WO2020045675A1 - 熱音響装置 - Google Patents

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WO2020045675A1
WO2020045675A1 PCT/JP2019/034307 JP2019034307W WO2020045675A1 WO 2020045675 A1 WO2020045675 A1 WO 2020045675A1 JP 2019034307 W JP2019034307 W JP 2019034307W WO 2020045675 A1 WO2020045675 A1 WO 2020045675A1
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temperature
heat
heat exchanger
waveguide
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PCT/JP2019/034307
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西村　道明
孝 小野
Original Assignee
京セラ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/002—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using the energy of vibration of fluid columns
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/002—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using electrothermic-effect transducer

Definitions

  • thermoacoustic device relate to a thermoacoustic device.
  • thermoacoustic device that converts heat energy into acoustic energy by a thermoacoustic effect, which is an interaction between heat and sound waves, and converts acoustic energy into other energy such as electric energy is known.
  • thermoacoustic generator in which a generator that generates power in response to the generator is provided in a loop tube is disclosed (for example, see Patent Document 1).
  • the thermoacoustic device includes a loop-shaped waveguide, a heat exchanger, and a heat conducting member.
  • the loop waveguide is filled with a medium.
  • the heat exchanger is provided in the waveguide, and has a low temperature section and a high temperature section that generate a temperature gradient.
  • the heat conduction member changes the temperature of the central part of at least one of the low temperature part and the high temperature part.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the thermoacoustic device according to the embodiment.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating an example of a high-temperature portion and a heat conduction member of a heat exchanger included in the thermoacoustic device according to the embodiment.
  • FIG. 2B is a diagram illustrating an example of a heat conducting member included in the thermoacoustic device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another example of the heat conducting member included in the thermoacoustic device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a temperature gradient holding unit of the heat exchanger included in the thermoacoustic apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating another example of the high-temperature portion and the heat conducting member of the heat exchanger included in the thermoacoustic apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 5B is a diagram illustrating another example of the high-temperature portion and the heat conducting member of the heat exchanger included in the thermoacoustic device according to the embodiment.
  • FIG. 5C is a diagram illustrating the relationship between the thickness of the fins forming the high-temperature portion of the heat exchanger included in the thermoacoustic apparatus according to the embodiment and the thickness of the heat conducting member.
  • FIG. 5D is a diagram illustrating the relationship between the width of the fins and the width of the heat conducting member that constitute the high-temperature portion of the heat exchanger included in the thermoacoustic apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating still another example of the high-temperature portion and the heat conducting member of the heat exchanger included in the thermoacoustic apparatus according to the embodiment.
  • thermoacoustic apparatus disclosed in the present application
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the thermoacoustic device 1 according to the embodiment.
  • the near side in the direction orthogonal to the paper surface is the positive direction of the Z-axis direction
  • the longitudinal direction and the lateral direction of the thermoacoustic device 1 are the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. 1 shows a three-dimensional rectangular coordinate system.
  • the thermoacoustic device 1 is a device that converts heat energy into acoustic energy of sound waves and converts acoustic energy of sound waves into other energy such as electric energy by a thermoacoustic effect.
  • the thermoacoustic effect is an interaction between heat and sound waves.
  • the thermoacoustic device 1 according to the embodiment includes a waveguide 2, a heat exchanger 3, an exciter 7, and a converter 8.
  • the waveguide 2 is filled with a gas G.
  • the gas G is, for example, air, nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ), or the like.
  • the waveguide 2 seals the gas G inside.
  • the pressure of the gas G filled in the waveguide 2 is, for example, not less than 1 atm (1013.25 hPa) and less than 10 atm (10132.5 hPa).
  • the waveguide 2 is a loop-shaped waveguide having no reflective wall.
  • the waveguide 2 has, for example, a single loop shape as shown in FIG.
  • the waveguide 2 resonates sound waves generated in the gas G.
  • the phase of the temperature change of the gas G caused by the heat conduction between the heat exchanger 3 and the gas G with respect to the movement (advance) of the gas G by the sound wave generated in the gas G is caused by the rise of the medium. Delay by an amount corresponding to the warming or cooling rate. Accordingly, the phase of the pressure change of the sound wave of the gas G is delayed by 0 ° to 90 ° from the phase of the pressure change of the gas G when there is no temperature change.
  • thermoacoustic device 1 when the waveguide 2 has a reflecting wall, the resonance of the sound wave caused by the temperature change generated in the gas G is not stabilized, and the amplitude of the sound wave generated in the gas G is reduced.
  • the resonance of the sound wave generated in the gas G can be stabilized by the waveguide 2 having the shape of the loop without the reflective wall. Accordingly, the thermoacoustic device 1 according to the embodiment can increase the output of acoustic energy of sound waves.
  • the length of the waveguide 2 is an integral multiple of the wavelength of the sound wave generated in the gas G.
  • the length of the waveguide 2 is set so that, for example, the resonance frequency of the sound wave generated in the gas G is 1 m or less.
  • the waveguide 2 is, for example, a hollow waveguide having a circular or square cross section.
  • the waveguide 2 is formed of, for example, a metal such as stainless steel (SUS) or a plastic such as vinyl chloride.
  • SUS stainless steel
  • plastic such as vinyl chloride.
  • the heat exchanger 3 transfers heat to the gas G filled in the waveguide 2.
  • the heat exchanger 3 heats / cools the gas G according to the phase of the advection of the sound wave.
  • the length of the heat exchanger 3 in the direction in which the waveguide 2 extends (X-axis direction) is, for example, about 1/20 of the wavelength of the sound wave generated in the gas G, for example, about 5 cm.
  • the heat exchanger 3 is provided in the waveguide 2.
  • the heat exchanger 3 has a low temperature section 4, a high temperature section 5, and a temperature gradient holding section 6.
  • the low temperature section 4 is a member included in the heat exchanger 3 that maintains a relatively low temperature.
  • the high temperature section 5 is a member included in the heat exchanger 3 that maintains a relatively high temperature.
  • the relatively low temperature and the relatively high temperature are based on a comparison between the temperature of the low temperature section 4 and the temperature of the high temperature section 5. That is, the temperature of the high temperature part 5 is higher than the temperature of the low temperature part 4.
  • a temperature gradient occurs between the low temperature section 4 and the high temperature section 5. The configurations of the low temperature section 4 and the high temperature section 5 will be described later.
  • the low temperature section 4 and the high temperature section 5 are connected to a relatively low temperature heat source and a relatively high temperature heat source, respectively.
  • the relatively low temperature heat source may be, for example, a coolant such as water supplied to the tube.
  • the relatively high temperature heat source may be a heating medium such as boiling water supplied to the tube.
  • One of the relatively low temperature heat source and the relatively high temperature heat source may be, for example, air at room temperature.
  • the temperature gradient holding section 6 is a member that holds a temperature gradient generated between the low temperature section 4 and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • the temperature gradient holding section 6 is provided between the low temperature section 4 and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • the distance between the low-temperature section 4 and the temperature gradient holding section 6 and the distance between the temperature gradient holding section 6 and the high-temperature section 5 are, for example, 0.3 mm or less.
  • the temperature gradient holding unit 6 generates and amplifies a sound wave in the gas G by a temperature gradient generated between the low temperature unit 4 and the high temperature unit 5. The configuration of the temperature gradient holding unit 6 will be described later.
  • the exciter 7 generates a sound wave in the gas G at a predetermined frequency.
  • the exciter 7 is provided in the waveguide 2 so as to seal the gas G.
  • the piston inserted into a cylinder provided so as not to change the acoustic impedance of the waveguide 2 reciprocates, whereby the pressure of the gas G is increased. Vibrates.
  • the converter 8 converts acoustic energy of sound waves generated in the gas G into predetermined energy and extracts predetermined energy.
  • the converter 8 may be, for example, a generator that generates electricity by converting acoustic energy of sound waves generated in the gas G into electric energy.
  • the thermoacoustic device 1 can generate power using, for example, heat supplied to the heat exchanger 3 from a heat source.
  • the converter 8 is, for example, a cooler (cooling heat exchanger) that lowers the temperature of a medium that contacts the converter 8 by converting acoustic energy of sound waves generated in the gas G into heat energy for cooling.
  • the thermoacoustic device 1 can cool the medium using, for example, heat supplied to the heat exchanger 3 from a heat source.
  • the gas G filled in the waveguide 2 is vibrated at a predetermined frequency by the exciter 7.
  • the gas G moves from the low temperature side to the high temperature side of the temperature gradient holding unit 6 in the heat exchanger 3.
  • the gas G expands by being heated by the temperature gradient held by the temperature gradient holding unit 6.
  • the gas G moves from the high temperature side to the low temperature side of the temperature gradient holding unit 6 in the heat exchanger 3.
  • the gas G is cooled and contracted by the temperature gradient held by the temperature gradient holding unit 6.
  • the sound wave of the gas G filled in the waveguide 2 is amplified by the repetition of expansion and contraction of the gas G in the heat exchanger 3, and the heat energy is converted into the acoustic energy of the sound wave of the gas G.
  • the sound wave generated in the gas G filled in the waveguide 2 by the exciter 7 can be excited at a predetermined frequency. Sound waves generated in the gas G are stabilized by resonating in the waveguide 2. When the sound wave generated in the gas G reaches the converter 8, the converter 8 can convert the acoustic energy of the sound wave generated in the gas G into predetermined energy and extract the predetermined energy.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating an example of the high-temperature portion 5 and the heat conducting member 11 of the heat exchanger 3 included in the thermoacoustic device 1 according to the embodiment.
  • FIG. 2B is a diagram illustrating an example of the heat conductive member 11 included in the thermoacoustic device 1 according to the embodiment.
  • the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 has, for example, a substantially cylindrical shape.
  • the thickness of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 in the direction of the central axis (X-axis direction) is, for example, 1 cm or more and 2 cm or less.
  • the high temperature part 5 of the heat exchanger 3 has, for example, a plurality of fins 5a and 5b that are orthogonal to the direction of the central axis (X-axis direction) and orthogonal to each other. That is, the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 has lattice-shaped fins 5a and 5b.
  • the plurality of fins 5a and 5b are formed of, for example, metal. In this case, the thermal conductivity of the plurality of fins 5a, 5b can be increased.
  • the metal forming the plurality of fins 5a and 5b is, for example, copper. In this case, the cost of the plurality of fins 5a and 5b can be reduced.
  • the thickness of the plurality of fins 5a, 5b is, for example, 100 ⁇ m or less.
  • the interval between the plurality of fins 5a, 5b is, for example, 0.4 mm or more and 1.5 mm or less.
  • the low temperature part 4 of the heat exchanger 3 has the same or similar structure as the structure of the high temperature part 5 of the heat exchanger 3.
  • the thermoacoustic device 1 includes a heat conducting member 11.
  • the heat conduction member 11 changes the temperature of the central part of the high temperature part 5 of the heat exchanger 3.
  • the heat conducting member 11 is connected to, for example, a relatively high-temperature heat source as described above.
  • the heat conduction member 11 raises the temperature of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 by, for example, supplying heat supplied from a heat source having a relatively high temperature to the central portion of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3. Can be done.
  • the efficiency of converting thermal energy into acoustic energy of sound waves may be low.
  • the efficiency of converting heat energy into acoustic energy of sound waves may be low due to a temperature gradient between a heat source temperature of 100 ° C. or less and room temperature.
  • thermoacoustic device 1 includes the heat conducting member 11 that changes the temperature of the central portion of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3, heat is supplied from the outer periphery of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3. Instead, heat is supplied from the central part of the high-temperature part 5 of the heat exchanger 3.
  • thermoacoustic apparatus 1 is connected to the heat exchanger 3 via the heat conducting member 11.
  • the heat can be supplied from the central portion to the outer periphery of the high-temperature portion 5 of FIG.
  • thermoacoustic apparatus 1 can generate a desired temperature gradient between the low-temperature section 4 and the high-temperature section 5 of the heat exchanger 3. Accordingly, the thermoacoustic device 1 according to the embodiment can increase the efficiency of converting thermal energy into acoustic energy of sound waves.
  • thermoacoustic apparatus 1 can be configured such that the low-temperature section 4 and the high-temperature section 5 of the heat exchanger 3 are connected to a low-temperature section 4 and a high-temperature section, respectively. 5 can be appropriately generated. Therefore, the thermoacoustic device 1 can efficiently use heat from a heat source having a temperature of 100 ° C. or less, for example, waste heat, for example, for power generation or cooling.
  • the heat conducting member 11 is formed of, for example, a metal.
  • the heat conductivity of the heat conductive member 11 can be increased.
  • the metal forming the heat conducting member 11 is, for example, copper. In this case, the cost of the heat conduction member 11 can be reduced.
  • the heat conducting member 11 is provided to be rotationally symmetric with respect to the center axis of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • the thermoacoustic device 1 can supply heat more uniformly in the high temperature section 5 of the heat exchanger 3. Therefore, the thermoacoustic apparatus 1 can generate a more uniform temperature gradient between the low temperature part 4 and the high temperature part 5 of the heat exchanger 3.
  • the heat conducting member 11 is orthogonal to the direction of the center axis of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 (X-axis direction). And a member extending in two directions orthogonal to each other (for example, the Y-axis direction and the Z-axis direction). That is, the heat conduction member 11 has a substantially cross shape when viewed from the direction of the central axis of the high temperature portion 5 of the heat exchanger 3 (X-axis direction).
  • thermoacoustic device 1 can simplify the shape of the heat conducting member 11 and generate a desired temperature gradient between the low-temperature portion 4 and the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3.
  • the heat conducting member 11 is a member extending to the center of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3. In this case, heat can be more reliably supplied from the central portion to the outer periphery of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3. Therefore, the thermoacoustic apparatus 1 can more reliably generate a desired temperature gradient between the low temperature section 4 and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • the heat conducting member 11 is provided so as to partially contact the surface of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 on the opposite side of the temperature gradient holding portion 6 of the heat exchanger 3. . In this case, it is possible to make it difficult for the heat conducting member 11 to hinder the movement of the gas G through the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 on the surface of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • thermoacoustic device 1 can further stabilize the sound wave resonance in the waveguide 2. Accordingly, the thermoacoustic device 1 can increase the efficiency of converting thermal energy into acoustic energy of sound waves.
  • thermoacoustic device 1 includes a heat insulating member that lowers heat conduction between the heat conductive member 11 and the waveguide 2 at a position where the heat conductive member 11 contacts the waveguide 2.
  • a member 12 is provided.
  • the heat insulating member 12 increases heat conductivity between the heat conducting member 11 and the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 by lowering heat conduction between the heat conducting member 11 and the waveguide 2. Can be. Therefore, the heat conduction member 11 can efficiently supply heat to the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3. Accordingly, the thermoacoustic device 1 can more efficiently generate a temperature gradient between the low-temperature section 4 and the high-temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another example of the heat conducting members 11a, 11b, 11c, and 11d included in the thermoacoustic device 1 according to the embodiment.
  • the heat conducting members 11a and 11b It is a member extending in a first direction (for example, the Y-axis direction) orthogonal to the direction of the central axis (X-axis direction) of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3.
  • the heat conducting members 11c and 11d are arranged in a second direction (eg, Z axis) orthogonal to the direction of the central axis (X axis direction) and the first direction (eg, Y axis direction) of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • a second direction eg, Z axis
  • the heat conducting members 11a, 11b, 11c, 11d are arranged so as to surround the center of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3. 2A and 2B, the heat conducting members 11a, 11b, 11c, and 11d can also change the temperature of the central portion of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3.
  • the heat conducting members 11a, 11b, 11c, and 11d will be collectively referred to as a heat conducting member 11.
  • thermoacoustic device 1 includes the heat conducting member 11 that changes the temperature of the central portion of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3
  • the thermoacoustic device 1 includes the low-temperature portion 4 of the heat exchanger 3.
  • the heat conducting member is connected to, for example, a relatively low temperature heat source as described above.
  • the heat conducting member can lower the temperature of the low-temperature portion 4 of the heat exchanger 3 by, for example, transferring heat from a central portion of the low-temperature portion 4 of the heat exchanger 3 to a heat source having a relatively low temperature. .
  • thermoacoustic apparatus 1 may include a heat conductive member that changes the temperature of the central part of the low temperature part 4 of the heat exchanger 3 and a heat conductive member that changes the temperature of the central part of the high temperature part 5.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the temperature gradient holding unit 6 of the heat exchanger 3 included in the thermoacoustic apparatus 1 according to the embodiment.
  • the temperature gradient holding unit 6 of the heat exchanger 3 has, for example, a substantially cylindrical shape.
  • the length of the temperature gradient holding section 6 of the heat exchanger 3 in the direction of the central axis (X-axis direction) is, for example, 1 cm or more and 2 cm or less. In this case, by obtaining the effective amplitude of the sound wave, an effective output of the sound energy of the sound wave converted from the heat energy of the temperature gradient holding unit 6 can be obtained.
  • the temperature gradient holding unit 6 of the heat exchanger 3 has, for example, a plurality of fins 6a that are orthogonal to the direction of the central axis (X-axis direction) and are parallel to each other.
  • the temperature gradient holding unit 6 of the heat exchanger 3 has, for example, a plurality of partitions 6b provided between a plurality of fins 6a.
  • the plurality of fins 6a and the plurality of partitions 6b are formed of, for example, ceramic or glass having low thermal conductivity. In this case, the thermal conductivity of the plurality of fins 6a and the plurality of partitions 6b can be reduced. Therefore, reduction of the temperature gradient in the temperature gradient holding unit 6 of the heat exchanger 3 can be reduced. Accordingly, the temperature gradient holding section 6 can satisfactorily hold the temperature gradient generated between the low temperature section 4 and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • the ceramic forming the plurality of fins 6a and the plurality of partitions 6b is, for example, zirconia, titania, or steatite.
  • the thermal conductivity of the plurality of fins 6a and the plurality of partitions 6b can be satisfactorily reduced with respect to the thermal conductivity of the gas G from the plurality of fins 6a and the plurality of partitions 6b. Therefore, the temperature gradient holding unit 6 can enhance heat conduction from the plurality of fins 6a and the plurality of partitions 6b to the gas G. Accordingly, the temperature gradient holding section 6 can easily hold a desired temperature gradient between the low temperature section 4 and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • the thickness of the plurality of fins 6a is, for example, 100 ⁇ m or less.
  • the interval between the plurality of fins 6a is, for example, 0.4 mm or more and 1.5 mm or less.
  • the thickness of the partitions 6b and the intervals between the partitions 6b are determined as appropriate. When the material of the plurality of partitions 6b is the same as the plurality of fins 6a, they may be integrally shaped and manufactured.
  • the waveguide 2 is filled with the gas G, but the waveguide 2 may be filled with a medium other than the gas G.
  • the waveguide 2 may be filled with liquid in a range where sound waves are effectively generated and amplified.
  • the waveguide 2 has a single loop shape.
  • the waveguide 2 has, for example, a plurality of loop shapes connected by at least one tube. You may have.
  • the thermoacoustic device 1 may have a plurality of transducers 8 in the same loop or different loops of the waveguide 2.
  • thermoacoustic apparatus 1 the gas G filled in the waveguide 2 is vibrated or excited by the exciter 7, but the thermoacoustic apparatus 1 does not include the exciter 7. You may.
  • thermoacoustic apparatus 1 converts, for example, the heat energy supplied to the heat exchanger 3 into acoustic energy of sound waves generated in the gas G. can do.
  • FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating another example (heat conductive member 11A) of the high-temperature portion 5 and the heat conductive member 11 of the heat exchanger 3 included in the thermoacoustic apparatus 1 according to the embodiment.
  • the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 as shown in FIGS. 5A and 5B has the same configuration as the configuration of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 as shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the heat conducting member 11A as shown in FIGS. 5A and 5B has a configuration similar to that of the heat conducting member 11 as shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the heat conductive member 11A as shown in FIGS. 5A and 5B is a member extending through a hole provided in the hollow tube 13.
  • the hollow tube 13 covers at least the outer periphery of the low temperature section 4, the temperature gradient holding section 6, and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3. That is, at least the low temperature section 4, the temperature gradient holding section 6, and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 are inserted into the hollow tube 13.
  • the hollow tube 13 seals at least the low-temperature portion 4, the temperature gradient holding portion 6, and the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 so that the gas G moving in the heat exchanger 3 hardly leaks from the heat exchanger 3. I do.
  • the hollow tube 13 makes it difficult for the high temperature part 5 and the low temperature part 4 having at least the plurality of fins 5a and 5b to be oxidized by the surrounding air.
  • the material of the hollow tube 13 is preferably a material having a low thermal conductivity in order to reduce a change in the temperature of each of the low temperature section 4, the temperature gradient holding section 6, and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3. .
  • the material of the hollow tube 13 is, for example, a plastic material such as vinyl chloride.
  • a heat insulating member 12A is provided between the low temperature section 4 (see FIG. 1), the temperature gradient holding section 6, and the high temperature section 5 and the hollow tube 13 of the heat exchanger 3. That is, the heat insulating member 12 ⁇ / b> A is provided so as to cover the outer circumference of the low temperature section 4, the temperature gradient holding section 6, and the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 and the inner circumference of the hollow tube 13.
  • the heat insulating member 12 ⁇ / b> A is provided with the low temperature section 4, the temperature gradient holding section 6 of the heat exchanger 3, in order to reduce a change in the temperature of each of the low temperature section 4, the temperature gradient holding section 6, and the high temperature section 5. , And the heat conduction between the high-temperature section 5 and the hollow tube 13 is reduced.
  • the heat insulating member 12A is preferably a material having durability against a high temperature of about 300 ° C.
  • the material of the heat insulating member 12A is, for example, ceramic fiber or rock wool fiber.
  • the heat conducting member 11A extending through the hole provided in the hollow tube 13 is fixed to the hollow tube 13 by the heat insulating member 12B.
  • the heat insulating member 12B is provided on a surface (for example, an outer surface and an inner surface) of the hollow tube 13 near a position where the heat conducting member 11A is inserted into a hole provided in the hollow tube 13.
  • the heat insulating member 12B lowers the heat conduction between the heat conductive member 11A and the hollow tube 13 in order to reduce the change in the temperature of the heat conductive member 11A.
  • the heat insulating member 12B is provided with a hole provided in the hollow tube 13 in order to make it difficult for the gas G moving in the heat exchanger 3 to leak from the hole of the hollow tube 13 provided for inserting the heat conducting member 11A. Seal.
  • the heat insulating member 12B is preferably a material having durability against a high temperature of about 300 ° C.
  • the material of the heat insulating member 12B is, for example, a ceramic adhesive.
  • At least a part of the heat conducting member 11A is connected to one fin 5a constituting the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 and one fin 5b orthogonal to the one fin 5a. . At least a part of the heat conducting member 11A is aligned with one fin 5a and one fin 5b.
  • the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 has one direction (for example, the Y-axis direction) orthogonal to the direction of the central axis (X-axis direction) of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3.
  • the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 has a direction orthogonal to both the direction of the central axis (X-axis direction) of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 and one direction (eg, the Y-axis direction) orthogonal thereto. It has an odd number (for example, five) of fins 5b (for example, in the Z-axis direction).
  • the heat conducting member 11A is aligned with the central fins 5a and 5b located near the central axis of the high temperature portion 5 of the heat exchanger 3.
  • the fins are connected to the center fins 5a and 5b.
  • the heat conducting member 11A is connected to the one fin 5a, 5b by using solder or the like.
  • a connection method, a method of laser joining the heat conducting member 11A to one of the fins 5a, 5b, and the like can be given.
  • FIG. 5C is a diagram showing the relationship between the thickness of the fins 5a constituting the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 included in the thermoacoustic apparatus 1 according to the embodiment and the thickness of the heat conducting member 11A.
  • FIG. 5D is a diagram illustrating a relationship between the width of the fin 5b and the width of the heat conducting member 11A that configure the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 included in the thermoacoustic apparatus 1 according to the embodiment.
  • the thickness T 11A of the heat conducting member 11A is , About 2 to 3 times the thickness T 5A of the central fin 5a. For example, if the thickness T 5A of the center of the fin 5a is about 2 mm, the thickness T 11A of the heat conductive member 11A is from about 4mm to 6 mm.
  • the width W 11A of the heat conducting member 11A is substantially the same as the width W 5B of the central fin 5b. .
  • the width W 11A of the heat conducting member 11A is also about 5 mm.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating still another example (the heat conductive members 11B1, 11B2, 11B3, and 11B4) of the high-temperature portion 5 and the heat conductive member 11 of the heat exchanger 3 included in the thermoacoustic device 1 according to the embodiment. .
  • the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 as shown in FIG. 6 has a configuration similar to the configuration of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 as shown in FIG. 5A.
  • the number of fins included in the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 as shown in FIG. 6 is different from the number of fins included in the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 as shown in FIG. 5A.
  • the configuration of the heat conducting members 11B1, 11B2, 11B3, 11B4 as shown in FIG. 6 is different from the configuration of the heat conducting member 11A as shown in FIG. 5A.
  • each of the heat conducting members 11B1, 11B2 is connected to one fin 5a constituting the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3. At least a part of each of the heat conducting members 11B1, 11B2 is aligned with one fin 5a. At least a part of each of the heat conducting members 11B3 and 11B4 is connected to one fin 5b orthogonal to one fin 5a constituting the high temperature part 5 of the heat exchanger 3. At least a part of each of the heat conducting members 11B3, 11B4 is aligned with one fin 5b.
  • the high temperature section 5 of the heat exchanger 3 has one direction (for example, Y axis direction) orthogonal to the direction of the central axis (X axis direction) of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3.
  • the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 has a direction orthogonal to both the direction of the central axis (X-axis direction) of the high-temperature portion 5 of the heat exchanger 3 and one direction (eg, the Y-axis direction) orthogonal thereto. It has an even number (for example, four) of fins 5b (for example, in the Z-axis direction). In this case, as shown in FIGS.
  • the heat conducting member 11A is aligned with the central fins 5a and 5b located near the central axis of the high temperature portion 5 of the heat exchanger 3.
  • the fins are connected to the center fins 5a and 5b.
  • each of the heat conduction members 11B1 and 11B2 is connected to one of the fins 5a near the center located closest to the central axis of the high temperature section 5 of the heat exchanger 3. It is connected to a part of the fin 5a near the center so as to align with the part.
  • At least a part of each of the heat conducting members 11B3 and 11B4 is so arranged as to be aligned with a part of the fin 5b near the center located closest to the central axis of the high temperature portion 5 of the heat exchanger 3 so that the fin 5b near the center is aligned Connected to a part of

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Abstract

熱音響装置は、ループ状の導波管と、熱交換器と、熱伝導部材と、を備える。ループ状の導波管は、媒体が充填される。熱交換器は、導波管内に設けられ、温度勾配を生じる低温部および高温部を有する。熱伝導部材は、低温部および高温部の少なくとも一方の中央部の温度を変化させる。

Description

熱音響装置
　開示の実施形態は、熱音響装置に関する。
　従来、熱と音波との間の相互作用である熱音響効果によって熱エネルギーを音響エネルギーに変換し、音響エネルギーを電気エネルギーのような他のエネルギーに変換する熱音響装置が知られている。
　例えば、気体を充填したループ管に、放熱部と加熱部に挟まれた蓄熱部が配設され、蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、圧力振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機がループ管に設けられた熱音響発電機が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３－３２４９３２号公報
　実施形態の一態様に係る熱音響装置は、ループ状の導波管と、熱交換器と、熱伝導部材と、を備える。ループ状の導波管は、媒体が充填される。熱交換器は、導波管内に設けられ、温度勾配を生じる低温部および高温部を有する。熱伝導部材は、低温部および高温部の少なくとも一方の中央部の温度を変化させる。
図１は、実施形態に係る熱音響装置の一例を示す図である。 図２Ａは、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱交換器の高温部および熱伝導部材の一例を示す図である。 図２Ｂは、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱伝導部材の一例を示す図である。 図３は、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱伝導部材の別の例を示す図である。 図４は、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱交換器の温度勾配保持部の一例を示す図である。 図５Ａは、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱交換器の高温部および熱伝導部材の別の例を示す図である。 図５Ｂは、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱交換器の高温部および熱伝導部材の別の例を示す図である。 図５Ｃは、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱交換器の高温部を構成するフィンの厚さと熱伝導部材の厚さとの間の関係を示す図である。 図５Ｄは、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱交換器の高温部を構成するフィンの幅と熱伝導部材の幅との間の関係を示す図である。 図６は、実施形態に係る熱音響装置に含まれる熱交換器の高温部および熱伝導部材のさらに別の例を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、本願の開示する熱音響装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
　図１は、実施形態に係る熱音響装置１の一例を示す図である。図１を含む複数の図において、紙面に対して直交する方向において手前側がＺ軸方向の正方向であると共に熱音響装置１の長手方向および短手方向をそれぞれＸ軸方向およびＹ軸方向である三次元の直交座標系を示す。
　実施形態に係る熱音響装置１は、熱音響効果によって、熱エネルギーを音波の音響エネルギーに変換し、音波の音響エネルギーを電気エネルギーのような他のエネルギーに変換する装置である。ここで、熱音響効果は、熱と音波との間の相互作用である。図１に示すように、実施形態に係る熱音響装置１は、導波管２と、熱交換器３と、励振器７と、変換器８とを備える。
　導波管２には、気体Ｇが充填される。気体Ｇは、例えば、空気、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ２）、または二酸化炭素（ＣＯ２）などである。導波管２は、その内部に気体Ｇを密閉する。
　導波管２に充填される気体Ｇの圧力は、例えば、１気圧（１０１３．２５ｈＰａ）以上１０気圧（１０１３２．５ｈＰａ）未満である。導波管２に充填される気体Ｇの圧力を増加させることによって、熱エネルギーを音波の音響エネルギーに変換する効率を高めることができる。
　導波管２は、反射壁の無いループ状の導波管である。導波管２は、例えば、図１に示すような単一のループの形状を有する。導波管２は、気体Ｇに生じる音波を共振させる。熱音響装置１においては、気体Ｇに生じる音波による気体Ｇの移動（移流）に対し、熱交換器３と気体Ｇとの間の熱伝導によって生じる気体Ｇの温度変化の位相は、媒体の昇温または降温速度に対応する分だけ遅延する。それに応じて、気体Ｇの音波の圧力変化の位相は、温度変化のない場合の気体Ｇの圧力変化の位相より０°～９０°遅延する。
　よって、例えば、導波管２が反射壁を有する場合には、気体Ｇに生じる温度変化を介在した音波の共振が安定化されずに、気体Ｇに生じる音波の振幅を低減してしまう。実施形態に係る熱音響装置１においては、導波管２が反射壁の無いループの形状を有することによって、気体Ｇに生じる音波の共振を安定化することができる。それに応じて、実施形態に係る熱音響装置１は、音波の音響エネルギーの出力を高めることができる。
　導波管２の長さは、気体Ｇに生じる音波の波長の整数倍である。導波管２の長さは、例えば、気体Ｇに生じる音波の共振周波数が１ｍ以下であるように、設定される。導波管２は、例えば、円形または方形の断面を有する中空導波管である。
　導波管２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）のような金属または塩化ビニルのようなプラスチックで形成される。導波管２がプラスチックで形成される場合には、ループ状の導波管２を容易に製造することができるため、導波管２のコストを低減することができる。
　熱交換器３は、導波管２に充填された気体Ｇに対して熱を移動させる。熱交換器３は、気体Ｇを音波の移流の位相に従って加熱／冷却する。導波管２が延びる方向（Ｘ軸方向）における熱交換器３の長さは、例えば、気体Ｇに生じる音波の波長の１／２０程度、例えば、５ｃｍ程度である。熱交換器３は、導波管２内に設けられる。熱交換器３は、低温部４と、高温部５と、温度勾配保持部６とを有する。
　低温部４は、熱交換器３に含まれる相対的に低い温度を保持する部材である。高温部５は、熱交換器３に含まれる相対的に高い温度を保持する部材である。ここで、相対的に低い温度および相対的に高い温度は、低温部４の温度および高温部５の温度の間の対比に基づいたものである。すなわち、高温部５の温度は、低温部４の温度よりも高い。熱交換器３において、低温部４と高温部５との間には温度勾配が生じる。低温部４および高温部５の構成については後述する。
　低温部４および高温部５は、それぞれ、相対的に低い温度の熱源および相対的に高い温度の熱源に接続される。相対的に低い温度の熱源は、例えば、管に供給される水のような冷媒であってもよい。相対的に高い温度の熱源は、管に供給される熱湯のような加熱媒体であってもよい。相対的に低い温度の熱源および相対的に高い温度の熱源の一方は、例えば、室温における空気であってもよい。
　温度勾配保持部６は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に生じた温度勾配を保持する部材である。温度勾配保持部６は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に設けられる。低温部４と温度勾配保持部６との間の間隔および温度勾配保持部６と高温部５との間の間隔は、例えば、０．３ｍｍ以下である。温度勾配保持部６は、低温部４と高温部５との間に生じた温度勾配によって気体Ｇに音波を生じ、増幅させる。温度勾配保持部６の構成については後述する。
　励振器７は、所定の周波数で気体Ｇに音波を生じさせる。励振器７は、気体Ｇを密閉するように、導波管２に設けられる。励振器７は、共振音波の圧力振幅が大きい箇所に設けられる場合には、導波管２の音響インピーダンスを変化させないように設けたシリンダに挿入されたピストンが往復運動することによって気体Ｇの圧力を振動させる。
　変換器８は、気体Ｇに生じた音波の音響エネルギーを所定のエネルギーに変換すると共に所定のエネルギーを取り出す。変換器８は、例えば、気体Ｇに生じた音波の音響エネルギーを電気エネルギーに変換することによって電気を発生させる発電機であってもよい。この場合には、熱音響装置１は、例えば、熱源から熱交換器３に供給される熱を用いて発電することができる。
　あるいは、変換器８は、例えば、気体Ｇに生じた音波の音響エネルギーを冷却の熱エネルギーに変換することによって変換器８に接触する媒体の温度を下げる冷却器（冷却用の熱交換器）であってもよい。この場合には、熱音響装置１は、例えば、熱源から熱交換器３に供給される熱を用いて媒体を冷却することができる。
　実施形態に係る熱音響装置１において、例えば、励振器７によって導波管２に充填された気体Ｇを所定の周波数で振動させる。例えば、気体Ｇが、熱交換器３において温度勾配保持部６の低温側から高温側へ移動する。ここで、気体Ｇは、温度勾配保持部６によって保持された温度勾配によって加熱されて膨張する。
　次に、気体Ｇは、熱交換器３において温度勾配保持部６の高温側から低温側へ移動する。ここで、気体Ｇは、温度勾配保持部６によって保持された温度勾配によって冷却されて収縮する。このように、熱交換器３における気体Ｇの膨張および収縮の繰り返しによって導波管２に充填された気体Ｇの音波が増幅されて、熱エネルギーが気体Ｇの音波の音響エネルギーに変換される。
　ここで、例えば、励振器７によって導波管２に充填された気体Ｇに生じる音波を所定の周波数で励振させることができる。気体Ｇに生じる音波は、導波管２内において共振することによって安定化される。気体Ｇに生じた音波が変換器８に到達すると、変換器８は、気体Ｇに生じた音波の音響エネルギーを所定のエネルギーに変換すると共にその所定のエネルギーを取り出すことができる。
　図２Ａは、実施形態に係る熱音響装置１に含まれる熱交換器３の高温部５および熱伝導部材１１の一例を示す図である。図２Ｂは、実施形態に係る熱音響装置１に含まれる熱伝導部材１１の一例を示す図である。
　図２Ａに示すように、熱交換器３の高温部５は、例えば、略円筒の形状を有する。熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）における厚さは、例えば、１ｃｍ以上２ｃｍ以下である。熱交換器３の高温部５は、例えば、中心軸の方向（Ｘ軸方向）に対して直交すると共に互いに直交する複数のフィン５ａ，５ｂを有する。すなわち、熱交換器３の高温部５は、格子状のフィン５ａ，５ｂを有する。
　複数のフィン５ａ，５ｂは、例えば、金属で形成される。この場合には、複数のフィン５ａ，５ｂの熱伝導率を大きくすることができる。複数のフィン５ａ，５ｂを形成する金属は、例えば、銅である。この場合には、複数のフィン５ａ，５ｂのコストを低減することができる。複数のフィン５ａ，５ｂの厚さは、例えば、１００μｍ以下である。複数のフィン５ａ，５ｂの間の間隔は、例えば、０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。
　熱交換器３の低温部４は、熱交換器３の高温部５の構造と同一または類似の構造を有する。
　図２Ａおよび図２Ｂに示すように、実施形態に係る熱音響装置１は、熱伝導部材１１を備える。熱伝導部材１１は、熱交換器３の高温部５の中央部の温度を変化させる。熱伝導部材１１は、例えば、上述したような相対的に高い温度の熱源に接続される。熱伝導部材１１は、例えば、相対的に高い温度の熱源から供給される熱を熱交換器３の高温部５の中央部に供給することによって、熱交換器３の高温部５の温度を上昇させることができる。
　従来の技術においては、熱交換器の高温部の外周から熱を供給する。よって、例えば、音波の音響エネルギーの出力を増加させるために導波管の径を増加させる場合には、熱交換器の高温部の中央部にまで熱を伝達することが困難であることがあった。それに応じて、熱交換器の低温部と高温部との間に所望の温度勾配を生じさせることが困難であることがあった。
　よって、従来の技術においては、熱エネルギーを音波の音響エネルギーに変換する効率が低いことがあった。例えば、１００℃以下の熱源の温度と室温との温度勾配によって熱エネルギーを音波の音響エネルギーに変換する効率が低いことがあった。
　実施形態に係る熱音響装置１は、熱交換器３の高温部５の中央部の温度を変化させる熱伝導部材１１を備えるため、熱交換器３の高温部５の外周から熱を供給するのではなく熱交換器３の高温部５の中央部から熱を供給する。
　例えば、音波の音響エネルギーの出力を増加させるために導波管２の径を増加させる場合であっても、実施形態に係る熱音響装置１は、熱伝導部材１１を介して、熱交換器３の高温部５の中央部から外周まで熱を供給することができる。
　よって、熱音響装置１は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に所望の温度勾配を生じさせることができる。それに応じて、実施形態に係る熱音響装置１は、熱エネルギーを音波の音響エネルギーに変換する効率を高めることができる。
　例えば、実施形態に係る熱音響装置１は、熱交換器３の低温部４および高温部５にそれぞれ室温の熱源および１００℃以下の温度の熱源を接続する場合にも、低温部４と高温部５との間に温度勾配を適切に生じさせることができる。よって、熱音響装置１は、１００℃以下の温度の熱源からの熱、例えば、廃熱を、例えば、発電または冷却に、効率良く利用することができる。
　実施形態に係る熱音響装置１においては、熱伝導部材１１は、例えば、金属で形成される。この場合には、熱伝導部材１１の熱伝導率を大きくすることができる。熱伝導部材１１を形成する金属は、例えば、銅である。この場合には、熱伝導部材１１のコストを低減することができる。
　図２Ａおよび図２Ｂに示すように、実施形態に係る熱音響装置１においては、熱伝導部材１１は、熱交換器３の高温部５の中心軸に対して回転対称に設けられる。この場合には、熱音響装置１は、熱交換器３の高温部５において、より均一に熱を供給することができる。よって、熱音響装置１は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間により均一な温度勾配を生じさせることができる。
　図２Ａおよび図２Ｂに示すように、実施形態に係る熱音響装置１においては、熱伝導部材１１は、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）に対して直交すると共に互いに直交する二つの方向（例えば、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）に延びる部材である。すなわち、熱伝導部材１１は、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）から見たとき実質的に十字の形状を有する。
　この場合には、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）に対して直交すると共に互いに直交する二つの方向（例えば、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）に均一に熱を供給することができる。よって、熱音響装置１は、熱伝導部材１１の形状を単純化すると共に熱交換器３の低温部４と高温部５との間に所望の温度勾配を生じさせることができる。
　図２Ａおよび図２Ｂに示すように、実施形態に係る熱音響装置１においては、熱伝導部材１１は、熱交換器３の高温部５の中心まで延びる部材である。この場合には、熱交換器３の高温部５の中央部から外周まで熱をより確実に供給することができる。よって、熱音響装置１は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に所望の温度勾配をより確実に生じさせることができる。
　図２Ａおよび図２Ｂに示すように、熱伝導部材１１は、熱交換器３の温度勾配保持部６の反対側における熱交換器３の高温部５の表面に部分的に接触するように設けられる。この場合には、熱交換器３の高温部５の表面において熱伝導部材１１が熱交換器３の高温部５を通じた気体Ｇの移動を妨げ難くすることができる。
　よって、熱音響装置１は、導波管２における音波の共振をより安定化させることができる。それに応じて、熱音響装置１は、熱エネルギーを音波の音響エネルギーに変換する効率を高めることができる。
　図２Ｂに示すように、実施形態に係る熱音響装置１は、熱伝導部材１１が導波管２と接触する位置に熱伝導部材１１と導波管２との間における熱伝導を低くする断熱部材１２を備える。
　断熱部材１２は、熱伝導部材１１と導波管２との間における熱伝導を低くすることによって、熱伝導部材１１と熱交換器３の高温部５との間における熱伝導率を大きくすることができる。よって、熱伝導部材１１は、熱交換器３の高温部５により効率的に熱を供給することができる。それに応じて、熱音響装置１は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に温度勾配をより効率的に生じさせることができる。
　図３は、実施形態に係る熱音響装置１に含まれる熱伝導部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの別の例を示す図である。図３に示すように、熱伝導部材１１ａおよび１１ｂは、
熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）に対して直交する第１の方向（例えば、Ｙ軸方向）に延びる部材である。熱伝導部材１１ｃおよび１１ｄは、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）および第１の方向（例えば、Ｙ軸方向）に直交する第２の方向（例えば、Ｚ軸方向）に延びる部材である。
　図３に示すように、熱伝導部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、熱交換器３の高温部５の中心を囲むように配置される。図２Ａおよび図２Ｂに示す熱伝導部材１１と同様にして、熱伝導部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄもまた熱交換器３の高温部５の中央部の温度を変化させることができる。以下、熱伝導部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄをまとめて熱伝導部材１１と記載することにする。
　実施形態に係る熱音響装置１は、熱交換器３の高温部５の中央部の温度を変化させる熱伝導部材１１を備えるとしたが、熱音響装置１は、熱交換器３の低温部４の中央部の温度を変化させる熱伝導部材を備えるとしてもよい。熱伝導部材は、例えば、上述したような相対的に低い温度の熱源に接続される。熱伝導部材は、例えば、熱交換器３の低温部４の中央部から相対的に低い温度の熱源に熱を移動させることによって、熱交換器３の低温部４の温度を下降させることができる。
　あるいは、熱音響装置１は、熱交換器３の低温部４の中央部の温度を変化させる熱伝導部材および高温部５の中央部の温度を変化させる熱伝導部材を備えるとしてもよい。
　図４は、実施形態に係る熱音響装置１に含まれる熱交換器３の温度勾配保持部６の一例を示す図である。図４に示すように、熱交換器３の温度勾配保持部６は、例えば、略円筒の形状を有する。
　熱交換器３の温度勾配保持部６の中心軸の方向（Ｘ軸方向）における長さは、例えば、１ｃｍ以上２ｃｍ以下である。この場合には、音波の有効な大きさの振幅を得ることによって、温度勾配保持部６の熱エネルギーから変換された、音波の音響エネルギーの有効な出力を得ることができる。
　熱交換器３の温度勾配保持部６は、例えば、中心軸の方向（Ｘ軸方向）に対して直交すると共に互いに平行である複数のフィン６ａを有する。熱交換器３の温度勾配保持部６は、例えば、複数のフィン６ａの間に設けられた複数の仕切り６ｂを有する。
　複数のフィン６ａおよび複数の仕切り６ｂは、例えば、熱伝導率の低いセラミックやガラスで形成される。この場合には、複数のフィン６ａおよび複数の仕切り６ｂの熱伝導率を小さくすることができる。よって、熱交換器３の温度勾配保持部６における温度勾配の低減を小さくすることができる。それに応じて、温度勾配保持部６は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に生じた温度勾配を良好に保持することができる。
　複数のフィン６ａおよび複数の仕切り６ｂを形成するセラミックは、例えば、ジルコニア、チタニア、またはステアタイトである。この場合には、複数のフィン６ａおよび複数の仕切り６ｂから気体Ｇへの熱伝導率に対して複数のフィン６ａおよび複数の仕切り６ｂにおける熱伝導率を良好に小さくすることができる。よって、温度勾配保持部６は、複数のフィン６ａおよび複数の仕切り６ｂから気体Ｇへの熱伝導を高めることができる。それに応じて、温度勾配保持部６は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に所望の温度勾配を容易に保持することができる。
　複数のフィン６ａの厚さは、例えば、１００μｍ以下である。複数のフィン６ａ間の間隔は、例えば、０．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。複数の仕切り６ｂの厚さ、および仕切り６ｂの間隔は、適宜決定される。複数の仕切り６ｂの素材が複数のフィン６ａと同じ場合には一体で整形、作製されていても良い。
　実施形態に係る熱音響装置１においては、導波管２は気体Ｇが充填されるとしたが、導波管２は、気体Ｇ以外の媒体が充填されるとしてもよい。例えば、導波管２は、音波が有効に生成、増幅される範囲において液体が充填されるとしてもよい。
　実施形態に係る熱音響装置１においては、導波管２が単一のループの形状を有するとしたが、導波管２は、例えば、少なくとも一つの管で連結された複数のループの形状を有するとしてもよい。この場合には、熱音響装置１は、導波管２の同一のループまたは異なるループに複数の変換器８を有するものであってもよい。
　実施形態に係る熱音響装置１においては、励振器７によって導波管２に充填された気体Ｇを振動または励振させるようにしたが、熱音響装置１は、励振器７を含まないものであってもよい。
　この場合には、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に温度勾配が生じる際に、導波管２に存在する１／ｆノイズを音源として気体Ｇに音波が生じる。気体Ｇに生じる音波は、熱交換器３の低温部４と高温部５との間に生じる温度勾配によって増幅されると共に導波管２内において安定して共振する。
　このように、熱音響装置１が励振器７を含まない場合であっても、熱音響装置１は、例えば、熱交換器３に供給される熱エネルギーを気体Ｇに生じる音波の音響エネルギーに変換することができる。
　図５Ａおよび図５Ｂは、実施形態に係る熱音響装置１に含まれる熱交換器３の高温部５および熱伝導部材１１の別の例（熱伝導部材１１Ａ）を示す図である。図５Ａおよび図５Ｂに示すような熱交換器３の高温部５は、図２Ａおよび図２Ｂに示すような熱交換器３の高温部５の構成と同様の構成を有する。図５Ａおよび図５Ｂに示すような熱伝導部材１１Ａは、図２Ａおよび図２Ｂに示すような熱伝導部材１１の構成と同様の構成を有する。
　しかしながら、図５Ａおよび図５Ｂに示すような熱交換器３の高温部５は、中空管１３内に挿入される。図５Ａおよび図５Ｂに示すような熱伝導部材１１Ａは、中空管１３に設けられた穴を通じて延びる部材である。
　中空管１３は、少なくとも熱交換器３の低温部４、温度勾配保持部６、および高温部５の外周を覆う。すなわち、少なくとも熱交換器３の低温部４、温度勾配保持部６、および高温部５が中空管１３内に挿入される。
　中空管１３は、熱交換器３において移動する気体Ｇが熱交換器３から漏れ難くするために、少なくとも熱交換器３の低温部４、温度勾配保持部６、および高温部５を封止する。中空管１３は、少なくとも複数のフィン５ａ，５ｂを有する高温部５および低温部４が周囲の空気によって酸化され難くする。
　中空管１３の材料は、熱交換器３の低温部４、温度勾配保持部６、および高温部５の各々の温度における変化を小さくするために、好ましくは、低い熱伝導率の材料である。中空管１３の材料は、例えば、塩化ビニルのようなプラスチック材料である。
　図５Ａおよび図５Ｂに示すように、熱交換器３の低温部４（図１参照）、温度勾配保持部６、および高温部５と中空管１３との間に断熱部材１２Ａが設けられる。すなわち、断熱部材１２Ａは、熱交換器３の低温部４、温度勾配保持部６、および高温部５の外周を覆うと共に中空管１３の内周を覆うように、設けられる。
　断熱部材１２Ａは、熱交換器３の低温部４、温度勾配保持部６、および高温部５の各々の温度における変化を小さくするために、熱交換器３の低温部４、温度勾配保持部６、および高温部５と中空管１３との間における熱伝導を低くする。
　断熱部材１２Ａは、好ましくは、約３００℃の高温に対する耐久性を有する材料である。断熱部材１２Ａの材料は、例えば、セラミックファイバーまたはロックウール繊維などである。
　図５Ａおよび図５Ｂに示すように、中空管１３に設けられた穴を通じて延びる熱伝導部材１１Ａは、断熱部材１２Ｂによって中空管１３に固定される。断熱部材１２Ｂは、熱伝導部材１１Ａが中空管１３に設けられた穴に挿入される位置の付近における中空管１３の表面（例えば、外面および内面）に設けられる。
　断熱部材１２Ｂは、熱伝導部材１１Ａの温度における変化を小さくするために、熱伝導部材１１Ａと中空管１３との間における熱伝導を低くする。断熱部材１２Ｂは、熱伝導部材１１Ａを挿入するために設けられた中空管１３の穴から熱交換器３において移動する気体Ｇが漏れ難くするために、中空管１３に設けられた穴を封止する。
　断熱部材１２Ｂは、好ましくは、約３００℃の高温に対する耐久性を有する材料である。断熱部材１２Ｂの材料は、例えば、セラミック接着剤などである。
　図５Ａおよび図５Ｂに示すように、熱伝導部材１１Ａの少なくとも一部は、熱交換器３の高温部５を構成する一つのフィン５ａおよび一つのフィン５ａに直交する一つのフィン５ｂに接続する。熱伝導部材１１Ａの少なくとも一部は、一つのフィン５ａおよび一つのフィン５ｂと整列する。
　図５Ａに示すように、熱交換器３の高温部５は、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）に対して直交する一つの方向（例えば、Ｙ軸方向）において奇数個の（例えば、５個の）フィン５ａを有する。熱交換器３の高温部５は、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）およびそれに対して直交する一つの方向（例えば、Ｙ軸方向）の両方に直交する方向（例えば、Ｚ軸方向）において奇数個の（例えば、５個の）フィン５ｂを有する。この場合には、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、熱伝導部材１１Ａの少なくとも一部は、熱交換器３の高温部５の中心軸の付近に位置する中央のフィン５ａ，５ｂと整列するように、中央のフィン５ａ，５ｂに接続される。
　熱交換器３の高温部５を構成する一つのフィン５ａ，５ｂに熱伝導部材１１Ａを接続する方法については、例えば、半田等を使用することで一つのフィン５ａ，５ｂに熱伝導部材１１Ａを接続する方法、一つのフィン５ａ，５ｂに熱伝導部材１１Ａをレーザー接合する方法などが挙げられる。
　図５Ｃは、実施形態に係る熱音響装置１に含まれる熱交換器３の高温部５を構成するフィン５ａの厚さと熱伝導部材１１Ａの厚さとの間の関係を示す図である。図５Ｄは、実施形態に係る熱音響装置１に含まれる熱交換器３の高温部５を構成するフィン５ｂの幅と熱伝導部材１１Ａの幅との間の関係を示す図である。
　図５Ｃに示すように、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）に対して直交する方向（例えば、Ｙ軸方向）において、熱伝導部材１１Ａの厚さＴ１１Ａは、中央のフィン５ａの厚さＴ５Ａの約２倍から３倍である。例えば、中央のフィン５ａの厚さＴ５Ａが約２ｍｍであるとすれば、熱伝導部材１１Ａの厚さＴ１１Ａは、約４ｍｍから６ｍｍまでである。
　図５Ｄに示すように、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）において、熱伝導部材１１Ａの幅Ｗ１１Ａは、中央のフィン５ｂの幅Ｗ５Ｂと略同一である。例えば、中央のフィン５ｂの幅Ｗ５Ｂが約５ｍｍであるとすれば、熱伝導部材１１Ａの幅Ｗ１１Ａもまた約５ｍｍである。
　図６は、実施形態に係る熱音響装置１に含まれる熱交換器３の高温部５および熱伝導部材１１のさらに別の例（熱伝導部材１１Ｂ１、１１Ｂ２、１１Ｂ３、１１Ｂ４）を示す図である。図６に示すような熱交換器３の高温部５は、図５Ａに示すような熱交換器３の高温部５の構成と同様の構成を有する。
　しかしながら、図６に示すような熱交換器３の高温部５に含まれるフィンの数は、図５Ａに示すような熱交換器３の高温部５に含まれるフィンの数と異なる。図６に示すような熱伝導部材１１Ｂ１、１１Ｂ２、１１Ｂ３、１１Ｂ４の構成は、図５Ａに示すような熱伝導部材１１Ａの構成と異なる。
　図６に示すように、熱伝導部材１１Ｂ１、１１Ｂ２の各々の少なくとも一部は、熱交換器３の高温部５を構成する一つのフィン５ａに接続する。熱伝導部材１１Ｂ１、１１Ｂ２の各々の少なくとも一部は、一つのフィン５ａと整列する。熱伝導部材１１Ｂ３、１１Ｂ４の各々の少なくとも一部は、熱交換器３の高温部５を構成する一つのフィン５ａに直交する一つのフィン５ｂに接続する。熱伝導部材１１Ｂ３、１１Ｂ４の各々の少なくとも一部は、一つのフィン５ｂと整列する。
　図６に示すように、熱交換器３の高温部５は、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）に対して直交する一つの方向（例えば、Ｙ軸方向）において偶数個の（例えば、４個の）フィン５ａを有する。熱交換器３の高温部５は、熱交換器３の高温部５の中心軸の方向（Ｘ軸方向）およびそれに対して直交する一つの方向（例えば、Ｙ軸方向）の両方に直交する方向（例えば、Ｚ軸方向）において偶数個の（例えば、４個の）フィン５ｂを有する。この場合には、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、熱伝導部材１１Ａの少なくとも一部は、熱交換器３の高温部５の中心軸の付近に位置する中央のフィン５ａ，５ｂと整列するように、中央のフィン５ａ，５ｂに接続される。
　この場合には、図６に示すように、熱伝導部材１１Ｂ１、１１Ｂ２の各々の少なくとも一部は、熱交換器３の高温部５の中心軸の最も近くに位置する中央付近のフィン５ａの一部と整列するように、中央付近のフィン５ａの一部に接続される。熱伝導部材１１Ｂ３、１１Ｂ４の各々の少なくとも一部は、熱交換器３の高温部５の中心軸の最も近くに位置する中央付近のフィン５ｂの一部と整列するように、中央付近のフィン５ｂの一部に接続される。
　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
　１　　熱音響装置
　２　　導波管
　３　　熱交換器
　４　　低温部
　５　　高温部
　５ａ，５ｂ　　フィン
　６　　温度勾配保持部
　６ａ　　フィン
　６ｂ　　仕切り
　７　　励振器
　８　　変換器
　１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１Ａ，１１Ｂ１，１１Ｂ２，１１Ｂ３，１１Ｂ４　　熱伝導部材
　１２，１２Ａ，１２Ｂ　　断熱部材
　１３　　中空管
　Ｇ　　気体

Claims (7)

  1. 　媒体が充填されるループ状の導波管と、
    　前記導波管内に設けられ、温度勾配を生じる低温部および高温部を有する熱交換器と、
    　前記低温部および前記高温部の少なくとも一方の中央部の温度を変化させる熱伝導部材と、
    　を備える、熱音響装置。
  2. 　前記熱伝導部材は、前記低温部および前記高温部の少なくとも一方の中心軸に対して回転対称に設けられる、
    　請求項１に記載の熱音響装置。
  3. 　前記熱伝導部材は、前記低温部および前記高温部の少なくとも一方の中心軸の方向に対して直交すると共に互いに直交する二つの方向に延びる部材である、
    　請求項２に記載の熱音響装置。
  4. 　前記熱伝導部材は、前記低温部および前記高温部の少なくとも一方の少なくとも中心まで延びる部材である、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載の熱音響装置。
  5. 　前記熱伝導部材が前記導波管と接触する位置に前記熱伝導部材と前記導波管との間における熱伝導を低減する断熱部材
    　をさらに備える、
    　請求項１から４のいずれか一項に記載の熱音響装置。
  6. 　前記熱交換器は、前記低温部と前記高温部との間に設けられ、前記温度勾配を保持する温度勾配保持部をさらに有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱音響装置。
  7. 　前記熱伝導部材は、前記低温部および前記高温部の少なくとも一方を構成する少なくとも一つのフィンと整列するように、前記少なくとも一つのフィンに接続される部材である、
    　請求項１から６のいずれか一項に記載の熱音響装置。
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