(57)【要約】【課題】本発明は、装置形状の変更を少なくし、熱効率に優れた枝管付きループ型熱音響機関を提供する。【解決手段】熱音響機関１は、作動気体を満たしたループ管３０に、加熱器１２と蓄熱器１１と冷却器１３とからなる熱音響コア部１０、及び、ループ管３０内の音響インピーダンスを調整する音響インピーダンス調整機構２０を配置し、ループ管３０から分岐した枝管４０を有し、音響インピーダンス調整機構２０が、蓄熱器１１内の軸方向中心位置において、作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差が±５０度の範囲内になるように調整することを特徴とする。【選択図】図１
2019078499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動気体を満たしたループ管に、音響パワーと熱との変換を行う熱音響コア部、及び、前記ループ管内の位相差を調整する位相差調整機構を配置し、前記ループ管から分岐した枝管を有する枝管付きループ型熱音響機関であって、
前記位相差調整機構は、前記ループ管の管路方向を基準に前記熱音響コア部の蓄熱器内で予め設定した位置において、前記作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差が±５０度の範囲内になるように調整することを特徴とする枝管付きループ型熱音響機関。
【請求項２】
前記位相差調整機構は、前記蓄熱器内の軸方向中心位置において、前記作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差が±５０度の範囲内になるように調整することを特徴とする請求項１に記載の枝管付きループ型熱音響機関。
【請求項３】
前記枝管付きループ型熱音響機関は、前記熱音響コア部を１つ備え、
前記位相差調整機構は、前記蓄熱器内の軸方向中心位置において、前記作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差が０度に近づくように調整することを特徴とする請求項２に記載の枝管付きループ型熱音響機関。
【請求項４】
前記位相差調整機構は、質量、ばね、ダンパ、コイル、コンデンサ及び抵抗の何れか１以上からなる等価音響回路でモデル化できる機構であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の枝管付きループ型熱音響機関。
【請求項５】
前記位相差調整機構は、リニア発電機を含むことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の枝管付きループ型熱音響機関。
【請求項６】
前記位相差調整機構は、メッシュ又は膜であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の枝管付きループ型熱音響機関。
【請求項７】
前記熱音響コア部は、冷却器と前記蓄熱器と加熱器とを備える原動機、冷凍用冷却器と前記蓄熱器と冷気放出器とを備える冷凍機、又は、昇温用加熱器と前記蓄熱器と昇温用冷却器とを備える昇温機の何れかであることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の枝管付きループ型熱音響機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、枝管付きループ型熱音響機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化やエネルギー問題が深刻化してきている。工場や車両において発生する膨大な廃熱や、太陽光エネルギーを高効率で回収することが可能であれば、地球温暖化やエネルギー問題を解決するための切り札となる。そこで、これらのエネルギーを回収し、動力化するために、熱音響機関に関する研究が活発に行われている。
【０００３】
ここで、熱音響機関の蓄熱器位置において、音響インピーダンス（比音響インピーダンス）と圧力流速間位相差（作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差）との関係が注目されている。具体的には、蓄熱器位置において、高音響インピーダンスと、進行波位相(圧力流速間位相差が０)という条件を実現できることが好ましい。
【０００４】
非特許文献１には、蓄熱器位置において、高音響インピーダンスを実現したループ型熱音響機関が記載されている。このループ型熱音響機関は、駆動周波数に応じた１／４波長よりも短いループ管に枝管を取り付けた装置形状を有する。そして、このループ型熱音響機関は、共振により音響インピーダンスの高い範囲を形成できるように装置形状を変更し、その範囲に蓄熱器を設置したものである。このように、従来のループ型熱音響機関では、装置形状の調整により前記条件の実現を図ることが多かった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S.Backhaus, G.W.Swift,” Athermoacoustic Stirling heat engine”, NATURE,VOL 399,27 MAY 1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のループ型熱音響機関は、音響インピーダンスや圧力流速間位相差が装置形状の影響を受けるので、蓄熱器位置において、効率よくエネルギー変換を行える進行波位相や高音響インピーダンスを必ずしも実現できているとは限らない。
【０００７】
特に、従来のループ型熱音響機関は、枝管を備えるため、蓄熱器位置において、高音響インピーダンスと進行波位相を実現することが難しい。このため、従来のループ型熱音響機関は、熱効率が低下してしまい、高い音響パワーが得られないことがある。さらに、装置形状の変更にはループ管の長さや蓄熱器位置の調節を伴うので、ループ型熱音響機関の再設計や再構築が必要な場合が多く、手間を要するという問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は、装置形状の変更を少なくし、熱効率に優れた枝管付きループ型熱音響機関を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題に鑑みて、本発明にかかる枝管付きループ型熱音響機関は、作動気体を満たしたループ管に、音響パワーと熱との変換を行う熱音響コア部、及び、前記ループ管内の位相差を調整する位相差調整機構を配置し、前記ループ管から分岐した枝管を有する枝管付きループ型熱音響機関であって、前記位相差調整機構は、前記ループ管の管路方向を基準に前記熱音響コア部の蓄熱器内で予め設定した位置において、前記作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差が±５０度の範囲内になるように調整する構成とした。
【００１０】
かかる構成によれば、枝管付きループ型熱音響機関は、位相差調整機構によって、蓄熱器位置に応じて位相差を調整できるので、蓄熱器が効率よく変換を行うことができる。このように、枝管付きループ型熱音響機関は、位相差調整機構を用いるので、装置形状の変更を少なくし、その熱効率を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明にかかる枝管付きループ型熱音響機関は、前記位相差調整機構が、前記蓄熱器内の軸方向中心位置において、前記作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差が±５０度の範囲内になるように調整することが好ましい。
かかる構成によれば、枝管付きループ型熱音響機関は、その熱効率をより向上させることができる。
【００１２】
また、本発明にかかる枝管付きループ型熱音響機関は、前記熱音響コア部を１つ備え、前記位相差調整機構は、前記蓄熱器内の軸方向中心位置において、前記作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差が０度に近づくように調整することが好ましい。
かかる構成によれば、枝管付きループ型熱音響機関は、熱音響コア部の蓄熱器が1個の場合、その熱効率をより向上させることができる。
【００１３】
また、本発明にかかる枝管付きループ型熱音響機関は、前記位相差調整機構が、質量、ばね、ダンパ、コイル、コンデンサ及び抵抗の何れか１以上で等価音響回路にモデル化できる機構であることが好ましい。
かかる構成によれば、枝管付きループ型熱音響機関は、位相差調整機構を簡易な計算モデルで表すことができる。
【００１４】
また、本発明にかかる枝管付きループ型熱音響機関は、前記位相差調整機構が、リニア発電機を含むことが好ましい。
かかる構成によれば、枝管付きループ型熱音響機関は、リニア発電機が音響パワーを利用して発電するので、その熱効率をより向上させることができる。
【００１５】
また、本発明にかかる枝管付きループ型熱音響機関は、前記位相差調整機構が、メッシュ又は膜であることが好ましい。
かかる構成によれば、枝管付きループ型熱音響機関は、位相差調整機構を簡易な構成にすることができる。
【００１６】
また、本発明にかかる枝管付きループ型熱音響機関は、前記熱音響コア部が、冷却器と前記蓄熱器と加熱器とを備える原動機、冷凍用冷却器と前記蓄熱器と冷気放出器とを備える冷凍機、又は、昇温用加熱器と前記蓄熱器と昇温用冷却器とを備える昇温機の何れかであることが好ましい。
かかる構成によれば、枝管付きループ型熱音響機関は、原動機、冷凍機又は昇温機として利用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、位相差調整機構によって、蓄熱器位置に応じて圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差を調整できるので、装置形状の変更を少なくし、その熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態にかかる枝管付きループ型熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。
【図２】図１の熱音響コア部の構成を模式的に示す模式図である。
【図３】図１の音響インピーダンス調整機構の構成を模式的に示す模式図である。
【図４】第２実施形態にかかる枝管付きループ型熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。
【図５】図４のリニア発電機の構成を模式的に示す模式図である。
【図６】図４の音響インピーダンス調整機構の等価回路を示す模式図である。
【図７】第３実施形態にかかる枝管付きループ型熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。
【図８】第４実施形態にかかる枝管付きループ型熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。
【図９】第５実施形態にかかる枝管付きループ型熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。
【図１０】従来の枝管付きループ型熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。
【図１１】実施例及び比較例での位相差及び熱効率を表すグラフである。
【図１２】実施例及び比較例での位相差を表すグラフである。
【図１３】実施例及び比較例での音響インピーダンスを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の部材には同一の符号を付し、説明を省略した。
【００２０】
（第１実施形態）
＜枝管付きループ型熱音響機関の構成＞
図１を参照し、本発明の第１実施形態にかかる枝管付きループ型熱音響機関（以下、「熱音響機関」）１の構成について、説明する。
【００２１】
熱音響機関１は、作動気体の音響パワーを増幅させる熱音響原動機であり、図１に示すように、作動気体を満たしたループ管３０に熱音響コア部１０及び音響インピーダンス調整機構（位相差調整機構）２０を配置し、ループ管３０から分岐した枝管４０を有する。本実施形態では、熱音響機関１は、１／４波長モードで駆動することとし、ループ管３０の長辺に熱音響コア部１０及び音響インピーダンス調整機構２０を配置している。
【００２２】
［熱音響コア部：原動機］
熱音響コア部１０は、蓄熱器１１の両端部間に温度勾配を形成し、音響パワーと熱との変換を行うものである。本実施形態では、熱音響コア部１０は、作動気体の音響パワーを増幅させる原動機であり、蓄熱器１１と加熱器１２と冷却器１３とを備える。ここで、熱音響コア部１０は、図２に示すように、蓄熱器１１の両端を挟むように、加熱器１２が蓄熱器１１の一端側に配置され、冷却器１３がその反対側、すなわち蓄熱器１１の他端側に配置されている。
【００２３】
［蓄熱器］
蓄熱器１１は、ループ管３０の管路に設けられ、作動気体を加熱及び冷却するものである。すなわち、蓄熱器１１は、加熱器１２及び冷却器１３によって蓄熱器１１の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーを増幅させる。蓄熱器１１は、その一端部（以下、適宜、高温部１１ａと称する）と、その他端部（以下、適宜、常温部１１ｂと称する）との間に生じる温度差を保つことによって、主として作動気体の音響パワーを増幅する機能を有している。蓄熱器１１は、その構造や材料が特に限定されず、例えば、ループ管３０の延在方向（管路方向）に多数の平行通路を有するセラミックス製のハニカム構造体や、多数枚のステンレス鋼メッシュ薄板を微小ピッチで積層した構造体とすることができる。あるいは、蓄熱器１１として、金属繊維よりなる不織布状物等を用いることも可能である。
なお、図２には、後記する蓄熱器１１の軸方向中心位置を破線で図示した。
【００２４】
［加熱器］
加熱器１２は、蓄熱器１１の一端側に隣接してループ管３０の管路に設けられ、蓄熱器１１の一端部（高温部１１ａ）を加熱するものである。すなわち、加熱器１２は、外部熱を用いて蓄熱器１１の一端を加熱する熱入力部として機能する。加熱器１２は、例えば、加熱用の熱交換器から構成される。具体的には、加熱器１２は、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされる。この加熱器１２には図示しない加熱装置が接続されており、その外周に設けられた環状部材１２ａを介して加熱処理される構成とされている。なお、図面では便宜上、蓄熱器１１と加熱器１２の間に環状部材１２ａの左壁が示されているが、加熱器１２は、この左壁を通して蓄熱器１１の一端側と隣接、すなわち密着している。さらに、加熱器１２には、音響インピーダンス調整機構２０の側に熱緩衝管（サーマルバッファチューブ）を設けてもよい（不図示）。
【００２５】
［冷却器］
冷却器１３は、蓄熱器１１の他端側に隣接してループ管３０の管路に設けられ、蓄熱器１１の他端部（常温部１１ｂ）の熱を外部に放出するものである。すなわち、冷却器１３は、冷却水や空気等を用いて蓄熱器１１の他端の熱を外部に放出して冷却する機能を有している。冷却器１３は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。冷却器１３としては、基本的には加熱器１２と同一構成とされており、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板が微小ピッチで積層された構成とされている。この冷却器１３は、その周囲に冷却ブラケット１３ａが配設されている。この冷却ブラケット１３ａには図示しない冷却水路が接続されており、冷却水路を流れる冷却水により、冷却器１３は冷却ブラケット１３ａを介して一定の冷却温度を維持しうる構成とされている。なお、図面では便宜上、蓄熱器１１と冷却器１３の間に冷却ブラケット１３ａの右壁が示されているが、冷却器１３は、この右壁を通して蓄熱器１１の他端側と隣接、すなわち密着している。
【００２６】
［音響インピーダンス調整機構］
音響インピーダンス調整機構２０は、ループ管３０内の音響インピーダンスや位相差を調整するものである。具体的には、音響インピーダンス調整機構２０は、蓄熱器１１の位置を基準に予め設定した調整範囲内において、作動気体の圧力振動と断面平均体積流速振動との位相差（以下、「位相差」）が±５０度の範囲内になるように調整する。ここで、蓄熱器１１が１個の場合、その蓄熱器１１の位置において、０度に近いことが好ましく、０度になるのがより好ましい。
さらに、音響インピーダンス調整機構２０は、前記した位相差に加え、調整範囲内でループ管３０内の音響インピーダンスがピークとなるように調整してもよい。このとき、蓄熱器１１の位置において、音響インピーダンスがピークになることが好ましい。
【００２７】
なお、調整範囲とは、位相差が±５０度の範囲内となるように調整する範囲のことである。この調整範囲は、ループ管３０の管路方向で蓄熱器１１内の任意位置に設定可能であり、蓄熱器１１の軸方向中心位置（図２の破線）に設定することが好ましい。
また、音響インピーダンスのピークとは、音響インピーダンスの最大値のことである。
【００２８】
また、音響インピーダンス調整機構２０は、ループ管３０の管路であって、熱音響コア部１０の加熱器１２側に設けられる。図３に示すように、音響インピーダンス調整機構２０は、マス（質量）２１、ばね２２及びダンパ２３からなる等価音響回路でモデル化できる機構（ばね・マス・ダンパ系）である。つまり、音響インピーダンス調整機構２０は、マス２１の平坦面の左右にばね２２及びダンパ２３を取り付けた機構である。
なお、音響インピーダンス調整機構２０による音場調整は、詳細を後記する。
【００２９】
［共鳴管、枝管］
ループ管３０は、作動気体が満たされる丸角長方形状の円筒管である。また、ループ管３０は、始点ｘ＝０から時計回りに、熱音響コア部１０の前段のループ管３０１と、熱音響コア部１０と音響インピーダンス調整機構２０との間のループ管３０２と、音響インピーダンス調整機構２０の後段のループ管３０３とで構成される。ここで、ループ管３０は、図１に示すように、その始点ｘを＝０とし、その始点ｘ＝０から時計回りで熱音響コア部１０までの長さをコア位置距離Ｘとする。つまり、コア位置距離Ｘは、ループ管３０１の長さである。また、ループ管長さＸｌｏｏｐは、始点ｘ＝０から時計回りでループ管３０３の終点までを含む長さである。本実施形態では、ループ管長さＸｌｏｏｐは、駆動周波数に応じた１／４波長よりも短いこととする。
【００３０】
また、ループ管３０は、管路が分岐した枝管４０を有する。従って、枝管４０は、ループ管３０と同一断面形状及び同一断面積である。本実施形態では、ループ管３０は、音響インピーダンス調整機構２０に最も近い湾曲部分において、枝管４０が分岐している。また、枝管４０は、その一端に図示を省略した発電機や冷凍機を設けることができる。
【００３１】
作動気体の種類は特に限定されず、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合物や空気等が作動気体としてよく用いられる。
ここでは、作動気体として大気圧空気を用いる場合は、枝管４０の一端を開口していてもよい。また、枝管４０の一端には、作動気体を封入するバッファータンクを設けてもよい（不図示）。すなわち、バッファータンクを設ける場合は、作動気体はループ管３０内にも封入されて満たされるものであり、枝管４０の一端を開口した場合は、大気圧空気で満たされるものである。
【００３２】
［音響インピーダンス調整機構による調整］
以下、音響インピーダンス調整機構２０による調整を具体的に説明する。
まず、音響インピーダンス調整機構２０以外の伝達マトリクスを求めるため、以下の式（１）に基づいて計算を行う。この式（１）は、Ｒｏｔｔの波動方程式を行列化したものである。
【００３３】
【数１】
2019078499.tif 000003
【００３４】
なお、Ｐが圧力振動、Ｕが断面平均体積流速振動、ｊが虚数単位、ωが角周波数（２πｆ）、Ｓがループ管３０の断面積、γが比熱比、Ｐｍが作動気体の平均圧力，σがプラントル数、χνが粘性に関する複素関数、χαが熱拡散に関する複素関数、Ｔｍが断面平均温度、ρｍが作動気体の平均密度を表す。例えば、熱拡散に関する複素関数χν，χαは、参考文献「Tominaga, A., “Thermodynamic aspects of thermoacoustic theory”, Cryogenics 35, 427-440 (1995).」に記載されている。
【００３５】
式（１）の固有値及び固有ベクトルを求めて対角化し、変数分離形にすることで、各要素の伝達マトリクスＭｔｒａｎｓを求める。これにより、以下の式（２）のように、任意点ｘの圧力振動Ｐｘ及び断面平均体積流速振動Ｕｘを、始点ｘ＝０の圧力振動Ｐ０及び断面平均体積流速振動Ｕ０から求めることが可能となる。なお、各要素とは、熱音響機関１における音響インピーダンス調整機構２０以外の各構成のことである。
【００３６】
【数２】
2019078499.tif 000004
【００３７】
具体的には、伝達マトリクスＭｔｒａｎｓは、以下の手順で求められる。まず、式（１）を以下の式（３）に置き換える。この式（３）において、マトリクスＡに含まれる要素Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２は、それぞれ式（１）内の行列要素に対応する。そして、式（３）の固有値及び固有ベクトルを求めて対角化し、変数分離形にすると、以下の式（４）及び式（５）となり、伝達マトリクスＭｔｒａｎｓを求められる。
【００３８】
【数３】
2019078499.tif 000005
【００３９】
【数４】
2019078499.tif 000006
【００４０】
【数５】
2019078499.tif 000007
【００４１】
また、ばね・マス・ダンパ系で構成される音響インピーダンス調整機構２０には、以下の式（６）で表される伝達マトリクスＭＶＡＬを用いた。
なお、ＳＶＡＬ１が音響インピーダンス調整機構２０の前面断面積、ＳＶＡＬ２が音響インピーダンス調整機構２０の後面断面積、ｍがマス２１の質量、ｋがばね２２のばね定数、ｄがダンパ２３の減衰係数を表す。
【００４２】
【数６】
2019078499.tif 000008
【００４３】
そして、各要素の伝達マトリクスＭｔｒａｎｓと音響インピーダンス調整機構２０の伝達マトリクスＭＶＡＬを結合し、ループ管３０の管路全体の伝達マトリクスＭｌｏｏｐとすることで、ループ管３０の任意点で圧力振動Ｐ及び断面平均体積流速振動Ｕを算出できる。この伝達マトリクスＭｌｏｏｐは、以下の式（７）で表される。
【００４４】
【数７】
2019078499.tif 000009
【００４５】
なお、式（７）のＭｄｕｃｔ１〜Ｍｄｕｃｔ３，ＭＣＨＸ，ＭＲＥＧ，ＭＨＨＸ，ＭＴＢＴが各要素のマトリクスＭｔｒａｎｓに対応する。すなわち、Ｍｄｕｃｔ１がループ管３０１の伝達マトリクス、ＭＣＨＸが冷却器１３の伝達マトリクス、ＭＲＥＧが蓄熱器１１の伝達マトリクス、ＭＨＨＸが加熱器１２の伝達マトリクス、ＭＴＢＴが熱緩衝管の伝達マトリクス、Ｍｄｕｃｔ２がループ管３０２の伝達マトリクス、ＭＶＡＬが音響インピーダンス調整機構２０の伝達マトリクス、Ｍｄｕｃｔ３がループ管３０３の伝達マトリクスを表す。
また、伝達マトリクスＭｌｏｏｐは、式（７）に限定されず、熱音響機関１の構造や形状に対応した各要素の追加、削除、並べ替えを行えばよい。
【００４６】
このように、式（７）の伝達マトリクスＭｌｏｏｐは、始点ｘ＝０から反時計回りで各伝達マトリクスを掛けあわせた形となる。また、式（７）において、音響インピーダンス調整機構２０の伝達マトリクスＭＶＡＬは式（６）から求めたものであり、各要素の伝達マトリクスＭｄｕｃｔ１〜Ｍｄｕｃｔ３，ＭＣＨＸ，ＭＲＥＧ，ＭＨＨＸ，ＭＴＢＴは式（１）から求めたものである。
【００４７】
さらに、始点ｘ＝０における音響インピーダンスを求める。ループ管３０の管路全体の伝達マトリクスＭｌｏｏｐと、始点の圧力振動Ｐ（０）及び断面平均体積流速振動Ｕ（０）を用いると、ループ管３０の終点ｘ＝Ｘｌｏｏｐにおける圧力振動Ｐ（Ｘｌｏｏｐ）及び断面平均体積流速振動Ｕ（Ｘｌｏｏｐ）は、以下の式（８）で表すことができる。
【００４８】
【数８】
2019078499.tif 000010
【００４９】
ここで、ループ管３０の始点ｘ＝０と終点ｘ＝Ｘｌｏｏｐが同一位置のため、始点及び終点の圧力振動Ｐが同等という境界条件が与えられる。この境界条件Ｐ（０）＝Ｐ（Ｘｌｏｏｐ）を用いると、式（８）を以下の式（９）で表すことができる。
【００５０】
【数９】
2019078499.tif 000011
【００５１】
式（９）より始点の音響インピーダンスＺ（０）を求めることができ、以下の式（１０）のようになる。なお、Ｍｌｏｏｐ＿１１，Ｍｌｏｏｐ＿１２は、式（７）に含まれる伝達マトリクスＭｌｏｏｐの要素である。
【００５２】
【数１０】
2019078499.tif 000012
【００５３】
始点で設定が必要なのは、以下の式（１１）のように、圧力振動Ｐ及び断面平均体積流速振動Ｕの比である音響インピーダンスＺの値である。従って、始点の音響インピーダンスＺ（０）を設定することで、ループ管３０全体の音響インピーダンス分布を求めることができる。このとき、位相差φは、下記の式（１２）で表される。
【００５４】
【数１１】
2019078499.tif 000013
【００５５】
【数１２】
2019078499.tif 000014
【００５６】
以上のように、位相差φを求めれば音響インピーダンスＺが定まるので、蓄熱器１１を基準とした調整範囲内において、式（１２）の位相差φが±５０度の範囲内となるように、音響インピーダンス調整機構２０を調整すればよい。なお、音響インピーダンス調整機構２０の調整とは、式（６）の質量ｍ、ばね定数ｋ、及び、減衰係数ｄを所望の値で設定することをいう。
【００５７】
［作用・効果］
本発明の第１実施形態にかかる熱音響機関１は、音響インピーダンス調整機構２０によって、蓄熱器１１の位置に応じて、音響インピーダンスや位相差を調整することができる。これにより、熱音響機関１は、装置形状の変更を少なくし、その熱効率を向上させることができる。
さらに、熱音響機関１は、音響インピーダンス調整機構２０をばね・マス・ダンパ系のような簡易な計算モデルで表すことができる。
【００５８】
（第２実施形態）
図４を参照し、本発明の第２実施形態にかかる熱音響機関１Ｂの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
【００５９】
図４に示すように、熱音響機関１Ｂは、音響インピーダンス調整機構２０Ｂにリニア発電機５０が含まれる点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、熱音響機関１Ｂは、作動気体を満たしたループ管３０に熱音響コア部１０及び音響インピーダンス調整機構２０Ｂを配置し、ループ管３０から分岐した枝管４０を有するものである。
なお、音響インピーダンス調整機構２０Ｂ以外は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。
【００６０】
［音響インピーダンス、リニア発電機］
音響インピーダンス調整機構２０Ｂは、音響インピーダンス調整機構２０（図３）と同様に音場を調整することに加え、熱音響コア部１０で増幅された音響パワーに応動して発電を行なうリニア発電機５０を備える。
【００６１】
リニア発電機５０は、ループ管３０から伝搬する音響パワーに基づき、コイル５１内で永久磁石５３を往復振動させて、音響パワーを電力に変換するものである。図５に示すように、リニア発電機５０は、コイル５１と、シャフト５２と、永久磁石５３と、受圧面５４と、を備える。
【００６２】
本実施形態では、リニア発電機５０は、ループ管３０に音響パワーが伝搬可能な状態で接続されている。リニア発電機５０は、管路方向で両端に位置するように、２つの受圧面５４が対向している。受圧面５４は、ループ管３０の内部で生じる圧力変動に対応した内部圧力変動を受ける。シャフト５２は、２つの受圧面５４の間に挿入されている。永久磁石５３は、シャフト５２に取付けられている。この永久磁石５３は、それぞれＳ極とＮ極の磁石から構成されている。コイル５１は、ループ管３０の管壁と永久磁石５３との間に配置されている。
【００６３】
リニア発電機５０におけるこのような構造は、コイル５１を周回する磁束密度の時間変化により電流が発生するという原理に基づいた発電方式を採用している。すなわち、音響パワーに基づきシャフト５２に取付けられた永久磁石５３がストロークすることにより、コイル５１を周回する磁束密度が大きく変化し、発電が行われる。
なお、リニア発電機５０は、その構成が特に限定されず、音響パワーにより永久磁石５３がストロークする構成であればよい。
【００６４】
ここで、リニア発電機５０は、図６に示すように、ばね・マス・ダンパ系としてモデル化できるので、音響インピーダンス調整機構２０Ｂとして利用できる。つまり、音響インピーダンス調整機構２０Ｂは、マス２１、ばね２２、ダンパ２３、及び、リニア発電機５０でモデル化できる。また、リニア発電機５０は、コイル２４と、抵抗２５と、コンデンサ２７と、抵抗２６とを直列に接続した部分となる。
【００６５】
また、音響インピーダンス調整機構２０Ｂの伝達マトリクスＭＶＡＬは、以下の式（１３）で表すことができる。この式（１３）は、リニア発電機５０に対応する項を式（６）に加えたものである。
【００６６】
なお、Ｌがコイル２４のインダクタンス、ｌがコイル２４のコイル長さ、Ｃがコンデンサ２７の静電容量、Ｒ１が抵抗２５の抵抗値（リニア発電機５０の内部抵抗）、Ｒ２が抵抗２６の抵抗値（リニア発電機５０の外部抵抗）、Ｂが磁束密度、Ｅが電圧を表す。
【００６７】
【数１３】
2019078499.tif 000015
【００６８】
すなわち、熱音響機関１Ｂでは、式（６）の代わりに、式（１３）の伝達マトリクスＭＶＡＬを用いることで、第１実施形態と同様、ループ管３０の管路全体の伝達マトリクスＭｌｏｏｐを求め、ループ管３０の任意点で圧力振動Ｐ及び断面平均体積流速振動Ｕを算出できる。
【００６９】
そして、熱音響機関１Ｂでは、位相差φを求めれば音響インピーダンスＺが定まるので、蓄熱器１１を基準とした調整範囲内において位相差φが±５０度の範囲内となるように、音響インピーダンス調整機構２０Ｂを調整すればよい。なお、音響インピーダンス調整機構２０Ｂの調整とは、式（１３）の質量ｍ、ばね定数ｋ、減衰係数ｄ、インダクタンスＬ、コイル長さｌ、静電容量Ｃ、抵抗値Ｒ１，Ｒ２、磁束密度Ｂ及び電圧Ｅを所望の値で設定することをいう。
【００７０】
［作用・効果］
本発明の第２実施形態にかかる熱音響機関１Ｂは、第１実施形態と同様、装置形状の変更を少なくし、その熱効率を向上させることができる。さらに、熱音響機関１Ｂは、リニア発電機５０が音響パワーを利用して発電するので、その熱効率をより向上させることができる。
【００７１】
（第３実施形態）
図７を参照し、本発明の第３実施形態にかかる熱音響機関１Ｃの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
【００７２】
図７に示すように、熱音響機関１Ｃは、音響インピーダンス調整機構２０Ｃとして、メッシュ又は膜を用いる点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、熱音響機関１Ｃは、作動気体を満たしたループ管３０に熱音響コア部１０及び音響インピーダンス調整機構２０Ｃを配置し、ループ管３０から分岐した枝管４０を有するものである。
なお、音響インピーダンス調整機構２０Ｃ以外は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。
【００７３】
図７に示すように、音響インピーダンス調整機構２０Ｃは、ループ管３０の管路方向と垂直になるように、網状体であるメッシュ、又は、所定厚さの膜を配置したものである。これにより、音響インピーダンス調整機構２０Ｃは、散逸として音響パワーを吸収することで、音響インピーダンス調整機構２０（図３）と同様に音場を調整できる。
【００７４】
ここで、音響インピーダンス調整機構２０Ｃをメッシュとする場合、第１実施形態と同様、各要素の伝達マトリクスＭｔｒａｎｓを式（１）、音響インピーダンス調整機構２０Ｃの伝達マトリクスＭＶＡＬを式（６）で求めればよい。そして、各要素の伝達マトリクスＭｔｒａｎｓ及び音響インピーダンス調整機構２０Ｃの伝達マトリクスＭＶＡＬを結合し、ループ管３０全体の伝達マトリクスＭｌｏｏｐを求める。
【００７５】
また、音響インピーダンス調整機構２０Ｃを膜とする場合、ベッセル関数により膜の形状を記述し、音響インピーダンス調整機構２０Ｃの伝達マトリクスＭＶＡＬを求めればよい。そして、各要素の伝達マトリクスＭｔｒａｎｓ及び音響インピーダンス調整機構２０Ｃの伝達マトリクスＭＶＡＬを結合し、ループ管３０の管路全体の伝達マトリクスＭｌｏｏｐを求める。
【００７６】
これにより、熱音響機関１Ｃでは、第１実施形態と同様、ループ管３０の任意点で圧力振動Ｐ及び断面平均体積流速振動Ｕを算出できる。そして、熱音響機関１Ｃでは、位相差φを求めれば音響インピーダンスＺが定まるので、蓄熱器１１を基準とした調整範囲内において位相差φが±５０度の範囲内となるように、音響インピーダンス調整機構２０Ｃを調整すればよい。
【００７７】
［作用・効果］
本発明の第３実施形態にかかる熱音響機関１Ｃは、第１実施形態と同様、装置形状の変更を少なくし、その熱効率を向上させることができる。さらに、熱音響機関１Ｃは、メッシュや膜など、音響インピーダンス調整機構２０Ｃを簡易な構成にすることができる。
【００７８】
（第４実施形態）
図８を参照し、本発明の第４実施形態にかかる熱音響機関１Ｄの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
【００７９】
熱音響機関１Ｄは、作動気体の音響パワーにより冷凍を行う熱音響冷凍機である点が、第１実施形態と異なる。すなわち、熱音響機関１Ｄは、図１の熱音響コア部１０の代わりに冷凍機（熱音響コア部）６０を備える。
なお、冷凍機６０以外は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。
【００８０】
［熱音響コア部：冷凍機］
冷凍機６０は、ループ管３０から伝搬する音響パワーを消費して熱（熱エネルギー）に変換することで、冷却を行うものである。この冷凍機６０は、図１の熱音響コア部１０の可逆機構であり、冷凍用蓄熱器（蓄熱器）６１と、冷凍用冷却器６２と、冷気放出器６３とを備える。つまり、冷凍機６０は、冷凍用蓄熱器６１と、冷凍用冷却器６２と、冷気放出器６３とを１つのユニットとして扱ったものである。ここで、冷凍機６０は、冷凍用蓄熱器６１の両端を挟むように、冷凍用冷却器６２が冷凍用蓄熱器６１の一端側に配置され、冷気放出器６３がその反対側、すなわち冷凍用蓄熱器６１の他端側に配置されている。
【００８１】
［冷凍用蓄熱器］
冷凍用蓄熱器６１は、ループ管３０の管路に設けられ、作動気体を冷却するものである。すなわち、冷凍用蓄熱器６１は、ループ管３０を通じて冷凍用蓄熱器６１の一端部（以下、適宜、常温部と称する）に伝達された音響パワーを、冷凍用蓄熱器６１の一端部（常温部）と冷凍用蓄熱器６１の他端部（以下、適宜、低温部と称する）との間における温度差に変換する機能を有している。冷凍用蓄熱器６１の常温部は、冷凍用冷却器６２によって冷却されているため、伝達された音響パワーによって、冷凍用蓄熱器６１の低温部は、常温部よりも低い温度まで冷却されて冷気が発生する。この冷気は、冷気放出器６３によって外部に取り出される。冷凍用蓄熱器６１は、熱容量の大きい蓄冷材からなる。蓄冷材としては、例えば、ステンレス鋼、銅、鉛等を用いることができ、また、冷凍用蓄熱器６１の形状は多様な形状を適用することが可能である。
【００８２】
［冷凍用冷却器］
冷凍用冷却器６２は、冷凍用蓄熱器６１の一端側に隣接してループ管３０の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器６１の一端部（常温部）の熱を外部に放出するものである。すなわち、冷凍用冷却器６２は、冷却水や空気等を用いて冷凍用蓄熱器６１の一端の熱を外部に放出して冷却する機能を有している。冷凍用冷却器６２は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。具体的には、冷凍用冷却器６２は、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この冷凍用冷却器６２は、その周囲に冷却ブラケット（不図示）を配設している。この冷却ブラケットには冷却水路が接続されており、冷却水路を流れる冷却水により、冷凍用冷却器６２は冷却ブラケットを介して一定の冷却温度を維持する。
【００８３】
［冷気放出器］
冷気放出器６３は、冷凍用蓄熱器６１の他端側に隣接してループ管３０の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器６１の他端部（低温部）に発生する冷気を外部に放出するものである。すなわち、冷気放出器６３は、冷凍用蓄熱器６１の他端において発生する冷気を外部に取り出す冷気出力部として機能する。冷気放出器６３は、例えば、冷凍用の熱交換器から構成される。冷気放出器６３としては、基本的には冷凍用冷却器６２と同一構成であり、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この冷気放出器６３の外周位置には、冷気（冷熱）を取り出す高熱伝導率材料（例えば、銅）よりなる環状部材を配設している。
【００８４】
［作用・効果］
本発明の第４実施形態にかかる熱音響機関１Ｄは、第１実施形態と同様、装置形状の変更を少なくし、その熱効率を向上させることができる。すなわち、熱音響機関１Ｄは、熱効率のよい熱音響冷凍機を実現できる。
【００８５】
（第５実施形態）
図９を参照し、本発明の第５実施形態にかかる熱音響機関１Ｅの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
【００８６】
熱音響機関１Ｅは、作動気体の音響パワーにより昇温を行う熱音響昇温機である点が、第１実施形態と異なる。すなわち、熱音響機関１Ｅは、図１の熱音響コア部１０の代わりに昇温機（熱音響コア部）７０を備える。
なお、昇温機７０以外は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。
【００８７】
［熱音響コア部：昇温機］
昇温機７０は、ループ管３０から伝搬する音響パワーを消費して熱（熱エネルギー）に変換することで、昇温を行うものである。この昇温機７０は、昇温用蓄熱器（蓄熱器）７１の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーで昇温するものであり、昇温用蓄熱器７１と、昇温用加熱器７２と、昇温用冷却器７３とを備える。このように、昇温機７０は、昇温用蓄熱器７１と、昇温用加熱器７２と、昇温用冷却器７３とを１つのユニットとして扱ったものである。ここで、昇温機７０は、昇温用蓄熱器７１の両端を挟むように、昇温用加熱器７２が昇温用蓄熱器７１の一端側に配置され、昇温用冷却器７３がその反対側、すなわち昇温用蓄熱器７１の他端側に配置されている。ここで、昇温を行う場合、昇温用冷却器７３を常温に保持することで、昇温用加熱器７２が高い温度に上昇する。
【００８８】
なお、昇温用蓄熱器７１、昇温用加熱器７２及び昇温用冷却器７３は、それぞれ、蓄熱器１１、加熱器１２及び冷却器１３と基本的に同一構成のため、これ以上の説明を省略する。
【００８９】
［作用・効果］
本発明の第５実施形態にかかる熱音響機関１Ｅは、第１実施形態と同様、装置形状の変更を少なくし、その熱効率を向上させることができる。すなわち、熱音響機関１Ｅは、熱効率のよい熱音響昇温機を実現できる。
【実施例】
【００９０】
以下、本発明の実施例として、音場調整のシミュレーション結果を説明する。
図１の熱音響機関１を実施例とし、図１０の熱音響機関９を比較例とする。この図１０の熱音響機関９は、図１の熱音響機関１から音響インピーダンス調整機構２０を取り除いたものである。
【００９１】
この実施例では、作動気体は３０気圧のヘリウムとし、駆動周波数は３０Ｈｚとした。コア位置距離Ｘは、駆動周波数に対して十分に短い１．５ｍとした。蓄熱器１１は、流路径０．２ｍｍ、開口率７０％、軸方向長さ３０ｍｍとした。加熱器１２及び冷却器１３は、同一形状であり、流路径２ｍｍ、開口率７０％、軸方向長さ３０ｍｍとした。また、熱緩衝管の長さは０．１ｍとした。蓄熱器１１、加熱器１２、冷却器１３及びループ管３０の内径は、４０ｍｍとした。また、蓄熱器１１は、加熱器１２側の端面温度（高温端温度）ＴＨ＝５７３Ｋ、冷却器１３側の端面温度（低温端温度）ＴＣ＝２９７Ｋとした。また、蓄熱器１１内部の温度勾配は、線形であることとした。
【００９２】
熱効率ηｌｏｏｐを求めるため、枝管４０に流れる音響パワーＷＢを求める必要がある。枝管４０の始点ｘ＝０における圧力振動ＰＢ及び断面平均体積流速振動ＵＢは、以下の式（１４）及び式（１５）で表される。
【００９３】
【数１４】
2019078499.tif 000016
【００９４】
【数１５】
2019078499.tif 000017
【００９５】
このとき、音響パワーＷは、以下の式（１５）となるので、圧力振動ＰＢ及び断面平均体積流速振動ＵＢを式（１６）代入することで求められる。
【００９６】
【数１６】
2019078499.tif 000018
【００９７】
熱効率ηｌｏｏｐは、以下の式（１７）に示すように、音響パワーＷＢ、及び、蓄熱器１１に入熱される熱量ＱＨを用いて、ループ管３０の全体での熱効率を求め、カルノー効率に対する比とした。
【００９８】
【数１７】
2019078499.tif 000019
【００９９】
まず、比較例の熱音響機関９において、コア位置距離Ｘを０．５〜１．３メートルの範囲で変更しながら、蓄熱器１１の位置における位相差φ、及び、ループ管３０全体の熱効率ηｌｏｏｐを求めた。
【０１００】
図１１に蓄熱器１１の位置における位相差φ、及び、ループ管３０全体の熱効率ηｌｏｏｐを図示した。コア位置距離Ｘ＝０．５〜０．７ｍの範囲では、音響パワー分布がマイナス値となり熱音響機関１が動作しないため、ハッチングで図示した。また、○が比較例での熱効率ηｌｏｏｐ、●が実施例での熱効率ηｌｏｏｐ、△が比較例での位相差φ、▲が実施例での位相差φを表す。
【０１０１】
比較例では、位相差φは、５０〜５７ｄｅｇ程度となった。この結果より、蓄熱器１１の位置を変化させても、位相差φ＝０を満たす計算条件が存在しなかった。また、この計算条件において、コア位置距離Ｘ＝１．０ｍの場合、熱効率ηｌｏｏｐ＝４５．６％と最も高くなった。
【０１０２】
次に、実施例の熱音響機関１において、コア位置距離Ｘ＝１．０ｍの場合で計算を行った。このとき、音響インピーダンス調整機構２０は、加熱器１２からループ接合点（終点ｘ＝Ｘｌｏｏｐ）までの中心位置に配置した。そして、マス２１の質量ｍ、ばね２２のばね定数ｋ、ダンパ２３の減衰係数ｄを変化させながら、蓄熱器１１の位置における位相差φ、及び、ループ管３０全体の熱効率ηｌｏｏｐを求めた。このとき、質量ｍ＝０、ばね定数ｋ＝０、減衰係数ｄ＝１．３のとき、熱効率ηｌｏｏｐが最も高くなった。
【０１０３】
図１２に実施例及び比較例の位相差φを図示し、図１３に実施例及び比較例の音響インピーダンス｜Ｚ｜を図示した。この音響インピーダンス｜Ｚ｜は、体積流速による音響インピーダンスＺの計算値を表している。また、図１２及び図１３では、実施例での計算結果を実線、比較例での計算結果を破線、蓄熱器１１の位置をドットで図示した。
【０１０４】
図１２に示すように、比較例では、蓄熱器１１の位置において、位相差φ＝５５．２ｄｅｇであった。一方、実施例では、蓄熱器１１の位置において、位相差φ＝−２．４ｄｅｇであった。このとき、実施例では熱効率ηｌｏｏｐ＝６４．０％となり、比較例に比べて、熱効率ηｌｏｏｐが１８．４％向上した。このように、実施例では、進行波位相を実現できることが分かった。
【０１０５】
図１３に示すように、比較例では、音響インピーダンスのピークが蓄熱器１１の位置から外れていた。一方、実施例では、音響インピーダンスのピークが蓄熱器１１の位置にあり、音響インピーダンスの値が比較例よりも高くなった。
【０１０６】
以上の実施例より、ループ管３０に音響インピーダンス調整機構２０を備えることによって、蓄熱器１１の位置において、位相差や音響インピーダンスの調整が可能であることが分かった。この位相差や音響インピーダンスを適切に調整することで、熱音響機関１の熱効率を改善することができる。
なお、本発明では、作動気体の圧力、駆動周波数、ループ管の形状や材料、加熱器や冷却器の温度が前記した実施例に限定されないことは言うまでもない。
【０１０７】
（変形例）
本発明にかかる熱音響機関は、前記した実施形態や実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で変形を加えることができる。
前記した各実施形態では、熱音響機関が１／４波長モードで駆動することとして説明したが、本発明は、これに限定されない。
【０１０８】
前記した各実施形態では、熱音響コア部を１つ備えることとして説明したが、本発明は、複数の熱音響コア部を備えてもよい。この場合、位相差調整機構は、熱音響コア部が備える蓄熱器の個数に応じて、位相差の範囲を変えてもよい。
【０１０９】
前記した各実施形態では、熱音響機関の構造を具体的に説明したが、本発明は、これに限定されない。ループ管の始点と終点が接続しており、ループ管から枝管が分岐していれば、ループ管の形状は特に制限されない。例えば、ループ管の形状は、各辺の長さが等しい丸角長方状でもよく、円形状や渦巻き状であってもよい。また、ループ管の一部で断面形状や断面積が異なってもよく、ループ管と枝管の断面形状や断面積が異なってもよい。さらに、熱音響コア部の配置位置も任意であり、ループ管の短辺に配置してもよい。
【０１１０】
前記した音響インピーダンス調整機構は、第１実施形態では質量、ばね及びダンパを備え、第２実施形態では質量、ばね、ダンパ、コイル、コンデンサ及び抵抗の全てを備えることとして説明したが、本発明は、これに限定されない。つまり、音響インピーダンス調整機構は、質量、ばね、ダンパ、コイル、コンデンサ及び抵抗の何れか１以上からなる等価音響回路でモデル化できる機構であればよい。さらに、音響インピーダンス調整機構は、リニア発電機、メッシュ又は膜に限定されない。
【０１１１】
前記した各実施形態では、Ｒｏｔｔの波動方程式を用いることとして説明したが、本発明は、これに限定されない。つまり、本発明では、ナビエーストークス方程式、連続の式など、熱音響機関をモデル化して圧力振動Ｐ及び断面平均体積流速振動Ｕを計算できる流体方程式であればよい。例えば、本発明では、Ｒａｓｐｅｔの手法、Ｐｉｃｃｏｌｏの手法、熱流体解析（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）を用いることができる。
また、本発明では、音響インピーダンス調整機構の設定条件を変更しながら、音響インピーダンス及び位相差を測定することにより、実験的に音響インピーダンス調整機構を構築してもよい。
【符号の説明】
【０１１２】
１，１Ｂ〜１Ｅ  熱音響機関（枝管付きループ型熱音響機関）
１０  熱音響コア部
１１  蓄熱器
１２  加熱器
１３  冷却器
２０，２０Ｂ，２０Ｃ  音響インピーダンス調整機構（位相差調整機構）
２１  マス（質量）
２２  ばね
２３  ダンパ
２４  コイル
２５  抵抗
２６  抵抗
２７  コンデンサ
３０  ループ管
４０  枝管
５０  リニア発電機
６０  冷凍機
６１  冷凍用蓄熱器（蓄熱器）
６２  冷凍用冷却器
６３  冷気放出器
７０  昇温機
７１  昇温用蓄熱器（蓄熱器）
７２  昇温用加熱器
７３  昇温用冷却器
【図１】
2019078499.tif 000020
【図２】
2019078499.tif 000021
【図３】
2019078499.tif 000022
【図４】
2019078499.tif 000023
【図５】
2019078499.tif 000024
【図６】
2019078499.tif 000025
【図７】
2019078499.tif 000026
【図８】
2019078499.tif 000027
【図９】
2019078499.tif 000028
【図１０】
2019078499.tif 000029
【図１１】
2019078499.tif 000030
【図１２】
2019078499.tif 000031
【図１３】
2019078499.tif 000032