热声装置的制作方法

本发明的一个方面涉及一种热声装置，该热声装置采用热能和声能之间的转换。

背景技术：

近年来，提出了采用热声效应的热声装置，热声效应是热能和声能之间的转换现象。例如，jp-a-2008-101910(专利文献1)公开了一种热声装置，其中第一堆和第二堆被设置在环管内。第一堆夹在第一高温侧热交换器和第一低温侧热交换器之间。第二堆夹在第二高温侧热交换器和第二低温侧热交换器之间。在热声装置中，自激声波由第一堆中产生的温度梯度产生。第二低温侧热交换器能够被该声波冷却。

jp-a-2008-101910公开了一种技术，其中通过适当地设置环管的长度、被封闭在环管中的工作流体的状态、第一堆和第二堆的传导路径的直径等来提高堆中的热交换效率。

jp-a-2012-159266(专利文献2)公开了一种构造，其中用于阻挡移动气体的阻挡壁安装在形成有马达和制冷机的管中。阻挡壁被安装成能够伴随气体的振动而振动。气体的循环流动被阻挡壁阻止。作为结果，防止了由气体的循环流动造成的冷却不足。

jp-a-2011-127870(专利文献3)公开了一种热声发动机，该热声发动机包括：第一环管，其中设置有马达以将热能转换成声能；第二环管，其中设置有无源装置以将声能转换成热能；以及连接管，该连接管将第一环管和第二环管彼此连接。在连接管中设置有振动器，该振动器将第一环管的工作流体和第二环管的工作流体分离。振动器被构造成能够在工作流体的振动方向上振动。两种分离的工作流体和振动器以预定的共振频率振动。作为结果，以比由第一环管和第二环管的环路长度限定的频率低的频率产生声波。因此，获得与在如下情况下相同的效果，在该情况下，在第一环管和第二环管之间设置共振管，该共振管具有的长度等于或长于第一环管和第二环管的环长度的三倍由于具有这种长度的共振管因此变得不必要，因此热声发动机能够减小尺寸，并且声波衰减能够被减小。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：jp-a-2008-101910

专利文献2：jp-a-2012-159266

专利文献3：jp-a-2011-127870

技术实现要素：

技术问题

在上述现有技术中，能够振动的阻挡壁或振动器被设置在热声装置的管中。提供阻挡板以用于防止气体在环管中的循环。提供振动器以用于分离两个环管的气体，以控制振动。

本申请公开了一种通过在热声装置中的振动板来放大环管的声波的技术。

问题的解决方案

根据本发明的一个方面的热声装置，该热声装置包括：

环管；

第一堆，所述第一堆被设置在所述环管内，所述第一堆通过所述第一堆中的温度梯度在所述环管中产生声波；

第二堆，所述第二堆被设置在所述环管内，所述第二堆通过所述环管的所述声波在所述第二堆中产生温度梯度；

第一高温侧热交换器，所述第一高温侧热交换器被设置在所述第一堆的一个端部处，所述第一高温侧热交换器使所述第一堆的所述一个端部达到比所述第一堆的另一个端部高的温度；

第一低温侧热交换器，所述第一低温侧热交换器被设置在所述第一堆的所述另一个端部处，所述第一低温侧热交换器使所述第一堆的所述另一个端部达到比所述一个端部低的温度；

第二高温侧热交换器，所述第二高温侧热交换器被设置在所述第二堆的两个端部中离所述第一高温侧热交换器较近的端部处；

第二低温侧热交换器，所述第二低温侧热交换器被设置在所述第二堆的两个端部中离所述第一低温侧热交换器较近的端部处；和

第一振动板，所述第一振动板被设置在所述环管中，且被设置在所述第二堆的设有所述第二高温侧热交换器的所述端部和所述第一堆的所述一个端部之间，所述第一振动板在所述环管的轴向方向上振动。

发明的有益效果

根据本公开，环管的声波能够在热声装置中被放大。

附图说明

图1示出了根据实施例1的热声装置的构造示例。

图2是其中设置有第一振动板4的环管3的截面图。

图3示出了第一振动板4的布置示例。

图4示出了第一振动板4的另一个布置示例。

图5示出了第一振动板4的另一个布置示例。

图6是示出图1中所示的第一堆、第一高温侧热交换器和第一低温侧热交换器的构造示例的截面图。

图7是示出图1中所示的第一堆、第一高温侧热交换器和第一低温侧热交换器的另一个构造示例的截面图。

图8示出了根据实施例2的热声装置的构造示例。

图9示出了第二振动板的布置示例。

图10示出了第二振动板的另一个布置示例。

图11示出了第二振动板的另一个布置示例。

图12是示出第一振动板4的损失系数tanδ和热声装置的冷却效果之间的关系的测量结果的曲线图。

图13是示出第一振动板4的被驱动频率d和环管3的共振频率f的比率(d/f)与热声装置的冷却效果之间的关系的测量结果的曲线图。

图14示出了圆形薄膜振动板的固有模式和固有值的示例。

具体实施方式

根据本发明的一个方面的热声装置包括：环管；第一堆，所述第一堆被设置在所述环管内，所述第一堆通过所述第一堆中的温度梯度在所述环管中产生声波；第二堆，所述第二堆被设置在所述环管内，所述第二堆通过所述环管的所述声波在所述第二堆中产生温度梯度；第一高温侧热交换器，所述第一高温侧热交换器被设置在所述第一堆的一个端部处，所述第一高温侧热交换器使所述第一堆的所述一个端部达到比所述第一堆的另一个端部高的温度；第一低温侧热交换器，所述第一低温侧热交换器被设置在所述第一堆的所述另一个端部处，所述第一低温侧热交换器使所述第一堆的所述另一个端部达到比所述一个端部低的温度；第二高温侧热交换器，所述第二高温侧热交换器被设置在所述第二堆的两个端部中离所述第一高温侧热交换器较近的端部处；第二低温侧热交换器，所述第二低温侧热交换器被设置在所述第二堆的两个端部中离所述第一低温侧热交换器较近的端部处；和第一振动板，所述第一振动板被设置在所述环管中，且被设置在所述第二堆的设有所述第二高温侧热交换器的所述端部和所述第一堆的所述一个端部之间，所述第一振动板在所述环管的轴向方向上振动(第一构造)。

在第一构造中，由第一高温侧热交换器和第一低温侧热交换器在第一堆的一个端部和另一个端部处产生温度梯度。通过第一堆的温度梯度在环管中的工作流体中产生声波。由该声波在第二堆中产生温度梯度。由于该温度梯度，在第一低温侧热交换器的一侧上的第二堆的端部的温度变得低于在第一高温侧热交换器的一侧上的第二堆的端部的温度。例如，通过由第二堆的第二高温侧热交换器控制第二堆的高温侧端部的温度，能够将第二堆的低温侧端部的温度控制得较低。在这种情况下，在环管外部的冷却目标能够由第二低温侧热交换器冷却。在热声装置中，第一振动板被设置在设有第二堆的第二高温侧热交换器的所述端部和设有第一堆的第一高温侧热交换器的所述一个端部之间。通过在该位置处设置第一振动板，能够放大由第一堆的温度梯度产生的声波。作为结果，能够提高声能和热能之间的转换效率。这里，由第一振动板执行的声波的放大还包括声波衰减减小的情况。

在上述第一构造中，在所述第二堆的所述两个端部中设有所述第二高温侧热交换器的所述端部和所述第一振动板能够被设置在以一个位置为基准的第一距离的范围内，所述位置离所述第一堆的所述一个端部的距离是所述环管的管长度的一半。这里，所述第一距离对应于所述环管的一部分的长度，在所述部分中声波的振幅相对于所述声波的最大振幅为1/√2倍至1倍，所述声波是由所述第一堆的所述温度梯度在所述环管中产生的第一模式频率声波(第二构造)。

在第二构造中，第一振动板和第二堆的高温侧端部被设置在环管的一区段中，该区段对应于这样的位置：该位置到第一堆的高温侧的所述一个端部的距离是环管的管长度的一半。因此，能够进一步提高第一振动板的放大由第一堆的温度梯度产生的声波的效果。

上述“离所述第一堆的所述一个端部的距离是所述环管的管长度的一半”中的“距离”和“第一距离”是指环管的路径的距离。环管的路径的距离是指通过环管中的中心轴线的路径的距离。这同样适用于下面描述的“距离”。

在第一或第二构造中，在所述第二堆的所述两个端部中设有所述第二高温侧热交换器的所述端部和所述第一振动板之间的距离等于或小于所述环管的管长度的1/4(第三构造)。

在上述第三构造中，第一振动板被设置在一区段中，该区段到第二堆的高温侧端部的距离是环管长度的1/4。因此，能够进一步提高第一振动板的放大由第一堆的温度梯度产生的声波的效果。

在第一至第二构造中的任何一种构造中，热声装置可以进一步包括第二振动板，所述第二振动板被设置在所述环管中，且被设置在所述第二堆的所述两个端部中设有所述第二低温侧热交换器的所述端部和所述第一堆的所述另一个端部之间，所述第二振动板能够在所述环管的所述轴向方向上振动(第四构造)。由第一堆的温度梯度产生的声波能够被第二振动板进一步放大。

在上述第四构造中，第二振动板可以被设置在离所述第一堆的所述两个端部中设有所述第一低温侧热交换器的所述端部的第二距离内。这里，所述第二距离对应于所述环管的一部分的长度，在所述部分中声波的振幅相对于所述声波的最大振幅为1/√2倍至1倍，所述声波是由所述第一堆的所述温度梯度在所述环管中产生的第一模式频率声波(第五构造)。因此，能够由第二振动板进一步提高放大由第一堆的温度梯度产生的声波的效果。在第一堆的两个端部中设置有第一低温侧热交换器的端部和第二振动板之间的距离也能够等于或小于环管的管长度的1/4。在这种情况下，也能够提高第二振动板的声波放大效果。

在上述第一至第五构造中的任一种构造中，当所述第一振动板在25℃以共振频率振动时，损失系数tanδ能够满足0≦tanδ≦0.5(第六构造)。优选地，第一振动板的损失系数tanδ能够满足0≦tanδ≦0.2，并且能够更优选地满足0≦tanδ≦0.025。即，第一振动板的损失系数tanδ优选地为0.5或更小，更优选地为0.2或更小，并且进一步更优选地为0.025或更小。第一振动板的损失系数tanδ能够是0或更大。以这种方式，第一振动板的粘度降低，因此能够进一步提高由第一振动板提供的放大由第一堆的温度梯度产生的环管的声波的效果。

对于第二振动板，当第二振动板在25℃以共振频率振动时，损失系数tanδ2能够满足0≦tanδ2≦0.5。优选地，第二振动板的损失系数tanδ2能够满足0≦tanδ2≦0.2，并且能够更优选地满足0≦tanδ2≦0.025。即，第二振动板的损失系数tanδ2优选地为0.5或更小，更优选地为0.2或更小，并且进一步更优选地为0.025或更小。第二振动板的损失系数tanδ2能够是0或更大。因此，能够进一步提高第二振动板的声波放大效果。

在第一至第六构造中的任一种构造中，所述第一振动板的被驱动频率d和所述环管的共振频率f能够具有d/f≧0.8的关系(第七构造)。因此，能够进一步提高由第一振动板提供的放大由第一堆的温度梯度产生的环管的声波的效果。被驱动频率d是由环管的声波振动的第一振动板的频率。对于第二振动板，第二振动板的被驱动频率d2和环管的共振频率f能够具有d2/f≧0.8的关系。因此，能够进一步提高第二振动板的声波放大效果。被驱动频率d2是由环管的声波振动的第二振动板的频率。

在第一至第七构造中的任一种构造中，第一振动板能够由树脂或金属形成(第八构造)。由于第一振动板由树脂或金属形成，因此从声波放大效果的角度来看，第一振动板的粘度是适当的。因此，能够进一步提高由第一振动板提供的放大由第一堆的温度梯度产生的环管的声波的效果。第二振动板也能够由树脂或金属形成。因此，能够进一步提高第二振动板的声波放大效果。

在第一至第八构造中的任一种构造中，第一振动板可以被设置在离由所述第一堆的所述温度梯度在所述环管中产生的第一模式频率声波的波腹位置的第一距离内。这里，所述第一距离对应于所述环管的一部分的长度，在所述部分中声波的振幅相对于所述声波的最大振幅为1/√2倍至1倍，所述声波是由所述第一堆的所述温度梯度在所述环管中产生的第一模式频率声波(第九构造)。

在第九构造中，第一振动板被设置在环管的对应于由第一堆的温度梯度在环管中产生的第一模式频率声波的波腹位置的区段中。因此，能够进一步提高第一振动板的放大由第一堆的温度梯度产生的声波的效果。第一距离能够是环管的管长度的十分之一。在这种情况下，也能够提高第一振动板的声波放大效果。

第二振动板可以设置在离由第一堆的温度梯度在环管中产生的第一模式频率声波的波腹位置的第一距离内。因此，能够进一步提高第二振动板的声波放大效果。

在第一至第九构造中的任一种构造中，在所述第二堆的所述两个端部中设有所述第二高温侧热交换器的所述端部和所述第一振动板可以被设置在相反侧上，从而夹着位于离开所述第一堆的所述一个端部为所述环管的所述管长度的一半的位置(第十构造)。也就是说，位于离开第一叠堆的高温侧端部朝向第二叠堆的高温侧为环管的管长度的一半的位置可以被设置在第一振动板和第二堆的高温侧端部之间。因此，能够进一步提高第一振动板的放大由第一堆的温度梯度产生的声波的效果。

在第一至第十构造中的任一种构造中，第一振动板可以被设置在离所述第二堆比所述管中的一个路径的中央位置离所述第二堆近的位置处，所述路径是从所述第二堆的所述两个端部中设有所述第二高温侧热交换器的所述端部到所述第一堆的所述一个端部的路径(第十一构造)。因此，能够进一步提高第一振动板的放大由第一堆的温度梯度产生的声波的效果。

在下文中，将参照附图描述实施例。在附图中，相同或相对应的构造由相同的附图标记表示，并且将不再重复相同的描述。为了便于描述，在每一个图中，存在可以以简化或示意方式示出构造的情况，并且可以省略该构造的一部分。

(实施例1)

[热声装置的构造示例]图1示出了根据本实施例的热声装置的构造示例。热声装置10包括一个环管3，以及被设置在环管3中的第一堆13和第二堆23。工作流体被密封在环管3中。工作流体能够是例如空气、氮气、氦气、氩气或包括上述中的至少两种的混合气体。没有支管连接到环管3。

第一堆13包括穿过环管3的长度方向(也能够被称为轴向方向或管内路径方向)的多个传导路径13k。第二堆23也包括穿过环管3的长度方向的多个传导路径23k。传导路径13k和23k是工作流体的流动路径。即，工作流体能够在第一堆13和第二堆23中的传导路径13k和23k中移动。工作流体能够在环管3的长度方向上穿过第一堆13和第二堆23。堆也能够被称为蓄热器。

当第一堆13中的温度梯度超过临界点时，堆13中的工作流体振动。当第二堆23中的温度梯度超过临界点时，堆23中的工作流体振动。声波由工作流体的振动产生。作为结果，在环管3中的工作流体中产生包括驻波的声波。当第一堆13或第二堆23中的工作流体被环管3中的声波振动时，在第一堆13或第二堆23中产生温度梯度。在环管3的长度方向上，在第一堆13的一个端部(一个端部侧)13a和另一个端部(另一侧)13b之间产生温度梯度。类似地，在环管3的长度方向上，在第二堆23的一个端部(一个端部侧)23a和另一个端部(另一侧)23b之间产生温度梯度。以这种方式，第一堆13和第二堆23能够相互转换热能和声能。

例如，传导路径13k和23k能够通过在环管3的长度方向上延伸的多个壁形成在第一堆13和第二堆23中。在这种情况下，垂直于环管3的长度方向的多个壁的截面形状能够是例如网格形状。替代地，第一堆13和第二堆23能够具有这样的结构，其中在环管3的长度方向上延伸的柱体中设置有穿过相同的长度方向的多个孔。替代地，第一堆13和第二堆23能够具有这样的结构，其中平行地设置有在环管3的长度方向上延伸的多个中空柱，这些柱包括穿过环管3的长度方向的孔。在这种情况下，例如，通过使垂直于每一个柱的轴向方向的表面的截面为六边形，能够将柱平行设置，而其间没有间隙。即，第一堆13和第二堆23能够具有蜂窝结构。

例如，第一堆13和第二堆23能够由金属、陶瓷等制成。第一堆13和第二堆23优选地具有大量传导路径13k和23k。每一个传导路径13k或23k的、垂直于环管3的方向的截面的面积优选地充分小于环管3内部的相同截面的面积。第一堆13和第二堆23可以不必具有相同的构造。

在本实施例中，第一堆13的一个端部13a的温度高于另一个端部13b的温度，从而产生温度梯度。声波由第一堆13中的温度梯度在环管3中产生。通过由第一堆13中的温度梯度产生的声波在第二堆23中产生温度梯度。

热交换器14、24、12和22被分别设置在第一堆13和第二堆23的一个端部13a和23a处以及另一个端部13b和23b处。热交换器14、24、12和22在环管3的外部部分和第一堆13或第二堆23之间交换热量。在热声装置10的操作期间，在环管3中产生声波，并且在第一堆13的一个端部13a和另一个端部13b之间以及在第二堆23的一个端部23a和另一个端部23b之间产生温度梯度。在第一堆13的两个端部中，被设置在一个端部13a处的在热声装置10的操作期间具有较高温度的热交换器14被称为第一高温侧热交换器14，而被设置在另一个端部13b处的具有较低温度的热交换器12被称为第一低温侧热交换器12。在第二堆23的两个端部中，被设置在一个端部23a处的在热声装置10操作期间具有较高温度的热交换器24被称为第二高温侧热交换器24，而被设置在另一个端部23b处的具有较低温度的热交换器22被称为第二低温侧热交换器22。热交换器14、24、12和22可以不必与堆13或23的一个端部13a和23a或另一个端部13b和23b相连接。

第一高温侧热交换器14被设置在对应于第一堆13的一个端部13a的位置处。第一高温侧热交换器14可以包括例如被设置在环管3中的管内部分和被设置在环管3外部的管外部分。管内部分能够被构造成具有面向环管3中的第一堆13的一个端部13a的多个传导路径。管外部分能够被设置在环管3的外周表面上对应于第一堆13的一个端部13a的位置处。

第一低温侧热交换器12被设置在对应于第一堆13的另一个端部13b的位置处。第一低温侧热交换器12可以包括例如被设置在环管3中的管内部分和被设置在环管3外部的管外部分。管内部分能够被构造成具有面向环管3中的第一堆13的另一个端部13b的多个传导路径。管外部分能够被设置在环管3的外周表面上对应于第一堆13的另一个端部13b的位置处。以这种方式，第一高温侧热交换器14和第一低温侧热交换器12在环管3的长度方向上被设置在第一堆13的两个端部处。第一高温侧热交换器14和第一低温侧热交换器12被设置成将第一堆13夹在其间。

第一高温侧热交换器14通过来自环管3外部的热量加热第一堆13的一个端部13a。第一堆13的一个端部13a通过第一高温侧热交换器14达到比另一个端部13b更高的温度。第一高温侧热交换器14以导热方式连接到外部热源30。热源30的热量通过第一高温侧热交换器14传递到第一堆13的一个端部13a。

第一低温侧热交换器12通过在环管3的外部和第一堆13的另一个端部13b之间传导热量来调节第一堆13的另一个端部13b的温度。例如，第一低温侧热交换器12能够防止第一堆13的另一个端部13b的温度超过预定参考温度。第一堆13的另一个端部13b通过第一低温侧热交换器12达到比一个端部13a更低的温度。以这种方式，第一堆13的一个端部13a和另一个端部13b之间的温度梯度(温差)能够由第一高温侧热交换器14和第一低温侧热交换器12控制。

第一低温侧热交换器12、第一堆13，和第一高温侧热交换器14构成热声马达(热声发动机)，该热声马达将输入热量转换成工作流体的振动以产生声波。

在本实施例中，通过由第一堆13中产生的温度梯度产生的声波在第二堆23中产生温度梯度，并且第二堆23的另一个端部23b的温度低于一个端部23a的温度。第二高温侧热交换器24被设置在一个端部23a处，当由于第一堆13中的温度梯度而在第二堆23中产生温度梯度时，所述一个端部23a升高到高温。第二低温侧热交换器22被设置在另一个端部23b处，当由于第一堆13中的温度梯度而在第二堆23中产生温度梯度时，该另一个端部23b降低到低温。

换句话说，第二高温侧热交换器24被设置在第二堆23的两个端部中在第一高温侧热交换器14一侧上的端部(一个端部23a)处。第二低温侧热交换器22被设置在第二堆23的两个端部中在第一低温侧热交换器12一侧上的端部(另一个端部23b)处。这里，朝向第一高温侧热交换器14意味着在环管3中的路径中朝向第一高温侧热交换器14。也就是说，当从堆23的一个端部23a朝向第一高温侧热交换器14离开并沿着环管3中的路径行进时，在到达第一低温侧热交换器12之前首先到达第一高温侧热交换器14。类似地，朝向第一低温侧热交换器12意味着在环管3中的路径中朝向第一低温侧热交换器12。也就是说，当从堆23的另一个端部23b朝向第一低温侧热交换器12离开并沿着环管3中的路径行进时，在到达第一高温侧热交换器14之前首先到达第一低温侧热交换器12。

第二高温侧热交换器24被设置在对应于第二堆23的一个端部23a的位置处。第二高温侧热交换器24可以包括例如被设置在环管3中的管内部分和被设置在环管3外部的管外部分。管内部分能够被构造成具有面向环管3中的第二堆23的一个端部23a的多个传导路径。管外部分能够被设置在环管3的外周表面上对应于第二堆23的一个端部23a的位置处。

第二低温侧热交换器22被设置在对应于第二堆23的另一个端部23b的位置处。第二低温侧热交换器22可以包括例如被设置在环管3中的管内部分和被设置在环管3外部的管外部分。管内部分能够被构造成具有面向环管3中的第二堆23的另一个端部23b的多个传导路径。管外部分能够被设置在环管3的外周表面上对应于第二堆23的另一个端部23b的位置处。以这种方式，第二高温侧热交换器24和第二低温侧热交换器22在环管3的长度方向上被设置在第二堆23的两个端部处。第二高温侧热交换器24和第二低温侧热交换器22被设置成将第二堆23夹在其间。

第二高温侧热交换器24通过在环管3的外部和第二堆23的一个端部23a之间传导热量来调节第二堆23的一个端部23a的温度。例如，第二高温侧热交换器24能够将第二堆23的一个端部23a的温度保持恒定。

第二低温侧热交换器22吸收环管3外部的热量，并将热量提供给第二堆23的另一个端部23b。因此，环管3的外部被冷却。换句话说，第二低温侧热交换器22带走第二堆23的另一个端部23b的冷热量，另一个端部23b的温度通过第二堆23中产生的温度梯度而降低，并将冷热量传递到环管3的外部。第二低温侧热交换器22例如以导热的方式连接到环管3外部的冷却目标40。

第二低温侧热交换器22、第二堆23，和第二高温侧热交换器24构成热声热泵，该热声热泵从声波(工作流体的振动)产生温度梯度。

在图1中所示的构造中，热源30的热量通过第一高温侧热交换器14传递到第一堆13的一个端部13a。因此，第一堆13的一个端部13a被加热。通过在环管3的外部和第一堆13的另一个端部13b之间传导热量，第一低温侧热交换器12将第一堆13的另一个端部13b保持在预定的第一参考温度(例如，室温)以下。因此，第一堆13的一个端部13a的温度高于另一个端部13b的温度。也就是说，在第一堆13的一个端部13a和另一个端部13b之间产生温度梯度(温差)。

当第一堆13中的温度梯度超过临界点时，第一堆13中的工作流体振动并产生声波。第一堆13中的工作流体的振动被传递到环管3中的工作流体。因此，在环管3中产生声波。第二堆23的工作流体通过声波的振动而振动。第二堆23中的工作流体振动，并且在第二堆23中产生温度梯度(温度梯度)。也就是说，第二堆23的一个端部23a的温度高于另一个端部23b的温度。

通过在环管3的外部和第二堆23的一个端部23a之间传导热量，第二高温侧热交换器24将第二堆23的一个端部23a保持在预定的第二参考温度(例如，室温)以下。因此，在第二堆23中产生温度梯度，并且第二堆23的另一个端部23b的温度低于第二参考温度。也就是说，第二堆23的另一个端部23b被冷却。第二低温侧热交换器22将第二堆23的另一个端部23b的冷热量传递到环管3外部的冷却目标40。因此，冷却目标40被冷却。

振动板的构造示例

在现有技术中，气体的运动被阻挡壁阻挡，该阻挡壁将热声装置的环管中的工作流体分离(例如，参考jp-a-2012-159266)。优选的是：这种环管中的阻挡壁不干扰热声装置操作所需的声波的振动。阻挡壁被构造成能够振动而不干扰声波的振动。发明人研究了被设置在环管中的振动膜的各种构造，并且发现通过在环管中设置振动板，环管中的声波能够在某些条件下被放大。作为进一步研究的结果，发明人发现，通过在第一堆的高温侧端部和第二堆的高温侧端部之间的环管的路径上设置振动板，能够放大有助于热声装置的操作的环管中的声波。本实施例的热声装置10的构造基于这样的知识。

第一振动板4被设置在设置有第二高温侧热交换器24的第二堆23的一个端部23a和设置有第一高温侧热交换器14的第一堆13的一个端部13a之间。第一振动板4是能够在环管3的轴向方向(长度方向)上振动的板。第一振动板4由板状弹性体形成的。第一振动板4被设置在环管3中的第一堆13的一个端部13a和第二堆23的一个端部23a之间的环管3的路径k1上。通过将第一振动板4设置在该位置处，由第一堆13的温度梯度产生的环管3中的声波能够被第一振动板4放大。由第一堆的温度梯度产生的声波的频率通过被设置在该位置处的第一振动板4调节。因此，可以提高热声效应的效率。

在图1中所示的示例中，第一振动板4被设置在比从第一堆13的一个端部13a到第二堆23的一个端部23a的环管3中的路径k1的中心h的位置更靠近第二堆23的位置(路径k2上的位置)处。因此，能够通过第一振动板4提高声波放大效果。优选地，第一振动板4能够被设置在从第一堆13的一个端部13a到第二堆23的一个端部23a的环管3的路径k1中的位置处，该位置在路径k1的、第二堆23一侧的长度的四分之一内(路径k3上的位置)。

图2是在其中设置有第一振动板4的环管3的截面图。图2示出了第一振动板4和环管3在包括有环管3的中心轴线j的平面上的截面。如图2中所示，第一振动板4的端部被固定到环管3的内表面。第一振动板4的表面被设置成垂直于环管3的中心轴线j。第一振动板4能够在环管3的轴向方向(长度方向)上振动。在图2的示例中，在第一振动板4的中心部分(环管3的中心轴线j穿过的部分)处振幅w最大。

振动板布置位置

作为对第一振动板4的布置位置的深入研究的结果，发明人构思了下述第一振动板4的布置示例。

<第一振动板的布置示例1>

图3示出了第一振动板4的布置示例。为了使描述易于理解，图3将图1中所示的环管3线性地展开并示出。在图3中所示的布置示例中，设置第一振动板4和第二堆23的第二高温侧热交换器24的一个端部23a相对于位置t被设置在第一距离c1内，位置t到第一堆13的一个端部13a的距离是环管3的管长度l的一半(l/2)。第一距离c1能够是例如环管3的管长度l的十分之一(l/10)。发明人发现，通过以这种方式设置第一距离c1，能够进一步提高由第一振动板4放大由第一堆13的温度梯度产生的声波的效果。

第一距离c1也可以是环管3的管长度l的二十分之一(l/20)。因此，能够进一步提高第一振动板4的声波放大效果。第一振动板4以这样的方式设置，即在第二堆23的两个端部中设置有第二高温侧热交换器24的一个端部23a和第一振动板4之间的距离f1是环管3的管长度l的1/4或更小(即，f1≦l/4)。在该构造中，能够进一步提高第一振动板4的声波放大效果。优选地，距离f1能够等于或小于环管3的管长度l的1/8(即，f1≦l/8)。

<第一振动板的布置示例2>

图4示出了第一振动板4的另一个布置示例。为了使描述易于理解，图4将图1中所示的环管3线性地展开并示出。在图4的下部示出了由于堆12的温度梯度而在环管3中产生的第一模式频率声波tw的波形示例。在图4中所示的示例中，类似于图3，设置有第一振动板4和第二堆23的第二高温侧热交换器24的一个端部23a相对于位置t被设置在第一距离c1内，位置t到第一堆13的一个端部13a的距离是环管3的管长度l的一半(l/2)。

在图4中所示的布置示例中，第一距离c1由通过第一堆13的温度梯度产生的环管3的第一模式频率声波的形状确定。在图4中所示的示例中，第一距离c1是对应于环管3的连续区段的长度(距离)d1的距离(c1＝d1)，在该连续区段中由第一堆13的温度梯度在环管3中产生的第一模式频率声波的振幅ta在1/√2m至1m之间((1/√2)m≦ta≦m，m指最大振幅)。发明人发现，通过以这种方式设置第一距离c1，能够进一步提高由第一振动板4放大由第一堆13的温度梯度产生的声波的效果。

第一距离c1也可以是对应于环管3的连续区段的长度(距离)的距离，在该连续区段中由第一堆13的温度梯度在环管3中产生的第一模式频率声波的振幅ta在0.9m至1m之间(0.9m≦ta≦m，m指最大振幅)。

在图3和图4中所示的示例中，第二堆23的一个端部23a和第一振动板4被设置在相反侧，从而将位置t夹在它们之间，位置t到第一堆13的一个端部13a朝向第二堆23的一个端部23a的距离是环管3的管长度l的一半。发明人发现，通过以这种方式布置第一堆13、第二堆23，和第一振动板4，能够进一步提高由第一振动板4放大由第一堆13的温度梯度产生的声波的效果。

第二堆23的一个端部23a和第一振动板4两者都可以位于相对于位置t在同一侧上离位置t的第一距离c1内。

<第一振动板的布置示例3>

图5示出了第一振动板4的另一个布置示例。为了使描述易于理解，图5将图1中所示的环管3线性地展开并示出。在图5的下部示出了由于堆12的温度梯度而在环管3中产生的第一模式频率声波tw的波形示例。在图5中所示的布置示例中，第一振动板4被设置在距离由第一堆13的温度梯度在环管3中产生的第一模式频率声波的波腹位置u的第一距离c1内。在该示例中，波腹位置u是在第一模式频率声波的振幅最大的位置中离第一堆13更远的位置。

第一距离c1是对应于环管3的连续区段的长度d1的距离(c1＝d1)，在该连续区段中由第一堆13的温度梯度在环管3中产生的第一模式频率声波的振幅ta在1/√2m至1m之间((1/√2)m≦ta≦m，m指声波的最大振幅)。第一距离c1也可以是对应于环管3的连续区段的长度的距离，在该连续区段中声波的振幅ta在0.9m至1m之间(0.9m≦ta≦m，m指最大振幅)。发明人发现，通过以这种方式设置第一距离c1，能够进一步提高由第一振动板4放大由第一堆13的温度梯度产生的声波的效果。

在图5中，第一距离c1能够是例如环管3的管长度l的十分之一(l/10)，或者环管3的管长度l的二十分之一(l/20)。发明人发现，通过以这种方式设置距离声波的波腹u的第一距离c1，能够进一步提高由第一振动板4放大由第一堆13的温度梯度产生的声波的效果。

[堆端部]图6是示出图1中所示的第一堆13、第一高温侧热交换器14，和第一低温侧热交换器12的构造示例的截面图。在图6中所示示例中，第一低温侧热交换器12包括管内部分12b和管外部分12a。管内部分12b与环管3中的第一堆13的另一个端部13b相对地设置。管内部分12b包括穿过环管3的长度方向的多个传导路径。工作流体能够穿过传导路径。

管外部分12a在径向方向上包围第一堆13的另一个端部13b的外侧上的环管3的外周表面。管外部分12a包括包围环管3的外周表面的流动路径12c。流体5在流动路径12c中流动。流体5沿着环管3的外周表面的圆周方向流动。尽管在图中未示出，但是流动路径12c包括供流体5流入的入口和供流体5流出的出口。

第一高温侧热交换器14包括管内部分14b和管外部分14a。管内部分14b与环管3中的第一堆13的一个端部13a相对地设置。管内部分14b包括穿过环管3的长度方向的多个传导路径。工作流体能够穿过传导路径。管外部分14a在径向方向上包围第一堆13的一个端部13a的外侧上的环管3的外周表面。管外部分14a由诸如金属的导热体形成。

在图6中所示的示例中，第一堆13的一个端部13a是与第一高温侧热交换器14的管内部分14b相对的表面。第一堆13的另一个端部13b是与第一低温侧热交换器12的管内部分12b相对的表面。第二堆23也能够具有与图6中相同的构造。在这种情况下，第二堆23的一个端部23a是与第二高温侧热交换器24的管内部分相对的表面。第二堆23的另一个端部23b是与第二低温侧热交换器22的管内部分相对的表面。在第二堆23中，能够在第二高温侧热交换器24的管外部分中设置类似于图6中所示的流动路径12c的流动路径。

图7是示出图1中所示的第一堆13、第一高温侧热交换器14，和第一低温侧热交换器12的另一个构造示例的截面图。在图7中所示示例中，第一高温侧热交换器14和第一低温侧热交换器12不包括管内部分，并且由管外部分14a和12a构成。管外部分14a包围来自环管3的外周的部分，该部分从第一堆13的一个端部13a插入到第一堆13的内部。管外部分12a包围来自环管3的外周的部分，该部分从第一堆13的另一个端部13b插入到第一堆13的内部。

在图7中所示的构造中，在第一堆13在环管3的长度方向上的两个端面中，设置有第一高温侧热交换器14的端面是一个端部13a，而设置有第一低温侧热交换器12的端面是另一个端部13b。当第二堆23以与图7中相同的方式构造时，在第二堆23在环管3的长度方向上的两个端面中，设置有第二高温侧热交换器24的端面是一个端部23a，而设置有第二低温侧热交换器22的端面是另一个端部23b。

(实施例2)

图8示出了根据本实施例的热声装置的构造示例。图8中所示的热声装置10具有这样的构造，其中第二振动板6被添加到图1中所示的构造中。第二振动板6被设置在设置第二堆23的第二低温侧热交换器22的另一个端部23b和第一堆13的另一个端部13b之间的环管3中。第二振动板6能够在环管3的轴向方向(长度方向)上振动。第二振动板6由板状弹性体形成。第二振动板6被设置在第一堆13的另一个端部13b和第二堆23的另一个端部23b之间的环管3的路径k4上。通过将第二振动板6设置在该位置处，由第一堆13的温度梯度产生的环管3中的声波能够被第二振动板6进一步放大。

在图8中所示的示例中，第二振动板6被设置在比从第一堆13的另一个端部13b到第二堆23的另一个端部23b的环管3中的路径k6的中心h2的位置更靠近第一堆13的位置(路径k5上的位置)处。因此，能够通过第二振动板6提高声波放大效果。优选地，第二振动板6能够被设置在从第一堆13的另一个端部13b到第二堆23的另一个端部23b的环管3的路径k4中的位置处，该位置在路径k4的、第一堆13一侧的长度的四分之一内(路径k6上的位置)。

<第二振动板的布置示例1>

图9示出了第二振动板6的布置示例。为了使描述易于理解，图9将图8中所示的环管3线性地展开并示出。在图9中所示的布置示例中，第二振动板6被设置在距离设置第一堆13的第一低温侧热交换器12的另一个端部13b的第二距离c2内。第二距离c2能够是例如环管3的管长度l的四分之一(l/4)。也就是说，在第一堆13的另一个端部13b和第二振动板6之间的距离能够是环管3的管长度l的1/4或更小。发明人发现，通过以这种方式设置第二距离c2，能够进一步提高由第二振动板6放大由第一堆13的温度梯度产生的声波的效果。第二距离c2也可以是例如环管3的管长度l的八分之一(l/8)。因此，能够进一步提高第二振动板6的声波放大效果。更优选地，第二距离c2能够是例如环管3的管长度l的二十分之一(l/20)。

<第二振动板的布置示例2>

图10示出了第二振动板6的另一个布置示例。图10将图8中所示的环管3线性地展开并示出。在图10的下部示出了由于堆12的温度梯度而在环管3中产生的第一模式频率声波tw的波形示例。在图10中所示的示例中，类似于图9，第二振动板6被设置在距离第一堆13的另一个端部13b的第二距离c2内。

在图10中所示的布置示例中，第二距离c2由通过第一堆13的温度梯度产生的环管3的第一模式频率声波的形状确定。在图10中所示的示例中，第二距离c2是对应于环管3的连续区段的长度(距离)d1的距离(c2＝d1)，在该连续区段中由第一堆13的温度梯度在环管3中产生的第一模式频率声波的振幅ta在1/√2m至1m之间((1/√2)m≦ta≦m，m指声波的最大振幅)。发明人发现，通过以这种方式设置第二距离c2，能够进一步提高由第二振动板6放大由第二堆23的温度梯度产生的声波的效果。

第二距离c2也可以是对应于环管3的连续区段的长度的距离，在该连续区段中由第一堆13的温度梯度在环管3中产生的第一模式频率声波的振幅ta在0.9m至1m之间(0.9m≦ta≦m，m指最大振幅)。

<第二振动板的布置示例3>

图11示出了第二振动板6的另一个布置示例。为了使描述易于理解，图11将图8中所示的环管3线性地展开并示出。在图11的下部示出了由于堆12的温度梯度而在环管3中产生的第一模式频率声波tw的波形示例。在图11中所示的布置示例中，第二振动板6被设置在距离由第一堆13的温度梯度在环管3中产生的第一模式频率声波的波腹位置u2的第二距离c2内。在该示例中，波腹位置u2是在第一模式频率声波的振幅最大的位置u1和u2中更靠近第一堆13的位置。

第二距离c2是对应于环管3的连续区段的长度d1的距离(c2＝d1)，在该连续区段中由第一堆13的温度梯度在环管3中产生的第一模式频率声波的振幅ta在1/√2m至1m之间((1/√2)m≦ta≦m，m指声波的最大振幅)。第二距离c2也可以是对应于环管3的连续区段的长度的距离，在该连续区段中声波的振幅ta在0.9m至1m之间(0.9m≦ta≦m，m指声波的最大振幅)。发明人发现，通过以这种方式设置第二距离c2，能够进一步提高由第二振动板6放大由第一堆13的温度梯度产生的声波的效果。

在图11中，第二距离c2能够是例如环管3的管长度l的四分之一(l/4)，或者环管3的管长度l的八分之一(l/8)，或者环管3的管长度l的二十分之一(l/20)。发明人发现，通过以这种方式设置距离声波的波腹u2的第二距离c2，能够进一步提高由第二振动板6放大由第一堆13的温度梯度产生的声波的效果。

在图9至图11中所示的第二振动板6的布置示例1至3中，第一振动板4能够例如根据图3至图5中所示的第一振动板4的布置示例1至3中的任何一个来设置。在图9至图11中所示的第二振动板6的布置示例1至3中，第一振动板4和第二振动板6之间的距离e1能够是例如环管3的管长度l的一半。因此，能够通过添加第二振动板6进一步提高声波放大效果。

振动板材料

在实施例1和2中的第一振动板4和第二振动板6能够由例如金属或树脂形成。为了将由第一堆13的温度梯度产生的环管3的声波有效地放大，发明人对第一振动板4和第二振动板6的材料进行了各种研究。作为结果，从声波放大的角度来看，发现第一振动板4和第二振动板6优选地由诸如树脂或金属的低粘度材料制成，而不是由诸如橡胶的高粘度材料制成。

例如，当在25℃以共振频率振动时，第一振动板4的损失系数tanδ优选地满足0≦tanδ≦0.5。当第一振动板4由具有损失系数tanδ为0.5或更小的材料形成时，更容易获得第一振动板4的声波放大效果。损失系数tanδ更优选地满足0≦tanδ≦0.2，还更优选地满足0≦tanδ≦0.025。

类似地，当在25℃以共振频率振动时，第二振动板6的损失系数tanδ优选地满足0≦tanδ≦0.5。当第二振动板6由具有损失系数tanδ为0.5或更小的材料形成时，更容易获得第二振动板6的声波放大效果。损失系数tanδ更优选地满足0≦tanδ≦0.2，还更优选地满足0≦tanδ≦0.025。

图12是示出第一振动板4的损失系数tanδ和热声装置10的冷却效果之间的关系的测量结果的曲线图。在图12中所示的测量中，具有各种损失系数的振动板用作图1中所示的热声装置10的第一振动板4，以测量热声装置10的冷却效果。冷却效果由通过将在热声装置10操作期间第二低温侧热交换器22和第二高温侧热交换器24之间的温差除以预定参考温度而获得的值来表示。损失系数tanδ是指弹性损失模量g″/弹性储能模量g′，并且能够被认为是粘度和弹性的比值。损失系数tanδ使用动态粘弹性测量装置测量。也就是说，应力被输入到振动板，并且测量对输入应力的响应的相位差δ。损失系数tanδ是通过将这样的应力加到第一振动板4上(该应力使第一振动板4在25℃的气氛中以共振频率振动)来测量相对于第一振动板4的响应变形的输入应力的相位差而测量的。

从图12中所示的测量结果发现，当第一振动板4的损失系数tanδ在0≦tanδ≦0.025的范围内时，热声装置10的冷却效果特别好。当第一振动板4的损失系数tanδ为0.020或更小时，获得更好的冷却效果。

本发明人发现，当第一振动板4的被驱动频率d与环管3的共振频率f的比率(d/f)接近1时，由第一堆13的温度梯度产生的环管3的声波能够被有效地放大。例如，d/f的下限优选地满足d/f≧0.8，更优选地满足d/f≧0.85，并且还更优选地满足d/f≧0.9。d/f的上限例如优选地满足d/f≦1.1，并且更优选地满足d/f≦1.0。d/f的范围例如优选地满足1.1≧d/f≧0.8，并且更优选地满足1.0≧d/f≧0.85。

被驱动频率d是指由环管3的声波的振动来振动的第一振动板4的频率。例如，第一振动板4的共振频率能够被设置为接近环管3的共振频率f的值，以使得被驱动频率d和环管3的共振频率f之间的比率(d/f)接近1。例如，即使当第一振动板4的共振频率小于环管3的共振频率f时，第一振动板4的共振频率也能够以第一振动板4的共振频率的高谐波频率接近环管3的共振频率f的方式来设置。

类似于第一振动板4，第二振动板6的被驱动频率d2和环管3的共振频率f之间的比率(d2/f)优选地接近1。

图13是示出第一振动板4的被驱动频率d和环管3的共振频率f的比率(d/f)与热声装置10的冷却效果之间的关系的测量结果的曲线图。在图13中所示的测量中，在环管3的声波是基波的前提下，通过改变图1中所示的热声装置10的第一振动板4的构造来测量热声装置10的冷却效果。通过向第一振动板4输入各种频率的振动来测量第一振动板4的被驱动频率d。通过向环管3输入各种频率的振动来测量环管3的共振频率f。冷却效果由通过将在热声装置10操作期间第二低温侧热交换器22和第二高温侧热交换器24之间的温差除以预定参考温度而获得的值来表示。

在图13的测量结果中，环管3的共振频率f是环管3的第一模式频率。

从图13中所示的测量结果发现，第一振动板4的被驱动频率d和环管3的共振频率f之间的比率(d/f)优选地接近1。具体而言，d/f优选地满足1.0≧d/f≧0.8，更优选地满足1.0≧d/f≧0.85，并且还更优选地满足1.0≧d/f≧0.9。

振动板的共振频率

第一振动板4和第二振动板6的共振频率能够主要根据振动板的面积、厚度，和弯曲刚度来估计(计算)。环管3的共振频率能够主要根据环管3的管长度l来估计(计算)。例如，第一振动板4和第二振动板6的共振频率fns能够通过下面的等式1来计算。下面的等式1适用于振动板是圆形薄膜的情况。

等式1

r：圆形薄膜的半径

t：单位长度的恒定张力(n/m)

ρα：单位面积的质量

λns中的n：圆周方向的度数(节点直径数)

λns中的s：径向方向的度数(节点圆数)

图14示出了圆形薄膜振动板的固有模式和固有值λns的示例。在图14中，圆圈中的白色部分和阴影部分显示在不同相位的振动。例如，图14中所示的固有模式g1是对应于节点直径数n＝0和节点圆数s＝0的固有模式。在这种情况下，特征值λ00等于0.765。固有模式g2是对应于节点直径数n＝1和节点圆数s＝0的固有模式。在这种情况下，特征值λ10等于1.216。

如上所述，通过计算振动板的共振频率，很容易设计能够有效地放大环管中的声波的振动板。例如，通过结合实施例1中的第一振动板4的布置示例1至3和振动板的优选材料特征，能够有效地提高通过第一振动板4放大环管3的声波的效果。

不管第一振动板4的位置如何，通过使用上述优选示例作为第一振动板4的材料，能够实现通过第一振动板4放大环管3的声波的效果。例如，在另一个实施例中，具有与第一振动板4相同构造的振动板能够被设置在环管3中，环管3包括在第一高温侧热交换器14和第一低温侧热交换器12之间的第一堆13以及在第二高温侧热交换器24和第二低温侧热交换器22之间的第二堆23。在该构造中，当振动板在25℃以共振频率振动时，损失系数tanδ能够满足0≦tanδ≦0.5。优选地，振动板的损失系数tanδ能够是0.2或更小，更优选地0.025或更小。因此，无论振动板被设置在环管3中的何处，都能够获得通过振动板放大环管3中声波的效果。替代地，振动板的被驱动频率d和环管的共振频率f能够具有d/f≧0.8的关系。因此，能够获得通过振动板放大环管3中声波的效果。

尽管上面描述了本发明的实施例，但是本发明不限于上述实施例。堆13和23的构造不限于上述示例。例如，穿过第一堆13和第二堆23的管3的长度方向的多个传导路径13k和23k可以是弯曲的。

热声装置10使用第二堆的温度梯度来冷却环管外部的物体。热声装置的使用不限于冷却装置。例如，热声装置10能够是例如热声加热装置，该热声加热装置利用第二堆的温度梯度来加热环管外部的物体。

本申请基于2016年10月18日提交的日本专利申请特愿2016-204530，其内容以引用方式并入本文。

附图标记列表

10：热声装置

12：第一低温侧热交换器

13：第一堆

14：第一高温侧热交换器

22：第二低温侧热交换器

23：第二堆

24：第二高温侧热交换器

4：第一振动板

6：第二振动板