CN109312964A - 热声发动机及热声发动机的设计方法 - Google Patents

热声发动机及热声发动机的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明能够提供一种从热能向声能转换的转换效率高的热声发动机及该热声发动机的设计方法。在将热声发动机(110)的运行时的蓄热器(111)的平均温度设为Ts、运行时的加热器(112)的温度设为Th、运行时的冷却器(113)的温度设为Tc、蓄热器(111)的截面中的流路面积的总和设为Ss、加热器(112)的截面中的工作气体存在的内部空间面积的总和设为Sh、冷却器(113)的截面中的工作气体存在的内部空间面积的总和设为Sc、蓄热器(111)的长度设为Ls时，以加热器(112)的长度Lh＝Ls×(Th/Ts)×(Ss/Sh)的方式，并以冷却器(113)的长度Lc＝Ls×(Tc/Ts)×(Ss/Sc)的方式进行设计。加热器(112)的长度Lh比蓄热器(111)的长度Ls长，且比冷却器(113)的长度Lc长。

Description

热声发动机及热声发动机的设计方法
技术领域
本发明涉及使工作气体自激振动的热声发动机及热声发动机的设计方法。
背景技术
一直以来，在各产业领域中都在要求推进能量的有效利用。例如，鉴于从工厂等的设备及车辆等排出并废弃的排热的量依然高，希望有一种高效率回收热能的技术。本发明者对该技术进行锐意研究的结果，着眼于利用能够使工作气体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”)的一例公开于下述专利文献1。
在该热声发电系统中使用的热声发动机组装于封入有工作气体的热声用配管。该热声发动机具备蓄热器、加热器和冷却器。蓄热器具有在热声用配管的长度方向上贯通的多个流路。加热器与蓄热器的所述长度方向上的一端部连结。加热器具有与所述多个流路连通并在所述长度方向上贯通的加热用内部空间，利用上述的排热等对加热用内部空间内的工作气体进行加热。冷却器与蓄热器的所述长度方向上的另一端部连结。冷却器具有与所述多个流路连通并且在所述长度方向上贯通的冷却用内部空间，对冷却用内部空间内的工作气体进行冷却。
根据该热声发动机，由在蓄热器的所述长度方向上的两端部间产生的温度梯度使工作气体沿所述长度方向自激振动，从而产生由纵波引起的振动波(声波)。其结果是，在热声用配管内产生声能(振动能量)。在该热声发电系统中，在从环状配管即热声用配管分支出的分支配管配备有发电机。利用由热声发动机产生的声能来驱动该发电机，从而进行发电，其结果是，能够高效率地回收上述的排热等的热能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2013/084830号公报
发明内容
可是，为了利用上述的热声发动机更高效率地回收排热等热能，进一步提高从热能向声能转换的转换效率是非常重要的。
本发明的发明者在设计热声发动机时，为了提高从热能向声能转换的转换效率，着眼于构成热声发动机的蓄热器、加热器及冷却器的各自的长度方向上的长度。并且，本发明的发明者进行了锐意研究，结果发现为了提高从热能向声能转换的转换效率所必要的关于蓄热器、加热器及冷却器的各自的长度方向上的长度的关系及这些长度的设计方法。
本发明是鉴于上述点而完成的，其目的在于提供一种从热能向声能转换的转换效率高的热声发动机及该热声发动机的设计方法。
本发明的热声发动机具备与上述相同的蓄热器、加热器及冷却器。本发明的热声发动机的特征在于，所述加热器的所述长度方向上的长度(加热器长度)比所述蓄热器的所述长度方向上的长度(蓄热器长度)长，且比所述冷却器的所述长度方向上的长度(冷却器长度)长。以下，为了说明的方便，将由上述的工作气体的自激振动引起的纵波的所述长度方向上的振幅称为“位移振幅”。
在设计热声发动机时，通常以蓄热器内的工作气体的位移振幅接近蓄热器长度(一致)的方式设计蓄热器长度。此外，以加热器的截面中的工作气体存在的加热用内部空间的面积的总和(加热器总面积)比蓄热器的截面中的多个流路的面积的总和(蓄热器总面积)小，且与冷却器的截面中的工作气体存在的冷却用内部空间的面积的总和(冷却器总面积)大致相等的方式进行设计的情况较多。
当蓄热器内的工作气体向加热器内移动时，由于加热器总面积比蓄热器总面积小，(假设工作气体的体积恒定)因此加热器内的工作气体的位移振幅相比于蓄热器内的工作气体的位移振幅变大。另外，由于加热器的温度比蓄热器的平均温度高，因此工作气体受热膨胀。也由于该膨胀，加热器内的工作气体的位移振幅相比于蓄热器内的工作气体的位移振幅变大。由此可以认为，加热器内的工作气体的位移振幅相比于蓄热器内的工作气体的位移振幅变大。
另外，如果基于与上述相同的想法，由于加热器总面积与冷却器总面积大致相等及加热器的温度比冷却器的温度高，可以认为，加热器内的工作气体的位移振幅相比于冷却器内的工作气体的位移振幅变大。
为了提高从热能向声能转换的转换效率，需要增大在蓄热器的两端部间产生的温度梯度。因此，需要提高加热器及冷却器与工作气体之间的热交换效率。因此，认为以加热器内的工作气体的位移振幅接近加热器长度(一致)的方式设计加热器长度且以冷却器内的工作气体的位移振幅接近冷却器长度(一致)的方式设计冷却器长度是重要的。
根据以上内容，认为如果以加热器长度比蓄热器长度长，且比冷却器长度长的方式来设计蓄热器长度、加热器长度及冷却器长度，则加热器及冷却器与工作气体之间的热交换效率变高，其结果是，从热能向声能转换的转换效率变高。上述的本发明的热声发动机的特征基于这样的见解而形成。
另外，本发明的热声发动机的设计方法涉及基于这样的见解而相对于已设定好的蓄热器长度来设计加热器长度及冷却器长度的设计方法。关于本发明的热声发动机的设计方法的详细内容，稍后进行详细描述。
附图说明
图1是示意性地表示包含本发明的热声发动机的热声发电系统的概略结构的图。
图2是示意性地表示在图1中表示的热声发动机的结构的图。
图3是表示在图2中表示的蓄热器的端面(多个流路)的一例的图。
图4是示意性地表示在图2中表示的加热器的结构的图。
图5是用于说明在图2中表示的热声发动机的各个参数的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的热声发动机的实施方式进行说明。
(结构)
如图1所示，热声发电系统100具备由金属制的配管组成的配管构成部101。配管构成部101包含环状(回路形状)的配管部分即环状配管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。该环状配管102相当于本发明的“热声用配管”。
分支配管103是以从环状配管102分支的分支点为一方端103a并从该一方端103a到另一方端103b长条状延伸的配管部分。分支配管103在另一方端103b处由能源取出部160密封。在规定压力下将规定的工作气体(在本实施方式中是氦气)封入环状配管102及分支配管103双方。此外，作为工作气体，可以取代氦气或除了氦气之外还采用氮气、氩气、氦气及氩气的混合气体、空气等。
在环状配管102中设置有串联连接的三个热声发动机(也称为“原动机”)110。由这些三个热声发动机110构成所谓的“多段型热声发动机”。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、与蓄热器111的高温部即一端部111a对向配置的加热器112和与蓄热器111的常温部(或低温部)即另一端部111b对向配置的冷却器113。此外，热声发动机110的设置数量不限定于三个，可以根据需要选择其他的设置数量。
如图2及图3所示，各蓄热器111是与环状配管102的配管长度方向(配管的延伸方向、x轴方向)垂直的方向的截面的形状为圆形的圆柱状的构造体。各蓄热器111的配管长度方向上的两端面是与配管长度方向(x轴方向)垂直的平面。各蓄热器111具有在一端部111a与另一端部111b之间沿配管长度方向(x轴方向)互相平行地延伸且贯通了的多个流路111c。在该多个流路111c内工作气体振动。
在图3表示的例子中，多个流路111c由多个壁划分形成矩阵状，该多个壁纵横地将蓄热器111的内部分隔。此外，只要在蓄热器111的内部形成有沿配管长度方向延伸且贯通了的多个流路，则蓄热器111的内部可以任意地分隔，包含蜂窝状等。
作为蓄热器111，例如，典型地能够使用陶瓷制的构造体、将多个不锈钢的网状薄板以微小间距平行地层叠而成的构造体、由金属纤维制成的无纺布状物等。此外，作为蓄热器111也能够采用横截面是椭圆形、多边形等的结构来取代横截面是圆形的结构。
在蓄热器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，沿配管长度方向自激振动。其结果是，形成由沿配管长度方向振动的纵波产生的振动波(也称为“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。
如图2所示，各加热器112与加热源120连接。加热源120发挥将温风、温水等加热用流体向各加热器112供给的功能。如图2及图4所示，各加热器112具备组装于蓄热器111的一端部111a的块112a和组装于块112a的多个管112b。在块112a中，形成有沿配管长度方向(x轴方向)贯通的圆柱状的加热用内部空间112c。加热用内部空间112c与蓄热器111的多个流路111c连通，在加热用内部空间112c内工作气体振动。
在块112a的侧面上，形成有呈在配管长度方向(x轴方向)上延伸的长孔状的多个形状相同的贯通孔112aa，该贯通孔112aa沿着与配管长度方向垂直的第一方向(z轴方向)，且在与配管长度方向及第一方向垂直的第二方向(y轴方向)上空开规定的间隔。各管112b的截面形状相同，具有与贯通孔112aa对应的长孔状的扁平形状。此外，各管112b的截面具有长孔状的扁平形状是为了充分地确保在管内流通的加热用流体的流路面积。
多个管112b以如下方式组装于块112a：通过分别插入并固定于对应的贯通孔112aa中而相互分离地沿第一方向(z轴方向)横穿加热用内部空间112c。其结果是，多个管112b整齐排列为各管112b的所述扁平形状的延伸方向与配管长度方向(x轴方向)一致。在贯通孔112aa与管112b的接触部处，实施规定的密封处理以使封入于内部的工作气体无法向外部泄漏。
多个管112b与加热源120连接。通过使从加热源120供给的加热用流体在多个管112b中流过而在多个管112b内的加热用流体与块112a的加热用内部空间112c内的工作气体之间进行热交换。其结果是，蓄热器111的一端部111a周围的工作气体被加热。热交换后的温度下降了的加热用流体返回加热源120而再次被加热。
各冷却器113也具有和上述的加热器112相同的结构。即，如图2所示，各冷却器113与冷却源130连接。冷却源130发挥将冷风、冷水等冷却用流体向各冷却器113供给的功能。各冷却器113具备组装于蓄热器111的另一端部111b的块113a和组装于块113a的多个管113b。在块113a中，形成有沿配管长度方向(x轴方向)贯通的圆柱状的冷却用内部空间113c(参照后述的图5)。冷却用内部空间113c与蓄热器111的多个流路111c连通，在冷却用内部空间113c内工作气体振动。截面是扁平形状的多个管113b以相互分离地沿第一方向(z轴方向)横穿冷却用内部空间113c的方式组装于块113a。
多个管113b与冷却源130连接。通过使从冷却源130供给的冷却用流体在多个管113b中流过而在多个管113b内的冷却用流体与块113a的冷却用内部空间113c内的工作气体之间进行热交换。其结果是，蓄热器111的另一端部111b周围的工作气体被冷却。热交换后的温度上升了的冷却用流体返回冷却源130而再次被冷却。
通过由上述的加热器112实现的加热作用和由冷却器113实现的冷却作用的协作，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。即，加热器112及冷却器113构成如下热交换器：为了使封入于配管构成部101的工作气体自激振动，以在各蓄热器111的多个流路111c的两端部间生成温度梯度的方式与工作气体之间进行热交换。
回到图1，分支配管103具备在环状配管102与涡轮140之间直线状地延伸的第一配管部104、隔着涡轮140而在与环状配管102相反一侧直线状地延伸的第二配管部105、以连接第一配管部104和第二配管部105的方式弯曲为曲柄状的曲柄配管部106。
涡轮140以与分支配管103的管内连通的方式构成，进而实现以下功能：将存在于分支配管103的管内的工作气体的振动波的声能(也称为“振动能”)转换为机械的旋转能量。即，该涡轮140接受由设置于分支配管103的热声发动机110中的工作气体的自激振动产生的声能而旋转。在涡轮140连接有用于将该涡轮140的旋转的动能(旋转能量)转换为电力的发电机150。
在分支配管103的另一方端103b，即第二配管105的两侧的管端部中的与涡轮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向管外取出的能源取出部160。该能源取出部160典型地由能够接受压力振动而输出电能(电力)的公知的线性发电机、扬声器型发电机等构成。
(工作)
以下，根据前述的内容对如上述构成的热声发电系统100的工作简单地进行说明。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，在蓄热器111的一端部111a与另一端部111b之间产生温度梯度。由该温度梯度形成在各蓄热器111形成主要由工作气体的自激振动产生的振动波。该振动波(声波)的声能(振动能)从配管构成部101的环状配管102通过分支配管103向涡轮140传递，进一步向能源取出部160传递。在此情况下，分支配管103构成为用于对在热声发动机110产生的工作气体的声能进行引导的共鸣管(导波管)。声能的一部分由作为能量取出手段的涡轮140取出并由与该涡轮140连接的发电机150转换为电能(电力)，另外由能源取出部160取出转换为规定的能量(例如，振动能、电能等)。
(蓄热器长度、加热器长度及冷却器长度的设计和作用/效果)
为了利用热声发动机110将排热等的热能以更高效率回收，进一步提高从热能向声能转换的转换效率十分重要。本发明的发明者在设计热声发动机时，为了提高从热能向声能转换的转换效率而着眼于构成热声发动机110的蓄热器111、加热器112及冷却器113的各自的在配管长度方向上的长度(蓄热器长度、加热器长度、冷却器长度)。
本发明的发明者刻苦研究，结果发现了如下的设计方法：相对于已经设定好的蓄热器长度，设计为了提高从热能向声能转换的转换效率所需要的加热器长度及冷却器长度。
以下，为了说明的方便，如图5所示，将蓄热器长度定义为Ls，将加热器长度定义为Lh，将冷却器长度定义为Lc。另外，将热声发动机110的运行时(稳定运转时)的蓄热器111的平均温度(蓄热器温度)定义为Ts，将运行时(稳定运转时)的加热器112的温度(加热器温度)定义为Th，将运行时(稳定运转时)的冷却器113的温度(冷却器温度)定义为Tc。需要说明的是，“温度”是指绝对温度。
进一步地，将蓄热器111的截面中的多个流路111c的面积的总和(蓄热器总面积)定义为Ss，将加热器112的截面中的工作气体存在的加热用内部空间112c的面积的总和(加热器总面积)定义为Sh，将冷却器113的截面中的工作气体存在的冷却用内部空间113c的面积的总和(冷却器总面积)定义为Sc。需要说明的是，“截面”是指与配管长度方向正交的截面。另外，将由上述的工作气体的自激振动产生的纵波的配管长度方向上的振幅称为“位移振幅”。
在设计热声发动机110时，通常以蓄热器111内的工作气体的位移振幅接近蓄热器长度Ls(一致)的方式来设计/设定蓄热器长度Ls。另外，多以比蓄热器总面积Ss小且和冷却器总面积Sc大致相等的方式设计加热器总面积Sh。此外，蓄热器111内的工作气体的位移振幅能够通过调整加热器温度Th与冷却器温度Tc的温度比(Th/Tc)及蓄热器总面积Ss等参数而任意调整。
为了提高从热能向声能转换的转换效率，需要增大在蓄热器111的两端部间产生的温度梯度。因此，需要提高加热器112及冷却器113与工作气体之间的热交换效率。因此，认为以使加热器112内的工作气体的位移振幅接近加热器长度Lh(一致)的方式设计加热器长度Lh并且以使冷却器113内的工作气体的位移振幅接近冷却器长度Lc(一致)的方式设计冷却器长度Lc是重要的。
当蓄热器111内的工作气体向加热器112内移动时，由于加热器总面积Sh比蓄热器总面积Ss小，(假设工作气体的体积恒定)因此加热器112内的工作气体的位移振幅相比于蓄热器111内的工作气体的位移振幅变大。关于这一点，“加热器112内的工作气体的位移振幅”相对于“蓄热器111内的工作气体的位移振幅”的变化率(增加率)与“蓄热器总面积Ss”相对于“加热器总面积Sh”的比率(Ss/Sh)相等。
另外，当蓄热器111内的工作气体向加热器112内移动时，由于加热器温度Th比蓄热器温度Ts高，因此工作气体受热膨胀。也由于该膨胀，加热器112内的工作气体的位移振幅相比于蓄热器111内的工作气体的位移振幅变大。关于这一点，“加热器112内的工作气体的位移振幅”相对于“蓄热器111内的工作气体的位移振幅”的变化率(增加率)与“加热器温度Th”相对于“蓄热器温度Ts”的比率(Th/Ts)相等。
根据以上内容，在已经以蓄热器111内的工作气体的位移振幅接近蓄热器长度Ls(一致)的方式设定好蓄热器长度Ls的条件下，为了使加热器长度Lh接近加热器112内的工作气体的位移振幅(使其一致)所需的加热器长度Lh能够通过以下的表达式(1)表示。
Lh＝Ls×(Th/Ts)×(Ss/Sh)…(1)
同样地，当蓄热器111内的工作气体向冷却器113内移动时，由于冷却器总面积Sc比蓄热器总面积Ss小，(假设如果工作气体的体积恒定)因此冷却器113内的工作气体的位移振幅相比于蓄热器111内的工作气体的位移振幅变大。关于这一点，“冷却器113内的工作气体的位移振幅”相对于“蓄热器111内的工作气体的位移振幅”的变化率(增加率)与“蓄热器总面积Ss”相对于“冷却器总面积Sc”的比率(Ss/Sc)相等。
另外，当蓄热器111内的工作气体向冷却器113内移动时，由于冷却器温度Tc比蓄热器温度Ts低，因此工作气体放热收缩。由于该收缩，冷却器113内的工作气体的位移振幅相比于蓄热器111内的工作气体的位移振幅变小。关于这一点，“冷却器113内的工作气体的位移振幅”相对于“蓄热器111内的工作气体的位移振幅”的变化率(增加率)与“冷却器温度Tc”相对于“蓄热器温度Ts”的比率(Tc/Ts)相等。
根据以上内容，在已经以蓄热器111内的工作气体的位移振幅接近蓄热器长度Ls(一致)的方式设定好蓄热器长度Ls的条件下，为了使冷却器长度Lc接近冷却器113内的工作气体的位移振幅(使一致)所需要的冷却器长度Lc能够通过以下的表达式(2)表示。
Lc＝Ls×(Tc/Ts)×(Ss/Sc)…(2)
这样一来，在蓄热器长度Ls已经设定好的条件下，通过将加热器长度Lh及冷却器长度Lc分别设定为由上述表达式(1)及上述表达式(2)表示的值来使加热器112及冷却器113与工作气体之间的热交换效率变高，其结果是，能够设计出从热能向声能转换的转换效率高的热声发动机110。
如上所述，在热声发动机110中，加热器总面积Sh被设计为比蓄热器总面积Ss小且与冷却器总面积Sc大致相等。另外，加热器温度Th比蓄热器温度Ts高且比冷却器温度Tc高。
因此，在上述表达式(1)中，值(Th/Ts)及值(Ss/Sh)都比“1”大。其结果是，在上述表达式(1)中，加热器长度Lh一律比蓄热器长度Ls长。
另一方面，在上述表达式(2)中，值(Tc/Ts)比“1”小，值(Ss/Sc)比“1”大。其结果是，在上述表达式(2)中，冷却器长度Lc与蓄热器长度Ls的大小关系一律无法确定。然而，加热器总面积Sh与冷却器总面积Sc大致相等并且加热器温度Th比冷却器温度Tc高，因而当比较上述表达式(1)及上述表达式(2)时，加热器长度Lh一律比冷却器长度Lc长。
以上，如果以加热器长度Lh比蓄热器长度Ls长且比冷却器长度Lc长的方式对蓄热器长度Ls、加热器长度Lh及冷却器长度Lc进行设计，则与不满足这些条件的情况相比，加热器112及冷却器113与工作气体之间的热交换效率高，其结果是，能够使在热声发动机110中从热能向声能转换的转换效率提高。
本发明不仅仅限定于上述的典型的实施方式，能够在不脱离本发明目的的情况下考虑各种应用、变形。例如，也可以实施应用了上述实施方式的下面的各实施方式。
在上述实施方式中，虽然采用蓄热器总面积Ss、加热器总面积Sh及冷却器总面积Sc作为上述表达式(1)及上述表达式(2)中的参数，但是在由蓄热器111内部的圆筒内壁划定的圆柱状空间(不存在对多个流路111c进行划分的壁的情况下的空间)的截面积、由加热器112(块112a)内部的圆筒内壁划定的圆柱状空间(不存在管112b的情况下的空间)的截面积及由冷却器113(块113a)内部的圆筒内壁划定的圆柱状空间(不存在管113b的情况下的空间)的截面积全部相等的情况下(以下，称作“管截面积Sa”)，如下述表达式(3)及表达式(4)所示，能够取代蓄热器总面积Ss、加热器总面积Sh及冷却器总面积Sc而采用蓄热器开口率Rs、加热器开口率Rh及冷却器开口率Rc。
Lh＝Ls×(Th/Ts)×(Rs/Rh)…(3)
Lc＝Ls×(Tc/Ts)×(Rs/Rc)…(4)
在此，蓄热器开口率Rs被定义为(蓄热器总面积Ss)/(管截面积Sa)，加热器开口率Rh被定义为(加热器总面积Sh)/(管截面积Sa)，冷却器开口率Rc被定义为(冷却器总面积Sc)/(管截面积Sa)。
标号说明
100…热声发电系统，110…热声发动机，111…蓄热器，111a…一端部，111b…另一端部，111c…多个流路，112…加热器，112a…块，112c…加热用内部空间，113…冷却器，113a…块，113c…冷却用内部空间，120…加热源，130…冷却源。

Claims (3)

1.一种热声发动机，组装于封入有工作气体的热声用配管，其中，具备：
蓄热器，具有在所述热声用配管的长度方向上贯通的多个流路；
加热器，与所述蓄热器的所述长度方向上的一端部连结，具有与所述多个流路连通并且在所述长度方向上贯通的加热用内部空间，对所述加热用内部空间内的所述工作气体进行加热；和
冷却器，与所述蓄热器的所述长度方向上的另一端部连结，具有与所述多个流路连通并且在所述长度方向上贯通的冷却用内部空间，对所述冷却用内部空间内的所述工作气体进行冷却，
所述加热器的所述长度方向上的长度比所述蓄热器的所述长度方向上的长度长，且比所述冷却器的所述长度方向上的长度长。
2.根据权利要求1所述的热声发动机，其中，
所述加热器的截面中的所述工作气体存在的所述加热用内部空间的面积的总和比所述蓄热器的截面中的所述多个流路的面积的总和小，且与所述冷却器的截面中的所述工作气体存在的所述冷却用内部空间的面积的总和相等。
3.一种热声发动机的设计方法，是权利要求1或权利要求2所述的热声发动机的设计方法，其中，
在将所述热声发动机的运行时的所述蓄热器的平均温度设为Ts、所述运行时的所述加热器的温度设为Th、所述运行时的所述冷却器的温度设为Tc、所述蓄热器的截面中的所述多个流路的面积的总和设为Ss、所述加热器的截面中的所述工作气体存在的所述加热用内部空间的面积的总和设为Sh、所述冷却器的截面中的所述工作气体存在的所述冷却用内部空间的面积的总和设为Sc、所述蓄热器的所述长度方向上的长度设为Ls时，
将所述加热器的所述长度方向上的长度Lh设计成为Ls×(Th/Ts)×(Ss/Sh)，
将所述冷却器的所述长度方向上的长度Lc设计成为Ls×(Tc/Ts)×(Ss/Sc)。
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