CN107614869A - 热声发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的热声发电系统具备：涡轮机(140)，包括涡轮机叶片(145)和涡轮机旋转轴(144)，涡轮机叶片(145)设置于配管构成部的分支配管(103)的管内，且通过热声发动机中的工作气体的自激振动而旋转，涡轮机旋转轴(144)构成为连结于涡轮机叶片(145)且贯穿分支配管(103)的管壁而从管内向管外延伸出；及发电机(150)，设置于配管构成部的分支配管(103)的管外，连结于涡轮机(140)的涡轮机旋转轴(144)，用于将涡轮机叶片(145)的旋转能变换为电力。由此，能够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，对于抑制用于进行发电的发电机所需的成本提高维护性而言有效的技术。
Description
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或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，该热声发电系统在从环状配管分支出的分支配管具备线性的发电机，构成为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
上述那样的热声发电系统在使用能量变换效率高且具有不具备活塞、阀等可动部的简易构造的热声发动机这一点上是有利的。另一方面，若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昂贵，所以在成本方面是不利的。另外，在设计这种系统时，希望通过采用不仅在成本方面还在维护性方面优异的发电机来构建实用性高的系统。
本发明鉴于上述情况而完成，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，对于抑制用于进行发电的发电机所需的成本且提高维护性而言有效的技术。
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)和从环状配管(102)分支且与环状配管(102)连通的分支配管(103)，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，且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)包括涡轮机叶片(145)和涡轮机旋转轴(144)，涡轮机叶片(145)设置于配管构成部(101)的分支配管(103)的管内，且通过热声发动机(110)中的工作气体的自激振动而旋转，涡轮机旋转轴(144)构成为连结于涡轮机叶片(145)且贯穿分支配管(103)的管壁而从管内向管外延伸出。发电机(150)设置于配管构成部(101)的分支配管(103)的管外，连结于涡轮机(140)的涡轮机旋转轴(144)而将涡轮机叶片(145)的旋转能变换为电力。在该情况下，由涡轮机(140)及发电机(150)构成涡轮机型的发电机。
根据本结构的热声发电系统，由涡轮机及发电机构成的涡轮机型的发电机与线性的发电机相比价格低廉，所以能够抑制发电机所需的成本。除此之外，通过使涡轮机的涡轮机旋转轴从分支配管的管内向管外延伸出，能够将发电机以配置于分支配管的管外的状态连结于涡轮机旋转轴。在该情况下，发电机从涡轮机的切离变得容易，结果发电机的维护性提高。
优选，上述结构的热声发电系统(100)构成为具备发电机外壳(151)，该发电机外壳(151)具有以气密状态收容发电机(150)的收容空间(151a)和用于使收容空间(151a)与分支配管(103)的管内连通的连通孔(152a)。在本结构中，涡轮机(140)的涡轮机旋转轴(144)通过发电机外壳(151)的连通孔(152a)而在收容空间(151a)中连结于发电机(150)。在该情况下，虽然涡轮机旋转轴的一部分从分支配管的管内向管外延伸出，但该延伸出的部位以密闭状态收容于发电机外壳的收容空间。因此，无需对涡轮机旋转轴设置专用的轴密封构造，能够将与涡轮机旋转轴相关的构造简化。
在上述结构的热声发电系统(100)中，优选的是，分支配管(106)具备弯曲成曲轴状的曲轴配管部(106)，涡轮机(140)的涡轮机旋转轴(144)构成为贯穿曲轴配管部(106)的管壁且在与分支配管(103)的轴向相同的方向上延伸。根据本结构，能够将连结于涡轮机旋转轴的发电机所占的在与分支配管的轴向交叉的方向上的空间的大小抑制得小。
在上述结构的热声发电系统(100)中，优选的是，涡轮机(140)构成为，涡轮机叶片(145)中的涡轮机流路截面积(Sb)与分支配管(103)的横截面中的配管截面积(Sa)相同或者小于配管截面积(Sa)。根据本结构，在工作气体的振动波从分支配管向涡轮机导入时，供该振动波流动的流路的截面积不会扩张。在该情况下，能够抑制因流路的截面积变大而产生的流速振幅及压力振幅的降低，其结果，能够得到适于使涡轮机的涡轮机叶片可靠地进行旋转动作的流速振幅及压力振幅。
在上述结构的热声发电系统(100)中，优选的是，涡轮机(140)具备用于将工作气体的振动波朝向涡轮机叶片(145)导入的导入部(148)，导入部(148)具有相对于涡轮机旋转轴(144)的轴线以从14度到30度之间的规定角度倾斜的倾斜面(148a)。根据该导入部，能够尽可能不使从工作气体的振动波接受的声能衰减地将该振动波引入涡轮机叶片。
此外，在上述说明中，为了有助于发明的理解而对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，能够抑制用于进行发电的发电机所需的成本且提高维护性。
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。
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了规定的工作气体(在本实施方式中为氦)。此外，作为工作气体，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，也可以根据需要而选择其他的设置数。
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的方式呈曲轴状地弯曲。
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(相当于本发明的“涡轮发电机”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典型地由能够接受压力振动而输出电能(电力)的公知的线性的发电机或扬声器型的发电机等构成。而且，也可以在分支配管103的另一端103b取代能量取出部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)。
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构成为从涡轮机外壳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即与分支配管103的轴向(配管延伸的方向)相同的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。通过采用该涡轮机旋转轴144在与分支配管103的轴向相同的方向上延伸的结构，能够将连结于该涡轮机旋转轴144的发电机150所占的在与分支配管103的轴向交叉的方向上的空间的大小抑制得小。该涡轮机旋转轴144相当于本发明的“涡轮机旋转轴”。
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进行旋转。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”。该涡轮机叶片145相当于本发明的“涡轮机叶片”。
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。该圆锥部148相当于本发明的“导入部”。
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)流动的情况中的任何一种情况下，工作气体都会经过固定叶片部147的流通空间向动叶片部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。该发电机外壳151相当于本发明的“发电机外壳”。
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的管内连通的连通孔152a。
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中的发电能力的变更。
上述的涡轮机140为了产生涡轮机叶片145的顺滑的旋转动作而至少具备以下两个特征(第一特征及第二特征)。
作为涡轮机140的第一特征，构成为涡轮机叶片145中的工作气体用的涡轮机流路截面积(在图5中，工作流体从一方的固定叶片部147经过动叶片部146向另一方的固定叶片部147流动的流路的截面积)与分支配管103(曲轴配管部106)的横截面中的配管截面积(流路截面积)Sa相同，或者比该配管截面积Sa小。根据该第一特征，在工作气体的振动波从分支配管103向涡轮机140导入时，其流路截面积不会扩张。在该情况下，能够抑制因流路截面积变大而产生的流速振幅及压力振幅的降低，其结果，在涡轮机140中能够得到适于使涡轮机叶片145可靠地进行旋转动作的流速振幅及压力振幅。
作为涡轮机140的第二特征，构成为选择从14度到30度的范围中选择出的角度作为由圆锥部148形成的所述的进入角度θ。根据该第二特征，能够尽可能不使由工作气体产生的声能E衰减地将工作气体引入涡轮机叶片145。
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取出并变换为规定的能量(例如，振动能、电能等)。
本发明不仅仅限定于上述的典型的实施方式，只要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，记载了涡轮机140的涡轮机旋转轴144在与分支配管103的轴向相同的方向上延伸的结构，但在本发明中，也可以取代本结构而采用相当于涡轮机旋转轴144的部件在与分支配管103的轴向交叉的方向上延伸的结构。
在上述的实施方式中，记载了构成为涡轮机叶片145中的工作气体用的涡轮机流路截面积与分支配管103的配管截面积相同或者比该配管截面积小的情况，但在本发明中，也可以采用涡轮机叶片145的涡轮机流路截面积超过分支配管103的配管截面积的结构。
在上述的实施方式中，记载了涡轮机140具备发挥朝向涡轮机叶片145导入工作气体的功能的圆锥部148的情况，但在本发明中，也可以根据需要而省略相当于涡轮机140中的圆锥部148的构造体。另外，由圆锥部148的倾斜面148a实现的工作气体的进入角度θ如前述那样优选是从14度到30度的范围，但在能够将工作气体以所希望的状态引入涡轮机叶片145的情况下，也可以将进入角度θ设定为脱离了从14度到30度的范围的值。
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，104…第一配管部，105…第二配管部，106…曲轴配管部，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 (5)
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从所述环状配管分支且与所述环状配管连通的分支配管构成，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，包括涡轮机叶片和涡轮机旋转轴，所述涡轮机叶片设置于所述配管构成部的所述分支配管的管内，且通过所述热声发动机中的所述工作气体的自激振动而旋转，所述涡轮机旋转轴构成为连结于所述涡轮机叶片且贯穿所述分支配管的管壁而从管内向管外延伸出；及
发电机，设置于所述配管构成部的所述分支配管的管外，连结于所述涡轮机的所述涡轮机旋转轴，用于将所述涡轮机叶片的旋转能变换为电力。
2.根据权利要求1所述的热声发电系统，
具备发电机外壳，该发电机外壳具有以气密状态收容所述发电机的收容空间和用于使所述收容空间与所述分支配管的管内连通的连通孔，
所述涡轮机旋转轴通过所述发电机外壳的所述连通孔而在所述收容空间中连结于所述发电机。
3.根据权利要求1或2所述的热声发电系统，
所述分支配管具备弯曲成曲轴状的曲轴配管部，
所述涡轮机的所述涡轮机旋转轴构成为贯穿所述曲轴配管部的管壁且在与所述分支配管的轴向相同的方向上延伸。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的热声发电系统，
所述涡轮机构成为，所述涡轮机叶片中的所述工作气体用的涡轮机流路截面积与所述分支配管的横截面中的配管截面积相同或者小于所述配管截面积。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的热声发电系统，
所述涡轮机具备用于将所述工作气体的振动波朝向所述涡轮机叶片导入的导入部，所述导入部具有相对于所述涡轮机旋转轴的轴线以从14度到30度之间的规定角度倾斜的倾斜面。
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