JP5700545B2 - 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 - Google Patents

Description

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。

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。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。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。）。

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。図１０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。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。このように、図１０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。

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。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。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。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。

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。すなわち、図１１Ａ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１１Ｂ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１１Ｃ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。これらのうち、図１１Ｂ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。一方、図１１Ａ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。

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。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。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。

図１１Ｂ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。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。）。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。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。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。

一方、図１１Ａ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。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）。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。

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。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。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。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/ｍ³］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)［ｍ²／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= ｒ²／（２α）［ｓｅｃ］程度の相互作用時間が必要となる。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。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。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。非特許文献２に開示された熱音響理論によれば、図１２Ａ、図１２Ｂ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。図１２Ａ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。これは、下式（１）に基づくものである。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。

ωτ＝ω・（ｒ²／２α）＝｛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。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。非特許文献２によれば、図１２Ａ，図１２Ｂ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。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。図１２Ａ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。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_α）²＝１〜１０で行われていることを意味している。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１２Ｂより３［ｋＨｚ］となる。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。これは極めて小さな値である。

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。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。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１３に示す。この図１３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。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。

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。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。

実際、図１４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１４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。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。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。

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。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。

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。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。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。

上田 祐樹、「熱音響発電機」、電気学会誌、Vol. 128、No. 12、pp. 812-815、 (2008)． 上田 祐樹、「熱音響発電−熱音響現象の基礎−」、桑野博喜監修、「エネルギーハーベスティング技術の最新動向」（シーエムシー出版、2010年）、pp. 171-183 に所蔵。 坂本眞一、渡辺好章、「音と熱のコラボレーション−熱音響冷凍機実現に向けて−」、電子情報通信学会誌、Vol. 90, No. 11, pp. 993-337 (2007年11月)。

しかしながら、これまでに提案されたスタックでは、いずれも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。

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、軸方向に垂直な二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。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。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。

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。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。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。

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。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。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。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。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。

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。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。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の一辺の長さが０．７９［ｍｍ］程度のハニカム状セラミックが用いられている。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。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。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。

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。

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、積層された複数の板状部材からなり、板状部材のそれぞれは、互いに積層されて貫通孔を形成する複数の第１の孔が形成された中央部を備え、板状部材は、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］未満の材料から構成されることを特徴とするものである。

上記熱音響装置用スタックにおいて、板状部材は、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。

また、上記熱音響装置用スタックにおいて、板状部材は、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の面積の割合が板状部材の面積の２０％以下であるようにしてもよい。

また、上記熱音響装置用スタックにおいて、外周部は、隣接する板状部材との位置合わせに用いられる第２の孔を備えるようにしてもよい。

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。

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、基板上に、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］未満の材料からなる第１の層を形成する第１のステップと、第１の層上にフォトレジスト層を形成する第２のステップと、フォトレジスト層をパターニングしてマスクを形成する第３のステップと、マスクを用いたドライエッチングにより、第１の層に複数の第１の孔および位置合わせ用の第２の孔を形成する第４のステップと、パタンを除去する第５のステップと、基板上から第１の層を剥離することにより、この第１の層からなり、中央部に貫通孔を構成する第１の孔が複数形成され、中央部の外周部に第２の孔が形成された板状部材を生成する第６のステップと、第２の孔にピンを挿入しながら複数の板状部材を積層する第７のステップとを有することを特徴とするものである。

また、本発明に係る他の熱音響装置用スタックの製造方法は、基板上にフォトレジスト層を形成する第１のステップと、フォトレジスト層をパターニングしてマスクを形成する第２のステップと、マスクを用いて基板上に、中央部に貫通孔を構成する第１の孔が複数形成され、中央部の外周部に第２の孔が形成された板状部材を生成するための鋳型を形成する第３のステップと、鋳型に熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］未満の材料が溶解している溶液を流し込むことより、鋳型内に第１の層を形成する第４のステップと、鋳型から第１の層を剥離することにより、この第１の層からなる板状部材を生成する第５のステップと、第２の孔にピンを挿入しながら複数の板状部材を積層する第６のステップとを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、貫通孔を構成する複数の第１の孔が形成された板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。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。

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。 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。 図３は、スタックにおける板状部材の構成を模式的に示す図である。 図４Ａは、スタックを流れる熱流を説明する図である。 図４Ｂは、比較例のスタックを流れる熱流を説明する図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するフローチャートである。 図６Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図６Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図６Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図６Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図６Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図６Ｆは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図６Ｇは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図７は、スタックの構成材料とその物性値を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するフローチャートである。 図９Ａは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図９Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図９Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図９Ｄは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図９Ｅは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図９Ｆは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図９Ｇは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図９Ｈは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明する図である。 図１０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。 図１１Ａは、直管方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。 図１１Ｂ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。 図１１Ｃ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。 図１２Ａは、自励開始温度比とωτとの関係を示す図である。 図１２Ｂは、自励周波数とωτとの関係を示す図である。 図１３は、作業流体と熱境界層厚との関係を示す図である。 図１４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。

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。

＜熱音響エンジンの構成＞
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。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。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。

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、それぞれ同一の厚さからなる平面視略円形の板状部材３１を複数積層したものである。また、スタック３には、板状部材３１の積層方向、すなわち管１の軸方向に沿って複数の貫通孔３２が形成されている。したがって、貫通孔３２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。なお、本実施の形態においては、スタック３の材料としてポリイミドを用いた場合を例に説明する。

各板状部材３１は、図３に示すように、板状部材３１と同心の平面視略円形の領域からなる中央部３１１と、この周囲に位置する外周部３１２とから構成される。
中央部３１１には、貫通孔３２を構成する複数の第１の孔３１１ａが形成されている。この第１の孔３１１ａは、管２の長さ（共鳴周波数ω）と熱緩和時間τ（＝ｒ²／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。すなわち、第１の孔３１１ａの直径は、図１２Ａ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。他方、第１の孔３１１ａのピッチは、第１の孔３１１ａをできるだけ稠密に形成されるように定める。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。例えば、共鳴周波数を４００〜５００［Ｈｚ］とした場合、外周部３１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、第１の孔３１１ａは、直径が０．７６〜０．５［ｍｍ］、ピッチが０．９〜０．６［ｍｍ］程度となる。
また、本実施の形態において、第１の孔３１１、すなわち貫通孔３２の軸線に垂直な断面は、正六角形である。このような正六角形の断面形状の貫通孔３２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３２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。
外周部３１２には、第１の孔３１１ａが形成されないが、位置合わせ用の第２の孔３１２ａが形成されている。このような外周部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板状部材３１の総面積の２０％を超えないようにすることが望ましい。その理由について、図４Ａ，図４Ｂを参照して説明する。

図４Ａは、本実施の形態、すなわち板状部材３１の総面積に対する外周部３１２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４Ｂは、比較例であって、板状部材４０１の総面積に対する外周部４１２の面積が２０％を超えるスタック４００を流れる熱流を示す図である。

図４Ｂに示す外周部４１２の面積の割合が２０％を超える板状部材４０１から構成されるスタック４００の場合、高温側から低温側に板状部材４０１中を流れる熱流は、点線矢印ｂ、ｃで示すように、主に第１の孔４１１ａが形成されていない外周部４１２を流れる。これは、空隙率εで第１の孔４１１ａが形成された中央部４１１には、高い熱伝導率κ１を有するスタック４００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、第１の孔４１１ａが形成されていない外周部４１２の熱伝導率κ１よりも小さくなるからである。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４１２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。

＜κ＞_av＝（１−ε）κ₁＋εκ₂ ・・・（２）

一方、図４Ａに示す外周部３１２の面積の割合が２０％以下の板状部材３１から構成されるスタック３の場合、その板状部材３１を流れる熱流は、点線矢印ａで示すように、外周部３１２から漏れ出る量が少なく、その外周部３１２と中央部３１１とで均等な量となる。実際、実験によれば、板状部材３１の総面積に対する外周部３１２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１４の６００［ｃｐｓｉ］まで低下させることができた。一方、板状部材４０１の総面積に対する外周部４１２の面積を２３．６％としたスタック４００では、自励開始温度比が図１４の９５０［ｃｐｓｉ］程度であった。

図１４は、板状部材３１の中央部３１１に形成された第１の孔３１１ａの単位面積当りの密度が６００［ｃｐｓｉ］と９５０［ｃｐｓｉ］の場合におけるスタックの長さ（横軸）と自励開始温度比（縦軸）の関係を示すものである。いずれの場合も、板状部材３１を積層したスタック３の長さを短くすると、ある長さまでは自励開始温度比が低下し、さらに短くすると自励開始温度比が増大していく。これは、スタックの長さの短縮に伴って、板状部材３１を流れてゆく貫通熱による熱損失が増大するためと考えられる。また、図１４からは、熱音響エンジン１において最適の第１の孔３１１ａの径および密度が６００［ｃｐｓｉ］の場合であることもわかる。これは、第１の孔３１１ａの径を小さくし、密度を高めた方がより自励開始温度比を低下できるという図１２Ａ、図１２Ｂに示した理論的予測とは異なった結果となっている。このような結果となった理由は、強度確保のために必要とする外周部３１２の面積が、６００［ｃｐｓｉ］の場合よりも９５０［ｃｐｓｉ］の場合の方が大きいからである。すなわち、外周部３１２の面積を削減して外周部３１２を流れる熱流を抑制した結果、自励開始温度比が図１４に示す６００［ｃｐｓｉ］のラインまで低下したと考えられる。これは、第１の孔３１１ａの密度がより高い９５０［ｃｐｓｉ］の場合よりも低い自励開始温度比を示しており、外周部３１２を流れる熱流の抑制が、熱損失の低減に効果的であることを示している。したがって、熱流がなるべく中央部３１１に集中して流れるようにするには、板状部材３１の面積に対する外周部３１２の面積の比率を、２０％以下に保つことが望ましい。
本実施の形態では、板状部材３１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ているので、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。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。なお、スタック３を構成する板状部材３１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。

スタック３（断面積Ａ）は、貫通孔３２が形成された中央部３１１（面積Ａ_in）と、外周部３１２（面積Ａ_out）とにより構成される。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３１２を流れる熱流Ｑ_outと貫通孔３２が形成された中央部３１１を流れるＱ_inの和で表される。

＜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３１２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。この下式（４）において、ΔＴ_m≡（Ｔ_H−Ｔ_C）／Ｌ_Sとした。

Ｑ_out＝Ａ_outκ｛（Ｔ_H−Ｔ_C）／Ｌ_S｝＝Ａ_outκ・ΔＴ_m ・・・（４）

他方、空隙率ε（０＜ε＜１）の中央部３１１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／ｍ²・Ｋ］とすると、下式（５）で表される。

Ｑ_in＝ε・Ａ_inｈ（Ｔ_H−Ｔ_C）＋（１−ε）・Ａ_inκ・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。

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。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。Ａ_out／Ａは、外周部３１２の面積比率である。この外周部３１２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。

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３１１の面積比率（Ａ_in／Ａ_out）に比例する。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。
空気の熱伝達率ｈは、約２５［Ｗ／ｍ²・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。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。

＜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。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／ｍ²・Ｋ］）であることがわかる。
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。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。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。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を構成する板状部材３１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。このような条件を満足する材料としては、図７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。

＜スタックの製造方法＞
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図５および図６Ａ〜図６Ｇを参照して説明する。

まず、図６Ａに示すように、シリコンウェハ６０１を用意する（ステップＳ１）。

シリコンやサファイヤは、VLSI（Very Large Scale Integrated circuit：大規模集積回路）技術の進展に伴って、微細加工技術が発達した材料である。このようなシリコンやサファイヤからなる固体基板そのものをスタックを構成する板状部材として用いたり、スタックを構成する板状部材を加工するための基板として用いたりすることが想定できる。シリコンを加工して板状部材を形成するプロセスは、標準的なシリコンプロセスにより実現できることが知られている。そこで、本実施の形態では、シリコン基板を板状部材３１を加工するための基板として用いる場合について説明する。その板状部材３１の材料としては、図７に示すように、熱伝導率が０．２９［Ｗ/ｍ・Ｋ］と低く、かつ定圧比熱が１．０５［ｋＪ／ｋｇ・Ｋ］と比較的大きなポリイミドを用いる。その熱伝導率は、シリコンの熱伝導率の約１／４００である。上述したように、小孔径化や孔密度を向上させることにより、熱音響自励振動の開始温度を低下させることができる。この場合、スタック３に要求される性能のうち、高温に対する耐熱性は必ずしも重要なものではなくなる。例えば、２００℃程度で熱音響自励振動が開始できるのであれば、ポリイミドなどの有機系材料をスタック３の構成材料として用いることが可能である。特に、低温での自励発振を実現するためにスタック３の長さを短くして、軸方向の両端間に印加する温度差を小さくするには、熱伝導率が低い有機系材料が望ましい。この場合、ポリイミドは加工しやすく、脆くなく、かつ、熱伝導率が低いので、低温動作熱音響原動機のスタックの構成材料として有望である。

用意したシリコンウェハ６０１は、ＲＣＡ洗浄法などの化学的洗浄法によって表面の自然酸化膜を除去した状態、すなわち表面疎水性にした状態からＵＶオゾン暴露により表面を親水化した状態とされている。本実施の形態においては、シリコンウェハ６０１として、厚さ０．６２５［ｍｍ］のものを用意した。また、図６Ａからもわかるように、大型のシリコンウェハを用意した場合には、１枚のシリコンウェハで一度に複数の板状部材３１を形成することができる。

次に、シリコンウェハ６０１の上面に例えばポリビニルアルコール（polyvinyl alcohol：ＰＶＡ）などの水溶性ポリマーを塗布することで、図６Ｂに示すようにシリコンウェハ６０１上に離型層６０２が形成された状態とする（ステップＳ２）。

次に、スピンコータ等により、離型層６０２上にＮ‐メチルピロリドン等の溶媒に溶解させた可溶性ポリイミドを塗布することで、図６Ｃに示すように離型層６０２上にポリイミド層６０３が形成された状態とする（ステップＳ３）。本実施の形態では、ポリイミド層６０３を厚さ０．５［ｍｍ］程度に形成した。

次に、スピンコータ等により、ポリイミド層６０３上にフォトレジストを塗布することで、図６Ｄに示すようにポリイミド層６０３上にフォトレジスト層６０４を形成された状態とする（ステップＳ４）。

次に、公知のフォトリソグラフィ技術により、図６Ｅに示すようにフォトレジスト層６０４に板状部材３１の平面形状に対応するパタンが形成された状態とする（ステップＳ５）。

次に、図６Ｆに示すように、パターニングされたフォトレジスト層６０４をマスクとしてポリイミド層６０３がエッチング加工された状態とする（ステップＳ６）。このエッチングでは、例えば、リアクティブイオンエッチングなどの直線性のよいドライエッチング方法により行い、エッチング箇所において離型層６０２の表面を露出させる。これにより、マスクされていないポリイミド層６０３には、第１の孔３１１ａまたは第２の孔３１２ａに対応する孔６０３ａが形成される。なお、本実施の形態では、第１の孔３１１ａの断面形状を六角形状とする場合を例に説明するが、このようなフォトリソグラフィ技術を用いることにより、その断面形状は六角形に限定されず、各種形状を実現することができる。例えば、本実施の形態のような六角形セルを敷き詰めたハニカム状パタン、三角形セルを敷き詰めたカゴメ状パタン、正方形セルを敷き詰めた格子状パタンなど、各種形状を実現することができる。

次に、図６Ｇに示すように、フォトレジスト層６０４が除去された状態とする（ステップＳ７）。これにより、シリコンウェハ６０１上には、板状部材３１となるポリイミド層６０３が露出することとなる。このとき、図６Ａで示したように大型のシリコンウェハ６０１を用いた場合には、図６Ｇに示すように、シリコンウェハ６０１上に複数の板状部材３１となるポリイミド層６０３が形成されることとなる。

次に、離型層６０２およびパターニングされたポリイミド層６０３を備えたシリコンウェハ６０１を純水等でリンスすることにより、離型層６０２が除去された状態とする（ステップＳ９）。そして、シリコンウェハ６０１からポリイミド層６０３を剥離することにより、このポリイミド層６０３からなる板状部材３１を取得する（ステップＳ９）。

このような方法により、スタック３を構成する所定枚数の板状部材３１を生成すると、ポリイミドからなるピンを各板状部材３１に設けられた位置合わせ用の第２の孔３１２ａに貫通させることにより、それらの板状部材３１を整列させた状態で積層する（ステップＳ１０）。これにより、第１の孔３１１ａから構成される貫通孔３２が板状部材３１の中央部３１１に稠密に形成されたポリイミドからなるスタック３を生成することができる。

これにより、設計通りの微細な孔径を有する第１の孔３１１ａが稠密に形成された中央部３１１と、設計通りの面積を有する外周部３１２とを備えた板状部材３１から構成されるスタック３を生成することができる。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３１１と外周部３１２とで均等に流れるので、その熱流が外周部３１２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。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。

以上説明したように、本実施の形態によれば、貫通孔３２を構成する複数の第１の孔３１１ａが形成された板状部材３１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。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。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る熱音響装置用スタックの製造方法ついて説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施の形態では、シリコン基板上に周期的な凹凸を有する構造体を形成し、この構造体を鋳型（以下、「モールド」という。）として用いることにより、長方形の断面形状を有する第１の孔３１１ａ’を備えた板状部材３１’を形成するものである。モールドの大きさは、熱音響装置の大きさにより任意のものを設計し、標準的なシリコンプロセスにより作成される。その詳細について、図８を参照して説明する。なお、本実施の形態では、シリコン基板からモールドを形成する場合を例に説明するが、そのモールドを形成する材料はシリコンに限定されず、例えば金属など各種材料を用いることができることは言うまでない。また、以下においては、凹凸のアスペクト比が１、ハーフピッチが１［ｍｍ］、構造体の１辺の長さが０．５［ｍｍ］、構造体の形状が正方形の場合を例に説明するが、これらの値は熱音響装置の寸法に依存するものであって、最適形状や最適値を設計することにより適宜設定される。

まず、図９Ａに示すように、シリコン基板９０１を用意する（ステップＳ１１）。用意したシリコン基板９０１は、ＲＣＡ洗浄法などの化学的洗浄法によって表面の自然酸化膜を除去した状態、すなわち表面疎水性にした状態からＵＶオゾン暴露により表面を親水化した状態とされている。本実施の形態においては、シリコン基板９０１として、厚さ２［ｍｍ］のものを用意した。

次に、スピンコータ等により、シリコン基板９０１上にフォトレジストを塗布することで、図９Ｂに示すようにシリコン基板９０１上にフォトレジスト層９０２を形成された状態とする（ステップＳ１２）。

次に、公知のフォトリソグラフィ技術により、図９Ｃに示すようにフォトレジスト層９０２に板状部材３１’の平面形状に対応するパタンが形成された状態とする（ステップＳ１３）。

次に、図９Ｄに示すように、パターニングされたフォトレジスト層９０２をマスクとしてシリコン基板９０１がエッチング加工された状態とする（ステップＳ１４）。このエッチングでは、例えば、リアクティブイオンエッチングなどの直線性のよいドライエッチングにより行い、シリコン基板９０１に第１の孔３１１ａや第２の孔３１２ａを形成するための溝９０１ａを形成する。なお、シリコン基板９０１の替わりに金属板を用いた場合には、金属腐食剤を用いたウェットエッチングによりその金属板をエッチングすればよい。

ここで、シリコン基板９０１をウェットエッチングする場合には、（１１０）面のシリコン基板に対して、異方性エッチング溶液として水酸化カリウム（ＫＯＨ）を主体としたエッチング液を用いる。この場合、パターニングした熱酸化膜（ＳｉＯ₂）をマスクとして用いる。このようにすることで（１１１）側面を持つ深い溝を形成できる。ここで異方性エッチング溶液は、イソプロピルアルコールを混合した水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液である。ＫＯＨを用いる場合、マスク材であるＳｉＯ₂もエッチングされてしまうが、ＫＯＨによるＳｉとＳｉＯ₂との選択比がおよそ１００：１であることを考慮して、ＳｉＯ₂マスクパタンの膜厚を設計し、熱酸化時間を調節して必要なマスク厚の熱酸化膜を形成しておけば、マスク材がエッチングされるのを防ぐことができる。なお、マスクとして用いたＳｉＯ₂は、ＨＦ（フッ酸）により除去できる。

次に、図９Ｅに示すように、フォトレジスト層９０２が除去された状態とする（ステップＳ１５）。これにより、上面に溝９０１ａが形成された板状部材３１’を生成するためのモールドが生成されることとなる。なお、本実施の形態では、一例として、第１の孔３１１ａの断面形状を長方形とした場合について説明する。したがって、溝９０１ａは、図９Ｅに示すように格子状の平面形状を有している。

次に、モールドとして機能するシリコン基板９０１の上面をＵＶオゾン暴露により表面を親水化して蒸留水で洗浄した後、例えばディップコートにより、シリコン基板９０１の上面に例えばポリビニルアルコール（polyvinyl alcohol：ＰＶＡ）などの水溶性ポリマーを塗布することで、図９Ｆに示すようにシリコン基板９０１上に離型層９０３が形成された状態とする（ステップＳ１６）。ここで、離型層９０３の厚さは、寸法制御の観点からシリコン基板９０１の溝９０１ａが形成する凹凸の大きさの１０分の１以下が望ましい。その厚さは、ディップコートの引き上げ速度やＰＶＡのモル濃度を調節することにより調節することができる。

次に、離型層９０３上に、例えばディップコートにより、Ｎ−メチルピロリドン等の溶媒に溶解させた可溶性ポリイミドを塗布し、その溶媒を蒸発させることで、図９Ｇに示すように離型層９０３上にポリイミド層９０４が形成された状態とする（ステップＳ１７）。ここで、ポリイミド層９０４は、その上面の高さが溝９０１ａの上端を超えないように形成される。

次に、離型層９０３およびポリイミド層９０４が形成されたシリコン基板９０１を蒸留水に浸漬することにより、離型層９０３を除去し、図９Ｈに示すようにポリイミド層９０４がシリコン基板９０１から剥離された状態とする（ステップＳ１８）。これにより、そのポリイミド層９０４から構成される板状部材３１を取得する。

このようなポリイミド層９０４からなる板状部材３１の生成は、スタック３を構成する板状部材３１の必要枚数が取得されるまで、上述したステップＳ１６〜Ｓ１８を繰り返すことにより行われる。ステップＳ１６〜Ｓ１８によるポリイミド層９０４の作成プロセスでは、モールドとして機能するシリコン基板９０１が損傷しないので、同じモールドを繰り返し使用することができる。

板状部材３１が所定枚数生成されると（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、例えば筒状カッターなどを用いて孔の位置合わせを行いながら動径方向の大きさを調節した後、ポリイミドからなるピンを各板状部材３１に設けられた位置合わせ用の第２の孔３１２ａに貫通させることにより、それらの板状部材３１を整列させた状態で積層する（ステップＳ２０）。これにより、設計通りの微細な口径を有する第１の孔３１１ａ’から構成される貫通孔が板状部材３１の中央部３１１に稠密に形成されたポリイミドからなるスタック３を生成することができる。

このような方法によりスタック３を構成する板状部材３１’を生成することによっても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を実現することができる。

なお、第１，第２の実施の形態では、第１の孔３１１ａが正六角形または長方形の平面形状を有する場合を例に説明したが、その平面形状はそれらに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、円形、楕円形、正三角形、正方形、正五角形などにしてもよい。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。また、第１の孔３１１ａの平面形状は、全て同一でなくてもよい。そのように、平面形状を適宜設定して、多数の第１の孔３１１ａを設けることにより、その貫通孔３１１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。

また、第１，第２の実施の形態では、板状部材３１の平面形状が略円形の場合を例に説明したが、その平面形状は略円形に限定されず、例えば矩形や楕円形など適宜自由に設定することができる。

また、第１，第２の実施の形態では、各板状部材３１、３１’が同一の厚さを有する場合を例に説明したが、その厚さが異なるようにしてもよい。

本発明は、熱音響装置に適用することができる。

１…熱音響エンジン、２…管、３…スタック、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、３１，３１’…板状部材、３２…貫通孔、３１１…中央部、３１１ａ，３１１ａ’…第１の孔、３１２…外周部、３１２ａ…第２の孔、６０１…シリコンウェハ、６０２…離型層、６０３…ポリイミド層、６０３ａ…孔、６０４…フォトレジスト層、９０１…シリコン基板、９０１ａ…溝、９０２…フォトレジスト層、９０３…離型層、９０４…ポリイミド層。

Claims (7)

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、
   高温側熱交換器と低温側熱交換器により与えられる温度勾配により前記一方向に沿って流れる熱流のうち直接熱伝導による寄与が熱伝達による寄与以下となり、かつ、温度勾配が前記熱音響自励振動が起こる臨界値を超えた上でより短いスタック長に積層された同一材料からなる複数の板状部材からなり、
   前記板状部材のそれぞれは、互いに積層されて前記貫通孔を形成する複数の第１の孔が形成された中央部を備え、
   前記板状部材は、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］未満の材料から構成される
   ことを特徴とする熱音響装置用スタック。
2. 前記板状部材は、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。
3. 前記板状部材は、前記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の面積の割合が前記板状部材の面積の２０％以下である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の熱音響装置用スタック。
4. 前記板状部材の前記第１の孔が形成されていない外周部は、隣接する前記板状部材との位置合わせに用いられる第２の孔を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱音響装置用スタック。
5. 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乃至３の何れか１項に記載の熱音響装置用スタック。
6. 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、
   基板上に、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］未満の材料からなる第１の層を形成する第１のステップと、
   前記第１の層上にフォトレジスト層を形成する第２のステップと、
   前記フォトレジスト層をパターニングしてマスクを形成する第３のステップと、
   前記マスクを用いたドライエッチングにより、前記第１の層に複数の第１の孔および位置合わせ用の第２の孔を形成する第４のステップと、
   前記パタンを除去する第５のステップと、
   前記基板上から前記第１の層を剥離することにより、この第１の層からなり、中央部に前記貫通孔を構成する第１の孔が複数形成され、前記中央部の外周部に前記第２の孔が形成された板状部材を生成する第６のステップと、
   前記第２の孔にピンを挿入しながら、高温側熱交換器と低温側熱交換器により与えられる温度勾配により前記一方向に沿って流れる熱流のうち直接熱伝導による寄与が熱伝達による寄与以下となり、かつ、温度勾配が前記熱音響自励振動が起こる臨界値を超えた上でより短いスタック長に複数の前記板状部材を積層する第７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。
7. 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、
   基板上にフォトレジスト層を形成する第１のステップと、
   前記フォトレジスト層をパターニングしてマスクを形成する第２のステップと、
   前記マスクを用いて前記基板上に、中央部に前記貫通孔を構成する第１の孔が複数形成され、前記中央部の外周部に前記第２の孔が形成された板状部材を生成するための鋳型を形成する第３のステップと、
   前記鋳型に熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］未満の材料が溶解している溶液を流し込むことより、鋳型内に第１の層を形成する第４のステップと、
   前記鋳型から前記第１の層を剥離することにより、この第１の層からなる前記板状部材を生成する第５のステップと、
   前記第２の孔にピンを挿入しながら複数の前記板状部材を積層する第６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。

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