JPH11344266A

JPH11344266A - 音響冷凍装置

Info

Publication number: JPH11344266A
Application number: JP15439698A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sato; 佐藤　　賢一; Mitsuhiro Masuda; 光博増田; Takahiro Nakamura; 隆広中村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1998-06-03
Publication date: 1999-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】音響冷凍装置を用いて対象物を冷凍する冷凍
システムにおける総合的な熱効率を改善する。【解決手段】音響管１の管路に対向してスピーカ２、
３が配備されると共に、音響管１内の所定位置には蓄冷
部材４が配備されている。又、音響管１には、蓄冷部材
４の低温側端部及び高温側端部の各端面に接触させて、
複数本の細管６が配設され、これらの細管６は音響管１
を管軸と直交する方向に貫通している。そして、低温側
端部と対向する細管６を流れる熱媒体によって冷凍庫８
の冷却が行なわれると共に、高温側端部と対向する細管
６を流れる熱媒体によって外界への放熱が行なわれる。
熱媒体としては、アンモニアやアセトンが用いられる。

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、音響管内の所
定位置には蓄冷部材を配備してなる音響冷凍装置に関
し、特に、冷却対象の冷却と外界への放熱を効率的に行
なうことが出来る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)が配備されている。又、共鳴管(20
2)の適所には、スタックと称される蓄冷部材(203)が内
蔵されている。蓄冷部材(203)は、ナイロン、ポリエス
テル、その他熱伝導性の低い資材からなる同心円状の複
数の円筒、渦巻き状の１枚の板、或いは互いに平行な複
数枚の板から構成されている。

【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)の温度との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５〜図１０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５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６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７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
８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９及び図１０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９
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１０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９及び図１０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９及び図１０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９及び図１０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９及び図１０においてＣ→Ｄで示される。

【００１２】以上により、図９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】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記音響冷
凍装置によって冷凍庫等の対象物を冷凍する冷凍システ
ムにおける総合的な熱効率(システム熱効率)は、蓄冷部
材を用いたガスサイクルの熱効率のみならず、蓄冷部材
の低温部及び高温部がそれぞれ冷却対象の冷却と外界へ
の放熱を行なう際の熱交換の効率によっても左右される
ので、ガスサイクルの熱効率がカルノーサイクルの熱効
率に近づいたとしても、前記熱交換の効率が改善されな
い限り、高いシステム熱効率は得られない。しかしなが
ら、従来の音響冷凍装置においては、音響管の管壁を介
して蓄冷部材と熱媒体の間の熱交換が行なわれており、
蓄冷部材の低温部及び高温部がそれぞれ冷却対象の冷却
と外界への放熱を行なう際の熱交換効率は低く、この結
果、システム熱効率が低くなる問題があった。特に図１
１のような音響冷凍装置の場合、音響管及び蓄冷部材が
熱伝導性の小さい材質から形成されていたため、この問
題は極めて顕著なものとなっていた。そこで本発明の目
的は、従来よりも高いシステム熱効率を得ることが可能
な音響冷凍装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る音響冷凍装置
は、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、音響管内の所定位置には蓄冷部材が配備され、
音波発生装置から発せられる音波によって蓄冷部材に温
度勾配を形成し、該蓄冷部材の低温部と高温部がそれぞ
れ冷却対象の冷却と外界への放熱を行なうものである。
特徴的構成において、音響管には、蓄冷部材の低温側端
部及び高温側端部の各端部と対向する位置に、音響管を
管軸と交叉する方向に貫通する複数本の細管が配設さ
れ、低温側端部と対向する細管を流れる熱媒体によって
冷却対象の冷却が行なわれると共に、高温側端部と対向
する細管を流れる熱媒体によって外界への放熱が行なわ
れる。

【００１５】上記本発明の音響冷凍装置においては、蓄
冷部材の低温側端部及び高温側端部の各端部と対向して
複数本の細管が配設されているので、蓄冷部材の低温側
端部及び高温側端部と、各端部と対向して配備された複
数本の細管を流れる熱媒との間の熱交換が、効率よく行
なわれる。

【００１６】具体的には、前記複数本の細管はそれぞれ
蓄冷部材の端面と接触して配置されている。従って、蓄
冷部材の低温側端部及び高温側端部と複数本の細管とが
固体接触して、両者間では熱伝導によって熱が伝達され
る。この結果、高い熱交換率が得られる。

【００１７】又、具体的構成においては、音響管を包囲
して、前記複数本の細管の入口に連通する入口室と、前
記複数本の細管の出口に連通する出口室とが形成され、
該入口室へ熱媒体が流入すると共に、該出口室から熱媒
体が流出する。該具体的構成においては、音響管を包囲
して入口室と出口室が形成されているので、蓄冷部材を
収容した音響管の外周壁を介して、蓄冷部材の端部と入
口室及び出口室の熱媒体とが熱交換を行なう。従って、
熱損失が少なく、高い熱交換率が得られる。

【００１８】更に他の具体的構成においては、細管を流
れる熱媒体として水を採用することが出来、更に望まし
くは、アンモニア、アセトン等、粘性の低い媒体が用い
られる。従って、細管として、例えば内径が１ｍｍ以下
の極めて小径の円管を用いたとしても、該細管内を流れ
る熱媒体が受ける粘性抵抗は小さく、熱媒体を循環させ
るための動力は少なくて済む。

【００１９】

【発明の効果】本発明に係る音響冷凍装置によれば、蓄
冷部材の低温部及び高温部がそれぞれ冷却対象の冷却と
外界への放熱を行なう際の熱交換効率として、高い効率
が得られるので、従来よりもシステム熱効率が向上す
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図７に基本構造を
表わす音響冷凍装置に実施した形態につき、図面に沿っ
て具体的に説明する。

【００２１】図１に示す如く、周長が音波の波長の整数
倍である中空環状の音響管(１)の管路に対向して、音波
発生手段となる第１スピーカ(２)と第２スピーカ(３)と
が、音波の１／４波長の奇数倍の間隔をもって配置され
ている。両スピーカ(２)(３)には音波発生制御回路(図
示省略)が接続され、第１スピーカ(２)から発せられる
第１音波と第２スピーカ(３)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、両ス
ピーカ(２)(３)の動作が制御される。又、音響管(１)の
適所には蓄冷部材(４)が内蔵されている。

【００２２】スピーカ(２)(３)から音響管(１)内に音波
を放射すると、各スピーカから放射される音波は、音響
管(１)内で２方向に分岐して、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、第１スピーカ(２)
から発せられる第１音波と第２スピーカ(３)から発せら
れる第２音波は、両スピーカ(２)(３)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

【００２３】この様にして形成された一方向にのみ進行
する音波が蓄冷部材(４)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、蓄冷部材(４)に温度勾配が形成され、一方の端部
が高温、他方の端部が低温となる。

【００２４】上記音響冷凍装置の音響管(１)には、蓄冷
部材(４)の低温側端部及び高温側端部の各端面と接触す
る位置に、音響管(１)を管軸と直交する方向に貫通する
複数本の細管(６)が配設されており、低温側端部と対向
する細管(６)は、冷却対象となる冷凍庫(８)に配備され
た低温側熱交換器(81)との間で、低温側の熱媒体循環系
統Ｓ１を構成すると共に、高温側端部と対向する細管
(６)は、外界への放熱をい行なうための高温側熱交換器
(82)との間で、高温側の熱媒体循環系統Ｓ２を構成して
いる。低温側及び高温側の熱媒体循環系統Ｓ１、Ｓ２に
はそれぞれ、熱媒体を循環させるためのポンプ(９)が接
続されている。

【００２５】図２及び図３は、前記蓄冷部材の低温側端
部及び高温側端部の各端部に配設された複数本の細管
(６)を前記熱媒体循環系統と接続するための具体的な構
造を表わしている。音響管(１)には、前述の如く、蓄冷
部材(４)の低温側端部及び高温側端部の各端部と対応し
てそれぞれ、内径が１ｍｍの複数本の細管(６)が垂直方
向に貫通しており、該細管(６)の入口及び出口を包囲し
て、ジャケット(７)が設けられている。該ジャケット
(７)の内部は、仕切り板(75)によって上下に仕切られて
おり、細管(６)の入口が繋がる入口室(71)と細管(６)の
出口が繋がる出口室(72)とを形成している。入口室(71)
には入口管(73)が接続され、入口室(71)には出口管(74)
が接続されており、入口管(73)及び出口管(74)が前記熱
媒体循環系統と繋がっている。

【００２６】熱媒体循環系統には、熱媒体として水、望
ましくはアンモニアやアセトン等の如く低粘性であり、
比較的飽和蒸気圧の低い自然冷媒を、若干加圧状態で封
入する。但し、熱媒体としてアンモニアやアセトンを採
用する場合、これらの熱媒体は可燃性であって、毒性を
有しているので、熱媒体循環系統からの熱媒体の漏れを
確実に防止する必要がある。

【００２７】そこで、この様な熱媒体を循環させるため
のポンプ(９)として、図４に示す如き密閉型のポンプを
採用する。該ポンプ(９)においては、熱媒体循環系統を
構成する配管(90)に、スクリュー(94)を回転可能に収容
したハウジング(91)が接続され、該ハウジング(91)を包
囲してステータ(92)が配備されると共に、ハウジング(9
1)内には、スクリュー(94)の外周部にロータ(93)が固定
され、ステータ(92)及びロータ(93)によって駆動モータ
が構成されている。該ポンプ(９)によれば、熱媒体の流
路が完全に密閉されることになるので、熱媒体循環系統
から熱媒体が漏れる虞れはない。

【００２８】上記音響冷凍装置によれば、第１スピーカ
(２)及び第２スピーカ(３)から音響管(１)内に音波を放
射することによって、前述の如く、蓄冷部材において起
こる膨張行程及び圧縮行程によって熱吸収及び熱放出が
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。この結果、図１１に示す従来の音響冷凍装置より
も高い冷凍効率が得られる。

【００２９】又、蓄冷部材(４)の両端面に接触させて複
数本の細管(６)が配置されているので、蓄冷部材(４)と
複数本の細管(６)とが固体接触して、両者間では熱伝導
によって熱が伝達される。更に、内径が１ｍｍの複数本
の細管(６)が採用されているため、伝熱面積が大きくな
る。尚、上述の如く、熱媒体としてアンモニアやアセト
ンを採用して、細管(６)の配備に伴う流動抵抗の増大が
抑えられている。この結果、蓄冷部材(４)と複数本の細
管(６)を流れる熱媒との間の熱交換が効率良く行なわ
れ、音響冷凍装置によって冷凍庫を冷凍するシステムに
おける総合なシステム熱効率が改善されることになる。
又、アンモニアやアセトン等の自然冷媒の採用によっ
て、環境汚染の問題も回避される。

【００３０】尚、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。例えば、本発明は、図５乃至図１０
によって説明した音響冷凍装置に限らず、図１１に示す
従来の音響冷凍装置に実施することも可能である。又、
第１及び第２のスピーカ(２)(３)は、音波の１／４波長
の奇数倍だけずらして、複数位置に配設することも可能
であり、これによって、各スピーカに加わる負荷が軽減
され、音響冷凍装置の長寿命化を図ることが出来る。更
に又、音波の発生には、上述の如きラウドスピーカに限
らず、リニアモータによって振動板を駆動するものや、
圧電素子を振動源とするもの等を採用することが出来
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る音響冷凍装置を用いた冷凍システ
ムの系統図である。

【図２】本発明に係る音響冷凍装置の要部を破断して示
す斜視図である。

【図３】該音響冷凍装置の管軸に沿う断面図である。

【図４】密閉型ポンプの断面図である。

【図５】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６】同上の第２の図である。

【図７】該音響冷凍装置の基本構造を示す概略図である

【図８】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９】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１０】該冷凍サイクルを説明するための図である。

【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 (２) 第１スピーカ (３) 第２スピーカ (４) 蓄冷部材 (６) 細管 (７) ジャケット (71) 入口室 (72) 出口室 (73) 入口管 (74) 出口管 (75) 仕切り板 (８) 冷凍庫 (81) 低温側熱交換器 (82) 高温側熱交換器 (９) ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、音響管内の所定位置には蓄冷部材が
配備され、音波発生装置から発せられる音波によって蓄
冷部材に温度勾配を形成し、該蓄冷部材の低温部と高温
部がそれぞれ冷却対象の冷却と外界への放熱を行なう音
響冷凍装置において、音響管には、蓄冷部材の低温側端
部及び高温側端部の各端部と対向する位置に、音響管を
管軸と交叉する方向に貫通する複数本の細管が配設さ
れ、低温側端部と対向する細管を流れる熱媒体によって
冷却対象の冷却が行なわれると共に、高温側端部と対向
する細管を流れる熱媒体によって外界への放熱が行なわ
れることを特徴とする音響冷凍装置。
【請求項２】前記複数本の細管はそれぞれ蓄冷部材の
端面と接触して配置されている請求項１に記載の音響冷
凍装置。
【請求項３】音響管を包囲して、前記複数本の細管の
入口に連通する入口室と、前記複数本の細管の出口に連
通する出口室とが形成され、該入口室へ熱媒体が流入す
ると共に、該出口室から熱媒体が流出する請求項１又は
請求項２に記載の音響冷凍装置。
【請求項４】熱媒体として、水、アンモニア、若しく
はアセトンが用いられる請求項１乃至請求項３の何れか
に記載の音響冷凍装置。