【手続補正書】
【提出日】平成18年4月7日(2006.4.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱音響装置において、
剛体部分と、コンプライアンスのある部分を含むコンプライアンスのある密閉箱であって、前記コンプライアンスのある部分は、振動部材と、一対の端部とその間に延びる可撓体を有する可撓シールを含んでおり、上記端部の一方は前記剛体部分に対してシールされ、他方の端部は前記振動部材に対してシールされ、前記可撓シールは、平均断面積と、端から端までの平衡長を有し、可撓容積Ｖflexが前記平均断面積と前記端から端までの平衡長の積として定義されているコンプライアンスのある密閉箱と、
前記コンプライアンスのある密閉箱内に配置され、少なくとも第１及び第２熱交換器を含んでいるサーマルコアと、
前記コンプライアンスのある密閉箱を満たしている、平衡圧Ｐmを有する加圧されたガス状作動流体の作動体積Ｖ0と、
前記可撓シールの端から端までの長さが平衡長に対して増減するように前記振動部材を振動させ、それにより前記ガス状作動流体の作動体積の圧力が前記平衡圧より高いピーク圧と前記平衡圧より低い最小圧との間で振動するように作動するモーターと、を備えており、
Ｖ0＜４*Ｖflexであることを特徴とする熱音響装置。
【請求項２】
熱音響装置において、
コンプライアンスのある密閉箱であって、前記コンプライアンスのある密閉箱は剛体部分とコンプライアンスのある部分を含んでおり、前記コンプライアンスのある部分は、振動部材と、一対の端部とその間に延びる可撓体を備えた可撓シールを含んでおり、上記端部の一方は前記剛体部分に対してシールされ、他方の端部は前記振動部材に対してシールされ、前記可撓シールは、平均断面積と、端から端までの平衡長を有し、可撓容積Ｖflexが前記平均断面積と前記端から端までの平衡長の積として定義されているコンプライアンスのある密閉箱と、
前記コンプライアンスのある密閉箱内に配置され、少なくとも第１及び第２熱交換器を含んでいるサーマルコアと、
前記コンプライアンスのある密閉箱を満たしている、平衡圧Ｐmを有する加圧されたガス状作動流体の作動体積Ｖ0と、
前記可撓シールの端から端までの長さが平衡長に対して増減するように前記振動部材を振動させ、それにより前記ガス状作動流体の作動体積の圧力が前記平衡圧より高いピーク圧と前記平衡圧より低い最小圧との間で振動するように作動するモーターと、を備えており、
前記サーマルコアの少なくとも一部は、前記可撓容積内に配置されていることを特徴とする熱音響装置。
【請求項３】
熱音響装置において、
コンプライアンスのある密閉箱であって、前記コンプライアンスのある密閉箱は剛体部分とコンプライアンスのある部分を含んでおり、前記コンプライアンスのある部分は、振動部材と、一対の端部とその間に延びる可撓体を備えた可撓シールを含んでおり、上記端部の一方は前記剛体部分に対してシールされ、他方の端部は前記振動部材に対してシールされ、前記可撓シールは、平均断面積と、端から端までの平衡長を有し、可撓容積Ｖflexが前記平均断面積と前記端から端までの平衡長の積として定義されているコンプライアンスのある密閉箱と、
前記コンプライアンスのある密閉箱内に配置され、少なくとも第１及び第２熱交換器を含んでいるサーマルコアと、
前記コンプライアンスのある密閉箱を満たしている、平衡圧Ｐmを有する加圧されたガス状作動流体の作動体積Ｖ0と、
前記可撓シールの端から端までの長さが平衡長に対して増減するように前記振動部材を振動させ、それにより前記ガス状作動流体の作動体積の圧力が前記平衡圧より高いピーク圧と前記平衡圧より低い最小圧との間で振動するように作動するモーターと、を備えており、
圧力振幅Ｐlは、前記作動体積の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の２分の１として定義され、
Ｐl／Ｐm＞５％であることを特徴とする熱音響装置。
【請求項４】
Ｖ0＜２*Ｖflexであることを特徴とする請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項５】
Ｖ0＜１*Ｖflexであることを特徴とする請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項６】
更に圧力容器を備えており、前記コンプライアンスのある密閉箱は前記圧力容器内に配置され、追加的体積の加圧されたガス状作動流体が前記圧力容器を満たしてい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。
【請求項７】
前記サーマルコアの少なくと一部は前記可撓容積内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱音響装置。
【請求項８】
圧力振幅Ｐlは、前記作動体積の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の２分の１として定義され、
Ｐl／Ｐm＞５％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱音響装置。
【請求項９】
Ｐl／Ｐm＞１０％であることを特徴とする請求項３又は８に記載の熱音響装置。
【請求項１０】
Ｐl／Ｐm＞１５％であることを特徴とする請求項３又は８に記載の熱音響装置。
【請求項１１】
前記サーマルコアは前記第１熱交換器と第２熱交換器の間に配置された再生用熱交換器を更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱音響装置。
【請求項１２】
前記再生用熱交換器内の作動流体の圧力と速度の位相を、圧力と速度が互いに実質的に同位相となるように調整するための音響位相調整手段を更に備えていることを特徴とする請求項８又は１１に記載の熱音響装置。
【請求項１３】
熱音響装置において、
内部に密閉された内部容積を有する圧力容器と、
前記圧力容器の内部容積内に配置されたコンプライアンスのある密閉箱であって、前記コンプライアンスのある密閉箱は剛体部分とコンプライアンスのある部分を含んでおり、前記コンプライアンスのある部分は、質量ｍoscと面積Ａoscを有する振動部材と、一対の端部とその間に延びる可撓体を備えた可撓シールを含んでおり、上記端部の一方は前記剛体部分に対してシールされ、他方の端部は前記振動部材に対してシールされ、前記可撓シールは、平均断面積と、端から端までの平衡長を有し、可撓容積Ｖflexが前記平均断面積と前記端から端までの平衡長の積として定義されているコンプライアンスのある密閉箱と、
前記コンプライアンスのある密閉箱内に配置され、少なくとも第１及び第２熱交換器を含んでいるサーマルコアと、
前記コンプライアンスのある密閉箱と前記圧力容器を満たしており、ポリトロープ係数γと平衡圧ｐmを有するガス状作動流体であって、作動体積Ｖ0が前記コンプライアンスのある密閉箱に入っている作動流体の体積として定義されている加圧されたガス状作動流体と、
前記可撓シールの端から端までの長さが平衡長に対して増減するように、或る作動周波数ｆで前記振動部材を振動させるように作動することのできるモーターであって、前記振動部材と相互接続された質量ｍmotorの可動部分を有するモーターと、
前記圧力容器の内部容積の中にあり、且つ前記コンプライアンスのある密閉箱の外側にあって前記モーターによって押しのけられていない、ガス状作動流体の体積として定義されている圧力容器容積Ｖmotorと、を備えており、
前記振動部材の振動動作は、前記可撓シールにより生じる機械的剛性ｋmechと前記ガス状作動流体により生じるガス剛性ｋgasの和に等しいばね力ｋの抵抗を受け、前記ガス剛性は、
2005523411.tif 000001
と定義され、
最適作動周波数ｆoptは、ｍeffを前記可撓シールの可動部分の有効質量として、
2005523411.tif 000002
と定義され、
前記作動周波数ｆは、０．８*ｆoptから１．２*ｆoptまでの範囲内にあることを特徴とする熱音響装置。
【請求項１４】
熱音響装置において、
内部に密閉された内部容積を有し、周囲側壁を有する圧力容器と、
前記圧力容器の内部容積内に配置されているピストンであって、前記側壁と滑動可能に係合して前記ピストンの一方の側に作動容積Ｖ0を前記ピストンの他方の側にモーター容積Ｖmotorを画定する周囲シールを有し、質量ｍoscと面積Ａoscを有するピストンと、
前記作動容積内に配置され、少なくとも第１及び第２熱交換器を含んでいるサーマルコアと、
前記作動容積と前記モーター容積を満たしており、ポリトロープ係数γと平衡圧ｐmを有する加圧されたガス状作動流体と、
前記モーター容積内に配置されているモーターであって、前記作動容積内のガス状作動流体の圧力が平衡圧より高いピーク圧力と平衡圧より低い最小圧力との間で振動するように、或る作動周波数ｆで前記振動部材を振動させるように作動し、前記ピストンと相互接続された質量ｍmotorの可動部分を有するモーターと、を備えており、
前記振動部材の振動動作は、前記ガス状作動流体により生じるガス剛性ｋgasに等しいばね力ｋの抵抗を受け、前記ガス剛性は、
2005523411.tif 000003
と定義され、
最適作動周波数ｆoptは、
2005523411.tif 000004
と定義され、
前記作動周波数ｆは、０．８*ｆoptから１．２*ｆoptまでの範囲内にあることを特徴とする熱音響装置。
【請求項１５】
前記作動周波数ｆは、０．９*ｆoptから１．１*ｆoptまでの範囲内にあることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の熱音響装置。
【請求項１６】
前記作動周波数ｆは、実質的に、前記最適周波数ｆoptに等しいことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の熱音響装置。
【請求項１７】
前記振動部材に接続されたばね部材を更に備えており、前記機械的剛性ｋmechは、前記可撓シールと前記ばね部材により生じるものであり、前記有効質量ｍeffは、前記可撓シールの可動部分の有効質量と前記ばね部材の可動部分の有効質量の和であることを特徴とする請求項１３に記載の熱音響装置。
【請求項１８】
作動体積Ｖ0は、コンプライアンスのある密閉箱を満たしている作動ガス流体の体積として定義され、
Ｖ0＜４*Ｖflex
であることを特徴とする請求項１３に記載の熱音響装置。
【請求項１９】
Ｖ0＜２*Ｖflex
であることを特徴とする請求項１８に記載の熱音響装置。
【請求項２０】
Ｖ0＜１*Ｖflex
であることを特徴とする請求項１８に記載の熱音響装置。
【請求項２１】
前記振動部材の振動は、前記コンプライアンスのある密閉箱内のガス状作動流体の圧力を、平衡圧より高いピーク圧と平衡圧より低い最小圧との間で振動させ、圧力振幅Ｐlは前記作動体積の前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の２分の１として定義され、
Ｐl／Ｐm＞５％であることを特徴とする請求項１８に記載の熱音響装置。
【請求項２２】
Ｐl／Ｐm＞１０％であることを特徴とする請求項２１に記載の熱音響装置。
【請求項２３】
Ｐl／Ｐm＞１５％であることを特徴とする請求項２１に記載の熱音響装置。
【請求項２４】
前記振動部材に接続されたばね部材を更に備えており、前記ばね力ｋは、前記ばね部材により生じる機械的剛性ｋmechを更に含んでおり、前記合計質量ｍtotalは、前記ばね部材の可動部分の有効質量に等しい有効質量ｍeffを更に含んでおり、
2005523411.tif 000005
であることを特徴とする請求項１４に記載の熱音響装置。
【請求項２５】
圧力振幅Ｐlは、前記ピーク圧力と前記最小圧力の差の２分の１として定義され、
Ｐl／Ｐm＞５％であることを特徴とする請求項１４に記載の熱音響装置。
【請求項２６】
Ｐl／Ｐm＞１０％であることを特徴とする請求項２５に記載の熱音響装置。
【請求項２７】
Ｐl／Ｐm＞１５％であることを特徴とする請求項２５に記載の熱音響装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
本発明の別の態様によれば、熱音響装置には、密封された内部容積を有する圧力容器が設けられている。圧力容器の内部容積内にはコンプライアンスのある密閉箱が配置されている。コンプライアンスのある密閉箱は、剛体部分とコンプライアンスのある部分を含んでいる。コンプライアンスのある部分は、質量ｍoscと面積Ａoscを有する振動部材と、１対の端部とその間に延びる可撓体を有する可撓シールと、を含んでいる。一方の端部は剛体部分に対してシールされ、他方の端部は振動部材に対してシールされている。可撓シールは平均断面積と端から端までの平衡長を有している。可撓体積Ｖflexは、平均断面積と端から端までの長さの積として定義される。サーマルコアは、コンプライアンスのある密閉箱の中に配置され、少なくとも第１及び第２の熱交換器を含んでいる。加圧されたガス状作動流体が、コンプライアンスのある密閉箱と圧力容器を満たしている。ガス状の作動流体は、ポリトロープ係数γと、平衡圧ｐmを有している。作動体積Ｖ0は、コンプライアンスのある密閉箱の中の作動流体の体積として定義される。モーターは、可撓シールの端から端までの長さが、平衡長に関して正弦波状に増減するように、作動周波数ｆで振動部材を正弦波状に振動させるように作動する。モーターは、振動部材と相互接続された可動部分を有し、可動部分は質量ｍmotorを有している。圧力容器容積Ｖmotorは、圧力容器の内部容積の中にあり、且つコンプライアンスのある密閉箱の外側にあってモーターによって押しのけられていない、ガス状作動流体の体積と定義される。振動部材の振動運動は、可撓シールによる生じる機械的剛性ｋmechとガス状作動流体により生じるガス剛性ｋgasの和に等しいばね力ｋの抵抗を受ける。ガス剛性は次のように定義される。
2005523411.tif 000006
最適作動周波数ｆoptは次のように定義され、
2005523411.tif 000007
ここに、ｍeffは、可撓シールの可動部分の有効質量である。作動周波数ｆは、０．８*ｆoptから１．２*ｆoptの範囲内であるのが望ましく、特に０．９*ｆoptから１．１*ｆoptの範囲内、又は実質的にｆoptに等しいのがより望ましい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
ジュデオンストリーミングの抑制
Devid Gedeon ["DC gas flows in Stirling and pulse-tube cryocoolers", in Cryocoolers 9, R. G. Ross, ed. (Plenum, New York, 1997), pages 385-392] 並びにSwift他 [米国特許第６，０３２，４６４号] により教示されているように、再生用熱交換器を音響出力が通過することにより、再生用熱交換器を横切って非時間依存性の圧力差が生まれる。当該流れに対する障壁を設けない限り、又は大きさが等しく符号が逆の圧力差を何らかの手段で生成しない限り、この非時間依存性圧力差は、熱交換器１４、１８並びに再生用熱交換器１６を通るガス状作動流体の一方向の流れを発生させることになる。この音響的に駆動された一方向のガス流れ（ジュデオンストリーミングとして知られている）は、抑制しない限り冷却性能を劣化させることになる有害な熱負荷を引き起こす。図２及び図３に示す例示的な実施形態では、流れは、追加質量４８により負荷が掛かった流れ抑制ベローズ４６によって抑制される。（別の流れ抑制ベローズ構成を図４に示す。）随意的な追加質量４８は、流れ抑制ベローズ４６が、剛性制御モードで、装置駆動周波数ｆで作動することを保証する。当業者には自明のように、ジュデオンストリーミングの抑制には、他の方式を採用してもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
音響位相ネットワーク
再生用熱交換器１６内の振幅ｐlの振動圧力と、再生用熱交換器を通るガスの流れとの間を適切に位相調整するには、ガスは質量のような働きをしなければならない。熱バッファ管４４内のガスのイナータンスを、流れ抑制ベローズ４６と半楕円形エンドキャップ５２の間のガスのコンプライアンスと組み合わせて、再生用熱交換器１６内の圧力とガスの流れを適切に位相調整する。追加質量４８付の流れ抑制ベローズ４６を質量制御周波数で作動させると、追加質量付きの流れ抑制ベローズも、作動周波数ｆのイナータンスのように挙動することが保証される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
モーター３０を基板５８に剛に接続する代わりに、弾性を有するモーターマウントに置き換えて２自由度系とすることもできる。そうすると、モーター３０を、モーター可動部分３２とは逆の位相で動かすことができる。このような装置は、熱音響機関又は冷却装置を収納している構造体の他の部分への振動の伝達を低減することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
ベローズの設計は、巻き込み長の±１０％程度の変位を無限回数繰り返せるようにしようとする場合、ベローズ材料を極めて薄く、典型的には１／１００インチ（２５０マイクロメーター）程度にせねばならないことにより制約を課せられる [詳しくは、Standards of the Expansion Joint Manufacturer's Association, Inc., 25 North Broadway, Tarrytown, NY 10591参照] 。ベローズの壁は、（撓み応力を下げるため）薄くなければならず、通常はＬbel＝λ／４で作動するように設計されるので、ベローズの金属は、電気機械トランスデューサの可動質量を共振させるのに必要なだけの弾性剛性を提供することはない。場合によっては、ガスばねとして機能するために求められる剛性を作り出せるようにする大きな圧力差（ベローズに圧力応力を発生させる）に耐えることも不可能である。そのような場合は、一体型の動的ガスシールを有する代わりの筒状ばねを、ベローズの代わりにすることを勧める。一体型の動的ガスシールを有する筒状ばねの設計については、米国仮特許出願第６０／３７１，９６７号、及び２００３年４月９日出願の同時係属米国特許出願第１０／４０９，７６０号「一体型の動的ガスシールを有する筒状ばね」に記載されており、上記両出願の全内容をここに参考文献として援用する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
本出願のベローズの設計では、必要な振動圧力振幅ｐl、ガスばね剛性ｋgasの両方、並びに所望の変位振幅を提供するためにベローズの形状と大きさを選択することに注意を払わなければならない。従来の金属ベローズの選択、関連開示文献の代替例、又は他の方式は、意図する使用例の仕様によって決まる。なお、ベローズ、及び一体型動的ガスシール付き筒状ばねは、両方共、米国特許第６，４６１，６９５号、同第６，２３７，９２２号、同第５，２３６，２０４号などに記載の装置がそうであるように、本願で言う可撓シールの定義内に含まれる。他のベローズ設計、及び当業者にとっては既知の如何なる等価物もこの定義内に含まれる。本発明で言う可撓シールは、少なくとも部分的には可撓性であり、熱音響装置内の作動流体として使用されるようなガスの通過を実質的に遮断（シール）する部材と定義される。このような装置は、運動軸に沿って相当なコンプライアンスを有する多数の管状の通路を含んでおり、それが、圧力差を維持できる境界を提供し、作動時にはそれらの望ましい機能部分として軸方向の圧縮を受けるよう意図されている。本願に使用する「可撓シール」という用語は、材料が単に曲がるだけの装置に限定せず、材料にどんな様式であれ可撓性があるシールをいう。本発明で使用する可撓性を有する可撓シールは、代表的には概ね筒状であるが、円錐台のような非直線又は非平行の側部を有していてもよいし、他の形状であってもよい。通常は一対の端部を有し、その一方はピストンのような振動部材により閉鎖され、他方は熱音響装置の残りの或る部分により閉鎖される。可撓シールは或る容積を取り囲み、両端が閉鎖されると、ベローズ容積又は可撓容積を密閉することになる。図２のようなベローズの場合には、可撓シールには一対の端部があり、ピストンで一方の端が閉鎖されていると言える。他方の端は一般的に平面内にあり、ベローズ容積又は可撓容積は、ベローズ内部のベローズの両端を含めた平面間の容積と定義される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
倍増容積１３４は、主容積１４４と協働して、再生用熱交換器内の振動圧力と再生用熱交換器を通るガスの流れとの間で適切な位相調整が行われるようにする。圧力と流れは、同位相であるか、互いに同位相状態に非常に近いことが望ましい。図４の実施形態の要素と作動に関する更に詳細なことは、２００３年２月６日出願の米国仮特許出願第６０／４４５，８６６号、並びに２００３年４月９日出願の同時係属特許出願第１０／４１０，９９２号「熱音響装置」に記載されており、上記両出願の内容をここに参考文献として援用する。上記仮特許出願並びに同時係属特許出願では、本発明によるコンプライアンスのある密閉箱を利用した別の熱音響装置設計が開示されている。上記各種設計は、ここに開示し論じている設計の代わりの実施形態となる。