JP5701611B2 - 小型熱音響アレイエネルギー変換器 - Google Patents

Description

本発明は、海軍研究局（Office of Naval Research）により付与されたＮ０００１４０３−１−５０４３により米国政府の支援を受けてなされたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。

本発明は、概ね、共振器内で熱を音に変換して電気を発生させるシステムおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、小型軽量で、高電力密度を扱うことができる小型装置内で熱を音に変換して電気を直接的に生成するシステムおよび方法に関する。

熱を音に変換するという発想は二百年以上前から知られている。たとえば、「シンギングパイプ」は、管内に金属メッシュを備える共振管の閉端部に熱が付与され、この共振管は、共振管の加熱される端部付近に「熱」端部と、熱源から遠いところに「冷」端部とを備える。この「熱」および「冷」との語は、互いに対する相対的な温度の高低をいう。「熱」端部は、実際の温度ではなく温度勾配の重要なパラメータであり、室温とすることができる。

共振管内に形成される音響定在波は、共振器内の作動流体（たとえばガス）に、圧縮、加熱、膨張、冷却のサイクルを形成する。このようにして、熱エネルギーは、音響エネルギーに変換され、定在波を維持する。

熱から音への変換の動作は、HIGH FREQUENCY THERMOACOUSTIC REFRIGERATORとの表題の米国特許第６,５４７，９６８号明細書に説明されているように、熱音響冷却器の発展を通して進歩してきた。この特許文献は参照により本明細書に組み込まれる。本質的に、本発明による熱から電気への変換は、熱音響冷却器により実行されるプロセスの反対のプロセスを通じてなされる。したがって、ピエゾ素子にエネルギーを付与して装置を冷却する代わりに、エネルギーが取り出されて熱源自身から変換される。

熱音響エネルギー変換器を形成する初期の試みは様々な理由により失敗してきた。たとえば、このプロセスは、１００Ｈｚ付近で動作する従来技術の装置においてなされて、低周波数音波を電気に変換するものであった。しかし、低周波数でのエネルギー変換プロセスが非常に低効率であるために、このプロセスは当業者に放棄された。

熱を電気に直接変換するための１つの従来技術のプロセスは、永久磁石と移動コイルを用いる。このプロセスは磁石があるためにコスト高である。また、このプロセスは大きく且つ重量があり、装置の周波数の増加とともに効率が低下し、そのため高周波動作が実際的でない。また、装置自身が付近の磁気に敏感な装置に磁気的に干渉することがあり、環境によっては利用できない。

熱音響エネルギー変換プロセスを実際的なものにするために、装置を高周波数で動作させることが望まれる。高周波数は、音エネルギーを電気に変換するのに本発明で用いられるピエゾ電気素子のような電子機械トランスデューサの動作をより効率的にすることができる。

高周波数で動作させることの他の利点は、半導体装置や生物学的サンプルに比較して比較的に大きな従来の熱音響装置との比較から導かれる。したがって、熱音響エネルギー変換器を、これらの装置やサンプルとともに動作する程度に小さくすることはもう一つの利点である。

従来技術の欠点に対処する試みは、High Frequency Thermoacoustic Energy Converterとの表題の国際公開ＷＯ０３／０４９４９１号に開示されているような装置においてなされている。この特許文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。このような装置は、電子−機械トランスデューサのハウジングとしても機能する共振器、熱伝導性の低い材料からなるランダムファイバーから形成されるスタック、およびスタックの両端に位置決めされる熱伝導性のよい材料からなる一対の熱交換器、を用いることにより従来技術の装置の問題に対処している。しかし、このシステムの正のフィードバックは望まれるものより小さく、また、電気生成が小さかった。

電子装置及び機械装置は熱を排出し、これは性能および効率を制限する。このような熱および熱の電力への変換の熱管理は、産量を増加させ、また同時に、再利用可能なエネルギーの重要な源を提供する。このような目的を、簡単、効率的、および高電力密度の装置で達成することは、現在のエネルギー問題の解決策を提供する助けになるであろう。このようなアプローチの効率は、装置の性質、廃熱から入力される広範囲の熱に対処する能力、および環境への影響により決定されるであろう。

解決されるべき問題は、排熱源に面している装置、および小型電子機器を含む幅広い熱源をスケーリングする装置に関連する。さらに、排熱のパワーレベルが拡大すると、高いパワーレベル要求に対処するために、装置が高いパワー密度ユニットであることが重要になる。したがって、排熱から再利用できるエネルギーを提供することにより、よりエネルギーを減らす必要が高まっている。このような排熱は放棄されているので、排熱を電気に変換するのに必要な効率的な技術が必要である。そのような技術は、排熱源に調和することが可能であり、寿命を長くし、また、製造および組み立てを相対的に安価にするであろう。幅広い用途のために、これらの問題に対処することができるシステム、およびエネルギー変換および熱管理の両方の機能を満たすシステムは、本技術分野を発展させるであろう。

熱音響装置は小型共振システムを含み、小型共振システムは、共振器内で熱を音に変換し、また、音を他の電気システムに電力供給できるようなレベルで直接的に電気に変換する。共振器の一方の端部に与えられた熱は、キャビティによりピエゾ電気単一エネルギー変換器のような音−電気変換機に連結される音波を形成する。可聴周波数または超音波周波数の電気エネルギーは、電気回路および電気部品を通じた蓄電のために整流（rectify）される。エネルギーレベルを増加させるため、および熱源から引出される電気の生成を増加させるため、複数の熱音響装置が用いられる。熱音響装置は、キャビティによりフェーズロックされ、また、単一の音−エネルギー変換器に連結される。キャビティは、各熱音響装置内の振動のオンセット（for the onset）により温度差を減らし、最大エネルギー出力のためにこれらをフェーズロックする。低オンセットダイオード全波整流器のセットは、バッテリーまたはスーパーキャパシタ上にエネルギー貯蔵するためのＤＣ出力を提供するために、ピエゾ電気装置に用いられる。

注入された熱は、熱音響装置のアレイの各音響共振器内で音を生成し、これは、音チャンバに連結される。チャンバ内の音は、音−電気変換器（すなわちエネルギー変換器）により電気に変換される。チャンバは、各共振器に連結されるキャビティにより提供される追加の正のフィードバックとともに共振器内で維持される音響振動を可能にする。また、各熱音響装置をフェーズロックし、最大エネルギー出力のために、各音響装置間にコヒーレンスを提供する。音−電気変換器は、熱により発生した音から最大電力を発生させるために直接的にチャンバに連結される。エネルギー変換器として用いるこのような装置は、動作中に排熱を生成する様々な大きなおよび小さなシステムにおける熱管理も提供することができる。

本発明の一側面によれば、熱源または排熱からの熱は、熱伝導体により、各熱音響装置の熱側部に連結される。各熱音響装置は、音チャンバに流体連通するように連結される。

本発明の他の側面によれば、エネルギー変換器は、音チャンバの遠位端に位置決めされる。

本発明の他の側面によれば、エネルギー変換器は、音響装置と共鳴し、エネルギー変換器により最大電気エネルギー出力を与える。

本発明の他の側面によれば、ピエゾ電気素子の形態の単一エネルギー変換器は、複数の音響ユニットから音響エネルギーを集めるのに用いられ、本発明のエネルギー変換システムの容積のかなりの低減をもたらす。

本発明の他の側面によれば、可聴周波数または超音波周波数のエネルギーは、効率的な整流器によりＤＣ電流に変換され、バッテリーまたはスーパーキャパシタに充電される。

本発明の他の側面によれば、スーパーキャパシタ内の電気エネルギーの貯蔵は、システムに、長いサイクル寿命を与え、また、全体としてバッテリー内のエネルギー貯蔵器に優れた性能を与える。

本発明の他の側面によれば、本発明のエネルギー変換システムは、ポータブル装置内に備えられる。

本発明の他の側面によれば、複数の熱音響ユニットは、超音波領域で動作する大きなアレイを形成する。

このような装置を用いる方法、特に、電子装置または機械からの排熱を捕獲するアレイにおいてこのような装置を用いる方法は、これらの装置を形成する方法として本発明に含まれる。

様々な図面は単に説明目的のためであることを理解されたい。本発明の原理、および本発明の他の実施形態は、以下の発明の詳細な説明、特許請求の範囲、および添付図面を参照することでより明らかになるであろう。添付図面は以下の通りである。

本発明の原理に基づく熱音響エネルギー変換器の構造部品の上面斜視図および、１つの説明的な実施形態の電気回路の概略図である。 本発明の原理に基づく他の熱音響エネルギー変換器の構造部品の側面図および他の説明的な実施形態の電気回路の概略図である。 本発明の原理に基づく熱音響エネルギー変換器の他の実施形態の側面断面図である。

本発明は、熱音響装置に関するシステムおよび方法に関する。本明細書および図面で説明される実施形態は、本発明または添付の特許請求の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく本明細書に示される様々な実施形態の組み合わせおよび修正形態を理解するであろう。このようあらゆる代替実施形態は、本発明の範囲内にある。同様に、図面は本発明による説明的な装置および部品の実施形態を示し、この装置が基づく原理を示す。これらの図は単に説明目的のためのものであり、本明細書で示される発明的な特徴のあらゆる修正形態は、本発明の範囲内にある。

熱管理の要求および熱から電気へのエネルギー変換の要求の見地から、熱音響力学に基づき、効率的で小型のユニットが開発された。このような装置において、熱は音を生成し、同一のユニット内で、音は直接的に電気に変換される。このような装置において、共振音響システム、熱交換器、繊維性の材料のスタック、音響キャビティ、および電気発生器が設けられる。

典型的な配置において、スタックは共振器の中程に位置し、熱交換器がスタックの各端部に備えられる。熱は、熱い熱交換器付近またはこの熱交換器のところで、共振器の閉じた端部に注入される。共振器の他の端部は、熱シンクまたは熱フィンにより固定された低温に維持される。このような構成は温度差を形成し、それゆえ、スタックに沿って温度勾配を形成する。音響振動の閾値以上の温度差が共振器内に形成される。熱生成音響振動の周波数は、共振器およびその寸法により決定される。共振器の開放端部に音響キャビティを取り付けることにより、振動のためのオンセットの閾値は実質的に減少する。音−電気発生器は、キャビティの閉端部において装置内部に配置することができる。電気発生器は、モノモルフ構成またはバイモルフ構成のピエゾ電気素子とすることができる。

本発明の一実施形態において、キャビティの閉端部は、電気発生器を含むことができる。他の実施形態において、これは共振器の閉端部に配置されてもよい。しかし、このような位置において、それは装置内に注入される熱により影響を受けうる。

本発明の他の側面において、熱源エネルギーは熱伝導により装置に連結され、または、直接加熱する火または放射性同位元素のようなエネルギー源とすることができる。

本発明の他の側面によれば、共振器の加熱される側の熱質量は、共振器の固定低温端部の熱質量よりもかなり小さくする必要がある。

本発明の他の側面によれば、振動のオンセットのためにスタックにわたる温度差を小さくするために、音響キャビティは共振器に取り付けられる。本発明の他の側面によれば、共振器の内部直径は、装置が小型化されても大きく保たれる。この場合、振動の開始は音響キャビティにより促進される。大きな共振器直径により、大きな音響パワー密度が得られる。本発明の他の側面によれば、小型化された装置はアレイ構成を可能にする。

図１は、本発明による熱音響電気発生システム１０を示し、ここで、ろうそくの火で示される熱エネルギー１２は音に変換され、また、小型のユニット内で直接的に電気に変換される。熱１２は電気に変換され、電気はスーパーキャパシタ内に充電される。システム１０は、熱を音に変換することにより、電気を発生させるのに用いることができ、および／または、余分な熱を発生させる装置または機械を熱的に管理するのに用いることができる。このようなシステム１０は、排熱１２が発生される大きなまたは小さなシステム内で用いることができ、また、電力源として用いることもできる。エネルギー変換器１０は、金属プレートのような熱伝導性素子２６の第１端部に連結され、音チャンバ２８の第２端部に連結される複数の熱音響装置２１−２５を有する。

電気は、音−エネルギー変換器１６により音チャンバ２８内で形成される音から生成され、音−エネルギー変換器１６はピエゾ電気トランスデューサのような電子−機械トランスデューサの形態とすることができ。音チャンバ２８は内側音響チャンバ２９を画定し、この中で、音響装置２１−２５により生成される音が形成されて共振する。音響チャンバは、概ね円筒形であり、各共振音響装置２１−２５の各開放端部に流体連通する、トランスデューサ１６の反対側の端部を備える。音響チャンバ２９は、音響装置２１−２５の各個別の内部チャンバよりも大きい。熱エネルギー１２はシステム内に注入され、または、エネルギー変換器１０の上部プレート２６に直接的に接触する。熱シンク３０は、共振器２１−２５の冷端部を周囲温度に維持する支援を提供する。エネルギー変換気１６から生成された電気を、有用なエネルギーに変換するために、変圧器３２がエネルギー変換器１６に電気的に連結される。交流電流入力を直流電流出力に変換するために、ダイオードブリッジまたはブリッジ整流器３４が設けられる。

図２を参照すると、本発明の原理による熱音響エネルギー変換システムの他の実施形態が図示されており、全体が符号１００で示される。このシステムは、前述のシステム１０に類似した構成であるが、システム１００により生成された電気エネルギーの充電のためにバッテリー１０１に連結されている。図２に示されるように、各熱音響装置１０２−１０４は、共振器の第１端部１０８を熱源１１２からの熱を伝達する構造１１０に取り付けるための連結構造１０６を有する。したがって、第１端部１０８は、各共振器の熱い側部を形成する。また、各共振器１０２−１０４は、冷たい側部１１４を含み、これは、音響チャンバ構造１１６に連結される。音響チャンバ１１６は、複数の熱シンク１１７により周囲温度に維持される。各共振器１０２−１０４の開放端部１１８は、音響キャビティ１２０に流体連通している。したがって、各共振器１０２−１０４の開放端部１１８から発される音波は、音響キャビティ１２０に入り、ピエゾ電気ドライバ１２２を駆動して電気を生成する。

図３に示されるように、各共振器１５１、１５２、１５３のそれぞれ熱い側部１５７、１５８、１５９が熱源１６０により加熱されたとき、本発明によるエネルギー変換器１５０の各熱音響共振器１５１、１５２、および１５３は、定在波１５４、１５５、および１５６をそれぞれ生成する。熱源１６０は、熱を発生させる他のシステム（図示せず）の他の構造物に熱的に連結されてもよく、たとえば他のシステムは、電気システム、集積回路、マイクロプロセッサ、または熱を形成する任意のその他の部品またはシステムなどである。熱は、この場合は金属プレート１６０´である熱源１６０、熱連結機構１６１、１６２、１６３を通して各共振器１５１、１５２、１５３の各近位端部に入る。熱連結機構は、プレート１６０´に取り付けられる、ネジファスナ１６４のようなネジファスナを備える円筒形部材を有する。

各共振器１５１、１５２、１５３から発生する定在波１５４、１５５、１５６は、各共振器の共振器チャンバ１５１´、１５２´、１５３´の長さＬに応じて半波または４分の１波となりうる。各共振器１５１、１５２、１５３は、スタック１６５、１６６、１６７を有する。スタック１６５のような各スタックは、熱い熱交換器１６８、冷たい熱交換器１７０、および各熱交換機１６８、１７０の間に熱接触するように配置されるスタック材料１７２を有する。スタック材料は、コットンウール、ガラスウール、鋼鉄ウール、エアロゲル、他の繊維材料、穴あきプラスチックプレートの組、または、長手方向に整列した複数のナノチューブから形成することができる。ファイバー状のスタックが用いられる場合、ランダムに配置されるスタック１６５内のファイバー間の最適な空間は、音響場がスタック１６５の各エレメントと熱的に相互作用するように、作動流体またはガス１９０の熱侵入深さにより決定することができる。典型的なスタック１６５の容積充填率（volume-filling factor）は、約１％から約２％である。スタック１６５は、共振器チャンバ１５１´内に遠位端部１７５から離れて位置決めされ、スタック１６５にわたる最大圧力勾配が達成される。熱い熱交換器１６８は、共振器１５１の熱い端部１５７に熱的に連結され、冷たい熱交換器１７０および冷たい端部１７４から熱的に隔離される。冷たい熱交換機１７０は熱的に固定温度に留められ、通常は周囲温度に固定される。熱交換器１６８、１７０の両方は、薄いスクリーンとして形成することができ、これは効率的に音響透過性であるが、スタック１６５の各端部において固定温度を維持する。熱交換器１６８、１７０は、レーザーでパターン形成された銅またはアルミニウムから形成することができる。したがって、音響エネルギー変換器１５０は、複数の共振器１５１、１５２、１５３を有し、各共振器は、第１閉端部１５７´、１５８´１５９´、第２開端部１７５、１７７、１７９、および共振器チャンバ１５１´、１５２´、１５３´を備える。スタック１６５は、共振器チャンバ１５１´、１５２´、１５３´内に配置される。音響チャンバ１７８は、複数の共振器１５１、１５２、１５３の各第２開端部１７５、１７７、１７９に流体連通して連結される。

作動流体１９０が、共振器チャンバ１５１´、１５２´、１５３´とともに、内部音響チャンバ１７８内に配置される。電子−機械トランスデューサ１８２、この場合ピエゾ電気ドライバは、音響チャンバ１７８に連結され、作動流体１９０に流体連通する面１８２´を備え、共振器１５１、１５２、１５３により作動流体１９０に付与される振動により、電気−機械トランスデューサ１８２が電気を発生させる。スタック１６５は、第１側部１６５´および第２側部１６５´´を備え、スタック１６５は共振器１５１内に配置される。第１側部１６５´と第２側部１６５´´との間に温度勾配が形成される。熱交換器１６８は、スタック１６５の第１側部１６５´に隣接して配置され、熱交換器１７０は、スタック１６５の第２側部１６５´´に隣接して配置される。音響キャビティまたはチャンバ１７８は、共振器１５１、１５２、１５３の第２開端部１７５、１７７、１７９に流体連通する。音響キャビティ１７８は、音波１７６の少なくとも一部を共振器１５７、１５８、１５９の第１端部１５７´、１５８´、１５９´に向けて反射および増幅し、音響チャンバ１７８は、共振器１５１、１５２、１５３により生成された音波１７６の少なくとも一部を各共振器１５１、１５２、１５３の第１端部１５７´、１５８´、１５９´に向けて反射および増幅する。

スタック１７２にわたって生じる温度勾配は、共振器チャンバ１５１´内に定在音波１５４を形成する。空気、ヘリウム、アルゴン、これらの組み合わせ、または公知のガスなどの作動流体１９０は、共振器および音響チャンバ１５１´、１５２´、１５３´、１７８内に配置される。作動流体１９０により定在波１５４、１５５、１５６が形成される。

各熱音響装置１５１、１５２、１５３は、熱い側部と冷たい側部を画定する２つの区画を有する。熱音響装置の各区域は、熱交換器を備え、スタックに隣接する端部に熱的に固定される。多孔性の大表面積材料から形成されるスタック１６５は、熱的に各熱交換器に当接するように固定される。スタック材料は、温度勾配を維持することができるように構成される。スタックに沿う温度勾配は、共振器の熱い側部への熱の注入、および共振器の冷たい側部を室温または他の周囲温度のような固定温度に維持することにより達成および維持される。冷たい側部を周囲温度に維持するために熱シンク１８６が設けられる。

共振器チャンバ１５１´の遠位端部１７５は開いているので、遠位端部１７５から発される音波１７６は、音響キャビティまたはチャンバ１７８に入ることができる。各共振器１５１、１５２、１５３からの音波１７６は、チャンバ１７８内で組み合わされてフェーズロックされた音波１８０を形成し、ピエゾ電気トランスデューサ１８２に導かれてこれを打つ。トランスデューサ１８２が駆動されると、電流が発生して、前述のように電流はトランスデューサ１８２の電気リード１８３、１８４を通って電気回路に送られる。

エネルギー変換器１５０は、中間可聴周波数範囲から超音波領域まで動作するように構成される（たとえば、約２から２．６ｋＨｚ から 約２４ｋＨｚ以上の周波数）。これらの周波数範囲において、ピエゾ電気装置の高い感度およびその小型性から利点が得られる。音から電気への変換のためのピエゾ電気装置のような、トランスデューサの電気的形式は、高周波で動作する場合、および装置を小型化するなど小型化が問題となる場合、電磁気的な形式よりも優れている。熱音響装置は共振システムであるので、これらのサイズが共振周波数を決定し、それゆえ、これを小型化することで動作周波数が高くなる。装置のサイズの選択は用途により決定され、また、変換する電力の多寡により決定される。アレイから成るユニットは、小型化を維持して大きな電力レベルを扱う可能性を提供し、軽量のシステムを提供する可能性を提供する。

本発明のシステムの性能は動作条件により決定され、主に、システムを加熱する熱源により付与される温度差により決定される。熱量および結果として生じる温度差は、電力出力、効率、および振動のオンセットを決定するであろう。熱の入力が大きくなると、共振器内の音レベルは大きくなり、大きな発電を生じさせる。

本発明による熱音響装置のアレイにおいて、熱音響装置は、「フェーズロック」されるべきである。すなわち、各個別の熱音響装置の動作周波数はわずかに異なるので、振動のオンセットの初期条件によりその結果生じるフェーズもわずかに異なるということである。自己維持オシレータにおいて、初期フェーズは通常は任意である。したがって、アレイのフェーズをロックすることで、システムは最大パワー出力を達成することができる。個別の熱音響装置をフェーズロックすることは、本発明の音響チャンバを追加することで達成され、これは全ての音響ユニットの同位相運動の連結を提供する。このようなフェーズロックが達成されると、パワー出力は、直接的に、アレイ内の熱音響装置の数に依存し、最大パワー出力が達成される。

本発明のエネルギー変換器は、（共振器内および音チャンバ内のガス、およびピエゾ電気装置の曲げを除いて）本質的に移動する部品を持たない装置である。ガスは、空気とすることができるが、ヘリウムでもよく、あるいはアルゴンおよびヘリウムの混合ガスでもよく、あるいは、本技術分野で知られている他のガスでもよい。さらに、作動ガスは、高パワー密度で圧縮されうる。

中間可聴周波数範囲および低超音波周波数範囲で動作することにより、熱音響装置は、相対的に小型であり、高圧力レベルで容易に圧縮することができる。本発明の原理によれば、熱音響装置は、材料の強度に関わる問題を生じさせずに１００気圧およびそれ以上に圧縮できる。

共振器１５１は、熱音響エンジンの周波数を決定する。これは、スタック１６５に沿う温度勾配により生成される音響パルスから低在波１５４を形成することによりなされる。共振器１５４は、音響振動を維持するスタック１６５に正のフィードバックを提供する。共振器１５１は、４分の１波長、２分の１波長、または他の波長タイプのものとすることができる。４分の１波長共振器の場合、冷たい端部は開放される。共振器１５１と音響チャンバ１７８との間の開放端部におけるインピーダンスの差が存在することにより、音響波は共振器チャンバ１５１´に反射され、それにより低在波１５４が形成される。定量的には、定在波１５４は定在波比により説明される。これは、共振器の径が増加すると減少し、放射される進行波成分の大きな量を導く長さに対して増加する。発生する音のレベルはスタック１６５の断面積に依存するので、大きな共振器の径は大きな出力を提供するために用いることができる。高い定在波比は、振動のオンセットのための低温度差に好ましい。これは、より正のフィードバックが反射波により提供されるからである。それゆえ、幅広で短い共振器は、正のフィードバックのためにより大きなゲインが提供されない限り、振動のオンセットのためにスタック１６５にわたる大きな温度差を必要とするであろう。共振器１５１は、本質的に貯蔵素子であり、正のフィードバックを提供するためにおよび電気発電機１８２を駆動する音を生成するために、共振器１５１で音響エネルギーが形成される。これはまた、音生成における最適な性能のために、共振器チャンバ１５１´内部のスタック１６５の位置のために、空間的な音響フェージングを提供する。本発明の装置において唯一の「移動部分」は、作動ガスである（共振器１５１内のスタック１６５の端部において矢印で示され、共振器により決定される音響周波数で振動する）。

広い共振器の他の理由は、共振器の独特の表面層内の粘性損失および熱損失に比べて蓄積された音響エネルギーが大きいということである。音響キャビティ１７８は、システム内の正のフィードバックを増加させるのに用いられる。これは、共振器１５１内の定在波比が低い場合に特に重要であり、４分の１波長共振器が広くて短い場合に生じる。キャビティ１７８は、非共振のまたは共振の反射器として機能することができる。後者の場合、共振器１５１への正のフィードバックがもっとも高くなる。理想的には、キャビティ１７８は、共振器１５１においてまたはその付近で共振するべきである。音響チャンバ１７８を用いる他の利点はＱ値（quality factor）であり、幾何学的因子に依存してすなわち「Ｑ」値をフィードバックを増強するのに用いることができるということである。チャンバ１７８からの増加した正のフィードバックの重要な結果は、振動のオンセットのためのスタック１６５にわたる臨界温度差の低下である。ある種の用途では小さな温度差しか利用できないので、これは従来の装置と比較して特に有利である。チャンバ１７８の遠位端部１８８は、音をエネルギーに変換するこの例示的な実施形態であるピエゾ電気ドライバにおいて、発電機１８２を配置するのに都合のよい場所であることがわかるであろう。具体的な応用に依存して、キャビティ１７８の形状は、円筒形の断面を備え、テーパーの付いた円筒形の断面を備え、またはヘルムホルツ状または他の有利な幾何学的形状とすることができる。

本発明の熱−電気発生システム１５０は、熱を熱交換器１６８に注入するのに様々な方法をとることができる。火または加熱素子を熱源として用いることができる。熱は、熱交換器１６８を直接的に加熱することにより、または熱い熱交換機１６８が熱的に固定されている共振器１５１の熱区域１５７を加熱することにより、システム１５０に注入される。機械装置または電子装置からの排熱のような他の源からの熱を、図１に示されているように、金属熱伝導により熱い熱交換器１６８に注入することができる。同様に、適切な放射性同位元素を含む材料を、金属熱伝導により熱い熱交換器１６８に熱を注入するのに用いることができる。

発電機１８２は、モノモルフ構成またはバイモルフ構成のピエゾ電気素子とすることができる。各ピエゾ電気素子（「ピエゾ」）は、電流抽出の高インピーダンスを提供するキャパシタである。発電機１８２は、電気出力を最大化するように、共振器１５１の共振に同調することができる。発電機は圧力に敏感なユニットであるので、最適な性能は、最大の音圧の場所に発電機１８２を位置決めすることで達成され、この場所は、典型的には、熱音響共振器１５１、１５２、１５３の反対側の遠位端部である。

電力出力は、発電機が音響システム１５０装置と共振したときに最大化される。得られる電圧は、発電機１８２をバイモルフモードに構成することで大きくできる。ここでは、金属膜に取り付けられた２つのピエゾ素子が直列に接続され、このようなピエゾ素子は、バイメタルストリップのように振る舞い、音にさらされたときに最大電圧出力を提供する。

本発明によるシステム１５０は、約２ｋＨｚから約２４ｋＨｚの周波数範囲での動作で小型化できる。アレイ状にして用いることで、このようなシステムは、たとえば軍用用途の場合などに、４０ｋＨｚの超音波領域で動作するように構成することもできる。高パワー密度は、作動流体１９０を圧縮することで達成することができる。このような小型の熱音響エネルギー変換器は、超音波範囲の高周波領域で動作することができる。振動の低い温度差の閾値での動作は、様々な用途においてこのようなシステムを有用にする。

アレイ状で用いられる場合、本発明のシステム１５０は、数多くの用途において有用である。たとえば、このようなシステムは、レーダーシステムまたは高電力電子装置のような排熱を発生させる電子装置または機械装置に熱的に取り付けることができる。排熱は、システム１５０を稼動させ、それゆえ電気を生成する。他の用途において、システム１５０のアレイは、電力のポータブル源として利用することができる。たとえば、火からの熱をユニットを動作させるのに用い、用途のために電力を利用できるようにする。このようなシステムは、緊急時または戦場で有用であろう。典型的なアレイは、システム１０（図１）またはシステム１５０（図３）を１００個含むことができ、周囲温度に熱的に固定される冷たいプレートと、熱が注入される熱いプレートとの間で並列に連結される。１気圧の空気を用いることが考えられ、このような構造では７．５ワットを提供でき、また、２０気圧では約１５０ワットを提供しうる。このようなアレイ内の所望の数または有利な数のシステム１５０は、フェーズロックされ、単一のキャビティ１７８および単一の発電機１８２を共有することができる。たとえば、全部で１００のシステムは、単一のキャビティを共有でき、または、１０、２０、２５の複数のユニットが単一のキャビティを共有することができる。

本発明を最もよく理解できるようにするため、以下に本発明による装置の定量的な説明をする。典型的に、音場における空気の区画とスタックの各エレメントとの間を流れる熱流は、熱侵入深さδ_κにわたって生じ、熱侵入深さδκはガスの熱特性および音響周波数により決定される。この距離は以下で定義される。

ここで、ωは、音響角周波数であり、κは流体熱拡散率である。１気圧の空気の場合、５ｋＨｚでδ_κ＝４４μｍである。この特性寸法δ_κは、スタックの要素の間の空間を決定するガイドであり、すなわち、空間は、２δ_κから３δ_κの距離とすべきである。

スタックに沿う熱流は以下のように記述できる。

ここでβは流体の熱膨張係数、Ｔ_ｍは平均温度、ｐ_１は音圧振動の振幅、ｕ_１は音場の空気粒子速度、Πは各スタックの周りの外周長×各エレメントの数、Γは臨界温度勾配で標準化されたスタックに沿う温度勾配比、である。結果として生じる作動流体は次式で与えられる。

ここでρ_ｍは流体の平均密度、ｃ_ｐは一定圧力での比熱、Δｘはスタック長である。このエンジンの効率は次式で記述される。

これは以下のように簡略化される。

ここで、η_ｃはカルノー効率であり、ΔＴ／Ｔ_ｍおよびΓは、スタックに沿う温度勾配の臨界温度勾配∇Ｔ_ｃｒｉｔに対する比である。振動はΓ＞１の時に生じる。

臨界温度勾配∇Ｔ_ｃｒｉｔは、スタックから空気区画への熱流と、空気区画からスタックへの熱流と間の境界である。これは次式で与えられる。

ここで、γ＝等積比熱に対する等圧比熱の比
λバー＝音のラジアン波長
ｘ＝共振器内のもっとも近い音圧波腹に対するスタック位置
である。

上述のように、∇Ｔ_ｃｒｉｔは重要であり、これは振動のオンセットの∇Ｔの振幅を決定し、またこれはΓ＞１のときに生じる。

プライムムーバー（prime mover）は、エネルギー変換装置内で用いられるであろうから、このタイプのエンジンのパワー密度を見積もることは重要である。単位容積あたりのパワーは、熱流をエンジン容積で割ることにより計算できる（これは動作周波数ｆと逆に変化する）。

ここで、ａは流体内での音速、Ｍはマッハ数のようなもので非線形なふるまいの程度を示し、Ｐ_１／ρ_ｍａ^２に等しい。この数式は、大きなパワー密度が、高い動作週は数および高い平均ガス圧で達成されることを示す。本発明の重要な特徴の１つは、パワー密度をワット／ｃｍ^３のオーダーで非常に高くできるということであり、幾何学形状および動作条件によりより高くできるということである。本発明によるシステムは共振システムであるので、小型化は高周波数動作を導き、したがって、装置のパワー密度が大きくなりえる。本発明の共振器およびアレイのような小型のプライムムーバーは、ＭＥＭＳ（micro-electromechanical systems）技術を用いて製造することができる。

本発明を具体的な実施形態において説明したが、本発明は本開示の趣旨および範囲ないにおいてさらに修正することができる。本願は、本発明の一般的原理を用いた本発明のあらゆる変形形態、使用、適用をカバーすることを意図している。さらに、本願は、本発明の技術分野の当業者が認識する本開示を出発点とするあらゆる形態をカバーすることを意図している。

Claims (20)

1. 熱エネルギーを電気に変換するための熱音響エネルギー変換器であって、
   複数の共振器を有し、前記共振器の各々は、共振器チャンバを画定する第１端部および第２開放端部、および前記共振器チャンバ内に配置されるスタックを有し、
   前記熱音響エネルギー変換器はさらに、前記複数の共振器の各第２開放端部に連結し且つ流体連通する音響チャンバと、
   前記共振器チャンバの内側チャンバ内に配置される作動流体と、
   前記音響チャンバに連結され且つ前記作動流体と相互作用する電子−機械トランスデューサと、を有し、前記作動流体から前記電子−機械トランスデューサへの振動は、前記電子−機械トランスデューサを発電するように駆動し、
   前記音響チャンバは、前記複数の共振器から生成された音波の少なくとも一部を、前記複数の共振器の第１端部に向けて反射して増幅し、
   前記複数の共振器は、フェーズロックされる、熱音響エネルギー変換器。
2. 請求項１に記載の熱音響エネルギー変換器であって、前記スタックは、前記スタックの第１側部に隣接して配置され且つ前記共振器の熱い側部に熱的に連結される第１熱交換器と、前記スタックの第２側部に隣接して配置され且つ前記共振器の冷たい側部に熱的に連結される第２熱交換器と、を有し、前記共振器の冷たい側部は、前記音響チャンバに熱的に連結される、熱音響エネルギー変換器。
3. 請求項１に記載の熱音響エネルギー変換器であって、さらに各共振器に連結される熱連結機構を有し、前記熱連結機構は、熱エネルギーを前記熱連結機構から前記複数の熱交換器へ伝達して、各共振器内に少なくとも１つの定在波を形成する、熱音響エネルギー変換器。
4. 請求項３に記載の熱音響エネルギー変換器であって、前記電子−機械トランスデューサの面は、前記複数の共振器の前記スタックに概ね平行に配置され、且つ、前記複数の共振器の前記スタックに概ね同軸となるように整合される、熱音響エネルギー変換器。
5. 請求項１に記載の熱音響エネルギー変換器であって、前記電子−機械トランスデューサは、前記音響チャンバの端部に配置され、且つ、前記音響チャンバ内に配置される作動流体により流体連通する、熱音響エネルギー変換器。
6. 請求項１に記載の熱音響エネルギー変換器であって、各共振器は、概ね円筒形の共振器チャンバ、テーパーの付いた円筒形の共振器チャンバ、またはヘルムホルツ状共振器チャンバを備える、熱音響エネルギー変換器。
7. 請求項１に記載の熱音響エネルギー変換器であって、前記スタックは、コットンウールおよびガラスウールからなる材料の群から選択されるランダムファイバースタック材料を有する、熱音響エネルギー変換器。
8. 請求項１に記載の熱音響エネルギー変換器であって、前記作動流体は、空気、不活性ガス、および不活性ガスの混合ガスからなる群から選択される、熱音響エネルギー変換器。
9. 請求項１に記載の熱音響エネルギー変換器であって、前記電子−機械トランスデューサは、２０００Ｈｚより大きな周波数の音により駆動し、その音から発電することができる、ピエゾ電気素子を有する、熱音響エネルギー変換器。
10. 請求項９に記載の熱音響エネルギー変換器であって、前記ピエゾ電気素子は、超音波周波数の音により駆動でき、その音から発電できる、熱音響エネルギー変換器。
11. 請求項１に記載の熱音響エネルギー変換器であって、前記熱交換器は、熱伝導性金属メッシュを有する、熱音響エネルギー変換器。
12. 熱音響エネルギー発生器であって、
    熱連結素子と、
    前記熱連結素子に連結される複数の熱音響共振器と、を備え前記共振器の各々は、前記熱連結素子からの熱エネルギーにさらされたときに前記共振器内に定在波を発生させることができ、前記共振器は閉じた第１端部と第２開放端部とを有し、
    前記熱音響エネルギー発生器はさらに、前記複数の共振器の第２開放端部の各々に連結され且つ流体連通する第１端部を備える音響チャンバを有し、前記音響チャンバは、前記複数の共振器の１つの共振器チャンバよりも大きな容積を備え、
    前記熱音響エネルギー発生器はさらに、前記共振器チャンバおよび前記音響チャンバ内に配置される作動流体と、
    前記音響チャンバの第２端部に連結され且つ前記作動流体と相互作用するピエゾ電気トランスデューサと、を有し、前記作動流体から前記ピエゾ電気トランスデューサへの振動が、前記ピエゾ電気トランスデューサを駆動して電気を発生させ、
    前記複数の共振器はフェーズロックされる、熱音響エネルギー発生器。
13. 請求項１２に記載の熱音響エネルギー発生器であって、前記複数の熱音響共振器の各々は、スタックの第１側部に隣接して配置され且つ前記共振器の熱い側部に熱的に連結される第１熱交換器、および、前記スタックの第２側部に隣接して配置され且つ前記共振器の冷たい側部に熱的に連結される第２熱交換器を有し、前記共振器の冷たい側部は、前記音響チャンバに熱的に連結される、熱音響エネルギー発生器。
14. 請求項１２に記載の熱音響エネルギー発生器であって、前記ピエゾ電気トランスデューサの面は、前記複数の共振器の前記スタックに概ね平行であり且つ前記スタックと同軸に整合される、熱音響エネルギー発生器。
15. 請求項１２に記載の熱音響エネルギー発生器であって、前記ピエゾ電気トランスデューサは、前記音響チャンバの端部に配置され、前記音響チャンバ内に配置される前記作動流体と流体連通する、熱音響エネルギー発生器。
16. 請求項１２に記載の熱音響エネルギー発生器であって、前記共振器の各々は、概ね円筒形の共振器チャンバ、テーパーの付いた円筒形共振器チャンバ、または、ヘルムホルツ状共振器チャンバを備える、熱音響エネルギー発生器。
17. 請求項１３に記載の熱音響エネルギー発生器であって、前記スタックは、コットンウールおよびガラスウールからなる材料の群から選択されるランダムファイバースタック材料である、熱音響エネルギー発生器。
18. 請求項１２に記載の熱音響エネルギー発生器であって、前記作動流体は、空気、不活性ガス、不活性ガスの混合ガスからなるガスの群から選択される、熱音響エネルギー発生器。
19. 請求項１２に記載の熱音響エネルギー発生器であって、前記ピエゾ電気トランスデューサは、２０００Ｈｚより大きい周波数の音により駆動され、その音から電気を発生させることができる、熱音響エネルギー発生器。
20. 請求項１９に記載の熱音響エネルギー発生器であって、前記ピエゾ電気トランスデューサは、超音波周波数の音により駆動され、その音から電気を発生させることができる、熱音響エネルギー発生器。

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