WO2014196452A1 - 熱音響機関 - Google Patents

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column tube
thermoacoustic engine
reciprocating flow
cooler
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隆太 丸山
拓 本田
太志 筒井
智久 窄
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いすゞ自動車株式会社
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/002—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using the energy of vibration of fluid columns
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a thermoacoustic engine.
  • thermoacoustic engine has a heater that takes in heat from outside, a cooler that releases heat to the outside, and a temperature gradient between the heater and the cooler.
  • a prime mover having a regenerator is disposed (see, for example, Patent Document 1).
  • the lift-type turbine extracts the rotational power from the reciprocating flow by using the lift LF that acts on the blade portion 110 of the turbine 100.
  • the lift LF acting on the blade portion 110 can use only a part of the dynamic pressure, so that when the flow rate of the reciprocating flow decreases (see region A in FIG. 11), the rotational power extraction efficiency deteriorates. There is a problem.
  • An object of the present invention is to provide a thermoacoustic engine that can effectively extract rotational power even when the flow rate of a reciprocating flow is reduced.
  • thermoacoustic engine of the present invention includes an air column tube in which a gas is sealed, a heater that takes in heat from the outside in the axial direction of the air column tube, and a regenerator that maintains a temperature gradient.
  • a prime mover in which a cooler that releases heat to the outside is disposed in order, and a drag turbine that is disposed in the air column tube and extracts rotational power from a gas reciprocating flow.
  • a current changing means for changing a gas reciprocating flow into an S shape at the position of the drag turbine may be further provided.
  • the current transformation means may be formed by bending a part of the air column tube in which the drag turbine is disposed in an S shape.
  • thermoacoustic engine of the present invention it is possible to effectively extract rotational power even when the flow rate of the reciprocating flow decreases.
  • thermoacoustic engine which concerns on one Embodiment of this invention.
  • sectional drawing which shows the principal part of the thermoacoustic engine which concerns on one Embodiment of this invention. It is typical sectional drawing explaining the flow (reciprocating flow) of the airflow in the principal part shown in FIG.
  • flow reciprocating flow
  • modification of the principal part shown in FIG. It is typical sectional drawing which shows the further modification of the principal part shown in FIG.
  • thermoacoustic engine which concerns on other embodiment.
  • thermoacoustic engine which concerns on other embodiment.
  • thermoacoustic engine It is a typical whole block diagram which shows the thermoacoustic engine which concerns on other embodiment. It is typical sectional drawing which shows other embodiment of the principal part shown in FIG. It is a typical top view which shows the lift type turbine applied to the conventional thermoacoustic engine. In the conventional thermoacoustic engine, it is a figure which shows the low flow area of the reciprocating flow from which the taking-out efficiency of rotational power deteriorates.
  • thermoacoustic engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
  • the same parts are denoted by the same reference numerals, and their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
  • thermoacoustic engine 1 As shown in FIG. 1, the thermoacoustic engine 1 according to the present embodiment includes a loop-shaped air column tube 10 in which a gas is enclosed, a prime mover 20 disposed in the air column tube 10, and the air column tube 10. And a drag turbine 30 disposed therein.
  • the drag turbine 30 includes a rotating shaft 31 that is rotatably supported in the air column tube 10, and a plurality of (four in the present embodiment) blade portions 32 that extend in the radial direction from the rotating shaft 31. ing.
  • the wing portion 32 is formed to be curved in a substantially arc shape in plan view so as to receive a dynamic pressure of a reciprocating flow.
  • a drag force is generated in the blade portion 32 by the reciprocating flow, and the blade portion 32 rotates integrally with the rotating shaft 31 to extract the rotational power.
  • the shape and the number of the wing portions 32 are not limited to the above, and other shapes and the number can be applied as long as the rotating shaft 31 can be rotated by generating a drag force by reciprocating flow.
  • the drag turbine 30 is disposed in a substantially S-shaped bent portion (current transformation means) 40 in plan view partially formed in the air column tube 10.
  • a substantially S-shaped bent portion (current transformation means) 40 in plan view partially formed in the air column tube 10.
  • the bent portion 40 includes a housing portion 41 in which the drag turbine 30 is accommodated, an air column tube end portion 10 a on the heater 21 side, and an air column tube end on the cooler 22 side.
  • the housing part 41 includes a pair of arcuate wall parts 41 a and 41 b along the rotating outer periphery of the wing part 32.
  • the pair of arcuate wall portions 41a and 41b are arranged to face each other around the rotation shaft 31, and between the both end portions, the air column tube end portion 10a on the heater 21 side and the air column tube on the cooler 22 side are disposed.
  • the end portions 10b are connected with an offset.
  • a pair of current transformation plates 50 a, 50b can also be arranged and configured.
  • the pair of current transformation plates 50a and 50b are formed to be bent in a substantially L shape in a plan view, and the pair of current transformation plates 50a and 50b are formed so that the dynamic pressure of the reciprocating flow effectively acts on the wing portion 32.
  • the flow plates 50 a and 50 b are arranged symmetrically on the heater 21 side and the cooler 22 side of the drag turbine 30, respectively.
  • thermoacoustic engine 1 Next, the operational effects of the thermoacoustic engine 1 according to this embodiment will be described.
  • thermoacoustic engines In conventional thermoacoustic engines, a lift turbine is used to extract rotational power.
  • the lift type turbine since the lift acting on the blade part can use only a part of the dynamic pressure, there is a problem that the efficiency of extracting the rotational power is deteriorated when the flow rate of the reciprocating flow is reduced.
  • thermoacoustic engine 1 of the present embodiment uses a drag turbine 30 that rotates by generating a drag force on the blade portion 32 by a reciprocating flow for taking out the rotational power. Therefore, according to the thermoacoustic engine 1 of the present embodiment, it is possible to efficiently extract rotational power in the entire flow rate region including when the flow rate of the reciprocating flow is reduced.
  • the drag turbine 30 is disposed in a substantially S-shaped bent portion 40 formed in the air column tube 10.
  • the bent portion 40 includes a housing portion 41 in which the drag turbine 30 is accommodated, and the housing portion 41 includes a pair of arc wall portions 41 a and 41 b that are disposed to face each other around the rotation shaft 31.
  • the air column tube end portion 10a on the heater 21 side and the air column tube end portion 10b on the cooler 22 side are connected between both ends of the pair of arc wall portions 41a and 41b so as to be offset from each other. Yes.
  • the air flow from the heater 21 side to the cooler 22 side is transformed into a substantially S shape along the inner wall of the arc wall portion 41a to prevent the flow into the arc wall portion 41b side.
  • the air flow from the cooler 22 side toward the heater 21 side is transformed into a substantially S shape along the inner wall of the arc wall portion 41b, and is prevented from flowing into the arc wall portion 41a side.
  • the present invention can be applied to a thermoacoustic engine 2 in which a prime mover 20 having a heater 21, a regenerator 23, and a cooler 22 is arranged in a linear air column tube 11. is there.
  • the present invention can also be applied to a thermoacoustic engine 3 in which a linear air column tube 13 is connected to a loop-shaped air column tube 12 in which a prime mover 20 is arranged.
  • a thermoacoustic engine 4 having a pair of loop-shaped air column tubes 12 on which a prime mover 20 is arranged, and these loop-shaped air column tubes 12 connected by a straight air column tube 13 is provided. Can also be applied.
  • the blade 32 is curved in a cross-sectional arc shape so that not only drag but also lift is generated in the blade 32 (blade surface) of the drag turbine 30, and at the center thereof.
  • a recess 32A may be provided. In any of these cases, the same effects as those of the above-described embodiment can be achieved.

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Abstract

　熱音響機関に関し、気体の往復流から回転動力を効果的に取り出す。　気体が封入された気柱管１０と、気柱管１０の軸方向に、外部から熱を取り込む加熱器２１、温度勾配を保持する再生器２３、外部に熱を放出する冷却器２２を順に配置した原動機２０と、気柱管１０内に配置されて、気体の往復流から回転動力を取り出す抗力式タービン３０とを備える。

Description

熱音響機関
　本発明は、熱音響機関に関する。
　一般的な熱音響機関は、気体が封入された気柱管内に、外部から熱を取り込む加熱器、外部に熱を放出する冷却器及び、これら加熱器と冷却器との間で温度勾配を保持する再生器を有する原動機が配置されている（例えば、特許文献１参照）。
　熱音響機関では、加熱器と冷却器との温度差によって再生器に温度勾配が形成されると、気柱管内の気体に自励振動による往復流が生じる。このような気体の往復流から回転動力を取り出す手法として、従来の熱音響機関では、揚力式タービンが用いられている。
特開２０１２－１１２６２１号公報
　揚力式タービンは、図１０に示すように、タービン１００の翼部１１０に作用する揚力ＬＦを利用して、往復流から回転動力を取り出している。しかしながら、揚力式タービンでは、翼部１１０に作用する揚力ＬＦが動圧の一部しか利用できないため、往復流の流量が低下すると（図１１の領域Ａ参照）、回転動力の取り出し効率が悪化するといった課題がある。
　本発明の目的は、往復流の流量が低下した時においても、回転動力を効果的に取り出すことができる熱音響機関を提供することにある。
　上述の目的を達成するため、本発明の熱音響機関は、気体が封入された気柱管と、前記気柱管の軸方向に、外部から熱を取り込む加熱器、温度勾配を保持する再生器、外部に熱を放出する冷却器を順に配置した原動機と、前記気柱管内に配置されて、気体の往復流から回転動力を取り出す抗力式タービンと、を備えることを特徴とする。
　また、気体の往復流を前記抗力式タービンの位置でＳ字状に変流させる変流手段をさらに備えてもよい。
　また、前記変流手段は、前記抗力式タービンが配置された前記気柱管の一部をＳ字状に屈曲して形成されるものであってもよい。
　また、前記抗力式タービンの翼部に揚力が発生するように、当該翼部を横断面円弧状に湾曲させて、その中央に凹部を設けてもよい。
　本発明の熱音響機関によれば、往復流の流量が低下した時においても、回転動力を効果的に取り出すことができる。
本発明の一実施形態に係る熱音響機関を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係る熱音響機関の要部を示す模式的な断面図である。 図２に示す要部における気流の流れ（往復流）を説明する模式的な断面図である。 図２に示す要部の変形例を示す模式的な断面図である。 図２に示す要部のさらなる変形例を示す模式的な断面図である。 他の実施形態に係る熱音響機関を示す模式的な全体構成図である。 他の実施形態に係る熱音響機関を示す模式的な全体構成図である。 他の実施形態に係る熱音響機関を示す模式的な全体構成図である。 図２に示す要部の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 従来の熱音響機関に適用された揚力式のタービンを示す模式的な平面図である。 従来の熱音響機関において、回転動力の取り出し効率が悪化する往復流の低流量域を示す図である。
　以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る熱音響機関を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
　図１に示すように、本実施形態の熱音響機関１は、気体が封入されたループ状の気柱管１０と、気柱管１０内に配置された原動機２０と、気柱管１０内に配置された抗力式タービン３０とを備えている。
　原動機２０は、気柱管１０の軸方向に、加熱器２１、再生器２３、冷却器２２を順に配置して構成されている。加熱器２１は、外部から熱を取り込むもので、その内部には図示しない複数のフィンが微小間隔で配置されている。冷却器２２は、外部に熱を放出するもので、その内部には図示しない複数のフィンが微小間隔で配置されている。再生器２３は、加熱器２１と冷却器２２との間の温度勾配を保持するもので、その内部には図示しない複数のフィンが格子状に配置されている。
　このように構成された熱音響機関１では、加熱器２１と冷却器２２との温度差によって再生器２３に温度勾配が形成されると、この時に発生する熱エネルギの一部が力学的な音響エネルギに変換されて、気柱管１０内の気体に自励振動による往復流が生じるようになっている。
　抗力式タービン３０は、気柱管１０内に回転可能に支持された回転軸３１と、回転軸３１から径方向に延設された複数（本実施形態では４枚）の翼部３２とを備えている。翼部３２は、往復流の動圧を受けるように、平面視で略円弧状に湾曲して形成されている。このように構成された抗力式タービン３０では、往復流により翼部３２に抗力が発生し、翼部３２が回転軸３１と一体に回転することで、回転動力を取り出すようになっている。なお、翼部３２の形状や枚数は上述に限定されず、往復流により抗力を生じさせて回転軸３１を回転できるものであれば、他の形状や枚数を適用することもできる。
　本実施形態において、抗力式タービン３０は、気柱管１０に部分的に形成された平面視で略Ｓ字状の屈曲部（変流手段）４０内に配置されている。以下、屈曲部４０の詳細構成を説明する。
　図２に示すように、屈曲部４０は、その内部に抗力式タービン３０が収容されたハウジング部４１と、加熱器２１側の気柱管端部１０ａと、冷却器２２側の気柱管端部１０ｂとを有する。ハウジング部４１は、翼部３２の回転外周に沿った一対の円弧壁部４１ａ，４１ｂを備えている。一対の円弧壁部４１ａ，４１ｂは、回転軸３１を中心に互いに対向配置されると共に、その両端部間には加熱器２１側の気柱管端部１０ａ及び、冷却器２２側の気柱管端部１０ｂが互いにオフセットして接続されている。
　すなわち、図３（Ａ）に示すように、往復流のうち、加熱器２１側から冷却器２２側に向かう気流は、円弧壁部４１ａの内壁に沿って略Ｓ字状にオフセットして変流される一方、図３（Ｂ）に示すように、冷却器２２側から加熱器２１側に向かう気流は、円弧壁部４１ｂの内壁に沿って略Ｓ字状にオフセットして変流されるようになっている。これにより、抗力式タービン３０の回転を阻害する方向の往復流が効果的に抑止されて、回転動力を効率よく取り出すことが可能になる。
　なお、往復流を略Ｓ字状に変流させる変形例としては、例えば、図４に示すように、気柱管１０内の抗力式タービン３０と隣接する位置に、一対の変流プレート５０ａ，５０ｂを配置して構成することもできる。この変形例では、一対の変流プレート５０ａ，５０ｂを平面視で略Ｌ字状に屈曲して形成すると共に、翼部３２に往復流の動圧が効果的に作用するように、一対の変流プレート５０ａ，５０ｂを抗力式タービン３０の加熱器２１側及び冷却器２２側にそれぞれ対称に配置している。
　また、さらなる変形例として、図５に示すように、ハウジング部４１にオフセットして接続される加熱器２１側の気柱管端部１０ａ及び、冷却器２２側の気柱管端部１０ｂをそれぞれ円弧状に湾曲して形成することもできる。このように構成することで、抗力式タービン３０の回転を阻害する往復流の流れを確実に防止することが可能になる。
　次に、本実施形態に係る熱音響機関１による作用効果について説明する。
　従来の熱音響機関では、回転動力の取り出しに揚力式タービンを利用していた。揚力式タービンでは、翼部に作用する揚力が動圧の一部しか利用できないため、往復流の流量低下時に回転動力の取り出し効率が悪化する課題がある。
　これに対し、本実施形態の熱音響機関１は、回転動力の取り出しに、往復流により翼部３２に抗力を発生させて回転する抗力式タービン３０を適用している。したがって、本実施形態の熱音響機関１によれば、往復流の流量低下時を含めた全流量域で回転動力を効率よく取り出すことが可能になる。
　また、本実施形態の熱音響機関１において、抗力式タービン３０は、気柱管１０に形成された略Ｓ字状の屈曲部４０内に配置されている。屈曲部４０は、内部に抗力式タービン３０が収容されたハウジング部４１を含み、このハウジング部４１は回転軸３１を中心に互いに対向配置された一対の円弧壁部４１ａ，４１ｂを備えている。さらに、一対の円弧壁部４１ａ，４１ｂの両端部間には、加熱器２１側の気柱管端部１０ａ及び、冷却器２２側の気柱管端部１０ｂが互いにオフセットするように接続されている。
　すなわち、往復流のうち、加熱器２１側から冷却器２２側に向かう気流は、円弧壁部４１ａの内壁に沿って略Ｓ字状に変流されて、円弧壁部４１ｂ側への流れ込みが防止される一方、冷却器２２側から加熱器２１側に向かう気流は円弧壁部４１ｂの内壁に沿って略Ｓ字状に変流されて円弧壁部４１ａ側への流れ込みが防止されるように構成されている。したがって、本実施形態の熱音響機関１によれば、抗力式タービン３０の回転を阻害する方向の往復流が効果的に抑止されて、回転動力を安定的に効率よく取り出すことができる。
　なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
　例えば、図６に示すように、直線状の気柱管１１内に、加熱器２１、再生器２３、冷却器２２を有する原動機２０が配置された熱音響機関２にも適用することが可能である。また、図７に示すように、原動機２０が配置されたループ状の気柱管１２に直線状の気柱管１３が接続された熱音響機関３にも適用することができる。さらに、図８に示すように、原動機２０が配置されたループ状の気柱管１２を一対備え、これらループ状の気柱管１２を直線状の気柱管１３で連結した熱音響機関４にも適用することが可能である。また、図９に示すように、抗力式タービン３０の翼部３２（翼面）に抗力のみならず揚力も発生するように、翼部３２を横断面円弧状に湾曲させて、その中央部に凹部３２Ａを設けてもよい。これら何れの場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　１　熱音響機関
　１０　気柱管
　２０　原動機
　２１　加熱器
　２２　冷却器
　２３　再生器
　３０　抗力式タービン
　３１　回転軸
　３２　翼部
　４０　屈曲部

Claims (4)

  1. 　気体が封入された気柱管と、
    　前記気柱管の軸方向に、外部から熱を取り込む加熱器、温度勾配を保持する再生器、外部に熱を放出する冷却器を順に配置した原動機と、
    　前記気柱管内に配置されて、気体の往復流から回転動力を取り出す抗力式タービンと、を備える
    　ことを特徴とする熱音響機関。
  2. 　気体の往復流を前記抗力式タービンの位置でＳ字状に変流させる変流手段をさらに備える請求項１に記載の熱音響機関。
  3. 　前記変流手段は、
    　前記抗力式タービンが配置された前記気柱管の一部をＳ字状に屈曲して形成される請求項２に記載の熱音響機関。
  4. 　前記抗力式タービンの翼部に揚力が発生するように、当該翼部を横断面円弧状に湾曲させて、その中央に凹部を設けた請求項１から３の何れか一項に記載の熱音響機関。
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