JP2018091531A - 熱音響機関 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高効率な熱音響機関を提供する。【解決手段】熱音響機関１は、作動気体の音響パワーを増幅する原動機１０と、原動機１０で増幅された作動気体の音響パワーで冷却を行う冷凍機２０と、作動気体が満たされる共鳴管３０とを備え、３個の原動機１０と、１個の冷凍機２０と、４本の共鳴管３０とがループ状に配置され、全ての共鳴管３０の長さが等しく、原動機１０の前後で共鳴管３０の断面積が拡大され、冷凍機２０の前後で共鳴管３０の断面積が縮小されたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響機関に関する。

近年、地球温暖化やエネルギー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、太陽光エネルギー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ー問題を解決するための切り札となる。そこで、これらのエネルギーを回収し、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（例えば、特許文献１及び非特許文献１，２参照）。

特許文献１には、ループ管に４個の熱音響エンジンを配置し、ループ管に枝管を設け、その枝管に冷凍機やリニア発電機を配置した熱音響機関が開示されている。非特許文献１には、熱音響エンジンを配置したループ管に枝管を設け、その枝管から音響エネルギーを投入する熱音響機関が開示されている。非特許文献２には、３個の熱音響エンジンを配置したループ管に枝管を設け、その枝管に１個の冷凍機を配置したループ管を接続した熱音響機関が開示されている。

国際公開第２０１３／０８４８３０号

T.Biwa, D.Hasegawa, T.Yazaki, "Low temperature differential thermoacoustic Stirlng engine", APPLIED PHYSICS LETTERS 97, 2010 S.Hasegawa, T.Yamaguchi, Y.Oshinoya, "A thermoacoustic refrigerator driven by a low temperature-differential, high-frequency-differential, multi-stage thermoacoustic engine"，Applied Thermal Engineering,vol.58,2013,p.394-399

しかし、前記した従来技術は、枝管で音響パワーが損失することに加え、熱音響エンジンや冷凍機の間隔が考慮されておらず、熱音響機関の効率が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、高効率な熱音響機関を提供することを課題とする。

前記した課題に鑑みて、本発明に係る熱音響機関は、作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接し、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、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、を備える原動機と、前記原動機で増幅された作動気体の音響パワーを他のエネルギーに変換する音響負荷と、前記原動機同士又は前記原動機と前記音響負荷とを接続し、前記作動気体が満たされる共鳴管と、を備える熱音響機関であって、１個以上の前記原動機と、１個以上の前記音響負荷と、前記共鳴管とがループ状に配置され、全ての前記共鳴管の長さが等しいか、又は、前記共鳴管の長さと予め設定した基準長さとの差が２０％以内であり、前記原動機の前後で前記共鳴管の断面積が拡大され、前記音響負荷の前後で前記共鳴管の断面積が縮小された構成とした。

かかる構成によれば、熱音響機関は、原動機、音響負荷及び共鳴管をループ状に配置し、枝管を備えていないので、音響パワーの損失を抑えることができる。
さらに、熱音響機関は、共鳴管の長さを略等しくすると共に、共鳴管の断面積を拡大又は縮小したので、共鳴管内で作動気体の体積流速を略均一とし、共鳴管内のループ接合点で作動気体の圧力及び流速を略一致させることができる。これにより、熱音響機関は、共鳴管全体で音波が進行波となり、共鳴管での音響パワーの損失を抑えることができる。
なお、ループ状に配置とは、共鳴管が分岐せずに共鳴管の始点及び終了点が一致するように、原動機、音響負荷及び共鳴管を配置したことである。

本発明によれば、音響パワーの損失を抑え、高効率な熱音響機関を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。 図２のリニア発電機の拡大図である。 本発明の第３実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。 図４のバイダイレクショナルタービンの拡大図である。 本発明の第４実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。 本発明の第５実施形態に係る熱音響機関の構成を示す模式図である。 本発明の変形例において、原動機の連続配置を説明する説明図である。 本発明の実施例１において、圧力振幅の絶対値分布を表すグラフである。 本発明の実施例１において、流速振幅の絶対値分布を表すグラフである。 本発明の実施例１において、圧力流速間位相差分布を表すグラフである。 本発明の実施例１において、規格化音響インピーダンス分布を表し、（ａ）はグラフ全体であり、（ｂ）は一部拡大したグラフである。 本発明の実施例１において、規格化音響パワー分布を表すグラフである。 本発明の実施例１において、体積流速分布を表すグラフである。 本発明の実施例２，３及び参考例において、圧力振幅の絶対値分布を表すグラフである。 本発明の実施例２，３及び参考例において、流速振幅の絶対値分布を表すグラフである。 本発明の実施例２，３及び参考例において、体積流速分布を表すグラフである。 本発明の実施例２，３及び参考例において、圧力流速間位相差分布を表すグラフである。 本発明の実施例２，３及び参考例において、規格化音響インピーダンス分布を表し、（ａ）はグラフ全体であり、（ｂ）は一部拡大したグラフである。 本発明の実施例２，３及び参考例において、規格化音響パワー分布を表すグラフである。

以下、本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の部材には同一の符号を付し、説明を省略した。

（第１実施形態）
＜熱音響機関の構成＞
図１を参照し、本発明の第１実施形態に係る熱音響機関１の構成について、説明する。
図１に示すように、熱音響機関１は、原動機１０で増幅された音響パワーで冷却を行うものであり、原動機１０と、冷凍機（音響負荷）２０と、共鳴管３０とを備える。本実施形態では、熱音響機関１は、３個の原動機１０_１〜１０_３と、１個の冷凍機２０と、４本の共鳴管３０_１〜３０_４とがループ状に配置されている。つまり、熱音響機関１は、共鳴管３０_２を介して原動機１０_１，１０_２が接続され、共鳴管３０_３を介して原動機１０_２，１０_３が接続されている。さらに、熱音響機関１は、共鳴管３０_４を介して原動機１０_３と冷凍機２０とが接続され、共鳴管３０_１を介して冷凍機２０と原動機１０_１とが接続されている。このように、熱音響機関１は、枝管が設けられておらず、全体でループ管を構成する。

また、本実施形態では、熱音響機関１は、全ての共鳴管３０の長さが等しくなっており、原動機１０の前後で共鳴管３０の断面積（口径）が拡大され、冷凍機２０の前後で共鳴管３０の断面積が縮小されている。なお、共鳴管３０の長さ及び断面積については、詳細を後記する。

［原動機］
原動機１０は、蓄熱器１１の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーを増幅するものであり、蓄熱器１１と、加熱器１２と、冷却器１３とを備える。つまり、原動機１０は、蓄熱器１１と、加熱器１２と、冷却器１３とを１つのユニットとして扱ったものである。ここで、原動機１０は、蓄熱器１１の両端を挟むように、加熱器１２が蓄熱器１１の一端側に配置され、冷却器１３がその反対側、すなわち蓄熱器１１の他端側に配置されている。

［蓄熱器］
蓄熱器１１は、共鳴管３０の管路に設けられ、作動気体を加熱及び冷却するものである。すなわち、蓄熱器１１は、加熱器１２及び冷却器１３によって蓄熱器１１の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーを増幅する。蓄熱器１１は、その一端部（以下、適宜、高温部１１ｂと称する）と、その他端部（以下、適宜、常温部１１ａ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音響パワーを増幅する機能を有している。蓄熱器１１は、例えば、共鳴管３０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、蓄熱器１１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。

［加熱器］
加熱器１２は、蓄熱器１１の一端側に隣接して共鳴管３０の管路に設けられ、蓄熱器１１の一端部（高温部１１ｂ）を加熱するものである。すなわち、加熱器１２は、外部熱を用いて蓄熱器１１の一端を加熱する熱入力部として機能する。加熱器１２は、例えば、加熱用の熱交換器から構成される。具体的には、加熱器１２は、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この加熱器１２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１２ａ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１１と加熱器１２の間に環状部材１２ａの左壁が示されているが、加熱器１２は、この左壁を通して蓄熱器１１の一端側と隣接、すなわち密着している。

［冷却器］
冷却器１３は、蓄熱器１１の他端側に隣接して共鳴管３０の管路に設けられ、蓄熱器１１の他端部（常温部１１ａ）の熱を外部に放出するものである。すなわち、冷却器１３は、冷却水や空気等を用いて蓄熱器１１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１３は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。冷却器１３は、基本的には加熱器１２と同一構成であり、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この冷却器１３は、その周囲に冷却ブラケット１３ａを配設している。この冷却ブラケット１３ａ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１３は冷却ブラケット１３ａを介して一定の冷却温度を維持する。なお、図面では便宜上、蓄熱器１１と冷却器１３の間に冷却ブラケット１３ａの右壁が示されているが、冷却器１３は、この右壁を通して蓄熱器１１の他端側と隣接、すなわち密着している。

［冷凍機］
冷凍機２０は、原動機１０で増幅された音響パワーを消費して熱量（熱エネルギー）に変換することで、冷却を行う音響負荷である。この冷凍機２０は、原動機１０の可逆機構であり、冷凍用蓄熱器２１と、冷凍用冷却器２２と、冷気放出器２３とを備える。つまり、冷凍機２０は、冷凍用蓄熱器２１と、冷凍用冷却器２２と、冷気放出器２３とを１つのユニットとして扱ったものである。ここで、冷凍機２０は、冷凍用蓄熱器２１の両端を挟むように、冷凍用冷却器２２が冷凍用蓄熱器２１の一端側に配置され、冷気放出器２３がその反対側、すなわち冷凍用蓄熱器２１の他端側に配置されている。

［冷凍用蓄熱器］
冷凍用蓄熱器２１は、共鳴管３０の管路に設けられ、作動気体を冷却するものである。すなわち、冷凍用蓄熱器２１は、原動機１０_３から、共鳴管３０を通じて冷凍用蓄熱器２１の一端部（以下、適宜、常温部２１ａと称する）に伝達された音響パワーを、冷凍用蓄熱器２１の一端部（常温部２１ａ）と冷凍用蓄熱器２１の他端部（以下、適宜、低温部２１ｂ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２１の常温部２１ａは、冷凍用冷却器２２によって冷却されているため、伝達された音響パワーによって、冷凍用蓄熱器２１の低温部２１ｂは、常温部２１ａ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２３によって外部に取り出される。冷凍用蓄熱器２１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、冷凍用蓄熱器２１の形状は多様な形状を適用することが可能である。

［冷凍用冷却器］
冷凍用冷却器２２は、冷凍用蓄熱器２１の一端側に隣接して共鳴管３０の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器２１の一端部（常温部２１ａ）の熱を外部に放出するものである。すなわち、冷凍用冷却器２２は、冷却水や空気等を用いて冷凍用蓄熱器２１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２２は、例えば、冷却用の熱交換器から構成される。具体的には、冷凍用冷却器２２は、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この冷凍用冷却器２２は、その周囲に冷却ブラケット２２ａを配設している。この冷却ブラケット２２ａ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２２は冷却ブラケット２２ａを介して一定の冷却温度を維持する。なお、図面では便宜上、冷凍用蓄熱器２１と冷凍用冷却器２２の間に冷却ブラケット２２ａの上壁が示されているが、冷凍用冷却器２２は、この上壁を通して冷凍用蓄熱器２１の一端側と隣接、すなわち密着している。

［冷気放出器］
冷気放出器２３は、冷凍用蓄熱器２１の他端側に隣接して共鳴管３０の管路に設けられ、冷凍用蓄熱器２１の他端部（低温部２１ｂ）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２３は、冷凍用蓄熱器２１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２３は、例えば、冷凍用の熱交換器から構成される。冷気放出器２３としては、基本的には冷凍用冷却器２２と同一構成であり、例えば、メッシュ板等の多数枚の金属板を微小ピッチで積層している。この冷気放出器２３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２３ａを配設している。なお、図面では便宜上、冷凍用蓄熱器２１と冷気放出器２３の間に環状部材２３ａの下壁が示されているが、冷気放出器２３は、この下壁を通して冷凍用蓄熱器２１の他端側と隣接、すなわち密着している。

［共鳴管］
共鳴管３０は、作動気体が満たされる円筒管であり、所定の共鳴管長さＬｘ１〜Ｌｘ４及び所定の断面積を有している。この作動気体としては、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。また、共鳴管３０は、その中間位置で曲がっている。

本実施形態では、共鳴管３０_１は、冷気放出器２３に一端が接続され、原動機１０_１の冷却器１３に他端が接続される。また、共鳴管３０_２は、原動機１０_１の加熱器１２に一端が接続され、原動機１０_２の冷却器１３に他端が接続される。また、共鳴管３０_３は、原動機１０_２の加熱器１２に一端が接続され、原動機１０_３の冷却器１３に他端が接続される。また、共鳴管３０_４は、原動機１０_３の加熱器１２に一端が接続され、冷凍用冷却器２２に他端が接続される。

［共鳴管の断面積、共鳴管長さ］
図１に示すように、熱音響機関１では、共鳴管３０_１〜３０_４の共鳴管長さＬｘ１〜Ｌｘ４が等しく、共鳴管３０_２〜３０_４の順で断面積が拡大され、共鳴管３０_４，３０_１で断面積が縮小されている。以下、共鳴管３０の断面積を拡大又は縮小し、共鳴管長さＬｘ１〜Ｌｘ４を等しくする理由について説明する。

原動機１０は、流速振幅を増幅することで、音響パワーも増幅する。このとき、比音響インピーダンスは、流速振幅の増加により、原動機１０からの出力後に低下する。ここで、比音響インピーダンスを原動機１０の前後で均一にしたいので、体積流速の連続性から、原動機１０で下流側の共鳴管３０の断面積を、その原動機１０で上流側の共鳴管３０の断面積に対して、その原動機１０の音響パワー増幅率に基づいて拡大すればよい。
なお、原動機１０から音波を出力する共鳴管３０が下流側の共鳴管３０となり、原動機１０に音波を入力する共鳴管３０が上流側の共鳴管３０となる。

本実施形態では、原動機１０_１の加熱器１２に接続した共鳴管３０_２の断面積を、原動機１０_１の冷却器１３に接続した共鳴管３０_１の断面積に対して、原動機１０_１の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。また、原動機１０_２の加熱器１２に接続した共鳴管３０_３の断面積を、原動機１０_２の冷却器１３に接続した共鳴管３０_２の断面積に対して、原動機１０_２の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。さらに、原動機１０_３の加熱器１２に接続した共鳴管３０_４の断面積を、原動機１０_３の冷却器１３に接続した共鳴管３０_３の断面積に対して、原動機１０_３の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。

ここで、原動機１０の音響パワー増幅率Ｇは、原動機１０から出力する音響パワーＷ_ｏｕｔと原動機１０に入力する音響パワーＷ_ＩＮとの比Ｗ_ｏｕｔ／Ｗ_ＩＮで求められる。音響パワー増幅率Ｇは、加熱器１２の温度Ｔ_Ｈ／冷却器１３の温度Ｔ_Ｃ（絶対温度比）が理想的ではあるが、蓄熱器１１や共鳴管３０での作動気体の粘性散逸などの影響を受けるので、必ずしも絶対温度比どおりではなく、この絶対温度比よりも小さい値（例えば０．８〜１．０）を乗じた値で拡大してもよい。

冷凍機２０では、音響パワーが消費されるので、冷凍機２０が音波を出力する下流側の共鳴管３０の断面積を、その冷凍機２０に音波を入力する上流側の共鳴管３０の断面積に対して、その冷凍機２０の音響パワー消費率に基づいて縮小する。本実施形態では、冷気放出器２３に接続した共鳴管３０_１の断面積を、冷凍用冷却器２２に接続した共鳴管３０_４の断面積に対して、冷凍機２０の音響パワー消費率に基づいて縮小する。

ここで、冷凍機２０の音響パワー消費率は、冷気放出器２３の温度Ｔ_Ｒｅｆと冷凍用冷却器２２の温度Ｔ_Ａとの絶対温度比Ｔ_Ｒｅｆ／Ｔ_Ａで求められるが、冷凍用蓄熱器２１や共鳴管３０での作動気体の粘性散逸などの影響を受けるので、必ずしも絶対温度比どおりではなく、この絶対温度比よりも小さい値（例えば０．８〜１．０）を乗じた値で縮小してもよい。

また、熱音響機関１は、全ての原動機１０及び冷凍機２０が等間隔となるように、共鳴管長さＬｘ１〜Ｌｘ４を基準長さ（例えば、１［ｍ］）としている。これにより、熱音響機関１は、共鳴管３０内での体積流速を略均一とし、共鳴管３０のループ接合点ａで作動気体の圧力及び流速を略一致させることができる。

なお、ループ接合点ａとは、ループ状に接続した共鳴管３０の始点及び終点を表すものである。このループ接合点ａは、共鳴管３０の任意位置に設定可能であり、本実施形態では、共鳴管３０_１が曲がっている中間位置に設定した。このループ接合点ａは、共鳴管３０における他の箇所と構造や外観が異なるわけでない。

［作用・効果］
以上のように、熱音響機関１は、原動機１０、冷凍機２０及び共鳴管３０をループ状に配置し、枝管を備えていないので、音響パワーの損失を抑えることができる。さらに、熱音響機関１は、共鳴管長さＬｘ１〜Ｌｘ４を等しくすると共に、共鳴管３０の断面積を拡大又は縮小したので、共鳴管３０内で作動気体の体積流速を略均一とし、ループ接合点ａで作動気体の圧力及び流速を略一致させることができる。これにより、熱音響機関１は、共鳴管３０の全区間で音波が進行波となり、共鳴管３０での音響パワーの損失を抑え、効率を向上させることができる。

（第２実施形態）
＜熱音響機関の構成＞
図２，図３を参照し、本発明の第２実施形態に係る熱音響機関１Ｂの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図２に示すように、熱音響機関１Ｂは、冷凍機２０（図１）の代わりにリニア発電機４０を備える点が、第１実施形態と異なる。

熱音響機関１Ｂは、原動機１０で増幅された音響パワーで発電するものであり、原動機１０と、共鳴管３０と、リニア発電機４０とを備える。本実施形態では、熱音響機関１Ｂは、３個の原動機１０_１〜１０_３と、１個のリニア発電機４０と、４本の共鳴管３０_１〜３０_４とがループ状に配置されている。

［リニア発電機］
リニア発電機４０は、原動機１０で増幅された音響パワーを振動として利用し、その音響パワーを電力（電気エネルギー）に変換することで、発電を行う音響負荷である。図３に示すように、リニア発電機４０は、支持体４１内にあり、外側ヨーク（円筒）４２と、これら外側ヨーク４２にそれぞれ収容されるコイル４３と、外側ヨーク４２の間に位置する内側ヨーク（円筒）４４と、外側ヨーク４２のそれぞれと内側ヨーク４４との間に設けられた永久磁石４５と、が備えられている。なお、永久磁石４５は、それぞれＳ極とＮ極の磁石から構成されている。

また、内側ヨーク４４には可動子４６が付けられ、可動子４６の一端には共鳴管３０_４の内壁をシリンダとするピストン形状（不図示）になっている。また可動子４６の他端には共鳴管３０_１の内壁をシリンダとするピストン形状（不図示）になっている。この結果、共鳴管３０_４からの音響波は可動子４６を、すなわち内側ヨーク４４を図面上で左右に動かす。この可動子４６は、共鳴管３０_１において、そのピストン形状の構造で音響波を伝達する。

リニア発電機４０におけるこのような構造は、コイル４３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４４がストロークすることにより、コイル４３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４４に突起４４ａ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。

（第３実施形態）
＜熱音響機関の構成＞
図４，図５を参照し、本発明の第３実施形態に係る熱音響機関１Ｃの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図４に示すように、熱音響機関１Ｃは、冷凍機２０（図１）の代わりにバイダイレクショナルタービン（以下タービンと称する）５０を備える点が、第１実施形態と異なる。

熱音響機関１Ｃは、原動機１０で増幅された音響パワーで発電するものであり、原動機１０と、共鳴管３０と、タービン５０とを備える。本実施形態では、熱音響機関１Ｃは、３個の原動機１０_１〜１０_３と、１個のタービン５０と、４本の共鳴管３０_１〜３０_４とがループ状に配置されている。

タービン５０は、原動機１０で増幅された音響パワーを回転力として利用し、その音響パワーを電力（電気エネルギー）に変換することで、発電を行う音響負荷である。図５に示すように、タービン５０は、ガイドコーン５２と、ガイド５３と、回転翼５４とを、筐体５１の内部に備える。ガイドコーン５２は、筐体５１の中心付近に配置した半楕円球上の部材である。ガイド５３は、複数のガイド部材５３ａを配置したものである。ガイド部材５３ａは、作動気体が回転翼５４に斜め方向からあたるように、共鳴管３０の中心軸に対して所定の角度で傾斜している。回転翼５４は、複数の回転翼部材５４ａを配置したものであり、符号αの方向に回転する。そして、タービン５０は、作動気体が各回転翼部材５４ａにあたることで回転翼５４が回転し、発電を行う。

（第４実施形態）
＜熱音響機関の構成＞
図６を参照し、本発明の第４実施形態に係る熱音響機関１Ｄの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図６に示すように、熱音響機関１Ｄは、冷凍機２０（図１）の代わりに昇温機６０を備える点が、第１実施形態と異なる。

熱音響機関１Ｄは、原動機１０で増幅された音響パワーで昇温するものであり、原動機１０と、共鳴管３０と、昇温機６０とを備える。本実施形態では、熱音響機関１Ｄは、３個の原動機１０_１〜１０_３と、１個の昇温機６０と、４本の共鳴管３０_１〜３０_４とがループ状に配置されている。

［昇温機］
昇温機６０は、原動機１０で増幅された音響パワーを消費して熱量（熱エネルギー）に変換することで、昇温を行う音響負荷である。この昇温機６０は、昇温用蓄熱器６１の両端部間に温度勾配を形成して作動気体の音響パワーで昇温するものであり、昇温用蓄熱器６１と、昇温用加熱器６２と、昇温用冷却器６３とを備える。このように、昇温機６０は、昇温用蓄熱器６１と、昇温用加熱器６２と、昇温用冷却器６３とを１つのユニットとして扱ったものである。ここで、昇温機６０は、昇温用蓄熱器６１の両端を挟むように、昇温用加熱器６２が昇温用蓄熱器６１の一端側に配置され、昇温用冷却器６３がその反対側、すなわち昇温用蓄熱器６１の他端側に配置されている。ここで、昇温を行う場合、昇温用冷却器６３を常温に保持することで、昇温用加熱器６２が高い温度に上昇する。

なお、昇温用蓄熱器６１、昇温用加熱器６２及び昇温用冷却器６３は、それぞれ、蓄熱器１１、加熱器１２及び冷却器１３と基本的に同一構成のため、これ以上の説明を省略する。

（第５実施形態）
＜熱音響機関の構成＞
図７を参照し、本発明の第５実施形態に係る熱音響機関１Ｅの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図７に示すように、熱音響機関１Ｅは、冷凍機２０を２個備える点が、第１実施形態と異なる。

本実施形態では、熱音響機関１Ｅは、２個の原動機１０_１，１０_２と、２個の冷凍機２０_１，２０_２と、４本の共鳴管３０_１〜３０_４とがループ状に配置されている。つまり、熱音響機関１Ｅは、共鳴管３０_２を介して原動機１０_１と冷凍機２０_１とが接続され、共鳴管３０_３を介して冷凍機２０_１と原動機１０_２とが接続されている。さらに、熱音響機関１Ｅは、共鳴管３０_４を介して原動機１０_２と冷凍機２０_２とが接続され、共鳴管３０_１を介して冷凍機２０_２と原動機１０_１とが接続されている。

また、熱音響機関１Ｅでは、共鳴管３０_１〜３０_４の長さが等しく、共鳴管３０_１，３０_２で断面積が拡大され、共鳴管３０_２，３０_３で断面積が縮小され、共鳴管３０_３，３０_４で断面積が拡大され、共鳴管３０_４，３０_１で断面積が縮小されている。

本実施形態では、原動機１０_１の加熱器１２に接続した共鳴管３０_２の断面積を、原動機１０_１の冷却器１３に接続した共鳴管３０_１の断面積に対して、原動機１０_１の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。また、冷凍機２０_１の冷気放出器２３に接続した共鳴管３０_３の断面積を、冷凍機２０_１の冷凍用冷却器２２に接続した共鳴管３０_２の断面積に対して、冷凍機２０_１の音響パワー消費率に基づいて縮小する。また、原動機１０_２の加熱器１２に接続した共鳴管３０_４の断面積を、原動機１０_２の冷却器１３に接続した共鳴管３０_３の断面積に対して、原動機１０_２の音響パワー増幅率に基づいて拡大する。また、冷凍機２０_２の冷気放出器２３に接続した共鳴管３０_１の断面積を、冷凍機２０_２の冷凍用冷却器２２に接続した共鳴管３０_４の断面積に対して、冷凍機２０_２の音響パワー消費率に基づいて縮小する。

なお、熱音響機関１Ｆは、２個の冷凍機２０_１，２０_２の代わりに、２個のリニア発電機、２個のタービン又は２個の昇温機を備えてもよい（不図示）。

（変形例）
以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

前記した各実施形態では、原動機及び音響負荷を計４個備えることとして説明したが、本発明は、これに限定されない。つまり、熱音響機関は、１個以上の原動機と、１個以上の音響負荷を備えていればよく、原動機及び音響負荷が計３個以下、又は、計５個以上であってもよい。

前記した第１〜４実施形態では原動機を連続配置し、第５実施形態では原動機及び音響負荷を交互に配置することとして説明したが、本発明は、これに限定されない。つまり、熱音響機関は、原動機だけでなく、音響負荷も連続配置してもよい。

前記した各実施形態では、１個の原動機を１つのユニットとして扱うこととして説明したが、本発明は、これに限定されない。図８に示すように、熱音響機関１は、２個の原動機１０を１つのユニットとして扱ってもよい。具体的には、熱音響機関１は、断熱部材１４を介して、２個の原動機１０を隣接配置する。この場合、熱音響機関１は、各原動機１０の音響パワー増幅率の積に基づいて共鳴管３０の断面積を拡大する。

前記した各実施形態では、各共鳴管の中間位置を曲げて、全ての共鳴管で正方形状のループを形成しているが、本発明は、これに限定されない。例えば、熱音響機関は、各共鳴管を円弧状にして、全ての共鳴管で円形状のループ管を形成してもよい。

（実施例１）
［熱音響機関の計算モデル］
本発明の実施例１として、熱音響機関の計算モデルによる音場のシミュレーション結果を説明する。
以下の計算モデルを用いて、第１実施形態と同様の熱音響機関のシミュレーションを行った。この計算モデルは、Ｒｏｔｔが導いた熱音響微分方程式に基づいている。Ｒｏｔｔの熱音響微分方程式は、例えば、文献「N. Rott,Z.Angew.Math.Phys.20,pp.230-243,1969」に詳細に記載されており、下記の式（１）及び式（２）で表される。

ここで、ｐが圧力振幅、Ｕが断面平均体積流速振幅、ｊが虚数単位、ωが角周波数、Ａ_Ｃが断面積、ｐ_ｍが作動気体の平均圧力、γが比熱比、νが動粘性係数、σがプラントル数、Ｔ_ｍが共鳴管の内部における作動気体の平均温度、αが熱拡散係数、ρ_ｍが平均密度である。

また、χ_α，χ_νは、温度拡散係数及び動粘性係数に依存する複素関数である。χ_α，χ_νは、共鳴管が円形断面を有するとき、下記の式（３）で表すことができる。

ここで、Ｊ_０，Ｊ_１がベッセル関数の０番目及び１番目のオーダ、ｒが半径、τ_α，τ_νが熱緩和時間及び動粘性緩和時間である。また、点ｘにおけるｐ（ｘ），Ｕ（ｘ）、及び、ｘ＝０となる点でのｐ（０），Ｕ（０）を用いて、式（１）の解を下記の式（４）及び式（５）で表すことができる。ここで、ｅがネイピア数である。

この各要素の伝達マトリクスＢ_ｎを下記の式（６）のように連結することで、計算モデル全体の音場を求めることが可能である。ここで、Ｍ_ａｌｌは、計算モデル全体の伝達マトリクスを表す。

前記したように、熱音響機関では、ループ接合点において、複素圧力振幅と複素流速振幅を等しくすることが好ましい。伝達マトリクスＭ_ａｌｌを用いて、この条件を満たす駆動周波数及び駆動温度（駆動温度）Ｔ_Ｈを決定する。ループの始点（ｘ＝０）と終点(ｘ＝Ｌ_ｌｏｏｐ)での複素圧力振幅と複素体積流速振幅をそれぞれｐ_０、Ｕ_０、ｐ_Ｌ及びＵ_Ｌとする。そして、伝達マトリクスＭ_ａｌｌを用いると、下記の式（７）で表すことができる。

このとき、下記の式（８）のように、ループ接合点ａにおいて、複素圧力振幅と複素流速振幅が等しいという条件を用いることで、式（７）を下記の式（９）に書き直すことができる。

そして、下記の式（１０）の条件を満たすのは、下記の式（１１）となる。従って、式（１１）を満たす駆動周波数及び駆動温度Ｔ_Ｈを算出する。

以上の計算モデルに対し、下記の表１で表される固定パラメータと、下記の表２で表される変更パラメータを適用し、駆動周波数及び駆動温度（原動機温度）Ｔ_Ｈを算出する。ここでは、基準長さを１［ｍ］に設定した。そして、全共鳴管の長さが基準長さに等しいものを実施例１とし、共鳴管の長さが異なるものを比較例とする。

なお、固定パラメータとは、実施例１及び比較例で共通するパラメータのことである。また、変更パラメータとは、実施例１及び比較例の間で変更したパラメータのことである。また、駆動温度Ｔ_Ｈが加熱器の温度を表し、Ｔ_Ｃが冷却器の温度を表す。また、Ｔ_Ｒｅｆが冷気放出器の温度を表し、Ｔ_Ａが冷凍用冷却器の温度を表す。

ここで、式（１）のＡ_Ｃは、原動機、冷凍機及び共鳴管の断面積であり、原動機、冷凍機及び共鳴管の直径から求められる。また、式（１）のｄＴ_ｍ／ｄｘのｄｘが、原動機及び冷凍機の軸方向長さに対応する。また、式（３）のｒが、共鳴管の半径、原動機及び冷凍機の流路径に対応する。また、式（５）のＢ_１１〜Ｂ_２２の添え字ｘが、各共鳴管の長さに対応する。

駆動周波数及び駆動温度Ｔ_Ｈは、下記の表３のとおりである。
実施例１では、駆動温度Ｔ_Ｈが９５．５［℃］、駆動周波数が１５２．９［Ｈｚ］となる。それに対し、比較例では、駆動温度Ｔ_Ｈが１６８．５［℃］、駆動周波数が１５３．５［Ｈｚ］となる。

［シミュレーション結果］
次に、表３の駆動温度Ｔ_Ｈ及び駆動周波数を計算モデルに適用し、音場のシミュレーションを行った。音場の初期点圧力は、平均圧(３０気圧)の２０％とする。音場のシミュレーション結果として、圧力振幅の絶対値分布（図９）、流速振幅の絶対値分布（図１０）、圧力流速間位相差分布（図１１）、規格化音響インピーダンス分布（図１２）、規格化音響パワー分布（図１３）、体積流速分布（図１４）、及び、熱効率・冷凍出力を示した。

なお、図９〜図１４では、実線が実施例１を表し、破線が比較例を表す。
また、図９〜図１４では、横軸ｘがループ接合点からの距離となる。つまり、ｘ＝０とｘ＝５．１６がループ接合点となる。従って、０≦ｘ≦５．１６の範囲が熱音響機関の全区間となる。さらに、ｘ＝０．５，１．９、３．１の付近が原動機の位置となり、ｘ＝４．４の付近が冷凍機の位置となる。つまり、原動機及び原動機の位置以外は、共鳴管の区間となる。

このとき、蓄熱器、加熱器及び冷却器の軸方向長さが０．０３［ｍ］である。また、冷凍用蓄熱器、冷凍用冷却器及び冷気放出器の軸方向長さが０．０３［ｍ］である。さらに、４本の共鳴管の長さが合計４［ｍ］である。また、各共鳴管の一端には、シミュレーション計算で温度勾配を形成するために、サーマルバッファチューブを設けた。ここで、サーマルバッファチューブは、原動機の加熱器とこの加熱器に接続する共鳴管との間、及び、冷凍機の冷気放出器とこの冷気放出器に接続する共鳴管との間に配置した。このサーマルバッファチューブの長さが０．２［ｍ］である。このサーマルバッファチューブは、実際の熱音響機関には設ける必要がない。従って、ｘ軸が最大で５．１６［ｍ］となる。

＜圧力振幅の絶対値分布＞
図９に示すように、実施例１では、熱音響機関の全区間にわたって圧力振幅が６０×１０^３〜８０×１０^３［Ｐａ］の範囲に収まる。また、ループ接合点では、圧力振幅が等しくなる。一方、比較例では、圧力振幅が２０×１０^３〜１００×１０^３［Ｐａ］の間で大きく変化する。このように、実施例１は、比較例と比べて、圧力振幅変化が少ない。

＜流速振幅の絶対値分布＞
図１０に示すように、実施例１では、共鳴管の区間において、流速振幅が１６〜２２［ｍ／ｓ］の範囲に収まる。また、ループ接合点では、流速振幅が等しくなる。一方、比較例では、共鳴管の区間において、流速振幅が２〜２４［ｍ／ｓ］の間で大きく変化している。このように、実施例１は、比較例と比べて、流速振幅の変化が少ないことがわかる。

＜圧力流速間位相差分布＞
図１１に示すように、実施例１では、原動機及び冷凍機の位置において、圧力流速間位相差が０となる。これにより、蓄熱器では、等温可逆的なエネルギー変換を行っていることがわかる。さらに、実施例１では、熱音響機関の全区間にわたって圧力流速間位相差が±３０［deg.］に収まることから、熱音響機関の全区間で進行波が形成されていると考えられる。

一方、比較例１では、２個目の原動機の位置で圧力流速間位相差が−５０［deg.］、冷凍機の位置で圧力流速間位相差が３０［deg.］となる。さらに、比較例では、熱音響機関の全区間で圧力流速間位相差が±６０［deg.］と大きく変化するため、熱音響機関での音場が定在波的であり、作動気体の粘性散逸が大きくなる。
以上より、実施例１は、比較例と比べて、熱音響機関の全区間で進行波を形成できるので、熱音響機関の効率が高くなることがわかる。

＜規格化音響インピーダンス分布＞
図１２（ａ）では、規格化音響インピーダンス分布のグラフ全体を図示した。図１２（ｂ）では、図１２（ａ）における規格化音響インピーダンスが０〜４の範囲を拡大した。

比音響インピーダンスzは、圧力振幅ｐと流速振幅ｖの比で表される（ｚ＝ｐ／ｖ）。規格化音響インピーダンスは、比音響インピーダンスzの絶対値を、自由空間中を伝播する進行波の固有音響インピーダンスρｍｃで除算することで規格化したものである。この規格化音響インピーダンスの値が１の場合、自由空間中の進行波と等価であることを示す。

図１２（ａ）に示すように、実施例１では、原動機及び冷凍機の位置において、規格化音響インピーダンスが６〜８の範囲に収まる。一方、比較例では、原動機及び冷凍機の位置において、規格化音響インピーダンスが高い箇所（２０〜３０）と、低い箇所（２．５〜４．０）が存在する。このように、実施例１では、比較例のように規格化音響インピーダンスが低い箇所が存在しないので、熱音響機関の効率が高くなることがわかる。

また、図１２（ｂ）に示すように、実施例１では、共鳴管の区間において、共鳴管の断面積の拡大と縮小を行うことで、進行波に近い規格化音響インピーダンス（０．６〜１．０）となっている。これにより、実施例１では、作動気体の粘性散逸が小さくなり、熱音響機関の効率が高くなる。一方、比較例では、共鳴管の区間において、規格化音響インピーダンスが０．３〜３．０の範囲で変動するので作動気体の粘性散逸が大きくなり、熱音響機関の効率が低下する。このことは、比較例では、図１２（ｂ）に示すように、共鳴管の区間で傾斜が大きいことからもわかる。

＜規格化音響パワー分布＞
図１３に示すように、実施例１では、一定の増幅率で各原動機が音響パワーを増幅している。また、実施例１では、共鳴管の区間において、比較例よりも傾斜が小さいので、作動気体の粘性散逸による音響パワーの損失が少ない。一方、比較例では、各原動機の音響パワーの増幅率にばらつきがある。さらに、比較例では、共鳴管の区間で傾斜が大きいので、進行波から乖離することによる作動気体の粘性散逸が大きく、結果的に音響パワーの損失が大きくなる。

＜体積流速分布＞
図１４に示すように、実施例１では、共鳴管の断面積を拡大及び縮小することにより、熱音響機関の全区間で体積流速分布が１．６〜２．５［ｍ^３／ｓ］の範囲に収まり、体積流速分布が略均一になる。一方、比較例では、共鳴管の断面積を拡大及び縮小による流速振幅の調整を行っていないため、体積流速分布が０．６〜２．４［ｍ^３／ｓ］の間で変動し、原動機の前後で特に変動が大きくなる。

＜熱効率・冷凍出力＞
表３の駆動条件及び音場の状態で熱効率・冷凍出力を算出する。各蓄熱器の熱効率η_ｎは、下記の式（１２）のように、各原動機の前後での音響パワー増幅量ΔＷ_ｎと入熱量Ｑ_ｎから求める(但し、ｎは蓄熱器の番号)。

熱力学的な効率の上限となるカルノー効率η_{ｃａｒｎｏｔ}を下記の式（１３）とする。そして、各蓄熱器の熱効率η_ｎとカルノー効率η_{ｃａｒｎｏｔ}との比を、式（１４）のように蓄熱器比カルノー効率η_２として求める。

次に、冷凍機成績係数η_Ｒｅｆを、下記の式（１５）のように、冷凍機での冷凍出力Ｑ_ｏｕｔと冷凍機での音響パワー減衰量ΔＷ_Ｒｅｆで求める。また、熱音響機関全体の効率η_Ｌｏｏｐは、下記の式（１６）のように、３個の原動機の入熱量Ｑ_ｎと冷凍出力Ｑ_ｏｕｔから求めることができる。

冷凍機のカルノー効率η_{Ｒｅｆ＿ｃａｒｎｏｔ}を下記の式（１７）で求める。そして、熱音響機関全体の比カルノー効率η_{Ｌｏｏｐ２}を下記の式（１８）で求める。

実施例１及び比較例についての蓄熱器比カルノー効率η_２、冷凍機成績係数η_Ｒｅｆ、及び、ループ比カルノー効率η_{Ｌｏｏｐ２}を表４に示す。表４に示すように、実施例１では、蓄熱器比カルノー効率η_２が各原動機で約６５〜７０［％］の範囲に収まり、各原動機が同程度の熱効率となる。一方、比較例では、蓄熱器比カルノー効率η_２が各原動機で約３９〜９２［％］なので、各原動機の熱効率のばらつきが大きくなる。冷凍機成績係数η_Ｒｅｆ、及び、ループ比カルノー効率η_{Ｌｏｏｐ２}については、比較例よりも実施例１の方が高くなる。

以上のように、実施例１は、比較例と比べて、駆動温度Ｔ_Ｈを７０［℃］近く低下させることができ（表３）、冷凍機成績係数η_Ｒｅｆ、及び、ループ比カルノー効率η_{Ｌｏｏｐ２}が高くなる。このことから、実施例１は、高効率で低温駆動する熱音響機関として有効であると考えられる。

（実施例２，３）
［共鳴管の長さを変更した場合］
本発明の実施例２，３及び参考例として、共鳴管の長さを変更した場合のシミュレーション結果を説明する。
ここでは、表５に示すように、各共鳴管の長さが基準長さに対して±１０％のとき（実施例２）、各共鳴管の長さが基準長さに対して±２０％のとき（実施例３）、各共鳴管の長さが基準長さに対して±３０％のとき（参考例）のシミュレーションを行った。

実施例２，３及び参考例では、計算モデル及び固定パラメータが実施例１と同様である。そして、実施例１と同様、駆動周波数及び駆動温度（原動機温度）Ｔ_Ｈを求めた。下記の表６のとおり、駆動周波数は、全てのケースで略等しくなる。また、実施例１で駆動温度Ｔ_Ｈが最も低く、実施例２，３及び参考例の順で共鳴管長さの差が大きくなる程、駆動温度Ｔ_Ｈが高くなる。参考例の場合、実施例１と比べて、駆動温度Ｔ_Ｈが約８０［℃］以上高くなる。

さらに、実施例１と同様、圧力振幅の絶対値分布（図１５）、流速振幅の絶対値分布（図１６）、体積流速分布（図１７）、圧力流速間位相差分布（図１８）、規格化音響インピーダンス分布（図１９）、規格化音響パワー分布（図２０）を求めた。
なお、図１５〜図２０では、実施例１を実線で図示し、実施例２を２点鎖線で図示し、実施例３を１点鎖線で図示し、参考例を破線で図示した。

＜圧力振幅の絶対値分布＞
図１５に示すように、実施例１では、圧力振幅の変化が最も少ない。そして、実施例２，３及び参考例の順で圧力振幅の変化が大きくなる。つまり、共鳴管長さの差が大きくなる程、音場が一定の状態から変動の大きい状態になることがわかる。

＜流速振幅の絶対値分布＞
図１６に示すように、実施例１では、共鳴管の区間において、圧力振幅の変化が最も少ない。そして、共鳴管の区間において、実施例２，３及び参考例の順で流速振幅の変化が大きくなる。

＜体積流速分布＞
図１７に示すように、実施例１では、共鳴管の区間において、体積流速分布が略均一になる。そして、共鳴管の区間において、実施例２，３及び参考例の順で体積流速分布の変化が大きくなる。

＜圧力流速間位相差分布＞
図１８に示すように、実施例１では、圧力流速間位相差が、熱音響機関の全区間で±３０［deg.］の範囲に収まる。また、実施例２，３及び参考例の順で、熱音響機関の全区間で圧力流速間位相差の変動が大きくなる。さらに、実施例２，３及び参考例のように共鳴管長さに差がある場合、原動機及び冷凍機の位置で圧力流速間位相差が０［deg.］から乖離し、等温可逆的なエネルギー変換ではなく、不可逆的なエネルギー変換を行う音場であることがわかる。

＜規格化音響インピーダンス＞
図１９に示すように、実施例１では、原動機及び冷凍機の位置において、規格化音響インピーダンスが６〜８の範囲に収まる。また、実施例２，３及び参考例では、原動機及び冷凍機の位置において、規格化音響インピーダンスが高い箇所と、低い箇所が存在する。そして、実施例２，３及び参考例の順で、高い箇所と低い箇所で規格化音響インピーダンスの差が大きくなる。

＜規格化音響パワー分布＞
図２０に示すように、実施例１では、各原動機が同程度で音響パワーを増幅しており、共鳴管における音響パワーの散逸の傾きが小さくなる。また、実施例２，３及び参考例では、音響パワーの増幅が小さい箇所と大きい箇所が存在する。そして、音響パワーの散逸の傾きも、実施例２，３及び参考例の順で大きくなる。

以上をまとめると、音響パワーの損失については、実施例１では、熱音響機関の共鳴管全域で進行波を実現できるのに対し、実施例２，３及び参考例では、進行波からの乖離が発生する。このことから、全共鳴管が同一の長さである実施例１、及び、基準長さに対して±２０％までの範囲である実施例２，３が、熱音響機関として実用的と考えられる。

１，１Ｂ〜１Ｅ 熱音響機関
１０，１０_１〜１０_３ 原動機
２０，２０_１，２０_２ 冷凍機（音響負荷）
３０，３０_１〜３０_４ 共鳴管
４０ リニア発電機（音響負荷）
５０ バイダイレクショナルタービン（音響負荷）
６０ 昇温機（音響負荷）

Claims (4)

1. 作動気体を加熱及び冷却する蓄熱器と、前記蓄熱器の一端側に隣接し、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、前記蓄熱器の他端部の熱を外部に放出する冷却器と、を備える原動機と、
   前記原動機で増幅された作動気体の音響パワーを他のエネルギーに変換する音響負荷と、
   前記原動機同士又は前記原動機と前記音響負荷とを接続し、前記作動気体が満たされる共鳴管と、を備える熱音響機関であって、
   １個以上の前記原動機と、１個以上の前記音響負荷と、前記共鳴管とがループ状に配置され、
   全ての前記共鳴管の長さが等しいか、又は、前記共鳴管の長さと予め設定した基準長さとの差が２０％以内であり、
   前記原動機の前後で前記共鳴管の断面積が拡大され、前記音響負荷の前後で前記共鳴管の断面積が縮小されたことを特徴とする熱音響機関。
2. 前記原動機の加熱器に接続された共鳴管の断面積が、当該原動機の冷却器に接続された共鳴管の断面積に対して、当該原動機の音響パワー増幅率に基づいて拡大され、
   前記音響負荷から音波を出力する側の共鳴管の断面積が、当該音響負荷に前記音波を入力する側の共鳴管の断面積に対して、当該音響負荷の音響パワー消費率に基づいて縮小されたことを特徴とする請求項１に記載の熱音響機関。
3. 前記音響負荷は、冷凍機、昇温機、リニア発電機、又は、バイダイレクショナルタービンの何れかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱音響機関。
4. 前記原動機が３個であり、前記音響負荷が１個であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の熱音響機関。

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