(57)【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。
【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
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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