(57)【要約】熱音響トランスデューサが、音響パワーと機械的パワーとの間のパワー変換を提供する機械的変換器を含み、圧縮チャンバーと膨張チャンバーを定めるダイヤフラムを含んでいる。再生器部分を持った流路を含む熱変換器が、音響パワーと機械的パワーとの間の変換のために熱的に結合されている。該機械的変換器は、作動ガスを含む容積を持った音響パワーループを完結させる伝達ダクトを通して、流路と流体連通している。伝達ダクト断面積は、再生器流れ面積を下回り、該面積は、ダイヤフラム表面積を下回る。ダイヤフラムは、容積内で圧力振動を起こす弾性変位をする。パワーループは、ループに沿った１つの位置に、機械的変換器における圧力振動に対する逆位相圧力振動を持たせるように構成されている。【選択図】図１
2015535901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱音響トランスデューサ装置であって、
当該熱音響トランスデューサ装置は、機械的変換器を有し、該機械的変換器は、音響パワーと機械的パワーとの間のパワー変換を提供するように作動可能であり、該機械的変換器は、該機械的変換器内に圧縮チャンバーと膨張チャンバーとを定める少なくとも１つのダイヤフラムを含んでおり、該少なくとも１つのダイヤフラムはダイヤフラム表面積を持っており；
当該熱音響トランスデューサ装置は、熱変換器を有し、該熱変換器は、音響パワーと熱的パワーとの間のパワー変換を提供するように熱的に結合された再生器部分を持った流路を含んでおり、該再生器部分は、再生器流れ面積を持っており；
前記の機械的変換器は、前記圧縮チャンバーと前記流路との間に、そして前記膨張チャンバーと前記流路との間に、それぞれに延びる伝達ダクトを通して熱変換器の流路と流体連通しており、前記伝達ダクトは、前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の前記流路を通して音響パワーループを完結し、前記音響パワーループは、作動ガスを含み、かつ前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の音響パワーの流れを助長するよう作動可能な作動容積を持っており、
前記伝達ダクトの断面積が、前記再生器流れ面積を下回り、前記再生器流れ面積が、前記ダイヤフラム表面積を下回り；
前記少なくとも１つのダイヤフラムが、前記作動容積内で圧力振動を起こすために弾性変位するよう作動可能であり、前記音響パワーループが、該音響パワーループに沿った少なくとも１つの位置に、前記機械的変換器内の圧力振動と逆位相の関係を持った圧力振動を持たせるように構成されている、
前記熱音響トランスデューサ装置。
【請求項２】
前記熱変換器の流路が、平行な流れのために構成された複数の前記再生器部分を有し、かつ、前記再生器流れ面積が、前記複数の再生器部分に関連付けられた全体的な面積を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記機械的変換器が、平行に構成された複数の機械的変換器を有し、かつ、前記ダイヤフラム表面積が、前記複数の機械的変換器に関連付けられた全体的なダイヤフラム表面積を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記伝達ダクトの断面積が、前記ダイヤフラム表面積の少なくとも約１０分の１である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記圧縮チャンバーと前記流路との間の前記伝達ダクトが、第１の断面積を持ち、かつ、前記膨張チャンバーと前記流路との間の前記伝達ダクトが、第２の断面積を持ち、かつ、前記第１の断面積が、前記第２の断面積を下回っている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記伝達ダクトが、前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間で、約３６０度の位相変化を生じるよう選択された、それぞれの長さを持っている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記伝達ダクトがそれぞれの長さを持っており、該それぞれの長さが、以下の事項を生じさせるように選択されており、該事項が、
前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の約３６０度の初期の位相変化；および
前記音響パワーループにおける全体的な位相変化が、前記初期の位相変化と同じ効果を持つような、前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の少なくとも１つのさらなる３６０度の位相変化である、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
当該装置が、前記少なくとも１つのダイヤフラムに結合された機械的ばねをさらに有し、前記少なくとも１つのダイヤフラムに作用する全体的な剛性に部分的に依存する共振振動数で弾性変位が起こり、前記全体的な剛性が、少なくともダイヤフラム剛性、前記少なくとも１つのダイヤフラムに影響する作動ガスに起因するガス剛性、および、前記機械的ばね剛性を含み、かつ、前記機械的ばね剛性に関連付けられた全体的な剛性への寄与が、全体的な剛性の少なくとも半分を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記伝達ダクトにおける温度変化が、前記音響パワーループ内の音響パワーの流れに関連付けられた音速変化を生じ、かつ、
全体的な剛性における前記ガス剛性と前記機械的ばね剛性との相対的な割合が、対応する前記共振振動数の変化によって、少なくとも部分的にオフセットされる音速に変化を生じさせるように、
前記音速変化に起因する前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の前記位相変化が、少なくとも部分的に補償されるように、
前記伝達ダクトのそれぞれの長さが構成されている、
構成請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記機械的変換器が、圧力容器内に収容され、前記少なくとも１つのダイヤフラムが、前記外部エネルギーシステムと、前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間の機械的パワーの伝達のための外部エネルギーシステムに結合されており、前記外部エネルギーシステムが、前記圧力容器の外部に配置されており、かつ、
前記共振振動数が、少なくともダイヤフラム質量と、前記外部エネルギーシステムとの結合に関連する外部質量とを含む全体的な質量にさらに依存しており、前記外部質量が、前記ダイヤフラム質量を上回っている、
請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記外部エネルギーシステムが：
発電機、および
原動機
のうちの１つを有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記機械的ばねが、前記少なくとも１つのダイヤフラムと、前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーのうちの一方の１つのチャンバー壁との間に結合された弾性壁部分を有し、該弾性壁部分が、前記少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位を助長しながら前記チャンバー内に作動ガスを含むためのシールを提供するように作動可能である、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
前記弾性壁部分が、前記少なくとも１つのダイヤフラムと前記チャンバー壁との間に延びる円筒管を有し、前記管は、該管の円筒軸と概して一線上に並ぶ方向に弾性的に変形するよう構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記円筒管が、前記少なくとも１つのダイヤフラムに結合された第１の円筒管部分と、前記チャンバー壁に結合された第２の円筒管部分とを有し、前記第１および第２の円筒管部分が、同軸状に配置され、折り重ねられた円筒管を形成するように共に結合されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーのうち少なくとも１つの広がりが、前記チャンバーと、前記それぞれの伝達ダクトとの間の音響的な結合を助長するための所望の音響インピーダンスを提供するよう選択されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記圧縮チャンバーと前記流路との間に延びる前記伝達ダクトと、前記圧縮チャンバーとの間の流量が、
前記膨張チャンバーと前記流路との間に延びる前記伝達ダクトと、前記膨張チャンバーとの間の流量とは異なるものとなるように、
前記機械的変換器が構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーが、前記少なくとも１つのダイヤフラムの表面に概して平行な方向に前記それぞれのチャンバー内のガス流を向けるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのダイヤフラムが、該ダイヤフラムにおける応力集中を低減させるように選択された、該ダイヤフラムを越えてわたる厚さプロフィールを持っている、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記作動ガスに関連付けられた静的圧力が、少なくとも約８０Ｂａｒである、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記作動ガスの周期的な流れに関連付けられた作動振動数が、少なくとも約３００ヘルツである、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つの少なくとも一部分が、複数のダクトを有しており、該複数のダクトは、前記それぞれのチャンバーと前記熱変換器の前記流路との間に平行な流体連通を提供するように配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記熱変換器の前記流路が、さらに、次の対象のうちの１つと熱的に連通した第１の再生器部分をさらに有し、該対象が、
熱エネルギーを受け取り、前記流路を流れる前記作動ガスに前記熱エネルギーを伝達するための外部の熱エネルギー源、および
前記流路を通って前記外部の熱エネルギーシンクへと流れる前記作動ガスから熱エネルギーを伝達するための外部の熱エネルギーシンク
である、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記熱変換器が、前記熱変換器と前記機械的変換器との間の伝熱を低減するための熱緩衝部を有し、前記熱緩衝部は、前記流路と、前記膨張チャンバーおよび前記流路の間で延びる前記伝達ダクトとの間で流体連通している、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の音響パワーの流れの間、定在波成分および進行波成分が、前記音響パワーループ内で確立され、かつ、
前記定在波成分と前記進行波成分との相対的な大きさが、当該装置における全体的な損失を最小にするように割り当てられるように、伝達ダクトの断面積が選択されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記熱変換器が、前記作動ガスの平均作動圧におよそ等しいガス圧力に充填されたハウジング内に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記機械的変換器が、第１の機械的変換器を有し、かつ、さらに、
第２の機械的変換器を有し、該第２の機械的変換器は、該第２の機械的変換器内に圧縮チャンバーと膨張チャンバーを定める少なくとも１つのダイヤフラムを持っており、前記第２の機械的変換器が、該第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーと前記流路との間、および、前記第２の機械的変換器の前記膨張チャンバーと前記流路との間に、それぞれ延びる伝達ダクトを通して前記熱変換器の前記流路と流体連通しており、前記伝達ダクトが、前記第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の前記流路を通して第２の音響パワーループを完結させている、
請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１および第２の機械的変換器が、次の事項のうちの１つであるように構成されており、該事項が、
ａ）前記第１の機械的変換器の前記膨張チャンバーおよび前記第２の機械的変換器の前記膨張チャンバーが、第１の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムと前記第２の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間で延びる共通の膨張チャンバーを有すること、および
ｂ）前記第１の機械的変換器の前記圧縮チャンバーおよび前記第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーが、前記第１の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムと前記第２の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間で延びる共通の圧縮チャンバーを有すること
である、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つの少なくとも一部分が、複数のダクトを有しており、該複数のダクトは、前記熱変換器の前記流路と、前記それぞれのチャンバーとの間に、平行な流体連通を提供するよう配置されている、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つが、前記それぞれのチャンバーと前記熱変換器の前記流路との間に流体連通を提供する共通の部分を有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１の機械的変換器に関連付けられた前記少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位が、第１の軸に沿って方向付けられた周期的な力を生成し、前記第２の機械的変換器に関連する前記少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位が、第２の軸に沿って方向付けられた周期的な力を生じ、前記それぞれの周期的な力が互いを実質的に相殺させるべく、前記第１の軸および第２の軸が概して向けられるよう、前記第１および第２の機械的変換器が配置されている、請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
前記第１の軸と第２の軸が、概して同軸状に一線上に並んでいる、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記少なくとも１つのダイヤフラムが、圧縮チャンバーダイヤフラムと膨張チャンバーダイヤフラムとを有し、前記それぞれの圧縮チャンバーと膨張チャンバーダイヤフラムが、前記機械的変換器の前記ダイヤフラムとして作動するよう実質的に一致して移動するように、機械的に結合されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３３】
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つが、前記音響パワーループ内の圧力振動に応じて屈曲する内壁を有し、かつさらに、外壁を有し、該外壁は、前記内壁辺りで配置され、前記内および外壁間の絶縁容積を定めており、前記絶縁容積が、前記作動ガス圧力より低い静的圧力へとチャージされ、かつ、内壁の屈曲によって発生する音／振動を減衰するよう作動可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項３４】
前記熱変換器が、それそれが関連する流路を持つ少なくとも第１の熱変換器および第２の熱変換器を有し、前記第１および第２の熱変換器の前記それぞれの流路間を延びて前記音響パワーループの一部を形成する伝達ダクトをさらに有する、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、概して、熱音響トランスデューサ(thermoacoustic transducers)に関し、より具体的には、熱(thermal)エネルギーと機械的(mechanical)エネルギーとを変換する熱音響トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
熱音響トランスデューサは、熱エネルギーを受け取る熱機関(heat engine)として作動するように構成され得、そして、該トランスデューサは、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し、該熱エネルギーは、例えば、発電機を駆動するために使用され得る。あるいは、熱音響トランスデューサは、機械的エネルギーを受け取るヒートポンプとして作動するように構成され得、該トランスデューサは、機械的エネルギーを、より低い温度からより高い温度への熱エネルギーの伝達へと変換する。
【０００３】
熱音響トランスデューサは、有用なパワー密度および作動効率を生じるために、変位可能なダイヤフラムを使ったスターリング(Stirling)サイクルを実施し得る。熱機関として構成される場合、トランスデューサの高温側と低温側との間の温度差を大きくすることによって、効率の向上が達成され得る。しかしながら、そうした温度上昇には、より複雑な構造的なアーキテクチャの実施および／または専用の高温材料の使用が必要となり得る。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一態様によれば、熱音響トランスデューサ装置が提供される。当該装置は、音響パワーと機械的パワーとの間のパワー変換を提供するよう作動可能な機械的変換器を含んでいる。該機械的変換器は、機械的変換器内に圧縮チャンバーと膨張チャンバーとを定める少なくとも１つのダイヤフラムを含んでおり、該少なくとも１つのダイヤフラムは、ダイヤフラム表面積を持っている。当該装置はまた、音響パワーと熱的パワーとの間でパワー変換を提供するように熱的に結合された再生器部分を持った流路を含む熱変換器を含んでおり、該再生器部分は、再生器流れ面積を持っている。該機械的変換器は、圧縮チャンバーと流路との間に、そして、膨張チャンバーと流路との間に、それぞれに延びる伝達ダクトを通して熱変換器の流路と流体連通している。前記伝達ダクトは、圧縮チャンバーと膨張チャンバーとの間の流路を通して音響パワーループを完結させる。音響パワーループは、作動ガスを含み、かつ、圧縮チャンバーと膨張チャンバーとの間で音響パワーの流れを助長するよう作動可能な作動容積を持っている。前記伝達ダクトの断面積は、再生器流れ面積を下回り、再生器流れ面積は、ダイヤフラム表面積を下回る。前記少なくとも１つのダイヤフラムは、作動容積内で圧力振動を起こすために弾性変位するよう作動可能であり、前記音響パワーループは、該音響パワーループに沿った少なくとも１つの位置に、機械的変換器内の圧力振動と逆位相の関係を持った圧力振動を持たせるように構成されている。
【０００５】
熱変換器の流路は、平行な流れのために構成された複数の再生器部分を含み得、再生器流れ面積は、複数の再生器部分に関連する全体的面積を含み得る。
【０００６】
前記機械的変換器は、平行に構成された複数の機械的変換器を含み得、かつ、前記ダイヤフラム表面積は、前記複数の機械的変換器に関連付けられた全体的なダイヤフラム表面積を含み得る。
【０００７】
前記伝達ダクトの第１の断面積は、ダイヤフラム表面積の少なくとも約１０分の１であり得る。
【０００８】
圧縮チャンバーと流路との間の伝達ダクトは、第１の断面積を持ち得、かつ、膨張チャンバーと流路との間の伝達ダクトは、第２の断面積を持ち得、第１の断面積は、第２の断面積を下回り得る。
【０００９】
伝達ダクトは、圧縮チャンバーにおける圧力振動と膨張チャンバーにおける圧力振動との間で約３６０度の位相変化を生じるよう選択され得るそれぞれの長さを持ち得る。
【００１０】
伝達ダクトが、圧縮チャンバーにおける圧力振動と、膨張チャンバーにおける圧力振動との間で、約３６０度の初期の位相変化、および、圧縮チャンバーにおける圧力振動と膨張チャンバーにおける圧力振動との間の少なくとも１つの追加の３６０度の位相変化を生じるよう選択されるそれぞれの長さを持ち得ることによって、音響パワーループにおける全体的な位相変化が、初期の位相変化と同じ効果を有する。
【００１１】
当該装置はまた、少なくとも１つのダイヤフラムに結合された機械的ばねをさらに含み得、弾性変位は、少なくとも１つのダイヤフラムに作用する全体的な剛性に部分的に依存している共振振動数で起こり得、全体的な剛性は、少なくともダイヤフラム剛性、少なくとも１つのダイヤフラムに影響する作動ガスに起因するガス剛性、および機械的ばね剛性を含み、機械的ばね剛性に関連する全体的な剛性への寄与率は、全体的な剛性の少なくとも半分を含み得る。
【００１２】
伝達ダクトにおける温度変化は、音響パワーループ内の音響パワーの流れに関連付けられた音速に変化を生じさせ得る。全体的な剛性におけるガス剛性と機械的ばね剛性との相対的な割合が、対応する共振振動数の変化によって少なくとも部分的にオフセットされる音速に変化を生じるように、音速の変化に起因する圧縮チャンバーにおける圧力振動と膨張チャンバーにおける圧力振動との間の位相変化が、少なくとも部分的に補償されるように、伝達ダクトのそれぞれの長さが構成され得る。
【００１３】
前記機械的変換器は、圧力容器内に収容され得、前記少なくとも１つのダイヤフラムが、前記外部エネルギーシステムと前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間の機械的パワーの伝達のための外部エネルギーシステムに結合され得、該外部エネルギーシステムが、圧力容器の外側に配置され、共振振動数は、少なくともダイヤフラム質量と、外部エネルギーシステムとの結合に関連する外部質量とを含む全体的な質量にさらに依存し得、該外部質量は、ダイヤフラム質量を上回る。
【００１４】
外部エネルギーシステムは、発電機および原動機のうち１つを含み得る。
【００１５】
前記機械的ばねは、少なくとも１つのダイヤフラムと、圧縮チャンバーおよび膨張チャンバーのうちの一方のチャンバー壁との間に結合された弾性壁部分を含み得、該弾性壁部分は、少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位を助長しながら作動ガスをチャンバー内に含むためのシールを提供するよう作動可能である。
【００１６】
弾性壁部分は、少なくとも１つのダイヤフラムとチャンバー壁との間を延びる円筒管を含み得、該管は、該管の円筒軸と概して一線上に並ぶ方向に弾性的に変形するよう構成されている。
【００１７】
前記円筒管は、前記の少なくとも１つのダイヤフラムに結合された第１の円筒管部分と、前記チャンバー壁に結合された第２の円筒管部分とを含み得、前記第１および第２の円筒管部分は、同軸状に配置され、折り重ねられた円筒管を形成するように共に結合されている。
【００１８】
前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーのうち少なくとも１つの広がりは、チャンバーとそれぞれの伝達ダクトとの間の音響的な結合を助長するための所望の音響インピーダンスを提供するよう選択され得る。
【００１９】
前記圧縮チャンバーと前記流路との間に延びる前記伝達ダクトと、前記圧縮チャンバーとの間の流量が、前記膨張チャンバーと前記流路との間に延びる前記伝達ダクトと、前記膨張チャンバーとの間の流量とは異なるものとなるように、前記機械的変換器は構成され得る。
【００２０】
前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーは、前記少なくとも１つのダイヤフラムの表面に概して平行な方向に前記それぞれのチャンバー内のガス流を向けるよう構成され得る。
【００２１】
前記少なくとも１つのダイヤフラムは、該ダイヤフラムにおける応力集中が低減させるように選択され得る、該ダイヤフラムを越えてわたる厚さプロフィールを持ち得る。
【００２２】
前記作動ガスに関連付けられた静的圧力は、少なくとも約８０Ｂａｒであり得る。
【００２３】
作動ガスの周期的な流れに関連付けられた作動振動数は、少なくとも約３００Ｈｅｒｔｚであり得る。
【００２４】
前記伝達ダクトのうち少なくとも１つの少なくとも一部分は、それぞれのチャンバーと熱変換器の流路との間に平行な流体連通を提供するよう配置された複数のダクトを含み得る。
【００２５】
前記熱変換器の前記流路は、さらに、次の対象のうちの１つと熱的に連通した第１の再生器部分をさらに含み得、該対象が、熱エネルギーを受け取り、前記流路を流れる前記作動ガスに前記熱エネルギーを伝達するための外部の熱エネルギー源、および、前記流路を通って前記外部の熱エネルギーシンクへと流れる前記作動ガスから熱エネルギーを伝達するための外部の熱エネルギーシンクである。
【００２６】
前記熱変換器は、熱変換器と機械的変換器との間の伝熱を低減するための熱緩衝部を含み得、該熱緩衝部は、前記流路と、前記膨張チャンバーおよび前記流路の間で延びる伝達ダクトとの間で流体連通している。
【００２７】
前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の音響パワーの流れの間、定在波成分および進行波成分は、前記音響パワーループ内で確立され得、かつ、前記定在波成分と前記進行波成分との相対的な大きさが、当該装置における全体的な損失を最小にするように割り当てられるよう、伝達ダクトの断面積が選択され得る。
【００２８】
前記熱変換器は、前記作動ガスの平均作動圧におよそ等しいガス圧力に充填されたハウジング内に配置され得る。
【００２９】
前記機械的変換器は、第１の機械的変換器であり得、かつ、さらに、第２の機械的変換器を含み得、該第２の機械的変換器は、該第２の機械的変換器内に圧縮チャンバーと膨張チャンバーを定める少なくとも１つのダイヤフラムを持っており、前記第２の機械的変換器が、該第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーと前記流路との間、および、前記第２の機械的変換器の前記膨張チャンバーと前記流路との間に、それぞれ延びる伝達ダクトを通して前記熱変換器の前記流路と流体連通しており、前記伝達ダクトが、前記第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の前記流路を通して第２の音響パワーループを完結させている。
【００３０】
前記第１および第２の機械的変換器が、次の事項のうちの１つであるように構成され得、該事項が、ａ）前記第１の機械的変換器の前記膨張チャンバーおよび前記第２の機械的変換器の前記膨張チャンバーが、第１の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムと前記第２の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間で延びる共通の膨張チャンバーを有すること、および、ｂ）前記第１の機械的変換器の前記圧縮チャンバーおよび前記第２の機械的変換器の前記圧縮チャンバーが、前記第１の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムと前記第２の機械的変換器の前記少なくとも１つのダイヤフラムとの間で延びる共通の圧縮チャンバーを有することである。
【００３１】
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つの少なくとも一部分は、熱変換器の流路と、それぞれのチャンバーとの間に平行な流体連通を提供するよう配置された複数のダクトを含み得る。
【００３２】
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つが、前記それぞれのチャンバーと、前記熱変換器の前記流路との間に流体連通を提供する共通の部分を含み得る。
【００３３】
前記第１の機械的変換器に関連付けられた前記少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位が、第１の軸に沿って方向付けられた周期的な力を生成し得、前記第２の機械的変換器に関連する前記少なくとも１つのダイヤフラムの弾性変位が、第２の軸に沿って方向付けられた周期的な力を生じ得、前記それぞれの周期的な力が互いを実質的に相殺させるべく、前記第１の軸および第２の軸が概して向けられるよう、前記第１および第２の機械的変換器が配置され得る。
【００３４】
第１の軸および第２の軸は、概して同軸状に一線上に並んでいてよい。
【００３５】
前記少なくとも１つのダイヤフラムが、圧縮チャンバーダイヤフラムと膨張チャンバーダイヤフラムとを含み得、前記それぞれの圧縮チャンバーと膨張チャンバーダイヤフラムが、前記機械的変換器の前記ダイヤフラムとして作動するよう実質的に一致して移動するように、機械的に結合されている。
【００３６】
前記伝達ダクトのうちの少なくとも１つが、前記音響パワーループ内の圧力振動に応じて屈曲する内壁を含み得、かつさらに、外壁を含み得、該外壁は、前記内壁辺りで配置され、前記内および外壁間の絶縁容積を定めており、前記絶縁容積が、前記作動ガス圧力より低い静的圧力へとチャージされ、かつ、内壁の屈曲によって発生する音／振動を減衰するよう作動可能である。
【００３７】
前記熱変換器が、それそれが関連する流路を持つ少なくとも第１の熱変換器および第２の熱変換器を含み得、前記第１および第２の熱変換器の前記それぞれの流路間を延びて前記音響パワーループの一部を形成する伝達ダクトをさらに含み得る。
【００３８】
添付の図面と併せて、本発明の特定の実施形態についての以下の説明を読めば、本発明の他の態様および特徴は、当業者にとって明らかになるであろう。 
【００３９】
図面において、本発明の実施形態を図解する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、熱音響トランスデューサ装置の概略図である。
【図２】図２は、図１に示される装置を実施するための機械的変換器の実施形態の断面概略図である。
【図３】図３は、図１に示される装置を実施するための熱変換器の実施形態の断面概略図である。
【図４】図４は、図１〜３に示される装置の作動シミュレーションの結果を表す、連続したグラフである。
【図５】図５は、図２に示される機械的変換器のダイヤフラムに作用する圧力の複素平面のフェーザーを表したものである。
【図６】図６は、作動ガス温度の関数としての、図１〜３に示される装置の計算された出力パワーおよび計算された作動効率のグラフである。
【図７】図７は、図１に示される装置を実施するための機械的変換器の代替的な実施形態の概略図である。
【図８】図８は、本発明の他の実施形態による熱音響装置の概略図である。
【図９】図９は、本発明の他の実施形態による熱音響装置の概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の他の実施形態による熱音響装置の概略図である。
【図１１】図１１は、上記の実施形態のいずれかにおいて使用する伝達ダクト実施形態を含む、本発明の他の実施形態による熱音響装置の概略図である。
【図１２】図１２は、本発明の他の実施形態による熱音響装置の概略図である。
【図１３】図１３は、本発明の代替的な熱変換器実施形態を含む熱音響装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
詳細な説明
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態による熱音響トランスデューサ装置が、概して１００で示されている。当該装置１００は、音響パワーと機械的パワーとの間のパワー変換を提供するよう作動可能な機械的変換器１０２を含んでいる。機械的変換器１０２は、該機械的変換器内に圧縮チャンバー１０６と膨張チャンバー１０８とを定めるダイヤフラム１０４を含んでいる。該ダイヤフラムは、関係付けられたダイヤフラム表面積Ａｓを持っている。
【００４２】
当該装置１００はまた、流路１１６を含む熱変換器１１４を含んでいる。流路１１６は、音響パワーと熱的パワーとの間のパワー変換を提供するために熱的に結合された再生器部分(regenerator portion)１２０を含んでいる。再生器部分１２０は、再生器流れ面積ＡＲを持っている。
【００４３】
機械的変換器１０２は、伝達ダクト１１０、１１２を通して、熱変換器１１４の流路１１６と流体連通している。伝達ダクト１１０は、圧縮チャンバー１０６と流路１１６との間を延び、伝達ダクト１１２は、膨張チャンバー１０８と流路との間を延びる。伝達ダクト１１０、１１２は、圧縮チャンバー１０６と膨張チャンバー１０８との間の流路を通して、音響パワーループ１１８を完結させる。音響パワーループ１１８は、作動ガスを含むための作動容積を持ち、である。したがって、音響パワーループ１１８における作動容積は、圧縮および膨張チャンバー１０６、１０８内の容積、伝達ダクト１１０、１１２の容積、ならびに熱変換器１１４内の流路１１６の容積で構成される。一実施形態では、作動容積における作動ガスは、約８０Ｂａｒの静的圧力ｐｍのヘリウムを有する。
【００４４】
一実施形態では、伝達ダクト１１０および／または伝達ダクト１１２は、円筒壁を有し得るが、他の実施形態では、ダクトは、非円筒壁を持ち得る。伝達ダクト１１０は、第１の断面積Ａ１を持ち、伝達ダクト１１２は、第２の断面積Ａ２を持つ。示される実施形態では、伝達ダクト１１０、１１２は、それぞれのダクトの長さに沿って均一な断面を持つとして示されているが、他の実施形態では、ダクトの断面は、それらのそれぞれの長さに沿って異なり得る。
【００４５】
当該装置１００の作動中、ダイヤフラム１０４は、音響パワーループ１１８内で圧力振動を生じるべく弾性変位するよう作動可能であり、したがって、作動容積内の作動ガス圧力は、ｐｍ±｜ｐ｜（ここで、｜ｐ｜は、差圧揺動振幅(differencial pressure swing amplitude)である）の間で振れることになる。ダイヤフラム１０４が変位して、圧縮チャンバー１０６の容積を環状に縮小および拡大するとき、作動ガスにおいて生じる圧縮および希薄化は、伝達ダクト１１０を通って熱変換器１１４に伝播する音響パワーを発生する。
【００４６】
一実施形態では、熱変換器１１４の再生器部分１２０は、熱エネルギーを外部源１２２から受け取り、熱エネルギーを外部シンク１２４に伝達し、装置を熱機関として作動するために熱エネルギーの一部分を音響エネルギーに変換するように構成されている。その場合、熱変換器１１４の再生器部分１２０は、外部源１２２から供給された熱エネルギーＱｉｎを音響エネルギーに変換するよう作動し、それによって、熱変換器１１４の再生器部分１２０を通して移動する音響パワーを増幅する。熱変換器１１４を離れる、増幅した音響パワーは、伝達ダクト１１２に沿って伝播して機械的変換器１０２に戻り、該機械的変換器において、それは、膨張チャンバー１０８内で受け取られる。膨張チャンバー１０８における増幅した音響パワーに起因する圧力振動は、ダイヤフラム１０４を環状に変位するよう作動可能であり、それによって、音響パワーを圧縮チャンバー１０６に戻すように伝達する。ダイヤフラム１０４は、外部システム（図１には図示せず）に機械的パワーを伝送するために結合され得る。したがって、熱変換器１１４における音響パワーの増幅は、ダイヤフラム１０４の周期的な運動を維持するために十分なパワーを提供すると同時に、有用な機械的出力パワーをも提供する。上述のプロセスは、当該装置１００に関連付けられた固有振動数で機能する。
【００４７】
あるいは、装置をヒートポンプとして作動するためには、機械的パワーは、ダイヤフラムの環状変位を生じるためにダイヤフラム１０４に伝送される。熱変換器１１４の再生器部分１２０は、当該装置１００内で発生した音響エネルギーを受け取るように、そして、外部源１２２の温度よりも高い温度で、音響エネルギーを外部源１２２から外部シンク１２４ヘの熱エネルギーの伝達に変換するように構成されている。
【００４８】
熱変換器１１４の再生器部分１２０は、関連付けられた再生器流れ面積ＡＲを持ち、示される実施形態では、ダイヤフラム表面積Ａｓは、再生器流れ面積よりも大きい。本実施形態では、再生器流れ面積ＡＲはまた、それぞれの伝達ダクト１１０、１１２の第１および第２の断面積Ａ１、Ａ２よりも大きい。
【００４９】
他の実施形態では、熱変換器１１４の流路１１６は、平行な流れのために構成された複数の再生器部分１２０を含み得、再生器流れ面積ＡＲは、複数の再生器部分に関連付けられた全体的な面積を含み得る。同様に、機械的変換器１０２は、平行に構成された複数の機械的変換器を含み得、ダイヤフラム表面積Ａｓは、複数の機械的変換器に関連付けられた全体的なダイヤフラム表面積を含み得る。
【００５０】
ループに沿った少なくとも１つの位置が、機械的変換器１０２における圧力振動と逆位相関係を持つ圧力振動を持つよう、音響パワーループ１１８はさらに構成される。熱変換器１１４の再生器部分１２０において、圧力振動が、機械的変換器１０２における圧力振動とおよそ逆位相関係を持つように音響パワーループ１１８が構成され得、それによって、再生器内の粘性損失が低減し得る。
【００５１】
伝達ダクト１１０、１１２は、圧縮チャンバー１０６から熱変換器１１４の再生器部分１２０へと音響パワーを運び、膨張チャンバー１０８に戻す伝送ラインとして機能する。概して、ガスで充填されたダクトを通って伝播する音響エネルギー波は、ガスの構成および温度、ならびにダクトの断面積に依存する位相変化を経るであろう。ダクトが異なる断面積のボアを持つ場合、圧相の変化率は、ダクトに沿って異なるであろう。したがって、ダクトを通って伝播する音響エネルギー波は、ダクトの入口と出口の間で振動圧力位相の変化を経ることになる。
【００５２】
一実施形態では、伝達ダクト１１０および伝達ダクト１１２は、それぞれ、圧縮チャンバー１０６と膨張チャンバー１０８との間の音響経路に沿って、約３６０度の圧力振動の位相変化を生じるように選択されたそれぞれの長さを持つ。
【００５３】
上記の位相変化の範囲に対応する伝達ダクトに沿った全体的な位相変化を提供しながらも、さらなる３６０度の位相変化を含むべく、伝達ダクト１１０、１１２のそれぞれの長さはまた、大きくしてもよいことが、容易に理解されるはずである。例として、伝達ダクト１１０、１１２の長さは、約７２０度の位相変化をもたらすべく選択され得るが、該変化が、さらなるダクト損失とは別に、圧縮チャンバー１０６と膨張チャンバー１０８とで同じ圧力振動位相変化をもたらすことになる。したがって、伝達ダクト１１０、１１２が、圧縮チャンバー１０６における圧力振動と膨張チャンバー１０８における圧力振動との間に約３６０度の初期の位相変化、および、少なくとも１つのさらなる３６０度の位相変化を起こすべく選択されたそれぞれの長さを持ち得ることによって、音響パワーループ１１８における全体的な位相変化が、初期の位相変化と同じ効果を持つ。音響パワーループ１１８に沿って３６０度の倍数の圧力位相変化を１つ以上含むことによって、伝達ダクト１１０、１１２のさらなる長さが、熱変換器１１４から離れた機械的変換器１０２の位置付けを助長し得る。
【００５４】
音響パワーループ１１８内の圧力振動は、関係付けられた作動ガス流れ振動を持ち、伝達ダクト１１０、１１２は、流れ振動が最少の流れ速度に近い流れ速度を持つ音響パワーループ内の位置近傍で熱変換器１１４の流路１１６を配置するよう選択されたそれぞれの長さを持ち得る。一実施形態では、当該装置１００は、圧力振動の振動数が約５００Ｈｚとなるように構成され得る。約５０℃の温度のヘリウム作動ガスについては、５００Ｈｚの作動振動数の音の波長は、約２．１メートルであり、これらの条件下では、伝達ダクト１１０、１１２それぞれの長さは、約１メートルであり得る。したがって、当該装置１００は、機械的変換器１０２および熱変換器１１４が離間するよう構成され得、該構成は、炉、または、外部源１２２および／または外部シンク１２４を提供する他の機器と併せた作動のために装置が構成される必要があるとき、有利である。
【００５５】
機械的変換器
機械的変換器１０２を実施するための実施形態の概略的な断面図は、概して２００で示されている。図２を参照すると、機械的変換器２００は、圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６の入ったハウジング２０２を含んでいる。圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６は、ダイヤフラム２０８によって分割されている。本実施形態では、ダイヤフラム２０８は、ハウジング２０２の周辺部２１２で支持され、かつ機械的変換器２００の中心軸２１４と一線上に並ぶ(aligned)方向に変位を助長するように構成された弾性壁２１０を有する。ダイヤフラム２０８は、下方表面２１８を持ち、それが、壁の変位中、圧縮チャンバー２０４の容積を変化させる。同様に、ダイヤフラム２０８は、上方表面２１６を持ち、該表面は、壁の変位中、膨張チャンバー２０６の容積を変化させる。ダイヤフラム２０８の壁２１０は、ダイヤフラムにおける応力集中を低減するように選択されたダイヤフラムを越えて渡る厚さプロフィールを持つ。
【００５６】
図２の概略図では、機械的変換器２００のエレメント同士の間の間隔は、例示的な目的のために大きくしている。実際は、軸２１４に沿った圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６の長手方向の広がり(extent)は、約１ｍｍの領域にあり得るだけで、ダイヤフラム２０８の対応する変位は、例えば、約２００μｍのピーク振幅を持ち得る。ダイヤフラム２０８の弾性壁２１０は、これらの作動条件下、無限の疲労寿命を提供することができる鋼鉄から製造され得る。
【００５７】
機械的変換器２００は、入力／出力シャフト２２０をさらに含む。本実施形態では、シャフト２２０は、ダイヤフラム２０８と外部エネルギーシステム２２２との間で結合されている。当該装置１００の作動中、ダイヤフラム２０８は、機械的変換器２００と外部エネルギーシステム２２２との間でエネルギーを結合するために周期的な変位をする。機械的変換器２００が、熱機関の一部として作動するように構成されているとき、外部エネルギーシステム２２２は、機械的エネルギーを電機エネルギーに変換する発電機を有し得る。例えば、示される実施形態では、外部エネルギーシステム２２２は、交流電流を発生する線状交流発電機を有し得る。あるいは、機械的変換器２００が、ヒートポンプとして作動するように構成されているとき、外部エネルギーシステム２２２は、機械的駆動力をダイヤフラム２０８へ伝達する電機−機械的作動装置等、原動機を有し得る。
【００５８】
機械的変換器２００はまた、ダイヤフラム２０８とハウジング２０２との間に連結された機械的ばね２２４を含んでいる。本実施形態では、該機械的ばね２２４は、弾性外部円筒壁部分２２６と、弾性内部円筒壁部分２２８とを含み、これらは、同軸上に配置されており、環状壁部分２３０によって結合することによって折り重ねられた円筒状のチューブばね(tube spring)を形成する。外部円筒壁部分２２６は、ハウジング２０２に接続されており、内部円筒壁部分２２８は、ダイヤフラム２０８に接続されており、チューブばねは、中心軸２１４と概して一線上に並ぶ方向に弾性的に変形するように構成されている。本実施形態では、機械的ばね２２４の内部、外部、および環状壁部分２２６、２２８、２３０はまた、ダイヤフラム２０８の変位を助長しながら、作動ガスを圧縮チャンバー２０４内に含むためのシールを提供するよう作動可能である。
【００５９】
機械的変換器２００の圧縮チャンバー２０４は、伝達ダクト１１０と流体連通しており、膨張チャンバー２０６は、伝達ダクト１１２と流体連通している。図２に示される実施形態では、伝達ダクト１１２が、同軸上に配置されていることによって、膨張チャンバー２０６内のガス流が、中心軸２１４に対して対称に向けられている。対称に向けられた流れが数学的モデルを使って特徴づけることがより簡単であるという利点を持っている一方、他の実施形態では、熱音響トランスデューサ装置１００は、非対称な流れを持ち得る。図２の実施形態では、伝達ダクト１１０は、中心軸２１４からオフセットされているとして示されているが、他の実施形態では、伝達ダクトは、圧縮チャンバー２０４の縁部に向かって、または、該縁部において、さらにいっそうオフセットされ得る。また他の実施形態では、伝達ダクト１１０は、局所的流れ集中および局所的損失を最小にするべく、複数のオフセット伝達ダクトを含み得る。したがって、伝達ダクト１１０は、圧縮チャンバー２０４と連通し、かつ、中心軸２１４に対して配置された複数のダクト長さを有し得る。例えば、ガス流は、圧縮チャンバー２０４の周辺部２１２近傍に配置されたマニホールドを通って、伝達ダクト１１０に向けられ得る。マニホールドは、周辺部２１２と伝達ダクト１１０との間でガス流を対称に向けるための複数の枝部を含み得、したがって、流れに関連付けられた経路長さが概して同様の長さを持つ。同様に、膨張チャンバー２０６においては、ガス流はまた、チャンバーの周辺部２１２近傍に配置されたマニホールドを介して、伝達ダクト１１２に向けられ得、マニホールドは、周辺部２１２と伝達ダクト１１２との間でガス流を対称に向けるための複数の枝部を含み得る。
【００６０】
図２に示される機械的変換器２００は、従来のインラインピストンまたはダイヤフラム熱音響トランスデューサシステムとは、著しく異なる流れとなるように構成されている。そのようなシステムでは、流れは、ピストンまたはダイヤフラム表面に略垂直である。本文で開示される実施形態では、ダイヤフラム２０８の弾性壁２１０は、非常に制限された変位を提供し、その結果、圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６は、略平面であり、１００：１の領域内にあり得る半径と高さとの比率を持つ。機械的変換器が、高い音響インピーダンス（すなわち、チャンバー２０４、２０６内の流れ振動と比例した、大きい圧力振動）を持つ。したがって、チャンバー２０４、２０６内の作動ガス流は、主に、ダイヤフラム２０８の表面に沿って、ダイヤフラムの上方表面２１６および下方表面２１８に略平行である
【００６１】
圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６はまた、チャンバーとそれぞれの伝達ダクト１１０、１１２との間の流れに影響する音響パワーループ１１８における追加の音響コンプライアンスを提供する。事実上、増大したチャンバー容積によって、よりおおきな音響コンプライアンスを提供するようそれぞれのチャンバーを構成することによって、チャンバー２０４、２０６のいずれかへのより大きな流れは収容され得る。増大したチャンバー容積については、よりおおきな流れが、所与の圧力にチャンバーを充填するために必要とされる。また、チャンバー内への流れは、ダイヤフラム２０８の速度と完全に同調している必要はない。したがって、圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６の構成は、それぞれのチャンバーの高さを変えることによって、チャンバーとそれぞれの伝達ダクト１１０、１１２との間の流れの独立した調整を助長する。
【００６２】
熱変換器
図３を参照すると、図１における熱変換器１１４を実施するための実施形態が、概して３００で示されている。本実施形態では、熱変換器３００は、第１の熱交換器３０２、再生器３０４および第２の熱交換器３０６を含んでいる。再生器３０４は、第１の熱交換器３０２と第２の熱交換器３０６との間で延び、それらと流体連通している。第１の熱交換器３０２は、第１のプレナム３０８を介して伝達ダクト１１０と流体連通している。第２の熱交換器３０６は、熱エネルギーＱｉｎを外部源１２２から受け取るよう作動可能であり、熱エネルギーＱｏｕｔは、第１の熱交換器３０２から取り出され、外部シンク１２４へと伝達される。第１の熱交換器３０２、再生器３０４、および第２の熱交換器３０６を構成するための一般的考察は、"Thermoacoustics," G. W. Swift, 2002 Acoustical Society of America, Melville NY」に開示されている。
【００６３】
本実施形態では、熱変換器３００はまた、第２のプレナム３１２と伝達ダクト１１２との間で流体連通している熱緩衝部３１０を含んでいる。本実施形態では、熱緩衝部３１０は、当該装置１００の作動中、ダクト内における循環ガス流を通る対流伝熱を低減するような形状である輪郭形成された壁(profiled wall)３１４を持つダクトを含んでいる。
【００６４】
熱変換器はまた、従来の鋼鉄から製造され得る壁３１８を持つハウジング３１６を含んでいる。ハウジング３１６は、第１の熱交換器３０２、再生器３０４、第２の熱交換器３０６、および熱緩衝部３１０を取り囲み、かつ、ハウジングの壁３１８に延びる絶縁容積３２０を定める。第１の熱交換器３０２、再生器３０４、および第２の熱交換器３０６は、壁３３６を持つ再生器ハウジング３３４内に入っている。再生器ハウジング３３４は、伝達ダクト１１０および熱緩衝部３１０への流体接続を提供し、第１および第２のプレナム(plenum)３０８、３１２は、再生器ハウジングの壁３３６内に定められている。
【００６５】
当該装置１００の作動中、再生器３０４の部分、第２の熱交換器３０６、および熱緩衝部３１０は、概して、ハウジング３１６を取り巻く環境３２２の周囲温度Ｔａに対する温度差で作動する。例えば、当該装置１００を熱機関として作動しているとき、第２の熱交換器３０６で受け取られた熱エネルギーによって、少なくとも第２の熱交換器３０６、再生器３０４の部分、および熱緩衝部３１０の一部分の温度が、周囲温度Ｔａ超に上昇する。絶縁容積３２０は、多孔質のセラミック材料等、絶縁材料で充填されてよく、これは、環境３２２の周囲温度Ｔａと異なる温度を持つ熱変換器において、構成部品を絶縁するべく作用する。したがって、絶縁容積３２０および熱緩衝部３１０が、ハウジング３１６の壁３１８への伝熱を低減するべく機能することによって、壁が周囲温度Ｔａと近い温度を保つ。一実施形態では、絶縁容積３２０は、作動ガスの静的圧力ｐｍとだいたい同じ静的圧力まで、絶縁ガスで満たされてよい。有利には、絶縁容積３２０を作動ガスと概して同じ静的圧力に充填することは、熱緩衝部の輪郭形成された壁３１４、再生器ハウジング３３４の壁３３６、および伝達ダクト１１０の壁における応力を低減する。さらに、その場合、これらの壁における応力は、純粋に環状であり、高温クリープは、その場合、もはや関心事ではない。これによって、これらの壁は、かなり、より薄くすることができ、それによって、壁に沿った熱伝導を低減する。一実施形態では、絶縁容積３２０を充填するのに使用されるガスは、ハウジング３１６の壁３１８への伝熱をさらに低減することになる作動ガスではなく、アルゴン等の絶縁ガスであり得る。当該装置１００の作動中、ハウジング３１６は、環境３２２の周囲温度に近い温度を保ち、絶縁容積３２０における静的圧力が壁３１８に作用しても、壁の近い周囲温度の作動に起因して、クリープは、関心事ではなくなった。
【００６６】
伝達ダクト１１０は、第１のポート３２４において、ハウジング３１６を通る。当該装置１００の作動中、圧縮チャンバー２０４および伝達ダクト１１０におけるガスの温度は、周囲温度を上回って著しく上昇せず、したがって、第１のポート３２４は、有意な温度差に耐える必要はない。伝達ダクト１１２は、第２のポート３２６において、ハウジング３１６を通り、該ポートもまた、有意な温度差に耐える必要はなく、というのは、絶縁容積３２０がハウジング３１６の壁３１８への伝熱を低減し、熱緩衝部３１０が、伝達ダクト１１２への伝熱を低減するためである。
【００６７】
有利には、当該装置１００が熱機関として構成されているとき、上昇した温度で作動する熱変換器３００の構成部品の大部分は、ハウジング３１６内で熱的に絶縁されており、ハウジング３１６の壁３１８の作動温度は、周囲温度Ｔａ超には著しくは上昇しない。熱緩衝部３１０もまた、伝達ダクト１１２に沿った膨張チャンバー１０８への伝熱を低減する。本実施形態では、熱変換器は、熱エネルギーＱｉｎを外部源１２２から受け取るための温度隔離フィードスルー３３８を含み、これは、熱機関として作動しているときは、環境３２２の周囲温度よりかなり高い温度にある。一実施形態では、熱エネルギーＱｉｎは、高温の熱交換流体ループによって、または、例えば、燃料ガス（図示せず）の燃焼によって提供され得る。第２の熱交換器３０６は、熱エネルギーＱｉｎを外部エネルギー源から受け取り、第２の熱交換器を通って再生器３０４の内部または外部へ流れる作動ガスに、熱を伝達する。
【００６８】
代替的には、再生器３０４は、再生器を通過する作動ガスから熱エネルギーを受け取り、熱エネルギーを作動ガスへ送達する。再生器３０４は、十分に低い流動摩擦損失を提供すると同時に、再生器を流れるガスとマトリクス材との間で効率的な伝熱を提供するように選択された流れチャネル半径を持つマトリクス材からつくられてよい。再生器マトリクス材は、再生器を通る第１の熱交換器３０２への熱伝導を低減するべく、軸３２８の方向に低い熱伝導率を持つべきである。再生器３０４に好適なマトリクス材は、多孔質セラミック等、多孔質材料、もしくは充填球、または、マイクロ毛管アレイ等、個別の流れチャネルを持つ材料を含み得る。あるいは、積層ワイヤスクリーンまたは巻き線型再生器もまた使用してよい。いくつかの好適な再生器マトリクス材については、Martiniの米国特許４,４１６，１１４に記載されており、これは、参照することによって、その全体が本文に組み込まれる。
【００６９】
第１の熱交換器３０２は、該第１の熱交換器を通って流れる作動ガスから熱を受け取り、熱は、熱変換器から、該第１の熱交換器と熱的に連通することになる液体冷却ループ(liquid cooling loop)等、外部の熱交換システム（図示せず）によって取り出される。
【００７０】
熱緩衝部３１０を通した作動ガスにおける音響パワーの伝送を可能にすると同時に、第２のプレナム３１２近傍の熱緩衝部の端部３３０と、第２のポート３２６近傍の熱緩衝部の端部３３２との間の無給電(parasitic)伝熱を最小にする作動ガスの温度成層型カラムを維持するように、熱緩衝部３１０は構成されている。無給電伝熱は、熱緩衝部３１０の壁３１４における熱伝導、重力駆動の対流流れ、音響駆動式ストリーミング、および熱緩衝部の壁に沿った熱音響バケツリレー熱伝達(thermoacoustic bucket brigade heat transfer)を含むことになる。そうした無給電伝熱については、Swift（上記に参照されている）においてさらに記載されている。熱機関については、端部３３０は、端部３３２超に上昇した温度になり、端部３３２は、ハウジング３１６の壁３１８と熱的に連通しており、したがって、概して、環境３２２の周囲温度近くの温度を維持することになる。他の実施形態では、熱緩衝部３１０は、端部３３２における作動ガス温度をハウジング温度の近くに熱的に係留(anchoring)するための端部３３２近傍の第二次(secondary)の熱交換器を含み得る。当該装置１００のヒートポンプ実装については、端部３３０は、端部３３２より低い温度にあるであろう。 
【００７１】
熱緩衝部３１０は、第２のプレナムと熱緩衝部と間の遷移において、熱緩衝部におけるレーリーストリーミング(Rayleigh streaming)を低減するために、第２のプレナム３１２と端部３３０との間に整流器（図示せず）を含み得る。示される実施形態については、整流器は、熱緩衝部３１０と伝達ダクト１１２との間の遷移において必要とされないはずであり、というのは、熱緩衝部の直径または方向の急激な変化がなく、そのため、この遷移においてガス流の噴出がないためである。
【００７２】
当該装置１００を熱機関として作動するとき、熱緩衝部３１０の端部３３０は、高い作動温度に耐えなければならないことがあり、その場合、熱緩衝部の少なくとも一部分は、概して、セラミック材料、高融点金属、または高いニッケル含有量の超合金等、高温材料から製造されることになる。有利には、熱緩衝部３１０は、圧力ｐｍに変化し得るハウジング３１６内に配置されるため、熱緩衝部は、完全な静的圧力ｐｍではなく、差圧振幅±｜ｐ｜を受けるだけであり、したがって、熱緩衝部料における高温クリープ効果を著しく低減する。
【００７３】
概して、熱緩衝部の壁３１４の形状は、音響駆動式ストリーミングを抑制することによって、作動ガスの温度成層型カラムを助長するよう選択される。輪郭形成された壁３１４の特定の形状の決定は、Swift et al．の米国特許５,９５３,９２０に開示されるテーパ状のパルス管について提供される計算にしたがってよく、これは、その全体が、本文において参照することによって組み込まれる。図３に示される熱緩衝部３１０の輪郭形成された壁３１４は、端部３３０と端部３３２との間で小さくなる断面寸法を持つ。示される実施形態では、断面寸法は、熱緩衝部３１０の輪郭形成された壁３１４に沿って、概して線形比例して変化する。他の実施形態では、断面寸法は、熱変換器３００内の特定の流れ条件および温度勾配に応じて、非線形に変化し得、または、増大することさえもあり得る。
【００７４】
２つの端部３３０、３３２のうち高温の端部が、重力駆動の対流を低減するために上方に方向付けられるように、熱緩衝部は向いていなければならないという点で、熱緩衝部３１０を含むことは、熱変換器３００の向きに制限を課する。そうした重力駆動の対流は、概して、熱緩衝部３１０の端部３３０、３３２間で有意な無給電(parasitic)伝熱を生じることになる。
【００７５】
伝達ダクト
機械的変換器２００および熱変換器３００は、伝達ダクト１１０、１１２で接続されるとき、図１において１００で示されるもの等、熱音響トランスデューサ装置を形成する。伝達ダクト１１０、１１２は、概して、装置の所望の性能および作動効率を提供するべく構成されている。本文で開示される実施形態では、音響パワーループ１１８は、定在波成分と進行波成分との両方を確立するように構成されている。定在波成分は、進行波と重なっており、伝達ダクト１１０、１１２の長さを制限するが、音響パワーループ１１８における音響パワーの流れに寄与しない異相圧力および流れ振幅を持つ。同時に、進行波成分は、音響パワーループ１１８におけるパワーの流れの原因となるが、ダクト内のさらなる粘性および弛緩損失に起因する振幅の僅かな低下を除いて、ダクトを通る経路によって実質的に変化しないままである。伝達ダクト１１０、１１２の追加が、定在波成分と進行波成分との比率の調整を助けることによって、機械的変換器２００および熱変換器３００における音響損失が出力パワーの一部(fraction)として低減する。しかしながら、伝達ダクト１１０、１１２自体が、さらなる損失をもたらす。伝達ダクト１１０、１１２の長さおよび断面積の選択には、音響パワーループ１１８内の機械および熱変換器２００、３００における損失の低減に対する、かつ、装置の全体的な所望の性能を達成するための構造上の制約に対する、ダクト内の損失のバランシングが関与する。
【００７６】
ダイヤフラム２０８の周期的な運動によって、圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６の容積のいくつかの部分がダイヤフラムエレメントによって掃過され、その一方で、それぞれのチャンバー、伝達ダクト１１０、１１２、および熱変換器３００内の作動容積の残っている部分は、作動容積の未掃過容積(unswept volume)部分を占める。従来のスターリングエンジンは、概して未掃過容積の割合を最小にするよう構成することによって装置の全体的な圧縮比を大きくして、それによって、作動効率を上げる熱音響トランスデューサの一例である。従って、従来の構成においては、機械的変換器２００と熱変換器３００との間の任意のダクト長さが、未掃過容積を小さくするために、最小になるか、または、なくなりさえもするであろう。したがって、伝達ダクト１１０、１１２等、ダクトのさらなる長さを含むことは、未掃過容積の割合を著しく大きくする。しかしながら、伝達ダクトのさらなる未掃過容積および作動容積の他の未掃過部分の影響が、伝達ダクト１１０、１１２を含むことに関連するさらなる粘性および弛緩損失とは別に、著しくなくなるように、伝達ダクト１１０、１１２の全体的な長さは選択され得る。
【００７７】
例えば、伝達ダクト１１０、１１２が、音響パワーループ１１８において約３６０度の位相変化を起こすように選択された長さを持つ場合、圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６内の圧力と流れ振動との間の位相関係は、最少化した未掃過容積を持つ従来的に構成された装置と比較して、実質的に変化しないであろう。
【００７８】
一実施形態では、伝達ダクト１１０、１１２の長さは、伝達ダクトにおける追加の未掃過容積だけでなく、機械的変換器２００および熱変換器３００内の他の未掃過容積をも補償するべく、僅かに小さくしてよい。例えば、伝達ダクト１１０、１１２の全体的な長さは、３６０度未満の位相変化を起こすべく選択され得るが、それは、作動容積内のこれらの他の未掃過容積をも補償することになる。したがって、本実施形態では、未掃過容積の殆どが、音響パワーループ１１８から効果的に取り除くことができ、したがって、実際の作動容積に拘わらず、最適な圧縮比を提供することが可能になり、それによって、効率を上げ、装置によって発生する特定のパワーを増大させる。容易に理解され得る通り、物理的に未掃過容積を取り除くことによって圧縮比を大きくすることは、特に困難であり、エンジンの構造を厳しく制限する。有利には、本実施形態では、未掃過容積は、物理的に取り除くのではなく、伝達ダクト１１０、１１２の長さの適切な選択によって、効果的に相殺される。
【００７９】
図２に示される機械的変換器２００の特定の実施形態は、効果的にアルファ−構成スターリングエンジンに対応しており、該スターリングエンジンにおいては、圧縮および膨張チャンバーはそれぞれダイヤフラム（またはピストン）を持ち、二重のダイヤフラムは、通常、それぞれのダイヤフラムの変位間で位相差を生じるよう、機械的に結合されている。機械的変換器２００においては、単一のダイヤフラム２０８が、従来のアルファ構成のスターリングの、結合されたダイヤフラムと置き換わっており、必要な位相差が、伝達ダクト１１０、１１２の長さの選択によってもたらされる。例えば、一実施形態では、伝達ダクト１１０および伝達ダクト１１２は、圧縮チャンバー２０４内の圧力振動と、膨張チャンバー２０６における圧力振動と間の、少なくとも約２８５度かつ約３４５度未満の位相差を生じるべく選択されたそれぞれの長さを持つ。好都合には、２８５度および約３４５度未満の範囲はまた、実質的に、上述の未掃過容積に対処する位相変化範囲内になる。したがって、有利には、伝達ダクト１１０、１１２を含むことが、単一のダイヤフラム２０８の使用を助長すると同時に、機械的変換器の構造上の構成を簡単にする。
【００８０】
音響パワーループ１１８内の１つの有意な損失は、熱変換器３００の再生器３０４のマトリクス内で起こるが、それは、再生器を通して増大した粘性流れ損失を生じる狭い流れチャネル半径を持つ。音響パワーループ１１８に沿った任意の位置における音響パワーは、以下の関係で表され得る：
【数１】
2015535901.tif 000003
【００８１】
上記式中：
Ｐａは、音響パワーであり；
ｐは、圧力のフェーザー（位相ベクトル）であり；
2015535901.tif 000004
は、流量フェーザーの複素共役である。
【００８２】
音響パワーループ１１８内の定常波に起因して、圧力振動（ｐ）および流れ振動
2015535901.tif 000005
の相対振幅は、パワーループを通して異なる。図２に示される機械的変換器２００の実施形態では、ダイヤフラム２０８は、比較的剛性であり、小さい作動変位のために構成されており、したがって、圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６における比較的低い流れ振動振幅と、比較的高い圧力振動振幅を生じる。上記に開示したように、音響パワーループ１１８に沿った少なくとも１つの位置に、機械的変換器２００における圧力振動に対する逆位相関係を持つ圧力振動を持たせるよう、音響パワーループは構成されている。したがって、この逆位相関係が起こる位置は、圧力振動振幅が高く、流れ振動振幅が低い位置に対応している。本実施形態では、粘性損失が流れ振動振幅の二乗に比例しているため、熱変換器３００の再生器３０４は、この位置近傍に配置されている。従って、圧力振動が機械的変換器２００における圧力振動とだいたい逆位相関係を持つ音響パワーループ１１８に沿った位置近傍に熱変換器を配置することは、伝達ダクト１１０、１１２を含むことによってもたらされた、増大した粘性および弛緩損失を少なくとも部分的に補償し得る。
【００８３】
概して、定在波成分と進行波成分との相対的な大きさが、装置における全体的な損失を最小化するよう割り当てられるように、伝達ダクト１１０の第１の断面積Ａ１と、伝達ダクト１１２の第２の断面積Ａ２とは選択される。
【００８４】
ダイヤフラム２０８の弾性壁２１０は、熱音響トランスデューサ装置の作動振動数で機械的に共鳴するよう構成された比較的厚くかつ剛性(stiff)のある鋼鉄の湾曲部として形成される。長い作動寿命のためには、曲げ応力が、壁の材料に関連する無限の疲労最大応力を下回ったままとなるよう、弾性壁２１０は設計される。ダイヤフラム２０８の振動変位によって生じる流量は、表面積Ａｓに比例し、概して小さいダイヤフラムの変位振幅が、圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６内で概して低い流れ振幅を生じる。従って、所与の音響パワー、振動数、ダイヤフラム面積Ａｓ、およびダイヤフラム変位について、圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６において比較的高い圧力振動振幅が必要とされる。圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６のインピーダンスは、圧力振幅と流れ振幅との比率に比例しており、機械的変換器の圧縮および膨張チャンバーに、高い音響インピーダンスを持たせる。
【００８５】
機械的変換器２００、熱変換器３００、および伝達ダクトの間で音響インピーダンス不整合を起こすために、音響パワーの流れの定在波成分は、伝達ダクト１１０、１１２の寸法の選択によって確立される。ダクトは：
【数２】
2015535901.tif 000006
【００８６】
上記式中、ｐｍは、作動ガスの密度であり、ｃ０は、作動ガス内の音速であり、Ａｆｆは、ダクトのフリーフロー(free flow)断面積である）によって得られる、特徴的なインピーダンスを持つ。ダクト内の粘性および弛緩損失は、増加するダクト面積Ａｆｆにあわせて減少するが、何故なら、その場合、より大きな音響パワーが、より低い圧力振動振幅で伝送でき、それに対応して、より大きい流量振動振幅で伝送できるからである。しかしながら、上記に開示したように、粘性損失は、再生器３０４で最大になり、したがって、再生器粘性損失を低減するべく圧力振動が機械的変換器２００における圧力振動に対する逆位相関係を持つ音響パワーループ１１８に沿った位置を確立するために、機械的変換器２００、熱変換器３００および伝達ダクト１１０、１１２の間でいくつかの意図的なインピーダンス不整合を起こすことが望ましい。定在波成分の追加は、ｐを増加させ
2015535901.tif 000007
を低下させると同時に、音響パワーＰａを概して変化させないでおくことによって（上式１中）、再生器３０４における損失を低減する。圧力振幅｜ｐ｜の二乗に比例する弛緩損失は、再生器３０４においては殆どなく、したがって、定在波成分によって著しくは増加しない。しかしながら、粘性損失は、流量の二乗に比例し、著しく減少する。従って、示される実施形態では、伝達ダクト１１０の第１の断面積Ａ１と、伝達ダクト１１２の第２の断面積Ａ２は、ダイヤフラム２０８の表面積Ａｓの少なくとも約１０分の１である。伝達ダクト１１２は、音響パワーループ１１８において熱変換器３００の後に配置され、したがって、伝達ダクト１１０より高いパワーの流れを収容しなければならないため、伝達ダクト１１０の第１の断面積Ａ１はまた、伝達ダクト１１２の第２の断面積Ａ２を下回ってよい。
【００８７】
一実施形態では、伝達ダクト１１０の面積Ａ１は、伝達ダクト１１２の面積Ａ２の約半分であってよい。例えば、面積Ａ２は、約７ｃｍ２であってよく、面積Ａ１は、約３．５ｃｍ２であってよく、ダイヤフラムの表面積Ａｓは、約８０ｃｍ２であってよい。再生器３０４は、約７０ｃｍ２の再生器流れ面積ＡＲを持ち得、それは、面積Ａｓを下回り、面積Ａ１、Ａ２を上回っている。
【００８８】
本文で開示される熱音響トランスデューサ装置のための比較的高い作動振動数（すなわち、３００Ｈｚ超、通常は、５００Ｈｚ）と組み合わせるとき、機械的変換器２００および熱変換器３００の面積Ａｓ、ＡＲと比較して、ダクト面積Ａ１、Ａ２が小さくなることによって、従来のより低い振動数の熱音響トランスデューサに対して、さらなる利点が提供される。高振動数作動によって、圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６間の所望の位相変化のための伝達ダクト１１０、１１２の長さが短くなり、さらに、それに対応するダクト損失およびダクト質量の減少を提供する。小さくなったダクト面積Ａ１、Ａ２によって、壁厚を薄くすると同時に、なおも、作動ガス圧力ｐｍと、ダクト外のより低い圧力との間の圧力差によって起こる周応力に耐えるだけの十分な厚さを提供することが可能になる。円形の断面ダクトの壁厚は、概して、所与の作動圧力ｐｍのためのダクト半径に合わせた大きさになるが、ダクトの質量は、ダクト半径の二乗に合わせた大きさになる。従って、本文で開示される熱音響トランスデューサ装置実施形態については、伝達ダクト１１０、１１２の質量は、低振動数で作動し且つ大きいダクト直径を有する熱音響トランスデューサ構成と比較して、装置の全体的な質量の、かなり小さい割合を占める。
【００８９】
伝達ダクト１１０、１１２を含むと、いくつかの利点が提供され、熱音響トランスデューサを構成することに関する制約が満たされる。例えば、伝達ダクト１１０、１１２によって、未掃過容積問題が対処され、音響パワーループ１１８に沿った熱変換器３００の最適な位置が提供され、熱変換器からの機械的変換器２００の分離を助長する。図２に示されるアルファ型機械的変換器の実施形態については、伝達ダクト１１０、１１２はまた、圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６において、圧力振動間に必要な位相ずれを提供する。加えて、比較的高い振動数で作動するための装置の構成により、伝達ダクト１１０、１１２の必要な長さは短くなり、従って、関連する損失が小さくなる。一実施形態では、伝達ダクト１１０、１１２における損失が、再生器３０４における損失を下回るよう、トランスデューサ装置の作動振動数は選択される。例示的な一実施形態では、作動振動数は、少なくとも約３００Ｈｚであり、約５００Ｈｚであり得、または、５００Ｈｚより高くてもよい。
【００９０】
作動シミュレーション
熱機関としての熱音響トランスデューサ装置の作動について、図４をさらに参照して、さらに説明するが、これは、図１〜３に示されるもの等、熱音響トランスデューサ装置のコンピュータシミュレーションの結果を含んでいる。シミュレーション結果は、一連のグラフ４００、４０２、４０４、４０６のように描写されており、ｘ−軸は、圧縮チャンバー２０４の周辺部２１２から、圧縮チャンバーを通り、伝達ダクト１１０と、第１のプレナム３０８と、第１の熱交換器３０２と、再生器３０４と、第２の熱交換器３０６と、第２のプレナム３１２と、熱緩衝部３１０と、伝達ダクト１１２と、膨張チャンバー２０６とを通って、周辺部２１２に、装置を通る音響パワーループ１１８に沿った位置を表す。音響パワーループ１１８の端部間の長さは、主に伝達ダクト１１０、１１２および熱緩衝部３１０の長さで占められているため、例示的な目的のため、音響パワーループのこれらの部分は、グラフ４００〜４０６では、１／１０倍でｘ−軸上にプロットされている。再生器３０４が音響パワーループに沿った位置にあるよう、熱変換器３００は配置されており、音響パワーループでは、圧力振動が、機械的変換器２００における圧力振動に対しておよそ逆位相関係を持つ。
【００９１】
グラフ４００では、秒毎リットル単位の流量振幅Ｕは、音響パワーループ位置に対してプロットされている。グラフ４０２では、圧力振幅｜ｐ｜は、音響パワーループ位置に対してプロットされている。圧縮チャンバー２０４における流れ振動は、主に、圧力振動および最小の流れ振動を有する一方、伝達ダクト１１０に沿って約４分の１の位置における振動は、主に、流れ振動および最小の圧力振動を有する。これは、グラフ４００および４０２に図解されており、これらのグラフにおいて、流れ振幅Ｕにおける最大値の位置が、圧力振幅における最小値の位置に概して対応しており、その逆も同様である。流量振幅Ｕは、流れがハウジング２０２の壁によって制限される圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６の外部周辺部２１２においてゼロである。流れ振幅Ｕは、ダイヤフラム２０８の運動に起因して、圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６の中心に向かって大きくなる。圧力振幅｜ｐ｜が流れ振幅に変換されると（すなわち、流れ速度対交点(anti-node)で）、伝達ダクト１１０、１１２のそれぞれにおける流量振幅Ｕは最大まで大きくなり、次に、流れの惰性が元の通り圧力振幅に変換されると、再度小さくなる。
【００９２】
音響パワーＰａは、上記の式１にしたがって流量および圧力振幅から計算され得、グラフ４０４において音響パワーループ位置に対してプロットされている。音響パワーＰａは、ダイヤフラム２０８の運動に起因して圧縮チャンバー２０４を通して増大し、伝達ダクト１１０、第１のプレナム３０８、および第１の熱交換器３０２を通して、概して一定である。次に、音響パワーＰａは、再生器３０４において増幅され、次に、第２の熱交換器３０６、第２のプレナム３１２、熱緩衝部３１０、および伝達ダクト１１２を通して概して一定である。次に、音響パワーが膨張チャンバー２０６において吸収されてダイヤフラム２０８の運動を生じ、それによって、音響パワーを圧縮チャンバー２０４に戻すように伝達し、熱音響トランスデューサ装置を通る音響パワーループを完結させる。
【００９３】
圧力および流れ振動の位相は、音響パワーループ位置に対してグラフ４０６にプロットされている。圧力振動の位相Фｐは、実線として示され、流れ振動の位相ФＵは、破線として示されている。本実施形態では、圧縮チャンバー２０４および膨張チャンバー２０６のそれぞれと再生器との圧力振動位相Фｐの差ｓは、約１４５度である。加えて、ポイント４０８における圧力振動は、膨張チャンバー２０６における圧力振動と逆位相または１８０度位相を異にしており、ポイント４１０における圧力振動は、圧縮チャンバー２０４における圧力振動と逆位相または１８０度位相を異にしている。
【００９４】
温度依存性
上記に開示したように、伝達ダクト１１０、１１２は、圧縮チャンバー２０４と膨張チャンバー２０６との間の位相変化をもたらすように構成されている。ダクト１１０、１１２等、ダクトによってもたらされる位相変化は次式によって与えられるによって得られる波長に依存している。
【数３】
2015535901.tif 000008
【００９５】
上記式中、ｆは、熱音響装置の作動振動数であり、ｃは、ダクト内の音速である。音速ｃは、次式によって与えられる：
【数４】
2015535901.tif 000009
【００９６】
上記式中、γは、ガス等エントロピー定数であり、Ｒｍは、質量ガス定数であり、Ｔは、ケルビン度での温度である。熱音響トランスデューサ装置の作動において、伝達ダクト１１０、１１２は、周囲温度に近くなるが、これは経時的に変化し得るため、ダクト内の作動ガスに、対応する温度変化をもたせる。ダクト１１０、１１２内の作動ガスの温度変化が、ダクト１１０、１１２内の音速ｃに変化を生じることになり、これが、今度は、ダクトによって伝達される圧力位相ずれに変化を生じる。圧縮および膨張チャンバー２０４、２０６間の特定の作動位相変化のために最適化した熱音響トランスデューサについては、５℃ほどの小さい周囲温度の変化に起因する位相変化が、出力パワーおよび装置の効率の有意な低下をもたらし得る。
【００９７】
式４を式３に代入することによって、作動ガス温度Ｔおよび振動数ｆの関数としての波長は、次式のように書かれ得る。
【数５】
2015535901.tif 000010
【００９８】
図２に示される機械的変換器２００では、ダイヤフラム２０８は、機械的ばね２２４を介してハウジング２０２に結合されている。ダイヤフラム２０８の弾性変位は、ダイヤフラムに作用する全体的な剛性に依存する共振振動数で起こる。ダイヤフラム２０８に作用する全体的な剛性は、弾性壁２１０に起因する機械的剛性、機械的ばね２２４の剛性、およびダイヤフラム２０８の表面２１６、２１８に影響する作動ガス圧力振幅に起因するガス剛性を含んでいる。
【００９９】
一実施形態では、全体的な剛性におけるガス剛性と機械的ばね剛性との相対的な割合が、それに対応するダイヤフラム共振振動数の変化によって少なくとも部分的にオフセットされる温度と併せて、音速に変化を生じるように、伝達ダクト１１０、１１２のそれぞれの長さは構成される。ダイヤフラム共振振動数ｆが上昇する温度Ｔとともに増大する場合、波長λにおける温度変化の影響が少なくとも部分的にオフセットされることによって、圧縮チャンバー２０４における圧力振動と膨張チャンバー２０６における圧力振動との間の位相変化が、少なくとも部分的に補償されるということが、上記の式５から明白となるはずである。一実施形態では、全体的な剛性の少なくとも半分の機械的剛性寄与率を提供するように機械的ばね２２４を構成することによって、比較的広範な周囲温度の範囲にわたって温度変化の補償がもたらされる。
【０１００】
図５を参照すると、ダイヤフラム２０８のそれぞれの表面２１８、２１６に作用する振動圧力ｐｃおよびｐｅのフェーザー表現を含む複素平面ダイアグラムが、５００で示されている。ダイアグラム５００はまた、ダイヤフラム変位ｚおよびダイヤフラム速度ｖのフェーザー表現を含んでいる。圧力のフェーザーｐｃおよびｐｅは、ダイヤフラム２０８の両側に作用するため、ダイヤフラムにおける正味の力は、ダイヤフラム有効面積をｐｃおよびｐｅのベクトル差で乗じたものに等しく、それは、ダイアグラム５００において、力のフェーザーＦで示されている。角度ΔФは、音響パワーループ１１８における圧縮チャンバーおよび膨張チャンバー２０４、２０６間の圧力位相変化を表し、それは、ダイアグラム５００において、装置の特定の一実施形態における効率的な作動のための最適な作動位相変化として決定されたと推定される。
【０１０１】
水平な破線５０２で示される、速度ｖ上の力のフェーザー(force phasor)Ｆの投影(projection)は、出力パワーを生成するダイヤフラム２０８における力の成分に対応し、該出力パワーは次式によって与えられる：
【数６】
2015535901.tif 000011
【０１０２】
このように、装置が出力パワーを生じるために、フェーザーＦは、ダイアグラム５００の複素平面の上半分に位置する必要がある。垂直の破線５０４で示される、垂直のダイヤフラム運動によって示される実軸（Ｒｅ）上の力のフェーザーＦの射影は、負であり、したがって、ダイヤフラムｚの運動に反するように作用するガス剛性成分またはガスばね成分に対応している。代わりに、正の力の射影であれば、代替的に追加の有効質量であると理解され得る負のガスばねに対応するだろう。説明される実施形態におけるガス力寄与率は、正、ゼロ近く、または負のガス剛性を生じ得る。ガス剛性は、機械的剛性と並行して作用し、装置の作動振動数を決定する。作動振動数は、次式によって与えられる：
【数７】
2015535901.tif 000012
【０１０３】
上記式中、ｋｍは、ダイヤフラム２０８に作用する機械的剛性であり、ｋｇは、ダイヤフラムに作用するガス剛性である。Ｍは、ダイヤフラム２０８に関連付けられた全体的な質量であり、これは、ダイヤフラム質量と、外部エネルギーシステム２２２への結合に関連付けられた外部質量とを含んでいる。
【０１０４】
圧縮チャンバー２０４から膨張チャンバー２０６まで圧フェーザーに従うことは、示される実施形態では、ｐｃをｐｅへと時計回りにおよそ２８５度回転させることに対応しており、それは、主に、伝達ダクト１１０、１１２によって伝達される位相変化に対応している。しかしながら、伝達ダクト１１０、１１２における温度Ｔが上昇すると、波長λもまた上昇し、したがって、ｐｅは、ｐｃと比較してより小さい角度で回転することになり、最終的に水平軸により近くなることによって、生じた力のフェーザーＦが水平軸により近くに移動する。したがって、ガス剛性寄与率は、増加することになり、上記の式７から、振動数ｆもまた、増加することになる。式５から、増加した振動数ｆは、波長λを小さくし、したがって、位相変化を最適な作動位相変化ΔФに戻す傾向にある。逆に、ダクト１１０、１１２内の作動ガス温度Ｔを低下させると、力のフェーザーＦが垂直の軸に近づくように回転し、したがって、ガス剛性寄与率を低下させる。低下したガス剛性寄与率は、温度低下に対抗する傾向にある振動数ｆの減少をもたらす。振動数ｆを、実振動数に維持し、かつ所望の作動振動数辺りの帯域に維持するためには、機械的剛性ｋｍは、温度で著しく変化する予測されるガス剛性ｋｇの範囲より、はるかに大きくなければならない。
【０１０５】
概して、ダイヤフラム２０８に作用する全体的な剛性にへの、より大きなあり得るガス剛性の寄与率のためには、力のフェーザーＦのより小さい正味の回転が温度変化の影響に対抗するために必要とされ、作動位相変化が最適な作動位相変化ΔФにより近くあり続けることになる。しかしながら、全体的な剛性のうち、あり得るガス剛性成分は、ダイヤフラム２０８の面積によって、また、ダイヤフラムのいずれか片側の圧力のフェーザーｐｃおよびｐｅの大きさによって決定される。ダイヤフラム面積は、概して、装置の所望のパワー出力にしたがって決定され、一方、圧力のフェーザーｐｃ、ｐｅは、所望の効率およびパワー出力を生じるための装置の最適化から生じ、そのため、エンジンの作動振動数ｆを最適な振動数に上昇させるためにはそれ自体では十分ではない範囲まで、ダイヤフラム２０８に作用する全体的な剛性のうち、あり得るガス剛性成分を制限する。追加の機械的ばね２２４によって提供される機械的剛性が、振動数ｆを最適な作動範囲内に上昇させる。
【０１０６】
加えて、上記に開示したように、ガス剛性は、主に剛性値の範囲にわたって振動数とともに変化する全体的な剛性のうちの成分を占める。ダイヤフラム２０８に作用する全体的な剛性のうちのあり得るガス剛性成分が大きすぎる場合、全体的な剛性はまた、より大きな範囲にわたって変化することもできるであろうし、それが、意図される共振振動数よりずっと低い低共振振動数で、または、意図される共振振動数のより高い高調波で、熱音響トランスデューサ装置の作動を助長し得る。弱い機械的剛性ｋｍについては、負のガス剛性寄与率ｋｇは、負の全体的剛性をもたらし得、それは、熱音響装置の作動を妨げることになる。有利には、ダイヤフラム２０８に作用する全体的な剛性の少なくとも約半分の機械的剛性成分を提供するための機械的ばね２２４の構成が、全体的な剛性がダイヤフラム２０８に作用する値がとり得る範囲を小さくし、したがって、意図しない振動数での作動を防ぐ。したがって、十分な剛性を提供するための機械的ばね２２４の構成が、単一のよく定義された振動数での作動を確保する。よく定義された振動数はまた、全体的な剛性におけるガス剛性成分の存在に起因した、所望の温度依存性を持つ。
【０１０７】
ダイヤフラム２０８の共振振動数は、ダイヤフラムの弾性壁２１０の質量を少なくとも含むダイヤフラムに関連付けられた全体的な質量と、外部エネルギーシステム２２２との結合に関連付けられた外部質量とにさらに依存する。有利には、ばねチューブ機械的ばね２２４を使用することによって、結合が、作動ガスを含むハウジング２０２の外部に配置されることが可能になる。
【０１０８】
例として、図１〜図３に示されるように構成された装置について、振動数が、伝達ダクト１１０、１１２における摂氏１度の温度上昇毎に約１Ｈｚ増加する必要があるだろうと計算された。従って、±５０℃という広範な温度作動範囲を収容することが所望である場合、作動振動数は、約±１０％異なっていなければならないことになり、これは、ダイヤフラム２０８に作用する全体的な剛性が約±２０％異なる場合に達成され得る。機械的剛性成分ｋｍに対して、０．２ｋｍ≦｜ｋｇｍａｘ｜＜ｋｍの範囲におよぶ値を持つ温度作動範囲の限度における、最大の大きさのガス剛性成分｜ｋｇｍａｘ｜では、約±２０％という必要な変動範囲をもたらすであろう。
【０１０９】
有利には、必要なガス剛性成分を提供するための機械的変換器２００の構成は、装置の既存の作動容積内で、かつ、ダイヤフラム２０８を横切る選択された圧力位相差ΔФ内で生じ、したがって、さらなる損失をもたらさない。それとは対照的に、多くの先行技術のガスばねは、追加した容積の壁において関連する弛緩損失が増大した追加のチャンバー容積を使って実施されている。
【０１１０】
図６を参照すると、伝達ダクト１１０、１１２内の作動ガス温度Ｔの関数としての、装置の計算された出力パワーのグラフは、６００で示されている。伝達ダクト１１０、１１２内の作動ガス温度Ｔの関数として計算された作動効率のグラフ（カルノー効率の割合として表される）は、６０２で示されている。三角形のシンボルは、上記に開示された温度補償を実施していない固定作動振動数(fixed operating frequency)の作動を表し、装置が狭い温度範囲において有用な作動パワーだけを生じていることを示している。円形のシンボルは、上記に開示したような温度補償が実施された様々な作動振動数の作動を表し、著しく広範な温度範囲における有用な作動パワー出力を示している。
【０１１１】
上記に記したように、力のフェーザーＦは、複素平面の上半分内に位置しなければならず、 この特定の実施形態の最適な作動効率のためには、約６０℃で約１３５度のフェーザー角度αを持つことになる。従って、グラフ６０２では、力のフェーザーＦが水平軸に近づいて、速度ｖ上のＦの射影がゼロ傾向にあって、作動パワー発生の急激な低下に対応しているとき、作動効率は、６０℃超でより急激に低下する。 
【０１１２】
力のフェーザーＦがほぼ垂直で、速度ｖ上のＦの最大の射影に対応し、したがって、最大パワー出力(maximum power out)（ピーク効率においてではないが）に対応し、非常に小さいガス剛性寄与率か、または、負のガス剛性寄与率さえにも対応しているとき、６０℃を下回ると、作動効率は、もっとゆっくりと低下する。これらの条件下、ガス剛性寄与率は、変化する力のフェーザー角度αとともに、非常に迅速に変化するが、該力のフェーザー角度αは、作動ガスの温度変化のための振動数補償がもっとも効果的となる領域に対応している。本実施形態の最も広範な作動温度範囲については、１３５度未満の位相角度αに対して伝達ダクト１１０、１１２を構成することが有利であろう、というのは、該角度が、温度作動範囲の中間点において、僅かに低下した効率をもたらすが、全体的により広範な温度作動範囲をもたらすことになるからである。
【０１１３】
代替的な機械的変換器
図７を参照すると、機械的変換器１０２を実施するための代替的な実施形態の概略的な断面図が、概して７００で示されている。図７に示される機械的変換器７００の実施形態は、概して、ベータ構成スターリングトランスデューサに対応している。機械的変換器７００は、圧縮チャンバー７０４および膨張チャンバー７０６が入ったハウジング７０２を含んでいる。圧縮チャンバー７０４および膨張チャンバー７０６はディスプレイサー７０８によって分かれており、該ディスプレイサーは、チャンバー７０４、７０６の容積を変えるために機能している。ディスプレイサー７０８は、ハウジング７０２の周辺部７１０で支持され、機械的変換器７００の中心軸７１２と一線上に並ぶ方向への変位を助長するように構成された弾性壁を有する。
【０１１４】
機械的変換器７００はまた、ダイヤフラム７１４を含み、圧縮チャンバー７０４は、ディスプレイサー７０８とダイヤフラム７１４との間で延びる。示される実施形態では、ダイヤフラム７１４はまた、ハウジング７０２の周辺部７１０で支持されている弾性壁を有する。
【０１１５】
図７の概略図では、機械的変換器７００のエレメント間の間隔は、例示的な目的のため、大きくしてある。実際には、軸７１２に沿った膨張および圧縮チャンバー７０６、７０４の長手の延びは、例えば、約１ｍｍの面積内だけにあり得る。これに対応して、ディスプレイサー７０８およびダイヤフラム７１４の運動は、概して、約２００μｍのピーク振幅を持つことになる。
【０１１６】
機械的変換器７００は、入力／出力シャフト７１６をさらに含む。本実施形態では、シャフト７１６は、ダイヤフラム７１４と、外部エネルギーシステム７１８との間で結合されている。作動中、ダイヤフラム７１４は、機械的変換器７００と外部エネルギーシステム７１８との間で、エネルギーを結合するための周期的な変位を経る。
【０１１７】
本実施形態では、機械的変換器７００はまた、ダイヤフラム７１４とハウジング７０２との間で結合された円筒状のチューブばね７２２として構成された機械的ばねを含んでいる。該チューブばね７２２は、外部円筒壁７２４および内部円筒壁７２６を含み、それらが、環状壁７２８によって合わさることによって、円筒状のチューブばねが、自身に折り返されている。外部円筒壁７２４は、ハウジング７０２に接続され、内部円筒壁７２６は、ダイヤフラム７１４に接続されている。チューブばね７２２は、ダイヤフラム７１４によってチューブばねに伝達されるされる力に応じて、軸７１２と概して一線上に並ぶ方向に弾性的に変形するよう作動可能である。
【０１１８】
機械的変換器７００はまた、ダイヤフラム７１４の外部表面７３２に影響する加圧されたガス容積を含むためのバウンスチャンバー７３０を含んでいる。該バウンスチャンバーは、
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のガス圧力へとチャージされ、それが、ダイヤフラム７１４の内部表面７３４に作用する力に対して少なくとも部分的にバランスをとる。それは、反力をダイヤフラム７１４の外部表面７３２に加えることによる、静的圧力ｐｍに起因するものである。該バウンスチャンバー７３０は、ハウジング７０２、ダイヤフラム７１４の外部表面７３２、および円筒状のチューブばね７２２の間に定められる。一実施形態では、バウンスチャンバー７３０と圧縮チャンバー７０４との間で、故意の漏洩が、ルビーピンホール(ruby pinhole)等、狭い均等化導管７３６の形態でもたらされ得る。均等化導管７３６は、装置における作動ガスと、バウンスチャンバー７３０におけるガス容積との間の気体伝送を助長する。均等化導管７３６は、作動ガスとガス容積との間の静的圧力均等化を可能にするようなサイズとなっているが、トランスデューサ装置の作動振動数に対応する期間における有意な気体伝送を防ぐために十分細い。
【０１１９】
ダイヤフラム７１４が弾性壁を有している図７に示される実施形態では、チューブばねの弾性的変形によって提供される復元力が、ダイヤフラムの弾性と、作動ガスによるダイヤフラムのローディングと、バウンスチャンバー７３０とに起因する復元力と併せて作用するよう、チューブばね７２２が構成され得、該ローディングが、ダイヤフラムが所望の固有振動数を持つための入力／出力シャフト７１６に起因するものである。
【０１２０】
本実施形態では、入力／出力シャフト７１６は、伝達ダクト１１０の一部分を受けるための中空のボア７２０を含み、該伝達ダクトは、本実施形態では、中心軸７１２と同軸上に位置し、ボアを通って延び、ダイヤフラム７１４を通して圧縮チャンバー７０４と伝達ダクト１１２との間の流体連通を提供する。伝達ダクト１１０は、中心に位置づけられているとき、圧縮チャンバー７０４と伝達ダクト１１２との間で、対称な流れと、対称な音響経路長さとを提供する。
【０１２１】
示される実施形態では、伝達ダクト１１０は、ダイヤフラム７１４に接続されており、その結果、作動中、ダイヤフラムの運動を助長するように構成されていなければならない。一実施形態では、伝達ダクト１１０は、軸方向の圧縮および膨張をするように構成された柔軟(compliant)な部分を含み得る。したがって、伝達ダクト１１０の柔軟な部分は、ダイヤフラム７１４に作用する追加のスプリング力を提供することになるが、これは、ダイヤフラムの所望の固有振動数のために機械的変換器７００を構成するにあたって、考慮するべきである。機械的変換器７００はまた、伝達ダクト１１０に沿った位置に配置された機械的アンカー(mechanical anchor、機械的係留具)７３８を含み得、したがって、ダイヤフラム７１４と該機械的アンカーとの間で延びる伝達ダクトの一部分が、柔軟な部分として作用することができる。図２において、機械的アンカーの下に配置された湾曲部７４０を含む伝達ダクト１１０の部分は、動くことを制限されており、したがって、早期の疲労破壊を起こす恐れがある周期的なひずみを被らないであろう。
【０１２２】
他の実施形態（図示せず）では、ガス流は、圧縮チャンバー７０４の周辺部７１０近くに配置されたマニホールドを介して、伝達ダクト１１０に向けられ得る。マニホールドは、周辺部７１０と伝達ダクト１１０との間にガス流を対称に向けるための複数の枝部を含み得、従って、流れに関連付けられた音響経路長さに、概して同様の長さを持たせ、装置の作動中、一貫した位相関係をもたらす。同様に、膨張チャンバー７０６では、ガス流はまた、チャンバーの周辺部７１０近くに配置されたマニホールドを介して、伝達ダクト１１２に向けられてよく、マニホールドは、周辺部７１０と伝達ダクト１１２との間にガス流を対称に向けるための複数の枝部を含み得る。
【０１２３】
作動では、ディスプレイサー７０８およびダイヤフラム７１４が、圧縮チャンバー７０４内の圧力振動を生じるべく動くとき、作動ガスにおいて生じる圧縮および希薄化が、音響パワーを生じ、該音響パワーが、伝達ダクト１１０を通って熱変換器３００（図３に示される）へと流れ、第１のポート３２４を通って、第１のプレナム３０８へと流れる。図３を参照すると、熱変換器３００は、外部熱源から提供される熱エネルギーＱｉｎを音響エネルギーへと変換するように作動し、それによって、第１の熱交換器３０２、再生器３０４、および第２の熱交換器３０６を通って移動する音響パワーを増幅する。熱緩衝部３１０と第２のポート３２６とを通って熱変換器３００を離れる、増幅した音響パワーは、伝達ダクト１１２に沿って伝播し、機械的変換器７００に戻り、該機械的変換器で、それは、膨張チャンバー７０６内で受け取られる。膨張チャンバー７０６における増幅した音響パワーに起因する圧力振動は、ディスプレイサー７０８の運動を生じるよう作動可能であり、それによって、殆どすべての音響パワーを圧縮チャンバー７０４に伝達する。圧縮チャンバーにおける圧力振動７０４はまた、ダイヤフラム７１４および入力／出力シャフト７１６を変位させる。圧縮チャンバー７０４内の圧力振動の位相に対するディスプレイサー７０８の機械的運動の位相は、音響パワーがディスプレイサー７０８によって圧縮チャンバーにおける作動ガスへと送達されるようになっていると同時に、ダイヤフラム７１４の機械的運動の位相は、それが、圧縮チャンバーにおけるガスから音響パワーを取り出すようになっている。上述のプロセスは、当該装置１００に関連付けられた固有振動数で機能し、したがって、入力／出力シャフト７１６の周期的な運動を生じる。入力／出力シャフト７１６の運動が、機械的エネルギーを装置から抽出するための外部エネルギーシステム７１８に結合されてよい。したがって、音響パワーの増幅は、ディスプレイサー７０８およびダイヤフラム７１４の周期的な運動を維持するための十分なパワーを提供すると同時に、入力／出力シャフト７１６を駆動するためのダイヤフラム７１４で有用な出力パワーをも提供する
【０１２４】
代替的な実施形態
機械的変換器１０２を実施するためのさらなる実施形態の概略的な断面図が、図８では、概して８００で示される。図８を参照すると、機械的変換器８００は、シャフト８１０に結合されたダイヤフラム８０８を持つ圧縮チャンバー８０６を含んでいる。機械的変換器８００はまた、シャフト８１０に結合されたダイヤフラム８１４を持つ膨張チャンバー８１２を含んでいる。圧縮チャンバー８０６および膨張チャンバー８１２は、それぞれ、それぞれのバウンスチャンバー８１６、８１８を持ち、円筒状のチューブばね８２０、８２２は、図２に示される実施形態と関連して、概して上述の通りに実施されている。機械的変換器８００はまた、外部エネルギーシステム８２４を含んでいる。圧縮チャンバー８０６および膨張チャンバー８１２はそれぞれ、それぞれのチャンバー壁８２６、８２８を持ち、示される実施形態は、ハウジング８３０をさらに含む。ハウジング８３０は、離間関係にある圧縮および膨張チャンバーを支持するためにそれぞれのチャンバー壁間を延び、また、外部エネルギーシステム８２４を入れている。
【０１２５】
圧縮チャンバー８０６は、伝達ダクト１１０と流体連通しており、膨張チャンバー８１２は、伝達ダクト１１２と流体連通している。伝達ダクト１１０、１１２は、図１に示されている。シャフト８１０は、圧縮チャンバーダイヤフラム８０８と、膨張チャンバーダイヤフラム８１４との間を延び、それぞれのダイヤフラム間でエネルギーを結合するための直接的機械的結合を提供する。したがって、シャフト８１０によって、膨張チャンバーダイヤフラム８１４の作動変位が、圧縮チャンバーダイヤフラム８０８を１８０度の位相角度で導く。
【０１２６】
熱音響トランスデューサ装置の他の実施形態が、図９において、９００で示されている。図２に示される実施形態では、伝達ダクト１１０は、中心位置近くで圧縮チャンバー２０４と流体連通しており、したがって、圧縮チャンバー内で概して対称なガス流を生じる。図９を参照すると、装置９００は、機械的変換器９０２および熱変換器９０４を含んでいる。装置９００はまた、伝達ダクト９０８を含み、機械的変換器９０２の圧縮チャンバー９１４と、熱変換器９０４との間の流体連通をもたらす。伝達ダクト９０８は、圧縮チャンバー９１２と熱変換器９０４との間の平行な流体連通を提供するべく配置された、複数のダクト長さ（そのうち、２つのダクト長さ９１０および９１２が示されている）を含んでいる。ダクト長さ９１０、９１２は、周辺位置で圧縮チャンバー９１４に流体結合されることによって、圧縮チャンバー内の概してより対称なガス流を促して、それによって、流れと関係する音響経路長さが、概して同じ長さを持つようにして、それが、作動ガスの周期的な流れの間、一貫した位相関係をもたらす。装置９００はまた、機械的変換器と熱変換器との間で延びる伝達ダクト９０６を含んでいる。
【０１２７】
伝達ダクトの音響インピーダンスは、断面積と逆比例するが、図９に示される実施形態では、平行な伝達ダクト９１０、９１２間で分裂する。伝達ダクト９０８を実施するために複数のダクトを使用することによって、ダクト壁面積が大きくなり、したがって、壁における弛緩損失と、壁に沿った粘性剪断損失とが大きくなる。しかしながら、形状的制約によって、単一の中心ポートからだけでなく、圧縮チャンバー９１４の縁部における機械的変換器９０２間の流れを結合することがより望ましくなり得、その場合、複数の伝達ダクト９１０、９１２が、機械的変換器９０２においてより対称な流れを生じ、より均一な流れ位相差を維持し、流れの密集(flow crowding)に起因する大きな局所的損失を回避する。
【０１２８】
図１０を参照すると、図１の装置のさらなる実施形態が、１０００で示されている。当該装置１０００は、第１の機械的変換器１００２、第２の機械的変換器１００４、および単一の熱変換器１００６を含んでいる。第１の機械的変換器１００２は、伝達ダクト１００８を通して熱変換器１００６と流体連通しており、第２の機械的変換器１００４は、伝達ダクト１０１０を通して熱変換器１００６と流体連通している。当該装置１０００はまた、熱変換器１００６と流体連通した共通の伝達ダクト１０１２、第１の機械的変換器１００２と、共通の伝達ダクト１０１２との間の伝達ダクト１０１４、および第２の機械的変換器１００４と、共通の伝達ダクトとの間の伝達ダクト１０１６を含んでいる。伝達ダクト１０１６および伝達ダクト１０１４は、局所的損失を最小にする円滑な遷移を提供するワイ継手(wye joint)１０１８を通して、共通の伝達ダクト１０１２へと続いていく。加えて、ワイ継手１０１８は、局所的損失をさらに最小にするために、低流量位置に位置づけてよい。有利には、当該装置１０００は、２つの機械的変換器１００２、１００４と併せた単一の熱変換器１００６の使用を促す。他の実施形態では、３つ以上の機械的変換器が、単一の熱変換器１００６と流体連通するように構成され得る。熱変換器３００は、高い温度で作動する必要があり、従って、この構成部品のコストを上げる高価な材料を含み得る。
【０１２９】
図９および図１０に示される実施形態では、機械的変換器９０２、１００２、１００４は、図２に示される機械的変換器２００か、図７に示される機械的変換器７００か、図８に示される機械的変換器８００のいずれかを使って実施してよい。
【０１３０】
音響的な作動ノイズ
図２に示される機械的変換器２００の、熱機関としての作動中、軸２１４に沿った一方向のダイヤフラム２０８の運動が、ハウジング２０２に反対方向の運動を伝達することになる。同様に、図７に示される機械的変換器７００については、軸７１２に沿ったディスプレイサー７０８およびダイヤフラム７１４の運動は、ハウジング７０２にアンバランス力を伝達することになる。ハウジング２０２または７０２に伝達される力によって、概して、ハウジングが当該装置１００の作動振動数で振動することになり、したがって、作動振動数（例えば、約５００Ｈｚで）で、単一の振動数トーンという形態で、音響ノイズを発生する。いくつかの実施形態では、発生したノイズに関連付けられた音パワーは、１００ｄＢｍの領域内にあり得、これは、例えば、住家等、いくつかのノイズ感知環境における作動を妨げ得る。
【０１３１】
図１１を参照すると、本発明の他の実施形態による熱音響装置が、概して１１００で示されている。装置１１００は、第１の機械的変換器１１０２および第２の機械的変換器１１０４を含んでいる。機械的変換器１１０２、１１０４は、それぞれ、機械的変換器２００に関して、概して上記に開示したように構成される。装置１１００はまた、熱変換器１１０６を含んでいる。第１の機械的変換器１１０２は、伝達ダクト１１１０と伝達ダクト１１１２とを通して熱変換器１１０６と流体連通した膨張チャンバー１１０８を含んでいる。第２の機械的変換器１１０４は、伝達ダクト１１１６と伝達ダクト１１１２とを通して熱変換器１１０６と流体連通した膨張チャンバー１１１４を含んでいる。したがって、伝達ダクト１１１２は、それぞれの第１および第２の機械的変換器１１０２、１１０４の膨張チャンバー１１０８、１１１４の両方と関連するガス流のための共通のダクトを提供する。伝達ダクト１１１２の断面積は、この共通のダクト長さによって、より大きい音響パワーの流れを収容するために、概して、伝達ダクト１１１０、１１１６より大きい。第１の機械的変換器１１０２はまた、伝達ダクト１１２０と伝達ダクト１１２２とを通して熱変換器１１０６と流体連通する圧縮チャンバー１１１８を含み、第２の機械的変換器１１０４は、伝達ダクト１１２６と伝達ダクト１１２２とを通して熱変換器と流体連通する圧縮チャンバー１１２４を含んでいる。
【０１３２】
図１０に示されるように構成された第１の機械的変換器１１０２および第２の機械的変換器１１０４の使用によって、音響ノイズを低減するための運動の相殺(cancellation)がもたらされる。両方の機械的変換器１１０２、１１０４が同一の熱変換器から駆動されるため、伝達ダクト１１１０および１１１６、１１２０および１１２６が等しい長さである場合、振動数が一致する作動が保証され、位相が一致する作動が達成される。装置１１００の作動において、第１の機械的変換器１１０２および第２の機械的変換器１１０４は、製造および組み立てにおけるばらつきに起因する僅かな作動差を持ち得、それによって、機械的変換器が、僅かに異なる運動の振幅または位相を持ち得、力の不完全な相殺をもたらす。一実施形態では、第１および第２の機械的変換器１１０２、１１０４の運動は、例えば、伝達ダクト１１１０、１１１６、１１２０および／または１１２６のうちの１つ以上の長さを調整することによって、そうした軽微な差異を考慮してバランスされ得る。機械的変換器１１０２、１１０４のダイヤフラムの運動は、伝達ダクト長さの小さい変化に反応し、したがって、それは、機械的変換器の運動をバランスするために使用され得る。伝達ダクト１１１０、１１１６、１１２０および／または１１２６の物理的な長さを変えることに加えて、または、その代替方法として、音響経路長さの小さい変化はまた、それぞれのダクトの断面形状を変えることによっても達成され得る。例えば、ダクトの一部分を、外的圧縮工具を使ってより小さい断面ダクトにかしめることによって、音響経路長さに小さい１回限りの調整を行うために断面形状の違いが使用され得る。システムにおける機械的共振器に対する、ダイヤフラム、取り付けられたばね、および質量によって形成される他の小さい調整、または、機械的共振器のそれぞれに取り付けられている電機システムにおける調整が、バランスされた作動を達成するために使用され得る。
【０１３３】
図１１の実施形態に従った、機械的変換器と外部エネルギーシステムとのバランシングが、ハウジング振動を実質的になくし得るが、作動ガス圧力振動を受ける加圧された容積の壁の振動等、音響ノイズ発生の他の源は、依然として有意な可聴レベルを持つノイズを発生し得る。例えば、長さ２ｍの伝達ダクト（５００Ｈｚでのヘリウム中で約１波長）は、圧力振動に応じたダクト壁の膨張および縮小に起因して、約９０ｄＢｍの音パワーを発することになる。壁厚は、概して、圧力容器用に規定された通り、周応力を安全なレベルまで低減するために十分に厚くなり、したがって、作動圧力および圧力振動に耐える十分な壁強度を提供するが、壁を厚くすることだけでノイズ発生をなくすことが実用的でないであろう。
【０１３４】
図１１において、伝達ダクト１１２０、１１２６および伝達ダクト１１１２は、それぞれの外壁１１３０、１１３２、１１３４によってそれぞれ囲まれた内壁を持ち、該内壁は、それぞれの伝達ダクトを取り囲む絶縁容積１１３６、１１３８を定めるべく、伝達ダクトから離間している。伝達ダクト１１２０、１１２６、１１１２は、フル作動圧力ｐｍ±｜ｐ｜に耐えるように構成されている。容積１１３６、１１３８は、周囲の環境の外気圧に対応する圧力ｐａまで充填される。作動圧力振動に起因する、伝達ダクト１１２０、１１２６、１１１２の壁の周期的な運動によって生じる音響ノイズが、有意な音レベルを発生することになる。しかしながら、平均圧力ｐａで容積１１３６、１１３８内で生じる振動圧力は、非常に小さい。さらに、容積１１３６、１１３８と環境との間に実質的な圧力差がなく、したがって、外壁１１３０、１１３２、１１３４は、内壁に必要とされるものの規模では、有意な機械的剛性を全く必要とせず、非常に低い外部ノイズレベルを生じる如何なる認識可能な周期的な運動をもしないであろう。一実施形態では、外壁１１３０、１１３２、１１３４は、例えば、プラスチック材料からつくられてよい。
【０１３５】
図１２を参照すると、本発明の他の実施形態による熱音響装置は、概して１２００で示されている。装置１２００は、第１の機械的変換器１２０２および第２の機械的変換器１２０４を含んでいる。装置１１００はまた、熱変換器１２０６を含んでいる。第１および第２の機械的変換器のそれぞれは、それぞれのダイヤフラム１２０８、１２１０を含み、該ダイヤフラムが、ダイヤフラム間を延びる共通の膨張チャンバー１２１２を定める。本実施形態では、装置１２００は、共通の膨張チャンバー１２１２の周辺部に配置され、かつ、１つ以上の伝達ダクトを通して、共通の膨張チャンバーと熱変換器１２０６との間に流体連通を提供するよう作動可能なマニホールド１２１４をさらに含む。本実施形態では、２つの伝達ダクト１２１６、１２１８が示されているが、概して、装置１２００は、マニホールド１２１４と連通した、対称に配置された複数の伝達ダクトを含み得る。
【０１３６】
図１２に示される実施形態では、装置１２００は、共通の膨張チャンバー１２１２を持つべく構成されているが、他の実施形態では、装置は、共通の圧縮チャンバーを持つように構成され得る。
【０１３７】
複数の熱変換器
図１３を参照すると、本発明の他の実施形態による熱音響装置は、概して、１３００で示されている。装置１３００は、機械的変換器１３０２、第１の熱変換器１３０４、および第２の熱変換器１３０６を含んでいる。一実施形態では、機械的変換器１３０２は、図７に示されるようなベータ−構成を持ち得るが、他の実施形態では、機械的変換器は、図２に示されるようなアルファ−構成を持ち得る。機械的変換器はまた、図１１のバランスされた実施形態と同様、並列の複数の機械的変換器を有し得る。機械的変換器１３０２は、伝達ダクト１３０８を通して第１の熱変換器１３０４と流体連通しており、伝達ダクト１３１０を通して第２の熱変換器１３０６流体連通している。第１の熱変換器１３０４は、伝達ダクト１３１２を通して第２の熱変換器１３０６と流体連通している。
【０１３８】
第１の熱変換器１３０４は、第１の外部源１３１４から熱エネルギーを受け取るように構成されており、第２の熱変換器１３０６は、第２の外部源１３１６から熱エネルギーを受け取るように構成されている。一実施形態では、熱エネルギー１３１４、１３１６の第１および第２の外部源は、例えば、バイオガス等、燃料ガスの燃焼によって提供され、第１の外部源１３１４がガス燃焼によって生成された熱の高温部分を有し得るが、第２の外部源１３１６は、ガス燃焼中に生じた熱の低温部分を有し得る。したがって、第１の熱変換器１３０４は、高温作動のために構成されることになり、第２の熱変換器１３０６は、より低い温度作動のために構成されることになる。第１および第２の熱変換器１３０４、１３０６の組み合わされた効果によって、ガス燃焼からの利用可能な熱エネルギーのより大きい部分が、装置１３００によって使用されることになる。
【０１３９】
２つ以上の熱変換器が異なる温度で作動する図１３の実施形態は、廃熱用途において、燃焼排出物からの熱の効率的な抽出に有利である。概して、流れの温度を著しく低下させることなく、有意な熱をガス流から抽出することはできない。単一の熱変換器だけを含む実施形態では、高温で、高い熱変換器効率で作動しながら、熱の殆どがカバーされずに出ていくのを許容するのか、または、低温で、より低い熱変換効率で作動しながら、流れ中の利用可能な熱をより多く回収するか、選択しなけらばならない。複数の熱変換器を含む実施形態では、熱のいくつかの部分は、段階的に低下する温度で回収され、より最適に変換され得ると同時に、流れ中の利用可能な熱においてより大きい割合が回収される。
【０１４０】
図１３の実施形態はまた、例えば、熱変換器への熱入力が専用のバーナーであるとき、ガスまたは液体燃料等、燃料の燃焼から、さらに利用可能な熱を回収するための代替方法を提供する。従来、効率の高い熱変換器で、高温で作動するためには、排出流れにおいて残っている熱の大部分を、入ってくる燃焼エアーに伝達する向流のレキュペレータ(recuperator、復熱装置)において、排出された流れを使うことによって燃焼エアーを事前に加熱しなければならない。レキュペレータを省略すると、排出流に実質的な残っている熱（熱変換器の高い作動温度を所与とする）が廃棄されることになるため、概して、非効率的な燃焼システムをもたらすことになる。レキュペレータを実施するにあたっての１つの問題は、大きい面積の高額な高温材料が必要となることであり、それは、酸化および高温腐食を被ることがある。燃焼エアーの事前の加熱はまた、急激に大きくなる酸化窒素（ＮＯｘ）生成に至る、より高い燃焼温度をもたらす。有利には、図１３の実施形態は、燃焼エアーを高温に事前加熱することなく効率が高いままであるシステムを実施するのに使用され得る、というのは、レキュペレータでなく、第１の高温熱変換器の後に、１つ以上のより低い温度熱変換器が続き、それによって、最高温度段階の効率を妥協することなく、熱をより多く回収するからである。
【０１４１】
一実施形態では、音響経路長さが作動振動数において波長の整数に対応するよう、伝達ダクト１３１２の長さは選択され得る。例えば、伝達ダクト１３０８が、作動振動数においておよそ一波長に対応する長さを持つ場合、作動ガスの流れ速度振幅が熱変換器を通して最小に近くなるように、第１および第２の熱変換器１３０４、１３０６は、それぞれ、位置づけられることになる。したがって、伝達ダクト１３０８、第２の伝達ダクト１３１０、および伝達ダクト１３１２で構成される伝達ダクトの全体的な長さは、作動振動数で二波長に近づいていくことになる。
【０１４２】
他の実施形態では、さらなる熱変換器が追加され得る。例えば、３つの直列の熱変換器が、作動振動数で一波長の最初および最後の熱変換器間の全体的な伝達ダクト長さについて、それぞれ波長の約半分の音響経路をもつ伝達ダクト長さを通して流体連通し得る。それぞれの熱変換器は、作動ガスの最小流れ速度振幅のポイントに位置することになる。
【０１４３】
上記に開示した実施形態は、伝達ダクトを含むことによって、いくつかの利点をもたらし、また、１１００に示される装置の構成においていくつかの柔軟性をもたらす。例えば、伝達ダクトは、熱変換器内で、高い温度で作動するすると同時に機械的変換器が著しく低下した温度で作動する構成部品を設置するよう構成され得る。これは、材料が高い作動温度に耐える必要がないため、機械的変換器のための材料の選択においてさらなる柔軟性を促すという利点を持つ。加えて、伝達ダクトは、枝分かれしていても、平行であってもよく、そうすることによって、伝達ダクトの長さが、単一の共有熱変換器の作動のための複数の機械的変換器の構成を促すために使用され得る。これは、装置によって音響ノイズ発生を低減するための図１１に示される機械的変換器の構成を促す。複数の熱変換器を含む１つ以上の機械的変換器の並列または直列作動（図１３）もまた、示される実施形態によって可能になる。伝達ダクトはまた、伝達ダクトまたはその一部分の音響経路長さを変えることによって、最適な作動のために機械的変換器を調整するための便利な手段を提供する。
【０１４４】
上記に開示された実施形態は、伝達ダクトを含むことによって、機械的変換器が周囲温度近くで作動することを可能にする。これは、高温または低温で作動する従来のスターリングエンジンまたは冷却装置と同様、熱変換器に緊密に結合した機械的変換器に対して利点をもたらすが、該従来のスターリングエンジンまたは冷却装置は、有意な熱的絶縁を必要とし得る。熱的絶縁は、概して、トランスデューサ装置の全体的なサイズを大きくする。さらに、伝達ダクトは、いくつかのさらなる損失をもたらすが、本文で開示される本発明の実施形態によるトランスデューサ装置の構成は、さらなる損失をオフセットし得、いくつかの実施形態では、高くなったパワー密度が提供される。高くなったパワー密度によって、装置が、同じパワー出力で、低減したサイズを有することができることになる。例えば、約１４０ｍｍの直径を持つダイヤフラムを含むよう構成された機械的変換器は、約３ｋＷの出力パワーを発生することができ得る。
【０１４５】
本発明の特定の実施形態について記載し、例証してきたが、そうした実施形態は、添付の請求項にしたがって解釈される通り、本発明を例示するだけで、本発明を限定しないと考えられるべきである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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