WO2018074501A1 - 熱音響装置 - Google Patents

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WO2018074501A1
WO2018074501A1 PCT/JP2017/037637 JP2017037637W WO2018074501A1 WO 2018074501 A1 WO2018074501 A1 WO 2018074501A1 JP 2017037637 W JP2017037637 W JP 2017037637W WO 2018074501 A1 WO2018074501 A1 WO 2018074501A1
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WO
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stack
diaphragm
heat exchanger
side heat
loop tube
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/037637
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English (en)
French (fr)
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齊藤　利幸
高畑　良一
智行 武井
修六 石川
Original Assignee
株式会社ジェイテクト
公立大学法人大阪市立大学
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Publication date
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
    • F02G2243/50—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders having resonance tubes
    • F02G2243/54—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders having resonance tubes thermo-acoustic
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    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1403—Pulse-tube cycles with heat input into acoustic driver
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    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1405—Pulse-tube cycles with travelling waves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • thermoacoustic apparatus using conversion between thermal energy and sound energy.
  • Patent Document 1 discloses a thermoacoustic device in which a first stack and a second stack are arranged inside a loop tube. The first stack is sandwiched between the first high temperature side heat exchanger and the first low temperature side heat exchanger. The second stack is sandwiched between the second high temperature side heat exchanger and the second low temperature side heat exchanger.
  • a self-excited sound wave is generated by generating a temperature gradient in the first stack.
  • the second low temperature side heat exchanger can be cooled by this sound wave.
  • Patent Document 2 discloses that a blocking wall for blocking moving gas is installed in a pipe in which a prime mover and a refrigerator are formed.
  • the blocking wall is installed so as to be able to vibrate accompanying the vibration of the gas.
  • the barrier wall eliminates the circulation of gas. As a result, insufficient cooling due to the circulating gas flow is prevented.
  • Patent Document 3 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-127870 (Patent Document 3) includes a first loop tube in which a prime mover that converts thermal energy into sound energy and a passive device that converts sound energy into heat energy are arranged.
  • a thermoacoustic engine is disclosed that includes a second loop pipe that is formed and a connection pipe that connects the first loop pipe and the second loop pipe to each other.
  • a vibrator for isolating the working fluid of the first loop pipe and the working fluid of the second loop pipe is provided in the connection pipe. The vibrator is configured to freely vibrate in the direction of vibration of the working fluid. The working fluid separated into two and the vibrator oscillate at a predetermined resonance frequency.
  • thermoacoustic engine can be downsized and the attenuation of sound waves can be reduced.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-101910 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-159266 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-127870
  • a vibration-isolating barrier wall or vibrator is provided in the tube of the thermoacoustic device.
  • the blocking plate is provided in order to prevent gas circulation in the loop pipe.
  • the vibrator is provided to control the vibration by isolating the gas in the two loop tubes.
  • This application discloses a technique for amplifying sound waves of a loop tube by a diaphragm in a thermoacoustic apparatus.
  • thermoacoustic apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • a loop tube A first stack disposed in the loop tube, the first stack generating sound waves in the loop tube due to a temperature gradient in the first stack;
  • a second stack disposed in the loop tube, the second stack generating a temperature gradient in the second stack by sound waves of the loop tube;
  • a first high-temperature side heat exchanger disposed at one end of the first stack and setting one end of the first stack to a higher temperature than the other end of the first stack;
  • a first low-temperature side heat exchanger disposed at the other end of the first stack and lowering the other end of the first stack from one end;
  • a second high temperature side heat exchanger disposed at an end on the first high temperature side heat exchanger side of both ends of the second stack;
  • a second low temperature side heat exchanger disposed at an end on the first low temperature side heat exchanger side of both ends of the second stack;
  • a second pipe is provided between an end of the second stack where the second high temperature side heat exchanger is
  • the sound wave of the loop tube can be amplified.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a thermoacoustic apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the loop tube 3 in which the first diaphragm 4 is disposed.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an arrangement example of the first diaphragm 4.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining another arrangement example of the first diaphragm 4.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining another arrangement example of the first diaphragm 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the first stack, the first high temperature side heat exchanger, and the first low temperature side heat exchanger illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a thermoacoustic apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the loop tube 3 in which the first diaphragm 4 is disposed.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an arrangement example of the
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of the first stack, the first high temperature side heat exchanger, and the first low temperature side heat exchanger illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the thermoacoustic apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining an arrangement example of the second diaphragm.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining another arrangement example of the second diaphragm.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining another arrangement example of the second diaphragm.
  • FIG. 12 is a graph showing the results of measuring the relationship between the loss coefficient tan ⁇ of the first diaphragm 4 and the cooling effect of the thermoacoustic device.
  • FIG. 13 is a graph showing the results of measuring the relationship between the driven frequency D of the first diaphragm 4, the ratio (D / F) of the resonance frequency F of the loop tube 3, and the cooling effect of the thermoacoustic device.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of eigenmodes and eigenvalues of a circular membrane diaphragm.
  • thermoacoustic device is a loop tube, and a first stack disposed in the loop tube, the first stack generating sound waves in the loop tube by a temperature gradient in the first stack;
  • the first high temperature side heat exchanger and the first low temperature side heat exchanger cause a temperature gradient at one end and the other end of the first stack.
  • a sound wave is generated in the working fluid in the loop pipe by the temperature gradient of the first stack.
  • This acoustic wave creates a temperature gradient in the second stack. Due to this temperature gradient, the temperature of the end of the second stack on the first low temperature side heat exchanger side becomes lower than the temperature of the end of the second stack on the first high temperature side heat exchanger side.
  • the temperature of the end on the high temperature side of the second stack can be controlled to be lower by controlling the temperature of the end on the high temperature side of the second stack with the second high temperature side heat exchanger of the second stack.
  • the cooling object outside the loop pipe can be cooled via the second low temperature side heat exchanger.
  • the first diaphragm is between an end where the second high temperature side heat exchanger of the second stack is arranged and one end where the first high temperature side heat exchanger of the first stack is arranged. Provided.
  • the first diaphragm By providing the first diaphragm at this position, it is possible to amplify sound waves generated by the temperature gradient of the first stack. As a result, the conversion efficiency between sound energy and heat energy can be increased.
  • the amplification of the sound wave by the first diaphragm includes a case where the attenuation of the sound wave is suppressed.
  • the end on which the second high temperature side heat exchanger is disposed, and the first diaphragm are connected to one end of the first stack from the end of the loop tube.
  • the first distance is such that the amplitude of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube due to the temperature gradient of the first stack is 1 / ⁇ 2 to 1 time the maximum amplitude of the sound wave.
  • the distance corresponds to the length of the loop tube portion (second configuration).
  • the first diaphragm and the high temperature side of the second stack are disposed in a section of the loop pipe corresponding to a position at a distance of one half of the pipe length of the loop pipe from one end on the high temperature side of the first stack.
  • the ends of are arranged.
  • the “distance” in the “distance of one half of the length of the loop tube from the one end of the first stack” and the “first distance” is the distance of the route of the loop tube.
  • the distance of the path of the loop pipe is the distance of the path passing through the central axis in the loop pipe. The same applies to the “distance” described below.
  • the distance between the end of the second stack where the second high temperature side heat exchanger is disposed and the first diaphragm is 1 of the tube length of the loop tube. / 4 or less (third configuration).
  • the first diaphragm is disposed in a section having a distance of a quarter of the tube length of the loop tube from the end on the high temperature side of the second stack.
  • thermoacoustic device includes an end where the second low-temperature side heat exchanger is disposed among both ends of the second stack and the first stack in the loop tube.
  • a second diaphragm provided between the other end of the loop tube and capable of vibrating in the axial direction of the loop tube may be further provided (fourth configuration). The second diaphragm can further amplify the sound wave generated by the temperature gradient of the first stack.
  • the second diaphragm may be disposed within a second distance from an end at which the first low temperature side heat exchanger is disposed among both ends of the first stack.
  • the second distance is such that the amplitude of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube by the temperature gradient of the first stack is 1 / ⁇ 2 to 1 time the maximum amplitude of the sound wave.
  • the distance corresponds to the length of the loop tube portion (fifth configuration).
  • the distance between the end of the first stack where the first low temperature side heat exchanger is disposed and the second diaphragm may be 1 ⁇ 4 or less the tube length of the loop tube. it can. In this case as well, the sound wave amplification effect by the second diaphragm can be enhanced.
  • a loss coefficient tan ⁇ during vibration at a resonance frequency of 25 ° C. of the first diaphragm can be 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.5 (sixth configuration ).
  • the loss coefficient tan ⁇ of the first diaphragm can be 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.2, and more preferably 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.025. That is, the loss coefficient tan ⁇ of the first diaphragm is preferably 0.5 or less, more preferably 0.2 or less, and further preferably 0.025 or less. Further, the loss coefficient tan ⁇ of the first diaphragm can be 0 or more.
  • the first diaphragm can further enhance the amplification effect of the sound waves of the loop tube generated by the temperature gradient of the first stack.
  • the loss coefficient tan ⁇ 2 of the second vibration plan can be 0 ⁇ tan ⁇ 2 ⁇ 0.2, and more preferably 0 ⁇ tan ⁇ 2 ⁇ 0.025. That is, the loss coefficient tan ⁇ 2 of the second diaphragm is preferably 0.5 or less, more preferably 0.2 or less, and further preferably 0.025 or less. Further, the loss coefficient tan ⁇ 2 of the second diaphragm can be 0 or more. Thereby, the sound wave amplification effect by the second diaphragm can be further enhanced.
  • the driven frequency D of the first diaphragm and the resonance frequency F of the loop tube may have a relationship of D / F ⁇ 0.8. (Seventh configuration). Thereby, the amplification effect of the sound wave of the loop tube generated by the temperature gradient of the first stack can be further enhanced by the first diaphragm.
  • the driven frequency D is a frequency of the first diaphragm that is vibrated by sound waves of the loop tube.
  • the second diaphragm can also be configured such that the driven frequency D2 of the second diaphragm and the resonance frequency F of the loop tube have a relationship of D2 / F ⁇ 0.8. Thereby, the sound wave amplification effect by the second diaphragm can be further enhanced.
  • the driven frequency D2 is a frequency of the second diaphragm that is vibrated by sound waves of the loop tube.
  • the first diaphragm can be formed of resin or metal (eighth configuration).
  • the viscosity of the first diaphragm is appropriate from the viewpoint of the sound wave amplification effect. Therefore, the amplification effect of the sound wave of the loop tube generated by the temperature gradient of the first stack can be further enhanced by the first diaphragm.
  • the second diaphragm can also be formed of resin or metal. Thereby, the sound wave amplification effect by the second diaphragm can be further enhanced.
  • the first diaphragm is within a first distance from the position of the antinode of the sound wave of the first mode generated in the loop tube by the temperature gradient of the first stack. It may be arranged.
  • the first distance is such that the amplitude of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube due to the temperature gradient of the first stack is 1 / ⁇ 2 to 1 time the maximum amplitude of the sound wave. This is the distance corresponding to the length of the loop tube portion (ninth configuration).
  • the first diaphragm is disposed in the section of the loop tube corresponding to the position of the antinode of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube due to the temperature gradient of the first stack.
  • the first distance can be set to a length of 1/10 of the tube length of the loop tube. In this case as well, the sound wave amplification effect by the first diaphragm can be enhanced.
  • the second diaphragm may be disposed within a first distance from the position of the antinode of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube due to the temperature gradient of the first stack. Thereby, the sound wave amplification effect by the second diaphragm can be further enhanced.
  • the two ends of the second stack are opposite to each other across a position at a distance of one half of the tube length of the loop tube from one end of the first stack.
  • An end on which the second high temperature side heat exchanger is disposed and the first diaphragm may be disposed (tenth configuration). That is, between the first diaphragm and the high temperature side end of the second stack, the loop tube length of 1 ⁇ 2 from the high temperature side end of the first stack toward the high temperature side of the second stack.
  • the position of 1 distance may be arrange
  • the first diaphragm is connected to an end of the second stack from an end where the second high temperature side heat exchanger is disposed, to the one end of the first stack.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a thermoacoustic apparatus according to the present embodiment.
  • the thermoacoustic device 10 includes one loop tube 3 and a first stack 13 and a second stack 23 provided in the loop tube 3.
  • a working fluid is sealed in the loop tube 3.
  • the working fluid can be, for example, air, nitrogen, helium, argon, or a mixture of at least two of them.
  • a branch pipe is not connected to the loop pipe 3.
  • the first stack 13 has a plurality of conduction paths 13k that penetrate in the length direction of the loop pipe 3 (also referred to as the axial direction or the direction of the pipe path).
  • the second stack 23 also includes a plurality of conduction paths 23k that penetrates the loop pipe 3 in the length direction.
  • the conduction paths 13k and 23k are flow paths for the working fluid. That is, in the first stack 13 and the second stack 23, the working fluid can move in the conduction paths 13k and 23k.
  • the working fluid can pass through the first stack 13 and the second stack 23 in the length direction of the loop tube 3.
  • the stack can also be called a heat accumulator.
  • the working fluid in the stack 13 vibrates.
  • the temperature gradient in the second stack 23 exceeds the critical point, the working fluid in the stack 23 vibrates.
  • the vibration of the working fluid generates sound waves.
  • a sound wave including a standing wave is generated in the working fluid in the loop tube 3.
  • a temperature gradient is generated in the first stack 13 or the second stack 23.
  • the temperature gradient is generated between one end (one side) 13A and the other end (the other side) 13B in the length direction of the loop tube 3 of the first stack 13.
  • first stack 13 and the second stack 23 can convert heat energy and sound energy to each other.
  • the first stack 13 and the second stack 23 may have a structure in which the conduction paths 13k and 23k are formed by a plurality of walls extending in the length direction of the loop tube 3, for example.
  • the shape of the plurality of walls in the cross section perpendicular to the length direction of the loop tube 3 can be, for example, a lattice shape.
  • the first stack 13 and the second stack 23 may have a structure in which a plurality of holes penetrating in the length direction are provided in a columnar body extending in the length direction of the loop tube 3.
  • the first stack 13 and the second stack 23 can have a structure in which a plurality of hollow columns extending in the length direction of the loop tube 3 and having holes penetrating in the length direction of the loop tube 3 are arranged.
  • the columns can be arranged without gaps by making the cross section of the surface perpendicular to the axial direction of each column a hexagon. That is, the first stack 13 and the second stack 23 can have a honeycomb structure.
  • the first stack 13 and the second stack 23 can be formed of, for example, metal or ceramic.
  • the first stack 13 and the second stack 23 preferably have a large number of conduction paths 13k and 23k.
  • the area of the cross section perpendicular to the direction of the loop pipe 3 of each of the conduction paths 13k and 23k is preferably sufficiently smaller than the area of the same cross section inside the loop pipe 3. Note that the first stack 13 and the second stack 23 do not necessarily have the same configuration.
  • a temperature gradient is generated so that the temperature at one end 13A of the first stack 13 is higher than the temperature at the other end 13B.
  • a sound wave is generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient in the first stack 13.
  • a temperature gradient is generated in the second stack 23 by sound waves generated by the temperature gradient in the first stack 13.
  • Heat exchangers 14, 24, 12, and 22 are provided at one end 13A, 23A and the other end 13B, 23B of each of the first stack 13 and the second stack 23.
  • the heat exchangers 14, 24, 12, and 22 exchange heat between the outside of the loop tube 3 and the first stack 13 or the second stack 23.
  • sound waves are generated in the loop tube 3, and between the one end 13A and the other end 13B of the first stack 13 and between the one end 23A and the other end 23B of the second stack 23. A temperature gradient occurs.
  • the heat exchanger 14 disposed at one end 13 ⁇ / b> A that becomes a high temperature due to a temperature gradient during operation of the thermoacoustic device 10 is a first high temperature side heat exchanger 14, and the other end 13 ⁇ / b> B that becomes a low temperature.
  • the heat exchanger 12 arranged in the above is referred to as a first low temperature side heat exchanger 12.
  • the heat exchanger 24 provided at one end 23 ⁇ / b> A that becomes hot due to a temperature gradient during operation of the thermoacoustic device 10 is a second high-temperature side heat exchanger 24, and the other end 23 ⁇ / b> B that becomes low temperature
  • the provided heat exchanger 22 is referred to as a second low temperature side heat exchanger 22. Note that the heat exchangers 14, 24, 12, and 22 do not necessarily have to be in contact with the one ends 13A and 23A or the other ends 13B and 23B of the stacks 13 and 23.
  • the first high temperature side heat exchanger 14 is disposed at a position corresponding to one end 13A of the first stack 13.
  • the first high temperature side heat exchanger 14 may include, for example, an in-tube portion disposed in the loop tube 3 and an out-tube portion disposed outside the loop tube 3.
  • the pipe inner portion may be configured to face one end 13A of the first stack 13 in the loop pipe 3 and have a plurality of conduction paths.
  • the outer portion of the tube can be configured to be disposed at a position corresponding to one end 13A of the first stack 13 on the outer peripheral surface of the loop tube 3.
  • the first low temperature side heat exchanger 12 is disposed at a position corresponding to the other end 13B of the first stack 13.
  • the first low temperature side heat exchanger 12 may include, for example, an in-pipe portion arranged in the loop tube 3 and an out-pipe portion arranged outside the loop tube 3.
  • the pipe inner portion may be configured to face the other end 13B of the first stack 13 in the loop pipe 3 and have a plurality of conduction paths.
  • the outer portion of the tube can be configured to be disposed at a position corresponding to the other end 13B of the first stack 13 on the outer peripheral surface of the loop tube 3.
  • the 1st high temperature side heat exchanger 14 and the 1st low temperature side heat exchanger 12 are arrange
  • the first high temperature side heat exchanger 14 and the first low temperature side heat exchanger 12 are arranged so as to sandwich the first stack 13.
  • the first high temperature side heat exchanger 14 heats one end 13A of the first stack 13 by heat from the outside of the loop tube 3.
  • the first high temperature side heat exchanger 14 causes the one end 13A of the first stack 13 to be hotter than the other end 13B.
  • the 1st high temperature side heat exchanger 14 is connected to the external heat source 30 so that heat conduction is possible.
  • the heat of the heat source 30 is transferred to the one end 13 ⁇ / b> A of the first stack 13 through the first high temperature side heat exchanger 14.
  • the first low temperature side heat exchanger 12 adjusts the temperature of the other end 13B of the first stack 13 by conducting heat between the outside of the loop tube 3 and the other end 13B of the first stack 13. For example, the first low temperature side heat exchanger 12 can prevent the temperature of the other end 13B of the first stack 13 from rising above a predetermined reference temperature. The first low temperature side heat exchanger 12 causes the other end 13B of the first stack 13 to be cooler than the one end 13A. In this way, the temperature gradient (temperature difference) between the one end 13A and the other end 13B of the first stack 13 can be controlled by the first high temperature side heat exchanger 14 and the first low temperature side heat exchanger 12. it can.
  • the first low temperature side heat exchanger 12, the first stack 13, and the first high temperature side heat exchanger 14 are thermoacoustic prime movers (thermoacoustic engines) that convert input heat into vibrations of the working fluid to generate sound waves. Configure.
  • the temperature of the other end 23B of the second stack 23 is more than the temperature of the one end 23A.
  • the second high temperature side heat exchanger 24 is provided at one end 23 ⁇ / b> A that becomes a high temperature when a temperature gradient occurs in the second stack 23 due to a temperature gradient in the first stack 13.
  • the second low temperature side heat exchanger 22 is provided at the other end 23 ⁇ / b> B that becomes a low temperature when a temperature gradient occurs in the second stack 23 due to the temperature gradient of the first stack 13.
  • the second high temperature side heat exchanger 24 is arranged at the end (one end 23 ⁇ / b> A) on the first high temperature side heat exchanger 14 side among the both ends of the second stack 23.
  • the second low temperature side heat exchanger 22 is arranged at the end (the other end 23 ⁇ / b> B) on the first low temperature side heat exchanger 12 side among the both ends of the second stack 23.
  • “toward the first high temperature side heat exchanger 14” means that it is directed to the first high temperature side heat exchanger 14 in the path in the loop pipe 3.
  • first high temperature side heat is preceded by the first low temperature side heat exchanger 12.
  • the exchanger 14 is reached.
  • “toward the first low temperature side heat exchanger 12” means that it is directed to the first low temperature side heat exchanger 12 in the path in the loop pipe 3. That is, when it goes out of the other end 23B of the stack 23 facing the first low temperature side heat exchanger 12 and proceeds through the path in the loop pipe 3, the first low temperature side heat is preceded by the first high temperature side heat exchanger 14.
  • the exchanger 12 is reached.
  • the second high temperature side heat exchanger 24 is disposed at a position corresponding to one end 23A of the second stack 23.
  • the second high temperature side heat exchanger 24 may include, for example, an in-tube portion disposed in the loop tube 3 and an out-tube portion disposed outside the loop tube 3.
  • the pipe inner portion may be configured to face one end 23A of the second stack 23 in the loop pipe 3 and have a plurality of conduction paths.
  • the outer portion of the tube can be configured to be disposed at a position corresponding to one end 23A of the second stack 23 on the outer peripheral surface of the loop tube 3.
  • the second low temperature side heat exchanger 22 is disposed at a position corresponding to the other end 23B of the second stack 23.
  • the second low temperature side heat exchanger 22 may include, for example, an in-pipe portion disposed inside the loop tube 3 and an out-pipe portion disposed outside the loop tube 3.
  • the pipe inner portion may be configured to face the other end 23B of the second stack 23 in the loop pipe 3 and have a plurality of conduction paths.
  • the outer portion of the tube may be arranged at a position corresponding to the other end 23B of the second stack 23 on the outer peripheral surface of the loop tube 3.
  • the 2nd high temperature side heat exchanger 24 and the 2nd low temperature side heat exchanger 22 are arrange
  • the second high temperature side heat exchanger 24 and the second low temperature side heat exchanger 22 are arranged so as to sandwich the second stack 23.
  • the second high temperature side heat exchanger 24 adjusts the temperature of the one end 23A of the second stack 23 by conducting heat between the outside of the loop tube 3 and the one end 23A of the second stack 23.
  • the second high temperature side heat exchanger 24 can keep the temperature of the one end 23 ⁇ / b> A of the second stack 23 constant.
  • the second low temperature side heat exchanger 22 absorbs heat outside the loop tube 3 and takes it into the other end 23B of the second stack 23. Thereby, the outside of the loop tube 3 is cooled. In other words, the second low temperature side heat exchanger 22 takes out the cold heat at the other end 23 ⁇ / b> B of the second stack 23 whose temperature has dropped due to the temperature gradient generated in the second stack 23 and transmits it to the outside of the loop tube 3.
  • the 2nd low temperature side heat exchanger 22 is connected to the cooling object 40 outside the loop pipe
  • the second low temperature side heat exchanger 22, the second stack 23, and the second high temperature side heat exchanger 24 constitute a thermoacoustic heat pump that generates a temperature gradient from sound waves (vibration of the working fluid).
  • the heat of the heat source 30 is transmitted to one end 13A of the first stack 13 through the first high temperature side heat exchanger 14. Thereby, the one end 13A of the first stack 13 is heated.
  • the first low temperature side heat exchanger 12 conducts heat between the outside of the loop tube 3 and the other end 13B of the first stack 13, thereby causing the other end 13B of the first stack 13 to have a predetermined first reference temperature. (For example, room temperature) or less. Thereby, the temperature of one end 13A of the first stack 13 is higher than the temperature of the other end 13B. That is, a temperature gradient (temperature difference) is generated between one end 13A and the other end 13B of the first stack 13.
  • the working fluid in the first stack 13 vibrates and generates sound waves.
  • the vibration of the working fluid in the first stack 13 is transmitted to the working fluid in the loop pipe 3.
  • sound waves are generated in the loop tube 3.
  • the working fluid in the second stack 23 vibrates due to the vibration of the sound waves.
  • a temperature gradient (temperature gradient) is generated in the second stack 23. That is, the temperature at one end 23A of the second stack 23 is higher than the temperature at the other end 23B.
  • the second high temperature side heat exchanger 24 conducts heat between the outside of the loop tube 3 and one end 23A of the second stack 23, thereby causing the one end 23A of the second stack 23 to have a predetermined second reference temperature. (E.g., room temperature). Therefore, when a temperature gradient occurs in the second stack 23, the temperature of the other end 23B of the second stack 23 becomes lower than the second reference temperature. That is, the other end 23B of the second stack 23 is cooled.
  • the second low temperature side heat exchanger 22 transmits the cold heat at the other end 23 ⁇ / b> B of the second stack 23 to the cooling target 40 outside the loop pipe 3. Thereby, the cooling target 40 is cooled.
  • thermoacoustic device 10 of the present embodiment is based on such knowledge.
  • a first diaphragm 4 is provided therebetween.
  • the first diaphragm 4 is a plate that can vibrate in the axial direction (length direction) of the loop tube 3.
  • the first diaphragm 4 is formed of a plate-like elastic body.
  • the first diaphragm 4 is disposed on the path K1 of the loop tube 3 between the one end 13A of the first stack 13 and the one end 23A of the second stack 23 in the loop tube 3.
  • the first diaphragm 4 By arranging the first diaphragm 4 at this position, the first diaphragm 4 can amplify the sound wave in the loop tube 3 generated by the temperature gradient of the first stack 13. Further, the frequency of the sound wave generated by the temperature gradient of the first stack is adjusted by the first diaphragm 4 arranged at this position. Thereby, the efficiency of the thermoacoustic effect can be improved.
  • the first diaphragm 4 has a first position higher than the center H of the path K1 in the loop tube 3 from the one end 13A of the first stack 13 to the one end 23A of the second stack 23. It is arranged at a position near the two stacks 23 (position on the path K2). Thereby, the amplification effect of the sound wave by the first diaphragm 4 can be enhanced.
  • the first diaphragm 4 can be provided at the upper position).
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the loop tube 3 in which the first diaphragm 4 is disposed.
  • FIG. 2 shows a cross section of the first diaphragm 4 and the loop tube 3 in a plane including the central axis J of the loop tube 3.
  • the end of the first diaphragm 4 is fixed to the inner surface of the loop tube 3.
  • the surface of the first diaphragm 4 is disposed perpendicular to the central axis J of the loop tube 3.
  • the first diaphragm 4 can vibrate in the axial direction (length direction) of the loop tube 3.
  • the amplitude W is the largest at the central portion of the first diaphragm 4 (the portion through which the central axis J of the loop tube 3 passes).
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an arrangement example of the first diaphragm 4.
  • FIG. 3 shows the loop pipe 3 shown in FIG. 1 expanded linearly for easy understanding.
  • one end 23 ⁇ / b> A where the first diaphragm 4 and the second high temperature side heat exchanger 24 of the second stack 23 are arranged is from the one end 13 ⁇ / b> A of the first stack 13 to the tube length of the loop pipe 3.
  • the first distance C1 can be, for example, a length (L / 10) of 1/10 of the tube length L of the loop tube 3.
  • the inventors have found that the effect of amplifying sound waves generated by the temperature gradient of the first stack 13 by the first diaphragm 4 can be further enhanced by setting the first distance C1 in this way.
  • the first distance C1 may be a length (L / 20) that is 1/20 of the tube length L of the loop tube 3.
  • the sound wave amplification effect by the first diaphragm 4 can be further enhanced.
  • the distance F1 between one end 23A of the second stack 23 where the second high temperature side heat exchanger 24 is disposed and the first diaphragm 4 is 1 ⁇ 4 or less of the tube length L of the loop tube 3.
  • the first diaphragm 4 is arranged so as to have a length (that is, F1 ⁇ L / 4).
  • the sound wave amplification effect by the first diaphragm 4 can be enhanced.
  • the distance F1 can be set to a length of 1/8 or less of the tube length L of the loop tube 3 (that is, F1 ⁇ L / 8).
  • FIG. 4 is a diagram for explaining another arrangement example of the first diaphragm 4.
  • FIG. 4 shows the loop tube 3 shown in FIG. 1 expanded in a straight line for easy understanding. Further, in the lower part of FIG. 4, a waveform example of a sound wave TW having a frequency of the primary mode generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the stack 12 is shown.
  • one end 23 ⁇ / b> A where the first diaphragm 4 and the second high temperature side heat exchanger 24 of the second stack 23 are disposed is from the one end 13 ⁇ / b> A of the first stack 13.
  • the loop tube 3 is disposed within the first distance C1 with respect to a position T that is a distance (L / 2) of a half of the tube length L of the loop tube 3.
  • the first distance C ⁇ b> 1 is determined by the shape of the sound wave of the primary mode frequency of the loop tube 3 generated by the temperature gradient of the first stack 13.
  • the inventors have found that the effect of amplifying sound waves generated by the temperature gradient of the first stack 13 by the first diaphragm 4 can be further enhanced by setting the first distance C1 in this way.
  • the first distance C1 is such that the amplitude TA of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the first stack 13 is 0.9 to 1 times the maximum amplitude M (0.9M ⁇ TA). It is good also as a distance equivalent to the length (distance) of the continuous area of the loop pipe
  • tube 3 used as ⁇ M).
  • the one end 23A of the second stack 23 and the first diaphragm 4 may both be disposed within the first distance C1 from the position T and on the same side with respect to the position T.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining another arrangement example of the first diaphragm 4.
  • FIG. 5 shows the loop tube 3 shown in FIG. 1 expanded linearly for easy understanding. Further, in the lower part of FIG. 5, a waveform example of the sound wave TW having the frequency of the primary mode generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the stack 12 is shown.
  • the first diaphragm 4 is within the first distance C1 from the position of the antinode U of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the first stack 13. Be placed.
  • the position of the antinode U is a position farther from the first stack 13 among positions where the amplitude of the sound wave having the frequency of the primary mode is the largest.
  • the first distance C1 corresponds to the length of a continuous section of the loop tube 3 in which the amplitude TA of the sound wave is 0.9 to 1 times the maximum amplitude M (0.9M ⁇ TA ⁇ M). It may be a distance.
  • the inventors have found that the effect of amplifying sound waves generated by the temperature gradient of the first stack 13 by the first diaphragm 4 can be further enhanced by setting the first distance C1 in this way.
  • the first distance C1 is, for example, a length of 1/10 (L / 10) of the tube length L of the loop tube 3 or a length of 1/20 of the tube length L of the loop tube 3 ( L / 20).
  • the inventors thus further enhance the effect of amplifying the sound wave generated by the temperature gradient of the first stack 13 by the first diaphragm 4 by setting the first distance C1 from the antinode U of the sound wave. Has found that can.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the first stack 13, the first high temperature side heat exchanger 14, and the first low temperature side heat exchanger 12 illustrated in FIG. 1.
  • the first low temperature side heat exchanger 12 includes an in-tube portion 12b and an out-tube portion 12a.
  • the pipe inner portion 12 b is disposed in the loop pipe 3 so as to face the other end 13 ⁇ / b> B of the first stack 13.
  • the pipe inner portion 12 b has a plurality of conduction paths that penetrate in the length direction of the loop pipe 3. The working fluid can pass through the conduction path.
  • the outer pipe portion 12a is formed so as to surround the outer peripheral surface of the loop pipe 3 on the radially outer side of the other end 13B of the first stack 13.
  • the outer tube portion 12 a has a flow path 12 c that surrounds the outer peripheral surface of the loop tube 3.
  • the fluid 5 flows through the flow path 12c.
  • the fluid 5 flows on the outer peripheral surface of the loop tube 3 along the circumferential direction.
  • the flow path 12c has an inflow port through which the fluid 5 flows in and an outflow port through which the fluid 5 flows out.
  • the first high temperature side heat exchanger 14 includes an in-tube portion 14b and an out-tube portion 14a.
  • the in-pipe portion 14 b is disposed in the loop pipe 3 so as to face the one end 13 ⁇ / b> A of the first stack 13.
  • the in-pipe portion 14 b has a plurality of conduction paths that penetrate the loop pipe 3 in the length direction. The working fluid can pass through the conduction path.
  • the outer tube portion 14 a is formed so as to surround the outer peripheral surface of the loop tube 3 on the radially outer side of the one end 13 ⁇ / b> A of the first stack 13.
  • the outer tube portion 14a is formed of a heat conductor such as metal.
  • one end 13 ⁇ / b> A of the first stack 13 is a surface facing the in-tube portion 14 b of the first high temperature side heat exchanger 14.
  • the other end 13 ⁇ / b> B of the first stack 13 is a surface facing the in-tube portion 12 b of the first low temperature side heat exchanger 12.
  • the second stack 23 can also have the same configuration as in FIG. In this case, the one end 23 ⁇ / b> A of the second stack 23 becomes a surface facing the pipe inner portion of the second high temperature side heat exchanger 24.
  • the other end 23 ⁇ / b> B of the second stack 23 is a surface facing the pipe inner portion of the second low temperature side heat exchanger 22.
  • a flow path similar to the flow path 12 c shown in FIG. 6 can be provided in the outside portion of the second high temperature side heat exchanger 24.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing another configuration example of the first stack 13, the first high temperature side heat exchanger 14, and the first low temperature side heat exchanger 12 shown in FIG.
  • the first high-temperature side heat exchanger 14 and the first low-temperature side heat exchanger 12 do not have an in-tube portion and are configured by outside-tube portions 14 a and 12 a.
  • the outer tube portion 14 a is provided so as to surround a portion that enters the inside of the first stack 13 from one end 13 ⁇ / b> A of the first stack 13 from the outer periphery of the loop tube 3.
  • the outer tube portion 12 a is provided so as to surround a portion that enters the inside of the first stack 13 from the other end 13 ⁇ / b> B of the first stack 13 from the outer periphery of the loop tube 3.
  • the end surface of the first stack 13 in the length direction of the loop tube 3 in which the first high temperature side heat exchanger 14 is provided is the one end 13A, and the first low temperature The end surface on which the side heat exchanger 12 is provided is the other end 13B.
  • the second stack 23 is configured in the same manner as in FIG. 7, among the end faces in the length direction of the loop tube 3 of the second stack 23, the end face on which the second high temperature side heat exchanger 24 is provided is One end 23A and the end surface on which the second low-temperature side heat exchanger 22 is provided become the other end 23B.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the thermoacoustic apparatus in the present embodiment.
  • the thermoacoustic apparatus 10 shown in FIG. 8 has a configuration in which the second diaphragm 6 is added to the configuration shown in FIG.
  • the second diaphragm 6 is provided in the loop tube 3 between the other end 23B where the second low temperature side heat exchanger 22 of the second stack 23 is disposed and the other end 13B of the first stack 13.
  • the second diaphragm 6 can vibrate in the axial direction (length direction) of the loop tube 3.
  • the second diaphragm 6 is formed of a plate-like elastic body.
  • the second diaphragm 6 is disposed on the path K4 of the loop tube 3 between the other end 13B of the first stack 23 and the other end 23B of the second stack 23. By disposing the second diaphragm 6 at this position, the sound waves in the loop tube 3 generated by the temperature gradient of the first stack 13 can be further amplified by the second diaphragm 6.
  • the second diaphragm 6 has a first position higher than the center H2 of the path K6 in the loop pipe 3 from the other end 13B of the first stack 13 to the other end 23B of the second stack 23. It is arranged at a position close to one stack 13 (position on the path K5). Thereby, the amplification effect of the sound wave by the 2nd diaphragm 6 can be heightened.
  • the second diaphragm 6 can be provided at the upper position).
  • FIG. 9 is a diagram for explaining an arrangement example of the second diaphragm 6.
  • FIG. 9 shows the loop tube 3 shown in FIG. 8 expanded linearly for easy understanding.
  • the second diaphragm 6 is arranged within the second distance C2 from the other end 13B where the first low temperature side heat exchanger 12 of the first stack 13 is arranged.
  • the second distance C2 can be, for example, a length (L / 4) of a quarter of the tube length L of the loop tube 3. That is, the distance between the other end 13 ⁇ / b> B of the first stack 13 and the second diaphragm 6 can be 1 ⁇ 4 or less of the tube length L of the loop tube 3.
  • the inventors have found that the effect of amplifying sound waves generated by the temperature gradient of the first stack 13 by the second diaphragm 6 can be further enhanced by setting the second distance C2 in this way.
  • the second distance C2 may be a length (L / 8) that is 1/8 of the tube length L of the loop tube 3.
  • the sound wave amplification effect by the second diaphragm 6 can be further enhanced.
  • the second distance C2 may be a length (L / 20) that is 1/20 of the tube length L of the loop tube 3.
  • FIG. 10 is a view for explaining another arrangement example of the second diaphragm 6.
  • FIG. 10 shows the loop tube 3 shown in FIG. 8 expanded linearly. Further, in the lower part of FIG. 10, a waveform example of the sound wave TW having the frequency of the primary mode generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the stack 12 is shown.
  • the second diaphragm 6 is disposed within the second distance C ⁇ b> 2 from the other end 13 ⁇ / b> B of the first stack 13, as in FIG. 9.
  • the second distance C ⁇ b> 2 is determined by the shape of the sound wave of the primary mode frequency of the loop tube 3 generated by the temperature gradient of the first stack 13.
  • the second distance C2 is such that the amplitude TA of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the first stack 13 is 1 / ⁇ 2 times the maximum amplitude M of the sound wave.
  • the inventors have found that the effect of amplifying sound waves generated by the temperature gradient of the second stack 23 by the second diaphragm 6 can be further enhanced by setting the second distance C2 in this way.
  • the second distance C2 is such that the amplitude TA of the sound wave of the primary mode frequency generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the first stack 13 is 0.9 to 1 times the maximum amplitude M (0.9M ⁇ TA). It is good also as a distance equivalent to the length of the continuous area of the loop pipe
  • tube 3 used as ⁇ M).
  • FIG. 11 is a diagram for explaining another arrangement example of the second diaphragm 6.
  • FIG. 11 shows the loop tube 3 shown in FIG. 8 expanded linearly for easy understanding.
  • a waveform example of the sound wave TW having the frequency of the primary mode generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the stack 12 is shown.
  • the second diaphragm 6 is within the second distance C2 from the position of the antinode U2 of the sound wave of the primary mode generated in the loop tube 3 due to the temperature gradient of the first stack 13. Be placed.
  • the position of the antinode U2 is a position closer to the first stack 13 among the positions U1 and U2 where the amplitude of the sound wave having the frequency of the primary mode is the largest.
  • the second distance C2 is the length of a continuous section of the loop tube 3 in which the amplitude TA of the sound wave is 0.9 to 1 times (0.9M ⁇ TA ⁇ M) the maximum amplitude M of the sound wave. It may be a corresponding distance.
  • the inventors have found that the effect of amplifying sound waves generated by the temperature gradient of the first stack 13 by the second diaphragm 6 can be further enhanced by setting the second distance C2 in this way.
  • the second distance C2 is, for example, a length of 1/4 of the tube length L of the loop tube 3 (L / 4) or a length of 1/8 of the tube length L of the loop tube 3. (L / 8) or a length (L / 20) that is 1/20 of the tube length L of the loop tube 3.
  • the inventors thus further enhance the effect of amplifying the sound wave generated by the temperature gradient of the first stack 13 by the second diaphragm 6 by setting the second distance C2 from the antinode U2 of the sound wave. Has found that can.
  • the arrangement of the first diaphragm 4 is, for example, the arrangement example 1 of the first diaphragm 4 shown in FIGS. Can be any of.
  • the distance E1 between the first diaphragm 4 and the second diaphragm 6 is, for example, 2 of the tube length L of the loop tube 3. It can be a fraction. Thereby, the amplification effect of the sound wave by adding the second diaphragm 6 can be further enhanced.
  • the 1st diaphragm 4 and the 2nd diaphragm 6 in the said Embodiment 1, 2 can be formed with a metal or resin, for example.
  • the inventors conducted various studies on the materials of the first diaphragm 4 and the second diaphragm 6 for efficiently amplifying the sound waves of the loop tube 3 generated by the temperature gradient of the first stack 13.
  • the first diaphragm 4 and the second diaphragm 6 be made of a low-viscosity material such as resin or metal rather than a high-viscosity material such as rubber. all right.
  • the loss coefficient tan ⁇ at the time of vibration at the resonance frequency of 25 ° C. of the first diaphragm 4 is 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.5.
  • the first diaphragm 4 With a material having a loss coefficient tan ⁇ of 0.5 or less, the sound wave amplification effect by the first diaphragm 4 can be more easily obtained.
  • 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.2 is more preferable
  • 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.025 is further preferable.
  • the loss factor tan ⁇ during vibration at the resonance frequency of 25 ° C. of the second diaphragm 6 is 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.5.
  • the second diaphragm 6 With a material having a loss coefficient tan ⁇ of 0.5 or less, the sound wave amplification effect by the second diaphragm 6 can be more easily obtained. Further, 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.2 is more preferable, and 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.025 is further preferable.
  • FIG. 12 is a graph showing the results of measuring the relationship between the loss coefficient tan ⁇ of the first diaphragm 4 and the cooling effect of the thermoacoustic device 10.
  • the cooling effect of the thermoacoustic device 10 was measured using a diaphragm having various loss factors as the first diaphragm 4 of the thermoacoustic device 10 shown in FIG.
  • the cooling effect is represented by a value obtained by dividing the temperature difference between the second low temperature side heat exchanger 22 and the second high temperature side heat exchanger 24 during operation of the thermoacoustic device 10 by a predetermined reference temperature.
  • the loss coefficient tan ⁇ is a loss elastic modulus G ′′ / storage elastic modulus G ′ and can be considered as a ratio of viscosity to elasticity.
  • the loss coefficient tan ⁇ was measured using a dynamic viscoelasticity measuring apparatus, that is, vibration. Stress was input to the plate, and the phase difference ⁇ of the response to the input stress was measured.
  • the loss factor tan ⁇ was measured by applying the first vibration to the stress that vibrates at the resonance frequency of the first diaphragm 4 in an atmosphere of 25 ° C. In addition to the plate 4, the measurement was performed by measuring the phase difference with respect to the input stress of the response deformation of the first vibrating plate 4.
  • thermoacoustic device 10 From the measurement results shown in FIG. 12, it was found that the cooling effect by the thermoacoustic device 10 was particularly good when the loss coefficient tan ⁇ of the first diaphragm 4 was in the range of 0 ⁇ tan ⁇ ⁇ 0.025. In addition, when the loss coefficient tan ⁇ of the first diaphragm 4 was 0.020 or less, a better cooling effect was obtained.
  • the inventors generate a temperature gradient of the first stack 13 by bringing the ratio (D / F) of the driven frequency D of the first diaphragm 4 and the resonance frequency F of the loop tube 3 close to 1. It has been found that the sound waves of the loop tube 3 can be efficiently amplified.
  • the lower limit of D / F is preferably D / F ⁇ 0.8, more preferably D / F ⁇ 0.85, and further preferably D / F ⁇ 0.9.
  • the upper limit of D / F is, for example, preferably D / F ⁇ 1.1, and more preferably D / F ⁇ 1.0.
  • the range of D / F is, for example, preferably 1.1 ⁇ D / F ⁇ 0.8, and more preferably 1.0 ⁇ D / F ⁇ 0.85.
  • the driven frequency D is the frequency of the first diaphragm 4 that vibrates due to the vibration of the sound wave of the loop tube 3.
  • the resonance frequency having a value close to the resonance frequency F of the loop tube 3 is set in the first diaphragm 4. It can be realized by setting. Further, even when the resonance frequency of the first diaphragm 4 is smaller than the resonance frequency F of the loop tube 3, for example, the harmonic frequency of the resonance frequency of the first diaphragm 4 becomes the resonance frequency F of the loop tube 3.
  • the resonance frequency of the first diaphragm 4 can be set so as to be close.
  • the ratio (D2 / F) of the driven frequency D2 of the second diaphragm 6 and the resonance frequency F of the loop tube 3 is preferably close to 1, similarly to the first diaphragm 4.
  • FIG. 13 is a graph showing the results of measuring the relationship between the driven frequency D of the first diaphragm 4 and the ratio (D / F) of the resonance frequency F of the loop tube 3 and the cooling effect of the thermoacoustic device 10.
  • the cooling effect of the thermoacoustic device 10 is changed by changing the configuration of the first diaphragm 4 of the thermoacoustic device 10 shown in FIG. It was measured.
  • the driven frequency D of the first diaphragm 4 was measured by inputting vibrations of various frequencies to the first diaphragm 4.
  • the resonance frequency F of the loop tube 3 was measured by inputting vibrations of various frequencies to the loop tube 3.
  • the cooling effect is represented by a value obtained by dividing the temperature difference between the second low temperature side heat exchanger 22 and the second high temperature side heat exchanger 24 during operation of the thermoacoustic device 10 by a predetermined reference temperature.
  • the resonance frequency F of the loop tube 3 is the frequency of the primary mode of the loop tube 3.
  • the ratio (D / F) between the driven frequency D of the first diaphragm 4 and the resonance frequency F of the loop tube 3 is preferably close to 1.
  • D / F is preferably 1.0 ⁇ D / F ⁇ 0.8, more preferably 1.0 ⁇ D / F ⁇ 0.85, and 1.0 ⁇ D. It was found that /F ⁇ 0.9 is more preferable.
  • the resonance frequencies of the first diaphragm 4 and the second diaphragm 6 can be estimated (calculated) mainly from the area, thickness, and bending rigidity of the diaphragm, for example.
  • the resonance frequency of the loop tube 3 can be estimated (calculated) mainly from the tube length L of the loop tube 3.
  • the resonance frequency fns of the first diaphragm 4 and the second diaphragm 6 can be calculated by the following equation (1).
  • the following formula (1) is a calculation formula when the diaphragm is a circular film.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of eigenmodes and eigenvalues ⁇ ns of a diaphragm having a circular film.
  • the white and hatched portions in the circle show that they vibrate at different phases.
  • eigenvalue ⁇ 00 0.765
  • the eigenvalue ⁇ 10 1.216.
  • calculating the resonance frequency of the diaphragm facilitates the design of the diaphragm that can efficiently amplify the sound wave in the loop tube. Further, for example, by combining the arrangement examples 1 to 3 of the first diaphragm 4 in the first embodiment and preferable material characteristics of the diaphragm, the sound wave amplification effect of the loop tube 3 by the first diaphragm 4 is achieved. Can be improved efficiently.
  • the sound wave amplification effect of the loop tube 3 by the first diaphragm 4 can be exhibited.
  • the 1st stack 13 between the 1st high temperature side heat exchanger 14 and the 1st low temperature side heat exchanger 12, and the 2nd high temperature side heat exchanger 24 and the 2nd low temperature side heat exchanger In the loop pipe 3 having the second stack 23 between 22 in the pipe, a diaphragm having the same configuration as the first diaphragm 4 can be arranged in the loop pipe 3. In this configuration, the loss factor tan ⁇ during vibration at the resonance frequency of 25 ° C.
  • the amplification effect of the sound wave of the loop tube 3 by the diaphragm can be obtained regardless of the position of the diaphragm in the loop tube 3.
  • the driven frequency D of the diaphragm and the resonance frequency F of the loop tube may have a relationship of D / F ⁇ 0.8. Also by this, the amplification effect of the sound wave of the loop tube 3 by the diaphragm can be obtained.
  • the configuration of the stacks 13 and 23 is not limited to the above example.
  • the plurality of conduction paths 13k and 23k penetrating in the length direction of the tube 3 in the first stack 13 and the second stack 23 may be curved.
  • the thermoacoustic apparatus 10 is a thermoacoustic cooling apparatus that cools an object outside the loop tube by using the temperature gradient of the second stack.
  • the use of the thermoacoustic device is not limited to the cooling device.
  • the thermoacoustic apparatus 10 may be a thermoacoustic heating apparatus that heats an object outside the loop tube using a temperature gradient of the second stack, for example.

Abstract

熱音響装置は、ループ管と、前記ループ管内に配置されて温度勾配によって前記ループ管に音波を発生させる第１スタックと、前記ループ管内に配置されて温度勾配を発生させる第２スタックと、前記第１スタックの一方端に配置され、前記第１スタックの一方端を他方端より高温にする第１高温側熱交換器と、前記第１スタックの他方端に配置され、前記第１スタックの他方端を一方端より低温にする第１低温側熱交換器とを備える。

Description

熱音響装置
　本発明の一態様は、熱エネルギーと音エネルギーの変換を利用した熱音響装置に関する。
　近年、熱エネルギーと音エネルギーとの変換現象である熱音響効果を利用した熱音響装置が提案されている。例えば、日本国特開２００８－１０１９１０号公報（特許文献１）には、ループ管の内部に、第１のスタックと第２のスタックを配置した熱音響装置が開示されている。第１のスタックは、第１高温側熱交換器及び第１低温側熱交換器に挟まれる。第２のスタックは、第２高温側熱交換器及び第２低温側熱交換器に挟まれる。この熱音響装置では、第１のスタックに温度勾配を生じさせることによって自励の音波を発生させる。この音波によって第２低温側熱交換器を冷却することができる。
　日本国特開２００８－１０１９１０号公報では、ループ管の長さ、ループ管に封入される作動流体の状態、第１のスタック及び第２のスタックの導通路の径等を適切に設定することでスタックにおける熱交換の効率性を向上させることが開示されている。
　また、日本国特開２０１２－１５９２６６号公報（特許文献２）には、原動機と冷凍機が形成されたパイプ内に、移動する気体を遮断する遮断壁を設置することが開示されている。遮断壁は、気体の振動に随伴して振動可能に設置される。遮断壁により、気体の循環流がなくなる。その結果、気体の循環流に起因する冷却不足が防止される。
　また、日本国特開２０１１－１２７８７０号公報（特許文献３）には、熱エネルギーを音エネルギーに変換する原動機が配置された第１ループ管と、音エネルギーを熱エネルギーに変換する受動器が配置された第２ループ管と、第１ループ管と第２ループ管を相互に接続する接続管を備える熱音響機関が開示されている。接続管内に、第１ループ管の作動流体と第２ループ管の作動流体を隔離する振動子が設けられる。振動子は、作動流体の振動方向に振動自在に構成される。２つに隔離された作動流体と、振動子は、所定の共振周波数で振動する。その結果、第１ループ管及び第２ループ管のループ長で規定される周波数より低い周波数で、音波が発生する。そのため、第１ループ管及び第２ループ管のループ長の３倍以上の長さの共鳴管を、第１ループ管と第２ループ管の間に設けた場合と同じ効果が得られる。そのような長さの共鳴管が不要となることにより、熱音響機関の小型化、及び、音波の減衰の低減ができる。
日本国特開２００８－１０１９１０号公報 日本国特開２０１２－１５９２６６号公報 日本国特開２０１１－１２７８７０公報
　上記従来技術では、熱音響装置の管内に振動可能な遮断壁又は振動子が設けられる。遮断板は、ループ管内の気体の循環を防ぐために設けられる。振動子は、２つのループ管の気体を隔離して振動を制御するために設けられる。
　本願は、熱音響装置において、振動板によってループ管の音波を増幅する技術を開示する。
　本発明の一態様における熱音響装置は、
　ループ管と、
　前記ループ管内に配置される第１スタックであって、前記第１スタック内の温度勾配によって前記ループ管に音波を発生させる第１スタックと、
　前記ループ管内に配置される第２スタックであって、前記ループ管の音波によって前記第２スタック内に温度勾配を発生させる第２スタックと、
　前記第１スタックの一方端に配置され、前記第１スタックの一方端を前記第１スタックの他方端より高温にする第１高温側熱交換器と、
　前記第１スタックの他方端に配置され、前記第１スタックの他方端を一方端より低温にする第１低温側熱交換器と、
　前記第２スタックの両端のうち前記第１高温側熱交換器側の端に配置される第２高温側熱交換器と、
　前記第２スタックの両端のうち前記第１低温側熱交換器側の端に配置される第２低温側熱交換器と、
　前記ループ管内の、前記第２スタックの前記第２高温側熱交換器が配置される端と、前記第１スタックの一方端との間に設けられ、前記ループ管の軸方向に振動可能な第１振動板とを備える。
　本願開示によれば、熱音響装置において、ループ管の音波を増幅することができる。
図１は、実施形態１における熱音響装置の構成例を示す図である。 図２は、第１振動板４が配置されたループ管３の断面図である。 図３は、第１振動板４の配置例を説明するための図である。 図４は、第１振動板４の他の配置例を説明するための図である。 図５は、第１振動板４の他の配置例を説明するための図である。 図６は、図１に示す第１スタック、第１高温側熱交換器、第１低温側熱交換器の構成例を示す断面図である。 図７は、図１に示す第１スタック、第１高温側熱交換器、第１低温側熱交換器の他の構成例を示す断面図である。 図８は、実施形態２における熱音響装置の構成例を示す図である。 図９は、第２振動板の配置例を説明するための図である。 図１０は、第２振動板の他の配置例を説明するための図である。 図１１は、第２振動板の他の配置例を説明するための図である。 図１２は、第１振動板４の損失係数ｔａｎδと熱音響装置の冷却効果の関係を測定した結果を示すグラフである。 図１３は、第１振動板４の被駆動周波数Ｄと、ループ管３の共振周波数Ｆの比（Ｄ／Ｆ）と熱音響装置の冷却効果の関係を測定した結果を示すグラフである。 図１４は、円形膜の振動板の固有モードと固有値の例を示す図である。
　本発明の一態様における熱音響装置は、ループ管と、前記ループ管内に配置される第１スタックであって、前記第１スタック内の温度勾配によって前記ループ管に音波を発生させる第１スタックと、前記ループ管内に配置される第２スタックであって、前記ループ管の音波によって前記第２スタック内に温度勾配を発生させる第２スタックと、前記第１スタックの一方端に配置され、前記第１スタックの一方端を前記第１スタックの他方端より高温にする第１高温側熱交換器と、前記第１スタックの他方端に配置され、前記第１スタックの他方端を一方端より低温にする第１低温側熱交換器と、前記第２スタックの両端のうち前記第１高温側熱交換器側の端に配置される第２高温側熱交換器と、前記第２スタックの両端のうち前記第１低温側熱交換器側の端に配置される第２低温側熱交換器と、前記ループ管内の、前記第２スタックの前記第２高温側熱交換器が配置される端と、前記第１スタックの一方端との間に設けられ、前記ループ管の軸方向に振動可能な第１振動板とを備える（第１の構成）。
　上記第１の構成において、第１高温側熱交換器及び第１低温側熱交換器により、第１スタックの一方端と他方端に温度勾配が生じる。第１スタックの温度勾配によってループ管内の作動流体に音波が発生する。この音波によって、第２スタック内に温度勾配が生じる。この温度勾配により、第２スタックの第１低温側熱交換器側の端の温度が、第２スタックの第１高温側熱交換器側の端の温度より低くなる。例えば、第２スタックの第２高温側熱交換器によって、第２スタックの高温側の端の温度を制御することで、第２スタックの低温側の端の温度をより低く制御することができる。この場合、第２低温側熱交換器を介して、ループ管の外部の冷却対象を冷却することができる。熱音響装置では、第２スタックの第２高温側熱交換器が配置される端と、第１スタックの第１高温側熱交換器が配置される一方端との間に、第１振動板が設けられる。この位置に第１振動板を設けることにより、第１スタックの温度勾配により発生する音波を増幅することができる。その結果、音エネルギーと熱エネルギーの変換効率を高めることができる。ここで、第１振動板による音波の増幅は、音波の減衰を抑制する場合も含む。
　上記第１の構成において、前記第２スタックの両端のうち前記第２高温側熱交換器が配置される端、及び前記第１振動板は、前記第１スタックの一方端から前記ループ管の管長の２分の１の距離の位置を基準として、第１距離の範囲内に配置することができる。ここで、前記第１距離は、前記第１スタックの温度勾配によって前記ループ管に生じる１次モードの周波数の音波の振幅が、前記音波の最大振幅の１／√２倍から１倍となる前記ループ管の部分の長さに相当する距離である（第２の構成）。
　上記第２の構成では、第１スタックの高温側の一方端からループ管の管長の２分の１の距離の位置に対応するループ管の区間に、第１振動板と第２スタックの高温側の端が配置される。これにより、第１スタックの温度勾配により発生する音波を第１振動板によって増幅する効果をさらに高めることができる。
　なお、上記の、「第１スタックの一方端からループ管の管長の２分の１の距離」、及び、「第１距離」における「距離」は、ループ管の経路の距離である。ループ管の経路の距離は、ループ管内の中心軸を通る経路の距離とする。以下に述べる「距離」についても同様である。
　上記第１又は第２の構成において、前記第２スタックの両端のうち前記第２高温側熱交換器が配置される端と、前記第１振動板との距離は、前記ループ管の管長の１／４以下の長さである（第３の構成）。
　上記第３の構成では、第２スタックの高温側の端からループ管の管長の４分の１の距離の区間に、第１振動板が配置される。これにより、第１スタックの温度勾配により発生する音波を第１振動板によって増幅する効果をさらに高めることができる。
　上記第１～第２のいずれかの構成において、前記熱音響装置は、前記ループ管内において、前記第２スタックの両端のうち前記第２低温側熱交換器が配置される端と前記第１スタックの他方端との間に設けられ、前記ループ管の軸方向に振動可能な第２振動板をさらに備えてもよい（第４の構成）。第２振動板により、第１スタックの温度勾配により発生する音波をさらに増幅させることができる。
　上記第４の構成において、前記第２振動板は、前記第１スタックの両端のうち前記第１低温側熱交換器が配置される端から第２距離内に配置されてもよい。ここで、前記第２距離は、前記第１スタックの温度勾配によって前記ループ管に生じる１次モードの周波数の音波の振幅が、前記音波の最大振幅の１／√２倍から１倍となる前記ループ管の部分の長さに相当する距離である（第５の構成）。これにより、第２振動板により、第１スタックの温度勾配により発生する音波を増幅する効果をさらに高めることができる。また、前記第１スタックの両端のうち前記第１低温側熱交換器が配置される端と前記第２振動板との距離は、前記ループ管の管長の１／４以下の長さとすることもできる。この場合も同様に、第２振動板による音波増幅効果を高めることができる。
　上記第１～第５のいずれかの構成において、前記第１振動板の２５℃における共振周波数で振動時の損失係数ｔａｎδは、０≦ｔａｎδ≦０．５とすることができる（第６の構成）。好ましくは、第１振動板の損失係数ｔａｎδを、０≦ｔａｎδ≦０．２とすることができ、より好ましくは、０≦ｔａｎδ≦０．０２５とすることができる。すなわち、第１振動板の損失係数ｔａｎδは、０．５以下が好ましく、０．２以下がより好ましく、０．０２５以下がさらに好ましい。また、第１振動板の損失係数ｔａｎδは、０以上とすることができる。このように、第１振動板の粘性を低くすることで、第１振動板により、第１スタックの温度勾配によって発生するループ管の音波の増幅効果をより高めることができる。
　なお、第２振動板についても、前記第２振動板の２５℃における共振周波数で振動時の損失係数ｔａｎδ２は、０≦ｔａｎδ２≦０．５とすることができる。好ましくは、第２振動案の損失係数ｔａｎδ２を、０≦ｔａｎδ２≦０．２とすることができ、より好ましくは、０≦ｔａｎδ２≦０．０２５とすることができる。すなわち、第２振動板の損失係数ｔａｎδ２は、０．５以下が好ましく、０．２以下がより好ましく、０．０２５以下がさらに好ましい。また、第２振動板の損失係数ｔａｎδ２は、０以上とすることができる。これにより、第２振動板による音波増幅効果をより高めることができる。
　第１～第６のいずれかの構成において、前記第１振動板の被駆動周波数Ｄと、前記ループ管の共振周波数Ｆが、Ｄ／Ｆ≧０．８の関係を有する構成とすることができる（第７の構成）。これにより、第１振動板により、第１スタックの温度勾配によって発生するループ管の音波の増幅効果をより高めることができる。被駆動周波数Ｄは、ループ管の音波によって振動する第１振動板の周波数である。なお、第２振動板についても、前記第２振動板の被駆動周波数Ｄ２と、前記ループ管の共振周波数Ｆが、Ｄ２／Ｆ≧０．８の関係を有する構成とすることができる。これにより、第２振動板による音波増幅効果をより高めることができる。被駆動周波数Ｄ２は、ループ管の音波によって振動する第２振動板の周波数である。
　第１～第７のいずれかの構成において、前記第１振動板は、樹脂又は金属で形成することができる（第８の構成）。第１振動板を樹脂又は金属で形成することで、第１振動板の粘性が、音波増幅効果の観点から適切なものとなる。そのため、第１振動板により、第１スタックの温度勾配によって発生するループ管の音波の増幅効果をより高めることができる。なお、第２振動板も、樹脂又は金属で形成することができる。これにより、第２振動板による音波増幅効果をより高めることができる。
　第１～第８のいずれかの構成において、前記第１振動板は、第１スタックの温度勾配によって前記ループ管内に生じる１次モードの周波数の音波の腹の位置から第１距離の範囲内に配置されてもよい。ここで、前記第１距離は、前記第１スタックの温度勾配によって前記ループ管に生じる１次モードの周波数の音波の振幅が、前記音波の最大振幅の１／√２倍から１倍となる前記ループ管の部分の長さに相当する距離である（第９の構成）。
　上記第９の構成では、第１スタックの温度勾配によってループ管内に生じる１次モードの周波数の音波の腹の位置に対応するループ管の区間に、第１振動板が配置される。これにより、第１スタックの温度勾配により発生する音波を第１振動板によって増幅する効果をさらに高めることができる。また、前記第１距離を、前記ループ管の管長の１０分の１の長さとすることもできる。この場合も同様に、第１振動板による音波増幅効果を高めることができる。
　前記第２振動板は、第１スタックの温度勾配によって前記ループ管内に生じる１次モードの周波数の音波の腹の位置から第１距離の範囲内に配置されてもよい。これにより、第２振動板による音波増幅効果をより高めることができる。
　第１～９のいずれかの構成において、前記第１スタックの一方端から前記ループ管の管長の２分の１の距離の位置を挟んで互いに反対側に、前記第２スタックの両端のうち前記第２高温側熱交換器が配置される端と前記第１振動板とが配置されてもよい（第１０の構成）。すなわち、前記第１振動板と、前記第２スタックの高温側の端との間に、前記第１スタックの高温側の端から第２スタックの高温側へ向けてループ管の管長の２分の１の距離の位置が配置されてもよい。これにより、第１スタックの温度勾配により発生する音波を第１振動板によって増幅する効果をさらに高めることができる。
　第１～１０のいずれかの構成において、前記第１振動板は、前記第２スタックの両端のうち前記第２高温側熱交換器が配置される端から前記第１スタックの前記一方端までの管内の経路の中央の位置よりも、前記第２スタック寄りの位置に配置されてもよい（第１１の構成）。これにより、第１スタックの温度勾配により発生する音波を第１振動板によって増幅する効果をさらに高めることができる。
　以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。図中同一及び相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。説明の便宜上、各図において、構成を簡略化又は模式化して示したり、一部の構成を省略して示したりする場合がある。
　（実施形態１）
　［熱音響装置の構成例］
　図１は、本実施形態における熱音響装置の構成例を示す図である。熱音響装置１０は、１つのループ管３と、ループ管３内に設けられた第１スタック１３及び第２スタック２３を備える。ループ管３には、作動流体が封入される。作動流体は、例えば、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン、又はそれらのうち少なくとも２つの混合気とすることができる。ループ管３には、枝管は接続されない。
　第１スタック１３は、ループ管３の長さ方向（軸方向又は管内経路の方向とも称することができる）に貫通する複数の導通路１３ｋを有する。第２スタック２３も、ループ管３の長さ方向に貫通する複数の導通路２３ｋを有する。導通路１３ｋ、２３ｋは、作動流体の流路となっている。すなわち、第１スタック１３及び第２スタック２３において、導通路１３ｋ、２３ｋ内を作動流体が移動可能となっている。作動流体は、第１スタック１３及び第２スタック２３を、ループ管３の長さ方向に通り抜けることができる。なお、スタックは、蓄熱器と称することもできる。
　第１スタック１３内の温度勾配が臨界点を越えると、スタック１３内の作動流体が振動する。第２スタック２３内の温度勾配が臨界点を越えると、スタック２３内の作動流体が振動する。作動流体の振動は音波を発生させる。その結果、ループ管３内の作動流体に定在波を含む音波が発生する。また、ループ管３内の音波によって、第１スタック１３又は第２スタック２３内の作動流体が振動すると、第１スタック１３又は第２スタック２３内に温度勾配が発生する。温度勾配は、第１スタック１３のループ管３の長さ方向における一方端（一方側）１３Ａと他方端（他方側）１３Ｂの間に発生する。同様に、第２スタック２３のループ管３の長さ方向における一方端（一方側）２３Ａと他方端（他方側）２３Ｂの間に温度勾配が発生する。このように、第１スタック１３及び第２スタック２３は、熱エネルギーと音エネルギーを相互に変換することができる。
　第１スタック１３及び第２スタック２３は、例えば、ループ管３の長さ方向に延びる複数の壁によって、導通路１３ｋ、２３ｋを形成する構造とすることができる。この場合、ループ管３の長さ方向に垂直な断面における複数の壁の形状を、例えば、格子状とすることができる。又は、第１スタック１３及び第２スタック２３は、ループ管３の長さ方向に伸びる柱状体に、同長さ方向に貫通する複数の孔を設けた構造とすることもできる。又は、第１スタック１３及び第２スタック２３は、ループ管３の長さ方向に伸び、ループ管３の長さ方向に貫通する孔を有する中空の柱を複数並べた構造とすることができる。この場合、例えば、各柱の軸方向に垂直な面の断面を六角形とすることで、柱を隙間なく並べることができる。すなわち、第１スタック１３及び第２スタック２３を、ハニカム構造とすることができる。
　第１スタック１３及び第２スタック２３は、例えば、金属、又は、セラミック等で形成することができる。第１スタック１３及び第２スタック２３は、多数の導通路１３ｋ、２３ｋを有することが好ましい。導通路１３ｋ、２３ｋの各々のループ管３の方向に垂直な断面の面積は、ループ管３の内部の同断面の面積に比べて十分小さいことが好ましい。なお、第１スタック１３と第２スタック２３は、必ずしも同じ構成でなくてもよい。
　本実施形態では、第１スタック１３の一方端１３Ａの温度が他方端１３Ｂの温度より高くなるよう温度勾配が発生する。第１スタック１３内の温度勾配により、ループ管３に音波が発生する。第１スタック１３内の温度勾配により発生した音波によって、第２スタック２３内に温度勾配が発生する。
　第１スタック１３及び第２スタック２３のそれぞれの一方端１３Ａ、２３Ａと他方端１３Ｂ、２３Ｂには、熱交換器１４、２４、１２、２２が設けられる。熱交換器１４、２４、１２、２２は、ループ管３の外部と第１スタック１３又は第２スタック２３との間で熱を交換する。熱音響装置１０の動作時は、ループ管３内に音波が生じ、第１スタック１３の一方端１３Ａと他方端１３Ｂの間、及び第２スタック２３の一方端２３Ａと他方端２３Ｂとの間に温度勾配が生じる。第１スタック１３の両端のうち、熱音響装置１０の動作時に温度勾配で高温となる一方端１３Ａに配置される熱交換器１４を第１高温側熱交換器１４とし、低温となる他方端１３Ｂに配置される熱交換器１２を第１低温側熱交換器１２とする。第２スタック２３の両端のうち、熱音響装置１０の動作時に温度勾配で高温となる一方端２３Ａに設けられる熱交換器２４を第２高温側熱交換器２４とし、低温となる他方端２３Ｂに設けられる熱交換器２２を第２低温側熱交換器２２とする。なお、熱交換器１４、２４、１２、２２は、必ずしも、スタック１３、２３の一方端１３Ａ、２３Ａ又は他方端１３Ｂ、２３Ｂに接していなくてもよい。
　第１高温側熱交換器１４は、第１スタック１３の一方端１３Ａに対応する位置に配置される。第１高温側熱交換器１４は、例えば、ループ管３内に配置される管内部分と、ループ管３外に配置される管外部分を含んでもよい。管内部分は、ループ管３内の第１スタック１３の一方端１３Ａに対向し、複数の導通路を有する構成とすることができる。管外部分は、ループ管３の外周面の第１スタック１３の一方端１３Ａに対応する位置に配置される構成とすることができる。
　第１低温側熱交換器１２は、第１スタック１３の他方端１３Ｂに対応する位置に配置される。第１低温側熱交換器１２は、例えば、ループ管３内に配置される管内部分と、ループ管３外に配置される管外部分を含んでもよい。管内部分は、ループ管３内の第１スタック１３の他方端１３Ｂに対向し、複数の導通路を有する構成とすることができる。管外部分は、ループ管３の外周面の第１スタック１３の他方端１３Ｂに対応する位置に配置される構成とすることができる。このように、第１スタック１３のループ管３の長さ方向の両端に、第１高温側熱交換器１４及び第１低温側熱交換器１２が配置される。第１高温側熱交換器１４及び第１低温側熱交換器１２は、第１スタック１３を挟むように配置される。
　第１高温側熱交換器１４は、ループ管３の外部からの熱により第１スタック１３の一方端１３Ａを加熱する。第１高温側熱交換器１４により、第１スタック１３の一方端１３Ａは、他方端１３Ｂより高温になる。第１高温側熱交換器１４は、外部の熱源３０に熱伝導可能に接続される。熱源３０の熱は、第１高温側熱交換器１４を介して第１スタック１３の一方端１３Ａへ伝わる。
　第１低温側熱交換器１２は、ループ管３の外部と第１スタック１３の他方端１３Ｂとの間で熱を伝導することにより、第１スタック１３の他方端１３Ｂの温度を調整する。例えば、第１低温側熱交換器１２は、第１スタック１３の他方端１３Ｂの温度を所定の基準温度より上がらないようにすることができる。第１低温側熱交換器１２により、第１スタック１３の他方端１３Ｂが一方端１３Ａより低温になる。このようにして、第１高温側熱交換器１４及び第１低温側熱交換器１２によって、第１スタック１３の一方端１３Ａと他方端１３Ｂの間の温度勾配（温度差）を制御することができる。
　第１低温側熱交換器１２、第１スタック１３、及び第１高温側熱交換器１４は、入力された熱を作動流体の振動に変換して音波を発生させる熱音響原動機（熱音響エンジン）を構成する。
　本実施形態では、第１スタック１３内に生じた温度勾配によって発生した音波により第２スタック２３内に温度勾配が生じると、第２スタック２３の他方端２３Ｂの温度が、一方端２３Ａの温度より低くなる。第２高温側熱交換器２４は、第１スタック１３内の温度勾配に起因して第２スタック２３内に温度勾配が生じた際に、高温となる一方端２３Ａに設けられる。第２低温側熱交換器２２は、第１スタック１３の温度勾配に起因して第２スタック２３に温度勾配が生じた際に、低温となる他方端２３Ｂに設けられる。
　言い換えれば、第２高温側熱交換器２４は、第２スタック２３の両端のうち第１高温側熱交換器１４側の端（一方端２３Ａ）に配置される。第２低温側熱交換器２２は、第２スタック２３の両端のうち第１低温側熱交換器１２側の端（他方端２３Ｂ）に配置される。ここで、第１高温側熱交換器１４へ向くとは、ループ管３内の経路において第１高温側熱交換器１４へ向いていることである。すなわち、第１高温側熱交換器１４へ向くスタック２３の一方端２３Ａから出て、ループ管３内の経路を進むと、第１低温側熱交換器１２よりも先に、第１高温側熱交換器１４に到達する。同様に、第１低温側熱交換器１２に向くとは、ループ管３内の経路において第１低温側熱交換器１２へ向いていることである。すなわち、第１低温側熱交換器１２へ向くスタック２３の他方端２３Ｂから出て、ループ管３内の経路を進むと、第１高温側熱交換器１４よりも先に、第１低温側熱交換器１２に到達する。
　第２高温側熱交換器２４は、第２スタック２３の一方端２３Ａに対応する位置に配置される。第２高温側熱交換器２４は、例えば、ループ管３内に配置される管内部分と、ループ管３外に配置される管外部分を含んでもよい。管内部分は、ループ管３内の第２スタック２３の一方端２３Ａに対向し、複数の導通路を有する構成とすることができる。管外部分は、ループ管３の外周面の第２スタック２３の一方端２３Ａに対応する位置に配置される構成とすることができる。
　第２低温側熱交換器２２は、第２スタック２３の他方端２３Ｂに対応する位置に配置される。第２低温側熱交換器２２は、例えば、ループ管３内に配置される管内部分と、ループ管３外に配置される管外部分を含んでもよい。管内部分は、ループ管３内の第２スタック２３の他方端２３Ｂに対向し、複数の導通路を有する構成とすることができる。管外部分は、ループ管３の外周面の第２スタック２３の他方端２３Ｂに対応する位置に配置される構成とすることができる。このように、第２スタック２３のループ管３の長さ方向の両端に、第２高温側熱交換器２４及び第２低温側熱交換器２２が配置される。第２高温側熱交換器２４及び第２低温側熱交換器２２は、第２スタック２３を挟むように配置される。
　第２高温側熱交換器２４は、ループ管３の外部と第２スタック２３の一方端２３Ａとの間で熱を伝導することにより、第２スタック２３の一方端２３Ａの温度を調整する。例えば、第２高温側熱交換器２４は、第２スタック２３の一方端２３Ａの温度を一定に保つことができる。
　第２低温側熱交換器２２は、ループ管３の外部の熱を吸収して、第２スタック２３の他方端２３Ｂへ取り込む。これにより、ループ管３の外部を冷却する。言い換えれば、第２低温側熱交換器２２は、第２スタック２３内に生じた温度勾配によって温度が低下した第２スタック２３の他方端２３Ｂの冷熱を取り出し、ループ管３の外部へ伝える。第２低温側熱交換器２２は、例えば、ループ管３の外部の冷却対象４０に熱伝導可能に接続される。
　第２低温側熱交換器２２、第２スタック２３、及び第２高温側熱交換器２４は、音波（作動流体の振動）から温度勾配を発生させる熱音響ヒートポンプを構成する。
　図１に示す構成において、熱源３０の熱は、第１高温側熱交換器１４を介して、第１スタック１３の一方端１３Ａに伝えられる。これにより、第１スタック１３の一方端１３Ａが、加熱される。第１低温側熱交換器１２は、ループ管３の外部と第１スタック１３の他方端１３Ｂとの間で熱を伝導することにより、第１スタック１３の他方端１３Ｂを所定の第１基準温度（例えば、室温）以下に維持する。これにより、第１スタック１３の一方端１３Ａの温度は他方端１３Ｂの温度より高くなる。すなわち、第１スタック１３の一方端１３Ａと他方端１３Ｂとの間に温度勾配（温度差）が発生する。
　第１スタック１３内の温度勾配が臨界点を超えると、第１スタック１３内の作動流体が振動して音波が生じる。第１スタック１３内の作動流体の振動は、ループ管３内の作動流体に伝わる。これにより、ループ管３内には、音波が発生する。音波の振動により、第２スタック２３の作動流体が振動する。第２スタック２３内の作動流体が振動すると、第２スタック２３内に温度勾配（温度勾配）が生じる。すなわち、第２スタック２３の一方端２３Ａの温度が、他方端２３Ｂの温度より高くなる。
　第２高温側熱交換器２４は、ループ管３の外部と第２スタック２３の一方端２３Ａとの間で熱を伝導することにより、第２スタック２３の一方端２３Ａを所定の第２基準温度（例えば、室温）に維持する。そのため、第２スタック２３内に温度勾配が生じると、第２スタック２３の他方端２３Ｂの温度は、第２基準温度より低くなる。すなわち、第２スタック２３の他方端２３Ｂは冷却される。第２低温側熱交換器２２は、第２スタック２３の他方端２３Ｂの冷熱をループ管３の外部の冷却対象４０へ伝える。これにより、冷却対象４０が冷却される。
　［振動板の構成例］
　従来、熱音響装置のループ管の作動流体を隔離する遮断壁により、気体の移動を遮断することが行われていた（例えば、日本国特開２０１２－１５９２６６号公報（特許文献１）参照）。このようなループ管内の遮断壁は、熱音響装置の動作に必要な音波の振動を妨げないことが好ましい。遮断壁は、音波の振動を妨げないために振動可能に構成されていた。発明者らは、ループ管に設ける振動膜の様々な構成について検討したところ、ループ管内に振動板を設けることにより、ある条件下では、ループ管内の音波を増幅できる場合があることを見出した。そして、さらなる検討の結果、発明者らは、第１スタックの高温側の端と、第２スタックの高温側の端との間のループ管の経路上に振動板を設けることで、熱音響装置の動作に寄与するループ管内の音波を増幅できることを見出した。本実施形態の熱音響装置１０の構成は、このような知見に基づいている。
　ループ管３内の、第２スタック２３の第２高温側熱交換器２４が配置される一方端２３Ａと、第１スタック１３の第１高温側熱交換器１４が配置される一方端１３Ａとの間に、第１振動板４が設けられる。第１振動板４は、ループ管３の軸方向（長さ方向）に振動可能な板である。第１振動板４は、板状の弾性体で形成される。第１振動板４は、ループ管３内において、第１スタック１３の一方端１３Ａと、第２スタック２３の一方端２３Ａの間のループ管３の経路Ｋ１上に配置される。この位置に第１振動板４を配置することで、第１スタック１３の温度勾配により発生したループ管３内の音波を、第１振動板４によって増幅することができる。また、この位置に配置された第１振動板４により、第１スタックの温度勾配により発生した音波の周波数が調整される。これにより、熱音響効果の効率を向上させることができる。
　図１に示す例では、第１振動板４は、第１スタック１３の一方端１３Ａから、第２スタック２３の一方端２３Ａまでのループ管３内の経路Ｋ１の中央Ｈの位置よりも、第２スタック２３寄りの位置（経路Ｋ２上の位置）に配置される。これにより、第１振動板４による音波の増幅効果を高めることができる。好ましくは、第１スタック１３の一方端１３Ａから第２スタック２３の一方端２３Ａまでのループ管３内の経路Ｋ１のうち、第２スタック２３側の４分の１の範囲内の位置（経路Ｋ３上の位置）に、第１振動板４を設けることができる。
　図２は、第１振動板４が配置されたループ管３の断面図である。図２は、ループ管３の中心軸Ｊを含む面における第１振動板４及びループ管３の断面を示している。図２に示すように、第１振動板４の端部は、ループ管３の内面に固定される。第１振動板４の表面は、ループ管３の中心軸Ｊに垂直に配置される。第１振動板４は、ループ管３の軸方向（長さ方向）に振動可能となる。図２の例では、第１振動板４の中心部（ループ管３の中心軸Ｊが通る部分）で、振幅Ｗが最も大きくなる。
　［振動板の配置位置］
　発明者らは、第１振動板４の配置位置について鋭意検討した結果、下記の第１振動板４の配置例に想到した。
　＜第１振動板の配置例１＞
　図３は、第１振動板４の配置例を説明するための図である。図３は、説明を分かりやすくするために、図１に示すループ管３を直線状に展開して示している。図３に示す配置例では、第１振動板４と第２スタック２３の第２高温側熱交換器２４が配置される一方端２３Ａは、第１スタック１３の一方端１３Ａからループ管３の管長Ｌの２分の１の距離（Ｌ／２）の位置Ｔに対して、第１距離Ｃ１内に配置される。第１距離Ｃ１は、例えば、ループ管３の管長Ｌの１０分の１の長さ（Ｌ／１０）とすることができる。発明者らは、このように第１距離Ｃ１を設定することで、第１スタック１３の温度勾配により発生する音波を第１振動板４によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出した。
　また、第１距離Ｃ１は、ループ管３の管長Ｌの２０分の１の長さ（Ｌ／２０）としてもよい。これにより、第１振動板４による音波増幅効果をより高めることができる。また、第２スタック２３の両端のうち、第２高温側熱交換器２４が配置される一方端２３Ａと、第１振動板４との距離Ｆ１が、ループ管３の管長Ｌの１／４以下の長さ（すなわち、Ｆ１≦Ｌ／４）になるように、第１振動板４は配置される。この構成においても、第１振動板４による音波増幅効果を高めることができる。好ましくは、距離Ｆ１をループ管３の管長Ｌの１／８以下の長さ（すなわち、Ｆ１≦Ｌ／８）とすることができる。
　＜第１振動板の配置例２＞
　図４は、第１振動板４の他の配置例を説明するための図である。図４は、説明を分かりやすくするために、図１に示すループ管３を直線状に展開して示している。また、図４の下部に、スタック１２の温度勾配によってループ管３に発生する１次モードの周波数の音波ＴＷの波形例を示している。図４に示す例では、図３と同様に、第１振動板４と第２スタック２３の第２高温側熱交換器２４が配置される一方端２３Ａは、第１スタック１３の一方端１３Ａからループ管３の管長Ｌの２分の１の距離（Ｌ／２）の位置Ｔに対して、第１距離Ｃ１内に配置される。
　図４に示す配置例では、第１距離Ｃ１が、第１スタック１３の温度勾配によって生じるループ管３の１次モードの周波数の音波の形状によって決められる。図４に示す例では、第１距離Ｃ１は、第１スタック１３の温度勾配によってループ管３に生じる１次モードの周波数の音波の振幅ＴＡが最大振幅Ｍの１／√２倍から１倍（（１／√２）Ｍ≦ＴＡ≦Ｍ）となるループ管３の連続する区間の長さ（距離）Ｄ１に相当する距離である（Ｃ１＝Ｄ１）。発明者らは、このように第１距離Ｃ１を設定することで、第１スタック１３の温度勾配により発生する音波を第１振動板４によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出した。
　また、第１距離Ｃ１は、第１スタック１３の温度勾配によってループ管３に生じる１次モードの周波数の音波の振幅ＴＡが、最大振幅Ｍの０．９倍から１倍（０．９Ｍ≦ＴＡ≦Ｍ）となるループ管３の連続する区間の長さ（距離）に相当する距離としてもよい。
　図３及び図４に示す例では、第１スタック１３の一方端１３Ａから第２スタック２３の一方端２３Ａへ向かってループ管３の管長の２分の１の距離の位置Ｔを挟んで、互いに反対側に、第２スタック２３の一方端２３Ａと、第１振動板４とが配置される。発明者らは、このように、第１スタック１３、第２スタック２３及び第１振動板４を配置することで、第１スタック１３の温度勾配により発生する音波を第１振動板４によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出した。
　なお、第２スタック２３の一方端２３Ａ及び第１振動板４が、いずれも、上記位置Ｔから第１距離Ｃ１内であって、上記位置Ｔに対して同じ側に配置してもよい。
　＜第１振動板の配置例３＞
　図５は、第１振動板４の他の配置例を説明するための図である。図５は、説明を分かりやすくするために、図１に示すループ管３を直線状に展開して示している。また、図５の下部に、スタック１２の温度勾配によってループ管３に発生する１次モードの周波数の音波ＴＷの波形例を示している。図５に示す配置例では、第１振動板４は、第１スタック１３の温度勾配によってループ管３内に生じる１次モードの周波数の音波の腹Ｕの位置から第１距離Ｃ１の範囲内に配置される。本例では、腹Ｕの位置は、１次モードの周波数の音波の振幅が最も大きくなる位置のうち、第１スタック１３から遠い方の位置である。
　第１距離Ｃ１は、第１スタック１３の温度勾配によってループ管３に生じる１次モードの周波数の音波の振幅ＴＡが、音波の最大振幅Ｍの１／√２倍から１倍（（１／√２）Ｍ≦ＴＡ≦Ｍ）となる前記ループ管の連続する区分の長さＤ１に相当する距離である（Ｃ１＝Ｄ１）。また、第１距離Ｃ１は、上記音波の振幅ＴＡが、最大振幅Ｍの０．９倍から１倍（０．９Ｍ≦ＴＡ≦Ｍ）となるループ管３の連続する区間の長さに相当する距離としてもよい。発明者らは、このように第１距離Ｃ１を設定することで、第１スタック１３の温度勾配により発生する音波を第１振動板４によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出した。
　なお、図５において、第１距離Ｃ１は、例えば、ループ管３の管長Ｌの１０分の１の長さ（Ｌ／１０）又は、ループ管３の管長Ｌの２０分の１の長さ（Ｌ／２０）とすることができる。発明者らは、このように、音波の腹Ｕからの第１距離Ｃ１を設定することで、第１スタック１３の温度勾配により発生する音波を第１振動板４によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出している。
　［スタックの端］
　図６は、図１に示す第１スタック１３、第１高温側熱交換器１４、第１低温側熱交換器１２の構成例を示す断面図である。図６に示す例では、第１低温側熱交換器１２は、管内部分１２ｂと、管外部分１２ａを含む。管内部分１２ｂは、ループ管３内に、第１スタック１３の他方端１３Ｂに対向して配置される。管内部分１２ｂは、ループ管３の長さ方向に貫通する複数の導通路を有する。導通路を作動流体が通り抜けることができる。
　管外部分１２ａは、第１スタック１３の他方端１３Ｂの径方向外側のループ管３の外周面を囲むように形成される。管外部分１２ａは、ループ管３の外周面を囲む流路１２ｃを有する。流路１２ｃには流体５が流れる。流体５は、ループ管３の外周面を周方向に沿って流れる。図示しないが、流路１２ｃは、流体５が流入する流入口と、流体５が流出する流出口を有する。
　第１高温側熱交換器１４は、管内部分１４ｂと、管外部分１４ａを含む。管内部分１４ｂは、ループ管３内に、第１スタック１３の一方端１３Ａに対向して配置される。管内部分１４ｂは、ループ管３の長さ方向に貫通する複数の導通路を有する。導通路を作動流体が通り抜けることができる。管外部分１４ａは、第１スタック１３の一方端１３Ａの径方向外側のループ管３の外周面を囲むように形成される。管外部分１４ａは、金属等の熱伝導体で形成される。
　図６に示す例では、第１スタック１３の一方端１３Ａは、第１高温側熱交換器１４の管内部分１４ｂに対向する面となる。第１スタック１３の他方端１３Ｂは、第１低温側熱交換器１２の管内部分１２ｂに対向する面となる。第２スタック２３も、図６と同様の構成にすることができる。この場合、第２スタック２３の一方端２３Ａは、第２高温側熱交換器２４の管内部分に対向する面となる。第２スタック２３の他方端２３Ｂは、第２低温側熱交換器２２の管内部分に対向する面となる。なお、第２スタック２３では、第２高温側熱交換器２４の管外部分に、図６に示す流路１２ｃと同様の流路を設けることができる。
　図７は、図１に示す第１スタック１３、第１高温側熱交換器１４、第１低温側熱交換器１２の他の構成例を示す断面図である。図７に示す例では、第１高温側熱交換器１４、第１低温側熱交換器１２は、管内部分を有さず、管外部分１４ａ、１２ａで構成される。管外部分１４ａは、第１スタック１３の一方端１３Ａから第１スタック１３の内側に入った部分を、ループ管３の外周から取り囲むように設けられる。管外部分１２ａは、第１スタック１３の他方端１３Ｂから第１スタック１３の内側に入った部分を、ループ管３の外周から取り囲むように設けられる。
　図７に示す構成では、第１スタック１３のループ管３の長さ方向における両端面のうち、第１高温側熱交換器１４が設けられた方の端面が、一方端１３Ａとなり、第１低温側熱交換器１２が設けられた方の端面が、他方端１３Ｂとなる。第２スタック２３を、図７と同様に構成した場合、第２スタック２３のループ管３の長さ方向における両端面のうち、第２高温側熱交換器２４が設けられた方の端面が、一方端２３Ａとなり、第２低温側熱交換器２２が設けられた方の端面が、他方端２３Ｂとなる。
　（実施形態２）
　図８は、本実施形態における熱音響装置の構成例を示す図である。図８に示す熱音響装置１０は、図１に示す構成において、第２振動板６を追加した構成である。第２振動板６は、ループ管３内の、第２スタック２３の第２低温側熱交換器２２が配置される他方端２３Ｂと、第１スタック１３の他方端１３Ｂとの間に設けられる。第２振動板６は、ループ管３の軸方向（長さ方向）に振動可能である。第２振動板６は、板状の弾性体で形成される。第２振動板６は、第１スタック２３の他方端１３Ｂと、第２スタック２３の他方端２３Ｂの間のループ管３の経路Ｋ４上に配置される。この位置に第２振動板６を配置することで、第１スタック１３の温度勾配により発生したループ管３内の音波を、第２振動板６によってさらに増幅することができる。
　図８に示す例では、第２振動板６は、第１スタック１３の他方端１３Ｂから、第２スタック２３の他方端２３Ｂまでのループ管３内の経路Ｋ６の中央Ｈ２の位置よりも、第１スタック１３寄りの位置（経路Ｋ５上の位置）に配置される。これにより、第２振動板６による音波の増幅効果を高めることができる。好ましくは、第１スタック１３の他方端１３Ｂから第２スタック２３の他方端２３Ｂまでのループ管３内の経路Ｋ４のうち、第１スタック１３側の４分の１の範囲内の位置（経路Ｋ６上の位置）に、第２振動板６を設けることができる。
　＜第２振動板の配置例１＞
　図９は、第２振動板６の配置例を説明するための図である。図９は、説明を分かりやすくするために、図８に示すループ管３を直線状に展開して示している。図９に示す配置例では、第２振動板６は、第１スタック１３の第１低温側熱交換器１２が配置される他方端１３Ｂから第２距離Ｃ２内に配置される。第２距離Ｃ２は、例えば、ループ管３の管長Ｌの４分の１の長さ（Ｌ／４）とすることができる。すなわち、第１スタック１３の他方端１３Ｂと第２振動板６との距離は、ループ管３の管長Ｌの１／４以下とすることができる。発明者らは、このように第２距離Ｃ２を設定することで、第１スタック１３の温度勾配により発生する音波を第２振動板６によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出した。また、第２距離Ｃ２は、ループ管３の管長Ｌの８分の１の長さ（Ｌ／８）としてもよい。これにより、第２振動板６による音波増幅効果をより高めることができる。さらに好ましくは、第２距離Ｃ２を、ループ管３の管長Ｌの２０分の１の長さ（Ｌ／２０）とすることもできる。
　＜第２振動板の配置例２＞
　図１０は、第２振動板６の他の配置例を説明するための図である。図１０は、図８に示すループ管３を直線状に展開して示している。また、図１０の下部に、スタック１２の温度勾配によってループ管３に発生する１次モードの周波数の音波ＴＷの波形例を示している。図１０に示す例では、図９と同様に、第２振動板６は、第１スタック１３の他方端１３Ｂから第２距離Ｃ２内に配置される。
　図１０に示す配置例では、第２距離Ｃ２が、第１スタック１３の温度勾配によって生じるループ管３の１次モードの周波数の音波の形状によって決められる。図１０に示す例では、第２距離Ｃ２は、第１スタック１３の温度勾配によってループ管３に生じる１次モードの周波数の音波の振幅ＴＡが、音波の最大振幅Ｍの１／√２倍から１倍（（１／√２）Ｍ≦ＴＡ≦Ｍ）となるループ管３の連続する区間の長さ（距離）Ｄ１に相当する距離である（Ｃ２＝Ｄ１）。発明者らは、このように第２距離Ｃ２を設定することで、第２スタック２３の温度勾配により発生する音波を第２振動板６によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出した。
　また、第２距離Ｃ２は、第１スタック１３の温度勾配によってループ管３に生じる１次モードの周波数の音波の振幅ＴＡが、最大振幅Ｍの０．９倍から１倍（０．９Ｍ≦ＴＡ≦Ｍ）となるループ管３の連続する区間の長さに相当する距離としてもよい。
　＜第２振動板の配置例３＞
　図１１は、第２振動板６の他の配置例を説明するための図である。図１１は、説明を分かりやすくするために、図８に示すループ管３を直線状に展開して示している。また、図１１の下部に、スタック１２の温度勾配によってループ管３に発生する１次モードの周波数の音波ＴＷの波形例を示している。図１１に示す配置例では、第２振動板６は、第１スタック１３の温度勾配によってループ管３内に生じる１次モードの周波数の音波の腹Ｕ２の位置から第２距離Ｃ２の範囲内に配置される。本例では、腹Ｕ２の位置は、１次モードの周波数の音波の振幅が最も大きくなる位置Ｕ１、Ｕ２のうち、第１スタック１３から近い方の位置である。
　第２距離Ｃ２は、第１スタック１３の温度勾配によってループ管３に生じる１次モードの周波数の音波の振幅ＴＡが、音波の最大振幅Ｍの１／√２倍から１倍（（１／√２）Ｍ≦ＴＡ≦Ｍ）となる前記ループ管３の連続する区間の長さＤ１に相当する距離である（Ｃ２＝Ｄ１）。また、第２距離Ｃ２は、上記音波の振幅ＴＡが、音波の最大振幅Ｍの０．９倍から１倍（０．９Ｍ≦ＴＡ≦Ｍ）となるループ管３の連続する区間の長さに相当する距離としてもよい。発明者らは、このように第２距離Ｃ２を設定することで、第１スタック１３の温度勾配により発生する音波を第２振動板６によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出した。
　なお、図１１において、第２距離Ｃ２は、例えば、ループ管３の管長Ｌの４分の１の長さ（Ｌ／４）、又は、ループ管３の管長Ｌの８分の１の長さ（Ｌ／８）、若しくは、ループ管３の管長Ｌの２０分の１の長さ（Ｌ／２０）とすることができる。発明者らは、このように、音波の腹Ｕ２からの第２距離Ｃ２を設定することで、第１スタック１３の温度勾配により発生する音波を第２振動板６によって増幅する効果をさらに高めることができることを見出している。
　なお、上記図９～図１１に示す第２振動板６の配置例１～３において、第１振動板４の配置は、例えば、上記図３～５に示す第１振動板４の配置例１～３のいずれかにすることができる。また、上記図９～図１１に示す第２振動板６の配置例１～３において、第１振動板４と第２振動板６との距離Ｅ１は、例えば、ループ管３の管長Ｌの２分の１とすることができる。これにより、第２振動板６の追加による音波の増幅効果を、より高めることができる。
　［振動板の材料］
　上記実施形態１、２における第１振動板４及び第２振動板６は、例えば、金属又は樹脂で形成することができる。発明者らは、第１スタック１３の温度勾配により発生するループ管３の音波を効率よく増幅するための第１振動板４及び第２振動板６の材料について、種々の検討を行った。その結果、音波の増幅の観点からは、第１振動板４及び第２振動板６は、ゴムのように粘性が高い材料よりも、樹脂又は金属のように、粘性が低い材料が好ましいことがわかった。
　例えば、第１振動板４の２５℃における共振周波数で振動時の損失係数ｔａｎδは、０≦ｔａｎδ≦０．５であることが好ましい。損失係数ｔａｎδが０．５以下の材料で第１振動板４を形成することで、第１振動板４による音波増幅効果がより得られやすくなる。また、０≦ｔａｎδ≦０．２とすることがより好ましく、０≦ｔａｎδ≦０．０２５とすることがさらに好ましい。
　同様に、第２振動板６の２５℃における共振周波数で振動時の損失係数ｔａｎδは、０≦ｔａｎδ≦０．５であることが好ましい。損失係数ｔａｎδが０．５以下の材料で第２振動板６を形成することで、第２振動板６による音波増幅効果がより得られやすくなる。また、０≦ｔａｎδ≦０．２とすることがより好ましく、０≦ｔａｎδ≦０．０２５とすることがさらに好ましい。
　図１２は、第１振動板４の損失係数ｔａｎδと熱音響装置１０の冷却効果の関係を測定した結果を示すグラフである。図１２に示す測定では、様々な損失係数の振動板を、図１に示す熱音響装置１０の第１振動板４として用いて、熱音響装置１０の冷却効果を測定した。冷却効果は、熱音響装置１０の動作時の第２低温側熱交換器２２と第２高温側熱交換器２４の温度差を所定の基準温度で除した値で表される。損失係数ｔａｎδは、損失弾性率G"/貯蔵弾性率G' であり、粘性と弾性の比と考えることができる。損失係数ｔａｎδの測定は、動的粘弾性測定装置を用いた。すなわち、振動板に応力を入力し、入力応力に対する応答の位相差δを測定した。損失係数ｔａｎδの測定は、２５℃の雰囲気下で、第１振動板４の共振周波数で振動する応力を、第１振動板４に加えて、第１振動版４の応答変形の入力応力に対する位相差を測定することにより行った。
　図１２に示す測定結果から、第１振動板４の損失係数ｔａｎδが、０≦ｔａｎδ≦０．０２５の範囲において、熱音響装置１０による冷却効果が特に良好となることがわかった。また、第１振動板４の損失係数ｔａｎδが、０．０２０以下の場合に、さらに良好な冷却効果が得られた。
　また、発明者らは、第１振動板４の被駆動周波数Ｄと、ループ管３の共振周波数Ｆの比（Ｄ／Ｆ）を１に近づけることで、第１スタック１３の温度勾配により発生するループ管３の音波を効率よく増幅することができることを見出した。例えば、Ｄ／Ｆの下限は、Ｄ／Ｆ≧０．８とすることが好ましく、Ｄ／Ｆ≧０．８５とすることがより好ましく、Ｄ／Ｆ≧０．９とすることがさらに好ましい。Ｄ／Ｆの上限は、例えば、Ｄ／Ｆ≦１．１とするのが好ましく、Ｄ／Ｆ≦１．０とするのがさらに好ましい。Ｄ／Ｆの範囲は、例えば、１．１≧Ｄ／Ｆ≧０．８とするのが好ましく、１．０≧Ｄ／Ｆ≧０．８５とするのがより好ましい。
　なお、被駆動周波数Ｄとは、ループ管３の音波の振動によって振動する第１振動板４の周波数である。この被駆動周波数Ｄとループ管３の共振周波数Ｆとの比（Ｄ／Ｆ）を１に近づけるには、例えば、第１振動板４に、ループ管３の共振周波数Ｆに近い値の共振周波数を設定することで実現できる。また、第１振動板４の共振周波数が、ループ管３の共振周波数Ｆより小さい場合であっても、例えば、第１振動板４の共振周波数の高調波周波数がループ管３の共振周波数Ｆに近くなるように、第１振動板４の共振周波数を設定することができる。
　第２振動板６の被駆動周波数Ｄ２とループ管３の共振周波数Ｆの比（Ｄ２／Ｆ）も、第１振動板４と同様に、１に近い方が好ましい。
　図１３は、第１振動板４の被駆動周波数Ｄと、ループ管３の共振周波数Ｆの比（Ｄ／Ｆ）と熱音響装置１０の冷却効果の関係を測定した結果を示すグラフである。図１３に示す測定では、ループ管３の音波が基本波であることを前提として、図１に示す熱音響装置１０の第１振動板４の構成を変えて、熱音響装置１０の冷却効果を測定した。第１振動板４の被駆動周波数Ｄは、様々な周波数の振動を第１振動板４に入力することによって測定した。ループ管３の共振周波数Ｆは、様々な周波数の振動をループ管３に入力することによって測定した。冷却効果は、熱音響装置１０の動作時の第２低温側熱交換器２２と第２高温側熱交換器２４の温度差を所定の基準温度で除した値で表される。
　図１３の測定結果において、ループ管３の共振周波数Ｆは、ループ管３の一次モードの周波数とした。
　図１３に示す測定結果から、第１振動板４の被駆動周波数Ｄと、ループ管３の共振周波数Ｆの比（Ｄ／Ｆ）は１に近い方が好ましいことがわかった。具体的には、Ｄ／Ｆは、１．０≧Ｄ／Ｆ≧０．８とすることが好ましく、１．０≧Ｄ／Ｆ≧０．８５とすることがより好ましく、１．０≧Ｄ／Ｆ≧０．９とすることがさらに好ましいことがわかった。
　［振動板の共振周波数］
　第１振動板４及び第２振動板６の共振周波数は、例えば、主に、振動板の面積、厚み、曲げ剛性から、推定（計算）することができる。また、ループ管３の共振周波数は、主に、ループ管３の管長Ｌから推定（計算）することができる。例えば、第１振動板４及び第２振動板６の共振周波数ｆｎｓは、下記式（１）によって計算することができる。下記式（１）は、振動板を円形膜とした場合の計算式である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 Ｒ：円形膜の半径
Ｔ：単位長さ当たりの一定の張力（Ｎ／ｍ）
ρα：単位面積当たりの質量
λｎｓのｎ：周方向の次数（節直径の数）
λｎｓのｓ：半径方向の次数（節円の数）
　図１４は、円形膜の振動板の固有モードと固有値λｎｓの例を示す図である。図１４において、円の中の白抜きの部分と斜線の部分は異なる位相で振動することを示している。例えば、図１４に示す固有モードＧ１は、節直径の数ｎ＝０、節円の数ｓ＝０の固有モードである。この場合、固有値λ00＝０．７６５となる。固有モードＧ２は、節直径の数ｎ＝１、節円の数ｓ＝０の固有モードである。この場合、固有値λ10＝１．２１６となる。
　上記のように、振動板の共振周波数を計算することで、ループ管内の音波を効率よく増幅できる振動板の設計が容易になる。また、例えば、上記実施形態１における第１振動板４の配置例１～３と、上記振動板の好ましい材料特性とを組み合わることで、第１振動板４によるループ管３の音波の増幅効果を、効率よく高めることができる。
　なお、第１振動板４の位置に関わらず、第１振動板４の材料に上記の好ましい例を用いることで、第１振動板４によるループ管３の音波の増幅効果を奏することができる。例えば、他の実施形態として、第１高温側熱交換器１４及び第１低温側熱交換器１２の間の第１スタック１３、及び第２高温側熱交換器２４及び第２低温側熱交換器２２の間の第２スタック２３を管内に有するループ管３において、第１振動板４と同様の構成の振動板をループ管３内に配置することができる。この構成おいて、振動板の２５℃における共振周波数で振動時の損失係数ｔａｎδを、０≦ｔａｎδ≦０．５とすることができる。好ましくは、振動板の損失係数ｔａｎδを０．２以下、さらに好ましくは、振動板の損失係数を０．０２５以下とすることができる。これにより、振動板がループ管３内のいずれの位置に配置されていても、振動板によるループ管３の音波の増幅効果を得ることができる。或いは、振動板の被駆動周波数Ｄと、ループ管の共振周波数Ｆが、Ｄ／Ｆ≧０．８の関係を有する構成とすることができる。これによっても、振動板によるループ管３の音波の増幅効果を得ることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。スタック１３、２３の構成は、上記例に限られない。例えば、第１スタック１３及び第２スタック２３の、管３の長さ方向に貫通する複数の導通路１３ｋ、２３ｋは、湾曲していてもよい。
　上記の熱音響装置１０では、第２のスタックの温度勾配を利用してループ管の外部の物を冷却する熱音響冷却装置である。熱音響装置の用途は、冷却装置に限られない。例えば、熱音響装置１０は、例えば、第２のスタックの温度勾配を利用してループ管の外部の物を加熱する熱音響加熱装置とすることもできる。
　本出願は、２０１６年１０月１８日出願の日本特許出願（特願２０１６－２０４５３０）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　１０：熱音響装置、１２：第１低温側熱交換器、１３：第１スタック、１４：第１高温側熱交換器、２２：第２低温側熱交換器、２３：第２スタック、２４：第２高温側熱交換器、４：第１振動板、６：第２振動板

Claims (11)

  1. 　ループ管と、
    　前記ループ管内に配置される第１スタックであって、前記第１スタック内の温度勾配によって前記ループ管に音波を発生させる第１スタックと、
    　前記ループ管内に配置される第２スタックであって、前記ループ管の音波によって前記第２スタック内に温度勾配を発生させる第２スタックと、
    　前記第１スタックの一方端に配置され、前記第１スタックの一方端を前記第１スタックの他方端より高温にする第１高温側熱交換器と、
    　前記第１スタックの他方端に配置され、前記第１スタックの他方端を一方端より低温にする第１低温側熱交換器と、
    　前記第２スタックの両端のうち前記第１高温側熱交換器側の端に配置される第２高温側熱交換器と、
    　前記第２スタックの両端のうち前記第１低温側熱交換器側の端に配置される第２低温側熱交換器と、
    　前記ループ管内の、前記第２スタックの前記第２高温側熱交換器が配置される端と、前記第１スタックの一方端との間に設けられ、前記ループ管の軸方向に振動可能な第１振動板とを備える、熱音響装置。
  2. 　請求項１に記載の熱音響装置であって、
    　前記第２スタックの両端のうち前記第２高温側熱交換器が配置される端、及び前記第１振動板は、前記第１スタックの一方端から前記ループ管の管長の２分の１の距離の位置を基準として、第１距離の範囲内に配置され、
    　前記第１距離は、前記第１スタックの温度勾配によって前記ループ管に生じる１次モードの周波数の音波の振幅が、前記音波の最大振幅の１／√２倍から１倍となる前記ループ管の部分の長さに相当する距離である、熱音響装置。
  3. 　請求項１に記載の熱音響装置であって、
    　前記第２スタックの両端のうち前記第２高温側熱交換器が配置される端と、前記第１振動板との距離は、前記ループ管の管長の１／４以下の長さである、熱音響装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の熱音響装置であって、
    　前記ループ管内において、前記第２スタックの両端のうち前記第２低温側熱交換器が配置される端と前記第１スタックの他方端との間に設けられ、前記ループ管の軸方向に振動可能な第２振動板をさらに備える、熱音響装置。
  5. 　請求項４に記載の熱音響装置であって、
    　前記第２振動板は、前記第１スタックの両端のうち前記第１低温側熱交換器が配置される端から第２距離内に配置され、
    　前記第２距離は、前記第１スタックの温度勾配によって前記ループ管に生じる１次モードの周波数の音波の振幅が、前記音波の最大振幅の１／√２倍から１倍となる前記ループ管の部分の長さに相当する距離である、熱音響装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の熱音響装置であって、
    　前記第１振動板の２５℃における共振周波数で振動時の損失係数ｔａｎδが、０≦ｔａｎδ≦０．５である、熱音響装置。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の熱音響装置であって、
    　前記第１振動板の被駆動周波数Ｄと、前記ループ管の共振周波数Ｆが、Ｄ／Ｆ≧０．８の関係を有する、熱音響装置。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の熱音響装置であって、
    　前記第１振動板は、樹脂又は金属で形成される、熱音響装置。
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載の熱音響装置であって、
    　前記第１振動板は、前記第１スタックの温度勾配によって前記ループ管内に生じる１次モードの周波数の音波の腹の位置から第１距離の範囲内に配置され、
    　前記第１距離は、前記第１スタックの温度勾配によって前記ループ管に生じる１次モードの周波数の音波の振幅が、前記音波の最大振幅の１／√２倍から１倍となる前記ループ管の部分の長さに相当する距離である、熱音響装置。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の熱音響装置であって、
    　前記第１スタックの一方端から前記ループ管の管長の２分の１の距離の位置を挟んで互いに反対側に、前記第２スタックの両端のうち前記第２高温側熱交換器が配置される端と、前記第１振動板とが配置される、熱音響装置。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載の熱音響装置であって、
    　前記第１振動板は、前記第２スタックの両端のうち前記第２高温側熱交換器が配置される端から前記第１スタックの前記一方端までの管内の経路の中央の位置よりも、前記第２スタック寄りの位置に配置される、熱音響装置。
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