特許 6299186 熱音響機関用熱交換モジュールおよび熱音響機関

(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】6299186

(24)【登録日】2018年3月9日

(45)【発行日】2018年3月28日

(54)【発明の名称】熱音響機関用熱交換モジュールおよび熱音響機関

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20180319BHJP

【ＦＩ】

   F25B9/00 Z

   F25B9/00 D

【請求項の数】2

【全頁数】6

(21)【出願番号】特願2013-247440(P2013-247440)

(22)【出願日】2013年11月29日

(65)【公開番号】特開2015-105775(P2015-105775A)

(43)【公開日】2015年6月8日

【審査請求日】2016年10月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100068021

【弁理士】

【氏名又は名称】絹谷 信雄

(72)【発明者】

【氏名】阿部 誠

(72)【発明者】

【氏名】山本 康

(72)【発明者】

【氏名】黒澤 博文

【審査官】 鈴木 充

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１４５１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０２５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２８３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０２３１３４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体を通す多数の貫通孔が形成された再生器と、
該再生器を挟むように設けられ、前記貫通孔の開口の大きさよりも大きい板厚のフィンを有する２つの熱交換器と、
を備えた熱音響機関用熱交換モジュールであって、
前記再生器と前記熱交換器とを隙間を介して離間して配置し、
前記貫通孔と同じ断面積の正方形の一辺の長さをｄとし、前記再生器の長さをＬとしたとき、前記再生器と前記熱交換器間の距離が、ｄ／３以上Ｌ／１０以下である
ことを特徴とする熱音響機関用熱交換モジュール。

【請求項2】

原動機または受動機として、請求項１記載の熱音響機関用熱交換モジュールを用いた
ことを特徴とする熱音響機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱音響機関用熱交換モジュールおよび熱音響機関に関するものである。

【背景技術】

【0002】

廃熱からエネルギーを取り出すためにスターリングエンジンの開発研究が活発に行われている。スターリングエンジンの形式には、α型、β型、γ型、フリーピストン型などがある。これに対し、最近では、ピストン等の可動部を有さない熱音響機関の開発研究が活発に行われるようになってきている。

【0003】

熱音響機関は、管と熱源で構成される。管内の気柱を局部的に加熱又は冷却すると、熱エネルギーの一部が力学的エネルギーに変換され、気柱が自励振動を起こす。すなわち、管内に音響振動が発生する。この作用は、熱力学的には、プライムムーバ（原動機）と見ることができる。この作用を用いたものが熱音響機関である。この熱音響機関に、気柱の振動、すなわち音響エネルギーを熱エネルギーに変換する受動機（冷凍機、冷却器）を組み込むと、冷凍装置（冷却装置）が構成される。

【0004】

図３（ａ），（ｂ）に示すように、熱音響機関の原動機または受動機として用いられる従来の熱音響機関用熱交換モジュール３１は、作動流体を通す多数の貫通孔３３が形成された再生器３２と、該再生器３２を挟むように設けられる２つの熱交換器３４，３５と、を備えている。

【0005】

再生器３２は、管内に縦横に多数の仕切り板を設けることで多数の貫通孔３３を形成した構造となっている。再生器３２では、貫通孔３３を小さくするほど、流動損失が小さくなり、原動機または受動機としての性能が高くなることが知られている。

【0006】

熱交換器３４，３５としては、内部にフィン３６を形成したものが一般に用いられている。熱交換器３４，３５では、熱を伝わり易くし、かつ、再生器３２での作動流体の往復流を阻害しないように、板厚の厚いフィン３６を十分広い間隔で配置している。

【0007】

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１〜３がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平０５−０８６９７８号公報

【特許文献2】特開２０１２−２２９８０２号公報

【特許文献3】特開平０７−２９３２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上述の従来の熱音響機関用熱交換モジュール３１では、板厚の厚いフィン３６により、再生器３２の貫通孔３３の一部が塞がれてしまうという問題があった。その結果、再生器３２として機能しない領域が発生してしまい、原動機または受動機としての性能が悪化してしまうという問題が生じていた。

【0010】

この問題を解決する方法として、特許文献１〜３に記載されるように、再生器３２と熱交換器３４，３５とを離間して配置する方法が考えられる。

【0011】

しかし、再生器３２と熱交換器３４，３５とを離間させる距離については、これまで検討されていなかった。再生器３２と熱交換器３４，３５とを離間させる距離が適切でないと、原動機または受動機として所期の性能が得られない場合があり、問題である。

【0012】

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、原動機または受動機として十分な性能を得ることが可能な熱音響機関用熱交換モジュールおよび熱音響機関を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明は、作動流体を通す多数の貫通孔が形成された再生器と、該再生器を挟むように設けられ、前記貫通孔の開口の大きさよりも大きい板厚のフィンを有する２つの熱交換器と、を備えた熱音響機関用熱交換モジュールであって、前記再生器と前記熱交換器とを隙間を介して離間して配置し、前記貫通孔と同じ断面積の正方形の一辺の長さをｄとし、前記再生器の長さをＬとしたとき、前記再生器と前記熱交換器間の距離が、ｄ／３以上Ｌ／１０以下である熱音響機関用熱交換モジュールを提供する。

【0014】

また、本発明は、原動機または受動機として、前記熱音響機関用熱交換モジュールを用いた熱音響機関を提供する。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、原動機または受動機として十分な性能を得ることが可能な熱音響機関用熱交換モジュールおよび熱音響機関を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る熱音響機関用熱交換モジュールを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図である。

【図2】再生器と熱交換器間の距離Ｌｓに対する熱音響機関効率の関係を示すグラフ図である。

【図3】従来の熱音響機関用熱交換モジュールを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。

【0018】

図１は、本実施形態に係る熱音響機関用熱交換モジュールを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は断面図である。

【0019】

図１（ａ），（ｂ）に示すように、熱音響機関用熱交換モジュール１は、作動流体を通す多数の貫通孔３が形成された再生器２と、再生器２を挟むように設けられる２つの熱交換器４，５と、を備えている。

【0020】

再生器２は、管内に縦横に多数の仕切り板を設けることで多数の貫通孔３を形成した構造となっている。

【0021】

熱交換器４，５は、作動流体に熱を伝わり易くし、かつ、再生器２での作動流体の往復流を阻害しないように、板厚の厚いフィン６を十分広い間隔で配置して構成されている。

【0022】

熱音響機関用熱交換モジュール１は、熱音響機関にて原動機または受動機として用いられるものである。一方の熱交換器４に高温の熱媒体である高温源を供給し、他方の熱交換器５に低温の熱媒体である低温源を供給して作動流体と熱交換させることで、音響振動を発生する原動機となる。また、原動機を設けた作動流体の流路に原動機が発生した音響振動を受けるように配置し、例えば一方の熱交換器４に大気を高温源として導入することで、他方の熱交換器５にて大気より低温の冷熱出力を取り出す受動機（冷凍機、冷却器）となる。

【0023】

さて、本実施形態に係る熱音響機関用熱交換モジュール１は、再生器２と熱交換器４，５とを離間して配置しており、かつ、再生器２の貫通孔３と同じ断面積の正方形の一辺の長さをｄとし、再生器２の長さ（貫通孔３の長さ）をＬとしたとき、再生器２と熱交換器４，５間の距離Ｌｓを、ｄ／３以上Ｌ／１０以下としている。

【0024】

換言すれば、熱音響機関用熱交換モジュール１では、熱交換器４，５を再生器２に接触させず、隙間８を介して配置しており、その隙間８の管軸方向に沿った長さＬｓを、再生器２の貫通孔３と同じ断面積の正方形の一辺の長さｄの１／３倍以上、かつ、再生器２の長さＬの１／１０倍以下としている。

【0025】

ここでは、再生器２と熱交換器４，５間に、再生器２および熱交換器４，５と別体に形成されたスペーサ（短い管）７を介在させることで隙間８を形成しているが、スペーサ７は、再生器２または熱交換器４，５と一体に形成されていてもよい。

【0026】

本発明者は、再生器２と熱交換器４，５間の最適な距離Ｌｓを見出すべく、距離Ｌｓを０からＬ／５まで変化させた熱音響機関用熱交換モジュールを複数作成し、作成した熱音響機関用熱交換モジュールを原動機として用いたときの熱音響機関効率を求めた。結果を図２に示す。なお、熱音響機関効率とは、入力したエネルギーに対する出力エネルギーの割合である。

【0027】

図２に示すように、再生器２と熱交換器４，５間の距離Ｌｓがｄ／３未満になると、熱音響機関効率は急激に低下する。これは、再生器２と熱交換器４，５が接近し過ぎると、フィン６により作動流体の往復流が阻害され再生器２として機能しない領域が発生するためと考えられる。

【0028】

また、再生器２と熱交換器４，５間の距離Ｌｓがｄ／３以上の領域では、距離Ｌｓが大きくなるほど熱音響機関効率が低下しており、距離ＬｓがＬ／１０を超えると、熱音響機関効率の低下率も上昇していることが分かる。これは、再生器２と熱交換器４，５が離れ過ぎると、再生器２で往復運動をする作動流体は動く距離が限られているために、再生器２内に熱交換器４，５からの熱が伝わり難くなり、熱エネルギーを音響エネルギーに変換する効率（あるいは熱エネルギーを音響エネルギーに変換する効率）が低下してしまうためと考えられる。実用が可能な熱音響機関効率を得るためには、再生器２と熱交換器４，５間の距離ＬｓをＬ／１０以下とする必要がある。

【0029】

以上説明したように、本実施形態に係る熱音響機関用熱交換モジュール１では、再生器２と熱交換器４，５とを離間して配置し、再生器２と熱交換器４，５間の距離Ｌｓをｄ／３以上Ｌ／１０以下としている。

【0030】

このように構成することで、フィン６の影響により再生器２として機能しない領域が発生することを抑制すると同時に、再生器２内に熱交換器４，５からの熱を伝わり易くすることが可能となり、原動機あるいは受動機として使用した際の出力を向上させることが可能になる。

【0031】

つまり、本発明によれば、原動機または受動機として十分な性能を得ることが可能な熱音響機関用熱交換モジュール１を実現できる。

【0032】

本実施形態に係る熱音響機関は、本実施形態に係る熱音響機関用熱交換モジュール１を原動機または受動機として用いたものである。熱音響機関用熱交換モジュール１は、原動機または受動機として十分な性能を得ることが可能であるから、効率の高い熱音響機関を実現できることになる。

【0033】

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

【0034】

例えば、上記実施形態ではフィン６を用いた熱交換器４，５を用いた場合を説明したが、これに限定されるものではなく、本発明は、例えば、フィン６を省略し熱媒体を通す流路を管内に形成したタイプの熱交換器４，５にも適用可能である。

【符号の説明】

【0035】

１ 熱音響機関用熱交換モジュール
２ 再生器
３ 貫通孔
４，５ 熱交換器
６ フィン

【図1】

【図2】

【図3】