(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱から電気エネルギを生成する電気エネルギ生成装置において、
熱を受け取る第１の部分と、熱を放熱する第２の部分と、内部表面とを有し、閉じた系を画定するチャンバと、
上記チャンバ内に収容された流体と、
上記チャンバの内部表面にそれぞれに連結された第１の端部及び第２の端部を有し、上記流体の圧力の変化及び印加される電圧に応じて振動する第１の振動部材と、
上記第１の振動部材に機械的に連結された第１のトランスデューサと、
上記チャンバの内部表面の両端に連結された第１の端部及び第２の端部を有し、上記流体の圧力の変化及び印加される電圧に応じて振動する第２の振動部材と、
上記第２の振動部材に連結され、該第２の振動部材の振動から電力を生成する第２のトランスデューサとを備え、
上記チャンバは共振長及び所定の共振周波数を有し、
上記第１及び第２の振動部材は、上記チャンバの所定の共振周波数で振動し、上記チャンバの共振長方向に亘る定常波で音波を発生させ、
上記第１及び第２の振動部材は、それぞれ上記チャンバ内の両端部から等距離の位置であって、かつ、それぞれ上記定常波の音波のサイクルにおける第１及び第２の位相遅延に対応する第１及び第２の位置に配設され、
上記第１の位相は、上記定常波の音波のサイクルのπ／４遅延した位相であり、上記第２の位相は、上記定常波の音波のサイクルの７π／４遅延した位相である電気エネルギ生成装置。
【請求項２】
上記チャンバは、上記第１の部分に対応する第１の壁部と、上記第２の部分に対応する第２の壁部と、上記チャンバの内部表面のうち、上記第１の壁部及び第２の壁部以外の部分として定義される第３の壁部とを有し、
上記第１及び第２の壁部は、熱伝導性を有する材料から形成され、上記第３の壁部は断熱性を有する材料から形成されている請求項１記載の電気エネルギ生成装置。
【請求項３】
上記チャンバは、上記第１の部分に対応する第１の壁部と、上記第２の部分に対応する第２の壁部と、上記チャンバの内部表面のうち、上記第１の壁部及び第２の壁部以外の部分として定義される第３の壁部とを有し、
上記第１及び第２の壁部は、熱伝導性を有する材料から形成され、上記第３の壁部は、断熱性材料により実質的に被覆されている請求項１記載の電気エネルギ生成装置。
【請求項４】
上記第１の振動部材は、第１の振動部材の組に属する振動部材の１つであり、上記第１の振動部材の組は、上記第１の振動部材と電気的に接続された上記第１のトランスデューサの組とともに、第１の振動部材スタックに含まれ、
上記第２の振動部材は、第２の振動部材の組に属する振動部材の１つであり、上記第２の振動部材の組は、上記第２の振動部材と電気的に接続された上記第２のトランスデューサの組とともに、第２の振動部材スタックに含まれ、
上記第１及び第２のトランスデューサ組の各トランスデューサにそれぞれ接続された、１又は複数の蓄電手段を備える請求項１〜３の何れか１項に記載の電気エネルギ生成装置。
【請求項５】
熱から電気エネルギを生成する電気エネルギ生成方法において、
流体が収容されるとともに共振長及び所定の共振周波数を有するチャンバ内において、上記流体の圧力の変化及び印加される電圧に応じて上記チャンバの所定の共振周波数で振動し、上記チャンバの共振長方向に亘る定常波で音波を発生させ、該チャンバの両端からそれぞれ等距離の位置であって、かつ、それぞれ上記定常波の音波のサイクルにおける第１及び第２の位相遅延に対応する第１及び第２の位置に配設され、上記第１の位相は、上記定常波の音波のサイクルのπ／４遅延した位相であり、上記第２の位相は、上記定常波の音波のサイクルの７π／４遅延した位相である第１及び第２の振動部材の振動に応じて、定常波である音波を発生させるステップと、
上記チャンバの第１のチャンバ部分において、熱を受け取るステップと、
上記チャンバ内の第１のチャンバ部分の近傍において、定常波である音波により、上記受け取った熱の第１の部分の伝導に関連する第１の圧力変化を生じさせるステップと、
上記チャンバ内において、上記第１の圧力変化に応じて第１の振動部材を上記チャンバの所定の共振周波数で振動させるとともに上記チャンバの共振長方向に亘る定常波で音波を発生させるステップと、
上記第１の振動部材の振動に応じて、上記第１の振動部材に機械的に連結された第１のトランスデューサを介して、該第１の振動部材の変形を感知して第１の電圧を生成するステップと、
上記チャンバ内の第２のチャンバ部分の近傍において、上記音波により、上記受け取った熱の第２の部分の伝導に関連する第２の圧力変化を生じさせるステップと、
上記チャンバ内において、上記第２の圧力変化に応じて第２の振動部材を上記チャンバの所定の共振周波数で振動させるステップと、
上記第２の振動部材の振動に応じて、上記第２の振動部材に機械的に連結された第２のトランスデューサを介して、該第２の振動部材の変形を感知して第２の電圧を生成するステップと、
上記チャンバの第２のチャンバ部分において、上記定常波の音波により伝導された熱の第３の部分を放熱するステップとを有する電気エネルギ生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギを他の形態のエネルギの形式に変換する電気エネルギ生成装置及び電気エネルギ生成方法に関する。詳しくは、本発明は、電子部品から発生した熱を冷却し、この熱エネルギを他の形態のエネルギ例えば電気エネルギに変換する電気エネルギ生成装置及び電気エネルギ生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ用の中央演算処理装置（central processing unit：以下、ＣＰＵという。）を含む集積回路等の電子部品は、閉じた電子筐体内に密集して実装され動作し、熱を発生する。閉じた電子機器内で電子部品が熱により誤動作を引き起こすことを防止するために、この熱を筐体外へ放出する必要がある。このような閉じた電子機器としては、例えば、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ディスプレイモニタ、コンピュータ用周辺機器、テレビジョンセット、プロジェクタ、映写モニタ、携帯型個人情報端末（handheld personal digital assistant：ＰＤＡ）、携帯電話機、ファクシミリ、ビデオテープレコーダ、デジタルバーサタイルディスク（digital versatile disc：ＤＶＤ）プレイヤ、オーディオシステム及びこれらに類似する機器等がある。
【０００３】
閉じた電子機器内の電子部品の熱管理は、この閉じた電子機器を正常に動作させ、及び電子機器の寿命を長くするために必要である。例えば、パーソナルコンピュータにおいて動作する一般的なＣＰＵは、最大７０℃までは、熱による誤動作は生じないが、この一般的なＣＰＵが発生する熱は、通常、１００℃に達し、この熱のために、誤動作が生じることがある。閉じた電子機器における従来の熱管理の手法では、電子機器の閉じられた空間内に配設された高温の熱を発生する電子部品をヒートシンクに連結し、空気の対流又は強制的な送風又は吸引によって閉じた電子機器から熱を放熱する。このような従来の手法では、熱を廃棄エネルギとして放出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、太陽光の集光により加熱された液体、地熱から排出される廃熱を利用するシステムも開発されている。これらのシステムは、実際の熱電気変換効率上、すなわち、システムの電力消費を補償するために十分な熱エネルギを再生及び変換するために、１００℃〜２００℃の範囲の熱を必要とする。これより比較的温度が低い熱源、すなわち、１００℃以下、又は７０℃乃至１００℃の一次熱源から経済的に電力を生成する試みは、現在まだ成功していない。
【０００５】
そこで、本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、比較的温度が低い熱源から効率的に電力を生成することができる電気エネルギ生成装置及び電気エネルギ生成方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、例えば電子部品等の熱源から発生した低い温度の熱を冷却し、及びこの熱を例えば電力等の仕事エネルギに変換する装置及び方法を提供する。
【０００７】
本発明は、熱から電気エネルギを生成する電気エネルギ生成装置において、熱を受け取る第１の部分と、熱を放熱する第２の部分と、内部表面とを有し、閉じた系を画定するチャンバと、上記チャンバ内に収容された流体と、上記チャンバの内部表面にそれぞれに連結された第１の端部及び第２の端部を有し、上記流体の圧力の変化及び印加される電圧に応じて振動する第１の振動部材と、上記第１の振動部材に機械的に連結された第１のトランスデューサと、上記チャンバの内部表面の両端に連結された第１の端部及び第２の端部を有し、上記流体の圧力の変化及び印加される電圧に応じて振動する第２の振動部材と、上記第２の振動部材に連結され、該第２の振動部材の振動から電力を生成する第２のトランスデューサとを備え、上記チャンバは共振長及び所定の共振周波数を有し、上記第１及び第２の振動部材は、上記チャンバの所定の共振周波数で振動し、上記チャンバの共振長方向に亘る定常波で音波を発生させ、上記第１及び第２の振動部材は、それぞれ上記チャンバ内の両端部から等距離の位置であって、かつ、それぞれ上記定常波の音波のサイクルにおける第１及び第２の位相遅延に対応する第１及び第２の位置に配設され、上記第１の位相は、上記定常波の音波のサイクルのπ／４遅延した位相であり、上記第２の位相は、上記定常波の音波のサイクルの７π／４遅延した位相である。
【０００８】
一具体例においては、エネルギ変換器は、第１の振動部材と、この第１の振動部材に機械的に連結された第１のトランスデューサとを備える。第１の振動部材は、自らに印加された電圧、及び流体内の圧力の変化に応答して振動する。さらに、第１の振動部材は好ましくは、チャンバの固有の共振周波数で振動し、これにより、チャンバ内において第１の部分から第２の部分に熱を伝導する音波が発生する。第１の振動部材は、好ましくは、チャンバの一方の端部近傍に配設され、これにより音波を減衰させる虞がある高調波の発生を防止する。トランスデューサは、例えば圧電膜等、第１の振動部材の振動から発電を行ういかなる発電素子であってもよい。
【０００９】
電気エネルギ生成装置は、トランスデューサに電気的に接続され、トランスデューサが生成した電力が供給され、この電力を保存する蓄電手段を備えていてもよい。さらに、電気エネルギ生成装置は、第１の振動部材に電気的に接続され、第１の振動部材の振動を選択的に促進する電源を備えていてもよい。
【００１０】
上述の電気エネルギ生成装置は、第２の振動部材を有する第２のエネルギ変換器を備える。第２のエネルギ変換器は、この第２の振動部材に機械的に連結された第２のトランスデューサを備える。第１及び第２の振動部材は、チャンバ内の流体の圧力の変化に応じて、及び各振動部材に印加される電圧に応じて振動する。さらに、第１及び第２の振動部材は、チャンバの固有の共振周波数で振動する。第１及び第２の振動部材は、チャンバの相対する端部から等距離の位置に配設され、チャンバの共振長方向に亘る定常波の音波を発生させ、これにより、チャンバの第１の部分から第２の部分へ効率的に熱を伝導し、外部の空気に放熱させる。
【００１１】
また、本発明は、熱から電気エネルギを生成する電気エネルギ生成方法において、流体が収容されるとともに共振長及び所定の共振周波数を有するチャンバ内において、上記流体の圧力の変化及び印加される電圧に応じて上記チャンバの所定の共振周波数で振動し、上記チャンバの共振長方向に亘る定常波で音波を発生させ、該チャンバの両端からそれぞれ等距離の位置であって、かつ、それぞれ上記定常波の音波のサイクルにおける第１及び第２の位相遅延に対応する第１及び第２の位置に配設され、上記第１の位相は、上記定常波の音波のサイクルのπ／４遅延した位相であり、上記第２の位相は、上記定常波の音波のサイクルの７π／４遅延した位相である第１及び第２の振動部材の振動に応じて、定常波である音波を発生させるステップと、上記チャンバの第１のチャンバ部分において、熱を受け取るステップと、上記チャンバ内の第１のチャンバ部分の近傍において、定常波である音波により、上記受け取った熱の第１の部分の伝導に関連する第１の圧力変化を生じさせるステップと、上記チャンバ内において、上記第１の圧力変化に応じて第１の振動部材を上記チャンバの所定の共振周波数で振動させるとともに上記チャンバの共振長方向に亘る定常波で音波を発生させるステップと、上記第１の振動部材の振動に応じて、上記第１の振動部材に機械的に連結された第１のトランスデューサを介して、該第１の振動部材の変形を感知して第１の電圧を生成するステップと、上記チャンバ内の第２のチャンバ部分の近傍において、上記音波により、上記受け取った熱の第２の部分の伝導に関連する第２の圧力変化を生じさせるステップと、上記チャンバ内において、上記第２の圧力変化に応じて第２の振動部材を上記チャンバの所定の共振周波数で振動させるステップと、上記第２の振動部材の振動に応じて、上記第２の振動部材に機械的に連結された第２のトランスデューサを介して、該第２の振動部材の変形を感知して第２の電圧を生成するステップと、上記チャンバの第２のチャンバ部分において、上記定常波の音波により伝導された熱の第３の部分を放熱するステップとを有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電気エネルギ生成装置及び電気エネルギ生成方法について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
上述のように、本発明は、例えば電子部品等の低温の熱源からの廃熱を仕事エネルギに変換し、及び変換されていない又は残りの熱を熱源から効率的に奪う電気エネルギ生成装置及び電気エネルギ生成方法を提供する。
【００１５】
図１は、本発明に基づき、熱エネルギ又は廃熱を仕事エネルギに変換する熱音響発電機（thermo-acoustic generator）１００の具体的構成を示す斜視図である。図１に示すように、熱音響発電機１００は、電子機器１０４の電子部品１０２に熱伝導可能に連結されている。電子機器１０４は、パーソナルコンピュータ、ビデオテープレコーダ、デジタルバーサタイルディスク（digital versatile disc：ＤＶＤ）プレイヤ、又は他の電子機器であってもよい。
【００１６】
電子部品１０２は、電子機器１０４の一部を形成する複数の電子部品１０６のうちの１つであってもよい。電子部品１０６は、動作時又は電力供給時に発熱するいかなる部品であってもよい。電子部品１０６は、熱的に誤動作が生じるまでに最大１５０℃の熱を発生する熱源であってもよい。図１に示すように、電子機器１０４は、例えば回路基板であるプラットフォーム１０８を備え、プラットフォーム１０８には、電子部品１０６が電気的に接続され、これらの電子部品１０６を機械的に支持している。電子機器１０４は、ハウジング又は筐体１１０を備え、筐体１１０は、プラットフォーム１０８及び電子部品１０６を実質的に収容している。さらに、筐体１１０は、熱音響発電機１００の少なくとも一部を収容している。筐体１１０は、電子機器１０４内で加熱された空気を電子機器の外部の空気に排出するための貫通孔又は通気孔１１１を備えていてもよい。本発明を適用しなければ、電子部品１０６から発生した熱は、筐体１１０内に籠もり、又は電子機器１０４の外部に放出されない。
【００１７】
図１に示すように、熱音響発電機１００は、熱を受け取る第１の部分１１４と、熱を放熱する第２の部分１１６とを有するチャンバ１１２を備える。熱音響発電機１００は、さらに、チャンバ１１２を実質的に満たす流体１１７を備える。流体１１７は、熱伝導可能な性質を有し、又は高い熱伝導率を有し、効率的に熱を伝導する流体である。さらに、熱音響発電機１００は、チャンバ１１２内に配設され、流体１１７を介して、第１の部分１１４及び第２の部分１１６に熱伝導可能に連結されたエネルギ変換器１１８を備える。
【００１８】
包括的に言えば、熱音響発電機１００は、第１の部分１１４を介して熱エネルギ（ＱＨ）を受け取る。熱音響発電機１００が熱エネルギ（ＱＨ）を受け取る際、第１の部分１１４は、１５０℃程度の高温である第１の温度（ＴＨ）を有し、第２の部分１１６は、室温又は周囲の気温に近い温度である第２の温度（ＴＯ）を有する。第１の温度及び第２の温度は、チャンバ１１２内に温度勾配を生じさせる。エネルギ変換器１１８は、後述する電気的バイアスにより、チャンバ１１２内に音波（acoustical or sound wave）を発生させる。周知のように、音波は、熱を伝導する。温度勾配に応じて、音波は、第１の部分１１４からエネルギ変換器１１８に熱を伝導する。エネルギ変換器１１８は、後述するように、受け取った熱エネルギ（ＱＨ）の少なくとも一部を音響エネルギ（すなわち音圧）に変換し、音響エネルギの少なくとも一部を、例えば電気エネルギ等の仕事エネルギ（Ｗ）に変換する。仕事エネルギ（Ｗ）に変換されなかった音響エネルギは、チャンバ１１２内の音波の振幅を増加させる。これにより、チャンバ１１２内の音波は、熱の一部、すなわち、音響エネルギに変換されなかった残りの熱エネルギ（ＱＯ）を第１の部分１１４から第２の部分１１６に搬送又は伝導し、これにより残りの熱（ＱＯ）は、熱音響発電機１００の外部に、したがって、電子機器１０４の外部の空気に放熱される。音波は、後述するように、残りの熱（ＱＯ）を第２の部分１１６に伝導するとともに、熱を仕事エネルギに変換する効率を高める定常波であることが望ましい。
【００１９】
熱音響発電機１００から残りの熱（ＱＯ）を外部の空気に放熱しやすくするために、熱音響発電機１００は、例えばヒートシンク等の一般的な熱交換器１２０を備えていてもよく、熱交換器１２０は、第１の流体と及び第２の流体を混合及び直接接触させることなく、障壁の一方の側の第１の流体から障壁の他方の側の第２の流体に熱を伝導するいかなる装置であってもよい。熱交換器１２０は、第２の部分１１６において、熱音響発電機１００に熱伝導可能に連結されている。
【００２０】
電子機器１０４は、コンデンサ（condenser）やバッテリ等の蓄電器１３０を備えていてもよい。熱音響発電機１００は、電力の形態式で仕事エネルギ（Ｗ）を蓄電器１３０に伝達してもよい。蓄電器１３０は、端子１３２、１３４を介して、負荷装置１４０に接続され、負荷装置１４０に電力を供給する。負荷装置１４０は、例えば、蓄電器１３０からの電力を利用して電子機器１０４を冷却するボックスファン（box fan）又は他の冷却装置であってもよい。
【００２１】
図２は、本発明の一具体例である、熱から電力の形態式で仕事エネルギを生成する熱音響発電機２００の構成を示す斜視図である。熱音響発電機２００は、チャンバ２０２と、チャンバ２０２内に収容された流体２０４と、エネルギ変換器２０６とを備える。
【００２２】
チャンバ２０２は、チャンバ２０２の外部の空気とは直接接触しない独立した系である閉じた系を画定する。当業者に理解されるように、チャンバ２０２が画定する閉じた系は、チャンバ２０２内で完全に説明可能な熱的及び音響的挙動を有する。なお、チャンバ２０２は、例えば外部の空気等の環境との相互作用を可能にする少なくとも１つの小さな開口部（図示せず）を備えていてもよい。少なくとも１つの小さな開口部は、本発明に基づく閉じた系としてのチャンバ２０２の動作に実質的な影響を与えない。本発明に基づきチャンバ２０２内で生成される音波は、チャンバ２０２内で継続的に振動し、又は往復運動する。したがって、閉じた系であるチャンバ２０２は、音圧を仕事エネルギに変換する以前の音圧の損失を効果的に防ぐ。換言すれば、エネルギ変換器２０６によって生成され、未だ仕事エネルギに変換されていない音圧、すなわち、音波の振幅を増大させる音圧は、音波がチャンバ２０２内で往復運動する間に、エネルギ変換器２０６によって仕事エネルギに変換される。
【００２３】
閉じたシステムであるチャンバ２０２は、共振長（resonant length）及び所定の共振周波数を有するように設計されている。熱音響発電機２００は、動作時において、所定の共振周波数に略々等しい定常波の音波を発生する。チャンバ２０２の所定の共振周波数は、ω＝２πｓ／Ｌとして定義され、ここで、ｓは音速ｍ／ｓを表わし、Ｌはメートルを単位とするチャンバの共振長である。定常波の音波は、チャンバ２０２内で１音響サイクル期間中にハイトロー振動する正弦波であることが望ましい。音波を定常波で発生するために、チャンバ２０２は、図２に示すような箱形の形状を有していてもよい。なお、チャンバ２０２は、円筒形、球形又は非対称の形状等、いかなる形状を有していてもよい。
【００２４】
チャンバ２０２は、上述した熱音響発電機１００の第１の部分１１４に対応する、熱を受け取る第１の部分２１２と、上述した熱音響発電機１００の第２の部分１１６に対応する、熱を放熱する第２の部分２１４と、内部表面２１６とを有する。閉じた系としてのチャンバ２０２の挙動は、第１及び第２の部分２１２、２１４における熱により影響を受ける。第１の部分２１２と第２の部分２１４は、好ましくは、チャンバ２０２において、互いに反対の側の端部近傍に配設される。さらに、第１の部分２１２は、熱源２２０、すなわち電子部品１０２に近接して配設される。第１の部分２１２は、好ましくは熱源２２０の表面と同じ寸法を有する領域を有し、熱源２２０に対応する位置に設けられ、これにより、第１の部分２１２は、熱源２２０から効率的に熱を受け取る。第２の部分２１４は、少なくとも１つの面がチャンバ２０２に熱伝導可能に連結されている熱交換器２３０に近接して配設される。チャンバ２０２の第２の部分２１４は、熱交換器２３０の少なくとも１つの面より小さい領域を有する。第２の部分２１４は、熱交換器２３０の少なくとも１つの面により覆われ、後述するように電気エネルギに変換されなかった熱を効率的に放熱する。
【００２５】
図３Ａは、熱音響発電機２００のチャンバ２０２の具体例の斜視図である。チャンバ２０２は、第１の部分２１２に対応する第１の壁部３００と、第２の部分２１４に対応する第２の壁部３１０と、第１の部分２１２及び第２の部分２１４に対応しない内部表面２１６として定義される第３の壁部３２０とを有する。第１の壁部３００及び第２の壁部３１０は、例えば金属等の熱伝導性材料から形成され、これにより、チャンバ２０２が熱を受け取り、及びチャンバ２０２から熱を放熱することを容易にしている。第１の壁部３００及び第２の壁部３１０の寸法は異なっていてもよい。第３の壁部３２０は、好ましくは、第１の部分２１２から第２の部分２１４に伝導されるチャンネル熱（channel heat）を断熱する材料から形成されている。
【００２６】
図３Ｂに示す変形例においては、第３の壁部３２０に対応するチャンバ２０２の内部表面２１６は、第１の部分２１２から第２の部分２１４に伝導されるチャンネル熱に対する断熱材３２５により実質的に覆われている。この変形例においては、第１の壁部３００は、熱源２２０の表面と同じ寸法を有し、これにより、チャンバ２０２は、第１の部分２１２を介して効率的に熱を受け取る。
【００２７】
図２に示すチャンバ２０２内の流体２０４は、空気、窒素、ヘリウム又は室温及び室内の気圧で気体の状態を保つ他の周知の気体であってもよい。また、流体２０４は、室温及び室内の気圧で液体の状態を保つ周知の液体であってもよい。流体２０４は、チャンバ２０２内の絶縁材として使用される可能性がある大部分の金属及びプラスチックに対する腐食作用を有さない流体であることが望ましい。流体２０４は、チャンバ２０２の内部表面２１６によって定義される容積を実質的に満たす。チャンバ２０２内に音波が定常波で発生すると、チャンバ２０２内の第１の部分２１２の近傍において、音波内の流体２０４の一部が収縮し（すなわち、流体２０４の一部が加熱され）、チャンバ２０２内で定常波の音波が往復する際、チャンバ２０２内の第２の部分２１４の近傍において、この流体２０４の一部が膨張する（すなわち、流体２０４の一部が冷却される）。これにより、熱エネルギが第１の部分２１２から第２の部分２１４に伝導される。さらに、流体２０４の一部の周期的な収縮及び膨張により、エネルギ変換器２０６は、熱伝導に起因する周期的な圧力の変化（すなわち、エネルギ変換器２０６を横切る温度勾配）を検知し、エネルギ変換器２０６は、図２を用いて後に説明するように、この圧力の変化を例えば電気エネルギ等の仕事エネルギに変換する。
【００２８】
図２に示すように、エネルギ変換器２０６は、振動部材２６０を備え、振動部材２６０は、第１の端部２６２と、第２の端部２６４と、中心軸２６６とを有する。振動部材２６０の各端部２６２、２６４は、チャンバ２０２の内部表面２１６に連結され、これにより振動部材２６０は、バイアス手段（bias means）に応じて、中心軸２６６を中心として自在に振動する。バイアス手段は、温度差、又は音波とともに移動する流体２０４の一部の膨張及び圧縮により生じる圧力の変化であってもよい。また、バイアス手段は、振動部材２６０に存在する電位であってもよい。振動部材２６０の形状は、正方形であっても、長方形であっても、円形であってもよい。また、振動部材２６０は、チャンバ２０２の幅方向に架け渡される十分な寸法を有する。振動部材２６０は、板であっても、膜であってもよく、また、バイアス手段により容易に変形する振動板（diaphragm）であってもよい。
【００２９】
振動部材２６０は、電源２７０に電気的に接続され、電源２７０は、振動部材２６０の振動を開始又は維持するための交流バイアス手段として機能する。電源２７０は、振動部材２６０をバイアスするために十分な電位を供給する能力を有する標準的なバッテリを含む、いかなる標準的な又は商用電源であってもよい。スイッチ２７２は、熱音響発電機２００の電源スイッチ（図示せず）と連動したスイッチであってもよく、このスイッチ２７２の切り換えにより、振動部材２６０と電源２７０との間の信号パス又はバイアスパスが瞬間的に接続される。ダイオード２７４は、通常のダイオードであり、これにより、電源２７０からの電圧は振動部材２６０に印加されるが、振動部材２６０の動作に伴って生じる電圧は、電源２７０に印加されない。
【００３０】
さらに、振動部材２６０は、固有の振動周波数を有する。振動部材２６０は、バイアス手段に応答して、固有の振動周波数で振動し、これにより、チャンバ２０２内に音波が発生する。熱音響発電機２００の動作の間、振動部材２６０は、チャンバ２０２内の流体２４０において生じる周期的な圧力変化に応答して振動を続け、この結果、第１の部分２１２から第２の部分２１４に熱が伝導される。
【００３１】
振動部材２６０は、チャンバ２０２内において、振動部材２６０の固有の振動周波数の高調波のために音波が弱まり又は減衰する現象を制限する位置に配設してもよい。当業者に周知のように、高調波は、固有の振動周波数等の基本周波数の倍数である。さらに、振動部材２６０は、固有の振動周波数がチャンバ２０２の固有の共振周波数に一致し、閉じた系であるチャンバ２０２内で高調波が発生することを制限するように設計することが望ましい。この具体例では、振動部材２６０は、変形振幅（magnitude of deformation）ｘを有する。変形振幅ｘは、中心軸２６６を中心とする振動部材２６０の変形に対応する。変形振幅ｘは、ｘ＝δｓｉｎ（ωｔ）と表され、ここで、δは振動部材２６０に固有の定数であり、ωはチャンバ２０２の固有の共振周波数をラジアン単位で表したものであり、ｔは時間を秒単位で表したものである。振動部材２６０は、チャンバ２０２の一方の端部近傍に配設され、これにより、チャンバ２０２内での高調波の発生を制限している。
【００３２】
図４に示すように、エネルギ変換器２０６は、振動部材２６０に作用的に連結され、又は振動部材２６０と一体に形成されたトランスデューサ４００を備えていてもよい。トランスデューサ４００は、ある形態式の入力エネルギを他の形態式の出力エネルギに変換するいかなる素子又は材料であってもよい。トランスデューサ４００は、振動部材２６０の振動又は往復する変形（すなわち、周期的な変形）を感知し、感知した周期的な変形に比例する交流（ＡＣ）電圧を生成する。トランスデューサ４００は、流体２４０の圧力の変化に抗し、すなわち、圧力の変化を減少させ、これにより音響エネルギを仕事エネルギ（例えば電力）に変換する。
【００３３】
図４に示す具体例では、トランスデューサ４００は、振動部材２６０上に配設され、振動部材２６０に電気的に接続された圧電膜（piezoelectric film）４１０を備える。圧電膜４１０は、正分極面（positive polarized surface）４１２と負分極面（negative polarized surface）４１４とを備える。さらに、トランスデューサ４００は、圧電膜４１０の正分極面４１２に電気的に接続された正電極４２０と、圧電膜４１０の負分極面４１４に電気的に接続された負電極４３０とを備える。圧電膜４１０は、可撓性を有し、振動部材２６０とともに変形する。圧電膜４１０が負分極面４１４の方向に変形する第１の変形が生じると、トランスデューサ４００の正電極４２０及び負電極４３０との間に、この第１の変形に比例する負の電圧が発生する。同様に、圧電膜４１０が正分極面４１２の方向に変形する第２の変形が生じると、トランスデューサ４００の正電極４２０及び負電極４３０との間に、この第２の変形に比例する正の電圧が発生する。このように、振動部材２６０が振動すると、トランスデューサ４００は、圧電膜４１０を介して、振動部材２６０の第１及び第２の変形を感知し、トランスデューサ４００の正電極４２０及び負電極４３０との間に、振動部材２６０の第１及び第２の変形に比例する交流電圧を発生させる。なお、図１に示す負荷装置１４０がトランスデューサ４００の正電極４２０及び負電極４３０とに電気的に接続されている場合、電気回路が形成され、負荷装置１４０は、振動部材２６０の変形に比例する電圧を伝える交流電流をトランスデューサ４００から受け取る。これにより、負荷装置１４０は、トランスデューサ４００から直接供給される交流電流を電源として動作することができる。
【００３４】
なお、トランスデューサ４００が圧電セラミック材料から構成されている場合、振動部材２６０は、トランスデューサ４００に含まれ、又はトランスデューサ４００と一体に形成されていてもよい。この場合、振動部材２６０（すなわち、圧電材料）の振動又は往復変形に応じて、正電極４２０及び負電極４３０との間に交流電圧が生成される。
【００３５】
蓄電器１３０の内部回路を図５に示す。蓄電器１３０は、トランスデューサ４００の正電極４２０に接続される正入力端子５００と、トランスデューサ４００の負電極４３０に接続される負入力端子５０２とを備える。蓄電器１３０は、トランスデューサ４００から電圧を受け取り、保存する。蓄電器１３０は、負荷装置１４０に接続され、負荷装置１４０に電力を供給する第１及び第２の出力端子５０４、５０６を備える。
【００３６】
さらに、蓄電器１３０は、標準的な全波整流器５１０と、全波整流器５１０に電気的に接続されたコンデンサ５２０とを備えていてもよい。全波整流器５１０は、トランスデューサ４００から供給された非同期電流（asynchronous current）を直流電圧に変換し、この直流電圧はコンデンサ５２０に蓄電される。蓄電器１３０は、さらに、蓄電器１３０の第１及び第２の出力端子５０４、５０６間に接続され、負荷装置１４０に供給される電流を制御する抵抗器５３０を備えていてもよい。なお、蓄電器１３０は、交流電流を受け取り、交流電流を直流電流に変換し、直流電流から取り出された電圧を保存する周知のいかなる構造を有していてもよい。
【００３７】
図６は、本発明の変形例である熱音響発電機の構成を示す図である。熱音響発電機６００は、チャンバ６１０と、このチャンバ６１０内に設けられ、振動部材６２１を含むエネルギ変換器６１５とを備える。図６に示すように、振動部材６２１（上述した振動部材２６０に対応する）は、エネルギ変換器６１５内の複数の振動部材６２１、６２３、６２５のうちの１つである。振動部材６２１、６２３、６２５は、実質的に垂直方向に配列され、これによりエネルギ変換器６１５内で振動部材スタック６２０が形成されている。振動部材スタック６２０内の各振動部材６２１、６２３、６２５は、トランスデューサの組６３０にそれぞれ電気的に接続されている。各振動部材６２１、６２３、６２５は、チャンバ６１０の固有の共振周波数に整合する固有の振動周波数を有するように設計されている。したがって、振動部材スタック６２０内の各振動部材６２１、６２３、６２５は、バイアス手段に応じて実質的に一斉に振動し、これにより、チャンバ６１０内で生成される音波の振幅が増大される。トランスデューサの組６３０内の各トランスデューサは、振動部材スタック６２０内の各振動部材６２１、６２３、６２５の往復変形をそれぞれ感知し、この往復変形に比例する電圧を生成する。トランスデューサの組６３０内の各トランスデューサが生成した電圧は、蓄電器に供給される。
【００３８】
図７に示す更なる変形例においては、熱音響発電機７００は、チャンバ７１０と、第１の振動部材７２１を有する第１のエネルギ変換器７１３と、第２の振動部材７３１を有する第２のエネルギ変換器７１５とを備える。第１及び第２の振動部材７２１、７３１は、それぞれトランスデューサ７４０、７５０に電気的に接続されている。トランスデューサ７４０、７５０は、蓄電器７６０に電気的に接続されている。これらのトランスデューサ７４０、７５０は、それぞれ独立した蓄電器（図示せず）に電気的に接続してもよい。さらに、第１及び第２の振動部材７２１、７３１は、それぞれチャンバ７１０の固有の共振周波数に整合した固有の振動周波数を有する。第１及び第２の振動部材７２１、７３１は、本発明に基づき、バイアス手段に応じて振動するように設計されている。
【００３９】
図８は、定常波である音波８１０の音響サイクル８００に対応する第１の振動部材７２１の第１の変形位置と、第２の振動部材７３１の第２の変形位置とを示している。定常波の音波８１０は、Ｐ＝αｓｉｎ（ωｔ＋φ）と特徴付けることができ、ここでＰはチャンバ７１０内の瞬間的な圧力であり、アルファは定常波である音波８１０の圧力定数であり、ωはチャンバ７１０の固有の共振周波数をラジアン単位で表したものであり、ｔは時間を秒単位で表したものであり、φは音響サイクルの位相遅延をラジアン単位で表したものである。図８に示すように、第１の振動部材７２１及び第２の振動部材７３１は、それぞれチャンバ７１０の反対側の端部から等距離の位置に配設され、バイアス手段に応答して振動することにより、チャンバ７１０内に定常波の音波８１０を定常波で発生させる。これらの第１及び第２の振動部材７２１、７３１をチャンバ７１０の両端部から等距離に配設することにより、第１の振動部材７２１は、定常波の音波８１０の音響サイクル８００に対する第１の位相φ１で動作し、第２の振動部材７３１は、定常波である音波８１０の音響サイクル８００に対する第２の位相φ２で動作する。この具体例においては、第１の振動部材７２１は、音響サイクル８００からπ／４すなわち４５°遅延した第１の位相φ１で動作し、第２の振動部材７３１は、音響サイクル８００から７π／４すなわち３１５°遅延した第２の位相φ２で動作する。第１及び第２の振動部材７２１、７３１は、それぞれ中心軸７２２、７３２を有し、これらの中心軸７２２、７３２は、チャンバ７１０の相対する端部からそれぞれチャンバ７１０の共振長の１／８に等しい距離（共振長Ｌ＝２πであるため、各端部からの距離はＬ／８＝２π／８＝π／４となる。）を有する位置に設けられている。この具体例において、熱音響発電機７１０が動作すると、第１及び第２の振動部材７２１、７３１は、定常波の音波８１０を減衰させ、又は定常波の音波８１０を移相させる可能性がある大きな影響を有する高調波を発生させることなく振動する。定常波の音波８１０が減衰すると、トランスデューサ７４０、７５０が感知し、チャンバ７１０の第１の部分７１２から受け取った熱から電力を生成するための音響エネルギが低減し、このため、熱から電力を生成する効率が低下する。定常波である音波８１０の位相がずれると、定常波の音波８１０による第２の部分７１４への熱の伝達が制限され、残りの熱を熱源から奪い、空気に放熱する効率が低下する。
【００４０】
図７に示すように、第１及び第２の振動部材７２１、７３１は、それぞれ振動部材スタック７２０、７３０における振動部材の組（７２１、７２３、７２５及び７３１、７３３、７３５）のうちの１つの振動部材であってもよい。振動部材スタック７２０、７３０内の各振動部材７２１、７２３、７２５、７３１、７３３、７３５は、それぞれトランスデューサの組のうちの１つのトランスデューサ７４０、７４２、７４４、７５０、７５２、７５４に電気的に接続されている。トランスデューサの組は、蓄電器７６０に電気的に接続されている。チャンバ７１０内の第１の圧力の変化に応じて、振動部材スタック７２０内の振動部材７２１、７２３、７２５及び振動部材スタック７３０内の振動部材７３１、７３３、７３５は、より多くの熱を音響エネルギに変換する（すなわち、より大きな振幅又はピーク音圧を有する定常波の音波を生成する）。したがって、１組のトランスデューサ７４０、７４２、７４４、７５０、７５２、７５４は、音響エネルギからより大きな電気エネルギを生成する。この具体例においては、振動部材スタック７２０、７３０の内の１つ以上の振動部材が正常に動作しなくても、又は１組のトランスデューサ７４０、７４２、７４４、７５０、７５２、７５４のうちの１つ以上のトランスデューサが正常に動作しなくても、熱音響発電機７００は、熱から電力を生成し、残りの熱を放熱する動作を効果的に継続することができる。
【００４１】
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明に基づき、熱源１０２から受け取った熱から電気エネルギを生成し、残りの熱を空気に放熱する処理を説明するフローチャートである。図９に示すステップＳ１において、熱音響発電機７００のチャンバ７０１内に配設された第１及び第２の振動部材７２１、７３１に電圧が印加される。この電圧は、スイッチ２７２を瞬間的に閉じることにより、電源２７０から印加してもよい。ステップＳ２において、第１の振動部材７２１は、この電圧に応じて、所定の振動周波数及び第１の位相で振動する。ステップＳ３において、第２の振動部材７３１は、この電圧に応じて、所定の振動周波数及び位相で振動する。チャンバ７１０の固有の振動周波数の高調波の発生を制限するために、第１及び第２の振動部材７２１、７３１は、チャンバ７１０の固有の共振周波数に整合する所定の振動周波数で振動する。第１及び第２の振動部材７２１、７３１が振動すると、ステップＳ４において、チャンバ７１０内において、音波８１０が定常波として発生する。
【００４２】
ステップＳ５において、熱源１０２からの熱がチャンバ７１０の第１の部分７１２に伝導される。第１の部分７１２が熱を受け取ると、ステップＳ６において、チャンバ７１０内の第１の部分７１２の近傍で、定常波である音波８１０により熱を伝導する第１の音圧の変化が生じる。ステップＳ７において、第１の振動部材７２１が第１の音圧の変化に応じて変形する。ステップＳ８において、第１の振動部材７２１に接続されたトランスデューサ７４０は、第１の振動部材７２１の変形を感知する。ステップＳ９において、トランスデューサ７４０は、第１の振動部材７２１の変形に比例する第１の電圧を生成する。ステップＳ１０において、第１の電圧は、トランスデューサ７４０に電気的に接続された蓄電器１３０に保存される。
【００４３】
ステップＳ１１において、第１の振動部材７２１によって音響エネルギに変換されなかった残りの熱は、チャンバ７１０内において、定常波の音波８１０により、第１の部分７１２から第２の部分７１４に伝導される。ステップＳ１２において、残りの熱が第２の部分７１４に伝導され、外部の空気に放熱されると、チャンバ７１０内において第２の音圧の変化が生じる。第２の音圧の変化が生じると、ステップＳ１３において、この第２の音圧の変化に応じて、第２の振動部材７３１が変形する。ステップＳ１４において、第２の振動部材７３１に接続されているトランスデューサ７５０は、この第２の振動部材７３１の変形を感知する。ステップＳ１５において、トランスデューサ７５０は、この第２の振動部材７３１の変形に比例する第２の電圧を生成する。ステップＳ１６において、第２の電圧は、第１の電圧に加えて、トランスデューサ７５０に電気的に接続されている蓄電器１３０に保存される。
【００４４】
以上、本発明の様々な具体例を用いて、本発明を詳細に説明し、本発明を実現する最良の形態を開示したが、当業者は、上述した詳細な具体例の構造及び構成を様々に変形及び変更することが可能であり、このような変形及び変更は、本発明の範囲内にある。すなわち、伝導手段、連結手段、発電手段及び弁別手段は、上述した構造に限定されるものではなく、ここに説明した作用又は材料を含み、さらに、上述したものと実質的に等しいとみなされる構造、作用、材料をも包含する。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る電気エネルギ生成装置は、熱を受け取る第１の部分と、熱を放熱する第２の部分と、内部表面とを有し、閉じた系を画定するチャンバと、チャンバ内に収容された流体と、チャンバの内部表面にそれぞれに連結された第１の端部及び第２の端部を有する第１の振動部材と、第１の振動部材に作用的に連結されたトランスデューサとを備える。これにより、比較的温度が低い熱源から効率的に電力を生成することができる。
【００４６】
また、本発明に係る電気エネルギ生成方法は、所定の共振周波数を有するチャンバ内において、チャンバの両端からそれぞれ等距離の位置に配設された第１及び第２の振動部材の振動に応じて、定常波である音波を発生させるステップと、チャンバの第１のチャンバ部分において、熱を受け取るステップと、チャンバ内の第１のチャンバ部分の近傍において、定常波である音波により、受け取った熱の第１の部分の伝導に関連する第１の圧力変化を生じさせるステップと、チャンバ内において、第１の圧力変化に応じて第１の振動部材を振動させるステップと、第１の振動部材の振動に応じて、第１の電圧を生成するステップとを有する。これにより、比較的温度が低い熱源から効率的に電力を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく熱音響発電機の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明に基づく熱音響発電機の構造を示す斜視図である。
【図３】図２に示す熱音響発電機のチャンバを示す斜視図であり、(Ａ)は第１の具体例を示し、(Ｂ)は第２の具体例を示す。
【図４】図２に示すチャンバ内に配設される振動部材及びトランスデューサの斜視図である。
【図５】本発明に基づく蓄電器の回路図である。
【図６】本発明を適用した熱音響発電機の他の具体例における振動部材スタックを示す斜視図である。
【図７】本発明を適用した熱音響発電機の他の具体例における２つの振動部材スタックを示す斜視図である。
【図８】図８は、図７に示す熱音響発電機の斜視図及びこの熱音響発電機により生成される定常波である音波を示すグラフを関連付けて示す図である。
【図９Ａ】本発明に基づき、熱から電力を生成し、残りの熱を空気に放熱する方法を説明するフローチャートである。
【図９Ｂ】図９Ａのつづきのフローチャートである。
【符号の説明】
１００  熱音響発電機、１０２  電子部品、１０４  電子機器、１０６  電子部品、１０８  プラットフォーム、１１０  筐体、１１２  チャンバ、１１４  第１の部分、１１６  第２の部分、１１７  流体、１１８  エネルギ変換器
【図１】
0004399155.tif 000002
【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】
0004399155.tif 000008
【図８】
0004399155.tif 000009
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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