JPH10325625A - 音響冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 理論効率がカルノー効率を有する冷凍システ
ムが可能な音響冷凍装置を提供する。 【解決手段】 周長が音波の波長の整数倍である共鳴管
１と、この共鳴管１内において、音波の波長の１／４波
長の奇数倍の間隔をもって配置されるスピーカ２および
スピーカ３と、このスピーカ２およびスピーカ３から発
せられる音波の位相が１／４周期の奇数倍異なるように
するための音波発生制御手段５０と、パイプ１内の所定
位置に配設される蓄冷部材２０とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、音響冷凍装置に
関し、より特定的にはカルノーサイクルに近似する理想
的なガスサイクルを実現することのできる音響冷凍装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】音響冷凍装置の１つとして、共鳴管冷凍
装置の構造およびその原理について、図９〜図１１を参
照して説明する。まず、図９を参照して、この共鳴管冷
凍装置２００の基本的な構造について説明する。一方端
が閉端２０２Ａで他方端が開口端２０２Ｂとなったパイ
プ２０２を有し、音響発生用のスピーカ２０１および平
板が複数層状に配列されたスタック２０３とを有してい
る。

【０００３】スピーカ２０１は、パイプの開口端２０２
ｂから閉端２０２Ａへ向けて音波を放射するために設置
され、この共鳴管冷凍装置２００の駆動部である。スタ
ック２０３は、パイプ２０２内で音波進行方向と平行に
配設され、平板がすべて等間隔となるように並べられて
いる。

【０００４】スピーカ２０１から音波が発生されると、
スタック２０３の両端に温度差が発生し、このスタック
２０３の低温端と高温端とがそれぞれ熱交換機を介して
対象物の冷却および外界への放熱を行なう。このため、
スタック２０３には、ナイロン、ポリエステル、その他
熱伝導性の低いものが使われている。

【０００５】スピーカ２０１への印加電流の周波数は、
音波がパイプ２０２内で共鳴すように選択され、このと
き、パイプ２０２内には、圧力変動の大きい圧力の腹の
部分と、圧力変動のない圧力の節の部分が交互に発生
し、同様にガスの変位の腹と節も生じている。なお、図
９中のＰは圧力の変動を示し、Ｗで示す矢印はガスの変
位の振幅を示している。

【０００６】上記構造によりなる共鳴管冷凍装置２００
は、微小なガス塊によるガスサイクルで説明することが
できる。このガスサイクルについて、図１０および図１
１を参照して説明する。

【０００７】共鳴管冷凍装置２００におけるガスサイク
ルは、ブレイトンサイクルとして説明することができ
る。微小なガス塊が変位の節方向へ最も移動するとき、
ガス塊は断熱的に変化して圧力が最大となり、このとき
ガス温が最高となる。この行程は、図１０および図１１
において、Ｇ→Ｅで示す断熱圧縮行程となる。

【０００８】次に、高温となったガス塊は、スタック２
０３における温度差を保持するプレートに放熱しガス塊
は冷却される。このとき、ガス圧の変化はゆっくりして
いる。この行程は、図１０および図１１において、Ｅ→
Ａで示す等圧変化行程である。

【０００９】次に、ガス塊が変位の腹の方向へ最も移動
するとき、断熱的に膨張され圧力が最小となり、このと
きガス温度が最も低温となる。この行程は、図１０およ
び図１１において、Ａ→Ｆで示す断熱膨張行程となる。

【００１０】その後、低温となったガス塊は、スタック
２０３から吸熱する。この際も、ガス塊の圧力変化はゆ
るやかである。この行程は、図１０および図１１に示す
Ｆ→Ｇで示す等圧変化行程である。以上のガスサイクル
により、熱を変位の節方向から腹方向へ運ぶことができ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ここで、上記共鳴管冷
凍装置のガスサイクルにおける冷凍能力となる吸熱量
は、図１０における温度−エントロピ線図において、Ｆ
・Ｇ・Ｓｈ・Ｓｃで囲まれる面積である。したがって、
図１０中に示すカルノーサイクルの冷凍能力となる吸熱
量Ｈ・Ｇ・Ｓｈ・Ｓｃで囲まれる面積よりもＨ・Ｇ・Ｆ
で囲まれる面積だけ小さくなる。さらに、入力仕事を表
わすＡ・Ｅ・Ｇ・Ｆも、カルノーサイクルよりもＨ・Ｇ
・Ｆ＋Ａ・Ｄ・Ｅの面積分大きくなっており、効率はか
なり小さくなることがわかる。この原因は、ガス塊が膨
張されたときの温度Ｔｃ′とスタック２０３の温度Ｔｃ
との温度差により熱を吸収させたり、ガス塊が圧縮され
たときの温度Ｔｈ′とスタック２０３の温度Ｔｈとの温
度差で熱を放熱しているため、熱的移動過程が不可逆的
となっているためである。

【００１２】したがって、この発明は、上記問題点を解
決するためになされたもので、熱的移動行程が可逆的と
なり、そのガスサイクルが理想的なガスサイクルである
カルノーサイクルに近似する音響冷凍装置を提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に基づいた音響
冷凍装置においては、中空の環状の管路を有し、周長が
音波の波長の整数倍である共鳴管と、上記共鳴管の管内
において、上記音波の波長の１／４波長の奇数倍の間隔
をもって配置される第１音波を発生させるための第１音
波発生装置および第２音波を発生させるための第２音波
発生装置を有する音波発生装置と、上記共鳴管内の所定
位置に配設される蓄冷部材と、上記第１音波と上記第２
音波との位相が１／４周期の奇数倍異なるように発生さ
せるため、上記第１音波発生装置および上記第２音波発
生装置を制御する音波発生制御装置とを備えている。

【００１４】上記構造よりなる音響冷凍装置において、
第１音波発生装置および第２音波発生装置から共鳴管内
に音波を放射した場合、音波は、共鳴管内において２方
向に進行する。その後、第１音波発生装置および第２音
波発生装置から発生された音波の位相は、第１音波発生
装置と第２音波発生装置との配置間隔および発生される
音波の位相から、１方向へ進行する音波は重ね合わされ
増幅し、他方向へ進行する音波は打消されることにな
る。このため、音波は１方向にのみ進行する音波だけ
が、共鳴管内において残り、さらに、１回転した後同じ
位相の音波が重ね合わされるため、共鳴と同じように音
波の振幅が常に増幅されることになる。

【００１５】このようにして形成された１方向のみに進
行する音波が蓄冷部材を通過する場合、各場所に位置す
る微小なガス塊の圧力および変位は、その位置により位
相のずれが生じる。これにより、各場所に位置する微小
なガス塊は、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。その膨張行程および圧縮行程
において、熱吸収および熱放出が行なわれるため、熱が
音波の進行方向からその反対方向へ順次運ばれることに
なる。その結果、冷凍サイクルにおける熱の伝達行程を
可逆的に行なうことが可能となる。

【００１６】また、上記音響冷凍装置において、好まし
くは、上記音波発生装置を、音波の１／４波長の奇数倍
ずらして複数配設することにより、１つ１つの音波発生
装置に加わる負荷を小さくすることが可能となり、音響
冷凍装置の長寿命化を図ることが可能となる。また、複
数配設することにより、たとえば１つが故障した場合に
おいても、他の音波発生装置の出力を少しずつ上げるこ
とにより補間することが可能となり、信頼性の高い音響
冷凍装置を提供することが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明に基づいた音響冷
凍装置の実施の形態について、図を参照して説明する。
まず、この音響冷凍装置の基本構造およびその原理につ
いて、図１および図２を参照して説明する。

【００１８】音波が進行するパイプ１は、中空の環状の
管路を有し閉ループとなっている。このパイプ１の周長
は、音波の波長の整数倍となるように設定する。なお、
実施の形態において、パイプ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、相対的
に音波の１／４波長の奇数倍に等しい距離だけ離して、
パイプ１内に音波を放射するようにパイプ１に取付けら
れる。

【００１９】また、スピーカ２，３から放射される音波
は、スピーカ２，３から発生されるお互いの位相が音波
の１／４周期の奇数倍だけずれるように、音波発生制御
装置５０を用いて制御される。

【００２０】次に、上記基本構造よりなる音響冷凍装置
の動作原理について図２を参照して説明する。スピーカ
２，３からそれぞれ放射された音波は、パイプ１内に入
ってから２方向に進行する。その後、パイプ１内におい
て、スピーカ２，３から放射された音波が、それぞれパ
イプ１内を進行し重なり合う。音波の位相は、スピーカ
２，３の配置間隔と音波の位相差の関係から、図２に示
すように、１方向へ進行する音波２Ｌと３Ｌとは、同位
相となり重ね合わされて増幅し、他方へ進行する音波２
Ｒと３Ｒとは逆位相となり打消合う。その結果、音波
は、１方向にのみ進行する音波だけが残る。さらに、パ
イプ１を１回転した後、同じ位相の音波が重ね合わされ
るため、共鳴と同じように音波の振幅が常に増幅される
ことになる。

【００２１】次に、図３に示すように、上記構造よりな
る音響冷凍装置のパイプ１内に、熱交換性がよく、圧力
損失の小さい蓄冷部材２０を挿入した場合における冷凍
原理について図４を参照して説明する。蓄冷部材２０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
行程および圧縮行程において蓄冷部材２０を用いて熱吸
収および熱放出が行なわれれば、熱が音波の進行方向か
らその反対方向へ図４に示すように、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、従来の共
鳴管冷凍装置よりも効率が高くなる。

【００２２】ここで、さらに、本実施の形態における音
響冷凍装置のガスサイクルについて、図５および図６を
参照して説明する。まず、図５を参照して、最も理想的
なガスサイクルであるカルノーサイクルについて簡単に
説明する。このカルノーサイクルは、等温行程と断熱行
程で構成されたもので、図５に示すように、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。Ａ→Ｈは、断熱膨張行程（エントロピ一定）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。

【００２３】冷凍能力を示す吸熱量は、等温膨張行程Ｈ
→Ｇとエントロピ線図で囲まれる長方形Ｈ・Ｇ・Ｓｈ・
Ｓｃの面積で表わされる。また、外部への放熱量は同様
に、長方形Ｄ・Ａ・Ｓｃ・Ｓｈの面積で表わされる。こ
のカルノーサイクル中に外部から加えた入力仕事はこの
差となる長方形Ａ・Ｈ・Ｇ・Ｄの面積で表わされる。し
たがって、効率は、このＡ・Ｈ・Ｇ・Ｄに対するＨ・Ｇ
・Ｓｈ・Ｓｃの割合で表わされる。

【００２４】次に、本実施の形態における音響冷凍装置
のガスサイクルについて説明する。ガス塊と伝熱性のよ
い蓄冷部材２０に１方向に進行する音波が通過する場
合、それぞれ微小なガスの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。このとき、蓄冷部材２０が極めて伝熱性がよいた
め、等温圧縮行程となる。この行程は、図５および図６
において、Ｄ→Ａの行程で示される。

【００２５】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２０の温度勾配に沿って熱を
放熱し、ほぼ等積変化で冷却される。この行程は、図５
および図６のＡ→Ｂで示される。

【００２６】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２０から熱を吸収する等温膨張行程とな
る。この行程は、図５および図６において、Ｂ→Ｃで示
す行程となる。

【００２７】ガスが、音波進行方向へ移動するときに
も、蓄冷部材２０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５および図６において、Ｃ
→Ｄに示す行程となる。

【００２８】以上により、図５に示すＤ→Ａ→Ｂ→Ｃ→
Ｄの１サイクルで熱を音波進行と逆方向へ運ぶことが可
能となる。このように、等温行程と等積行程により構成
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。また、スターリングサイクルでの冷凍能力を表わす
吸熱量は、Ｂ・Ｓｃ′・Ｓｈ′・Ｃとなり、カルノーサ
イクルでの吸熱量Ｈ・Ｓｃ・Ｓｈ・Ｇと等しくなる。同
様に、入力仕事を表わすＡ・Ｂ・Ｃ・Ｄもカルノーサイ
クルの値Ａ・Ｈ・Ｇ・Ｄと等しくなり、効率も等しくな
る。したがって、本実施の形態における音波冷凍装置に
おいては、カルノーサイクルと同等の効率を有すること
がわかる。

【００２９】また、理論効率を表わす式は、以下に示す
ようになる。カルノーサイクル（スターリングサイク
ル）の冷凍効率は、 ηｓｔ＝１／（Ｔｈ／Ｔｃ−１） 従来技術の共鳴管冷凍装置（ブレイトンサイクル）の理
論効率は、 ηｂｒ＝１／（Ｔｈ／Ｔｃ′−１） したがって両者を比較した場合、ηｓｔ＞ηｂｒ（Ｔｃ
＞Ｔｃ′）となる。

【００３０】ここで、冷媒と蓄冷部材との間で可逆的な
熱交換を行なうためには、その間の熱伝達が非常に音波
の周期に比べ速く行なわれる必要がある。周期を長くす
るためには、音速は一定と考えた場合、波長を長くする
必要がある。それに伴い、音響冷凍装置のパイプの周長
も長くなる必要がある（実現できる最小のパイプ周長は
１波長）。

【００３１】パイプ内で強い音波を進行させる場合、管
壁や蓄冷部材の摩擦のため強い減衰を生じる。そこで、
音波として非常に安定に伝わる孤立波を発生させこの音
波を伝播させることにより、急激な減衰を起こすことな
く大きな冷凍能力を実現することが可能となる。この孤
立波は、音波の振幅の影響が大きく非線型性の影響を受
ける場合でも、分散性を受ける状態にすることで波形が
変わることなく安定に伝播する性質を持つ波である。孤
立波の発生方法としては、音波が伝播するパイプ側壁に
複数個の比較的容積の小さい空間を枝状に設置して分散
性を加えることが考えられるが、具体的には枝状に設置
されるスピーカの容積を適切に選択することや、適切な
容積を持つ小さなタンクをパイプに枝状に設置すること
などが考えられる（参考文献：Ｎ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，
Ｊ．Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．Ｖｏｌ．２４４，ｐｐ５５
−７８，１９９２）。

【００３２】（具体例）次に、上述した構成および原理
からなる音響冷凍装置の具体例について、図７を参照し
て説明する。この音響冷凍装置１００は、中空の環状の
パイプ１を有している。このパイプ１には、ビニール製
のフレキシブルホースが用いられ、その周長は、約３．
４ｍである。このパイプ１には、接合部ジョイント６，
７を介在して、スピーカ２，３が設けられている。スピ
ーカ２，３には、それぞれ背面カバー４，５が取付けら
れている。

【００３３】また、スピーカ２，３には、スピーカ２，
３からそれぞれ所定の音波を発生させるためのアンプ１
１、位相調整器１２および信号発生器１３が接続されて
いる。

【００３４】一方、パイプ１には、マイクロフォン８，
９が所定の位置に設けられ、マイクロフォン８，９から
得られる信号を観測するためのオシロスコープ１０が接
続されている。また、パイプ１には、蓄冷部材１４が設
けられ、この蓄冷部材１４には、熱電対１５，１６が取
付けられ、熱電対１５，１６には、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１
７が接続されている。

【００３５】上記構成よりなる音響冷凍装置１００にお
いて、駆動周波数１００Ｈｚ、マイクロフォンの設置位
置としては、マイクロフォン９を、スピーカ３近傍、マ
イクロフォン８を、スピーカ３から見た場合、スピーカ
２とは反対方向へ１／４波長離れた場所に取付けてい
る。

【００３６】また、熱電対については、蓄冷部材１４の
両端に取付け、スピーカ２とスピーカ３との間隔は、約
０．８５ｍとした。上記構成よりなる音響冷凍装置にお
いて、能力測定は以下の手順で行なった。

【００３７】（１） 信号発生器１３の正弦波信号から
位相調整器１２により位相をずらした信号を発生させ
て、もとの信号と位相のずれた信号とをそれぞれアンプ
１１により増幅し、それぞれスピーカ２および３に入力
する。

【００３８】（２） マイクロフォン８，９からの信号
をオシロスコープ１０により観察しながら、スピーカ２
とスピーカ３とから放射される音波の位相が１／４周期
だけずれるように調節する。このとき、アンプ１１の出
力は、マイクロフォン８，９の信号出力が正弦波的な範
囲に設定する。

【００３９】（３） 蓄冷部材１４の両端温度を、オシ
ログラフィックレコーダ１７でモニタする。ここで、温
度差が生じていることを確認する。

【００４０】（４） アンプ１１の出力を徐々に上げ、
温度差が大きくなることをオシログラフィックレコーダ
１７で確認する。その結果、上述した音響冷凍装置にお
いては、以下に示す結果が得られた。

【００４１】高温部温度４２℃ 低温部温度３４℃ 温度差８℃ 室温２６℃ 上記結果から、冷凍能力を確認することはできなかった
が、蓄冷部材において温度差が生じることが確認するこ
とができた。

【００４２】また、上記構成において、スピーカを２台
用いた場合について説明したが、たとえば、図８に示す
音響冷凍装置に示すように、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５０Ａ，５０Ｂおよび
スピーカ６０Ａ，６０Ｂをそれぞれ音波の１／４波長の
奇数倍ずらして配設することにより、各組のスピーカの
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可能となる。また、いずれかの組の
スピーカが故障した場合においても、他の組のスピーカ
の出力を少しずつ上げることで補間することが可能とな
り、信頼性の高いシステムを実現することが可能とな
る。

【００４３】なお、今回開示した実施の形態はすべての
点で例示であって制限的なものではないと考えられるべ
きである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許
請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意
味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図
される。

【００４４】

【発明の効果】この発明に基づいた音響冷凍装置によれ
ば、第１音波発生装置および第２音波発生装置から共鳴
管内に音波を放射した場合、音波は、共鳴管内において
２方向に進行する。その後、第１音波発生装置および第
２音波発生装置から発生された音波の位相は、第１音波
発生装置と第２音波発生装置との配置間隔および発生さ
れる音波の位相から、１方向へ進行する音波は重ね合わ
され増幅し、他方向へ進行する音波は打消されることに
なる。

【００４５】このため、音波は１方向にのみ進行する音
波だけが、共鳴管内において残り、さらに、１回転した
後同じ位相の音波が重ね合わされるため、共鳴と同じよ
うに音波の振幅が常に増幅されることになる。

【００４６】このようにして形成された１方向にのみ進
行する音波が、蓄冷部材を通過する場合、その音波は、
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した場合、その中心位置を境に音波
の進行方向では膨張が起こり、その反対方向では圧縮が
起こっている。その膨張行程および圧縮行程において、
熱吸収および熱放出を行なうことにより、熱が音波の進
行方向からその反対方向へ順次運ばれることになる。そ
の結果、熱の伝達行程を可逆的に行なうことが可能とな
る。

【００４７】また、上記音響冷凍装置において、好まし
くは、上記音波発生装置を、音波の１／４波長の奇数倍
ずらして複数配設することにより、１つ１つの音波発生
装置に加わる負荷を小さくすることが可能となり、音響
冷凍装置の長寿命化を図ることが可能となる。また、複
数配設することにより、たとえば１つが故障した場合に
おいても、他の音波発生装置の出力を少しずつ上げるこ
とにより補完することが可能となり、信頼性の高い音響
冷凍装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく音響冷凍装置の１方向に進行す
る音波を発生させるための原理を説明するための第１の
図である。

【図２】本発明に基づく音響冷凍装置の１方向に進行す
る音波を発生させるための原理を説明するための第２の
図である。

【図３】この発明に基づいた音響冷凍装置の基本構造を
示す概略図である。

【図４】本発明における音響冷凍装置の伝熱行程を説明
するための模式図である。

【図５】本発明における音響冷凍装置の冷凍サイクルの
Ｔ−Ｓ線図である。

【図６】図５に示す冷凍サイクルを説明するための模式
図である。

【図７】本発明における音響冷凍装置の具体的構成を示
す図である。

【図８】本発明における音響冷凍装置の他の具体例を説
明するための模式図である。

【図９】共鳴管冷凍装置の構成および動作原理を説明す
るための図である。

【図１０】共鳴管冷凍装置の冷凍サイクルを説明するた
めのＴ−Ｓ線図である。

【図１１】図１０に示す冷凍サイクルを説明するための
模式図である。

【符号の説明】

１ パイプ ２，３ スピーカ １４，２０ 蓄冷部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空の環状の管路を有し、周長が音波の
   波長の整数倍である共鳴管と、 前記共鳴管の管内において、前記音波の波長の１／４波
   長の奇数倍の間隔をもって配置される第１音波を発生さ
   せるための第１音波発生装置および第２音波を発生させ
   るための第２音波発生装置を有する音波発生手段と、 前記共鳴管内の所定位置に配置される蓄冷部材と、 前記第１音波と前記第２音波との位相が１／４周期の奇
   数倍異なるように発生させるため、前記第１音波発生装
   置および前記第２音波発生装置を制御する音波発生制御
   手段と、を備える音響冷凍装置。
2. 【請求項２】 前記音波発生装置を、それぞれ前記音波
   の１／４波長の奇数倍ずらして、複数個配設された、請
   求項１に記載の音響冷凍装置。