| 【発明の名称】 |
音響冷凍装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】増田 光博
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| 【要約】 |
【課題】周長が音波の波長の整数倍である中空環状の音響管１に、音波発生装置が配備されると共に、音響管の所定位置には蓄冷器４が介在している音響冷凍装置において、装置の軽量化と長寿命化を図る。
【解決手段】本発明の音波発生装置は、音響管１の内周壁に管路に沿って音波の１／４波長の奇数倍の間隔で配置された一組の圧電素子片６、６を、管路に沿って複数組配設すると共に、これらの圧電素子片６を位相調整器７〜77を介して電源５に接続して構成される。位相調整器７〜77は、一組の圧電素子片６、６から発せられる２つの音波の位相が音波の１／４波長の奇数倍だけ異なり、且つ、圧電素子片の各組によって生成される一方向の進行波の位相が互いに一致する様、各圧電素子片６の振動位相を調整する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 周長が音波の波長の整数倍である中空環状の音響管の管路に対向して、音波発生装置が配備されると共に、音響管の管路の所定位置には蓄冷器が介在し、音波発生装置から発せられる音波によって蓄冷器に温度勾配を形成する音響冷凍装置において、音波発生装置は、音響管の内周壁に管路に沿って音波の１／４波長の奇数倍の間隔で配置された一組の圧電素子片を、管路に沿って複数組配設すると共に、これらの圧電素子片を駆動制御回路に接続して構成され、該駆動制御回路は、前記一組の圧電素子片から発せられる２つの音波の位相が音波の１／４波長の奇数倍だけ異なり、且つ、圧電素子片の各組によって生成される一方向の進行波の位相が互いに一致する様、各圧電素子片の振動位相を調整することを特徴とする音響冷凍装置。
【請求項２】 圧電素子片は、音響管の内周壁に沿って装着可能なパイプ状を呈し、音響管の略全長に亘って連続的に配設されている請求項１に記載の音響冷凍装置。
【請求項３】 音響管の内周壁と圧電素子片の間には、パイプ状の弾性部材が介在している請求項２に記載の音響冷凍装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、音響管の管路に対向させて音波発生装置を配備すると共に、音響管の所定位置には蓄冷器を介在させてなる音響冷凍装置に関し、特に、軽量化と長寿命化を図ることが可能な音響冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、音波を利用して冷凍を行なう音響冷凍装置が知られている(例えば特公平3-46745号参照)。例えば図１１に示す音響冷凍装置(200)は、一端(202A)が閉止し、他端(202B)が開口した共鳴管(202)を具え、該共鳴管(202)の開口端(202B)に対向して、音響発生用のスピーカ(201)が配備されると共に、共鳴管(202)内には、平板を複数層に配列してなる蓄冷器(203)が配備されている。
【０００３】ここで、スピーカ(201)への印加電流の周波数は、共鳴管(202)内で音波が共鳴することとなる値に設定される。スピーカ(203)から共鳴管(202)の閉止端(202A)へ向けて音波が発生されると、共鳴管(202)内には、図１１に示す如き圧力分布Ｐが形成され、圧力変動の大きい腹の部分と、圧力変動の小さな節の部分とが交互に発生する。又、図中に矢印Ｗで示す様に、ガスの変位にも腹と節が生じることになる。この結果、蓄冷器(203)の両端に温度差が発生する。そして、蓄冷器(203)の低温端と高温端がそれぞれ熱交換器(図示省略)を介して対象物の冷却と外界への放熱を行なうのである。
【０００４】上記の音響冷凍装置(200)は、微小なガス塊についての断熱圧縮、等圧変化、断熱膨張、及び等圧変化の４つの行程からなるブレイトンサイクルによって説明することが出来る。しかしながら、上記の音響冷凍装置(200)が構成するブレイトンサイクルにおいては、ガス塊が膨張したときの温度と蓄冷器(203)の温度との差によって熱を吸収させたり、ガス塊が圧縮されたときの温度と蓄冷器(203)の温度と差によって熱を放出させているため、熱的移動過程が不可逆的となっており、カルノーサイクルよりも熱効率が低い欠点がある。
【０００５】そこで、出願人は、熱的移動行程が可逆的となって、理想的なガスサイクルであるカルノーサイクルに近いガスサイクルを実現出来る音響冷凍装置を提案している(特願平9-134993号)。図４〜図９に基づいて、該音響冷凍装置の基本構造及び原理について説明する。
【０００６】図４に示す如く、音波を進行させるべき音響管(１)は、中空環状の閉ループの管路を形成している。該音響管(１)の周長は、音波の波長の整数倍となる様に設定する。尚、以下の例では、音響管(１)の中心線の長さを周長とする。音波発生装置としてのスピーカ(２)(３)は、音波の１／４波長の奇数倍に等しい距離だけ互いに離間させて、音響管(１)内に音波を放射するように音響管(１)に取り付けられる。又、スピーカ(２)(３)には音波発生制御装置(50)が接続され、スピーカ(２)(３)から放射される音波の位相が互いに音波の１／４波長の奇数倍だけずれるように駆動制御される。
【０００７】次に、音響冷凍装置の動作原理について、図５を参照して説明する。各スピーカ(２)(３)から放射された音波は、音響管(１)内に入ってから２方向に分岐し、音響管(１)内を進行する。そして、両スピーカ(２)(３)から放射されて音響管(１)内を進行する２つの音波が互いに重なり合う。ここで、スピーカ(２)(３)の配置間隔と音波の位相差の関係から、図の左方向へ進行する音波２Ｌと３Ｌとは、同位相となり、互いに重ね合わされて増幅し、図の右方向へ進行する音波２Ｒと３Ｒとは、逆位相となり、互いに打ち消し合う。この結果、一方向(左方向)にのみ進行する音波だけが残り、該音波は更に音響管(１)内を一周して同じ位相の音波と重ね合わされるため、共鳴と同様に振幅が増大されることになる。
【０００８】次に、図６に示す如く、音響冷凍装置の音響管(１)内に、熱交換性が良く、圧力損失の小さい蓄冷部材(40)を配備した場合における冷凍原理について、図７を参照して説明する。蓄冷部材(40)を通過する進行音波は、その位置により位相のずれがあり、ある場所に位置する微小なガス塊に着目すると、その中心位置を境に、音波の進行方向では膨張行程が生じ、その反対方向では圧縮行程が生じている。この膨張行程及び圧縮行程において、蓄冷部材(40)を用いて熱吸収及び熱放出が行なわれることによって、熱が音波の進行方向とは逆方向へ順次運ばれることになる。この伝熱行程は可逆的であるため、従来の音響冷凍装置よりも熱効率が高くなるのである。
【０００９】更に、本発明の音響冷凍装置のガスサイクルについて、図８及び図９を参照して説明する。カルノーサイクルは等温行程と断熱行程から構成され、図８に示す様に、Ｔ−Ｓ線図では、Ａ・Ｈ・Ｇ・Ｄの長方形のサイクル線図として示される。ここで、Ａ→Ｈは断熱膨張行程(エントロピー一定)を示し、Ｈ→Ｇは等温膨張行程を示し、Ｇ→Ｄは断熱圧縮行程を示し、Ｄ→Ａは等温膨張行程を示している。
【００１０】図９に示す様に、ガス塊となる伝熱性の良い蓄冷部材中を一方向に音波が通過する場合、微小なガス塊は往復運動をすると同時に圧力変化を生じる。圧力変化は、ガス塊が音波進行方向に最も移動したときに、圧力上昇が速く、強く圧縮される。ここで蓄冷部材の伝熱性がよいため、等温圧縮が行なわれることになる。この等温圧縮行程は、図８及び図９においてＤ→Ａで示される。次に、ガス塊が音波進行方向と反対方向へ移動するときに、蓄冷部材の温度勾配に沿って熱が放出され、ガス塊は略等積変化で冷却される。この行程は、図８及び図９においてＡ→Ｂで示される。
【００１１】その後、音波進行方向の反対方向の端部においては、圧力の低下が速く、強く膨張する。このとき、蓄冷部材から熱が吸収される等温膨張行程となる。この行程は、図８及び図９においてＢ→Ｃで示される。ガスが音波進行方向へ移動するときにも、蓄冷部材の温度勾配に沿って熱を吸収する等積変化となる。この行程は、図８及び図９においてＣ→Ｄで示される。
【００１２】以上により、図８に示すＤ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄの１サイクルによって、熱を音波進行方向とは逆方向へ運ぶことが可能となる。この様に、等温行程と等積行程によって構成されるサイクルは、スターリングサイクルと呼ばれ、カルノーサイクルの断熱行程が等積行程となったものである。従って、上記音響冷凍装置によれば、カルノーサイクルと同等の効率が得られることになる。
【００１３】更に、図１０に示す音響冷凍装置(150)の如く、互いに音波の１／４波長の奇数倍だけ位置のずれた複数組のスピーカ(10A)(10B)、スピーカ(20A)(20B)、スピーカ(30A)(30B)、スピーカ(40A)(40B)、スピーカ(50A)(50B)及びスピーカ(60A)(60B)を、管路に沿って所定の間隔で配設することによって、上述の音響冷凍装置と同様に一方向に進行する音波を発生させることが可能であり、これによって、各スピーカの負担を小さくすることが可能となり、音響冷凍装置の寿命を長くすることが出来る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、音響冷凍装置において、音波を発生させるための入力仕事は、スピーカの駆動力と振動板のストロークに比例する。ボイスコイルモータ等のリニアモータによって振動板を駆動するスピーカ等の音波発生装置では、単位重量当たりの駆動力が比較的小さいため、大きな駆動力を得んとすると、装置重量が大きくならざるを得ない。装置重量を抑えるには、振動板のストロークを大きくとる必要がある。しかしながら、ストロークを大きくとることによって、振動板のサスペンション部や、ピストンシール、ベローズ等のシール部の寿命が非常に短くなる問題があった。
【００１５】そこで本発明の目的は、軽量化と共に長寿命化を図ることが出来る音響冷凍装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決する為の手段】本発明に係る音響冷凍装置においては、周長が音波の波長の整数倍である中空環状の音響管の管路に対向して、音波発生装置が配備されると共に、音響管の管路の所定位置には蓄冷器が介在し、音波発生装置から発せられる音波によって蓄冷器に温度勾配が形成される。特徴的構成において、音波発生装置は、音響管の内周壁に管路に沿って音波の１／４波長の奇数倍の間隔で配置された一組の圧電素子片を、管路に沿って複数組配設すると共に、これらの圧電素子片を駆動制御回路に接続して構成され、該駆動制御回路は、前記一組の圧電素子片から発せられる２つの音波の位相が音波の１／４波長の奇数倍だけ異なり、且つ、圧電素子片の各組によって生成される一方向の進行波の位相が互いに一致する様、各圧電素子片の振動位相を調整する。
【００１７】上記本発明の音響冷凍装置においては、駆動制御回路によって各圧電素子片を駆動すると、圧電素子片は音響管の径方向に振動して、音響管の管路に向かって音波を発生する。ここで、音波発生装置として圧電素子片が採用されているので、単位面積当たり大きな圧力Ｐが得られる。又、圧電素子片は、音響管の内周壁の略全面に配設することが出来るので、振動発生面の面積Ａは大きなものとなる。従って、圧電素子片の振動のストロークは小さいものの、駆動力(圧力Ｐ×面積Ａ)は非常に大きくなるので、音波を発生させるために必要な十分な大きさの入力仕事が得られることになる。
【００１８】一組となる２つの圧電素子片から発生する音波は、両圧電素子片の配置間隔及び発生される音波の位相から、一方向へ進行する音波は重ね合わされて増幅され、他方向へ進行する音波は打ち消されることになる。このため、一方向に進行する音波だけが音響管内に残り、更に音響管内を一周して同じ位相の音波と重ね合わされ、共鳴と同様に振幅が増大されることになる又、圧電素子片の各組によって生成される一方向にのみ進行する音波は、互いに位相が一致する様に位相制御されているので、これらの音波が合成されて、更に振幅の大きな進行波が生成されることになる。
【００１９】この様にして生成された進行波が蓄冷器を通過することによって、各場所に位置する微小なガス塊の圧力及び変位は、その位置により位相のずれを生じる。これによって、各場所に位置するガス塊は、その変位の中心位置を境に、音波の進行方向に位置するときは膨張が起こり、その反対方向に位置するときは圧縮が起こる。この膨張行程及び圧縮行程において、熱吸収及び熱放出が行なわれるため、熱が音波進行方向の逆方向へ順次運ばれることになる。この結果、熱の伝達行程が可逆的に行なわれ、カルノーサイクルに近い熱サイクルが実現される。
【００２０】具体的構成において、圧電素子片は、音響管の内周壁に沿って装着可能なパイプ状を呈し、音響管の管路の略全長に亘って連続的に配設されている。該具体的構成において、圧電素子片は、内径が拡大、収縮する方向に振動して、音響管内に音波を発生する。ここで、振動発生面の面積は、実現可能な最大の面積、即ち音響管の内周壁の全面積に可及的に近いものとなり、この結果、音波を発生させるための入力仕事は十分に大きくなる。
【００２１】更に具体的な構成において、音響管の内周壁と圧電素子片の間にはパイプ状の弾性部材が介在している。従って、圧電素子片の音響管側の振動面の振動は、弾性部材の弾性変形によって吸収され、振動に伴って圧電素子片が音響管から剥がれる虞れはない。
【００２２】
【発明の効果】本発明に係る音響冷凍装置においては、音波発生装置として圧電素子片が採用されており、圧電素子片は、単位重量当たりの駆動力が非常に大きいため、装置の軽量化が可能である。又、圧電素子片の振動に伴って寿命が短くなるサスペンション部材やシール部材は配備されていないので、長寿命化を図ることが出来る。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。本発明に係る音響冷凍装置は、原理的には図１０に示す音響冷凍装置(150)と同一であって、複数のスピーカに代えて、複数の圧電素子片を音響管の内周壁に配設したものである。
【００２４】図１に示す様に、周長が音波の波長の整数倍である中空環状の音響管(１)の内周壁が管路方向に８等分されて、８つの領域が形成されており、各領域には、パイプ状の圧電素子片(６)が４５°の位相差をもって連続して配設されている。これらの８つの圧電素子片(６)…(６)は、それぞれ０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２５５°、２７０°及び３１５°の位相調整を施すべき８つの位相調整器(７)〜(77)を介して、電源(５)と接続されている。又、音響管(１)の適所には蓄冷器(４)が配備されている。蓄冷器(４)は、銅、銅合金、鉄、ステンレス鋼等の熱伝導性の高い資材からなる金網状の積層体や多孔質体、或いは互いに平行な複数枚の板からなる蓄冷部材(図示省略)を内蔵している。
【００２５】図２(ａ)(ｂ)に示す如く、各圧電素子片(６)の両端面には一対のリング状電極(61)(61)が固定されており、両電極(61)(61)に交流電圧(62)を印加することによって、図中に矢印で示す様に、内径が拡大、縮小する方向に圧電素子片(６)を振動させることが出来る。尚、圧電素子片(６)は、図３に示す如く、リング状の弾性部材(８)を介して音響管(１)の内周壁に貼り付けられており、該弾性部材(８)によって、圧電素子片(６)の外周面における振動が吸収される。
【００２６】図１に示す音響冷凍装置においては、０°位相調整器(７)と９０°位相調整器(72)に接続された２つの圧電素子片(６)(６)が一組となり、４５°位相調整器(71)と１３５°位相調整器(73)に接続された２つの圧電素子片(６)(６)が一組となり、９０°位相調整器(72)と１８０°位相調整器(74)に接続された２つの圧電素子片(６)(６)が一組となり、１３５°位相調整器(73)と２２５°位相調整器(75)に接続された２つの圧電素子片(６)(６)が一組となり、１８０°位相調整器(74)と２７０°位相調整器(76)に接続された２つの圧電素子片(６)(６)が一組となり、２５５°位相調整器(75)と３１５°位相調整器(77)に接続された２つの圧電素子片(６)(６)が一組となり、更に２７０°位相調整器(76)と０°位相調整器(７)に接続された２つの圧電素子片(６)(６)が一組となって、音波を発生する。
【００２７】即ち、一組となる２つの圧電素子片(６)(６)は、音波の１／４波長の奇数倍の間隔(９０°)をもって配置されており、一方の圧電素子片(６)から発せられる第１音波と他方の圧電素子片(６)から発せられる第２音波の位相が音波の１／４波長の奇数倍だけ異なるよう、両圧電素子片(６)(６)が駆動される。これによって各圧電素子片(６)から放射される音波は、音響管(１)内で２方向に分岐して、管路に沿って一方向に進む音波と他方向に進む音波が生成される。そして、両圧電素子片(６)(６)の配置間隔及び発生される音波の位相から、一方向へ進行する音波は重ね合わされて増幅され、他方向へ進行する音波は打ち消されることになる。このため、一方向に進行する音波だけが音響管(１)内に残り、更に音響管(１)内を一周して同じ位相の音波と重ね合わされ、共鳴と同様に振幅が増大されることになる。
【００２８】又、上記音響冷凍装置においては、圧電素子片(６)(６)の組が４５°のずれで音響管(１)の全周に配設されており、且つ、圧電素子片の各組によって生成される進行波は、位相調整器(７)〜(77)によって、各組の位置のずれに応じた位相調整、即ち４５°のずれをもった位相調整(遅延処理)が施されるので、音響管(１)内を進行する過程で互いに位相が一致することになる。この結果、これらの進行波が合成されて、更に振幅の大きな音波が生成されることになる。
【００２９】この様にして生成された音波が蓄冷器(４)を通過することによって、蓄冷器(４)内の各場所に位置する微小なガス塊の圧力及び変位は、その位置により位相のずれを生じる。これによって、各場所に位置するガス塊は、その変位の中心位置を境に、音波の進行方向に位置するときは膨張が起こり、その反対方向に位置するときは圧縮が起こる。この膨張行程及び圧縮行程において、熱吸収及び熱放出が行なわれるため、熱が音波進行方向の逆方向へ順次運ばれることになる。この結果、熱の伝達行程が可逆的に行なわれ、カルノーサイクルに近い熱サイクルが実現されるのである。
【００３０】上記本発明の音響冷凍装置においては、図１に示す如く、音響管(１)の内周壁の略全面を利用して、複数の圧電素子片(６)が配設され、非常に広い振動面が形成されているので、該振動面と圧電素子片(６)が発生する高い圧力とによって、大きな駆動力が得られる。又、従来のリニアモータ駆動の音波発生装置の如き短寿命の部材は装備されていない。この結果、装置の軽量化と長寿命化が実現される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１８８９
【氏名又は名称】三洋電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）５月２７日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】西岡 伸泰
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| 【公開番号】 |
特開平１１−３３７２０６ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１２月１０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−１４６０９８ |
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