特許 6495098 熱音響発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6495098

(24)【登録日】2019年3月15日

(45)【発行日】2019年4月3日

(54)【発明の名称】熱音響発電システム

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/00 20060101AFI20190325BHJP

   F01D 1/04 20060101ALI20190325BHJP

   F02C 1/10 20060101ALI20190325BHJP

   F02G 1/04 20060101ALI20190325BHJP

   F02C 6/00 20060101ALI20190325BHJP

【ＦＩ】

   F03G7/00 B

   F01D1/04

   F02C1/10

   F02G1/04

   F02C6/00 B

【請求項の数】2

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-103522(P2015-103522)

(22)【出願日】2015年5月21日

(65)【公開番号】特開2016-217265(P2016-217265A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2018年3月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】391006430

【氏名又は名称】中央精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115233

【弁理士】

【氏名又は名称】樋口 俊一

(72)【発明者】

【氏名】深谷 典之

【審査官】 西中村 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−２３４９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１２６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０５３７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０１５３９１２５（ＣＮ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０１５３９１２４（ＣＮ，Ａ）

【文献】 鈴木貴之，回転翼を用いた振動流の軸出力化，第１７回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集，日本，一般社団法人日本機械学会，２０１４年１２月 ５日，p.65-66

【文献】 長谷川 真也，細円管を対象としたTwo-sensor法の導出と音場測定，東海大学紀要工学部，日本，２０１１年 ３月３１日，Vol.50 No.2，p.155-160

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｇ ７／００

Ｆ０１Ｄ １／０４

Ｆ０２Ｃ １／１０

Ｆ０２Ｃ ６／００

Ｆ０２Ｇ １／０４

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｆ０３Ｂ １３／１２−２６

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

環状に構成された環状配管と、前記環状配管から分岐し前記環状配管からの分岐点に位置する一方端から他方端まで長尺状に延在し且つ前記環状配管に連通する分岐配管とによって構成され、前記環状配管及び前記分岐配管の双方に所定の作動気体が封入された配管構成部と、
前記配管構成部の前記環状配管の管内に組み込まれいずれも配管長手方向に延びる複数の流路を有する蓄熱器と、前記作動気体を自励振動させるために前記蓄熱器の前記複数の流路の両端部間に温度勾配が生じるように前記作動気体との間で熱交換を行う熱交換器と、を含む熱音響エンジンと、
前記配管構成部の前記分岐配管に設けられ前記熱音響エンジンにおける前記作動気体の自励振動によって生じた音響エネルギーを受けて回転するタービンと、
前記タービンの回転による運動エネルギーを電力に変換するための発電機と、
を備え、
前記タービンは、前記配管構成部の前記分岐配管の各領域のうち、前記一方端と前記他方端の中間位置である第１の位置と、前記第１の位置と前記他方端の中間位置である第２の位置との間の領域に属する所定位置に設けられている、熱音響発電システム。

【請求項2】

請求項１に記載の熱音響発電システムであって、
前記配管構成部の前記分岐配管は、前記他方端に前記作動気体の自励振動によって生じた音響エネルギーを管外に取り出すためのエネルギー取り出し部を備え、前記エネルギー取り出し部は、前記分岐配管の配管長手方向の圧力振動を受けて電気エネルギーを出力することが可能なスピーカー型発電機或いはリニア型発電機によって構成されている、熱音響発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、作動気体を自励振動させる熱音響エンジンを利用して発電を行う熱音響発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、各種の産業分野においてエネルギーの有効利用の推進が求められているが、例えば、工場等の設備や車両から排出されて棄却される排熱の比率は未だ高く、熱エネルギーを高い効率で回収する技術が望まれている。本発明者は、この技術について鋭意検討する中で、作動気体を自励振動させることができる熱音響エンジンを利用することに着目した。この熱音響エンジンを用いて発電を行うシステム（以下、「熱音響発電システム」ともいう）の一例が、下記特許文献１に開示されている。この熱音響発電システムで用いられている熱音響エンジンは、複数の流路によって構成された蓄熱器と、蓄熱器の一方の流路端部に設けられた加熱器と、蓄熱器の他方の流路端部に設けられた冷却器と、を備えている。この熱音響エンジンによれば、蓄熱器の流路の両端部間に温度勾配を生じさせることによって管内に封入した作動流体に自励振動を与えることで音響エネルギーを発生させることができる。更に、この熱音響発電システムは、環状配管から分岐した分岐配管にリニア型の発電機を備え、この発電機を熱音響エンジンで発生した音響エネルギーによって駆動して発電を行うように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０８１１９３号公報

【発明の概要】

【0004】

上記のように、熱音響エンジンで生じた作動気体の自励振動を利用して発電を行う際にリニア型の発電機を用いると、このリニア型の発電機自体が高価であるためコスト面で不利である。そこで、本発明者は、分岐配管にタービンを配置してこのタービンの作動時の運動エネルギーを利用して発電を行うタービン型の発電機を用いる技術について鋭意検討した。その検討の結果、タービンを単に分岐配管に設けるのみでは発電機を駆動できない場合があり、発電機を確実に駆動するためには分岐配管のどの位置にタービンを設置するかが極めて重要であることを見出すことに成功した。

【0005】

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、熱音響エンジンで生じた作動気体の自励振動を利用して発電を行う熱音響発電システムにおいて、タービン型の発電機を確実に駆動するのに有効な技術を提供することである。

【0006】

上記目的を達成するために、本発明に係る熱音響発電システム（１００）は、配管構成部（１０１）、熱音響エンジン（１１０）、タービン（１４０）及び発電機（１５０）を備える。配管構成部（１０１）は、環状に構成された環状配管（１０２）と、環状配管（１０２）から分岐し環状配管（１０２）からの分岐点に位置する一方端（１０３ａ）から他方端（１０３ｂ）まで長尺状に延在し且つ環状配管（１０２）に連通する分岐配管（１０３）と、を含み、環状配管（１０２）及び分岐配管（１０３）の双方に所定の作動気体が封入される。熱音響エンジン（１１０）は、配管構成部（１０１）の環状配管（１０２）の管内に組み込まれいずれも配管長手方向に延びる複数の流路（１１１ｃ）を有する蓄熱器（１１１）と、作動気体を自励振動させるために蓄熱器（１１１）の複数の流路（１１１ｃ）の両端部間に温度勾配が生じるように作動気体との間で熱交換を行う熱交換器（１１２，１１３）と、を含む。タービン（１４０）は、配管構成部（１０１）の分岐配管（１０３）に設けられ熱音響エンジン（１１０）における作動気体の自励振動によって生じた音波を受けて回転する。発電機（１５０）は、タービン（１４０）の回転による運動エネルギーを電力に変換する機能を果たす。タービン（１４０）は、配管構成部（１０１）の分岐配管（１０３）の各領域のうち、一方端（１０３ａ）と他方端（１０３ｂ）の中間位置である第１の位置（Ｐ３）と、第１の位置（Ｐ３）と他方端（１０３ｂ）の中間位置である第２の位置（Ｐ４）との間の領域に属する所定位置に設けられている。

【0007】

本構成の熱音響発電システムについて、本発明者の検討によれば、配管構成部の分岐配管のうち前記の領域は、作動気体の流速振幅（作動気体の配管長手方向についての単位時間あたりの変位）が相対的に大きい領域であるためタービンを連続的且つ確実に回転させるのに効果的であり、且つ熱音響エンジンの発振開始温度（作動気体の自励振動が実際に発生し始める温度）が相対的に低い領域であるためエネルギー効率が良い、という知見が得られた。従って、前記の領域に属する所定位置にタービンを設置することで、発電機を確実に駆動して発電を行うことができ、しかも発電についてのエネルギー効率の良い状態を実現できる。

【0008】

上記構成の熱音響発電システム（１００）では、配管構成部（１０１）の分岐配管（１０３）は、他方端（１０３ｂ）に作動気体の自励振動によって生じた音響エネルギーを管外に取り出すためのエネルギー取り出し部（１６０）を備え、エネルギー取り出し部（１６０）は、分岐配管（１０３）の配管長手方向の圧力振動を受けて電気エネルギーを出力することが可能なスピーカー型発電機或いはリニア型発電機によって構成されるのが好ましい。

【0009】

本構成の熱音響発電システムについて、本発明者の検討によれば、配管構成部の分岐配管の他方端は、分岐配管の各領域の中で作動気体の圧力振幅（圧力変動の大きさ、即ち圧力の最大値と最小値との間の変動幅）が最大となる位置であり、スピーカー型発電機やリニア型発電機の駆動に適した位置であるという知見が得られた。従って、分岐配管の他方端にスピーカー型発電機やリニア型発電機型の発電機を設けることによって、タービン型発電機によって回収しきれなかった音響エネルギーを電気エネルギーとして回収することが可能になる。

【0010】

尚、上記説明においては、発明の理解を助けるために、実施形態に対応する発明の構成に対して、実施形態で用いた符号を括弧書きで添えているが、発明の各構成要件は前記符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。

【発明の効果】

【0011】

以上のように、本発明によれば、熱音響エンジンで生じた作動気体の自励振動を利用して発電を行う熱音響発電システムにおいて、タービン型の発電機を確実に駆動することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明にかかる熱音響発電システムの概要を模式的に示す図である。

【図2】図２は、図１中の熱音響発電システムのうち熱音響エンジンの構造を模式的に示す図である。

【図3】図３は、図１中の熱音響発電システムのうちタービン発電機の部位の断面構造を示す図である。

【図4】図４は、タービン翼を断面方向から視た図である。

【図5】図５は、タービン翼の構造を模式的に示す図である。

【図6】図６は、分岐配管におけるタービン設置位置を模式的に示す図である。

【図7】図７は、分岐配管における圧力振幅及び流速振幅の計測結果を示すグラフである。

【図8】図８は、分岐配管における発振開始温度の計測結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、当該図面において、同一の符号を付して説明している同一の要素の各構成部位については、説明のための符号を必要に応じて省略している。

【0014】

図１に示されるように、熱音響発電システム１００は、金属製の配管からなる配管構成部１０１を備えている。この配管構成部１０１は、環状（ループ状）の配管部分である環状配管１０２と、環状配管１０２から分岐し且つその管内空間が環状配管１０２の管内空間と連通する分岐配管１０３と、によって構成されている。この配管構成部１０１が本発明の「配管構成部」に相当する。また、環状配管１０２及び分岐配管１０３がそれぞれ、本発明の「環状配管」及び「分岐配管」に相当する。尚、配管構成部１０１の環状配管１０２は環状であればよく、その側面視の形状として円形、楕円形、多角形等、種々の形状のものを採用することができる。

【0015】

分岐配管１０３は、環状配管１０２から分岐する分岐点を一方端１０３ａとし、この一方端１０３ａから他方端１０３ｂまで長尺状に延びる配管部分である。分岐配管１０３が他方端１０３ｂにてエネルギー取り出し部１６０によって封止されることによって、環状配管１０２及び分岐配管１０３の双方に所定の作動気体（本実施の形態ではヘリウム）が所定圧力下で封入されている。尚、作動気体としては、ヘリウムに代えて或いは加えて、窒素、アルゴン、ヘリウム及びアルゴンの混合気体、空気等を用いることができる。

【0016】

配管構成部１０１の環状配管１０２には、直列に接続された３つの熱音響エンジン（「原動機」ともいう）１１０が設けられている。これら３つの熱音響エンジン１１０によって、所謂「多段型の熱音響エンジン」が構成されている。各熱音響エンジン１１０は、環状配管１０２の管内に組み込まれた蓄熱器１１１と、蓄熱器１１１の高温部である一端部１１１ａに対向して配置された加熱器１１２と、蓄熱器１１１の常温部（或いは低温部）である他端部１１１ｂに対向して配置された冷却器１１３と、を備えている。ここでいう熱音響エンジン１１０が本発明の「熱音響エンジン」に相当する。尚、この熱音響エンジン１１０の設置数は、３つに限定されるものではなく、必要に応じてその他の設置数を選択することもできる。

【0017】

図２に示されるように、各蓄熱器１１１は、一端部１１１ａと他端部１１１ｂとの間でいずれも環状配管１０２の配管長手方向（配管の延在方向）に沿って互いに平行に延びる複数の流路１１１ｃを有する構造体として構成されている。この蓄熱器１１１において、一端部１１１ａと他端部１１１ｂとの間に所定の温度勾配が生じると、環状配管１０２内の作動気体が不安定になって自励振動することで、作動気体の進行方向と平行に振動する縦波による振動波（「音波」、「振動流」或いは「仕事流」ともいう）が形成され、この振動波が環状配管１０２の管内から分岐配管１０３の管内へと伝わる。この蓄熱器１１１として、典型的にはセラミック製のハニカム構造体や、ステンレス鋼によるメッシュ薄板の複数を微小ピッチで平行に積層した構造体、金属繊維からなる不織布状物などを用いることができる。この蓄熱器１１１が本発明の「蓄熱器」に相当する。

【0018】

各加熱器１１２は、加熱源１２０に接続されている。加熱源１２０は、温風、温水等の加熱媒体を各加熱器１１２に供給する機能を果たす。各加熱器１１２は、相対的に高温の加熱媒体が流れる通路１１２ａと、相対的に低温の作動気体が流れる通路（図示省略）と、を備え、加熱媒体と作動気体との間の熱交換によって加熱媒体から作動気体へと熱を移動させることができる加熱用の熱交換器として構成されている。このため、加熱源１２０から各加熱器１１２に供給された加熱媒体によって、各蓄熱器１１１の一端部１１１ａ周辺の作動気体が加熱される。

【0019】

各冷却器１１３は、冷却源１３０に接続されている。冷却源１３０は、冷風、冷水、大気等の冷却媒体を各冷却器１１３に供給する機能を果たす。各冷却器１１３は、相対的に低温の冷却媒体が流れる通路１１３ａと、相対的に高温の作動気体が流れる通路（図示省略）と、を備え、作動気体と冷却媒体との間の熱交換によって作動気体から冷却媒体へと熱を移動させることができる冷却用の熱交換器として構成されている。このため、冷却源１３０から各冷却器１１３に供給された冷却媒体によって、各蓄熱器１１１の他端部１１１ｂ周辺の作動気体が冷却される。

【0020】

上記の加熱器１１２による加熱作用と上記の冷却器１１３による冷却作用との協働によって、各蓄熱器１１１において一端部１１１ａと他端部１１１ｂとの間に所定の温度勾配が生じる。上記の加熱器１１２及び冷却器１１３は、配管構成部１０１に封入された作動気体を自励振動させるために各蓄熱器１１１の複数の流路１１１ｃの両端部間に温度勾配が生じるように作動気体との間で熱交換を行う熱交換器となる。これら加熱器１１２及び冷却器１１３によって本発明の「熱交換器」が構成される。

【0021】

図１に戻り、分岐配管１０３は、環状配管１０２とタービン１４０との間に直線状に延在する第１配管部１０４と、タービン１４０を挟んで環状配管１０２とは反対側に直線状に延在する第２配管部１０５と、第１配管部１０４と第２配管部１０５を連結するようにクランク状に屈曲したクランク配管部１０６と、を備えている。

【0022】

詳細については後述するが、タービン１４０は、分岐配管１０３の管内に連通するように構成され、分岐配管１０３の管内を流れる作動気体の振動波による音響エネルギー（「振動エネルギー」ともいう）を機械的な回転エネルギーに変換する機能を果たす。要するに、このタービン１４０は、分岐配管１０３に設けられ熱音響エンジン１１０における作動気体の自励振動によって生じた音響エネルギーを受けて回転する。タービン１４０には、このタービン１４０の回転による運動エネルギー（回転エネルギー）を電力に変換するための発電機１５０が接続されている。ここでいうタービン１４０及び発電機１５０がそれぞれ、本発明の「タービン」及び「発電機」に相当する。これらタービン１４０及び発電機１５０は、タービンで駆動されて発電を行うタービン型の発電機を構成している。

【0023】

分岐配管１０３の他方端１０３ｂ、即ち第２配管１０５の両側の管端部のうちタービン１４０とは反対側の管端部には、作動気体の音響エネルギーを分岐配管１０３から管外に取り出すためのエネルギー取り出し部１６０が設けられている。このエネルギー取り出し部１６０が本発明の「エネルギー取り出し部」に相当する。本実施の形態では、このエネルギー取り出し部１６０として、分岐配管１０３の配管長手方向の圧力振動を受けて電気エネルギー（電力）を出力することが可能なスピーカー型発電機が用いられている。このスピーカー型発電機は、電気エネルギーを空気等の振動に変換する通常のスピーカーの逆現象を使用したものであり、作動気体の振動流を受けることによって電気エネルギーを出力するように構成されている。

【0024】

図３に示されるように、タービン発電機を構成するタービン１４０は、タービンハウジング１４１、タービン回転軸１４４及びタービン翼１４５を備えている。タービンハウジング１４１は、タービン回転軸１４４の一部とタービン翼１４５を収容するとともに、分岐配管１０３の一部を構成する部位であり、分岐配管１０３のうち第２配管１０５及びクランク配管部１０６の双方に連通している。タービン回転軸１４４は、軸受１４２，１４３を介して軸回転可能に支持された円柱状の部材として構成されている。このタービン回転軸１４４は、タービンハウジング１４１の内部、即ち分岐配管１０３の管内に位置する一端部１４４ａから、クランク配管部１０６の管壁を貫通して分岐配管１０３の管内から管外へと他端部１４４ｂまで配管長手方向に長尺状に延在している。このタービン回転軸１４４は、タービン翼１４５に連結されており、このタービン翼１４５の回転中心となる。

【0025】

タービン翼１４５は、分岐配管１０３（クランク配管部１０６）の管内に設けられ、熱音響エンジン１１０における作動気体の自励振動によって生じた音響エネルギーを受け、その衝動力の作用によって回転する。このタービン翼１４５は、タービン回転軸１４４に固定された円環状の動翼部１４６と、動翼部１４６を挟んでその両側に配置された円環状の固定翼部１４７と、各固定翼部１４７を挟んで動翼部１４６とは反対側に設けられたコーン部１４８と、を備えている。このタービン翼１４５は、タービン回転軸１４４と一体回転する動翼部１４６を備えた回転羽根として構成される。このため、タービン翼１４５を有するタービン１４０は、「衝動タービン」とも称呼される。

【0026】

固定翼部１４７は、動翼部１４６が回転しても回転しない。図４に示されるように、この固定翼部１４７では、径方向に延びるブレード１４７ａが周方向に一定間隔で複数配置されており、これら複数のブレード１４７ａ間に作動気体が流通可能な流通空間が形成されている。

【0027】

図３及び図４が参照されるように、コーン部１４８は、対応する固定翼部１４７から遠ざかるにつれて外径が徐々に小さくなるような円錐形状であり、その外表面はタービン回転軸１４４の軸線に対して傾斜した傾斜面１４８ａを構成している。コーン部１４８の傾斜面１４８ａは、固定翼部１４７に向けて作動気体の振動波を円滑に導入する機能を果たす。このコーン部１４８によれば、作動気体の振動波を所定の進入角度θ（コーン部１４８の外表面に沿って傾斜した傾斜面１４８ａとタービン回転軸１４４の軸線とのなす鋭角）で固定翼部１４７へと導入することができる。

【0028】

上記構成のタービン翼１４５は、所謂「双方向タービン翼」であり、図５に示されるように、作動気体が矢印Ｄ１で示される第１方向に流れる場合と矢印Ｄ２で示される第２方向（第１方向の逆方向）に流れる場合のいずれの場合であっても、固定翼部１４７の流通空間を経て動翼部１４６へと流れて動翼部１４６が所定の一方向に回転するように構成されている。

【0029】

図３に戻り、タービン発電機を構成する発電機１５０は、配管構成部１０１の前記分岐配管１０３の管外に設けられ、タービン１４０のタービン回転軸１４４に連結されてタービン翼１４５の回転エネルギーを電力に変換する機能を果たす。この発電機１５０は、発電機ハウジング１５１を備えている。この発電機ハウジング１５１は、クランク配管１０６に溶接接合された第１ハウジング部１５２と、第１ハウジング部１５２にボルト部材１５４を介して取り付けられた第２ハウジング部１５３と、を備えている。

【0030】

この発電機ハウジング１５１では、第１ハウジング部１５２に第２ハウジング部１５３が取り付けられることによって、発電機１５０の構成要素である電気モータ１５６を気密状態で収容するための収容空間１５１ａが形成される。第１ハウジング部１５２には、収容空間１５１ａを分岐配管１０３のクランク配管部１０６の管内に連通させるための連通穴１５２ａが設けられている。

【0031】

タービン１４０では、タービン回転軸１４４のうち分岐配管１０３の管外に位置する部位は、発電機ハウジング１５１の連通穴１５２ａを通じて収容空間１５１ａに導入されて、カップリング部１５５によって他端部１４４ｂが電気モータ１５４のモータ軸１５４ａに連結されている。即ち、タービン１４０のタービン翼１４５がタービン回転軸１４４を介して発電機１５０に連結されている。この発電機１５０によれば、タービン１４０の機械的な回転運動によってタービン回転軸１４４が軸回転した場合、このタービン回転軸１４４の回転運動によってモータ軸１５４ａが回転することで電気モータ１５４が電気を発生する。この場合、電気モータ１５４が実質的な発電機としての機能を果たす。

【0032】

また、タービン１４０のタービン回転軸１４４は、その一部が分岐配管１０３の管内から管外へと延出しているものの、その延出部分が発電機ハウジング１５１の収容空間１５１ａに密閉状態で収容されている。その結果、タービン回転軸１４４の全体は、分岐配管１０３の管内から発電機ハウジング１５１の収容空間１５１ａにわたる密閉領域に置かれる。従って、タービン回転軸１４４に対して専用の軸シール構造を設ける必要がなく、タービン回転軸１４４に関する構造を簡素化することができる。

【0033】

上記のカップリング部１５５では、タービン回転軸１４４の他端部１４４ｂと電気モータ１５６のモータ軸１５６ａとの連結を解除することによって、必要に応じて発電機１５０をタービン１４０から容易に切り離すことができる。このように、本実施の形態のタービン１４０では、タービン回転軸１４４を分岐配管１０３の管内から管外へと延出させることによって、発電機１５０を分岐配管１０３の管外に配置した状態でタービン回転軸１４４の他端部１４４ｂに連結することが可能になる。この場合、タービン１４０からの発電機１５０の切り離しが容易になる結果、発電機１５０のメンテナンス性が向上する。また、上記のカップリング部１５５によれば、タービン回転軸１４４の他端部１４４ｂを、電気モータ１５４とは別のモータのモータ軸に付け替えて連結することで、タービン１４０の能力等に応じて、タービン１４０に連結される電気モータ（発電機）を最適なものに交換することができる。これにより、タービン発電機における発電能力の変更を容易に行うことが可能になる。

【0034】

次に、上記構成の熱音響発電システム１００の動作を前述の内容に基づいて説明する。

【0035】

図１に示されるように、各熱音響エンジン１１０において、蓄熱器１１１の一端部１１１ａが加熱器１１２によって加熱され、且つ蓄熱器１１１の他端部１１１ｂが冷却器１１３によって冷却されると、蓄熱器１１１のうち高温側領域である一端部１１１ａと低温側領域である他端部１１１ｂとの間に温度差が生じる。この温度差によって、各蓄熱器１１１では主として作動気体の自励振動による振動波が形成される。この振動波（音波）による音響エネルギーＥ（振動エネルギー）は、配管構成部１０１の環状配管１０２から分岐配管１０３を通じてタービン１４０に伝達され、更にはエネルギー取り出し部１６０に伝達される。この場合、分岐配管１０３は、熱音響エンジン１１０において発生した作動気体の音響エネルギーＥを導くための共鳴管（導波管）として構成される。音響エネルギーＥの一部は、エネルギー取り出し手段であるタービン１４０によって取り出され当該タービン１４０に接続された発電機１５０によって電気エネルギー（電力）に変換され、またエネルギー取り出し部１６０のスピーカー型発電機によって取り出されて電気エネルギー（電力）に変換される。

【0036】

ところで、上記構成の熱音響発電システム１００では、タービン１４０を単に分岐配管１０３に設けるのみでは発電機１５０を駆動できない場合があり、発電機１５０を確実に駆動するためにはタービン１４０を分岐配管１０３のどの位置に設置するかが極めて重要である。そこで、本発明者は、分岐配管１０３におけるタービン１４０の設置位置について鋭意検討の結果、発電機１５０を確実に駆動するのに有効なタービン設置位置（具体的には、タービン１４０のうち音響エネルギーを受けて動くタービン翼１４５の好適な設置位置）についての知見を得た。以下に、本発明者がこの知見を得るために実施した計測方法及びその計測結果を図６〜図８を参照しつつ説明する。

【0037】

図６に示されるように、配管長（一端端１０３ａと他方端１０３ｂとの間の距離）がＬである分岐配管１０３の各領域のうち図面下方に示されるような５つの位置Ｐ１〜Ｐ５に、タービン１４０の好適な設置位置を定めるための計測を行う計測点を設定した。尚、この図６では、図１中の分岐配管１０３が直線状に伸ばされた状態を模式的に示している。位置Ｐ１は、分岐配管１０３の各部位のうち環状配管１０２側の一方端１０３ａに相当する位置である。位置Ｐ２は、分岐配管１０３の各部位のうち一方端１０３ａから配管長Ｌの４分の１の長さ（（１／４）Ｌ）分だけ他方端１０３ｂ側へ移動した位置である。位置Ｐ３は、分岐配管１０３の各部位のうち一方端１０３ａから配管長Ｌの４分の２の長さ（（２／４）Ｌ）分だけ他方端１０３ｂ側へ移動した位置である。位置Ｐ４は、分岐配管１０３の各部位のうち一方端１０３ａから配管長Ｌの４分の３の長さ（（３／４）Ｌ）分だけ他方端１０３ｂ側へ移動した位置である。位置Ｐ５は、分岐配管１０３の各部位のうち一方端１０３ａから配管長Ｌの４分の４の長さ（（４／４）Ｌ）分だけ他方端１０３ｂ側へ移動した位置、即ち他方端１０３ｂに相当する位置である。

【0038】

第１の計測では、分岐配管１０３にタービン１４０が設置されていない設置前の状態で、この分岐配管１０３の５つの位置Ｐ１〜Ｐ５のそれぞれの圧力振幅及び流速振幅を２センサ法（２箇所での圧力計測を用いる方法）によって計測した。ここでいう「圧力振幅」とは、作動気体の自励振動による振動波が分岐配管１０３の管内に形成されているときのある地点における圧力変動の大きさ（圧力の最大値と最小値との間の変動幅）として示される。また、ここでいう「流速振幅」とは、分岐配管１０３の管内における作動気体の配管長手方向についての単位時間あたりの変位として示される。
ある

【0039】

更に、第２の計測では、分岐配管１０３の５つの位置Ｐ１〜Ｐ５のそれぞれに実際にタービン１４０を設置した状態での熱音響エンジン１１０の発振開始温度を温度センサによって計測した。ここでいう「発振開始温度」とは、熱音響エンジン１１０において作動気体の自励振動が実際に発生し始める温度（作動気体の自励振動が発生する温度の最低値）として示される。

【0040】

図７に示されるように、第１の計測によれば、圧力振幅は位置Ｐ１及び位置Ｐ５において最も大きくなり、位置Ｐ３において最も小さくなる一方で、流速振幅は位置Ｐ１及び位置Ｐ５において最も小さくなり、位置Ｐ３において最も大きくなるという計測結果（以下、「第１の計測結果」ともいう）が得られた。また、配管長Ｌの絶対値が変化した場合でも本計測結果と同様の傾向、即ち位置Ｐ３において圧力振幅が最も小さく且つ流速振幅が最も大きくなることが確認された。

【0041】

また、図８に示されるように、第２の計測によれば、熱音響エンジン１１０の発振開始温度は、位置Ｐ１が２７０℃で最も高く、次いで位置Ｐ２が２００℃、位置Ｐ５が１９０℃となり、位置Ｐ３及び位置Ｐ４がいずれも１２０℃で最も低いという計測結果（以下、「第２の計測結果」ともいう）が得られた。また、配管長Ｌの絶対値が変化した場合でも本計測結果と同様の傾向、即ち位置Ｐ３及び位置Ｐ４における発振開始温度が最も低くなることが確認された。

【0042】

上記の第１の計測結果及び第２の計測結果に基づいた場合、本発明者は、位置Ｐ３から位置Ｐ４までの領域に属する位置がタービン１４０の好適な設置位置であると判定した。この判定の根拠について具体的に説明すると、タービン１４０のタービン翼１４５を連続的且つ確実に回転させるには、流速振幅が相対的に大きい領域（位置Ｐ２から位置Ｐ４までの領域）が好ましく、その中でも流速振幅が最も大きい位置Ｐ３が最も有利である。一方で、エネルギー効率の良い条件で熱音響エンジン１１０を作動させるには、発振開始温度が最も低くなる領域（位置Ｐ３から位置Ｐ４までの領域）が有利である。ここで、位置Ｐ３は、分岐配管１０３の各領域のうち一方端１０３ａと他方端１０３ｂの中間位置（一方端１０３ａから配管長Ｌの半分の長さ分だけ他方端１０３ｂ側へ移動した位置）であり、本発明の「第１の位置」に相当する。また、位置Ｐ４は、分岐配管１０３の各領域のうち位置Ｐ３と他方端１０３ｂ（位置Ｐ５）の中間位置（位置Ｐ３から配管長Ｌの４分の１の長さ分だけ他方端１０３ｂ側へ移動した位置）であり、本発明の「第２の位置」に相当する。

【0043】

従って、タービン型の発電機を用いて発電を行う場合には、第１の計測結果及び第２の計測結果の双方を満足する領域である位置Ｐ３から位置Ｐ４までの領域に属する複数の位置の中から所定位置を定めて、この所定位置にタービン１４０を設置するのが好ましいと判定することができる。この判定結果に基づいてタービン１４０を設置することによって、発電機１５０を確実に駆動して発電を行うことができ、しかも発電についてのエネルギー効率の良い状態を実現できる。このようなアプローチは、分岐配管１０３におけるタービン１４０のタービン設置位置を定めることによって設計支援を行う、熱音響発電システムの設計支援方法として有効である。

【0044】

更に、第１の計測結果に基づいた場合、エネルギー取り出し部１６０を設置した分岐配管１０３の他方端１０３ｂ（位置Ｐ５）は、分岐配管１０３の各領域の中で作動気体の圧力振幅が最大となる位置であり、このエネルギー取り出し部１６０として配管長手方向の圧力振動を受けて作動するスピーカー型発電機を用いるのが有利である。これにより、タービン型の発電機１５０によって回収しきれなかった音響エネルギーＥを電気エネルギーとして回収することが可能になる。尚、エネルギー取り出し部１６０として、スピーカー型発電機に代えて公知のリニア型発電機を用いることもできる。リニア型発電機を用いる場合も、スピーカー型発電機を用いる場合と同様に分岐配管１０３の配管長手方向の圧力振動を受けて電気エネルギーを出力することが可能になる。

【0045】

本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。

【0046】

上記の実施形態の熱音響エンジン１１０では、蓄熱器１１１の一端部１１１ａと他端部１１１ｂとの間に所定の温度勾配を生じさせるために蓄熱器１１１に対して２つの熱交換器（加熱器１１２及び冷却器１１３）を設ける場合について記載したが、本発明では上記の温度勾配を達成することができれば、加熱器１１２及び冷却器１１３のいずれか一方の熱交換器を省略することもできる。

【0047】

上記の実施形態では、分岐配管１０３の管外に発電機１５０が設置される場合について記載したが、本発明では、必要に応じて分岐配管１０３の管内に発電機１５０をタービン１４０とともに設置した構造を採用することもできる。

【0048】

上記の実施形態では、分岐配管１０３の他方端１０３ｂにエネルギー取り出し部１６０を設置する場合について記載したが、本発明では、このエネルギー取り出し部１６０に代えて、作動気体の振動吸収が可能な振動吸収材（スポンジ、ウレタン等）を設置してもよい。

【0049】

上記の実施形態や種々の変更例の記載に基づいた場合、本発明では以下の態様（アスペクト）を採り得る。

【0050】

本発明では、
「環状に構成された環状配管と、前記環状配管から分岐し前記環状配管からの分岐点に位置する一方端から他方端まで長尺状に延在し且つ前記環状配管に連通する分岐配管とによって構成され、前記環状配管及び前記分岐配管の双方に所定の作動気体が封入された配管構成部と、
前記配管構成部の前記環状配管の管内に組み込まれいずれも配管長手方向に延びる複数の流路を有する蓄熱器と、前記作動気体を自励振動させるために前記蓄熱器の前記複数の流路の両端部間に温度勾配が生じるように前記作動気体との間で熱交換を行う熱交換器と、を含む熱音響エンジンと、
前記配管構成部の前記分岐配管に設けられ前記熱音響エンジンにおける前記作動気体の自励振動によって生じた音響エネルギーを受けて回転するタービンと、
前記タービンの回転による運動エネルギーを電力に変換するための発電機と、
を備える熱音響発電システムにおいて、
前記配管構成部の前記分岐配管における前記タービンのタービン設置位置を定めることによって設計支援を行う、熱音響発電システムの設計支援方法であって、
前記タービンの設置前の状態で、前記分岐配管の管内における作動気体の配管長手方向についての単位時間あたりの変位である流速振幅を計測し、前記分岐配管の各領域のうち計測した流速振幅が相対的に大きい領域を前記タービン設置位置として定める、熱音響発電システムの設計支援方法。」
という態様を採り得る。

【符号の説明】

【0051】

１００…熱音響発電システム、１０１…配管構成部、１０２…環状配管、１０３…分岐配管、１０３ａ…一方端、１０３ｂ…他方端、１１０…熱音響エンジン、１１１…蓄熱器、１１２…加熱器、１１３…冷却器、１２０…加熱源、１３０…冷却源、１４０…タービン、１４１…タービンハウジング、１４４…タービン回転軸、１４５…タービン翼、１４６…動翼部、１４７…固定翼部、１４８…コーン部（導入部）、１５０…発電機、１５１…発電機ハウジング、１５６…電気モータ、１６０…エネルギー取り出し部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】