JP2018091525A - 熱音響エンジン及び蓄熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】音と熱との間のエネルギー変換効率を高めることが可能な熱音響エンジンを提供する。
【解決手段】所定の気体が封入された配管２０と、気体が通過するように配管２０に取り付けられた蓄熱器３０とを備え、蓄熱器３０の両端部間に温度勾配を形成して音波を発生させる熱音響エンジン１０である。蓄熱器３０は、１０μｍ〜２０μｍの線径を有するタングステン線によって密に形成された、メッシュ状のフィルタを備えている。また、フィルタは複数枚重ねられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響現象を用いた熱音響エンジン及び蓄熱器に関する。

従来、「熱音響現象」として、配管の中に薄板または細管を束ねたスタックを有する蓄熱器を設置し、スタックに温度勾配を与えることで配管内に音波が発生する現象がある。また、その逆に配管の一端に音波を加えることによりスタックの両端に温度差が生じる現象がある。このような熱音響現象を用いることで、音と熱との間のエネルギー変換を実現することができる。このような熱音響現象を用いたエンジンを「熱音響エンジン」と称している（例えば特許文献１参照）。

熱音響エンジンの蓄熱器は、セラミック、ステンレス等からなるフィルタを備えており、このフィルタの微細孔を配管内部の気体が通過することで、音波が発生するようになっている。

特開２００５−３４５０２３号公報

ところで、セラミック、ステンレス等からなるフィルタを備えた蓄熱器よりも、エネルギー変換効率を高めることが望まれている。

このため、本発明は、音と熱との間のエネルギー変換効率を高めることが可能な熱音響エンジン及び蓄熱器を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る熱音響エンジンは、所定の気体が封入された配管と、気体が通過するように配管に取り付けられた蓄熱器とを備え、蓄熱器の両端部間に温度勾配を形成して音波を発生させる熱音響エンジンであって、蓄熱器は、タングステン線によって密に形成されたメッシュ状のフィルタを備えている。

本発明の他の態様に係る蓄熱器は、温度勾配を用いて音波を発生させる熱音響エンジンに用いられる蓄熱器であって、タングステン線によって密に形成されたメッシュ状のフィルタを備えている蓄熱器。

本発明によれば、音と熱との間のエネルギー変換効率を高めることが可能な熱音響エンジン及び蓄熱器を提供することができる。

実施の形態に係る熱音響エンジンの要部構成を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係る蓄熱器の概略構成を示す斜視図である。 実施の形態に係る複数のフィルタの概略構成を示す斜視図である。 図３におけるフィルタの一部を拡大して示す拡大図である。 変形例に係る配管の概略構成を示す模式図である。 その他の変形例に係る配管の概略構成を示す模式図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る熱音響エンジン及び蓄熱器について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態等は、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。

（実施の形態）
［熱音響エンジン］
本発明の実施の形態に係る熱音響エンジン１０について、図面を参照しながら説明する。まず、熱音響エンジン１０の構成について説明する。図１は、実施の形態に係る熱音響エンジン１０の要部構成を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、熱音響エンジン１０は、配管２０と、蓄熱器３０とを備えている。

配管２０は、単ループ状に形成されており、その内部に、例えば窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物、空気等の作動気体が封入されている。配管２０内の所定の二箇所には、それぞれ蓄熱器３０が設けられている。具体的には、一方の蓄熱器３０ａから他方の蓄熱器３０ｂまでの経路と、他方の蓄熱器３０ｂから一方の蓄熱器３０ａまでの経路が概ね同等となる位置に、２つの蓄熱器３０が配置されている。ここで、一方の蓄熱器３０ａは、熱を音波に変換する原動機として機能し、他方の蓄熱器３０ｂは、音波を熱に変換するヒートポンプとして機能する。

図２は、実施の形態に係る蓄熱器３０の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、蓄熱器３０は、筐体３１と、第一熱交換器３２と、第二熱交換器３３と、複数のフィルタ３４とを備えている。筐体３１は、配管２０内に封入された作動気体の流路の一部をなす部材である。筐体３１は、例えば筒状に形成されており、その中空部分が作動気体の流路となっている。

第一熱交換器３２は、外部機器に熱的に接続された状態で筐体３１の一端部に設けられており、当該外部機器に対して熱交換を行う。第二熱交換器３３は、筐体３１の他端部に設けられており、その内部に冷却液が循環されることで、一定の温度に保たれている。冷却液としては、例えば水、油などが挙げられる。

図３は、実施の形態に係る複数のフィルタ３４の概略構成を示す斜視図である。図４は、図３におけるフィルタ３４の一部を拡大して示す拡大図である。

図３に示すように、フィルタ３４は、作動気体の流路を閉塞するように筐体３１内に４枚重ねて収容されている。フィルタ３４は、第一熱交換器３２及び第二熱交換器３３のそれぞれに熱的に接続されている。なお、フィルタ３４の重畳枚数は、２枚以上であればよい。フィルタ３４は、平面視円形のメッシュ状に形成されている。図４に示すように、フィルタ３４は、タングステン線３５により密な布状に形成されている。タングステン線３５により布状に形成されたフィルタ３４であるので、当該フィルタ３４は、多数の孔３４１（微細孔）を有している。この孔３４１が作動気体の流路となる。

具体的には、フィルタ３４は、複数のタングステン線３５が密に織り込まれて形成された織物であるので、孔３４１は平面視矩形状となる。また、タングステン線３５の線径Ｈは１０μｍ以上２０μｍ以下である。このような線径のタングステン線３５によってフィルタ３４が形成されているために、孔３４１の一辺も１０μｍ以上２０μｍ以下となる。また、上述したように複数のフィルタ３４は、重ねられているが、各フィルタ３４の孔３４１が平面視で完全に一致することはまれである。換言すると、各フィルタ３４の孔３４１は、その他のフィルタ３４のタングステン線３５によって部分的に遮られる。このために、実際の孔３４１の平面視形状よりも、小さな範囲が作動気体の流路となる。

ここで、第一熱交換器３２が加熱されると、第二熱交換器３３はそれよりも低温であるため、蓄熱器３０内においては急激な温度勾配が生じている。このため、フィルタ３４の孔３４１内に存在する作動気体には、熱音響自励振動である音波が発生する。つまり、熱エネルギーから音エネルギーへのエネルギー変換が行われる。

また、第二熱交換器３３が一定の温度に保たれ、かつ第一熱交換器３２側が加熱されていない状態では、第二熱交換器３３側から孔３４１内の作動気体に音波が作用すると、当該孔３４１内に存在する作動気体が、フィルタ３４及び第一熱交換器３２から熱を奪う。つまり、音エネルギーから熱エネルギーへのエネルギー変換が行われる。

例えば、図１では、配管２０内における音波の進行方向を矢印Ｙで示している。このような音波が発生する場合、２つの蓄熱器３０のそれぞれでは、進行方向側の熱交換器が第一熱交換器３２となり、後退方向側の熱交換器が第二熱交換器３３となる。

そして、原動機として機能する一方の蓄熱器３０ａでは、外部機器としての熱源が第一熱交換器３２に熱的に接続されている。熱源としては、例えば、エンジン等の内燃機関、工場に設けられた廃熱装置などのような、３００度程度の廃熱を発する熱源が挙げられる。

また、ヒートポンプとして機能する他方の蓄熱器３０ｂでは、外部機器としての冷却装置が第一熱交換器３２に熱的に接続されている。冷却装置としては、例えば、冷蔵庫、クーラーなどが挙げられる。

次に、熱音響エンジン１０の作用について説明する。

まず、熱源からの廃熱が一方の蓄熱器３０ａの第一熱交換器３２に伝わると、第一熱交換器３２が加熱される。これにより、一方の蓄熱器３０ａでは、熱エネルギーから音エネルギーへのエネルギー変換が行われる。これにより、配管２０内の作動気体には音波が発生する。

他方の蓄熱器３０ａは、配管２０内を伝播した音波を受けると、音エネルギーから熱エネルギーの変換が行われて、当該蓄熱器３０ａの第二熱交換器３３では吸熱反応が生じる。これにより、第二熱交換器３３が冷却装置の冷却源として用いられる。

［効果など］
以上のように、本実施の形態によれば、熱音響エンジン１０は、所定の気体が封入された配管２０と、気体が通過するように配管２０に取り付けられた蓄熱器３０とを備え、蓄熱器３０の両端部間に温度勾配を形成して音波を発生させる熱音響エンジンである。蓄熱器３０は、タングステン線３５によって密に形成されたメッシュ状のフィルタ３４を備えている。

この構成によれば、蓄熱器３０に備わるフィルタ３４がタングステン線３５によってメッシュ状に形成されているので、従来のセラミック、ステンレス等からなるフィルタと比べても熱伝導率を高くすることができる。フィルタ３４の熱伝導率が高いと、音と熱との間のエネルギー変換時における損失を小さくすることができる。したがって、音と熱との間のエネルギー変換効率を高めることができる。

また、タングステンは、セラミック、ステンレス等と比べても強度が高いために、フィルタ３４の耐久性、信頼性も高めることができる。フィルタ３４の耐久性、信頼性が高められていれば、交換しなくともフィルタ３４を長期的に安定して使用することができる。したがって、閉ざされた系で長期的に稼働する熱音響エンジン１０にとって適切な蓄熱器３０を提供することができる。

また、タングステン線３５は、他の金属と比較しても、細線化することができるので、このタングステン線３５でフィルタ３４を密に形成すれば、孔３４１を微細化することができる。作動気体の流路である孔３４１が微細化されると、音と熱との間のエネルギー変換効率を高めることができる。

例えば、上述した従来のセラミックまたはステンレスなどからなるフィルタの場合、作動気体の流路となる孔の直径は０．２ｍｍ程度である。タングステン線３５からなるフィルタ３４であると、この直径よりも小さな孔３４１を形成することができる。特に、上記実施の形態では、タングステン線３５の線径Ｈが１０μｍ以上２０μｍ以下である場合を例示した。この線径であれば、孔３４１の大きさ（孔３４１の一辺）を１０μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。

また、フィルタ３４は複数重ねられている。

この構成によれば、複数のフィルタ３４が重ねられているので、各フィルタ３４の孔３４１は、その他のフィルタ３４のタングステン線３５によって部分的に遮られる。このために、実際の孔３４１の平面視形状よりも、小さな範囲が作動気体の流路となる。つまり、流路をより微細化することができ、音と熱との間のエネルギー変換効率を高めることができる。

（その他）
以上、本発明に係る熱音響エンジン１０及び蓄熱器３０について、上記実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、上記実施の形態と同一の部分においては同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

例えば、上記実施の形態では、フィルタ３４が複数、重ねられて筐体３１に収容されている場合を例示して説明したが、フィルタ３４は１枚だけ筐体３１に収容されていてもよい。

また、上記実施の形態では、配管２０が単ループ状に形成されている場合を例示して説明したが、作動気体が漏れないように封入されているのであれば、配管２０の形状は如何様でもよい。以下に、配管の変形例について説明する。

図５及び図６は、変形例に係る配管５０、６０の概略構成を示す模式図である。

図５に示すように、２つのループ部５１、５２が直線部５３によって連結された配管５０であってもよい。この配管５０の場合、２つのループ部５１、５２のそれぞれに蓄熱器３０が設けられている。

また、図６に示すように、１つのループ部６１と、当該ループ部６１から延びる直線部６２とからなる配管６０であってもよい。この配管６０の場合、ループ部６１に蓄熱器３０が設けられており、直線部６２の先端部にリニア発電機７０が取り付けられる。これにより、蓄熱器３０で発生した音波がループ部６１及び直線部６２を介してリニア発電機７０に伝導するので、リニア発電機７０では、音波の振動を用いて発電を行うことができる。つまり、上記実施の形態では、外部機器からの熱を一旦音波に変換してから、当該音波を熱に再変換することで、排熱を冷却に利用する場合を説明していたが、この図６に示す例では、排熱を音波に変換して発電に利用している。このように、熱音響エンジンにおいては、熱を電力に変換することも可能である。

また、上記実施の形態では、蓄熱器３０が配管２０の内部に配置される場合を例示したが、作動気体を漏らさない構造であるのなら、蓄熱器が配管の一部をなしていてもよい。

また、上記実施の形態では、フィルタ３４がタングステン線３５からなる密な織物である場合を例示したが、タングステン線によって密なメッシュ状に形成されているのであれば、フィルタの形態は如何様でもよい。その他の形態としては、タングステン線が密に編まれることで形成されたフィルタ、タングステン線によって密なフェルト状（不織布状）に形成されたフィルタなどが挙げられる。また、フィルタの全体がタングステン線から形成されていなくてもよく、部分的に他の金属線が含まれていてもよい。

その他、実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１０ 熱音響エンジン
２０、５０、６０ 配管
３０、３０ａ、３０ｂ 蓄熱器
３４ フィルタ
３５ タングステン線

Claims (6)

1. 所定の気体が封入された配管と、前記気体が通過するように前記配管に取り付けられた蓄熱器とを備え、前記蓄熱器の両端部間に温度勾配を形成して音波を発生させる熱音響エンジンであって、
   前記蓄熱器は、タングステン線によって密に形成されたメッシュ状のフィルタを備えている
   熱音響エンジン。
2. 前記タングステン線の線径は、１０μｍ以上２０μｍ以下である
   請求項１に記載の熱音響エンジン。
3. 前記フィルタは複数重ねられている
   請求項１または２に記載の熱音響エンジン。
4. 温度勾配を用いて音波を発生させる熱音響エンジンに用いられる蓄熱器であって、
   タングステン線によって密に形成されたメッシュ状のフィルタを備えている
   蓄熱器。
5. 前記タングステン線の線径は、１０μｍ以上２０μｍ以下である
   請求項４に記載の蓄熱器。
6. 前記フィルタは複数重ねられている
   請求項４または５に記載の蓄熱器。

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