JP2018059685A - エネルギ変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給熱源から供給される熱エネルギが不充分な場合であっても、安定した出力を得ることが可能なエネルギ変換装置を提供すること。
【解決手段】エネルギ変換装置である熱音響装置１０は、管部材２０に設けられた第１音波発生部３０、第２音波発生部４０、及び冷却器５０を備える。第１音波発生部３０は、蓄電装置より供給される電気エネルギから熱エネルギを生成する加熱器３２を有し、加熱器３２で生成する熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる。第２音波発生部４０は、給熱源であるエンジンから供給される熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる。冷却器５０は、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０からの音波の音響エネルギを冷熱エネルギに変換して出力する。
【選択図】図１

Description

ここに開示される技術は、熱音響効果により熱エネルギを音響エネルギに変換し、この音響エネルギを他のエネルギに変換して出力するエネルギ変換装置に関する。

従来から、例えばエンジンの排熱を入力して熱音響効果により音響エネルギに変換し、音響エネルギを冷熱等の他のエネルギに変換して出力するエネルギ変換装置がある。このような装置は、例えば下記特許文献１に開示されている。

特開２０１２−１５４２５１号公報

しかしながら、上記従来技術のエネルギ変換装置では、給熱源であるエンジンから供給される熱エネルギが不充分である場合には、充分な安定した出力を行なうことができないという問題がある。

ここに開示される技術は、上記点に鑑みてなされたものであり、給熱源から供給される熱エネルギが不充分な場合であっても、安定した出力を得ることが可能なエネルギ変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、開示されるエネルギ変換装置では、
内部に作業ガスが封入されて作業ガスの音波の伝達経路を形成する管部材（２０、２２０）と、
管部材に設けられ、給電源（７０）より供給される電気エネルギから第１熱エネルギを生成する熱エネルギ生成部（３２）を有し、熱エネルギ生成部で生成する第１熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる第１音波発生部（３０）と、
管部材に設けられ、給熱源（６０）より供給される第２熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる第２音波発生部（４０）と、
管部材に設けられ、第１音波発生部からの音波及び第２音波発生部からの音波の音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギに変換し、他のエネルギを出力する出力部（５０）と、を備える。

これによると、開示されるエネルギ変換装置は、第１音波発生部、第２音波発生部及び出力部を備えている。第１音波発生部は、熱エネルギ生成部で給電源より供給される電気エネルギから第１熱エネルギを生成し、生成した第１熱エネルギを音響エネルギに変換する。一方、第２音波発生部は、給熱源より供給される第２熱エネルギを音響エネルギに変換する。そして、出力部は、第１音波発生部及び第２音波発生部の両者からの音波の音響エネルギを他のエネルギに変換して出力することができる。

したがって、給熱源から供給される第２熱エネルギが充分でない場合には、不足する分の熱エネルギを、熱エネルギ生成部で電気エネルギから生成する第１熱エネルギで賄うことができる。これにより、第１音波発生部及び第２音波発生部で第１、第２熱エネルギを音響エネルギに変換し、第１音波発生部及び第２音波発生部の両者からの音波の音響エネルギを出力部で他のエネルギに変換することができる。このようにして、給熱源から供給される熱エネルギが不充分な場合であっても、安定した出力を得ることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示技術の範囲を限定するものではない。

第１実施形態のエネルギ変換装置である熱音響装置の概略構成図である。 第１実施形態の熱音響装置を用いた空調装置を模式的に示す構成図である。 第１実施形態の熱音響装置の車両搭載状態の一例を示す図である。 第１実施形態の熱音響装置のエネルギ入出力を説明する図である。 第１実施形態の空調装置におけるエネルギ輸送を説明する図である。 第１実施形態の熱音響装置におけるエネルギ流分布を示すグラフである。 第１実施形態の熱音響装置の冷熱出力特性と運転効率特性を示すグラフである。 第２実施形態の熱音響装置の概略構成図である。 第２実施形態の熱音響装置におけるエネルギ流分布を示すグラフである。

以下に、図面を参照しながら開示技術を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
開示技術を適用した第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態におけるエネルギ変換装置である熱音響装置１０は、管部材２０、第１音波発生部３０、第２音波発生部４０、及び冷却器５０を備えている。管部材２０は、ループ状に形成された第１ループ管２１と、ループ状に形成された第２ループ管２２と、第１ループ管２１及び第２ループ管２２を連通する連結管２３とを有する。

管部材２０は、例えば、ステンレス製の円形断面の管である。管部材２０の内部には作業ガスが封入されている。作業ガスとしては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の低分子数の不活性ガスが単独あるいは混合されて用いられる。管部材２０内には、作業ガスが、例えば０．１〜３．０ＭＰａ程度の圧力で充填される。管部材２０は、その内部に作業ガスの音波伝達経路を形成する。熱音響装置１０は、所謂ダブルループ型の熱音響機関である。

第１ループ管２１には、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０が設けられている。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、熱音響装置１０における原動機であり、熱エネルギを音響エネルギに変換する音波発生機能を有する。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、第１ループ管２１に対して直列に配置されている。すなわち、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、音波伝達経路における音波の進行方向に沿って直列に配置されている。

第１音波発生部３０は、第１ループ管２１の内部に収容されたスタック３１と、スタック３１の高温端となる一端部に設けられた加熱器３２と、スタック３１の低温端となる他端部に設けられた低温側熱交換器３３とを有する。加熱器３２は、例えば電気ヒータであり、給電源から供給される電気エネルギから熱エネルギを生成して作業ガスを加熱する。加熱器３２は熱エネルギ生成部に相当し、加熱器３２が生成する熱エネルギは第１熱エネルギに相当する。低温側熱交換器３３は、熱輸送媒体との熱交換により作業ガスを冷却する。

スタック３１は、例えば、ステンレス製の金属メッシュを複数枚積層した構造体により構成される。これにより、スタック３１内には、微小間隔で微細な作業ガスの通路が形成されている。スタック３１は、例えば、セラミックスや焼結金属からなるハニカム構造体であってもよい。

第２音波発生部４０は、第１ループ管２１の内部に収容されたスタック４１と、スタック４１の高温端となる一端部に設けられた高温側熱交換器４２と、スタック４１の低温端となる他端部に設けられた低温側熱交換器４３とを有する。高温側熱交換器４２は、熱輸送媒体との熱交換により作業ガスを加熱する。給熱源から熱輸送媒体により供給される熱エネルギは第２熱エネルギに相当する。低温側熱交換器４３は、熱輸送媒体との熱交換により作業ガスを冷却する。

スタック４１は、スタック３１と同様に、例えば、ステンレス製の金属メッシュを複数枚積層した構造体により構成される。これにより、スタック４１内には、微小間隔で微細な作業ガスの通路が形成されている。スタック４１は、例えば、セラミックスや焼結金属からなるハニカム構造体であってもよい。

スタック３１、４１内の通路壁には、両端に配設された加熱器や熱交換器の機能により第１ループ管２１の延在方向に温度勾配が生じる。温度勾配の生じたスタック３１、４１内の微細通路において作業ガスがこの温度勾配に沿って移動すると、熱音響効果によって作業ガスに自励的な圧力変動が発生する。すなわち、スタック３１、４１は、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる。第１ループ管２１内の音波伝達経路には、各音波発生部３０、４０の高温端側から図１の矢印で示す方向に進む進行波及び定在波の音波が発生する。

第１ループ管２１内の音波は、一部が連結管２３を介して第２ループ管２２内へ伝搬される。連結管２３は、音波進行方向における上流端が第１ループ管２１に接続し、音波進行方向における下流端が第２ループ管２２に接続している。第１ループ管２１において、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、連結管２３接続部位の比較的近傍に配置されている。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、第１ループ管２１内の音波進行方向において、連結管２３接続部位よりも上流側の部位に、上流側から第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の順に配置されている。換言すれば、第１音波発生部３０が第２音波発生部４０よりも音波進行方向における上流側に配置され、音波伝達経路の音響エネルギのレベルが、音波進行方向における第１音波発生部３０の上流端よりも第２音波発生部４０の下流端の方が高くなる構成である。

第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、第１ループ管２１の延在方向において、相互に比較的近接して配置されている。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、第１ループ管２１の延在方向において、低温側熱交換器３３、スタック３１、加熱器３２、低温側熱交換器４３、スタック４１、高温側熱交換器４２の順に配置されている。そして、第１ループ管２１の延在方向において、スタック３１の高温端とスタック４１の低温端との対向間隔よりも、スタック４１の高温端とスタック３１の低温端との対向間隔の方が大きくなるように配置されている。スタック３１とスタック４１との配置関係は、其々が発生する音波同士が干渉して音響エネルギを弱め合わないように設定されている。

第２ループ管２２には、冷却器５０が設けられている。冷却器５０は、熱音響装置１０における受動機であり、音響エネルギを熱エネルギに変換する蓄熱機能を有する。冷却器５０は、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０からの音波の音響エネルギを熱エネルギに変換し、熱エネルギを出力する出力部に相当する。

冷却器５０は、第２ループ管２２の内部に収容されたスタック５１と、スタック５１の高温端となる一端部に設けられた高温側熱交換器５２と、スタック５１の低温端となる他端部に設けられた低温側熱交換器５３とを有する。高温側熱交換器５２は、熱交換により作業ガスが有する熱を熱輸送媒体に放熱する。低温側熱交換器５３は、熱交換により熱輸送媒体が有する熱を作業ガスに吸熱する。

スタック５１は、スタック３１、４１と同様に、例えば、ステンレス製の金属メッシュを複数枚積層した構造体により構成される。これにより、スタック５１内には、微小間隔で微細な作業ガスの通路が形成されている。スタック５１は、例えば、セラミックスや焼結金属からなるハニカム構造体であってもよい。

連結管２３内を介して第２ループ管２２内へ音波が伝搬され、スタック５１内の微細通路へ高温端側から進入すると、作業ガスと通路壁との間で音響エネルギから熱エネルギへの変換と、熱エネルギから音響エネルギへの変換とが繰り返される。その過程で、スタック５１の低温端から高温端へ熱輸送が行なわれる。冷却器５０は、音響エネルギを用いてスタック５１の低温端から高温端へ熱輸送するヒートポンプである。

第２ループ管２２において、冷却器５０は、連結管２３接続部位の比較的近傍に配置されている。冷却器５０は、第２ループ管２２内の音波進行方向において、連結管２３接続部位よりも上流側の部位に配置されている。冷却器５０は、第２ループ管２２の延在方向において、高温側熱交換器５２、スタック５１、低温側熱交換器５３の順に配置されている。

冷却器５０は、音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギである熱エネルギに変換して出力する。冷却器５０は、熱エネルギをスタック５１の低温端に設けた低温側熱交換器５３から冷熱として出力する。

本実施形態のエネルギ変換装置である熱音響装置１０は、例えば、車両用の空調装置に適用して好適な装置である。図２に示すように、空調装置１は、空調ケース２、クーラコア３、及びヒータコア４を備えている。空調ケース２は、車室内へ吹き出す空気の空気通路を内部に形成する。クーラコア３及びヒータコア４は、空調ケース２内に配設されている。空調装置１は、クーラコア３で空調ケース２内を流通する空気から吸熱して空気を冷却した後、冷却された空気をヒータコア４からの放熱で適宜加熱して、車室内へ温度調節した空調風を吹き出し、車室内を空調することが可能である。

車両に搭載された内燃機関であるエンジン６０には、エンジン冷却水をヒータコア４及び高温ラジエータ６３に循環可能な循環回路６１と、循環回路６１にエンジン冷却水を循環する循環ポンプ６２とが設けられている。循環回路６１においてヒータコア４の冷却水流れ下流側には、排熱回収器６４が設けられている。排熱回収器６４は、エンジン６０の排ガスが有する熱量でエンジン冷却水を加熱して、排ガス廃熱を回収する。第２音波発生部４０の高温側熱交換器４２は、循環回路６１における排熱回収器６４と高温ラジエータ６３との間に設けられている。高温側熱交換器４２では、排熱回収器６４から流出して高温ラジエータ６３へ導かれる熱輸送媒体としてのエンジン冷却水との熱交換により、作業ガスが加熱される。エンジン６０は、本実施形態における給熱源に相当する。また、排熱回収器６４は、本実施形態における排気熱回収部に相当する。

なお、図２では、循環回路６１は、エンジン冷却水をヒータコア４、排熱回収器６４、高温側熱交換器４２、高温ラジエータ６３の順に循環する循環路のみを図示していたが、これに限定されるものではない。循環回路６１は、エンジン６０の暖機が充分でないときに、エンジン６０をバイパスして冷却水を流通するためのバイパス流路を有していてもよい。また、高温ラジエータ６３をバイパスしてエンジン冷却水を流通するためのバイパス流路を有していてもよい。

また、車両には蓄電装置７０及びインバータ装置８０が搭載されている。蓄電装置７０は、例えば車両走行駆動用のモータジェネレータに対して充放電が可能となっている。また、蓄電装置７０は、例えば車両外部の外部電源からの充電や車両外部への放電も可能とすることができる。上記した蓄電装置７０の充放電に際しては、電力変換装置としてのインバータ装置８０により交流／直流変換が行なわれる。蓄電装置７０は、第１音波発生部３０の加熱器３２にも給電可能となっている。蓄電装置７０は、本実施形態における給電源に相当する。

インバータ装置８０は、電力変換時のスイッチング素子のスイッチング動作により発熱する。インバータ装置８０には、インバータ装置８０を冷却するインバータ冷却水を低温ラジエータ８３に循環可能な循環回路８１と、循環回路８１にインバータ冷却水を循環する循環ポンプ８２とが設けられている。冷却器５０の高温側熱交換器５２、第１音波発生部３０の低温側熱交換器３３、及び第２音波発生部４０の低温側熱交換器４３は、循環回路８１におけるインバータ装置８０と低温ラジエータ８３との間に設けられている。高温側熱交換器５２、低温側熱交換器３３、及び低温側熱交換器４３では、インバータ装置８０から流出して低温ラジエータ８３へ導かれる熱輸送媒体としてのインバータ冷却水と作業ガスとの熱交換が行なわれる。インバータ冷却水は、電力変換装置を冷却する液相の冷却媒体であり、循環回路８１は、電力変換装置の排熱を系外に廃棄可能な冷却媒体回路である。

冷却器５０の低温側熱交換器５３には、作業ガスとの熱交換で冷却された熱輸送媒体をクーラコア３に循環するための循環回路９１が接続している。循環回路９１には、循環回路９１に熱輸送媒体を循環する循環ポンプ９２が設けられている。低温側熱交換器５３からの冷熱出力が熱輸送媒体によりクーラコア３に輸送され、クーラコア３において車室内へ吹き出す空気が冷却される。

熱音響装置１０を用いる空調装置１は、例えば、図３に一部を示すように車両に搭載される。低温ラジエータ８３は、エンジンルームの前方部位に高温ラジエータと共に配設される。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、車室の床下に配設される。冷却器５０は、エンジンルームの後方部位のうち、車室内の前方部位に配設されたクーラコア３に比較的近接した部位に配設される。

管部材２０と循環回路８１とは、例えば共通の配管スペースに、相互に沿うように延設される。これにより、管部材２０や循環回路８１等の設置空間の確保が容易である。また、冷却器５０とクーラコア３とは、隔壁を挟んで比較的近接配置される。これにより、循環回路９１を比較的短い循環路とすることができる。

図４に示すように、熱音響装置１０には、給電源である蓄電装置７０から電気エネルギが供給される。また、熱音響装置１０には、エンジン６０からの排熱が熱エネルギとして、エンジン６０を冷却するエンジン冷却水により供給される。さらに、このエンジン冷却水により排熱回収器６４で回収された排気熱も熱音響装置１０に供給される。エンジン冷却水により供給される熱エネルギの一部は、放熱等により損失される。

熱音響装置１０では、蓄電装置７０から供給された電気エネルギから生成された熱エネルギと、エンジン６０及び排熱回収器６４から供給された熱エネルギとが、一旦音響エネルギに変換されて伝播される。伝播された音響エネルギは、再度の変換により熱エネルギである冷熱エネルギとなりクーラコア３へ出力される。各エネルギ変換の際に廃棄せざるを得ない熱エネルギは、低温ラジエータ８３から外気に廃棄される。

本実施形態の熱音響装置１０によれば、以下に述べるような効果を得ることができる。

熱音響装置１０は、管部材２０、第１音波発生部３０、第２音波発生部４０、及び出力部である冷却器５０を備える。管部材２０は、内部に作業ガスが封入されて、作業ガスの音波の伝達経路を形成する。第１音波発生部３０は、管部材２０に設けられている。第１音波発生部３０は、給電源である蓄電装置７０から供給される電気エネルギから第１熱エネルギを生成する熱エネルギ生成部である加熱器３２を有している。第１音波発生部３０は、熱エネルギ生成部で生成する第１熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる。第２音波発生部４０は、管部材２０に設けられている。第２音波発生部４０は、給熱源であるエンジン６０から供給される第２熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる。出力部である冷却器５０は、管部材２０に設けられている。第１音波発生部３０からの音波及び第２音波発生部４０からの音波の音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギである冷熱エネルギに変換して出力する。

これによると、熱音響装置１０は、第１音波発生部３０、第２音波発生部４０及び冷却器５０を備えている。第１音波発生部３０は、加熱器３２で蓄電装置７０より供給される電気エネルギから第１熱エネルギを生成し、生成した第１熱エネルギを音響エネルギに変換する。一方、第２音波発生部４０は、エンジン６０より供給される第２熱エネルギを音響エネルギに変換する。そして、出力部である冷却器５０は、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の両者からの音波の音響エネルギを冷熱エネルギに変換して出力することができる。

したがって、エンジン６０から供給される第２熱エネルギが充分でない場合には、不足する分の熱エネルギを、加熱器３２で電気エネルギから生成する第１熱エネルギで賄うことができる。これにより、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０で第１、第２熱エネルギを音響エネルギに変換し、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の両者からの音波の音響エネルギを冷却器５０で冷熱エネルギに変換することができる。このようにして、給熱源であるエンジン６０から供給される熱エネルギが不充分な場合であっても、安定した出力を得ることができる。

また、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、管部材２０の音波伝達経路における音波の進行方向に沿って直列に配置されている。そして、第１音波発生部３０が第２音波発生部４０よりも音波進行方向における上流側に配置され、音波伝達経路の音響エネルギのレベルが、音波進行方向における第１音波発生部３０の上流端よりも第２音波発生部４０の下流端の方が高い構成である。これによると、運転効率を確実に向上することができる。この第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の相互配置関係は、本発明者らが鋭意検討の結果見出したものである。この相互配置関係に関しては、理想状態における理論計算によっても裏付けを得ている。

図５は、熱音響装置１０の各部位における温度やエネルギの移動の関係を示している。図５に示すように、第１音波発生部３０の高温端における熱流の値は、蓄電装置７０からの電気エネルギで生成された熱エネルギＱｉｎ１が高温端に提供され、高温端熱流値Ｑｈ１となる。第２音波発生部４０の高温端における熱流の値は、排熱回収を含むエンジン６０からの熱エネルギＱｉｎ２が高温端に提供され、高温端熱流値Ｑｈ２となる。高温端熱流値Ｑｈ２は、高温ラジエータ６３から外気に廃棄される熱エネルギＱｏｕｔ１をＱｉｎ２から減じた値となる。

第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０では、熱音響効果により熱エネルギが音響エネルギに変換されて、η（Ｑｈ１＋Ｑｈ２）の音響エネルギが冷却器５０に伝播される。ここで、ηはカルノー効率であり、理想状態である効率の上限である。冷却器５０では、音響エネルギが冷熱エネルギに変換されて、η・ＣＯＰ（Ｑｈ１＋Ｑｈ２）で表される冷熱エネルギＱｏｕｔ３がクーラコア３へ出力される。ここで、ＣＯＰは、出力部である冷却器５０のエネルギ変換の理想状態における効率である。

低温ラジエータ８３からは、スタック３１の低温端熱流値Ｑｃ１、スタック４１の低温端熱流値Ｑｃ２、及びスタック５１の高温端熱流値Ｑｈ３の和である熱エネルギＱｏｕｔ２が外気に廃棄される。なお、図５に示す各部位の熱流値Ｑや温度Ｔは、後述の図６に示すものと対応している。

図６は、熱音響装置１０のエネルギ流分布を示すグラフである。グラフの横軸は管部材２０の延在方向における位置を示している。一方縦軸はエネルギ流を示しており、０より上方では仕事流Ｉを、０より下方では熱流Ｑを示している。

図６から明らかなように、エネルギ伝播等にロスがない場合には、各部位の仕事流Ｉと熱流Ｑとの間には、以下の式（１）〜（５）の関係が成立する。
Ｉ０＝Ｑｃ１ ・・・（１）
Ｉ１＝Ｑｈ１＝Ｑｃ２ ・・・（２）
Ｉ２＝Ｑｈ２ ・・・（３）
Ｉ３＋（Ｉ２−Ｉ０）＝Ｑｈ３ ・・・（４）
Ｉ３＝Ｑｃ３ ・・・（５）

また、作業ガスが等エントロピ変化するとした場合には、各スタック３１、４１、５１の端部において、熱流値Ｑと端部温度Ｔとの間には、以下の式（６）〜（８）の関係が成立する。
Ｑｃ１／Ｔｃ１＝Ｑｈ１／Ｔｈ１ ・・・（６）
Ｑｃ２／Ｔｃ２＝Ｑｈ２／Ｔｈ２ ・・・（７）
Ｑｈ３／Ｔｈ３＝Ｑｃ３／Ｔｃ３ ・・・（８）

熱音響装置１０の効率η・ＣＯＰは、一般的には、下記の式（９）で表される。
η・ＣＯＰ＝Ｑｃ３／（Ｑｈ１＋Ｑｈ２）・・・（９）

ところが、エンジン６０から得られる熱エネルギは、利用しなければ廃棄される熱エネルギであるので、熱音響装置１０の実質的な効率η・ＣＯＰは、下記の式（１０）のようになる。この利用しなければ廃棄される熱エネルギ分を効率算出から除外した実質的な効率が、本明細書において言うところの熱音響装置１０の運転効率である。熱音響装置１０の運転効率η・ＣＯＰは、利用しなければ廃棄される熱エネルギ分を考慮しない実質的な効率と言うこともできる。
η・ＣＯＰ＝Ｑｃ３／Ｑｈ１ ・・・（１０）

上記の式（１０）を、前述の式（１）〜（８）の関係を用いて変換すると、熱音響装置１０の運転効率η・ＣＯＰは、下記の式（１１）で表される。

これに対し、電気エネルギを用いる音波発生部と、エンジン排熱を利用する音波発生部との相互配置関係を逆にした比較例１では、式（９）で表された効率は、下記の式（１２）のようになる。
η・ＣＯＰ＝Ｑｃ３／Ｑｈ２ ・・・（１２）

上記の式（１２）を、前述の式（１）〜（８）の関係を用いて変換すると、比較例の運転効率η・ＣＯＰは、下記の式（１３）で表される。

式（１１）と式（１３）とを比較して明らかなように、本実施形態の熱音響装置１０の運転効率は、比較例１の運転効率に対して、Ｔｈ２／Ｔｃ２という因子が乗じられている。スタック４１の高温端温度Ｔｈ２は、必ず低温端温度Ｔｃ２よりも高いので、Ｔｈ２／Ｔｃ２という因子は、必ず１よりも大きい。したがって、式（１１）で表される本実施形態の熱音響装置１０の運転効率は、式（１３）で表される比較例１の運転効率よりも確実に高い。

以上説明したように、本発明者らが見出した第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の相互配置関係は、その有効性が理論計算によっても裏付けられている。

また、電気エネルギ入力の第１音波発生部３０とエンジン排熱エネルギ入力の第２音波発生部４０とを有する本実施形態のような多段方式の原動機を採用することで、高い出力と高い運転効率を両立することができる。本実施形態のような多段方式の原動機に対し、単段方式の原動機では、出力が得難い、又は運転効率が低いという不具合を発生する。

図７の下段に示すように、熱音響装置１０によれば、スタック３１の高温端温度Ｔｈ１を５００℃以上にすれば、冷熱出力Ｑｏｕｔ３として一般的な冷房に必要な２．０ｋＷを確保することができる。なお、このときのスタック４１の高温端温度Ｔｈ２は８０℃である。電気エネルギを用いる音波発生部を採用せず、エンジン６０の排熱エネルギのみで音波発生を行なう単段方式の比較例２では、必要な冷熱出力を得難い。また、電気エネルギのみで音波発生を行なう単段方式の比較例３の場合には、高温端温度を高めれば必要な冷熱出力は確保できるものの、図７の上段に示すように、エンジン排熱を利用できない分、運転効率が低下してしまう。これに対し、本例のような多段方式の原動機を採用する場合には、高い冷熱出力と高い運転効率を両立することができる。なお、このときの電気エネルギから生成した第１熱エネルギの入力値Ｑｉｎ１は０．５６ｋＷであり、第２熱エネルギの入力値Ｑｉｎ２は１．２６ｋＷである。

また、本実施形態では、第１音波発生部３０における第１熱エネルギによる作業ガスの加熱温度である第１加熱温度Ｔｈ１が、第２音波発生部４０における第２熱エネルギによる作業ガスの加熱温度である第２加熱温度Ｔｈ２よりも高い構成である。第１加熱温度Ｔｈ１は、スタック３１の高温端温度であり、第２加熱温度Ｔｈ２は、スタック４１の高温端温度である。これによると、給熱源の状態に基づいて上限温度があり得る第２加熱温度Ｔｈ２に対して、給電源からの電気エネルギを利用して得られる第１加熱温度Ｔｈ１の方が、温度調節が容易で比較的高温にすることが容易である。したがって、運転効率の向上が容易である。

また、給熱源であるエンジン６０から排出される排気が有する熱を、給熱源を冷却する冷却液媒体で回収する排気熱回収部としての排熱回収器６４を、更に備えている。そして、第２音波発生部４０は、冷却液媒体により、給熱源の冷却に伴い取得した熱及び排気熱回収部で回収した熱を第２熱エネルギとして入力する構成である。これによると、給熱源と第２音波発生部４０とを繋ぐ冷却熱媒体の流通経路が形成し易く、冷却液媒体による熱輸送により第２音波発生部４０が給熱源から熱エネルギを得ることが比較的容易である。また、本実施形態のように給熱源が内燃機関等である場合には、比較的高温である排気の熱エネルギも利用することができる。したがって、冷却液媒体及び排気が輸送する給熱源からの熱エネルギを極めて有効に利用することができる。

また、給電源である蓄電装置７０に入出力する電力を変換する電力変換装置であるインバータ装置８０と、電力変換装置を冷却する液相の冷却媒体を循環し、電力変換装置の排熱を系外に廃棄可能な冷却媒体回路として循環回路８１を更に備えている。そして、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、作業ガスからの放熱に伴う音響エネルギに未変換の廃熱量Ｑｃ１、Ｑｃ２を、循環回路８１を循環する冷却媒体に対して放出する構成である。これによると、冷却媒体回路を第１、第２音波発生部３０、４０にまで取回す構成を形成し易く、第１、第２音波発生部３０、４０において音響エネルギに未変換の廃熱を、電力変換装置の冷却媒体に容易に放出することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図８、図９に基づいて説明する。

第２実施形態は、前述の第１実施形態と比較して、管部材の構成が異なる。なお、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。第１実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第２実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図８に示すように、本実施形態の熱音響装置２１０では、管部材２２０は、ループ状に形成されている。管部材２２０は、例えば、ステンレス製の円形断面の管である。管部材２２０の内部には第１実施形態と同様に作業ガスが封入されている。第１音波発生部３０、第２音波発生部４０、及び冷却器５０は、いずれも管部材２２０に設けられている。本実施形態の熱音響装置２１０は、所謂シングルループ型の熱音響機関である。

第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、管部材２２０内の音波進行方向において、上流側から第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の順に配置されている。換言すれば、第１音波発生部３０が第２音波発生部４０よりも音波進行方向における上流側に配置され、音波伝達経路の音響エネルギのレベルが、音波進行方向における第１音波発生部３０の上流端よりも第２音波発生部４０の下流端の方が高くなる構成である。

第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、管部材２２０の延在方向において、相互に比較的近接して配置されている。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、管部材２２０の延在方向において、低温側熱交換器３３、スタック３１、加熱器３２、低温側熱交換器４３、スタック４１、高温側熱交換器４２の順に配置されている。そして、管部材２２０の延在方向において、スタック３１の高温端とスタック４１の低温端との対向間隔よりも、スタック４１の高温端とスタック３１の低温端との対向間隔の方が大きくなるように配置されている。スタック３１とスタック４１との配置関係は、其々が発生する音波同士が干渉して音響エネルギを弱め合わないように設定されている。出力部である冷却器５０は、管部材２２０内の音波伝達経路において、スタック４１の高温端とスタック３１の低温端とが対向する空間に配置されている。

本実施形態の熱音響装置２１０においても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

図９は、熱音響装置２１０のエネルギ流分布を示すグラフである。グラフの横軸は管部材２２０の延在方向における位置を示している。一方縦軸はエネルギ流を示しており、０より上方では仕事流Ｉを、０より下方では熱流Ｑを示している。

図９から明らかなように、エネルギ伝播等にロスがない場合には、仕事流Ｉと熱流Ｑとの間には、以下の式（１４）〜（１７）の関係が成立する。
Ｉ０＝Ｑｃ１ ・・・（１４）
Ｉ１＝Ｑｈ１＝Ｑｃ２ ・・・（１５）
Ｉ２＝Ｑｈ２＝Ｑｈ３ ・・・（１６）
Ｉ０＝Ｑｃ３ ・・・（１７）

また、作業ガスが等エントロピ変化するとした場合には、各スタック３１、４１、５１の端部において、熱流値Ｑと端部温度Ｔとの間には、前述の式（６）〜（８）の関係が成立する。

前述の式（１０）を、前述の式（６）〜（８）、（１４）〜（１７）の関係を用いて変換すると、熱音響装置２１０の運転効率η・ＣＯＰは、下記の式（１８）で表される。
η・ＣＯＰ＝（Ｔｃ３／Ｔｈ３）・（Ｔｈ２／Ｔｃ２） ・・・（１８）

これに対し、前述の式（１２）を、前述の式（６）〜（８）、（１４）〜（１７）の関係を用いて変換すると、両音波発生部の相互配置関係を逆にした比較例の運転効率η・ＣＯＰは、下記の式（１９）で表される。
η・ＣＯＰ＝Ｔｃ３／Ｔｈ３ ・・・（１９）

式（１８）と式（１９）とを比較して明らかなように、本実施形態の熱音響装置２１０の運転効率は、比較例の運転効率に対して、第１実施形態と同様に、Ｔｈ２／Ｔｃ２という因子が乗じられている。Ｔｈ２／Ｔｃ２という因子は、必ず１よりも大きい。したがって、式（１８）で表される本実施形態の熱音響装置２１０の運転効率は、式（１９）で表される比較例の運転効率よりも確実に高い。

（他の実施形態）
この明細書に開示される技術は、その開示技術を実施するための実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示される技術は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分をもつことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示技術の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示技術のいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

上記実施形態では、第２音波発生部４０は、エンジン冷却水が給熱源であるエンジン６０の冷却に伴い取得した熱、及び排気熱回収部である排熱回収器６４で回収した熱を第２熱エネルギとして入力していたが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン冷却により得た熱エネルギ、またはエンジン排気熱を回収した熱エネルギのいずれかを入力するものであってもよい。

すなわち、第２音波発生部４０は、給熱源であるエンジン６０を冷却する冷却液媒体であるエンジン冷却水により輸送される第２熱エネルギを入力する構成であってもよい。これによると、給熱源と第２音波発生部４０とを繋ぐ冷却熱媒体の流通経路が形成し易く、冷却液媒体による熱輸送により第２音波発生部４０が給熱源から熱エネルギを得ることが比較的容易である。

また、第２音波発生部４０は、給熱源から排出される排気により輸送される第２熱エネルギを入力する構成であってもよい。これによると、給熱源が内燃機関等である場合には、排気が比較的高温であり、第２音波発生部４０において比較的大きな温度勾配を形成し易い。したがって、運転効率を向上し易い。

また、上記実施形態では、給熱源はエンジン６０であったが、これに限定されるものではない。例えば、給熱源は、作動時に発熱を伴う他の発熱機器であってもよい。また、例えば、給熱源は、地熱等の自然界の熱エネルギであってもよい。

また、上記実施形態では、給電源は蓄電装置７０であったが、これに限定されるものではない。例えば、給電源から供給される電気エネルギは、電力供給元の一例である電力会社から供給される系統電力であってもよい。

また、上記実施形態では、電力変換装置としてインバータ装置８０を備えていたが、これに限定されるものではない。例えば、電力変換装置はコンバータ装置であってもかまわない。

また、上記実施形態では、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０において廃棄せざるを得ない音響エネルギに未変換の熱エネルギを、インバータ冷却水に放出していたが、これに限定されるものではない。例えば、音響エネルギに未変換の熱エネルギを、他の冷却液媒体に放出するものであってもよい。また、例えば、音響エネルギに未変換の熱エネルギを、外気に直接放出するものであってもよい。

また、上記実施形態では、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、管部材２０、２２０の音波伝達経路における音波の進行方向に沿って直列に配置されていた。そして、第１音波発生部３０が第２音波発生部４０よりも音波進行方向における上流側に配置され、音波伝達経路の音響エネルギのレベルが、音波進行方向における第１音波発生部３０の上流端よりも第２音波発生部４０の下流端の方が高い構成であった。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、第１音波発生部の音波進行方向における上流側に第２音波発生部を配置するものであってもよい。また、例えば、第１音波発生部及び第２音波発生部は、音波伝達経路における音波の進行方向において並列に配置されるものであってもよい。

また、上記実施形態では、管部材はループ管を有し、ループ管部に第１、第２音波発生部及び出力部を設けたものであったが、これに限定されるものではない。例えば、ループ管部に第１、第２音波発生部を設け、これに接続する共鳴管としての直管部に出力部を設けるものであってもよい。また、例えば、ループ管部のない直管に第１、第２音波発生部及び出力部を設けるものであってもよい。

また、上記実施形態では、エネルギ変換装置である熱音響装置を、車両用の空調装置に適用していたが、これに限定されるものではない。例えば、定置式の空調装置に適用してもかまわない。

また、上記実施形態では、出力部である冷却器５０で音響エネルギを冷熱エネルギに変換して冷熱エネルギを出力していたが、これに限定されるものではない。出力部は、音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギに変換して出力するものであればよい。例えば、出力部を冷却器と同様のヒートポンプとして、高温端から温熱エネルギを出力するものであってもよい。また、例えば、出力部を発電機として、音響エネルギを電気エネルギに変換して出力するものであってもよい。

１０、２１０ 熱音響装置（エネルギ変換装置）
２０、２２０ 管部材
３０ 第１音波発生部（原動機の一部）
３２ 加熱器（熱エネルギ生成部）
４０ 第２音波発生部（原動機の一部）
５０ 冷却器（出力部、受動機）
６０ エンジン（給熱源）
７０ 蓄電装置（給電源）

Claims (7)

1. 内部に作業ガスが封入されて前記作業ガスの音波の伝達経路を形成する管部材（２０、２２０）と、
   前記管部材に設けられ、給電源（７０）より供給される電気エネルギから第１熱エネルギを生成する熱エネルギ生成部（３２）を有し、前記熱エネルギ生成部で生成する前記第１熱エネルギを音響エネルギに変換して、前記作業ガスに熱音響自励振動による前記音波を発生させる第１音波発生部（３０）と、
   前記管部材に設けられ、給熱源（６０）より供給される第２熱エネルギを音響エネルギに変換して、前記作業ガスに熱音響自励振動による前記音波を発生させる第２音波発生部（４０）と、
   前記管部材に設けられ、前記第１音波発生部からの前記音波及び前記第２音波発生部からの前記音波の音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギに変換し、前記他のエネルギを出力する出力部（５０）と、を備えるエネルギ変換装置。
2. 前記第１音波発生部及び前記第２音波発生部は、前記伝達経路における前記音波の進行方向に沿って直列に配置されており、
   前記第１音波発生部が前記第２音波発生部よりも前記進行方向における上流側に配置され、前記伝達経路の前記音響エネルギのレベルが、前記進行方向における前記第１音波発生部の上流端よりも前記第２音波発生部の下流端の方が高い構成である請求項１に記載のエネルギ変換装置。
3. 前記第１音波発生部における前記第１熱エネルギによる前記作業ガスの加熱温度である第１加熱温度（Ｔｈ１）が、前記第２音波発生部における前記第２熱エネルギによる前記作業ガスの加熱温度である第２加熱温度（Ｔｈ２）よりも高い構成である請求項２に記載のエネルギ変換装置。
4. 前記第２音波発生部は、前記給熱源を冷却する冷却液媒体により輸送される前記第２熱エネルギを入力する構成である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエネルギ変換装置。
5. 前記第２音波発生部は、前記給熱源から排出される排気により輸送される前記第２熱エネルギを入力する構成である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエネルギ変換装置。
6. 前記給熱源から排出される排気が有する熱を、前記給熱源を冷却する冷却液媒体で回収する排気熱回収部（６４）を、更に備え、
   前記第２音波発生部は、前記冷却液媒体により、前記給熱源の冷却に伴い取得した熱及び前記排気熱回収部で回収した熱を前記第２熱エネルギとして入力する構成である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエネルギ変換装置。
7. 前記給電源に入出力する電力を変換する電力変換装置（８０）と、
   前記電力変換装置を冷却する液相の冷却媒体を循環し、前記電力変換装置の排熱を系外に廃棄可能な冷却媒体回路（８１）と、を更に備え、
   前記第１音波発生部及び前記第２音波発生部は、前記作業ガスからの放熱に伴う前記音響エネルギに未変換の廃熱量（Ｑｃ１、Ｑｃ２）を、前記冷却媒体回路を循環する前記冷却媒体に対して放出する構成である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のエネルギ変換装置。

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