| 【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】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すると共に、装置構成の簡略化と共に高効率化を実現した音響冷凍装置を提供する。
【解決手段】中空環状の音響管１の管路に対向して、音波発生装置５が配備されると共に、音響管１の管路の所定位置には蓄冷器４が介在し、音波発生装置５から発せられる音波によって蓄冷器４に温度勾配を形成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 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ことを特徴とする音響冷凍装置。
【請求項２】 前記音波発生装置は、前記音響管の管路の外周面に直接接するように設けられ、前記音響管の共鳴周波数に設定された音波を発生することを特徴とする請求項１に記載の音響冷凍装置。
【請求項３】 前記音波発生装置は、前記音響管の管路から分岐するように設けられ、前記音響管の共鳴周波数に設定された音波を発生することを特徴とする請求項１に記載の音響冷凍装置。
【請求項４】 前記音波発生装置は、前記音響管の管路から分岐する分岐管に沿って該音響管の管路周長の略３％乃至略１８％離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の音響冷凍装置。
【請求項５】 前記音波発生装置は、前記蓄冷器近傍に設けられていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の音響冷凍装置。
【請求項６】 前記音波発生装置は、前記蓄冷器から前記音響管の管路に沿って該管路周長の略８／２４乃至略１１／２４離れた位置に設けられいることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の音響冷凍装置。
【請求項７】 前記音波発生装置は、前記蓄冷器から前記音響管の管路に沿って該管路周長の略１０／２４離れた位置に配設されていることを特徴とする請求項６に記載の音響冷凍装置。
【請求項８】 前記蓄冷器の前記音波発生装置側の前記管路の外周面には低温側熱交換器が設けられ、前記蓄冷器の前記音波発生装置とは反対側の前記管路の外周面には高温側熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の音響冷凍装置。
【請求項９】 前記蓄冷器の前記音波発生装置側の前記管路の外周面には高温側熱交換器が設けられ、前記蓄冷器の前記音波発生装置とは反対側の前記管路の外周面には低温側熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項６又は７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、音響冷凍装置に関し、特に、高効率化と装置構成の簡略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号公報参照)。
【０００３】例えば図８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。
【０００４】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８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。
【０００５】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。
【０００６】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。
【０００７】しかしながら、上記した従来の音響冷凍装置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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本願出願人は、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(特開平10-325625号公報)。
【０００９】図９〜図１４に基づいて、かかる音響冷凍装置の基本構造及び原理について説明する。
【００１０】図９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。
【００１１】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。
【００１２】次に、音響冷凍装置の動作原理について、図１０を参照して説明する。
【００１３】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。
【００１４】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。
【００１５】次に、図１１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１２を参照して説明する。
【００１６】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。
【００１７】更に、上記音響冷凍装置のガスサイクルについて、図１３及び図１４を参照して説明する。
【００１８】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１３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。
【００１９】図１２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１３及び図１４(a)においてＤ→Ａで示される。
【００２０】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１３及び図１４(b)においてＡ→Ｂで示される。
【００２１】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１３及び図１４(c)においてＢ→Ｃで示される。
【００２２】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１３及び図１４(d)においてＣ→Ｄで示される。
【００２３】以上により、図１３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。
【００２４】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。
【００２５】しかし、斯かる音響冷凍装置においては、圧力波の一部は蓄冷器を通過せずに反射してしまうため、反射した圧力波のエネルギー分だけ装置効率が低下するという問題があった。さらに、上記したように音波発生装置を複数設けた場合には、これらの音波発生装置の位相を調整する装置等を設ける必要があった。
【００２６】本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであって、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すると共に、装置構成の簡略化と共に高効率化を実現した音響冷凍装置を提供することを目的としている。
【００２７】
【課題を解決する為の手段】本発明は、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ことを特徴とする音響冷凍装置である。そして、具体的には前記音波発生装置は、音響管の管路の外周面に直接接するように設けられ、音響管の共鳴周波数に設定された音波を発生する構成としても良い。
【００２８】この構成を用いることにより、音響管の共鳴周波数に等しい周波数の音波を音波発生装置から入射すると、音響管内で大きな圧力変動が生じて、蓄冷器内では圧力変動量が増幅されると同時に流体の往復運動も誘起される。
【００２９】また、前記音波発生装置は、音響管の管路から分岐する分岐管に沿って音響管の管路周長の略３％乃至略１８％離れた位置に設けられ、音響管の共鳴周波数に設定された音波を発生する構成としても良い。
【００３０】この構成を用いることにより、音響管の管路の外周面に直接配置させる場合に比べて、仕事流束が増幅されて熱搬送効果が大きくなる。
【００３１】さらに、前記音波発生装置は、蓄冷器近傍若しくは蓄冷器から音響管の管路に沿って該管路周長の略８／２４乃至略１１／２４離れた位置に設けられいる構成としても良い。特に、蓄冷器から音響管の管路に沿って管路周長の略１０／２４離れた位置に配設されているのが好ましい。これにより、この際の圧力変動と流速は同位相となり、蓄冷器の両端に大きな温度差を生じさせる。
【００３２】そして、前記音波発生装置が蓄冷器近傍に設けられいる場合には、蓄冷器の音波発生装置側の管路の外周面には低温側熱交換器が設けられ、蓄冷器の音波発生装置とは反対側の管路の外周面には高温側熱交換器が設けられている。また、前記音波発生装置が蓄冷器から音響管の管路に沿って該管路周長の略８／２４乃至略１１／２４離れた位置に設けられいる場合には、蓄冷器の音波発生装置側の管路の外周面には高温側熱交換器が設けられ、蓄冷器の音波発生装置とは反対側の管路の外周面には低温側熱交換器が設けられている。
【００３３】
【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。図１は本発明の一実施形態例を示す音響冷凍装置の基本構造を示す概略断面図である。
【００３４】図１に示す様に、音響冷凍装置100は、中空環状の音響管１を有し閉ループとなっている。尚、本実施形態では音響管１の中心線の長さを周長とする。音響管１の管路の適所には、蓄冷器４が配設されている。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。また、音波発生装置としてのスピーカ５は、音響管１の共鳴周波数に設定された音波を発生し、蓄冷器４から管路に沿って音響管周長の略８／２４〜略１１／２４離れた位置に配設されており、本実施例では音響管周長の略１０／２４だけ蓄冷器４から離れた位置106に配設されている。
【００３５】また、蓄冷器４の両端側の音響管１外周面に、高温側熱交換器102と、低温側熱交換器103とが巻回配設されている。
【００３６】尚、本実施形態例では音波発生装置５は、音響管１の管壁の一部に直接配置させた場合について説明したが、これとは別に、図３、図４に示すように音響管１から分岐した分岐管６を用い、この分岐管６の一端部分にスピーカ５を配設し、そこから音響管１内部へ音波を供給する構成としても構わない。スピーカ５は、音響管１に対向して接続された分岐管６の長さ１０７が音響管１の管路周長の略３％〜１８％となる位置に配設されている。
【００３７】以上の構成により、音響管１の共鳴周波数に等しい周波数の圧力波をスピーカ５から入射すると、音響管１内で大きな圧力変動が生じる。この時、蓄冷器４内では圧力変動量が増幅されると同時に流体の往復運動も誘起され、さらに、これら圧力変動と流速は同位相となる。この蓄冷器４内での圧力変動と流体の往復運動により、等温膨張による吸熱と等温圧縮による放熱を繰り返すガスサイクルが形成され、蓄冷器４の両端に大きな温度差を生じさせるとともに、蓄冷器４の両端側の低温側熱交換器103から吸熱、高温側熱交換器102へ放熱し、効率よく対象物の冷却を行う冷凍機やヒートポンプとして作用する。また、図２又は図４に示すように、スピーカ５の配設位置を、蓄冷器４近傍の位置106にしても同様の効果を達成することができる。
【００３８】次に、上記したように音波発生装置５を配設することにより、上述の効果を実現できる理由について説明する。
【００３９】一般的な音響理論によると、流路径に比べ流路長さが十分大きい場合に、管内の圧力波を1次元的な平面波で近似して解析でき、圧力と流速を容易に計算できることが知られている。この音響理論を適用して本願出願人は、上記図１装置の如く、音響管１内に配置した蓄冷器４内における圧力波の圧力の平均値からの変動量Ｐと流速Ｕを算出する数式を導出した。その結果は下記数式１、数式２に示す通りである。
【００４０】
【数１】
【００４１】
【数２】
【００４２】ここで、上記数式における符号の意味するところは次の通りである。
Pd+：時計回りに進行する音波の振幅、Pd-：反時計回りに進行する音波の振幅、ω：振動の角周波数、ρm：作動ガスの平均密度、Ld：蓄冷器４の長さ、x：蓄冷器左端を原点とし、音響管１の中心線に沿って時計回りにとった座標、a：音速、t：時間、Ｄ：ダルシー則として知られる流速に比例する抵抗力の定数また、熱音響理論（参考文献：Tominaga,A.1995 Thermodynamic aspects of thermoacoustic theory. Cryogenics. 35, 427-440）によると、目開きが小さい材質でできた蓄冷器内においては、伝熱性が非常に良く、等温可逆行程の効果が支配的となり、この効果による熱搬送量を定量的に下記数式３によって評価できることが知られている。そして、この数式３におけるIは仕事流束であり、下記数式４に示す、圧力の平均値からの変動量Pと流速Uにより定義される量である。
【００４３】
【数３】
【００４４】
【数４】
【００４５】ここで、上記数式における符号の意味するところは次の通りである。
Qprog：蓄冷器内の熱搬送量、I：蓄冷器内の仕事流束、β：作動ガスの熱膨張率、Tm：作動ガスの空間的な平均温度、Fs：作動ガスと蓄冷器の熱容量比に関連する定数、g：伝熱性に関連する定数、Re( )：( )内の実数部分を表す関数、＜ ＞t：＜ ＞内の時間平均を表す値上記数式３から分かるように、蓄冷器内の熱搬送量Qprogは仕事流束Iに比例しており、上記した数式１、２、４を用いて音響管１の蓄冷器４における仕事流束Iを、蓄冷器４から音波発生装置５までの距離Ldsを変化させた場合について計算すると、図５の実線で示した曲線となる。尚、一般に、音波発生装置５を音響管１の管路の外周面に配設する場合には、その取り付け部材等が介在するため、音波発生装置５は実際には音響管１の管路から若干離れた位置に設けられることになる。このため、この点を考慮して図５の実線で示した曲線は、音波発生装置５が音響管１の管路からその管路周長の２％離れた位置に配設されている場合を想定して計算したものである。ここで、音波発生装置５と音響管管路の外周面との距離を２％としたのは、従来、取り付け部材等により生じる間隔が管路周長の１〜２％程度となっていたためである。
【００４６】この結果から、音響管１への音波入射位置が蓄冷器４近傍、若しくは蓄冷器４の一端から音響管周長の略１０／２４の距離となるとき、仕事流束Iが正負の極大値となり熱搬送効果がもっとも強くなると考えられる。但し、蓄冷器４近傍の位置と上記略１０／２４の位置では、熱搬送の向きが反対となる。
【００４７】さらに、音響管１への音波入射位置が蓄冷器４の一端から音響管周長の略１０／２４の距離となるときに、蓄冷器４における仕事流束Ｉを、分岐管４１０に沿って分岐部からスピーカ５までの距離Lbsを変化させた場合についても計算をすると、図６の実線で示した曲線となる。この結果から、分岐部からスピーカ５までの距離をとることで仕事流束は増幅され、その距離が音響管１の管路周長の１６％となるときに理論的には仕事流束が最大となり、熱搬送効果が最も強くなると考えられる。
【００４８】次に、上述の理論に基づく結果の妥当性を確かめるために実験を行った。図７において、音響冷凍装置400は中空環状の音響管１を有しておりその周長は約3.4ｍである。この音響管１には分岐部410を介してスピーカ５（音波発生装置）が設置されている。スピーカ５の背面にはカバー420が取り付けられている。また、スピーカ５には所定の圧力波を発生するためのアンプ430及び信号発生器440が接続されている。
【００４９】一方、音響管１には蓄冷器４が設けられ、その蓄冷器４の両端には熱電対450、451が取り付けられ、この熱電対から得られる温度差を確認するためのオシログラフィックレコーダ460が接続されている。
【００５０】以上の構成からなる音響冷凍装置400の能力測定を、音響管１の共鳴周波数でスピーカ５を駆動して行い、スピーカ５が接続される分岐部410と蓄冷器４との距離Lds470を変化させてその影響を調べ、図５に白抜き四角のシンボル記号で表わした。但しこの場合には、分岐部410の長さLbsは、上記した理論に基づく場合と同様に、音響管１の管路周長の２％としている。
【００５１】また、スピーカ５が接続される分岐部410と蓄冷器４との距離Lds470を音響管１の管路周長の略１０／２４とし、分岐部410の長さLbsを変化させてその影響を調べ、図６に点線で示した。尚、図５及び図６において相関関係が理解しやすいように仕事流束Iと蓄冷器両端温度差のスケール調整を行っている。
【００５２】この図５の結果から分かるように、図７の装置により得られたLdsの影響についての実験結果は上述した理論に基づく結果と傾向が非常に良く一致しており、上述した理論が妥当であることが確認することができた。
【００５３】一方、図６の結果から、図７装置により得られたLbsの影響についての実験結果は上述した理論に基づく結果と傾向は一致しているものの、最大値がずれており、蓄冷器損失の影響など実際に生じる他の要素を考慮する必要があるためと考えられる。
【００５４】そして、この図５の結果から明らかなように、蓄冷器４近傍の位置、若しくは蓄冷器４から管路に沿って音響管１の管路周長の略８／２４〜１１／２４の距離の位置では、蓄冷器両端温度差が２０度近くとなり、さらに蓄冷器４から管路周長の略１０／２４の距離の位置では、蓄冷器両端温度差が最も大きくなっており、音波発生装置としてのスピーカ５をこの位置に配設することにより装置の高効率化が図られることになる。
【００５５】また、図６の実験結果から、分岐部410の長さLbsを音響管１の管路周長の略３％〜１８％とした場合の蓄冷器両端温度差が約３０℃以上となっており、分岐部410の長さLbsを音響管１の管路周長の２％とした場合の蓄冷器両端温度差（約２３℃）よりかなり大きな値が得られることとなり、分岐部410の長さを斯かる範囲に調整してスピーカ５を配置することにより装置の効率化が図られることになる。
【００５６】尚、上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【００５７】例えば、上記実施の形態の説明では、音波発生装置５を１個だけ用いて構成した場合について説明したが、音波発生装置５を複数個配置させた構成としても構わない。尚、この際には、これらの音波発生装置の音波の位相は同相又は逆相となるので位相を調整する複雑な位相調整器等を必要としないという利点がある。
【００５８】また、上記実施の形態の説明では、音波発生装置５を入力部として説明したが、音波発生装置５を出力部とし、蓄冷器４両端に設置された熱交換器を入力部とすれば、エンジンサイクルとして機能させることも可能である。
【００５９】
【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、蓄冷器内での圧力変動量が増幅されると同時に流体の往復運動も誘起され、更に圧力変動と流速は同位相となる。この結果、蓄冷器の両端に大きな温度差を生じさせることができ、装置の高効率化を達成することができる。
【００６０】このため、１台の音波発生装置のみでも従来装置以上の高効率化を図ることができ、装置構成の簡略化をも図ることができる。
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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１１年９月１７日（１９９９．９．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１１３８３
【弁理士】
【氏名又は名称】芝野 正雅
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３３７７２４（Ｐ２０００−３３７７２４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１２月８日（２０００．１２．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２６３５０７ |
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