(57)【要約】【課題】気液相変化可能な媒体を用いるエネルギー変換装置において、エネルギー変換効率を向上させる。【解決手段】気液相変化可能な媒体が充填され、媒体によって音響エネルギーを伝達可能な配管部１０と、配管部１０に設けられ、熱エネルギーの入力が可能であり、熱エネルギーを音響エネルギーに変換する入力部２０と、配管部１０に設けられ、音響エネルギーを異なる種類のエネルギーに変換する出力部３０とを備え、入力部２０には、熱エネルギーの入力に基づいて温度勾配を発現可能であり、温度勾配に基づき媒体を気相および液相に変化させる再生部２３が設けられたエネルギー変換装置において、再生部２３に、媒体を保持および放出可能な媒体保持材２３ｃを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液相変化可能な媒体が充填され、前記媒体によって音響エネルギーを伝達可能な配管部（１０）と、
前記配管部に設けられ、熱エネルギーの入力が可能であり、前記熱エネルギーを前記音響エネルギーに変換する入力部（２０）と、
前記配管部に設けられ、前記音響エネルギーを異なる種類のエネルギーに変換する出力部（３０）とを備え、
前記入力部には、前記熱エネルギーの入力に基づいて温度勾配を発現可能であり、前記温度勾配に基づき前記媒体を気相および液相に変化させる再生部（２３）が設けられ、
前記再生部には、前記媒体を保持および放出可能な媒体保持材（２３ｃ）が設けられているエネルギー変換装置。
【請求項２】
前記再生部における前記媒体の蒸気圧は、前記配管部の前記媒体保持材が設けられていない部位における前記媒体の蒸気圧よりも低くなっている請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
前記再生部は、前記媒体保持材と異なる材料から構成されている請求項１または２に記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
前記再生部は、前記媒体保持材によって構成されている請求項１または２に記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
前記媒体は水であり、前記媒体保持材は無機系吸湿材、有機系吸湿材または有機金属構造体のいずれかである請求項１ないし４のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
前記再生部は、ハニカム構造体（２３）、メッシュ積層体（２４）あるいはペレット集合体（２５）のいずれかとして構成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載のエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーと音響エネルギーの間でエネルギー変換を行うエネルギー変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、熱音響現象を利用して熱エネルギーと音響エネルギーの間でエネルギー変換を行うエネルギー変換装置が知られている。エネルギー変換装置は、密閉された配管の内部に設けられたスタックと、スタックの一端側に設けられた低温熱交換器と、スタックの他端側に設けられた高温熱交換器とを備え、スタックの両端に温度勾配を形成することで、熱音響自励振動である音波が発生する。
【０００３】
このようなエネルギー変換装置において、特許文献１では、エネルギー変換効率を向上させるために、非凝縮性媒体と凝縮性媒体の混合物を用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７４７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術の構成では、スタックの低温側と配管の温度が同程度であることが多く、スタックの高温側で気化した凝縮性媒体の一部が配管表面で凝縮することがある。このような配管表面での媒体の凝縮はエネルギー損失を招き、エネルギー変換装置のエネルギー収支を悪化させることとなる。
【０００６】
本発明は上記点に鑑み、気液相変化可能な媒体を用いるエネルギー変換装置において、エネルギー変換効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、気液相変化可能な媒体が充填され、媒体によって音響エネルギーを伝達可能な配管部（１０）と、配管部に設けられ、熱エネルギーの入力が可能であり、熱エネルギーを音響エネルギーに変換する入力部（２０）と、配管部に設けられ、音響エネルギーを異なる種類のエネルギーに変換する出力部（３０）とを備え、入力部には、熱エネルギーの入力に基づいて温度勾配を発現可能であり、温度勾配に基づき媒体を気相および液相に変化させる再生部（２３）が設けられ、再生部には、媒体を保持および放出可能な媒体保持材（２３ｃ）が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、再生部の高温側で気化した媒体は、配管部よりも再生部の低温側に優先的に移動する。このため、再生部で気化した媒体が配管部に移動することを抑制でき、凝縮性媒体が配管部で凝縮することによるエネルギー損失を極力抑制することができる。
【０００９】
なお、上記括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】エネルギー変換装置の構成を示す図である。
【図２】ループ配管部および入力部を示す図である。
【図３】再生部の斜視図である。
【図４】図３の再生部の端面を部分的に拡大した図である。
【図５】凝縮性媒体の蒸気圧を示すグラフである。
【図６】再生部での凝縮性媒体の移動を示す図である。
【図７】再生部の変形例を示す斜視図である。
【図８】図７の再生部の端面を部分的に拡大した図である。
【図９】再生部の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。
【００１２】
図１に示すように、エネルギー変換装置１は、配管部１０、入力部２０、出力部３０を備えている。
【００１３】
配管部１０は、中空状の筒状部材であり、密閉空間を構成している。本実施形態の配管部１０は、一端側がループ状のループ配管部１１となっており、他端側が直線状の直線配管部１２となっている。
【００１４】
配管部１０は、内部空間に媒体が充填されている。配管部１０は、媒体を介して音響エネルギーを伝達可能となっている。
【００１５】
媒体には、非凝縮性媒体と凝縮性媒体とが含まれている。非凝縮性媒体は、エネルギー変換装置１の作動温度範囲で気液相変化しない流体であり、凝縮性媒体は、エネルギー変換装置１の作動温度範囲で気液相変化する流体である。本実施形態では、非凝縮性媒体として空気を用い、凝縮性媒体として水を用いている。
【００１６】
入力部２０は、ループ配管部１１に設けられている。入力部２０は、外部から入力された熱エネルギーを音響エネルギーに変換可能となっている。入力部２０は、高温熱交換部２１、低温熱交換部２２、再生部２３を備えている。これらは、ループ配管部１１の軸方向に沿って同軸的に配置されている。
【００１７】
高温熱交換部２１は再生部２３の一端側に配置され、低温熱交換部２２は再生部２３の他端側に配置されている。これらの熱交換部２１、２２は、再生部２３と熱的に接触している。
【００１８】
高温熱交換部２１は、外部から熱エネルギーが入力可能となっている。例えば、高温熱交換部２１に内燃機関の冷却水が循環するようにすることで、熱エネルギーとして内燃機関の排熱を利用することができる。これにより、再生部２３の一端側の温度を高温にすることができる。
【００１９】
低温熱交換部２２は、外気と熱交換可能となっている。これにより、再生部２３の他端側の温度を常温付近にすることができる。これにより、再生部２３の他端側を一端側よりもよりも低温にすることができ、再生部２３に温度勾配を形成することができる。
【００２０】
再生部２３は、多数の細孔が形成されたスタックとして構成されている。図３に示すように、本実施形態の再生部２３は、媒体が流通可能な媒体流路２３ａが並列して設けられたハニカム構造体として構成されている。媒体流路２３ａは、壁部２３ｂによって仕切られている。また、再生部２３は、媒体の流通方向の温度勾配を形成しやすくするために、媒体の流通方向における熱伝達率が低い材料を用いることが望ましい。本実施形態では、再生部２３としてセラミックス多孔体であるセラミックスハニカムを用いている。
【００２１】
再生部２３では、媒体の流通方向に温度勾配が形成されることで、媒体流路２３ａに存在する媒体の圧縮、加熱、膨張、冷却が行われ、熱音響自励振動である音波が発生する。つまり、再生部２３では、熱エネルギーから音響エネルギーへの変換が行われる。入力部２０で生成した音響エネルギーは、出力部３０に伝達される。
【００２２】
出力部３０では、入力部２０で生成した音響エネルギーを異なる種類のエネルギーに変換し、変換された後のエネルギーを外部に出力可能となっている。例えば、出力部３０に音響エネルギーによって往復運動可能なピストンを設け、音響エネルギーを運動エネルギーに変換して出力してもよい。あるいは、出力部３０に音響エネルギーによって往復運動可能なピストンを備えるリニア発電機を設け、音響エネルギーを電気エネルギーに変換して出力してもよい。あるいは、入力部２０をプライムムーバーとし、出力部３０をヒートポンプとすることで、入力部２０で熱エネルギーを音響エネルギーに変換し、出力部３０で音響エネルギーを熱エネルギーに再変換し、冷熱を出力するようにしてもよい。出力部３０をヒートポンプとして構成する場合には、入力部２０と同様の高温熱交換部、低温熱交換部、再生部（スタック）を設ければよい。
【００２３】
次に、入力部２０における凝縮性媒体の作用について説明する。再生部２３で媒体が加熱および冷却される際に、媒体に含まれる凝縮性媒体は気液相変化する。つまり、媒体の加熱時に凝縮性媒体は蒸発し、媒体の冷却時に凝縮性媒体は凝縮する。この結果、媒体が加熱および冷却される際の体積変化を大きくすることができ、発生する音響エネルギーを大きくすることができる。
【００２４】
凝縮性媒体は、再生部２３における高温熱交換器２１に近い側で気化する。図２に示すように、気化した凝縮性媒体は、再生部２３の内部で低温熱交換部２２に近づく方向Ａと、再生部２３の外部に拡散する方向Ｂに流れることができる。
【００２５】
方向Ａに流れる凝縮性媒体は、再生部２３の内部で熱エネルギーから音響エネルギーへの変換に用いられる。一方、方向Ｂに流れる凝縮性媒体は、一部が配管１０の内壁面で凝縮することがある。この場合、再生部２３における凝縮性媒体が減少し、媒体が加熱および冷却される際の体積変化が小さくなる。この結果、再生部２３で熱エネルギーから音響エネルギーへの変換が行われる際に、エネルギー損失が発生する。
【００２６】
そこで、本実施形態では、図４に示すように、再生部２３の媒体流路２３ａに媒体保持材２３ｃが設けられている。媒体保持材２３ｃは、壁部２３ｂの表面に担持されている。
【００２７】
媒体保持材２３ｃは、吸着、吸収といった相互作用によって凝縮性媒体を保持することができ、保持した凝縮性媒体を放出することができる材料によって構成されている。吸着、吸収は、化学的な反応によって行われるものでもよく、媒体保持材２３ｃの構造を利用して行われるものでもよい。
【００２８】
本実施形態のように凝縮性媒体として水が用いられる場合には、媒体保持材２３ｃとして無機系吸湿剤、有機系吸湿材、金属有機構造体（ＭＯＦ）等を用いることができる。無機系吸湿材としては、金属ハロゲン化物（ＣａＣｌ2、ＬｉＣｌ、ＣａＢｒ2、ＬｉＢｒ等）、金属水酸化物（ＬｉＯＨ）、ゼオライト系（ハスクレイ）等を例示できる。有機系吸湿材としては、吸水性高分子（ポリアクリル酸）等を例示できる。本実施形態では、媒体保持材２３ｃとして塩化カルシウムを用いている。塩化カルシウムは、水を吸収して水和物を生成する。
【００２９】
図５は、媒体保持材２３ｃが設けられている本実施形態の凝縮性媒体の蒸気圧と、媒体保持材２３ｃが設けられていない比較例の凝縮性媒体の蒸気圧を示している。図５に示すように、再生部２３に媒体保持材２３ｃを設けることで、媒体流路２３ａにおける凝縮性媒体の蒸気圧を低下させることができる。
【００３０】
例えば、８０℃においては、再生部２３に媒体保持材２３ｃを設けることで、媒体流路２３ａにおける凝縮性媒体の蒸気圧が４０ｋＰａから７ｋＰａに低下する。また、３０℃においては、再生部２３に媒体保持材２３ｃを設けることで、媒体流路２３ａにおける凝縮性媒体の蒸気圧が４ｋＰａから０．４ｋＰａに低下する。
【００３１】
図６は、再生部２３における凝縮性媒体の移動状態を示している。図６（ａ）は媒体保持材２３ｃが設けられている本実施形態を示し、図６（ｂ）は媒体保持材２３ｃが設けられていない比較例を示している。図６では、図中右側が高温熱交換部２１に近い高温側であり、図中左側が低温熱交換部２２に近い低温側となっている。また、図６では、媒体流路２３ａにおいて、高温側の温度を８０℃とし、低温側の温度を３０℃としている。また、配管部１０の温度を媒体流路２３ａの低温側と同じ３０℃としている。
【００３２】
まず、図６（ｂ）に示す比較例について説明する。媒体保持材２３ｃが設けられていない比較例では、媒体流路２３ａの低温側および配管部１０における凝縮性媒体の蒸気圧は、同じ４ｋＰａとなっている。このため、媒体流路２３ａの高温側で気化した凝縮性媒体は、媒体流路２３ａの低温側および配管部１０の両方に移動する。配管部１０に移動した気相の凝縮性媒体は、配管部１０の内壁面で凝縮して液滴Ｗとなる。
【００３３】
次に、図６（ａ）に示す本実施形態について説明する。媒体保持材２３ｃが設けられている本実施形態では、配管部１０における凝縮性媒体の蒸気圧が４ｋＰａであるのに対し、媒体流路２３ａの低温側における凝縮性媒体の蒸気圧が０．４ｋＰａとなっている。このため、媒体流路２３ａの高温側で気化した凝縮性媒体は、配管部１０よりも蒸気圧が低い媒体流路２３ａの低温側に優先的に移動する。仮に気相の凝縮性媒体が配管部１０側に移動したとしても、気相の凝縮性媒体は配管部１０の内壁面で凝縮する前にループ配管部１１を循環して媒体流路２３の低温側に移動する。この結果、凝縮性媒体が配管部１０の内壁面で凝縮することを抑制できる。
【００３４】
また、エネルギー変換装置１の作動中には、媒体流路２３ａの高温側よりも低温側の方が媒体保持材２３ｃによる凝縮性媒体の吸収度合が大きくなる。このため、媒体保持材２３ｃの内部では、凝縮性媒体の濃度が低温側から高温側に向かって低くなる濃度勾配が生じる。この濃度勾配を駆動力として、媒体保持材２３ｃの内部では、凝縮性媒体が低温側から高温側に移動することができる。したがって、媒体流路２３ａの高温側で気化した凝縮性媒体が低温側に移動して媒体保持材２３ｃに吸収され、媒体保持材２３ｃの内部で凝縮性媒体が低温側から高温側に移動する。これにより、再生部２３の内部で凝縮性媒体が循環するサイクルが形成されるため、再生部２３内部で凝縮性媒体が偏在することを回避できる。
【００３５】
また、仮にエネルギー変換装置１の作動中に配管部１０で凝縮性媒体が凝縮したとしても、エネルギー変換装置１の停止中に凝縮性媒体は配管部１０よりも蒸気圧が低い媒体流路２３ａに移動する。このため、配管部１０で凝縮した凝縮性媒体を再生部２３に再集結させることができる。
【００３６】
以上説明した本実施形態によれば、再生部２３の媒体流路２３ａに凝縮性媒体を保持可能な媒体保持材２３ｃを設けることで、再生部２３で気化した凝縮性媒体が配管部１０に移動することを抑制できる。これにより、凝縮性媒体が配管部１０で凝縮することによるエネルギー損失を極力抑制することができる。
【００３７】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
【００３８】
（１）上記実施形態では、再生部２３をハニカム構造体として構成したが、これに限らず、再生部を異なる構成としてもよい。
【００３９】
図７、図８に示す構成では、再生部２４を複数のメッシュ体２４ａが積層されたメッシュ積層体としている。メッシュ体２４ａは、例えば金属メッシュを用いることができる。図８に示すように、網目状のメッシュ体２４ａに媒体保持材２４ｂが担持されている。メッシュ体２４ａを積層して再生部２４を構成することで、媒体流れ方向における熱伝達率を低くすることでき、温度勾配を形成しやすい。
【００４０】
図９に示す構成では、再生部２５を多数のペレット２５ａが集合したペレット集合体としている。ペレット２５ａは、粒子に媒体保持材を担持することで構成されている。ペレット２５ａは、例えば容器に充填することで集合体とすることができる。粒状のペレット２５ａによって再生部２５を構成することで、媒体流れ方向における熱伝達率を低くすることでき、温度勾配を形成しやすい。
【００４１】
（２）上記実施形態では、再生部２３、２４、２５に別部材の媒体保持材を担持させるようにしたが、これに限らず、再生部そのものを媒体保持材によって構成してもよい。例えば、媒体保持材をハニカム構造体に成形してもよく、媒体保持材をメッシュに成形し、これらを積層してメッシュ積層体に成形してもよく、媒体保持材をペレットに成形し、これらを集合させてペレット集合体に成形してもよい。
【００４２】
（３）上記実施形態では、非凝縮性媒体として空気を用いたが、これに限らず、ヘリウム、窒素、アルゴン等を用いてもよい。
【００４３】
（４）上記実施形態では、凝縮性媒体として水を用いたが、これに限らず、異なる種類の凝縮性媒体を用いてもよい。この場合、気化潜熱が大きい流体を用いることが望ましく、このような流体としてアルコール類、アンモニア等の分子間水素結合を有する流体を好適に用いることができる。
【００４４】
（５）上記実施形態では、配管部１０をループ配管部１１と直線配管部１２とから構成したが、これに限らず、配管部１０全体を直線状に構成してもよく、配管部１０全体をループ状に構成してもよく、あるいは直線配管部の両端にループ配管部が設けられた構成としてもよい。
【００４５】
（６）上記実施形態では、１つの入力部２０が設けられた構成としたが、これに限らず、複数の入力部２０を直列的に配置し、複数の入力部２０によって音響エネルギーが増幅されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０    配管部
２０    入力部
２１    高温熱交換部
２２    低温熱交換部
２３    再生部（ハニカム構造体）
２３ａ  媒体流路
２３ｂ  壁部
２３ｃ  媒体保持材
２４    再生部（メッシュ積層体）
２５    再生部（ペレット集合体）
３０    出力部
【図１】
2018048556.tif 000003
【図２】
2018048556.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018048556.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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