(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ループ管に第１スタックおよび第２スタックが設けられ、
前記第１スタックの一端に熱が導かれるとともに前記第１スタックの他端に冷却水が導かれることにより前記第１スタックが発振し、前記第１スタックが発振するとともに前記冷却水を前記熱で温水に加熱し、
前記加熱された温水が前記第２スタックの一端に導かれるとともに前記第２スタックの他端が冷却され、前記発振した第１スタックの振動が前記第２スタックに伝播されることにより前記第２スタックの一端に導かれた温水が加熱され、
前記加熱された温水の熱を回収する熱音響機関であって、
前記第１スタックの他端に前記冷却水を導く冷却水通路に、前記冷却水の流量を調整する流量調整手段を備え、
前記第１スタックの一端の温度と前記第１スタックの他端の温度の比が、
前記第２スタックの一端の温度と前記第２スタックの他端の温度との比と等しくなるように前記流量調整手段で前記冷却水の流量を調整することを特徴とする熱音響機関。
【請求項２】
前記発振した第１スタックの振動が前記第１スタックの一端から前記第２スタックの一端に伝播されるように、前記第１スタックおよび前記第２スタックが前記ループ管に設けられ、
前記第１スタックで加熱された温水を前記第２スタックの一端に導く温水通路が前記冷却水通路に連通されたことを特徴とする請求項１記載の熱音響機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１スタックに熱（排熱）を伝えることにより第１スタックを発振させ、第１スタックの振動をループ管内の気体を介して第２スタックに伝播して第２スタックを加熱する熱音響機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱源の熱（排熱）を回収する装置として熱音響機関が知られている。この熱音響機関は、気体を封入した配管（ループ管）にスタックや蓄熱体が設けられている。
さらに、スタックの両端に高温側熱交換器および低温側熱交換器が設けられ、蓄熱体の両端に高温側熱交換器および低温側熱交換器が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この熱音響機関で熱源の熱を回収する際には、スタックに設けた高温側熱交換器を熱源の熱（排熱）で加熱するとともに、スタックに設けた低温側熱交換器を冷却し、蓄熱体の低温側熱交換器を冷却する。
スタックの高温側熱交換器を加熱するとともに低温側熱交換器を冷却することによりスタックに自励的に振動が発生する。
【０００４】
スタックに発生した自励的な振動がループ管内の気体を介して蓄熱体側に伝播される。
ここで、蓄熱体の低温側熱交換器が冷却されている。これにより、スタックに発生した自励的な発振が蓄熱体側に伝播されることで高温側熱交換器を加熱して熱源の熱を回収することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−８８３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、熱音響機関に伝える熱源の熱（排熱）として、例えばエンジンの排熱やボイラーの排熱が考えられる。
よって、熱源の熱（排熱）は一様ではなく、様々な温度の熱が熱音響機関に伝えられる。このため、熱源から伝えられる様々な温度の熱（排熱）に対応させて、様々な温度の熱（排熱）を熱音響機関で有効に回収することは難しい。
【０００７】
本発明は、熱源から導かれた熱を有効に回収することができる熱音響機関を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、ループ管に第１スタックおよび第２スタックが設けられ、前記第１スタックの一端に熱が導かれるとともに前記第１スタックの他端に冷却水が導かれることにより前記第１スタックが発振し、前記第１スタックが発振するとともに前記冷却水を前記熱で温水に加熱し、前記加熱された温水が前記第２スタックの一端に導かれるとともに前記第２スタックの他端が冷却され、前記発振した第１スタックの振動が前記第２スタックに伝播されることにより前記第２スタックの一端に導かれた温水が加熱され、前記加熱された温水の熱を回収する熱音響機関であって、前記第１スタックの他端に前記冷却水を導く冷却水通路に、前記冷却水の流量を調整する流量調整手段を備え、前記第１スタックの一端の温度と前記第１スタックの他端の温度の比が、前記第２スタックの一端の温度と前記第２スタックの他端の温度との比と等しくなるように前記流量調整手段で前記冷却水の流量を調整することを特徴とする。
【００１１】
ここで、熱源から導かれた熱を有効に回収するためには、第１スタックの一端の温度（Ｔ１）と他端の温度（Ｔ２）の第１温度比（Ｔ１／Ｔ２）を、第２スタックの一端の温度（Ｔ３）と他端の温度（Ｔ４）との第２温度比（Ｔ３／Ｔ４）と等しくすることが好ましい。
すなわち、Ｔ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４の関係が成立することが好ましい。
【００１２】
そこで、請求項１において、流量調整手段で冷却水の流量を調整して、第１スタックの一端の温度（Ｔ１）と他端の温度（Ｔ２）の第１温度比（Ｔ１／Ｔ２）を、第２スタックの一端（Ｔ３）の温度と他端の温度（Ｔ４）との第２温度比（Ｔ３／Ｔ４）と等しくするようにした。
また、請求項２は、前記発振した第１スタックの振動が前記第１スタックの一端から前記第２スタックの一端に伝播されるように、前記第１スタックおよび前記第２スタックが前記ループ管に設けられ、前記第１スタックで加熱された温水を前記第２スタックの一端に導く温水通路が前記冷却水通路に連通されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明では、第１スタックの他端に冷却水を導く冷却水通路に冷却水の流量を調整する流量調整手段を備えた。
よって、流量調整手段を調整することにより、第１スタックの一端に導かれる熱に応じて冷却水の流量を好適に調整することができる。
これにより、第１スタックの一端側の温度に対応させて第１スタックの他端側の温度や第２スタックの一端の温度を好適に調整することが可能になり、熱源から導かれた熱を有効に回収することができる。
【００１５】
加えて、請求項１に係る発明では、第１スタックの他端に冷却水を導く冷却水通路に冷却水の流量を調整する流量調整手段を備えた。
よって、流量調整手段を調整することにより、第１スタックの一端に導かれる熱に応じて冷却水の流量を好適に調整することができる。
これにより、第１スタックの一端側の温度に対応させて第１スタックの他端側の温度や第２スタックの一端の温度を好適に調整することが可能になり、熱源から導かれた熱を有効に回収することができる。
また、請求項２に係る発明では、第１スタックの温水を第２スタックの一端に導く温水通路を冷却水通路に連通させた。
これにより、冷却水通路の流量調整手段を利用して、温水通路の温水を第２スタックの一端に円滑に導くことができ、構成の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る熱音響機関を示す断面図である。
【図２】図１の熱音響機関で熱を回収する例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００１８】
実施例１に係る熱音響機関１０について説明する。
図１に示すように、熱音響機関１０は、無端状に形成されたループ管１１と、ループ管１１内に収納されて外部から熱が供給される発振体（第１スタック）１２と、発振体１２の振動（音波）がループ管１１内の気体１３を介して伝播される蓄熱体（第２スタック）１４と、発振体１２に冷却水を導く冷却水通路１５と、冷却水通路１５に設けられた流量調整手段１６とを備えたループ管型熱音響機関である。
【００１９】
ループ管１１は、ステンレス鋼からなる円形断面の管であり、一対の縦管２５，２６および一対の横管２７，２８で略矩形枠状に形成されている。
このループ管１１には、窒素、ヘリウム、アルゴンやヘリウムおよびアルゴンの混合ガスなどの気体（不活性ガス）１３が封入されている。
【００２０】
発振体１２は、一対の縦管２５，２６のうち左側の縦管２５内に収納されている。
この発振体１２は、左側の縦管２５内に収納された第１スタック単体３１と、第１スタック単体３１の一端に設けられた第１高温側熱交換器（発振体１２の一端）３２と、第１スタック単体３１の他端に設けられた第１低温側熱交換器（発振体１２の他端）３３とを備えている。
【００２１】
第１スタック単体３１は、左側の縦管２５内に多数枚の薄板が格子状やハニカム状などに微少間隔で設けられることにより、左側の縦管２５内に対して平行に多数の微少通路が形成されている。
多数の薄板は、ステンレス鋼やセラミックスで形成された板材である。
【００２２】
第１高温側熱交換器３２は、多数枚の薄肉金属板が微少間隔で配設されたもので、内燃機関などの熱源１７に連結されている。
この第１高温側熱交換器３２は、熱源１７の熱（排熱）で温度（平均温度）Ｔ１に加熱されている。
【００２３】
第１低温側熱交換器３３は、第１高温側熱交換器３２と同様に、多数枚の薄肉金属板が微少間隔で配設されたもので、冷却水通路１５を介して冷却水供給源１８に連結されている。
冷却水通路１５の途中に流量調整手段１６が設けられている。
第１低温側熱交換器３３は、冷却水供給源１８から供給された冷却水の水温で温度（平均温度）Ｔ２に冷却されている。
【００２４】
流量調整手段１６は、冷却水通路１５内を流れる（導かれる）冷却水の流量を調整する手段である。
流量調整手段１６で冷却水の流量を調整することで、第１高温側熱交換器３２の温度Ｔ１と第１低温側熱交換器３３の温度Ｔ２の第１温度比（Ｔ１／Ｔ２）を、第２高温側熱交換器３６の温度（平均温度）Ｔ３と第２低温側熱交換器３７の温度（平均温度）Ｔ４との第２温度比（Ｔ３／Ｔ４）と等しくできる。
すなわち、温度Ｔ１〜Ｔ４は、Ｔ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４の関係が成立する。
加えて、温度Ｔ１〜Ｔ４は、Ｔ１＞Ｔ３≧Ｔ２＞Ｔ４の関係が成立する。
【００２５】
発振体１２は、第１高温側熱交換器３２が熱源１７の熱で温度Ｔ１に加熱されるとともに、第１低温側熱交換器３３が冷却水で温度Ｔ２に冷却されることで、第１スタック単体３１が発振するものである。
第１スタック単体３１が発振することにより、第１スタック単体３１の振動がループ管１１内の気体を介して蓄熱体１４に伝播される。
【００２６】
蓄熱体１４は、一対の縦管２５，２６のうち右側の縦管２６内に収納されている。
この蓄熱体１４は、右側の縦管２６内に収納された第２スタック単体３５と、第２スタック単体３５の一端に設けられた第２高温側熱交換器（蓄熱体１４の一端）３６と、第２スタック単体３５の他端に設けられた第２低温側熱交換器（蓄熱体１４の他端）３７とを備えている。
【００２７】
第２スタック単体３５は、右側の縦管２６内に多数枚の薄板が格子状やハニカム状などに微少間隔で設けられることにより、右側の縦管２６内に対して平行に多数の微少通路が形成されている。
多数の薄板は、ステンレス鋼やセラミックスで形成された板材である。
【００２８】
第２高温側熱交換器３６は、多数枚の薄肉金属板が微少間隔で配設されたもので、第１温水通路（温水通路）２１を介して第１低温側熱交換器３３に連通され、第２温水通路２２を介して貯湯槽２３に連通されている。
第１温水通路２１は、第１低温側熱交換器３３を介して冷却水通路１５に連通されている。
これにより、冷却水通路１５の流量調整手段１６を利用して、第１温水通路２１の温水を第２高温側熱交換器３６に円滑に導くことができ、構成の簡素化を図ることができる。
【００２９】
この貯湯槽２３は、熱音響機関１０で加熱された温水を貯えることにより、熱源１７の熱（排熱）を回収する槽である。
【００３０】
よって、冷却水通路１５から第１低温側熱交換器３３に冷却水が導かれ、第１低温側熱交換器３３で加熱された冷却水（温水）が第１温水通路２１を経て第２高温側熱交換器３６に導かれる。第２高温側熱交換器３６に導かれた温水は第２高温側熱交換器３６で加熱され、第２温水通路２２を経て貯湯槽２３に導かれる。
【００３１】
第２低温側熱交換器３７は、第２高温側熱交換器３６と同様に、多数枚の薄肉金属板が微少間隔で配設されたもので、冷却用のフィン３８が設けられている。
冷却用のフィン３８を用いて第２低温側熱交換器３７の熱を外気と熱交換することにより第２低温側熱交換器３７を温度Ｔ４に冷却する。
【００３２】
蓄熱体１４は、第２低温側熱交換器３７が冷却用のフィン３８で温度Ｔ４に冷却された状態で、発振体１２から振動（音波）が伝播されることにより、伝播された振動（音波）に基づいて第２スタック単体３５が振動して第２高温側熱交換器３６を温度Ｔ３に加熱するものである。
【００３３】
この熱音響機関１０は、発振体１２で発振した振動（音波）が第１高温側熱交換器３２からループ管１１内の気体１３を介して蓄熱体１４の第２高温側熱交換器３６に伝播するように発振体１２および蓄熱体１４がループ管１１内に収納されている。
【００３４】
つぎに、熱音響機関１０で熱源１７の熱（排熱）を貯える例を図２に基づいて説明する。
図２に示すように、発振体１２の第１高温側熱交換器３２に熱源１７の熱Ｑｉｎを導き、導いた熱Ｑｉｎで第１高温側熱交換器３２を温度Ｔ１に加熱する。
同時に、発振体１２の第１低温側熱交換器３３に冷却水供給源１８の冷却水を冷却水通路１５を経て矢印Ａの如く導く。導いた冷却水で第１低温側熱交換器３３を温度Ｔ２に冷却する。
【００３５】
第１高温側熱交換器３２を温度Ｔ１に加熱するとともに、第１低温側熱交換器３３を温度Ｔ２に冷却することで、発振体１２の第１スタック単体３１が発振する。
発振した振動（音波）が第１高温側熱交換器３２からループ管１１内の気体１３を介して蓄熱体１４の第２高温側熱交換器３６に矢印Ｂの如く伝播する。
このように、発振体１２の第１スタック単体３１が発振することで、熱源１７の熱量Ｑｉｎのうち所定量の熱量が音波（エネルギー）Ｗに変換される。
Ｗ＝［（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１］×Ｑｉｎ              ………（１）
【００３６】
一方、音波に変換されない残りの熱量Ｑ１は冷却水に伝えられ、冷却水が残りの熱量Ｑ１で温水に加熱される。
Ｑ１＝（Ｔ２／Ｔ１）×Ｑｉｎ                      ………（２）
第１低温側熱交換器３３で生成された温水は、第１温水通路２１を経て蓄熱体１４の第２高温側熱交換器３６に導かれる。
すなわち、残りの熱量Ｑ１が蓄熱体１４の第２高温側熱交換器３６に矢印Ｃの如く導かれる。
【００３７】
ところで、蓄熱体１４の第２低温側熱交換器３７は冷却用のフィン３８で温度Ｔ４に冷却されている。
よって、発振体１２の第１スタック単体３１から伝播された振動（音波）に基づいて蓄熱体１４の第２スタック単体３５が振動する。
【００３８】
蓄熱体１４の第２スタック単体３５が振動することにより、第２高温側熱交換器３６を温度Ｔ３に加熱することができる。
第２高温側熱交換器３６を温度Ｔ３に加熱することで、第１温水通路２１を経て第２高温側熱交換器３６に導かれた温水が加熱される。
【００３９】
ここで、蓄熱体１４で温水に伝えられる熱量Ｑ２は、
Ｑ２＝［Ｔ３／（Ｔ３−Ｔ４）］×Ｗ                ………（３）
よって、熱音響機関１０で冷却水が受け取る熱量Ｑａｌｌは、式（１）〜式（３）から、
Ｑａｌｌ
＝Ｑ１＋Ｑ２
＝｛Ｔ２／Ｔ１＋［Ｔ３／（Ｔ３−Ｔ４）］×［（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１］｝×Ｑｉｎ…（４）
となる。
そして、第２高温側熱交換器３６で加熱された温水を、第２温水通路２２を経て矢印Ｄの如く貯湯槽２３に導く。導いた温水を貯湯槽２３に貯えることで熱源１７の熱（排熱）を回収することができる。
【００４０】
式（４）において、Ｔ４＝０℃に設定すると、Ｔ３／（Ｔ３−Ｔ４）＝１の関係が成立する。
よって、熱音響機関１０で冷却水が受け取る熱量Ｑａｌｌは、
Ｑａｌｌ
＝｛Ｔ２／Ｔ１＋１×［（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１］｝×Ｑｉｎ
＝｛Ｔ２／Ｔ１＋１×［（Ｔ１−Ｔ２）／Ｔ１］｝×Ｑｉｎ
＝Ｑｉｎ
となる。
【００４１】
一方、式（４）において、Ｔ４＞０℃に設定すると、Ｔ３／（Ｔ３−Ｔ４）＞１の関係が成立する。
よって、熱音響機関１０で冷却水が受け取る熱量Ｑａｌｌは、
Ｑａｌｌ＞Ｑｉｎ
となる。
【００４２】
具体的には、例えば、Ｔ１＝２００℃、Ｔ２＝８５℃、Ｔ３＝８８℃、Ｔ４＝３７℃のとき、
Ｔ１／Ｔ２＝２００／８５＝２．３５
Ｔ３／Ｔ４＝８８／３７＝２．３８
よって、Ｔ１／Ｔ２≒Ｔ３／Ｔ４
の関係が成立する。
【００４３】
そして、熱音響機関１０で冷却水が受け取る熱量Ｑａｌｌは、
Ｑａｌｌ
＝｛８５／２００＋［８８／（８８−３７）］×［（２００−８５）／２００］｝×Ｑｉｎ
＝１．４×Ｑｉｎ
となり、排熱Ｑｉｎに対して１．４倍の熱量Ｑａｌｌを貯湯槽２３に貯湯することができる。
【００４４】
つぎに、流量調整手段１６で第１温度比Ｔ１／Ｔ２および第２温度比Ｔ３／Ｔ４を等しく調整する例を図２に基づいて説明する。
ここで、熱源１７から導かれた熱（排熱）を有効に回収するためには、第１高温側熱交換器３２の温度（Ｔ１）と第１低温側熱交換器３３の温度（Ｔ２）の第１温度比（Ｔ１／Ｔ２）を、第２高温側熱交換器３６の温度（Ｔ３）と第２低温側熱交換器３７の温度（Ｔ４）との第２温度比（Ｔ３／Ｔ４）と等しくすることが好ましい。
すなわち、Ｔ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４の関係が成立することが好ましい。
【００４５】
しかし、第１高温側熱交換器３２に導かれる熱源１７の熱（排熱）が変化した場合、熱（排熱）の変化に応じてＴ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４の関係が保ち難くなる。
具体的には、熱源１７の熱（排熱）が変化することにより、温度比がＴ１／Ｔ２＞Ｔ３／Ｔ４や、Ｔ１／Ｔ２＜Ｔ３／Ｔ４に変化することが考えられる。
そこで、冷却水通路１５に流量調整手段１６を設け、流量調整手段１６でＴ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４に調整するようにした。
【００４６】
まず、熱源１７の熱（排熱）に応じて温度比がＴ１／Ｔ２＞Ｔ３／Ｔ４に変化した場合にＴ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４に調整する例について説明する。
Ｔ１／Ｔ２＞Ｔ３／Ｔ４の場合、流量調整手段１６で冷却水の流量を減らすことにより、第１低温側熱交換器３３の温度Ｔ２が上昇するとともに、第２高温側熱交換器３６の温度Ｔ３が上昇する。
よって、Ｔ１／Ｔ２が小さくなるとともに、Ｔ３／Ｔ４が大きくなる。
これにより、Ｔ１／Ｔ２＞Ｔ３／Ｔ４状態からＴ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４に近づけることができる。
【００４７】
つぎに、熱源１７の熱（排熱）に応じて温度比がＴ１／Ｔ２＜Ｔ３／Ｔ４に変化した場合にＴ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４に調整する例について説明する。
Ｔ１／Ｔ２＜Ｔ３／Ｔ４の場合、流量調整手段１６で冷却水の流量を増やすことにより、第１低温側熱交換器３３の温度Ｔ２が下降するとともに、第２高温側熱交換器３６の温度Ｔ３が下降する。
よって、Ｔ１／Ｔ２が大きくなるとともに、Ｔ３／Ｔ４が小さくなる。
これにより、Ｔ１／Ｔ２＜Ｔ３／Ｔ４の状態からＴ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ４に近づけることができる。
【００４８】
以上説明したように、流量調整手段１６で冷却水の流量を調整することにより、第１高温側熱交換器３２に導かれる熱源１７の熱（排熱）に応じて冷却水の流量を好適に調整することができる。
これにより、第１低温側熱交換器３３に伝えられる熱源の熱（排熱）に対応させて第１低温側熱交換器３３の温度Ｔ２や、第２高温側熱交換器３６の温度Ｔ３を好適に調整することが可能になり、熱源１７から導かれた熱（排熱）を有効に回収することができる。
【００４９】
加えて、流量調整手段１６で冷却水の流量を調整して、第１高温側熱交換器３２の温度（Ｔ１）と第１低温側熱交換器３３の温度（Ｔ２）の第１温度比（Ｔ１／Ｔ２）を、第２高温側熱交換器３６の温度（Ｔ３）と第２低温側熱交換器３７の温度（Ｔ４）との第２温度比（Ｔ３／Ｔ４）と等しくするようにした。
これにより、冷却水通路１５に流量調整手段１６を設けるだけの簡単な構成で、第１温度比（Ｔ１／Ｔ２）を第２温度比（Ｔ３／Ｔ４）と等しくして熱源１７から導かれた熱（排熱）を有効に回収することができる。
【００５０】
なお、本発明に係る熱音響機関１０は、前述した実施例に限定されるものではなく適宜変更、改良などが可能である。
例えば、前記実施例で示した熱音響機関１０、ループ管１１、発振体１２、蓄熱体１４、冷却水通路１５、流量調整手段１６、第１温水通路２１、第１スタック単体３１、第１高温側熱交換器３２、第１低温側熱交換器３３、第２スタック単体３５、第２高温側熱交換器３６および第２低温側熱交換器３７などの形状や構成は例示したものに限定するものではなく適宜変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、第１スタックに熱を伝えて第１スタックを発振させ、第１スタックの振動を第２スタックに伝播して第２スタックを加熱する熱音響機関への適用に好適である。
【符号の説明】
【００５２】
１０…熱音響機関、１１…ループ管、１２…発振体（第１スタック）、１４…蓄熱体（第２スタック）、１５…冷却水通路、１６…流量調整手段、２１…第１温水通路（温水通路）、３１…第１スタック単体、３２…第１高温側熱交換器（発振体の一端）、３３…第１低温側熱交換器（発振体の他端）、３５…第２スタック単体、３６…第２高温側熱交換器（蓄熱体の一端）、３７…第２低温側熱交換器（蓄熱体の他端）、Ｔ１…第１高温側熱交換器の温度、Ｔ２…第１低温側熱交換器の温度、Ｔ３…第２高温側熱交換器の温度、Ｔ４…第２低温側熱交換器の温度、Ｔ１／Ｔ２…第１温度比、Ｔ３／Ｔ４…第２温度比。
【図１】
0005548513.tif 000002
【図２】
0005548513.tif 000003