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JP6830650B2 - Thermoacoustic engine - Google Patents
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JP6830650B2 - Thermoacoustic engine - Google Patents

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Description

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

近年、地球温暖化やエネルギー問題が深刻化してきている。工場や車両において発生する膨大な廃熱や、太陽光エネルギーを高効率で回収することが可能であれば、地球温暖化やエネルギー問題を解決するための切り札となる。そこで、これらのエネルギーを回収し、動力化するために、熱音響機関に関する研究が活発に行われている(例えば、特許文献1及び非特許文献1,2参照)。 In recent years, global warming and energy problems have become more serious. If it is possible to recover the enormous amount of waste heat generated in factories and vehicles and solar energy with high efficiency, it will be a trump card for solving global warming and energy problems. Therefore, in order to recover and motorize these energies, studies on thermoacoustic heat engines are being actively conducted (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2).

特許文献1には、ループ管に4個の熱音響エンジンを配置し、ループ管に枝管を設け、その枝管に冷凍機やリニア発電機を配置した熱音響機関が開示されている。非特許文献1には、熱音響エンジンを配置したループ管に枝管を設け、その枝管から音響エネルギーを投入する熱音響機関が開示されている。非特許文献2には、3個の熱音響エンジンを配置したループ管に枝管を設け、その枝管に1個の冷凍機を配置したループ管を接続した熱音響機関が開示されている。 Patent Document 1 discloses a thermoacoustic engine in which four thermoacoustic engines are arranged in a loop pipe, a branch pipe is provided in the loop pipe, and a refrigerator or a linear generator is arranged in the branch pipe. Non-Patent Document 1 discloses a thermoacoustic engine in which a branch pipe is provided in a loop pipe in which a thermoacoustic engine is arranged and acoustic energy is input from the branch pipe. Non-Patent Document 2 discloses a thermoacoustic engine in which a branch pipe is provided in a loop pipe in which three thermoacoustic engines are arranged and a loop pipe in which one refrigerator is arranged is connected to the branch pipe.

国際公開第2013/084830号International Publication No. 2013/08843

T.Biwa, D.Hasegawa, T.Yazaki, “Low temperature differential thermoacoustic Stirlng engine”, APPLIED PHYSICS LETTERS 97, 2010T.Biwa, D.Hasegawa, T.Yazaki, “Low temperature differential thermoacoustic Stirlng engine”, APPLIED PHYSICS LETTERS 97, 2010 S.Hasegawa, T.Yamaguchi, Y.Oshinoya, “A thermoacoustic refrigerator driven by a low temperature-differential, high-frequency-differential, multi-stage thermoacoustic engine”,Applied Thermal Engineering,vol.58,2013,p.394-399S.Hasegawa, T.Yamaguchi, Y.Oshinoya, “A thermoacoustic differential driven by a low temperature-differential, high-frequency-differential, multi-stage thermoacoustic engine”, Applied Thermal Engineering, vol.58, 2013, p.394 -399

しかし、前記した従来技術は、枝管で音響パワーが損失することに加え、熱音響エンジンや冷凍機の間隔が考慮されておらず、熱音響機関の効率が低下するという問題がある。 However, the above-mentioned conventional technique has a problem that the sound power is lost in the branch pipe and the distance between the thermoacoustic engine and the refrigerator is not taken into consideration, so that the efficiency of the thermoacoustic engine is lowered.

そこで、本発明は、高効率な熱音響機関を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a highly efficient thermoacoustic engine.

前記した課題に鑑みて、本発明に係る熱音響機関は、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接し、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に隣接し、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、を備える原動機と、前記原動機で増幅された作動気体の音響パワーを他のエネルギーに変換する音響負荷と、前記原動機同士又は前記原動機と前記音響負荷とを接続し、前記作動気体が満たされる共鳴管と、を備える熱音響機関であって、個以上の前記原動機と、1個以上の前記音響負荷と、前記共鳴管とがループ状に配置され、前記共鳴管の長さと予め設定した基準長さとの差が20%以内であり、前記原動機の加熱器に接続した共鳴管の断面積は、前記原動機の冷却器に接続した共鳴管の断面積に対して、当該加熱器の温度を当該冷却器の温度で除算した絶対温度比に0.8〜1.0を乗じた値で拡大され、全ての前記原動機の断面積が等しい構成とした。 In view of the above problems, the thermoacoustic engine according to the present invention includes a heat storage device that heats and cools the working gas, and a heater that is adjacent to one end side of the heat storage device and heats one end portion of the heat storage device. A prime mover including a cooler adjacent to the other end side of the regenerator and releasing heat from the other end of the regenerator to the outside, and the acoustic power of the working gas amplified by the prime mover to other energy. A thermoacoustic engine including a thermoacoustic load to be converted, connecting the prime movers to each other or the prime movers and the acoustic load, and being filled with the working gas, the two or more said prime movers and one. The acoustic load and the resonance tube are arranged in a loop, and the difference between the length of the resonance tube and the preset reference length is within 20%, and the resonance tube connected to the heater of the prime mover. The cross-sectional area is a value obtained by multiplying the cross-sectional area of the resonance tube connected to the cooler of the prime mover by 0.8 to 1.0 by the absolute temperature ratio obtained by dividing the temperature of the heater by the temperature of the cooler. The cross-sectional area of all the prime movers was the same.

かかる構成によれば、熱音響機関は、原動機、音響負荷及び共鳴管をループ状に配置し、枝管を備えていないので、音響パワーの損失を抑えることができる。
さらに、熱音響機関は、共鳴管の長さを略等しくすると共に、共鳴管の断面積を拡大又は縮小したので、共鳴管内で作動気体の体積流速を略均一とし、共鳴管内のループ接合点で作動気体の圧力及び流速を略一致させることができる。これにより、熱音響機関は、共鳴管全体で音波が進行波となり、共鳴管での音響パワーの損失を抑えることができる。
なお、ループ状に配置とは、共鳴管が分岐せずに共鳴管の始点及び終了点が一致するように、原動機、音響負荷及び共鳴管を配置したことである。
According to such a configuration, since the thermoacoustic engine arranges the prime mover, the acoustic load, and the resonance tube in a loop and does not have a branch tube, the loss of acoustic power can be suppressed.
Furthermore, the thermoacoustic engine made the length of the resonance tube substantially equal and expanded or contracted the cross-sectional area of the resonance tube, so that the volumetric flow velocity of the working gas in the resonance tube was made substantially uniform, and at the loop junction in the resonance tube. The pressure and flow velocity of the working gas can be substantially matched. As a result, in the thermoacoustic engine, sound waves become traveling waves in the entire resonance tube, and the loss of acoustic power in the resonance tube can be suppressed.
In addition, the arrangement in a loop means that the prime mover, the acoustic load, and the resonance tube are arranged so that the start point and the end point of the resonance tube do not branch and the resonance tube does not branch.

本発明によれば、音響パワーの損失を抑え、高効率な熱音響機関を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the loss of acoustic power and provide a highly efficient thermoacoustic engine.

本発明の第1実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the thermoacoustic engine which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the thermoacoustic engine which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図2のリニア発電機の拡大図である。It is an enlarged view of the linear generator of FIG. 本発明の第3実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the thermoacoustic engine which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 図4のバイダイレクショナルタービンの拡大図である。It is an enlarged view of the bidirectional turbine of FIG. 本発明の第4実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the thermoacoustic engine which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the thermoacoustic engine which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の変形例において、原動機の連続配置を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the continuous arrangement of a prime mover in the modification of this invention. 本発明の実施例1において、圧力振幅の絶対値分布を表すグラフである。It is a graph which shows the absolute value distribution of a pressure amplitude in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1において、流速振幅の絶対値分布を表すグラフである。It is a graph which shows the absolute value distribution of the flow velocity amplitude in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1において、圧力流速間位相差分布を表すグラフである。It is a graph which shows the phase difference distribution between pressure flow velocities in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1において、規格化音響インピーダンス分布を表し、(a)はグラフ全体であり、(b)は一部拡大したグラフである。In Example 1 of the present invention, the standardized acoustic impedance distribution is represented, (a) is the entire graph, and (b) is a partially enlarged graph. 本発明の実施例1において、規格化音響パワー分布を表すグラフである。It is a graph which shows the standardized sound power distribution in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1において、体積流速分布を表すグラフである。It is a graph which shows the volumetric flow velocity distribution in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2,3及び参考例において、圧力振幅の絶対値分布を表すグラフである。It is a graph which shows the absolute value distribution of a pressure amplitude in Examples 2 and 3 and a reference example of this invention. 本発明の実施例2,3及び参考例において、流速振幅の絶対値分布を表すグラフである。It is a graph which shows the absolute value distribution of the flow velocity amplitude in Examples 2 and 3 and Reference Example of this invention. 本発明の実施例2,3及び参考例において、体積流速分布を表すグラフである。It is a graph which shows the volumetric flow velocity distribution in Examples 2 and 3 and Reference Example of this invention. 本発明の実施例2,3及び参考例において、圧力流速間位相差分布を表すグラフである。It is a graph which shows the phase difference distribution between pressure flow velocities in Examples 2 and 3 and Reference Example of this invention. 本発明の実施例2,3及び参考例において、規格化音響インピーダンス分布を表し、(a)はグラフ全体であり、(b)は一部拡大したグラフである。In Examples 2 and 3 and Reference Examples of the present invention, the standardized acoustic impedance distribution is represented, (a) is the entire graph, and (b) is a partially enlarged graph. 本発明の実施例2,3及び参考例において、規格化音響パワー分布を表すグラフである。It is a graph which shows the standardized sound power distribution in Examples 2 and 3 and Reference Example of this invention.

以下、本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の部材には同一の符号を付し、説明を省略した。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In each embodiment, the same members are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

(第1実施形態)
<熱音響機関の構成>
図1を参照し、本発明の第1実施形態に係る熱音響機関1の構成について、説明する。
図1に示すように、熱音響機関1は、原動機10で増幅された音響パワーで冷却を行うものであり、原動機10と、冷凍機(音響負荷)20と、共鳴管30とを備える。本実施形態では、熱音響機関1は、3個の原動機10〜10と、1個の冷凍機20と、4本の共鳴管30〜30とがループ状に配置されている。つまり、熱音響機関1は、共鳴管30を介して原動機10,10が接続され、共鳴管30を介して原動機10,10が接続されている。さらに、熱音響機関1は、共鳴管30を介して原動機10と冷凍機20とが接続され、共鳴管30を介して冷凍機20と原動機10とが接続されている。このように、熱音響機関1は、枝管が設けられておらず、全体でループ管を構成する。
(First Embodiment)
<Structure of thermoacoustic engine>
The configuration of the thermoacoustic engine 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the thermoacoustic engine 1 cools with the acoustic power amplified by the prime mover 10, and includes a prime mover 10, a refrigerator (acoustic load) 20, and a resonance tube 30. In this embodiment, the thermoacoustic engine 1 is provided with three motor 10 1 to 10 3, and one of the refrigerator 20, the four and the resonance tube 30 1 to 30 4 are arranged in a loop. In other words, thermoacoustic engine 1, motor 10 1, 10 2 are connected via a resonance tube 30 2, the prime mover 10 2, 10 3 via a resonance tube 30 3 are connected. Furthermore, thermoacoustic engine 1 includes a prime mover 10 3 via a resonance tube 30 4 and the refrigerator 20 is connected, and the refrigerator 20 and the motor 10 1 is connected via a resonance tube 30 1. As described above, the thermoacoustic engine 1 is not provided with a branch pipe, and constitutes a loop pipe as a whole.

また、本実施形態では、熱音響機関1は、全ての共鳴管30の長さが等しくなっており、原動機10の前後で共鳴管30の断面積(口径)が拡大され、冷凍機20の前後で共鳴管30の断面積が縮小されている。なお、共鳴管30の長さ及び断面積については、詳細を後記する。 Further, in the present embodiment, in the thermoacoustic engine 1, all the resonance tubes 30 have the same length, the cross-sectional area (diameter) of the resonance tubes 30 is expanded before and after the prime mover 10, and before and after the refrigerator 20. The cross-sectional area of the resonance tube 30 is reduced. The length and cross-sectional area of the resonance tube 30 will be described in detail later.

[原動機]
原動機10は、蓄熱器11の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーを増幅するものであり、蓄熱器11と、加熱器12と、冷却器13とを備える。つまり、原動機10は、蓄熱器11と、加熱器12と、冷却器13とを1つのユニットとして扱ったものである。ここで、原動機10は、蓄熱器11の両端を挟むように、加熱器12が蓄熱器11の一端側に配置され、冷却器13がその反対側、すなわち蓄熱器11の他端側に配置されている。
[Motor]
The prime mover 10 forms a temperature gradient between both ends of the heat storage device 11 to amplify the acoustic power of the working gas, and includes the heat storage device 11, the heater 12, and the cooler 13. That is, the prime mover 10 treats the heat storage device 11, the heater 12, and the cooler 13 as one unit. Here, in the prime mover 10, the heater 12 is arranged on one end side of the heat storage device 11 so as to sandwich both ends of the heat storage device 11, and the cooler 13 is arranged on the opposite side, that is, on the other end side of the heat storage device 11. ing.

[蓄熱器]
蓄熱器11は、共鳴管30の管路に設けられ、作動気体を加熱及び冷却するものである。すなわち、蓄熱器11は、加熱器12及び冷却器13によって蓄熱器11の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーを増幅する。蓄熱器11は、その一端部(以下、適宜、高温部11bと称する)と、その他端部(以下、適宜、常温部11aと称する)との間に生じる温度差を保つことによって、主として作動気体の音響パワーを増幅する機能を有している。蓄熱器11は、例えば、共鳴管30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。あるいは、蓄熱器11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。
[Heat storage]
The heat storage device 11 is provided in the pipeline of the resonance tube 30 to heat and cool the working gas. That is, the heat storage device 11 forms a temperature gradient between both ends of the heat storage device 11 by the heater 12 and the cooler 13, and amplifies the acoustic power of the working gas. The heat storage device 11 is mainly a working gas by maintaining a temperature difference generated between one end portion (hereinafter, appropriately referred to as a high temperature portion 11b) and the other end portion (hereinafter, appropriately referred to as a normal temperature portion 11a). It has a function to amplify the acoustic power of. The heat storage device 11 includes, for example, a honeycomb structure made of ceramics having a large number of parallel passages in the extending direction (pipeline direction) of the resonance tube 30, and a structure in which a large number of stainless steel mesh thin plates are laminated at a fine pitch. can do. Alternatively, as the heat storage device 11, it is also possible to use a non-woven fabric or the like made of metal fibers.

[加熱器]
加熱器12は、蓄熱器11の一端側に隣接して共鳴管30の管路に設けられ、蓄熱器11の一端部(高温部11b)を加熱するものである。すなわち、加熱器12は、外部熱を用いて蓄熱器11の一端を加熱する熱入力部として機能する。加熱器12は、例えば、加熱用の熱交換器から構成される。具体的には、加熱器12は、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この加熱器12には図示しない加熱装置が接続されており、その外周に設けられた環状部材12aを介して加熱処理される構成とされている。なお、図面では便宜上、蓄熱器11と加熱器12の間に環状部材12aの左壁が示されているが、加熱器12は、この左壁を通して蓄熱器11の一端側と隣接、すなわち密着している。
[Heater]
The heater 12 is provided in the pipeline of the resonance tube 30 adjacent to one end side of the heat storage device 11 and heats one end portion (high temperature portion 11b) of the heat storage device 11. That is, the heater 12 functions as a heat input unit that heats one end of the heat storage device 11 by using external heat. The heater 12 is composed of, for example, a heat exchanger for heating. Specifically, the heater 12 is made by laminating a large number of metal plates such as mesh plates at a fine pitch. A heating device (not shown) is connected to the heater 12, and the heating treatment is performed via an annular member 12a provided on the outer periphery thereof. In the drawing, for convenience, the left wall of the annular member 12a is shown between the heat storage device 11 and the heater 12, but the heater 12 is adjacent to, that is, in close contact with one end side of the heat storage device 11 through the left wall. ing.

[冷却器]
冷却器13は、蓄熱器11の他端側に隣接して共鳴管30の管路に設けられ、蓄熱器11の他端部(常温部11a)の熱を外部に放出するものである。すなわち、冷却器13は、冷却水や空気等を用いて蓄熱器11の他端の熱を外部に放出して冷却する機能を有している。冷却器13は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。冷却器13は、基本的には加熱器12と同一構成であり、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この冷却器13は、その周囲に冷却ブラケット13aを配設している。この冷却ブラケット13aには図示しない冷却水路が接続されており、冷却水路を流れる冷却水により、冷却器13は冷却ブラケット13aを介して一定の冷却温度を維持する。なお、図面では便宜上、蓄熱器11と冷却器13の間に冷却ブラケット13aの右壁が示されているが、冷却器13は、この右壁を通して蓄熱器11の他端側と隣接、すなわち密着している。
[Cooler]
The cooler 13 is provided in the pipeline of the resonance tube 30 adjacent to the other end side of the heat storage device 11, and releases the heat of the other end portion (normal temperature portion 11a) of the heat storage device 11 to the outside. That is, the cooler 13 has a function of releasing the heat of the other end of the heat storage device 11 to the outside to cool it by using cooling water, air, or the like. The cooler 13 is composed of, for example, a heat exchanger for cooling. The cooler 13 has basically the same configuration as the heater 12, and for example, a large number of metal plates such as mesh plates are laminated at a fine pitch. The cooler 13 has a cooling bracket 13a arranged around the cooler 13. A cooling water channel (not shown) is connected to the cooling bracket 13a, and the cooler 13 maintains a constant cooling temperature via the cooling bracket 13a by the cooling water flowing through the cooling water channel. In the drawing, for convenience, the right wall of the cooling bracket 13a is shown between the heat storage device 11 and the cooler 13, but the cooler 13 is adjacent to, that is, in close contact with the other end side of the heat storage device 11 through the right wall. doing.

[冷凍機]
冷凍機20は、原動機10で増幅された音響パワーを消費して熱量(熱エネルギー)に変換することで、冷却を行う音響負荷である。この冷凍機20は、原動機10の可逆機構であり、冷凍用蓄熱器21と、冷凍用冷却器22と、冷気放出器23とを備える。つまり、冷凍機20は、冷凍用蓄熱器21と、冷凍用冷却器22と、冷気放出器23とを1つのユニットとして扱ったものである。ここで、冷凍機20は、冷凍用蓄熱器21の両端を挟むように、冷凍用冷却器22が冷凍用蓄熱器21の一端側に配置され、冷気放出器23がその反対側、すなわち冷凍用蓄熱器21の他端側に配置されている。
[refrigerator]
The refrigerator 20 is an acoustic load that cools by consuming the acoustic power amplified by the prime mover 10 and converting it into a calorific value (heat energy). The refrigerator 20 is a reversible mechanism of the prime mover 10, and includes a heat storage device 21 for freezing, a cooler 22 for freezing, and a cold air discharger 23. That is, the refrigerator 20 handles the heat storage device 21 for freezing, the cooler 22 for freezing, and the cold air discharger 23 as one unit. Here, in the refrigerator 20, the freezing cooler 22 is arranged on one end side of the freezing heat storage device 21 so as to sandwich both ends of the freezing heat storage device 21, and the cold air discharger 23 is on the opposite side, that is, for freezing. It is arranged on the other end side of the heat storage device 21.

[冷凍用蓄熱器]
冷凍用蓄熱器21は、共鳴管30の管路に設けられ、作動気体を冷却するものである。すなわち、冷凍用蓄熱器21は、原動機10から、共鳴管30を通じて冷凍用蓄熱器21の一端部(以下、適宜、常温部21aと称する)に伝達された音響パワーを、冷凍用蓄熱器21の一端部(常温部21a)と冷凍用蓄熱器21の他端部(以下、適宜、低温部21bと称する)との間における温度差に変換する機能を有している。冷凍用蓄熱器21の常温部21aは、冷凍用冷却器22によって冷却されているため、伝達された音響パワーによって、冷凍用蓄熱器21の低温部21bは、常温部21aよりも低い温度まで冷却されて冷気が発生する。この冷気は、冷気放出器23によって外部に取り出される。冷凍用蓄熱器21は、熱容量の大きい蓄冷材からなる。蓄冷材としては、例えば、ステンレス鋼、銅、鉛等を用いることができ、また、冷凍用蓄熱器21の形状は多様な形状を適用することが可能である。
[Regenerator for freezing]
The freezing heat storage device 21 is provided in the conduit of the resonance tube 30 and cools the working gas. In other words, refrigerating heat accumulator 21, the motor 10 3, one end portion of the refrigeration for the heat accumulator 21 through the resonance tube 30 (hereinafter, appropriately referred to as normal temperature portion 21a) of the acoustic power transmitted to, freezing heat accumulator 21 It has a function of converting into a temperature difference between one end portion (normal temperature portion 21a) and the other end portion (hereinafter, appropriately referred to as a low temperature portion 21b) of the freezing heat storage device 21. Since the normal temperature part 21a of the freezing heat storage device 21 is cooled by the freezing cooler 22, the low temperature part 21b of the freezing heat storage device 21 is cooled to a temperature lower than that of the normal temperature part 21a by the transmitted acoustic power. Cold air is generated. This cold air is taken out by the cold air discharger 23. The freezing heat storage device 21 is made of a cold storage material having a large heat capacity. As the cold storage material, for example, stainless steel, copper, lead or the like can be used, and various shapes can be applied to the shape of the freezing heat storage device 21.

[冷凍用冷却器]
冷凍用冷却器22は、冷凍用蓄熱器21の一端側に隣接して共鳴管30の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器21の一端部(常温部21a)の熱を外部に放出するものである。すなわち、冷凍用冷却器22は、冷却水や空気等を用いて冷凍用蓄熱器21の一端の熱を外部に放出して冷却する機能を有している。冷凍用冷却器22は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。具体的には、冷凍用冷却器22は、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この冷凍用冷却器22は、その周囲に冷却ブラケット22aを配設している。この冷却ブラケット22aには図示しない冷却水路が接続されており、冷却水路を流れる冷却水により、冷凍用冷却器22は冷却ブラケット22aを介して一定の冷却温度を維持する。なお、図面では便宜上、冷凍用蓄熱器21と冷凍用冷却器22の間に冷却ブラケット22aの上壁が示されているが、冷凍用冷却器22は、この上壁を通して冷凍用蓄熱器21の一端側と隣接、すなわち密着している。
[Freezing cooler]
The freezing cooler 22 is provided in the pipeline of the resonance tube 30 adjacent to one end side of the freezing heat storage device 21 and releases the heat of one end portion (normal temperature part 21a) of the freezing heat storage device 21 to the outside. Is. That is, the refrigerating cooler 22 has a function of releasing the heat of one end of the freezing heat storage device 21 to the outside and cooling it by using cooling water, air, or the like. The freezing cooler 22 is composed of, for example, a heat exchanger for cooling. Specifically, the refrigerating cooler 22 has a large number of metal plates such as mesh plates laminated at a fine pitch. The refrigerating cooler 22 has a cooling bracket 22a arranged around it. A cooling water channel (not shown) is connected to the cooling bracket 22a, and the cooling water flowing through the cooling water channel maintains a constant cooling temperature of the refrigerating cooler 22 via the cooling bracket 22a. In the drawing, for convenience, the upper wall of the cooling bracket 22a is shown between the freezing heat storage device 21 and the freezing cooler 22, but the freezing cooler 22 passes through the upper wall of the freezing heat storage device 21. Adjacent to one end side, that is, in close contact.

[冷気放出器]
冷気放出器23は、冷凍用蓄熱器21の他端側に隣接して共鳴管30の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器21の他端部(低温部21b)に発生する冷気を外部に放出するものである。すなわち、冷気放出器23は、冷凍用蓄熱器21の他端において発生する冷気を外部に取り出す冷気出力部として機能する。冷気放出器23は、例えば、冷凍用の熱交換器から構成される。冷気放出器23としては、基本的には冷凍用冷却器22と同一構成であり、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この冷気放出器23の外周位置には、冷気(冷熱)を取り出す高熱伝導率材料(例えば、銅)よりなる環状部材23aを配設している。なお、図面では便宜上、冷凍用蓄熱器21と冷気放出器23の間に環状部材23aの下壁が示されているが、冷気放出器23は、この下壁を通して冷凍用蓄熱器21の他端側と隣接、すなわち密着している。
[Cold air discharger]
The cold air discharger 23 is provided in the pipeline of the resonance tube 30 adjacent to the other end side of the freezing heat storage device 21, and allows the cold air generated at the other end (low temperature portion 21b) of the freezing heat storage device 21 to the outside. It is something to release. That is, the cold air discharger 23 functions as a cold air output unit that takes out the cold air generated at the other end of the freezing heat storage device 21 to the outside. The cold air discharger 23 is composed of, for example, a heat exchanger for freezing. The cold air discharger 23 has basically the same configuration as the freezing cooler 22, and for example, a large number of metal plates such as mesh plates are laminated at a fine pitch. An annular member 23a made of a high thermal conductivity material (for example, copper) for extracting cold air (cold heat) is arranged at the outer peripheral position of the cold air discharger 23. In the drawing, for convenience, the lower wall of the annular member 23a is shown between the freezing heat storage device 21 and the cold air discharger 23, but the cold air discharger 23 passes through the lower wall to the other end of the freezing heat storage device 21. Adjacent to the side, that is, in close contact.

[共鳴管]
共鳴管30は、作動気体が満たされる円筒管であり、所定の共鳴管長さLx1〜Lx4及び所定の断面積を有している。この作動気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物や空気等がよく用いられる。また、共鳴管30は、その中間位置で曲がっている。
[Resonance tube]
The resonance tube 30 is a cylindrical tube filled with a working gas, and has a predetermined resonance tube length Lx1 to Lx4 and a predetermined cross-sectional area. As the working gas, nitrogen, helium, argon, a mixture of helium and argon, air, or the like is often used. Further, the resonance tube 30 is bent at an intermediate position thereof.

本実施形態では、共鳴管30は、冷気放出器23に一端が接続され、原動機10の冷却器13に他端が接続される。また、共鳴管30は、原動機10の加熱器12に一端が接続され、原動機10の冷却器13に他端が接続される。また、共鳴管30は、原動機10の加熱器12に一端が接続され、原動機10の冷却器13に他端が接続される。また、共鳴管30は、原動機10の加熱器12に一端が接続され、冷凍用冷却器22に他端が接続される。 In this embodiment, resonance tube 30 1 has one end connected to the cold emitter 23 and the other end connected to the cooler 13 of the engine 10 1. Moreover, resonance tube 30 2 has one end connected to the heater 12 of the motor 10 1, the other end is connected to the cooler 13 of the prime mover 10 2. Moreover, resonance tube 30 3 has one end connected to the heater 12 of the prime mover 10 2 and the other end connected to the cooler 13 of the engine 10 3. Moreover, resonance tube 30 4 has one end connected to the heater 12 of the prime mover 10 3 and the other end connected to a refrigeration cooler 22.

[共鳴管の断面積、共鳴管長さ]
図1に示すように、熱音響機関1では、共鳴管30〜30の共鳴管長さLx1〜Lx4が等しく、共鳴管30〜30の順で断面積が拡大され、共鳴管30,30で断面積が縮小されている。以下、共鳴管30の断面積を拡大又は縮小し、共鳴管長さLx1〜Lx4を等しくする理由について説明する。
[Cross-sectional area of resonance tube, resonance tube length]
As shown in FIG. 1, the thermoacoustic engine 1, the resonance tube 30 1 to 30 equal fourth resonance tube length Lx1~Lx4, the cross-sectional area is enlarged in the order of the resonance tube 30 2-30 4, the resonance tube 30 4 , the cross-sectional area is reduced by 30 1. Hereinafter, the reason why the cross-sectional area of the resonance tube 30 is enlarged or reduced to make the resonance tube lengths Lx1 to Lx4 equal will be described.

原動機10は、流速振幅を増幅することで、音響パワーも増幅する。このとき、比音響インピーダンスは、流速振幅の増加により、原動機10からの出力後に低下する。ここで、比音響インピーダンスを原動機10の前後で均一にしたいので、体積流速の連続性から、原動機10で下流側の共鳴管30の断面積を、その原動機10で上流側の共鳴管30の断面積に対して、その原動機10の音響パワー増幅率に基づいて拡大すればよい。
なお、原動機10から音波を出力する共鳴管30が下流側の共鳴管30となり、原動機10に音波を入力する共鳴管30が上流側の共鳴管30となる。
The prime mover 10 also amplifies the sound power by amplifying the flow velocity amplitude. At this time, the specific acoustic impedance decreases after the output from the prime mover 10 due to the increase in the flow velocity amplitude. Here, since we want to make the specific acoustic impedance uniform before and after the prime mover 10, from the continuity of the volumetric flow velocity, the cross-sectional area of the resonance tube 30 on the downstream side of the prime mover 10 is cut off from the resonance tube 30 on the upstream side of the prime mover 10. The area may be expanded based on the acoustic power amplification factor of the prime mover 10.
The resonance tube 30 that outputs sound waves from the prime mover 10 is the resonance tube 30 on the downstream side, and the resonance tube 30 that inputs sound waves to the prime mover 10 is the resonance tube 30 on the upstream side.

本実施形態では、原動機10の加熱器12に接続した共鳴管30の断面積を、原動機10の冷却器13に接続した共鳴管30の断面積に対して、原動機10の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。また、原動機10の加熱器12に接続した共鳴管30の断面積を、原動機10の冷却器13に接続した共鳴管30の断面積に対して、原動機10の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。さらに、原動機10の加熱器12に接続した共鳴管30の断面積を、原動機10の冷却器13に接続した共鳴管30の断面積に対して、原動機10の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。 In the present embodiment, the cross-sectional area of the resonance tube 30 2 connected to the heater 12 of the motor 10 1, with respect to the cross-sectional area of the resonance tube 30 1 connected to the cooler 13 of the engine 10 1, the prime mover 10 first acoustic Expand based on power amplification factor. Further, the cross-sectional area of the resonance tube 30 3 connected to the heater 12 of the prime mover 10 2, relative to the cross-sectional area of the resonance tube 30 2 connected to the cooler 13 of the prime mover 10 2, acoustic power amplification factor of the prime mover 10 2 Expand based on. Furthermore, the cross-sectional area of the resonance tube 30 4 connected to the heater 12 of the prime mover 10 3, relative to the cross-sectional area of the resonance tube 30 3 connected to the cooler 13 of the engine 10 3, acoustic power amplification factor of the prime mover 10 3 Expand based on.

ここで、原動機10の音響パワー増幅率Gは、原動機10から出力する音響パワーWoutと原動機10に入力する音響パワーWINとの比Wout/WINで求められる。音響パワー増幅率Gは、加熱器12の温度T/冷却器13の温度T(絶対温度比)が理想的ではあるが、蓄熱器11や共鳴管30での作動気体の粘性散逸などの影響を受けるので、必ずしも絶対温度比どおりではなく、この絶対温度比よりも小さい値(例えば0.8〜1.0)を乗じた値で拡大してもよい。 Here, the sound power amplification factor G of the motor 10 is determined by the ratio W out / W IN the acoustic power W IN input to sound power W out and the prime mover 10 to be output from the motor 10. Sound power gain G, the temperature T C of the temperature T H / cooler 13 of the heater 12 (absolute temperature ratio) Although it is ideal, regenerator 11 and the working gas in the resonance tube 30, such as viscous dissipation Since it is affected, it is not always according to the absolute temperature ratio, and it may be expanded by a value multiplied by a value smaller than this absolute temperature ratio (for example, 0.8 to 1.0).

冷凍機20では、音響パワーが消費されるので、冷凍機20が音波を出力する下流側の共鳴管30の断面積を、その冷凍機20に音波を入力する上流側の共鳴管30の断面積に対して、その冷凍機20の音響パワー消費率に基づいて縮小する。本実施形態では、冷気放出器23に接続した共鳴管30の断面積を、冷凍用冷却器22に接続した共鳴管30の断面積に対して、冷凍機20の音響パワー消費率に基づいて縮小する。 Since sound power is consumed in the refrigerator 20, the cross-sectional area of the resonance tube 30 on the downstream side where the refrigerator 20 outputs sound waves is the cross-sectional area of the resonance tube 30 on the upstream side where sound waves are input to the refrigerator 20. On the other hand, it is reduced based on the sound power consumption rate of the refrigerator 20. In the present embodiment, the cross-sectional area of the resonance tube 30 1 connected to the cold emitter 23, with respect to the cross-sectional area of the resonance tube 30 4 connected to a refrigeration cooler 22, based on sound power consumption of the refrigerator 20 To shrink.

ここで、冷凍機20の音響パワー消費率は、冷気放出器23の温度TRefと冷凍用冷却器22の温度Tとの絶対温度比TRef/Tで求められるが、冷凍用蓄熱器21や共鳴管30での作動気体の粘性散逸などの影響を受けるので、必ずしも絶対温度比どおりではなく、この絶対温度比よりも小さい値(例えば0.8〜1.0)を乗じた値で縮小してもよい。 Here, the sound power consumption of the refrigerator 20 is determined by the absolute temperature ratio T Ref / T A between the temperature T Ref of the cool air discharge unit 23 and the temperature T A of the refrigeration cooler 22, freezing heat accumulator Since it is affected by the viscous dissipation of the working gas in 21 and the resonance tube 30, it is not always in line with the absolute temperature ratio, and is multiplied by a value smaller than this absolute temperature ratio (for example, 0.8 to 1.0). It may be reduced.

また、熱音響機関1は、全ての原動機10及び冷凍機20が等間隔となるように、共鳴管長さLx1〜Lx4を基準長さ(例えば、1[m])としている。これにより、熱音響機関1は、共鳴管30内での体積流速を略均一とし、共鳴管30のループ接合点aで作動気体の圧力及び流速を略一致させることができる。 Further, the thermoacoustic engine 1 has a resonance tube length Lx1 to Lx4 as a reference length (for example, 1 [m]) so that all the prime movers 10 and the refrigerator 20 are evenly spaced. As a result, the thermoacoustic engine 1 can make the volumetric flow velocity in the resonance tube 30 substantially uniform, and substantially match the pressure and flow velocity of the working gas at the loop junction a of the resonance tube 30.

なお、ループ接合点aとは、ループ状に接続した共鳴管30の始点及び終点を表すものである。このループ接合点aは、共鳴管30の任意位置に設定可能であり、本実施形態では、共鳴管30が曲がっている中間位置に設定した。このループ接合点aは、共鳴管30における他の箇所と構造や外観が異なるわけでない。 The loop junction a represents the start point and the end point of the resonance tube 30 connected in a loop shape. This loop junction a can be set at an arbitrary position of the resonance tube 30, and in the present embodiment, it is set at an intermediate position where the resonance tube 30 1 is bent. The structure and appearance of the loop junction a are not different from those of other portions in the resonance tube 30.

[作用・効果]
以上のように、熱音響機関1は、原動機10、冷凍機20及び共鳴管30をループ状に配置し、枝管を備えていないので、音響パワーの損失を抑えることができる。さらに、熱音響機関1は、共鳴管長さLx1〜Lx4を等しくすると共に、共鳴管30の断面積を拡大又は縮小したので、共鳴管30内で作動気体の体積流速を略均一とし、ループ接合点aで作動気体の圧力及び流速を略一致させることができる。これにより、熱音響機関1は、共鳴管30の全区間で音波が進行波となり、共鳴管30での音響パワーの損失を抑え、効率を向上させることができる。
[Action / Effect]
As described above, since the thermoacoustic engine 1 has the prime mover 10, the refrigerator 20, and the resonance tube 30 arranged in a loop and does not have a branch tube, the loss of acoustic power can be suppressed. Further, the thermoacoustic engine 1 equalizes the resonance tube lengths Lx1 to Lx4 and enlarges or reduces the cross-sectional area of the resonance tube 30. Therefore, the volumetric flow velocity of the working gas in the resonance tube 30 is made substantially uniform, and the loop junction is formed. At a, the pressure and the flow velocity of the working gas can be substantially matched. As a result, in the thermoacoustic engine 1, sound waves become traveling waves in the entire section of the resonance tube 30, and the loss of acoustic power in the resonance tube 30 can be suppressed and the efficiency can be improved.

(第2実施形態)
<熱音響機関の構成>
図2,図3を参照し、本発明の第2実施形態に係る熱音響機関1Bの構成について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図2に示すように、熱音響機関1Bは、冷凍機20(図1)の代わりにリニア発電機40を備える点が、第1実施形態と異なる。
(Second Embodiment)
<Structure of thermoacoustic engine>
With reference to FIGS. 2 and 3, the configuration of the thermoacoustic engine 1B according to the second embodiment of the present invention will be described as being different from the first embodiment.
As shown in FIG. 2, the thermoacoustic engine 1B is different from the first embodiment in that it includes a linear generator 40 instead of the refrigerator 20 (FIG. 1).

熱音響機関1Bは、原動機10で増幅された音響パワーで発電するものであり、原動機10と、共鳴管30と、リニア発電機40とを備える。本実施形態では、熱音響機関1Bは、3個の原動機10〜10と、1個のリニア発電機40と、4本の共鳴管30〜30とがループ状に配置されている。 The thermoacoustic engine 1B generates electricity with the acoustic power amplified by the prime mover 10, and includes the prime mover 10, a resonance tube 30, and a linear generator 40. In this embodiment, the thermoacoustic engine. 1B, the three motor 10 1 to 10 3, and one linear generator 40, four and resonance tube 30 1 to 30 4 are arranged in a loop ..

[リニア発電機]
リニア発電機40は、原動機10で増幅された音響パワーを振動として利用し、その音響パワーを電力(電気エネルギー)に変換することで、発電を行う音響負荷である。図3に示すように、リニア発電機40は、支持体41内にあり、外側ヨーク(円筒)42と、これら外側ヨーク42にそれぞれ収容されるコイル43と、外側ヨーク42の間に位置する内側ヨーク(円筒)44と、外側ヨーク42のそれぞれと内側ヨーク44との間に設けられた永久磁石45と、が備えられている。なお、永久磁石45は、それぞれS極とN極の磁石から構成されており、内側ヨーク44に設けられている。
[Linear generator]
The linear generator 40 is an acoustic load that generates electric power by using the acoustic power amplified by the prime mover 10 as vibration and converting the acoustic power into electric power (electrical energy). As shown in FIG. 3, the linear generator 40 is inside the support 41, and is located between the outer yoke (cylinder) 42, the coil 43 housed in each of the outer yokes 42, and the outer yoke 42. A yoke (cylinder) 44 and a permanent magnet 45 provided between each of the outer yokes 42 and the inner yoke 44 are provided. The permanent magnet 45 is composed of S-pole and N-pole magnets, respectively , and is provided on the inner yoke 44.

また、内側ヨーク44には可動子46が付けられ、可動子46の一端には共鳴管30の内壁をシリンダとするピストン形状(不図示)になっている。また可動子46の他端には共鳴管30の内壁をシリンダとするピストン形状(不図示)になっている。この結果、共鳴管30からの音響波は可動子46を、すなわち内側ヨーク44を図面上で左右に動かす。この可動子46は、共鳴管30において、そのピストン形状の構造で音響波を伝達する。 Further, the movable element 46 is attached to the inner yoke 44, to one end of the movable element 46 has a piston shape with the cylinder inner wall of the resonance tube 30 4 (not shown). Also the other end of the movable element 46 has a piston shape with the cylinder inner wall of the resonance tube 30 1 (not shown). As a result, acoustic waves from the resonance tube 30 4 the mover 46, i.e. moved to the right and left inner yoke 44 in the drawing. The armature 46 is in the resonance tube 30 1, transmits the acoustic waves in the structure of the piston shape.

リニア発電機40におけるこのような構造は、コイル43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44とともにこれに設けられた永久磁石45がストロークすることにより、コイル43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44に突起44a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。 Such a structure in the linear generator 40 employs a power generation method based on the principle that a current is generated by a time change of the magnetic flux density orbiting the coil 43. That is, when the permanent magnet 45 provided on the inner yoke 44 and the inner yoke 44 strokes based on the sound power, the magnetic flux density orbiting the coil 43 changes significantly, and power generation is performed. Further, by attaching the protrusion 44a to the inner yoke 44, it is possible to suppress a decrease in the magnetic flux density due to the passage of the magnetic flux through the air gap.

(第3実施形態)
<熱音響機関の構成>
図4,図5を参照し、本発明の第3実施形態に係る熱音響機関1Cの構成について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図4に示すように、熱音響機関1Cは、冷凍機20(図1)の代わりにバイダイレクショナルタービン(以下タービンと称する)50を備える点が、第1実施形態と異なる。
(Third Embodiment)
<Structure of thermoacoustic engine>
With reference to FIGS. 4 and 5, the configuration of the thermoacoustic engine 1C according to the third embodiment of the present invention will be described as being different from the first embodiment.
As shown in FIG. 4, the thermoacoustic engine 1C is different from the first embodiment in that it includes a bidirectional turbine (hereinafter referred to as a turbine) 50 instead of the refrigerator 20 (FIG. 1).

熱音響機関1Cは、原動機10で増幅された音響パワーで発電するものであり、原動機10と、共鳴管30と、タービン50とを備える。本実施形態では、熱音響機関1Cは、3個の原動機10〜10と、1個のタービン50と、4本の共鳴管30〜30とがループ状に配置されている。 The thermoacoustic engine 1C generates electricity with the acoustic power amplified by the prime mover 10, and includes the prime mover 10, a resonance tube 30, and a turbine 50. In this embodiment, the thermoacoustic engine. 1C, the three motor 10 1 to 10 3, and one turbine 50, four and resonance tube 30 1 to 30 4 are arranged in a loop.

タービン50は、原動機10で増幅された音響パワーを回転力として利用し、その音響パワーを電力(電気エネルギー)に変換することで、発電を行う音響負荷である。図5に示すように、タービン50は、ガイドコーン52と、ガイド53と、回転翼54とを、筐体51の内部に備える。ガイドコーン52は、筐体51の中心付近に配置した半楕円球上の部材である。ガイド53は、複数のガイド部材53aを配置したものである。ガイド部材53aは、作動気体が回転翼54に斜め方向からあたるように、共鳴管30の中心軸に対して所定の角度で傾斜している。回転翼54は、複数の回転翼部材54aを配置したものであり、符号αの方向に回転する。そして、タービン50は、作動気体が各回転翼部材54aにあたることで回転翼54が回転し、発電を行う。 The turbine 50 is an acoustic load that generates electric power by using the acoustic power amplified by the prime mover 10 as a rotational force and converting the acoustic power into electric power (electrical energy). As shown in FIG. 5, the turbine 50 includes a guide cone 52, a guide 53, and a rotary blade 54 inside the housing 51. The guide cone 52 is a member on a semi-elliptical sphere arranged near the center of the housing 51. The guide 53 has a plurality of guide members 53a arranged therein. The guide member 53a is inclined at a predetermined angle with respect to the central axis of the resonance tube 30 so that the working gas hits the rotary blade 54 from an oblique direction. The rotary blade 54 has a plurality of rotary blade members 54a arranged therein, and rotates in the direction of reference numeral α. Then, in the turbine 50, the rotary blade 54 rotates when the working gas hits each rotary blade member 54a to generate electricity.

(第4実施形態)
<熱音響機関の構成>
図6を参照し、本発明の第4実施形態に係る熱音響機関1Dの構成について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図6に示すように、熱音響機関1Dは、冷凍機20(図1)の代わりに昇温機60を備える点が、第1実施形態と異なる。
(Fourth Embodiment)
<Structure of thermoacoustic engine>
With reference to FIG. 6, the configuration of the thermoacoustic engine 1D according to the fourth embodiment of the present invention will be described as being different from the first embodiment.
As shown in FIG. 6, the thermoacoustic engine 1D is different from the first embodiment in that the thermoacoustic engine 1D includes a temperature riser 60 instead of the refrigerator 20 (FIG. 1).

熱音響機関1Dは、原動機10で増幅された音響パワーで昇温するものであり、原動機10と、共鳴管30と、昇温機60とを備える。本実施形態では、熱音響機関1Dは、3個の原動機10〜10と、1個の昇温機60と、4本の共鳴管30〜30とがループ状に配置されている。 The thermoacoustic engine 1D raises the temperature with the acoustic power amplified by the prime mover 10, and includes the prime mover 10, a resonance tube 30, and a raiser 60. In this embodiment, the thermoacoustic engine. 1D, the three motor 10 1 to 10 3, and one heating device 60, the four and the resonance tube 30 1 to 30 4 are arranged in a loop ..

[昇温機]
昇温機60は、原動機10で増幅された音響パワーを消費して熱量(熱エネルギー)に変換することで、昇温を行う音響負荷である。この昇温機60は、昇温用蓄熱器61の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーで昇温するものであり、昇温用蓄熱器61と、昇温用加熱器62と、昇温用冷却器63とを備える。このように、昇温機60は、昇温用蓄熱器61と、昇温用加熱器62と、昇温用冷却器63とを1つのユニットとして扱ったものである。ここで、昇温機60は、昇温用蓄熱器61の両端を挟むように、昇温用加熱器62が昇温用蓄熱器61の一端側に配置され、昇温用冷却器63がその反対側、すなわち昇温用蓄熱器61の他端側に配置されている。ここで、昇温を行う場合、昇温用冷却器63を常温に保持することで、昇温用加熱器62が高い温度に上昇する。
[Heat heater]
The temperature riser 60 is an acoustic load that raises the temperature by consuming the sound power amplified by the prime mover 10 and converting it into heat (heat energy). The heater 60 forms a temperature gradient between both ends of the heating accumulator 61 and raises the temperature with the acoustic power of the working gas. The heating accumulator 61 and the heating heater 62 and a heating cooler 63 are provided. As described above, the heating element 60 treats the heating heater 61, the heating heater 62, and the heating cooler 63 as one unit. Here, in the heating element 60, the heating heater 62 is arranged on one end side of the heating heat storage device 61 so as to sandwich both ends of the heating heat storage device 61, and the heating cooler 63 is provided. It is arranged on the opposite side, that is, on the other end side of the heating heat storage device 61. Here, when the temperature is raised, the temperature riser 62 is raised to a higher temperature by keeping the temperature riser cooler 63 at room temperature.

なお、昇温用蓄熱器61、昇温用加熱器62及び昇温用冷却器63は、それぞれ、蓄熱器11、加熱器12及び冷却器13と基本的に同一構成のため、これ以上の説明を省略する。 Since the heating heat storage device 61, the heating heater 62, and the heating cooler 63 have basically the same configuration as the heat storage device 11, the heater 12, and the cooler 13, respectively, further description thereof will be given. Is omitted.

(第5実施形態)
<熱音響機関の構成>
図7を参照し、本発明の第5実施形態に係る熱音響機関1Eの構成について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図7に示すように、熱音響機関1Eは、冷凍機20を2個備える点が、第1実施形態と異なる。
(Fifth Embodiment)
<Structure of thermoacoustic engine>
With reference to FIG. 7, the configuration of the thermoacoustic engine 1E according to the fifth embodiment of the present invention will be described as being different from the first embodiment.
As shown in FIG. 7, the thermoacoustic engine 1E is different from the first embodiment in that it includes two refrigerators 20.

本実施形態では、熱音響機関1Eは、2個の原動機10,10と、2個の冷凍機20,20と、4本の共鳴管30〜30とがループ状に配置されている。つまり、熱音響機関1Eは、共鳴管30を介して原動機10と冷凍機20とが接続され、共鳴管30を介して冷凍機20と原動機10とが接続されている。さらに、熱音響機関1Eは、共鳴管30を介して原動機10と冷凍機20とが接続され、共鳴管30を介して冷凍機20と原動機10とが接続されている。 In this embodiment, the thermoacoustic engine 1E includes two motor 10 1, 10 2, and two of the refrigerator 20 1, 20 2, four resonance tube 30 1 to 30 4 and are arranged in a loop Has been done. In other words, thermoacoustic engine. 1E, a prime mover 10 1 through the resonance tube 30 2 and the refrigerator 20 1 is connected, and the refrigerator 20 1 and the prime mover 10 2 is connected via a resonance tube 30 3. Furthermore, thermoacoustic engine. 1E, a prime mover 10 2 via a resonance tube 30 4 and the refrigerator 20 2 are connected, and the refrigerator 20 2 and motor 10 1 is connected via a resonance tube 30 1.

また、熱音響機関1Eでは、共鳴管30〜30の長さが等しく、共鳴管30,30で断面積が拡大され、共鳴管30,30で断面積が縮小され、共鳴管30,30で断面積が拡大され、共鳴管30,30で断面積が縮小されている。 Further, the thermoacoustic engine 1E, equal the length of the resonance tube 30 1 to 30 4, the cross-sectional area is enlarged in the resonance tube 30 1, 30 2, cross-sectional area is reduced by the resonance tube 30 2, 30 3, resonance are enlarged cross-sectional area in the tube 30 3, 30 4, the cross-sectional area is reduced by the resonance tube 30 4, 30 1.

本実施形態では、原動機10の加熱器12に接続した共鳴管30の断面積を、原動機10の冷却器13に接続した共鳴管30の断面積に対して、原動機10の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。また、冷凍機20の冷気放出器23に接続した共鳴管30の断面積を、冷凍機20の冷凍用冷却器22に接続した共鳴管30の断面積に対して、冷凍機20の音響パワー消費率に基づいて縮小する。また、原動機10の加熱器12に接続した共鳴管30の断面積を、原動機10の冷却器13に接続した共鳴管30の断面積に対して、原動機10の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。また、冷凍機20の冷気放出器23に接続した共鳴管30の断面積を、冷凍機20の冷凍用冷却器22に接続した共鳴管30の断面積に対して、冷凍機20の音響パワー消費率に基づいて縮小する。 In the present embodiment, the cross-sectional area of the resonance tube 30 2 connected to the heater 12 of the motor 10 1, with respect to the cross-sectional area of the resonance tube 30 1 connected to the cooler 13 of the engine 10 1, the prime mover 10 first acoustic Expand based on power amplification factor. Further, the cross-sectional area of the resonance tube 30 3 connected to the cold emitter 23 of the refrigerator 20 1, with respect to the cross-sectional area of the resonance tube 30 2 connected to a refrigeration cooler 22 of the refrigerator 20 1, refrigerator 20 It is reduced based on the sound power consumption rate of 1 . Further, the cross-sectional area of the resonance tube 30 4 connected to the heater 12 of the prime mover 10 2, relative to the cross-sectional area of the resonance tube 30 3 connected to the cooler 13 of the prime mover 10 2, acoustic power amplification factor of the prime mover 10 2 Expand based on. Further, the cross-sectional area of the resonance tube 30 1 connected to the cold emitter 23 of the refrigerator 20 2, relative to the cross-sectional area of the resonance tube 30 4 connected to a refrigeration cooler 22 of the refrigerator 20 2, the refrigerator 20 Reduce based on the sound power consumption rate of 2 .

なお、熱音響機関1Fは、2個の冷凍機20,20の代わりに、2個のリニア発電機、2個のタービン又は2個の昇温機を備えてもよい(不図示)。 Incidentally, thermoacoustic engine. 1F, the two instead of the refrigerator 20 1, 20 2, two linear generator may be provided with two turbines or two heating machine (not shown).

(変形例)
以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
(Modification example)
Although each embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to each of the above-described embodiments, and includes design changes and the like within a range not deviating from the gist of the present invention.

前記した各実施形態では、原動機及び音響負荷を計4個備えることとして説明したが、本発明は、これに限定されない。つまり、熱音響機関は、1個以上の原動機と、1個以上の音響負荷を備えていればよく、原動機及び音響負荷が計3個以下、又は、計5個以上であってもよい。 Although each of the above-described embodiments has been described as having a total of four prime movers and acoustic loads, the present invention is not limited thereto. That is, the thermoacoustic engine may be provided with one or more prime movers and one or more acoustic loads, and the total number of prime movers and acoustic loads may be 3 or less, or 5 or more in total.

前記した第1〜4実施形態では原動機を連続配置し、第5実施形態では原動機及び音響負荷を交互に配置することとして説明したが、本発明は、これに限定されない。つまり、熱音響機関は、原動機だけでなく、音響負荷も連続配置してもよい。 In the first to fourth embodiments described above, the prime movers are arranged continuously, and in the fifth embodiment, the prime movers and the acoustic load are arranged alternately, but the present invention is not limited thereto. That is, the thermoacoustic engine may continuously arrange not only the prime mover but also the acoustic load.

前記した各実施形態では、1個の原動機を1つのユニットとして扱うこととして説明したが、本発明は、これに限定されない。図8に示すように、熱音響機関1は、2個の原動機10を1つのユニットとして扱ってもよい。具体的には、熱音響機関1は、断熱部材14を介して、2個の原動機10を隣接配置する。この場合、熱音響機関1は、各原動機10の音響パワー増幅率の積に基づいて共鳴管30の断面積を拡大する。 In each of the above-described embodiments, one prime mover is treated as one unit, but the present invention is not limited thereto. As shown in FIG. 8, the thermoacoustic engine 1 may treat the two prime movers 10 as one unit. Specifically, the thermoacoustic engine 1 arranges two prime movers 10 adjacent to each other via the heat insulating member 14. In this case, the thermoacoustic engine 1 expands the cross-sectional area of the resonance tube 30 based on the product of the acoustic power amplification factors of each prime mover 10.

前記した各実施形態では、各共鳴管の中間位置を曲げて、全ての共鳴管で正方形状のループを形成しているが、本発明は、これに限定されない。例えば、熱音響機関は、各共鳴管を円弧状にして、全ての共鳴管で円形状のループ管を形成してもよい。 In each of the above-described embodiments, the intermediate position of each resonance tube is bent to form a square loop in all the resonance tubes, but the present invention is not limited thereto. For example, the thermoacoustic engine may make each resonance tube arcuate and form a circular loop tube with all the resonance tubes.

(実施例1)
[熱音響機関の計算モデル]
本発明の実施例1として、熱音響機関の計算モデルによる音場のシミュレーション結果を説明する。
以下の計算モデルを用いて、第1実施形態と同様の熱音響機関のシミュレーションを行った。この計算モデルは、Rottが導いた熱音響微分方程式に基づいている。Rottの熱音響微分方程式は、例えば、文献「N. Rott,Z.Angew.Math.Phys.20,pp.230-243,1969」に詳細に記載されており、下記の式(1)及び式(2)で表される。
(Example 1)
[Calculation model of thermoacoustic engine]
As Example 1 of the present invention, the simulation result of the sound field by the calculation model of the thermoacoustic engine will be described.
A thermoacoustic engine simulation similar to that of the first embodiment was performed using the following calculation model. This computational model is based on the thermoacoustic differential equation derived by Rott. Rott's thermoacoustic differential equation is described in detail in, for example, the document "N. Rott, Z.Angew.Math.Phys.20, pp.230-243,1969", and the following equation (1) and equation It is represented by (2).

Figure 0006830650
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ここで、pが圧力振幅、Uが断面平均体積流速振幅、jが虚数単位、ωが角周波数、ACが断面積、pmが作動気体の平均圧力、γが比熱比、νが動粘性係数、σがプラントル数、Tmが平均温度、αが熱拡散係数、ρmが平均密度である。 Here, p is the pressure amplitude, U is the cross-sectional average volume flow velocity amplitude, j is the imaginary unit, ω is the angular frequency, AC is the cross-sectional area, pm is the average pressure of the working gas, γ is the specific heat ratio, and ν is the kinematic viscosity coefficient. σ is Prandtl number, Tm is the average temperature, alpha is the thermal diffusivity, .rho.m is the average density.

また、χα,χνは、温度拡散係数及び動粘性係数に依存する複素関数である。χα,χνは、共鳴管が円形断面を有するとき、下記の式(3)で表すことができる。 Further, χ α and χ ν are complex functions that depend on the thermal diffusivity and the kinematic viscosity coefficient. chi alpha, the chi [nu, when the resonance tube has a circular cross-section, can be expressed by the following equation (3).

Figure 0006830650
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ここで、J,Jがベッセル関数の0番目及び1番目のオーダ、rが半径、τα,τνが熱緩和時間及び動粘性緩和時間である。また、点xにおけるp(x),U(x)、及び、x=0となる点でのp(0),U(0)を用いて、式(1)の解を下記の式(4)及び式(5)で表すことができる。ここで、eがネイピア数である。 Here, J 0 and J 1 are the 0th and 1st orders of the Bessel function, r is the radius, and τ α and τ ν are the thermal relaxation time and the kinematic viscosity relaxation time. Further, using p (x) and U (x) at the point x and p (0) and U (0) at the point where x = 0, the solution of the equation (1) is solved by the following equation (4). ) And equation (5). Here, e is the number of Napiers.

Figure 0006830650
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この各要素の伝達マトリクスBを下記の式(6)のように連結することで、計算モデル全体の音場を求めることが可能である。ここで、Mallは、計算モデル全体の伝達マトリクスを表す。 By connecting the transmission matrix B n of each element as shown in the following equation (6), it is possible to obtain the sound field of the entire calculation model. Here, M all represents a transfer matrix of the entire calculation model.

Figure 0006830650
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前記したように、熱音響機関では、ループ接合点において、複素圧力振幅と複素流速振幅を等しくすることが好ましい。伝達マトリクスMallを用いて、この条件を満たす駆動周波数及び駆動温度(駆動温度)Tを決定する。ループの始点(x=0)と終点(x=Lloop)での複素圧力振幅と複素体積流速振幅をそれぞれp、U、p及びUとする。そして、伝達マトリクスMallを用いると、下記の式(7)で表すことができる。 As described above, in a thermoacoustic engine, it is preferable to make the complex pressure amplitude and the complex flow velocity amplitude equal at the loop junction. Using the transfer matrix M all, to determine the satisfying driving frequency and the driving temperature (drive temperature) T H. Let the complex pressure amplitude and the complex volume flow velocity amplitude at the start point (x = 0) and the end point (x = L loop ) of the loop be p 0 , U 0 , p L, and UL , respectively. Then, using the transfer matrix Mall , it can be expressed by the following equation (7).

Figure 0006830650
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このとき、下記の式(8)のように、ループ接合点aにおいて、複素圧力振幅と複素流速振幅が等しいという条件を用いることで、式(7)を下記の式(9)に書き直すことができる。なお、式(9)のEは、単位行列である。 At this time, the equation (7) can be rewritten into the following equation (9) by using the condition that the complex pressure amplitude and the complex flow velocity amplitude are equal at the loop junction a as in the following equation (8). it can. Note that E in equation (9) is an identity matrix.

Figure 0006830650
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そして、下記の式(10)の条件を満たすのは、下記の式(11)となる。従って、式(11)を満たす駆動周波数及び駆動温度Tを算出する。 Then, it is the following equation (11) that satisfies the condition of the following equation (10). Therefore, to calculate the drive frequency and the drive temperature T H satisfying the equation (11).

Figure 0006830650
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以上の計算モデルに対し、下記の表1で表される固定パラメータと、下記の表2で表される変更パラメータを適用し、駆動周波数及び駆動温度(原動機温度)Tを算出する。ここでは、基準長さを1[m]に設定した。そして、全共鳴管の長さが基準長さに等しいものを実施例1とし、共鳴管の長さが異なるものを比較例とする。 The drive frequency and drive temperature (motor temperature) TH are calculated by applying the fixed parameters shown in Table 1 below and the change parameters shown in Table 2 below to the above calculation model. Here, the reference length is set to 1 [m]. Then, the one in which the length of the total resonance tube is equal to the reference length is referred to as Example 1, and the one in which the length of the resonance tube is different is referred to as a comparative example.

なお、固定パラメータとは、実施例1及び比較例で共通するパラメータのことである。また、変更パラメータとは、実施例1及び比較例の間で変更したパラメータのことである。また、駆動温度Tが加熱器の温度を表し、Tが冷却器の温度を表す。また、TRefが冷気放出器の温度を表し、Tが冷凍用冷却器の温度を表す。 The fixed parameter is a parameter common to Example 1 and Comparative Example. Further, the changed parameter is a parameter changed between the first embodiment and the comparative example. Further, the drive temperature T H represents a temperature of the heater, T C represents the temperature of the cooler. Further, T Ref represents the temperature of the cool air discharge unit, T A represents the temperature of the freezing cooler.

ここで、式(1)のAは、原動機、冷凍機及び共鳴管の断面積であり、原動機、冷凍機及び共鳴管の直径から求められる。また、式(1)のdT/dxのdxが、原動機及び冷凍機の軸方向長さに対応する。また、式(3)のrが、共鳴管の半径、原動機及び冷凍機の流路径に対応する。また、式(5)のB11〜B22の添え字xが、各共鳴管の長さに対応する。 Here, A C of the formula (1) is the prime mover, the cross-sectional area of the refrigerator and the resonance tube, the prime mover is determined from the diameter of the refrigerator and the resonance tube. Further, dx of dT m / dx of the formula (1) corresponds to the axial length of the prime mover and the refrigerator. Further, r in the formula (3) corresponds to the radius of the resonance tube and the flow path diameters of the prime mover and the refrigerator. Further, the subscripts x of B 11 to B 22 in the equation (5) correspond to the length of each resonance tube.

Figure 0006830650
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Figure 0006830650
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駆動周波数及び駆動温度Tは、下記の表3のとおりである。
実施例1では、駆動温度Tが95.5[℃]、駆動周波数が152.9[Hz]となる。それに対し、比較例では、駆動温度Tが168.5[℃]、駆動周波数が153.5[Hz]となる。
The drive frequency and drive temperature TH are shown in Table 3 below.
In Example 1, the drive temperature T H is 95.5 [° C.], the driving frequency is 152.9 [Hz]. In contrast, in the comparative example, drive temperature T H is 168.5 [° C.], the driving frequency is 153.5 [Hz].

Figure 0006830650
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[シミュレーション結果]
次に、表3の駆動温度TH及び駆動周波数を計算モデルに適用し、音場のシミュレーションを行った。音場の初期点圧力は、平均圧(30気圧)の2%とする。音場のシミュレーション結果として、圧力振幅の絶対値分布(図9)、流速振幅の絶対値分布(図10)、圧力流速間位相差分布(図11)、規格化音響インピーダンス分布の絶対値分布(図12)、規格化音響パワー分布の絶対値分布(図13)、体積流速分布(図14)、及び、熱効率・冷凍出力を示した。
[simulation result]
Next, the drive temperature TH and the drive frequency in Table 3 were applied to the calculation model, and the sound field was simulated. The initial point pressure of the sound field is 2% of the average pressure (30 atm). As a result of sound field simulation, the absolute value distribution of pressure amplitude (Fig. 9), the absolute value distribution of flow velocity amplitude (Fig. 10), the phase difference distribution between pressure and flow velocity (Fig. 11), and the absolute value distribution of standardized acoustic impedance distribution (Fig. 11). FIG. 12), the absolute value distribution of the standardized acoustic power distribution (FIG. 13), the volume flow velocity distribution (FIG. 14), and the thermal efficiency / refrigeration output are shown.

なお、図9〜図14では、実線が実施例1を表し、破線が比較例を表す。
また、図9〜図14では、横軸xがループ接合点からの距離となる。つまり、x=0とx=5.16がループ接合点となる。従って、0≦x≦5.16の範囲が熱音響機関の全区間となる。さらに、x=0.5,1.9、3.1の付近が原動機の位置となり、x=4.4の付近が冷凍機の位置となる。つまり、原動機及び原動機の位置以外は、共鳴管の区間となる。
In FIGS. 9 to 14, the solid line represents Example 1 and the broken line represents a comparative example.
Further, in FIGS. 9 to 14, the horizontal axis x is the distance from the loop junction. That is, x = 0 and x = 5.16 are loop junctions. Therefore, the range of 0 ≦ x ≦ 5.16 is the entire section of the thermoacoustic engine. Further, the vicinity of x = 0.5, 1.9, 3.1 is the position of the prime mover, and the vicinity of x = 4.4 is the position of the refrigerator. That is, it is a section of the resonance tube except for the position of the prime mover and the prime mover.

このとき、蓄熱器、加熱器及び冷却器の軸方向長さが0.03[m]である。また、冷凍用蓄熱器、冷凍用冷却器及び冷気放出器の軸方向長さが0.03[m]である。さらに、4本の共鳴管の長さが合計4[m]である。また、各共鳴管の一端には、シミュレーション計算で温度勾配を形成するために、サーマルバッファチューブを設けた。ここで、サーマルバッファチューブは、原動機の加熱器とこの加熱器に接続する共鳴管との間、及び、冷凍機の冷気放出器とこの冷気放出器に接続する共鳴管との間に配置した。このサーマルバッファチューブの長さが0.2[m]である。実際の熱音響機関では動作に応じて導波管部に温度勾配が形成されるため、シミュレーション計算では0.2[m]と仮定した。 At this time, the axial lengths of the heat storage device, the heater and the cooler are 0.03 [m]. Further, the axial lengths of the freezing heat storage device, the freezing cooler and the cold air discharger are 0.03 [m]. Further, the total length of the four resonance tubes is 4 [m]. In addition, a thermal buffer tube was provided at one end of each resonance tube in order to form a temperature gradient in the simulation calculation. Here, the thermal buffer tube was arranged between the heater of the prime mover and the resonance tube connected to the heater, and between the cold air discharger of the refrigerator and the resonance tube connected to the cold air discharger. The length of this thermal buffer tube is 0.2 [m]. In an actual thermoacoustic engine, a temperature gradient is formed in the waveguide according to the operation, so it was assumed to be 0.2 [m] in the simulation calculation.

<圧力振幅の絶対値分布>
図9に示すように、実施例1では、熱音響機関の全区間にわたって圧力振幅が60×10〜80×10[Pa]の範囲に収まる。また、ループ接合点では、圧力振幅が等しくなる。一方、比較例では、圧力振幅が20×10〜100×10[Pa]の間で大きく変化する。このように、実施例1は、比較例と比べて、圧力振幅変化が少ない。
<Absolute value distribution of pressure amplitude>
As shown in FIG. 9, in the first embodiment, the pressure amplitude falls within the range of 60 × 10 3 to 80 × 10 3 [Pa] over the entire section of the thermoacoustic engine. Also, at the loop junction, the pressure amplitudes are equal. On the other hand, in the comparative example, the pressure amplitude varies greatly between 20 × 10 3 to 100 × 10 3 [Pa]. As described above, in Example 1, the change in pressure amplitude is smaller than that in Comparative Example.

<流速振幅の絶対値分布>
図10に示すように、実施例1では、共鳴管の区間において、流速振幅が16〜22[m/s]の範囲に収まる。また、ループ接合点では、流速振幅が等しくなる。一方、比較例では、共鳴管の区間において、流速振幅が2〜24[m/s]の間で大きく変化している。このように、実施例1は、比較例と比べて、流速振幅の変化が少ないことがわかる。
<Absolute value distribution of flow velocity amplitude>
As shown in FIG. 10, in the first embodiment, the flow velocity amplitude falls within the range of 16 to 22 [m / s] in the section of the resonance tube. Also, at the loop junction, the flow velocity amplitudes are equal. On the other hand, in the comparative example, the flow velocity amplitude changes significantly between 2 and 24 [m / s] in the section of the resonance tube. As described above, it can be seen that the change in the flow velocity amplitude is small in Example 1 as compared with the Comparative Example.

<圧力流速間位相差分布>
図11に示すように、実施例1では、原動機及び冷凍機の位置において、圧力流速間位相差が0となる。これにより、蓄熱器では、等温可逆的なエネルギー変換を行っていることがわかる。さらに、実施例1では、熱音響機関の全区間にわたって圧力流速間位相差が±30[deg.]に収まることから、熱音響機関の全区間で進行波的な位相が形成されていると考えられる。
<Phase difference distribution between pressure and flow velocities>
As shown in FIG. 11, in the first embodiment, the phase difference between the pressure and flow velocities becomes 0 at the positions of the prime mover and the refrigerator. From this, it can be seen that the heat storage device performs isothermal and reversible energy conversion. Further, in Example 1, since the phase difference between the pressure and flow velocities is within ± 30 [deg.] Over the entire section of the thermoacoustic engine, it is considered that a traveling wave phase is formed in all sections of the thermoacoustic engine. Be done.

一方、比較例1では、2個目の原動機の位置で圧力流速間位相差が−50[deg.]、冷凍機の位置で圧力流速間位相差が30[deg.]となる。さらに、比較例では、熱音響機関の全区間で圧力流速間位相差が±60[deg.]と大きく変化するため、熱音響機関での音場が定在波的であり、作動気体の粘性散逸が大きくなる。
以上より、実施例1は、比較例と比べて、熱音響機関の全区間で進行波を形成できるので、熱音響機関の効率が高くなることがわかる。
On the other hand, in Comparative Example 1, the phase difference between the pressure and flow velocities is -50 [deg.] At the position of the second prime mover, and the phase difference between the pressure and flow velocities is 30 [deg.] At the position of the refrigerator. Furthermore, in the comparative example, the phase difference between the pressure and flow velocities changes significantly to ± 60 [deg.] In the entire section of the thermoacoustic engine, so that the sound field in the thermoacoustic engine is a standing wave and the viscosity of the working gas. Dissipation increases.
From the above, it can be seen that the efficiency of the thermoacoustic engine is higher in the first embodiment because the traveling wave can be formed in the entire section of the thermoacoustic engine as compared with the comparative example.

<規格化音響インピーダンス分布>
図12(a)では、規格化音響インピーダンス分布のグラフ全体を図示した。図12(b)では、図12(a)における規格化音響インピーダンスが0〜4の範囲を拡大した。
<Standardized acoustic impedance distribution>
In FIG. 12A, the entire graph of the standardized acoustic impedance distribution is shown. In FIG. 12 (b), the normalized acoustic impedance in FIG. 12 (a) is expanded in the range of 0 to 4.

比音響インピーダンスzは、圧力振幅pと流速振幅vの比で表される(z=p/v)。規格化音響インピーダンスは、比音響インピーダンスzの絶対値を、自由空間中を伝播する進行波の固有音響インピーダンスρmcで除算することで規格化したものである。この規格化音響インピーダンスの値が1の場合、自由空間中の進行波と等価であることを示す。 The specific acoustic impedance z is represented by the ratio of the pressure amplitude p and the flow velocity amplitude v (z = p / v). The standardized acoustic impedance is standardized by dividing the absolute value of the specific acoustic impedance z by the intrinsic acoustic impedance ρmc of the traveling wave propagating in the free space. When the value of this normalized acoustic impedance is 1, it indicates that it is equivalent to a traveling wave in free space.

図12(a)に示すように、実施例1では、原動機及び冷凍機の位置において、規格化音響インピーダンスが6〜8の範囲に収まる。一方、比較例では、原動機及び冷凍機の位置において、規格化音響インピーダンスが高い箇所(20〜30)と、低い箇所(2.5〜4.0)が存在する。このように、実施例1では、比較例のように規格化音響インピーダンスが低い箇所が存在しないので、熱音響機関の効率が高くなることがわかる。 As shown in FIG. 12A, in the first embodiment, the normalized acoustic impedance falls within the range of 6 to 8 at the positions of the prime mover and the refrigerator. On the other hand, in the comparative example, there are a high standardized acoustic impedance (20 to 30) and a low standardized acoustic impedance (2.5 to 4.0) at the positions of the prime mover and the refrigerator. As described above, in the first embodiment, it can be seen that the efficiency of the thermoacoustic engine is increased because there is no portion where the standardized acoustic impedance is low as in the comparative example.

また、図12(b)に示すように、実施例1では、共鳴管の区間において、共鳴管の断面積の拡大と縮小を行うことで、進行波に近い規格化音響インピーダンス(0.6〜1.0)となっている。これにより、実施例1では、作動気体の粘性散逸が小さくなり、熱音響機関の効率が高くなる。一方、比較例では、共鳴管の区間において、規格化音響インピーダンスが0.3〜3.0の範囲で変動するので作動気体の粘性散逸が大きくなり、熱音響機関の効率が低下する。このことは、比較例では、図12(b)に示すように、共鳴管の区間で傾斜が大きいことからもわかる。 Further, as shown in FIG. 12B, in the first embodiment, by expanding and contracting the cross-sectional area of the resonance tube in the section of the resonance tube, the normalized acoustic impedance (0.6 to 0.6 to near the traveling wave) is obtained. It is 1.0). As a result, in the first embodiment, the viscous dissipation of the working gas is reduced, and the efficiency of the thermoacoustic engine is increased. On the other hand, in the comparative example, since the normalized acoustic impedance fluctuates in the range of 0.3 to 3.0 in the section of the resonance tube, the viscous dissipation of the working gas becomes large and the efficiency of the thermoacoustic engine decreases. This can be seen from the fact that in the comparative example, as shown in FIG. 12B, the slope is large in the section of the resonance tube.

<規格化音響パワー分布>
図13に示すように、実施例1では、一定の増幅率で各原動機が音響パワーを増幅している。また、実施例1では、共鳴管の区間において、比較例よりも傾斜が小さいので、作動気体の粘性散逸による音響パワーの損失が少ない。一方、比較例では、各原動機の音響パワーの増幅率にばらつきがある。さらに、比較例では、共鳴管の区間で傾斜が大きいので、進行波から乖離することによる作動気体の粘性散逸が大きく、結果的に音響パワーの損失が大きくなる。
<Standardized sound power distribution>
As shown in FIG. 13, in the first embodiment, each prime mover amplifies the sound power at a constant amplification factor. Further, in the first embodiment, since the inclination of the resonance tube section is smaller than that of the comparative example, the loss of sound power due to the viscous dissipation of the working gas is small. On the other hand, in the comparative example, the amplification factor of the sound power of each prime mover varies. Further, in the comparative example, since the slope is large in the section of the resonance tube, the viscous dissipation of the working gas due to the deviation from the traveling wave is large, and as a result, the loss of sound power becomes large.

<体積流速分布>
図14に示すように、実施例1では、共鳴管の断面積を拡大及び縮小することにより、熱音響機関の全区間で体積流速分布が1.6〜2.5×10 −3 [m/s]の範囲に収まり、体積流速分布が略均一になる。一方、比較例では、共鳴管の断面積を拡大及び縮小による流速振幅の調整を行っていないため、体積流速分布が0.6〜2.4×10 −3 [m/s]の間で変動し、原動機の前後で特に変動が大きくなる。
<Volume flow velocity distribution>
As shown in FIG. 14, in the first embodiment, the volumetric flow velocity distribution is 1.6 to 2.5 × 10 -3 [m 3] in the entire section of the thermoacoustic engine by expanding and contracting the cross-sectional area of the resonance tube. It falls within the range of [/ s], and the volumetric flow velocity distribution becomes substantially uniform. On the other hand, in the comparative example, since the flow velocity amplitude is not adjusted by expanding or contracting the cross-sectional area of the resonance tube, the volumetric flow velocity distribution is between 0.6 and 2.4 × 10 -3 [m 3 / s]. It fluctuates, and the fluctuation becomes particularly large before and after the prime mover.

<熱効率・冷凍出力>
表3の駆動条件及び音場の状態で熱効率・冷凍出力を算出する。各蓄熱器の熱効率ηは、下記の式(12)のように、各原動機の前後での音響パワー増幅量ΔWと入熱量Qから求める(但し、nは蓄熱器の番号)。
<Thermal efficiency / refrigeration output>
Calculate the thermal efficiency and refrigeration output under the driving conditions and sound field conditions in Table 3. The thermal efficiency η n of each heat storage device is obtained from the sound power amplification amount ΔW n and the heat input amount Q n before and after each prime mover as shown in the following equation (12) (where n is the heat storage device number).

Figure 0006830650
Figure 0006830650

熱力学的な効率の上限となるカルノー効率ηcarnotを下記の式(13)とする。そして、各蓄熱器の熱効率ηとカルノー効率ηcarnotとの比を、式(14)のように蓄熱器比カルノー効率η として求める。 Let the Carnot efficiency η carnot, which is the upper limit of thermodynamic efficiency, be the following equation (13). Then, the ratio of the thermal efficiency η n of each regenerator to the Carnot efficiency η carnot is obtained as the regenerator ratio Carnot efficiency η 2 n as shown in the equation (14).

Figure 0006830650
Figure 0006830650

Figure 0006830650
Figure 0006830650

次に、冷凍機成績係数ηRefを、下記の式(15)のように、冷凍機での冷凍出力Qoutと冷凍機での音響パワー減衰量ΔWRefで求める。また、熱音響機関全体の効率ηLoopは、下記の式(16)のように、3個の原動機の入熱量Qと冷凍出力Qoutから求めることができる。 Next, the coefficient of performance of the refrigerator η Ref is obtained by the refrigerating output Q out of the refrigerator and the sound power attenuation ΔW Ref of the refrigerator as shown in the following equation (15). Further, the efficiency η Loop of the entire thermoacoustic engine can be obtained from the heat input Q n and the refrigeration output Q out of the three prime movers as shown in the following equation (16).

Figure 0006830650
Figure 0006830650

Figure 0006830650
Figure 0006830650

冷凍機のカルノー効率ηRef_carnotを下記の式(17)で求める。そして、熱音響機関全体の比カルノー効率ηLoop2を下記の式(18)で求める。 The Carnot efficiency η Ref_carnot of the refrigerator is calculated by the following formula (17). Then, the specific Carnot efficiency η Loop2 of the entire thermoacoustic engine is calculated by the following equation (18).

Figure 0006830650
Figure 0006830650

Figure 0006830650
Figure 0006830650

実施例1及び比較例についての蓄熱器比カルノー効率η 、冷凍機成績係数ηRef、及び、ループ比カルノー効率ηLoop2を表4に示す。表4に示すように、実施例1では、蓄熱器比カルノー効率η が各原動機で約65〜70[%]の範囲に収まり、各原動機が同程度の熱効率となる。一方、比較例では、蓄熱器比カルノー効率η が各原動機で約39〜92[%]なので、各原動機の熱効率のばらつきが大きくなる。冷凍機成績係数ηRef、及び、ループ比カルノー効率ηLoop2については、比較例よりも実施例1の方が高くなる。 Regenerator ratio Carnot efficiency eta 2 n for Example 1 and Comparative Example, the refrigerator performance coefficient eta Ref, and the loop ratio Carnot efficiency eta Loop2 shown in Table 4. As shown in Table 4, in the first embodiment, the Carnot efficiency η 2 n relative to the regenerator is within the range of about 65 to 70 [%] for each prime mover, and each prime mover has the same thermal efficiency. On the other hand, in the comparative example, since the Carnot efficiency η 2 n relative to the regenerator is about 39 to 92 [%] for each prime mover, the variation in the thermal efficiency of each prime mover becomes large. The coefficient of performance of the refrigerator η Ref and the loop ratio Carnot efficiency η Loop2 are higher in Example 1 than in Comparative Example.

Figure 0006830650
Figure 0006830650

以上のように、実施例1は、比較例と比べて、駆動温度Tを70[℃]近く低下させることができ(表3)、冷凍機成績係数ηRef、及び、ループ比カルノー効率ηLoop2が高くなる。このことから、実施例1は、高効率で低温駆動する熱音響機関として有効であると考えられる。 As described above, in Example 1, compared with comparative example, the driving temperature T H 70 [℃] can be reduced near (Table 3), the refrigerator performance coefficient eta Ref, and the loop ratio Carnot efficiency eta Loop2 becomes high. From this, it is considered that the first embodiment is effective as a thermoacoustic engine that is driven at a low temperature with high efficiency.

(実施例2,3)
[共鳴管の長さを変更した場合]
本発明の実施例2,3及び参考例として、共鳴管の長さを変更した場合のシミュレーション結果を説明する。
ここでは、表5に示すように、各共鳴管の長さが基準長さに対して±10%のとき(実施例2)、各共鳴管の長さが基準長さに対して±20%のとき(実施例3)、各共鳴管の長さが基準長さに対して±30%のとき(参考例)のシミュレーションを行った。
(Examples 2 and 3)
[When the length of the resonance tube is changed]
As Examples 2 and 3 of the present invention and Reference Examples, simulation results when the length of the resonance tube is changed will be described.
Here, as shown in Table 5, when the length of each resonance tube is ± 10% with respect to the reference length (Example 2), the length of each resonance tube is ± 20% with respect to the reference length. (Example 3), a simulation was performed when the length of each resonance tube was ± 30% of the reference length (reference example).

Figure 0006830650
Figure 0006830650

実施例2,3及び参考例では、計算モデル及び固定パラメータが実施例1と同様である。そして、実施例1と同様、駆動周波数及び駆動温度(原動機温度)Tを求めた。下記の表6のとおり、駆動周波数は、全てのケースで略等しくなる。また、実施例1で駆動温度Tが最も低く、実施例2,3及び参考例の順で共鳴管長さの差が大きくなる程、駆動温度Tが高くなる。参考例の場合、実施例1と比べて、駆動温度Tが約80[℃]以上高くなる。 In Examples 2 and 3 and Reference Example, the calculation model and fixed parameters are the same as in Example 1. Then, the drive frequency and the drive temperature (motor temperature) TH were obtained in the same manner as in the first embodiment. As shown in Table 6 below, the drive frequencies are approximately equal in all cases. Further, the drive temperature T H is the lowest in Example 1, as the difference in the resonance tube length is increased in the order of Examples 2, 3 and Reference Examples, the drive temperature T H is higher. In the case of the reference example, the driving temperature TH is higher by about 80 [° C.] or more as compared with the first embodiment.

Figure 0006830650
Figure 0006830650

さらに、実施例1と同様、圧力振幅の絶対値分布(図15)、流速振幅の絶対値分布(図16)、体積流速分布(図17)、圧力流速間位相差分布(図18)、規格化音響インピーダンス分布(図19)、規格化音響パワー分布(図20)を求めた。
なお、図15〜図20では、実施例1を実線で図示し、実施例2を2点鎖線で図示し、実施例3を1点鎖線で図示し、参考例を破線で図示した。
Further, as in Example 1, the absolute value distribution of the pressure amplitude (FIG. 15), the absolute value distribution of the flow velocity amplitude (FIG. 16), the volumetric flow velocity distribution (FIG. 17), the phase difference distribution between the pressure and flow velocity (FIG. 18), and the standard. The chemical impedance distribution (Fig. 19) and the standardized sound power distribution (Fig. 20) were obtained.
In FIGS. 15 to 20, Example 1 is shown by a solid line, Example 2 is shown by a two-dot chain line, Example 3 is shown by a one-dot chain line, and a reference example is shown by a broken line.

<圧力振幅の絶対値分布>
図15に示すように、実施例1では、圧力振幅の変化が最も少ない。そして、実施例2,3及び参考例の順で圧力振幅の変化が大きくなる。つまり、共鳴管長さの差が大きくなる程、音場が一定の状態から変動の大きい状態になることがわかる。
<Absolute value distribution of pressure amplitude>
As shown in FIG. 15, in Example 1, the change in pressure amplitude is the smallest. Then, the change in pressure amplitude increases in the order of Examples 2 and 3 and Reference Example. That is, it can be seen that the larger the difference in resonance tube length, the larger the fluctuation of the sound field from the constant state.

<流速振幅の絶対値分布>
図16に示すように、実施例1では、共鳴管の区間において、圧力振幅の変化が最も少ない。そして、共鳴管の区間において、実施例2,3及び参考例の順で流速振幅の変化が大きくなる。
<Absolute value distribution of flow velocity amplitude>
As shown in FIG. 16, in Example 1, the change in pressure amplitude is the smallest in the section of the resonance tube. Then, in the section of the resonance tube, the change in the flow velocity amplitude becomes larger in the order of Examples 2 and 3 and Reference Example.

<体積流速分布>
図17に示すように、実施例1では、共鳴管の区間において、体積流速分布が略均一になる。そして、共鳴管の区間において、実施例2,3及び参考例の順で体積流速分布の変化が大きくなる。
<Volume flow velocity distribution>
As shown in FIG. 17, in the first embodiment, the volumetric flow velocity distribution becomes substantially uniform in the section of the resonance tube. Then, in the section of the resonance tube, the change in the volumetric flow velocity distribution increases in the order of Examples 2 and 3 and Reference Example.

<圧力流速間位相差分布>
図18に示すように、実施例1では、圧力流速間位相差が、熱音響機関の全区間で±30[deg.]の範囲に収まる。また、実施例2,3及び参考例の順で、熱音響機関の全区間で圧力流速間位相差の変動が大きくなる。さらに、実施例2,3及び参考例のように共鳴管長さに差がある場合、原動機及び冷凍機の位置で圧力流速間位相差が0[deg.]から乖離し、等温可逆的なエネルギー変換ではなく、不可逆的なエネルギー変換を行う音場であることがわかる。
<Phase difference distribution between pressure and flow velocities>
As shown in FIG. 18, in the first embodiment, the phase difference between the pressure and flow velocities falls within the range of ± 30 [deg.] In the entire section of the thermoacoustic engine. Further, in the order of Examples 2 and 3 and Reference Example, the fluctuation of the phase difference between the pressure and flow velocities becomes large in the entire section of the thermoacoustic engine. Further, when there is a difference in the resonance tube length as in Examples 2 and 3 and the reference example, the phase difference between the pressure and flow velocities deviates from 0 [deg.] At the positions of the prime mover and the refrigerator, and the energy conversion is isothermally reversible. It turns out that it is a sound field that performs irreversible energy conversion.

<規格化音響インピーダンス>
図19に示すように、実施例1では、原動機及び冷凍機の位置において、規格化音響インピーダンスが6〜8の範囲に収まる。また、実施例2,3及び参考例では、原動機及び冷凍機の位置において、規格化音響インピーダンスが高い箇所と、低い箇所が存在する。そして、実施例2,3及び参考例の順で、高い箇所と低い箇所で規格化音響インピーダンスの差が大きくなる。
<Standardized acoustic impedance>
As shown in FIG. 19, in the first embodiment, the normalized acoustic impedance falls within the range of 6 to 8 at the positions of the prime mover and the refrigerator. Further, in Examples 2 and 3 and the reference example, there are places where the standardized acoustic impedance is high and places where the standardized acoustic impedance is low at the positions of the prime mover and the refrigerator. Then, in the order of Examples 2 and 3 and Reference Example, the difference in standardized acoustic impedance increases between the high portion and the low portion.

<規格化音響パワー分布>
図20に示すように、実施例1では、各原動機が同程度で音響パワーを増幅しており、共鳴管における音響パワーの散逸の傾きが小さくなる。また、実施例2,3及び参考例では、音響パワーの増幅が小さい箇所と大きい箇所が存在する。そして、音響パワーの散逸の傾きも、実施例2,3及び参考例の順で大きくなる。
<Standardized sound power distribution>
As shown in FIG. 20, in the first embodiment, each prime mover amplifies the sound power to the same extent, and the slope of the dissipation of the sound power in the resonance tube becomes small. Further, in Examples 2 and 3 and the reference example, there are places where the amplification of sound power is small and places where the amplification is large. The slope of the dissipation of sound power also increases in the order of Examples 2 and 3 and Reference Example.

以上をまとめると、音響パワーの損失については、実施例1では、熱音響機関の共鳴管全域で進行波を実現できるのに対し、実施例2,3及び参考例では、進行波からの乖離が発生する。このことから、全共鳴管が同一の長さである実施例1、及び、基準長さに対して±20%までの範囲である実施例2,3が、熱音響機関として実用的と考えられる。 Summarizing the above, regarding the loss of sound power, in Example 1, a traveling wave can be realized in the entire resonance tube of the thermoacoustic engine, whereas in Examples 2 and 3 and the reference example, there is a deviation from the traveling wave. appear. From this, it is considered that Example 1 in which all the resonance tubes have the same length and Examples 2 and 3 in which the length is within ± 20% of the reference length are practical as thermoacoustic engines. ..

1,1B〜1E 熱音響機関
10,10〜10 原動機
20,20,20 冷凍機(音響負荷)
30,30〜30 共鳴管
40 リニア発電機(音響負荷)
50 バイダイレクショナルタービン(音響負荷)
60 昇温機(音響負荷)
1,1B~1E thermoacoustic engine 10, 10 1 to 10 3 prime mover 20, 20 1, 20 2 refrigerator (acoustic load)
30, 30 1 to 30 4 Resonator tube 40 Linear generator (acoustic load)
50 Bidirectional turbine (acoustic load)
60 Heater (acoustic load)

Claims (8)

作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接し、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に隣接し、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、を備える原動機と、
前記原動機で増幅された作動気体の音響パワーを他のエネルギーに変換する音響負荷と、
前記原動機同士又は前記原動機と前記音響負荷とを接続し、前記作動気体が満たされる共鳴管と、を備える熱音響機関であって、
個以上の前記原動機と、1個以上の前記音響負荷と、前記共鳴管とがループ状に配置され、
前記共鳴管の長さと予め設定した基準長さとの差が20%以内であり、
前記原動機の加熱器に接続した共鳴管の断面積は、前記原動機の冷却器に接続した共鳴管の断面積に対して、当該加熱器の温度を当該冷却器の温度で除算した絶対温度比に0.8〜1.0を乗じた値で拡大され
全ての前記原動機の断面積が等しいことを特徴とする熱音響機関。
A heat storage device that heats and cools the working gas, a heater that is adjacent to one end side of the heat storage device and heats one end of the heat storage device, and a heater that is adjacent to the other end side of the heat storage device and other than the heat storage device. A prime mover with a cooler that releases heat from the edges to the outside,
An acoustic load that converts the acoustic power of the working gas amplified by the prime mover into other energy,
A thermoacoustic engine including a resonance tube that connects the prime movers or the prime movers to the acoustic load and is filled with the working gas.
Two or more of the prime movers, one or more of the acoustic loads, and the resonance tube are arranged in a loop.
The difference between the length of the resonance tube and the preset reference length is within 20%.
The cross-sectional area of the resonance tube connected to the heater of the prime mover is the absolute temperature ratio obtained by dividing the temperature of the heater by the temperature of the cooler with respect to the cross-sectional area of the resonance tube connected to the cooler of the prime mover. Enlarged by multiplying by 0.8 to 1.0 ,
A thermoacoustic engine characterized in that the cross-sectional areas of all the prime movers are equal .
前記音響負荷は、冷凍機であり、
前記冷凍機の冷気放出器に接続した共鳴管の断面積は、前記冷凍機の冷凍用冷却器に接続した共鳴管の断面積に対して、前記冷気放出器の温度を前記冷凍用冷却器の温度で除算した絶対温度比以下の値を乗じた値で縮小されたことを特徴とする請求項に記載の熱音響機関。
The acoustic load is a refrigerator.
Wherein the cross-sectional area of the resonance tube connected to the cold emitter of the refrigerator, to the cross-sectional area of the resonance tube connected to a refrigeration cooler of the refrigerator, the cold air ejectors temperature cooler for the refrigeration The thermoacoustic engine according to claim 1 , wherein the thermoacoustic engine is reduced by a value multiplied by a value equal to or less than an absolute temperature ratio divided by the temperature of.
前記冷凍機の冷気放出器に接続した共鳴管の断面積は、前記冷凍機の冷凍用冷却器に接続した共鳴管の断面積に対して、前記冷気放出器の温度を前記冷凍用冷却器の温度で除算した絶対温度比に0.8〜1.0を乗じた値で縮小されたことを特徴とする請求項に記載の熱音響機関。 The cross-sectional area of the resonance tube connected to the cold air discharger of the refrigerator is such that the temperature of the cold air discharger is the temperature of the refrigerating cooler with respect to the cross-sectional area of the resonance tube connected to the refrigerating cooler of the refrigerator. The thermoacoustic engine according to claim 2 , wherein the temperature is reduced by multiplying the absolute temperature ratio divided by the temperature by 0.8 to 1.0. 前記冷凍機の断面積は、前記原動機の断面積と等しいことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の熱音響機関。The thermoacoustic engine according to claim 2 or 3, wherein the cross-sectional area of the refrigerator is equal to the cross-sectional area of the prime mover. 前記音響負荷は、リニア発電機又はバイダイレクショナルタービンの何れかであることを特徴とする請求項に記載の熱音響機関。 The thermoacoustic engine according to claim 1 , wherein the acoustic load is either a linear generator or a bidirectional turbine. 全ての前記共鳴管の長さが等しいことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の熱音響機関。 The thermoacoustic engine according to any one of claims 1 to 5, wherein all the resonance tubes have the same length. 前記原動機が2個であり、前記音響負荷が2個であることを特徴とする請求項1から請求項6の何れか一項に記載の熱音響機関。 The thermoacoustic engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the number of prime movers is two and the number of acoustic loads is two. 前記原動機が3個であり、前記音響負荷が1個であることを特徴とする請求項1から請求項6の何れか一項に記載の熱音響機関。 The thermoacoustic engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the number of prime movers is three and the number of acoustic loads is one.
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