(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響管と、音響管内の流体の共鳴周波数またはそれに近い周波数で振動して音響管内に管軸方向に沿って振動の腹と節が生じる圧力波を発生させる音響駆動装置とを具え、音響管の管壁には、それぞれ音響管の内部に連通する流路を有する複数の閉じた枝管が、音響管の周りに管軸方向に間隔をあけて配列されていることを特徴とする圧力波発生装置。
【請求項２】
音響管と、該音響管内の流体の共鳴周波数またはそれに近い周波数で振動して音響管内に管軸方向に沿って振動の腹と節が生じる圧力波を発生させる音響駆動装置とを具え、音響管の管壁には、それぞれ音響管の内部に連通する流路を有する複数のヘルムホルツ共鳴器が、音響管の周りに管軸方向に間隔をあけて配列されていることを特徴とする圧力波発生装置。
【請求項３】
ヘルムホルツ共鳴器は、音響管よりも細い流路を有して音響管の管壁に基端部が接続された喉部と、該喉部の先端部に接続されて喉部の流路を拡大する一定容積の閉じた空洞部とから構成されている請求項２に記載の圧力波発生装置。
【請求項４】
音響管には吸気管と排気管が接続され、吸気管から吸入されたガスが排気管から吐出される請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力波発生装置。
【請求項５】
音響管の内部に蓄冷器が配置されると共に、音響管の管路の周囲には、蓄冷器の高温側端部及び低温側端部にそれぞれ対応させて、高温側熱交換器及び低温側熱交換器が配備され、両熱交換器を介して放熱と冷却が行なわれる請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力波発生装置。
【請求項６】
音響管はリング状に形成され、該音響管の管路に向かって音響駆動装置が接続されている請求項５に記載の圧力波発生装置。
【請求項７】
音響駆動装置は、リニアモータによって振動板を往復駆動させるものである請求項１乃至請求項６の何れかに記載の圧力波発生装置。
【請求項８】
音響駆動装置は、ピエゾ振動子によって振動板を往復駆動させるものである請求項１乃至請求項６の何れかに記載の圧力波発生装置。
【請求項９】
音響駆動装置は、ダイヤフラムを往復駆動させるものである請求項１乃至請求項６の何れかに記載の圧力波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響管の内部へ音波を放射することによって音響管内の流体に衝撃波を発生させることなく大振幅の圧力変動を発生させる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体を圧縮するための圧力波発生装置として、音響管の一方の端部に流体の入口と出口を設けると共に、音響管の他方の端部に音響駆動装置を接続して構成される音響式圧縮機が知られている(例えば、特開平11-303800、特開平8-219100、特開平4-224279号等)。
音響式圧縮機においては、音響駆動装置の駆動によって音響管の内部に圧力変動が発生して、この圧力変動によって音響管の入口から流体が吸入されつつ出口から流体が吐出され、吸入流体と吐出流体の圧力差によって、流体の圧縮が行なわれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の音響式圧縮機においては、音響管内の流体の圧力変動が大きくなるに伴って衝撃波が発生し、この結果、流体の圧力変動の振幅の大きさが制限されることになり、吸入流体と吐出流体の圧力差、即ち流体の圧縮率に限界が生じるばかりでなく、流体ひいては装置自体が発熱して高温となったり、大きな騒音が発生する問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、音響式圧縮機等の圧力波発生装置において衝撃波の発生を抑制して、従来よりも大振幅の圧力波を得ることである。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
ところで、本発明者は以前に、ヘルムホルツ共鳴器の配列を具えたトンネル内における非線形音波の伝搬について理論的な解析を行なった(“Propagation of nonlinear acoustic waves in a tunnel with an array of Helmholtz resonators” J. Fluid Mech. (1992), vol.244, pp.55-78)。この結果、トンネルの軸方向に沿って適当なヘルムホルツ共鳴器の配列を接続すれば、トンネルに高速列車が通過することによって発生する圧力波から生じる衝撃波を、効果的に抑制出来ることを明らかにした。
そこで、本発明者らは、圧力波発生装置における衝撃波の抑制にこの理論を応用することに想到し、その効果を確認することによって、本発明の完成に至った。
【０００６】
本発明に係る圧力波発生装置は、閉じられた音響管(１)と、音響管(１)内の流体の共鳴周波数またはそれに近い周波数で振動して音響管(１)内に管軸方向に沿って振動の腹と節が生じる圧力波を発生させる音響駆動装置(３)とを具え、音響管(１)の管壁には、それぞれ音響管(１)の内部に連通する流路を有する複数のヘルムホルツ共鳴器(２)が、音響管(１)の周囲に管軸方向に間隔をあけて配列されている(図１参照)。
尚、ヘルムホルツ共鳴器(２)は、音響管(１)よりも細い流路を有して音響管(１)の管壁に基端部が接続された喉部(21)と、該喉部(21)の先端部に接続されて喉部(21)の流路を拡大する一定容積の閉じた空洞部(22)とから構成される。
【０００７】
後述する実験の結果からも明らかな様に、上記本発明の圧力波発生装置においては、ヘルムホルツ共鳴器の配列を具えたトンネル内の圧力波の伝搬における作用と同様の作用(後述する幾何分散)が起こり、これによって音響管(１)内での衝撃波の発生が抑制される。
【０００８】
具体的構成において、音響管(１)には吸気管(13)と排気管(14)が接続される。これによって音響式圧縮機が構成され、吸気管(13)から吸入された流体が圧縮されて、排気管(14)から吐出される。
【０００９】
他の具体的構成において、音響管(１)は直管状若しくはリング状に形成され、該音響管(１)の内部に蓄冷器(41)が配置されると共に、音響管(１)の管路の周囲には、蓄冷器(41)の高温側端部及び低温側端部にそれぞれ対応させて、高温側熱交換器(42)及び低温側熱交換器(43)が配備される(図８参照)。これによって音響式冷凍機が構成され、両熱交換器(42)(43)を介して放熱と冷却が行なわれる。
【００１０】
音響管(１)に複数個設置される共鳴器として、ヘルムホルツ共鳴器(２)の替わりに、閉じた枝管(２ａ)を複数個設置することも可能である(図１１参照)。
音響駆動装置(３)としては、リニアモータの替わりに、ピエゾ振動子(35)によって、ベローズ(31)を介して振動板(32)を往復駆動するものや、ベローズの替わりにダイヤフラム(36)を往復駆動するもの(図１０参照)を採用することが出来る。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る圧力波発生装置によれば、音響管に沿って空洞列を配列した簡易な構成によって衝撃波の発生が効果的に抑制され、その結果、衝撃波を伴わない従来よりも大きい圧力振幅を得ることが出来る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を音響式圧縮機と音響式冷凍機に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
【００１３】
第１実施例
本実施例の音響式圧縮機は、図１に示す如く、音響管(１)の一方の端部にガスの入口と出口を設け、該入口と出口には、それぞれ逆止弁(11)(12)を介して吸気管(13)と排気管(14)を接続すると共に、音響管(１)の他方の端部には、管内に圧力変動を発生させる音響駆動装置(３)を接続して構成されている。
【００１４】
音響管(１)の管壁には、それぞれ音響管(１)の内部に連通する流路を有する複数のヘルムホルツ共鳴器(２)が、音響管(１)の管軸方向に一定間隔で配列されている。ここでヘルムホルツ共鳴器(２)は、音響管(１)よりも細い流路を有して音響管(１)の管壁に基端部が接続された喉部(21)と、該喉部(21)の先端部に接続されて喉部(21)の流路を拡大する一定容積の閉じた空洞部(22)とから構成されている。
【００１５】
又、音響駆動装置(３)は、音響管(１)の前記他方の端部に接続されたベローズ(31)と、該ベローズ(31)の端部に取り付けられた振動板(32)と、該振動板(32)を往復駆動させるリニアモータ(33)と、リニアモータ(33)の振動に復元力を与えるばね(34)とから構成されている。
【００１６】
上記音響式圧縮機においては、音響駆動装置(３)の駆動によって音響管(１)の内部に、破線で示す如く管両端が腹となる大きな振幅の圧力変動が発生する。この圧力変動によって、吸気管(13)からガスが吸入されつつ、排気管(14)からガスが吐出されて、吸入ガスと吐出ガスの圧力差によってガスの圧縮が行なわれる。
【００１７】
又、上記音響式圧縮機においては、音響管(１)内に発生する圧力変動がヘルムホルツ共鳴器(２)の内部にも及び、この際、複数のヘルムホルツ共鳴器(２)は、音響管(１)の長手方向に沿って繰り返し配列されているので、各ヘルムホルツ共鳴器(２)は、非線形性によって発生する高周波成分、すなわち駆動周波数の整数倍の複数の波成分に対して異なる応答を示し、この結果、衝撃波の原因となる圧力波に幾何分散性を与えて、衝撃波の発生を抑制するのである。
【００１８】
図２は、従来の音響管における衝撃波発生のメカニズムを説明するものである。１つの圧力波において、圧力の高い部分は圧力の低い部分よりも伝搬速度が速いために、図２の如く、最初はサインカーブであった波形が、時間ｔの経過に伴って変形し、ピーク部が鋭く尖ってくる。この結果、急激な圧力変化が発生して、衝撃波となる。
【００１９】
これに対し、ヘルムホルツ共鳴器(２)の配列を具えた本発明の音響管(１)においては、上述の如く各ヘルムホルツ共鳴器(２)が周波数の異なる複数の波の成分に対して異なる応答を示すので、図３に示す如く、１つの音波を構成する波長の異なる複数の波の成分が、時間ｔの経過に伴って、図示の如く徐々に分散してくる。この様に、媒質自身は分散性のないガスに分散性が与えられることになり、音波のピーク部が鋭く尖る現象は回避され、衝撃波の発生が抑制されるのである。
【００２０】
図４〜図７は、上記本発明の音響式圧縮機の効果を確認するために行なった実験の結果を表わしている。
実験においては、音響管(１)の長さを３.２ｍ、内径を８０ｍｍ、各ヘルムホルツ共鳴器(２)の空洞容積を５０ｃｃ、ヘルムホルツ共鳴周波数を２３８Ｈｚ、ヘルムホルツ共鳴器(２)の軸方向の間隔を５０ｍｍ、ヘルムホルツ共鳴器(２)の数を６４個に設定し、音響駆動装置(３)を共鳴周波数の付近で駆動して、音響管(１)の固定端での圧力変動(最大値-最小値)が大気圧の１５％となる様に調整した。尚、音響駆動装置(３)の共鳴周波数は、ヘルムホルツ共鳴器のない従来の音響管では５３Ｈｚ、ヘルムホルツ共鳴器(２)の配列を具えた本発明の音響管(１)では４８Ｈｚである。
【００２１】
図４及び図５は、それぞれ従来の音響管と本発明の音響管において、音響管の固定端(音響駆動装置とは反対側の端部)における圧力変動を表わしている。図４の如く、ヘルムホルツ共鳴器を具えない従来の音響管では、波形が鋭く尖って衝撃波が発生しているのに対し、図５の如く、ヘルムホルツ共鳴器の配列を具えた本発明の音響管では、滑らかな波形となっており、衝撃波は発生していない。
【００２２】
又、図６及び図７は、それぞれ従来の音響管と本発明の音響管において、音響管の全長の７／１６の距離だけ音響駆動装置から離れた位置における圧力変動を表わしている。図６の如く、ヘルムホルツ共鳴器を具えない従来の音響管では、波形が鋭く尖って衝撃波が発生しているのに対し、図７の如く、ヘルムホルツ共鳴器の配列を具えた本発明の音響管では、滑らかな波形となっており、衝撃波は発生していない。
【００２３】
この様に本発明に係る音響式圧縮機においては、音響管(１)の内部で衝撃波は発生しないので、吸入ガスと排気ガスにさらに大きな圧力差を与えても、高い圧縮率を実現することが出来る。又、大きな騒音の発生もなく、高いエネルギー効率が得られる。
【００２４】
第２実施例
本発明に係る音響式冷凍機においては、図８に示す如く、音響管(１)の内部に、積層平板状の蓄冷器(41)が設置されると共に、音響管(１)の周囲には、蓄冷器(41)の両端にそれぞれ対応させて、高温側熱交換器(42)と低温側熱交換器(43)が配備されている。
【００２５】
第１実施例と同様に、音響管(１)の管壁には、それぞれ音響管(１)の内部に連通する流路を有する複数のヘルムホルツ共鳴器(２)が、音響管(１)の管軸方向に一定間隔で配列されている。ここでヘルムホルツ共鳴器(２)は、音響管(１)よりも細い流路を有して音響管(１)の管壁に基端部が接続された喉部(21)と、該喉部(21)の先端部に接続されて喉部(21)の流路を拡大する一定容積の空洞部(22)とから構成されている。
又、音響駆動装置(３)は、音響管(１)の前記他方の端部に接続されたベローズ(31)と、該ベローズ(31)の端部に取り付けられた振動板(32)と、該振動板(32)を往復駆動するリニアモータ(33)と、リニアモータ(33)の振動に復元力を与えるばね(34)とから構成されている。
【００２６】
上記音響式冷凍機においては、音響駆動装置(３)の駆動によって、音響管(１)の内部に、破線で示す如く管両端が腹となる大きな圧力変動が発生する。この圧力変動により、蓄冷器(41)を介して、圧力の腹に近い高温側熱交換器(42)へ熱が放出されつつ、圧力の節に近い低温側熱交換器(43)から吸熱し、対象物の冷却が行なわれる。
【００２７】
又、上記音響式冷凍機においては、音響管(１)内に発生する圧力変動が各ヘルムホルツ共鳴器(２)の内部にも及び、音響管(１)内の圧力変動とヘルムホルツ共鳴器(２)内の圧力変動が相互に影響を与える。この際、複数のヘルムホルツ共鳴器(２)は、音響管(１)の長手方向に沿って繰り返し配列されているので、各ヘルムホルツ共鳴器(２)は、圧力波に含まれる周波数の異なる複数の波成分に対して異なる応答を示し、この結果、衝撃波の原因となる音波に幾何分散性が与えられて、衝撃波の発生が抑制されるのである。
この様に、本発明に係る音響式冷凍機においては、音響管(１)の内部で衝撃波は発生しないので、大きな圧力変動を得ることが出来る。従って、高い圧力比により大きな冷凍能力を実現することが出来る。又、大きな騒音も少ないので、高いエネルギー効率が得られる。
【００２８】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、音響式冷凍機において、音響管(１)は、図８の如き直管状に限らず、図９の如くリング状に構成することも可能である。この場合、音響管(１)の内部には、多孔質状の蓄冷器(44)が設置され、該音響管(１)の管路に音響駆動装置(３)が接続される。該音響式冷凍機においても、図８の音響式冷凍機と同様の効果が得られるのは、言うまでもない。
又、音響式圧縮機及び音響式冷凍機において、ホルムヘルツ共鳴器(２)の替わりに、共鳴周波数を持つ閉鎖空洞、例えば図１１に示す如き枝管(２ａ)を複数個配置しても、同様な効果を有する装置が実現可能である。
更に、音響駆動装置(３)としては、リニアモータ(33)の替わりにピエゾ振動子(35)を用いたり、図１０に示す如くダイヤフラム(36)を往復駆動するものを採用して、該音響駆動装置(３)を音響管(１)の圧力の節近くに配置し、音響管(１)の長さを駆動される圧力波の波長の４分の１程度とすることも可能である。
【００２９】
又、本発明の圧力波発生装置は、排気管(14)に繋がる容器内のガスの圧縮を目的とする圧縮機のみならず、発生させる圧力差によりガスの移送を行なう移送ポンプや、吸気管(13)に繋がる容器内の真空化を目的とする真空ポンプに応用することも可能である。
更に、ヘルムホルツ共鳴器(２)は、図１の如く別体のものを一定間隔で配列する構成に限らず、音響管(１)を二重管構造として、その外側の管壁に複数の空洞を開設して、ヘルムホルツ共鳴器(２)の配列を形成する構成も採用可能である。
【００３０】
更に又、共鳴現象を利用した音響式冷凍機の逆サイクルである熱機関は、高温側熱交換器(42)を熱の入力装置とし、音響駆動装置(３)を機械動力の出力装置として、音響式冷凍機と同様に実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における音響式圧縮機の断面図である。
【図２】衝撃波発生のメカニズムの説明図である。
【図３】本発明における幾何分散性が衝撃波発生を抑制する説明図である。
【図４】従来の音響管における固定端での圧力変動を表わすグラフである。
【図５】本発明の音響管における固定端での圧力変動を表わすグラフである。
【図６】従来の音響管における管長さの7/16だけ駆動装置から離れた位置での圧力変動を表わすグラフである。
【図７】本発明の音響管における管長さの7/16だけ駆動装置から離れた位置での圧力変動を表わすグラフである。
【図８】本発明の第２実施例における音響式冷凍機の断面図である。
【図９】第２実施例における音響管の他の構成例を示す断面図である。
【図１０】音響駆動装置の他の構成例を示す断面図である。
【図１１】共鳴器の他の形状を示す音響式圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
(１)  音響管
(11)  逆止弁
(12)  逆止弁
(13)  吸気管
(14)  排気管
(２)  ヘルムホルツ共鳴器
(２ａ)  枝管
(21)  喉部
(22)  空洞部
(３)  音響駆動装置
(31)  ベローズ
(32)  振動板
(33)  リニアモータ
(34)  ばね
(35)  ピエゾ振動子
(36)  ダイヤフラム
(41)  蓄冷器
(42)  高温側熱交換器
(43)  低温側熱交換器
(44)  蓄冷器
【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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