| 【発明の名称】 |
気柱共鳴波動冷凍手段を利用した冷房・冷凍施設 |
| 【発明者】 |
【氏名】萩原 康正
【氏名】奈良 健一
【氏名】鳥居 明人
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| 【要約】 |
【課題】メンテナンスが実質的に不要な、耐久性に優れた気柱共鳴波動冷凍機の機能を応用して、生活空間を改善し、エネルギー（電気）消費量の少ない、環境に優しい技術を提供すること。
【解決手段】一の高温側熱源及び一の低温側熱源に挟まれたスタックと、他の高温側熱源及び他の低温側熱源に挟まれた蓄冷器と、一対の直線管部及び該直線管部の両端を相互に連結する一対の連結管部を有する配管と、により形成される回路に、気体を封入し、該封入気体を該スタックにより自励発振させて進行波と定在波とを発生せしめ、これらの波動によって該蓄冷器を動作せしめ、該蓄冷器において蓄冷された冷熱を冷房・冷凍空間に導入することからなる気柱共鳴波動冷凍手段を利用した冷房・冷凍施設、及びその応用。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】一の高温側熱源及び一の低温側熱源に挟まれたスタックと、他の高温側熱源及び他の低温側熱源に挟まれた蓄冷器と、一対の直線管部及び該直線管部の両端を相互に連結する一対の連結管部を有する配管と、により形成される回路に、気体を封入し、該封入気体を該スタックにより自励発振させて進行波と定在波とを発生せしめ、これらの波動によって該蓄冷器を動作せしめ、該蓄冷器において蓄冷された冷熱を冷房・冷凍空間に導入することからなる気柱共鳴波動冷凍手段を利用した冷房・冷凍施設。
【請求項２】請求項１に記載の気柱共鳴波動冷凍手段を花卉又は栽培植物の低温抑制栽培・低温保存に供する農作物栽培工場・貯蔵倉庫。
【請求項３】太陽光を集光して又は人工光を使用して熱媒体を加温することにより高温熱源とすると共に、地下水を冷媒体として低温熱源とすることを特徴とする請求項２に記載の気柱共鳴波動冷凍手段を利用した農作物栽培工場・貯蔵倉庫。
【請求項４】気柱共鳴波動冷凍手段が、建造物、車両、船舶・潜水艇、航空機・宇宙船等の居住空間又は該居住空間近傍に設けられてなる冷房・冷凍施設。
【請求項５】気柱共鳴波動冷凍手段が車両に設けられており、高温熱源が排気ガスであり、低温熱源が車体であることを特徴とする請求項４に記載の冷凍手段を利用した車両用クールボックス。
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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、所定の気体（作業ガス）を充填した配管の回路内部ループにおいて、熱音響効果により、熱音響冷凍回路に共鳴（自励振動）をもたらし、発生した進行波及び定在波を利用して回路に設けた蓄冷器を冷却せしめ、その冷却エネルギ（冷熱）を利用して保冷倉庫・冷房室等の施設（空間）を冷房・冷凍する気柱管共鳴波動音響冷凍機能の応用技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱の影響により波動（音響）が生じ得ることは、例えばガラス吹き工により熱い球状ガラスを冷たいステムの先端に取り付けた際に音がでる現象として古くから知られており、これは「サウンドハウス チューブ 」と呼ばれる丸底フラスコ状のガラス容器の底部に熱を加えると熱音響効果によりそのガラス管から音が発せられることで確認され、また、そのガラス管の内部に多孔又は多層状の狭い空間を形成するスタックを挿入することにより、上記の熱駆動による音響効果が高まることが確認されている。
【０００３】一方、このような熱音響効果を利用して、容器の外部から与えた熱によって、容器内に予め充填された作業ガスに圧力振動（熱音響仕事）を生じさせ、この熱音響仕事を熱に転化させて冷却作用をなすようにしたビヤクーラー等の熱音響冷凍機も知られている。
【０００４】また、セパレーは、スターリングエンジンにそのピストンをなくすべく熱音響発生手段を設けるようにした進行波発生型の熱音響冷凍機を提案している。
【０００５】この冷凍機はループ状の配管の途中において、その配管を対称に二分する中央位置に、スタックとその両側に位置する高温側及び低温側の熱交換器とからなる圧力振動発生手段としての原動機と、蓄冷器（再生式熱交換器）とその両側に位置する高温側及び低温側の熱交換器とを備えた装置であって、前記原動機とは逆向きに働くヒートポンプとを設けたことにより、前記原動機に高温の熱エネルギー供給を行いながら、前記ヒートポンプにより低温側から高温側熱交換器へと熱を汲み上げ、冷却作用を行わせることができる筈である。
【０００６】しかしながら、前述のセパレーの提案を具現化する試みが成功したとの報告は未だにない。加えて、このような進行波発生装置については理論的にも実際的にも発振しない旨の報告がアチレーによりなされおり、発振させることは不可能であるとの認識が学会においても広まりつつあった。
【０００７】ところが、本発明者らは非円形状ループ配管において、自励発振現象を発見し、発振条件を確認するに至った。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ピストン式の圧縮機を用いた冷凍機では、可動部に対し定期的な部品交換等のメンテナンス作業が不可欠であり、冷凍機を長時間連続運転することができない。
【０００９】これに対し、熱音響効果による圧力振動発生手段は、機械的な圧縮機や電磁弁等を用いることなく、作業ガスに正弦波状の圧力振動を発生させることができ、耐久性やコンパクト化といった面で有利である。
【００１０】本発明者等は、既述したとおり、自励発振の現象を発見して、この発振現象を再現できる条件を見い出した。
【００１１】この条件とは、■１つのスタック（原動機）と、別なスタック又は蓄冷器とを非対称的に配置し、しかも配管において直線管部と連結管部とを設けて、封入気体の流れが直進及びほぼ直角に旋回する状態を造り、定在波及び進行波を発生し易く為したこと、■原動機となるスタックを非等温的に動作させること、■定在波を増幅させて進行波を発生せしめるべく、１つのスタックと、別なスタック又は蓄冷器のいずれか１つを最適に配置すること、である。
【００１２】そして、この発見によって、初めて実用性のある気柱共鳴波動冷凍機の開発に成功し、これを応用した技術開発に発展せしめることが可能となったのである。本発明は、従来技術では不可能と思われていた課題を解決したものであって、ループ管に存する気体に共鳴を生じさせ、熱音響冷凍機の冷凍に強く寄与する定在波及び進行波を発生することができ、この熱音響効果を利用して、冷凍機能に優れた冷房室や冷凍庫を主体とする施設を提供することを目的とする。しかも、本発明によれば、メンテナンスが実質的に不要な、耐久性に優れた気柱共鳴波動冷凍機であり、この冷凍機の機能を応用して、生活空間を改善することができ、エネルギー（電気）消費量の少ない、環境に優しい技術を提供することができる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、高温熱源と低温熱源とに基づく熱エネルギーを、回路に封入された気体の圧力振動に変換するスタックによって、自励的に、前記回路の回路長に応じた周波数からなる定在波及び進行波を含む圧力振動（共鳴）を発生せしめ、定在波の増幅によって、進行波を発生させ、これを熱エネルギーに変換して、蓄冷器において熱を汲み上げることにより動作する熱音響冷凍機を要部とし、これを冷凍装置として組み込んだ冷房・冷凍施設である。
【００１４】そして、本発明は、冷凍装置を組み込んだ冷房・冷凍施設として、具体的には、花卉、野菜、穀物等を対象とする農業技術への応用や自動車の排気ガスを熱源として気柱管共鳴波動冷凍機を動作させ、快適な居住性に優れた自動車を提供する工業技術への応用を含む。
【００１５】以下に、個々の請求項について説明すると、まず、請求項１に係わる発明は、気体（作業ガス）を封入した配管に、高温側熱源及び低温側熱源に挟まれたスタックからなる定在波及び進行波の発生手段と、他の高温側熱源及び低温側熱源に挟まれた別なスタック又は蓄冷手段と、を主たる構成とする熱音響冷凍機により貯えられた冷気を循環させて、冷房室を冷却せしめるものである。スタックと蓄冷手段とは所定の位置に、前記配管を介して接続されて作業ガスの回路を形成しており、スタック両端部に置かれた所定の温度差を生じせしめる熱源に基づき、作業ガスに与えられた熱エネルギーがスタックによって圧力に変換され、変動する圧力から自励的振動が生じる。この振動（発振）は回路長に応じた周波数からなる定在波及び進行波を含む。発生した進行波は、一の高温側熱源から回路中に進行し、他の高温側熱源を経て蓄冷器に到り、充分な冷凍作用を持つ進行波として熱音響冷凍機能をもたらす。そして、この冷凍能力を利用して冷房室や冷蔵・冷凍庫を冷房する。
【００１６】次に、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の気柱管波動音響冷凍手段を花卉又は栽培植物の低温抑制栽培・低温保存に供する農作物栽培工場・貯蔵倉庫である。この場合に、熱交換器を直接冷却するばかりでなく、蒸発潜熱を利用する冷却装置に供する冷却水をも冷却する方式がある。
【００１７】また、請求項３記載の発明は、太陽光又は人工光を集光し、集光した輻射光線を利用し、熱媒体を加温して高温熱源とし、地下水を冷媒体として低温熱源とすることを特徴とする気柱管共鳴波動冷凍手段を利用した農作物栽培貯蔵工場である。
【００１８】更に、請求項４の発明は、気柱管共鳴波動音響冷凍手段が、建造物、車両、船舶・潜水艇、航空機・宇宙船等の居住空間又は該居住空間近傍に設けられてなる冷房・冷凍施設である。
【００１９】加えて、請求項５記載の発明は、熱音響冷凍手段が車内に設けられており、高温熱源が排気ガスであり、低温熱源が車体であることを特徴とする気柱管共鳴波動冷凍手段を利用した車両用クールボックスである。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。
【００２１】図１は、本発明に係る気柱共鳴波動冷凍機を利用した植物プラント用冷却装置（園芸施設）の例示である。
【００２２】図１において、気柱管はスタックと蓄冷器と配管とを含む回路を示し、回路には所定の作業ガスとして窒素と炭酸ガスとの混合気体が封入されている。この作業ガスは常圧でも動作するが、絶対圧０．１〜５ＭＰａ程度の加圧状態が好ましい。作業ガスは上記混合ガスの他に窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物等が使用でき、特に、ヘリウムとアルゴンとを約１：１〜約３：１の容積比率で混合したものが冷凍効率を高めることができる。
【００２３】回路にはスタックと蓄冷器が配置される。そして、スタックのそれぞれの端部には高温側熱交換器及び低温側熱交換器が設けられている。また、蓄冷器も同様に夫々の端部に高温側熱交換器及び低温側熱交換器が設けられる。本発明の実施例として、後述するように、高温熱源として太陽光を利用することができる。
【００２４】１つのスタックと、別なスタックとにより、換言すれば蓄冷器を別なスタックに置き換えて、２つのスタックによっても、波動冷凍機は稼働できる。この方式では、蓄冷器の代替をするスタックの構成は、セラミックス製のハニカム構造体であって、少なくとも９００セル／平方インチの等温に近い時定数（ωτ＝１〜１００）をもつものが好ましい。このような気柱管回路であれば優れた冷凍機として機能する。
【００２５】また、作業ガスによる進行波発生装置はピストンやバルブのような摩耗をもたらす部材の必要がないので、メンテナンスが実質的に不要なエンジンを形成する利点がある。配管に使用できる材料としては、例えばステンレス鋼からなる円形断面のものでよい。
【００２６】なお、図１に示してあるように、経験的ではあるが、その配管全体が長方形からなる形状のものが気柱管に封入された作業ガスを自励発振させ易い。この図面の気柱管波動音響冷凍手段は２個のスタックを用いた例であって、原動機側スタックに９００セル／平方インチのものを、蓄冷器代替用スタックは１２００セル／平方インチのものを使用したところ稼働２時間後に氷点下５０℃に到達した。
【００２７】図３は、自動車用クーラーボックスの例であって、図１と同様に、配管全体が長方形からなる形状のものを使用している。この自動車用クーラーボックスでは、高温熱源として自動車の排気ガスを利用するが、その際熱効率を高めるため熱交換器に工夫が凝らされている。詳細は実施例で説明するが、本発明の応用技術は次の実施例に限られるものではない。
【００２８】
【実施例】＜実施例１＞太陽光を利用する植物プラントの例を説明する。農作物の栽培工場は最近急速に普及し始めている。リーフレタス、葉ネギ、カイワレ、モヤシ、ミツバ、キノコ等は植物プラントで栽培されている。同様に、メロンやトマトは施設栽培の対象となって久しい。本発明の実施例は、図１に示しているように、気柱共鳴波動冷凍機を主たる設備とし、高温熱源に太陽光線を、低温熱源として地下水を利用し、波動冷凍機の造る冷熱を冷房に用いた植物プラントである。傾斜した屋根に開閉式の採光窓を設け、更に屋根の一部に太陽光を集光して太陽熱を熱源に利用する集光器が設けられている。太陽熱によって集光器内側に置かれた配管内の循環流体が高温に到達し、この循環流体が気柱振動をもたらす波動冷凍機の高温熱源となる。循環流体はポンプにより気柱共鳴波動冷凍機の熱交換器と屋根の集光器との間を循環する。
【００２９】集光器について補説すると、図２に例示しているように、集光器本体は長い樋状の凹面に形成されており、太陽光は当該凹面において反射され、太陽光のもつ輻射線が焦点を結ぶ位置に熱媒流体を循環させる配管が配備されている。配管の中には、例えば沸点が２５０℃乃至３００℃程度の鉱物油（ナフサ油、パラフィン等）が封入されていて、この鉱物油が循環される。
【００３０】ビルディングの冷房に地下水を利用することは周知である。汲み上げた地下水をシャワーのように流下させながら、その位置に空気を流す方法により、空気と地下水とを直接熱交換させる技術に較べて、本実施例では空気の冷却に湿度変化を伴わない利点がある。更に、上記のような熱交換器を直接冷却するばかりでなく、蒸発潜熱を利用する冷却装置に供する冷却水を上記の手段により冷却する方式もあり、大幅な改造をせずに従来型の設備に応用する場合に有効なものとなる。植物プラントを適宜な温度に調整することによって、自然では不可能な環境を設定できる。この条件を花卉、野菜、穀物類等の栽培植物の低温抑制栽培・低温保存に供する農作物栽培工場・貯蔵倉庫に適用するものである。花卉では、栽培環境の変更、例えば、温度環境の設定、日照時間や照明時間を調整により、開花の時期を適宜制御できる。イチゴの例ではヤマアゲ（山上げ）に相当する期間を低温として抑制栽培する等の手法が採択できることによって、合理的な、経済的な栽培が可能となる＜実施例２＞この実施例は、自動車用クーラーボックスへの応用を示したものである。図３は、気柱振動を発生するように構成した波動冷凍機を車体、殊に車室内に組み込んだ例である。この波動冷凍機では、高温熱源として、排気ガス（排気管）、エンジンの隔壁、エンジン冷却水等を利用することができ、また低温熱源として自動車のボデーを利用できる。
【００３１】排気管を高温熱源とする場合、図４に示したように、熱効率を高める配慮をするとよい。排気管の熱を、熱伝導率の高い材料からなる熱伝導部材を介して気柱共鳴波動冷凍機のスタック及び蓄冷器の熱交換器と連結して、導入している。さらに、本実施例では、排気管自体も改良して、その断面が図５に示されているように、熱交換効率を高めると一層好ましい。
【００３２】
【発明の効果】請求項１に係わる発明は、気体（作業ガス）を封入した配管に、高温側熱源及び低温側熱源に挟まれたスタックと、他の高温側熱源及び低温側熱源に挟まれた蓄冷手段又は別なスタックとを主たる構成とし、当該スタックから作業ガスに定在波及び進行波を発生させ、この波動のもつ熱エネルギーを放出し、冷熱を蓄冷手段に蓄熱するとともに、貯えられた冷熱から派生する冷気を循環させて、冷房室や冷凍庫を冷却せしめるものである。
【００３３】作業ガスに与えられた熱エネルギーがスタックによって圧力に変換され、変動する圧力から自励的振動が生じる。この振動（発振）は回路長に応じた周波数からなる定在波及び進行波を産むが、自励発振であるため、ピストンのごとき摺動部分が不要であり、メンテナンスの要らない冷凍設備として極めてユニークなものとなる。云うまでもなく、この技術の応用分野は広い。
【００３４】次に、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の気柱管波動音響冷凍手段を花卉、野菜、穀物類等の栽培植物の低温抑制栽培・低温保存に供する農作物栽培工場・貯蔵倉庫に適用するものである。冷凍・冷房の手段は直接又は間接的なものがあり、広域に効用をもたらすため冷媒を配管により循環させる方法もある。花卉では、栽培環境の変更、例えば、温度環境の設定、日照時間や照明時間を調整により、開花の時期を適宜制御できる。イチゴの例ではヤマアゲに相当する期間を低温として抑制栽培することや人工光により照明時間を調整すること、紫外線を利用して生育を抑制すること等の合理的な、経済的な栽培が可能となる効果が得られる。
【００３５】また、請求項３に記載の発明は、太陽光又は人工光を集光し、集光した輻射光線を利用し、熱媒体を加温して高温側熱源とし、地下水を冷媒体として低温側熱源とすることを特徴とする気柱管共鳴波動冷凍手段を利用した農作物栽培貯蔵工場である。この発明は、請求項２の発明を光と熱源とに分離して、栽培や貯蔵等を徹底する技法であって、経済効果は極めて大きいと云える。従来に無い新しい栽培法等が開発され、従来に無かった新しい種、多収穫種の開発等の期待がある。更に環境設定が自由となり、育種に改革が起こり、栽培の周期も短縮され、単位面積当たりの収穫量が増大する期待もある。
【００３６】更に、請求項４の発明は、気柱管共鳴波動音響冷凍手段が、建造物、車両、船舶・潜水艇、航空機・宇宙船等の居住空間又は該居住空間近傍に設けられてなる冷房・冷凍施設である。人類の生活環境の改善に資するほかに、動物の品種改良等に応用され、酪農・畜産等の技術革新を産む期待もある。
【００３７】加えて、請求項５記載の発明は、熱音響冷凍手段が車両に設けられており、高温側熱源が排気ガスであり、低温側熱源が車体であることを特徴とする気柱管共鳴波動冷凍手段を利用した車両用クールボックスである。実用性が高く、経済効果が大きい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９５０００７９３
【氏名又は名称】株式会社移動体通信先端技術研究所
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| 【出願日】 |
平成１１年１月８日（１９９９．１．８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７２６０４
【弁理士】
【氏名又は名称】有我 軍一郎
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２０５６７７（Ｐ２０００−２０５６７７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年７月２８日（２０００．７．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２８５３ |
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