CN107614868A - 热声发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的热声发电系统(100)具备：热声发动机(110)，设置于环状配管(102)；涡轮机(140)，设置于分支配管(103)，且接受通过热声发动机(110)中的工作气体的自激振动产生的声能E而旋转；及发电机(150)，用于将由涡轮机(140)的旋转产生的动能变换为电力，涡轮机(140)设置于属于分支配管(103)的各区域中的第一位置(P3)与第二位置(P4)之间的区域的规定位置，第一位置(P3)是一端(103a)与另一端(103b)的中间位置，第二位置(P4)是第一位置(P3)与另一端(103b)的中间位置。由此，能够提供在利用在热声发动机中产生的工作气体的自激振动来进行发电的热声发电系统中，对于可靠地驱动涡轮机型的发电机而言有效的技术。

Description

热声发电系统
技术领域
本发明涉及利用使工作气体自激振动的热声发动机来进行发电的热声发电系统。
背景技术
一直以来，在各种产业领域中都在要求推进能量的有效利用，但例如从工场等的设备、车辆排出并被废弃的排热的比率尚高，期望有一种以高效率回收热能的技术。本发明人在对该技术进行锐意研究的过程中，着眼于利用能够使工作气体进行自激振动的热声发动机。使用该热声发动机进行发电的系统(以下，也称作“热声发电系统”)的一例公开于PCT/JP2012/081193号公报。
在该热声发电系统中使用的热声发动机具备由多个流路构成的蓄热器、设置于蓄热器的一方的流路端部的加热器、及设置于蓄热器的另一方的流路端部的冷却器。根据该热声发动机，通过使蓄热器的流路的两端部间产生温度梯度而对封入到管内的工作流体赋予自激振动，能够产生声能。而且，该热声发电系统构成为在从环状配管分支出的分支配管具备线性的发电机，利用在热声发动机中产生的声能驱动该发电机来进行发电。
发明内容
若如上述那样在利用在热声发动机中产生的工作气体的自激振动进行发电时使用线性的发电机，则由于该线性的发电机自身价格高昂，所以在成本方面是不利的。于是，本发明人对使用在分支配管配置涡轮机并利用该涡轮机的工作时的动能来进行发电的涡轮机型的发电机的技术进行了锐意研究。该研究的结果是成功地发现了：只是仅将涡轮机单单设置于分支配管的话，有时无法驱动发电机，为了可靠地驱动发电机，在分支配管的哪个位置设置涡轮机是极为重要的。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的之一在于，提供一种在利用在热声发动机中产生的工作气体的自激振动来进行发电的热声发电系统中，对于可靠地驱动涡轮机型的发电机而言有效的技术。
为了达成上述目的，本发明的热声发电系统(100)具备配管构成部(101)、热声发动机(110)、涡轮机(140)及发电机(150)。配管构成部(101)包括构成为环状的环状配管(102)和分支配管(103)，分支配管(103)从环状配管(102)分支，从位于从环状配管(102)分支的分支点的一端(103a)呈长条状地延伸至另一端(103b)，且与环状配管(102)连通，在环状配管(102)及分支配管(103)的双方封入规定的工作气体。热声发动机(110)包括蓄热器(111)和热交换器(112、113)，蓄热器(111)组装入配管构成部(101)的环状配管(102)的管内，具有均在配管长度方向上延伸的多个流路(111c)，热交换器(112、113)为了使工作气体进行自激振动而以在蓄热器(111)的多个流路(111c)的两端部间产生温度梯度的方式与工作气体之间进行热交换。涡轮机(140)设置于配管构成部(101)的分支配管(103)，接受通过热声发动机(110)中的工作气体的自激振动产生的声波而旋转。发电机(150)发挥将由涡轮机(140)的旋转产生的动能变换为电力的功能。涡轮机(140)设置于属于配管构成部(101)的分支配管(103)的各区域中的第一位置(P3)与第二位置(P4)之间的区域的规定位置，第一位置(P3)是一端(103a)与另一端(103b)的中间位置，第二位置(P4)是第一位置(P3)与另一端(103b)的中间位置。
关于本结构的热声发电系统，根据本发明人的研究，得到了以下见解：配管构成部的分支配管中的所述的区域是工作气体的流速振幅(工作气体在配管长度方向上的每单位时间的位移)相对大的区域，所以对于使涡轮机连续且可靠地旋转而言是有效的，并且，所述的区域是热声发动机的起振开始温度(实际开始产生工作气体的自激振动的温度)相对低的区域，所以能效良好。因此，通过在属于所述的区域的规定位置设置涡轮机，能够可靠地驱动发电机而进行发电，而且能够实现关于发电的能效良好的状态。
在上述结构的热声发电系统(100)中，优选的是，配管构成部(101)的分支配管(103)在另一端(103b)具备用于将通过工作气体的自激振动而产生的声能取出到管外的能量取出部(160)，能量取出部(160)由能够接受分支配管(103)的配管长度方向的压力振动而输出电能的扬声器型发电机或线性发电机构成。
关于本结构的热声发电系统，根据本发明人的研究，得到了以下见解：配管构成部的分支配管的另一端是在分支配管的各区域中工作气体的压力振幅(压力变动的大小、即压力的最大值与最小值之间的变动幅度)成为最大的位置，是适合驱动扬声器型发电机、线性发电机的位置。因此，通过在分支配管的另一端设置扬声器型发电机或线性发电机型的发电机，能够将利用涡轮机型发电机没能完全回收的声能作为电能进行回收。
此外，在上述说明中，为了有助于发明的理解，对于与实施方式对应的发明的结构以写在括号内的方式添加了在实施方式中使用的标号，但发明的各构成要件不限定于由所述标号规定的实施方式。
如以上那样，根据本发明，在利用在热声发动机中产生的工作气体的自激振动来进行发电的热声发电系统中，能够可靠地驱动涡轮机型的发电机。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的热声发电系统的概要的图。
图2是示意性地示出图1中的热声发电系统中的热声发动机的构造的图。
图3是示出图1中的热声发电系统中的涡轮发电机的部位的剖面构造的图。
图4是从剖面方向观察涡轮机叶片时的图。
图5是示意性地示出涡轮机叶片的构造的图。
图6是示意性地示出分支配管中的涡轮机设置位置的图。
图7是示出分支配管中的压力振幅及流速振幅的计测结果的图表。
图8是示出分支配管中的起振开始温度的计测结果的图表。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的一个实施方式进行详细说明。此外，在该附图中，关于标注同一标号而说明的同一要素的各构成部位，根据需要而省略了用于进行说明的标号。
如图1所示，热声发电系统100具备由金属制的配管构成的配管构成部101。该配管构成部101由作为环状(圈状)的配管部分的环状配管102和从环状配管102分支且其管内空间与环状配管102的管内空间连通的分支配管103构成。该配管构成部101相当于本发明的“配管构成部”。另外，环状配管102及分支配管103分别相当于本发明的“环状配管”及“分支配管”。此外，配管构成部101的环状配管102只要为环状即可，作为其侧视的形状，可以采用圆形、椭圆形、多边形等各种形状。
分支配管103是将从环状配管102分支的分支点作为一端103a，且从该一端103a呈长条状地延伸至另一端103b的配管部分。分支配管103在另一端103b处由能量取出部160封闭，由此，在环状配管102及分支配管103的双方在规定压力下封入有规定的工作气体(在本实施方式中为氦)。此外，作为工作气体，也可以取代氦或者除了氦之外还使用氮、氩、氦及氩的混合气体、空气等。
在配管构成部101的环状配管102设置有串联连接的三个热声发动机(也称作“原动机”)110。由这三个热声发动机110构成了所谓的“多段型的热声发动机”。各热声发动机110具备组装入环状配管102的管内的蓄热器111、与作为蓄热器111的高温部的一端部111a对向配置的加热器112、及与作为蓄热器111的常温部(或低温部)的另一端部111b对向配置的冷却器113。在此所说的热声发动机110相当于本发明的“热声发动机”。此外，该热声发动机110的设置数不限定于三个，也可以根据需要选择其他的设置数。
如图2所示，各蓄热器111构成为具有在一端部111a与另一端部111b之间均沿着环状配管102的配管长度方向(配管的延伸方向)互相平行地延伸的多个流路111c的构造体。在该蓄热器111中，当在一端部111a与另一端部111b之间产生规定的温度梯度时，环状配管102内的工作气体变得不稳定而进行自激振动，由此形成由与工作气体的行进方向平行地振动的纵波构成的振动波(也称作“声波”、“振动流”或“做功流”)，该振动波从环状配管102的管内向分支配管103的管内传播。作为该蓄热器111，典型地可以使用陶瓷制的蜂巢状构造体、以微小间距将多个不锈钢的网状薄板平行地层叠而成的构造体、由金属纤维构成的无纺布状物等。该蓄热器111相当于本发明的“蓄热器”。
各加热器112连接于加热源120。加热源120发挥将热风、热水等加热介质向各加热器112供给的功能。各加热器112构成为具备供相对高温的加热介质流动的通路112a和供相对低温的工作气体流动的通路(图示省略)，且能够通过加热介质与工作气体之间的热交换而使热从加热介质向工作气体移动的加热用的热交换器。因而，通过从加热源120供给到各加热器112的加热介质来将各蓄热器111的一端部111a周边的工作气体加热。
各冷却器113连接于冷却源130。冷却源130发挥将冷风、冷水、大气等冷却介质向各冷却器113供给的功能。各冷却器113构成为具备供相对低温的冷却介质流动的通路113a和供相对高温的工作气体流动的通路(图示省略)，且能够通过工作气体与冷却介质之间的热交换而使热从工作气体向冷却介质移动的冷却用的热交换器。因而，通过从冷却源130供给到各冷却器113的冷却介质来将各蓄热器111的另一端部111b周边的工作气体冷却。
通过上述的加热器112的加热作用和上述的冷却器113的冷却作用的相互配合，在各蓄热器111中，在一端部111a与另一端部111b之间产生规定的温度梯度。上述的加热器112及冷却器113成为为了使封入到配管构成部101的工作气体进行自激振动而以在各蓄热器111的多个流路111c的两端部间产生温度梯度的方式与工作气体之间进行热交换的热交换器。由该加热器112及冷却器113来构成本发明的“热交换器”。
返回图1，分支配管103具备：第一配管部104，在环状配管102与涡轮机140之间呈直线状地延伸；第二配管部105，隔着涡轮机140而在与环状配管102相反的一侧呈直线状地延伸；及曲轴配管部106，以连结第一配管部104与第二配管部105的方式弯曲成曲轴状。
关于详情将在后文叙述，涡轮机140构成为与分支配管103的管内连通，发挥将由在分支配管103的管内流动的工作气体的振动波产生的声能(也称作“振动能”)变换为机械的旋转能的功能。总之，该涡轮机140设置于分支配管103，接收通过热声发动机110中的工作气体的自激振动产生的声能而旋转。涡轮机140与用于将由该涡轮机140的旋转产生的动能(旋转能)变换为电力的发电机150连接。在此所说的涡轮机140及发电机150分别相当于本发明的“涡轮机”及“发电机”。该涡轮机140及发电机150构成了由涡轮机驱动而进行发电的涡轮机型的发电机。
在分支配管103的另一端103b即第二配管105的两侧的管端部中的与涡轮机140相反一侧的管端部设置有用于将工作气体的声能从分支配管103取出到管外的能量取出部160。该能量取出部160相当于本发明的“能量取出部”。在本实施方式中，作为该能量取出部160，使用了能够接受分支配管103的配管长度方向的压力振动而输出电能(电力)的扬声器型发电机。该扬声器型发电机是利用了将电能变换为空气等的振动的通常的扬声器的逆现象的发电机，构成为通过接受工作气体的振动流而输出电能。
如图3所示，构成涡轮发电机的涡轮机140具备涡轮机外壳141、涡轮机旋转轴144及涡轮机叶片145。涡轮机外壳141是收容涡轮机旋转轴144的一部分和涡轮机叶片145并且构成分支配管103的一部分的部位，与分支配管103中的第二配管105及曲轴配管部106的双方连通。涡轮机旋转轴144构成为经由轴承142、143被支撑为能够进行轴旋转的圆柱状的部件。该涡轮机旋转轴144从涡轮机外壳141的内部即位于分支配管103的管内的一端部144a贯穿曲轴配管部106的管壁而从分支配管103的管内向管外在配管长度方向上呈长条状地延伸至另一端部144b。该涡轮机旋转轴144连结于涡轮机叶片145，成为该涡轮机叶片145的旋转中心。
涡轮机叶片145设置于分支配管103(曲轴配管部106)的管内，接受通过热声发动机110中的工作气体的自激振动而产生的声能，通过其冲击力的作用而旋转。该涡轮机叶片145具备：圆环状的动叶片部146，固定于涡轮机旋转轴144；圆环状的固定叶片部147，隔着动叶片部146而配置于其两侧；及圆锥部148，隔着各固定叶片部147而设置于与动叶片部146相反的一侧。该涡轮机叶片145构成为具备与涡轮机旋转轴144一体旋转的动叶片部146的旋转叶片。因而，具有涡轮机叶片145的涡轮机140也被称作“冲击涡轮机”。
即使动叶片部146旋转，固定叶片部147也不旋转。如图4所示，在该固定叶片部147中，在周向上以一定间隔配置有多个沿径向延伸的扇叶147a，在这多个扇叶147a间形成有能够供工作气体流通的流通空间。
参照图3及图4，圆锥部148是随着远离对应的固定叶片部147而外径逐渐变小的圆锥形状，其外表面构成了相对于涡轮机旋转轴144的轴线倾斜的倾斜面148a。圆锥部148的倾斜面148a发挥将工作气体的振动波朝向固定叶片部147顺滑地导入的功能。根据该圆锥部148，能够将工作气体的振动波以规定的进入角度θ(沿着圆锥部148的外表面倾斜的倾斜面148a与涡轮机旋转轴144的轴线所成的锐角)向固定叶片部147导入。
上述结构的涡轮机叶片145是所谓的“双向涡轮机叶片”，如图5所示，构成为不管在工作气体向箭头D1所示的第一方向流动的情况和工作气体向箭头D2所示的第二方向(第一方向的反方向)流动的情况中的哪种情况下，工作气体都会经过固定叶片部147的流通空间而向动叶片部146流动而使动叶片部146向规定的一个方向旋转。
返回图3，构成涡轮发电机的发电机150设置于配管构成部101的所述分支配管103的管外，连结于涡轮机140的涡轮机旋转轴144而发挥将涡轮机叶片145的旋转能变换为电力的功能。该发电机150具备发电机外壳151。该发电机外壳151具备焊接接合于曲轴配管106的第一外壳部152及经由螺栓部件154安装于第一外壳部152的第二外壳部153。
在该发电机外壳151中，通过在第一外壳部152安装第二外壳部153来形成用于以气密状态收容作为发电机150的构成要素的电动马达156的收容空间151a。在第一外壳部152设置有用于使收容空间151a与分支配管103的曲轴配管部106的管内的连通孔152a连通。
在涡轮机140中，涡轮机旋转轴144中的位于分支配管103的管外的部位通过发电机外壳151的连通孔152a而导入收容空间151a，由联轴部155将另一端部144b连结于电动马达154的马达轴154a。即，涡轮机140的涡轮机叶片145经由涡轮机旋转轴144连结于发电机150。根据该发电机150，在通过涡轮机140的机械的旋转运动而涡轮机旋转轴144进行了轴旋转的情况下，通过该涡轮机旋转轴144的旋转运动而马达轴154a旋转，由此电动马达154发电。在该情况下，电动马达154发挥作为实质性的发电机的功能。
另外，虽然涡轮机140的涡轮机旋转轴144的一部分从分支配管103的管内向管外延伸出，但该延伸出的部分以密闭状态收容于发电机外壳151的收容空间151a。其结果，涡轮机旋转轴144整体处于从分支配管103的管内到发电机外壳151的收容空间151a的密闭区域。因此，无需对涡轮机旋转轴144设置专用的轴密封构造，能够将与涡轮机旋转轴144相关的构造简化。
在上述的联轴部155中，通过将涡轮机旋转轴144的另一端部144b与电动马达156的马达轴156a的连结解除，能够根据需要容易地将发电机150从涡轮机140切离。这样，在本实施方式的涡轮机140中，通过使涡轮机旋转轴144从分支配管103的管内向管外延伸出，能够将发电机150以配置于分支配管103的管外的状态连结于涡轮机旋转轴144的另一端部144b。在该情况下，发电机150从涡轮机140的切离变得容易，结果发电机150的维护性提高。另外，根据上述的联轴部155，通过将涡轮机旋转轴144的另一端部144b改换成连结于电动马达154以外的其他马达的马达轴，能够根据涡轮机140的能力等将连结于涡轮机140的电动马达(发电机)更换为最佳的电动马达。由此，能够容易地进行涡轮发电机的发电能力的变更。
接着，基于前述的内容对上述结构的热声发电系统100的动作进行说明。
如图1所示，在各热声发动机110中，当蓄热器111的一端部111a由加热器112加热且蓄热器111的另一端部111b由冷却器113冷却时，会在蓄热器111中的高温侧区域即一端部111a与低温侧区域即另一端部111b之间产生温度差。通过该温度差，在各蓄热器111中主要形成由工作气体的自激振动产生的振动波。由该振动波(声波)产生的声能E(振动能)从配管构成部101的环状配管102通过分支配管103而向涡轮机140传递，进而向能量取出部160传递。在该情况下，分支配管103构成为用于对在热声发动机110中产生的工作气体的声能E进行引导的共鸣管(导波管)。声能E的一部分由作为能量取出单元的涡轮机140取出并由连接于该涡轮机140的发电机150变换为电能(电力)，另外，由能量取出部160的扬声器型发电机取出并变换为电能(电力)。
在上述结构的热声发电系统100中，只是将涡轮机140单单设置于分支配管103的话，有时无法驱动发电机150，为了可靠地驱动发电机150，将涡轮机140设置于分支配管103的哪个位置是极为重要的。于是，本发明人对分支配管103中的涡轮机140的设置位置进行了锐意研究，结果得到了关于对于可靠地驱动发电机150而言有效的涡轮机设置位置(具体地说，涡轮机140中的接收声能而动作的涡轮机叶片145的合适的设置位置)的见解。以下，一边参照图6～图8一边对本发明人为了得到该见解而实施的计测方法及其计测结果进行说明。
如图6所示，在配管长(一端端103a与另一端103b之间的距离)为L的分支配管103的各区域中的如附图下方所示的五个位置P1～P5设定了进行用于确定涡轮机140的合适的设置位置的计测的计测点。此外，在该图6中，示意性地示出了图1中的分支配管103呈直线状地延伸的状态。位置P1是相当于分支配管103的各部位中的环状配管102侧的一端103a的位置。位置P2是从分支配管103的各部位中的一端103a向另一端103b侧移动了配管长L的四分之一的长度((1/4)L)的位置。位置P3是从分支配管103的各部位中的一端103a向另一端103b侧移动了配管长L的四分之二的长度((2/4)L)的位置。位置P4是从分支配管103的各部位中的一端103a向另一端103b侧移动了配管长L的四分之三的长度((3/4)L)的位置。位置P5是从分支配管103的各部位中的一端103a向另一端103b侧移动了配管长L的四分之四的长度((4/4)L)的位置、即相当于另一端103b的位置。
在第一计测中，在分支配管103未设置涡轮机140的设置前的状态下，利用双传感器法(使用两个部位处的压力计测的方法)计测了该分支配管103的五个位置P1～P5各自的压力振幅及流速振幅。在此所说的“压力振幅”表示为在由工作气体的自激振动产生的振动波形成于分支配管103的管内时的某地点处的压力变动的大小(压力的最大值与最小值之间的变动幅度)。另外，在此所说的“流速振幅”表示为分支配管103的管内的工作气体在配管长度方向上的每单位时间的位移。
而且，在第二计测中，利用温度传感器计测了在分支配管103的五个位置P1～P5分别实际设置有涡轮机140的状态下的热声发动机110的起振开始温度。在此所说的“起振开始温度”表示为在热声发动机110中实际开始产生工作气体的自激振动的温度(产生工作气体的自激振动的温度的最低值)。
如图7所示，根据第一计测，得到了压力振幅在位置P1及位置P5处最大且在位置P3处最小，而流速振幅在位置P1及位置P5处最小且在位置P3处最大这一计测结果(以下，也称作“第一计测结果”)。另外，即使在配管长L的绝对值发生了变化的情况下，也确认到了与本计测结果同样的倾向，即在位置P3处压力振幅最小且流速振幅最大。
另外，如图8所示，根据第二计测，关于热声发动机110的起振开始温度得到了位置P1为270℃最高，接下来位置P2为200℃，位置P5为190℃，位置P3及位置P4均为120℃最低这一计测结果(以下，也称作“第二计测结果”)。另外，即使在配管长L的绝对值发生了变化的情况下，也确认到了与本计测结果同样的倾向，即位置P3及位置P4处的起振开始温度最低。
在基于上述的第一计测结果及第二计测结果的情况下，本发明人判定为，属于从位置P3到位置P4的区域的位置是涡轮机140的合适的设置位置。对该判定的根据进行具体说明，为了使涡轮机140的涡轮机叶片145连续且可靠地旋转，流速振幅相对大的区域(从位置P2到位置P4的区域)是优选的，其中，流速振幅最大的位置P3最为有利。另一方面，要想以能效良好的条件使热声发动机110工作，起振开始温度最低的区域(从位置P3到位置P4的区域)是有利的。在此，位置P3是分支配管103的各区域中的一端103a与另一端103b的中间位置(从一端103a向另一端103b侧移动了配管长L的一半长度的位置)，相当于本发明的“第一位置”。另外，位置P4是分支配管103的各区域中的位置P3与另一端103b(位置P5)的中间位置(从位置P3向另一端103b侧移动了配管长L的四分之一长度的位置)，相当于本发明的“第二位置”。
因此，能够判定为，在使用涡轮机型的发电机进行发电的情况下，优选从属于满足第一计测结果及第二计测结果的双方的区域即从位置P3到位置P4的区域的多个位置中确定规定位置，在该规定位置设置涡轮机140。通过基于该判定结果设置涡轮机140，能够可靠地驱动发电机150来进行发电，而且也能够实现关于发电的能效良好的状态。这样的研究作为通过确定分支配管103中的涡轮机140的涡轮机设置位置来进行设计辅助的热声发电系统的设计辅助方法是有效的。
而且，在基于第一计测结果的情况下，设置有能量取出部160的分支配管103的另一端103b(位置P5)是在分支配管103的各区域中工作气体的压力振幅成为最大的位置，使用接受配管长度方向的压力振动而工作的扬声器型发电机作为该能量取出部160是有利的。由此，能够将利用涡轮机型的发电机150没能完全回收的声能E作为电能进行回收。此外，作为能量取出部160，也可以取代扬声器型发电机而使用公知的线性发电机。在使用线性发电机的情况下，也能够与使用扬声器型发电机的情况同样地接受分支配管103的配管长度方向的压力振动而输出电能。
本发明不仅仅限定于上述的典型的实施方式，只要在不脱离本发明的目的，就可考虑各种应用、变形。例如，也可以实施应用了上述实施方式的以下的各方式。
在上述的实施方式的热声发动机110中，记载了为了使蓄热器111的一端部111a与另一端部111b之间产生规定的温度梯度而对蓄热器111设置两个热交换器(加热器112及冷却器113)的情况，但在本发明中，只要能够达成上述的温度梯度，则也可以省略加热器112及冷却器113中的任一方的热交换器。
在上述的实施方式中，记载了在分支配管103的管外设置发电机150的情况，但在本发明中，也可以根据需要而采用将发电机150与涡轮机140一起设置在分支配管103的管内的构造。
在上述的实施方式中，记载了在分支配管103的另一端103b设置能量取出部160的情况，但在本发明中，也可以取代该能量取出部160而设置能够吸收工作气体的振动的振动吸收件(海绵、尿烷等)。
在基于上述的实施方式和各种变更例的记载的情况下，在本发明中可以采用以下的方案(方面)。
在本发明中，可以采用如下的方案：
一种热声发电系统的设计辅助方法，在具备配管构成部、热声发动机、涡轮机及发电机的热声发电系统中，通过确定所述配管构成部的分支配管中的所述涡轮机的涡轮机设置位置来进行设计辅助，
所述配管构成部由构成为环状的环状配管和所述分支配管构成，所述分支配管从所述环状配管分支，从位于从所述环状配管分支的分支点的一端呈长条状地延伸至另一端，且与所述环状配管连通，在所述环状配管及所述分支配管的双方封入有规定的工作气体，
所述热声发动机包括蓄热器和热交换器，所述蓄热器组装入所述配管构成部的所述环状配管的管内，且具有均在配管长度方向上延伸的多个流路，所述热交换器为了使所述工作气体进行自激振动而以在所述蓄热器的所述多个流路的两端部间产生温度梯度的方式与所述工作气体之间进行热交换，
所述涡轮机设置于所述配管构成部的所述分支配管，接受通过所述热声发动机中的所述工作气体的自激振动产生的声能而旋转，
所述发电机用于将由所述涡轮机的旋转产生的动能变换为电力，
其中，
在设置所述涡轮机之前的状态下，计测所述分支配管的管内的工作气体在配管长度方向上的每单位时间的位移即流速振幅，将所述分支配管的各区域中的计测到的流速振幅相对大的区域确定为所述涡轮机设置位置。
标号说明
100…热声发电系统，101…配管构成部，102…环状配管，103…分支配管，103a…一端，103b…另一端，110…热声发动机，111…蓄热器，112…加热器，113…冷却器，120…加热源，130…冷却源，140…涡轮机，141…涡轮机外壳，144…涡轮机旋转轴，145…涡轮机叶片，146…动叶片部，147…固定叶片部，148…圆锥部(导入部)，150…发电机，151…发电机外壳，156…电动马达，160…能量取出部。

Claims (2)

1.一种热声发电系统，具备：
配管构成部，由构成为环状的环状配管和分支配管构成，所述分支配管从所述环状配管分支，从位于从所述环状配管分支的分支点的一端呈长条状地延伸至另一端，且与所述环状配管连通，在所述环状配管及所述分支配管的双方封入有规定的工作气体；
热声发动机，包括蓄热器和热交换器，所述蓄热器组装入所述配管构成部的所述环状配管的管内，且具有均在配管长度方向上延伸的多个流路，所述热交换器为了使所述工作气体进行自激振动而以在所述蓄热器的所述多个流路的两端部间产生温度梯度的方式与所述工作气体之间进行热交换；
涡轮机，设置于所述配管构成部的所述分支配管，接受通过所述热声发动机中的所述工作气体的自激振动产生的声能而旋转；及
发电机，用于将由所述涡轮机的旋转产生的动能变换为电力，
所述涡轮机设置于属于所述配管构成部的所述分支配管的各区域中的第一位置与第二位置之间的区域的规定位置，所述第一位置是所述一端与所述另一端的中间位置，所述第二位置是所述第一位置与所述另一端的中间位置。
2.根据权利要求1所述的热声发电系统，
所述配管构成部的所述分支配管在所述另一端具备用于将通过所述工作气体的自激振动而产生的声能取出到管外的能量取出部，所述能量取出部由能够接受所述分支配管的配管长度方向的压力振动而输出电能的扬声器型发电机或线性发电机构成。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10134401B2 (en) 2012-11-21 2018-11-20 Verint Systems Ltd. Diarization using linguistic labeling
JP6495097B2 (ja) * 2015-05-21 2019-04-03 中央精機株式会社 熱音響発電システム
CN108204349B (zh) * 2018-01-15 2020-07-10 中国科学院理化技术研究所 独立熔盐蓄热电站

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007154792A (ja) * 2005-12-06 2007-06-21 Toyota Motor Corp 内燃機関のエネルギ回収装置
CN101539124A (zh) * 2008-03-18 2009-09-23 深圳市中科力函热声技术工程研究中心有限公司 输出旋转动力的热声发动机
CN102006001A (zh) * 2010-12-10 2011-04-06 沈阳工业大学 热声发动机起振控制方法

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4114380A (en) * 1977-03-03 1978-09-19 Peter Hutson Ceperley Traveling wave heat engine
US4355517A (en) * 1980-11-04 1982-10-26 Ceperley Peter H Resonant travelling wave heat engine
US4953366A (en) * 1989-09-26 1990-09-04 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cryocooler
WO1998000677A1 (en) * 1996-07-01 1998-01-08 The Regents Of The University Of California Orifice pulse tube with variable phase shift
NL1007316C1 (nl) * 1997-10-20 1999-04-21 Aster Thermo Akoestische Syste Thermo-akoestisch systeem.
US5901556A (en) * 1997-11-26 1999-05-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy High-efficiency heat-driven acoustic cooling engine with no moving parts
US6032464A (en) * 1999-01-20 2000-03-07 Regents Of The University Of California Traveling-wave device with mass flux suppression
RU2292455C2 (ru) * 2001-11-26 2007-01-27 Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В. Выработка электрической энергии термоакустическим способом
US6732515B1 (en) * 2002-03-13 2004-05-11 Georgia Tech Research Corporation Traveling-wave thermoacoustic engines with internal combustion
US6711905B2 (en) * 2002-04-05 2004-03-30 Lockheed Martin Corporation Acoustically isolated heat exchanger for thermoacoustic engine
US6725670B2 (en) * 2002-04-10 2004-04-27 The Penn State Research Foundation Thermoacoustic device
US6658862B2 (en) * 2002-04-18 2003-12-09 The Regents Of The University Of California Cascaded thermoacoustic devices
US6560970B1 (en) * 2002-06-06 2003-05-13 The Regents Of The University Of California Oscillating side-branch enhancements of thermoacoustic heat exchangers
JP4193970B2 (ja) * 2002-06-19 2008-12-10 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 圧力振動発生装置
US6644028B1 (en) * 2002-06-20 2003-11-11 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for rapid stopping and starting of a thermoacoustic engine
US6637211B1 (en) * 2002-08-13 2003-10-28 The Regents Of The University Of California Circulating heat exchangers for oscillating wave engines and refrigerators
US7081699B2 (en) * 2003-03-31 2006-07-25 The Penn State Research Foundation Thermoacoustic piezoelectric generator
JP4652822B2 (ja) * 2005-01-07 2011-03-16 学校法人同志社 熱音響装置
US7908856B2 (en) * 2007-10-24 2011-03-22 Los Alamos National Security, Llc In-line stirling energy system
CN101539125B (zh) * 2008-03-18 2011-05-18 深圳市中科力函热声技术工程研究中心有限公司 太阳能热声旋转动力发电机
US8181460B2 (en) * 2009-02-20 2012-05-22 e Nova, Inc. Thermoacoustic driven compressor
US8205459B2 (en) * 2009-07-31 2012-06-26 Palo Alto Research Center Incorporated Thermo-electro-acoustic refrigerator and method of using same
US8227928B2 (en) * 2009-07-31 2012-07-24 Palo Alto Research Center Incorporated Thermo-electro-acoustic engine and method of using same
US8203224B2 (en) * 2009-08-03 2012-06-19 Schulte David J Power generator
US8508057B2 (en) * 2009-08-03 2013-08-13 David J. Schulte Power generator
US8499563B2 (en) * 2009-11-25 2013-08-06 Daniel Asturias System for generating and transporting electric power from hydrothermal vents
JP5651947B2 (ja) 2009-12-10 2015-01-14 いすゞ自動車株式会社 熱音響機関
JP5548513B2 (ja) * 2010-04-23 2014-07-16 本田技研工業株式会社 熱音響機関
US8375729B2 (en) * 2010-04-30 2013-02-19 Palo Alto Research Center Incorporated Optimization of a thermoacoustic apparatus based on operating conditions and selected user input
US8584471B2 (en) * 2010-04-30 2013-11-19 Palo Alto Research Thermoacoustic apparatus with series-connected stages
IN2013MN00158A (zh) * 2010-07-19 2015-05-29 Technion Res & Dev Foundation
JP2012112621A (ja) * 2010-11-26 2012-06-14 Tokai Univ 熱音響機関
JP5892582B2 (ja) * 2011-09-02 2016-03-23 学校法人東海大学 熱音響機関
WO2013084830A1 (ja) 2011-12-05 2013-06-13 学校法人 東海大学 熱音響機関
US9163581B2 (en) * 2012-02-23 2015-10-20 The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Alpha-stream convertor
EP2898217B1 (en) * 2012-09-19 2017-07-05 Etalim Inc. Thermoacoustic transducer apparatus including a transmission duct
JP2014234949A (ja) * 2013-06-03 2014-12-15 いすゞ自動車株式会社 熱音響機関
JP6291390B2 (ja) * 2014-09-19 2018-03-14 日本碍子株式会社 熱・音波変換ユニット
JP6373696B2 (ja) * 2014-09-19 2018-08-15 日本碍子株式会社 熱・音波変換部品および熱・音波変換ユニット
JP6495097B2 (ja) * 2015-05-21 2019-04-03 中央精機株式会社 熱音響発電システム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007154792A (ja) * 2005-12-06 2007-06-21 Toyota Motor Corp 内燃機関のエネルギ回収装置
CN101539124A (zh) * 2008-03-18 2009-09-23 深圳市中科力函热声技术工程研究中心有限公司 输出旋转动力的热声发动机
CN102006001A (zh) * 2010-12-10 2011-04-06 沈阳工业大学 热声发动机起振控制方法

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WO2016185783A1 (ja) 2016-11-24
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JP2016217265A (ja) 2016-12-22
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US20180073383A1 (en) 2018-03-15
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JP6495098B2 (ja) 2019-04-03

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