熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法
【課題】小型化に伴ってより高い周波数でも低温度差で自励振動できる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法を提供する。
【解決手段】複数の貫通孔３０１ａが形成されたスタック３は、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管３０１を稠密に配設することにより形成される。これにより、スタック３の長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。結果として、小型化に伴って必要となるより高い周波数での自励振動を温度差が低い場合にも実現することができる。
【解決手段】複数の貫通孔３０１ａが形成されたスタック３は、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管３０１を稠密に配設することにより形成される。これにより、スタック３の長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。結果として、小型化に伴って必要となるより高い周波数での自励振動を温度差が低い場合にも実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響効果を用いて管内の流体に温度勾配を与えて振動させたり、流体に与えた振動から温度勾配を得る熱音響装置に用いる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細い流路の中にある作業流体に対して、ある臨界値以上の温度勾配を与えると、流路の壁と作業流体との熱交換によって「熱音響自励振動」と呼ばれる振動現象が現れることが知られている。このような熱音響現象は、作業流体に温度勾配を与えて熱から流体振動（音波）を行う熱音響原動機（熱音響エンジン）や、流体振動（音波）から温度勾配を生じさせる熱音響ヒートポンプといった熱音響装置に利用されている。また、この熱音響装置を基本要素として、熱音響原動機により生ずる音波を、すなわち機械的振動から電力へとエネルギー変換を行う熱音響発電機や、流体振動（音波）によって生じた温度勾配を介して加熱または冷却するというエネルギー変換を行う熱音響冷却装置について、現在盛んに研究開発がされている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、熱音響自励振動を利用した装置として、熱音響エンジンが開示されている。図１０に示す熱音響エンジン１００は、作業流体１１０を封入した管１０１と、この管１０１内部に設けられ小さな流路を有するスタック（蓄熱器）１０２と、管１０１内部においてスタック１０２をその管１０１の軸線方向の両側から挟むように設けられ、スタック１０２に温度勾配を与える高温側熱交換器１０３および低温側熱交換器１０４とを備えている。また、管１０１外部において、高温側熱交換器１０３の側には高温熱源１０５、低温側熱交換器１０４の側には低温熱源１０６が設けられている。このように、図１０に示す熱音響エンジン１００は、ガソリンエンジンなどに用いられるピストンやバルブなどの可動部品を有しておらず、管１０１内部に封入された作業流体１１０のみが動くものである。
【０００４】
ここで、スタック１０２は、上述した流路となる管１０１の軸線方向に沿った多数の貫通孔１０２ａを備えており、この貫通孔１０２ａ内部に流入した作業流体１１０と、その壁面１０２ｂと間で熱交換を行うことにより、蓄熱器、蓄冷器、再生器などとして機能する。このように、スタック１０２の役割は、作業流体１１０と熱的相互作用を行う壁面１０２ｂを提供することにあって、熱と振動のエネルギー変換はそのスタック１０２内部で行われる。そのエネルギー変換の効率を向上させるには、壁面１０２ｂを多く形成すればよいので、貫通孔１０２ａの直径は後述するように１［ｍｍ］以下という小さな値に設定されている。このため、熱音響現象を用いた装置のスタックには、金網や金属製不織布などの金属製メッシュを積層させたものや貫通孔がハニカム状に形成されたセラミックスなどがよく用いられている。
【０００５】
このような構造を有する熱音響エンジンは、管１０１の形状が異なる３種類の方式が提案されている。すなわち、図１１Ａに示すように、直線状の管の中に熱音響自励振動によって発生する定在波音波を利用する直管方式と、図１１Ｂに示すように、ループ状の管の中に熱音響自励振動によって発生する進行波音波を利用するループ管方式と、図１１Ｃに示すように、直線状とループ状の管を組み合わせた枝管付きループ管方式とが提案されている。これらのうち、図１１Ｂに示すループ管方式は、熱から流体振動への変換効率が熱力学的な上限値（理想的なカルノー効率）に近いことが理論的に示されている。一方、図１１Ａに示す直管方式では、音圧と粒子速度とが位相差π／２だけずれた定在波が生じるため、不可逆的な熱交換による時間遅れが生じて波動によるエネルギー輸送量が非常に小さいので、熱から音波への変換効率が熱力学的な上限値と比べて低いとされている。
【０００６】
上述した熱音響装置の応用分野として、工場からの排熱や自動車のエンジンからの排熱などの回収利用が挙げられているが、大規模設備を集約できる工場や発電所などからの排熱を回収するプラントでの応用を除けば、装置自体ができる限り小型であることが望ましい。また、排熱を熱源とするので、その排熱温度が比較的高温ではないことが多いので、できる限り低い温度の熱源で熱音響自励振動が起こることが望ましい。なお、低温熱源（ヒートシンク）の温度は、環境温度、すなわち室温を想定している。
【０００７】
図１１Ｂに示すようなループ管方式の場合、熱から音響への変換効率が高いものの、ループ状の管内を最低一波長分の長さの音波が進行しなければならないので、装置が大型になりやすい。例えば、ループ状の管の音響回路長をＬとすると、１気圧、２５［℃］前後での音速ｃが約３４０［ｍ／ｓｅｃ］であるので、振動周波数νが１００［Ｈｚ］程度の音波の場合、その進行波の波長λｔは３．４［ｍ］程度となる（例えば、非特許文献３参照。）。ループ状の管は最低一波長分の長さを必要とするので、必然的に管長が３．４［ｍ］程度の大きな装置とならざるを得ない。そこで、振動周波数νを５倍の５００［Ｈｚ］とすると、長さ６８［ｃｍ］程度のループ管（Ｌ＝λｔ＝ｃ／ν＝３４０００［ｃｍ／ｓｅｃ］÷５００［Ｈｚ］=６８［ｃｍ］）となり、３０［ｃｍ］の直線状の管２本と４［ｃｍ］の半円状の管２本から構成されたやや小型の装置とすることができる。このように、管路長Ｌは熱音響装置の占有体積に影響を及ぼすので、管路長Ｌを短縮することにより熱音響装置の小型化の実現が可能となる。
【０００８】
一方、図１１Ａに示すような直管方式の場合には、熱から音響への変換効率がループ管の理想効率には至らないものの、直管であるがゆえに小型化を容易に実現できる。これは、片側が閉ざされた直管内に励起される気柱共鳴定在波の波長λｓが、管路長の４倍となるからである（λｓ＝４Ｌ）。したがって、直管方式の場合には、大きさと占有面積のいずれも小さくすることが可能である。
【０００９】
ところが、ループ管方式および直管方式のいずれの場合も、小型化しようとすればするほど、管路長Ｌを短縮しなければならないので、必然的に直管内またはループ管内に自励する音波（音響振動）の波長が短くなるため、高周波の定在波または進行波を励起しなければならない。作業流体１１０によって励起される音響振動が、管路長に応じた周波数からなる定在波または進行波を含むからである。したがって、作業流体１１０と貫通孔１０２ａの壁面１０２ｂとの間のエネルギー交換を担うスタック１０２において、貫通孔１０２ａの半径ｒで定まる熱緩和時間τ［ｓｅｃ］と、管路の長さＬ［ｍ］とから定まる自励振動角周波数ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］（＝２πν［Ｈｚ］）との関係が重要となる。すなわち、作業流体１１０と壁面１０２ｂとの間で熱交換が行われるには、作業流体１１０の熱伝導率κ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、密度ρ［ｋｇ/ｍ3］および定圧比熱ｃp［ｋＪ/ｋｇ・Ｋ］により定まる熱拡散係数α(＝κ／ρｃp)［ｍ2／ｓｅｃ］、並びに、貫通孔１０２ａの流路半径ｒから決まる熱緩和時間τ= ｒ2／（２α）［ｓｅｃ］程度の相互作用時間が必要となる。振動角周波数ωが高く、ωτ≫１となる場合、壁面１０２ｂと作業流体１１０との熱交換はほとんど行われず、断熱過程となるので、貫通孔１０２ａ内を断熱音波が伝搬することとなる。一方、振動角周波数ωが低く、ωτ≪１となる場合、壁面１０２ｂと作業流体１１０との間で熱交換が十分に行われ、等温過程となる。非特許文献１によれば、熱音響自励振動が効率よく起こるのは、そのωτの値がほぼ１〜１０の間にあるときである。非特許文献２に開示された熱音響理論によれば、図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、自励開始温度とωτとの関係は、最小値を有することが示されている。図１２Ａでは、自励開始温度を、高温熱源の絶対温度ＴHと低温熱源の絶対温度ＴCとの温度比（ＴH／ＴC）により、またωτの代わりにその平方根を取ったｒ／δαによって示している。これは、下式（１）に基づくものである。なお、下式（１）において、δαは音波を担う作業流体１１０の熱境界層厚さを表している。
【００１０】
ωτ＝ω・（ｒ2／２α）＝｛ｒ／（２α／ω）1/2｝2＝（ｒ／δα）2 ・・・（１）
【００１１】
この式（１）からすると、熱音響自励振動により共鳴する管１０１の管路長（Ｌ＝ループ管内の進行波の波長λｔ、または、４Ｌ＝直管内の定在波の波長λｓ）から定まるω（＝２πν＝２πｃ／λ）に対して、自励開始温度比（ＴH／ＴC）が最小となる最適のωτの値があることがわかる。上述したように、管路長Ｌが短くなれば、ωが大きくなり、これに伴ってτが小さくなるので、スタック１０２の貫通孔１０２ａの半径ｒも小さくなければならない。非特許文献２によれば、図１２Ａ，図１２Ｂは管の長さＬが３０［ｍｍ］、管の径が１０［ｍｍ］、スタックの長さが３［ｍｍ］であり、貫通孔１０２ａの半径ｒを計算で求める設計パラメータとしたときの値を示している。また、作業流体１１０は大気圧（１０１［ｋＰａ］）の窒素（ほぼ空気と同じ）とされ、低温熱源の温度ＴCが３００［Ｋ］（ほぼ室温の２７℃）の場合を想定したものである。図１２Ａによれば、上記条件で計算された熱音響装置において自励開始温度が最も低くなるのは、ｒ／δαが３程度のときである。このとき、この直管方式の熱音響装置内に定在波音波が励起され、定在波音波によるエネルギー変換がωτ＝（ｒ／δα）2＝１〜１０で行われていることを意味している。この場合の最低自励開始温度比は１．４、高温熱源の温度ＴHはおおよそ１５０℃＝４２０［Ｋ］となり、自励振動の周波数は図１２Ｂより３［ｋＨｚ］となる。この周波数での熱境界層厚δαは０．０４８［ｍｍ］となり、ｒ／δαの値が３の場合の条件を用いると、最適な貫通孔１０２ａの直径が約０．１４４［ｍｍ］となる。これは極めて小さな値である。
【００１２】
これらを踏まえた上で熱音響装置の小型化について検討すると、小型化することにより自励振動周波数が高周波になるので、ωτの値を１〜１０程度に保つには、対応する熱緩和時間τを短くする必要がある。ところが、作業流体１１０の比熱、熱伝導率、密度といった熱物性値がさほど大きく変動しないので、τを短くするにはスタックの貫通孔１０２ａの半径ｒを小さくしなければならない。そこで、想定しうる作業流体１１０と、この作業流体１１０に対応する熱境界層の厚さの概算値の関係を図１３に示す。この図１３は、１気圧の大気（空気）を作業流体とする構成であって、例えば自励振動周波数ωを４００［Ｈｚ］と仮定した場合、波長λｓが約８５［ｃｍ］、管１０１の片側を閉じた直管の場合にはλｓ＝４Ｌなので、管１０１の長さＬは約２１．３［ｃｍ］となるので、貫通孔１０２ａの直径は０．７８９［ｍｍ］程度となる。このように、小型の熱音響装置を実現するには、直径１［ｍｍ］以下の貫通孔１０２ａを多数備えたスタック１０２を設けなければならない。
【００１３】
また、熱音響自励振動は、高温（温度ＴH）側熱交換器１０３と低温（温度ＴC）側熱交換器１０４との間に挟まれた長さＬｓのスタック１０２における温度勾配ΔＴ｛＝（ＴH−ＴC）／Ｌｓ｝がある臨界値(ΔＴ)critを越えた際に起こることが知られている。したがって、ΔＴ ＞ (ΔＴ)critを満足するように温度スケーリングを行うことによって、すなわち、スタックの長さＬｓを短くすることで、高温側熱交換器１０２の温度ＴHをより低い温度へとスケールできると考えられる。
【００１４】
実際、図１４はスタックの長さと自励開始温度比の関係を示すものであるが、この図１４に示すように、スタック１０２の長さＬｓを短くすることによって、自励開始温度比（ＴH／ＴC）を低下させることがある程度まで可能である。しかし、スタック長Ｌｓをあまりにも短くすると、スタック１０２を構成する貫通孔１０２ａとその支持部材（外周部）のうち、支持部材による直接熱伝導が高温側から低温側への熱流の大半を占有するようになり、熱から音響振動へのエネルギー変換が行われなくなる。すなわち、スタック１０２は作業流体１１０の動径方向（作業流体の流通方向に対して垂直な方向）には無限の熱伝導を有して一様温度になることが望まれるが、その流通方向である軸方向に対しては、定常的に線形な温度勾配が形成可能な程度に高い熱抵抗、すなわち熱絶縁性を備えている必要がある。
【００１５】
上述した事項を踏まえると、小型かつ低温度で自励振動可能とする熱音響装置に必要とされるスタックが備えるべき諸性質が明らかとなる。すなわち、（１）直径が１［ｍｍ］以下の小さな貫通孔１０２ａを多数備えていること、（２）作業流体１１０が振動する振動方向（貫通孔の軸方向）には温度勾配が生じるようにある程度熱伝導率が低いこと、（３）振動方向に直交するスタックの動径方向には熱交換がスムーズに行われるように、ある程度熱伝導性がよいことが挙げられる。
【００１６】
このような性質を備えるべきスタック１０２として、従来では、上述したように、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミックス等の伝熱体で形成された複数のプレートを軸方向に積層させたスタックや、セラミックス、焼結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きい素材からなり、軸方向に貫通する複数の貫通孔を備えたスタック、あるいは、微小の球状セラミックスなどを敷き詰めて貫通孔として作用する蛇行した導通路を形成するスタック、ハニカム形状のセラミックス、脱脂綿などの繊維材料を圧縮させ、これによって蛇行した導通路を形成したスタックなどが提案されている。一般に、高温側熱交換器の温度が７００から８００℃まで到達する場合には、スタックを構成する材料には耐熱性が要求される。このような温度範囲では、ＳＵＳ３０４などの金属材料やコージライトなどのセラミックス材料が用いられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】上田 祐樹、「熱音響発電機」、電気学会誌、Vol. 128、No. 12、pp. 812-815、 (2008)．
【非特許文献２】上田 祐樹、「熱音響発電−熱音響現象の基礎−」、桑野博喜監修、「エネルギーハーベスティング技術の最新動向」（シーエムシー出版、2010年）、pp. 171-183 に所蔵。
【非特許文献３】坂本眞一、渡辺好章、「音と熱のコラボレーション−熱音響冷凍機実現に向けて−」、電子情報通信学会誌、Vol. 90, No. 11, pp. 993-337 (2007年11月)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、これまでに提案されているスタックでは、小型かつ低温度で自励振動可能な熱音響装置を実現することが困難であった。
【００１９】
例えば、金属やセラミックス等の伝熱体のプレートを管の軸に略平行に複数積層するスタックの場合は、プレートの間に平面状壁の非常に狭い隙間を形成でき、軸方向に垂直な２つの方向のうち一方の方向（積層方向）には熱交換のための壁面を設けることができる。ところが、他方の方向では、熱交換を行うための壁面がないので、熱エネルギーから振動エネルギーへのエネルギー変換を行うことができない。また、金属プレートを用いた場合には、積層方向、すなわち軸方向の熱伝導率が高いので、スタックの長さＬｓを短くすることができない。
【００２０】
また、金網や焼結金属などを積層したスタックの場合は、作業流体と熱交換を行う表面積を大きくすることができ、スタック中で熱交換する流体の経路も長くできる。特に金網の場合、個々の金網に関しては、単位面積当りの網目数を指定することも可能である。ところが、最終的に形成された貫通孔の径を明確に設定することができず、最適な直径の貫通孔を設けることが困難である。
【００２１】
また、ハニカム形状のセラミックスを用いたスタックの場合は、例えば正方格子状など所定の断面形状の貫通孔を形成でき、かつ、その直径を１［ｍｍ］以下とすることが可能である。さらに、材料として用いられているコージライトは、熱伝導率が４［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度の値を有しているために自励開始温度を低温化できるので、金属などの伝熱体をスタック材料にする場合よりもスタックの長さＬｓを短くすることも可能である。ところが、一般に射出成型により多孔が形成されているので、貫通孔を高密度に形成することが困難である。具体的には、セル密度９００［ｃｐｓｉ（cell per square inchi）］のもの（正方格子の一辺が約０．７９［ｍｍ］）が最小孔径であって、例えば１２００［ｃｐｓｉ］（正方格子の一辺が約０．７２［ｍｍ］）といったさらに高密度に貫通孔を形成することが困難である。また、射出成形により多孔を形成する場合、射出の際に高温で押し出された素材が成型用口金の孔内で密着して、目詰まりする可能性が高いので、製造が困難である。
【００２２】
なお、熱音響装置が大型で、励起される自励振動音波の波長が長い場合には、その振動数も５０〜１００［Ｈｚ］の低周波帯域であるので、スタックとして効率的な貫通孔の直径は１［ｍｍ］〜５［ｍｍ］となる。この程度の直径の貫通孔であれば、金属ブロックに窄孔加工したり、セラミックスを射出成型したり、銅などの金属パイプを束ねるなどして、スタックを容易に形成できる。例えば、波長が３．４［ｍ］、周波数１００［Ｈｚ］程度の熱音響装置のスタックには、メッシュ間隔１［ｍｍ］程度の金属のメッシュやセル間隔が０．７９［ｍｍ］程度のハニカム形状が用いられている。ところが、高周波の自励振動を起こすには、さらに小さな直径でかつ多数の貫通孔を備えたスタックを用意する必要がある。すなわち、熱音響装置の小型化に伴って、作業流体を１気圧の空気（あるいは窒素）とする場合、励起されるべき自励振動周波数が１００［Ｈｚ］(ループ管なら３．４［ｍ］、直管なら８５［ｃｍ］)、５００［Ｈｚ］(ループ管なら６８［ｃｍ］、直管なら１７［ｃｍ］)、１［ｋＨｚ］ (ループ管なら３４［ｃｍ］、直管なら８．５［ｃｍ］)と高周波化する。これに伴って、スタックに設けられる貫通孔に要求される孔径（直径）も、１．５５［ｍｍ］、０．７０［ｍｍ］、０．４９［ｍｍ］と小さくなり、しかも同一断面積に孔径の逆２乗に比例した数だけ設ける必要が生じる。
【００２３】
そこで、本願発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、小型化に伴ってより高い周波数でも低温度差で自励振動できる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る熱音響装置用スタックは、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックであって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管が稠密に配設された構造体を備え、複数の細管は、複数の貫通孔を構成することを特徴とするものである。
【００２５】
上記熱音響装置用スタックにおいて、細管は、ポリイミドおよびガラスの一方から構成されるようにしてもよい。
【００２６】
また、上記熱音響装置用スタックにおいて、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなり、構造体の周囲に形成された外周部をさらに備え、この外周部は、貫通孔の軸線方向に垂直な方向における断面積が、当該垂直な方向における構造体および外周部の断面積の合計の１０％以下であるようにしてもよい。
【００２７】
また、上記熱音響装置用スタックにおいて、貫通孔は、正六角形、正三角形、正方形、および、長方形のうち何れか１つの断面形状を有するようにしてもよい。
【００２８】
また、本発明に係る熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に束ねた第１の構造体を形成する第１のステップと、第１の構造体を、管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器の内部に収容し、内部空間に溶融した熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料を流し込んで固化させる第２のステップとを有することを特徴とするものである。
【００２９】
また、本発明に係る他の熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に束ねた第１の構造体を形成する第１のステップと、第１の構造体を、紫外線を透過させる材料からなり、管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器の内部に収容し、内部空間に紫外線硬化樹脂を流し込む第２のステップと、収納容器に紫外線を照射して、紫外線硬化樹脂を固化させる第３のステップとを有することを特徴とするものである。
【００３０】
また、本発明に係る他の熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に束ねた第１の構造体を形成する第１のステップと、第１の構造体を加熱して冷却することにより、隣接する細管同士を溶着させる第２のステップとを有することを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明に係る他の熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に束ねた第１の構造体を形成する第１のステップと、第１の構造体を加熱して冷却することにより、隣接する細管同士を溶着させた第２の構造体を形成する第２のステップと、細管の軸線方向における第２の構造体の一端を加熱し、当該一端を引っ張った後冷却することにより、第２の構造体を軸線方向に延伸させる第３のステップとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管が稠密に配設することにより、スタックの長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。結果として、小型化に伴って必要となるより高い周波数での自励振動を温度差が低い場合にも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明に係る熱音響エンジンの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、熱音響エンジンにおけるスタックの構成を模式的に示す斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本実施の形態に係る熱音響エンジンにおけるスタックを流れる熱流を説明する図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、参考例のスタックを流れる熱流を説明する図である。
【図４】図４は、熱伝導がよい材料と悪い材料とを用いた際のωτと自励開始温度比との関係を示す図である。
【図５】図５は、スタックの構成材料とその物性値を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の第３の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、従来の熱音響エンジンの構成を模式的に示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、直管方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、ループ方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、枝管付きループ方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、自励開始温度比とωτとの関係を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、自励開始周波数とωτとの関係を示す図である。
【図１３】図１３は、作業流体と熱境界層厚との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、自励開始温度比とスタックの長さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、「スタック」とは、一般的には複数の部材を積層したものを指すが、本明細書においては、１つの部材から経営された熱音響装置用のエネルギー変換部材も「スタック」と呼ぶこととする。
【００３５】
［第１の実施の形態］
まず、本発明に係る第１の実施の形態について説明する。
【００３６】
＜熱音響エンジンの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る熱音響装置用スタックを備えた熱音響エンジン１は、作業流体１０を封入した管２と、この管２内部に設けられたスタック３と、管２内部においてスタック３をその管２の軸線方向の両側から挟むように設けられスタック３に温度勾配を与える高温側熱交換器４および低温側熱交換器５とを備えている。また、管２外部において、高温側熱交換器４の側には高温熱源６、低温側熱交換器５の側には低温熱源７が設けられている。このような熱音響エンジン１は、管１内に封入された作業流体１０と、高温側熱交換器４から低温側熱交換器５へと流れる熱エネルギーの間で、エネルギー交換を行うものである。
【００３７】
図２に示すように、スタック３は、例えばガラスやポリイミドなど熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなり、円筒状の管２の内部形状に対応した円柱の形状を有するものである。このようなスタック３は、多数の細管３０１が稠密に配設されることにより構成された略円筒状の中央部３ａと、この中央部３ａの周囲に位置する円筒状の外周部３ｂとから構成される。
【００３８】
中央部３ａは、スタック３の中心軸が含まれる位置に配置されており、軸線がその中心軸方向に沿った多数の細管３０１が稠密に配設されることにより形成される。各細管３０１は、例えばガラスやポリイミドなど熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなり、貫通孔３０１ａを備えている。この貫通孔３０１ａの孔径は、管２の長さ（共鳴周波数ω）と熱緩和時間τ（＝ｒ2／α、ｒは孔径、αは作業流体の物性値）がτω＝１〜１０となるように設定されている。また、貫通孔３０１ａの間隔は、できるだけ稠密に形成するのが望ましい。これは、スタック３の空隙率が高いほど、熱と振動のエネルギー変換効率が向上するからである。具体的には、その間隔は０．１５ｍｍ以下であるのが望ましい。そこで、そのような貫通孔３０１ａを有する細管３０１が稠密に配設されることにより、スタック３には、多数の微細な貫通孔が狭いピッチで稠密に形成されることとなる。
【００３９】
外周部３ｂは、例えばガラスやポリイミドなど熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなり、軸方向に対して垂直な方向の断面の面積が、貫通孔３０１ａを含むスタック３のその垂直な方向の断面の総面積の１０％以下とされる。
このようなスタック３は、貫通孔３０１ａの延在方向が管２の軸線方向に沿った状態で、管２内部に配設されている。
【００４０】
ここで、外周部３ｂの断面の面積をスタック３の断面の総面積の１０％以下とする理由について、図３Ａ、図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、断面の総面積に対する外周部３ｂの面積が１０％以下である、本実施の形態におけるスタック３を流れる熱流を示す図、図３Ｂは、比較例であって、断面の総面積に対する外周部９００ｂの面積が２０％を超えるスタック９００を流れる熱流を示す図である。なお、図３Ａ，図３Ｂにおいて、スタック３およびスタック９００の断面積は４．４［ｃｍ2］、スタック３の外周部３ｂの面積は０．４［ｃｍ2］、スタック９００の外周部９００ｂの面積は０．９［ｃｍ2］である。
【００４１】
図３Ｂに示す外周部９００ｂの断面積の割合が２０％を超えるスタック９００の場合、高温側から低温側にスタック９００中を流れる熱流は、点線矢印ｂ、ｃで示すように、主に貫通孔９０１が形成されていない外周部９００ｂを流れる。これは、空隙率εで貫通孔９０１が形成された中央部９００ａには、高い熱伝導率κ１を有するスタック９００の材料と極めて低い熱伝導率κ２を有する作業流体１０が占有する領域が共存しており、この領域の平均熱伝導率＜κ＞av、が下式（２）で表されるように、貫通孔９０１が形成されていない外周部９００ｂの熱伝導率κ１よりも小さくなるからである。すなわち、高温側熱交換器４から低温側熱交換器５へ流れる熱流のうち、大半が外周部９００ｂを直接流れて貫通熱となるので、作業流体との貫通孔の壁面を介する熱交換が十分に行われず、熱エネルギーから作業流体の振動エネルギーへのエネルギー変換の観点からすると、熱損失が大きくなってしまう。
【００４２】
＜κ＞av＝（１−ε）κ1＋εκ2 ・・・（２）
【００４３】
一方、図３Ａに示す外周部３ｂの断面積の割合が１０％以下のスタック３の場合、そのスタック３を流れる熱流は、点線矢印ａで示すように、外周部３ｂから漏れ出る量が少なく、その外周部３ｂと中央部３ａとで均等な量となる。
【００４４】
このように、スタックにおける外周部は、その面積が小さいければ小さいほど望ましい。ところが、従来では、製造過程においてスタックをハンドリングする際に破損してしまう場合があり、外周部の面積を小さくすることが困難であった。そこで、本発明では、後述する製造方法によってスタック３を製造することとした。これにより、外周部３ｂの断面積の割合を１０％以下（０％を含む）とできるので、スタック３を流れる熱流は、外周部３ｂから漏れ出る量が少なくなり、その外周部３ｂと中央部３ａとで均等な量となる。
【００４５】
次に、スタック３の構成材料を熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料とする理由について、図４を参照して説明する。この図４は、貫通孔３０１ａの孔径を異ならせたスタック３に熱伝導がよい材料と悪い材料とを用いた際のωτ（横軸）と自励開始温度比ＴH／ＴC（縦軸）との関係を示す図である。
【００４６】
図４において点線で示す熱伝導がよい材料の場合、および、実線で示す熱伝導が悪い場合のいずれにおいても、貫通孔３０１ａの孔径の縮小（τの減少）に伴って、自励開始温度比が低下している。これは、図１２Ａに示した理論的予測が示す傾向に一致している。また、貫通孔３０１ａの孔径が同一の場合、熱伝導が悪い材料の方が自励開始温度比が低下していることがわかる。すなわち、熱伝導率が低い材料をスタック３の構成材料として用いることにより、全体的に自励開始温度比をさらに低下できることがわかる。
【００４７】
そこで、本発明では、後述する製造方法によりスタック３を生成する。これにより、後述するように従来では微細な貫通孔を稠密に形成できなかった、ガラスやポリイミドなどの熱伝導率が数［Ｗ／ｍ・Ｋ］という熱伝導率が低い材料により、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３を製造することができる。このように、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない熱伝導率を有する材料を用いるので、その材料として金属等を用いた場合と比較して、１，２桁ほど熱伝導率を小さくすることができる。これにより、スタック３の長さをより短くすることができる。上述したように、熱音響自励振動は、高温（温度ＴH）側熱交換器４と低温（温度ＴC）側熱交換器５との間に挟まれた長さＬｓのスタック３における温度勾配ΔＴ｛＝（ＴH−ＴC）／Ｌｓ｝がある臨界値(ΔＴ)critを越えた際に起こるので、ΔＴ ＞ (ΔＴ)critを満足するように温度スケーリングを行うことによって、さらに高温側熱交換器４の温度ＴHをより低い温度にすることができる。
【００４８】
＜スタックの製造方法＞
次に、本実施の形態に係るスタック３の製造方法について説明する。
【００４９】
まず、スタック３の材料としては、ガラスやポリイミドなど、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない熱容量の大きな材料を用いる。図５に示すように、非特許文献３に記載されているハニセラムなどのセラミックス材料（コージライト）と比較して、ガラスの熱伝導率は約４分の１小さく、さらにポリイミドの熱伝導率は約１３分の１である。
【００５０】
しかしながら、ガラスやポリイミド等に多数の貫通孔を稠密に開孔することは困難であった。例えば、特定波長の光を吸収するガラスにレーザビームを照射して、その部分に貫通孔を形成する技術が存在するが、このようなレーザ加工法では、一つの貫通孔と隣接する貫通孔との間を充分離す必要がある。これは、レーザ加工によって生じる熱により、隣接する貫通孔間を隔てるガラス壁が溶融して変形してしまうためである。このため、従来のレーザ加工法では、多数の貫通孔を稠密に形成することができなかった。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、多数の細管３０１を束ねた後、管２に内接するように細管３０１の束の周囲を熱伝導率の低い材料で覆い、この端面を切削または研磨することで、設計した孔径の貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３を作成する。この詳細について以下に説明する。
【００５２】
初めに、図６Ａに示すように、細管３０１を多数用意する。本実施の形態において、細管３０１は、ガラスからなり、外径が０．９［ｍｍ］、内径が０．６［ｍｍ］、軸方向の長さが３０［ｍｍ］の円筒形の細管を用意した。
【００５３】
このような多数の細管３０１を軸線が互いに平行とした状態で、糸などにより稠密に束ねた構造体３０２を形成した後、図６Ｂに示すように、その構造体３０２を収納容器３０３の内部に収容する。ここで、収納容器３０３は、両端が閉鎖された円柱の形状を有し、径方向の断面が管２と同等の円柱状の内部空間を備えている。このような収納容器３０３には、収納容器３０３の軸線と各細管３０１の軸線とを平行とした状態で構造体３０２が収容される。
【００５４】
なお、本実施の形態では、糸などによって多数の細管３０１を稠密に束ねた構造体３０２を形成する場合を例に説明するが、構造体３０２を形成せずに、細管３０１を直接収納容器３０３内部に配設するようにしてもよい。この場合には、できる限り多くの細管３０１を、収納容器３０３内部に稠密に配設すればよい。
【００５５】
構造体３０２を収納容器３０３内に収納させると、例えば溶融ガラスなど、細管３０１を構成するガラスよりも融点の低いガラス３０４を、流動化させた上で収納容器３０３内に流し込む。これにより、細管３０１の束の周囲や隙間に、ガラス３０４が充填されることとなる。
【００５６】
収納容器３０３内に流し込まれたガラス３０４が固化した後、このガラス３０４および多数の細管３０１からなる構造体を収納容器３０３から取り出し、軸方向に対して垂直な方向の両端面を切削または研磨することにより、各細管３０１の孔が露出した状態とするとともに、軸線方向の長さを所定の長さとする。これにより、図６Ｃに示すように、ガラスから構成され、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３が形成される。
【００５７】
これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔３０１ａが稠密に形成された中央部３ａと、設計通りの面積を有する外周部３ｂとを備えたスタック３を生成することができる。このようなスタック３を生成することにより、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が、中央部３ａと外周部３ｂとで均等に流れるので、その熱流が外周部３ｂを貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのを防ぐことができる。結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。
【００５８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管３０１を稠密に配設することにより、スタック３の長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。結果として、小型化に伴って必要となるより高い周波数での自励振動を温度差が低い場合にも実現することができる。
【００５９】
なお、本実施の形態では、細管３０１がガラスから構成され、細管３０１の隙間や周辺部３ｂを構成するガラス３０４が細管３０１のガラスよりも融点が低いガラスから構成される場合を例に説明したが、それらを同一の材料で構成したり、ガラスとガラス以外の材料となど異なる材料から構成したりするようにしてもよい。
【００６０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と、スタックの製造方法が異なるものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、その説明を適宜省略する。
【００６１】
図５に示すように、非特許文献３に記載されているハニセラムなどのセラミックス材料（コージライト）と比較して、有機物の熱伝導率は約１０分の１である。したがって、有機物をスタック３の構成材料として用いることが考えられる。
【００６２】
しかしながら、有機物に多数の貫通孔を稠密に開孔ことは困難であった。例えば、有機系高分子にアスペクト比の高い貫通細孔を形成する場合、金属ドリルなどを用いて切削する方法があるが、一般的に有機系高分子は無機材料と比べて機械的性質が劣るために、貫通孔を稠密に形成しようとすると、貫通孔と貫通孔とを隔てる壁が貫通孔形成時に破壊されてしまう。このため、従来の切削加工法では、多数の貫通孔を稠密に形成することができなかった。
【００６３】
そこで、本実施の形態では、図７Ａ〜図７Ｄに示すように、有機系高分子材料からなる多数の細管４０１を束ねた後、管２に内接するように細管４０１の束の周囲を光硬化性樹脂で覆い、この端面を切削または研磨することで、設計した孔径の貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−１を作成する。この詳細について以下に説明する。
【００６４】
初めに、図７Ａに示すように、細管４０１を多数用意する。本実施の形態において、細管４０１は、熱可塑性ポリイミドからなり、外径が０．９［ｍｍ］、内径が０．６［ｍｍ］、軸方向の長さが３０［ｍｍ］の円筒形の細管を用意した。
なお、本実施の形態では、細管４０１としてガラス転移温度が高い熱可塑性ポリイミドを用いた場合を例に説明するが、自励振動開始温度が低い熱音響装置を用いる場合には、ガラス転移温度が低い熱可塑性高分子を用いるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００６５】
このような多数の細管４０１を軸線が互いに平行とした状態で束ねた構造体４０２を形成した後、図７Ｂに示すように、その構造体４０２を収納容器４０３の内部に収容する。
ここで、収納容器４０３は、両端が閉鎖された円柱の形状を有し、径方向の断面が管２と同等の円柱状の内部空間を備えている。また、収納容器４０３は、後述するように、内部に導入される光硬化性樹脂を硬化させるために紫外線が照射されるので、例えばガラスなど、３６５［ｎｍ］以下の波長の光を８０％以上透過させる材料から構成される。また、収納容器４０３の内壁面には、例えばフッ素系シランカップリング剤などの光硬化性樹脂と親和性の低い剥離剤が、細管４０１を収容する前に予め塗布されている。このような収納容器４０３には、収納容器４０３の軸線と各細管４０１の軸線とを平行とした状態で構造体４０２が収容される。
【００６６】
なお、本実施の形態においても、糸などによって多数の細管４０１を稠密に束ねた構造体４０２を形成する場合を例に説明するが、構造体４０２を形成せずに、細管４０１を直接収納容器３０３内部に配設するようにしてもよい。この場合には、できる限り多くの細管４０１を、収納容器４０３内部に稠密に配設すればよい。
【００６７】
構造体４０２が収納容器４０３内部に収容されると、図７Ｂに示すように、光硬化性樹脂４０４を収納容器４０３内に流し込む。ここで、光硬化性樹脂４０４としては、細管４０１の間にもその光硬化性樹脂４０４が行き渡るように、粘度が１０００［ｃｐｓ］以下の粘性が低い材料を用いるのが望ましい。これにより、細管４０１の束の周囲や隙間に、光硬化性樹脂４０４が充填されることとなる。本実施の形態において、光硬化性樹脂４０４として、例えば、ＳＣＲ７４０（ディーメック（登録商標）社製）、ＧＬ−１００１（グルーラボ（登録商標）社製）など、紫外線により硬化する光硬化性樹脂を用いた。
【００６８】
光硬化性樹脂４０４を収納容器４０３内に流し込むと、図７Ｃに示すように、収納容器４０３に対して紫外線４０５を照射する。これにより、収納容器内の光硬化性樹脂４０４が硬化されることとなる。
【００６９】
光硬化性樹脂４０４が硬化されると、この光硬化性樹脂４０４および多数の細管４０１からなる構造体を収納容器４０３から取り出し、軸方向に対して垂直な方向の両端面を切削または研磨することにより、各細管４０１の孔が露出した状態とするとともに、軸線方向の長さを所定の長さとする。これにより、図７Ｄに示すように、有機系高分子から構成され、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−１が形成される。
【００７０】
これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔３０１ａが稠密に形成された中央部３ａと、設計通りの面積を有する外周部３ｂとを備えたスタック３−１を生成することができる。このようなスタック３−１を生成することにより、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が、中央部３ａと外周部３ｂとで均等に流れるので、その熱流が外周部３ｂを貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのを防ぐことができる。結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。
【００７１】
このような方法により製造したスタック３−１を、上述した第１の実施の形態における熱音響エンジンに用いることにより、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００７２】
［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と、スタックの製造方法が異なるものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、その説明を適宜省略する。
【００７３】
第２の実施の形態でも説明したように、従来の切削加工法などでは、有機物に多数の貫通孔を稠密に形成することが困難であった。そこで、本実施の形態では、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、有機系高分子材料からなる多数の細管５０１を束ねた後、これらを熱融着させることで設計した孔径の貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−２を作成する。この詳細について以下に説明する。
【００７４】
初めに、図８Ａに示すような細管５０１を多数用意する。本実施の形態において、細管５０１は、熱可塑性ポリイミドからなり、外径が０．９［ｍｍ］、内径が０．６［ｍｍ］、軸方向の長さが３０［ｍｍ］の円筒形の細管を用意した。
なお、本実施の形態では、細管５０１としてガラス転移温度が高い熱可塑性ポリイミドを用いた場合を例に説明するが、自励振動開始温度が低い熱音響装置を用いる場合には、ガラス転移温度が低い熱可塑性高分子を用いるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００７５】
このような多数の細管５０１を軸線が互いに平行とした状態で糸などにより束ねた構造体５０２を形成した後、図８Ｂに示すように、一端が閉鎖され、径方向の断面が管２と同等の円柱状の収納容器５０３に、その構造体５０２を、細管５０１の軸線と収納容器５０３の軸線とを平行とした状態で収納する。このとき、収納容器５０３には、可能な限り多数の細管５０１が収納される。これにより、細管５０１は、隣り合う細管５０１と圧接した状態で、収納容器５０３に収納されることとなる。
【００７６】
なお、本実施の形態では、糸などによって多数の細管５０１を稠密に束ねた構造体５０２を形成する場合を例に説明するが、構造体５０２を形成せずに、細管５０１を直接収納容器５０３に収納するようにしてもよい。この場合には、できる限り多くの細管５０１を、収納容器５０３に稠密に配設すればよい。
【００７７】
構造体５０２が収納容器５０３に収納されると、この構造体をヒータなどにより細管５０１の軟化点付近まで加熱し、この状態を所定時間維持した後、冷却する。これにより、構造体５０２に含まれる細管５０１は、隣り合う細管５０１と圧接しているので、加熱した後に冷却されることにより、隣り合う細管５０１と溶着されることとなる。
【００７８】
多数の細管５０１が溶着されると、この構造体５０２を収納容器５０３から取り出す。これにより、図８Ｃに示すように、有機系高分子から構成され、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−２が形成される。
【００７９】
これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−２を生成することができる。このスタック３−２は、第１，第２の実施の形態で生成されるスタック３，３−１とは異なり、外周部３ｂが形成されないので、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が貫通孔３０１ａが形成された領域のみを流れるため、その熱流が貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのをより効果的に防ぐことができる。結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。
【００８０】
このような方法により製造したスタック３−２を、上述した第１の実施の形態における熱音響エンジンに用いることにより、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００８１】
［第４の実施の形態］
次に、本発明に係る第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と、スタックの製造方法が異なるものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、その説明を適宜省略する。
【００８２】
第１の実施の形態でも説明したように、従来のレーザ加工法などでは、有機物に多数の貫通孔を稠密に形成することが困難であった。そこで、本実施の形態では、図９Ａ〜図９Ｅに示すように、ガラスからなる多数の細管６０１を束ねて熱融着した後、端部を加熱してその軸線方向に引っ張ることで、設計した孔径の貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−３を作成する。この詳細について以下に説明する。
【００８３】
初めに、図９Ａに示すような細管６０１を多数用意する。本実施の形態において、細管６０１は、ガラスからなり、外径が１．５［ｍｍ］、内径が１．１［ｍｍ］、軸方向の長さが１０［ｍｍ］の円筒形の細管を用意した。
なお、本実施の形態では、最終的にスタック３−３に形成される貫通孔３０１ａの径が、後述するように細管６０１の延伸比によって決定されるので、その延伸比によっては、内径が１［ｍｍ］以上や毛細管現象が発現しない程度の比較的大きな細管６０１を用いるようにしてもよい。
【００８４】
このような多数の細管６０１を軸線が互いに平行とした状態で束ねた第１の構造体６０２を形成した後、図９Ｂに示すように、一端が閉鎖され、径方向の断面が管２と同等の円柱状の収納容器６０３に、その第１の構造体６０２を、細管６０１の軸線と収納容器６０３の軸線とを平行とした状態で収納する。このとき、収納容器６０３は、可能な限りの数量の細管６０１が収納される。これにより、細管６０１は、隣り合う細管６０１と圧接した状態で、収納容器６０３に収納されることとなる。
【００８５】
なお、本実施の形態においても、糸などによって多数の細管６０１を稠密に束ねた構造体６０２を形成する場合を例に説明するが、構造体６０２を形成せずに、細管６０１を直接収納容器６０３に収納するようにしてもよい。この場合には、できる限り多くの細管６０１を、収納容器６０３に稠密に配設すればよい。
【００８６】
第１の構造体６０２が収納容器６０３に収納されると、この構造体をヒータなどにより細管６０１の軟化点付近まで加熱し、この状態を所定時間維持した後、冷却する。これにより、細管６０１は、隣り合う細管６０１と圧接しているので、加熱した後に冷却されることにより、隣り合う細管６０１と溶着されることとなる。
【００８７】
第１の構造体６０２に含まれる多数の細管６０１が溶着されると、その第１の構造体６０２を収納容器６０３から取り出す。そして、第１の構造体６０２の一方の端部をバーナなどにより軟化点以上まで加熱したのち、図９Ｃに示すように、その一方の端部を他方の端部から離間する方向に引っ張る。これにより、図９Ｄに示すように、細管６０１の軸線方向に延伸した第２の構造体６０４が生成される。この延伸した第２の構造体６０４における細管６０１の孔径は、第２の構造体６０４を延伸させればさせるほど、小さくなる。具体的には、その細管６０１の孔径は、細管６０１の半径方向における、第１の構造体６０２の外径と、第２の構造体６０４の外径との比に正比例する。したがって、第１の構造体６０２の一端を引っ張る距離を、細管６０１の半径方向におけるその第１の構造体６０２の径に応じて適宜設定することにより、所望とする貫通孔３０１ａを形成することができる。
【００８８】
延伸した第２の構造体６０４を形成すると、この第２構造体６０４を、ダイシングソーなどにより所定の長さに切断するとともに、その切断面を研磨する。これにより、図９Ｅに示すように、ガラスから構成され、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−３が形成される。
【００８９】
これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−３を生成することができる。このスタック３−３は、第１，第２の実施の形態で生成されるスタック３，３−１とは異なり、外周部３ｂが形成されないので、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が貫通孔３０１ａが形成された領域のみを流れるため、その熱流が貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのをより効果的に防ぐことができる。結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。
【００９０】
このような方法により製造したスタック３−３を、上述した第１の実施の形態における熱音響エンジンに用いることにより、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００９１】
なお、上述した各実施の形態では、細管が円筒から形成される場合を例に説明したが、細管の形状は円筒に限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、楕円筒、正三角筒、四角筒、五角筒、六角形筒などにしてもよい。これに伴って、貫通孔３０１ａの断面形状についても、例えば、正六角形、正五角形、正三角形、正方形、楕円形、長方形などにしてもよい。ここで、細管の断面形状を多角形にする場合には、各辺の長さは同一でなくてもよい。また、細管の形状は、全て同一でなくてもよい。そのように、細管の形状を適宜設定して、多数の細管を束ねることにより、スタックの貫通孔３０１ａの内壁面を多数形成することが可能となるので、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００９２】
また、上述した各実施の形態では、スタックが円柱の形状を有する場合を例に説明したが、スタック３の形状は円柱に限定されず、例えば、楕円柱、三角柱、角柱、五角柱、六角柱、八角柱など、中央部に貫通孔が形成可能な形状であるならば各種形状を適用することができる。
【００９３】
また、本実施の形態では、スタックの材料としてガラスやポリイミドなどを用いた場合を例に説明したが、上述した各実施の形態における製造方法により微細な貫通孔が稠密に形成されたスタックを形成できる熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料であるならば、各種材料を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、熱音響装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１…熱音響エンジン、２…管、３，３−１〜３−３…スタック、３ａ…中央部、３ｂ…外周部、４…高温側熱交換器、５…低温側熱交換器、６…高温熱源、７…低温熱源、３０１，４０１，５０１，６０１…細管、３０１ａ…貫通孔、３０２，４０２，５０２…構造体、３０３，４０３，５０３，６０３…収納容器、３０４…ガラス、４０３…光硬化性樹脂、４０５…紫外線、６０２…第１の構造体、６０４…第２の構造体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響効果を用いて管内の流体に温度勾配を与えて振動させたり、流体に与えた振動から温度勾配を得る熱音響装置に用いる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細い流路の中にある作業流体に対して、ある臨界値以上の温度勾配を与えると、流路の壁と作業流体との熱交換によって「熱音響自励振動」と呼ばれる振動現象が現れることが知られている。このような熱音響現象は、作業流体に温度勾配を与えて熱から流体振動（音波）を行う熱音響原動機（熱音響エンジン）や、流体振動（音波）から温度勾配を生じさせる熱音響ヒートポンプといった熱音響装置に利用されている。また、この熱音響装置を基本要素として、熱音響原動機により生ずる音波を、すなわち機械的振動から電力へとエネルギー変換を行う熱音響発電機や、流体振動（音波）によって生じた温度勾配を介して加熱または冷却するというエネルギー変換を行う熱音響冷却装置について、現在盛んに研究開発がされている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、熱音響自励振動を利用した装置として、熱音響エンジンが開示されている。図１０に示す熱音響エンジン１００は、作業流体１１０を封入した管１０１と、この管１０１内部に設けられ小さな流路を有するスタック（蓄熱器）１０２と、管１０１内部においてスタック１０２をその管１０１の軸線方向の両側から挟むように設けられ、スタック１０２に温度勾配を与える高温側熱交換器１０３および低温側熱交換器１０４とを備えている。また、管１０１外部において、高温側熱交換器１０３の側には高温熱源１０５、低温側熱交換器１０４の側には低温熱源１０６が設けられている。このように、図１０に示す熱音響エンジン１００は、ガソリンエンジンなどに用いられるピストンやバルブなどの可動部品を有しておらず、管１０１内部に封入された作業流体１１０のみが動くものである。
【０００４】
ここで、スタック１０２は、上述した流路となる管１０１の軸線方向に沿った多数の貫通孔１０２ａを備えており、この貫通孔１０２ａ内部に流入した作業流体１１０と、その壁面１０２ｂと間で熱交換を行うことにより、蓄熱器、蓄冷器、再生器などとして機能する。このように、スタック１０２の役割は、作業流体１１０と熱的相互作用を行う壁面１０２ｂを提供することにあって、熱と振動のエネルギー変換はそのスタック１０２内部で行われる。そのエネルギー変換の効率を向上させるには、壁面１０２ｂを多く形成すればよいので、貫通孔１０２ａの直径は後述するように１［ｍｍ］以下という小さな値に設定されている。このため、熱音響現象を用いた装置のスタックには、金網や金属製不織布などの金属製メッシュを積層させたものや貫通孔がハニカム状に形成されたセラミックスなどがよく用いられている。
【０００５】
このような構造を有する熱音響エンジンは、管１０１の形状が異なる３種類の方式が提案されている。すなわち、図１１Ａに示すように、直線状の管の中に熱音響自励振動によって発生する定在波音波を利用する直管方式と、図１１Ｂに示すように、ループ状の管の中に熱音響自励振動によって発生する進行波音波を利用するループ管方式と、図１１Ｃに示すように、直線状とループ状の管を組み合わせた枝管付きループ管方式とが提案されている。これらのうち、図１１Ｂに示すループ管方式は、熱から流体振動への変換効率が熱力学的な上限値（理想的なカルノー効率）に近いことが理論的に示されている。一方、図１１Ａに示す直管方式では、音圧と粒子速度とが位相差π／２だけずれた定在波が生じるため、不可逆的な熱交換による時間遅れが生じて波動によるエネルギー輸送量が非常に小さいので、熱から音波への変換効率が熱力学的な上限値と比べて低いとされている。
【０００６】
上述した熱音響装置の応用分野として、工場からの排熱や自動車のエンジンからの排熱などの回収利用が挙げられているが、大規模設備を集約できる工場や発電所などからの排熱を回収するプラントでの応用を除けば、装置自体ができる限り小型であることが望ましい。また、排熱を熱源とするので、その排熱温度が比較的高温ではないことが多いので、できる限り低い温度の熱源で熱音響自励振動が起こることが望ましい。なお、低温熱源（ヒートシンク）の温度は、環境温度、すなわち室温を想定している。
【０００７】
図１１Ｂに示すようなループ管方式の場合、熱から音響への変換効率が高いものの、ループ状の管内を最低一波長分の長さの音波が進行しなければならないので、装置が大型になりやすい。例えば、ループ状の管の音響回路長をＬとすると、１気圧、２５［℃］前後での音速ｃが約３４０［ｍ／ｓｅｃ］であるので、振動周波数νが１００［Ｈｚ］程度の音波の場合、その進行波の波長λｔは３．４［ｍ］程度となる（例えば、非特許文献３参照。）。ループ状の管は最低一波長分の長さを必要とするので、必然的に管長が３．４［ｍ］程度の大きな装置とならざるを得ない。そこで、振動周波数νを５倍の５００［Ｈｚ］とすると、長さ６８［ｃｍ］程度のループ管（Ｌ＝λｔ＝ｃ／ν＝３４０００［ｃｍ／ｓｅｃ］÷５００［Ｈｚ］=６８［ｃｍ］）となり、３０［ｃｍ］の直線状の管２本と４［ｃｍ］の半円状の管２本から構成されたやや小型の装置とすることができる。このように、管路長Ｌは熱音響装置の占有体積に影響を及ぼすので、管路長Ｌを短縮することにより熱音響装置の小型化の実現が可能となる。
【０００８】
一方、図１１Ａに示すような直管方式の場合には、熱から音響への変換効率がループ管の理想効率には至らないものの、直管であるがゆえに小型化を容易に実現できる。これは、片側が閉ざされた直管内に励起される気柱共鳴定在波の波長λｓが、管路長の４倍となるからである（λｓ＝４Ｌ）。したがって、直管方式の場合には、大きさと占有面積のいずれも小さくすることが可能である。
【０００９】
ところが、ループ管方式および直管方式のいずれの場合も、小型化しようとすればするほど、管路長Ｌを短縮しなければならないので、必然的に直管内またはループ管内に自励する音波（音響振動）の波長が短くなるため、高周波の定在波または進行波を励起しなければならない。作業流体１１０によって励起される音響振動が、管路長に応じた周波数からなる定在波または進行波を含むからである。したがって、作業流体１１０と貫通孔１０２ａの壁面１０２ｂとの間のエネルギー交換を担うスタック１０２において、貫通孔１０２ａの半径ｒで定まる熱緩和時間τ［ｓｅｃ］と、管路の長さＬ［ｍ］とから定まる自励振動角周波数ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］（＝２πν［Ｈｚ］）との関係が重要となる。すなわち、作業流体１１０と壁面１０２ｂとの間で熱交換が行われるには、作業流体１１０の熱伝導率κ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、密度ρ［ｋｇ/ｍ3］および定圧比熱ｃp［ｋＪ/ｋｇ・Ｋ］により定まる熱拡散係数α(＝κ／ρｃp)［ｍ2／ｓｅｃ］、並びに、貫通孔１０２ａの流路半径ｒから決まる熱緩和時間τ= ｒ2／（２α）［ｓｅｃ］程度の相互作用時間が必要となる。振動角周波数ωが高く、ωτ≫１となる場合、壁面１０２ｂと作業流体１１０との熱交換はほとんど行われず、断熱過程となるので、貫通孔１０２ａ内を断熱音波が伝搬することとなる。一方、振動角周波数ωが低く、ωτ≪１となる場合、壁面１０２ｂと作業流体１１０との間で熱交換が十分に行われ、等温過程となる。非特許文献１によれば、熱音響自励振動が効率よく起こるのは、そのωτの値がほぼ１〜１０の間にあるときである。非特許文献２に開示された熱音響理論によれば、図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、自励開始温度とωτとの関係は、最小値を有することが示されている。図１２Ａでは、自励開始温度を、高温熱源の絶対温度ＴHと低温熱源の絶対温度ＴCとの温度比（ＴH／ＴC）により、またωτの代わりにその平方根を取ったｒ／δαによって示している。これは、下式（１）に基づくものである。なお、下式（１）において、δαは音波を担う作業流体１１０の熱境界層厚さを表している。
【００１０】
ωτ＝ω・（ｒ2／２α）＝｛ｒ／（２α／ω）1/2｝2＝（ｒ／δα）2 ・・・（１）
【００１１】
この式（１）からすると、熱音響自励振動により共鳴する管１０１の管路長（Ｌ＝ループ管内の進行波の波長λｔ、または、４Ｌ＝直管内の定在波の波長λｓ）から定まるω（＝２πν＝２πｃ／λ）に対して、自励開始温度比（ＴH／ＴC）が最小となる最適のωτの値があることがわかる。上述したように、管路長Ｌが短くなれば、ωが大きくなり、これに伴ってτが小さくなるので、スタック１０２の貫通孔１０２ａの半径ｒも小さくなければならない。非特許文献２によれば、図１２Ａ，図１２Ｂは管の長さＬが３０［ｍｍ］、管の径が１０［ｍｍ］、スタックの長さが３［ｍｍ］であり、貫通孔１０２ａの半径ｒを計算で求める設計パラメータとしたときの値を示している。また、作業流体１１０は大気圧（１０１［ｋＰａ］）の窒素（ほぼ空気と同じ）とされ、低温熱源の温度ＴCが３００［Ｋ］（ほぼ室温の２７℃）の場合を想定したものである。図１２Ａによれば、上記条件で計算された熱音響装置において自励開始温度が最も低くなるのは、ｒ／δαが３程度のときである。このとき、この直管方式の熱音響装置内に定在波音波が励起され、定在波音波によるエネルギー変換がωτ＝（ｒ／δα）2＝１〜１０で行われていることを意味している。この場合の最低自励開始温度比は１．４、高温熱源の温度ＴHはおおよそ１５０℃＝４２０［Ｋ］となり、自励振動の周波数は図１２Ｂより３［ｋＨｚ］となる。この周波数での熱境界層厚δαは０．０４８［ｍｍ］となり、ｒ／δαの値が３の場合の条件を用いると、最適な貫通孔１０２ａの直径が約０．１４４［ｍｍ］となる。これは極めて小さな値である。
【００１２】
これらを踏まえた上で熱音響装置の小型化について検討すると、小型化することにより自励振動周波数が高周波になるので、ωτの値を１〜１０程度に保つには、対応する熱緩和時間τを短くする必要がある。ところが、作業流体１１０の比熱、熱伝導率、密度といった熱物性値がさほど大きく変動しないので、τを短くするにはスタックの貫通孔１０２ａの半径ｒを小さくしなければならない。そこで、想定しうる作業流体１１０と、この作業流体１１０に対応する熱境界層の厚さの概算値の関係を図１３に示す。この図１３は、１気圧の大気（空気）を作業流体とする構成であって、例えば自励振動周波数ωを４００［Ｈｚ］と仮定した場合、波長λｓが約８５［ｃｍ］、管１０１の片側を閉じた直管の場合にはλｓ＝４Ｌなので、管１０１の長さＬは約２１．３［ｃｍ］となるので、貫通孔１０２ａの直径は０．７８９［ｍｍ］程度となる。このように、小型の熱音響装置を実現するには、直径１［ｍｍ］以下の貫通孔１０２ａを多数備えたスタック１０２を設けなければならない。
【００１３】
また、熱音響自励振動は、高温（温度ＴH）側熱交換器１０３と低温（温度ＴC）側熱交換器１０４との間に挟まれた長さＬｓのスタック１０２における温度勾配ΔＴ｛＝（ＴH−ＴC）／Ｌｓ｝がある臨界値(ΔＴ)critを越えた際に起こることが知られている。したがって、ΔＴ ＞ (ΔＴ)critを満足するように温度スケーリングを行うことによって、すなわち、スタックの長さＬｓを短くすることで、高温側熱交換器１０２の温度ＴHをより低い温度へとスケールできると考えられる。
【００１４】
実際、図１４はスタックの長さと自励開始温度比の関係を示すものであるが、この図１４に示すように、スタック１０２の長さＬｓを短くすることによって、自励開始温度比（ＴH／ＴC）を低下させることがある程度まで可能である。しかし、スタック長Ｌｓをあまりにも短くすると、スタック１０２を構成する貫通孔１０２ａとその支持部材（外周部）のうち、支持部材による直接熱伝導が高温側から低温側への熱流の大半を占有するようになり、熱から音響振動へのエネルギー変換が行われなくなる。すなわち、スタック１０２は作業流体１１０の動径方向（作業流体の流通方向に対して垂直な方向）には無限の熱伝導を有して一様温度になることが望まれるが、その流通方向である軸方向に対しては、定常的に線形な温度勾配が形成可能な程度に高い熱抵抗、すなわち熱絶縁性を備えている必要がある。
【００１５】
上述した事項を踏まえると、小型かつ低温度で自励振動可能とする熱音響装置に必要とされるスタックが備えるべき諸性質が明らかとなる。すなわち、（１）直径が１［ｍｍ］以下の小さな貫通孔１０２ａを多数備えていること、（２）作業流体１１０が振動する振動方向（貫通孔の軸方向）には温度勾配が生じるようにある程度熱伝導率が低いこと、（３）振動方向に直交するスタックの動径方向には熱交換がスムーズに行われるように、ある程度熱伝導性がよいことが挙げられる。
【００１６】
このような性質を備えるべきスタック１０２として、従来では、上述したように、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミックス等の伝熱体で形成された複数のプレートを軸方向に積層させたスタックや、セラミックス、焼結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きい素材からなり、軸方向に貫通する複数の貫通孔を備えたスタック、あるいは、微小の球状セラミックスなどを敷き詰めて貫通孔として作用する蛇行した導通路を形成するスタック、ハニカム形状のセラミックス、脱脂綿などの繊維材料を圧縮させ、これによって蛇行した導通路を形成したスタックなどが提案されている。一般に、高温側熱交換器の温度が７００から８００℃まで到達する場合には、スタックを構成する材料には耐熱性が要求される。このような温度範囲では、ＳＵＳ３０４などの金属材料やコージライトなどのセラミックス材料が用いられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】上田 祐樹、「熱音響発電機」、電気学会誌、Vol. 128、No. 12、pp. 812-815、 (2008)．
【非特許文献２】上田 祐樹、「熱音響発電−熱音響現象の基礎−」、桑野博喜監修、「エネルギーハーベスティング技術の最新動向」（シーエムシー出版、2010年）、pp. 171-183 に所蔵。
【非特許文献３】坂本眞一、渡辺好章、「音と熱のコラボレーション−熱音響冷凍機実現に向けて−」、電子情報通信学会誌、Vol. 90, No. 11, pp. 993-337 (2007年11月)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、これまでに提案されているスタックでは、小型かつ低温度で自励振動可能な熱音響装置を実現することが困難であった。
【００１９】
例えば、金属やセラミックス等の伝熱体のプレートを管の軸に略平行に複数積層するスタックの場合は、プレートの間に平面状壁の非常に狭い隙間を形成でき、軸方向に垂直な２つの方向のうち一方の方向（積層方向）には熱交換のための壁面を設けることができる。ところが、他方の方向では、熱交換を行うための壁面がないので、熱エネルギーから振動エネルギーへのエネルギー変換を行うことができない。また、金属プレートを用いた場合には、積層方向、すなわち軸方向の熱伝導率が高いので、スタックの長さＬｓを短くすることができない。
【００２０】
また、金網や焼結金属などを積層したスタックの場合は、作業流体と熱交換を行う表面積を大きくすることができ、スタック中で熱交換する流体の経路も長くできる。特に金網の場合、個々の金網に関しては、単位面積当りの網目数を指定することも可能である。ところが、最終的に形成された貫通孔の径を明確に設定することができず、最適な直径の貫通孔を設けることが困難である。
【００２１】
また、ハニカム形状のセラミックスを用いたスタックの場合は、例えば正方格子状など所定の断面形状の貫通孔を形成でき、かつ、その直径を１［ｍｍ］以下とすることが可能である。さらに、材料として用いられているコージライトは、熱伝導率が４［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度の値を有しているために自励開始温度を低温化できるので、金属などの伝熱体をスタック材料にする場合よりもスタックの長さＬｓを短くすることも可能である。ところが、一般に射出成型により多孔が形成されているので、貫通孔を高密度に形成することが困難である。具体的には、セル密度９００［ｃｐｓｉ（cell per square inchi）］のもの（正方格子の一辺が約０．７９［ｍｍ］）が最小孔径であって、例えば１２００［ｃｐｓｉ］（正方格子の一辺が約０．７２［ｍｍ］）といったさらに高密度に貫通孔を形成することが困難である。また、射出成形により多孔を形成する場合、射出の際に高温で押し出された素材が成型用口金の孔内で密着して、目詰まりする可能性が高いので、製造が困難である。
【００２２】
なお、熱音響装置が大型で、励起される自励振動音波の波長が長い場合には、その振動数も５０〜１００［Ｈｚ］の低周波帯域であるので、スタックとして効率的な貫通孔の直径は１［ｍｍ］〜５［ｍｍ］となる。この程度の直径の貫通孔であれば、金属ブロックに窄孔加工したり、セラミックスを射出成型したり、銅などの金属パイプを束ねるなどして、スタックを容易に形成できる。例えば、波長が３．４［ｍ］、周波数１００［Ｈｚ］程度の熱音響装置のスタックには、メッシュ間隔１［ｍｍ］程度の金属のメッシュやセル間隔が０．７９［ｍｍ］程度のハニカム形状が用いられている。ところが、高周波の自励振動を起こすには、さらに小さな直径でかつ多数の貫通孔を備えたスタックを用意する必要がある。すなわち、熱音響装置の小型化に伴って、作業流体を１気圧の空気（あるいは窒素）とする場合、励起されるべき自励振動周波数が１００［Ｈｚ］(ループ管なら３．４［ｍ］、直管なら８５［ｃｍ］)、５００［Ｈｚ］(ループ管なら６８［ｃｍ］、直管なら１７［ｃｍ］)、１［ｋＨｚ］ (ループ管なら３４［ｃｍ］、直管なら８．５［ｃｍ］)と高周波化する。これに伴って、スタックに設けられる貫通孔に要求される孔径（直径）も、１．５５［ｍｍ］、０．７０［ｍｍ］、０．４９［ｍｍ］と小さくなり、しかも同一断面積に孔径の逆２乗に比例した数だけ設ける必要が生じる。
【００２３】
そこで、本願発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、小型化に伴ってより高い周波数でも低温度差で自励振動できる熱音響装置用スタックおよび熱音響装置用スタックの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る熱音響装置用スタックは、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックであって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管が稠密に配設された構造体を備え、複数の細管は、複数の貫通孔を構成することを特徴とするものである。
【００２５】
上記熱音響装置用スタックにおいて、細管は、ポリイミドおよびガラスの一方から構成されるようにしてもよい。
【００２６】
また、上記熱音響装置用スタックにおいて、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなり、構造体の周囲に形成された外周部をさらに備え、この外周部は、貫通孔の軸線方向に垂直な方向における断面積が、当該垂直な方向における構造体および外周部の断面積の合計の１０％以下であるようにしてもよい。
【００２７】
また、上記熱音響装置用スタックにおいて、貫通孔は、正六角形、正三角形、正方形、および、長方形のうち何れか１つの断面形状を有するようにしてもよい。
【００２８】
また、本発明に係る熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に束ねた第１の構造体を形成する第１のステップと、第１の構造体を、管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器の内部に収容し、内部空間に溶融した熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料を流し込んで固化させる第２のステップとを有することを特徴とするものである。
【００２９】
また、本発明に係る他の熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に束ねた第１の構造体を形成する第１のステップと、第１の構造体を、紫外線を透過させる材料からなり、管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器の内部に収容し、内部空間に紫外線硬化樹脂を流し込む第２のステップと、収納容器に紫外線を照射して、紫外線硬化樹脂を固化させる第３のステップとを有することを特徴とするものである。
【００３０】
また、本発明に係る他の熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に束ねた第１の構造体を形成する第１のステップと、第１の構造体を加熱して冷却することにより、隣接する細管同士を溶着させる第２のステップとを有することを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明に係る他の熱音響装置用スタックの製造方法は、一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、作業流体の熱音響自励振動によって貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に束ねた第１の構造体を形成する第１のステップと、第１の構造体を加熱して冷却することにより、隣接する細管同士を溶着させた第２の構造体を形成する第２のステップと、細管の軸線方向における第２の構造体の一端を加熱し、当該一端を引っ張った後冷却することにより、第２の構造体を軸線方向に延伸させる第３のステップとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管が稠密に配設することにより、スタックの長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。結果として、小型化に伴って必要となるより高い周波数での自励振動を温度差が低い場合にも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明に係る熱音響エンジンの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、熱音響エンジンにおけるスタックの構成を模式的に示す斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本実施の形態に係る熱音響エンジンにおけるスタックを流れる熱流を説明する図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、参考例のスタックを流れる熱流を説明する図である。
【図４】図４は、熱伝導がよい材料と悪い材料とを用いた際のωτと自励開始温度比との関係を示す図である。
【図５】図５は、スタックの構成材料とその物性値を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の第２の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第３の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の第３の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、本発明の第４の実施の形態に係るスタックの製造方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、従来の熱音響エンジンの構成を模式的に示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、直管方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、ループ方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、枝管付きループ方式の熱音響エンジンを模式的に示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、自励開始温度比とωτとの関係を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、自励開始周波数とωτとの関係を示す図である。
【図１３】図１３は、作業流体と熱境界層厚との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、自励開始温度比とスタックの長さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、「スタック」とは、一般的には複数の部材を積層したものを指すが、本明細書においては、１つの部材から経営された熱音響装置用のエネルギー変換部材も「スタック」と呼ぶこととする。
【００３５】
［第１の実施の形態］
まず、本発明に係る第１の実施の形態について説明する。
【００３６】
＜熱音響エンジンの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る熱音響装置用スタックを備えた熱音響エンジン１は、作業流体１０を封入した管２と、この管２内部に設けられたスタック３と、管２内部においてスタック３をその管２の軸線方向の両側から挟むように設けられスタック３に温度勾配を与える高温側熱交換器４および低温側熱交換器５とを備えている。また、管２外部において、高温側熱交換器４の側には高温熱源６、低温側熱交換器５の側には低温熱源７が設けられている。このような熱音響エンジン１は、管１内に封入された作業流体１０と、高温側熱交換器４から低温側熱交換器５へと流れる熱エネルギーの間で、エネルギー交換を行うものである。
【００３７】
図２に示すように、スタック３は、例えばガラスやポリイミドなど熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなり、円筒状の管２の内部形状に対応した円柱の形状を有するものである。このようなスタック３は、多数の細管３０１が稠密に配設されることにより構成された略円筒状の中央部３ａと、この中央部３ａの周囲に位置する円筒状の外周部３ｂとから構成される。
【００３８】
中央部３ａは、スタック３の中心軸が含まれる位置に配置されており、軸線がその中心軸方向に沿った多数の細管３０１が稠密に配設されることにより形成される。各細管３０１は、例えばガラスやポリイミドなど熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなり、貫通孔３０１ａを備えている。この貫通孔３０１ａの孔径は、管２の長さ（共鳴周波数ω）と熱緩和時間τ（＝ｒ2／α、ｒは孔径、αは作業流体の物性値）がτω＝１〜１０となるように設定されている。また、貫通孔３０１ａの間隔は、できるだけ稠密に形成するのが望ましい。これは、スタック３の空隙率が高いほど、熱と振動のエネルギー変換効率が向上するからである。具体的には、その間隔は０．１５ｍｍ以下であるのが望ましい。そこで、そのような貫通孔３０１ａを有する細管３０１が稠密に配設されることにより、スタック３には、多数の微細な貫通孔が狭いピッチで稠密に形成されることとなる。
【００３９】
外周部３ｂは、例えばガラスやポリイミドなど熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなり、軸方向に対して垂直な方向の断面の面積が、貫通孔３０１ａを含むスタック３のその垂直な方向の断面の総面積の１０％以下とされる。
このようなスタック３は、貫通孔３０１ａの延在方向が管２の軸線方向に沿った状態で、管２内部に配設されている。
【００４０】
ここで、外周部３ｂの断面の面積をスタック３の断面の総面積の１０％以下とする理由について、図３Ａ、図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、断面の総面積に対する外周部３ｂの面積が１０％以下である、本実施の形態におけるスタック３を流れる熱流を示す図、図３Ｂは、比較例であって、断面の総面積に対する外周部９００ｂの面積が２０％を超えるスタック９００を流れる熱流を示す図である。なお、図３Ａ，図３Ｂにおいて、スタック３およびスタック９００の断面積は４．４［ｃｍ2］、スタック３の外周部３ｂの面積は０．４［ｃｍ2］、スタック９００の外周部９００ｂの面積は０．９［ｃｍ2］である。
【００４１】
図３Ｂに示す外周部９００ｂの断面積の割合が２０％を超えるスタック９００の場合、高温側から低温側にスタック９００中を流れる熱流は、点線矢印ｂ、ｃで示すように、主に貫通孔９０１が形成されていない外周部９００ｂを流れる。これは、空隙率εで貫通孔９０１が形成された中央部９００ａには、高い熱伝導率κ１を有するスタック９００の材料と極めて低い熱伝導率κ２を有する作業流体１０が占有する領域が共存しており、この領域の平均熱伝導率＜κ＞av、が下式（２）で表されるように、貫通孔９０１が形成されていない外周部９００ｂの熱伝導率κ１よりも小さくなるからである。すなわち、高温側熱交換器４から低温側熱交換器５へ流れる熱流のうち、大半が外周部９００ｂを直接流れて貫通熱となるので、作業流体との貫通孔の壁面を介する熱交換が十分に行われず、熱エネルギーから作業流体の振動エネルギーへのエネルギー変換の観点からすると、熱損失が大きくなってしまう。
【００４２】
＜κ＞av＝（１−ε）κ1＋εκ2 ・・・（２）
【００４３】
一方、図３Ａに示す外周部３ｂの断面積の割合が１０％以下のスタック３の場合、そのスタック３を流れる熱流は、点線矢印ａで示すように、外周部３ｂから漏れ出る量が少なく、その外周部３ｂと中央部３ａとで均等な量となる。
【００４４】
このように、スタックにおける外周部は、その面積が小さいければ小さいほど望ましい。ところが、従来では、製造過程においてスタックをハンドリングする際に破損してしまう場合があり、外周部の面積を小さくすることが困難であった。そこで、本発明では、後述する製造方法によってスタック３を製造することとした。これにより、外周部３ｂの断面積の割合を１０％以下（０％を含む）とできるので、スタック３を流れる熱流は、外周部３ｂから漏れ出る量が少なくなり、その外周部３ｂと中央部３ａとで均等な量となる。
【００４５】
次に、スタック３の構成材料を熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料とする理由について、図４を参照して説明する。この図４は、貫通孔３０１ａの孔径を異ならせたスタック３に熱伝導がよい材料と悪い材料とを用いた際のωτ（横軸）と自励開始温度比ＴH／ＴC（縦軸）との関係を示す図である。
【００４６】
図４において点線で示す熱伝導がよい材料の場合、および、実線で示す熱伝導が悪い場合のいずれにおいても、貫通孔３０１ａの孔径の縮小（τの減少）に伴って、自励開始温度比が低下している。これは、図１２Ａに示した理論的予測が示す傾向に一致している。また、貫通孔３０１ａの孔径が同一の場合、熱伝導が悪い材料の方が自励開始温度比が低下していることがわかる。すなわち、熱伝導率が低い材料をスタック３の構成材料として用いることにより、全体的に自励開始温度比をさらに低下できることがわかる。
【００４７】
そこで、本発明では、後述する製造方法によりスタック３を生成する。これにより、後述するように従来では微細な貫通孔を稠密に形成できなかった、ガラスやポリイミドなどの熱伝導率が数［Ｗ／ｍ・Ｋ］という熱伝導率が低い材料により、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３を製造することができる。このように、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない熱伝導率を有する材料を用いるので、その材料として金属等を用いた場合と比較して、１，２桁ほど熱伝導率を小さくすることができる。これにより、スタック３の長さをより短くすることができる。上述したように、熱音響自励振動は、高温（温度ＴH）側熱交換器４と低温（温度ＴC）側熱交換器５との間に挟まれた長さＬｓのスタック３における温度勾配ΔＴ｛＝（ＴH−ＴC）／Ｌｓ｝がある臨界値(ΔＴ)critを越えた際に起こるので、ΔＴ ＞ (ΔＴ)critを満足するように温度スケーリングを行うことによって、さらに高温側熱交換器４の温度ＴHをより低い温度にすることができる。
【００４８】
＜スタックの製造方法＞
次に、本実施の形態に係るスタック３の製造方法について説明する。
【００４９】
まず、スタック３の材料としては、ガラスやポリイミドなど、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない熱容量の大きな材料を用いる。図５に示すように、非特許文献３に記載されているハニセラムなどのセラミックス材料（コージライト）と比較して、ガラスの熱伝導率は約４分の１小さく、さらにポリイミドの熱伝導率は約１３分の１である。
【００５０】
しかしながら、ガラスやポリイミド等に多数の貫通孔を稠密に開孔することは困難であった。例えば、特定波長の光を吸収するガラスにレーザビームを照射して、その部分に貫通孔を形成する技術が存在するが、このようなレーザ加工法では、一つの貫通孔と隣接する貫通孔との間を充分離す必要がある。これは、レーザ加工によって生じる熱により、隣接する貫通孔間を隔てるガラス壁が溶融して変形してしまうためである。このため、従来のレーザ加工法では、多数の貫通孔を稠密に形成することができなかった。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、多数の細管３０１を束ねた後、管２に内接するように細管３０１の束の周囲を熱伝導率の低い材料で覆い、この端面を切削または研磨することで、設計した孔径の貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３を作成する。この詳細について以下に説明する。
【００５２】
初めに、図６Ａに示すように、細管３０１を多数用意する。本実施の形態において、細管３０１は、ガラスからなり、外径が０．９［ｍｍ］、内径が０．６［ｍｍ］、軸方向の長さが３０［ｍｍ］の円筒形の細管を用意した。
【００５３】
このような多数の細管３０１を軸線が互いに平行とした状態で、糸などにより稠密に束ねた構造体３０２を形成した後、図６Ｂに示すように、その構造体３０２を収納容器３０３の内部に収容する。ここで、収納容器３０３は、両端が閉鎖された円柱の形状を有し、径方向の断面が管２と同等の円柱状の内部空間を備えている。このような収納容器３０３には、収納容器３０３の軸線と各細管３０１の軸線とを平行とした状態で構造体３０２が収容される。
【００５４】
なお、本実施の形態では、糸などによって多数の細管３０１を稠密に束ねた構造体３０２を形成する場合を例に説明するが、構造体３０２を形成せずに、細管３０１を直接収納容器３０３内部に配設するようにしてもよい。この場合には、できる限り多くの細管３０１を、収納容器３０３内部に稠密に配設すればよい。
【００５５】
構造体３０２を収納容器３０３内に収納させると、例えば溶融ガラスなど、細管３０１を構成するガラスよりも融点の低いガラス３０４を、流動化させた上で収納容器３０３内に流し込む。これにより、細管３０１の束の周囲や隙間に、ガラス３０４が充填されることとなる。
【００５６】
収納容器３０３内に流し込まれたガラス３０４が固化した後、このガラス３０４および多数の細管３０１からなる構造体を収納容器３０３から取り出し、軸方向に対して垂直な方向の両端面を切削または研磨することにより、各細管３０１の孔が露出した状態とするとともに、軸線方向の長さを所定の長さとする。これにより、図６Ｃに示すように、ガラスから構成され、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３が形成される。
【００５７】
これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔３０１ａが稠密に形成された中央部３ａと、設計通りの面積を有する外周部３ｂとを備えたスタック３を生成することができる。このようなスタック３を生成することにより、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が、中央部３ａと外周部３ｂとで均等に流れるので、その熱流が外周部３ｂを貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのを防ぐことができる。結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。
【００５８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管３０１を稠密に配設することにより、スタック３の長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。結果として、小型化に伴って必要となるより高い周波数での自励振動を温度差が低い場合にも実現することができる。
【００５９】
なお、本実施の形態では、細管３０１がガラスから構成され、細管３０１の隙間や周辺部３ｂを構成するガラス３０４が細管３０１のガラスよりも融点が低いガラスから構成される場合を例に説明したが、それらを同一の材料で構成したり、ガラスとガラス以外の材料となど異なる材料から構成したりするようにしてもよい。
【００６０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と、スタックの製造方法が異なるものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、その説明を適宜省略する。
【００６１】
図５に示すように、非特許文献３に記載されているハニセラムなどのセラミックス材料（コージライト）と比較して、有機物の熱伝導率は約１０分の１である。したがって、有機物をスタック３の構成材料として用いることが考えられる。
【００６２】
しかしながら、有機物に多数の貫通孔を稠密に開孔ことは困難であった。例えば、有機系高分子にアスペクト比の高い貫通細孔を形成する場合、金属ドリルなどを用いて切削する方法があるが、一般的に有機系高分子は無機材料と比べて機械的性質が劣るために、貫通孔を稠密に形成しようとすると、貫通孔と貫通孔とを隔てる壁が貫通孔形成時に破壊されてしまう。このため、従来の切削加工法では、多数の貫通孔を稠密に形成することができなかった。
【００６３】
そこで、本実施の形態では、図７Ａ〜図７Ｄに示すように、有機系高分子材料からなる多数の細管４０１を束ねた後、管２に内接するように細管４０１の束の周囲を光硬化性樹脂で覆い、この端面を切削または研磨することで、設計した孔径の貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−１を作成する。この詳細について以下に説明する。
【００６４】
初めに、図７Ａに示すように、細管４０１を多数用意する。本実施の形態において、細管４０１は、熱可塑性ポリイミドからなり、外径が０．９［ｍｍ］、内径が０．６［ｍｍ］、軸方向の長さが３０［ｍｍ］の円筒形の細管を用意した。
なお、本実施の形態では、細管４０１としてガラス転移温度が高い熱可塑性ポリイミドを用いた場合を例に説明するが、自励振動開始温度が低い熱音響装置を用いる場合には、ガラス転移温度が低い熱可塑性高分子を用いるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００６５】
このような多数の細管４０１を軸線が互いに平行とした状態で束ねた構造体４０２を形成した後、図７Ｂに示すように、その構造体４０２を収納容器４０３の内部に収容する。
ここで、収納容器４０３は、両端が閉鎖された円柱の形状を有し、径方向の断面が管２と同等の円柱状の内部空間を備えている。また、収納容器４０３は、後述するように、内部に導入される光硬化性樹脂を硬化させるために紫外線が照射されるので、例えばガラスなど、３６５［ｎｍ］以下の波長の光を８０％以上透過させる材料から構成される。また、収納容器４０３の内壁面には、例えばフッ素系シランカップリング剤などの光硬化性樹脂と親和性の低い剥離剤が、細管４０１を収容する前に予め塗布されている。このような収納容器４０３には、収納容器４０３の軸線と各細管４０１の軸線とを平行とした状態で構造体４０２が収容される。
【００６６】
なお、本実施の形態においても、糸などによって多数の細管４０１を稠密に束ねた構造体４０２を形成する場合を例に説明するが、構造体４０２を形成せずに、細管４０１を直接収納容器３０３内部に配設するようにしてもよい。この場合には、できる限り多くの細管４０１を、収納容器４０３内部に稠密に配設すればよい。
【００６７】
構造体４０２が収納容器４０３内部に収容されると、図７Ｂに示すように、光硬化性樹脂４０４を収納容器４０３内に流し込む。ここで、光硬化性樹脂４０４としては、細管４０１の間にもその光硬化性樹脂４０４が行き渡るように、粘度が１０００［ｃｐｓ］以下の粘性が低い材料を用いるのが望ましい。これにより、細管４０１の束の周囲や隙間に、光硬化性樹脂４０４が充填されることとなる。本実施の形態において、光硬化性樹脂４０４として、例えば、ＳＣＲ７４０（ディーメック（登録商標）社製）、ＧＬ−１００１（グルーラボ（登録商標）社製）など、紫外線により硬化する光硬化性樹脂を用いた。
【００６８】
光硬化性樹脂４０４を収納容器４０３内に流し込むと、図７Ｃに示すように、収納容器４０３に対して紫外線４０５を照射する。これにより、収納容器内の光硬化性樹脂４０４が硬化されることとなる。
【００６９】
光硬化性樹脂４０４が硬化されると、この光硬化性樹脂４０４および多数の細管４０１からなる構造体を収納容器４０３から取り出し、軸方向に対して垂直な方向の両端面を切削または研磨することにより、各細管４０１の孔が露出した状態とするとともに、軸線方向の長さを所定の長さとする。これにより、図７Ｄに示すように、有機系高分子から構成され、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−１が形成される。
【００７０】
これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔３０１ａが稠密に形成された中央部３ａと、設計通りの面積を有する外周部３ｂとを備えたスタック３−１を生成することができる。このようなスタック３−１を生成することにより、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が、中央部３ａと外周部３ｂとで均等に流れるので、その熱流が外周部３ｂを貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのを防ぐことができる。結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。
【００７１】
このような方法により製造したスタック３−１を、上述した第１の実施の形態における熱音響エンジンに用いることにより、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００７２】
［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と、スタックの製造方法が異なるものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、その説明を適宜省略する。
【００７３】
第２の実施の形態でも説明したように、従来の切削加工法などでは、有機物に多数の貫通孔を稠密に形成することが困難であった。そこで、本実施の形態では、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、有機系高分子材料からなる多数の細管５０１を束ねた後、これらを熱融着させることで設計した孔径の貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−２を作成する。この詳細について以下に説明する。
【００７４】
初めに、図８Ａに示すような細管５０１を多数用意する。本実施の形態において、細管５０１は、熱可塑性ポリイミドからなり、外径が０．９［ｍｍ］、内径が０．６［ｍｍ］、軸方向の長さが３０［ｍｍ］の円筒形の細管を用意した。
なお、本実施の形態では、細管５０１としてガラス転移温度が高い熱可塑性ポリイミドを用いた場合を例に説明するが、自励振動開始温度が低い熱音響装置を用いる場合には、ガラス転移温度が低い熱可塑性高分子を用いるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００７５】
このような多数の細管５０１を軸線が互いに平行とした状態で糸などにより束ねた構造体５０２を形成した後、図８Ｂに示すように、一端が閉鎖され、径方向の断面が管２と同等の円柱状の収納容器５０３に、その構造体５０２を、細管５０１の軸線と収納容器５０３の軸線とを平行とした状態で収納する。このとき、収納容器５０３には、可能な限り多数の細管５０１が収納される。これにより、細管５０１は、隣り合う細管５０１と圧接した状態で、収納容器５０３に収納されることとなる。
【００７６】
なお、本実施の形態では、糸などによって多数の細管５０１を稠密に束ねた構造体５０２を形成する場合を例に説明するが、構造体５０２を形成せずに、細管５０１を直接収納容器５０３に収納するようにしてもよい。この場合には、できる限り多くの細管５０１を、収納容器５０３に稠密に配設すればよい。
【００７７】
構造体５０２が収納容器５０３に収納されると、この構造体をヒータなどにより細管５０１の軟化点付近まで加熱し、この状態を所定時間維持した後、冷却する。これにより、構造体５０２に含まれる細管５０１は、隣り合う細管５０１と圧接しているので、加熱した後に冷却されることにより、隣り合う細管５０１と溶着されることとなる。
【００７８】
多数の細管５０１が溶着されると、この構造体５０２を収納容器５０３から取り出す。これにより、図８Ｃに示すように、有機系高分子から構成され、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−２が形成される。
【００７９】
これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−２を生成することができる。このスタック３−２は、第１，第２の実施の形態で生成されるスタック３，３−１とは異なり、外周部３ｂが形成されないので、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が貫通孔３０１ａが形成された領域のみを流れるため、その熱流が貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのをより効果的に防ぐことができる。結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。
【００８０】
このような方法により製造したスタック３−２を、上述した第１の実施の形態における熱音響エンジンに用いることにより、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００８１】
［第４の実施の形態］
次に、本発明に係る第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と、スタックの製造方法が異なるものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、その説明を適宜省略する。
【００８２】
第１の実施の形態でも説明したように、従来のレーザ加工法などでは、有機物に多数の貫通孔を稠密に形成することが困難であった。そこで、本実施の形態では、図９Ａ〜図９Ｅに示すように、ガラスからなる多数の細管６０１を束ねて熱融着した後、端部を加熱してその軸線方向に引っ張ることで、設計した孔径の貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−３を作成する。この詳細について以下に説明する。
【００８３】
初めに、図９Ａに示すような細管６０１を多数用意する。本実施の形態において、細管６０１は、ガラスからなり、外径が１．５［ｍｍ］、内径が１．１［ｍｍ］、軸方向の長さが１０［ｍｍ］の円筒形の細管を用意した。
なお、本実施の形態では、最終的にスタック３−３に形成される貫通孔３０１ａの径が、後述するように細管６０１の延伸比によって決定されるので、その延伸比によっては、内径が１［ｍｍ］以上や毛細管現象が発現しない程度の比較的大きな細管６０１を用いるようにしてもよい。
【００８４】
このような多数の細管６０１を軸線が互いに平行とした状態で束ねた第１の構造体６０２を形成した後、図９Ｂに示すように、一端が閉鎖され、径方向の断面が管２と同等の円柱状の収納容器６０３に、その第１の構造体６０２を、細管６０１の軸線と収納容器６０３の軸線とを平行とした状態で収納する。このとき、収納容器６０３は、可能な限りの数量の細管６０１が収納される。これにより、細管６０１は、隣り合う細管６０１と圧接した状態で、収納容器６０３に収納されることとなる。
【００８５】
なお、本実施の形態においても、糸などによって多数の細管６０１を稠密に束ねた構造体６０２を形成する場合を例に説明するが、構造体６０２を形成せずに、細管６０１を直接収納容器６０３に収納するようにしてもよい。この場合には、できる限り多くの細管６０１を、収納容器６０３に稠密に配設すればよい。
【００８６】
第１の構造体６０２が収納容器６０３に収納されると、この構造体をヒータなどにより細管６０１の軟化点付近まで加熱し、この状態を所定時間維持した後、冷却する。これにより、細管６０１は、隣り合う細管６０１と圧接しているので、加熱した後に冷却されることにより、隣り合う細管６０１と溶着されることとなる。
【００８７】
第１の構造体６０２に含まれる多数の細管６０１が溶着されると、その第１の構造体６０２を収納容器６０３から取り出す。そして、第１の構造体６０２の一方の端部をバーナなどにより軟化点以上まで加熱したのち、図９Ｃに示すように、その一方の端部を他方の端部から離間する方向に引っ張る。これにより、図９Ｄに示すように、細管６０１の軸線方向に延伸した第２の構造体６０４が生成される。この延伸した第２の構造体６０４における細管６０１の孔径は、第２の構造体６０４を延伸させればさせるほど、小さくなる。具体的には、その細管６０１の孔径は、細管６０１の半径方向における、第１の構造体６０２の外径と、第２の構造体６０４の外径との比に正比例する。したがって、第１の構造体６０２の一端を引っ張る距離を、細管６０１の半径方向におけるその第１の構造体６０２の径に応じて適宜設定することにより、所望とする貫通孔３０１ａを形成することができる。
【００８８】
延伸した第２の構造体６０４を形成すると、この第２構造体６０４を、ダイシングソーなどにより所定の長さに切断するとともに、その切断面を研磨する。これにより、図９Ｅに示すように、ガラスから構成され、微細な貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−３が形成される。
【００８９】
これにより、設計通りの微細な孔径を有する貫通孔３０１ａが稠密に形成されたスタック３−３を生成することができる。このスタック３−３は、第１，第２の実施の形態で生成されるスタック３，３−１とは異なり、外周部３ｂが形成されないので、高温熱源から低温熱源へと流れる熱流が貫通孔３０１ａが形成された領域のみを流れるため、その熱流が貫通熱として直接伝わって、熱エネルギーから作業流体１０の振動エネルギーへの変換に対して熱損失となるのをより効果的に防ぐことができる。結果として、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。
【００９０】
このような方法により製造したスタック３−３を、上述した第１の実施の形態における熱音響エンジンに用いることにより、本実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。
【００９１】
なお、上述した各実施の形態では、細管が円筒から形成される場合を例に説明したが、細管の形状は円筒に限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、楕円筒、正三角筒、四角筒、五角筒、六角形筒などにしてもよい。これに伴って、貫通孔３０１ａの断面形状についても、例えば、正六角形、正五角形、正三角形、正方形、楕円形、長方形などにしてもよい。ここで、細管の断面形状を多角形にする場合には、各辺の長さは同一でなくてもよい。また、細管の形状は、全て同一でなくてもよい。そのように、細管の形状を適宜設定して、多数の細管を束ねることにより、スタックの貫通孔３０１ａの内壁面を多数形成することが可能となるので、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００９２】
また、上述した各実施の形態では、スタックが円柱の形状を有する場合を例に説明したが、スタック３の形状は円柱に限定されず、例えば、楕円柱、三角柱、角柱、五角柱、六角柱、八角柱など、中央部に貫通孔が形成可能な形状であるならば各種形状を適用することができる。
【００９３】
また、本実施の形態では、スタックの材料としてガラスやポリイミドなどを用いた場合を例に説明したが、上述した各実施の形態における製造方法により微細な貫通孔が稠密に形成されたスタックを形成できる熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料であるならば、各種材料を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、熱音響装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１…熱音響エンジン、２…管、３，３−１〜３−３…スタック、３ａ…中央部、３ｂ…外周部、４…高温側熱交換器、５…低温側熱交換器、６…高温熱源、７…低温熱源、３０１，４０１，５０１，６０１…細管、３０１ａ…貫通孔、３０２，４０２，５０２…構造体、３０３，４０３，５０３，６０３…収納容器、３０４…ガラス、４０３…光硬化性樹脂、４０５…紫外線、６０２…第１の構造体、６０４…第２の構造体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置されて、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックであって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管が稠密に配設された構造体を備え、
複数の前記細管は、複数の前記貫通孔を構成する
ことを特徴とする熱音響装置用スタック。
【請求項２】
前記細管は、ポリイミドおよびガラスの一方から構成される
ことを特徴とする請求項１記載の熱音響装置用スタック。
【請求項３】
前記構造体の周囲に形成され、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる外周部をさらに備え、
この外周部は、前記貫通孔の軸線方向に垂直な方向における断面積が、当該垂直な方向における前記構造体および前記外周部の断面積の合計の１０％以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載の熱音響装置用スタック。
【請求項４】
前記貫通孔は、正六角形、正三角形、正方形、および、長方形のうち何れか１つの断面形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱音響装置用スタック。
【請求項５】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を、前記管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器の内部に稠密に収納する第１のステップと、
前記内部空間に溶融した熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料を流し込んで固化させる第２のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
【請求項６】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を、紫外線を透過させる材料からなり、前記管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器の内部に稠密に収納する第１のステップと、
前記内部空間に紫外線硬化樹脂を流し込む第２のステップと、
前記収納容器に紫外線を照射して、前記紫外線硬化樹脂を固化させる第３のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
【請求項７】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に配設した第１の構造体を形成する第１のステップと、
前記第１の構造体を加熱して冷却することにより、隣接する前記細管同士を溶着させる第２のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
【請求項８】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に配設した第１の構造体を形成する第１のステップと、
前記第１の構造体を加熱して冷却することにより、隣接する前記細管同士を溶着させた第２の構造体を形成する第２のステップと、
前記細管の軸線方向における前記第２の構造体の一端を加熱し、当該一端を引っ張った後冷却することにより、前記第２の構造体を前記軸線方向に延伸させる第３のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
【請求項１】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置されて、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックであって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管が稠密に配設された構造体を備え、
複数の前記細管は、複数の前記貫通孔を構成する
ことを特徴とする熱音響装置用スタック。
【請求項２】
前記細管は、ポリイミドおよびガラスの一方から構成される
ことを特徴とする請求項１記載の熱音響装置用スタック。
【請求項３】
前記構造体の周囲に形成され、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる外周部をさらに備え、
この外周部は、前記貫通孔の軸線方向に垂直な方向における断面積が、当該垂直な方向における前記構造体および前記外周部の断面積の合計の１０％以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載の熱音響装置用スタック。
【請求項４】
前記貫通孔は、正六角形、正三角形、正方形、および、長方形のうち何れか１つの断面形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱音響装置用スタック。
【請求項５】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を、前記管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器の内部に稠密に収納する第１のステップと、
前記内部空間に溶融した熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料を流し込んで固化させる第２のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
【請求項６】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を、紫外線を透過させる材料からなり、前記管の内部形状に対応した内部空間を有する収納容器の内部に稠密に収納する第１のステップと、
前記内部空間に紫外線硬化樹脂を流し込む第２のステップと、
前記収納容器に紫外線を照射して、前記紫外線硬化樹脂を固化させる第３のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
【請求項７】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に配設した第１の構造体を形成する第１のステップと、
前記第１の構造体を加熱して冷却することにより、隣接する前記細管同士を溶着させる第２のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
【請求項８】
一方向に沿った複数の貫通孔を備え、管の内部に作業流体とともに配置され、前記作業流体の熱音響自励振動によって前記貫通孔に沿って流れる熱エネルギーと前記管内の作業流体の振動エネルギーとを変換する熱音響装置用スタックの製造方法であって、
熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を超えない材料からなる複数の細管を稠密に配設した第１の構造体を形成する第１のステップと、
前記第１の構造体を加熱して冷却することにより、隣接する前記細管同士を溶着させた第２の構造体を形成する第２のステップと、
前記細管の軸線方向における前記第２の構造体の一端を加熱し、当該一端を引っ張った後冷却することにより、前記第２の構造体を前記軸線方向に延伸させる第３のステップと
を有することを特徴とする熱音響装置用スタックの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２２９８９２（Ｐ２０１２−２２９８９２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９９５５５（Ｐ２０１１−９９５５５）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
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