JP2017003132A

JP2017003132A - Thermoacoustic engine

Info

Publication number: JP2017003132A
Application number: JP2015114076A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　真也; Shinya Hasegawa; 真也長谷川; 竜樹加瀬; Ryuju Kase; 深谷　典之; Noriyuki Fukaya; 典之深谷
Original assignee: Tokai University; Central Motor Wheel Co Ltd
Current assignee: Tokai University; Central Motor Wheel Co Ltd
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2017-01-05

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoacoustic engine in which a Carnot efficiency ratio and a sound power amplification factor are improved.SOLUTION: This invention has a thermoacoustic unit 2 including a heat accumulator 5, a cooler 6 adjacent to one end part of the heat accumulator 5, and a heater 7 adjacent to the other end part of the heat accumulator 5, further including a first wave guide part 3 connected to an end part of the cooler 6 and a second wave guide part 4 connected to an end part of the heater 7. The first wave guide part 3 has a first tapered part 33 of which bore diameter is gradually expanded as it approaches to the cooler 6 in such a manner that the bore diameter may become the same as that of the cooler 6, and the second wave guide part 4 has a second tapered part 43 of which bore diameter, which is the same as that of the heater 7, is gradually decreased as it is spaced apart from the heater 7. Further, a flow passage section area of the thermoacoustic unit 2 is larger than a flow passage section area of a first straight pipe part 32, and a flow passage section area of a second straight pipe part 42 is smaller than the flow passage section area of the thermoacoustic unit 2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、熱音響機関に関する。 The present invention relates to a thermoacoustic engine.

熱音響機関は、温度勾配のある細管流路内の作動流体が圧縮→加熱→膨張→冷却という熱力学サイクルを実行する熱音響現象を利用するものであり、ピストンやクランクで構成された可動部を有さない。熱音響機関の構成としては、例えば、管の軸方向に、低温の熱源との熱交換を行う低温側熱交換器（冷却器などと呼称されることもある）と、高温熱源との熱交換を行う高温側熱交換器（加熱器などと呼称されることもある）と、これら低温側熱交換器と高温側熱交換器との間で温度勾配を保持する蓄熱器（再生器などと呼称されることもある）とを配置して構成される。また、低温側熱交換器と高温側熱交換器はそれぞれ導波管（共鳴管などと呼称されることもある）と接続されている。そして、このような構成の熱音響機関の内部には、空気、窒素およびヘリウムなどから選択される少なくとも一つの作動流体が封入されている。熱音響機関は、このような単純な構造であるにも関わらず、熱と音波との間のエネルギ変換を行うことができるため、最近、米国などにおいて、研究・開発が活発に行われるようになってきた。 A thermoacoustic engine uses a thermoacoustic phenomenon in which a working fluid in a narrow tube channel with a temperature gradient executes a thermodynamic cycle of compression → heating → expansion → cooling, and a movable part composed of a piston and a crank. Does not have. As a configuration of the thermoacoustic engine, for example, a heat exchange between a low temperature side heat exchanger (sometimes called a cooler) that performs heat exchange with a low temperature heat source in the axial direction of the tube and a high temperature heat source. High-temperature side heat exchangers (sometimes called heaters) that perform heat storage, and regenerators (called regenerators) that maintain a temperature gradient between these low-temperature side heat exchangers and high-temperature side heat exchangers May be arranged). The low temperature side heat exchanger and the high temperature side heat exchanger are each connected to a waveguide (sometimes called a resonance tube or the like). In the thermoacoustic engine having such a configuration, at least one working fluid selected from air, nitrogen, helium, and the like is sealed. Despite such a simple structure, the thermoacoustic engine can perform energy conversion between heat and sound waves, so that research and development have recently been actively conducted in the United States and other countries. It has become.

しかしながら、熱音響機関に関しては研究・開発の日が浅く、その研究・開発は十分に行われていない状況であるといえる。そのため、熱音響機関には多くの課題が潜んでおり、国内外を問わず現在も精力的に研究・開発が進められている。
例えば、非特許文献１には、蓄熱器の断面積を共鳴管の断面積よりも大きくすることによって、第二法則効率η₂や音響パワー増幅率Ｇを向上させることができると記載されている。なお、比カルノー効率η₂とは、熱効率をカルノー効率で除した値であり、第二法則効率とも呼称されている。比カルノー効率η₂を向上させることは、供給するエネルギに対して仕事量を大きくすることに繋がる。つまり、同じ仕事量であれば供給するエネルギを小さくすることができるということである。また、音響パワー増幅率Ｇとは、蓄熱器と、この蓄熱器の一端部に隣接する冷却器と、この蓄熱器の他端部に隣接する加熱器と、からなる熱音響ユニットにおいて、進行波音波が入力される上流側端面の音響パワーＷ_inに対する下流側端面の音響パワーＷ_outの比率をいう。音響パワー増幅率Ｇを向上させることにより、上流側端面の音響パワーＷ_inに対してより大きな音響パワー出力Ｗ_outを下流側端面で得ることができる。比カルノー効率η₂および音響パワー増幅率Ｇについての詳細は後に説明する。 However, the days of research and development for thermoacoustic engines are shallow, and it can be said that the research and development are not sufficiently conducted. As a result, many problems are lurking in thermoacoustic engines, and research and development are underway energetically, both domestically and internationally.
For example, Non-Patent Document 1 describes that the second law efficiency η ₂ and the acoustic power gain G can be improved by making the cross-sectional area of the regenerator larger than the cross-sectional area of the resonance tube. . The specific Carnot efficiency η ₂ is a value obtained by dividing the thermal efficiency by the Carnot efficiency, and is also referred to as the second law efficiency. Improving the specific Carnot efficiency η ₂ leads to an increase in the work amount with respect to the supplied energy. In other words, the energy to be supplied can be reduced with the same amount of work. The acoustic power gain G is a traveling wave in a thermoacoustic unit including a heat accumulator, a cooler adjacent to one end of the heat accumulator, and a heater adjacent to the other end of the heat accumulator. refers to the ratio of the acoustic power W _out of the downstream end face with respect to acoustic power W _in the upstream end surface acoustic waves are input. By improving the acoustic power gain G, it is possible to obtain a larger acoustic power output W _out downstream end face with respect to acoustic power W _in the upstream end face. Details of the specific Carnot efficiency η ₂ and the sound power gain G will be described later.

また、特許文献１には、作動流体が充填されたループ管に、内部フィンを有する加熱器と金網を収容した再生器と内部フィンを有する冷却器とからなる原動機が設置された熱音響機関において、前記原動機における作動流体の流路断面積が前記ループ管における作動流体の流路断面積より大きいことを特徴とする熱音響機関が記載されている。 Patent Document 1 discloses a thermoacoustic engine in which a prime mover including a heater having internal fins, a regenerator containing a wire mesh, and a cooler having internal fins is installed in a loop tube filled with a working fluid. The thermoacoustic engine is characterized in that the cross-sectional area of the working fluid in the prime mover is larger than the cross-sectional area of the working fluid in the loop pipe.

特許文献１によれば、この熱音響機関は、ループ管と原動機の流路断面積を少し大きくするとで音場が不安定となることによる出力低下を防止することができると記載されている。 According to Patent Document 1, it is described that this thermoacoustic engine can prevent a decrease in output due to an unstable sound field by slightly increasing the cross-sectional area of the loop pipe and the prime mover.

さらに、特許文献２には、加熱器と冷却器と再生器と共鳴部と作動流体を備えた熱音響機関において、前記再生器の内部の断面積を前記共鳴部の内部の断面積よりも大きく形成するとともに、前記加熱器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記共鳴部と前記再生器の間に配置するとともに、前記冷却器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記再生器と前記共鳴部との間に配置したことを特徴とする熱音響機関が記載されている。 Further, in Patent Document 2, in a thermoacoustic engine including a heater, a cooler, a regenerator, a resonance unit, and a working fluid, a cross-sectional area inside the regenerator is larger than a cross-sectional area inside the resonance unit. In addition to forming, the wall surface on which the inner peripheral fin of the heater is disposed is formed in a taper shape, and is disposed between the resonance portion and the regenerator, and the inner peripheral fin of the cooler is disposed. A thermoacoustic engine is described in which a wall surface formed in a taper shape is disposed between the regenerator and the resonance portion.

特許文献２によれば、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制することができると記載されている。 According to Patent Document 2, it is possible to prevent a change in the cross-sectional area of the flow path from becoming large at the connection portion between the heater or cooler of the thermoacoustic engine and the resonance portion, and to reduce the amount of sound waves reflected at this connection portion. It is described that the output of the thermoacoustic engine due to the reflection of sound waves can be suppressed and the decrease in output can be suppressed.

特開２０１１−２０８９１１号公報JP 2011-208911 A 特開２０１３−９６３８７号公報JP 2013-96387 A

加瀬竜樹、長谷川真也、福田紘大、押野谷康雄著、第１６回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集「Ｂ０２断面積変化のある進行波音波エンジンの熱効率」、一般社団法人日本機械学会、２０１３年１１月２９日、ｐ．７５〜７６Tatsuki Kase, Shinya Hasegawa, Masahiro Fukuda, Yasuo Oshinoya, Proceedings of the 16th Stirling Cycle Symposium "B02 Thermal Efficiency of Traveling Wave Acoustic Engine with Change of Cross Section", Japan Society of Mechanical Engineers, 2013 11 May 29, p. 75-76

しかしながら、非特許文献１に記載されている発明は、共鳴管と蓄熱器との間で断面積が急激に変化しているため、壁面に沿って伝達されてきた音波が広い断面積の壁面の部分に到達したときにその壁面に沿わずに剥離が生じていたと考えられる（つまり、音波の伝達にロスが生じていたと考えられる）。そのため、非特許文献１に記載されている発明には、比カルノー効率および音響パワー増幅率の向上についてさらなる改善の余地があった。 However, in the invention described in Non-Patent Document 1, since the cross-sectional area changes abruptly between the resonance tube and the heat accumulator, the sound wave transmitted along the wall surface has a wide cross-sectional area. It is considered that peeling occurred without reaching the wall when the part was reached (that is, it was considered that a loss of sound wave transmission occurred). Therefore, the invention described in Non-Patent Document 1 has room for further improvement in terms of improvement in specific Carnot efficiency and acoustic power gain.

また、特許文献１に記載されている発明は、ループ管と、内部フィンを有する加熱器と、金網を収容した再生器と、内部フィンを有する冷却器とは、それぞれ断面形状が異なっているため、音波が伝播された場合に反射が生じることは避けられない。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率への効果は定かではない。 Further, the invention described in Patent Document 1 is different in cross-sectional shape from a loop tube, a heater having internal fins, a regenerator containing a wire mesh, and a cooler having internal fins. When a sound wave is propagated, reflection is unavoidable. Therefore, the effect on specific Carnot efficiency and sound power gain is not certain.

そして、特許文献２に記載されている発明は、加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止するので、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できるとしている。しかしながら、特許文献２に記載されている発明は、加熱器と冷却器にそれぞれ内周フィンを備えているため、断面形状が異なり、音波が伝播された場合に反射が生じることは避けられない。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率の向上についてさらなる改善の余地があると考えられる。なお、特許文献２には、加熱器と冷却器の形状をテーパー形状とする旨が記載されているが、これは熱伝導の効率を上昇させるためそのようにしているのであり（特許文献２の段落００３６）、比カルノー効率および音響パワー増幅率の向上について意図されたものではない。 And since the invention described in patent document 2 prevents the change of a flow-path cross-sectional area from becoming large in the connection part of a heater or a cooler, and a resonance part, the sound wave reflected by this connection part is prevented. The amount can be reduced, and the decrease in the output of the thermoacoustic engine due to the reflection of sound waves can be suppressed. However, since the invention described in Patent Document 2 includes inner fins in each of the heater and the cooler, the cross-sectional shapes are different, and it is inevitable that reflection occurs when a sound wave is propagated. For this reason, it is considered that there is room for further improvement in the improvement of the specific Carnot efficiency and the sound power gain. Patent Document 2 describes that the shape of the heater and the cooler is tapered, but this is done to increase the efficiency of heat conduction (see Patent Document 2). Paragraph 0036), not intended to improve specific Carnot efficiency and sound power gain.

本発明前記状況に鑑みてなされたものであり、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させた熱音響機関を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the said condition, and makes it a subject to provide the thermoacoustic engine which improved specific Carnot efficiency and acoustic power gain.

前記課題を解決した本発明に係る熱音響機関は、作動気体を一端部で冷却し、他端部で加熱して両端部間に温度勾配を形成する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端部に隣接し、前記蓄熱器の一端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記蓄熱器の他端部に隣接し、前記蓄熱器の他端部を加熱する加熱器と、からなる熱音響ユニットを有し、さらに、前記冷却器の端部に接続された第１の導波管部と、前記加熱器の端部に接続された第２の導波管部と、を備え、前記第１の導波管部は、口径が一定である第１の直管部と、前記冷却器の口径と同じとなるように、前記冷却器に近づくに連れて徐々に口径を拡大させた第１のテーパ部と、を有するとともに、前記第２の導波管部は、口径が一定である第２の直管部と、前記加熱器と同じである口径が前記加熱器から離間するに連れて徐々に縮小された第２のテーパ部と、を有し、さらに、前記第１の直管部の流路断面積よりも前記熱音響ユニットの流路断面積を大きくし、前記熱音響ユニットの流路断面積よりも前記第２の直管部の流路断面積を小さくしている。 The thermoacoustic engine according to the present invention that has solved the above problems is a regenerator that cools the working gas at one end and heats it at the other end to form a temperature gradient between both ends, and one end of the regenerator. A thermoacoustic unit comprising: a cooler that adjoins and discharges heat from one end of the regenerator; and a heater that adjoins the other end of the regenerator and heats the other end of the regenerator. And a first waveguide section connected to the end of the cooler, and a second waveguide section connected to the end of the heater. The first straight pipe portion having a constant diameter and the first straight pipe portion having a diameter gradually increased as approaching the cooler so as to be the same as the diameter of the cooler. And the second waveguide section has a second straight pipe section having a constant diameter and a diameter that is the same as that of the heater. A second taper portion that is gradually reduced as it is separated from the container, and further, the flow path cross-sectional area of the thermoacoustic unit is larger than the flow path cross-sectional area of the first straight pipe portion. The channel cross-sectional area of the second straight pipe portion is smaller than the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit.

本発明に係る熱音響機関は、前記した第１のテーパ部を有することによって第１の導波管部における第１の直管部と熱音響ユニットとの流路断面積変化を緩やかなものとすることができ、また、前記した第２のテーパ部を有することによって熱音響ユニットと第２の導波管部における第２の直管部との流路断面積変化を緩やかなものとすることができる。
さらに、第１の直管部の流路断面積よりも熱音響ユニットの流路断面積を大きくし、熱音響ユニットの流路断面積よりも第２の直管部の流路断面積を小さくしている。これにより、エネルギ変換を行う熱音響ユニット（蓄熱器）の部分だけインピーダンスを高くすることができ、それ以外はロスの少ない進行波音波とすることができる。
従って、本発明に係る熱音響機関は、進行波音波が壁面から剥離するのを抑制したり、マイナーロスを抑制したりすることができる。その結果、本発明に係る熱音響機関は、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。なお、マイナーロスとは、第１の導波管部から第２の導波管部の両端における出入り損をいう。 The thermoacoustic engine according to the present invention has the first tapered portion described above, so that the flow path cross-sectional area change between the first straight tube portion and the thermoacoustic unit in the first waveguide portion is moderate. In addition, by having the second taper portion described above, the flow path cross-sectional area change between the thermoacoustic unit and the second straight tube portion in the second waveguide portion can be made gradual. Can do.
Furthermore, the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit is made larger than the channel cross-sectional area of the first straight pipe part, and the channel cross-sectional area of the second straight pipe part is made smaller than the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit. doing. Thereby, only the part of the thermoacoustic unit (heat accumulator) which performs energy conversion can be made high, and it can be set as a traveling wave sound wave with little loss other than that.
Therefore, the thermoacoustic engine which concerns on this invention can suppress that a traveling wave sound wave peels from a wall surface, or can suppress a minor loss. As a result, the thermoacoustic engine according to the present invention can improve specific Carnot efficiency and acoustic power gain. Note that the minor loss refers to an entry / exit loss at both ends of the second waveguide portion from the first waveguide portion.

なお、本発明に係る熱音響機関は、前記第１の導波管部が、前記第１の直管部をなす管状体と、前記第１のテーパ部をなす管状体と、を接続したものであるか、または、一つの管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って前記第１のテーパ部を形成した一体物であり、前記第２の導波管部が、前記第２の直管部をなす管状体と、前記第２のテーパ部をなす管状体と、を接続したものであるか、または、一つの管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って前記第２のテーパ部を形成した一体物であるのが好ましい。
このようにすると、第１の導波管部および第２の導波管部を容易かつ確実に形成することができる。 In the thermoacoustic engine according to the present invention, the first waveguide portion connects the tubular body forming the first straight tube portion and the tubular body forming the first tapered portion. Or an integrated object in which the first tapered portion is formed by gradually increasing the diameter toward one end of one tubular body, and the second waveguide portion. Is connected to the tubular body forming the second straight tube portion and the tubular body forming the second taper portion, or the diameter of the tubular body toward one end portion of one tubular body. It is preferable that the second taper part is formed by performing a process of gradually increasing.
If it does in this way, the 1st waveguide part and the 2nd waveguide part can be formed easily and reliably.

本発明に係る熱音響機関は、前記第１のテーパ部のテーパ角度が２〜１２°であるのが好ましい。
また、本発明に係る熱音響機関は、前記第２のテーパ部のテーパ角度が２〜１２°であるのが好ましい。
これらのようにすると、第１および第２のテーパ部のテーパ角度がそれぞれ適切な範囲にあるので、音波が壁面から剥離するのをより抑制することができ、また、マイナーロスをより抑制することができる。 In the thermoacoustic engine according to the present invention, it is preferable that a taper angle of the first taper portion is 2 to 12 °.
In the thermoacoustic engine according to the present invention, it is preferable that a taper angle of the second taper portion is 2 to 12 °.
If it carries out like these, since the taper angle of the 1st and 2nd taper part is in an appropriate range, respectively, it can control that a sound wave exfoliates from a wall surface, and also controls minor loss more. Can do.

本発明に係る熱音響機関は、前記第１の直管部の流路断面積に対する前記熱音響ユニットの流路断面積が３〜７倍であるのが好ましい。
このようにすると、冷却器、蓄熱器、および加熱器で構成される熱音響ユニットにおけるインピーダンスを高くすることができるので、音響パワーを確実に増幅させることができる。なお、音響パワーについては後に説明する。 In the thermoacoustic engine according to the present invention, the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit with respect to the channel cross-sectional area of the first straight pipe portion is preferably 3 to 7 times.
If it does in this way, since the impedance in the thermoacoustic unit comprised with a cooler, a thermal accumulator, and a heater can be made high, acoustic power can be amplified reliably. The acoustic power will be described later.

また、本発明に係る熱音響機関は、前記第２の直管部の流路断面積が前記熱音響ユニットの流路断面積の１／７〜１／３であるのが好ましい。
このようにすると、熱音響ユニットで高くしたインピーダンスを低くし、進行波音波に戻すことができる。従って、第２の導波管部における進行波音波の伝播を効率良く行うことができる。つまり、第２の導波管部における進行波音波の伝播のロスを少なくすることができる。 In the thermoacoustic engine according to the present invention, it is preferable that a flow path cross-sectional area of the second straight pipe portion is 1/7 to 1/3 of a flow path cross-sectional area of the thermoacoustic unit.
If it does in this way, the impedance made high in the thermoacoustic unit can be made low, and it can return to a traveling wave sound wave. Therefore, the traveling wave acoustic wave can be efficiently propagated in the second waveguide portion. That is, it is possible to reduce the propagation loss of traveling wave sound waves in the second waveguide section.

本発明に係る熱音響機関は、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。 The thermoacoustic engine according to the present invention can improve specific Carnot efficiency and acoustic power gain.

本発明に係る熱音響機関の一実施形態を示す構成図である。It is a lineblock diagram showing one embodiment of a thermoacoustic engine concerning the present invention. 第１のテーパ部のテーパ角度を説明する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the taper angle of a 1st taper part. 第２のテーパ部のテーパ角度を説明する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the taper angle of a 2nd taper part. 本発明に係る熱音響機関の一変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the modification of the thermoacoustic engine which concerns on this invention. 本発明に係る熱音響機関の他の変形例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the other modification of the thermoacoustic engine which concerns on this invention. 使用したテーパ管のテーパ角度θごとに、Ｔｗｏ−ｓｅｎｓｏｒ法で測定した音響パワーをもとに増幅率Ｇを示したグラフである。横軸はテーパ角度θ［°］であり、縦軸は音響パワーＷ_outを音響ユニット上流側端面の音響パワーＷ_inで除した値（Ｇ＝Ｗ_out／Ｗ_in）である。It is the graph which showed the gain G based on the acoustic power measured by the Two-sensor method for every taper angle (theta) of the used taper tube. The horizontal axis is the taper angle θ [°], the vertical axis represents the value obtained by dividing the sound power W _in the sound unit upstream end surface of the acoustic power _{_{W out (G = W out /}} W in). 比カルノー効率η₂とテーパ角度θの関係を示すグラフである。横軸はテーパ角度θ［°］であり、縦軸は比カルノー効率η₂［％］である。6 is a graph showing the relationship between specific Carnot efficiency η ₂ and taper angle θ. The horizontal axis represents the taper angle θ [°], and the vertical axis represents the specific Carnot efficiency η ₂ [%].

［熱音響機関］
以下、適宜図面を参照して本発明に係る熱音響機関について詳細に説明する。図１は、本発明に係る熱音響機関の一実施形態を示す構成図である。
図１に示すように、本発明に係る熱音響機関１は、熱音響ユニット２の一端部２１に第１の導波管部３が接続され、他端部２２に第２の導波管部４が接続されたものである。これらの接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。なお、図１においては、第１の導波管部３と第２の導波管部４の形状（詳しくは、第１のテーパ部３３と第２のテーパ部４３および音響ユニット２の形状）を誇張して示している。
以下、本発明に係る熱音響機関１の各構成要素について説明する。 [Thermoacoustic engine]
Hereinafter, the thermoacoustic engine according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a thermoacoustic engine according to the present invention.
As shown in FIG. 1, in the thermoacoustic engine 1 according to the present invention, the first waveguide section 3 is connected to one end portion 21 of the thermoacoustic unit 2, and the second waveguide section is connected to the other end portion 22. 4 is connected. These connections can be made by a known connection method such as screw connection, flange connection, or weld connection. In FIG. 1, the shapes of the first waveguide portion 3 and the second waveguide portion 4 (specifically, the shapes of the first taper portion 33, the second taper portion 43, and the acoustic unit 2). Is exaggerated.
Hereinafter, each component of the thermoacoustic engine 1 which concerns on this invention is demonstrated.

（熱音響ユニット）
図１に示すように、熱音響ユニット２は、作動気体を加熱および冷却する蓄熱器５と、蓄熱器５の一端部に隣接し、蓄熱器５の一端部の熱を外部に放出する冷却器６と、蓄熱器５の他端部に隣接し、蓄熱器５の他端部を加熱する加熱器７と、から構成されている。つまり、熱音響ユニット２は、蓄熱器５を挟むようにして蓄熱器５の一端部に冷却器６が接続され、蓄熱器５の他端部に加熱器７が接続されている。これらの接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。なお、図１は、これらの構成要素が直線状に接続されたストレート型熱音響機関を示している。 (Thermoacoustic unit)
As shown in FIG. 1, the thermoacoustic unit 2 includes a regenerator 5 that heats and cools the working gas, and a cooler that is adjacent to one end of the regenerator 5 and releases heat from one end of the regenerator 5 to the outside. 6 and a heater 7 which is adjacent to the other end of the heat accumulator 5 and heats the other end of the heat accumulator 5. That is, in the thermoacoustic unit 2, the cooler 6 is connected to one end of the heat accumulator 5 so as to sandwich the heat accumulator 5, and the heater 7 is connected to the other end of the heat accumulator 5. These connections can be made by a known connection method such as screw connection, flange connection, or weld connection. FIG. 1 shows a straight thermoacoustic engine in which these components are connected in a straight line.

つまり、この熱音響ユニット２では、蓄熱器５を挟んで冷却器６と加熱器７の間で温度勾配を形成する。熱音響ユニット２は、形成した温度勾配を利用して音響パワーを増幅させる。その結果、熱音響ユニット２は、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。 That is, in the thermoacoustic unit 2, a temperature gradient is formed between the cooler 6 and the heater 7 with the heat accumulator 5 interposed therebetween. The thermoacoustic unit 2 amplifies the acoustic power using the formed temperature gradient. As a result, the thermoacoustic unit 2 can improve specific Carnot efficiency and acoustic power gain.

なお、熱音響ユニット２の流路断面積は、これを構成する冷却器６、蓄熱器５、および加熱器７のそれぞれの流路断面積が熱音響ユニット２全体の流路断面積を決定する。つまり、熱音響ユニット２の流路断面積は、冷却器６、蓄熱器５、および加熱器７のうちで流路断面積が最も小さいものに影響される。従って、冷却器６、蓄熱器５、および加熱器７の流路断面積は同一またはほぼ同一となるようにするのが好ましい。このようにすると音場を安定させることができるので、音響パワーが安定的に増幅され、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより安定的に向上させることができる。なお、流路断面積は、蓄熱器５などの機器の口径に開口率を乗ずることによって求めることができる。冷却器６、蓄熱器５、および加熱器７の流路断面積は異なっていてもよいが、その場合、前記したように、これらのうちの最小の流路断面積によって熱音響ユニット２の流路断面積が決定される。 The channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 is determined by the cross-sectional areas of the cooler 6, the heat accumulator 5, and the heater 7 constituting the thermoacoustic unit 2. . That is, the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 is affected by the cooler 6, the heat accumulator 5, and the heater 7 having the smallest channel cross-sectional area. Therefore, it is preferable that the flow path cross-sectional areas of the cooler 6, the heat accumulator 5, and the heater 7 be the same or substantially the same. In this way, since the sound field can be stabilized, the sound power is stably amplified, and the specific Carnot efficiency and the sound power gain can be improved more stably. In addition, a flow-path cross-sectional area can be calculated | required by multiplying an aperture ratio to the aperture of apparatuses, such as the heat storage device 5. The flow path cross-sectional areas of the cooler 6, the heat accumulator 5, and the heater 7 may be different. In this case, as described above, the flow path of the thermoacoustic unit 2 is determined by the minimum flow path cross-sectional area among them. The road cross-sectional area is determined.

（導波管部）
図１に示す第１の導波管部３および第２の導波管部４はともに作動気体を内部に含む直線状の中空管状体である。第１の導波管部３は、第１の直管部３２と第１のテーパ部３３とを有する（いずれも図２参照）。また、第２の導波管部４は、第２の直管部４２と第２のテーパ部４３とを有する（いずれも図３参照）。第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３については後記するが、第１の直管部３２と第２の直管部４２はそれぞれ所定の長さおよび流路断面積を有している。なお、第１の導波管部３および第２の導波管部４は前記したように中空であるから、第１の直管部３２と第２の直管部４２の開口率はそれぞれ１００％であり、その流路断面積はπｒ²（ｒは導波管部の半径）で求めることができる。第１の導波管部３および第２の導波管部４は、作動気体の流路方向に対して垂直な方向の断面形状を円形とすることができるがこれに限定されるものではなく、矩形とすることもできる。 (Waveguide part)
Both the first waveguide section 3 and the second waveguide section 4 shown in FIG. 1 are linear hollow tubular bodies containing working gas therein. The first waveguide section 3 includes a first straight pipe section 32 and a first taper section 33 (both are shown in FIG. 2). The second waveguide section 4 includes a second straight pipe section 42 and a second taper section 43 (both are shown in FIG. 3). The first taper part 33 and the second taper part 43 will be described later. The first straight pipe part 32 and the second straight pipe part 42 have a predetermined length and a flow path cross-sectional area, respectively. . Since the first waveguide section 3 and the second waveguide section 4 are hollow as described above, the opening ratios of the first straight pipe section 32 and the second straight pipe section 42 are 100 respectively. %, And the channel cross-sectional area can be obtained by πr ² (r is the radius of the waveguide portion). The first waveguide section 3 and the second waveguide section 4 can be circular in cross section in a direction perpendicular to the flow direction of the working gas, but are not limited thereto. It can also be rectangular.

本発明においては、第１の導波管部３が冷却器６に接続され、第２の導波管部４が加熱器７に接続されている。なお、第１の導波管部３および第２の導波管部４の長さは任意に設定することができるが、管内に進行波音波を入力したときにλ／４の定常波が生じる長さとするのが好ましい。第１の導波管部３および第２の導波管部４の長さの具体例としては、熱音響ユニット２を含めてその全長を６．６ｍとすることが挙げられる。 In the present invention, the first waveguide section 3 is connected to the cooler 6, and the second waveguide section 4 is connected to the heater 7. Although the lengths of the first waveguide section 3 and the second waveguide section 4 can be arbitrarily set, the length that generates a λ / 4 standing wave when a traveling wave sound wave is input into the tube. It is preferable that As a specific example of the length of the first waveguide section 3 and the second waveguide section 4, the total length including the thermoacoustic unit 2 is 6.6 m.

作動気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物などの不活性気体や、空気等がよく用いられる。 As the working gas, an inert gas such as nitrogen, helium, argon, a mixture of helium and argon, air, or the like is often used.

（蓄熱器）
蓄熱器５は、作動気体を一端部で冷却し、他端部で加熱する。すなわち、蓄熱器５は、冷却器６および加熱器７によって蓄熱器５の両端部間に温度勾配を形成し、その温度差を保つことによって下記の熱力学サイクルを行わせ、作動気体の音響パワーを増幅させる。つまり、蓄熱器５の流路は狭いので蓄熱器５の壁面温度と作動気体の温度とを瞬時に同じ温度とすることができる。従って、蓄熱器５の冷却器６側から蓄熱器５に進行波音波を入力すると、蓄熱器５内の作動気体が蓄熱器５の壁面と熱交換を行い、圧縮→加熱→膨張→冷却という熱力学サイクルが蓄熱器５内で行われる。その結果、蓄熱器５に入力された進行波音波を増幅させることができる。つまり、音響パワーを増幅させることができる。 (Regenerator)
The heat accumulator 5 cools the working gas at one end and heats it at the other end. That is, the heat accumulator 5 forms a temperature gradient between both ends of the heat accumulator 5 by the cooler 6 and the heater 7 and maintains the temperature difference to cause the following thermodynamic cycle to be performed. Amplify. That is, since the flow path of the heat accumulator 5 is narrow, the wall surface temperature of the heat accumulator 5 and the temperature of the working gas can be instantaneously set to the same temperature. Therefore, when a traveling wave sound wave is input to the heat accumulator 5 from the cooler 6 side of the heat accumulator 5, the working gas in the heat accumulator 5 exchanges heat with the wall surface of the heat accumulator 5, and heat of compression → heating → expansion → cooling. A dynamic cycle takes place in the regenerator 5. As a result, the traveling wave sound wave input to the heat accumulator 5 can be amplified. That is, the acoustic power can be amplified.

蓄熱器５は、例えば、導波管部の延在方向（管路方向）に多数の平行通路を有するセラミックス製のハニカム構造体や、多数枚のステンレス鋼などの金属製のメッシュ薄板を微小ピッチで積層した構造体とすることができる。また、蓄熱器５として、金属繊維よりなる不織布状物等を用いることも可能である。このような構成とすることにより、蓄熱器５は流路を狭くすることができる。 For example, the heat accumulator 5 has a fine pitch formed of a ceramic honeycomb structure having a large number of parallel passages in the extending direction of the waveguide portion (pipeline direction) or a large number of metal mesh thin plates such as stainless steel. It can be set as the laminated body. Further, as the heat accumulator 5, a non-woven fabric made of metal fibers or the like can be used. By setting it as such a structure, the heat storage device 5 can narrow a flow path.

（冷却器）
冷却器６（低温側熱交換器）は、蓄熱器５の一端部に隣接しており、これらの接触部分の熱交換を行う。つまり、冷却器６は、蓄熱器５と接触している部分の熱を冷却水や空気などを用いて外部に放出して冷却する。冷却器６は、冷却用の熱交換器を用いることができる。冷却器６の構成の一例を説明すると、例えば、メッシュ板などの多数枚の金属板（フィン）が微小ピッチで積層された積層部（図示せず）を有し、その周囲に冷却ブラケット（図示せず）が配設されている。この冷却ブラケットには冷却水路（図示せず）が接続されており、冷却水路を流れる冷却水などの熱伝達媒体によって冷却器６は一定の冷却温度を維持しうる構成となっている。 (Cooler)
The cooler 6 (low temperature side heat exchanger) is adjacent to one end portion of the heat accumulator 5, and performs heat exchange between these contact portions. In other words, the cooler 6 cools the heat of the part in contact with the heat accumulator 5 by releasing it to the outside using cooling water, air, or the like. As the cooler 6, a heat exchanger for cooling can be used. An example of the configuration of the cooler 6 will be described. For example, the cooler 6 has a laminated portion (not shown) in which a large number of metal plates (fins) such as mesh plates are laminated at a fine pitch, and a cooling bracket (see FIG. (Not shown) is provided. A cooling water channel (not shown) is connected to the cooling bracket, and the cooler 6 can maintain a constant cooling temperature by a heat transfer medium such as cooling water flowing through the cooling water channel.

（加熱器）
加熱器７（高温側熱交換器）は、蓄熱器５の他端部に隣接しており、これらの接触部分の熱交換を行う。つまり、加熱器７は、加熱手段（図示せず）によって蓄熱器５と接触している部分を加熱するものである。加熱器７は、加熱用の熱交換器を用いることができる。加熱器７の構成は基本的には冷却器６と同一であり、例えば、メッシュ板などの多数枚の金属板（フィン）が微小ピッチで積層された積層部（図示せず）を有し、その周囲に加熱ブラケット（図示せず）が配設されている。この加熱ブラケットには加熱水路（図示せず）が接続されており、加熱水路を流れる加熱水などの熱伝達媒体によって加熱器７は一定の加熱温度を維持しうる構成となっている。加熱手段として例えば電気ヒータなどを用いることができる。また、加熱水の替わりにオイルを用いることができる。なお、加熱器７は蓄熱器５の他端部を加熱することができればよく、電気ヒータなどの加熱手段を直接取り付ける態様とすることもできる。 (Heater)
The heater 7 (high temperature side heat exchanger) is adjacent to the other end portion of the heat accumulator 5, and performs heat exchange between these contact portions. That is, the heater 7 heats a portion in contact with the heat accumulator 5 by a heating means (not shown). As the heater 7, a heat exchanger for heating can be used. The structure of the heater 7 is basically the same as that of the cooler 6. For example, the heater 7 has a laminated portion (not shown) in which a large number of metal plates (fins) such as mesh plates are laminated at a fine pitch, A heating bracket (not shown) is disposed around the periphery. A heating water channel (not shown) is connected to the heating bracket, and the heater 7 is configured to maintain a constant heating temperature by a heat transfer medium such as heating water flowing through the heating water channel. For example, an electric heater or the like can be used as the heating means. Oil can be used instead of heated water. In addition, the heater 7 should just be able to heat the other end part of the thermal storage 5, and can also be set as the aspect which attaches heating means, such as an electric heater, directly.

前記した構成の冷却器６と加熱器７は、冷却器６の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、加熱器７の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、を一致させるようにするのが好ましい。このようにすると、冷却器６と加熱器７の流路を同一に扱うことができる。つまり、熱音響ユニット２の流路断面積に関して、冷却器６と加熱器７の個々の開口率が影響せず、一つの開口率とみなすことができる。従って、冷却器６と加熱器７のあいだで流路断面積が減少しないので、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより向上させることができる。 The cooler 6 and the heater 7 having the above-described configuration include a gap between the metal plates in the stacked portion (not shown) of the cooler 6 and a gap between the metal plates in the stacked portion (not shown) of the heater 7. Are preferably matched. If it does in this way, the channel of cooler 6 and heater 7 can be handled the same. That is, regarding the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2, the individual aperture ratios of the cooler 6 and the heater 7 are not affected and can be regarded as one aperture ratio. Therefore, since the flow path cross-sectional area does not decrease between the cooler 6 and the heater 7, the specific Carnot efficiency and the acoustic power gain can be further improved.

（第１のテーパ部、第２のテーパ部、流路断面積）
前記した熱音響機関１において、本発明では以下の構成を採用している。
図２に示すように、第１の導波管部３は、冷却器６と隣接し、口径が一定である第１の直管部３２と、冷却器６の口径と同じとなるように、冷却器６に近づくに連れて徐々に口径を拡大させた第１のテーパ部３３と、を有している。第１の導波管部３は、第１の直管部３２をなす管状体と、第１のテーパ部３３をなす管状体と、を別々に作製し、これらを接続したものであってもよい。なお、これらの接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。また、第１の導波管部３は、切削などの加工手段によって所定の口径を有する一つの中空管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って第１のテーパ部３３を形成した一体物であってもよい。いずれによっても、第１の導波管部３を容易かつ確実に形成することができる。なお、図２は、第１の直管部３２と第１のテーパ部３３を一体物として作製した例を示している。 (1st taper part, 2nd taper part, flow-path cross-sectional area)
In the thermoacoustic engine 1 described above, the following configuration is adopted in the present invention.
As shown in FIG. 2, the first waveguide portion 3 is adjacent to the cooler 6 and has the same diameter as the first straight tube portion 32 having a constant diameter, and the cooler 6. A first taper portion 33 whose diameter is gradually enlarged as the cooler 6 is approached. The first waveguide section 3 may be a tubular body that forms the first straight pipe section 32 and a tubular body that forms the first taper section 33, and these are connected separately. Good. These connections can be made by known connection methods such as screw connection, flange connection, and weld connection. In addition, the first waveguide portion 3 is subjected to a process of gradually increasing the diameter toward one end of one hollow tubular body having a predetermined diameter by a processing means such as cutting, and the first taper. An integrated body in which the portion 33 is formed may be used. In any case, the first waveguide portion 3 can be easily and reliably formed. FIG. 2 shows an example in which the first straight pipe portion 32 and the first taper portion 33 are produced as a single body.

また、図３に示すように、第２の導波管部４は、加熱器７と隣接し、口径が一定である第２の直管部４２と、加熱器７と同じである口径が加熱器７から離間するに連れて徐々に縮小された第２のテーパ部４３と、を有している。第２の導波管部４は、第２の直管部４２をなす管状体と、第２のテーパ部４３をなす管状体を別々に作製し、これらを接続したものであってもよい。なお、これらの接続は前記同様、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。また、第２の導波管部４は、切削などの加工手段によって所定の口径を有する一つの中空管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って第２のテーパ部４３を形成した一体物であってもよい。いずれによっても、第２の導波管部４を容易かつ確実に形成することができる。なお、図３は、第２の直管部４２と第２のテーパ部４３を一体物として作製した例を示している。 As shown in FIG. 3, the second waveguide section 4 is adjacent to the heater 7, the second straight pipe section 42 having a constant diameter, and the same diameter as the heater 7 is heated. And a second taper portion 43 that is gradually reduced as the distance from the container 7 increases. The second waveguide portion 4 may be formed by separately producing a tubular body forming the second straight tube portion 42 and a tubular body forming the second tapered portion 43 and connecting them. In addition, these connections can be made by a known connection method such as a screw connection, a flange connection, or a weld connection, as described above. Further, the second waveguide portion 4 is subjected to processing for gradually increasing the diameter toward one end portion of one hollow tubular body having a predetermined diameter by a processing means such as cutting, and the second taper. An integrated body in which the portion 43 is formed may be used. In any case, the second waveguide portion 4 can be easily and reliably formed. FIG. 3 shows an example in which the second straight pipe portion 42 and the second taper portion 43 are produced as a single body.

さらに、本発明においては、第１の直管部３２の流路断面積よりも熱音響ユニット２の流路断面積を大きくし、熱音響ユニット２の流路断面積よりも第２の直管部４２の流路断面積を小さくしている。 Furthermore, in the present invention, the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 is made larger than the channel cross-sectional area of the first straight pipe portion 32, and the second straight pipe is made larger than the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2. The channel cross-sectional area of the portion 42 is reduced.

ここで、本発明に係る熱音響機関１は、前記した第１のテーパ部３３を有しているので、第１の直管部３２と熱音響ユニット２との流路断面積変化を緩やかなものとすることができるとともに、第２のテーパ部４３を有しているので、熱音響ユニット２と第２の直管部４２との流路断面積変化を緩やかなものとすることができる。そのため、進行波音波が壁面から剥離するのを抑制したり、マイナーロスを抑制したりすることができる。また、第１の直管部３２、熱音響ユニット２、および第２の直管部４２の流路断面積の関係を前記したようにすることによって、エネルギ変換を行う熱音響ユニット２（蓄熱器５）の部分だけインピーダンスを高くすることができ、それ以外（第１の導波管部３および第２の導波管部４）はロスの少ない進行波音波とすることができる。その結果、本発明に係る熱音響機関１は、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。 Here, since the thermoacoustic engine 1 according to the present invention has the first tapered portion 33 described above, the change in the flow path cross-sectional area between the first straight pipe portion 32 and the thermoacoustic unit 2 is moderate. In addition, since the second taper portion 43 is provided, the change in the flow path cross-sectional area between the thermoacoustic unit 2 and the second straight pipe portion 42 can be made gradual. Therefore, it can suppress that a traveling wave sound wave peels from a wall surface, or can suppress a minor loss. Moreover, the thermoacoustic unit 2 (heat accumulator) which performs energy conversion by making the relationship of the flow-path cross-sectional area of the 1st straight pipe part 32, the thermoacoustic unit 2, and the 2nd straight pipe part 42 mentioned above. The impedance can be increased only in the portion 5), and the other portions (the first waveguide portion 3 and the second waveguide portion 4) can be traveling wave sound waves with little loss. As a result, the thermoacoustic engine 1 according to the present invention can improve the specific Carnot efficiency and the acoustic power gain.

図２に示すように、第１のテーパ部３３のテーパ角度θは２〜１２°であるのが好ましく、また、図３に示すように、第２のテーパ部４３のテーパ角度θは２〜１２°であるのが好ましい。第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３のテーパ角度θがともに前記した範囲にあれば、進行波音波が壁面から剥離するのをより確実に抑制したり、マイナーロスをより確実に抑制したりすることができる。そのため、本発明に係る熱音響機関１は、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより確実に向上させることができる。
これらの効果をさらに確実に得る観点から、第１のテーパ部３３のテーパ角度θは６〜９°とするのがより好ましく、７°とするのがさらに好ましい。また、同様の理由から、第２のテーパ部４３のテーパ角度θは６〜９°とするのがより好ましく、７°とするのがさらに好ましい。 As shown in FIG. 2, the taper angle θ of the first taper portion 33 is preferably 2 to 12 °, and the taper angle θ of the second taper portion 43 is 2 to 2 as shown in FIG. It is preferably 12 °. If both the taper angles θ of the first taper portion 33 and the second taper portion 43 are in the above-described range, it is possible to more reliably suppress the traveling wave sound wave from being separated from the wall surface, and more reliably suppress minor loss. You can do it. Therefore, the thermoacoustic engine 1 according to the present invention can improve the specific Carnot efficiency and the acoustic power gain more reliably.
From the viewpoint of obtaining these effects more reliably, the taper angle θ of the first taper portion 33 is more preferably 6 to 9 °, and further preferably 7 °. For the same reason, the taper angle θ of the second taper portion 43 is more preferably 6 to 9 °, and further preferably 7 °.

また、第１の直管部３２の流路断面積に対する熱音響ユニット２の流路断面積は３〜７倍であるのが好ましく、４〜７倍であるのがより好ましく、４．６〜６．６倍であるのがさらに好ましい。このようにすると、熱音響ユニット２におけるインピーダンスを高くすることができるので、音響パワーを確実に増幅させることができる。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。 Moreover, it is preferable that the flow-path cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 with respect to the flow-path cross-sectional area of the 1st straight pipe part 32 is 3-7 times, It is more preferable that it is 4-7 times, 4.6- More preferably, it is 6.6 times. If it does in this way, since the impedance in the thermoacoustic unit 2 can be made high, acoustic power can be amplified reliably. Therefore, specific Carnot efficiency and sound power gain can be improved.

さらに、第２の直管部４２の流路断面積は熱音響ユニット２の流路断面積の１／７〜１／３であるのが好ましく、１／７〜１／４であるのがより好ましく、１／６．６〜１／４．６とするのがさらに好ましい。このようにすると、熱音響ユニット２で高くしたインピーダンスを低くし、進行波音波に戻すことができる。従って、第２の導波管部４における進行波音波の伝播を効率良く行うことができる。つまり、第２の導波管部４における進行波音波の伝播のロスを少なくすることができる。 Furthermore, the channel cross-sectional area of the second straight pipe portion 42 is preferably 1/7 to 1/3 of the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2, and more preferably 1/7 to 1/4. Preferably, 1 / 6.6 to 1 / 4.6 is more preferable. If it does in this way, the impedance made high in the thermoacoustic unit 2 can be made low, and it can return to a traveling wave sound wave. Therefore, the traveling wave sound wave can be efficiently propagated in the second waveguide portion 4. That is, the propagation loss of traveling wave sound waves in the second waveguide section 4 can be reduced.

なお、前記した第１のテーパ部３３のテーパ角度θと第２のテーパ部４３のテーパ角度θはそれぞれ前記した数値範囲内で同じ角度とすることができるがこれに限定されるものではなく、それぞれ前記した数値範囲内で異なる角度とすることができる。
また、前記した第１の直管部３２の流路断面積と熱音響ユニット２の流路断面積の関係および第２の直管部４２の流路断面積と熱音響ユニット２の流路断面積の関係もこれと同様である。すなわち、例えば、第１の直管部３２の流路断面積に対する熱音響ユニット２の流路断面積を３倍とした場合に、第２の直管部４２の流路断面積を熱音響ユニット２の流路断面積の１／３とするように、互いに対応する倍率とすることができるがこれに限定されるものではなく、互いに対応しない倍率とすることができる。つまり、第１の直管部３２の流路断面積に対する熱音響ユニット２の流路断面積を例えば３倍としたときに、第２の直管部４２の流路断面積を熱音響ユニット２の流路断面積を１／７とすることができる。 The taper angle θ of the first taper portion 33 and the taper angle θ of the second taper portion 43 can be set to the same angle within the numerical range described above, but are not limited thereto. The angles can be different within the numerical ranges described above.
Further, the relationship between the flow path cross-sectional area of the first straight pipe portion 32 and the flow path cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 and the flow path cross-sectional area of the second straight pipe portion 42 and the flow path break of the thermoacoustic unit 2 are described. The area relationship is similar to this. That is, for example, when the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 with respect to the channel cross-sectional area of the first straight pipe part 32 is tripled, the channel cross-sectional area of the second straight pipe part 42 is changed to the thermoacoustic unit. The magnifications corresponding to each other can be set to 1/3 of the flow path cross-sectional area of 2, but the present invention is not limited to this, and the magnifications may not correspond to each other. That is, when the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 with respect to the channel cross-sectional area of the first straight pipe part 32 is tripled, for example, the channel cross-sectional area of the second straight pipe part 42 is set to the thermoacoustic unit 2. The flow path cross-sectional area can be 1/7.

（変形例；冷凍機、昇温機器）
前記した構成の熱音響機関１に対して第１の導波管部３から進行波音波を入力すると、蓄熱器５内で前記した熱力学サイクルが行われ、進行波音波が増幅される（音響パワーが増幅される）。このとき、前記した熱力学サイクルにより、第１の導波管部３と蓄熱器５が接触している部分、より詳しくは第１のテーパ部３３と蓄熱器５が接触している部分の温度が低下する。前記した構成の冷却用の熱交換器を用いて前記した低下した温度を取り出すことにより、本発明に係る熱音響機関１を冷凍機として使用することができる。なお、このような冷凍機は熱音響冷凍機などと呼称されることもある。 (Modification: refrigerator, temperature riser)
When a traveling wave sound wave is input from the first waveguide section 3 to the thermoacoustic engine 1 having the above-described configuration, the thermodynamic cycle described above is performed in the heat accumulator 5, and the traveling wave sound wave is amplified (acoustic wave). Power is amplified). At this time, due to the above-described thermodynamic cycle, the temperature of the portion where the first waveguide portion 3 and the heat accumulator 5 are in contact, more specifically, the portion where the first taper portion 33 and the heat accumulator 5 are in contact with each other. Decreases. The thermoacoustic engine 1 according to the present invention can be used as a refrigerator by taking out the reduced temperature using the cooling heat exchanger having the above-described configuration. Such a refrigerator may be referred to as a thermoacoustic refrigerator.

また、前記した構成の熱音響機関１に対して第１の導波管部３から進行波音波を入力すると、前記した熱力学サイクルにより、蓄熱器５と第２の導波管部４が接触している部分、より詳しくは蓄熱器５と第２のテーパ部４３が接触している部分の温度が上昇する。前記した構成の加熱用の熱交換器を用いて前記した上昇した温度を取り出すことにより、本発明に係る熱音響機関１を昇温機器として使用することができる。 Further, when a traveling wave sound wave is input from the first waveguide unit 3 to the thermoacoustic engine 1 having the above-described configuration, the heat accumulator 5 and the second waveguide unit 4 come into contact with each other by the thermodynamic cycle described above. The temperature of the portion where the heat accumulator 5 and the second taper portion 43 are in contact with each other increases. The thermoacoustic engine 1 according to the present invention can be used as a temperature raising device by taking out the above-described increased temperature using the heat exchanger for heating having the above-described configuration.

（変形例；ループ管）
さらに、図１では第１の導波管部３および第２の導波管部４が直線状の中空管状体である例を示しているが、図４に示すように、第１の導波管部３の先端部３１に前記熱音響ユニット２と同様の構成および作用・効果を有する熱音響ユニット５２を有する第１のループ管５０を設けることができる。 (Modification: Loop pipe)
Further, FIG. 1 shows an example in which the first waveguide section 3 and the second waveguide section 4 are linear hollow tubular bodies, but as shown in FIG. A first loop tube 50 having a thermoacoustic unit 52 having the same configuration and operation / effect as the thermoacoustic unit 2 can be provided at the distal end portion 31 of the tube portion 3.

第１のループ管５０は、作動気体が封入される環状の管であり、その管路は平面視した形状が角丸の四角形に形成されている。第１のループ管５０は、第１のループ管５０のうちの一辺となる直管部５０ａの延長線上に第１の導波管部３の一端部３１を接続するのが好ましい。このようにすると、熱音響ユニット２への進行波音波の入力をスムーズに行うことができるようになる。なお、直管部５０ａと第１の導波管部３の一端部３１の接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。 The first loop pipe 50 is an annular pipe in which a working gas is enclosed, and the pipe path is formed in a quadrangular shape with a rounded shape in plan view. The first loop tube 50 is preferably connected to one end portion 31 of the first waveguide portion 3 on an extension line of the straight tube portion 50 a that is one side of the first loop tube 50. If it does in this way, the input of the traveling wave sound wave to the thermoacoustic unit 2 can be performed smoothly. In addition, the connection of the straight pipe part 50a and the one end part 31 of the 1st waveguide part 3 can be performed by well-known connection methods, such as screw connection, flange connection, and welding connection.

前記したように、熱音響ユニット５２は、蓄熱器５５、冷却器５６および加熱器５７から構成されている。従って、第１のループ管５０によって熱音響ユニット２に入力する進行波音波をより増幅させることが可能となる。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより向上させることができる。 As described above, the thermoacoustic unit 52 includes the heat accumulator 55, the cooler 56, and the heater 57. Therefore, the traveling wave sound wave input to the thermoacoustic unit 2 can be further amplified by the first loop tube 50. Therefore, the specific Carnot efficiency and the acoustic power gain can be further improved.

また、図４に示すように、第２の導波管部４の先端部４１に前記熱音響ユニット２と同様の構成および作用・効果を有する熱音響ユニット６２を有する第２のループ管６０を設けることができる。 Further, as shown in FIG. 4, a second loop tube 60 having a thermoacoustic unit 62 having the same configuration and operation / effect as the thermoacoustic unit 2 is provided at the distal end portion 41 of the second waveguide portion 4. Can be provided.

第２のループ管６０は、作動気体が封入される環状の管であり、その管路は平面視した形状が角丸の四角形に形成されている。第２のループ管６０は、第２のループ管６０のうちの一辺となる直管部６０ａの延長線上に第２の導波管部４の他端部４１を接続するのが好ましい。このようにすると、熱音響ユニット２から熱音響ユニット６２への進行波音波の入力をスムーズに行うことができるようになる。なお、直管部６０ａと第２の導波管部４の他端部４１の接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。 The second loop pipe 60 is an annular pipe filled with working gas, and the pipe path is formed in a quadrangular shape with a rounded shape in plan view. The second loop tube 60 is preferably connected to the other end portion 41 of the second waveguide portion 4 on an extension line of the straight tube portion 60 a that is one side of the second loop tube 60. In this way, the traveling wave sound wave can be smoothly input from the thermoacoustic unit 2 to the thermoacoustic unit 62. In addition, the connection of the straight pipe part 60a and the other end part 41 of the 2nd waveguide part 4 can be performed by well-known connection methods, such as screw connection, flange connection, and welding connection.

前記同様、熱音響ユニット６２は、蓄熱器６５、冷却器６６および加熱器６７から構成されている。従って、熱音響ユニット２からの進行波音波を第２のループ管６０によって熱音響ユニット６２に入力されると、進行波音波をより増幅させることが可能となる。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより向上させることができる。 As described above, the thermoacoustic unit 62 includes a heat accumulator 65, a cooler 66, and a heater 67. Accordingly, when the traveling wave sound wave from the thermoacoustic unit 2 is input to the thermoacoustic unit 62 by the second loop tube 60, the traveling wave sound wave can be further amplified. Therefore, the specific Carnot efficiency and the acoustic power gain can be further improved.

前記した熱音響ユニット５２、６２はいずれも音響パワー（進行波音波）を増幅することができるので前記熱力学サイクルを行わせることが可能である。従って、熱音響ユニット５２、６２はいずれも冷凍機および昇温機器のうちの少なくとも一つとして用いることができる。なお、図４は、第１のループ管５０および第２のループ管６０を同時に備えた熱音響機関１Ａを示しているが、いずれか一方のみを備えた熱音響機関（図示せず）とすることができることは言うまでもない。 Since both the thermoacoustic units 52 and 62 described above can amplify acoustic power (traveling wave sound wave), the thermodynamic cycle can be performed. Accordingly, both of the thermoacoustic units 52 and 62 can be used as at least one of a refrigerator and a temperature raising device. 4 shows the thermoacoustic engine 1A provided with the first loop pipe 50 and the second loop pipe 60 at the same time, it is a thermoacoustic engine (not shown) provided with only one of them. It goes without saying that it can be done.

なお、第１のループ管５０および第２のループ管６０は、作動気体の流路方向に対して垂直な方向の断面形状を円形とすることができるがこれに限定されるものではなく、矩形とすることもできる。
また、図５では、第１のループ管５０および第２のループ管６０の管路について、平面視した形状が角丸の四角形である場合を例示しているがこれに限定されるものではなく、例えば、平面視した形状を円形とすることができる。 The first loop pipe 50 and the second loop pipe 60 may have a circular cross-sectional shape in a direction perpendicular to the flow direction of the working gas. However, the first loop pipe 50 and the second loop pipe 60 are not limited to this. It can also be.
Further, FIG. 5 illustrates the case where the shape of the first loop pipe 50 and the second loop pipe 60 in plan view is a rounded quadrangle, but is not limited thereto. For example, the shape in plan view can be a circle.

（発電機）
また、図５に示すように、熱音響機関１Ｂは第２の導波管部４の先端部４１にリニア発電機７０を設けることにより、熱音響ユニット２によって増幅させた音響パワーを用いて発電することができる。リニア発電機７０は、第１の導波管部３、熱音響ユニット２および第２の導波管部４で生じる圧力変動に対応した内部圧力変動を受ける圧力容器７１を備えている。圧力容器７１内には、外側ヨーク（円筒）７２、７２と、これら外側ヨーク７２、７２にそれぞれ収容されるコイル７３、７３と、外側ヨーク７２、７２の間に位置する内側ヨーク（円筒）７４と、外側ヨーク７２、７２のそれぞれと内側ヨーク７４との間に設けられた永久磁石７５、７５と、が備えられている。なお、永久磁石７５、７５は、それぞれＳ極とＮ極の磁石から構成されている。 (Generator)
In addition, as shown in FIG. 5, the thermoacoustic engine 1 </ b> B generates power using the acoustic power amplified by the thermoacoustic unit 2 by providing a linear generator 70 at the tip 41 of the second waveguide section 4. can do. The linear generator 70 includes a pressure vessel 71 that receives an internal pressure fluctuation corresponding to a pressure fluctuation generated in the first waveguide section 3, the thermoacoustic unit 2, and the second waveguide section 4. Inside the pressure vessel 71, outer yokes (cylinders) 72 and 72, coils 73 and 73 accommodated in the outer yokes 72 and 72, respectively, and inner yokes (cylinders) 74 located between the outer yokes 72 and 72. And permanent magnets 75 and 75 provided between the outer yokes 72 and 72 and the inner yoke 74, respectively. The permanent magnets 75 and 75 are composed of S and N pole magnets, respectively.

リニア発電機７０におけるこのような構造は、コイル７３、７３を周回する磁束密度の時間変化により電流が発生するという原理に基づいた発電方式を採用している。すなわち、音響パワーに基づき内側ヨーク７４がストロークすることにより、コイル７３、７３を周回する磁束密度が大きく変化し、発電が行われる。また、内側ヨーク７４に突起７４ａを取り付けることによって、エアギャップを磁束が通過することによる磁束密度の低下を抑止することができる。
なお、この図５に示す例においても、図４に示す構成を適用できることは言うまでもない。例えば、図５に示す第１の導波管部３の先端部３１に、図４に示す熱音響ユニット５２を有する第１のループ管５０を設けてもよい。このようにすると、図５に示す熱音響ユニット２は、第１のループ管５０（図５において図示せず）で増幅された音響パワーをさらに増幅することができるため、リニア発電機７０での発電量を多くすることができる。 Such a structure in the linear generator 70 employs a power generation method based on the principle that a current is generated by a change in the magnetic flux density circulating around the coils 73 and 73 with time. That is, when the inner yoke 74 strokes based on the acoustic power, the magnetic flux density that circulates around the coils 73 and 73 greatly changes, and power generation is performed. Further, by attaching the protrusion 74a to the inner yoke 74, it is possible to suppress a decrease in magnetic flux density due to the magnetic flux passing through the air gap.
Needless to say, the configuration shown in FIG. 4 can also be applied to the example shown in FIG. For example, you may provide the 1st loop pipe | tube 50 which has the thermoacoustic unit 52 shown in FIG. 4 in the front-end | tip part 31 of the 1st waveguide part 3 shown in FIG. In this way, the thermoacoustic unit 2 shown in FIG. 5 can further amplify the acoustic power amplified by the first loop tube 50 (not shown in FIG. 5). The amount of power generation can be increased.

次に、本発明の効果を確認した実施例について詳細に説明する。
本実施例では、図１に示す装置（熱音響機関１）を用いて実験を行った。この装置は、導波管（第１の導波管部３および第２の導波管部４）およびテーパ管（第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３）、蓄熱器５、低温側熱交換器（冷却器６）、高温側熱交換器（加熱器７）で構成されている。なお、蓄熱器５、冷却器６、加熱器７で熱音響ユニット２を構成している。 Next, examples in which the effects of the present invention have been confirmed will be described in detail.
In this example, an experiment was performed using the apparatus (thermoacoustic engine 1) shown in FIG. This apparatus includes a waveguide (first waveguide portion 3 and second waveguide portion 4) and a tapered tube (first taper portion 33 and second taper portion 43), a heat accumulator 5, a low temperature. It is comprised by the side heat exchanger (cooler 6) and the high temperature side heat exchanger (heater 7). The heat accumulator 5, the cooler 6, and the heater 7 constitute the thermoacoustic unit 2.

第１の導波管部３および第２の導波管部４のそれぞれの先端には、内部気体を強制振動させるためのリニアモータＬＭＬ、ＬＭＲを取り付けた。本実施例では、図１中、左端に設置したリニアモータＬＭＬで進行波音波を発生し、蓄熱器５にて増幅した進行波音波を右端のリニアモータＬＭＲで吸収する構成とした。 Linear motors LML and LMR for forcibly oscillating the internal gas were attached to the respective tips of the first waveguide section 3 and the second waveguide section 4. In this embodiment, a traveling wave sound wave is generated by a linear motor LML installed at the left end in FIG. 1, and the traveling wave sound wave amplified by the heat accumulator 5 is absorbed by the right end linear motor LMR.

装置の全長をＬ＝６．６ｍとした。本実施例では、テーパ部の角度がθ＝６°、７°、８°、９°、９０°であるテーパ管（第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３）に取り替えることでθを変化させた。なお、テーパ部の角度θ＝９０°はテーパ管ではなく、流路断面積が急激に広くなる口径の大きい管を用いたことを意味する。
このとき、蓄熱器５、冷却器６、および加熱器７のそれぞれの口径は４０ｍｍであり、開口率は７０％であった。導波管の直管部（第１の導波管部３の第１の直管部３３および第２の導波管部４の第２の直管部４３）の口径は１０．９ｍｍであり、開口率は１００％であった。 The total length of the device was L = 6.6 m. In this embodiment, the angle of the taper portion is changed to θ (6 °, 7 °, 8 °, 9 °, 90 °) by changing to a taper tube (first taper portion 33 and second taper portion 43). Changed. In addition, the angle θ = 90 ° of the tapered portion means that a pipe having a large diameter whose flow path cross-sectional area is rapidly widened is used instead of the tapered pipe.
At this time, the diameter of each of the heat accumulator 5, the cooler 6, and the heater 7 was 40 mm, and the aperture ratio was 70%. The diameter of the straight tube portion of the waveguide (the first straight tube portion 33 of the first waveguide portion 3 and the second straight tube portion 43 of the second waveguide portion 4) is 10.9 mm. The aperture ratio was 100%.

本実施例では、図１中、左右に設置したリニアモータＬＭＬ、ＬＭＲの振幅と位相差をファンクションジェネレータＦＧを用いて調整し、パワーアンプＰＡで増幅することで下流側導波管（第２の導波管部４）にて進行波音場を実現した。リニアモータＬＭＬ、ＬＭＲの動作周波数はｆ＝３５Ｈｚとし、作動気体は１ＭＰａのヘリウムとした。 In this embodiment, the amplitude and phase difference of the linear motors LML and LMR installed on the left and right in FIG. 1 are adjusted by using the function generator FG, and amplified by the power amplifier PA, so that the downstream waveguide (second A traveling wave sound field was realized in the waveguide section 4). The operating frequency of the linear motors LML and LMR was f = 35 Hz, and the working gas was 1 MPa helium.

蓄熱器５は流路径０．２ｍｍ（ωτ＝０．０３）のステンレスエッチングメッシュを３０ｍｍ積層して使用し、流路径は軸方向に重なるように設置した。なお、ωτは、発生する音波の角周波数ωと熱緩和時間τの積で表現される無次元パラメーターを表している。 The heat accumulator 5 was used by laminating 30 mm of stainless steel etching mesh having a flow path diameter of 0.2 mm (ωτ = 0.03), and the flow path diameter was installed so as to overlap in the axial direction. Note that ωτ represents a dimensionless parameter expressed by the product of the angular frequency ω of the generated sound wave and the thermal relaxation time τ.

また、低温側熱交換器（冷却器６）の温度Ｔ_Cと高温側熱交換器（加熱器７）の温度Ｔ_Hは熱電対を用いて測定した。低温側熱交換器（冷却器６）は循環冷却水によりＴ_C＝２８３Ｋを保った。高温側熱交換器（加熱器７）は電気ヒータでＴ_H＝５７３Ｋに加熱し、投入熱量Ｑ_inを調整することで一定に保った。さらに、図１に示すように取り付けた圧力トランスデューサＰＴ１〜ＰＴ６で計測した圧力変動より、Ｔｗｏ−ｓｅｎｓｏｒ法（A. Fusco, W. Ward and G. Swift, J. Acoust. Soc. Am. 91. ｐ．2229 - 2235, (1992)、T. Biwa , Rev. of Sci. Inst. 78(8), p. 086110-1-3, (2007)）を用いて管内の音場分布を導出した。この結果から、複素圧力振幅ｐと断面平均複素流速振幅ｖの分布を求め、さらに管内の音響パワーＷを決定した。管断面積をＡとし、ｐとｖの位相差をφとして音響パワーＷは次式で表される。 Further, the temperature T _{C of} the low temperature side heat exchanger (cooler 6) and the temperature T _H of the high temperature side heat exchanger (heater 7) were measured using a thermocouple. The low temperature side heat exchanger (cooler 6) maintained T _C = 283K with circulating cooling water. High-temperature-side heat exchanger (heater 7) is heated to T _H = 573K an electric heater was kept constant by adjusting the heat quantity Q _in. Further, the two-sensor method (A. Fusco, W. Ward and G. Swift, J. Acoust. Soc. Am. 91. p) is obtained from pressure fluctuations measured by the pressure transducers PT1 to PT6 attached as shown in FIG. 2229-2235, (1992), T. Biwa, Rev. of Sci. Inst. 78 (8), p. 086110-1-3, (2007)). From this result, the distribution of the complex pressure amplitude p and the cross-sectional average complex flow velocity amplitude v was obtained, and the acoustic power W in the pipe was further determined. The acoustic power W is expressed by the following equation, where A is the tube cross-sectional area and φ is the phase difference between p and v.

以上のようにして得られた音響パワーＷと投入熱量Ｑ_inを比較することで、蓄熱器５の位置における音響パワー増幅率Ｇと熱効率ηを求めた。ここで、音響パワー増幅率Ｇは、熱音響ユニット２の上流側端面の音響パワーＷ_in、熱音響ユニット２の下流側端面の音響パワーをＷ_outとして以下のように表すことができる。

Ｇ＝Ｗ_out／Ｗ_in （２）
The acoustic power gain G and the thermal efficiency η at the position of the regenerator 5 were obtained by comparing the acoustic power W obtained as described above and the input heat quantity Q _in . Here, the acoustic power amplification factor G can be expressed as follows, with the acoustic power W _in at the upstream end face of the thermoacoustic unit 2 and the acoustic power at the downstream end face of the thermoacoustic unit 2 as W _out .

G = W _out / W _in (2)

また、蓄熱器５の位置の熱効率ηは、以下に示す熱音響ユニット２の位置の音響パワー増加量ΔＷと投入熱量Ｑ_inの比を用いてη＝ΔＷ／Ｑ_inと表すことができ、ΔＷは以下のように表すことができる。

ΔＷ＝Ｗ_out−Ｗ_in （３）
The thermal efficiency eta of the position of the heat storage unit 5 may be expressed as eta = [Delta] W / Q _in using acoustic power increase amount [Delta] W and the ratio of heat input Q _in the position of the thermoacoustic unit 2 shown below, [Delta] W Can be expressed as:

ΔW = W _out −W _in (3)

しかし、Ｑ_inはリニアモータＬＭＬからの入力音響パワーがないＷ＝０のときに、蓄熱器５をＴ_H＝５７３Ｋまで加熱するための投入熱量Ｑ_in0を含んでいる。このＱ_in0には、単純熱伝導や大気放熱などの音響パワー増幅に直接関与しない値が含まれているため、Ｑ_inからＱ_in0を取り除き、

ΔＱ＝Ｑ_in−Ｑ_in0 （４）

として得られる値ΔＱを用いて、正味の熱効率η’を以下のように表すことができる。

η’＝ΔＷ／ΔＱ（５）

本実施例では上述の式を用いて比カルノー効率η₂を求めた。η₂は、正味の熱効率η’と絶対温度比Ｔ_C／Ｔ_Hを用いて以下のように表すことができる。 However, Q _in includes the input heat amount Q _in0 for heating the heat accumulator 5 to T _H = _{573 K} when W = 0 without the input acoustic power from the linear motor LML. Since Q _in0 includes values that are not directly related to acoustic power amplification such as simple heat conduction and atmospheric heat dissipation, Q _in0 is removed from Q _in ,

ΔQ = Q _in −Q _in0 (4)

The net thermal efficiency η ′ can be expressed as follows using the value ΔQ obtained as:

η ′ = ΔW / ΔQ (5)

In this example, the specific Carnot efficiency η ₂ was obtained using the above-described equation. eta ₂ can be a net heat efficiency eta 'with absolute temperature ratio T _C / T _H expressed as follows.

なお、高温側熱交換器の温度Ｔ_Hから熱Ｑ_Hをもらったとき、そのエネルギの一部が有効仕事Ｗ_Eとして使われ、残りの熱Ｑ_Lは低温側熱交換器に移動する。このときの熱効率ηは、Ｗ_E／Ｑ_H＝１−Ｑ_L／Ｑ_Hで表すことができる。 Incidentally, when given a heat Q _H from the temperature T _H of the high-temperature side heat exchanger, a portion of the energy is used as an effective work W _E, the remaining heat Q _L moves to the low-temperature heat exchanger. The thermal efficiency η at this time can be expressed by W _E / Q _H = 1−Q _L / Q _H.

なお、理想的な熱機関では、有効仕事Ｗ_Eと熱エネルギＱ_Hは、Ｗ_E／Ｑ_H＝１−Ｔ_C／Ｔ_Hで表すことができ、これをカルノー効率η_thと呼んでいる。現実には、Ｗ_E／Ｑ_Hはカルノー効率η_thより低い値になる。カルノー効率η_thに対する正味の熱効率η’の比率を、前記したように比カルノー効率η₂と呼んでいる。 In the ideal heat engine, and the effective work W _E and the thermal energy Q _H _{_{is, W E / Q H = 1}} -T C / T H can be represented by, which is called a Carnot efficiency eta _th. Actually, W _E / Q _H is lower than the Carnot efficiency η _th . The ratio of the net thermal efficiency η ′ to the Carnot efficiency η _th is called the specific Carnot efficiency η ₂ as described above.

（結果）
図６に、使用したテーパ管（第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３）のテーパ角度θごとに、Ｔｗｏ−ｓｅｎｓｏｒ法で測定した音響パワーをもとに増幅率Ｇを示したものである。縦軸は音響パワーＷ_outを音響ユニット上流側端面の音響パワーＷ_inで除した値（Ｇ＝Ｗ_out／Ｗ_in）である。ここで、図１に示す構成において圧力トランスデューサＰＴ１〜ＰＴ６で計測した圧力変動からＴｗｏ−ｓｅｎｓｏｒ法で、音響ユニット２の上流側側面の音響パワーＷ_in、音響ユニット２の下流側音響パワーＷ_outを計測し、増幅率Ｇ＝Ｗ_out／Ｗ_inを求めた。 (result)
FIG. 6 shows the amplification factor G based on the acoustic power measured by the two-sensor method for each taper angle θ of the used taper tube (the first taper portion 33 and the second taper portion 43). It is. The vertical axis is a value obtained by dividing the sound power W _out in sound power W _in the sound unit upstream end surface _{_{(G = W out / W in}} ). Here, in Two-: sensor method from the pressure fluctuations measured by the pressure transducer PT1~PT6 in the configuration shown in FIG. 1, the acoustic power W _in the upstream side of the sound unit 2, the downstream acoustic power W _out of the sound unit 2 measured to determine the amplification factor G = W _out / W _in.

この結果より、装置構成全てで蓄熱器５の位置においてＷ_out／Ｗ_inが増幅していることがわかった。ここで、蓄熱器５の位置における理想的な音響パワー増幅率Ｇは絶対温度比Ｔ_H／Ｔ_Cより２．０２である。本実施例では、テーパ角度θ＝７°のテーパ管を使用したとき蓄熱器位置での音響パワー増幅率Ｇが最大となり、その際の音響パワー増幅率Ｇは１．７５６であった。これは、絶対温度比Ｔ_H／Ｔ_Cの８６．９％に達する。一方、テーパ角度θ＝９０°（テーパ管なし）の場合の音響パワー増幅率Ｇは１．６９４であった。テーパ角度θ＝７°のテーパ管を用いると、テーパ角度θ＝９０°の場合と比較して音響パワー増幅率Ｇが３．６５％向上した。 From this result, it was found that W _out / W _in was amplified at the position of the regenerator 5 in all the device configurations. Here, the ideal acoustic power gain G at the position of the regenerator 5 is 2.02 from the absolute temperature ratio T _H / T _C. In this example, when a taper tube having a taper angle θ = 7 ° was used, the acoustic power gain G at the heat accumulator position was maximized, and the acoustic power gain G at that time was 1.756. This reaches 86.9% of the absolute temperature ratio T _H / T _C. On the other hand, the acoustic power gain G when the taper angle θ = 90 ° (no taper tube) was 1.694. When a taper tube having a taper angle θ = 7 ° was used, the acoustic power gain G was improved by 3.65% compared to the case where the taper angle θ = 90 °.

図７には、比カルノー効率η₂とテーパ角度θの関係を示す。この結果より、比カルノー効率η₂は、テーパ角度θ＝７°のテーパ管を使用したときに最大となり、η₂＝５０．６％であった。また、テーパ角度θ＝８°のテーパ管を使用した場合、η₂＝４８％であり、テーパ角度θ＝６°のテーパ管を使用した場合、η₂＝４４％であった。一方、テーパ角度θ＝９０°（テーパ管なし）の場合、η₂＝８．４９％であった。テーパ角度θ＝７°のテーパ管を用いると、テーパ角度θ＝９０°の場合と比較して比カルノー効率η₂が５．９６倍向上した。 FIG. 7 shows the relationship between the specific Carnot efficiency η ₂ and the taper angle θ. From this result, the specific Carnot efficiency η ₂ was maximized when a tapered tube having a taper angle θ = 7 ° was used, and η ₂ = 50.6%. When a taper tube with a taper angle θ = 8 ° was used, η ₂ = 48%, and when a taper tube with a taper angle θ = 6 ° was used, η ₂ = 44%. On the other hand, when the taper angle θ = 90 ° (no taper tube), η ₂ = 8.49%. When a taper tube having a taper angle θ = 7 ° was used, the specific Carnot efficiency η ₂ was improved by 5.96 times compared to the case where the taper angle θ = 90 °.

（まとめ）
本実施例では、蓄熱器と導波管の接続部に管の軸方向に対して連続的に断面積を変化させることができるテーパ部を設け、テーパ角度θの変化が蓄熱器の熱効率ηおよび音響パワー増幅率Ｇに与える影響を測定した。その結果、テーパ角度θ＝７°のテーパ管を使用したときに比カルノー効率η₂および音響パワー増幅率Ｇがともに最大となり、η₂＝５０．６％、Ｇ＝１．７５６となった。 (Summary)
In this embodiment, a tapered portion capable of continuously changing the cross-sectional area with respect to the axial direction of the tube is provided at the connection portion between the heat accumulator and the waveguide, and the change in the taper angle θ is caused by the thermal efficiency η and The influence on the sound power gain G was measured. As a result, when a taper tube having a taper angle θ = 7 ° was used, both the specific Carnot efficiency η ₂ and the sound power gain G were maximized, and η ₂ = 50.6% and G = 1.756.

また、前記したように、導波管（第１の導波管部３および第２の導波管部４）の口径は１０．９ｍｍであり、開口率は１００％であった。また、蓄熱器５、冷却器６、および加熱器７のそれぞれの口径は４０ｍｍであり、開口率は７０％であった。 Moreover, as described above, the diameter of the waveguide (the first waveguide section 3 and the second waveguide section 4) was 10.9 mm, and the aperture ratio was 100%. Moreover, the diameter of each of the heat accumulator 5, the cooler 6, and the heater 7 was 40 mm, and the aperture ratio was 70%.

従って、冷却器６の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、加熱器７の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、を一致させるようにした場合の熱音響ユニット２の流路断面積は、熱音響ユニット２の口径の断面積に、蓄熱器５の断面積と、冷却器６および加熱器７の断面積（これらの断面積は一つの開口率とみなすことができる）と、を乗じることによって求めることができる。すなわち、π×（４０／２）²×０．７×０．７＝１９６π（ｍｍ²）となる。
導波管の直管部の流路断面積は開口率１００％であるので、π×（１０．９／２）²×１＝２９．７π（ｍｍ²）となる。
従って、この場合の熱音響ユニット２の流路断面積と、導波管の直管部の流路断面積との比（流路断面積比）は、１９６π／２９．７πで約６．６倍であった。そのため、これらの流路断面積比は約７倍以下であれば比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができると考えられる。 Therefore, the thermoacoustic in the case where the gap between the metal plates in the laminated portion (not shown) of the cooler 6 and the gap between the metal plates in the laminated portion (not shown) of the heater 7 are matched. The cross-sectional area of the flow path of the unit 2 is equal to the cross-sectional area of the diameter of the thermoacoustic unit 2, the cross-sectional area of the heat accumulator 5, and the cross-sectional areas of the cooler 6 and the heater 7 Can be obtained by multiplying That is, π × (40/2) ² × 0.7 × 0.7 = 196π (mm ² ).
Since the channel cross-sectional area of the straight tube portion of the waveguide has an aperture ratio of 100%, π × (10.9 / 2) ² × 1 = 29.7π (mm ² ).
Therefore, in this case, the ratio of the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 to the channel cross-sectional area of the straight tube portion of the waveguide (channel cross-sectional area ratio) is 196π / 29.7π, which is about 6.6. It was twice. Therefore, it is considered that the specific Carnot efficiency and the acoustic power amplification factor can be improved if these flow path cross-sectional area ratios are about 7 times or less.

他方、冷却器６の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、加熱器７の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、を一致させない場合の熱音響ユニット２の流路断面積は、熱音響ユニット２の口径の断面積に、蓄熱器５の断面積と、冷却器６の断面積と、加熱器７の断面積と、を乗じることによって求めることができる。すなわち、π×（４０／２）²×０．７×０．７×０．７＝１３７．２π（ｍｍ²）となる。
前記したように導波管の直管部の流路断面積は２９．７π（ｍｍ²）であるから、この場合の熱音響ユニット２の流路断面積と、導波管の直管部の流路断面積との比（流路断面積比）は、１３７．２π／２９．７πで約４．６倍であった。そのため、これらの流路断面積比は約３倍以上、好ましくは約４倍以上であれば比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができると考えられる。 On the other hand, the gap of the metal plate in the laminated part (not shown) of the cooler 6 and the gap of the metal plate in the laminated part (not shown) of the heater 7 are not matched. The flow path cross-sectional area can be obtained by multiplying the cross-sectional area of the diameter of the thermoacoustic unit 2 by the cross-sectional area of the regenerator 5, the cross-sectional area of the cooler 6, and the cross-sectional area of the heater 7. That is, π × (40/2) ² × 0.7 × 0.7 × 0.7 = 137.2π (mm ² ).
As described above, the channel cross-sectional area of the straight tube portion of the waveguide is 29.7π (mm ² ), and therefore, the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 in this case and the straight tube portion of the waveguide are The ratio to the channel cross-sectional area (channel cross-sectional area ratio) was 137.2π / 29.7π, which was approximately 4.6 times. Therefore, it is considered that the specific Carnot efficiency and the acoustic power gain can be improved if the ratio of the cross-sectional areas of the channels is about 3 times or more, preferably about 4 times or more.

すなわち、第１の直管部３３の流路断面積に対する熱音響ユニット２の流路断面積は約３〜７倍とするのが好ましく、約４〜７倍とするのがより好ましく、約４．６〜６．６倍とするのがさらに好ましいと考えられる。
また、第２の直管部４３の流路断面積は熱音響ユニット２の流路断面積の約１／７〜１／３とするのが好ましく、約１／７〜１／４とするのがより好ましく、１／６．６〜１／４．６とするのがさらに好ましいと考えられる。 That is, the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2 with respect to the channel cross-sectional area of the first straight pipe portion 33 is preferably about 3 to 7 times, more preferably about 4 to 7 times, and about 4 It is thought that it is more preferable to set it as .6 to 6.6 times.
In addition, the channel cross-sectional area of the second straight pipe portion 43 is preferably about 1/7 to 1/3 of the channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit 2, and is preferably about 1/7 to 1/4. Is more preferable, and it is thought that it is more preferable to set it as 1 / 6.6-1 / 4.6.

１熱音響機関
２熱音響ユニット
３第１の導波管部
３２第１の直管部
３３第１のテーパ部
４第２の導波管部
４２第２の直管部
４３第２のテーパ部
５蓄熱器
６冷却器
７加熱器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoacoustic engine 2 Thermoacoustic unit 3 1st waveguide part 32 1st straight pipe part 33 1st taper part 4 2nd waveguide part 42 2nd straight pipe part 43 2nd taper part 5 Regenerator 6 Cooler 7 Heater

Claims

A regenerator that cools the working gas at one end and heats at the other end to form a temperature gradient between the ends;
A cooler that is adjacent to one end of the regenerator and discharges heat from one end of the regenerator to the outside;
A heater adjacent to the other end of the regenerator and heating the other end of the regenerator;
A thermoacoustic unit comprising:
A first waveguide section connected to an end of the cooler;
A second waveguide section connected to the end of the heater,
The first waveguide portion has a diameter that is gradually increased as it approaches the cooler so as to be the same as the diameter of the first straight tube portion having a constant diameter and the cooler. And having a first taper portion,
The second waveguide section includes a second straight pipe section having a constant diameter, and a second taper in which the diameter, which is the same as that of the heater, is gradually reduced as the distance from the heater increases. And, further,
The flow cross-sectional area of the thermoacoustic unit is larger than the flow cross-sectional area of the first straight pipe portion,
A thermoacoustic engine characterized in that a channel cross-sectional area of the second straight pipe portion is smaller than a channel cross-sectional area of the thermoacoustic unit.

The first waveguide portion is formed by connecting a tubular body forming the first straight tube portion and a tubular body forming the first tapered portion, or one tubular body An integrated object in which the first tapered portion is formed by performing a process of gradually increasing the diameter toward one end portion of the inside,
The second waveguide portion is formed by connecting a tubular body forming the second straight tube portion and a tubular body forming the second tapered portion, or a single tubular body. 2. The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein the second tapered portion is formed by performing a process of gradually increasing the diameter toward one end portion.

The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein a taper angle of the first taper portion is 2 to 12 °.

The thermoacoustic engine according to any one of claims 1 to 3, wherein a taper angle of the second taper portion is 2 to 12 °.

5. The flow path cross-sectional area of the thermoacoustic unit with respect to the flow path cross-sectional area of the first straight pipe portion is 3 to 7 times. 5. Thermoacoustic engine.

6. The flow path cross-sectional area of the second straight pipe portion is 1/7 to 1/3 of the flow path cross-sectional area of the thermoacoustic unit. 6. The thermoacoustic engine described in the paragraph.