JP4048821B2

JP4048821B2 - Thermoacoustic generator

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Publication number: JP4048821B2
Application number: JP2002126705A
Authority: JP
Inventors: 真一八束; 明人鳥居
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003324932A

Description

【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoacoustic generator that generates pressure vibration by a thermoacoustic effect in a tube filled with gas and drives a generator connected to the tube by using a traveling wave generated by the pressure vibration of the gas. .
[0002]
[Prior art]
It is known that when a heat storage part with a temperature gradient is provided in a tube filled with gas and the temperature and structure conditions are satisfied, pressure vibration occurs in the gas in the tube and a traveling wave is generated by the vibration. . As shown in FIG. 14, the principle of the generation of the pressure vibration is that the gas is expanded and contracted in accordance with the heat absorption and exhaust heat to the gas in the heat storage section T, thereby generating the pressure vibration in the gas G in the pipe. It is considered a thing.
[0003]
That is, as shown in FIG. 14, first, in the state of constant pressure (1), the gas G absorbs heat from the wall of the heat storage section T while moving to the high temperature side of the heat storage section T (process QH1). Next, (2) the gas T expands while absorbing heat on the high temperature side of the heat storage section T (process QH2). Next, (3) the gas G moves to the low temperature side of the heat storage part T under a constant pressure condition, and heat is exhausted to the wall of the heat storage part T (process QC1). Next, (4) the gas G discards heat on the low temperature side of the heat storage section T and contracts (process QC2). By repeating the expansion and contraction associated with the heat absorption and exhaust heat of the gas in the heat storage portion T in the tube, pressure vibration is generated in the gas in the tube.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Further, in a loop tube filled with such a gas, as an apparatus that generates pressure vibration by a thermoacoustic effect and uses a traveling wave generated by the pressure vibration of gas, conventionally, an acoustic wave refrigerator that performs a cooling operation is, This is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-88378. This acoustic wave refrigerator is provided with a high temperature side heat source and a low temperature side heat source in a loop tube, and a stack that converts thermal energy into gas pressure vibration as a heat storage unit between the high temperature side heat source and the low temperature side heat source, A cold storage unit is installed in the loop tube at the asymmetrical position of the stack together with the high temperature side heat source and the low temperature side heat source, and the traveling wave generated by the high temperature side heat source on the heat storage unit side is introduced into the regenerator through the high temperature side heat source, Cause it to occur.
[0005]
By the way, pressure vibration is generated by the thermoacoustic effect in the gas filled in such a tube, and the traveling wave caused by the pressure vibration generated by the thermoacoustic effect in the tube is used as the traveling wave generated by the pressure vibration of the gas. Research and development of thermoacoustic generators that generate electricity using them is underway.
[0006]
In the case of a thermoacoustic generator that generates power using the pressure vibration of a gas due to such a thermoacoustic effect, a linear generator having a movable element that receives a traveling wave generated by the pressure vibration of the gas can be used. The gas generator is connected to a tube filled with gas and generates electric power by reciprocating movement of the mover. However, it is necessary to give the mover vibration with a high power generation efficiency, for example, 50 to 100 Hz.
[0007]
On the other hand, a low molecular number gas such as helium or argon having a good heat exchange efficiency is used for this type of thermoacoustic equipment, and a pressure oscillation of 50 to 100 Hz with a good power generation efficiency is generated in such a gas. In order to use the resonance phenomenon of the tube, it is necessary to make the tube length as long as 2.5 to 5 m, for example, or to connect a resonance tube as long as 4 to 5 m. There was a problem of increasing the size.
[0008]
The present invention solves the above-described problems, and can efficiently generate power using pressure vibration of gas due to the thermoacoustic effect, and can reduce the size of the apparatus without requiring a large resonance tube or the like. An object is to provide a thermoacoustic generator.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a thermoacoustic generator according to claim 1 of the present invention has a heat storage section sandwiched between a heat radiation section and a heating section in a loop tube filled with gas, and is generated in the heat storage section. A thermoacoustic generator is provided in the loop tube, and a generator that generates pressure in response to the traveling wave generated by the pressure vibration is generated in the gas by the temperature gradient. A frequency adjuster for generating the pressure vibration of the gas at an arbitrary frequency is provided.
[0010]
Here, as in claim 2, the frequency adjuster can be configured by a reciprocating device having a mover for vibrating the gas in the loop tube at an arbitrary frequency.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, the frequency adjuster can be constituted by a device for vibrating the gas in the loop tube at an arbitrary frequency and a means for transmitting the reciprocating motion to the gas.
[0012]
Further, as in claim 4, a piston for vibrating the gas in the loop tube at an arbitrary frequency, a device for generating a resistance force proportional to speed, and / or a device for generating a reaction force according to displacement It can comprise so that it may contain.
[0013]
Further, as in a fifth aspect, as a generator that generates power in response to the traveling wave, an opposed generator in which two generators are arranged to face each other can be provided.
[0014]
Furthermore, as in claim 6, the generator is arranged in a pressure vessel connected in series to a part of the loop pipe, and piston cylinders are arranged on both sides of the pressure vessel, and the generator The movable element can be connected to the pistons on both sides of the piston cylinder.
[0015]
In the thermoacoustic generator according to claim 7 of the present invention, a heat storage unit sandwiched between a heat radiating unit and a heating unit is disposed in a loop tube filled with gas, and gas is generated by a temperature gradient generated in the heat storage unit. A thermoacoustic generator provided in the loop tube is a thermoacoustic generator that generates pressure vibration and generates electric power in response to a traveling wave generated by the pressure vibration. A phase adjuster that adjusts the phase difference of the gas displacement to approximately 90 degrees is provided, and as the generator, a movable element is driven as a motor at the time of start-up to give pressure vibration to the gas, and is self-excited. After the occurrence of vibration, a starter / generator that operates as a generator is provided.
[0016]
In this case, as the phase adjuster, a tank filled with the gas can be connected to the loop pipe through an orifice.
[0017]
According to a ninth aspect of the present invention, as the phase adjuster, a valve device is provided in a piston cylinder provided in a pressure vessel in which the starter / generator is disposed. In the vicinity of the point and the bottom dead center, the inside of the pressure vessel and the inside of the loop pipe can be communicated with each other.
[0018]
Further, as the starter / generator, an opposed starter / generator in which two starter / generators are arranged to face each other can be provided.
[0019]
In the thermoacoustic generator according to claim 11 of the present invention, a heat storage section sandwiched between a heat radiating section and a heating section is disposed between an outer tube and an inner tube of a double tube filled with gas, and the heat storage A thermoacoustic generator provided in the double pipe is a generator that generates pressure vibration in a gas by a temperature gradient generated in the section and generates power in response to a traveling wave generated by the pressure vibration, The double pipe is provided with a frequency regulator for generating the pressure vibration of the gas at an arbitrary frequency.
[0020]
Here, as in the twelfth aspect of the present invention, the double pipe is formed by coaxially arranging an inner pipe having both ends opened inside an outer pipe having both ends closed, and between the outer pipe and the inner pipe. In addition, the heat radiation part, the heating part, and the heat storage part can be arranged in a donut shape.
[0021]
According to a thirteenth aspect of the present invention, the frequency adjuster is arranged in the inner pipe of the double pipe, and the generator is arranged at the end of the outer pipe of the double pipe. it can.
[0022]
Furthermore, as in the fourteenth aspect, an opposed generator in which two generators are arranged to face each other can be provided as the generator.
[0023]
In the thermoacoustic generator according to claim 15 of the present invention, a heat storage section sandwiched between a heat radiating section and a heating section is disposed between an outer tube and an inner tube of a double tube filled with gas, and the heat storage A thermoacoustic generator provided in the double pipe is a generator that generates pressure vibration in a gas by a temperature gradient generated in the section and generates power in response to a traveling wave generated by the pressure vibration, The double pipe is provided with a phase adjuster that adjusts the phase difference between the pressure fluctuation of the gas and the displacement of the gas to be approximately 90 degrees. A starter / generator operating as a generator is provided after pressure vibration is applied to the gas and self-excited vibration is generated.
[0024]
Here, as in the sixteenth aspect, the starter / generator can be disposed at the end of the outer tube of the double tube.
[0025]
According to a seventeenth aspect of the present invention, as the phase adjuster, a valve device is provided in a piston cylinder provided in a pressure vessel in which the starter / generator is disposed. The inside of the pressure vessel and the inside of the double pipe can be communicated with each other near the point and the bottom dead center.
[0026]
Furthermore, as described in claim 18, the starter / generator can be configured by providing an opposed starter / generator in which two starter / generators are arranged to face each other.
[0027]
In the thermoacoustic generator according to claim 19 of the present invention, a heat storage section sandwiched between a heat radiating section and a heating section is disposed in a gas-filled loop tube, and the gas is generated by a temperature gradient generated in the heat storage section. A thermoacoustic generator in which a loop vibration is generated and a generator that generates electric power in response to a traveling wave generated by the pressure vibration is provided in the loop pipe, and a plurality of loop pipes are provided in each loop pipe. The common pipe is connected to each other, the generator is provided in the common pipe, and the frequency regulator for generating the pressure vibration of the gas at an arbitrary frequency is provided in the common pipe. Features.
[0028]
[Action]
In the thermoacoustic generator having the above configuration, when the heating unit provided in the loop tube is heated to a high temperature and the heat dissipation unit is cooled, the heat supplied by the heating unit through the inside of the heat storage unit is released in the heat dissipation unit, and the heat storage A temperature gradient due to a large temperature difference is generated between the end on the heating unit side and the end on the heat dissipation unit side.
[0029]
In this state, the frequency adjuster is driven to vibrate the mover and the like, and pressure vibration of an arbitrary frequency (frequency of electromotive force to be output from the generator) is generated in the gas in the loop tube. As a result, the pressure vibration is transmitted into the heat storage unit, and the thermal energy of the heat storage unit is converted into a gas pressure vibration to generate a traveling wave.
[0030]
That is, when the gas in the heat storage unit moves from the low temperature side of the heat storage unit to the high temperature side by the operation of the frequency adjuster, the gas absorbs heat from the wall of the heat storage unit and further absorbs heat on the high temperature side of the heat storage unit. The gas expands, and further, heat is exhausted to the wall of the heat storage unit while the gas moves to the low temperature side of the heat storage unit, and further, the gas operates to throw away heat and contract on the low temperature side of the heat storage unit.
[0031]
The expansion and contraction associated with the heat absorption and exhaust heat of the gas in the heat storage part in the loop pipe is repeated by the vibration operation of the frequency regulator, and the pressure vibration at the operating frequency of the frequency regulator is generated in the gas in the loop pipe. This pressure oscillation generates a traveling wave in the loop tube. The traveling wave of the gas in the loop tube is applied to the mover of the generator, and the generator generates power, but the AC power generated by the generator has the same frequency as the drive frequency of the frequency regulator. Thus, it becomes possible to generate AC power having a driving frequency of the frequency regulator, that is, an arbitrary frequency. The traveling wave output from the heat storage unit is the vibration output from the frequency adjuster plus the heat energy of the heating unit. Therefore, the traveling wave has a larger energy and is driven by the traveling wave. From the generator, power larger than the input power of the frequency regulator can be taken out.
[0032]
As described above, since the pressure vibration of the gas can be generated at an arbitrary frequency by the operation of the frequency adjuster provided in the loop tube, there is no need to make the loop tube long or connect a long resonance tube. The small thermoacoustic generator can generate power with good power generation efficiency.
[0033]
Further, as in the sixth aspect of the present invention, the loop pipe is provided with a phase adjuster for adjusting the phase difference between the gas pressure fluctuation and the gas displacement to approximately 90 degrees, and the motor is used as a generator at the time of startup. After driving the mover to apply pressure vibration to the gas and generating self-excited vibration, if a configuration with a starter / generator that operates as a generator is provided, the inside of the loop pipe without applying electrical input The self-excited vibration can be maintained in the gas, and a traveling wave can be generated with high efficiency, so that efficient power generation can be performed.
[0034]
In addition, if a double pipe is used for the gas-filled pipe as in the invention of claim 10, the entire thermoacoustic generator can be downsized as compared with the case of using a normal loop pipe. .
[0035]
Further, as in the invention of claim 18, a plurality of loop pipes are connected to each other as a common pipe of a part of each loop pipe, a generator is provided in the common pipe, and gas pressure oscillation is arbitrarily set. If the frequency adjuster that generates at the frequency is provided in the common tube, the generator and the frequency adjuster can be used in common even when multiple heat storage units and loop tubes are used. The whole generator can be downsized.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator in a first embodiment of the first invention. In FIG. 1, 1 is a loop tube formed in an annular shape, and a low molecular number gas such as argon, helium, hydrogen or the like is mixed alone or in a predetermined volume ratio as a working gas in the loop tube 1. For example, it is filled with a pressure of about 0.1 to 3.0 MPa.
[0037]
In a predetermined region of the loop tube 1, a heat storage unit 4 is disposed between the heat radiating unit 2 and the heating unit 3 as pressure vibration generating means for generating pressure vibration in the gas. The heat storage unit 4 is constituted by a structure in which a large number of metal meshes formed from stainless steel mesh or the like are laminated, or a honeycomb structure formed from ceramics or sintered metal, and fine gas passages are formed therein at minute intervals. Is formed. The heat dissipating part 2 is a part for cooling the gas in the pipe, and a heat exchanger for cooling, for example, a refrigerant tube through which a refrigerant is passed, is attached to the pipe 1. Although a coolant such as water is supplied to the coolant tube, it can be cooled by flowing cooling air through the heat radiating section 2.
[0038]
The heating unit 3 is a part that heats the gas in the tube to a high temperature, and is composed of a heat exchanger for heating. For example, as shown in FIG. 2, a large number of metal tubes 3a formed of a copper alloy or the like are accommodated therein. The gas is heated by passing the gas through the metal tube 3a and passing the heated gas supplied from the heat medium tube 3b outside the metal tube 3a. Since the minimum heating temperature of the heating unit 3 that can cause pressure oscillation is about 100 ° C., the heating fluid supplied to the heat medium pipe 3b includes various heat sources such as exhaust heat gas discharged from heating equipment of various plants. Media can be used.
[0039]
When the high temperature heat is supplied to the high temperature side of the heat storage unit 4 by the heating unit 3 and the low temperature side of the heat storage unit 4 is cooled by the heat radiating unit 2, a large temperature difference occurs inside the heat storage unit 4. A predetermined temperature gradient is generated in each passage wall. When the gas is moved along the temperature gradient in the fine passage where the temperature gradient is generated, self-excited pressure oscillation is generated in the gas in the loop tube 1 due to the thermoacoustic effect described above. In order to generate this pressure vibration at an arbitrary frequency, as a frequency adjusting means, the piston of the cylinder connected to the loop pipe 1 is reciprocated at an arbitrary frequency to generate a pressure vibration of an arbitrary frequency in the gas in the pipe. A frequency adjuster 10 is connected to the loop tube 1.
[0040]
The frequency adjuster 10 is installed in a pressure vessel 11 connected in series to a part of the loop pipe 1, and basically includes a linear motor and a piston cylinder. The cylinder 16 is provided at a location where the pressure vessel 11 is connected to the loop pipe 1, and a piston 17 is fitted into the cylinder 16. The inside of the pressure vessel 11 is maintained at the same average pressure as the loop tube 1. A linear motor movable element 12 that moves linearly is connected to the end of a piston 17 in the cylinder 16, and the shaft portion of the movable element 12 is slidably supported by a thrust bearing at the center of the yoke portion 14 a. The exciting coil 13 is wound around the outer peripheral portion of the portion so as to face the permanent magnet 15 on the stator 14 side. A plurality of permanent magnets 15 are attached to the yoke portion 14 a of the stator 14 so as to face the exciting coil 13. Further, in order to satisfactorily reciprocate the mover 12 and the piston 17 of the frequency adjuster 10, two spring members 18 made of a plurality of stacked spiral springs or the like are provided on both sides of the shaft portion of the mover 12. Mounted between fixed parts.
[0041]
The generator 20 is disposed in a pressure vessel 21 connected to the side of the tube in the loop tube 1 near the heating unit 3. The generator 20 is a linear generator having a mover 22 that moves linearly, and a cylinder 26 and a piston 27 for driving the mover 22 of the generator 20 are disposed in the pressure vessel 21. The The inside of the pressure vessel 21 is maintained at the same average pressure as the loop pipe 1. The cylinder 26 is provided in communication with the vicinity of the connection portion with the loop pipe 1. A piston 27 is fitted into the cylinder 26, and the tip of the shaft portion of the movable element 22 is connected to the end of the piston 27.
[0042]
The shaft portion of the mover 22 is slidably supported by a thrust bearing, and a power generation coil 23 is wound around the end of the shaft portion. Further, the mover 22 and the piston 27 are reciprocated according to traveling waves. A spring member 28 such as a coil spring, a leaf spring, or a spiral spring is mounted between the end of the mover 22 and the fixed portion. The spring constant of the spring member 28 is determined so that the mover 22 is displaced favorably by resonating with the traveling wave generated in the gas in the tube. On the other hand, on the stator 24 side of the generator 20, a plurality of permanent magnets 25 are attached to the yoke portion 24 a so as to face the generator coil 23, and an electromotive force is generated in the generator coil 23 by the reciprocating movement of the mover 23. It is a structure that generates electricity.
[0043]
A controller 9 is connected to the frequency adjuster 10 via a driver 8. The controller 9 supplies an alternating current to the frequency adjuster 10 and operates so as to displace the mover 12 at the adjusted arbitrary frequency. The frequency of the alternating current supplied to the frequency adjuster 10 is set to the same frequency as the frequency of the electric power desired to be output from the generator 20.
[0044]
In the thermoacoustic generator having the above configuration, the heating unit 3 provided in the loop tube 1 is heated to a high temperature by the heating medium supplied to the heat medium tube 3b, and the heat radiating unit 2 is cooled by the refrigerant supplied to the refrigerant tube, The heat supplied by the heating unit 3 through the inside of the heat storage unit 4 is released in the heat radiating unit 2, and this causes a large temperature difference between the end of the heat storage unit 4 on the heating unit side and the end of the heat dissipation unit side. A temperature gradient is generated in the wall portion of the fine passage in the portion 4.
[0045]
In this state, the frequency adjuster 10 is driven via the driver 8 by the operation of the controller 9, and the movable element 12 vibrates at a preset frequency (frequency of the electromotive force to be output from the generator 20). 12, the piston 17 reciprocates, and the gas in the loop tube 1 is given a vibration having a set frequency. As a result, the gas in the loop pipe 1 reciprocates in the axial direction of the pipe to generate a gas vibration, the pressure vibration is transmitted into the heat storage section 4, and the thermal energy of the heat storage section 4 is converted into a gas pressure vibration. And applied.
[0046]
That is, when the gas in the heat storage unit 4 is moved from the low temperature side to the high temperature side of the heat storage unit 4 by the operation of the piston 17 of the frequency adjuster 10, the gas absorbs heat from the wall of the fine passage of the heat storage unit 4, and It expands while absorbing heat on the high temperature side of the heat storage section 4. Next, heat is exhausted to the walls of the fine passages of the heat storage unit 4 while the gas moves to the low temperature side of the heat storage unit 4, and the gas contracts by throwing away heat at the low temperature side of the heat storage unit 4.
[0047]
Such expansion and contraction due to heat absorption and exhaust heat of the gas in the heat storage section 4 in the loop tube 1 are repeated by the vibration operation of the frequency adjuster 10, whereby the frequency adjuster is added to the gas in the loop tube 1. A pressure vibration having an operating frequency of 10 is generated, and a traveling wave is generated in the loop tube 1 by the pressure vibration.
[0048]
When the traveling wave of the gas generated in the loop pipe 1 reaches the piston 27 of the generator 20 as described above, the piston 27 is reciprocated by the traveling wave, and the movable element 22 is reciprocated. When the power generating coil 23 is reciprocated relative to the permanent magnet 25 on the stator 24 side, an electromotive force is generated in the power generating coil 23 to generate power. The AC power generated by the generator 20 has the same frequency as the reciprocating frequency of the mover 22, and AC power having the same frequency as the drive frequency of the frequency adjuster 10 is generated. Further, the traveling wave output from the heat storage unit 4 is a traveling wave having a larger energy because the thermal energy of the heating unit 3 is added to the traveling wave output from the frequency adjuster 10. Power that is larger than the input power of the frequency regulator 10 can be extracted from the driven generator 20.
[0049]
As described above, the frequency regulator 10 is connected to the loop tube 1, and the vibration of the frequency regulator 10 can generate a gas pressure vibration at an arbitrary frequency with respect to the gas in the pipe. For example, even when it is desired to generate power at a frequency of 50 to 100 Hz, the length of the loop tube is made long in order to resonate, or the long resonance tube is not connected, and the power generation efficiency is good. It is possible to generate power by generating pressure vibration with a frequency of 100 Hz and obtain electric power with that frequency.
[0050]
FIG. 3 shows a second embodiment of the first invention. In this example, a counter-type generator 30 is used as a generator, and vibrations associated with the reciprocating movement of the generator mover are suppressed. About parts other than the counter-type generator 30, it is the same as that of the said Example, About the same component, the same code | symbol as the above is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
[0051]
As shown in FIG. 3, a large pressure vessel 31 is connected to the loop tube 1, and a counter-type generator 30 in which two generators 30 a and 30 b are arranged to face each other is accommodated in the pressure vessel 31. Is done. A cylinder 36 is disposed near the connection portion with the loop pipe 1 in the center of the pressure vessel 31, and two pistons 37 a and 37 b are fitted into the cylinder 36.
[0052]
The front ends of the movers 32a and 32b of the generators 30a and 30b disposed opposite to each other are connected to the pistons 37a and 37b. The shaft portions of the respective movers 32a and 32b are slidably supported by thrust bearings, and power generating coils 33a and 33b are wound around the ends of the shaft portions, respectively, and further move through the movers 32a and 32b and the pistons 37a and 37b. Spring members 38 a and 38 b made of stacked spiral springs and the like are mounted between the fixed portions on both sides of the mover 22 so as to reciprocate according to the wave. On the other hand, a plurality of permanent magnets 35a and 35b are attached to the yoke portions on the stators 34a and 34b side of the opposed generators 30a and 30b so as to face the power generation coils 33a and 33b. The electromotive force is generated in the power generation coils 33a and 33b of the generators 30a and 30b by the reciprocating movement, thereby generating power.
[0053]
When such a counter-type generator 30 is used, a traveling wave is generated by the pressure vibration of the gas in the loop tube 1 and the pistons 37a and 37b facing each other are movable in response to the traveling wave, as described above. The children 32a and 32b move in opposite directions to generate power, but the vibrations caused by the movement of the movers 32a and 32b act so as to cancel each other, thereby suppressing the vibration.
[0054]
FIG. 4 shows a third embodiment of the first invention. In this example, the frequency adjuster 40 is disposed in a direction perpendicular to the axial direction of the loop tube 1 and is connected perpendicularly to the outer peripheral wall portion of the loop tube 1 near the heat radiating portion 2. The parts other than the frequency adjuster 40 are the same as those in the embodiment of FIG. 1, and the same constituent parts are denoted by the same reference numerals as those described above, and the description thereof is omitted.
[0055]
That is, as shown in FIG. 4, the pressure vessel 41 of the frequency regulator 40 is connected perpendicularly to the outer peripheral wall portion of the loop tube 1, and the regulator composed of the linear motor and the piston cylinder is disposed in the pressure vessel 41. Is done. The cylinder 46 is provided at a location where the pressure vessel 41 is connected to the loop pipe 1, and a piston 47 is inserted into the cylinder 46. A linearly moving linear motor movable element 42 is connected to the end of a piston 47 in the cylinder 46, and the shaft part of the movable element 42 is slidably supported by a thrust bearing at the center of the yoke part 44a. The exciting coil 43 is wound around the outer peripheral portion of the portion so as to face the permanent magnet 45 on the stator 44 side.
[0056]
A plurality of permanent magnets 45 are attached to the yoke portion 44 a of the stator 44 so as to face the exciting coil 43. Further, in order to satisfactorily reciprocate the mover 42 and the piston 47 of the frequency adjuster 40, a spring member 48 made of a coil spring or the like is mounted between the mover 42 and the fixed portion.
[0057]
Similarly to the above, the frequency adjuster 40 is supplied with an alternating current having a frequency arbitrarily set from the controller via a driver, and the movable element 42 and the piston 47 reciprocate at the frequency of the alternating current. Thus, pressure vibration is generated in the gas in the loop tube 1, and a traveling wave generated by the pressure vibration is applied to the heat storage unit 4.
[0058]
At this time, when the gas in the heat storage unit 4 moves from the low temperature side of the heat storage unit 4 to the high temperature side by the traveling wave, the gas absorbs heat from the wall of the fine passage of the heat storage unit 4 and further on the high temperature side of the heat storage unit 4. Expands while absorbing heat. Next, heat is exhausted to the walls of the fine passages of the heat storage unit 4 while the gas moves to the low temperature side of the heat storage unit 4, and the gas contracts by throwing away heat at the low temperature side of the heat storage unit 4.
[0059]
Such expansion and contraction due to heat absorption and exhaust heat of the gas in the heat storage unit 4 are repeated according to the vibration operation of the frequency adjuster 40, whereby the pressure of the gas in the loop pipe 1 is increased by the heating unit 3. The pressure energy at the operating frequency of the frequency adjuster 40 is more greatly generated, and a larger traveling wave generated by the pressure vibration acts on the piston 27 of the generator 20 to reciprocate the piston 27. Similarly, the mover 22 of the generator 20 reciprocates, and AC power having the same frequency as the frequency at which the mover 42 of the frequency adjuster 40 vibrates is induced in the generator coil 23 and is output from the generator 20.
[0060]
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the first invention. In this example, the generator 50 is arranged coaxially with the loop tube 1. Further, the generator 50 includes piston cylinders on both sides, and is connected in series to an intermediate portion of the loop pipe 1. About parts other than the generator 50, it is the same as that of the said Example, About the same component, the code | symbol same as the above is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
[0061]
That is, in FIG. 5, a large pressure vessel 51 is connected in series to the middle portion of the loop tube 1, and the generator 50 is accommodated in the pressure vessel 51. Cylinders 56a and 56b are disposed on both sides of the pressure vessel 51 in the vicinity of the connection portion with the loop pipe 1, and pistons 57a and 57b are fitted into the cylinders 56a and 56b, respectively. The pistons 57a and 57b are connected to both ends of the movers 52a and 52b of the generator 50, and the shaft portion of the mover 52 is slidably supported by a thrust bearing at the center of the yoke portion 54a of the stator 54.
[0062]
A power generating coil 53 is wound around each of the movers 52, and spring members 58a and 58b made of stacked spiral springs are movable so that the mover 52 and the pistons 57a and 57b are reciprocated according to traveling waves. The both sides of the child 52 are mounted between the fixed portions. On the other hand, a plurality of permanent magnets 55 are attached to the yoke portion 54 a so as to face the generator coil 53 on the stator 54 side of the generator 50 facing each other, and the generator coil 53 of the generator 50 is moved by the reciprocating movement of the mover 52. In this structure, an electromotive force is generated and power is generated.
[0063]
Even when such a generator 50 is used, a traveling wave is generated by the pressure vibration of the gas in the loop tube 1 and the two pistons 57a and 57b and the mover are received in response to the traveling wave as described above. 52 is reciprocated in the same direction to generate power.
[0064]
FIG. 6 shows a first embodiment of the second invention. In the embodiment of the present invention, the starter function of the starter / generator 60 is used instead of the frequency adjuster, and the phase adjuster 70 is connected to the loop tube 1, so that power supply is not performed. A traveling wave having an arbitrary frequency is actively generated in the loop tube 1. The parts other than the starter / generator 60 and the phase adjuster 70, that is, the heat storage part 4 as pressure vibration generating means, the heat dissipating part 2 disposed on both sides thereof, and the heating part 3 are the same as in the embodiment of FIG. Yes, the same components are denoted by the same reference numerals as those described above, and the description thereof is omitted.
[0065]
The phase adjuster 70 is configured by connecting a tank 71 filled with gas to the loop pipe 1 via an orifice 72. The volume of the tank 71 is formed to be much larger than the volume of the loop pipe 1, and the inside of the tank 71 is maintained at the same average pressure as that in the loop pipe 1. Therefore, when a pressure difference occurs between the pressure in the tank 71 and the loop pipe 1, the gas moves through the orifice 72. The phase adjuster 70 is set so that the phase difference between the traveling wave pressure fluctuation generated in the gas in the loop tube 1 and the traveling wave displacement is 90 degrees depending on the volume of the tank 71 and the inner diameter of the orifice 72. Has been.
[0066]
On the other hand, the starter / generator 60 acts as a starter motor when the thermoacoustic generator is started, and reciprocally moves the piston to give pressure vibration to the gas at an arbitrary frequency. Causes oscillation. The starter / generator 60 basically has a structure similar to that of the generator 20.
[0067]
That is, as shown in FIG. 6, the pressure vessel 61 is connected to the loop tube 1, and the starter / generator 60 is accommodated in the pressure vessel 61. A cylinder 66 is disposed in the pressure vessel 61 in the vicinity of the connection portion with the loop pipe 1, and a piston 67 is fitted into the cylinder 66. The piston 67 is connected to the end of the mover 62 of the starter / generator 60, and the shaft of the mover 62 is slidably supported by a thrust bearing at the center of the yoke portion 64 a of the stator 64. An excitation and power generation coil 63 is wound around the mover 62, and a spring member 68 made of a coil spring or the like is disposed between the mover 62 and the fixed portion so that the mover 62 and the piston 67 are reciprocated according to traveling waves. It is installed between.
[0068]
On the other hand, on the stator 64 side of the opposed starter / generator, a plurality of permanent magnets 65 are attached to the yoke portion 64a so as to face the excitation / generation coil 63, and an alternating current is supplied to the excitation / generation coil 63. In this case, the starter / generator 60 functions as a linear motor, and the mover 62 reciprocates at the frequency of the alternating current. Further, when the power supply to the excitation / generator coil 63 is stopped, when the mover 62 is driven back and forth by the piston 67, an electromotive force is generated in the excitation / generator coil 63 of the starter / generator 60 to generate power. It is a structure. The starter / generator 60 is connected to a switching circuit 73 for switching between the starter and the generator. A controller 75 is connected to the switching circuit 73 via a driver 74. Further, a generated power output circuit 76 is connected to the power generation side output. Connected. The controller 75 supplies an adjusted alternating current having an arbitrary frequency to the starter / generator 60 and operates so as to displace the mover 62 at an arbitrary preset frequency.
[0069]
In the thermoacoustic generator having the above configuration, the heating unit 3 provided in the loop tube 1 is heated to a high temperature by the heating medium supplied to the heat medium tube 3b, and the heat radiating unit 2 is supplied to the refrigerant tube, as described above. The heat cooled by the refrigerant and supplied by the heating unit 3 through the inside of the heat storage unit 4 is released in the heat radiating unit 2, thereby causing a large temperature at the end of the heat storage unit 4 on the heating unit side and the end of the heat storage unit side. A difference arises and a temperature gradient is generated in the wall portion of the fine passage in the heat storage unit 4.
[0070]
In this state, the starter / generator 60 is driven by the operation of the controller 76 via the driver 74, and the movable element 62 vibrates at a preset frequency (frequency of the electromotive force generated). 67 reciprocates, and the vibration of the set frequency is given to the gas in the loop tube 1. As a result, the gas in the loop pipe 1 reciprocates in the axial direction of the pipe to generate a gas vibration, the pressure vibration is transmitted into the heat storage section 4, and the thermal energy of the heat storage section 4 is converted into a gas pressure vibration. And applied.
[0071]
That is, when the gas in the heat storage unit 4 moves from the low temperature side to the high temperature side of the heat storage unit 4, the gas absorbs heat from the wall of the fine passage of the heat storage unit 4 and further absorbs heat at the high temperature side of the heat storage unit 4. While expanding. Next, while the gas moves to the low temperature side of the heat storage unit 4, heat is exhausted to the walls of the fine passages of the heat storage unit 4, and further, the gas operates to throw away heat and contract on the low temperature side of the heat storage unit 4. . The expansion and contraction associated with the heat absorption and exhaust heat of the gas in the heat storage section 4 in the loop pipe 1 are repeated by the vibration operation of the starter / generator 60, and thereby the gas in the loop pipe 1 is changed. A pressure vibration of the operating frequency is generated, and a traveling wave is generated in the loop tube 1 by the pressure vibration.
[0072]
This traveling wave becomes the maximum when the phase difference between the gas pressure and the gas displacement becomes 90 degrees, and the efficiency at which the heat energy in the heat storage section 4 is converted into the gas pressure vibration is maximized. The phase adjuster 70 connected between the loop tube 1 and the pressure vessel 61 operates so that the phase difference between the pressure of the gas and the displacement of the gas is 90 degrees. Therefore, a traveling wave is generated in the gas in the loop tube 1 with the maximum efficiency. As a result, vibration is generated in the loop tube 1 by itself, and the starter function of the starter / generator 60 is stopped. Later, the pressure oscillation of the gas continues. For this reason, the starter / generator 60 is switched to the generator side by the switching circuit in a state in which pressure oscillation due to self-excited oscillation occurs in the loop tube 1, and thereafter is operated as a generator.
[0073]
Therefore, when the traveling wave of the gas generated in the loop pipe 1 reaches the piston 67 of the starter / generator 60, the piston 67 is reciprocated by the traveling wave, the movable element 62 is reciprocated, and the starter on the movable element 62 is moved. When the cum-generating coil 63 reciprocates with respect to the permanent magnet 65 on the stator 64 side, an electromotive force is generated in the generating coil 63 to generate power. The AC power generated by the generator 60 has the same frequency as the pressure vibration frequency given by the starter / generator 60 at the time of startup, and AC power having a preset frequency is generated.
[0074]
Thus, since the phase adjuster 70 connected to the loop tube 1 generates a traveling wave in which the phase difference between the gas pressure fluctuation and the gas displacement in the traveling wave is 90 degrees, the heat in the heat storage unit 4 The efficiency at which energy is converted into gas pressure vibration is maximized, and pressure vibration is generated in the loop tube 1 by self-excitation. For this reason, even after the starter function of the starter / generator 60 is stopped, the pressure oscillation of the gas is maintained, and the generator 60 can be operated to obtain an electromotive force without supplying power.
[0075]
Moreover, since the gas pressure vibration can be generated at an arbitrary frequency with respect to the gas in the pipe by the operation at the start of the starter / generator 60, it is desired to generate power at a frequency of 50 to 100 Hz with good power generation efficiency. In order to resonate the loop tube without generating a long length or without connecting a long resonance tube, pressure vibration with a frequency of 50 to 100 Hz with good power generation efficiency is generated to generate power. To obtain power at that frequency.
[0076]
FIG. 7 shows a second embodiment of the second invention. In this embodiment, a phase adjuster 90 using a valve device 91 is used instead of the phase adjuster 70, and the phase adjuster 90 is provided in the cylinder portion of the starter / generator 80. About the heat storage part 4 as a pressure vibration generating means, the heat radiation part 2 arrange | positioned at the both sides, and the heating part 3, it is the same as that of Example, such as the said FIG. 6, The same code | symbol as the above is attached about the same component. A description thereof will be omitted.
[0077]
Similarly to the above, the starter / generator 80 acts as a starter motor when the thermoacoustic generator is started, and reciprocally moves the piston to apply pressure vibration to the gas at an arbitrary frequency. After self-excited oscillation is generated and a traveling wave is generated in the loop tube 1, the function is changed to a function as a generator, and the piston 87 reciprocates in response to the traveling wave, and the mover 82 reciprocates accordingly. This is a structure for generating power.
[0078]
That is, as shown in FIG. 7, the pressure vessel 1 is connected to the loop tube 1, and the starter / generator 80 is accommodated in the pressure vessel 81. A cylinder 86 is disposed in the pressure vessel 81 in the vicinity of the connection portion with the loop pipe 1, and a piston 87 is fitted into the cylinder 86. The piston 87 is connected to the end portion of the mover 82 of the starter / generator 80, and the shaft portion of the mover 82 is slidably supported by a thrust bearing at the center of the yoke portion 84 a of the stator 84. An exciting and generating coil 83 is wound around the mover 82, and a spring member 88 made of a coil spring or the like is further provided between the mover 82 and the fixed portion so as to reciprocate the mover 82 and the piston 87 in accordance with traveling waves. It is installed between.
[0079]
The phase adjuster 90 includes a valve device 91 provided in the cylinder 86. The valve device 91 is located near the top dead center and the bottom dead center of the piston 87 fitted in the cylinder 86, and the pressure vessel 81 and the loop pipe. 1, the operation of the valve device 91 generates a traveling wave in the loop pipe 1 such that the phase difference between the gas pressure and the gas displacement is 90 degrees. For this purpose, the valve device 91 forms ports near the top dead center and the bottom dead center of the piston in the cylinder 86, connects each port to the loop pipe 1 through a passage, and the piston 87 has a vicinity of the top dead center. And a passage communicating with the port on the cylinder side in the vicinity of the bottom dead center is provided so as to communicate with the inside of the pressure vessel 81, and in the pressure vessel 81 and the loop pipe 1 near the top dead center and the bottom dead center of the piston 87. And communicate with each other.
[0080]
In the thermoacoustic generator including the phase adjuster 90 and the starter / generator 80 having such a configuration, the starter / generator 80 is first driven by the operation of the controller in the same manner as described above. The movable element 82 vibrates at the frequency of the electromotive force generated), and the piston 87 reciprocates by the movable element 82, so that the vibration of the frequency set in the gas in the loop tube 1 is applied. As a result, the gas in the loop pipe 1 reciprocates in the axial direction of the pipe to generate a gas vibration, the pressure vibration is transmitted into the heat storage section 4, and the thermal energy of the heat storage section 4 is converted into a gas pressure vibration. And applied.
[0081]
When the gas in the heat storage unit 4 moves from the low temperature side to the high temperature side of the heat storage unit 4 by the operation of the piston 87 of the starter / generator 80, the gas absorbs heat from the wall of the fine passage of the heat storage unit 4, and further stores the heat. The part 4 expands while absorbing heat on the high temperature side. Next, heat is exhausted to the walls of the fine passages of the heat storage unit 4 while the gas moves to the low temperature side of the heat storage unit 4, and the gas contracts by throwing away heat at the low temperature side of the heat storage unit 4. The expansion and contraction associated with the heat absorption and exhaust heat of the gas in the heat storage section 4 in the loop pipe 1 is repeated by the vibration operation of the starter / generator 80, thereby causing the gas in the loop pipe 1 to operate. A pressure vibration with a frequency is generated, and a traveling wave is generated in the loop tube 1 by the pressure vibration.
[0082]
This traveling wave is maximized when the phase difference between the gas pressure fluctuation and the gas displacement is 90 degrees, and the efficiency at which the heat energy in the heat storage section 4 is converted into gas pressure vibration is maximized. The phase adjuster 90 connected between the loop tube 1 and the pressure vessel 81 acts so that the phase difference between the gas pressure fluctuation and the gas displacement becomes 90 degrees. Accordingly, a traveling wave is generated with maximum efficiency in the gas in the loop tube 1, and vibration is generated in the loop tube 1 by itself, and the starter function of the starter / generator 80 is stopped. Later, the pressure oscillation of the gas continues. For this reason, the starter / generator 80 is switched to the generator side in a state where pressure oscillation due to self-excited oscillation has occurred in the loop tube 1 and thereafter operated as a generator, and AC power having a preset frequency is generated. Power is generated.
[0083]
The starter / generator 80 in the example of FIG. 7 can also be configured as an opposed starter / generator 100, as in the example of FIG. 3, as shown in the third embodiment of FIG. In the case of the opposed starter / generator 100, two starter / generators 102, 103 are arranged opposite to each other in a large pressure vessel 101, but provided on each starter / generator 102, 103 side. The phase adjusters 110 and 120 provided with the valve devices 111 and 121 similar to the above are arranged in the cylinder. The basic operation of the thermoacoustic generator is the same as that of the embodiment of FIG. 7 described above. By adopting the opposed starter / generator 100, the movers and pistons of the starter / generators 102 and 103 are reciprocal. It moves to a direction, it acts so that the vibration accompanying the movement may mutually be canceled, and the vibration accompanying movement of a mover etc. can be controlled.
[0084]
FIG. 9 shows a thermoacoustic generator according to the first embodiment of the third invention. In this example, the tube filled with gas is constituted by a double tube 201 instead of the loop tube 1 described above. The generator 20 and the frequency adjuster 10 used here have the same configuration as the generator 20 and the frequency adjuster 10 described in the example of FIG. 1, and the description of the internal structure is denoted by the same reference numerals. Description is omitted.
[0085]
That is, as shown in FIG. 9, a double tube 201 that is a tube filled with gas has a configuration in which an inner tube 212 is coaxially disposed inside a cylindrical outer tube 211 whose upper and lower portions are closed. Both ends of the inner tube 212 are open and communicated with the outer tube 211. And between the inner side of the outer side tube 211, ie, the lower part of the outer side tube 211 and the inner side tube 212, the thermal radiation part 202, the thermal storage part 204, and the heating part 203 are formed and arrange | positioned at annular | circular shape (doughnut shape).
[0086]
The heat storage unit 204 formed in a donut shape is disposed between the heat dissipating unit 202 and the heating unit 203 similarly formed in a donut shape, and the cooling pipe and the heating pipe are connected to each other. Therefore, also in this double pipe 201, a loop-shaped passage continuing from the upper and lower sides of the inner pipe 212 to the outer pipe 211 is formed in the pipe as a closed structure, and a traveling wave is formed in the pipe due to gas pressure oscillation. Is possible. Further, by using the double pipe 201, the structure of the thermoacoustic generator can be further reduced by eliminating the inner space as compared with the loop pipe 1 used in the above embodiment.
[0087]
And the frequency regulator 10 is arrange | positioned in the inner side pipe | tube 212, and the generator 20 is connected to the upper end part of the double pipe 201. FIG. Similarly to the description of FIG. 1 described above, the frequency adjuster 10 has a cylinder 16 in which a piston 17 is inserted in the upper and lower sides thereof, and is disposed along the upper and lower portions of the inner tube 212.
[0088]
In the thermoacoustic generator of FIG. 9 using the double tube 201 having the above-described configuration, the heating unit 203 provided in the double tube 201 is heated to a high temperature by the heating medium supplied to the heat medium tube, and the heat radiating unit 202 is the refrigerant. Heat that is cooled by the refrigerant supplied to the pipe and supplied by the heating unit 203 through the inside of the heat storage unit 204 is released in the heat dissipation unit 202, and thereby, the end of the heat storage unit 204 on the heating unit side and the heat dissipation unit side A large temperature difference is generated at the end, and a temperature gradient is generated in the wall portion of the fine passage in the heat storage unit 204.
[0089]
In this state, the frequency adjuster 10 is driven by the operation of the controller, the movable element 12 vibrates at a preset frequency (frequency of the electromotive force desired to be output from the generator 20), and the piston 17 reciprocates by the movable element 12. It moves and a vibration of a set frequency is given to the gas in the double pipe 201. As a result, the gas in the double pipe 201 is reciprocated in the axial direction of the pipe to generate a gas vibration, and the pressure vibration is transmitted into the heat storage unit 204, and the thermal energy of the heat storage unit 204 is changed to the gas pressure vibration. Converted and applied.
[0090]
That is, when the gas in the heat storage unit 204 moves from the low temperature side to the high temperature side of the heat storage unit 204 by the operation of the piston 17 of the frequency adjuster 10, the gas absorbs heat from the wall of the fine passage of the heat storage unit 204, and It expands while absorbing heat on the high temperature side of the heat storage unit 204. Next, heat is exhausted to the walls of the fine passages of the heat storage unit 204 while the gas moves to the low temperature side of the heat storage unit 204, and the gas contracts by throwing away heat at the low temperature side of the heat storage unit 204.
[0091]
Such expansion and contraction due to heat absorption and exhaust heat of the gas in the heat storage section 204 in the double pipe 201 are repeated by the vibration operation of the frequency adjuster 10, and thereby the frequency in the gas in the double pipe 201 is increased. A pressure vibration at the operating frequency of the regulator 10 is generated, and a traveling wave is generated in the double pipe 201 by the pressure vibration.
[0092]
When the traveling wave of the gas generated in the double pipe 201 reaches the piston 27 of the generator 20 as described above, the piston 27 reciprocates due to the traveling wave, the movable element 22 reciprocates, and the movable element 22 When the upper power generation coil 23 reciprocates with respect to the permanent magnet 25 on the stator 24 side, an electromotive force is generated in the power generation coil 23 to generate power. The AC power generated by the generator 20 has the same frequency as the reciprocating frequency of the mover 22, and AC power having the same frequency as the drive frequency of the frequency adjuster 10 is generated. In addition, the traveling wave output from the heat storage unit 204 is a traveling wave having larger energy because the thermal energy of the heating unit 203 is added to the traveling wave output from the frequency adjuster 10, and the traveling wave From the driven generator 20, electric power larger than the input electric power of the frequency regulator 10 is taken out.
[0093]
As described above, the frequency regulator 10 is connected to the double pipe 201, and the vibration of the frequency regulator 10 can generate a gas pressure vibration at an arbitrary frequency with respect to the gas in the pipe. For example, even when it is desired to generate power at a frequency of 50 to 100 Hz, the length of the tube is made long in order to resonate, or a long resonance tube is not connected. It is possible to generate power by generating pressure vibration with a frequency of 100 Hz and obtain electric power with that frequency. Further, the double pipe 201 has a small space, and the thermoacoustic generator can be made smaller than when a loop pipe is used.
[0094]
In addition, the generator 20 in the Example of FIG. 9 can be a counter-type generator 30 as in the example of FIG. 3, as shown in the second embodiment of FIG. Two generators 30 a and 30 b are arranged opposite to each other in a large pressure vessel 31 in the opposed generator 30, and the pressure vessel 31 of the opposed generator 30 is connected to the outer tube 211 of the double tube 201. Connected to the top. In the inner tube 212 of the double tube 201, the same frequency regulator 10 as described above is disposed. The basic operation as a thermoacoustic generator is the same as that in the embodiment of FIG. 9 described above. By adopting the opposed generator 30, the movers and pistons of the generators 30a and 30b move in the opposite direction. The vibration accompanying the movement acts so as to cancel each other, and the vibration accompanying the movement of the mover or the like can be suppressed.
FIG. 11 shows a third embodiment of the third invention. In this embodiment, a starter / generator 80 having a phase adjuster 90 is disposed on the upper portion of the outer tube 211 of the double tube 201 in the same manner as that shown in the example of FIG. The heat storage unit 204 as the pressure vibration generating means, the heat dissipating unit 202 arranged on both sides thereof, and the heating unit 203 are the same as those in the embodiment of FIG. 9 and the like, and also serve as a starter and a phase adjuster 90. The generator 80 is the same as that of the embodiment of FIG. 7, and the same components are denoted by the same reference numerals as those described above, and the description thereof is omitted.
[0095]
Similarly to the above, the starter / generator 80 acts as a starter motor when the thermoacoustic generator is started, reciprocates the piston to give pressure vibration to the gas at an arbitrary frequency, and the gas is generated in the double pipe 201. After the traveling wave is generated in the double tube 201, the function as a generator is switched, and the piston 87 reciprocates in response to the traveling wave, and the mover 82 reciprocates accordingly. By doing so, it is a structure that generates electricity.
[0096]
As described above, in the thermoacoustic generator in which the phase adjuster 90 and the starter / generator 80 are provided in the double pipe 201 as described above, the starter / generator 80 is first driven by the operation of the controller and set in advance. The mover 82 vibrates at a frequency (frequency of the generated electromotive force), and the piston 87 reciprocates by the mover 82, so that the vibration of the frequency set in the gas in the double tube 201 is applied. As a result, the gas in the double pipe 201 is reciprocated in the axial direction of the pipe to generate a gas vibration, the pressure vibration is transmitted into the heat storage unit 204, and the thermal energy of the heat storage unit 4 is changed to the gas pressure vibration. Converted and applied.
[0097]
When the gas in the heat storage unit 204 is moved from the low temperature side to the high temperature side of the heat storage unit 204 by the operation of the piston 87 of the starter / generator 80, the gas absorbs heat from the wall of the fine passage of the heat storage unit 204 and further stores the heat. The portion 204 expands while absorbing heat on the high temperature side. Next, heat is exhausted to the walls of the fine passages of the heat storage unit 204 while the gas moves to the low temperature side of the heat storage unit 204, and the gas is contracted by discarding heat on the low temperature side of the heat storage unit 4. Such expansion and contraction due to the heat absorption and exhaust heat of the gas in the heat storage section 204 in the double pipe 201 is repeated by the vibration operation of the starter / generator 80, thereby changing the gas in the double pipe 201 to the gas in the double pipe 201. A pressure vibration of the operating frequency is generated, and a traveling wave is generated in the double pipe 201 by the pressure vibration.
[0098]
This traveling wave becomes the maximum when the phase difference between the gas pressure and the gas displacement becomes 90 degrees, and the efficiency at which the heat energy in the heat storage unit 204 is converted into the pressure vibration of the gas is maximized. The phase adjuster 90 connected between the double pipe 201 and the pressure vessel 81 acts so that the phase difference between the pressure of the gas and the displacement of the gas becomes 90 degrees. Therefore, a traveling wave is generated in the gas in the double pipe 201 with the maximum efficiency, so that the self-excited vibration is generated in the double pipe 201, and the starter / generator 80 has a starter function. Even after stopping, the pressure oscillation of the gas continues. For this reason, the starter / generator 80 is switched to the generator side in a state where pressure oscillation due to self-excited oscillation occurs in the double pipe 201, and thereafter is operated as a generator, and AC power having a preset frequency is set. Is generated.
[0099]
The starter / generator 80 in the example of FIG. 11 can also be configured as an opposed starter / generator 100, as in the example of FIG. 8, as shown in the fourth embodiment of FIG. In the case of the opposed starter / generator 100, two starter / generators 102, 103 are arranged opposite to each other in a large pressure vessel 101, but provided on each starter / generator 102, 103 side. The phase adjusters 110 and 120 provided with the valve devices 111 and 121 similar to the above are arranged in the cylinder. The basic operation as a thermoacoustic generator is the same as that of the embodiment of FIGS. 7 and 8, and by adopting the opposed starter / generator 100, each mover of the starter / generators 102, 103 and The piston moves in a reciprocal direction and acts so that vibrations accompanying the movement cancel each other, and vibrations accompanying movement of the mover and the like can be suppressed.
FIG. 13 shows an embodiment of the thermoacoustic generator of the fourth invention. In this example, a loop pipe is formed so that a part of two loop pipes 301 and 302 are integrally connected as a common pipe 303, and each loop pipe 301 and 302 has a pressure vibration that causes a pressure vibration in a gas. As a generating means, the heat storage unit 4 is disposed between the heat dissipation unit 2 and the heating unit 3. In the common pipe 303, the frequency regulator 10 and the generator 20 are disposed as a common regulator and generator. The frequency adjuster 10, the generator 20, the heat storage unit 4, the heat radiating unit 2, and the heating unit 3 are the same as those in the embodiment of FIG. 1, and the same components are denoted by the same reference numerals as those described above. Is omitted.
[0100]
In FIG. 13, the pressure vessel 11 of the frequency regulator 10 is connected to the common pipe 303, and the regulator composed of a linear motor and a piston cylinder is disposed in the pressure vessel 11. The cylinders 16 on both sides are provided at locations where the pressure vessel 11 is connected to the common pipe 303, and the pistons 17 are fitted into the cylinders 16. Both ends of the mover 12 of the linear motor that moves linearly are connected to the ends of the pistons 17 in both cylinders 16, and the shaft of the mover 12 can be slid by a thrust bearing at the center of the yoke portion of the stator 14. The exciting coil 13 is wound around the outer peripheral portion of the shaft portion so as to face the permanent magnet 5 on the stator 14 side.
[0101]
A plurality of permanent magnets 15 are attached to the yoke portion of the stator 14 so as to face the exciting coil 13. Further, in order to satisfactorily reciprocate the mover 12 and the piston 17 of the frequency adjuster 10, a spring member 18 made of a coil spring or the like is mounted between the mover 12 and the fixed portion.
[0102]
Further, the generator 20 is disposed in the pressure vessel 21 connected to the common pipe 303. The generator 20 is a linear generator having a mover 22 that moves linearly, and a cylinder 26 and a piston 27 for driving the mover 22 of the generator 20 are disposed in the pressure vessel 21. The The inside of the pressure vessel 21 is maintained at the same average pressure as the common pipe 303. The cylinder 26 is provided in communication with the vicinity of the connection portion with the common pipe 303, and a piston 27 is fitted into the cylinder 26, and the tip of the shaft portion of the movable element 22 is connected to the end of the piston 27.
[0103]
The shaft portion of the mover 22 is slidably supported by a thrust bearing, and a power generation coil 23 is wound around the end of the shaft portion. Further, the mover 22 and the piston 27 are reciprocated according to traveling waves. A spring member 28 such as a coil spring, a leaf spring, or a spiral spring is mounted between the end of the mover 22 and the fixed portion. The spring constant of the spring member 28 is determined so that the mover 22 is displaced favorably by resonating with the traveling wave generated in the gas in the tube. On the other hand, on the stator 24 side of the generator 20, a plurality of permanent magnets 25 are attached to the yoke portion 24 a so as to face the generator coil 23, and an electromotive force is generated in the generator coil 23 by the reciprocating movement of the mover 23. It is a structure that generates electricity.
[0104]
The frequency adjuster 10 is supplied with an alternating current having a frequency set arbitrarily from the controller, and the movable element 12 and the piston 17 are reciprocated at the frequency of the alternating current, whereby the pressure in the gas in the common pipe 303 is increased. Vibration is generated, and a traveling wave generated by the pressure vibration is applied to each heat storage unit 4 through the loop tubes 301 and 302.
[0105]
At this time, when the gas in each heat storage unit 4 moves from the low temperature side of the heat storage unit 4 to the high temperature side by the traveling wave, the gas absorbs heat from the wall of the fine passage of the heat storage unit 4 and further the high temperature side of the heat storage unit 4 It expands while absorbing heat. Next, heat is exhausted to the walls of the fine passages of the heat storage unit 4 while the gas moves to the low temperature side of the heat storage unit 4, and the gas contracts by throwing away heat at the low temperature side of the heat storage unit 4.
[0106]
The expansion and contraction associated with the heat absorption and exhaust heat of the gas in each of the heat storage units 4 is repeated according to the vibration operation of the frequency adjuster 10, whereby the gas in the loop pipes 301 and 302 and the common pipe 303. The thermal energy of the heating unit 3 is added to the pressure vibration of the generator, and the pressure vibration at the operating frequency of the frequency adjuster 10 is generated more. A larger traveling wave generated by the pressure vibration acts on the piston 27 of the generator 20, The piston 27 is reciprocated, and the mover 22 of the generator 20 is similarly reciprocated to induce AC power having the same frequency as the frequency at which the mover 12 of the frequency regulator 10 vibrates in the generator coil 23. 20 is output.
[0107]
In the thermoacoustic generator configured as described above, two loop tubes are connected, but three or more loop tubes are connected to each other as a common tube, and the frequency adjuster is connected to the common tube. 10 and the generator 20 can also be arranged and used.
[0108]
In this way, the plurality of loop tubes 301 and 302 are connected to each other with some of the tubes common, and the frequency regulator 10 and the generator 20 are disposed in the common tube 303 serving as the common portion. Since the heat storage unit 4, the heat radiating unit 2, and the heating unit 3 as pressure vibration generating means are arranged in the loop tubes 301 and 302, the frequency regulator 10 and the generator 20 can be used as a common device, and thermoacoustic The generator can be reduced in size.
[0109]
【The invention's effect】
As described above, according to the thermoacoustic generator of the present invention, the heat storage unit sandwiched between the heat radiating unit and the heating unit is disposed in the loop tube filled with gas, and the gas is generated by the temperature gradient generated in the heat storage unit. A generator that generates pressure vibration in response to the traveling wave generated by the pressure vibration is provided in the loop tube, whereby efficient power generation using the thermoacoustic effect can be performed. In addition, since the pressure oscillation of the gas can be generated at an arbitrary frequency by the operation of the frequency adjuster provided in the loop tube, there is no need to make the loop tube long or connect a long resonance tube. The thermoacoustic generator can generate power with good power generation efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator showing a first embodiment of the first invention.
2 is a perspective view showing a schematic configuration of a heating unit 3. FIG.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a second embodiment of the first invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a third embodiment of the first invention.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a fourth embodiment of the first invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to the first embodiment of the second invention.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a second embodiment of the second invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a third embodiment of the second invention.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a first embodiment of the third invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a second embodiment of the third invention.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a third embodiment of the third invention.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a fourth embodiment of the third invention.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a thermoacoustic generator according to a first embodiment of the fourth invention.
FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the generation principle of gas self-oscillation by a thermoacoustic effect.
[Explanation of symbols]
1-loop tube
2-Heat dissipation part
3-heating unit
4-heat storage part
10-frequency adjuster
20-Generator

Claims

A heat storage part sandwiched between the heat radiating part and the heating part is arranged in the loop tube filled with gas, and the pressure gradient is generated in the gas by the temperature gradient generated in the heat storage part, and the traveling wave generated by the pressure vibration is A generator for generating electricity in response is a thermoacoustic generator provided in the loop pipe,
A thermoacoustic generator, wherein the loop tube is provided with a frequency adjuster for generating pressure vibration of the gas at an arbitrary frequency.

The thermoacoustic generator according to claim 1, wherein the frequency adjuster is configured by a reciprocating device having a mover for vibrating the gas in the loop tube at an arbitrary frequency.

2. The thermoacoustic generator according to claim 1, wherein the frequency adjuster is constituted by a device for vibrating the gas in the loop tube at an arbitrary frequency and a means for transmitting the reciprocating motion to the gas. .

The frequency adjuster includes a piston for vibrating the gas in the loop pipe at an arbitrary frequency, and a device for generating a resistance force proportional to speed and / or a device for generating a reaction force according to displacement. The thermoacoustic generator according to claim 1.

The thermoacoustic generator according to claim 1, wherein a counter-type generator in which two generators are arranged to face each other is provided as a generator that generates power in response to the traveling wave.

The generator is arranged in a pressure vessel connected in series to a part of the loop pipe, piston cylinders are arranged on both sides of the pressure vessel, and a mover of the generator is arranged on both sides of the piston cylinder. The thermoacoustic generator according to claim 1, wherein the thermoacoustic generator is connected to the piston.

A heat storage part sandwiched between the heat radiating part and the heating part is arranged in the loop tube filled with gas, and the pressure gradient is generated in the gas by the temperature gradient generated in the heat storage part, and the traveling wave generated by the pressure vibration is A generator for generating electricity in response is a thermoacoustic generator provided in the loop pipe,
The loop pipe is provided with a phase adjuster that adjusts the phase difference between the pressure fluctuation of the gas and the displacement of the gas to be approximately 90 degrees. A thermoacoustic generator characterized in that a starter / generator that operates as a generator is provided after pressure vibration is applied to the gas and self-excited vibration is generated.

8. The thermoacoustic generator according to claim 7 , wherein a tank filled with the gas is connected to the loop pipe through an orifice as the phase adjuster.

As the phase adjuster, a valve device is provided in a piston cylinder provided in a pressure vessel in which the starter / generator is disposed, and the valve device has the pressure around the top dead center and the bottom dead center of the piston. The thermoacoustic generator according to claim 7 , wherein the inside of the container and the inside of the loop pipe are configured to communicate with each other.

8. The thermoacoustic generator according to claim 7, wherein a counter-type starter / generator in which two starters / generators are arranged to face each other is provided as the starter / generator.

Between the outer tube and the inner tube of the double tube filled with gas, a heat storage unit sandwiched between the heat radiating unit and the heating unit is disposed, and the pressure gradient is generated in the gas by the temperature gradient generated in the heat storage unit, A generator for generating electricity in response to traveling waves generated by the pressure vibration is a thermoacoustic generator provided in the double pipe,
A thermoacoustic generator characterized in that the double pipe is provided with a frequency regulator for generating the pressure vibration of the gas at an arbitrary frequency.

The double tube is configured by coaxially arranging an inner tube having both ends opened inside an outer tube closed at both ends, and between the outer tube and the inner tube, the heat radiation unit, the heating unit, and The thermoacoustic generator according to claim 11 , wherein the heat storage section is arranged in a donut shape.

The thermoacoustic generator according to claim 11, wherein the frequency adjuster is disposed in an inner tube of the double tube, and the generator is disposed at an end of an outer tube of the double tube. .

The thermoacoustic generator according to claim 11 , wherein an opposing generator in which two generators are arranged to face each other is provided as the generator.

Between the outer tube and the inner tube of the double tube filled with gas, a heat storage unit sandwiched between the heat radiating unit and the heating unit is disposed, and the pressure gradient is generated in the gas by the temperature gradient generated in the heat storage unit, A generator for generating electricity in response to traveling waves generated by the pressure vibration is a thermoacoustic generator provided in the double pipe,
The double pipe is provided with a phase adjuster that adjusts the phase difference between the pressure fluctuation of the gas and the displacement of the gas to be approximately 90 degrees. A thermoacoustic generator characterized in that a starter / generator is provided that operates as a generator after pressure vibration is applied to the gas and self-excited vibration is generated.

The thermoacoustic generator according to claim 15, wherein the starter / generator is disposed at an end portion of an outer tube of the double tube.

As the phase adjuster, a valve device is provided in a piston cylinder provided in a pressure vessel in which the starter / generator is disposed, and the valve device has the pressure around the top dead center and the bottom dead center of the piston. The thermoacoustic generator according to claim 15 , wherein the inside of the container and the inside of the double pipe communicate with each other.

16. The thermoacoustic generator according to claim 15, wherein a counter-type starter / generator in which two starters / generators are arranged to face each other is provided as the starter / generator.

A heat storage part sandwiched between the heat radiating part and the heating part is arranged in the loop tube filled with gas, and the pressure gradient is generated in the gas by the temperature gradient generated in the heat storage part, and the traveling wave generated by the pressure vibration is A generator for generating electricity in response is a thermoacoustic generator provided in the loop pipe,
A plurality of loop pipes are connected to each other as a common pipe as a part of each loop pipe, the generator is provided in the common pipe, and the frequency adjustment for generating the pressure vibration of the gas at an arbitrary frequency A thermoacoustic generator, characterized in that a vessel is provided in the common pipe.