(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を充填したループ管に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該ループ管に設けられた熱音響発電機であって、
該ループ管には該気体の圧力振動を任意の周波数で発生させる周波数調整器が設けられたことを特徴とする熱音響発電機。
【請求項２】
前記周波数調整器は、前記ループ管内の気体を任意の周波数で振動させるための可動子を有する往復動装置によって構成されたことを特徴とする請求項１記載の熱音響発電機。
【請求項３】
前記周波数調整器は、前記ループ管の気体を任意の周波数で振動させるための装置と、その往復動を気体に伝達する手段によって構成されたことを特徴とする請求項１記載の熱音響発電機。
【請求項４】
前記周波数調整器は、前記ループ管内の気体を任意の周波数で振動させるためのピストンと、速度に比例した抵抗力を発生させる装置及び／または変位に応じた反力を生じさせる装置とを含むことを特徴とする請求項１記載の熱音響発電機。
【請求項５】
前記進行波に応動して発電を行う発電機として、２台の発電機を対向して配設した対向型発電機が設けられたことを特徴とする請求項１記載の熱音響発電機。
【請求項６】
前記発電機は、前記ループ管の一部に直列に接続された圧力容器内に配設され、該圧力容器の両側にピストンシリンダが配設され、該発電機の可動子が該ピストンシリンダの両側のピストンに連結されていることを特徴とする請求項１記載の熱音響発電機。
【請求項７】
気体を充填したループ管に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該ループ管に設けられた熱音響発電機であって、
該ループ管には該気体の圧力変動と該気体の変位の位相差を略９０度とするように調整する位相調整器が設けられ、前記発電機として、起動時にはモータとして可動子を駆動して該気体に圧力振動を与え、自励的な振動が発生した後は、発電機として動作するスタータ兼発電機が設けられたことを特徴とする熱音響発電機。
【請求項８】
前記位相調整器として、前記気体を充填したタンクがオリフィスを介して前記ループ管に接続されたことを特徴とする請求項７記載の熱音響発電機。
【請求項９】
前記位相調整器として、前記スタータ兼発電機が配設される圧力容器に設けられたピストンシリンダにバルブ装置が設けられ、該バルブ装置は、該ピストンの上死点と下死点付近で該圧力容器内と前記ループ管内が連通するように構成されたことを特徴とする請求項７記載の熱音響発電機。
【請求項１０】
前記スタータ兼発電機として、２台のスタータ兼発電機を対向して配設した対向型スタータ兼発電機が設けられたことを特徴とする請求項７記載の熱音響発電機。
【請求項１１】
気体を充填した二重管の外側管と内側管の間に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該二重管に設けられた熱音響発電機であって、
該二重管には該気体の圧力振動を任意の周波数で発生させる周波数調整器が設けられたことを特徴とする熱音響発電機。
【請求項１２】
前記二重管は、両端を閉鎖した外側管の内側に両端を開口した内側管が同軸上に配設して構成され、該外側管と内側管の間に、前記放熱部、加熱部、及び蓄熱部がドーナッツ状に配設されたことを特徴とする請求項１１記載の熱音響発電機。
【請求項１３】
前記周波数調整器が前記二重管の内側管内に配設され、前記発電機が該二重管の外側管の端部に配設されたことを特徴とする請求項１１記載の熱音響発電機。
【請求項１４】
前記発電機として、２台の発電機を対向して配設した対向型発電機が設けられたことを特徴とする請求項１１記載の熱音響発電機。
【請求項１５】
気体を充填した二重管の外側管と内側管の間に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該二重管に設けられた熱音響発電機であって、
該二重管には該気体の圧力変動と該気体の変位の位相差を略９０度とするように調整する位相調整器が設けられ、前記発電機として、起動時にはモータとして可動子を駆動して該気体に圧力振動を与え、自励的な振動が発生した後は、発電機として動作するスタータ兼発電機が設けられたことを特徴とする熱音響発電機。
【請求項１６】
前記スタータ兼発電機が該二重管の外側管の端部に配設されたことを特徴とする請求項１５記載の熱音響発電機。
【請求項１７】
前記位相調整器として、前記スタータ兼発電機が配設される圧力容器に設けられたピストンシリンダにバルブ装置が設けられ、該バルブ装置は、該ピストンの上死点と下死点付近で該圧力容器内と前記二重管内が連通するように構成されたことを特徴とする請求項１５記載の熱音響発電機。
【請求項１８】
前記スタータ兼発電機として、２台のスタータ兼発電機を対向して配設した対向型スタータ兼発電機が設けられたことを特徴とする請求項１５記載の熱音響発電機。
【請求項１９】
気体を充填したループ管に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該ループ管に設けられた熱音響発電機であって、
複数のループ管が該各ループ管の一部の共通管として相互に接続して構成され、該共通管に前記発電機が設けられ、且つ該気体の圧力振動を任意の周波数で発生させる周波数調整器が該共通管に設けられたことを特徴とする熱音響発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体を充填した管内で、熱音響効果により圧力振動を発生させ、気体の圧力振動によって生じた進行波を利用して、管に接続された発電機を駆動する熱音響発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体を充填した管内に温度勾配のある蓄熱部を設け、温度上及び構造上の条件が成立すると、管内の気体に圧力振動が発生し、その振動により進行波が発生することが知られている。その圧力振動の発生の原理は、図１４に示すように、蓄熱部Ｔで気体への吸熱と排熱に伴い気体の膨張と収縮が行われ、これによって管内の気体Ｇに圧力振動が発生するものと考えられている。
【０００３】
すなわち、図１４に示すように、先ず、▲１▼圧力一定の状態で、気体Ｇが蓄熱部Ｔの高温側に移動しながら、蓄熱部Ｔの壁から熱を吸熱する（過程ＱH1）。次に、▲２▼気体Ｔは蓄熱部Ｔの高温側で熱を吸熱しながら膨張する（過程ＱH2）。次に、▲３▼圧力一定の条件で蓄熱部Ｔの低温側に気体Ｇが移動しながら蓄熱部Ｔの壁に熱を排熱する（過程ＱC1）。次に、▲４▼気体Ｇは蓄熱部Ｔの低温側で熱を捨て収縮する（過程ＱC2）。このような管内の蓄熱部Ｔでの気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が繰り返されることにより、管内の気体に圧力振動が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、このような気体を充填したループ管内で、熱音響効果により圧力振動を発生させ、気体の圧力振動によって生じた進行波を利用する装置として、従来、冷却運転を行う音響波動冷凍機が、特開2000−88378号公報で提案されている。この音響波動冷凍機は、ループ管内に高温側熱源と低温側熱源を設けると共に、高温側熱源と低温側熱源の間に蓄熱部として熱エネルギーを気体の圧力振動に変換するスタックを配設し、スタックの非対称位置のループ管内に蓄冷部を高温側熱源と低温側熱源と共に設け、蓄熱部側の高温側熱源で発生した進行波を高温側熱源を通して蓄冷器に導入し、蓄冷器において冷凍作用を生じさせる。
【０００５】
ところで、このような管内に充填した気体において熱音響効果により圧力振動を発生させ、気体の圧力振動によって生じた進行波を利用するものとして、管内の熱音響効果によって発生した圧力振動による進行波を用いて発電を行う熱音響発電機の研究開発が行われている。
【０００６】
このような熱音響効果による気体の圧力振動を使用して発電を行う熱音響発電機の場合、気体の圧力振動によって生じた進行波を受けて移動可能な可動子を有するリニア型の発電機を、気体を充填した管に接続し、可動子の往復移動により発電を行うものであるが、発電効率の良い例えば５０〜１００Ｈｚの振動を可動子に与える必要がある。
【０００７】
一方、この種の熱音響機器には、熱交換効率の良好なヘリウム、アルゴンなどの低分子数の気体が使用されるが、このような気体において発電効率の良い５０〜１００Ｈｚの圧力振動を発生させるためには、管の共鳴現象を使用するために、管長を例えば２．５〜５ｍもの長尺とし、或いは４〜５ｍもの長尺な共鳴管を接続する必要があり、発電機の構成が大型化する課題があった。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するものであり、熱音響効果による気体の圧力振動を用いて効率の良い発電が可能で、大形の共鳴管等を不要として装置を小型化することができる熱音響発電機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の熱音響発電機は、気体を充填したループ管に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該ループ管に設けられた熱音響発電機であって、該ループ管には該気体の圧力振動を任意の周波数で発生させる周波数調整器が設けられたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、請求項２のように、前記周波数調整器は、前記ループ管内の気体を任意の周波数で振動させるための可動子を有する往復動装置によって構成することができる。
【００１１】
また、請求項３のように、前記周波数調整器は、前記ループ管の気体を任意の周波数で振動させるための装置と、その往復動を気体に伝達する手段によって構成することができる。
【００１２】
また、請求項４のように、前記ループ管内の気体を任意の周波数で振動させるためのピストンと、速度に比例した抵抗力を発生させる装置及び／または変位に応じた反力を生じさせる装置とを含むように構成することができる。
【００１３】
また、請求項５のように、前記進行波に応動して発電を行う発電機として、２台の発電機を対向して配設した対向型発電機を設けることができる。
【００１４】
さらに、請求項６のように、前記発電機は、前記ループ管の一部に直列に接続された圧力容器内に配設され、該圧力容器の両側にピストンシリンダが配設され、該発電機の可動子を該ピストンシリンダの両側のピストンに連結して構成することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項７の熱音響発電機は、気体を充填したループ管に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該ループ管に設けられた熱音響発電機であって、該ループ管には該気体の圧力変動と該気体の変位の位相差を略９０度とするように調整する位相調整器が設けられ、前記発電機として、起動時にはモータとして可動子を駆動して該気体に圧力振動を与え、自励的な振動が発生した後は、発電機として動作するスタータ兼発電機を設けたことを特徴とする。
【００１６】
ここで、請求項８のように、前記位相調整器として、前記気体を充填したタンクを、オリフィスを介して前記ループ管に接続した構成とすることができる。
【００１７】
また、請求項９のように、前記位相調整器として、前記スタータ兼発電機が配設される圧力容器に設けられたピストンシリンダにバルブ装置が設けられ、該バルブ装置は、該ピストンの上死点と下死点付近で該圧力容器内と前記ループ管内を連通するように構成することができる。
【００１８】
さらに、請求項１０のように、前記スタータ兼発電機として、２台のスタータ兼発電機を対向して配設した対向型スタータ兼発電機を設けることもできる。
【００１９】
また、本発明の請求項１１の熱音響発電機は、気体を充填した二重管の外側管と内側管の間に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該二重管に設けられた熱音響発電機であって、該二重管には該気体の圧力振動を任意の周波数で発生させる周波数調整器が設けられたことを特徴とする。
【００２０】
ここで、請求項１２のように、前記二重管は、両端を閉鎖した外側管の内側に両端を開口した内側管が同軸上に配設して構成され、該外側管と内側管の間に、前記放熱部、加熱部、及び蓄熱部をドーナッツ状に配設することができる。
【００２１】
また、請求項１３のように、前記周波数調整器は前記二重管の内側管内に配設し、前記発電機は該二重管の外側管の端部に配設するように構成することができる。
【００２２】
さらに、請求項１４のように、前記発電機として、２台の発電機を対向して配設した対向型発電機を設けることができる。
【００２３】
また、本発明の請求項１５の熱音響発電機は、気体を充填した二重管の外側管と内側管の間に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該二重管に設けられた熱音響発電機であって、該二重管には該気体の圧力変動と該気体の変位の位相差を略９０度とするように調整する位相調整器が設けられ、前記発電機として、起動時にはモータとして可動子を駆動して該気体に圧力振動を与え、自励的な振動が発生した後は、発電機として動作するスタータ兼発電機が設けられたことを特徴とする。
【００２４】
ここで、請求項１６のように、前記スタータ兼発電機は該二重管の外側管の端部に配設することができる。
【００２５】
また、請求項１７のように、前記位相調整器として、前記スタータ兼発電機が配設される圧力容器に設けられたピストンシリンダにバルブ装置が設けられ、該バルブ装置は、該ピストンの上死点と下死点付近で該圧力容器内と前記二重管内を連通するように構成することができる。
【００２６】
さらに、請求項１８のように、前記スタータ兼発電機として、２台のスタータ兼発電機を対向して配設した対向型スタータ兼発電機を設けて構成することができる。
【００２７】
また、本発明の請求項１９の熱音響発電機は、気体を充填したループ管に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、該蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、該圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機が該ループ管に設けられた熱音響発電機であって、複数のループ管が該各ループ管の一部の共通管として相互に接続して構成され、該共通管に前記発電機が設けられ、且つ該気体の圧力振動を任意の周波数で発生させる周波数調整器が該共通管に設けられたことを特徴とする。
【００２８】
【作用】
上記構成の熱音響発電機は、ループ管に設けた加熱部が高温に加熱され、放熱部が冷却されると、蓄熱部の内部を通して加熱部で供給された熱が放熱部において放出され、蓄熱部の加熱部側の端部と放熱部側の端部で大きな温度差による温度勾配が発生する。
【００２９】
この状態で、周波数調整器を駆動し可動子などを振動させて、任意の周波数（発電機から出力させたい起電力の周波数）の圧力振動をループ管内の気体に生じさせる。これによって、その圧力振動が蓄熱部内に伝達され、蓄熱部の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換され進行波が発生する。
【００３０】
つまり、周波数調整器の作動により蓄熱部内の気体が蓄熱部の低温側から高温側に移動したとき、気体は蓄熱部の壁から熱を吸収し、さらに蓄熱部の高温側で熱を吸熱しながら膨張し、さらに、蓄熱部の低温側に気体が移動しながら蓄熱部の壁に熱を排熱し、さらに、気体は蓄熱部の低温側で熱を捨てて収縮するように動作する。
【００３１】
このようなループ管内の蓄熱部での気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が、周波数調整器の振動動作により繰り返され、ループ管内の気体に周波数調整器の作動周波数の圧力振動が発生し、この圧力振動によってループ管内に進行波が発生する。このループ管内の気体の進行波が発電機の可動子などに印加され、発電機は発電を行うが、発電機で発電される交流電力は、周波数調整器の駆動周波数と同じ周波数を持つことになり、周波数調整器の駆動周波数つまり任意の周波数をもつ交流電力を発電することが可能となる。また、蓄熱部から出力される進行波は、周波数調整器から出力された振動に加熱部の熱エネルギーを加算したものとなるため、より大きなエネルギーを持った進行波となり、その進行波により駆動される発電機からは、周波数調整器の入力電力より大きな電力を取り出すことができる。
【００３２】
このように、ループ管に設けた周波数調整器の作動により、気体の圧力振動を任意の周波数で発生させることができるから、ループ管を長尺とし或いは長尺の共鳴管を接続する必要がなく、小形の熱音響発電機により、発電効率の良い発電を行うことができる。
【００３３】
また、上記請求項６の発明のように、ループ管には気体の圧力変動と気体の変位の位相差を略９０度とするように調整する位相調整器を設け、発電機として、起動時にはモータとして可動子を駆動して気体に圧力振動を与え、自励的な振動を発生した後は、発電機として動作するスタータ兼発電機を設けた構成とすれば、電気入力を加えることなくループ管内の気体に自励振動を持続させ、高い効率で進行波を発生させて、効率の良い発電を行うことができる。
【００３４】
また、上記請求項１０の発明のように、気体を充填する管に、二重管を使用すれば、通常のループ管を使用する場合に比べ、熱音響発電機全体を小型化することができる。
【００３５】
さらに、上記請求項１８の発明のように、複数のループ管が各ループ管の一部の共通管として相互に接続して構成され、共通管に発電機を設け、且つ気体の圧力振動を任意の周波数で発生させる周波数調整器をその共通管に設けた構成とすれば、複数の蓄熱部とループ管を用いた場合でも発電機と周波数調整器を共通に使用することができるから、熱音響発電機全体の小型化が可能となる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第一発明の第一実施形態における熱音響発電機の概略構成図を示している。図１において、１は環状に形成されたループ管であり、ループ管１内には作動ガスとして、アルゴン、ヘリウム、水素などの低分子数の気体が単独で或いは所定の容積比率で混合され、例えば約０．１〜３．０ＭＰａ程度の圧力で充填されている。
【００３７】
このループ管１の所定領域には、気体に圧力振動を生じさせる圧力振動発生手段として、蓄熱部４が放熱部２と加熱部３の間に配設される。蓄熱部４は、ステンレス網などから形成された金属メッシュを多数枚積層した構造体、或いはセラミックや焼結金属から形成されたハニカム構造体により構成され、内部に微小間隔で微細な気体の通路が形成されている。放熱部２は管内の気体を冷却する部分であり、冷却用の熱交換器例えば冷媒を通す冷媒チューブが管１に装着される。冷媒チューブには水等の冷媒が供給されるが、冷却空気を放熱部２に流すようにして空冷とすることもできる。
【００３８】
加熱部３は管内の気体を高温に加熱する部分であり、加熱用の熱交換器から構成され、例えば図２のように、銅合金などで形成した多数本の金属管３ａを内部に収納し、金属管３ａ内に気体を通し、金属管３ａの外側に熱媒体管３ｂから供給される加熱したガスを通すことにより、気体を加熱する。圧力振動を生じさせ得る加熱部３の最低加熱温度は約１００℃であるから、熱媒体管３ｂに供給する加熱流体には、各種プラントの加熱設備などから排出される排熱ガスなど各種の熱媒体を使用することができる。
【００３９】
加熱部３によって蓄熱部４の高温側に高温の熱が供給され、蓄熱部４の低温側が放熱部２によって冷却されると、蓄熱部４の内部で大きな温度差が発生し、蓄熱部４の各通路壁に所定の温度勾配が生じる。この温度勾配の生じた微細通路において気体を温度勾配に沿って移動させると、上述の熱音響効果によってループ管１内の気体に自励的な圧力振動が発生する。この圧力振動を任意の周波数で発生させるために、周波数調整手段として、ループ管１に接続されたシリンダのピストンを任意の周波数で往復移動させて管内の気体に任意の周波数の圧力振動を生じさせる周波数調整器１０が、ループ管１に接続される。
【００４０】
周波数調整器１０は、ループ管１の一部に直列に接続された圧力容器１１内に設置され、基本的にはリニアモータとピストンシリンダを備えて構成される。シリンダ１６は圧力容器１１内のループ管１との接続箇所に設けられ、シリンダ１６内にピストン１７が嵌挿される。圧力容器１１内はループ管１と同じ平均圧力に保持される。直線的に移動するリニアモータの可動子１２が、そのシリンダ１６内のピストン１７の末端に連結され、可動子１２の軸部はヨーク部１４ａの中央でスラスト軸受により摺動可能に支持され、軸部の外周部に励磁コイル１３が固定子１４側の永久磁石１５に対向して巻装される。固定子１４には、励磁コイル１３に対向して、複数の永久磁石１５がそのヨーク部１４ａに取り付けられる。さらに、周波数調整器１０の可動子１２とピストン１７を良好に往復移動させるために、積層された複数の渦巻ばねなどからなる２本のばね部材１８が、可動子１２の軸部の両側に、固定部との間で装着される。
【００４１】
発電機２０は、ループ管１における加熱部３の近傍の管の側部に接続した圧力容器２１内に配設される。発電機２０は直線的に移動する可動子２２を有したリニア型の発電機であり、圧力容器２１内には発電機２０の可動子２２を駆動するためのシリンダ２６及びピストン２７が配設される。圧力容器２１内はループ管１と同じ平均圧力に保持される。シリンダ２６はループ管１との接続箇所の近傍に連通して設けられ、シリンダ２６内にピストン２７が嵌挿され、そのピストン２７の末端に可動子２２の軸部の先端が連結される。
【００４２】
可動子２２の軸部はスラスト軸受により摺動可能に支持され、軸部の末端には発電コイル２３が巻装され、さらに可動子２２とピストン２７を進行波に応じて往復移動させるように、コイルばね、板ばね、渦巻ばねなどのばね部材２８が可動子２２の末端と固定部との間に装着される。ばね部材２８のばね定数は、管内の気体に生じた進行波に共振して、可動子２２が良好に変位するように決定される。一方、発電機２０の固定子２４側には発電コイル２３に対向して、複数の永久磁石２５がそのヨーク部２４ａに取り付けられ、可動子２３の往復移動により発電コイル２３に起電力が発生し、発電を行う構造である。
【００４３】
周波数調整器１０にはドライバ８を介してコントローラ９が接続され、コントローラ９は、周波数調整器１０に交流電流を供給し、調整された任意の周波数で可動子１２を変位させように動作する。その周波数調整器１０に供給する交流電流の周波数は、上記発電機２０から出力させたい電力の周波数と同じ周波数に設定される。
【００４４】
上記構成の熱音響発電機は、ループ管１に設けた加熱部３が熱媒体管３ｂに供給される加熱媒体により高温に加熱され、放熱部２が冷媒管に供給される冷媒により冷却され、蓄熱部４の内部を通して加熱部３で供給された熱が放熱部２において放出され、これによって、蓄熱部４の加熱部側の端部と放熱部側の端部で大きな温度差が生じ、蓄熱部４内の微細通路の壁部に温度勾配が発生する。
【００４５】
この状態で、周波数調整器１０がコントローラ９の動作によってドライバ８を介して駆動され、予め設定した周波数（発電機２０から出力させたい起電力の周波数）でその可動子１２が振動し、可動子１２によってピストン１７が往復移動し、ループ管１内の気体に設定周波数の振動が付与される。これによって、ループ管１内の気体が管の軸方向に往復移動して気体の振動が生じ、その圧力振動が蓄熱部４内に伝達され、蓄熱部４の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換され印加される。
【００４６】
すなわち、周波数調整器１０のピストン１７の作動により蓄熱部４内の気体が蓄熱部４の低温側から高温側に移動したとき、気体は蓄熱部４の微細通路の壁から熱を吸収し、さらに蓄熱部４の高温側で熱を吸熱しながら膨張する。次に、蓄熱部４の低温側に気体が移動しながら蓄熱部４の微細通路の壁に熱を排熱し、さらに、気体は蓄熱部４の低温側で熱を捨てて収縮する。
【００４７】
このようなループ管１内の蓄熱部４での気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が、周波数調整器１０の振動動作により繰り返され、これによって、ループ管１内の気体に周波数調整器１０の作動周波数の圧力振動が発生し、この圧力振動によってループ管１内に進行波が発生する。
【００４８】
そして、上記のようにループ管１内に発生した気体の進行波が発電機２０のピストン２７に達すると、ピストン２７が進行波によって往復移動し、可動子２２が往復移動し、可動子２２上の発電コイル２３が固定子２４側の永久磁石２５に対し往復移動することにより、発電コイル２３に起電力が発生し、発電を行う。この発電機２０で発電される交流電力は、可動子２２の往復移動の周波数と同じ周波数を持つことになり、周波数調整器１０の駆動周波数と同じ周波数をもつ交流電力が発電される。また、蓄熱部４から出力される進行波は、周波数調整器１０から出力された進行波に加熱部３の熱エネルギーが加算されるため、より大きなエネルギーを持った進行波となり、その進行波により駆動される発電機２０からは、周波数調整器１０の入力電力より大きな電力を取り出すことができる。
【００４９】
このように、ループ管１に周波数調整器１０を接続し、周波数調整器１０の振動動作により、管内の気体に対し任意の周波数で気体の圧力振動を発生させることができるから、発電効率のよい例えば５０〜１００Ｈｚの周波数で発電を行いたい場合でも、ループ管を共振させるためにその長さを長尺にすることなく、或いは長尺の共鳴管を接続せずに、発電効率のよい５０〜１００Ｈｚの周波数の圧力振動を発生させて、発電を行い、その周波数の電力を得ることが可能となる。
【００５０】
図３は第一発明の第二実施形態を示している。この例では、発電機として対向型発電機３０が使用され、発電機の可動子の往復移動に伴う振動を抑制している。対向型発電機３０以外の部分については、上記実施例と同じであり、同じ構成部分については、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００５１】
図３に示すように、ループ管１には大形の圧力容器３１が接続され、その圧力容器３１内に２台の発電機３０ａ、３０ｂを対向して配設した対向型発電機３０が収納される。圧力容器３１内中央におけるループ管１との接続部近傍にシリンダ３６が配設され、シリンダ３６内に２個のピストン３７ａ，３７ｂが嵌挿される。
【００５２】
各ピストン３７ａ，３７ｂには対向設置された発電機３０ａ，３０ｂの可動子３２ａ，３２ｂの先端が連結される。各可動子３２ａ，３２ｂの軸部はスラスト軸受により摺動可能に支持され、軸部の末端には各々発電コイル３３ａ，３３ｂが巻装され、さらに可動子３２ａ，３２ｂとピストン３７ａ，３７ｂを進行波に応じて往復移動させるように、積層された渦巻ばねなどからなるばね部材３８ａ，３８ｂが可動子２２の両側の固定部との間に各々装着される。一方、対向する発電機３０ａ，３０ｂの固定子３４ａ，３４ｂ側には発電コイル３３ａ，３３ｂに対向して、複数の永久磁石３５ａ，３５ｂがそのヨーク部に取り付けられ、各可動子３２ａ、３２ｂの往復移動により各発電機３０ａ，３０ｂの発電コイル３３ａ，３３ｂに起電力が発生し、発電を行う構造である。
【００５３】
このような対向型発電機３０を使用した場合、上記と同様に、ループ管１内の気体の圧力振動により進行波が発生し、その進行波を受けて、対向するピストン３７ａ，３７ｂとは可動子３２ａ、３２ｂは各々相反方向に移動して発電が行われるが、それらの可動子３２ａ、３２ｂの移動に伴う振動が相互に打ち消されるように作用し、振動を抑制することができる。
【００５４】
図４は第一発明の第三実施形態を示している。この例では、周波数調整器４０がループ管１の軸方向と直角方向に配置され、ループ管１の放熱部２に近い位置の外周壁部に垂直に接続される。周波数調整器４０以外の部分については、上記図１の実施例と同じであり、同じ構成部分については、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００５５】
すなわち、図４に示すように、ループ管１の外周壁部に垂直に周波数調整器４０の圧力容器４１が接続され、その圧力容器４１内に、リニアモータとピストンシリンダからなる調整器が配設される。シリンダ４６は圧力容器４１内のループ管１との接続箇所に設けられ、シリンダ４６内にピストン４７が嵌挿される。直線的に移動するリニアモータの可動子４２が、そのシリンダ４６内のピストン４７の末端に連結され、可動子４２の軸部はヨーク部４４ａの中央でスラスト軸受により摺動可能に支持され、軸部の外周部に励磁コイル４３が固定子４４側の永久磁石４５に対向して巻装される。
【００５６】
固定子４４には、励磁コイル４３に対向して、複数の永久磁石４５がそのヨーク部４４ａに取り付けられる。さらに、周波数調整器４０の可動子４２とピストン４７を良好に往復移動させるために、コイルばねなどからなるばね部材４８が、可動子４２と固定部との間に装着される。
【００５７】
この周波数調整器４０には、上記と同様に、コントローラからドライバを介して任意に設定された周波数の交流電流が供給され、その交流電流の周波数で可動子４２とピストン４７が往復移動し、これによって、ループ管１内の気体に圧力振動が発生し、その圧力振動により発生した進行波が蓄熱部４に印加される。
【００５８】
このとき、進行波によって蓄熱部４内の気体が蓄熱部４の低温側から高温側に移動すると、気体は蓄熱部４の微細通路の壁から熱を吸収し、さらに蓄熱部４の高温側で熱を吸熱しながら膨張する。次に、蓄熱部４の低温側に気体が移動しながら蓄熱部４の微細通路の壁に熱を排熱し、さらに、気体は蓄熱部４の低温側で熱を捨てて収縮する。
【００５９】
このような蓄熱部４での気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が、周波数調整器４０の振動動作に応じて繰り返され、これによって、ループ管１内の気体の圧力振動に加熱部３の熱エネルギーが加わり、周波数調整器４０の作動周波数の圧力振動がより大きく発生し、この圧力振動によって発生したより大きな進行波が発電機２０のピストン２７に作用し、ピストン２７を往復移動させ、発電機２０の可動子２２が同様に往復移動して、発電コイル２３に周波数調整器４０の可動子４２が振動した周波数と同じ周波数の交流電力が誘起され、発電機２０から出力される。
【００６０】
図５は第一発明の第四実施形態を示している。この例では、発電機５０をループ管１と同軸上に配置している。また、発電機５０は両側にピストンシリンダを備えて構成され、ループ管１の中間部に直列に接続される。発電機５０以外の部分については、上記実施例と同じであり、同じ構成部分については、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６１】
すなわち、図５において、ループ管１の中間部に直列に大形の圧力容器５１が接続され、その圧力容器５１内に発電機５０が収納される。圧力容器５１内のループ管１との接続部近傍の両側にシリンダ５６ａ，５６ｂが配設され、シリンダ５６ａ，５６ｂ内に各々ピストン５７ａ，５７ｂが嵌挿される。ピストン５７ａ，５７ｂは発電機５０の可動子５２ａ，５２ｂの両端部に連結され、可動子５２の軸部は固定子５４のヨーク部５４ａの中央で、スラスト軸受により摺動可能に支持される。
【００６２】
可動子５２には各々発電コイル５３が巻装され、さらに可動子５２とピストン５７ａ，５７ｂを進行波に応じて往復移動させるように、積層された渦巻ばねなどからなるばね部材５８ａ，５８ｂが可動子５２の両側に固定部との間に各々装着される。一方、対向する発電機５０の固定子５４側には発電コイル５３に対向して、複数の永久磁石５５がそのヨーク部５４ａに取り付けられ、可動子５２の往復移動により発電機５０の発電コイル５３に起電力が発生し、発電を行う構造である。
【００６３】
このような発電機５０を使用した場合も、上記と同様に、ループ管１内の気体の圧力振動により進行波が発生し、その進行波を受けて、２個のピストン５７ａ，５７ｂと可動子５２は同方向に往復移動して発電が行われる。
【００６４】
図６は第二発明の第一実施形態を示している。この発明の実施形態では、上記周波数調整器に代えてスタータ兼発電機６０のスタータ機能が使用され、且つループ管１には位相調整器７０が接続され、これによって、電力供給を行わずに、任意の周波数の進行波がループ管１内で能動的に発生するようにしている。スタータ兼発電機６０及び位相調整器７０以外の部分つまり圧力振動発生手段としての蓄熱部４、その両側に配置される放熱部２、及び加熱部３については、上記図１の実施例と同じであり、同じ構成部分については、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６５】
位相調整器７０は、気体を充填したタンク７１を、オリフィス７２を介してループ管１に接続して構成される。タンク７１の容積はループ管１の容積より遥かに大きく形成され、タンク７１内はループ管１内と同じ平均圧力に維持される。したがって、タンク７１とループ管１内の圧力に差圧が生じたとき、オリフィス７２を通して気体が移動するように作用する。また、この位相調整器７０は、タンク７１の容積、オリフィス７２の内径などによって、ループ管１内の気体に生じる進行波の圧力変動と進行波の変位の位相差が９０度となるように設定されている。
【００６６】
一方、スタータ兼発電機６０は、この熱音響発電機の起動時にスタータモータとして作用し、ピストンを往復移動させて任意の周波数で気体に圧力振動を与えて、ループ管１内で気体の自励発振を生じさせる。このスタータ兼発電機６０は、基本的には上記発電機２０と同様な構造を持って構成される。
【００６７】
すなわち、図６に示すように、ループ管１に圧力容器６１が接続され、その圧力容器６１内にスタータ兼発電機６０が収納される。圧力容器６１内のループ管１との接続部近傍にシリンダ６６が配設され、シリンダ６６内にピストン６７が嵌挿される。ピストン６７はスタータ兼発電機６０の可動子６２の端部に連結され、可動子６２の軸部は固定子６４のヨーク部６４ａの中央で、スラスト軸受により摺動可能に支持される。可動子６２には励磁兼発電コイル６３が巻装され、さらに可動子６２とピストン６７を進行波に応じて往復移動させるように、コイルばねなどからなるばね部材６８が可動子６２と固定部との間に装着される。
【００６８】
一方、対向するスタータ兼発電機の固定子６４側には励磁兼発電コイル６３に対向して、複数の永久磁石６５がそのヨーク部６４ａに取り付けられ、励磁兼発電コイル６３に交流電流を供給した場合、スタータ兼発電機６０はリニアモータとして機能して、可動子６２がその交流電流の周波数で往復移動する。また、励磁兼発電コイル６３への電力供給を停止した場合、可動子６２がピストン６７によって往復駆動されると、スタータ兼発電機６０の励磁兼発電コイル６３に起電力が発生し、発電を行う構造である。スタータ兼発電機６０には、スタータと発電機を切り替える切替回路７３が接続され、切替回路７３にはドライバ７４を介してコントローラ７５が接続され、さらに、発電側出力には発電電力出力回路７６が接続される。コントローラ７５は、調整された任意の周波数の交流電流をスタータ兼発電機６０に供給し、予め設定された任意の周波数でその可動子６２を変位させように動作する。
【００６９】
上記構成の熱音響発電機は、上記と同様に、ループ管１に設けた加熱部３が熱媒体管３ｂに供給される加熱媒体により高温に加熱され、放熱部２が冷媒管に供給される冷媒により冷却され、蓄熱部４の内部を通して加熱部３で供給された熱が放熱部２において放出され、これによって、蓄熱部４の加熱部側の端部と放熱部側の端部で大きな温度差が生じ、蓄熱部４内の微細通路の壁部に温度勾配が発生する。
【００７０】
この状態で、スタータ兼発電機６０がコントローラ７６の動作によってドライバ７４を介して駆動され、予め設定した周波数（発電される起電力の周波数）でその可動子６２が振動し、可動子６２によってピストン６７が往復移動し、ループ管１内の気体に設定された周波数の振動が付与される。これによって、ループ管１内の気体が管の軸方向に往復移動して気体の振動が生じ、その圧力振動が蓄熱部４内に伝達され、蓄熱部４の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換され印加される。
【００７１】
つまり、蓄熱部４内の気体が蓄熱部４の低温側から高温側に移動したとき、気体は蓄熱部４の微細通路の壁から熱を吸収し、さらに蓄熱部４の高温側で熱を吸熱しながら膨張する。次に、蓄熱部４の低温側に気体が移動しながら蓄熱部４の微細通路の壁に熱を排熱し、さらに、気体は蓄熱部４の低温側で熱を捨てて収縮するように動作する。そして、このようなループ管１内の蓄熱部４での気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が、スタータ兼発電機６０の振動動作により繰り返され、これによって、ループ管１内の気体にその作動周波数の圧力振動が発生し、この圧力振動によってループ管１内に進行波が発生する。
【００７２】
この進行波は、気体の圧力と気体の変位の位相差が９０度となったとき最大となり、蓄熱部４内の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換される効率が最大となるが、そのような気体の圧力と気体の変位の位相差が９０度になるように、ループ管１と圧力容器６１間に接続された位相調整器７０が動作する。したがって、ループ管１内の気体に最大の効率で進行波が発生し、これによってループ管１内には自励的に振動が発生するようになり、スタータ兼発電機６０のスタータ機能を停止した後も、気体の圧力振動は持続される。このため、ループ管１内で自励発振による圧力振動が生じた状態で、スタータ兼発電機６０は、切替回路により発電機側に切り換えられ、以後は発電機として運転される。
【００７３】
したがって、ループ管１内に発生した気体の進行波がスタータ兼発電機６０のピストン６７に達すると、ピストン６７が進行波によって往復移動し、可動子６２が往復移動し、可動子６２上のスタータ兼発電コイル６３が固定子６４側の永久磁石６５に対し往復移動することにより、発電コイル６３に起電力が発生し、発電を行う。この発電機６０で発電される交流電力は、起動時にスタータ兼発電機６０によって与えられた圧力振動の周波数と同じ周波数を持つことになり、予め設定した周波数の交流電力が発電される。
【００７４】
このように、ループ管１に接続した位相調整器７０によって、進行波における気体の圧力変動と気体の変位の位相差が９０度となるような進行波が発生するため、蓄熱部４内の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換される効率が最大となって、ループ管１内には自励的に圧力振動が発生する。このため、スタータ兼発電機６０のスタータ機能を停止した後も、気体の圧力振動は持続され、電力を供給することなく、発電機６０を動作させて起電力を得ることができる。
【００７５】
また、スタータ兼発電機６０の起動時の動作により、管内の気体に対し任意の周波数で気体の圧力振動を発生させることができるから、発電効率のよい例えば５０〜１００Ｈｚの周波数で発電を行いたい場合、ループ管を共振させるためにその長さを長尺にすることなく、或いは長尺の共鳴管を接続せずに、発電効率のよい５０〜１００Ｈｚの周波数の圧力振動を発生させて、発電を行い、その周波数の電力を得ることができる。
【００７６】
図７は第二発明の第二実施形態を示している。この実施例では、上記位相調整器７０に代えてバルブ装置９１を用いた位相調整器９０が使用され、位相調整器９０はスタータ兼発電機８０のシリンダ部に設けられる。圧力振動発生手段としての蓄熱部４、その両側に配置される放熱部２、及び加熱部３については、上記図６などの実施例と同じであり、同じ構成部分については、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００７７】
スタータ兼発電機８０は、上記と同様に、熱音響発電機の起動時にスタータモータとして作用し、ピストンを往復移動させて任意の周波数で気体に圧力振動を与えて、ループ管１内で気体の自励発振を生じさせ、ループ管１内に進行波が発生した後は発電機としての機能に切り替え、進行波を受けてピストン８７が往復移動し、それに応じて可動子８２が往復移動することにより、発電をおこなう構造である。
【００７８】
すなわち、図７に示すように、ループ管１に圧力容器１が接続され、その圧力容器８１内にスタータ兼発電機８０が収納される。圧力容器８１内のループ管１との接続部近傍にシリンダ８６が配設され、シリンダ８６内にピストン８７が嵌挿される。ピストン８７はスタータ兼発電機８０の可動子８２の端部に連結され、可動子８２の軸部は固定子８４のヨーク部８４ａの中央で、スラスト軸受により摺動可能に支持される。可動子８２には励磁兼発電コイル８３が巻装され、さらに可動子８２とピストン８７を進行波に応じて往復移動させるように、コイルばねなどからなるばね部材８８が可動子８２と固定部との間に装着される。
【００７９】
位相調整器９０は、シリンダ８６に設けたバルブ装置９１によって構成され、バルブ装置９１は、シリンダ８６に嵌挿されたピストン８７の上死点付近と下死点付近で、圧力容器８１とループ管１とを連通させる動作し、このバルブ装置９１の動作によって、ループ管１内で、気体の圧力と気体の変位の位相差が９０度となるような進行波を発生させる。このために、バルブ装置９１は、シリンダ８６におけるピストンの上死点付近と下死点付近にポートを形成し、各ポートを通路を通してループ管１に接続し、ピストン８７にはその上死点付近と下死点付近でシリンダ側のポートに連通する通路を圧力容器８１内と連通して設けて構成され、ピストン８７の上死点付近と下死点付近で、圧力容器８１内とループ管１とを連通させている。
【００８０】
このような構成の位相調整器９０とスタータ兼発電機８０を備えた熱音響発電機においても、上記と同様に、先ず、スタータ兼発電機８０がコントローラの動作によって駆動され、予め設定した周波数（発電される起電力の周波数）でその可動子８２が振動し、可動子８２によってピストン８７が往復移動し、ループ管１内の気体に設定された周波数の振動が付与される。これによって、ループ管１内の気体が管の軸方向に往復移動して気体の振動が生じ、その圧力振動が蓄熱部４内に伝達され、蓄熱部４の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換され印加される。
【００８１】
スタータ兼発電機８０のピストン８７の作動により蓄熱部４内の気体が蓄熱部４の低温側から高温側に移動したとき、気体は蓄熱部４の微細通路の壁から熱を吸収し、さらに蓄熱部４の高温側で熱を吸熱しながら膨張する。次に、蓄熱部４の低温側に気体が移動しながら蓄熱部４の微細通路の壁に熱を排熱し、さらに、気体は蓄熱部４の低温側で熱を捨てて収縮する。このようなループ管１内の蓄熱部４での気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が、スタータ兼発電機８０の振動動作により繰り返され、これによって、ループ管１内の気体にその作動周波数の圧力振動が発生し、この圧力振動によってループ管１内に進行波が発生する。
【００８２】
この進行波は、気体の圧力変動と気体の変位の位相差が９０度となったとき最大となり、蓄熱部４内の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換される効率が最大となるが、そのような気体の圧力変動と気体の変位の位相差が９０度になるように、ループ管１と圧力容器８１間に接続された位相調整器９０が作用する。したがって、ループ管１内の気体に最大の効率で進行波が発生し、これによってループ管１内には自励的に振動が発生するようになり、スタータ兼発電機８０のスタータ機能を停止した後も、気体の圧力振動は持続される。このため、ループ管１内で自励発振による圧力振動が生じた状態で、スタータ兼発電機８０は、発電機側に切り換えられ、以後は発電機として運転され、予め設定した周波数の交流電力が発電される。
【００８３】
なお、上記図７の実施例におけるスタータ兼発電機８０は、図８の第三実施形態に示す如く、上記図３の例と同様に、対向型スタータ兼発電機１００として構成することもできる。対向型スタータ兼発電機１００とした場合、大形の圧力容器１０１内に２台のスタータ兼発電機１０２，１０３が対向して配設されるが、各スタータ兼発電機１０２，１０３側に設けられたシリンダに、上記と同様なバルブ装置１１１，１２１を備えた位相調整器１１０、１２０が配設されることになる。熱音響発電機としての基本的動作は、上記図７の実施例と同様であり、対向型スタータ兼発電機１００を採用することにより、スタータ兼発電機１０２，１０３の各可動子及びピストンが相反方向に移動し、その移動に伴う振動が相互に打ち消されるように作用し、可動子などの移動に伴う振動を抑制することができる。
【００８４】
図９は第三発明の第一実施形態の熱音響発電機を示している。この例では、気体を充填する管が、上記のループ管１に代えて、二重管２０１から構成される。ここで使用される発電機２０と周波数調整器１０は、上記図１の例で説明した発電機２０と周波数調整器１０と同じ構成であり、その内部構造の説明は同一符号を付してその説明を省略する。
【００８５】
すなわち、図９に示すように、気体を充填する管となる二重管２０１は、上部と下部を閉鎖した円筒状の外側管２１１の内側に、同軸上に内側管２１２を配設して構成され、内側管２１２はその両端部が開口して外側管２１１内に連通している。そして、外側管２１１の内側つまり外側管２１１と内側管２１２の下部の間に、放熱部２０２、蓄熱部２０４、及び加熱部２０３が円環状（ドーナッツ状）に形成されて配設される。
【００８６】
ドーナッツ状に形成された蓄熱部２０４は、各々同様にドーナッツ状に形成された放熱部２０２と加熱部２０３に挟まれて配置され、各々冷却管と加熱管が接続される。したがって、この二重管２０１においても、内側管２１２の上下から外側管２１１へと連続するループ状通路が閉鎖構造として管内に形成されることになり、管内で気体の圧力振動による進行波を形成することが可能である。また、二重管２０１を使用することにより、上記実施例で使用したループ管１に比べ、内側の空間をなくすることで、熱音響発電機の構造をより小型化することができる。
【００８７】
そして、周波数調整器１０が内側管２１２内に配設され、発電機２０が二重管２０１の上端部に接続される。周波数調整器１０は、上述の図１の説明と同様に、その上下にピストン１７を嵌挿したシリンダ１６を有し、内側管２１２の上部と下部に沿って配置している。
【００８８】
上記構成の二重管２０１を用いた図９の熱音響発電機は、二重管２０１に設けた加熱部２０３が熱媒体管に供給される加熱媒体により高温に加熱され、放熱部２０２が冷媒管に供給される冷媒により冷却され、蓄熱部２０４の内部を通して加熱部２０３で供給された熱が放熱部２０２において放出され、これによって、蓄熱部２０４の加熱部側の端部と放熱部側の端部で大きな温度差が生じ、蓄熱部２０４内の微細通路の壁部に温度勾配が発生する。
【００８９】
この状態で、周波数調整器１０がコントローラの動作によって駆動され、予め設定した周波数（発電機２０から出力させたい起電力の周波数）でその可動子１２が振動し、可動子１２によってピストン１７が往復移動し、二重管２０１内の気体に設定周波数の振動が付与される。これによって、二重管２０１内の気体が管の軸方向に往復移動して気体の振動が生じ、その圧力振動が蓄熱部２０４内に伝達され、蓄熱部２０４の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換され印加される。
【００９０】
すなわち、周波数調整器１０のピストン１７の作動により蓄熱部２０４内の気体が蓄熱部２０４の低温側から高温側に移動したとき、気体は蓄熱部２０４の微細通路の壁から熱を吸収し、さらに蓄熱部２０４の高温側で熱を吸熱しながら膨張する。次に、蓄熱部２０４の低温側に気体が移動しながら蓄熱部２０４の微細通路の壁に熱を排熱し、さらに、気体は蓄熱部２０４の低温側で熱を捨てて収縮する。
【００９１】
このような二重管２０１内の蓄熱部２０４での気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が、周波数調整器１０の振動動作により繰り返され、これによって、二重管２０１内の気体に周波数調整器１０の作動周波数の圧力振動が発生し、この圧力振動によって二重管２０１内に進行波が発生する。
【００９２】
そして、上記のように二重管２０１内に発生した気体の進行波が発電機２０のピストン２７に達すると、ピストン２７が進行波によって往復移動し、可動子２２が往復移動し、可動子２２上の発電コイル２３が固定子２４側の永久磁石２５に対し往復移動することにより、発電コイル２３に起電力が発生し、発電を行う。この発電機２０で発電される交流電力は、可動子２２の往復移動の周波数と同じ周波数を持つことになり、周波数調整器１０の駆動周波数と同じ周波数をもつ交流電力が発電される。また、蓄熱部２０４から出力される進行波は、周波数調整器１０から出力された進行波に加熱部２０３の熱エネルギーが加算されるため、より大きなエネルギーを持った進行波となり、その進行波により駆動される発電機２０からは、周波数調整器１０の入力電力より大きな電力が取り出される。
【００９３】
このように、二重管２０１に周波数調整器１０を接続し、周波数調整器１０の振動動作により、管内の気体に対し任意の周波数で気体の圧力振動を発生させることができるから、発電効率のよい例えば５０〜１００Ｈｚの周波数で発電を行いたい場合でも、管を共振させるためにその長さを長尺にすることなく、或いは長尺の共鳴管を接続せずに、発電効率のよい５０〜１００Ｈｚの周波数の圧力振動を発生させて、発電を行い、その周波数の電力を得ることが可能となる。また、二重管２０１は空間部が少なく、ループ管を使用した場合より熱音響発電機を小型に構成することができる。
【００９４】
なお、上記図９の実施例における発電機２０は、図１０の第二実施形態に示す如く、図３の例と同様に、対向型発電機３０とすることもできる。対向型発電機３０には大形の圧力容器３１内に２台の発電機３０ａ，３０ｂが対向して配設され、対向型発電機３０の圧力容器３１は二重管２０１の外側管２１１の上部に接続される。二重管２０１の内側管２１２内には、上記と同様の周波数調整器１０が配設される。熱音響発電機としての基本的動作は、上記図９の実施例と同様であり、対向型発電機３０を採用することにより、発電機３０ａ，３０ｂの各可動子及びピストンが相反方向に移動し、その移動に伴う振動が相互に打ち消されるように作用し、可動子などの移動に伴う振動を抑制することができる。
図１１は第三発明の第三実施形態を示している。この実施例では、上記図７の例に示したものと同様に、位相調整器９０を備えたスタータ兼発電機８０が二重管２０１の外側管２１１の上部に配設される。圧力振動発生手段としての蓄熱部２０４、その両側に配置される放熱部２０２、及び加熱部２０３については、上記図９などの実施例と同じであり、また、位相調整器９０を備えたスタータ兼発電機８０は、図７の実施例と同じであり、同じ構成部分については、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００９５】
スタータ兼発電機８０は、上記と同様に、熱音響発電機の起動時にスタータモータとして作用し、ピストンを往復移動させて任意の周波数で気体に圧力振動を与えて、二重管２０１内で気体の自励発振を生じさせ、二重管２０１内に進行波が発生した後は発電機としての機能に切り替え、進行波を受けてピストン８７が往復移動し、それに応じて可動子８２が往復移動することにより、発電をおこなう構造である。
【００９６】
このように位相調整器９０とスタータ兼発電機８０を二重管２０１に設けた熱音響発電機では、上記と同様に、先ず、スタータ兼発電機８０がコントローラの動作によって駆動され、予め設定した周波数（発電される起電力の周波数）でその可動子８２が振動し、可動子８２によってピストン８７が往復移動し、二重管２０１内の気体に設定された周波数の振動が付与される。これによって、二重管２０１内の気体が管の軸方向に往復移動して気体の振動が生じ、その圧力振動が蓄熱部２０４内に伝達され、蓄熱部４の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換され印加される。
【００９７】
スタータ兼発電機８０のピストン８７の作動により蓄熱部２０４内の気体が蓄熱部２０４の低温側から高温側に移動したとき、気体は蓄熱部２０４の微細通路の壁から熱を吸収し、さらに蓄熱部２０４の高温側で熱を吸熱しながら膨張する。次に、蓄熱部２０４の低温側に気体が移動しながら蓄熱部２０４の微細通路の壁に熱を排熱し、さらに、気体は蓄熱部４の低温側で熱を捨てて収縮する。このような二重管２０１内の蓄熱部２０４での気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が、スタータ兼発電機８０の振動動作により繰り返され、これによって、二重管２０１内の気体にその作動周波数の圧力振動が発生し、この圧力振動によって二重管２０１内に進行波が発生する。
【００９８】
この進行波は、気体の圧力と気体の変位の位相差が９０度となったとき最大となり、蓄熱部２０４内の熱エネルギーが気体の圧力振動に変換される効率が最大となるが、そのような気体の圧力と気体の変位の位相差が９０度になるように、二重管２０１と圧力容器８１間に接続された位相調整器９０が作用する。したがって、二重管２０１内の気体に最大の効率で進行波が発生し、これによって二重管２０１内には自励的に振動が発生するようになり、スタータ兼発電機８０のスタータ機能を停止した後も、気体の圧力振動は持続される。このため、二重管２０１内で自励発振による圧力振動が生じた状態で、スタータ兼発電機８０は、発電機側に切り換えられ、以後は発電機として運転され、予め設定した周波数の交流電力が発電される。
【００９９】
なお、上記図１１の実施例におけるスタータ兼発電機８０は、図１２の第四実施形態に示す如く、図８の例と同様に、対向型スタータ兼発電機１００として構成することもできる。対向型スタータ兼発電機１００とした場合、大形の圧力容器１０１内に２台のスタータ兼発電機１０２，１０３が対向して配設されるが、各スタータ兼発電機１０２，１０３側に設けられたシリンダに、上記と同様なバルブ装置１１１，１２１を備えた位相調整器１１０、１２０が配設されることになる。熱音響発電機としての基本的動作は、上記図７、図８の実施例と同様であり、対向型スタータ兼発電機１００を採用することにより、スタータ兼発電機１０２，１０３の各可動子及びピストンが相反方向に移動し、その移動に伴う振動が相互に打ち消されるように作用し、可動子などの移動に伴う振動を抑制することができる。
図１３は第四発明の熱音響発電機の実施例を示している。この例では、２本のループ管３０１，３０２の一部を共通管３０３として一体に接続するようにループ管が形成され、各ループ管３０１，３０２には、気体に圧力振動を生じさせる圧力振動発生手段として、蓄熱部４が放熱部２と加熱部３の間に配設される。そして、共通管３０３には、周波数調整器１０と発電機２０が共通の調整器及び発電機として配設される。周波数調整器１０と発電機２０、蓄熱部４、放熱部２、及び加熱部３は、上記図１の実施例と同じであり、同じ構成部分については、上記と同じ符号を付してその説明を省略する。
【０１００】
図１３において、共通管３０３に周波数調整器１０の圧力容器１１が接続され、その圧力容器１１内に、リニアモータとピストンシリンダからなる調整器が配設される。両側のシリンダ１６は圧力容器１１内の共通管３０３との接続箇所に設けられ、両シリンダ１６内にピストン１７が嵌挿される。直線的に移動するリニアモータの可動子１２の両端に、両シリンダ１６内のピストン１７の末端に連結され、可動子１２の軸部は固定子１４のヨーク部の中央でスラスト軸受により摺動可能に支持され、軸部の外周部に励磁コイル１３が固定子１４側の永久磁石５に対向して巻装される。
【０１０１】
固定子１４には、励磁コイル１３に対向して、複数の永久磁石１５がそのヨーク部に取り付けられる。さらに、周波数調整器１０の可動子１２とピストン１７を良好に往復移動させるために、コイルばねなどからなるばね部材１８が、可動子１２と固定部との間に装着される。
【０１０２】
さらに、発電機２０が、共通管３０３に接続した圧力容器２１内に配設される。発電機２０は直線的に移動する可動子２２を有したリニア型の発電機であり、圧力容器２１内には発電機２０の可動子２２を駆動するためのシリンダ２６及びピストン２７が配設される。圧力容器２１内は共通管３０３と同じ平均圧力に保持される。シリンダ２６は共通管３０３との接続箇所の近傍に連通して設けられ、シリンダ２６内にピストン２７が嵌挿され、そのピストン２７の末端に可動子２２の軸部の先端が連結される。
【０１０３】
可動子２２の軸部はスラスト軸受により摺動可能に支持され、軸部の末端には発電コイル２３が巻装され、さらに可動子２２とピストン２７を進行波に応じて往復移動させるように、コイルばね、板ばね、渦巻ばねなどのばね部材２８が可動子２２の末端と固定部との間に装着される。ばね部材２８のばね定数は、管内の気体に生じた進行波に共振して、可動子２２が良好に変位するように決定される。一方、発電機２０の固定子２４側には発電コイル２３に対向して、複数の永久磁石２５がそのヨーク部２４ａに取り付けられ、可動子２３の往復移動により発電コイル２３に起電力が発生し、発電を行う構造である。
【０１０４】
周波数調整器１０には、コントローラから任意に設定された周波数の交流電流が供給され、その交流電流の周波数で可動子１２とピストン１７が往復移動し、これによって、共通管３０３内の気体に圧力振動が発生し、その圧力振動により発生した進行波がループ管３０１，３０２を通して各蓄熱部４に印加される。
【０１０５】
このとき、進行波によって各蓄熱部４内の気体が蓄熱部４の低温側から高温側に移動すると、気体は蓄熱部４の微細通路の壁から熱を吸収し、さらに蓄熱部４の高温側で熱を吸熱しながら膨張する。次に、蓄熱部４の低温側に気体が移動しながら蓄熱部４の微細通路の壁に熱を排熱し、さらに、気体は蓄熱部４の低温側で熱を捨てて収縮する。
【０１０６】
このような各蓄熱部４での気体の吸熱と排熱に伴う膨張と収縮が、周波数調整器１０の振動動作に応じて繰り返され、これによって、ループ管３０１、３０２、共通管３０３内の気体の圧力振動に加熱部３の熱エネルギーが加わり、周波数調整器１０の作動周波数の圧力振動がより大きく発生し、この圧力振動によって発生したより大きな進行波が発電機２０のピストン２７に作用し、ピストン２７を往復移動させ、発電機２０の可動子２２が同様に往復移動して、発電コイル２３に周波数調整器１０の可動子１２が振動した周波数と同じ周波数の交流電力が誘起され、発電機２０から出力される。
【０１０７】
なお、上記構成の熱音響発電機では、２本のループ管を接続したが、３本以上のループ管をそれらの一部の管を共通管として相互に接続し、その共通管に周波数調整器１０と発電機２０を配設して使用することもできる。
【０１０８】
このように、複数のループ管３０１，３０２がそれらの一部の管を共通として相互に接続され、その共通部分とした共通管３０３に、周波数調整器１０と発電機２０を配設し、各ループ管３０１，３０２に圧力振動発生手段としての蓄熱部４、放熱部２、及び加熱部３を配設するから、周波数調整器１０と発電機２０は共通機器として使用することができ、熱音響発電機を小型化することができる。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱音響発電機によれば、気体を充填したループ管に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機をループ管に設け、これによって、熱音響効果を用いた効率の良い発電を行うことができる。また、ループ管に設けた周波数調整器の作動により、気体の圧力振動を任意の周波数で発生させることができるから、ループ管を長尺とし或いは長尺の共鳴管を接続する必要がなく、小形の熱音響発電機により発電効率の良い発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一発明の第一実施形態を示す熱音響発電機の概略構成図である。
【図２】加熱部３の概略構成を示す斜視図である。
【図３】第一発明の第二実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図４】第一発明の第三実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図５】第一発明の第四実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図６】第二発明の第一実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図７】第二発明の第二実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図８】第二発明の第三実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図９】第三発明の第一実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図１０】第三発明の第二実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図１１】第三発明の第三実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図１２】第三発明の第四実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図１３】第四発明の第一実施形態の熱音響発電機の概略構成図である。
【図１４】熱音響効果による気体の自励発振の発生原理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１−ループ管
２−放熱部
３−加熱部
４−蓄熱部
１０−周波数調整器
２０−発電機
【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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【図１４】
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