JP2022065498A

JP2022065498A - 熱音響システム、熱音響システムの制御方法、及び熱音響システムの調整方法

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Publication number: JP2022065498A
Application number: JP2020174120A
Authority: JP
Inventors: 真也長谷川; Shinya Hasegawa; 英樹木村; Hideki Kimura; 麻利子千賀; Mariko Chiga; 龍之介長谷川; Ryunosuke Hasegawa
Original assignee: Tokai University
Current assignee: Tokai University
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-04-27

Abstract

【課題】出力性能を保持しつつも装置構成を任意の大きさに形成することができる熱音響システム、熱音響システムの制御方法、及び熱音響システムの調整方法を提供する。【解決手段】管路内の振動流を利用した熱音響システム１であって、熱入力により任意の管路長に設定された管路に仕事流を発生もしくは増幅させる少なくとも１つの原動用の熱音響デバイスを含む入力部２と、熱音響デバイスにより発生した仕事流を入力し、出力を取り出す出力部６と、管路Ｐに接続され振動流の仕事流と音場のうち少なくとも１つを調整する調整部１０と、管路長において決定される出力部における出力と調整部における調整量との関係に基づいて、調整部を制御して出力部からの出力を調整する制御部１２と、を備える、熱音響システムである。【選択図】図３

Description

本発明は、振動流を利用した熱音響システム、熱音響システムの制御方法、及び熱音響システムの調整方法に関する。

工場や車などの廃熱を再利用する技術が研究されている。廃熱の回生には、外燃機関を利用することが考えられる。外燃機関は、例えば、ランキンサイクルを用いる蒸気タービンや、スターリングサイクルを用いるスターリングエンジンが知られている。これらの外燃機関は、熱源から動力を取り出すように構成されている。

その他の外燃機関として、振動流を用いて仕事流と熱流のエネルギー変換を行う蓄熱器を備えた熱音響エンジンが知られている。ここでは、振動流型外燃機関のひとつとして、熱音響エンジンを例にして説明する。熱音響エンジンは、振動流の圧縮膨張がピストンの役割を担うことにより、可動部品を持たずに熱入力から仕事出力や冷却出力を得ることができる。熱音響エンジンの一般的な構造は、単数から無数の狭い流路等を備える多孔質体（蓄熱器）と、外部との吸放熱を行う一対の吸放熱部を有する熱交換器と、熱交換器の上流側と下流側に接続された作動気体が流れる管路とを備えている。この蓄熱器に臨界条件を超える所定の温度勾配（温度差）を流路軸方向に沿って与えると、仕事流の発生・増幅が行われる。

進行波音波を用いる進行波型熱音響エンジンでは、熱力学的なサイクルがスターリングサイクルに類似したエネルギー変換が行われるので、熱効率を高められる可能性がある。そのため、進行波型熱音響エンジンは可動部品を持たない、廃熱回生が可能な高効率熱機関として注目されている。

熱音響エンジンで生成した仕事流を出力として取り出す方法として、リニアモータなどの発電機を用いて発電し、入力された仕事流を電気的出力に変換することが考えられる。その他の方法として、熱音響現象を用いたヒートポンプがある。蓄熱器内の流体を音波入力などによって強制振動させると蓄熱器の両端に温度比が生じる。この音波によるヒートポンプ効果を利用すると「冷凍」や「昇温」を行うことができる。

例えば、非特許文献１には、熱音響機関で生成した音波によって「冷凍」を行う熱動作冷却器として構成された熱音響デバイスが記載されている。非特許文献２には、熱音響機関で生成した音波によって「発電」を行う熱動作発電機として構成された熱音響デバイスが記載されている。これらの熱音響デバイスに「原動機」として用いられる熱音響機関は、外燃機関であることから、廃熱回生デバイスとして現在、研究開発が進められている。

以下、常温熱交換器、蓄熱器、高温熱交換器で構成されるものを「原動機」、常温熱交換器、蓄熱器、冷凍熱交換器で構成されるものを「冷却機」とする。原動機と冷却機を組み合わせることによって可動部品を持たない冷却機を構築することが出来る。Hasegawaらは3つの原動機で駆動する熱音響冷却機の開発を行い、各原動機温度が270℃の時に冷却機温度が-107.4℃での動作を報告した（非特許文献３参照）。上述した従来型の熱音響デバイスは廃熱回生デバイスとしての研究開発が進められており、工場や船舶、自動車といった廃熱が多く排出されている設備や装置に適用されることが想定される（非特許文献４参照）。

T. Yazaki, T. Biwa, A. Tominaga, "A pistonless Stirling cooler", Appl. Phys. Lett., 80 (2002) 157-159 S. Backhaus, E. Tward, M. Petach, "Traveling-wave thermoacoustic electric generator", Appl. Phys. Lett., 85, (2004) 1085-1087 E. M. Sharify, S. Hasegawa, "Traveling-wave thermoacoustic refrigerator driven by a multistage traveling-wave thermoacoustic engine", Appl. Therm. Eng., 113 (2017), pp.791-795 未利用熱エネルギー革新的活用技術研究組合技術開発センター，"産業分野の排熱実態調査報告書"，2019年3月

上述の可動部品を持たない熱音響冷凍機や熱音響昇温機を構築する場合には、熱音響原動機と熱音響冷凍機の接続点部において音響インピーダンスが一致する必要がある。この音響インピーダンスは圧力振動と体積流速振動の比で与えられるパラメータである。従来の熱動作冷凍機や熱動作昇温機では共振によって音響インピーダンスが一致する条件が満たされるように装置形状を決定している。一般にこの装置構成は以下のようなものが多く用いられる。

１：一波長程度の長さをもつループ管内に原動機と冷凍機／昇温機を配置する構成。
２：一波長に対して十分に短い２つのループ内にそれぞれ原動機と冷凍機／昇温機を配置し、その２つのループを１／２波長程度の長さの導波管で接続する構成。
３：両端を閉じた１／２波長長さの直管の一端に熱音響原動機を配置、他端に熱音響冷凍機を配置する構成。
４：一波長に対して十分に短いループに配置された熱音響原動機と直管型の熱音響冷凍機を組み合わせた構成（全長が１／２波長長さ程度）。
５：直管型の熱音響原動機と一波長に対して十分に短いループに配置された熱音響冷凍機を組み合わせた構成（全長が１／２波長長さ程度）。

上記装置のいずれの場合でも管路内の波長は使用する作動気体の音速と共振周波数で決定される。従来型の熱音響デバイスは、共振によって管路内に形成される音響インピーダンスに合わせて動作するように管路長を設定するような装置構成に依存せざるを得ず、装置サイズに応じた設置場所を必要とする。しかしながら、熱音響機関の適用が想定される工場や船舶/自動車等の設備や装置に設置する場合には、設置可能箇所に制限があるために装置の小型化を含む装置形状の設計の自由度が求められている。

これは、熱音響原動機からの出力を発電機を用いて電力として取り出したい場合にも共通の課題である。熱音響デバイスに発電機を接続する場合にも熱音響原動機と発電機との接続点において音響インピーダンスを一致させる必要がある。また、熱音響原動機に接続される導波管は、発電機が効率よく動作する音響インピーダンスが形成するような管路長に設定される場合が多い。この場合にも、熱音響原動機が動作する音場に依存して導波管部の長さ及び装置サイズが決定される。したがって、上述の熱動作冷凍機や熱動作昇温機と同様に、限られた設置可能範囲に装置を設置するには装置が小型化されることや、装置形状を自由に設計できることが望ましい。発明者らは、熱音響デバイスの小型化や、装置形状の自由な設計について鋭意研究を続けてきた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、出力性能を保持しつつも装置構成を任意の大きさに形成することができる熱音響システム、熱音響システムの制御方法、及び熱音響システムの調整方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、管路内の振動流を利用した熱音響システムであって、熱入力により任意の管路長に設定された前記管路に仕事流を発生もしくは増幅させる少なくとも１つの原動用の熱音響デバイスを含む入力部と、前記熱音響デバイスにより発生した前記仕事流を入力し、出力を取り出す出力部と、前記管路に接続され前記振動流の仕事流と音場のうち少なくとも１つを調整する調整部と、前記管路長において決定される前記出力部における出力と前記調整部における調整量との関係に基づいて、前記調整部を制御して前記出力部からの前記出力を調整する制御部と、を備える、熱音響システムである。

本発明によれば、管路が任意の管路長に形成されていても、調整部において管路内の仕事流と音場を調整することで、出力部から所望の出力を得ることができる。本発明によれば、出力部における出力が得られる音響インピーダンスに合わせて管路の管路長を形成する必要が無く、設置対象の大きさに合わせて任意の管路長に形成することができる。

本発明は、前記管路から分岐した分岐管が形成されており、前記調整部は、前記分岐管に接続されていてもよい。

本発明によれば、管路の分岐管に調整部を接続する簡便な構成により、出力部から所望の出力を得ることができる。

本発明の前記調整部は、リニアモータを備え、前記制御部は、前記リニアモータにおける電圧の入出力を制御して、前記入力部に形成される音響インピーダンスに応じて前記管路内において前記仕事流を入出力させ、前記分岐管の接続点において、前記入力部と前記出力部とを接続可能な音響インピーダンスを形成してもよい。

本発明によれば、調整部がリニアモーターを備える簡便な構成により、入力部に形成される音響インピーダンスに応じて管路内において仕事流を入出力させることで出力部から所望の出力を得ることができる。

本発明の前記出力部は、他の熱音響デバイスを備え、前記仕事流に基づいて冷熱を出力するように構成されていてもよい。

本発明によれば、出力部に熱音響デバイスを備えることにより、入力した廃熱に基づいて冷熱を出力することができ簡便な構成により、クーラー、冷却器等を実現することができる。

本発明の前記出力部は、発電機を備え、前記仕事流に基づいて発電するように構成されていてもよい。

本発明によれば、出力部に発電機を備えることにより、入力した廃熱に基づいて電力を生成することができ簡便な構成の発電機を実現することができる。

本発明の前記出力部は、パルス管冷凍機を備え、前記仕事流に基づいて冷熱を出力するように構成されていてもよい。

本発明によれば、出力部にパルス管冷凍機を備えることにより、入力した廃熱に基づいて冷熱を出力することができ、簡便な構成により、冷凍機を実現することができる。

本発明の前記入力部は、前記管路内に仕事流を入力するリニアモーターを備えていてもよい。

本発明によれば、入力部にリニアモーターが接続されていることにより、入力部における熱音響デバイスの出力を増幅することができる。

本発明の前記管路は、一つの流路を有する直管部と、前記直管部の一端に設けられたループ状に形成された第１ループ管とを備えていてもよい。

本発明によれば、管路長を短く形成した管路を備える熱音響システムを実現できる。

本発明の前記管路は、前記直管部の他端に設けられたループ状に形成された第２ループ管を備えていてもよい。

本発明の前記管路は、ループ状に形成されていてもよい。

本発明の前記調整部は、前記管路における任意の位置に設けられていてもよい。

本発明によれば、調整部を管路における任意の位置に設けることで、熱音響システムの設計の自由度を向上させることができる。

本発明の一態様は、管路内の振動流を利用した熱音響システムの制御方法であって、少なくとも１つの原動用の熱音響デバイスを含む入力部に熱入力して任意の管路長に設定された前記管路に仕事流を発生もしくは増幅させ、前記管路長において決定される、前記仕事流を入力し出力を取り出す出力部における出力と、調整部における調整量との関係に基づいて、前記調整部により前記管路において前記振動流の仕事流と音場のうち少なくとも１つを調整し、前記出力部からの前記出力を調整する、熱音響システムの制御方法である。

本発明によれば、管路が任意の管路長に形成されていても、調整部において管路内の仕事流を調整することで、出力部から所望の出力を得ることができる。本発明によれば、設置対象の大きさに合わせて任意の管路長に形成された管路を有する熱音響システムから所望の出力を得ることができる。

本発明の一態様は、管路内を進行する振動流を利用した熱音響システムの調整方法であって、熱入力により任意の管路長に設定された前記管路に仕事流を発生もしくは増幅させる少なくとも１つの原動用の熱音響デバイスを含む入力部と、前記熱音響デバイスにより発生した前記仕事流を入力し、出力を取り出す出力部と、前記管路に接続され前記振動流の仕事流と音場のうち少なくとも１つを調整する調整部と、を備える熱音響システムにおいて、前記入力部における入力の第１検出値と、前記出力部における出力の第２検出値とを取得し、前記第１検出値と前記第２検出値とに基づいて前記調整部における入出力を調整し、前記管路長において決定される前記入力部における入力と、前記調整部における調整量と、前記出力部からの出力との関係に基づく前記調整量を決定する、熱音響システムの調整方法である。

本発明によれば、任意の管路長に形成された管路を形成した際に、管路長において決定される出力部における入力と、調整部における調整量と、出力部からの出力との関係に基づく調整量を決定することができる。

本発明によれば、出力性能を保持しつつも装置構成を任意の大きさに形成することができる。

本発明の実施形態に係る熱音響システムの構成を示す図である。管路に設けられた分岐部における作動流体の状態を示す概念図である。熱音響システムの構成を示すブロック図である。変形例１に係る熱音響システムの構成を示す図である。変形例２に係る熱音響システムの構成を示す図である。変形例３に係る熱音響システムの構成を示す図である。変形例４に係る熱音響システムの構成を示す図である。変形例５に係る熱音響システムの構成を示す図である。変形例６に係る熱音響システムの構成を示す図である。変形例７に係る熱音響システムの構成を示す図である。変形例８に係る熱音響システムの構成を示す図である。変形例９に係る熱音響システムの構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る熱音響システム及び熱音響システムの制御方法の実施形態について説明する。熱音響システムは、任意の管路長に設定された管路内の振動流を利用した熱音響システムである。本発明では熱動作、冷却機や熱動作発電機に接続される導波管が短縮、延長を含む、任意の長さに設計できる熱音響システムを提案する。熱音響システムを構成する導波管には、熱音響システムにおいて、導波管に管内の音場制御器としてリニアモーターを設置し、ドライバーもしくは発電機として動作させて音場の調整を行い、任意の出力を得る手法を提案する。

図１に示されるように、熱音響システム１は、内部に作動気体が封入された管路Ｐ（流路）と、管路Ｐに接続された第１熱音響デバイス２（入力部）と、第１熱音響デバイス２に管路Ｐを介して接続された第２熱音響デバイス６（出力部）と、管路Ｐに接続された調整部１０とを備える。熱音響システム１は、例えば、冷却機として構成されている。

管路Ｐは、設置される領域に応じて任意の管路長に形成されている。管路Ｐは、例えば、断面が円形の円管状に形成された導波管である。管路Ｐは、管軸方向に振動流が伝搬するように形成されている。なお、管路Ｐの形状は管状であればよく、例えば、断面が四角状や三角状に形成されていてもよい。管路Ｐ内に封入される作動流体は、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合気体からなる不活性気体及び空気等の振動流を伝達できる気体である。作動流体は振動流を伝達できればよく、これらの気体に限定されずに他の気体が用いられてもよいし、気体に限らず水やエタノールといった液体部を有していてもよい。

管路Ｐは、ループ状に形成された第１ループ管Ｐ１及び第２ループ管Ｐ２と、第１ループ管Ｐ１と第２ループ管Ｐ２とを接続する直管状に形成された直管部Ｐ３と、直管部Ｐ３と第１ループ管Ｐ１から分岐して形成された分岐管Ｐ４と、を備える。管路Ｐにおいて、第１ループ管Ｐ１、第２ループ管Ｐ２、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管路長は、対称性、音響インピーダンスを考慮せずに設置対象の形状に合わせて任意の長さに形成されていてもよい。

管路Ｐは、管軸が必ずしも同一面に形成されていなくてもよく、第１ループ管Ｐ１、第２ループ管Ｐ２、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管軸が３次元的に曲げられていてもよい。第１ループ管Ｐ１、第２ループ管Ｐ２は、流路がループして形成されているものであり、途中に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。また、直管部Ｐ３とは概念的な記載であり、必ずしも直線的に形成されているものだけでなく、一つの流路を有して流路において湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。分岐管Ｐ４の形状も同様に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。

直管部Ｐ３の一端には、第１ループ管Ｐ１が接続されている。直管部Ｐ３の他端には、第２ループ管Ｐ２が接続されている。直管部Ｐ３の一端には、丁字状に分岐した分岐管Ｐ４が接続されている。第１ループ管Ｐ１の流路内には、熱流から仕事流を発生させる第１熱音響デバイス２が設けられている。

第１熱音響デバイス２は、熱音響原動機である。第１熱音響デバイス２は、熱入力により熱音響現象が生じて仕事流を発生、増幅する蓄熱器３と、熱交換を行う第１熱交換器３Ｃ及び第２熱交換器３Ｄを備える。なお、第１熱音響デバイス２は、振動流を利用した原動用の熱音響デバイスであればよく、例えば、定在波型振動流や、進行波型振動流、相変化型振動流等を利用した原動用の熱音響デバイスである。

蓄熱器３は、作動気体の流線方向に沿って上流側の一端部３Ａと下流側の他端部３Ｂとの間に温度差が生じると、仕事流の発生もしくは増幅を行う。蓄熱器３の一端部３Ａには、第１熱交換器３Ｃが設けられている。蓄熱器３の他端部３Ｂには、第２熱交換器３Ｄが設けられている。

蓄熱器３は、例えば、単数から複数の小径の流路３Ｒが形成されている。流路３Ｒは、蓄熱器３において作動気体の流線方向に沿って開口するように単数から無数に設けられている。蓄熱器３は、例えば、セラミックスで形成されたハニカム構造体や、多数のステンレス鋼メッシュ薄板が積層された構造体により多数の流路３Ｒが形成される。蓄熱器３は、ガラスパイプなどの細かい流路を形成し振動流が通過できる材料であればよく、これらに限定されない。

また、流路３Ｒは発泡金属やスチールウールなどで形成される形状のほか、金属粉を充填したり凸凹のあるフィルムを丸めたり、異なる流路径（流路幅）・流路形状・厚さを持つ薄板等を組み合わせたりすることで形成されてもよい。

流路３Ｒは、例えば、断面が円管形状、平行平板形状、多角形形状、ピンアレイ形状に形成されている。流路３Ｒは、異なる流路径（流路幅）・流路形状・厚さを持つ薄板等を組合せにより複数のランダムな形状の流路を有するように形成されてもよい。流路３Ｒは、異なる流路径（流路幅）・流路形状・厚さを持つ薄板等の所定の組み合わせにより複数のパターンの形状の流路が繰り返して形成されていてもよい。蓄熱器３に温度勾配を生じさせるため、熱源からの熱量が入力される。

熱源は、雰囲気温度としての常温に対して温度差を有する熱量を供給するものである。ここで、常温とは、例えば、大気、海水、河川水、湖水、地熱等の周囲の環境により安定的に得られる温度である。常温は、雰囲気温度の他に熱源と温度差を生じさせるように安定的に熱量を供給できる他の熱源から生じる温度であってもよい。熱源は、例えば、廃熱として捨てられる未利用の熱量を利用する。熱源は、常温に対して高温の熱量を与えるものである。熱源は、熱量を得られれば、特に限定されず、例えば、太陽光や地熱等から得られる熱量や、エンジン、工場、各種施設等から発生するの熱量が利用される。熱量は、例えば、第１熱交換器３Ｃに入力される。

第１熱交換器３Ｃは、蓄熱器３の一端部３Ａにおいて熱媒体を介して熱交換を行うよう形成されている。第１熱交換器３Ｃは、蓄熱器３の一端部３Ａに常温に対して温度差を有する熱媒体を介して熱交換する。

第２熱交換器３Ｄは、蓄熱器３の他端部３Ｂにおいて熱交換を行うよう形成されている。第２熱交換器３Ｄは、蓄熱器３の他端部３Ｂに常温の熱媒体を介して熱交換する。熱量の入力方法として、蓄熱器３の一端部３Ａ側には、例えば、第１熱交換器３Ｃにより高温の熱量を供給する。第１熱交換器３Ｃには、例えば、高温の気体や液体等の熱媒体を循環させる。その一方で蓄熱器３の他端部３Ｂ側には、例えば、第２熱交換器３Ｄにより常温の熱量を供給する。第２熱交換器３Ｄには、例えば、常温の気体や液体等の熱媒体を循環させる。

この場合、高温側となる蓄熱器３の一端部３Ａ側から常温側となる蓄熱器３の他端部３Ｂ側にかけて温度勾配が生成され仕事流の発生もしくは増幅が行われる。上記方法により、蓄熱器３の一端部３Ａと他端部３Ｂとの間に温度勾配（温度差）を生じさせると、蓄熱器３において作動気体の仕事流の発生もしくは増幅が行われ、管路Ｐ内を伝搬する。管路Ｐ内を伝搬する仕事流からは、仕事を取り出すことができる。

取り出した出力は、そのまま、タービン等を動かす仕事として利用してもよいし、冷熱源、温熱源や、電気等の別の出力に変換して利用してもよい。なお、仕事流から取り出した出力の利用方法には、特に制限はなく、例えば、管路Ｐに第１熱音響デバイス２と異なる他の蓄熱器を有する作動用の第２熱音響デバイス６（他の熱音響デバイス）を用いることができる。作動用の熱音響デバイスによれば、入力された振動流の仕事を熱量に変換（ヒートポンプ効果）して取り出すことができる。

この時、作動用の第２熱音響デバイス６の蓄熱器において原動用の第１熱音響デバイス２における気体の流線方向に沿って反対方向の温度勾配を生じさせるようにヒートポンプ効果を行うため、熱音響現象を利用して入力された仕事流から熱量を取り出すことができる。

以下、作動用の第２熱音響デバイス６について説明する。上記の原動用の第１熱音響デバイス２と同一の構成については同一の名称を用い、重複する説明は適宜省略する。作動用の第２熱音響デバイス６は、原動用の第１熱音響デバイス２により発生した仕事流を入力し、出力を取り出す出力部として構成されている。

作動用の第２熱音響デバイス６は、第２ループ管Ｐ２内に設けられた蓄熱器７（第２蓄熱器）と、蓄熱器７の一端部７Ａに設けられた第３熱交換器７Ｃと、蓄熱器７の他端部７Ｂに設けられた第４熱交換器７Ｄとを備える。作動用の第２熱音響デバイス６は、例えば、冷熱を取り出すクーラーや冷却機として構成されている。蓄熱器７は、蓄冷器と呼んでもよい。

蓄熱器７には、例えば、上流側の一端部７Ａ側から原動用の第１熱音響デバイス２から生じた仕事流が入力される。

第３熱交換器７Ｃは、蓄熱器７の一端部７Ａにおいて熱交換を行うよう形成されている。第３熱交換器７Ｃは、蓄熱器７の一端部７Ａを冷却するものである。第３熱交換器７Ｃは、熱媒体を循環させ、一端部７Ａにおいて熱交換を行う。

第４熱交換器７Ｄは、蓄熱器７の他端部７Ｂにおいて熱交換を行うよう形成されている。第４熱交換器７Ｄは、例えば、蓄熱器７の他端部７Ｂから冷熱を取り出すものである。第４熱交換器７Ｄは、熱媒体を循環させ、他端部７Ｂにおいて熱交換を行う。

例えば、蓄熱器７の一端部７Ａ側に原動用の第１熱音響デバイス２からエネルギー変換により生じた仕事流が入力された場合、ヒートポンプ効果が発生し蓄熱器の流路軸方向に温度差が生じる。この時、第３熱交換器７Ｃにより一端部７Ａ側を常温の熱媒体と熱交換すると、一端部７Ａ側を基準に温度差が生じ、他端部７Ｂ側において吸熱反応が生じる。この時、他端部７Ｂ側の第４熱交換器７Ｄにより熱交換を行うと低温の熱量を取り出すことができる。この反応により、冷却機、クーラー等を構成できる。第２熱音響デバイス６は、構成されるシステムの目的に応じて発電機や昇温機に変更されてもよい。

次に、調整部１０について説明する。調整部１０は、管路Ｐ内の振動流の仕事流と音場の両方もしくはいずれか一つを調整するように構成されている。調整部１０は、管路Ｐ内に形成される音場に応じて、仕事流を入力する音響ドライバーとして動作したり、仕事流を消費する発電機として動作したりすることで音場を制御する。

以下、調整部１０が管路Ｐ内の音場を調整する場合について説明する。調整部１０は、原動用の第１熱音響デバイス２の蓄熱器３の温度比の変化に応じて制御され、作動用の第２熱音響デバイス６における出力が設定値となるように調整される。調整部１０は、例えば、リニアモータにより構成されている。調整部１０は、後述の制御部１２により制御される。

調整部１０は、分岐管Ｐ４内を往復するピストン１０Ａと、ピストンに接続されたピストンロッド１０Ｂと、ピストンロッド１０Ｂを駆動する駆動部１０Ｃと、電源１０Ｄとを備える。ピストンロッド１０Ｂは、磁性体により形成されている。駆動部１０Ｃは、電磁コイルを有し、電源１０Ｄから交流電流が入力されると交流磁界を発生させる。ピストンロッド１０Ｂは、電磁コイルの中心を摺動自在に取り付けられている。電磁コイルに交流磁界が発生すると、ピストンロッド１０Ｂが電磁コイルに対して往復運動する。

調整部１０は、駆動部１０Ｃを駆動させピストンロッド１０Ｂを往復運動させることにより、連動してピストン１０Ａを分岐管Ｐ４内において往復運動させ、管路Ｐ内に仕事流（振動流）を与える。調整部１０は、例えば、第２熱音響デバイス６に入力される仕事流と同じ周波数帯の仕事流を発生させ、管路Ｐ内の振動流の仕事流を増加させることができる。

調整部１０は、発電機として用いられてもよい。調整部１０において、分岐管Ｐ４から仕事流が入力されることにより、ピストン１０Ａが分岐管Ｐ４内において往復運動する。ピストン１０Ａの動きに連動してピストンロッド１０Ｂが往復運動することにより、交流磁界が発生し、電磁コイル内に交流電流が流れる。調整部１０は、例えば、第１熱音響デバイス２により発生する仕事流に基づいて発電し、管路Ｐ内の振動流の仕事流を減少させることができる。

調整部１０は、音場や振動流の調整が可能であれば上記の構成に限らず、部品の増減があったり構成の変更があってもよく、これに限らない。また調整部１０は、管路Ｐ内の振動流の仕事流を調整できるのであればリニアモータ以外のデバイスが用いられてもよい。

図２に示されるように、管路Ｐの分岐管Ｐ４において、作動流体の流速振幅を分けることが可能である。このとき分岐管Ｐ４における作動流体の圧力振幅は変化しない(P_engine＝P_Ref＝P_linear)。分岐管Ｐ４において作動流体の体積流速振幅の総和は保存される(U_engine=U_Ref+U_linea)。作動流体の流速振幅の分かれる割合は、管路Ｐに接続されている第２熱音響デバイス６及び調整部１０のインピーダンスＺによって決定される。

調整部１０の振動振幅は、電源１０Ｄから入力される電圧によって制御することができる。調整部１０は、発電機として用いられてもよい。調整部１０は、入出力が制御されることにより第１熱音響デバイス２と第２熱音響デバイス６との接続に必要な音響インピーダンスを共振によらずに実現することができる。この結果、調整部１０は、共振によって音響インピーダンスが実現された場合に比して短い、あるいは長い長さの管路Ｐで接続することができる。即ち、管路Ｐは、共振によって音響インピーダンスが実現された場合に比して任意の管路長に形成されていてもよい。従って、管路Ｐは、調整部１０が設けられていることにより、任意の管路長に形成することができる。

また、後述のように、出力部に発電機が接続された場合、任意の管路長に形成された管路Ｐ内において発電機が動作する音響インピーダンスになるように調整部１０の入出力を調整することで、入力部における熱音響原動機との接続を可能とする。

調整部１０の振動振幅は、熱源の温度が変化すると、原動用の第１熱音響デバイス２から出力される仕事流が変化する。この場合、調整部１０において入出力される電圧を調整して、分岐管Ｐ４の接続点における音響インピーダンスを調整し、作動用の第２熱音響デバイス６へ流れる仕事流もしくは管路の音場を任意の値に調整する。調整部１０は、リニアモータの入出力が調整されることにより、入力部に形成される音響インピーダンスに応じて、管路Ｐ内において仕事流を入出力する。調整部１０は、分岐管Ｐ４の接続点において、入力部と出力部とを接続可能な音響インピーダンスを形成する。

調整部１０における仕事流の入出力が調整されることにより、第２熱音響デバイス６における出力を任意の値に調整することができる。従って、調整部１０は、管路Ｐ内から仕事流を出力すると共に、管路Ｐ内に仕事流を入力することができる。即ち、調整部１０は、管路Ｐ内において仕事流を入出力して出力部の出力を調整する。調整部１０によれば、リニアモーターと熱動作冷却機/昇温機もしくは熱音響発電機を接合することによって共振によって決定される導波管長に依存せずに動作を行う事ができる。

熱音響システム１によれば、装置の設置範囲に合うように管路Ｐの長さを任意の長さに短縮、延長することができるため、例えば、自動車や船舶などの移動体内部において設置範囲が限られている場合や、工場、発電所等や各種施設、店舗、家屋等の建屋において設置位置が限定される場合においても熱動作冷却機・熱動作昇温機、熱動作発電機を動作させることが可能となる。

次に熱音響システム１の制御について説明する。以下、上記の構成と同一の構成については適宜説明を省略する。

図３に示されるように、熱音響システム１は、原動用の第１熱音響デバイス２（入力部）と、第１熱音響デバイス２の出力値を検出する第１検出部４と、作動用の第２熱音響デバイス６（出力部）と、第２熱音響デバイス６（出力部）の出力値を検出する第２検出部８と、管路Ｐに接続された調整部１０と、調整部１０の動作を制御する制御部１２とを備える。

なお、図３において、制御部１２を熱音響システム１に独立したシステムとして直接接続した形で記載しているが、制御部１２は、熱音響システム１に直接接続されずに、Ｗｉ－Ｆｉや無線等の通信システムによってネットワークに接続された端末装置に設けられていてもよい。また、制御部１２は、熱音響システム１内において、調整部１０、第１熱音響デバイス２、出力部（第２熱音響デバイス６）、管路Ｐのいずれかの一部として構成されてもよく、調整部を制御できれば、制御部１２の構成位置および構成方法は特に限定されない。

第１検出部４は、例えば、第１熱音響デバイス２の蓄熱器３の高温の一端部３Ａ側の温度Ｔ_Ｈ及び低温の他端部３Ｂ側の温度Ｔ_Ｃを検出する。第１検出部４により検出された第１出力値は、制御部１２に出力される。第２検出部８は、例えば、第２熱音響デバイス６の蓄熱器７の一端部７Ａ側の温度Ｔ_Ｃ及び低温の他端部７Ｂ側の温度Ｔ_Ｒを検出する。第２検出部８により検出された第２出力値は、制御部１２に出力される。

制御部１２は、第１出力値に基づいて蓄熱器３における温度比（Ｔ_Ｈ／Ｔ_Ｃ）を算出する。制御部１２は、第２出力値に基づいて蓄熱器７における温度比（Ｔ_Ｒ／Ｔ_Ｃ）を算出する。

制御部１２は、例えば、蓄熱器３における温度比及び蓄熱器７における温度比の算出結果に基づいて、蓄熱器３及び蓄熱器７から生じる出力値（仕事流）を算出する。ここで、任意の管路長に形成された管路Ｐにおける調整部１０の調整量が熱音響システム１が構成された最初の時点において設定される。以下、管路内の振動流を利用した熱音響システム１の調整方法について説明する。

作業者は、蓄熱器３の第１検出値と蓄熱器７の第２検出値とをモニタしつつ、調整部１０の調整量となる入出力値を調整する。作業者は、管路Ｐの管路長において決定される第１熱音響デバイス２（入力部）における出力と、調整部に１０おける調整量との関係を記録し、調整量と第２熱音響デバイス６（出力部）における出力との関係をマップ化し、データベース化する。データベース化は、装置構成時に制御部１２が自動調整してもよい。

即ち、作業者は、第１熱音響デバイス２（入力部）における入力の第１検出値と、第２熱音響デバイス６（出力部）における出力の第２検出値とを取得し、第１検出値と第２検出値とに基づいて調整部１０における入出力を調整する。そして、作業者は、管路Ｐの管路長において決定される第１熱音響デバイス２（入力部）における入力と、調整部１０における調整量と、第２熱音響デバイス６（出力部）からの出力との関係に基づく調整量を決定する。

制御部１２は、データベースに基づいて、管路Ｐの管路長において決定される第２熱音響デバイス６（出力部）における出力と調整部１０における調整量との関係に基づいて、調整部１０を制御して第２熱音響デバイス６（出力部）からの出力を調整する。

この時、制御部１２は、調整部１０の電源１０Ｄを制御してリニアモータの入出力を調整して、第１熱音響デバイス２（入力部）に形成される音響インピーダンスに応じて、管路Ｐ内において仕事流を入出力させ、分岐管Ｐ４の接続点において、第２熱音響デバイス６（出力部）において所望の出力が得られるように、第１熱音響デバイス２（入力部）と第２熱音響デバイス６（出力部）とを接続可能な音響インピーダンスを形成する。

上述したように、熱音響システム１によれば、管路Ｐが任意の管路長に形成されていても、調整部１０の入出力を調整することにより、従来のように管路Ｐの管路長により音響インピーダンスの共振を調整する必要がなく、第２熱音響デバイス６（出力部）において任意の出力値を出力することができる。

なお、ここまで、蓄熱器３における温度比及び蓄熱器７における温度比の算出結果に基づいた制御方法を説明をしてきたが、調整部１０は、第１熱音響デバイス２から発生する音場の変化に基づいて、制御部１２が管路Ｐ内の振動流の仕事流を減少又は増幅させてもよいし、第１検出部で第２熱音響デバイス６（出力部）の出力を検出し、出力値に基づいて制御部１２が管路Ｐ内の振動流の仕事流を減少又は増幅させてもよい。

また、ここまでは、制御部１２もしくは調整部１０の外部に検出部を有する実施例において制御方法について述べたが、必ずしも検出部を制御部や調整部の外部に設ける必要はなく、制御部１２もしくは調整部１０が検出部を兼ねていてもよい。また、第１検出部４、第２検出部８の各検出部は、温度を検出するものとしたが、これに限らず、温度以外の各種パラメータを検出するものであってもよい。

第１検出部４、第２検出部８の各検出部は、原動用の原動機の温度、冷却機の温度、原動機から出力される仕事流、管路Ｐに励起している周波数、管路Ｐにおける位相、管路Ｐにおけるインピーダンス、管路Ｐにおける振動振幅、管路Ｐにおける圧力振幅、管路Ｐにおける流速振幅の各パラメータのうち、少なくとも１つを検出してもよい。制御部１２は、検出部により検出された各種パラメータの検出値に応じて調整部１０を調整し、第２熱音響デバイス６（出力部）の出力値を調整してもよい。

さらに、制御方法は管路Ｐ内の振動流の仕事流や音場の変化について検出部からの検出と制御部１２と調整部１０からの調整からをイタレーションしながら制御を行ってもよく、もしくはパラメータ変化に応じて任意の値とするのに必要な変化パラメータに対する調整値をデータベース化しておくことで制御を行ってもよい。熱音響システム１は、データベース化された調整値を記憶する記憶部（不図示）を備えていてもよく、調整値は、ネットワークに接続されたサーバ装置（不図示）から制御部１２に提供されるものであってもよい。また、制御部１２は、ネットワークに接続された端末装置に設けられていてもよい。即ち、熱音響システム１は、ネットワークから遠隔操作されるものであってもよい。

以下、熱音響システムの変形例について説明する。以下の説明では、上記実施形態と同一の構成については同一の名称及び符号を用い、重複する説明は適宜省略する。なお、熱音響デバイスでの仕事の取り出し方は「冷却」「昇温」「発電」などが上げられる。なお、「発電」に関してはリニアモーターを用いる手法、衝動タービンを用いる手法など様々な手法が上げられるが、今回紹介する例に限らず適応可能である。以下の例では多くの例を「冷却」で説明を行うが、「冷却」を「昇温」や「発電」に置き換えることも問題ない。

［変形例１］
図４に示されるように、熱音響システム１Ａは、任意の管路長に形成された管路Ｐにおいて第１ループ管Ｐ１、第２ループ管Ｐ２、直管部Ｐ３、及び分岐管Ｐ４が形成されている。直管部Ｐ３の一端側には、第１ループ管Ｐ１が接続されている。直管部Ｐ３の他端側には、第１ループ管Ｐ１が接続されている。分岐管Ｐ４は、直管部Ｐ３の流路の途中から丁字状に分岐している。即ち、分岐管Ｐ４は、一端が直管部Ｐ３の流路の途中に接続されている。

管路Ｐにおいて、第１ループ管Ｐ１、第２ループ管Ｐ２、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管路長は、対称性、音響インピーダンスを考慮せずに設置対象の形状に合わせて任意の長さに形成されていてもよい。管路Ｐは、管軸が必ずしも同一面に形成されていなくてもよく、第１ループ管Ｐ１、第２ループ管Ｐ２、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管軸が３次元的に曲げられていてもよい。第１ループ管Ｐ１、第２ループ管Ｐ２は、流路がループして形成されているものであり、途中に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。また、直管部Ｐ３とは概念的な記載であり、必ずしも直線的に形成されているものだけでなく、一つの流路を有して流路において湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。分岐管Ｐ４の形状も同様に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。

接続点が直管部Ｐ３の流路の途中に設けられている。第１ループ管Ｐ１には、熱音響原動機となる第１熱音響デバイス２が設けられている。第２ループ管Ｐ２には、熱音響冷却機となる第２熱音響デバイス６が設けられている。分岐管Ｐ４の他端には、調整部１０が接続されている。

熱音響システム１Ａにおいては、調整部１０を第１熱音響デバイス２内に形成される音響インピーダンスに応じて、仕事流を入力するドライバーや仕事を吸収する発電機として用いる。調整部１０は、第１熱音響デバイス２と第２熱音響デバイス６とを接続可能な音響インピーダンスを、任意の管路長に形成された直管部Ｐ３と分岐管Ｐ４との接続点において発生させる。即ち、第１熱音響デバイス２と第２熱音響デバイス６とを接続可能な音響インピーダンスを発生させる接続点は、第１ループ管Ｐ１と直管部Ｐ３との接続点だけでなく（図１参照）、管路Ｐの他の任意の位置に設けられていてもよい。

管路Ｐにおいて、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管路長は、対称性、音響インピーダンスを考慮せずに設置対象の形状に合わせて任意の長さに形成されていてもよい。管路Ｐは、管軸が必ずしも同一面に形成されていなくてもよく、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管軸が３次元的に曲げられていてもよい。また、直管部Ｐ３とは概念的な記載であり、必ずしも直線的に形成されているものだけでなく、一つの流路を有して流路において湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。分岐管Ｐ４の形状も同様に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。

上述したように、熱音響原動機によって動作する熱音響冷却機に関して説明した。熱音響冷却機は、熱音響昇温機、パルス管冷却機、リニア発電機に置き換えてもよい。また、熱音響原動機や熱音響冷却機をループ管内ではなく直管部Ｐ３に配置してもよい。また、熱音響原動機のかわりに音響ドライバーを用いて仕事流の入力を行ってもよい。さらに、熱音響原動機を仕事流の発生ではなく仕事流の増幅として用いるように配置された箇所があってもよい。

［変形例２］
図５に示されるように、変形例２にかかる熱音響システム１Ｂは、管路Ｐにおいて、第２ループ管Ｐ２と、直管部Ｐ３と分岐管Ｐ４とが形成されている。直管部Ｐ３の一端側には、入力用のリニアモーター１５が接続されている。直管部Ｐ３一端側の途中には第１熱音響デバイス２が設けられている。第２ループ管Ｐ２には、第２熱音響デバイス６が設けられている。直管部Ｐ３の他端側には、第２ループ管Ｐ２が接続されている。直管部Ｐ３の途中から分岐管Ｐ４が分岐している。分岐管Ｐ４の一端側には直管部Ｐ３に接続され、他端側には調整部１０が接続されている。

管路Ｐにおいて、第２ループ管Ｐ２、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管路長は、対称性、音響インピーダンスを考慮せずに設置対象の形状に合わせて任意の長さに形成されていてもよい。管路Ｐは、管軸が必ずしも同一面に形成されていなくてもよく、第２ループ管Ｐ２、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管軸が３次元的に曲げられていてもよい。第２ループ管Ｐ２は、流路がループして形成されているものであり、途中に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。また、直管部Ｐ３とは概念的な記載であり、必ずしも直線的に形成されているものだけでなく、一つの流路を有して流路において湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。分岐管Ｐ４の形状も同様に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。

リニアモーター１５からは、管路Ｐ内に仕事流が入力される。第１熱音響デバイス２において、入力された仕事流が増幅される。増幅された仕事流は、第２熱音響デバイス６に入力され、冷却された熱を出力する。第２熱音響デバイス６における出力は、調整部１０が入出力する仕事流の調整量により調整される。熱音響システム１Ｂによれば、直管部Ｐ３に設けられた第１熱音響デバイス２側に仕事流を入力するリニアモーター１５が設けられていることにより、第１熱音響デバイス２と第２熱音響デバイス６とを接続する直管部Ｐ３の管路長を短く、あるいは長く形成することができる。

［変形例３］
図６に示されるように、変形例３にかかる熱音響システム１Ｃは、管路Ｐにおいて、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４が形成されている。直管部Ｐ３の流路の途中からは、分岐管Ｐ４が接続されている。分岐管Ｐ４の一端側は、直管部Ｐ３に接続されている。分岐管Ｐ４の他端側には、調整部１０が接続されている。直管部Ｐ３の一端側には、第１熱音響デバイス２が設けられている、直管部Ｐ３の他端側には、第２熱音響デバイス６（出力部）がパルス管冷凍機２０に置き換えられて構成されている。第２熱音響デバイス６（出力部）は、パルス管冷凍機２０を備え、仕事流に基づいて冷熱を出力するように構成されている。

パルス管冷凍機２０は、一端２１Ａ側が直管部Ｐ３の他端に接続された蓄熱器２１（蓄冷器）と、蓄熱器２１の他端２１Ｂ側に一端２２Ａが接続されたパルス管２２と、パルス管２２の他端２２Ｂ側に一端２３Ａが接続された細管２３と、細管２３の他端２３Ｂ側に接続されたタンク２４とを備える。蓄熱器２１の一端２１Ａ側には、作動流体の振動流が入力される。蓄熱器２１内部の気体は、振動に応じて圧縮と膨張を繰り返す。

パルス管２２内においては、蓄熱器２１に入力された振動に応じて気体がピストンのように往復する。パルス管２２内において、圧力振動とパルス管２２内でのガスピストンの変位との位相差に基づいて、気体が膨張する一端２１Ａ側に冷却作用が生じる。第１熱音響デバイス２に入力された熱により発生した振動流は、パルス管冷凍機２０に入力される。パルス管冷凍機２０における出力は、調整部１０が入出力する仕事流の調整量により調整される。熱音響システム１Ｃによれば、管路Ｐが直管部Ｐ３と分岐管Ｐ４とにより形成されていることにより、管路長を短く、あるいは長く形成することができる。

［変形例４］
図７に示されるように、変形例４にかかる熱音響システム１Ｄは、管路Ｐにおいて、第１ループ管Ｐ１、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４が形成されている。分岐管Ｐ４の一端側は、直管部Ｐ３の流路の途中に接続されている。分岐管Ｐ４の他端側には、調整部１０が接続されている。直管部Ｐ３の一端側には、第１ループ管Ｐ１が接続されている。第１ループ管Ｐ１には、第１熱音響デバイス２が設けられている。直管部Ｐ３の他端側には、パルス管冷凍機２０が設けられている。

管路Ｐにおいて、第１ループ管Ｐ１、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管路長は、対称性、音響インピーダンスを考慮せずに設置対象の形状に合わせて任意の長さに形成されていてもよい。管路Ｐは、管軸が必ずしも同一面に形成されていなくてもよく、第１ループ管Ｐ１、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４のそれぞれの管軸が３次元的に曲げられていてもよい。第１ループ管Ｐ１は、流路がループして形成されているものであり、途中に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。また、直管部Ｐ３とは概念的な記載であり、必ずしも直線的に形成されているものだけでなく、一つの流路を有して流路において湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。分岐管Ｐ４の形状も同様に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。

第１熱音響デバイス２に入力された熱により発生した振動流は、パルス管冷凍機２０に入力される。パルス管冷凍機２０における出力は、調整部１０が入出力する仕事流の調整量により調整される。熱音響システム１Ｄによれば、管路Ｐの管路長を短く、あるいは長く形成することができる。

［変形例５］
図８に示されるように、変形例５にかかる熱音響システム１Ｅは、管路Ｐにおいて、直管部Ｐ３、第２ループ管Ｐ２、分岐管Ｐ４が形成されている。直管部Ｐ３の一端側には、第１熱音響デバイス２が設けられている。直管部Ｐ３の他端側には、第２ループ管Ｐ２が接続されている。直管部Ｐ３の流路の途中には、分岐管Ｐ４が接続されている。第２ループ管Ｐ２には、第２熱音響デバイス６が設けられている。分岐管Ｐ４の一端側は、直管部Ｐ３の流路の途中に接続されている。分岐管Ｐ４の他端側には、調整部１０が接続されている。

第１熱音響デバイス２に入力された熱により発生した振動流は、第２熱音響デバイス６に入力される。第２熱音響デバイス６における出力は、調整部１０が入出力する仕事流の調整量により調整される。熱音響システム１Ｅによれば、管路Ｐの管路長を短く、あるいは長く形成することができる。

［変形例６］
図９に示されるように、変形例６にかかる熱音響システム１Ｆは、管路Ｐにおいて、単一のループ状に形成されたループ管Ｐ５と、ループ管Ｐ５から分岐した分岐管Ｐ４が形成されている。ループ管Ｐ５の流路の途中には、第１熱音響デバイス２と第２熱音響デバイス６が設けられている。第１熱音響デバイス２と第２熱音響デバイス６との間のループ管Ｐ５の流路の途中には、分岐管Ｐ４が接続されている。分岐管Ｐ４の一端側は、ループ管Ｐ５の流路の途中に接続されている。分岐管Ｐ４の他端側には、調整部１０が接続されている。

管路Ｐにおいて、ループ管Ｐ５、分岐管Ｐ４のそれぞれの管路長は、対称性、音響インピーダンスを考慮せずに設置対象の形状に合わせて任意の長さに形成されていてもよい。管路Ｐは、管軸が必ずしも同一面に形成されていなくてもよく、ループ管Ｐ５、分岐管Ｐ４のそれぞれの管軸が３次元的に曲げられていてもよい。ループ管Ｐ５は、流路がループして形成されているものであり、途中に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。また、分岐管Ｐ４の形状も同様に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。

第１熱音響デバイス２に入力された熱により発生した振動流は、第２熱音響デバイス６に入力される。第２熱音響デバイス６における出力は、調整部１０が入出力する仕事流の調整量により調整される。熱音響システム１Ｆによれば、管路Ｐの管路長を短く、あるいは長く形成することができる。

上述したように、熱音響システムが熱音響原動機、熱音響冷却機、昇温機、パルス管冷却機により構成されているものを例示した。熱音響システムは、入力側の熱音響原動機と出力側の発電機とを接続して構成されていてもよい。

［変形例７］
図１０に示されるように、変形例７にかかる熱音響システム１Ｇは、管路Ｐにおいて、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４が形成されている。直管部Ｐ３の一端側には、第１熱音響デバイス２が設けられている。直管部Ｐ３の他端側には、発電機５０が接続されている。発電機５０は、例えば、リニアモーターを備え、発電した電力により仕事を取り出す外部抵抗となる負荷５１が接続されている。直管部Ｐ３の流路の途中には分岐管Ｐ４が接続されている。分岐管Ｐ４の一端側に、直管部Ｐ３が接続されており、他端側には、調整部１０が接続されている。

熱音響システム１Ｇによれば、第１熱音響デバイス２に入力された熱エネルギーから仕事流を発生させ、調整部１０により調整された仕事流を発電機５０に入力して発電を行うことができる。発電機５０は、リニアモーターだけでなく、衝動タービン等の他の発電機が用いられてもく、上記実施形態に限らず適応可能である。熱音響システム１Ｇによれば、管路Ｐの管路長を短く、あるいは長く形成することができる。

［変形例８］
変形例７にかかる熱音響システム１Ｇの入力部の第１熱音響デバイス２には、仕事流を入力するリニアモーター１５が接続されていてもよい。

図１１に示されるように、変形例８にかかる熱音響システム１Ｈは、管路Ｐにおいて、直管部Ｐ３、分岐管Ｐ４が形成されている。直管部Ｐ３の一端側には、第１熱音響デバイス２が設けられている。第１熱音響デバイス２には、リニアモーター１５が仕事流を入力するように接続されている。直管部Ｐ３の他端側には、発電機５０が接続されている。発電機５０は、例えば、リニアモーターを備え、発電した電力により仕事を取り出す外部抵抗となる負荷５１が接続されている。直管部Ｐ３の流路の途中には分岐管Ｐ４が接続されている。分岐管Ｐ４の一端側に、直管部Ｐ３が接続されており、他端側には、調整部１０が接続されている。

熱音響システム１Ｈによれば、リニアモーター１５により入力された仕事流を第１熱音響デバイス２において増幅し、調整部１０により調整された仕事流を発電機５０に入力して発電を行うことができる。発電機５０は、リニアモーターだけでなく、衝動タービン等の他の発電機が用いられてもよく、上記実施形態に限らず適応可能である。熱音響システム１Ｈによれば、管路Ｐを任意の管路長に形成でき、管路Ｐを短く、あるいは長く形成することができる。

［変形例９］
図１２に示されるように、変形例９にかかる熱音響システム１Ｊは、管路Ｐにおいて、単一のループ状に形成されたループ管Ｐ５と、ループ管Ｐ５の途中に直管部Ｐ６が形成されている。ループ管Ｐ５の流路の途中には、第１熱音響デバイス２と第２熱音響デバイス６が設けられている。第１熱音響デバイス２と第２熱音響デバイス６との間のループ管Ｐ５の流路の途中には、直管部Ｐ６が形成されている。直管部Ｐ６には、調整部１１が設けられている。

管路Ｐにおいて、ループ管Ｐ５、直管部Ｐ６のそれぞれの管路長は、対称性、音響インピーダンスを考慮せずに設置対象の形状に合わせて任意の長さに形成されていてもよい。管路Ｐは、管軸が必ずしも同一面に形成されていなくてもよく、ループ管Ｐ５、直管部Ｐ６のそれぞれの管軸が３次元的に曲げられていてもよい。ループ管Ｐ５は、流路がループして形成されているものであり、途中に湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。また、直管部Ｐ６とは概念的な記載であり、必ずしも直線的に形成されているものだけでなく、一つの流路を有して流路において湾曲部や折れ曲がり部が形成されていてもよい。

調整部１１は、直管部Ｐ６内を往復する一対のピストン１１Ａと、ピストン１１Ａに接続されたピストンロッド１１Ｂと、一対のピストンロッド１１Ｂを駆動する駆動部１１Ｃと、電源１１Ｄとを備える。ピストンロッド１１Ｂは、磁性体により形成されている。駆動部１１Ｃは、電磁コイルを有し、電源１１Ｄから交流電流が入力されると交流磁界を発生させる。ピストンロッド１１Ｂは、電磁コイルの中心を摺動自在に取り付けられている。電磁コイルに交流磁界が発生すると、ピストンロッド１１Ｂが電磁コイルに対して往復運動する。この時、一対のピストンロッド１１Ｂ同士は、互いに離間及び近位する方向に往復運動する。

調整部１１は、駆動部１１Ｃを駆動させピストンロッド１１Ｂを往復運動させることにより、連動してピストン１１Ａを分岐管Ｐ４内において往復運動させ、管路Ｐ内に仕事流（振動流）を与える。調整部１１は、例えば、第２熱音響デバイス６に入力される仕事流と同じ周波数帯の仕事流を発生させ、管路Ｐ内の振動流の仕事流を増加させることができる。また、調整部１１は管路Ｐ内の仕事流（振動流）を受け発電機として動作することで仕事流を減少させてもよい。

第１熱音響デバイス２に入力された熱により発生した振動流は、第２熱音響デバイス６に入力される。第２熱音響デバイス６における出力は、調整部１１が入出力する仕事流の調整量により調整される。熱音響システム１Ｊによれば、管路Ｐの管路長を短く、あるいは長く形成することができる。

上述した実施形態の熱音響システムによれば、第１熱音響デバイス２（入力部）及び第２熱音響デバイス６（出力部）において共振によって音響インピーダンスが一致する条件が満たされるように管路Ｐの管路長が調整されていなくても、調整部１０が管路Ｐ内において仕事流を入出力することにより、任意の管路長に形成された管路Ｐにおいて第２熱音響デバイス６（出力部）から所望の出力を得ることができる。実施形態の熱音響システムによれば、管路Ｐを従来よりも短く、あるいは長く形成することができ、設置対象の形状に合わせて自由に設計ができる。

上述したように、実施形態に係る熱音響システムは、調整部を接続することが可能であれば様々な装置構成により実現される。また、実施形態に係る熱音響システムは、設計要素として存在する以下のパラメータに関わらず適用可能である。
（１）作動気体の種類、平均圧力
（２）蓄熱器の流路径、長さ、材質
（３）管路の大きさ、長さ、形状（円管、矩形管）
（４）原動機、冷却機位置での断面積変化の有無
（５）管路断面積変化の有無
（６）熱音響デバイス内における原動機の数
（７）熱音響デバイス内における冷却機、発電機など仕事の取り出し口の数

また、上記実施例については原動機がループ管や直管内に設置される構成であったが、仕事流の増幅・発生が可能であればこの形状に限らず、第１熱音響デバイス２（入力部）である熱音響原動機、制御部、調整部、検出部、第２熱音響デバイス６（出力部）の形状や数および組み合わせおよび配置によらず実施例の形状に限定されない。さらに、振動流の発生自体を熱音響原動機から行わず、振動流の入力源があってもよい。

以上のように、熱音響現象を例に説明を行ったが、本発明は、熱音響現象に基づいた熱音響機関に限定されず、流体の振動流を利用する蓄熱器を備えるスターリングエンジン、パルス管冷凍機、ＧＭ冷凍機、スターリングクーラー、ヒートパイプ、熱音響機関等のエネルギー変換装置に適用可能である。

以上では、制御要素として仕事流を例に説明を行ったが、制御要素として存在する以下のパラメータに関わらず適用可能である。
（１）周波数
（２）位相
（３）インピーダンス
（４）振動振幅
（５）圧力振幅
（６）流速振幅

１、１Ａ－１J 熱音響システム、２第１熱音響デバイス（入力部）、３蓄熱器、３Ａ一端部、３Ｂ他端部、３Ｃ第１熱交換器、３Ｄ第２熱交換器、３Ｒ流路、４第１検出部、６第２熱音響デバイス、６第２熱音響デバイス（出力部）、７蓄熱器、７Ａ一端部、７Ｂ他端部、７Ｃ第３熱交換器、７Ｄ第４熱交換器、８第２検出部、１０調整部、１０Ａピストン、１０Ｂピストンロッド、１０Ｃ駆動部、１０Ｄ電源、１２制御部、１５リニアモーター、２０パルス管冷凍機、２１蓄熱器、２１Ａ一端、２１Ｂ他端、２２パルス管、２２Ａ一端、２２Ｂ他端、２３細管、２３Ａ一端、２３Ｂ他端、２４タンク、５０発電機、５１負荷、Ｐ管路、Ｐ１第１ループ管、Ｐ２第２ループ管、Ｐ３直管部、Ｐ４分岐管、Ｐ５ループ管

Claims

管路内の振動流を利用した熱音響システムであって、
熱入力により任意の管路長に設定された前記管路に仕事流を発生もしくは増幅させる少なくとも１つの原動用の熱音響デバイスを含む入力部と、
前記熱音響デバイスにより発生した前記仕事流を入力し、出力を取り出す出力部と、
前記管路に接続され前記振動流の仕事流と音場のうち少なくとも１つを調整する調整部と、
前記管路長において決定される前記出力部における出力と前記調整部における調整量との関係に基づいて、前記調整部を制御して前記出力部からの前記出力を調整する制御部と、を備える、
熱音響システム。
前記管路から分岐した分岐管が形成されており、
前記調整部は、前記分岐管に接続されている、
請求項１に記載の熱音響システム。
前記調整部は、リニアモータを備え、
前記制御部は、前記リニアモータにおける電圧の入出力を制御して、前記入力部に形成される音響インピーダンスに応じて前記管路内において前記仕事流を入出力させ、前記分岐管の接続点において、前記入力部と前記出力部とを接続可能な音響インピーダンスを形成する、
請求項２に記載の熱音響システム。
前記出力部は、他の熱音響デバイスを備え、前記仕事流に基づいて冷熱を出力するように構成されている、
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
前記出力部は、発電機を備え、前記仕事流に基づいて発電するように構成されている、
請求項１から４のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
前記出力部は、パルス管冷凍機を備え、前記仕事流に基づいて冷熱を出力するように構成されている、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
前記入力部は、前記管路内に仕事流を入力するリニアモーターを備える、
請求項１から６のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
前記管路は、一つの流路を有する直管部と、
前記直管部の一端に設けられたループ状に形成された第１ループ管とを備える、
請求項１から７のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
前記管路は、前記直管部の他端に設けられたループ状に形成された第２ループ管を備える、
請求項８に記載の熱音響システム。
前記管路は、ループ状に形成されている、
請求項１から９のうちいずれか１項に記載の熱音響システム。
前記調整部は、前記管路における任意の位置に設けられている、
請求項１に記載の熱音響システム。
管路内の振動流を利用した熱音響システムの制御方法であって、
少なくとも１つの原動用の熱音響デバイスを含む入力部に熱を入力して任意の管路長に設定された前記管路に仕事流を発生もしくは増幅させ、
前記管路長において決定される、前記仕事流を入力し出力を取り出す出力部における出力と、調整部における調整量との関係に基づいて、前記調整部により前記管路において前記振動流の仕事流と音場のうち少なくとも１つを調整し、前記出力部からの前記出力を調整する、
熱音響システムの制御方法。
管路内の振動流を利用した熱音響システムの調整方法であって、
熱入力により任意の管路長に設定された前記管路に仕事流を発生もしくは増幅させる少なくとも１つの原動用の熱音響デバイスを含む入力部と、
前記熱音響デバイスにより発生した前記仕事流を入力し、出力を取り出す出力部と、
前記管路に接続され前記振動流の仕事流と音場のうち少なくとも１つを調整する調整部と、を備える熱音響システムにおいて、
前記入力部における入力の第１検出値と、前記出力部における出力の第２検出値とを取得し、
前記第１検出値と前記第２検出値とに基づいて前記調整部における入出力を調整し、
前記管路長において決定される前記入力部における入力と、前記調整部における調整量と、前記出力部からの出力との関係に基づく前記調整量を決定する、
熱音響システムの調整方法。