JP7145370B2 - 進行波熱音響機関における複数の熱機関段のトロイダルスパイラルカスケーディング - Google Patents

Description

本発明は、一般に、熱機関に関し、より詳細には、進行波熱音響熱機関に関する。

熱音響熱機関のための一つの応用は、特に宇宙空間で衛星に動力を供給することである。地球を周回する衛星は一般的に太陽電池をエネルギー源として使用するが、衛星が太陽から遠くに移動すると、これは利用できない。したがって、これらの衛星は、熱電効果によって熱が電気に変換されるプルトニウムなどの放射性同位体熱源によって動力供給される。しかし、この発電システムはあまり効率的ではない。

熱音響熱機関は、熱源から電力を生成するより効率的な方法である。本質的に、熱音響熱機関は、ガスが充填されたチューブから成る。チューブの一端に熱を加えると、チューブの長さ方向に沿って熱差が生じ、音波が誘起され、これを用いて熱を機械的エネルギーに変換することができる。熱音響熱機関は、一般に、共振型または進行波型の何れかに分類することができる。

代表的な進行波熱音響熱機関の概略を図1に示す。例えば、加圧ヘリウムガスで満たされた密封システムは、トーラス100、共振器102、および可変音響負荷104を含む。トーラス100は、冷熱交換器106、再生器108および温熱交換器110を含む。冷熱交換器106および温熱交換器110を使用することによって再生器108をわたる温度差を発生させることによって、ヘリウムガス中に音波が誘導される。熱緩衝管112は、加熱されたヘリウムガスが低温側に到達することなく振動するための空間を提供することによって、温熱交換器110と低温側（114および116）との間に熱緩衝を提供する。整流器及び熱交換器114は、ある種のガス流を抑制し、熱損失を減少させ、これにより熱機関の熱効率を改善する。

トーラス100はまた、ヘリウムガスがコンプライアンス118、ジェットポンプ120を通って最終的に冷熱交換器106に戻るための経路を提供するフィードバックイナータンス116を含む。イナータンス116およびコンプライアンス118の構成および体積は、ヘリウムガス中に誘導される進行波の位相を制御するように選択される。ジェットポンプ120は、ガスストリーミングを低減し、これにより熱効率を改善するために使用される。

図1は、単一段熱音響熱機関を示す。熱音響熱機関の段当たりの音響パワー入力（利得）当たりの音響パワー出力の量は、再生器の高温端と低温端の間の温度比によって制限される。機関の全体的な利得を増加させるために、単一段熱音響熱機関を直列に接続して多段熱機関を形成することがある。しかしながら、従来技術の多段機関は、熱的にも機械的にも面倒で、体積的にも非効率であり、スケールダウンがうまく行われず、高い熱応力を受ける。これは、気体状の作動流体の音響パワー経路を、熱インターフェイスの共通セットに複数回露出させるために使用される幾何学的形状に起因する。折り返しループトポロジーは、熱インターフェイス点の共通のセットを提供するために使用されてきたが、非常に大きく、進行波熱機関のサブクラスに対してのみ機能する。

従って、体積及び熱効率が改善され、拡張性が良く、高い熱応力に対する耐性がより大きい多段熱音響機関が必要とされている。

一実施形態における本発明は、単一のドーム型圧力容器内で同じ熱インターフェイスに複数回再アクセスするために、音響パワーパスのトポロジー的折り畳みを備えた多段進行波熱音響機関を包含する。本発明の熱音響機関は、ホットジョイントの最小化のため、製造がよりシンプルで安価であり、より信頼性が高い。

一実施形態では、本発明は、ドーム型円筒シェルと、前記シェルの内側に同軸に配置される熱緩衝管であって、熱緩衝管を複数のシール管段に分割する1つ以上の管隔壁をさらに含む熱緩衝管と、シェルと熱緩衝管との間に配置される環状再生器であって、熱緩衝管内の段に対応する複数のシール再生器段に再生器を分割する1つ以上の再生器隔壁をさらに含む、再生器と、シェルの第1の端部にある温熱交換器と、シェルの第1の端部の反対側の第2の端部にある冷熱交換器と、を含み、熱緩衝管段および再生器段は、ガス流が第1の熱緩衝管段の下端に入り、温熱交換器を通過して第1の再生器段に流れ、1つ以上の再生器隔壁によって第1の熱緩衝管に隣接する第2の熱緩衝管段に導かれるように動作可能に結合される、多段進行波熱音響機関を包含する。

さらなる実施形態では、第2の熱緩衝管段は、第1の再生器段からガス流を受け取るための開口部を含む。

別の実施形態では、熱緩衝管段は、ガスが高温熱交換器を通過して第2再生器段に流入し、1つまたは複数の再生器隔壁によって第2熱緩衝管段に隣接する第3熱緩衝管段に導かれるように、動作可能に連結される。

さらなる実施形態では、第3の熱緩衝管段は、第2の再生器段からガス流を受け取るための開口部を含む。

さらに別の実施形態では、多段進行波熱音響機関は、コンプライアンスと、コンプライアンスに結合されたイナータンスと、第1の熱緩衝管段に動作可能に結合された線形交流発電機とを含み、ガス流は、再生器段を出てコンプライアンスに入る。

別の実施形態では、線形交流発電機は、ジェットポンプを含む。

別の実施形態では、多段進行波熱音響機関は、線形交流発電機に動作可能に結合された2つ以上のピストンを含み、ピストンは、線形交流発電機を通るガスの流れの進行波における音響エネルギーによって作動され、モータは、電流を生成するために各ピストンに動作可能に結合される。

一実施形態によると、多段進行波熱音響機関は、4つの熱緩衝管段および4つの再生器段を含む。

一実施形態によると、多段進行波熱音響機関は、3つの熱緩衝管段および3つの再生器段を含む。

一実施形態によると、多段進行波熱音響機関は、5つの熱緩衝管段及び5つの再生器段を含む。

別の実施形態では、本発明は、上記の多段進行波熱音響機関の何れかを含む衛星を包含する。

別の実施形態では、本発明は、ドーム状円筒シェルと、シェルのドーム状端部にあるスロット付き熱交換器および流れターナと、スロット付き熱交換器および流れターナの下でシェルの内側にあり、シェル及び流れターナと同軸である熱緩衝管と、シェルと熱緩衝管との間の環状再生器と、熱緩衝管の内側にあり、熱緩衝管を複数の熱緩衝管段に分割する第1の複数の隔壁と、熱緩衝管段に対応する複数の再生器段に環状再生器を分割する第1の複数の隔壁に等しい第2の複数の隔壁と、を含む、多段進行波熱音響熱機関のためのトーラスを包含する。

さらなる実施形態では、トーラスは、4つの熱緩衝管段および4つの再生器段を有する。

さらなる実施形態では、トーラスは、3つの熱緩衝管段および3つの再生器段を有する。

さらなる実施形態では、トーラスは、5つの熱緩衝管段および5つの再生器段を有する。

体積及び熱効率が改善され、拡張性が良く、高い熱応力に対する耐性がより大きい多段熱音響機関を提供する。

従来技術の熱音響機関の概略図である。 本発明による熱音響機関を示す図である。 図2の熱音響機関の断面図である。 図2及び図3の熱音響機関の斜視図、部分切断図である。 物理的に分離された段を有する多段熱音響機関の原理を示す図である。 本発明による多段熱音響機関の側面図を示す。 本発明による多段熱音響機関の上面図である。 本発明による多段熱音響機関の斜視図である。 本発明による多段熱音響機関の斜視図である。 図7の多段熱音響機関における音響パワーの流れを示す概略図である。

本発明の例示的な実施形態の特徴は、説明、特許請求の範囲、および添付の図面から明らかになるであろう。

ここで、本発明の1つ以上の実施形態を詳細に参照する。本発明は、これらの実施形態に関して説明されるが、本発明は、いかなる特定の実施形態にも限定されないことが理解されるべきである。反対に、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想および範囲内に入る可能性がある代替物、修正物、および均等物を含む。さらに、以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。本発明は、これらの特定の詳細の一部または全部がなくても実施することができる。他の例では、本発明を不明瞭にすることを避けるために、周知の構造および動作原理は詳細に説明されていない。

図2は、本発明による多段進行波熱音響機関10の概観を示す。一実施形態によると、熱音響機関10は、高圧ヘリウムガスが充填された密封システムであるが、任意の適切なガスを使用することができる。熱源18は、熱拡散器20によってシェル12の一端に取り付けられている。一実施形態では、熱源18は、汎用熱源、例えば、プルトニウムなどの放射性同位体物質である。熱拡散器20は、熱源18からのエネルギーを、図1の温熱交換器110と同様に機能するシェル12内の熱交換器に結合する。シェル12の内側の構造のさらなる詳細は、後続の図面に関連して説明される。熱的機械的インターフェイス（TMI）22は、シェル12の反対側の端部に位置する。TMI22は、図1の冷熱交換器106と同様に機能するシェル12の内側の別の熱交換器と調整する。熱源18およびTMI22は、シェル12の端部の間に温度差を生じさせ、これにより、十分な音響利得が、シェル12内部のヘリウムガス内で振動を持続させる。

振動ガスは、シェル12内で進行波を形成し、コンプライアンス（図3に示される）に入り、次いで、イナータンス26を通って線形交流発電機28に到達し、そこでシェル12にフィードバックされる。シリンダ本体32は、以下でさらに説明するように、振動するヘリウムガスの進行波中の音響パワーを電気エネルギーに変換するために使用されるピストンおよびモータアセンブリを包囲する。

図3は、図2の熱音響機関の断面図である。共通の要素は、共通の参照番号で示される。再生器シェル12は、熱緩衝管14を包囲する。隔壁15によって表されるような隔壁セットは、図6Aおよび6Bに関連してより詳細に議論されるように、熱緩衝管を段に分割する。再生器16は、シェル12と管14との間の空間に位置するシリンダである。再生器16はまた、熱音響機関の他の特徴を明確に示すことができるように、図示されていない隔壁によって段に分割される。一般に、スロット付き熱交換器／流れターナ34は、熱源18（図2）からガスの進行波への熱の伝達をサポートし、熱緩衝管14からの波を再生器16に向けるのに役立つ。再生器16から、ガスは、ガスとTMI22との間の熱伝達を容易にするスロット付き熱交換器36を通過する。冷却されたガスは、環状コンプライアンス24に入り、イナータンス26を介して線形交流発電機28にフィードバックされる。ジェットポンプ30は、システムを通るガスの均一な流れを維持するのを補助する。

気体の進行波の音響エネルギーは、シリンダ40の内側を振動するピストン38に連結され、モータ42に連結されている線形交流発電機28によって機械的エネルギー、次いで電気的エネルギーに変換される。

図4は、図3の熱音響機関の斜視図、部分切断図である。詳細には、図4は、イナータンス26から通路44を通る線形交流発電機28へのフィードバック経路を示す。イナータンス26は、熱音響機関による気体振動の位相を制御するために使用される。

上述したように、単一段機関によって与えられる出力利得は、再生器の何れかの端部における温度間の比によって制限される。典型的には、温度比3は、周囲温度に近い高温端部と低温端部との間の従来の材料によって許容される最大差である。多くの潜在的な用途は、2以下の温度比によって可能になる。したがって、利得は、図5に概念的に描かれているように、幾つかの単段機関を直列にカスケード接続することによって増加される。詳細には、図5は、カスケード接続された段46および48を通る音響パワー50の流れを示す。実用的に、段は、様々な向きで相互接続することができる。段46の温端は、熱緩衝管52によって段48の冷端に接続されている。図5には2つの段が示されているが、多段熱音響機関は、性能基準に応じて、任意の数の段を含んでもよい。

熱音響機関段を物理的に分離するには、いくつかの欠点がある。各段は、より多くの熱損失を経験し、効率が悪く、体積に対する表面積の比率が悪い。加えて、幾つかの段の物理的方向に対する制約は、熱源の位置におけるトレードオフ、ならびに一つの段から他の段への移動音響パワーに関連する内部損失を必要とする。本発明は、これらの欠点を最小限に抑える多段熱音響熱機関を包含する。

図6A及び図6Bは、本発明による同軸トロイダルスパイラルカスケード多段進行波熱音響機関を示す図である。図6Aは、熱音響機関の側面図である。熱緩衝管60および熱交換器70は、図2～4と同様に、再生器シェル80によって囲まれている。環状再生器も含まれるが、この図には示されていない。シェル80内部の空間は、複数の段に分割されている。熱緩衝管60は、図6Bの上面図に示すように、隔壁61、63、65、67によって段62、64、66、68に分割されている。隔壁61、63、65および67は、個々の要素として示されているが、単一部品として形成されてもよい。

同様に、再生器70も、図6Bに示すように、隔壁82、84、86、88によって4つの段72、74、76、78に分割されている。この構成は、再生器シェル80内に4段の熱音響機関を作り出す。熱緩衝管60の3つの段64、66および68は、熱緩衝管60と線形交流発電機94との間に配置された下部プレート90によって遮断される。図6Aおよび図6Bには4つの段が示されているが、本発明は特定の数の段に限定されるものではない。代替として、図6Aおよび6Bの実施形態はまた、所望の性能特性に応じて、例えば、2つ、3つ、5つ、または他の数の段を用いて構成され得る。さらに、性能特性をさらに微調整するために、段または他の分割手段は、均一なサイズでなくてもよい。

ここで、多段熱音響機関内のガスを通る音響パワーの流れを、図6A及び図6Bの両方に描かれているように、線92によって描かれているように説明する。音響パワー（ガス内の振動圧力）は、線形交流発電機94から熱緩衝管60の段62に入る。それは、隔壁61と67との間で段62を上昇し、熱交換器70を通って熱緩衝管60の頂部を越え、再生器段72を下降する。隔壁82および84の曲線部分83および85（図7により詳細に示す）は、各々、熱緩衝管60内の隣接する段64の下端で、スロット96への振動ガスの流れを導く。同様に、ガス中の音響出力は、段64を上昇し、熱交換器70を通って頂部を越え、熱緩衝管60の隣接する段66の下端のスロット（図示せず）の周り及び中に、再生器段74を下降する。そこから、音響パワーは、段66を上昇し、頂部を越えて熱交換器70を通り、熱緩衝チューブ60の隣接する段68の下端のスロット（図示せず）の周囲及び中に、再生器段76を下降する。最後に、ガス内の音響パワーは、熱緩衝チューブ60の段68を上方に進み、再生器段78を下方に進み、コンプライアンス97に到達し、次いで、上述したように、線形交流発電機94へのフィードバック経路に向かい、イナータンス98に到達する。

上述の音響パワー流路は、トロイダルインダクタにおける電流の経路と同様である。トロイダル多段熱音響熱機関は、一連の進行波熱音響熱機関段を単一ドーム型圧力容器内部のトロイダルスパイラルに結合し、熱音響パワーの全てが共通の圧力容器および共通の同軸緩衝管空間内で複数回の熱インターフェイスの共通セットを通過するようにする。これは、単一のドーム型圧力容器のコンパクトで低応力の幾何学的形状内でN段機関（ここで、Nは2、3、4などであり得る）を可能にする。

図7A及び7Bは、図6A及び6Bの多段熱音響機関の内部の一部の斜視図を示す。共通の要素は、共通の参照番号で示される。熱緩衝管60は、隔壁61、63、65及び67を含む。再生器隔壁82、84、86、88も示されている。図7Bのライン92は、上で説明したように、熱緩衝管及び再生器段を通る音響パワーの流れの一部を示す。

図8は、図7A及び図7Bの多段熱音響機関における音響パワーの流れの別の図を示す概略図である。実際には、図8は、段を通る音響パワーの流れを明確にするために、図7Aおよび7Bの再生器段を展開図で示す。熱緩衝チューブ60は、展開され、ページに対して効果的に平坦に置かれる。再生器の段は、隔壁82、84、86及び88によって示されている。音響パワーの流れ92は、100において、線形交流発電機94（図6A）から熱緩衝管60の第1段に入る。それは、隔壁82と84の間の再生器段への熱緩衝管60の頂部を出て、隣接する熱緩衝管段のスロット96への湾曲部分83と85を通過する。同様に、音響出力92の流れは、隔壁84と86との間の次の再生器段を通ってスロット98内に移動し、再び熱緩衝管60を通り、次いで隔壁86と88との間の再生器段を通って下方に移動する。最後の熱緩衝管及び再生器段を通って移動した後、音響パワーの流れ92は、熱緩衝管60の右端に回り込み、102においてコンプライアンス97に出る。

セグメント間の必要な圧力シールを達成するために、いくつかの実行可能な構成アプローチがある。a)同軸円筒要素間のろう付けまたは拡散接合隔壁、b）形成されたセグメントを同軸円筒要素内に挿入する、c）タイトフィット干渉シール、または、c）3－Dプリント。これは、構築方法の網羅的なリストではなく、機関全体に使用される必要のある特定の方法もない（例えば、環状再生器のセグメント化は、ある技術を利用することができ、一方、熱緩衝管のセグメント化は、別の技術を使用することができる）。熱緩衝管内のセグメントは、熱混合を防止するために必要な平面進行波面を保存するために、直線であるべきである。他の構成要素（再生器、温熱交換器、冷熱交換器、またはプレナム）の何れかを使用して遷移させることができる。セグメント間の最適遷移は、各冷熱交換器に続くプレナムである。

一実施形態では、本発明による熱音響機関は、約21cm×約38cm×約10cmの全体寸法を有する。しかしながら、これらの寸法は限定的なものではなく、本発明の原理は、任意の寸法の熱音響機関に適用することができる。金属及びセラミックを含む本発明の熱音響機関を構成するために、種々の材料を使用することができる。

使用され、別段の記載がない限り、用語「上」、「下」、「前」、「後」、「上」、「下」、および同様のそのような用語は、本発明を特定の向きに限定するものと解釈されるべきではない。代わりに、これらの用語は、相対的にのみ使用される。

説明の目的で、装置100の動作の例示的な説明が提示される。

装置10は、一例では、電子構成要素およびハードウェア構成要素のうちの1つまたは複数などの複数の構成要素を備える。多数のこのような構成要素は、装置10内で組み合わせるか、または分割することができる。一例における装置10は、任意の（例えば、水平、斜め、または垂直）向きを含み、本明細書の説明および図は、説明の目的のために、装置10の1つの例示的な向きを示す。

本明細書で説明されるステップまたは動作は、単なる例である。本発明の精神から逸脱することなく、これらのステップまたは動作に多くの変形があり得る。例えば、ステップは、異なる順序で実行されてもよく、ステップは、追加、削除、または修正されてもよい。

本発明の例示的な実施態様を本明細書に示し、詳細に説明したが、本発明の思想から逸脱することなく、様々な修正、追加、置換などを行うことができ、したがって、これらは、以下の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲内にあると考えられることが、当業者には明らかであろう。

Claims (15)

1. ドーム形円筒のシェルと、
   前記シェルの内側に同軸に配置された熱緩衝管であって、前記熱緩衝管は、前記熱緩衝管を複数の密封された管段に分割する1つ以上の管隔壁をさらに備える、熱緩衝管と、
   前記シェルと前記熱緩衝管との間に配置された環状の再生器であって、前記再生器は、前記熱緩衝管内の段に対応する複数の密封された再生器段に前記再生器を分割する1つ以上の再生器隔壁をさらに備える、再生器と、
   前記シェルの第1の端部にある温熱交換器と、
   前記シェルの第1の端部の反対側の第2の端部にある冷熱交換器と、
   を含み、
   前記熱緩衝管の段および前記再生器の段は、ガス流が第1の熱緩衝管段の下端に入り、前記温熱交換器を通過して第1の再生器段に流れ、1つ以上の前記再生器隔壁によって、第1の熱緩衝管に隣接する第2の熱緩衝管段に導かれるように、動作可能に連結される、
   多段進行波熱音響機関。
2. 前記第2の熱緩衝管段は、前記第1の再生器段から前記ガス流を受け取るための開口部をさらに備える、請求項1に記載の多段進行波熱音響機関。
3. 熱緩衝管段は、前記ガス流が、前記温熱交換器を通過して第2の再生器段に流れ、前記1つ以上の再生器隔壁によって、前記第2の熱緩衝管段に隣接する第3の熱緩衝管段に導かれるように、動作可能に結合される、請求項1に記載の多段進行波熱音響機関。
4. 前記第3の熱緩衝管段が、前記第2の再生器段から前記ガス流を受け取るための開口部をさらに備える、請求項3に記載の多段進行波熱音響機関。
5. コンプライアンスと、
   前記コンプライアンスに結合されたイナータンスと、
   前記第1の熱緩衝管段に動作可能に結合された線形交流発電機と、
   をさらに備え、
   前記ガス流は、再生器段を出て前記コンプライアンスに入る、
   請求項1に記載の多段進行波熱音響機関。
6. 前記線形交流発電機は、ジェットポンプをさらに備える、請求項5に記載の多段進行波熱音響機関。
7. 前記線形交流発電機に動作可能に結合された2つ以上のピストンであって、前記ピストンは、前記線形交流発電機を通るガス流の進行波における音響エネルギーによって作動される、2つ以上のピストンと、
   電流を生成するために各ピストンに動作可能に結合されるモータと、
   を備える、請求項5に記載の多段進行波熱音響機関。
8. 4つの熱緩衝管段および4つの再生器段をさらに備える、請求項1に記載の多段進行波熱音響機関。
9. 3つの熱緩衝管段および3つの再生器段をさらに備える、請求項1に記載の多段進行波熱音響機関。
10. 5つの熱緩衝管段および5つの再生器段をさらに備える、請求項1に記載の多段進行波熱音響機関。
11. 請求項1に記載の熱音響機関を含む衛星。
12. ドーム形円筒のシェルと、
    前記シェルのドーム状端部にあるスロット付きの熱交換器及び流れターナと、
    前記スロット付き熱交換器および流れターナの下の前記シェルの内側かつ前記シェルと同軸の熱緩衝管と、
    前記シェルと前記熱緩衝管との間の環状再生器と、
    前記熱緩衝管内部の第1の複数の隔壁であって、前記複数の隔壁は、前記熱緩衝管を複数の熱緩衝管段に分割する、第1の複数の隔壁と、
    前記環状再生器を前記熱緩衝管段に対応する複数の再生器段に分割する前記第1の複数の隔壁に相当する第2の複数の隔壁と、
    を備える、多段進行波熱音響熱機関のためのトーラス。
13. 4つの熱緩衝管段および4つの再生器段をさらに含む、請求項12に記載のトーラス。
14. 3つの熱緩衝管段および3つの再生器段をさらに含む、請求項12に記載のトーラス。
15. 5つの熱緩衝管段および5つの再生器段をさらに含む、請求項12に記載のトーラス。
    

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