JP6532819B2 - 熱音響エンジン - Google Patents

Description

本発明は、作動気体を自励振動させる熱音響エンジンに関する。

従来より、種々の産業分野にて、エネルギーの有効利用の推進が要求されている。例えば、工場等の設備、及び、車両等から排出されて棄却される排熱の量が未だ多いことに鑑み、熱エネルギーを高い効率で回収する技術が望まれている。本発明者は、この技術について鋭意検討した結果、作動気体を自励振動させることができる熱音響エンジンを利用することに着目した。この熱音響エンジンを用いて発電を行うシステム（以下、「熱音響発電システム」ともいう）の一例が、下記特許文献１に開示されている。

この熱音響発電システムで用いられている熱音響エンジンは、作動気体が封入された熱音響用配管に組み込まれる。この熱音響エンジンは、蓄熱器と、加熱器と、冷却器とを備える。蓄熱器は、熱音響用配管の長手方向に延びると共に、作動気体が通過する貫通した複数の流路を有する。加熱器は、蓄熱器の前記長手方向の一端部に接続され、蓄熱器の前記長手方向の一端部周辺の作動気体を加熱する。冷却器は、蓄熱器の前記長手方向の他端部に接続され、蓄熱器の前記長手方向の他端部周辺の作動気体を冷却する。

この熱音響エンジンによれば、蓄熱器の前記長手方向の両端部間に発生する温度勾配によって作動気体が自励振動することによって、熱音響用配管内にて音響エネルギーが発生する。更に、この熱音響発電システムでは、環状配管である熱音響用配管から分岐した分岐配管にリニア型の発電機が備えられている。この発電機を熱音響エンジンによって発生した音響エネルギーによって駆動することによって、発電が行われるように構成されている。

ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０８１１９３号公報

本発明者は、上記加熱器として、ブロックと、複数の管と、を備える形式のものを採用することを検討している。ブロックは、蓄熱器の前記一端部に接続される。ブロックは、蓄熱器の複数の流路の前記一端部と連通すると共に作動気体が通過する内部空間を有する。複数の管は、ブロックの内部空間を互いに離間して前記長手方向と垂直の方向に横断するようにブロックに組み付けられている。各管の断面は、前記長手方向に延びる扁平形状を有し、各管は、その扁平形状の延在方向両端部が外方へ突出する断面形状を有している。

加熱源から供給される加熱用流体が、複数の管内を通過する。複数の管内の加熱用流体と、ブロックの内部空間内の作動気体との間で熱交換が行われることによって、蓄熱器の前記長手方向の一端部周辺の作動気体が加熱される。

本発明者は、上述した形式の加熱器を採用するに際し、各管の外表面における「前記扁平形状の延在方向端部に対応すると共に、蓄熱器の前記一端部側の端面（蓄熱器端面）に面する部分」（以下、「蓄熱器側端部」と呼ぶ）を蓄熱器端面に接触させる形態と、各管の蓄熱器側端部を蓄熱器端面に接触させない形態と、を比較検討した。

その結果、加熱源の温度を３００℃以上の比較的高い温度に設定した場合には、発生した音響エネルギーに関して大きな差異が見られなかった。一方、加熱源の温度を比較的低い２００℃程度に設定した場合においては、各管の蓄熱器側端部を蓄熱器端面に接触させる形態の方が、より大きい音響エネルギーが発生し易いことが分かった。加えて、各管の蓄熱器側端部に形成した平面（前記長手方向と垂直な平面、蓄熱器端面と平行な平面）を蓄熱器端面に接触（面接触）させて接触面積を増大させる形態を採用すると、条件によっては、更に大きな音響エネルギーが発生し易いことも分かった。

上記の結果は、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、各管の蓄熱器側端部を蓄熱器端面に接触させると、複数の管が有する熱が蓄熱器の前記長手方向の一端部に直接伝達されるので、蓄熱器の前記長手方向の一端部の温度がより高くなる。これにより、蓄熱器の前記長手方向の一端部周辺の作動気体がより加熱される。この結果、蓄熱器の前記長手方向の両端部間により大きな温度勾配が発生して、より大きい音響エネルギーが発生する。

上述のように、各管の蓄熱器側端部に形成された平面を蓄熱器端面に接触させる形態を採用する場合、前記平面の幅をどの程度の大きさに設定すべきかが問題となる。即ち、前記平面の幅が小さ過ぎると、前記接触面積が小さ過ぎて、複数の管が有する熱が蓄熱器の前記長手方向の一端部に十分に伝達され難くなり、この結果、音響エネルギーが低下するという懸念がある。一方、前記平面の幅が大き過ぎると、各管が蓄熱器端面（従って、蓄熱器内の複数の流路）を塞ぐ面積が大きくなり過ぎて、熱音響エンジン内にて作動気体が移動し難くなり、この結果、音響エネルギーが低下するという懸念もある。

本発明者は、この点について鋭意検討した結果、より大きな音響エネルギーを得るために、前記平面の幅の大きさに関して必要となる条件を見出した。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、各管の蓄熱器側端部に形成された平面を蓄熱器端面に接触させる形態の加熱器を採用した熱音響エンジンであって、大きな音響エネルギーを得ることができるものを提供することである。

本発明に係る熱音響エンジンでは、前記複数の管の断面形状が同形であり、前記複数の管は、前記ブロックの内部空間を前記長手方向と垂直の方向に互いに平行に横断するように配置されている。

前記蓄熱器の前記蓄熱器端面における、全面積に対する、前記複数の流路の面積の総和の割合を蓄熱器開口率（Ａ）とし、前記各管の前記扁平形状の延在方向中央部分における幅を管中央幅（ａ）とし、前記各管の前記平面の幅を管端部幅（ｂ）とし、互いに離間して平行に配置されている前記複数の管の間隔を管ピッチ（ｐ）とし、前記管ピッチに対する、前記管ピッチから前記管端部幅を減じた値の割合（（ｐ−ｂ）/ｐ）を端部開口率（Ｂ）とし、前記管ピッチに対する、前記管ピッチから前記管中央幅を減じた値の割合（（ｐ−ａ）/ｐ）を中央開口率（Ｃ）とし、前記蓄熱器開口率と前記端部開口率との積（Ａ×Ｂ）を総合開口率（Ｅ）とする。

本発明に係る熱音響エンジンでは、管中央幅（ａ）が管端部幅（ｂ）より大きいことが前提となっている。これにより、管内を通過する加熱用流体の流路面積を十分に確保しつつ、総合開口率（Ｅ）を適切な値に調整し易くなる。また、本発明に係る熱音響エンジンでは、前記中央開口率（Ｃ）が前記蓄熱器開口率（Ａ）より小さいことも前提となっている。

本発明に係る熱音響エンジンの特徴は、総合開口率に対する中央開口率の割合（Ｃ／Ｅ）が、９４〜１１１％であることにある。本発明者の検討によれば、この条件を満たすことにより、この条件を満たさない場合と比べて、より大きな音響エネルギーを得ることができることが判明した（詳細については後述する）。

図１は、本発明にかかる熱音響エンジンを含む熱音響発電システムの概略構成を模式的に示す図である。 図２は、図１に示した熱音響エンジンの構成を模式的に示す図である。 図３は、図２に示した蓄熱器の端面（複数の流路）の一例を示す図である。 図４は、図２に示した加熱器の構成を模式的に示す図である。 図５は、蓄熱器と加熱器とが組み付けられた状態を模式的に示す図である。 図６は、図５における複数の管の先端部の周りを拡大して示した図である。 図７は、潰し加工の前後での管の先端部の形状の変化の様子を示す図である。 図８は、加熱器のブロック単体を模式的に示した図である。 図９は、潰し加工後の複数の管をブロックに組み付けた状態を模式的に示す図である。 図１０は、ブロックに組み付けられた潰し加工後の複数の管の先端部に放電加工を行う様子を模式的に示す図である。 図１１は、放電加工の前後での管の先端部の形状の変化の様子を示す図である。 図１２は、各開口率と、得られる音響エネルギーとの関係に関する実験結果の一例を示したグラフである。

以下、本発明に係る熱音響エンジンの実施形態について図面を参照しながら説明する。

（構成）
図１に示すように、熱音響発電システム１００は、金属製の配管からなる配管構成部１０１を備えている。配管構成部１０１は、環状（ループ状）の配管部分である環状配管１０２と、環状配管１０２から分岐し且つその管内空間が環状配管１０２の管内空間と連通する分岐配管１０３と、を含む。この環状配管１０２が本発明の「熱音響用配管」に相当する。なお、環状配管１０２は環状である限りにおいて、その側面視の全体形状として、円形、楕円形、多角形等、種々の形状のものが採用され得る。

分岐配管１０３は、環状配管１０２から分岐する分岐点を一方端１０３ａとし、この一方端１０３ａから他方端１０３ｂまで長尺状に延びる配管部分である。分岐配管１０３が他方端１０３ｂにてエネルギー取り出し部１６０によって封止されている。環状配管１０２及び分岐配管１０３の双方に所定の作動気体（本実施形態では、ヘリウム）が所定圧力下で封入されている。尚、作動気体としては、ヘリウムに代えて或いは加えて、窒素、アルゴン、ヘリウム及びアルゴンの混合気体、空気等が採用され得る。

環状配管１０２には、直列に接続された３つの熱音響エンジン（「原動機」ともいう）１１０が設けられている。これら３つの熱音響エンジン１１０によって、所謂「多段型の熱音響エンジン」が構成されている。各熱音響エンジン１１０は、環状配管１０２の管内に組み込まれた蓄熱器１１１と、蓄熱器１１１の高温部である一端部１１１ａに対向して配置された加熱器１１２と、蓄熱器１１１の常温部（或いは低温部）である他端部１１１ｂに対向して配置された冷却器１１３と、を備えている。この熱音響エンジン１１０が本発明の「熱音響エンジン」に相当する。なお、熱音響エンジン１１０の設置数は、３つに限定されるものではなく、必要に応じてその他の設置数が選択され得る。

図２、及び、図３に示すように、各蓄熱器１１１は、環状配管１０２の配管長手方向（配管の延在方向、ｘ軸方向）に垂直な方向の断面の形状が円形となる円柱状の構造体である。各蓄熱器１１１の配管長手方向の両端面は、配管長手方向（ｘ軸方向）と垂直な平面である。各蓄熱器１１１は、一端部１１１ａと他端部１１１ｂとの間で配管長手方向（ｘ軸方向）に沿って互いに平行に延びる貫通した複数の流路１１１ｃを有する。この複数の流路１１１ｃを作動気体が通過するようになっている。

図３に示す例では、複数の流路１１１ｃは、蓄熱器１１１の内部を縦横に仕切る多数の壁によってマトリクス状に区画・形成されている。なお、蓄熱器１１１の内部にて配管長手方向に延びる貫通した複数の流路が形成されている限りにおいて、蓄熱器１１１の内部は、ハニカム状等を含みどのように仕切られていてもよい。この蓄熱器１１１が本発明の「蓄熱器」に相当する。

蓄熱器１１１としては、例えば、典型的にはセラミック製の構造体や、ステンレス鋼によるメッシュ薄板の複数を微小ピッチで平行に積層した構造体、金属繊維からなる不織布状物などを用いることができる。尚、蓄熱器１１１として横断面が円形のもの代えて、横断面が楕円形、多角形等のものを採用することもできる。

蓄熱器１１１において、一端部１１１ａと他端部１１１ｂとの間に所定の温度勾配が生じると、環状配管１０２内の作動気体が不安定になって自励振動する。この結果、作動気体の進行方向と平行に振動する縦波による振動波（「音波」、「振動流」或いは「仕事流」ともいう）が形成され、この振動波が環状配管１０２の管内から分岐配管１０３の管内へと伝わるようになっている。

図２に示すように、各加熱器１１２は、加熱源１２０に接続されている。加熱源１２０は、温風、温水等の加熱用流体を各加熱器１１２に供給する機能を果たす。図２、及び、図４に示すように、各加熱器１１２は、蓄熱器１１１の一端部１１１ａに組み付けられるブロック１１２ａと、ブロック１１２ａに組み付けられる複数の管１１２ｂ、とを備える。ブロック１１２ａには、配管長手方向（ｘ軸方向）に沿って貫通する円柱状の内部空間１１２ｃが形成されている。内部空間１１２ｃは、蓄熱器１１１の複数の流路１１１ｃと連通しており、内部空間１１２ｃを作動気体が通過するようになっている。

ブロック１１２ａの側面には、配管長手方向（ｘ軸方向）に延びる長穴状の複数の同形の貫通穴１１２ａａが、配管長手方向と垂直な第１方向（ｚ軸方向）に沿って、且つ、配管長手方向及び第１方向と垂直な第２方向（ｙ軸方向）にて所定の間隔（以下、「管ピッチｐ」と呼ぶ）をもって形成されている。各管１１２ｂの断面は、同形であり、貫通穴１１２ａａに対応する長穴状の扁平形状を有している。なお、各管１１２ｂの断面が長穴状の扁平形状を有しているのは、管内を流れる加熱用流体の流路面積を十分に確保するためである。

複数の管１１２ｂは、対応する貫通穴１１２ａａにそれぞれ挿入・固定されることによって、内部空間１１２ｃを互いに離間して第１方向（ｚ軸方向）に横断するように、ブロック１１２ａに組み付けられている。この結果、各管１１２ｂの前記扁平形状の延在方向が配管長手方向（ｘ軸方向）と一致するように、複数の管１１２ｂが整列している。貫通穴１１２ａａと管１１２ｂとの接触部には、内部に封入された作動気体が外部に漏れ出ないように所定のシール処理が施されている。この加熱器１１２が本発明の「加熱器」に相当する。

複数の管１１２ｂは、加熱源１２０と接続されている。加熱源１２０から供給される加熱用流体を複数の管１１２ｂに流すことによって、複数の管１１２ｂ内の加熱用流体と、ブロック１１２ａの内部空間１１２ｃ内の作動気体との間で熱交換が行われる。この結果、蓄熱器１１１の一端部１１１ａ周辺の作動気体が加熱されるようになっている。熱交換後の温度が低下した加熱用流体は、加熱源１２０に戻されて再び加熱されるようになっている。

各冷却器１１３も、上述した加熱器１１２と同様の構成を有している。即ち、図２に示すように、各冷却器１１３は、冷却源１３０に接続されている。冷却源１３０は、冷風、冷水等の冷却用流体を各冷却器１１３に供給する機能を果たす。各冷却器１１３は、蓄熱器１１１の他端部１１１ｂに組み付けられるブロック１１３ａと、ブロック１１３ａに組み付けられる複数の管１１３ｂ、とを備える。ブロック１１３ａには、配管長手方向（ｘ軸方向）に沿って貫通する円柱状の内部空間が形成されている。この内部空間は、蓄熱器１１１の複数の流路１１１ｃと連通しており、この内部空間を作動気体が通過するようになっている。断面が扁平形状の複数の管１１３ｂは、この内部空間を互いに離間して第１方向（ｚ軸方向）に横断するように、ブロック１１３ａに組み付けられている。この冷却器１１３が本発明の「冷却器」に相当する。

複数の管１１３ｂは、冷却源１３０と接続されている。冷却源１３０から供給される冷却用流体を複数の管１１３ｂに流すことによって、複数の管１１３ｂ内の冷却用流体と、ブロック１１３ａの内部空間内の作動気体との間で熱交換が行われる。この結果、蓄熱器１１１の他端部１１１ｂ周辺の作動気体が冷却されるようになっている。熱交換後の温度が上昇した冷却用流体は、冷却源１３０に戻されて再び冷却されるようになっている。

上述した加熱器１１２による加熱作用と冷却器１１３による冷却作用との協働によって、各蓄熱器１１１において一端部１１１ａと他端部１１１ｂとの間に所定の温度勾配が生じる。即ち、加熱器１１２及び冷却器１１３は、配管構成部１０１に封入された作動気体を自励振動させるために各蓄熱器１１１の複数の流路１１１ｃの両端部間に温度勾配が生じるように作動気体との間で熱交換を行う熱交換器を構成している。

図１に戻り、分岐配管１０３は、環状配管１０２とタービン１４０との間に直線状に延在する第１配管部１０４と、タービン１４０を挟んで環状配管１０２とは反対側に直線状に延在する第２配管部１０５と、第１配管部１０４と第２配管部１０５を連結するようにクランク状に屈曲したクランク配管部１０６と、を備えている。

タービン１４０は、分岐配管１０３の管内に連通するように構成され、分岐配管１０３の管内を流れる作動気体の振動波による音響エネルギー（「振動エネルギー」ともいう）を機械的な回転エネルギーに変換する機能を果たす。即ち、このタービン１４０は、分岐配管１０３に設けられ熱音響エンジン１１０における作動気体の自励振動によって生じた音響エネルギーを受けて回転する。タービン１４０には、このタービン１４０の回転による運動エネルギー（回転エネルギー）を電力に変換するための発電機１５０が接続されている。

分岐配管１０３の他方端１０３ｂ、即ち、第２配管１０５の両側の管端部のうちタービン１４０とは反対側の管端部には、作動気体の音響エネルギーを分岐配管１０３から管外に取り出すためのエネルギー取り出し部１６０が設けられている。このエネルギー取り出し部１６０は、典型的には圧力振動を受けて電気エネルギー（電力）を出力することが可能な公知のリニア発電機やスピーカー型発電機等によって構成される。更には、分岐配管１０３の他方端１０３ｂに、エネルギー取り出し部１６０に代えて、作動気体の振動吸収が可能な振動吸収材（スポンジ、ウレタン等）を設置してもよい。

（作動）
以下、上記のように構成された熱音響発電システム１００の作動について、前述の内容に沿って簡単に説明する。図１に示すように、各熱音響エンジン１１０において、蓄熱器１１１の一端部１１１ａが加熱器１１２によって加熱され、且つ蓄熱器１１１の他端部１１１ｂが冷却器１１３によって冷却されると、蓄熱器１１１の一端部１１１ａと他端部１１１ｂとの間に温度差が生じる。この温度差によって、各蓄熱器１１１では主として作動気体の自励振動による振動波が形成される。この振動波（音波）による音響エネルギー（振動エネルギー）は、配管構成部１０１の環状配管１０２から分岐配管１０３を通じてタービン１４０に伝達され、更にはエネルギー取り出し部１６０に伝達される。この場合、分岐配管１０３は、熱音響エンジン１１０において発生した作動気体の音響エネルギーを導くための共鳴管（導波管）として構成される。音響エネルギーの一部は、エネルギー取り出し手段であるタービン１４０によって取り出され当該タービン１４０に接続された発電機１５０によって電気エネルギー（電力）に変換され、またエネルギー取り出し部１６０によって取り出されて所定のエネルギー（例えば、振動エネルギーや電気エネルギー等）に変換される。

（加熱器の複数の管の蓄熱器側端部と、蓄熱器の蓄熱器端面と、の接触）
以下、説明の便宜上、各蓄熱器１１１の配管長手方向（ｘ軸方向）の両端面（図３を参照）を「蓄熱器端面」と呼び、加熱器１１２の各管１１２ｂの外表面における「蓄熱器端面」に面する部分を「蓄熱器側端部」と呼ぶ。図４に示すように、各管１１２ｂの前記扁平形状の延在方向が配管長手方向（ｘ軸方向）と一致している。従って、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」は、前記扁平形状の延在方向の端部に対応している。また、上述したように、「蓄熱器端面」は、配管長手方向（ｘ軸方向）と垂直な平面である。

図５に示すように、本実施形態では、蓄熱器１１１と加熱器１１２とが組み付けられた状態において、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」が、蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触している。更には、図５における「蓄熱器側端部」と「蓄熱器端面」との接触部分を拡大した図６に示すように、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」には、配管長手方向（ｘ軸方向）と垂直な（従って、「蓄熱器端面」と平行な）平面ｈがそれぞれ形成されている。即ち、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」の平面ｈが、蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触（面接触）している。

図６に示すように、管１１２ｂの幅（前記扁平形状の延在方向の中央部分における幅）を「管中央幅ａ」とし、管１１２ｂの「蓄熱器側端部」の平面ｈの幅を「管端部幅ｂ」としたとき、「ｂ＜ａ」という関係が成立している。なお、図５に示すように、各管１１２ｂにおける「蓄熱器側端部」とは反対側の前記扁平形状の延在方向の端部の外表面には平面が形成されておらず、この外表面は、外方へ突出する曲面となっている。しかしながら、この外表面にも、「蓄熱器側端部」と同様の平面が形成されていてもよい。

このように、本実施形態において、「各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」の平面ｈが蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触する構成」が採用されたのは、以下の理由に基づく。即ち、本発明者は、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」を「蓄熱器端面」に接触させる形態と、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」を「蓄熱器端面」に接触させない形態と、を比較検討した。

その結果、加熱源１２０の温度を３００℃以上の比較的高い温度に設定した場合には、発生した音響エネルギーに関して大きな差異が見られなかった。一方、加熱源１２０の温度を比較的低い２００℃程度に設定した場合においては、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」を「蓄熱器端面」に接触させる形態の方が、より大きい音響エネルギーが発生し易いことが分かった。加えて、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」に平面ｈを形成し、この平面ｈを「蓄熱器端面」に接触（面接触）させて接触面積を増大させる形態を採用すると、条件によっては、更に大きな音響エネルギーが発生し易いことも分かった。以上のことから、本実施形態では、「各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」の平面ｈが蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触する構成」が採用されている。

上記の検討結果は、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」を「蓄熱器端面」に接触させると、複数の管１１２ｂが有する熱が蓄熱器１１１の一端部１１１ａに直接伝達されるので、蓄熱器１１１の一端部１１１ａの温度がより高くなる。これにより、蓄熱器１１１の一端部１１１ａの周辺の作動気体がより加熱される。この結果、蓄熱器１１１の両端部１１１ａ、１１１ｂ間により大きな温度勾配が発生して、より大きい音響エネルギーが発生する。加えて、平面ｈを「蓄熱器端面」に接触（面接触）させると、平面ｈが形成されていない「蓄熱器側端部」（外方に突出する曲面）を「蓄熱器端面」に接触（線接触）させる場合と比べて、接触面積が増大して、より多くの熱が複数の管１１２ｂから蓄熱器１１１の一端部１１１ａに伝達される。従って、更に大きな温度勾配が発生し、更に大きい音響エネルギーが発生する。

なお、本実施形態では、上述のように、加熱器１１２側について、「各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」の平面ｈが蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触する構成」が採用されているが（図５を参照）、冷却器１１３側については、「各管１１３ｂの「蓄熱器側端部」が蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触する構成」が採用されていても、「各管１１３ｂの「蓄熱器側端部」が蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触しない構成」が採用されていてもよい。また、「各管１１３ｂの「蓄熱器側端部」が蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触する構成」が採用されている場合、各管１１３ｂの「蓄熱器側端部」に平面ｈが形成されていても、形成されていなくてもよい。

（製造方法）
以下、上述のように構成された熱音響エンジン１１０の製造方法について説明する。先ず、完成した蓄熱器１１１、加熱器１１２用のブロック１１２ａ、冷却器１１３用のブロック１１３ａが準備される。また、扁平形状の延在方向両端部が外方へ突出する断面形状（長穴状の断面形状）を有する（平面ｈが形成されていない）、加熱器１１２用の複数の管１１２ｂ、及び、冷却器１１３用の複数の管１１３ｂが準備される。

次いで、図７に示すように、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」に対して「潰し加工」を加えて（塑性変形させて）、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」に、平面ｈの基礎となる平面状部分ｈ１が形成される。この平面状部分ｈ１の表面の面精度（平面度、表面粗さ等）は、平面ｈに対して劣る。従って、仮に、この平面状部分ｈ１を蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」と接触させたとしても、上述した「接触面積の増大による熱伝達量の増大効果」は望めない。

この「潰し加工」は、各管１１２ｂがブロック１１２ａに組み付けられる前に行われるが、各管１１２ｂがブロック１１２ａに組み付けられた後に行われてもよい。「潰し加工」の手法としては、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」に平面状部分ｈ１が形成され、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」以外の部分を塑性変形させない限りにおいて、どのような手法が採用されてもよい。なお、上述のように、冷却器１１３側の各管１１３ｂに対しては、上記「潰し加工」が加えられても加えられなくてもよい。

次に、「潰し加工」が加えられた複数の管１１２ｂが、ブロック１１２ａの対応する貫通穴１１２ａａ（図８を参照）にそれぞれ挿入・固定され（図９を参照）、上述した所定のシール処理が施される。同様に、複数の管１１３ｂが、ブロック１１３ａの対応する貫通穴にそれぞれ挿入・固定され、上述した所定のシール処理が施される。

続いて、各管１１２ｂの平面状部分ｈ１の面精度を高めるため、図１０に示すように、「潰し加工」が加えられた複数の管１１２ｂをブロック１１２ａに組み付けた状態にて、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」（即ち、平面状部分ｈ１）に対して「放電加工」が加えられる。この「放電加工」は、ブロック１１２ａが蓄熱器１１１に組み付けられる前に行われる。この「放電加工」は、図１０に示すように、放電加工機が有する放電電極の平面の端面を、配管長手方向（ｘ軸方向）と垂直に維持しながら、ブロック１１２ａの蓄熱器１１１側の開口から、複数の管１１２ｂの外表面（より具体的には、平面状部分ｈ１）のそれぞれに近づけることによって一度に行われる。この結果、図１１に示すように、各管１１２ｂの平面状部分ｈ１の面精度が高くなり、各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」に平面ｈがそれぞれ形成される。なお、冷却器１１３側の各管１１３ｂに対しては、「潰し加工」が加えられた場合にのみ上述と同様の「放電加工」が加えられる。なお、各管１１２ｂの平面状部分ｈ１の面精度を高めることができる手法であれば、「放電加工」に代えて、エンドミル加工等どのような手法が採用されてもよい。

そして、複数の管１１２ｂが組み付けられたブロック１１２ａ（即ち、加熱器１１２）、及び、複数の管１１３ｂが組み付けられたブロック１１３ａ（即ち、冷却器１１３）をそれぞれ蓄熱器１１１に組み付けることによって、熱音響エンジン１１０が完成する。この状態では、図５に示すように、加熱器１１２の各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」の平面ｈが、蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」とそれぞれ接触している。

（加熱器の複数の管の蓄熱器側端部に形成された平面の幅の最適な範囲）
ところで、上記実施形態のように、加熱器１１２の各管１１２ｂの「蓄熱器側端部」に形成された平面ｈを蓄熱器１１１の「蓄熱器端面」に接触させる形態を採用する場合、平面ｈの幅（＝上述した管端部幅ｂ、図６を参照）をどの程度の大きさに設定すべきかが重要である。

即ち、管端部幅ｂが小さ過ぎると、平面ｈと「蓄熱器端面」との接触面積が小さ過ぎて、複数の管１１２ｂが有する熱が蓄熱器１１１の一端部１１１ａに十分に伝達され難くなり、この結果、音響エネルギーが低下するという懸念がある。一方、管端部幅ｂが大き過ぎると、各管１１２ｂが「蓄熱器端面」（従って、蓄熱器１１１内の複数の流路１１１ｃ）を塞ぐ面積が大きくなり過ぎて、熱音響エンジン１１０内にて作動気体が移動し難くなり、この結果、音響エネルギーが低下するという懸念もある。

本発明者は、この点について鋭意検討した結果、より大きな音響エネルギーを得るために、管端部幅ｂの大きさに関して必要となる条件を見出した。以下、先ず、その説明の準備として、この検討に際して本発明者が着目した種々の開口率を定義しておく。

蓄熱器１１の「蓄熱器端面」（図３を参照）における、全面積に対する、複数の流路１１１ｃの面積の総和の割合を、蓄熱器開口率「Ａ」とする。管ピッチｐ（図４、６を参照）に対する、「管ピッチｐから管端部幅ｂ（図６を参照）を減じた値」の割合（（ｐ−ｂ）/ｐ）を端部開口率「Ｂ」とする。管ピッチｐに対する、「管ピッチｐから管中央幅ａ（図６を参照）を減じた値」の割合（（ｐ−ａ）/ｐ）を中央開口率「Ｃ」とする。そして、蓄熱器開口率Ａと端部開口率Ｂとの積（Ａ×Ｂ）を総合開口率「Ｅ」とする。

上記実施形態では、上述のように、管中央幅ａが管端部幅ｂより大きいことが前提となっている。これにより、管１１２ｂ内を通過する加熱用流体の流路面積を十分に確保しつつ、総合開口率Ｅを適切な値に調整し易くなる。また、上記実施形態では、中央開口率Ｃが蓄熱器開口率Ａより小さいことも前提となっている。

本発明者は、総合開口率Ｅに対する中央開口率Ｃの割合「Ｃ／Ｅ」に着目した。そして、本発明者は、実験を行った結果、値「Ｃ／Ｅ」が９４〜１１１％の範囲内にある場合、そうでない場合と比べて、より大きな音響エネルギーを得ることができることを見出した。以下、この点について、実験の結果を示す表１、及び、図１２を参照しながら説明する。

表１に示すように、実験１〜実験５という５種類の実験が行われた。実験１〜実験５において、熱音響エンジン１１０（蓄熱器１１１＋加熱器１１２＋冷却器１１３）に関し、複数の管１１２ｂの管端部幅ｂのみが異なっており、それ以外の全ての諸元（形状、寸法、材質等）が同じとされた。

具体的には、表１に示すように、特に、管中央幅ａが２．０ｍｍで一定とされ、管ピッチｐが４．０ｍｍで一定とされ、蓄熱器開口率Ａが７５％で一定とされ、管端部幅ｂのみが０．０〜２．０の間で推移している。管端部幅ｂの調整は、上述した「潰し加工」における「潰し」（塑性変形）の程度、及び、「放電加工」における「削り」の程度を調整することによってなされた。

また、円柱状の蓄熱器１１１の外径は４０ｍｍ、配管長手方向（ｘ軸方向）長さは３０ｍｍであった。各管１１２ｂの前記扁平形状の延在方向の長さは３０ｍｍであった。複数の管１１２ｂの「蓄熱器側端部」に形成された平面ｈは「蓄熱器端面」に接触しているが、冷却器１１３側の複数の管１１３ｂの「蓄熱器側端部」には平面が形成されず、且つ、管１１３ｂの「蓄熱器側端部」は「蓄熱器端面」に接触していない。冷却器１１３側の複数の管１１３ｂの断面形状は、複数の管１１２ｂの断面形状（「蓄熱器側端部」を除く）と同じとされ、冷却器１１３側の複数の管１１３ｂの「管ピッチ」も、複数の管１１２ｂの「管ピッチｐ」と同じとされた。

実験１〜実験５において、管ピッチｐ及び管中央幅ａが一定とされていることにより、中央開口率Ｃは５０％で一定となっている。一方、管端部幅ｂが異なっていることにより、端部開口率Ｂは１００〜５０％の間で推移している。このように、端部開口率Ｂが異なることによって、蓄熱器開口率Ａが一定であるにもかかわらず、総合開口率Ｅ（＝Ａ×Ｂ）が７５〜３８％の間で推移している。

実験１〜実験５において、熱音響エンジン１１０の稼働条件が同じとされた。具体的には、作動気体として、ヘリウムが使用された。加熱用流体として、空気が使用された。加熱源１２０の温度は２００℃とされた。加熱用流体の流量（単位時間あたりに流れる流体の質量）は、１．５ｍ^３／ｍｉｎであった。冷却用流体として、水道水が使用された。冷却源１３０の温度は１５℃とされた。冷却用流体の流量（単位時間あたりに流れる流体の質量）は、０．０１５ｍ^３／ｍｉｎであった。この条件にて、熱音響エンジン１１０が、図１に示すように熱音響発電システム１００に組み込まれて稼働された。

その結果、表１、及び、図１２（音響エネルギーを示す棒グラフ）に示すように、得られる音響エネルギーは、値「Ｃ／Ｅ」と強い相関があることが判明した。そして、値「Ｃ／Ｅ」が、９４〜１１１％である場合、そうでない場合と比べて、より大きな音響エネルギーを得ることができることが判明した。換言すれば、総合開口率Ｅが中央開口率Ｃに近づくように、管端部幅ｂ（即ち、平面ｈの幅）を調整することにより、より大きな音響エネルギーを得ることができる、といえる。

なお、上述した実験では、蓄熱器開口率Ａが７５％で一定であり、中央開口率Ｃが５０％で一定であったが、本発明者は、蓄熱器開口率Ａ及び中央開口率Ｃの組み合わせを種々異ならせても、上記と同様、値「Ｃ／Ｅ」が９４〜１１１％である場合にそうでない場合と比べてより大きな音響エネルギーが得られることを別途確認している。

１００…熱音響発電システム、１１０…熱音響エンジン、１１１…蓄熱器、１１１ａ…一端部、１１１ｂ…他端部、１１１ｃ…複数の流路、１１２…加熱器、１１２ａ…ブロック、１１２ｂ…管、１１２ｃ…内部空間、１１３…冷却器、１１３ａ…ブロック、１１３ｂ…管、１２０…加熱源、１３０…冷却源、ｈ…平面

Claims (1)

1. 作動気体が封入された熱音響用配管に組み込まれる熱音響エンジンであって、
   前記熱音響用配管の長手方向に延びると共に前記作動気体が通過する貫通した複数の流路を有する蓄熱器と、
   前記蓄熱器の前記長手方向の一端部に接続され、前記蓄熱器の前記長手方向の一端部周辺の前記作動気体を加熱する加熱器と、
   前記蓄熱器の前記長手方向の他端部に接続され、前記蓄熱器の前記長手方向の他端部周辺の前記作動気体を冷却する冷却器と、
   を備え、
   前記加熱器は、前記蓄熱器の前記一端部に接続されるブロックであって、前記複数の流路の前記一端部と連通すると共に前記作動気体が通過する内部空間を有するブロックと、前記ブロックの内部空間を互いに離間して前記長手方向と垂直の方向に横断するように前記ブロックに組み付けられた複数の管であって、加熱源から供給される加熱用流体がその内部を通過する複数の管と、を備え、
   前記蓄熱器の前記一端部側の端面である蓄熱器端面は、前記長手方向と垂直な平面であり、
   前記各管の断面は前記長手方向に延びる扁平形状を有し、前記各管の外表面における前記扁平形状の延在方向端部に対応すると共に前記蓄熱器端面に面する部分には前記長手方向と垂直な平面が形成されており、前記各管の前記平面が前記蓄熱器端面にそれぞれ接触している、熱音響エンジンであり、
   前記複数の管の断面形状が同形であり、前記複数の管は、前記ブロックの内部空間を前記長手方向と垂直の方向に互いに平行に横断するように配置されており、
   前記蓄熱器の前記蓄熱器端面における、全面積に対する、前記複数の流路の面積の総和の割合を蓄熱器開口率（Ａ）とし、
   前記各管の前記扁平形状の延在方向中央部分における幅を管中央幅（ａ）とし、
   前記各管の前記平面の幅を管端部幅（ｂ）とし、
   互いに離間して平行に配置されている前記複数の管の間隔を管ピッチ（ｐ）とし、
   前記管ピッチに対する、前記管ピッチから前記管端部幅を減じた値の割合（（ｐ−ｂ）/ｐ）を端部開口率（Ｂ）とし、
   前記管ピッチに対する、前記管ピッチから前記管中央幅を減じた値の割合（（ｐ−ａ）/ｐ）を中央開口率（Ｃ）とし、
   前記蓄熱器開口率と前記端部開口率との積（Ａ×Ｂ）を総合開口率（Ｅ）としたとき、
   前記中央開口率（Ｃ）が、前記蓄熱器開口率（Ａ）より小さく、
   前記管中央幅（ａ）が、前記管端部幅（ｂ）より大きく、
   前記総合開口率に対する前記中央開口率の割合（Ｃ／Ｅ）が、９４〜１１１％である、熱音響エンジン。

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