特開 2024-89753 熱音響システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024089753

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】熱音響システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240627BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022205138

(22)【出願日】2022-12-22

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】飯盛 遊

(72)【発明者】

【氏名】服部 健二

(72)【発明者】

【氏名】槇本 哲也

(57)【要約】

【課題】エネルギ効率を向上させることができる熱音響システムを提供すること。
【解決手段】複数の熱音響ユニット２、２ａ、２ｂ、２ｃと、熱音響ユニットに熱を供給する熱供給部３と、複数の熱音響ユニットによる第３エネルギを取り出すエネルギ取出部４と、を有する熱音響システム１。熱音響ユニットのそれぞれは、作動流体が配された流体配管２１と、流体配管に接続され、熱音響現象を利用して作動流体の熱エネルギを音エネルギに変換する熱音変換器２２と、流体配管に接続され、音エネルギを、音エネルギとは異なる第３エネルギに変換するエネルギ変換器２３と、を備える。熱供給部は、複数の熱音響ユニットの間において、熱音変換器の温度比に差が生じるように、複数の熱音響ユニットの少なくとも一つに熱を供給することができるよう構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の熱音響ユニット（２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）と、
上記熱音響ユニットに熱を供給する熱供給部（３）と、
上記複数の熱音響ユニットによる第３エネルギを取り出すエネルギ取出部（４）と、を有する熱音響システム（１）であって、
上記熱音響ユニットのそれぞれは、作動流体が配された流体配管（２１）と、
該流体配管に接続され、熱音響現象を利用して上記作動流体の熱エネルギを音エネルギに変換する熱音変換器（２２）と、
上記流体配管に接続され、音エネルギを、音エネルギとは異なる上記第３エネルギに変換するエネルギ変換器（２３、２３０）と、を備え、
上記熱供給部は、上記複数の熱音響ユニットの間において、上記熱音変換器の温度比に差が生じるように、上記複数の熱音響ユニットの少なくとも一つに熱を供給することができるよう構成されている、熱音響システム。

【請求項2】

上記熱供給部から上記複数の熱音響ユニットに入力される熱量が異なるよう構成されている、請求項１に記載の熱音響システム。

【請求項3】

上記熱供給部によって供給される総入力熱量を計測する熱量計（５）と、該熱量計によって計測された上記総入力熱量に応じて、上記複数の熱音響ユニットのそれぞれへの熱の供給を制御する制御部（６）と、を有する、請求項１又は２に記載の熱音響システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱音響システムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１に開示されているように、熱音響現象を利用して熱を音波に変換し、その音波を発電、加熱、冷却等に利用する、熱音響システムがある。熱音響システムの熱音変換器は、蓄熱器の一端に高温側熱交換器を配置するとともに、蓄熱器の他端に低温側熱交換器を配置して構成される。これにより、蓄熱器の一端と他端との間に温度差を設けることで、蓄熱器内における作動流体に熱自励振動を生じさせて、音波を生じさせる。このように、熱エネルギを音エネルギに変換する。高温側熱交換器には、例えば工場排熱等を供給することで、蓄熱器の一端と他端との間の温度差を生じさせる。高温側熱交換器に供給される熱量に変動が生じることがあり、特許文献１に記載のシステムは、供給熱量の低下を補填すべく、調整部（モータ等）を設けている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１３５００５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載のシステムのように、調整部によるエネルギの補填を行うということは、補填分のエネルギを外部から新たに加えるということとなる。それゆえ、システム全体のエネルギ効率の向上を図りにくいという課題がある。

【0005】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、エネルギ効率を向上させることができる熱音響システムを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、複数の熱音響ユニット（２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）と、
上記熱音響ユニットに熱を供給する熱供給部（３）と、
上記複数の熱音響ユニットによる第３エネルギを取り出すエネルギ取出部（４）と、を有する熱音響システム（１）であって、
上記熱音響ユニットのそれぞれは、作動流体が配された流体配管（２１）と、
該流体配管に接続され、熱音響現象を利用して上記作動流体の熱エネルギを音エネルギに変換する熱音変換器（２２）と、
上記流体配管に接続され、音エネルギを、音エネルギとは異なる上記第３エネルギに変換するエネルギ変換器（２３、２３０）と、を備え、
上記熱供給部は、上記複数の熱音響ユニットの間において、上記熱音変換器の温度比に差が生じるように、上記複数の熱音響ユニットの少なくとも一つに熱を供給することができるよう構成されている、熱音響システムにある。

【発明の効果】

【0007】

上記熱音響システムは、複数の熱音響ユニットを有する。そして、上記熱供給部は、複数の熱音響ユニットの間において、熱音変換器の温度比に差が生じるように、複数の熱音響ユニットの少なくとも一つに熱を供給することができるよう構成されている。これにより、熱供給部から供給される熱量が時間変動した場合においても、複数の熱音響ユニットを効率的に作動させることができる。

【0008】

以上のごとく、上記態様によれば、エネルギ効率を向上させることができる熱音響システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態１における、熱音響システムの説明図。

【図2】実施形態１における、熱音響ユニットの説明図。

【図3】比較例１の熱音響システムの一部の説明図。

【図4】比較例２の熱音響システムの一部の説明図。

【図5】比較例２における、供給熱量が充分である場合の各熱音変換器の高温側温度を示す線図。

【図6】比較例２における、供給熱量が低下した場合の各熱音変換器の高温側温度を示す線図。

【図7】実施形態１の熱音響システムの一部の説明図。

【図8】実施形態１における、供給熱量が高い場合の各熱音変換器の高温側温度を示す線図。

【図9】実施形態１における、供給熱量が低下した場合の各熱音変換器の高温側温度を示す線図。

【図10】実施形態１における、供給熱量が更に低下した場合の各熱音変換器の高温側温度を示す線図。

【図11】実施形態２における、熱音響ユニットの説明図。

【図12】実施形態３における、熱音響ユニットの説明図。

【図13】実施形態４における、熱音響ユニットの説明図。

【図14】実施形態５の熱音響システムの一部の説明図。

【図15】実施形態５における、制御方法のフロー図。

【図16】実施形態６における、熱音響ユニットの説明図。

【図17】実施形態６における、熱音響システムの説明図。

【図18】実施形態７における、熱音響システムの説明図。

【図19】実施形態７の熱音響システムの一部の説明図。

【図20】実施形態８における、熱音響システムの説明図。

【図21】実施形態８の熱音響システムの一部の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（実施形態１）
熱音響システムに係る実施形態について、図１～図１０を参照して説明する。
本形態の熱音響システム１は、図１に示すごとく、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃと、熱供給部３と、エネルギ取出部４と、を有する。熱供給部３は、熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃに熱を供給する。エネルギ取出部４は、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃによる第３エネルギを取り出す。

【0011】

熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれは、図２に示すごとく、作動流体が配された流体配管２１と、熱音変換器２２と、エネルギ変換器２３と、を備えている。熱音変換器２２は、流体配管２１に接続されている。そして、熱音変換器２２は、熱音響現象を利用して作動流体の熱エネルギを音エネルギに変換する。エネルギ変換器２３は、流体配管２１に接続されている。そして、エネルギ変換器２３は、音エネルギを、音エネルギとは異なる第３エネルギに変換する。本形態において、エネルギ変換器２３は、発電機であり、音エネルギを第３エネルギとしての電気エネルギに変換する。以下において、適宜「発電機２３」と表す。

【0012】

熱供給部３は、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの間において、熱音変換器２２の温度比に差が生じるように、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの少なくとも一つに熱を供給することができるよう構成されている。なお、熱音変換器２２の温度比とは、熱音変換器２２の一端部の温度と他端部の温度との間の比率であり、
（温度比）＝（高温側の絶対温度）÷（低温側の絶対温度）
にて、定義される。

【0013】

本形態において、熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃは、略同一の構造を有する。それゆえ、以下において、各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ自体の説明にあたっては、熱音響ユニット２として説明する。

【0014】

本形態において、熱音響ユニット２は、図２に示すごとく、３個の熱音変換器２２と３個の発電機２３とを有する。そして、３個の熱音変換器２２及び３個の発電機２３をループ状に直列につなぐように、流体配管２１が接続されている。この流体配管２１と熱音変換器２２と発電機２３とによって構成されるループ管の中に、作動流体が封入されている。流体配管２１、熱音変換器２２、発電機２３等の要素が、筐体２９内に収容されている。

【0015】

熱音変換器２２は、蓄熱器２２１と、蓄熱器２２１の一端に配された高温側熱交換器２２２と、蓄熱器２２１の他端に配された低温側熱交換器２２３と、を有する。蓄熱器２２１は、多数のセルを備えた構造を有する。蓄熱器２２１は、例えば、金属、セラミック等にて形成することができる。

【0016】

熱音変換器２２は、高温側熱交換器２２２によって蓄熱器２２１の一端部を加熱し、低温側熱交換器２２３によって蓄熱器２２１の他端部を冷却することで、蓄熱器２２１の両端に温度差を設けるよう構成されている。この温度差に起因して、蓄熱器２２１における作動流体の膨張、収縮が繰り返し生じ、自励振動が発振し、音波が生じる。作動流体としては、例えば、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが用いられる。

【0017】

熱音変換器２２において生じた音波は、流体配管２１を通じて発電機２３に伝わる。発電機２３としては、電磁誘導を利用して振動を電気に変換するリニア発電機を用いることができる。すなわち、本形態において、発電機２３は、音波の振動を、電磁誘導を利用して電気に変換する。

【0018】

上述のように、本形態の熱音響ユニット２は、流体配管２１によってループ状に接続された３個の熱音変換器２２と３個の発電機２３とを有する。そして、各熱音変換器２２において生じた音エネルギを、当該熱音変換器２２に隣接する発電機２３において第３エネルギとしての電気エネルギに変換する。

【0019】

各熱音変換器２２の高温側熱交換器２２２は、熱供給部３から供給される熱によって、蓄熱器２２１の一端部を加熱する。図１に示すごとく、熱供給部３は、例えば工場排熱を熱媒によって高温側熱交換器２２２へ輸送する。すなわち、本形態において、熱供給部３は、排ガス熱交換器３１と、熱媒配管３２１、３２２とを有する。排ガス熱交換器３１は、工場Ｆから排出される高温の排ガスＧと、熱媒との間で熱交換を行う。熱媒配管３２１、３２２は、排ガス熱交換器３１において受熱した熱媒を、各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃにおける熱音変換器２２の高温側熱交換器２２２へ供給する。熱媒には、種々の熱媒油を用いることができる。熱媒油としては、例えば、パラフィン系高分子油、ジフェニール系熱媒体油、合成系熱媒体油等を用いることができる。
なお、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃは、熱媒配管３２１、３２２によって並列に接続されている。

【0020】

熱媒配管３２１、３２２としては、熱供給部３から各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃへ熱媒を送る送り配管３２１と、各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃから熱媒を熱供給部３へ戻す戻り配管３２２とを有する。送り配管３２１が複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの熱媒導入部２４１に接続され、戻り配管３２２が複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの熱媒排出部２４２に接続されている。これにより、熱供給部３と各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃとの間において、熱媒が循環するよう構成されている。

【0021】

本形態において、送り配管３２１を通じた、熱供給部３から各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃまでの距離は、互いに異なる。具体的には、図１に示すごとく、送り配管３２１を通じた熱供給部３からの距離は、熱音響ユニット２ａ、熱音響ユニット２ｂ、熱音響ユニット２ｃの順に短い。

【0022】

そして、送り配管３２１にて輸送される熱媒は、輸送中にある程度の熱を奪われて温度が幾分低下する。この温度低下は、輸送距離に応じて異なり、輸送距離が長いほど、温度低下しやすい。これにより、各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃに供給される熱量に差を設けることができる。つまり、供給される熱量は、熱音響ユニット２ａ、熱音響ユニット２ｂ、熱音響ユニット２ｃの順に大きい。これに伴い、各熱音響ユニット２における熱音変換器２２の温度比は、熱音響ユニット２ａ、熱音響ユニット２ｂ、熱音響ユニット２ｃの順に大きい。なお、例えば、送り配管３２１の放熱性を高くすることで、各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃに供給される熱量の差を大きくすることができる。

【0023】

各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃに供給される熱量に差を設ける手段としては、上述の熱媒の輸送距離に差を設ける以外にも、種々の手段が考えられる。例えば、熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれに、断熱性能（或いは放熱性能）が互いに異なる配管を、送り配管３２１として接続することが考えられる。或いは、送り配管３２１の途中に冷却器を配置して、冷却の度合いに差を設けるなどすることも考えられる。あるいは、各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃに供給される熱媒の流量に差を設けることも考えられる。

【0024】

図２に示すごとく、各熱音響ユニット２は、熱媒導入部２４１から、熱音変換器２２の高温側熱交換器２２２を経由して、熱媒排出部２４２に至る、熱媒循環系統２４３を有する。３つの熱音変換器２２の高温側熱交換器２２２は、熱媒循環系統２４３に並列的に接続されている。

【0025】

各熱音変換器２２の低温側熱交換器２２３は、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃに接続された冷媒配管１２１、１２２を流れる、例えば工場循環水等の冷媒によって、蓄熱器２２１の他端部を冷却する。冷媒の温度は、例えば、２０～３０℃の室温程度とすることができる。各熱音響ユニット２は、冷媒を導入する冷媒導入部２５１と、冷媒を排出する冷媒排出部２５２とを有する。熱音響ユニット２は、冷媒導入部２５１から、熱音変換器２２の低温側熱交換器２２３を経由して、冷媒排出部２５２に至る、冷媒循環系統２５３を有する。３つの熱音変換器２２の低温側熱交換器２２３は、冷媒循環系統２５３に並列的に接続されている。

【0026】

また、熱音響ユニット２は、発電機２３において発電した電力を取り出す電力取出配線２６３と、電力取出配線２６３に接続された出力端子２６１と、を有する。図１に示すごとく、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの出力端子２６１は、エネルギ取出部４に接続される。エネルギ取出部４は、回生機４１と、出力配線４２とを有する。出力配線４２は、出力端子２６１と回生機４１とを接続する電力配線である。回生機４１は、熱音響ユニット２から出力された電力を、整流、変圧して、例えば、工場電力網ＦＥへ送電する。
なお、各熱音響ユニット２内における複数の熱音変換器２２の間においては、高温側の温度の差も実質的に生じない。

【0027】

次に、本形態の作用効果につき説明する。
上記熱音響システム１は、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃを有する。そして、熱供給部３は、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの間において、熱音変換器２２の温度比に差が生じるように、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの少なくとも一つに熱を供給することができるよう構成されている。これにより、熱供給部３から供給される熱量が時間変動した場合においても、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃを効率的に作動させることができる。その結果、熱音響システム１のエネルギ効率を向上させることができる。

【0028】

熱音変換器２２は、温度比が所定の発振温度比以上であるときに、自励振動を発振する。そして、温度比が発振温度比を下回ると、熱音変換器２２において自励振動が生じなくなり、発電機２３による発電が生じなくなる。発振温度比は、例えば、予めの実験或いは計算によって求めることができる。

【0029】

上述のように、熱音変換器２２の温度比は、
（温度比）＝（高温側の絶対温度）÷（低温側の絶対温度）
にて定義される。熱音変換器２２の低温側の温度は、通常変動しないのに対し、高温側の温度は、熱供給部３から供給される熱量の変動に伴い変動することがある。すなわち、工場排熱は、工場の稼働状況に応じて変動するため、これに伴い熱供給部３からの熱量が変動することとなる。

【0030】

このように、熱音変換器２２の低温側の絶対温度は変動し難い一方で、熱音変換器２２の高温側の絶対温度は変動することがあり、これによって温度比が変動することとなる。つまり、本形態においては、低温側温度が一定であることを前提とし、高温側温度が所定の閾値Ｔｔｈを下回ると、熱音響ユニット２が作動しなくなるものと考えることができる。

【0031】

ここで、図３に示すごとく、熱音響ユニット２を一つのみ備える熱音響システム９１を、比較例１として考える。この比較例１の場合、熱供給部３の排ガス熱交換器３１から供給される熱量が低下して、熱音変換器２２の高温側温度が閾値Ｔｔｈを下回ると、唯一の熱音響ユニット２が作動しなくなり、熱音響システム９１は電力を生み出さないこととなる。つまり、熱供給部３の熱を利用することなく、捨ててしまうこととなる。

【0032】

また、図４に示すごとく、熱供給部３から熱音響ユニット２に供給される熱量が均等に配分されるような熱音響システム９２を、比較例２として考える。この比較例２の場合、図５に示すごとく、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃにおける熱音変換器２２の高温側温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃは、実質的に同一となる。そして、熱供給部３から供給される総入力熱量が低下したとき、図６に示すごとく、熱音変換器２２の高温側温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃも低下することとなるが、この高温側温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃが閾値Ｔｔｈを下回ると、３個すべての熱音響ユニット２における熱音変換器２２の高温側温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃが閾値Ｔｔｈを下回ることとなる。そうすると、すべての熱音響ユニット２が作動しなくなり、熱音響システム９２は電力を生み出さないこととなる。つまり、この場合も、熱供給部３の熱を利用することなく、捨ててしまうこととなる。

【0033】

これに対して、本形態の熱音響システム１は、図７に示すごとく、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃを有し、しかも、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの間において、熱音変換器２２の温度比に差が生じるように、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの少なくとも一つに熱を供給することができるよう構成されている。

【0034】

熱音響システム１は、熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれへ供給される熱量が異なるように構成されている。本形態においては、熱媒配管の送り配管３２１の長さを、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの間で異ならせることにより、熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれへ供給される熱量が異なるようにしている。その結果、熱音響ユニット２ａにおける熱音変換器２２の高温側熱交換器２２２に供給される熱量Ｑａと、熱音響ユニット２ｂにおける熱音変換器２２の高温側熱交換器２２２に供給される熱量Ｑｂと、熱音響ユニット２ｃにおける熱音変換器２２の高温側熱交換器２２２に供給される熱量Ｑｃとの関係は、Ｑａ＞Ｑｂ＞Ｑｃ、となる。これに伴い、熱音響ユニット２ａにおける熱音変換器２２の高温側温度Ｔａと、熱音響ユニット２ｂにおける熱音変換器２２の高温側温度Ｔｂと、熱音響ユニット２ｃにおける熱音変換器２２の高温側温度Ｔｃとの関係は、Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃ、となる。

【0035】

図８に示すごとく、高温側温度Ｔｃが、上述の閾値Ｔｔｈ以上であれば、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃのすべてが作動する。そして、熱供給部３から供給される総入力熱量が低下して、例えば、図９に示すごとく、Ｔｃ＜Ｔｔｈとなると、熱音響ユニット２ｃは作動しなくなる。しかし、Ｔｂ≧Ｔｔｈ＞Ｔｃであれば、熱音響ユニット２ａ、２ｂは、作動する。それゆえ、この２つの熱音響ユニット２ａ、２ｂによって、熱供給部３から供給される熱を有効に利用して、発電することができる。

【0036】

また、熱供給部３から供給される総入力熱量が更に低下して、例えば、図１０に示すごとく、Ｔｂ＜Ｔｔｈとなると、熱音響ユニット２ｃに加え、熱音響ユニット２ｂも作動しなくなる。しかし、Ｔａ≧Ｔｔｈ＞Ｔｂであれば、熱音響ユニット２ａは、作動する。それゆえ、熱音響ユニット２ａによって、熱供給部３から供給される熱を有効に利用して、発電することができる。

【0037】

このように、供給される総入力熱量に応じて、作動する熱音響ユニット２の数が変動しつつも、総入力熱量がある程度低下したとしても、すべての熱音響ユニット２が停止することを抑制することができる。それゆえ、供給される熱量が変動しても、発電を継続させやすく、利用せずに廃棄する熱エネルギを抑制することができる。その結果、熱音響システム１のエネルギ効率を向上させることができる。

【0038】

熱音響システム１は、熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれへ供給される熱量が異なるように構成されている。これにより、容易に、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの間において、熱音変換器２２の温度比に差が生じるようにすることができる。

【0039】

また、上記のように、本形態の熱音響システム１においては、特に各熱音響ユニット２を制御しなくても、総入力熱量に応じて適宜自動的に、各熱音響ユニット２が作動、停止する。それゆえ、簡素な構造にて、熱音響システム１を構築することができる。

【0040】

以上のごとく、本形態によれば、エネルギ効率を向上させることができる熱音響システムを提供することができる。

【0041】

（実施形態２）
本形態は、図１１に示すごとく、熱音響ユニット２の構造を、ループ管部分２Ｌと共鳴管部分２Ｒとを併せ持つ構造とした形態である。
本形態において、熱音響ユニット２は、ループ管部分２Ｌに複数の熱音変換器２２を有する。そして、共鳴管部分２Ｒにおけるループ管部分２Ｌと反対側の端部に、発電機２３が設けられている。

【0042】

本形態においては、ループ管部分２Ｌの複数の熱音変換器２２において、熱を音波に変換すると共に増幅させ、増幅した音波の一部を、共鳴管部分２Ｒを通じて発電機２３へ送る。これにより、熱音響ユニット２は、熱エネルギを、音エネルギを介して電気エネルギに変換し、出力端子２６１から電気エネルギを出力する。

【0043】

本形態の熱音響システム１における、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃと他の構成要素（例えば、熱供給部３、エネルギ取出部４）との関係は、実施形態１と同様である。

【0044】

その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を有する。

【0045】

（実施形態３）
本形態は、図１２に示すごとく、熱音響ユニット２の構造を、いわゆる外力印加型あるいはフィードバック型の熱音響ユニットとした形態である。

【0046】

熱音響ユニット２は、流体配管２１の一端に発電機２３を設けると共に他端に音波発生器２７を設けている。そして、発電機２３と音波発生器２７との間の流体配管２１の途中に、熱音変換器２２を設けている。本形態において、発電機２３と音波発生器２７との間の流体配管２１には、複数の熱音変換器２２を設けている。

【0047】

音波発生器２７は、モータによって構成することができる。
熱音響ユニット２は、音波発生器２７に電力を入力する入力端子２８１と、入力端子２８１と音波発生器２７とを接続する入力配線２８２とを有する。入力端子２８１から入力配線２８２を介して音波発生器２７に電力が印加されることで、音波発生器２７が音波を発生する。

【0048】

各熱音変換器２２には、実施形態１と同様に、熱エネルギが供給され、両端部に温度差が形成されている。この状態において、音波発生器２７にて発生させた音波が、各熱音変換器２２を通過するごとに、音波が増幅される。そして、増幅された音波が発電機２３において電力に変換される。この電力は、音波発生器２７に入力された電力よりも大きい。

【0049】

発電機２３において発電した電力は、出力配線２８３を介して、出力端子２８４から取り出すことができる。なお、発電機２３において発電した電力の一部を、音波発生器２７にフィードバックするよう構成することもできる。

【0050】

その他は、実施形態１と同様である。
本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を有する。

【0051】

（実施形態４）
本形態は、図１３に示すごとく、熱音響ユニット２が、実施形態３に示した、発電機２３と音波発生器２７と熱音変換器２２と流体配管２１とによって構成されるユニットに相当するサブユニット２０を、複数個有する形態である。なお、図１３においては、熱媒循環系統２４３及び冷媒循環系統２５３を省略している。
その他は、実施形態３と同様である。

【0052】

本形態においては、各熱音響ユニット２が複数のサブユニット２０を備え、複数の発電機２３から電力を取り出すことができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

【0053】

（実施形態５）
本形態は、図１４に示すごとく、熱量計５と制御部６とを更に備えた熱音響システム１の形態である。
熱量計５は、熱供給部３によって供給される総入力熱量を計測する。制御部６は、熱量計５によって計測された総入力熱量に応じて、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれへの熱の供給を制御する。

【0054】

本形態においては、各熱音響ユニット２へ熱媒を供給する熱媒配管の送り配管３２１に、開閉弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃを設けている。開閉弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、例えば電磁弁にて構成することができる。開閉弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、送り配管３２１における各熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの上流側にそれぞれ設けてある。

【0055】

なお、本形態においては、熱媒配管３２１、３２２は、例えば理想的な断熱構造を有しており、開閉弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃが全開である場合には、３つの熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃにそれぞれ入力される熱量は同等となるものとして、説明する。

【0056】

熱量計５は、送り配管３２１における排ガス熱交換器３１と分岐部３２３との間に設けられている。熱量計５は、排ガス熱交換器３１から供給される熱媒の総入力熱量Ｑｔを測定できるよう構成されている。熱量計５は、例えば、温度センサと流量センサとによって構成することもできる。この場合、温度センサによって、送り配管３２１を流れる熱媒の温度を計測し、流量センサによって、送り配管３２１を流れる熱媒の総流量を計測する。この測定された温度と総流量とに基づいて、総入力熱量Ｑｔを得ることができる。なお、熱量計５の一部として用いる温度センサは、例えば、排ガス熱交換器３１や、工場排ガスが流れる排ガス管における所定箇所に配設することもできる。これらの箇所の温度を間接的に用いて、熱媒の総入力熱量Ｑｔを算出することもできる。

【0057】

制御部６は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部６は、図１５に示すごとく、熱量計５によって得られた総入力熱量Ｑｔに基づいて、開閉弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃの開閉を制御する。例えば、総入力熱量Ｑｔが、所定の熱量Ｑ１を下回るときは、１つの開閉弁６１ａ、６１ｂを開放し、他の２つの開閉弁６１ｃを閉止する（図１５におけるステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４参照）。また、総入力熱量Ｑｔが、熱量Ｑ１以上であって、かつ、熱量Ｑ１よりも大きい所定の熱量Ｑ２を下回るときは、２つの開閉弁６１ａ、６１ｂを開放し、他の１つの開閉弁６２ｂを閉止する（図１５におけるステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６参照）。また、総入力熱量Ｑｔが、熱量Ｑ２以上であるときは、３つの開閉弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃをすべて開放する（図１５におけるステップＳ１、Ｓ２、Ｓ５参照）。

【0058】

熱量Ｑ１は、２つの熱音響ユニット２を稼働するために必要な熱量として設定することができる。熱量Ｑ２は、３つの熱音響ユニット２を稼働するために必要な熱量として設定することができる。つまり、例えば、総入力熱量Ｑｔを均等に、３つの熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃに供給した場合に、熱音響ユニット２における熱音変換器２２の高温側温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを、上述の閾値Ｔｔｈ以上とするために必要な総入力熱量Ｑｔが、熱量Ｑ２に相当すると考えることができる。また、例えば、総入力熱量Ｑｔを均等に、２つの熱音響ユニット２ａ、２ｂに供給した場合に、熱音響ユニット２における熱音変換器２２の高温側温度Ｔａ、Ｔｂを、上述の閾値Ｔｔｈ以上とするために必要な総入力熱量Ｑｔが、熱量Ｑ１に相当すると考えることができる。
その他は、実施形態１と同様である。

【0059】

本形態の場合には、総入力熱量に応じて、制御によって、熱エネルギを供給する熱音響ユニット２の数を変更することができる。これにより、熱音響システム１のエネルギ効率を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

【0060】

なお、本形態において、制御部６は、上述した制御の他に、さらに種々の制御を行うことも考えられる。例えば、総入力熱量Ｑｔが充分に大きい場合において、すべての熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃに対して均等に熱量を供給するように、開閉弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃを制御することもできる。また、総入力熱量Ｑｔが低下して、２つの熱音響ユニット２ａ、２ｂのみに熱媒を供給する際、両者に供給する熱量を均等になるように制御することもできる。これらの場合、開閉弁６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、流量調整も可能な調整弁とすることとなる。

【0061】

また、場合によっては、制御部６が、各熱音響ユニット２内における複数の熱音変換器２２の高温側熱交換器２２２の温度を均等にする制御を行うことも考えられる。この場合、熱音響ユニット２内の熱媒循環系統２４３における所定の箇所に、流量調整弁を設け、各弁の開度を調整できるようにしておくことが考えられる。特に、実施形態１に示したループ型の熱音響ユニット２とした場合、複数の熱音変換器２２の間で、温度比が均等になるように制御することが重要となる。

【0062】

また、制御部６によって、低温側熱交換器２２３への冷却水の供給量や温度を制御することも考えられる。この場合、例えば、冷媒配管１２１、１２２に調整弁を設けたり、冷媒循環系統２５３に調整弁を設けたりすることが考えられる。

【0063】

また、制御部６は、エネルギ変換器（本形態においては、発電機２３）の稼働に関する稼働データを取得する稼働データ取得部を備えるものとすることもできる。そして、制御部６は、稼働データ取得部にて取得された稼働データに基づいて、エネルギ変換器のメンテナンス時期を予測すると共に予測結果を出力するよう構成されているものとすることもできる。熱音響ユニット２において、熱音変換器２２は稼働部を備えないので、耐久性が問題になり難い。その一方で、発電機２３等のエネルギ変換器は、稼働部を有するため、経時変化が比較的生じやすい。それゆえ、制御部６によって上記のような予測を行い、適切な時期にメンテナンスを行うことで、効率的にシステムの安定稼働を実現することができる。

【0064】

（実施形態６）
本形態は、図１６、図１７に示すごとく、エネルギ変換器として冷凍機２３０を用いた形態である。
本形態においては、図１６に示すごとく、各熱音響ユニット２が、流体配管２１と熱音変換器２２と冷凍機２３０とを有する。冷凍機２３０は、蓄熱器２３１と、第１熱交換器２３２と、第２熱交換器２３３とを有する。

【0065】

蓄熱器２３１は、多数のセルを備えた構造を有する。蓄熱器２３１は、例えば、金属、セラミック等にて形成することができる。蓄熱器２３１の一端と他端とに、それぞれ第１熱交換器２３２と第２熱交換器２３３とが設けてある。第１熱交換器２３２は、蓄熱器２３１の一端部と、冷熱取出し用の冷媒との間の熱交換を行い、冷媒を冷却する。第２熱交換器２３３は、蓄熱器２３１の他端部と循環水との間の熱交換を行い、蓄熱器２３１の他端部の温度を所定の温度に保つ。例えば、循環水の温度は、２０～３０℃程度の常温である。

【0066】

本形態において、第２熱交換器２３３に供給される循環水は、熱音変換器２２の低温側熱交換器２２３に供給される冷媒と同様のもの、例えば工場循環水を用いる。ここで、低温側熱交換器２２３に供給される冷媒と、第２熱交換器２３３に供給される循環水とは、同等の温度とすることができる。また、低温側熱交換器２２３に供給される、冷熱取出し用の冷媒、及び、第２熱交換器２３３に供給される循環水は、第１熱交換器２３２にて冷却される冷媒よりも高温である。

【0067】

第１熱交換器２３２にて冷却される、冷熱取出し用の冷媒としては、例えば、工場冷却水等を用いることができる。
熱音響ユニット２は、冷熱取出し用の冷媒を導入する冷媒入口２６４と、冷媒を排出する冷媒出口２６５とを有する。冷媒入口２６４と第１熱交換器２３２と冷媒出口２６５とは、冷熱取出循環路２６６によって接続されている。

【0068】

本形態においては、熱音変換器２２において発生させた音波が、流体配管２１を通じて冷凍機２３０に伝わる。冷凍機２３０の蓄熱器２３１に音波が伝わると、ヒートポンプ効果によって一端部から他端部へ熱が輸送される。これにより、蓄熱器２３１の一端部の温度が低下する。すなわち、蓄熱器２３１の一端部が冷却され、そこに設けられた第１熱交換器２３２によって、冷媒が冷却される。この冷却された冷媒は、冷熱取出循環路２６６を通じて冷媒出口２６５から外部へ導出される。

【0069】

このように、熱音響ユニット２においては、熱が音波に変換され、更に音波が冷熱に変換される。この冷熱が、冷媒を介してエネルギ取出部４に取り出される。
図１７に示すごとく、熱音響システム１は、複数の熱音響ユニット２を備えており、各熱音響ユニット２が、実施形態１と同様に、熱供給部３と、熱媒配管３２１、３２２によって接続されている。そして、複数の熱音響ユニット２は、冷媒入口２６４及び冷媒出口２６５において、エネルギ取出部４に接続されている。本形態において、エネルギ取出部４は、冷却設備４１０と外部冷媒配管４２０とによって構成される。

【0070】

外部冷媒配管４２０は、各熱音響ユニット２の冷媒入口２６４及び冷媒出口２６５に接続されている。そして、外部冷媒配管４２０は、冷却設備４１０にも接続されており、冷却設備４１０は、冷媒によって冷却対象を冷却するよう構成されている。冷媒設備４１０は、例えば、空調設備、冷蔵・冷凍設備等とすることができる。

【0071】

本形態においても、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの間において、熱音変換器２２の温度比に差が生じるように、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃの少なくとも一つに熱を供給することができるよう構成されている。
その他は、実施形態１と同様である。

【0072】

本形態においても、熱供給部３から供給される熱量が時間変動した場合においても、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃを効率的に作動させることができる。その結果、熱音響システム１のエネルギ効率を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

【0073】

なお、本形態の熱音響システム１を基本形態として、実施形態５と同様に、熱量計５と制御部６とを備えたものとすることもできる。そして、実施形態５と同様に、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれへの熱の供給を制御するよう構成することもできる。この場合は、実施形態５と同様の作用効果を得ることができる。

【0074】

（実施形態７）
本形態は、図１８、図１９に示すごとく、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを、熱媒配管３２１、３２４、３２２によって直列接続した形態である。

【0075】

例えば、図１８に示すごとく、熱媒配管のうちの送り配管３２１が、一つの熱音響ユニット２ａの熱媒導入部２４１に接続されている。そして、熱音響ユニット２ａの熱媒排出部２４２と、熱音響ユニット２ｂの熱媒導入部２４１とが、熱媒配管のうちの中継配管３２４によって接続されている。また、熱音響ユニット２ｂの熱媒排出部２４２と、熱音響ユニット２ｃの熱媒導入部２４１との間、熱音響ユニット２ｃの熱媒排出部２４２と、熱音響ユニット２ｄの熱媒導入部２４１との間も、同様に、中継配管３２４によって接続されている。そして、熱音響ユニット２ｄの熱媒排出部２４２に、熱媒配管のうちの戻り配管３２２が接続されている。送り配管３２１及び戻り配管３２２は、実施形態１（図１参照）と同様に、排ガス熱交換器３１に接続されている。

【0076】

なお、図１８及び後述する図２０において、冷媒導入部２５１、冷媒排出部２５２、出力端子２６１、冷媒配管１２１、１２２、出力配線４２等（図１参照）は省略している。複数の熱音響ユニット２の間の、冷媒配管１２１、１２２、出力配線４２の接続の仕方は、上述の熱媒配管３２１、３２４、３２２の接続の仕方にかかわらず、種々の接続の仕方が可能である。

【0077】

本形態においては、熱媒が、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの内部をそれぞれ循環しつつ、順次供給されることとなる。すなわち、熱媒は、熱音響ユニット２ａの内部の熱媒循環系統２４３を循環した後、熱音響ユニット２ｂに導入される。そして、熱媒は、熱音響ユニット２ｂの内部の熱媒循環系統２４３を循環した後、熱音響ユニット２ｃに導入され、熱音響ユニット２ｃの内部の熱媒循環系統２４３を循環した後、熱音響ユニット２ｄに導入されることとなる。これにより、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける熱音変換器２２の高温側温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄは、Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃ＞Ｔｄとすることができる。また、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄの間の温度差を形成しやすい。

【0078】

その他、実施形態１と同様の構成、及び作用効果を有する。なお、直列接続される熱音響ユニット２の数は、４個に限らず、３個以下とすることも、５個以上とすることもできる。また、本形態を、実施形態５と同様に、熱量計５と制御部６とを備えた熱音響システムに適用することもできる。

【0079】

（実施形態８）
本形態は、図２０、図２１に示すごとく、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにつき、一部を熱媒配管の中継配管３２４によって直列接続しつつ、一部を熱媒配管の送り配管３２１及び戻り配管３２２にて並列接続した形態である。

【0080】

例えば、熱音響ユニット２ａの熱媒排出部２４２と熱音響ユニット２ｂの熱媒導入部２４１とを、中継配管３２４にて直列接続すると共に、熱音響ユニット２ｃの熱媒排出部２４２と熱音響ユニット２ｄの熱媒導入部２４１とを、中継配管３２４にて直列接続する。そして、送り配管３２１の一部により、熱音響ユニット２ａ、２ｃの熱媒導入部２４１同士を並列接続すると共に、熱音響ユニット２ｂ、２ｄの熱媒排出部２４２同士を並列接続する。

【0081】

これにより、図２１に示すごとく、熱媒の経路として、熱音響ユニット２ａ、２ｂを順次通る経路と、熱音響ユニット２ｃ、２ｄを順次通る経路とが、分岐して形成される。このとき、２つの経路が実質的に同等の放熱性、流路抵抗を有している場合に、複数の熱音響ユニット２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにおける熱音変換器２２の高温側温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄは、Ｔａ≒Ｔｃ＞Ｔｂ≒Ｔｄとなることが考えられる。

【0082】

また、２つの経路の放熱性、流路抵抗を適宜調整することで、例えば、Ｔａ＞Ｔｂ＞Ｔｃ＞Ｔｄとなるようにしたり、Ｔａ＞Ｔｃ＞Ｔｂ＞Ｔｄとなるようにするなど、高温側温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄの関係を変更することができる。

【0083】

その他、実施形態１と同様の構成、及び作用効果を有する。なお、直列接続される熱音響ユニット２の数は、２個に限らず、３個以上とすることもできる。また、並列接続される熱音響ユニット２の列は、２列に限らず、３列以上とすることもできる。また、本形態を、実施形態５と同様に、熱量計５と制御部６とを備えた熱音響システムに適用することもできる。

【0084】

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

【符号の説明】

【0085】

１ 熱音響システム
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 熱音響ユニット
２１ 流体配管
２２ 熱音変換器
２３、２３０ エネルギ変換器
３ 熱供給部
４ エネルギ取出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】