JP2021134947A - 熱音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱音響現象を安定的に発生させつつ、高い変換効率を有する熱音響装置を提供する。【解決手段】 ループ管と、前記ループ管に設けられ、一方側と他方側との温度勾配によって発振するスタックと、前記スタックの前記一方側と熱交換を行う第１熱交換器と、前記スタックの前記他方側と熱交換を行う第２熱交換器と、流体が封入され、熱源から前記第１熱交換器へ前記流体の対流により熱を輸送する熱輸送管と、前記スタックの発振開始時における前記一方側の温度低下を補償する熱補償部と、を備え、前記熱補償部は、前記熱輸送管を流れる前記流体を貯留する貯留部と、前記貯留部から前記第１熱交換器へ熱伝導により熱を輸送する熱伝導部と、を有し、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記流体の熱伝導率よりも高い、熱音響装置。【選択図】 図２

Description

本発明は、熱音響装置に関する。

炉等で生じた排熱を利用して、冷熱を得ることができる熱音響装置が知られている。特許文献１には、ループ管と、ループ管内に設けられた第１スタック及び第２スタックとを備える熱音響装置が開示されている。第１スタックは熱源側に接続され、温度勾配によってループ管内に音波を発生させる。第２スタックでは当該音波によって温度勾配が発生し、その結果、当該温度勾配の低温側に接続されている冷却対象が冷却される。

また、特許文献２には、冷熱生成部の排熱を貯蔵可能な蓄熱器を設けることで、放熱器での放熱量の変動を抑制する技術が開示されている。特許文献２において、蓄熱器は、所定温度で固相と液相に相変化可能な固液相変化材（例えばパラフィン）である。

特開２０１８−２５３４０号公報 特開２０１８−１２８１９１号公報

熱音響装置において、熱エネルギーを音エネルギーへ変換する熱音響現象を安定して生じさせることが重要である。スタックにおける発振の開始直後に、発振状態を維持するために必要な熱量が不足すると、スタックにおける発振が継続しない。このため、従来はスタックの発振に必要な熱量よりも十分に多い熱量をスタックに与えることで、熱音響現象を安定的に生じさせている。

また、炉等で生じた排熱をより有効に利用するために、スタックにおいて高い変換効率で熱エネルギーを音エネルギーへ変換することが求められている。熱音響装置において、例えばスタックの大きさ等の機械的な構造が決まると、熱音響装置からの出力熱量も一意に決まる。スタックの熱容量に対して過度に大きい熱量を入力しても、入力熱量の全てが音エネルギーへ変換されるわけではない。このため、高い変換効率でスタックを発振させるには、スタックの発振に必要な最低限の熱量を与えることが好適である。

しかしながら、従来の熱音響装置では、熱音響現象を安定的に発生させるために、発振に最低限必要な熱量よりも十分多くの熱量をスタックに供給しており、発振後もそのまま十分多くの熱量をスタックに与え続けているため、高変換効率でのスタックの発振と、スタックの安定的発振とを両立させることができなかった。

本発明は、熱音響現象を安定的に発生させつつ、高い変換効率を有する熱音響装置を提供することを目的とする。

（１） 本発明の熱音響装置は、ループ管と、前記ループ管に設けられ、一方側と他方側との温度勾配によって発振するスタックと、前記スタックの前記一方側と熱交換を行う第１熱交換器と、前記スタックの前記他方側と熱交換を行う第２熱交換器と、流体が封入され、熱源から前記第１熱交換器へ前記流体の対流により熱を輸送する熱輸送管と、前記スタックの発振開始時における前記一方側の温度低下を補償する熱補償部と、を備え、前記熱補償部は、前記熱輸送管を流れる前記流体を貯留する貯留部と、前記貯留部から前記第１熱交換器へ熱伝導により熱を輸送する熱伝導部と、を有し、前記熱伝導部の熱伝導率は、前記流体の熱伝導率よりも高い、熱音響装置である。

スタックの発振開始によりスタックの一方側の温度が低下すると、第１熱交換器の温度も低下する。これにより、貯留部側の温度と、第１熱交換器側の温度との間に差が生じるため、熱伝導部内において貯留部側から第１熱交換器側への熱量の移動が生じる。その結果、熱補償部は、スタックの一方側へ追加の熱量を加えることができる。特に、熱伝導部は、熱輸送管内の流体（以下、当該流体を「加熱流体」と適宜称する。）よりも高い熱伝導率を有するため、熱応答性が加熱流体よりも高い。このため、熱補償部により、発振開始直後において一時的にスタックの一方側へ追加の熱量を加えることができる。以上により、スタックの発振に必要な最低限の熱量を第１熱交換器からスタックの一方側に与えることで、高い変換効率を実現しつつ、スタックにおける発振開始直後のスタックの一方側の温度低下を熱補償部により補償することで、スタックにおける発振を安定的に継続させることができる。これにより、熱音響現象を安定的に発生させつつ、高い変換効率を有する熱音響装置を提供することができる。

（２） 好ましくは、前記熱伝導部の第１部分は、前記貯留部内に設けられ、前記熱伝導部の第２部分は、前記熱輸送管のうち前記貯留部が接続する位置よりも前記第１熱交換器側の部分、又は前記第１熱交換器に設けられる。このように構成することで、スタックの一方側へより確実に追加の熱量を加えることができる。

（３） 好ましくは、前記第１部分は、複数の凸部、蛇腹形状又はコイル形状を有する。このように構成することで、第１部分の表面積が大きくなるため、複数の凸部等を設けない場合と比べ、より効率的に貯留部内の加熱流体と第１部分との間で熱交換を行うことができる。

（４） 好ましくは、前記熱輸送管と前記貯留部とを並列に接続する分岐管をさらに備える。このように構成することで、熱輸送管とは別に設けられている貯留部に、より多くの加熱流体を貯留することができ、貯留部内の加熱流体が有する熱量も、より多くなる。このため、貯留部内の熱伝導部の温度が低下しにくくなり、貯留部側の熱伝導部の温度と第１熱交換器側の熱伝導部の温度との間に差が生じやすくなる。これにより、熱伝導部内において貯留部側から第１熱交換器側への熱量の移動がより確実に生じる。この結果、スタックの一方側の温度低下をより確実に抑制することができる。

（５） 好ましくは、前記貯留部は、前記熱輸送管に直列に接続し、前記貯留部の断面積は、前記熱輸送管の断面積よりも大きい。このように構成することで、貯留部により多くの加熱流体を貯留することができ、貯留部内の加熱流体が有する熱量も、より多くなる。このため、貯留部内の熱伝導部の温度が低下しにくくなり、貯留部側の熱伝導部の温度と第１熱交換器側の熱伝導部の温度との間に差が生じやすくなる。これにより、熱伝導部内において貯留部側から第１熱交換器側への熱量の移動がより確実に生じる。この結果、スタックの一方側の温度低下をより確実に抑制することができる。

（６） 好ましくは、前記熱補償部は、前記熱伝導部を加熱するヒータを有する。このように構成することで、ヒータの加熱による追加の熱量を、熱伝導部を介してスタックの一方側へ供給することができるため、スタックにおける発振をより安定的に継続させることができる。

（７） 好ましくは、状態変化により生じた熱の出入りを利用して蓄熱又は放熱を行う蓄熱材を封入している蓄熱部をさらに備え、前記蓄熱部は、前記熱補償部よりも前記熱源側に位置する前記熱輸送管内の前記流体と熱交換を行う。このように構成することで、熱輸送管内を流れる流体の温度の変動を抑制することができるため、より熱容量の大きいスタックを安定的に発振させることができる。その結果、変換効率をより高くすることができる。

本発明によれば、熱音響現象を安定的に発生させつつ、高い変換効率を有する熱音響装置を提供することができる。

実施形態に係る熱音響装置を示す概略構成図である。 実施形態に係る熱補償部を示す概略構成図である。 実施形態に係る熱伝導部を斜め上から見た斜視図である。 実施形態に係る蓄熱部を示す概略構成図である。 実施形態に係る第１スタックの第１端部の温度を発振温度にするために必要な熱量を概略的に説明するグラフである。 実施形態に係る第１スタックの第１端部において消費される熱量の内訳を概略的に説明するグラフである。 第１変形例に係る熱補償部を示す概略構成図である。 第２変形例に係る熱補償部を説明する説明図である。

＜実施形態＞
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

＜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。熱音響装置１０は、ループ管１１と、第１スタック２０と、第１スタック２０側の第１熱交換器２４及び第２熱交換器２５と、第２スタック３０と、第２スタック３０側の第１熱交換器３４及び第２熱交換器３５と、熱輸送管４０と、熱補償部５０と、蓄熱部６０と、を備える。

熱輸送管４０は、加熱流体が封入されている配管である。加熱流体は、例えば窒素ガス、空気、熱源７０で発生した排ガス又はこれらの混合気体である。加熱流体は、油等の液体であってもよい。熱輸送管４０は、熱源７０と後述の第１熱交換器２４とを熱交換可能な状態で接続する。熱源７０は、例えば炉である。

熱輸送管４０内の加熱流体は、熱源７０からの排熱により加熱され、常温よりも高い温度（例えば、摂氏１００度以上）となる。加熱流体は、熱輸送管４０を熱源７０側から第１熱交換器２４側へ流れる。熱輸送管４０は、熱源７０から第１熱交換器２４へ、加熱流体の対流により熱を輸送する。ここで「対流」は、熱輸送管４０内の温度勾配等により加熱流体が流れる自然対流と、熱輸送管４０に接続されている図示省略するポンプにより強制的に気圧差を発生させることで加熱流体を所定方向へ流す強制対流と、を含む。

熱輸送管４０は、熱源７０と接続している第１領域４１と、蓄熱部６０内に位置する第２領域４２（図４）と、蓄熱部６０及び熱補償部５０の間に位置する第３領域４３と、熱補償部５０及び第１熱交換器２４の間に位置する第４領域４４とを有する。第１〜４領域４１〜４４は、１個の配管により構成されていてもよいし、複数の配管を接続することで構成されていてもよい。本実施形態において、第３領域４３と第４領域４４における配管の内径は、等しい。

ループ管１１は、環状の配管である。ループ管１１は、図１中の上辺及び下辺に相当する短尺な２個の領域と、図１中の右辺及び左辺に相当する長尺な２個の領域と、を有する。ループ管１１は、これらの短尺な領域と長尺な領域とをそれぞれ交互に接続することで構成される。ループ管１１には、作動流体が封入されている。作動流体は、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個の混合気体である。第１スタック２０と第２スタック３０は、ループ管１１の長尺な２個の領域中にそれぞれ設けられている。

以下、ループ管１１のうち、後述の第１スタック２０の第１端部２２と第２スタック３０の第１端部３２とを接続する部分を「一方領域１２」と称する。また、ループ管１１のうち、後述の第１スタック２０の第２端部２３と第２スタック３０の第２端部３３とを接続する部分を「他方領域１３」と称する。ループ管１１の長尺な領域が延びる方向を「軸方向」と称する。

第１スタック２０及び第２スタック３０は、柱状の部材であり、複数の微細流路２１、３１をそれぞれ有する。微細流路２１は、軸方向に第１スタック２０を貫通する流路であり、微細流路３１は、軸方向に第２スタック３０を貫通する流路である。微細流路２１、３１は、作動流体の通路となる。微細流路２１、３１は、軸方向に長手となる形状を有する。第１スタック２０及び第２スタック３０は、それぞれ軸方向の一方側に位置する第１端部２２、３２と、軸方向の他方側に位置する第２端部２３、３３とを有する。

第１スタック２０は、例えば、微細な貫通孔が多数形成された板材を積層して得たブロックにより構成される。積層した板材の貫通孔同士が繋がることで、微細流路２１が形成される。前記板材は金属製であり、本実施形態ではステンレス鋼製である。複数の微細流路２１は、それぞれ正六角形状の断面を有し、複数の微細流路２１が組み合わされることで第１スタック２０はハニカム構造を有する。本実施形態に係る第２スタック３０は、第１スタック２０と同じ構造を有する。なお、第２スタック３０は、例えば軸方向の長さや、微細流路３１の数が第１スタック２０と異なる構成であってもよい。

第１熱交換器２４及び第２熱交換器２５は、第１スタック２０の第１端部２２及び第２端部２３とそれぞれ隣接する位置に設けられている。本実施形態では、第１スタック２０の第１端部２２と第２端部２３との間に温度勾配を生じさせるために、第１熱交換器２４により第１端部２２を加熱し、第２熱交換器２５により第２端部２３を所定の第１基準温度Ｔｒ１（例えば、常温）に維持する。すなわち、第１熱交換器２４は高温側であり、第２熱交換器２５は低温側となる。

第１熱交換器２４は、ループ管１１の外部に位置する熱輸送管４０と第１端部２２との間で熱交換を行う。第１熱交換器２４は、ループ管１１内に配置される管内部分と、ループ管１１外に配置される管外部分とを含む。管内部分は、微細流路２１を閉塞しない状態で、第１端部２２と接触している。管外部分は、ループ管１１の外周面のうち第１端部２２に対応する位置に設けられる。第１熱交換器２４の管外部分は、外部の熱源７０より熱輸送管４０を介して熱（熱エネルギー）を受ける。この熱が、第１熱交換器２４の管外部分から管内部分を経由して、第１端部２２へ伝わる。すなわち、第１熱交換器２４は、ループ管１１の外部から、第１スタック２０の第１端部２２を加熱する。

第２熱交換器２５は、第１熱交換器２４と同様に、管内部分と管外部分を有する。管内部分は第２端部２３と接触し、管外部分はループ管１１の外部に位置する冷却管（図示省略）へ熱を放出する。これにより、第２熱交換器２５は、第２端部２３と熱交換を行う。冷却管には熱輸送管４０を流れる流体よりも低い所定温度（例えば、室温以下の温度）の冷却流体（例えば、水）が流れており、当該冷却流体の温度が第２熱交換器２５を介して第２端部２３へ伝わることで、第２端部２３の温度は第１基準温度Ｔｒ１に維持される。

第１熱交換器２４及び第２熱交換器２５によって、第１スタック２０の第１端部２２と第２端部２３との間の温度勾配（温度差）ｄＴ１を制御することができる。第１スタック２０の第１端部２２が温度Ｔｈ１であり、第２端部２３が温度Ｔｃ１であるとき、温度勾配ｄＴ１は、（Ｔｈ１−Ｔｃ１）である。

上記のように、第２熱交換器２５により第２端部２３の温度が第１基準温度Ｔｒ１に維持されている状態（すなわち、Ｔｃ１＝Ｔｒ１）で、第１熱交換器２４により第１端部２２が十分に加熱され、温度勾配ｄＴ１が所定の臨界点Ｃ１以上になると、第１スタック２０は自励発振をする。換言すれば、温度勾配ｄＴ１が所定の臨界点Ｃ１以上になると、第１スタック２０は熱エネルギーを音エネルギーに変換し、これにより第１スタック２０内の作動流体が振動する。この結果、ループ管１１内に定在波を含む音波が発生する。

すなわち、第１スタック２０、第１熱交換器２４及び第２熱交換器２５は、熱輸送管４０を介して伝わる熱源７０の熱をループ管１１内の作動流体の振動に変換することで音波を発生させる熱音響原動機（熱音響エンジン）として機能する。

第１熱交換器３４及び第２熱交換器３５は、第２スタック３０の第１端部３２及び第２端部３３とそれぞれ隣接する位置に設けられている。第１熱交換器３４及び第２熱交換器３５は、第１端部３２及び第２端部３３とそれぞれ熱交換を行う。

第１熱交換器３４は、微細流路３１を閉塞しない状態で第１端部３２と接触している管内部分と、ループ管１１の外周面のうち第１端部３２に対応する位置に設けられる管外部分と、を含む。第１熱交換器３４は、ループ管１１の外部と第２スタック３０の第１端部３２との間で熱を伝導することにより、第１端部３２の温度を調節する機能を有する。例えば、第１熱交換器３４は、第１端部３２の温度を所定の第２基準温度Ｔｒ２（例えば、室温）に保つ。

第２熱交換器３５は、第１熱交換器３４と同様に、管内部分と管外部分を有する。管内部分は第２端部３３と接触し、管外部分はループ管１１の外部に位置する冷却対象８０と熱伝導可能な状態で接続されている。

ループ管１１内の作動流体の振動が第２スタック３０に伝わると、第２スタック３０は、音エネルギーを熱エネルギーに変換する。これにより、第２スタック３０において、第１端部３２を低温側、第２端部３３を高温側とする温度勾配が生じる。第１端部３２は、上記のように第１熱交換器３４により所定の第２基準温度Ｔｒ２に維持されているため、第２熱交換器３５は、当該温度勾配を維持するために管外部分から冷却対象８０の熱を吸収し、管内部分を経由して第２スタック３０の第２端部３３を加熱する。これにより、冷却対象８０を冷却することができる。

すなわち、第２スタック３０、第１熱交換器３４及び第２熱交換器３５は、音波（作動流体の振動）から温度勾配を発生させる熱音響ヒートポンプとして機能する。

図２は、熱音響装置１０のうち熱補償部５０を含む部分を拡大して示す概略構成図である。熱補償部５０は、第１スタック２０が発振を開始する際に消費する熱を補償し、第１スタック２０の発振が不安定となるのを防止する機能を有する。熱補償部５０は、貯留部５１と、熱伝導部５２と、分岐管５３、５４とを有する。

貯留部５１は、加熱流体を貯留するタンクである。貯留部５１は、分岐管５３、５４を介して熱輸送管４０と並列に接続されている。貯留部５１の容積は、第１スタック２０の発振開始時に不足する熱量よりも大きな熱量を有する加熱流体が貯留されるように、適宜設定される。例えば、貯留部５１の容積は、熱輸送管４０の第４領域４４の容積よりも大きい。

分岐管５３、５４は、それぞれ熱輸送管４０の第３領域４３から貯留部５１へ分岐する配管である。分岐管５３、５４には、それぞれ逆流防止弁（図示省略）が設けられていてもよい。分岐管５３は、第３領域４３から貯留部５１に向かう方向に加熱流体を流す。分岐管５４は、貯留部５１から第３領域４３に向かう方向に加熱流体を流す。貯留部５１内には加熱流体が充満している。加熱流体は、分岐管５３、５４を介して第３領域４３と貯留部５１との間を常時出入りしているため、第３領域４３の温度と貯留部５１の温度は等しくなっている。

熱伝導部５２は、加熱流体の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料により構成される固体の部材であり、例えば金属（好ましくは、銅）である。熱伝導部５２は、単一部材により構成されてもよいし、複数の部材を組み合わせることにより構成されてもよい。熱伝導部５２は、第１部分５２１と、第２部分５２２とを有する。第１部分５２１は、図２において破線により示す部分であり、貯留部５１内に設けられる。第１部分５２１は、貯留部５１内の加熱流体と熱交換を行う。

図３は、斜め上から見た熱伝導部５２を示す斜視図である。第１部分５２１は、複数の凸部５２３を有する。複数の凸部５２３により第１部分５２１の表面積が大きくなるため、凸部５２３を設けない場合と比べ、より効率的に貯留部５１内の加熱流体と熱交換を行うことができる。なお、第１部分５２１は、薄板を蛇腹状に折りたたんだ蛇腹形状を有していてもよいし、棒材をコイル状に巻いたコイル形状を有していてもよい。

第２部分５２２は、図２において実線により示す部分であり、第３領域４３のうち第４領域４４と隣接する部分を取り囲むように設けられる。すなわち、第２部分５２２は、熱輸送管４０のうち貯留部５１が接続する位置（すなわち、分岐管５３、５４が分岐する位置）よりも第１熱交換器２４側の部分に設けられる。第２部分５２２は、熱輸送管４０内の加熱流体と熱交換を行う。なお、第２部分５２２は、第３領域４３と第４領域４４とを接続する配管そのものであってもよい。

また、第２部分５２２は、第１熱交換器２４そのものを取り囲むように設けられてもよい。この場合、第２部分５２２は、加熱流体を介さずに、第１熱交換器２４を経由して第１端部２２と熱交換を行う。

第１部分５２１と第２部分５２２は、熱伝導可能な状態で接続している。例えば、第１部分５２１の温度Ｔ１よりも第２部分５２２の温度Ｔ２が低い場合、第１部分５２１の熱が熱伝導により第２部分５２２へ伝わることで、第２部分５２２の温度が温度Ｔ２よりも高くなる。

本実施形態に係る熱補償部５０は、第１部分５２１から第２部分５２２への熱伝導を利用して、貯留部５１内に蓄えられている熱量を第１スタック２０の第１端部２２へ供給することで、第１スタック２０が発振を開始する際に消費する熱を補償することができる。詳細な作用と効果については、後述する。

図４は、熱音響装置１０のうち蓄熱部６０を含む部分を拡大して示す概略構成図である。図４では、蓄熱部６０を含む領域を部分的に断面図により示し、断面部分についてハッチングを付す。蓄熱部６０は、内部に蓄熱材６１を封入しているタンクである。蓄熱部６０は、熱輸送管４０のうち第２領域４２を取り囲むように設けられている。蓄熱部６０は、第２領域４２を流れる加熱流体の温度を蓄熱材６１の融点となる温度付近に均一化する機能を有する。

蓄熱材６１は、状態変化（例えば、液体・固体間の変化）により生じた熱の出入りを利用して蓄熱又は放熱を行う相変化材料である。換言すれば、蓄熱材６１は、潜熱により蓄熱又は放熱を行う潜熱蓄熱材（ＰＣＭ：Phase Change Material）である。蓄熱材６１は、例えば摂氏１００度以上の融点Ｔｍ１を有する材料であり、具体的には、硝酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等の塩（溶融塩）である。

熱源７０における排熱量が時間ごとに変動すると、熱輸送管４０を流れる加熱流体の温度も時間ごとに変動する。本実施形態では、第１領域４１を流れる加熱流体の温度の平均値Ｔａ１と一致する融点Ｔｍ１の蓄熱材６１を用いる。

第１領域４１から第２領域４２に流入する加熱流体の温度が平均値Ｔａ１よりも高い場合、固体状態の蓄熱材６１は第２領域４２を流れる加熱流体から伝わる熱により融解し、加熱流体の熱を潜熱として蓄える（すなわち、蓄熱する）。第１領域４１から第２領域４２に流入する加熱流体の温度が平均値Ｔａ１よりも低い場合、融解している状態の蓄熱材６１は、第２領域４２を流れる加熱流体へ潜熱として蓄熱材６１が有していた熱を伝え（すなわち、放熱し）、蓄熱材６１は凝固する。これにより、蓄熱部６０は、第２領域４２を流れる加熱流体の温度を融点Ｔｍ１付近（すなわち、加熱流体の温度の平均値Ｔａ１付近）に一定に保つことができる。

蓄熱部６０に取り囲まれた部分において、第２領域４２は蛇行して配置されている。これにより、蓄熱部６０を通過する第２領域４２の管路長を長くすることができる。管路長が長いほど、加熱流体が第２領域４２を通過する時間も長くなるため、加熱流体と蓄熱材６１との熱交換をより確実に行うことができる。これにより、加熱流体の温度をより確実に均一化することができる。

なお、第２領域４２は、毛細血管のように蓄熱部６０内において多数の管に分岐していてもよい。このように構成することで、第２領域４２において、蓄熱材６１と接する管表面の面積を大きくすることができ、加熱流体と蓄熱材６１との熱交換をより確実に行うことができる。

以上に説明したように、本実施形態に係る熱音響装置１０は、ループ管１１と、ループ管１１に設けられ、第１端部２２と第２端部２３との温度勾配ｄＴ１（≧臨界点Ｃ１）によって発振する第１スタック２０と、第１スタック２０の第１端部２２と熱交換を行う第１熱交換器２４と、第１スタック２０の第２端部２３と熱交換を行う第２熱交換器２５と、加熱流体が封入され、熱源７０から第１熱交換器２４へ加熱流体の対流により熱を輸送する熱輸送管４０と、第１スタック２０の発振開始時における第１端部２２側の温度低下を補償する熱補償部５０とを備え、熱補償部５０は、熱輸送管４０を流れる加熱流体を貯留する貯留部５１と、貯留部５１から第１熱交換器２４へ熱伝導により熱を輸送する熱伝導部５２とを有し、熱伝導部５２の熱伝導率は、加熱流体の熱伝導率よりも高い。

＜熱音響装置の作用と効果＞
熱音響装置１０において、第１スタック２０が自励発振するためには、第１スタック２０の第１端部２２の温度Ｔｈ１と第２端部２３の温度Ｔｃ１との間の温度勾配ｄＴ１を、所定の臨界点Ｃ１以上にすることが必要である。第２端部２３の温度Ｔｃ１は、上記の通り第１基準温度Ｔｒ１に維持されている状態である。このため、第１端部２２の温度Ｔｈ１が、臨界点Ｃ１と第１基準温度Ｔｒ１との和以上の温度になれば（すなわち、Ｔｈ１≧Ｃ１＋Ｔｒ１）、第１スタック２０は自励発振する。以下、臨界点Ｃ１と第１基準温度Ｔｒ１との和を「発振温度Ｔｓ１」と称する。

図５は、第１端部２２の温度Ｔｈ１を発振温度Ｔｓ１にするために必要な熱量を概略的に説明するグラフである。グラフの横軸は時間であり、時点Ｘ１は、第１スタック２０が発振を開始した時点である。時点Ｘ１以前は、第１スタック２０は発振しておらず、時点Ｘ１よりも後の時間は、第１スタック２０は発振を継続している。グラフの縦軸は熱量である。

以下、第１スタック２０の第１端部２２の温度Ｔｈ１を発振温度Ｔｓ１にするために必要な熱量を「必要熱量」と称する。第１スタック２０の発振前（時点Ｘ１よりも左側）において、必要熱量は熱量Ｑ１である。これに対し、第１スタック２０の発振直後（時点Ｘ１の右側近傍）において、必要熱量は熱量Ｑ２まで増加し、その後、必要熱量は熱量Ｑ２で一定となる。発振している状態の第１スタック２０は、加えられた熱量のうち一部の熱量ｄＱが音エネルギーへ変換されているため、熱量Ｑ２は熱量Ｑ１よりもｄＱ分だけ多い。このため、第１スタック２０の第１端部２２には、第１熱交換器２４により熱量Ｑ２以上の熱量が供給される必要がある。

図６は、第１熱交換器２４により第１端部２２へ一定の熱量Ｑ２が加えられている場合の、第１端部２２において使用される熱量の内訳を概略的に説明するグラフである。グラフの横軸は時間であり、グラフの縦軸は熱量である。グラフ線Ｆ１は、第１端部２２の温度上昇に使用される熱量を示している。グラフ線Ｆ２は、第１スタック２０の自励発振により熱エネルギーから音エネルギーへ変換される熱量（すなわち、発振に使用される熱量）を示している。

第１スタック２０の発振前において、第１端部２２へ加えられている熱量Ｑ２はすべて第１端部２２の温度上昇に使用される。これにより、第１端部２２の温度Ｔｈ１は、発振温度Ｔｓ１よりも高い温度Ｔ１になる。ここで、蓄熱部６０よりも第１熱交換器２４側の各部（熱補償部５０、第３領域４３及び第４領域４４）の温度も、温度Ｔ１とほぼ等しくなっている。

そして、時点Ｘ１において第１スタック２０が自励発振すると、グラフ線Ｆ１に加えて、グラフ線Ｆ２に示すように熱量Ｑ２の一部は発振のために使用される。このため、発振開始直後において第１端部２２の温度上昇のために使用される熱量が熱量Ｑ３まで減少する。その結果、第１端部２２の温度Ｔｈ１は、一時的に温度Ｔ２まで低下する。これに伴い、第１端部２２に近い第１熱交換器２４及び第４領域４４からも熱量が吸収され、第１熱交換器２４及び第４領域４４の温度も温度Ｔ２付近まで低下する。

ここで、温度Ｔ２が発振温度Ｔｓ１よりも低くなると、第１スタック２０における自励発振が停止してしまう。特に、熱量Ｑ２は、発振後の必要熱量と等しい熱量であるため、安定して発振が継続している場合には熱音響装置１０の変換効率が最大となる一方、何らかの外乱が熱音響装置１０に加わると、温度Ｔ２が発振温度Ｔｓ１よりも低くなるおそれが高い。このため、第１スタック２０の発振を安定して継続させるためには、発振開始直後において一時的に第１端部２２へ追加の熱量を加える必要がある。しかしながら、蓄熱材６１や加熱流体は熱応答性が比較的低く、瞬時的に第１端部２２へ追加の熱量を加えることが困難である。

本実施形態では、図２に示すように、熱補償部５０において熱伝導部５２を有する。上記のように、第１端部２２の温度が温度Ｔ２まで低下すると、第１熱交換器２４の温度もＴ２近傍まで低下する。これにより、貯留部５１側の第１部分５２１の温度Ｔ１と、第１熱交換器２４側の第２部分５２２の温度Ｔ２との間に差が生じるため、熱伝導部５２内において第１部分５２１から第２部分５２２への熱量の移動が生じる。そして、第２部分５２２から第１熱交換器２４を介して、第１端部２２へ追加の熱量を加えることができる。

特に、本実施形態に係る貯留部５１は、分岐管５３、５４により熱輸送管４０に対して並列に接続されている。このように、熱輸送管４０とは別に設けられている貯留部５１により多くの加熱流体を貯留することで、第１端部２２の温度が低下する場合であっても貯留部５１内の温度は低下しにくくなる。このため、第１部分５２１の温度も低下しにくくなり、第１部分５２１の温度と第２部分５２２の温度との間に差が生じやすくなる。これにより、熱伝導部５２において第１部分５２１から第２部分５２２への熱量の移動がより確実に生じる。この結果、第１スタック２０の第１端部２２の温度低下をより確実に抑制することができる。

また、熱伝導部５２は、加熱流体よりも高い熱伝導率を有するため、熱応答性が加熱流体よりも高い。このため、熱補償部５０により、発振開始直後において一時的に第１端部２２へ追加の熱量を加えることができる。

以上により、本実施形態に係る熱音響装置１０によれば、第１スタック２０の発振に必要な最低限の熱量を第１熱交換器２４から第１端部２２に与えることで、高い変換効率を実現しつつ、第１スタック２０における発振開始直後の第１端部２２の温度低下を熱補償部５０により補償することで、第１スタック２０における発振を安定的に継続させることができる。これにより、熱音響現象を安定的に発生させつつ、高い変換効率を有する熱音響装置１０を提供することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態に係る熱音響装置を説明した。しかしながら、本発明の実施に関してはこれに限られず、種々の変形を行うことができる。以下、本発明の変形例について、説明する。なお、以下の説明において、実施形態から変更のない部分については同じ符号を付し、説明を適宜省略する。

＜第１変形例＞
図７は、第１変形例に係る熱補償部５０ａを示す概略構成図である。上記の実施形態において、熱補償部５０には機械的・電気的要素はなく、貯留部５１と熱伝導部５２の構造的要素のみを利用して、第１端部２２へ追加の熱量を供給する。これに対し、第１変形例に係る熱補償部５０ａは、ヒータ５５を用いることで、第１端部２２へさらに追加の熱量を供給する。

熱補償部５０ａは、貯留部５１と、熱伝導部５２ａと、分岐管５３、５４と、ヒータ５５とを有する。熱伝導部５２ａは、貯留部５１内に設けられている第１部分５２１ａと、熱輸送管４０の第３領域４３のうち第１熱交換器２４側の部分に設けられている第２部分５２２とを有する。第１部分５２１ａは、円柱形状を有し、上記の実施形態のような凸部５２３はない。なお、第１部分５２１ａには、凸部５２３が設けられていてもよい。

ヒータ５５は、電源５５１と、抵抗線５５２とを有する。電源５５１から抵抗線５５２へ電力が供給されると、抵抗線５５２の温度が上昇する。抵抗線５５２は、第１部分５２１ａの周りに巻回されており、抵抗線５５２の温度上昇に伴い、第１部分５２１ａも加熱される。

本変形例では、第１スタック２０の発振開始前から電源５５１をＯＮにし、抵抗線５２２へ電力を供給する。これにより、抵抗線５５２を介して第１部分５２１ａが加熱されると、第１部分５２１ａの温度が第２部分５２２よりも高くなるため、第１部分５２１ａから第２部分５２２へ熱伝導により熱量の移動が生じる。そして、第２部分５２２から第１端部２２へ、ヒータ５５の加熱による追加の熱量を供給する。これにより、第１スタック２０の発振開始時における第１端部２２の温度低下を熱補償部５０ａにより補償することができ、第１スタック２０における発振をより安定的に継続させることができる。

電源５５１は、第１スタック２０の発振が安定して継続した後ＯＦＦにし、抵抗線５２２への電力の供給を停止する。このように制御することで、発振が安定的に継続した後は、熱源７０から供給される排熱のみにより発振を継続することができ、熱音響装置１０における変換効率を高く維持することができる。

＜第２変形例＞
図８は、第２変形例に係る熱補償部５０ｂを説明する説明図である。図８（ａ）は、熱補償部５０ｂの概略構成を示す。上記の実施形態に係る貯留部５１は、熱輸送管４０に対して並列に接続されているが、本変形例のように、貯留部は熱輸送管４０に対して直列に接続されていてもよい。

熱補償部５０ｂは、貯留部５１ｂと、熱伝導部５２ｂとを有する。貯留部５１ｂは、熱輸送管４０の第３領域４３と第４領域４４との間に直列に接続される配管であり、貯留部５１ｂそのものも熱輸送管４０の一部となっている。熱伝導部５２ｂは、貯留部５１ｂ内に設けられている第１部分５２１ｂと、第４領域４４の周りを取り囲むように設けられている第２部分５２２ｂとを有する。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の矢印Ｂの線上で切断した熱音響装置１０の構成を簡略化して示す断面図である。図８（ｂ）において、熱輸送管４０の第３領域４３における配管断面には、ハッチングを付す。また、貯留部５１ｂの内周面を破線により示す。図８（ｂ）に示すように、第３領域４３の内径ｄ１よりも貯留部５１ｂの内径ｄ２のほうが大きい。すなわち、貯留部５１ｂの断面積は、第３領域４３の断面積よりも大きい。また、第３領域４３と第４領域４４の断面積は等しいため、貯留部５１ｂの断面積は第４領域４４の断面積よりも大きい。このため、貯留部５１ｂは、第３領域４３及び第４領域４４と比べて、より多くの加熱流体を貯留することができる。

図８（ａ）を参照する。第１スタック２０において発振が開始すると、第１端部２２の温度が低下する。これに伴い、第１熱交換器２４、第４領域４４内の加熱流体の温度も低下し、第２部分５２２ｂの温度も低下する。本変形例では、貯留部５１ｂに貯留されている加熱流体が十分多いため、貯留部５１ｂ内の加熱流体が有する熱量により、第１部分５２１ｂの温度は低下しない（又は、低下する場合であっても、低下する温度はわずかである）。このため、第１部分５２１ｂの温度と第２部分５２２ｂの温度との間に差が生じ、第１部分５２１ｂから第２部分５２２ｂへ熱伝導により熱量の移動が生じる。この結果、第２部分５２２ｂから第４領域４４及び第１熱交換器２４を介して第１端部２２が加熱され、第１端部２２の温度低下が抑制される。

以上により、第１スタック２０の発振に必要な最低限度の熱量を与える場合であっても、第１スタック２０の発振開始直後の第１端部２２の温度低下が熱補償部５０ｂにより補償されることで、第１スタック２０の発振は安定的に継続することができる。これにより、熱音響装置１０において、熱音響現象を安定的に発生させつつ、高い変換効率を実現することができる。

以上のとおり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。つまり、本発明の熱音響装置は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。

１０ 熱音響装置
１１ ループ管 １２ 一方領域 １３ 他方領域
２０ 第１スタック（スタック） ２１ 微細流路
２２ 第１端部（一方側） ２３ 第２端部（他方側）
２４ 第１熱交換器 ２５ 第２熱交換器
３０ 第２スタック ３１ 微細流路
３２ 第１端部 ３３ 第２端部
３４ 第１熱交換器 ３５ 第２熱交換器
４０ 熱輸送管 ４１ 第１領域 ４２ 第２領域
４３ 第３領域 ４４ 第４領域
５０、５０ａ、５０ｂ 熱補償部 ５１、５１ｂ 貯留部
５２、５２ａ、５２ｂ 熱伝導部
５２１、５２１ａ、５２１ｂ 第１部分 ５２２、５２２ｂ 第２部分
５２３ 凸部 ５３、５４ 分岐管 ５５ ヒータ
５５１ 電源 ５５２ 抵抗線
６０ 蓄熱部 ６１ 蓄熱材
７０ 熱源 ８０ 冷却対象
Ｔｈ１ （第１端部２２の）温度
Ｔｃ１ （第２端部２３の）温度
ｄＴ１ 温度勾配
ｄ１ （第３領域４３の）内径
ｄ２ （貯留部５１ｂの）内径

Claims (7)

1. ループ管と、
   前記ループ管に設けられ、一方側と他方側との温度勾配によって発振するスタックと、
   前記スタックの前記一方側と熱交換を行う第１熱交換器と、
   前記スタックの前記他方側と熱交換を行う第２熱交換器と、
   流体が封入され、熱源から前記第１熱交換器へ前記流体の対流により熱を輸送する熱輸送管と、
   前記スタックの発振開始時における前記一方側の温度低下を補償する熱補償部と、
   を備え、
   前記熱補償部は、
   前記熱輸送管を流れる前記流体を貯留する貯留部と、
   前記貯留部から前記第１熱交換器へ熱伝導により熱を輸送する熱伝導部と、
   を有し、
   前記熱伝導部の熱伝導率は、前記流体の熱伝導率よりも高い、
   熱音響装置。
2. 前記熱伝導部の第１部分は、前記貯留部内に設けられ、
   前記熱伝導部の第２部分は、前記熱輸送管のうち前記貯留部が接続する位置よりも前記第１熱交換器側の部分、又は前記第１熱交換器に設けられる、
   請求項１に記載の熱音響装置。
3. 前記第１部分は、複数の凸部、蛇腹形状又はコイル形状を有する、
   請求項２に記載の熱音響装置。
4. 前記熱輸送管と前記貯留部とを並列に接続する分岐管をさらに備える、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱音響装置。
5. 前記貯留部は、前記熱輸送管に直列に接続し、
   前記貯留部の断面積は、前記熱輸送管の断面積よりも大きい、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱音響装置。
6. 前記熱補償部は、前記熱伝導部を加熱するヒータを有する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の熱音響装置。
7. 状態変化により生じた熱の出入りを利用して蓄熱又は放熱を行う蓄熱材を封入している蓄熱部をさらに備え、
   前記蓄熱部は、前記熱補償部よりも前記熱源側に位置する前記熱輸送管内の前記流体と熱交換を行う、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の熱音響装置。

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