(57)【要約】【課題】原理的に低温度の熱源エネルギーも十分に利用することができる熱音響機関を提供すること。【解決手段】相変化型熱音響機関１において、作動流体９が充填された管２内には、順に、高温バッファ３、高温吸熱器４、スタック５及び室温放熱器６が配置され、室温放熱器６の一側には、管２内の圧力変動と作動流体９の位置変動のタイミングをコントロールする位相制御機構として、共鳴管７及びバッファタンク８が接続され、管２内には、作動流体９として、非凝縮性流体１０と凝縮性流体１１の混合物が封入され、非凝縮性流体１０は管２内で特殊な状態を除いて常にガス化状態にあり、凝縮性流体１１は管２内で相変化（気相と液相間の相変化）を起こす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が充填された管内に、少なくとも一つの吸熱器、スタック及び放熱器が配置されて、外部の熱源より前記吸熱器が得た熱エネルギーの一部をエンタルピーとして前記スタックを経由して前記放熱器から外部へ放熱する過程で前記管内に圧力変動を発生させる又は前記管内の圧力変動を冷熱に変化させる熱音響機関であって、
前記作動流体として非凝縮性流体と凝縮性流体の混合物を用いる、ことを特徴とする相変化型熱音響機関。
【請求項２】
前記非凝縮性流体は、空気、ヘリューム、窒素及びアルゴンから選択され、前記凝縮性流体は、水、炭酸及びフロンから選択され、前記非凝縮性流体と前記凝縮性流体との混合比は、１０〜９０％である、ことを特徴とする請求項１記載の相変化型熱音響機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーを外部へ取り出すための機械的な可動部分がない熱音響機関に関し、中でも、圧力発生器又は冷熱発生器等として稼動可能な熱音響機関に関し、特に、作動流体として凝縮性と非凝縮性の混合流体を用いる相変化型熱音響機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱音響機関は、スターリングエンジンが有するような、パワーを外部へ取り出すための機械的な可動部分がなく、シンプルな構成で、圧力発生器又は冷熱発生器等として働くものであって、今後様々な分野での応用が期待されるものである。例えば、従来の熱音響機関を利用した冷凍機は、高温吸熱器（加熱器）、２つのスタック、２つの放熱器（室温放熱器）、低温吸熱器（冷熱器）、共鳴管、バッファタンクの要素から基本的に構成されている。
【０００３】
熱音響機関の基本構成形状としては、現在のところ三つある。一つ目は、全体の配管並びに要素構成が直線的なもの、すなわち、両端部は行き止まり構成となっているものである（非特許文献２中の図１参照）。二つ目は、全体構成がループ状につながっているものである（非特許文献３中の図１参照）。三つ目は、ループ構成に直線構成を組み込んだループ・直線構成である（非特許文献１中の図１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】八束他、熱音響エンジン内のワークフローの測定、第７回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集、２００３、Ｐ９７−９８．
【非特許文献２】森田浩之他、熱音響冷凍機の特性、第３回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集、１９９９、Ｐ１４５−１４８．
【非特許文献３】田中峰雄他、ループ型熱音響エンジンの圧力振幅分布、第４回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集、２０００、Ｐ１０１−１０２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の熱音響機関においては、作動流体としてヘリューム、アルゴンなどの非凝縮性流体が用いられているが、各種排熱など低温の熱エネルギーから動力を得ることを想定すると、非凝縮性流体からなる単相の作動ガスでは、発振・起動が得にくいことや、発振しても性能が低いなどの問題が生じている。
【０００６】
本発明の目的は、原理的に低温度（例えば、摂氏１００〜２００度）の熱源エネルギーも十分に利用することができる熱音響機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１の視点において、作動流体が充填された管内に、少なくとも一つの吸熱器、スタック及び放熱器が配置されて、外部の熱源より前記吸熱器が得た熱エネルギーの一部をエンタルピーとして前記スタックを経由して前記放熱器から外部へ放熱する過程で前記管内に圧力変動を発生させる又は前記管内の圧力変動を冷熱に変化させる熱音響機関であって、前記作動流体として非凝縮性流体と凝縮性流体の混合物を用いる、ことを特徴とする相変化型熱音響機関を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、作動流体として非凝縮性流体と凝縮性流体の混合物を用いることにより、特に伝熱的に凝縮性成分の相変化時（すなわち、凝縮時及び蒸発時）の高い熱伝達率が利用できる。したがって、吸熱器（例えば高温吸熱器）・放熱器（例えば室温放熱器）と作動流体との間での熱交換が、小さい温度差（例えば数度程度）で行われ、効率の良い熱交換が行われることになる。この結果、吸熱器に供給される熱源エネルギーが低温度（例えば摂氏２００度程度）の場合であっても、また、放熱器から放熱する外部環境（例えば冷却水）の温度が高くても（例えば摂氏７０〜８０度程度）、管内に大きな圧力変動が発生し（起動ないしは発振の発生）、或いは、冷熱などの十分な出力が得られる。また、本発明の熱音響機関は、スターリングエンジンが有するような、パワーを外部に取り出すための機械的な可動部分（機構）がないことから、管内に非凝縮性流体が液相の状態で存在しても、可動部分が液相を液圧縮するような問題を無視することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態において、前記非凝縮性流体は、空気、ヘリューム、窒素及びアルゴンから選択され、前記凝縮性流体は、水、炭酸及びフロンから選択され、前記非凝縮性流体と前記凝縮性流体との混合比は、１０〜９０％である。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、非凝縮性流体として、ヘリューム、窒素又はアルゴンを用い、凝縮性流体として、水、炭酸、フロン系冷媒のような相変化を起こしやすいものを用いる。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態において、作動流体のうち、好ましくは１０〜９０％の凝縮性流体を混入することにより、スタックにおける伝熱が促進される。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態において、凝縮性流体は、主としてスタック周りに存在して、スタック周りを湿り状態にし、各温度に応じた飽和蒸気圧に従って蒸発したり凝縮したりする。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態においては、スタックとして、作動流体による濡れ面積が大きい、例えば、金属スポンジなどを用いる。
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態において、本発明の相変化型熱音響機関は、外部から熱入力を得て、出力として圧力変動を発生する圧力発生器、或いは、外部から熱入力を得て、出力として冷熱を発生する冷凍器として用いられる。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態において、吸熱器が高温吸熱器（加熱器）、放熱器が第１の室温放熱器となり、高温吸熱器、第１の室温放熱器及びそれらの間に配置される第１のスタックからなる構成部分が、外部からの熱を圧力変動に変える圧力発生器として働く。
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態において、吸熱器が低温吸熱器（冷熱器）、放熱器が第２の室温放熱器となり、低温吸熱器、第２の室温放熱器及びそれらの間に配置される第２のスタックからなる構成部分が、低温発生器（冷凍器）として働く。
【００１７】
本発明の好ましい実施の形態において、高温吸熱器（加熱器）、第１のスタック及び第１の室温放熱器の部分が圧力発生器として働き、第１の室温放熱器、低温吸熱器（冷熱器）、第２のスタック及び第２の室温放熱器の部分が低温発生器として働く。
【００１８】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記圧力発生器及び前記低温発生器が組み合わされて、冷凍機が構成される。
【実施例１】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。図１（Ａ）は、本発明の一実施例に係る熱音響機関の構成図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の要部拡大図である。
【００２０】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）を参照すると、相変化型熱音響機関１は、直線構成の音響発振器（圧力発生器）であって、作動流体９が充填されたその管２内には、順に、高温バッファ３、高温吸熱器４、スタック５及び室温放熱器６が配置されている。室温放熱器６の一側には、管２内の圧力変動と作動流体９の位置変動のタイミングをコントロールする位相制御機構として、共鳴管７及びバッファタンク８が接続されている。
【００２１】
スタック５は、作動流体９がその中で往復動し、スタック５を構成する物質との間で熱交換しながら、エンタルピーの形でエネルギーを輸送するための構成要素、例えば、一定の空隙をもった細い繊維状のものなどから構成される。更に、本実施例において、スタック５は、毛細管現象により、ヒートパイプのウィックのような液輸送効果も発揮する。
【００２２】
管２内には、作動流体９として、非凝縮性流体１０と凝縮性流体１１の混合物が封入されている。非凝縮性流体１０は、管２内で特殊な状態を除いて常にガス化状態にあり、凝縮性流体１１は、管２内で温度ないし飽和蒸気圧に応じて相変化（気相と液相間の相変化）を起こす。
【００２３】
以上説明した本発明の一実施例に係る相変化型熱音響機関１の動作を説明する。相変化型熱音響機関１は、基本的に、外部から熱入力を得て、出力として圧力変動を発生する機関として働く。相変化型熱音響機関１において、外部の熱源から供給される熱エネルギーによって、例えば、高温吸熱器４を室温よりも少なくとも高温（例えば摂氏１００度程度）に加熱し、室温放熱器６を室温に設定すると、高温吸熱器４、スタック５及び室温放熱器６の構成部分が、外部からの熱エネルギーを管２内の作動流体の圧力変動に変える音響発振器として働いて、外部の熱源より高温吸熱器４が得た熱エネルギーの一部を、エンタルピーとしてスタック５を経由して室温放熱器６から外部へ放熱する過程で、管２内に圧力変動（音波）を発生する。
【００２４】
この過程で、作動流体９のうち凝縮性流体１１は、高温吸熱器４内では蒸発し、室温放熱器６内では凝縮する。液状になった凝縮性流体１１は、室温放熱器６側からスタック５内を通過して高温吸熱器４側に移動する。このような相変化に伴って、スタック５における伝熱が促進される。したがって、外部の熱源の温度が低く、高温吸熱器４と室温放熱器６との間の温度差が小さい場合（温度勾配が小さい場合）であっても、非凝縮性流体１０等によるガスの流れに加えて、凝縮性流体１１の相変化による高い熱伝達率が利用できるため（熱流の変化量が大）、作動流体９の発振・起動が起こりやすくされ（仕事流の変化量が大）、又発振時には十分な圧力変動が得られる。
【００２５】
なお、本実施例においては、熱音響機関として直線構成のものを示したが、本発明の効果は、熱音響機関がループ構成のものであっても、又はループ・直線構成のものであっても十分に発揮される。また、本発明による相変化型熱音響機関は、その出力目的が、圧力変動であっても、冷熱であっても、発電であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明による相変化型熱音響機関は、音響発振器（圧力発生器）、又は冷熱発生器、或いは発電機として適用される。特に、本発明による相変化型熱音響機関は、従来のものより、より低温度の熱源エネルギーが供給される冷凍機に好適に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（Ａ）は、本発明の一実施例に係る熱音響機関の構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  相変化型熱音響機関
２  管
３  高温バッファ
４  高温吸熱器（吸熱器）
５  スタック
６  室温放熱器（放熱器）
７  共鳴管
８  バッファタンク
９  作動流体
１０  非凝縮性流体
１１  凝縮性流体
【図１】
2009074722.tif 000003