JPWO2015115005A1 - 熱・音波変換部品及び熱・音波変換器 - Google Patents

Abstract

熱・音波変換部品には、一方向に延在して前記熱・音波変換部品を貫通し音波の伝播経路を形成するように構成された複数の貫通孔が設けられる。熱・音波変換部品は、前記貫通孔それぞれの周りに形成されて前記貫通孔の延在方向に延び、前記流体との間で熱の授受を行なうように構成された壁を備える。前記貫通孔は水力直径が０．４ｍｍ以下の孔を含み、前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上である。前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における熱伝導率は０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下であり、前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における４００℃における熱容量は０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］より大きい。

Description

本発明は、音波が伝播する流体と、この流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品及び熱・音波変換器に関する。

現在、地球環境保護の観点から、従来捨てられていたエネルギを有効利用する技術が求められている。特に、捨てられていたエネルギを動力エネルギに変換できる技術が望まれている。このような技術として、水蒸気を生成し、タービンを回すランキンボトミング、廃棄熱を利用したスターリングサイクルシステム、熱電変換素子による熱から電気への変換システム、熱エネルギを音圧エネルギに変換する熱・音響システム等が知られている。

熱・音響システムは、音波のエネルギ（音圧エネルギ）と熱エネルギとの間でエネルギを変換する熱・音変換技術を利用したシステムであり、音波が伝播する流体中の流体要素の圧縮過程及び膨張過程を利用する。具体的には、当該技術は、流体要素が上記圧縮過程を行う位置（音波の伝播方向の位置）と流体要素が上記膨張過程を行う位置（音波の伝播方向の位置）が流体の縦振動（音波）によって異なることを利用する。
熱・音変換技術を利用した熱・音響システムの例として、固体とガス間で十分な接触頻度を持つ装置において、固体の一端を加熱しつつ、熱の一部を音波のエネルギに変換し、この音波を発電装置に供給するシステムが挙げられる。このシステムでは、上記装置中の固体に形成される温度勾配がキーとなるが、この装置では音波へのエネルギの変換効率が十分ではなかった。これは、熱エネルギを音圧エネルギに変換する役割を持つ熱・音波変換部品が、好ましい構造、物性を持っていなかったことに起因する。

このような熱・音変換技術を用いた熱・音波変換部品として、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が知られている（特許文献１）。
当該熱音響装置用スタックは、複数の貫通孔が形成されており、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］未満の材料から構成されている。これにより、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。

特開２０１２−２３７２９５号公報

上記スタックでは、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効率よく低くすることができる。しかし、現在、音波と熱との間のエネルギ交換の効率は低い。

そこで、本発明は、音波が伝播する流体と、この流体と接する壁との間で、音波と熱のエネルギ変換を効率よく行うことができる熱・音波変換部品及び熱・音波変換器を提供することを目的とする。

本技術は、以下の各形態を含む。

（形態１）
音波が伝播する流体と、前記流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品である。当該熱・音波変換部品は、一方向に延在して前記熱・音波変換部品を貫通し音波の伝播経路を形成するように構成された複数の貫通孔それぞれの周りに形成され、前記貫通孔の延在方向に延び、前記流体との間で熱の授受を行なうように構成された壁、を備える。
前記貫通孔は、水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔を含み、前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上である。
前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における熱伝導率は０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下であり、前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における４００℃における熱容量は０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］より大きい。

（形態２）
前記熱・音波変換部品における２０℃〜８００℃間の前記貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は６［ｐｐｍ／Ｋ］以下である、形態１に記載の熱・音波変換部品。

（形態３）
前記貫通孔の延在方向と直交する方向に前記熱・音波変換部品を切断したときの前記貫通孔それぞれの断面形状は、多角形状である、形態１または形態２に記載の熱・音波変換部品。

（形態４）
前記貫通孔それぞれと接する前記壁の内壁面には、前記貫通孔それぞれの断面の内側に向かって突出したリブが前記貫通孔の延在方向に沿って設けられている、形態１または形態２に記載の熱・音波変換部品。

（形態５）
また、前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における４００℃における熱容量は０．７５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］以上である、形態１〜４のいずれか１つに記載の熱・音波変換部品。

（形態６）
一体構造物で構成されている、形態１〜５のいずれか１つに記載の熱・音波変換部品。

（形態７）
一方の端面から他方の端面に延在する、流体の流路となる貫通孔を区画する隔壁を、同一材料で一体構造物として形成した長尺状の構造体で構成されている、形態１〜５のいずれか１つに記載の熱・音波変換部品。

（形態８）
前記熱・音波変換部品は、コージェライト、ムライト、アルミニウムチタネート、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、及び、合成樹脂の中から選択された成分を８０質量％以上含む材料を用いて構成される、形態１〜７のいずれか１つに記載の熱・音波変換部品。

（形態９）
流体の音波エネルギを、前記流体に接する壁の熱を用いて増幅する熱・音波変換部品を備えた熱・音波変換器であって、
前記熱・音波変換部品と、
前記流体の音波の伝播経路を形成し、前記熱・音波変換部品の前記貫通孔の延在方向に沿って前記音波が伝播するように、前記音波を前記貫通孔に導くように構成された導管と、
前記熱・音波変換部品の両端に設けられ、前記熱・音波変換部品の前記両端の間で前記延在方向に沿って温度勾配を形成させるように構成された一対の熱交換部と、を有し、
前記導管は、前記温度勾配を用いて音波エネルギが増幅された音波を出力ように構成され、出力した音波を用いて、前記増幅した音波エネルギを別のエネルギに変換するように構成された変換器に接続される出力端を有する、ことを特徴とする熱・音波変換器。

（形態１０）
流体に接する壁に、前記流体の音波エネルギを用いて温度勾配をつくる熱・音波変換部品を備えた熱・音波変換器であって、
前記熱・音波変換部品と、
前記流体の音波の伝播経路を形成し、前記熱・音波変換部品の前記貫通孔の延在方向に沿って前記音波が伝播するように、前記音波を前記貫通孔に導くように構成された導管と、
前記熱・音波変換部品の両端のうち第１の端に設けられた一定の温度を有するように構成された熱交換部と、
前記熱・音波変換部品の前記第１の端と異なる第２の端に設けられる熱出力部であって、前記音波の伝播によって、前記熱交換部との間で前記熱・音波変換部品上に形成される温度勾配から、前記熱交換部の温度と温度差を有する温度を取り出すように構成された熱出力部と、を有することを特徴とする熱・音波変換器。

上述の態様の熱・音波変換部品及び熱・音波変換器によれば、音波が伝播する流体と、この流体と接する壁との間で、音波と熱のエネルギ変換を効率よく行うことができる。

本実施形態の熱・音波変換部品を適用した本実施形態の熱・音波変換器の構成の一例を示す図である。 図１に示す熱・音波変換器とは別の実施形態である熱・音波変換器の構成の一例を示す図である。 本実施形態の熱・音波変換部品の一例の外観斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、熱・音波変換部品における音圧エネルギと熱エネルギとの間の変換を説明する図である。 本実施形態における熱・音波変換部品に備える貫通孔の断面形状の一例を示す図である。

以下、本実施形態の熱・音波変換部品及び熱・音波変換器について詳細に説明する。

（熱・音波変換器１０）
図１は、本実施形態の熱・音波変換部品を適用した本実施形態の熱・音波変換器１０の構成の一例を示す図である。図１に示す熱・音波変換器１０は、導管内を伝播する音波の音圧エネルギを増大し、増大した音圧エネルギを、他のエネルギに変換する変換装置４０に供給する装置である。変換装置４０は、例えば、音波エネルギを電気エネルギに変換する発電機や音波エネルギを熱エネルギに変換する装置が挙げられる。上記発電機では、音波によって発電素子であるコイルや磁石等を振動させることにより電磁誘導を発生させて起電力を生じさせる。音波エネルギを熱エネルギに変換する変換装置では、例えば音波に熱が吸収されて冷却された冷却媒体を取り出して、冷却装置として用いられる。
熱・音波変換器１０は、熱・音波変換部品に入力した音波Ｓｗの音圧エネルギを熱・音波変換部品で増大させ、音圧エネルギの増大した音波を出力する装置である。熱・音波変換器１０は、例えば、小さな音圧エネルギの音波Ｓｗを熱・音波変換部品で増大させ、音圧エネルギの増大した音波を循環して、さらに熱・音波変換部品に入力させて音圧エネルギを増大させることにより、極めて大きな音圧エネルギの音波を出力することができる。このとき、小さな音圧エネルギの音波Ｓｗを形成する初期段階では、熱・音波変換器１０は、上記循環を利用して、導管１４内の音のノイズ成分の一部を、熱・音波変換器１０の形状寸法等によって定まる周波数を持つ音波として選択的に増幅する。これにより、上記小さな音圧エネルギの音波Ｓｗが自励的に形成される。

熱・音波変換器１０は、図１に示すように、熱・音波変換部品１２と、導管１４と、熱交換部１５，２３と、を主に有する。
熱・音波変換部品１２は、音波Ｓｗが伝播する流体と、この流体と接する壁との間で、音波と熱のエネルギの変換を行う部品であって、後述するように、音波Ｓｗの伝播経路を形成する一方向に延在した管状の複数の貫通孔を備える。すなわち、熱・音波変換部品１２は円柱や角柱等の柱形状を成し、柱形状の軸方向に沿って、多数の貫通孔が互いに平行に設けられている。熱・音波変換部品１２は、例えば、金属、セラミック、あるいは樹脂によって構成される。

導管１４は、流体を導管１４内に含み、この流体の音波Ｓｗの伝播経路を形成するとともに、熱・音波変換部品１２の貫通孔の延在方向に沿って音波Ｓｗが伝播するように、音波Ｓｗを貫通孔に導く。導管１４は、例えば、金属製の管である。導管１４には、流体として好適にはガスが用いられ、例えば水素やヘリウムガスが用いられる。ガスは、例えば数気圧〜数十気圧、より具体的には２１〜４０気圧の範囲の所定の圧力に調整されて導管１４に封入されている。導管１４は、図１に破線で示すように、音波Ｓｗが熱・音波変換部品１２を循環する循環経路３６を形成するように構成される。導管１４は、音波エネルギが増幅された音波Ｓｗを用いて、音圧エネルギ以外のエネルギに変換する変換器４０に接続される出力端１４ａを有する。本実施形態の導管１４は、循環経路３６を形成するが、導管１４は必ずしも循環経路を形成しなくてもよい。

熱交換部１５は、熱・音波変換部品１２の一方の端に設けられ、熱・音波変換部品１２の端を低温にする低温部である。以降では、熱交換部１５を、同符号を付して低温部１５という。熱交換部２３は、熱・音波変換部品１２の他方の端に設けられ、熱・音波変換部品１２の端を高温にする高温部である。以降では、熱交換部２３を、同符号を付して高温部２３という。これにより、低温部１５及び高温部２３は、熱・音波変換部品１２の両端の間において、熱・音波変換部品１２に設けられた貫通孔の壁面に沿って、すなわち貫通孔の延在方向に沿って温度勾配を形成させる。
低温部１５は、低温のガスや液体等の媒体を低温部１５に供給する供給管１６と、上記媒体を低温部１５から排出する排出管１８と、供給管１６と排出管１８の間に設けられ、音波Ｓｗの伝播経路の周りを環状に囲む環状管２０と、を有する。供給管１６は、図示されない低熱源と接続されている。環状管２０は、供給管１６と排出管１８に接続されている。また、環状管２０は、熱伝導率の高い金属部材２１と当接し、この金属部材２１が熱・音波変換部品１２と当接している。したがって、上記金属部材２１を介して熱・音波変換部品１２の端との間で熱交換して熱・音波変換部品１２の端から低温部１５に熱が流れて熱・音波変換部品１２の金属部材２１と接する端は冷却される。また、低温部１５は、導管１４内の流体を冷却するための冷却フィン２２が設けられている。この冷却フィン２２は、環状管２０と接続されているので、低温部１５に位置する流体の熱を吸収し、流体の温度を低下させる。

一方、高温部２３は、高温のガスや液体等の媒体を高温部２３に供給する供給管２４と、この媒体を高温部２３から排出する排出管２６と、供給管２４と排出管２６の間に設けられ音波Ｓｗの伝播経路の周りを環状に囲む環状管２８と、を有する。供給管２４は、図示されない高熱源と接続されている。環状管２８は、供給管２４と排出管２６に接続されている。また、環状管２８は、熱伝導率の高い金属部材２９と当接し、この金属部材２９が熱・音波変換部品１２と当接している。したがって、上記金属部材２９を介して熱・音波変換部品１２の端は、高温部２３と熱交換し、熱・音波変換部品１２の端には高温部２３から熱が流れて加熱される。また、高温部２３は、導管１４内の流体を加熱するための加熱フィン３０が設けられている。この加熱フィン３０は、環状管２８と接続されているので、高温部２３に位置する流体に熱を供給し、加熱フィン３０に位置する流体の温度を高くさせる。

熱・音波変換部品１２の外周には、熱・音波変換部品１２の熱移動を抑制する干渉材３２が設けられる。干渉材３２の外周には、空隙を介してケーシング３４が設けられている。
したがって、熱・音波変換部品１２は、低温部材１５及び高温部材２３によって形成される温度勾配を維持することができる。このような熱・音波変換器１０における熱・音波変換部品１２の作用についての詳細は後述する。

（熱・音波変換器１１０）
図２は、熱・音波変換器１０とは別の実施形態である熱・音波変換器１１０の構成の一例を示す図である。図２に示す熱・音波変換器１１０は、導管内を伝播する音波の音圧エネルギを熱エネルギに変換する装置である。
熱・音波変換器１１０は、図２に示すように、熱・音波変換部品１１２と、導管１１４と、熱変換部１２３と、熱出力部１１５と、を主に有する。熱出力部１１５が熱交換部１２３の温度と温度差を有する温度を取り出す、すなわち、冷却された冷却媒体（ガスあるいは液体）を出力する部分である。
熱・音波変換器１１０は、導管１１４を介して、音波を出力する上述した熱・音波変換器１０に接続されている。本実施形態の熱・音波変換器１１０では、上述した熱・音波変換器１０に接続される構成であるが、これ以外の音波を発生させる装置であってもよい。

導管１１４及び熱変換部１２３は、図１に示す導管１４及び熱変換部２３と同じ構成を有する。
導管１１４は、流体を導管１１４内に含み、この流体の音波の伝播経路を形成するとともに、熱・音波変換部品１１２の貫通孔の延在方向に沿って音波が伝播するように、音波を熱・音波変換部品１１２の貫通孔に導く。導管１１４は、例えば、金属製の管である。導管１１４内では、流体としてガスが用いられ、例えば水素やヘリウムガスが用いられる。ガスは、例えば数気圧〜数十気圧の所定の圧力に調整されて導管１１４に封入されている。導管１１４は、図２に示すように、音波が熱・音波変換部品１１２を循環する循環経路１３６を形成するように構成される。本実施形態の導管１１４は、循環経路１３６を形成するが、導管１１４は必ずしも循環経路を形成しなくてもよい。

熱交換部１２３は、一定の温度のガスや液体等の媒体を熱交換部１２３に供給する供給管１２４と、上記媒体を熱変換部１２３から排出する排出管１２６と、供給管１２４と排出管１２６の間に設けられ音波の伝播経路の周りを環状に囲む環状管１２８と、を有する。供給管１２４は、図示されない一定の温度の熱源と接続されている。環状管１２８は、供給管１２４と排出管１２６に接続されている。また、環状管１２８は、熱伝導率の高い金属部材１２９と当接し、この金属部材１２９が熱・音波変換部品１２と当接している。したがって、上記金属部材１２９を介して熱・音波変換部品１２の端は、熱交換部１２３と熱交換し、熱・音波変換部品１１２の端は熱交換部１２３の温度と同じ温度になる。また、熱変換部１２３は、導管１１４内の流体を一定の温度にするためのフィン１３０が設けられている。このフィン１３０は、環状管１２８と接続されているので、熱変換部１２３に位置する流体に熱を供給し、フィン１３０に位置する流体の温度を一定にする。

波・熱変換部品１１２の外周には、熱・音波変換部品１１２の熱移動を抑制する干渉材１３２が設けられる。干渉材１３２の外周には、空隙を介してケーシング１３４が設けられている。したがって、熱・音波変換部品１１２は、音波によって形成される温度勾配を維持することができる。このような熱・音波変換器１１０における音波と熱の変換を行う熱・音波変換部品１１２の作用についての詳細は後述する。

熱出力部１１５は、熱・音波変換部品１１２の一方の端に設けられている。熱出力部１１５は、音波の伝播によって、熱・音波変換部品１１２上に形成される温度勾配から、熱交換部１２３の温度と温度差を有する温度を取り出す。上記温度勾配は、熱変換部１２３の一定の温度との間に形成される温度勾配である。
熱出力部１１５は、ガスや液体等の媒体を供給する供給管１１６と、上記媒体を熱出力部１１５から排出する排出管１１８と、供給管１１６と排出管１１８の間に設けられ、音波の伝播経路の周りを環状に囲む環状管１２０と、を有する。環状管１２０は、供給管１１６と排出管１１８に接続されている。また、環状管１２０は、熱伝導率の高い金属部材１２１と当接し、この金属部材１２１が熱・音波変換部品１１２と当接している。したがって、環状管１２０は、上記金属部材１２１を介して熱・音波変換部品１１２の端との間で熱交換をして熱・音波変換部品１１２の端に熱出力部１１５から熱が流れて環状管１２０は冷却される。このため、環状管１２を流れる媒体は冷却媒体となり、冷却媒体が出力される。このような冷却媒体は、冷却装置に用いられる。また、熱出力部１１５は、導管１１４内の流体を冷却するための冷却フィン１２２が設けられている。この冷却フィン１２２は、環状管１２０と接続されているので、熱出力部１１５に位置する流体の熱を吸収し、温度を低下させる。
このように熱・音波変換器１１０では、音波の音圧エネルギを熱エネルギに変換するが、この変換は熱・音波変換部品１１２によって行われる。以下、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の作用、すなわち音圧エネルギ及び熱エネルギの変換について説明する。

（熱・音波変換部品）
熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２は同一の構成を有するので、熱・音波変換部品１２を代表して説明する。図３は、熱・音波変換部品１２の外観斜視図である。
熱・音波変換部品１２には、一方向に延在して熱・音波変換部品１２を貫通し、音波の伝播経路を形成するように構成された複数の貫通孔１２ａが設けられている。熱・音波変換部品１２は、複数の貫通孔１２ａそれぞれの周りに形成されて貫通孔１２ａの延在方向（図３中のＸ方向）に延びる壁１２ｂを備える。壁１２ｂは、後述するように流体との間で熱の授受を行なうように構成されている。図３では壁１２ｂは線で簡略化して記されている。熱・音波変換部品１２は、一体物で構成されていることが好ましい。一体物は、パイプ等の複数の構造体を束ねた形態のものを含まず、１つの構造体で構成された一体物、すなわち一体構造物をいう。また、熱・音波変換部品１２は、一方の端面から他方の端面に延在する、流体の流路となる貫通孔を区画する隔壁を、同一材料で一体物、すなわち一体構造物として形成した長尺状の構造体で構成されていることが、均一な断面形状を有する貫通孔１２ａをつくることができ、かつ貫通孔１２ａ周りの壁１２ｂを薄くできる点で好ましい。長尺状の構造体は、同一材料でかつ均質な材料で構成されていることがより好ましい。熱・音波変換部品１２は、例えば、貫通孔１２ａの延在方向が押し出し方向となるように材料を押し出し成形した押出成形品である。
熱・音波変換部品１２のＸ方向の長さは、導管１４内に形成させる音波の波長や流体の振動による縦変位に応じて設定され、例えば１０ｍｍ以上５００ｍｍ未満であることが好ましい。この範囲にあるとき、音波の縦振動による流体要素の変位に一致し、効率のよいエネルギ変換を実現できる。音波の周波数は、特に制限されないが、例えば５０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲の周波数である。

図４（ａ），（ｂ）は、熱・音波変換部品１２における音圧エネルギと熱エネルギとの間の変換及び壁１２ｂと流体との間の熱の授受を説明する図である。
流体は、音波を伝播させる媒体であり縦振動する。この縦振動による流体の変位と流体の圧縮と膨張との関係を説明するために、流体のごく一部の領域を定めた流体要素を用いて説明する。

音波が進行波であって、この音波が流体中を伝播するとき、流体中の流体要素は圧縮及び膨張を繰り返し受ける。圧縮する流体要素の壁１２ｂに沿ったＸ方向の位置と、膨張する流体要素の壁１２ｂに沿ったＸ方向の位置は、流体の縦振動によって異なる。
図４（ａ）に示す例では、音波の音圧と流体要素の変動の位相が４分の１周期ずれる進行波における圧縮、膨張の１サイクルを示している。予め壁１２ｂの一端（位置Ｉ）を外部より加熱し、一端（位置ＩＩ）を外部より冷却して壁１２ｂに図４（ｂ）に示すように温度勾配をつけてある状態で、流体要素が、壁１２ｂの位置Ｉで膨張過程の状態Ａにある。この状態で膨張をつづけながら状態Ｂに移行する。このとき、流体要素は温度が高い壁１２ｂから熱の供給を受ける。次に、状態Ｂから流体要素は変位を開始して、壁１２ｂの位置ＩＩに向かって移動し最も膨張した状態Ｂ’に移行する。この状態Ｂ’において、音波により圧縮を開始し、状態Ｄに移行する。このとき、温度の低い壁１２ｂに熱を供給する。次に、状態Ｄから流体要素は変位を開始して、位置Ｉに向かって移動し、最も圧縮されたＤ’にいたるまでの間壁１２ｂへの熱の供給を続ける。このように、膨張過程で流体要素が壁１２ｂから熱を受け、壁１２ｂが圧縮過程で流体要素から熱を奪うことができ、流体要素の圧縮と膨張を増大させることができる。すなわち、熱・音波変換部品１２は、熱・音波変換部品１２に伝播する音波の音圧エネルギを、壁１２ｂに温度勾配を予め形成しておくことにより増大させることができる。

一方、予め温度勾配を壁１２ｂに与えていない場合には、流体要素の圧縮過程で高温になった流体要素から熱が壁１２ｂへ供給され、流体要素の膨張過程では壁１２ｂから熱を奪うので、図４（ｂ）と反対の温度勾配が壁１２ｂ内に形成される。すなわち、熱・音波変換部品１１２は、熱・音波変換部品１１２に伝播する音波の音圧エネルギによって形成される温度勾配を用いて、低い温度あるいは高い温度を取り出すことができる。例えば、壁１２ｂには位置Ｉと位置ＩＩとの間で、音波によって温度勾配が形成されるので、位置Ｉあるいは位置ＩＩを一定の温度に調整したとき、この温度勾配から一定の温度に対して温度差を持った温度を取り出すことができる。すなわち、熱・音波変換部品１１２は、熱・音波変換部品１１２に伝播する音波の音圧エネルギによって形成される温度勾配を用いて、低い温度あるいは高い温度を取り出すことができる。
以上のようなサイクルを１サイクルとして複数サイクルを繰り返し行うために、循環経路３６，１３６を形成することが好ましい。
なお、上記説明では、進行波を例に挙げて説明した。進行波は、流体の圧縮及び膨張のサイクルと、流体要素の変動のサイクルが４分の１周期ずれている。このため、音波と熱のエネルギ変換が実現される。これに対して、定在波では、流体の圧縮及び膨張のサイクルと、流体要素の変動のサイクルが同位相であるため、エネルギ変換は発生し難い。しかし、定在波の場合、流体と壁との間でエネルギ変換を行うときに生じる変換の遅れを利用するために、音波の周波数を設定することにより、上記変換を実現することができる。定在波の波長は、導管１４，１１４あるいは循環経路３６，１３６の長さに応じて定まり、この波長によって音波の周波数は定まるので、音波の周波数の設定は、導管１４，１１４あるいは循環経路３６，１３６の長さを調整することにより行われる。なお、エネルギ変換の遅れは、流体の熱伝導度、流体の密度、流体の定圧比熱、及び貫通孔の大きさによって定まる。

このような熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の機能を効率よく実現するためには、音波と熱との間のエネルギの変換が、複数の箇所で行われることが好ましく、しかも、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２上に温度勾配が安定して形成されることが好ましい。
この点で、本実施形態の熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の音波を伝播する貫通孔は水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔を含み、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における複数の貫通孔の開口率は６０％以上である。水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔の数は、音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における音波を伝播する貫通孔全体の数の８０％以上であることが好ましく、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の音波を伝播する貫通孔の水力直径はいずれも０．４ｍｍ以下であることが最も好ましい。さらに、流体雰囲気中における熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における熱伝導率は、２５℃において、０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下であり、流体雰囲気中における熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における４００℃における熱容量は０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］（熱・音波変換部品１１２の１ｃｃ当たりの熱容量）より大きく調整されている。

貫通孔の水力直径を０．４ｍｍ以下とするのは、貫通孔周りの壁と流体との間でエネルギの変換を行う時に寄与する流体の厚さの上限が０．２ｍｍであるからである。このため、エネルギの変換効率を高めるためには、貫通孔の水力直径は０．４ｍｍ以下としている。水力直径とは、貫通孔の延在方向に直交する方向に切断したときの貫通孔の断面形状において、断面形状の外周の周長をＬ[ｍｍ]とし、断面の面積をＳ［ｍｍ²］としたとき、４・Ｓ／Ｌ［ｍｍ］で表される寸法をいう。貫通孔の水力直径は、０．２〜０．３ｍｍとすることが好ましい。また、貫通孔の水力直径を０．１ｍｍより小さくすると、流体と貫通孔の壁との間で摩擦抵抗が増大するので好ましくない。この点で、貫通孔の水力直径を０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。
熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の貫通孔の開口率を６０％以上とするのは、音波が伝播する流体と壁との間でエネルギの変換を行う場所をより多数設けるためである。開口率は、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２のＸ方向に直交する方向に切断した断面形状の外周で囲まれる面積に対する貫通孔の断面積の総和の比率である。上記開口率が６０％未満である場合、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の内の伝播経路が急激に狭くなり、音波による流体要素の粘性による散逸エネルギが増加し易い。この点で上記開口率は、７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。上記開口率の上限は、例えば９３％である。上記開口率を高めるために、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２は、壁１２ｂを薄くできるハニカム構造体であることが好ましい。ハニカム構造体として、例えば、貫通孔１２ａの延在方向が押し出し方向となるように材料を押し出し成形したハニカム構造体の押出成形品が挙げられる。なお、上記開口率は、貫通孔に垂直な熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の断面（研磨面）を顕微鏡で撮影し、このときの断面の撮影画像から、材料部分面積Ｓ１と空隙部分面積Ｓ２を求め、Ｓ１とＳ２を用いてＳ２／（Ｓ１＋Ｓ２）として求められる。

熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における２５℃の熱伝導率を０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下とすることにより、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２に形成される温度勾配を適切にすることができる。熱伝導率が０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］より大きい場合、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の両端間において、温度勾配によって熱が流れて温度勾配が穏やかになり易く、音波と熱のエネルギ変換が低くなる。ここで、熱伝導率は、流体雰囲気中の熱伝導率であり、例えばセラミック多孔体の場合、材料における熱伝導率ではなく、材料の他に気孔および貫通孔等の空隙（流体を含んだ空隙）を含む構造体としての熱伝導率である。このような熱伝導率は、材料の特性である熱伝導率に加えて、セル密度、気孔率、あるいは上述の貫通孔の開口率を調整することにより、２５℃の熱伝導率を０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下にすることができる。上記熱伝導率は０．３［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下であることが、温度勾配をより急勾配にする点で好ましい。上記熱伝導率は０．２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下であることがより好ましい。上記熱伝導率の下限は、例えば０．００５［Ｗ／ｍ／Ｋ］である。

なお、上記熱伝導率は、以下の温度傾斜法（定常法）で求められる。すなわち、上記熱伝導率を測定しようとする板状のテストサンプルを熱伝導率が既知のスペーサで挟み、その片面を３０℃〜２００℃のある温度に加熱し、反対面を２０〜２５℃のある温度に冷却することにより、テストサンプルの厚さ方向に定常状態の温度勾配を設ける。このとき伝播する熱流量をスペーサ内の温度勾配より求め、この熱流量を温度差で割り算して熱伝導率を算出する。より具体的には、径３０ｍｍ、 厚さ３０ｍｍの熱・音波変換部品１２あるいは熱・音波変換部品１１２をテストサンプルとし、径３０ｍｍ、 長さ１５０ｍｍのステンレス、または銅製のスペーサを用い、スペーサの軸方向の温度分布を測定することにより、貫通孔の延在方向に沿った、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における熱伝導率を測定する。

貫通孔の密度（セル密度）は、１６００ｃｐｓｉ（１平方インチ当たりの貫通孔の数（セル数））以上であり、９０００ｃｐｓｉ以下であることが好ましい。貫通孔の密度を高くすることで、流体と熱・音波変換部品１２との間で生じする流体損失を抑制することができる。
また、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２を構成する材料の気孔率は３５％以下であることが好ましく、２７％以下であることがさらに好ましい。実質、作製可能な範囲を考えると、０．５％〜３５％であることが好ましい。
流体雰囲気中における熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における４００℃における構造体としての熱容量を０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］より大きくすることが好ましい。これにより、壁と流体との間の熱の授受によって壁の温度が変動しながらも、温度勾配を安定して維持することができる。構造体としての熱容量が０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］以下である場合、壁と流体との間の熱の授受によって、壁の温度は急激に冷え、あるいは急激に大きくなるため、温度勾配を安定して維持する上で好ましくない。４００℃における構造体としての熱容量は０．６１［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］以上、さらには０．７５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］以上であることが、熱勾配をより安定させる点で好ましい。４００℃における構造体としての熱容量の上限は、例えば３［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］である。
熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の上記熱容量は以下のように求められる。まず、材料自体の単位質量当たりの熱容量を求める。具体的には、上記材料を粉砕して粉末状にした材料をサンプルとして、断熱型熱量計を用いて投入熱と温度上昇の関係から、材料自体の単位質量当たりの熱容量を求める。その後、サンプルとして用いた粉砕前の材料の体積あたりの質量を掛け算して構造体としての単位体積（１ｃｃ）あたり熱容量を求める。
また、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における２０℃〜８００℃間の貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は、６［ｐｐｍ／Ｋ］以下であることが好ましい。これにより、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の熱応力を小さくして熱歪みによる破壊を抑制することができる。熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における２０℃〜８００℃間の貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は、３［ｐｐｍ／Ｋ］以下であることがより好ましい。上記熱膨張率の下限は、例えば０．２［ｐｐｍ／Ｋ］である。なお、貫通孔の延在方向に沿った上記熱膨張率は、ＪＩＳ Ｒ１６１８−２００２に記載される「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に準拠して求められる。

熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２には、コージェライト、ムライト、アルミニウムチタネート、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、及び、合成樹脂の中から選択された成分を主成分とする材料が用いられることが好ましい。主成分とは、上記材料の含有率が８０質量％以上であることをいい、含有率は１００質量％であってもよい。コージェライト、ムライト、アルミニウムチタネート、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、及び炭化珪素は、セラミックスであり、セラミックス多孔体が好適に用いられる。また、合成樹脂の場合、ポリイミドが例示される。

熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２に備える貫通孔の断面形状は、例えば、三角形、四角形、六角形を含む多角形状である。あるいは、この多角形状を組み合わせた形状である。また、図５に示すような断面形状を持つ貫通孔１２ａを用いることもできる。図５は、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２に設けられる貫通孔１２ａの断面形状の一例を示す図である。貫通孔１２ａと接する壁１２ｂの内壁面には、貫通孔１２ａの断面の内側に向かって突出したリブ１２ｃが貫通孔１２ａの延在方向に沿って設けられている。リブ１２ｃを壁１２ｂの内壁面に設けることにより、音波を伝播させる流体と壁１２ｂとの間の接触面積を広くすることができる。このため、音圧エネルギと熱エネルギと間の変換効率を高めることができる。図５に示す例では、断面形状が四角形の内壁面の４箇所にリブ１２ｃを設けたが、リブ１２ｃの配置や数は特に限定されない。また、断面形状の四角形に限定されない。

（実験例）
本実施形態の熱・音波変換部品における音波が伝播する流体と壁との間でエネルギ変換を効率よく行うことを確認するために、種々の熱・音波変換部品を作製した。
エネルギの変換効率の算出のために、図１に示す熱・音波変換器１０の出力端１４ａにおいて、リニア発電気により音波を電気に変換し、その発電量Ｗ［Ｊ／秒］を測定した。一方、高温度側熱交換器における本システムへの投入熱量Ｑ（Ｊ／秒）を、高温側の熱変換部の入り口、出口間のガスの温度差（ΔＴ）と その流量Ｍ（ｋｇ／秒）とガスの比熱Ｃｐ（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）よりＱ＝ ΔＴ・Ｃｐ・Ｍとして求めた。変換効率ηは、η＝Ｗ／Ｑとして求めた。変換効率は、２０％以上を合格品とした。
熱・音波変換器１０のＸ方向の長さは３０ｍｍとし、導管１４内にヘリウムガスを密封し、１０気圧とした。熱・音波変換部品１２の、低温部１５側の端は１００℃となり、高温部２３側の端は４５０℃となるように、低温部１５及び高温部２３の温度を定めた。
実施例１〜１０及び比較例１〜１２における２０℃〜８００℃間の貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は１［ｐｐｍ／Ｋ］であった。実施例１１，１２及び比較例１３，１４の水力直径はいずれも０．３［ｍｍ］とし、開口率はいずれも８０［％］とし、材料を変更して上記熱膨張率を種々変えた。実施例１１，１２及び比較例１３，１４では、上記変換効率を測定する条件で、５時間連続使用したときの熱・音波変換部品の破損の有無により、熱耐久性の合格、不合格を調べた。

下記表１、２は、各仕様とそのときのエネルギの変換効率の結果を示す。表１、２中の水力直径、開口率、熱伝導率、４００℃における熱容量、２０℃〜８００℃間の熱膨張率は既に説明したパラメータである。

表１に示される実施例１〜３と比較例１〜３との比較より、水力直径を０．４ｍｍ以下とすることにより、変換効率が上昇することがわかる。また、実施例４〜６と比較例４〜６との比較より、貫通孔の開口率を６０％以上とすることにより、変換効率が上昇することがわかる。実施例７，８と比較例７〜１０との比較より、熱伝導率を０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下とすることにより、変換効率が上昇することがわかる。実施例９，１０と比較例１１，１２との比較より、熱容量を０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］より大きくすることにより、変換効率が上昇することがわかる。特に、熱容量を０．６１［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］以上とすることが好ましい。
これより、熱・音波変換部品１２の貫通孔の水力直径を０．４ｍｍ以下とし、熱・音波変換部品１２における貫通孔の開口率を６０％以上とし、流体雰囲気中における熱・音波変換部品１２における熱伝導率を０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下とし、流体雰囲気中における熱・音波変換部品１２における４００℃における熱容量を０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］より大きくする、ことにより、エネルギの変換効率を高めることができることがわかる。

表２に示される実施例１１，１２と比較例１３，１４の比較より、２０℃〜８００℃間の貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は、６［ｐｐｍ／Ｋ］以下であることにより、熱耐久性が確保でき、熱応力を小さくして熱歪みによる破壊を抑制することができることがわかる。

以上、本発明の熱・音波変換部品及び熱・音波変換器について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ 熱・音波変換器
１２，１１２ 熱・音波変換部品
１２ａ 貫通孔
１２ｂ 壁
１４，１１４ 導管
１４ａ 出力端
１５ 熱交換部（低温部）
１６，２４，１１６，１２４ 供給管
１８，２６，１１８，１２６ 排出管
２０，２８，１２０，１２８ 環状管
２１，２９，１２１，１２９ 金属部材
２２，１２２ 冷却フィン
２３ 熱交換部（高温部）
３０ 加熱フィン
３２，１３２ 干渉材
３４，１３４ ケーシング
３６，１３６ 循環経路
４０ 変換装置
１１５ 熱出力部
１２３ 熱変換部
１３０ フィン

Claims (10)

1. 音波が伝播する流体と、前記流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品であって、
   前記熱・音波変換部品は、一方向に延在して前記熱・音波変換部品を貫通し音波の伝播経路を形成するように構成された複数の貫通孔それぞれの周りに形成されて前記貫通孔の延在方向に延び、前記流体との間で熱の授受を行なうように構成された壁、を備え、
   前記貫通孔は、水力直径が０．４ｍｍ以下の孔を含み、
   前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上であって、
   前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における熱伝導率は０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下であり、
   前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における４００℃における熱容量は０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］より大きい、ことを特徴とする熱・音波変換部品。
2. 前記熱・音波変換部品における２０℃〜８００℃間の前記貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は６［ｐｐｍ／Ｋ］以下である、請求項１に記載の熱・音波変換部品。
3. 前記貫通孔の延在方向と直交する方向に前記熱・音波変換部品を切断したときの前記貫通孔それぞれの断面形状は、多角形状である、請求項１または２に記載の熱・音波変換部品。
4. 前記貫通孔それぞれと接する前記壁の内壁面には、前記貫通孔それぞれの断面の内側に向かって突出したリブが前記貫通孔の延在方向に沿って設けられている、請求項１または２に記載の熱・音波変換部品。
5. 前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における４００℃における熱容量は０．７５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品。
6. 一体構造物で構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品。
7. 一方の端面から他方の端面に延在する、流体の流路となる貫通孔を区画する隔壁を、同一材料で一体構造物として形成した長尺状の構造体で構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品。
8. 前記熱・音波変換部品は、コージェライト、ムライト、アルミニウムチタネート、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、及び、合成樹脂の中から選択された成分を８０質量％以上含む材料を用いて構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品。
9. 流体の音波エネルギを、前記流体に接する壁の熱を用いて増幅する熱・音波変換部品を備えた熱・音波変換器であって、
   熱・音波変換部品と、
   前記流体の音波の伝播経路を形成し、前記熱・音波変換部品の前記貫通孔の延在方向に沿って前記音波が伝播するように、前記音波を前記貫通孔に導くように構成された導管と、
   前記熱・音波変換部品の両端に設けられ、前記熱・音波変換部品の前記両端の間で前記延在方向に沿って温度勾配を形成させるように構成された一対の熱交換部と、を有し、
   前記導管は、前記温度勾配を用いて音波エネルギが増幅された音波を出力ように構成され、出力した音波を用いて、前記増幅した音波エネルギを別のエネルギに変換するように構成された変換器に接続される出力端を有し、
   前記熱・音波変換部品は、一方向に延在して前記熱・音波変換部品を貫通し音波の伝播経路を形成するように構成された複数の貫通孔それぞれの周りに形成されて前記貫通孔の延在方向に延び、前記流体との間で熱の授受を行なうように構成された壁、を備え、
   前記貫通孔は、水力直径が０．４ｍｍ以下の孔を含み、
   前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上であって、
   前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における熱伝導率は０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下であり、
   前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における４００℃における熱容量は０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］より大きい、ことを特徴とする熱・音波変換器。
10. 流体に接する壁に、前記流体の音波エネルギを用いて温度勾配をつくる熱・音波変換部品を備えた熱・音波変換器であって、
    熱・音波変換部品と、
    前記流体の音波の伝播経路を形成し、前記熱・音波変換部品の前記貫通孔の延在方向に沿って前記音波が伝播するように、前記音波を前記貫通孔に導くように構成された導管と、
    前記熱・音波変換部品の両端のうち第１の端に設けられた一定の温度を有するように構成された熱交換部と、
    前記熱・音波変換部品の前記第１の端と異なる第２の端に設けられる熱出力部であって、前記音波の伝播によって、前記熱交換部との間で前記熱・音波変換部品上に形成される温度勾配から、前記熱交換部の温度と温度差を有する温度を取り出すように構成された熱出力部と、を有し、
    前記熱・音波変換部品は、一方向に延在して前記熱・音波変換部品を貫通し音波の伝播経路を形成するように構成された複数の貫通孔それぞれの周りに形成されて前記貫通孔の延在方向に延び、前記流体との間で熱の授受を行なうように構成された壁、を備え、
    前記貫通孔は、水力直径が０．４ｍｍ以下の孔を含み、
    前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上であって、
    前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における熱伝導率は０．４［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下であり、
    前記流体雰囲気中における前記熱・音波変換部品における４００℃における熱容量は０．５［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］より大きい、ことを特徴とする熱・音波変換器。

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