特許 6178735 熱・音波変換部品、熱・音波変換器、及び熱・音波変換部品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6178735

(24)【登録日】2017年7月21日

(45)【発行日】2017年8月9日

(54)【発明の名称】熱・音波変換部品、熱・音波変換器、及び熱・音波変換部品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20170731BHJP

   F03G 7/00 20060101ALI20170731BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 Z

   F03G7/00 B

   F03G7/00 C

【請求項の数】15

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-23594(P2014-23594)

(22)【出願日】2014年2月10日

(65)【公開番号】特開2015-152181(P2015-152181A)

(43)【公開日】2015年8月24日

【審査請求日】2016年10月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000165

【氏名又は名称】グローバル・アイピー東京特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】宮入 由紀夫

(72)【発明者】

【氏名】三輪 真一

【審査官】 庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０２８３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９２３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４９２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０２５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８９２１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２３４８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１２６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２０１６２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２５２８１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４１１４３８０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｆ０３Ｇ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

音波が伝播する流体と、前記流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品であって、
音波の伝播経路を形成する一方向に延在した複数の貫通孔と、前記貫通孔の周りに形成され、前記貫通孔の延在方向に延びる壁と、を備え、
前記貫通孔は水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔を含み、
前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上であって、
前記熱・音波変換部品は、第１の層と第２の層とが前記貫通孔の延在方向に、交互に積層された多層構造体であり、前記第１の層の気孔率は、０％または前記第２の層の気孔率に比べて小さく、前記壁に、前記延在方向に沿って前記第１の層と前記第２の層が交互に設けられ、
前記熱・音波変換部品における前記延在方向における構造体としての熱伝導率は２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下である、ことを特徴とする熱・音波変換部品。

【請求項2】

前記第２の層は、前記第１の層と異なる材料で構成されている、請求項１に記載の熱・音波変換部品。

【請求項3】

前記第１の層は、金属層を含む、請求項１または２に記載の熱・音波変換部品。

【請求項4】

前記第２の層は、前記第１の層の金属の酸化物層を含む、請求項３に記載の熱・音波変換部品。

【請求項5】

前記第２の層は、セラミックス層を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品。

【請求項6】

前記第２の層の気孔率は１０％〜５０％である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品。

【請求項7】

前記熱伝導率は、前記第１の層の材料の熱伝導率の２０％以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品。

【請求項8】

前記多層構造体の前記貫通孔を囲む前記壁の内壁面には、セラミックスコート層が設けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品。

【請求項9】

音波が伝播する流体と、前記流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品の製造方法であって、
複数の貫通孔の開口部が両側の主表面に設けられた複数の金属板を形成する工程と、
前記金属板それぞれの前記主表面に粗面化処理を施す工程と、
前記粗面化処理後、前記複数の金属板を、前記開口部同士が同じ位置に揃うように位置決めして積層することにより金属板集合体を形成する工程と、
前記金属板集合体を熱圧着して、隣接する金属板間に気孔を有する層を形成する工程と、を含むことを特徴とする熱・音波変換部品の製造方法。

【請求項10】

前記金属板は、ステンレス鋼で構成され、
前記金属板集合体を熱圧着するとき、前記金属板の温度は１０５０〜１１５０℃である、請求項９に記載の熱・音波変換部品の製造方法。

【請求項11】

音波が伝播する流体と、前記流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品の製造方法であって、
複数の貫通孔の開口部が両側の主表面に設けられた複数の金属板を形成する工程と、
前記金属板それぞれの前記主表面にセラミックス素材を塗布する工程と、
前記セラミックス素材を塗布後、前記複数の金属板を、前記開口同士が同じ位置に揃うように位置決めして積層することにより金属板集合体を形成する工程と、
前記金属板集合体を熱処理して、隣接する金属板間にセラミックス層を形成する工程と、を含むことを特徴とする熱・音波変換部品の製造方法。

【請求項12】

さらに、作製した前記熱・音波変換部品を、セラミックス粉末を分散させたスラリ中に、浸漬することにより、前記貫通孔を囲む前記壁の内壁面にセラミックスコート層を形成する工程、を有する請求項９〜１１のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品の製造方法。

【請求項13】

前記熱・音波変換部品は、音波の伝播経路を形成する一方向に延在した複数の貫通孔と、前記貫通孔の周りに形成され、前記貫通孔の延在方向に延びる壁と、を備え、
前記貫通孔は、水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔を含み、
前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上であって、
前記熱・音波変換部品は、前記貫通孔の延在方向に、第１の層と、第２の層とが交互に積層された多層構造体であり、前記第１の層の気孔率は、０％または前記第２の層の気孔率に比べて小さく、前記壁に、前記延在方向に沿って前記第１の層と前記第２の層が交互に設けられ、
前記熱・音波変換部品における前記延在方向における構造体としての熱伝導率は２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下である、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品の製造方法。

【請求項14】

流体の音波エネルギを、前記流体に接する壁の熱を用いて増幅する熱・音波変換部品を備えた熱・音波変換器であって、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品、あるいは請求項９〜１３のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品の製造方法により製造された熱・音波変換部品と、
前記流体の音波の伝播経路を形成し、前記熱・音波変換部品の前記貫通孔の延在方向に沿って前記音波が伝播するように、前記音波を前記貫通孔に導く導管と、
前記熱・音波変換部品の両端に設けられ、前記熱・音波変換部品の前記両端の間で前記延在方向に沿って温度勾配を形成させる一対の熱交換部と、を有し、
前記導管は、前記温度勾配を用いて音波エネルギが増幅された音波を出力し、出力した音波を用いて、前記増幅した音波エネルギを別のエネルギに変換する変換器に接続される出力端を有する、ことを特徴とする熱・音波変換器。

【請求項15】

流体に接する壁に、前記流体の音波エネルギを用いて温度勾配をつくる熱・音波変換部品を備えた熱・音波変換器であって、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品、あるいは請求項９〜１３のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品の製造方法により製造された熱・音波変換部品と、
前記流体の音波の伝播経路を形成し、前記熱・音波変換部品の前記貫通孔の延在方向に沿って前記音波が伝播するように、前記音波を前記貫通孔に導く導管と、
前記熱・音波変換部品の一方の端に設けられた一定の温度を有する熱交換部と、
前記熱・音波変換部品の他方の端に設けられる熱出力部であって、前記音波の伝播によって、前記熱交換部との間で前記熱・音波変換部品上に形成される温度勾配から、前記熱交換部の温度と温度差を有する温度を取り出す熱出力部と、を有することを特徴とする熱・音波変換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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

【背景技術】

【0002】

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

【0003】

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

【0004】

このような熱・音響システムに用いる熱・音波変換部品として、小型化に伴ってより高い周波数でも低温度差で自励振動できる熱音響装置用スタックが知られている（特許文献１）。
当該熱音響装置用スタックは、複数の貫通孔が形成されており、熱伝導率が１０［Ｗ／ｍ・Ｋ］未満の材料から構成されている。これにより、スタックの長さを短くしても温度勾配をスケーリング（比例縮小）することが可能となるので、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を低くすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−２３７２９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記スタックでは、臨界温度勾配を達成するのに必要な高温側熱交換器の温度を効率よく低くすることができる。
しかし、現在、音波と熱との間のエネルギ変換の効率は依然として低いため、流体中の音波と、流体と接する壁の熱との間で効率よくエネルギ変換を行うことがよりいっそう求められている。音波と熱との間のエネルギ変換の効率をより向上させるためには、貫通孔に沿った壁の温度勾配が維持できるように、壁の貫通孔に沿った熱伝導率を低く抑えること、エネルギ変換を行うための音波が伝播する流体と壁との間の接触面積を広くすること、及び音波の伝播の障害とならないようにするために、多数の貫通孔を平行に精度よく作製することが好ましい。

【0007】

そこで、本発明は、流体と壁との間の接触面積が広く、多数の貫通孔を設けることができる構成であって、音波が伝播する流体と、この流体と接する壁との間で、音波と熱のエネルギ変換を効率よく行うことができる熱・音波変換部品、熱・音波変換器、及び熱・音波変換部品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】

【0008】

本発明の一態様は、音波が伝播する流体と、前記流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品である。当該熱・音波変換部品は、
音波の伝播経路を形成する一方向に延在した複数の貫通孔と、前記貫通孔の周りに形成され、前記貫通孔の延在方向に延びる壁と、を備える。
前記貫通孔は水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔を含み、
前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上である。
さらに、前記熱・音波変換部品は、第１の層と第２の層とが前記貫通孔の延在方向に、交互に積層された多層構造体であり、前記第１の層の気孔率は、０％または前記第２の層の気孔率に比べて小さく、前記壁に、前記延在方向に沿って前記第１の層と前記第２の層が交互に設けられ、前記熱・音波変換部品における前記延在方向における構造体としての熱伝導率は２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下である。

【0009】

前記第２の層は、前記第１の層と異なる材料で構成されている、ことが好ましい。

【0010】

前記第１の層は、金属層を含む、ことが好ましい。

【0011】

前記第２の層は、前記第１の層の金属の酸化物層を含む、ことが好ましい。

【0012】

あるいは、前記第２の層は、セラミックス層を含む、ことも好ましい。

【0013】

前記第２の層の気孔率は１０％〜５０％である、ことが好ましい。

【0014】

前記熱伝導率は、前記第１の層の材料の熱伝導率の２０％以下である、ことが好ましい。

【0015】

さらに、前記多層構造体の前記貫通孔を囲む前記壁の内壁面には、セラミックスコート層が設けられている、ことが好ましい。

【0016】

本発明の他の一態様は、音波が伝播する流体と、前記流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品の製造方法である。当該製造方法は、
複数の貫通孔の開口部が両側の主表面に設けられた複数の金属板を形成する工程と、
前記金属板それぞれの前記主表面に粗面化処理を施す工程と、
前記粗面化処理後、前記複数の金属板を、前記開口部同士が同じ位置に揃うように位置決めして積層することにより金属板集合体を形成する工程と、
前記金属板集合体を熱圧着して、隣接する金属板間に気孔を有する層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

【0017】

前記金属板は、ステンレス鋼で構成され、前記金属板集合体を熱圧着するとき、前記金属板の温度は１０５０〜１１５０℃である、ことが好ましい。

【0018】

本発明のさらに他の一態様も、音波が伝播する流体と、前記流体と接する壁との間で、音波のエネルギを熱のエネルギに変換する、あるいは熱のエネルギを音波のエネルギに変換する熱・音波変換部品の製造方法である。当該製造方法は、
複数の貫通孔の開口部が両側の主表面に設けられた複数の金属板を形成する工程と、
前記金属板それぞれの前記主表面にセラミックス素材を塗布する工程と、
前記セラミックス素材を塗布後、前記複数の金属板を、前記開口同士が同じ位置に揃うように位置決めして積層することにより金属板集合体を形成する工程と、
前記金属板集合体を熱処理して、隣接する金属板間にセラミックス層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

【0019】

さらに、作製した前記熱・音波変換部品を、セラミックス粉末を分散させたスラリ中に、浸漬することにより、前記貫通孔を囲む前記壁の内壁面にセラミックスコート層を形成する工程、を有することが好ましい。

【0020】

前記熱・音波変換部品において、
前記熱・音波変換部品は、音波の伝播経路を形成する一方向に延在した複数の貫通孔と、前記貫通孔の周りに形成され、前記貫通孔の延在方向に延びる壁と、を備え、
前記貫通孔は、水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔を含み、
前記熱・音波変換部品における前記複数の貫通孔の開口率は６０％以上であって、
前記熱・音波変換部品は、前記貫通孔の延在方向に、第１の層と、第２の層とが交互に積層された多層構造体であり、前記第１の層の気孔率は、０％または前記第２の層の気孔率に比べて小さく、前記壁に、前記延在方向に沿って前記第１の層と前記第２の層が交互に設けられ、
前記熱・音波変換部品における前記延在方向における構造体としての熱伝導率は２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下である、ことが好ましい。

【0021】

本発明のさらに他の一態様は、流体の音波エネルギを、前記流体に接する壁の熱を用いて増幅する熱・音波変換部品を備えた熱・音波変換器である。当該熱・音波変換器は、
前記熱・音波変換部品、あるいは、前記熱・音波変換部品の製造法により製造された前記熱・音波変換部品と、
前記流体の音波の伝播経路を形成し、前記熱・音波変換部品の前記貫通孔の延在方向に沿って前記音波が伝播するように、前記音波を前記貫通孔に導く導管と、
前記熱・音波変換部品の両端に設けられ、前記熱・音波変換部品の前記両端の間で前記延在方向に沿って温度勾配を形成させる一対の熱交換部と、を有する。
前記導管は、前記温度勾配を用いて音波エネルギが増幅された音波を出力し、出力した音波を用いて、前記増幅した音波エネルギを別のエネルギに変換する変換器に接続される出力端を有する。

【0022】

本発明のさらに他の一態様は、流体に接する壁に、前記流体の音波エネルギを用いて温度勾配をつくる熱・音波変換部品を備えた熱・音波変換器である。当該熱・音波変換器は、
前記熱・音波変換部品、あるいは、前記熱・音波変換部品の製造法により製造された前記熱・音波変換部品と、
前記流体の音波の伝播経路を形成し、前記熱・音波変換部品の前記貫通孔の延在方向に沿って前記音波が伝播するように、前記音波を前記貫通孔に導く導管と、
前記熱・音波変換部品の一方の端に設けられた一定の温度を有する熱交換部と、
前記熱・音波変換部品の他方の端に設けられる熱出力部であって、前記音波の伝播によって、前記熱交換部との間で前記熱・音波変換部品上に形成される温度勾配から、前記熱交換部の温度と温度差を有する温度を取り出す熱出力部と、を有する。

【発明の効果】

【0023】

上述の態様の熱・音波変換部品、熱・音波変換器によれば、流体と壁との間の接触面積が広く、多数の貫通孔を設けることができる構成であり、音波が伝播する流体と、この流体と接する壁との間で、音波と熱のエネルギ変換を効率よく行うことができる。また、熱・音波変換部品の製造方法により、上記熱・音波変換部品を精度よく作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本実施形態の熱・音波変換部品を適用した本実施形態の熱・音波変換器の構成の一例を示す図である。

【図2】図１に示す熱・音波変換器とは別の実施形態である熱・音波変換器の構成の一例を示す図である。

【図3】本実施形態の熱・音波変換部品の一例の外観斜視図である。

【図4】（ａ），（ｂ）は、熱・音波変換部品における音圧エネルギと熱エネルギとの間の変換を説明する図である。

【図5】本実施形態における熱・音波変換部品の製造に用いる金属板の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本実施形態の熱・音波変換部品、熱・音波変換器、及び熱・音波変換部品の製造方法について詳細に説明する。

【0026】

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

【0027】

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

【0028】

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

【0029】

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

【0030】

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

【0031】

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

【0032】

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

【0033】

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

【0034】

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

【0035】

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

【0036】

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

【0037】

（熱・音波変換部品）
熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２は同一の構成を有するので、熱・音波変換部品１２を代表して説明する。図３は、熱・音波変換部品１２の外観斜視図である。
熱・音波変換部品１２は、波の伝播経路を形成する一方向に延在した複数の貫通孔１２ａと、貫通孔１２ａの周りに形成され、貫通孔１２ａの延在方向（図３中のＸ方向）に延びる壁１２ｂと、を備える。図３では、壁１２ｂは、簡略化して線で記されている。
熱・音波変換部品１２のＸ方向の長さは、導管１４内に形成させる音波の波長や流体の振動による縦変位に応じて設定され、例えば１０ｍｍ以上５００ｍｍ未満であることが好ましい。この範囲にあるとき、音波の縦振動による流体要素の変位に一致し、効率のよいエネルギ変換を実現できる。

【0038】

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

【0039】

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

【0040】

一方、予め温度勾配を壁１２ｂに与えていない場合には、流体要素の圧縮過程で高温になった流体要素から熱が壁１２ｂへ供給され、流体要素の膨張過程では壁１２ｂから熱を奪うので、図４（ｂ）と反対の温度勾配が壁１２ｂ内に形成される。すなわち、熱・音波変換部品１１２は、熱・音波変換部品１１２に伝播する音波の音圧エネルギによって形成される温度勾配を用いて、低い温度あるいは高い温度を取り出すことができる。例えば、壁１２ｂには位置Ｉと位置ＩＩとの間で、音波によって温度勾配が形成されるので、位置Ｉあるいは位置ＩＩのうちいずれか一方の位置を一定の温度に調整したとき、この温度勾配から一定の温度に対して温度差を持った温度を他方の位置で取り出すことができる。すなわち、熱・音波変換部品１１２は、熱・音波変換部品１１２に伝播する音波の音圧エネルギによって形成される温度勾配を用いて、低い温度あるいは高い温度を取り出すことができる。
以上のようなサイクルを１サイクルとして複数サイクルを繰り返し行うために、循環経路３６，１３６を形成することが好ましい。
なお、上記説明では、進行波を例に挙げて説明した。進行波は、流体の圧縮及び膨張のサイクルと、流体要素の変動のサイクルが４分の１周期ずれている。このため、音波と熱のエネルギ変換が実現される。これに対して、定在波では、流体の圧縮及び膨張のサイクルと、流体要素の変動のサイクルが同位相であるため、エネルギ変換は発生し難い。しかし、定在波の場合、流体と壁との間でエネルギ変換を行うときに生じる変換の遅れを利用するために、音波の周波数を設定することにより、上記変換を実現することができる。定在波の波長は、導管１４，１１４あるいは循環経路３６，１３６の長さに応じて定まり、この波長によって音波の周波数は定まるので、音波の周波数の設定は、導管１４，１１４あるいは循環経路３６，１３６の長さを調整することにより行われる。なお、エネルギ変換の遅れは、流体の熱伝導度、流体の密度、流体の定圧比熱、及び貫通孔の大きさによって定まる。

【0041】

このような熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の機能を効率よく実現するためには、音波と熱との間のエネルギの変換が、複数の箇所で行われることが好ましく、しかも、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２上に温度勾配が安定して形成されることが好ましい。
この点で、本実施形態の熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の音波を伝播する貫通孔は水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔を含み、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における複数の貫通孔の開口率は６０％以上である。水力直径が０．４ｍｍ以下の貫通孔の数は、音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における音波を伝播する貫通孔全体の数の８０％以上であることが好ましく、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の音波を伝播する貫通孔の水力直径はいずれも０．４ｍｍ以下であることが最も好ましい。さらに、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における貫通孔の延在方向における構造体としての熱伝導率は２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下である。このような熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２は、図３に示すように、貫通孔１２ａの延在方向に、気孔のない第１の層１３ａと、気孔を有する第２の層１３ｂとが交互に積層された多層構造体であり、貫通孔を囲む壁に、貫通孔の延在方向に沿って第１の層１３ａと第２の層１３ｂが交互に設けられている。
第２の層１３ｂは、気孔を有するので、第１の層１３ａの熱伝導率が高くても、第２の層１３ｂの気孔を調整することにより、第１の層１３ａと第２の層１３ｂが交互に配置された壁の、貫通孔の延在方向における構造体としての熱伝導率を２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下にすることができる。壁の延在方向における材料の熱伝導率は５［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下にすることが好ましい。上記熱伝導率を低くするのは、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２に形成される温度勾配を適切に維持するためである。熱伝導率が大きい場合、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の両端間において、温度勾配によって熱が流れて温度勾配の勾配が穏やかになり、音波と熱のエネルギ変換が低くなる。上記熱伝導率の下限は、例えば０．２［Ｗ／ｍ／Ｋ］である。

【0042】

なお、上記熱伝導率は、以下の温度傾斜法（定常法）で求められる。すなわち、上記熱伝導率を測定しようとするテストサンプルを熱伝導率が既知のスペーサで挟み、その片面を３０℃〜２００℃に加熱し、反対面を２０〜２５℃に冷却することにより、テストサンプルの厚さ方向に定常状態の温度勾配を設ける。このとき伝播する熱流量をスペーサ内の温度勾配より求め、この熱流量を温度差で割り算して熱伝導率を算出する。より具体的には、径３０ｍｍ、 厚さ３０ｍｍの熱・音波変換部品１２あるいは熱・音波変換部品１１２をテストサンプルとし、径３０ｍｍ、 長さ１５０ｍｍのステンレス、または銅製のスペーサを用い、スペーサ内軸方向の温度分布を測定することにより、貫通孔の延在方向に沿った熱伝導率を測定する。この方法により、構造体としての熱伝導率λｓが測定される。材料の熱伝導率λｍは、開口率がＲoである場合、λｓ／（１−Ｒo ）によって計算される。このときの開口率は 貫通孔に垂直な断面の貫通孔に垂直な断面（研磨面）を顕微鏡で撮影し、このときの断面の撮影画像から、材料部分面積Ｓ１と空隙部分面積Ｓ２を求め、Ｓ１とＳ２を用いてＳ２／（Ｓ１＋Ｓ２）として求められる。ここでいう材料は、貫通孔は除外されるが、気孔は除外されない。

【0043】

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

【0044】

熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２では、第１の層１３ａは気泡を有さない（気孔率が０％）が、気孔を有してもよい。この場合、第１の層１３ａの気孔率は、第２の層１３ｂの気孔率よりも小さい。熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２では、第１の層１３ａと第２の層１３ｂとを交互に積層した多層構造体とするが、第２の層１３ｂは、第１の層１３ａと異なる材料で構成することにより、貫通孔の延在方向における熱伝導率を十分に低下することができる。第１の層１３ａの厚さは、例えば５０〜１０００μｍであり、第２の層１３ｂの厚さは５〜１００μｍである。したがって、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の貫通孔に沿った長さを１０ｍｍとするには、第１の層１３ａと第２の層１３ｂがそれぞれ５〜２００層用いられる。第１の層１３ａは、ステンレス鋼等の金属層を含んで構成されることが、貫通孔を精度よく形成する点で好ましい。なお、上記金属層の材料は、ステンレス鋼以外に、炭素鋼、純鉄、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロムまたはこれらの合金、または、コバルト、マンガンとの合金であってもよく、これらに限らない。第２の層１３ｂは、第１の層のステンレス鋼等の金属の酸化物を含んで構成されることが、熱伝導率の高い第２の層を形成する点で好ましい。酸化物の気孔率は１０％〜５０％であることが、上述の熱伝導率の数値範囲を満足しつつ、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２を容易に作製することができる点で好ましい。このような構成は、例えば、後述するように、金属の第１の層１３ａとなる金属板に貫通孔を設けるとともに、金属板の主表面を粗面化処理して、複数の金属板を作製し、この複数の金属板同士を積層して熱圧着することにより、金属板間に気孔を有する金属の酸化物の層を形成することができる。この金属の酸化物の層が第２の層１３ｂである。
気孔率は、測定対象となる材料領域の貫通孔に垂直な断面を走査型電子顕微鏡で撮影し、このときの断面の撮影画像から、貫通孔の空隙を除く隔壁内の細孔（気孔）の空隙部分の面積の総和Ｓpと、貫通孔の空隙を除く隔壁部分の全面積Ｓwより、気孔率＝Ｓp/ (Ｓw ＋Ｓp)として、求められる。気孔率が場所によってばらつく場合、１０箇所の異なる位置の断面から求めた気孔率の平均値とすればよい。

【0045】

また、第２の層１３ｂは、セラミックス層を含んでいることが、熱伝導率を低くする点で好ましい。また、セラミックス層の気孔率は１０％〜５０％であることが、上述の熱伝導率の数値範囲を満足しつつ、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２を容易に作製することができる点で好ましい。セラミックス層には、例えば、ジルコニアを主成分とするセラミックスが用いられる。このような構成は、例えば、後述するように、金属の第１の層１３ａとなる貫通孔の設けられた金属板の主表面に、セラミックス素材を塗布した後、金属板を積層して熱処理することにより、セラミックスを焼結させてセラミックス層を第２の層１３ｂとして形成することができる。

【0046】

また、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の貫通孔の延在方向における構造体としての熱伝導率を、第１の層１３ａの材料の熱伝導率の２０％以下とすることが好ましく、より好ましくは１％以下である。また、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の貫通孔の延在方向における構造体としての熱伝導率は、例えば、第１の層１３ａの材料の熱伝導率の０．１％以上である。このような熱伝導率は、第２の層１３ｂの材料の種類、厚さ、及び気孔率によって調整することができる。

【0047】

貫通孔の密度（セル密度）は、１６００ｃｐｓｉ（１平方インチ当たりの貫通孔の数（セル数））以上であり、９０００ｃｐｓｉ以下であることが好ましい。貫通孔の密度を高くすることで、流体と熱・音波変換部品１２との間で生じする流体損失を抑制することができる。
また、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における４００℃における壁１２ｂの材料の熱容量を３［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］（壁１２ｂの１ｃｃ当たりの熱容量）以上とすることが好ましい。これにより、壁と流体との間の熱の授受によって壁の温度が変動することを抑えることができ、温度勾配を安定して維持することができる。壁１２ｂの材料の熱容量が３［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］未満である場合、壁１２ｂと流体との間の熱の授受によって、壁の温度は急激に冷え、あるいは急激に大きくなるため、上記熱容量を３［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］未満とすることは、温度勾配を安定して維持する上で好ましくない。上記熱容量の上限は、例えば６［Ｊ／ｃｃ／Ｋ］である。
熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の壁１２ｂにおける材料の４００℃での熱容量は、具体的には、上記材料を切断・粉砕して粉末状または小片の集合体にした材料をサンプルとして、断熱型熱量計を用いて投入熱と温度上昇の関係から求められる。
また、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における２０℃〜８００℃間の貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は、６［ｐｐｍ／Ｋ］以下であることが好ましい。これにより、熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の熱応力を小さくして熱歪みによる破壊を抑制することができる。熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２における２０℃〜８００℃間の貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は、３［ｐｐｍ／Ｋ］以下であることがより好ましい。上記熱膨張率の下限は、例えば１［ｐｐｍ／Ｋ］である。なお、貫通孔の延在方向に沿った熱膨張率は、ＪＩＳ Ｒ１６１８−２００２に記載される「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に準拠して求められる。

【0048】

熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２の多層構造体の貫通孔を囲む壁１２ｂの内壁面には、セラミックスコート層が設けられていることが、壁１２ｂの表面から内部に向けて熱が拡散するのを防止する点で、好ましい。すなわち、セラミックスコート層を設けることにより、第１の層１３ａの位置における貫通孔の延在方向と直交する方向の熱伝導率を例えば３０％以上、好ましくは４０％以上低下させることができる。例えば、第１の層１３ａにオーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合の材料の熱伝導率は概略１６［Ｗ／ｍ／Ｋ］であるが、開口率８０％の構造体としての熱伝導率は３．２［Ｗ／ｍ／Ｋ］となる。コージェライトからなるセラミックス層を壁１２ｂの表面に１０μｍの厚さで形成することにより、第１の層１３ａ貫通孔の延在方向と直交する方向の構造体としての熱伝導率を２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下にすることができる。

【0049】

熱・音波変換部品１２及び熱・音波変換部品１１２に備える貫通孔の断面形状は、例えば、三角形、四角形、六角形を含む多角形状である。あるいは、この多角形状を組み合わせた形状である。貫通孔１２ａと接する壁１２ｂの内壁面には、貫通孔１２ａの断面の内側に向かって突出した図示されないリブが貫通孔１２ａの延在方向に沿って設けられていることが好ましい。リブを壁１２ｂの内壁面に設けることにより、音波を伝播させる流体と壁１２ｂとの間の接触面積を広くすることができる。このため、音圧エネルギと熱エネルギと間の変換効率を高めることができる。

【0050】

（熱・音波変換部品の製造方法）
上述した熱・音波変換部品１２，１１２の製造方法について以下説明する。図５は、熱・音波変換部品１２，１１２の製造方法に用いる金属板１００の一例を示す図である。

【0051】

まず、複数の貫通孔の開口部が両側の主表面に設けられた金属板１００を複数形成する。金属板１００は、フォトエッチングを用いて形成される。具体的には、例えば厚さ０．１ｍｍ以下の金属板を洗浄した後、フォトレジスト膜を金属板の両主表面に貼り付ける。その後、最終部品である金属板１００の貫通孔の開口部に対応した開口および位置決めのピン孔を再現した加工パターンを有するフィルムあるいはガラスの原版を、フォトレジスト膜が貼り付けられた金属板の上に密着させ、露光、現像して、金属板の上にマスクを形成する。その後、マスクの形成された金属板の主表面にエッチング液を吹き付けてエッチングをした後、マスクを除去することにより、貫通孔の開口部及びピン孔を有する金属板１００を得る。

【0052】

次に、形成した複数の金属板１００それぞれの主表面に粗面化処理を施す。粗面化処理は、例えば、プレス成形型を用いて機械的に凹凸形状に加工処理して、あるいはフォトエッチングを用いて表面処理をして、あるいはプラズマを用いて表面処理をして、あるいはサンドブラストを用いて表面を処理して、金属板１００の主表面を粗くする。このように金属板１００の主表面の粗面化処理を行うのは、後述するように、複数の金属板１００を積層して熱圧着したとき、金属板１００の間に気孔を有する金属の酸化物層を第２の層１３ｂとして形成するためである。このとき、金属板１００の部分は第1の層１３ａとなる。したがって、第２の層１３ｂの気孔率は、金属板１００の主表面の表面粗さの程度、すなわち粗面化処理における加工処理や表面処理の強弱によって調整される。なお、粗面化処理を施す金属板１００の面は、両側の主表面であっても、片側の主表面のみであってもよい。第２の層１３ｂの気孔率を調整するために、積層する金属板１００の主表面同士の表面凹凸を調整できれば、両側の主表面を粗面化処理してもよく、片側の主表面のみを粗面化処理してもよい。

【0053】

次に、粗面化処理後の複数の金属板を、貫通孔の開口部同士が略同じ位置に揃うように位置決めして積層することにより金属板集合体を形成する。具体的には、金属板１００に形成されたピン孔（図示されず）にピンを通すことにより、貫通孔の開口部同士が略同じ位置に揃うように複数の金属板１００が位置決めされた状態で、複数の金属板１００を積層する。これにより、金属板集合体が形成される。

【0054】

次に、金属板集合体を熱圧着して、隣接する金属板間に気孔を有する層を形成する。これにより熱・音波変換部品１２，１１２が作製される。金属板集合体の熱圧着は、例えば水素雰囲気中の炉内で、所定の温度で行う。例えば、金属板１００がオーステナイト系ステンレス鋼等のステンレス鋼である場合、金属板１００の温度は１０５０〜１１５０℃であることが好ましく、例えば１１００℃、１５分間の条件で、例えば３００〜２０００気圧の圧力を加えて金属板集合体を圧着させる。

【0055】

本実施形態では、主表面に粗面化処理を施した金属板１００を熱圧着するが、粗面化処理する代わりに、粗面化処理を施すことなく、金属板を積層した金属板集合体を、上記熱圧着における温度よりも３０〜５０℃低下した温度の条件で、金属板集合体を熱処理することにより、隣接した第１の層１３ａの間に気孔を有する第２の層１３ｂが設けられた熱・音波変換部品１２，１１２を作製することもできる。

【0056】

また、本実施形態では、金属板１００の主表面に粗面化処理を施し、金属板１００同士を熱圧着することにより、隣り合う第１の層１３ａの間に気孔を有する第２の層１３ｂを形成したが、第２の層１３ｂは、セラミックス層を含んでもよい。この場合、粗面化処理を金属板１００の主表面に施す代わりに、金属板１００の主表面にセラミックス素材を塗布した後、金属板１００を積層した金属板集合体を熱処理して、セラミックス素材を焼結させることもできる。
この場合、以下の手順に従って、熱・音波変換部品１２，１１２が作製される。まず、複数の貫通孔の開口部が両側の主表面に設けられた複数の金属板１００を形成する。この後、金属板１００それぞれの主表面にセラミックス素材を塗布する。セラミックス素材を塗布後、複数の金属板を、開口同士が略同じ位置に揃うように位置決めして積層することにより金属板集合体を形成する。この後、金属板集合体を熱処理して、隣接する金属板間にセラミックス層を形成する。これにより熱・音波変換部品１２，１１２が作製される。セラミックス素材には、例えばジルコニアを主成分とするセラミックス材が用いられる。

【0057】

こうして作製された熱・音波変換部品１２，１１２を、さらに、セラミックス粉末を分散させたスラリ中に、浸漬することにより、熱・音波変換部品１２，１１２の貫通孔を囲む壁１２ｂの内壁面にセラミックスコート層を形成することが、貫通孔の水力直径を小さくでき、また貫通孔に沿う方向の構造体としての熱伝導率を低減できる点で好ましい。セラミックコート層は、例えばジルコニア、アルミナ、コージェライト、セリア、ムライト、アルミニウムチタネートの材料からなる。金属板１００に用いる金属としては、ステンレス鋼以外に、炭素鋼、純鉄、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロムまたはこれらの合金、または、コバルト、マンガンとの合金であってもよく、これらに限らない。

【0058】

このように、本実施形態の製造方法では、貫通孔を多数設けた複数の金属板を用いて積層構造体である熱・音波変換部品１２，１１２を作製することができるので、精度の高い寸法を持つ貫通孔を多数備えた熱・音波変換部品１２，１１２を効率よく作製することができる。

【0059】

（実験例）
本実施形態の熱・音波変換部品における流体と壁との間のエネルギ変換を調べるために、種々の熱・音波変換部品を作製した。
エネルギの変換効率の算出のために、図１に示す熱・音波変換器１０の出力端１４ａにおいて、リニア発電機により音波を電気に変換し、その発電量Ｗ［Ｊ／秒］を測定した。一方、高温度側熱交換器における本システムへの投入熱量Ｑ（Ｊ／秒）を、高温側の熱変換部の入り口、出口間のガスの温度差（ΔＴ）と その流量Ｍ（ｋｇ／秒）とガスの比熱Ｃｐ（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）よりＱ＝ ΔＴ・Ｃｐ・Ｍとして求めた。変換効率ηは、η＝Ｗ／Ｑとして求めた。変換効率は、２０％以上を合格品とした。
熱・音波変換部品１２のＸ方向の長さは３０ｍｍとし、導管１４内にヘリウムガスを密封し、１０気圧とした。熱・音波変換部品１２の、低温部１５側の端は６０℃となり、高温部２３側の端は５００℃となるように、低温部１５及び高温部２３の温度を定めた。

【0060】

下記表１は、各仕様とそのときのエネルギの変換効率の結果を示す。表１中の水力直径、開口率、熱伝導率（貫通孔の延在方向の、構造体としての熱伝導率）は既に説明したパラメータである。第１の層１３ａは、厚さ１００μｍのステンレス鋼からなる金属板１００を用い、第２の層１３ｂは、気孔率が３０％となるように、粗面化処理を主表面に施した。第１の層１３ａ及び第２の層１３ｂがそれぞれ略３００層ある積層構造体である熱・音波変換部品１２を得た。さらに、第２の層１３ｂの厚さ、すなわち粗面化処理の深さ、及び第２の層１３ｂの気孔率を変化させることにより熱伝導率を変化させたサンプルを準備した。実施例１〜１０及び比較例１〜８の複数の貫通孔すべての水力直径は、下記表１に示す数値とした。実施例１１では、複数の貫通孔全体の数の２０％の数に当たる貫通孔の水力直径を０．３５ｍｍとし、残りの貫通孔の水力直径を０．５ｍｍとした。実施例１２では、複数の貫通孔全体の数の５０％の数に当たる貫通孔の水力直径を０．３５ｍｍとし、残りの貫通孔の水力直径を０．５ｍｍとした。実施例１３では、複数の貫通孔全体の数の８０％の数に当たる貫通孔の水力直径を０．３５ｍｍとし、残りの貫通孔の水力直径を０．５ｍｍとした。実施例１４では、複数の貫通孔全体の数の９０％の数に当たる貫通孔の水力直径を０．３５ｍｍとし、残りの貫通孔の水力直径を０．５ｍｍとした。

【0061】

【表1】

【0062】

表１に示される実施例１〜３と比較例１〜３との比較より、水力直径を０．４ｍｍ以下とすることにより、変換効率が合格レベルになることがわかる。また、実施例４〜６と比較例４〜６との比較より、貫通孔の開口率を６０％以上とすることにより、変換効率が合格レベルになることがわかる。また、実施例７〜１０と比較例７，８との比較により、貫通孔の延在方向における壁１２ｂの構造体としての熱伝導率を２［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下とすることにより、変換効率が合格レベルになることがわかる。特に、壁１２ｂの構造体としての熱伝導率を１［Ｗ／ｍ／Ｋ］以下とすることにより、変換効率が大幅に向上することがわかる。
また、実施例１１〜１４より、水力直径が４μｍ以下の貫通孔の数は多いほど変換効率は高く、貫通孔の全体の数の８０％以上であると変換効率の向上が大きくなることがわかる。

【0063】

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

【符号の説明】

【0064】

１０ 熱・音波変換器
１２，１１２ 熱・音波変換部品
１２ａ 貫通孔
１２ｂ 壁
１３ａ 第１の層
１３ｂ 第２の層
１４，１１４ 導管
１４ａ 出力端
１５ 熱交換部（低温部）
１６，２４，１１６，１２４ 供給管
１８，２６，１１８，１２６ 排出管
２０，２８，１２０，１２８ 環状管
２１，２９，１２１，１２９ 金属部材
２２，１２２ 冷却フィン
２３ 熱交換部（高温部）
３０ 加熱フィン
３２，１３２ 干渉材
３４，１３４ ケーシング
３６，１３６ 循環経路
４０ 変換装置
１１５ 熱出力部
１２３ 熱変換部
１３０ フィン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】