JP2000088378A

JP2000088378A - ループ管気柱音響波動冷凍機

Info

Publication number: JP2000088378A
Application number: JP10270291A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Hagiwara; 康正萩原; Masaatsu Ito; 正篤伊東; Taichi Yazaki; 太一矢崎; Akira Tominaga; 昭富永
Original assignee: IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
Current assignee: IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2000-03-31
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: JP3015786B1

Abstract

(57)【要約】【課題】冷凍機の冷凍が実質的に可能な、圧力振動の
大きな定在波及び進行波を発生せしめ得る自励的発振装
置とこれらの波を利用したループ管気柱音響波動冷凍機
を開発すること。【解決手段】気体を封入した配管１０に、高温側熱交
換器２２及び低温側熱交換器２３に挟まれたスタック２
１を挿入し、更にスタックと非対称の位置に蓄冷器３１
を高温側熱交換器３２及び低温側熱交換器３３と共に配
置して回路を形成し、スタックにおいて封入気体から自
励的に発生する定在波及び進行波を配管を通じて伝播せ
しめて、蓄冷器３１を蓄冷・冷凍すると同時に、円滑な
放熱を行う装置である。従って、圧縮機等を用いること
なく、作業ガスの圧力変動を生じさせ得るので、メンテ
ナンスが不要な熱音響作用によるループ管気柱波動冷凍
を提供できる。

Description

【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で熱音響効果に
より、配管を含む熱音響冷凍回路に共鳴（圧力振動）を
もたらし、発生した進行波等を利用して回路に設けた蓄
冷器を冷却せしめるループ管気柱音響波動冷凍機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】熱の影響により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「Soundhauss tube」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（G.W.
Swift "Thermoacoustic engines" 1988 AcousticalSoc
iety of America 第1147頁、FIG.3）。

【０００４】ビヤクーラーは、一端が開口し他端が閉止
された共鳴管の一端側に球状部を設ける一方、その共鳴
管の途中に、それぞれ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原動機及びヒート
ポンプを設け、その原動機によって共鳴管の共鳴周波数
において内部の作動ガスに圧力振動（定在波）を自己励
起（自励）させ、更に、その圧力振動を前記原動機とは
逆向きに働くヒートポンプに与えてその低温側熱交換器
によって冷却作用をなすようになっている。

【０００５】また、セパレー（Ceperley）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。この冷凍機はループ状の配管の途中でその
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
とを有し前記原動機とは逆向きに働くヒートポンプとを
設け、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。

【０００６】しかしながら、前述のCeperleyの提案を具
現化する試みが成功したとの報告はない。加えて、この
ような進行波進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（Atchley）により
なされおり（Third Joint Meeting, ASA and ASJ Dec,
1996 Honolulu, HI）、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】

【発明が解決しようとする課題】上述のような熱音響効
果を利用した冷凍機は、例えばAtchley等は円型又はそ
れに類する配管回路中の対称中心の位置に高温、低温の
熱源を有する熱交換器ではさまれたスタックを挿入して
いたが、何れにおいても冷凍に強く寄与し得るような進
行波を発生（発振）することができなかった。そのた
め、一般には、作動ガスの圧力を変動させるための手段
として圧縮機が用いられているのが現状である。

【０００８】しかしながら、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。
ところが、現実には発振した例が未だになく、どのよう
にして発振可能な装置を創作するかが最大の課題であっ
た。本発明は、上記従来の課題を解決すべくなされたも
ので、パルス管冷凍機等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のできる、熱音響効果を利用で
き、メンテナンスが実質的に不要な、耐久性に優れた波
動冷凍機を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、高温側熱源と
低温側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）を発生せしめ得る定在
波及び進行波の発生装置を蓄冷器と共に備えてなるルー
プ管気柱音響波動冷凍機である。従来技術の原動機やヒ
ートポンプでは、冷凍作用に強く寄与できる定在波や進
行波を発生させられなかったのであるが、本発明では、スタックにおける自己励起発振の条件を発見し、これ
を応用したこと、スタックと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、プライムムーバー（原動機）を非等温的に動作させる
こと、によって、初めて実用性のあるループ管気柱音響波動冷
凍機の開発に成功したものである。

【００１１】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蓄冷手段と、を
主たる構成とする音響波動冷凍機であって、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。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音響波動冷凍機能を
もたらす。次に、請求項２の発明は、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
有する配管において、該連結管を直線状の管部分を有す
る形状とすることにより、スタックに定在波が生じ易い
ように、配管の形状を特定したものである。安定した、
冷凍に寄与する進行波を発生せしめるには、定在波の存
在も不可欠であり、直線管部分と直線状の連結管部分と
が直交する配管形状が音響波動冷凍機能に殊に有用であ
る。また、請求項３の発明は、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
配管において、スタックと蓄冷器との間を繋ぐ配管の一
部が他の部分に較べてその内径が大きいことを特徴とす
るものであって、このように、同一管路長のとき、径の
太い部分を設けると、発振周波数を低くすることができ
る。このため冷凍に最適な発振周波数をより短い管路長
で実現できる。管路長は、占有体積を支配する大きな要
素であり、管路長の低減は奔発明冷凍機の小型化に強く
寄与する。

【００１２】更に、請求項４に記載の発明は、直線管部
の一端と連結管部の一端とを連結したときのそれぞれの
中心軸の交点を回路の始点とし、回路全長を1.00とする
とき、スタックの中心が回路全長の回路全長の０．２８
±０．０５の位置となるようにスタックを配置する。
この条件と、スタックにおける高温側熱源及び低温側熱
源のそれぞれの温度が適切であるとき、初めて効率のよ
い自励振動が生じる。加えて、請求項５の発明は、回路
全長を1.00とするとき、回路に沿った封入気体の圧力変
動が、スタックの近傍に第１のピークがあり、更に回路
全長の１／２ (回路全長の０．５０) 進んだ位置に第２
のピークがある場合に、請求項１に記載の蓄冷器の中心
位置を該第２ピークを過ぎた付近に設けることを特徴と
するものであって、この条件を満たすとき、蓄冷器の配
置が最適となり、冷却効率が一層高められる。

【００１３】好ましい条件を示す請求項６の発明は、回
路に封入する気体が、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリ
ウムとアルゴンとの混合物、又は空気を用いるものであ
り、その結果、冷凍機能が一層高められる。

【００１４】請求項７に記載の発明は、スタックを形成
する通気性多孔質物体或いは積層体の材質はセラミック
ス、焼結金属、金網、金属製不織布の少なくとも１種
を、単独又は組み合せて、集積・積層して用いて、その
ωτが０．２〜２０の範囲と成るように構成されたこと
を特徴とする。

【００１５】請求項８に記載の発明は、高温側熱源と低
温側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、非等温的
に、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
め得る進行波発生装置に関し、この発振装置を要すれば
蓄冷器と共に備えることを特徴とする。

【００１６】

【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。

【００１７】図１は、本発明に係るループ管気柱音響波
動冷凍機の一実施形態を示す図である。図１において、
１０は配管を含む回路を示し、回路には所定の作業ガス
として窒素等の不活性ガス（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、例えば絶対圧０．
１〜１．０ＭＰａ程度の加圧状態である。作業ガスは窒
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。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、そ
の配管全体の長手方向に延在する互いに平行な一対の長
さＬａの直線管部１１、１２と、これら直線管部１１、
１２の両端部に連結する略平行な一対の長さＬｂの連結
管部１３、１４と、を有している。更に、直線管部１５
の部分は、管径を太く構成している。この結果、後述す
るように、封入気体が自己励起により振動するとき、そ
の周波数が（管径が一様のときに較べて）低くなる。低
い周波数の発振の方が本発明の音響波動冷凍機では熱エ
ネルギー的に有利である。

【００１８】そして、一方の直線管部１１の所定領域に
は、作業ガスに圧力変動を生じさせる原動機としての圧
力振動発生手段が設けられている。この圧力振動発生手
段は、直線管部１１の軸線と平行で配管１０内の通路１
１より狭い複数の平行通路を形成する所定長さのスタッ
ク２１と、そのスタック２１の図中左側に隣接して設け
られた高温側熱交換器２２と、スタック２１の図中右側
に隣接して設けられた低温側熱交換器２３と、を有して
いる。配管１０は全体として略長方形に形成されてお
り、配管１０及びスタック２１は所定の対象中心（Ｌａ
／２の位置で直線管部１１、１２と直交する面に相当す
る）に対して対称な非円形の回路を形成している。これ
に対し、スタック２１の配設位置は、例えば長さＬａの
直線管部１１において低温側の管部長さが一端から略Ｌ
ａ／４〜約Ｌａ／３となり、高温側の管部長さが他端か
ら（３／４）・Ｌａ〜（２／３）・Ｌａとなるよう片側
に寄せた位置である。すなわち、スタック２１は、配管
１０及びスタック２１を含む作業ガスの回路（以下、単
に回路という）の対象中心に対し片寄せて配置されてい
る。なお、前記直線管部１１の一端、他端とは、直線管
部１１の中心軸線と連結管部１３、１４の中心軸線との
交点である。スタック２１は、例えば多数の平行な平行
通路を有するハニカム構造のセラミックからなるもの、
多数枚のステンレス鋼メッシュ薄板が微小間隔（数百μ
ｍ程度）で配置されたもの、ステンレス鋼繊維を集合し
た不織布、あるいは、焼結金属等をケース内に充填して
製作した狭い複数の通路を有するものであり、熱交換器
２２、２３によってスタック２１にその内壁面に沿う一
定の温度勾配を生じさせるようになっている。高温側熱
交換器は、多数枚の薄肉金属板が微小間隔で配設された
ものであり、周囲を図示しないヒータ等で高温、例えば
５８０°Ｋに保っている。また、常温熱交換器である低
温側熱交換器も、例えば多数枚の薄肉金属板が微小間隔
で配置されたもの、あるいはスタックと類似する構造の
ものであって、その周囲を常温冷却水等で冷却して、例
えば室温付近の２９０°Ｋに保つものである。前記高温
側熱交換器及びヒータは本発明にいう高温側熱源を構成
しており、低温側熱交換器及び常温冷却水等は低温側熱
源を構成している。なお、熱交換器２２，２３の外壁
は、例えば銅合金からなる。

【００１９】直線管部１２には蓄冷器３１が設けられて
いて、この蓄冷器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
てメッシュ状、球状、板状、板を丸めた形状、エッチン
グ処理された板等多様な物が利用できる。図１におい
て、蓄冷器は、一対のうち他方の直線管部１２に設けた
所定の蓄冷領域に直線管部１２の軸線と平行で、かつ、
配管１２内の通路より狭い複数のガス通路を形成する所
定長さのものである。この蓄冷器に対し進行波の進行方
向下流側には、高温側熱交換器３２が隣接して設けられ
ており、蓄冷器に対し前記進行波の進行方向上流側は低
温側熱交換器３３が隣接して設けられている。これら蓄
冷器３１及び熱交換器３２、３３のうち、蓄冷器はスタ
ック２１からの進行波が伝播され、高温側熱交換器３２
から内部に進入してきたとき、低温端側から高温端側へ
の熱移送、すなわち、低温側熱交換器３３による熱の汲
み上げと高温側熱交換器３２による熱の放出作用とを助
長するヒートポンプ３０を構成している。

【００２０】ここで、圧力振動発生手段であるスタック
２１の発振条件について説明する。スタックは細い繊維
を金網に編組した例で示すことが出来る多孔質積層体等
からなり、作業ガスが流れる際の平行通路の流路半径を
ｒ（数百〜数十μｍ）、作動ガスの角周波数をω、スタ
ック高温側熱交換温度をＴｈ、スタック低温側熱交換温
度をＴｃ、温度拡散係数をα、温度緩和時間をτ（＝ｒ
²／２α）として、実験結果に基づき、振動発生の条件
を熱交換の程度を示す無次元量ωτと温度比Ｔｈ／Ｔｃ
でまとめると、図３に示すような進行波についての曲線
が得られる。図２は、図３の定在波等の観測に供した圧
力振動発生手段（スタック）又は共鳴器の概略図であ
る。共鳴器として使用する場合は回路１０の中に仕切板
１９を設けて両端が閉止された配管の状態からなり、共
鳴器はスタック２１と高温側熱源２２と低温側熱源２３
とを備えている。また圧力振動発生手段として用いる場
合は、図１の場合と同様に、回路には仕切板が不要であ
る。圧力振動発生手段でも共鳴器でも、いずれの場合で
も気体を封入し、それぞれ高温側熱源と低温側熱源とを
所定の温度に保つとき、図３に示す特定の条件を満たせ
ば、スタックに自励的な発振が起こる。スタックにより
発振が起こるとき、共鳴器では、仕切板の位置を波動の
節とする定在波が主として発生し、回路全長を例えば、
半波長、全波長、２波長……とする振動が生じている。
これに対し、仕切板のない場合は定在波が先ず発生し、
これが増幅されて進行波の発生を促すようである。図３
は、上述の共鳴器の実験結果である定在波のωτと温度
比Ｔｈ／Ｔｃを示すスタビリティー曲線も併記してい
る。なお、これらの定在波及び進行波の観測は，図２に
示されているように光源４３と超小型のレーザー光線を
用いたドップラー速度計（ＬＤＶ）とを配管の一部を透
明なガラス管４１に置き換えて実施し、更に圧力計等を
回路中に配置して１０〜１００マイクロ秒（μｓ）単位
の計測を行った結果に基づくものである。図３から明ら
かなように、進行波はωτ＝１〜２近傍において最も少
ない温度比（少ない入力）で発振する。また、ωτ＝
０．２〜２０の範囲内にある場合と範囲外の場合では、
範囲内にある方が少ない温度比で発振する。さらに極端
にωτを大きく（例えば１０００以上）したり、極端に
小さく（０．００１以下）した場合には、有効な進行波
を得ることができない。また、定在波は進行波に比べて
極小となるωτ値がやや大きく（３〜４）、温度比Ｔｈ
／Ｔｃの極小値も高いことが判明した。この安定した定
在波及び進行波を発生せしめる条件は、図３に示したと
おりであって、本発明者等により初めて明らかにできた
ものである。図１の本発明のループ管気柱からなる音響
波動冷凍機に関する説明を再び行う。

【００２１】図面のような構成において、高温側熱交換
器２２を介してスタック２１の高温側に高温の熱が供給
されるとともに、スタック２１の低温側から低温側熱交
換器２３を介して熱の放出がなされるとき、スタックの
両端に所定の大きな温度差（Ｔｈ−Ｔｃ）が生じて、ス
タックの各通路壁に所定の温度勾配が生じる。そして、
これに起因して、スタック内部の狭い平行通路内に入っ
ている作業ガスが、作業ガスの圧力と配管１０の長さと
に応じた発振周波数で発振する。そして、スタック２１
では熱音響効果で熱が振動のエネルギーに変換され、定
在波及び進行波が生じる。この定在波及び進行波の圧力
変動により蓄冷器に優れた蓄冷効果をもたらす。言い換
えると、圧縮機等を用いることなく、作業ガスに冷凍サ
イクルに必要な圧力変動を生じさせることができ、コン
パクトな装置で、冷凍を行うことができる。

【００２２】ここで、本発明のループ管気柱音響波動冷
凍機の好ましい要件について補説する。本発明装置で
は、スタック２１を配設する所定領域が一方の直線管部
１１の軸線方向中央位置から外れた位置（片寄せ位置）
にあり、無端の管路１０をその長手方向両側に対称に区
分する対称中心の片側に位置させていることから、圧力
振動発生手段によって冷凍に強く寄与し得るような進行
波を発生させることができると推測される。このスタッ
クの好ましい位置は、図１の配管の場合、直線管１２と
連結管１３とにおいて、両者の連結部の中心位置（それ
ぞれの軸の交点）を始点とするとき回路全長（全長を
１．００とする）の約０．２８の位置に存在する。とこ
ろで、蓄冷器とスタックとの相対位置関係についても従
来技術では明らかにされていない。もっとも、従来技術
では自励的な発振が起きたことがなく、発振条件が不明
であることは当然である。図４に示したように、蓄冷器
とスタックとの相対間な最適位置を実験的に決めること
ができる。回路内に極めて小型の圧力センサ（測定器）
４２等を配し、作業ガスの圧力の変動を通して、進行波
の伝搬速度、蓄冷器とスタックとの距離（ある位置を起
点にＸｎ＝０とし、反時計廻りに進めて回路全長をＸｎ
＝１とする）を変数として、回路における最適位置を
探求した。回路Ｘｎに沿った封入気体の圧力変動が、ス
タックの近傍に第１のピークがあり、更に回路全長の約
１／２ ( 回路全長の約０．５０) 進んだ位置に第２の
ピークがある図４の場合に、蓄冷器の中心がこの第２ピ
ークを過ぎた位置となるように蓄冷器を設けるとよい。
言い換えると、蓄冷器とスタックとの間隔は、０．５５
±０．１０程度となるように距離を措くとき、エネルギ
的に蓄冷効果が最大となる。この理由は、定在波による
熱のポンピングは圧力振幅の大きくなる方向に向かい、
進行波は進行波の進む方向と逆に成る。粘性損失は圧力
振幅が最大となる位置で最小となるので、両者の効果の
和が最大となる第２の圧力振幅のピークを少し過ぎたあ
たりに蓄冷器を配置するのが最適となるためである。

【００２３】本発明では、圧縮機等を用いることなくヒ
ートポンプによる冷却作用をなすことができ、しかも、
配管を全体として立体的に構成することが可能であるこ
とは云うまでもなく、全体をコンパクトにしながら十分
な配管長さを確保することができ、回路が長い程、発生
する振動の周波数が低く、冷凍作用が高められる利点が
ある。

【００２４】

【実施例】図１に示した一実施形態と同様な構成の配管
について、配管１０の直線管部１１、１２の長さＬａを
１１９０ｍｍとし、配管の連結管部１３、１４の長さＬ
bを２７５ｍｍとしたものであって、配管の内径を４
１．５ｍｍ、及び配管の肉厚を０．５ｍｍとした。直線
管部１１、１２と連結管部１３、１４との間のコーナー
部の曲率半径Ｒを５０ｍｍとなるように接続した。ま
た、スタック２１の長さを４０ｍｍとし、スタックの径
寸法を４０ｍｍとしたものであって、その際に使用した
スタックのセルサイズは＃１５００（１５００個／i
n²）である。高温側熱交換器２２は直径１ｍｍのシース
ヒータであって、全長１０００ｍｍ、３０Ω（電気抵抗
値）のものであり、低温側熱交換器２３は長さ１０ｍｍ
の鋼板からなるフィンを２１枚収束して径３７ｍｍに構
成したものである。蓄冷器３１は、長さ８０ｍｍで、径
４０ｍｍのものであって、ステンレス鋼製のメッシュを
組み合わせて充填使用した。蓄冷器に接する熱交換器３
２・３３は高温・低温側共に、スタックの低温側熱交換
器と同様なフィン型で、ワイヤーカットで加工した長さ
軸方向１５ｍｍ、フィン厚さ１ｍｍ、間隙０．５ｍｍ、
内径３７．５ｍｍのものである。封入ガスは窒素、空気
等を使用したが、ヘリウムとアルゴンとの混合気体（
０．２５ＭＰａ）が冷却機の用途には最適であった。な
お、図１の定常的運転ではシースヒータに２００Ｗ以下
の電力を供し、蓄冷器の温度を室温（２８℃）からマ
イナス２４℃（２４９Ｋ）まで降下せしめることができ
た。

【００２５】別に、図２の回路の薄い仕切板１９を挿入
した共鳴器について説明する。

【００２６】作業ガスとして、封入圧力０．１ＭＰａの
空気を充填し、スタック両側の熱交換器の低温側にお
ける冷却温度Ｔｃら２９０Ｋ（水冷）とし、高温側にお
ける加熱温度Ｔｈを３５０Ｋから約８８０Ｋまで変化さ
せて、熱エネルギーの供給・放出を行って、図３のスタ
ビリティー曲線を実験的に得ている。Ｔｃが臨界温度
（しきい値）を超えると、自励発振が起こることが観察
された。

【００２７】なお、図２の回路は長さ４０ｍｍのスタ
ックを有し、内径２０．１ｍｍ、全周２．５８ｍ（但し
ガラス管部分４１は内径が１８．５ｍｍ）のものであ
る。発生した定在波の周波数は２６８Ｈｚであった。仕
切板を除いて図３に示した進行波に関するスタビリティ
曲線を得た。

【００２８】

【発明の効果】本発明に係るループ管気柱音響波動冷凍
機は、配管、スタック及び蓄冷器を非対称的に配置する
と共に、封入ガスの流れを直線管の旋回によって、定在
波及び進行波を発生し易く設計しているので、本発明の
装置によれば、圧縮機等を用いることなく、作業ガスの
圧力変動を生じさせることができ、コンパクトで耐久性
に優れた音響波動冷凍機を提供することができる。さら
に、本発明に係るループ管気柱音響波動冷凍機は、圧力
振動発生手段によって冷凍に強く寄与する定在波及び進
行波を発生させているので、ヒートポンプによる効率の
良い蓄冷・冷凍と熱の放出とを行うことができる。ま
た、配管の径を部分的に太くすれば、或いは配管長を大
幅に拡大できれば、発振周波数を低くすることが可能と
なり、熱効率の良い波動冷凍機を得ることができる。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であって、スタックと蓄冷
器と配管で構成されたループ管気柱音響波動冷凍機の概
略図である。

【図２】スタックにおいて発生する定在波を測定する
ための共鳴器の概略図である。閉止機能を持つ仕切板を
外すと、進行波も発生する。

【図３】定在波（●）及び進行波（）におけるωτと
Ｔｈ／Ｔｃとの関係を示すスタビリティ曲線である。上
に凹の曲線の上側が発振領域であって、曲線の下方は発
振の起こらない領域である。

【図４】進行波及び定材波の併存する場合における
回路位置と圧力変化挙動とを示す位置と圧力変動とのグ
ラフである。蓄冷器の最適位置Ｒは図中矢印（↓）で
示している。

【符号の説明】

１０配管（配管の回路）１１、１２直線管部１３、１４連結管部１５連結管の太径部分１９仕切板２１スタック２２高温側熱交換器２３低温側熱交換器３１蓄冷器３２高温側熱交換器３３低温側熱交換器４１ガラス管４２圧力測定器４３光源

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年８月３０日（１９９９．８．３
０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】更に、請求項４に記載の発明は、請求項１
の発明において、直線管部の一端と連結管部の一端とを
連結したときのそれぞれの中心軸の交点を回路の始点と
し、回路全長を1.00とするとき、スタックの中心が回路
全長の回路全長の０．２８±０．０５の位置となるよ
うにスタックを配置する。この条件と、スタックにおけ
る高温側熱源及び低温側熱源のそれぞれの温度が適切で
あるとき、初めて効率のよい自励振動が生じる。加え
て、請求項５の発明は、請求項１の発明において、回路
全長を1.00とするとき、回路に沿った封入気体の圧力変
動が、スタックの近傍に第１のピークがあり、更に回路
全長の１／２ ( 回路全長の０．５０) 進んだ位置に第
２のピークがある場合に、請求項１に記載の蓄冷器の中
心位置を該第２ピークを過ぎた付近に設けることを特徴
とするものであって、この条件を満たすとき、蓄冷器の
配置が最適となり、冷却効率が一層高められる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】請求項７に記載の発明は、請求項１の発明
において、スタックを形成する通気性多孔質物体或いは
積層体の材質はセラミックス、焼結金属、金網、金属製
不織布の少なくとも１種を、単独又は組み合せて、集積
・積層して用いて、そのωτが０．２〜２０の範囲と成
るように構成されたことを特徴とする。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７
の何れかに従属するものであって、高温側熱源と低温側
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、非等温的に、
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）を発生せしめ得
る進行波発生装置に関し、この発振装置を要すれば蓄冷
器と共に備えることを特徴とする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者富永昭茨城県土浦市乙戸南１丁目17番21号

Claims

【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、前記スタックにお
いて前記封入気体に定在波及び進行波を自励的に発生さ
せて前記蓄冷器を冷却せしめてなるループ管気柱音響波
動冷凍機。
【請求項２】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において、該
連結管が直線部分を有する形状からなる請求項１に記載
のループ管気柱音響波動冷凍機。
【請求項３】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において、ス
タックと蓄冷器との間の配管の一部が他の部分に較べて
その内径を大きくなしたことを特徴とする請求項１に記
載のループ管気柱音響波動冷凍機。
【請求項４】直線管部の一端と連結管部の一端とを連結
したときのそれぞれの中心軸の交点を回路の始点とし、
回路全長を1.00とするとき、スタックの中心が回路全長
の０．２８±０．０５の位置となるように該スタック
を配することを特徴とするループ管気柱音響波動冷凍
機。
【請求項５】回路全長を1.00とするとき、回路に沿った
封入気体の圧力変動が、スタックの近傍に第１のピーク
があり、更に回路全長の約１／２ ( 回路全長の約０．
５０)進んだ位置に第２のピークがある場合に、請求項
１に記載の蓄冷器の中心が該第２ピークを過ぎた位置と
なるように該蓄冷器を設けることを特徴とするループ管
気柱音響波動冷凍機。
【請求項６】回路に封入する気体が、窒素、ヘリウム、
アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物、又は加圧空
気から選ばれた気体である請求項１乃至５のいずれかで
あるループ管気柱音響波動冷凍機。
【請求項７】スタックの材質がセラミックス、焼結金
属、金網、金属製不織布の少なくとも１種からなり、そ
のωτが０．２〜２０の範囲と成るように構成されたこ
とを特徴とするループ管気柱音響波動冷凍機。
【請求項８】高温側熱源と低温側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）を発生せしめ得る定在波及び進行波発生装置を、要
すれば蓄冷器と共に、備えてなるループ管気柱音響波動
冷凍機。