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公開番号2025009162
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2023111977
出願日2023-07-07
発明の名称熱音響デバイス
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 20060101AFI20250110BHJP(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】熱効率を高めることができる熱音響デバイスを提供する。
【解決手段】振動流を利用した熱音響デバイスであって、振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器の一端に設置される第1熱交換器、および蓄熱器の他端に設置される第2熱交換器を有する熱音響コアと、熱音響コアを保持する保持部材と、熱音響コアを収容する外殻部と、を備え、保持部材は、径方向から見て、第1熱交換器または第2熱交換器のうち常温との温度差が小さい一方の熱交換器と重なる位置、または径方向から見て、蓄熱器の一方の熱交換器側の領域と重なる位置において外殻部と接触する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
振動流を利用した熱音響デバイスであって、
前記振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器の一端に設置される第１熱交換器、および前記蓄熱器の他端に設置される第２熱交換器を有する熱音響コアと、
前記熱音響コアを保持する保持部材と、
前記熱音響コアを収容する外殻部と、
を備え、
前記保持部材は、径方向から見て、前記第１熱交換器または前記第２熱交換器のうち常温との温度差が小さい一方の熱交換器と重なる位置、または径方向から見て、前記蓄熱器の前記一方の熱交換器側の領域と重なる位置において前記外殻部と接触する、熱音響デバイス。
続きを表示（約 970 文字）【請求項２】
前記保持部材は、前記外殻部と前記熱音響コアとの間の流体の移動を封止する、請求項１に記載の熱音響デバイス。
【請求項３】
複数の前記熱音響コアおよび複数の前記保持部材を有し、複数の前記保持部材のそれぞれは、互いに異なる前記熱音響コアを保持する、請求項１に記載の熱音響デバイス。
【請求項４】
互いに隣接する複数の前記熱音響コアおよび複数の前記保持部材が１つの前記外殻部に収容され、
複数の前記保持部材のそれぞれは、互いに異なる前記熱音響コアを保持し、且つ、前記外殻部と接触する、請求項１に記載の熱音響デバイス。
【請求項５】
熱音響ユニットを備え、
複数の前記熱音響コアは、熱音響原動機および熱音響冷却機を含み、
前記熱音響ユニットは、軸方向に互いに隣接して配置される前記熱音響原動機および前記熱音響冷却機によって構成され、
前記熱音響ユニットにおいて、前記熱音響冷却機が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器と、前記熱音響原動機が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器とが互いに隣接して配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱音響デバイス。
【請求項６】
前記熱音響ユニットは、前記熱音響原動機と前記熱音響冷却機との間に配置された膜構造を有する膜部材を有する、請求項５に記載の熱音響デバイス。
【請求項７】
複数の前記熱音響ユニットを備える、請求項５に記載の熱音響デバイス。
【請求項８】
振動流を利用した熱音響デバイスであって、
熱エネルギーを振動流のエネルギーに変換する熱音響原動機、および振動流のエネルギーを熱エネルギーに変換する熱音響冷却機を有する熱音響ユニットを備え、
前記熱音響原動機および前記熱音響冷却機のそれぞれは、前記振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器の一端に設置される第１熱交換器、および前記蓄熱器の他端に設置される第２熱交換器を有し、
前記熱音響冷却機が有する熱交換器のうち冷却側となる熱交換器と、前記熱音響原動機が有する熱交換器のうち温度が常温に近い熱交換器が軸方向に隣接して配置される、熱音響デバイス。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響デバイスに関する。
続きを表示（約 2,300 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。廃熱の再利用には、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、およびスターリングサイクルを用いるスターリングエンジン等が知られている。これらの外燃機関は、熱源から動力を出力するように構成されている。
【０００３】
その他の外燃機関として、振動流のエネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する蓄熱器を備えた熱音響デバイスが知られている。熱音響デバイスは、振動流の圧縮および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入力される熱エネルギーから冷熱および電力等を出力できる。一般的な熱音響デバイスは、単数から無数の狭い流路等を有する多孔質体によって構成される蓄熱器および外部との吸放熱を行う一対の熱交換器によって構成される熱音響コアと、熱音響コアの上流側と下流側に接続され、作動気体が流れる管路とを備えている。蓄熱器に臨界条件を超える所定の温度差が発生すると、蓄熱器は振動流の発生および増幅を行うことができる。熱音響デバイスでは、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、高い熱効率を実現する可能性がある。そのため、熱音響デバイスは可動部品を持たず、廃熱の再利用が可能な高効率熱機関として注目されている。
【０００４】
熱音響デバイスにおいて生成された振動流を出力として取り出す方法として、熱音響現象を用いたヒートポンプ効果が挙げられる。蓄熱器内に音波等の振動流を入力して、蓄熱器内の流体を強制振動させると、蓄熱器の両端に温度差が発生する。この音波によるヒートポンプ効果を利用すると「冷凍」や「昇温」を行うことができる。
【０００５】
熱音響デバイスとして、例えば非特許文献１には、廃熱等の熱エネルギーから振動流を発生および増幅する熱音響原動機として構成された熱音響コア、および熱音響原動機において発生および増幅された振動流によって冷凍を行う熱音響冷却機として構成された熱音響コアを流路軸方向に沿って直列に配置した熱音響デバイスが開示されている。
【０００６】
また、熱音響デバイスでは、熱音響コアが動作するために必要な温度差を小さくすることによって、熱源として使用できる温度領域が広くなる。そのため、熱音響原動機および熱音響冷却機の低温動作化の研究開発が活発に行われている。また、熱音響原動機と熱音響冷却機を接続することによって、熱音響原動機で発生および増幅した振動流を熱音響冷却機に入力しヒートポンプ効果で冷却を行う、熱動作・熱音響冷却機を構成できる。例えば非特許文献２には、ループ内に１つの熱音響原動機と１つの熱音響冷却機を直列に配置した熱音響デバイスが開示されている。また、非特許文献３には、熱音響原動機と熱音響冷却機を均等に配置した熱音響デバイスが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
Jiaxin Chi, Yupeng Yang, Zhanghua Wu, Rui Yang, Ping Li, Jingyuan Xu, Limin Zhang, Jianying Hu, Ercang Luo,Numerical and experimental investigation on a novel heat-driven thermoacoustic refrigerator for room-temperature cooling, Applied Thermal Engineering, Volume 218, 2023, 119330, ISSN 1359-4311
T. Yazaki, et al., “A pistonless Stirling cooler”, Applied Physics Letters 81, pp. 157-159, (2002)
H. Wang, et al., “Study on a novel looped heat－driven thermoacoustic refrigerator with direct－coupling configuration for room temperature cooling”, International Journal of Refrigeration 123, pp.180－188, (2021)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１の熱音響デバイスでは、各熱音響コアは、各熱音響コアを収容する外殻部に直接固定されていた。よって、熱音響原動機の高温側の熱交換器から外殻部に流れる熱量を低減しづらいため、係る熱交換器に投入された熱量のうち蓄熱器に伝達される熱量を高めづらかった。
【０００９】
また、非特許文献３の熱音響デバイスでは、熱音響原動機の高温側の熱交換器と熱音響冷却機の常温側の常温熱交換器とが隣接して配置されるため、外殻部を介して、熱音響原動機の高温熱交換器から熱音響冷却機の常温熱交換器に伝わる熱量が多くなり易かった。そのため、熱音響冷却機の蓄熱器の温度が高くなり易かった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みて、熱効率を高めることができる熱音響デバイスを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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