JP2023028062A - Thermoacoustic system and connection method for thermoacoustic engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、音響エネルギーを供給する熱音響機関と音響エネルギーの供給を受ける他の機関とが接続された熱音響システム、および、熱音響機関を他の機関と接続する接続方法に関する。 The present invention relates to a thermoacoustic system in which a thermoacoustic engine that supplies acoustic energy and another engine that receives acoustic energy are connected, and a connection method for connecting the thermoacoustic engine to another engine.
熱的要因によって音波が発生する現象が、熱音響現象として知られている。熱音響現象の一例を、図9を参照しながら説明する。以下においては、説明の便宜上、小さな気体の固まりを規定する。これは気体分子よりも大きな固まりであり、以下「気体粒Q」とよぶ。 A phenomenon in which sound waves are generated by a thermal factor is known as a thermoacoustic phenomenon. An example of a thermoacoustic phenomenon will be described with reference to FIG. In the following, for convenience of explanation, a small mass of gas is defined. This is a mass larger than gas molecules, and is hereinafter referred to as "gas particle Q".
いま、細管内にある気体粒Qが、圧縮されつつ+X方向に変位したとする。変位中は気体粒Qの速度が比較的大きいため、管壁Wとの間での熱交換がなされない。したがって、このときの変化は断熱的であり、気体粒Qは昇温する。 Suppose now that the gas particle Q in the narrow tube is displaced in the +X direction while being compressed. Since the velocity of the gas particles Q is relatively high during the displacement, no heat is exchanged with the tube wall W. Therefore, the change at this time is adiabatic, and the temperature of the gas particle Q rises.
+X方向の変位が最大になる点Aでは、気体粒Qの速度が比較的小さいため、管壁Wとの間での熱交換がなされる。点Aの近傍における管壁Wの温度が気体粒Qの温度よりも高い場合、管壁Wから気体粒Qに熱が流入する。すなわち、気体粒Qに熱が与えられる。 At the point A where the displacement in the +X direction is maximum, the velocity of the gas particles Q is relatively small, so heat is exchanged with the tube wall W. When the temperature of the tube wall W in the vicinity of the point A is higher than the temperature of the gas particles Q, heat flows into the gas particles Q from the tube wall W. That is, the gas particles Q are given heat.
続いて、気体粒Qが、膨張されつつ-X方向に変位したとする。このときの変化も断熱的であり、気体粒Qは降温する。 Next, assume that the gas particle Q is displaced in the -X direction while being expanded. The change at this time is also adiabatic, and the temperature of the gas particles Q decreases.
-X方向の変位が最大になる点Bでは、管壁Wとの間での熱交換がなされる。点Bの近傍における管壁Wの温度が気体粒Qの温度よりも低い場合、気体粒Qから管壁Wに熱が流出する。すなわち、気体粒Qから熱が奪われる。 At point B where the displacement in the −X direction is maximum, heat exchange with the tube wall W takes place. When the temperature of the tube wall W in the vicinity of the point B is lower than the temperature of the gas particles Q, heat flows from the gas particles Q to the tube wall W. That is, heat is taken from the gas particles Q.
以上のサイクルが繰り返されると、気体粒Qの振幅が次第に大きくなって不安定化し、大きな圧力変動(音波)を発生する。このように、振動の位相と加熱および冷却の位相との間に特定の関係が形成された場合に、熱的要因から音波が発生する。 When the above cycle is repeated, the amplitude of the gas particles Q gradually increases and becomes unstable, generating large pressure fluctuations (sound waves). Thus, acoustic waves are generated from thermal agents when specific relationships are formed between the phases of vibration and the phases of heating and cooling.
この熱音響現象を利用した熱機関の一つとして、熱エネルギーを投入して音響エネルギーを発生させる熱音響機関(熱音響エンジンとも呼ばれる)が知られている。熱音響機関の構成例を、図10を参照しながら説明する。 As one of the heat engines using this thermoacoustic phenomenon, a thermoacoustic engine (also called a thermoacoustic engine) that generates acoustic energy by inputting thermal energy is known. A configuration example of a thermoacoustic engine will be described with reference to FIG.
ここに示される熱音響機関9は、音波を発生させるループ管91と、ここで発生した音波を伝播させる共鳴管92とを有する。ループ管91の途中には、無数の細管が束ねられた構造を有する蓄熱器93が設けられる。また、蓄熱器93の一方側に、高温側の熱交換器(加熱器)94が設けられ、他方側に低温側の熱交換器(冷却器)95が設けられる。
The
このような構成において、蓄熱器93の両端に、熱交換器94,95によって所定の閾値を超える温度勾配が形成されると、熱音響現象によって、蓄熱器93の細管の内部にある流体(作動流体)の自励振動が発生し、ループ管91に音波が生じる。すなわち、熱エネルギーが音響エネルギーに変換される。このとき、共鳴管92には、定在波と進行波が混在して発生しており、進行波成分によって、共鳴管92の基端部(ループ管91との接続端部)から先端部C1に向けて、音響エネルギーが輸送される。
In such a configuration, when a temperature gradient exceeding a predetermined threshold value is formed at both ends of the
熱音響機関9で発生した音響エネルギーを取り出すためには、共鳴管92の先端部C1に、音響エネルギーの供給を受ける他の機関(以下「負荷機関」ともいう)90を接続して、熱音響システムを構築する必要がある。例えば、熱音響機関9に発電機を接続して、音響エネルギーを電力に変換する熱音響システム(熱音響発電システム)が知られている(特許文献1参照)。
In order to take out the acoustic energy generated by the
ところで、熱音響機関9と負荷機関90が接続されてなる熱音響システムにおいて、熱音響機関9における負荷機関90と接続される面(接続面)C1の音響インピーダンスと、負荷機関90における熱音響機関9と接続される接続面C2の音響インピーダンスとが乖離していると、熱音響機関9で発生した音響エネルギーを負荷機関90で取り出すことができない。すなわち、熱音響機関9から負荷機関90へ音響エネルギーを適切に伝達するためには、熱音響機関9側の接続面C1の音響インピーダンスと、負荷機関90側の接続面C2の音響インピーダンスとが、一致(整合)している必要がある。ただし、本明細書において、二つの接続面の「音響インピーダンスが一致する」とは、両接続面の音響インピーダンスが完全に一致する場合だけでなく、両接続面を介して音響エネルギーが十分に伝達する程度に各接続面の音響インピーダンスの差が小さい場合も含む。
By the way, in a thermoacoustic system in which the
ところが、各機関9,90の接続面C1,C2の音響インピーダンスは、該機関9,90の様々な諸元が複雑に絡み合って規定される値であり、熱音響機関9の接続面C1の音響インピーダンスと、負荷機関90の接続面C2の音響インピーダンスとが、自然に(すなわち、何らかの調整を行っていないのに)、一致している可能性は非常に低い。したがって、各機関9,90の接続面C1,C2の音響インピーダンスを一致させるために、何らかの調整を行う必要がある。
However, the acoustic impedance of the connection surfaces C 1 and C 2 of the
例えば、非特許文献1には、熱音響機関とこれに接続されるリニア発電機の各接続面の音響インピーダンスを一致させるための手法が提案されている。ここでは、熱音響機関側の接続面の音響インピーダンスが、共鳴管の長さL、および、蓄熱器の高温側の設定温度Tに依存し、リニア発電機側の接続面の音響インピーダンスが、外部抵抗値Zに依存することに着目して、両接続面の音響インピーダンスが一致するような組み合わせ(L,T,Z)を実験により特定している。熱音響機関側の諸元である共鳴管の長さLおよび蓄熱器の高温側の設定温度Tと、リニア発電機側の諸元である外部抵抗値Zとを、それぞれ特定された値に変更することで、両接続面の音響インピーダンスを一致させることができる。 For example, Non-Patent Document 1 proposes a technique for matching the acoustic impedance of each connection surface of a thermoacoustic engine and a linear generator connected thereto. Here, the acoustic impedance of the connection surface on the thermoacoustic engine side depends on the length L of the resonance tube and the set temperature T on the high temperature side of the heat accumulator, and the acoustic impedance of the connection surface on the linear generator side depends on the external Focusing on the dependence on the resistance value Z, a combination (L, T, Z) that matches the acoustic impedances of both connection surfaces is specified through experiments. Change the length L of the resonance tube and the set temperature T on the high temperature side of the heat accumulator, which are the specifications of the thermoacoustic engine, and the external resistance value Z, which is the specification of the linear generator, to specified values. By doing so, it is possible to match the acoustic impedances of both connection surfaces.
非特許文献1の技術によると、熱音響機関側の接続面とリニア発電機側の接続面の音響インピーダンスとを一致させることができる。しかしながら、そのためには、両接続面の音響インピーダンスが一致するような組み合わせ(L,T,Z)を見つけなければならず、これには相当の実験が必要となってくる。したがって、設計者の作業負荷が大きい。また、このような組み合わせ(L,T,Z)が常に存在するとは限らず、実験を行っても、このような組み合わせ(L,T,Z)が見つからない場合もある。さらに、外部抵抗値Zが変わるとリニア発電機の発電効率も変わってくるところ、音響インピーダンスを一致させることのできる外部抵抗値Zが採用されることで、発電効率が低下してしまう可能性もある。 According to the technique of Non-Patent Document 1, the acoustic impedance of the connection surface on the thermoacoustic engine side and the connection surface on the linear generator side can be matched. However, in order to do so, it is necessary to find a combination (L, T, Z) that matches the acoustic impedances of both connection surfaces, which requires considerable experimentation. Therefore, the designer's workload is heavy. Moreover, such a combination (L, T, Z) does not always exist, and there are cases in which such a combination (L, T, Z) cannot be found even if an experiment is conducted. Furthermore, when the external resistance value Z changes, the power generation efficiency of the linear generator also changes, so there is a possibility that the power generation efficiency will decrease by adopting the external resistance value Z that can match the acoustic impedance. be.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、熱音響機関と他の機関とが接続された熱音響システムにおいて、両機関の接続面の音響インピーダンスを、簡易かつ確実に一致させることができる技術の提供を目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and in a thermoacoustic system in which a thermoacoustic engine and another engine are connected, the acoustic impedances of the connecting surfaces of the two engines can be easily and reliably matched. The aim is to provide technology that enables
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。 In order to achieve this object, the present invention takes the following means.
すなわち、本発明は、音響エネルギーを供給する熱音響機関である第1機関と、前記音響エネルギーの供給を受ける第2機関とが、前記第1機関の第1接続面および前記第2機関の第2接続面を介して接続された熱音響システムであって、前記第2機関が、前記第1機関から供給される音響エネルギーを受け面で受けて所定の推力を発生する受け部、を備え、前記第2接続面の圧力振幅と前記受け面の圧力振幅とが同じであり、前記受け部で前記所定の推力が発生し、かつ、前記第1接続面の音響インピーダンスと前記第2接続面の音響インピーダンスとが一致するように、前記第1接続面の面積および前記第2接続面の面積の少なくとも一方が決定されている、ことを特徴とする。 That is, in the present invention, a first engine, which is a thermoacoustic engine that supplies acoustic energy, and a second engine that receives the supply of acoustic energy, are connected to a first connecting surface of the first engine and a first connecting surface of the second engine. A thermoacoustic system connected via two connecting surfaces, wherein the second engine comprises a receiving part that receives acoustic energy supplied from the first engine on the receiving surface and generates a predetermined thrust, The pressure amplitude of the second connection surface and the pressure amplitude of the receiving surface are the same, the predetermined thrust is generated at the receiving portion, and the acoustic impedance of the first connection surface and the acoustic impedance of the second connection surface are the same. At least one of the area of the first connection surface and the area of the second connection surface is determined so as to match the acoustic impedance.
ただし、二つの接続面の「音響インピーダンスが一致する」とは、各接続面の音響インピーダンスが完全に一致する場合だけでなく、両接続面を介して音響エネルギーが十分に伝達する程度に各接続面の音響インピーダンスの差が小さい場合も含む。すなわち、両接続面を介して音響エネルギーが十分に伝達している場合には、両接続面の音響インピーダンスが一致しているとみなす。 However, "the acoustic impedances of two connection surfaces match" does not only mean that the acoustic impedances of each connection surface completely match, This includes cases where the difference in acoustic impedance between surfaces is small. That is, when acoustic energy is sufficiently transmitted through both connection surfaces, it is considered that the acoustic impedances of both connection surfaces are the same.
また、二つの面の「圧力振幅が同じである」とは、二つの面の圧力振幅が完全に一致する場合だけでなく、二つの面の圧力振幅の差が十分に小さい場合も含む。例えば、二つの面の離間距離が、音波の波長と比べて無視できる程度に小さい場合に、二つの面の圧力振幅の差は十分に小さくなり、圧力振幅は同じであるとみなすことができる。 Moreover, the phrase "the pressure amplitudes of the two surfaces are the same" includes not only the case where the pressure amplitudes of the two surfaces are completely the same, but also the case where the difference between the pressure amplitudes of the two surfaces is sufficiently small. For example, if the separation between the two surfaces is negligibly small compared to the wavelength of the sound wave, the pressure amplitude difference between the two surfaces will be sufficiently small that the pressure amplitudes can be considered the same.
第1機関と第2機関の各接続面の音響インピーダンスは、該機関の様々な諸元から規定される値であるところ、上記の構成においては、少なくとも一方の接続面の面積を調整することによって、両接続面の音響インピーダンスを一致させている。したがって、両機関の接続面の音響インピーダンスを、簡易かつ確実に一致させることができる。 The acoustic impedance of each connection surface of the first engine and the second engine is a value defined by various specifications of the engine. , matching the acoustic impedance of both connection surfaces. Therefore, it is possible to easily and reliably match the acoustic impedances of the connecting surfaces of both engines.
好ましくは、前記熱音響システムであって、前記受け部が、ピストンを含んで構成される、ことを特徴とする。 Preferably, the thermoacoustic system is characterized in that the receiving part comprises a piston.
この構成によると、安定的に所定の推力を発生させることができる。 According to this configuration, it is possible to stably generate a predetermined thrust.
好ましくは、前記熱音響システムであって、前記第1接続面の面積をA1、前記第1接続面の圧力振幅をP1、前記第1接続面での流速をV1、前記第2接続面の面積をA2p、前記第2接続面での流速をV2p、前記所定の推力をFp、としたときに、前記第2接続面の面積が、
A2p=(A1V1Fp/P1V2p)1/2
により決定されていることを特徴とする。
Preferably, in the thermoacoustic system, the area of the first connection surface is A 1 , the pressure amplitude of the first connection surface is P 1 , the flow velocity at the first connection surface is V 1 , and the second connection is When the surface area is A 2p , the flow velocity at the second connection surface is V 2p , and the predetermined thrust is F p , the area of the second connection surface is
A 2p = (A 1 V 1 F p /P 1 V 2p ) 1/2
characterized by being determined by
この構成によると、受け部で所定の推力が発生し、かつ、第1接続面と第2接続面との音響インピーダンスを一致させることができるような、第2接続面の面積を、簡易に決定することができる。 According to this configuration, the area of the second connection surface is easily determined such that a predetermined thrust is generated in the receiving portion and the acoustic impedances of the first connection surface and the second connection surface can be matched. can do.
好ましくは、前記熱音響システムであって、前記受け部が、ダイヤフラムを含んで構成される、ことを特徴とする。 Preferably, the thermoacoustic system is characterized in that the receiving part comprises a diaphragm.
この構成によると、安定的に所定の推力を発生させることができる。 According to this configuration, it is possible to stably generate a predetermined thrust.
好ましくは、前記熱音響システムであって、前記第1接続面の面積をA1、前記第1接続面の圧力振幅をP1、前記第1接続面での流速をV1、前記第2接続面の面積をA2d、前記第2接続面での流速をV2d、前記所定の推力をFd、としたときに、前記第2接続面の面積が、
A2d=[(3/2)(A1V1Fd/P1V2d)]1/2
により決定されていることを特徴とする。
Preferably, in the thermoacoustic system, the area of the first connection surface is A 1 , the pressure amplitude of the first connection surface is P 1 , the flow velocity at the first connection surface is V 1 , and the second connection is When the surface area is A 2d , the flow velocity at the second connection surface is V 2d , and the predetermined thrust force is F d , the area of the second connection surface is
A 2d = [(3/2)(A 1 V 1 F d /P 1 V 2d )] 1/2
characterized by being determined by
この構成によると、受け部で所定の推力が発生し、かつ、第1接続面と第2接続面との音響インピーダンスを一致させることができるような、第2接続面の面積を、簡易に決定することができる。 According to this configuration, the area of the second connection surface is easily determined such that a predetermined thrust is generated in the receiving portion and the acoustic impedances of the first connection surface and the second connection surface can be matched. can do.
また、別の態様に係る本発明は、音響エネルギーを供給する熱音響機関である第1機関と、前記音響エネルギーを受け面で受けて所定の推力を発生する受け部を備える第2機関とを、前記第1機関の第1接続面および前記第2機関の第2接続面を介して接続する接続方法であって、前記第2接続面の圧力振幅と前記受け面の圧力振幅とが同じであるように、前記第2接続面および前記受け面を規定する工程と、前記受け部で前記所定の推力が発生し、かつ、前記第1接続面の音響インピーダンスと前記第2接続面の音響インピーダンスとが一致するように、前記第1接続面の面積および前記第2接続面の面積の少なくとも一方を決定する工程と、前記第1接続面と前記第2接続面とを接続する工程と、を備えることを特徴とする。 In another aspect, the present invention includes a first engine that is a thermoacoustic engine that supplies acoustic energy, and a second engine that includes a receiving portion that receives the acoustic energy with a receiving surface and generates a predetermined thrust. , a connection method for connecting via a first connection surface of the first engine and a second connection surface of the second engine, wherein the pressure amplitude of the second connection surface and the pressure amplitude of the receiving surface are the same. a step of defining the second connection surface and the receiving surface, the predetermined thrust being generated at the receiving portion, and the acoustic impedance of the first connection surface and the acoustic impedance of the second connection surface determining at least one of the area of the first connection surface and the area of the second connection surface so that It is characterized by having
この構成によると、第1機関と第2機関の各接続面の少なくとも一方の面積を調整することによって、両接続面の音響インピーダンスを一致させている。したがって、両機関の接続面の音響インピーダンスを、簡易かつ確実に一致させることができる。 According to this configuration, by adjusting the area of at least one of the connection surfaces of the first engine and the second engine, the acoustic impedances of both connection surfaces are matched. Therefore, it is possible to easily and reliably match the acoustic impedances of the connecting surfaces of both engines.
本発明によると、熱音響機関と他の機関とが接続された熱音響システムにおいて、両機関の接続面の音響インピーダンスを、簡易かつ確実に一致させることができる。 According to the present invention, in a thermoacoustic system in which a thermoacoustic engine and another engine are connected, it is possible to easily and reliably match the acoustic impedances of the connecting surfaces of the two engines.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<1.熱音響システムの構成>
実施形態に係る熱音響システム100の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、熱音響システム100を模式的に示す図である。
<1. Configuration of thermoacoustic system>
A configuration of a
熱音響システム100は、音響エネルギーを供給する熱音響機関である第1機関10と、音響エネルギーの供給を受ける第2機関20とが接続された構成を備える。
A
(第1機関)
第1機関10は、熱エネルギーを投入して音響エネルギーを発生させる熱音響機関であり、音波を発生させるループ管11、発生した音波を伝播させる共鳴管12、音響エネルギーを増幅する蓄熱器13、蓄熱器13の両端に温度勾配を形成する一対の熱交換器(高温側熱交換器14、および、低温側熱交換器15)、などを備える。
(first agency)
The
ループ管11は、円筒管が、矩形の枠状に屈曲されてループ状に閉じられたものである。具体的には、ループ管11は、直線状に延在する4個の管部分11a,11b,11c,11dを備えており、第1管部分11aと第2管部分11bとが、略90度をなしつつ端部において互いに連なり、第2管部分11bと第3管部分11cとが、略90度をなしつつ端部において互いに連なり、第3管部分11cと第4管部分11dとが、略90度をなしつつ端部において互いに連なり、第4管部分11dと第1管部分11aとが、略90度をなしつつ端部において互いに連なったものである。
The
共鳴管12は、直線状の円筒管であり、一端面において、ループ管11のいずれかの屈曲部分(図の例では、第1管部分11aと第4管部分11dが連なっている部分)に接続される。共鳴管12の他端面は、第2機関20と接続される接続面(第1接続面)C1を構成する。すなわち、第1機関10は、第1接続面C1において、後述する第2機関20の第2接続面C2pと接続される(図2参照)。
The
ループ管11および共鳴管12の管内部には、作動流体が満たされる。作動流体は、何であってもよい。例えば、空気、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、これらの混合物、などの各種の気体を、作動流体として用いてもよい。
The insides of the
蓄熱器13は、無数の細管が束ねられた構造を有する構造体であり、スタックとも呼ばれる。蓄熱器13は、具体的には例えば、セラミックスなどで構成されるハニカム構造体、ステンレスメッシュ(例えば、多数枚のステンレス鋼メッシュ薄板を微小ピッチで積層した構造体)、多孔質セラミックス、金網、金属繊維を不織布状に織り込んだ物体、などから構成することができる。
The
蓄熱器13は、ループ管11の途中(図の例では、第1管路部分11a)に設けられる。ただし、蓄熱器13は、細管の管路方向が、蓄熱器13が設けられる位置におけるループ管11の管路方向(すなわち、第1管路部分11aの管路方向)と平行となるような姿勢で設けられる。
The
高温側熱交換器14は、蓄熱器13の一方の端部に隣接するようにして、ループ管11に設けられる。高温側熱交換器14は、加熱用の熱交換器(加熱器)であり、蓄熱器13の一方の端部に熱を供給して該端部を所定の設定温度(高温側設定温度)に加熱する。
The high temperature
低温側熱交換器15は、蓄熱器13の他方の端部に隣接するようにして、ループ管11に設けられる。低温側熱交換器15は、冷却用の熱交換器(冷却器)であり、蓄熱器13の他方の端部の熱を放出して該端部を所定の設定温度(低温側設定温度)に冷却する。
The low temperature
このような構成を備える第1機関10において、蓄熱器13の一端側に設けられた高温側熱交換器14が、該一端側を高温側設定温度に加熱し、蓄熱器13の他端側に設けられた低温側熱交換器15が、該他端側を低温側設定温度に冷却することで、蓄熱器13の両端に所定の温度勾配が形成されると、熱音響現象により、蓄熱器13の細管の内部に作動流体の自励振動が発生し、ループ管11に音波が生じる。このとき、蓄熱器13は、作動流体の不安定化を促進して音響エネルギーを増幅する役割を担う。ループ管11に音波が発生すると、共鳴管12にも音波が発生する。このとき、共鳴管12には定在波と進行波が混在して発生しており、進行波成分によって、ループ管11で発生した音響エネルギーが、共鳴管12の一端側(ループ管11と接続されている側)から他端側(すなわち、第1接続面C1側)に輸送される。
In the
(第2機関)
第2機関20は、熱音響機関である第1機関10で発生した音響エネルギーの供給を受ける負荷機関である。この実施形態では、第2機関20は、音響エネルギーを電力に変換する発電機であるとする。つまり、この実施形態に係る熱音響システム100は、第1機関10で発生した音響エネルギーを電力として出力する熱音響発電システムである。
(Second institution)
The
第2機関20は、リニア発電機であり、接続管21、受け部22、発電部23、連結部24、などを備える。
The
接続管21は、直線状の円筒管である。接続管21の一端面は、第1機関10と接続される接続面(第2接続面)C2pを構成する。すなわち、第2機関20は、第2接続面C2pにおいて、第1機関10の第1接続面C1と接続される(図2参照)。一方、接続管21の他端面は、発電部23を収容する収容部230の一端面と接続される。
The connecting
受け部22は、第1機関10から供給される音響エネルギーを受けて所定の推力を発生する部材であり、接続管21内に収容される。この実施形態では、受け部22はピストン221により構成される。ピストン221は、円柱状の部材であり、接続管21内にこれと同軸に配置される。ピストン221は、その円形状の端面が、接続管21の管路断面と略合同とされている。つまり、ピストン221の周面は、接続管21の内壁と十分に近接して対向配置されており、両者の間に十分な気密性が保たれている。その一方で、ピストン221の周面は、接続管21の内壁から摩擦抵抗をほとんど受けない。したがって、ピストン221は、接続管21の管路方向に沿って滑らかに進退することができる。
The receiving
ピストン221における第2接続面C2p側の端面は、第2接続面C2pの側から伝播してくる音響エネルギー(振動流)を受ける受け面C3pを構成する。すなわち、ピストン221は、第2接続面C2pの側から伝播してくる音響エネルギーを受け面C3pで受けて、推力を伴って接続管21の管路方向に沿って振動(往復運動)する。
The end face of the
発電部23は、可動子(振動子)231と、可動子231の外周面を取り囲むように設けられた円筒状の固定子232と、を含んで構成される。可動子231には、永久磁石(図示省略)が設けられ、固定子232には、コイルの巻線(図示省略)が巻回される。
The
連結部24は、ピストン221と可動子231とを連結する棒状の部材であり、一端においてピストン221の端面(受け面C3pとは逆の端面)と接続され、他端において可動子231と接続される。可動子231は、連結部24を介してピストン221と連結されることで、ピストン221と同軸となる位置に支持されている。したがって、音響エネルギーを受けることによってピストン221が振動すると、これと同期して可動子231が振動する。すなわち、可動子231が固定子232に対して振動する。すると、磁束変動が発生し、固定子232に巻回された巻線に起電力が生じる。
The connecting
<2.熱音響システムの動作>
上記の通り、この実施形態に係る熱音響システム100は、負荷機関として発電機を備えた熱音響発電システムである。この熱音響システム100で発電を行う態様について、引き続き図1を参照しながら説明する。
<2. Operation of thermoacoustic system>
As described above, the
この熱音響システム100で発電を行うにあたっては、蓄熱器13の一端側に設けられた高温側熱交換器14が、該一端側を高温側設定温度に加熱し、蓄熱器13の他端側に設けられた低温側熱交換器15が、該他端側を低温側設定温度に冷却する。
When the
上記の通り、蓄熱器13の両端に所定の温度勾配が形成されると、熱音響現象により、蓄熱器13の細管の内部に作動流体の自励振動が発生し、これに伴って、ループ管11および共鳴管12に、音波が発生する。このとき、共鳴管12には、定在波と進行波が混在して発生し、進行波成分によって、ループ管11で発生した音響エネルギーが、共鳴管12の一端側から他端側(第1接続面C1側)に輸送される。
As described above, when a predetermined temperature gradient is formed across both ends of the
第1接続面C1には、第2機関20の第2接続面C2pが接続されている。後述するように、この熱音響システム100では、第1接続面C1の音響インピーダンスと、第2接続面C2pの音響インピーダンスとが一致するように、第2接続面C2pの面積が規定されている。したがって、共鳴管12を伝播してきた音響エネルギー(振動流)は、第1接続面C1および第2接続面C2pを介して、接続管21内に輸送され、ここに設けられている受け部22(具体的には、ピストン221)の受け面C3pで受けられる。
A second connection surface C2p of the second engine 20 is connected to the first connection surface C1. As will be described later, in this
ピストン221は、受け面C3pで音響エネルギーを受けることで、所定の推力を伴って振動する。ピストン221の振動は、連結部24を介して可動子231に伝達され、可動子231が固定子232に対して振動する。これにより、磁束変動が生じて、巻線に起電力が生じる。すなわち、発電する。
The
<3.接続部分の構成>
上記の通り、熱音響システム100では、第1機関10と第2機関20とが、第1機関10の第1接続面C1および第2機関20の第2接続面C2pを介して接続されているところ、第1機関10で発生した音響エネルギーを第2機関20に伝達するためには、第1接続面C1の音響インピーダンスと、第2接続面C2pの音響インピーダンスとが一致している必要がある。ただし、上記の通り、ここでいう、「音響インピーダンスが一致する」とは、各接続面C1,C2pの音響インピーダンスが完全に一致する場合だけでなく、両接続面C1,C2pを介して音響エネルギーが十分に伝達する程度に各接続面C1,C2pの音響インピーダンスの差が小さい場合も含む。
<3. Configuration of Connection Portion>
As described above, in the
この熱音響システム100では、第2接続面C2pの面積を、調整用のパラメータとして用いることで、各接続面C1,C2pの音響インピーダンスを一致させている。各接続面C1,C2pの音響インピーダンスを一致させることができるような、第2接続面C2pの面積を決定する態様について、図2を参照しながら説明する。図2は、両機関10,20の接続部分の近傍を拡大して示す図であり、図2(a)には接続前の状態が、図2(b)には接続後の状態が、それぞれ示されている。
In this
いま、第1接続面C1の面積を「A1」、第1接続面C1での流速を「V1」、第1接続面C1の圧力振幅(音圧)を「P1」とする。また、第2接続面C2pの面積を「A2p」、第2接続面C2pでの流速を「V2p」、第2接続面C2pの圧力振幅を「P2p」とする。また、受け面C3pの面積を「A3p」、受け面C3pでの流速を「V3p」、受け面C3pの圧力振幅を「P3p」とする。ただし、ここでいう「流速」とは、対象となる面の法線方向に沿う、粒子(作動流体を構成する粒子)の速度成分を指す。 Now, let the area of the first connection surface C1 be " A1 ", the flow velocity at the first connection surface C1 be " V1 ", and the pressure amplitude (sound pressure) of the first connection surface C1 be " P1 ". do. Further, the area of the second connection surface C 2p is “A 2p ”, the flow velocity at the second connection surface C 2p is “V 2p ”, and the pressure amplitude of the second connection surface C 2p is “P 2p ”. The area of the receiving surface C 3p is "A 3p ", the flow velocity at the receiving surface C 3p is "V 3p ", and the pressure amplitude of the receiving surface C 3p is "P 3p ". However, the term "flow velocity" as used herein refers to the velocity component of particles (particles forming the working fluid) along the normal direction of the target surface.
音響インピーダンスは、圧力振幅を、体積流量(体積流速)で割った値である。そして、第1接続面C1の体積流量は、面積A1に流速V1を乗じた値である。同様に、第2接続面C2pの体積流量は、面積A2pに流速V2pを乗じた値である。したがって、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1は、以下の(式1)で与えられる。また、第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pは、以下の(式2)で与えられる。
Z1=P1/A1V1 ・・・(式1)
Z2p=P2p/A2pV2p ・・・(式2)
Acoustic impedance is the pressure amplitude divided by the volumetric flow rate (volumetric flow velocity). The volumetric flow rate of the first connecting surface C1 is a value obtained by multiplying the area A1 by the flow velocity V1 . Similarly, the volume flow rate of the second connecting surface C 2p is the product of the area A 2p and the flow velocity V 2p . Therefore, the acoustic impedance Z1 of the first connection surface C1 is given by the following (Equation 1). Also, the acoustic impedance Z 2p of the second connection surface C 2p is given by the following (Equation 2).
Z 1 =P 1 /A 1 V 1 (Formula 1)
Z 2p =P 2p /A 2p V 2p (Formula 2)
一方、受け面C3pの圧力振幅P3pと、受け部22で発生する推力Fpとの間には、以下の(式3)の関係が成立する。
P3p=Fp/A3p ・・・(式3)
基本的に、第2機関20で発生する電力の大きさは、受け部22で発生する推力Fpに応じたものとなる。つまり、第2機関20で発生させるべき目標電力が決まると、これに応じて、受け部22で発生させるべき推力Fpが規定される。
On the other hand, between the pressure amplitude P3p of the receiving surface C3p and the thrust force Fp generated in the receiving
P 3p =F p /A 3p (Formula 3)
Basically, the magnitude of the electric power generated by the
ここで、この熱音響システム100では、第2接続面C2pの面積A2pと、受け面C3pの面積A3pとが、同じとものされる(A2p=A3p)。ただし、二つの面C2p,C3pの「面積が同じである」とは、二つの面C2p,C3pの面積A2p,A3pが完全に一致する場合だけでなく、二つの面C2p,C3pの面積A2p,A3pの差が十分に小さい場合も含む。
Here, in this
さらに、この熱音響システム100では、第2接続面C2pの圧力振幅P2pと、受け面C3pの圧力振幅P3pとが、同じものとされる(P2p=P3p)。ただし、二つの面C2p,C3pの「圧力振幅が同じである」とは、二つの面C2p,C3pの圧力振幅P2p,P3pが完全に一致する場合だけでなく、二つの面C2p,C3pの圧力振幅P2p,P3pの差が十分に小さい場合も含む。例えば、二つの面C2p,C3pの離間距離dが、音波の波長と比べて無視できる程度に小さい場合に、二つの面C2p,C3pの圧力振幅P2p,P3pの差は十分に小さくなり、圧力振幅P2p,P3pは同じであるとみなすことができる。そこで、ここでは、第2接続面C2pを、受け面C3pと十分に近接した位置(具体的には、受け面C3pとの間の離間距離dが、第1機関10から伝播してくる音波の波長と比べて無視できる程度に小さくなるような位置)に、規定する。
Furthermore, in this
したがって、この熱音響システム100では、上記の(式3)から、以下の(式3’)が成立する。
P2p=Fp/A2p ・・・(式3’)
Therefore, in this
P 2p =F p /A 2p (Formula 3')
すると、上記の(式2)で表される第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pは、以下の(式2’)のように表される。
Z2p=Fp/A2p
2V2p ・・・(式2’)
Then, the acoustic impedance Z 2p of the second connection surface C 2p represented by the above (Formula 2) is represented by the following (Formula 2').
Z 2p = F p /A 2p 2 V 2p (formula 2')
(式1)および(式2’)から、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と、第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pとを一致させるためには、以下の(式4)の関係が満たされていればよい。
P1/A1V1=Fp/A2p
2V2p ・・・(式4)
From (Equation 1) and (Equation 2′), in order to match the acoustic impedance Z 1 of the first connection surface C 1 and the acoustic impedance Z 2p of the second connection surface C 2p , the following (Equation 4) It suffices if the relationship of
P 1 /A 1 V 1 =F p /A 2p 2 V 2p (Formula 4)
上記の(式4)を、第2接続面C2pの面積A2pについて整理すると、以下の(式5)が得られる。
A2p=(A1V1Fp/P1V2p)1/2 ・・・(式5)
The following (Equation 5) is obtained by arranging the above (Equation 4) with respect to the area A 2p of the second connection surface C 2p .
A 2p = (A 1 V 1 F p /P 1 V 2p ) 1/2 (Formula 5)
この熱音響システム100では、第2接続面C2pの面積A2pを、上記の(式5)により決定される値とする。これにより、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pとを一致させることができる。また、この熱音響システム100では、第2接続面C2pの面積A2pおよび圧力振幅P2pと、受け面C3pの面積A3pおよび圧力振幅P3pとをそれぞれ一致させている。したがって、受け部22で所定の推力Fpが発生するように担保しつつ(すなわち、第2機関20において発生させる電力に影響を及ぼすことなく)、音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させることができる。
In this
一般に、熱音響機関である第1機関10の第1接続面C1の音響インピーダンスZ1は、共鳴管12の長さLに依存する。また、該音響インピーダンスZ1は、蓄熱器13の高温側設定温度Tにも依存し、高温側設定温度Tが高くなるにつれて音響インピーダンスZ1は低下する。いま、ある第1機関(対象第1機関)10において、共鳴管12の長さLが約「3.1(m)」の場合に、高温側設定温度Tが約「300(℃)」とされたとき、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1が約「600(Ns/m)」であったとする。
In general, the acoustic impedance Z1 of the first connecting surface C1 of the
一方で、リニア発電機である第2機関20の第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pは、外部抵抗値Zに依存する。この外部抵抗値Zは、リニア発電機の発電効率を規定する値でもある。いま、ある第2機関(対象第2機関)20において、必要な発電効率を得ることができるような外部抵抗値Zが設定されたときに、第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pが「300~400(Ns/m)」程度であったとする。
On the other hand, the acoustic impedance Z2p of the second connection surface C2p of the
これらの対象機関10,20をそのまま接続した場合、各接続面C1,C2pの音響インピーダンスZ1,Z2pが大きく乖離しているため、対象第1機関10で発生させた音響エネルギーを対象第2機関20で取り出すことができない。例えば、対象第1機関10における高温側設定温度Tを変更することで、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1を「300~400(Ns/m)」程度まで低下させることも一案として考えられるが、この場合は、当初の高温側設定温度Tよりも相当に高い温度に設定しなければならず、大型の熱交換器などが必要となってくる。
When these
このような場合に、先に説明した方策(すなわち、第2接続面C2pの面積A2pを調整用のパラメータとして用いて各接続面C1,C2pの音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させる、という方策)が非常に有効である。例えば、上記の対象機関10,20の場合、第2接続面C2pの直径を、例えば第1接続面C1の直径の2/3程度に変更するだけで、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pとを十分に一致させることができる。この場合は、高温側設定温度Tを変更する必要はないので、大型の熱交換器なども不要である。また、外部抵抗値Zも変更されないので、対象第2機関20の発電効率が低下することもない。
In such a case, the above-described measures (that is, using the area A 2p of the second connection surface C 2p as an adjustment parameter to match the acoustic impedances Z 1 and Z 2p of the connection surfaces C 1 and C 2p is very effective. For example, in the case of the
<4.接続方法>
次に、第1機関10と第2機関20とを接続する接続方法について、図1、図2に加え、図3を参照しながら説明する。図3は、該接続方法に係る処理の流れを示す図である。
<4. Connection method>
Next, a connection method for connecting the
(ステップS1)
第1機関10と第2機関20とを接続するにあたって、まず、第2接続面C2pの面積A2pと受け面C3pの面積A3pとが同じであり(A2p=A3p)、かつ、第2接続面C2pの圧力振幅P2pと受け面C3pの圧力振幅P3pとが同じであるように(P2p=P3p)、第2接続面C2pおよび受け面C3pを規定する。
(Step S1)
In connecting the
(ステップS2)
続いて、受け部22で所定の推力Fpが発生し、かつ、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pとが一致するように、第2接続面C2pの面積A2pを決定する。具体的には、まず、第1接続面C1の面積A1、流速V1、圧力振幅P1、および、第2接続面C2pの流速V2pを、測定実験、理論計算、などによって特定する。また、受け部22で発生させるべき推力Fpを第2機関20の仕様などから特定する。そして、該特定された各値A1,V1,P1,V2p,Fpを、上記の(式5)に代入して、第2接続面C2pの面積A2pを決定する。
(Step S2)
Subsequently, a predetermined thrust force Fp is generated in the receiving
(ステップS3)
続いて、第1接続面C1と第2接続面C2pとを接続する。ステップS2で決定された第2接続面C2pの面積A2pは、第1接続面C1の面積A1と一致しているとは限らない。両面積A1,A2pが一致しない場合は、面積A1,A2pの差を埋めるように、鍔状のフランジ部品G(図2(b))を介在させて、両接続面C1,C2pを接続すればよい。なお、図には、第2接続面C2pの面積A2pが第1接続面C1の面積A1よりも小さい場合が示されているが、言うまでもなく、第2接続面C2pの面積A2pが第1接続面C1の面積A1よりも大きくなる場合もあり得る。
(Step S3)
Subsequently, the first connection surface C1 and the second connection surface C2p are connected. The area A2p of the second connection surface C2p determined in step S2 does not necessarily match the area A1 of the first connection surface C1 . If the areas A 1 and A 2p do not match, a brim-shaped flange component G (FIG. 2(b)) is interposed to fill the difference between the areas A 1 and A 2p , and the connection surfaces C 1 and A 2p C 2p should be connected. Although the figure shows a case where the area A2p of the second connection surface C2p is smaller than the area A1 of the first connection surface C1 , it goes without saying that the area A2p of the second connection surface C2p 2p may be larger than the area A1 of the first connection surface C1 .
以上のステップS1~ステップS3を経て、第1機関10と第2機関20とが接続され、熱音響システム100が構築される。
Through the steps S1 to S3 described above, the
<5.効果>
上記の実施形態は、音響エネルギーを供給する熱音響機関である第1機関10と、音響エネルギーの供給を受ける第2機関20とが、第1機関10の第1接続面C1および第2機関20の第2接続面C2pを介して接続された熱音響システム100であって、第2機関20が、第1機関10から供給される音響エネルギーを受け面C3pで受けて所定の推力Fpを発生する受け部22、を備え、第2接続面C2pの圧力振幅P2pと受け面C3pの圧力振幅P3pとが同じであり、受け部22で所定の推力Fpが発生し、かつ、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pとが一致するように、第1接続面C1の面積A1および第2接続面C2pの面積A2pの少なくとも一方が決定されている。
<5. Effect>
In the above embodiment, the
第1機関10と第2機関20の各接続面の音響インピーダンスZ1,Z2pは、該機関の様々な諸元から規定される値であるところ、上記の構成においては、少なくとも一方の接続面C1,C2pの面積A1,A2pを調整することによって、両接続面C1,C2pの音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させている。したがって、両機関10,20の接続面C1,C2pの音響インピーダンスZ1,Z2pを、簡易かつ確実に一致させることができる。また、上記の構成では、接続面C1,C2pの面積A1,A2pを調整パラメータとして用いるにあたって、第2接続面C2pの面積A2pおよび圧力振幅P2pと、受け面C3pの面積A3pおよび圧力振幅P3pとをそれぞれ一致させているので、受け部22で所定の推力Fpが発生するように担保しつつ、音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させることができる。
The acoustic impedances Z 1 and Z 2p of the connection surfaces of the
また、上記の実施形態に係る熱音響システム100は、受け部22が、ピストン221を含んで構成される。
Further, in the
この構成によると、安定的に所定の推力を発生させることができる。 According to this configuration, it is possible to stably generate a predetermined thrust.
また、上記の実施形態に係る熱音響システム100は、第1接続面C1の面積をA1、第1接続面C1の圧力振幅をP1、第1接続面C1での流速をV1、第2接続面C2pの面積をA2p、第2接続面C2pでの流速をV2p、所定の推力をFp、としたときに、第2接続面C2pの面積A2pが、
A2p=(A1V1Fp/P1V2p)1/2
により決定されている。
Further, in the
A 2p = (A 1 V 1 F p /P 1 V 2p ) 1/2
determined by
この構成によると、受け部22で所定の推力Fpが発生し、かつ、第1接続面C1と第2接続面C2pとの音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させることができるような、第2接続面の面積A2pを、簡易に決定することができる。
According to this configuration, a predetermined thrust force Fp is generated in the receiving
また、上記の実施形態は、音響エネルギーを供給する熱音響機関である第1機関10と、音響エネルギーを受け面C3pで受けて所定の推力Fpを発生する受け部22を備える第2機関20とを、第1機関10の第1接続面C1および第2機関20の第2接続面C2pを介して接続する接続方法であって、第2接続面C2pの圧力振幅P2pと受け面C3pの圧力振幅P3pとが同じであるように、第2接続面C2pおよび受け面C3pを規定する工程(ステップS1)と、受け部22で所定の推力Fpが発生し、かつ、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pとが一致するように、第1接続面C1の面積A1および第2接続面C2pの面積A2pの少なくとも一方を決定する工程(ステップS2)と、第1接続面C1と第2接続面C2pとを接続する工程(ステップS3)と、を備える。
In the above embodiment, the
この構成によると、第1機関10と第2機関20の各接続面C1,C2pの少なくとも一方の面積A1,A2pを調整することによって、両接続面C1,C2pの音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させている。したがって、両機関10,20の接続面C1,C2pの音響インピーダンスZ1,Z2pを、簡易かつ確実に一致させることができる。また、上記の構成では、接続面C1,C2pの面積A1,A2pを調整パラメータとして用いるにあたって、第2接続面C2pの面積A2pおよび圧力振幅P2pと、受け面C3pの面積A3pおよび圧力振幅P3pとをそれぞれ一致させているので、受け部22で所定の推力Fpが発生するように担保しつつ、音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させることができる。
According to this configuration, by adjusting the area A 1 , A 2p of at least one of the connection surfaces C 1 , C 2p of the
<6.変形例>
<6-1.第1変形例>
上記の実施形態では、第2接続面C2pの面積A2pを調整パラメータとして用い、この面積を上記の(式5)により決定される値とすることで、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pとを一致させるものとしたが、第1接続面C1の面積A1を調整パラメータとして用いてもよい。
<6. Variation>
<6-1. First modification>
In the above embodiment, the area A 2p of the second connection surface C 2p is used as an adjustment parameter, and by setting this area to the value determined by the above (Equation 5), the acoustic impedance of the first connection surface C 1 Although Z1 and the acoustic impedance Z2p of the second connection surface C2p are made to match, the area A1 of the first connection surface C1 may be used as an adjustment parameter.
例えば、上記の(式4)を、第1接続面C1の面積A1について整理すると、以下の(式6)が得られる。
A1=A2p
2V2pP1/V1Fp ・・・(式6)
For example, when the above (Formula 4) is rearranged with respect to the area A1 of the first connection surface C1 , the following (Formula 6) is obtained.
A 1 =A 2p 2 V 2p P 1 /V 1 F p (Formula 6)
第1接続面C1の面積A1を、上記の(式6)により決定される値とすることで、上記の実施形態と同様、受け部22で所定の推力Fpが発生するように担保しつつ、両音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させることができる。
By setting the area A1 of the first connection surface C1 to a value determined by the above (Equation 6), it is possible to ensure that a predetermined thrust force Fp is generated in the receiving
また、第1接続面C1の面積A1と第2接続面C2pの面積A2pの両方を、調整パラメータとして用いてもよい。この場合、各面積A1,A2pを、上記の(式4)を満たすような値とすればよい。 Also, both the area A1 of the first connection surface C1 and the area A2p of the second connection surface C2p may be used as adjustment parameters. In this case, each of the areas A 1 and A 2p should be set to a value that satisfies the above (Equation 4).
<6-2.第2変形例>
上記の実施形態に係る熱音響システム100においては、受け部22がピストン221により構成されるものとしたが、受け部22の構成はこれに限られるものではない。例えば熱音響システム100は、受け部22がダイヤフラムにより構成されてもよい。
<6-2. Second modification>
In the
<6-2-1.熱音響システムの構成>
ダイヤフラム222により構成される受け部22dを備える熱音響システム100dの構成について、図4、図5を参照しながら説明する。図4は、熱音響システム100dを模式的に示す図である。図5は、第1機関10と第2機関20dの接続部分の近傍を拡大して示す図であり、図5(a)には接続前の状態が、図5(b)には接続後の状態が、それぞれ示されている。なお、以下においては、上記の実施形態と相違する点のみを説明し、一致する点については説明を省略する。また、上記の実施形態と同じ要素については、同じ符号で示すものとする。
<6-2-1. Configuration of thermoacoustic system>
A configuration of a
熱音響システム100dは、上記の実施形態に係る熱音響システム100と同様、熱音響機関である第1機関10と、負荷機関である第2機関20dとが接続された構成を備える。第1機関10は、上記の実施形態に係る熱音響システム100が備える第1機関10と同じ構成を備えている。一方、第2機関20dは、上記の実施形態に係る熱音響システム100が備える第2機関20とほぼ同じ構成を備えているが、受け部22dが、ピストン221ではなく、ダイヤフラム222により構成されている点が相違する。
The
ダイヤフラム222は、弾性変形可能な材質により形成された薄膜(例えば、天然ゴムにより形成されたゴム膜)であり、接続管21内に張設されている。すなわち、ダイヤフラム222は、接続管21の管路断面と略合同の円形状であり、その周囲の全体に亘って、接続管21の内壁と気密に接続されている。
The
ダイヤフラム222における第2接続面C2d側の面は、第2接続面C2dの側から伝播してくる音響エネルギーを受ける受け面C3dを構成する。すなわち、ダイヤフラム222は、第2接続面C2dの側から伝播してくる音響エネルギーを受け面C3dで受けて、推力を伴って周期的な変形を繰り返す。具体的には、ダイヤフラム222は、接続管21の断面と平行な平面形状(図5において実線で示される形状)と、接続管21の管路方向に膨らんだ半楕円形状(図5において二点鎖線で示される形状)との間で、周期的に変形する。
The surface of the
連結部24dは、ダイヤフラム222と可動子231とを連結する棒状の部材であり、一端においてダイヤフラム222の中心部分と接続され、他端において可動子231と接続される。可動子231は、連結部24dを介してダイヤフラム222と連結されることで、ダイヤフラム222の中心を通る軸線と同軸となる位置に支持されている。したがって、音響エネルギーを受けることによってダイヤフラム222が周期的に変形して、その中心部分が軸線方向に振動すると、これと同期して可動子231が振動する。すなわち、可動子231が固定子232に対して振動する。すると、磁束変動が発生し、固定子232に巻回された巻線に起電力が生じる。
The connecting
<6-2-2.第2接続面C2dの面積を決定する態様>
この熱音響システム100dにおいても、熱音響システム100と同様、第2接続面C2dの面積を、調整用のパラメータとして用いることで、各接続面C1,C2dの音響インピーダンスを一致させている。各接続面C1,C2dの音響インピーダンスを一致させることができるような、第2接続面C2dの面積を決定する態様について、引き続き図5を参照しながら説明する。
<6-2-2. Mode of Determining Area of Second Connection Surface C2d >
Similarly to the
以下においては、第1接続面C1の面積、流速、および、圧力振幅については、上記の実施形態と同様、それぞれ「A1」、「V1」、および、「P1」とする。一方、第2接続面C2dの面積、流速、および、圧力振幅を、それぞれ「A2d」、「V2d」、および、「P2d」とする。また、受け面C3dの面積、流速、および、圧力振幅を、それぞれ「A3d」、「V3d」、および、「P3d」とする。 In the following, the area, flow velocity, and pressure amplitude of the first connecting surface C 1 are respectively "A 1 ,""V 1 ," and "P 1 ," as in the above embodiment. On the other hand, the area, flow velocity, and pressure amplitude of the second connection surface C 2d are defined as "A 2d ", "V 2d ", and "P 2d ", respectively. Also, the area of the receiving surface C3d , the flow velocity, and the pressure amplitude are defined as " A3d ", " V3d ", and " P3d ", respectively.
なお、上記の実施形態に係る音響システム100と同様、この熱音響システム100dでも、第2接続面C2dの面積A2dと、受け面C3dの面積A3dとが、同じとものされる(A2d=A3d)。また、第2接続面C2dの圧力振幅P2dと、受け面C3dの圧力振幅P3dとが、同じものとされる(P2d=P3d)。
Note that in this
上述したとおり、音響インピーダンスは、圧力振幅を、体積流量で割った値である。第1接続面C1の体積流量U1は、面積A1に流速V1を乗じた値であり、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1は、上記の(式1)で与えられる。
Z1=P1/U1=P1/A1V1 ・・・(式1)
As mentioned above, acoustic impedance is the pressure amplitude divided by the volumetric flow rate. The volumetric flow rate U1 of the first connecting surface C1 is a value obtained by multiplying the area A1 by the flow velocity V1 , and the acoustic impedance Z1 of the first connecting surface C1 is given by the above (equation 1).
Z 1 =P 1 /U 1 =P 1 /A 1 V 1 (Formula 1)
一方、第2接続面C2dの体積流量U2dは、受け面C2dの体積流量U3dと等しいところ、受け面C2dの体積流量U3dは、楕円体の体積公式(ヤコビ行列を利用した公式など)を利用して、以下の(式21d)で表される。
U3d=(2/3)A3dV3d ・・・(式21d)
On the other hand, the volume flow rate U 2d of the second connecting surface C 2d is equal to the volume flow rate U 3d of the receiving surface C 2d . formula, etc.), it is represented by the following (Equation 21d).
U 3d = (2/3) A 3d V 3d (formula 21d)
上記の(式21d)から、第2接続面C2dでの体積流量U2dは、以下の(式21d’)で表される。
U2d=(2/3)A2dV2d ・・・(式21d’)
From the above (Equation 21d), the volume flow rate U 2d at the second connection surface C 2d is represented by the following (Equation 21d').
U 2d = (2/3) A 2d V 2d (equation 21d')
したがって、第2接続面C2dの音響インピーダンスZ2dは、以下の(式2d)で与えられる。
Z2d=P2d/U2d=(3/2)P2d/A2dV2d ・・・(式2d)
Therefore, the acoustic impedance Z2d of the second connection surface C2d is given by the following (equation 2d).
Z2d = P2d / U2d = (3/2) P2d / A2d V2d (formula 2d)
一方、上記の実施形態に係る音響システム100と同様、この熱音響システム100dでも、受け面C3dの圧力振幅P3dと、受け部22dで発生する推力Fdとの間には、以下の(式3d)の関係が成立する。さらに、(式3d)から、以下の(式3d’)の関係が成立する。
P3d=Fd/A3d ・・・(式3d)
P2d=Fd/A2d ・・・(式3d’)
On the other hand, similarly to the acoustic system 100 according to the above embodiment, also in this thermoacoustic system 100d , the following ( The relationship of formula 3d) is established. Furthermore, from (Equation 3d), the following relationship (Equation 3d') is established.
P 3d =F d /A 3d (Equation 3d)
P 2d = F d /A 2d (Formula 3d')
すると、上記の(式2d)で表される第2接続面C2dの音響インピーダンスZ2dは、以下の(式2d’)のように表される。
Z2d=(3/2)Fd/A2d
2V2d ・・・(式2d’)
Then, the acoustic impedance Z2d of the second connection surface C2d represented by the above (formula 2d) is represented by the following (formula 2d').
Z 2d = (3/2) F d /A 2d 2 V 2d (Formula 2d')
(式1)および(式2d’)から、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と、第2接続面C2dの音響インピーダンスZ2dとを一致させるためには、以下の(式4d)の関係が満たされていればよい。
P1/A1V1=(3/2)Fd/A2d
2V2d ・・・(式4d)
From (Equation 1) and (Equation 2d′), in order to match the acoustic impedance Z 1 of the first connection surface C 1 with the acoustic impedance Z 2d of the second connection surface C 2d , the following (Equation 4d) It suffices if the relationship of
P 1 /A 1 V 1 =(3/2)F d /A 2d 2 V 2d (Formula 4d)
上記の(式4d)を、第2接続面C2dの面積A2dについて整理すると、以下の(式5d)が得られる。
A2d=[(3/2)(A1V1Fd/P1V2d)]1/2 ・・・(式5d)
The following (Equation 5d) is obtained by arranging the above (Equation 4d) with respect to the area A 2d of the second connection surface C 2d .
A 2d = [(3/2)(A 1 V 1 F d /P 1 V 2d )] 1/2 (equation 5d)
この変形例に係る熱音響システム100dでは、第2接続面C2dの面積A2dを、上記の(式5d)により決定される値とする。これにより、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と第2接続面C2dの音響インピーダンスZ2dとを一致させることができる。また、この変形例に係る熱音響システム100dでは、上記の実施形態に係る音響システム100と同様、第2接続面C2dの面積A2dおよび圧力振幅P2dと、受け面C3dの面積A3dおよび圧力振幅P3dとをそれぞれ一致させている。したがって、受け部22dで所定の推力Fdが発生するように担保しつつ、音響インピーダンスZ1,Z2dを一致させることができる。
In the
なお、いうまでもなく、上記の(式4d)を、第1接続面C1の面積A1について整理したものを用いて、第1接続面C1の面積A1を決定してもよい。すなわち、第1接続面C1の面積A1を調整パラメータとして用いることで、各接続面C1,C2dの音響インピーダンスを一致させてもよい。 Needless to say, the area A1 of the first connection surface C1 may be determined using the above (Equation 4d) arranged with respect to the area A1 of the first connection surface C1 . That is, by using the area A1 of the first connection surface C1 as an adjustment parameter, the acoustic impedances of the connection surfaces C1 and C2d may be matched.
<6-3.第3変形例>
第3変形例に係る熱音響システムは、第2変形例に係る熱音響システム100dと同じ構成を備えている(図4、図5参照)。また、この変形例に係る熱音響システムにおいても、第2接続面C2dの面積を、調整用のパラメータとして用いることで、各接続面C1,C2dの音響インピーダンスを一致させている。
<6-3. Third modification>
The thermoacoustic system according to the third modification has the same configuration as the
上記の実施形態において説明した通り、受け部22がピストン221により構成される場合における適切な第2接続面C2pの面積A2p(すなわち、各接続面C1,C2pの音響インピーダンスを一致させることができるような、第2接続面C2pの面積A2p)は、上述した(式5)から決定することができる。この変形例では、受け部22がピストン221により構成される場合と受け部22dがダイヤフラム222により構成される場合との相違を加味して、この(式5)を変形することで、受け部22dがダイヤフラム222により構成される場合における適切な第2接続面C2dの面積A2dを決定するための式を導出する。以下において、このような式を導出する態様について、図5に加え、図6を参照しながら説明する。図6は、受け部22がピストン221により構成される場合と受け部22dがダイヤフラム222により構成される場合との相違を説明するための図である。
As described in the above embodiment, the appropriate area A 2p of the second connection surface C 2p (that is, matching the acoustic impedances of the connection surfaces C 1 and C 2p ) when the receiving
以下においては、受け部22がピストン221により構成される場合の第2接続面(以下「ピストン第2接続面」ともいう)C2pの面積、流速、および、圧力振幅を、それぞれ「A2p」、「V2p」、および、「P2p」とする。また、この場合に受け部22で発生する推力を「Fp」とする。一方、受け部22dがダイヤフラム222により構成される場合の第2接続面(以下「ダイヤフラム第2接続面」ともいう)C2dの面積、流速、および、圧力振幅を、それぞれ「A2d」、「V2d」、および、「P2d」とする。また、この場合に受け部22dで発生する推力を「Fd」とする。
In the following, the area, flow velocity, and pressure amplitude of the second connection surface (hereinafter also referred to as “piston second connection surface”) C 2p when the receiving
ここでは、第1機関10を変更せずに、受け部の構成をピストン221からダイヤフラム222に変更する状況を想定する。したがって、ピストン第2接続面C2pの流速V2pとダイヤフラム第2接続面C2dの流速V2dが同じであることが、条件となる(V2p=V2d)。また、ピストン第2接続面C2pの圧力振幅P2pとダイヤフラム第2接続面C2dの圧力振幅P2dが同じであることも、条件となる(P2p=P2d)。
Here, it is assumed that the configuration of the receiving portion is changed from the
また、この変形例においても、ダイヤフラム第2接続面C2dの面積A2dと、受け面C3dの面積A3dとが、同じとものされる(A2d=A3d)。また、ダイヤフラム第2接続面C2dの圧力振幅P2dと、受け面C3dの圧力振幅P3dとが、同じものとされる(P2d=P3d)。 Also in this modification, the area A2d of the diaphragm second connecting surface C2d and the area A3d of the receiving surface C3d are the same ( A2d = A3d ). Further, the pressure amplitude P 2d of the diaphragm second connecting surface C 2d and the pressure amplitude P 3d of the receiving surface C 3d are the same (P 2d =P 3d ).
まず、ピストン第2接続面C2pの面積A2pと、ダイヤフラム第2接続面C2dの面積A2dとの関係を検討する。 First, the relationship between the area A2p of the piston second connecting surface C2p and the area A2d of the diaphragm second connecting surface C2d will be examined.
ピストン第2接続面C2pでの体積流量U2pは、面積A2pに流速V2pを乗じた値であり、以下の(式71)で表される。
U2p=A2pV2p ・・・(式71)
The volumetric flow rate U2p at the piston second connecting surface C2p is a value obtained by multiplying the area A2p by the flow velocity V2p , and is expressed by the following (Equation 71).
U 2p = A 2p V 2p (equation 71)
一方、ダイヤフラム第2接続面C2dでの体積流量U2dは、以下の(式72)で表される(上記の(式21d’)参照)。
U2d=(2/3)A2dV2d ・・・(式72)
On the other hand, the volumetric flow rate U2d at the diaphragm second connection surface C2d is represented by the following (Equation 72) (see the above (Equation 21d')).
U 2d = (2/3) A 2d V 2d (equation 72)
上記の通り、ピストン第2接続面C2pの流速V2pとダイヤフラム第2接続面C2dの流速V2dは同じである(V2p=V2d)。したがって、ピストン第2接続面C2pの体積流量U2pと、ダイヤフラム第2接続面C2dの体積流量U2dとが一致する場合、ピストン第2接続面C2pの面積A2pと、ダイヤフラム第2接続面C2dの面積A2dとの間に、以下の(式73)が成立する。
A2p=(2/3)A2d ・・・(式73)
つまり、この(式73)が成立すれば、ピストン第2接続面C2pの体積流量U2pと、ダイヤフラム第2接続面C2dの体積流量U2dとを一致させることができる。
As described above, the flow velocity V 2p at the piston second connecting surface C 2p and the flow velocity V 2d at the diaphragm second connecting surface C 2d are the same (V 2p =V 2d ). Therefore, when the volumetric flow rate U2p of the piston second connecting surface C2p and the volumetric flow rate U2d of the diaphragm second connecting surface C2d match, the area A2p of the piston second connecting surface C2p and the diaphragm second The following (Equation 73) is established between the area A 2d of the connection surface C 2d .
A 2p = (2/3) A 2d (equation 73)
That is, if this (Equation 73) holds, the volumetric flow rate U2p of the piston second connecting surface C2p and the volumetric flow rate U2d of the diaphragm second connecting surface C2d can be matched.
次に、ピストン221により構成される受け部22で発生する推力Fpと、ダイヤフラム222により構成される受け部22dで発生する推力Fdとの関係を検討する。
Next, the relationship between the thrust force Fp generated at the receiving
上記の通り、受け部22で発生する推力Fp、ピストン第2接続面C2pの面積A2p、および、圧力振幅P2pの間には、以下の(式81)で表される関係が成立する(上記の(式3’)参照)。
P2p=Fp/A2p ・・・(式81)
As described above, the relationship represented by the following (Equation 81) is established among the thrust force F p generated in the receiving
P 2p =F p /A 2p (Equation 81)
また、受け部22dで発生する推力Fd、ダイヤフラム第2接続面C2dの面積A2d、および、圧力振幅P2dの間には、以下の(式82)で表される関係が成立する(上記の(式3d’)参照)。
P2d=Fd/A2d ・・・(式82)
Further, the relationship represented by the following (Equation 82) is established among the thrust force F d generated in the receiving
P2d = Fd / A2d (Equation 82)
ここで、ピストン第2接続面C2pの圧力振幅P2pとダイヤフラム第2接続面C2dの圧力振幅P2dが等しいことから、以下の(式83)が成立する。
Fp/A2p=Fd/A2d ・・・(式83)
Here, since the pressure amplitude P2p of the piston second connection surface C2p and the pressure amplitude P2d of the diaphragm second connection surface C2d are equal, the following (Equation 83) is established.
F p /A 2p =F d /A 2d (Equation 83)
さらに、上記の(式73)の関係が成立している場合、上記の(式83)は、以下の(式83’)のように表される。
Fd=(3/2)Fp ・・・(式83’)
Furthermore, when the relationship of the above (formula 73) holds, the above (formula 83) is expressed as the following (formula 83').
F d =(3/2) F p (Formula 83′)
上述した通り、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と、ピストン第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pとを一致させることができる、ピストン第2接続面C2dの面積A2pは、下記の(式91)で与えられる(上記の(式5)参照)。
A2p=(A1V1Fp/P1V2p)1/2 ・・・(式91)
As described above, the area A2p of the piston second connection surface C2d that can match the acoustic impedance Z1 of the first connection surface C1 and the acoustic impedance Z2p of the piston second connection surface C2p is It is given by the following (Equation 91) (see (Equation 5) above).
A 2p = (A 1 V 1 F p /P 1 V 2p ) 1/2 (equation 91)
この(式91)に、上記の(式73)、および、上記の(式83’)で表される関係式をそれぞれ代入するとともに、「V2p=V2d」の関係を適用すると、以下の(式92)が得られる。
(2/3)A2d=((2/3)A1V1Fd/P1V2d)1/2 ・・・(式92)
By substituting the above (formula 73) and the above (formula 83') into this (formula 91), respectively, and applying the relationship "V 2p =V 2d ", the following (Formula 92) is obtained.
(2/3) A 2d = ((2/3) A 1 V 1 F d /P 1 V 2d ) 1/2 (equation 92)
上記の(式92)を、ダイヤフラム第2接続面C2dの面積A2dについて整理すると、以下の(式93)が得られる。
A2d=[(3/2)(A1V1Fd/P1V2d)]1/2 ・・・(式93)
The following (Expression 93) is obtained by arranging the above (Expression 92) with respect to the area A 2d of the diaphragm second connection surface C 2d .
A 2d = [(3/2)(A 1 V 1 F d /P 1 V 2d )] 1/2 (equation 93)
この変形例に係る熱音響システムでは、上記の(式93)が充足されるように、第2接続面C2dの面積A2dと、受け部22dで発生させる推力Fdとの各値を規定する。すなわち、この変形例では、面積A2dおよび推力Fdの2種類のパラメータのうちの一方あるいは両方を調整パラメータとして用いることで、第2接続面C2dの音響インピーダンスZ2dを調整する。これにより、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と第2接続面C2dの音響インピーダンスZ2dとを一致させることができる。
In the thermoacoustic system according to this modification, each value of the area A2d of the second connection surface C2d and the thrust force Fd generated by the receiving
なお、いうまでもなく、上記の(式91)を、第1接続面C1の面積A1について整理したものを用いて、第1接続面C1の面積A1を決定してもよい。すなわち、第1接続面C1の面積A1を調整パラメータとして用いることで、各接続面C1,C2dの音響インピーダンスを一致させてもよい。 Needless to say, the area A1 of the first connection surface C1 may be determined by using the above (Equation 91) arranged with respect to the area A1 of the first connection surface C1 . That is, by using the area A1 of the first connection surface C1 as an adjustment parameter, the acoustic impedances of the connection surfaces C1 and C2d may be matched.
<6-4.他の変形例>
上記の実施形態においては、第1接続面C1の面積A1と第2接続面C2pの面積A2pとが一致しない場合に、面積A1,A2pの差を埋めるように、鍔状のフランジ部品G(図2(b))を介在させて、両接続面C1,C2pを接続するものとしたが、例えば図7に示されるように、一端から他端にかけて拡開(あるいは拡縮)する管状部品Gaを両接続面C1,C2pの間に介在させて、両接続面C1,C2pを接続してもよい。この構成によると、接続部分における配管損失を低減することができる。ただし、この場合は、両接続面C1,C2pの離間距離tが十分に短くなるように(すなわち、音波の波長と比べて無視できる程度に小さいものとなるように)、管状部品Gaの長さが十分に短いものとされることが好ましい。
<6-4. Other Modifications>
In the above embodiment, when the area A1 of the first connection surface C1 and the area A2p of the second connection surface C2p do not match, the brim-shaped The flange component G (FIG. 2(b)) is interposed to connect both connecting surfaces C 1 and C 2p , but for example, as shown in FIG. The connecting surfaces C 1 and C 2p may be connected by interposing a tubular member Ga that expands and contracts between the connecting surfaces C 1 and C 2p . According to this configuration, it is possible to reduce piping loss at the connecting portion. However, in this case, the distance t between the connecting surfaces C 1 and C 2p is sufficiently short (that is, it is negligibly small compared to the wavelength of the sound wave). Preferably the length is sufficiently short.
また、例えば図8に示されるように、接続管21と共鳴管12を、各接続面C1,C2pの面積A1,A2pのうち、大きい方の面積に合わせた同径に構成し、例えば接続管21の内部に、外径が面積A1に相当し、内径が面積A2pに相当する筒状の内挿管Gbを挿入した上で、接続管21と共鳴管12を接続してもよい。ただし、この場合、受け部22も内挿管Gbの内部に配置する。言うまでもなく、第1接続面C1の面積A1が第2接続面C2pの面積A2pよりも小さい場合は、外径が面積A2pに相当し、内径が面積A1に相当する内挿管Gbを、共鳴管12に挿入すればよい。
Further, as shown in FIG. 8, for example, the
上記の実施形態では、(式5)あるいは(式6)を用いて、第2接続面C2pの面積A2pあるいは第1接続面C1の面積A1を決定することで、第1接続面C1の音響インピーダンスZ1と、第2接続面C2pの音響インピーダンスZ2pを一致させるものとしたが、両音響インピーダンスZ1,Z2pを一致させるような面積A1,A2pを決定する態様はこれに限られるものではなく、例えば実験などから決定してもよい。第2および第3変形例においても同様である。 In the above embodiment, the area A2p of the second connection surface C2p or the area A1 of the first connection surface C1 is determined using (Equation 5) or (Equation 6), so that the first connection surface The acoustic impedance Z 1 of C 1 and the acoustic impedance Z 2p of the second connection surface C 2p are made to match, but the areas A 1 and A 2p that match both acoustic impedances Z 1 and Z 2p are determined. The mode is not limited to this, and may be determined from experiments, for example. The same applies to the second and third modifications.
上記の実施形態では、第2接続面C2pを、受け面C3pと十分に近接した位置に規定することで、二つの面C2p,C3pの圧力振幅P2p,P3pを同じものとしていたが、例えば、第2接続面C2pを、受け面C3pからの離間距離dが、波長の整数倍となるような位置に規定することで、二つの面C2p,C3pの圧力振幅P2p,P3pを同じものとしてもよい。なお、第1機関10から伝播してくる音響エネルギーを最大限に取り出すためには、受け面C3pおよび第2接続面C2pは、いずれも、音波の腹に相当する位置となるように、接続管21の長さなどが調整されることも好ましい。
In the above embodiment, the pressure amplitudes P 2p and P 3p of the two surfaces C 2p and C 3p are the same by defining the second connection surface C 2p at a position sufficiently close to the receiving surface C 3p . However, for example, by defining the second connection surface C 2p at a position where the separation distance d from the receiving surface C 3p is an integral multiple of the wavelength, the pressure amplitude of the two surfaces C 2p and C 3p P 2p and P 3p may be the same. In order to extract the maximum amount of acoustic energy propagating from the
上記の実施形態では、第2接続面C2pの面積A2pと受け面C3pの面積A3pとが同じとされていたが、これらの面積A2p,A3pは、必ずしも同じである必要はない。もっとも、両者の差異が小さいほどインピーダンスが整合する精度が高まると考えられるので、第2接続面C2pの面積A2pと受け面C3pの面積A3pとの面積が相違する場合であっても、両者の差異が十分に小さいことが好ましい。第2および第3変形例においても同様である。 In the above embodiment, the area A 2p of the second connection surface C 2p and the area A 3p of the receiving surface C 3p are the same, but these areas A 2p and A 3p do not necessarily have to be the same. do not have. However, it is considered that the smaller the difference between the two , the higher the accuracy of impedance matching. , preferably the difference between them is sufficiently small. The same applies to the second and third modifications.
上記の第2変形例では、接続管21内に張設されたダイヤフラム222は、音響エネルギーを受けない自然状態において平面形状(接続管21の断面と平行な平面形状)であるとしたが、ダイヤフラム222は、自然状態において、接続管21の管路方向に沿って縮径するコーン形状であってもよい。ただし、このような形状のダイヤフラムが採用される場合、ダイヤフラム受け面C3dの面積A3dを決定する際に用いられる上記(式5d)をそのまま用いるのではなく、音響エネルギーを受ける際に、コーン形状のダイヤフラムに生じる変形の態様などを加味して、(式5d)に適宜の変形を加える必要がある。
In the second modification described above, the
第1機関10の構成は、上記の実施形態において例示したものに限らない。例えば、ループ管11の形状は、ストレート形状、U字状、などであってもよい。また例えば、共鳴管12の途中に複数個の蓄熱器が設けられ、各蓄熱器の両端部に温度勾配を形成するための一対の熱交換器(すなわち、高温側熱交換器、および、低温側熱交換器)が設けられてもよい。この構成によると、共鳴管12を伝播する進行波を増幅して音響エネルギーを高めることができる。
The configuration of the
第2機関20の構成も、上記の実施形態において例示したものに限らない。例えば、第2機関20の発電部23は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであればどのようなものでもよい。例えば、上記の実施形態では、発電部23は、固定子232の内側に可動子231が配設されたインナー可動型であったが、固定子232の外側に可動子231が配設されたアウター可動型であってもよい。
The configuration of the
上記の実施形態において、第1機関10と接続される第2機関20は、リニア発電機であるとしたが、これ以外の各種の発電機が第2機関とされてもよい。具体的には例えば、衝動タービンなどが第2機関とされてもよい。
In the above embodiment, the
さらに、上記の実施形態では、熱音響機関である第1機関10と接続される第2機関20は、発電機であるとしたが、第1機関10と接続される第2機関は発電機に限られるものではない。例えば、第2機関は、圧電素子、熱音響ヒートポンプ、熱音響機関、などであってもよい。
Furthermore, in the above embodiment, the
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 Other configurations can also be modified in various ways without departing from the gist of the present invention.
10 第1機関
11 ループ管
12 共鳴管
13 蓄熱器
14 高温側熱交換器
15 低温側熱交換器
20 第2機関
21 接続管
22,22d 受け部
221 ピストン
222 ダイヤフラム
23 発電部
24,24d 連結部
C1 第1接続面
Z1 第1接続面の音響インピーダンス
C2p,C2d 第2接続面 Z2p,Z2d 第2接続面の音響インピーダンス
C3p,C3d 受け面
100,100d 熱音響システム
10
Claims (6)
前記第2機関が、前記第1機関から供給される音響エネルギーを受け面で受けて所定の推力を発生する受け部、を備え、
前記第2接続面の圧力振幅と前記受け面の圧力振幅とが同じであり、
前記受け部で前記所定の推力が発生し、かつ、前記第1接続面の音響インピーダンスと前記第2接続面の音響インピーダンスとが一致するように、前記第1接続面の面積および前記第2接続面の面積の少なくとも一方が決定されている、
ことを特徴とする、熱音響システム。 A first engine, which is a thermoacoustic engine that supplies acoustic energy, and a second engine that receives the supply of acoustic energy are connected via a first connection surface of the first engine and a second connection surface of the second engine. A connected thermoacoustic system comprising:
The second engine comprises a receiving part that receives acoustic energy supplied from the first engine with a receiving surface and generates a predetermined thrust,
the pressure amplitude of the second connecting surface and the pressure amplitude of the receiving surface are the same;
The area of the first connection surface and the second connection are such that the predetermined thrust is generated in the receiving portion and the acoustic impedance of the first connection surface and the acoustic impedance of the second connection surface match. at least one of the areas of the faces is determined,
A thermoacoustic system characterized by:
前記受け部が、ピストンを含んで構成される、
ことを特徴とする、熱音響システム。 A thermoacoustic system according to claim 1,
wherein the receiving portion comprises a piston;
A thermoacoustic system characterized by:
前記第1接続面の面積をA1、前記第1接続面の圧力振幅をP1、前記第1接続面での流速をV1、前記第2接続面の面積をA2p、前記第2接続面での流速をV2p、前記所定の推力をFp、としたときに、
前記第2接続面の面積が、
A2p=(A1V1Fp/P1V2p)1/2
により決定されていることを特徴とする、熱音響システム。 A thermoacoustic system according to claim 2,
A 1 is the area of the first connection surface, P 1 is the pressure amplitude of the first connection surface, V 1 is the flow velocity at the first connection surface, A 2p is the area of the second connection surface, and the second connection When the flow velocity at the surface is V 2p and the predetermined thrust is F p ,
The area of the second connection surface is
A 2p = (A 1 V 1 F p /P 1 V 2p ) 1/2
A thermoacoustic system characterized by being determined by:
前記受け部が、ダイヤフラムを含んで構成される、
ことを特徴とする、熱音響システム。 A thermoacoustic system according to claim 1,
wherein the receiving part comprises a diaphragm,
A thermoacoustic system characterized by:
前記第1接続面の面積をA1、前記第1接続面の圧力振幅をP1、前記第1接続面での流速をV1、前記第2接続面の面積をA2d、前記第2接続面での流速をV2d、前記所定の推力をFd、としたときに、
前記第2接続面の面積が、
A2d=[(3/2)(A1V1Fd/P1V2d)]1/2
により決定されていることを特徴とする、熱音響システム。 A thermoacoustic system according to claim 4,
A 1 is the area of the first connection surface, P 1 is the pressure amplitude of the first connection surface, V 1 is the flow velocity at the first connection surface, A 2d is the area of the second connection surface, and the second connection When the surface flow velocity is V 2d and the predetermined thrust is F d ,
The area of the second connection surface is
A 2d = [(3/2)(A 1 V 1 F d /P 1 V 2d )] 1/2
A thermoacoustic system characterized by being determined by:
前記第2接続面の圧力振幅と前記受け面の圧力振幅とが同じであるように、前記第2接続面および前記受け面を規定する工程と、
前記受け部で前記所定の推力が発生し、かつ、前記第1接続面の音響インピーダンスと前記第2接続面の音響インピーダンスとが一致するように、前記第1接続面の面積および前記第2接続面の面積の少なくとも一方を決定する工程と、
前記第1接続面と前記第2接続面とを接続する工程と、
を備えることを特徴とする、熱音響機関の接続方法。 A first engine, which is a thermoacoustic engine that supplies acoustic energy, and a second engine, which is provided with a receiving part that receives the acoustic energy with a receiving surface and generates a predetermined thrust, are connected to the first connecting surface of the first engine and the A connection method for connecting via a second connection surface of the second engine,
defining the second connecting surface and the receiving surface such that the pressure amplitude of the second connecting surface and the receiving surface are the same;
The area of the first connection surface and the second connection are such that the predetermined thrust is generated in the receiving portion and the acoustic impedance of the first connection surface and the acoustic impedance of the second connection surface match. determining at least one of the areas of the faces;
connecting the first connection surface and the second connection surface;
A method for connecting a thermoacoustic engine, comprising:
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