(57)【要約】【課題】給熱源から供給される熱エネルギが不充分な場合であっても、安定した出力を得ることが可能な熱音響装置を提供すること。【解決手段】熱音響装置１０は、管部材２０に設けられた第１音波発生部３０、第２音波発生部４０、及び冷却器５０を備える。第１音波発生部３０は、蓄電装置より入力される電気エネルギを、熱エネルギを介さずに音響エネルギに変換して、作業ガスに音波を発生させる。第２音波発生部４０は、給熱源であるエンジンから供給される熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる。冷却器５０は、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０からの音波の音響エネルギを冷熱エネルギに変換して出力する。【選択図】図１
2018091279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に作業ガスが封入されて前記作業ガスの音波の伝達経路を形成する管部材（２０）と、
前記管部材に設けられ、外部より入力される熱エネルギ以外の入力エネルギを、熱エネルギを介さずに音響エネルギに変換して、前記作業ガスに前記音波を発生可能な第１音波発生部（３０）と、
前記管部材に設けられ、給熱源（６０）より供給される熱エネルギを音響エネルギに変換して、前記作業ガスに熱音響自励振動による前記音波を発生可能な第２音波発生部（４０）と、
前記管部材に設けられ、前記第１音波発生部からの前記音波及び前記第２音波発生部からの前記音波の音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギに変換し、前記他のエネルギを出力可能な出力部（５０）と、を備える熱音響装置。
【請求項２】
前記入力エネルギは、給電源（７０）から供給される電気エネルギである請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項３】
前記出力部を第１出力部と呼ぶときに、
前記第２音波発生部を、前記音波を発生させる音波発生モードと、前記音波の発生を中止して、前記第１音波発生部からの前記音波の音響エネルギを熱エネルギに変換して、当該熱エネルギを出力する第２出力部として機能させる熱出力モードと、に切り替え可能なモード切替装置（６１、９１、９３、９４、６５、９５）を更に備える請求項１又は請求項２に記載の熱音響装置。
【請求項４】
前記第１出力部が出力する前記他のエネルギは、熱エネルギである請求項３に記載の熱音響装置。
【請求項５】
前記モード切替装置は、
前記第１出力部から出力される熱エネルギを輸送するための熱輸送媒体を、前記第２音波発生部にも流通可能な媒体流通回路（９１）と、
前記媒体流通回路に設けられ、前記音波発生モードを設定するときには、前記熱輸送媒体の前記第２音波発生部への流通を禁止し、前記熱出力モードを設定するときには、前記熱輸送媒体の前記第２音波発生部への流通を許可するように流路切り替えを行なう切替バルブ（９３、９４、９５）と、を有する請求項４に記載の熱音響装置。
【請求項６】
前記第２音波発生部は、前記音波発生モードが設定されたときには、前記給熱源から熱供給媒体により輸送される熱エネルギを入力する構成であって、
前記モード切替装置は、前記熱出力モードを設定するときには、前記熱供給媒体の前記第２音波発生部への流通を禁止する構成である請求項５に記載の熱音響装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示される技術は、熱音響効果により熱エネルギを音響エネルギに変換し、この音響エネルギを他のエネルギに変換して出力する熱音響装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えばエンジンの排熱を入力して熱音響効果により音響エネルギに変換し、音響エネルギを冷熱等の他のエネルギに変換して出力する熱音響装置がある。このような装置は、例えば下記特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１５４２５１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、上記従来技術の熱音響装置では、給熱源であるエンジンから供給される熱エネルギが不充分である場合には、充分な安定した出力を行なうことができないという問題がある。
【０００５】
ここに開示される技術は、上記点に鑑みてなされたものであり、給熱源から供給される熱エネルギが不充分な場合であっても、安定した出力を得ることが可能な熱音響装置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】
【０００６】
上記目的を達成するため、開示される熱音響装置では、
内部に作業ガスが封入されて前記作業ガスの音波の伝達経路を形成する管部材（２０）と、
管部材に設けられ、外部より入力される熱エネルギ以外の入力エネルギを、熱エネルギを介さずに音響エネルギに変換して、作業ガスに音波を発生可能な第１音波発生部（３０）と、
管部材に設けられ、給熱源（６０）より供給される熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生可能な第２音波発生部（４０）と、
管部材に設けられ、第１音波発生部からの音波及び第２音波発生部からの音波の音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギに変換し、他のエネルギを出力可能な出力部（５０）と、を備える。
【０００７】
これによると、開示される熱音響装置は、第１音波発生部、第２音波発生部及び出力部を備えている。第１音波発生部は、外部より入力される熱エネルギ以外の入力エネルギを音響エネルギに変換する。一方、第２音波発生部は、給熱源より供給される熱エネルギを音響エネルギに変換する。そして、出力部は、第１音波発生部及び第２音波発生部の両者からの音波の音響エネルギを他のエネルギに変換して出力することができる。
【０００８】
したがって、給熱源から供給される熱エネルギが充分でなく、第２音波発生部で発生する音波の音響エネルギが不足する場合には、第１音波発生部で熱エネルギ以外の入力エネルギを音響エネルギに変換して不足分を賄うことができる。これにより、第１音波発生部及び第２音波発生部の両者からの音波の音響エネルギを出力部で他のエネルギに変換することができる。このようにして、給熱源から供給される熱エネルギが不充分な場合であっても、安定した出力を得ることができる。
【０００９】
なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として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って、開示技術の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態の熱音響装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態の熱音響装置の第１音波発生部を模式的に示す構成図である。
【図３】第１実施形態の熱音響装置を用いた空調装置を模式的に示す構成図である。
【図４】第１実施形態の空調装置の廃熱不足状態の作動を説明する図である。
【図５】第１実施形態の空調装置の廃熱充足状態の作動を説明する図である。
【図６】第１実施形態の空調装置の廃熱極不足状態の作動を説明する図である。
【図７】第１実施形態の熱音響装置におけるエネルギ流分布を示すグラフであり、廃熱不足状態の分布を示している。
【図８】第１実施形態の熱音響装置におけるエネルギ流分布を示すグラフであり、廃熱充足状態の分布を示している。
【図９】第１実施形態の熱音響装置におけるエネルギ流分布を示すグラフであり、廃熱極不足状態の分布を示している。
【図１０】第２実施形態の空調装置を模式的に示す構成図である。
【図１１】他の実施形態の熱音響装置の車両搭載状態の一例を示す図である。
【図１２】他の実施形態の熱音響装置の車両搭載状態の一例を示す図である。
【図１３】他の実施形態の熱音響装置の車両搭載状態の一例を示す図である。
【図１４】他の実施形態の熱音響装置の車両搭載状態の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図面を参照しながら開示技術を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１２】
（第１実施形態）
開示技術を適用した第１実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態における熱音響装置１０は、管部材２０、第１音波発生部３０、第２音波発生部４０、及び冷却器５０を備えている。管部材２０は、ループ状に形成された第１ループ管２１と、ループ状に形成された第２ループ管２２と、第１ループ管２１及び第２ループ管２２を連通する連結管２３とを有する。
【００１４】
管部材２０は、例えば、ステンレス製の円形断面の管である。管部材２０の内部には作業ガスが封入されている。作業ガスとしては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の低分子数の不活性ガスが単独あるいは混合されて用いられる。管部材２０内には、作業ガスが、例えば０．１〜３．０ＭＰａ程度の圧力で充填される。管部材２０は、その内部に作業ガスの音波伝達経路を形成する。熱音響装置１０は、所謂ダブルループ型の熱音響機関である。
【００１５】
第１ループ管２１には、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０が設けられている。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、熱音響装置１０における原動機である。第１音波発生部３０は、電気エネルギを音響エネルギに変換する音波発生機能を有する。第２音波発生部４０は、熱エネルギを音響エネルギに変換する音波発生機能を有する。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、第１ループ管２１に対して直列に配置されている。すなわち、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、音波伝達経路における音波の進行方向に沿って直列に配置されている。
【００１６】
図２に示すように、本例の第１音波発生部３０は、振動板３１、ベローズ３２、及びコイル３３を有する。振動板３１は、磁性材からなる薄板材により構成されており、第１ループ管２１内の音波伝達経路を横切るように配設されている。ベローズ３２は、振動板３１の外周部と第１音波発生部３０のハウジングとを繋ぐように接続しており、振動板３１を音波伝達経路延在方向において変位可能に支持している。コイル３３は、振動板３１の両側に設けられており、通電に伴い発生する電磁力により振動板３１を振動可能となっている。
【００１７】
第１音波発生部３０は、電気エネルギを入力して振動板３１を振動させることで音波を発生可能である。第１音波発生部３０は、図２を用いて説明した構成に限定されない。第１音波発生部３０は、電気エネルギを入力して、熱エネルギを介さずに音響エネルギに変換し、作業ガスに音波を発生させるものであればよい。また、第１音波発生部３０は、音波進行方向における上流側からの音波を減衰させることなく、発生させた音波を重畳できるものであることが好ましい。
【００１８】
第１音波発生部３０は、例えば、振動板の片側のみにコイルを有し、振動板を弾性部材で支持するものであってもよい。また、第１音波発生部３０は、例えば、リニア駆動モータを有するものであってもよい。第１音波発生部３０は、第１ループ管２１内の音波伝達経路を横切るように配置されるものに限定されない。第１音波発生部３０は、第１ループ管２１の音波伝達通路に臨む壁面に設けられるものであってもよい。
【００１９】
第２音波発生部４０は、第１ループ管２１の内部に収容されたスタック４１と、スタック４１の高温端となる一端部に設けられた高温側熱交換器４２と、スタック４１の低温端となる他端部に設けられた低温側熱交換器４３とを有する。高温側熱交換器４２は、給熱源から熱エネルギを輸送する熱輸送媒体との熱交換により作業ガスを加熱する。低温側熱交換器４３は、熱輸送媒体との熱交換により作業ガスを冷却する。
【００２０】
スタック４１は、例えば、ステンレス製の金属メッシュを複数枚積層した構造体により構成される。これにより、スタック４１内には、微小間隔で微細な作業ガスの通路が形成されている。スタック４１は、例えば、セラミックスや焼結金属からなるハニカム構造体であってもよい。
【００２１】
スタック４１内の通路壁には、両端に配設された熱交換器の機能により第１ループ管２１の延在方向に温度勾配が生じる。温度勾配の生じたスタック４１内の微細通路において作業ガスがこの温度勾配に沿って移動すると、熱音響効果によって作業ガスに自励的な圧力変動が発生する。すなわち、スタック４１は、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生させる。第１ループ管２１内の音波伝達経路には、第２音波発生部４０の高温端側から図１の矢印で示す方向に進む進行波及び定在波の音波が発生する。
【００２２】
第１ループ管２１内の音波は、一部が連結管２３を介して第２ループ管２２内へ伝搬される。連結管２３は、音波進行方向における上流端が第１ループ管２１に接続し、音波進行方向における下流端が第２ループ管２２に接続している。第１ループ管２１において、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、連結管２３接続部位の比較的近傍に配置されている。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、第１ループ管２１内の音波進行方向において、連結管２３接続部位よりも上流側の部位に、上流側から第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の順に配置されている。換言すれば、第１音波発生部３０が第２音波発生部４０よりも音波進行方向における上流側に配置され、音波伝達経路の音響エネルギのレベルが、音波進行方向における第１音波発生部３０の上流端よりも第２音波発生部４０の下流端の方が高くなる構成である。
【００２３】
第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、第１ループ管２１の延在方向において、相互に比較的近接して配置されている。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、第１ループ管２１の延在方向において、第１音波発生部３０、低温側熱交換器４３、スタック４１、高温側熱交換器４２の順に配置されている。そして、第１ループ管２１の延在方向において、第１音波発生部３０の下流端とスタック４１の低温端との対向間隔よりも、スタック４１の高温端と第１音波発生部３０の上流端との対向間隔の方が大きくなるように配置されている。第１音波発生部３０の振動板３１と第２音波発生部４０のスタック４１との配置関係は、其々が発生する音波同士が干渉して音響エネルギを弱め合わないように設定されている。
【００２４】
第２ループ管２２には、冷却器５０が設けられている。冷却器５０は、熱音響装置１０における受動機であり、音響エネルギを熱エネルギに変換する蓄熱機能を有する。冷却器５０は、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０からの音波の音響エネルギを熱エネルギに変換し、熱エネルギを出力する出力部に相当する。
【００２５】
冷却器５０は、第２ループ管２２の内部に収容されたスタック５１と、スタック５１の高温端となる一端部に設けられた高温側熱交換器５２と、スタック５１の低温端となる他端部に設けられた低温側熱交換器５３とを有する。高温側熱交換器５２は、熱交換により作業ガスが有する熱を熱輸送媒体に放熱する。低温側熱交換器５３は、熱交換により熱輸送媒体が有する熱を作業ガスに吸熱する。
【００２６】
スタック５１は、スタック４１と同様に、例えば、ステンレス製の金属メッシュを複数枚積層した構造体により構成される。これにより、スタック５１内には、微小間隔で微細な作業ガスの通路が形成されている。スタック５１は、例えば、セラミックスや焼結金属からなるハニカム構造体であってもよい。
【００２７】
連結管２３内を介して第２ループ管２２内へ音波が伝搬され、スタック５１内の微細通路へ高温端側から進入すると、作業ガスと通路壁との間で音響エネルギから熱エネルギへの変換と、熱エネルギから音響エネルギへの変換とが繰り返される。その過程で、スタック５１の低温端から高温端へ熱輸送が行なわれる。冷却器５０は、音響エネルギを用いてスタック５１の低温端から高温端へ熱輸送するヒートポンプである。
【００２８】
第２ループ管２２において、冷却器５０は、連結管２３接続部位の比較的近傍に配置されている。冷却器５０は、第２ループ管２２内の音波進行方向において、連結管２３接続部位よりも上流側の部位に配置されている。冷却器５０は、第２ループ管２２の延在方向において、高温側熱交換器５２、スタック５１、低温側熱交換器５３の順に配置されている。
【００２９】
冷却器５０は、音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギである熱エネルギに変換して出力する。冷却器５０は、熱エネルギをスタック５１の低温端に設けた低温側熱交換器５３から冷熱として出力する。
【００３０】
本実施形態の熱音響装置１０は、例えば、車両用の空調装置に適用して好適な装置である。図３に示すように、空調装置１は、空調ケース２、クーラコア３、及びヒータコア４を備えている。空調ケース２は、車室内へ吹き出す空気の空気通路を内部に形成する。クーラコア３及びヒータコア４は、空調ケース２内に配設されている。空調装置１は、クーラコア３で空調ケース２内を流通する空気から吸熱して空気を冷却した後、冷却された空気をヒータコア４からの放熱で適宜加熱して、車室内へ温度調節した空調風を吹き出し、車室内を空調することが可能である。
【００３１】
車両に搭載された内燃機関であるエンジン６０には、エンジン冷却水をヒータコア４及び高温側熱交換器４２に循環可能な循環回路６１と、循環回路６１にエンジン冷却水を循環する循環ポンプ６２とが設けられている。循環回路６１においてエンジン６０の冷却水流れ下流側には、排熱回収器６４が設けられている。排熱回収器６４は、エンジン６０の排ガスが有する熱量でエンジン冷却水を加熱して、排ガス廃熱を回収する。
【００３２】
循環回路６１は、排熱回収器６４の下流側で流路６１ａと流路６１ｂとに分岐している。流路６１ａと流路６１ｂとは循環ポンプ６２の上流側で合流している。ヒータコア４は、循環回路６１の流路６１ａに設けられ、第２音波発生部４０の高温側熱交換器４２は、循環回路６１の流路６１ｂに設けられている。高温側熱交換器４２では、排熱回収器６４から流出する熱輸送媒体としてのエンジン冷却水との熱交換により、作業ガスが加熱される。エンジン６０は、本実施形態における給熱源に相当する。また、排熱回収器６４は、本実施形態における排気熱回収部に相当する。排熱回収器６４は、給熱源の一種であるということもできる。
【００３３】
図３では、循環回路６１は、エンジン冷却水をエンジン６０、排熱回収器６４、ヒータコア４の順に循環する循環路と、エンジン６０、排熱回収器６４、高温側熱交換器４２の順に循環する循環路を組み合わせた構成としていたが、これに限定されるものではない。また、循環回路６１には、エンジン冷却水が有する熱を外部に放熱するための高温ラジエータを備えていてもよい。
【００３４】
車両には蓄電装置７０及びインバータ装置８０が搭載されている。蓄電装置７０は、例えば車両走行駆動用のモータジェネレータに対して充放電が可能となっている。また、蓄電装置７０は、例えば車両外部の外部電源からの充電や車両外部への放電も可能とすることができる。上記した蓄電装置７０の充放電に際しては、電力変換装置としてのインバータ装置８０により交流／直流変換が行なわれる。蓄電装置７０は、第１音波発生部３０にも給電可能となっている。蓄電装置７０は、本実施形態における給電源に相当する。
【００３５】
インバータ装置８０は、電力変換時のスイッチング素子のスイッチング動作により発熱する。インバータ装置８０には、インバータ装置８０を冷却するインバータ冷却水を低温ラジエータ８３に循環可能な循環回路８１と、循環回路８１にインバータ冷却水を循環する循環ポンプ８２とが設けられている。冷却器５０の高温側熱交換器５２及び第２音波発生部４０の低温側熱交換器４３は、循環回路８１におけるインバータ装置８０と低温ラジエータ８３との間に設けられている。高温側熱交換器５２及び低温側熱交換器４３では、インバータ装置８０から流出して低温ラジエータ８３へ導かれる熱輸送媒体としてのインバータ冷却水と作業ガスとの熱交換が行なわれる。インバータ冷却水は、電力変換装置を冷却する液相の冷却媒体であり、循環回路８１は、電力変換装置の排熱を系外に廃棄可能な冷却媒体回路である。
【００３６】
冷却器５０の低温側熱交換器５３には、作業ガスとの熱交換で冷却された熱輸送媒体をクーラコア３に循環するための循環回路９１が接続している。循環回路９１には、循環回路９１に熱輸送媒体を循環する循環ポンプ９２が設けられている。低温側熱交換器５３からの冷熱出力が熱輸送媒体によりクーラコア３に輸送され、クーラコア３において車室内へ吹き出す空気が冷却される。
【００３７】
循環回路９１は、クーラコア３の下流側で流路９１ａと流路９１ｂとに分岐している。流路９１ａと流路９１ｂとは循環ポンプ９２の上流側で合流している。低温側熱交換器５３は、循環回路９１の流路９１ａに設けられている。流路９１ｂは、循環回路９１を流れる熱輸送媒体を第２音波発生部４０の高温側熱交換器４２に流通可能に設けられている。
【００３８】
循環回路６１の流路６１ｂと循環回路９１の流路９１ｂとは、流路としての共用部を有しており、この共用部に高温側熱交換器４２が設けられている。流路６１ｂと流路９１ｂとの共用部の上流端には、この共用部へ流れ込む流体流路を切り替えるための切替バルブ９３が設けられている。また、流路６１ｂと流路９１ｂとの共用部の下流端には、この共用部から流れ出す流体流路を切り替えるための切替バルブ９４が設けられている。切替バルブ９３、９４は連動して流路切り替え動作を行ない、高温側熱交換器４２に流れる流体を、循環回路６１を流れるエンジン冷却水、又は、循環回路９１を流れる熱輸送媒体に選択的に切り替え可能となっている。
【００３９】
次に、上記した構成の熱音響装置１０を用いた空調装置１の作動について説明する。図４は、エンジン６０から供給される廃熱があるものの、廃熱の熱エネルギだけでは出力部における冷熱出力が不足する廃熱不足状態を示している。図５は、エンジン６０から供給される廃熱の熱エネルギに基づき出力部において充分な冷熱出力を行なうことができる廃熱充足状態を示している。図６は、エンジン６０から供給される廃熱がほとんどなく、第２音波発生部４０で音波の発生が困難な廃熱極不足状態を示している。なお、図４〜図６では、循環回路に流体が流れている部分を実線で、循環回路に流体が流れていない部分を破線で示している。
【００４０】
例えばエンジン６０始動直後や低負荷時等に、エンジン６０から供給される廃熱はあるが冷却器５０における冷凍能力が不足する場合には、図４に示す廃熱不足状態の運転モードが設定される。循環ポンプ６２、８２、９２が駆動され、切替バルブ９３、９４は、高温側熱交換器４２に循環回路６１を流れるエンジン冷却水が流通するように流路を設定する。また、蓄電装置７０から第１音波発生部３０に対して給電が行なわれる。
【００４１】
第１音波発生部３０では、入力された電気エネルギが音響エネルギに変換されて音波が発生する。また、第２音波発生部４０では、熱音響効果により音波が発生する。冷却器５０において所望の冷熱出力を得るために必要な音響エネルギが、第２音波発生部４０からの音波の音響エネルギでは不足する分を、第１音波発生部３０からの音響エネルギで賄うように、第１音波発生部３０へ入力する電気エネルギが調節される。図４に示す廃熱不足状態の場合には、図７に示すようにエネルギ変換が行なわれる。
【００４２】
図７は、廃熱不足状態における熱音響装置１０のエネルギ流分布を示すグラフである。グラフの横軸は管部材２０の延在方向における位置を示している。一方縦軸はエネルギ流を示しており、０より上方では仕事流Ｉを、０より下方では熱流Ｑを示している。なお、これは、後で説明する図８及び図９においても同様である。
【００４３】
例えばエンジン６０高負荷時等に、エンジン６０から供給される廃熱が充分にあり冷却器５０における冷凍能力が不足しない場合には、図５に示す廃熱充足状態の運転モードが設定される。循環ポンプ６２、８２、９２が駆動され、切替バルブ９３、９４は、高温側熱交換器４２に循環回路６１を流れるエンジン冷却水が流通するように流路を設定する。このとき、蓄電装置７０から第１音波発生部３０に対して給電は行われない。
【００４４】
第２音波発生部４０では、熱音響効果により音波が発生する。冷却器５０において所望の冷熱出力を得るために必要な音響エネルギが、第２音波発生部４０からの音波の音響エネルギで全て賄われる。図５に示す廃熱充足状態の場合には、図８に示すようにエネルギ変換が行なわれる。
【００４５】
例えば低外気温時のエンジン６０始動直後等に、エンジン６０から供給される廃熱ほとんどなく、第２音波発生部４０において熱音響効果による音波の発生が困難な場合には、図６示す廃熱極不足状態の運転モードが設定される。循環ポンプ６２、８２、９２が駆動され、切替バルブ９３、９４は、高温側熱交換器４２に循環回路９１を流れる熱輸送媒体が流通するように流路を設定する。また、蓄電装置７０から第１音波発生部３０に対して給電が行なわれる。
【００４６】
第１音波発生部３０では、入力された電気エネルギが音響エネルギに変換されて音波が発生する。また、第２音波発生部４０からは音波が発生されず、音響エネルギを熱エネルギに変換する。第２音波発生部４０は、熱音響効果によりヒートポンプとして作動する。このとき、高温側熱交換器４２は低温側熱交換器として機能し、低温側熱交換器４３は高温側熱交換器として機能する。出力部である冷却器５０を第１出力部としたときに、第２音波発生部４０が第２出力部となり、第１、第２出力部が協働して冷熱を出力する。このとき、第２音波発生部４０は、第２冷却器、又は補助冷却器と呼ぶこともできる。
【００４７】
冷却器５０及び第２音波発生部４０において所望の冷熱出力を得るために必要な音響エネルギが、第１音波発生部３０からの音響エネルギで賄われるように、第１音波発生部３０へ入力する電気エネルギが調節される。図６に示す廃熱極不足状態の場合には、図９に示すようにエネルギ変換が行なわれる。
【００４８】
図４に示す廃熱不足状態、及び図５に示す廃熱充足状態では、第２音波発生部４０は、熱エネルギを音響エネルギに変換して音波を発生する音波発生モードに設定される。図６に示す廃熱極不足状態では、第２音波発生部４０は、音波の発生を中止し、音波の音響エネルギを熱エネルギに変換して出力する熱出力モードに設定される。循環回路６１、９１、及び、循環回路６１、９１の回路構成を切り替える切替バルブ９３、９４は、音波発生モードと熱出力モードとを切り替えるモード切替装置に相当する。
【００４９】
以上、３つの作動状態について説明したが、空調装置１が冷熱を必要としない場合には、例えば、第２音波発生部４０で発生した音波の音響エネルギを、第１音波発生部３０で音響エネルギから電気エネルギに変換して出力させてもよい。第１音波発生部３０として、例えばリニア駆動するボイスコイル電動機等を採用すれば、電気エネルギと音響エネルギとの相互の変換が容易である。
【００５０】
本実施形態の熱音響装置１０によれば、以下に述べるような効果を得ることができる。
【００５１】
熱音響装置１０は、管部材２０、第１音波発生部３０、第２音波発生部４０、及び出力部である冷却器５０を備える。管部材２０は、内部に作業ガスが封入されて、作業ガスの音波の伝達経路を形成する。第１音波発生部３０は、管部材２０に設けられている。第１音波発生部３０は、外部より入力される熱エネルギ以外の入力エネルギを、熱エネルギを介さずに音響エネルギに変換して、作業ガスに音波を発生可能である。第２音波発生部４０は、管部材２０に設けられている。第２音波発生部４０は、給熱源であるエンジン６０より供給される熱エネルギを音響エネルギに変換して、作業ガスに熱音響自励振動による音波を発生可能である。出力部である冷却器５０は、管部材２０に設けられている。第１音波発生部３０からの音波及び第２音波発生部４０からの音波の音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギである冷熱エネルギに変換して出力可能である。
【００５２】
これによると、熱音響装置１０は、第１音波発生部３０、第２音波発生部４０及び出力部である冷却器５０を備えている。第１音波発生部３０は、外部より入力される熱エネルギ以外の入力エネルギを音響エネルギに変換する。一方、第２音波発生部４０は、エンジン６０より供給される熱エネルギを音響エネルギに変換する。そして、出力部である冷却器５０は、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の両者からの音波の音響エネルギを他のエネルギに変換して出力することができる。
【００５３】
したがって、エンジン６０から供給される熱エネルギが充分でなく、第２音波発生部４０で発生する音波の音響エネルギが不足する場合には、第１音波発生部３０で熱エネルギ以外の入力エネルギを音響エネルギに変換して不足分を賄うことができる。これにより、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０の両者からの音波の音響エネルギを、冷却器５０で冷熱エネルギに変換することができる。このようにして、給熱源であるエンジン６０から供給される熱エネルギが不充分な場合であっても、安定した出力を得ることができる。
【００５４】
また、外部より入力される熱エネルギ以外の入力エネルギは、給電源である蓄電装置７０から供給される電気エネルギである。これによると、第１音波発生部３０では、入力される電気エネルギを、熱エネルギを介さずに音響エネルギに変換することができる。したがって、第１音波発生部３０の構成を比較的シンプルにできる。
【００５５】
また、モード切替装置は、第２音波発生部４０を、音波発生モードと、熱出力モードと、に切り替え可能である。本実施形態のモード切替装置は、循環回路６１、９１、及び切替バルブ９３、９４からなる構成である。音波発生モードでは、第２音波発生部４０が音波を発生させる。熱出力モードでは、第２音波発生部４０が音波の発生を中止して、第１音波発生部３０からの音波の音響エネルギを熱エネルギに変換して熱エネルギを出力する。出力部である冷却器５０を第１出力部と呼ぶときに、第２音波発生部４０は第２出力部として機能する。
【００５６】
これによると、給熱源であるエンジン６０より供給される熱エネルギが極めて少なく、第２音波発生部４０において音波の発生を行ない難いときには、設定モードを音波発生モードから熱出力モードへ切り替えることができる。したがって、熱出力モードを設定して第２音波発生部４０を第２出力部として機能させて、音波の発生を行ない難い第２音波発生部４０を有効利用することができる。
【００５７】
また、第１出力部である冷却器５０が出力する音響エネルギ以外の他のエネルギは、熱エネルギである。これによると、第１出力部である冷却器５０及び第２出力部としての第２音波発生部４０から熱エネルギを出力することができる。したがって、比較的大きく安定した熱出力を得ることが容易である。
【００５８】
また、モード切替装置は、第１出力部である冷却器５０から出力される熱エネルギを輸送するための熱輸送媒体を、第２音波発生部４０にも流通可能な媒体流通回路として循環回路９１を有している。また、音波発生モードを設定するときには、熱輸送媒体の第２音波発生部４０への流通を禁止し、熱出力モードを設定するときには、熱輸送媒体の第２音波発生部４０への流通を許可するように流路切り替えを行なう切替バルブ９３、９４を有している。
【００５９】
これによると、第２音波発生部４０を第２出力部とする熱出力モード時には、第１出力部から熱エネルギを輸送するための熱輸送媒体を第２出力部においても熱輸送媒体とすることができる。したがって、共通の熱輸送媒体によって、第１出力部及び第２出力部の両者から熱エネルギを容易に出力することができる。
【００６０】
また、第２音波発生部４０は、音波発生モードが設定されたときには、給熱源であるエンジン６０から熱供給媒体であるエンジン冷却水により輸送される熱エネルギを入力する構成である。そして、モード切替装置は、熱出力モードを設定するときには、エンジン冷却水の第２音波発生部４０への流通を禁止する構成である。
【００６１】
これによると、給熱源であるエンジン６０より供給される熱エネルギが極めて少なく、第２音波発生部４０を熱出力モードに設定したときには、給熱源からの熱エネルギの入力を禁止することができる。したがって、極めて小さな熱エネルギであっても入力を確実に抑止して、第２出力部の出力機能低下を防止できる。
【００６２】
また、電気エネルギ入力の第１音波発生部３０とエンジン排熱エネルギ入力の第２音波発生部４０とを有する本実施形態のような多段方式の原動機を採用することで、単段方式と比較して高い出力と得ることが容易である。
【００６３】
また、給熱源であるエンジン６０から排出される排気が有する熱を、給熱源を冷却する冷却液媒体で回収する排気熱回収部としての排熱回収器６４を、更に備えている。そして、第２音波発生部４０は、冷却液媒体により、給熱源の冷却に伴い取得した熱及び排気熱回収部で回収した熱を熱エネルギとして入力する構成である。これによると、給熱源と第２音波発生部４０とを繋ぐ冷却熱媒体の流通経路が形成し易く、冷却液媒体による熱輸送により第２音波発生部４０が給熱源から熱エネルギを得ることが比較的容易である。また、本実施形態のように給熱源が内燃機関等である場合には、比較的高温である排気の熱エネルギも利用することができる。したがって、冷却液媒体及び排気が輸送する給熱源からの熱エネルギを極めて有効に利用することができる。
【００６４】
また、給電源である蓄電装置７０に入出力する電力を変換する電力変換装置であるインバータ装置８０と、電力変換装置を冷却する液相の冷却媒体を循環し、電力変換装置の排熱を系外に廃棄可能な冷却媒体回路として循環回路８１を更に備えている。そして、第２音波発生部４０は、作業ガスからの放熱に伴う音響エネルギに未変換の廃熱量を、循環回路８１を循環する冷却媒体に対して放出する構成である。これによると、冷却媒体回路を第２音波発生部４０にまで取回す構成を形成し易く、第２音波発生部４０において音響エネルギに未変換の廃熱を、電力変換装置の冷却媒体に容易に放出することができる。
【００６５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図１０に基づいて説明する。
【００６６】
第２実施形態は、前述の第１実施形態と比較して、第２音波発生部の高温側熱交換器に流れる流体流路の構成が異なる。なお、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。第１実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第２実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。
【００６７】
図１０に示すように、本実施形態の熱音響装置を用いた空調装置では、循環回路６１の流路６１ｂと循環回路９１の流路９１ｂとは、流路としての共用部を有していない。高温側熱交換器４２内には、流路６１ｂに連通する流路と流路９１ｂに連通する流路とが個別に形成されている。そして、流路６１ｂには、流路６１ｂを開閉する開閉バルブ６５が設けられ、流路９１ｂには、流路９１ｂを開閉する開閉バルブ９５が設けられている。
【００６８】
本実施形態では、循環回路６１、９１、及び、循環回路６１、９１の回路構成を切り替える開閉バルブ６５、９５が、音波発生モードと熱出力モードとを切り替えるモード切替装置に相当する。第２音波発生部４０を音波発生モードとするときには、開閉バルブ６５が流路６１ｂを開き、開閉バルブ９５が流路９１ｂを閉じる。また、第２音波発生部４０を熱出力モードとするときには、開閉バルブ６５が流路６１ｂを閉じ、開閉バルブ９５が流路９１ｂを開く。
【００６９】
本実施形態によれば、モード切替装置は、第２音波発生部４０を、音波発生モードと、熱出力モードと、に切り替え可能である。本実施形態のモード切替装置は、循環回路６１、９１、及び開閉バルブ６５、９５からなる構成である。音波発生モードでは、第２音波発生部４０が音波を発生させる。熱出力モードでは、第２音波発生部４０が音波の発生を中止して、第１音波発生部３０からの音波の音響エネルギを熱エネルギに変換して熱エネルギを出力する。出力部である冷却器５０を第１出力部と呼ぶときに、第２音波発生部４０は第２出力部として機能する。
【００７０】
これによると、給熱源であるエンジン６０より供給される熱エネルギが極めて少なく、第２音波発生部４０において音波の発生を行ない難いときには、設定モードを音波発生モードから熱出力モードへ切り替えることができる。したがって、熱出力モードを設定して第２音波発生部４０を第２出力部として機能させて、音波の発生を行ない難い第２音波発生部４０を有効利用することができる。
【００７１】
また、モード切替装置は、第１出力部である冷却器５０から出力される熱エネルギを輸送するための熱輸送媒体を、第２音波発生部４０にも流通可能な媒体流通回路として循環回路９１を有している。また、音波発生モードを設定するときには、熱輸送媒体の第２音波発生部４０への流通を禁止し、熱出力モードを設定するときには、熱輸送媒体の第２音波発生部４０への流通を許可するように流路切り替えを行なう切替バルブとしての開閉バルブ９５を有している。
【００７２】
これによると、第２音波発生部４０を第２出力部とする熱出力モード時には、第１出力部から熱エネルギを輸送するための熱輸送媒体を第２出力部においても熱輸送媒体とすることができる。したがって、共通の熱輸送媒体によって、第１出力部及び第２出力部の両者から熱エネルギを容易に出力することができる。
【００７３】
また、第２音波発生部４０は、音波発生モードが設定されたときには、給熱源であるエンジン６０から熱供給媒体であるエンジン冷却水により輸送される熱エネルギを入力する構成である。そして、モード切替装置は、熱出力モードを設定するときには、エンジン冷却水の第２音波発生部４０への流通を禁止する構成である。第２音波発生部４０へのエンジン冷却水の流通の許可及び禁止は、開閉バルブ６５の開閉動作により行われる。
【００７４】
これによると、給熱源であるエンジン６０より供給される熱エネルギが極めて少なく、第２音波発生部４０を熱出力モードに設定したときには、給熱源からの熱エネルギの入力を禁止することができる。したがって、極めて小さな熱エネルギであっても入力を確実に抑止して、第２出力部の出力機能低下を防止できる。
【００７５】
本実施形態では、上記した様に、第２音波発生部４０の熱出力モード設定時には、開閉バルブ６５によりエンジン冷却水の第２音波発生部４０への流通を禁止する構成であったが、これに限定されるものではない。エンジン冷却水の第２音波発生部４０への流通を常時許容するものであってもよい。これによれば、開閉バルブを廃止して構成を簡素化することが可能である。
【００７６】
また、給熱源から熱エネルギを輸送する熱輸送媒体はエンジン冷却水であったが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン６０の排ガスを給熱源から熱エネルギを輸送する熱輸送媒体とすることができる。本実施形態の第２音波発生部４０の高温側熱交換器４２内では、給熱源から熱エネルギを輸送する熱輸送媒体の流路と、冷熱出力のための熱輸送媒体の流路とが隔絶されている。そのため、給熱源から熱エネルギを輸送する熱輸送媒体として内燃機関の排ガスを適用する場合に適している。内燃機関の排ガスを熱輸送媒体とする場合には、高温側熱交換器４２においてエンジン冷却水よりも高温で熱交換が可能となる。これにより、熱エネルギから音響エネルギへの変換効率を向上することができる。
【００７７】
（他の実施形態）
この明細書に開示される技術は、その開示技術を実施するための実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示される技術は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分をもつことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示技術の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示技術のいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
【００７８】
上記実施形態では、第２音波発生部４０は、エンジン冷却水が給熱源であるエンジン６０の冷却に伴い取得した熱、及び排気熱回収部である排熱回収器６４で回収した熱を熱エネルギとして入力していたが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン冷却により得た熱エネルギ、またはエンジン排気熱を回収した熱エネルギのいずれかを入力するものであってもよい。
【００７９】
すなわち、第２音波発生部４０は、給熱源であるエンジン６０を冷却する冷却液媒体であるエンジン冷却水により輸送される熱エネルギを入力する構成であってもよい。これによると、給熱源と第２音波発生部４０とを繋ぐ冷却熱媒体の流通経路が形成し易く、冷却液媒体による熱輸送により第２音波発生部４０が給熱源から熱エネルギを得ることが比較的容易である。
【００８０】
また、第２実施形態でも説明したように、第２音波発生部４０は、給熱源から排出される排気により輸送される熱エネルギを入力する構成であってもよい。これによると、給熱源が内燃機関等である場合には、排気が比較的高温であり、第２音波発生部４０において比較的大きな温度勾配を形成し易い。したがって、運転効率を向上し易い。
【００８１】
また、上記実施形態では、給熱源はエンジン６０であったが、これに限定されるものではない。例えば、給熱源は、作動時に発熱を伴う他の発熱機器であってもよい。また、例えば、給熱源は、地熱等の自然界の熱エネルギであってもよい。
【００８２】
また、上記実施形態では、給電源は蓄電装置７０であったが、これに限定されるものではない。例えば、給電源から供給される電気エネルギは、電力供給元の一例である電力会社から供給される系統電力であってもよい。
【００８３】
また、上記実施形態では、電力変換装置としてインバータ装置８０を備えていたが、これに限定されるものではない。例えば、電力変換装置はコンバータ装置であってもかまわない。
【００８４】
また、上記実施形態では、第２音波発生部４０において廃棄せざるを得ない音響エネルギに未変換の熱エネルギを、インバータ冷却水に放出していたが、これに限定されるものではない。例えば、音響エネルギに未変換の熱エネルギを、他の冷却液媒体に放出するものであってもよい。また、例えば、音響エネルギに未変換の熱エネルギを、外気に直接放出するものであってもよい。
【００８５】
また、第１音波発生部３０は、電気エネルギを入力エネルギとして入力していたが、これに限定されるものではない。第１音波発生部は、外部より入力される熱エネルギ以外の入力エネルギを、熱エネルギを介さずに音響エネルギに変換して、作業ガスに音波を発生するものであればよい。入力エネルギは、例えば磁気エネルギであってもよい。
【００８６】
また、上記実施形態では、第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、管部材２０の音波伝達経路における音波の進行方向に沿って直列に配置されていた。そして、第１音波発生部３０が第２音波発生部４０よりも音波進行方向における上流側に配置され、音波伝達経路の音響エネルギのレベルが、音波進行方向における第１音波発生部３０の上流端よりも第２音波発生部４０の下流端の方が高い構成であった。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、第１音波発生部の音波進行方向における上流側に第２音波発生部を配置するものであってもよい。また、例えば、第１音波発生部及び第２音波発生部は、音波伝達経路における音波の進行方向において並列に配置されるものであってもよい。
【００８７】
また、上記実施形態では、管部材は２つのループ管を有し、第１ループ管に第１、第２音波発生部を設け、第２ループ管に出力部を設けたものであったが、これに限定されるものではない。例えば、１つのループ管に第１、第２音波発生部、及び出力部を設けるものであってもよい。また、例えば、ループ管部に第１、第２音波発生部を設け、これに接続する共鳴管としての直管部に出力部を設けるものであってもよい。また、例えば、ループ管部のない直管に第１、第２音波発生部及び出力部を設けるものであってもよい。
【００８８】
また、上記実施形態では、出力部である冷却器５０で音響エネルギを冷熱エネルギに変換して冷熱エネルギを出力していたが、これに限定されるものではない。出力部は、音響エネルギを音響エネルギ以外の他のエネルギに変換して出力するものであればよい。例えば、出力部を冷却器と同様のヒートポンプとして、高温端から温熱エネルギを出力するものであってもよい。また、例えば、出力部を発電機として、音響エネルギを電気エネルギに変換して出力するものであってもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、第１音波発生部は、外部より入力される熱エネルギ以外の入力エネルギを、熱エネルギを介さずに音響エネルギに変換して、作業ガスに音波を発生するものであった。これに加え、第２音波発生部を、音波を発生させる音波発生モードと、第１音波発生部からの音波の音響エネルギを熱エネルギに変換して、この熱エネルギを出力する出力部として機能させる熱出力モードとに切り替え可能であった。しかしながら、これに限定されるものではない。第２音波発生部を音波発生モードと熱出力モードとでモード切り替えする構成は、第１音波発生部の形態に係らず有効である。例えば、第１音波発生部が、電気エネルギから熱エネルギを生成して、生成した熱エネルギを音響エネルギに変換して音波を発生するものであっても、第２音波発生部を音波発生モードと熱出力モードとでモード切り替えする構成を適用して有効である。
【００９０】
また、上記実施形態では、第２音波発生部４０を音波発生モードと熱出力モードとに設定切り替え可能であったが、これに限定されるものではない。第２音波発生部を熱出力モードに設定しないものであってもよい。
【００９１】
また、上記実施形態で説明した熱音響装置を用いる空調装置は、例えば、次に述べるように車両に搭載されている。低温ラジエータ８３は、エンジンルームの前方部位に高温ラジエータと共に配設される。第１音波発生部３０及び第２音波発生部４０は、エンジンルーム内や車室の床下に配設される。冷却器５０は、エンジンルームの後方部位のうち、車室内の前方部位に配設されたクーラコア３に比較的近接した部位に配設される。しかしながら、これに限定されるものではない。熱音響装置を用いる空調装置は、各種の車両搭載形態を適用することができる。
【００９２】
例えば、図１１に示すような搭載形態とすることができる。図１１に示すように、第１ループ管２１はエンジンルーム内に配設され、第２ループ管２２は車室内のシート１００の下方に配設されている。図１１に示す空調装置は、シート空調装置である。シート１００内には吸込みダクト１０１が設けられ、シート１００背面には吹出ダクト１０２が設けられている。送風ファン１１０が作動すると、空気がシート座面から吸込みダクト１０１に吸い込まれ、クーラコア３で冷却されて、吹出ダクト１０２を介して吹出口１０３から乗員の頭部に向かって吹き出される。これにより、乗員周りに温調した空気を循環させる。本例のクーラコア３は、ヒートパイプ１２０により冷却器５０と接続されている。
【００９３】
また、例えば、図１２に示すような搭載形態とすることができる。図１２に示すように、クーラコア３は、第１、第２実施形態と同様に、循環回路９１により冷却器５０と接続されている。これによれば、前述のヒートパイプ１２０に比べ、高さ方向の配置の制約をなくしたり、熱輸送量を増加させたりすることができる。
【００９４】
また、例えば、図１３に示すような搭載形態とすることができる。図１３に示すように、本例の管部材は、第１ループ管を備えておらず、第２ループ管２２に接続する直管に音響エネルギを発生するスピーカ１３０を設けている。スピーカ１３０は、振動膜を振動させるアクチュエータを有している。体格が比較的大きなスピーカ１３０をエンジンルーム内に配置し、スピーカ１３０からの音響エネルギを車室内に導入することができる。
【００９５】
また、例えば、図１４に示すような搭載形態とすることができる。図１４に示すように、本例の空調装置は、後部座席用の空調装置である。後部座席よりも後方の吸込口２０１から吸い込んだ空気をクーラコア３で冷却して、吹出口２０３から後部座席に着座した乗員に向かって吹き出すことができる。
【００９６】
これらのように、熱音響装置では原動機から受動機へ伝達されるエネルギが音響エネルギであるため、管部材と雰囲気との間に温度差があっても熱的な損失を生じることがない。また、管部材に封入された気体は往復運動しているため、定常的に冷媒が一方向に流れるときに生じる圧力損失が生じることもない。したがって、エネルギの移送の損失を小さく抑えることができ、原動機と受動機との配置関係や、配管の経路等において設定の自由度が大きい。特に図１４に示した例のように原動機と受動機との距離を大きくした場合には、効果は極めて大きい。
【００９７】
また、上記実施形態では、熱音響装置を車両用の空調装置に適用していたが、これに限定されるものではない。例えば、定置式の空調装置に適用してもかまわない。
【符号の説明】
【００９８】
１０  熱音響装置
２０  管部材
３０  第１音波発生部
４０  第２音波発生部
５０  冷却器（出力部）
６０  エンジン（給熱源）
７０  蓄電装置（給電源）
【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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