JP2006145176A - 熱音響エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】スタック等の構成要素を更に厳密に特定することで出力効率向上を図ること。
【解決手段】熱音響エンジンは、所定の気体を封入したループ状配管１と、ループ状配管１内に配置された柱形状をなすスタック２と、スタック２の一端に設けられた高温側熱源３及びスタックの他端に設けられた低温側熱源４とを備える。スタック２の長さＬｈは、２０ｍｍ以上で、かつ、スタック２の内部の温度勾配が４Ｋ／ｍｍ以上となる長さに設定される。ループ状配管１は、垂直に配置された直立部１ａを含み、その直立部１ａにスタック２が垂直に配置され、高温側熱源３はスタック２の下端に設けられ、低温側熱源４はスタック２の上端に設けられる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、所定の気体（作業ガス）を封入したループ状配管内にて熱音響現象により圧力振動をもたらして音波を発生させる熱音響エンジンに関する。

従来、「熱音響現象」として、配管の中に薄板や細管を束ねたスタックを設置し、その両端に設けた熱交換器によりスタックに温度差を与えることにより音波が発生する現象がある。また、その逆に配管の一端に音波を加えることにより熱交換器にはさまれた蓄熱器の両端に温度差が生じる現象がある。このような熱音響現象を利用することで、ピストンやバルブ等の可動部の代わりに音波を用いて音と熱との間のエネルギー交換を実現することができる。このような熱音響現象に基づく新しいエンジンを「熱音響エンジン」と称する。

下記の特許文献１及び２には、この種の熱音響エンジンについて記載されている。特許文献１には、気体を封入したループ状配管に、高温側熱交換器及び低温側熱交換器にはさまれたスタックを挿入し、スタックと非対称な位置に蓄冷器を高温側熱交換器及び低温側熱交換器と共に配置して回路を形成したループ管気柱音響波動冷凍機が記載されている。この冷凍機は、スタックにて封入された気体から自励的に発生する定在波及び進行波を配管を通じて蓄冷器に伝搬させ、蓄冷器を蓄冷・冷凍すると同時に、円滑な熱放熱を行うようになっている。

特許文献２には、作業用ガスを封入してなるループ管路に進行波を生じさせる熱音響エンジンにおいて、ループ管路を少なくとも一部に立ち上がり管を有する状態に形成し、その立ち上がり管部分に高温側吸熱器、蓄熱器（スタック）及び低温側放熱器を上から順に配置し、高温側吸熱器の上側部分に第二の放熱器を配置することが記載されている。この熱音響エンジンは、高温側吸熱器で加熱された作業用ガスが対流上昇することにより、スタック内での熱音響自励振動が起こりやすくなり、小さな温度勾配でも熱音響自励振動が発生するようになっている。

２０００−８８３７８号公報 ２００２−３１４２３号公報

ところが、特許文献１及び２には、スタックの長さに関する記載がなく、設計上、効率のよいスタックの長さが不明であった。また、特許文献２には、出力効率向上の観点から、高温側吸熱器をスタックの下側部分に配置することについて何も記載されていない。更に、特許文献１には、ループ管路のどの位置にスタックを配置するかについて記載されているが、出力効率向上の観点から、スタックの位置の厳密な検討はなされていない。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、スタック等の構成要素を厳密に特定することにより、出力効率向上を図ることを可能とした熱音響エンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定の気体を封入したループ状配管と、ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、スタックの一端に設けられた高温側熱源及びスタックの他端に設けられた低温側熱源とを備えた熱音響エンジンにおいて、スタックの長さを、２０ｍｍ以上で、かつ、スタックの内部の温度勾配が４Ｋ／ｍｍ以上となる長さとしたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、高温側熱源及び低温側熱源によりスタックの両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタックにて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。この音波が、例えば、冷凍機に伝搬することにより、冷凍機が蓄冷・冷凍する。ここで、音波が熱サイクルを形成するためには、スタックにある程度の長さが必要になり、スタックの内部にある程度の温度勾配が必要になる。そこで、スタックの長さを、２０ｍｍ以上で、かつ、スタックの内部の温度勾配が４Ｋ／ｍｍ以上となる長さとしたことにより、熱から音波への変換効率が向上する。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、スタック、高温側熱源及び低温側熱源を一組として構成される原動機を複数並列に配置したことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、原動機が複数並列に配置されるので、スタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上する。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、所定の気体を封入したループ状配管と、ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、スタックの一端に設けられた高温側熱源及びスタックの他端に設けられた低温側熱源とを備えた熱音響エンジンにおいて、ループ状配管は、垂直に配置された直立部を含み、その直立部にスタックが垂直に配置されることと、高温側熱源はスタックの下端に設けられ、低温側熱源はスタックの上端に設けられることとを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、高温側熱源及び低温側熱源によりスタックの両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタックにて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。この音波が、例えば、冷凍機に伝搬することにより、冷凍機が蓄冷・冷凍する。ここで、ループ状配管の垂直に配置された直立部にスタックが垂直に配置され、そのスタックの下端に高温側熱源が設けられ、スタックの上端に低温側熱源が設けられるので、スタックの下端に設けた高温側熱源から上昇気流が生じ、その上昇気流による熱移動が音波の発生に有効に作用する。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、所定の気体を封入したループ状配管と、ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、スタックの一端に設けられた高温側熱源及び前記スタックの他端に設けられた低温側熱源とを備えた熱音響エンジンにおいて、ループ状配管は、第１コーナ、第２コーナ、第３コーナ及び第４コーナを含むことと、スタックの中心を、第１コーナからループ状配管の全長の２３％となる位置と第２コーナとの間に配置することとを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、高温側熱源及び低温側熱源によりスタックの両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタックにて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。この音波が、例えば、冷凍機に伝搬することにより、冷凍機が蓄冷・冷凍する。ここで、スタックの中心が、ループ状配管の第１コーナからループ状配管の全長の２３％となる位置と第２コーナとの間に配置されるので、ループ状配管内の流速特性が冷凍出力を発生しやすい特性になる。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、スタック、高温側熱源及び低温側熱源を一組として構成される原動機を複数並列に配置したことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項４に記載の発明の作用に加え、原動機が複数並列に配置されるので、スタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上する。

請求項１に記載の発明によれば、スタックの長さを厳密に特定することで、熱音響エンジンの出力効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、各原動機を構成するスタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上することができ、スタックを所要の長さにするのに有効である。

請求項３に記載の発明によれば、スタックに対する高温側熱源及び低温側熱源の配置を厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率を更に向上させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、ループ状配管におけるスタックの配置を更に厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率を更に向上させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に加え、各原動機を構成するスタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上することができ、スタックを所要の長さにするのに有効である。

［第１実施形態］
以下、本発明の熱音響エンジンを具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態の熱音響エンジンは、例えば、自動車に搭載されて使用される。この場合、自動車のエンジンから排出される排気熱を熱源として熱音響エンジンを駆動することができる。この熱音響エンジンを使用して冷凍機を駆動することで、自動車に搭載される各種クーラを機能させることができる。適用対象として、車室冷房用クーラ、オイルクーラ、キャニスタを冷却するクーラ等が考えられる。

図１に、熱音響エンジンの概略構成図を示す。熱音響エンジンは、所定の気体（作業ガス）を封入したループ状配管１と、その配管１内に配置された柱形状をなすスタック２と、そのスタック２の一端に設けられた高温側熱源３及びスタック２の他端に設けられた低温側熱源４とを備える。この実施形態で、ループ状配管１は閉ループをなし、垂直に配置された第１の直立部１ａ及び第２の直立部１ｂを含み、第１の直立部１ａにスタック２が垂直に配置される。ここで、高温側熱源３はスタック２の下端に設けられ、低温側熱源４はスタック２の上端に設けられる。これらスタック２、高温側熱源３及び低温側熱源４は一組の原動機５を構成する。このような構成において、高温側熱源３及び低温側熱源４によりスタック２の両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタック２にて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生することになる。ここで、この実施形態では、スタック２の長さ（スタック長さ）Ｌｈは、２０ｍｍ以上で、かつ、スタック２の内部の温度勾配が４Ｋ／ｍｍ以上となる長さに設定される。この実施形態では、具体的には、「６０ｍｍ」のスタック長さＬｈに設定される。

従来は、ある条件により熱音響エンジンを製作する場合、原動機のスタックの長さをどの程度にすれば原動機による熱から音波への変換効率が最も良くなるかが明確ではなかった。そこで、この実施形態では、このスタック長さＬｈをパラメータとしてループ状配管２の中の圧力挙動を計測することにより、最適なスタック長さＬｈを実験的に確かめた。

図２に、実験に使用した熱音響エンジンの構造を断面図により示す。この実施形態で、ループ状配管１は「φ５５ｍｍ」の内径を有する。ループ状配管１は、複数の曲管６及び複数の直管７を組み合わせて接続することにより構成される。この実施形態で、ループ状配管１の中に封入される気体は空気である。原動機５は、前述した低温側熱源４としての低温側熱交換器１１と、スタック２としてのハニカムセラミック１２と、高温側熱源３としてのシースヒータ１３と、シースヒータ１３に電力を供給する給電ブロック１４とを含む。給電ブロック１４は、シースヒータ１３へ向けて突出するヒータホルダ１５を含む。図３に、原動機５の主要部を分解断面図により示す。図３に示すように、シースヒータ１３は２枚の伝熱メッシュ１６を介してハニカムセラミック１２の下端に接続される。低温側熱交換器１１も、２枚の伝熱メッシュ１６を介してハニカムセラミック１２の上端に接続される。ここでは、低温側熱交換器１１が、曲管６と直管７との間に保持されるので、その熱交換器１１へ向けてシースヒータ１３、伝熱メッシュ１６、ハニカムセラミック１２及び伝熱メッシュ１６が、ヒータホルダ１５により押圧されて互いに接続することになる。

図２に示すように、第２の直立部１ｂにおいて原動機５とは非対称な位置に、圧力・流速計測機１７が設けられる。この計測機１７により、気体の圧力と流速が計測される。

図４に、ハニカムセラミック１２の端面を平面図により示す。図５に、ハニカムセラミック１２の正面図を示す。図６に、図４の一部を拡大して示す。ハニカムセラミック１２は、円筒形状をなし、平面視がメッシュ状をなす多孔質セルより構成される。図６に示すように、この実施形態で、多孔質の隔壁１２ａの厚みは「０.１０２ｍｍ」で、正方形状をなす各セル１２ｂの幅は「０.９３６ｍｍ」である。

図７に、シースヒータ１３を平面図により示す。図８に、シースヒータ１３を正面図により示す。シースヒータ１３は、線材により略渦巻き状に構成され、その線材の両端が電極１３ａ，１３ｂとなっている。略渦巻き状に構成された線材の間の隙間を、気体が流通するようになっている。

図９に、低温側熱交換器１１を正面図により示す。図１０に、図９の右側面図を示す。この熱交換器１１は、六角形状の金属厚板材よりなる本体１１ａを含み、その本体１１ａの右側面に水の出入り口となる一対をなす管継手１８，１９が設けられる。本体１１ａの内部には、図３に示すように、水通路１１ｂが形成される。また、本体１１ａの中央には、気体を通すための複数のスリット１１ｃが形成される。

図１１に、本実施形態の実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を表に示す。この表から分かるように、ハニカムセラミック１２のセル１２ｂの幅の半分（ハニカムセル半径）ｒは「０.４７ｍｍ」である。シースヒータ１３に対する入力電力は「１８０Ｗ」である。図１，２における管路高さＬＶは「９４０ｍｍ」である。同じく、図１，２における管路幅ＬＨは「４６０ｍｍ」である。ループ状配管１の管路長（全長）Ｌは「２８００ｍｍ」である。原動機５におけるハニカムセラミック１２の位置（原動機ハニカム位置）Ｌｓは「７７０ｍｍ」である。このハニカム位置Ｌｓは、第１の直立部１ａの下方からスタック２（ハニカムセラミック１２）の中心位置までの距離を意味する。ループ状配管１内の圧力（管路内圧力）は「１ａｔｍ」である。圧力・流速計測機１７の位置、すなわち圧力・流速計測位置は「原動機から０.５５×Ｌ」、すなわち、原動機５から管路長Ｌの「５５％」の位置である。つまり、スタック２（ハニカムセラミック１２）の中心から反時計回りに「１５４０ｍｍ」の地点である。この実験では、上記のような諸条件の下、スタック長さ（ハニカムセラミック１２の長さ）Ｌｈを、「２０ｍｍ」、「６０ｍｍ」、「１００ｍｍ」に変えて圧力・流速計測機１７により圧力及び流速を計測した。

図１２に圧力計測結果をグラフに示す。このグラフから明らかなように、スタック長さＬｈを「６０ｍｍ」にした場合が最も圧力振幅が大きいことが分かる。また、流速についても、図示しないが、同様の結果が得られた。一般に、音波のエネルギーは、圧力と流速との積で評価することができるので、この場合、スタック長さＬｈを「６０ｍｍ」にしたときに原動機５の出力効率が最も良いと言える。これは、スタック長さＬｈがあまり短いと、スタック２（ハニカムセラミック１２）内で熱から音波へ変換するための熱サイクルが阻害され、スタック長さＬｈが長すぎると、同一の熱量を与えた場合、熱サイクルの温度差（スタック２内の温度勾配に相当する。）が小さくなり、熱効率が小さくなるため効率が減少するためと考えられる。よって、スタック長さＬｈの下限は「２０ｍｍ」程度であり、スタック長さＬｈの上限は、「６０ｍｍ」の場合のスタック２（ハニカムセラミック１２）内の温度勾配より温度勾配が大きくなるような長さとすればよいことになる。また、単位面積当たりの熱入力が一定の場合、例えば、自動車の排気熱が熱入力となる場合には、スタック長さＬｈの大きい原動機を使用すると、上記範囲に入らない場合が出てくる。そのような場合には、図１３に示すように、原動機５を複数並列に配置してスタック２を上記長さにすることが有効である。

図１４には、熱音響エンジンを応用した熱音響冷凍装置の構造を断面図により示す。この熱音響冷凍装置は、ループ状配管１に冷凍機２０を組み込んだものである。図１４に示す構成は、図２に示す圧力・流速計測機１７を冷凍機２０に置き換えたものであり、冷凍機２０以外は図２と同じ構成である。冷凍機２０は、原動機５とは非対称な位置にて第２の直立部１ｂに配置される。

図１５に、冷凍機２０の主要部を分解断面図に示す。図１５に示す冷凍機２０は、図１４に示す冷凍機２０と上下逆に示される。図１５に示すように、冷凍機２０は、水冷式の低温側熱交換器２１（原動機５の低温側熱交換器１１と同様の構成を有する。）と、ハニカムセラミック２２と、冷凍部として機能する吸熱板２３とを備える。低温側熱交換器２１は、本体２１ａを含み、その本体２１ａの内部には、水通路２１ｂが形成される。また、本体２１ａの中央には、気体を通すための複数のスリット２１ｃが形成される。低温側熱交換器２１は、２枚の伝熱メッシュ２４を介してハニカムセラミック２２の一端に接続される。この熱交換器２１と伝熱メッシュ２４との間には第１の温度センサ２５が設けられる。また、吸熱板２３も、２枚の伝熱メッシュ２４を介してハニカムセラミック２２の他端に接続される。吸熱板２３と伝熱メッシュ２４との間には第２の温度センサ２６が設けられる。ここでは、冷凍機２０は、曲管６と直管７との間に挟まれて保持されることにより、各部材２１〜２６が押圧されて互いに接続する。図１６に、吸熱板２３を正面図により示す。図１７に、図１６の右側面図を示す。この吸熱板２３は、円形状の金属厚板材より構成され、その吸熱板２３の中央には、気体を通すための複数のスリット２３ａが形成される。

以上説明したように、この実施形態の熱音響エンジンによれば、図１においては、高温側熱源３及び低温側熱源４によりスタック２の両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、スタック２にて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。図２においては、シースヒータ１３及び低温側熱交換器１１によりハニカムセラミック１２の両端に温度差を与えることにより、熱音響現象により、同セラミック１２にて封入された気体から自励的に定在波及び進行波よりなる音波が発生する。従って、図１４に示すように、この熱音響エンジンを適用した熱音響冷凍装置では、原動機５からの音波が、冷凍機２０に伝搬することにより、冷凍機２０が蓄冷・冷凍する。この冷凍機２０により所要の冷凍機能を発揮することができる。

ここで、音波が熱サイクルを形成するためには、スタック２（ハニカムセラミック１２）にある程度の長さが必要になり、スタック２（ハニカムセラミック１２）の内部にある程度の温度勾配が必要になる。この実施形態では、スタック長さＬｈを、２０ｍｍ以上で、かつ、スタック２（ハニカムセラミック１２）の内部の温度勾配が４Ｋ／ｍｍ以上となる長さとしたので、熱から音波への変換効率が向上する。このため、ループ状配管１の管路内における音波の強度（圧力・流速）を大きくすることができる。このように、スタック長さＬｈを厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率向上を図ることができる。このため、図１４に示す熱音響冷凍装置によれば、冷凍機２０による冷凍出力を向上させることができる。

また、図１３に示すように、原動機５を複数並列に配置した熱音響エンジンでは、各原動機５を構成するスタック２のスタック長さＬｈを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上する。従って、スタック２に対する単位面積当たりの熱入力が一定となる場合、例えば、自動車の排気熱が原動機５のスタック２に対する熱入力となる場合では、相対的に長いスタック２を使用すると、スタック長さＬｈが、上記した２０ｍｍ以上で、かつ、スタック２の内部の温度勾配が４Ｋ／ｍｍ以上となる長さの範囲には入らない場合が出てくる。そのような場合に、図１３に示すように原動機５を複数並列に配置することで、スタック長さＬｈを、上記特定の範囲にすることができ有効である。

［第２実施形態］
次に、本発明の熱音響エンジンを具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

尚、以下に説明する各実施形態（本実施形態を含む。）において、第１実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。

上述した特許文献２には、ループ管路の一部に形成した立ち上がり管部分に高温側吸熱器、蓄熱器（スタック）及び低温側放熱器を上から順に配置することで、熱から音波への変換効率を向上させることが記載されている。しかし、特許文献２には、実施例として数値的な評価がなされておらず、改善の余地があった。そこで、この実施形態では、スタック２に対する高温側熱源３と低温側熱源４の配置を、特許文献２に記載の構成とは逆、すなわち、高温側熱源３をスタック２の下端に、低温側熱源４をスタック２の上端に設けることとした。そして、これら熱源３，４の配置の違いによるループ状配管１の中の圧力挙動の違いを実験的に確かめた。

この実験には、図２の熱音響エンジンに準ずる構成を備えた熱音響エンジンを使用した。但し、原動機５の位置の効果を排除するために、ループ状配管１における第１の直立部１ａの中心に原動機５の中心が位置するように原動機５を配置した。

図１８に、本実施形態の実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を表に示す。この表から分かるように、ハニカムセル半径ｒは「０.４７ｍｍ」である。シースヒータ１３に対する入力電力は「１８０Ｗ」である。図１，２における管路高さＬＶは「１１４０ｍｍ」である。同じく、図１，２における管路幅ＬＨは「４６０ｍｍ」である。ループ状配管１の管路長（全長）Ｌは「３２００ｍｍ」である。原動機ハニカム位置Ｌｓは「５７０ｍｍ」である。ループ状配管１の圧力（管路内圧力）は「１ａｔｍ」である。圧力・流速計測位置は「原動機から音波の進行方向に０.５５×Ｌ」、すなわち、原動機５から音波の進行方向に管路長Ｌの「５５％」の位置である。ここでは、ループ状配管１内で発生する音波は原動機５の中の熱の流れと逆方向に進行することから、管路内の圧力・流速の計測位置は、原動機５の中心から音波の進行方向へ向かって「０.５５×Ｌ」としている。従って、原動機５の下側、すなわち、スタック２（ハニカムセラミック１２）の下端に高温側熱源３（シースヒータ１３）を配置した場合は、図１，２において、反時計回りに原動機５のスタック２（ハニカムセラミック１２）の中心から「１７６０ｍｍ」の地点で計測を行い、原動機の上側、すなわち、スタックの上端に高温側熱源を配置した場合は、図１，２において、時計回りに原動機５のスタック２（ハニカムセラミック１２）の中心から「１７６０ｍｍ」の地点で計測を行った。

図１９に圧力計測結果をグラフに示す。このグラフから明らかなように、高温側熱源３を下側、すなわちシースヒータ１３を下側に配置した場合（ヒータ下）には、シースヒータ１３を上側に配置した場合（ヒータ上）に比べて、圧力振幅が大きいことが分かる。また、流速についても、図示しないが、同様の結果が得られた。また、何れの条件においても発生した音波が消滅したり、大きく変動したりすることは観測できなかった。前述したように音波のエネルギーは、圧力と流速の積で評価できるので、この場合は、特許文献２に記載の熱音響エンジンとは異なり、原動機５の下側を加熱することで、原動機５の出力効率が良いと言える。これは、原動機５の下側を加熱することで発生する上昇気流によりスタック２（ハニカムセラミック１２）及びスタック２（ハニカムセラミック１２）内を通過する空気の熱移動が促進され、エネルギーの変換度合いが向上することによるものと考えられる。

以上説明したようにこの実施形態の熱音響エンジンによれば、ループ状配管１の垂直に配置された第１の直立部１ａにスタック２（ハニカムセラミック１２）が垂直に配置され、そのスタック２（ハニカムセラミック１２）の下端に高温側熱源３（シースヒータ１３）が設けられ、スタック２（ハニカムセラミック１２）の上端に低温側熱源４（低温側熱交換器１１）が設けられるので、スタック２（ハニカムセラミック１２）の下端に設けた高温側熱源３（シースヒータ１３）から上昇気流が生じ、その上昇気流による熱移動が音波の発生に有効に作用する。この意味から、熱音響エンジンにおいて、熱から音波への変換効率が更に向上し、ループ状配管１の管路内における音波の強度（圧力・流速）を更に大きくすることができる。このため、このようにスタック２（ハニカムセラミック１２）に対する高温側熱源３（シースヒータ１３）及び低温側熱源（低温側熱交換器１１）の配置を厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率を更に向上させることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の熱音響エンジンを具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

上述した特許文献１には、ループ管路のどの位置にスタックを配置するかについて記載されているが、出力効率向上の観点から、スタックの位置の厳密な検討がなされていない。そこで、この実施形態では、ループ状配管１につき、縦横比率が大きく異なる条件において、原動機５の配置と管路内の音波の特性について実験的に確かめた。

図２０に、熱音響エンジンの概略構成図を示す。この実施形態では、図２０に示すように、ループ状配管１は、第１コーナＣ１、第２コーナＣ２、第３コーナＣ３及び第４コーナＣ４を含む。そして、スタック２の中心Ｐ１が、第１コーナＣ１からループ状配管１の全長の２３％となる位置と第２コーナＣ２との間に配置される。ここで、第１コーナＣ１から第２コーナＣ２への方向は、原動機５から発生する音波の進行方向（原動機５の常温側からヒータ加熱される高温側へ向かう方向）である。この実験には、図２１に示すように、図２の熱音響エンジンに準ずる構造を備えた熱音響エンジンを使用した。

図２２に、本実施形態の実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を表に示す。この表から分かるように、ハニカムセル半径ｒは「０.４７ｍｍ」である。ハニカム長（スタック長さ）Ｌｈは「６０ｍｍ」である。シースヒータ１３に対する入力電力は「１８０Ｗ」である。図２０における管路高さＬＶは「１１４０ｍｍ」である。同じく、図２０における管路幅ＬＨは「２６０ｍｍ」である。ループ状配管１の管路長（全長）Ｌは「２８００ｍｍ」である。ループ状配管１内の圧力（管路内圧力）は「１ａｔｍ」である。圧力・流速計測位置は「原動機から０.５５×Ｌ」、すなわち、原動機５から管路長Ｌの「５５％」の位置である。

図２３に、第１コーナＣ１からスタック２（ハニカムセラミック１２）の中心までの距離（管路長Ｌに対する割合）Ｘの違いよる流速波形を比較してグラフに示す。ここでは、「Ｘ＝０.１５４Ｌ」、「Ｘ＝０.２３６Ｌ」、「Ｘ＝０.２９６Ｌ」の間で流速波形を比較して示す。このグラフにおいて、縦軸の流速が負となるのは、振動流のため流れの向きが変わることを意味する。図２３から明らかなように、「Ｘ＝０.２９６Ｌ」の場合と、その他の場合とでは、波形が異なることが分かる。図２４には、図１４に示すように、圧力・流速測定位置に冷凍機２０を配置して、その冷凍機２０内のハニカムセラミック２２の両端面の温度差の計測結果を比較して示す。図２４から明らかなように、「Ｘ＝０.２９６Ｌ」の場合は、その他の場合と比較して、温度差が小さく、冷凍能力が劣ることが分かる。管路の縦横比を、管路幅ＬＨが大きくなる方向に変更した場合、冷凍能力が劣るようになる距離Ｘの値が若干大きくなるが、この場合は、特許文献１に記載された範囲を理由に、除外する。従って、距離Ｘの上限は、「Ｘ＝０.２３６Ｌ」程度と考えることができる。また、図２４に示される結果から、距離Ｘの下限は、コーナ付近であることが分かる。図２２の表に示す条件では、「Ｘ＝０．１５４Ｌ」までとなり、特許文献１に記載された範囲を外れたとしても、冷凍能力が得られることが分かった。

以上説明したようにこの実施形態の熱音響エンジンによれば、スタック２（ハニカムセラミック１２）の中心が、ループ状配管１の第１コーナＣ１からループ状配管１の全長の２３％となる位置と第２コーナＣ２との間に配置されるので、ループ状配管１内の流速特性が冷凍出力を発生しやすい特性になる。このため、このようにループ状配管１におけるスタック２（ハニカムセラミック１２）の配置を更に厳密に特定することにより、熱音響エンジンとしての出力効率を更に向上させることができ、冷凍出力を更に向上させることができる。

尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することができる。

例えば、前記第３実施形態では、ループ状配管１に一つの原動機５を設けたが、図１３に示すと同様に、ループ状配管に原動機を複数並列に配置して設けるようにしてもよい。この場合、各原動機を構成するスタックの長さを必要以上に大きくすることなく熱から音波への変換効率が向上する。このため、スタックを所要の長さにするのに有効である。

熱音響エンジンを示す概略構成図。 実験に使用した熱音響エンジンの構造を示す断面図。 原動機の主要部を示す分解断面図。 ハニカムセラミックの端面を示す平面図。 ハニカムセラミックを示す正面図。 図４の一部を示す拡大図。 シースヒータを示す平面図。 シースヒータを示す正面図。 低温側熱交換器を示す正面図。 図９の右側面図。 実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を示す表。 実験結果を示すグラフ。 熱音響エンジンを示す概略構成図。 熱音響冷凍装置の構造を示す断面図。 冷凍機を示す分解断面図。 吸熱板を示す正面図。 図１６の右側面図。 実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を示す表。 実験結果を示すグラフ。 熱音響エンジンを示す概略構成図。 実験に使用した熱音響エンジンの構造を示す断面図。 実験で使用した熱音響エンジンに関する諸条件を示す表。 実験結果を示すグラフ。 実験結果を示すグラフ。

符号の説明

１ ループ状配管
１ａ 第１の直立部
１ｂ 第２の直立部
２ スタック
３ 高温側熱源
４ 低温側熱源
５ 原動機
１１ 低温側熱交換器
１２ ハニカムセラミック
１３ シースヒータ
Ｌｈ スタック長さ
Ｌ 管路長
Ｃ１ 第１コーナ
Ｃ２ 第２コーナ
Ｃ３ 第３コーナ
Ｃ４ 第４コーナ

Claims (5)

1. 所定の気体を封入したループ状配管と、
   前記ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、
   前記スタックの一端に設けられた高温側熱源及び前記スタックの他端に設けられた低温側熱源と
   を備えた熱音響エンジンにおいて、
   前記スタックの長さを、２０ｍｍ以上で、かつ、前記スタックの内部の温度勾配が４Ｋ／ｍｍ以上となる長さとしたことを特徴とする熱音響エンジン。
2. 前記スタック、前記高温側熱源及び前記低温側熱源を一組として構成される原動機を複数並列に配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱音響エンジン。
3. 所定の気体を封入したループ状配管と、
   前記ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、
   前記スタックの一端に設けられた高温側熱源及び前記スタックの他端に設けられた低温側熱源と
   を備えた熱音響エンジンにおいて、
   前記ループ状配管は、垂直に配置された直立部を含み、その直立部に前記スタックが垂直に配置されることと、
   前記高温側熱源は前記スタックの下端に設けられ、前記低温側熱源は前記スタックの上端に設けられることと
   を備えたことを特徴とする熱音響エンジン。
4. 所定の気体を封入したループ状配管と、
   前記ループ状配管内に配置された柱形状をなすスタックと、
   前記スタックの一端に設けられた高温側熱源及び前記スタックの他端に設けられた低温側熱源と
   を備えた熱音響エンジンにおいて、
   前記ループ状配管は、第１コーナ、第２コーナ、第３コーナ及び第４コーナを含むことと、
   前記スタックの中心を、前記第１コーナから前記ループ状配管の全長の２３％となる位置と前記第２コーナとの間に配置することと
   を備えたことを特徴とする熱音響エンジン。
5. 前記スタック、前記高温側熱源及び前記低温側熱源を一組として構成される原動機を複数並列に配置したことを特徴とする請求項４に記載の熱音響エンジン。

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