(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスで充満された音響共鳴室（４）および前記共鳴室内に設けられ、蓄熱器（８）と、前記蓄熱器の一方側の冷熱交換器（６）と、前記蓄熱器の他方側の熱交換器（７）とにより構成される蓄熱器組体により構成される熱音響エネルギ変換器において、音響伝播遅延およびバイパス内のガスの不活性を使用し、前記蓄熱器組体の一方側の前記共鳴室の一部を前記蓄熱器組体の他方側の前記共鳴室の他の部分に接続し、前記共鳴室のガス圧力と同相であるガス速度を前記蓄熱器に生成する非浪費バイパス回路を特徴とする熱音響エネルギ変換器。
【請求項２】
前記バイパス内の音響移相は４５度未満であることを特徴とする請求項１記載の熱音響エネルギ変換器。
【請求項３】
前記バイパスの総断面は前記蓄熱器の断面の少なくとも５％であることを特徴とする請求項１記載の熱音響システム。
【請求項４】
前記熱交換器の長さはガスの局部拡張振幅に対して小さいことを特徴とする請求項１記載の熱音響システム。
【請求項５】
前記共鳴器（４）は第２の同一の熱音響エネルギ変換器（１’）の共鳴器（４’）に結合され、前記一方のエネルギ変換器（１’）は前記熱交換器（６’）の一方に熱を供給し、他方の熱交換器（７’）で熱を排気することによってエンジンとして機能し、前記他方のエネルギ変換器（１）は前記一方のエネルギ変換器（１’）によって駆動されるヒートポンプとして機能し、前記一方の熱交換器（６）からの熱は前記他の熱交換器（７）にポンプ供給されることを特徴とする請求項１記載の熱音響システム。
【請求項６】
前記共鳴器（４’）線形電気または空気モータあるいはオルガン管のような非線形空気駆動機構によって駆動される請求項１記載の熱音響システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響または機械音響共鳴器および２つの熱交換器の間にクランプされた蓄熱器とで構成される蓄熱熱音響エネルギ変換器（ＴＡＥＣ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＴＡＥＣは、熱力学循環処理(thermodynamic circle process)において、熱および音響エネルギ、ガス圧発振が互いに変換される閉塞システムである。ＴＡＥＣは、例えば冷却または加熱のためのヒートポンプまたはポンプを駆動するためまたは電力を発生するためのエンジンとして非常に適する多くの特性を有する。ＴＡＥＣに基づいたシステムの可動部品の数は限定され、原理的には潤滑を必要としない。構成は簡単であり、製造および維持コストを低くさせる非常に自由な実施を提供する。ＴＡＥＣは環境的に良好である、即ち有害なまたはオゾン層破壊物質の代わりに、空気または貴ガスが熱伝達媒体として使用できる。動作の温度範囲が大きく、故に多数の応用を可能にする。閉塞システムにより、外部雑音発生が低くなり、更に、周波数スペクトラムが制限される。それ故に、必要なら、雑音妨害または振動を最小にする適当な手段がとれる。
【０００３】
蓄熱ＴＡＥＣは音響または音響機械共鳴回路(acoustic-mechanical resonance circuit)で構成される。この中には、良好な熱交換特性を有する多孔性物質の“蓄熱器”の両側の２つの熱交換器だけでなくガスが存在する。特定の温度を有するガスがすでに振動しているとすれば、熱は音響波の影響下で一方熱交換器、入口熱交換器から他方、出口熱交換器へ移動する。
【０００４】
ＴＡＥＣはヒートポンプとしてまたはエンジンとして使用できる。前者のケースでは、機械的エネルギが付加され、これによって例えば薄膜(membrane)、ベロウ(bellows)または自由ピストン構造(free piston construction)によってガスが振動状態にされ、そのとき振動ガスによって熱が一方の熱交換器から他方に“ポンプ供給”される。後者の場合、エンジンとして、熱が一方熱交換器に供給され、熱は他方に排出される。それによって、気筒(gas column)の振動が持続され、ガス移動が薄膜を介して有用エネルギとして分離(couple out)できる。また、前記熱ポンプは薄膜およびＥ／Ｍ変換器無しで前記エンジンによって直接に駆動できる。このエンジンによって、熱によって駆動されるヒートポンプシステムは全く移動部品を用いないで向きを変える。ＴＡＥＣはガスの局部拡張振幅(local extension amplitude)以上の名川を持った制限熱交換器を備えたいわゆる熱音響スタックによって特徴付けられる“パルス管”として知られている。冷却容量を拡大するために、前記特許によると、パルス管はバッファに接続される１以上の“穴(orifices)”、出口開口または小径のバイパスを備えている。このような制御可能な漏れの結果として、スタックの箇所でのガス圧と速度との位相シフトは減少され、インピーダンスが低下する。これによりヒートポンプ容量が増加する。実際には、ＲＣネットワークの問題がある。容量はそのようなＲＣニットワークによって真に十分に増加されるが、ネットワーク（穴）の抵抗成分におけるエネルギ損失により純効率が消極的に影響される。
【０００５】
更に、パルス管の部分として蓄熱器の速度の位相および振幅の両方を変える方法がＥＰ  ０  ６１４  ０５９に示されるシステムから知られている。この周知のシステムにおいて、パルス管とバッファ９の容量によって形成され、狭管によって相互接続される位相シフトは穴１１（Ｒ）およびコンプライアンス（Ｃ）の組み合わせにより構成されるバイパス回路によって（電気的ＲＣネットワークと同様に）導入される。
しかしながらこの方法は穴とバッファ容量の組み合わせが蓄熱器の速度（および冷却力）を要求される９０度位相シフトに近いゼロに近づけさせる第１順（ＲＣ）ネットワークとなる事実から起こる。
更に、蓄熱器の結果速度振幅が穴と管の粘性と比例する。故に、粘性の有限値が非ゼロ速度振幅を維持するために不可欠である。しかしながら、この粘性は総効率を減少する付加（固有）浪費を生じる。
以下に参照する特許出願から、蓄熱ＴＡＥＣは進行波共鳴器に含まれる蓄熱器によって特徴付けられる“進行波熱エンジン”として知られている。進行波共鳴器の蓄熱器の箇所でのインピーダンスの値は比較的低く、蓄熱器の粘性(flow resistance)の影響を優勢にさせる。ここでは、この効率は逆に影響される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、前記模範的実施例で観察される効率損失が起こらないまたは殆ど起こらなく、純効率が周知のＴＡＥＣよりも遙かに有利であるようにＴＡＥＣの容量を増加することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、その中に熱交換器を備えた蓄熱器を含む音響または音響機械共鳴回路により構成され、蓄熱器が（無損失）遅延線または音響誘導（慣性）によって形成されるバイパスを備えている、ＴＡＥＣを提供する。以降に参照する他の文献（Ceperly）の中から、蓄熱器の最適動作にとって実際のインピーダンスが支配しなければならないこと、即ちガス圧（ｐ）およびガス速度（ｖ）が互いに実質的に同相でなければならないことは知られている。更に、粘性の影響を制限するために、蓄熱器のインピーダンスの値は媒体の特性インピーダンスに対して高くしなければならない。十分理解されるように、共鳴器においては、ガス圧（ｐ）およびガス速度（ｖ）はほぼ９０度位相がずれている。
【０００８】
前記バイパスを付加することによってバイパスと共鳴器とのコンビネーションでの圧力差（ｄｐ）は、バイパスまたは共鳴器のそれぞれにおいてオリジナルガス圧（ｖ）に対してほぼ９０度位相がずれているリードタイムまたはインダクション（慣性）によって生じる。共鳴器のガス速度は前記コンビネーションの圧力差（ｄｐ）に比例する。このようにほぼ９０度の位相シフトが２度生じるので、蓄熱器の純ガス速度は再び共鳴器のガス圧（ｐ）とほぼ同相になり、故に殆ど実際のインピーダンスの要求を満たしている。
【０００９】
リードタイムまたはインダクションのために位相シフトφが生じるバイパスに対して、これは次のように理解できる。即ち、バイパスの入口での圧力をｐ１＝ｐ.ｅj.ω.1と記述すれば、バイパスの入口での圧力はｐ１＝ｐ.ｅj.(j.ω.1-φ)となる。故に、バイパスでの時間平均圧力差は次式に等しい。
【数１】
0003990108.tif 000002
【００１０】
このことから、φの小さな値に対してこの圧力差がバイパスおよび共鳴器のガス速度（ｖ）とほぼ９０度の位相ずれとなる。蓄熱器の純ガス速度はこの圧力差に比例しなければならないので、蓄熱器のガス速度は共鳴器のガス速度に対してほぼ９０度位相ずれとなり、故に共鳴器のガス圧と同相となる。
【００１１】
蓄熱器の箇所でφの小さな値に対して殆ど実際のインピーダンスが作られ、原理的にはインピーダンスの絶対値だけが位相シフト（φ）の値に依存していることを示している。バイパスのリードタイムまたはインダクションによってこの位相シフトを変えることによって、蓄熱器のインピーダンスの絶対値は大きな範囲にわたり変えることができ、粘性の影響はもはや支配的とはならなく、高容量および高効率が得られるように設定できる。
【００１２】
遅延線は全体のシステムに対して付加的な壁面領域を殆ど付加しないので、付加的な損失は殆ど生じない。しかしながら、実際には、かならず規制粘性が生じる。前者の影響を最小にするために、粘性境界層（ｄｖ）の厚みがバイパスの直径に比較して無視できるほど小さくしなければならない。（大気圧での）この境界層の厚みは実際的式によって与えられる。
【数２】
0003990108.tif 000003
【００１３】
一般的に、バイパスの音響位相シフトが４５度未満であれば、このケースとなる。損失を最小にする第２の要求はバイパスのガス速度を低く保つことである。実際には、これはバイパス総断面が蓄熱器の断面の５％以上のオーダにあることを意味する。一般に第１の要求はここでは十分に満たしている。原理的にはバイパスの断面に対して上限はない。
【００１４】
バイパスの長さは所望の位相シフト（φ）に依存し、原理的には実施に依存する任意の値を持つことができる。損失を最小にするために、バイパスはできるだけ短く保つべきである。
【００１５】
バイパスの断面は全長に亘り一定である必要はない。音響的にこれはバイパス回路が送信ライン（リードタイム）、自己インダクション（慣性）およびキャパシタ（コンプライアンス）のような無損失音響素子のコンビネーションにより構築できることを意味します。
【００１６】
以降に提示する参考文献に示されるように存在する概念に反して、ガス拡張の振幅よりも非常に小さく熱交換器の長さを選択することが可能である。ここでは、流量損失(flow losses)が更に最小化され、高効率が上記の手段と組み合わせて得られる。更に、薄膜またはベロウおよびＥ／Ｍ変換器を用いない上述の発明に従った第１のＴＡＥＣは第２のＴＡＥＣに結合でき、それにより全く動部品を用いないで熱によって駆動されるヒートポンプシステムを実現できる。最後に、上述の発明に従った第１のＴＥＡＣは同部品を用いないヒートポンプシステムを実現する（オルガン管のような）空気圧手段によって駆動できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、いくつかの模範的な実施形態を参照して以下に更に詳細に説明する。
【００１８】
手引き
0003990108.tif 000004
特許文献
0003990108.tif 000005
模範的実施形態
図１，２および３はＥ／Ｍ変換器２、即ち線形電気エンジンまたは発電機または空値圧モータを含む、この発明に従ったＴＡＥＣの模範的実施形態を示す。１と２間の接続は薄膜またはベロウによって形成される。これは気密封止(gas tight sealing)設けることの他にまた必要なマススプリングシステム(mass-spring-system)として寄与する。ＴＡＥＣ１は中に蓄熱器５が配置される共鳴室または共鳴器４を更に含む。後者は２つの熱交換器６および７によって形成され、これらの間にガス透過性物質、例えば鋼綿(steel wool)またはメタルフォーム(metal foam)で作られる蓄熱本体８が設けられる。熱交換器６および７は接続体６ａおよび６ｂ並びに７ａおよび７ｂによってそれぞれ外部気体または液体回路に接続できる。これによって熱が熱交換器へ供給されまたはから排出される。
【００１９】
ＴＡＥＣ１はヒートポンプとして使用されれば、Ｅ／Ｍ変換器２は線形電気または気圧（振動）エンジンであり、これは共鳴器４に存在するガスを薄膜３を介して振動させ、熱交換器６は冷側であり、熱交換器７は温側であり、故に熱は熱交換器６から蓄熱本体８を介して熱交換器７に送られる。故に、ＴＡＥＣは冷却または加熱に寄与できる。両方の場合、熱は“冷”熱交換器６に接続されるコンデンサによって第１媒体から排出され、この熱は熱交換器６，蓄熱本体８，“温”熱交換器７およびそれに接続されるラジエータに与えられる。故に、熱搬送は第１媒体から第２媒体へ生じる。
【００２０】
ＴＡＥＣ１はエンジンとして使用されれば、熱交換器６は加熱媒体を有する回路に接続され、これに対して熱交換器７は冷却回路に接続される。共鳴器４に存在するガスは共鳴（振動）する。これは熱交換器６を介する熱供給および熱交換器７を介する熱排出によって維持される。ガス振動によって、薄膜３も振動を開始し、この振動がＥ／Ｍ変換器に伝えられる。これが発電機として機能し、電力に変換される。
【００２１】
ＴＡＥＣの共鳴器は定在波共鳴器としての代わりにヘルムホルツ共鳴器(Helm-holtz resonator)としても実現できることは注目すべきである。この発明に従ったＴＡＥＣにおいては、共鳴室４は蓄熱器上にバイパス１０を設けている。図１，２および３はバイパス１０の異なった構成の実施形態を示している。図１では、バイパス（シャント(shunt)）は多数の外部接続チャンネルによって“まっすぐ”に形成される。これは共鳴室４の一部を他部に接続しており、接続チャンネルの長さはリードタイムを決定する。図２において、バイパス１０は熱交換器６および７および蓄熱本体８の穴を介する内部接続管１２によって形成される。接続管の長さはリードタイムを決定する。図３の実施形態のバイパス１０は環状に形付けられ、共鳴室４の外側覆いおよびスペーサリングの外側によって形成される。スペーサリングは熱交換器６および７並びに蓄熱本体８を包囲している。示された形状によって“遅延線”が作られる。−図１および２の実施形態にも適用される−遅延線のリードタイムはバイパスと蓄熱器との組み合わせでの圧力差が共鳴器のガス速度と位相においてほぼ９０度異なるように大きい。この手段によってＴＡＥＣはその値が遅延線のリードタイムに依存する、蓄熱器の箇所での実際のインピーダンスを得て、容量を増加することが達成される。遅延線は任意の壁表面領域を総システムに殆ど加えることなく、エネルギ浪費することがなく、付加的損失を導入させないので、効率は低下しない。寄生粘性の影響を最小にするために、粘性境界層の厚み（ｄｖ）はバイパスの系に対して無視できるほど小さくしなければならない。エネルギ浪費を最小にするためにバイパスのガス速度は低く保たねばならない。実際には、これはバイパスの総断面が蓄熱器の断面の５％以上のオーダであることを意味する。スペーサリング１１の形状によって決まるバイパスの長さは好ましくは波長の５％未満である。バイパスの断面は全長に亘って一定である必要がない。音響的に、これは、バイパス回路が伝送ライン（リードタイム）、自己インダクション（慣性）およびキャパシタ（コンプライアンス）のような音響素子の組み合わせにより構築できることを意味する。バイパスの断面はスペーサリングを軸方向にシフトすることによって図３に示される実施形態で容易に設定できる。
【００２２】
最後に、図４は２つの同一のＴＡＥＣの組み合わせを示している。図に左のＴＡＥＣ１’はエンジンとして使用される。このため、熱交換器６’が加熱媒体を持つ回路に接続され、これに対して熱交換器７’は冷却回路に接続される。共鳴器４’に存在するガスは共鳴（振動）となる。これは熱交換器６’を介する熱供給および熱交換器７’を介する熱排出によって維持される。ガス振動によって薄膜３は振動を開始し、その振動は右側ＴＡＥＣ１’の共鳴器４’を通る。ＴＡＥＣ１’は、ヒートポンプとして使用され、その共鳴器４’に存在するガスが薄膜３’を介して振動する。熱交換器６’はヒートポンプヒートポンプの冷側であり、熱交換器７’は温側である。故に、熱は熱交換器６’から蓄熱本体８’を介して熱交換器７’に送られる。このように、ＴＡＥＣ１’はＴＡＥＣ１によって駆動され、冷却または加熱に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従った一実施形態のＴＡＥＣを示す図
【図２】  本発明に従った他の実施形態のＴＡＥＣを示す図
【図３】  本発明に従った他の実施形態のＴＡＥＣを示す図
【図４】  本発明に従った他の実施形態のＴＡＥＣを示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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