JP2015535901A5

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Publication number: JP2015535901A5
Application number: JP2015532254A
Authority: JP
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2033-09-17

Claims

熱音響トランスデューサ装置であって、
当該熱音響トランスデューサ装置は、機械的変換器を有し、該機械的変換器は、音響パワーと機械的パワーとの間のパワー変換を提供するように作動可能であり、該機械的変換器は、該機械的変換器内に圧縮チャンバーと膨張チャンバーとを定める少なくとも１つのダイヤフラムを含んでおり、該少なくとも１つのダイヤフラムはダイヤフラム表面積を持っており；
当該熱音響トランスデューサ装置は、熱変換器を有し、該熱変換器は、音響パワーと熱的パワーとの間のパワー変換を提供するように熱的に結合された再生器部分を持った流路を含んでおり、該再生器部分は、再生器流れ面積を持っており；
前記の機械的変換器は、前記圧縮チャンバーと前記流路との間に、そして前記膨張チャンバーと前記流路との間に、それぞれに延びる伝達ダクトを通して熱変換器の流路と流体連通しており、前記伝達ダクトは、前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の前記流路を通して音響パワーループを完結し、前記音響パワーループは、作動ガスを含み、かつ前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の音響パワーの流れを助長するよう作動可能な作動容積を持っており、
前記伝達ダクトの断面積が、前記再生器流れ面積を下回り、前記再生器流れ面積が、前記ダイヤフラム表面積を下回り；
前記少なくとも１つのダイヤフラムが、前記作動容積内で圧力振動を起こすために弾性変位するよう作動可能であり、前記音響パワーループが、該音響パワーループに沿った少なくとも１つの位置に、前記機械的変換器内の圧力振動と逆位相の関係を持った圧力振動を持たせるように構成されている、
前記熱音響トランスデューサ装置。
前記熱変換器の流路が、平行な流れのために構成された複数の前記再生器部分を有し、かつ、前記再生器流れ面積が、前記複数の再生器部分に関連付けられた全体的な面積を有する、請求項１に記載の装置。
前記機械的変換器が、平行に構成された複数の機械的変換器を有し、かつ、前記ダイヤフラム表面積が、前記複数の機械的変換器に関連付けられた全体的なダイヤフラム表面積を有する、請求項１に記載の装置。
前記伝達ダクトの断面積が、前記ダイヤフラム表面積の少なくとも約１０分の１である、請求項１に記載の装置。
前記圧縮チャンバーと前記流路との間の前記伝達ダクトが、第１の断面積を持ち、かつ、前記膨張チャンバーと前記流路との間の前記伝達ダクトが、第２の断面積を持ち、かつ、前記第１の断面積が、前記第２の断面積を下回っている、請求項４に記載の装置。
前記伝達ダクトが、前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間で、約３６０度の位相変化を生じるよう選択された、それぞれの長さを持っている、請求項１に記載の装置。
前記伝達ダクトがそれぞれの長さを持っており、該それぞれの長さが、以下の事項を生じさせるように選択されており、該事項が、
前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の約３６０度の初期の位相変化；および
前記音響パワーループにおける全体的な位相変化が、前記初期の位相変化と同じ効果を持つような、前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の少なくとも１つのさらなる３６０度の位相変化である、
請求項１に記載の装置。
当該装置が、前記少なくとも１つのダイヤフラムに結合された機械的ばねをさらに有し、前記少なくとも１つのダイヤフラムに作用する全体的な剛性に部分的に依存する共振振動数で弾性変位が起こり、前記全体的な剛性が、少なくともダイヤフラム剛性、前記少なくとも１つのダイヤフラムに影響する作動ガスに起因するガス剛性、および、前記機械的ばねに関連付けられた機械的ばね剛性を含み、かつ、前記機械的ばね剛性に関連付けられた全体的な剛性への寄与が、全体的な剛性の少なくとも半分を有する、請求項１に記載の装置。
前記伝達ダクトにおける温度変化が、前記音響パワーループ内の音響パワーの流れに関連付けられた音速変化を生じ、かつ、
全体的な剛性における前記ガス剛性と前記機械的ばね剛性との相対的な割合が、対応する前記共振振動数の変化によって、少なくとも部分的にオフセットされる音速に変化を生じさせるように、
前記音速変化に起因する前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の前記位相変化が、少なくとも部分的に補償されるように、
前記伝達ダクトのそれぞれの長さが構成されている、
構成請求項８に記載の装置。
前記機械的変換器が、圧力容器内に収容され、前記少なくとも１つのダイヤフラムが、前記外部エネルギーシステムと、前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間の機械的パワーの伝達のための外部エネルギーシステムに結合されており、前記外部エネルギーシステムが、前記圧力容器の外部に配置されており、かつ、
前記共振振動数が、少なくともダイヤフラム質量と、前記外部エネルギーシステムとの結合に関連する外部質量とを含む全体的な質量にさらに依存しており、前記外部質量が、前記ダイヤフラム質量を上回っている、
請求項８に記載の装置。
前記外部エネルギーシステムが：
発電機、および
原動機
のうちの１つを有する、請求項１０に記載の装置。
前記機械的ばねが、前記少なくとも１つのダイヤフラムと、前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーのうちの一方の１つのチャンバー壁との間に結合された弾性壁部分を有し、該弾性壁部分が、前記少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位を助長しながら前記チャンバー内に前記作動ガスを含むためのシールを提供するように作動可能である、請求項８に記載の装置。
前記弾性壁部分が、前記少なくとも１つのダイヤフラムと前記チャンバー壁との間に延びる円筒管を有し、前記管は、該管の円筒軸と概して一線上に並ぶ方向に弾性的に変形するよう構成されている、請求項１２に記載の装置。
前記円筒管が、前記少なくとも１つのダイヤフラムに結合された第１の円筒管部分と、前記チャンバー壁に結合された第２の円筒管部分とを有し、前記第１および第２の円筒管部分が、同軸状に配置され、折り重ねられた円筒管を形成するように共に結合されている、請求項１３に記載の装置。
前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーのうち少なくとも１つの広がりが、前記チャンバーと、前記それぞれの伝達ダクトとの間の音響的な結合を助長するための所望の音響インピーダンスを提供するよう選択されている、請求項１に記載の装置。
前記圧縮チャンバーと前記流路との間に延びる前記伝達ダクトと、前記圧縮チャンバーとの間の流量が、
前記膨張チャンバーと前記流路との間に延びる前記伝達ダクトと、前記膨張チャンバーとの間の流量とは異なるものとなるように、
前記機械的変換器が構成されている、
請求項１に記載の装置。
前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーが、前記少なくとも１つのダイヤフラムの表面に概して平行な方向に前記それぞれのチャンバー内のガス流を向けるように構成されている、請求項１に記載の装置。
前記少なくとも１つのダイヤフラムが、該ダイヤフラムにおける応力集中を低減させるように選択された、該ダイヤフラムを越えてわたる厚さプロフィールを持っている、請求項１に記載の装置。
前記作動ガスに関連付けられた静的圧力が、少なくとも約８０Ｂａｒである、請求項１に記載の装置。
前記作動ガスの前記作動容積内の前記圧力振動に関連付けられた作動振動数が、少なくとも約３００ヘルツである、請求項１に記載の装置。
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つの少なくとも一部分が、複数のダクトを有しており、該複数のダクトは、前記それぞれのチャンバーと前記熱変換器の前記流路との間に平行な流体連通を提供するように配置されている、請求項１に記載の装置。
前記熱変換器の前記流路が、さらに、次の対象のうちの１つと熱的に連通した第１の再生器部分をさらに有し、該対象が、
熱エネルギーを受け取り、前記流路を流れる前記作動ガスの部分に前記熱エネルギーを伝達するための外部の熱エネルギー源、および
前記流路を通って前記外部の熱エネルギーシンクへと流れる前記作動ガスから熱エネルギーを伝達するための外部の熱エネルギーシンク
である、請求項１に記載の装置。
前記熱変換器が、前記熱変換器と前記機械的変換器との間の伝熱を低減するための熱緩衝部を有し、前記熱緩衝部は、前記流路と、前記膨張チャンバーおよび前記流路の間で延びる前記伝達ダクトとの間で流体連通している、請求項１に記載の装置。
前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の音響パワーの流れの間、定在波成分および進行波成分が、前記音響パワーループ内で確立され、かつ、
前記定在波成分と前記進行波成分との相対的な大きさが、当該装置における全体的な損失を最小にするように割り当てられるように、伝達ダクトの断面積が選択されている、
請求項１に記載の装置。
前記熱変換器が、前記作動ガスの平均作動圧におよそ等しいガス圧力に充填されたハウジング内に配置されている、請求項１に記載の装置。
前記機械的変換器が、第１の機械的変換器を有し、かつ、さらに、
第２の機械的変換器を有し、該第２の機械的変換器は、該第２の機械的変換器内に圧縮チャンバーと膨張チャンバーを定める少なくとも１つのダイヤフラムを持っており、前記第２の機械的変換器が、該第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーと前記流路との間、および、前記第２の機械的変換器の前記膨張チャンバーと前記流路との間に、それぞれ延びる伝達ダクトを通して前記熱変換器の前記流路と流体連通しており、前記伝達ダクトが、前記第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の前記流路を通して第２の音響パワーループを完結させている、
請求項１に記載の装置。
前記第１および第２の機械的変換器が、次の事項のうちの１つであるように構成されており、該事項が、
ａ）前記第１の機械的変換器の前記膨張チャンバーおよび前記第２の機械的変換器の前記膨張チャンバーが、第１の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムと前記第２の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間で延びる共通の膨張チャンバーを有すること、および
ｂ）前記第１の機械的変換器の前記圧縮チャンバーおよび前記第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーが、前記第１の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムと前記第２の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間で延びる共通の圧縮チャンバーを有すること
である、請求項２６に記載の装置。
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つの少なくとも一部分が、複数のダクトを有しており、該複数のダクトは、前記熱変換器の前記流路と、前記それぞれのチャンバーとの間に、平行な流体連通を提供するよう配置されている、請求項２６に記載の装置。
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つが、前記それぞれのチャンバーと前記熱変換器の前記流路との間に流体連通を提供する共通の部分を有する、請求項２６に記載の装置。
前記第１の機械的変換器に関連付けられた前記少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位が、第１の軸に沿って方向付けられた周期的な力を生成し、前記第２の機械的変換器に関連する前記少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位が、第２の軸に沿って方向付けられた周期的な力を生じ、前記それぞれの周期的な力が互いを実質的に相殺させるべく、前記第１の軸および第２の軸が概して向けられるよう、前記第１および第２の機械的変換器が配置されている、請求項２６に記載の装置。
前記第１の軸と第２の軸が、概して同軸状に一線上に並んでいる、請求項３０に記載の装置。
前記少なくとも１つのダイヤフラムが、圧縮チャンバーダイヤフラムと膨張チャンバーダイヤフラムとを有し、前記それぞれの圧縮チャンバーと膨張チャンバーダイヤフラムが、前記機械的変換器の前記ダイヤフラムとして作動するよう実質的に一致して移動するように、機械的に結合されている、請求項１に記載の装置。
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つが、前記音響パワーループ内の圧力振動に応じて屈曲する内壁を有し、かつさらに、外壁を有し、該外壁は、前記内壁辺りで配置され、前記内および外壁間の絶縁容積を定めており、前記絶縁容積が、作動ガス圧力より低い静的圧力へとチャージされ、かつ、内壁の屈曲によって発生する音／振動を減衰するよう作動可能である、請求項１に記載の装置。
前記熱変換器が、それそれが関連する流路を持つ少なくとも第１の熱変換器および第２の熱変換器を有し、前記第１および第２の熱変換器の前記それぞれの流路間を延びて前記音響パワーループの一部を形成する伝達ダクトをさらに有する、請求項１に記載の装置。