(57)【要約】  【課題】ループ管を用いた熱音響装置において、迅速に定在波及び進行波を発生させて、迅速かつ効率良く熱交換を行いうるような熱音響装置を提供することを目的とする。  【解決手段】ループ管２の内部に、第一高温側熱交換器４と第一低温側熱交換器５とに挟まれた第一のスタック３ａと、第二高温側熱交換器６と第二低温側熱交換器７とに挟まれた第二のスタック３ｂとを設け、第一高温側熱交換器４を加熱することによって自励による音波を発生させ、この定在波及び進行波によって第二低温側熱交換器７を冷却する熱音響装置であって、ループ管を、鉛直方向に沿う複数の直線管部２ａと、この直線管部２ａよりも短く構成される連結管部２ｂとを設けて構成し、第一のスタック３ａを、最も長い直線管部２ａに設けるようにする。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループ管の内部に、第一高温側熱交換器と第一低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、第二高温側熱交換器と第二低温側熱交換器に挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一高温側熱交換器を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器を冷却し、又は／及び、前記第一低温側熱交換器を冷却することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二高温側熱交換器を加熱する熱音響装置であって、
前記ループ管を、地面に対して起立する複数の直線管部と、この直線管部よりも短く構成された連結管部とを設けて構成し、前記第一のスタックを、当該複数の直線管部のうち最も長い直線管部に設けるようにしたことを特徴とする熱音響装置。
【請求項２】
前記直線管部と連結管部の長さをそれぞれＬａ、Ｌｂとした場合、
１：０．０１≦Ｌａ：Ｌｂ<１：１
の範囲内に設定されるものである請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項３】
前記第一高温側熱交換器を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器を冷却する請求項１に記載の熱音響装置であって、前記第一のスタックを前記直線管部の中心よりも下方に設けた熱音響装置。
【請求項４】
前記第一低温側熱交換器を冷却することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二高温側熱交換器を加熱する請求項１に記載の熱音響装置であって、前記第一のスタックを前記直線管部の中心よりも上方に設けた熱音響装置。
【請求項５】
直線管部の一端と連結管部の一端とを連結したときのそれぞれの中心軸の交点を回路の始点とし、回路全長を１．００とするとき、第一のスタックの中心が回路全長の０．２８±０．０５の位置となるようにした請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項６】
回路全長を１．００とするとき、回路に沿った作動流体の圧力変動が、第一のスタックの近傍に第一のピークがあり、更に回路全長の約１／２進んだ位置に第二のピークが存在する場合に、前記第二のスタックの中心が前記第二のピークを過ぎた位置となるように第二のスタックを設けた請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項７】
前記ループ管の外周部もしくは内部に、定在波及び進行波を発生させるための音波発生装置を設けた請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項８】
前記第一のスタック、又は／及び、第二のスタックが、順次外側へ向かって内径を大きくした導通路を有するものである請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項９】
前記第一のスタック、又は／及び、第二のスタックが、順次外側へ向かって内径を小さくした導通路を有するものである請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項１０】
前記第一のスタック、又は／及び、第二のスタックが、蛇行した導通路を有するものである請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項１１】
前記第一のスタック、又は／及び、第二のスタックが、順次外側へ向かって流路長を短くした導通路を有するものである請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項１２】
前記第一のスタック、又は／及び、第二のスタックの材質が、セラミクス、燒結金属、金網、金属製不織布の少なくとも１種からなるものであり、そのωτ（ω：作動流体の角周波数、τ：温度緩和時間）が０．２〜２０の範囲となるように構成された請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれかに記載の熱音響装置を複数設け、一の熱音響装置における第二低温側熱交換器とこれに隣接する熱音響装置の第一低温側熱交換器を連結し、もしくは、一の熱音響装置における第二高温側熱交換器とこれに隣接する熱音響装置の第一高温側熱交換器を連結してなる熱音響システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響効果を利用して対象物を冷却し、もしくは加熱しうる熱音響装置及びその熱音響装置を用いたシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音響効果を利用した熱交換装置の従来技術に関しては下記の特許文献１や非特許文献１などに記載されるものが存在する。
【０００３】
まず、特許文献１に記載される装置は、熱音響効果を利用した冷却装置に関するものであり、作動流体を封入したループ管の内部に、高温側熱交換器及び低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、高温側熱交換器及び低温側熱交換器に挟まれた蓄冷器と、を設けて構成され、第一のスタック側の高温側熱交換器を加熱することによって自励の音波を発生させ、この音波に基づく定在波及び進行波によって蓄冷器側の低温側熱交換器を冷却させるようにしたものである。
【０００４】
また、非特許文献１にも同様に、熱音響効果を利用した冷却装置の実験的検討が開示されている。この実験に用いられる冷却装置も、金属によって構成された断面略矩形状のループ管と、ヒーター（高温側熱交換器）及び低温側熱交換器とに挟まれた第一のスタックと、この第一のスタックに対向する位置に設けられた第二のスタックとを設けて構成される。そして、第一のスタック側に設けられたヒーター（高温側熱交換器）を加熱するとともに、低温側熱交換器に水道水を循環させることによって第一のスタック内に温度勾配を発生させ、この温度勾配と逆方向に自励による音波を発生させる。そして、その音エネルギーをループ管を介して蓄冷器側に移送させ、エネルギー保存の法則により、第二のスタック側でその音エネルギーと逆方向に熱エネルギーを移送させて、第二のスタックの他端側の温度計近傍を冷却させるようにしたものである。この文献によれば、所定の条件のもと、温度計が設けられる部分で約１６℃の温度低下が確認されている。
【特許文献１】特開２０００―８８３７８号公報
【非特許文献１】坂本眞一、村上和宏、渡辺好章  著「熱音響効果を用いた音響冷却現象の実験的検討」社団法人  電子情報通信学会  信学技報  TECHNICAL REPORT OF IEICE. US2002-118(2003-02)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このような熱音響効果を利用した装置において、加熱から定在波及び進行波の発生までの時間を短縮する必要があり、また、定在波及び進行波が発生した後においても熱交換の効率を向上させる必要がある。そして、このように定在波及び進行波を迅速に発生させる場合においては、できる限り迅速にスタック内に温度勾配を形成し、また、できる限り迅速に発生した音波の波面を安定させることなどが必要となる。
【０００６】
しかるに、上記特許文献１では、音波の発生源となる第一のスタックを地面に対して水平な直線管部に設けるようにしているため、第一のスタックの高温側熱交換器に入力された熱がこの直線管部内で左右方向に広がってしまい、この熱が第一のスタック内に入り込んでスタック内に大きな温度勾配を形成することができない。このため、自励の音波の発生までに長い時間を要することとなり、冷却効率を良くすることができないという問題があった。また、定在波及び進行波を迅速に発生させるためには、第一のスタックで発生された音波の波面をできる限り迅速に安定させることが必要であるが、第一のスタックとループ管の角部までの距離が短いと、安定する前の波面がループ管の角部で反射してしまい、そこで波面が乱れて自励の音波の発生までに長い時間を要することとなるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題を解決すべく、ループ管を用いた熱音響装置において、迅速に定在波及び進行波を発生させて、迅速かつ効率良く熱交換を行いうるような熱音響装置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】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために、ループ管の内部に、第一高温側熱交換器と第一低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、第二高温側熱交換器と第二低温側熱交換器に挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一高温側熱交換器を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器を冷却し、又は／及び、前記第一低温側熱交換器を冷却することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二高温側熱交換器を加熱する熱音響装置であって、前記ループ管を、地面に対して起立する複数の直線管部と、この直線管部よりも短く構成された連結管部とを設けて構成し、前記第一のスタックを、当該複数の直線管部のうち最も長い直線管部に設けるようにする。
【０００９】
このように構成すれば、第一のスタックで発生した音波の波面を最も長く設定された直線管部内で安定させることができ、迅速に定在波及び進行波を発生させることができるようになる。また、地面に対して起立する直線管部に第一のスタックを設けるようにしたので、その第一のスタック側で発生した上昇気流や下降気流を利用して音波の発生までの時間を短縮化することができるようになる。更に、定在波及び進行波が発生した後においても、熱交換の効率を向上させることができるようになる。
【００１０】
また、このようなループ管の直線管部と連結管部のそれぞれの長さをＬａ、Ｌｂとした場合、１：０．０１≦Ｌａ：Ｌｂ<１：１となるようにそれぞれの長さを設定する。
【００１１】
このように構成すれば、上述と同様に直線管部が相対的に長くなるため、音波の波面を安定させることができるようになる。そして、好ましくは、可能な限り直線管部を長くするのが好ましく、Ｌａ：Ｌｂ≦１：０．５のように設定すると、より発生した音波の波面を安定させることができるようになる。
【００１２】
更に、このような装置において、第一高温側熱交換器を加熱し、第二低温側熱交換器を冷却するような場合、第一のスタックを直線管部の中心よりも下方に設けるようにする。
【００１３】
このように構成すれば、第一高温側熱交換器に加えられる熱による上昇気流の発生空間を上側に大きく確保することができ、この上昇気流を利用することによって迅速に定在波及び進行波を発生させることができるようになる。
【００１４】
加えて、第一低温側熱交換器を冷却し、第二高温側熱交換器を加熱するような場合、第一のスタックを直線管部の中心よりも上方に設けるようにする。
【００１５】
このように構成すれば、第一低温側熱交換器に加えられる冷たい熱（以下「冷熱」と称する）による下降気流の発生空間を下側に大きく確保することができ、この下降気流を利用することによって迅速に定在波及び進行波を発生させることができるようになる。
【００１６】
また、直線管部の一端と連結管部の一端とを連結したときのそれぞれの中心軸の交点を回路の始点とし、回路全長を１．００とするとき、第一のスタックの中心が回路全長の０．２８±０．０５の位置となるように設定する。
【００１７】
このように構成すれば、第一のスタックにおける第一高温側熱交換器と第一低温側熱交換器のそれぞれの温度が適切であると、より迅速に自励による音波の発生を生じることができる。
【００１８】
また、回路全長を１．００とするとき、回路に沿った作動流体の圧力変動が、第一のスタックの近傍に第一のピークがあり、更に回路全長の約１／２進んだ位置に第二のピークが存在する場合に、前記第二のスタックの中心が前記第二のピークを過ぎた位置となるように第二のスタックを設ける。
【００１９】
このように構成すれば、第二のスタックでの冷却効率や加熱効率を高めることができるようになる。
【００２０】
また、ループ管の外周部もしくは内部に、定在波及び進行波を発生させるための音波発生装置を設けるようにする。
【００２１】
このように構成すれば、自励による音波だけでなく音波発生装置からの強制振動によって、より迅速に定在波及び進行波を発生させることができるようになる。
【００２２】
また、第一のスタック、又は／及び、第二のスタックとして、順次外側へ向かって内径を大きくした導通路を有するものを用いる。
【００２３】
このようなものを用いれば、ループ管内部における境界層近傍での導通路の内径を大きくすることができるため、この部分でのエネルギー交換を効率よく行うことができるようになる。
【００２４】
また、第一のスタック、又は／及び、第二のスタックとして、順次外側へ向かって内径を小さくした導通路を有するものを用いる。
【００２５】
このようなものを用いれば、ループ管内部における中心部分での導通路の内径を大きくすることができるため、この中心部分でのエネルギー交換を効率よく行うことができるようになる。
【００２６】
また、第一のスタック、又は／及び、第二のスタックとして、蛇行した導通路を有するものを用いるようにする。
【００２７】
このようなものを用いれば、作動流体とスタックとの表面積を大きく確保することができるため、作動流体との熱交換を助長させてより高い熱の出力を行うことができるようになる。
【００２８】
また、第一のスタック、又は／及び、第二のスタックとして、順次外側へ向かって流路長を短くした導通路を有するものを用いるようにする。
【００２９】
このようなものを用いれば、ループ管の境界層に近い部分の導通路の流路長が短くなるため、速度勾配を均一にすることができ、これにより熱交換器を均一に加熱若しくは冷却することができるようになる。
【００３０】
第一のスタック、又は／及び、第二のスタックの材質が、セラミクス、燒結金属、金網、金属製不織布の少なくとも１種からなるものであり、そのωτ（ω：作動流体の角周波数、τ：温度緩和時間）が０．２〜２０の範囲となるように構成された請求項１に記載の熱音響装置。
【００３１】
このように構成すれば、より迅速かつ効率良く自励による音波を発生させることができるようになる。
【００３２】
また、このような熱音響装置を複数設け、一の熱音響装置における第二低温側熱交換器とこれに隣接する熱音響装置の第一低温側熱交換器を連結し、もしくは、一の熱音響装置における第二高温側熱交換器とこれに隣接する熱音響装置の第一高温側熱交換器を連結する。
【００３３】
このように構成すれば、順次隣接する熱音響装置ごとに第一のスタック内の温度勾配が大きくなるため、末端側の熱音響装置でより高熱や冷熱を出力することができるようになる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の熱音響装置は、ループ管の内部に、第一高温側熱交換器と第一低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、第二高温側熱交換器と第二低温側熱交換器に挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一高温側熱交換器を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器を冷却し、又は／及び、前記第一低温側熱交換器を冷却することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二高温側熱交換器を加熱するものであって、前記ループ管を、地面に対して起立する複数の直線管部と、この直線管部よりも短く構成された連結管部とを設けて構成し、前記第一のスタックを、当該複数の直線管部のうち最も長い直線管部に設けるようにしたので、第一のスタックで発生した自励の音波の波面を長い直線管部で安定させることができ、迅速に定在波及び進行波を発生させることができるようになる。また、起立する直線管部に第一のスタックを設けるようにしたので、その第一のスタック側で発生した上昇気流や下降気流を利用して音波の発生までの時間を短縮化することができ、更に、音波発生後においても熱交換の効率を向上す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】
【００３５】
以下、本発明に係る熱音響装置１の第一の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３６】
この実施の形態における熱音響装置１は、図１に示すように、全体として略長方形状に構成されたループ管２の内部に、第一高温側熱交換器４及び第一低温側熱交換器５に挟まれた第一のスタック３ａと、第二高温側熱交換器６及び第二低温側熱交換器７に挟まれた第二のスタック３ｂとを具備してなるもので、第一のスタック３ａ側の第一高温側熱交換器４を加熱させることによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波を第二のスタック３ｂ側へ伝搬させることによって第二のスタック３ｂ側に設けられた第二低温側熱交換器７を冷却させるようにしたものである。
【００３７】
そして、この実施の形態では、第一高温側熱交換器４の加熱から定在波及び進行波の発生までの時間を短縮するために、鉛直方向（重力方向）に沿って設けられる一対の直線管部２ａと、これらの直線管部２ａよりも短く構成された連結管部２ｂとを設け、一方の直線管部２ａの下方に第一高温側熱交換器４と第一低温側熱交換器５とで挟まれた第一のスタック３ａを設けるようにしている。
【００３８】
定在波及び進行波を発生させるためには、第一のスタック３ａから発生した音波の波面をできる限り迅速に安定させなければならないが、第一のスタック３ａが設けられている直線管部２ａの長さが短いと、その連結管部２ｂの両端に設けられた角部２０ｂで音波が反射してしまい、位相が反転するなどして波面が乱れてしまう。このため、本実施の形態では、発生した音波の波面をできる限り迅速に安定させるために、ループ管２のうち最も長く構成された直線管部２ａに第一のスタック３ａを設けるようにしている。この直線管部２ａの長さは、連結管部２ｂの長さよりも長く設定され、直線管部２ａの長さをＬａ、連結管部２ｂの長さをＬｂとした場合、
【００３９】
１：０．０１≦<Ｌａ：Ｌｂ<１：１
の範囲に設定されるが、好ましくは可能な限り直線管部２ａを長くする方が良く、
【００４０】
１：０．０１≦<Ｌａ：Ｌｂ≦１：０．５
の範囲に設定するのが好ましい。
【００４１】
一方、この直線管部２ａを連結する連結管部２ｂは、その両端に角部２０ｂを設けて構成されるもので、この角部２０ｂによって直線管部２ａから伝搬してきた音波を連結管部２ｂへ反射させるようにしている。この角部２０ｂの構成については、効率良く音波を連結管部２ｂへ反射させるために、図２に示すような構造が用いられる。図２は、直線管部２ａの上端部分における角部２０ｂの拡大図を示したものである。なお、この角部２０ｂは、他の角部２０ｂにおいても同様の構成が用いられるため他の部分における角部２０ｂの構成については説明を省略する。図２において、角部２０ｂは、直線の管部２ａの内径とほぼ等しい内径を有し、かつ、ループ管２の内側コーナー部分を中心として管の内径とほぼ等しい直径を有するように構成される。これにより直線管部２ａから移送されてきた音エネルギーは、角部２０ｂにおいて全て反射され、直線管部２ａに戻ることなく連結管部２ｂ側へ移送されることになる。また、このように角部２０ｂの内径を直線管部２ａとほぼ等しく構成することによって、直線管部２ａと角部２０ｂの内壁を滑らかにすることができ、これにより音エネルギーの損失を防止して効率よく音エネルギーを移送できるようになる。なお、この角部２０ｂの形状については、円弧形状のものに限らず、図３に示されるような直線状のものを用いることもできる。図３は、直線管部２ａにおける上端部分の角部２００ｂの拡大図を示したものである。図３において、角部２００ｂは、その外側コーナー部分を直線管部２ａに対して約４５度となるように直線状に設けられる。そして、この直線状のコーナー部分により直線管部２ａを伝搬する音波を全て連結管部２ｂ側へ反射させるようにしている。
【００４２】
これらの直線管部２ａや連結管部２ｂは、金属製のパイプによって構成されるが、材質については金属などに限らず、透明なガラス、もしくは樹脂などによって構成することもできる。透明なガラスや樹脂などの材料で構成した場合は、実験等における第一のスタック３ａや第二のスタック３ｂの位置の確認や管内の状況を容易に観察することができる。
【００４３】
そして、このように構成されたループ管２の内部には、第一高温側熱交換器４と第一低温側熱交換器５とに挟まれた第一のスタック３ａ及び、第二高温側熱交換器６と第二低温側熱交換器７とに挟まれた第二のスタック３ｂが設けられる。
【００４４】
この第一のスタック３ａは、ループ管２の内壁に接するような円柱状に構成され、セラミクス、燒結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きい材質であって、ループ管の軸方向に貫通する多孔を有して構成される。なお、この第一のスタック３ａは、図４や図５に示すように、中心から順次外側へ向けて内径を大きくした導通路３０を多数有するスタック３ｃや、中心から順次外側へ向けて内径を小さくした導通路３０を有するスタック３ｄを用いることができる。また、図６や図７に示すように、例えば、微小の球状セラミクスなどを多数敷き詰めて蛇行する導通路３０（太線で示される導通路３０）を有するスタック３ｅや、ループ管２の内周面に近い側の導通路３０の流路長を短くしたスタック３ｆなどを用いても良い。
【００４５】
また、第一高温側熱交換器４及び第一低温側熱交換器５は、共に薄い金属で構成され、その内側に定在波及び進行波を導通させるための貫通孔を設けて構成される。そして、これらの熱交換器のうち、第一高温側熱交換器４は外部から供給される電力、若しくは、廃熱や未利用エネルギーなどによって加熱されるように構成される。一方、第一低温側熱交換器５はその周囲に水を循環させて相対的に第一高温側熱交換器４よりも低い温度となるように設定される。
【００４６】
そして、このように第一高温側熱交換器４及び第一低温側熱交換器５によって挟まれた第一のスタック３ａは、第一高温側熱交換器４を上側に設けた状態で直線管部２ａの中央よりも下方側に設けられる。このように第一のスタック３ａを直線管部２ａの中央より下方に設けるようにするのは、第一高温側熱交換器４を加熱する際に生じる上昇気流を利用して迅速に音波を発生させられるようにするためであり、また、第一高温側熱交換器４を上側に設けるのは、第一高温側熱交換器４を加熱する際に発生する暖かい作動流体を第一のスタック３ａ内に入り込ませないようにして、第一低温側熱交換器５との間に大きな温度勾配を形成させられるようにするためである。
【００４７】
ここで第一のスタック３ａで自励による音波が発生するための条件としては、この第一のスタック３ａ内に作動流体が流れる際の平行通路の流路半径をｒ、作動流体の角周波数をω、温度拡散係数をα、温度緩和時間をτ（＝ｒ２／２α）とした場合、ωτが０．２〜２０の範囲内である場合に最も効率良く自励による音波を発生させることができる。このため、これらの関係を満たすようにｒ、ω、τを設定する。また、図２における直線管部２ａの一端と連結管部２ｂの一端とを連結したときのそれぞれの中心軸の交点を回路の始点Ｘとし、回路全長を１．００とした場合、第一のスタック３ａの中心を始点Ｘから反時計回りに回路全長の０．２８±０．０５となる位置に設定すれば、より迅速かつ効率良く自励による音波を発生することができる。
【００４８】
一方、第二のスタック３ｂは、第一のスタック３ａと同様に、ループ管２の内壁に接するような円柱状に構成され、セラミクス、燒結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きい材質であって、ループ管の軸方向に貫通する多孔を有して構成される。この第二のスタック３ｂは、ループ管２に沿った作動流体の圧力変動が、第一のスタック３ａの近傍に第一のピークが存在して、更に回路全長の約１／２進んだ位置に第二のピークが存在する場合に、そのスタック３ｂの中心が第二のピークを過ぎた場所に位置するように設けられる。なお、この第二のスタック３ｂについては、第一のスタック３ａと同様に、図４や図５に示すように、中心から順次外側へ向けて内径を大きくした導通路３０を多数有するスタック３ｃや、中心から順次外側へ向けて内径を小さくした導通路３０を有するスタック３ｄを用いることができる。また、図６や図７に示すように、例えば、微小の球状セラミクスなどを多数敷き詰めて蛇行する導通路３０（太線で示される導通路３０）を有するスタック３ｅや、ループ管２の内周面に近い側の導通路３０の流路長を短くしたスタック３ｆなどを用いても良い。
【００４９】
また、この第二のスタック３ｂ側に設けられる第二高温側熱交換器６及び第二低温側熱交換器７も、同様に、ともに薄い金属で構成され、その内側に定在波及び進行波を導通させるための貫通孔を設けて構成される。そして、第二高温側熱交換器６の周囲に水を循環させるようにするとともに、第二低温側熱交換器７に冷却の対象物を接続する。この冷却の対象物としては、外気や、発熱を伴う家電製品、パーソナルコンピュータのＣＰＵなどが考えられるが、これ以外の対象物を冷却するようにしても良い。
【００５０】
このように構成されたループ管２の内部には、ヘリウム、アルゴンなどのような不活性ガスが封入される。なお、このような不活性ガスに限らず、窒素や空気などのような作動流体を封入しても良い。これらの作動流体は、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａに設定される。
【００５１】
このような作動流体を封入するに際してプラントル数が小さく、また、比重も小さいヘリウムなどを使用すれば、音波の発生までの時間を短縮化することができる。しかし、このような作動流体を用いると、音速が早くなってしまって、スタック内壁との間でうまく熱交換を行うことができない。また、逆に、プラントル数が大きく、また、比重も大きいアルゴンなどを使用すると、今度は粘性が高くなって音波を迅速に発生させることができない。このため、好ましくは、ヘリウムとアルゴンの混合ガスを用いるようにする。そして、このような混合ガスを封入する場合、次のようにして行う。
【００５２】
まず、始めにプラントル数が小さく、また、比重も小さいヘリウムをループ管２内に封入しておき、迅速に音波を発生させる。そして、発生した音波の音速を低下させるべく、次にアルゴンなどのようなプラントル数が大きく、また、比重も大きいガスを注入する。このアルゴンの混入に際しては、図８に示すように、上側に設けられた連結管部２ｂの中央部分に気体注入装置９を設け、そこからから注入すると左右の直線管部２ａに均一にアルゴンを注入し、これにより、相対的に比重の大きいアルゴンを下方に向かって流入させて内部のガスを均一化される。なお、このように先にヘリウムを封入して後からアルゴンを注入する場合に限らず、これとは逆に、先にアルゴンを封入しておき、後からヘリウムを注入するようにしても良い。この場合、下側の連結管部２ｂの中央部分に気体注入装置９を設け、そこからヘリウムを注入すると、相対的に比重の小さいヘリウムが上昇する際にガスを均一化させるようになる。これらの混合ガスの圧力は、０．０１ＭＰａ〜５ＭＰａに設定され、装置全体を小型化する場合は、０．０１ＭＰａなどのように比較的低い圧力に設定する。これにより小型化されたループ管２内での粘性の影響を少なくできる。
【００５３】
次に、このように構成された熱音響装置１の動作状態について説明する。
【００５４】
まず、ループ管２にヘリウムを封入しておき、この状態で第一のスタック３ａの第一低温側熱交換器５及び第二のスタック３ｂの第二高温側熱交換器６の周囲に水を循環させる。この状態で第一のスタック３ａにおける第一高温側熱交換器４に熱を加えると、第一高温側熱交換器４と第一低温側熱交換器５との間の温度差によって第一のスタック３ａ内に温度勾配が発生し、作動流体が微小に揺らぎ始める。そして、次に、この作動流体が大きく振動し始めてループ管２内を周回する。この際、第一のスタック３ａが存在する直線管部２ａが比較的長く設定されているので、第一のスタック３ａ内で発生した音波の波面が安定し、短時間のうちにループ管２内に定在波及び進行波を発生させることができる。この定在波及び進行波による音エネルギーは、エネルギー保存の法則に基づき、第一のスタック３ａ内での熱エネルギーの移送方向（第一高温側熱交換器４から第一低温側熱交換器５の方向）と逆方向、すなわち、第一低温側熱交換器５から第一高温側熱交換器４の方向に発生する。この音エネルギーは、ループ管２の角部２０ｂなどにおいて効率良く反射された後、第二のスタック３ｂ側へ移送され、第二のスタック３ｂ側では、定在波及び進行波に基づく作動流体の圧力変化及び体積変化によって作動流体を膨張・収縮させる。そして、その際に生じた熱エネルギーを音エネルギーの移送方向と逆方向である第二低温側熱交換器７から第二高温側熱交換器６側へ移送する。このようにして、第二低温側熱交換器７を冷却し、目的の対象物を冷却するようにする。
【００５５】
なお、上述のような熱音響装置１では、第一のスタック３ａ内に設けられた温度勾配によって自励による音波を発生させるようにしているが、実際には、このような自励による音波が発生するまでの間には比較的長い時間を要することとなる。一方、定在波及び進行波の発生時間を短縮するためには、ループ管２の径を変えて定在波及び進行波の周波数を低くすることも可能であるが、このようにすると今度は、十分な出力を得ることができない。このような場合、図８に示すように、音波発生装置８を設けることもできる。
【００５６】
この音波発生装置８は、スピーカーや圧電素子、その他、外部から作動流体を強制振動させるような装置で構成されるもので、ループ管２の外周面に沿って設けられ、若しくは、ループ管２の内部に設けられる。この音波発生装置８は、発生する定在波及び進行波の１／２波長、１／４波長の間隔を設けて取り付けるのが好ましく、また、定在波及び進行波の進行方向に対応してループ管２の軸方向に作動流体を強制振動させるように設けるのが好ましい。このように音波発生装置８を設けると、定在波及び進行波の発生時間を短縮することができ、迅速に第二低温側熱交換器７を冷却することができるようになる。
【００５７】
また、このような熱音響装置１だけでは充分な冷却効果を得ることができない場合、図９に示すように、熱音響装置１を複数連結させた熱音響システム１００を用いるようにするようにしても良い。図９において、１ａ、１ｂ…１ｎは上述のように構成された熱音響装置１を示し、これらの第一の熱音響装置１ａ、第二の熱音響装置１ｂ…第ｎの熱音響装置１ｎは隣接して直列に設けられる。これらの熱音響装置１ａ…における第一高温側熱交換器４は、全てヒーターなどで加熱され、一方、それぞれにおける熱音響装置１ａ…の第二低温側熱交換器７は、これに隣接する熱音響装置１ｂ…の第一低温側熱交換器５に連結される。これにより、第一の熱音響装置１ａにおける第一のスタック３ａの温度勾配よりも第二の熱音響装置１における温度勾配の方を大きくすることができ、これにより、順次下流側に向けて熱音響装置１ｎの温度勾配が大きくすることができて、末端の熱音響装置１ｎからより低い熱を出力することができるようになる。なお、このように熱音響装置１ａ…を連結する場合、各熱音響装置１ａ…で音波を自励させようとすると、末端の熱音響装置１ｎで定在波及び進行波が発生するまでの間に非常に長い時間を要することになる。このため、特にループ管２の外周面若しくは内部に音波発生装置８を設けて各熱音響装置１ａ…での定在波及び進行波の発生までの時間を短縮化するように構成すると良い。
【００５８】
また、上記実施の形態では、第一のスタック３ａ側を加熱して第二のスタック３ｂ側を冷却する熱音響装置１を例に挙げて説明したが、これとは逆に、第一のスタック３ａ側を冷却して第二のスタック３ｂ側を加熱するようにしても良い。この熱音響装置１の例を図８に示す。
【００５９】
図１０において、図１から図８までと同じ符号を示すものは上記説明したものと同じ構造を有するものを示す。この図１０においては、第一のスタック３ａを直線管部２ａの中央よりも上方に設けるとともに、第二のスタック３ｂをこれに対向する直線管部２ａの適所に設けるようにしている。この第一のスタック３ａ及び第二のスタック３ｂの設置位置としては、上記実施の形態における設置条件と同じ条件となる位置に設けると良い。そして、第一低温側熱交換器５にマイナス数十度もしくはこれよりも低い冷熱を入力するとともに、第一高温側熱交換器４および第二低温側熱交換器７に不凍性の液体を循環させる。すると熱音響効果の原理により、第一のスタック３ａに形成された温度勾配によって自励の音波が発生し、比較的長く設定された直線管部２ａで波面を安定させ、また、冷熱の下降気流を利用して迅速に定在波及び進行波を発生させる。この定在波及び進行波の音エネルギーの進行方向は、第一のスタック３ａにおける熱エネルギーの移送方向（第一高温側熱交換器４から第一低温側熱交換器５の方向）と逆方向に向かうように発生する。この定在波及び進行波による音エネルギーは、ループ管２の角部２０ｂなどにおいて効率良く反射された後、第二のスタック３ｂ側へ伝搬され、第二のスタック３ｂ側では、定在波及び進行波に基づく作動流体の圧力変化及び体積変化によって作動流体が膨張・収縮を繰り返し、その際に生じた熱エネルギーを音エネルギーの移送方向と逆方向である第二低温側熱交換器７から第二高温側熱交換器６側へ移送する。このようにして、第二高温側熱交換器６を加熱する。
【００６０】
なお、この実施の形態においても、定在波及び進行波の発生を促進するためにループ管２の外周面もしくは内部に音波発生装置８を設けるようにしても良く、また、このような熱音響装置１を図９に示すように連結して末端側の熱音響装置１からより高い熱を出力するようにしても良い。
【００６１】
このように上記実施の形態によれば、鉛直方向に沿って設けられた一対の同じ長さの直線管部２ａと、この直線管部２ａを連結する連結管部２ｂを設け、この直線管部２ａを連結管部２ｂよりも長く設定した状態において、その直線管部２ａに第一高温側熱交換器４及び第一低温側熱交換器５に挟まれた第一のスタック３ａを設けるようにしたので、第一のスタック３ａで発生した自励の音波の波面を長い直線管部２ａで安定させることができる。また、鉛直方向に沿う直線管部２ａに第一のスタック３ａを設けるようにしたので、その第一のスタック３ａ側で発生した上昇気流や下降気流を利用して音波の発生までの時間を短縮化することができるようになり、更に、音波が発生した後においても熱交換の効率を良くすることができるようになる。
【００６２】
そして、このようなループ管２を構成するに際して、直線管部と連結管部の長さをそれぞれＬａ、Ｌｂとした場合、「１：０．０１≦Ｌａ：Ｌｂ<１：１」となる範囲にそれぞれの長さを設定し、より好ましくは、「Ｌａ：Ｌｂ≦１：０．５」とように各長さを設定したので、発生した音波の波面をより迅速に安定化させることができる。
【００６３】
また、このような装置において、第一のスタック３ａ側を加熱し、第二のスタック３ｂ側を冷却する場合、第一のスタック３ａを直線管部２ａの中心よりも下方に設けるようにしたので、第一高温側熱交換器４に加えられる熱による上昇気流の発生空間を確保することができ、この上昇気流を利用することによって迅速に定在波及び進行波を発生させることができるようになる。
【００６４】
更に、これとは逆に、第一のスタック３ａ側を冷却し、第二のスタック３ｂ側を加熱する場合、第一のスタック３ａを直線管部２ａの中心よりも上方に設けるようにしたので、第一低温側熱交換器５に加えられる冷熱による下降気流の発生空間を確保することができ、この下降気流を利用することによって迅速に定在波及び進行波を発生させることができるようになる。
【００６５】
加えて、直線管部２ａの一端と連結管部２ｂの一端とを連結したときのそれぞれの中心軸の交点を回路の始点とし、回路全長を１．００とするとき、第一のスタック３ａの中心が回路全長の０．２８±０．０５の位置となるように設定したので、より迅速に自励による音波を発生させることができる。
【００６６】
また、回路全長を１．００とするとき、回路に沿った作動流体の圧力変動が、第一のスタックの近傍に第一のピークがあり、更に回路全長の約１／２進んだ位置に第二のピークが存在する場合に、第二のスタック３ｂの中心が第二のピークを過ぎた位置となるように第二のスタック３ｂを設けるようにしたので、第二のスタック３ｂでの冷却効率や加熱効率を高めることができるようになる。
【００６７】
加えて、ループ管２の外周部もしくは内部に、定在波及び進行波を発生させるための音波発生装置８を設けるようにしたので、自励による音波だけでなく音波発生装置８からの強制振動によって、より迅速に定在波及び進行波を発生させることができるようになる。
【００６８】
また、第一のスタック３ａや第二のスタック３ｂとして、図４に示すように、順次外側へ向かって内径を大きくした導通路３０を有するスタック３ｃを用いるようにもしたので、ループ管２内部における境界層近傍での導通路３０の内径を大きくすることができ、この部分でのエネルギー交換を効率よく行うことができるようになる。
【００６９】
また、第一のスタック３ａや第二のスタック３ｂとして、図５に示すように、順次外側へ向かって内径を小さくした導通路を有するスタック３ｄを用いるようにもしたので、ループ管２内部における中心部分での導通路３０の内径を大きくすることができ、この部分でのエネルギー交換を効率よくすることができるようになる。
【００７０】
また、第一のスタック３ａや第二のスタック３ｂとして、図６に示すように、蛇行した導通路３０を有するスタック３ｅを用いるようにしたので、作動流体とスタック３ｄとの表面積を大きく確保することができるため、作動流体との熱交換を助長させてより高い熱の出力を行うことができるようになる。
【００７１】
また、第一のスタック３ａや第二のスタック３ｂとして、図７に示すように、順次外側へ向かって短くした導通路を有するスタック３ｆを用いるようにしたので、ループ管２の境界層に近い部分の導通路の流路長を短くすることができ、速度勾配を全体的に均一にすることによって、熱交換器４、５、６、７を全体的に均一に加熱若しくは冷却することができるようになる。
【００７２】
また、第一のスタック３ａや第二のスタック３ｂの素材として、セラミクス、燒結金属、金網、金属製不織布の少なくとも１種からなるものを用い、そのωτ（ω：作動流体の角周波数、τ：温度緩和時間）として０．２〜２０の範囲となるように設定したので、より迅速かつ効率良く自励による音波を発生させることができるようになる。
【００７３】
また、図９に示すように、このような熱音響装置１を複数設け、一の熱音響装置１における第二低温側熱交換器７とこれ隣接する熱音響装置１の第一低温側熱交換器５、もしくは、一の熱音響装置１における第二高温側熱交換器６とこれに隣接する熱音響装置１の第一高温側熱交換器４とを連結するようにしたので、順次隣接する熱音響装置１ごとに第一のスタック３ａ内の温度勾配を大きくすることができ、末端側の熱音響装置１でより高い熱や冷熱を出力することができるようになる。
【００７４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
【００７５】
例えば、上記実施の形態においては、左右対称形となるループ管２を設けるようにしているが、これに限らず、不規則に蛇行するループ管を用いるようにしても良い。この場合、最も長い直線管部に音波の発生源となる第一のスタック３ａを設けるようにすると良い。
【００７６】
また、上記実施の形態においては、鉛直方向に沿った直線管部２ａを設けるようにしているが、これに限らず、若干地面に対して傾斜するような直線管部を設けるようにしても良い。
【００７７】
また、上記第一のスタック３ａや第二のスタック３ｂの位置については、上記設定された条件に限定されることなく、種々の実験などにおいて適切な場所に設置するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施の形態を示す熱音響装置の概略図
【図２】同形態におけるループ管の角部の拡大図
【図３】他の実施の形態におけるループ管の角部の形状を示す図
【図４】他の実施の形態におけるスタックの形状を示す図
【図５】他の実施の形態におけるスタックの形状を示す図
【図６】他の実施の形態におけるスタックの形状を示す図
【図７】他の実施の形態におけるスタックの形状を示す図
【図８】音波発生装置を設けた熱音響装置の概略図
【図９】音響暖房装置を連結させた音響暖房システムの概略図
【図１０】他の実施の形態における熱音響装置の概略図
【符号の説明】
【００７９】
１・・・熱音響装置
２・・・ループ管
２ａ・・・直線管部
２ｂ・・・連結管部
２０ｂ・・・角部
３ａ・・・第一のスタック
３ｂ・・・第二のスタック
３ｃ・・・スタック
３ｄ・・・スタック
３ｅ・・・スタック
３ｆ・・・スタック
３０・・・導通路
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・・・音波発生装置
９・・・気体注入装置
１００・・・熱音響システム
【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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