JP5570899B2 - 熱電気音響エンジン及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱音響装置に関し、より具体的には、より具体的には、音響インピーダンス・ネットワークの選択された部分の代わりに、音響エネルギー変換器及び電気インピーダンス・ネットワークを用いる熱音響装置に関する。

スターリングサイクルは、仕事を生成するため、或いは逆に加熱又は冷却を行なうために、一般的にはガスで動作する、周知の４部分の熱力学プロセスである。この４部分は、等温膨張、定容冷却、等温圧縮、及び定容加熱である。このプロセスは、サイクル中、ガスが常に、該サイクルを実行するシステム内に残っているという点で、閉鎖式である。

スターリングサイクルを用いる多数の装置は、総称してスターリングエンジンと呼ばれる。典型的なスターリングエンジンは、スターリングサイクルの一部として含有ガスの加熱／膨張及び冷却／収縮に応答する機械的ピストン（多くの場合、２つのピストン）を有する。ピストンの動きによりクランクが駆動され、そこから仕事を引き出すことができる。一般に蓄熱式熱交換器又は再生器と呼ばれる要素が、エンジンの熱効率を高める。スターリングエンジンは、ピストン及び他の関連した可動部品を含むことが多い。このタイプの装置は、多くの場合、複雑であり、シール及びピストンを含み、定期的な保守を必要とする。

熱音響エンジンは、スターリング熱力学サイクルを利用する別のグループの装置である。これらの装置は、スターリングエンジンと幾つかの基本的な物理的特性を、すなわちスターリングサイクルに近似する含有ガスを共有する。しかしながら、熱音響エンジンは、温度差により、仕事のために抽出された音響エネルギーが増幅されるという点で、スターリングエンジンとは異なる。多くの場合、スターリングエンジンにおいて一般的に見出されるようなピストンも又はクランクもない。

従来のスターリングエンジンと異なり、大部分の熱音響エンジンは、もしあったとしても、機械的な可動部分をほとんど持たず、従って、非常に信頼性が高い。さらに、従来のスターリングエンジンとは異なり、熱音響エンジン内のガスが、本体構造体内で大きく移動することはない。寧ろ、圧力波がガスを通って伝搬し、スターリングサイクルは、熱交換器の内部で局所的に行なわれる。熱音響エンジンは、主として熱交換器における進行波又は定在波の音波位相で動作することができる。定在波型装置は、進行波型装置よりも効率が良くないことが知られている。

当技術分野において周知の熱音響エンジンの他の例が多数ある。しかしながら、各々はそれぞれの欠点の組を呈する。ある従来技術の装置の１つの欠点は、主として共振型音響インピーダンス・ネットワークの必要な長さのために、サイズが相対的に大きいことですある。コンパクトな装置が必要とされる多くの用途にとって、このサイズは不都合である。また、本体のトポロジー及び／又は相対的に大きい容積は、音響損失、熱損失、場合によっては、質量流れの損失をもたらす。別の欠点は、シリンダ内に封止されたピストン及びクランク・アームは、常に周知の熱音響エンジンの一部を形成するとは限らないものの、従来技術のエンジン内には、エンジン本体、ベロー及び可動部品（トランスデューサを除く）の部分の動きを駆動するための駆動装置のような多数の他の要素が存在しており、複雑さ、サイズ、重量及び費用を付加し、損傷を受けやすい要素の数を増大させ、システム内の音響損失を増大させることである。更に別の欠点は、エンジンの動作周波数が、本体及び共振器の物理的寸法、再生器の構成、及び本体内で用いられるガスによって設定されることである。例えば、動作周波数は、負荷等の周波数に整合するより低い周波数での改善された熱伝達への要望に基づいて選択することはできない。

従って、本開示は、簡単かつコンパクトで軽量の進行波型熱音響エンジンに向けられる。本明細書に開示されるエンジンの１つの特徴は、エンジンを形成する音響本体構造体が共鳴器を必要としないことである。別の特徴は、エンジンの唯一の可動部品は、ここに開示される熱音響エンジンの一部を形成するように選択された音響源及び変換器の機械的要素であることである。

エンジンは、再生器を収容する本体と、再生器のそれぞれの側に１つある２つの熱交換器と、再生器に対して互いに反対側に本体のそれぞれの端部に１つある２つの電気音響トランスデューサと、２つのトランスデューサの動きを制御し、かつ、有用なエネルギーを電気負荷に結合する働きをする外部電気ネットワークとで構成される。エンジンはまた、管のある長さだけ高温熱交換器から分離された第３の熱交換器を含むこともできる。

本開示の１つの態様によると、熱音響エンジンによって生成された音響エネルギーは、電気音響トランスデューサの１つである「音響エネルギー変換器」によって、電気エネルギーに変換される。電気エネルギーの一部は、仕事を行なうために出力されるか、又は代替的に蓄えられる。残りの電気エネルギーの出力は、他の電気音響トランスデューサ、すなわち「音響源」にフィードバックされ、エンジンにおけるエネルギー生産のサイクルをさらに推進する。

この態様によると、電気インピーダンス・ネットワークが、音響インピーダンス・ネットワークに取って代わり、事実上、熱音響エンジン内の共振器部分に対する必要性がなくなる。電気インピーダンス・ネットワークは、種々の形態をとることができ、種々の受動素子及び／又は能動素子から成ることができる。このため、ここに開示された装置は、熱電気音響エンジン（ｔｈｅｒｍｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｎｇｉｎｅ）と呼ばれる。

音響源は、ガスを含む閉鎖された本体構造体内で圧力波を駆動する。閉鎖された本体構造体は、再生器と、これを通って圧力波が進むことができる第１及び第２の熱交換器とをさらに含む。第１の熱交換器と第２の熱交換器との間に熱勾配が確立される。熱勾配は、再生器における音響エネルギーを増幅する。増幅された圧力波を電気信号に変換する音響エネルギー変換器が、再生器に対して音響源の反対側に配置される。第３の熱交換器が、存在する場合には、高温熱交換器からある距離をおいてガスの温度を制御するように働く。

従って、変換器によって与えられる電気エネルギーの一部は、例えば負荷を駆動するため又は貯蔵するための、エンジンからの出力である。音響源にフィードバックされる電気エネルギーのバランスは、これが同位相であり、所望の振幅のものであり、建設的なフィードバックをもたらすように、適切な位相遅延及びインピーダンスが施される。このように、電気ネットワークは、電気音響トランスデューサ及び音響要素と組み合わせて、周波数変換を行なうためにインバータ又は他の要素を必要とすることなく、再生器の領域における音響インピーダンスと、エンジンの外部の有用な仕事のために与えられる電気エネルギーの周波数とを設定する。

本発明による、熱電気音響エンジンの第１の実施形態の概略図である。 図１の熱電気音響エンジンで用いるインピーダンス回路の概略図である。 図１の熱電気音響エンジンで用いる電力分割器の概略図である。 図１の熱電気音響エンジンで用いる電力結合器の概略図である。 図１の熱電気音響エンジンの再生器内のガスにより近似されるスターリングサイクルを示す圧力対容量のグラフである。

図１を参照すると、本開示による、熱電気音響エンジンの第１の実施形態１０が示される。エンジン１０は、ほぼ管状の本体１２を含む。本体１２を構築する材料は、本発明の用途によって異なり得る。しかしながら、本体１２は、一般に、熱的及び音響的に絶縁性であり、かつ、少なくとも幾つかの雰囲気への加圧に耐えることができるものであるべきである。本体１２のための例示的な材料は、ステンレス鋼又は鉄−ニッケル−クロム合金を含む。

本体１２内に再生器１４が配置される。再生器１４は、高い熱質量及びガスとの比較的大きい相互作用表面積を提供するが、音響減衰は低い、様々な材料のいずれか及び構造的配置で構築することができる。ワイヤメッシュ又はスクリーン、連続気泡材料、ランダム繊維メッシュ又はスクリーン、又は当業者により理解される他の材料及び構成を採用することができる。再生器１４を構成する材料の密度は、一定であってもよいし、又は、最適な効率のために、再生器１４の長手方向寸法にわたる気体と壁との間の相互作用領域及び音響インピーダンスを調整できるように、その縦軸に沿って変化してもよい。再生器の設計の他の詳細は、当技術分野において周知であり、従って、本明細書ではこれ以上説明しない。

再生器１４の各々の外側端部には、第１の熱交換器１６及び第２の熱交換器１８が隣接している。熱交換器１６、１８は、本体１２内から伝達媒体への熱伝達の効率が比較的高い様々な材料のいずれか及び構造的配置で構築することができる。１つの実施形態においては、熱交換器１６、１８は、加熱される又は冷却される流体を内部で運ぶための１つ又はそれ以上の管（図示せず）とすることができる。管は、エンジンの動作中、内部の流体と本体１２内のガスとの間で熱エネルギー（加熱又は冷却）を効率的に伝達するような材料で形成され、そのような大きさにされ配置される。熱伝達を向上させるために、フィン又は当技術分野において周知の他の構造体を有するように、管の表面積を増大させることができる。熱交換器の設計の詳細は、当技術分野において知られており、従って本明細書ではこれ以上説明しない。

随意的に、例えば、熱交換器１８が第３の熱交換器１９と再生器１４との間に位置するように、第３の熱交換器１９を本体１２の一端に配置することができる。第３の熱交換器１９は、エンジンの動作中、内部の流体と本体１２内のガスとの間で熱エネルギー（加熱又は冷却）を効率的に伝達するような材料で形成され、そのような大きさにされ配置された、１つ又はそれ以上の管（図示せず）のような第１の熱交換器１６及び第２の熱交換器１８と類似した構成のものとすることができる。

音響源２０は、本体１２の第１の長手方向端部に配置され、音響変換器２２は、前述の再生器１４に対して前述の音響源２０とは反対側にある本体１２の第２の長手方向端部に配置される。多くの異なるタイプの装置が、音響源２０の機能を果たすことができる。周知の可動コイル、圧電式、静電式リボン、又は他の形態の拡声器が、音響源２０を形成することができる。エンジンからのエネルギー出力を最大化できるように、非常に効率的かつコンパクトで移動質量が小さく、周波数が調整可能であり、周波数が安定したスピーカーの設計が好ましい。

同様に、多くの異なるタイプの装置が、音響変換器２２の機能を果たすことができる。周知の静電式、電磁式、圧電式、又は他の形態のマイクロフォン又は圧力トランスデューサが、音響変換器２２を形成することもできる。さらに、ガス・スプリング、コンプライアンス要素、イナータンス要素、又は他の音響要素を用いて、変換器２２の機能を高めることもできる。同様に、エンジンからのエネルギー出力を最大化できるように、効率は、音響変換器２２の好ましい属性である。

音響源２０への入力ａ、ｂが、インピーダンス回路Ｚ₁からのものである。音響変換器２２からの出力ｃ、ｄが、インピーダンス回路Ｚ₂に与えられる。インピーダンス回路Ｚ₂の出力ｇ、ｈが、分割器２６（一例が図３Ａに示される）に与えられる。分割器２６の出力の一部ｏ、ｐが、インピーダンス回路Ｚ₃に与えられる。インピーダンス回路Ｚ₃の出力は、当技術分野において良く理解されるような望ましい位相を達成するために用いられる位相遅延回路φ（ω）に入力される。位相遅延回路φ（ω）の出力は、インピーダンス回路Ｚ₄に入力され、その出力は、結合器２７に入力され（図３Ｂに示される）、最終的に、入力ｗ、ｘとしてインピーダンス回路Ｚ₁にフィードバックされる。インピーダンス回路のＺ₁、Ｚ₂、Ｚ₃、及びＺ₄の役割は、望ましい周波数及び位相でシステム・インピーダンスを整合させて音響源２０を駆動することである。各々のインピーダンス回路Ｚ₁、Ｚ₂、Ｚ₃、及びＺ₄は、例えば、図２に示す回路２４のような回路にすることができる。周波数の選択について、下記にさらに説明する。さらに、結合器２７に、起動等を加速するように、例えば、グリッド周波数及び位相ロックのために用いられる外部入力ｅ、ｆを与えることができる。

上述した基本的な物理的要素及びそれらの相互接続と共に、ここでエンジン１０の動作に目を向ける。最初に、ヘリウム等のガスが、本体１２内に封止される。第１の熱交換器１６を「低温」熱交換器として、及び、第２の熱交換器１８を「高温」熱交換器として確立することにより、再生器１４において温度勾配が確立される。ガスが音響振動を受けると、ガス並びに低温熱交換器及び高温熱交換器の、本体１２及び再生器１４についての寸法及び材料が適切に選択されると同時に、再生器の領域においてスターリングサイクルが開始される。図４に示すこのサイクルは、段階１におけるガスが低温熱交換器から高温熱交換器の方向に移動するときのガスの定容加熱と、段階２におけるガスの等温膨張と、段階３におけるガスが高温熱交換器から低温熱交換器の方向に移動するときのガスの定容冷却と、段階４における結果として生じる等温圧縮とを含み、この段階４の時点で、ガスは再び加熱し、プロセスが繰り返される。このようにして、再生器１４における音響振動が増幅される。再生器１４は、熱エネルギーを蓄える働きをし、エネルギー転換の効率を著しく改善する。

音響源２０は音波を発生させ、この音波は、上述した方法で、再生器１４において増幅される。増幅された音響エネルギーは変換器２２に入り、この変換器２２により、そのエネルギーの一部が電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーの一部は、音響源２０にフィードバックされ、これを駆動する。電気部品（例えば、Ｒ_1-4、Ｌ_1-3、及びＣ_1-3）の値は、機械部品及び音響部品と併せて正のフィードバックを確立し、振動を維持するように選択される。このプロセスで音響エネルギーが増幅されるので、従って、変換器２２は、増大した量の電気エネルギーを生成することができ、電気エネルギーの一部は、遠くに進んで音響源２０を駆動し、残りの部分は、進んで負荷、記憶装置等を駆動する。

述べられたように、従来技術の熱音響エンジンの容積及び長さの大部分は、音響ネットワークを形成する。従って、音のネットワークを電気ネットワークと置き換えることにより、よりコンパクトなエンジンの形成が可能になり、粘性及び熱緩和損失等の低減のために、より狭く、サイズと重量が限られた用途におけるより効率的な利用といった、多数の利点がある。ここで開示されたタイプのエンジンは、従来技術と比べて、縮小されたサイズ及びストリーミングの減少のため、音響損失が少ない。さらに、物理的音響ネットワークの一部を調整可能な電気ネットワークと置き換えることによって、装置の動作周波数は、もはやエンジン構造によって定められず、代わりに独立して選択することができる。このことにより、低周波数の使用が可能になり、低周波数は高い周波数と比べて、再生器との間でより良好な熱伝達を許容することから、より高い効率をもたらす。一般に、特定の装置は、特有の周波数のために設計されている。電気同調は、エンジンの動作を最適化し、グリッドへの周波数ロッキング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｌｏｃｋｉｎｇ）等を可能にすることができる。しかしながら、装置の音響部分へ変更の必要とすることなく、特定の装置を広い範囲の周波数のために設計することができる。さらに、このことにより、配電網等の負荷の周波数で電気エネルギーを生成することが可能になり、周波数変換に使用されるインバータ及び他の要素に対する必要性がなくなる。さらに、電気部品は、音響要素よりも容易に調整することができ、装置の最適化が容易になる。

本開示の説明又は特許請求の範囲における制限を絶対的なものとして読むことはできない又は読むべきではない。特許請求の範囲の制限は、それらの制限を含めて本開示の範囲を定めることを意図している。これをさらに強調するために、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、時として本明細書においては、特許請求の範囲の制限と関連して用いられることがある（しかしながら、変形及び不完全な点についての考慮事項は、その用語と併せて用いられる制限だけに限られるものではない）。本開示自体の制限として正確に定義するのは困難であるが、この用語は、「かなりの範囲まで（ｔｏ ａ ｌａｒｇｅ ｅｘｔｅｎｔ）」、「できる限り近く（ａｓ ｎｅａｒｌｙ ａｓ ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ）」、「技術的な制限の範囲内で」等として解釈されることが意図される。

さらに、上記の詳細の説明において複数の好ましい例示的な実施形態が提示されたが、膨大な数の変形態様が存在すること、及び、これらの好ましい例示的な実施形態は代表的な例にすぎず、多少なりとも、本開示の範囲、適用可能性又は構成を制限することを意図するものではないことを理解すべきである。例えば、上記の説明は、同軸配置された要素を有する管状構造体に関するものであるが、一方又は両方の源及び変換器が非同軸配置された（例えば、本体の端部ではなく側部に）湾曲した本体又は折り畳まれた本体等の他の物理的配置も、用途によっては有利であり、本発明の説明及び以下の特許請求の範囲により考慮される。従って、上記に開示された種々の他の特徴及び機能、又はその代替物を、他の多くの異なるシステム又は用途に望ましく組み合わせることができる。当業者であれば、現在予見されていない又は予期されていない代替物、修正、変形態様、又はその内部に対する或いはそれに対する改良を後に行なうことができ、それらもまた以下の特許請求の範囲に含まれることが意図される。

従って、上記の説明は、当業者に、開示の実施のための簡便な案内を提供するものであり、特許請求の範囲により定められる開示の精神及び範囲から逸脱することなく、説明された実施の機能及び構成における種々の変更をなし得ることが考えられる。

１０：エンジン
１２：本体
１４：再生器
１６：第１の熱交換器
１８：第２の熱交換器
１９：第３の熱交換器
２０：音響源
２２：音響変換器
２４：回路
２６：分割器
２７：結合器
Ｚ₁、Ｚ₂、Ｚ₃、Ｚ₄：インピーダンス回路

Claims (3)

1. 熱電気音響エンジンであって、
   第１及び第２の開放端を有し、作動ガスを含有する概ね中空の本体と、
   前記本体内に配置された再生器と、
   前記本体内に配置され、かつ、その第１の長手方向端部において前記再生器に近接する第１の熱交換器と、
   前記本体内に配置され、かつ、その第２の長手方向端部において前記再生器に近接する第２の熱交換器と、
   音響源からの音響エネルギーが前記本体内に向けられるように、該本体の前記第１の端部に結合された音響源と、
   前記再生器に対して前記第１の端部の反対側にある前記本体の前記第２の端部に結合された音響エネルギー変換器であって、前記本体内の音響エネルギーの少なくとも一部が、当該変換器に向けられ、これにより、電気エネルギーに変換される、音響エネルギー変換器と、
   を含み、
   前記変換器は、該変換器により生成された電気エネルギーの少なくとも一部が前記音響源に与えられ、該音響源を駆動するように、該音響源に電気的に結合されており、
   前記エンジンの外で利用するために、前記変換器によって生成された電気エネルギーの少なくとも一部が出力端子に与えられるように、前記変換器に電気的に結合された出力端子が設けられたことを特徴とする熱電気音響エンジン。
2. 前記変換器により与えられた電気エネルギーが前記音響源に結合され、該変換器によって生成された電気エネルギーの周波数を制御して、前記熱電気音響エンジン内で動作する音波の周波数及び位相を制御できるように、該変換器と該音響源との間に、これらと電気通信状態で配置されたインピーダンス整合回路をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱電気音響エンジン。
3. 前記電気エネルギーの位相を制御して、前記本体内の音波と制御された位相関係で音響エネルギーを生じさせることができるように、前記変換器と前記インピーダンス整合回路との間、又は、該インピーダンス整合回路と前記音響源との間に、これらと電気通信状態で配置された位相遅延装置をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の熱電気音響エンジン。

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