JP2025009162A - Thermoacoustic Devices - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱音響デバイスに関する。 The present invention relates to a thermoacoustic device.
工場や車などの廃熱を再利用する技術が研究されている。廃熱の再利用には、外燃機関を利用することが考えられる。外燃機関は、例えば、ランキンサイクルを用いる蒸気タービン、およびスターリングサイクルを用いるスターリングエンジン等が知られている。これらの外燃機関は、熱源から動力を出力するように構成されている。 Technology for reusing waste heat from factories, cars, etc. is being researched. One possible way to recycle waste heat is to use an external combustion engine. Known examples of external combustion engines include steam turbines that use the Rankine cycle and Stirling engines that use the Stirling cycle. These external combustion engines are configured to output power from a heat source.
その他の外燃機関として、振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器を備えた熱音響デバイスが知られている。熱音響デバイスは、振動流の圧縮および膨張がピストンの役割を担うことにより、可動部品を持たずに入力される熱エネルギーから冷熱および電力等を出力できる。一般的な熱音響デバイスは、単数から無数の狭い流路等を有する多孔質体によって構成される蓄熱器および外部との吸放熱を行う一対の熱交換器によって構成される熱音響コアと、熱音響コアの上流側と下流側に接続され、作動気体が流れる管路とを備えている。蓄熱器に臨界条件を超える所定の温度差が発生すると、蓄熱器は振動流の発生および増幅を行うことができる。熱音響デバイスでは、スターリングサイクルに類似したエネルギー変換が行われるので、高い熱効率を実現する可能性がある。そのため、熱音響デバイスは可動部品を持たず、廃熱の再利用が可能な高効率熱機関として注目されている。 As another external combustion engine, a thermoacoustic device equipped with a heat storage device that converts between the energy of an oscillating flow and thermal energy is known. In a thermoacoustic device, the compression and expansion of an oscillating flow acts as a piston, and the device can output cold heat, electricity, etc. from input thermal energy without having any moving parts. A typical thermoacoustic device is equipped with a thermoacoustic core composed of a heat storage device made of a porous body having one to an infinite number of narrow flow paths, a pair of heat exchangers that absorb and release heat with the outside, and a pipe connected to the upstream and downstream sides of the thermoacoustic core and through which a working gas flows. When a certain temperature difference that exceeds the critical condition occurs in the heat storage device, the heat storage device can generate and amplify the oscillating flow. In a thermoacoustic device, energy conversion similar to that of the Stirling cycle is performed, so there is a possibility of achieving high thermal efficiency. For this reason, thermoacoustic devices have attracted attention as highly efficient heat engines that do not have moving parts and can reuse waste heat.
熱音響デバイスにおいて生成された振動流を出力として取り出す方法として、熱音響現象を用いたヒートポンプ効果が挙げられる。蓄熱器内に音波等の振動流を入力して、蓄熱器内の流体を強制振動させると、蓄熱器の両端に温度差が発生する。この音波によるヒートポンプ効果を利用すると「冷凍」や「昇温」を行うことができる。 The heat pump effect using the thermoacoustic phenomenon is one method of extracting the oscillating flow generated in a thermoacoustic device as an output. When an oscillating flow such as sound waves is input into a heat storage device and the fluid in the heat storage device is forced to vibrate, a temperature difference is generated between both ends of the heat storage device. The heat pump effect of this sound wave can be used to perform "refrigeration" or "heating."
熱音響デバイスとして、例えば非特許文献1には、廃熱等の熱エネルギーから振動流を発生および増幅する熱音響原動機として構成された熱音響コア、および熱音響原動機において発生および増幅された振動流によって冷凍を行う熱音響冷却機として構成された熱音響コアを流路軸方向に沿って直列に配置した熱音響デバイスが開示されている。
As an example of a thermoacoustic device, Non-Patent
また、熱音響デバイスでは、熱音響コアが動作するために必要な温度差を小さくすることによって、熱源として使用できる温度領域が広くなる。そのため、熱音響原動機および熱音響冷却機の低温動作化の研究開発が活発に行われている。また、熱音響原動機と熱音響冷却機を接続することによって、熱音響原動機で発生および増幅した振動流を熱音響冷却機に入力しヒートポンプ効果で冷却を行う、熱動作・熱音響冷却機を構成できる。例えば非特許文献2には、ループ内に1つの熱音響原動機と1つの熱音響冷却機を直列に配置した熱音響デバイスが開示されている。また、非特許文献3には、熱音響原動機と熱音響冷却機を均等に配置した熱音響デバイスが開示されている。 In addition, in a thermoacoustic device, the temperature range that can be used as a heat source is expanded by reducing the temperature difference required for the thermoacoustic core to operate. For this reason, research and development into low-temperature operation of thermoacoustic prime movers and thermoacoustic coolers is being actively conducted. In addition, by connecting a thermoacoustic prime mover and a thermoacoustic cooler, a thermally operated thermoacoustic cooler can be configured in which the oscillating flow generated and amplified by the thermoacoustic prime mover is input into the thermoacoustic cooler to perform cooling using the heat pump effect. For example, Non-Patent Document 2 discloses a thermoacoustic device in which one thermoacoustic prime mover and one thermoacoustic cooler are arranged in series within a loop. In addition, Non-Patent Document 3 discloses a thermoacoustic device in which a thermoacoustic prime mover and a thermoacoustic cooler are evenly arranged.
非特許文献1の熱音響デバイスでは、各熱音響コアは、各熱音響コアを収容する外殻部に直接固定されていた。よって、熱音響原動機の高温側の熱交換器から外殻部に流れる熱量を低減しづらいため、係る熱交換器に投入された熱量のうち蓄熱器に伝達される熱量を高めづらかった。
In the thermoacoustic device of Non-Patent
また、非特許文献3の熱音響デバイスでは、熱音響原動機の高温側の熱交換器と熱音響冷却機の常温側の常温熱交換器とが隣接して配置されるため、外殻部を介して、熱音響原動機の高温熱交換器から熱音響冷却機の常温熱交換器に伝わる熱量が多くなり易かった。そのため、熱音響冷却機の蓄熱器の温度が高くなり易かった。 In addition, in the thermoacoustic device of Non-Patent Document 3, the heat exchanger on the high temperature side of the thermoacoustic motor and the room temperature heat exchanger on the room temperature side of the thermoacoustic cooler are arranged adjacent to each other, so the amount of heat transferred from the high temperature heat exchanger of the thermoacoustic motor to the room temperature heat exchanger of the thermoacoustic cooler via the outer shell tends to be large. As a result, the temperature of the heat storage unit of the thermoacoustic cooler tends to become high.
本発明は、上記事情に鑑みて、熱効率を高めることができる熱音響デバイスを提供することを目的の一つとする。 In view of the above, one of the objectives of the present invention is to provide a thermoacoustic device that can improve thermal efficiency.
(1)本発明の一態様は、振動流を利用した熱音響デバイスであって、前記振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器の一端に設置される第1熱交換器、および前記蓄熱器の他端に設置される第2熱交換器を有する熱音響コアと、前記熱音響コアを保持する保持部材と、前記熱音響コアを収容する外殻部と、を備え、前記保持部材は、径方向から見て、前記第1熱交換器または前記第2熱交換器のうち常温との温度差が小さい一方の熱交換器と重なる位置、または径方向から見て、前記蓄熱器の前記一方の熱交換器側の領域と重なる位置において前記外殻部と接触する、熱音響デバイスである。 (1) One aspect of the present invention is a thermoacoustic device that utilizes an oscillating flow, comprising a thermoacoustic core having a first heat exchanger installed at one end of a heat storage device that converts the energy of the oscillating flow into thermal energy and vice versa, and a second heat exchanger installed at the other end of the heat storage device, a holding member that holds the thermoacoustic core, and an outer shell that houses the thermoacoustic core, wherein the holding member is in contact with the outer shell at a position where it overlaps with either the first heat exchanger or the second heat exchanger, whichever has a smaller temperature difference from room temperature, as viewed from the radial direction, or at a position where it overlaps with a region of the heat storage device on the side of the one heat exchanger, as viewed from the radial direction.
本発明によれば、第1熱交換器または第2熱交換器のうち常温との温度差が大きい一方の熱交換器と外殻部との間の熱抵抗を増大させることができる。これにより、熱音響デバイスの原動用の熱音響コアである熱音響原動機において、高温側の熱交換器である第1原動熱交換器から保持部材を介して外殻部に伝達される熱量を低減できるため、熱音響デバイスの熱効率を高めることができる。また、熱音響デバイスの出力用の熱音響コアである熱音響冷却機において、保持部材を介して低温側の熱交換器である第1冷却熱交換器に伝達される熱量を低減できる。これにより、第1冷却熱交換器および冷却蓄熱器の一端それぞれの温度が上昇することを抑制できる。したがって、第1冷却熱交換器から出力される冷熱量を多くすることができるため、熱音響デバイスの熱効率を高めることができる。 According to the present invention, it is possible to increase the thermal resistance between the outer shell and one of the first and second heat exchangers, which has a larger temperature difference from room temperature. As a result, in the thermoacoustic prime mover, which is the thermoacoustic core for driving the thermoacoustic device, the amount of heat transferred from the first prime mover heat exchanger, which is the high-temperature side heat exchanger, to the outer shell through the retaining member can be reduced, thereby improving the thermal efficiency of the thermoacoustic device. Also, in the thermoacoustic cooler, which is the thermoacoustic core for output of the thermoacoustic device, the amount of heat transferred to the first cooling heat exchanger, which is the low-temperature side heat exchanger, through the retaining member can be reduced. As a result, it is possible to suppress the temperature rise of each of the first cooling heat exchanger and one end of the cooling heat storage device. Therefore, it is possible to increase the amount of cold heat output from the first cooling heat exchanger, thereby improving the thermal efficiency of the thermoacoustic device.
(2)本発明の一態様は、前記保持部材は、前記外殻部と前記熱音響コアとの間の流体の移動を封止する、(1)に記載の熱音響デバイスである。 (2) One aspect of the present invention is the thermoacoustic device described in (1), in which the retaining member seals the movement of fluid between the outer shell and the thermoacoustic core.
本発明によれば、外殻部と熱音響コアとの間を流体が流れることを抑制できる。したがって、外殻部と熱音響コアとの間を流れる流体によって生じる流体の対流や振動流のエネルギーの損失を低減できる。 According to the present invention, it is possible to suppress the flow of fluid between the outer shell and the thermoacoustic core. Therefore, it is possible to reduce the energy loss of the fluid convection and oscillatory flow caused by the fluid flowing between the outer shell and the thermoacoustic core.
(3)本発明の一態様は、複数の前記熱音響コアおよび複数の前記保持部材を有し、複数の前記保持部材のそれぞれは、互いに異なる前記熱音響コアを保持する、(1)または(2)に記載の熱音響デバイスである。 (3) One aspect of the present invention is a thermoacoustic device as described in (1) or (2), which has a plurality of the thermoacoustic cores and a plurality of the holding members, each of the plurality of holding members holding a different thermoacoustic core.
本発明によれば、複数の熱音響コアのそれぞれにおいて、外殻部と第1熱交換器との間の熱抵抗を増大させることができるため、熱音響デバイスの熱効率を高めることができる。 According to the present invention, the thermal resistance between the outer shell and the first heat exchanger can be increased in each of the multiple thermoacoustic cores, thereby improving the thermal efficiency of the thermoacoustic device.
(4)本発明の一態様は、互いに隣接する複数の前記熱音響コアおよび複数の前記保持部材が1つの前記外殻部に収容され、複数の前記保持部材のそれぞれは、互いに異なる前記熱音響コアを保持し、且つ、前記外殻部と接触する、(1)から(3)のいずれか一項に記載の熱音響デバイスである。 (4) One aspect of the present invention is a thermoacoustic device according to any one of (1) to (3), in which a plurality of adjacent thermoacoustic cores and a plurality of the holding members are housed in one outer shell portion, and each of the plurality of holding members holds a different thermoacoustic core and is in contact with the outer shell portion.
本発明によれば、1つの保持部材が複数の熱音響コアを保持する場合と比較して、熱音響コアを保持するために保持部材に加わる応力を低減できる。これにより、保持部材に要求される剛性を低減できるため、保持部材の厚さを薄くでき、第1熱交換器と外殻部との間の熱抵抗をより好適に増大させることができる。したがって、熱音響デバイスの熱効率をより好適に高めることができる。 According to the present invention, the stress applied to the holding member for holding the thermoacoustic cores can be reduced compared to when one holding member holds multiple thermoacoustic cores. This reduces the rigidity required of the holding member, allowing the thickness of the holding member to be thinned and more suitably increasing the thermal resistance between the first heat exchanger and the outer shell. This makes it possible to more suitably increase the thermal efficiency of the thermoacoustic device.
(5)本発明の一態様は、熱音響ユニットを備え、複数の前記熱音響コアは、熱音響原動機および熱音響冷却機を含み、前記熱音響ユニットは、軸方向に互いに隣接して配置される前記熱音響原動機および前記熱音響冷却機によって構成され、前記熱音響ユニットにおいて、前記熱音響冷却機が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器と、前記熱音響原動機が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器とが互いに隣接して配置される、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱音響デバイスである。
(5) One aspect of the present invention is a thermoacoustic device according to any one of
本発明によれば、第1冷却熱交換器と第1原動熱交換器との間の軸方向の距離を長くできるため、流体および外殻部を介して、第1原動熱交換器から第1冷却熱交換器に流れ込む熱量を低減できる。したがって、第1原動熱交換器の温度が低下することおよび第1冷却熱交換器の温度が上昇することを抑制できるため、熱音響デバイスの熱効率を高めることができる。 According to the present invention, the axial distance between the first cooling heat exchanger and the first driving heat exchanger can be increased, so that the amount of heat flowing from the first driving heat exchanger to the first cooling heat exchanger via the fluid and the outer shell can be reduced. Therefore, the temperature of the first driving heat exchanger can be prevented from decreasing and the temperature of the first cooling heat exchanger can be prevented from increasing, so that the thermal efficiency of the thermoacoustic device can be improved.
(6)本発明の一態様は、前記熱音響ユニットは、前記熱音響原動機と前記熱音響冷却機との間に配置された膜構造を有する膜部材を有する、(5)に記載の熱音響デバイスである。 (6) One aspect of the present invention is the thermoacoustic device described in (5), in which the thermoacoustic unit has a membrane member having a membrane structure arranged between the thermoacoustic prime mover and the thermoacoustic cooler.
本発明によれば、膜部材の温度が高くなりすぎることを抑制できるため、高い耐熱性能を有しないゴム材料によって構成された膜部材が劣化することを抑制できる。したがって、ゲデオン流を安定的に抑止できるため、熱音響デバイスの熱効率が低下することを抑制できる。 According to the present invention, the temperature of the membrane member can be prevented from becoming too high, and therefore deterioration of the membrane member made of a rubber material that does not have high heat resistance can be prevented. Therefore, the Gedeon flow can be stably suppressed, and a decrease in the thermal efficiency of the thermoacoustic device can be prevented.
(7)本発明の一態様は、複数の前記熱音響ユニットを備える、(5)または(6)に記載の熱音響デバイスである。 (7) One aspect of the present invention is a thermoacoustic device according to (5) or (6), which includes a plurality of the thermoacoustic units.
本発明によれば、複数の熱音響原動機それぞれに廃熱の熱を供給できるため、熱音響デバイスに供給できる熱量を増やすことができる。また、複数の熱音響冷却機のそれぞれから冷熱を出力できるため、熱音響デバイスから出力する冷熱量を多くすることができる。 According to the present invention, waste heat can be supplied to each of multiple thermoacoustic prime movers, so the amount of heat that can be supplied to the thermoacoustic device can be increased. In addition, cold heat can be output from each of multiple thermoacoustic coolers, so the amount of cold heat output from the thermoacoustic device can be increased.
(8)本発明の一態様は、振動流を利用した熱音響デバイスであって、熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する熱音響原動機、および振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換する熱音響冷却機を有する熱音響ユニットを備え、前記熱音響原動機および前記熱音響冷却機のそれぞれは、前記振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器の一端に設置される第1熱交換器、および前記蓄熱器の他端に設置される第2熱交換器を有し、前記熱音響冷却機が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器と、前記熱音響原動機が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器が軸方向に隣接して配置される、熱音響デバイスである。 (8) One aspect of the present invention is a thermoacoustic device that utilizes an oscillating flow, comprising a thermoacoustic unit having a thermoacoustic prime mover that converts thermal energy into oscillating flow energy, and a thermoacoustic cooler that converts the energy of the oscillating flow into thermal energy, and each of the thermoacoustic prime mover and the thermoacoustic cooler has a first heat exchanger installed at one end of a heat accumulator that converts the energy of the oscillating flow into thermal energy and a second heat exchanger installed at the other end of the heat accumulator, and the heat exchanger that is the cooling side of the heat exchangers of the thermoacoustic cooler and the heat exchanger that is close to room temperature of the heat exchangers of the thermoacoustic prime mover are arranged adjacent to each other in the axial direction.
本発明によれば、第1冷却熱交換器と第1原動熱交換器との間の軸方向の距離を長くできるため、流体および外殻部を介して、第1原動熱交換器から第1冷却熱交換器に流れ込む熱量を低減できる。したがって、第1原動熱交換器の温度が低下することおよび第1冷却熱交換器の温度が上昇することを抑制できるため、熱音響デバイスの熱効率を高めることができる。 According to the present invention, the axial distance between the first cooling heat exchanger and the first driving heat exchanger can be increased, so that the amount of heat flowing from the first driving heat exchanger to the first cooling heat exchanger via the fluid and the outer shell can be reduced. Therefore, the temperature of the first driving heat exchanger can be prevented from decreasing and the temperature of the first cooling heat exchanger can be prevented from increasing, so that the thermal efficiency of the thermoacoustic device can be improved.
本発明の一つの態様によれば、熱音響デバイスにおいて、熱効率を高めることができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to increase the thermal efficiency of a thermoacoustic device.
各図面において、軸方向Daは、熱音響コアおよび流体を収容するハウジングが延びる方向である。軸方向Daは、ハウジングの管軸方向である。以下の説明では、軸方向Daの矢印が向く側(+Da側)を「軸方向一方側」と呼び、軸方向Daの矢印が向く側と反対側(-Da側)を「軸方向他方側」と呼ぶ。また、熱音響デバイスを構成する各部材等の軸方向Daの端部のうち、軸方向一方側の端部を「一端」と呼び、軸方向他方側の端部を「他端」と呼ぶ場合がある。 In each drawing, the axial direction Da is the direction in which the housing that contains the thermoacoustic core and the fluid extends. The axial direction Da is the tube axis direction of the housing. In the following description, the side toward which the axial direction Da arrow points (+Da side) is referred to as "one axial side," and the opposite side to the side toward which the axial direction Da arrow points (-Da side) is referred to as "other axial side." In addition, of the axial direction Da ends of each component that constitutes the thermoacoustic device, the end on one axial side may be referred to as "one end," and the end on the other axial side may be referred to as "the other end."
熱音響機関の外殻部および導波管の外周の形状は、円形に限らず、楕円形、角丸多角形、多角形等の形状であってもよいが、発明の構成を説明しやすいように、代表として、熱音響機関の外殻部および導波管の外周の形状が円形の場合を用いて説明する。各図面において適宜示す第1軸線J1は、外殻部の中心軸線である。第1軸線J1は、軸方向Daに延びる仮想軸線である。以下の説明において、第1軸線J1を中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、第1軸線J1を中心とする周方向を単に「周方向」と呼ぶ。周方向は矢印θ1で示される。 The shape of the outer shell of the thermoacoustic engine and the outer periphery of the waveguide is not limited to a circle, and may be an ellipse, a rounded polygon, a polygon, or the like. To make it easier to explain the configuration of the invention, the case where the outer shell of the thermoacoustic engine and the outer periphery of the waveguide are circular will be described as a representative example. The first axis J1 shown appropriately in each drawing is the central axis of the outer shell. The first axis J1 is a virtual axis extending in the axial direction Da. In the following description, the radial direction centered on the first axis J1 will be simply referred to as the "radial direction", and the circumferential direction centered on the first axis J1 will be simply referred to as the "circumferential direction". The circumferential direction is indicated by the arrow θ1.
各図面において適宜示す第2軸線J2は、軸方向Daと直交する方向に延びる仮想軸線である。以下の説明において、第2軸線J2を中心とする周方向を単に「第2周方向」と呼ぶ。各図面において、第2周方向は、矢印θ2で示される。 The second axis J2, which is shown appropriately in each drawing, is a virtual axis extending in a direction perpendicular to the axial direction Da. In the following description, the circumferential direction centered on the second axis J2 is simply referred to as the "second circumferential direction." In each drawing, the second circumferential direction is indicated by the arrow θ2.
<第1実施形態>
図1に示す熱音響デバイス10は、ハウジング20内の振動流を利用した熱音響デバイスである。熱音響デバイス10は、熱音響デバイス10に供給された熱エネルギーによって、ハウジング20内に収容される流体Fの振動流を発生および増幅させ、係る振動流を熱エネルギー等のエネルギーに変換して出力する。熱エネルギーを供給する熱源は自動車、船舶、および航空機等の移動体、工場、ごみ処理場、および給湯器熱等の廃熱、太陽光からの集熱などの熱エネルギーを供給できればよく、熱源はこれらに限定されない。本実施形態の熱音響デバイス10は、ハウジング20と、熱音響コア31と、保持部材40と、流体Fと、を備える。
First Embodiment
The
ハウジング20は、熱音響コア31、保持部材40、および流体Fを内部に収容する管路である。ハウジング20は、軸方向Daに流体Fが流れる流路である。ハウジング20は、環状である。図1の本実施形態において、ハウジング20は、第2軸線J2を囲む略四角環状である。ハウジング20は、複数の外殻部21aと、複数の導波管21cと、を有する。なお、ハウジング20は、略四角環状に限定されず、環状、楕円環状、および多角環状等の他の形状であってもよい。ハウジング20は、丸みを帯びていてもよいし、角張っていてもよい。また、複数の外殻部21aおよび複数の導波管21cそれぞれの管軸は同一面に配置されていなくてもよいし、各外殻部21aおよび各導波管21cそれぞれの管軸は3次元的に曲がっていてもよい。
The
外殻部21aは、熱音響コア31および保持部材40を内部に収容する。外殻部21aは、軸方向Daに延びる筒状である。本実施形態において、外殻部21aは、第1軸線J1を中心とする円筒状である。外殻部21aは、軸方向Daに延びる角柱状等の他の形状であってもよい。外殻部21aは、熱音響コア31および保持部材40を保持する。図1の本実施形態において、ハウジング20は、4個の外殻部21aを有する。各外殻部21aは、第2周方向に沿って略90°毎に互いに間隔をあけて配置される。なお、各外殻部21aが配置される間隔は、略90°毎に限定されず、略四角環状の場合は、4つの角の合計が360°の組合せで構成されれば角度は限定されない。この他、ハウジング20が略三角環状の場合は、3つの角の合計が180°の組合せであれば各外殻部21aが配置される間隔は、特に限定されない。また、ハウジング20が有する外殻部21aの個数は、3個以下であってもよいし、5個以上であってもよい。
The
図1の本実施形態において、導波管21cは、略90°に湾曲した管状である。本実施形態において、ハウジング20は、4個の導波管21cを有する。各導波管21cは、第2周方向に沿って略90°毎に互いに間隔をあけて配置される。各導波管21cは、第2周方向に隣り合って配置される一対の外殻部21a同士を接続する。これにより、各導波管21cを介して各外殻部21aが接続され、略四角環状のハウジング20が構成される。なお、導波管21cは、ハウジング20の形状によって角度が変わり、ハウジング20が多角環状の場合は、多角環状の内角を構成する角度と同等の角度になる。
In the present embodiment of FIG. 1, the
流体Fは、ハウジング20の内部に封入される。流体Fとしては、空気、ヘリウム、およびアルゴン等の気体、水およびエタノール等の液体および蒸気、気体、液体および蒸気の混合物等の振動流を伝達可能な流体を用いることができる。本実施形態では、熱音響コア31における振動流のエネルギーと熱エネルギーとの変換効率を高めるため、流体Fの圧力は大気圧よりも大きな圧力である。なお、流体Fは、振動流を伝達可能であれば上記の材料に限定されず、他の材料によって構成されてもよい。また、流体Fの圧力は、大気圧と同じ圧力であってもよいし、大気圧よりも小さい圧力であってもよい。
Fluid F is sealed inside the
熱音響コア31は、入力された廃熱等の熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する。また、熱音響コア31は、振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換して出力する。熱音響コア31は、外殻部21aの内部に収容される。熱音響コア31は、保持部材40を介して外殻部21aに保持される。熱音響デバイス10は、複数の熱音響コア31を有する。本実施形態において、熱音響デバイス10は、4個の熱音響コア31を備える。各熱音響コア31は、互いに異なる外殻部21aの内部に収容される。なお、熱音響デバイス10が有する熱音響コア31の個数は、3個以下であってもよいし、5個以上であってもよい。
The
本実施形態において、複数の熱音響コア31は、熱音響原動機33および熱音響冷却機35を含む。本実施形態において、熱音響デバイス10は、2個の熱音響原動機33および2個の熱音響冷却機35を有する。熱音響原動機33および熱音響冷却機35の少なくとも一方は、振動流のエネルギーと熱エネルギーとの相互の変換に相変化現象を利用してもよい。なお、複数の熱音響コア31は、熱音響原動機33および熱音響冷却機35に加えて図示しない熱音響昇温機を含んでもよい。
In this embodiment, the multiple
各熱音響コア31は、蓄熱器31a、第1熱交換器31e、および第2熱交換器31gを有する。蓄熱器31aは、振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する。蓄熱器31aには、単数から複数の小径の図示しない流路が形成されている。流路は、軸方向Daに沿って延び、軸方向の両側に開口する。流路の内部には、振動流が流れる。流路は、例えば、セラミックスで形成されたハニカム構造体、および多数のステンレス鋼メッシュ薄板が積層された構造体により形成される。また、流路は、発泡金属やスチールウール等で形成されてもよいし、凸凹のあるフィルムを丸めて形成されてもよいし、異なる流路径および流路形状を有する薄板等を組み合わせて形成されてもよい。流路は、例えば、断面が円管形状、平行平板形状、多角形形状、ピンアレイ形状に形成されている。本実施形態において、蓄熱器31aは、原動蓄熱器33aと、冷却蓄熱器35aとを含む。なお、蓄熱器31aは、液体の蒸発と凝縮、すなわち液体の相変化現象を利用して振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換してもよい。
Each
第1熱交換器31eは、蓄熱器31aの軸方向一方側(+Da側)に配置される。第1熱交換器31eは、蓄熱器31aの一端31bに設置される。第1熱交換器31eは、蓄熱器31aの一端31bと繋がる。第2熱交換器31gは、蓄熱器31aの軸方向他方側(-Da側)に配置される。第2熱交換器31gは、蓄熱器31aの他端31cに設置される。第2熱交換器31gは、蓄熱器31aの他端31cと繋がる。本実施形態において、第1熱交換器31eの温度と常温との温度差は、第2熱交換器31gの温度と常温との温度差よりも大きい。本実施形態において、第1熱交換器31eは、第1原動熱交換器33eと、第1冷却熱交換器35eとを含む。本実施形態において、第2熱交換器31gは、第2原動熱交換器33gと、第2冷却熱交換器35gとを含む。
The
熱音響原動機33は、熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する。なお、熱音響原動機33は、振動流を利用した原動用の熱音響コア31であればよく、例えば、定在波型振動流、進行波型振動流、および相変化型振動流等を利用した原動用の熱音響コア31である。図2に示すように、熱音響原動機33は、原動蓄熱器33a、第1原動熱交換器33e、および第2原動熱交換器33gを有する。
The thermoacoustic
原動蓄熱器33aは、原動蓄熱器33aの一端33bと他端33cとの間に温度差が生じると熱音響現象が発生し、これにより振動流を発生、もしくは振動流を増幅する。第1原動熱交換器33eは、原動蓄熱器33aの一端33bに設置される。第1原動熱交換器33eは、熱音響原動機33の高温側の熱交換器である。第1原動熱交換器33eは、第2原動熱交換器33gの熱媒体よりも温度が高い熱媒体を介して原動蓄熱器33aの一端33bと熱交換する。
When a temperature difference occurs between one
第2原動熱交換器33gは、原動蓄熱器33aの他端33cに設置される。第2原動熱交換器33gは、熱音響原動機33の常温側の熱交換器である。第2原動熱交換器33gは、常温の熱媒体を介して原動蓄熱器33aの他端33cと熱交換する。第2原動熱交換器33gの温度は、第1原動熱交換器33eの温度よりも常温に近い。なお、第2原動熱交換器33gの熱媒体は、第1原動熱交換器33eの熱媒体よりも温度が低く、第1原動熱交換器33eと第2原動熱交換器33gの間に温度差が得られればよい。そのため、第2原動熱交換器33gの熱媒体は、地下水、海水、河川の水、工場用冷却水等の安定した温度を維持する媒体や、液体窒素や天然ガスなどの冷熱やチラー等を用いて、常温よりも低い媒体を使用してもよい。この他、第1原動熱交換器33eよりも温度が低ければ、廃棄される温水や冷却油等の常温よりも高い媒体を使用してもよい。ただし、第2原動熱交換器33gの温度が低い方が、第1原動熱交換器33eとの温度差が大きくなる。
The second
第1原動熱交換器33eには、第2原動熱交換器33gの熱媒体よりも温度が高い高温の気体および液体等の熱媒体を循環させる。これにより、原動蓄熱器33aの一端33bに高温の熱が供給されるため、原動蓄熱器33aの一端33bの温度を第2原動熱交換器33gの温度よりも高い温度にできる。また、第2原動熱交換器33gには、常温の気体および液体等の熱媒体を循環させる。これにより、原動蓄熱器33aの他端33cの温度を常温にできる。なお、第2原動熱交換器33gの熱媒体は、第1原動熱交換器33eよりも温度が低く、第1原動熱交換器33eと第2原動熱交換器33gの間に温度差が得られればよい。そのため、第2原動熱交換器33gの熱媒体は、地下水、海水、河川の水、工場用冷却水等の安定した温度を維持する媒体や、液体窒素や天然ガスなどの冷熱やチラー等を用いて、常温よりも低い媒体を使用してもよい。この他、第1原動熱交換器33eよりも温度が低ければ、廃棄される温水や冷却油等の常温よりも高い媒体を使用してもよい。したがって、原動蓄熱器33aには、高温側となる原動蓄熱器33aの一端33bと常温側となる原動蓄熱器33aの他端33cとの間に温度差が形成されるため熱音響現象が発生し、流体Fの振動流の発生および増幅を行うことができる。これにより、原動蓄熱器33aは、熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する。原動蓄熱器33aにおいて発生および増幅された振動流は、ハウジング20内を伝搬する。
A heat medium such as a high-temperature gas or liquid having a higher temperature than the heat medium of the second
なお、第1原動熱交換器33eに供給される熱としては、例えば、廃熱として捨てられる未使用の熱を利用できる。第1原動熱交換器33eに供給される熱の熱源は、特に限定されず、例えば、太陽光、地熱、エンジン、および工場等の各種施設において熱を発生する装置等を例示できる。
The heat supplied to the first
また、常温とは、熱音響デバイス10の外部雰囲気の温度、および外殻部21aの温度等の熱音響コア31の外部の温度である。具体的には、室内温度や大気温度などが挙げられる。なお、常温は、第1原動熱交換器33eおよび第1冷却熱交換器35eと温度差を生じさせるように安定的に熱量(冷熱を含む)を供給できる媒体の温度であってもよい。
The room temperature is the temperature of the atmosphere outside the
熱音響冷却機35は、振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換する。熱音響冷却機35には、熱音響原動機33において発生および増幅された振動流が入力され、出力を取り出す出力用の熱音響コアである。本実施形態において、熱音響冷却機35は、出力として冷熱を取り出す冷却機である。図3に示すように、熱音響冷却機35は、冷却蓄熱器35a、第1冷却熱交換器35e、および第2冷却熱交換器35gを有する。
The
冷却蓄熱器35aは、振動流が入力されるとヒートポンプ効果によって、冷却蓄熱器35aの一端35bと他端35cとの間に温度差を形成する。第1冷却熱交換器35eは、冷却蓄熱器35aの一端35bに設置される。第1冷却熱交換器35eは、熱音響冷却機35の冷却側の熱交換器である。第1冷却熱交換器35eは、常温よりも温度が低い熱媒体を介して冷却蓄熱器35aの一端35bと熱交換する。第1冷却熱交換器35eは、冷却蓄熱器35aの一端35bから冷熱を取り出す。
When the vibration flow is input to the
第2冷却熱交換器35gは、冷却蓄熱器35aの他端35cに設置される。第2冷却熱交換器35gは、熱音響冷却機35の常温側の熱交換器である。第2冷却熱交換器35gは、常温の熱媒体を介して冷却蓄熱器35aの他端35cと熱交換する。第2冷却熱交換器35gの温度は、第1冷却熱交換器35eの温度よりも常温に近い。なお、第2冷却熱交換器35gの熱媒体は、地下水、海水、河川の水、工場用冷却水等の安定した温度を維持する媒体や、液体窒素や天然ガスなどの冷熱やチラー等を用いて、常温よりも低い媒体を使用してもよい。また、第2冷却熱交換器35gの熱媒体の温度は、第1冷却熱交換器35eの熱媒体の温度よりも高ければ、廃棄される温水や冷却油や室内の高温の空気等の常温よりも高い媒体を使用してもよい。第2冷却熱交換器35gの温度が常温よりも低いと、第1冷却熱交換器35eからより低い冷熱を取り出すことができる。
The second
上述のように、熱音響原動機33において発生および増幅された振動流が冷却蓄熱器35aに入力されるとヒートポンプ効果によって、冷却蓄熱器35aの一端35bと他端35cとの間に温度差が形成される。上述のように、冷却蓄熱器35aの他端35cは、第2冷却熱交換器35gによって常温の熱媒体と熱交換される。そのため、常温となる冷却蓄熱器35aの他端35cを基準に冷却蓄熱器35aの一端35bと他端35cとの間に温度差が生じ、冷却側となる冷却蓄熱器35aの一端35bにおいて吸熱反応が発生する。そのため、第1冷却熱交換器35eを介して、冷却蓄熱器35aの一端35bと熱交換することによって、冷却蓄熱器35aから冷熱を出力できる。
As described above, when the vibration flow generated and amplified in the
なお、本実施形態の熱音響デバイス10では、熱音響デバイス10の使用用途によって、熱音響冷却機35を発電機および昇温機に置き換えてもよい。熱音響冷却機35を発電機に置き換えた熱音響デバイス10では、発電機によって振動流のエネルギーを電力に変換できる、電力を出力できる。また、熱音響冷却機35を昇温機に置き換えた熱音響デバイス10では、昇温機によって振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換でき、温熱を出力できる。
In the
保持部材40は、熱音響コア31を保持する。図1に示すように、保持部材40は、軸方向Daに延びる筒状である。保持部材40は、外殻部21aの内部に収容される。熱音響デバイス10は、複数の保持部材40を有する。本実施形態において、熱音響デバイス10は、8個の保持部材40を有する。各保持部材40のそれぞれは、互いに異なる熱音響コア31を保持する。つまり、各保持部材40は、互いに異なる熱音響原動機33または熱音響冷却機35を保持する。図2および図3に示すように、保持部材40は、保持部41、封止部42、および突出部43を有する。本実施形態において、保持部41、封止部42、および突出部43は、同一の単一部材の一部である。保持部41、封止部42、および突出部43のそれぞれは、別個の部材であってもよい。この場合、保持部41、封止部42、および突出部43を接着および溶接等によって互いに接合することで、保持部材40を構成できる。保持部41、封止部42、および突出部43それぞれの厚さは、外殻部21aの厚さよりも薄い。すなわち、保持部材40の厚さは、外殻部21aの厚さよりも薄い。
The holding
次に、保持部材40が熱音響原動機33を保持する構成等について説明する。図2に示すように、保持部41は、第1軸線J1を中心として軸方向Daに延びる円筒状である。径方向において、保持部41は、熱音響原動機33と外殻部21aとの間に配置される。保持部41は、外殻部21aと径方向に隙間をあけて配置される。保持部41の一端41aは、第1原動熱交換器33eよりも軸方向他方側(-Da側)に位置する。本実施形態において、径方向から見て、保持部41の他端41bは、第2原動熱交換器33gと重なる。保持部41の内周面は、原動蓄熱器33aの外周面と接触する。これにより、保持部材40は、熱音響原動機33を保持する。保持部41の内周面は、第2原動熱交換器33gの外周面と接触してもよい。また、径方向から見て、保持部41の他端41bは、原動蓄熱器33aの第2原動熱交換器33g側、すなわち第2熱交換器31g側の領域と重なる位置に配置されてもよい。
Next, the configuration of the holding
本実施形態において、封止部42は、保持部41の他端41bから径方向外側に突出する。軸方向Daから見て、封止部42は、第1軸線J1を中心とする円環状である。封止部42の径方向外側の端部は、外殻部21aと径方向に接触する。つまり、保持部材40は、外殻部21aと接触する。これにより、保持部材40は、外殻部21aに保持される。よって、熱音響原動機33は、保持部材40を介して外殻部21aに保持される。封止部42は、周方向一周に亘って外殻部21aと径方向に接触する。これにより、保持部材40は、外殻部21aと熱音響原動機33、すなわち熱音響コア31との間の流体Fの移動を封止する。なお、封止部42の形状は、外殻部21aと熱音響コア31との間の流体Fの移動を封止できるならば、本実施形態に限定されない。例えば、外殻部21aが、楕円形状、角丸多角形状、および多角形状等のそれぞれの場合、封止部42の形状は、楕円形状、角丸多角形状、および多角形状等のそれぞれであってもよい。
In this embodiment, the sealing
本実施形態では、径方向から見て、封止部42は、第2原動熱交換器33gすなわち第2熱交換器31gと重なる位置において外殻部21aと接触する。これにより、保持部材40は、第1原動熱交換器33eすなわち第1熱交換器31e、または第2熱交換器31gのうち常温との温度差が小さい第2熱交換器31gと重なる位置において外殻部21aと接触する。保持部材40は、径方向から見て、原動蓄熱器33aの第2熱交換器31g側の領域と重なる位置において外殻部21aと接触してもよい。
In this embodiment, the sealing
突出部43は、保持部41の一端41aから径方向外側に突出する。軸方向Daから見て、突出部43は、第1軸線J1を中心とする円環状である。本実施形態において、突出部43は、外殻部21aと径方向に隙間をあけて対向する。突出部43は設けられなくてもよい。
The
次に、保持部材40が熱音響冷却機35を保持する構成等について説明する。以下の説明では、上述の保持部材40が熱音響原動機33を保持する構成等と同一の構成等は説明を省略する。図3に示すように、保持部41の一端41aは、第1冷却熱交換器35eよりも軸方向他方側(-Da側)に位置する。本実施形態において、径方向から見て、保持部41の他端41bは、第2冷却熱交換器35gと重なる。保持部41の内周面は、冷却蓄熱器35aの外周面と接触する。これにより、保持部材40は、熱音響冷却機35を保持する。なお、径方向から見て、保持部41の他端41bは、冷却蓄熱器35aの第2冷却熱交換器35g側、すなわち第2熱交換器31g側の領域と重なる位置に配置されてもよい。
Next, the configuration of the holding
封止部42の径方向外側の端部は、外殻部21aと径方向に接触する。これにより、熱音響冷却機35は、保持部材40を介して外殻部21aに保持される。封止部42は、周方向一周に亘って外殻部21aと径方向に接触する。これにより、保持部材40は、外殻部21aと熱音響冷却機35、すなわち熱音響コア31との間の流体Fの移動を封止する。本実施形態において、保持部材40は、第1冷却熱交換器35eすなわち第1熱交換器31e、または第2冷却熱交換器35gすなわち第2熱交換器31gのうち常温との温度差が小さい第2熱交換器31gと重なる位置において外殻部21aと接触する。保持部材40は、径方向から見て、冷却蓄熱器35aの第2熱交換器31g側の領域と重なる位置において外殻部21aと接触してもよい。
The radially outer end of the sealing
本実施形態によれば、熱音響デバイス10は、振動流を利用した熱音響デバイスであって、振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器31aの一端に設置される第1熱交換器31e、および蓄熱器31aの他端に設置される第2熱交換器31gを有する熱音響コア31と、熱音響コア31を保持する保持部材40と、熱音響コア31を収容する外殻部21aと、を備え、保持部材40は、径方向から見て、第1熱交換器31eまたは第2熱交換器31gのうち常温との温度差が小さい第2熱交換器31gと重なる位置において外殻部21aと接触する。よって、第1熱交換器31eまたは第2熱交換器31gのうち常温との温度差が大きい第1熱交換器31eと保持部材40のうち外殻部21aと接触する部分である封止部42との間の軸方向Daの距離を長くできる。そのため、径方向から見て、保持部材40が、第1熱交換器31eと重なる位置において外殻部21aと接触する場合と比較して、第1熱交換器31eと外殻部21aとの間の熱抵抗を増大させることができる。
According to this embodiment, the
そのため、熱音響原動機33においては、高温側の熱交換器である第1原動熱交換器33eから保持部材40を介して外殻部21aに伝達される熱量を低減できる。これにより、第1原動熱交換器33eに供給された熱量のうち外部雰囲気に放熱される熱量を低減できる。したがって、原動蓄熱器33aの一端33bの温度を効率的に高めることができるため、熱音響デバイス10の熱効率を高めることができる。
Therefore, in the thermoacoustic
また、熱音響冷却機35においては、外部雰囲気等から保持部材40を介して低温側の熱交換器である第1冷却熱交換器35eに伝達される熱量を低減できる。これにより、第1冷却熱交換器35eおよび冷却蓄熱器35aの一端35bそれぞれの温度が上昇することを抑制できる。したがって、第1冷却熱交換器35eから出力される冷熱量を多くすることができるため、熱音響デバイス10の熱効率を高めることができる。
In addition, in the
また、本実施形態では、上述のように熱音響コア31における振動流のエネルギーと熱エネルギーとの変換効率を高めるため、流体Fの圧力は大気圧よりも大きな圧力である。本実施形態では、外殻部21aが流体Fを収容する耐圧容器としての役割を担うため、保持部材40は耐圧機能を有する必要がない。よって、上述のように保持部材40の厚さを外殻部21aの厚さよりも薄くできるため、第1熱交換器31eと外殻部21aとの間の熱抵抗をより好適に増大させることができる。したがって、第1原動熱交換器33eから外殻部21aおよび熱音響デバイス10の外部雰囲気に放熱される熱量を低減できるとともに、保持部材40を介して第1冷却熱交換器35eに伝達される熱量を低減できるため、熱音響デバイス10の熱効率をより好適に高めることができる。
In addition, in this embodiment, the pressure of the fluid F is higher than atmospheric pressure in order to increase the conversion efficiency between the energy of the vibration flow and the thermal energy in the
また、本実施形態では、ハウジング20は環状である。よって、熱音響デバイス10は、自励振動を生じることができる。そのため、熱音響デバイス10は、音響ドライバーなどの振動流の入力源を要することなく、振動流の発生および増幅を行うことができる。したがって、熱音響デバイス10の部品点数が増大することを抑制できるとともに、熱音響デバイス10の構成の簡素化を図ることができる。
In addition, in this embodiment, the
本実施形態によれば、保持部材40は、外殻部21aと熱音響コア31との間の流体Fの移動を封止する。よって、流体Fが外殻部21aと熱音響コア31との間を流れることを抑制できる。したがって、外殻部21aと熱音響コア31との間を流れる流体Fによって生じる流体Fの対流や振動流のエネルギーの損失を低減できる。
According to this embodiment, the retaining
本実施形態によれば、熱音響デバイス10は、複数の熱音響コア31および複数の保持部材40を有し、複数の保持部材40のそれぞれは、互いに異なる熱音響コア31を保持する。よって、複数の熱音響コア31のそれぞれにおいて、外殻部21aと第1熱交換器31eとの間の熱抵抗を増大させることができるため、各第1原動熱交換器33eから外殻部21aおよび熱音響デバイス10の外部雰囲気に放熱される熱量を低減できるとともに、保持部材40を介して各第1冷却熱交換器35eに伝達される熱量を低減できるため、熱音響デバイス10の熱効率を高めることができる。
According to this embodiment, the
また、本実施形態では、複数の熱音響原動機33を有するため、各熱音響原動機33が振動流を発生および増幅するために必要な原動蓄熱器33aの一端33bの温度を下げることができる。したがって、熱音響デバイス10の熱効率をより好適に高めることができる。
In addition, since this embodiment has multiple thermoacoustic
<第2実施形態>
本実施形態の熱音響デバイス210は、ハウジング220内の振動流を利用した熱音響デバイスである。図4に示すように、本実施形態の熱音響デバイス210は、熱音響ユニット230を備える。以下の説明において、上述の第1実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
Second Embodiment
The
図4に示すように、本実施形態のハウジング220は、略四角環状である。ハウジング220は、複数の外殻部221aと、複数の導波管21cと、を有する。本実施形態の外殻部221aは、熱音響ユニット230および保持部材240を内部に収容する。外殻部221aは、熱音響ユニット230および保持部材240を保持する。なお、ハウジング220は、略四角環状に限定されず、環状、楕円環状、および多角環状等の他の形状でもよい。ハウジング220は、丸みを帯びていてもよいし、角張っていてもよい。本実施形態において、ハウジング220は、4個の外殻部221aを有する。各外殻部221aは、軸方向Daに沿って略90°毎に互いに間隔をあけて配置される。なお、各外殻部221aが配置される間隔は、略90°毎に限定されず、略四角環状の場合は、4つの角の合計が360°の組合せで構成されれば角度は限定されない。また、ハウジング220が略三角環状の場合は、3つの角の合計が180°の組合せであれば各外殻部221aが配置される間隔は、特に限定されない。また、ハウジング220が有する外殻部221aの個数は、3個以下であってもよいし、5個以上であってもよい。補実施形態のハウジング220のその他の構成等は、上述の第1実施形態のハウジング20のその他の構成等と同一である。
As shown in FIG. 4, the
熱音響ユニット230は、入力された廃熱等の熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する。また、熱音響ユニット230は、振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換して出力する。熱音響ユニット230は、外殻部221aの内部に収容される。熱音響ユニット230は、保持部材240を介して外殻部221aに保持される。熱音響デバイス210は、複数の熱音響ユニット230を備える。本実施形態において、熱音響デバイス210は、4個の熱音響ユニット230を備える。各熱音響ユニット230は、互いに異なる外殻部221aの内部に収容される。各熱音響ユニット230は、軸方向Daに沿って互いに隣接する複数の熱音響コア31によって構成される。互いに隣接する複数の熱音響コア31は、1つの外殻部221aに収容される。本実施形態において、熱音響ユニット230は、2個の熱音響コア31によって構成される。なお、熱音響デバイス210が有する熱音響ユニット230の個数は、3個以下であってもよいし、5個以上であってもよい。また、熱音響ユニット230が有する、熱音響コア31の個数は、3個以上であってもよい。
The
本実施形態において、複数の熱音響コア31は、熱音響原動機33および熱音響冷却機35を含む。本実施形態において、各熱音響ユニット230は、1個の熱音響原動機33および1個の熱音響冷却機35によって構成される。本実施形態において、熱音響デバイス210は、4個の熱音響原動機33および4個の熱音響冷却機35を有する。
In this embodiment, the multiple
本実施形態では、各熱音響ユニット230において、熱音響原動機33は、熱音響冷却機35よりも軸方向一方側(+Da側)に配置される。熱音響原動機33は、熱音響冷却機35と軸方向Daに間隔をあけて配置される。図5に示すように、熱音響冷却機35の冷却側となる第1冷却熱交換器35eは、冷却蓄熱器35aの一端35bに設置される。また、熱音響原動機33の常温側となる第2原動熱交換器33gは、原動蓄熱器33aの他端33cに設置される。したがって、各熱音響ユニット230において、熱音響冷却機35が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器、すなわち第1冷却熱交換器35eと、熱音響原動機33が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器、すなわち第2原動熱交換器33gとが互いに隣接して配置される。
In this embodiment, in each
保持部材240は、熱音響コア31を保持する。図4に示すように、熱音響デバイス210は、複数の保持部材240を有する。本実施形態において、熱音響デバイス210は、8個の保持部材240を有する。各保持部材240のそれぞれは、互いに異なる熱音響コア31を保持する。つまり、各保持部材240は、互いに異なる熱音響原動機33または熱音響冷却機35を保持する。1つの外殻部221aには、2個の保持部材240が収容される。すなわち、複数の保持部材240が1つの外殻部221aに収容される。図5に示すように、保持部材240は、保持部241、封止部242、および突出部43を有する。保持部材240の厚さは、外殻部221aの厚さよりも薄い。
The holding
次に、保持部材240が熱音響原動機33を保持する構成等について説明する。保持部241は、第1軸線J1を中心として軸方向Daに延びる円筒状である。保持部241の一端241aは、第1原動熱交換器33eよりも軸方向他方側(-Da側)に位置する。本実施形態において、径方向から見て、保持部241の他端241bは、原動蓄熱器33aの第2原動熱交換器33g側の領域と重なる。本実施形態において、原動蓄熱器33aの第2原動熱交換器33g側の領域とは、原動蓄熱器33aのうち軸方向Daの中央よりも第2原動熱交換器33g側の部分である。保持部241の内周面は、原動蓄熱器33aの外周面と接触する。これにより、保持部材240は、熱音響原動機33を保持する。
Next, the configuration of the holding
封止部242は、保持部241の他端241bから径方向外側に突出する。封止部242の径方向外側の端部は、外殻部221aと径方向に接触する。これにより、熱音響原動機33は、保持部材240を介して外殻部221aに保持される。封止部242は、周方向一周に亘って外殻部221aと径方向に接触する。これにより、保持部材240は、外殻部221aと熱音響原動機33、すなわち熱音響コア31との間の流体Fの移動を封止する。本実施形態では、径方向から見て、封止部242は、原動蓄熱器33aの第2原動熱交換器33g側、すなわち第2熱交換器31g側の領域と重なる位置において外殻部221aと接触する。これにより、保持部材240は、蓄熱器31aの第1熱交換器31eまたは第2熱交換器31gのうち常温との温度差が小さい第2熱交換器31g側の領域と重なる位置において外殻部221aと接触する。
The sealing
次に、保持部材240が熱音響冷却機35を保持する構成等について説明する。以下の説明では、上述の保持部材240が熱音響原動機33を保持する構成等と同一の構成等は説明を省略する。保持部241の一端241aは、第1冷却熱交換器35eよりも軸方向他方側(-Da側)に位置する。本実施形態において、径方向から見て、保持部241の他端241bは、冷却蓄熱器35aの第2冷却熱交換器35g側の領域と重なる。保持部241の内周面は、冷却蓄熱器35aの外周面と接触する。これにより、保持部材240は、熱音響冷却機35を保持する。
Next, the configuration of the holding
封止部242の径方向外側の端部は、外殻部221aと径方向に接触する。これにより、熱音響冷却機35は、保持部材240を介して外殻部221aに保持される。封止部242は、周方向一周に亘って外殻部221aと径方向に接触する。これにより、保持部材240は、外殻部221aと熱音響冷却機35、すなわち熱音響コア31との間の流体Fの移動を封止する。本実施形態において、保持部材240は、蓄熱器31aの第1熱交換器31eまたは第2熱交換器31gのうち常温との温度差が小さい第2熱交換器31g側の領域と重なる位置において外殻部221aと接触する。保持部材240のその他の構成等は、上述の第1実施形態の保持部材40のその他の構成等と同一である。
The radially outer end of the sealing
本実施形態によれば、保持部材40は、径方向から見て、蓄熱器31aの第1熱交換器31eまたは第2熱交換器31gのうち常温との温度差が小さい第2熱交換器31g側の領域と重なる位置において外殻部221aと接触する。よって、上述の第1実施形態と同様に、第1熱交換器31eと外殻部221aとの間の熱抵抗を増大させることができる。したがって、第1原動熱交換器33eから外殻部221aおよび熱音響デバイス210の外部雰囲気に放熱される熱量を低減できるとともに、保持部材240を介して第1冷却熱交換器35eに伝達される熱量を低減できるため、熱音響デバイス210の熱効率を高めることができる。
According to this embodiment, the holding
本実施形態によれば、互いに隣接する複数の熱音響コア31および複数の保持部材240が1つの外殻部221aに収容され、複数の保持部材240のそれぞれは、互いに異なる熱音響コア31を保持し、且つ、外殻部221aと接触する。よって、1つの保持部材240で複数の熱音響コア31を保持する場合と比較して、熱音響コア31を保持するために保持部材240に加わる応力を低減できる。これにより、保持部材240に要求される剛性を低減できるため、保持部材240の厚さを薄くできる。よって、第1熱交換器31eと外殻部221aとの間の熱抵抗を増大させることができる。したがって、第1原動熱交換器33eから外殻部221aおよび熱音響デバイス210の外部雰囲気に放熱される熱量を低減できるとともに、保持部材240を介して第1冷却熱交換器35eに伝達される熱量を低減できるため、熱音響デバイス210の熱効率を高めることができる。
According to this embodiment, a plurality of adjacent
本実施形態によれば、熱音響デバイス210は、熱音響ユニット230を備え、複数の熱音響コア31は、熱音響原動機33および熱音響冷却機35を含み、熱音響ユニット230は、軸方向Daに互いに隣接して配置される熱音響原動機33および熱音響冷却機35によって構成され、熱音響ユニット230において、熱音響冷却機35が有する熱交換器のうち冷却側となる第1冷却熱交換器35eと、熱音響原動機33が有する熱交換器のうち温度が常温に近い第2原動熱交換器33gとが互いに隣接して配置される。よって、熱音響冷却機35の冷却側となる第1冷却熱交換器35eと、熱音響原動機33の高温側となる第1原動熱交換器33eとが隣接して配置される構成と比較して、第1冷却熱交換器35eと第1原動熱交換器33eとの間の軸方向Daの距離を長くできる。そのため、流体Fおよび外殻部221aを介して、第1原動熱交換器33eから第1冷却熱交換器35eに流れ込む熱量を低減できる。したがって、第1原動熱交換器33eの温度が低下することおよび第1冷却熱交換器35eの温度が上昇することを抑制できるため、熱音響デバイス210の熱効率を高めることができる。
According to this embodiment, the
また、本実施形態では、熱音響冷却機35の冷却側である第1冷却熱交換器35eと熱音響原動機33の常温側である第2原動熱交換器33gとを隣接して配置するため、第1冷却熱交換器35eと第1原動熱交換器33eとを隣接して配置される構成と比較して、熱音響原動機33と熱音響冷却機35との間の温度差を小さくできる。したがって、流体Fおよび外殻部221aを介して、熱音響原動機33から熱音響冷却機35に流れ込む熱量を低減できるため、熱音響デバイス210の熱効率を高めることができる。
In addition, in this embodiment, the first
また、本実施形態では、上述のように、流体Fおよび外殻部221aを介して、熱音響原動機33から熱音響冷却機35に流れ込む熱量を低減できるため、熱音響原動機33と熱音響冷却機35との間の距離を短くし易い。そのため、導波管21cの内径よりも熱音響原動機33の外径および熱音響冷却機35の外径のそれぞれが大きい場合において、非音響インピーダンスが高い位置に熱音響原動機33および熱音響冷却機35を配置し易い。したがって、熱音響デバイス210の熱効率を高めることができる。
In addition, in this embodiment, as described above, the amount of heat flowing from the thermoacoustic
本実施形態によれば、熱音響デバイス210は、複数の熱音響ユニット230を備える。よって、複数の熱音響原動機33それぞれに廃熱の熱を供給できるため、熱音響デバイス210に供給できる熱量を高めることができる。また、複数の熱音響冷却機35のそれぞれから冷熱を出力できるため、熱音響デバイス210が出力できる冷熱量を多くすることができる。
According to this embodiment, the
また、本実施形態では、複数の熱音響ユニット230が環状のハウジング20の内部に配置されるため、各熱音響ユニット230の熱音響原動機33が振動流を発生および増幅するために必要な原動蓄熱器33aの一端33bの温度を下げることができる。したがって、熱音響デバイス210の熱効率をより好適に高めることができる。
In addition, in this embodiment, since multiple
<第2実施形態の第1変形例>
図6に示すように、本変形例の熱音響デバイス310は、熱音響ユニット330を備える。以下の説明において、上述の第2実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
<First Modification of Second Embodiment>
6, a
図示は省略するが、熱音響デバイス310は、複数の熱音響ユニット330を備える。本変形例において、熱音響デバイス310は、4個の熱音響ユニット330を備える。各熱音響ユニット330は、互いに異なる外殻部221aの内部に収容される。本変形例において、各熱音響ユニット330は、1個の熱音響原動機33および1個の熱音響冷却機35によって構成される。各熱音響ユニット330において、熱音響原動機33は、熱音響冷却機35よりも軸方向他方側(-Da側)に配置される。熱音響原動機33は、熱音響冷却機35と軸方向Daに間隔をあけて配置される。熱音響原動機33および熱音響冷却機35のそれぞれは、互いに異なる保持部材240によって保持される。
Although not shown, the
本変形例では、各熱音響ユニット330において、熱音響原動機33が有する熱交換器のうち高温側となる熱交換器、すなわち第1原動熱交換器33eと、熱音響冷却機35が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器、すなわち第2冷却熱交換器35gとが互いに隣接して配置される。よって、本変形例では、流体Fおよび外殻部221aを介して、第1原動熱交換器33eから第1冷却熱交換器35eに流れ込む熱量を低減できる。したがって、第1原動熱交換器33eの温度が低下することおよび第1冷却熱交換器35eの温度が上昇することを抑制できるため、熱音響デバイス310の熱効率を高めることができる。
In this modification, in each
本変形例によれば、熱音響デバイス310は、複数の熱音響ユニット330を備える。よって、複数の熱音響原動機33それぞれに廃熱の熱を供給できるため、熱音響デバイス310に供給できる熱量を高めることができる。また、複数の熱音響冷却機35のそれぞれから冷熱を出力できるため、熱音響デバイス310が出力できる冷熱量を多くすることができる。
According to this modified example, the
<第2実施形態の第2変形例>
図7に示すように、本変形例の熱音響デバイス410は、ハウジング420および熱音響ユニット430を備える。以下の説明において、上述の第2実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
<Second Modification of Second Embodiment>
7, a
図示は省略するが、本変形例のハウジング420は、例えば、略四角環状である。ハウジング420は、4個の外殻部421aと、4個の導波管21cと、を有する。本変形例の外殻部421aは、熱音響ユニット430および保持部材240を内部に収容する。本変形例の外殻部421aの軸方向Daの長さは、上述の第2実施形態の外殻部221aの軸方向Daの長さよりも長い。本変形例のハウジング420のその他の構成等は、上述の第2実施形態のハウジング220のその他の構成等と同一である。
Although not shown, the
図示は省略するが、熱音響デバイス410は、複数の熱音響ユニット430を備える。本変形例において、熱音響デバイス410は、4個の熱音響ユニット430を備える。各熱音響ユニット430は、互いに異なる外殻部421aの内部に収容される。本変形例において、各熱音響ユニット430は、2個の熱音響原動機33および1個の熱音響冷却機35によって構成される。各熱音響ユニット430において、一方の熱音響原動機33は、熱音響冷却機35よりも軸方向一方側(+Da側)に配置される。一方の熱音響原動機33は、熱音響冷却機35と軸方向Daに隣り合って配置される。他方の熱音響原動機33は、一方の熱音響原動機33よりも軸方向一方側に配置される。他方の熱音響原動機33は、一方の熱音響原動機33と軸方向Daに隣り合って配置される。各熱音響原動機33および熱音響冷却機35のそれぞれは、互いに異なる保持部材240によって保持される。
Although not shown, the
本変形例では、各熱音響ユニット430において、熱音響冷却機35が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器、すなわち第1冷却熱交換器35eと、一方の熱音響原動機33が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器、すなわち第2原動熱交換器33gとが互いに隣接して配置される。よって、熱音響冷却機35の冷却側となる第1冷却熱交換器35eと、2個の熱音響原動機33それぞれの高温側となる第1原動熱交換器33eとが隣接して配置される構成と比較して、第1冷却熱交換器35eと第1原動熱交換器33eとの間の軸方向Daの距離を長くできる。そのため、流体Fおよび外殻部421aを介して、第1原動熱交換器33eから第1冷却熱交換器35eに流れ込む熱量を低減できる。したがって、第1原動熱交換器33eの温度が低下することおよび第1冷却熱交換器35eの温度が上昇することを抑制できるため、熱音響デバイス410の熱効率を高めることができる。
In this modified example, in each
また、本変形例では、各熱音響ユニット430が、互いに隣り合って配置される2個の熱音響原動機33を有するため、熱音響原動機33同士の間の距離を短くし易い。よって、各熱音響原動機33が振動流を発生および増幅するために必要な原動蓄熱器33aの一端33bの温度をより好適に下げることができる。したがって、熱音響デバイス410の熱効率をより好適に高めることができる。
In addition, in this modified example, each
<第2実施形態の第3変形例>
図8に示すように、本変形例の熱音響デバイス510は、熱音響ユニット530を備える。以下の説明において、上述の第2実施形態の第2変形例と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
<Third Modification of Second Embodiment>
8, a
図示は省略するが、熱音響デバイス510は、複数の熱音響ユニット530を備える。本変形例において、熱音響デバイス510は、4個の熱音響ユニット530を備える。各熱音響ユニット530は、互いに異なる外殻部421aの内部に収容される。本変形例において、各熱音響ユニット530は、1個の熱音響原動機33および2個の熱音響冷却機35によって構成される。各熱音響ユニット530において、一方の熱音響冷却機35は、熱音響原動機33よりも軸方向他方側(-Da側)に配置される。一方の熱音響冷却機35は、熱音響原動機33と軸方向Daに隣り合って配置される。他方の熱音響冷却機35は、一方の熱音響冷却機35よりも軸方向他方側に配置される。他方の熱音響冷却機35は、一方の熱音響冷却機35と軸方向Daに隣り合って配置される。熱音響原動機33および各熱音響冷却機35のそれぞれは、互いに異なる保持部材240によって保持される。
Although not shown, the
本変形例では、各熱音響ユニット530において、一方の熱音響冷却機35が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器、すなわち第1冷却熱交換器35eと、熱音響原動機33が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器、すなわち第2原動熱交換器33gとが互いに隣接して配置される。よって、流体Fおよび外殻部421aを介して、第1原動熱交換器33eから第1冷却熱交換器35eに流れ込む熱量を低減できる。したがって、第1原動熱交換器33eの温度が低下することおよび第1冷却熱交換器35eの温度が上昇することを抑制できるため、熱音響デバイス510の熱効率を高めることができる。
In this modified example, in each
<第2実施形態の第4変形例>
図9に示すように、本変形例の熱音響デバイス610は、熱音響ユニット630を備える。以下の説明において、上述の第2実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
<Fourth Modification of the Second Embodiment>
9, a
図示は省略するが、熱音響デバイス610は、複数の熱音響ユニット630を備える。本変形例において、熱音響デバイス610は、4個の熱音響ユニット630を備える。各熱音響ユニット630は、互いに異なる外殻部221aの内部に収容される。本変形例において、各熱音響ユニット630は、1個の熱音響原動機33、1個の熱音響冷却機35、および膜部材651によって構成される。各熱音響ユニット630において、熱音響冷却機35は、熱音響原動機33よりも軸方向他方側(-Da側)に配置される。熱音響冷却機35は、熱音響原動機33と軸方向Daに隣り合って配置される。熱音響原動機33および熱音響冷却機35のそれぞれは、互いに異なる保持部材240によって保持される。
Although not shown, the
膜部材651は、軸方向Daにおいて熱音響原動機33と熱音響冷却機35との間に配置される。膜部材651は、第1軸線J1を中心とする円板状である。膜部材651の径方向外側の端部は、外殻部221aの内周面に保持される。これにより、膜部材651は、ハウジング220に保持される。膜部材651は、膜構造を有する。本実施形態において、膜部材651はゴム製である。膜部材651は、樹脂および金属等の他の材料によって構成されてもよい。
The
通常、環状の熱音響デバイスにおいてはゲデオン流と呼ばれる一方流が発生し、ゲデオン流が流れる方向に熱輸送が行われる。本変形例において、ゲデオン流は軸方向一方側(+Da側)に向けて流れる。ゲデオン流が熱音響原動機33に流れ込むと熱音響原動機33の温度が低下するため、熱音響デバイス610の熱効率が低下する。
Normally, in an annular thermoacoustic device, a unidirectional flow called the Gedeon flow occurs, and heat is transported in the direction in which the Gedeon flow flows. In this modified example, the Gedeon flow flows toward one axial side (the +Da side). When the Gedeon flow flows into the
これに対して、本変形例によれば、熱音響ユニット630は、熱音響原動機33と熱音響冷却機35との間に配置された膜構造を有する膜部材651を有する。したがって、膜部材651によってゲデオン流が熱音響原動機33に流れ込むことを抑止できる。これにより、熱音響原動機33の温度が低下することを抑制できるため、熱音響デバイス610の熱効率が低下することを抑制できる。
In contrast, according to this modified example, the
また、本変形例では、膜部材651は、熱音響冷却機35の冷却側の熱交換器である第1冷却熱交換器35eと、熱音響原動機33の常温側の熱交換である第2原動熱交換器33gとの間に配置される。また、上述のように、本変形例においてゲデオン流は一方流である。これらにより、膜部材651の温度が高くなりすぎることを抑制できるため、高い耐熱性能を有しないゴム材料によって構成された膜部材651が劣化することを抑制できる。したがって、膜部材651によってゲデオン流が熱音響原動機33に流れ込むことを安定的に抑止できるため、熱音響デバイス610の熱効率が低下することを抑制できる。
In addition, in this modified example, the
<第3実施形態>
本実施形態の熱音響デバイス710は、振動流を利用した熱音響デバイスである。図10に示すように、本実施形態の熱音響デバイス710は、ハウジング720および熱音響ユニット230を備える。以下の説明において、上述の第2実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
Third Embodiment
The
本実施形態のハウジング720は、略四角環状である。ハウジング720は、4個の外殻部721aと、4個の導波管21cと、を有する。外殻部721aは、熱音響ユニット230および保持部材240を内部に収容する。本実施形態のハウジング720のその他の構成等は、上述の第2実施形態のハウジング220のその他の構成等と同一である。
The
熱音響デバイス710は、複数の熱音響ユニット230を備える。本実施形態において、熱音響デバイス710は、4個の熱音響ユニット230を備える。各熱音響ユニット230は、互いに異なる外殻部721aの内部に収容される。本実施形態において、各熱音響ユニット230は、軸方向Daに沿って互いに隣接する複数の熱音響コア31によって構成される。複数の熱音響コア31は、熱音響原動機33および熱音響冷却機35を含む。本実施形態において、各熱音響ユニット230は、2個の熱音響コア31によって構成される。各熱音響ユニット230を構成する2個の熱音響コア31は、軸方向Daに間隔をあけて配置される。なお、熱音響デバイス710が有する熱音響ユニット230の個数は、3個以下であってもよいし、5個以上であってもよい。また、熱音響ユニット230が有する、熱音響コア31の個数は、3個以上であってもよい。本実施形態において、各熱音響ユニット230は、1個の熱音響原動機33および1個の熱音響冷却機35によって構成される。
The
各熱音響コア31は、蓄熱器31a、第1熱交換器31e、および第2熱交換器31gを有する。蓄熱器31aは、振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する。本実施形態において、蓄熱器31aは、原動蓄熱器33aと、冷却蓄熱器35aとを含む。
Each
図11に示すように、第1熱交換器31eは、蓄熱器31aの一端31bに設置される。第2熱交換器31gは、蓄熱器31aの他端31cに設置される。本実施形態において、第1熱交換器31eの温度と常温との温度差は、第2熱交換器31gの温度と常温との温度差よりも大きい。本実施形態において、第1熱交換器31eは、第1原動熱交換器33eと、第1冷却熱交換器35eとを含む。本実施形態において、第2熱交換器31gは、第2原動熱交換器33gと、第2冷却熱交換器35gとを含む。
As shown in FIG. 11, the
熱音響原動機33は、熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する。熱音響原動機33は、原動蓄熱器33a、第1原動熱交換器33e、および第2原動熱交換器33gを有する。すなわち、熱音響原動機33は、蓄熱器31a、第1熱交換器31e、および第2熱交換器31gを有する。第1原動熱交換器33eは、高温側となる熱交換器であり、第2原動熱交換器33gは、温度が常温に近い常温側の熱交換器である。
The thermoacoustic
熱音響冷却機35は、振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換する。熱音響冷却機35には、熱音響原動機33において発生および増幅された振動流が入力され、出力として冷熱を取り出す出力用の熱音響コアである。熱音響冷却機35は、冷却蓄熱器35a、第1冷却熱交換器35e、および第2冷却熱交換器35gを有する。すなわち、熱音響冷却機35は、蓄熱器31a、第1熱交換器31e、および第2熱交換器31gを有する。第1冷却熱交換器35eは、冷却側となる熱交換器であり、第2冷却熱交換器35gは、温度が常温に近い常温側の熱交換器である。本実施形態の熱音響コア31、熱音響原動機33、および熱音響冷却機35それぞれのその他の構成等は、上述の第1実施形態の熱音響コア31、熱音響原動機33、および熱音響冷却機35それぞれのその他の構成等と同一である。
The
本実施形態では、各熱音響ユニット230において、熱音響原動機33は、熱音響冷却機35よりも軸方向一方側(+Da側)に配置される。熱音響原動機33は、熱音響冷却機35と軸方向Daに間隔をあけて配置される。各熱音響ユニット230において、熱音響冷却機35が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器、すなわち第1冷却熱交換器35eと、熱音響原動機33が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器、すなわち第2原動熱交換器33gとが軸方向Daに隣接して配置される。本実施形態の熱音響ユニット230のその他の構成等は、上述の第2実施形態の熱音響ユニット230のその他の構成等と同一である。
In this embodiment, in each
本実施形態において、熱音響原動機33および熱音響冷却機35のそれぞれは、外殻部721aに直接的に保持される。より詳細には、原動蓄熱器33a、第1原動熱交換器33e、および第2原動熱交換器33gそれぞれの外周面は、外殻部721aの内周面に接触する。これにより、熱音響原動機33は、外殻部721aに直接的に保持される。なお、第1原動熱交換器33eおよび第2原動熱交換器33gそれぞれの外周面は、外殻部721aの内周面に接触していなくてもよい。また、冷却蓄熱器35a、第1冷却熱交換器35e、および第2冷却熱交換器35gそれぞれの外周面は、外殻部721aの内周面に接触する。これにより、熱音響冷却機35は、外殻部721aに直接的に保持される。なお、第1冷却熱交換器35eおよび第2冷却熱交換器35gそれぞれの外周面は、外殻部721aの内周面に接触していなくてもよい。本実施形態の熱音響デバイス710のその他の構成等は、上述の第2実施形態の熱音響デバイス210のその他の構成等と同一である。
In this embodiment, the thermoacoustic
本実施形態によれば、熱音響デバイス710は、振動流を利用した熱音響デバイスであって、熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する熱音響原動機33、および振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換する熱音響冷却機35を有する熱音響ユニット230を備え、熱音響原動機33および熱音響冷却機35のそれぞれは、振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器31aの一端に設置される第1熱交換器31e、および蓄熱器31aの他端に設置される第2熱交換器31gを有し、熱音響冷却機35が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器、すなわち第1冷却熱交換器35eと、熱音響原動機33が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器、すなわち第2原動熱交換器33gが軸方向Daに隣接して配置される。よって、熱音響冷却機35の冷却側となる第1冷却熱交換器35eと、熱音響原動機33の高温側となる第1原動熱交換器33eとが隣接して配置される構成と比較して、第1冷却熱交換器35eと第1原動熱交換器33eとの間の軸方向Daの距離を長くできる。そのため、流体Fおよび外殻部721aを介して、第1原動熱交換器33eから第1冷却熱交換器35eに流れ込む熱量を低減できる。したがって、第1原動熱交換器33eの温度が低下することおよび第1冷却熱交換器35eの温度が上昇することを抑制できるため、熱音響デバイス710の熱効率を高めることができる。
According to this embodiment, the
また、本実施形態では、上述のように、流体Fおよび外殻部721aを介して、熱音響原動機33から熱音響冷却機35に流れ込む熱量を低減できるため、熱音響原動機33と熱音響冷却機35との間の距離を短くし易い。そのため、導波管21cの内径よりも熱音響原動機33の外径および熱音響冷却機35の外径のそれぞれが大きい場合において、非音響インピーダンスが高い位置に熱音響原動機33および熱音響冷却機35を配置し易い。したがって、熱音響デバイス710の熱効率を高めることができる。
In addition, in this embodiment, as described above, the amount of heat flowing from the thermoacoustic
また、本実施形態では、熱音響デバイス710は、複数の熱音響ユニット230を備える。よって、複数の熱音響原動機33それぞれに廃熱の熱を供給できるため、熱音響デバイス710に供給できる熱量を増やすことができる。また、複数の熱音響冷却機35のそれぞれから冷熱を出力できるため、熱音響デバイス710が出力できる冷熱量を多くすることができる。
In addition, in this embodiment, the
また、本実施形態では、複数の熱音響ユニット230が環状のハウジング720の内部に配置されるため、各熱音響ユニット230の熱音響原動機33が振動流を発生および増幅するために必要な原動蓄熱器33aの一端33bの温度を下げることができる。したがって、熱音響デバイス710の熱効率をより好適に高めることができる。
In addition, in this embodiment, since multiple
<第3実施形態の第1変形例>
図12に示すように、本変形例の熱音響デバイス810は、ハウジング820および熱音響ユニット830を備える。以下の説明において、上述の第3実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
<First Modification of Third Embodiment>
12, a
図示は省略するが、本変形例のハウジング820は、略四角環状である。ハウジング820は、4個の外殻部821aと、4個の導波管21cと、を有する。本変形例の外殻部821aは、熱音響ユニット830を内部に収容する。本変形例の外殻部821aの軸方向Daの長さは、上述の第3実施形態の外殻部721aの軸方向Daの長さよりも長い。本変形例のハウジング820のその他の構成等は、上述の第3実施形態のハウジング720のその他の構成等と同一である。
Although not shown in the figures, the
図示は省略するが、熱音響デバイス810は、複数の熱音響ユニット830を備える。本変形例において、熱音響デバイス810は、4個の熱音響ユニット830を備える。各熱音響ユニット830は、互いに異なる外殻部821aの内部に収容される。本変形例において、各熱音響ユニット830は、2個の熱音響原動機33および1個の熱音響冷却機35によって構成される。各熱音響ユニット830において、一方の熱音響原動機33は、熱音響冷却機35よりも軸方向一方側(+Da側)に配置される。一方の熱音響原動機33は、熱音響冷却機35と軸方向Daに隣り合って配置される。他方の熱音響原動機33は、一方の熱音響原動機33よりも軸方向一方側に配置される。他方の熱音響原動機33は、一方の熱音響原動機33と軸方向Daに隣り合って配置される。
Although not shown, the
本変形例では、各熱音響ユニット830において、熱音響冷却機35が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器、すなわち第1冷却熱交換器35eと、一方の熱音響原動機33が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器、すなわち第2原動熱交換器33gとが互いに隣接して配置される。よって、熱音響冷却機35の冷却側となる第1冷却熱交換器35eと、2個の熱音響原動機33それぞれの高温側となる第1原動熱交換器33eとが隣接して配置される構成と比較して、第1冷却熱交換器35eと第1原動熱交換器33eとの間の軸方向Daの距離を長くできる。そのため、流体Fおよび外殻部821aを介して、第1原動熱交換器33eから第1冷却熱交換器35eに流れ込む熱量を低減できる。したがって、第1原動熱交換器33eの温度が低下することおよび第1冷却熱交換器35eの温度が上昇することを抑制できるため、熱音響デバイス810の熱効率を高めることができる。
In this modified example, in each
また、本変形例では、各熱音響ユニット830が、互いに隣り合って配置される2個の熱音響原動機33を有するため、熱音響原動機33同士の間の距離を短くし易い。そのため、各熱音響原動機33が振動流を発生および増幅するために必要な原動蓄熱器33aの一端33bの温度をより好適に下げることができる。したがって、熱音響デバイス810の熱効率をより好適に高めることができる。
In addition, in this modified example, each
以上に、本発明の実施形態を説明したが、実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。 The above describes an embodiment of the present invention, but each configuration and their combinations in the embodiment are merely examples, and additions, omissions, substitutions, and other modifications of configurations are possible without departing from the spirit of the present invention. Furthermore, the present invention is not limited to the embodiment.
熱音響デバイスが備える熱音響コアの個数および熱音響ユニットの個数は、本実施形態および本変形例の個数に限定されず、熱音響デバイスに熱を供給する熱源の個数、熱音響デバイスに供給される熱量、熱音響デバイスから出力される冷熱量等によって適宜定めることができる。熱音響ユニットが有する熱音響コアの個数は、本実施形態に限定されない。また、熱音響デバイスが備える熱音響原動機および熱音響冷却機それぞれの個数は、本実施形態に限定されない。さらに、熱音響ユニットが有する熱音響原動機および熱音響冷却機それぞれの個数とその組合せは、本実施形態に限定されない。 The number of thermoacoustic cores and the number of thermoacoustic units included in the thermoacoustic device are not limited to those in this embodiment and this modified example, and can be determined appropriately depending on the number of heat sources supplying heat to the thermoacoustic device, the amount of heat supplied to the thermoacoustic device, the amount of cold heat output from the thermoacoustic device, etc. The number of thermoacoustic cores included in the thermoacoustic unit is not limited to that in this embodiment. Furthermore, the number of thermoacoustic motors and thermoacoustic coolers included in the thermoacoustic device is not limited to that in this embodiment. Furthermore, the number and combination of thermoacoustic motors and thermoacoustic coolers included in the thermoacoustic unit are not limited to that in this embodiment.
保持部材が保持する熱音響コアの個数は1個に限定されず、2個以上の熱音響コアを保持してもよい。この場合、熱音響デバイスが備える保持部材の個数が増大することを抑制できるため、熱音響デバイスの部品点数が増大することを抑制できるとともに、熱音響デバイスの構成の簡素化を図ることができる。 The number of thermoacoustic cores held by the holding member is not limited to one, and may hold two or more thermoacoustic cores. In this case, the number of holding members provided in the thermoacoustic device can be prevented from increasing, which prevents an increase in the number of parts of the thermoacoustic device and simplifies the configuration of the thermoacoustic device.
ハウジングは、四角環状、環状、楕円環状、および多角環状等の形状から分岐する分岐部を有してもよく、分岐部に熱音響冷却機および発電機等の振動流のエネルギーを出力する出力装置を配置してもよい。この場合、四角環状、環状、楕円環状、および多角環状等の形状のハウジングで増幅した振動流のエネルギーを冷熱または電力として出力できる。 The housing may have a branching section that branches out from shapes such as a square ring, a ring, an elliptical ring, and a polygonal ring, and an output device that outputs the energy of the oscillating flow, such as a thermoacoustic cooler and a generator, may be disposed at the branching section. In this case, the energy of the oscillating flow amplified by the housing having a shape such as a square ring, a ring, an elliptical ring, and a polygonal ring, can be output as cold heat or electricity.
ハウジングは、ループする四角環状、環状、楕円環状、および多角環状等の形状に限定されず、直管でもよく、直管に熱音響ユニットや熱音響デバイスと、熱音響冷却機および発電機等の振動流のエネルギーを出力する出力装置を配置してもよい。なお、直管は、直線状に限定されず、湾曲していてもよい。 The housing is not limited to a looped rectangular ring, ring, elliptical ring, polygonal ring, or other shape, and may be a straight pipe, in which a thermoacoustic unit or thermoacoustic device, and an output device that outputs the energy of the oscillating flow, such as a thermoacoustic cooler or generator, may be placed. The straight pipe is not limited to a straight shape, and may be curved.
また、本発明は、熱音響現象に基づいた熱音響機関に限定されず、流体の振動流を利用する蓄熱器を備えるスターリングエンジン、パルス管冷凍機、GM冷凍機、スターリングクーラー、ヒートパイプ等のエネルギー変換装置に適用可能である。 In addition, the present invention is not limited to thermoacoustic engines based on the thermoacoustic phenomenon, but can be applied to energy conversion devices such as Stirling engines equipped with a heat storage device that utilizes an oscillating flow of fluid, pulse tube refrigerators, GM refrigerators, Stirling coolers, and heat pipes.
10,210,310,410,510,610,710、810…熱音響デバイス、21a,221a,421a,721a,821a…外殻部、31…熱音響コア、31a,33a,35a…蓄熱器、31e,33e,35e…第1熱交換器、31g,33g,35g…第2熱交換器、33…熱音響原動機(熱音響コア)、35…熱音響冷却機(熱音響コア)、40,240…保持部材、230,330,430,530,630,830…熱音響ユニット、651…膜部材 10, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810...thermoacoustic device, 21a, 221a, 421a, 721a, 821a...outer shell, 31...thermoacoustic core, 31a, 33a, 35a...heat storage, 31e, 33e, 35e...first heat exchanger, 31g, 33g, 35g...second heat exchanger, 33...thermoacoustic prime mover (thermoacoustic core), 35...thermoacoustic cooler (thermoacoustic core), 40, 240...holding member, 230, 330, 430, 530, 630, 830...thermoacoustic unit, 651...membrane member
Claims (8)
前記振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器の一端に設置される第1熱交換器、および前記蓄熱器の他端に設置される第2熱交換器を有する熱音響コアと、
前記熱音響コアを保持する保持部材と、
前記熱音響コアを収容する外殻部と、
を備え、
前記保持部材は、径方向から見て、前記第1熱交換器または前記第2熱交換器のうち常温との温度差が小さい一方の熱交換器と重なる位置、または径方向から見て、前記蓄熱器の前記一方の熱交換器側の領域と重なる位置において前記外殻部と接触する、熱音響デバイス。 A thermoacoustic device utilizing an oscillating flow,
a thermoacoustic core having a first heat exchanger installed at one end of a heat accumulator that converts the energy of the oscillating flow into thermal energy and vice versa, and a second heat exchanger installed at the other end of the heat accumulator;
A holding member for holding the thermoacoustic core;
a shell that houses the thermoacoustic core;
Equipped with
A thermoacoustic device in which the retaining member contacts the outer shell at a position where, when viewed from a radial direction, it overlaps with one of the first heat exchanger or the second heat exchanger which has a smaller temperature difference from room temperature, or at a position where, when viewed from a radial direction, it overlaps with the area of the heat accumulator on the side of the one heat exchanger.
複数の前記保持部材のそれぞれは、互いに異なる前記熱音響コアを保持し、且つ、前記外殻部と接触する、請求項1に記載の熱音響デバイス。 A plurality of the thermoacoustic cores and a plurality of the holding members adjacent to each other are housed in one of the outer shell portions,
The thermoacoustic device according to claim 1 , wherein each of the plurality of holding members holds a different thermoacoustic core and is in contact with the outer shell portion.
複数の前記熱音響コアは、熱音響原動機および熱音響冷却機を含み、
前記熱音響ユニットは、軸方向に互いに隣接して配置される前記熱音響原動機および前記熱音響冷却機によって構成され、
前記熱音響ユニットにおいて、前記熱音響冷却機が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器と、前記熱音響原動機が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器とが互いに隣接して配置される、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱音響デバイス。 Equipped with a thermoacoustic unit,
the plurality of thermoacoustic cores include a thermoacoustic prime mover and a thermoacoustic cooler;
The thermoacoustic unit is configured by the thermoacoustic prime mover and the thermoacoustic cooler arranged adjacent to each other in the axial direction,
5. The thermoacoustic device according to claim 1, wherein in the thermoacoustic unit, a heat exchanger that is a cooling side among the heat exchangers of the thermoacoustic cooler and a heat exchanger that is a temperature close to room temperature among the heat exchangers of the thermoacoustic prime mover are arranged adjacent to each other.
熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する熱音響原動機、および振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換する熱音響冷却機を有する熱音響ユニットを備え、
前記熱音響原動機および前記熱音響冷却機のそれぞれは、前記振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器の一端に設置される第1熱交換器、および前記蓄熱器の他端に設置される第2熱交換器を有し、
前記熱音響冷却機が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器と、前記熱音響原動機が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器が軸方向に隣接して配置される、熱音響デバイス。 A thermoacoustic device utilizing an oscillating flow,
A thermoacoustic unit includes a thermoacoustic prime mover that converts thermal energy into oscillating flow energy, and a thermoacoustic cooler that converts oscillating flow energy into thermal energy,
Each of the thermoacoustic prime mover and the thermoacoustic cooler has a first heat exchanger installed at one end of a heat accumulator that converts the energy of the oscillating flow into thermal energy and vice versa, and a second heat exchanger installed at the other end of the heat accumulator;
A thermoacoustic device in which a heat exchanger that is the cooling side of the heat exchangers of the thermoacoustic cooler and a heat exchanger that is the cooling side of the heat exchangers of the thermoacoustic prime mover and has a temperature close to room temperature are arranged adjacent to each other in the axial direction.
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