(57)【要約】【課題】増幅しようとする進行波音波の減少が防止される熱音響機関を提供する。【解決手段】気体が満たされた主管２と、主管２の一端に取り付けられ主管２内に進行波音波を発生させる音源３と、主管２の管軸方向に間隔をおいて配置され、主管２内の進行波音波を低温部８と高温部１０との温度勾配によって順次増幅する複数の増幅器４と、少なくとも１つの増幅器４に対し当該増幅器４よりも音源３側にて主管２から分岐され当該増幅器４からの反射波を相殺する反射波を発生させる分岐管５とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体が満たされた主管と、前記主管の一端に取り付けられ前記主管内に進行波音波を発生させる音源と、前記主管の管軸方向に間隔をおいて配置され、前記主管内の進行波音波を低温部と高温部との温度勾配によって順次増幅する複数の増幅器と、少なくとも１つの前記増幅器に対し当該増幅器よりも音源側にて前記主管から分岐され当該増幅器からの反射波を相殺する反射波を発生させる分岐管とを備えたことを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
前記分岐管は、前記主管の管軸方向に分布する複素音響アドミタンスの実数項が１／（ρｃ）（ρは主管内の気体の密度、ｃは音速）となる位置で分岐され、この位置にて前記主管の管軸方向に分布する複素音響アドミタンスの虚数項を打ち消す複素音響アドミタンスを有することを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅しようとする進行波音波の減少が防止される熱音響機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱からエネルギを取り出すためにスターリングエンジンの開発研究が活発に行われている。スターリングエンジンの形式には、α型、β型、γ型、フリーピストン型などがある。これに対し、最近では、ピストン等の可動部を有さない熱音響機関の開発研究が活発に行われるようになった。
【０００３】
熱音響機関は、管と熱源で構成される。管内の気柱を局部的に加熱又は冷却すると、熱エネルギの一部が力学的エネルギに変換され、気柱が自励振動を起こす。すなわち、管内に音響振動が発生する。この作用は、熱力学的には、プライムムーバ（原動機）と見ることができる。この作用を用いた熱音響機関が知られている。原動機は、管軸方向に順に配置された低温部と再生部と高温部とからなる。再生部は、蓄熱器、あるいはスタックとも呼ばれる。
【０００４】
類似の熱音響現象として、原動機と同様に低温部と再生部と高温部で構成された部材（以下、増幅器という）を進行波音波が通過すると音響強度が増幅されることが知られている（非特許文献１）。理論的には、この増幅器を管軸方向に複数配置した場合、進行波音波が増幅器を通過するたびに音響強度が増幅されるはずである。この現象を本発明者らは実験的に確認した。
【０００５】
図６に示されるように、実験装置は、断面が円形で真っ直ぐな管６１の一端にベローズ６２を設け、このベローズ６２にスピーカ６３を取り付けて、スピーカ６３によってベローズ６２が加振されるようにする。管６１の反対端にもベローズ６４を設け、このベローズ６４にリニア発電機６５を取り付ける。管内には、３つの増幅器６６を直列に配置する。この実験装置において、管６１内に進行波音波が発生するようスピーカ６３でベローズ６２を加振し、リニア発電機６５の発電量を制御すると、スピーカ６３から入力された音のエネルギが増幅器６６を通過するたびに増幅されることが確認できた。
【０００６】
この結果から、熱音響機関の管に増幅器を直列多段に配置することで、小さな入力仕事を大きな出力仕事に変換できることが分かる。すなわち、図７に示されるように、管のベローズから、１段目の増幅器、２段目の増幅器、３段目の増幅器を経るたびに、音響パワーが増大している。例えば、１段の増幅器のみで５倍の利得を得るためには、極端に大きな温度差が必要となるが、図６の構成では、１段の増幅器で１．７倍の利得が得られるとすると、３段で５倍の利得となる。このとき、どの段の増幅器においても、低温部の温度Ｔｃと高温部の温度Ｔｈは小さい温度差にすることができる。なお、本発明者らは、この成果による発明をすでに出願している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３０５０５４３号公報
【特許文献２】特開２００８−１６７５８０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ceperley,P.H.,J.Acout.Soc.Am.66,1508(1979)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、管と増幅器との境界では、構造の差異のため反射波が発生する。増幅器を直列多段に配置した構造の熱音響機関では、進行波音波が増幅器に至るたびに反射波が生じて進行波音波が減少するので、音響強度がうまく増幅されない。また、反射波が増幅器に戻って逆向きに通過すると音響エネルギが熱に戻されてしまう。
【００１０】
本発明者らは、このような増幅器を直列多段に配置した構造の熱音響機関において、音場調整を行うことで反射波を打ち消して進行波音波の減少を防止することができれば、熱音響機関の性能や出力パワーが向上すると考えた。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、増幅しようとする進行波音波の減少が防止される熱音響機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、気体が満たされた主管と、前記主管の一端に取り付けられ前記主管内に進行波音波を発生させる音源と、前記主管の管軸方向に間隔をおいて配置され、前記主管内の進行波音波を低温部と高温部との温度勾配によって順次増幅する複数の増幅器と、少なくとも１つの前記増幅器に対し当該増幅器よりも音源側にて前記主管から分岐され当該増幅器からの反射波を相殺する反射波を発生させる分岐管とを備えたものである。
【００１３】
前記分岐管は、前記主管の管軸方向に分布する複素音響アドミタンスの実数項が１／（ρｃ）（ρは主管内の気体の密度、ｃは音速）となる位置で分岐され、この位置にて前記主管の管軸方向に分布する複素音響アドミタンスの虚数項を打ち消す複素音響アドミタンスを有してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１５】
（１）増幅しようとする進行波音波の減少が防止される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態を示す熱音響機関の側面図である。
【図２】本発明の熱音響機関における複素音響アドミタンスを示すグラフである。
【図３】本発明の熱音響機関の音響特性を調べるための実験装置の構成図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は、本発明の熱音響機関と従来の熱音響機関における音響アドミタンスの周波数依存性を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、分岐管がない従来の熱音響機関における音響アドミタンスの空間分布を示すグラフであり、（ｂ）は、分岐管がある本発明の熱音響機関における音響アドミタンスの空間分布を示すグラフである。
【図６】従来の熱音響機関の側面図である。
【図７】従来の熱音響機関による音響パワーの増幅を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１に示されるように、本発明に係る熱音響機関１は、気体が満たされた主管２と、主管２の一端に取り付けられ主管２内に進行波音波を発生させる音源３と、主管２の管軸方向に間隔をおいて配置され、主管２内の進行波音波を低温部と高温部との温度勾配によって順次増幅する複数の増幅器４と、少なくとも１つの増幅器４に対し当該増幅器４よりも音源３側にて主管２から分岐され当該増幅器４からの反射波を相殺する反射波を発生させる分岐管５とを備える。
【００１９】
主管２は、例えば、断面が円形で、一端から他端まで径の変化や曲がりのない真っ直ぐに伸びた中空の円筒管である。主管２に満たされる気体は、音波の媒体となるものであり、空気、ヘリウムガスなど種類はなんでもよいが、密度ρ、音速ｃが既知であることが好ましい。主管２は、ステンレス等の金属で構成される。
【００２０】
音源３は、ベローズ６とスピーカ７により構成される。すなわち、主管２の一端にベローズ６が取り付けられ、ベローズ６によって主管２が閉じられる。このベローズ６にベローズ６を加振するスピーカ７が取り付けられる。スピーカ７は、例えば、音響コイルと振動板とから構成される。
【００２１】
増幅器４は、管軸方向に順に配置された低温部８と再生部９と高温部１０とからなる。低温部８は、図示しない冷却管から供給される冷媒により主管２内の気体を冷却する熱交換器である。高温部１０は、図示しない加熱管から供給される冷媒により主管２内の気体を加熱する熱交換器である。再生部９は、金網あるいは複数の細管が集合されたものである。低温部８、再生部９、高温部１０は、公知のものを使用することができるので、詳細な構造の説明は省略する。
【００２２】
増幅器４は、管軸方向に適宜な間隔で任意の複数個が配置されるが、ここでは３つの増幅器４が示されている。各増幅器４における低温部８には共通の冷却管を導入することができ、また、各増幅器４における高温部１０には共通の加熱管を導入することができる。
【００２３】
分岐管５は、反射波相殺の対象となる増幅器４よりも音源３側にて主管２から分岐される。ここに示された３つの分岐管５は、それぞれ分岐管５から見て音源３と反対側にある増幅器４に対して反射波を返すものである。分岐管５の形状は、例えば、主管２と同様の円筒管である。分岐管５の長さ及び径は限定しない。分岐管５は、先端（主管２から遠い端）が閉じたものでも開放されたものでもよい。分岐管５の先端が反射端となるよう、音波の周波数（又は波長）と分岐管５の寸法、形状、先端の開閉を定めるのが好ましい。
【００２４】
主管２の反対端は、図６の熱音響機関と同様にベローズとリニア発電機を設けてもよいが、本発明はこれに限定されない。
【００２５】
本発明の熱音響機関１の動作を説明する。
【００２６】
音源３で発生した音波は、主管２内を管軸方向に進行波音波として進行する。進行波音波は、増幅器４に入力される。この進行波音波は、増幅器４を通過するとき低温部８と高温部１０との温度勾配によって増幅される。増幅器４から出力された進行波音波は、主管２内を管軸方向に進行し、次の段の増幅器４に入力される。このようにして、進行波音波が順次増幅器４を通過すると、図７で説明したのと同様に１段目の増幅器４、２段目の増幅器４、３段目の増幅器４を経るたびに、音響パワーが増大する。
【００２７】
主管２と１段目の増幅器４との境界においては、主管２と増幅器４の構造の差異のため反射波が発生する。反射波は、主管２を逆方向に戻る。反射波は、分岐管５に入ると、分岐管５の先端で再び反射し、主管２に戻る。このとき、増幅器４からの反射波を相殺する反射波を発生させる分岐管５が構成されているので、分岐管５の先端からの反射波と増幅器４からの反射波とが相殺される。
【００２８】
増幅器４からの反射波が相殺されたということは、より多くの進行波音波が当該増幅器４に入力されたということである。よって、当該増幅器４での増幅によりより多くの音響エネルギが得られ、次段の増幅器４に送られることになる。
【００２９】
次段の増幅器４では、前段の増幅器４からの進行波音波が前段と同様にして減少することなく増幅される。このようにして、各段の増幅器４において、増幅しようとする進行波音波の減少が防止され、増幅されるので、最終段の増幅器４では従来よりもはるかに大きなエネルギを取り出すことが可能となる。
【００３０】
次に、分岐管５の分岐位置を定めるための音場解析について説明する。
【００３１】
まず、音源３において発生する音波の周波数（又は波長）を掃引し、このときの音場と流速を測定する。この測定に基づき、複素音響アドミタンスの空間分布（管軸方向の分布）を求める。ここで、主管２内における音波の圧力振動を
Ｐ＝｜Ｐ｜ｅｘｐ（ｉωｔ）
とし、断面平均流速振動を
Ｕ＝｜Ｕ｜ｅｘｐ［ｉ（ωｔ＋φ）］
とするとき、複素音響アドミタンスは、次の式（１）で表される。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
主管２内に純粋な進行波音波のみが存在する音場では、音響アドミタンスは空間的に一様であり、その音響アドミタンスＹは、気体の密度をρ、音速をｃとすると、
Ｙ＝１／（ρｃ）
で与えられる。
【００３４】
一方、主管２内に純粋な定在波音波のみが存在する音場では、圧力振動Ｐと断面平均流速振動Ｕの位相差φが±π／２であるため、音響アドミタンスは純虚数となる。その響アドミタンスＹの大きさは、空間的に変化し、流速の節では極小値０を取り、圧力の節に近づくにつれて発散的に増大する。
【００３５】
進行波音波と定在波音波からなる一般の音場では、音響アドミタンスは実数部Ｒｅと虚数部Ｉｍを共に持つ。図２に示されるように、実数部Ｒｅと虚数部Ｉｍからなる複素平面に実数項Ｒｅ  Ｙと虚数項Ｉｍ  Ｙを示すと、これらを合成して複素音響アドミタンスＹとなることが分かる。
【００３６】
次に、
実数項Ｒｅ  Ｙ＝１／（ρｃ）
を満たす主管２内の管軸方向位置と音波の周波数の組を探す。この管軸方向位置に分岐管５を設けることになる。次いで、この周波数でのこの管軸方向位置における虚数項Ｉｍ  Ｙを求め、この虚数項Ｉｍ  Ｙをちょうど打ち消すだけの音響アドミタンスを持つ分岐管５の長さを決定する。ただし、この周波数は、分岐管５における気体の共鳴周波数とは大きく異なるのが好ましい。
【００３７】
このようにして求めた位置に求めた長さの分岐管５を設けることにより、分岐管５よりも音源３側は、進行波音波のみが存在する音場となる。増幅器４において生じた反射波は、分岐管５の先端からの反射波によって相殺される。その結果、音源３からの進行波音波が減少することなく増幅器４に入力されることになる。
【００３８】
以上説明したように、本発明の熱音響機関１によれば、分岐管５を設けることにより、音響パワーを大きく損失することなく音場を調整することができる。
【００３９】
また、本発明の熱音響機関１によれば、主管２内にもっぱら進行波音波を作ることができる。
【００４０】
また、本発明の熱音響機関１によれば、分岐管５を設けることによる音場調整により、熱から音響へのエネルギ変換効率を向上させることができる。
【００４１】
また、本発明の熱音響機関１によれば、分岐管５を設けることによる音場調整により、出力される音響パワーをより大きくすることができる。
【００４２】
また、本発明の熱音響機関１によれば、主管２内にもっぱら進行波音波を作ることで、数多くの増幅器４を設置することが可能となり、段階的な音響強度の増幅により、温度差の小さい熱源を用いて大きな増幅率が実現できる。
【００４３】
本発明の熱音響機関１は、例えば、熱音響冷凍機に利用でき、冷凍能力を向上させることができる。
【実施例】
【００４４】
図３に示されるように、実験用の熱音響機関として、主管２の一端に音源３を取り付け、主管２の管軸方向に直列に２段の増幅器４を設け、１段目の増幅器４と音源３の間に分岐管５を設けた。この熱音響機関は、音源３で発生した進行波音波の仕事流を２段の増幅器４で増幅する機能を有する。スターリングエンジンと同様の熱力学的サイクルを通じて増幅作用を実現するためには、圧力振動Ｐと断面平均流速振動Ｕの位相差φは０であるべきだが、実際には温度勾配のある増幅器４で発生する反射波の影響により、位相差φは変化する。この音場を分岐管５により調整する実験を行う。
【００４５】
主管２には、内径２４ｍｍ、長さ１５０ｍの円筒管を用いる。音源３は、発振器３１の出力をパワーアンプ３２で増幅し、ラウドスピーカ３３を駆動する。音源３の周波数は、０〜５００Ｈｚの範囲で掃引する。音源３から３．４ｍの位置に増幅器４を配置する。増幅器４の再生部９には、流路半径ｒ０＝０．６６５ｍｍのハニカムセラミックスを用いる。低温部８は、冷却水を循環させることにより室温Ｔｃに保ち、高温部１０は、電気ヒータを用いて温度Ｔｈに加熱し、温度勾配ΔＴ＝３３０Ｋとした。主管２内は大気圧空気を充填し、主管２の反対端（図外）は適当な量の綿で閉じて反対端からの反射がないようにする。周波数５〜４００Ｈｚの範囲で、２段目の増幅器４の下流に進行波音波のみが存在することは確認済みである。
【００４６】
１段目の増幅器４を原点とし、下流方向を正とするｘ軸をとり、分岐管５の位置をｘで表す。分岐管５は、１段目の増幅器４の上流の任意の位置に設置したり、取り外して主管２のみとすることができるようにする。１段目の増幅器４の上流の主管２の管壁に２つの圧力センサ３４を設置し、ＦＦＴアナライザ３５により同時に２カ所の空気圧を測定する。この測定データに対し、公知の２センサ法を適用することで、枝分かれのない区間における任意の位置の音場を解析する。以下では、１段目の増幅器４から０．２８ｍの位置、つまりｘ＝−０．２８ｍの位置における音響アドミタンスに着目する。
【００４７】
分岐管５がある場合に測定した音響アドミタンスの実数部Ｒｅ  Ｙと虚数部Ｉｍ  Ｙ、及び分岐管５がない場合に測定した音響アドミタンスの実数部Ｒｅ  Ｙｔと虚数部Ｉｍ  Ｙｔの周波数依存性を図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。
【００４８】
ここで、主管２内の音場が純粋な進行波音波のみが存在する音場であるための２つの条件、
実数項Ｒｅ  Ｙ＝１／（ρｃ）
虚数部Ｉｍ  Ｙ＝０
を同時に満たさす周波数は存在しない。これは、温度勾配のある増幅器４で反射波が生じているためである。これでは、２段の増幅器４の上流側にさらに増幅器４を追加しても、有効的な進行波音波の増幅は期待できない。そこで、本発明では、分岐管５を設置する。
【００４９】
分岐管５には、先端を開放とした長さ０．８５ｍ、内径０．２４ｍの円筒管を用いる。この分岐管５をｘ＝−０．２８ｍの位置に取り付ける。主管２と分岐管５の接続部では、流路が分岐しているため、次の３つの音響アドミタンスを考える。
【００５０】
１つ目は、接続部より上流側から接続部へ外挿して求まる音響アドミタンスＹ１であり、２つ目は、分岐管５から接続部へ外挿して求まる音響アドミタンスＹ２であり、３つ目は、接続部より音響アドミタンスＹ３である。定義により、音響アドミタンスＹ３は、分岐管５がない場合の音響アドミタンスＹと等しい。音響アドミタンスＹ１は、前述の実験と同様に、分岐管５より上流の管壁に取り付けた２つの圧力センサの出力に２センサ法を適用して求め、音響アドミタンスＹ２は分岐管５に２つの圧力センサを設けて同様に求める。
【００５１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、分岐管がない従来の熱音響機関における音響アドミタンスと、本発明の熱音響機関における音響アドミタンスは大きく異なる。このとき、本発明の熱音響機関では、所定の周波数ｆ１、例えば、３２４Ｈｚにおいて、進行波音波を得るための２つの条件、
実数項Ｒｅ  Ｙ＝１／（ρｃ）
虚数部Ｉｍ  Ｙ＝０
が同時に満たされている。
【００５２】
図５（ａ）に、分岐管がない従来の熱音響機関の周波数ｆ１における音響アドミタンスの空間分布を示し、図５（ｂ）に本発明の熱音響機関の周波数ｆ１における音響アドミタンスの空間分布を示す。
【００５３】
図５（ａ）に示されるように、実数項Ｒｅ  Ｙが１／（ρｃ）となる位置では虚数部は０でない。しかし、図５（ａ）において実数項Ｒｅ  Ｙが１／（ρｃ）となる位置を本発明では分岐管５の設置位置とする。
【００５４】
図６（ｂ）に示されるように、本発明の熱音響機関１において、分岐管５の設置位置から上流では、
実数項Ｒｅ  Ｙ＝１／（ρｃ）
虚数部Ｉｍ  Ｙ＝０
が同時に満たされるので、主管２内は進行波音波のみ存在することになる。すなわち、増幅器４において生じる反射波は相殺され、生じないのと等価である。これにより、増幅しようとする進行波音波の減少を防止することができる。その結果、増幅器４を直列多段に配置したとき、熱音響機関の性能や出力パワーが向上する。
【００５５】
分岐管５の設置位置では、体積流一定の条件から、
【００５６】
【数２】
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【００５７】
が成り立つ。定義により、Ｙ３とＹは等しいので、分岐管５を設置しても主管２と分岐管５の接続部の直下流の音響アドミタンスは変わらない。しかし、接続部の直上流の音響アドミタンスは接続部の音響アドミタンスＹ２の分だけ、ＹからＹ１に変更される。これが分岐管５の機能である。
【００５８】
分岐管５の音響アドミタンスを調べたところ、分岐管５の共鳴周波数近傍を除いて、Ｒｅ  Ｙ２はほぼ０であった。分岐管５に流れ込む仕事流Ｉは、
【００５９】
【数３】
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【００６０】
であるから、共鳴周波数以外では、分岐管５への音響パワーの流出は小さいことを示している。接続部の上流から接続部へ流れ込む音響パワーは、そのまま接続部の下流に流れ出すことになり、分岐管５を設置したことによる音響パワーの損失は小さい。
【符号の説明】
【００６１】
１  熱音響機関
２  主管
３  音源
４  増幅器
５  分岐管
８  低温部
９  再生部
１０  高温部
【図１】
2011099606.tif 000006
【図２】
2011099606.tif 000007
【図３】
2011099606.tif 000008
【図４】
2011099606.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
2011099606.tif 000012