(57)【要約】【課題】エンジンを駆動源とする熱音響冷凍を簡単な構成によって行なう。【解決手段】冷凍機１は、第１通気管２とファン３と共鳴管４と管状部材５と第１スタック６とを備える。第１通気管２は、気体が流通する第１通気路８を内部に区画する。ファン３は、第１通気路８に設けられ、エンジン９の駆動によって従動回転して第１通気路８内の気体を流通させる。共鳴管４は、ファン３の下流側で通気管２と交叉して連通する音響空間１０を内部に区画する。管状部材５は、第１通気路８と音響空間１０との交叉領域１１に固定的に設けられる。第１通気路８から交叉領域１１へ流入する気体は、管状部材５に衝突してカルマン渦を発生する。第１スタック６は、音響空間１０に設けられる。交叉領域１１で発生するカルマン渦は、共鳴管４の共鳴周波数と略一致する放出周波数で振動して音響空間１０に空力自励音を発生させる。音響空間１０の空力自励音によって第１スタック６に温度差が発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体が流通する第１通気路を内部に区画する第１通気管と、
前記第１通気路に設けられ、エンジンの駆動によって従動回転して前記第１通気路内の気体を流通させるファンと、
前記ファンの下流側で前記第１通気路と交叉して連通する第２通気路を内部に区画する第２通気管と、
前記第１通気路と前記第２通気路との交叉領域に固定的に設けられ、前記第１通気路から前記交叉領域へ流入する気体が衝突してカルマン渦を発生するカルマン渦生成部材と、
前記交叉領域の両側の前記第２通気路に配置され、前記第２通気路を開閉自在な１対の開閉部材と、
前記第２通気路に設けられる第１スタック及び第２スタックと、を備え、
前記１対の開閉部材が前記第２通気路を閉塞する第２通気路閉塞状態で、前記第２通気管のうち前記１対の開閉部材の間で前記交叉領域を含む範囲は、内部に音響空間を区画する共鳴管として機能し、
前記第１スタックは、前記第２通気路のうち前記音響空間として機能する領域に配置され、
前記第２スタックは、前記第２通気路のうち前記音響空間として機能しない領域に配置され、
前記交叉領域で発生するカルマン渦は、前記第２通気路閉塞状態で前記共鳴管の共鳴周波数と略一致する放出周波数で振動して前記音響空間に空力自励音を発生させ、
前記音響空間の空力自励音によって前記第１スタックに温度差が発生し、
前記１対の開閉部材が前記第２通気路を開放する第２通気路開放状態で、前記第２スタックに温度差を発生させることにより、前記第１スタックに温度差が発生する
ことを特徴とする空力自励音式冷凍機。
【請求項２】
請求項１に記載の空力自励音式冷凍機であって、
前記１対の開閉部材を前記第２通気路閉塞状態と前記第２通気路開放状態とに切替える開閉制御手段を備え、
前記開閉制御手段は、前記１対の開閉部材を、前記エンジンが作動している間は前記第２通気路閉塞状態に設定し、前記エンジンが停止している間は前記第２通気路開放状態に設定する
ことを特徴とする空力自励音式冷凍機。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の空力自励音式冷凍機であって、
前記第２スタックには、前記エンジンの排気熱によって温度差が発生する
ことを特徴とする空力自励音式冷凍機。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の空力自励音式冷凍機であって、
前記カルマン渦生成部材は、内部を冷却水が流通する管状部材である
ことを特徴とする空力自励音式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響冷凍を用いる空力自励音式冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、チューブと振動機構とスタックとを具備する熱音響冷凍サイクルが記載されている。振動機構は、チューブに連設される外部ケースと、所定のバネ係数を有するスプリングと、スプリングの一端に固着された振動板とによって構成され、チューブの一端に設けられる。振動板は、自動車のエンジンによって振動し、チューブ内の流体をチューブの長さに対応した固有振動数で振動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１４６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の熱音響冷凍サイクルでは、エンジンの回転を振動板の振動に変換するとともに、チューブ内の流体が所定の固有振動数で振動するように振動板を振動させなければならない。このため、振動機構の構造が複雑化し、また設計の煩雑化及び困難化を招く。
【０００５】
そこで本発明は、エンジンを駆動源とする熱音響冷凍を簡単な構成によって行なうことが可能な空力自励音式冷凍機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成すべく、本発明の空力自励音式冷凍機は、第１通気管と、ファンと、第２通気管と、カルマン渦生成部材と、１対の開閉部材と、第１スタック及び第２スタックとを備える。第１通気管は、気体が流通する第１通気路を内部に区画する。ファンは、第１通気路に設けられ、エンジンの駆動によって従動回転して第１通気路内の気体を流通させる。第２通気管は、ファンの下流側で第１通気路と交叉して連通する第２通気路を内部に区画する。カルマン渦生成部材は、第１通気路と第２通気路との交叉領域に固定的に設けられる。第１通気路から交叉領域へ流入する気体は、カルマン渦生成部材に衝突してカルマン渦を発生する。１対の開閉部材は、交叉領域の両側の第２通気路に配置され、第２通気路を開閉する。第１スタック及び第２スタックは、第２通気路に設けられる。
【０００７】
１対の開閉部材が第２通気路を閉塞する第２通気路閉塞状態で、第２通気管のうち１対の開閉部材の間で交叉領域を含む範囲は、内部に音響空間を区画する共鳴管として機能する。第１スタックは、第２通気路のうち音響空間として機能する領域に配置される。第２スタックは、第２通気路のうち音響空間として機能しない領域に配置される。
【０００８】
交叉領域で発生するカルマン渦は、第２通気路閉塞状態で共鳴管の共鳴周波数と略一致する放出周波数（脱落周波数）で振動して音響空間に空力自励音を発生させる。換言すると、共鳴管の共鳴周波数と一致する放出周波数を持つカルマン渦が発生するように、交叉領域へ流入する気体の流速（ファンの羽形状及び回転数）や、カルマン渦生成部材の形状及び配置などが設定される。音響空間の空力自励音によって第１スタックに温度差が発生する。また、１対の開閉部材が第２通気路を開放する第２通気路開放状態で、第２スタックに温度差を発生させることにより、第１スタックに温度差が発生する。
【０００９】
空力自励音式冷凍機は、１対の開閉部材を第２通気路閉塞状態と第２通気路開放状態とに切替える開閉制御手段を備えてもよい。開閉制御手段は、１対の開閉部材を、エンジンが作動している間は第２通気路閉塞状態に設定し、エンジンが停止している間は第２通気路開放状態に設定する。
【００１０】
上記構成では、１対の開閉部材は、エンジンが作動している間は第２通気路閉塞状態に設定され、エンジンが停止している間は、第２通気路開放状態に設定される。
【００１１】
エンジンが作動している間は、エンジンの駆動によってファンが従動回転し、ファンの回転によって第１通気管を気体が流通して交叉領域へ流入する。交叉領域に流入した気体はカルマン渦生成部材に衝突し、カルマン渦生成部材の周囲を流れる気体の流速（ギャップ流速）に比例した放出周波数を持つカルマン渦が発生する。カルマン渦の放出周波数は、共鳴管の共鳴周波数と略一致し、音響空間に空力自励音が発生する。空力自励音の発生により、第１スタックの低圧側は低温側となり、高圧側は高温側となる。第１スタックの低圧側からの吸熱によって、共鳴管の外部を冷却することができる。
【００１２】
また、エンジンが停止している間（例えば走行中のアイドルストップ時など）は、ファンが回転せず、カルマン渦による空力自励音を発生させることができないため、１対の開閉部材を第２通気路開放状態に設定し、第２スタックに温度差を発生させる。第２スタックに温度差を発生させると、第２通気路に熱音響自励振動が発生し、この熱音響自励振動によって第１スタックに温度差が発生する。従って、第１スタックの低温側（低圧側）からの吸熱によって、共鳴管の外部を冷却することができる。
【００１３】
このように、カルマン渦生成部材を固定的に設け、エンジンの駆動によってファンを回転させるという簡単な構成によって、エンジンを駆動源とする熱音響冷凍を行なうことができる。
【００１４】
また、エンジンの停止中であっても、第２スタックに温度差を発生させることによって、エンジンの作動時と同様に第１スタックによる冷却を行なうことができる。
【００１５】
また、エンジンの排気熱によって第２スタックに温度差を発生させてもよい。
【００１６】
上記構成では、エンジンの排気熱を利用して、エンジン停止中の冷却を行うことができる。
【００１７】
また、カルマン渦生成部材は、内部を冷却液が流通する管状部材であってもよい。
【００１８】
上記構成では、交叉領域内の気体の温度が管状部材内を流通する冷却液によって冷却されるので、スタックの低圧側をさらに低温化することができ、冷却効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、エンジンを駆動源とする熱音響冷凍を簡単な構成によって行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る空力自励音式冷凍機を模式的に示す概略構成図である。
【図２】共鳴管を模式的に示す断面図である。
【図３】共鳴管の音響空間で発生する空力自励音を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態に係る空力自励音式冷凍機（以下、単に冷凍機と称する）１について図面を参照して説明する。
【００２２】
図１に示すように、冷凍機１は、第１通気管２と、ファン３と、第２通気管１４と、複数の管状部材（カルマン渦生成部材）５と、１対の開閉部材１５，１６と、第１スタック６及び第２スタック１７と、排ガス蓄熱タンク２０と、ＥＣＵ２４とを備え、車両に搭載される。
【００２３】
第１通気管２は、空気やヘリウム等の気体が密閉状態で循環して流通する第１通気路８を内部に区画する。ファン３は、車両のエンジン９の駆動によって従動回転し、第１通気路８内の気体を循環して流通させる。
【００２４】
第２通気管１４は、ループ状（環状）の第２通気路１８を内部に区画する。第２通気管１４の中間部は、ファン３の下流側で第１通気管２に連結され、第２通気路１８は、第１通気路８と十字状に交叉して連通する。
【００２５】
１対の開閉部材１５，１６は、例えば電磁制御弁であり、第１通気路８と第２通気路１８とが交叉する交叉領域１１の両側の第２通気路１８に配置され、第２通気路１８を開閉する。１対の開閉部材１５，１６が第２通気路１８を閉塞する第２通気路閉塞状態で、第２通気管１４のうち１対の開閉部材１５，１６の間で交叉領域１１を含む範囲は、共鳴管４として機能する。共鳴管４は、両端が閉塞され、内部に音響空間１０を区画する細長状の管状体（例えば、円管や矩形管など）である。
【００２６】
管状部材５は、第１通気路８と第２通気路１８との交叉領域１１に複数（本実施形態では６本）配置されて群管部１２を構成し、第２通気管１４に対して固定される。６本の管状部材５は、第１通気路８と第２通気路１８との交叉面に対して略直交する方向に直線状に延び、交叉領域１１に略均等に相互に離間して配置される。本実施形態では、気体の流通方向と略直交する方向（共鳴管４の延設方向）に３本の管状部材５が並んで配置され、これら３本の管状部材５の後方（気体の流通方向の後方）に、残りの３本の管状部材５が並んで配置される。
【００２７】
共鳴管４（第２通気管１４）には、管状部材５が挿通する１２箇所（１本の管状部材５に対して２箇所ずつ）の挿通孔１３が形成され、各管状部材５の両端は、対応する挿通孔１３から共鳴管４の外部へ延びる（図２参照）。管状部材５の内部には、気体を冷却するための冷却水が流通し、管状部材５の外周と挿通孔１３との間は、音響空間１０と外部との通気を遮断するように閉塞している。
【００２８】
ファン３の駆動によって第１通気路８から交叉領域１１へ流入する気体は、群管部１２に衝突してカルマン渦を発生させる。カルマン渦は、群管部１２のギャップ流速に比例した放出周波数で振動する。交叉領域１１へ流入する気体の流速（ファン３の羽形状及び回転数）や、管状部材５の形状及び配置などは、第２通気路閉塞状態で共鳴管４の共鳴周波数と一致する放出周波数を持つカルマン渦が発生するように設定され、カルマン渦によって、共鳴管４の共鳴周波数と略一致する大音響の空力自励音が音響空間１０に発生する。空力自励音の波長λは、音響空間１０の全長Ｌの２倍（Ｌ＝λ／２）であり（図３参照）、発生する空力自励音は、共鳴管４の長手方向の中心で最も低圧となり、両端で最も高圧となる。
【００２９】
スタック（第１スタック６及び第２スタック１７）とは、多数の細かい平板や細管で構成された熱交換器であり、スタックの内部では、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金やセラミクッス等の伝熱体で形成された複数のプレートが積層される。
【００３０】
第１スタック６は、第２通気路１８のうち音響空間１０として機能する領域に配置され、一方の開閉部材１５が配置される共鳴管４の一端（図中左端）と交叉領域１１との間に固定される。カルマン渦によって音響空間１０に空力自励音が発生すると、熱音響現象によって、第１スタック６に温度差（温度勾配）が発生する。本実施形態では、第１スタック６のうち共鳴管４の中心側（交叉領域１１側）の一端（図中右端）６ａが低圧側（低温側）となり、開閉部材１５側の他端（図中左端）６ｂが高圧側（高温側）となる。第１スタック６の他端には、共鳴管４の外部へ露出して第１スタック６の高温側を大気へ放熱するフィン１９が設けられている。
【００３１】
第２スタック１７は、第２通気路１８のうち音響空間１０として機能しない領域（開閉部材１５，１６の外側の領域）に配置される。排ガス蓄熱タンク２０は、エンジン９から排出される排気（排ガス）の一部を高圧状態で貯留する。排ガス蓄熱タンク２０と第２スタック１７との間は、排ガス流通管２１によって接続され、排ガス流通管２１の途中には開閉バルブ２２が設けられる。開閉バルブ２２は、例えば電磁制御弁であり、開閉バルブ２２の開放によって、排ガス蓄熱タンク内の排ガスは、排ガス流通管２１から第２スタック１７の一端（図中右端）１７ａを流通し、ＥＧＲに合流する。第２スタック１７の他端（図中左端）１７ｂには、第２通気管１４の外部へ露出して第２スタック１７の低温側を大気へ放熱するフィン２３が設けられている。第２スタック１７の一端１７ｓが排ガスによって加熱され、第２スタック１７に温度差（温度勾配）が発生すると、大音響の熱音響自励振動が発生する。このとき、１対の開閉部材１５，１６を、第２通気路１８を開放する第２通気路開放状態に設定しておくことによって、上記カルマン渦が発生する場合と同様に、第１スタック６に温度差が発生する。すなわち、エンジン９（ファン３）の停止中であっても、排ガス蓄熱タンク２０に貯留された排ガスの熱量を用いて第２スタック１７に温度差を発生させることによって、第１スタック６に温度差を発生させることができる。
【００３２】
ＥＣＵ（Electric Control Unit）２４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＲＯＭ（Read Only Memory）とＲＡＭ（Random Access Memory）とを備え、ＲＯＭに記憶された冷凍プログラムをＣＰＵが読み出して実行することにより、開閉制御手段として機能して１対の開閉部材１５，１６及び開閉バルブ２２を制御する。ＥＣＵ２４は、エンジン９が作動中であるか停止中であるかを判定し、エンジン９が作動すると、１対の開閉部材１５，１６を閉止して第２通気路閉塞状態に設定するとともに、開閉バルブ２２を閉止する。また、エンジン９が停止すると、１対の開閉部材１５，１６を開放して第２通気路開放状態に設定するとともに、開閉バルブ２２を開放する。
【００３３】
本実施形態によれば、エンジン９が作動している間は、１対の開閉部材１５，１６が第２通気路閉塞状態に設定されるとともに、開閉バルブ２２が閉止される。係る状態で、エンジン９の駆動によってファン３が従動回転し、ファン３の回転によって第１通気路８を気体が循環して流通する。この気体の循環流通の過程で、交叉領域１１へ流入した気体は群管部１２に衝突し、群管部１２のギャップ流速に比例した放出周波数を持つカルマン渦が発生し、共鳴管４の共鳴周波数と略一致する大音響の空力自励音が音響空間１０に発生する。空力自励音の発生により、第１スタック６に温度勾配が発生し、第１スタック６の一端６ａ側は低温側となり、他端６ｂ側は高温側となる。第１スタック６の高温側は、フィン１９からの放熱（Ｑout）によって冷却され、第１スタック６の低圧側が十分に低温化する。従って、第１スタック６の低圧側（一端６ａ側）からの吸熱（Ｑin）により、共鳴管４の外部を冷却することができる。
【００３４】
また、エンジン９が停止している間（例えば走行中のアイドルストップ時など）は、ファン３が回転せず、カルマン渦による空力自励音を発生させることができない。このため、１対の開閉部材１５，１６を第２通気路開放状態に設定するとともに、開閉バルブ２２を開放して、排ガスによって第２スタック１７に温度差を発生させる。第２スタック１７に温度差が発生すると、第２通気路１８に大音響の熱音響自励振動が発生し、この熱音響自励振動（圧力振動）によって、第１スタック６に温度差が発生する。従って、第１スタック６の低温側（低圧側）からの吸熱によって、エンジン９の作動時と同様に、共鳴管４の外部を冷却することができる。
【００３５】
このように、カルマン渦を発生させる管状部材５を固定的に設け、エンジン９の駆動によってファン３を回転させるという簡単な構成によって、エンジン９を駆動源とする熱音響冷凍を行なうことができる。
【００３６】
また、エンジン９の停止中であっても、第２スタック１７に温度差を発生させることによって、エンジン９の作動時と同様に第１スタック６による冷却を行なうことができる。従って、アイドルストップ時でも冷凍機１を継続して作動させることができる。
【００３７】
また、エンジン９の排気熱によって第２スタック１７に温度差を発生させるので、エンジン９の排気熱を利用して、エンジン停止中の冷却を行うことができる。従って、アイドルストップ中でも効率良く冷凍機１を駆動し続けることができ、アイドルストップによる燃費完全効果を向上させることができる。特に、排ガス蓄熱タンク２０に蓄熱しておくので、熱流量の小さな排ガスからでも、第２スタック１７に瞬間的に大きな温度差を発生させて、大音響の熱音響自励振動を発生させることができる。
【００３８】
また、交叉領域１１内の気体の温度が管状部材５内を流通する冷却液によって冷却されるので、第１スタック６の低圧側をさらに低温化することができ、冷却効果を高めることができる。
【００３９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、この実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【００４０】
例えば、管状部材５に代えて、中実の柱状部材をカルマン渦生成部材として設けてもよい。また、音響空間１０における交叉領域１１の位置や第１スタック６の位置は上記に限定されず、他の位置であってもよい。
【００４１】
また、ファン３の下流側で且つ交叉領域１１の上流側の第１通気路８に、例えばラジエータなどの熱交換器を設けてもよい。この場合、交叉領域１１へ流入する気体の温度が熱交換器７での放熱によって低下するので、第１スタック６の低圧側をさらに低温化することができ、冷却効果（冷凍効果）を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の空力自励音式冷凍機は、エンジンを備える車両に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  空力自励音式冷凍機
２  第１通気管
３  ファン
４  共鳴管
５  管状部材（カルマン渦生成部材）
６  第１スタック
８  第１通気路
９  エンジン
１０  音響空間
１１  交叉領域
１２  群管部
１３  挿通孔
１４  第２通気管
１５，１６  開閉部材
１７  第２スタック
１８  第２通気路
１９，２３  フィン
２０  排ガス蓄熱タンク
２１  排ガス流通管
２２  開閉バルブ
２４  ＥＣＵ（開閉制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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