(57)【要約】【課題】流路断面積の変化が小さい熱音響機関及びα型スターリングエンジンを提供する。【解決手段】音響筒２に加熱器３が接続される加熱器接続部６から冷却器４に反対側の音響筒２が接続される冷却器接続部７までにわたり、作動流体の流路が複数の細管８により形成され、加熱器３から再生器５を経て冷却器４までの間、複数の細管８が相互に間隔をあけて配置され、加熱器接続部６と冷却器接続部７では、音響筒２に向かって徐々に複数の細管８同士の間隔が狭められ、音響筒２に至るまでに複数の細管８が相互に密着させて配置され、音響筒２における流路断面積と複数の細管８による総流路断面積との差が所定以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の音響筒内に作動流体が満たされ、前記作動流体に外部からの熱を取り込む加熱器と前記作動流体から外部に熱を取り出す冷却器とが前記音響筒の長手方向に間隔をあけて配置され、前記加熱器と前記冷却器の間に再生器が配置された熱音響機関において、
前記音響筒に前記加熱器が接続される加熱器接続部から前記冷却器に前記音響筒が接続される冷却器接続部までにわたり、前記作動流体の流路が複数の細管により形成され、
前記加熱器から前記再生器を経て前記冷却器までの間、前記複数の細管が相互に間隔をあけて配置され、
前記加熱器接続部と前記冷却器接続部では、前記音響筒に向かって徐々に前記複数の細管同士の間隔が狭められ、前記音響筒に至るまでに前記複数の細管が相互に密着させて配置され、
前記音響筒における流路断面積と前記複数の細管による総流路断面積との差が所定以下であることを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
前記複数の細管が相互に間隔をあけて配置された箇所では、各細管の断面輪郭が円形であり、前記複数の細管が相互に密着させて配置された箇所では、前記断面輪郭が円形の細管が集合され圧縮されて隙間なく密着されることにより、各細管の断面輪郭が六角形であ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】
前記加熱器では前記複数の細管相互の隙間に高温の熱媒流体が流され、前記冷却器では前記複数の細管相互の隙間に低温の熱媒流体が流されることを特徴とする請求項１又は２記載の熱音響機関。
【請求項４】
前記熱音響機関の音響筒の長手方向両端にそれぞれレシプロ機構が接続されたことを特徴とするα型スターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路断面積の変化が小さい熱音響機関及びα型スターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示されるように、従来の熱音響機関（熱音響スターリングエンジン）５１は、中空の音響筒５２内に作動流体が満たされ、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５４とが音響筒５２の長手方向に間隔をあけて配置され、加熱器５３と冷却器５４の間に再生器５５が配置されてなる。加熱器５３と再生器５５と冷却器５４を合わせて原動機（プライムムーバ）という。図５の熱音響機関は、音響筒５２がループ状に閉じた形態のものである。
【０００３】
図６に示した原動機の場合、加熱器６１は、音響筒６２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外筒６３を有し、外筒６３の内部には流路と平行な複数の内部フィン６４が並べられ、外筒６３の外周には複数の外部フィン６５が設けられる。冷却器６６も同様に、音響筒６２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外筒６３を有し、外筒６３の内部には流路と平行な複数の内部フィン６４が並べられ、外筒６３の外周には複数の外部フィン６５が設けられる。再生器６７は、音響筒６２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外筒６８を有し、外筒６８の内部に流路を横断する複数の金網６９が長手方向に積層される。音響筒６２から加熱器６１、再生器６７、冷却器６６、反対側の音響筒６２まで、形状と寸法が同じ断面輪郭のまま連通している。この原動機では、加熱器６１において、外部の熱が外部フィン６５に吸収され、その熱が内部フィン６４に伝導され、内部フィン６４から作動流体に熱が放出される。冷却器６６においては、加熱器６１とは逆の熱交換が行われる。
【０００４】
図７に示した原動機の場合、加熱器７１は、音響筒７２に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が閉じられた外筒７３を有し、その外筒７３の両端間に複数の細管７４が挿通されている。冷却器７５も同様に、音響筒に対して断面輪郭の形状と寸法が同じで両端が閉じられた外筒７３を有し、その外筒７３の両端間に複数の細管７４が挿通されている。再生器７６は、音響筒７２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外筒７７を有し、外筒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。音響筒７２から再生器７６までは加熱器７１の細管７４を通して連通し、再生器７６から反対側の音響筒７２までは冷却器７５の細管７４を通して連通している。加熱器７１の外筒７３内には高温の熱媒流体が流され、冷却器７５の外筒内には低温の熱媒流体が流される。この原動機では、加熱器７１及び冷却器７５の細管７４がフィンの役割をする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０１９１０号公報
【特許文献２】特許第３０５０５４３号公報
【特許文献３】特開２００１−２０７９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図６に示した原動機では、加熱器６１も冷却器６６も、内部フィン６４の伝熱性能を確保するために、内部フィン６４の厚さをあまり薄くすることはできない。一方、音響筒６２と同一サイズの外筒６３の内部に内部フィン６４が存在することで、外筒６３内における流路の断面積は音響筒６２における流路の断面積に比べて小さくなる。内部フィン６４の厚さを厚くすると、外筒６３内における流路の断面積はいっそう小さくなる。
【０００７】
図７に示した原動機では、加熱器７１も冷却器７５も、外筒７３の両端が閉じられており、流路は細管７４のみとなるので、外筒７３内における流路の断面積は音響筒７２における流路の断面積に比べて小さくなる。
【０００８】
ところで、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。
【０００９】
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。例えば、音響筒に閉口部や開口部があると、大きく流路の断面積が変化する。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。
【００１０】
図６や図７の原動機は、音響筒６２（７２）から加熱器６１（７１）に入る境界及び冷却器６６（７５）から音響筒６２（７２）に入る境界にて大きく流路の断面積が変化するため、音波の反射が著しく、熱音響機関の出力を低下させる原因となっている。
【００１１】
また、流路の断面積の急縮小や急拡大は、作動流体が流れるときに大きな抵抗となることが知られている。さらに、内部フィン６４が配置された外筒６３から金網６９が配置された外筒６８への流体の流れ、またはその逆の流れでは、急激に流れの向きが変えられ、これも流れを阻害する要因となる。このような流路抵抗は、図６や図７の原動機のみならず、キネマスティクスターリングエンジンやフリーピストンスターリングエンジン等の一般的なスターリングエンジンにおいても出力を低下させる原因となっている。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、流路断面積の変化が小さい熱音響機関及びα型スターリングエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明の熱音響機関は、中空の音響筒内に作動流体が満たされ、前記作動流体に外部からの熱を取り込む加熱器と前記作動流体から外部に熱を取り出す冷却器とが前記音響筒の長手方向に間隔をあけて配置され、前記加熱器と前記冷却器の間に再生器が配置された熱音響機関において、前記音響筒に前記加熱器が接続される加熱器接続部から前記冷却器に前記音響筒が接続される冷却器接続部までにわたり、前記作動流体の流路が複数の細管により形成され、前記加熱器から前記再生器を経て前記冷却器までの間、前記複数の細管が相互に間隔をあけて配置され、前記加熱器接続部と前記冷却器接続部では、前記音響筒に向かって徐々に前記複数の細管同士の間隔が狭められ、前記音響筒に至るまでに前記複数の細管が相互に密着させて配置され、前記音響筒における流路断面積と前記複数の細管による総流路断面積との差が所定以下であるものである。
【００１４】
前記複数の細管が相互に間隔をあけて配置された箇所では、各細管の断面輪郭が円形であり、前記複数の細管が相互に密着させて配置された箇所では、前記断面輪郭が円形の細管が集合され圧縮されて隙間なく密着されることにより、各細管の断面輪郭が六角形であってもよい。
【００１５】
前記加熱器では前記複数の細管相互の隙間に高温の熱媒流体が流され、前記冷却器では前記複数の細管相互の隙間に低温の熱媒流体が流されてもよい。
【００１６】
また、本発明のα型スターリングエンジンは、前記熱音響機関の音響筒の長手方向両端にそれぞれレシプロ機構が接続されたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１８】
（１）流路断面積の変化が小さい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態を示す熱音響機関の原動機部分の分解斜視図である。
【図２】図１の熱音響機関の原動機部分の側断面図、横断面図及び流路断面積分布図である。
【図３】本発明において複数の細管を集合・圧縮する様子を説明するためのイメージ図である。
【図４】本発明のα型スターリングエンジンの構成図である。
【図５】従来のループ管型の熱音響機関の構成図である。
【図６】従来の原動機の側断面図及び流路断面積分布図である。
【図７】従来の原動機の側断面図及び流路断面積分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１及び図２に示されるように、本発明に係る熱音響機関１は、中空の音響筒２内に作動流体が満たされ、作動流体に外部からの熱を取り込む加熱器３と作動流体から外部に熱を取り出す冷却器４とが音響筒２の長手方向に間隔をあけて配置され、加熱器３と冷却器４の間に再生器５が配置される。加熱器３と再生器５と冷却器４により原動機が構成される。
【００２２】
熱音響機関１は、音響筒２に加熱器３が接続される加熱器接続部６と、冷却器４に反対側の音響筒２が接続される冷却器接続部７とを有する。加熱器接続部６から冷却器接続部７までにわたり、作動流体の流路が複数の細管８により形成される。図１には細管８は示していないが、細管８は、図２のように加熱器接続部６から冷却器接続部７までにわたり、切れ目なく続いている。すなわち、本発明では、加熱器３、再生器５、冷却器４が複数の細管８の束で構成される。加熱器３から再生器５を経て冷却器４までの間は、複数の細管８が相互に間隔をあけて配置され、加熱器接続部６と冷却器接続部７では、音響筒２に向かって徐々に複数の細管８同士の間隔が狭められ、音響筒２に至るまでに複数の細管８が相互に密着させて配置される。
【００２３】
この実施形態では、細管８には、断面輪郭が円形のものが用いられる。ただし、複数の細管８が相互に間隔をあけて配置された箇所では、各細管８の断面輪郭は円形のままであるが、複数の細管８が相互に密着させて配置された箇所では、断面輪郭が円形の細管８が集合され圧縮されて隙間なく密着されることにより、各細管８の断面輪郭が六角形となる。
【００２４】
図１には、加熱器３及び冷却器４に、細管８が通る穴８ａが示されている。この穴８ａの配置から分かるように、加熱器３から再生器５を経て冷却器４までの間では、複数の細管８は一定の間隔で規則的に配置される。これは熱交換性能を向上させるためである。特に、本実施形態では、加熱器３から再生器５を経て冷却器４までの間では、複数の細管８が全体的に角形に配置される。これは、全ての細管８が均等に熱媒流体に接するようにして全体としての熱交換量を大きくするためである。また、このとき横一列の細管８が縦に揃えられて碁盤目状の配置となってもよいが、奇数列と偶数列とで半ピッチずれることで千鳥格子状の配置となるのがいっそう好ましい。
【００２５】
加熱器３には、全ての細管８を囲み込み、断面輪郭が角形で両端が閉じられた加熱器外筒９が設けられる。加熱器外筒９の閉じられた両端には、細管８を通すための穴８ａが形成される。この加熱器外筒９には、高温の熱媒流体を導入・排出するための熱媒管１０が接続される。これにより、加熱器３では複数の細管８の相互の隙間に高温の熱媒流体が流され、熱交換が行われることになる。
【００２６】
冷却器４には、加熱器３と同様に、全ての細管８を囲み込み、断面輪郭が角形で両端が閉じられた冷却器外筒１１が設けられる。冷却器外筒１１の閉じられた両端には、細管８を通すための穴８ａが形成される。この冷却器外筒１１には、低温の熱媒流体を外筒内に導入・排出するための熱媒管１２が接続される。これにより、冷却器４では複数の細管８の相互の隙間に高温の熱媒流体が流され、熱交換が行われることになる。
【００２７】
なお、加熱器外筒９と冷却器外筒１１に供給される熱媒流体の高温・低温は相対的なもので、両者に適宜な温度差があればよい。また、流体の種類は問わない。例えば、高温の熱媒流体が内燃機関の排気ガス、低温の熱媒流体が冷却水であってもよい。
【００２８】
音響筒２は、断面輪郭が円形に形成される。加熱器接続部６及び冷却器接続部７には、音響筒２への接続箇所では断面輪郭の形状が円形で加熱器３への接続箇所では断面輪郭の形状が角形となるように断面輪郭形状が変化するコーンケーブ状の接続部カバー１３，１４が設けられる。接続部カバー１３，１４は、音響筒２から加熱器外筒９又は冷却器外筒１１までにわたり、全ての細管８を囲み込む。接続部カバー１３，１４は、必須のものではないが、原動機の気密性を向上させるために設けられる。
【００２９】
再生器５には、加熱器外筒９及び冷却器外筒１１と断面輪郭の形状及び寸法が同じ角形の再生器カバー１５が設けられる。再生器カバー１５は、加熱器外筒９から冷却器外筒１１までにわたり、全ての細管８を囲み込む。再生器カバー１５は、必須のものではないが、再生器５の周囲の空気の動きを制限すると共に再生器５の機械的強度を補強するために設ける。
【００３０】
図３により、複数の細管８を集合・圧縮する様子を説明する。
【００３１】
複数の断面輪郭が円形の細管８を互いに接するように集合し、圧縮しない状態では、細管８同士の間に小さい隙間が生じる。もし、この状態で細管８の集合を音響筒２に接続すると、細管８が音響筒２に連通するだけでなく、細管８の間の隙間も音響筒２に連通するため、作動流体が隙間に漏れてしまう。これを防ぐために、隙間を何かで埋めるとそこに端面が形成され、音波の反射を生じることになる。もちろん、この形態でも従来よりは流路断面積の変化は小さく、音響筒２における流路断面積と複数の細管８による総流路断面積との差を所望する程度に小さくすることはできる。しかし、本実施形態では、次のように細管８の圧縮を行う。
【００３２】
本実施形態では、複数の断面輪郭が円形の細管８を互いに接するように集合した後、周囲より圧縮することにより、全ての細管８を隙間なく密着させる。このとき、各細管８の断面輪郭は六角形となる。なお、密着性を高めるために、あらかじめ断面輪郭が円形の細管８の外周にロウ又は接着剤を付けておき、圧縮後に、細管８を相互にロウ又は接着剤で固めてもよい。この形態では、細管８同士の間の隙間がなくなり、作動流体が隙間に漏れることがない。また、端面が形成されないので、音波の反射を生じにくい。この形態では、音響筒２における流路断面積と複数の細管８による総流路断面積との差は、細管８の肉厚に由来する分のみであり、従来よりも著しく小さい所定以下とすることができる。
【００３３】
図２には、熱音響機関１の長手方向各所における横断面図が示されている。音響筒２の横断面には所定の径の円が表れているのに対し、加熱器接続部６における音響筒２の直前箇所と冷却器接続部７における音響筒２の直前箇所では、音響筒２と同じ径の円の中に密着して圧縮された複数の細管８が表れている。加熱器３と冷却器４（再生器５も同様）では、各細管８が相互に間隔を拡げ、全体的に角形の千鳥格子配置となっている。
【００３４】
以下、本発明の熱音響機関１の動作を説明する。
【００３５】
本発明の熱音響機関１は、加熱器３から再生器５を経て冷却器４までの間、作動流体の流路は連続した細管８で構成される。このため、加熱器３と再生器５の境界及び再生器５と冷却器４の境界において、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、進行波が多く得られ、熱音響機関１の出力を大きくすることができる。
【００３６】
本発明の熱音響機関１は、加熱器３から再生器５を経て冷却器４までの間、作動流体の流れの向きが全く変化しないので、再生器６７（７６）が金網６９（７８）で構成された従来のものに比べ流路抵抗が小さい。
【００３７】
本発明の熱音響機関１は、音響筒２と加熱器３との間の加熱器接続部６及び冷却器４と反対側の音響筒２との間の冷却器接続部７において、作動流体の流路は、加熱器３から冷却器４までと一貫して連続した細管８で構成される。このため、加熱器接続部６においても冷却器接続部７においても、流路断面積の変化が全くなく、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、進行波が多く得られ、熱音響機関１の出力を大きくすることができる。
【００３８】
本発明の熱音響機関１は、音響筒２に加熱器接続部６が接続される箇所及び音響筒２に冷却器接続部７が接続される箇所では、細管８が密着させて圧縮されているので、音響筒２における流路断面積と複数の細管８による総流路断面積との差は、細管８の肉厚からくる分のみであり、所定以下とすることができる。
【００３９】
本発明の熱音響機関１は、細管８内に作動流体を通し、細管８の周囲に熱媒流体を通すので、熱交換効率がよい。
【００４０】
本発明の熱音響機関１は、加熱器接続部６から加熱器３、再生器５、冷却器４、冷却器接続部７まで、一貫して連続した細管８で構成され、つなぎ目がない。よって、作動流体の気密性が高く、作動流体が外部に漏れにくい。
【００４１】
細管８は、熱伝導率の低い材料で構成するのが好ましい。これにより、再生器５において温度勾配を安定に確保することが容易になる。一方、細管８は、肉厚をできる限り薄くするのが好ましい。これにより、加熱器３及び再生器５における熱交換を促進することができ、再生器５の両端の温度を熱媒流体の高温と低温に確保することができる。
【００４２】
次に、本発明のα型スターリングエンジンを説明する。
【００４３】
図４に示されるように、本発明のα型スターリングエンジン４０は、熱音響機関１の音響筒２の長手方向両端にそれぞれレシプロ機構４１ａ，４１ｂが接続されたものである。
【００４４】
レシプロ機構４１ａでは、第一回転体４２ａが第一クランク４３ａを介して第一ピストン４４ａに連結され、第一ピストン４４ａが挿入された第一シリンダ４５ａに、これまで説明した熱音響機関１の原動機部分が接続されている。すなわち、第一シリンダ４５ａのヘッド側は音響筒２に相当し、この音響筒２に加熱器接続部６から加熱器３、再生器５、冷却器４、冷却器接続部７までの複数の細管８が接続されている。
【００４５】
レシプロ機構４１ｂでは、冷却器接続部７の細管８が音響筒２に相当する第二シリンダ４５ｂのヘッド側に接続される。第二シリンダ４５ｂには第二ピストン４４ｂが挿入され、第二ピストン４４ｂは第二クランク４３ｂを介して第二回転体４２ｂに連結されている。
【００４６】
さらに、第一回転体４２ａと第二回転体４２ｂには、ベルト４６がかけられている。
【００４７】
第一ピストン４４ａが軸方向に単振動することにより、第一シリンダ４５ａ内の作動流体が振動して音波が発生する。この音波が加熱器３、再生器５、冷却器４からなる原動機を通ることにより、増幅作用を受け、第二シリンダ４５ｂに至る。第二シリンダ４５ｂ内の作動流体が振動するので第二ピストン４４ｂが軸方向に単振動する。第二ピストン４４ｂの単振動は第二クランク４３ｂにより第二回転体４２ｂの回転振動に変換され、その回転振動がベルト４６を介して第一回転体４２ａに伝達され、第一回転体４２ａの回転振動が第一クランク４３ａにより第一ピストン４４ａに帰還される。
【００４８】
このα型スターリングエンジン４０において、音響筒２から本発明の原動機を経て反対側の音響筒２へ至る経路中、作動流体の断面積変化が所定以下に抑えられているので、反射波が生じにくく、エネルギの損失が低減される。
【符号の説明】
【００４９】
１  熱音響機関
２  音響筒
３  加熱器
４  冷却器
５  再生器
６  加熱器接続部
７  冷却器接続部
８  細管
９  加熱器外筒
１０  熱媒管
１１  冷却器外筒
１２  熱媒管
１３  接続部カバー
１４  接続部カバー
１５  再生器カバー
４０  α型スターリングエンジン
４１ａ，４１ｂ  レシプロ機構
【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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【図７】
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