(57)【要約】【課題】音エネルギーと熱エネルギーとの相互間で効率よくエネルー交換を行うことができるスタックを低コストで製造する。【解決手段】ループ管１内で音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を行うスタック４であって、ループ管１内に管軸に沿って複数本が並列に配列された細管ガラスＧの集合体からなる。この複数本の細管ガラスＧは、相互に溶着することなく接触した状態でループ管１内に保持されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内に配置され、該管内で音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を行うスタックにおいて、
前記管内に管軸に沿って複数本が並列に配列された細管ガラスの集合体からなり、前記複数本の細管ガラスが相互に溶着することなく接触した状態で前記管内に保持されていることを特徴とするスタック。
【請求項２】
前記複数本の細管ガラスが、前記管内に、３００本／ｉｎｃｈ2以上の割合で配置されるとともに、前記管の内孔の軸直角断面における前記複数本の細管ガラスのガラス部分の占有率が５０％未満であることを特徴とする請求項１に記載のスタック。
【請求項３】
前記複数本の細管ガラスの外周面の非接触部分の相互間には、前記管の管軸方向に連通する空隙が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスタック。
【請求項４】
ループ管内の離間した２箇所に、高温側熱交換器と低温側熱交換器とで挟んだ状態で請求項１〜３のいずれか１項に記載のスタックをそれぞれ配置してなり、一方側の前記スタックに温度勾配を付与することにより自励の音波を発生させ、該音波によって他方側の前記スタックに取り付けられた前記低温側熱交換器の冷却と前記第二高温側熱交換器の加熱との少なくとも一方を行うことを特徴とする熱音響装置。
【請求項５】
管内に配置され、該管内で音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を行うスタックの製造方法において、
複数本の細管ガラスを前記管内に管軸に沿う姿勢で挿入して該管内に並列に配列させるとともに、該管内の前記複数本の細管ガラスを相互に溶着させることなく接触させた状態で保持することを特徴とするスタックの製造方法。
【請求項６】
前記複数本の細管ガラスが、リドロー法によって成形されることを特徴とする請求項５に記載の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、詳細には、熱エネルギーと音エネルギーとの相互間でエネルギー交換を行うスタック及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、熱音響装置は、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー変換を行う装置であって、例えば、工場や自動車の廃熱などを利用して冷却対象物を冷却するように構成されたものが提案されており、クリーンな冷却機構として注目されている。
【０００３】
この種の熱音響装置は、図１に示すように、ヘリウムやネオンなどの気体（流体）を封入したループ管１と、ループ管１の一方側に設けられ且つ高温側熱交換器２ａと低温側熱交換器３ａとに挟持された第一のスタック４ａと、ループ管１の他方側に設けられ且つ高温側熱交換器２ｂと低温側熱交換器３ｂとに挟持された第二のスタック４ｂとを備えている。なお、両スタック２ａ，２ｂは、ループ管１の管軸方向に連通する複数の流通経路を有する。
【０００４】
このような構成を備えた熱音響装置の動作原理は次の通りである。
【０００５】
まず、第一のスタック４ａ側の高温側熱交換器２ａを工場廃熱や自動車の廃熱などを入力して加熱するとともに、低温側熱交換器３ａに冷却液（冷却水や液体窒素など）を循環させて冷却し、高温側熱交換器２ａと低温側熱交換器３ａとの間に温度勾配を形成する。これにより、両熱交換器２ａ，３ａに挟持された第一のスタック４ａの流通経路内の流体（上記の封入したヘリウム等）が揺らぎ始め、然る後、ループ管１内に自励の音波が発生する。このように自励の音波が発生すると、その音波はループ管１に沿って伝搬し、ループ管１の他方側に配置された第二のスタック４ｂに音エネルギーとして入力される。この音エネルギーが入力された第二のスタック４ｂでは、その流通経路内で流体が膨張・収縮を繰り返し、その過程で流体に蓄積された熱が第二のスタック４ｂの流通経路を構成する壁面に放出される。そして、この放出された熱を音エネルギーの移送方向と逆方向、すなわち、低温側熱交換器３ｂから高温側熱交換器２ｂに向けて移送させ、その過程で熱を奪って低温側熱交換器３ｂを冷却し、この冷却された低温側熱交換器３ｂを用いて外部の冷却対象物を冷却する。
【０００６】
ところで、この種の熱音響装置に用いられるスタックとしては、種々のものが提案されている。例えば、特許文献１には、セラミックス、焼結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きな素材で形成され、ループ管の管軸方向に貫通し、流通経路として機能する多孔を有するスタックなどが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２７４０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、これらのスタックのうち、金属製のスタックは、一般的に熱伝導率が高いため、スタックを用いて自励の音波を発生させる場合に、スタックの両端間における温度勾配を大きく維持できず、自励の音波を迅速に発生させることができないという問題がある。
【０００９】
また、スタックを用いて、自励の音波を発生させる場合と、音エネルギーを熱エネルギーに変換させる場合とのいずれにおいても、スタックの流通経路の数を増加させるに連れて音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー変換効率が向上するものと考えられるが、金属製やセラミックス製のスタックの場合には、流通経路の数を増加させる加工が難しく、製造コストが高騰するという問題がある。
【００１０】
特に、セラミックス製のスタックは、射出成形によって流通経路として機能する多孔が形成されるのが通例であるため、微小な孔を形成することが技術的に困難である。すなわち、スタックに形成する多孔の孔径を小さくしようとすると、射出時に高温で押し出された素材が孔内で密着し、目詰まりを起こして流通経路が閉塞する可能性がある。しかも、その後の焼成工程においても、熱収縮によって流通経路が変形して、スタック内での熱変換効率が低下するおそれがある。
【００１１】
以上の実情に鑑み、本発明は、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間で効率よくエネルギー交換を行うことができるスタックを低コストで製造することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために創案された本発明は、管内に配置され、該管内で音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を行うスタックにおいて、前記管内に管軸に沿って複数本が並列に配列された細管ガラスの集合体からなり、前記複数本の細管ガラスが相互に溶着することなく接触した状態で前記管内に保持されていることに特徴づけられる。
【００１３】
このような構成によれば、スタックが細管ガラスの集合体から形成されるので、金属等でスタックを形成する場合に比して、スタックの熱伝導率を低く抑えることができる。そのため、スタックを用いて自励の音波を発生させる場合に、スタックの両端間における温度勾配を大きく維持することができ、自励の音波を迅速に発生させることが可能となる。
【００１４】
また、細管ガラスの製造技術は確立した技術であるため、流通経路の数を増加させるために、細管ガラスの外径と内径をそれぞれ小さくすることは技術的に容易である。したがって、複数の細管ガラスの集合体からなるスタックであれば、スタックの両端に連通する流通経路の数を容易に増加させることができる。
【００１５】
さらに、スタックを構成する複数本の細管ガラスは、相互に溶着することなく接触した状態で管内に保持されているため、既存技術を利用して所定長さの細管ガラスを製作した後は、その細管ガラスに特段の加工を施すことなく、管内に挿入するだけでスタックを製作することができる。したがって、スタックの製造コストの低廉化を確実に図ることが可能となる。なお、接着剤を用いて細管ガラスの外周面同士を接着して管内に挿入するようにしてもよい。
【００１６】
上記の構成において、前記複数本の細管ガラスが、前記管内に、３００本／ｉｎｃｈ2以上の割合で配置されるとともに、前記管の内孔の軸直角断面における前記複数本の細管ガラスのガラス部分の占有率が５０％未満であることが好ましい。
【００１７】
すなわち、複数本の細管ガラスが、管内に３００本／ｉｎｃｈ2以上の割合で配置されていれば、スタックの流通経路が適度に細分化され、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を効率よく行うことが可能となる。また、この場合であっても、ガラス部分の占める割合が大きすぎると、流通経路が狭くなりすぎてエネルギーの変換効率が低下するおそれがある。そのため、管の内孔の軸直角断面における前記複数本の細管ガラスのガラス部分の占有率は５０％未満であることが好ましく、このような数値範囲であれば、流通経路となり得るガラス管の内孔の大きさを問題なく確保することができるので、エネルギーの交換効率を良好に維持することが可能となる。
【００１８】
上記の構成において、前記複数本の細管ガラスの外周面の非接触部分の相互間には、前記管の管軸方向に連通する空隙が形成されていてもよい。
【００１９】
このようにすれば、複数本の細管ガラスの外周面の非接触部分の相互間に形成される空隙が、各細管ガラスの内孔と同様に、管軸方向に連通する流通経路として機能するものと考えられる。したがって、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でのエネルギー交換の効率向上が期待できる。なお、この場合、上述のように接着剤を用いて細管ガラスの外周面同士を接着するときは、細管ガラスの外周面の非接触部分の相互間に形成される空隙を接着剤で塞がないようにすることが必要である。
【００２０】
上記の構成を適宜備えたスタックを用いて熱音響装置を構成してもよい。すなわち、ループ管内の離間した２箇所に、高温側熱交換器と低温側熱交換器とで上記の構成を適宜備えたスタックを挟んだ状態でそれぞれ配置してなる熱音響装置であって、一方側の前記スタックに温度勾配を付与することにより自励の音波を発生させ、該音波によって他方側の前記スタックに取り付けられた前記低温側熱交換器の冷却と前記第二高温側熱交換器の加熱との少なくとも一方を行う構成としてもよい。
【００２１】
上記課題を解決するために創案された本発明は、管内に配置され、該管内で音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を行うスタックの製造方法において、複数本の細管ガラスを前記管内に管軸に沿う姿勢で挿入して該管内に並列に配列させるとともに、該管内の前記複数本の細管ガラスを相互に溶着させることなく接触させた状態で保持することに特徴づけられる。
【００２２】
このような方法によれば、既に述べた対応する構成と同様の作用効果を享受することができる。
【００２３】
上記の方法において、前記複数本の細管ガラスが、リドロー法によって成形されることが好ましい。
【００２４】
このようにすれば、非常に細い細管ガラスを安定的に精度よく製作することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように本発明によれば、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間で効率よくエネルー交換を行うことができるスタックを低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】熱音響装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係るスタックを示す斜視図である。
【図３】図２の符号Ｘで示す領域を拡大した拡大図である。
【図４】他の熱音響装置の全体構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態を添付図面を参照して説明する。なお、本実施形態に係る熱音響装置は、従来技術で説明した熱音響装置とスタック４（４ａ，４ｂ）の構造のみが相違するため、以下では、スタック４の構成を中心に説明し、熱音響装置の全体構成については、詳しい説明を省略する。
【００２８】
図２に示すように、本実施形態に係る熱音響装置に適用されるスタック４は、ループ管１内に管軸に沿って複数本が並列に配列された細管ガラスＧの集合体からなる。
【００２９】
この集合体を構成する個々の細管ガラスＧは、相互に溶着することなく接触した状態でループ管１の一部を構成する管内に保持されている。このようにすれば、第一に、金属等でスタックを形成する場合に比して、熱伝導率を低く抑えることができるため、スタック４を用いて自励の音波を発生させる場合（図１の第一のスタック４ａとして用いる場合）に、スタック４の両端間における温度勾配を大きく維持することができ、自励の音波を迅速に発生させることが可能となる。第二に、細管ガラスＧの製造技術は確立した技術であるため、流通経路の数を増加させるために、細管ガラスＧの外径と内径をそれぞれ小さくすることは技術的に容易である。したがって、複数の細管ガラスＧの集合体からなるスタック４であれば、スタック４の両端に連通する流通経路の数を容易に増加させることができる。そして、第三に、スタック４を構成する複数本の細管ガラスＧは、相互に溶着することなく接触した状態で管内に保持されているため、既存技術を利用して所定長さの細管ガラスＧを製作した後は、その細管ガラスＧに特段の加工を施すことなく、ループ管１内に挿入するだけでスタック４を製作することができる。したがって、スタック４の製造コストの低廉化を確実に図ることが可能となる。
【００３０】
また、スタック４を構成する複数本の細管ガラスＧは、ループ管１内に、３００本／ｉｎｃｈ2以上の割合で配置されている。このようにすれば、細管ガラスＧの内孔の数に準じてスタック４全体の流通経路が適度に細分化され、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でエネルギー交換を効率よく行うことが可能となる。なお、細管ガラスＧは、ループ管１内に、５００本／ｉｎｃｈ2以上の割合で配置されていることが好ましく、１０００本／ｉｎｃｈ2以上の割合で配置されていることがより好ましく、２０００本／ｉｎｃｈ2以上の割合で配置されていることが最も好ましい。
【００３１】
さらに、スタック４が配置された位置でのループ管１の内孔の軸直角断面において、スタック４を構成する複数本の細管ガラスＧのガラス部分の占有率が５０％未満となっている。すなわち、ループ管１内に、細管ガラスＧを３００本／ｉｎｃｈ2以上の割合で配置した場合でも、ガラス部分の占める割合が大きすぎると、流通経路が極端に狭くなりすぎ、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でのエネルギー変換において損失が生じ得る。したがって、スタック４が配置された位置でのループ管１の内孔の軸直角断面において、複数本の細管ガラスＧのガラス部分の占有率は、５０％未満であることが好ましく、このような数値範囲であれば、流通経路となり得るガラス管の内孔の大きさを問題なく確保することができるので、エネルギーの交換効率を良好に維持することが可能となる。なお、細管ガラスＧのガラス部分の占有率は、４０％未満であることが好ましく、３０％未満であることがより好ましい。
【００３２】
ここで、スタック４を構成する複数の細管ガラスＧは、上述のように相互に溶着されることなくループ管１内に保持されているため、図３に示すように、外周面同士が接触した状態で保持された細管ガラスＧの外周面の相互間には、３本乃至５本の細管ガラスＧの外周面の非接触部分によって周囲が閉塞された空隙Ｓが形成される。これらの空隙Ｓは、ループ管１の管軸方向に連通するため、細管ガラスＧの内孔と同様に流通経路として機能するものと考えられ、音エネルギーと熱エネルギーとの相互間でのエネルギー交換効率の向上に寄与し得る。なお、空隙Ｓの形状は、細管ガラスＧの組合せ方によって変化し、細管ガラスＧの内孔の円形とも異なる形状を呈する。そのため、空隙Ｓが流通経路として機能する場合には、細管ガラスＧの内孔と空隙Ｓとで、流通経路が少なくとも２種以上の異なる形状のものから構成されることになる。
【００３３】
また、スタック４を構成する細管ガラスＧの歪点は、３５０℃以上を呈している。すなわち、歪点が３５０℃以上の細管ガラスＧであれば、工場廃熱などの高温の熱源を冷却することなくそのまま熱エネルギーとして利用することができる。したがって、入力される熱エネルギーを大きく保つことができるので、この熱エネルギーをスタック４で変換して得られる音エネルギーも大きく保つことができ、効率がよい。具体的には、細管ガラスＧのガラス組成としては、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラスなどを用いる。
【００３４】
以上のように構成されたスタック４は、次のようにして製作される。
【００３５】
まず、リドロー法によって、母材ガラスを加熱しながら延伸して長尺な細管ガラスを成形する。次に、この長尺な細管ガラスを所定長さに切断して、スタック４を構成する複数本の細管ガラスＧを製作する。この場合、各々の細管ガラスＧは、内径及び外径の寸法がそれぞれ管軸方向で略同一となるとともに、内外表面が滑らかな火造り面で構成される。
【００３６】
次に、切断した複数本の細管ガラスＧを、相互に溶着させることなく独立した状態で、ループ管１の一部を構成する管内に長手方向が管軸方向を向くように挿入し、該管内に並列に配列させる。そして、そのまま溶着することなく複数本の細管ガラスＧを相互に接触させた状態で管内に保持することで、スタック４が製作される。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、スタック４をループ管１内に保持する場合を説明したが、スタック４を直線管など、端部を有する非ループ管（開放管）内に保持して熱音響装置を構成してもよい。
【実施例】
【００３８】
実施例１〜３として、細管ガラスを相互に溶着することなく接触させてループ管内に保持して構成されるスタックを作製し、比較例として、多孔を有するアルミナで構成されるスタックを作製し、それぞれのスタックを図１に示した熱音響装置に適用した場合の音響インテンシティを評価した。その結果を以下の表１に示す。なお、音響インテンシティは、５２３Ｈｚの周波数の音を用い、また、比較例の結果を１．０として相対的に表している。
【００３９】
【表１】
2012047440.tif 000003
【００４０】
表１によれば、実施例１〜３は、アルミナで構成した比較例よりも音響インテンシティが大幅に改善していることが確認できる。換言すれば、アルミナ製のスタックよりも、ガラス管の集合体からなるスタックの方が、熱エネルギーを音エネルギーに効率よく変換可能であることが確認できる。
【００４１】
また、実施例１及び比較例で用いたスタックを図４に示した実験系に配置し、スタックのスピーカーからの距離を２９０〜３７０ｍｍの範囲で２０ｍｍ刻みに変化させ、スピーカーから周波数５２５Ｈｚの音を出してスタックの前後の温度を予め配置した熱電対により測定し、両者の値からスタック前後の温度差を求めた。その結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
2012047440.tif 000004
【００４３】
表２によれば、スタックのスピーカーからの距離に関係なく、実施例１は、アルミナで構成した比較例よりもスタックの前後の温度差が大きいことが確認できる。換言すれば、アルミナ製のスタックよりも、ガラス管の集合体からなるスタックの方が、熱エネルギーを音エネルギーに効率よく変換可能であることが確認できる。
【００４４】
さらに、実施例１及び実施例３で用いたスタックを図４に示した実験系に配置し、スタックのスピーカーからの距離を１８５ｍｍとし、スピーカーから周波数１０５Ｈｚの音を出してスタックの前後の温度をあらかじめ配置した熱電対により測定し、両者の値からスタック前後の温度差を求めた。その結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】
2012047440.tif 000005
【００４６】
表３によれば、実施例１は、実施例３で構成した場合よりもスタックの前後の温度差が大きいことが確認できる。換言すれば、より流通経路の多いガラス管の集合体からなるスタックの方が、熱エネルギーを音エネルギーに効率よく変換可能であることが確認できる。
【符号の説明】
【００４７】
１                ループ管
２ａ，２ｂ        高温側熱交換器
３ａ，３ｂ        低温側熱交換器
４（４ａ，４ｂ）  スタック
Ｇ                細管ガラス
Ｓ                空隙
【図１】
2012047440.tif 000006
【図２】
2012047440.tif 000007
【図３】
2012047440.tif 000008
【図４】
2012047440.tif 000009