(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動気体が封入される環状のループ管と、前記ループ管の管路に設けられ前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器、及び前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器からなる原動機と、前記ループ管に接続された枝管と、を有する熱音響機関と、
前記枝管に接続されたリニア発電機と、を備え、
前記枝管は、伸縮可能に構成された伸縮管を有し、
前記枝管を伸縮させる伸縮機構を備える熱音響発電システムであって、
前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度を測定する温度センサと、
前記熱音響機関が前記リニア発電機の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた前記枝管の長さを、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した枝管長データベースを記憶した記憶手段と、
前記枝管長データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた枝管長を指示する制御信号を前記伸縮機構に出力する制御手段と、を備え、
前記伸縮機構は、前記制御信号に応じて前記枝管を伸縮させることを特徴とする熱音響発電システム。
【請求項２】
作動気体が封入される環状のループ管と、前記ループ管の管路に設けられ前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器、及び前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器からなる原動機と、前記ループ管に接続された枝管と、を有する熱音響機関と、
前記枝管に接続されたリニア発電機と、を備え、
前記枝管は、伸縮可能に構成された伸縮管を有し、
前記枝管を伸縮させる伸縮機構を備える熱音響発電システムであって、
前記リニア発電機には、負荷として可変抵抗器が接続されており、
前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度を測定する温度センサと、
前記熱音響機関が前記リニア発電機の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた熱音響機関のインピーダンスに対応したリニア発電機の負荷抵抗を、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した負荷抵抗データベースを記憶した記憶手段と、
前記負荷抵抗データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた負荷抵抗値を指示する制御信号を前記可変抵抗器に出力する制御手段と、を備え、
前記可変抵抗器は、前記制御信号に応じて当該可変抵抗器の抵抗値を変化させることを特徴とする熱音響発電システム。
【請求項３】
前記リニア発電機には、負荷として可変抵抗器が接続されており、
前記記憶手段は、前記熱音響機関が前記リニア発電機の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた熱音響機関のインピーダンスに対応したリニア発電機の負荷抵抗を、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した負荷抵抗データベースを記憶しており、
前記制御手段は、前記負荷抵抗データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた負荷抵抗値を指示する制御信号を前記可変抵抗器に出力し、
前記可変抵抗器は、前記制御信号に応じて当該可変抵抗器の抵抗値を変化させる請求項１に記載の熱音響発電システム。
【請求項４】
前記伸縮管は、ベローズ形伸縮管であり、内部に内筒を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱音響発電システム。
【請求項５】
作動気体が封入される環状のループ管と、前記ループ管の管路に設けられ前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器、及び前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器からなる原動機と、前記ループ管に接続された枝管と、を有する熱音響機関と、
前記枝管に接続された往復流型タービンと、この往復流型タービンの回転軸と接続された回転軸を有する回転式発電機とを有する往復流型タービン発電機関と、を備え、
前記枝管は、伸縮可能に構成された伸縮管を有し、
前記枝管を伸縮させる伸縮機構を備える熱音響発電システムであって、
前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度を測定する温度センサと、
前記熱音響機関が前記往復流型タービン発電機関の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた前記枝管の長さを、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した枝管長データベースを記憶した記憶手段と、
前記枝管長データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた枝管長を指示する制御信号を前記伸縮機構に出力する制御手段と、を備え、
前記伸縮機構は、前記制御信号に応じて前記枝管を伸縮させることを特徴とする熱音響発電システム。
【請求項６】
作動気体が封入される環状のループ管と、前記ループ管の管路に設けられ前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器、及び前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器からなる原動機と、前記ループ管に接続された枝管と、を有する熱音響機関と、
前記枝管に接続された往復流型タービンと、この往復流型タービンの回転軸と接続された回転軸を有する回転式発電機とを有する往復流型タービン発電機関と、を備え、
前記枝管は、伸縮可能に構成された伸縮管を有し、
前記枝管を伸縮させる伸縮機構を備える熱音響発電システムであって、
前記往復流型タービン発電機関には、負荷として可変抵抗器が接続されており、
前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度を測定する温度センサと、
前記熱音響機関が前記往復流型タービン発電機関の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた熱音響機関のインピーダンスに対応した往復流型タービン発電機関の負荷抵抗を、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した負荷抵抗データベースを記憶した記憶手段と、
前記負荷抵抗データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた負荷抵抗値を指示する制御信号を前記可変抵抗器に出力する制御手段と、を備え、
前記可変抵抗器は、前記制御信号に応じて当該可変抵抗器の抵抗値を変化させることを特徴とする熱音響発電システム。
【請求項７】
前記往復流型タービン発電機関には、負荷として可変抵抗器が接続されており、
前記記憶手段は、前記熱音響機関が前記往復流型タービン発電機関の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた熱音響機関のインピーダンスに対応した往復流型タービン発電機関の負荷抵抗を、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した負荷抵抗データベースを記憶しており、
前記制御手段は、前記負荷抵抗データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた負荷抵抗値を指示する制御信号を前記可変抵抗器に出力し、
前記可変抵抗器は、前記制御信号に応じて当該可変抵抗器の抵抗値を変化させる請求項５に記載の熱音響発電システム。
【請求項８】
前記伸縮管は、ベローズ形伸縮管であり、内部に内筒を備える請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の熱音響発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響機関と発電機からなり、特に、音波振動エネルギーをリニア駆動する発電機で電力に変換する熱音響発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱音響機関は、蓄熱器の両端に温度差を与えることで音波振動を発生する機関である。この音波振動エネルギーを電力に変換（発電）することで、工場、自動車、プラント等からの排熱を電気エネルギーとして再生することが期待され、実用化のために多くの研究がなされている。例えば車両の走行駆動源として用いられる内燃機関に適用され、所望の熱効率や音響出力を得る熱音響機関も提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
音波振動エネルギーを電気に回生する手段としてはリニア発電機が代表例である。リニア発電機は、可動コイル型、可動磁石型、可動鉄心型など様々な形態があり、単体の発電効率は９０％以上に達することが知られている。熱音響発電機を、例えば熱音響機関とリニア発電機とで構成した場合、熱音響機関におけるインピーダンスと、リニア発電機におけるインピーダンスとを整合することで、熱電変換効率（以下、単に効率という）を向上させることができる。そのため、熱音響機関及びリニア発電機を動作させる前に、インピーダンス整合等の初期設定を行うことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３３０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱音響発電機の実用化のためには、使用環境の状態変化に柔軟に対応することが望まれる。それは、熱音響機関に投入される排熱は常に一定であるとは限らないからである。例えば自動車からの排熱は、走行中の速度上昇や下降、又は停止時等によって大きく異なる。また、工場からの排熱も、稼働時の負荷や時刻によって大きく異なる。このように車や工場等からの排熱は、例えば100度ほどの温度変化が生じると考えられる。
【０００６】
しかしながら、熱音響機関の温度（例えば蓄熱器に温度差を与える加熱器や冷却器の温度）が変化すると、熱音響機関の発振周波数の値が初期設定の値から変化する。一方、リニア発電機は、初期設定で定められた、ある限られた周波数範囲でしか作動しないので、場合によっては機能しなくなってしまう。
また、熱音響機関の温度が変化すると、インピーダンスの値が初期設定の値から変化する。よって、熱音響機関のインピーダンスとリニア発電機のインピーダンスとが不整合となり効率が落ちたり、リニア発電機が動作を停止することになる。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、温度が変化しても動作し続けることができる熱音響発電システム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】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係る熱音響発電システムは、作動気体が封入される環状のループ管と、前記ループ管の管路に設けられ前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器、及び前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器からなる原動機と、前記ループ管に接続された枝管と、を有する熱音響機関と、前記枝管に接続されたリニア発電機と、を備え、前記枝管は、伸縮可能に構成された伸縮管を有し、前記枝管を伸縮させる伸縮機構を備える熱音響発電システムであって、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度を測定する温度センサと、前記熱音響機関が前記リニア発電機の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた前記枝管の長さを、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した枝管長データベースを記憶した記憶手段と、前記枝管長データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた枝管長を指示する制御信号を前記伸縮機構に出力する制御手段と、を備え、前記伸縮機構は、前記制御信号に応じて前記枝管を伸縮させる構成とする。
【０００９】
かかる構成によれば、熱音響発電システムは、使用環境の状態変化に応じて熱音響機関の加熱器や冷却器の温度が変化すると、熱音響機関の発振周波数も変化するが、枝管において伸縮管を伸縮させて、加熱器や冷却器の温度に応じて予め求められた適切な枝管の長さへ変更することで、熱音響機関の発振周波数を元の設定値へと戻すことができる。これにより、リニア発電機が機能しなくなる事態を回避することができる。
【００１０】
また、本発明の第１の観点に係る熱音響発電システムは、熱音響機関のインピーダンスの虚数部の値がゼロやそれに近い値となる条件で枝管の長さを変更する場合、無効エネルギーを効果的になくすことができる。
【００１１】
また、本発明の第２の観点に係る熱音響発電システムは、作動気体が封入される環状のループ管と、前記ループ管の管路に設けられ前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器、及び前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器からなる原動機と、前記ループ管に接続された枝管と、を有する熱音響機関と、前記枝管に接続されたリニア発電機と、を備え、前記枝管は、伸縮可能に構成された伸縮管を有し、前記枝管を伸縮させる伸縮機構を備える熱音響発電システムであって、前記リニア発電機には、負荷として可変抵抗器が接続されており、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度を測定する温度センサと、前記熱音響機関が前記リニア発電機の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた熱音響機関のインピーダンスに対応したリニア発電機の負荷抵抗を、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した負荷抵抗データベースを記憶した記憶手段と、前記負荷抵抗データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた負荷抵抗値を指示する制御信号を前記可変抵抗器に出力する制御手段と、を備え、前記可変抵抗器が、前記制御信号に応じて当該可変抵抗器の抵抗値を変化させる構成とする。
かかる構成によれば、熱音響発電システムは、使用環境の状態変化に応じて熱音響機関の加熱器や冷却器の温度が変化すると、熱音響機関のインピーダンスも変化するが、可変抵抗器の抵抗値を変化させることで、リニア発電機の負荷を含んだ回路全体のインピーダンスを変化させることができる。したがって、熱音響発電システムは、リニア発電機のインピーダンスを、変化後の熱音響機関のインピーダンスに整合させ、リニア発電機で消費されるエネルギーの低下を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明の第１および第２の観点に係る熱音響発電システムは、前記伸縮管が、ベローズ形伸縮管であり、内部に内筒を備えることが好ましい。このようにすることで、耐久性の優れた伸縮管とすることができ、また、内筒を備えることベローズ形伸縮管を流通する作動気体が蛇腹で抵抗を受けて失うエネルギーを低減することができる。
【００１３】
また、前記課題を解決するために、本発明の第３の観点に係る熱音響発電システムは、作動気体が封入される環状のループ管と、前記ループ管の管路に設けられ前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器、及び前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器からなる原動機と、前記ループ管に接続された枝管と、を有する熱音響機関と、前記枝管に接続された往復流型タービンと、この往復流型タービンの回転軸と接続された回転軸を有する回転式発電機とを有する往復流型タービン発電機関と、を備え、前記枝管は、伸縮可能に構成された伸縮管を有し、前記枝管を伸縮させる伸縮機構を備える熱音響発電システムであって、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度を測定する温度センサと、前記熱音響機関が前記往復流型タービン発電機関の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた前記枝管の長さを、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した枝管長データベースを記憶した記憶手段と、前記枝管長データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた枝管長を指示する制御信号を前記伸縮機構に出力する制御手段と、を備え、前記伸縮機構は、前記制御信号に応じて前記枝管を伸縮させる構成とする。
【００１５】
また、本発明の第４の観点に係る熱音響発電システムは、作動気体が封入される環状のループ管と、前記ループ管の管路に設けられ前記作動気体を加熱および冷却する蓄熱器、前記蓄熱器の一端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器、及び前記蓄熱器の他端側に隣接して前記ループ管の管路に設けられ前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器からなる原動機と、前記ループ管に接続された枝管と、を有する熱音響機関と、前記枝管に接続された往復流型タービンと、この往復流型タービンの回転軸と接続された回転軸を有する回転式発電機とを有する往復流型タービン発電機関と、を備え、前記枝管は、伸縮可能に構成された伸縮管を有し、前記枝管を伸縮させる伸縮機構を備える熱音響発電システムであって、前記往復流型タービン発電機関には、負荷として可変抵抗器が接続されており、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度を測定する温度センサと、前記熱音響機関が前記往復流型タービン発電機関の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件で求められた熱音響機関のインピーダンスに対応した往復流型タービン発電機関の負荷抵抗を、前記加熱器及び冷却器のうちの少なくともいずれかの温度と対応付けて格納した負荷抵抗データベースを記憶した記憶手段と、前記負荷抵抗データベースを参照し、前記温度センサで測定された温度に応じた負荷抵抗値を指示する制御信号を前記可変抵抗器に出力する制御手段と、を備え、前記可変抵抗器が、前記制御信号に応じて当該可変抵抗器の抵抗値を変化させる構成とする。
また、本発明の第３および第４の観点に係る熱音響発電システムは、前記伸縮管が、ベローズ形伸縮管であり、内部に内筒を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、温度が変化しても動作し続けることができる熱音響発電システムを提供することができる。また、本発明の熱音響発電システムは、投入される熱量が変化したときに、蓄熱器に付与する熱量の制御が不要であり、簡易な構成で、使用環境の状態変化に柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱音響発電システムを模式的に示す構成図である。
【図２】図１の伸縮機構の一例を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る熱音響発電システムを模式的に示す構成図である。
【図４】枝管長さのシミュレーションで用いたパラメータの説明図である。
【図５】負荷抵抗に応じたリニア発電機のインピーダンスの一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の熱音響発電システムを実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面に示される部材等のサイズや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。
【００１９】
（第１実施形態）
＜熱音響発電システムの構成＞
図１に示すように、熱音響発電システム１は、熱音響機関２と、リニア発電機４０と、温度センサ５０と、伸縮機構６０と、記憶手段７０と、制御手段８０と、を備えている。
熱音響機関２は、ループ管１０と、原動機２０と、枝管３０とを有する。
【００２０】
［ループ管］
ループ管１０は、作動気体が封入される環状の管であり、一方向に略平行に並んだ２つの直管部を有している。そして、これら２つの直管部の一方の端部同士を円弧状に滑らかに接続すると共に、１つの直管部の他方の端部が内側に湾曲しながら枝管３０に分岐するように滑らかに接続している。なお、枝管３０との接続部に対して、もう１つの直管部の他方の端部の状態では、Ｔ字管に接続した形状を有している。つまり、枝管３０と直管部の他方の端部が直線的に接続されると共に、もう１つの直管部の端部が枝管３０の接続部分に直交して接続されている。また、作動気体としては、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よく用いられる。このループ管１０には、原動機２０が設けられている。
【００２１】
［原動機］
原動機２０は、蓄熱器２１の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響エネルギーを発生させるものである。原動機２０は、ループ管１０の一方の直管部に設置され、蓄熱器２１と、加熱器２２と、冷却器２３とを備える。ここで、原動機２０は、蓄熱器２１の両端を挟むように、加熱器２２が蓄熱器２１の一端側に配置され、冷却器２３がその反対側、すなわち蓄熱器２１の他端側に配置されている。
【００２２】
［蓄熱器］
蓄熱器２１は、作動気体を加熱および冷却するものである。蓄熱器２１は、一端を加熱器２２に、他端を冷却器２３に接続して設置される。蓄熱器２１は、加熱器２２および冷却器２３によって蓄熱器２１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発生させる。すなわち蓄熱器２１は、高温の一端部（高温部２１ｂ）と、常温の他端部（常温部２１ａ）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発生する機能を有している。蓄熱器２１は、例えばループ管１０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２１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。
【００２３】
［加熱器］
加熱器２２は、蓄熱器２１の一端側に隣接してループ管１０の管路に設けられ、蓄熱器２１の一端部（高温部２１ｂ）を加熱するものである。すなわち、加熱器２２は、外部熱源を用いて蓄熱器２１の一端を加熱する熱入力部として機能する。加熱器２２は、例えば、加熱用の熱交換器（高温熱交換器）から構成される。具体的には、加熱器２２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２２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２２ａ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２１と加熱器２２の間に環状部材２２ａの上壁が示されているが、加熱器２２は、この上壁を通して蓄熱器２１の一端側と隣接、すなわち密着している。
【００２４】
［冷却器］
冷却器２３は、蓄熱器２１の他端側に隣接してループ管１０の管路に設けられ、蓄熱器２１の他端部（常温部２１ａ）の熱を外部に放出するものである。すなわち、冷却器２３は、冷却水や空気等を用いて蓄熱器２１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２３は、例えば、冷却用の熱交換器（常温熱交換器）から構成される。冷却器２３としては、基本的には加熱器２２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２３は、その周囲に冷却ブラケット２３ａが配設されている。この冷却ブラケット２３ａ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２３は冷却ブラケット２３ａ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２１と冷却器２３の間に冷却ブラケット２３ａの下壁が示されているが、冷却器２３は、この下壁を通して蓄熱器２１の他端側と隣接、すなわち密着している。
【００２５】
［枝管］
枝管３０は、作動気体が封入される直線状の管であり、その一端がループ管１０に連通して、すなわち作動気体がループ管１０と枝管３０とを通動可能な状態で接続されている。また、枝管３０はリニア発電機４０に接続されており、伸縮機構６０を介して伸縮可能に構成されている。ここで、図４における紙面上、図４の符号Ｐの位置から左側及び上側の管部がループ管１０であり、符号Ｐの位置から右側の管部が枝管３０である。
【００２６】
枝管３０は、例えば、図２に示すように、ループ管１０に接続された枝管（第１管部）３１と、リニア発電機４０に接続された枝管（第２管部）３２と、一端が枝管３１に接続され他端が枝管３２に接続された伸縮管３３と、を有している。
伸縮管３３としては、例えば市販されている耐久性の良好なベローズ形伸縮管継手を用いることができる。図２に一例として示した伸縮管３３は、例えばステンレス等の鉄鋼材料等で構成され、ベローズ３５を備えている。
【００２７】
ベローズ３５は軸線方向に伸縮可能に構成された蛇腹である。図２には、ベローズ３５が最も伸長した状態を図示した。想定している工場等からの排熱における温度変化や枝管３０等のサイズにもよるが、ベローズ３５が最も伸長した状態から最も収縮した状態までの変位ｄ（図２参照）は数〜数十ｃｍ程度である。例えばｄ＝４ｃｍで設計する場合、伸縮量が±２０ｍｍである製品を使用すればよい。
【００２８】
伸縮管３３は内筒型ベローズであることが好ましい。ベローズ３５の内側に内筒３６を備えると、作動気体が蛇腹で抵抗を受けて失うエネルギーを低減することができる。
本実施形態では、ベローズ３５には内筒３６が設けてあり、内筒３６の内径は、枝管３１及び枝管３２の内径とほぼ同一にしてあり、作動流体が円滑に枝管３１、ベローズ３５の内筒３６、枝管３２を通るようになっている。なお、内筒３６の端部の形状を図２に示すようなテーパにしてもよいが、テーパではなく枝管３１，３２の内径と内筒３６の内径とが同じであるように構成することが望ましい。枝管３１，３２の内径と内筒３６の内径とが同じ場合、円滑に音波振動を伝達することができるからである。
また、伸縮管３３は、枝管３１とベローズ３５とをつなぐためのフランジ３３ａを備えると共に、ベローズ３５と枝管３２とをつなぐためのフランジ３３ｂを備えている。
フランジ３３ａは、端管３４ａを介してベローズ３５に接続され、フランジ３３ｂは、端管３４ｂを介してベローズ３５に接続されている。
【００２９】
端管３４ａ，３４ｂは、その直径がベローズ３５の内径と同程度であり、この伸縮管３３を配管に取り付ける固定具等のために必要な長さを有している。
フランジ３３ａは、ボルト等の固定具により枝管３１のフランジ３１ａに接続されており、同様にフランジ３３ｂは、枝管３２のフランジ３２ａに接続されている。これらフランジ３３ａ，３３ｂは、その直径がベローズ３５の外径（山部での直径）よりも大径に形成され、この伸縮管３３を配管に取り付けるためのボルト孔が周方向に複数個（例えば１０個程度）形成されている。加えて、フランジ３３ａ，３３ｂは、外周に例えばストッパー用のシャフト３７を挿通する挿通孔が形成された突起部を周方向に等間隔で複数個（例えば３，４個程度）有している。
【００３０】
［伸縮機構］
伸縮機構６０は、枝管３０を伸縮させるものである。本実施形態では、伸縮機構６０は、制御信号に応じて枝管３０を伸縮させることとした。図２に例示する伸縮機構６０は、回転軸６１を有するモータ６２と、回転軸６１の回転運動を直線運動に変換して伸縮管３３の両端の間隔を変化させるボールねじ６５と、を備えている。
モータ６２は、制御手段８０から入力するモータ指令信号（制御信号）に基づいて、正転、停止、及び反転し、これにより伸縮管３３のフランジ３３ｂを前進、停止及び後退させるモータであり、制御手段８０に電気的に接続されている。
【００３１】
モータ６２の回転軸６１にはギア６３が取り付けられている。このギア６３にはギア６４を介してボールネジ６５が接続されており、回転軸６１が回転することによって、ボールネジ６５が回転する。さらに、ボールネジ６５には、伸縮管３３のフランジ３３ｂが螺入されており、このフランジ３３ｂは、枝管３２のフランジ３２ａに接続されている。したがって、モータ６２を作動させると、回転軸６１、ギア６３、６４を介してボールネジ６５が回転し、伸縮管３３のフランジ３３ｂの往復動作に伴って枝管３２が往復動作する構成となっている。
【００３２】
図２では、フランジ３３ａ，３３ｂを挿通するシャフト３７の１つをボールネジ６５に置き換え、ボールネジ６５の回転により、フランジ３３ｂがシャフト３７に案内されて往復動作するものとしたが、複数のシャフトをボールネジに置き換えてもよい。
【００３３】
また、伸縮管３３を伸ばすときに枝管３２をリニア発電機４０の側に補助的に移動させ、伸縮管３３を縮めるときに枝管３２を枝管３１の側に補助的に移動させるスライド機構を設けることで、枝管３２の往復動作がスムーズに行えるようにすることが好ましい。
【００３４】
図２に示す例では、ステージ９０上に枝管３０や伸縮機構６０を配置しており、ステージ９０上には、枝管３１や伸縮管３３のフランジ３３ａを固定するための固定部９１が設けられている。また、枝管３２は、当該枝管３２をステージ９０上で滑らかに移動させるスライド機構９２の上に搭載されて支持されている。このスライド機構９２は、例えば、ステージ９０に設けられた直線状の溝内を往復するキャスター（車輪）で構成することができる。あるいは、モータ６２の回転に同期させてスライド機構９２を駆動する駆動機構を設けてもよい。
スライド機構９２の上には、伸縮機構６０のモータ６２も搭載されて支持されている。なお、モータ６２を搭載するスライド機構を別に設けてもよい。
【００３５】
図１に戻って熱音響発電システム１の構成の説明を続ける。
［温度センサ］
温度センサ５０は、原動機２０において加熱器２２及び冷却器２３のうちの少なくともいずれかの温度を測定するものであり、例えば熱電対等の一般的な温度センサで構成される。本実施形態では、温度センサ５０は、蓄熱器２１の一端に接続された加熱器２２の温度ＴＨを測定することとした。温度センサ５０は、測定された温度を制御手段８０に出力する。なお、温度センサ５０が例えば熱電対である場合、制御手段８０は、熱電対で検出された起電力を温度に変換する。
なお、本実施形態では、冷却器２３は、前記したように、冷却ブラケット２３ａに接続された図示しない冷却水路を流れる冷却水によって、一定の冷却温度を維持しうる構成とされている。つまり、冷却水の温度変化は加熱器２２での温度変化に比べて安定であることから、本実施形態では冷却器２３の温度を計測するための構成を省いている。
【００３６】
［リニア発電機］
リニア発電機４０は、熱音響機関２の枝管３０に接続されており、原動機２０で発生させた音波に応動して発電を行なうものである。なお、リニア発電機４０は、枝管３０及びループ管１０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圧力容器に収納されている。
【００３７】
リニア発電機４０は、当該発電機のコイル４１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た構造を有している。
本実施形態では、リニア発電機４０は、コイル４１と、磁石４２，４３と、ヨーク４４と、を主に備えている。図１では、リニア発電機４０を断面で示しており、ヨーク４４は、円柱状のヨーク中心部４４ａと、ヨーク中心部４４ａを取り囲む筒状のヨーク外周部４４ｂとを有する。なお、ヨーク外周部４４ｂは端部でヨーク中心部４４ａと一体となっている。
【００３８】
内側に配置された磁石４２は、ヨーク中心部４４ａの表面に固定された永久磁石である。
外側に配置された磁石４３は、コイル４１を周方向に取り囲むように、ヨーク外周部４４ｂに固定された永久磁石であり、磁石４２と対向する位置にて対向するもの同士が異極性となるように固定されている。ここでは、コイル４１を挟む２つの磁石４２，４３の極性をヨーク中心部４４ａの側からＳＮ，ＳＮの順に配置している。なお、図１において、ドットを付した側がＮ極であり、ドットの無い側がＳ極である。また、磁石４２と磁石４３との間には、コイル４１が往復運動をするためのエアギャップがある。
【００３９】
コイル４１は、図示を省略した非磁性材料からなるコイル支持体に固定されている。すなわち、可動子はコイル４１とコイル支持体とで構成される。この可動子は、コイル４１の軸方向の両側から、図示を省略した支持機構によって支持される。このうち、一方（図１において左）の支持機構には可動子を往復運動させるための駆動軸が設けられ、他方（図１において右）の支持機構には可動子の往復運動を円滑にするための軸受が設けられる。一方（図１において左）の支持機構の駆動軸は、熱音響機関２の音波振動出力端、すなわち枝管３０の先端部近傍に設けられたピストンなどで構成した図示を省略した振動部に直結される。そして、リニア発電機４０は、振動エネルギーによって可動子が往復運動してコイル４１が磁界方向に対して垂直に動くことで、フレミングの右手の法則にしたがって、鎖交箇所に起電力が発生し、コイル４１から電力を取り出すことができる。
【００４０】
なお、ここでは、可動子がコイル４１とコイル支持体とで構成されたリニア発電機４０を図示したが、他に、可動磁石型や可動鉄心型などのリニア発電機を用いることもできる。例えば、リニア発電機４０が、可動鉄心型の場合、円筒状の外側ヨークに収容されるコイルに対して、円筒状の内側ヨーク（鉄心）を音響パワーに基づき往復振動させて、音響パワーを電力に変換する。
【００４１】
リニア発電機４０には、負荷として可変抵抗器と、コンデンサと、がコイル４１に直列に接続されている。本実施形態では、可変抵抗器は、制御信号に応じて抵抗値Ｒ2を変化させることとした。なお、可変抵抗器の構成としては、定抵抗部と可変抵抗部とを備える構成としてもよい。
以下に示すように、熱音響発電システム１において、熱音響機関２とリニア発電機４０との接続では、熱音響機関２のインピーダンスと、リニア発電機４０のインピーダンスとを整合させている。加えて、熱音響発電システム１では、熱音響機関２とリニア発電機４０との接続位置を最適化するために、リニア発電機４０の共振周波数で熱音響機関２を作動させ、その接続位置（接続点）では、音響インピーダンスの無効エネルギーをなくすために、その接続点は、音響インピーダンスの虚数部の値が理論的にゼロになる位置としている。そして、そのような接続位置を求めるために、熱音響機関の解析手法、例えばナビエ・ストークスの式などを用いて、枝管３０における音響インピーダンス分布を予め計算し、枝管長データベース７１としてデータベース化した。
【００４２】
ここで、まず、リニア発電機４０のインピーダンスについて説明する。
リニア発電機４０のインピーダンス（以下、ＺLと表記する）は、機械的インピーダンスＺMと、電気的インピーダンスＺEと、の和である。
機械的インピーダンスＺMは、リニア発電機４０の機械的諸元（振動子の減衰定数Ｄ、質量ｍ、バネ定数ｋなど）で決まる。
電気的インピーダンスＺEは、リニア発電機４０の電気的諸元（コイルのインダクタンスＬ、磁束密度Ｂ、流れる電流Ｉ、内部抵抗Ｒ1、負荷条件(負荷容量Ｃ、負荷抵抗Ｒ2)などで決まる。
なお、本明細書において、リニア発電機４０のインピーダンスＺLとは、リニア発電機４０の負荷抵抗Ｒ2及び負荷容量Ｃを含んだ回路全体のインピーダンスのことを意味する。
【００４３】
前記したコンデンサの容量Ｃ及びコイル４１のインダクタンスＬは、共振周波数においてリニア発電機４０の電気的インピーダンスＺEが純実数（虚数部が０）になるように設定されている。これは、リニア発電機４０において無効電力をなくし、実効電力のみとするためである。なお、共振周波数では機械的インピーダンスＺMはゼロとなる。
【００４４】
リニア発電機４０は、共振周波数で動作するときに最大の機械的運動量（振幅、速度など）が得られ、発電機として最も高い効率を実現できる。
リニア発電機４０の機械的共振周波数ｆmは、当該発電機の機械的諸元、すなわち可動部の質量ｍとばね定数ｋとによって決まり、このとき次の式（１０１）で表される機械的角周波数ωmを用いると、次の式（１０２）で与えられる。
【００４５】
【数１】
0006611653.tif 000002
【００４６】
一方、リニア発電機４０の電気的な等価回路において、コンデンサの容量をＣ、コイル４１のインダクタンスをＬとした場合、電気的共振周波数ｆeは次の式（１０３）で表される。機械的共振周波数ｆmと電気的共振周波数ｆeとを一致させるようコンデンサの容量Ｃは決定される。
また、リニア発電機４０の効率ηは、リニア発電機４０に投入される音響エネルギーをＥA、リニア発電機４０で消費されるエネルギーをＥBとすると、次の式（１０４）で表される。
【００４７】
【数２】
0006611653.tif 000003
【００４８】
一方、熱音響機関２のインピーダンスは、音響インピーダンスであって、ループ管１０及び枝管３０での音波の圧力を音波の流速で除した形で表現され、これがリニア発電機４０の駆動源になる。なお、熱音響機関２のインピーダンスの詳細については後記する。
【００４９】
［記憶手段］
記憶手段７０は、例えば半導体メモリ、ハードディスク等の一般的な記憶装置で構成することができる。この記憶手段７０は、少なくとも枝管長データベース７１を記憶している。本実施形態では、記憶手段７０は負荷抵抗データベース７２も記憶することとした。なお、これらを１つのデータベースにまとめてもよい。
【００５０】
枝管長データベース７１は、熱音響機関２とリニア発電機４０とを最適に接続するため、熱音響機関２についての接続条件を格納したデータベースである。この枝管長データベース７１は、所定条件で熱音響機関２の加熱器２２の温度毎に予め求められた枝管３０の長さを格納している。つまり、枝管長データベース７１は、枝管３０の長さを、加熱器２２の温度と対応付けて格納している。ここで、所定条件とは、熱音響機関２がリニア発電機４０の共振周波数と同じ発振周波数で動作するときの当該熱音響機関２のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロを含む予め設定した範囲内の値となる条件である。
【００５１】
本願発明者らは、枝管３０の長さと音響インピーダンスにおける虚数部の値との相関をシミュレーションにより求め、虚数部の値がゼロになる前後、すなわち、負から正に変わる前後には、枝管３０の長さの変化に比べて音響インピーダンスにおける虚数部の値が急激に変化することを確認した。そのため、虚数部の値がゼロを含む予め許容されるものとして設定された範囲内の値であれば、零から正負いずれかにずれた値であったとしても含むことした。ただし、理想的には虚数部の値がゼロとなる条件であることが好ましい。このため、以下では、枝管長データベース７１は、加熱器２２の温度毎に、熱音響機関２のインピーダンスにおける虚数部の値がゼロとなる条件で求められた枝管３０の長さをそれぞれ格納しているものとして説明する。
【００５２】
枝管長データベース７１において、加熱器２２の温度を数℃〜数十℃毎に設定して対応する枝管３０の長さを記録するようにしてもよい。ここで、枝管３０の長さは、全長に限らず、伸縮管３３の長さであってもよいし、温度変位に応じた枝管の長さの変位であってもよい。なお、この枝管長データベース７１の構築方法については後記する。
【００５３】
負荷抵抗データベース７２は、熱音響機関２とリニア発電機４０とをインピーダンス整合させるために、リニア発電機４０の側の接続条件を格納したデータベースである。この負荷抵抗データベース７２は、リニア発電機４０に負荷抵抗として接続された可変抵抗器の抵抗値を格納している。この可変抵抗器の抵抗値は、熱音響機関２の加熱器２２の温度毎に予め求められている。負荷抵抗データベース７２は、熱音響機関２のインピーダンスに対して、リニア発電機４０のインピーダンスが整合するときの可変抵抗器の抵抗値を予め求めることで構築される。
【００５４】
負荷抵抗データベース７２において、加熱器２２の温度を数℃〜数十℃毎に設定して対応する抵抗値を記録するようにしてもよい。抵抗値は、可変抵抗器の抵抗値そのものに限らず、温度変化に応じた抵抗の変化分であってもよい。なお、この負荷抵抗データベース７２の構築例については後記する。
【００５５】
［制御手段］
制御手段８０は、熱音響機関２の加熱器２２の温度に応じて伸縮機構６０を制御するものである。また、本実施形態では、制御手段８０は、加熱器２２の温度に応じて、リニア発電機４０に接続された可変抵抗器も制御することとした。この制御手段８０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、入出力インタフェース等を備えている。
【００５６】
制御手段８０は、枝管長データベース７１を参照し、温度センサ５０で測定された温度ＴＨに応じた枝管長を指示する制御信号Ｓ１を伸縮機構６０に出力する。
本実施形態では、制御手段８０は、温度センサ５０で測定された温度ＴＨに応じて、枝管長データベース７１において設定されている温度となる毎に該当する枝管長に変更するように制御信号Ｓ１を出力する。例えば、排熱を電力に変換するときに想定している基準となる温度（例えば２５０℃。以下、基準温度という）から２０℃変化する度に制御信号Ｓ１を出力してもよく、好ましくは１０℃変化する度に、より好ましくは５℃変化する度に制御信号Ｓ１を出力してもよい。
【００５７】
なお、制御手段８０は、温度センサ５０で測定された温度ＴＨに応じて枝管長を連続的に変更するように制御信号Ｓ１を出力してもよい。この場合、枝管長データベース７１において設定されている温度及び枝管長に基づいて、例えば、線形補間により補間データを算出し、その算出結果に基づいて制御信号Ｓ１を出力する。
【００５８】
また、制御手段８０は、負荷抵抗データベース７２を参照し、温度センサ５０で測定された温度ＴＨに応じた抵抗値を指示する制御信号Ｓ２を可変抵抗器に出力する。
制御手段８０は、制御信号Ｓ１と同様な方法で、制御信号Ｓ２を可変抵抗器に出力する。なお、制御信号Ｓ２を出力するタイミングは制御信号Ｓ１と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００５９】
＜熱音響発電システムの動作＞
熱音響発電システム１では、例えば工場で発生した排熱により、熱音響機関２の原動機２０の加熱器２２を加熱することを前提とする。また、熱音響発電システム１において、初期設定でインピーダンス整合をしておく。すなわち、リニア発電機４０に接続された可変抵抗器の抵抗値の初期値を、基準温度のときの熱音響機関のインピーダンスに整合するように対応させた抵抗値に予め設定しておく。
【００６０】
上記の前提のもと、まず、熱音響発電システム１は、ループ管１０において、加熱器２２によって蓄熱器２１の高温部２１ｂを加熱する。そして、制御手段８０は、温度センサ５０の検出温度に応じて、制御信号Ｓ１を伸縮機構６０に出力し、これによって、伸縮管３３の長さが変化して枝管３０の長さが調整される。なお、枝管３０の長さを、基準温度に対応させた長さに予め設定してから、排熱により加熱器２２を加熱するようにしてもよい。
【００６１】
そして、加熱器２２によって蓄熱器２１の高温部２１ｂを加熱すると共に、冷却器２３によって蓄熱器２１の常温部２１ａを冷却すると、蓄熱器２１の両端に、すなわち、高温部２１ｂと常温部２１ａとの間に温度差が生じる。この温度差により、ループ管１０（具体的には、蓄熱器２１）には、主として作動気体の音響パワーが生じる。
【００６２】
そして、ループ管１０において発生した作動気体の音響パワーは、枝管３０を介してリニア発電機４０に伝えられ、この音響パワーに基づきリニア発電機４０の可動子を往復振動させることで、音響パワーが電力に変換されて発電が行なわれる。そして、排熱が概ね想定している温度（基準温度）になると、安定した発電が行なわれる。このとき、熱音響機関２の発振周波数は、リニア発電機４０の共振周波数と一致することで、最大の効率を実現する。
【００６３】
そして、排熱の状態が変化して熱音響機関２の加熱器２２の温度が変化すると、熱音響機関２の発振周波数は、リニア発電機４０の共振周波数からずれることになるが、制御手段８０が、枝管長データベース７１を参照し、温度センサ５０の検出温度に応じた制御信号Ｓ１を伸縮機構６０に出力する。これにより、枝管３０の長さが調整され、熱音響機関２の発振周波数が共振周波数に一致することになる。したがって、排熱の状態変化に応じて加熱器２２の温度が変化したとしても、熱音響機関２の作動状態（共振周波数）を維持させることによって、リニア発電機４０が機能しなくなる事態を回避することができる。また、制御手段８０が、枝管長データベース７１を用いて、熱音響機関２のインピーダンスの虚数部がゼロとなる条件で枝管３０の長さを変更するので無効エネルギーをなくすことができる。
【００６４】
加えて、熱音響機関２の加熱器２２の温度が変化したときに、熱音響機関２のインピーダンスも変化することになるが、制御手段８０は、負荷抵抗データベース７２を参照し、温度センサ５０の検出温度に応じた制御信号Ｓ２を、リニア発電機４０に接続された可変抵抗器に出力する。これによって、可変抵抗器の抵抗値が変化して、リニア発電機４０の負荷抵抗及び負荷容量を含んだ回路全体のインピーダンスが変化する。その結果、温度変化に応じて熱音響機関２のインピーダンスが変化した後の当該インピーダンスに対して、リニア発電機４０のインピーダンスを整合させることができる。よって、リニア発電機４０で消費されるエネルギーの低下を抑制することができる。その結果として、前記した式（１０４）で示す効率ηの低下を抑制することができる。
【００６５】
（第２実施形態）
＜熱音響発電システムの構成＞
図３を参照し、本発明の第２実施形態に係る熱音響発電システム１Ｂの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する（適宜図１参照）。
図３に示すように、熱音響発電システム１Ｂは、図１のリニア発電機４０に代えて往復流型タービン発電機関４０Ｂを備えた点が、第１実施形態と異なる。
【００６６】
往復流型タービン発電機関４０Ｂは、従来公知の往復流型のタービン７（以下、単にタービン７という）と、一般的な回転式発電機８と、を備えている。
タービン７のケーシング７ａは、ケーシング７ｂを介して枝管３０に接続されている。
タービン７は、ケーシング７ａ内に、例えば回転翼７ｃと案内翼７ｄとを備えている。
回転翼７ｃは、略円板状でその外周に所定の間隔をあけて複数の羽根が設けられている。回転翼７ｃは、回転軸７ｅに軸支されて回転自在に設けられており、回転軸７ｅは回転式発電機８に接続されている。
回転翼７ｃの左側（枝管側）及び右側（発電機側）のそれぞれには、複数の案内翼７ｄが所定の間隔をあけて設けられている。
【００６７】
回転式発電機８は、タービン７の回転軸７ｅと接続された回転軸を有している。この回転式発電機８には、負荷として、可変抵抗器と、コンデンサと、がコイル４１に直列に接続されている。
往復流型タービン発電機関４０Ｂは、タービン７と回転式発電機８との等価回路において可動部質量、慣性モーメント等で機械的共振周波数が決まり、リニア発電機４０に比べて共振周波数範囲が広い、という特徴を持つ。
また、往復流型タービン発電機関４０ＢのコイルのインダクタンスＬと負荷容量Ｃで電気的共振周波数が決まる。これら機械的共振周波数と電気的共振周波数とが一致、あるいは、ほぼ一致するよう容量Ｃが設定される。すなわち、往復流型タービン発電機関４０Ｂにおいても、その共振周波数は、リニア発電機４０のそれと同様の事象が存在する。
具体的には、往復流型タービン発電機関４０Ｂの電気的な等価回路において、コンデンサの容量をＣ、コイルのインダクタンスをＬとした場合、電気的共振周波数ｆeは前記した式（１０３）で表される。往復流型タービン発電機関４０Ｂの機械的共振周波数と電気的共振周波数ｆｅとを一致させるようコンデンサの容量Ｃは決定される。
また、往復流型タービン発電機関４０Ｂに投入される音響エネルギーをＥA、往復流型タービン発電機関４０Ｂで消費されるエネルギーをＥBとすると、往復流型タービン発電機関４０Ｂの効率ηは、前記した式（１０４）で表される。
また、コンデンサの容量Ｃ及びコイル４１のインダクタンスＬは、共振周波数において電気的インピーダンスＺEが純実数（虚数部が０）になるように設定されている。
【００６８】
ここでは、往復流型タービン発電機関４０Ｂは、枝管３０及びループ管１０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圧力容器９に収納されている。なお、作動気体として大気圧空気を用いる場合は、タービン７の一端（回転式発電機側の端部）を開口していてもよい。
【００６９】
往復流型タービン発電機関４０Ｂにおいて、枝管３０からの作動気体は、図３に両方向の矢印で示すように、往復流となって交互に流入し、それぞれ案内翼７ｄに誘導されて回転翼７ｃに当たり、タービン７の回転翼７ｃが駆動される。つまり、回転翼７ｃには回転力が生じ、回転翼７ｃは図３の矢印で示す回転方向に回転される。これによって、回転翼７ｃに連結された回転軸７ｅが回転して、回転式発電機８が駆動され、発電が行われる。
【００７０】
往復流型タービン発電機関４０Ｂは、リニア発電機４０に比べて、動作可能な周波数帯（共振周波数を中心とした所定幅の周波数帯）の範囲は広いものの、熱音響機関２の加熱器２２の温度が変化した場合、動作可能な周波数帯が熱音響機関２の発振周波数から外れることで、最悪の場合、停止してしまう虞がある。
【００７１】
しかしながら、熱音響発電システム１Ｂは、加熱器２２の温度が変化した場合、制御手段８０が、温度センサ５０の検出温度に応じて、制御信号Ｓ１を伸縮機構６０に出力する。これにより、枝管３０の長さが調整され、熱音響機関２の発振周波数を変化させて、往復流型タービン発電機関４０Ｂの動作可能な周波数帯の値に戻すことができる。
加えて、制御手段８０が、回転式発電機８に接続された可変抵抗器に対して制御信号Ｓ２を出力するので、熱音響機関２のインピーダンスに対して、往復流型タービン発電機関４０Ｂのインピーダンスを整合させることができる。
よって、熱音響発電システム１Ｂによれば、第１実施形態に係る熱音響発電システム１と同様の効果を奏することができる。
【００７２】
[枝管長データベースの構築方法]
次に、枝管長データベースの構築方法について、詳細に説明する（適宜図１参照）。最初に、熱音響機関２の枝管３０の長さ以外の諸元を決定する。具体的には、ループ管１０の長さを決定し、ループ管１０及び枝管３０について、長さ、直径、開口率及び流路径を決定する。また、原動機２０が備える蓄熱器２１、加熱器２２及び冷却器２３について、長さ、直径、開口率及び流路径を決定する。また、原動機２０について、加熱器温度及び冷却器温度を決定する。ここで、加熱器温度とは、加熱器２２の温度を表し、冷却器温度とは、冷却器２３の温度を表す。また、作動気体について、動作周波数、種類及び平均圧力を決定する。これによって、未知数である枝管３０の長さ以外の伝達マトリクスの要素が決定する。
【００７３】
続いて、以下の計算モデルを用いて、音響インピーダンスを計算する。この計算モデルは、Ｒｏｔｔが導いた熱音響微分方程式に基づいている。なお、Ｒｏｔｔの熱音響微分方程式は、例えば、文献「N. Rott,Z.Angew.Math.Phys.20,pp.230-243,1969」に詳細に記載されている。以下に、音響インピーダンスの導出について簡単に説明する。なお、ここでは、枝管３０のことを単に管という場合がある。
【００７４】
[音響インピーダンス]
音響インピーダンスを計算するために基礎とする方程式として、ナビエ・ストークスの式は以下の式（１）で表され、連続の式は以下の式（２）で表され、エネルギー方程式は、以下の式（３）で表される。
【００７５】
【数３】
0006611653.tif 000004
【００７６】
ここで、μは粘性係数、ｘは軸方向座標、rは動径方向座標、ｕは軸方向流速、ｖは動径方向流速、Ｐは管内圧力、ρは密度、Ｔは温度、ＣPは定圧比熱、λは熱伝導率をそれぞれ示している。また、Φは散逸関数であり、次の式（４）で表すことができる。
【００７７】
【数４】
0006611653.tif 000005
【００７８】
まず、前記した式（１）〜式（３）を、以下の仮定（１−１）〜（１−３）を用いて線形化する。
【００７９】
仮定（１−１）線形近似をする。
具体的には、Ｘ＝Ｘ０＋Ｘ１＋…  とおいて、添え字の和が１になる項を残す。なお、Ｘ０は音波が無い時の値、Ｘ１は音波の周波数成分を表す。
【００８０】
仮定（１−２）振動は単一周波数で起こると仮定する。
具体的には、時間に関する偏微分を「ｉω」に置き換える。
【００８１】
仮定（１−３）流路半径と比較して音波の波長が充分長く、動径方向流速が軸方向流速と比較して充分小さいものとする。
これら仮定（１−１）〜（１−３）を用いて前記式（１）〜式（３）を線形化すると、次の式（５）〜式（７）が得られる。
【００８２】
【数５】
0006611653.tif 000006
【００８３】
次に、式（５）〜式（７）を、以下に示す仮定（２−１）〜（２−４）で解く。これらの仮定はＲｏｔｔの仮定と呼ばれている。なお、仮定（２−４）に関しては必ずしも必要ではないが、簡単の為に採用する。
【００８４】
仮定（２−１）作動気体の管壁における流速はゼロである。
仮定（２−２）作動気体の時間平均温度、圧力、密度は管の径方向に依存しない。
仮定（２−３）作動気体の圧力の変動成分は管の径方向に依存しない。
仮定（２−４）作動気体は理想気体とする。
【００８５】
前記式（５）〜式（７）を、仮定（２−１）〜（２−４）で解いた結果を、行列式を用いると、次の式（８）で表すことができる。
【００８６】
【数６】
0006611653.tif 000007
【００８７】
ここで、ｐは圧力振幅、Ｕは断面平均体積流速振幅、ｊが虚数単位、ωが角周波数、ＡCは管断面積、ｐmは作動気体の平均圧力、γは比熱比、σはプラントル数、Ｔmは管内の作動気体の平均温度、νは動粘性係数、αは熱拡散係数である。
なお、蓄熱器２１の温度勾配∂Ｔm／∂ｘは一定ではない。本実施形態では、蓄熱器２１においてエンタルピー流は一定であるという条件でイタレーション（繰り返し計算）を行うことによって、温度勾配∂Ｔm／∂ｘを定めている。
【００８８】
また、前記式（８）において、χαとχνは熱音響関数であり、このうちχαは熱（温度拡散係数α）に関する複素関数であり、χνは粘性（動粘性係数γ）に関する複素関数である。具体的には、枝管３０が円形断面を有するとき、χαとχνは次の式（９）で表すことができる。なお、χαとχνは同様の数式で表すことができ、式（９）において、「ν，α」とは、カンマの前または後に記載された記号を選択することを意味する。
【００８９】
【数７】
0006611653.tif 000008
【００９０】
ここで、第１式の分子のＪ1と、その分母のＪ0は、ベッセル関数の１番目と０番目のオーダーであり、第２式のrは枝管３０の半径である。なお、τα，τνは熱緩和時間及び動粘性緩和時間である。
前記した式（８）の固有値と固有ベクトルを求め対角化を行うと、ゼロ点の情報からｘ点の情報を得ることが可能な次の式（１０ａ）及び式（１０ｂ）を得る。ここで、ゼロ点とは、熱音響機関２におけるループ管１０と枝管３０との接続点のことである。
【００９１】
【数８】
0006611653.tif 000009
【００９２】
式（１０ｂ）において、Ａ11、Ａ12、Ａ21、Ａ22は、前記した式（８）のマトリクスＡの要素である。なお、ｅはネイピア数である。式（１０ａ）及び式（１０ｂ）より、圧力振幅ｐ（０）及び断面平均体積流速振幅Ｕ（０）が既知であれば管内音場を定めることが可能である。
【００９３】
ここで、図４を参照する。図４は、計算に用いた熱音響機関のモデルを示しており、枝管３０は未知の長さＬｘを求めるために単独の枝管であるものとしている。
以下の計算では、図４に示すように熱音響機関のループ管１０の管路を、長さＬ１の構成要素（ループ管１０の一部）、長さＬ２の構成要素（冷却器２３）、長さＬ３の構成要素（蓄熱器２１）、長さＬ４の構成要素（加熱器２２）、長さＬ５の構成要素（ループ管１０の一部）に分割し、各構成要素の伝達マトリクスを連結する。
【００９４】
ここで、図４に示す枝管３０の左端点Ｐ（ゼロ点）は、ループ管１０の管路に沿った軸方向座標ｘの始点（ｘ＝０の点）及び終点と同一である。
また、ゼロ点（始点及び終点）の圧力振幅ｐ（０）及び断面平均体積流速振幅Ｕ（０）が既知であると仮定する。この場合、まず、ゼロ点（始点）から、ループ管１０に沿って冷却器２３の入口までの距離をＬ１とすると、この間の伝達マトリクスＢ1（Ｌ１）は、前記した式（１０ａ）により、次の式（１１）の関係式で表すことができる。なお、ループ管１０において、ゼロ点の位置から見た距離Ｌ１の点の位置のことを位置Ｌ１ともいう。
【００９５】
【数９】
0006611653.tif 000010
【００９６】
次に、冷却器２３の入口から、冷却器２３の出口（蓄熱器２１の入口）までの距離をＬ２とすると、この間の伝達マトリクスＢ2（Ｌ２）は、同様に、次の式（１２）の関係式で表すことができる。なお、ループ管１０において、位置Ｌ１から見た距離Ｌ２の点の位置のことを位置Ｌ２ともいう。
【００９７】
【数１０】
0006611653.tif 000011
【００９８】
次に、蓄熱器２１の入口から、蓄熱器２１の出口（加熱器２２の入口）までの距離をＬ３とすると、この間の伝達マトリクスＢ3（Ｌ３）は、同様に、次の式（１３）の関係式で表すことができる。なお、ループ管１０において、位置Ｌ２から見た距離Ｌ３の点の位置のことを位置Ｌ３ともいう。
【００９９】
【数１１】
0006611653.tif 000012
【０１００】
次に、加熱器２２の入口から、加熱器２２の出口までの距離をＬ４とすると、この間の伝達マトリクスＢ4（Ｌ４）は、同様に、次の式（１４）の関係式で表すことができる。なお、ループ管１０において、位置Ｌ３から見た距離Ｌ４の点の位置のことを位置Ｌ４ともいう。
【０１０１】
【数１２】
0006611653.tif 000013
【０１０２】
次に、加熱器２２の出口から、終点としてのゼロ点までの距離をＬ５とすると、この間の伝達マトリクスＢ5（Ｌ５）は、同様に、次の式（１５）の関係式で表すことができる。なお、ループ管１０において、位置Ｌ４から見た距離Ｌ５の点の位置のことを位置Ｌ５ともいう。この位置Ｌ５は、終点の位置でもあり、始点の位置でもある。
【０１０３】
【数１３】
0006611653.tif 000014
【０１０４】
前記した式（１１）から式（１５）までのすべてを連結すると、次の式（１６）を得る。
【０１０５】
【数１４】
0006611653.tif 000015
【０１０６】
図４に示すように、ループ管１０における始点と終点はループ型熱音響では同一点となる。ループ管１０の位置０の点（始点）と、位置Ｌ５の点（終点）とは同一の点を示すため、「ループ管１０の始点と終点における圧力振幅は同等である」という境界条件（ｐ（Ｌ５）＝ｐ（０））を用いると、前記した式（１６）から次の式（１７）を得る。
【０１０７】
【数１５】
0006611653.tif 000016
【０１０８】
この式（１７）より、始点（ゼロ点）の音響インピーダンスｚ（０）は次の式（１８）で表すことができる。なお、式（１８）において、Ｃ11、Ｃ12は式（１７）のマトリクスＣの要素である。
【０１０９】
【数１６】
0006611653.tif 000017
【０１１０】
式（１８）で表される音響インピーダンスｚ（０）を初期値として用いることで、ループ管１０内の音響インピーダンス分布を求めることができる。なお、この計算手法では、圧力振幅ｐや断面平均体積流速振幅Ｕの大きさは決定できない。ただし、ｐやＵを規格化することで、ループ管１０における仕事流Ｗの分布や熱効率を計算することは可能である。なお、仕事流Ｗは単位面積当たりの音響パワーであり、熱効率は、仕事流Ｗの増幅量を入力熱量の総和で除算すれば得られる。
【０１１１】
次に、熱音響機関２においてループ管１０から枝管３０に流れ出す音響パワーＷBを求める方法について説明する。ここで、図４に示す枝管３０の左端点Ｐ（ゼロ点）を、枝管３０の管路に沿った軸方向座標ｘの始点（ｘ＝０の点）とする。そして、ｘ＝０の点において、圧力振幅ｐBの値をｐB（０）とすると共に、断面平均体積流速振幅ＵBの値をＵB（０）とすると、これらｐB（０），ＵB（０）は次の式（１９）及び式（２０）でそれぞれ表すことができる。
【０１１２】
【数１７】
0006611653.tif 000018
【０１１３】
なお、式（２０）において、Ｕ（Ｌ５）は、ループ管１０の位置Ｌ５（終点）すなわちｘ＝０の点における断面平均体積流速振を表し、Ｕ（０）は、ループ管１０の位置０（始点）すなわちｘ＝０の点における断面平均体積流速振幅を表す。
【０１１４】
枝管３０の内部で、枝管３０の管路に沿ってゼロ点から距離Ｌｘだけ離れた管内の任意点において、圧力振幅ｐBの値をｐB（Ｌｘ）とすると共に、断面平均体積流速振幅ＵBの値をＵB（Ｌｘ）とすると、これらｐB（Ｌｘ），ＵB（Ｌｘ）は、前記した式（１０ａ）に基づいて、次の式（２１）で表すことができる。ここでは、式（１０ａ）に示すＢに代えてＢbranchで枝管３０の管内の伝達マトリクスを表している。
【０１１５】
【数１８】
0006611653.tif 000019
【０１１６】
この式（２１）により、管内任意点における、圧力振幅ｐB（Ｌｘ）と、断面平均体積流速振幅ＵB（Ｌｘ）と、が計算可能である。したがって、管内任意点における音響インピーダンスＺB（Ｌｘ）は次の式（２２）で計算することができる。
【０１１７】
【数１９】
0006611653.tif 000020
【０１１８】
式（２２）に基づき、数値計算によって、枝管３０におけるインピーダンス分布を計算した。その数値計算に用いた熱音響機関モデル（図４参照）の構成要素の各パラメータとその値の一例を、以下の表１及び表２に示す。表１に示すように、冷却器２３の温度は３０℃（３０３Ｋ）、作動気体の動作周波数は５０Ｈｚ、作動気体は３０気圧（30×101325［Ｐａ］）のヘリウムである。
【０１１９】
【表１】
0006611653.tif 000021
【０１２０】
【表２】
0006611653.tif 000022
【０１２１】
なお、表２では、ループ管１０のうち、図４に示す長さＬ１の部分を導波管１、図４に示す長さＬ５の部分を導波管２と呼称している。また、枝管長さＬｘ[ｍ]は、図４において、符号Ｐで示す枝管３０の左端を基準とした距離である。
【０１２２】
表１及び表２に示す設定において、温度条件として、加熱器２２の温度ＴＨが、３００℃（５７３Ｋ）、２５０℃（５２３Ｋ）、２００℃（４７３Ｋ）のそれぞれの場合について、音響インピーダンスを前記した式（２２）からそれぞれ算出した。これは、２５０℃を基準温度にして、５０℃の温度上昇変化や５０℃の温度下降変化があった場合に相当する。
【０１２３】
ここでは、式（２２）において、圧力振幅ｐ［Ｐａ］と断面平均体積流速振幅Ｕ［ｍ／ｓ］とから音響インピーダンスＺ［Ｎｓ／ｍ］を算出して音響インピーダンスＺをグラフ化するときに見易くするために、音響インピーダンスＺを規格化して規格化音響インピーダンスＺA［Ｎｓ／ｍ］を求めた。具体的には、作動気体の密度をρm［ｋｇ／ｍ3］、管内音速をＣ［ｍ／ｓ］をとしたときに、ρmＣの値で音響インピーダンスＺ［Ｎｓ／ｍ］を除算することで、規格化音響インピーダンスＺA［Ｎｓ／ｍ］が定義される。このように規格化することで作動気体や圧力振幅が異なる装置でも同一の規格で評価することが可能となる。枝管３０の軸方向の座標ｘにおける音響インピーダンスの実数部の値及び虚数部の値の分布をプロットしたグラフ上で、虚数部の値が０となる位置、すなわち、枝管長さＬｘが、加熱器温度によって、どのように変化するかを求めた結果が、次の表３である。
【０１２４】
【表３】
0006611653.tif 000023
【０１２５】
なお、表３には、温度に対応した枝管長さＬｘ（枝管の位置）に加えて、その位置における音響インピーダンスの実数部の値及び虚数部の値を記載しているが、これをデータベース化した枝管長データベース７１には、少なくとも温度に対応した枝管長さＬｘが格納されていればよい。
【０１２６】
［負荷抵抗データベースの構築方法]
図５を参照し、負荷抵抗データベースの構築方法について説明する。
図５は、リニア発電機が共振周波数で動作するときに実験で求めた負荷抵抗の抵抗値とそのインピーダンスとの関係の一例をグラフ化したものである。なお、共振周波数で動作しているので、リニア発電機のインピーダンスの虚数部の値はゼロである。また、図５は、参考文献「長谷川真也，熱音響発電の基礎, Journal of the Japan Institute of Energy, 92, 1111-1116(2013)」のp.1115に記載された図６のグラフをトレースして作成したものであり、実質的に参考文献の図６を示している。
【０１２７】
図５のグラフの横軸は、負荷抵抗Ｒを示している。左側の縦軸は、リニア発電機のインピーダンスの実数部の値を示している。グラフにおいて黒丸で実数部の値を表し、三角形で虚数部の値を表した。また、右側の縦軸は、前記した式（１０４）で表される効率ηを示している。グラフにおいて、曲線で効率を表した。
【０１２８】
ここで、図４に示す熱音響モデルから数値計算で求めた音響インピーダンス（表３参照）に対して、実験で測定したリニア発電機４０のインピーダンスを整合させることを想定する。表３における音響インピーダンスの実数部の値と同じ数値を用いて、図５に示すグラフから負荷抵抗Ｒの値を読み取ると、読み取った負荷抵抗Ｒの値を、熱音響機関２の温度に対応付けることができる。
【０１２９】
具体的には、図５から、インピーダンスの実数部の値が８２［Ｎｓ／ｍ］のとき、負荷抵抗Ｒの値は６〜８［Ω］であることが分かる。
また、インピーダンスの実数部の値が４９［Ｎｓ／ｍ］のとき、負荷抵抗Ｒの値は１５〜２０［Ω］であることが分かる。
また、インピーダンスの実数部の値が３５［Ｎｓ／ｍ］のとき、負荷抵抗Ｒの値は２５〜３０［Ω］であることが分かる。
これらの抵抗値、インピーダンスの実数部の値を、前記した表３の温度に対応付けた結果を、次の表４に示す。なお、実験で用いた負荷抵抗Ｒの抵抗値を、図１に示す可変抵抗器の抵抗値Ｒ2に対応付けている。
【０１３０】
【表４】
0006611653.tif 000024
【０１３１】
なお、表４には、温度に対応した可変抵抗器の抵抗値Ｒ2に加えて、その位置におけるインピーダンスの実数部の値を記載しているが、これをデータベース化した負荷抵抗データベース７２には、少なくとも温度に対応した可変抵抗器の抵抗値Ｒ2が格納されていればよい。
【０１３２】
（変形例）
本発明に係る熱音響発電システム１，１Ｂは、前記した実施形態に限定されず、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。例えば、伸縮機構６０は、制御信号に応じて枝管３０を伸縮させることとしたが、これに限らず、手動で操作可能に構成されていてもよい。ここで、手動とは、伸縮機構６０のボールねじ等を人が工具等を用いて直接動かすことだけではなく、ボールねじ等に連動したモータのスイッチをオンオフする操作を人が行うことを含んでいる。この場合、温度センサ５０の検出温度を表示パネルに表示させるようにして、これを見た操作者が、表示温度に応じて伸縮機構６０を動かして伸縮管３３の長さを所望の長さに調整することで枝管長さを変えることができる。このときに、表示パネルとして、例えばＰＣ、タブレット端末、スマートフォン等の画面を用いると、所定温度に変化したことを検出した場合に、音や振動により操作者に報知するアプリケーション機能や、手動操作のための情報や枝管長さ等を表示するアプリケーション機能を併せて採用することもできる。
【０１３３】
また、リニア発電機４０の負荷として接続された可変抵抗器は、制御信号に応じて抵抗値を変化させることとしたが、これに限らず、手動で操作可能に構成されていてもよい。ここで、手動とは、人が直接動かすことだけではなく、スイッチをオンオフする操作を行うことを含んでいる。また、温度センサ５０の検出温度の表示や所定温度に達した場合の操作者への報知方法等は、前記した伸縮機構６０の場合に準じて行うことができる。
【０１３４】
また、温度センサ５０は、加熱器２２の温度を検出することとしたが、これに限らず、冷却器２３の温度を検出するようにしてもよい。または、加熱器２２及び冷却器２３の温度を検出するようにしてもよい。さらに、加熱器２２の温度と冷却器２３の温度との差分を検出することとしてもよい。
また、熱音響機関２に用いる排熱を工場からの排熱として説明したが、例えば自動車や船舶等のエンジンからの排熱であってもよい。
【０１３５】
また、例えば工場で「決まった時刻（定時）になったら排熱に基づく温度センサの検出温度が例えば250度から200度に下がる」というように正確な温度変化が起こるタイミングが予め分かっていれば、その定時になるタイミングで枝管の長さを変化させるように構成することもできる。この場合、熱音響システムから温度センサを省略することも可能である。
【０１３６】
また、枝管長データベース７１と負荷抵抗データベース７２とは、１つの記憶手段７０に格納することとしたが、個別の記憶手段に格納するように構成してもよい。
また、伸縮機構６０を制御する制御手段と、リニア発電機４０等に接続された可変抵抗器を制御する制御手段と、を個別に設けるようにしてもよい。
表３と表４では、共に３つの温度を例示したが、各データベースは、これらに限定されるものではない。各データベースにおいて、例えば２０℃毎に枝管長さを格納し、１０℃毎に負荷抵抗を格納するようにしてもよい。つまり、温度変化の程度によっては、枝管長さを変更することなく負荷抵抗だけを変更するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１３７】
１，１Ｂ  熱音響発電システム
２      熱音響機関
７      タービン
８      回転式発電機
１０    ループ管
２０    原動機
２１    蓄熱器
２２    加熱器
２３    冷却器
３０    枝管
３１    枝管（第１管部）
３２    枝管（第２管部）
３３    伸縮管
３５    ベローズ
３６    内筒
４０    リニア発電機
４０Ｂ  往復流型タービン発電機関
４１    コイル
５０    温度センサ
６０    伸縮機構
６１    回転軸
６２    モータ
６５    ボールねじ
７０    記憶手段
７１    枝管長データベース
７２    負荷抵抗データベース
８０    制御手段
９２    スライド機構
【図１】
0006611653.tif 000025
【図２】
0006611653.tif 000026
【図３】
0006611653.tif 000027
【図４】
0006611653.tif 000028
【図５】
0006611653.tif 000029