(57)【要約】【課題】  ガス状媒体の振動エネルギーから変換された熱エネルギーを効率的に回収することが可能なエネルギー変換スタックを提供する。【解決手段】  エネルギー変換スタックは、変換部と熱媒体流路とを備える。変換部は、柱体の形状を有し、複数の貫通孔が柱体の底面間にわたって内部を貫通しており、複数の貫通孔内のガス状媒体の振動エネルギーと熱エネルギーとを相互に変換可能である。熱媒体流路は、変換部の側面の少なくとも一部を周方向に囲むように設けられている。【選択図】  図１
2019173687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱体の形状を有し、複数の貫通孔が柱体の底面間にわたって内部を貫通しており、複数の貫通孔内のガス状媒体の振動エネルギーと熱エネルギーとを相互に変換可能である、変換部と、
前記変換部の側面の少なくとも一部を周方向に囲むように設けられた熱媒体流路と
を備える、エネルギー変換スタック。
【請求項２】
前記変換部と前記熱媒体流路とが同一の材料によって一体的に形成された、請求項１に記載のエネルギー変換スタック。
【請求項３】
前記材料は金属材料又は炭素系材料である、請求項２に記載のエネルギー変換スタック。
【請求項４】
前記熱媒体流路は、熱媒体の入口流路と、熱媒体の出口流路と、入口流路と出口流路との間の中間流路とを有し、
前記中間流路の少なくとも一部は、前記変換部の一方の底面近くに配置された、
請求項１に記載のエネルギー変換スタック。
【請求項５】
前記熱媒体流路は、流路の長さ方向を横断する方向の断面形状が四角形であり、四角形の１辺が前記変換部の側面に隣接して配置された、請求項１に記載のエネルギー変換スタック。
【請求項６】
前記熱媒体流路は、流路の長さ方向を横断する方向の断面形状が直線部と円弧部とを有するかまぼこ型であり、かまぼこ型の直線部が前記変換部の側面に隣接して配置された、請求項１に記載のエネルギー変換スタック。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のエネルギー変換スタックが複数連結されたエネルギー変換ユニット。
【請求項８】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のエネルギー変換スタックを複数備え、複数の前記エネルギー変換スタックの間に１つ又は複数のエネルギー変換中間スタックが連結されており、
前記エネルギー変換中間スタックの各々は、柱体の形状を有し、複数の貫通孔が柱体の底面間にわたって内部を貫通しており、複数の貫通孔内のガス状媒体の振動エネルギーと熱エネルギーとを相互に変換可能である、変換部を有する、
エネルギー変換ユニット。
【請求項９】
前記エネルギー変換スタック及び前記エネルギー変換中間スタックの各々は、隣接する前記エネルギー変換スタック又は前記エネルギー変換中間スタックとの間で、複数の貫通孔の対向する端部が互いに位置合わせされた状態で底面同士が接するように配置された、請求項７又は請求項８に記載のエネルギー変換ユニット。
【請求項１０】
前記エネルギー変換スタック及び前記エネルギー変換中間スタックの各々が有する前記複数の貫通孔の前記端部を互いに位置合わせするための位置合わせ機構を有する、請求項９に記載のエネルギー変換ユニット。
【請求項１１】
前記位置合わせ機構は、
前記複数のエネルギー変換スタック及び前記１つ又は複数のエネルギー変換中間スタックの底面において、変換部の外側で周方向に延びるように設けられた溝と、
前記溝に収容されるキーと
を有し、前記溝及び前記キーは、前記複数のエネルギー変換スタック及び前記１つ又は複数のエネルギー変換中間スタックの周方向の位置を定める少なくとも１つの位置決め部を有する、
請求項１０に記載のエネルギー変換ユニット。
【請求項１２】
前記１つ又は複数のエネルギー変換中間スタックは、前記複数のエネルギー変換スタックと同一の材料によって形成された、請求項８に記載のエネルギー変換ユニット。
【請求項１３】
内部にガス状媒体が存在する音響管と
前記音響管内のガス状媒体を振動させる振動発生器と、
前記音響管の途中に配置された、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のエネルギー変換スタック又は請求項７から請求項１２までのいずれか１項に記載のエネルギー変換ユニットと、
前記エネルギー変換スタック又は前記エネルギー変換ユニットが有する熱媒体流路を流れる熱媒体と
を備えるエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー変換技術に関し、より具体的には、ガス状媒体の振動エネルギーと熱エネルギーとを相互に交換する変換部と、変換部において変換された熱エネルギーを回収する熱媒体の流路とを有するエネルギー変換スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
音のエネルギーと熱のエネルギーとを相互に交換することが可能な熱音響装置が知られている（例えば特許文献１）。熱音響装置は、一般に、内部にガス状媒体が存在する配管（音響管）と、配管の内部のガス状媒体に音波を与えるための音波発生部と、配管の内部に配置されたスタックと、配管の長さ方向に対してスタックの前後に設けられた熱交換部とを備える。スタックは、配管の長さ方向にスタックを貫通し、内部をガス状媒体が流れる複数の微小な貫通孔を有する。熱音響装置においては、スタック内部の貫通孔内おいてガス状媒体が振動することによってガス状媒体の振動の伝搬方向に発生する温度勾配を利用して、熱エネルギーを取り出すことができる。音波発生部として、同一の配管内に設けられた別のスタックとそのスタックの前後に設けられた熱交換部とが用いられる場合もある。例えば非特許文献１及び非特許文献２には、こうした熱音響装置の概念や原理、熱音響現象が発生したときの各種パラメータ（例えば、貫通孔の直径、周波数など）の影響についての理論的な考察等が記載されている。
【０００３】
従来の熱音響装置においては、スタックとして、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３に提案されているように、セラミックス、合成樹脂、ガラス、金属などが用いられる。これらの材質は、熱伝導率が小さいため、温度勾配を発生させるには都合がいいが熱エネルギーの回収の点で課題がある。金属は、熱伝導率が大きいため、熱エネルギーの回収には利点があるが、温度勾配が生じにくく、熱音響効果自体が発生しないおそれがある。セラミックスの場合は、微小で均質な貫通孔を形成することが難しいという問題もある。温度勾配の発生と熱エネルギーの回収との両方を効果的に行うために、熱伝導率の低いプラスチック、ガラス、セラミックスなどのスタックのガス状媒体流路表面に、熱伝導率の高い金属などの蓄熱材を付着させる構造も提案されている（特許文献４）。
【０００４】
また、従来の熱音響装置においては、特許文献１〜特許文献４に記載されるように、配管の長さ方向に対してスタックの前後に熱交換部を有する。しかし、こうした構造においては、スタックの貫通孔とスタックの前後に配置される熱交換部の貫通孔とが整合していなければ、ガス状媒体の流れの乱れや滞留が生じたり、スタックと熱交換器との接触面積の減少に起因する熱伝導特性の低下が生じたりするおそれがある。こうした問題に対応することができる技術として、特許文献５において、貫通孔のない２枚の銅板と貫通孔のないポリイミド樹脂板とを貼り合わせた後に、レーザービームを照射して貫通孔を形成することによってスタックを得ることが提案されている。
【０００５】
また、特許文献１〜特許文献４に記載される従来の熱音響装置においては、熱交換器とスタックとの間に気体などの流体が介在することが避けられないため熱授受の効率が低いという課題があることを前提に、特許文献６において、スタックとスタックの側方に配置された熱交換器とを接合材料を介して接合した構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２７４０９９号公報
【特許文献２】特開２０１２−０４７４４０号公報
【特許文献３】特開２０１２−２３７２９５号公報
【特許文献４】特開２００８−２４９２２３号公報
【特許文献５】特開２００４−０２８３８９号公報
【特許文献６】特開２０１６−２００３０４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「熱音響工学の基礎」、富永昭、内田老鶴圃、１９９８
【非特許文献２】”Ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ”，Ｇ．Ｗ．Ｓｗｉｆｔ，Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ  （２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ガス状媒体の振動エネルギーから変換された熱エネルギーを効率的に回収することが可能なエネルギー変換スタック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】
上記課題を解決するため、本発明は、その一態様において、エネルギー変換スタックを提供する。このエネルギー変換スタックは、変換部と熱媒体流路とを備える。変換部は、柱体の形状を有し、複数の貫通孔が柱体の底面間にわたって内部を貫通しており、複数の貫通孔内のガス状媒体の振動エネルギーと熱エネルギーとを相互に変換可能である。熱媒体流路は、変換部の側面の少なくとも一部を周方向に囲むように設けられている。変換部と熱媒体流路とは、同一の材料によって一体的に形成されていることが好ましく、材料は、金属材料又は炭素系材料であることが好ましい。
【００１０】
一実施形態においては、熱媒体流路は、熱媒体の入口流路と、熱媒体の出口流路と、入口流路と出口流路との間の中間流路とを有することが好ましい。中間流路の少なくとも一部は、変換部の一方の底面近くに配置されていることが好ましい。一実施形態においては、熱媒体流路は、流路の長さ方向を横断する方向の断面形状が四角形であり、四角形の１辺が変換部の側面に隣接して配置されることが好ましい。別の実施形態においては、熱媒体流路は、流路の長さ方向を横断する方向の断面形状が直線部と円弧部とを有するかまぼこ型であり、かまぼこ型の直線部が変換部の側面に隣接して配置されることが好ましい。
【００１１】
本発明は、別の態様において、エネルギー変換ユニットを提供する。このエネルギー変換ユニットは、上記のエネルギー変換スタックが複数連結されている。さらに別の態様において、エネルギー変換ユニットは、上記のエネルギー変換スタックを複数備えるとともに、それらのエネルギー変換スタックの間に、１つ又は複数のエネルギー変換中間スタックが連結されている。ネルギー変換中間スタックの各々は、柱体の形状を有し、複数の貫通孔が柱体の底面間にわたって内部を貫通しており、複数の貫通孔内のガス状媒体の振動エネルギーと熱エネルギーとを相互に変換可能である変換部を有する。１つ又は複数のエネルギー変換中間スタックは、複数のエネルギー変換スタックと同一の材料によって形成されていることが好ましい。
【００１２】
一実施形態においては、エネルギー変換スタック及びエネルギー変換中間スタックの各々は、隣接するエネルギー変換スタック又は前記エネルギー変換中間スタックとの間で、複数の貫通孔の対向する端部が互いに位置合わせされた状態で底面同士が接するように配置されることが好ましい。エネルギー変換ユニットは、位置合わせのための位置合わせ機構を有することが好ましい。この位置合わせ機構は、複数のエネルギー変換スタック及び１つ又は複数のエネルギー変換中間スタックの底面において、変換部の外側で周方向に延びるように設けられた溝と、その溝に収容されるキーとを有することが好ましい。溝及びキーは、複数のエネルギー変換スタック及び１つ又は複数のエネルギー変換中間スタックの周方向の位置を定める少なくとも１つの位置決め部を有するものであることが好ましい。
【００１３】
本発明は、さらに別の態様において、エネルギー変換装置を提供する。このエネルギー変換装置は、内部にガス状媒体が存在する音響管と、音響管内のガス状媒体を振動させる振動発生器とを有し、音響管の途中には、上記のエネルギー変換スタック又はエネルギー変換ユニットを備える。エネルギー変換スタック又はエネルギー変換ユニットの熱媒体流路には、熱媒体が流れる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のエネルギー変換スタック又はエネルギー変換ユニットを用いたエネルギー変換装置によれば、音源から発生された音のエネルギーから効率的に熱回収を行うことができるため、例えば自動車、船舶、工場、プラントなどにおいて発生する騒音から熱エネルギーを回収し、回収した熱をこれらの施設で利用される熱源として利用することが可能であり、温室効果ガス削減やエネルギー総量削減に寄与する。このエネルギー変換装置は、北海道などの寒冷地においては、特に冬期のエネルギー源としての利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態によるエネルギー変換スタックを示し、（ａ）は全体の斜視図であり、（ｂ）は横断面斜視図であり、（ｃ）はキーの斜視図である。
【図２】図１に示されるエネルギー変換スタックが有する熱媒体流路を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）上面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるエネルギー変換ユニットを示し、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は２つのエネルギー変換スタックの対向する底面が接続された状態を示す拡大図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるエネルギー変換ユニットを示す側面図である。
【図５】図１に示されるエネルギー変換スタックが音響管の内部に配置されることによって構成された熱交換装置を示す。
【図６】発生温度差に関する実験に用いた装置の概略図である。
【図７】図６に示される装置による実験結果を示し、（ａ）は発生温度差の時間変化を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は発生温度差と周波数との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下において、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
［エネルギー変換スタック］
図１は、本発明の一実施形態によるエネルギー変換スタック１を示す。図２は、本発明の一実施形態によるエネルギー変換スタック１の熱媒体流路を示す。
【００１７】
（本体）
エネルギー変換スタック１は、略円柱体形状の本体１２を有する。本体１２の形状は、円柱体に限定されるものではなく、多角柱体であってもよい。本体１２の底面１２ａ、１２ｂのそれぞれには、フランジ１４ａ、１４ｂが設けられることが好ましい。フランジ１４ａ、１４ｂは、例えば２つのエネルギー変換スタック１を連結してエネルギー変換ユニットを形成する場合（図４参照）に用いることができる。フランジ１４ａ、１４ｂには、他のエネルギー変換スタック１のフランジ１４ａ、１４ｂと締結するためのボルトを挿入することができる孔１４ｃが形成されていることが好ましい。
【００１８】
本体１２の径方向の中央部分には、一方の底面１２ａと他方の底面１２ｂとの間にわたって、本体１２の内部を貫通する複数の貫通孔１６が設けられている。複数の貫通孔１６と、複数の貫通孔１６の間に存在する本体１２とからなる、略円柱形状の部分が、複数の貫通孔１６の内部におけるガス状媒体の振動エネルギーと熱エネルギーとを相互に変換する変換部１７として機能する。なお、変換部１７の２つの底面は、本体１２の底面１２ａ、１２ｂと同一面となるため、これ以降、本体１２の底面及び変換部１７の底面は、いずれも底面１２ａ、１２ｂという。また、図１において、底面１２ｂに現れている複数の貫通孔１６の開口部の集合体である略円形の部分について、略円形の縁部が滑らかな円弧ではなく凹凸の状態となっているが、これは、略円形の縁部に位置する貫通孔１６をすべて断面が円形のものとしているためである。縁部の貫通孔１６の各々を円弧に合わせて形状となるように形成すれば、複数の貫通孔１６の開口部の集合を円形にすることもできる。
【００１９】
ガス状媒体として、例えば、空気、ヘリウムガス、ヘリウムガスと窒素ガスとの混合ガス、気体と液体との混合媒体などを用いることができる。変換部１７の外側に位置する部分１２ｄは、熱損失を少なくする観点から、後述される熱媒体流路２２を形成可能な範囲でできるだけ薄くすることが好ましい。
【００２０】
本体１２を形成する材料は、金属材料又は炭素系材料などの熱伝導率が高い材料であることが好ましいが、これらに限定されるものではない。本体１２が、熱伝導率の高い材料で形成されることによって、振動エネルギーを熱エネルギーとして効率的に回収することができる。金属材料としては、限定されるものではないが、例えば、銅又は銅合金などの銅系材料、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの軽合金材料、ステンレス系材料などを用いることができる。
【００２１】
（貫通孔）
複数の貫通孔１６は、変換部１７の底面１２ａ、１２ｂに平行な方向を横切る断面形状が円形であることが好ましいが、これに限定されるものではなく、多角形であってもよい。断面形状が円形の貫通孔１６は、多角形の貫通孔と比較して、体積あたりの粘性境界層（ガス状媒体が孔壁近傍で粘性の影響を大きく受ける薄い流体層）の影響が理論上小さくなるため、内部のガス状媒体の効率的な振動運動が可能となり、エネルギー変換効率を高めることができると考えられる。複数の貫通孔１６は、変換部１７の底面１２ａ、１２ｂに平行な断面において最密充填配置となっていることが好ましい。
【００２２】
複数の貫通孔１６の直径、長さは、熱音響現象を発生させることができる直径及び長さであれば限定されるものではなく、熱音響現象を発生させる条件、例えば音源の種類や周波数などに応じて適宜設定することができる。貫通孔１６の直径は、周波数の数千分の１程度が好ましい。直径が小さすぎると、内部のガス状媒体と孔壁との間の粘性抵抗が大きくなり、エネルギー散逸（ロス）が大きくなるおそれがある。貫通孔１６の直径は、例示すれば、例えばガス状媒体がヘリウムガスの場合には０．５ｍｍ〜１．５ｍｍとすることができる。貫通孔１６の長さについては、エネルギー変換スタックを用いて発生させることができる温度差が実用的な温度差となるように適宜設定されればよい。本体１２の底面１２ａ、１２ｂに平行な断面における複数の貫通孔１６による開口率は、限定されるものではなく、エネルギー変換スタック１の強度を維持できる範囲でできるだけ高く設定することが好ましい。
【００２３】
複数の貫通孔１６を有する変換部１７の直径及び長さは、複数の貫通孔１６の直径、長さ、及び底面１２ａ、１２ｂに平行な断面における複数の貫通孔１６による開口率に応じて決まる。変換部１７の直径は、エネルギー変換スタック１に連結される配管の内径に応じて設定することができ、変換部１７の直径が配管の内径を超えないように設定されればよい。
【００２４】
（熱媒体流路）
エネルギー変換スタック１は、複数の貫通孔１６の内部においてガス状媒体の振動エネルギーから変換された熱エネルギーを回収する熱媒体の流路である熱媒体流路２２を有する。熱媒体流路２２は、変換部１７の側面において、その側面の高さ方向の少なくとも一部を、周方向に取り囲むように設けられる。熱媒体流路２２は、熱媒体が流入する入口流路２２ａと、熱エネルギーを回収した熱媒体が流出する出口流路２２ｂと、入口流路２２ａと出口流路２２ｂとの間を連通する中間流路２２ｃとを有する。中間流路２２ｃは、熱損失を少なくするために、変換部１７の側面にできるだけ近接して設けられることが好ましい。
【００２５】
少なくとも中間流路２２ｃは、変換部１７と同一の材料で、好ましくは熱伝導率の高い材料で、変換部１７と一体的に形成されることが好ましい。変換部１７と中間流路２２ｃとが、熱伝導率が高い同一の材料で均一に形成されることによって、変換部１７で発生した熱の熱媒体への熱伝達の効率を向上させることができる。また、変換部１７と中間流路２２ｃとが一体的に形成されることによって、両者を組み合わせるための部品や材料を用いる必要がないため、音波の振動に対して強い構造となるとともに、熱損失を低減させることができる。
【００２６】
本体１２の高さ方向における中間流路２２ｃの位置は、底面１２ａ、１２ｂのいずれか一方の近くであることが好ましい。中間流路２２ｃが底面１２ａ又は１２ｂの近くに配置されていることによって、エネルギー変換スタック１を積み重ねてエネルギー変換ユニットを構成したときに、エネルギー変換ユニットの長さ方向両端部に熱媒体流路を配置することが可能となる（後述の図４参照）ため、より大きな温度差を得ることができる。なお、例えば１つのエネルギー変換スタック１を単体で用いる場合には、中間流路２２ｃの位置は、底面１２ａ、１２ｂの近くである必要はなく、本体１２の高さ方向の中央部分に配置されてもよいし、高さ方向の全体にわたって配置されてもよい。
【００２７】
図２においては、中間流路２２ｃが変換部１７の側面を２周するように設けられているが、これに限定されるものではない。中間流路２２ｃが、変換部１７の側面を１周するように設けてもよく、３周以上となるように設けてもよい。
【００２８】
図２（ｂ）に示されるように、入口流路２２ａと中間流路２２ｃとを連結する連結部２２ｄと、出口流路２２ｂと中間流路２２ｃとを連結する連結部２２ｅとは、周方向にできるだけ隣接する位置に（それぞれが屈曲して互いに近接するように）配置されていることが好ましい。２つの連結部２２ｄ、２２ｅをこのように隣接配置することによって、熱媒体流路２２が変換部１７の側面をより多く覆うように構成することができる。
【００２９】
入口流路２２ａと出口流路２２ｂとは、本体１２の側面において隣接する位置に設けられることが好ましい。入口流路２２ａと出口流路２２ｂとを、このように側面の一ヶ所にまとめて配置することによって、エネルギー変換スタック１に流出入する熱媒体の回路設計を効率的に行うことができる。入口流路２２ａと出口流路２２ｃとを併置するため、例えば図２に示されるように、限定されるものではないが、入口流路２２ａと下段の中間流路２２ｃとの連結部２２ｄを下方に屈曲させてあることが好ましい。
【００３０】
中間流路２２ｃの形状は、特に限定されるものではないが、変換部１７から中間流路２２ｃへの効果的な熱伝導が達成されるように、変換部１７に対向する面積が広くなる形状であり、かつ熱媒体の圧力損失が大きくならない程度の断面積を持つ形状であることが好ましい。したがって、中間流路２２ｃの長さ方向を横断する方向の断面形状は、四角形であることが好ましく、長方形であることがより好ましい。四角形の１辺は、変換部１７の側面に隣接して配置されることが好ましく、長方形の場合には、長辺が変換部１７の側面に隣接して配置されることが好ましい。
【００３１】
中間流路２２ｃの横断面形状は、四角形に限定されるものではなく、例えば、流路の長さ方向を横断する方向の形状を直線部と円弧部とを有するかまぼこ型としてもよく、又は円形としてもよい。かまぼこ型の場合には、直線部が変換部１７の側面に隣接して配置されることが好ましい。かまぼこ型の横断面形状を有する中間流路２２ｃをこのように配置することにより、変換部１７との間の熱伝導の点では長方形と同等の性能が期待され、円弧部においては熱損失が少ないという利点を有する。また、円形の横断面形状を有する場合には、流路の表面積が最小となるため熱損失が少ないという利点はあるものの、変換部１７からの熱伝導に関しては長方形又はかまぼこ型より不利になる可能性がある。
【００３２】
（位置合わせ機構）
エネルギー変換スタック１は、底面１２ａ及び底面１２ｂのいずれか一方又は両方に、エネルギー変換ユニットを構成する際に複数のエネルギー変換スタック１を位置合わせするための位置合わせ機構を備えることが好ましい。２つのエネルギー変換スタック１の位置合わせは、具体的には、一方のエネルギー変換スタック１が有する複数の貫通孔１６の端部（例えば底面１２ａにおける複数の貫通孔１６の開口）と、それと対向する他方のエネルギー変換スタック１が有する複数の貫通孔１６の端部（例えば底面１２ｂにおける複数の貫通孔１６の開口）とを互いに位置合わせすることである。このように、隣接するエネルギー変換スタック１の各々の貫通孔１６を位置合わせすることによって、複数の貫通孔１６が、エネルギー変換ユニットの一方の端部に位置する底面から他方の端部に位置する底面までにわたって直線状に延びることになるため、振動エネルギーから熱エネルギーへの変換がより効率的に行われるとともに、より大きな温度差を発生させることが可能となる。
【００３３】
本実施形態においては、位置合わせ機構として、図１に示されるように、底面１２ａ及び底面１２ｂのいずれか一方又は両方に設けられた八角形の溝１８と、その溝１８に対応するサイズの八角形のキー１９とを採用している。溝１８の深さは、キー１９の厚さの１／２になるように設計される。八角形の溝１８の外周に設けられた８つの角部１８ａと、キー１９の外周に設けられた８つの角部１９ａとが、エネルギー変換スタック１の適切な周方向位置を定めるための位置決め部として機能する。
【００３４】
溝１８及びキー１９は、八角形以外の多角形であってもよく、この場合においても多角形の角部が位置決め部となる。あるいは、溝１８及びキー１９は、例えば略円形とし、そのいずれかの位置にエネルギー変換スタック１の適切な周方向位置を定めるための少なくとも１つの位置決め部を有するものとすることができる。例えば複数の貫通孔１６が、変換部１７の底面１２ａ、１２ｂに平行な断面において最密充填配置となるように設けられている場合には、溝１８及びキー１９を六角形にすることによって、例えば２つのエネルギー変換スタック１を、周方向に６０°の間隔で位置合わせすることができる。
【００３５】
また、位置合わせ機構は、複数の貫通孔１６の対向する端部同士の位置合わせが可能となるものであれば、溝１８及びキー１９からなる構成に限定されるものではない。位置合わせ機構は、例えば、一方のエネルギー変換スタック１の底面１２ａに設けられた複数のピンと、他方のエネルギー変換スタック１の底面１２ｂに設けられた複数のピン挿入口とによって構成することもできる。
【００３６】
［エネルギー変換ユニット］
図３は、本発明の一実施形態によるエネルギー変換ユニット６を示す。図３（ａ）は、エネルギー変換ユニット６の側面図であり、図４（ｂ）は、２つのエネルギー変換スタック１の対向する底面１２ｂの接続部分を示す拡大図である。エネルギー変換ユニット６は、熱媒体流路２２を有する２つのエネルギー変換スタック１を組み合わせて構成することができる。図３（ａ）においては現れていないが、図の左方に表されている出口流路２２ａの奥に入口流路２２ｂが位置しており、図の右方に表されている入口流路２２ｂの奥に出口流路２２ａが位置している。
【００３７】
２つのエネルギー変換スタック１は、それぞれの熱媒体流路２２がエネルギー変換ユニット６の長さ方向両端部に位置するように、すなわち図１に示されるエネルギー変換スタック１の底面１２ｂ同士が接するように、配置されることが好ましい。このように熱媒体流路２２が配置されることによって、エネルギー変換ユニット６は、エネルギー変換スタック１単体で用いられる場合より大きな温度差を得ることができる。互いに接するように配置された２つのフランジ１４ｂは、例えば孔１４ｃにボルトを挿入しナットで締結することによって連結することができる。
【００３８】
２つのエネルギー変換スタック１は、上述のように、それぞれの複数の貫通孔１６が互いに位置合わせされるように組み合わされることが好ましい。すなわち、一方のエネルギー変換スタック１の底面１２ｂに開口する複数の貫通孔１６の端部と、対向して配置される他方のエネルギー変換スタック１の底面１２ｂに開口する複数の貫通孔１６の端部とが、互いに位置合わせされた状態で組み合わされることが好ましい。
【００３９】
図３（ｂ）は、２つのフランジ１４ｂ、１４ｂが接する部分において、フランジ１４ａ、１４ｂの中心を通る断面を示している。この実施形態では、２つのエネルギー変換スタック１の底面１２ｂに設けられた溝１８と、その中に配置されたキー９とによって、周方向の位置決めが行われる。
【００４０】
このエネルギー変換ユニット６は、例えば後述の図５に示されるエネルギー変換装置２において、エネルギー変換スタック１に替えて用いることができる。この場合、例えば図３（ａ）の右方のエネルギー変換スタック１の熱媒体流路２２に冷媒を流し、エネルギー変換ユニット６の右端部を冷却することによって、左方のエネルギー変換スタック１の熱媒体流路２２を流れる熱媒体から高温の熱を回収することができる。
【００４１】
図３においては、２つのエネルギー変換スタック１は入口流路２２ａと出口流路２２ｂとが同じ方向に配置されるように組み合わされているが、これに限定されるものではない。例えば、用途に応じて、図３の右側のエネルギー変換スタック１を周方向に任意の角度で回転させて、その入口流路２２ａ及び出口流路２２が、左側のエネルギー変換スタック１の入口流路２２ａ及び出口流路２２とは当該角度だけ周方向にずれた位置に配置されるように組み合わせることもできる。
【００４２】
図４は、本発明の別の実施形態によるエネルギー変換ユニット６’の側面図である。図４においては現れていないが、図の左方に表されている出口流路２２ａの奥に入口流路２２ｂが位置しており、図の右方に表されている入口流路２２ｂの奥に出口流路２２ａが位置している。エネルギー変換ユニット６’は、熱媒体流路２２を有する２つのエネルギー変換スタック１の間に、熱媒体流路のないエネルギー変換中間スタック１’が連結されたものである。エネルギー変換中間スタックを用いることによって、エネルギー変換装置におけるエネルギー変換ユニットのレイアウトの自由度を向上させることができる。エネルギー変換ユニット６’においても、エネルギー変換ユニット６と同様に、２つのエネルギー変換スタック１のそれぞれの熱媒体流路２２がエネルギー変換ユニット６’の長さ方向両端部に配置されることが好ましい。
【００４３】
エネルギー変換中間スタック１’は、熱媒体流路２２が設けられていないことを除き、エネルギー変換スタック１と同様の構造とすることができる。エネルギー変換ユニット６’においては、図４の左方に位置するエネルギー変換スタック１の底面１２ｂとエネルギー変換中間スタック１’の底面１２ｂ’との間は、位置合わせ機構（溝１８、１８’及びキー１９（図示せず））を用いて複数の貫通孔１６、１６’が位置合わせされ、エネルギー変換中間スタック１’の底面１２ａ’と図５の右方に位置するエネルギー変換スタック１の底面１２ｂとの間は、位置合わせ機構（溝１８、１８’及びキー１９（図示せず））を用いて複数の貫通孔１６、１６’が位置合わせされるように組み合わされることが好ましい。また、エネルギー変換中間スタック１’の材料は、エネルギー変換スタック１と同一のものとすることができるが、これに限定されるものではなく、用途に応じて、例えば樹脂材料などの熱伝導率の低い材料を用いてもよい。
【００４４】
図４においては、エネルギー変換スタック１の間に１つのエネルギー変換中間スタック１’が配置されているが、エネルギー変換中間スタック１’の数は１つに限定されるものではなく、用途に応じて２つ以上としてもよい。また、図４に示されるエネルギー変換ユニットにおいて、例えば、エネルギー変換中間スタック１’の位置に、又はエネルギー変換中間スタック１’に加えて、エネルギー変換スタック１を組み合わせてもよい。図４においては、エネルギー変換中間スタック１’の本体１２’の高さ（すなわち、底面１２ａ’と１２ｂ’との距離）は、エネルギー変換スタック１より大きいが、これに限定されるものではなく、用途に応じて種々の高さのものを用いることができ、複数のエネルギー変換中間スタック１’を用いる場合には、異なる高さのスタック１’を組み合わせることもできる。 
【００４５】
図４においては、２つのエネルギー変換スタック１は入口流路２２ａと出口流路２２ｂとが同じ方向に配置されるように組み合わされているが、これに限定されるものではない。例えば、用途に応じて、図４の右側のエネルギー変換スタック１を周方向に任意の角度で回転させて、その入口流路２２ａ及び出口流路２２が、左側のエネルギー変換スタック１の入口流路２２ａ及び出口流路２２とは当該角度だけ周方向にずれた位置に配置されるように組み合わせることもできる。
【００４６】
このエネルギー変換ユニット６’は、例えば後述の図５に示されるエネルギー変換装置２においてエネルギー変換スタック１に替えて用いることができる。この場合、例えば図４の右方のエネルギー変換スタック１の熱媒体流路２２に冷媒を流し、エネルギー変換ユニット６の右端部を冷却することによって、左方のエネルギー変換スタック１の熱媒体流路２２を流れる熱媒体から高温の熱を取り出すことができる。エネルギー変換中間スタック１’に替えて、又はこれに加えて、エネルギー変換スタック１を組み合わせれば、中間に位置するエネルギー変換スタック１から中間の温度の熱を回収することもできる。
【００４７】
［エネルギー変換スタックの製造方法］
エネルギー変換スタック１を製造するには、積層造型機（いわゆる３Ｄプリンタ）を使用する。すなわち、例えばエネルギー変換スタック１の底面１２ａ又は底面１２ｂ側から層状に一層ずつ順に形成して、これらの層を積み重ねることにより、エネルギー変換スタック１が製造される。それぞれの層においては、所定の粒径の材料粉末を一様に供給して平滑化し、平滑化された材料粉末にレーザー光を照射することにより焼結する。このとき、例えば複数の貫通孔１６や熱媒体流路２２に相当する箇所のように、最終的に空間が形成される箇所においては、レーザー光を照射しないため、材料粉末がそのまま残る。この残った材料粉末は、最終的に取り除かれることになる。こうして、複数の貫通孔１６を有する本体１２と、複数の貫通孔１６の外側に配置された熱媒体流路２２とが一体的に形成されたエネルギー変換スタック１が完成する。エネルギー変換中間スタック１’も同様の方法で製造することができる。
【００４８】
［エネルギー変換装置］
図５は、本発明の一実施形態によるエネルギー変換スタック１を用いたエネルギー変換装置の一例を示す。エネルギー変換装置２は、音響管３と、音響管３の途中に配置されたエネルギー変換スタック１と、音響管３の一方に配置され、音響管３の内部のガス状媒体４に振動を与えることができる振動発生器５（例えば、スピーカ）とを備える。エネルギー変換スタック１は、変換部１７が音響管３の内部に位置するとともに、複数の貫通孔１６の長さ方向が音響管３の長さ方向に沿うように配置される。
【００４９】
このエネルギー変換装置２においては、振動発生器５から音波を発生させると、エネルギー変換スタック１の複数の貫通孔１６の内部においてガス状媒体４の圧縮及び膨張が行われ、この圧縮及び膨張によって発生する熱エネルギーが貫通孔１６内壁に伝達される。このときに、エネルギー変換スタック１の入口流路２２ａから熱媒体が供給されていれば、貫通孔１６の内壁から複数の貫通孔１６の外側に配置された熱媒体流路２２に伝導した熱と、熱媒体流路２２を流れる熱媒体との間で熱交換が行われ、出口流路２２ｂから加温された熱媒体又は冷却された熱媒体を得ることができる。
【００５０】
以下に、本発明によるエネルギー変換スタックと同様の方法によって製造されたスタックを用いて行われたエネルギー変換の実験を示す。図６は、使用した実験装置を示す。実験は、音源及びスピーカーと、スピーカーに連結された音響管としてのステンレス管（以下、ＳＵＳ管という）と、ＳＵＳ管の途中に配置されたスタックとを備える装置を用いて行った。
【００５１】
ＳＵＳ管は、スピーカーに連結された一方の端部から他方の端部までの長さ（スタックを含む）が１，４３２ｍｍ、内径が５０ｍｍであり、他方の端部が開放されたものを用いた。スピーカーとスタックとの間の部分のＳＵＳ管長さは、３７４ｍｍであった。スタックは、高さ（すなわち、ＳＵＳ管の長さ方向の長さ）が３６ｍｍ、複数の貫通孔の集合体部分の径がＳＵＳ管の内径と同じ５０ｍｍのものを用いた。この実験ではスタックには熱媒体流路が設けられていない。スタックの上流側（すなわち、スピーカー側）端部及び下流側（すなわち、スピーカーとは反対側）端部に、直径０．２ｍｍの熱電対素線を貼り付け、スピーカーから音を発生させたときのスタック上流側及び下流側の温度を測定した。スピーカーのインピーダンスは８Ωであった。
【００５２】
図７（ａ）は、スピーカーから周波数２１４．２８５Ｈｚの音を発生させたときにスタックの上流側及び下流側の温度を測定した結果を示すグラフである。横軸は経過時間（秒）であり、縦軸は上流側及び下流側の温度（℃）である。図において音響付与と記載されている時間にスピーカーから音を発生させた。音響付与後に、上流側（菱形）の温度は、音響付与前の温度より低くなり、一方、下流側（四角形）の温度は高くなった。したがって、例えば、スタックの下流側において貫通孔の集合体部分の側面に隣接して熱媒体流路を設け、スタック下流側の温度より低い温度の熱媒体を熱媒体流路に流すことによって、スタック下流側の温度程度の温水を得ることができる。
【００５３】
図７（ｂ）は、スピーカーに与える電圧（付与電圧）と音の周波数とを変化させたときにスタックの上流側と下流側との間に発生する温度差を測定した結果を示すグラフであり、各々の付与電圧に対して周波数を変化させたときの温度差をプロットしたものである。横軸はスピーカーから発生した音の周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は上流側と下流側との間の温度差（Ｋ）である。図７に示されるスタック位置では、付与電圧の大きさにかかわらず概ね同じ位置で温度差が大きくなっており、また、付与電圧が大きくなるにつれて温度差が大きくなった。したがって、例えば、スタック上流側又は下流側において貫通孔の集合体部分の側面に隣接して熱媒体流路を設け、熱媒体流路に適切な温度の熱媒体を流し、スピーカーから適切な周波数の音を発生させることによって、発生温度差に見合った熱を得ることができる。
【００５４】
なお、図７に示される実験結果ではあまり大きな温度差が得られていないが、これは、音の発生源として出力が大きくないスピーカーを用いたためである。エネルギー変換装置における音の発生源として、より大きな出力の発生源を用いたり、本発明によるエネルギー変換スタックや従来技術における熱音響スタック等を音の発生源として用いることによって、より大きな温度差を得ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  エネルギー変換スタック
１’  エネルギー変換中間スタック
１２、１２’  本体
１２ａ、１２ｂ、１２ａ’、１２ｂ’  底面
１４ａ、１４ｂ、１４ａ’、１４ｂ’  フランジ
１４ｃ  ボルト挿入孔
１６、１６’  複数の貫通孔
１７、１７’  変換部
１８、１８’  溝
１９  キー
２２  熱媒体流路
２２ａ  入口流路
２２ｂ  出口流路
２２ｃ  中間流路
２２ｄ、２２ｅ  連結部
２  エネルギー変換装置
３  音響管
４  ガス状媒体
５  スピーカー（振動発生器）
６、６’  エネルギー変換ユニット
【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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