熱音響熱エンジン

熱音響エンジン(「TA エンジン」と呼ばれることもあります) は、高振幅の音波を使用して熱をある場所から別の場所へ送り出す (これには作業が必要で、作業はスピーカーによって行われます) か、熱の差を使用して音波の形で作業を生成する (その後、これらの波はマイクロフォンと同じように電流に変換されます) 熱音響デバイスです。

これらのデバイスは、定在波または進行波のいずれかを使用するように設計できます。

蒸気冷凍機と比較すると、熱音響冷凍機には冷却剤がなく、可動部品も少ない（スピーカーのみ）ため、動的なシールや潤滑は不要です。^[1]

熱が音を生み出す能力は、何世紀も前にガラス吹き職人によって注目されていました。^[2]

1850 年代の実験では、この現象は温度差によって生じ、音響の音量と強度は管の長さと電球のサイズによって変化することが示されました。

ライケは、管の4分の1の位置に加熱されたワイヤースクリーンを追加すると音が大幅に増幅され、管内の最大圧力のポイントで空気にエネルギーが供給されることを実証しました。さらに実験を行ったところ、最小圧力のポイントで空気を冷却すると、同様の増幅効果が得られることがわかりました。[ ^2]ライケ管は、自然対流を利用して熱を音響エネルギーに変換します^[3]。

1887 年頃、レイリー卿は音で熱を送り出す可能性について議論しました。

1969年、ロットはこのテーマを再開した。^[4]流体のナビエ・ストークス方程式を用いて、熱音響学に特化した方程式を導出した。^[5]

基本的な定量的理解と計算のための数値モデルを形成するために、線形熱音響モデルが開発されました。

スウィフトはこれらの方程式をさらに発展させ、熱音響装置の音響出力を表す式を導き出した。^[6]

1992年には同様の熱音響冷凍装置がスペースシャトルディスカバリー号に使用された。^[2]

ユタ大学のオレスト・シンコは2005年に熱音響圧電エネルギー変換（TAPEC）と呼ばれる研究プロジェクトを開始しました。 ^[7]

小規模から中規模の極低温アプリケーションなどのニッチなアプリケーション。Score Ltd.は、発展途上国で使用するために電気と冷却も提供する調理用ストーブの研究のために、2007年3月に200万ポンドを獲得しました。^{[8] [9]}

エアバスは、深宇宙探査ミッションのために放射性同位元素加熱熱音響システムを提案し、試作した。このシステムは、既存の熱電対ベースのシステムやASRGプロトタイプで使用されている提案されたスターリングエンジンなどの他の発電システムに比べて理論的な利点がわずかにある。 ^[10]

SoundEnergy は、廃熱や太陽熱などの熱を他の動力源を使わずに冷却に変える THEAC システムを開発しました。この装置はアルゴンガスを使用します。この装置は廃熱によって発生する音を増幅し、その結果生じる圧力を別の熱差に変換し、スターリングサイクルを使用して冷却効果を生み出します。^[2]

熱音響装置は、音波ではガスの塊が断熱的に交互に圧縮と膨張し、圧力と温度が同時に変化するという特性を利用しています。圧力が最大または最小に達すると、温度も変化します。基本的に、熱交換器、共振器、スタック (定在波装置の場合) または再生器(進行波装置の場合) で構成されています。エンジンの種類に応じて、音波を生成するためにドライバーまたはスピーカーが使用される場合があります。

両端が閉じられたチューブでは、特定の周波数で反対方向に移動する 2 つの波の間で干渉が発生する可能性があります。干渉により共鳴が起こり、定在波が生成されます。スタックは小さな平行チャネルで構成されています。定在波を持つ共振器内の特定の場所にスタックを配置すると、スタック全体に温度差が生じます。スタックの両側に熱交換器を配置することで、熱を移動させることができます。逆も可能です。スタック全体の温度差によって音波が発生します。最初の例はヒート ポンプで、2 番目の例は原動機です。

冷たい貯留層から温かい貯留層に熱を発生させたり移動させるには、作業が必要です。音響パワーがこの作業を提供します。スタックによって圧力降下が発生します。入射音波と反射音波の干渉は不完全になります。振幅の差によって定在波が伝わり、波に音響パワーが与えられます。

定在波装置のスタックに沿った熱ポンプは、ブレイトンサイクルに従います。

冷蔵庫の反時計回りのブレイトン サイクルは、スタックの 2 つのプレート間のガスの塊に影響を与える 4 つのプロセスで構成されます。

1. ガスの断熱圧縮。ガスの塊が右端の位置から左端の位置に移動されると、塊は断熱圧縮され、温度が上昇します。左端の位置では、塊の温度は暖かいプレートよりも高くなります。
2. 等圧熱伝達。ガス塊の温度が高いため、一定の圧力でプレートに熱が伝達され、ガスが冷却されます。
3. ガスの断熱膨張。ガスは左端の位置から右端の位置に戻ります。断熱膨張により、ガスはコールドプレートの温度よりも低い温度まで冷却されます。
4. 等圧熱伝達。荷物の温度が低いため、一定の圧力で冷却プレートからガスに熱が伝達され、荷物の温度が元の値に戻ります。

進行波装置はスターリングサイクルを使用して説明できます。

エンジンとヒートポンプはどちらも通常、スタックと熱交換器を使用します。原動機とヒートポンプの境界は、温度勾配演算子によって与えられます。これは、平均温度勾配を臨界温度勾配で割ったものです。

${\displaystyle \mathrm {I} ={\frac {\nabla T_{m}}{\nabla T_{crit}}}}$

平均温度勾配は、スタック全体の温度差をスタックの長さで割ったものです。

${\displaystyle \nabla T_{m}={\frac {\Delta T_{m}}{\Delta x_{stack}}}}$

臨界温度勾配は、周波数、断面積、ガス特性などのデバイスの特性によって決まる値です。

温度勾配演算子が 1 を超える場合、平均温度勾配は臨界温度勾配よりも大きくなり、スタックは原動機として動作します。温度勾配演算子が 1 未満の場合、平均温度勾配は臨界勾配よりも小さくなり、スタックはヒートポンプとして動作します。

熱力学では、達成可能な最高の効率はカルノー効率です。熱音響エンジンの効率は、温度勾配演算子を使用してカルノー効率と比較できます。

熱音響エンジンの効率は次のように表される。

${\displaystyle \eta ={\frac {\eta _{c}}{\mathrm {I} }}}$

熱音響ヒートポンプの 性能係数は次のように表される。

${\displaystyle COP=\mathrm {I} \cdot COP_{c}}$

最も効率的な熱音響装置の効率はカルノー限界の40％に近く、全体では約20％から30％です（熱機関の温度によって異なります）。^[11]

熱音響装置には可動部品がないため、高温端の温度を高くすることが可能であり、カルノー効率を高めることができます。これにより、カルノーのパーセンテージとして、従来の熱機関に比べて低い効率を部分的に相殺できる可能性があります。

進行波装置で近似される理想的なスターリング サイクルは、定在波装置で近似される理想的なブレイトン サイクルよりも本質的に効率的です。ただし、定在波スタックでは意図的に不完全な熱接触が必要ですが、進行波装置では良好な熱接触を得るために必要な細孔が狭いため、摩擦損失も大きくなり、実用効率が低下します。定在波装置では必須ではありませんが、進行波装置ではよく使用されるトロイダル形状は、ループの周囲を流れるゲデオンによって損失が増大することもあります。^{[さらに説明が必要]}

• 誘導放出による音響増幅（SASER）

ウィキメディア・コモンズには、熱音響熱機関に関連するメディアがあります。

Wikibookエンジニアリング音響学には、熱音響学に関するページがあります。

• ロスアラモス国立研究所、ニューメキシコ州、米国
• オーストラリアのアデレード大学の熱音響学、ウェブアーカイブバックアップ: ディスカッションフォーラム
• アデレード大学^{[永久リンク切れ‍ ]}
• 聞こえますか？冷蔵庫が冷えています、Wired Magazine の記事