(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・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、上記ループ管の少なくとも一部に、上記原動機の設置箇所を含む部分より内径が大きい拡大管が設置され、該拡大管は、上記原動機を起点に上記加熱器の方向に、上記ループ管の全長の５〜１０％、５５〜６０％のいずれかの範囲内となる位置に配置されたことを特徴とする熱音響機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、小型化が可能な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、米国ロスアラモス研究所などにおいて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、冷却機）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に加熱器、再生器、冷却器からなる原動機５を取り付けたものである。ループ管１の内径は、ループ管１の全長にわたり均一であり、原動機５の設置箇所においてもループ管１の内径は同じである。
【０００５】
熱音響機関は、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、自動車では、原動機においてエンジンの廃熱を高温源、大気を低温源とし、受動機において大気を高温源とすることで、受動機の低温源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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３０５０５４３号公報
【特許文献２】特開２００６−１４５１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の熱音響機関３１は、発振開始温度（加熱器と冷却器の温度差で表す）を大幅に低くすることができない。また、従来の熱音響機関３１は、高いエネルギ変換効率が得られないため、大きな音響強度をループ管１内に励起することができず、また、大きな音響強度を得ようとすると大型になってしまう。
【０００８】
熱音響機関は、前述のような家庭や乗り物に利用用途があることから、発振開始温度を低くすることができ、しかも、高いエネルギ変換効率が得られることが望ましい。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発振開始温度が低く、大きな音響強度が得られ、小型化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】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、ループ管に、熱エネルギを該ループ管内の音響エネルギに変換して発振を生じさせる加熱器・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、上記ループ管の少なくとも一部に、上記原動機の設置箇所を含む部分より内径が大きい拡大管が設置され、該拡大管は、上記原動機を起点に上記加熱器の方向に、上記ループ管の全長の５〜１０％、５５〜６０％のいずれかの範囲内となる位置に配置されたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１３】
（１）発振開始温度が低くできる。
【００１４】
（２）大きな音響強度が得られる。
【００１５】
（３）小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）は本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図であり、図１（ｂ）はループ管を展開した拡大管位置表示図である。
【図２】本発明者らが実験により得た熱音響機関における拡大管位置対発振開始加熱器温度の特性グラフである。
【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】
【００１７】
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。
【００１８】
図１に示されるように、本発明に係る熱音響機関１１は、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して発振を生じさせる加熱器２・再生器３・冷却器４からなる原動機５が設置された熱音響機関１１において、ループ管１の少なくとも一部に、原動機５の設置箇所を含む部分より内径が大きい拡大管６が設置されたものである。
【００１９】
原動機５は、加熱器２、再生器３、冷却器４をループ管１の管軸方向に並べたものである。加熱器２、再生器３、冷却器４の詳しい構造は従来技術に属するので、ここでは省略する。
【００２０】
ループ管１の内径は、拡大管６となっている箇所を除き、ループ管１の全長にわたり均一であり、原動機５の設置箇所においてもループ管１の内径は同じである。以下、原動機５の設置箇所の内径をループ管１の内径という。
【００２１】
拡大管６の内径は、ループ管１の内径より大きければよく、好ましくは、ループ管１の内径の２倍程度である。拡大管６の長さ（管軸方向の長さ）は、限定しないが、例えば、ループ管１の全長の数％程度である。
【００２２】
拡大管６は、ループ管１の内径より大きい内径を有する管軸方向に所定長さの円筒形部と、円筒形部からループ管１との接続部に向かって徐々に縮径するテーパ部とからなる。
【００２３】
拡大管６は、原動機５の設置位置を起点とし、加熱器２のある方向に、ループ管２の全長の５〜１０％の範囲Ａ１、又は３０〜３５％の範囲Ａ２に設置される。拡大管６の設置位置は、拡大管６の管軸方向の中心位置で表す。原動機５の設置位置は、原動機５の管軸方向の中心位置で表す。
【００２４】
次に、図１の熱音響機関１１の効果を説明する。
【００２５】
本発明者らは、従来の熱音響機関３１においてループ管１の内径がループ管１の全長にわたり均一であるのに対し、ループ管１の一部に内径が異なる箇所を設けることで、前述の課題が解決できることを見出した。さらに、本発明者らは、ループ管１に拡大管６を設ける位置を移動させる実験を通して、発振開始温度が最も低くなる拡大管６の位置を見出した。
【００２６】
図１（ａ）の熱音響機関１１について、図１（ｂ）のようにループ管１を直線状に展開し、ループ管１の全長を２０等分してループ管１上の位置の指標を置くものとする。原動機５の中心位置を０番とし、加熱器２の方向に１番、２番、…と順に番号を振り、ループ管１を１周する。２０番は０番と等価となる。なお、等分数は、２０に限定するものではなく、等分数を小さくすると位置特定の精度が粗くなり、等分数を大きくすると位置特定の精度は密になるが実験の工数が増加する。
【００２７】
このようにして、拡大管６の位置を移動させ、加熱器２と冷却器４の温度差を徐々に大きくすることにより、一次モードで発振させる場合における発振開始温度を調べた。その結果を図２に示す。
【００２８】
ここでは、ループ管１の全長が３０００ｍｍであり、原動機５の中心位置を０ｍｍとし、加熱器２の方向に０〜３０００ｍｍまでの拡大管６の位置を横軸に取る。また、冷却器温度を一定とし、加熱器温度を可変させるものとし、発振が開始された加熱器温度を縦軸に取る。
【００２９】
図２に示されるように、拡大管６の位置により発振が開始された加熱器温度が異なる。実験した拡大管位置のうち、約２２５ｍｍと約１７２５ｍｍにおいて加熱器温度が顕著に低い。
【００３０】
以上の実験結果から、図１（ｂ）を導くことができる。すなわち、ループ管１の全長を２０等分したとき、原動機５を起点に加熱器２の方向に１番〜２番の区間Ａ１、１１番〜１２番の区間Ａ２が最適な拡大管位置となる。２０等分による距離で位置を表記すると、１／２０〜２／２０、１１／２０〜１２／２０が上記区間Ａ１，Ａ２に対応し、百分率で表記すると、原動機５を起点に加熱器２の方向にループ管１の全長の５〜１０％、５５〜６０％の範囲で示される位置が最適な拡大管位置となる。
【００３１】
上記の実験は、一次モードで発振する場合の実験であったが、二次モード以上の高次モードで発振させる場合でも、同様の効果が期待できる。なぜなら、発振開始温度が低下する理由として、ループ管１内に封入された空気等の作動流体の流速が拡大管６において遅くなる結果、ループ管１内で発振する音響の定在波の位相と原動機５の加熱器２及び冷却器４の位置との関係が発振に有利な関係となって、発振開始温度が低下するからである。よって、高次モードで発振させる場合でも、加熱器２及び冷却器４にて大きな熱交換を行うことが可能となり、発振開始温度が低下すると共にエネルギ変換効率が向上し、大きい音響強度をループ管１内に励起することが可能となる。
【００３２】
１次以上のｎ次（ｎは１以上の自然数）の振動モードで用いる場合、上記と同様の実験を行うことにより、拡大管６を設置する最適区間を定めることができる。例えば、ループ管１の原動機５を設けた位置を起点としてループ管１をｎ分割し、分割したループ管ごとに、加熱器２の方向に１／２０〜２／２０、１１／２０〜１２／２０の区間を最適区間とする。
【００３３】
以上説明したように、本発明の熱音響機関１１によれば、ループ管１の少なくとも一部に拡大管６が設置されたので、従来に比べて発振開始温度が低くなるという効果が得られる。従来では、例えば、冷却器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を必要としたのに対し、本発明では、冷却器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が利用できる。
【００３４】
また、本発明の熱音響機関１１によれば、発振開始温度が低くてもよいことから発振が容易になり、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。
【００３５】
また、本発明の熱音響機関１１によれば、発振開始温度が低くてもよいことから発振が容易になり、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。
【００３６】
また、本発明の熱音響機関１１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１１の体積を従来より小さくすることができる。
【００３７】
したがって、熱音響機関１１に受動機を組み込んで熱音響機関による冷凍装置として用いた場合、従来と比較して、低温を実現することができる。また、熱音響機関１１に音響エネルギを電気エネルギに変換する発電機を組み込んで熱音響機関による発電装置として用いた場合、従来と比較して、発電量の向上が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ループ管
２  加熱器
３  再生器
４  冷却器
５  原動機
６  拡大管
１１  熱音響機関
【図１】
0005453954.tif 000002
【図２】
0005453954.tif 000003
【図３】
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