JP2006112260A - 熱音響エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 仕事出力機構の出力側稼働部が高温に曝されることがないようにするとともに、エンジン効率の向上を図ることが可能な、作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジンを提供する。
【解決手段】 作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジン３０１は、一端に高温熱交換器２０５によって加熱される高温部２０７ａと他端に外部に熱を放出して冷却される常温部２０７ｂとを有する再生器２０７と、一端が高温部２０７ａに接続されたパルス管２０８と、パルス管２０８の他端に接続されておりパルス管２０８から伝達される仕事により駆動される１対のピストン２３１及びシリンダ２３２を有する膨張機２０３と、パルス管２０８とピストン２３１及びシリンダ２３２との間に接続されており外部に熱を放出する第２常温熱交換器２０９と、常温部２０７ｂに仕事を入力する圧縮機２１０とを備えている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、熱音響エンジン、特に、作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジンに関する。

従来より、外燃機関の一つとしてスターリングエンジンが用いられている。スターリングエンジンは、等容加熱、等温膨張、等容冷却及び等温圧縮の過程を順次繰り返すことにより出力を得るエンジンである。スターリングエンジンには、２ピストン型やディスプレーサ型等のいくつかの型式があるが、いずれの型式においても、高温空間及び常温空間の２つの空間を備えており、これらの空間内に封入された作動気体を移動させることによって、上記の過程を近似的に実現している。そして、このような作動気体の移動を、２ピストン型のスターリングエンジンでは２つのピストンを用いて、また、ディスプレーサ型のスターリングエンジンではディスプレーサピストンを用いて行っている。

例えば、２ピストン型のスターリングエンジン１では、図１に示されるように、主として、圧縮機２と、膨張機３と、本体部４と、高温熱交換器５と、常温熱交換器６と、再生器７とを備えている。
圧縮機２は、１対のピストン２１及びシリンダ２２と、ピストン２１とシリンダ２２とにより形成される圧縮室２３とを有している。

膨張機３は、１対のピストン３１及びシリンダ３２と、ピストン３１とシリンダ３２とにより形成される膨張室３３とを有している。
本体部４は、作動気体が入れられる管状部材であり、圧縮機２の圧縮室２３と膨張機３の膨張室３３との間に接続されている。高温熱交換器５は、本体部４の膨張機側の端部に設けられており、外部熱源を用いて本体部４の膨張機側の部分を加熱する機器である。すなわち、高温熱交換器５は、エンジン１の熱入力部として機能する。また、常温熱交換器６は、本体部４の圧縮機側の端部に設けられており、冷却水や空気等を用いて本体部４の圧縮機側の部分を冷却する機器である。これにより、膨張室３３は高温空間として機能し、圧縮室２３は常温空間として機能することになる。再生器７は、高温熱交換器５と常温熱交換器６とに挟まれるように本体部４に設けられており、作動気体が本体部４内を通じて圧縮室２３と膨張室３３との間を往復する際に熱を蓄える機能を有する機器である。すなわち、再生器７は、膨張機側の端部に高温熱交換器５によって加熱される高温部７ａと、圧縮機側の端部に外部に熱を放出して冷却される常温部７ｂとを有している。

このような構成を備えたエンジン１では、高温熱交換器５で再生器７の高温部７ａを加熱し、常温熱交換器６で再生器７の常温部７ｂを冷却しつつ、圧縮機２の１対のピストン２１及びシリンダ２２と膨張機３の１対のピストン３１及びシリンダ３２とを用いて、作動気体を膨張室３３と圧縮室２３との間で往復させることによって、出力を得ることができる。

上記従来のエンジン１に代表されるスターリングエンジンでは、再生器７の高温部７ａの近傍に膨張機３の膨張室３３が設けられている。この膨張室３３は、１対のピストン３１及びシリンダ３２によって形成されており、運転の際に、ピストン３１とシリンダ３２との間で摺動が生じるため、その摺動部分には、作動気体の外部への漏れを防ぐためのシールが設けられている。

しかし、膨張室３３のシールは、再生器７の高温部７ａによって高温に曝されるため、長時間にわたり運転を行うと、シール性能の低下やピストン３１及びシリンダ３２の摩耗等により、エンジン性能が低下してしまうという問題がある。
これに対して、高温に曝される膨張室３３のシールをなくすために、図２に示されるように、高温熱交換器５と膨張機３との間にパルス管８と、外部に熱を放出する放熱器としての第２の常温熱交換器９を設けるとともに、図１における圧縮機２をなくしたエンジン１０１にすることが考えられる。そして、このような構成を備えたエンジン２では、高温熱交換器５で再生器７の高温部７ａを加熱し、常温熱交換器６で再生器７の常温部７ｂを冷却することによって、再生器７において、作動気体の圧力振動を生じさせ、この圧力振動がパルス管８を通じて、仕事出力機構としての膨張機３に伝達され、その出力側稼働部として機能する１対のピストン３１及びシリンダ３２を駆動して、出力を得ることができる。

しかし、このエンジン１０１では、再生器７内において生じる圧力振動が主として定在波であり、膨張機３に仕事を伝達して出力を得ることができる進行波がほとんど発生しない。この点で、このエンジン１０１は、いわば、定在波パルス管エンジンであり、出力側稼働部としてのピストン３１及びシリンダ３２により形成される膨張室３３のシールが高温に曝されるのをなくすことは可能であるが、膨張機３に仕事を伝達することができる進行波の発生が非常に少なく、エンジン効率が悪いという問題がある。

本発明の課題は、仕事出力機構の出力側稼働部が高温に曝されることがないようにするとともに、エンジン効率の向上を図ることが可能な、作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジンを提供することにある。

第１の発明にかかる熱音響エンジンは、作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジンであって、再生器と、パルス管と、仕事出力機構と、放熱器と、仕事入力機構とを備えている。再生器は、一端に熱入力部によって加熱される高温部と、他端に外部に熱を放出して冷却される常温部とを有している。パルス管は、一端が高温部に接続されている。仕事出力機構は、パルス管の他端に接続されており、パルス管から伝達される仕事により駆動される出力側稼働部を有している。放熱器は、パルス管と出力側稼働部との間に接続されており、外部に熱を放出する。仕事入力機構は、常温部に仕事を入力する。

この熱音響エンジンでは、再生器において、熱入力部によって高温部が加熱され、常温部が冷却されることによって、仕事入力機構から再生器の常温部に入力された仕事が、増幅されてパルス管に向かって伝達される。そして、この熱音響エンジンでは、作動気体の進行波からなる圧力振動がパルス管を通じて、仕事出力機構の出力側稼働部に伝達されて、出力を得ることができる。つまり、この熱音響エンジンは、主として積極的な進行波からなる圧力振動を利用して出力を得る、いわば、進行波パルス管エンジンを構成しているといえる。

これにより、この熱音響エンジンでは、再生器の高温部と出力側稼働部との間にパルス管及び放熱器を設けることにより出力側稼働部が高温に曝されることがないようにするとともに、主として積極的な進行波からなる圧力振動を利用して出力を得る構成にすることによりエンジン効率の向上を図ることが可能である。
第２の発明にかかる熱音響エンジンは、第１の発明にかかる熱音響エンジンにおいて、仕事入力機構は、常温部に仕事を入力する入力側稼働部を有している。

この熱音響エンジンでは、仕事入力機構が、例えば、ピストン及びシリンダ等の往復動を行う入力側稼働部を有しているため、仕事出力機構の出力側稼働部と位相差を付けた状態で仕事を入力することが容易である。
第３の発明にかかる熱音響エンジンは、第２の発明にかかる熱音響エンジンにおいて、仕事入力機構は、入力側稼働部を駆動するリニア電動機をさらに有している。仕事出力機構は、出力側稼働部の仕事により発電するリニア発電機をさらに有している。

この熱音響エンジンでは、仕事入力機構がリニア電動機により駆動され、仕事出力機構がリニア発電機により発電するように構成されているため、仕事出力機構のリニア発電機により発電される電気出力から仕事入力機構のリニア電動機への電気入力を差し引いた正味の電気出力を出力として得ることができる。これにより、この熱音響エンジンでは、設置場所等の制約により、電気入力のみが利用可能な機器の駆動源として使用することができる。

第４の発明にかかる熱音響エンジンは、第１の発明にかかる熱音響エンジンにおいて、仕事入力機構は、パルス管から出力側稼働部に伝達される仕事の一部を常温部に戻すリターン管である。
この熱音響エンジンでは、仕事入力機構がリターン管であるため、パルス管を通じて仕事出力機構に伝達される仕事の一部を、進行波からなる圧力振動として再生器の常温部に入力することができる。これにより、ピストン及びシリンダ等の往復動を行う入力側稼働部を有する仕事入力機構を設けることなく、進行波パルス管エンジンを構成することができる。

第５の発明にかかる熱音響エンジンは、第４の発明にかかる熱音響エンジンにおいて、仕事出力機構は、出力側稼働部の仕事により発電するリニア発電機をさらに有している。
この熱音響エンジンでは、仕事出力機構がリニア発電機により発電するように構成されているため、電気出力を出力として得ることができる。これにより、この熱音響エンジンでは、設置場所等の制約により、電気入力のみが利用可能な機器の駆動源として使用することができる。

第６の発明にかかる熱音響エンジンは、第４又は第５の発明にかかる熱音響エンジンにおいて、リターン管には、作動気体の流路を絞る絞り機構が設けられている。
この熱音響エンジンでは、リターン管に絞り機構が設けられているため、リターン管を流れる作動気体の流量を制限するとともに、進行波からなる圧力振動を伴う作動気体がパルス管からリターン管を通じて再生器の常温部に向かう流れを確保することができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
第１の発明では、再生器の高温部と出力側稼働部との間にパルス管及び放熱器を設けることにより出力側稼働部が高温に曝されることがないようにするとともに、主として積極的な進行波からなる圧力振動を利用して出力を得ることが可能な構成にすることによりエンジン効率の向上を図ることが可能である。

第２の発明では、仕事入力機構が、例えば、ピストン及びシリンダ等の往復動を行う入力側稼働部を有しているため、仕事出力機構の出力側稼働部と位相差を付けた状態で仕事を入力することが容易である。
第３の発明では、仕事入力機構がリニア電動機により駆動され、仕事出力機構がリニア発電機により発電するように構成されているため、仕事出力機構のリニア発電機により発電される電気出力から仕事入力機構のリニア電動機への電気入力を差し引いた正味の電気出力を出力として得ることができる。

第４の発明では、仕事入力機構がリターン管であるため、パルス管を通じて仕事出力機構に伝達される仕事の一部を、進行波からなる圧力振動として再生器の常温部に入力することができて、ピストン及びシリンダ等の往復動を行う入力側稼働部を有する仕事入力機構を設けることなく、進行波パルス管エンジンを構成することができる。
第５の発明では、仕事出力機構がリニア発電機により発電するように構成されているため、電気出力を出力として得ることができる。

第６の発明では、リターン管に絞り機構が設けられているため、リターン管を流れる作動気体の流量を制限するとともに、進行波からなる圧力振動を伴う作動気体がパルス管からリターン管を通じて再生器の常温部に向かう流れを確保することができる。

以下、図面に基づいて、本発明にかかる熱音響エンジンの実施形態について説明する。
［第１実施形態］
（１）熱音響エンジンの構成
図３に、本発明にかかる熱音響エンジンの第１実施形態としての熱音響エンジン２０１を示す。ここで、図３は、熱音響エンジン２０１の概略構成図である。

この熱音響エンジン２０１は、作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジンである。ここで、作動気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物や空気等がよく用いられる。熱音響エンジン２０１は、主として、膨張機２０３と、本体部２０４と、高温熱交換器２０５と、第１常温熱交換器２０６と、再生器２０７と、パルス管２０８と、第２常温熱交換器２０９と、仕事入力機構としての圧縮機２１０とを備えている。

膨張機２０３は、出力側稼働部としての１対のピストン２３１及びシリンダ２３２と、ピストン２３１とシリンダ２３２とにより形成される膨張室２３３とを有しており、パルス管２０８から伝達される仕事を出力する仕事出力機構として機能する。
本体部２０４は、作動気体が入れられた管であり、一端がパルス管２０８に接続されており、他端が圧縮機２１０に接続されている。高温熱交換器２０５は、本体部２０４のパルス管側の端部に設けられており、外部熱源を用いて本体部２０４のパルス管側の部分を加熱する機器である。すなわち、高温熱交換器２０５は、熱音響エンジン２０１の熱入力部として機能する。また、第１常温熱交換器２０６は、本体部２０４の圧縮機側の端部に設けられており、冷却水や空気等を用いて本体部２０４の圧縮機側の部分を冷却する機器である。再生器２０７は、高温熱交換器２０５と第１常温熱交換器２０６とに挟まれるように本体部２０４に設けられており、熱を蓄える機能を有する機器である。すなわち、再生器２０７は、パルス管側の端部に高温熱交換器２０５によって加熱される高温部２０７ａと、圧縮機側の端部に外部に熱を放出して冷却される常温部２０７ｂとを有している。

パルス管２０８は、一端が再生器２０７の高温部２０７ａに高温熱交換器２０５を介して接続され、他端が膨張機２０３の膨張室２３３に接続されており、圧力振動を膨張機２０３の１対のピストン２３１及びシリンダ２３２に伝達する機能を有している。
第２常温熱交換器２０９は、パルス管２０８と膨張機２０３の１対のピストン２３１及びシリンダ２３２との間に接続されており、外部に熱を放出する放熱器として機能する。

圧縮機２１０は、１対のピストン２２１及びシリンダ２２２と、ピストン２２１とシリンダ２２２とにより形成される圧縮室２２３とを有しており、再生器２０７の常温部２０７ｂに仕事を入力する仕事入力機構として機能する。圧縮機２１０は、第１常温熱交換器２０６に接続されている。
（２）熱音響エンジンの動作
次に、本実施形態の熱音響エンジン２０１の動作について説明する。

まず、高温熱交換器２０５で再生器２０７の高温部２０７ａを加熱し、第１常温熱交換器２０６で再生器２０７の常温部２０７ｂを冷却することによって、第１常温熱交換器２０６に接続された圧縮機２１０から再生器２０７の常温部２０７ｂに入力された仕事が、増幅されてパルス管２０８に向かって伝達される。ここで、圧縮機２１０の１対のピストン２２１及びシリンダ２２２は、膨張機２０３の１対のピストン２３１及びシリンダ２３２と位相差を付けた状態で運転を行っている。

そして、作動気体の進行波からなる圧力振動がパルス管２０８を通じて、膨張機２０３の膨張室２３３に伝達され、１対のピストン２３１及びシリンダ２３２を駆動して、出力を得ることができる。ここで、パルス管２０８の膨張機側の端部が第２常温熱交換器２０９によって冷却されているため、膨張機２０３の膨張室２３３は、高温に曝されることがない状態になっている。

（３）熱音響エンジンの特徴
本実施形態の熱音響エンジン２０１には、以下のような特徴がある。
（Ａ）
本実施形態の熱音響エンジン２０１では、主として積極的な進行波からなる圧力振動を利用して出力を得る、いわば、進行波パルス管エンジンを構成している。

このように、熱音響エンジン２０１では、再生器２０７の高温部２０７ａと出力側稼働部としての１対のピストン２３１及びシリンダ２３２との間にパルス管２０８及び第２常温熱交換器２０９を設けることにより、１対のピストン２３１及びシリンダ２３２が高温に曝されることがないようにするとともに、積極的な進行波からなる圧力振動を利用する構成にすることによりエンジン効率の向上を図ることが可能である。

（Ｂ）
本実施形態の熱音響エンジン２０１では、仕事入力機構として、往復動作により仕事を入力する１対のピストン２２１及びシリンダ２２２を有する圧縮機２１０を用いているため、出力側稼働部としての１対のピストン２３１及びシリンダ２３２と位相差を付けた状態で仕事を入力することが容易となり、進行波からなる圧力振動を安定的に発生させることができる。

（４）変形例
上記実施形態の熱音響エンジン２０１では、出力側稼働部としての１対のピストン２３１及びシリンダ２３２による往復動を回転力等の機械的な出力として得ているが、１対のピストン２３１及びシリンダ２３２による往復動を、リニア発電機によって電気出力として得るようにしてもよい。また、上記実施形態の熱音響エンジン２０１では、入力側稼働部としての１対のピストン２２１及びシリンダ２２２による往復動を回転力等の機械的な駆動力から得ているが、１対のピストン２２１及びシリンダ２２２による往復動を、リニア電動機による電気入力から得るようにしてもよい。

例えば、図４に示される本変形例の熱音響エンジン３０１のように、仕事出力機構として、出力側稼働部としての１対のピストン３３１及びシリンダ３３２と１対のピストン３３１及びシリンダ３３２の仕事により発電するリニア発電機３３４とを有する膨張機３０３を備え、さらに、仕事入力機構として、入力側稼働部としての１対のピストン３２１及びシリンダ３２２と１対のピストン３２１及びシリンダ３２２を駆動するリニア電動機３２４とを有する圧縮機３１０を備えるようにしてもよい。

本変形例の熱音響エンジン３０１は、圧縮機３１０及び膨張機３０３以外の構成は、上記実施形態の熱音響エンジン２０１と同じであるため、説明を省略する。
次に、本変形例の圧縮機３１０及び膨張機３０３について、図４〜図６を用いて説明する。ここで、図５は、圧縮機３１０の断面図である。図６は、圧縮機３０３の断面図である。

圧縮機３１０は、本実施形態において、入力側稼働部としてのピストン３２１及びシリンダ３２２が互いに嵌合して圧縮室３２３を形成している。具体的には、シリンダ３２２は、圧縮機３１０の筒状のケーシング３２５の内側に向かって延びる円筒状の部分である。そして、ケーシング３２５には、第１常温熱交換器２０６に接続された管３２５ａがシリンダ３２２の内部空間と連通するように接続されている。ピストン３２１は、ケーシング３２５内に配置されており、一端が円板状のプレート３２６の略中心に設けられ、他端がシリンダ３２２の内部空間に挿入されることによって圧縮機室３２３を形成している。プレート３２６の外周部には、コイル３２７が配置されている。コイル３２７は、シリンダ３２２の外周部に配置された略円筒形状のヨーク３２８に形成された環状空間３２８ａに挿入されており、環状空間３２８ａの内周側に配置されたマグネット３２９に対向している。プレート３２６は、ベアリング３３０を介してピストン３２１の往復動方向に移動可能となるようにケーシング３２５に支持されている。ここでは、ベアリング３３０として、フレクシャベアリング等のピストン３２１が往復動する方向には変形し易いが、径方向には変形しにくい特性を有する板バネの一種が使用されており、プレート３２６のピストン３２１が配置された面の反対側の面の略中央がベアリング３３０に連結されるとともに、ベアリング３３０の外周部がケーシング３２５に固定されることによって、ケーシング３２５に支持されている。そして、コイル３２７、ヨーク３２８及びマグネット３２９によって、リニア電動機３２４が構成されている。

膨張機３０３は、本実施形態において、出力側稼働部としてのピストン３３１及びシリンダ３３２が互いに嵌合して膨張室３３３を形成している。具体的には、シリンダ３３２は、膨張機３０３の筒状のケーシング３３５の内側に向かって延びる円筒状の部分である。そして、ケーシング３３５には、第２常温熱交換器２０９に接続された管３３５ａがシリンダ３３２の内部空間と連通するように接続されている。ピストン３３１は、ケーシング３３５内に配置されており、一端が円板状のプレート３３６の略中心に設けられ、他端がシリンダ３３２の内部空間に挿入されることによって膨張室３３３を形成している。プレート３３６の外周部には、コイル３３７が配置されている。コイル３３７は、シリンダ３３２の外周部に配置された略円筒形状のヨーク３３８に形成された環状空間３３８ａに挿入されており、環状空間３３８ａの内周側に配置されたマグネット３３９に対向している。プレート３３６は、ベアリング３４０を介してピストン３３１の往復動方向に移動可能となるようにケーシング３３５に支持されている。ここでは、ベアリング３４０として、フレクシャベアリング等のピストン３３１が往復動する方向には変形し易いが、径方向には変形しにくい特性を有する板バネの一種が使用されており、プレート３３６のピストン３３１が配置された面の反対側の面の略中央がベアリング３４０に連結されるとともに、ベアリング３４０の外周部がケーシング３３５に固定されることによって、ケーシング３３５に支持されている。そして、コイル３３７、ヨーク３３８及びマグネット３３９によって、リニア発電機３３４が構成されている。

尚、圧縮機３１０及び膨張機３０３の構成は、上記に説明したものに限定されるものではなく、種々のものを使用することができる。
次に、本変形例の熱音響エンジン３０１の動作について説明する。
まず、高温熱交換器２０５で再生器２０７の高温部２０７ａを加熱し、第１常温熱交換器２０６で再生器２０７の常温部２０７ｂを冷却することによって、第１常温熱交換器２０６に接続された圧縮機３１０から再生器２０７の常温部２０７ｂに入力された仕事が、増幅されてパルス管２０８に向かって伝達される。

次に、圧縮機３１０の動作について説明する。まず、圧縮機３１０のリニア電動機３２４のコイル３２７に、図示しない電気配線を介して交番電流を通電する。すると、ヨーク３２８とマグネット３２９との間に挟まれたコイル３２７にピストン３２１の往復動方向に交番する推力が生じて、コイル３２７にプレート３２６を介して接続されたピストン３２１がその往復動方向に進退する。これにより、圧縮室３２３の容積が変化して、圧縮室３２３内の作動気体に圧力振動が生じる。この圧力振動が生じた作動気体は、管３２５ａを通じて再生器２０７の常温部２０７ｂに入力されている。ここで、圧縮機３１０の１対のピストン３２１及びシリンダ３２２は、膨張機３０３の１対のピストン３３１及びシリンダ３３２と位相差を付けた状態で運転を行っている。

そして、作動気体の進行波からなる圧力振動がパルス管２０８を通じて、膨張機３０３の膨張室３３３に伝達され、１対のピストン３３１及びシリンダ３３２を駆動して、出力を得ることができる。ここで、膨張機３０３の動作について説明する。まず、管３３５ａを通じて圧力振動を伴う作動気体が膨張室３３３に送られると、ピストン３３１がシリンダ３３２に対して往復動方向に進退する。すると、ピストン３３１にプレート３３６を介して接続されたリニア発電機３３４のコイル３３７が、コイル３３７を挟んで配置されたヨーク３２８とマグネット３２９との間で、ピストン３３１の往復動方向に往復動し、コイル３３７に交番電流が発生する。これを図示しない電気配線を介して電気出力として取り出し、圧縮機３１０のリニア電動機３２４に入力された電気入力を差し引いた正味の電気出力を出力として得ることができる。また、パルス管２０８の膨張機側の端部が第２常温熱交換器２０９によって冷却されているため、膨張機２０３の膨張室２３３は、高温に曝されることがない状態になっている。

このように、本変形例の熱音響エンジン３０１では、仕事入力機構としての圧縮機３１０がリニア電動機３２４により駆動され、仕事出力機構としての膨張機３０３がリニア発電機３３４により発電するように構成されているため、リニア発電機３３４により発電される電気出力からリニア電動機３２４への電気入力を差し引いた正味の電気出力を出力として得ることができる。これにより、この熱音響エンジン３０１では、設置場所等の制約により、電気入力のみが利用可能な機器の駆動源として使用することができる。例えば、空気調和装置の熱源機に用いられる密閉式の冷媒圧縮機の電動機等に使用することが可能である。

［第２実施形態］
（１）熱音響エンジンの構成
図７に、本発明にかかる熱音響エンジンの第１実施形態としての熱音響エンジン４０１を示す。ここで、図７は、熱音響エンジン４０１の概略構成図である。
この熱音響エンジン４０１は、作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジンである。ここで、作動気体としては、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物や空気等がよく用いられる。熱音響エンジン４０１は、主として、膨張機２０３と、本体部２０４と、高温熱交換器２０５と、第１常温熱交換器２０６と、再生器２０７と、パルス管２０８と、第２常温熱交換器２０９と、仕事入力機構としてのリターン管４１０とを備えている。尚、本実施形態の熱音響エンジン４０１の構成は、圧縮機２１０に代えてリターン管４１０が設けられている点を除いては、第１実施形態の熱音響エンジン２０１の構成と同じであるため、以下では、リターン管４１０の構成のみを説明し、他の構成の説明を省略する。

リターン管４１０は、パルス管２０８から膨張機２０３の出力側稼働部としてのピストン２３１及びシリンダ２３２に伝達される仕事の一部を、再生器２０７の常温部２０７ｂに戻す配管である。リターン管４１０は、第２常温熱交換器２０９と膨張機２０３との間から分岐されて第１常温熱交換器２０６に接続される管本体４１１と、管本体４１１を流れる作動気体の流路を絞る絞り機構としての流量調節弁４１２とを有している。尚、絞り機構としては、流量調節弁４１２の代わりに、オリフィスやキャピラリチューブを用いてもよい。

（２）熱音響エンジンの動作
次に、本実施形態の熱音響エンジン４０１の動作について説明する。
まず、高温熱交換器２０５で再生器２０７の高温部２０７ａを加熱し、第１常温熱交換器２０６で再生器２０７の常温部２０７ｂを冷却することによって、再生器２０７において、作動気体の定在波からなる圧力振動を生じさせる。このとき、リターン管４１０に設けられた流量調節弁４１２を所定の開度に調節しておくと、パルス管２０８から膨張機２０３に向かう仕事の一部が、進行波からなる圧力振動として、リターン管４１０及び第１常温熱交換器２０６を通じて再生器２０７の常温部２０７ｂに戻される。これにより、パルス管２０８内には、増幅された進行波による仕事が誘起される。ここで、流量調節弁４１２の開度は、パルス管２０８から再生器２０７に向かう方向の作動気体の流動抵抗を再生器２０７からパルス管２０８に向かう方向の作動気体の流動抵抗に比べて大きくして、パルス管２０８から膨張機２０３に伝達される仕事の一部が、リターン管４１０を通じて再生器２０７の常温部２０７ｂに安定的に入力されるようにしている。

そして、作動気体の進行波からなる圧力振動がパルス管２０８を通じて、膨張機２０３の膨張室２３３に伝達され、１対のピストン２３１及びシリンダ２３２を駆動して、出力を得ることができる。ここで、パルス管２０８の膨張機側の端部が第２常温熱交換器２０９によって冷却されているため、膨張機２０３の膨張室２３３は、高温に曝されることがない状態になっている。

（３）熱音響エンジンの特徴
本実施形態の熱音響エンジン４０１には、以下のような特徴がある。
（Ａ）
本実施形態の熱音響エンジン４０１では、主として積極的な進行波からなる圧力振動を利用して出力を得る、いわば、進行波パルス管エンジンを構成している。

これにより、熱音響エンジン４０１では、再生器２０７の高温部２０７ａと出力側稼働部としての１対のピストン２３１及びシリンダ２３２との間にパルス管２０８及び第２常温熱交換器２０９を設けることにより、１対のピストン２３１及びシリンダ２３２が高温に曝されることがないようにするとともに、進行波からなる圧力振動を利用する構成にすることによりエンジン効率の向上を図ることが可能である。

（Ｂ）
本実施形態の熱音響エンジン４０１では、仕事入力機構としてリターン管４１０を使用しているため、パルス管２０８を通じて仕事出力機構としてのピストン２３１及びシリンダ２３２に伝達される仕事の一部を、進行波からなる圧力振動として再生器２０７の常温部２０７ｂに入力することができる。これにより、第１実施形態における圧縮機２１０のようなピストン及びシリンダ等の往復動を行う入力側稼働部を有する仕事入力機構を設けることなく、進行波パルス管エンジンを構成することができる。

また、リターン管４１０には、絞り機構としての流量調節弁４１２が設けられているため、管本体４１１を流れる作動気体の流量を制限するとともに、進行波からなる圧力振動を伴う作動気体がパルス管２０８からリターン管４１０を通じて再生器２０７の常温部２０７ｂに向かう流れを確保することができる。
（４）変形例
上記実施形態の熱音響エンジン４０１では、出力側稼働部としての１対のピストン２３１及びシリンダ２３２による往復動を回転力等の機械的な出力として得ているが、１対のピストン２３１及びシリンダ２３２による往復動を、リニア発電機によって電気出力として得るようにしてもよい。

例えば、図８に示される本変形例の熱音響エンジン５０１のように、仕事出力機構として、出力側稼働部としての１対のピストン３３１及びシリンダ３３２と１対のピストン３３１及びシリンダ３３２の仕事により発電するリニア発電機３３４とを有する膨張機３０３を備えるようにしてもよい。
本変形例の熱音響エンジン５０１は、膨張機３０３以外の構成は、上記実施形態の熱音響エンジン４０１と同じであるため、説明を省略する。また、本変形例の膨張機３０３は、第１実施形態の変形例において説明した膨張機３０３（図６参照）と同様であるため、説明を省略する。さらに、熱音響エンジン５０１の動作についても、上記第２実施形態の熱音響エンジン４０１の動作において、膨張機２０３の動作の代わりに、上記第１実施形態の変形例の熱音響エンジン３０１の動作の欄に記載された膨張機３０３の動作を加えた動作と同じであるため、以下では、説明を省略する。

このように、本変形例の熱音響エンジン５０１では、仕事出力機構としての膨張機３０３がリニア発電機３３４により発電するように構成されているため、電気出力を出力として得ることができる。これにより、この熱音響エンジン５０１では、設置場所等の制約により、電気入力のみが利用可能な機器の駆動源として使用することができる。

本発明を利用すれば、仕事出力機構の出力側稼働部が高温に曝されることがないようにするとともに、エンジン効率の向上を図ることが可能な、作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジンを提供することができる。

２ピストン型のスターリングエンジンの概略構成図である。 定在波パルス管エンジンの概略構成図である。 本発明の第１実施形態にかかる熱音響エンジンの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の変形例にかかる熱音響エンジンの概略構成図である。 リニア電動機によって駆動される圧縮機の断面図である。 リニア発電機によって発電する膨張機の断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる熱音響エンジンの概略構成図である。 本発明の第２実施形態の変形例にかかる熱音響エンジンの概略構成図である。

符号の説明

２０１、３０１、４０１、５０１ 熱音響エンジン
２０３、３０３ 膨張機（仕事出力機構）
２０５ 高温熱交換器（熱入力部）
２０７ 再生器
２０７ａ 高温部
２０７ｂ 常温部
２０８ パルス管
２０９ 第２常温熱交換器（放熱器）
２１０、３１０、４１０ 圧縮機（仕事入力機構）
２２１、３２１ ピストン（入力側稼働部）
２２２、３２２ シリンダ（入力側稼働部）
２３１、３３１ ピストン（出力側稼働部）
２３２、３３２ シリンダ（出力側稼働部）
３２４ リニア電動機
３３４ リニア発電機
４１０ リターン管
４１２ 流量調節弁（絞り機構）

Claims (6)

1. 作動気体の圧力振動を利用して出力を得る熱音響エンジンであって、
   一端に熱入力部（２０５）によって加熱される高温部（２０７ａ）と、他端に外部に熱を放出して冷却される常温部（２０７ｂ）とを有する再生器（２０７）と、
   一端が前記高温部に接続されるパルス管（２０８）と、
   前記パルス管の他端に接続されており、前記パルス管から伝達される仕事により駆動される出力側稼働部（２３１、２３２、３３１、３３２）を有する仕事出力機構（２０３、３０３）と、
   前記パルス管と前記出力側稼働部との間に接続されており、外部に熱を放出する放熱器（２０９）と、
   前記常温部に仕事を入力する仕事入力機構（２１０、３１０、４１０）と、
   を備えた熱音響エンジン（２０１、３０１、４０１、５０１）。
2. 前記仕事入力機構（２１０、３１０）は、前記常温部（２０７ｂ）に仕事を入力する入力側稼働部（２２１、２２２、３２１、３２２）を有している、請求項１に記載の熱音響エンジン（２０１、３０１）。
3. 前記仕事入力機構（３１０）は、前記入力側稼働部（３２１、３２２）を駆動するリニア電動機（３２４）をさらに有しており、
   前記仕事出力機構（３０３）は、前記出力側稼働部（３３１、３３２）の仕事により発電するリニア発電機（３３４）をさらに有している、
   請求項２に記載の熱音響エンジン（３０１）。
4. 前記仕事入力機構（４１０）は、前記パルス管（２０８）から前記出力側稼働部（３３１、３３２）に伝達される仕事の一部を前記常温部（２０７ｂ）に戻すリターン管である、請求項１に記載の熱音響エンジン（４０１、５０１）。
5. 前記仕事出力機構（３０３）は、前記出力側稼働部（３３１、３３２）の仕事により発電するリニア発電機（３３４）をさらに有している、請求項４に記載の熱音響エンジン（５０１）。
6. 前記リターン管（４１０）には、作動気体の流路を絞る絞り機構（４１２）が設けられている、請求項４又は５に記載の熱音響エンジン（４０１、５０１）。

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