(57)【要約】【課題】熱音響機関の冷却水循環装置に関し、熱音響機関の実質的な出力を効果的に向上させる。【解決手段】共鳴管２に、加熱器３、冷却器４及び、再生器５を配置した熱音響機関１の冷却水循環装置１０であって、共鳴管２に凹設されてその内部に冷却水が貯留される貯留部１１と、上流端を貯留部１１に接続されると共に下流端を冷却器４に接続された第１の冷却水流路１２と、上流端を冷却器４に接続されると共に下流端を貯留部１１に接続された第２の冷却水流路１３と、第１の冷却水流路１２及び第２の冷却水流路１３に設けられて冷却水を上流側から下流側にのみ流通させる逆止弁１４，１５と、第１の冷却水流路１２に接続されて共鳴管２内に生じる圧力変動に応じて冷却水が流入又は送出される圧力調整室１６と、第２の冷却水流路１３に設けられて冷却水と外気との熱交換を行う放熱器１７とを備える。【選択図】図１
2013199905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体が封入された共鳴管に、外部から熱を取り込む加熱器、外部に熱を放出させる冷却器及び、前記加熱器と前記冷却器との間の温度勾配を保持する再生器を配置した熱音響機関の冷却水循環装置であって、
前記共鳴管に凹設されて、その内部に冷却水が貯留される貯留部と、
上流端を前記貯留部に接続されると共に下流端を前記冷却器に接続されて、前記貯留部から前記冷却器に冷却水を導く第１の冷却水流路と、
上流端を前記冷却器に接続されると共に下流端を前記貯留部に接続されて、前記冷却器から前記貯留部に冷却水を戻す第２の冷却水流路と、
前記第１の冷却水流路又は前記第２の冷却水流路の少なくとも一方に設けられて、冷却水を上流側から下流側にのみ流通させる少なくとも一つの逆止弁と、
前記第１の冷却水流路又は前記第２の冷却水流路の何れか一方に接続されて、前記共鳴管内に生じる圧力変動に応じて冷却水が流入又は送出される圧力調整室と、
前記第１の冷却水流路又は前記第２の冷却水流路の何れか一方に設けられて、冷却水と外気との熱交換を行う放熱器と、を備えることを特徴とする熱音響機関の冷却水循環装置。
【請求項２】
前記逆止弁は、前記第１の冷却水流路と前記第２の冷却水流路とにそれぞれ設けられている請求項１に記載の熱音響機関の冷却水循環装置。
【請求項３】
前記第１の冷却水流路の内径は、前記共鳴管の内径よりも小さく形成されている請求項１又は２に記載の熱音響機関の冷却水循環装置。
【請求項４】
前記共鳴管は、前記加熱器と前記冷却器と前記再生器とが設けられたループ状のループ状配管部と、その一端部を前記ループ状配管部に接続された直線状の直線状配管部とを有する請求項１から３の何れかに記載の熱音響機関の冷却水循環装置。
【請求項５】
前記貯留部は、前記直線状配管部の他端部に隣接して凹設されている請求項４に記載の熱音響機関の冷却水循環装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響機関の冷却水循環装置に関し、特に、共鳴管内に生じる圧力変動を利用して冷却水を循環させる熱音響機関の冷却水循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱音響機関として、気体が封入された共鳴管に、外部から熱を取り込む加熱器、外部に熱を放出させる冷却器及び、これら加熱器と冷却器との間で温度勾配を保持するスタックと呼ばれる再生器を配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この熱音響機関は、音波がピストンの役割を果たすため可動部分を有しないエンジンとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３１９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の熱音響機関においては、加熱器は排気熱等により加熱される一方、冷却器は外部から供給される冷却水等により冷却されている。このため、従来の熱音響機関では、冷却水を循環させるために外部電源等で駆動するウォータポンプが用いられている。また、このウォータポンプの駆動には、発電機により発電される電力で駆動する電動モータが用いられている。例えば、発電効率を８０％、モータ効率を８０％、ポンプ損失を７０％とすると、システム全体の効率は４４．８％となり、結果として冷却水の循環システムの効率は高くならない。そのため、熱音響機関単体で出力が得られたとしても、冷却系の効率を向上させなければ、システム全体としてプラスの出力を得られない可能性がある。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、外部電源等で駆動する電動モータやウォータポンプを用いることなく、冷却水を効率よく循環させることで、熱音響機関の特徴である可動部分を有しない点をこれら機器により阻害されることなく、熱音響機関の実質的な出力を効果的に向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本発明の熱音響機関の冷却水循環装置は、気体が封入された共鳴管に、外部から熱を取り込む加熱器、外部に熱を放出させる冷却器及び、前記加熱器と前記冷却器との間の温度勾配を保持する再生器を配置した熱音響機関の冷却水循環装置であって、前記共鳴管に凹設されて、その内部に冷却水が貯留される貯留部と、上流端を前記貯留部に接続されると共に下流端を前記冷却器に接続されて、前記貯留部から前記冷却器に冷却水を導く第１の冷却水流路と、上流端を前記冷却器に接続されると共に下流端を前記貯留部に接続されて、前記冷却器から前記貯留部に冷却水を戻す第２の冷却水流路と、前記第１の冷却水流路又は前記第２の冷却水流路の少なくとも一方に設けられて、冷却水を上流側から下流側にのみ流通させる少なくとも一つの逆止弁と、前記第１の冷却水流路又は前記第２の冷却水流路の何れか一方に接続されて、前記共鳴管内の圧力変動に応じて冷却水が流入又は送出される圧力調整室と、前記第１の冷却水流路又は前記第２の冷却水流路の何れか一方に設けられて、冷却水と外気との間で熱交換を行う放熱器とを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、前記逆止弁は、前記第１の冷却水流路と前記第２の冷却水流路とにそれぞれ設けられてもよい。
【０００８】
また、前記共鳴管は、前記加熱器と前記冷却器と前記再生器とが設けられたループ状のループ状配管部と、その一端部を前記ループ状配管部に接続された直線状の直線状配管部とを有するものであってもよい。
【０００９】
また、前記貯留部は、前記直線状配管部の他端部に隣接して凹設されてもよい。
【００１０】
また、前記前記第１の冷却水流路の内径は、前記共鳴管の内径よりも小さく形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱音響機関の冷却水循環装置によれば、外部電源等で駆動する電動モータやウォータポンプを用いることなく、冷却水を効率よく循環させることで、熱音響機関の実質的な出力を効果的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱音響機関の冷却水循環装置を示す模式的な全体構成図である。
【図２】（ａ）は共鳴管内が平均圧力よりも高圧になった状態を示す図、（ｂ）は共鳴管内が平均圧力よりも低圧になった状態を示す図である。
【図３】他の実施形態に係る熱音響機関の冷却水循環装置を示す模式的な全体構成図である。
【図４】他の実施形態に係る熱音響機関の冷却水循環装置を示す模式的な全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図１，２に基づいて、本発明の一実施形態に係る熱音響機関の冷却水循環装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１４】
本実施形態に係る冷却水循環装置１０は、図１に示すような熱音響機関１に適用されるもので、冷却水を貯留する冷却水貯留部１１と、冷却水を熱音響機関１の冷却器４に導く上流側冷却水流路１２と、冷却水を冷却水貯留部１１に戻す下流側冷却水流路１３と、逆止弁としての上流側チェックバルブ１４及び下流側チェックバルブ１５と、空気溜り部としての圧力調整室１６と、冷却水と外気との熱交換を行う放熱器１７とを備え構成されている。なお、本実施形態において、上流側冷却水流路１２は本発明の第１の冷却水流路に相当し、下流側冷却水流路１３は本発明の第２の冷却水流路に相当する。
【００１５】
熱音響機関１の共鳴管２は、ループ状のループ状配管部２ａと、直線状の直線状配管部２ｂとを有する。このループ状配管部２ａには、加熱器３及び冷却器４が配置され、さらに、これら加熱器３と冷却器４との間に再生器５が配置されている。
【００１６】
加熱器３は、排気熱等の外部熱と共鳴管２内に封入された気体との熱交換を行うもので、その内部には図示しない複数のフィンが微小間隔で配置されている。冷却器４は、共鳴管２内に封入された気体と冷却水との熱交換を行うもので、その内部には図示しない複数のフィンが微小間隔で配置されている。再生器５は、加熱器３と冷却器４との間の温度勾配を保持するもので、その内部には図示しない複数のフィンが格子状に配置されている。
【００１７】
すなわち、本実施形態の熱音響機関１では、外部熱により加熱器３が昇温されて共鳴管２内に温度勾配が生じると、熱エネルギーの一部は力学的な音波（振動）エネルギーに変換される。その結果、封入された気体に自励振動が引き起こされて、共鳴管２内に圧力変動が生じるように構成されている。
【００１８】
冷却水貯留部１１は、直線状配管部２ｂの内側面から下方に突出して凹設されており、その中空部内には冷却水が貯留されている。本実施形態において、この冷却水貯留部１１は、直線状配管部２ｂの端部（図１中の右側端部）に隣接して設けられている。
【００１９】
上流側冷却水流路１２は、その上流端を冷却水貯留部１１の底部に接続されると共に、その下流端を冷却器４に接続されている。この上流側冷却水流路１２の内径は、共鳴管２の内径よりも小さく形成されている。
【００２０】
下流側冷却水流路１３は、その上流端を冷却器４に接続されると共に、その下流端は冷却水貯留部１１の中空部内に位置されている。この下流側冷却水流路１３の内径は、共鳴管２の内径よりも小さく形成されている。
【００２１】
上流側チェックバルブ１４は公知の逆止弁であって、上流側冷却水流路１２の上流端に隣接して設けられている。この上流側チェックバルブ１４は、上流側冷却水流路１２内の冷却水を冷却水貯留部１１から圧力調整室１６を介して冷却器４に向かう方向（図１中の矢印Ａ参照）にのみ流通させる。
【００２２】
下流側チェックバルブ１５は公知の逆止弁であって、下流側冷却水流路１３の下流端に隣接して設けられている。この下流側チェックバルブ１５は、下流側冷却水流路１３内の冷却水を冷却器４から放熱器１７を介して冷却水貯留部１１に向かう方向（図１中の矢印Ｂ参照）にのみ流通させる。
【００２３】
圧力調整室１６は中空状の球体に形成されており、接続管１８を介して上流側冷却水流路１２に接続されている。また、圧力調整室１６の球体上部には、図示しない開口孔が設けられている。すなわち、圧力調整室１６は、共鳴管２内に圧力変動が生じて、共鳴管２内の圧力が平均圧力よりも高くなると、冷却水が冷却水貯留部１１から上流側チェックバルブ１４を通って流れ込む一方、共鳴管２内の圧力が平均圧力よりも低くなると、流れ込んだ冷却水が冷却器４に向けて送出されるように構成されている。
【００２４】
放熱器１７は、冷却器４を流通して下流側冷却水流路１３に流入した冷却水を、外気との熱交換により放熱させるもので、冷却器４と下流側チェックバルブ１５との間に位置する下流側冷却水流路１３に介装されている。すなわち、冷却器４で共鳴管２内の気体との熱交換により昇温された冷却水は、この放熱器１７で外気との熱交換により冷却されて、冷却水貯留部１１に戻されるように構成されている。
【００２５】
次に、本実施形態に係る熱音響機関の冷却水循環装置１０による作用効果について説明する。
【００２６】
熱音響機関１の加熱器３が排気熱等の外部熱との熱交換により昇温されると、共鳴管２内の温度勾配により熱エネルギーの一部が力学的な音波エネルギーに変換される。そして、共鳴管２内に封入された気体が自励振動を引き起こすことで、共鳴管２内に圧力変動が生じる。
【００２７】
その結果、共鳴管２内の圧力が平均圧力よりも高くなると、図２（ａ）に示すように、冷却水貯留部１１内の冷却水は上流側冷却水流路１２から上流側チェックバルブ１４を流通して圧力調整室１６に流れ込む。この時、冷却水貯留部１１から下流側冷却水流路１３への冷却水の流入は、下流側チェックバルブ１５により阻止される。
【００２８】
次に、共鳴管２内の圧力が平均圧力よりも低くなると、図２（ｂ）に示すように、圧力調整室１６に流れ込んだ冷却水は上流側冷却水流路１２内を流れて冷却器４に送出される。この時、圧力調整室１６から冷却水貯留部１１への冷却水の流入は、上流側チェックバルブ１４により阻止される。そして、冷却器４で共鳴管２内の気体と熱交換を行った冷却水は、下流側冷却水流路１３内を流れて放熱器１７で外気との熱交換を行った後、下流側チェックバルブ１５を流通して再び冷却水貯留部１１へと戻される。
【００２９】
すなわち、本実施形態の冷却水循環装置１０によれば、熱音響機関１の共鳴管２内に生じる圧力変動を利用して、冷却水を効率よく循環させることが可能となる。
【００３０】
したがって、冷却水を循環させるためのウォータポンプや電動モータ等が不要になると共に、これらを駆動させるための外部電源も不要となり、熱音響機関１の実質的な出力を効果的に向上することができる。
【００３１】
また、本実施形態の冷却水循環装置１０によれば、ウォータポンプや駆動モータ等を備える必要がなく、可動部分は上流側チェックバルブ１４や下流側チェックバルブ１５のみとなる。
【００３２】
したがって、可動部分を減らしてシステム構成を簡略化することが可能となり、装置のコスト低減や信頼性を効果的に向上することができる。
【００３３】
また、本実施形態の冷却水循環装置１０によれば、冷却水貯留部１１は圧力変動幅が最も大きくなる共鳴管２の直線状配管部２ｂの端部に隣接して凹設されている。
【００３４】
したがって、高圧時に冷却水貯留部１１から上流側冷却水流路１２に冷却水を送出する効率と、低圧時に下流側冷却水流路１３から冷却水貯留部１１に冷却水を引き戻す効率とを効果的に向上することができる。
【００３５】
また、本実施形態の冷却水循環装置１０によれば、上流側冷却水流路１２と下流側冷却水流路１３との内径は、共鳴管２の内径よりも小さく形成されている。
【００３６】
したがって、共鳴管２内で発生する音波（振動）エネルギーのうち、冷却水の循環のために用いられるエネルギーを効果的に抑制することができると共に、熱音響機関１の出力に与える影響を小さくすることができる。
【００３７】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００３８】
例えば、図３に示すように、熱音響機関１として、共鳴管２が直線状の直線状配管部２ｂのみを備え、この直線状配管部２ｂに加熱器３、冷却器４及び、再生器５を配置したものを用いることもできる。
【００３９】
さらに、図４に示すように、熱音響機関１として、共鳴管２が単一のループを形成するループ状配管部２ａのみを備え、このループ状配管部２ａに加熱器３、冷却器４及び、再生器５を配置したものを用いることもできる。
【００４０】
これら何れの場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１  熱音響機関
２  共鳴管
２ａ  ループ状配管部
２ｂ  直線状配管部
３  加熱器
４  冷却器
５  再生器
１０  冷却水循環装置
１１  冷却水貯留部（貯留部）
１２  上流側冷却水流路（第１の冷却水流路）
１３  下流側冷却水流路（第２の冷却水流路）
１４  上流側チェックバルブ（逆止弁）
１５  下流側チェックバルブ（逆止弁）
１６  圧力調整室
１７  放熱器
【図１】
2013199905.tif 000003
【図２】
2013199905.tif 000004
【図３】
2013199905.tif 000005
【図４】
2013199905.tif 000006