JP6938095B2 - Thermoacoustic engine - Google Patents
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Description
本発明は、熱音響機関に関する。 The present invention relates to a thermoacoustic engine.
従来より、作動気体が封入された配管に原動機が組み込まれた熱音響機関が知られている（例えば、特許文献１を参照）。原動機は、蓄熱器と、蓄熱器の一端側に隣接配置された高温側熱交換器と、蓄熱器の他端側に隣接配置された低温側熱交換器と、を有する。蓄熱器の両端側にそれぞれ隣接配置された高温側・低温側熱交換器の作用により、蓄熱器の両端部間にて温度勾配が発生する。この温度勾配によって作動気体が自励振動することで、蓄熱器内にて、熱エネルギーが音響パワーに変換される。このように熱音響機関で発生した音響パワーは、典型的には、リニア発電機の発電駆動、及び、冷凍機の冷凍作動などに使用され得る。 Conventionally, a thermoacoustic engine in which a prime mover is incorporated in a pipe in which a working gas is sealed has been known (see, for example, Patent Document 1). The prime mover has a heat storage device, a high temperature side heat exchanger arranged adjacent to one end side of the heat storage device, and a low temperature side heat exchanger arranged adjacent to the other end side of the heat storage device. Due to the action of the high temperature side and low temperature side heat exchangers arranged adjacent to each other on both ends of the heat storage device, a temperature gradient is generated between both ends of the heat storage device. The working gas self-excited and vibrates due to this temperature gradient, and the thermal energy is converted into sound power in the heat storage device. The acoustic power generated by the thermoacoustic engine in this way can typically be used for power generation drive of a linear generator, refrigeration operation of a refrigerator, and the like.
特許文献１に記載の熱音響機関では、作動気体が封入された配管が、環状の環状配管部と、環状配管部の一部（分岐点）から分岐して延びる分岐配管部と、を備える。環状配管部には、単一の第１原動機が組み込まれ、分岐配管部には、複数（図１では、２つ）の第２原動機が直列に組み込まれている。
In the thermoacoustic engine described in
第１原動機は、作動気体の音響パワーを発生させる。各第２原動機は、第１原動機により発生して分岐点から分岐配管部の他端側に向けて進む音響パワーを増幅させる。これにより、第１原動機により発生した音響パワーが、それぞれの第２原動機を通過する度に増幅されるので、分岐配管部の他端側では、大きな音響パワーを取り出すことができる。 The first prime mover generates the acoustic power of the working gas. Each second prime mover amplifies the sound power generated by the first prime mover and traveling from the branch point toward the other end side of the branch pipe portion. As a result, the sound power generated by the first prime mover is amplified each time it passes through each of the second prime movers, so that a large acoustic power can be taken out from the other end side of the branch piping portion.
ところで、熱音響機関の配管内における音響インピーダンス値は、配管の延在方向位置に対して周期的にインピーダンスピーク範囲に最大値をとるように変動する。ここで、音響インピーダンス値とは、「作動気体の圧力振動」を「作動気体の流速振動」で除することで求めることができる。このような配管の延在方向位置に対する音響インピーダンス分布は、境界条件等を与えることにより、数値計算によって求めることができる。 By the way, the acoustic impedance value in the pipe of the thermoacoustic engine fluctuates so as to take the maximum value in the impedance peak range periodically with respect to the position in the extending direction of the pipe. Here, the acoustic impedance value can be obtained by dividing the "pressure vibration of the working gas" by the "flow velocity vibration of the working gas". The acoustic impedance distribution with respect to the extension direction position of such a pipe can be obtained by numerical calculation by giving boundary conditions and the like.
分岐配管部に組み込まれた第２原動機による音響パワーの増幅率を高めるためには、第２原動機を、インピーダンスピーク範囲内の最大値近傍位置に配置することが好ましいと考えられる。これは、以下の理由による。 In order to increase the amplification factor of the sound power by the second prime mover incorporated in the branch piping portion, it is considered preferable to arrange the second prime mover at a position near the maximum value within the impedance peak range. This is due to the following reasons.
即ち、音響インピーダンス値が大きいことは、作動気体の圧力振動が大きく且つ作動気体の流速振動が小さいことを意味する。作動気体の圧力振動（従って、圧力のピーク値）が大きいと、粘性散逸が小さくなる．従って、第２原動機を、分岐配管部におけるインピーダンスピーク範囲内の最大値近傍位置に配置すると、粘性散逸を小さく抑えながら音響パワーを大きく増幅することができる。即ち、音響パワーの増幅率が高くなる。 That is, a large acoustic impedance value means that the pressure vibration of the working gas is large and the flow velocity vibration of the working gas is small. The larger the pressure vibration of the working gas (and therefore the peak pressure value), the smaller the viscous dissipation. Therefore, if the second prime mover is arranged at a position near the maximum value within the impedance peak range in the branch piping portion, the acoustic power can be greatly amplified while suppressing the viscous dissipation to a small value. That is, the amplification factor of sound power becomes high.
特許文献１には、複数の第２原動機の配置については、「分岐配管部の延在方向に適宜な間隔で任意の複数個配置される」旨の記載があるのみであり（段落００２３を参照）、音響インピーダンスのピーク位置、或いはその近傍位置に第２原動機を配置する点については何らの記載も示唆もなされていない。
ここで、分岐配管部の延在方向において複数現れるピーク位置それぞれに１つの第２原動機を配置する構成を採用することが考えられる。しかしながら、この構成を採用すると、隣接するピーク位置の間隔が比較的長くなることに起因して、隣接する第２原動機の間隔が比較的長くなる。この結果、分岐配管部の全長が長くなり、ひいては熱音響機関全体が大型化するという問題が発生する。 Here, it is conceivable to adopt a configuration in which one second prime mover is arranged at each of a plurality of peak positions appearing in the extending direction of the branch piping portion. However, when this configuration is adopted, the distance between adjacent peak positions becomes relatively long, so that the distance between adjacent second prime movers becomes relatively long. As a result, the total length of the branch piping portion becomes long, which causes a problem that the entire thermoacoustic engine becomes large.
本発明は上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、環状配管部に配置された第１原動機にて発生した音響パワーを増幅するために分岐配管部にて複数の第２原動機が直列に配置された熱音響機関であって、機関全体の大型化を抑制しつつ、第２原動機による音響パワーの増幅率を高めることができるもの、を提供することである。 The present invention has been made to address the above problems, and an object of the present invention is to amplify the acoustic power generated by the first prime mover arranged in the annular pipe section in order to amplify the acoustic power generated in the branch pipe section. It is an object of the present invention to provide a thermoacoustic engine in which prime movers are arranged in series, which can increase the amplification factor of sound power by the second prime mover while suppressing an increase in the size of the entire engine.
本発明に係る熱音響機関では、上述と同様、環状配管部にて、作動気体の音響パワーを発生させるための第１原動機が配置され、分岐配管部にて、その音響パワーを増幅するための複数の第２原動機が直列に配置される。ここで、第１、第２原動機の双方は、進行波型原動機である。進行波型原動機については後述する。 In the thermoacoustic engine according to the present invention, as described above, the first prime mover for generating the acoustic power of the working gas is arranged in the annular piping portion, and the acoustic power is amplified in the branch piping portion. A plurality of second prime movers are arranged in series. Here, both the first and second prime movers are traveling wave type prime movers. The traveling wave type prime mover will be described later.
本発明に係る熱音響機関の特徴は、分岐配管部の延在方向位置に対する音響インピーダンス分布において、作動気体の密度をρ、音速をｃとしたとき、音響インピーダンス値が１つのインピーダンスピーク範囲内に最大値をとるピーク位置を含み、且つ、音響インピーダンス値が３ρｃ以上となる配管延在方向位置の範囲内において、複数の第２原動機が配置されたことにある。以下、説明の便宜上、「１つのピーク位置を含み、且つ、音響インピーダンス値が３ρｃ以上となる配管延在方向位置の範囲」を「ピーク範囲」と呼ぶ。 The feature of the thermoacoustic engine according to the present invention is that the acoustic impedance value is within one impedance peak range when the density of the working gas is ρ and the sound velocity is c in the acoustic impedance distribution with respect to the extending direction position of the branch piping portion. A plurality of second prime movers are arranged within the range of the position in the pipe extending direction in which the acoustic impedance value is 3ρc or more, including the peak position having the maximum value. Hereinafter, for convenience of explanation, "a range of positions in the pipe extending direction including one peak position and having an acoustic impedance value of 3ρc or more" is referred to as a "peak range".
一般に、値「ρｃ」は、進行波が一様に広域的に分布する際の音響インピーダンス値に相当し、特性インピーダンス値とも呼ばれる。本発明者は、音響インピーダンス値が特性インピーダンス値の３倍以上となる範囲（即ち、ピーク範囲）に進行波型原動機を配置すれば、入力された音響パワーが十分に大きく増幅され得ることを見出した。 Generally, the value "ρc" corresponds to the acoustic impedance value when the traveling wave is uniformly and widely distributed, and is also called the characteristic impedance value. The present inventor has found that the input acoustic power can be sufficiently amplified by arranging the traveling wave type prime mover in a range in which the acoustic impedance value is three times or more the characteristic impedance value (that is, the peak range). rice field.
上述した本発明に係る熱音響機関の特徴は係る知見に基づく。即ち、複数の第２原動機の全てを１つのピーク範囲内に配置することで、隣接する第２原動機の間隔が非常に短くなり、且つ、それぞれの第２原動機について音響パワーの増幅効率が大きくなる。この結果、分岐配管部の全長を短くしつつ（即ち、機関全体の大型化を抑制しつつ）、第２原動機による増幅効率を高めることができる。 The characteristics of the thermoacoustic engine according to the present invention described above are based on the above findings. That is, by arranging all of the plurality of second prime movers within one peak range, the interval between adjacent second prime movers becomes very short, and the sound power amplification efficiency of each second prime mover becomes large. .. As a result, it is possible to increase the amplification efficiency by the second prime mover while shortening the total length of the branch piping portion (that is, suppressing the increase in size of the entire engine).
更には、第１、第２原動機の双方は、進行波型原動機である。通常、定在波型原動機は、熱流を音響パワーに不可逆的にエネルギー変換するために一般的に熱効率が低い。進行波型原動機については、熱流を音響パワーに可逆的にエネルギー変換する原動機である。従って、進行波型原動機を用いることによって、高効率の熱音響機関を実現することができる。 Furthermore, both the first and second prime movers are traveling wave type prime movers. Standing wave prime movers usually have low thermal efficiency because they irreversibly convert heat flow into sound power. The traveling wave type prime mover is a prime mover that reversibly converts heat flow into sound power. Therefore, a highly efficient thermoacoustic engine can be realized by using a traveling wave type prime mover.
以下、本発明の実施形態に係る熱音響機関１について図面を参照しながら説明する。
Hereinafter, the
（構成）
図１に示すように、熱音響機関１は、金属製の配管１０と、配管１０に組み込まれた第１原動機２０と、配管１０に組み込まれた複数の第２原動機３０と、を備える。以下、各構成部材について順に説明していく。
(composition)
As shown in FIG. 1, the
先ず、配管１０について説明する。配管１０は、環状（ループ状）の配管部分である環状配管部１１と、環状配管部１１から分岐し且つその管内空間が環状配管部１１の管内空間と連通する分岐配管部１２と、で構成されている。分岐配管部１２は、環状配管部１１から分岐する分岐点Ａから他端Ｂまで直線状に延びる配管部分である。分岐配管部１２の他端Ｂには、熱音響機関１により発生する音響パワーを利用して稼働する負荷４０が接続されている。負荷４０としては、典型的には、後述するように、熱音響発電機、及び、熱音響冷凍機などが接続される。
First, the
配管１０は、実際には、複数の直線状の配管、及び、屈曲した配管を所定の連結部材（典型的には、ボルトとナット）を用いて繋ぎ合わすことで構成されている。分岐配管部１２は、図１に示す例では、直線状に延びる配管部分となっているが、曲線状に延びる配管部分であっても、曲線状に延びる配管部分と直線状に延びる配管部分とを組み合わせた配管部分であってもよいことはもちろんである。
The
配管１０の全体、即ち、環状配管部１１及び分岐配管部１２の双方には、負荷４０との協働のもと、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、空気、それらの混合気体等が採用され得る。以上、配管１０について説明した。
A predetermined working gas (helium in this embodiment) is sealed under a predetermined pressure in the
次に、第１原動機２０について説明する。第１原動機２０は、環状配管部１１の途中に組み込まれている。第１原動機２０は、環状配管部１１の管内に組み込まれた蓄熱器２１と、蓄熱器２１の高温側の端部に隣接配置された高温側熱交換器２２と、蓄熱器２１の低温側の端部に隣接配置された低温側熱交換器２３と、を備える。なお、本例では、単一の第１原動機２０が設けられているが、必要に応じて、環状配管部１１において複数の第１原動機２０が直列に組み込まれていてもよい。
Next, the first
蓄熱器２１は、例えば、環状配管部１１の延在方向に垂直な方向の断面が円形となる円柱状の構造体である。蓄熱器２１は、環状配管部１１の延在方向に沿って互いに平行に延びる貫通した複数の流路を有する。この複数の流路内にて作動気体が振動するようになっている。
The
蓄熱器２１内の複数の流路は、典型的には、蓄熱器２１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２１の内部にて環状配管部１１の延在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２１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。
The plurality of channels in the
蓄熱器２１としては、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２１として横断面が円形のものに代えて、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。
As the
蓄熱器２１の両端部間に所定の温度勾配が生じると、環状配管部１１内の作動気体が不安定になって環状配管部１２の延在方向に沿って自励振動する。この結果、環状配管部１１の延在方向に沿って振動する波振動が形成され、この振動が、環状配管部１１を循環すると共に、分岐点Ａを介して分岐配管部１２へと伝わるようになっている。
When a predetermined temperature gradient is generated between both ends of the
ここで、作動気体の自励振動に起因する振動は、進行波と定在波とに分類され得る。進行波は、一方向に進行する波である。このため、進行波は、音響パワーの伝搬に伴うエネルギーロスが少ない。加えて、進行波増幅の際には、可逆的なエネルギー変換が行われる。従って、蓄熱器で進行波を増幅させると、高効率のエネルギー変換を実現し易い。一方、定在波は、反射を伴う波の重ね合わせである。このため、音響パワーの伝搬に伴うエネルギーロスが大きい。加えて、定在波発生の際には、不可逆的なエネルギー変換が行われる。従って、蓄熱器で定在波を発生させると、高効率のエネルギー変換を実現し難い。 Here, the vibration caused by the self-excited vibration of the working gas can be classified into a traveling wave and a standing wave. A traveling wave is a wave that travels in one direction. Therefore, the traveling wave has less energy loss due to the propagation of sound power. In addition, reversible energy conversion is performed during traveling wave amplification. Therefore, if the traveling wave is amplified by the heat storage device, it is easy to realize highly efficient energy conversion. On the other hand, a standing wave is a superposition of waves with reflection. Therefore, the energy loss due to the propagation of sound power is large. In addition, irreversible energy conversion is performed when a standing wave is generated. Therefore, if a standing wave is generated by a heat storage device, it is difficult to realize highly efficient energy conversion.
以下、進行波を増幅させる蓄熱器を「進行波型蓄熱器」と呼び、進行波型蓄熱器を備えた原動機を「進行波型原動機」と呼ぶ。また、定在波を発生させる蓄熱器を「定在波型蓄熱器」と呼び、定在波型蓄熱器を備えた原動機を「定在波型原動機」と呼ぶ。 Hereinafter, the heat storage device that amplifies the traveling wave is referred to as a "traveling wave type heat storage device", and the prime mover provided with the traveling wave type heat storage device is referred to as a "traveling wave type prime mover". Further, a heat storage device that generates a standing wave is called a "standing wave type heat storage device", and a prime mover equipped with a standing wave type heat storage device is called a "standing wave type prime mover".
本明細書では、蓄熱器内の各流路の断面の半径を「ｒ」、作動気体の熱境界層厚さを「δ」としたとき、「ｒ／δ ＜ １」を満たし，かつ進行波位相を利用したエネルギー変換を行う場合を進行波型蓄熱器と定義し、「ｒ／δ ≧ １」かつ定在波位相を利用したエネルギー変換を行う場合を定在波型蓄熱器と定義する。 In the present specification, when the radius of the cross section of each flow path in the regenerator is "r" and the thickness of the thermal boundary layer of the working gas is "δ", "r / δ <1" is satisfied and the traveling wave. The case of performing energy conversion using the phase is defined as a traveling wave type regenerator, and the case of performing energy conversion using the standing wave phase with "r / δ ≧ 1" is defined as a standing wave type regenerator.
ここで、「ｒ」とは、流路の断面形状が円形である場合には、その円の半径を指し、流路の断面形状が円形ではない場合には、その断面形状の面積と同じ面積を有する等価円の半径を指すものとする。「δ」は、作動気体の種類、及び、作動気体の振動周波数等に応じて一義的に決定される値であり、物理的には、流路の内壁面の温度と作動気体の温度とが一致すると見なせる壁面近傍環状領域における径方向の厚さを意味する。従って、「ｒ／δ ＜ １」を満たす進行波型蓄熱器内の各流路では、流路内の径方向の全域に亘って内壁面の温度と作動気体の温度とが一致する。 Here, "r" refers to the radius of the circle when the cross-sectional shape of the flow path is circular, and when the cross-sectional shape of the flow path is not circular, the area is the same as the area of the cross-sectional shape. It shall refer to the radius of the equivalent circle having. “Δ” is a value uniquely determined according to the type of working gas, the vibration frequency of the working gas, etc., and physically, the temperature of the inner wall surface of the flow path and the temperature of the working gas are It means the radial thickness in the annular region near the wall surface that can be regarded as matching. Therefore, in each flow path in the traveling wave type heat storage device satisfying "r / δ <1", the temperature of the inner wall surface and the temperature of the working gas coincide with each other over the entire radial direction in the flow path.
図１に示す蓄熱器２１としては、進行波型蓄熱器が採用されている。従って、第１原動機２０は、進行波型原動機である。
As the
高温側熱交換器２２は、高温側の熱源（図示省略）と接続され、低温側熱交換器２３は、高温側の熱源より温度が低い低温側の熱源（図示省略）と接続されている。典型的には、高温側の熱源、及び、低温側の熱源として、それぞれ、常温より温度が高い熱源、及び、常温の熱源が使用される。常温より温度が高い熱源としては、例えば、工場の排熱に係る熱源が使用され得る。なお、高温側の熱源、及び、低温側の熱源として、それぞれ、常温の熱源、及び、常温より温度が低い熱源が使用されてもよい。
The high temperature
高温側熱交換器２２では、高温側の熱源から供給される媒体と高温側熱交換器２２内の作動気体との間で熱交換が行われる。これにより、蓄熱器２１の高温側の端部周辺の作動気体の温度が、高温側の熱源の温度に近づくように調整される。低温側熱交換器２３では、低温側の熱源から供給される媒体と低温側熱交換器２３内の作動気体との間で熱交換が行われる。これにより、蓄熱器２１の低温側の端部周辺の作動気体の温度が、低温側の熱源の温度に近づくように調整される。なお、高温側熱交換器２２及び低温側熱交換器２３の構成としては、周知の熱交換器の構成が使用され得る。
In the high temperature
上述した高温側熱交換器２２及び低温側熱交換器２３の双方の協働によって、蓄熱器２１の両端部間に温度勾配が生じる。即ち、高温側熱交換器２２及び低温側熱交換器２３は、配管１０に封入された作動気体を自励振動させるために蓄熱器２１内の複数の流路の両端部間に温度勾配が生じるよう作動気体との間で熱交換を行う。
Due to the cooperation of both the high temperature
このように、環状配管部１１に組み込まれた進行波型原動機である第１原動機２０は、環状配管部１１において音響パワーを増幅する機能を有する。以上、第１原動機２０について説明した。
As described above, the first
次に、第２原動機３０について説明する。第２原動機３０は、分岐配管部１２の途中に直列に複数組み込まれている。図１に示す例では、２つの第２原動機３０が、分岐配管部１２に直列に組み込まれている。
Next, the second
各第２原動機３０は、上述した第１原動機２０と同様の構成を有する。即ち、各第２原動機３０は、分岐配管部１２の管内に組み込まれた蓄熱器３１と、蓄熱器３１の高温側の端部に隣接配置された高温側熱交換器３２と、蓄熱器３１の低温側の端部に隣接配置された低温側熱交換器３３と、を備える。
Each second
蓄熱器３１、高温側熱交換器３２、及び、低温側熱交換器３３のそれぞれの構成は、第１原動機２０の蓄熱器２１、高温側熱交換器２２、及び、低温側熱交換器２３の構成と同様であるので、ここでは、これらの説明を省略する。各第２原動機３０においても、第１原動機２０と同様、蓄熱器３１として、進行波型蓄熱器が採用されている。従って、各第２原動機３０も、第１原動機２０と同様、進行波型原動機である。
Each configuration of the
分岐配管部１２に直列に組み込まれた２つの第２原動機３０はそれぞれ、第１原動機２０によって発生した音響パワーを増幅する機能を有する。２つの第２原動機３０の分岐配管部１２における配置については後述する。
Each of the two second
なお、図１には示されていないが、環状配管部１１内における作動気体の音響質量流の発生を防止するために、環状配管部１１の一部に遮断膜が介挿されていてもよい。遮断膜は、作動気体そのものの通過（移動）を禁止する一方で、作動気体の振動に伴って振動可能であるので、作動気体の振動（音響パワー）の伝達は許容する。 Although not shown in FIG. 1, a blocking film may be inserted in a part of the annular pipe portion 11 in order to prevent the generation of an acoustic mass flow of the working gas in the annular pipe portion 11. .. While the blocking film prohibits the passage (movement) of the working gas itself, it can vibrate with the vibration of the working gas, so that the vibration (sound power) of the working gas is allowed to be transmitted.
このため、遮断膜には、作動気体そのものの通過（移動）を禁止し得る程度の気密性と、周縁部が固定された状態で中央部が環状配管部１１の延在方向に振動できる程度の柔軟性（弾性）とが要求される。遮断膜を構成する材料としては、金属、ガラス、セラミックス、樹脂、ゴム、繊維などが採用され得る。 For this reason, the blocking film is airtight enough to prohibit the passage (movement) of the working gas itself, and the central portion can vibrate in the extending direction of the annular pipe portion 11 with the peripheral portion fixed. Flexibility (elasticity) is required. As a material constituting the blocking film, metal, glass, ceramics, resin, rubber, fiber and the like can be adopted.
（作動）
以下、上記のように構成された熱音響機関１の作動について、前述の内容に沿って簡単に説明する。熱音響機関１において、第１原動機２０の高温側熱交換器２２及び低温側熱交換器２３、及び、各第２原動機３０の高温側熱交換器３２及び低温側熱交換器３３をそれぞれ稼働させると、第１原動機２０について、高温側熱交換器２２及び低温側熱交換器２３の双方の協働によって、蓄熱器２１の両端部間に温度勾配が生じる。この温度勾配によって、蓄熱器２１では作動気体の自励振動による振動（具体的には、進行波）が形成される。
(Operation)
Hereinafter, the operation of the
このように第１原動機２０によって発生した音響パワーは、環状配管部１１において第１原動機２０の内部を低温側から高温側へ通過する向き（図１において、環状配管部１１内の２本の黒矢印が指し示す向き）に循環すると共に、その一部の音響パワーが、分岐点Ａを介して分岐配管部１２に進入し、分岐点Ａから分岐配管部１２の他端Ｂに向けて移動する（図１において、分岐配管部１２内の２本の黒矢印を参照）。
In this way, the sound power generated by the first
分岐配管部１２を他端Ｂに向けて移動する音響パワーは、それぞれの第２原動機３０を通過する度に増幅される。この結果、図１の下部に示すように、分岐配管部１２を通過する音響パワーも、それぞれの第２原動機３０を通過する度に増幅される。この結果、分岐配管部１２の他端Ｂに接続された負荷４０には、複数回増幅された大きな音響パワーを与えることができる。
The sound power that moves the
（分岐配管部内における２つの第２原動機３０の配置）
分岐配管部１２の他端Ｂに接続された負荷４０により大きい音響パワーを与えるためには、分岐配管部１２に組み込まれた２つの第２原動機３０のそれぞれによる音響パワーの増幅率を高める必要がある。第２原動機３０による音響パワーの増幅率と、分岐配管部１２の延在方向における第２原動機３０の配置位置での音響インピーダンス値と、は密接な関係がある。
(Arrangement of two second
In order to give a larger acoustic power to the
音響インピーダンス値は、作動気体の圧力振動を「Ｐ」、作動気体の流速振動を「Ｕ」としたとき、「Ｐ／Ｕ」で表すことができる。音響インピーダンス値は、配管の延在方向位置に対して周期的にインピーダンスピーク範囲内に最大値をとるように変動する。このような配管の延在方向位置に対する音響インピーダンス分布は、境界条件等を与えることにより、数値計算によって求めることができる。 The acoustic impedance value can be expressed as "P / U" when the pressure vibration of the working gas is "P" and the flow velocity vibration of the working gas is "U". The acoustic impedance value fluctuates so as to take the maximum value within the impedance peak range periodically with respect to the position in the extending direction of the pipe. The acoustic impedance distribution with respect to the extension direction position of such a pipe can be obtained by numerical calculation by giving boundary conditions and the like.
図２に示す例では、分岐配管部１２について、分岐配管部１２の一端Ａ（分岐点）に環状配管部１１が接続され、分岐配管部１２の他端Ｂに負荷４０が接続され、分岐配管部１２の延在方向中央付近にて２つの第２原動機３０が配置されている。
In the example shown in FIG. 2, for the
このことに起因して、音響インピーダンス値（＝Ｐ／Ｕ）は、図２の下部に示すように、分岐配管部１２において、他端Ｂ及び中央位置Ｃにてインピーダンスピーク範囲内の最大値をとるように分布する。
Due to this, the acoustic impedance value (= P / U) is the maximum value within the impedance peak range at the other end B and the center position C in the
分岐配管部１２に組み込まれた２つの第２原動機３０のそれぞれによる音響パワーの増幅率を高めるためには、それぞれの第２原動機３０を、インピーダンスピーク範囲内の最大値近傍付近に配置することが好ましいと考えられる。これは、以下の理由による。
In order to increase the amplification factor of the sound power by each of the two second
即ち、音響インピーダンス値（＝Ｐ／Ｕ）が大きいことは、作動気体の圧力振動Ｐが大きく且つ作動気体の流速振動Ｕが小さいことを意味する。作動気体の圧力振動Ｐ（従って、圧力のピーク値）が大きいと、作動気体を押し出す力（即ち、音響パワーを増幅する力）が大きくなる。作動気体の流速振動Ｕ（従って、流速のピーク値）が小さいと、作動気体の移動に起因するエネルギーロスが小さくなる。従って、第２原動機３０を、分岐配管部１２におけるピーク位置、或いはその近傍位置に配置すると、エネルギーロスを小さく抑えながら音響パワーを大きく増幅することができる。即ち、音響パワーの増幅率が高くなる。
That is, a large acoustic impedance value (= P / U) means that the pressure vibration P of the working gas is large and the flow velocity vibration U of the working gas is small. When the pressure vibration P of the working gas (hence, the peak value of the pressure) is large, the force for pushing out the working gas (that is, the force for amplifying the acoustic power) becomes large. When the flow velocity vibration U (hence, the peak value of the flow velocity) of the working gas is small, the energy loss due to the movement of the working gas becomes small. Therefore, if the second
ここで、作動気体の密度をρ、音速をｃとしたとき、「音響インピーダンス値が１つのインピーダンスピーク範囲に最大値をとるピーク位置を含み、且つ、音響インピーダンス値が３ρｃ以上となる配管延在方向位置の範囲」を「ピーク範囲」（図２を参照）と呼ぶ。 Here, when the density of the working gas is ρ and the sound velocity is c, "the pipe extension that includes the peak position where the acoustic impedance value has the maximum value in one impedance peak range and the acoustic impedance value is 3ρc or more". The "range of directional position" is called the "peak range" (see FIG. 2).
一般に、値「ρｃ」は、進行波が一様に広域的に分布する際の音響インピーダンス値に相当し、特性インピーダンス値とも呼ばれる。本発明者は、音響インピーダンス値が特性インピーダンス値の３倍以上となる範囲（即ち、図２に示すピーク範囲）に進行波型原動機を配置すれば、進行波型原動機に入力された音響パワーが十分に大きく増幅されて出力され得ることを見出した。 Generally, the value "ρc" corresponds to the acoustic impedance value when the traveling wave is uniformly and widely distributed, and is also called the characteristic impedance value. If the traveling wave type prime mover is arranged in a range in which the acoustic impedance value is three times or more the characteristic impedance value (that is, the peak range shown in FIG. 2), the present inventor can obtain the acoustic power input to the traveling wave type prime mover. We have found that it can be amplified sufficiently and output.
係る知見に基づき、本発明の実施形態に係る熱音響機関１では、図２に示すように、２つの第２原動機３０の双方がピーク範囲内に配置されている。このため、隣接する２つの第２原動機３０の間隔が非常に短くなり、且つ、それぞれの第２原動機３０について音響パワーの増幅率が大きくなる。この結果、分岐配管部１２の全長を短くしつつ（即ち、熱音響機関１全体の大型化を抑制しつつ）、分岐配管部１２の他端Ｂに接続された負荷４０により大きい音響パワーを与えることができる。
Based on this finding, in the
以下、分岐配管部１２の他端Ｂに接続された負荷４０について付言する。負荷４０としては、典型的には、図３に示す熱音響発電機５０、及び、図４に示す熱音響冷凍機６０が接続される。
Hereinafter, the
図３に示す例では、分岐配管部１２の他端Ｂを介して、上述のように複数回増幅された音響パワーが熱音響発電機５０（具体的には、リニア発電機）に伝達される。熱音響発電機５０に音響パワーが伝達されると、振動に基づいて熱音響発電機５０内のピストン（図示省略）が往復運動することで、音響パワーが電気エネルギーに変換される。このように、音響パワーを利用して、熱音響発電機５０により発電駆動が行われる。
In the example shown in FIG. 3, the acoustic power amplified a plurality of times as described above is transmitted to the thermoacoustic generator 50 (specifically, the linear generator) through the other end B of the
図４に示す例では、分岐配管部１２の他端Ｂに環状配管部１３が接続され、環状配管部１３の一部に熱音響冷凍機６０が組み込まれている。熱音響冷凍機６０は、上述した第１原動機２０と同様の構成を有する。即ち、熱音響冷凍機６０は、環状配管部１３の管内に組み込まれた蓄熱器６１と、蓄熱器６１の高温側の端部に隣接配置された高温側熱交換器６２と、蓄熱器６１の低温側の端部に隣接配置された低温側熱交換器６３と、を備える。
In the example shown in FIG. 4, the
蓄熱器６１、高温側熱交換器６２、及び、低温側熱交換器６３のそれぞれの構成は、第１原動機２０の蓄熱器２１、高温側熱交換器２２、及び、低温側熱交換器２３の構成と同様であるので、ここでは、これらの説明を省略する。
Each configuration of the
高温側熱交換器６２は、常温の熱源（図示省略）と接続され、低温側熱交換器６３は、常温より低い温度（低温）に維持すべき対象物に接続される。高温側熱交換器６２では、常温の熱源から供給される媒体と高温側熱交換器６２内の作動気体との間で熱交換が行われる。これにより、蓄熱器６１の高温側の端部周辺の作動気体の温度が、常温に近づくように調整される。
The high temperature
２つの第２原動機３０によって増幅された音響パワーが、分岐配管部１２の他端Ｂを介して環状配管部１３内を循環し（図４において、環状配管部１３内の２本の黒矢印を参照）、蓄熱器６１内に伝達されると、その進行波による音響パワーにより、蓄熱器６１の両端部間に温度勾配が生じる。
The sound power amplified by the two second
この結果、蓄熱器６１の低温側の端部周辺の作動気体の温度が、蓄熱器６１の両端部間に生じている温度勾配に相当する温度比分だけ常温より低い温度に調整される。この常温より低い温度の作動気体が低温側熱交換器６３内に供給されることで、低温側熱交換器６３では、常温より低い温度の作動気体と対象物との間で熱交換が行われる。これにより、対象物の温度が、低温に維持されるように調整される。このように、音響パワーを利用して、熱音響冷凍機６０により冷凍作動が行われる。
As a result, the temperature of the working gas around the end portion on the low temperature side of the
（作用・効果）
以上説明したように、本発明の実施形態に係る熱音響機関１によれば、複数（具体的には、２つ）の第２原動機３０の全てを１つのピーク範囲内に配置することで、隣接する第２原動機３０の間隔が非常に短くなり、且つ、それぞれの第２原動機３０について音響パワーの増幅率が大きくなる。この結果、分岐配管部１２の全長を短くしつつ（即ち、熱音響機関１全体の大型化を抑制しつつ）、分岐配管部１２の他端Ｂに接続された負荷４０により大きい音響パワーを与えることができる。
(Action / effect)
As described above, according to the
更には、第１、第２原動機２０，３０の双方が、進行波型原動機である。進行波型原動機は、不可逆的なエネルギー変換を行い且つ音響パワーの伝搬に伴うエネルギーロスが大きい定在波型原動機とは異なり、可逆的なエネルギー変換を行い且つ音響パワーの伝搬に伴うエネルギーロスが少ない。従って、高効率の熱音響機関を実現することができる。
Furthermore, both the first and second
本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施形態を応用した次の各形態を実施することもできる。 The present invention is not limited to the above-mentioned typical embodiments, and various applications and modifications can be considered as long as the object of the present invention is not deviated. For example, the following embodiments to which the above embodiments are applied can also be implemented.
上記実施形態では、図１に示すように、分岐配管部１２に組み込まれた２つの第２原動機３０の全てが１つのピーク範囲内に配置されているが、分岐配管部１２に組み込まれた３つ以上の第２原動機３０の全てが１つのピーク範囲内に配置されていてもよい。
In the above embodiment, as shown in FIG. 1, all of the two second
また、上記実施形態では、分岐配管部１２に組み込まれた複数の第２原動機３０の全てが１つのピーク範囲内に配置されているが、分岐配管部１２に組み込まれた複数の第２原動機３０のうち一部の複数の第２原動機３０が１つのピーク範囲内に配置され、残りの１つ又は複数の第２原動機３０が、ピーク範囲外に配置されていてもよい。
Further, in the above embodiment, all of the plurality of second
また、上記実施形態では、分岐配管部１２に組み込まれた複数の第２原動機３０の構成部品の全部が１つのピーク範囲内に配置されているが、複数の第２原動機３０の構成部品のうち少なくともそれぞれの蓄熱器３１が１つのピーク範囲内に配置されていればよい。
Further, in the above embodiment, all the components of the plurality of second
また、上記実施形態では、分岐配管部１２にて１つのピーク範囲が発生する態様について説明したが（図２を参照）、分岐配管部１２の長さによって、音響インピーダンス分布のピーク範囲の数を複数に調整することができる。そのため、複数の音響インピーダンス分布のそれぞれのピーク範囲のうち、いずれか１つ以上の音響インピーダンス分布のピーク範囲に複数の第２原動機３０を組み込んでもよい。複数の音響インピーダンス分布のそれぞれのピーク範囲に対して、複数の第２原動機３０を配置するとなお好ましい。
Further, in the above embodiment, the mode in which one peak range is generated in the
１…熱音響機関、１０…配管、１１…環状配管部、１２…分岐配管部、２０…第１原動機、２１…蓄熱器、２２…高温側熱交換器、２３…低温側熱交換器、３０…第２原動機、３１…蓄熱器、３２…高温側熱交換器、３３…低温側熱交換器 1 ... thermoacoustic engine, 10 ... piping, 11 ... annular piping section, 12 ... branch piping section, 20 ... first prime mover, 21 ... heat storage unit, 22 ... high temperature side heat exchanger, 23 ... low temperature side heat exchanger, 30 ... 2nd prime mover, 31 ... Heat storage unit, 32 ... High temperature side heat exchanger, 33 ... Low temperature side heat exchanger
Claims (1)
前記環状配管部に組み込まれた第１原動機であって、蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接配置された高温側熱交換器と、前記蓄熱器の他端側に隣接配置された低温側熱交換器とを備える、第１原動機と、
前記分岐配管部に直列に組み込まれた複数の第２原動機であって、それぞれが、蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接配置された高温側熱交換器と、前記蓄熱器の他端側に隣接配置された低温側熱交換器とを備える、複数の第２原動機と、
を備えた熱音響機関であって、
前記第１原動機は、前記作動気体の音響パワーを増幅させる進行波型原動機であり、
各前記第２原動機は、前記分岐点から前記分岐配管部の他端側に向けて進む前記第１原動機により発生した前記音響パワーを増幅する進行波型原動機であり、
前記分岐配管部に関する、前記分岐配管部の延在方向位置に対する音響インピーダンス分布において、前記作動気体の密度をρ、音速をｃとしたとき、音響インピーダンス値が１つのインピーダンスピーク範囲内に最大値をとるピーク位置を含み、且つ、音響インピーダンス値が３ρｃ以上となる前記延在方向位置の範囲内において、前記複数の第２原動機が配置された、熱音響機関。 A pipe in which a working gas is sealed, which includes an annular pipe portion and a branch pipe portion that branches and extends from a branch point that is a part of the annular pipe portion.
A first prime mover incorporated in the annular piping portion, a heat storage device, a high temperature side heat exchanger arranged adjacent to one end side of the heat storage device, and a low temperature arranged adjacent to the other end side of the heat storage device. A first prime mover with a side heat exchanger,
A plurality of second prime movers incorporated in series in the branch piping portion, each of which is a heat storage device, a high temperature side heat exchanger arranged adjacent to one end side of the heat storage device, and the other end of the heat storage device. A plurality of second prime movers, including a low temperature side heat exchanger arranged adjacent to the side, and
It is a thermoacoustic engine equipped with
The first prime mover is a traveling wave type prime mover that amplifies the acoustic power of the working gas.
Each of the second prime movers is a traveling wave type prime mover that amplifies the acoustic power generated by the first prime mover that advances from the branch point toward the other end side of the branch pipe portion.
In the acoustic impedance distribution of the branch piping portion with respect to the extending direction position of the branch piping portion, when the density of the working gas is ρ and the sound velocity is c, the acoustic impedance value is the maximum value within one impedance peak range. A thermoacoustic engine in which the plurality of second prime movers are arranged within the range of the extension direction position including the peak position to be taken and the acoustic impedance value is 3ρc or more.
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