特許 7438581 熱音響機関及び熱処理炉

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-16

(45)【発行日】2024-02-27

(54)【発明の名称】熱音響機関及び熱処理炉

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240219BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 Z

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023001388

(22)【出願日】2023-01-06

【審査請求日】2023-02-17

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000157072

【氏名又は名称】関東冶金工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100154357

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 晃弘

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 愼一

(72)【発明者】

【氏名】神田 輝一

(72)【発明者】

【氏名】大下 浩

(72)【発明者】

【氏名】小山 亮

【審査官】笹木 俊男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２０７０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０４４７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１８３８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３５１２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１０２５６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０９１５８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ９／００

Ｆ０３Ｇ ７／００

Ｈ０４Ｒ ２３／００

Ｃ２１Ｄ １／００ ～ １１／００

Ｆ２７Ｂ １／００ ～ ２１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱から音波を発生させるように構成された第１変換部と、
前記第１変換部に接続配管を介して接続され、前記第１変換部で生成された音波からエネルギーを発生させるように構成された第２変換部と
を備え、
前記第１変換部は、
前記接続配管の一端が接続される環状の第１配管に設けられる第１蓄熱器と、
前記第１配管において前記第１蓄熱器の第１端部に連結される第１高温側熱交換器と、
前記第１配管において前記第１端部とは反対側の前記第１蓄熱器の第２端部に連結される第１低温側熱交換器と、
前記第１変換部の前記第１高温側熱交換器から延出するように設けられる第１固体伝熱部材であって、前記第１配管の外部に位置する第１熱源の第１取付部に取り付けられる第１固体伝熱部材と
を備え、
前記第２変換部は、
前記接続配管の他端が接続される環状の第２配管に設けられる第２蓄熱器と、
前記第２配管において前記第２蓄熱器の第１端部に連結される第２高温側熱交換器と、
前記第２配管において前記第２蓄熱器の前記第１端部とは反対側の前記第２蓄熱器の第２端部に連結される第２低温側熱交換器と、
前記第２変換部の前記第２低温側熱交換器から延出するように設けられる第２固体伝熱部材であって、前記第２配管の外部に位置する第２熱源の第２取付部に取り付けられる第２固体伝熱部材と
を備え、
前記第２変換部の前記第２低温側熱交換器は、前記第２熱源から熱を受け取り、常温を超えた所定温度域にまで加熱され、
前記第２変換部の前記第２高温側熱交換器は、熱エネルギーを出力する、
熱音響機関。

【請求項2】

前記第１固体伝熱部材は、前記第１熱源の内外を連通する貫通孔を閉じるように前記第１熱源の前記第１取付部に配置される第１伝熱仕切部材と接するように設けられる、
請求項１に記載の熱音響機関。

【請求項3】

前記第２固体伝熱部材は、前記第２熱源の内外を連通する貫通孔を閉じるように前記第２熱源の前記第２取付部に配置される第２伝熱仕切部材と接するように設けられる、
請求項１又は２に記載の熱音響機関。

【請求項4】

前記第１固体伝熱部材は、前記第１熱源の内外を連通する貫通孔を閉じるように前記第１熱源の前記第１取付部に配置される第１伝熱仕切部材と接するように設けられ、
前記第１固体伝熱部材は、棒状部材であり、
前記第１伝熱仕切部材は、一端が閉じられた管部材である、
請求項１に記載の熱音響機関。

【請求項5】

前記第２固体伝熱部材は、前記第２熱源の内外を連通する貫通孔を閉じるように前記第２熱源の前記第２取付部に配置される第２伝熱仕切部材と接するように設けられ、
前記第２固体伝熱部材は、棒状部材であり、
前記第２伝熱仕切部材は、一端が閉じられた管部材である、
請求項１又は４に記載の熱音響機関。

【請求項6】

請求項１に記載の熱音響機関を備えた熱処理炉。

【請求項7】

前記熱処理炉は炭化炉又は黒鉛化炉であり、上流側から下流側に向けて排気室、加熱室及び冷却室を備え、
前記第１変換部の前記第１高温側熱交換器から延出するように設けられた前記第１固体伝熱部材は、前記第１配管の外部に位置する前記加熱室の前記第１取付部に取り付けられ、
前記第２変換部の前記第２低温側熱交換器から延出するように設けられた前記第２固体伝熱部材は、前記第２配管の外部に位置する前記加熱室又は前記排気室の前記第２取付部に取り付けられ、
前記第２変換部の前記第２高温側熱交換器と前記排気室の排気管とは熱交換可能に構成されている、
請求項６に記載の熱処理炉。

【請求項8】

熱から音波を発生させるように構成された第１変換部と、
前記第１変換部に接続配管を介して接続され、前記第１変換部で生成された音波からエネルギーを発生させるように構成された第２変換部と
を備え、
前記第１変換部は、
前記接続配管の一端が接続される環状の第１配管に設けられる第１蓄熱器と、
前記第１配管において前記第１蓄熱器の第１端部に連結される第１高温側熱交換器と、
前記第１配管において前記第１端部とは反対側の前記第１蓄熱器の第２端部に連結される第１低温側熱交換器と、
前記第１変換部の前記第１高温側熱交換器から延出するように設けられる第１固体伝熱部材であって、前記第１配管の外部に位置する第１熱源の第１取付部に取り付けられる第１固体伝熱部材と
を備え、
前記第２変換部は、
前記接続配管の他端が接続される環状の第２配管に設けられる第２蓄熱器と、
前記第２配管において前記第２蓄熱器の第１端部に連結される第２高温側熱交換器と、
前記第２配管において前記第２蓄熱器の前記第１端部とは反対側の前記第２蓄熱器の第２端部に連結される第２低温側熱交換器と、
前記第２変換部の前記第２低温側熱交換器から延出するように設けられる第２固体伝熱部材であって、前記第２配管の外部に位置する第２熱源の第２取付部に取り付けられる第２固体伝熱部材と
を備え、
前記第１固体伝熱部材は、前記第１熱源の内外を連通する貫通孔を閉じるように前記第１熱源の前記第１取付部に配置される第１伝熱仕切部材と接するように設けられ、
前記第２変換部の前記第２高温側熱交換器は、熱エネルギーを出力する、
熱音響機関。

【請求項9】

熱から音波を発生させるように構成された第１変換部と、
前記第１変換部に接続配管を介して接続され、前記第１変換部で生成された音波からエネルギーを発生させるように構成された第２変換部と
を備え、
前記第１変換部は、
前記接続配管の一端が接続される環状の第１配管に設けられる第１蓄熱器と、
前記第１配管において前記第１蓄熱器の第１端部に連結される第１高温側熱交換器と、
前記第１配管において前記第１端部とは反対側の前記第１蓄熱器の第２端部に連結される第１低温側熱交換器と、
前記第１変換部の前記第１高温側熱交換器から延出するように設けられる第１固体伝熱部材であって、前記第１配管の外部に位置する第１熱源の第１取付部に取り付けられる第１固体伝熱部材と
を備え、
前記第２変換部は、
前記接続配管の他端が接続される環状の第２配管に設けられる第２蓄熱器と、
前記第２配管において前記第２蓄熱器の第１端部に連結される第２高温側熱交換器と、
前記第２配管において前記第２蓄熱器の前記第１端部とは反対側の前記第２蓄熱器の第２端部に連結される第２低温側熱交換器と、
前記第２変換部の前記第２低温側熱交換器から延出するように設けられる第２固体伝熱部材であって、前記第２配管の外部に位置する第２熱源の第２取付部に取り付けられる第２固体伝熱部材と
を備え、
前記第２固体伝熱部材は、前記第２熱源の内外を連通する貫通孔を閉じるように前記第２熱源の前記第２取付部に配置される第２伝熱仕切部材と接するように設けられ、
前記第２変換部の前記第２高温側熱交換器は、熱エネルギーを出力する、
熱音響機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱音響機関、及び、この熱音響機関を備えた熱処理炉に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、各種の工場、発電所等において各種機械から排出される排熱を利用する構成が種々提案されていて、これらは省エネルギー化の観点から更なる発展が期待されている。例えば、特許文献１は、工業炉の炉設備の排気管に配置された高温側熱交換器、蓄熱器及び低温側熱交換器が順に接続された原動機が出力ループ配管に配置された第１変換部と、接続配管を介して第１変換部で生成された音波が伝達される第２変換部とを備えた、熱音響機関を開示する。第１変換部は、排気管の排熱から熱音響自励振動による音波を発生させる構成を有し、第２変換部は、接続配管から音波を入力して音波の振動から電力を発生させたり、冷熱を発生させたりするように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－８６１７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、工場等において、各種機械の排熱を有効に取り出すために、例えば排ガスそのものを排気管から外部に取り出すことは、排気ガスの漏れの可能性などの点で改善の余地がある。一方で、上記特許文献１においては、排気管から排熱を取り出す構成については何ら記載されていない。

【0005】

また、熱処理炉には、窒素ガスなどの中性ガス又はアルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス中で炭素材料を超高温に加熱して、その炭化又は黒鉛化を図るように構成された所謂炭化炉及び所謂黒鉛化炉がある。これらは、例えば、１０００℃から３０００℃の温度に材料を加熱するので、排熱も多く、その有効活用が望まれる。一方、この炭化炉又は黒鉛化炉内のガスは、材料由来のタール等を含むので、そのガスを取り出して排熱を回収することは更なる課題をもたらし得る。

【0006】

本開示の目的は、熱音響機関に関して、ガスを直接取り出すことなく、熱を取り出して、音波を発生させ、それによりエネルギーを発生させることを可能にする構成を提供することにある。
また、本開示の更なる目的は、炭化炉、黒鉛化炉などの熱処理炉において、排熱をより好適に回収することを可能にする構成を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本開示の第１態様は、
熱から音波を発生させるように構成された第１変換部と、
前記第１変換部に接続配管を介して接続され、前記第１変換部で生成された音波からエネルギーを発生させるように構成された第２変換部と
を備え、
前記第１変換部は、
前記接続配管の一端が接続される環状の第１配管に設けられる第１蓄熱器と、
前記第１配管において前記第１蓄熱器の第１端部に連結される第１高温側熱交換器と、
前記第１配管において前記第１端部とは反対側の前記第１蓄熱器の第２端部に連結される第１低温側熱交換器と、
前記第１変換部の前記第１高温側熱交換器から延出するように設けられる第１固体伝熱部材であって、前記第１配管の外部に位置する第１熱源の第１取付部に取り付けられる第１固体伝熱部材と
を備え、
前記第２変換部は、
前記接続配管の他端が接続される環状の第２配管に設けられる第２蓄熱器と、
前記第２配管において前記第２蓄熱器の第１端部に連結される第２高温側熱交換器と、
前記第２配管において前記第２蓄熱器の前記第１端部とは反対側の前記第２蓄熱器の第２端部に連結される第２低温側熱交換器と、
前記第２変換部の前記第２低温側熱交換器から延出するように設けられる第２固体伝熱部材であって、前記第２配管の外部に位置する第２熱源の第２取付部に取り付けられる第２固体伝熱部材と
を備えている
熱音響機関
を提供する。

【0008】

好ましくは、前記第１固体伝熱部材は、前記第１熱源と前記第１固体伝熱部材との間に介在するように前記第１熱源の前記第１取付部に配置される第１伝熱仕切部材と接するように設けられる。この場合、前記第１固体伝熱部材は、棒状部材であり、前記第１伝熱仕切部材は、一端が閉じられた管部材であるとよい。

【0009】

好ましくは、前記第２固体伝熱部材は、前記第２熱源と前記第２固体伝熱部材との間に介在するように前記第２熱源の前記第２取付部に配置される第２伝熱仕切部材と接するように設けられる。この場合、前記第２固体伝熱部材は、棒状部材であり、前記第２伝熱仕切部材は、一端が閉じられた管部材であるとよい。

【0010】

本開示の第２態様は、
前述の熱音響機関を備えた熱処理炉
を提供する。

【0011】

好ましくは、前記熱処理炉は炭化炉又は黒鉛化炉である。このとき、その熱処理炉は、上流側から下流側に向けて排気室、加熱室及び冷却室を備えることができる。この場合、前記第１変換部の前記第１高温側熱交換器から延出するように設けられた前記第１固体伝熱部材は、前記第１配管の外部に位置する前記加熱室の前記第１取付部に取り付けられ、前記第２変換部の前記第２低温側熱交換器から延出するように設けられた前記第２固体伝熱部材は、前記第２配管の外部に位置する前記加熱室又は前記排気室の前記第２取付部に取り付けられ、前記第２変換部の前記第２高温側熱交換器と前記排気室の排気管とは熱交換可能に構成されているとよい。

【発明の効果】

【0012】

本開示の上記第１態様によれば、上記構成を備えるので、熱音響機関に関して、ガスを直接取り出すことなく、熱を取り出して、音波を発生させ、よってエネルギーを発生させることが可能になる。
また、本開示の上記第２態様によれば、上記構成を備えるので、炭化炉、黒鉛化炉などの熱処理炉において、排熱をより好適に回収することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本開示に係る基本構成例の熱音響機関を説明するための概念図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る熱処理炉である黒鉛化炉の概略構成図である。

【図3】図３は、図２の黒鉛化炉に設けられた熱音響機関及びその周囲の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示に係る実施形態を添付図に基づいて説明する。同一の部品（又は構成）には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

【0015】

まず、本開示に係る基本構成例の熱音響機関１２を図１に基づき説明する。熱音響機関１２は、熱から音波を発生させるように構成された第１変換部１４と、第１変換部１４に接続配管１８を介して接続された第２変換部２０とを備えている。第２変換部２０は、第１変換部１４で生成された音波からエネルギーを発生させるように構成されている。

【0016】

第１変換部１４は音波発生装置１０を備え、熱音響用配管１６とコア部２２とを備える。熱音響用配管１６は、環状つまりループ状の配管であり、環状の第１配管に相当する。接続配管１８の一端は熱音響用配管１６に連通し、接続配管１８の他端には第２変換部２０が設けられている。熱音響用配管１６及び接続配管１８は互いに連通し、所定の作動気体（ここではヘリウム（Ｈｅ））が所定圧力下で封入されている。なお、作動気体は、ヘリウムに限定されず、種々の気体で有り得、例えばヘリウム、窒素、アルゴン及び空気のうちの１つの気体又はそれらのうちの２つ以上を含む混合気体であってもよい。また、第２変換部２０の後述する環状配管４０（環状の第２配管）にも、熱音響用配管１６及び接続配管１８内と同じく、所定の作動気体が所定圧力下で封入される。

【0017】

第１変換部１４つまり音波発生装置１０は、前述のように、環状の熱音響用配管１６と、コア部２２とを備えている。コア部２２は、原動機と称される場合もあり、蓄熱器２４と、高温側熱交換器２６と、低温側熱交換器２８とを備えている。蓄熱器２４と、高温側熱交換器２６と、低温側熱交換器２８とは、高温側熱交換器２６と低温側熱交換器２８とで蓄熱器２４を挟むように熱音響用配管１６に設けられる。高温側熱交換器２６は、熱音響用配管１６の流路方向ＦＡ１において蓄熱器２４の一端（第１端部）に連結される。高温側熱交換器２６は、蓄熱器２４の第１端部を相対的に加熱するように構成されている。低温側熱交換器２８は、熱音響用配管１６の流路方向ＦＡ１において第１端部とは反対側の蓄熱器２４の他端（第２端部）に連結される。低温側熱交換器２８は、蓄熱器２４の第２端部を相対的に冷却するように構成されている。

【0018】

蓄熱器２４は、例えばハニカムのような細かい流路が設けられた構造体であり、セラミック又は金属から作製され得、ステンレス鋼製ハニカム状構造体を有してもよい。蓄熱器２４は、熱音響用配管１６の流路方向ＦＡ１に直交する断面において複数の流路つまり孔を有して構成され、例えば、その複数の孔の各々は、１ｍｍ未満のサイズ、例えば１ｍｍ未満の内径を有するとよい。高温側熱交換器２６及び低温側熱交換器２８は、それぞれ高い熱伝導率を有するとよく、それぞれ金属製であり得、例えば銅製である。高温側熱交換器２６及び低温側熱交換器２８は、それぞれ、蓄熱器２４と同様に細かい流路を備え、熱音響用配管１６に封入された作動気体を自励振動させるために蓄熱器２４の複数の流路の両端部間に温度勾配が生じるように作動気体との間で熱交換を行う熱交換器を構成している。

【0019】

高温側熱交換器２６から固体伝熱部材（以下、第１固体伝熱部材）３０が延出するように第１固体伝熱部材３０は設けられている。第１固体伝熱部材３０は、耐熱性に優れるとともに、高い熱伝導率を有するとよい。第１固体伝熱部材３０はここでは、グラファイト製の棒状部材であるが、他の材料、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）製であってもよく、また棒状以外の形状を有してもよい。第１固体伝熱部材３０は、熱音響用配管１６の外部に位置する熱源（以下、第１熱源）３２に設けられた取付部３４に取り付けられる。

【0020】

図１に示すように、第１熱源３２の取付部３４に伝熱仕切部材（以下、第１伝熱仕切部材）３６が配置されている。この第１伝熱仕切部材３６は、第１熱源３２の温度などに応じて選定された材料で作製され得、例えば鉄製、ニッケル基合金製であり得、伝熱に優れるとよい。第１伝熱仕切部材３６は、熱音響用配管１６の外部に位置する第１熱源３２と、第１固体伝熱部材３０との間に介在するように第１熱源３２に配置される。そして、第１伝熱仕切部材３６に接するように、第１固体伝熱部材３０は設けられる。例えば、第１固体伝熱部材３０は、機械的接続手段により、第１伝熱仕切部材３６に着脱可能に接続されて、これにより第１伝熱仕切部材３６に接してもよい。具体的には、第１固体伝熱部材３０は雌ねじ部又は雄ねじ部を有し、第１伝熱仕切部材３６の対応する雄ねじ部又は雌ねじ部に着脱自在に螺合されてもよい。これにより、高温側熱交換器２６は、第１伝熱仕切部材３６及び第１固体伝熱部材３０を介して第１熱源３２からの熱を受け取り、常温を超えた所定温度域（第１所定温度域）にまで加熱され得る。なお、第１伝熱仕切部材３６が設けられずに、第１熱源３２の取付部３４に、第１固体伝熱部材３０が接するように設けられ、例えば第１固体伝熱部材３０が直接取り付けられてもよい。例えば、取付部３４に第１固体伝熱部材３０が機械的接続手段により着脱自在に取り付けられてもよく、具体的には、取付部３４が雌ねじ孔であるとき、第１固体伝熱部材３０に雄ねじ部が設けられて、螺合されてもよい。

【0021】

一方、低温側熱交換器２８は、入熱無しに保たれることができ、又は水などの冷却液体を用いた冷却設備を有することができる。これにより、低温側熱交換器２８は、高温側熱交換器２６よりも低い所定温度域（第２所定温度域）の温度を有するようにされる。

【0022】

したがって、蓄熱器２４の両端では温度差が生じ、蓄熱器２４では作動流体の流通方向ＦＡ１に温度勾配が形成される。よって、第１変換部１４の熱音響用配管１６では、内部に存在する作動気体の加熱による膨張と、冷却による収縮が行われ、熱音響自励振動が生じ、それにより音波が発生する。このように、音波発生装置１０を備えた第１変換部１４において、蓄熱器２４を備えたコア部２２では、入力された熱から音波への変換が行われる。

【0023】

第１変換部１４で生成された音波は、熱音響用配管１６に接続された接続配管１８に伝わり、第２変換部２０に伝達される。熱音響用配管１６において、接続配管１８が接続することで、接続配管１８と熱音響用配管１６とにより略Ｔ字状部１７が形成されている。接続配管１８が滑らかにつながる熱音響用配管１６の流路部１６Ａ側に蓄熱器２４の高温側熱交換器２６が向き、接続配管１８と熱音響用配管１６との略Ｔ字状部１７に突き当たるように延びる熱音響用配管１６の流路部１６Ｂ側に蓄熱器２４の低温側熱交換器２８が向くようにコア部２２は熱音響用配管１６に配置されている。そして、ここでは、低温側熱交換器２８から相対的に遠く、かつ、高温側熱交換器２６に相対的に近い箇所に、接続配管１８の一端が接続されている。接続配管１８の他端には第２変換部２０が設けられている。第２変換部２０は、第１変換部１４で生成された音波からエネルギーを発生させるように構成されていて、より具体的には、第１変換部１４で生成された音波から熱エネルギーを発生させるように構成されている。

【0024】

第２変換部２０は、第１変換部１４に接続配管１８を介して接続する。第２変換部２０は、環状配管４０及び、蓄熱器４２と高温側熱交換器４４と低温側熱交換器４６とを備えるコア部４７を備える。環状配管４０は、環状つまりループ状の配管であり、環状の第２配管に相当する。コア部４７は、環状配管４０に設けられている。蓄熱器４２は上記蓄熱器２４と同じ構成を備え、同様の変更が可能である。高温側熱交換器４４は、上記高温側熱交換器２６と同じ構成を備え、同様の変更が可能であり、環状配管４０の流路方向ＦＡ２において蓄熱器４２の一端（第１端部）に連結される。低温側熱交換器４６は、上記低温側熱交換器２８と同じ構成を備え、同様の変更が可能であり、環状配管４０の流路方向ＦＡ２において第１端部とは反対側の蓄熱器４２の他端（第２端部）に連結される。

【0025】

低温側熱交換器４６から固体伝熱部材（以下、第２固体伝熱部材）４８が延出するように第２固体伝熱部材４８は設けられている。第２固体伝熱部材４８は、耐熱性に優れるとともに、高い熱伝導率を有するとよい。第２固体伝熱部材４８はここでは、第１固体伝熱部材３０と同様の構成を備え、ここではグラファイト製の棒状部材であるが、他の材料、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）製であってもよく、また棒状以外の形状を有してもよい。第２固体伝熱部材４８は、環状配管４０の外部に位置する熱源（以下、第２熱源）５０に設けられた取付部５２に取り付けられる。

【0026】

図１に示すように、第２熱源５０の取付部５２に伝熱仕切部材（以下、第２伝熱仕切部材）５４が配置されている。この第２伝熱仕切部材５４は、第２熱源５０の温度などに応じて選定された材料で作製され得、例えば鉄製、ニッケル基合金製であり得、伝熱に優れるとよい。第２伝熱仕切部材５４は、環状配管４０の外部に位置する第２熱源５０と、第２固体伝熱部材４８との間に介在するように第２熱源５０に配置される。そして、第２伝熱仕切部材５４に接するように、第２固体伝熱部材４８は設けられる。例えば、第２固体伝熱部材４８は、機械的接続手段により、第２伝熱仕切部材５４に着脱可能に接続されて、これにより第２伝熱仕切部材３６に接してもよい。具体的には、第２固体伝熱部材４８は雌ねじ部又は雄ねじ部を有し、第２伝熱仕切部材５４の対応する雄ねじ部又は雌ねじ部に着脱自在に螺合されてもよい。これにより、低温側熱交換器４６は、第２伝熱仕切部材５４及び第２固体伝熱部材４８を介して第２熱源５０からの熱を受け取り、常温を超えた所定温度域、例えば上記第１所定温度域にまで加熱され得る。なお、第２伝熱仕切部材５４が設けられずに、第２熱源５０の取付部５２に、第２固体伝熱部材４８が接するように設けられ、例えば第２固体伝熱部材４８が直接取り付けられてもよい。例えば、取付部５２に第２固体伝熱部材４８が機械的接続手段により着脱自在に取り付けられてもよく、具体的には、取付部５２が雌ねじ孔であるとき、第２固体伝熱部材４８に雄ねじ部が設けられて、螺合されてもよい。

【0027】

第２変換部２０の環状配管４０に、接続配管１８の他端（熱音響用配管１６に接続する接続配管１８の一端と反対側の端部）は接続されて連通している。環状配管４０に接続配管１８が接続することで、接続配管１８と環状配管４０とにより略Ｔ字状部４１が形成されている。接続配管１８が滑らかにつながる環状配管４０の流路部４０Ａ側に蓄熱器４２の低温側熱交換器４６が向き、接続配管１８と環状配管４０との略Ｔ字状部４１に突き当たるように延びる環状配管４０の流路部４０Ｂ側に蓄熱器４２の高温側熱交換器４４が向くようにコア部４７は環状配管４０に配置されている。したがって、第２変換部２０の高温側熱交換器４４は第２変換部２０の低温側熱交換器４６よりも高い温度を有することができる。前述のように、低温側熱交換器４６は、第２熱源５０からの熱を受け取り、常温を超えた所定温度域、例えば上記第１所定温度域にまで加熱され得、このように第１変換部１４の高温側熱交換器２６と同様に熱が入力される。よって、第２変換部２０の高温側熱交換器４４は、低温側熱交換器４６を超える温度を生じさせることができ、熱エネルギーを出力することができる。

【0028】

以上説明した熱音響機関１２によれば、上記構成を備えるので、熱音響機関１２に関して、仮に第１熱源３２及び第２熱源５０が高温のガスを有するものであっても、そのガスを直接取り出すことなく、第１固体伝熱部材３０を介して熱を取り出して、第１変換部１４で音波を発生させ、その音波が伝達された第２変換部２０では、第２固体伝熱部材４８を介して熱を取り出して、高温側熱交換器４４で熱エネルギーを発生させることができる。

【0029】

次に、図１に示す熱音響機関１２の構成が適用された、本開示の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

【0030】

図２に、一実施形態に係る熱処理炉６０の概略構成図を示し、図３に、図２の熱処理炉６０に設けられた熱音響機関１２及びその周囲の拡大図を示す。熱処理炉６０は、所謂黒鉛化炉であり、熱処理炉６０に搬入された例えば炭素材料である被処理物Ｗに対して、加熱手段の一例であるヒータ６２により所定の温度（例えば１０００℃～３０００℃）に設定された高温下の窒素ガスなどの中性ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス中で熱処理が行われる。なお、熱処理炉６０は炭化炉であってもよく、この場合、熱処理炉６０は、黒鉛化炉であるときと同じ構成を備え、黒鉛化炉であるときと異なる温度に、ヒータ６２による加熱が行われ得る。

【0031】

熱処理炉６０は、上流側から下流側に向けて、入口シール室６４、排気室６６、加熱室６８、冷却室７０及び出口シール室７２が順に配置されている。入口シール室６４から出口シール室７２にかけて駆動装置で駆動される無端環状の搬送ベルト７４が設けられていて、これらにより、被熱処理物Ｗは、入口シール室６４から出口シール室７２まで搬送される。あるいは、搬送ベルト７４を有さず、炉外に存在する巻取装置などによって、被熱処理物Ｗが移動されてもよい。この巻取装置は、例えば被熱処理物Ｗが糸状の場合に用いられ得る。

【0032】

入口シール室６４は、炉内の雰囲気に炉外の大気が侵入しづらくするように、複数のカーテン７６を備える。この複数のカーテン７６は、ラビリンス構造を有するように配置されるとよい。同様に、出口シール室７２も、炉内の雰囲気に炉外の大気が侵入しづらくするように、複数のカーテン７８を備える。この複数のカーテン７８も、ラビリンス構造を有するように配置されるとよい。

【0033】

加熱室６８は、複数のヒータ６２を備え、被熱処理物Ｗを加熱するように構成されている。冷却室７０は、ここでは、ヒータ６２などの加熱設備に加えて、冷却設備も有さず、投入雰囲気ガスによる冷却を促すように構成されている。しかし、水冷冷却装置、例えば水冷ジャケットなどが冷却室７０に設けられてもよい。

【0034】

中性ガス又は不活性ガスを供給するように構成された図示しないガス供給装置は、炉内雰囲気ガスとなるガス（図２の矢印Ａ１参照）を冷却室７０から炉内に入れ、上流側の加熱室６８側に向けて流すように構成されている。したがって、冷却室７０は、供給されたガスで一定温度以下の冷却状態に維持され、加熱室６８ではヒータ６２により炉内雰囲気ガスは加熱される。こうして加熱された炉内雰囲気ガスは、排気室６６に流れることになる。

【0035】

排気室６６は、ヒータ６２などの加熱設備を備えないが、加熱されたガスにより加熱された状態にされる。このように、加熱室６８に加えて、排気室６６も、その炉内に高温の炉内雰囲気ガスが流れ、これら加熱室６８及び排気室６６はそれぞれ加熱部Ｈに相当する。

【0036】

そして、排気室６６には排気管８０、つまり煙突に相当する構成が設けられ、その排気管８０の先に二次燃焼室８２が設けられている。排気管８０には加熱室６８を通過して排気室６６に至った炉内雰囲気ガスが排ガスとして流入する。二次燃焼室８２は、ヒータ６２を備え、そこに排気管８０を介して流入した排ガス中の不純物、例えばタール成分、一酸化炭素などを燃焼させて排出させるように構成されている。

【0037】

ここで、排気管８０内を通過する過程で、排ガスの温度が下がると、タール成分が排気管６６の内壁面に付着し、固化する可能性がある。このような現象の発生は、排ガスの好適な処理及び熱処理炉６０の連続運転を確保するため、抑制する又は防ぐことが望まれる。そこで、本実施形態では、熱音響機関１２の第２変換部２０の高温側熱交換器４４で発生させた熱エネルギーで、排気管８０つまりそこを流れる排ガスを加熱する。この加熱を可能にするように、高温側熱交換器４４と排気管８０とは熱交換可能に構成され、例えば排気管８０は鉄製又は銅製である。

【0038】

第１変換部１４のコア部２２の高温側熱交換器２６から延出する第１固体伝熱部材３０の先端は、熱処理炉６０の加熱室６８の貫通孔８４に配置された第１伝熱仕切部材３６に接するように設けられている。貫通孔８４は、熱処理炉６０の加熱室６８の取付部３４に、加熱室６８の外壁８６及びその外壁８６の内側の断熱壁８８を貫通するように形成され、加熱室６８の内外を連通する。貫通孔８４は、第１伝熱仕切部材３６の一例である管部材９０が隙間がないように取り付けられている。管部材９０の閉じられた一端部つまり閉端部９０Ａは、加熱室６８内に露出するように設けられ、炉内雰囲気ガスの熱を第１固体伝熱部材３０に伝達することができる。なお、取付部３４に設けられるのは貫通孔８４に限定されず、凹部等であってもよく、管部材９０は、加熱室６８内に露出しないように設けられてもよい。これは、加熱室６８の炉内温度、第１伝熱仕切部材３６又は管部材９０の材料特性などに応じて設計されるとよい。これは、取付部３４に第１固体伝熱部材３０が直接取り付けられる場合にも、同様である。

【0039】

一方、第２変換部２０のコア部４７の低温側熱交換器４６から延出する第２固体伝熱部材４８の先端は、熱処理炉６０の排気室６６の貫通孔９２に配置された第２伝熱仕切部材５４に接するように設けられている。貫通孔９２は、熱処理炉６０の排気室６６の取付部５２に、排気室６６の外壁９４を貫通するように形成され、排気室６６の内外を連通する。貫通孔９２は、第２伝熱仕切部材５４の一例である管部材９６が隙間がないように取り付けられている。管部材９６の閉じたれた一端部つまり閉端部９６Ａは、排気室６６内に露出するように設けられ、炉内雰囲気ガスの熱を第２固体伝熱部材４８に伝達することができる。なお、取付部５２及びそこに形成される貫通孔９２は、取付部３４及びそこに形成される貫通孔８４と同様に、加熱室６８に設けられてもよい。このように、ここでは第１熱源３２は加熱室６８又はそこを流れる炉内雰囲気ガスであり、第２熱源５０は排気室６６又は加熱室６８、そしてそれらを流れる炉内雰囲気ガスである。これにより、第１変換部１４の高温側熱交換器２６への入熱と、第２変換部２０の低温側熱交換器４６の入熱をほぼ等しくされるとよい。ただし、取付部５２に設けられるのは貫通孔９２に限定されず、凹部等であってもよく、管部材９６は、排気室６６内に露出しないように設けられてもよい。これは、排気室６６又は加熱室６８の炉内温度、第２伝熱仕切部材５４又は管部材９６の材料特性などに応じて設計されるとよい。これは、取付部５２に第２固体伝熱部材４８が直接取り付けられる場合にも、同様である。

【0040】

上記構成を備える熱処理炉６０によれば、加熱室６８又はそこを流れる炉内雰囲気ガスの熱が第１伝熱仕切部材３６及び第１固体伝熱部材３０を介して第１変換部１４の高温側熱交換器２６に伝達され、蓄熱器２４の両端に温度勾配を生じさせ、よって第１変換部１４で熱音響自励振動により熱音響用配管１６内において音波を発生させることができる。第１変換部１４の音波は、接続配管１８を介して、第２変換部２０の環状配管４０に伝達される。第２変換部２０の低温側熱交換器４６には、第２伝熱仕切部材５４及び第２固体伝熱部材４８を介して排気室６６又はそこを流れる炉内雰囲気ガス（あるいは、加熱室６８又はそこを流れる炉内雰囲気ガス）の熱が伝達される。したがって、第２変換部２０では音波が蓄熱器４２に入力されることで、蓄熱器４２内にて低温側から高温側へ熱が移動し、具体的には低温側熱交換器４６の熱が高温側熱交換器４４へ汲み上げられるため、高温側熱交換器４４において低温側熱交換器４６よりも高い温度を有する熱エネルギーを出力することができる。この熱エネルギーは排気管６６及びそこを流れる排ガスの加熱に用いられる。

【0041】

以上、本開示に係る基本構成例、実施形態及びその変形例について説明したが、本開示はそれらに限定されない。本願の特許請求の範囲によって定義される本開示の精神及び範囲から逸脱しない限り、種々の置換、変更が可能である。本開示において説明した処理や手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。

【0042】

例えば、上記実施形態では、熱音響用配管１６に設けられるコア部２２の数は１つであったが、複数であってもよい。また、第２変換部２０のコア部４７の数も、１つでも複数でもよい。

【0043】

また、上記実施形態では、熱処理炉６０は黒鉛化炉（又は炭化炉）であったが、本開示の技術は黒鉛化炉、炭化炉以外の熱処理炉にも適用可能である。

【符号の説明】

【0044】

１０ 音波発生装置
１２ 熱音響機関
１４ 第１変換部
１６ 熱音響用配管
１８ 接続配管
２０ 第２変換部
２２ コア部
２４ 蓄熱器
２６ 高温側熱交換器
２８ 低温側熱交換器
３０ 固体伝熱部材
３４ 取付部
３６ 伝熱仕切部材
４０ 環状配管
４２ 蓄熱器
４４ 高温側熱交換器
４６ 低温側熱交換器
４７ コア部
４８ 固体伝熱部材
５４ 伝熱仕切部材
６０ 熱処理炉

【要約】

【課題】熱音響機関に関して、ガスを直接取り出すことなく、熱を取り出して、音波を発生させ、それによりエネルギーを発生させることを可能にする構成を提供する。
【解決手段】本開示の第１態様の熱音響機関１２は、熱から音波を発生させるように構成された第１変換部１４と、前記第１変換部１４に接続配管を介して接続され、エネルギーを発生させるように構成された第２変換部とを備える。前記第１変換部１４は、第１配管に配置された第１蓄熱器２４と、第１高温側熱交換器２６と、第１低温側熱交換器２８と、前記第１高温側熱交換器から延出するように設けられる第１固体伝熱部材３０とを備える。前記第２変換部２０は、第２配管に配置された第２蓄熱器４２と、第２高温側熱交換器４４と、第２低温側熱交換器４６と、前記第２高温側熱交換器から延出するように設けられる第２固体伝熱部材４８とを備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】