(57)【要約】【課題】より高い効率で熱エネルギを音響エネルギに変換可能な熱音響装置及びそのスタックを提供する。【解決手段】熱音響装置１０は、熱の供給を受ける吸熱器２２と、熱を放熱する放熱器２４と、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能な通路が複数形成されており、当該通路のうち放熱器側の開口から吸熱器側の開口に向かうに従って高温となる温度勾配が生じることにより当該通路内の作動流体に音圧を発生させるスタック３０とを有する。スタック３０は、吸熱器２２側の開口の総断面積である吸熱器側総開口面積が、放熱器２４側の開口の総断面積である放熱器側総開口面積に比べて小さくなるよう構成されている。【選択図】図２
2014143677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱の供給を受ける熱交換器である吸熱器と、
熱を放熱する熱交換器である放熱器と、
吸熱器と放熱器との間において作動流体が貫流可能な通路が複数形成されており、当該通路のうち放熱器側の開口よりも吸熱器側の開口が高温となる温度勾配が生じることにより当該通路内の作動流体に音圧を発生させるスタックと、
を有し、
前記スタックは、吸熱器側の開口の総断面積である吸熱器側総開口面積が、放熱器側の開口の総断面積である放熱器側総開口面積に比べて小さくなるよう構成されている
ことを特徴とする熱音響装置。
【請求項２】
前記スタックにおいて、吸熱器側総開口面積は、放熱器側総開口面積の２５％以上であり、且つ１００％未満である
ことを特徴とする請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項３】
前記スタックは、吸熱器側から放熱器側に向かうに従って、当該方向に直交する断面が大きくなるよう構成された拡大部を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の熱音響装置。
【請求項４】
前記スタックは、吸熱器側から放熱器側に向かうに従って、当該方向に直交する断面が、段階的に大きくなるよう構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の熱音響装置。
【請求項５】
前記通路には、
吸熱器側から放熱器側に向かう方向に延びている延伸方向通路と、
隣り合う延伸方向通路同士を連通させる連通通路と、
を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱音響装置。
【請求項６】
延伸方向通路は、吸熱器側から放熱器側に向かう方向に延びている壁体により、その断面が囲まれており、
当該壁体には、隣り合う延伸方向通路を連通させる連通孔が設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載の熱音響装置。
【請求項７】
延伸方向通路は、吸熱器側から放熱器側に向かう方向に延びている壁体により、その断面が囲まれており、
当該壁体には、延伸方向通路に沿って延びており、隣り合う延伸方向通路同士を連通させるスリットが形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の熱音響装置。
【請求項８】
前記拡大部は、延伸方向通路をその径方向内側に囲う外周壁を有しており、
当該外周壁内には、複数の延伸方向通路が合流する合流空間が設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載の熱音響装置。
【請求項９】
前記合流空間は、前記外周壁より径方向内側において直線状に延びている
ことを特徴とする請求項８に記載の熱音響装置。
【請求項１０】
前記合流空間は、前記外周壁より径方向内側において周方向に延びている
ことを特徴とする請求項８に記載の熱音響装置。
【請求項１１】
前記拡大部は、当該拡大部の軸方向に複数連結されており、略円板状をなしている部分である円板状部分を有しており、
各円板状部分は、前記外周壁の径方向内側に複数の延伸方向通路を有しており、
隣り合う円板状部分は、前記拡大部の前記外周壁に沿って環状をなしているスペーサを介して連結されており、
当該スペーサの径方向内側には、前記合流空間が形成されている
ことを特徴とする請求項８に記載の熱音響装置。
【請求項１２】
前記拡大部の内部には、
吸熱器側から放熱器側に向かうに従って断面が大きくなるよう構成されたテーパー形通路が形成されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱音響装置。
【請求項１３】
前記拡大部の内部には、吸熱器側から放熱器側に向けて放射状に延びている放射状通路が形成されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の熱音響装置。
【請求項１４】
前記放射状通路を画定する壁体は、吸熱器側から放熱器側に向かうに従って厚くなるよう構成されている
ことを特徴とする請求項１３に記載の熱音響装置。
【請求項１５】
熱の供給を受ける熱交換器である吸熱器と、熱を放熱する熱交換器である放熱器との間において作動流体が貫流可能な通路が複数形成されており、当該通路のうち放熱器側の開口から当該吸熱器側の開口に向かうに従って高温となる温度勾配が生じることにより当該通路内の作動流体に音圧を発生させる、熱音響装置のスタックであって、
吸熱器側の開口の総断面積である吸熱器側総開口面積が、放熱器側の開口の総断面積である放熱器側総開口面積に比べて小さくなるよう構成されている
ことを特徴とする熱音響装置のスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熱音響現象を利用してエネルギ変換を行う熱音響装置に関し、特に、熱音響装置を構成する部品の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱音響装置には、熱の供給を受ける熱交換器である吸熱器と、熱を放熱する熱交換器である放熱器との間において作動流体が貫流する通路が複数形成された部品（以下、スタックと記す）が設けられている。スタックは、例えば、細管等を束ねたもので構成されている。スタックにおいて、放熱器側から吸熱器側に向かうに従って高温となる温度勾配を、通路を画定する壁面等に生じさせると、当該通路内において作動流体が膨張・収縮を繰り返し、作動流体に音圧を生じさせる。
【０００３】
このように音圧を発生させるスタックにおいては、吸熱器からの熱エネルギを、当該スタックにおいて音響エネルギに変換し、当該音響エネルギを、配管内を流れる作動流体を介して冷熱発生器や発電機に輸送することができる。熱音響装置には、当該スタックから延びている配管の経路が直線状に構成された、いわゆる直管型のものや、当該配管の経路が略環状に構成された、いわゆるループ管型のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４７４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のような熱音響装置においては、音圧を発生させるスタックに生じる温度勾配が比較的小さいと、これに応じて発生する音響エネルギが小さくなる、又は発生しないという問題が生じる。一方、スタックに比較的大きい温度勾配を生じさせるため、吸熱器の温度を高く設定した場合、高温の熱源が必要となるという問題があり、加えて、スタックにおいて熱エネルギを音響エネルギに変換する効率が低下するという問題が生じる。したがって、熱音響装置において、音圧を発生させるスタックには、より高い効率で熱エネルギを音響エネルギに変換する技術が要望されている。
【０００６】
そこで、本発明の実施形態は、より高い効率で熱エネルギを音響エネルギに変換可能な、熱音響装置及びそのスタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の熱音響装置は、熱の供給を受ける熱交換器である吸熱器と、熱を放熱する熱交換器である放熱器と、吸熱器と放熱器との間において作動流体が貫流可能な通路が複数形成されており、当該通路のうち放熱器側の開口よりも吸熱器側の開口が高温となる温度勾配が生じることにより当該通路内の作動流体に音圧を発生させるスタックとを有し、前記スタックは、吸熱器側の開口の総断面積である吸熱器側総開口面積が、放熱器側の開口の総断面積である放熱器側総開口面積に比べて小さくなるよう構成されていることを要旨とする。
【０００８】
また、本発明の実施形態の熱音響装置のスタックは、熱の供給を受ける熱交換器である吸熱器と、熱を放熱する熱交換器である放熱器との間において作動流体が貫流可能な通路が複数形成されており、当該通路のうち放熱器側の開口から吸熱器側の開口に向かうに従って高温となる温度勾配が生じることにより当該通路内の作動流体に音圧を発生させる、熱音響装置のスタックであって、吸熱器側の開口の総断面積である吸熱器側総開口面積が、放熱器側の開口の総断面積である放熱器側総開口面積に比べて小さくなるよう構成されていることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態によれば、吸熱器から供給される熱量を抑制しつつスタックに所望の温度勾配を生じさせて、より高い効率で吸熱器からの熱エネルギをスタックにおいて音響エネルギに変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の熱音響装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の熱音響装置の音圧発生部の構成を示す模式図である。
【図３】第１の実施形態のスタックに形成される通路の構成を模式的に示す透視図である。
【図４】第１の実施形態において音圧発生部のスタックに多孔体構造部を用いた場合の解析モデルを示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の音圧発生部のスタックにおいて断面積比に対する熱流から仕事流への変換効率を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態の音圧発生部のスタックの断面積比に対する吸熱器と放熱器の温度差を示すグラフである。
【図７】第２の実施形態の熱音響装置の構成を示す模式図である。
【図８】第３の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す縦断面図である。
【図９】図８において破線Ｅで囲う領域の拡大断面図である。
【図１０】図８のX−X線による断面図である。
【図１１】第３の実施形態の熱音響装置のスタックの変形例の断面を示す断面図であり、図８のX−X線による断面図である。
【図１２】第４の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す外観図である。
【図１３】図１２に示すスタックを軸方向吸熱器側から見た外観図である。
【図１４】第４の実施形態の変形例のスタックの構成を示す模式図である。
【図１５】第５の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す断面図である。
【図１６】第５の実施形態の変形例のスタックの構成を示す断面図である。
【図１７】他の実施形態の変形例（ラッパ型）のスタックの構成を示す外観図である。
【図１８】他の実施形態の変形例（ベル型）のスタックの構成を示す外観図である。
【図１９】他の実施形態の変形例（ラバーノズル型）のスタックの構成を示す外観図である。
【図２０】他の実施形態の変形例（オーバル型）のスタックの構成を示す外観図である。
【図２１】第６の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す縦断面図である。
【図２２】第６の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す外観図であり、外周壁を省略した図である。
【図２３】第６の実施形態の熱音響装置のスタックを軸方向吸熱器側から見た外観図であり、外周壁を省略した図である
【図２４】第７の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す縦断面図である。
【図２５】第７の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す外観図であり、外周壁を省略した図である。
【図２６】第８の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す縦断面図である。
【図２７】第８の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す外観図である。
【図２８】第８の実施形態の熱音響装置のスタックの拡大部を構成するスペーサの部品図である。
【図２９】第９の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す縦断面図である。
【図３０】第９の実施形態の熱音響装置のスタックの延伸方向通路を画定する壁体の構成を示す斜視図である。
【図３１】第１０の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す縦断面図である。
【図３２】第１０の実施形態の熱音響装置のスタックのテーパー形通路を画定する壁体の構成を示す斜視図である。
【図３３】第１１の実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す縦断面図である。
【図３４】スタックの空隙率に対する熱流から仕事流への変換効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が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変更が可能である。
【００１２】
〔第１の実施形態〕
まず、本実施形態の熱音響装置の概略構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の熱音響装置の概略構成を示す模式図である。なお、本実施形態においては、一例として、作動流体が充填される配管の経路が、略直線状をなしている、いわゆる直管型の熱音響装置であり、且つ、音響エネルギを受けて冷熱を発生させるいわゆる熱音響冷凍機について説明する。
【００１３】
本実施形態の熱音響装置１０は、熱エネルギを音響エネルギに変換する音圧発生部２０と、音圧発生部２０において発生した音響エネルギを受けて冷熱を発生させる冷熱発生部８０とを有している。
【００１４】
音圧発生部２０は、熱音響装置１０の外から熱の供給を受ける熱交換器（以下、吸熱器と記す）２２と、熱音響装置１０の外に熱を放熱する熱交換器（以下、放熱器と記す）２４と、吸熱器２２と放熱器２４との間に挟まれて設けられ、吸熱器からの熱を作動流体に伝達して作動流体に音圧を発生させるスタック３０とを有している。すなわち、スタック３０の一方の端は、高温の吸熱器２２に結合されており、他方の端は、吸熱器２２に比べて温度が低い放熱器２４に結合されている。放熱器２４は、外気と同等か僅かに高い温度である。なお、音圧に作動流体の粒子速度を乗じた値が、音響エネルギとなる。
【００１５】
一方、冷熱発生部８０は、音響エネルギを受けて冷熱を発生させるスタック８２と、スタック８２の音圧発生部２０側に結合される熱交換器である放熱器８４と、スタック８２の音圧発生部２０と反対側に結合される熱交換器である冷熱器８６とを有している。すなわちスタック８２の一方の端は、低温の冷熱器８６に結合されており、他方の端は、冷熱器８６に比べて温度が高い放熱器８４に結合されている。放熱器８４は、外気と同等か僅かに低い温度である。
【００１６】
音圧発生部２０と冷熱発生部８０は、略円筒状の中央配管１４を介して結合されている。音圧発生部２０のうち、冷熱発生部８０と反対側には、略筒状をなし一方の端１２ａが閉じた形状の端部配管１２が結合されている。一方、冷熱発生部８０のうち、音圧発生部２０と反対側には、略筒状の配管１６が結合されており、当該配管１６の端部１６ａは、略球状をなしている。配管１６、冷熱発生部８０（すなわち冷熱器８６、スタック８２、放熱器８４）、中央配管１４、音圧発生部２０（すなわち放熱器２４、スタック３０、吸熱器２２）、端部配管１２の内には、作動流体が充填されており、作動流体の疎密波である音圧が伝播可能に構成されている。なお、作動流体には、一例として空気が用いられる。
【００１７】
このように構成された熱音響装置１０において、音圧発生部２０の吸熱器２２が熱の供給を受けて、放熱器２４に比べて高温になると、吸熱器２２の熱は、スタック３０を経由して放熱器２４に伝達される。これにより、スタック３０内には、放熱器２４側から吸熱器２２側に向かうに従って高温となる温度勾配が生じる。このような温度勾配が生じた状態で、スタック３０は、内部に複数形成された通路（図示せず）内にある作動流体との間で熱交換を行う。このとき、スタック３０の通路内にある作動流体は、膨張と圧縮を繰り返すため、作動流体には音圧が発生する。なお、スタック３０の内部構造については、後述する。
【００１８】
スタック３０が発した音響エネルギは、中央配管１４内の作動流体中を伝って、冷熱発生部８０のスタック８２に到達する。スタック８２は、内部に複数の通路（図示せず）が形成されており、当該通路内にある作動流体と熱交換を行う。このとき、スタック８２の通路内にある作動流体は、音響エネルギを受けて圧縮と膨張を繰り返すため、スタック８２内の通路には、放熱器８４側から冷熱器８６側に向かうに従って低温となる温度勾配が生じる。このようにしてスタック８２において発生した冷熱は、冷熱器８６に伝達され、当該冷熱器８６の温度を低下させる。
【００１９】
なお、以下の説明において、スタック３０のうち、吸熱器２２が結合される側を「吸熱器側」と記し、放熱器２４が結合される側を「放熱器側」と記す。加えて、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かう方向（または放熱器２４側から吸熱器２２側に向かう方向）を「軸方向」と記す。また、スタック３０の内部に複数形成された通路が延びている方向を、特に「延伸方向」と記す。本実施形態の熱音響装置１０において、スタック３０の通路の延伸方向は、軸方向と一致している。
【００２０】
次に、本実施形態の音圧発生部２０の詳細な構成について図２及び図３を用いて説明する。図２は、本実施形態の熱音響装置の音圧発生部の構成を示す模式図である。図３は、本実施形態のスタックに形成される通路の構成を模式的に示す透視図である。
【００２１】
図２に示すように、熱音響装置１０の音圧発生部２０において、スタック３０は、吸熱器２２側の端部（以下、吸熱器側端部と記す）３１が、吸熱器２２に結合されており、放熱器２４側の端部（以下、放熱器側端部と記す）３５が放熱器２４に結合されている。吸熱器側端部３１と、放熱器側端部３５は、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かう方向である軸方向（図に矢印Ｃで示す）に軸心が延びる円筒状をなしている。吸熱器側端部３１は、放熱器側端部３５に比べて内径が小さくなるよう構成されている。本実施形態のスタック３０において、吸熱器側端部３１の内径は、端部配管１２の内径とほぼ同一となるよう構成されている。同様に、放熱器側端部３５の内径は、中央配管１４の内径とほぼ同一となるよう構成されている。
【００２２】
図２及び図３に示すように、スタック３０において、吸熱器側端部３１と放熱器側端部３５の間には、軸方向を吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って当該軸方向に直交する断面が大きくなるよう構成された部分（以下、拡大部と記す）３３が結合されている。拡大部３３は、軸方向に軸心が延びる円錐台形状をなしている。拡大部３３は、軸方向を吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って断面が大きくなるよう構成されている。
【００２３】
図３に示すように、スタック３０のうち拡大部３３には、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能な通路（図２には破線で示す）が複数形成されている。スタック３０の拡大部３３に形成されている通路のうち、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かう方向に延びている軸方向の通路３６を、以下の説明において延伸方向通路３６と記す。本実施形態において、延伸方向通路３６は、所定の断面積を以って、上述した軸方向に直線状に延びている。加えて、スタック３０の拡大部３３には、隣り合う延伸方向通路３６同士を連通させる通路（以下、連通通路と記す）３７が複数形成されている。延伸方向通路３６及び連通通路３７内には、作動流体が充填されている。なお、延伸方向通路３６及び連通通路３７は、中実の部材に孔を加工することや、金属製の細管を加工することによっても実現することができる。
【００２４】
スタック３０の拡大部３３のうち、吸熱器２２側の端面（以下、吸熱器側端面と記す）３２には、延伸方向通路３６の吸熱器２２側の開口３８が複数形成されている。同様に、拡大部３３のうち、放熱器２４側の端面（以下、放熱器側端面と記す）３４にも、延伸方向通路３６の放熱器２４側の開口３９が複数形成されている。拡大部３３は、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って外径が大きく構成されており、且つ延伸方向通路３６は、軸方向に直線状に延びており、吸熱器２２側の開口３８は、放熱器２４側の開口３９に比べて、その数が少なくなるよう構成されている。スタック３０の拡大部３３のうち、吸熱器側端面３２に形成された複数の延伸方向通路３６の開口３８の総断面積である「吸熱器側総開口面積」は、放熱器側端面３４に形成された複数の延伸方向通路３６の開口３９の総断面積である「放熱器側総開口面積」に比べて小さくなるよう構成されている。
【００２５】
このように構成されたスタック３０において、吸熱器２２が熱の供給を受けると、その熱は、吸熱器側端部３１を介して拡大部３３に伝達される。スタック３０の拡大部３３において、延伸方向通路３６及び連通通路３７には、放熱器２４側の開口３９から吸熱器２２側の開口３８に向かうに従って高温となる温度勾配が生じる。拡大部３３の内部に形成された通路、すなわち延伸方向通路３６及び連通通路３７の内壁面と、作動流体との間で熱交換が行われ、作動流体が膨張と収縮を繰り返す。このようにして、スタック３０の拡大部３３は、内部に形成された通路、すなわち延伸方向通路３６及び連通通路３７内の作動流体に音圧、すなわち音響エネルギを発生させる。
【００２６】
以上のように構成された熱音響装置１０の音圧発生部２０における、吸熱器２２と放熱器２４との温度差と、スタック３０の熱エネルギから音響エネルギへの変換効率（すなわち熱流から仕事流への変換効率）について、図３〜図６を用いて説明する。図４は、音圧発生部のスタックに多孔体構造部を用いた場合の解析モデルを示す模式図である。図５は、音圧発生部のスタックにおいて断面積比に対する熱流から仕事流への変換効率を示すグラフである。図６は、音圧発生部のスタックの断面積比に対する吸熱器と放熱器の温度差を示すグラフである。
【００２７】
なお、図５及び図６において横軸に示す「断面積比」とは、放熱器側総開口面積に対する吸熱器側総開口面積の割合（［吸熱器側総開口面積］／［放熱器側総開口面積］）である。本解析モデルにおいては、断面積比として、放熱器２４に接続された中央配管１４の開口の断面積（以下、放熱器側配管開口面積と記す）Ａｃに占める、吸熱器２２に接続された端部配管１２の開口の断面積（以下、吸熱器側配管開口面積と記す）Ａｈの割合を使用している。すなわち、断面積比は、吸熱器側総開口面積を放熱器側総開口面積により除した値であり、吸熱器側配管開口面積Ａｈを放熱器側配管開口面積Ａｃで除した値とほぼ等しい値である。
【００２８】
熱音響装置１０の音圧発生部２０において、吸熱器２２の温度（以下、高温側温度と記す）と放熱器２４の温度（以下、低温側温度と記す）がある条件であったとき、端部配管１２、中央配管１４、配管１６内の作動流体を伝播する音波の共鳴周波数で自励音（自励振動）が発生することが知られている。自励音（自励振動）が発生する周波数と温度条件については、以下の熱音響波動方程式を解くことによって示され、図４を用いて説明する。
【００２９】
図４には、一例として音圧発生部２０のスタック３０に、複数の細管から構成された多孔体構造物を用いた場合を示している。図４において、多孔体構造物を構成する細管の内径をｒ０で示し、細管内における気体（作動流体）の軸方向の速度変動をｕで示し、細管内における気体（作動流体）の圧力変動をｐで示し、細管内における気体（作動流体）の軸方向の速度変動ｕの径方向ｒ（０≦ｒ≦ｒ０）における分布は、下記の式（１）のように表される。
【００３０】
【数１】
2014143677.tif 000003
【００３１】
また、下記の式（２）を定義する。
【００３２】
【数２】
2014143677.tif 000004
【００３３】
【数３】
2014143677.tif 000005
【００３４】
細管内気体の運動方程式は、下記の式（４）の形をとる。
【００３５】
【数４】
2014143677.tif 000006
【００３６】
同様に熱音響理論により、細管内気体の質量保存則は、下記の式（５）の形で書くことができる。
【００３７】
【数５】
2014143677.tif 000007
【００３８】
式（４）と式（５）から、圧力変動に対する一次元の波動方程式が、式（６）の形で得られる。
【００３９】
【数６】
2014143677.tif 000008
【００４０】
式（６）を満足する軸方向温度勾配と管路の共振周波数ωの組合せから、自励音（自励振動）の周波数が求まる。
【００４１】
図４においては、説明を簡単にするため、熱音響装置１０のうち音圧発生部２０のみを取り出し、管路長を一定とした条件で、吸熱器側配管開口面積Ａｈを縮小変化させた解析モデルを示している。当該モデルにより解析した結果を図５及び図６に示す。
【００４２】
なお、図４に示す解析モデルにおいては、以下の数値を用いているが、本発明は、これら数値に限定されるものではない。
熱交換器長さ：１５ｍｍ
吸熱器側内径：１８．５ｍｍ
放熱器側温度：２９０Ｋ
スタック長さ：４０ｍｍ
スタック細管等価径：０．４９ｍｍ
空隙率：０．７１
図５において、横軸には、断面積比（すなわちＡｈ／Ａｃ）を示している。縦軸には、音圧発生部２０のスタック３０が放熱器２４側から発生する「単位時間あたりの音響エネルギ」すなわち音響パワー（以下、仕事流と記す）を、吸熱器２２における「単位時間あたりの入熱量」（以下、熱流と記す）により除した値、すなわち熱流から仕事流への変換効率（以下、熱流−仕事流変換効率と記す）を示している。
【００４３】
図５において、断面積比が１．０である場合、吸熱器２２側と放熱器２４側との開口断面積が等しいスタックであることを示している。図５によると、断面積比が１．０未満、すなわち吸熱器２２の総開口面積が放熱器２４側の総開口面積に比べて小さい場合、熱流−仕事流変換効率は、断面積比が１．０である場合に比べて高いことが分かる。また、熱流−仕事流変換効率は、断面積比が小さくなるに従って高くなることが分かる。
【００４４】
一方、図６においては、断面積比を横軸に示し、吸熱器２２と放熱器２４の温度差（以下、「吸熱器−放熱器温度差」と記す）を縦軸に示している。図６によると、吸熱器−放熱器の温度差は、断面積比が１．０の場合が最も小さい。加えて、断面積比が小さくなるに従って、吸熱器−放熱器温度差が大きくなることが分かる。特に断面積比が０．２５より小さくなると、吸熱器−放熱器温度差が急激に増大する。これは、吸熱器−放熱器温度差が大きいことは、放熱器２４の温度を一定とする条件では吸熱器２２を高温にする必要があることを意味している。吸熱器２２の温度が高くなりすぎることを抑制する観点からは、スタック３０は「断面積比を２５％以上であり且つ１００％未満とする」ことが必要と分かる。換言すれば、スタック３０において「吸熱器側総開口面積は、放熱器側総開口面積の２５％以上であり、且つ１００％未満とする」ことが必要であると分かる。
【００４５】
以上に説明したように本実施形態の熱音響装置１０においては、熱の供給を受ける熱交換器である吸熱器２２と、熱を放熱する熱交換器である放熱器２４と、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能な通路（３６，３７）が複数形成されたスタック３０とを有している。本実施形態のスタック３０は、当該通路（３６，３７）に放熱器側開口３９から吸熱器側開口３８に向かうに従って高温となる温度勾配が生じることにより当該通路内の作動流体に音圧を発生させる。
【００４６】
スタック３０は、吸熱器側開口３８の総断面積である吸熱器側総開口面積が、放熱器側開口３９の総断面積である放熱器側総開口面積に比べて小さくなるよう構成されている。このようにスタック３０を構成することで、吸熱器２２から供給される熱量を抑制しつつスタック３０に所望の温度勾配を生じさせて、より高い効率で吸熱器２２からの熱エネルギをスタック３０において音響エネルギに変換することができる。なお、吸熱器側総開口面積は、放熱器側総開口面積の２５％以上であり、且つ１００％未満である。
【００４７】
以上のように構成された本実施形態のスタック３０は、放熱器２４の開口３９（図３参照）から音圧（音響エネルギ）を冷熱発生部８０に向けて良好に発する。一方、吸熱器２２側の開口３８の総断面積である「吸熱器側総開口面積」は、放熱器側総開口面積に比べて小さくなるよう構成されているので、吸熱器２２に供給される熱量を抑制しつつ、スタック３０に所望の温度勾配を生じさせることができる。本実施形態のスタック３０は、吸熱器側総開口面積が放熱器側総開口面積と等しい場合に比べて、より高い効率で吸熱器からの熱エネルギを音響エネルギに変換することができる。
【００４８】
加えて、本実施形態のスタック３０は、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って、当該方向（軸方向、図に矢印Ｃで示す）に直交する断面が大きくなるよう構成されているものとした。また、スタック３０に形成される通路には、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かう方向である延伸方向（本実施形態においては軸方向と一致）に延びている延伸方向通路３６と、隣り合う延伸方向通路３６同士を連通させる連通通路３７とを含むものとした。これにより、上述した吸熱器側総開口面積が、放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを、例えば、円錐台形状とし、上述した延伸方向通路３６と連通通路３７とを形成することで実現することができる。なお、本実施形態のスタック３０において、延伸方向通路３６の断面は、円形をなしているものとしたので、延伸方向通路３６を、既存の細管を束ねたもの等により比較的容易に実現することができる。
【００４９】
〔第２の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態の熱音響装置の構成を示す模式図である。なお、本実施形態においては、作動流体が充填される配管の経路が略環状をなしている点で、第１の実施形態の熱音響装置と異なっており、以下に詳細を説明する。なお、第１の実施形態の熱音響装置と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
本実施形態の熱音響装置１０Ｂは、熱エネルギを音響エネルギに変換する音圧発生部２０と、音圧発生部２０において発生した音響エネルギを受けて冷熱を発生させる冷熱発生部８０とを有し、作動流体が充填される配管の経路が略環状をなしている、いわゆるループ管型熱音響冷凍機である。
【００５１】
音圧発生部２０の放熱器２４と冷熱発生部８０の放熱器８４は、経路が略Ｕ字状をなしている配管（以下、放熱器側配管と記す）１５を介して結合されている。放熱器側配管１５は、その断面積がほぼ一定となるよう構成されている。一方、音圧発生部２０の吸熱器２２と、冷熱発生部８０の冷熱器８６も、経路が略Ｕ字状をなしている配管（以下、吸熱器側配管と記す）１７を介して結合されている。吸熱器側配管１７は、その経路に応じて断面積が変化するよう構成されている。具体的には、吸熱器側配管１７のうち吸熱器２２側の端部１７ａの断面積は、冷熱器８６側の端部１７ｅに比べて小さくなるよう構成されている。吸熱器側配管１７には、吸熱器２２から冷熱器８６に向かう経路に応じて徐々に断面積が拡大する部分（以下、拡径部と記す）１７ｃが設けられている。
【００５２】
音圧発生部２０（すなわち吸熱器２２、スタック３０、放熱器２４）、放熱器側配管１５、冷熱発生部８０（すなわち放熱器８４、スタック８２、冷熱器８６）、吸熱器側配管１７の内には、作動流体が充填されており、且つ作動流体が循環可能に構成されている。
【００５３】
以上のように構成された熱音響装置１０Ｂにおいて、音圧発生部２０の吸熱器２２が熱の供給を受けると、スタック３０には、放熱器２４側から吸熱器２２側に向かうに従って高温となる温度勾配が生じる。このとき、スタック３０は、内部に複数形成された通路（図示せず）内にある作動流体との間で熱交換を行い、スタック３０の通路内にある作動流体に音圧を発生させる。
【００５４】
スタック３０が発した音響エネルギは、主に放熱器側配管１５内の作動流体中を伝って、冷熱発生部８０のスタック８２に到達する。スタック８２は、内部に複数の通路（図示せず）が形成されており、当該通路内にある作動流体と熱交換を行う。このとき、スタック８２の通路内にある作動流体は、音響エネルギを受けて圧縮と膨張を繰り返すため、スタック８２には、放熱器８４側から冷熱器８６側に向かうに従って低温となる温度勾配が生じる。このようにしてスタック８２において生じた冷熱は、冷熱器８６に伝達され、当該冷熱器８６の温度を低下させる。
【００５５】
なお、本実施形態の熱音響装置１０Ｂは、作動流体の流動経路が環状をなすループ管型の熱音響装置であるので、作動流体は、音圧発生部２０から吸熱器側配管１７を経て冷熱発生部８０に流れ、さらに、放熱器側配管１５を経て、再び音圧発生部２０に流れる。
【００５６】
以上のように構成された本実施形態の熱音響装置１０Ｂにおいても、第１の実施形態と同様に、音圧発生部２０のスタック３０は、吸熱器２２側の開口の総断面積である吸熱器側総開口面積が、放熱器２４側の開口の総断面積である放熱器側総開口面積に比べて、小さくなるよう構成されている。このため、本実施形態の熱音響装置１０Ｂにおいても、第１の実施形態のスタック３０を適用して、吸熱器２２から供給される熱量を抑制しつつスタック３０に所望の温度勾配を生じさせて、より高い効率で吸熱器２２からの熱エネルギをスタック３０において音響エネルギに変換することができる。
【００５７】
〔第３の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて、図８〜図１０を用いて説明する。図８は、本実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す縦断面図である。図９は、図８において破線Ｅで囲う領域の拡大断面図である。図１０は、図８のX−X線による断面図である。図１１は、本実施形態の熱音響装置のスタックの変形例の断面を示す断面図であり、図８のX−X線による断面図である。本実施形態においては、延伸方向通路は、吸熱器側から放熱器側に向かう方向に延びている壁体により、その断面が囲まれている点で、第１の実施形態のスタックと異なっており、以下に詳細を説明する。なお、第１の実施形態のスタックと略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５８】
図８及び図９に示すように、本実施形態のスタック３０Ｃの拡大部３３Ｃの内部には、吸熱器側端面３２と放熱器側端面３４との間において、軸方向（図に矢印Ｃで示す）に延びている壁体４０が複数形成されている。これら壁体４０は、軸方向と直交する方向において所定の間隔をあけて延びている。隣り合う壁体４０同士の間には、吸熱器側端面３２から放熱器側端面３４に向けて延びている延伸方向通路４４が、複数形成されている。
【００５９】
壁体４０は、図１０に矢印Ｆで示す所定の方向と、当該方向と直交する方向（図に矢印Ｂで示す）に、格子状となるよう延びている。延伸方向通路４４は、軸方向に直交する断面が、壁体４０により囲まれて、矩形をなしている。なお、本実施形態において、延伸方向通路４４の断面は、正方形をなしている。
【００６０】
図８及び図１０に示すように、スタック３０Ｃにおいて、複数の延伸方向通路４４は、吸熱器側端面３２において開口４７を有し、放熱器側端面３４において開口４８を有している。延伸方向通路４４は、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能に構成されている。スタック３０Ｃは、延伸方向通路４４の吸熱器２２側の開口４７の総断面積である「吸熱器側総開口面積」が、放熱器２４側の開口４８の総断面積である「放熱器側総開口面積」に比べて小さくなるように構成されている。
【００６１】
図９に示すように、壁体４０には、隣り合う延伸方向通路４４同士を連通させる孔（以下、連通孔と記す）４６が複数形成されている。連通孔４６は、図８に示すスタック３０Ｃの拡大部３３Ｃの全体に亘って形成されている。
【００６２】
このように構成されたスタック３０Ｃは、吸熱器２２が熱の供給を受けると、スタック３０Ｃの壁体４０には、放熱器２４側から吸熱器２２側に向かうに従って高温となる温度勾配が生じる。これにより、延伸方向通路４４内にある作動流体は、当該壁体４０との間で熱交換を行い、膨張と圧縮を繰り返して音圧が発生する。
【００６３】
以上のように本実施形態のスタック３０Ｃにおいては、隣り合う延伸方向通路４４は、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かう方向（軸方向）に延びている壁体４０により、その断面が囲まれており、当該壁体４０には、隣り合う延伸方向通路４４同士を連通させる連通孔４６が設けられているものとした。複数の壁体４０を組み合わせ、隣り合う延伸方向通路４４同士を連通させる連通孔４６が設けることにより、作動流体が貫流可能であり、且つ吸熱器側総開口面積が放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを実現することができる。
【００６４】
なお、本発明のスタックにおける延伸方向通路の態様は、上述した壁体４０により断面が囲まれるものに限定されるものではない。例えば、図１１に示す変形例のスタック３０Ｄように、拡大部３３Ｄに、複数の細管４９を束にしたものを設けることも好適である。スタック３０Ｄにおいては、細管４９の内壁面で囲まれた空間が、延伸方向通路となる。本変形例の場合、軸方向（図８参照）に直交する方向である径方向（図１１に矢印Ｒで示す）の外側においては、細管４９の軸方向の長さを短くするだけで、吸熱器側総開口面積が放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを容易に実現することができる。
【００６５】
〔第４の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて、図１２〜図１３を用いて説明する。図１２は、本実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す外観図である。図１３は、図１２に示すスタックを軸方向吸熱器側から見た外観図である。本実施形態において、スタックは、吸熱器側から放熱器側に向かうに従って、当該方向に直交する断面が、段階的に大きくなるよう構成されている点で、第１の実施形態のスタックと異なっており、以下に詳細を説明する。なお、第１の実施形態のスタックと略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
図１２に示すように、スタック３０Ｅは、吸熱器側端部３１と、放熱器側端部３５との間に介在して、拡大部３３Ｅが結合されている。拡大部３３Ｅは、軸方向（図に矢印Ｃで示す）において、吸熱器側端部３１（すなわち吸熱器側）から、放熱器側端部３５（すなわち放熱器側）に向かうに従って、当該軸方向に直交する径方向（図に矢印Ｒで示す）の断面が、段階的に大きくなるよう構成されている。当該拡大部３３Ｅの内部には、吸熱器２２側と放熱器２４側との間で作動流体が貫流可能な通路（図１２に一部を破線で示す）が複数形成されている。
【００６７】
拡大部３３Ｅは、外径の異なる３つの円柱状の部分から構成されており、以下の説明において吸熱器２２側から放熱器２４側に、第１円柱部５１、第２円柱部５２、第３円柱部５３と記す。第１円柱部５１、第２円柱部５２及び第３円柱部５３には、軸方向に延びる延伸方向通路（図１２に破線で示す）、及び図示しない連通通路又は連通孔が複数形成されており、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能に構成されている。
【００６８】
図１２及び図１３に示すように、スタック３０Ｅにおいて、吸熱器側端部３１、拡大部３３Ｅの第１円柱部５１、第２円柱部５２、第３円柱部５３、及び放熱器側端部３５は、同軸に設けられている。スタック３０Ｅは、吸熱器側端部３１、第１円柱部５１、第２円柱部５２、第３円柱部５３、放熱器側端部３５の順に外径が大きくなるよう構成されている。すなわちスタック３０Ｅは、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って、当該軸方向に直交する径方向の断面が、段階的に大きくなるよう構成されている。
【００６９】
このように構成されたスタック３０Ｅにおいても、吸熱器２２側の延伸方向通路の開口５５の総断面積である「吸熱器側総開口面積」が、放熱器２４側の延伸方向通路の開口５６の総断面積である「放熱器側総開口面積」に比べて小さくなるよう構成されている。スタック３０Ｅは、吸熱器２２が熱の供給を受けると、スタック３０Ｅの通路には、放熱器２４側の開口５６から吸熱器２２側の開口５５に向かうに従って高温となる温度勾配が生じる。これにより、延伸方向通路（図に破線で示す）にある作動流体は、当該通路の内壁面（図示せず）との間で熱交換を行い、膨張と圧縮を繰り返して音圧が発生する。
【００７０】
以上に説明したように本実施形態のスタック３０Ｅにおいては、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って、当該方向（図に矢印Ｃで示す）に直交する方向の断面が、段階的に大きくなるよう構成されている。このようにスタック３０Ｅを構成することで、内部に延伸方向通路が形成された円柱状部材（外径の異なるもの）を、複数用意し、これを結合することで、吸熱器側総開口面積が放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを容易に実現することができる。
【００７１】
なお、本発明の熱音響装置のスタックにおいて、内部に形成される「吸熱器と放熱器との間において作動流体が貫流可能な通路」の態様は、上述したものに限定されるものではない。例えば、図１４に示す変形例のスタック３０Ｆのように、金属製の線材６１を格子状に結合して構成された平らな部材（以下、金網構造物と記す）６０を、軸方向（図に矢印Ｃで示す）に複数積層することにより、図１４に破線で示す延伸方向通路に相当するものを構成しても良い。このように金網構造物６０を積層する構造とすることにより、スタックの製作が容易なものとなる。なお、金網構造物６０を、軸方向において所定の間隔を空けて配置すれば、上述した延伸方向通路に加えて、隣り合う延伸方向通路を連通させる連通通路（又は連通孔）をも容易に実現することができる。
【００７２】
〔第５の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて図１５を用いて説明する。図１５は、本実施形態の熱音響装置のスタックの構成を示す断面図である。本実施形態のスタックは、吸熱器側から放熱器側に向かうに従って当該軸方向に直交する断面が大きくなるよう構成された拡大部の内部に、構造物が多数充填されている点で、第１の実施形態のスタックと異なっており、以下に詳細を説明する。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７３】
図１５に示すように、本実施形態のスタック３０Ｇにおいて、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って断面が大きくなるよう構成された拡大部３３Ｇが設けられている。詳細には、拡大部３３Ｇは、軸方向（図に矢印Ｃで示す）に軸心を有し、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って断面が大きくなる円錐台形状をなしている。拡大部３３Ｇの外周壁６３の径方向（図に矢印Ｒで示す）の内側であって、吸熱器側端面３２と放熱器側端面３４との間には、金属製の球体６４が多数充填されている。
【００７４】
当該スタック３０Ｇの場合、拡大部３３Ｇ内において球体６４同士の間に形成される隙間６５が、吸熱器２２と放熱器２４との間において「作動流体が貫流可能な通路」となる。拡大部３３Ｇのうち、吸熱器側端面３２及び放熱器側端面３４においても、球体６４同士の間に隙間が形成され、当該隙間が「作動流体が貫流可能な通路」の開口となる。
【００７５】
吸熱器２２が熱の供給を受けると、スタック３０Ｇは、吸熱器２２からの熱を、吸熱器側端部３１から拡大部３３Ｇに伝達する。拡大部３３Ｇにおいて、吸熱器２２からの熱は、複数の球体６４を介して、放熱器側端部３５及び放熱器２４に伝達される。これにより、スタック３０Ｇには、放熱器２４側から吸熱器２２側に向かうに従って高温となる温度勾配が生じる。これにより、スタック３０Ｇの拡大部３３Ｇ内の隙間６５にある作動流体は、球体６４の外表面との間で熱交換を行い、膨張と圧縮を繰り返して音圧が発生する。
【００７６】
以上のように本実施形態のスタック３０Ｇにおいては、円錐台形状をなす外周壁６３内に複数の金属製の球体６４を充填するだけで、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能であり、且つ吸熱器側総開口面積が放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを容易に製作することができる。
【００７７】
なお、本実施形態においては、スタック３０Ｇの拡大部３３Ｇ内に多数の金属製の球体６４を充填するものとしたが、当該拡大部内に充填される部材は、これに限定されるものではない。例えば、図１６に示す変形例のスタック３０Ｈのように、拡大部３３Ｈの外周壁６３の径方向（図に矢印Ｒで示す）の内側であって、吸熱器側端面３２と放熱器側端面３４との間に、金属製の網目状の部材、いわゆる金属メッシュを充填するものとしても良い。この態様によっても、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能であり、且つ吸熱器側総開口面積が放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを容易に製作することができる。
【００７８】
〔第６の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて図２１〜図２３を用いて説明する。図２１は、本実施形態のスタックの構成を示す縦断面図である。図２２は、本実施形態のスタックの構成を示す外観図であり、外周壁の図示を省略した図である。図２３は、本実施形態のスタックを軸方向吸熱器側から見た外観図であり、外周壁の図示を省略した図である。なお、図２２及び図２３においては、理解を容易にするために、外周壁の図示を省略している。また、上述した実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７９】
図２１に示すように、本実施形態のスタック３０Ｐの内部には、吸熱器２２と放熱器２４との間において、軸方向（図に矢印Ｃで示す）に延びている壁体４０が複数形成されている。これら壁体４０は、軸方向と直交する方向において所定の間隔をあけて延びている。隣り合う壁体４０同士の間には、吸熱器２２から放熱器２４に向けて延びている延伸方向通路４４が複数形成されている。
【００８０】
図２１に示すように、本実施形態のスタック３０Ｐのうち拡大部３３Ｐの内部には、複数の延伸方向通路４４が合流する空間（以下、単に「合流空間」と記す）９０が設けられている。合流空間９０は、外周壁６３Ｂより径方向内側において直線状に延びている。すなわち合流空間９０は、直線状に延びる通路として構成されている。合流空間９０は、スタック３０Ｐの軸方向（図に矢印Ｃで示す）に所定の間隔をあけて複数形成されている。
【００８１】
本実施形態において、合流空間９０は、図２２及び図２３に示すように、その開口９５が、外周壁６３Ｂの周方向に所定の間隔をあけて複数配列されるよう、角度を変えて複数設けられている。
【００８２】
このように構成されたスタック３０Ｐは、隣り合う延伸方向通路４４内の作動流体が、合流空間９０内を通って自由に行き来することができる。この態様のスタック３０Ｐにおいても、延伸方向通路４４内の作動流体が当該通路を画定する壁体４０との間で熱交換を行って膨張・収縮を繰り返すことにより、音圧を発生させることができる。
【００８３】
なお、上述した実施形態において、合流空間９０は、拡大部３３Ｐの内部を径方向に直線状に延びているものとしたが、本発明に係る合流空間の形状は、これに限定されるものではない。合流空間は、複数の延伸方向通路４４が合流する空間として構成されていれば良い。
【００８４】
〔第７の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて図２４〜図２５を用いて説明する。図２４は、本実施形態のスタックの構成を示す縦断面図である。図２５は、本実施形態のスタックの構成を示す外観図であり、外周壁の図示を省略した図である。なお、図２５においては、理解を容易にするために、外周壁の図示を省略している。なお、上述した実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８５】
図２４及び図２５に示すように、本実施形態のスタック３０Ｑのうち拡大部３３Ｑの内部には、複数の延伸方向通路４４が合流する合流空間９０Ｃが設けられている。合流空間９０Ｃは、拡大部３３Ｑの外周壁６３Ｃより径方向外側において拡大部３３Ｑの周方向に延びている。合流空間９０Ｃは、外周壁６３Ｃより径方向内側において、拡大部３３Ｑの軸心を中心とする環状をなしている。
【００８６】
このように構成されたスタック３０Ｑにおいては、隣り合う延伸方向通路４４内の作動流体が、合流空間９０Ｃ内を通って自由に流通することができる。この態様のスタック３０Ｑにおいても、延伸方向通路４４内の作動流体が当該通路を画定する壁体４０との間で熱交換を行って膨張・収縮を繰り返すことにより、音圧を発生させることができる。
【００８７】
〔第８の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて図２６〜図２８を用いて説明する。図２６は、本実施形態のスタックの構成を示す縦断面図である。図２７は、本実施形態のスタックの構成を示す外観図である。図２８は、本実施形態のスタックの拡大部を構成するスペーサの部品図である。なお、上述した実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８８】
図２６及び図２７に示すように、本実施形態のスタック３０Ｒにおいて、拡大部３３Ｒには、複数の延伸方向通路４４が合流する合流空間９０が、軸方向に所定の間隔をあけて複数形成されている。拡大部３３Ｒは、複数の略円板状をなしている部分（以下、円板状部分と記す）３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆを有している。円板状部分３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆの外周壁の径方向内側には、それぞれ複数の延伸方向通路４４が形成されている。これら円板状部分３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆは、軸方向に所定の間隔をあけて複数連結されて、スタック３０Ｒの拡大部３３Ｒを構成する。
【００８９】
また、図２６及び図２８に示すように、本実施形態の拡大部３３Ｒにおいて、円板状部分同士の間には、環状の部材（以下、スペーサと記す）５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅが配設されている。スペーサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅは、拡大部３３Ｒの軸方向に軸心を有する環状をなしており、隣接する円板状部分とほぼ同じ外径を有するように構成されている。すなわち、隣り合う円板状部分は、スペーサを介して連結されている。
【００９０】
円板状部分３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆと、スペーサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅは、軸方向において交互に積層されてスタック３０Ｒの拡大部３３Ｒを構成している。拡大部３３Ｒにおいて、スペーサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅのそれぞれの径方向内側の空間が、複数の延伸方向通路を連通させる合流空間９０となる。合流空間９０は、スペーサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅの径方向内側において径方向全体に亘って延びている空間である。すなわち、合流空間９０は、軸方向に軸心を有する略円板状の空間となっている。
【００９１】
このように構成されたスタック３０Ｒにおいても、隣り合う延伸方向通路４４内の作動流体が、合流空間９０内を通って自由に流通することができる。この態様のスタック３０Ｒにおいても、延伸方向通路４４内の作動流体が当該通路を画定する壁体４０との間で熱交換を行って膨張・収縮を繰り返すことにより、音圧を発生させることができる。拡大部３３Ｒを、複数の円板状部分３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆに分割し、隣り合う円板状部分の間に環状のスペーサを配設することで、延伸方向通路４４を有する円板状部分同士の間に円板状の合流空間９０が形成された拡大部３３Ｒを容易に実現することができる。
【００９２】
なお、スペーサは外周壁の一部を構成するように設けても、外周壁の内面に取り付けるように設けてもよい。
【００９３】
〔第９の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて図２９及び図３０を用いて説明する。図２９は、本実施形態のスタックの構成を示す縦断面図である。図３０は、本実施形態のスタックの延伸方向通路を画定する壁体の構成を示す斜視図である。なお、上述した第３の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００９４】
図２９に示すように、本実施形態のスタック３０Ｓのうち拡大部３３Ｓの内部には、軸方向に延びている壁体４０が複数形成されている。これら壁体４０は、軸方向と直交する方向において所定の間隔をあけて延びている。隣り合う壁体４０同士の間には、軸方向（図に矢印Ｃで示す）に延びる延伸方向通路４４が複数形成されている。
【００９５】
図３０に示すように、壁体４０は、その断面が格子状となるよう延びている。延伸方向通路４４は、その断面が、壁体４０により囲まれて矩形をなしている。本実施形態においては、隣り合う延伸方向通路同士の壁体４０を連通させる連通通路として、壁体４０には、スリット９８が形成されている。スリット９８は、延伸方向通路４４が延びている方向、すなわち軸方向（図に矢印Ｃで示す）に、所定の長さを以って延びている。ここで、スリット９８は壁体４０の全長にわたって形成されてもよいし、壁体４０の全長に対して部分的に形成されてもよい。壁体４０の全長にわたって形成する場合は、壁体４０の両端部を梁状体の構造物で支持する等により固定する。
【００９６】
このように構成されたスタック３０Ｓにおいても、隣り合う延伸方向通路４４内の作動流体が、壁体４０に形成されたスリット９８を通って自由に流通することができる。この態様のスタック３０Ｓにおいても、延伸方向通路４４内の作動流体が当該通路を画定する壁体４０との間で熱交換を行って膨張・収縮を繰り返すことにより、音圧を発生させることができる。
【００９７】
〔第１０の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて図３１及び図３２を用いて説明する。図３１は、本実施形態のスタックの構成を示す縦断面図である。図３２は、本実施形態のスタックのテーパー形通路を画定する壁体の構成を示す斜視図である。なお、上述した第３の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００９８】
図３１に示すように、本実施形態のスタック３０Ｔのうち拡大部３３Ｔの内部には、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って断面が大きくなるよう構成された通路（以下、テーパー形通路と記す）４５が形成されている。テーパー形通路４５は、略四角錐台状をなしており、吸熱器２２側が先細となるよう構成されている。拡大部３３Ｔにおいて、テーパー形通路４５を画定する壁体４１すなわち隣り合うテーパー形通路４５を仕切る壁体４１は、一定の厚さとなるように構成されている。
【００９９】
図３１及び図３２に示すように、テーパー形通路４５の断面を画定する寸法Ｓ１及び寸法Ｓ２は、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って大きくなるよう構成されている。隣り合うテーパー形通路４５同士の距離が、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って長くなるよう構成されている。
【０１００】
当該テーパー形通路４５は、吸熱器側端部３１内に形成された延伸方向通路４４、及び放熱器側端部３５内に形成された延伸方向通路４４と連通している。スタック３０Ｔは、テーパー形通路４５がこれら延伸方向通路４４と接続されることにより、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能なものとなっている。
【０１０１】
このように構成されたスタック３０Ｔは、拡大部３３Ｔ内にテーパー形通路４５を設けることで、作動流体が貫流可能な通路の数が吸熱器２２と放熱器２４で変化することがない。スタック３０Ｔは、拡大部３３Ｔ内において一端が閉止された通路（例えば、図８、図１２参照）が内部に形成されることがなく、スタック３０Ｔ内に設けられた全ての通路を音圧発生に用いることができる。
【０１０２】
〔第１１の実施形態〕
本実施形態の熱音響装置のスタックについて図３３及び図３４を用いて説明する。図３３は、本実施形態のスタックの構成を示す縦断面図である。図３４は、スタックの空隙率に対する熱流から仕事流への変換効率を示すグラフである。なお、上述した第３の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０３】
図３３に示すように、本実施形態のスタック３０Ｕのうち拡大部３３Ｕの内部には、吸熱器２２側から放熱器２４側に向けて放射状に延びている通路（以下、放射状通路と記す）４５Ｃが形成されている。放射状通路４５Ｃは、略四角柱状をなしている。拡大部３３Ｕの内部において、放射状通路４５Ｃを画定する壁体４３すなわち隣り合う放射状通路を仕切る壁体４３は、吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って厚くなるように構成されている。
【０１０４】
放射状通路４５Ｃは、吸熱器側端部３１内に形成された延伸方向通路４４、及び放熱器側端部３５内に形成された延伸方向通路４４と連通している。スタック３０Ｕは、放射状通路４５Ｃがこれら延伸方向通路４４と接続されることにより、吸熱器２２と放熱器２４との間において作動流体が貫流可能なものとなっている。
【０１０５】
本実施形態のスタック３０Ｕにおいて、壁体４３は、軸方向において、スタック３０Ｕの空隙率が一定となるように厚さが設定されている。図３４に示すように、空隙率は、その値が大きくなるに従って、上述した熱流から仕事流へのエネルギ変換効率である「熱流−仕事流変換効率」と記す）が大きくなる。空隙率が１．０に近づくに従って「熱流−仕事流変換効率」が高いことが分かる。なお、図３４に示す空隙率に対する「熱流−仕事流変換効率」の解析モデルにおいては、以下の数値を用いているが、本発明は、これら数値に限定されるものではない。
熱交換器長さ：４９０ｍｍ
吸熱器側内半径：１６．１ｍｍ
放熱器側内半径：２１．４ｍｍ
放熱器側温度：２９０Ｋ
スタック長さ：４０ｍｍ
スタック細管等価径：１．０２１ｍｍ
空隙率：０．８５，０．９４７，０．９７，０．９９
以上のように構成されたスタック３０Ｕは、拡大部３３Ｕ内に放射状通路４５Ｃを設けることで、作動流体が貫流可能な通路の数が吸熱器２２と放熱器２４で変化することがない。スタック３０Ｕは、その拡大部３３Ｕ内において一端が閉止された通路（例えば、図８、図１２参照）が内部に形成されることがなく、スタック３０Ｕ内に設けられた全ての通路を音圧発生に用いることができる。
【０１０６】
〔他の実施形態〕
以上に説明した実施形態の他に、熱音響装置において音圧を発生させるスタックの形状は、種々の変更が可能である。当該スタックの変形例について、以下に図１７〜図２０を用いて説明する。なお、各図において、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０７】
図１７に示す変形例のスタック３０Ｊは、その拡大部３３Ｊの形状が、いわゆるラッパ型に構成されている。拡大部３３Ｊは、軸方向を吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って、その断面の径（径方向を図に矢印Ｒで示す）が拡大する割合が増大するよう構成されている。このように構成されたスタック３０Ｊによっても、上述した吸熱器側総開口面積が、放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを実現することができる。
【０１０８】
また、図１８に示す変形例のスタック３０Ｋは、その拡大部３３Ｋの形状が、いわゆるベル型に構成されている。拡大部３３Ｋは、軸方向を吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って、その断面の径が拡大する割合が減少するよう構成されている。このように構成されたスタック３０Ｋによっても、上述した吸熱器側総開口面積が、放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを実現することができる。
【０１０９】
また、図１９に示す変形例のスタック３０Ｍのように、拡大部３３Ｍの形状を、軸方向を吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って、いわゆるラバーノズル型に断面が変化するよう構成されている。拡大部３３Ｍは、吸熱器側端面３２から放熱器２４側に向けて断面の径が小さくなる部分（以下、縮径部と記す）７１と、縮径部７１のうち放熱器側の端７２から放熱器側端面３４に向けて断面の径が大きくなる部分（以下、拡径部と記す）７３とを有している。このように縮径部７１と拡径部７３を有するスタック３０Ｍによっても、上述した吸熱器側総開口面積が、放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを実現することができる。
【０１１０】
また、図２０に示す変形例のスタック３０Ｎのように、拡大部３３Ｎの形状を、軸方向を吸熱器２２側から放熱器２４側に向かうに従って、いわゆるオーバル型に断面が変化するよう構成されている。拡大部３３Ｍは、吸熱器側端面３２から放熱器２４側に向かうに従って、断面が大きくなり、且つその断面の径が増大する割合が減少する部分（以下、吸熱側球帯部と記す）７５と、吸熱側球帯部７５から軸方向を放熱器側端面３４に向かうに従って、断面の径が小さくなり、且つ断面の径が減少する割合が増大する部分（以下、放熱側球帯部と記す）７７とを有している。このように吸熱側球帯部７５と放熱側球帯部７７を有するスタック３０Ｍによっても、上述した吸熱器側総開口面積が、放熱器側総開口面積に比べて小さくなるスタックを実現することができる。
【０１１１】
以上に説明したように本発明に係る熱音響装置において、スタックは、吸熱器側の開口の総断面積である吸熱器側総開口面積が、放熱器側の開口の総断面積である放熱器側総開口面積に比べて小さくなるよう構成されているものとした。このようにスタックを構成することで、スタックに所望の温度勾配を生じさせるのに必要な、吸熱器に供給する熱量を抑制することができ、より高い効率で吸熱器からの熱エネルギをスタックにおいて音響エネルギに変換することができる。なお、吸熱器側総開口面積は、放熱器側総開口面積の２５％以上であり、且つ１００％未満であることが好ましい。
【０１１２】
なお、上述した実施形態において、熱音響装置は、音圧発生部からの音響エネルギを受けて冷熱を発生させる冷熱発生部を有する熱音響冷凍機であるものとしたが、本発明の熱音響装置は、この態様に限定されるものではない。冷熱発生部に替えて、音圧発生部からの音響エネルギを電気エネルギに変換する発電機を設けるものとしても良い。
【０１１３】
また、上述した実施形態において、作動流体には、一例として空気が用いられるものとしたが、本発明の熱音響装置に用いられる作動流体の態様は、これに限定されるものではない。作動流体には、ヘリウムや水素のような気体だけでなく、水等の液体も用いることができる。
【０１１４】
また、上述した実施形態において、延伸方向通路は、吸熱器側から放熱器側に向かう方向である「軸方向」に延びているものとしたが、延伸方向通路が延びている方向である「延伸方向」は、軸方向と一致しなくても良い。延伸方向通路は、吸熱器と放熱器との間において作動流体が貫流可能な通路であり、吸熱器に熱が供給されたときに、延伸方向通路のうち放熱器側の開口から吸熱器側の開口に向かうに従って高温となる温度勾配がスタックに生じるものであれば、本発明の熱音響装置のスタックを実現することができる。
【０１１５】
また、吸熱器や放熱器の温度は実施例に示した範囲に限らず、スタックに温度勾配が生じるものであればよい。
【０１１６】
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また複数の実施形態を組み合わせることが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明と均等の範囲に含まれる。
【０１１７】
例えば、各実施形態において、スタックの外観形状と内部の連通通路または連通孔を形成する構造について説明しているが、これらは適宜組み合わせることができる。例えば、図１２に示す外観のスタックに、第５の実施形態にて説明した金属メッシュを充填することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ  円板状部分
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ  スペーサ
１０，１０Ｂ  熱音響装置
２０  熱音響装置の音圧発生部
２２  音圧発生部の吸熱器
２４  音圧発生部の放熱器
３０，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆ，３０Ｇ，３０Ｈ，３０Ｊ，３０Ｋ，３０Ｍ，３０Ｎ，３０Ｐ，３０Ｑ，３０Ｒ，３０Ｓ，３０Ｔ，３０Ｕ  音圧発生部のスタック
３１  吸熱器側端部
３２  吸熱器側端面
３３，３３Ｃ，３３Ｄ，３３Ｅ，３３Ｇ，３３Ｈ，３３Ｊ，３３Ｋ，３３Ｍ，３３Ｎ，３３Ｐ，３３Ｑ，３３Ｒ，３３Ｓ，３３Ｔ，３３Ｕ  スタックの拡大部
３４  放熱器側端面
３５  放熱器側端部
３６  延伸方向通路（軸方向の通路）
３７  連通通路
３８  吸熱器側の開口
３９  放熱器側の開口
４０，４１，４３  壁体
４４  延伸方向通路
４５  テーパー形通路
４５Ｃ  放射状通路
４６  連通孔
４７  吸熱器側の開口
４８  放熱器側の開口
６３，６３Ｂ，６３Ｃ  外周壁
８０  熱音響装置の冷熱発生部
８２  冷熱発生部のスタック
８４  冷熱発生部の放熱器
８６  冷熱発生部の冷熱器
９０，９０Ｃ，９０Ｄ  合流空間
９５，９５Ｃ  合流空間の開口
９８  スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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