(57)【要約】【課題】熱輸送量が大きくできる熱音響機関用熱交換器を提供する。【解決手段】熱音響機関用熱交換器１が、音響振動を軸方向に生じる音響筒２の外側に取り付けられ、音響筒２の軸方向の異なる位置に音響筒２の内側に通じる入口開口３と出口開口４とが形成された通気管５と、通気管５の入口開口３側の端部に設けられ、通気管５内における入口開口３側から出口開口４側への作動流体の流通を許容し、通気管５内における出口開口４側から入口開口３側への作動流体の流通を阻止する逆止弁６とを有する。【選択図】図１
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【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の外側に取り付けられ、前記音響筒の軸方向の異なる位置に前記音響筒の内側に通じる入口開口と出口開口とが形成された通気管と、前記通気管の前記入口開口側の端部に設けられ、前記通気管内における前記入口開口側から前記出口開口側への作動流体の流通を許容し、前記通気管内における前記出口開口側から前記入口開口側への作動流体の流通を阻止する逆止弁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、
前記逆止弁は、前記複数の通気管毎にそれぞれ配設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。
【請求項４】
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、
前記逆止弁は、１つの逆止弁から複数の通気管に分岐す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱輸送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ための加熱側熱交換器と、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、次式で表される。
伝熱量＝Ｃ×温度差×伝熱面積／伝熱距離
Ｃは、材料により決まる定数である。
【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及び再生器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と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、熱輸送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の外側に取り付けられ、前記音響筒の軸方向の異なる位置に前記音響筒の内側に通じる入口開口と出口開口とが形成された通気管と、前記通気管の前記入口開口側の端部に設けられ、前記通気管内における前記入口開口側から前記出口開口側への作動流体の流通を許容し、前記通気管内における前記出口開口側から前記入口開口側への作動流体の流通を阻止する逆止弁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、前記逆止弁は、前記複数の通気管毎にそれぞれ配設されてもよい。
【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。
【００１６】
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、前記逆止弁は、１つの逆止弁から複数の通気管に分岐してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１８】
（１）熱輸送量が大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱音響機関用熱交換器の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱音響機関用熱交換器の原理を説明する図であり、（ａ）は音響筒内の圧力が時間平均の圧力である状態を示し、（ｂ）は音響筒内の圧力が時間平均の圧力よりも高い状態を示し、（ｃ）は音響筒内の圧力が時間平均の圧力よりも低い状態を示す。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の他の実施形態を示す熱音響機関用熱交換器の構成図である。
【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】
【００２０】
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。
【００２１】
図１に示されるように、本実施形態に係る熱音響機関用熱交換器（以下、熱交換器という）１は、音響振動を軸方向に生じる音響筒（主管）２の外側に取り付けられ、音響筒２の軸方向の異なる位置に音響筒２の内側に通じる入口開口３と出口開口４とが形成された通気管５と、通気管５における入口開口３側の端部に設けられ、通気管５内における入口開口３側から出口開口４側への作動流体の流通を許容し、通気管５内における出口開口４側から入口開口３側への作動流体の流通を阻止する逆止弁（チェック弁）６とを有する。
【００２２】
通気管５の入口開口３及び出口開口４は、音響筒２の内周と同一面の位置に形成され、音響筒２の径方向に向いている。通気管５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５は、入口開口３から音響筒２を貫通して音響筒２の径方向外方に伸びる往路部７と、往路部７から音響筒２と平行に伸びるＵ字部８と、Ｕ字部８から音響筒２の径方向内方に伸びて音響筒２を貫通して出口開口４に至る復路部９とを有する。
【００２３】
通気管５の往路部７及び復路部９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。
【００２４】
通気管５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本配置される。ここでは、１２本の通気管５が音響筒２の周方向に等間隔で配置されている。
【００２５】
逆止弁６は、複数の通気管５毎にそれぞれ配設される。また、逆止弁６は、ボール弁体６ａを有する所謂ボールバルブである。逆止弁６のボール弁体６ａは、図示しないリターンスプリングにより閉方向（入口開口３側）に付勢される。逆止弁６の開弁圧（セット荷重）は、例えば、実験により得られた適切な値とされる。なお、逆止弁６は、１つの逆止弁６から複数の通気管５に分岐することも可能である。
【００２６】
熱交換器１は、音響筒２の内側で出口開口４に臨む位置、すなわち加熱部１１に、複数の金属メッシュ材料を積層してなる蓄熱材１２が充填される。
【００２７】
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５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及び再生器４８は、図４、図５のものと同じとする。
【００２８】
図２を用いて本実施形態に係る熱交換器１の原理を説明する。
【００２９】
音響筒２では音響振動及び圧力変動が周期的に生じる。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。また、図２（ｂ）のように音響筒２内の圧力が時間平均の圧力よりも高い状態と、図２（ｃ）のように音響筒２内の圧力が時間平均の圧力よりも低い状態とが、周期的に繰り返される。なお、図２（ａ）は音響筒２内の圧力が時間平均の圧力である状態（初期状態）を示す。
【００３０】
図２（ａ）の状態から音響筒２内の圧力が上昇に転ずると、作動流体（例えば、空気、ヘリウム、アルゴンなどの圧縮性流体）が音響筒２から通気管５内に流入する。このとき、作動流体が通気管５内の逆止弁６に対して順方向に流れるため、作動流体が音響筒２から通気管５の両端（入口開口３、出口開口４）を介して通気管５内に流入する。この状態を図２（ｂ）に示す。
【００３１】
図２（ｂ）の状態から音響筒２内の圧力が低下し始めると、通気管５内に流入した作動流体が通気管５内から音響筒２に向かって戻る。このとき、作動流体の流れは通気管５内の逆止弁６に対して逆向きの流れとなるため、作動流体は逆止弁６側の端（入口開口３）からは音響筒２に向かって流れることができず、作動流体は通気管５のもう一方の端（出口開口４）から音響筒２に戻ることとなる。この状態を図２（ｃ）に示す。
【００３２】
図２（ｃ）の状態から音響筒２内の圧力が上昇に転ずると、作動流体が音響筒２から通気管５内に流入する前述の図２（ｂ）の状態に戻る。
【００３３】
図２（ｂ）の状態と図２（ｃ）の状態とを繰り返すことで、音響筒２内の圧力変動により、通気管５内に入口開口３側から出口開口４側に向かう作動流体の１方向流れが発生する。その際、逆止弁６により強制的に１方向流れが作られるので、逆止弁６を設けずに動圧と静圧との圧力差（入口開口３と出口開口４との圧力差）を使って作動流体を通気管５内に流す場合に対し格段に大きな流量の作動流体を通気管５内に流す事が可能となる。
【００３４】
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５を移動する作動流体は、通気管５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。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５の表面積に相当し、伝熱距離は通気管５の管壁肉厚に相当する。よって、外部の排気から通気管５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５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５内での作動流体の移動速度は大きい。このように、本実施形態に係る熱交換器１は、図５の熱交換器５１に比べると、外部の排気から通気管５内の作動流体への伝熱量が大きく、通気管５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。
【００３５】
通気管５において高温となった作動流体が出口開口４から音響筒２内に戻ると、出口開口４の付近が高温となり、出口開口４の付近が加熱部１１として熱音響機関の動作に寄与する。このとき、出口開口４に臨ませて蓄熱材１２が設けられていると、蓄熱材１２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。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態に係る熱交換器１によれば、音響振動を軸方向に生じる音響筒２の外側に取り付けられ、音響筒２の軸方向の異なる位置に音響筒２の内側に通じる入口開口３と出口開口４とが形成された通気管５と、通気管５における入口開口３側の端部に設けられ、通気管５内における入口開口３側から出口開口４側への作動流体の流通を許容し、通気管５内における出口開口４側から入口開口３側への作動流体の流通を阻止する逆止弁６とを有するので、音響筒２の作動流体が通気管５を移動することで外部の熱が熱音響機関の加熱部１１に届けられ、伝熱量が大きくできる。
【００３７】
図３（ａ）〜図３（ｄ）に熱交換器の他の実施形態を示す。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
通気管５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。
【００４３】
ここまでの実施形態では、通気管５にはフィンを形成しなかったが、通気管５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。
【００４４】
通気管５の入口開口３と出口開口４との距離が長いと、出口開口４の近傍（加熱部１１）から入口開口３に作動流体が移動するときに出口開口４から入口開口３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５に流れ込む作動流体の温度が低下する。通気管５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３と出口開口４との距離はできるだけ短いのがよい。ただし、出口開口４から音響筒２に流入した高温の作動流体が蓄熱材１２に十分に熱を伝導させてから入口開口３に吸い込まれるよう、入口開口３と出口開口４との距離を所定長さ以上に確保するのが好ましい。
【００４５】
通気管５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。
【００４６】
通気管５の設計条件としては、外部から通気管５の管壁を介して入る熱量と通気管５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。
【００４７】
図１の実施形態では、通気管５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５の本数は１本〜１１本でもよく、１３本以上でもよい。通気管５の径を一定とした場合、通気管５の本数が多ければ、加熱部１１に流れ込む作動流体の量が多くなり、加熱部１１への伝熱量が多くなる。また、通気管５での作動流体の移動速度を一定とした場合、通気管５の本数が多ければ、加熱部１１に流れ込む作動流体の量が多くなり、加熱部１１への伝熱量が多くなる。
【００４８】
図１の実施形態では、音響筒２の内側で出口開口４に臨む位置に、蓄熱材１２を有するものとしたが、蓄熱材１２の代わりに、従来と同様の内部フィンを有してもよい。
【００４９】
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。
【００５０】
図１に示す実施形態では、ボール弁体６ａを有する所謂ボールバルブを逆止弁６に用いたが、本発明はこれに限定されず、例えば、板状の弁体（バルブリード）を有する所謂リードバルブを逆止弁６に用いてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  熱交換器（熱音響機関用熱交換器）
２  音響筒（主管）
３  入口開口
４  出口開口
５  通気管（細管）
６  逆止弁（チェック弁）
１２  蓄熱材
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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