(57)【要約】【課題】音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行うスタックにおいて、両端間の温度勾配を高く維持するとともに、流通経路を形成するスタック基材との間で効率よく熱交換を行うことのできるスタックを提供する。【解決手段】内部に流体を通すことが可能な複数の流通経路３２を有するスタック基材３１を備える際、スタック基材３１を相対的に低い熱伝導率を有するプラスチック樹脂、ガラス、セラミックス、ガラス繊維、紙繊維、プラスチック繊維などで構成し、また、そのスタック基材の表面に相対的に高い熱伝導率を有する金属などの蓄熱材３３を付着させる。この蓄熱材３３をスタック基材３１の表面に付着させる場合は、金属析出によるメッキ法などを用い、また、繊維状シートでスタック基材３１を構成する場合は、非金属繊維３６の段階でその表面に蓄熱材３３を付着させる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流体を通すことが可能な複数の流通経路を有するスタック基材を備え、当該複数の流通経路内の流体を用いて音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行うスタックにおいて、
前記スタック基材を第一の熱伝導率を有する素材で構成し、当該スタック基材の表面に前記第一の熱伝導率と異なる第二の熱伝導率を有する蓄熱材を表出させた状態で設けたことを特徴とするスタック。
【請求項２】
前記第二の熱伝導率が、前記第一の熱伝導率よりも相対的に熱伝導率の高いものである請求項１に記載のスタック。
【請求項３】
前記スタック基材が非金属繊維を含有する素材で構成されるものである請求項１に記載のスタック。
【請求項４】
前記蓄熱材が、スタック基材の表面に散在した状態で設けられるものである請求項１に記載のスタック。
【請求項５】
前記蓄熱材が、スタック基材を形成した後に、前記スタック基材の表面に付着させるように設けられたものである請求項１に記載のスタック。
【請求項６】
前記蓄熱材が、スタック基材の素材と混合させた状態でスタック基材と同時に形成されるものである請求項１に記載のスタック。
【請求項７】
表面に蓄熱材を付着させた非金属繊維によってスタック基材を形成した請求項１に記載のスタック。
【請求項８】
内部に流体を通すことが可能な複数の流通経路を有するスタック基材を備え、当該複数の流通経路内の流体を用いて音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行うスタックの製造方法において、
複数の流通経路を有するスタック基材を形成した後に、当該スタック基材と熱伝導率の異なる蓄熱材をスタック基材の表面に付着させるようにしたことを特徴とするスタックの製造方法。
【請求項９】
内部に流体を通すことが可能な複数の流通経路を有するスタック基材を備え、当該複数の流通経路内の流体を用いて音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行うスタックの製造方法において、
スタック基材を構成する素材と蓄熱材とを混合させる工程と、当該混合させた素材によって複数の流通経路を有するスタック基材を形成する工程とを備えたことを特徴とするスタックの製造方法。
【請求項１０】
内部に流体を通すことが可能な複数の流通経路を有するスタック基材を備え、当該複数の流通経路内の流体を用いて音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行うスタックの製造方法において、
第一の熱伝導率を有する繊維体の表面に第二の熱伝導率を有する蓄熱材を付着させる工程と、当該蓄熱材を付着させた繊維体を用いて前記複数の流通経路を有するスタック基材を形成する工程とを備えたことを特徴とするスタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響装置などに用いられるスタック及びその製造方法に関するものであり、より詳しくは、熱エネルギーと音エネルギーとの間でエネルギーの変換を行うスタック及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱音響装置は、従来より、音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行う装置として知られており、例えば、工場の廃熱や自動車の廃熱などを利用して冷却対象物を冷却できるようにしたものとして知られている。
【０００３】
この熱音響装置について、具体的に説明すると、熱音響装置は、図１３に示すように、ヘリウムやネオンなどの流体を封入したループ管２０と、このループ管２０の一方側に設けられ、高温側熱交換器４０と低温側熱交換器５０に挟まれた第一のスタック３０ａと、このループ管２０の他方側に設けられ、高温側熱交換器６０と低温側熱交換器７０に挟まれた第二のスタック３０ｂとを設けて構成される。ここで、高温側熱交換器４０は、外部から廃熱などを利用して加熱されるものであり、低温側熱交換器５０は、周囲に冷却液を循環させることによって高温側熱交換器４０よりも相対的に低温に設定される。また、このループ管２０の他方側に設けられる高温側熱交換器６０は、相対的にその下方側の低温側熱交換器７０よりも高い温度に設定されるものであり、その低温側熱交換器７０から汲み上げられた熱を吸収できるように、周囲に冷却液などを循環させるようにしたものである。また、第一のスタック３０ａや第二のスタック３０ｂは、ループ管２０の軸方向に複数の直線状、あるいは、蛇行した流通経路を有するもので、その流通経路を構成するスタック基材の表面で流体との間で熱交換を行うものである。
【０００４】
このような熱音響装置におけるエネルギー変換の原理について説明すると、まず、第一のスタック３０ａ側の高温側熱交換器４０に工場廃熱や自動車の廃熱などを入力し、また、低温側熱交換器５０の外周部分に水を循環させて冷却する。すると、高温側熱交換器４０と低温側熱交換器５０との間に温度勾配が形成され、この高温側熱交換器４０と低温側熱交換器５０に挟まれた第一のスタック３０ａ内の流体が揺らぎ始める。そして、しばらくすると、ループ管２０内に自励の音波が発生する。この自励の音波を出力する現象は、古くから「吉備津神社の鳴釜」の現象や、レイケ管における気柱共鳴の現象などとして知られている。このようにループ管２０内に自励の音波が発生すると、その音波は定在波及び進行波となってループ管２０に沿って伝搬し、ループ管２０の反対側に設けられた第二のスタック３０ｂ内に音エネルギーとして入力される。この音エネルギーが第二のスタック３０ｂの流通経路に入力されと、その流通経路内における流体が膨張や収縮を繰り返し、流体内に蓄えられた熱を第二のスタック３０ｂの壁面に放出する。そして、この熱を第二のスタック３０ｂの壁面に沿って音エネルギーの移送方向と逆方向に移送させ、その熱を低温側熱交換器７０から高温側熱交換器６０を移送させる。これによって、低温側熱交換器７０を冷却し、この低温側熱交換器７０から出力される熱によって外部の冷却対象物を冷却する。
【０００５】
また、近年では、このような熱音響装置に使用されるスタックに関して、エネルギー変換効率を向上させるようにしたものが種々提案されている。
【０００６】
例えば、下記の特許文献１には、セラミックス、燒結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きな素材で構成されるスタックあって、ループ管の軸方向に貫通した多孔を有するスタックや、微小の球状セラミックスなどを敷き詰めて蛇行した流通経路を形成したスタックなどが開示されている。
【０００７】
また、下記の特許文献２には、アルミニウム若しくはアルミニウム合金、セラミクッス等の伝熱体によって複数のプレートを形成し、これを積層させたスタックが開示されている。さらに、下記の特許文献３には、脱脂綿などのランダム繊維材料を所望の厚さ（例えば、０．５ｃｍ）まで圧縮させ、これによって蛇行した流通経路を形成して熱交換率を向上させるようにしたスタックが開示されている。
【０００８】
また、下記の特許文献４には、図１４（ａ）に示すように、熱伝導率の高い物質で構成された多孔板３２０や熱伝導率の低い樹脂製Ｏリング３２１を交互に積層したスタック３０ｃや、図１４（ｂ）に示すように、熱伝導率の高い多孔円板３２２と熱伝導率の低い多孔円板３２３を交互に積層したスタック３０ｄが提案されている。そして、このように熱伝導率の高い部材に挟まれた熱伝導率の低い部材によって、積層方向への熱伝導率を低下させて温度勾配を高めようとしている。
【０００９】
ところで、このようなスタックを用いて自励の音波を発生させる場合、スタックの両端間における温度勾配を大きくさせて迅速に音波を発生させる必要がり、また、音エネルギーを熱エネルギーに変換させる場合においても、流通経路におけるスタック基材の表面の間での効率よく熱交換を行わせる必要がある。このことは、図１４のスタックの構造において、積層方向の熱伝導率を低くし、かつ、流体との熱交換を行う非積層方向（積層方向と鉛直方向）の熱伝導率を高くしなければならないという熱伝導の異方性が要求されることを意味する。
【特許文献１】特開２００５−２７４１００号公報
【特許文献２】特開平０８−０１４６７９号公報
【特許文献３】特開２００５−２７４０９９号公報
【特許文献４】特開平１０−６８５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このように熱伝導性に異方性を持たせる場合、従来では、図１４に示すように、熱伝導率の低い部材と熱伝導率の高い部材を交互に積層しなければならなかったため、次に示すような問題を生じていた。
【００１１】
すなわち、流体と流通経路の表面との間で効率よく熱交換を行わせるためには、熱伝導率の高い積層材を厚くしなければならないが、熱伝導率の高い積層材を厚くすると積層方向の熱の伝導率が高くなってしまう。このため、温度勾配を大きくすることができず、迅速に音波を発生させることができなくなる。一方、積層方向への熱の輸送を低減させるためには、熱伝導率の低い積層材を厚くすればよいが、このようにすると、相対的に熱伝導率の高い積層材が薄くなってしまい、流体と流通経路の表面との間でうまく熱交換を行うことができなくなる。
【００１２】
そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行うスタックにおいて、両端間の温度勾配を高く維持するとともに、流通経路を形成するスタック基材との間で効率よく熱交換を行うことのできるスタックおよびその製造方法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】
【００１３】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、内部に流体を通すことが可能な複数の流通経路を有するスタック基材を備え、当該複数の流通経路内の流体を用いて音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行うスタックにおいて、前記スタック基材を第一の熱伝導率を有する素材で構成し、当該スタック基材の表面に前記第一の熱伝導率と異なる第二の熱伝導率を有する蓄熱材を表出させた状態で設けるようにしたものである。なお、ここで「表出」とは、スタック基材の表面に蓄熱材を露出させた状態をいい、散在した状態と全面に露出させた状態を含むものである。
【００１４】
そして、好ましくは、蓄熱材の第二の熱伝導率を、スタック基材の第一の熱伝導率よりも相対的に熱伝導率を高くしておく。
【００１５】
このようにすれば、スタック基材の熱伝導率を低くしておくことで、スタック基材の両端間における温度勾配を大きくすることができ、また、スタック基材表面の蓄熱材の熱伝導率を高くしておくことによって、流体との間で熱交換を効率よく行わせることができるようになる。
【００１６】
そして、好ましくは、スタック基材を非金属繊維を含有する素材で構成する。ここで、「非金属繊維」とは、ガラス繊維、セラミックス繊維などのように熱伝導率が蓄熱材を構成する金属よりも低い繊維を意味する。
【００１７】
このようにすれば、非金属繊維によって流通経路の表面を粗面状態とすることができ、表面積を大きく確保して効率よく流体との熱交換を行わせることができるようになる。
【００１８】
また、蓄熱材を流通経路の表面に散在した状態で設けるようにする。
【００１９】
このように構成すれば、蓄熱材が散在して設けられているため、各蓄熱材間の熱の受け渡しがなくなり、スタックの両端間における温度勾配を高く維持することができるようになる。
【００２０】
さらに、その蓄熱材をスタック基材の表面に設ける場合、スタック基材を形成した後に、その蓄熱材を流通経路の表面に付着させるようにする。
【００２１】
このようにすれば、既に世の中に流通しているスタックなどを用いて蓄熱材を付着させることができるため、市場に流通している安価なスタックなどを用いて、スタックを経済的に製造することができるようになる。
【００２２】
また、スタック基材の表面に蓄熱材を設ける場合、スタック基材の素材と蓄熱材とを混合させ、この混合させた素材を用いて、流通経路におけるスタック素材の表面に蓄熱材を露出させる。
【００２３】
このようにすれば、製造工程を著しく簡略化することができ、短時間に大量のスタックを製造することができるようになる。
【００２４】
また、蓄熱材をスタック基材の表面に露出させる場合、第一の熱伝導率を有する繊維体の表面に第二の熱伝導率を有する蓄熱材を形成し、この蓄熱材を有する繊維体でスタック基材を構成する。
【００２５】
このようにすれば、非常に細かい流通経路や蛇行した流通経路を形成する場合であっても、先に繊維体に熱伝導率の高い蓄熱材を形成してからスタック基材を形成するので、流通経路を後から塞いでしまうようなことがなくなり、確実に細かい流通経路を確保することができるようになる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、例えば、スタック基材よりも相対的に熱伝導率の高い蓄熱材をスタック基材の表面に設けるようにしたので、熱伝導率の低いスタック基材によって、両端間の温度勾配を高く維持することができ、また、スタック基材の表面に設けられた熱伝導率の高い蓄熱材によって流体との熱交換を効率よく行わせることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る熱音響装置１の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２８】
この実施の形態におけるスタック３（３ａ、３ｂ）は、ループ管２内で音エネルギーから熱エネルギーへ、もしくは、熱エネルギーから音エネルギーへ交換する熱音響装置１で使用されるものである。この熱音響装置１は、図１に示すように、全体として略長方形状をなすループ管２と、このループ管２の内部二カ所に設けられた第一の熱交換器３００と第二の熱交換器３１０とを備えて構成されるが、必ずしもループ管２内に取り付けられるだけでなく、直線状の管、あるいは、蛇行した管などに取り付けられてもよい。また、ここではループ管２を用いて説明するが、管の断面形状は円形である必要はなく、矩形状であってもよい。ここでは、円形断面を有するループ管２を用いて説明する。
【００２９】
このループ管２に設けられる第一の熱交換器３００は、図１において上から順に、第一高温側熱交換器４、第一のスタック３ａ、第一低温側熱交換器５をそれぞれ密着させて構成され、また、この第一の熱交換器３００から離れた位置に設けられる第二の熱交換器３１０も、上から順に、第二高温側熱交換器６、第二のスタック３ｂ、第二低温側熱交換器７とそれぞれを密着させて構成される。そして、第一の熱交換器３００における第一高温側熱交換器４を加熱するとともに第一低温側熱交換器５を冷却することによってそれぞれの間に温度勾配を生じさせ、第一の熱交換器３００から自励による音波を発生させる。そして、その音波をループ管２に沿って第二の熱交換器３１０側へ移送させ、第二の熱交換器３１０側で、その音エネルギーの移送方向と逆方向に熱エネルギーを汲み上げる。そして、第二低温側熱交換器７を冷却させることによって、外部の冷却対象物を冷却させるようにしたものである。
【００３０】
この熱音響装置１の具体的な構成について説明すると、熱音響装置１を構成するループ管２は、金属製のパイプ、透明なガラス、若しくは、樹脂などによって構成される。このとき、ループ管２を熱伝導率の低い素材で構成すると、第一の熱交換器３００側で加熱された熱が第二の熱交換器３１０側へ伝導されることがなくなり、第二の熱交換器３１０側における冷却効率を高めることができる。
【００３１】
そして、このループ管２の内部には、流体として、好ましくはヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスが封入され、内圧が０．０１ＭＰａ〜５ＭＰａに設定される。なお、これらの封入される流体は、窒素や空気などであっても良い。
【００３２】
次に、このループ管２の内部に設けられる第一の熱交換器３００と第二の熱交換器３１０の構成について説明する。第一高温側熱交換器４や第一低温側熱交換器５および第二高温側熱交換器６や第二低温側熱交換器７は、共に熱容量の大きな金属などで構成される。そして、その内側にループ管２の軸方向に貫通した微小径の流通経路３２を複数設けて音波を通過させられるようにする。これらの第一高温側熱交換器４及び第一低温側熱交換器５のうち、第一の熱交換器３００側の第一高温側熱交換器４は、第一のスタック３ａの上面と接するように取り付けられ、外部から供給される電力や工場の廃熱、自動車の廃熱などの未利用廃熱などを用いて、例えば、約２５０℃〜７５０℃などに加熱される。
【００３３】
一方、第一低温側熱交換器５は、第一のスタック３ａの下面に接するように取り付けられ、その外周部分に冷却剤を循環させる冷却循環器８などが取り付けられる。そして、第一高温側熱交換器４よりも低温に設定され、例えば、１５℃〜１６℃などの常温に設定される。なお、第一高温側熱交換器４や第一低温側熱交換器５の温度は、このような温度に限定されるものではなく、ループ管２内の流体の種類や圧力、内径や長さなど他の要素の状態によって最適な値に設定される。
【００３４】
次に、第二の熱交換器３１０側における第二高温側熱交換器６は、第二のスタック３ｂの上側に密接するように取り付けられ、後述する第二低温側熱交換器７よりも相対的に高温に設定される。この第二高温側熱交換器６の温度としては、例えば、１５℃〜１６℃などの室温程度に設定される。この第二高温側熱交換器６の温度を設定する場合、第一低温側熱交換器５の周囲に取り付けられた冷却循環器８を用いて第一低温側熱交換器５とほぼ同じ温度に設定する。
【００３５】
また、この第二の熱交換器３１０側に設けられる第二低温側熱交換器７は、第二のスタック３ｂによる熱の汲み上げによって冷却され、例えば、ループ管２内の流体の圧力や加熱状態などの状態によってマイナス３０度程度まで冷却される。そして、その冷却された熱を用いて外部の冷却対象物を冷却できるようにしている。
【００３６】
そして、上述のような構成において、本実施の形態では、第一のスタック３ａおよび第二のスタック３ｂとして、次に示す構成を用いる。なお、この実施の形態では、第一のスタック３ａと第二のスタック３ｂをまとめて「スタック３」として説明するが、それぞれ別の構成であってもよい。
【００３７】
まず、第一の実施の形態におけるスタック３およびその製造方法について説明する。図３から図４は、この第一の実施の形態におけるスタック３を示したものであって、図５は、そのスタック３における流通経路３２の断面図を示したものである。
【００３８】
この実施の形態におけるスタック３は、図２に示す押し出し機９によってスタック基材３１を押し出し成形し、その内側に設けられた複数の流通経路３２の表面に金属の蓄熱材３３を散在させて設けるようにしたものである。
【００３９】
ここで、スタック基材３１としては、比較的熱伝導率の低い素材として、例えば、非金属材料であるプラスチック樹脂やガラス、セラミックスなどが用いられ、あるいは、非金属繊維であるセラミックス繊維、ガラス繊維、プラスチック繊維、紙繊維などが用いられる。この非金属材料を使用する場合は、プラスチック樹脂などを単体で用いるようにしてもよく、あるいは、セラミックス繊維、ガラス繊維、プラスチック繊維、紙繊維などの非金属繊維を他の非金属材料に混合して使用するようにしてもよい。そして、スタック基材３１を押し出し成形する際は、図２のホッパー９１内にスタック基材３１の原料を投入し、シリンダ９２内のヒーター９４を用いて加熱する。そして、スクリュー９５で混合させた状態で吐出口９３に押し出していく。このシリンダ９２から吐出口９３には、スタック基材３１の流通経路３２を形成するための経路成形部品が設けられており、これによって内側に複数の直線状の流通経路３２を有するスタック基材３１が成形される。このスタック基材３１の流通経路３２を形成する場合、図３に示すように、正方形状をなす流通経路３２のほか、図４ａに示すようなハニカム状の流通経路３２、あるいは、図４ｂに示すような円形の流通経路３２、図４ｃに示すような三角形状の流通経路３２などを設ける。この流通経路３２を構成する場合は、可能な限り隣接する流通経路３２との肉厚を薄くし、しかも、流通経路３２の内径を小さくする。ここでは、例えば、５００〜７００セル／平方インチの密度で流通経路３２の孔が形成される。
【００４０】
そして、このようにスタック基材３１を成形した後に、今度はその流通経路３２におけるスタック基材３１の表面に蓄熱材３３を付着させる。
【００４１】
このスタック基材３１の流通経路３２は、非常に小さい孔で構成されているため、この実施の形態では、金属析出によるメッキ法を用いて蓄熱材３３を付着させる。このメッキ法によって蓄熱材３３を付着させる場合、スタック基材３１は電導性が低いために電気メッキよりも無電解メッキを用いるのが好ましい。無電解メッキでは、特に、Ｎｉ、Ｐをベースとしたものが良いが、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｐ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｐ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｐ、Ｎｉ−Ｗ−Ｐ、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｐなど三元系でもよい。さらに、これらを混合させた四元系、五元系でもよい。スタック基材３１をニッケルメッキ液処理する場合、還元反応促進による金属析出を行うため、室温よりも高い温度である方が好ましく、例えば、７０℃〜９５℃で１０分〜１００分程度放置する。そして、メッキ処理後に水洗いを行い、その後、乾燥させる。また、乾燥後に酸素不在下で３００℃〜６００℃の加熱処理を加えてもよい。この加熱処理によってＮｉの結晶性が促進され、また、Ｎｉ被膜が強度をもった状態でスタック基材３１の表面に付着される。このとき、図５ａに示すように、メッキ処理の時間によってスタック基材３１の表面に散在した状態で蓄熱材３３が付着され、もしくは、長時間付着させた場合は、図５ｂに示すように、スタック基材３１の表面全体に薄い状態で蓄熱材３３が付着される。蓄熱材３３が散在した状態で付着された場合は、蓄熱材３３の間での熱の受け渡しがなくなるため、スタック３の両端間での温度勾配が大きくなる。一方、スタック基材３１の表面全体に薄く蓄熱材３３を付着させた場合は、スタック３両端間での温度勾配が小さくなってしまうが、メッキを薄くすることによって温度勾配の低下をある程度抑制することができ、一方、メッキの表面積を大きくすることで流体との間で熱交換の効率性を向上させることができる。
【００４２】
次に、第二の実施の形態におけるスタック３およびその製造方法について説明する。
【００４３】
上記第一の実施の形態では、スタック基材３１を押し出し成形し、その後、流通経路３２におけるスタック基材３１の表面に蓄熱材３３を付着させるようにしたが、この第二の実施の形態では、スタック基材３１と蓄熱材３３を同時に形成するようにしている。
【００４４】
スタック基材３１と蓄熱材３３を同時に形成する場合、スタック基材３１の原料となる非金属材料に、蓄熱材３３として熱伝導率の高い粒子や繊維を混合させる。この熱伝導率の高い素材としては、例えば、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｚｎなどを使用し、また、これにＰ、Ｂ、Ｎなどを含むようにしてもよい。そして、押し出し成形する場合は、非金属材料にこのような金属製の粒子や繊維を混合させてホッパー９１に投入し、そして、同様にして、シリンダ９２内のヒーター９４で加熱し、スクリュー９５を用いて混合させながら吐出口９３に押し出していく。これによって、図２から図４に示すようなスタック３が成形される。このとき、非金属材料に混合された蓄熱材３３のうち一部の蓄熱材３３が、図６に示すように、スタック基材３１の表面から露出した状態で現れ、この露出した蓄熱材３３と流体との間で熱交換を行う。図６においては、３３ａがスタック基材３１から露出した蓄熱材を示しており、３３ｂがスタック基材３１に埋め込まれた蓄熱材を示している。このように非金属材料と蓄熱材３３とを混合させた状態で同時にスタック３を形成すれば、製造工程を著しく短縮化させることができるというメリットがある。
【００４５】
次に、第三の実施の形態におけるスタック３およびその製造方法について説明する。
【００４６】
この第三の実施の形態におけるスタック３は、図７に示すように、非金属繊維３６を含有させた波状シート３５を形成し、これと平面状シート３４とを交互に積層することによって複数の流通経路３２を有するスタック基材３１を形成するようにしたものである。
【００４７】
この第三の実施の形態におけるスタック３について詳述すると、波状シート３５や平面状シート３４は、非金属繊維である植物性繊維やガラス繊維などに水を混合させ、脱水や乾燥の工程を経て各非金属繊維３６を絡み合わせたもので、その表面に非金属繊維３６が表出した状態で形成させる。そして、このスタック基材３１を構成する際には、図７に示すように、まず、平面状に構成されたシートを図示しない波状の型に押圧して波状シート３５を形成し、この波状シート３５と平面状シート３４を交互に積層および接着させる。そして、２枚のシートを積層した後、そのシートの端部から巻き取っていき、図８に示すような内部に直線状の流通経路３２を有する円形のスタック基材３１を構成する。
【００４８】
そして、このように構成されたスタック基材３１に蓄熱材３３を付着させる場合、第一の実施の形態と同様に、金属析出によるメッキ法によって蓄熱材３３を付着させ、析出時間によって蓄熱材３３を散在させた状態、あるいは、全体的に薄く付着させた状態にする。
【００４９】
また、上述のようにスタック基材３１を形成してから蓄熱材３３を付着させるのではなく、スタック基材３１のシートを形成する段階で蓄熱材３３を付着させるようにしてもよい。
【００５０】
このような方法のうち、第一の方法として、シートを形成する前の非金属繊維３６の状態で、その非金属繊維３６の表面全体（図９）に蓄熱材３３である金属膜を形成する。そして、この表面に金属膜を有する非金属繊維３６を絡み合わせて蓄熱材３３を形成する。このとき、非金属繊維３６は、スタック基材３１の素材と同じ素材のものが用いられる。
【００５１】
また、第二の方法としては、同様にシートを構成する前の非金属繊維３６の状態で、その非金属繊維３６の表面に部分的に蓄熱材３３となる金属膜を形成する（図１０）。この部分的な蓄熱材３３の付着方法としては、第一の実施の形態と同様に、金属析出によるメッキ法を用いることができる。そして、このように部分的に蓄熱材３３を付着させた非金属繊維３６を絡み合わせてスタック基材３１を形成する。このようにすれば、非金属繊維３６によって流通経路３２内における流体と壁面との接触面積を大きく確保して効率よく熱交換を行わせることができ、また、非金属繊維３６の段階で蓄熱材３３を付着させるので、スタック３の製造工程を著しく簡略化させることができるようになる。
【００５２】
次に、このように構成されたスタック３を用いた第一の熱交換器３００の作用について図１１に説明する。
【００５３】
まず、第一の熱交換器３００におけるスタック３の作用について説明すると、第一の熱交換器３００の第一高温側熱交換器４を加熱し、また、第一低温側熱交換器５を冷却すると、第一高温側熱交換器４と第一低温側熱交換器５との間に温度勾配が形成される。このとき、スタック基材３１が相対的に熱伝導率の低い素材で構成されているため、温度勾配を大きくすることができる。そして、この温度勾配によって、第一のスタック３ａの流通経路３２内における流体が、圧縮→加熱→膨張→冷却のサイクルを受け、スタック基材３１の表面に付着された蓄熱材３３との間で熱交換を行いながら往復運動を繰り返す。このとき、熱伝導率の高い蓄熱材３３との間で大きな熱交換が行われ、その熱が蓄熱材３３内に蓄えられる。もちろん、蓄熱材３３以外のスタック基材３１の表面との間でも熱交換が行われるが、相対的に熱伝導率の高い蓄熱材３３との間で大きな熱交換が行われる。そして、この圧縮→加熱→膨張→冷却のサイクルを受けた流体は、自励の音波を発生させ、一定時間後、ループ管２内で安定した状態の定在波および進行波を発生させる。
【００５４】
この発生した定在波および進行波は、定在波及び進行波による音エネルギーとして、第二の熱交換器３１０側へ移送される。
【００５５】
音エネルギーを受け取った第二の熱交換器３１０では、定在波及び進行波に基づいて、第二のスタック３ｂ内の流体を膨張・圧縮させる。この第二のスタック３ｂの流通経路３２内において流体は、図１２に示すように、第一のスタック３ａにおけるサイクルとは逆の工程で、圧縮→冷却→膨張→加熱のサイクルを繰り返す。このとき、流通経路３２内におけるスタック基材３１の表面に蓄熱材３３が付着されているため、流体と大きな熱交換を行うことができる。このとき、熱交換された熱エネルギーを音エネルギーの移送方向と逆方向、すなわち、第二低温側熱交換器７から第二高温側熱交換器６側へ移送され、第二高温側熱交換器６側に高い熱を、また、第二低温側熱交換器７側に低い熱を蓄積させる。この第二高温側熱交換器６側へ移送された高温の熱は、周囲に設けられた冷却循環器８によって熱が奪われるため、徐々に熱が第二高温側熱交換器６に移送されて、第二低温側熱交換器７が冷却されていく。これにより、第二低温側熱交換器７の冷熱を取り出して冷却対象物を冷却することができる。
【００５６】
このように、上記実施の形態によれば、内部に流体を通すことが可能な複数の流通経路３２を有するスタック基材３１を備え、当該複数の流通経路３２内で音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行うスタック３において、スタック基材３１を相対的に低い熱伝導率を有する素材で構成し、そのスタック基材３１の表面にスタック基材３１よりも熱伝導率の高い蓄熱材３３を表出させた状態で設けるようにしたので、スタック基材３１の両端間における温度勾配を大きくすることができ、また、スタック基材３１表面の蓄熱材３３の熱伝導率を高くしておくことができる。これにより、流通経路３２内の流体との間で熱交換を効率よく行わせることができるようになり、第一の熱交換器３００側では迅速に自励の音波を発生させることができ、また、第二の熱交換器３１０側では、効率よく音エネルギーから熱エネルギーに変換させ、その熱エネルギーの移動によって第二低温側熱交換器７を冷却させることができるようになる。
【００５７】
また、第三の実施の形態では、スタック基材３１を非金属繊維３６を含有する素材で構成するようにしたので、流通経路３２の表面を粗面状態とすることができ、表面積を大きく確保して効率よく流体との熱交換を行わせることができるようになる。
【００５８】
また、このような蓄熱材３３を流通経路３２の表面に散在して設けるようにしたので、蓄熱材３３間の熱の受け渡しがなくなり、スタック３の両端間における温度勾配を高く維持することができるようになる。
【００５９】
さらに、第一の実施の形態では、スタック基材３１を形成した後に、その蓄熱材３３を流通経路３２の表面に付着させるようにしたので、既に世の中に流通している多孔を有するスタック基材３１を用いて蓄熱材３３を付着させることができ、安価なスタック基材３１を入手することによって、経済的にスタック３を形成することができるようになる。
【００６０】
また、蓄熱材３３をスタック基材３１の表面に露出させる場合、相対的に熱伝導率の低い非金属繊維３６の表面に相対的に熱伝導率の高い蓄熱材３３を付着させ、この蓄熱材３３を付着させた非金属繊維３６でスタック基材３１を構成するようにしたので、非常に細かい流通経路３２や蛇行した流通経路３２を形成する場合であっても、すでに非金属繊維３６に蓄熱材３３を付着させてからスタック基材３１を形成するので、後から流通経路３２を塞いでしまうようなことがなくなり、確実に細かい流通経路３２を形成することができるようになる。
【００６１】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００６２】
例えば、上記実施の形態では、スタック基材３１に直線状の流通経路３２を設けるようにしたが、例えば、長い非金属繊維を絡み合わせた素材を圧縮させることで複雑な流通経路３２を設けるようにしてもよい。
【００６３】
また、上記実施の形態では、第一のスタック３ａと第二のスタック３ｂを同一の構成を有するものとして説明したが、それぞれ別の構成を有するものを使用することができる。
【００６４】
さらに、上記実施の形態では、第一の熱交換器３００側で加熱し、第二の熱交換器３１０側で冷熱を出力するようにしたが、これを逆にすることもできる。すなわち、第一の熱交換器３００側の第一低温側熱交換器５に冷熱を入力し、この冷熱によって第一の熱交換器３００に温度勾配を生じさせて自励の音波を発生させる。そして、その音波を第二の熱交換器３１０側へ入力させて温度勾配を生じさせ、高い熱を出力させるようにしてもよい。また、このように高温入力・低温出力、低温入力・高温出力だけでなく、高温入力・高温出力、低温入力・低温出力などの方法で使用するようにしてもよい。このような高温入力・高温出力、低温入力・低温出力を行うケースとしては、例えば、高い熱や低い熱を遠方へ移送して使用するようなケースが考えられる。
【００６５】
また、上記実施の形態では、ループ管２内にスタック３を設ける場合について説明したが、ループ管２内に設けられる必要はなく、開放空間で音波が集まるような場所に設けるようにしてもよい。
【００６６】
また、上記実施の形態では、スタック基材３１に散在した状態、あるいは、全面に蓄熱材３３を付着させるようにしたが、帯状に蓄熱材３３を付着させるようにしてもよい。
【００６７】
また、上記実施の形態では、スタック３を形成する際、押し出し成形や繊維状シートによる積層によってスタック３を形成するようにしたが、このような方法に限らず、細い流通経路を有する単管を複数用意し、これを並列に集合させることによってスタック３を形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施の形態における熱音響装置の概要を示す図
【図２】第一の実施の形態で使用させる押し出し機の概要を示す図
【図３】第一の実施の形態におけるスタックの構成を示す図
【図４】第一の実施の形態におけるスタックの他の流通経路を示す図
【図５】第一の実施の形態におけるスタックの断面構成を示す図
【図６】第一の実施の形態におけるスタックの断面を示す図
【図７】第二の実施の形態における蓄熱材と同時成形されたスタック基材の断面を示す図
【図８】図７の積層されたシートを巻き取って構成されたスタックを示す図
【図９】第二の実施の形態におけるシートの非金属繊維全体に蓄熱材と付着させた図
【図１０】第二の実施の形態におけるシートの非金属繊維に部分的に蓄熱材を付着させた図
【図１１】同形態におけるスタック内の流体の状態を示す図
【図１２】同形態におけるスタック内の流体の状態を示す図
【図１３】従来の熱音響装置の外観を示す図
【図１４】従来の熱音響装置のスタックの構成を示す図
【符号の説明】
【００６９】
１・・・熱音響装置
２・・・ループ管
３（３ａ、３ｂ）・・・スタック
４・・・第一高温側熱交換器
５・・・第一低温側熱交換器
６・・・第二高温側熱交換器
７・・・第二低温側熱交換器
８・・・冷却循環器
３１・・・スタック基材
３２・・・流通経路
３３・・・蓄熱材
３４・・・平面状シート
３５・・・波状シート
３６・・・繊維
３００・・・第一の熱交換器
３１０・・・第二の熱交換器
９・・・押し出し機
９１・・・ホッパー
９２・・・シリンダ
９３・・・吐出口
９４・・・ヒーター
９５・・・スクリュー
【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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