JP2017194224A5

JP2017194224A5 - 熱音響デバイス及びその駆動方法

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Publication number: JP2017194224A5
Application number: JP2016084818A
Authority: JP
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2036-04-20

Description

本願発明は、作動気体の音響パワーを増幅させる熱音響デバイス及びその駆動方法に関する。

そこで、本願発明は、音響パワーの増幅率を向上させる熱音響デバイス及びその駆動方法を提供することを課題とする。

すなわち、本願発明に係る熱音響デバイスは、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える熱音響デバイスであって、前記蓄熱器の流路に液体が供給されることによって前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする。

かかる構成によれば、熱音響デバイスは、蓄熱器の流路に液体が供給されて流路管壁が液体で濡らされることで、音響パワーの増幅率が向上する。

また、本願発明に係る熱音響デバイスは、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える熱音響デバイスであって、前記導波管に、前記蓄熱器の流路に供給される液体を備えることによって前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする。

また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器が、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に液体が供給されるものであってもよい。
かかる構成によれば、蓄熱器の流路方向に対して垂直方向から、液体が供給される。

また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器が、前記蓄熱器の流路方向に対して平行方向に液体が供給されるものであってもよい。
かかる構成によれば、蓄熱器の流路方向に対して平行方向から、液体が供給される。

また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器が、前記作動気体を流通させる多数の孔を設けた板を微小な隙間を設けて積層した構造体であってもよい。
かかる構成によれば、蓄熱器の流路方向に対して垂直方向から、微小な隙間を介して液体を供給することができる。

また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器が、前記作動気体を流通させる多数の流路を設けたハニカム構造体であって、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に多数の孔を有するものであってもよい。
かかる構成によれば、蓄熱器の流路方向に対して垂直方向から、孔を介して液体を供給することができる。

また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記原動機の一端に、前記作動気体の音響パワーを増幅させるための入力音波を入力する入力部と、前記原動機の他端から、増幅された増幅音波が出力される出力部と、をさらに備えることが好ましい。

かかる構成によれば、入力部により音波が入力され、作動気体の増幅された音響パワーが出力部から出力されるので、出力部に音響パワーを用いる装置を備えることで、当該装置を増幅された音響パワーで駆動することができる。

また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記入力部が、前記入力音波を発生させる原動機ループであり、前記出力部が、前記増幅音波に応動して発電を行う発電機であることが好ましい。

かかる構成によれば、作動気体の増幅された音響パワーが発電機で電力に変換されるので、熱音響発電機として、増幅された音響パワーで駆動することができる。

また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記入力部が、前記入力音波を発生させる原動機ループであり、前記出力部が、前記増幅音波に応動して冷却を行う冷却ループ又は昇温を行う昇温ループであることが好ましい。

かかる構成によれば、作動気体の増幅された音響パワーが、冷却ループ又は昇温ループで熱流に変換される。従って、熱音響デバイスは、熱音響冷却機又は熱音響加熱機として、増幅された音響パワーで駆動することができる。
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器の流路に液体を供給する液体供給器をさらに備えるものであってもよい。
かかる構成によれば、熱音響デバイスは、液体供給器により蓄熱器の流路に液体が供給されて流路管壁が液体で濡らされることで、音響パワーの増幅率が向上する。

本願発明に係る熱音響デバイスの駆動方法は、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備え、前記作動気体の音響パワーを増幅させる原動機を備える熱音響デバイスの駆動方法であって、前記蓄熱器の一端部を加熱すると共に前記蓄熱器の他端部を冷却する工程と、前記蓄熱器の流路に液体を供給して前記蓄熱器の流路を濡らす工程と、を含むことを特徴とする。

かかる手順によれば、熱音響デバイスは、蓄熱器の流路が濡れているため、音響パワーの増幅率が向上する。

ここでは、作動気体として大気圧空気を用いる場合は、原動機１０の導波管１１ｂの他端を開口していてもよい。また、図２に示すように、導波管１１ｂの他端には、作動気体を封入するバッファータンク１６を設けてもよい。すなわち、バッファータンク１６を設ける場合は、作動気体は導波管１１内にも封入されて満たされるものであり、導波管１１ｂの他端を開口した場合は、大気圧空気で満たされるものである。
また、導波管１１ａの一端には、音響ドライバを設けてもよい（図１４参照）。
なお、図２以降、図面を見易くするため、一部符号を省略した。

[蓄熱器]
蓄熱器１２は、導波管１１の管路に設けられ、作動気体を加熱及び冷却するものである。すなわち、蓄熱器１２は、加熱器１３及び冷却器１４によって蓄熱器１２の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーを増幅させる。蓄熱器１２は、その一端部（以下、適宜、高温部１２ｂと称する）と、その他端部（以下、適宜、常温部１２ａと称する）との間に生じる温度勾配を保つことによって、主として作動気体の音響パワーを増幅する機能を有している。

まず、音波入力工程Ｓ１で、導波管１１ａの一端から、作動気体の音響パワーを入力音波として入力する。この音波は、導波管内を進行して原動機１０に伝達される。次に、温度勾配形成工程Ｓ２において、加熱器１３によって蓄熱器１２の高温部１２ｂを加熱し、かつ、冷却器１４によって蓄熱器１２の常温部１２ａを冷却する。これにより、蓄熱器１２の両端に、すなわち、高温部１２ｂと常温部１２ａとの間に温度勾配が生じる。次に、液体供給工程Ｓ３において、蓄熱器１２の流路に液体を供給して蓄熱器１２の流路を濡らす。そして、原動機１０に伝達された音響パワーは、原動機１０において増幅され、導波管１１ｂの他端から出力される。なお、熱音響機関１の駆動中は、気体の凝縮と蒸発を効率よく生じさせるため、蓄熱器１２の流路に液体を供給し続けることが好ましい。

発電機３０は、原動機１０の導波管１１ｂの他端に接続され、導波管１１及びループ管２１の内部で生じる圧力変動に対応した内部圧力変動を受ける圧力容器３９を備えている。圧力容器３９内には、外側ヨーク（円筒）３１，３１と、外側ヨーク３１，３１にそれぞれ収容されるコイル３２，３２と、外側ヨーク３１，３１の間に位置する内側ヨーク（円筒）３３と、外側ヨーク３１，３１のそれぞれと内側ヨーク３３との間に設けられた永久磁石３４，３４と、が備えられている。なお、永久磁石３４，３４は、それぞれＳ極とＮ極の磁石から構成されており、内側ヨーク（円筒）３３に設けられている。

発電機３０におけるこのような構造は、コイル３２，３２を周回する磁束密度の時間変化により電流が発生するという原理に基づいた発電方式を採用している。すなわち、音響パワーに基づき内側ヨーク３３とともにこれに設けられた永久磁石３４，３４がストロークすることにより、コイル３２，３２を周回する磁束密度が大きく変化し、発電が行われる。また、内側ヨーク３３に突起３３ａを取り付けることによって、エアギャップを磁束が通過することによる磁束密度の低下を抑止することができる。

＜熱音響発電機の動作＞
まず、熱音響機関１Ａは、原動機ループ２０において、加熱器２３によって蓄熱器２２の高温部２２ｂを加熱し、かつ、冷却器２４によって蓄熱器２２の常温部２２ａを冷却すると、蓄熱器２２の両端に、すなわち、高温部２２ｂと常温部２２ａとの間に温度勾配が生じる。この温度勾配により、原動機ループ２０（具体的には、蓄熱器２２）には、主として作動気体の音響パワーが生じる。そして、原動機ループ２０において発生した作動気体の音響パワーは、入力音波としてループ管２１の直管部２１ｄ，２１ｂ，２１ｃ，２１ａを順に通過して、入力音波の一部が原動機１０に伝達される。

［冷凍用蓄熱器］
冷凍用蓄熱器４２は、冷凍用ループ管４１の管路に設けられ、作動気体を冷却するものである。すなわち、冷凍用蓄熱器４２は、原動機１０から、導波管１１ｂ、冷凍用ループ管４１の直管部４１ｄ，４１ｂ，４１ｃ，４１ａの順にこれらの管を通じて冷凍用蓄熱器４２の一端部（以下、適宜、常温部４２ａと称する）に伝達された音響パワーを、冷凍用蓄熱器４２の一端部（常温部４２ａ）と冷凍用蓄熱器４２の他端部（以下、適宜、低温部４２ｂと称する）との間における温度勾配に変換する機能を有している。冷凍用蓄熱器４２の常温部４２ａは、冷凍用冷却器４４によって冷却されているため、伝達された音響パワーによって、冷凍用蓄熱器４２の低温部４２ｂは、常温部４２ａよりも低い温度まで冷却されて冷気が発生する。この冷気は、冷気放出器４３によって外部に取り出される。冷凍用蓄熱器４２は、原動機ループ２０の蓄熱器２２と同様の構成である。また、冷凍用蓄熱器４２の形状は多様な形状を適用することが可能である。

次に、冷凍用蓄熱器４２に伝達された音響パワーは、冷凍用冷却器４４によって外部に熱を放出して冷却されている冷凍用蓄熱器４２の常温部４２ａと冷凍用蓄熱器４２の低温部４２ｂとの間における温度勾配に変換される。そして、この冷凍用蓄熱器４２の両端の温度勾配によって冷凍用蓄熱器４２の低温部４２ｂに発生した冷気（冷熱）が、冷気放出器４３によって外部に取り出されることにより、冷凍能力が得られる。

実験では、ドライ状態では、蓄熱器の流路を濡らさずに、熱交換器をヒータで加熱することで蓄熱器両端に温度勾配を与えた。一方、ウェット状態では、まず、蓄熱器の流路を濡れた状態にするため、蓄熱器を一旦原動機から外し、蓄熱器全体を水に浸してから再度原動機に組み込んだ。次に、熱交換器をヒータで加熱することで蓄熱器両端に温度勾配を与えた。

Claims

作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える熱音響デバイスであって、
前記蓄熱器の流路に液体が供給されることによって前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする熱音響デバイス。
作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える熱音響デバイスであって、
前記導波管に、前記蓄熱器の流路に供給される液体を備えることによって前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする熱音響デバイス。
前記蓄熱器は、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に液体が供給されることを特徴とする請求項１に記載の熱音響デバイス。
前記蓄熱器は、前記蓄熱器の流路方向に対して平行方向に液体が供給されることを特徴とする請求項１に記載の熱音響デバイス。
前記蓄熱器は、前記作動気体を流通させる多数の孔を設けた板を微小な隙間を設けて積層した構造体であることを特徴とする請求項３に記載の熱音響デバイス。
前記蓄熱器は、前記作動気体を流通させる多数の流路を設けたハニカム構造体であって、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に多数の孔を有することを特徴とする請求項３に記載の熱音響デバイス。
前記原動機の一端に、前記作動気体の音響パワーを増幅させるための入力音波を入力する入力部と、
前記原動機の他端から、増幅された増幅音波が出力される出力部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の熱音響デバイス。
前記入力部は、前記入力音波を発生させる原動機ループであり、
前記出力部は、前記増幅音波に応動して発電を行う発電機であることを特徴とする請求項７に記載の熱音響デバイス。
前記入力部は、前記入力音波を発生させる原動機ループであり、
前記出力部は、前記増幅音波に応動して冷却を行う冷却ループ又は昇温を行う昇温ループであることを特徴とする請求項７に記載の熱音響デバイス。
前記蓄熱器の流路に液体を供給する液体供給器をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項９の何れか一項に記載の熱音響デバイス。
作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備え、前記作動気体の音響パワーを増幅させる原動機を備える熱音響デバイスの駆動方法であって、
前記蓄熱器の一端部を加熱すると共に前記蓄熱器の他端部を冷却する工程と、
前記蓄熱器の流路に液体を供給して前記蓄熱器の流路を濡らす工程と、を含むことを特徴とする熱音響デバイスの駆動方法。