JP2020183849A - 熱音響装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】振動膜を取替しなくても、熱音響現象によって得られる仕事の効率を向上させることが可能となる熱音響装置を提供する。【解決手段】熱音響装置１０は、作動気体が封入されるループ管１１と、ループ管１１内に設けられループ管１１の管軸方向に温度勾配が生じるスタック２０と、ループ管１１内に設けられた振動膜３９を有する振動膜構造部４０とを備える。振動膜構造部４０は、管軸方向に交差する方向の面３９ａを有し管軸方向の成分を有して振動可能である振動膜３９と、振動膜３９に所要の物理量を作用させることで振動膜３９の管軸方向の剛性を変化させる作用部４１とを有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、熱音響装置に関する。
熱エネルギーと音エネルギーとの変換現象である熱音響効果を利用した熱音響装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。熱音響装置は、作動気体が封入されるループ管と、ループ管内に設けられたスタック（再生器）とを備える。スタックにおいて温度勾配が生じると、自励の音波が発生する。この音波のエネルギーは様々な仕事に用いられる。
特開２０１８−６６５０１号公報
特許文献１に開示されている熱音響装置は、ループ管内に設けられた振動膜を備える。振動膜が適切な位置に設けられることで、ループ管内の音波を増幅できる場合がある。つまり、振動膜は、作動気体の圧力振動に影響を与え、熱音響現象によって得られる仕事の効率を向上させることが可能となる。
ループ管内の作動気体の圧力の振幅（振幅量）は、運転開始直後の初期、過渡期、運転が継続されている安定期とで変化する。また、ループ管内の作動気体の充填圧が変化する場合がある。振動膜の厚さ等の特性は作動流体の動きに大きな影響を与える。このため、振動膜が、作動気体の圧力振幅及び充填圧等に応じた特性を有することが可能であれば、熱音響現象によって得られる仕事の効率を、より一層向上させることができる。これまでは、振動膜の特性を変更するためには、振動膜の取替が必要であり、装置の組み直しが必要であった。
そこで、本発明は、振動膜を取替しなくても、熱音響現象によって得られる仕事の効率を向上させることが可能となる熱音響装置を提供することを目的とする。
本発明は、作動気体が封入されるループ管と、前記ループ管内に設けられ当該ループ管の管軸方向に温度勾配が生じるスタックと、前記ループ管内に設けられた振動膜を有する振動膜構造部と、を備え、前記振動膜構造部は、前記管軸方向に交差する方向の面を有し管軸方向の成分を有して振動可能である前記振動膜と、前記振動膜に所要の物理量を作用させることで当該振動膜の管軸方向の剛性を変化させる作用部と、を有する。
振動膜の特性は作動気体の動きに影響を与える。そこで、前記熱音響装置によれば、振動膜を取替しなくても、振動膜の剛性が変化する。これにより、熱音響現象によって得られる仕事の効率を向上させることが可能となる。
好ましくは、前記振動膜は、逆圧電効果を有する薄膜部材であり、前記作用部は、前記振動膜に電位差を生じさせるための電極と、当該電極に電圧を印加する電源とを有する。
この場合、振動膜に電極が設けられ、電源が電極を介して振動膜に電圧を印加することで、振動膜を逆圧電効果によって変形させ、振動膜の剛性を変化させることが可能となる。
好ましくは、前記振動膜は、前記物理量に応じて前記面に沿った方向に拡張及び収縮可能となる特性を有し、前記振動膜構造部は、前記振動膜の周縁部を拘束する拘束部材を更に有し、前記振動膜は、前記周縁部よりも中央側の領域において管軸方向に振動可能である。
この構成によれば、振動膜はその周縁部において拘束される。このため、振動膜が面に沿った方向に拡張すると、振動膜の管軸方向の剛性が小さくなる。これに対して、振動膜が面に沿った方向に収縮すると、振動膜の管軸方向の剛性が高くなる。
好ましくは、前記振動膜構造部は、前記振動膜に作用させる前記物理量を変化させる制御を行う制御部を更に有する。
この場合、熱音響装置の状況に応じて、振動膜の剛性を様々変化させることが可能となる。
好ましくは、前記制御部を有する前記熱音響装置は、前記作動気体の仕事流と相関のあるパラメータを検出するためのセンサを更に備え、前記制御部は、前記仕事流が小さくなることで前記パラメータが変化すると、前記振動膜の剛性を低下させ、前記仕事流が大きくなることで前記パラメータが変化すると、前記振動膜の剛性を高めるための制御を行う。
作動気体の仕事流が小さくなっている場合、前記構成によれば、振動膜の剛性が低下し、作動気体の振動が振動膜によって阻害されにくくなり、仕事流が大きくなるように熱音響装置が調整される。作動気体の仕事流が大きくなっている場合、前記構成によれば、振動膜の剛性が高まり、作動気体の振動が振動膜によって抑制され、仕事流が小さくなるように熱音響装置が調整される。
好ましくは、前記制御部を有する前記熱音響装置は、前記作動気体の仕事流と相関のあるパラメータを検出するためのセンサを更に備え、前記パラメータは、前記スタックの温度若しくは前記スタックの周囲温度、又は、前記作動気体の圧力振幅である。
スタックの温度（周囲温度）及び作動気体の圧力振幅は、作動気体の仕事流の大きさに影響を与えるパラメータである。そこで、センサを用いて前記パラメータを検出すれば、仕事流に応じて振動膜の剛性の調整が可能となる。このため、熱音響現象によって得られる仕事の効率をより一層向上させることが可能となる。
好ましくは、前記制御部を有する前記熱音響装置は、前記作動気体の仕事流と相関のあるパラメータを検出するためのセンサを更に備え、前記制御部は、前記パラメータが閾値を超えると、前記振動膜の剛性を、前記作動気体の振動を抑制可能とする剛性に高める。
この構成によれば、例えば、スタックに熱を与えるための設備で、その運転を停止させなくても、熱音響装置における熱音響現象を停止させることが可能となる。
好ましくは、前記熱音響装置は、前記ループ管の管壁に設けられ当該管壁の振動を電気エネルギーに変換する振動発電部と、前記電気エネルギーを基にして前記振動膜に所要の物理量を作用させるためのエネルギーを出力するハーベスト電源部と、を更に備える。
この構成によれば、省エネルギーで熱音響装置を作動させることが可能となる。
本発明によれば、振動膜を取替しなくても、振動膜の剛性が変化し、熱音響現象によって得られる仕事の効率を向上させることが可能となる。
熱音響装置の一例を示す概略構成図である。 振動膜構造部の説明図である。 振動膜が有する逆圧電効果の説明図である。
〔熱音響装置の全体構成〕
図１は、熱音響装置１０の一例を示す概略構成図である。本開示の熱音響装置１０は、１つのループ管１１と、ループ管１１内に設けられた第一スタック２０及び第二スタック３０とを備える。ループ管１１には、作動気体が封入される。作動気体は、例えば、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン、又はこれらのうち少なくとも２つの混合気である。
第一スタック２０は、柱状の部材であり、ループ管１１の管軸方向に貫通する複数の微小流路２１を有する。第二スタック３０も、柱状の部材であり、ループ管１１の管軸方向に貫通する複数の微小流路３１を有する。微小流路２１，３１は、作動気体の通路となる。
第一スタック２０において、軸方向の一方端２２と他方端２３との間に温度勾配が生じる。本開示では、第一スタック２０の一方端２２の温度が他方端２３の温度より高くなる。この温度勾配が臨界点を越えると、第一スタック２０内の作動気体が振動する。作動気体の振動は音波を発生させる。この結果、ループ管１１内の作動気体に定在波を含む音波が発生する。この音波によって、第二スタック３０の微小流路３１内の作動気体が振動する。すると、第二スタック３０において温度勾配が発生する。本開示では、第二スタック３０の一方端３２の温度が他方端３３の温度より高くなる温度勾配が発生する。このように、第一スタック２０によって、熱エネルギーが音エネルギーに変換される。第二スタック３０によって音エネルギーが熱エネルギーに変換される。
第一スタック２０と第二スタック３０とは異なる構成（例えば、管軸方向の長さが異なる構成等）であってもよいが、本開示では同じである。第一スタック２０及び第二スタック３０は例えばセラミック製である。なお、スタック２０，３０は金属製（例えばステンレス製）であってもよい。
第一スタック２０において、高温となる一方端２２側に、第一高温側熱交換器２４が設けられる。低温となる他方端２３側に、第一低温側熱交換器２５が設けられる。熱交換器２４，２５は、ループ管１１の外部と第一スタック２０との間で熱を交換する。
第二スタック３０において、高温となる一方端３２側に、第二高温側熱交換器３４が設けられる。低温となる他方端３３に、第二低温側熱交換器３５が設けられる。熱交換器３４，３５は、ループ管１１の外部と第二スタック３０との間で熱を交換する。
第一高温側熱交換器２４は、外部の熱源２９より熱（熱エネルギー）を受ける。この熱が、第一スタック２０の一方端２２へ伝わる。このように、第一高温側熱交換器２４は、ループ管１１の外部から、第一スタック２０の一方端２２を加熱し、一方端２２を（他方端２３よりも）高温とする。
第一低温側熱交換器２５は、ループ管１１の外部と第一スタック２０の他方端２３との間で熱を伝導させることにより、他方端２３側の温度を調整する。具体的に説明すると、第一低温側熱交換器２５は、第一スタック２０の他方端２３の温度が所定の基準温度（第一基準温度）を超えないように調整する機能を有する。前記第一基準温度は、第一スタック２０の一方端２２の温度よりも低い温度である。
第一高温側熱交換器２４及び第一低温側熱交換器２５が用いられることで、第一スタック２０の一方端２２と他方端２３との間の温度勾配（温度差）が制御される。第一低温側熱交換器２５、第一スタック２０、及び第一高温側熱交換器２４は、熱源２９の熱を、ループ管１１内の作動気体の振動に変換して音波を発生させる熱音響原動機（熱音響エンジン）を構成する。
前記のとおり、第一スタック２０に生じた温度勾配によって音波が発生し、発生した音波により第二スタック３０に温度勾配が生じる。第二スタック３０の一方端３２の温度が他方端３３の温度よりも高くなる。
第二高温側熱交換器３４は、第二スタック３０に温度勾配が生じた際に高温となる一方端３２側に設けられる。第二低温側熱交換器３５は、第二スタック３０に温度勾配が生じた際に低温となる他方端３３側に設けられる。
第二高温側熱交換器３４は、ループ管１１の外部と第二スタック３０の一方端３２との間で熱を伝導することにより、一方端３２側の温度を調整する機能を有する。例えば、第二高温側熱交換器３４は、第二スタック３０の一方端３２の温度を一定（例えば、室温）に保つ。
第二低温側熱交換器３５は、ループ管１１の外部の冷却対象３７に熱伝導可能に接続される。第二低温側熱交換器３５は、ループ管１１の外部（冷却対象３７）の熱を吸収し、第二スタック３０の他方端３３へ取り込む。これにより、冷却対象３７を冷却することができる。言い換えれば、第二低温側熱交換器３５は、第二スタック３０内に生じた温度勾配によって温度が低い第二スタック３０の他方端３３の冷熱を取り出し、ループ管１１の外部（冷却対象３７）へ伝える。
第二低温側熱交換器３５、第二スタック３０、及び第二高温側熱交換器３４は、音波（作動気体の振動）から温度勾配を発生させる熱音響ヒートポンプを構成する。
図１に示す熱音響装置１０は、ループ管１１内に設けられた振動膜３９を有する振動膜構造部４０を更に備える。振動膜３９は、作動気体の振動を妨げないために振動可能に構成されている。このために、振動膜３９は、膜状の弾性体で形成される。第一スタック２０の温度勾配により発生したループ管１１内の音波を、振動膜３９によって例えば増幅することが可能となる。
〔振動膜構造部４０の説明〕
図２は、振動膜構造部４０の説明図である。振動膜構造部４０は、ループ管１１内の一部に設けられた振動膜３９と、振動膜３９の剛性を変化させる作用部４１とを有する。本開示の振動膜３９は、逆圧電効果を有する薄膜部材である。具体的に説明すると、振動膜３９は、圧電フィルム（高分子圧電フィルム）である。振動膜３９は、電圧（電界）が加えられると、電圧（電界）の大きさに応じて、面３９ａに沿った方向に拡張及び収縮可能となる特性を有する。振動膜３９は、電圧（電界）の大きさに応じた変形量（拡張量又は収縮量）で拡張又は収縮する。
本開示の作用部４１は、電極４２，４３及び電源４４を有する。振動膜３９の一面側と他面側との間に電位差を生じさせるため、一方の電極４２は、振動膜３９の一面側に取付けられていて、他方の電極４３は、振動膜３９の他面側に取付けられている。電源４４はこれら電極４２，４３に電圧を印加する。
電極４２，４３は、振動膜３９の一方側及び他方側の面それぞれに対して、全体的に設けられていてもよく、例えば周縁部３９ｂに部分的に設けられていてもよい。ただし、振動膜３９における電極４２，４３の面積（範囲）に応じて電界の発生範囲及び／又は発生量が異なる。振動膜３９において、電界の影響を受ける領域で伸縮が生じる、このため、電極４２，４３の面積が大きいほど、伸縮量が大きくなり、剛性の変化量も大きくなる。つまり、電極４２，４３は、振動膜３９の一方側及び他方側の面それぞれに対して、全体的に設けられている場合の方が、剛性の変化量が大きくなる。
以上の構成により、電源４４が電極４２，４３を介して振動膜３９に電圧を印加することで、振動膜３９が逆圧電効果によって変形する。図３は、振動膜３９が有する逆圧電効果の説明図である。図３に示すように、振動膜３９の両面に電圧を加えると、振動膜３９が面３９ａに沿った方向に延びる。
図２に示すように、振動膜構造部４０は、環状の拘束部材４７を一対有する。拘束部材４７は、振動膜３９と同様の外周輪郭形状を有する。電極４２，４３が取付けられている振動膜３９は、一対の拘束部材４７，４７によって挟まれた状態となって、ループ管１１に設けられているフランジ部４８に取付けられている。本開示では、ループ管１１及び拘束部材４７は金属製であることから、フランジ部４８と拘束部材４７との間に絶縁部材４９が介在している。絶縁部材４９によって電極４２，４３とループ管１１との間が電気的に絶縁されている。
拘束部材４７により、振動膜３９は、その周縁部３９ｂにおいてループ管１１に拘束される。振動膜３９は、周縁部３９ｂよりも中央側の領域３９ｃにおいて管軸方向に振動可能となる。図２では、前記管軸方向が矢印Ｙにより示されている。振動膜３９は、電圧を印加していない状態で、面３９ａに沿った方向に張力を有して拘束部材４７に固定されていてもよい。
振動膜３９はその周縁部３９ｂにおいて拘束されている。このため、逆圧電効果によって、振動膜３９が面３９ａに沿った方向に拡張する（伸びる）と、振動膜３９の張力が小さくなり、振動膜３９の管軸方向（Ｙ方向）の剛性が小さくなる。このため、振動膜３９は大きな振幅を有して振動可能となる。これに対して、（拡張した状態から）振動膜３９が面３９ａに沿った方向に収縮すると、振動膜３９の張力が大きくなり、振動膜３９の管軸方向（Ｙ方向）の剛性が高くなる。このため、振動膜３９は小さな振幅を有して振動可能となる。以上のように、振動膜３９の管軸方向についての見かけの剛性が変化する。
本開示では、振動膜３９の剛性を変化させるために、振動膜３９に対して電圧を印加している。つまり、剛性を変化させるために振動膜３９に対して作用させる物理量は、電圧である。振動膜３９及び作用部４１は、他の形態であってもよい。例えば、図示しないが、作用部４１は、振動膜３９を加熱するヒータ、及びこのヒータに電力を供給する電源を有する構成であってもよい。この場合、振動膜３９に対して作用させる物理量は温度となる。ヒータの熱により振動膜３９の温度が変化し、熱膨張により振動膜の剛性が変化する。このように、作用部４１は、振動膜３９に所要の物理量を作用させることで振動膜３９の管軸方向の剛性を変化させるものであればよい。
〔制御について〕
振動膜構造部４０は、制御部（コントローラ）４５を更に有する。制御部４５は、振動膜３９に作用させる電圧（物理量）を変化させる制御を行う。制御部４５は、コンピューターにより構成されている。制御部４５は、電源４４に制御信号を出力する。制御信号には、電源４４が振動膜３９に印加させる電圧の大きさに関する情報が含まれる。つまり、制御部４５は、電源４４が振動膜３９に印加させる電圧の大きさを変更する制御を行う。
熱音響装置１０は、更に、ループ管１１に設けられているセンサ４６を備える。センサ４６は、ループ管１１内の作動気体の仕事流と相関のあるパラメータを検出するために設けられている。本開示では、前記パラメータは、ループ管１１内の作動気体の圧力振幅である。前記圧力振幅を検出するために、センサ４６は、ループ管１１内の作動気体の圧力を検出対象とする圧力センサである。センサ４６は、作動気体の圧力を検出し、検出信号を制御部４５に出力する。制御部４５は、検出信号に基づいて、作動流体の圧力振幅の値（大きさ）を検出する。制御部４５は、圧力振幅の値を刻々と検出する。制御部４５は、検出結果に基づいて、振動膜３９の剛性を変化させる制御を実行する。
なお、前記パラメータは、例えば、スタック３０の温度、又は、スタック３０の周囲温度であってもよい。この場合、センサ４６は、温度センサであり、スタック３０の高温側の温度、又は、スタック３０の高温側の部分の周囲の温度を検出するのが好ましい。
ループ管１１内の作動気体の仕事流と、この作動気体の圧力振幅（圧力振幅量）との関係について説明する。前記仕事流と前記圧力振幅との間には相関がある。圧力振幅が大きいと仕事流が大きく、圧力振幅が小さいと仕事流が小さい。つまり、ループ管１１内の作動気体の仕事流が小さくなることで、作動気体の圧力振幅が小さくなる。前記圧力振幅は、ループ管１１内での音響強度の大きさであるとも言える。
制御部４５が実行する制御の具体例について説明する。ループ管１１内の作動気体の仕事流が小さくなると、作動気体の圧力振幅が小さくなる。すると、制御部４５は、振動膜３９の管軸方向の剛性を低下させる。このために、制御部４５は、振動膜３９に作用させる電圧（物理量）を、それまでよりも小さくする制御を行う。これに対して、ループ管１１内の作動気体の仕事流が大きくなると、作動気体の圧力振幅が大きくなる。すると、制御部４５は、振動膜３９の管軸方向の剛性を高める。このために、制御部４５は、振動膜３９に作用させる電圧（物理量）を、それまでよりも大きくする制御を行う。以上の制御を「通常運転制御」と称する。
制御部４５が実行する他の制御には、前記通常運転制御の他に、次のフェールセーフ制御が含まれる。前記パラメータ（本開示では、作動気体の圧力振幅）を、制御部４５が取得すると、制御部４５は、そのパラメータの値と、予め設定されている閾値とを比較する。この比較処理は、パラメータが取得される毎に実行されてもよい。パラメータが前記閾値を超えると、制御部４５は、振動膜３９の剛性を、所要の剛性に高める。前記所要の剛性は、ループ管１１内の作動気体の振動を抑制可能とする剛性である。例えば、振動膜３９は、前記所要の剛性として、変化可能となる範囲で最も高い剛性となる。振動膜３９が前記所要の剛性になると、ループ管１１内の作動気体の振動が振動膜３９によって遮断される。
このフェールセーフ制御によれば、例えば、スタック２０（図１参照）に熱を与えるための設備である前記熱源２９側において、その運転を停止させなくても、熱音響装置１０における熱音響現象を停止させることが可能となる。なお、前記熱源２９は、例えば、高温の流体を排熱として出力する熱処理炉である。この熱処理炉の排熱によってスタック２０が高温となる。この場合、熱処理炉の運転を停止させなくても、熱音響装置１０における運転を停止させることが可能となる。
ループ管１１において、作動気体の仕事流の循環が不成立の状態になろうとしていると、つまり、熱源２９による前記仕事流の増加と、冷却対象３７による前記仕事流の消費とのバランスが崩れようとすると、制御部４５は、まず、前記の通常運転制御を実行する。つまり、バランスが崩れようとすると、制御部４５は、振動膜３９の剛性を高くして、作動気体の振幅量を小さくしたり、振動膜３９の剛性を低くして、作動気体の振幅量を大きくしたりする。これにより前記バランスを整える。この通常運転制御を実行しても、前記バランスの崩れが解消できないような場合、制御部４５はフェールセーフ制御を実行してもよい。つまり、仕事流が振動膜３９によって止められる。
作動気体の仕事流と相関のあるパラメータが、前記説明では、作動気体の圧力振幅であるが、スタック３０又はその周囲の高温側の温度である場合、センサ４６は温度センサである。この場合、センサ４６による検出の結果、温度がそれまでよりも高い場合、制御部４５は、振動膜３９の剛性を高める制御を行う。これに対して、センサ４６による検出の結果、温度がそれまでよりも低い場合、制御部４５は、振動膜３９の剛性を低下させる制御を行う。
〔ハーベスト電源部について〕
図２に示す熱音響装置１０は、更に、ループ管１１の管壁１２に設けられている振動発電部５０と、ハーベスト電源部５１とを備える。ループ管１１において熱音響現象が発生すると、前記のとおり、作動気体が振動し、音波が発生する。このため、管壁１２は振動する。そこで、圧電素子により構成される振動発電部５０が管壁１２に取付けられていて、管壁１２の振動により、前記圧電素子が変形する。前記圧電素子の圧電効果により、振動発電部５０から電気エネルギーが出力される。このように、振動発電部５０は、圧電素子を含む構成であり、管壁１２の振動を電気エネルギーに変換する。ハーベスト電源部５１は、振動発電部５０により得られた電気エネルギーを基にして、振動膜３９に所要の物理量（電圧）を作用させるためのエネルギーを出力する。本開示では、ハーベスト電源部５１は、電気エネルギーを電圧として出力し、振動膜３９に電圧を印加する。
図２に示す振動膜構造部４０は、スイッチ５２を備えている。スイッチ５２は、振動膜３９に電圧を印加するための電源を、通常の電源４４とハーベスト電源部５１とから択一的に選択するように、通電経路を切り替える動作を行う。この切り替える動作は、制御部４５の制御信号に基づいて行われる。例えば、熱音響装置１０の運転開始から作動気体の振動発生までの間、振動膜３９の剛性を変化させるために、通常の電源４４が使用され、作動気体の振動が発生した後においては、ハーベスト電源部５１が使用される。ハーベスト電源部５１が設けられていることで、省エネルギーで熱音響装置１０を作動させることが可能となる。
なお、図示しないが、通常の電源４４とハーベスト電源部５１との内の一方が省略されていてもよい。振動膜３９が拘束部材４７によってループ管１１に取付けられている状態で、その振動膜３９の剛性は、所定の初期剛性に設定されている。前記初期剛性は、熱音響装置１０を始動させるために、スタック２０において所定の温度差が発生すると、前記のフェールセーフ制御のような振動を抑制する剛性ではなく、作動気体をループ管１１内で振動可能とさせる剛性である。作動流体の振動が開始されると、振動発電部５０は管壁１２の振動を電気エネルギーに変換して出力する。そして、この電気エネルギーを基に、ハーベスト電源部５１は振動膜３９へ電力供給し、振動膜３９の剛性が変化する。この場合、通常の電源４４が不要となる。つまり、作用部４１の電源は、ハーベスト電源部５１であってもよい。
〔本開示の熱音響装置１０について〕
以上のように本開示の熱音響装置１０は、作動気体が封入されるループ管１１と、ループ管１１内に設けられているスタック２０，３０と、振動膜構造部４０とを備える。スタック２０，３０には、ループ管１１の管軸方向に温度勾配が生じる。振動膜構造部４０は、ループ管１１内に設けられている振動膜３９と、作用部４１とを有する。振動膜３９は、管軸方向に交差（直交）する方向の面３９ａを有していて、管軸方向の成分を有して振動可能である。作用部４１は、振動膜３９に所要の物理量を作用させることで振動膜３９の管軸方向の剛性を変化させる。本開示の前記物理量は、電圧である。
振動膜３９の特性（剛性）はループ管１１内の作動気体の動きに影響を与える。そこで、前記構成を備える熱音響装置１０によれば、振動膜３９を取替しなくても、作用部４１が振動膜３９に電圧を印加することで、振動膜３９の剛性（みかけの剛性）が変化する。振動膜３９を作動気体の動きに応じた剛性とすれば、熱音響現象によって得られる仕事の効率をより一層向上させることが可能となる。
振動膜構造部４０は、制御部４５を有し、制御部４５は、振動膜３９に作用させる物理量（電圧）を変化させる制御を行う。制御部４５によれば、熱音響装置１０の状況に応じて、つまり、作動気体の動きに応じて、振動膜３９の剛性を様々変化させることが可能となる。
熱音響装置１０は、作動気体の仕事流と相関のあるパラメータを検出するためのセンサ４６を備える。本開示では、前記パラメータは、ループ管１１内の作動気体の圧力振幅である。パラメータは、スタック３０の温度若しくはスタック３０の周囲温度であってもよい。スタック３０の温度（周囲温度）及び作動気体の圧力振幅は、作動気体の仕事流の大きさに影響を与えるパラメータである。そこで、センサ４６を用いて前記パラメータを検出することで、仕事流に応じて振動膜３９の剛性の調整が可能となる。このため、熱音響現象によって得られる仕事の効率をより一層向上させることが可能となる。
振動膜３９は、例えば、運転開始初期の圧力振幅及び安定振動時の圧力振幅等、作動気体の状態に合わせた剛性を有することができる。また、熱音響装置１０の出力を高めるために、作動気体の充填圧を高めた場合、その充填圧に応じて、振動膜３９の剛性を変化させるのが好ましい。本開示の熱音響装置１０によれば、これが可能となる。振動膜３９の剛性の変化は、作動気体の振動の最中に可能である。なお、従来では、振動膜の剛性を変更するためには、装置を分解し、振動膜を交換し、装置の組み直しが必要であった。組み直しを行うと、振動膜の位置等の微調整が必要となる。しかし、本開示の熱音響装置１０によれば、振動膜３９の剛性を変更するために、装置の組み直しが行われない。このため、従来のような前記微調整は省略される。
ループ管１１内の作動気体の仕事流が小さくなることで前記パラメータが変化すると、制御部４５は、振動膜３９の剛性を低下させる。これとは反対に、前記仕事流が大きくなることで前記パラメータが変化すると、制御部４５は、振動膜３９の剛性を高める（以上、通常運転制御）。この通常運転制御によれば、作動気体の仕事流が小さくなっている場合、振動膜３９の剛性が低下し、作動気体の振動が振動膜３９によって阻害されにくくなり、仕事流が大きくなるように熱音響装置１０が調整される。これに対して、作動気体の仕事流が大きくなっている場合、振動膜３９の剛性が高まり、作動気体の振動が振動膜３９によって抑制され、仕事流が小さくなるように熱音響装置１０が調整される。
また、制御部４５は、前記のとおり、フェールセーフ制御を行うことができる。つまり、制御部４５は、前記パラメータが閾値を超えると、振動膜３９の剛性を、作動気体の振動を抑制可能とする剛性に高める。この制御によれば、例えば、スタック２０に熱を与えるための熱源２９側の設備で、その運転を停止させなくても、熱音響装置１０における熱音響現象を停止させることが可能となる。
以上より、本開示の熱音響装置１０によれば、振動膜３９を取替しなくても、振動膜３９の剛性を変化させることができる。これにより、熱音響現象によって得られる仕事の効率をより一層向上させることが可能となる。
今回開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、ループ管１１の形状、スタック２０，３０の配置等は、図示した形態以外であってもよい。
１０：熱音響装置 １１：ループ管 １２：管壁
２０：第一スタック ３０：第二スタック ３９：振動膜
３９ａ：面 ３９ｂ：周縁部 ３９ｃ：中央側の領域
４０：振動膜構造部 ４１：作用部 ４２，４３：電極
４４：電源 ４５：制御部 ４６：センサ
４７：拘束部材 ５０：振動発電部 ５１：ハーベスト電源部

Claims (8)

  1. 作動気体が封入されるループ管と、前記ループ管内に設けられ当該ループ管の管軸方向に温度勾配が生じるスタックと、前記ループ管内に設けられた振動膜を有する振動膜構造部と、を備え、
    前記振動膜構造部は、前記管軸方向に交差する方向の面を有し管軸方向の成分を有して振動可能である前記振動膜と、前記振動膜に所要の物理量を作用させることで当該振動膜の管軸方向の剛性を変化させる作用部と、を有する、熱音響装置。
  2. 前記振動膜は、逆圧電効果を有する薄膜部材であり、
    前記作用部は、前記振動膜に電位差を生じさせるための電極と、当該電極に電圧を印加する電源とを有する、請求項１に記載の熱音響装置。
  3. 前記振動膜は、前記物理量に応じて前記面に沿った方向に拡張及び収縮可能となる特性を有し、
    前記振動膜構造部は、前記振動膜の周縁部を拘束する拘束部材を更に有し、
    前記振動膜は、前記周縁部よりも中央側の領域において管軸方向に振動可能である、請求項１又は２に記載の熱音響装置。
  4. 前記振動膜構造部は、前記振動膜に作用させる前記物理量を変化させる制御を行う制御部を更に有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱音響装置。
  5. 前記作動気体の仕事流と相関のあるパラメータを検出するためのセンサを更に備え、
    前記制御部は、前記仕事流が小さくなることで前記パラメータが変化すると、前記振動膜の剛性を低下させ、前記仕事流が大きくなることで前記パラメータが変化すると、前記振動膜の剛性を高めるための制御を行う、請求項４に記載の熱音響装置。
  6. 前記作動気体の仕事流と相関のあるパラメータを検出するためのセンサを更に備え、
    前記パラメータは、前記スタックの温度若しくは前記スタックの周囲温度、又は、前記作動気体の圧力振幅である、請求項４又は５に記載の熱音響装置。
  7. 前記作動気体の仕事流と相関のあるパラメータを検出するためのセンサを更に備え、
    前記制御部は、前記パラメータが閾値を超えると、前記振動膜の剛性を、前記作動気体の振動を抑制可能とする剛性に高める、請求項４〜６のいずれか一項に記載の熱音響装置。
  8. 前記ループ管の管壁に設けられ当該管壁の振動を電気エネルギーに変換する振動発電部と、前記電気エネルギーを基にして前記振動膜に所要の物理量を作用させるためのエネルギーを出力するハーベスト電源部と、を更に備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱音響装置。
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