が設置された熱音響機関において、
上記ループ管に、片側と反対側で作動流体の位相を反転させる位相反転機構が設置されたことを特徴とする熱音響機関。
【請求項2】
前記位相反転機構は、
片側の作動流体に面してループ管内を塞ぐ片側振動子と、
反対側の作動流体に面してループ管内を塞ぐ反対側振動子と、
これら2つの振動子間に挟まれ、前記片側振動子が近づくと直角方向に膨らむことにより前記反対側振動子を近づけ、前記片側振動子が遠ざかると直角方向に縮むことにより前記反対側振動子を遠ざける伸縮リンクとを備えることを特徴とする請求項1記載の熱音響機関。
【請求項3】
前記位相反転機構は直動発電機を備え、
前記直動発電機の固定子が前記ループ管に対して固定であり、
前記直動発電機の可動子が前記いずれかの振動子と前記伸縮リンクとの間に挿入されてこれら振動子と連動するよう構成されることを特徴とする請求項2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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【公開番号】特開2011−144983(P2011−144983A)
【公開日】平成23年7月28日(2011.7.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−5118(P2010−5118)
【出願日】平成22年1月13日(2010.1.13)
【出願人】(000000170)いすゞ自動車株式会社 (1,721)