Stirling engine innovation: development of kinematic acoustical heat engine

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K19861
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 64:Environmental conservation measure and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Biwa Tetsushi 東北大学, 工学研究科, 教授 (50314034)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: 熱音響現象 / 音波エンジン / スターリングエンジン / エネルギー変換 / 外燃機関

Outline of Final Research Achievements

We have developed a kinematic traveling wave acoustic engine that integrates a loop-tube traveling wave acoustic engine with a rotating mechanism comprising a piston, crank, and flywheel. This engine can be regarded as a kinematic Stirling engine without a solid displacer, potentially simplifying the mechanical structure of the high-efficiency Stirling engine. Our study identified the real part of the acoustic impedance of the looped tube as a crucial factor in elevating the engine's rotation frequency. We analytically derived a design method based on the equivalent circuit model to increase this impedance. Experimental verification confirmed the validity of our design methodology.

Free Research Field

熱音響工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

エネルギー問題，環境問題に関連して，多様な熱源のもとで動作可能な，外燃機関に関心が寄せられるようになってきた．必ずしも高温の熱源が利用できない状況では，外燃機関はなるべく単純な構造であることが望ましい．ループ管型進行波音波エンジンは，従来型の機械式スターリングエンジンから固体ディスプレーサーを取り除いた簡単構造の熱機関であり，本質的な高効率と簡単構造を兼ね備えている．本研究では，その動作メカニズムを明らかにするとともに，性能向上に向けてループ管の音響インピーダンスの実部を増加させるための設計方法の指針を解析的に示した．