JPH11337206A

JPH11337206A - 音響冷凍装置

Info

Publication number: JPH11337206A
Application number: JP14609898A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Masuda; 光博増田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【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。

Description

【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(2
02A)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(2
03)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(5
0A)(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(15
0)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２
２５°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２７
０°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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る音響冷凍装置の断面図である。

【図２】該音響冷凍装置に装備されている圧電素子片の
一部破断正面図(ａ)及び断面図(ｂ)である。

【図３】該音響冷凍装置を構成する音響管の断面図であ
る。

【図４】出願人の提案にかかる音響冷凍装置の動作原理
を説明するための第１の図である。

【図５】同上の第２の図である。

【図６】該音響冷凍装置の基本構造を示す概略図である

【図７】該音響冷凍装置の伝熱行程を説明するための図
である。

【図８】該音響冷凍装置の冷凍サイクルを表わすＴ−Ｓ
線図である。

【図９】該冷凍サイクルを説明するための図である。

【図１０】出願人の提案に係る他の音響冷凍装置の基本
構造を示す概略図である。

【図１１】従来の音響冷凍装置の断面図である。

【符号の説明】

(１) 音響管 (４) 蓄冷器 (５) 電源 (６) 圧電素子片 (７)〜(77) 位相調整器 (61) 電極 (８) 弾性部材

Claims

【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。