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JP5616287B2 - Method for producing a thermoacoustic device stack and thermoacoustic device stack - Google Patents

Method for producing a thermoacoustic device stack and thermoacoustic device stack

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JP5616287B2
JP5616287B2 JP2011108464A JP2011108464A JP5616287B2 JP 5616287 B2 JP5616287 B2 JP 5616287B2 JP 2011108464 A JP2011108464 A JP 2011108464A JP 2011108464 A JP2011108464 A JP 2011108464A JP 5616287 B2 JP5616287 B2 JP 5616287B2
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晃洋 鴻野
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守 水沼
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昌幸 津田
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本発明は、熱音響効果を用いて管内の流体に温度勾配を与えて振動させたり、流体に与えた振動から温度勾配を得る熱音響装置に用いる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法に関するものである。 The present invention uses a thermoacoustic effect in the tube or by vibrating giving a temperature gradient in the fluid, the thermoacoustic device stack and thermoacoustic device stack used in thermoacoustic device to obtain a temperature gradient from the vibration imparted to the fluid a method for manufacturing.

細い流路の中にある作業流体に対して、ある臨界値以上の温度勾配を与えると、流路の壁と作業流体との熱交換によって「熱音響自励振動」と呼ばれる振動現象が現れることが知られている。 To the working fluid present in the narrow channel, given a temperature gradient of more than a certain critical value, the vibration phenomenon called "thermoacoustic self-oscillating" by the heat exchange with the wall and the working fluid passages appears It has been known. このような熱音響現象は、作業流体に温度勾配を与えて熱から流体振動(音波)を行う熱音響原動機(熱音響エンジン)や、流体振動(音波)から温度勾配を生じさせる熱音響ヒートポンプといった熱音響装置に利用されている。 Such thermoacoustic phenomena, and thermoacoustic prime mover to perform fluidic oscillator (the wave) from the heat giving a temperature gradient to the working fluid (thermoacoustic engines), such as thermoacoustic heat pump to generate a temperature gradient from the fluid vibration (sound wave) It is utilized in thermoacoustic device. また、この熱音響装置を基本要素として、熱音響原動機により生ずる音波を、すなわち機械的振動から電力へとエネルギー変換を行う熱音響発電機や、流体振動(音波)によって生じた温度勾配を介して加熱または冷却するというエネルギー変換を行う熱音響冷却装置について、現在盛んに研究開発がされている(例えば、非特許文献1,2参照。)。 Further, the thermoacoustic device as basic elements, a wave generated by thermoacoustic prime mover, i.e. and thermoacoustic power generator for performing energy conversion into electric power from mechanical vibration, via the temperature gradient caused by the fluid vibration (sound wave) for thermoacoustic cooling system for performing energy conversion of heating or cooling, it is currently active research and development (for example, see non-Patent documents 1 and 2.).

例えば、非特許文献1には、熱音響自励振動を利用した装置として、熱音響エンジンが開示されている。 For example, Non-Patent Document 1, as an apparatus utilizing the thermoacoustic self-excited vibration, thermoacoustic engine is disclosed. 図14に示す熱音響エンジン100は、作業流体110を封入した管101と、この管101内部に設けられ小さな流路を有するスタック(蓄熱器)102と、管101内部においてスタック102をその管101の軸線方向の両側から挟むように設けられ、スタック102に温度勾配を与える高温側熱交換器103および低温側熱交換器104とを備えている。 Thermoacoustic engine 100 shown in FIG. 14, a tube 101 enclosing a working fluid 110, a stack (regenerator) 102 having a small flow path is provided inside the tube 101, the tube 101 stack 102 inside tube 101 It provided so as to sandwich from both sides in the axial line direction, and a hot side heat exchanger 103 and the cold-side heat exchanger 104 providing a temperature gradient in the stack 102. また、管101外部において、高温側熱交換器103の側には高温熱源105、低温側熱交換器104の側には低温熱源106が設けられている。 Further, in the tube 101 external, high-temperature heat source 105 to the side of the high-temperature side heat exchanger 103, on the side of the low-temperature heat exchanger 104 and cold heat source 106 is provided. このように、図14に示す熱音響エンジン100は、ガソリンエンジンなどに用いられるピストンやバルブなどの可動部品を有しておらず、管101内部に封入された作業流体110のみが動くものである。 Thus, thermoacoustic engine 100 shown in FIG. 14, in which does not have moving parts such as pistons and valves used like a gasoline engine, only working fluid 110 sealed therein the tube 101 moves .

ここで、スタック102は、上述した流路となる管101の軸線方向に沿った多数の貫通孔102aを備えており、この貫通孔102a内部に流入した作業流体110と、その壁面102bとの間で熱交換を行うことにより、蓄熱器、蓄冷器、再生器などとして機能する。 Here, the stack 102 comprises a number of through-holes 102a in the axial direction of the tube 101 to be the above-mentioned flow path, the working fluid 110 flows into the through-hole 102a, between the wall 102b in by performing heat exchange, heat accumulator, cold accumulator, to function as a playback device. このように、スタック102の役割は、作業流体110と熱的相互作用を行う壁面102bを提供することにあって、熱と振動のエネルギー変換はそのスタック102内部で行われる。 Thus, the role of the stack 102 is to provide, for providing a wall surface 102b of performing thermal interaction with the working fluid 110, the energy conversion heat and vibration is internal stack 102 thereof. そのエネルギー変換の効率を向上させるには、壁面102bを多く形成すればよいので、貫通孔102aの直径は後述するように1[mm]以下という小さな値に設定されている。 In that improve the efficiency of energy conversion, it is sufficient many forming wall 102b, the diameter of the through hole 102a is set to a small value of 1 [mm] or less, as described later. このため、熱音響現象を用いた装置のスタックには、金網や金属製不織布などの金属製メッシュを積層させたものや貫通孔がハニカム状に形成されたセラミックスなどがよく用いられている。 Therefore, the stack apparatus using the thermoacoustic phenomena, such as a ceramic metal mesh that is laminated and a through hole, such as wire mesh or metal nonwoven fabric is formed in a honeycomb shape is often used.

このような構造を有する熱音響エンジンは、管101の形状が異なる3種類の方式が提案されている。 Such thermoacoustic engines having structures have been proposed three different methods tubular shape 101. すなわち、図15Aに示すように、直線状の管の中に熱音響自励振動によって発生する定在波音波を利用する直管方式と、図15Bに示すように、ループ状の管の中に熱音響自励振動によって発生する進行波音波を利用するループ管方式と、図15Cに示すように、直線状とループ状の管を組み合わせた枝管付きループ管方式とが提案されている。 That is, as shown in FIG. 15A, a straight pipe type using a standing wave waves generated by thermoacoustic self-excited vibration in the straight pipe, as shown in FIG. 15B, in a loop-shaped tube a loop tube system utilizing a traveling wave waves generated by thermoacoustic self-excited vibration, as shown in FIG. 15C, there has been proposed a branch pipe with loop-tube type which is a combination of linear and looped tubes. これらのうち、図15Bに示すループ管方式は、熱から流体振動への変換効率が熱力学的な上限値(理想的なカルノー効率)に近いことが理論的に示されている。 Of these, the loop pipe system shown in FIG. 15B, it conversion efficiency from heat to the fluid vibration is close to the thermodynamic limit (ideal Carnot efficiency) is shown theoretically. 一方、図15Aに示す直管方式では、音圧と粒子速度とが位相差π/2だけずれた定在波が生じるため、不可逆的な熱交換による時間遅れが生じて波動によるエネルギー輸送量が非常に小さいので、熱から音波への変換効率が熱力学的な上限値と比べて低いとされている。 On the other hand, in the straight tube type shown in FIG. 15A, since the standing wave and the sound pressure and particle velocity is shifted by the phase difference [pi / 2 occurs, energy transport amount of the wave occurs a time delay due to irreversible heat exchange so small, the conversion efficiency to the sonic from the heat is lower than the thermodynamic limit.

上述した熱音響装置の応用分野として、工場からの排熱や自動車のエンジンからの排熱などの回収利用が挙げられているが、大規模設備を集約できる工場や発電所などからの排熱を回収するプラントでの応用を除けば、装置自体ができる限り小型であることが望ましい。 As an application field of the above-described thermoacoustic device, although recovery and utilization, such as waste heat from waste heat or automobile engine from the factory are mentioned, the exhaust heat from factories and power stations that can be aggregated large capital except for applications in plant for recovery, it is desirable that small as possible device itself. また、排熱を熱源とするので、その排熱温度が比較的高温ではないことが多いので、できる限り低い温度の熱源で熱音響自励振動が起こることが望ましい。 Further, since the waste heat as a heat source, since it is often the exhaust heat temperature is not at a relatively high temperature, it is desirable to thermoacoustic self-excited vibration at low temperatures of the heat source as possible occurs. なお、低温熱源(ヒートシンク)の温度は、環境温度、すなわち室温を想定している。 The temperature of the low temperature heat source (heat sink) is ambient temperature, that is assumed to room temperature.

図15Bに示すようなループ管方式の場合、熱から音響への変換効率が高いものの、ループ状の管内を最低一波長分の長さの音波が進行しなければならないので、装置が大型になりやすい。 If the loop pipe system as shown in FIG. 15B, although a high conversion efficiency from thermal to sound, since sound waves of a minimum length of one wavelength loop-shaped tube must travel, apparatus becomes large Cheap. 例えば、ループ状の管の音響回路長をLとすると、1気圧、25[℃]前後での音速cが約340[m/sec]であるので、振動周波数νが100[Hz]程度の音波の場合、その進行波の波長λtは3.4[m]程度となる(例えば、非特許文献3参照。)。 For example, when the acoustic circuit length of the looped tube and L, 1 atm, 25 so [℃] sound velocity c in the longitudinal is about 340 [m / sec], oscillation frequency ν of about 100 [Hz] waves for, the its wavelength λt of the traveling wave is 3.4 [m] degree (for example, see non-Patent Document 3.). ループ状の管は最低一波長分の長さを必要とするので、必然的に管長が3.4[m]程度の大きな装置とならざるを得ない。 Since the loop-shaped tube that requires a minimum length of one wavelength, inevitably necessarily tube length 3.4 [m] about a large device with. そこで、振動周波数νを5倍の500[Hz]とすると、長さ68[cm]程度のループ管(L=λt=c/ν=34000[cm/sec]÷500[Hz]=68[cm])となり、30[cm]の直線状の管2本と4[cm]の半円状の管2本から構成されたやや小型の装置とすることができる。 Therefore, when a 500 [Hz] of 5 times the vibration frequency [nu, length 68 [cm] order of the loop tube (L = λt = c / ν = 34000 [cm / sec] ÷ 500 [Hz] = 68 [cm ]), and may be somewhat smaller devices constructed from semi-circular tubes two 30 [two straight tube cm] and 4 [cm]. このように、管路長Lは熱音響装置の占有体積に影響を及ぼすので、管路長Lを短縮することにより熱音響装置の小型化の実現が可能となる。 Thus, the pipe length L so influence the occupied volume of the thermoacoustic apparatus, realization of miniaturization of thermoacoustic device becomes possible by reducing the pipe length L.

一方、図15Aに示すような直管方式の場合には、熱から音響への変換効率がループ管の理想効率には至らないものの、直管であるがゆえに小型化を容易に実現できる。 On the other hand, in the case of the straight pipe system as shown in FIG. 15A, although the conversion efficiency from the heat to the acoustic does not reach the ideal efficiency of a loop tube, it can easily be realized but because miniaturization is straight tube. これは、片側が閉ざされた直管内に励起される気柱共鳴定在波の波長λsが、管路長の4倍となるからである(λs=4L)。 This wavelength [lambda] s of the air column resonance standing wave excited to a straight tube side is closed is because the 4 times the pipe length (λs = 4L). したがって、直管方式の場合には、大きさと占有面積のいずれも小さくすることが可能である。 Therefore, in the case of straight tube type, it is possible to reduce any size and occupied area.

ところが、ループ管方式および直管方式のいずれの場合も、小型化しようとすればするほど、管路長Lを短縮しなければならないので、必然的に直管内またはループ管内に自励する音波(音響振動)の波長が短くなるため、高周波の定在波または進行波を励起しなければならない。 However, in either case of loop-tube type and straight type, more you try to compact, since they must be shortened pipe length L, inevitably sound waves self-excited immediately pipe or loop vessel ( since the wavelength of the acoustic vibration) is shortened, it must excite a standing wave or traveling wave high frequency. 作業流体110によって励起される音響振動が、管路長に応じた周波数からなる定在波または進行波を含むからである。 Acoustic vibrations excited by the working fluid 110 is because including a standing wave or traveling wave consists of a frequency corresponding to the pipe length. したがって、作業流体110と貫通孔102aの壁面102bとの間のエネルギー交換を担うスタック102において、貫通孔102aの半径rで定まる熱緩和時間τ[sec]と、管路の長さL[m]とから定まる自励振動角周波数ω[rad/sec](=2πν[Hz])との関係が重要となる。 Accordingly, the stack 102 responsible for energy exchange between the wall surfaces 102b of the working fluid 110 through hole 102a, the thermal relaxation time τ and [sec] determined by the radius r of the through hole 102a, the length of the pipe L [m] relationship between the self-oscillation angular frequency ω [rad / sec] (= 2πν [Hz]) is important which is determined by the. すなわち、作業流体110と壁面102bとの間で熱交換が行われるには、作業流体110の熱伝導率κ[W/m・K]、密度ρ[kg/m 3 ]および定圧比熱c p [kJ/kg・K]により定まる熱拡散係数α(=κ/ρc p )[m 2 /sec]、並びに、貫通孔102aの流路半径rから決まる熱緩和時間τ= r 2 /(2α)[sec]程度の相互作用時間が必要となる。 That is, the heat exchange is performed between the working fluid 110 and the wall surface 102b, the thermal conductivity of the working fluid 110 κ [W / m · K ], the density ρ [kg / m 3] and specific heat at constant pressure c p [ kJ / kg · K] thermal diffusion coefficient determined by α (= κ / ρc p) [m 2 / sec], and the thermal relaxation time τ = r 2 / (2α) determined by the channel radius r of the through hole 102a [ sec] about the interaction time is required. 角周波数ωが高く、ωτ≫1となる場合、壁面102bと作業流体110との熱交換はほとんど行われず、断熱過程となるので、貫通孔102a内を断熱音波が伝搬することとなる。 Angular frequency ω is high, if the Omegatau»1, heat exchange between the wall 102b and the working fluid 110 is not almost performed, since the adiabatic process, the through hole 102a so that the adiabatic sound wave propagates. 一方、角周波数ωが低く、ωτ≪1となる場合、壁面102bと作業流体110との間で熱交換が十分に行われ、等温過程となる。 On the other hand, the angular frequency ω is low, if the Omegatau«1, heat exchange is sufficiently performed between the wall 102b and the working fluid 110, the isothermal process. 非特許文献1によれば、熱音響自励振動が効率よく起こるのは、そのωτの値がほぼ1〜10の間にあるときである。 According to Non-Patent Document 1, the thermoacoustic self-excited vibration occurs efficiently, the value of the ωτ is when it is between approximately 1 and 10. 非特許文献2に開示された熱音響理論によれば、図16A、図16Bに示すように、自励開始温度とωτとの関係は、最小値を有することが示されている。 According to thermoacoustic theory disclosed in Non-Patent Document 2, as shown in FIG. 16A, FIG. 16B, the relationship between the self-excited starting temperature and ωτ has been shown to have a minimum value. 図16Aでは、自励開始温度を、高温熱源の絶対温度T Hと低温熱源の絶対温度T Cとの温度比(T H /T C )により、またωτの代わりにその平方根を取ったr/δ αによって示している。 In Figure 16A, the self-starting temperature, the temperature ratio of the absolute temperature T C of the absolute temperature T H and the low temperature heat source high-temperature heat source by (T H / T C), also took the square root instead of .omega..tau r / It shows by [delta] alpha. これは、下式(1)に基づくものである。 This is based on the following equation (1). なお、下式(1)において、δ αは音波を担う作業流体110の熱境界層厚さを表している。 Note that in the following equation (1), [delta] alpha represents the thermal boundary layer thickness of the working fluid 110 responsible for sound waves.

ωτ=ω・(r 2 /2α)={r/(2α/ω) 1/22 =(r/δ α2・・・(1) ωτ = ω · (r 2 / 2α) = {r / (2α / ω) 1/2} 2 = (r / δ α) 2 ··· (1)

この式(1)からすると、熱音響自励振動により共鳴する管101の管路長(L=ループ管内の進行波の波長λt、または、4L=直管内の定在波の波長λs)から定まるω(=2πν=2πc/λ)に対して、自励開始温度比(T H /T C )が最小となる最適のωτの値があることがわかる。 From this equation (1), determined from the line length of the tube 101 to be resonant with thermoacoustic self-excited oscillation (L = wavelength λt of the traveling wave in the loop tube or, 4L = wavelength λs of the standing wave linear tube) ω relative (= 2πν = 2πc / λ) , self-starting temperature ratio (T H / T C) it is found that a value of optimal ωτ to be minimized. 上述したように、管路長Lが短くなれば、ωが大きくなり、これに伴ってτが小さくなるので、スタック102の貫通孔102aの半径rも小さくなければならない。 As described above, shorter the pipe length L, omega increases, since τ is reduced along with this, must be smaller radius r of the through hole 102a of the stack 102. 非特許文献2によれば、図16A,図16Bは管の長さLが30[mm]、管の径が10[mm]、スタックの長さが3[mm]であり、貫通孔102aの半径rを計算で求める設計パラメータとしたときの値を示している。 According to Non-Patent Document 2, FIG. 16A, FIG. 16B is the length L of the tube 30 [mm], the diameter of the tube 10 [mm], the length of the stack is 3 [mm], the through hole 102a shows a value when the design parameters for determining the radius r in the calculation. また、作業流体110は大気圧(101[kPa])の窒素(ほぼ空気と同じ)とされ、低温熱源の温度T Cが300[K](ほぼ室温の27℃)の場合を想定したものである。 Further, the working fluid 110 is a nitrogen atmosphere (101 [kPa]) (about the same as air), assumes a case where the temperature T C of the cold heat source of 300 [K] (at about room temperature of 27 ° C.) is there. 図16Aによれば、上記条件で計算された熱音響装置において自励開始温度が最も低くなるのは、r/δ αが3程度のときである。 According to FIG. 16A, the self-excited initiation temperature is the lowest in the thermoacoustic device calculated under the above conditions, r / δ α is time of about 3. このとき、この直管方式の熱音響装置内に定在波音波が励起され、定在波音波によるエネルギー変換がωτ=(r/δ α2 =1〜10で行われていることを意味している。 In this case, it means that the standing wave waves thermoacoustic device of straight pipe type is excited, the energy conversion by standing wave waves is performed in ωτ = (r / δ α) 2 = 1~10 are doing. この場合の最低自励開始温度比は1.4、高温熱源の温度T Hはおおよそ150℃=420[K]となり、自励振動の周波数は図16Bより3[kHz]となる。 From self-initiation temperature ratio in this case is 1.4, the temperature T H of the high-temperature heat source is approximately 150 ℃ = 420 [K], and the frequency of self-excited vibration becomes 3 [kHz] From FIG. 16B. この周波数での熱境界層厚δ αは0.048[mm]となり、r/δ αの値が3の場合の条件を用いると、最適な貫通孔102aの直径が約0.144[mm]となる。 Thermal boundary layer thickness at this frequency [delta] alpha is 0.048 [mm], and the the value of r / [delta] alpha is used condition in the case of 3, the diameter of the optimum through-hole 102a is about 0.144 [mm] to become. これは極めて小さな値である。 This is a very small value.

これらを踏まえた上で熱音響装置の小型化について検討すると、小型化することにより自励振動周波数が高周波になるので、ωτの値を1〜10程度に保つには、対応する熱緩和時間τを短くする必要がある。 Considering the size of the thermoacoustic device On the basis of these, the self-oscillation frequency by miniaturization becomes a high frequency, to keep the value of ωτ to about 1 to 10, the corresponding thermal relaxation time τ the it is necessary to shorten. ところが、作業流体110の比熱、熱伝導率、密度といった熱物性値がさほど大きく変動しないので、τを短くするにはスタックの貫通孔102aの半径rを小さくしなければならない。 However, the specific heat of the working fluid 110, the thermal conductivity, since the thermal property value does not vary so large such density, the shorter τ must be small radius r of the through hole 102a of the stack. そこで、想定しうる作業流体110と、この作業流体110に対応する熱境界層の厚さの概算値の関係を図17に示す。 Therefore, the working fluid 110 assumable shows the relationship approximate value of the thickness of the thermal boundary layer that corresponds to the working fluid 110 in Figure 17. この図17は、1気圧の大気(空気)を作業流体とする構成であって、例えば自励振動周波数ωを400[Hz]と仮定した場合、波長λsが約85[cm]、管101の片側を閉じた直管の場合にはλs=4Lなので、管101の長さLは約21.3[cm]となるので、貫通孔102aの直径は0.789[mm]程度となる。 FIG 17 is a configuration in which the working fluid air (air) of 1 atm, for example, when the self-oscillation frequency ω assuming 400 [Hz], wavelength λs of about 85 [cm], the tube 101 in the case of straight tube closed on one side is because [lambda] s = 4L, the length L of the tube 101 is about 21.3 [cm], the diameter of the through hole 102a becomes 0.789 [mm] degree. このように、小型の熱音響装置を実現するには、直径1[mm]以下の貫通孔102aを多数備えたスタック102を設けなければならない。 Thus, to reduce the size of the thermoacoustic apparatus, it must be provided a stack 102 having a number of diameter 1 [mm] or less of the through hole 102a.

また、熱音響自励振動は、高温(温度T H )側熱交換器103と低温(温度T C )側熱交換器104との間に挟まれた長さLsのスタック102における温度勾配ΔT{=(T H −T C )/Ls}がある臨界値(ΔT)critを越えた際に起こることが知られている。 Further, thermoacoustic self-excited vibration is high temperature (T H) the temperature gradient in the stack 102 of length Ls sandwiched between the heat exchanger 103 and the low temperature (temperature T C) heat exchanger 104 [Delta] T { = (T H -T C) / Ls} is to occur when exceeding a critical value ([Delta] T) crit is known that. したがって、ΔT > (ΔT)critを満足するように温度スケーリングを行うことによって、すなわち、スタックの長さLsを短くすることで、高温側熱交換器102の温度T Hをより低い温度へとスケールできると考えられる。 Therefore, by performing the temperature scaled to satisfy ΔT> (ΔT) crit, i.e., by shortening the length Ls of the stack, the temperature T H of the high-temperature side heat exchanger 102 to a lower temperature scale It is considered to be.

実際、図18はスタックの長さと自励開始温度比の関係を示すものであるが、この図18に示すように、スタック102の長さLsを短くすることによって、自励開始温度比(T H /T C )を低下させることがある程度まで可能である。 In fact, although FIG. 18 shows a relationship between the length of the stack and self-excited initiation temperature ratio, as shown in FIG. 18, by shortening the length Ls of the stack 102, self-starting temperature ratio (T It can be to some extent to reduce the H / T C). しかし、スタック長Lsをあまりにも短くすると、スタック102を構成する貫通孔102aとその支持部材(外周部)のうち、支持部材による直接熱伝導が高温側から低温側への熱流の大半を占有するようになり、熱から音響振動へのエネルギー変換が行われなくなる。 However, shortening the stack length Ls too, among the through holes 102a and the support member constituting the stack 102 (outer peripheral portion), the heat conduction directly by the supporting member occupies the bulk of the heat flow from a high temperature to a low temperature as becomes, the energy conversion to acoustic vibration is not performed from the heat. すなわち、スタック102は、その動径方向(作業流体の流通方向に対して垂直な方向)には無限の熱伝導を有して一様温度になることが望まれるが、その流通方向である軸方向に対しては、定常的に線形な温度勾配が形成可能な程度に高い熱抵抗、すなわち熱絶縁性を備えている必要がある。 That is, the stack 102 is in its radial direction (direction perpendicular to the flow direction of the working fluid) it is desired to be uniform temperature has infinite thermal conductivity, which is a flow direction axis for direction, constant linear temperature gradient can be formed by degrees to a high thermal resistance, that is, have to be equipped with thermal insulation.

上述した事項を踏まえると、小型かつ低温度で自励振動可能とする熱音響装置に必要とされるスタックが備えるべき諸性質が明らかとなる。 Given the above matters, the various properties to be provided in the stack that is necessary to thermoacoustic device capable of self-excited vibration in compact and low temperature becomes evident. すなわち、(1)直径が1[mm]以下の小さな貫通孔102aを多数備えていること、(2)作業流体110が振動する振動方向(貫通孔の軸方向)には温度勾配が生じるようにある程度熱伝導率が低いこと、(3)振動方向に直交するスタックの動径方向には熱交換がスムーズに行われるように、ある程度熱伝導性がよいことが挙げられる。 That is, (1) the diameter is provided with a number of 1 [mm] or less of the small through holes 102a, (2) so that the temperature gradient occurs in the vibration direction of the working fluid 110 vibrates (axial direction of the through hole) to some extent lower thermal conductivity, (3) as heat exchanger in the radial direction of the stack perpendicular to the vibration direction is performed smoothly, and that a certain degree good thermal conductivity.

このような性質を備えるべきスタック102として、従来は、上述したように、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミックス等の伝熱体で形成された複数のプレートを軸方向に積層させたスタックや、セラミックス、焼結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きい素材からなり、軸方向に貫通する複数の貫通孔を備えたスタック、あるいは、微小の球状セラミックスなどを敷き詰めて貫通孔として作用する蛇行した導通路を形成するスタック、ハニカム形状のセラミックス、脱脂綿などの繊維材料を圧縮させ、これによって蛇行した導通路を形成したスタックなどが提案されている。 As stack 102 should provide such properties, conventionally, as described above, aluminum, stack or the aluminum alloy, a plurality of plates made of a heat conductor such as ceramics are laminated in the axial direction, a ceramic, baked sintered metal, wire mesh, made from a large material capacity, such as metal nonwoven fabric, a stack with a plurality of through-holes penetrating in the axial direction or, tortuous acts as a through hole paved with such fine spherical ceramic stack to form a conductive path, ceramic honeycomb-shaped, compressing the fibrous material such as cotton wool, etc. stack to form a conductive path that meanders proposed by this. 一般に、高温側熱交換器の温度が700から800℃まで到達する場合には、スタックを構成する材料には耐熱性が要求される。 Generally, when the temperature of the hot-side heat exchanger reaches 700 to 800 ° C., the heat resistance is required for the material constituting the stack. このような温度範囲では、SUS304などの金属材料やコージライトなどのセラミックス材料が用いられている。 In such a temperature range, a ceramic material such as a metal material or cordierite such as SUS304 is used.

しかしながら、これまでに提案されているスタックでは、小型かつ低温度で自励振動可能な熱音響装置を実現することが困難であった。 However, in the stack it has been proposed so far, it has been difficult to realize a self-excited vibration can thermoacoustic apparatus compact and low temperature.

例えば、金属やセラミックス等の伝熱体のプレートを管の軸に略平行に複数積層するスタックの場合は、プレートの間に平面状壁の非常に狭い隙間を形成でき、軸方向に垂直な2つの方向のうち一方の方向(積層方向)には熱交換のための壁面を設けることができる。 For example, if the stack stacked substantially parallel plates of the heat transfer body such as a metal or ceramic to the axis of the tube can form a very narrow gap of the planar walls between the plates, perpendicular to the axial direction 2 one of the one direction (stacking direction) of the direction can be provided wall for heat exchange. ところが、他方の方向では、熱交換を行うための壁面がないので、熱エネルギーから振動エネルギーへのエネルギー変換を行うことができない。 However, in the other direction, since there is no wall for heat exchange, it can not be carried out energy conversion from thermal energy to the vibrational energy. また、軸方向に沿って平行に積層した金属プレートを用いた場合には、軸方向の熱伝導率が高いので、スタックの長さLsを短くすることができない。 In the case of using the metal plates stacked parallel to the axial direction, since the high axial thermal conductivity, it is impossible to shorten the length Ls of the stack.

また、金網や焼結金属などを積層したスタックの場合は、作業流体と熱交換を行う表面積を大きくすることができ、スタック中で熱交換する流体の経路も長くできる。 In the case of stack including a stacked wire mesh or sintered metal working fluid and heat exchange can be increased surface area for performing the path of the fluid heat exchanger can be increased in the stack. 特に金網の場合、個々の金網に関しては、単位面積当りの網目数を指定することも可能である。 Particularly in the case of wire mesh, for each wire mesh, it is possible to specify the number of mesh per unit area. ところが、最終的に形成された貫通孔の径を明確に設定することができず、最適な直径の貫通孔を設けることが困難である。 However, it is impossible to set the diameter of the finally formed through holes clearly, it is difficult to provide a through hole of optimum diameter.

また、ハニカム形状のセラミックスを用いたスタックの場合は、例えば正方格子状など所定の断面形状の貫通孔を形成でき、かつ、その直径を1[mm]以下とすることが可能である。 In the case of a stack using the ceramic honeycomb-shaped, for example square lattice like it can form a through hole having a predetermined cross-sectional shape, and it is possible to its diameter and 1 [mm] or less. さらに、材料として用いられているコージライトは、熱伝導率が4[W/m・K]程度の値を有しているために自励開始温度を低温化できるので、金属などの伝熱体をスタック材料にする場合よりもスタックの長さLsを短くすることも可能である。 Moreover, cordierite is used as material, it is possible to cold the free-running start temperature for the thermal conductivity has a value of about 4 [W / m · K], heat conductor such as a metal it is possible to shorten the length Ls of the stack than when the stack materials. ところが、一般に射出成型により多孔が形成されているので、貫通孔を高密度に形成することが困難である。 However, since the general porosity by injection molding to have been formed, it is difficult to form through holes at a high density. 具体的には、セル密度900[cpsi(cell per square inchi)]のもの(正方格子の一辺が約0.79[mm])が最小孔径であって、例えば1200[cpsi](正方格子の一辺が約0.72[mm])といったさらに高密度に貫通孔を形成することが困難である。 Specifically, the cell density 900 [cpsi (cell per square inchi)] ones (square side of the grating about 0.79 [mm]) is a minimum pore size, for example 1200 [cpsi] (square lattice side There it is difficult to form about 0.72 [mm]), such higher density through-hole. また、射出成形により多孔を形成する場合、射出の際に高温で押し出された素材が成型用口金の孔内で密着して、目詰まりする可能性が高いので、製造が困難である。 In the case of forming a porous by injection molding, with material extruded at a high temperature during injection is in close contact with the pores of the molding die, there is a high possibility that the clogging and difficult to manufacture.

なお、熱音響装置が大型で、励起される自励振動音波の波長が長い場合には、その振動数も50〜100[Hz]の低周波帯域であるので、スタックとして効率的な貫通孔の直径は1[mm]〜5[mm]となる。 In thermoacoustic device large, when the wavelength of the self-excited vibration waves excited is long, since it is a low frequency band of the frequency is also 50 to 100 [Hz], the effective through-hole as a stack diameter becomes 1 [mm] ~5 [mm]. この程度の直径の貫通孔であれば、金属ブロックに窄孔加工したり、セラミックスを射出成型したり、銅などの金属パイプを束ねるなどして、スタックを容易に形成できる。 If the through-holes with a diameter of this order, or punched processed into a metal block, a ceramic or injection molding, and the like bundling metal pipes such as copper, the stack can be easily formed. 例えば、波長が3.4[m]、周波数100[Hz]程度の熱音響装置のスタックには、メッシュ間隔1[mm]程度の金属のメッシュやセル間隔が0.79[mm]程度のハニカム状セラミックスが用いられている。 For example, the wavelength is 3.4 [m], a stack of frequency 100 [Hz] around the thermoacoustic apparatus, honeycomb metal mesh and cell spacing in the order of mesh spacing 1 [mm] of about 0.79 [mm] Jo ceramics have been used. ところが、高周波の自励振動を起こすには、さらに小さな直径でかつ多数の貫通孔を備えたスタックを用意する必要がある。 However, the cause self-excited vibration of high frequency, it is necessary to further prepare a stack having a smaller diameter a and a large number of through-holes. すなわち、熱音響装置の小型化に伴って、作業流体を1気圧の空気(あるいは窒素)とする場合、励起されるべき自励振動周波数が100[Hz](ループ管なら3.4[m]、直管なら85[cm])、500[Hz](ループ管なら68[cm]、直管なら17[cm])、1[kHzH] (ループ管なら34[cm]、直管なら8.5[cm])と高周波化する。 That, along with the miniaturization of thermoacoustic devices, if the air of 1 atm working fluid (or nitrogen), self-oscillation frequency to be excited is 100 [Hz] (if loop tube 3.4 [m] , if the straight pipe 85 [cm]), 500 [Hz] (if loop pipe 68 [cm], if the straight pipe 17 [cm]), 1 [kHzH] (if loop pipe 34 [cm], 8 if the straight pipe. 5 [cm]) to high frequency. これに伴って、スタックに設けられる貫通孔に要求される孔径(直径)も、1.55[mm]、0.70[mm]、0.49[mm]と小さくなり、しかも同一断面積に孔径の逆2乗に比例した数だけ貫通孔を設ける必要が生じる。 Accordingly, the pore size required for the through-hole provided in the stack (diameter) even, 1.55 [mm], 0.70 [mm], as small as 0.49 [mm], yet the same cross-sectional area the number proportional to the inverse square of the pore size is necessary to provide a through-hole.

そこで、本願発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、小型化に伴ってより高い周波数でも低温度差で自励振動できる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the problems described above, the production of thermoacoustic device stack and thermoacoustic device stack that can be self-induced vibration at a low temperature difference at higher frequencies with the miniaturization an object of the present invention to provide a method.

上述したような課題を解決するために、本発明に係る熱音響装置用スタックは、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックであって、複数の貫通孔は、熱伝導率が10[W/m・K]未満の材料からなる柱状部材にその中心軸に沿って形成されていることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, thermoacoustic device stack according to the present invention comprises a plurality of through holes along one direction, it is arranged together with the working fluid inside the tube, thermoacoustic own working fluid a thermoacoustic device stack for converting the vibration energy of the working fluid of the thermal energy and tube flows along the through-holes by excited vibration, a plurality of through-holes has a thermal conductivity of 10 [W / m · K] and it is characterized in that it is formed along the central axis of the columnar member made of less material.

上記熱音響装置用スタックにおいて、柱状部材は、ポリイミドおよびガラスの一方から構成されるようにしてもよい。 In Stacking the thermoacoustic apparatus, columnar members may be constituted from one of polyimide and glass.

また、上記熱音響装置用スタックにおいて、柱状部材は、その中心軸に垂直な断面において貫通孔が形成された中央部と、貫通孔が形成されていない外周部とを有し、この外周部の面積の割合が当該柱状部材の断面の20%以下であるようにしてもよい。 Moreover, in the stack for the thermoacoustic apparatus, columnar member has a central portion formed with a through-hole in a cross section perpendicular to the central axis, and an outer peripheral portion of the through hole is not formed, the outer peripheral portion the proportion of area may be not more than 20% of the cross-section of the columnar member.

また、上記熱音響装置用スタックにおいて、貫通孔は、正六角形、正三角形、正方形、および、長方形のうちいずれか1つの断面形状を有するようにしてもよい。 Moreover, in the stack for the thermoacoustic apparatus, through holes, regular hexagon, an equilateral triangle, square, and may have any one cross-sectional shape of the rectangle.

また、本発明に係る熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、第1の孔が複数形成された中央部と、この中央部の周囲に設けられ、第1の孔が形成されていない外周部とを有する2つの金属板に対し、第1の孔の形状に対応する断面形状を有する複数の棒状部材それぞれの両端を各金属板の第1の孔に固定することにより、金属板および棒状部材からなる第1の構造体を形成する第1のステップと、熱伝導率が10 [W/m・K]未満の材料を溶融させて第1の構造体の金属板および棒状部材の間の空間 A method for manufacturing a thermoacoustic device stack according to the present invention comprises a plurality of through holes along one direction, are arranged together with the working fluid inside the tube, the through-hole by thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid a method of manufacturing a thermoacoustic device stack for converting the vibration energy of the working fluid of the thermal energy and tube flows along a central portion of the first hole is formed with a plurality, disposed around the central portion , the first hole is not formed to the two metal plates having an outer peripheral portion, a plurality of bar-like members of both ends having a cross-sectional shape corresponding to the shape of the first hole first of each metal plate by fixing the hole, a first step of forming a first structure comprising a metal plate and a rod-like member, a thermal conductivity of 10 [W / m · K] less than the material of the first by melting of the space between the metal plate and the rod-shaped member of the structure に流し込んで固化させることにより第1の構造体および材料からなる第2の構造体を形成する第2のステップと、2つの金属板の間の任意の位置で、第2の構造体を棒状部材の軸方向に垂直な方向に切断する第3のステップと、切断された第2の構造体の少なくとも1つを電解液中に浸漬し、電気分解によって当該第2の構造体に含まれる棒状部材を溶出させる第4のステップと、棒状部材を溶出させた第2の構造体を、棒状部材の軸方向に垂直な方向に切断して金属板を除去する第5のステップとを有することを特徴とするものである。 A second step of pouring by forming a second structure comprising a first structure and materials by solidifying, at any position of the two metal plates, the axis of the rod-like member and the second structural member elution a third step of cutting in the direction perpendicular to the direction, at least one is immersed in the electrolyte solution, the rod-like member included in the second structure by electrolysis of the second structure is cut a fourth step of the second structure to elute the rod-like member, and having a fifth step of removing the metal plate is cut in a direction perpendicular to the axial direction of the rod-like member it is intended.

本発明によれば、複数の貫通孔が形成された柱状部材を熱伝導率が10[W/m・K]未満の材料から構成することにより、スタックの長さを短くしても温度勾配をスケーリング(比例縮小)することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。 According to the present invention, by a columnar member having a plurality of through holes are formed thermal conductivity consist of less than 10 [W / m · K] material, the temperature gradient also shorten the length of the stack since it is possible to scale (proportionally reduced), it is possible to lower the temperature of the high temperature-side heat exchanger required to achieve a critical temperature gradient. 結果として、小型化に伴って必要となるより高い周波数での自励振動を温度差が低い場合にも実現することができる。 As a result, it is possible also to realize when the temperature difference is low self-excited vibration at frequencies higher than necessary with the miniaturization.

図1は、本発明に係る熱音響エンジンの構成を模式的に示す断面図である。 Figure 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a thermoacoustic engine according to the present invention. 図2は、熱音響エンジンにおけるスタックの構成を模式的に示す斜視図である。 Figure 2 is a perspective view schematically showing the structure of a stack in thermoacoustic engine. 図3Aは、スタックを流れる熱流を説明する図である。 Figure 3A is a diagram illustrating the heat flow through the stack. 図3Bは、比較例のスタックを流れる熱流を説明する図である。 3B is a diagram illustrating the heat flow through the stack of the comparative example. 図4は、熱伝導がよい材料と悪い材料とを用いた際のωτと自励開始温度比との関係を示す図である。 Figure 4 is a diagram showing the relationship between ωτ and self-excited initiation temperature ratio at the time of using the thermally conductive good material and bad materials. 図5は、スタックの構成材料とその物性値を示す図である。 Figure 5 is a diagram showing the constituent material of the stack and its physical properties. 図6は、スタックの作成するための金属板および棒状部材の構成を模式的に示す図である。 Figure 6 is a diagram schematically showing a configuration of a metal plate and the rod-shaped member to create a stack. 図7は、本発明に係るスタックの製造方法を説明するための図である。 Figure 7 is a diagram for explaining a method of manufacturing a stack according to the present invention. 図8は、本発明に係るスタックの製造方法を説明するための図である。 Figure 8 is a diagram for explaining a method of manufacturing a stack according to the present invention. 図9は、本発明に係るスタックの製造方法を説明するための図である。 Figure 9 is a diagram for explaining a method of manufacturing a stack according to the present invention. 図10は、本発明に係るスタックの製造方法を説明するための図である。 Figure 10 is a diagram for explaining a method of manufacturing a stack according to the present invention. 図11は、本発明に係るスタックの製造方法を説明するための図である。 Figure 11 is a diagram for explaining a method of manufacturing a stack according to the present invention. 図12は、本発明に係るスタックの製造方法を説明するための図である。 Figure 12 is a diagram for explaining a method of manufacturing a stack according to the present invention. 図13は、本発明に係るスタックの製造方法を説明するための図である。 Figure 13 is a diagram for explaining a method of manufacturing a stack according to the present invention. 図14は、従来の熱音響エンジンの構成を模式的に示す断面図である。 Figure 14 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a conventional thermoacoustic engine. 図15Aは、直管方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。 Figure 15A is a diagram schematically showing a thermoacoustic engine straight tube type. 図15Bは、ループ方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。 Figure 15B is a diagram illustrating a thermoacoustic engine loop system schematically. 図15Cは、枝管付きループ方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。 Figure 15C is a diagram schematically showing a thermoacoustic engine of the branch tube with a loop system. 図16Aは、自励開始温度比とωτとの関係を示す図である。 Figure 16A is a diagram showing the relationship between the self-starting temperature ratio and .omega..tau. 図16Bは、自励周波数とωτとの関係を示す図である。 16B is a diagram showing the relationship between the self-excited frequency and .omega..tau. 図17は、作業流体と熱境界層厚との関係を示す図である。 Figure 17 is a diagram showing the relationship between the working fluid and the thermal boundary layer thickness Prefecture. 図18は、自励開始温度比とスタックの長さとの関係を示す図である。 Figure 18 is a diagram showing the relationship between the length of the self-starting temperature ratio and stack.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail embodiments of the present invention. なお、「スタック」とは、一般的には複数の部材を積層したものを指すが、本明細書においては、1つの部材から形成された熱音響装置用のエネルギー変換部材も「スタック」と呼ぶこととする。 Here, the "stack", but generally refers to a laminate of a plurality of members, in the present specification, the energy conversion member for thermoacoustic device formed from a single member also referred to as "stack" it is assumed that.

<熱音響エンジンの構成> <Configuration of the thermoacoustic engine>
図1に示すように、本実施の形態に係る熱音響装置用スタックを備えた熱音響エンジン1は、作業流体10を封入した管2と、この管2内部に設けられたスタック3と、管2内部においてスタック3をその管2の軸線方向の両側から挟むように設けられスタック3に温度勾配を与える高温側熱交換器4および低温側熱交換器5とを備えている。 As shown in FIG. 1, thermoacoustic engine 1 equipped with a thermoacoustic device stack according to the present embodiment includes a tube 2 enclosing the working fluid 10, the stack 3 provided inside the tube 2, the tube and a hot-side heat exchanger 4 and the low-temperature side heat exchanger 5 gives a temperature gradient in the stack 3 provided so as to sandwich the stack 3 from both sides in the axial direction of the tube 2 in second internal. また、管2外部において、高温側熱交換器4の側には高温熱源6、低温側熱交換器5の側には低温熱源7が設けられている。 Further, in the tube 2 outside the low-temperature heat source 7 is provided on the side of the high-temperature heat source 6, low-temperature heat exchanger 5 on the side of the high-temperature-side heat exchanger 4. このような熱音響エンジン1は、管1内に封入された作業流体10と、高温側熱交換器4から低温側熱交換器5へと流れる熱エネルギーの間で、エネルギー交換を行うものである。 Such thermoacoustic engine 1 includes a working fluid 10 enclosed in the tube 1, between the hot side heat exchanger 4 of the heat energy flows to the low-temperature side heat exchanger 5, and performs energy exchange .

図2に示すように、スタック3は、例えばガラスやポリイミドなど熱伝導率が10[W/m・K]未満の材料からなり、円筒状の管2の内部形状に対応した円柱の形状を有するものである。 As shown in FIG. 2, the stack 3, such as the thermal conductivity of glass or polyimide consists of less than 10 [W / m · K] material and has a cylindrical shape corresponding to the internal shape of the cylindrical tube 2 it is intended. また、スタック3は、軸線がスタック3の軸線方向に沿った円筒状の中央部3aと、この中央部3aの周囲に位置する円筒状の外周部3bとから構成される。 Further, the stack 3 is comprised of the axis and a central portion 3a of the cylindrical shape in the axial direction of the stack 3, a cylindrical outer peripheral portion 3b located around the central portion 3a. 中央部3aは、スタック3の中心軸が含まれる位置に配置されており、その軸方向に沿った複数の貫通孔31が形成されている。 Central portion 3a is disposed at a position including the central axis of the stack 3, a plurality of through holes 31 along its axial direction is formed. この貫通孔31は、管2の長さ(共鳴周波数ω)と熱緩和時間τ(=r 2 /α、rは孔の半径、αは作業流体の熱拡散係数)がτω=1〜10となるように設定される。 The through hole 31, the length of the tube 2 (resonance frequency omega) thermal relaxation time τ (= r 2 / α, r is the radius of the hole, alpha thermal diffusivity of the working fluid) and τω = 1~10 It is set to be. すなわち、貫通孔31の直径は、図16Aに示されるように、共鳴する管の長さから定まる共鳴周波数ωと熱緩和時間τとの積が最小となる条件で定まる。 That is, the diameter of the through hole 31, as shown in FIG. 16A, determined by the conditions the product of the resonance frequency ω and the thermal relaxation time τ determined from the length of the resonance tubes is minimized. 他方、貫通孔31のピッチは、貫通孔31をできるだけ稠密に形成されるように定める。 On the other hand, the pitch of the through-hole 31 is determined so as much as possible densely forming the through hole 31. これは、スタック3の空隙率は高ければ高いほどよいので、ピッチも狭い方がよいからである。 This is because the higher the better porosity of the stack 3, pitch because narrower the better. 例えば、共鳴周波数を400〜500[Hz]とした場合、外周部3bの厚さが加工限界などから0.1[mm]以上0.2[mm]未満に制限されるので、貫通孔31は、直径が0.76〜0.5[mm]、ピッチが0.9〜0.6[mm]程度となる。 For example, when the resonance frequency is 400 to 500 [Hz], the thickness of the outer peripheral portion 3b is limited like from below 0.1 [mm] or more 0.2 [mm] processing limit, the through-hole 31 a diameter of .76 to 0.5 [mm], the pitch is from 0.9 to 0.6 [mm] degree.
また、外周部3bは、軸方向に対して垂直な方向の断面の面積が、貫通孔31を含むスタック3のその垂直な方向の断面の総面積の20%以下とされる。 The outer peripheral portion 3b, the area of ​​the direction of the cross section perpendicular to the axial direction, is 20% or less of the total area of ​​the perpendicular cross-section of the stack 3 including the through hole 31. このようなスタック3は、貫通孔31の延在方向が管2の軸線方向に沿った状態で、管2内部に配設されている。 Such stack 3 in a state where the extending direction of the through hole 31 along the axial direction of the tube 2, is arranged inside the tube 2. なお、以下においては、スタック3の材料としてガラスを用いた場合を例に説明する。 In the following, the case of using glass as the material of the stack 3 as an example.

ここで、外周部3bの断面積をスタック3の総断面積の20%を超えないようにする理由について、図3A,図3Bを参照して説明する。 Here, the reason why the cross-sectional area of ​​the peripheral portion 3b so as not to exceed 20% of the total cross-sectional area of ​​the stack 3, will be described with reference FIG. 3A, FIG. 3B. 図3Aは、本実施の形態であり、断面の総面積に対する外周部3bの面積が20%以下であるスタック3を流れる熱流を示す図、図3Bは、比較例であって、断面の総面積に対する外周部500bの面積が20%を超えるスタック500を流れる熱流を示す図である。 3A is a present embodiment, shows the heat flow through the stack 3 is the area of ​​the outer peripheral portion 3b to the total area of ​​the cross section is 20% or less, FIG 3B is a comparative example, the total area of ​​the cross section area of ​​the peripheral portion 500b for is a diagram showing a heat flow flowing through a stack 500 of more than 20%.

図3Bに示す外周部500bの断面積の割合が20%を超えるスタック500の場合、高温側から低温側にスタック500中を流れる熱流は、点線矢印b、cで示すように、主に貫通孔501が形成されていない外周部500bを流れる。 For a stack 500 the ratio of the cross-sectional area of ​​the peripheral portion 500b is greater than 20% as shown in FIG. 3B, the heat flow flowing through the stack 500 on the low temperature side from the hot side, as shown by the dotted arrow b, c, mainly through hole 501 through the outer peripheral portion 500b is not formed. これは、空隙率εで貫通孔501が形成された中央部500aには、高い熱伝導率κ1を有するスタック500の材料と極めて低い熱伝導率κ2を有する作業流体10が占有する領域が共存しており、この領域の平均熱伝導率<κ> av 、が下式(2)で表されるように、貫通孔501が形成されていない外周部500bの熱伝導率κ1よりも小さくなるからである。 This is the porosity ε in the through-hole 501 is formed a center portion 500a is working fluid 10 coexist space occupied having a thermal conductivity κ2 very low material stack 500 having a high thermal conductivity κ1 and which, because the average thermal conductivity of the area <kappa> av, but as represented by the following formula (2), is smaller than the thermal conductivity κ1 of the outer peripheral portion 500b of the through hole 501 is not formed is there. すなわち、高温側熱交換器4から低温側熱交換器5へ流れる熱流のうち、大半が外周部500bを直接流れて貫通熱となるので、作業流体との貫通孔の壁面を介する熱交換が十分に行われず、熱エネルギーから作業流体の振動エネルギーへのエネルギー変換の観点からすると、熱損失が大きくなってしまう。 That is, of the heat flow which flows from the hot-side heat exchanger 4 to the low-temperature heat exchanger 5, the majority is the outer peripheral portion 500b directly flows through heat, heat exchange through the walls of the through-holes of the working fluid is sufficiently not done, from the viewpoint of energy conversion from heat energy to vibrational energy of the working fluid, the heat loss increases.

<κ> av =(1−ε)κ 1 +εκ 2・・・(2) <Κ> av = (1- ε) κ 1 + εκ 2 ··· (2)

一方、図3Aに示す外周部3bの断面積の割合が20%以下のスタック3の場合、そのスタック3を流れる熱流は、点線矢印aで示すように、外周部3bから漏れ出る量が少なく、その外周部3bと中央部3aとで均等な量となる。 On the other hand, if the outer peripheral portion 3b stack 3 ratio of the cross-sectional area is less than or equal to 20% of that shown in FIG. 3A, the heat flow through the stack 3, as shown by the dotted arrow a, small amount of leak from the outer peripheral portion 3b, amount equivalent in its outer peripheral portion 3b and the central section 3a. 実際、実験によれば、スタックの総断面積に対する外周部3bの面積を10.6%としたスタック3を製造した場合、自励開始温度比を図18の600[cpsi]まで低下させることができた。 In fact, according to experiments, when producing a stack 3 in which the area of ​​the peripheral portion 3b relative to the total cross-sectional area of ​​the stack and 10.6%, is possible to reduce the self-starting temperature ratio to 600 [cpsi] in FIG. 18 did it. 一方、スタックの総断面積に対する外周部500bの面積を23.6%としたスタック500では、自励開始温度比が図18の950[cpsi]程度であった。 Meanwhile, the stack 500 and the area of ​​the peripheral portion 500b to the total cross-sectional area of ​​the stack and 23.6%, self-starting temperature ratio was about 950 [cpsi] in FIG.

図4は、貫通孔31の孔径を異ならせたスタック3に熱伝導がよい材料と悪い材料とを用いた際のωτ(横軸)と自励開始温度比T H /T C (縦軸)との関係を示す図である。 Figure 4 is a free running start temperature ratio ωτ when heat conduction to the stack 3 having different pore sizes were used and good material and bad material (horizontal axis) of the through-holes 31 T H / T C (vertical axis) is a diagram showing the relationship between. 図4において点線で示す熱伝導がよい材料の場合、および、実線で示す熱伝導が悪い場合のいずれにおいても、貫通孔31の孔径の縮小(τの減少)に伴って、自励開始温度比が低下している。 If 4 of the heat conduction is good material shown by the dotted line, and, in either case the thermal conductivity shown by the solid line is poor even with the reduction in the diameter of the through-hole 31 (decrease of tau), self-starting temperature ratio There has been lowered. これは、図16Aに示した理論的予測が示す傾向に一致している。 This is consistent with the tendency indicated by the theoretical predictions shown in Figure 16A. また、貫通孔31の孔径が同一の場合、熱伝導が悪い材料の方が自励開始温度比が低下していることがわかる。 Also, if the diameter of the through-hole 31 is the same, it can be seen that better heat conduction is poor material self-initiation temperature ratio is lowered. すなわち、熱伝導率が低い材料をスタック3の構成材料として用いることにより、全体的に自励開始温度比をさらに低下できることがわかる。 That is, by using a material having low thermal conductivity as a constituent material of the stack 3, it can be seen that further lower the overall self-commutated initiation temperature ratio.

本実施の形態では、スタック3の材料として10[W/m・K]未満の熱伝導率を有する材料を用いるので、その材料として金属等を用いた場合と比較して、1,2桁ほど熱伝導率を小さくすることができる。 In this embodiment, since a material having a 10 [W / m · K] thermal conductivity less than the material of the stack 3, as compared with the case of using a metal or the like as a material, the more 1,2-digit it is possible to reduce the thermal conductivity. これにより、スタック3の長さをより短くすることができる。 Thus, it is possible to shorten the length of the stack 3. 上述したように、熱音響自励振動は、高温(温度T H )側熱交換器4と低温(温度T C )側熱交換器5との間に挟まれた長さLsのスタック3における温度勾配ΔT{=(T H −T C )/Ls}がある臨界値(ΔT)critを越えた際に起こるので、ΔT > (ΔT)critを満足するように温度スケーリングを行うことによって、さらに高温側熱交換器4の温度T Hをより低い温度にすることができる。 As described above, thermoacoustic self-excited vibration is high temperature (T H) side temperature in the stack 3 of length Ls sandwiched between the heat exchanger 4 and low temperature (temperature T C) heat exchanger 5 since the gradient ΔT {= (T H -T C ) / Ls} is caused when exceeding a critical value (ΔT) crit, by performing the temperature scaled to satisfy ΔT> (ΔT) crit, higher temperature it is possible to make the temperature T H of the side heat exchanger 4 to the lower temperature.
なお、スタック3の材料として10[W/m・K]を超えない熱伝導率を有する材料を用いる理由について、以下に説明する。 Incidentally, the reason for using a material having a thermal conductivity not exceeding 10 [W / m · K] as the material of the stack 3, will be described below.

スタック3(断面積A)は、貫通孔31が形成された中央部3a(面積A in )と、外周部3b(面積A out )とにより構成される。 Stack 3 (cross-sectional area A) is constituted by a through hole 31 is formed a central portion 3a (the area A in), and the outer peripheral portion 3b (area A out). このことから、高温側熱交換器4(温度T H )から低温側熱交換器5(温度T C )へと単位時間に流れる平均熱流<Q>は、下式(3)で示すように、外周部3bを流れる熱流Q outと貫通孔31が形成された中央部3aを流れるQ inの和で表される。 Therefore, the high-temperature-side heat exchanger 4 (temperature T H) low-temperature heat exchanger 5 average heat flow flowing through the (temperature T C) to a unit time <Q>, as shown by the following formula (3), It is expressed by the sum of Q in flowing outer peripheral portion 3b central portion 3a of the heat flow Q out and the through-hole 31 is formed through the.

<Q>=Q out +Q in・・・(3) <Q> = Q out + Q in ··· (3)

ところで、長さL Sで熱伝導率κ[W/m・K]のスタック3において、高温側熱交換器4から低温側熱交換器5へと外周部3bを流れる熱流Q outは、固体であるスタック3内を熱伝導により流れるので、下式(4)で表される。 Meanwhile, in the stack 3 in the thermal conductivity κ [W / m · K] length L S, the heat flow Q out through the outer peripheral portion 3b from the hot-side heat exchanger 4 to the low-temperature heat exchanger 5, a solid since a certain stack 3 through the heat conduction, it is represented by the following formula (4). この下式(4)において、ΔT m ≡(T H −T C )/L Sとした。 In this the following formula (4), and a ΔT m ≡ (T H -T C ) / L S.

out =A out κ{(T H −T C )/L S }=A out κ・ΔT m・・・(4) Q out = A out κ {( T H -T C) / L S} = A out κ · ΔT m ··· (4)

他方、空隙率ε(0<ε<1)の中央部3aを流れる熱流は、主に空隙率εで定まる空間内の作業流体を介在して流れるので、その作業流体の熱伝達率をh[W/m 2・K]とすると、下式(5)で表される。 On the other hand, the heat flow through the central portion 3a of the porosity ε (0 <ε <1), since the main flow intervening working fluid in the space determined by the porosity epsilon, the heat transfer rate of the working fluid h [ When W / m 2 · K] to be expressed by the following formula (5).

in =ε・A in h(T H −T C )+(1−ε)・A in κ・ΔT m・・・(5) Q in = ε · A in h (T H -T C) + (1-ε) · A in κ · ΔT m ··· (5)

したがって、スタック3を流れる平均熱流<Q>/Aは、A=A out +A inを用いると、下式(6)で表される。 Thus, the average heat flow through the stack 3 <Q> / A is the use of A = A out + A in, represented by the following formula (6).

上式(6)において、左辺はスタック3を介して高温側熱交換器4から低温側熱交換器5を流れる平均熱流を表している。 In the above formula (6), the left side represents the average heat flow through the low-temperature heat exchanger 5 from the hot-side heat exchanger 4 through the stack 3. また、右辺第1項は、スタック3中を直接熱伝導することによる熱損失、右辺第2項は作業流体に伝達された熱エネルギーを示している。 Further, the first term is the heat loss due to heat conduction directly medium stack 3, the second term on the right side shows the heat energy transferred to the working fluid. out /Aは、外周部3bの面積比率である。 A out / A is the area ratio of the outer peripheral portion 3b. この外周部3bの面積比率が高いほど、また空隙率εが低いほど、高温側熱交換器4からの熱は、作業流体へ伝達されずに、低温側熱交換器5への貫通熱として無駄に損失することとなる。 The higher the area ratio of the outer peripheral portion 3b, and the more the porosity ε is low, the heat from the hot-side heat exchanger 4, without being transferred to the working fluid, a waste as through heat of low-temperature heat exchanger 5 so that the loss to.

作業流体へ伝達されることで有効利用される熱の成分は、空隙率ε、スタック3両端の温度差(T H −T C )および中央部3aの面積比率(A in /A out )に比例する。 Component of the heat is effectively utilized by being transferred to the working fluid, porosity epsilon, proportional to the temperature difference of the stack 3 at both ends (T H -T C) and the area of the central portion 3a ratio (A in / A out) to. 他方、上式(6)の右辺第1項が示すように、貫通熱として損失する熱エネルギーは、スタック長L Sに反比例するので、スタック長の短縮に伴ってその貫通熱が増大する。 On the other hand, as shown in the first term of the right side of the above equation (6), heat energy lost as through heat, is inversely proportional to the stack length L S, the through heat with the shortening of the stack length increases.
空気の熱伝達率hは、約25[W/m 2・K]であるから、空隙率εを80%、外周部の面積比率を20%とすると、上式(6)を下式(7)として整理することができる。 Heat transfer coefficient h of air, because it is about 25 [W / m 2 · K ], the porosity epsilon 80% when the area ratio of the outer peripheral portion is 20%, the above equation (6) the following formula (7 ) it can be organized as. この下式(7)は、温度T Hの高温側熱交換器4から温度T Cの低温側熱交換器5へと流れる単位面積当たりの熱流<Q>/Aを、その熱流が生じる温度差(T H −T C )で規格化したものである。 The following equation (7), the temperature T high-temperature-side heat exchanger 4 the heat flow per unit area flowing into the low-temperature side heat exchanger 5 of the temperature T C of the H <Q> / A, the temperature difference the heat flow is generated in (T H -T C) is obtained by normalizing.

<Q>/{A(T H −T C )}=0.36(κ/L S )+16 ・・・(7) <Q> / {A (T H -T C)} = 0.36 (κ / L S) +16 ··· (7)

上式(7)の右辺第1項から、スタック3を直接熱伝導して損失となる成分は、スタック3の長さL Sの短縮に伴って増大することがわかる。 From the first term of the right side of the above equation (7), components become a loss of stack 3 by direct heat conduction, it is found to increase with shortening of the length L S of the stack 3. また、右辺第2項から、熱伝達による作業流体へのエネルギー移動量は、温度差に関わらず一定の値(16[W/m 2・K])であることがわかる。 Further, the second term on the right side, the amount of energy transfer to the working fluid by heat transfer is found to be a constant value regardless of the temperature difference (16 [W / m 2 · K]).
したがって、熱音響効果が起こる条件であるΔTm>(ΔT) critを満足するように、スタック長L Sを短くしつつ、高温側熱交換器4の温度T Hをより低い温度へとスケーリングするには、上式(7)の右辺第1項(直接熱伝導の寄与)を右辺第2項(熱伝達による寄与)に対して小さく留めておくか、同程度に留めておく必要がある。 Therefore, to satisfy the the condition is thermoacoustic effect occurs ΔTm> (ΔT) crit, while shortening the stack length L S, to scale the temperature T H of the high-temperature-side heat exchanger 4 to a lower temperature the first term on the right side of the equation (7) (direct contribution of heat conduction) the second term on the right side or keep small relative (contribution due to heat transfer), it is necessary to keep in the same degree. そこで、スタック長L Sを例えば半分に短縮するには、熱伝導率κも同様に半分にすると、比(κ/L S )を少なくとも不変に留めることができる。 Therefore, to reduce the stack length L S for example half, when the thermal conductivity kappa is halved as well, it can be kept ratio of (κ / L S) at least unchanged. 熱伝導率κが16.3[W/m・K]のSUS304製スタックを半分の長さのスタックで構成するには、その熱伝導率は少なくとも、SUS304の半分以下(8.15[W/m・K])とすればよいことになる。 To configure a stack of half length made of SUS304 stack of thermal conductivity κ is 16.3 [W / m · K] is the thermal conductivity at least, less than half of SUS304 (8.15 [W / becomes m · K]) and that may be. この値や誤差等を踏まえて、本実施の形態においては、スタック3の材料として、10[W/m・K]未満の熱伝導率を有する材料であるものとした。 Based on this value and error and the like, in this embodiment, as the material of the stack 3, was assumed to be a material having a thermal conductivity of less than 10 [W / m · K]. このような条件を満足する材料としては、図5に示すように、コージライト(4[W/m・K])、ガラス(1.10[W/m・K])、ポリイミド(0.29[W/m・K])などが挙げられる。 As a material satisfying such conditions, as shown in FIG. 5, cordierite (4 [W / m · K]), a glass (1.10 [W / m · K]), polyimide (0.29 [W / m · K]), and the like.

<スタックの製造方法> <Method of manufacturing a stack>
次に、本実施の形態に係る熱音響エンジン1におけるスタック3の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the stack 3 in the thermoacoustic engine 1 according to this embodiment.

まず、スタック3の材料としては、熱伝導率が10[W/m・K]未満と低く熱容量の大きな材料を用いる。 First, as the material of the stack 3, the thermal conductivity using a material having a large low heat capacity less than 10 [W / m · K]. 図5に示すように、非特許文献3に記載されているハニセラムなどのセラミックス材料(コージライト)と比較して、ガラスの熱伝導率は約4分の1小さく、さらにポリイミドの熱伝導率は約13分の1である。 As shown in FIG. 5, as compared with ceramic materials, such as HONEYCERAM described in Non-Patent Document 3 (cordierite), the thermal conductivity of the glass about a quarter of small, yet the thermal conductivity of polyimide it is one of about 13 minutes. したがって、ガラスやポリイミドなどをスタック3の構成材料として用いることが考えられる。 Therefore, it is conceivable to use glass or polyimide as the material of the stack 3.

しかしながら、ガラスやポリイミド等に多数の貫通孔を稠密に開孔することは困難であった。 However, it densely to opening a large number of through-holes in a glass or polyimide has been difficult. 例えば、特定波長の光を吸収するガラスにレーザビームを照射して、その部分に貫通孔を形成する技術が存在するが、このようなレーザ加工法では、一つの貫通孔と隣接する貫通孔との間を充分離す必要がある。 For example, by irradiating a laser beam to the glass to absorb light having a specific wavelength, a technique of forming a through hole in the part is present, in such a laser processing method, a through hole and an adjacent one through hole it is necessary to well away between. これは、レーザ加工によって生じる熱により、隣接する貫通孔間を隔てるガラス壁が溶融して変形してしまうためである。 This is because the heat generated by laser processing, because the glass wall separating the adjacent through hole is deformed by melting. このため、従来のレーザ加工法では、多数の貫通孔を稠密に形成することができなかった。 Therefore, in the conventional laser processing method, it is impossible to densely form a large number of through-holes.

そこで、本実施の形態では、2枚の板状部材と、電気分解によって溶出する材料からなる多数の棒状部材とによって鋳型を形成し、この鋳型に例えばガラスやポリイミドなどの熱伝導率が低い材料を流し込んだ後、棒状部材を酸に電気溶出させることで、設計した孔径の貫通孔31が稠密に形成されたスタック3を作成する。 Therefore, in the present embodiment, the two plate-like members, a mold is formed by a plurality of rod-like member made of a material that eluted by electrolysis, a low thermal conductivity such as in the mold for example, glass or polyimide material after flushing the, by electroelution the bar-like member in an acid, to create a stack 3 a through hole 31 having a pore size designed are densely formed. 本実施の形態においては、その棒状部材の材料として、純銅を用いた場合を例に説明する。 In the present embodiment, as the material of the rod-like member, it will be described as an example a case of using pure copper.

初めに、作製したいサイズおよび形状の貫通孔31に対応する第1の孔311aが形成された平面視略円形の金属板300を2枚用意する。 First, a generally circular plan view of the metal plate 300 in which the first hole 311a corresponding are formed in the through-hole 31 sized and shaped to prepare two wants to create. この金属板300は、図6に示すように、その金属板300と同心の平面視略円形の領域からなり、第1の孔311aが形成された中央部311と、この周囲に位置し、第1の孔311aが形成されず、位置合わせ用の第2の孔312aが形成された外周部312とから構成される。 The metal plate 300, as shown in FIG. 6, consists of a generally circular plan view of the region of its metal plate 300 concentric with the central portion 311 in which the first hole 311a is formed located in the periphery, the not one hole 311a is formed, and a peripheral portion 312. the second hole 312a is formed for alignment.
ここで、外周部312は、第2の孔312aを含む総面積が、第1の孔311aおよび第2の孔312aの開口部の面積を含む金属板300の総面積の20%以下とされる。 Here, the outer peripheral portion 312, the total area including the second hole 312a is 20% or less of the total area of ​​the metal plate 300 that includes an area of ​​the opening of the first hole 311a and a second hole 312a .
このような金属板300は、例えばSUS304から構成され、加工容易性の観点からその厚さを1〜5[mm]程度とされる。 Such metal plate 300 is constituted of, for example, SUS304, is that the thickness and 1 to 5 [mm] degree in view of ease of processing.

このような、金属板300は、ドリル等により、まず位置合わせ用の第2の孔312aを通常は2箇所形成した後、第1の孔311aを設計通りの箇所に形成するために、直径0.05[mm]のスタート貫通孔を形成する。 Such metal plate 300 by a drill or the like, the first second hole 312a for alignment after the normal form two places, in order to form a first hole 311a at a position as designed, the diameter 0 .05 to form the start through hole of [mm]. そして、スタート貫通孔を形成した2枚の金属板300を位置合わせ用の第2の孔312aにピンを貫通させて積層した後、各スタート貫通孔に一本ずつワイヤを通して、ワイヤ放電加工法によりそのスタート貫通孔の形状を所定の形状に整形する。 Then, after stacking by penetrating the pin to the second hole 312a for two metal plates 300 aligned forming the start through hole, through the wire one by one on each start through holes, by wire electro-discharge machining shaping the shape of the starting holes into a predetermined shape. これにより、所定の形状を有する第1の孔311aが所定の箇所に形成された金属板300が形成される。 Thus, the metal plate 300 in which the first hole 311a is formed at a predetermined position having a predetermined shape is formed.

また、図6に示すように、貫通孔31の断面形状と同一の断面形状を有する複数の棒状部材400を用意し、図7に示すように、それらの棒状部材400の一端を一方の金属板300の各第1の孔311aに挿入する。 Further, as shown in FIG. 6, by preparing a plurality of bar-like members 400 having a cross-sectional shape and the same cross-sectional shape of the through hole 31, as shown in FIG. 7, one of the metal plates at one end of their rod-like member 400 300 inserted into the first hole 311a of the. その棒状部材400は、純銅から構成され、生成するスタック3の軸方向の長さに応じてその延在方向の長さが設定される。 As the rod-like member 400 is composed of pure copper, the length of the extending direction is set in accordance with the axial length of the product stack 3. なお、本実施の形態においては、一辺の長さが0.5[mm]の正六角の断面形状を有する六角柱を棒状部材として使用するが、その断面形状は正六角形に限らず、正三角形、正方形、円形など、貫通孔31の断面形状に応じて適宜自由に設定することができる。 Incidentally, in this embodiment, using a hexagonal prism the length of one side has a regular hexagonal cross-sectional shape of 0.5 [mm] as a rod-shaped member, the cross-sectional shape is not limited to regular hexagon, an equilateral triangle , square, round, etc., it can be freely set in accordance with the sectional shape of the through hole 31. 棒状部材400としてそのような六角柱を用いることにより、スタック3に形成される貫通孔31の軸に垂直な断面は、正六角形となる。 By using such a hexagonal prism as the rod-like member 400, a cross-section perpendicular to the axis of the through hole 31 formed in the stack 3 becomes regular hexagon. このような正六角形の断面形状の貫通孔31を周期的に多数設けたいわゆるハニカム状とすることより、貫通孔31の密度を高くする、すなわちスタック3の空隙率を高くできるので、エネルギー交換すべき作業流体10をスタック3内に高い充填率で貯留させておくことが可能となり、結果として、エネルギー変換効率を向上させることができる。 The through hole 31 of such a regular hexagonal cross-sectional shape than be periodically number provided so-called honeycomb shape, to increase the density of the through holes 31, that is possible to increase the porosity of the stack 3, to energy exchange the working fluid 10 makes it possible to keep to the reservoir at a high filling rate in the stack 3 to, as a result, it is possible to improve the energy conversion efficiency.

次に、棒状部材400の他端に他方の金属板300の第1の孔311aを挿入し、棒状部材400の両端と金属板300との接触部分を溶接する。 Then, the other end of the rod 400 by inserting the first hole 311a of the other metal plate 300, welding the contact portion between the ends and the metal plate 300 of the rod 400. このとき、棒状部材400の他端は、一端が挿入された一方の金属板300の第1の孔311aと同じ位置にある他方の金属板の第1の孔311aに挿入される。 At this time, the other end of the rod 400 is inserted into the first hole 311a of the other metal plate at the same position as the first hole 311a of one of the metal plate 300 of which one end is inserted. これにより、図8に示すように、複数の棒状部材400の両端に金属板300が取り付けられた略円柱状の鋳型800が形成される。 Thus, as shown in FIG. 8, a substantially cylindrical mold 800 the metal plate 300 is attached to both ends of a plurality of bar-like members 400 are formed.

次に、図9に示すように鋳型800をこの鋳型800の外部形状に対応した内部空間を有する円筒状の鋳型収納容器801に収納し、この両端を封止した後、例えば溶融ガラスなど棒状部材400よりも融点の低い流動化したガラスを鋳型収納容器801内部に流し込む。 Next, housed in a cylindrical mold container 801 having an interior space corresponding template 800 as shown in FIG. 9 to the outside shape of the mold 800, after sealing the ends, such as molten glass rod members 400 casting the lower fluidized glass melting point within the mold container 801 than. これにより、2枚の金属板300の間の棒状部材400が配置された空間に、流動化したガラスが導かれることとなる。 Thus, the space bar-like member 400 is disposed between the two metal plates 300, so that the glass fluidized is derived.

ガラスを冷却した後、鋳型収納容器801から鋳型800を取り出すと、図10に示すように、2枚の金属板300の間の棒状部材400が配置された空間に埋め込まれたガラスから構成されるガラスブロック802が形成される。 After cooling the glass, it is taken out of the template 800 from the mold container 801, as shown in FIG. 10, and a rod-like member 400 between the two metal plates 300 is embedded in the arranged space Glass glass block 802 is formed. なお、スタック3の構成材料としてポリイミドを用いる場合には、溶融ガラスの代わりに熱溶融ポリイミドを用いるようにすればよい。 In the case of using the polyimide as the material of the stack 3, it is sufficient to use a hot melt polyimide in place of the molten glass.

ガラスブロック802を取り出すと、図11に示すように、そのガラスブロック802を鋳型800とともに、金属板300間の任意の位置で切断する。 When taken out of the glass block 802, as shown in FIG. 11, the glass block 802 with the mold 800 is cut at an arbitrary position between the metal plate 300. その任意の位置は、最終的にスタック3として利用する長さに基づいて設定される。 Any of its position are finally set based on the length to use as a stack 3.

続いて、図12に示すように、金属エッチング液などの電解液901が入れられた電解液収納容器900の底部に対向電極902を配置し、切断されたガラスブロック802を金属板300を上方に向けた状態で、その電解液901に半分ほど浸漬させる。 Subsequently, as shown in FIG. 12, the counter electrode 902 on the bottom of the electrolytic solution container 900 to the electrolytic solution 901, such as a metal etching solution is placed is disposed, the glass block 802 cut a metal plate 300 upward in a state of facing, it is immersed halfway into the electrolytic solution 901. そして、電源903の正極をその金属板300に、負極を対向電極902に接続し、それらの間に電流を流すことで、ガラスブロック802に埋め込まれた棒状部材400を電気分解して溶出させる。 Then, the positive electrode of the power supply 903 to the metal plate 300, to connect the negative to the counter electrode 902, a current is passed between them, eluting bar-like member 400 embedded in the glass block 802 by electrolyzing.

最後に、ガラスブロック802のうち金属板300を含む側をその金属板300とともに切断し、その残りを対象とするスタック3に適した形状に研磨などによって加工する。 Finally, the side including the metal plate 300 of the glass block 802 cut together with the metal plate 300 is processed by polishing or the like into a shape suitable for the stack 3 intended for the remainder. これにより、図13に示すように、ガラスから構成され、微細な貫通孔31が稠密に形成されたスタック3が形成される。 Thus, as shown in FIG. 13, is composed of glass, fine through-hole 31 is a stack 3 which is densely formed is formed.

これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔31が稠密に形成された中央部3aと、設計通りの面積を有する外周部3bとを備えたスタック3を生成することができる。 This makes it possible to produce a through-hole 31 is densely formed central portion 3a having a fine pore size as designed, the stack 3 with an outer peripheral portion 3b having an area as designed. このようなスタック3を生成することにより、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が、中央部3aと外周部3bとで均等に流れるので、その熱流が外周部3bを貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体10の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのを防ぐことができる。 By generating such a stack 3, the heat flow which flows from the high-temperature heat source to a low temperature heat source, because evenly flows between the central portion 3a and the outer peripheral portion 3b, the heat flow is directly transmitted to the outer circumferential portion 3b as through heat, it can be prevented from becoming a heat loss for conversion into vibrational energy of the working fluid 10 from the heat energy. 結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。 As a result, it is possible to lower the temperature of the high temperature-side heat exchanger required to achieve a critical temperature gradient.

なお、最終的に生成されたスタック3の貫通孔31中に棒状部材400の残滓が残っている場合には、電解液901を流動させた容器中に、その電解液901の流動方向と、スタック3の貫通孔31の軸線方向とを一致させた状態でスタック3をその電解液901に浸漬することで、全ての棒状部材400の残滓を溶出させることができる。 In the case where there remains a residue of the rod-like member 400 in the through-hole 31 of the stack 3 which is finally generated, the electrolytic solution 901 in a vessel to flow, the flow direction of the electrolyte 901, the stack by immersing the stack 3 in the electrolyte solution 901 in 3 while being coincident with the axial direction of the through hole 31, it is possible to elute the residue of any of the rod 400.

ここで、棒状部材400の電気化学的な溶出に要する電流と時間について説明する。 Here will be described the current and time required for the electrochemical dissolution of the rod 400. 計算を簡単にするために、棒状部材400としては、一辺が0.5[mm]、長さが20[mm]の正六角柱状の純銅からなる棒状部材を用いたとする。 To simplify the calculations, as the rod-like member 400, one side 0.5 [mm], and was used a rod member in length consisting of regular hexagonal columnar pure copper 20 [mm]. この棒状部材400は1本当たり約13.0[mm 3 ]の体積を有するので、これを500本稠密に配置すると、その体積は約6.5×10 3 [mm 3 ]となる。 Since the rod member 400 has a volume of about 13.0 [mm 3] per one, placing this 500 densely, the volume is about 6.5 × 10 3 [mm 3] . 純銅の密度は8960[kg/m 3 ]=8.96×10 -3 [g/mm 3 ]であるから、溶出させるべき棒状部材400の質量は約58.2[g]となる。 Since the density of pure copper is 8960 [kg / m 3] = 8.96 × 10 -3 [g / mm 3], the mass of the rod 400 to be eluted is about 58.2 [g].

図12に示した電気化学的溶出法において、電解液901として硫酸銅(II)溶液(CuSO 4 )、対向電極902として銅板を用いたとすると、このときの電気化学反応は、正極側が下式(3)、負極側が下式(4)で表される。 In electrochemical elution method shown in FIG. 12, copper (II) sulfate solution as an electrolytic solution 901 (CuSO 4), When using the copper plate as the counter electrode 902, an electrochemical reaction at this time, the positive electrode side following formula ( 3), the negative electrode side are represented by the following formula (4).

Cu → Cu 2+ + 2e -・・・(3) Cu → Cu 2+ + 2e - ··· (3)
Cu 2+ + 2e - → Cu ・・・(4) Cu 2+ + 2e - → Cu ··· (4)

この場合、2[mol]の電子(2[Fd]ファラデー)が反応して、1[mol]の銅が析出する。 In this case, 2 reacts electronic (2 [Fd] Faraday) of [mol], copper 1 [mol] is precipitated. 銅1[mol]は63.55[g]であるので、上述した溶出させるべき棒状部材400は約0.916[mol]に相当する。 Since copper 1 [mol] is 63.55 [g], the rod-like member 400 to be eluted as described above corresponding to about 0.916 [mol]. これを電気量に換算すると、0.916[mol]×2[Fd/mol]=1.832×96500[C]=1.77×10 5 [C]となる。 When this is converted into an electrical quantity, and 0.916 [mol] × 2 [Fd / mol] = 1.832 × 96500 [C] = 1.77 × 10 5 [C]. 電源903で1[A]の電流を流したとすると、全ての棒状部材400を電気化学的に析出させるためには、約49.4時間、すなわち約2日間かかることとなる。 When the power supply 903 1 and a current flow of [A], in order to precipitate all the rod-like member 400 electrochemically becomes allow about 49.4 hours, namely about 2 days.

以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の貫通孔31が形成されたスタック3を熱伝導率が10[W/m・K]未満の材料から構成することにより、スタック3の長さを短くしても温度勾配をスケーリング(比例縮小)することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。 As described above, according to this embodiment, by the stack 3 with a plurality of through holes 31 are formed thermal conductivity consist of less than 10 [W / m · K] material, the stack 3 since it becomes possible to scale the temperature gradient even shorter lengths (proportionally reduced), it is possible to lower the temperature of the high temperature-side heat exchanger required to achieve a critical temperature gradient. 結果として、小型化に伴って必要となる、より高い周波数での自励振動を温度差が低い場合にも実現することができる。 As a result, it is necessary with the compact, self-oscillation at higher frequencies can be realized when the temperature difference is low.

なお、本実施の形態では、貫通孔31が正六角形の平面形状を有する場合を例に説明したが、その平面形状は正六角形に限定されず、適宜自由に設定することができる。 In this embodiment, although the through-hole 31 has been described as an example the case with a regular hexagonal planar shape, the planar shape is not limited to regular hexagon, it may be freely set. 例えば、円形、楕円形、正三角形、正方形、長方形、正五角形などにしてもよい。 For example, circular, elliptical, regular triangle, square, rectangular, may be like the regular pentagon. ここで、平面形状を多角形にする場合には、各辺の長さは同一でなくてもよい。 Here, in the case of the planar shape polygonal, the length of each side may not be the same. また、貫通孔31の平面形状は、全て同一でなくてもよい。 The planar shape of the through hole 31 may not be all the same. そのように、平面形状を適宜設定して、多数の貫通孔31を設けることにより、その貫通孔31の内壁面を多数形成できるので、エネルギー変換効率を向上させることができる。 As such, by setting the plane configuration as appropriate, by providing a large number of through-holes 31, since the inner wall surface of the through hole 31 can be formed a number, it is possible to improve the energy conversion efficiency.

また、本実施の形態では、スタック3が円柱の形状を有する場合を例に説明したが、スタック3の形状は円柱に限定されず、例えば、楕円柱、三角柱、角柱、五角柱、六角柱、八角柱など、中央部に貫通孔が形成可能な形状であるならば各種形状を適用することができる。 Further, in the present embodiment, the stack 3 has been described as an example a case having a cylindrical shape, the shape of the stack 3 is not limited to a cylindrical, for example, an elliptic cylinder, a triangular prism, prism, pentagonal prism, Hashira Rokkaku, octagonal, etc., can be applied various shapes if the through hole in its central portion is formable shape.

本発明は、熱音響装置に適用することができる。 The present invention is applicable to a thermoacoustic device.

1…熱音響エンジン、2…管、3…スタック、3a…中央部、3b…外周部、4…高温側熱交換器、5…低温側熱交換器、6…高温熱源、7…低温熱源、31…貫通孔、300…金属板、311…中央部、311a…第1の孔、312…外周部、312a…第2の孔、400…棒状部材、800…鋳型、801…鋳型収容器、802…ガラスブロック、900…電解液収納容器、901…酸性腐食剤、902…対向電極、903…電源。 1 ... thermoacoustic engine, 2 ... pipe 3 ... stack, 3a ... central, 3b ... outer peripheral portion, 4 ... high temperature side heat exchanger, 5 ... low-temperature heat exchanger, 6 ... high-temperature heat source, 7 ... cold heat source, 31 ... through hole, 300 ... metal plate, 311 ... central, 311a ... first hole, 312 ... outer peripheral portion, 312a ... second hole, 400 ... bar-like member, 800 ... template, 801 ... mold container, 802 ... glass block, 900 ... electrolyte container, 901 ... acidic corrosives, 902 ... counter electrode 903 ... power.

Claims (4)

  1. 一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックであって、 Comprising a plurality of through holes along one direction, are arranged together with the working fluid inside the tube, the vibration energy of the working fluid of the thermal energy and the tube flows along the through hole by thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid a thermoacoustic device stack that converts bets,
    複数の前記貫通孔は、熱伝導率が10[W/m・K]未満の材料からなる柱状部材にその中心軸に沿って形成され A plurality of the through holes are formed along the central axis of the columnar member thermal conductivity consists of less than 10 [W / m · K] materials,
    前記柱状部材は、その中心軸に垂直な断面において前記貫通孔が形成された中央部と、前記貫通孔が形成されていない外周部とを有し、この外周部の面積の割合が当該柱状部材の断面の20%以下である The columnar member includes a central portion where the through holes are formed in a cross section perpendicular to the central axis, wherein the through hole and a peripheral portion which is not formed, the ratio is the columnar member in the area of the outer peripheral portion is 20% or less of the cross-section of the
    ことを特徴とする熱音響装置用スタック。 Thermoacoustic device stack, characterized in that.
  2. 前記柱状部材は、ポリイミドおよびガラスの一方から構成される ことを特徴とする請求項1記載の熱音響装置用スタック。 The columnar member, thermoacoustic device stack of claim 1 wherein the composed one of polyimide and glass.
  3. 前記貫通孔は、正六角形、正三角形、正方形、および、長方形のうち何れか1つの断面形状を有する ことを特徴とする請求項1 または2に記載の熱音響装置用スタック。 The through holes, regular hexagon, an equilateral triangle, square, and, thermoacoustic device stack of claim 1 or 2, characterized in that it has any one of the cross-sectional shape of the rectangle.
  4. 一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、 Comprising a plurality of through holes along one direction, are arranged together with the working fluid inside the tube, the vibration energy of the working fluid of the thermal energy and the tube flows along the through hole by thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid a method of manufacturing a thermoacoustic device stack that converts bets,
    第1の孔が複数形成された中央部と、この中央部の周囲に設けられ、前記第1の孔が形成されていない外周部とを有する2つの金属板に対し、前記第1の孔の形状に対応する断面形状を有する複数の棒状部材それぞれの両端を各金属板の前記第1の孔に固定することにより、前記金属板および前記棒状部材からなる第1の構造体を形成する第1のステップと、 A central portion in which the first hole is formed with a plurality, disposed around the central portion, the relative first hole is not formed outer circumferential portion and two metal plates with, the first bore by a plurality of bar-like members both ends having a cross-sectional shape corresponding to the shape secured to the first hole of each metal plate, the forming a first structure made of the metal plate and the rod-like member 1 and the step of,
    熱伝導率が10 [W/m・K]未満の材料を溶融させて前記第1の構造体の前記金属板および前記棒状部材の間の空間に流し込んで固化させることにより前記第1の構造体および前記材料からなる第2の構造体を形成する第2のステップと、 Said first structure by solidifying poured into the space between the metal plate and the rod-shaped member of the thermal conductivity of 10 [W / m · K] less than the material was allowed to melt said first structure and and a second step of forming a second structure made of the material,
    2つの前記金属板の間の任意の位置で、前記第2の構造体を前記棒状部材の軸方向に垂直な方向に切断する第3のステップと、 At an arbitrary position of the two said metal plates, and a third step of cutting the second structure in a direction perpendicular to the axial direction of the rod-shaped member,
    切断された前記第2の構造体の少なくとも1つを電解液中に浸漬し、電気分解によって当該第2の構造体に含まれる前記棒状部材を溶出させる第4のステップと、 At least one of the disconnected second structure was immersed in the electrolytic solution, a fourth step of eluting said rod-like member included in the second structure by electrolysis,
    前記棒状部材を溶出させた前記第2の構造体を、前記棒状部材の軸方向に垂直な方向に切断して前記金属板を除去する第5のステップと を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。 Thermoacoustic apparatus characterized by having a fifth step of removing the bar the eluted second structure member, the metal plate was cut in a direction perpendicular to the axial direction of the rod-shaped member manufacturing method of use stack.
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