(57)【要約】【課題】エネルギ変換効率が向上する熱音響機関を提供する。【解決手段】ループ管２に加熱器３と再生器４と冷却器５とが順に並べられた原動機６と別の加熱器７と再生器８と冷却器９とが順に並べられた受動機１０とが設置された熱音響機関１において、原動機６からループ管２の全長の５０％の位置に受動機１０が配置され、原動機６から加熱器３の方向に受動機１０までの間に第１の音場調整機構１１が配置され、受動機１０から加熱器７の方向に原動機６までの間に第２の音場調整機構１２が配置された。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループ管に加熱器と再生器と冷却器とが順に並べられた原動機と別の加熱器と再生器と冷却器とが順に並べられた受動機とが設置された熱音響機関において、
前記原動機から前記ループ管の全長の５０％の位置に前記受動機が配置され、
前記原動機から前記加熱器の方向に前記受動機までの間に第１の音場調整機構が配置され、
前記受動機から前記別の加熱器の方向に前記原動機までの間に第２の音場調整機構が配置されたことを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
前記第１の音場調整機構として、
前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の５〜１０％の位置に音圧の腹を誘引する腹型音場調整機構が配置されたことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
【請求項３】
前記第１の音場調整機構として、
前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の３０〜３５％の位置に音圧の節を誘引する節型音場調整機構が配置されたことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
【請求項４】
前記第２の音場調整機構として、
前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の５５〜６０％の位置に腹型音場調整機構が配置されたことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の熱音響機関。
【請求項５】
前記第２の音場調整機構として、
前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の８０〜８５％の位置に音圧の節を誘引する節型音場調整機構が配置されたことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の熱音響機関。
【請求項６】
前記腹型音場調整機構は、拡大管、分岐管、振動子のいずれかであることを特徴とする請求項２又は４記載の熱音響機関。
【請求項７】
前記節型音場調整機構は、縮小管、共鳴管のいずれかであることを特徴とする請求項３又は５記載の熱音響機関。
【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、エネルギ変換効率が向上す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４に示されるように、従来の熱音響機関４１は、円筒管４２からなるループ管４３に、加熱器４４と再生器４５と冷却器４６とが順に並べられた原動機４７が設置されたものである。
【０００５】
この熱音響機関４１に、作動流体の振動を熱エネルギに変換する受動機（例えば、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。
【０００６】
図５に示されるように、従来の熱音響機関５１は、円筒管４２からなるループ管４３に、加熱器４４と再生器４５と冷却器４６とが順に並べられた原動機４７と、それとは別の加熱器５４と再生器５５と冷却器５６とが原動機４７と同じ周回方向に順に並べられた受動機５７とが設置されたものである。
【０００７】
このような熱音響機関５１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４７においてエンジンの廃熱を加熱器４４に入力し、大気で冷却器４６を冷却し、受動機５７の加熱器５４において大気と熱交換することで、受動機５７の冷却器５６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。つまり、廃熱を利用し、しかも可動部品のないクーラが実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３０５０５４３号公報
【特許文献２】特開２００７−２３７０２０号公報
【特許文献３】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】
【０００９】
ところで、本発明者らは、図４のようなループ管４３に原動機４７のみが設けられた熱音響機関４１において、エネルギ変換効率を向上させて発振温度差（音響振動の発生に最低必要な加熱器と冷却器の温度差）を小さくするための構成を提案している。
【００１０】
すなわち、図６（ａ）に示される熱音響機関６１は、ループ管４３に原動機４７のみが設けられた熱音響機関６１において、ループ管４３に拡大管６２が設けられたものである。拡大管６２とは、図４のループ管４３が全長にわたり直径が一定、すなわち作動流体の流路断面積が一定であるのに対し、ループ管４３の一部に円筒管４２より直径が大きい円筒管６３を挿入して、そこだけ作動流体の流路断面積を大きくしたものである。
【００１１】
図７（ａ）に示される熱音響機関７１は、ループ管４３に原動機４７のみが設けられた熱音響機関７１において、ループ管４３に分岐管７２が設けられたものである。分岐管７２とは、図４のループ管４３が一路に閉じているのに対し、ループ管４３の一部において円筒管４２と同じ直径の円筒管７３を分岐させてから合流させたものである。
【００１２】
図８（ａ）に示される熱音響機関８１は、ループ管４３に原動機４７のみが設けられた熱音響機関８１において、ループ管４３に縮小管８２が設けられたものである。縮小管８２とは、図４のループ管が全長にわたり直径が一定、すなわち作動流体の流路断面積が一定であるのに対し、ループ管４３の一部に円筒管４２より直径が小さい円筒管７３を挿入して、そこだけ作動流体の流路断面積を小さくしたものである。
【００１３】
図９（ａ）に示される熱音響機関９１は、ループ管４３に原動機４７のみが設けられた熱音響機関９１において、ループ管４３に共鳴管９２が設けられたものである。共鳴管９２とは、図４のループ管４３が一路に閉じているのに対し、ループ管４３の一部において円筒管４２と同じ直径の円筒管９３を分岐させて真っ直ぐ延ばしたものである。
【００１４】
図１０（ａ）に示される熱音響機関１０１は、ループ管４３に原動機４７のみが設けられた熱音響機関１０１において、ループ管４３に作動流体の振動方向に振動自在に構成された振動子１０２が設けられたものである。振動子１０２とは、適宜な強さのバネで軸方向移動支持された適宜な質量の剛体、又は適宜な弾性を有する固定された弾性膜である。
【００１５】
図６（ａ）の熱音響機関６１は、拡大管６２の箇所において作動流体の流路断面積が他より大きくなっているために、作動流体の流速が下がり、拡大管６２の箇所に流速の節（＝音圧の腹）が生じる。この結果、熱交換器（加熱器、冷却器）が音圧の腹からはずれてエネルギ変換効率が向上し、発振開始温度が低下する。
【００１６】
図７（ａ）の熱音響機関７１においても、分岐管７２の箇所に音圧の腹が生じることから熱交換器が音圧の腹からはずれて、エネルギ変換効率が向上する。
【００１７】
図１０（ａ）の熱音響機関１０１においても、振動子１０２の箇所に音圧の腹が生じることから熱交換器が音圧の腹からはずれて、エネルギ変換効率が向上する。
【００１８】
拡大管６２と分岐管７２と振動子１０２は、音圧の腹を誘引することにより、原動機４７における定在波の位相を調整するという効果が同じであり、これらを総括して腹型音場調整機構と呼ぶことができる。
【００１９】
図６（ｂ）、図７（ｂ）、図１０（ｂ）に示されるように、腹型音場調整機構を設置する好適箇所には共通した所定の規則があり、図示された複数の区画Ａ１，Ａ２のいずれか１つに腹型音場調整機構を設置するとよい効果が得られる。
【００２０】
一方、図８（ａ）の熱音響機関８１は、縮小管８２の箇所において作動流体の流路断面積が他より小さくなっているために、作動流体の流速が上がり、縮小管８２の箇所に流速の腹（＝音圧の節）が生じる。この結果、熱交換器（加熱器、冷却器）が音圧の腹からはずれてエネルギ変換効率が向上し、発振開始温度が低下する。
【００２１】
図９（ａ）の熱音響機関９１においても、共鳴管９２の箇所に音圧の節が生じることから熱交換器が音圧の腹からはずれて、エネルギ変換効率が向上する。
【００２２】
縮小管８２と共鳴管９２は、音圧の節を誘引することにより、原動機４７における定在波の位相を調整するという効果が同じであり、これらを総括して節型音場調整機構と呼ぶことができる。
【００２３】
図８（ｂ）、図９（ｂ）に示されるように、節型音場調整機構を設置する好適箇所には共通した所定の規則があり、図示された複数の区画Ｂ１，Ｂ２のいずれか１つに腹型音場調整機構を設置すると効果が大である。
【００２４】
以上をまとめると、図４のようなループ管に原動機のみが設けられた熱音響機関では、熱交換器（加熱器、冷却器）が必ず音圧の腹に位置してしまい、音圧の腹では流体変位が微少であるため、大きな熱交換を行うことができない。これに対して、図６（ａ）〜図９（ａ）及び図１０（ａ）のように、音場調整機構を１箇所に設けることで、擬似的に音圧の腹や節を形成して、音圧の腹を熱交換器からずらし、熱交換器における流体変位を大きく保つことができる。この結果、エネルギ変換効率が向上する。
【００２５】
これを踏まえ、次の段階として、本発明者らは、図５のようなループ管に原動機と受動機が設けられた熱音響機関に対しては、音場調整機構をどのように設けるとよいか検討を開始した。ところが、ループ管に原動機と受動機が設けられた熱音響機関では、音場調整機構を１箇所のみに設けただけでは、発振しないことが実験により確かめられた。これは、受動機が音場に与える影響が大きいために、音場調整機構による音場調整が十分でなくなるためと考えられる。
【００２６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エネルギ変換効率が向上す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】
【００２７】
上記目的を達成するために本発明は、ループ管に加熱器と再生器と冷却器とが順に並べられた原動機と別の加熱器と再生器と冷却器とが順に並べられた受動機とが設置された熱音響機関において、前記原動機から前記ループ管の全長の５０％の位置に前記受動機が配置され、前記原動機から前記加熱器の方向に前記受動機までの間に第１の音場調整機構が配置され、前記受動機から前記別の加熱器の方向に前記原動機までの間に第２の音場調整機構が配置されたものである。
【００２８】
前記第１の音場調整機構として、前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の５〜１０％の位置に音圧の腹を誘引する腹型音場調整機構が配置されてもよい。
【００２９】
前記第１の音場調整機構として、前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の３０〜３５％の位置に音圧の節を誘引する節型音場調整機構が配置されてもよい。
【００３０】
前記第２の音場調整機構として、前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の５５〜６０％の位置に腹型音場調整機構が配置されてもよい。
【００３１】
前記第２の音場調整機構として、前記原動機から前記加熱器の方向に前記ループ管の全長の８０〜８５％の位置に音圧の節を誘引する節型音場調整機構が配置されてもよい。
【００３２】
前記腹型音場調整機構は、拡大管、分岐管、振動子のいずれかであってもよい。
【００３３】
前記節型音場調整機構は、縮小管、共鳴管のいずれかであってもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３５】
（１）エネルギ変換効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態を示す熱音響機関の構成図、（ｂ）はループ管を展開して示した配置区画図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２実施形態を示す熱音響機関の構成図、（ｂ）はループ管を展開して示した配置区画図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す熱音響機関の構成図である。
【図４】従来の熱音響機関の構成図である。
【図５】従来の熱音響機関の構成図である。
【図６】（ａ）は本発明者らが提案している拡大管を設けた熱音響機関の構成図、（ｂ）はループ管を展開して示した配置区画図である。
【図７】（ａ）は本発明者らが提案している分岐管を設けた熱音響機関の構成図、（ｂ）はループ管を展開して示した配置区画図である。
【図８】（ａ）は本発明者らが提案している縮小管を設けた熱音響機関の構成図、（ｂ）はループ管を展開して示した配置区画図である。
【図９】（ａ）は本発明者らが提案している共鳴管を設けた熱音響機関の構成図、（ｂ）はループ管を展開して示した配置区画図である。
【図１０】（ａ）は本発明者らが提案している振動子を設けた熱音響機関の構成図、（ｂ）はループ管を展開して示した配置区画図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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。
【００３８】
図１に示されるように、本発明に係る熱音響機関１は、ループ管２に加熱器３と再生器４と冷却器５とが順に並べられた原動機６と別の加熱器７と再生器８と冷却器９とが順に並べられた受動機１０とが設置された熱音響機関１において、原動機６からループ管２の全長の５０％の位置に受動機１０が配置され、原動機６から加熱器３の方向に受動機１０までの間に第１の音場調整機構１１が配置され、受動機１０から別の加熱器７の方向に原動機６までの間に第２の音場調整機構１２が配置されたものである。
【００３９】
図１の熱音響機関は、本発明の第１実施形態に係り、第１の音場調整機構１１と第２の音場調整機構１２に腹型音場調整機構が用いられている。腹型音場調整機構は、拡大管、分岐管、振動子のいずれであってもよい。
【００４０】
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。
【００４１】
これにより、原動機６にて熱エネルギが音響エネルギに変換されて作動流体の振動、すなわち音波となり、受動機１０にて音響エネルギが熱エネルギに変換される。
【００４２】
加熱器３，７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３，７から軸方向に適宜な距離を隔てた箇所に冷却器５，９が設けられる。冷却器５，９は、加熱器３，７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３，７と冷却器５，９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４，８が設けられる。
【００４３】
以下、図１（ａ）の熱音響機関の作用効果を説明する。
【００４４】
すでに述べたように、ループ管２に原動機６と受動機１０が設けられた熱音響機関１では、音場調整機構を１箇所のみに設けただけでは、発振しないことが本発明者らの実験により確かめられた。そこで、本発明者らは、音場調整機構を複数箇所に置くものとし、複数の音場調整機構をどこに配置するとよいか、また、どの型の音場調整機構を使用するとよいか検討することにした。
【００４５】
ここでは、原動機６と受動機１０をループ管の対称な位置に配置するものとした。すなわち、原動機６の中心（再生器４の中心）を基準に定め、受動機１０の中心（再生器８の中心）が基準からループ管全長の５０％の位置となるように受動機１０を配置した。このように原動機６と受動機１０をループ管２の対称な位置に配置したものにおいて、ループ管全長を２０等分してなる２０の区画の２箇所に、各型の基準音場調整機構を次々と配置換えして発振温度差を調べた。発振温度差が小さい区画が音場調整機構の配置に好ましい区画となり、最も発振温度差が小さい２箇所の区画を見いだせばそれが最適の配置を示すこととなる。音場調整機構の位置は、音場調整機構の中心の位置で表す。
【００４６】
調査の結果、図１（ｂ）に示されるように、第１の音場調整機構１１は、区画Ａ１（１／２０〜２／２０）、すなわち基準からループ管の全長の５〜１０％の位置に腹型音場調整機構を配置し、第２の音場調整機構１２は、区画Ａ２（１１／２０〜１２／２０）、すなわち基準からループ管の全長の５５〜６０％の位置に腹型音場調整機構を配置するのが最適であることが分かった。
【００４７】
以上のように、本発明に係る熱音響機関１は、原動機６からループ管２の全長の５０％の位置に受動機１０が配置され、原動機６から加熱器３の方向に受動機１０までの間に第１の音場調整機構１１が配置され、受動機１０から別の加熱器７の方向に原動機６までの間に第２の音場調整機構１２が配置されたので、原動機６と受動機１０のそれぞれの熱交換器（加熱器３，７及び冷却器５，９）に対して音圧の腹をずらすことができ、これによって高効率の熱交換が促進され、エネルギ変換効率が向上する。
【００４８】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
【００４９】
図２（ａ）の熱音響機関２１は、本発明の第２実施形態に係り、第１の音場調整機構１１と第２の音場調整機構１２に節型音場調整機構が用いられている。この場合、上記の調査の結果、図２（ｂ）に示されるように、第１の音場調整機構１１は、区画Ｂ１（６／２０〜７／２０）、すなわち基準からループ管の全長の３０〜３５％の位置に節型音場調整機構を配置し、第２の音場調整機構１２は、区画Ｂ２（１６／２０〜１７／２０）、すなわち基準からループ管の全長の８０〜８５％の位置に節型音場調整機構を配置するのが最適であることが分かった。
【００５０】
図３の熱音響機関３１は、本発明の第３実施形態に係り、第１の音場調整機構１１に腹型音場調整機構が用いられ、第１の音場調整機構１１は区画Ａ１に配置され、第２の音場調整機構１２に節型音場調整機構が用いられ、第２の音場調整機構１２は区画Ｂ２に配置されている。このように、型の異なる２つの音場調整機構を組み合わせて、それぞれ最適位置に配置しても本発明は実施できる。
【００５１】
ここまでの実施形態では、腹型音場調整機構として、拡大管、分岐管、振動子を例示し、節型音場調整機構として、縮小管、共鳴管を例示したが、これら以外の形態であっても、各型の音場調整機構を前述した所定の位置に設置すれば、本発明の効果を得ることができる。
【００５２】
以上説明したように、本発明によれば、原動機６から受動機１０までの間に第１の音場調整機構１１が配置され、受動機１０から原動機６までの間に第２の音場調整機構１２が配置されることで、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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１，２１，３１の体積を従来より小さくすることができる。
【００５６】
また、本発明によれば、エネルギ変換効率が向上するので、受動機１０として冷凍機、冷却機を組み込んで冷凍装置、冷却装置を構成した場合、従来と比較して、冷凍・冷却性能を飛躍的に向上させることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１，２１，３１  熱音響機関
２  ループ管
３  原動機の加熱器
４  原動機の再生器
５  原動機の冷却器
６  原動機
７  受動機の加熱器
８  受動機の再生器
９  受動機の冷却器
１０  受動機
１１  第１の音場調整機構
１２  第２の音場調整機構
【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】
2011153742.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011153742.tif 000011
【図１０】
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