JP6286837B2 - Thermoacoustic refrigeration equipment - Google Patents
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Description
本発明は、熱音響冷凍装置に関し、特に、気柱管内に封入された気体に熱音響効果による圧力振動を発生させ、この圧力振動を利用して冷凍処理を行う熱音響冷凍装置に関する。 The present invention relates to a thermoacoustic refrigeration apparatus, and more particularly to a thermoacoustic refrigeration apparatus that generates pressure vibration due to a thermoacoustic effect in a gas sealed in an air column tube and performs a refrigeration process using the pressure vibration.
図5に示すように、一般的な熱音響冷凍装置50は、気体が封入された気柱管51に原動機60及び冷凍機70を配設して構成されている。熱音響冷凍装置50では、原動機60に外部からの熱が加えられると音波が発生し、この音波の音響エネルギが気柱管51を介して冷凍機70に流れ込むと、冷凍機70の温度を低下させることで、対象物の冷凍(冷却)に寄与するように構成されている。
As shown in FIG. 5, a general
原動機60は、気柱管51の軸方向に、常温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器61と、常温よりも高温状態の熱源と熱交換を行う加熱側熱交換器62と、これら冷却側・加熱側熱交換器61,62間で温度勾配を保持する再生器63とを配置して構成されている。この原動機60では、気柱管51内の気体が冷却側熱交換器61で常温となると共に、加熱側熱交換器62で常温よりも高温となることで、再生器63に温度勾配が形成される。そして、この時に発生する熱エネルギの一部が力学的エネルギである音響エネルギに変換され、気柱管51内の気体が自励的な圧力振動を起こすことで、気柱管51内に音波を発生させる。
The
冷凍機70は、気柱管51の軸方向に、常温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器71と、常温よりも低温の熱が取り出される冷凍側熱交換器72と、これら冷却側・冷凍側熱交換器71,72間で温度勾配を保持する再生器73とを配置して構成されている。この冷凍機70では、逆スターリングサイクルが行われて、冷凍側熱交換器72の気体は常温よりも低温となる。そして、この低温と外部の媒体との間で熱交換を行うことで、対象物を冷凍(冷却)するように構成されている。
The
ところで、上述した従来の熱音響冷凍装置50では、スターリングサイクルと逆スターリングサイクルとの組み合わせになるため、原動機60及び冷凍機70は対称位置に離間して配置される。
By the way, in the above-mentioned conventional
気柱管51がループ状の場合、原動機60及び冷凍機70は、ループ中心LCを挟んで対向配置される(図5(a)参照)。また、気柱管51が直線状の場合、原動機60及び冷凍機70は、気柱管51の中間位置MCを中心に離間して対向配置される(図5(b)参照)。
When the
すなわち、何れの場合も原動機60と冷凍機70との離間距離は長く確保される。その理由は、音波の作動周波数が気柱管51の長さで決定されるため、原動機60と冷凍機70との距離をある程度長く確保する必要があるためである。このように、原動機60と冷凍機70との離間距離が長くなると、原動機60で発生した音波は冷凍機70に達するまでに減衰されることになり、冷凍機70の出力を低下させるといった課題がある。
That is, in any case, the separation distance between the
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、原動機で発生して冷凍機に達する音波の減衰を効果的に抑制して、冷凍機の出力を向上させることにある。 The present invention has been made in view of these points, and an object thereof is to effectively suppress the attenuation of sound waves generated in the prime mover and reaching the refrigerator, thereby improving the output of the refrigerator. .
上記目的を達成するため、本発明の熱音響冷凍装置は、気体が封入される気柱管と、前記気柱管の軸方向に、低温の熱源と熱交換を行う第1熱交換器、温度勾配を保持する第1再生器、高温の熱源と熱交換を行う第2熱交換器を順に配置した原動機と、前記気柱管の軸方向に、前記第2熱交換器から所定間隔を隔てて設けられて常温の熱源と熱交換を行う第3熱交換器、温度勾配を保持する第2再生器、常温よりも低温の熱が取り出される第4熱交換器を順に配置した冷凍機と、を備え、前記第2熱交換機と前記第3熱交換機との離間距離は、前記第2熱交換機と前記第3熱交換機との間の気柱管内の空間体積を前記第1再生器又は前記第2再生器の少なくとも一方の空間体積と等しくする距離を最短距離とし、当該最短距離から2倍の範囲内に設定されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a thermoacoustic refrigeration apparatus of the present invention includes an air column tube in which a gas is enclosed, a first heat exchanger that performs heat exchange with a low-temperature heat source in the axial direction of the air column tube, and a temperature. A first regenerator that maintains a gradient, a prime mover in which a second heat exchanger that exchanges heat with a high-temperature heat source is disposed in order, and a predetermined interval from the second heat exchanger in the axial direction of the air column tube. A third heat exchanger that is provided and exchanges heat with a normal temperature heat source, a second regenerator that maintains a temperature gradient, and a refrigerator that sequentially arranges a fourth heat exchanger that extracts heat lower than normal temperature, And the separation distance between the second heat exchanger and the third heat exchanger is such that the space volume in the air column tube between the second heat exchanger and the third heat exchanger is the first regenerator or the second heat exchanger. The distance equal to the space volume of at least one of the regenerators is the shortest distance, and the range is twice the shortest distance Characterized in that it is set to.
本発明の熱音響冷凍装置によれば、原動機で発生して冷凍機に達する音波の減衰を効果的に抑制して、冷凍機の出力を向上させることができる。 According to the thermoacoustic refrigeration apparatus of the present invention, it is possible to effectively suppress attenuation of sound waves generated in the prime mover and reaching the refrigerator, thereby improving the output of the refrigerator.
以下、図1,2に基づいて、本発明の一実施形態に係る熱音響冷凍装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 Hereinafter, a thermoacoustic refrigeration apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same parts are denoted by the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
図1に示すように、本実施形態の熱音響冷凍装置10は、気体が封入されるループ状の気柱管11と、気柱管11に配置された原動機20及び、冷凍機30とを備え構成されている。
As shown in FIG. 1, the
原動機20は、気柱管11の長手方向(以下、軸方向という)に、低温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器21と、温度勾配を保持する高温側再生器22と、高温の熱源と熱交換を行う加熱側熱交換器23とを順に配置して構成されている。なお、冷却側熱交換器21は本発明の第1熱交換器、高温側再生器22は本発明の第1再生器、加熱側熱交換器23は本発明の第2熱交換器に相当する。
The
冷凍機30は、気柱管11の軸方向に、常温の熱源と熱交換を行う冷却側熱交換器31と、温度勾配を保持する低温側再生器32と、常温よりも低温の熱が取り出される冷凍側熱交換器33とを順に配置して構成されている。なお、冷却側熱交換器31は本発明の第3熱交換器、低温側再生器32は本発明の第2再生器、冷凍側熱交換器33は本発明の第4熱交換器に相当する。
In the
本実施形態において、原動機20及び冷凍機30は、加熱側熱交換器23と冷却側熱交換器31との間に所定の離間距離D(図2参照)を確保して配置されている。以下の、この離間距離Dの詳細な設定について説明する。
In the present embodiment, the
高温側再生器22及び低温側再生器32は、図示しない薄板や細管を束ねた構造を備えており、両端に設けられた熱交換機の間の温度勾配を保持することで、自励的な圧力振動を起こして音波を生じさせる。原動機20から冷凍機30に達する音波の減衰を抑止するためには、離間距離Dを可能な限り短く設定することが好ましいが、高温側再生器22及び低温側再生器32で発生する圧力振動が互いに影響を及ぼさない距離は確保する必要がある。
The high
本実施形態では、この圧力振動の影響を回避させるために、離間距離Dは、加熱側熱交換器23と冷却側熱交換器31との間の気柱管11内の空間体積VTを、高温側再生器22又は低温側再生器32の薄板や細管を除いた空間体積VRと等しくする最短距離に設定される。これにより、圧力振動が互いに影響することを回避しつつ、音波の減衰を効果的に抑制することができる。なお、圧力振動の影響をより確実に回避するためには、離間距離Dを高温側再生器22又は低温側再生器32の幅Wと同等に設定してもよい。また、離間距離Dの上限は、上述の最短距離の2倍以下に設定することが好ましい。
In the present embodiment, in order to avoid the influence of this pressure vibration, the separation distance D is the spatial volume V T in the
次に、本実施形態に係る熱音響冷凍装置10による作用効果について説明する。
Next, the effect by the
従来の熱音響冷凍装置では、原動機と冷凍機との離間距離を長く確保している。そのため、原動機で発生した音波は冷凍機に達するまでに減衰され、冷凍機の出力低下を招くといった課題がある。 In a conventional thermoacoustic refrigeration apparatus, a long separation distance is ensured between the prime mover and the refrigerator. Therefore, the sound wave generated by the prime mover is attenuated before reaching the refrigerator, and there is a problem that the output of the refrigerator is reduced.
これに対し、本実施形態の熱音響冷凍装置10では、離間距離Dは、加熱側熱交換器23と冷却側熱交換器31との間の気柱管11内の空間体積VTを高温側再生器22又は低温側再生器32の空間体積VRと等しくする距離に設定されている。すなわち、離間距離Dは、再生器22,32で発生する圧力振動が互いに影響を与えることを回避しつつ、原動機20から冷凍機30に達する音波の減衰を効果的に抑制できる最適な距離に設定されている。
On the other hand, in the
したがって、本実施形態の熱音響冷凍装置10によれば、原動機20から冷凍機30に達する音波の減衰を抑制することが可能となり、冷凍機30の出力を効果的に向上することができる。結果として、原動機20に入力されるエネルギに対して、冷凍機30から出力されるエネルギが大きくなり、エネルギ変換効率の向上が図られる。
Therefore, according to the
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, In the range which does not deviate from the meaning of this invention, it can change suitably and can implement.
例えば、気柱管11はループ状に限定されず、図3に示すように、気柱管11を直線状に形成してもよい。また、図4に示すように、気柱管11をループ状と直線状との組み合わせで形成してもよい。これら何れの場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
For example, the
10 熱音響冷凍装置
11 気柱管
20 原動機
21 冷却側熱交換器(第1熱交換器)
22 高温側再生器(第1再生器)
23 加熱側熱交換器(第2熱交換器)
30 冷凍機
31 冷却側熱交換器(第3熱交換器)
32 低温側再生器(第2再生器)
33 冷凍側熱交換器(第4熱交換器)
DESCRIPTION OF
22 High temperature side regenerator (first regenerator)
23 Heating side heat exchanger (second heat exchanger)
30
32 Low temperature side regenerator (second regenerator)
33 Refrigeration side heat exchanger (4th heat exchanger)
Claims (1)
前記気柱管の軸方向に、低温の熱源と熱交換を行う第1熱交換器、温度勾配を保持する第1再生器、高温の熱源と熱交換を行う第2熱交換器を順に配置した原動機と、
前記気柱管の軸方向に、前記第2熱交換器から所定間隔を隔てて設けられて常温の熱源と熱交換を行う第3熱交換器、温度勾配を保持する第2再生器、常温よりも低温の熱が取り出される第4熱交換器を順に配置した冷凍機と、を備え、
前記第2熱交換機と前記第3熱交換機との離間距離は、前記第2熱交換機と前記第3熱交換機との間の気柱管内の空間体積を前記第1再生器又は前記第2再生器の空間体積と等しくする距離に設定される
ことを特徴とする熱音響冷凍装置。 An air column tube filled with gas,
A first heat exchanger that performs heat exchange with a low-temperature heat source, a first regenerator that maintains a temperature gradient, and a second heat exchanger that performs heat exchange with a high-temperature heat source are arranged in this order in the axial direction of the air column tube. Prime mover,
A third heat exchanger provided in the axial direction of the air column tube at a predetermined interval from the second heat exchanger for exchanging heat with a normal temperature heat source; a second regenerator for maintaining a temperature gradient; A refrigerator in which a fourth heat exchanger from which low temperature heat is taken out is arranged in order ,
The separation distance between the second heat exchanger and the third heat exchanger is the space volume in the air column tube between the second heat exchanger and the third heat exchanger, the first regenerator or the second regenerator. The thermoacoustic refrigeration apparatus is set to a distance equal to the space volume of
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