サーモ音響エンジンの原理

サーモアコースティックエンジンは、最初に19世紀に数学的に説明したが、実際には20分の後半に実現しました。温度勾配が平行板や多孔質材料(「スタック」または「再ジェネレータ」)の密なスタック全体に確立されると、ガスを封じ込めたボリュームの中に配置された熱勾配が、音響振動が生成されることがあります。スタックの熱面に適用される熱膨張ガスは、ガスを拡張し、電気を循環させるか、または、または電気を循環させることができるか、または、または、電気を循環させることができる、または、または、電気を循環させることができる。

主構成は、立方波エンジンと走行波エンジンの2つです。スタンド波エンジンは、一端にスタックを持つ単一のチューブに依存する、よりシンプルです。サーモアコースティック・スタリングエンジンなどの走行波設計は、フィードバックループを使用して、連続振動フローを作成し、スタイリングエンジンの熱力学サイクルを移行することで、より効率的な性能を実現します。 作業ガス - 多くの場合、ヘリウム、アルゴン、または気体力不足が制限されると、理想的なサイクルが実現します。

従来の推進技術と比較して

従来の推進システム - 内部燃焼エンジン、ガスタービン、およびロケットモーター - 圧力と熱を発生させるために、化石燃料の直接燃焼に頼っています。これらのシステムは、高温燃焼室、複雑なバルブ列車、回転ターボ機械、および複雑な冷却システムを含みます。これらすべてが摩耗、熱応力、および疲労に苦しむ。 対照的に、熱音響エンジンは、根本的に異なるアーキテクチャを持っています。唯一の可動部品は、一般的に、ピストンまたは交互者が、従来の遮断器をスタックし、従来のエンジンを交換する必要があります。

効率比較は、動作条件によって異なります。 現代の内部エンジンは、約40〜45%のピーク熱効率を達成し、大規模な海洋ディーゼルエンジンは50%に達することができます。 サーモ音響エンジンは、実験室のプロトタイプの30%を超える効率性を実証し、旅行波のデザインは、最適化された再ジェネレータと熱交換器で40%に近づいてきました。 より重要なことに、それらはほとんどすべてのソースから熱を受け入れることができます - ソーラーコンセントレイター、原子力原子炉、産業プロセスからの廃棄物熱、またはバイオマス燃料の燃焼、または水素燃料の制御を含まない。

細部の主利点

機械的複雑性を低減

熱間部の可動部が少ないか、またはないと、熱音響エンジンは従来のエンジンに共通する故障モードを除去します: バルブの接着、ピストン リングの摩耗、忍耐の疲労およびタービン ブレードのクリープ。 これは、スペース プローブ、深海水中浸水、またはアークティック パワー ステーションなどの無人またはリモート アプリケーションで長いメンテナンス間隔とより大きい信頼性に翻訳します。

燃料の柔軟性および環境の利点

加熱は外部のソースから来るので、エンジンは燃焼プロセスから分離されます。それは太陽熱、地熱エネルギー、産業炉からの廃棄物熱、または放射状体熱電発電機に集中することができます。燃焼が使用されるとき、燃焼室は、無駄な燃焼、燃焼燃焼、燃焼、燃焼、燃焼、燃焼、燃焼、燃焼、またはカーボン・キャプチャを使用して、低排出のために別々に最適化することができます。音響エンジン自体は直接排出を生成しません。熱源のみが行います。

静寂の操作

音響振動は、単一の周波数または狭い帯域で音を発生させます。これは、簡単にマフラーまたはハーネスを使用することができます。エンジンや高速タービンの往復騒音の広範なスペクトルノイズとは異なり、熱音響エンジンは、潜水、電気自動車の範囲の拡張器、または都市の発電のための主要な利点、本質的に静止しています。

拡張性とモジュール性

温度音響の物理は、幅広いサイズで有利にスケールします。 マイクロスケールデバイスは、ポータブルエレクトロニクス用の電力のワットを生成することができます。マルチメガワットのインストールは、ユーティリティの規模の電力生成のために考案されています。 音響カップリングは自然に相殺し、したがって、複雑な同期なしで複数のユニットを配列に配置することができます。

推進システムにおけるアプリケーションを新興

スペース推進

従来の宇宙船推進は、化学ロケットやイオンスラスターに依存しています。これらは、高い特定の衝動を持っているが、重い推進タンクを必要とする。 サーモ音響エンジンは、放射線検査装置ヒーターまたは濃縮された太陽光発電と統合して、駅の保管、軌道調整、または機内のCubeSatミッションのための小さな推圧レベルを生成することができます。 熱域内の可動部品が不足していると、動作の年後の故障のリスクが軽減されます。 NASAのGlenal Centerは、国立航空宇宙研究所と、パラマウントの信頼性を研究しています。

航空事業

航空機では、熱音響エンジンは、補助電力ユニット(APU)として、またはハイブリッド電気推進アーキテクチャのレンジエクステンダーとして機能することができました。 外部コンボで持続可能な航空燃料を燃焼することにより、音響エンジンは、電池や電動モーターを充電する発電機を駆動します。 低振動と騒音レベルは、都市の空気モビリティ車両にとって魅力的です。 いくつかのヨーロッパの研究プログラムは、翼に取り付けられたファンに分散推進するための軽量サーモ音響発電機を調査しています。

海洋の推進

船舶は、騒音制約が少ないため、主要なエンジンから排出熱が回復できるため、一流候補です。熱音響下降サイクルは、排気熱をポンプ、電子機器、さらにはプロペラシャフトの補助電力に変換することで、全体的な効率を向上させることができます。 重油、LNG、または将来のバイオ燃料を燃焼する能力は、熱エンジン自体が規制が締まっているように燃料転換を簡素化します。

地上交通機関

トラック、列車、およびオフハイウェイ車の場合、熱音響発電機は従来の交流発電機を交換するか、または冷凍、油圧システムおよび小屋の気候制御のための補助電力を提供できます。 ハイブリッド列車では、電気ドライブがピーク要求を処理する間、エンジンは一定した最適負荷で動くことができ、燃料消費量および排出を減らす。 機関車プラットホームのプロトタイプ システムは排気熱回復装置として使用されるとき15-20%の燃料節約を実証しました。

現状の課題と研究の方向

優れた利点にもかかわらず、いくつかの技術的なハードルは、熱音響推進が主流になる前に克服する必要があります。

電力密度

電流熱音響エンジンの音響力密度は、一般的に、同等の内燃機関やタービンよりも低いです。 作業ガスは、大きな表面領域で熱交換器を振動させ、フットプリントを増加させる必要があります。 研究者は、高圧力操作(最大100バー)を探索し、単位質量あたりの電力を増加させるセラミックマトリックス複合体などの軽量材料を使用しています。

熱交換器の設計

熱音響エンジンのヒンジの性能は、熱と冷熱交換者の有効性に及ぼす。それらは、最小限の圧力低下と熱慣性で大量の熱を転送しなければなりません。高度な添加剤製造技術により、重量を減らすときに熱伝達を改善する複雑な格子構造の製作を可能にします。Los Alamos National Laboratoryは、10〜15%のエンジン効率を高めるコンパクトな熱交換器の設計ガイドラインを発表しました。

素材・コスト

熱熱交換器および積み重ねは高温(典型的に500-1000 °C)および繰り返された熱循環に抗しなければなりません。安価なステンレス鋼は低温の無駄の熱回復のために十分ですが、大気および宇宙アプリケーションは過合金か陶磁器を、増加します費用を要求します。研究は不規則な合金および防火障壁のコーティングに絶えずあります、そして副産物の熱損失を減らす間耐用年数を拡張できます。

音響損失および安定性

共振器管およびスタック・エロデ効率の音響損失。走行・波動キャビティは、低音響・損失インピーダンスネットワークで設計できますが、運用条件に敏感です。フィードバックマイクロホンと可変的な音響負荷を用いたアクティブ制御システムは、幅広い出力にわたって安定した振動を維持するために実証されています。

パスフォワード

2010年代から大きな進歩が生まれました。Etalim(カナダ)やSoundEnergy(オランダ)などの企業は、廃棄物熱回収や太陽光熱応用のためのサーモ音響機器を商用化し、1〜10kWの電力レベルを達成しています。米国エネルギー省は、産業複合熱と電力のためのメガワットクラスのサーモ音響装置を開発する多年プロジェクトに資金を供給しました。推進中、欧州連合(FLT)は、この地域の熱伝達を促進し、この地域の熱および電力を研究する3つの分野に向け、エネルギーのエネルギーを研究する。

製造コストが低下し、効率が向上するにつれて、最初の生産 - 準備温度調節システムが5年以内にUAVと小さな衛星に現れ、より大きな海洋およびレールアプリケーションが10年以内に続いています。 添加物製造、高温材料、および音響モデリングの継続的な進歩は、採用を加速します。

コンテンツ

熱音響エンジンは、熱を機械的作業に変える根本的に異なる方法を提供します。, 回転または機械の交換ではなく、音響波に依存する1. 彼らのシンプルさ, 燃料の柔軟性, 低い排出, そして、静かな操作は、彼らは、宇宙、空気、土地、および海を渡る将来の推進システムのために非常に魅力的に作ります. 電力密度とコストが課題のままにしながら, アクティブ研究とエンジニアリング開発は、従来の技術とギャップを着実に閉鎖しています. サーモ音響エンジンは、一晩中すべてのエンジンを交換しません, しかし、彼らはすでに、複数の信頼性を変換する, 彼らは、彼らは、パラマウントと、その技術は、その技術は、その性能を変換します。