(57)【要約】      （修正有）【課題】低い自励振動発振温度と高い変換効率の熱音響機関を提供する。【解決手段】多数の細管が軸方向に沿って細孔が並列に設けられたスタックＫ２００ａ、Ｋ２００ｂと、スタックの配管軸方向の一端部を加熱する加熱器Ｋ２１０ａ、Ｋ２１０ｂと、スタックの他端部の熱を外部に放出する冷却器Ｋ２２０ａ、Ｋ２２０ｂと、加熱される一端部と放熱される他端部に挟まれたスタックを収納するスタック外筒Ｋ２０１ａ、Ｋ２０１ｂとを有する熱音響自励振動の原動機Ｋ１を備え、原動機の両端部間に温度勾配を形成して配管内の作動流体の音響パワーを増幅させる熱音響機関において、原動機のスタック外筒は、積層構造の無機質系熱硬化性樹脂の高温耐熱樹脂で成形した。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
多数の細管が軸方向に沿って細孔が並列に設けられたスタックと、前記スタックの配管軸方向の一端部を加熱する加熱器と、前記スタックの他端部の熱を外部に放出する冷却器と、加熱される前記一端部と放熱される他端部に挟まれた前記スタックを収納するスタック外筒とを有する熱音響自励振動の原動機を備え、前記原動機の両端部間に温度勾配を形成して前記配管内の作動流体の音響パワーを増幅させる熱音響機関において、
前記原動機の前記スタック外筒は、積層構造の無機質系熱硬化性樹脂の高温耐熱樹脂で成形したことを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
請求項１の記載の熱音響機関において、前記原動機の前記スタック外筒は耐熱樹脂の積層方向を配管の径方向に配置して成形したことを特徴とする熱音響機関。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記スタックが入る前記スタック外筒に配管軸方向の圧縮応力が作用するように、前記スタック外筒を挟んだ両側から荷重を作用させる構造であることを特徴とする熱音響機関。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、さらに高温耐熱樹脂で耐熱樹脂の積層方向を配管の径方向に成形した中間接続部品を有し、前記加熱器に対して前記スタックとは軸方向の反対側に配置したことを特徴とする熱音響機関。
【請求項５】
請求項４記載の熱音響機関において、前記原動機は、単段又は複数が軸方向につらなった多段に構成されて、前記スタック外筒と前記中間接続部品の両方に配管軸方向の圧縮応力が作用するように、両側から挟んで荷重を作用させる構造であることを特徴とする熱音響機関。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記加熱器の配管軸方向の両側で、前記スタック外筒及び前記中間接続部品との間に気密用のガスケットを挟んで接続ボルトで所定の圧力になる様に取付け、さらに前記スタック外筒と前記中間接続部品の両方に配管軸方向の圧縮応力が作用するように、両側から挟んで荷重を作用させる構造であることを特徴とする熱音響機関。
【請求項７】
請求項３乃至６のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記冷却器と配管フランジとの間に、樹脂製の接続部品を挟んだことを特徴とする熱音響機関。
【請求項８】
請求項３乃至７のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、加熱器と加熱器前後の積層構造の高温耐熱樹脂で成形したスタック外筒又は中間接続部品との間に、熱伝導率が１０W/mK以下で、かつ耐熱温度が積層構造の耐熱樹脂より同等以上であるプレートを入れたことを特徴とする熱音響機関。
【請求項９】
請求項３乃至８のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、加熱ヒータを配管内部に配置した加熱器において、ヒータの円周方向を囲うリングを設けて、リングにワイヤー又は突起を設けることで、リングとヒータの間に、又はリングと加熱器外筒の内面との間に、又はリングの両方に空隙を設けたことを特徴とする熱音響機関。
【請求項１０】
請求項３乃至９のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記スタック外筒又は前記中間接続部品の耐熱樹脂の積層方向が、配管の半径方向にシートを円筒状に重ねた方向に成形した樹脂を使用して、両側から挟んで圧縮荷重を作用させる構造であることを特徴とする熱音響機関。
【請求項１１】
請求項３乃至１０のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、原動機の加熱器管内熱交の中央部もしくは配管中心から熱風出口側に、補助用の加熱ヒータを追加したことを特徴とする熱音響機関。
【請求項１２】
請求項３乃至１１のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、配管に音波の伝送方向又は伝送方向から90度以内に傾いた方向を持つ枝管を設けて、枝管のスピーカから自励振動周波数の音を配管内に流すことを特徴とする熱音響機関。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この考案は、熱音響機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱音響機関は、配管内の流体の自励振動を利用したものである。配管内に多くの狭い流路を持つ部分（以下、スタックと称する）を設置して、スタック両端の温度差を臨界値以上にすると、流路内の作動流体に自励振動現象が現れることが知られており、熱音響原動機（熱音響機関の原動機）と呼ばれている。
原動機での作動流体の自励振動は配管内を音波で伝わり、配管内に別のスタック２を設けると音波はスタック２内の流体を配管軸方向に振動させて、スタック２内の熱を運ぶ熱音響ヒートポンプに利用されている。
また、原動機での作動流体の自励振動は配管内を音波で伝わり、配管にリニア発電機を設けると音圧の変動でピストンを前後運動させて発電に利用されている。
【０００３】
熱音響原動機は、スタックの一端に加熱器を持ち、他端に冷却器を持つ構造で、スタックの両端に温度差を設けるとスタック内部に温度勾配を生じさせることができる。
熱音響原動機でのスタック両端の温度差と温度勾配が大きくなる程、作動流体の音響パワーは大きくなる。
同じ温度差であれば、スタックの配管軸方向の寸法を短くすると温度勾配は大きくなるが、スタックが入るスタック外筒を伝熱する熱伝導熱量が大きくなる。スタックの配管軸方向の寸法は、大気圧で作動流体が空気の場合であれば、数cm程度である。
【０００４】
熱音響原動機においてスタック外筒の伝熱量を小さくすることで、熱損失が軽減でき、音響パワーの増大が可能となる。その方法として、スタック外筒又は前後の配管に、断熱材を用いることが考えられる（例えば、特許文献１）。また、スタック内の狭い流路を細管で作り、細管の周りを熱伝導率（１０W/m・K）以下の低い熱伝導率の材料で囲うことが考えられる（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2017-3136号公報
【特許文献２】特開2012-229892号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
本考案が解決しようとする課題は、一般的な熱音響原動機の自励振動発振温度は４００℃以上で、高い温度ほど音響パワーも増大する。しかし、世の中で廃棄されている排熱温度は４００℃以下が非常に多い。
工場排熱、自動車やディーゼル機関の排気ガス、燃料電池の排熱、半導体の排熱、太陽光集光での高温発生装置などから発生する１００〜４００℃の熱源を利用して、熱音響原動機を作動するためには、自励振動発振温度を低くし、また、熱音響原動機の熱損失を小さくし、熱から音響への高い変換効率などが求められている。また、加熱器での排ガスなどの熱源をスタック端部の加熱への熱交換において、高い変換効率が求められている。
【０００７】
本考案はこのような背景において、従来の熱音響機関と比べて、低い自励振動発振温度と高い変換効率の熱音響機関を実現することを課題とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的に沿う第一の考案に係る熱音響機関は、多数の細管が軸方向に沿って細孔が並列に設けられたスタックと、前記スタックの配管軸方向の一端部を加熱する加熱器と、前記スタックの他端部の熱を外部に放出する冷却器と、加熱される前記一端部と放熱される他端部に挟まれた前記スタックを収納するスタック外筒とを有する熱音響自励振動の原動機を備え、前記原動機の両端部間に温度勾配を形成して前記配管内の作動流体の音響パワーを増幅させる熱音響機関において、前記原動機の前記スタック外筒は、積層構造の無機質系熱硬化性樹脂の高温耐熱樹脂で成形した。
【０００９】
その結果、このような構成によって、スタック外筒内を伝わる熱量を小さくすることで、熱音響原動機の熱損失が軽減でき、音響パワーの増大が可能となる。
【００１０】
前記目的に沿う第二の考案に係る熱音響機関は、請求項１の記載の熱音響機関において、前記原動機の前記スタック外筒は耐熱樹脂の積層方向を配管の径方向に配置して成形した。
【００１１】
その結果、このような構成によって、スタック外筒に配管軸方向の圧縮応力が作用しても、強度が保てる。
【００１２】
前記目的に沿う第三の考案に係る熱音響機関は、請求項１又は請求項２に記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記スタックが入る前記スタック外筒に配管軸方向の圧縮応力が作用するように、前記スタック外筒を挟んだ両側から荷重を作用させる構造である。
【００１３】
その結果、このような構成によって、引っ張り応力によってスタック外筒の積層が剥がれて亀裂が発生することが防げる。
【００１４】
前記目的に沿う第四の考案に係る熱音響機関は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、さらに高温耐熱樹脂で耐熱樹脂の積層方向を配管の径方向に成形した中間接続部品を有し、前記加熱器に対して前記スタックとは軸方向の反対側に配置した。
【００１５】
その結果、このような構成によって、加熱器から中間接続部品への伝熱量を軽減できる。
【００１６】
前記目的に沿う第五の考案に係る熱音響機関は、請求項４記載の熱音響機関において、前記原動機は、単段又は複数が軸方向につらなった多段に構成されて、前記スタック外筒と前記中間接続部品の両方に配管軸方向の圧縮応力が作用するように、両側から挟んで荷重を作用させる構造である。
【００１７】
その結果、このような構成によって、圧縮応力を作用させる構造が簡略化できる。
【００１８】
前記目的に沿う第六の考案に係る熱音響機関は、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記加熱器の配管軸方向の両側で、前記スタック外筒及び前記中間接続部品との間に気密用のガスケットを挟んで接続ボルトで所定の圧力になる様に取付け、さらに前記スタック外筒と前記中間接続部品の両方に配管軸方向の圧縮応力が作用するように、両側から挟んで荷重を作用させる構造である。
【００１９】
その結果、このような構成によって、配管内部の作動流体の圧力を大気圧以上にした場合、高温用のガスケットはガス漏れ防止のシール能力を高めるために締め付けの面圧力が大きくシール面積もOリングと比べて広いので締め付け力が大きくなり、それに対して耐熱樹脂の積層に垂直方向の応力が常時圧縮を保つための圧縮応力は小さいので、それぞれに締結構造を持つことで所定の圧力にすることができる。
【００２０】
前記目的に沿う第七の考案に係る熱音響機関は、請求項３乃至６のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記冷却器と配管フランジとの間に、樹脂製の接続部品を挟んだ。
【００２１】
その結果、このような構成によって、スタックの反対側の配管フランジへの冷却器からの伝熱熱量を軽減できる。
【００２２】
前記目的に沿う第八の考案に係る熱音響機関は、請求項３乃至7のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、加熱器と加熱器前後の積層構造の高温耐熱樹脂で成形したスタック外筒又は中間接続部品との間に、熱伝導率が１０W/mK以下で、かつ耐熱温度が積層構造の耐熱樹脂より同等以上であるプレートを入れた。
【００２３】
その結果、このような構成によって、熱風などの熱源温度が耐熱樹脂の耐熱温度を超えた場合でも、プレートで温度勾配を作って、耐熱樹脂を耐熱温度以下で使用できる。
【００２４】
前記目的に沿う第九の考案に係る熱音響機関は、請求項３乃至８のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、加熱ヒータを配管内部に配置した加熱器において、ヒータの円周方向を囲うリングを設けて、リングにワイヤー又は突起を設けることで、リングとヒータの間に、又はリングと加熱器外筒の内面との間に、又はリングの両方に空隙を設けた。
【００２５】
その結果、このような構成によって、ヒータが配管の外筒と接した部分の温度が、耐熱樹脂の変質や変形しない耐熱温度以上になっても、リングの半径方向に面した空隙で温度勾配を付けて、樹脂の内面が耐熱温度以下にできる。
【００２６】
前記目的に沿う第十の考案に係る熱音響機関は、請求項３乃至９のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記スタック外筒又は前記中間接続部品の耐熱樹脂の積層方向が、配管の半径方向にシートを円筒状に重ねた方向に成形した樹脂を使用して、両側から挟んで圧縮荷重を作用させる構造である。
【００２７】
その結果、このような構成によって、原動機全体の剛性を向上できる。
【００２８】
前記目的に沿う第十一の考案に係る熱音響機関は、請求項３乃至１０のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、原動機の加熱器管内熱交の中央部もしくは配管中心から熱風出口側に、補助用の加熱ヒータを追加した。
【００２９】
その結果、このような構成によって、原動機のスタックの両端の温度差が小さくて作動流体の自励振動が発生しない場合でも、補助用の加熱ヒータでスタック加熱側の温度を少し高くすることで自励振動を発生することができる。
【００３０】
前記目的に沿う第十二の考案に係る熱音響機関は、請求項３乃至１１のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、配管に音波の伝送方向又は伝送方向から90度以内に傾いた方向を持つ枝管を設けて、枝管のスピーカから自励振動周波数の音を配管内に流す。
【００３１】
その結果、このような構成によって、原動機のスタックの両端の温度差が小さくて作動流体の自励振動が発生しない場合でも、補助用のスピーカで配管内に自励振動の周波数の音を流して、自励振動を発生することができる。
【考案の効果】
【００３２】
本考案の積層構造の無機質系熱硬化性樹脂の高温耐熱樹脂で成形したスタック外筒を持つ熱音響機関の原動機によって、自励振動発振温度を低下させることができ、熱音響原動機の熱損失を小さくでき、さらに熱から音響への高い変換効率が実現できて音響パワーの増大が可能となる。
また、熱音響の原動機の能力向上により、シングルループ熱音響エンジンやダブルループ熱音響エンジンにおいては、熱音響冷凍器の冷熱発生能力が向上できる。さらに、熱音響発電装置においては、リニア発電機の発電量が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本考案を一実施の形態である熱音響機関の原動機の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】同熱音響機関をシングルループ熱音響冷凍機として用いた場合の模式図である。
【図３】同熱音響機関をダブルループ熱音響冷凍機として用いた場合の模式図である。
【図４】同熱音響機関を熱音響発電装置として用いた場合の模式図である。
【図５】同熱音響機関の原動機の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】同熱音響機関の原動機の構成を模式的に示す断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００３４】
本考案の実施例を図１〜図６に示す図に基づいて説明する。
【００３５】
熱音響機関の原動機（熱音響機関原動機又は原動機とも云う）については、図１に示すような熱音響機関の原動機１の概略の構成は、スタック外筒k201aの内側に配置した連続した細孔を持つスタックk200aと、スタックk200aの配管軸方向の一端部を加熱する加熱器k210aと、スタックk200aの他端部の熱を外部に放出する冷却器k220aとで、スタックk200aの両端部間に温度勾配を形成するもので、接続された配管の内部には作動流体を封入しており、スタックk200a両端の温度差を大きくすると臨界温度差に達して配管内の作動流体に自励振動が発生する。一般的に、同じ作動流体で、かつ同じ配管径であれば、自励振動が発生する臨界温度差が小さい方が音響パワーは増大する傾向がある。
【００３６】
図１では、作動流体が封入された配管k100aの配管フランジk101aに中間接続部品k230aが接続され、それに加熱器k210aが接続され、それにスタック外筒k201aが接続され、それに冷却器k220aが接続され、それに樹脂製接続部品k240aが接続され、それに中間接続部品k230ｂが接続され、それに加熱器k210ｂが接続され、それにスタック外筒k201ｂが接続され、それに冷却器k220ｂが接続され、それに樹脂製接続部品k240ｂが接続され、それに配管k100bの配管フランジk101bが接続された構造を示す。
【００３７】
多段化については、以下に説明する。
図１は、加熱とスタックと冷却の原動機の１ユニットが２段で構成された２段式の原動機であるが、１段式や３段以上のユニット構成も可能である。多段化する場合には、ユニット毎の中間接続部品は直線的に配置する必要はなく、配管長でほぼ決まる１次の共鳴周波数での振幅の腹の部分の付近にユニットを設ける。
配管k100aなどの作動流体の通路は円形である必要はなく、音波が通れば矩形形状に近い管でもよい。
【００３８】
スタックについては、以下に説明する。
スタック外筒k201a、k201bの内側に設けられたスタックk200a、k200bは、連続した細孔を持ち、スタックk200a、k200bの配管軸方向の両端に温度勾配を形成して、作動流体の自励振動を発生させ、配管内を伝わる圧力変動により仕事をする機能を有している。多数の細管が軸方向に沿って細孔が並列に設けられている状態でもあり得る。
スタックk200a、k200bは、例えば配管軸の長手方向に細孔を持つセラミック製のハニカム構造体がある。これは、ところてんの天突きのような押し出し成形で製作し、四角形の細孔ならば１辺が１ｍｍ以下で、細孔の壁面の厚みはさらに薄いハニカムの集合体を用いる。その他のスタック構造としては、ステンレスメッシュの薄板を微小ピッチで多数枚を配管長手方向に積層した構造体や、不織布状の金属繊維を細孔ができるように詰め込んだ構造体でも可能である。
【００３９】
加熱器については以下に説明する。
図１の加熱器k210aにおいて、燃焼機関の排気ガスなどは、熱風入口ｋ212から入り、熱風通路ｋ213を通って熱風出口k214から排出される。高温の排ガスの熱は、加熱部管内面k215の管の内面を介して加熱器管内熱交k211に熱伝導して、スタックk200aの端面付近の作動流体を加熱するものである。加熱器管内熱交k211の構造としては、伝熱量を増すために金属製で、かつ伝熱面積を広くするために、例えば配管軸方向に幅1mm以下のフィンと幅１ｍｍ以下のスリットを多数持つ構造が考えられ、フィンは加熱部管内面k215の管の内面とつながっている。また、フィンの代わりに、配管の軸方向に多数の穴を有する金属ブロックも考えられる。
【００４０】
冷却器については、以下に説明する。
図１の冷却器k220aにおいて、水などの循環液体は、循環水入口k222から入り、循環水通路k223を通って循環水出口k224から排出される。スタックk200aの端面付近の作動流体は、循環液体により冷却器管内面k225を介して冷却器管内熱交k221を冷やすことで、温度上昇が抑制される。冷却器管内熱交k221の構造としては、加熱器管内熱交k211の構造と同様に配管軸方向にスリット状の通路が考えられる。
【００４１】
耐熱樹脂の特性について、以下に説明する。
スタック外筒k201aは、積層構造の無機質系熱硬化性樹脂の高温耐熱樹脂を削り出して成形する。耐熱樹脂の構造は、ガラス繊維の補強材に熱硬化性樹脂をデッピングしたシートを何層も重ねて加熱と加圧をして硬化させた板である。例えば、日光化成株式会社製の商品名ロスナボード（熱伝導率０．２４W/ｍK）が考えられ、ロスナボードの熱伝導率はステンレス３０４に対して、６０倍以上熱を伝えにくい。
スタック外筒k201aは、加熱器k210aと冷却器k220aと接続されており、
スタック外筒k201aの材質を、積層構造の耐熱樹脂を用いることで、スタック外筒k201aの内部を、加熱器k210aから冷却器k220aへ熱伝導する熱量を大幅に軽減できる。
スタック外筒k201aの形状は、フランジで加熱器k210aと冷却器k220aと接続し、外筒スリム部k202の中間部分は強度の安全値を確保できる範囲で細く（肉厚を薄く）することが望ましい。
【００４２】
耐熱樹脂内への圧縮応力発生構造について、以下に説明する。
スタック外筒k201aの耐熱樹脂の積層方向は、配管の長手方向に対して垂直な方向に配置することが望ましい。それによって、スタック外筒k201aのフランジ部分は、加熱器取付ボルトk513と冷却器取付ボルトk514で接合され、樹脂の積層に対して垂直方向に圧縮荷重が作用できる。
積層構造の耐熱樹脂は、特に高温になると引っ張り荷重が作用すれば積層部分に亀裂が発生するので、圧縮応力作用ボルトk500で、外筒スリム部k202に常時圧縮荷重が作用するような接続構造にする。
【００４３】
熱膨張による荷重、自重による曲げやねじり、接続方法による偏荷重などが原動機k1に作用するので、圧縮応力作用ボルトk500により原動機k1の剛性が高まる。圧縮応力作用ボルトk500による圧縮応力と、加熱器取付ボルトk513などでの圧縮応力の最適値は、通常一致しない。
【００４４】
中間接続部品について、以下に説明する。
加熱器k210aからの高温の熱は、中間接続部品k230aの中を伝わって配管フランジk101aに流れ、熱損失となる。中間接続部品k230aの材質に積層構造の耐熱樹脂を用いることで、さらに、フランジの間の中間部分のスリム部k231は、強度の安全値を確保できる範囲で細く（肉厚を薄く）することで、熱損失が軽減でき、耐熱樹脂の積層方向は、配管の長手方向に対して垂直な方向に配置し、圧縮応力作用ボルトk500で、スリム部k231の重なった積層樹脂の間を密着させる方向に常時圧縮荷重が作用するような接続構造にする。
【００４５】
多段化での圧縮応力作用ボルトについて、以下に説明する。
原動機ユニットを多段化する場合は、図１であれば高温である加熱器k201bから、中間接続部品k230bの中を冷却器k220aに熱が伝わり、熱損失となる。
中間接続部品k230bの材質に積層構造の耐熱樹脂を用いることで、さらに、
フランジの間の中間部分のスリム部k232は、強度の安全値を確保できる範囲で細く（肉厚を薄く）することで、熱損失が軽減でき、耐熱樹脂の積層方向は、配管の長手方向に対して垂直な方向に配置し、圧縮応力作用ボルトk500で、スリム部k232に常時圧縮荷重が作用するような接続構造である。
【００４６】
樹脂製接続部品について、以下に説明する。
冷却器k220bと配管フランジk101bとの間に、樹脂製接続部品k240bを挟むことで、冷却器k220bから配管フランジk101bへ流れる熱量を軽減できる。樹脂製接続部品k240bの材質としては、常温に近いため、例えばポリカーボネート樹脂などの汎用樹脂を使う。樹脂の接続は接続ボルトk516と同時に、圧縮接続ボルトk510の圧縮応力も作用させて、原動機k1の剛性を向上させることが考えられる。
【００４７】
シングルループ熱音響機関について、以下に説明する。
図２に示すように、k3シングルループ熱音響機関は、作動流体が封入された環状のループ管であり、ループ管の管路には、原動機k1と冷却機k2が配管と配管エルボにて接続されている。原動機k1は、加熱器k210cとスタックk200cと冷却器k220cの原動機の１ユニットが１段で構成された１段式の原動機であり、連続した細孔を持つスタックk200cの構造と材質は、図１のスタックk200aと同等である。
スタック外筒k201c及び中間接続部品k230cの材質は、積層構造の耐熱樹脂を用いており、
耐熱樹脂の積層方向は、配管の長手方向に対して垂直な方向に配置し、圧縮応力作用ボルトk501で、スタック外筒k201c及び中間接続部品k230cのスリムな部分には、常時圧縮荷重が作用するような接続構造である。
【００４８】
ループ配管と冷却機について、以下に説明する。
原動機k1のスタックk200cの両端に、作動流体に自励振動が発生する臨界温度差以上の温度差を設けると、配管k103aの中には進行波が音波の流れk801の矢印の方向に発生し、配管エルボk102a、配管103b、配管エルボk102b、配管103cの配管内部を通り、冷却機k2に伝わる。
冷却機k2は、スタックk300と冷却器k320と冷凍器k340を備え、スタックk300はスタック外筒ｋ301の中にあり、冷凍器k340は冷凍器接続部品k341を介して配管フランジk101fに接続される。
【００４９】
連続した細孔を持つスタックk300の構造と材質は、図１のk200aと同等か、さらに小さな細孔を用いる。スタックk300の中では、音エネルギーで内部の作動流体が振動して熱を下流から上流に運ぶヒートポンプの役割を果たし、スタックk300の上流の端面を冷却器k320に循環水を流すことなどで、配管内部の熱交換フィンなどをほぼ一定温度T1にすると、スタックk300の下流の端面はT1の温度以下に冷却される。
冷凍器k340の構造は冷却器k320と類似しており、配管内部に熱交換フィンなどを有して、スタックk300の下流の端面での吸熱を、冷凍器k340に不凍液などを循環する又は空気を流すことで、冷熱として取り出すことができる。冷凍器k340の循環流体は、０℃以上であれば水を用いることもできる。
【００５０】
冷却器k320から配管103cへの熱伝導による熱損失を軽減するために、冷却器k320と配管フランジk101eの間にドーナル状の樹脂製の接続部品k240dを挟むことが考えられ、樹脂の材質は例えばポリカーボネート樹脂を用いることができる。スタック外筒k301および冷凍器側接続部品k341においても、樹脂の材質を例えばポリカーボネート樹脂を用いることで、金属に対して熱伝導による熱損失を大幅に軽減することができる。
冷却機k2において、樹脂が低温脆性で引っ張り強度が減少する対策として、各部品の接続ボルトk521、k522、k523の他に、圧縮応力作用ボルトk502にてスタック外筒k301および冷凍器側接続部品k341の樹脂部品に圧縮応力を作用させることが考えられ、冷却機K2の剛性も向上する。
冷却機k2の下流の配管内の音波の流れは、音波の流れk802に示す流れ方向であり、冷却機k2にて音響エネルギーは仕事に変わり、上流より下流の方が音響パワーは減少して弱音となり、原動機k1に戻る。
【００５１】
ダブルループ熱音響機関について、以下に説明する。
図３に、ダブルループ熱音響機関k4を示す。原動機ループk1aと冷却ループk2aは、共鳴管k104aでつながっている。原動機k1で発生した作動流体の自励振動は、共鳴管k104aの配管内部を伝波し、冷却機k2のスタックk370の中では、図2の冷却機k2と同様に、音エネルギーで内部の作動流体が振動して熱を下流から上流に運ぶヒートポンプの役割を果たし、音波の流れの上流側に冷却器k360を設けて、下流に冷凍器k350を設けると、冷凍器k350から冷熱が取り出せる。
原動機k1は、加熱とスタックと冷却の原動機の１ユニットを、多段化ユニットにすることもできる。
【００５２】
熱音響機関の発電装置について、以下に説明する。
図４に、熱音響発電装置k5を示す。図3に対して、共鳴管k104bの先に冷却ループの変わりにリニア発電機k90を設けると発電ができる。配管内の作動流体が自励振動して共鳴管k104bの中を音が伝波してくると、音圧の変化でヨークのシリンダピストンk91の往復振動運動をすることで発電が行なえる。
【００５３】
ガスケットについて、以下に説明する。
図５の原動機k1の冷却器k640、k740は、通常は温度が80℃以下であるので配管内部の作動流体が外部に漏れないためのシール材にOリングを使用した例である。加熱器ｋ630又は加熱器外筒k700は、高温になるためにシール材にOリングが使えずに、代わりとして膨張黒鉛や金属製などのガスケット601k、602k、603k、600kを使用した例である。
加熱器k630の両側のガスケット（リング状で取付ボルト穴付）は、高温使用の為、取付面圧を非常に高くする必要がある。フランジ付の積層耐熱樹脂製のスタック外筒k632の胴体スリム部には、適度の圧縮応力で十分であり、圧縮応力作用ボルトk503を使用する事で、原動機k1に、ねじりや曲げ応力が作用しても、適度の圧縮応力が作用して破損を防げる。
【００５４】
加熱器と耐熱樹脂との間にプレートを挟むことについて、以下に説明する。
積層構造の高温耐熱樹脂で成形したスタック外筒k632と加熱器k630との間にプレートk621を挟み、もしくは積層構造の高温耐熱樹脂で成形した中間接続部品k631と加熱器k630との間にプレートk621を挟む構造で、プレートの材質は例えばセラミックなどの熱伝導率が１０W/mK以下で、かつ耐熱温度が積層構造の耐熱樹脂より同等以上のものを用いることができる。
【００５５】
ヒータ式の加熱器について、以下に説明する。
図５のヒータ式加熱器k710では、電気でスタックk200fの端面を加熱するためにヒータk701を配置している。ヒータk701の構造は、ニクロム線などをステンレス管に入れて保護したシースヒータであり、スタックk200fの端面にコイルバネのように螺旋状に巻いて、その螺旋状シースヒータは同芯円状に複数個の半径が違う螺旋で構成したものや、シースヒータの周りをステンレスの金属繊維で覆ったものなどが考えられる。ヒータk701はシースヒータに限ったものではなく、電気でスタックk200fの加熱側端面近傍を加熱できるヒータであればよい。
【００５６】
ヒータの外周にリングと空隙を設ける構造について、以下に説明する。
ヒータ式加熱器k710の加熱温度を、積層構造の高温耐熱樹脂の材質のスタック外筒k201fや中間接続部品k230fの耐熱温度より高くする場合、ヒータｋ701の円周方向を囲うステンレス製やセラミック製などのリングk702を設けて、円筒リング状のリングｋ702の側面に穴を開けてワイヤーを通す、又は円筒リング状のリングｋ702の側面に突起を設けることで、リングｋ702とヒータk701との間に、又はリングk702と加熱器外筒ｋ700の内面との間に、又はリングk702の側面の両面に空隙を設ける構造が考えられる。
【００５７】
加熱器の熱交換部に補助的にヒータを追加した構造について、以下に説明する。
図６に示すように、原動機k1においてスタックk200aの端面の作動流体を加熱する複数のフィンを持つなどの形状である加熱器管内熱交k211において、シースヒータを螺旋状に巻いた形状などのヒータｋ810を、加熱器管内熱交k211の中央部もしくは配管中心から熱風出口ｋ214側に、取り付ける構造が考えられる。
【００５８】
このような構成によって、原動機のスタックk200aの両端の温度差が小さくて作動流体の自励振動が発生しない場合でも、補助用の加熱ヒータk810でスタックk200aの加熱側の温度を少し高くすることで自励振動を発生することができる。また、ヒータk810の加熱量を変化させて音響パワーを増減することで、例えば図３の冷凍器k350での冷凍温度や冷熱量の制御が可能となる。
【００５９】
配管の枝管のスピーカから自励振動周波数の音を流すことについて、以下に説明する。
図６の原動機k1に示すように、配管エルボｋ801などの原動機k1の音波流れの上流側に枝管ｋ802を取り付ける。枝管ｋ802の配管への取り付け角度は、音波の伝送方向又は伝送方向から90度以内に傾いた方向が望ましい。
枝管ｋ802にはスピーカｋ803を取り付けて、自励振動周波数の音を配管内に流すことで、原動機のスタックk200aの両端の温度差が小さくて作動流体の自励振動が発生しない場合でも、補助用のスピーカk803で配管内に自励振動の周波数近辺（±20Hz）の音を流すことで、自励振動を発生することができる。また、スピーカk803からの音量を増減することで、例えば図３の冷凍器k350での冷凍温度や冷熱量の制御が可能となる。
枝管ｋ802の取り付け位置は、図３、図４では、共鳴管k104a、k104bに取り付けてもよい。
作動流体としては、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン、水蒸気、それらの混合気体など引火性がない気体がよく使われ、常圧または加圧して用いられる。また、配管の途中に水等の液体を入れてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本考案は、工場排熱、自動車、ディーゼル機関、燃料電池、半導体、太陽光発電、太陽光集光などにおいて、廃棄されている熱などを利用して冷熱を発生する熱音響機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
k1：原動機、k2:冷却機、k3：シングルループ熱音響機関、k4：ダブルループ熱音響機関原動機、k5:熱音響発電装置
【図１】
0003216536.tif 000003
【図２】
0003216536.tif 000004
【図３】
0003216536.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003216536.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月30日(2018.3.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
請求項４又は５に記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記加熱器の配管軸方向の両側で、前記スタック外筒及び前記中間接続部品との間に気密用のガスケットを挟んで接続ボルトで所定の圧力になる様に取付け、さらに前記スタック外筒と前記中間接続部品の両方に配管軸方向の圧縮応力が作用するように、両側から挟んで荷重を作用させる構造であることを特徴とする熱音響機関。
【手続補正２】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記冷却器と配管フランジとの間に、樹脂製の接続部品を挟んだことを特徴とする熱音響機関。
【手続補正３】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
請求項４乃至７のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、加熱器と加熱器前後の積層構造の高温耐熱樹脂で成形したスタック外筒又は前記中間接続部品との間に、熱伝導率が１０W/mK以下で、かつ耐熱温度が積層構造の耐熱樹脂より同等以上であるプレートを入れたことを特徴とする熱音響機関。
【手続補正４】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
請求項４乃至８のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、加熱ヒータを配管内部に配置した加熱器において、ヒータの円周方向を囲うリングを設けて、リングにワイヤー又は突起を設けることで、リングとヒータの間に、又はリングと加熱器外筒の内面との間に、又はリングの両方に空隙を設けたことを特徴とする熱音響機関。
【手続補正５】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
請求項４乃至９のいずれか１つに記載の熱音響機関において、前記原動機は、前記スタック外筒又は前記中間接続部品の耐熱樹脂の積層方向が、配管の半径方向にシートを円筒状に重ねた方向に成形した樹脂を使用して、両側から挟んで圧縮荷重を作用させる構造であることを特徴とする熱音響機関。