JP2001521125A - 熱音響システム装置 - Google Patents
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Abstract
Description
れた蓄熱器とで構成される蓄熱熱音響エネルギ変換器(TAEC)に関する。
て、熱および音響エネルギ、ガス圧発振が互いに変換される閉塞システムである
。TAECは、例えば冷却または加熱のためのヒートポンプまたはポンプを駆動
するためまたは電力を発生するためのエンジンとして非常に適する多くの特性を
有する。TAECに基づいたシステムの可動部品の数は限定され、原理的には潤
滑を必要としない。構成は簡単であり、製造および維持コストを低くさせる非常
に自由な実施を提供する。TAECは環境的に良好である、即ち有害なまたはオ
ゾン層破壊物質の代わりに、空気または貴ガスが熱伝達媒体として使用できる。
動作の温度範囲が大きく、故に多数の応用を可能にする。閉塞システムにより、
外部雑音発生が低くなり、更に、周波数スペクトラムが制限される。それ故に、
必要なら、雑音妨害または振動を最小にする適当な手段がとれる。
circuit)で構成される。この中には、良好な熱交換特性を有する多孔性物質の “蓄熱器”の両側の2つの熱交換器だけでなくガスが存在する。特定の温度を有
するガスがすでに振動しているとすれば、熱は音響波の影響下で一方熱交換器、
入口熱交換器から他方、出口熱交換器へ移動する。
スでは、機械的エネルギが付加され、これによって例えば薄膜(membrane)、ベロ
ウ(bellows)または自由ピストン構造(free piston construction)によってガス が振動状態にされ、そのとき振動ガスによって熱が一方の熱交換器から他方に“
ポンプ供給”される。後者の場合、エンジンとして、熱が一方熱交換器に供給さ
れ、熱は他方に排出される。それによって、気筒(gas column)の振動が持続され
、ガス移動が薄膜を介して有用エネルギとして分離(couple out)できる。また、
前記熱ポンプは薄膜およびE/M変換器無しで前記エンジンによって直接に駆動
できる。このエンジンによって、熱によって駆動されるヒートポンプシステムは
全く移動部品を用いないで向きを変える。TAECはガスの局部拡張振幅(local
extension amplitude)以上の名川を持った制限熱交換器を備えたいわゆる熱音 響スタックによって特徴付けられる“パルス管”として知られている。冷却容量
を拡大するために、前記特許によると、パルス管はバッファに接続される1以上
の“穴(orifices)”、出口開口または小径のバイパスを備えている。このような
制御可能な漏れの結果として、スタックの箇所でのガス圧と速度との位相シフト
は減少され、インピーダンスが低下する。これによりヒートポンプ容量が増加す
る。実際には、RCネットワークの問題がある。容量はそのようなRCニットワ
ークによって真に十分に増加されるが、ネットワーク(穴)の抵抗成分における
エネルギ損失により純効率が消極的に影響される。
によって特徴付けられる“進行波熱エンジン”として知られている。進行波共鳴
器の蓄熱器の箇所でのインピーダンスの値は比較的低く、蓄熱器の粘性(flow re
sistance)の影響を優勢にさせる。ここでは、この効率は逆に影響される。
起こらなく、純効率が周知のTAECよりも遙かに有利であるようにTAECの
容量を増加することにある。
回路により構成され、蓄熱器が(無損失)遅延線または音響誘導(慣性)によっ
て形成されるバイパスを備えている、TAECを提供する。以降に参照する他の
文献(Ceperly)の中から、蓄熱器の最適動作にとって実際のインピーダンスが 支配しなければならないこと、即ちガス圧(p)およびガス速度(v)が互いに
実質的に同相でなければならないことは知られている。更に、粘性の影響を制限
するために、蓄熱器のインピーダンスの値は媒体の特性インピーダンスに対して
高くしなければならない。十分理解されるように、共鳴器においては、ガス圧(
p)およびガス速度(v)はほぼ90度位相がずれている。
での圧力差(dp)は、バイパスまたは共鳴器のそれぞれにおいてオリジナルガ
ス圧(v)に対してほぼ90度位相がずれているリードタイムまたはインダクシ
ョン(慣性)によって生じる。共鳴器のガス速度は前記コンビネーションの圧力
差(dp)に比例する。このようにほぼ90度の位相シフトが2度生じるので、
蓄熱器の純ガス速度は再び共鳴器のガス圧(p)とほぼ同相になり、故に殆ど実
際のインピーダンスの要求を満たしている。
対して、これは次のように理解できる。即ち、バイパスの入口での圧力をp1=
p.ej.ω.1と記述すれば、バイパスの入口での圧力はp1=p.ej.(j.ω.1-φ ) となる。故に、バイパスでの時間平均圧力差は次式に等しい。
速度(v)とほぼ90度の位相ずれとなる。蓄熱器の純ガス速度はこの圧力差に
比例しなければならないので、蓄熱器のガス速度は共鳴器のガス速度に対してほ
ぼ90度位相ずれとなり、故に共鳴器のガス圧と同相となる。
理的にはインピーダンスの絶対値だけが位相シフト(φ)の値に依存しているこ
とを示している。バイパスのリードタイムまたはインダクションによってこの位
相シフトを変えることによって、蓄熱器のインピーダンスの絶対値は大きな範囲
にわたり変えることができ、粘性の影響はもはや支配的とはならなく、高容量お
よび高効率が得られるように設定できる。
加的な損失は殆ど生じない。しかしながら、実際には、かならず規制粘性が生じ
る。前者の影響を最小にするために、粘性境界層(dv)の厚みがバイパスの直
径に比較して無視できるほど小さくしなければならない。(大気圧での)この境
界層の厚みは実際的式によって与えられる。
る。損失を最小にする第2の要求はバイパスのガス速度を低く保つことである。
実際には、これはバイパス総断面が蓄熱器の断面の5%以上のオーダにあること
を意味する。一般に第1の要求はここでは十分に満たしている。原理的にはバイ
パスの断面に対して上限はない。
る任意の値を持つことができる。損失を最小にするために、バイパスはできるだ
け短く保つべきである。
回路が送信ライン(リードタイム)、自己インダクション(慣性)およびキャパ
シタ(コンプライアンス)のような無損失音響素子のコンビネーションにより構
築できることを意味します。
振幅よりも非常に小さく熱交換器の長さを選択することが可能である。ここでは
、流量損失(flow losses)が更に最小化され、高効率が上記の手段と組み合わせ て得られる。更に、薄膜またはベロウおよびE/M変換器を用いない上述の発明
に従った第1のTAECは第2のTAECに結合でき、それにより全く動部品を
用いないで熱によって駆動されるヒートポンプシステムを実現できる。最後に、
上述の発明に従った第1のTEACは同部品を用いないヒートポンプシステムを
実現する(オルガン管のような)空気圧手段によって駆動できる。
。
は空値圧モータを含む、この発明に従ったTAECの模範的実施形態を示す。1
と2間の接続は薄膜またはベロウによって形成される。これは気密封止(gas tig
ht sealing)設けることの他にまた必要なマススプリングシステム(mass-spring-
system)として寄与する。TAEC1は中に蓄熱器5が配置される共鳴室または 共鳴器4を更に含む。後者は2つの熱交換器6および7によって形成され、これ
らの間にガス透過性物質、例えば鋼綿(steel wool)またはメタルフォーム(metal
foam)で作られる蓄熱本体8が設けられる。熱交換器6および7は接続体6aお
よび6b並びに7aおよび7bによってそれぞれ外部気体または液体回路に接続
できる。これによって熱が熱交換器へ供給されまたはから排出される。
たは気圧(振動)エンジンであり、これは共鳴器4に存在するガスを薄膜3を介
して振動させ、熱交換器6は冷側であり、熱交換器7は温側であり、故に熱は熱
交換器6から蓄熱本体8を介して熱交換器7に送られる。故に、TAECは冷却
または加熱に寄与できる。両方の場合、熱は“冷”熱交換器6に接続されるコン
デンサによって第1媒体から排出され、この熱は熱交換器6,蓄熱本体8,“温
”熱交換器7およびそれに接続されるラジエータに与えられる。故に、熱搬送は
第1媒体から第2媒体へ生じる。
路に接続され、これに対して熱交換器7は冷却回路に接続される。共鳴器4に存
在するガスは共鳴(振動)する。これは熱交換器6を介する熱供給および熱交換
器7を介する熱排出によって維持される。ガス振動によって、薄膜3も振動を開
始し、この振動がE/M変換器に伝えられる。これが発電機として機能し、電力
に変換される。
holtz resonator)としても実現できることは注目すべきである。この発明に従っ
たTAECにおいては、共鳴室4は蓄熱器上にバイパス10を設けている。図1
,2および3はバイパス10の異なった構成の実施形態を示している。図1では
、バイパス(シャント(shunt))は多数の外部接続チャンネルによって“まっす ぐ”に形成される。これは共鳴室4の一部を他部に接続しており、接続チャンネ
ルの長さはリードタイムを決定する。図2において、バイパス10は熱交換器6
および7および蓄熱本体8の穴を介する内部接続管12によって形成される。接
続管の長さはリードタイムを決定する。図3の実施形態のバイパス10は環状に
形付けられ、共鳴室4の外側覆いおよびスペーサリングの外側によって形成され
る。スペーサリングは熱交換器6および7並びに蓄熱本体8を包囲している。示
された形状によって“遅延線”が作られる。−図1および2の実施形態にも適用
される−遅延線のリードタイムはバイパスと蓄熱器との組み合わせでの圧力差が
共鳴器のガス速度と位相においてほぼ90度異なるように大きい。この手段によ
ってTAECはその値が遅延線のリードタイムに依存する、蓄熱器の箇所での実
際のインピーダンスを得て、容量を増加することが達成される。遅延線は任意の
壁表面領域を総システムに殆ど加えることなく、エネルギ浪費することがなく、
付加的損失を導入させないので、効率は低下しない。寄生粘性の影響を最小にす
るために、粘性境界層の厚み(dv)はバイパスの系に対して無視できるほど小
さくしなければならない。エネルギ浪費を最小にするためにバイパスのガス速度
は低く保たねばならない。実際には、これはバイパスの総断面が蓄熱器の断面の
5%以上のオーダであることを意味する。スペーサリング11の形状によって決
まるバイパスの長さは好ましくは波長の5%未満である。バイパスの断面は全長
に亘って一定である必要がない。音響的に、これは、バイパス回路が伝送ライン
(リードタイム)、自己インダクション(慣性)およびキャパシタ(コンプライ
アンス)のような音響素子の組み合わせにより構築できることを意味する。バイ
パスの断面はスペーサリングを軸方向にシフトすることによって図3に示される
実施形態で容易に設定できる。
エンジンとして動作し、一方はヒートポンプとして動作する。両TAECの共鳴
器はヘルムホルツ共鳴器を形成する狭管を介して薄膜なく、または図4に示すよ
うに(大量慣性(mass inertia)を与える)共通薄膜を介して互いに結合できる。
図に左のTAEC1エンジンとして使用される。このため、熱交換器6が加熱媒
体を持つ回路に接続され、これに対して熱交換器7は冷却回路に接続される。共
鳴器4に存在するガスは共鳴(振動)となる。これは熱交換器6を介する熱供給
および熱交換器7を介する熱排出によって維持される。ガス振動によって薄膜3
は振動を開始し、その振動は右側TAEC1の共鳴器4を通る。TAEC1は、
ヒートポンプとして使用され、その共鳴器4に存在するガスが薄膜3を介して振
動する。熱交換器6はヒートポンプヒートポンプの冷側であり、熱交換器7は温
側である。故に、熱は熱交換器6から蓄熱本体8を介して熱交換器7に送られる
。このように、TAEC2はTAEC1によって駆動され、冷却または加熱に寄
与する。
法がEP 0 614 059に示されるシステムから知られている。この周知
のシステムにおいて、パルス管とバッファ9の容量によって形成され、狭管によ
って相互接続される位相シフトは穴11(R)およびコンプライアンス(C)の
組み合わせにより構成されるバイパス回路によって(電気的RCネットワークと
同様に)導入される。 しかしながらこの方法は穴とバッファ容量の組み合わせが蓄熱器の速度(およ
び冷却力)を要求される90度位相シフトに近いゼロに近づけさせる第1順(R
C)ネットワークとなる事実から起こる。 更に、蓄熱器の結果速度振幅が穴と管の粘性と比例する。故に、粘性の有限値
が非ゼロ速度振幅を維持するために不可欠である。しかしながら、この粘性は総
効率を減少する付加(固有)浪費を生じる。 以下に参照する特許出願から、蓄熱TAECは進行波共鳴器に含まれる蓄熱器
によって特徴付けられる“進行波熱エンジン”として知られている。進行波共鳴
器の蓄熱器の箇所でのインピーダンスの値は比較的低く、蓄熱器の粘性(flow re
sistance)の影響を優勢にさせる。ここでは、この効率は逆に影響される。
AEC1’はエンジンとして使用される。このため、熱交換器6’が加熱媒体を
持つ回路に接続され、これに対して熱交換器7’は冷却回路に接続される。共鳴
器4’に存在するガスは共鳴(振動)となる。これは熱交換器6’を介する熱供
給および熱交換器7’を介する熱排出によって維持される。ガス振動によって薄
膜3は振動を開始し、その振動は右側TAEC1’の共鳴器4’を通る。TAE
C1’は、ヒートポンプとして使用され、その共鳴器4’に存在するガスが薄膜
3’を介して振動する。熱交換器6’はヒートポンプヒートポンプの冷側であり
、熱交換器7’は温側である。故に、熱は熱交換器6’から蓄熱本体8’を介し
て熱交換器7’に送られる。このように、TAEC1’はTAEC1によって駆
動され、冷却または加熱に寄与する。
Claims (6)
- 【請求項1】 音響共鳴器(4)および熱交換器(6,7)と蓄熱本体(8
)とで構成される蓄熱器により構成される熱音響エネルギ変換器(TAEC)に
おいて、その粘性が前記共鳴器の粘性に対して小さくなるような断面を有する、
前記蓄熱器上の無損失バイパス回路(10)によって特徴とする熱音響エネルギ
変換器。 - 【請求項2】 前記バイパス内の音響移相は45度未満であることを特徴と
する請求項1記載の熱音響エネルギ変換器。 - 【請求項3】 前記バイパスの総断面は前記蓄熱器の断面の少なくとも5%
であることを特徴とする請求項1記載の熱音響システム。 - 【請求項4】 前記熱交換器の長さはガスの局部拡張振幅に対して小さいこ
とを特徴とする請求項1記載の熱音響システム。 - 【請求項5】 前記共鳴器(4)は第2の同一の熱音響エネルギ変換器(1
’)の共鳴器(4’)に結合され、前記一方のエネルギ変換器(1’)は前記熱
交換器(6’)の一方に熱を供給し、他方の熱交換器(7’)で熱を排気するこ
とによってエンジンとして機能し、前記他方のエネルギ変換器(1)は前記一方
のエネルギ変換器(1’)によって駆動されるヒートポンプとして機能し、前記
一方の熱交換器(6)からの熱は前記他の熱交換器(7)にポンプ供給されるこ
とを特徴とする請求項1記載の熱音響システム。 - 【請求項6】 前記共鳴器(4’)線形電気または空気モータあるいはオル
ガン管のような非線形空気駆動機構によって駆動される請求項1記載の熱音響シ
ステム。
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