(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】通気管２は、気体が流通する通気路８を内部に区画する。ファン３は、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の下流側で通気路８と交叉して連通する音響空間１０を内部に区画する。バネマス系２０は、音響空間１０の端部の音響インピーダンスの値を変更する。管状部材５は、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。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。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】
気体が流通する通気路を内部に区画する通気管と、
前記通気路に設けられ、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通気路と交叉して連通する音響空間を内部に区画する共鳴管と、
前記共鳴管の端部に設けられ、前記音響空間の端部の音響インピーダンスの値を変更する音響インピーダンス変更手段と、
前記通気路と前記音響空間との交叉領域に固定的に設けられ、前記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、
前記音響空間に設けられるスタックと、を備え、
前記交叉領域で発生するカルマン渦は、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、
前記通気路に設けられ、前記交叉領域へ流入する気体の温度を低下させる熱交換器を備える
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、通気管と、ファンと、共鳴管と、音響インピーダンス変更手段と、カルマン渦生成部材と、スタックとを備える。通気管は、気体が流通する通気路を内部に区画する。ファンは、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通気路内の気体を流通させる。共鳴管は、ファンの下流側で通気路と交叉して連通する音響空間を内部に区画する。音響インピーダンス変更手段は、共鳴管の端部に設けられ、音響空間の端部の音響インピーダンスの値を変更する。カルマン渦生成部材は、通気路と音響空間との交叉領域に固定的に設けられる。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。スタックは、音響空間に設けられる。
【０００７】
音響インピーダンス変更手段は、音響空間の長さを１／４波長とする共鳴モードを音響空間に発生させるように構成される。
【０００８】
交叉領域で発生するカルマン渦は、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スタックに温度差が発生する。
【０００９】
上記構成では、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、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。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。
【００１０】
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。
【００１１】
また、音響空間の端部に音響インピーダンス変更手段を設けたので、音響空間の長さを１／４波長とする共鳴モードが発生する。これに対し、音響インピーダンス変更手段を設けずに、音響空間の端部を単に閉塞した場合には、音響空間の長さを１／２波長とする共鳴モードが発生する。従って、音響インピーダンス変更手段を設けない場合に比べて、音響空間の長さを半減することができ、共鳴管の短縮化による装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１２】
空力自励音式冷凍機は、通気路に設けられ、交叉領域へ流入する気体の温度を低下させる熱交換器を備えてもよい。
【００１３】
上記構成では、交叉領域へ流入する気体の温度が熱交換器によって低下するので、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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】
【００１６】
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】
【００１７】
【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。
【図４】比較例の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】
【００１８】
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。
【００１９】
図１に示すように、冷凍機１は、通気管２と、ファン３と、共鳴管４と、バネマス系（音響インピーダンス変更手段）２０と、複数の管状部材（カルマン渦生成部材）５と、スタック６と、熱交換器７とを備え、車両に搭載される。
【００２０】
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、通気路８内の気体を循環して流通させる。
【００２１】
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）であり、共鳴管４の一端部（図中右端部）にバネマス系２０が設けられる。共鳴管４の中間部は、ファン３の下流側で通気管２に連結され、音響空間１０は、通気路８と十字状に交叉して連通する。
【００２２】
バネマス系２０は、弾性体（バネ）２１と質量体（マス）２２とによって構成されて、音響空間１０の一端部の音響インピーダンスの値を変更する。音響インピーダンス（Ｚ）とは、音圧（Ｐ）と媒質（音響空間１０内の気体）の粒子速度（Ｕ）との比（Ｚ＝Ｐ／Ｕ）である。本実施形態の弾性体２１は、音響空間１０の一端を閉塞するゴム膜であり、質量体２２は、ゴム膜に固定される（図２参照）。
【００２３】
管状部材５は、通気路８と音響空間１０とが交叉する交叉領域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、共鳴管４に対して固定される。６本の管状部材５は、通気路８と音響空間１０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。
【００２４】
共鳴管４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。
【００２５】
ファン３の駆動によって通気路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、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空力自励音が音響空間１０に発生する。
【００２６】
バネマス系２０の要素（バネ２１及びマス２２）は、音響空間１０の全長Ｌを１／４波長とする共鳴モードを音響空間１０に発生させるように予め設定される。換言すると、音響空間１０の一端部の音響インピーダンスの値は、バネマス系２０によって、音響空間１０の全長Ｌを１／４波長とする共鳴モードを音響空間１０に発生させるように予め調整される。
【００２７】
空力自励音の波長λは、音響空間１０の全長Ｌの４倍（Ｌ＝λ／４）であり（図３参照）、発生する空力自励音は、共鳴管４の一端（右端）で最も低圧となり、他端（左端）で最も高圧となる。交叉領域１１は、共鳴管４の一端と他端との間に配置される。
【００２８】
スタック６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６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。スタック６は、共鳴管４の中心と交叉領域１１との間で音響空間１０に固定され、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、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、スタック６の上記配置により、スタック６のうち共鳴管４の中心側の一端（図中右端）６ａが低圧側（低温側）となり、交叉領域１１側の他端（図中左端）６ｂが高圧側（高温側）となる。スタック６の他端は、交叉領域１１に突出又は近接する。
【００２９】
熱交換器７は、例えばラジエータであり、ファン３の下流側で且つ交叉領域１１の上流側の通気路８に設けられる。交叉領域１１から流出した気体は、熱交換器７で大気に放熱されて交叉領域１１へ流入する。
【００３０】
本実施形態によれば、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、スタック６に温度勾配が発生し、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。スタック６の高温側は、循環する気体と、管状部材５内を流通する冷却水とによって冷却され、スタック６の低圧側が十分に低温化する。従って、スタック６の低圧側（一端６ａ側）からの吸熱（Ｑin）によって、共鳴管４の外部を冷却することができる。
【００３１】
また、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（Ｑout）によって低下するので、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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、音響空間１０の一端部にバネマス系２０を設けたので、音響空間１０の一端が腹となり他端が節となって、音響空間１０の全長Ｌを１／４波長とする共鳴モードが発生する（図３参照）。これに対し、バネマス系２０を設けずに、音響空間１０の両端を単に閉塞した共鳴管（比較例の共鳴管）では、音響空間の両端が節となり、音響空間の全長Ｌを１／２波長とする共鳴モードが発生する（図４参照）。従って、バネマス系２０を設けない場合に比べて、音響空間１０の全長Ｌを半減することができ、共鳴管４の短縮化による装置の小型化を図ることが可能となる。
【００３４】
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。
【００３５】
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。また、大気へ放熱するためのフィンをスタック６の高温側に設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
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】
【００３７】
１  空力自励音式冷凍機
２  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  スタック
７  熱交換器
８  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
２０  バネマス系（音響インピーダンス変更手段）
２１  バネ（弾性体）
２２  マス（質量体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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