(57)【要約】【課題】従来のループ管と共鳴管を備える熱音響機関に比較して、低温駆動を可能とする熱音響機関を提供する。【解決手段】作動気体が封入される環状のループ管１０と、ループ管１０に連通して一端が接続された共鳴管１１と、を有し、作動気体を加熱および冷却する蓄熱器２１と、蓄熱器２１の一端部（高温部２１ｂ）を加熱する加熱器２２と、蓄熱器２１の他端部（常温部２１ａ）の熱を外部に放出する冷却器２３と、を備え、蓄熱器２１の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の自励振動を発生させる熱音響機関１であって、ループ管１０は、ループ管１０の他の部位よりも内径が大きい拡大管部１５を有し、拡大管部１５は、拡大管部１５における冷却器２３側の先端が、冷却器２３における蓄熱器２１と反対側の先端からループ管１０の管路方向の長さの１／４以下の長さの部位に位置するように設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
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【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、当該ループ管に連通して一端が接続された共鳴管と、を有し、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と、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と、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と、を備え、前記蓄熱器の両端部間に温度勾配を形成して前記作動気体の自励振動を発生させる熱音響機関であって、
前記ループ管は、前記冷却器における前記蓄熱器と反対方向の位置に、前記ループ管の他の部位よりも内径が大きい拡大管部を有し、
前記拡大管部は、当該拡大管部における前記冷却器側の先端が、前記冷却器における前記蓄熱器と反対側の先端から前記ループ管の管路方向の長さの１／４以下の長さの部位に位置するように設けられていることを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
前記拡大管部の管路方向の長さが、前記ループ管全体の管路方向の長さの１／３０〜１／５であることを特徴とする請求項１に記載の熱音響機関。
【請求項３】
前記拡大管部の内径が、前記ループ管の他の部位の内径の１．２〜５倍であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱音響機関。
【請求項４】
さらに、前記共鳴管の他端に、前記作動気体に発生する自励振動に応動して発電を行なう発電機を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱音響機関。
【請求項５】
さらに、前記共鳴管の他端に連通して接続された環状の冷凍用ループ管を有し、前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記作動気体を冷却する冷凍用蓄熱器と、前記冷凍用蓄熱器の前記自励振動が伝わる一端側に隣接して前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記冷凍用蓄熱器の一端部の熱を外部に放出する冷凍用冷却器と、前記冷凍用蓄熱器の他端側に隣接して前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記冷凍用蓄熱器の他端部に発生する冷気を外部に放出する冷気放出器と、備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱音響機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ループ管と共鳴管を備える熱音響機関に関する。
【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廃熱や、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。
【０００３】
熱音響機関は、管内に生じる自励振動を利用したものである。すなわち、管内に狭い流路の束（以下、蓄熱器と称する）を設置し、蓄熱器両端の温度比をある臨界値以上にすると、管内の流体が自励振動を起こす。この作用は熱力学的には可動部品の無い原動機と見ることができ、この作用を用いたものが熱音響機関である（例えば、特許文献１、２参照）。熱音響機関はスターリングサイクルで駆動する外燃機関であるために、太陽光や工業廃熱等、あらゆる熱源から高効率で仕事を取り出せる可能性がある。また音波を利用して熱交換するシンプルな構成である為に、通常のスターリングエンジンと違い、ピストン、タービン等の可動部品を全く必要とせず、安価、長寿命、メンテナンスフリーという利点を有する。
【０００４】
ここで、近年において実用化を目指して研究が行われている代表的な熱音響機関（例えば、非特許文献１参照）の構成を図６に示す。図６（ａ）に示す熱音響発電機５００は、ループ管１００と共鳴管１１１とを備える。そして、ループ管１００内には、原動機２００を構成する、蓄熱器２１０、加熱器２２０および冷却器２３０を備え、共鳴管１１１の先端には発電機（リニア発電機）３００を備える。熱音響発電機５００においては、蓄熱器２１０に温度勾配を与えると、音波である自励振動（すなわち熱音響自励振動）が励起され、この音の振動エネルギ（すなわち音響エネルギ）Ｅをリニア発電機３００で電力に変換する。熱音響発電機５００は廃熱利用発電機やソーラーパネルを超える高効率太陽光発電機としての利用が想定されている。
【０００５】
一方、冷房や保冷庫、極低温を生成する装置として図６（ｂ）に示す熱音響冷凍機６００（例えば、非特許文献２参照）の研究も活発に行われている。熱音響冷凍機６００は、２つのループ管１００，１２０と共鳴管１１１とを備える。そしてループ管１００内には、原動機２００を構成する、蓄熱器２１０、加熱器２２０および冷却器２３０を備え、ループ管１２０内には、冷凍機４００を構成する、冷凍用蓄熱器４１０、冷気放出器４２０および冷凍用冷却器４３０を備える。熱音響冷凍機６００では、一方のループ管１００内に設置した蓄熱器２１０に温度勾配を与えると自励振動が励起される。この自励振動による音響エネルギＥは、共鳴管１１１を通じてもう一方のループ管１２０に流れ込み、逆スターリングサイクルを実行することで冷凍用蓄熱器４１０を冷凍作動させる。このような管内音波である自励振動を使って低温生成を行う熱音響冷凍機６００には、パルス管冷凍機を超えるポテンシャルがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１１８７２８号公報
【特許文献２】特開２００９−７４７３４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S.Backhaus, E.Tward and M.Petach, Appl.Phys.Lett., Vol.85, pp.1085-1087(2004)、図４
【非特許文献１】M. Miwa, T. Sumi, T. Biwa, Y. Ueda and T. Yazaki, Ultrasonics, 44, e1527-e1529(2006)、図５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のように、熱音響機関は高い理論熱効率と広い応用範囲、さらにはシンプルかつ安価であるというメリットを有する。しかしながら、一般的にその発振温度（駆動温度）は４００〜６００℃程度であり、現実の自動車や工場において発生する１００〜３００℃程度の廃熱の温度と比較して格段に高温である。そのため現段階では、前記した熱音響機関を「廃熱を回収する」という用途に使用することは難しく、実用化はなされていない。しかしながら低温駆動を可能とすることができれば、熱電変換素子を超える超高効率熱エネルギ変換デバイスとして、一般社会に熱音響機関の普及が急速に進むと考えられる。
【０００９】
本発明はこのような背景のもとになされたものであり、従来のループ管と共鳴管を備える熱音響機関に比較して、低温駆動を可能とする熱音響機関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】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として、本発明に係る熱音響機関は、作動気体が封入される環状のループ管と、当該ループ管に連通して一端が接続された共鳴管と、を有し、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と、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と、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と、を備え、前記蓄熱器の両端部間に温度勾配を形成して前記作動気体の自励振動を発生させる熱音響機関であって、前記ループ管は、前記冷却器における前記蓄熱器と反対方向の位置に、前記ループ管の他の部位よりも内径が大きい拡大管部を有し、前記拡大管部は、当該拡大管部における前記冷却器側の先端が、前記冷却器における前記蓄熱器と反対側の先端から前記ループ管の管路方向の長さの１／４以下の長さの部位に位置するように設けられていることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、蓄熱器の一端部が加熱器により加熱され、蓄熱器の他端部が冷却器により冷却されることで、蓄熱器の両端部間に温度差、すなわち温度勾配が生じる。そしてこの温度差により、主として作動気体の進行波からなる自励振動（圧力振動）による仕事が生じる。そして、ループ管の所定位置に拡大管部を有することで、自励発振時における発振温度が低下する。なお、自励発振時とは、自励振動が生ずる時のことであり、発振温度とは、熱音響機関が駆動（作動）するときに必要な温度のことである。
【００１２】
本発明に係る熱音響機関は、前記拡大管部の管路方向の長さ（すなわち流路方向の長さ）が、前記ループ管全体の管路方向の長さの１／３０〜１／５であることが好ましく、また、前記拡大管部の内径（直径）が、前記ループ管の他の部位の内径の１．２〜５倍であることが好ましい。
このような構成によれば、拡大管部の長さや内径を規定することで、発振温度がより低下しやすくなり、また、熱音響機関の体積が増大するのを抑制することができる。
【００１３】
本発明に係る熱音響機関は、さらに、前記共鳴管の他端に、前記作動気体に発生する自励振動に応動して発電を行なう発電機を備えることで熱音響発電機とすることができる。
このような構成によれば、作動気体に発生した自励振動による音響エネルギが、発電機によって電気エネルギに変換される。そして、熱音響発電機として、より低温で駆動することができる。
【００１４】
本発明に係る熱音響機関は、さらに、前記共鳴管の他端に連通して接続された環状の冷凍用ループ管を有し、前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記作動気体を冷却する冷凍用蓄熱器と、前記冷凍用蓄熱器の前記自励振動が伝わる一端側に隣接して前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記冷凍用蓄熱器の一端部の熱を外部に放出する冷凍用冷却器と、前記冷凍用蓄熱器の他端側に隣接して前記冷凍用ループ管の管路に設けられ、前記冷凍用蓄熱器の他端部に発生する冷気を外部に放出する冷気放出器と、備えることで熱音響冷凍機とすることができる。
【００１５】
このような構成によれば、冷凍用蓄熱器の一端部が冷凍用冷却器により冷却されるとともに、作動気体に発生した自励振動による音響エネルギが、冷凍用蓄熱器に伝達される。これにより、伝達された音響エネルギが冷凍用蓄熱器一端部と冷凍用蓄熱器の他端部との間における温度差に変換される。そして、この冷凍用蓄熱器の両端の温度差によって冷凍用蓄熱器の他端部に発生した冷気が、冷気放出器によって外部に取り出される。そして、熱音響冷凍機として、より低温で駆動することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る拡大管部を設けた熱音響機関によれば、従来のループ管と共鳴管を備える熱音響機関と比較して、拡大管部の著しい体積増大を抑制しつつ、発振温度を大幅に低下させることが可能である。そのため、より低温で駆動させることができる。また、音響エネルギをより大きく励起することが可能であり、さらにエネルギ変換効率の向上が可能である。そして、少ない投入エネルギで発振可能なため、装置全体の小型化が可能であり、また装置全体の体積を減少させることが可能である。
【００１７】
また、熱音響発電機として用いた場合、従来のループ管と共鳴管を備える熱音響機関と比較して、発電量の向上が可能である。熱音響冷凍機として用いた場合、従来のループ管と共鳴管を備える熱音響機関と比較して、低温駆動を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る熱音響機関の構成を模式的に示す模式図である。
【図２】本発明に係る熱音響機関を熱音響発電機として用いた場合の模式図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、発電機における発電について説明するための模式図である。
【図４】本発明に係る熱音響機関を熱音響冷凍機として用いた場合の模式図である。
【図５】実施例における、拡大管部の位置と発振温度差の関係を示すグラフである。
【図６】従来の熱音響機関の構成を模式的に示す模式図であり、（ａ）は、熱音響機関を熱音響発電機として用いた場合の模式図、（ｂ）は、熱音響機関を熱音響冷凍機として用いた場合の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明について、図面を参照して詳細に説明する。
≪熱音響機関≫
図１に示すように、熱音響機関１は、作動気体が封入される環状のループ管１０と、ループ管１０に連通して一端が接続された共鳴管１１と、を有するものである。そして、ループ管１０の管路に、原動機２０として、蓄熱器２１と、加熱器２２と、冷却器２３と、を備える。さらに、ループ管１０は、ループ管１０の他の部位よりも内径が大きい拡大管部１５を有している。
以下、各構成について説明する。
【００２０】
［ループ管１０および共鳴管１１］
ループ管（原動機用ループ管）１０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１０ａ〜１０ｄからなる。すなわち、縦方向に略平行に並んだ２つの直管部１０ａ、１０ｂと、横方向に略平行に並んだ２つの直管部１０ｃ、１０ｄと、を有している。そして、直管部１０ａの一端と直管部１０ｃの一端、直管部１０ｂの一端と直管部１０ｃの他端、直管部１０ｂの他端と直管部１０ｄの一端が接続されてこの部位で湾曲している。また、直管部１０ａの他端と直管部１０ｄの他端が接続されるとともに、この部位において、ループ管１０に連通して共鳴管１１の一端が接続されている。
【００２１】
共鳴管１１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と共鳴管１１とを通動可能な状態で接続されている。ここで、図１の破線（符号Ａ１）を基準として図１における紙面上、左側の管部がループ管１０であり、右側の管部が共鳴管１１である。
なお、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。
【００２２】
［原動機］
原動機２０は、熱音響機関１の自励振動発生手段として機能するものである。原動機２０は、ループ管１０内に設けられた蓄熱器２１と、蓄熱器２１の両端を挟むように設けられた加熱器２２および冷却器２３とを有している。より具体的には、原動機２０は、本実施形態において、ループ管１０における共鳴管１１が接続されている側、すなわちループ管１０の直管部１０ａの管路に設けられている。そして、加熱器２２は蓄熱器２１の直管部１０ｄ側に配置され、冷却器２３はその反対側、すなわち蓄熱器２１の直管部１０ｃ側に配置されている。
【００２３】
（蓄熱器）
蓄熱器（原動機用蓄熱器）２１は、ループ管１０の管路に設けられ、作動気体を加熱および冷却するものである。
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自励振動を発生させる。すなわち蓄熱器２１は、その一端部（以下、適宜、高温部２１ｂと称する）と、その他端部（以下、適宜、常温部（原動機側常温部）２１ａと称する）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進行波からなる自励振動（圧力振動）による仕事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。
【００２４】
（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、加熱用の熱交換器から構成される。具体的には、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。
【００２５】
（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。
【００２６】
［拡大管部］
拡大管部１５は、ループ管１０の一部を構成するものであり、ループ管１０の他の部位よりも大きい内径を有する。すなわち拡大管部１５は、ループ管１０の経路中に設けられ、可能な限りその管部の体積増大を抑制しつつ、発振温度の低下効果を最大限発揮させるには、所定の長さおよび所定の内径を有する。この拡大管部１５は、冷却器２３における蓄熱器２１と反対方向の位置に、拡大管部１５における冷却器２３側の先端が、冷却器２３における蓄熱器２１と反対側の先端からループ管１０の管路方向の長さの１／４以下の長さの部位に位置するように設けることが重要である。例えば、ループ管１０の管路方向の長さが１５００ｍｍであれば、３７５ｍｍ以下の長さの部位に位置するように設ければよい。ここで、ループ管１０の管路方向の長さとは、符号Ａ１の破線部分から、直管部１０ｄ、１０ｂ、１０ｃ、１０ａを合計した長さ（各直管部の接続部分も含む）である。なお、長さを測定する基準は、ループ管１０の直径の中心部を基準とする。
【００２７】
すなわち本実施形態では、拡大管部１５の最下部、つまり図１における紙面上、ループ管１０の時計回りの方向における先端部が、冷却器２３の最上部、つまり紙面上、ループ管１０の反時計回りの方向における先端部から冷却ブラケット２３ａの上壁を介して所定距離離間して設けられている。なお、ここでは拡大管部１５は、冷却器２３の周囲の設けられた冷却ブラケット２３ａの上壁に隣接することで、冷却器２３と所定距離離間している。このように、ループ管１０において拡大管部１５が適宜の体積で適宜の位置に配置されることで、理由は不明であるが、発振温度を大幅に低下させることができる。
【００２８】
ここで前記したように、拡大管部１５の配置は、ループ管１０の管路方向の長さの１／４以下の長さの部位に位置するように設けられていれば、冷却器２３からの距離は限定されるものではない。しかしながら、拡大管部１５の位置が冷却器２３に近づくほど、発振温度を低下させる効果が高くなる。したがって、拡大管部１５における冷却器２３側の先端は、冷却器２３における蓄熱器２１と反対側の先端からループ管１０の管路方向の長さの１／１０以下の長さの部位に位置するように設けられていることが好ましい。より好ましくは、１／３０以下の長さである。
【００２９】
さらには、拡大管部１５における冷却器２３側の先端が、冷却器２３における蓄熱器２１と反対側の先端から０ｍ、すなわち拡大管部１５が冷却器２３と隣接、つまり密着して設けられていることが好ましい。拡大管部１５と冷却器２３とが隣接していることで、発振温度をさらに大幅に低下させることが可能である。なお、ここでは、拡大管部１５と冷却器２３との間に冷却ブラケット２３ａの上壁を介しているが、熱音響機関１や冷却器２３の形態等によっては、拡大管部１５と冷却器２３とを直接接合し、拡大管部１５が冷却器２３と隣接（密着）する構成とすることができる。
【００３０】
また、拡大管部１５の管路方向の長さＬは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば特に限定されるものではないが、ループ管１０全体の管路方向の長さの１／３０〜１／５であることが好ましい。より好ましくは、１／２０〜１／８である。さらには、１／１５〜１／９が好ましい。拡大管部１５の長さＬがこの範囲であれば、発振温度を低下させる効果を向上させやすくなり、また、熱音響機関１の体積が増大しすぎることがない。
【００３１】
さらには、拡大管部１５の内径も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば特に限定されるものではないが、拡大管部１５の内径は、ループ管１０の他の部位の内径の１．２〜５倍であることが好ましい。より好ましくは、１．５〜３倍、さらに好ましくは１．５〜２．５倍である。拡大管部１５の内径がこの範囲であれば、発振温度を低下させる効果が向上しやすくなり、また、熱音響機関１の体積が増大しすぎることがない。
【００３２】
また、拡大管部１５の外径も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば特に限定されるものではないが、前記内径の倍率に合わせて、ループ管１０の他の部位の外径の１．２〜５倍であることが好ましい。なお、製造上の観点、および、本発明の効果を発揮させやすくする観点から、拡大管部１５の肉厚（すなわち外径と内径との差の１／２）は、ループ管１０の他の部位の壁厚と同程度とすることが好ましい。
【００３３】
本発明の熱音響機関は、主に、熱音響発電機や、熱音響冷凍機として用いられる。
次に、図面を参照して、前記の熱音響機関を用いた熱音響機関の一例として、熱音響発電機および熱音響冷凍機について説明する。
【００３４】
＜熱音響発電機＞
図２に示すように、熱音響発電機５０は、前記した熱音響機関１に加え、さらに、共鳴管１１の他端に、作動気体に発生する自励振動に応動して発電を行なう発電機（リニア発電機）３０を備えるものである。発電機３０を備える以外については、前記の熱音響機関１で説明したとおりであるので、ここでは発電機３０について説明する。
【００３５】
［発電機］
発電機３０は、共鳴管１１の他端に、ループ管１０の一部に連通するかたちで設けられており、作動気体に発生する自励振動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、音響エネルギＥである自励振動に基づき内側ヨーク３３を往復振動させて、音響エネルギＥを電気エネルギに変換するものである。これにより、共鳴管１１を通って伝達した音響エネルギＥを、内側ヨーク３３の往復運動を介して電気エネルギに変換する、いわゆる熱音響発電機５０を形成することができる。
【００３６】
発電機３０は、共鳴管１１の他端に接続され、ループ管１０および共鳴管１１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いる。
【００３７】
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、音響エネルギＥである自励振動に基づき内側ヨーク３３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。
【００３８】
次に、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して、発電機３０による発電について説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、内側ヨーク３３が中立位置にある状態（図３（ｂ））では、永久磁石３４，３４を中心として短い磁路のループが形成される（磁路については図示省略）。一方、内側ヨーク３３が図３における紙面上、左にストロークして、左位置にある状態（図３（ａ））、および、内側ヨーク３３が図３における紙面上、右にストロークして、右位置にある状態（図３（ｃ））では、コイル３２，３２を取り囲む長い磁路Ｍのループが形成される。このとき図３（ａ）の状態と図３（ｃ）の状態とでは、磁束の方向は逆方向となるため、大きな磁束密度変動が発生し、これにより発電が行われる。
【００３９】
このような直線運動を直接電力に変換するリニア発電システムは、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、発電機全体を小型化することや、高効率化を期待することができる。また、往復運動のストローク変動が発生するフリーピストン型スターリングエンジンを用いたり、潮力エネルギ、振動エネルギ等を発電に利用したりした場合、振動を回転に変換することが困難であることから、高効率リニア発電機へのニーズは高まっている。
【００４０】
＜熱音響冷凍機＞
図４に示すように、熱音響冷凍機６０は、前記した熱音響機関１に加え、さらに、共鳴管１１の他端に連通して接続された環状の冷凍用ループ管１２を有する。そして、冷凍用ループ管１２の管路に、冷凍機４０として、冷凍用蓄熱器４１と、冷凍用冷却器４３と、冷気放出器４２と、を備える。冷凍機４０を備える以外については、前記の熱音響機関１で説明したとおりであるので、ここでは冷凍機４０およびこれを管路に備える冷凍用ループ管１２について説明する。
【００４１】
［冷凍用ループ管］
冷凍用ループ管１２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１２ａ〜１２ｄからなる。すなわち、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１２ａ、１２ｂと、横方向に略平行に並んだ２つの直管部１２ｃ、１２ｄと、を有している。そして、直管部１２ａの一端と直管部１２ｃの一端、直管部１２ｂの一端と直管部１２ｃの他端、直管部１２ｂの他端と直管部１２ｄの一端が接続されて湾曲している。また、直管部１２ａの他端と直管部１２ｄの他端が接続されるとともに、この部位において、冷凍用ループ管１２に連通して共鳴管１１の他端が接続されている。ここで、図４の破線（符号Ａ２）を基準として図４における紙面上、右側の管部が冷凍用ループ管１２であり、左側の管部が共鳴管１１である。
【００４２】
［冷凍機］
冷凍機４０は、原動機２０によって発生する作動気体の自励振動による仕事を冷気（冷熱）に変換するヒートポンプ手段として機能するものである。冷凍機４０は、冷凍用ループ管１２内に設けられた冷凍用蓄熱器４１と、冷凍用蓄熱器４１の両端を挟むように設けられた冷凍用冷却器４３および冷気放出器４２とを有している。より具体的には、冷凍機４０は、本実施形態において、冷凍用ループ管１２における共鳴管１１が接続されている側、すなわち冷凍用ループ管１２の直管部１２ａの管路に設けられている。そして、冷凍用冷却器４３は冷凍用蓄熱器４１の直管部１２ｃ側に配置され、冷気放出器４２はその反対側、すなわち冷凍用蓄熱器４１の直管部１２ｄ側に配置されている。
【００４３】
（冷凍用蓄熱器）
冷凍用蓄熱器４１は、冷凍用ループ管１２の管路に設けられ、作動気体を冷却するものである。
冷凍用蓄熱器４１は、原動機２０から、共鳴管１１、冷凍用ループ管１２の直管部１２ｄ，１２ｂ，１２ｃ，１２ａの順にこれらの管を通じて冷凍用蓄熱器４１の一端部（以下、適宜、常温部（冷凍機側常温部）４１ａと称する）に伝達された自励振動を、冷凍用蓄熱器４１の一端部（常温部４１ａ）と冷凍用蓄熱器４１の他端部（以下、適宜、低温部４１ｂと称する）との間における温度差に変換する機能を有している。冷凍用蓄熱器４１の常温部４１ａは冷凍用冷却器４３によって冷却されているため、伝達された自励振動によって、冷凍用蓄熱器４１の低温部４１ｂは、常温部４１ａ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４２によって外部に取り出される。冷凍用蓄熱器４１は、熱容量の大きい蓄冷材からなる。蓄冷材としては、例えば、ステンレス鋼、銅、鉛等を用いることができ、またその形状は多様な形状を適用することが可能である。
【００４４】
（冷凍用冷却器）
冷凍用冷却器４３は、冷凍用蓄熱器４１の自励振動が伝わる一端側に隣接して冷凍用ループ管１２の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器４１の一端部（常温部４１ａ）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４３は、冷却水や空気等を用いて冷凍用蓄熱器４１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４３は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。具体的には、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ている。この冷凍用冷却器４３は、その周囲に冷却ブラケット４３ａが配設されている。この冷却ブラケット４３ａ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４３は冷却ブラケット４３ａ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４１と冷凍用冷却器４３の間に冷却ブラケット４３ａの下壁が示されているが、冷凍用冷却器４３は、この下壁を通して冷凍用蓄熱器４１の一端側と隣接、すなわち密着している。
【００４５】
（冷気放出器）
冷気放出器４２は、冷凍用蓄熱器４１の他端側に隣接して冷凍用ループ管１２の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器４１の他端部（低温部４１ｂ）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４２は、冷凍用蓄熱器４１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４２は、例えば、冷凍用の熱交換器から構成される。冷気放出器４２としては、基本的には冷凍用冷却器４３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。この冷気放出器４２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４２ａが配設されている。なお、図面では便宜上、冷凍用蓄熱器４１と冷気放出器４２の間に環状部材４２ａの上壁が示されているが、冷気放出器４２は、この上壁を通して冷凍用蓄熱器４１の他端側と隣接、すなわち密着している。
【００４６】
＜熱音響機関の動作＞
次に熱音響機関の動作について、熱音響発電機および熱音響冷凍機を例にして図２および図４を参照して説明する。
【００４７】
［熱音響発電機の動作］
図２に示すように、まず、原動機２０において、加熱器２２によって蓄熱器２１の高温部２１ｂを加熱し、かつ、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、原動機２０（具体的には、蓄熱器２１）には、主として作動気体の進行波からなる自励振動による仕事が生じる。そして、原動機２０において発生した自励振動による仕事は、音響エネルギＥとしてループ管１０の直管部１０ａ，１０ｃ，１０ｂ，１０ｄ、共鳴管１１の順にこれらの管を通じて発電機３０に伝達される。そして発電機３０に伝達された自励振動に基づき内側ヨーク３３を往復振動させることで、音響エネルギＥが電気エネルギに変換されて発電が行なわれる。
【００４８】
［熱音響冷凍機の動作］
図４に示すように、前記した熱音響発電機の動作と同様にして、原動機２０（具体的には、蓄熱器２１）に主として作動気体の進行波からなる自励振動による仕事が生じる。そして、原動機２０において発生した自励振動による仕事は、音響エネルギＥとして共鳴管１１を通じて冷凍機４０に伝達される。より具体的には、蓄熱器２１の高温部２１ｂから、音響エネルギＥとしてループ管１０の直管部１０ａ，１０ｃ，１０ｂ，１０ｄ、共鳴管１１、冷凍用ループ管１２の直管部１２ｄ，１２ｂ，１２ｃ，１２ａを通じて冷凍用蓄熱器４１の常温部４１ａに伝達される。
【００４９】
次に、冷凍用蓄熱器４１に伝達された自励振動は、冷凍用冷却器４３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４１の常温部４１ａと冷凍用蓄熱器４１の低温部４１ｂとの間における温度差に変換される。そして、この冷凍用蓄熱器４１の両端の温度差によって冷凍用蓄熱器４１の低温部４１ｂに発生した冷気（冷熱）が、冷気放出器４２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。
【実施例】
【００５０】
次に、本発明に係る実施例について説明する。本実施例では、ループ管と共鳴管を備える熱音響機関において、本発明の拡大管部を有するものと、従来の拡大管部を有さないものについて、自励発振時における原動機での加熱器と冷却器との温度差（すなわち発振温度差）を調べた。なお、発振温度（駆動温度）が低下すれば、より低温で駆動することが可能となるため、発振温度差も小さくなる。具体的には、以下のとおりである。
【００５１】
ループ管長さ（管路方向の長さ）約１４７５ｍｍ，管内径４０ｍｍの熱音響機関を用いて、拡大管部を設けた場合における発振温度計測実験を行った。なお熱音響機関の基本構成は図１に示すものと同様とし、拡大管の長さは１３０ｍｍ、内径は７５ｍｍとした。拡大管部の位置（すなわち拡大管部における冷却器側の先端の位置）はループ管と共鳴管の接合点をゼロ点とし、図１における反時計周りに設置位置を変更した。また、この熱音響機関と同様の構成において、拡大管部を有さないものについて同様の計測実験を行なった。これらの熱音響機関について、発振温度差を調べた。
【００５２】
結果を図５に示す。なお、図中において、黒丸印は拡大管部を有する熱音響機関の実験結果、実線は拡大管部を有しない熱音響機関の実験結果である。また、加熱器、蓄熱器、冷却器は、紙面上、左からこの順に示している。
図５に示すように、拡大管部が冷却器に近づくに伴い発振温度差が減少している。さらに、冷却器直前に拡大管部を設けた場合には、拡大管を使用しない場合に比べ約５０℃低い３２０℃の温度差での発振が可能になっていることがわかる。この結果は拡大管を冷却器直前に設置することによって、発振温度差を大幅に低下させることが可能であることを示している。発振温度差の低下は、発振温度の低下と同義であるため、低温発振が可能となる。
【００５３】
以上、本発明について実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等が可能であることはいうまでもない。
【００５４】
例えば、熱音響発電機や熱音響冷凍機の構成は、前記説明した形態のものに限定されるものではなく、その他の一般的に用いられている構成の熱音響発電機や熱音響冷凍機においても、本発明における拡大管部を有する構成を適用することができる。例えば、熱音響発電機においては、発電機（リニア発電機）の構成は、前記説明したものに限定されるものではなく、熱音響発電機として用いられる発電機であればどのような構成であってもよい。また、熱音響冷凍機においては、原動機と冷凍機を同一のループ管内に設け、１つのループ管を備える構成としてもよい。さらには、これに加え、共鳴管の端部に、ピストンの振動により原動機から出力される仕事量を大きくする共鳴タンクを備える構成としてもよい。
【００５５】
また、ループ管や冷凍用ループ管の形状は、前記した実施形態では角丸の四角形としたが、これらの形状はこれに限定されるものではなく、例えば、正方形や円、あるいは楕円の形状であってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１    熱音響機関
１０  ループ管
１１  共鳴管
１２  冷凍用ループ管
１５  拡大管部
２０  原動機
２１  蓄熱器
２２  加熱器
２３  冷却器
３０  発電機（リニア発電機）
４０  冷凍機
４１  冷凍用蓄熱器
４２  冷気放出器
４３  冷凍用冷却器
５０  熱音響電動機
６０  熱音響冷凍機
【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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