JP4252463B2 - 熱音響装置 - Google Patents
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Description
本出願は、2002年4月10日出願の米国仮特許出願第60/372,008号、2002年4月10日出願の同第60/371,967号、及び2003年2月6日出願の同第60/445,866号からの恩典を主張し、上記特許出願の全内容を参考文献として援用する。
本発明を完全に理解するためには、これまでの熱機関について理解しておくことが役に立つ。
高い熱容量を有する多孔質媒体を横切ってガス状作動流体を順方向及び逆方向に流して(「再生用熱交換器」)熱機関の効率を改善するという発想は、1816年、英国のRev. Robert Stirlingにより成された、彼の名前を戴く熱力学サイクルの発明に遡ることができる。当該発明は熱から利用可能な機械的作用を作り出すことに関係しているが、機械エネルギーをシステムに与えれば、スターリングサイクルを逆に回して利用可能な冷却作用を作り出せることがその後確認された。
20世紀中に、スターリングサイクルに対しては、冷却と、熱から機械仕事への変換の両方の分野において多くの改良が行われた。今のところ、スターリングサイクルを使用した装置が内燃機関又は蒸気圧縮冷却プロセスの何れかに取って代わることを保証できるだけの改良点は何ら見出せていない。20世紀中の最後の25年間に、内燃機関と、蒸気圧縮冷却装置及び空調装置の殆どに使用されるクロロフルオロカーボン(CFC)並びにその他の人工化学物質の両方が環境へ及ぼす影響に対する認識が広まった。CFCがが引き起こす成層圏オゾン層消耗の地球的影響、及び「温室効果ガス」により発生する地球温暖化に対する人類活動の寄与、並びに「酸性雨」の様なより局所的な影響によって、機関と冷却の両方の技術を入念に見直そうという機運が高まってきた。
Wheatley他による発明以来、内燃機関及び蒸気圧縮冷却装置に匹敵するか又はそれ以上の効率を実現すると共に、単純且つ頑丈で殆どの機械部品が不要になる熱音響機関及び冷却装置を製作するために絶えまない努力が払われてきた。1999年には、ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所のScott BackhausとGreg Swift両人により、熱効率30%のスターリングサイクル機関を製造するために熱音響パラダイムを使った実験結果が発表された ["A thermoacoustic-Stirling heat engine" Nature 399, 335-338(1999)参照] 。彼らの実験した装置は、音響位相調整ネットワークと音響共鳴器を組み合わせて、ガス駆動の自動車の内燃機関と同じ程度に効率がよく且つ可動部分を必要としない1馬力スターリングサイクルエンジンを製作したものである。
音響学的に発生したストリーミングの流れは、機関の性能にとって非常に不利になると考えられ、Swift博士が指揮を執るロスアラモス熱音響学グループでは、最近は、次期機関についてはトロイダルジオメトリを止めて、真っ直ぐな共鳴器に戻した。トロイダル流路を取り除いた彼らの新しい設計は「カスケード」と呼ばれ、最近の出版物に記載されている [S. Backhaus及びG.Swift, "New varieties of thermoacoustic engines," Proc. 9th Int. Congress on Sound and Vibration (2002年7月)参照] 。
バックハウス/スイフト機関の発明とほぼ時を同じくして、オランダのC.M.(Kees) de Blok及びN.A.H.J. Van Rijtは、進行波位相調整型インピーダンス強化熱音響スターリング機関の別バージョンの特許権を取得した。この機関/冷却装置の1つの実施形態を図2に示しているが、これは元々は米国特許第6,314,740号(原文献でも図2)に記載されている。この設計は、可撓性ベローズにより剛体密閉箱に結合されたピストンを含んでいる。電気機械的アクチュエータ16は、剛体密閉箱15に結合されているピストン・ベローズ合体部17に取り付けられている。剛体密閉箱15には、この冷却システムの熱音響要素が収納されている。内部接続管19により音響位相制御バイパス18が形成されている。低温熱交換器を参照番号20で示しているが、これには低温移送流体の入口20aと出口20bが冷却負荷との接続のために設けられている。高温熱交換器を参照番号21で示しているが、これは再生用熱交換器22で汲み上げられる廃熱を排出する手段を提供する高温移送流体の入口21aと出口21bを備えている。物理的にはSwift, Backhaus及びGardner冷却装置には似ていないように見えるが、デ・ブロック/ヴァン・ライト方式も効果的なトロイダル流路を導入している。この仕様は、経路に伴う不利な影響、又は音響位相調整ネットワーク内のイナータンス要素として機能する「ガスの入ったバイパス要素」18により発生する損失には取り組んでいない。
Swift他、de Blok及びVan Rijtらが上に述べた熱音響スターリング装置を開発していたのと同時期に、ペンシルベニヤ州立大学の応用研究研究所は、海軍研究局を通じて米国海軍から、船上電子熱音響冷却装置(SETAC)の大型版を製造するための資金援助を受けた。図3には、米国特許第5,647,216号から採ったSETAC装置(原文献では図1)を示している。図示のように、この熱音響装置は両端部にドライバを配した両頭装置である。各ドライバに隣接して熱的要素を配し、熱的要素は、各端部にスタックと一対の熱交換器を有している。このSETAC装置は、1995年4月に大西洋艦隊のスプルーアンス級駆逐艦USS Deyo(DD−989)の船上で試験された。試験の結果、最大冷却能力419ワットであることが実証された。このトリトンプロジェクトは、SETAC様装置の冷却能力を、一日に3トン(即ち、TRI TON;トリトン)の氷を溶かすことにより吸収される潜熱に等しい10キロワットまで高める試みであった。(1トンの冷却能力は36,000Btu/hr=3,517ワットと定義されている。)
トリトンプロジェクトからは、(i)損失が低く信頼性がある動圧可撓シールを提供するためのベローズの開発という点、並びに(ii)高いレイノルズ数と、共鳴器の異なる断面積を有する部分の間の移行部とにおける、振動的ガス流れに伴う、「マイナーロス」又は「ヘッドロス」として知られる非線形流体力学的損失への理解という点の両方において、重要な教訓を得た。共鳴器損失は完全に無くすことができ、所与の冷却能力に対する熱音響冷却器の寸法は、熱音響核(再生用熱交換器と熱交換器)と位相調整ネットワーク(イナータンスとコンプライアンス)が完全にベローズ内に収納されている場合は、相当低減できることを、発明者らは認識した。更に、ダブル・ヘルムホルツ共鳴器で作り出される圧力振動の共振強化は、ベローズに入っているガスの弾性剛性と、リニアモーター及びそれに取り付けられているピストンの可動質量とを用いて、トリトン並びにより早期の熱音響冷却装置の全てに使用されている純粋に音響的な共鳴器ではなく機械的な共鳴器を作り出すことにより、ネック部を通る高速ガス運動に固有の非線形流体力学的損失を発生させること無く、再現できることを発明者らは認識した。この斬新な共鳴器は発明者らにより「ベローズ・バウンス」コンプレッサと名づけられ、2002年4月10日出願の米国仮特許出願第60/372,008号、並びに2003年4月9日に「熱音響装置用のコンプライアンスのある密閉箱」という名称で出願された同時係属米国特許出願第10/409,855号の主題であり、上記両出願の内容全てを参考文献としてここに援用する。
図4は、本発明による熱音響装置110の1つの好適な実施形態の側断面図を示している。図5は、同じ熱音響装置110を示しているが、簡略化のために、一部を破断し、一部要素を図から外している。この装置110は、ユニット化された低温ヘッド熱交換器112で熱を吸収して、その熱を低温で、断熱保温支持体又はプラットフォーム118に収納された再生用熱交換器114に送り出すことにより、冷却効果を作り出すように設計されている。音波のエネルギーを使用して、この熱を高温になるまで再生用熱交換器114の高温端で汲み上げる。この熱に、熱音響学的な熱汲み上げプロセスで堆積した音響エネルギーを加えたものが、高温熱交換器116上に堆積される。高温熱交換器116上に堆積した熱は、熱交換器116を通る高温熱交換移送流体によりシステムから排出される。
これより、熱音響装置110の各種要素について詳しく説明していく。
熱音響学的熱汲み上げプロセスは、断熱プラットフォーム118に支持された再生用熱交換器116と、ユニット化された低温ヘッド熱交換器112と、高温熱交換器116から成る熱要素又はサーマルコア内で起きる。再生用熱交換器116は、高温面又は下側面113と低温面又は上側面115を有していると言える。ユニット化された低温ヘッド熱交換器112は、本実施形態ではフィン142で画定されている内部熱交換面と、外部熱交換面111を有している。両熱交換面は互いに熱的に接しており、外部熱交換面111から、フィン142で画定された内部熱交換面に熱を伝達する。図示のように、高温熱交換器116は、再生用熱交換器114の高温面113に隣接しており、一方、低温ヘッド熱交換器112は再生用熱交換器114の低温面115に隣接している。本実施形態では、高温熱交換器116は断熱プラットフォーム118に貼り付けられており、このプラットフォーム116を介して、高温の熱交換移送流体が、入口管150から高温熱交換器116に入り、出口管152から出て行く(図6)。ユニット化された低温ヘッド熱交換器112は、再生用熱交換器114の低温面と断熱プラットフォーム118の上側面の両方に直接物理的に接している。ユニット化された低温ヘッド熱交換器112と断熱プラットフォーム118の間には、OリングがOリング溝154内に配置され、気密シールを作っている。断熱プラットフォーム118を形成するために使用される材料は、必要ならば、圧力容器の一部として機能できるだけの強度を有し、低温のユニット化された低温ヘッド熱交換器112と、通常は高温の筒状圧力容器壁112との間に高い熱抵抗の経路を作り出せるだけの低い熱伝導率を有していることが望ましい。
冷却装置全体は、圧力容器120内に収納されるのが望ましく、圧力容器には、正しく設計されていれば、どの様な圧力の場合でもポリトロープ指数γが1より大きいガス状作動流体が入っているのがよい。この様に中に入れられたガスは、熱音響スターリングサイクルの作動流体として機能し [G.W.Swift, Thermoacoustics: a unifying perspective for some engines and refrigerators, (Acoustical Society of America, 2002); ISBN 0-7354-0065-2参照] 望ましい冷却効果を作り出す。1つの好適なガス状作動流体としては、圧力が大気圧(≒100kPa)から大気圧の30倍(≒3.0MPa)までの範囲のヘリウムガスがある。ヘリウムは、化学的に不活性なので、従って、不燃性、非爆発性で、環境にやさしいことから、特に良い選択肢である。ヘリウムガスは、熱伝達率、熱物理特性も非常に高いので、効率が高くコンパクトな熱交換器の設計が容易になる。
図示のように、圧力容器120は、装置110の各種構成要素のハウジングとしても機能する。代わりに、圧力容器として機能しないハウジングを設けてもよい。
ユニット化された低温ヘッド熱交換器112から、再生用熱交換器114を通り高温熱交換器116から排出されるように熱を汲み上げるには、機械的仕事が必要になる。機械的仕事は、適切な周波数と振幅の交流(正弦波)電流を交番(正弦波)力に変換するリニアモーター126で提供される。多種多様なリニアモーター機構が商業的に利用可能であり、そのパラメータに基づくモーター型式の選択については、Wakelandが論じており [R.S. Wakeland, "Use of electrodynamic drivers in thermoacoustic refrigerators", J. Acoust. Soc. Am. 107(2), 827-832(2000)参照] 、先の特許 [米国特許第6,307,287号] に説明されている。この実施形態では、Yarr及びCorey [米国特許第5,389,844号]、又はFroeschle及びCarreras [米国特許第5,216,723号] が説明しているモーターのような、可動磁石電気力学的リニアモーターを想定しているが、他の機構(圧電効果など)を使用した他のリニアモーターでも使用可能である。本発明では、「モーター」という用語は、熱音響装置のパワーピストンを振動させることのできるあらゆる機械的装置を指すものとする。
パワーピストン128と増倍円錐体又はピストン138の両方を総称的にピストン又は振動部材と呼ぶ。「振動部材」という用語は、可動膜、すなわち可撓シールではなくクリアランスシールを備えた部材、又は他の設計など、様々な構成部材も指す。何れの実施形態のピストンも、図示の形状と異なっていてもよい。一般的には、剛性を与え、主容積144と増倍容積134の容積の幾分かを排除するのに役立つので、円錐台形状が望ましい。しかしながら、断面が例えば等脚台形又は半楕円形の他の形状でも使用することができ、剛度と低質量を維持しながら、ピストンに隣接する容積の幾分かを排除することができる。代わりの実施形態として、ピストンは平坦であってもよい。図示の実施形態では、ピストンは概ね円形であるが、そうではなくて他の形状であってもよいし、特に増倍チャンバ又は主チャンバ壁が概ね筒状でない場合にはそうである。
リニアモーター126で作り出された力は、剛体接続部材130でパワーピストン128に伝えられる。パワーピストン128は、ベローズ132の可動端にしっかりと固定され、パワーピストン128とベローズ132の移動端との間に気密シールを形成している。ベローズ132の固定端は、断熱プラットフォーム118に気密式にシールされている。この実施形態では、ベローズ132は、接着剤でベローズフランジ133に結合され気密シールを生成している。ベローズフランジ133は、断熱プラットフォーム118に対する気密シールを保証する為に、Oリング溝154内に納められたOリングを使用してシールされている。
熱音響スターリングサイクルの実行には、再生用熱交換器114内の作動流体振動の体積速度が、再生用熱交換器内に入っている作動流体の圧力振動と実質的に同位相であることが求められる。この実施形態では、振動機械的増倍部は、この正しい位相関係を保証する。図4から図6の振動機械的増倍部は、増倍シリンダ136に入っている増倍容積134で構成される。増倍シリンダ136の一方の端部は、断熱プラットフォーム118に対してシールされ、高温熱交換器116が中に入っている。増倍シリンダ136の他方の端部は剛体ピストン又は円錐体138でシールされている。増倍ピストン138には調整質量要素139が取り付けられ、増倍ピストン138は、可撓性の縁部サスペンション兼シール140で増倍シリンダ136にシールされている。振動機械的増倍部は、再生用熱交換器14内の作動流体圧と再生用熱交換器を通る作動流体体積速度との間の必要な位相関係を確立する。
本発明の実施形態の中には、増倍容積の圧力振幅が主容積の圧力振幅よりも約6パーセント高いものもある。圧力差はこれより高くても低くても使用できる。圧力差は2%より高いのが望ましいが、実施例の中には1パーセント以上の圧力差であれば有効に機能するものもある。
再生用熱交換器114を形成する材料は、単位体積当たりの熱容量が高く多くの孔を保有する多孔質固体でなければならない。再生用熱交換器の高温端から低温端まで、音響出力流れの方向に沿って真っ直ぐな視線方向経路を提供する平行な孔配列が最良の性能を生成するはずではあるが、積み重ねた金網ステンレス鋼スクリーン、又は金属フェルト又は多孔質焼結金属のプラグから形成された多孔質媒体は、直線配列の孔に代わる相応しく且つ費用効率のよい代替物となる。本発明では、「多孔質」を、作動ガス状流体が材料を通過できるようにしているものと定義する。典型的な孔の特性寸法は、水力半径rhと定義される。これは、孔の断面積A対孔の周辺長Πの比、或いは再生用熱交換器の体積対ガス接触面の比で定められる。再生用熱交換器は一般的に特性孔寸法を有しており、代表的な孔を特徴付ける水力半径は、熱浸透深度の厚さよりも小さい。
再生用熱交換器の低温端から再生用熱交換器の高温端に汲み上げられた熱は、当該熱を汲み上げるのに必要な再生用熱交換器が吸収した音響出力と共に、高温熱交換器に堆積されシステムから排出される。この好適な実施形態では、高温熱交換器116は、(Thermalex, Inc., Montgomery, AL 36109から)市販されている複数の平行で平らなアルミニウム管164(図7を見ると最も分かりやすい)で構成されており、このアルミニウム管164は管内に多数の平行な流体流路を含むよう押し出し成形されている。平行で平らなアルミニウム管164は、エポキシなどの接着結合剤を使って、又は自動車産業でラジエータのメーカーが普通に使っているような炉内ろう付けにより、入口マニホールド156と出口マニホールド158に漏れない様に接合される。接着結合技法を使用すれば、多数の管164を入口マニホールド156と出口マニホールド158に接合させた後で、別個のマニホールド蓋159を取り付けることができる。炉内ろう付けを使用する場合、蓋159は入口マニホールド156の一体部分とすることができる。数個の平らなアルミニウム管164と、ユニット化された低温ヘッド熱交換器112の幾つかのガス側フィン142とを示している高温熱交換器116の部分の3次元レンダリングを図7に示している。
低温側熱交換器112は、圧力容器境界の外側のソースから抽出された有用な熱負荷を、再生用熱交換器114の低温側に送出する役目を担っている。冷却器のサーマルコアの温かい部分(再生用熱交換器114高温端及び高温側熱交換器116)を振動機械的増倍容積134内に配置すると、振動して再生用熱交換器114の低温端を出入りする低温ガス状作動流体に接して配置される低温側熱交換器の設計にとって、完全な自由が与えられることになる。この方式で可能になる設計上の柔軟性によって、圧力容器内に収納されている再生用熱交換器114の低温端に発生する冷却力と、通常は圧力容器の外側に置かれる冷却装置により冷却される熱負荷との間に、低い熱抵抗経路を設けることができるようになる。ユニット化された低温ヘッド熱交換器112を使用して低温側熱交換器を提供するこの方式では、再生用熱交換器の低温側にアクセスするために筒状圧力容器壁122を通して流体を流す必要性が無くなる。この方式によって、更に、アイスクリームキャビネット、ボトルクーラー、飲料自動販売機、又はその他の適した熱負荷内の空気に連結するために、或いは熱音響冷却に対する本方式を利用していない従前の設計 [G.M. Chrysler and D.T. Vader, "Electronic package with improved thermal management by thermoacoustic heat pumping," 米国特許第5,303,555号参照] の目標であった電子「チップ」に直接連結するために、恐らくは二次流体無しで冷却出力を直接利用できるようになる。
ユニット化された低温ヘッド熱交換器のガス側のフィンの方向と、高温熱交換器に使用される平らな管の方向は、直交するように選択されるのが望ましい。この方向配置は、再生用熱交換器内のストリーミング循環の形成を抑制するのに役立つ。更に、ユニット化された低温ヘッド熱交換器のガス側のフィンの方向は、圧力容器の境界としても機能するユニット化された低温ヘッドに付加的な強度と剛性を与えるため、ユニット化された低温ヘッド熱交換器の流体側フィンの方向に直交するように選択するのが望ましい。本発明のこの態様は、高温及び低温熱交換器の両方が流体で満たされた管を有するか又は両方がフィンであるような他の用例にも拡張することができる。総称的に、フィン又は管は熱伝達要素と呼ばれる。従って、本発明のこの態様は、より広義に、第1面に置かれた複数の概ね平行な熱伝達要素を有する第1熱交換器と、第2面の第2の複数の概ね平行な熱伝達要素を有する第2熱交換器と言うことができる。2つの面は互いに概ね平行であり、第1の複数の熱伝達要素は第1方向に整列し、一方、第2の複数の熱伝達要素は第2方向に整列し、この2つの方向は異なっている。2つの方向は互いに直交しているのが望ましい。
当業者には自明のように、ある種の制御システムでは、通常、装置110を最適に作動させるようリニアモーター126を制御する必要がある。モーターは、システムを共振点で駆動しているときに最も効率的に電力を機械的エネルギーに変換するので、駆動周波数を調整してシステムを機械的共振又はその近くに維持する或る種の機構が望まれる。環境条件又は冷却負荷の変化に伴って、圧力容器内に封入されたヘリウムなどの作動ガスの温度が変化すると、ガス剛性が変化して、システムの共振周波数が変化する。
となり、ここに、ZAは、音響インピーダンスに変換された回路の音響部を表す。
先に論じたように、ヘルムホルツ共鳴器では、封入されたガスが共鳴器の剛性を作り出し、ヘルムホルツ共鳴器の「ネック部」である管内を移動するガスが慣性を提供する。慣性要素として機能する可動ガスは、非線形損失を発生させ、定常ガス流れ用のストリーミング経路を提供する。本発明の振動機械的増倍部は、増倍容積134内に入っているガスと相互作用する調整質量139付の剛体ディスク又はピストン138を使うことにより、上記両影響(非線形損失とストリーミング)を排除する。この位相調整ネットワークの低損失性能は、図9の電力の流れ図から明らかである。
当業者には自明のように、本発明による装置は、様々な寸法と構造で作ることができる。図4の装置の1つの実施形態の場合の例示的寸法について、以下説明する。この例示的実施形態では、圧力容器120は、上面から底面までの高さが約132/1インチで、外径が約9インチである。圧力容器122は、概ね筒状であり、内径が約82/1インチである。可撓シール132は、外径が7インチ、内径が6インチで、平衡長が7インチの金属ベローズである。従って、これは約200in3の可撓容積を形成する。ピストン128は概ね円形で、直径7インチである。図示のように、ピストンは円錐台形状であり、無視できる程度の肉厚の平らなピストンに比較して、約30in3の容積を押しのける。増倍シリンダ136は、高さが約4インチで内径が約43/4インチの概ね筒状をしている。高温熱交換器116は、幾分下向きにシリンダ36内に延びており、平行嵌合流体式熱交換器である。増倍円錐体138は、直径が約42/1インチであり、断面形状が概ね円形である。支持部118は、厚さが約11/4インチであるが、一方、低温ヘッド112は厚さが約12/1インチである。フィン142は、高さが約2/1インチであって、約0.03インチの間隔が空けられ、肉厚は0.05インチとなっている。低温ヘッド112は、アルミニウム又は熱伝導率が高い他の材料から機械加工されるのが望ましい。合計で約45枚のフィンが設けられている。二次的熱伝達面のフィンは、高さが約2/1インチ、幅が0.05インチで、0.03インチの間隔で設けられている。合計50枚のフィンが設けられている。装置110の作動容積には、圧力約10気圧(150psia)のヘリウムガスが充填されている。モーター126は、約100Hzの周波数でピストン128を振動させる。作動時、増倍容積134内の圧力振幅は、主要積144の圧力振幅よりも6パーセント高い。再生用熱交換器114は、水力直径rh≒40マイクロメートルのステンレス鋼金網200枚以上を積み重ねたものであり、全体厚さは支持体118(11/4インチ)に等しく、断面積は12in2である。
これまでに論じてきた本発明の好適な実施形態の各種態様は、他の熱音響装置に組み込むこともできる。図10は、熱音響冷却装置の代わりの実施形態180を示している。装置180は、中央のリニアモーター182が一対のパワーピストン184aと184bを駆動する対称型ダブル装置である。この設計は、より多くの冷却出力を提供する場合に使用してもよいし、装置180の一方の端部の熱交換器を使って他方の端部からの排気熱交換器を冷却する場合のカスケード式設計として使用してもよい。そうではなく、両端部を異なる冷却温度に合わせて最適化して、従来の家庭用又は商用冷蔵庫/冷凍庫の冷凍室区画を一方の端部で冷却し、新鮮な果物の区画を他方の端部で冷却するようにしてもよい。図示の実施形態では、低温ヘッド熱交換器186a及び186bは、露出した冷却フィン188aと188bを有し、フィン188aと188bに曝された空気を直接冷却するようにしている。それ以外、装置180の内部要素は、これまでに説明してきた実施形態の構成要素と実質的に同じである。
ここに開示した設計の全ては、機能的に可逆的である。ユニット化された低温ヘッド熱交換器に高温の熱を加えると、音響出力が生成され、パワーピストンを振動させることになる。パワーピストンの運動を剛体軸で「リニアモーター」に結合すると、電気を発電する「リニア同期発電機」として機能することになる。また、ここに記載した熱音響装置は、概ね冷却装置として説明してきたが、冷却出力を提供するのではなくて、熱を提供するように機能させることもできる。本装置は、冷却出力を提供するか熱を提供するかに関わらず、総称的にヒートポンプと呼ばれる。
以上説明した本発明の実施形態では、装置の駆動力を提供するのにこれまでは電気モーターを使用してきた。代わりに、1つの装置で生成された音響エネルギーを第2の装置で利用することもできる。図12は、熱入力と低温出力端部を有する装置200を示している。図12の実施形態では、熱は熱交換器202に加えられ、熱交換器204から排出される。これにより振動的音響波が発生し、それがピストン206を動かす。次いで、ピストン206を使って装置200の右端を駆動する。次に、熱が熱交換器208から排出されると、冷却負荷を熱交換器210に掛けることができる。熱交換器202、204、208、及び210は、図示のものとは異なる構成でもよい。例えば、熱交換器202及び/又は210は、これまでの実施形態に関して論じてきた「低温ヘッド」設計ではなく、伝統的な熱交換器として構成してもよい。ピストン206は、振動的線形運動ができる何らかの様式で支持するのが望ましい。
これまで説明してきた熱音響装置は、全て、米国特許出願第60/372,008号、並びに同時係属特許出願第10/409,855号「熱音響装置用のコンプライアンスのある密閉箱」に記載のコンプライアンスのある密閉箱を利用している。しかしながら、本発明はコンプライアンスのある密閉箱の使用に限定されない。代わりに、クリアランスシール方式を採用してもよい。図13は、熱音響装置220を示している。本装置220は、一方の端部にリニアモーター224を取り付けた圧力容器222を有している。モーターは、圧力容器222の側壁の内径に密接嵌合されたピストン226と相互接続されている。ピストン226の側部と圧力容器222の壁の間には半径方向シール228が設けられている。当業者には既知のように、半径方向シールには、クリアランスシール、動的Oリングなどの方式がある。主容積230は、圧力容器222の壁の内側でピストン226の上方に画定される。増倍容積232は、増倍チャンバ234の内側で増倍部材又はピストン236の上方に画定される。増倍ピストン236は、可撓性縁部シールを使って増倍チャンバ234の残り部分に対してシールされた状態で示されているが、これには、クリアランスシール、動的リングなどの方式の半径方向シールも使用できる。代わりに、増倍チャンバ234は、図14に示すような、その側壁の一部又は全てを形成する可撓シールを有していてもよい。当業者には自明のように、熱音響装置の設計者は、ここに記載の各種実施形態の何れにおいても、主チャンバと増倍チャンバの容積と圧力を振動させることに対して、可撓シール、縁部シール、半径方向シール、及び他の方式を「うまく組み合わせる」ことを選択することができる。装置220は、熱交換器及び冷却装置設計に関連する図4の実施形態と同様の様式で作動する。
これまでに論じたように、図4の装置110のパワーピストン128と増倍円錐体又はピストン138は、互いに実質的に同位相で運動するのが望ましい。或る別の実施形態では、主パワーピストン128と増倍ピストン138を相互接続して、強制的に両者が同位相で運動し同一の変位量となるようにしている。これは、2つのピストン128と138を相互接続する剛体部材を設けることにより実現される。或いは、コンプライアンスのある部材でピストン128と138を相互接続してもよい。このコンプライアンスのある部材は、プラスチック又はゴムなどの可撓性を有する部材でもよいし、或いはプラスチックや金属などの材料で作ったばねでもよい。
図15は、増倍容積282がピストン284と支持部286の間に配置されていない熱音響装置280を示している。代わりに、増倍容積282は、支持部286の反対側にある。図示のように、装置280は下端にリニアモーター290が配置された圧力容器288を有している。リニアモーターは、クリアランスシール292をピストン284の周辺に配したクリアランスシール設計であるパワーピストン284を振動させる。代わりに、コンプライアンスのある密閉箱の設計を使用して、ピストン284と支持部286の間にベローズが延びるようにしてもよい。装置280の上半分と下半分の間で流体連通ができるように、支持部286内に通路が画定されている。増倍容積282は、上端が増倍ピストン298で閉じられた増倍シリンダ296の内側に入っている。参照番号300の高温熱交換器は、増倍容積282に隣接し且つその中に収納されている。図示のように、高温熱交換器は支持部286の上側にあってもよい。低温熱交換器302は、支持部286の下側に配置され、その間に再生用熱交換器304が配置されている。これまで論じてきた設計とは異なり、低温熱交換器302は、圧力容器288に対して部分的に外側になるようには配置されていない。従って、低温熱交換器302は、設計上はより従来的であり、熱交換流体が熱交換器302を出入りするようになっている。
本発明の上記実施形態は、様々なやり方で変更を加えることができる。一例として、実施形態の多くは圧力容器を省略し、ベローズ又は可撓シールを代わりに採用して作動流体の動圧と静圧の両方を包含するようにしてもよい。別の代替例では、ここに説明した各種実施形態の要素の幾つかを組み合わせたり又は一体的に形成してもよいし、或いは追加的な小型部品として設けてもよい。一例として、図4の実施形態の支持体118は、低温ヘッド熱交換器112と一体に形成してもよいし、又は低温熱交換器112の一部と考えてもよい。すると、低温ヘッド熱交換器は、再生用熱交換器及び/又はその中に配置された高温熱交換器と通路を有すると考えることができる。当業者には自明のように、本発明の範囲又は教示を逸脱することなく、他の代替例を考案し、作り出すことができる。
Claims (38)
- 作動モードと非作動モードを有する熱音響装置において、
ハウジングと、
前記ハウジング内に支持され、第1及び第2面を有するサーマルコアであって、前記サーマルコアの第1面を画定する第1熱交換器と、前記サーマルコアの第2面を画定する第2熱交換器とを含んでいるサーマルコアと、
前記サーマルコアの第1面と連通している主チャンバと、
前記サーマルコアの第2面と連通している二次増倍チャンバと、
前記主チャンバ、前記増倍チャンバ、及び前記サーマルコアを、或る圧力で満たしているガス状作動流体の作動体積であって、平衡圧力が、前記熱音響装置が非作動モードにあるときのガス状作動流体の作動体積の圧力と定義されている作動体積と、を備えており、
前記主チャンバは、前記熱音響装置が作動モードにあるときに、前記主チャンバ内の圧力が前記平衡圧力よりも大きいピーク圧力と前記平衡圧力よりも小さい最小圧力との間で振動するように、振動させることのできる第1振動部材を含んでおり、前記主チャンバ内の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の半分として主圧力振幅が定義されており、
前記二次増倍チャンバは、前記熱音響装置が作動モードにあるときに、前記増倍チャンバ内の圧力が前記平衡圧力よりも大きいピーク圧力と前記平衡圧力よりも小さい最小圧力との間で振動するように、振動させることのできる第2振動部材を含んでおり、前記増倍チャンバ内の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の半分として増倍圧力振幅が定義されており、
前記第1及び第2振動部材は、実質的に同一周波数で、且つ前記主チャンバと前記増倍チャンバ内の圧力振動が実質的に互いに同位相となるように振動し、
前記増倍圧力振幅は、前記主圧力振幅よりも大きいことを特徴とする熱音響装置。 - 作動モードと非作動モードを有する熱音響装置において、
ハウジングと、
前記ハウジング内に支持され、第1及び第2面を有するサーマルコアであって、前記サーマルコアの第1面を画定する第1熱交換器と、前記サーマルコアの第2面を画定する第2熱交換器とを含んでいるサーマルコアと、
前記サーマルコアの第1面と連通している主チャンバと、
前記サーマルコアの第2面と連通している二次増倍チャンバと、
前記主チャンバ、前記増倍チャンバ、及び前記サーマルコアを、或る圧力で満たしているガス状作動流体の作動体積であって、平衡圧力が、前記熱音響装置が非作動モードにあるときのガス状作動流体の作動体積の圧力と定義されている作動体積と、を備えており、
前記主チャンバは、前記熱音響装置が作動モードにあるときに、前記主チャンバ内の圧力が前記平衡圧力よりも大きいピーク圧力と前記平衡圧力よりも小さい最小圧力との間で振動するように、振動させることのできる第1振動部材を含んでおり、前記主チャンバ内の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の半分として主圧力振幅が定義されており、
前記二次増倍チャンバは、前記熱音響装置が作動モードにあるときに、前記増倍チャンバ内の圧力が前記平衡圧力よりも大きいピーク圧力と前記平衡圧力よりも小さい最小圧力との間で振動するように、振動させることのできる第2振動部材を含んでおり、前記増倍チャンバ内の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の半分として増倍圧力振幅が定義されており、
前記第1及び第2振動部材は、実質的に同一周波数で、且つ概ね同位相となるように振動し、
前記増倍圧力振幅は、前記主圧力振幅よりも大きいことを特徴とする熱音響装置。 - 作動モードと非作動モードを有する熱音響装置において、
ハウジングと、
前記ハウジング内に支持され、第1及び第2面を有するサーマルコアであって、前記サーマルコアの第1面を画定する第1熱交換器と、前記サーマルコアの第2面を画定する第2熱交換器を含んでいるサーマルコアと、
前記サーマルコアの第1面と流体連通している主チャンバと、
前記サーマルコアの第2面と流体連通している二次的増倍チャンバと、
前記主チャンバ、前記増倍チャンバ、及び前記サーマルコアを、或る圧力で満たしているガス状作動流体の作動体積であって、平衡圧力が、前記熱音響装置が非作動モードにあるときのガス状作動流体の作動体積の圧力と定義されている作動体積と、を備えており、
前記主チャンバは、前記熱音響装置が作動モードにあるときに、前記主チャンバ内の圧力が前記平衡圧力よりも大きいピーク圧力と前記平衡圧力よりも小さい最小圧力との間で振動するように、振動させることのできる第1振動部材を含んでおり、前記主チャンバ内の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の半分として主圧力振幅が定義されており、
前記二次増倍チャンバは、前記熱音響装置が作動モードにあるときに、前記増倍チャンバ内の圧力が前記平衡圧力よりも大きいピーク圧力と前記平衡圧力よりも小さい最小圧力との間で振動するように、振動させることのできる第2振動部材を含んでおり、前記増倍チャンバ内の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の半分として増倍圧力振幅が定義されており、
前記第1及び第2振動部材は、実質的に同一周波数で、且つ前記主チャンバと前記増倍チャンバ内の圧力振動が実質的に互いに同位相となるように振動し、
前記増倍圧力振幅は、前記主圧力振幅よりも小さいことを特徴とする熱音響装置。 - 前記増倍圧力振幅は、前記主圧力振幅よりも少なくとも2%大きいことを特徴とする請求項1又は2記載の熱音響装置。
- 前記増倍圧力振幅は、前記主圧力振幅よりも少なくとも4%大きいことを特徴とする請求項1又は2記載の熱音響装置。
- 前記増倍圧力振幅は、前記主圧力振幅よりも少なくとも6%大きいことを特徴とする請求項1又は2記載の熱音響装置。
- 前記第1振動部材に接続されたモーターを更に備えており、前記モーターは、前記熱音響装置がヒートポンプとして作動するように前記第1振動部材を正弦波状に振動させるように作動可能であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の熱音響装置。
- 前記第1振動部材に接続された同期発電機を更に備えており、前記熱音響装置は熱駆動機関として作動することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の熱音響装置。
- 前記増倍チャンバは、前記主チャンバ内に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の熱音響装置。
- 前記第1熱交換器は高温熱交換器を備えており、
前記第2熱交換器は、ハウジングの一方の端部を形成している低温ヘッド熱交換器であって、内部熱交換面と熱的に連通している外部熱交換面を有している低温ヘッド熱交換器を備えており、
前記熱音響装置は、更に、
前記低温熱交換器の内部熱交換面に隣接して前記ハウジング内に配置された支持部であって、前記増倍容積と前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面の間に第1通路を、前記主容積と前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面の間に第2通路を画定し、これにより前記主容積と前記増倍容積を前記第1及び第2通路を介して流体連通させている支持部と、
前記第1通路内に配置された多孔質蓄熱要素であって、第1面と第2面を有し、前記第1面は前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面に隣接し、前記高温熱交換器は前記蓄熱要素の第2面に隣接して配置されるように構成された多孔質蓄熱要素と、を備えていることを特徴とする前記請求項9に記載の熱音響装置。 - 前記第1振動部材はピストンを備えており、前記主チャンバは一対の端部とその間に延びる可撓体を有する可撓シールを含んでおり、前記可撓シールの一方の端部は前記ピストンに対してシールされ、他方の端部は前記サーマルコアの第1面に対してシールされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響装置。
- 前記可撓シールはベローズを備えていることを特徴とする請求項11に記載の熱音響装置。
- 前記主チャンバは周辺側壁を有し、前記振動部材は、周辺縁部が前記側壁と滑動可能に係合するピストンを備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響装置。
- 前記増倍チャンバは、縁部が前記サーマルコアの第2面から離間した周辺側壁を有しており、前記第2振動部材は、可撓シールで前記縁部と相互接続されたピストンを備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響装置。
- 前記第2振動部材はピストンを備えており、前記増倍チャンバは一対の端部とその間に延びる可撓体を有する可撓シールを含んでおり、前記可撓シールの一方の端部は前記ピストンに対してシールされ、他方の端部は前記サーマルコアの第2面に対してシールされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響装置。
- 前記第1及び第2振動部材は、それらの変位が同一となるように相互接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響装置。
- 前記第1及び第2振動部材は一体に形成されていることを特徴とする請求項16に記載の熱音響装置。
- 前記ハウジングは圧力容器を備えており、前記主チャンバ及び増倍チャンバは前記圧力容器内に配置され、追加体積分のガス状作動流体が前記圧力容器を満たしていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響装置。
- 前記第1熱交換器と第2熱交換器の間に配置された蓄熱要素を更に備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響装置。
- 前記第1熱交換器は、概ね第1面内に配置され概ね第1方向に整列している複数の概ね平行な熱伝達要素を備えており、前記第2熱交換器は、概ね第2面内に配置され概ね第2方向に整列している複数の概ね平行な熱伝達要素を備えており、前記第2面は前記第1面に対して概ね平行であり、前記第2方向は前記第1方向に対して或る角度を成していることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱音響装置。
- 前記第1熱交換器の熱伝達要素はフィンであり、前記第2熱交換器の熱伝達要素は流体で満たされた管であることを特徴とする請求項20に記載の熱音響装置。
- 前記第1方向と第2方向は概ね直交していることを特徴とする請求項20に記載の熱音響装置。
- 熱音響装置において、
パワーピストンと、
前記パワーピストンを振動させるように作動することのできるモーターと、
前記パワーピストンから間隔を空けて配置された低温ヘッド熱交換器と、
一対の端部とその間に延びる可撓体を有する可撓シールであって、一方の端部が前記パワーピストンにシール可能に相互接続され、他方の端部が前記低温ヘッドにシール可能に相互接続されており、主容積が前記可撓シール内の前記パワーピストンと前記低温ヘッドの間に画定されている可撓シールと、
前記主容積の内側に配置され、前記低温ヘッドにシール可能に相互接続された第1端と、開口している第2端とを有している増倍チャンバと、
前記増倍チャンバの開口端を閉じるように配置されている増倍ピストンであって、増倍容積が前記増倍チャンバ内の前記増倍ピストンと前記低温ヘッドの間に画定されている増倍ピストンと、を備えており、
前記低温ヘッドは前記主容積と前記増倍容積の間に通路を画定しており、
前記通路内に配置され、第1及び第2側部を有する多孔質蓄熱要素と、
前記蓄熱要素の第1側部に隣接して配置された第1熱交換器と、前記蓄熱要素の第2側部に隣接して配置された第2熱交換器と、を更に備え、
前記パワーピストン及び前記増倍ピストンは、実質的に同一周波数で、且つ前記主容積と前記増倍チャンバ内の圧力振動が実質的に互いに同位相となるように振動していることを特徴とする熱音響装置。 - 熱音響装置において、
第1端と第2端を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記第1端を画定し、内部熱交換面と熱的に連通している外部熱交換面を有している低温ヘッド熱交換器と、
前記ハウジング内に配置され、中に増倍容積を画定している増倍チャンバであって、前記増倍容積が増減するように可動である増倍振動部材を含んでいる増倍チャンバと、
前記ハウジング内に配置され、前記増倍チャンバを取り囲んでいる主チャンバであって、前記主チャンバは、前記増倍チャンバと前記主チャンバの間に画定された主容積を有しており、主容積が増減するように可動である主振動部材を含んでいる主チャンバと、
前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面に隣接して前記ハウジング内に配置され、前記増倍容積と前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面の間に第1通路を、前記主容積と前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面の間に第2通路を画定し、それにより前記主容積と前記増倍容積を前記第1及び第2通路を介して流体連通させている支持部と、
前記通路の一方に配置されている多孔質蓄熱要素であって、第1面と第2面を有し、前記第1面は前記低温ヘッド熱交換器の前記内部熱交換面に隣接し、前記高温熱交換器は前記蓄熱要素の第2面に隣接して配置されている多孔質蓄熱要素と、を備え、
前記主振動部材及び前記増倍振動部材は、実質的に同一周波数で、且つ前記主チャンバと前記増倍チャンバ内の圧力振動が実質的に互いに同位相となるように振動していることを特徴とする熱音響装置。 - 熱音響装置において、
第1端と第2端を有するハウジングと、
前記ハウジングの前記第1端を画定し、内部熱交換面と熱的に連通している外部熱交換面を有している低温ヘッド熱交換器と、
前記ハウジング内に配置され、中に増倍容積を画定している増倍チャンバであって、前記増倍容積は、前記増倍容積が増減するように可動である増倍振動部材を含んでいる増倍チャンバと、
前記ハウジング内に配置され、中に主容積を画定している主チャンバであって、前記主容積が増減するように可動である主振動部材を含んでいる主チャンバと、
前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面に隣接して前記ハウジング内に配置され、前記増倍容積と前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面の間に第1通路を、前記主容積と前記低温ヘッド熱交換器の内部熱交換面の間に第2通路を画定し、それにより前記主容積と前記増倍容積を前記第1及び第2通路を介して流体連通させている支持部と、
前記通路の一方に配置されている多孔質蓄熱要素であって、第1面と第2面を有し、前記第1面は前記低温ヘッド熱交換器の前記内部熱交換面に隣接し、前記高温熱交換器は前記蓄熱要素の第2面に隣接して配置されている多孔質蓄熱要素と、を備え、
前記主振動部材及び増倍振動部材は、実質的に同一周波数で、且つ前記主チャンバと前記増倍チャンバ内の圧力振動が実質的に互いに同位相となるように振動していることを特徴とする熱音響装置。 - 前記主振動部材に接続されたモーターであって、前記熱音響装置がヒートポンプとして作動するように前記主振動部材を振動させるように作動することのできるモーターを更に備えていることを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記主振動部材に接続された同期発電機を更に備えており、前記熱音響装置は熱駆動機関として作動することを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記主振動部材はピストンを備えており、前記主チャンバは一対の端部とその間に延びる可撓体を有する可撓シールを含んでおり、前記可撓シールの一方の端部は前記ピストンに対してシールされ、他方の端部は前記第2通路と流体連通していることを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記可撓シールはベローズを備えていることを特徴とする請求項28に記載の熱音響装置。
- 前記主チャンバは周辺側壁を有し、前記主振動部材は周辺縁部が前記側壁と滑動可能に係合するピストンを備えていることを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記増倍チャンバは、縁部が前記第1通路から間隔を空けて設けられた周辺側壁を有しており、前記増倍振動部材は前記縁部と可撓シールで相互接続されたピストンを備えていることを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記増倍振動部材はピストンを備えており、前記増倍チャンバは一対の端部とその間に延びる可撓体を有する可撓シールを含んでおり、前記可撓シールの一方の端部は前記ピストンに対してシールされ、他方の端部は前記第1通路と流体連通していることを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記主振動部材と増倍振動部材は、それらの変位が同一となるように相互接続されていることを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記主振動部材と増倍振動部材は一体に形成されていることを特徴とする請求項33に記載の熱音響装置。
- 前記ハウジングは圧力容器を備えており、前記主チャンバ及び増倍チャンバは前記圧力容器内に配置され、追加体積分のガス状作動流体が前記主チャンバ及び増倍チャンバの外側の前記圧力容器部分を満たしていることを特徴とする請求項33に記載の熱音響装置。
- 前記蓄熱要素は前記第1通路内に配置されていることを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記内部熱交換面は、前記低温ヘッド熱交換器から垂直に延びるフィンを含んでいることを特徴とする請求項24又は25に記載の熱音響装置。
- 前記外部熱交換面は、前記低温ヘッド熱交換器から垂直に延びるフィンを含んでおり、前記内部面上のフィンと前記外部面上のフィンは互いに概ね直交していることを特徴とする請求項37に記載の熱音響装置。
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