JP2011182520A - 熱音響機関 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな温度差で大きな発電力が得られ、しかも、熱エネルギの取り出しが可能な熱音響機関を提供する。
【解決手段】共鳴管７に、共鳴管７の管軸方向に加熱器１０と再生器１１と冷却器１２を有することにより、共鳴管７内をループ管２からピストン８に向かって進む進行波を増幅する増幅機１３を備え、共鳴管７の増幅機１３と発電機９との間に、共鳴管７の管軸方向に加熱器１４と再生器１５と冷却器１６を有し、音響エネルギを熱エネルギに変換して加熱器１４が大気の温度であるときに冷却器１６が大気より低い温度となる受動機１７を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ループ管と共鳴管と発電機とを繋ぎ合わせた熱音響機関に係り、小さな温度差で大きな発電力が得られる熱音響機関に関する。

図３に示されるように、従来の熱音響機関３１は、原動機６を備えたループ管２に共鳴管７の一端が接続され、その共鳴管７の他端にピストン８を介して発電機９が接続されている。

この熱音響機関３１では、原動機６がループ管２の管軸方向に並んだ加熱器３と再生器４と冷却器５を有することにより、原動機６において熱エネルギが音響エネルギに変換され、ループ管２内に定在波が生じる。

ループ管２で発生した音響エネルギが進行波として共鳴管７を通ってピストン８に伝搬し、ピストン８によって発電機９の振動子が加振される。発電機９では、振動子の振動により、固定子と振動子との位置関係が変動し、磁束が変化する。磁束の変化が巻き線に作用して起電力が生じる。

このように、原動機６において熱エネルギが音響エネルギに変換され、その音響エネルギが最終的に発電機９において電気エネルギに変換される。

特許第３０５０５４３号公報 特開２００７−２３７０２０号公報

図３の熱音響機関３１では、共鳴管７内に定在波と進行波が混在している。すなわち、共鳴管７内の定在波成分により、ループ管２と共鳴管７内の作動流体が安定な周波数で振動し、一方、進行波によって音響エネルギが輸送される。

しかしながら、図３の熱音響機関３１では、原動機６におけるエネルギの供給能力によっては、発電機９において電力需要に対して十分な電力供給が果たせないことがある。

また、熱音響機関３１の利用用途として、例えば、車両の廃熱から電力を得ようとする場合、廃熱の温度と大気の温度（あるいは冷却水の温度）の温度差が小さいために、発電機９から取り出せる電力が大きくできない。

一方、原動機６におけるエネルギの供給能力が、発電機９における電力需要を上回っている場合、せっかく共鳴管７に取り込んだ音響エネルギが発電機９で利用しきれず、無駄になると共に、処理しきれない余剰の廃熱が残ってしまう。

また、エネルギの需要先には、電気エネルギを必要としている需要先だけでなく、冷凍装置、冷却装置など熱エネルギを必要としている需要先もある。このような熱エネルギの需要先において、電気エネルギで冷凍装置、冷却装置を運転するのでは、効率がよくない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小さな温度差で大きな発電力が得られ、しかも、熱エネルギの取り出しが可能な熱音響機関を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ループ管と、前記ループ管の管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機と、前記ループ管に一端が接続されて直線状に延びた共鳴管と、前記共鳴管の反対端に挿入され音響エネルギで加振されるピストンと、前記ピストンの振動エネルギを電気エネルギに変換する発電機とを備えた熱音響機関において、前記共鳴管に、前記共鳴管の管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、前記共鳴管内を前記ループ管から前記ピストンに向かって進む進行波を増幅する増幅機を備え、前記共鳴管の前記増幅機と前記発電機との間に、前記共鳴管の管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有し、音響エネルギを熱エネルギに変換して加熱器が大気の温度であるときに冷却器が大気より低い温度となる受動機を備えたものである。

前記増幅機を前記共鳴管の管軸方向に複数備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）小さな温度差で大きな発電力が得られる。

（２）熱エネルギの取り出しが可能となる。

本発明の一実施形態を示す熱音響機関の構成図である。 図１の熱音響機関における共鳴管の管軸方向の音響パワー分布図である。 従来の熱音響機関の構成図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る熱音響機関１は、ループ管２と、ループ管２の管軸方向に加熱器３と再生器４と冷却器５を有することにより、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機６と、ループ管２に一端が接続されて直線状に延びた共鳴管７と、共鳴管７の反対端に挿入され音響エネルギで加振されるピストン８と、ピストン８の振動エネルギを電気エネルギに変換する発電機９とを備えた熱音響機関１において、共鳴管７に、共鳴管７の管軸方向に加熱器１０と再生器１１と冷却器１２を有することにより、共鳴管７内をループ管２からピストン８に向かって進む進行波を増幅する増幅機１３を備え、共鳴管７の増幅機１３と発電機９との間に、共鳴管７の管軸方向に加熱器１４と再生器１５と冷却器１６を有し、音響エネルギを熱エネルギに変換して加熱器１４が大気の温度であるときに冷却器１６が大気より低い温度となる受動機１７を備える。

ループ管２は、断面が円形で中空の円筒管が４箇所の曲がり部にてそれぞれ９０°曲がっていることにより、ほぼ矩形のループ状に閉じられたものである。その１箇所の曲がり部に共鳴管７が接続される。共鳴管７は、断面が円形で、一端から他端まで曲がりのない中空の円筒管である。ループ管２及び共鳴管７に充填される作動流体は、音波の媒体となるものであり、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの気体が好ましい。ループ管２及び共鳴管７は、ステンレス等の金属で構成される。

原動機６は、管軸方向に順に配置された加熱器３と再生器４と冷却器５とからなる。加熱器３は、円筒管の内外にフィンを有することにより、円筒管内の作動流体を加熱する熱交換器である。再生器４は、金網、複数の細管の集合、多孔質セラミックなどで構成される。冷却器５は、円筒管の内外にフィンを有することにより、円筒管内の作動流体を冷却する熱交換器である。冷却器５、再生器４、加熱器３は、公知のものを使用することができるので、詳細な構造の説明は省略する。

ピストン８は、共鳴管７の内壁に対して摩擦抵抗が無く、かつ、気密を保持して摺動可能なものである。

発電機９は、永久磁石が取り付けられた振動子と巻き線が巻き付けられた固定子とを組み合わせてなり、ピストン８と連結された振動子が振動することで巻き線に起電力が生じるようになっている。なお、発電機９の細部はこれに限定されるものではなく、発電機９においてピストン８の振動エネルギを電気エネルギに変換することができればよい。

増幅機１３は、原動機６と同様、管軸方向に順に配置された加熱器１０と再生器１１と冷却器１２とからなる。冷却器１２、再生器１１、加熱器１０の構造は、原動機６に用いられるものと同様である。

増幅機１３は、管軸方向に適宜な間隔で任意の複数個が配置されるが、ここでは２つの増幅機１３が示されている。各増幅機１３における冷却器１０には共通の冷熱源を適用することができ、また、各増幅機１３における加熱器１２には共通の加熱源を適用することができる。ここでは、各増幅機１３における冷却器１０の温度をＴｃとし、加熱器１２の温度をＴｃより高温のＴｈとする。

受動機１７は、原動機６、増幅機１３と同様、管軸方向に順に配置された加熱器１４と再生器１５と冷却器１６とからなる。冷却器１６、再生器１５、加熱器１４の構造は、原動機６、増幅機１３に用いられるものと同様である。このように、構造は原動機６、増幅機１３と同じであるが、音響エネルギを熱エネルギに変換するものが受動機１７である。

受動機１７は、加熱器１４が所定の温度であるとき、冷却器１６がそれより低い温度となる。ここでは、受動機１７は、大気より低い温度を得るための、いわゆる冷凍機あるいは冷却機であることが望ましいので、例えば、加熱器１４の温度を大気の温度Ｔａとし、冷却器１６の温度を大気より低い温度Ｔｆとする。

以下、熱音響機関１の動作を説明する。

原動機６において、加熱器３と冷却器５に異なる温度の熱源が適用され、再生器４に温度勾配が生じることにより、熱エネルギが音響エネルギに変換され、ループ管２に定在波が生じる。

ループ管２で発生した音波は、共鳴管７内を管軸方向に進行波音波として進行する。進行波音波は、１段目の増幅機１３に入力される。この進行波音波は、増幅機１３を通過するとき冷却器１２と加熱器１０に異なる温度の熱源が適用され、再生器１１に温度勾配が生じることにより、増幅される。

増幅機１３から出力された進行波音波は、共鳴管内を管軸方向に進行し、２段目の増幅機１３に入力される。このようにして、進行波音波が順次増幅機１３を通過すると、図２に示されるように１段目の増幅機、２段目の増幅機を経るたびに、音響パワーが増大する。

なお、熱音響機関１の共鳴管７に増幅機１３を設置すると、音響パワーが増幅されること、及び共鳴管７に増幅機１３を直列多段に配置すると、増幅機１３を経るたびに、音響パワーが増幅されていくことについては、本発明者らがすでに実験で確認し、発明を出願している。

このようにして、各段の増幅機１３において、進行波音波が増幅されるので、最終段の増幅機１３では従来よりもはるかに大きな音響エネルギを発電機９に輸送することが可能となる。この結果、従来よりも大きな発電力が得られる。したがって、原動機６のみによるエネルギの供給能力が発電機９における電力需要に対して十分でない場合でも、増幅機１３からのエネルギの追加によって、電力需要に対して十分な電力供給が果たせるようになる。

また、原動機６や各段の増幅機１３において、例えば、車両の廃熱から電力を得ようとする場合のように廃熱の温度と大気の温度（あるいは冷却水の温度）の温度差が小さくても、段階的に増幅を行うことにより、発電機９から取り出せる電力が大きくできることになる。

一方、受動機１７では、音響エネルギが熱エネルギに変換され、加熱器１４の温度が大気の温度Ｔａであるとき、冷却器１６の温度が大気より低い温度Ｔｆとなる。すなわち、受動機１７は冷凍機あるいは冷却機として動作する。図２に示されるように、２段目の増幅機１３で得られた音響パワーは、受動機１７において冷却仕事のために消費され、残りの音響パワーが発電機９において発電仕事のために消費される。

このように、電気エネルギを必要としている需要先には発電機９から電気エネルギを供給しつつ、同時に、冷凍装置、冷却装置など熱エネルギを必要としている需要先に対しては、受動機１７から熱エネルギを供給することができ、電気エネルギで冷凍装置、冷却装置を運転するのに比べて効率が向上する。

また、原動機６及び増幅機１３におけるエネルギの供給能力が、発電機９における電力需要を上回っている場合、共鳴管７に取り込んだ音響エネルギが受動機１７において消費されるので、音響エネルギの無駄がなくなると同時に、廃熱が余剰無く処理されることになる。

以上説明したように、本発明によれば、ループ管２に原動機６を備え、そのループ管２に接続された共鳴管７に増幅機１３を備えるので、発電機９において従来よりも大きな発電力が得られる。

また、共鳴管７に複数の増幅機１３を備える構成により、個々の増幅機１３における温度差が小さくても、段階的な増幅により発電機９には大きな音響エネルギが輸送され、その結果、大きな発電力が得られる。

さらに本発明によれば、増幅機１３と発電機９との間に、音響エネルギを熱エネルギに変換する受動機１７を備えるので、熱エネルギの取り出しが可能となる。これにより、原動機６及び増幅機１３から共鳴管７に取り込んだ音響エネルギの無駄がなくなり、冷凍装置、冷却装置を効率よく運転することができる。

１ 熱音響機関
２ ループ管
３ 加熱器
４ 再生器
５ 冷却器
６ 原動機
７ 共鳴管
８ ピストン
９ 発電機
１０ 加熱器
１１ 再生器
１２ 冷却器
１３ 増幅機
１４ 加熱器
１５ 再生器
１６ 冷却器
１７ 受動機

Claims (2)

1. ループ管と、前記ループ管の管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、熱エネルギを音響エネルギに変換する原動機と、前記ループ管に一端が接続されて直線状に延びた共鳴管と、前記共鳴管の反対端に挿入され音響エネルギで加振されるピストンと、前記ピストンの振動エネルギを電気エネルギに変換する発電機とを備えた熱音響機関において、
   前記共鳴管に、前記共鳴管の管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有することにより、前記共鳴管内を前記ループ管から前記ピストンに向かって進む進行波を増幅する増幅機を備え、
   前記共鳴管の前記増幅機と前記発電機との間に、前記共鳴管の管軸方向に加熱器と再生器と冷却器を有し、音響エネルギを熱エネルギに変換して加熱器が大気の温度であるときに冷却器が大気より低い温度となる受動機を備えたことを特徴とする熱音響機関。
2. 前記増幅機を前記共鳴管の管軸方向に複数備えたことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。

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