(57)【要約】【課題】比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させた熱音響機関を提供する。【解決手段】蓄熱器５と、蓄熱器５の一端部に隣接する冷却器６と、蓄熱器５の他端部に隣接する加熱器７と、からなる熱音響ユニット２を有し、さらに、冷却器６の端部に接続された第１の導波管部３と、加熱器７の端部に接続された第２の導波管部４と、を備え、第１の導波管部３は、冷却器６の口径と同じとなるように、冷却器６に近づくに連れて徐々に口径を拡大させた第１のテーパ部３３を有するとともに、第２の導波管部４は、加熱器７と同じである口径が加熱器７から離間するに連れて徐々に縮小された第２のテーパ部４３を有し、さらに、第１の直管部３２の流路断面積よりも熱音響ユニット２の流路断面積を大きくし、熱音響ユニット２の流路断面積よりも第２の直管部４２の流路断面積を小さくしている。【選択図】図１
2017003132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動気体を一端部で冷却し、他端部で加熱して両端部間に温度勾配を形成する蓄熱器と、
前記蓄熱器の一端部に隣接し、前記蓄熱器の一端部の熱を外部に放出する冷却器と、
前記蓄熱器の他端部に隣接し、前記蓄熱器の他端部を加熱する加熱器と、
からなる熱音響ユニットを有し、さらに、
前記冷却器の端部に接続された第１の導波管部と、
前記加熱器の端部に接続された第２の導波管部と、を備え、
前記第１の導波管部は、口径が一定である第１の直管部と、前記冷却器の口径と同じとなるように、前記冷却器に近づくに連れて徐々に口径を拡大させた第１のテーパ部と、を有するとともに、
前記第２の導波管部は、口径が一定である第２の直管部と、前記加熱器と同じである口径が前記加熱器から離間するに連れて徐々に縮小された第２のテーパ部と、を有し、さらに、
前記第１の直管部の流路断面積よりも前記熱音響ユニットの流路断面積を大きくし、
前記熱音響ユニットの流路断面積よりも前記第２の直管部の流路断面積を小さくしたことを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
前記第１の導波管部が、前記第１の直管部をなす管状体と、前記第１のテーパ部をなす管状体と、を接続したものであるか、または、一つの管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って前記第１のテーパ部を形成した一体物であり、
前記第２の導波管部が、前記第２の直管部をなす管状体と、前記第２のテーパ部をなす管状体と、を接続したものであるか、または、一つの管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って前記第２のテーパ部を形成した一体物である
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】
前記第１のテーパ部のテーパ角度が２〜１２°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】
前記第２のテーパ部のテーパ角度が２〜１２°であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の熱音響機関。
【請求項５】
前記第１の直管部の流路断面積に対する前記熱音響ユニットの流路断面積が３〜７倍であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載の熱音響機関。
【請求項６】
前記第２の直管部の流路断面積が前記熱音響ユニットの流路断面積の１／７〜１／３であることを特徴とする請求項１から請求項５のうち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、熱音響機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱音響機関は、温度勾配のある細管流路内の作動流体が圧縮→加熱→膨張→冷却という熱力学サイクルを実行する熱音響現象を利用するものであり、ピストンやクランクで構成された可動部を有さない。熱音響機関の構成としては、例えば、管の軸方向に、低温の熱源との熱交換を行う低温側熱交換器（冷却器などと呼称されることもある）と、高温熱源との熱交換を行う高温側熱交換器（加熱器などと呼称されることもある）と、これら低温側熱交換器と高温側熱交換器との間で温度勾配を保持する蓄熱器（再生器などと呼称されることもある）とを配置して構成される。また、低温側熱交換器と高温側熱交換器はそれぞれ導波管（共鳴管などと呼称されることもある）と接続されている。そして、このような構成の熱音響機関の内部には、空気、窒素およびヘリウムなどから選択される少なくとも一つの作動流体が封入されている。熱音響機関は、このような単純な構造であるにも関わらず、熱と音波との間のエネルギ変換を行うことができるため、最近、米国などにおいて、研究・開発が活発に行われるようになってきた。
【０００３】
しかしながら、熱音響機関に関しては研究・開発の日が浅く、その研究・開発は十分に行われていない状況であるといえる。そのため、熱音響機関には多くの課題が潜んでおり、国内外を問わず現在も精力的に研究・開発が進められている。
例えば、非特許文献１には、蓄熱器の断面積を共鳴管の断面積よりも大きくすることによって、第二法則効率η2や音響パワー増幅率Ｇを向上させることができると記載されている。なお、比カルノー効率η2とは、熱効率をカルノー効率で除した値であり、第二法則効率とも呼称されている。比カルノー効率η2を向上させることは、供給するエネルギに対して仕事量を大きくすることに繋がる。つまり、同じ仕事量であれば供給するエネルギを小さくすることができるということである。また、音響パワー増幅率Ｇとは、蓄熱器と、この蓄熱器の一端部に隣接する冷却器と、この蓄熱器の他端部に隣接する加熱器と、からなる熱音響ユニットにおいて、進行波音波が入力される上流側端面の音響パワーＷinに対する下流側端面の音響パワーＷoutの比率をいう。音響パワー増幅率Ｇを向上させることにより、上流側端面の音響パワーＷinに対してより大きな音響パワー出力Ｗoutを下流側端面で得ることができる。比カルノー効率η2および音響パワー増幅率Ｇについての詳細は後に説明する。
【０００４】
また、特許文献１には、作動流体が充填されたループ管に、内部フィンを有する加熱器と金網を収容した再生器と内部フィンを有する冷却器とからなる原動機が設置された熱音響機関において、前記原動機における作動流体の流路断面積が前記ループ管における作動流体の流路断面積より大きいことを特徴とする熱音響機関が記載されている。
【０００５】
特許文献１によれば、この熱音響機関は、ループ管と原動機の流路断面積を少し大きくするとで音場が不安定となることによる出力低下を防止することができると記載されている。
【０００６】
さらに、特許文献２には、加熱器と冷却器と再生器と共鳴部と作動流体を備えた熱音響機関において、前記再生器の内部の断面積を前記共鳴部の内部の断面積よりも大きく形成するとともに、前記加熱器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記共鳴部と前記再生器の間に配置するとともに、前記冷却器の内周フィンが配置されている壁面をテーパー形状に形成して、前記再生器と前記共鳴部との間に配置したことを特徴とする熱音響機関が記載されている。
【０００７】
特許文献２によれば、熱音響機関の加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止して、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制することができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２０８９１１号公報
【特許文献２】特開２０１３−９６３８７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】加瀬竜樹、長谷川真也、福田紘大、押野谷康雄著、第１６回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集「Ｂ０２  断面積変化のある進行波音波エンジンの熱効率」、一般社団法人日本機械学会、２０１３年１１月２９日、ｐ．７５〜７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１に記載されている発明は、共鳴管と蓄熱器との間で断面積が急激に変化しているため、壁面に沿って伝達されてきた音波が広い断面積の壁面の部分に到達したときにその壁面に沿わずに剥離が生じていたと考えられる（つまり、音波の伝達にロスが生じていたと考えられる）。そのため、非特許文献１に記載されている発明には、比カルノー効率および音響パワー増幅率の向上についてさらなる改善の余地があった。
【００１１】
また、特許文献１に記載されている発明は、ループ管と、内部フィンを有する加熱器と、金網を収容した再生器と、内部フィンを有する冷却器とは、それぞれ断面形状が異なっているため、音波が伝播された場合に反射が生じることは避けられない。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率への効果は定かではない。
【００１２】
そして、特許文献２に記載されている発明は、加熱器若しくは冷却器と共鳴部との接続部分で流路断面積の変化が大きくなるのを防止するので、この接続部分で反射される音波の量を減少できて、音波の反射による熱音響機関の出力の低下を抑制できるとしている。しかしながら、特許文献２に記載されている発明は、加熱器と冷却器にそれぞれ内周フィンを備えているため、断面形状が異なり、音波が伝播された場合に反射が生じることは避けられない。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率の向上についてさらなる改善の余地があると考えられる。なお、特許文献２には、加熱器と冷却器の形状をテーパー形状とする旨が記載されているが、これは熱伝導の効率を上昇させるためそのようにしているのであり（特許文献２の段落００３６）、比カルノー効率および音響パワー増幅率の向上について意図されたものではない。
【００１３】
本発明前記状況に鑑みてなされたものであり、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させた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】
【００１４】
前記課題を解決した本発明に係る熱音響機関は、作動気体を一端部で冷却し、他端部で加熱して両端部間に温度勾配を形成する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端部に隣接し、前記蓄熱器の一端部の熱を外部に放出する冷却器と、前記蓄熱器の他端部に隣接し、前記蓄熱器の他端部を加熱する加熱器と、からなる熱音響ユニットを有し、さらに、前記冷却器の端部に接続された第１の導波管部と、前記加熱器の端部に接続された第２の導波管部と、を備え、前記第１の導波管部は、口径が一定である第１の直管部と、前記冷却器の口径と同じとなるように、前記冷却器に近づくに連れて徐々に口径を拡大させた第１のテーパ部と、を有するとともに、前記第２の導波管部は、口径が一定である第２の直管部と、前記加熱器と同じである口径が前記加熱器から離間するに連れて徐々に縮小された第２のテーパ部と、を有し、さらに、前記第１の直管部の流路断面積よりも前記熱音響ユニットの流路断面積を大きくし、前記熱音響ユニットの流路断面積よりも前記第２の直管部の流路断面積を小さくしている。
【００１５】
本発明に係る熱音響機関は、前記した第１のテーパ部を有することによって第１の導波管部における第１の直管部と熱音響ユニットとの流路断面積変化を緩やかなものとすることができ、また、前記した第２のテーパ部を有することによって熱音響ユニットと第２の導波管部における第２の直管部との流路断面積変化を緩やかなものとすることができる。
さらに、第１の直管部の流路断面積よりも熱音響ユニットの流路断面積を大きくし、熱音響ユニットの流路断面積よりも第２の直管部の流路断面積を小さくしている。これにより、エネルギ変換を行う熱音響ユニット（蓄熱器）の部分だけインピーダンスを高くすることができ、それ以外はロスの少ない進行波音波とすることができる。
従って、本発明に係る熱音響機関は、進行波音波が壁面から剥離するのを抑制したり、マイナーロスを抑制したりすることができる。その結果、本発明に係る熱音響機関は、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。なお、マイナーロスとは、第１の導波管部から第２の導波管部の両端における出入り損をいう。
【００１６】
なお、本発明に係る熱音響機関は、前記第１の導波管部が、前記第１の直管部をなす管状体と、前記第１のテーパ部をなす管状体と、を接続したものであるか、または、一つの管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って前記第１のテーパ部を形成した一体物であり、前記第２の導波管部が、前記第２の直管部をなす管状体と、前記第２のテーパ部をなす管状体と、を接続したものであるか、または、一つの管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って前記第２のテーパ部を形成した一体物であるのが好ましい。
このようにすると、第１の導波管部および第２の導波管部を容易かつ確実に形成することができる。
【００１７】
本発明に係る熱音響機関は、前記第１のテーパ部のテーパ角度が２〜１２°であるのが好ましい。
また、本発明に係る熱音響機関は、前記第２のテーパ部のテーパ角度が２〜１２°であるのが好ましい。
これらのようにすると、第１および第２のテーパ部のテーパ角度がそれぞれ適切な範囲にあるので、音波が壁面から剥離するのをより抑制することができ、また、マイナーロスをより抑制することができる。
【００１８】
本発明に係る熱音響機関は、前記第１の直管部の流路断面積に対する前記熱音響ユニットの流路断面積が３〜７倍であるのが好ましい。
このようにすると、冷却器、蓄熱器、および加熱器で構成される熱音響ユニットにおけるインピーダンスを高くすることができるので、音響パワーを確実に増幅させることができる。なお、音響パワーについては後に説明する。
【００１９】
また、本発明に係る熱音響機関は、前記第２の直管部の流路断面積が前記熱音響ユニットの流路断面積の１／７〜１／３であるのが好ましい。
このようにすると、熱音響ユニットで高くしたインピーダンスを低くし、進行波音波に戻すことができる。従って、第２の導波管部における進行波音波の伝播を効率良く行うことができる。つまり、第２の導波管部における進行波音波の伝播のロスを少なくすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る熱音響機関は、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る熱音響機関の一実施形態を示す構成図である。
【図２】第１のテーパ部のテーパ角度を説明する概略断面図である。
【図３】第２のテーパ部のテーパ角度を説明する概略断面図である。
【図４】本発明に係る熱音響機関の一変形例を示す構成図である。
【図５】本発明に係る熱音響機関の他の変形例を示す構成図である。
【図６】使用したテーパ管のテーパ角度θごとに、Ｔｗｏ−ｓｅｎｓｏｒ法で測定した音響パワーをもとに増幅率Ｇを示したグラフである。横軸はテーパ角度θ［°］であり、縦軸は音響パワーＷoutを音響ユニット上流側端面の音響パワーＷinで除した値（Ｇ＝Ｗout／Ｗin）である。
【図７】比カルノー効率η2とテーパ角度θの関係を示すグラフである。横軸はテーパ角度θ［°］であり、縦軸は比カルノー効率η2［％］である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［熱音響機関］
以下、適宜図面を参照して本発明に係る熱音響機関について詳細に説明する。図１は、本発明に係る熱音響機関の一実施形態を示す構成図である。
図１に示すように、本発明に係る熱音響機関１は、熱音響ユニット２の一端部２１に第１の導波管部３が接続され、他端部２２に第２の導波管部４が接続されたものである。これらの接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。なお、図１においては、第１の導波管部３と第２の導波管部４の形状（詳しくは、第１のテーパ部３３と第２のテーパ部４３および音響ユニット２の形状）を誇張して示している。
以下、本発明に係る熱音響機関１の各構成要素について説明する。
【００２３】
（熱音響ユニット）
図１に示すように、熱音響ユニット２は、作動気体を加熱および冷却する蓄熱器５と、蓄熱器５の一端部に隣接し、蓄熱器５の一端部の熱を外部に放出する冷却器６と、蓄熱器５の他端部に隣接し、蓄熱器５の他端部を加熱する加熱器７と、から構成されている。つまり、熱音響ユニット２は、蓄熱器５を挟むようにして蓄熱器５の一端部に冷却器６が接続され、蓄熱器５の他端部に加熱器７が接続されている。これらの接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。なお、図１は、これらの構成要素が直線状に接続されたストレート型熱音響機関を示している。
【００２４】
つまり、この熱音響ユニット２では、蓄熱器５を挟んで冷却器６と加熱器７の間で温度勾配を形成する。熱音響ユニット２は、形成した温度勾配を利用して音響パワーを増幅させる。その結果、熱音響ユニット２は、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。
【００２５】
なお、熱音響ユニット２の流路断面積は、これを構成する冷却器６、蓄熱器５、および加熱器７のそれぞれの流路断面積が熱音響ユニット２全体の流路断面積を決定する。つまり、熱音響ユニット２の流路断面積は、冷却器６、蓄熱器５、および加熱器７のうちで流路断面積が最も小さいものに影響される。従って、冷却器６、蓄熱器５、および加熱器７の流路断面積は同一またはほぼ同一となるようにするのが好ましい。このようにすると音場を安定させることができるので、音響パワーが安定的に増幅され、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより安定的に向上させることができる。なお、流路断面積は、蓄熱器５などの機器の口径に開口率を乗ずることによって求めることができる。冷却器６、蓄熱器５、および加熱器７の流路断面積は異なっていてもよいが、その場合、前記したように、これらのうちの最小の流路断面積によって熱音響ユニット２の流路断面積が決定される。
【００２６】
（導波管部）
図１に示す第１の導波管部３および第２の導波管部４はともに作動気体を内部に含む直線状の中空管状体である。第１の導波管部３は、第１の直管部３２と第１のテーパ部３３とを有する（いずれも図２参照）。また、第２の導波管部４は、第２の直管部４２と第２のテーパ部４３とを有する（いずれも図３参照）。第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３については後記するが、第１の直管部３２と第２の直管部４２はそれぞれ所定の長さおよび流路断面積を有している。なお、第１の導波管部３および第２の導波管部４は前記したように中空であるから、第１の直管部３２と第２の直管部４２の開口率はそれぞれ１００％であり、その流路断面積はπｒ2（ｒは導波管部の半径）で求めることができる。第１の導波管部３および第２の導波管部４は、作動気体の流路方向に対して垂直な方向の断面形状を円形とすることができるがこれに限定されるものではなく、矩形とすることもできる。
【００２７】
本発明においては、第１の導波管部３が冷却器６に接続され、第２の導波管部４が加熱器７に接続されている。なお、第１の導波管部３および第２の導波管部４の長さは任意に設定することができるが、管内に進行波音波を入力したときにλ／４の定常波が生じる長さとするのが好ましい。第１の導波管部３および第２の導波管部４の長さの具体例としては、熱音響ユニット２を含めてその全長を６．６ｍとすることが挙げられる。
【００２８】
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などの不活性気体や、空気等がよく用いられる。
【００２９】
（蓄熱器）
蓄熱器５は、作動気体を一端部で冷却し、他端部で加熱する。すなわち、蓄熱器５は、冷却器６および加熱器７によって蓄熱器５の両端部間に温度勾配を形成し、その温度差を保つことによって下記の熱力学サイクルを行わせ、作動気体の音響パワーを増幅させる。つまり、蓄熱器５の流路は狭いので蓄熱器５の壁面温度と作動気体の温度とを瞬時に同じ温度とすることができる。従って、蓄熱器５の冷却器６側から蓄熱器５に進行波音波を入力すると、蓄熱器５内の作動気体が蓄熱器５の壁面と熱交換を行い、圧縮→加熱→膨張→冷却という熱力学サイクルが蓄熱器５内で行われる。その結果、蓄熱器５に入力された進行波音波を増幅させることができる。つまり、音響パワーを増幅させることができる。
【００３０】
蓄熱器５は、例えば、導波管部の延在方向（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などの金属製の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。また、蓄熱器５として、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。このような構成とすることにより、蓄熱器５は流路を狭くすることができる。
【００３１】
（冷却器）
冷却器６（低温側熱交換器）は、蓄熱器５の一端部に隣接しており、これらの接触部分の熱交換を行う。つまり、冷却器６は、蓄熱器５と接触している部分の熱を冷却水や空気などを用いて外部に放出して冷却する。冷却器６は、冷却用の熱交換器を用いることができる。冷却器６の構成の一例を説明すると、例えば、メッシュ板などの多数枚の金属板（フィン）が微小ピッチで積層された積層部（図示せず）を有し、その周囲に冷却ブラケット（図示せず）が配設されている。この冷却ブラケットには冷却水路（図示せず）が接続されており、冷却水路を流れる冷却水などの熱伝達媒体によって冷却器６は一定の冷却温度を維持しうる構成となっている。
【００３２】
（加熱器）
加熱器７（高温側熱交換器）は、蓄熱器５の他端部に隣接しており、これらの接触部分の熱交換を行う。つまり、加熱器７は、加熱手段（図示せず）によって蓄熱器５と接触している部分を加熱するものである。加熱器７は、加熱用の熱交換器を用いることができる。加熱器７の構成は基本的には冷却器６と同一であり、例えば、メッシュ板などの多数枚の金属板（フィン）が微小ピッチで積層された積層部（図示せず）を有し、その周囲に加熱ブラケット（図示せず）が配設されている。この加熱ブラケットには加熱水路（図示せず）が接続されており、加熱水路を流れる加熱水などの熱伝達媒体によって加熱器７は一定の加熱温度を維持しうる構成となっている。加熱手段として例えば電気ヒータなどを用いることができる。また、加熱水の替わりにオイルを用いることができる。なお、加熱器７は蓄熱器５の他端部を加熱することができればよく、電気ヒータなどの加熱手段を直接取り付ける態様とすることもできる。
【００３３】
前記した構成の冷却器６と加熱器７は、冷却器６の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、加熱器７の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、を一致させるようにするのが好ましい。このようにすると、冷却器６と加熱器７の流路を同一に扱うことができる。つまり、熱音響ユニット２の流路断面積に関して、冷却器６と加熱器７の個々の開口率が影響せず、一つの開口率とみなすことができる。従って、冷却器６と加熱器７のあいだで流路断面積が減少しないので、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより向上させることができる。
【００３４】
（第１のテーパ部、第２のテーパ部、流路断面積）
前記した熱音響機関１において、本発明では以下の構成を採用している。
図２に示すように、第１の導波管部３は、冷却器６と隣接し、口径が一定である第１の直管部３２と、冷却器６の口径と同じとなるように、冷却器６に近づくに連れて徐々に口径を拡大させた第１のテーパ部３３と、を有している。第１の導波管部３は、第１の直管部３２をなす管状体と、第１のテーパ部３３をなす管状体と、を別々に作製し、これらを接続したものであってもよい。なお、これらの接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。また、第１の導波管部３は、切削などの加工手段によって所定の口径を有する一つの中空管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って第１のテーパ部３３を形成した一体物であってもよい。いずれによっても、第１の導波管部３を容易かつ確実に形成することができる。なお、図２は、第１の直管部３２と第１のテーパ部３３を一体物として作製した例を示している。
【００３５】
また、図３に示すように、第２の導波管部４は、加熱器７と隣接し、口径が一定である第２の直管部４２と、加熱器７と同じである口径が加熱器７から離間するに連れて徐々に縮小された第２のテーパ部４３と、を有している。第２の導波管部４は、第２の直管部４２をなす管状体と、第２のテーパ部４３をなす管状体を別々に作製し、これらを接続したものであってもよい。なお、これらの接続は前記同様、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。また、第２の導波管部４は、切削などの加工手段によって所定の口径を有する一つの中空管状体のうちの一端部に向けて口径を徐々に大きくする加工を行って第２のテーパ部４３を形成した一体物であってもよい。いずれによっても、第２の導波管部４を容易かつ確実に形成することができる。なお、図３は、第２の直管部４２と第２のテーパ部４３を一体物として作製した例を示している。
【００３６】
さらに、本発明においては、第１の直管部３２の流路断面積よりも熱音響ユニット２の流路断面積を大きくし、熱音響ユニット２の流路断面積よりも第２の直管部４２の流路断面積を小さくしている。
【００３７】
ここで、本発明に係る熱音響機関１は、前記した第１のテーパ部３３を有しているので、第１の直管部３２と熱音響ユニット２との流路断面積変化を緩やかなものとすることができるとともに、第２のテーパ部４３を有しているので、熱音響ユニット２と第２の直管部４２との流路断面積変化を緩やかなものとすることができる。そのため、進行波音波が壁面から剥離するのを抑制したり、マイナーロスを抑制したりすることができる。また、第１の直管部３２、熱音響ユニット２、および第２の直管部４２の流路断面積の関係を前記したようにすることによって、エネルギ変換を行う熱音響ユニット２（蓄熱器５）の部分だけインピーダンスを高くすることができ、それ以外（第１の導波管部３および第２の導波管部４）はロスの少ない進行波音波とすることができる。その結果、本発明に係る熱音響機関１は、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。
【００３８】
図２に示すように、第１のテーパ部３３のテーパ角度θは２〜１２°であるのが好ましく、また、図３に示すように、第２のテーパ部４３のテーパ角度θは２〜１２°であるのが好ましい。第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３のテーパ角度θがともに前記した範囲にあれば、進行波音波が壁面から剥離するのをより確実に抑制したり、マイナーロスをより確実に抑制したりすることができる。そのため、本発明に係る熱音響機関１は、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより確実に向上させることができる。
これらの効果をさらに確実に得る観点から、第１のテーパ部３３のテーパ角度θは６〜９°とするのがより好ましく、７°とするのがさらに好ましい。また、同様の理由から、第２のテーパ部４３のテーパ角度θは６〜９°とするのがより好ましく、７°とするのがさらに好ましい。
【００３９】
また、第１の直管部３２の流路断面積に対する熱音響ユニット２の流路断面積は３〜７倍であるのが好ましく、４〜７倍であるのがより好ましく、４．６〜６．６倍であるのがさらに好ましい。このようにすると、熱音響ユニット２におけるインピーダンスを高くすることができるので、音響パワーを確実に増幅させることができる。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができる。
【００４０】
さらに、第２の直管部４２の流路断面積は熱音響ユニット２の流路断面積の１／７〜１／３であるのが好ましく、１／７〜１／４であるのがより好ましく、１／６．６〜１／４．６とするのがさらに好ましい。このようにすると、熱音響ユニット２で高くしたインピーダンスを低くし、進行波音波に戻すことができる。従って、第２の導波管部４における進行波音波の伝播を効率良く行うことができる。つまり、第２の導波管部４における進行波音波の伝播のロスを少なくすることができる。
【００４１】
なお、前記した第１のテーパ部３３のテーパ角度θと第２のテーパ部４３のテーパ角度θはそれぞれ前記した数値範囲内で同じ角度とすることができるがこれに限定されるものではなく、それぞれ前記した数値範囲内で異なる角度とすることができる。
また、前記した第１の直管部３２の流路断面積と熱音響ユニット２の流路断面積の関係および第２の直管部４２の流路断面積と熱音響ユニット２の流路断面積の関係もこれと同様である。すなわち、例えば、第１の直管部３２の流路断面積に対する熱音響ユニット２の流路断面積を３倍とした場合に、第２の直管部４２の流路断面積を熱音響ユニット２の流路断面積の１／３とするように、互いに対応する倍率とすることができるがこれに限定されるものではなく、互いに対応しない倍率とすることができる。つまり、第１の直管部３２の流路断面積に対する熱音響ユニット２の流路断面積を例えば３倍としたときに、第２の直管部４２の流路断面積を熱音響ユニット２の流路断面積を１／７とすることができる。
【００４２】
（変形例；冷凍機、昇温機器）
前記した構成の熱音響機関１に対して第１の導波管部３から進行波音波を入力すると、蓄熱器５内で前記した熱力学サイクルが行われ、進行波音波が増幅される（音響パワーが増幅される）。このとき、前記した熱力学サイクルにより、第１の導波管部３と蓄熱器５が接触している部分、より詳しくは第１のテーパ部３３と蓄熱器５が接触している部分の温度が低下する。前記した構成の冷却用の熱交換器を用いて前記した低下した温度を取り出すことにより、本発明に係る熱音響機関１を冷凍機として使用することができる。なお、このような冷凍機は熱音響冷凍機などと呼称されることもある。
【００４３】
また、前記した構成の熱音響機関１に対して第１の導波管部３から進行波音波を入力すると、前記した熱力学サイクルにより、蓄熱器５と第２の導波管部４が接触している部分、より詳しくは蓄熱器５と第２のテーパ部４３が接触している部分の温度が上昇する。前記した構成の加熱用の熱交換器を用いて前記した上昇した温度を取り出すことにより、本発明に係る熱音響機関１を昇温機器として使用することができる。
【００４４】
（変形例；ループ管）
さらに、図１では第１の導波管部３および第２の導波管部４が直線状の中空管状体である例を示しているが、図４に示すように、第１の導波管部３の先端部３１に前記熱音響ユニット２と同様の構成および作用・効果を有する熱音響ユニット５２を有する第１のループ管５０を設けることができる。
【００４５】
第１のループ管５０は、作動気体が封入される環状の管であり、その管路は平面視した形状が角丸の四角形に形成されている。第１のループ管５０は、第１のループ管５０のうちの一辺となる直管部５０ａの延長線上に第１の導波管部３の一端部３１を接続するのが好ましい。このようにすると、熱音響ユニット２への進行波音波の入力をスムーズに行うことができるようになる。なお、直管部５０ａと第１の導波管部３の一端部３１の接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。
【００４６】
前記したように、熱音響ユニット５２は、蓄熱器５５、冷却器５６および加熱器５７から構成されている。従って、第１のループ管５０によって熱音響ユニット２に入力する進行波音波をより増幅させることが可能となる。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより向上させることができる。
【００４７】
また、図４に示すように、第２の導波管部４の先端部４１に前記熱音響ユニット２と同様の構成および作用・効果を有する熱音響ユニット６２を有する第２のループ管６０を設けることができる。
【００４８】
第２のループ管６０は、作動気体が封入される環状の管であり、その管路は平面視した形状が角丸の四角形に形成されている。第２のループ管６０は、第２のループ管６０のうちの一辺となる直管部６０ａの延長線上に第２の導波管部４の他端部４１を接続するのが好ましい。このようにすると、熱音響ユニット２から熱音響ユニット６２への進行波音波の入力をスムーズに行うことができるようになる。なお、直管部６０ａと第２の導波管部４の他端部４１の接続は、ねじ込み接続、フランジ接続、溶接接続などの公知の接続方法によって行うことができる。
【００４９】
前記同様、熱音響ユニット６２は、蓄熱器６５、冷却器６６および加熱器６７から構成されている。従って、熱音響ユニット２からの進行波音波を第２のループ管６０によって熱音響ユニット６２に入力されると、進行波音波をより増幅させることが可能となる。そのため、比カルノー効率および音響パワー増幅率をより向上させることができる。
【００５０】
前記した熱音響ユニット５２、６２はいずれも音響パワー（進行波音波）を増幅することができるので前記熱力学サイクルを行わせることが可能である。従って、熱音響ユニット５２、６２はいずれも冷凍機および昇温機器のうちの少なくとも一つとして用いることができる。なお、図４は、第１のループ管５０および第２のループ管６０を同時に備えた熱音響機関１Ａを示しているが、いずれか一方のみを備えた熱音響機関（図示せず）とすることができることは言うまでもない。
【００５１】
なお、第１のループ管５０および第２のループ管６０は、作動気体の流路方向に対して垂直な方向の断面形状を円形とすることができるがこれに限定されるものではなく、矩形とすることもできる。
また、図５では、第１のループ管５０および第２のループ管６０の管路について、平面視した形状が角丸の四角形である場合を例示しているがこれに限定されるものではなく、例えば、平面視した形状を円形とすることができる。
【００５２】
（発電機）
また、図５に示すように、熱音響機関１Ｂは第２の導波管部４の先端部４１にリニア発電機７０を設けることにより、熱音響ユニット２によって増幅させた音響パワーを用いて発電することができる。リニア発電機７０は、第１の導波管部３、熱音響ユニット２および第２の導波管部４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７１を備えている。圧力容器７１内には、外側ヨーク（円筒）７２、７２と、これら外側ヨーク７２、７２にそれぞれ収容されるコイル７３、７３と、外側ヨーク７２、７２の間に位置する内側ヨーク（円筒）７４と、外側ヨーク７２、７２のそれぞれと内側ヨーク７４との間に設けられた永久磁石７５、７５と、が備えられている。なお、永久磁石７５、７５は、それぞれＳ極とＮ極の磁石から構成されている。
【００５３】
リニア発電機７０におけるこのような構造は、コイル７３、７３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、音響パワーに基づき内側ヨーク７４がストロークすることにより、コイル７３、７３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７４に突起７４ａ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。
なお、この図５に示す例においても、図４に示す構成を適用できることは言うまでもない。例えば、図５に示す第１の導波管部３の先端部３１に、図４に示す熱音響ユニット５２を有する第１のループ管５０を設けてもよい。このようにすると、図５に示す熱音響ユニット２は、第１のループ管５０（図５において図示せず）で増幅された音響パワーをさらに増幅することができるため、リニア発電機７０での発電量を多くすることができる。
【実施例】
【００５４】
次に、本発明の効果を確認した実施例について詳細に説明する。
本実施例では、図１に示す装置（熱音響機関１）を用いて実験を行った。この装置は、導波管（第１の導波管部３および第２の導波管部４）およびテーパ管（第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３）、蓄熱器５、低温側熱交換器（冷却器６）、高温側熱交換器（加熱器７）で構成されている。なお、蓄熱器５、冷却器６、加熱器７で熱音響ユニット２を構成している。
【００５５】
第１の導波管部３および第２の導波管部４のそれぞれの先端には、内部気体を強制振動させるためのリニアモータＬＭＬ、ＬＭＲを取り付けた。本実施例では、図１中、左端に設置したリニアモータＬＭＬで進行波音波を発生し、蓄熱器５にて増幅した進行波音波を右端のリニアモータＬＭＲで吸収する構成とした。
【００５６】
装置の全長をＬ＝６．６ｍとした。本実施例では、テーパ部の角度がθ＝６°、７°、８°、９°、９０°であるテーパ管（第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３）に取り替えることでθを変化させた。なお、テーパ部の角度θ＝９０°はテーパ管ではなく、流路断面積が急激に広くなる口径の大きい管を用いたことを意味する。
このとき、蓄熱器５、冷却器６、および加熱器７のそれぞれの口径は４０ｍｍであり、開口率は７０％であった。導波管の直管部（第１の導波管部３の第１の直管部３３および第２の導波管部４の第２の直管部４３）の口径は１０．９ｍｍであり、開口率は１００％であった。
【００５７】
本実施例では、図１中、左右に設置したリニアモータＬＭＬ、ＬＭＲの振幅と位相差をファンクションジェネレータＦＧを用いて調整し、パワーアンプＰＡで増幅することで下流側導波管（第２の導波管部４）にて進行波音場を実現した。リニアモータＬＭＬ、ＬＭＲの動作周波数はｆ＝３５Ｈｚとし、作動気体は１ＭＰａのヘリウムとした。
【００５８】
蓄熱器５は流路径０．２ｍｍ（ωτ＝０．０３）のステンレスエッチングメッシュを３０ｍｍ積層して使用し、流路径は軸方向に重なるように設置した。なお、ωτは、発生する音波の角周波数ωと熱緩和時間τの積で表現される無次元パラメーターを表している。
【００５９】
また、低温側熱交換器（冷却器６）の温度ＴCと高温側熱交換器（加熱器７）の温度ＴHは熱電対を用いて測定した。低温側熱交換器（冷却器６）は循環冷却水によりＴC＝２８３Ｋを保った。高温側熱交換器（加熱器７）は電気ヒータでＴH＝５７３Ｋに加熱し、投入熱量Ｑinを調整することで一定に保った。さらに、図１に示すように取り付けた圧力トランスデューサＰＴ１〜ＰＴ６で計測した圧力変動より、Ｔｗｏ−ｓｅｎｓｏｒ法（A. Fusco, W. Ward and G. Swift, J. Acoust. Soc. Am. 91. ｐ．2229 - 2235, (1992)、T. Biwa , Rev. of Sci. Inst. 78(8), p. 086110-1-3, (2007)）を用いて管内の音場分布を導出した。この結果から、複素圧力振幅ｐと断面平均複素流速振幅ｖの分布を求め、さらに管内の音響パワーＷを決定した。管断面積をＡとし、ｐとｖの位相差をφとして音響パワーＷは次式で表される。
【００６０】
【数１】
2017003132.tif 000003
【００６１】
以上のようにして得られた音響パワーＷと投入熱量Ｑinを比較することで、蓄熱器５の位置における音響パワー増幅率Ｇと熱効率ηを求めた。ここで、音響パワー増幅率Ｇは、熱音響ユニット２の上流側端面の音響パワーＷin、熱音響ユニット２の下流側端面の音響パワーをＷoutとして以下のように表すことができる。
Ｇ＝Ｗout／Ｗin                                                           （２）
【００６２】
また、蓄熱器５の位置の熱効率ηは、以下に示す熱音響ユニット２の位置の音響パワー増加量ΔＷと投入熱量Ｑinの比を用いてη＝ΔＷ／Ｑinと表すことができ、ΔＷは以下のように表すことができる。
ΔＷ＝Ｗout−Ｗin                                                         （３）
【００６３】
しかし、ＱinはリニアモータＬＭＬからの入力音響パワーがないＷ＝０のときに、蓄熱器５をＴH＝５７３Ｋまで加熱するための投入熱量Ｑin0を含んでいる。このＱin0には、単純熱伝導や大気放熱などの音響パワー増幅に直接関与しない値が含まれているため、ＱinからＱin0を取り除き、
ΔＱ＝Ｑin−Ｑin0                                                         （４）
として得られる値ΔＱを用いて、正味の熱効率η’を以下のように表すことができる。
η’＝ΔＷ／ΔＱ                                                          （５）
本実施例では上述の式を用いて比カルノー効率η2を求めた。η2は、正味の熱効率η’と絶対温度比ＴC／ＴHを用いて以下のように表すことができる。
【００６４】
【数２】
2017003132.tif 000004
【００６５】
なお、高温側熱交換器の温度ＴHから熱ＱHをもらったとき、そのエネルギの一部が有効仕事ＷEとして使われ、残りの熱ＱLは低温側熱交換器に移動する。このときの熱効率ηは、ＷE／ＱH＝１−ＱL／ＱHで表すことができる。
【００６６】
なお、理想的な熱機関では、有効仕事ＷEと熱エネルギＱHは、ＷE／ＱH＝１−ＴC／ＴHで表すことができ、これをカルノー効率ηthと呼んでいる。現実には、ＷE／ＱHはカルノー効率ηthより低い値になる。カルノー効率ηthに対する正味の熱効率η’の比率を、前記したように比カルノー効率η2と呼んでいる。
【００６７】
（結果）
図６に、使用したテーパ管（第１のテーパ部３３および第２のテーパ部４３）のテーパ角度θごとに、Ｔｗｏ−ｓｅｎｓｏｒ法で測定した音響パワーをもとに増幅率Ｇを示したものである。縦軸は音響パワーＷoutを音響ユニット上流側端面の音響パワーＷinで除した値（Ｇ＝Ｗout／Ｗin）である。ここで、図１に示す構成において圧力トランスデューサＰＴ１〜ＰＴ６で計測した圧力変動からＴｗｏ−ｓｅｎｓｏｒ法で、音響ユニット２の上流側側面の音響パワーＷin、音響ユニット２の下流側音響パワーＷoutを計測し、増幅率Ｇ＝Ｗout／Ｗinを求めた。
【００６８】
この結果より、装置構成全てで蓄熱器５の位置においてＷout／Ｗinが増幅していることがわかった。ここで、蓄熱器５の位置における理想的な音響パワー増幅率Ｇは絶対温度比ＴH／ＴCより２．０２である。本実施例では、テーパ角度θ＝７°のテーパ管を使用したとき蓄熱器位置での音響パワー増幅率Ｇが最大となり、その際の音響パワー増幅率Ｇは１．７５６であった。これは、絶対温度比ＴH／ＴCの８６．９％に達する。一方、テーパ角度θ＝９０°（テーパ管なし）の場合の音響パワー増幅率Ｇは１．６９４であった。テーパ角度θ＝７°のテーパ管を用いると、テーパ角度θ＝９０°の場合と比較して音響パワー増幅率Ｇが３．６５％向上した。
【００６９】
図７には、比カルノー効率η2とテーパ角度θの関係を示す。この結果より、比カルノー効率η2は、テーパ角度θ＝７°のテーパ管を使用したときに最大となり、η2＝５０．６％であった。また、テーパ角度θ＝８°のテーパ管を使用した場合、η2＝４８％であり、テーパ角度θ＝６°のテーパ管を使用した場合、η2＝４４％であった。一方、テーパ角度θ＝９０°（テーパ管なし）の場合、η2＝８．４９％であった。テーパ角度θ＝７°のテーパ管を用いると、テーパ角度θ＝９０°の場合と比較して比カルノー効率η2が５．９６倍向上した。
【００７０】
（まとめ）
本実施例では、蓄熱器と導波管の接続部に管の軸方向に対して連続的に断面積を変化させることができるテーパ部を設け、テーパ角度θの変化が蓄熱器の熱効率ηおよび音響パワー増幅率Ｇに与える影響を測定した。その結果、テーパ角度θ＝７°のテーパ管を使用したときに比カルノー効率η2および音響パワー増幅率Ｇがともに最大となり、η2＝５０．６％、Ｇ＝１．７５６となった。
【００７１】
また、前記したように、導波管（第１の導波管部３および第２の導波管部４）の口径は１０．９ｍｍであり、開口率は１００％であった。また、蓄熱器５、冷却器６、および加熱器７のそれぞれの口径は４０ｍｍであり、開口率は７０％であった。
【００７２】
従って、冷却器６の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、加熱器７の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、を一致させるようにした場合の熱音響ユニット２の流路断面積は、熱音響ユニット２の口径の断面積に、蓄熱器５の断面積と、冷却器６および加熱器７の断面積（これらの断面積は一つの開口率とみなすことができる）と、を乗じることによって求めることができる。すなわち、π×（４０／２）2×０．７×０．７＝１９６π（ｍｍ2）となる。
導波管の直管部の流路断面積は開口率１００％であるので、π×（１０．９／２）2×１＝２９．７π（ｍｍ2）となる。
従って、この場合の熱音響ユニット２の流路断面積と、導波管の直管部の流路断面積との比（流路断面積比）は、１９６π／２９．７πで約６．６倍であった。そのため、これらの流路断面積比は約７倍以下であれば比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができると考えられる。
【００７３】
他方、冷却器６の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、加熱器７の積層部（図示せず）内の金属板の隙間と、を一致させない場合の熱音響ユニット２の流路断面積は、熱音響ユニット２の口径の断面積に、蓄熱器５の断面積と、冷却器６の断面積と、加熱器７の断面積と、を乗じることによって求めることができる。すなわち、π×（４０／２）2×０．７×０．７×０．７＝１３７．２π（ｍｍ2）となる。
前記したように導波管の直管部の流路断面積は２９．７π（ｍｍ2）であるから、この場合の熱音響ユニット２の流路断面積と、導波管の直管部の流路断面積との比（流路断面積比）は、１３７．２π／２９．７πで約４．６倍であった。そのため、これらの流路断面積比は約３倍以上、好ましくは約４倍以上であれば比カルノー効率および音響パワー増幅率を向上させることができると考えられる。
【００７４】
すなわち、第１の直管部３３の流路断面積に対する熱音響ユニット２の流路断面積は約３〜７倍とするのが好ましく、約４〜７倍とするのがより好ましく、約４．６〜６．６倍とするのがさらに好ましいと考えられる。
また、第２の直管部４３の流路断面積は熱音響ユニット２の流路断面積の約１／７〜１／３とするのが好ましく、約１／７〜１／４とするのがより好ましく、１／６．６〜１／４．６とするのがさらに好ましいと考えられる。
【符号の説明】
【００７５】
１      熱音響機関
２      熱音響ユニット
３      第１の導波管部
３２    第１の直管部
３３    第１のテーパ部
４      第２の導波管部
４２    第２の直管部
４３    第２のテーパ部
５      蓄熱器
６      冷却器
７      加熱器
【図１】
2017003132.tif 000005
【図２】
2017003132.tif 000006
【図３】
2017003132.tif 000007
【図４】
2017003132.tif 000008
【図５】
2017003132.tif 000009
【図６】
2017003132.tif 000010
【図７】
2017003132.tif 000011