(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える、入力と出力との間に設けられる熱音響デバイスであって、
前記蓄熱器の流路に液体が供給されることによって前記蓄熱器の前記冷却器側では気体の凝縮が起き、前記蓄熱器の前記加熱器側では液体の蒸発が起きることにより体積膨張が生じることで前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする熱音響デバイス。
【請求項２】
作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える、入力と出力との間に設けられる熱音響デバイスであって、
前記導波管に、前記蓄熱器の流路に供給される液体を備え、前記蓄熱器の流路に液体が供給されることによって前記蓄熱器の前記冷却器側では気体の凝縮が起き、前記蓄熱器の前記加熱器側では液体の蒸発が起きることにより体積膨張が生じることで前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする熱音響デバイス。
【請求項３】
作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える、入力と出力との間に設けられる熱音響デバイスであって、
前記蓄熱器の流路に、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に液体が供給されることによって前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする熱音響デバイス。
【請求項４】
前記蓄熱器は、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に液体が供給されることを特徴とする請求項１に記載の熱音響デバイス。
【請求項５】
前記蓄熱器は、前記蓄熱器の流路方向に対して平行方向に液体が供給されることを特徴とする請求項１に記載の熱音響デバイス。
【請求項６】
前記蓄熱器は、前記作動気体を流通させる多数の孔を設けた板を微小な隙間を設けて積層した構造体であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の熱音響デバイス。
【請求項７】
前記蓄熱器は、前記作動気体を流通させる多数の流路を設けたハニカム構造体であって、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に多数の孔を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の熱音響デバイス。
【請求項８】
前記原動機の一端に、前記作動気体の音響パワーを増幅させるための入力音波を入力する入力部と、
前記原動機の他端から、増幅された増幅音波が出力される出力部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の熱音響デバイス。
【請求項９】
前記入力部は、前記入力音波を発生させる原動機ループであり、
前記出力部は、前記増幅音波に応動して発電を行う発電機であることを特徴とする請求項８に記載の熱音響デバイス。
【請求項１０】
前記入力部は、前記入力音波を発生させる原動機ループであり、
前記出力部は、前記増幅音波に応動して冷却を行う冷却ループ又は昇温を行う昇温ループであることを特徴とする請求項８に記載の熱音響デバイス。
【請求項１１】
前記蓄熱器の流路に液体を供給する液体供給器をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の熱音響デバイス。
【請求項１２】
作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備え、前記作動気体の音響パワーを増幅させる原動機を備える、入力と出力との間に設けられる熱音響デバイスの駆動方法であって、
前記蓄熱器の一端部を加熱すると共に前記蓄熱器の他端部を冷却する工程と、
前記蓄熱器の流路に液体を供給して前記蓄熱器の流路を濡らすことで前記蓄熱器の前記冷却器側では気体の凝縮が起き、前記蓄熱器の前記加熱器側では液体の蒸発が起きることにより体積膨張を生じさせる工程と、を含むことを特徴とする熱音響デバイスの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、作動気体の音響パワーを増幅させる熱音響デバイス及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化やエネルギ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排熱や、太陽光エネルギ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（例えば、非特許文献１，２参照）。
【０００３】
現在、熱音響機関は、熱回収や次世代エネルギ利用の観点から多くの企業で研究が行われている。しかしながら、２１世紀に入り本格的な研究が始められた新しい分野であるために、未だ基盤技術が確立されていない現状がある。
【０００４】
ここで、熱音響機関においては、熱回収や次世代エネルギ利用の観点から、発振温度を下げる研究がされている。例えば、流路の管壁が濡れている蓄熱器に関する伝搬方程式が導出されている（例えば、非特許文献３参照）。これにより、流路の濡れた蓄熱器を用いた熱音響機関では、乾いた蓄熱器を用いた場合に比べ、発振温度が低下すると推定し、発振温度の低下について、実験的検証が行われている（例えば、非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S.Backhaus,E.Tward and M.Petach,Appl.Phys.Lett.,Vol.85,No.6,pp.1085-1087(2004)
【非特許文献２】M.Miwa,T.Sumi,T.Biwa,Y.Ueda and T.Yazaki,Ultrasonics,44,e1527-e1529(2006)
【非特許文献３】R. Raspet, etal , “The effect of evaporation-condensation on sound propagation in cylindrical tube using the low reduced frequency approximation”,J.Acoust Soc. Am. 105(1) ,(1999),65-73
【非特許文献４】Ueda etal, “Thermoacoustic oscillator powrred by vaporized wate and etanol”American Journal of Physics,Sumer Meeting July 25-29 College Park,MD, 2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、熱音響機関においては、音響パワーの増幅率を向上させる技術の開発が望まれている。ここで、音響パワー増幅率は、入力される音波のエネルギ、すなわち入力音響パワー、及び、出力される音波のエネルギ、すなわち出力音響パワーにおいて、「出力音響パワー」÷「入力音響パワー」（出力音響パワー／入力音響パワー）で表現される。しかしながら、非特許文献４の実験的検証では、発振温度を下げることについての検証を行ったものに過ぎず、熱音響機関の音響パワーの増幅については考慮されていない。そして、これまで、蓄熱器を濡らすことで音響パワー増幅率が大きくなることを推定し、具体的な実験的検証を行ったものはなかった。
【０００７】
そこで、本願発明は、音響パワーの増幅率を向上させる熱音響デバイス及びその駆動方法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】
本願発明者らは、鋭意検討した結果、蓄熱器を濡らすことで音響パワー増幅率が大きくなることを推定した。そして、これまで成されなかった具体的な実験的検証を行い、熱音響機関での音響パワーの増幅率を向上させる技術の開発を成すに至った。
【０００９】
すなわち、本願発明に係る熱音響デバイスは、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える、入力と出力との間に設けられる熱音響デバイスであって、前記蓄熱器の流路に液体が供給されることによって前記蓄熱器の前記冷却器側では気体の凝縮が起き、前記蓄熱器の前記加熱器側では液体の蒸発が起きることにより体積膨張が生じることで前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によれば、熱音響デバイスは、蓄熱器の流路に液体が供給されて流路管壁が液体で濡らされることで、音響パワーの増幅率が向上する。
【００１１】
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える、入力と出力との間に設けられる熱音響デバイスであって、前記導波管に、前記蓄熱器の流路に供給される液体を備え、前記蓄熱器の流路に液体が供給されることによって前記蓄熱器の前記冷却器側では気体の凝縮が起き、前記蓄熱器の前記加熱器側では液体の蒸発が起きることにより体積膨張が生じることで前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする。
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備えた原動機を備える、入力と出力との間に設けられる熱音響デバイスであって、前記蓄熱器の流路に、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に液体が供給されることによって前記作動気体の音響パワーを増幅させることを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、熱音響デバイスは、蓄熱器の流路に液体が供給されて流路管壁が液体で濡らされることで、音響パワーの増幅率が向上する。
【００１３】
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器が、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に液体が供給されるものであってもよい。
かかる構成によれば、蓄熱器の流路方向に対して垂直方向から、液体が供給される。
【００１４】
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器が、前記蓄熱器の流路方向に対して平行方向に液体が供給されるものであってもよい。
かかる構成によれば、蓄熱器の流路方向に対して平行方向から、液体が供給される。
【００１５】
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器が、前記作動気体を流通させる多数の孔を設けた板を微小な隙間を設けて積層した構造体であってもよい。
かかる構成によれば、蓄熱器の流路方向に対して垂直方向から、微小な隙間を介して液体を供給することができる。
【００１６】
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器が、前記作動気体を流通させる多数の流路を設けたハニカム構造体であって、前記蓄熱器の流路方向に対して垂直方向に多数の孔を有するものであってもよい。
かかる構成によれば、蓄熱器の流路方向に対して垂直方向から、孔を介して液体を供給することができる。
【００１７】
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記原動機の一端に、前記作動気体の音響パワーを増幅させるための入力音波を入力する入力部と、前記原動機の他端から、増幅された増幅音波が出力される出力部と、をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
かかる構成によれば、入力部により音波が入力され、作動気体の増幅された音響パワーが出力部から出力されるので、出力部に音響パワーを用いる装置を備えることで、当該装置を増幅された音響パワーで駆動することができる。
【００１９】
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記入力部が、前記入力音波を発生させる原動機ループであり、前記出力部が、前記増幅音波に応動して発電を行う発電機であることが好ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、作動気体の増幅された音響パワーが発電機で電力に変換されるので、熱音響発電機として、増幅された音響パワーで駆動することができる。
【００２１】
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記入力部が、前記入力音波を発生させる原動機ループであり、前記出力部が、前記増幅音波に応動して冷却を行う冷却ループ又は昇温を行う昇温ループであることが好ましい。
【００２２】
かかる構成によれば、作動気体の増幅された音響パワーが、冷却ループ又は昇温ループで熱流に変換される。従って、熱音響デバイスは、熱音響冷却機又は熱音響加熱機として、増幅された音響パワーで駆動することができる。
また、本願発明に係る熱音響デバイスは、前記蓄熱器の流路に液体を供給する液体供給器をさらに備えるものであってもよい。
かかる構成によれば、熱音響デバイスは、液体供給器により蓄熱器の流路に液体が供給されて流路管壁が液体で濡らされることで、音響パワーの増幅率が向上する。
【００２３】
本願発明に係る熱音響デバイスの駆動方法は、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に配置され、前記蓄熱器の一端部を加熱する加熱器と、前記蓄熱器の他端側に配置され、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記加熱器及び前記冷却器にそれぞれ接続し、前記作動気体が満たされる導波管とを備え、前記作動気体の音響パワーを増幅させる原動機を備える、入力と出力との間に設けられる熱音響デバイスの駆動方法であって、前記蓄熱器の一端部を加熱すると共に前記蓄熱器の他端部を冷却する工程と、前記蓄熱器の流路に液体を供給して前記蓄熱器の流路を濡らすことで前記蓄熱器の前記冷却器側では気体の凝縮が起き、前記蓄熱器の前記加熱器側では液体の蒸発が起きることにより体積膨張を生じさせる工程と、を含むことを特徴とする。
【００２４】
かかる手順によれば、熱音響デバイスは、蓄熱器の流路が濡れているため、音響パワーの増幅率が向上する。
【発明の効果】
【００２５】
本願発明によれば、音響パワーの増幅率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本願発明の第１実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。
【図２】図１の熱音響機関にバッファータンクを設けた構成を示す模式図である。
【図３】蓄熱器の一部の構造を示す模式図である。
【図４】蓄熱器の構造を示す模式図である。
【図５】蓄熱器の構造を示す模式図である。
【図６】蓄熱器の構造を示す模式図である。
【図７】蓄熱器の構造を示す模式図である。
【図８】蓄熱器の構造を示す模式図である。
【図９】蓄熱器の構造を示す模式図である。
【図１０】図１の熱音響機関の駆動方法を示すフローチャートである。
【図１１】本願発明の第２実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。
【図１２】本願発明の第３実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。
【図１３】本願発明の変形例の実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。
【図１４】本願発明の実施例に用いた装置の構成を示す模式図である。
【図１５】図１４の装置内の温度分布を示すグラフである。
【図１６】本願発明の実施例のシミュレーション結果であって、流路が乾いた蓄熱器における、周波数と音響パワー増幅率との関係を示すグラフである。
【図１７】本願発明の実施例のシミュレーション結果であって、流路が濡れた蓄熱器における、周波数と音響パワー増幅率との関係を示すグラフである。
【図１８】本願発明の実施例の実験結果であって、流路が濡れた蓄熱器と流路が乾いた蓄熱器における、加熱器の温度と音響パワー増幅率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本願発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下に示す形態は、本実施形態の技術思想を具現化するための熱音響機関を例示するものであって、以下に限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本願発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示に過ぎない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。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。
【００２８】
（第１実施形態）
＜熱音響機関の構成＞
図１を参照し、本願発明の第１実施形態に係る熱音響機関１の構成について説明する。
図１に示すように、熱音響機関１は、原動機１０を備えるストレート型熱音響機関である。また、熱音響機関１は、液体供給器１５を備える。
【００２９】
[原動機]
原動機１０は、蓄熱器１２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ものであり、２本の導波管１１（１１ａ，１１ｂ）と、蓄熱器１２と、加熱器１３と、冷却器１４とを備える。つまり、原動機１０は、導波管１１ａ，１１ｂと、蓄熱器１２と、加熱器１３と、冷却器１４とを１つのユニットとして扱ったものである。ここで、原動機１０は、蓄熱器１２の両端を挟むように、加熱器１３が蓄熱器１２の一端側に配置され、冷却器１４がその反対側、すなわち蓄熱器１２の他端側に配置されている。
図１では、外部から原動機１０に入力される音波を音波入力と図示し、熱音響機関１が増幅して出力する音波を音波出力と図示した。
【００３０】
[導波管]
導波管１１は、作動気体が満たされる直線状の円筒管である。ここで、導波管１１ａが冷却器１４に接続され、導波管１１ｂが加熱器１３に接続されている。
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。
【００３１】
ここでは、作動気体として大気圧空気を用いる場合は、原動機１０の導波管１１ｂの他端を開口していてもよい。また、図２に示すように、導波管１１ｂの他端には、作動気体を封入するバッファータンク１６を設けてもよい。すなわち、バッファータンク１６を設ける場合は、作動気体は導波管１１内にも封入されて満たされるものであり、導波管１１ｂの他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。
また、導波管１１ａの一端には、音響ドライバを設けてもよい（図１４参照）。
なお、図２以降、図面を見易くするため、一部符号を省略した。
【００３２】
[蓄熱器]
蓄熱器１２は、導波管１１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１２は、加熱器１３及び冷却器１４によって蓄熱器１２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１２は、その一端部（以下、適宜、高温部１２ｂと称する）と、その他端部（以下、適宜、常温部１２ａと称する）との間に生じる温度勾配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。
【００３３】
以下、蓄熱器１２の構造について、図３〜９を参照して具体的に説明する。
（蓄熱器の構造）
蓄熱器１２としては、図３、４に示すように、作動気体を流通させる多数の孔（流路）１０２を設けた板１０１を微小な隙間を設けて積層した構造体の蓄熱器１２１が挙げられる。具体的には、蓄熱器１２１は、例えば、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。なお、図４では、便宜上、板１０１と板１０１とが密着している状態に見えるが、実際は、微小な隙間が形成されている。
このような積層構造体の蓄熱器１２１では、板１０１と板１０１との間に微小な隙間があるため、蓄熱器１２１の流路方向に対して垂直方向から、この隙間を介して液体を供給することができる（図７参照）。
なお、「蓄熱器１２１の流路方向に対して垂直方向」とは、例えば、蓄熱器１２１の流路方向に対して縦方向（図１の紙面上、上下方向（鉛直方向））の他、この上下方向に直交する方向（前後の方向）を含むものである。
【００３４】
また、板１０１と板１０１との間隔は、所望により適宜調整すればよい。すなわち、蓄熱器１２１の流路方向に対して垂直方向から液体を供給する場合、板１０１と板１０１との間隔は特に規定されるものではなく、蓄熱器１２１としての機能を損なわず、かつ流路１０２に液体を供給できる間隔であればよい。一例としては、板１０１の厚さが５０〜１００μｍであり、間隔は１〜１０μｍである。
ただし、積層構造体の蓄熱器１２１は、液体の供給方法に応じて板１０１と板１０１との隙間から液体を供給する必要がない場合には、隙間を設ける必要はなく、板１０１と板１０１とを密着させたものであってもよい。
【００３５】
また、蓄熱器１２としては、図５に示すように、作動気体を流通させる多数の流路１０２を設けたハニカム構造体の蓄熱器１２２が挙げられる。具体的には、蓄熱器１２２は、例えば、導波管１１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とすることができる。なお、ここでのハニカム構造体とは、流路１０２における、流路方向に対して垂直方向の断面形状が六角形に限定されるものではない。本実施形態では、流路１０２の断面形状を四角形として図示している。
【００３６】
さらには、図６に示すように、ハニカム構造体の蓄熱器１２において、蓄熱器１２の流路方向に対して垂直方向に多数の孔１０３を有する構造の蓄熱器１２３としてもよい。
このような構成とすることで、蓄熱器１２３の流路方向に対して垂直方向（縦方向）から、垂直方向の多数の孔１０３を通して液体を供給することができる（図７参照）。なお、図６は、蓄熱器１２３の孔１０３の状態を分かり易く図示したものであり、実際は、流路の全てに液体が供給されるように、孔１０３の大きさや数を適宜調整すればよい。
また、図６では、蓄熱器１２３の流路方向に対して縦方向に孔１０３を設けた構造としているが、流路方向に対して横方向から液体を供給する場合には、流路方向に対して横方向に孔１０３を設けた構造としてもよい。
【００３７】
その他、蓄熱器１２としては、金属繊維よりなる不織布状物を用いることも可能である。
【００３８】
[加熱器]
加熱器（高温熱交換器）１３は、蓄熱器１２の一端側に隣接して導波管１１の管路に設けられ、蓄熱器１２の一端部（高温部１２ｂ）を加熱するものである。すなわち、加熱器１３は、外部熱を用いて蓄熱器１２の一端を加熱する熱入力部として機能する。加熱器１３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１３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１３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１３ａ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１２と加熱器１３の間に環状部材１３ａの左壁が示されているが、加熱器１３は、この左壁を通して蓄熱器１２の一端側と隣接、すなわち密着している。ただし、図９に示すように、加熱器１３は、蓄熱器１２とわずかに離間させて設けてもよく、蓄熱器１２と加熱器１３との間に間隙を形成させてもよい。
【００３９】
[冷却器]
冷却器１４は、蓄熱器１２の他端側に隣接して導波管１１の管路に設けられ、蓄熱器１２の他端部（常温部１２ａ）の熱を外部に放出するものである。すなわち、冷却器１４は、冷却水や空気等を用いて蓄熱器１２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１４は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。冷却器１４としては、基本的には加熱器１３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１４は、その周囲に冷却ブラケット１４ａが配設されている。この冷却ブラケット１４ａ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１４は冷却ブラケット１４ａ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１２と冷却器１４の間に冷却ブラケット１４ａの右壁が示されているが、冷却器１４は、この右壁を通して蓄熱器１２の他端側と隣接、すなわち密着している。ただし、図９に示すように、冷却器１４は、蓄熱器１２とわずかに離間させて設けてもよく、蓄熱器１２と冷却器１４との間に間隙を形成させてもよい。
【００４０】
[液体供給器]
液体供給器１５は、蓄熱器１２の流路を濡らす装置であり、蓄熱器１２の流路に供給するための液体が備えられている。液体としては、例えば、水やアルコールを使用することができる。その他、冷媒に用いる液体を使用することができる。具体的には、例えば、メタン系化合物（Ｒ５０（メタン））、エタン系化合物（Ｒ１７０（エタン））、プロパン系化合物（Ｒ２９０（プロパン））、環式化合物（Ｃ３１８）、非共沸混合物（Ｒ４４１Ａ、Ｒ４４３Ａ）、共沸混合物（Ｒ５００、Ｒ５０１）、有機化合物（Ｒ６００（ブタン）、Ｒ６０１（ペンタン）、非有機化合物（Ｒ７０２（水素）、Ｒ７０４（ヘリウム）、Ｒ７１７（アンモニア）、Ｒ７４４（二酸化炭素））、不飽和有機化合物等が挙げられる。液体としては、簡便さや経済性の観点から、水を用いることが好ましい。
【００４１】
液体供給器１５としては、蓄熱器１２の流路に液体を供給することができればその構成等は特に限定されるものではなく、どのような装置でもよい。
例えば、図７に示すように、液体１２０の入ったタンク１０６を蓄熱器１２の周囲を覆うように設けることができる。なお、図７は、構成を分かり易くするため、タンク１０６は蓄熱器１２の上下のみに図示している。具体的には、液体供給器１５１は、蓄熱器１２の外周に沿うように中央部が空洞の円状（ドーナツ状）に形成したタンク１０６を蓄熱器１２の外周に配置する。すなわち、供給管１０７の供給口が蓄熱器１２の流路方向に対して垂直方向に位置するように、液体供給器１５１を配置する。
そして、供給管１０７を通して蓄熱器１２の流路に液体１２０を供給する。液体の供給方法は、例えば、タンク１０６を回転させることで、蓄熱器１２の上方から液体を流出させる方法や、圧力機構を備えることで、液体を噴出させる方法等が挙げられる。
【００４２】
液体の供給の際、図４に示す、板１０１と板１０１との間に隙間を設けた積層構造体の蓄熱器１２１の場合には、板１０１と板１０１との間に設けた隙間から、液体１２０を供給することができる。
また、図６に示す、蓄熱器１２の流路方向に対して垂直方向に多数の孔１０３を設けたハニカム構造体の蓄熱器１２３の場合には、垂直方向に設けた孔１０３から、液体１２０を供給することができる。
このような構成とすることで、蓄熱器１２の流路方向に対して垂直方向から液体１２０を供給することができる。
なお、ここでは、タンク１０６を蓄熱器１２の周囲を覆うように設ける構成としたが、蓄熱器１２の外周の一部にタンクを設けた構成としてもよい。例えば、蓄熱器１２の上方のみにタンクを備える構成としてもよい。
【００４３】
また、例えば、図８に示すように、液体供給器１５は、インジェクション機構１０８を備え、液体の噴射口（供給口）１０９を加熱器１３の外側及び冷却器１４の外側に配置することができる。
具体的には、液体供給器１５２は、液体１２０の入ったタンク１０６に、液体を噴出するためのインジェクション機構１０８が接続されている。そして、このインジェクション機構１０８は、導波管１１ａ，１１ｂを貫通して、噴射口１０９が蓄熱器１２の流路に対向するように配置されている。すなわち、噴射口１０９が蓄熱器１２の流路方向に対して平行方向に位置するように、液体供給器１５２を配置する。この形態では、液体１２０は、加熱器１３及び冷却器１４を経由して、蓄熱器１２の流路に供給される。液体１２０の供給方法は、例えば、圧力機構を備えることで、液体を噴射口１０９から噴出させる方法等が挙げられる。
【００４４】
また、図９に示すように、蓄熱器１２と加熱器１３との間、及び、蓄熱器１２と冷却器１４との間に隙間を設け、この隙間にインジェクション機構１０８を挿入し、液体１２０の噴射口１０９を蓄熱器１２の両側に配置してもよい。なお、この隙間は、原動機１０の機能を損なわない範囲であればよく、熱音響機関１の構成等に合わせて適宜調整すればよい。
これらのような構成とすることで、蓄熱器１２の流路方向に対して平行方向から液体１２０を供給することができる。
【００４５】
なお、図８では、液体１２０の噴射口１０９を加熱器１３の外側及び冷却器１４の外側に配置し、図９では、液体１２０の噴射口１０９を蓄熱器１２の両側に配置したが、液体１２０の噴射口１０９は、いずれか一方の側にのみ配置する構成としてもよい。
【００４６】
また、蓄熱器１２の流路に液体を供給する手段としては、特に限定されるものではなく、例えば、水道の蛇口につながれたホースから水を供給する方法や、容器に溜めた液体を上方から蓄熱器１２にかける方法や、水槽中の液体に蓄熱器１２を浸す方法等、簡便な方法を用いてもよい。この場合、液体を供給するホースや容器、水槽を液体供給器１５とみなすことができる。
【００４７】
蓄熱器１２の流路は、流路の管壁の全て（１００％）が濡れていることが好ましいが、後述するように、気体の体積膨張が生じる程度に濡れていればよい。好ましくは、流路の管壁の５０％以上、より好ましくは８０％以上である。
【００４８】
また、例えば、図４〜６に示す蓄熱器１２（１２１，１２２，１２３）を用いる場合に、液体の供給方法によっては、蓄熱器１２の流路方向に対して、垂直方向、平行方向のいずれから液体を供給してもよい。
【００４９】
［作用・効果］
以上のように、熱音響機関１は、蓄熱器１２の流路を濡らすことで、音響パワーの増幅率を向上させることができる。これは、流路が濡れた蓄熱器１２の場合、蓄熱器１２の低温側では気体の凝縮が起き、蓄熱器１２の高温側では液体の蒸発が起きることによる。この液体の蒸発により、体積膨張が生じ、音響パワーの増幅率が大きくなる。
【００５０】
＜熱音響機関の駆動方法＞
次に、図１０を参照し、本願発明の熱音響機関１の駆動方法（動作）について説明する（適宜図１参照）。
図１０に示すように、熱音響機関１の駆動方法は、ここでは、入力音波を入力する音波入力工程Ｓ１と、蓄熱器１２の一端部を加熱すると共に蓄熱器１２の他端部を冷却する温度勾配形成工程Ｓ２と、蓄熱器１２の流路に液体を供給して蓄熱器１２の流路を濡らす液体供給工程Ｓ３と、を含む。
【００５１】
まず、音波入力工程Ｓ１で、導波管１１ａの一端から、作動気体の音響パワーを入力音波として入力する。この音波は、導波管内を進行して原動機１０に伝達される。次に、温度勾配形成工程Ｓ２において、加熱器１３によって蓄熱器１２の高温部１２ｂを加熱し、かつ、冷却器１４によって蓄熱器１２の常温部１２ａを冷却する。これにより、蓄熱器１２の両端に、すなわち、高温部１２ｂと常温部１２ａとの間に温度勾配が生じる。次に、液体供給工程Ｓ３において、蓄熱器１２の流路に液体を供給して蓄熱器１２の流路を濡らす。そして、原動機１０に伝達された音響パワーは、原動機１０において増幅され、導波管１１ｂの他端から出力される。なお、熱音響機関１の駆動中は、気体の凝縮と蒸発を効率よく生じさせるため、蓄熱器１２の流路に液体を供給し続けることが好ましい。
【００５２】
前記の駆動方法では、音波入力工程Ｓ１、温度勾配形成工程Ｓ２、液体供給工程Ｓ３をこの順に行うものとしたが、これらの順序は特に規定されるものではなく、どの順序で行ってもよい。例えば、予め蓄熱器１２の流路を濡らしてから、蓄熱器１２の温度勾配を形成さてもよい。また、蓄熱器１２の温度勾配を形成させてから、音波を入力してもよい。
【００５３】
（第２実施形態）
＜熱音響発電機の構成＞
図１１を参照し、本願発明の第２実施形態に係る熱音響機関１Ａ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１１に示すように、熱音響機関１Ａは、図１の熱音響機関１と、原動機ループ（入力部）２０と、発電機（出力部）３０とを備える熱音響発電機である点が、第１実施形態と異なる。
【００５４】
[原動機ループ]
原動機ループ２０は、音響パワーを増幅させるための入力音波を原動機１０に入力するものであり、原動機用ループ管２１と、蓄熱器２２と、加熱器２３と、冷却器２４とを備える。
【００５５】
原動機用ループ管２１は、作動気体が封入される環状の管であり、その管路は角丸の四角形に形成され、四辺に該当する直線部を形成する直管部２１ａ〜２１ｄからなる。すなわち、原動機用ループ管２１は、縦方向に略平行に並んだ２つの直管部２１ａ，２１ｂと、横方向に略平行に並んだ２つの直管部２１ｃ，２１ｄと、を有している。そして、原動機用ループ管２１は、直管部２１ａの一端と直管部２１ｃの一端、直管部２１ｂの一端と直管部２１ｃの他端、直管部２１ｂの他端と直管部２１ｄの一端が接続され、この部位で湾曲している。また、原動機用ループ管２１は、直管部２１ａの他端と直管部２１ｄの他端が接続されるとともに、この分岐部位において、原動機１０の導波管１１に接続する。この分岐部位は、上側が湾曲しているが、直角に形成しているものであってもよい。
【００５６】
すなわち、原動機用ループ管２１は、原動機１０の導波管１１ａに作動気体が通動可能な状態で接続されている。図１１では、原動機１０の導波管１１ａと原動機用ループ管２１との境界を符号Ａ１と図示した。
【００５７】
蓄熱器２２、加熱器２３及び冷却器２４は、ループ管２１に設けられた以外、蓄熱器１２、加熱器１３及び冷却器１４と同様のため、詳細な説明を省略する。
なお、ここでは、蓄熱器２２は、液体を供給する必要がないため、蓄熱器の流路に液体を供給するための構造とした蓄熱器１２と同様でなくてもよい。ただし、後述するように、蓄熱器２２の流路に液体を供給する場合には、蓄熱器の流路に液体を供給するための構造とした蓄熱器１２と同様としてもよい。
【００５８】
［発電機］
発電機３０は、原動機１０の導波管１１ｂの他端に接続されており、原動機１０で増幅された増幅音波に応動して発電を行なうリニア発電機として機能する。すなわち、発電機３０は、音響パワーに基づき内側ヨーク３３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。
【００５９】
発電機３０は、原動機１０の導波管１１ｂの他端に接続され、導波管１１及びループ管２１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３９を備えている。圧力容器３９内には、外側ヨーク（円筒）３１，３１と、外側ヨーク３１，３１にそれぞれ収容されるコイル３２，３２と、外側ヨーク３１，３１の間に位置する内側ヨーク（円筒）３３と、外側ヨーク３１，３１のそれぞれと内側ヨーク３３との間に設けられた永久磁石３４，３４と、が備えられている。なお、永久磁石３４，３４は、それぞれＳ極とＮ極の磁石から構成されており、内側ヨーク（円筒）３３に設けられている。
【００６０】
発電機３０におけるこのような構造は、コイル３２，３２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内側ヨーク３３とともにこれに設けられた永久磁石３４，３４がストロークすることにより、コイル３２，３２を周回する磁束密度が大きく変化し、発電が行われる。また、内側ヨーク３３に突起３３ａを取り付けることによって、エアギャップを磁束が通過することによる磁束密度の低下を抑止することができる。
【００６１】
なお、発電機３０は、原動機１０の導波管１１ｂに作動気体が通動可能な状態で接続されている。図１１では、原動機１０の導波管１１ｂと発電機３０との境界を符号Ａ２で図示した。
【００６２】
＜熱音響発電機の動作＞
まず、熱音響機関１Ａは、原動機ループ２０において、加熱器２３によって蓄熱器２２の高温部２２ｂを加熱し、かつ、冷却器２４によって蓄熱器２２の常温部２２ａを冷却すると、蓄熱器２２の両端に、すなわち、高温部２２ｂと常温部２２ａとの間に温度勾配が生じる。この温度勾配により、原動機ループ２０（具体的には、蓄熱器２２）には、主として作動気体の音響パワーが生じる。そして、原動機ループ２０において発生した作動気体の音響パワーは、入力音波としてループ管２１の直管部２１ｄ，２１ｂ，２１ｃ，２１ａを順に通過して、入力音波の一部が原動機１０に伝達される。
【００６３】
そして、熱音響機関１と同様、原動機１０において音響パワーが増幅される。このとき、熱音響機関１Ａは、蓄熱器１２の流路が濡れているので、蓄熱器が乾いている場合に比べてより音響パワーを増幅することができる。その結果、熱音響機関１Ａは、発電機３０に大きな音響パワーが伝えられ、この音響パワーに基づき内側ヨーク３３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。
【００６４】
＜作用・効果＞
以上のように、熱音響機関１Ａは、第１実施形態と同様の効果に加え、変換機構による変換ロスや摩擦損失が根本的に存在しないというメリットがあり、小型化や高効率化を期待することができる。
【００６５】
（第３実施形態）
＜熱音響冷却機の構成＞
図１２を参照し、本願発明の第３実施形態に係る熱音響機関１Ｂの構成について、第２
実施形態と異なる点を説明する（適宜図１１参照）。
図１２に示すように、熱音響機関１Ｂは、図１１の発電機３０の代わりに、冷却ループ（出力部）４０を備える熱音響冷却機である点が、第２実施形態と異なる。
【００６６】
冷却ループ４０は、原動機１０で増幅された音響パワー（増幅音波）に応動して冷却を行うものであり、冷凍用ループ管４１と、冷凍用蓄熱器４２と、冷凍用冷却器４４と、冷気放出器４３とを備える。
【００６７】
［冷凍用ループ管］
冷凍用ループ管４１は、作動気体が封入される環状の管であり、その管路は角丸の四角形に形成され、四辺に該当する直線部を形成する直管部４１ａ〜４１ｄからなる。すなわち、冷凍用ループ管４１は、四辺に該当する直線部を形成する縦方向に略平行に並んだ２つの直管部４１ａ，４１ｂと、横方向に略平行に並んだ２つの直管部４１ｃ，４１ｄと、を有している。そして、冷凍用ループ管４１は、直管部４１ａの一端と直管部４１ｃの一端、直管部４１ｂの一端と直管部４１ｃの他端、直管部４１ｂの他端と直管部４１ｄの一端が接続され、この部位で湾曲している。また、冷凍用ループ管４１は、直管部４１ａの他端と直管部４１ｄの他端が接続されるとともに、この分岐部位において、原動機１０の導波管１１ｂに接続する。この分岐部位は、上側が湾曲しているが、直角に形成しているものであってもよい。
【００６８】
すなわち、冷凍用ループ管４１は、原動機１０の導波管１１ｂに作動気体が通動可能な状態で接続されている。図１２では、原動機１０の導波管１１ｂと冷凍用ループ管４１との境界を符号Ａ３と図示した。
【００６９】
［冷凍用蓄熱器］
冷凍用蓄熱器４２は、冷凍用ループ管４１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４２は、原動機１０から、導波管１１ｂ、冷凍用ループ管４１の直管部４１ｄ，４１ｂ，４１ｃ，４１ａの順にこれらの管を通じて冷凍用蓄熱器４２の一端部（以下、適宜、常温部４２ａと称する）に伝達された音響パワーを、冷凍用蓄熱器４２の一端部（常温部４２ａ）と冷凍用蓄熱器４２の他端部（以下、適宜、低温部４２ｂと称する）との間における温度勾配に変換する機能を有している。冷凍用蓄熱器４２の常温部４２ａは、冷凍用冷却器４４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４２の低温部４２ｂは、常温部４２ａ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４３によって外部に取り出される。冷凍用蓄熱器４２は、原動機ループ２０の蓄熱器２２と同様の構成である。また、冷凍用蓄熱器４２の形状は多様な形状を適用することが可能である。
【００７０】
[冷凍用冷却器]
冷凍用冷却器４４は、冷凍用蓄熱器４２の一端側に隣接して冷凍用ループ管４１の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器４２の一端部（常温部４２ａ）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４４は、冷却水や空気等を用いて冷凍用蓄熱器４２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４４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４４は、原動機ループ２０の冷却器２４と同様の構成である。この冷凍用冷却器４４は、その周囲に冷却ブラケット４４ａが配設されている。この冷却ブラケット４４ａ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、冷凍用冷却器４４は冷却ブラケット４４ａ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、冷凍用蓄熱器４２と冷凍用冷却器４４の間に冷却ブラケット４４ａの下壁が示されているが、冷凍用冷却器４４は、この下壁を通して冷凍用蓄熱器４２の一端側と隣接、すなわち密着している。
【００７１】
［冷気放出器］
冷気放出器４３は、冷凍用蓄熱器４２の他端側に隣接して冷凍用ループ管４１の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器４２の他端部（低温部４２ｂ）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４３は、冷凍用蓄熱器４２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４３は、例えば、冷凍用の熱交換器から構成される。冷気放出器４３としては、基本的には冷凍用冷却器４４と同一構成とされている。この冷気放出器４３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４３ａが配設されている。なお、図面では便宜上、冷凍用蓄熱器４２と冷気放出器４３の間に環状部材４３ａの上壁が示されているが、冷気放出器４３は、この上壁を通して冷凍用蓄熱器４２の他端側と隣接、すなわち密着している。
【００７２】
＜熱音響冷却機の動作＞
熱音響機関１Ｂでは、熱音響機関１Ａと同様、原動機ループ２０（具体的には、蓄熱器２２）に、主として作動気体の音響パワーが生じる。そして、原動機ループ２０において発生した作動気体の音響パワーは、入力音波としてループ管２１の直管部２１ｄ，２１ｂ、２１ｃ，２１ａを順に通過して、原動機１０に伝達される。
【００７３】
そして、熱音響機関１と同様、原動機１０において音響パワーが増幅される。このとき、熱音響機関１Ｂは、蓄熱器１２の流路が濡れているので、音響パワーを増幅させることができる。その結果、熱音響機関１Ｂは、冷却ループ４０に大きな音響パワーを伝えることができる。
【００７４】
次に、冷凍用蓄熱器４２に伝達された音響パワーは、冷凍用冷却器４４によって外部に熱を放出して冷却されている冷凍用蓄熱器４２の常温部４２ａと冷凍用蓄熱器４２の低温部４２ｂとの間における温度勾配に変換される。そして、この冷凍用蓄熱器４２の両端の温度勾配によって冷凍用蓄熱器４２の低温部４２ｂに発生した冷気（冷熱）が、冷気放出器４３によって外部に取り出されることにより、冷凍能力が得られる。
【００７５】
＜作用・効果＞
以上のように、熱音響機関１Ｂは、第２実施形態と同様、変換機構による変換ロスや摩擦損失が根本的に存在しないというメリットがあり、小型化や高効率化を期待することができる。
なお、熱音響機関１Ｂが冷却ループを備えることとして説明したが、冷却ループ４０の代わりに、増幅音波に応動して昇温を行う昇温ループ（不図示）を備えてもよい。この昇温ループは、図１１の原動機ループ２０と同様のため、詳細な説明を省略する。
【００７６】
（変形例）
本願発明に係る熱音響機関は、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。
【００７７】
図１３を参照し、本願発明の変形例である第４実施形態に係る熱音響機関１Ｃの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する（適宜図１参照）。
図１３に示すように、熱音響機関１Ｃは、導波管１１（１１ａ）がＵ字状であり、導波管１１の湾曲部に、蓄熱器１２の流路に供給する液体１２０を備える。そして、熱音響機関１Ｃは、導波管１１の湾曲部に、蓄熱器１２の流路に供給する液体１２０を備えるため、液体供給器は備えない。
【００７８】
導波管１１の湾曲部の液体１２０は、熱音響機関１Ｃを駆動した時の音波振動により湾曲部を上下して、冷却器１４を経由して蓄熱器１２の流路を濡らすものである。また、音波振動以外に、外部から導波管１１に振動を与えることで液体１２０を上下させてもよい。従って、液体１２０の量は、蓄熱器１２の流路を濡らすことができる量であればよく、熱音響機関１Ｃの構成や、液体１２０の種類、入力する音波の周波数等により、適宜調整すればよい。
【００７９】
また、前記した第２実施形態に係る熱音響機関１Ａ、及び、第３実施形態に係る熱音響機関１Ｂでは、原動機ループ２０の蓄熱器２２は、液体を供給しないものとした。しかしながら、原動機ループ２０を本願発明の熱音響機関に用いる原動機として、液体供給器から蓄熱器２２の流路に液体を供給するものであってもよい。原動機を発振機として用いた場合には、蓄熱器２２での音響パワーが、乾いた蓄熱器の場合に比べて増大し、結果として発振出力が増大する。
【００８０】
また、前記した第３実施形態に係る熱音響機関１Ｂでは、冷却ループ４０の冷凍用蓄熱器４２は、液体を供給しないものとした。しかしながら、液体供給器から冷凍用蓄熱器４２の流路に液体を供給するものであってもよい。この場合、冷凍用蓄熱器４２での音響パワーが、乾いた蓄熱器の場合に比べて増大し、結果として冷却力が増大する。また、冷却ループ４０の代わりに、昇温ループを備える場合も、液体供給器から昇温ループの蓄熱器の流路に液体を供給するものであってもよい。この場合も、蓄熱器での音響パワーが、乾いた蓄熱器の場合に比べて増大し、結果として昇温力が増大する。
なお、蓄熱器２２や、冷凍用蓄熱器４２、昇温ループの蓄熱器の流路に液体を供給する場合、導波管１１を備える原動機１０の蓄熱器１２は、液体を供給するものであってもよいし、供給しないものであってもよい。また、原動機１０自体を備えない構成であってもよい。
【００８１】
その他、前記した各実施形態では、熱音響機関は、１つの原動機を接続したこととして説明したが、２つ以上の原動機を直列に接続してもよい。
【００８２】
＜利用方法＞
次に、本願発明の熱音響機関の具体的な利用方法の例について、図１を参照して説明する。
熱音響機関１は、工場で発生した排熱を利用することができる。すなわち、熱音響機関１は、冷却装置で冷却された冷却水により、原動機１０の冷却器１４を冷却する。このとき、熱音響機関１では、冷却水による冷却に代えて、空冷による冷却を行ってもよい。また、熱音響機関１は、工場で発生した排熱により、原動機１０の加熱器１３を加熱する。これによって、熱音響機関１は、原動機１０の蓄熱器１２の両端部に温度勾配が形成される。
【００８３】
また、熱音響機関１は、自動車エンジンで発生した排熱により加熱し、水冷又は空冷による冷却を行う熱音響機関として利用することもできる。
さらに、熱音響機関１は、船舶のエンジンで発生した排熱により加熱し、エンジン冷却用海水による水冷又は空冷による冷却を行う熱音響機関として利用することもできる。
以上のように、熱音響機関１は、この熱音響機関１の周囲で発生した排熱を利用できるので、エネルギ回収効率を向上させることができ、地球温暖化やエネルギ問題の解決に寄与することができる。
【実施例】
【００８４】
以下、本願発明の実施例について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施例では、シミュレーションと実際の実験との両者について、本願発明の効果を確認した。
【００８５】
［シミュレーション］
まず、相変化による音響パワー増幅について説明する。
図１４に示す装置における音響パワー増幅率について、流路が乾いた蓄熱器を用いた場合と流路が濡れた蓄熱器を用いた場合について検討した。図１４は装置構成を示す模式図、図１５は装置内の温度分布を示すグラフである。符号５０は音響ドライバ、符号６０は音響レシーバ、符号Ｌは音響ドライバ５０から（導波管１１ａの左端から）音響レシーバ６０まで（導波管１１ｂの右端まで）の距離であり、ｘ方向に音波が進行する。ここで、音響レシーバ６０はリニア発電機等で構成される。
流路が乾いた蓄熱器に対してはＲｏｔｔにより導かれた式を用いる。Ｒｏｔｔの方程式は行列を用いることで以下の式（１）で表わされる。
【００８６】
【数１】
0006803056.tif 000002
【００８７】
流路が濡れた蓄熱器に対してはＲａｓｐｅｔらにより導かれた式を用いる。Ｒａｓｐｅｔらにより展開された伝搬方程式を行列式で表すと以下の式（２）で表わされる。
【００８８】
【数２】
0006803056.tif 000003
【００８９】
ここで、ｐ：圧力振動，Ｕ：断面平均流速振動，ｊ：虚数単位，ω：角周波数，ｐｍ：平均圧力，ρｍ：平均密度，γ：比熱比，σ：プラントル数，ＮＳC：シュミット数，Ｔｍ：平均温度，ｎ１，ｎ２：作動気体と蒸気の数密度、α：熱拡散係数，ν：粘性拡散係数，Ｄ：物質拡散係数である。φ：潜熱パラメータは潜熱ｌ（エル）及び気体定数Ｒを用いることで、以下の式（３）で表される。
【００９０】
【数３】
0006803056.tif 000004
【００９１】
また、χα，χν及びχＤはωτに依存する熱音響関数(thermoacoustic function)であり、以下の式（４）で表わされる。
【００９２】
【数４】
0006803056.tif 000005
【００９３】
ここで、Ｊ１とＪ０は１次及び０次のベッセル関数である。また、τα，τν，τＤはそれぞれ熱緩和時間、粘性緩和時間、物質拡散緩和時間を表す。音響パワーＩは、圧力振動：ｐ，断面平均流速振動：Ｕ，断面積：Ａ，<>ｔ：時間平均（time-average）から以下の式（５）で表わされる。
【００９４】
【数５】
0006803056.tif 000006
【００９５】
ＩＨとＩＲを蓄熱器の出口側と入口側の音響パワーとすると、蓄熱器における音響パワー増幅率Ｇは以下の式（６）で示すことが出来る。
【００９６】
【数６】
0006803056.tif 000007
【００９７】
流路が濡れた蓄熱器での音響パワー増幅の向上については以下のようになる。
前記した式（１）で示すＡｄｒｙと、前記した式（２）で示すＡｗｅｔとを比較すると、音響パワー増幅への寄与の違いはＡｄ２２とＡｗ２２に表れる。
【００９８】
【数７】
0006803056.tif 000008
【００９９】
であり、流路が濡れた蓄熱器では、式（８）の｛｝内の、以下に示す、
【０１００】
【数８】
0006803056.tif 000009
【０１０１】
だけ、相変化に寄与する項が増える。この値が正に作用するため、流路が濡れた蓄熱器内では、流路が乾いた蓄熱器に比べて音響パワー増幅率が高くなる。さらに、流路が濡れた蓄熱器（相変化が起きる状態）においては理想気体からは外れた領域を使えるために、理想気体での上限であった蓄熱器両端の温度比（＝「高温側温度／低温側温度」＝「ＴＨ／ＴＣ」）を超える音響パワー増幅も可能となる。
【０１０２】
次に、シミュレーション結果について説明する。
Ｒｏｔｔ、及び、Ｒａｓｐｅｔの式をベースに、音響パワー増幅率をシミュレーションした。
条件は、冷却器の温度Ｔｃを３０℃とし、加熱器の温度ＴＨを変化させ、ＴＨ／ＴＣ＝１．００〜１．２０（１．００、１．０３、１．１０、１．１７、１．２０）で計算した。この結果を図１６、１７に示す。図１６が蓄熱器の流路が乾いた状態（ドライ状態）、図１７が蓄熱器の流路が濡れた状態（ウェット状態）である。
【０１０３】
図１６、１７に示すように、「ＴＨ／ＴＣ」の値が、１．１０、１．１７、１．２０場合は、ウェット状態ではドライ状態に比べ、音響パワー増幅率Ｇが大きく向上した。
具体的には、ウェット状態において、
「ＴＨ／ＴＣ＝１．２０」のとき、概ね「Ｇ＝１．３〜３．５」
「ＴＨ／ＴＣ＝１．１７」のとき、概ね「Ｇ＝１．１〜１．９」
「ＴＨ／ＴＣ＝１．１０」のとき、概ね「Ｇ＝０．９８〜１．２４」
となった。いずれも、蓄熱器の流路を濡らすことで、蓄熱器の流路が乾いた場合より、大きい増幅率を実現した。
【０１０４】
［実際の実験］
図１４に示す構成の装置を用いて、以下の実験を行った。なお、以下の実験は、「「濡れた蓄熱器を用いた熱音響エンジンの音響パワー増幅に関する実験的検討」  日本機械学会熱工学コンファレンス２０１５講演論文集」の記載に準じて行った。
【０１０５】
装置は、音響ドライバ５０と、内径４０ｍｍの導波管（ステンレスパイプ）１１ａ，１１ｂと、銅製の冷却器（常温熱交換器）１４と、蓄熱器１２と、銅製の加熱器（高温熱交換器）１３と、音響レシーバ６０とからなるユニットで構成されている。なお、パイプ部分の長さ（図１４の０〜Ｌまでの長さ）は２１００ｍｍである。
蓄熱器１２には、流路径が１．１８ｍｍのハニカムセラミックスを使用した。
熱交換器は、蓄熱器１２の両端に配置し、高温側熱交換器１３は電気ヒータを直流安定化電源で調整することで加熱し、低温側熱交換器１４は、冷却循環水により冷却することで常温に保った。
【０１０６】
そして、冷却器の温度ＴＣを３０℃とし、加熱器の温度ＴＨを３５〜８５℃の範囲で変化させ、周波数ｆ＝３０Ｈｚとして、蓄熱器の流路が乾いた状態（ドライ状態）と、蓄熱器の流路が濡れた状態（ウェット状態）について、音響パワー増幅率Ｇを測定した。なお、音響パワー増幅率Ｇの測定は、前記の「濡れた蓄熱器を用いた熱音響エンジンの音響パワー増幅に関する実験的検討」に記載の方法に準じて行ったものである。
【０１０７】
実験では、ドライ状態では、蓄熱器の流路を濡らさずに、熱交換器をヒータで加熱することで蓄熱器両端に温度勾配を与えた。一方、ウェット状態では、まず、蓄熱器の流路を濡れた状態にするため、蓄熱器を一旦原動機から外し、蓄熱器全体を水に浸してから再度原動機に組み込んだ。次に、熱交換器をヒータで加熱することで蓄熱器両端に温度勾配を与えた。
【０１０８】
ドライ状態では、理論上、増幅率Ｇは最大でＴＨ／ＴＣとなる。これに対し、本実験では、ウェット状態では、Ｇ＞「ＴＨ／ＴＣ」となった。
具体的には、ＴＨ＝８０℃、ＴＣ＝３０℃の場合、ドライ状態の増幅率Ｇは、理論上、最大で、概ね、（２７３＋８０）／（２７３＋３０）＝１．１７となる。
図１８に示すように、本実験では、ドライ状態では、概ね、Ｇ＝０．８６となった。
これに対し、ウェット状態では、図１８に示すように、本実験では、Ｇ＝１．６１となった。
これは、理論上でのドライ状態の増幅率Ｇの最大値１．１７に対して、概ね「１．６１／１．１７＝１．３８」となり、約１．３８倍である。
また、実験結果の比較では、概ね「１．６１／０．８６＝１．８７」となり、約１．８７倍である。
このように、蓄熱器をウェット状態とすることで、増幅率が大きくなることがわかる。
【０１０９】
［シミュレーションと実際の実験との比較］
ウェット状態において、シミュレーションでは、３０Ｈｚ、ＴＨ／ＴＣ＝１．１７で、Ｇ＝１．８であった。
これに対し、実際の実験では、３０Ｈｚ、ＴＨ＝８０℃、ＴＣ＝３０℃、ＴＨ／ＴＣ＝１．１７の条件で、Ｇ＝１．６１であった。
以上のとおり、シミュレーションと実際の実験とで、増幅率がほぼ合致した。
【符号の説明】
【０１１０】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  熱音響機関
１０  原動機
１１，１１ａ，１１ｂ  導波管
１２  蓄熱器
１３  加熱器
１４  冷却器
１５  液体供給器
２０  原動機ループ（入力部）
３０  発電機（出力部）
４０  冷却ループ（出力部）
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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