(57)【要約】【課題】小型化に伴ってより高い周波数でも自励振動できる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法を提供する。【解決手段】貫通孔を構成する第１の孔３１１ａが金属板３１に形成されるので、多数の小さな貫通孔を高密度に設けることができる。また、金属板３１が、中央部３１１の外周部３１２の厚さが中央部３１１より薄く形成されるので、その外周部３１２が隣接する金属板３１の外周部３１２に接触するのを防ぐことが可能となるため、スタックの積層方向の両端を高温または低温に保持したときに高温側から低温側に流れる熱流が中央部３１１を主に流れることとなり、熱から音響への熱音響変換における熱損失を低減できるとともに、スタックの長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）できる。結果として、小型化に伴って必要となる高い周波数での自励振動を実現することができる。【選択図】  図３
2012202586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックであって、
積層された複数の金属板からなり、
前記金属板のそれぞれは、互いに積層されて前記貫通孔を形成する複数の第１の孔が形成された中央部を備え、
前記金属板の少なくとも１つは、前記中央部の外周部の厚さが当該中央部より薄く形成される
ことを特徴とする熱音響装置用スタック。
【請求項２】
前記外周部は、前記中央部の厚さよりも２０〜４０％薄く形成される
ことを特徴とする請求項１記載の熱音響装置用スタック。
【請求項３】
前記外周部は、隣接する前記金属板との位置合わせに用いられる第２の孔を備える
ことを特徴とする請求項１または２記載の熱音響装置用スタック。
【請求項４】
前記貫通孔は、周期的かつ稠密に形成される
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱音響装置用スタック。
【請求項５】
前記貫通孔は、正六角形、正三角形、正方形、および、長方形のうち何れか１つの断面形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の熱音響装置用スタック。
【請求項６】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
同一の平面形状を有する複数の金属板の外周部分に、位置合わせ用の第１の孔を形成する第１のステップと、
各金属板の中央部分に、複数の第２の孔を形成する第２のステップと、
前記第１の孔にピンを挿入しながら複数の前記金属板を積層し、この金属板の積層体を貫通する、前記第２の孔により構成される各貫通孔にワイヤを通し、ワイヤ放電加工により前記第２の孔の形状を整える第３のステップと、
少なくとも１つの前記金属板の前記外周部分の厚さを、当該金属板の中央部よりも薄くする第５のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用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、熱音響効果を用いて管内の流体に温度勾配を与えて振動させたり、流体に与えた振動から温度勾配を得る熱音響装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細い流路の中にある作業流体に対して、ある臨界値以上の温度勾配を与えると、流路の壁と作業流体との熱交換によって「熱音響自励振動」と呼ばれる振動現象が現れることが知られている。このような熱音響現象は、作業流体に温度勾配を与えて熱から流体振動（音波）を行う熱音響原動機（熱音響エンジン）や、流体振動（音波）から温度勾配を生じさせる熱音響ヒートポンプといった熱音響装置に利用されている。また、この熱音響装置を基本要素として、熱音響原動機により生ずる音波を、すなわち機械的振動から電力へとエネルギー変換を行う熱音響発電機や、流体振動（音波）によって生じた温度勾配を介して加熱または冷却するというエネルギー変換を行う熱音響冷却装置について、現在盛んに研究開発がされている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、熱音響自励振動を利用した装置として、熱音響エンジンが開示されている。図８に示す熱音響エンジン１００は、作業流体１１０を封入した管１０１と、この管１０１内部に設けられ小さな流路を有するスタック（蓄熱器）１０２と、管１０１内部においてスタック１０２をその管１０１の軸線方向の両側から挟むように設けられ、スタック１０２に温度勾配を与える高温側熱交換器１０３および低温側熱交換器１０４とを備えている。また、管１０１外部において、高温側熱交換機１０３の側には高温熱源１０５、低温側熱交換機１０４の側には低温熱源１０６が設けられている。このように、図８に示す熱音響エンジン１００は、ガソリンエンジンなどに用いられるピストンやバルブなどの可動部品を有しておらず、管１０１内部に封入された作業流体１１０のみが動くものである。
【０００４】
ここで、スタック１０２は、上述した流路となる管１０１の軸線方向に沿った多数の貫通孔１０２ａを備えており、この貫通孔１０２ａ内部に流入した作業流体１１０と、その壁面１０２ｂと間で熱交換を行うことにより、蓄熱器、蓄冷器、再生器などとして機能する。このように、スタック１０２の役割は、作業流体１１０と熱的相互作用を行う壁面１０２ｂを提供することにあって、熱と振動のエネルギー変換はそのスタック１０２内部で行われる。そのエネルギー変換の効率を向上させるには、壁面１０２ｂを多く形成すればよいので、貫通孔１０２ａの直径は後述するように１［ｍｍ］以下という小さな値に設定されている。このため、熱音響現象を用いた装置のスタックには、金網や金属製不織布などの金属製メッシュを積層させたものや貫通孔がハニカム状に形成されたセラミックスなどがよく用いられている。
【０００５】
このような構造を有する熱音響エンジンは、管１０１の形状が異なる３種類の方式が提案されている。すなわち、図９Ａに示すように、直線状の管の中に熱自励振動によって発生する定在波音波を利用する直管方式と、図９Ｂに示すように、ループ状の管の中に熱自励振動によって発生する進行波音波を利用するループ管方式と、図９Ｃに示すように、直線状とループ状の管を組み合わせた枝管付きループ管方式とが提案されている。これらのうち、図９Ｂに示すループ管方式は、熱から流体振動への変換効率が熱力学的な上限値（理想的なカルノー効率）に近いことが理論的に示されている。一方、図９Ａに示す直管方式では、音圧と粒子速度とが位相差π／２だけずれた定在波が生じるため、不可逆的な熱交換による時間遅れが生じて波動によるエネルギー輸送量が非常に小さいので、熱から音波への変換効率が熱力学的な上限値と比べて低いとされている。
【０００６】
上述した熱音響装置の応用分野として、工場からの排熱や自動車のエンジンからの排熱などの回収利用が挙げられているが、大規模設備を集約できる工場や発電所などからの排熱を回収するプラントでの応用を除けば、装置自体ができる限り小型であることが望ましい。また、排熱を熱源とするので、その排熱温度が比較的高温ではないことが多いので、できる限り低い温度の熱源で熱音響自励振動が起こることが望ましい。なお、低温熱源（ヒートシンク）の温度は、環境温度、すなわち室温を想定している。
【０００７】
図９Ｂに示すようなループ管方式の場合、熱から音響への変換効率が高いものの、ループ状の管内を最低一波長分の長さの音波が進行しなければならないので、装置が大型になりやすい。例えば、ループ状の管の音響回路長をＬとすると、１気圧、２５［℃］前後での音速ｃが約３４０［ｍ／ｓｅｃ］であるので、振動周波数νが１００［Ｈｚ］程度の音波の場合、その進行波の波長λｔは３．４［ｍ］程度となる（例えば、非特許文献３参照。）。ループ状の管は最低一波長分の長さを必要とするので、必然的に管長が３．４［ｍ］程度の大きな装置とならざるを得ない。そこで、振動周波数νを５倍の５００［Ｈｚ］とすると、長さ６８［ｃｍ］程度のループ管（Ｌ＝λｔ＝ｃ／ν＝３４０００［ｃｍ／ｓｅｃ］÷５００［Ｈｚ］=６８［ｃｍ］）となり、３０［ｃｍ］の直線状の管２本と４［ｃｍ］の半円状の管２本から構成されたやや小型の装置とすることができる。このように、管路長Ｌは熱音響装置の占有体積に影響を及ぼすので、管路長Ｌを短縮することにより熱音響装置の小型化の実現が可能となる。
【０００８】
一方、図９Ａに示すような直管方式の場合には、熱から音響への変換効率がループ管の理想効率には至らないものの、直管であるがゆえに小型化を容易に実現できる。これは、片側が閉ざされた直管内に励起される気柱共鳴定在波の波長λｓが、管路長の４倍となるからである（λｓ＝４Ｌ）。したがって、直管方式の場合には、大きさと占有面積のいずれも小さくすることが可能である。
【０００９】
ところが、ループ管方式および直管方式のいずれの場合も、小型化しようとすればするほど、管路長Ｌを短縮しなければならないので、必然的に直管内またはループ管内に自励する音波（音響振動）の波長が短くなるため、高周波の定在波または進行波を励起しなければならない。作業流体１１０によって励起される音響振動が、管路長に応じた周波数からなる定在波または進行波を含むからである。したがって、作業流体１１０と貫通孔１０２ａの壁面１０２ｂとの間のエネルギー交換を担うスタック１００において、貫通孔１０２ａの半径ｒで定まる熱緩和時間τ［ｓｅｃ］と、管路の長さＬ［ｍ］とから定まる自励振動角周波数ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］（＝２πν［Ｈｚ］）との関係が重要となる。すなわち、作業流体１１０と壁面１０２ｂとの間で熱交換が行われるには、作業流体１１０の熱伝導率κ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、密度ρ［ｋｇ/ｍ3］および定圧比熱ｃp［ｋＪ/ｋｇ・Ｋ］により定まる熱拡散係数α(＝κ／ρｃp)［ｍ2／ｓｅｃ］、並びに、貫通孔１０２ａの流路半径ｒから決まる熱緩和時間τ= ｒ2／（２α）［ｓｅｃ］程度の相互作用時間が必要となる。振動角周波数ωが高く、ωτ≫１となる場合、壁面１０２ｂと作業流体１１０との熱交換はほとんど行われず、断熱過程となるので、貫通孔１０２ａ内を断熱音波が伝搬することとなる。一方、振動角周波数ωが低く、ωτ≪１となる場合、壁面１０２ｂと作業流体１１０との間で熱交換が十分に行われ、等温過程となる。非特許文献１によれば、熱音響自励振動が効率よく起こるのは、そのωτの値がほぼ１〜１０の間にあるときである。非特許文献２に開示された熱音響理論によれば、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように、自励開始温度とωτとの関係は、最小値を有することが示されている。図１０Ａでは、自励開始温度を、高温熱源の絶対温度ＴHと低温熱源の絶対温度ＴCとの温度比（ＴH／ＴC）により、またωτの代わりにその平方根を取ったｒ／δαによって示している。これは、下式（１）に基づくものである。なお、下式（１）において、δαは音波を担う作業流体１１０の熱境界層厚さを表している。
【００１０】
ωτ＝ω・（ｒ2／２α）＝｛ｒ／（２α／ω）1/2｝2＝（ｒ／δα）2  ・・・（１）
【００１１】
この式（１）からすると、熱音響自励振動により共鳴する管１０１の管路長（Ｌ＝ループ管内の進行波の波長λｔ、または、４Ｌ＝直管内の定在波の波長λｓ）から定まるω（＝２πν＝２πｃ／λ）に対して、自励開始温度比（ＴH／ＴC）が最小となる最適のωτの値があることがわかる。上述したように、管路長Ｌが短くなれば、ωが大きくなり、これに伴ってτが小さくなるので、スタック１０２の貫通孔１０２ａの半径ｒも小さくなければならない。非特許文献２によれば、図１０Ａ，図１０Ｂは管の長さＬが３０［ｍｍ］、管の径が１０［ｍｍ］、スタックの長さが３［ｍｍ］であり、貫通孔１０２ａの半径ｒを計算で求める設計パラメータとしたときの値を示している。また、作業流体１１０は大気圧（１０１［ｋＰａ］）の窒素（ほぼ空気と同じ）とされ、低温熱源の温度ＴＣが３００［Ｋ］（ほぼ室温の２７℃）の場合を想定したものである。図１０Ａによれば、上記条件で計算された熱音響装置において自励開始温度がもっとも低くなるのは、ｒ／δαが３程度のときである。このとき、この直管方式の熱音響装置内に定在波音波が励起され、定在波音波によるエネルギー変換がωτ＝（ｒ／δα）2＝１〜１０で行われていることを意味している。この場合の最低自励開始温度比は１．４、高温熱源の温度ＴHはおおよそ１５０℃＝４２０［Ｋ］となり、自励振動の周波数は図１０Ｂより３［ｋＨｚ］となる。この周波数での熱境界層厚δαは０．０４８［ｍｍ］となり、ｒ／δαの値が３の場合の条件を用いると、最適な貫通孔１０２ａの直径が約０．１４４［ｍｍ］となる。これは極めて小さな値である。
【００１２】
これらを踏まえた上で熱音響装置の小型化について検討すると、小型化することにより自励振動周波数が高周波になるので、ωτの値を１〜１０程度保つには、対応する熱緩和時間τを短くする必要がある。ところが、作業流体１１０の比熱、熱伝導率、密度といった熱物性値がさほど大きく変動しないので、τを短くするにはスタックの貫通孔１０２ａの半径ｒを小さくしなければならない。そこで、想定しうる作業流体１１０と、この作業流体１１０に対応する熱境界層の厚さの概算値の関係を図１１に示す。この図１１は、１気圧の大気（空気）を作業流体とする構成であって、例えば自励振動周波数ωを４００［Ｈｚ］と仮定した場合、波長λｓが約８５［ｃｍ］、管１０１の片側を閉じた直管の場合にはλｓ＝４Ｌなので、管１０１の長さＬは約２１．３［ｃｍ］となるので、貫通孔１０２ａの直径は０．７８９［ｍｍ］程度となる。このように、小型の熱音響装置を実現するには、直径１［ｍｍ］以下の貫通孔１０２ａを多数備えたスタック１０２を設けなければならない。
【００１３】
また、熱音響自励振動は、高温（温度ＴH）側熱交換器１０３と低温（温度ＴＣ）側熱交換器１０４との間に挟まれた長さＬｓのスタック１０２における温度勾配ΔＴ｛＝（ＴH−ＴC）／Ｌｓ｝がある臨界値(ΔＴ)critを越えた際に起こることが知られている。したがって、ΔＴ ＞ (ΔＴ)critを満足するように温度スケーリングを行うことによって、すなわち、スタックの長さＬｓを短くすることで、高温側熱交換器１０２の温度ＴHをより低い温度へとスケールできると考えられる。
【００１４】
実際、図１２はスタックの長さと自励開始温度比の関係を示すものであるが、この図１２に示すように、スタック１０２の長さＬｓを短くすることによって、自励開始温度比（ＴH／ＴC）を低下させることがある程度まで可能である。しかし、スタック長Ｌｓをあまりにも短くすると、スタック１０２を構成する貫通孔１０２ａとその支持部材（外周部）のうち、支持部材による直接熱伝導が高温側から低温側への熱流の大半を占有するようになり、熱から音響振動へのエネルギー変換が行われなくなる。すなわち、スタック１０２は作業流体１１０の流通方向には無限の熱伝導を有して一様温度になることが望まれるが、その流通方向に直交する軸方向に対しては、定常的に線形な温度勾配が形成可能な程度に高い熱抵抗、すなわち熱絶縁性を備えている必要がある。
【００１５】
上述した事項を踏まえると、小型かつ低温度で自励振動可能とする熱音響装置に必要とされるスタックが備えるべき諸性質が明らかとなる。すなわち、（１）直径が１［ｍｍ］以下の小さな貫通孔１０２ａを多数備えていること、（２）作業流体１１０が振動する振動方向（貫通孔の軸方向）には温度勾配が生じるように程度熱伝導性が低いこと、（３）振動方向に直交する作業流体の半径方向には熱交換がスムーズに行われるように、ある程度熱伝導性がよいことが挙げられる。このような性質を備えるべきスタック１０２として、従来では、上述したように、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミックス等の伝熱体で形成された複数のプレートを軸方向に積層させたスタックや、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い素材からなり、軸方向に貫通する複数の貫通孔を備えたスタック、あるいは、微小の球状セラミックスなどを敷き詰めて貫通孔として作用する蛇行した導通路を形成するスタック、ハニカム形状のセラミックス、脱脂綿などの繊維材料を圧縮させ、これによって蛇行した導通路を形成したスタックなどが提案されている。一般に、高温側熱交換器の温度が７００から８００℃まで到達する場合には、スタックを構成する材料には耐熱性が要求される。このような温度範囲では、ＳＵＳ３０４などの金属材料やコージライトなどのセラミックス材料が用いられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】上田 祐樹、「熱音響発電機」、電気学会誌、Vol. 128、No. 12、pp. 812-815、 (2008)．
【非特許文献２】上田 祐樹、「熱音響発電−熱音響現象の基礎−」、桑野博喜監修、「エネルギーハーベスティング技術の最新動向」（シーエムシー出版、2010年）、pp. 171-183 に所蔵。
【非特許文献３】坂本眞一、渡辺好章、「音と熱のコラボレーション−熱音響冷凍機実現に向けて−」、電子情報通信学会誌、Vol. 90, No. 11, pp. 993-337 (2007年11月)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、いずれの材料を用いた場合であっても、小型かつ低温度で自励振動可能な熱音響装置を実現することが困難であった。
【００１８】
例えば、金属やセラミックス等の伝熱体のプレートを管の軸に略平行に複数積層するスタックの場合は、プレートの間に平面状壁の非常に狭い隙間を形成でき、軸方向に垂直な二つの方向のうち一方の方向（積層方向）には熱交換のための壁面を設けることができる。ところが、他方の方向では、熱交換を行うための壁面がないので、熱エネルギーから振動エネルギーへのエネルギー変換を行うことができない。また、金属プレートを用いた場合には、積層方向の熱伝導率が高いので、スタックの長さＬｓを短くすることができない。
【００１９】
また、金網や焼結金属などを積層したスタックの場合は、作業流体と熱交換を行う表面積を大きくすることができ、スタック中で熱交換する流体の経路も長くできる。特に金網の場合、個々の金網に関しては、単位面積当りの網目数を指定することも可能である。ところが、最終的に形成された貫通孔の径を明確に設定することができず、最適な直径の貫通孔を設けることが困難である。
【００２０】
また、ハニカム形状のセラミックスを用いたスタックの場合は、例えば正方格子状など所定の断面形状の貫通孔を形成でき、かつ、その直径を１［ｍｍ］以下とすることが可能である。さらに、材料として用いられているコージライトは、熱伝導率が４［Ｗ／ｍＫ］程度の値を有しているために自励開始温度を低温化できるので、金属などの伝熱体をスタック材料にする場合よりもスタックの長さＬｓを短くすることも可能である。ところが、一般に射出成型により多孔が形成されているので、貫通孔を高密度に形成することが困難である。具体的には、セル密度９００［ｃｐｓｉ（cell per square inchi）］のもの（正方格子の一辺が約０．７９［ｍｍ］）が最小孔径であって、例えば１２００［ｃｐｓｉ］（正方向視の一辺が約０．７２［ｍｍ］）といったさらに高密度に貫通孔を形成することが困難である。また、射出成形により多孔を形成する場合、射出の際に高温で押し出された素材が成型用口金の孔内で密着して、目詰まりする可能性が高いので、製造が困難である。
【００２１】
なお、熱音響装置が大型で、励起される自励振動音波の波長が長い場合には、その振動数も５０〜１００［Ｈｚ］の低周波帯域であるので、スタックとして効率的な貫通孔の直径は１［ｍｍ］〜５［ｍｍ］となる。この程度の直径の貫通孔であれば、金属ブロックに窄孔加工したり、セラミックスを射出成型したり、銅などの金属パイプを束ねるなどして、スタックを容易に形成できる。例えば、波長が３．４［ｍ］、周波数１００［Ｈｚ］程度の熱音響装置のスタックには、メッシュ間隔１［ｍｍ］程度の金属のメッシュやセル間隔が０．７９［ｍｍ］程度のハニカム形状が用いられている。ところが、高周波の自励振動を起こすには、さらに小さな直径でかつ多数の貫通孔を備えたスタックを用意する必要がある。すなわち、熱音響装置の小型化に伴って、作業流体を１気圧の空気（あるいは窒素）とする場合、励起されるべき自励振動周波数が１００［Ｈｚ］(ループ管なら３．４［ｍ］、直管なら８５［ｃｍ］)、５００［Ｈｚ］(ループ管なら６８［ｃｍ］、直管なら１７［ｃｍ］)、１［ｋＨｚH］ (ループ管なら３４［ｃｍ］、直管なら８．５［ｃｍ］)と高周波化する。これに伴って、スタックに設けられる貫通孔に要求される孔径（直径）も、１．５５［ｍｍ］、０．７０［ｍｍ］、０．４９［ｍｍ］と小さくなり、しかも同一断面積に孔径の逆２乗に比例した数だけ設ける必要が生じる。
【００２２】
そこで、本願発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、小型化に伴ってより高い周波数でも自励振動できる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタック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】
【００２３】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る熱音響装置用スタックは、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックであって、積層された複数の金属板からなり、金属板のそれぞれは、互いに積層されて貫通孔を形成する複数の第１の孔が形成された中央部を備え、金属板の少なくとも１つは、中央部の外周部の厚さが当該中央部より薄く形成されることを特徴とするものである。
【００２４】
上記熱音響装置用スタックにおいて、外周部は、中央部の厚さよりも２０〜４０％薄く形成されるようにしてもよい。
【００２５】
また、上記熱音響装置用スタックにおいて、外周部は、隣接する金属板との位置合わせに用いられる第２の孔を備えるようにしてもよい。
【００２６】
また、上記熱音響装置用スタックにおいて、貫通孔は、周期的かつ稠密に形成されるようにしてもよい。
【００２７】
また、上記熱音響装置用スタックにおいて、貫通孔は、正六角形、正三角形、正方形、および、長方形孔のうちいずれか１つの平面形状を有するようにしてもよい。
【００２８】
また、本発明に係る熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、同一の平面形状を有する複数の金属板の外周部分に、位置合わせ用の第１の孔を形成する第１のステップと、各金属板の中央部分に、複数の第２の孔を形成する第２のステップと、第１の孔にピンを挿入しながら複数の金属板を積層し、この金属板の積層体を貫通する、第２の孔により構成される各貫通孔にワイヤを通し、ワイヤ放電加工により第２の孔の形状を整える第３のステップと、少なくとも１つの金属板の外周部分の厚さを、当該金属板の中央部よりも薄くする第５のステップとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、貫通孔を構成する第１の孔が金属板に形成されるので、多数の小さな貫通孔を高密度に設けることができる。また、金属板の少なくとも１つが、中央部の外周部の厚さが中央部より薄く形成されるので、その外周部が隣接する金属板の外周部に接触するのを防ぐことが可能となるため、スタックの積層方向の両端を高温または低温に保持したときに高温側から低温側に流れる熱流が中央部を主に流れることとなり、熱から音響への熱音響変換における熱損失を低減できるとともに、スタックの長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）できる。結果として、小型化に伴って必要となるより高い周波数での自励振動を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明に係る熱音響エンジンの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、熱音響エンジンにおけるスタックの構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、スタックにおける金属板の構成を模式的に示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、スタックを流れる熱流を説明する図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、スタックを流れる熱流を説明する図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、スタックを流れる熱流を説明する図である。
【図５Ａ】図５Ａは、スタックの製造方法を説明する図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、スタックの製造方法を説明する図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、スタックの製造方法を説明する図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、スタックの製造方法を説明する図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、スタックの製造方法を説明する図である。
【図６】図６は、金属板の材料の特性を示す図である。
【図７】図７は、スタックの変形例を示す図である。
【図８】図８は、従来の熱音響エンジンの構成を模式的に示す断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、直管方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、ループ方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、枝管付きループ方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、自励開始温度比とωτとの関係を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、自励開始周波数とωτとの関係を示す図である。
【図１１】図１１は、作業流体と熱境界層厚との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、自励開始温度比とスタックの長さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３２】
＜熱音響エンジンの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る熱音響装置用スタックを備えた熱音響エンジン１は、作業流体１０を封入した管２と、この管２内部に設けられたスタック３と、管２内部においてスタック３をその管２の軸線方向の両側から挟むように設けられスタック３に温度勾配を与える高温側熱交換器４および低温側熱交換器５とを備えている。また、管２外部において、高温側熱交換機４の側には高温熱源６、低温側熱交換機５の側には低温熱源７が設けられている。このような熱音響エンジン１は、管１内に封入された作業流体１０と、高温側熱交換器４から低温側熱交換器５へと流れる熱エネルギーの間で、エネルギー交換を行うものである。
【００３３】
図２に示すように、スタック３は、数１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上の熱伝導率を有する金属からなり、それぞれ同一の厚さからなる平面視略円形の金属板３１を複数積層したものである。また、スタック３には、金属板３１の積層方向、すなわち管１の軸方向に沿って複数の貫通孔３２が形成されている。したがって、貫通孔３２の延在方向が管２の軸線方向に沿った状態で、管２内部に配設されている。
【００３４】
各金属板３１は、図３に示すように、中央部３１１の周囲に、少なくとも一方の面（上面）からその厚み方向に掘り込まれた外周部３１２が設けられている。この外周部３１２は、金属板３１の一方の面から、その板厚の２０〜４０％掘り込まれている。このような外周部３１２を設けたことにより、これらを積層してスタック３としたとき、金属板３１の外周部３１２は、隣接する金属板３１の外周部３１２と接触しない。中央部３１１には、貫通孔３２を構成する複数の第１の孔３１１ａが形成されている。本実施の形態において、それらの貫通孔３２の軸に垂直な断面は、正六角形である。このような正六角形の断面形状の貫通孔３２を周期的に多数設けたいわゆるハニカム状とすることより、貫通孔３２の密度を高くする、すなわちスタック３の空隙率を高くできるので、エネルギー交換すべき作業流体１０をスタック３内に高い充填率で貯留させておくことが可能となり、結果として、エネルギー変換効率を向上させることができる。
外周部３１２には、位置合わせ用の第２の孔３１２ａが形成されている。
本実施の形態において、スタック３のうち、高温側熱交換器４と対向配置される金属板３１は、高温側熱交換器４と対向する面が中央部３１１と面一に形成されている。
【００３５】
ここで、本実施の形態におけるスタック３内を流れる熱流について、図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。ここで、図４Ｂは比較のため外周部３１２に対応する構成が存在しない複数の金属板４０１から構成されるスタック４００における熱流の様子を示す図である。また、図４Ｃは本実施の形態の変形例であり、１つの金属板３１と、複数の金属板４０１とから構成されるスタック３’における熱流の様子を示す図である。ここで、金属板４０１には、複数の第１の孔４１１ａが形成された中央部４１１が設けられており、金属板３１の中央部３１１に対応する。また、その中央部４１１の周囲には、この中央部４１１と同一の厚みを有し、第１の孔４１１ａが形成されていない外縁部４１２が設けられている。
【００３６】
図４Ｂに示す金属板４０１のみから構成されるスタック４００の場合、高温側から低温側に金属板４０１中を流れる熱流は、点線矢印ｂ、ｃで示すように、主に第１の孔４１１ａが形成されていない外縁部４１２を流れる。これは、空隙率εで第１の孔４１１ａが形成された中央部４１１には、高い熱伝導率κ１を有するスタック４００の材料と極めて低い熱伝導率κ２を有する作業流体１０が占有する領域が共存しており、この領域の平均熱伝導率＜κ＞av、が下式（２）で表されるように、第１の孔４１１ａがない外縁部４１２の熱伝導率κ１よりも小さくなるからである。すなわち、高温側熱交換器４から低温側熱交換器５へ流れる熱流のうち、大半が外縁部４１２’を直接流れて貫通熱となるので、作業流体との貫通孔の壁面を介する熱交換が十分に行われず、熱エネルギーから作業流体の振動エネルギーへのエネルギー変換の観点からすると、熱損失が大きくなってしまう。
【００３７】
＜κ＞av＝（１−ε）κ1＋εκ2  ・・・（２）
【００３８】
図４Ｃに示す１つの金属板３１上に複数の金属板４０１が積層されたスタック３’の場合、高温側に外周部３１２を有する金属板３１が配設されているので、外周部３１２および外縁部４１２に漏れ出る熱流が少なくなり、点線矢印ｄ，ｅで示すように、中央部３１１，４１１を集中して流れることとなる。実験によれば、図１２において「×」印で示すように、自励開始温度比が２．３から２．０へと低下する。
【００３９】
これらに対して、図４Ａに示すスタック３の場合、各金属板３１において外周部３１２が中央部３１１よりも薄く形成されているので、その金属板３１を流れる熱流は、点線矢印ａで示すように、中央部３１１を集中して流れるため、外周部３１２からスタック３外部にほとんど漏れ出さない。このような構成を採ることにより、自励開始温度比を２．０からさらに低下させることができる。
【００４０】
図１２は、金属板３１の中央部３１１に形成された第１の孔３１１ａの単位面積当りの密度が６００［ｃｐｓｉ］と９５０［ｃｐｓｉ］の場合におけるスタックの長さと自励開始温度比の関係を示すものである。いずれの場合も、金属板３１を積層したスタック３の長さを短くすると、ある長さまでは自励開始温度比が低下し、さらに短くすると自励開始温度比が増大していく。これは、スタックの長さの短縮に伴って、金属板３１を流れてゆく貫通熱による熱損失が増大するためと考えられる。また、図１２からは、熱音響エンジン１において最適の第１の孔３１１ａの径および密度が６００［ｃｐｓｉ］の場合であることもわかる。さらに、上述したように、外周部３１２を中央部３１１よりも薄く形成して、貫通熱が外周部３１２を流れないようにすると、自励開始温度比が図１２の×印まで低減させることができる。
【００４１】
＜スタックの製造方法＞
次に、本実施の形態に係る熱音響エンジン１におけるスタック３の製造方法について説明する。
【００４２】
まず、図５Ａに示すように、金属板５０１を複数枚用意する。この金属板５０１の具体的な材料としては、熱伝導率が高く熱容量の大きいことが望ましく、図６に示すように、ＳＵＳ３０４、無酸素銅にＮｉメッキしたもの、Ｎｉなどが挙げられる。なお、金属板５０１の材料としては、図５に挙げた材料に限定されるものではない。
【００４３】
このような金属板５０１を用いることにより、貫通孔を設けるために、厚さが数［ｃｍ］にも及ぶ金属ブロックに、直接、直径1［ｍｍ］以下の多数の貫通孔を規則的かつ稠密にドリルやプレス等で穿設する必要はない。本実施の形態では、孔を有する厚さ数［ｍｍ］程度の金属板５０１を多数積層することによりスタックを構成する。その金属板５０１の厚さとしては、１〜５［ｍｍ］程度とされる。
【００４４】
金属板５０１を用意すると、図５Ｂに示すように、各金属板５０１の外周部５０２に位置合わせ用の孔３１２ａを形成する。この孔３１２ａは、ドリルまたはプレス等により形成され、少なくとも１箇所、望ましくは２箇所設けられる。
【００４５】
孔３１２ａを設けると、図５Ｃに示すように、各金属板５０１の中央部５０３に、複数の孔５０４をドリル等により形成する。この孔５０４は、金属板３１の中央部３１１に形成される第１の孔３１１ａに対応する位置に形成される。この段階では、孔５０４は、ドリルにより切削されるのみなので、略円形の平面形状を有している。
【００４６】
第３の孔５０４を形成したら、複数の金属板５０１を積層し、各金属板５０１に設けられた位置合わせ用の孔３１２ａにピンを貫通させる。これにより、金属板５０１を整列させる。このとき、孔５０４は、各金属板５０１において同じ位置に設けられた孔５０４とともに、複数の金属板５０１の積層体を貫く１つの貫通孔を構成している。
【００４７】
金属板５０１を整列させると、図５Ｄに示すように、孔５０４により構成される、複数の金属板５０１の積層体を貫く各貫通孔に、一本ずつワイヤ５０５を通して、ワイヤ放電加工法によりその孔５０４の形状を正六角形状に整える。これにより、第１の孔３１１ａが形成されることとなる。このとき、この孔径が小さく、孔数が多数ある場合には、このような金属板５０１が変形しやすくなるので、外周部５０２を広くとって強度を保つ。
【００４８】
このように形成された多数枚の金属板５０１を積層してスタックを構成すると、上述したように、第１の孔３１１ａが形成されている中央部５０３周辺の領域と、補強用に開孔していない外周部５０２とで、図４Ｂを参照して説明したように、中央部と外縁部とでは軸方向の熱の伝導特性に大きな違いが生じてしまう。スタックの軸方向の両端を高温側熱源および低温側熱源にそれぞれ熱的接触させて、それぞれの熱源温度に保持した場合、スタックを構成している金属板５０１の各々に熱が高温側から低温側へと伝導してゆく。この際、本来では、中央部５０３に流れ込んだ熱流が、第１の孔３１１ａから構成される貫通孔３２の内壁と作業流体との熱交換によって流体の振動を励起することが望ましいが、強度保持のために設けた外周部５０２の金属部分を熱流が直接伝導することにより、高温側熱源から低温側熱源に流体振動を励起することなく熱が貫通してしまう。この貫通する熱は、スタック両端に加えられた温度差を平準化すなわち低減する方向に作用するとともに、金属板５０１の中央部５０３を通らないので、熱音響自励振動を励起するという観点からすると、完全な損失熱となってしまう。
【００４９】
そこで、本実施の形態では、金属板５０１の外周部５０２を通る貫通熱による熱損失を防ぐとともに、各金属板５０１の第１の孔３１１ａが形成される中央部５０３の強度を保持できる金属薄板の積層構造を提供するために、図５Ｅに示すように、金属板５０１を１枚ずつ、外周部５０２を放電加工によってその板厚の２０〜４０％ほど切削する。
【００５０】
外周部５０２を薄くすると、金属板５０１を位置合わせ用の第２の孔３１２ａにピンを通しながら積層することにより、図２に示したようなスタック３を構成することができる。このとき、金属板５０１は、隣り合う金属薄板と、外周部５０２が切削された面が対向しないように積層される。
【００５１】
これにより、設計通りの孔径の貫通孔３２を金属板３１の中央部３１１に高密度に設けることができる。また、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が、外周部３１２を貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となることも防げる。したがって、熱伝導率が高い金属のような伝熱体をスタック３を構成する金属板３１に適用しても、スタック３の長さを短くすることができる
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、貫通孔３２を構成する第１の孔３１１ａが金属板３１に形成されるので、多数の小さな貫通孔３２を高密度に設けることができる。また、金属板３１の少なくとも１つが、中央部３１１の外周部３１２の厚さが中央部３１１より薄く形成されるので、その外周部３１２が隣接する金属板３１の外周部３１２に接触するのを防ぐことが可能となるため、スタック３の積層方向の両端を高温または低温に保持したときに高温側から低温側に流れる熱流が中央部３１１を主に流れることとなり、熱から音響への熱音響変換における熱損失を低減できるとともに、スタック３の長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）できる。結果として、小型化に伴って必要となる高い周波数での自励振動を実現することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、各金属板３１が同一の厚さを有する場合を例に説明したが、図７に示すように、金属板３１と厚さのみ異なる薄板３３を設け、これらから構成されるスタック３”を適用するようにしてもよい。
【００５４】
また、本実施の形態では、第１の孔３１１ａが正六角形の平面形状を有する場合を例に説明したが、その平面形状は正六角形に限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、円形、楕円形、正三角形、正方形、長方形、正五角形などにしてもよい。ここで、平面形状を多角形にする場合には、各辺の長さは同一でなくてもよい。また、第１の孔３１１ａの平面形状は、全て同一でなくてもよい。そのように、平面形状を適宜設定して、多数の第１の孔３１１ａを設けることにより、その貫通孔３１１の内壁面を多数形成できるので、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００５５】
また、本実施の形態では、金属板３１の平面形状が略円形の場合を例に説明したが、その平面形状は略円形に限定されず、例えば矩形や楕円形など適宜自由に設定することができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、外周部３１２を金属板３１の上面から下面に向かって切削する場合を例に説明したが、金属板３１を積層したときに外周部３１２が隣接する金属板３１の外周部と接触しないのであれば、外周部３１２を薄くする向きや方向はそれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、外周部３１２を金属板３１の両面から切削することにより薄くするようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、熱音響装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１…熱音響エンジン、２…管、３，３’，３”…スタック、４…高温側熱交換器、５…低温側熱交換器、６…高温熱源、７…低温熱源、３１，３１’，３３…金属板、３１１…中央部、３１１ａ…第１の孔、３１２…外周部、３１２ａ…第２の孔、４０１…金属板、４１１…中央部、４１１ａ…第１の孔、４１２…外縁部、５０１…金属板、５０２…外周部、５０３…中央部、５０４…孔、５０５…ワイヤ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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