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公開番号2024109675
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-14
出願番号2024078239,2020032321
出願日2024-05-13,2020-02-27
発明の名称熱音響システム及び熱音響システムの制御方法
出願人学校法人東海大学
代理人個人,個人,個人,個人
主分類F25B 9/00 20060101AFI20240806BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】簡便な構成により熱源に温度変動が生じても所望の出力を得ることができる熱音響システム及び熱音響システムの制御方法を提供する。
【解決手段】管路長が固定された管路内を進行する振動流を利用した熱音響システムであって、熱量の供給により管路に仕事流を発生・増幅させる少なくとも1つ以上の原動用の熱音響デバイスと、熱音響デバイスにより発生・増幅した仕事流を入力し、出力を取り出す出力部と、管路に接続され振動流の仕事流と音場のうち少なくとも1つを調整する調整部と、熱音響デバイスにおけるパラメータの変化を検出する第1検出部と、制御部と、出力部の出力値を検出する第2検出部と、を備え、調整部は、管路内に振動流を与える駆動部を有し、制御部は、第1検出部の第1出力値と第2検出部の第2出力値とに基づいて、調整部を制御して出力部の出力を設定値となるように調整する、熱音響システムである。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
管路長が固定された管路内を進行する振動流を利用した熱音響システムであって、
熱量の供給により前記管路に仕事流を発生・増幅させる少なくとも１つ以上の原動用の熱音響デバイスと、
前記熱音響デバイスにより発生・増幅した前記仕事流を入力し、出力を取り出す出力部と、
前記管路に接続され前記振動流の仕事流と音場のうち少なくとも１つを調整する調整部と、
前記熱音響デバイスにおけるパラメータの変化を検出する第１検出部と、
制御部と、
前記出力部の出力値を検出する第２検出部と、を備え、
前記調整部は、前記管路内に前記振動流を与える駆動部を有し、
前記制御部は、前記第１検出部の第１出力値と前記第２検出部の第２出力値とに基づいて、前記調整部を制御して前記出力部の前記出力を設定値となるように調整する、
熱音響システム。
続きを表示（約 990 文字）【請求項２】
前記第１検出部は、原動用の原動機の温度、冷却機の温度、前記原動機から出力される仕事流、前記管路に励起している周波数、前記管路における位相、前記管路におけるインピーダンス、前記管路における振動振幅、前記管路における圧力振幅、前記管路における流速振幅の各パラメータのうち、少なくとも１つを検出する、請求項１に記載の熱音響システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１出力値が基準以上である場合、前記調整部を制御して前記出力部からの前記出力を減少させる、
請求項１または２に記載の熱音響システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記第１出力値が基準未満である場合、前記調整部を制御して前記出力部からの前記出力を増加させる、
請求項１または２に記載の熱音響システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記第１検出部で検出した前記パラメータのうち音場が基準に比して差異を有する場合、前記調整部を制御して前記音場を前記基準となるように調整する、請求項１または２に記載の熱音響システム。
【請求項６】
前記調整部は、リニアモータである、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
【請求項７】
前記調整部は、リニアモータを備え、
前記制御部は、
前記リニアモータの振動振幅を減少させ、前記仕事流を減少させ、
前記リニアモータの振動振幅を増加させ、前記仕事流を増加させる、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
【請求項８】
前記出力部は、他の熱音響デバイスを備え、前記仕事流に基づいて冷熱を出力するように構成されている、
請求項１から７のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
【請求項９】
前記出力部は、パルス管冷凍機を備え、前記仕事流に基づいて冷熱を出力するように構成されている、
請求項１から７のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
【請求項１０】
前記出力部は、発電機を備え、前記仕事流に基づいて発電するように構成されている、請求項１から７のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響システム及び熱音響システムの制御方法に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
工場や車などの廃熱を再利用する技術が研究されている。廃熱の回生には、外燃機関を利用することが考えられる。外燃機関は、例えば、ランキンサイクルを用いる蒸気タービンや、スターリングサイクルを用いるスターリングエンジンが知られている。これらの外燃機関は、熱源から動力を取り出すように構成されている。
【０００３】
その他の外燃機関として、振動流を用いて仕事流と熱流のエネルギー変換を行う蓄熱器を備えた熱音響エンジンが知られている。ここでは、振動流型外燃機関のひとつとして、熱音響エンジンを例にして説明する。熱音響エンジンは、振動流の圧縮膨張がピストンの役割を担うことにより、可動部品を持たずに熱量を利用することができる。熱音響エンジンの構造は、単数から無数の狭い流路等を備える多孔質体（蓄熱器）と、外部との吸放熱を行う一対の吸放熱部を有する熱交換器と、熱交換器の上流側と下流側に接続された作動気体が流れる管路とを備えている。この蓄熱器に臨界条件を超える所定の温度勾配（温度差）を流路軸方向に沿って与えると、仕事流の発生・増幅が行われる。
【０００４】
熱音響エンジンでは、蓄熱器内部において熱と仕事のエネルギー変換が行われており、熱量から仕事を音波の有する音響パワー（仕事流）として取り出すことができる。特に、進行波音波を用いる進行波型熱音響エンジンでは、熱力学的なサイクルがスターリングサイクルに類似したエネルギー変換が行われるので、熱効率を高められる可能性がある。そのため、進行波型熱音響エンジンは可動部品を持たない、廃熱回生が可能な熱機関として注目されている。
【０００５】
熱音響エンジンで生成した仕事流を出力として取り出す方法として、リニアモータなどの発電機を用いて発電し、入力された仕事流を電気的出力に変換することが考えられる。非特許文献１には、熱音響エンジンを利用して「発電」を行う熱音響発電機が記載されている。
【０００６】
その他の方法として、蓄熱器内の流体を音波入力などによって強制振動させるとヒートポンプ効果により流線方向に沿って蓄熱器の両端に温度差が生じるので、常温（雰囲気温度）より高温又は低温の熱を取り出すことができる。このように蓄熱器には、仕事流をエネルギー源とするヒートポンプ効果を有し、「冷却」や「昇温」に利用できる。
例えば、非特許文献２には、熱音響エンジンで発生・増幅した仕事流によって「冷却」を行う熱音響冷却機が記載されている。
【０００７】
これらの熱音響冷却機や熱音響発電機は熱音響デバイスと呼ばれる。熱音響デバイスの「原動機」として用いられる熱音響エンジンは外燃機関であることから、廃熱回生デバイスとして現在研究開発が進められている。なお、以下、常温熱交換機、蓄熱器、高温熱交換器で構成されるものを「原動機」、常温熱交換機、蓄熱器、低温熱交換器で構成されるものを「冷却機」とする。廃熱の利用可能温度域を広げるために熱音響デバイスは、原動機において小さい温度勾配で動作されることが望ましい。
【０００８】
熱音響エンジンを小さい温度差で動作させるために原動機を多段化する方法が知られている。Hasegawaらは、３つの原動機で動作する熱音響冷却機の開発を行い、各原動機温度が２７０℃の時に冷却機温度が－１０７．４℃での動作を報告した（非特許文献３）。
【０００９】
上述した熱音響デバイスは廃熱回生デバイスとして研究開発が進められているが、現状での原動機は、２００℃以上の入熱温度帯で動作するものが多い。一方で、ＮＥＤＯの調査によると未利用の排ガスの温度域は２００℃以下が多く、また未利用廃熱のニーズも２００℃以下が多いという報告が上がっている（非特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
特開２０１７－１８４４５７号公報
【非特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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