JP5434613B2 - Thermoacoustic engine - Google Patents
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Description
本発明は、ループ型の熱音響機関に係り、熱交換効率が高い熱音響機関に関する。 The present invention relates to a loop-type thermoacoustic engine, and more particularly to a thermoacoustic engine having high heat exchange efficiency.
廃熱からエネルギを取り出すためにスターリングエンジンの開発研究が活発に行われている。スターリングエンジンの形式には、α型、β型、γ型、フリーピストン型などがある。これに対し、最近では、米国などにおいて、構造が単純で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開発研究が活発に行われるようになった。 In order to extract energy from waste heat, research and development of Stirling engines have been actively conducted. Stirling engine types include α type, β type, γ type, and free piston type. On the other hand, in recent years, research and development of thermoacoustic engines that have a simple structure and do not have moving parts composed of pistons and cranks have been actively conducted in the United States and the like.
熱音響機関は、管の軸方向に、高温熱源との熱交換を行う加熱器と、低温熱源との熱交換を行う冷却器と、これら加熱器と冷却器との間で温度勾配を保持する再生器とを配置して構成される。管内の作動流体をある場所で局部的に加熱し、別のある場所で冷却すると、熱エネルギの一部が力学的エネルギである音響エネルギに変換されて管内の作動流体が自励振動を起こし、管内に音響振動すなわち音波が発生する。この作用は、熱力学的には、プライムムーバ(原動機)と見ることができる。この原理で熱エネルギを力学的エネルギにエネルギ変換を行うものが熱音響機関である。 The thermoacoustic engine maintains a temperature gradient between the heater and the cooler in the axial direction of the tube, a heater that exchanges heat with the high-temperature heat source, a cooler that exchanges heat with the low-temperature heat source, and the like. A regenerator is arranged. When the working fluid in the tube is locally heated in one place and cooled in another, a part of the heat energy is converted into acoustic energy, which is mechanical energy, and the working fluid in the tube undergoes self-excited vibration, Acoustic vibration, that is, sound waves are generated in the tube. This action can be seen thermodynamically as a prime mover. A thermoacoustic engine converts energy from heat energy into mechanical energy based on this principle.
図3に示されるように、従来のループ型の熱音響機関31は、ループ状に閉じられた中空円筒状の管32内に作動流体が充填され、作動流体に外部からの熱を取り込むためのフィンを有する加熱器33と作動流体から外部に熱を取り出すためのフィンを有する冷却器34とが管32の軸方向に間隔をあけて配置され、加熱器33と冷却器34の間に再生器35が配置されてなる。加熱器33と再生器35と冷却器34を合わせて原動機(プライムムーバ)36という。
As shown in FIG. 3, a conventional loop-type thermoacoustic engine 31 is filled with a working fluid in a hollow
図4に示されるように、原動機36の加熱器33の内部には互いに平行な複数の内部フィン37が管32の軸に沿って並べられる。冷却器34も同様の構造である。この原動機36では、加熱器33において、外部の熱が加熱器33の外周から内部フィン37に伝導され、内部フィン37から作動流体に熱が放出される。冷却器34においては、加熱器33とは逆の熱交換が行われる。
As shown in FIG. 4, a plurality of
加熱器33や冷却器34において外部との熱交換効率を向上させるためには、外部に接する受熱面積を大きくすることが考えられる。具体的には、加熱器33や冷却器34においては管32の外周が外部に接しているので、管32の外周面積を大きくすることになる。外周面積を大きくするためには、管32径を大きくすることになる。
In order to improve the efficiency of heat exchange with the outside in the
ところが、加熱器33や冷却器34においては管32の径を大きくすると、外部に接する受熱面積は大きくなるが、内部フィン37における熱交換効率は低下する。なぜなら、図5に示されるように、従来の熱音響機関においては、加熱器33(冷却器34も同)内には、互いに平行な複数の内部フィン37が管の軸に沿って並べられる。このとき、並び方向の端の方に位置する内部フィン37aは断面幅方向の長さが短い。これに対し、並び方向中央付近に位置する内部フィン37bは断面幅方向の長さが長い。このように長い内部フィン37bは、断面幅方向中央付近において管32の外周からの距離が長いため熱が伝導しにくい。外部からの熱が内部フィン37に伝導しにくいということは、熱交換効率が低下するということであり、ある一定量の廃熱量に対して熱音響機関の出力が上げられず、あるいは、生じている廃熱がうまく吸収処理できないことになる。
However, in the
これを改善するには、内部フィン37の根本(管32との境界近傍)における肉厚を厚くすることが考えられるが、内部フィン37間の間隙を音波が抵抗なく通過するためには、内部フィン37の肉厚はできるだけ薄くさせる必要があるため、肉厚を厚くするという対策は採用できない。
In order to improve this, it is conceivable to increase the thickness of the root of the internal fin 37 (near the boundary with the pipe 32). However, in order for sound waves to pass through the gap between the
また、従来の熱音響機関においては、図5に示されるように、複数の内部フィン37は断面幅方向の長さが異なるため、長い内部フィン37bにおいて断面幅方向中央付近と管32の外周付近とで温度が異なり、あるいは長い内部フィン37bの断面幅方向中央付近と短い内部フィン37aとで温度が異なるため、同一断面における温度分布が均一でなくなる。
Further, in the conventional thermoacoustic engine, as shown in FIG. 5, the plurality of
また、従来の熱音響機関においては、内部フィン37の枚数をあまり増やすと内部フィン37の相互間隔が狭くなるため、内部フィン37の枚数は少ない。内部フィン37の枚数が少ないため、加熱器33(冷却器34)内で作動流体と内部フィン37が接する総面積が小さく、熱交換効率がよくない。
Further, in the conventional thermoacoustic engine, if the number of the
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、熱交換効率が高い熱音響機関を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems and provide a thermoacoustic engine having high heat exchange efficiency.
上記目的を達成するために本発明は、中空円筒状の内管と、前記内管から径方向に距離を隔てて前記内管を覆う外管内壁と、前記外管内壁から径方向に距離を隔てて前記外管内壁を覆う外管外壁と、前記内管の端部と前記外管内壁の端部との間を覆う内側端壁と、前記内側端壁から軸方向に距離を隔てて前記外管外壁の端部を覆う外側端壁とを備えることにより、前記内管と前記外管内壁と前記外管外壁と前記内側端壁と前記外側端壁とにより囲まれる閉じた作動流体用空間が形成され、前記作動流体用空間に作動流体が充填され、前記内管の端部から軸方向に距離を隔てた箇所にて前記外管内壁と前記外管外壁との間に複数の内部フィンが放射状に配置された加熱器と、前記加熱器から軸方向に距離を隔てた箇所にて前記外管内壁と前記外管外壁との間に複数の内部フィンが放射状に配置された冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間に形成された再生器とを備えるものである。 To achieve the above object, the present invention provides a hollow cylindrical inner tube, an outer tube inner wall that covers the inner tube at a distance from the inner tube in the radial direction, and a radial distance from the inner wall of the outer tube. An outer wall that covers the inner wall of the outer tube, an inner end wall that covers an end portion of the inner tube and an end of the inner wall of the outer tube, and an axial distance from the inner end wall. A closed working fluid space surrounded by the inner tube, the outer tube inner wall, the outer tube outer wall, the inner end wall, and the outer end wall by including an outer end wall covering an end portion of the outer tube outer wall. Is formed, the working fluid space is filled with the working fluid, and a plurality of internal fins are provided between the inner wall of the outer tube and the outer wall of the outer tube at a distance from the end of the inner tube in the axial direction. Are arranged radially, and the outer wall of the outer tube and the outer part are spaced apart from the heater in the axial direction. A plurality of internal fins between the outer wall in which and a regenerator formed between the cooler which is arranged radially between the heater and the cooling device.
前記内管における軸に直角な断面の断面積と、前記外管内壁と前記外管外壁との間の部分における軸に直角な断面の断面積とが等しくてもよい。 The cross-sectional area of the cross section perpendicular to the axis in the inner pipe may be equal to the cross-sectional area of the cross section perpendicular to the axis in the portion between the inner wall of the outer pipe and the outer wall of the outer pipe.
前記内管と前記外管内壁と前記内側端壁とにより囲まれる閉じた遮蔽用空間が形成されてもよい。 A closed shielding space surrounded by the inner tube, the inner wall of the outer tube, and the inner end wall may be formed.
前記遮蔽用空間が真空であってもよい。 The shielding space may be a vacuum.
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits the following excellent effects.
(1)熱交換効率が高い。 (1) High heat exchange efficiency.
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に示されるように、本発明に係る熱音響機関1は、中空円筒状の内管2と、内管2から径方向に距離を隔てて内管2を覆う外管内壁3と、外管内壁3から径方向に距離を隔てて外管内壁3を覆う外管外壁4と、内管2の端部と外管内壁3の端部との間を覆う内側端壁5と、内側端壁5から軸方向に距離を隔てて外管外壁4の端部を覆う外側端壁6とを備える。
As shown in FIG. 1, a
内管2と外管内壁3と外管外壁4と内側端壁5と外側端壁6とにより囲まれる閉じた作動流体用空間7が形成される。作動流体用空間7は、内管2の内側を占める内側作動流体用空間7aと、外管内壁3と外管外壁4との間を占める外側作動流体用空間7bと、内側端壁5と外側端壁6の間を占めて内側作動流体用空間7aと外側作動流体用空間7bとを連通させる折返作動流体用空間7c,7dとにより立体的な循環構造を形成している。作動流体用空間7には作動流体が充填される。作動流体には、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの気体を用いるのが好ましい。
A closed working
また、内管2と外管内壁3と内側端壁5とにより囲まれる閉じた遮蔽用空間8が形成される。遮蔽用空間8は、内管2と外管内壁3との間の熱的な遮蔽を図るものである。遮蔽用空間8には、気体を充填するほかに、綿、グラスウールなどの素繊維集合体、スポンジや石膏ボードのような多孔質部材、発泡樹脂、粒状樹脂などを入れてもよい。この実施形態では、遮蔽用空間8は真空である。真空の度合いは限定しないが、熱的な遮蔽に有効な程度とする。
Further, a closed
さらに、本発明に係る熱音響機関1は、内管2の端部から軸方向に距離を隔てた箇所にて外管内壁3と外管外壁4との間に複数の内部フィン9(図2参照)が放射状に配置された加熱器10と、加熱器10から軸方向に距離を隔てた箇所にて外管内壁3と外管外壁4との間に複数の内部フィン11(図2参照)が放射状に配置された冷却器12とを備える。加熱器と冷却器との間には、外管内壁3と外管外壁4との間に積層金網、多孔質セラミックスなどが配置されて再生器13が形成される。加熱器10と再生器13と冷却器12とにより原動機14が構成される。
Furthermore, the
図2に示されるように、加熱器10の横断面を見ると、軸心から順に、内側作動流体用空間7a、内管2、遮蔽用空間8、外管内壁3、外側作動流体用空間7b、外管外壁4が同軸状に配置されている。複数の内部フィン9は、それぞれ直径を通る線に沿わせて設けられ、周方向に等円周角間隔で並べられている。冷却器12の断面構造は加熱器10と同じであり、内部フィン9と同様の内部フィン11が配置される。
As shown in FIG. 2, when the cross section of the
次に、熱音響機関1の作用効果を説明する。
Next, the function and effect of the
原動機14において作動流体に軸方向の温度勾配が形成されると、作動流体用空間7内の作動流体が自励振動を起こし、音波が発生する。図1には音波の進行波が進むようすが矢印で示されている。すなわち、進行波は、加熱器10から外側作動流体用空間7bを経て折返作動流体用空間7cで径方向内側へ折り返され、内側作動流体用空間7aを経て折返作動流体用空間7dで径方向外側に折り返され、冷却器12に戻る。定在波もこの経路に沿って生じる。
When an axial temperature gradient is formed in the working fluid in the
このとき、本発明の熱音響機関1の加熱器10の横断面(図2)と従来の熱音響機関の加熱器33の横断面(図5)が同じ縮尺で描かれているとして両者を比較すると、外管外壁4の径が管32の径より大きいため、本発明の熱音響機関1の方が加熱器10における受熱面積が大きい。冷却器12も同様に受熱面積が従来より大きい。受熱面積が大きいことにより、熱交換効率が向上する。
At this time, the cross section of the
本発明の熱音響機関1は、内部フィン9(11)が放射状に配置されているため、従来の内部フィン37bのような外部からの熱が伝導しにくいものが存在せず、熱交換効率が向上する。
In the
本発明の熱音響機関1は、全ての内部フィン9(11)の幅(径方向長さ)が均一で、かつ、短いので、同一断面における温度分布が均一となる。
In the
本発明の熱音響機関1は、内部フィン9(11)における熱の伝導がよくなった結果、内部フィン9(11)の肉厚を薄くすることができる。肉厚を薄くすることで、内部フィン9(11)間の間隙を音波が抵抗なく通過することができる。
The
本発明の熱音響機関1は、内部フィン9(11)が外管内壁3よりも径方向外側にあるため、内部フィン9(11)の枚数を増やしても内部フィン9(11)の相互間隔を十分に広くすることができる。例えば、図2の内部フィン9は、図5の内部フィン37の約1.5倍設けられている。内部フィン9(11)の枚数が多くなることで、作動流体と内部フィン9(11)が接する総面積が大きくなり、熱交換効率が向上する。なお、従来のループ管による熱音響機関31において仮に内部フィンを放射状に配置しようとすると、軸心部分では内部フィンが密集してしまい、好ましくない。
In the
本発明の熱音響機関1は、熱交換効率が向上するため、ある一定量の廃熱量に対して熱音響機関の出力を大きくすることができると共に、生じている廃熱を余さず吸収処理することができる。
In the
本発明の熱音響機関1は、図3のようなループを形成しないので、従来の熱音響機関31に比べて、小型にでき、狭いスペースに設置することができる。
Since the
本発明の熱音響機関1は、内管2と外管内壁3との間に遮蔽用空間8が存在する。これにより、加熱器10、再生器13、冷却器12からなる原動機14と内管2とが熱的に遮蔽される。ここでもし、内管2と外管内壁3が接していたり、あるいは遮蔽がなされていないと、加熱器10がある位置の内管2は加熱器10の温度に近づき、冷却器12がある位置の内管2は冷却器12の温度に近づいて、逆向きの温度勾配が形成される。これは内管2に図1とは逆向きの進行波を生じる原動機が存在するのと同じことになり、熱音響機関の出力を低下させてしまう。その点、本発明の熱音響機関1は、遮蔽用空間8が存在するので、内管2に逆向きの温度勾配が形成されることが防止される。
In the
本発明の熱音響機関1は、遮蔽用空間8が存在するため、加熱器10に入力された熱が逃げにくくなり、熱交換効率が向上する。
In the
ところで、熱音響機関1においては、作動流体の流路の断面積は場所によって変化しないことが望ましい。そこで、内管2における軸に直角な断面の断面積と、外管内壁3と外管外壁4との間の部分における軸に直角な断面の断面積とを等しくするとよい。これにより、内側作動流体用空間7aにおける作動流体の流路の断面積と、外側作動流体用空間7bにおける作動流体の流路の断面積が同じになる。さらに、折返作動流体用空間7c,7dにおいても作動流体の流路の断面積が変化しないよう、本実施形態では、外側端壁6の軸心部分をラッパ状に凹ませてある。
By the way, in the
1 熱音響機関
2 内管
3 外管内壁
4 外管外壁
5 内側端壁
6 外側端壁
7 作動流体用空間
8 遮蔽用空間
9 内部フィン
10 加熱器
11 内部フィン
12 冷却器
13 再生器
14 原動機
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記内管から径方向に距離を隔てて前記内管を覆う外管内壁と、
前記外管内壁から径方向に距離を隔てて前記外管内壁を覆う外管外壁と、
前記内管の端部と前記外管内壁の端部との間を覆う内側端壁と、
前記内側端壁から軸方向に距離を隔てて前記外管外壁の端部を覆う外側端壁とを備えることにより、
前記内管と前記外管内壁と前記外管外壁と前記内側端壁と前記外側端壁とにより囲まれる閉じた作動流体用空間が形成され、
前記作動流体用空間に作動流体が充填され、
前記内管の端部から軸方向に距離を隔てた箇所にて前記外管内壁と前記外管外壁との間に複数の内部フィンが放射状に配置された加熱器と、
前記加熱器から軸方向に距離を隔てた箇所にて前記外管内壁と前記外管外壁との間に複数の内部フィンが放射状に配置された冷却器と、
前記加熱器と前記冷却器との間に形成された再生器とを備えることを特徴とする熱音響機関。 A hollow cylindrical inner tube;
An inner wall of an outer tube covering the inner tube at a distance in a radial direction from the inner tube;
An outer pipe outer wall covering the outer pipe inner wall at a radial distance from the outer pipe inner wall;
An inner end wall covering between the end of the inner tube and the end of the inner wall of the outer tube;
An outer end wall that covers the end of the outer wall of the outer tube at an axial distance from the inner end wall;
A closed working fluid space surrounded by the inner pipe, the outer pipe inner wall, the outer pipe outer wall, the inner end wall, and the outer end wall is formed,
The working fluid space is filled with a working fluid,
A heater in which a plurality of internal fins are arranged radially between the inner wall of the outer tube and the outer wall of the outer tube at a location spaced in the axial direction from an end of the inner tube;
A cooler in which a plurality of internal fins are radially arranged between the inner wall of the outer tube and the outer wall of the outer tube at a location spaced apart from the heater in the axial direction;
A thermoacoustic engine comprising a regenerator formed between the heater and the cooler.
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