(57)【要約】【課題】熱音響エンジンの熱効率の向上を図る技術を提供する。【解決手段】熱音響エンジンは、第１端面と、第１端面と対向する第２端面と、を有する蓄熱器と、蓄熱器の第１端面に接触して配置され、蓄熱器の第１端面を、気体の熱媒体である第１熱媒体を用いて加熱する加熱部と、蓄熱器の第２端面に接触して配置され、蓄熱器の第２端面を冷却する冷却部と、蓄熱器において発生された音波を伝搬する気体を含む配管と、加熱部に供給される第１熱媒体を圧縮して昇温させる圧縮部と、加熱部における第１熱媒体の圧力を調整する圧力調整部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱音響エンジンであって、
第１端面と、前記第１端面と対向する第２端面と、を有する蓄熱器と、
前記蓄熱器の前記第１端面に接触して配置され、前記蓄熱器の前記第１端面を、気体の熱媒体である第１熱媒体を用いて加熱する加熱部と、
前記蓄熱器の前記第２端面に接触して配置され、前記蓄熱器の前記第２端面を冷却する冷却部と、
前記蓄熱器において発生された音波を伝搬する気体を含む配管と、
前記加熱部に供給される前記第１熱媒体を圧縮して昇温させる圧縮部と、
前記加熱部における前記第１熱媒体の圧力を調整する圧力調整部と、
を備える、
熱音響エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の熱音響エンジンは、
さらに、
前記加熱部の温度が、２００℃≦Ｔ≦４００℃の目標温度Ｔになるように、前記圧縮部および前記圧力調整部を制御する制御部
を備える、
熱音響エンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱音響エンジンは、
さらに、
液体の熱媒体である第２熱媒体を、前記加熱部に供給する第２熱媒体供給部であって、前記圧縮部によって昇温された前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器を有する第２熱媒体供給部
を備える、
熱音響エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱音響効果を利用して熱から音波を発生させる熱音響エンジンが研究されており、熱音響エンジンの熱効率を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１，２参照。）。例えば、特許文献１には、熱音響用配管内の気体（以下、「作動気体」ともいう。）と、熱交換器側の熱媒体との熱交換における熱損失を抑制するための断熱空間を備えた熱音響エンジンが開示されている。特許文献２には、ヒータにより蓄熱器を加熱する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２１７２６６号公報
【特許文献２】特開２０１７−１０６６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記先行技術によっても、熱音響エンジンの熱効率や、熱音響エンジンを用いたシステムの総合効率を向上させる技術については、なお、改善の余地があった。例えば、特許文献１に記載の技術は、作動気体と熱交換器側の熱媒体との熱交換における熱損失を抑制するものであり、熱媒体の温度以上の効率は得られない。特許文献２に記載の技術では、ヒータにより蓄熱器を加熱しているため、蓄熱器の端部の加熱に比較的大きな電力が必要となり、熱音響エンジンを含むシステム全体の熱効率が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、熱音響エンジンの熱効率の向上を図る技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、熱音響エンジンが提供される。この熱音響エンジンは、第１端面と、前記第１端面と対向する第２端面と、を有する蓄熱器と、前記蓄熱器の前記第１端面に接触して配置され、前記蓄熱器の前記第１端面を、気体の熱媒体である第１熱媒体を用いて加熱する加熱部と、前記蓄熱器の前記第２端面に接触して配置され、前記蓄熱器の前記第２端面を冷却する冷却部と、前記蓄熱器において発生された音波を伝搬する気体を含む配管と、前記加熱部に供給される前記第１熱媒体を圧縮して昇温させる圧縮部と、前記加熱部における前記第１熱媒体の圧力を調整する圧力調整部と、を備える。
【０００８】
ここで、「第１熱媒体を用いて加熱する」とは、第１熱媒体を直接的に用いる場合と、間接的に用いる場合とを含む概念である。この構成によれば、圧縮部によって昇温された第１熱媒体を、加熱部が用いるため、圧縮部を備えない構成と比較して、加熱部の温度を上昇させることができる。熱音響エンジンの理論効率は、下記式（１）で示すカルノー効率で定義されるため、加熱部の温度を上昇させることにより、熱音響エンジンの熱効率を向上させることができる。
カルノー効率η＝１−冷却部温度〔Ｋ〕／加熱部温度〔Ｋ〕  ・・・  （１）
【０００９】
（２）上記形態の熱音響エンジンは、さらに、前記加熱部の温度が、２００℃≦Ｔ≦４００℃の目標温度Ｔになるように、前記圧縮部および前記圧力調整部を制御する制御部を、備えてもよい。この構成によれば、圧縮部による第１熱媒体の圧縮が熱音響エンジンの熱効率の向上に寄与する効果が大きい範囲で熱音響エンジンを作動させることができる。
【００１０】
（３）上記形態の熱音響エンジンは、さらに、液体の熱媒体である第２熱媒体を、前記加熱部に供給する第２熱媒体供給部であって、前記圧縮部によって昇温された前記第１熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器を有する第２熱媒体供給部を備えてもよい。この構成によれば、昇温された第１熱媒体との熱交換により昇温された第２熱媒体を加熱部に供給することができる。液体は気体よりも熱伝達率が高いため、第２熱媒体を加熱部に供給することにより、第１熱媒体を加熱部に供給する場合と比較して、加熱部の温度を上昇させることができる。その結果、熱音響エンジンの熱効率を、さらに向上させることができる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、熱音響冷凍システム、熱音響発電システム、熱音響エンジンを備えるシステム、熱音響エンジンの制御方法、この制御方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムなどの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における熱音響冷凍システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施形態の熱音響エンジンの概略構成を示す説明図である。
【図３】第１実施形態の熱音響エンジンの熱効率を示す図である。
【図４】第２実施形態の熱音響エンジンの概略構成を示す説明図である。
【図５】第３実施形態の熱音響発電システムの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態における熱音響冷凍システム１００の概略構成を示す説明図である。熱音響冷凍システム１００は、熱音響エンジン１０と、ヒートポンプ５０と、を備える。熱音響冷凍システム１００は、熱エネルギーを音エネルギーに変換し、その音エネルギーを熱エネルギーに再変換することにより、冷却を行う。本実施形態では、熱音響エンジン１０は、工場内の設備からの排ガスの熱エネルギーを利用して、蓄熱器（後述する)内に温度勾配を形成し、熱音響自励振動である音波を発生させる。音波（音エネルギー）は、熱音響エンジン１０が備える配管１２を伝搬し、ヒートポンプ５０に到達する。図１において、音エネルギーの伝搬を、矢印で示す。ヒートポンプ５０は、ヒートポンプ蓄熱器５２と、第１熱交換器５４と、第２熱交換器５６を備える。ヒートポンプ５０は、ヒートポンプ蓄熱器５２の一端を第１熱交換器５４により基準温度に保つことにより、熱音響効果により、反対側の第２熱交換器５６の温度を低下させる。すなわち、ヒートポンプ５０は、熱音響エンジン１０から伝搬した音エネルギーを、熱エネルギーに再変換し、第２熱交換器５６の温度を低下させる。ヒートポンプ５０は、冷熱を取り出し可能に構成されている。本実施形態において、基準温度は、約２５〜３０℃である。
【００１４】
図２は、本実施形態の熱音響エンジン１０の概略構成を示す説明図である。熱音響エンジン１０は、配管１２と、蓄熱器１４と、加熱部１６と、冷却部１８と、コンプレッサ２０と、絞り弁２２と、第１熱媒体供給配管２４と、第１熱媒体排出配管２６と、冷媒循環用配管２８と、制御部４０と、を備える。
【００１５】
配管１２は、金属製の配管であって、環状に形成されている。本実施形態では、内径４０ｍｍのステンレス製の配管を用いている。配管１２内には、熱音響エンジン１０の蓄熱器１４と、ヒートポンプ５０のヒートポンプ蓄熱器５２が、間隔を空けて配置されている。配管１２には、音波を伝搬する気体が含まれる。以下、音波を伝搬する気体を、「作動気体」とも呼ぶ。本実施形態では、作動気体としてヘリウムを用いているが、ヘリウム、アルゴン、窒素、それらの気体のうち２以上のガスの混合ガスを含む気体、空気等、他の気体を用いることもできる。また、配管１２の直径および材料は、本実施形態に限定されず、適宜変更可能である。
【００１６】
蓄熱器１４は、比較的熱伝導率が低い材料から成り、円柱状に形成されている。蓄熱器１４は、配管１２の内壁面に密接して配置されている。蓄熱器１４には、配管１２の長手方向に沿って複数の流路（図示せず）が形成されている。本実施形態では、外径約４０ｍｍの円柱状を有するセラミックス製のハニカム構造体を用いている。蓄熱器１４の流路径は、約０．６ｍｍである。流路径は、本実施形態に限定されず、蓄熱器の構成材料等によって適宜設定可能である。但し、流路径は、１ｍｍ以下が好ましい。蓄熱器１４の２つの底面のうち、加熱部１６と接触する底面（以下、「第１端面１４１」とも呼ぶ）が加熱部１６により加熱されるとともに、冷却部１８と接触する底面（以下、「第２端面１４２」とも呼ぶ）が冷却部１８によって基準温度に保たれて、蓄熱器１４の第１端面１４１と第２端面１４２との間に所定の温度勾配が生じると、蓄熱器１４内の作動気体が不安定になって自励振動し、音波が発生する。蓄熱器１４は、本実施形態に限定されず、例えば、ステンレス鋼によるメッシュ薄板を、複数枚積層した構造体、金属繊維からなる不織布状物を複数枚積層した積層体など、他の構成を用いることができる。
【００１７】
加熱部１６は、蓄熱器１４の第１端面１４１に接触して配置され、気体の熱媒体である第１熱媒体を用いて、蓄熱器１４の第１端面１４１を加熱する熱交換器である。加熱部１６には第１熱媒体供給配管２４が接続されており、第１熱媒体供給配管２４を介して第１熱媒体が加熱部１６に供給される。また、加熱部１６には第１熱媒体排出配管２６が接続されており、加熱部１６にて熱交換された後の第１熱媒体が、第１熱媒体排出配管２６を介して、熱音響エンジン１０の外部に排出される。本実施形態では、第１熱媒体として工場の設備からの排ガスを利用している。加熱部１６は、配管１２の長手方向に沿って形成された複数の第１流路（図示せず）を備える。第１流路は、蓄熱器１４の流路と連通しており、配管１２に充填された作動気体が流通する。本実施形態では、第１流路は、スリット状に形成されている。また、加熱部１６は、配管１２の長手方向に直交する方向に沿って形成された第２流路（図示せず）を備える。第２流路は、第１熱媒体供給配管２４および第１熱媒体排出配管２６と連通し、第１熱媒体が流通する。本実施形態では、第２流路は、スリット状に形成されている。第１流路と第２流路とは、互いに交差せず、気体が混合しないように形成されている。第１流路および第２流路の形状は、本実施形態に限定されず、第１流路と第２流路とが互いに交差しないように、種々の形状に形成可能である。
【００１８】
冷却部１８は、蓄熱器１４の第２端面１４２に接触して配置され、冷媒を用いて、蓄熱器１４の第２端面１４２を冷却する熱交換器である。冷却部１８には、冷媒循環用配管２８が接続され、冷媒は、冷媒循環用配管２８を介して循環している。これにより、蓄熱器１４の第２端面１４２は、基準温度に保たれている。冷却部１８は、加熱部１６と同様に、蓄熱器１４の流路と連通し、配管１２に充填された作動ガスが流通する第１流路（図示せず）と、冷媒が流通する第３流路（図示せず）とを備える。第３流路は、第２流路と同様に、第１流路と直交する方向に沿って、スリット状に形成されている。第１流路と第３流路とは、互いに交差しないように形成されている。本実施形態では、冷媒として冷却水を用いている。冷媒としては、その他、不凍液、グリコール系、アルコール系、フッ素系等、種々の冷媒を用いることができる。本実施形態では、加熱部１６および冷却部１８として銅製の熱交換器を用いているが、熱伝導率の高い他の材料からなる熱交換器を用いてもよい。
【００１９】
コンプレッサ２０は、第１熱媒体供給配管２４上に設けられ、第１熱媒体としての排ガスを圧縮して供給する。コンプレッサ２０は、略断熱圧縮を行うため、第１熱媒体は昇温される。絞り弁２２は、第１熱媒体排出配管２６上に設けられている。絞り弁２２は、加熱部１６から排出される第１熱媒体の圧力を制御する。コンプレッサ２０にて第１熱媒体を圧縮することにより、第１熱媒体を昇温させるとともに、絞り弁２２にて加熱部１６から排出される第１熱媒体の圧力を制御することによって、コンプレッサ２０によって昇温された第１熱媒体の温度の低下を抑制して、加熱部１６を昇温させることができる。コンプレッサ２０を圧縮部とも呼び、絞り弁２２を圧力調整部とも呼ぶ。
【００２０】
制御部４０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、ＣＰＵを含んで構成されるコンピュータであり、加熱部１６の温度が、所定の目標温度になるように、コンプレッサ２０および絞り弁２２の制御をおこなう。制御部４０は、蓄熱器１４の第１端面１４１の温度および加熱部１６内の第１熱媒体の圧力を用いて、コンプレッサ２０の圧縮率および絞り弁２２の開度を制御する。蓄熱器１４の第１端面１４１の温度は、蓄熱器１４の第１端面１４１に設けられた温度センサの測定値を用い、第１熱媒体の圧力は、加熱部１６の第２流路内に設けられた圧力センサの測定値を用いている。例えば、コンプレッサ２０に供給される前の第１熱媒体の温度が約１００℃の場合に、目標温度を２００℃に設定すると、蓄熱器１４の第１端面１４１の温度が２００℃になるように、制御部４０がコンプレッサ２０の圧縮率および絞り弁２２の開度を制御する。
【００２１】
本実施形態の熱音響エンジン１０によれば、コンプレッサ２０によって、第１熱媒体を略断熱圧縮し、昇温させることができる。そのため、工場の設備から排出される排ガスの温度より高い温度の第１熱媒体を、加熱部１６に供給することができる。その結果、加熱部１６の温度が上昇され、熱音響エンジン１０の熱効率を向上させることができる。
【００２２】
図３は、本実施形態の熱音響エンジン１０の熱効率を示す図である。図３において、本実施形態の熱音響エンジン１０の熱効率を実線で示し、比較例の熱音響エンジンの熱効率を破線で示す。比較例として、本実施形態の熱音響エンジン１０におけるコンプレッサ２０と絞り弁２２を備えず、他の構成を全て備える熱音響エンジンを用いた。本実施形態の熱音響エンジン１０および比較例の熱音響エンジン１０において、第１熱媒体の温度を変更して、熱効率を算出した。本実施形態の熱音響エンジン１０では、比較例の熱音響エンジンにて用いられた第１熱媒体をコンプレッサ２０にて圧縮することにより１００℃ずつ昇温させるとともに、コンプレッサ２０によって昇温された第１熱媒体の温度の低下を、絞り弁２２によって抑制した。図３において、本実施形態の熱音響エンジン１０については、第１熱媒体の温度として、コンプレッサ２０に供給される第１熱媒体の温度を用いている。すなわち、図３の第１熱媒体温度が１００℃の場合、熱音響エンジン１０の加熱部１６に供給される第１熱媒体の温度は、約２００℃であり、比較例の熱音響エンジンの加熱部に供給される第１熱媒体の温度は、約１００℃である。熱効率は、下記の式（２）を用いて算出した。
【００２３】
熱効率ηT＝ε×η  ・・・  （２）
ここで、ε：装置効率、η：カルノー効率
本実施形態では、装置効率ε＝０．４とし、カルノー効率ηは、上記式（１）を用いて算出した。
【００２４】
図３に示すように、本実施形態の熱音響エンジン１０は、比較例と比較して、熱効率を向上させることができる。また、加熱部１６の温度が４００℃以下の場合（図３における第１熱媒体の温度が３００℃以下の場合）に、コンプレッサ２０と絞り弁２２による熱効率向上の効果が、比較的大きいといえる。そのため、加熱部１６の温度が４００℃以下の目標温度になるように制御するのが好ましい。さらに、加熱部１６の温度が２００℃以上４００℃以下の目標温度になるように制御するのがより好ましい。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態の熱音響エンジン１０は、コンプレッサ２０と絞り弁２２を備えない熱音響エンジンと比較して、熱効率を向上させることができる。その結果、本実施形態の熱音響冷凍システム１００は、冷凍能力を向上させることができる。すなわち、熱音響冷凍システム１００の冷凍温度を、コンプレッサ２０と絞り弁２２を備えない熱音響エンジンを用いた場合と比較して、降下させることができる。
【００２６】
＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態の熱音響エンジン１０Ａの概略構成を示す説明図である。熱音響エンジン１０Ａが第１実施形態と異なる点は、第１実施形態の熱音響エンジン１０の構成に加え、第２熱媒体供給部３０と、第２熱媒体排出配管３６と、を備える点である。第２熱媒体供給部３０は、液体の熱媒体である第２熱媒体を、加熱部１６に供給する。本実施形態の熱音響エンジン１０Ａについて、第１実施形態と同一の構成は、第１実施形態と同一の符号を付し、先行する説明を参照する。
【００２７】
第２熱媒体供給部３０は、熱交換器３２と、第２熱媒体供給配管３４と、を備える。熱交換器３２は、コンプレッサ２０と絞り弁２２との間に配置され、コンプレッサ２０によって昇温された第１熱媒体と、第２熱媒体との間で熱交換を行う。第２熱媒体供給配管３４は、熱交換器３２において昇温された第２熱媒体を、加熱部１６に供給する。本実施形態では、第２熱媒体として、シリコンオイルを用いている。第２熱媒体としては、炭化水素系、不凍液、グリコール系、アルコール系、フッ素系、冷却水等、種々の熱媒体を用いることができる。第２熱媒体は、常温（例えば、約２５〜３０℃)で供給される。
【００２８】
本実施形態では、第１熱媒体は、加熱部１６には供給されず、熱交換器３２において第２熱媒体との熱交換により放熱した後、第１熱媒体排出配管２６を介して、熱音響エンジン１０Ａの外部に排出される。すなわち、本実施形態の熱音響エンジン１０Ａでは、加熱部１６は、第１熱媒体の熱を間接的に用いて、蓄熱器１４の第１端面１４１を加熱する。
【００２９】
本実施形態の熱音響エンジン１０Ａは熱交換器３２を備えるため、コンプレッサ２０によって略断熱圧縮され昇温された第１熱媒体と、第２熱媒体との熱交換により、第２熱媒体を昇温させることができる。そのため、第１実施形態と同様に、コンプレッサ２０に流入する前の排ガスよりも高い温度の熱媒体を加熱部１６に供給することができる。さらに、加熱部１６に供給される第２熱媒体は、気体よりも熱伝導率が高い液体であるため、加熱部１６における熱伝達率を、第１実施形態よりも向上させることができる。その結果、第２実施形態の熱音響エンジン１０Ａによれば、さらに熱効率を向上させることができる。
【００３０】
＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態の熱音響発電システム２００の概略構成を示す説明図である。熱音響発電システム２００は、熱音響エンジン１０と、発電機６０と、を備える。熱音響発電システム２００は、熱エネルギーを音エネルギー（音波)に変換し、音波（空気振動）を発電機に与えて電気を発生させる。本実施形態の熱音響発電システム２００は、第１実施形態の熱音響エンジン１０を備えるため、コンプレッサ２０および絞り弁２２を備えない熱音響エンジンを用いた場合と比較して、熱音響エンジンの効率を向上することができる。そのため、発電機６０における発電量を増大させることができる。
【００３１】
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３２】
・上記実施形態では、第１熱媒体として、工場の設備からの排ガスを用いたが、その他、車両のエンジン等の燃焼器の排ガス等を用いてもよい。また、排ガス以外の気体の熱媒体を用いてもよい。例えば、太陽熱、地熱を利用して暖められた気体を用いてもよい。排ガスの熱を利用すると、未利用のまま廃棄される廃熱を有効に利用することができるため、好ましい。
【００３３】
・上記実施形態では、円柱状に形成された蓄熱器１４を用いる例を示したが、蓄熱器１４の形状は本実施形態に限定されず、配管１２の内壁面に密接して配置可能な形状に、適宜変更可能である。すなわち、蓄熱器１４の形状は配管１２の断面形状に応じて変更可能である。例えば、蓄熱器１４の断面形状は、楕円、多角形等でもよい。
【００３４】
・上記実施形態では、制御部４０は、蓄熱器１４の第１端面１４１の温度が約２００℃になるようにコンプレッサ２０および絞り弁２２を制御する例を示したが、目標温度は、上記実施形態に限定されず、コンプレッサ２０に流入する前の第１熱媒体の温度、冷却部１８の温度等によって、適宜設定可能である。但し、目標温度は、２００℃〜４００℃の範囲のいずれかの温度に設定すると、コンプレッサ２０による第１熱媒体の圧縮が熱音響エンジンの熱効率の向上に寄与する効果が大きい範囲で、熱音響エンジンを作動させることができるため、熱音響エンジンを用いたシステムの総合効率を向上させることができ、好ましい。
【００３５】
・上記実施形態では、制御部４０が蓄熱器１４の第１端面１４１の温度および加熱部１６内の第１熱媒体の圧力を用いて、コンプレッサ２０の圧縮率および絞り弁２２の開度を制御する例を示したが、他のパラメーターを用いて、コンプレッサ２０の圧縮率および絞り弁２２の開度を制御してもよい。また、制御部４０を備えない構成にしてもよい。制御部４０を備えない場合、コンプレッサ２０の圧縮率および絞り弁２２の開度を、予め定められた値に設定してもよい。例えば、工場設備の排ガス温度と、コンプレッサ２０による圧縮率と、絞り弁２２の開度と、加熱部１６の温度との関係を、予め、実験的に調べておき、適切な圧縮率および絞り弁２２の開度に設定してもよい。
【００３６】
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０，１０Ａ…熱音響エンジン
１２…配管
１４…蓄熱器
１６…加熱部
１８…冷却部
２０…コンプレッサ
２２…絞り弁
２４…第１熱媒体供給配管
２６…第１熱媒体排出配管
２８…冷媒循環用配管
３０…第２熱媒体供給部
３２…熱交換器
３４…第２熱媒体供給配管
３６…第２熱媒体排出配管
４０…制御部
５０…ヒートポンプ
５２…ヒートポンプ蓄熱器
５４…第１熱交換器
５６…第２熱交換器
６０…発電機
１００…熱音響冷凍システム
１４１…第１端面
１４２…第２端面
２００…熱音響発電システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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