JP2011179774A - 熱音響機関 - Google Patents

Abstract

【課題】反射波の増加による出力低下を防止す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、内部フィンを有する加熱器３と金網を収容した再生器４と内部フィンを有する冷却器５とからなる原動機６が設置された熱音響機関１において、原動機６における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の断面積と同じである。
【選択図】図２

Description

本発明は、反射波の増加による出力低下を防止する熱音響機関に関する。

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。

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。

図３に示されるように、従来の熱音響機関５１においては、円筒管をループ状に閉じてなるループ管５２に作動流体が満たされ、このループ管５２に作動流体に外部からの熱を取り込むためのフィンを有する加熱器５３と作動流体から外部に熱を取り出すためのフィンを有する冷却器５５とが円筒管の長手方向に間隔をあけて配置され、加熱器５３と冷却器５５の間に再生器５４が配置されてなる。加熱器５３と再生器５４と冷却器５５を順に並べて原動機（プライムムーバ）５６が構成される。

特開２００８−１０１９１０号公報 特許第３０５０５４３号公報 特開２００１−２０７９０９号公報

従来の熱音響機関５１では、作動流体の流路断面積がループ全長にわたり均一とはなっておらず、原動機５６のところで流路断面積が減少している。

図４に詳しく示したように、加熱器５３は、ループ管５２に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が開放された加熱器円筒管７１を有し、加熱器円筒管７１の内部には流路と平行な複数の内部フィン７２が並べられ、加熱器円筒管７１の外周には複数の外部フィン７３が設けられる。冷却器５５も同様に、ループ管５２に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が開放された冷却器円筒管７４を有し、冷却器円筒管７４の内部には流路と平行な複数の内部フィン７５が並べられ、冷却器円筒管の外周には複数の外部フィン７６が設けられる。再生器５４は、ループ管５２に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が開放された再生器円筒管７７を有し、再生器円筒管７７の内部に流路を横断する複数の金網７８が長手方向に積層される。これにより、片側のループ管５２から加熱器円筒管７１、再生器円筒管７７、冷却器円筒管７４、反対側のループ管５２まで、形状と寸法が同じ断面輪郭のまま連通している。

原動機５６では、加熱器５３において、外部の熱が外部フィン７３に吸収され、その熱が内部フィン７２に伝導され、内部フィン７２から作動流体に熱が放出される。冷却器５５においては、加熱器５３とは逆の熱交換が行われる。

原動機５６では、加熱器５３も冷却器５５も、内部フィン７２，７５の伝熱性能を確保するために、内部フィン７２，７５の厚さをあまり薄くすることはできない。一方、ループ管５２と同一サイズの加熱器円筒管７１あるいは冷却器円筒管７４の内部に内部フィン７２，７５が存在することで、加熱器円筒管７１あるいは冷却器円筒管７４内における作動流体の流路断面積はループ管５２における作動流体の流路断面積に比べて小さくなる。内部フィン７２，７５の厚さを厚くすると、加熱器円筒管７１あるいは冷却器円筒管７４内における流路断面積はいっそう小さくなる。再生器５４においても、再生器円筒管７７内に金網７８が存在するため、流路断面積はループ管５２における流路断面積に比べて小さくなる。

ところで、一般に熱音響機関では、発生した音波の反射を少なくすることが望ましい。音波の反射が発生すると、進行波から定在波が励起される。熱音響機関の熱力学的サイクルは、進行波により実現されるため、進行波成分の割合を定在波成分の割合よりも高くすることが望ましい。したがって、音波の反射を抑えることが熱音響機関の出力向上のための必要課題となる。

音波の反射は、作動流体の流路の断面積が変化する場所で発生する。逆に、作動流体の流路の断面積の変化をなるべく少なくすることが音波の反射を抑えるのに有効である。

図３の熱音響機関５１は、原動機５６において、作動流体の流路断面積が顕著に減少しているため、音波の反射が著しく、熱音響機関５１の出力を低下させる原因となっている。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、反射波の増加による出力低下を防止する熱音響機関を提供することにある。

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、内部フィンを有する加熱器と金網を収容した再生器と内部フィンを有する冷却器とからなる原動機が設置された熱音響機関において、前記原動機における作動流体の流路断面積が前記ループ管における作動流体の断面積と同じであるものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）反射波の増加による出力低下を防止することができる。

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１の熱音響機関の原動機付近の側断面図及び流路断面積分布図である。 従来の原動機を備えた熱音響機関の構成図である。 従来の熱音響機関の原動機付近の側断面図及び流路断面積分布図である。

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。

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、内部フィンを有する加熱器３と金網を収容した再生器４と内部フィンを有する冷却器５とからなる原動機６が設置された熱音響機関１において、原動機６における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の断面積と同じかやや大きいものである。

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。

図２に詳しく示したように、加熱器３は、ループ管２よりも寸法が大きい両端が開放された加熱器円筒管２１を有し、加熱器円筒管２１の内部には流路と平行な複数の内部フィン２２が並べられ、加熱器円筒管２１の外周には複数の外部フィン２３が設けられる。冷却器５も同様に、ループ管よりも寸法が大きい両端が開放された冷却器円筒管２４を有し、冷却器円筒管２４の内部には流路と平行な複数の内部フィン２２が並べられ、冷却器円筒管２４の外周には複数の外部フィン２３が設けられる。再生器４は、ループ管２よりも寸法が大きい両端が開放された再生器円筒管２５を有し、再生器円筒管２５の内部に流路を横断する複数の金網２６が長手方向に積層される。

これにより、片側のループ管２と加熱器円筒管２１の境界、及び冷却器円筒管２４と反対側のループ管２の境界にて、寸法（内径）が段階的に増減している。

一方、加熱器３における流路断面積は、加熱器円筒管２１の断面積から内部フィン２２の総断面積を引いて求められる。流路断面積の分布を見ると、加熱器３における流路断面積は、破線で示されるように、ループ管２における流路断面積と同じか、実線で示されるように、ループ管２における流路断面積よりも大きい。冷却器５における流路断面積も同様に、ループ管２における流路断面積と同じかそれより大きい。再生器４における流路断面積は、再生器円筒管２５の断面積から金網２６の骨格部分の総断面積を引いて求められる。再生器４における流路断面積は、破線で示されるように、ループ管２における流路断面積と同じか、実線で示されるように、ループ管２における流路断面積よりも大きく、さらに、ここでは加熱器３及び冷却器５における流路断面積よりも大きい。

以下、本発明の熱音響機関１の動作を説明する。

本発明の熱音響機関１は、原動機６における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の断面積と同じかそれより大きい。

原動機６における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の断面積と同じである場合、熱音響機関１のループ全長（ループ管２と原動機６を合わせた長さ）にわたり流路断面積の変化が全くないため、流路断面積の変化箇所における音波の反射が生じることがない。その結果、定在波に比して進行波が多く得られ、反射波の増加による出力低下を防止することができ、熱音響機関１の出力を大きくすることができる。

原動機６における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の断面積より大きい場合は、原動機６における流路の抵抗が小さくなるので、音波の減衰が抑制される。

以上説明したように、本発明は、原動機６が設置された熱音響機関１において、原動機６における作動流体の流路断面積がループ管２における作動流体の断面積と同じである。これにより、エネルギ変換効率が向上するので、従来に比べて発振開始温度（発振に必要な加熱器３と冷却器５の温度差）が低くなるという効果が得られる。従来では、例えば、原動機６において冷却器５が常温であるとすると常温よりかなり高い温度の加熱器３を必要としたのに対し、本発明では、冷却器５が常温であるならば常温よりそれほど高くない温度の加熱器３が利用できる。

また、本発明によれば、エネルギ変換効率が向上するので、従来より大きな音響強度が得られる。

また、本発明によれば、エネルギ変換効率が向上するので、従来より少ない投入エネルギ量で発振が可能となる。

また、本発明によれば、少ない投入エネルギ量で発振が可能になるため、小型化が可能となる。小型化により、熱音響機関１の体積を従来より小さくすることができる。

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

Claims (1)

1. 作動流体が充填されたループ管に、内部フィンを有する加熱器と金網を収容した再生器と内部フィンを有する冷却器とからなる原動機が設置された熱音響機関において、
   前記原動機における作動流体の流路断面積が前記ループ管における作動流体の断面積と同じであることを特徴とする熱音響機関。

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