(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響振動を軸方向に生じる音響筒に取り付けられ、前記音響筒の内側から外側へ抜けて軸方向の異なる位置で再び内側へ戻る通気管を有し、
前記通気管は、
前記音響筒の内側で前記音響筒の軸方向に向いた入口開口と、
前記音響筒の内側で前記音響筒の径方向に向いた出口開口とを有することを特徴とする熱音響機関用熱交換器。
【請求項２】
前記通気管を複数有し、
前記複数の通気管は、前記音響筒の軸方向の同じ位置で前記音響筒の周方向に間隔を隔てて配置されることを特徴とする請求項１記載の熱音響機関用熱交換器。
【請求項３】
前記音響筒の内側で前記出口開口に臨む位置に、蓄熱材を有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱音響機関用熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱量が大きくできる熱音響機関用熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
外燃機関であるスターリングサイクルを行う熱音響機関では、作動流体が封入された音響筒の長手方向に、外部の高温の熱源との熱交換を行う加熱側熱交換器と、熱サイクルを行った後の廃熱を外部に排出するための冷却側熱交換器とが設けられる。加熱側熱交換器と冷却側熱交換器との間には、温度勾配を保持するための再生器が配置される。
【０００３】
従来、熱交換器は、銅などの熱伝導率が高い材料を使用して、外部からの熱を熱伝導で音響筒内に取り込むように構成される。熱伝導による伝熱量は、次式で示される。
伝熱量＝Ｃ１×温度差×伝熱面積／伝熱距離
Ｃ１は、材料により決まる定数
【０００４】
熱源を電熱ヒータで構成した熱音響機関の一部を図４に示す。この熱音響機関では、加熱側熱交換器４１は、音響筒４２の外周に巻き付けられた電熱ヒータ４３と、音響筒４２の内部に組み込まれた内部フィン４４とを有する。冷却側熱交換器４５は、音響筒４２の外周に沿って冷却水を通過させる冷却筒４６と、音響筒４２の内部に組み込まれた内部フィン４７とを有する。再生器４８は、加熱側熱交換器４１の内部フィン４４と冷却側熱交換器４５の内部フィン４７との間の音響筒４２の内部に複数の金属メッシュ材料を積層してなる蓄熱材４９を充填したものである。
【０００５】
図４の加熱側熱交換器４１では、電熱ヒータ４３の温度が自在に調節できるので、温度差を大きくすることが容易である。また、この加熱側熱交換器４１は、音響筒４２の外周に直接、熱源である電熱ヒータ４３が巻き付けられているので、伝熱距離が短い。このように、温度差が大きく、しかも伝熱距離が短いので、大きな伝熱量が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１２２５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、熱音響機関は、電熱ヒータのようにエネルギを消費して熱を発生する熱源を使用するのではなく、他のシステムで生じた廃熱を利用することができれば、省エネルギ効果が大きい。
【０００８】
排気を熱源とする熱音響機関の一部を図５に示す。この熱音響機関では、加熱側熱交換器５１は、音響筒４２の外周に取り付けられた外部フィン５２と、音響筒４２の内部に組み込まれた内部フィン４４とを有する。冷却側熱交換器４５と再生器４８は、図４のものと同じとする。
【０００９】
図５の加熱側熱交換器５１では、熱源として、内燃機関の排気、ボイラーの排気、焼却炉の排気などが利用できるが、排気の温度は電熱ヒータに比べると低温であるため、大きな温度差は得られない。
【００１０】
一方、外部フィン５２は、複数の突起５３が音響筒４２の外周から放射状に伸び、さらに各突起５３の表面から複数の枝状突起５４が突き出ていることで、排気に対する伝熱面積が大きい。しかし、排気に対する伝熱面積をより大きくするために突起５３の長さを長くすると、突起５３や枝状突起５４の先端から音響筒４２の外周までの伝熱距離が長くなる。また、排気に対する伝熱面積をより大きくするために突起５３の数を増やすと、突起肉厚（音響筒４２の周方向）が薄くなり、突起５３の先端から音響筒４２の外周に向かう熱流路の伝熱面積が小さくなる。このように、外部フィン５２を備えた加熱側熱交換器５１には、排気熱をより多く取り入れようと外部フィン５２を増大させると、伝熱距離が長くなったり、伝熱面積が小さくなったりするというジレンマがある。
【００１１】
外部フィン５２の代わりにヒートパイプを設けることも考えられる。しかし、ヒートパイプは、内部で熱を搬送する作動流体として水を使用している。このため、使用温度範囲が常温から２００℃までに限定される。排気熱の温度は、常温から２００℃までのみならず、２００℃以上のこともあり、しかも、温度は安定しない。したがって、排気熱を搬送するにはヒートパイプは不向きである。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、伝熱量が大きくできる熱音響機関用熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明の熱音響機関用熱交換器は、音響振動を軸方向に生じる音響筒に取り付けられ、前記音響筒の内側から外側へ抜けて軸方向の異なる位置で再び内側へ戻る通気管を有し、前記通気管は、前記音響筒の内側で前記音響筒の軸方向に向いた入口開口と、前記音響筒の内側で前記音響筒の径方向に向いた出口開口とを有するものである。
【００１４】
前記通気管を複数有し、前記複数の通気管は、前記音響筒の軸方向の同じ位置で前記音響筒の周方向に間隔を隔てて配置されてもよい。
【００１５】
前記音響筒の内側で前記出口開口に臨む位置に、蓄熱材を有してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１７】
（１）伝熱量が大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の熱音響機関用熱交換器の構成図である。
【図２】本発明の原理を説明する図であり、（ａ）は音響振動の半周期を表し、（ｂ）は音響振動の残りの半周期を表す。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の他の実施形態を示す通気管の構成図である。
【図４】従来の熱音響機関の部分構成図である。
【図５】従来の熱音響機関の部分構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２０】
図１に示されるように、本発明に係る熱音響機関用熱交換器（以下、熱交換器）１は、音響振動を軸方向に生じる音響筒２に取り付けられ、音響筒２の内側から外側へ抜けて軸方向の異なる位置で再び内側へ戻る通気管３を有する。
【００２１】
通気管３は、音響筒２の内側で音響筒２の軸方向に向いた入口開口４と、音響筒２の内側で音響筒２の径方向に向いた出口開口５とを有する。通気管３は、音響筒２よりも十分に径が小さい細管からなる。通気管３は、入口開口４から音響筒２の内周に至るエルボ部６と、音響筒２を内側から外側へ貫通して音響筒２の径方向外方に伸びる往路部７と、音響筒２と平行に伸びるＵ字部８と、音響筒２の径方向内方に伸びて音響筒２を外側から内側へ貫通して出口開口５に至る復路部９とを有する。
【００２２】
エルボ部６は、音響筒２の軸方向に向いた入口開口４から音響筒２の内周までの９０度の角度を曲線的に屈曲する。往路部７の長さは、例えば、実験により得られた適切な値とされる。Ｕ字部８は、Ｕ字状あるいはコ字状に屈曲して音響筒２の軸と平行な方向に、所定の長さ伸びる。Ｕ字部８の長さは、例えば、実験により得られた適切な値とされる。復路部９は、音響筒２の内周より内側には突き出ておらず、出口開口５は音響筒２の内周と同一面の位置に形成される。
【００２３】
通気管３は、音響筒２の軸方向の同じ位置で音響筒２の周方向に間隔を隔てて複数個配置される。ここでは、１２個の通気管３が音響筒２の周方向に等間隔で配置されている。
【００２４】
熱交換器１は、音響筒２の内側で出口開口５に臨む位置（加熱部に相当する）に、複数の金属メッシュ材料を積層してなる蓄熱材１０が充填される。
【００２５】
本実施形態では、熱交換器１は、加熱側熱交換器を構成するものであり、音響筒２の外側の通気管３は排気の雰囲気中に配置される。排気の流路については、ここでは特に限定しない。冷却側熱交換器４５と再生器４８は、図４、図５のものと同じとする。
【００２６】
図２を用いて本発明の熱交換器１の原理を説明する。
【００２７】
音響筒２では音響振動が軸方向に生じる。音響振動とは、作動流体が繰り返し反転移動することである。図２（ａ）のように作動流体が音響筒２の軸方向一方向に移動する周期と、図２（ｂ）のように作動流体が音響筒２の軸方向反対方向に移動する周期とが、交互に繰り返される。
【００２８】
図２（ａ）の状態では、入口開口４の周辺では、入口開口４に対向して作動流体が移動しているため、動圧がそのまま入口開口４に作用し、入口開口４における圧力ＰＡは、
ＰＡ＝静圧＋動圧
となる。出口開口５の周辺では、出口開口５の開口面が作動流体の移動方向に沿っているため、動圧が作用せず、出口開口５における圧力ＰＢは、
ＰＢ＝静圧
となる。
【００２９】
図２（ｂ）の状態では、入口開口４の周辺では、入口開口４の裏側から作動流体が移動しているため、入口開口４における圧力ＰＡは、
ＰＡ＝静圧−動圧×Ｃ２
Ｃ２は、１より小さい正の実数
となる。動圧成分が小さくなるのは、移動している作動流体の一部が入口開口４に巻き込まれるからである。出口開口５の周辺では、出口開口５の開口面が作動流体の移動方向に沿っているため、動圧が作用せず、出口開口５における圧力ＰＢは、
ＰＢ＝静圧
となる。
【００３０】
入口開口４における圧力ＰＡを音響振動の周期より十分に長い時間平均すると、平均圧力ＭＰＡは、
ＭＰＡ＝静圧＋動圧×（１−Ｃ２）／２
となる。Ｃ２が１より小さい正の実数であるから、（１−Ｃ２）／２は正の実数となり、入口開口４における平均圧力ＭＰＡは、静圧よりも大きくなる。一方、出口開口５における平均圧力ＭＰＢは、静圧に等しいので、入口開口４における平均圧力ＭＰＡが出口開口５における平均圧力ＭＰＢよりも大きくなる。これにより、通気管３においては、入口開口４から出口開口５に向かって作動流体が移動することになる。
【００３１】
図１に戻って熱音響機関の動作を説明する。前述のようにして通気管３を移動する作動流体は、通気管３の管壁を介して外部の排気から熱を受け取り、高温となる。外部の排気から作動流体への伝熱量を考察すると、伝熱面積は通気管３の表面積に相当し、伝熱距離は通気管３の管壁肉厚に相当する。よって、外部の排気から通気管３内の作動流体への伝熱量は十分に大きい。このとき通気管３において作動流体が得た熱量は、作動流体の移動によって音響筒２内に運ばれる。熱音響機関の音響振動においては、作動流体の変位振幅が大きく、また、周波数が高いので、通気管３内での作動流体の移動速度は大きい。このように、本発明の熱交換器１は、図５の加熱側熱交換器５１に比べると、外部の排気から通気管３内の作動流体への伝熱量が大きく、通気管３内での作動流体の移動速度が大きいため、外部から音響筒２内への伝熱量が向上する。
【００３２】
通気管３において高温となった作動流体が出口開口５から音響筒２内に戻ると、出口開口５の付近が高温となり、出口開口５の付近が加熱器として熱音響機関の動作に寄与する。このとき、出口開口５に臨ませて蓄熱材１０が設けられていると、蓄熱材１０が作動流体から熱を受け取って高温を保持するので、熱音響機関の動作が安定する。
【００３３】
以上説明したように、本発明の熱交換器１によれば、音響筒２の内側から外側へ抜けて軸方向の異なる位置で再び内側へ戻る通気管３を有し、通気管３は、音響筒２の内側で音響筒２の軸方向に向いた入口開口４と、音響筒２の内側で音響筒２の径方向に向いた出口開口５とを有するので、音響筒２の作動流体が通気管３を移動することで外部の熱が熱音響機関の加熱器に届けられ、伝熱量が大きくできる。
【００３４】
図３（ａ）〜図３（ｄ）に通気管３の他の実施形態を示す。
【００３５】
図３（ａ）に示されるように、通気管３１は、音響筒２から放射状に伸びる途中で屈曲し、各通気管３１が平行になる。通気管３１は、熱交換器１の設置スペースが図の左右に狭いときに有効である。
【００３６】
図３（ｂ）に示されるように、通気管３２は、音響筒２から放射状に伸びる途中で音響筒２の周方向に繰り返し屈曲してジグザグ状を呈する。通気管３２は、直径の小さい設置スペースで伝熱面積を大きくすることができる。
【００３７】
図３（ｃ）に示されるように、通気管３３は、音響筒２から放射状に伸びる途中で音響筒２の軸方向に繰り返し屈曲してジグザグ状を呈する。通気管３３は、音響筒２の軸方向に伸びた設置スペースに対して有効である。
【００３８】
図３（ｄ）に示されるように、通気管３４は、音響筒２の軸方向に伸びる途中で音響筒２の径方向に繰り返し屈曲してジグザグ状を呈する。
【００３９】
通気管３の形状は、排気の流路の形状に合わせて選択するのが好ましい。
【００４０】
ここまでの実施形態では、通気管３にはフィンを形成しなかったが、通気管３の外周面や内周面にフィンを形成したり、溝を形成することで表面積を増加させてもよい。
【００４１】
通気管３の入口開口４と出口開口５の距離が長いと、出口開口５の近傍（熱音響機関の加熱器）から入口開口４に作動流体が移動するときに出口開口５から入口開口４までの音響筒２が作動流体の熱を奪って音響筒２の外部（排気流路外）に放出し、通気管３に流れ込む作動流体の温度が低下する。通気管３における排気からの熱量が作動流体の温度低下分を補うのに消費されるので、熱音響機関にとって損失となる。したがって、入口開口４と出口開口５の距離はできるだけ短いのがよい。ただし、出口開口５から音響筒２に流入した高温の作動流体が蓄熱材１０に十分に熱を伝導させてから入口開口４に吸い込まれるよう、入口開口４と出口開口５の距離を所定長さ以上に確保するのが好ましい。
【００４２】
通気管３の径について考察すると、
通気管径＝音響筒径×π／通気管本数−通気管同士の隙間
となる。通気管３は、入口開口４の部分が最も密に集まるので、通気管３同士が互いに干渉しないように隙間を設定するとよい。
【００４３】
通気管３の設計条件としては、外部から通気管３の管壁を介して入る熱量と通気管３の中を流れる作動流体が獲得する熱量とが等しいことから、
熱抵抗係数×通気管表面積／管壁厚さ×（排気温度−作動流体温度）
＝通気管断面積×通気管内流速×作動流体の単位体積当たりの熱容量
×（出口開口温度−入口開口温度）
という関係を満たすことが好ましい。
【００４４】
図１の実施形態では、通気管３の本数を１２本としたが、本発明はこれに限定されず、通気管３の本数は１本〜１１本でもよく、１３本以上でもよい。通気管３の径を一定とした場合、通気管３の本数が多ければ、熱音響機関の加熱部に流れ込む作動流体の量が多くなり、加熱部への伝熱量が多くなる。また、通気管３での作動流体の移動速度を一定とした場合、通気管３の本数が多ければ、加熱部に流れ込む作動流体の量が多くなり、加熱部への伝熱量が多くなる。
【００４５】
図１の実施形態では、音響筒２の内側で出口開口５に臨む位置に、蓄熱材１０を有するものとしたが、蓄熱材１０の代わりに、従来と同様の内部フィンを有してもよい。
【００４６】
図１の実施形態では、熱交換器１を加熱側熱交換器に用いたが、熱交換器１を冷却側熱交換器４５にも用いることができる。この場合、熱交換器１は冷却筒４６（図４参照）の内部に設け、冷却水と作動流体との熱交換を行う。
【符号の説明】
【００４７】
１  熱交換器
２  音響筒
３  通気管
４  入口開口
５  出口開口
１０  蓄熱材
【図２】
0005790332.tif 000002
【図３】
0005790332.tif 000003
【図１】
0005790332.tif 000004
【図４】
0005790332.tif 000005
【図５】
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