説明

熱音響機関

【課題】熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できる熱音響機関を提供する。
【解決手段】加熱器13と冷却器14と再生器12と共鳴部11と作動流体Gを備えた熱音響機関10において、前記再生器12の内部の断面積を前記共鳴部11の内部の断面積よりも大きく形成すると共に、前記加熱器13の内周フィン13cが配置されている壁面13aをテーパー形状に形成して、前記共鳴部11と前記再生器12の間に配置すると共に、前記冷却器14の内周フィン14cが配置されている壁面14aをテーパー形状に形成して、前記再生器12と前記共鳴部11との間に配置して構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱音響機関の加熱器、及び冷却器として使用される熱交換器と共鳴部との接続部分における音波の反射量を減少できて、熱音響機関のエンジン出力を向上できる熱音響機関に関する。
【背景技術】
【0002】
最近、熱音響現象を利用する熱音響機関の研究及び開発が進展してきている。この熱音響機関は、温度勾配のある細管流路内の振動流体が圧縮、膨張、加熱、冷却という熱力学的プロセスを実行する熱音響現象を利用するものであり、図1に示すように、この熱音響機関10は、ループ管等の共鳴部11、細管流路の集合体(スタック)で形成される再生器12、この再生器12の両端にそれぞれ配置される加熱器13と冷却器14の一対の熱交換器、及び、空気や窒素やヘリウム等の作動流体Gで構成されており、著しく簡単な構造で熱と音波との間のエネルギー変換を行うことができる。
【0003】
図8〜図10に、従来技術の第1の熱音響機関10Xの加熱器13Xと冷却器14Xの構造を示す。加熱器13Xは、加熱器13Xの管体の壁面13aと外周フィン13bと内周フィン13cを備えて形成されている。この管体の壁面13aは共鳴部11と同じ径で円筒状に形成され、外周フィン13bは、同心円形のリング状の薄板で形成され、管体の壁面13aの外側に、管体の壁面13aの軸線方向に列状に配置される。また、内周フィン13cは、管体の壁面13aの内部に、隙間を設けて並列配置された平板状の薄板で形成され、管体の壁面13aの軸線方向に延びて平行に配置される。
【0004】
冷却器14Xも加熱器13Xと同様に、管体の壁面14aと外周フィン14bと内周フィン14cを備えて形成され、加熱器13Xと同様な構造をしている。この加熱器13Xと冷却器14Xの間に、積層した金網等の蓄熱器(スタック)で形成される再生器12Xが配置されている。
【0005】
この熱音響機関10Xでは、加熱器12Xでは、外周フィン13aで外部から熱を受け取り、内周フィン13bで作動流体Gに熱を受け渡す。一方、冷却器14Xでは、内周フィン13aで作動流体Gから熱を受け取り、外周フィン13bで放熱する。
【0006】
この図8〜図10の構成の熱音響機関10Xでは、内周フィン13c、14cにより流路断面積が小さくなるため、図10の下段に示すように、共鳴部11から加熱器13Xに入る部分P1で流路断面積が小さくなり、加熱器13Xから再生器12Xに入る部分P2でやや流路断面積が大きくなり、再生器12から冷却器14Xに入る部分P4で流路断面積が小さくなり、冷却器14Xから共鳴部11に入る部分P2で流路断面積が大きくなる。つまり、共鳴部11から加熱器13Xに入る部分P1と、冷却器14Xから共鳴部11に入る部分P2に大きな流路断面積の変化がある。
【0007】
このような共鳴部11から加熱器13Xに入る部分P1と、冷却器14Xから共鳴部11に入る部分P2に大きな流路断面積の変化があると、この部分P1、P2で音波が多く反射されてしまい、熱音響機関10Xの出力が低下してしまうという問題がある。
【0008】
つまり、熱音響機関では、音波の反射が発生すると、進行波から定在波が励起され、その一方で、熱音響機関の熱力学的サイクルは、進行波によって実現されるため、進行波成分の割合が定在波の発生により低くなると熱音響機関10Yの出力が低下することになる。
【0009】
これに対して、図11〜図13に示すように、加熱器13Y若しくは冷却器14Yと共鳴部11との接続部位P1、P2で、断面積変化を少なくするために、加熱器13Yと再生器12Yと冷却器14Yの内径を大きくすることで断面積変化を少なくする熱音響機関10Yが考えられた。この従来技術の熱音響機関10Yの再生器12Yと加熱器13Yと冷却器14Yの構成は、図8〜図10の従来技術の熱音響機関10Xの再生器12Xと加熱器13Xと冷却器14Xの構成と同じであるが、内径が大きくなっている。
【0010】
そのため、この図11〜図13の構成の熱音響機関10Yでは、内周フィン13c、14cにより流路断面積が小さくなるが、内径を大きくしているため、図13の下段に示すように、共鳴部11から加熱器13Yに入る部分P1で流路断面積が少し大きくなり、蓄熱器が入った再生器12Yに入る部分P3で更に流路断面積が大きくなり、再生器12Yから冷却器14Yに入る部分P4で流路断面積が小さくなり、冷却器14Yから共鳴部11に入る部分P2と流路断面積が更に小さくなる。
【0011】
つまり、共鳴部11から加熱器13Xに入る部分P1と、冷却器14Xから共鳴部11に入る部分P2に依然として大きな流路断面積の変化が生じている。従って、これらの部分P1、P2で音波が多く反射されてしまい、熱音響機関10Yの出力が低下してしまうという問題は解決できないまま残っている。
【0012】
この問題に関連して、本発明者らは、流路断面積の変化が小さい熱音響機関を提供するために、音響筒に加熱器が接続される加熱器接続部から冷却器に反対側の音響筒が接続される冷却器接続部までにわたり、作動流体の流路を複数の細管で形成し、加熱器から再生器を経て冷却器までの間は複数の細管が相互に間隔をあけて配置し、加熱器接続部と冷却器接続部では、音響筒に向かって徐々に複数の細管同市の間隔を狭め、音響筒に至るまでは複数の細管を相互に密着させて配置し、音響筒における流路断面積と複数の細管による総流量断面積との差を所定以下とした熱音響機関を提案している(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特開2011−122567号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制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】
上記のような目的を達成するための本発明の熱音響機関は、加熱器と冷却器と再生器と共鳴部と作動流体を備えた熱音響機関において、前記再生器の内部の断面積を前記共鳴部の内部の断面積よりも大きく形成すると共に、前記加熱器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記共鳴部と前記再生器の間に配置すると共に、前記冷却器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記再生器と前記共鳴部との間に配置して構成する。
【0016】
この構成によれば、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止するので、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できる。
【0017】
更に、内周フィンが配置される加熱器の形状がテーパー形状になるため、加熱面と内周フィンの接続又は接触の面積が増加し、また、内周フィンが配置される冷却器の形状もテーパー形状になるため、冷却面と内周フィンの接続又は接触の面積が増加し、それぞれ熱伝動の効率が上昇する。
【0018】
上記の熱音響機関において、前記加熱器の内周フィンが接続又は接触する外周側の壁面をテーパー形状に形成し、内周フィンの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成すると共に、前記冷却器の内周フィンが接続又は接触する外周側の壁面をテーパー形状に形成し、内周フィンの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成すると、比較的簡単な構成で、加熱器と冷却器のそれぞれの内部で流路断面積が変化するのを抑制できる。
【0019】
また、上記の熱音響機関において、前記冷却器の外周部に冷却ジャケットを設けると、比較的簡単な構成で冷却器を冷却することができるようになる。
【発明の効果】
【0020】
本発明に係る熱音響機関によれば、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】熱音響機関の構成を示す図である。
【図2】本発明に係る実施の形態の熱音響機関の外形を示す図である。
【図3】図2の熱音響機関の内部の構成を示す横断面図である。
【図4】図2の熱音響機関の構成を示す組立図である。
【図5】図2の熱音響機関の加熱器若しくは冷却器となる熱交換器の素材を示す図である。
【図6】図5の熱交換器の内周フィンを示す図である。
【図7】図2の熱音響機関の構成と流路断面積の変化を示す図である。
【図8】従来技術の熱音響機関の構成を示す斜視図である。
【図9】図8の熱音響機関の加熱器と冷却器の内周フィンの構成を示す横断面図である。
【図10】図8の熱音響機関の構成と流路断面積の変化を示す図である。
【図11】従来技術の他の熱音響機関の構成を示す斜視図である。
【図12】図11の熱音響機関の加熱器と冷却器の内周フィンの構成を示す横断面図である。
【図13】図11の熱音響機関の構成と流路断面積の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明に係る実施の形態の熱音響機関について、図面を参照しながら説明する。図1に示すように、この熱音響機関10は、ループ管等で形成される共鳴部11、再生器12、この再生器12の両端にそれぞれ配置される加熱器13と冷却器14、及び、空気や窒素やヘリウムやアルゴン等の作動流体Gとで構成され、著しく簡単な構造で熱音響現象で熱と音波との間のエネルギー変換を行う。
【0023】
共鳴部11の内部は作動流体Gにより満たされており、この共鳴部11の長さ及び径は封入されたガス状の作動流体Gの自励振動に共振するように決められる。また、再生器12は、細管流路の集合体や金網等の蓄熱器等のスタックで形成されている。加熱器13は熱音響機関10の外部から熱を受け取って作動流体Gを加熱するための熱交換器として構成され、冷却器14は熱音響機関10の外部へ熱を放出して作動流体Gを冷却するための熱交換器として構成される。
【0024】
この熱音響機関10では、再生器12の細管流路内の気柱を加熱器13で局部的に加熱、又は、冷却器14で局部的に冷却して、再生器12内の気柱に温度勾配を発生させると、気柱が自励振動を起こすという熱音響現象により、熱エネルギーの一部が力学的な音波(振動)エネルギーに変換される。つまり、再生器12のスタック内の作動流体Gが加熱器13による加熱と冷却器14による冷却、及び、膨張と圧縮の自励振動といった熱力学的過程を経験することで、スターリングサイクルと呼ばれる熱力学的サイクルを繰り返し、熱エネルギーが音波エネルギーに変換される。この音波エネルギーは共鳴部11で共鳴して、定在波として共鳴部11内に蓄えられる。
【0025】
本発明においては、図2〜図7に示すように、再生器12の内部の断面積を共鳴部11の内部の断面積よりも大きく形成する。この構成により、再生器12の流路断面積R12と共鳴部11の流路断面積R11が略同じに、好ましくは同一になるようにする。それと共に、加熱器13の内周フィン13cが配置されている壁面13aをテーパー形状に形成して、共鳴部11と再生器12の間に配置する。また、冷却器14の内周フィン14cが配置されている壁面14aをテーパー形状に形成して、再生器12と共鳴部11との間に配置する。
【0026】
また、この冷却器14の周囲に冷却ジャケット15を設け、冷却器14の外周部に冷却水(熱媒体)Wが流れるように構成し、作動流体Gと冷却水Wとの間で熱交換するように構成される。この冷却器14の熱交換で温度上昇した冷却水Wは、循環口15aに接続される循環経路15bを経由して図示しないラジエータに行き、この冷却水Wと外気との間での熱交換でする。これにより、比較的簡単な構成で冷却器14を冷却することができるようになる。
【0027】
更に、図2〜図4に示すように、この加熱器13の内周フィン13cが接続(又は接触)する外周側の壁面13aをテーパー形状に形成する。また、内周フィン13cの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成する。
【0028】
また、冷却器14の内周フィン14cが接続(又は接触)する外周側の壁面14aをテーパー形状に形成する。また、内周フィン14cの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成する。
【0029】
この加熱器13及び冷却器14の熱交換器16の構成は、図5に示すような円錐台形状の外周面16dと、テーパー形状の大径側Bが先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側Aに刳り抜いた内周面16eを有する素材16を用いて、ワイヤーカッター等により、図6に示すように、作動流体Gが流通可能な隙間を設ける。これにより、内周フィン16cを形成する。つまり、並行に配列され、大径側Bが固定されている内周フィン16cの組を円周方向Rに複数組(図6では8組)配置する。
【0030】
この構成により、熱交換器16(13、14)は、小径側Aと大径側Bは、内周フィン16c(13c、14c)の相互間に設けられた隙間によりで連通し、作動流体Gが流通可能となる。それと共に、作動流体Gと内周フィン16cとの接触により相互間で熱伝達が行われ、加熱器13では、内周フィン16c(13c)から作動流体Gに熱が移動し、冷却器14では、作動流体Gから内周フィン16c(14c)に熱が移動する。
【0031】
また、それと同時に、流路断面積に関しては、内周フィン16cの先端側が小径側Aにあり、ここでは、内周フィン16cの断面積の総計F(a)はゼロであり、小径側Aから大径側Bに向かうに連れて、内周フィン16cの断面積の総計F(x)は増加し、内周フィン16cの根元側になると、内周フィン16cの断面積の総計F(b)は最大となる。
【0032】
一方、熱交換器16の外周側の壁面はテーパーに形成され、内周フィン16cの集合体の外周面16dもテーパー形状となっているため、熱交換器16の断面積は、小径側Aの断面積S(a)は最小になり、小径側Aから大径側Bに向かうに連れて断面積S(x)は増加し、内周フィン16cの根元側になると断面積S(b)は最大となる。
【0033】
そして、この両者の差が流路断面積R(x)(=S(x)−F(x))となるので、この両者の差(S(x)−F(x))が一定になるように、隙間の幅と、外周面16dと内周面16eのテーパー形状を設定することで、流路断面積R(x)を一定にすることができる。
【0034】
例えば、断面積中の隙間の占める割合をY%、内周フィン16の占める割合を(100−Y)%とすれば、小径側Aの半径をr1、大径側Bの半径をr2とすれば、それぞれの断面積は「S(a)=π×r1×r1/4」と「S(b)=π×r2×r2/4」となり、「S(b)×(1−Y/100)=S(a)」から、「r2=r1/SQRT(1−Y/100)」となる。
【0035】
このように、比較的簡単な構成で、加熱器13と冷却器14のそれぞれの内部で流路断面積R(x)が変化するのを抑制できる。
【0036】
また、内周フィン13cが配置される加熱器13の形状がテーパー形状になるため、加熱面となる壁面13aと内周フィン13cとが接続(又は接触)する面積が増加し、また、内周フィン14cが配置される冷却器14の形状もテーパー形状になるため、冷却面となる壁面14aと内周フィン14cとが接続(又は接触)する面積が増加し、それぞれ熱伝動の効率が上昇する。
【0037】
更に、熱交換器16(13、14)の小径側Aの流路断面積R(b)を共鳴部11の流路断面積R11と同じになるように、また、大径側Bの流路断面積R(a)を再生器12の流路断面積R12と同じになるように形成する。このように、小径側Aの半径r1と大径側Bの半径r2が決まっている場合は、内周フィン16c間の隙間が占める断面積の割合Y(%)は、「Y=100×(1−(r1/r2)2)」となる。
【0038】
この構成によれば、図7に示すように、熱音響機関10の加熱器13若しくは冷却器14と共鳴部11との接続部分P1、P2で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分P1、P2で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関10の出力の低下を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【0039】
本発明の熱音響機関は、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少させて音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できるので、数多くの熱音響機関で利用できる。
【符号の説明】
【0040】
10 熱音響機関
11 共鳴部
12 再生器
13 加熱器
13a 壁面
13b 外周フィン
13c 内周フィン
14 冷却器
14a 壁面
14b 外周フィン
14c 内周フィン
15 冷却ジャケット
G 作動流体
W 冷却水

【特許請求の範囲】
【請求項1】
加熱器と冷却器と再生器と共鳴部と作動流体を備えた熱音響機関において、前記再生器の内部の断面積を前記共鳴部の内部の断面積よりも大きく形成すると共に、前記加熱器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記共鳴部と前記再生器の間に配置すると共に、前記冷却器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記再生器と前記共鳴部との間に配置したことを特徴とする熱音響機関。
【請求項2】
前記加熱器の内周フィンが接続又は接触する外周側の壁面をテーパー形状に形成し、内周フィンの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成すると共に、前記冷却器の内周フィンが接続又は接触する外周側の壁面をテーパー形状に形成し、内周フィンの集合体の内部側はテーパー形状の大径側が先端となる円錐形状をテーパー形状の小径側に刳り抜いた形状に形成したことを特徴とする請求項1に記載の熱音響機関。
【請求項3】
前記冷却器の外周部に冷却ジャケットを設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響機関。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate

【図11】
image rotate

【図12】
image rotate

【図13】
image rotate


【公開番号】特開2013−96387(P2013−96387A)
【公開日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−243111(P2011−243111)
【出願日】平成23年11月7日(2011.11.7)
【出願人】(000000170)いすゞ自動車株式会社 (1,721)