特許 7607381 気液熱交換器用部材、気液熱交換器、及び気液熱交換器用部材の製造方法

(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】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】気液熱交換器用部材、気液熱交換器、及び気液熱交換器用部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/16 20060101AFI20241220BHJP

   F25B 9/00 20060101ALN20241220BHJP

【ＦＩ】

F28D7/16 A

F25B9/00 Z

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2024062759

(22)【出願日】2024-04-09

【審査請求日】2024-04-25

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】518102425

【氏名又は名称】昭電工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100173679

【弁理士】

【氏名又は名称】備後 元晴

(72)【発明者】

【氏名】吉岡 和行

【審査官】大谷 光司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２７１０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－０４６３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３４０６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７６０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０５８１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－０１９６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３７２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１６１０５５３２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特公昭６３－０６０３１９（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｄ７／１６

Ｆ２５Ｂ９／００

Ｆ０３Ｇ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に導入された気体と内部に導入された液体との間で熱交換が行われる本体部を有し、
前記本体部の形状は、互いに略平行な一の底面及び他の底面を有する略柱体の形状であり、かつ、前記一の底面から前記他の底面までを直線的に連通する複数の孔が設けられた形状であり、
前記複数の孔は、前記気体が導入され、前記本体部の高さ方向に略平行に設けられ、かつ、前記高さ方向と略直交する所定の向きに沿った複数の列をなすよう設けられ、
前記孔の内面の形状は、前記孔の内部に気体が導入された場合に、当該気体の振動を実質的に阻害しない滑らかな柱状であり、
前記本体部は、前記液体が導入される複数のスリットが設けられた形状であり、
前記スリットは、前記本体部における前記列の一端の側から、前記本体部における前記列の他端の側に向けて、前記孔と交わらないよう、前記複数の列の間に直線的に設けられる、
熱音響の自励振動を用いた熱輸送用の気液熱交換器用部材。

【請求項2】

請求項１に記載の気液熱交換器用部材と、
前記気液熱交換器用部材を収容する中空のシェルと、
を備える、
熱音響の自励振動を用いた熱輸送用の気液熱交換器。

【請求項3】

互いに略平行な一の底面及び他の底面を有する略柱体の形状である本体部用材料に、前記一の底面から前記他の底面までを直線的に連通する複数の孔と、前記孔と交わらないスリットとを開ける開口工程と、
前記孔の内面を滑らかにする平滑化工程と、
を含み、
前記開口工程において、
前記複数の孔は、前記本体部の高さ方向に略平行に開けられ、かつ、前記高さ方向と略直交する所定の向きに沿った複数の列をなすよう開けられ、
前記スリットは、前記本体部における前記列の一端の側から、前記本体部における前記列の他端の側に向けて、前記孔と交わらないよう、前記複数の列の間に直線的に開けられる、
熱音響の自励振動を用いた熱輸送用の気液熱交換器用部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気液熱交換器用部材、気液熱交換器、及び気液熱交換器用部材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高温の工業炉からの熱輸送における安全性、費用対効果等を改善すべく、管路内に配された蓄熱器を高温側熱交換器（第１熱交換器）及び低温側熱交換器（第２熱交換器）で挟み込む熱音響デバイスにおいて、高温側熱交換器を、土台部と一体に構成された棒状の受熱部を有するピン式熱交換器として構成する技術（特許文献１）が提案されている。特許文献１に記載の技術は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送における熱輸送量を向上することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許７２７０１４４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、特許文献１は、高温側熱交換器を、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適したピン式熱交換器とすることを開示するものの、低温側熱交換器については、「シェルアンドチューブ式気液熱交換器であることが好ましい」と従来技術の利用を示すにとどまる。よって、特許文献１は、熱音響デバイスの低温側熱交換器を、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した構成とする点においてさらなる向上の余地がある。

【0005】

本発明の目的は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、気液熱交換器の本体部を柱状とし、本体部を高さ方向に連通して複数の列をなす孔と、これらの列の間において孔と交わらないように本体部を連通するスリットとをこの本体部に設けて孔内部に導入される気体とスリット内部に導入される液体との間で熱交換が行われるようにし、これらの孔の内面を滑らかにすること等によって、上記の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。具体的に、本発明は以下のものを提供する。

【0007】

本発明の第１の特徴に係る発明は、内部に導入された気体と内部に導入された液体との間で熱交換が行われる本体部を有し、前記本体部の形状は、互いに略平行な一の底面及び他の底面を有する略柱体の形状であり、かつ、前記一の底面から前記他の底面までを直線的に連通する複数の孔が設けられた形状であり、前記複数の孔は、前記気体が導入され、前記本体部の高さ方向に略平行に設けられ、かつ、前記高さ方向と略直交する所定の向きに沿った複数の列をなすよう設けられ、前記孔の内面の形状は、前記孔内部に気体が導入された場合に、当該気体の振動を実質的に阻害しない滑らかな柱状であり、前記本体部は、前記液体が導入される複数のスリットが設けられた形状であり、前記スリットは、前記本体部における前記列の一端の側から、前記本体部における前記列の他端の側に向けて、前記孔と交わらないよう、前記複数の列の間に直線的に設けられる、気液熱交換器用部材を提供する。

【0008】

従来技術の気液熱交換器では、気体側流路内に乱流が形成されるようにして、気体の熱交換を促進する。一方、自励振動等によってもたらされた作動流体中の振動流がもたらす熱音響現象を利用するデバイスである熱音響デバイス用の熱交換器では、熱音響デバイスにおける振動流の生成・利用の効率向上のため、作動流体中の振動流が阻害されないことが重視される。そのため、熱音響デバイス用の熱交換器では、作動流体である気体中に乱流が形成されない構成が望まれる。

【0009】

当該発明は、略柱体の形状である本体部の一の底面から他の底面までを直線的に連通するよう、気体が導入される複数の孔が設けられている。これにより、当該発明の気液熱交換器用部材は、熱音響デバイスの軸方向と本体部の底面それぞれとが略垂直になるよう、熱音響デバイスの管内に配することができる。これにより、当該発明は、軸方向に沿った振動流の底面それぞれにおける位相が不均一となり、乱流を形成して振動流を阻害することを防ぐ。また、当該発明は、複数の孔の内面が内部に導入される気体の振動を実質的に阻害しない滑らかな柱状であることによっても、気体側流路である孔内における乱流の形成を防ぐ。

【0010】

当該発明は、気体側流路である孔内に乱流が形成されないことによる熱交換効率の低下を、振動流に係るドリームパイプ効果によって補う。ドリームパイプ効果は、流路に沿った方向の振動によって、流路内部の作動流体の実効熱伝導率が作動流体本来の熱伝導率より高くなる効果である。これにより、当該発明は、熱音響デバイスでの利用のために従来技術の熱交換器と全く逆の乱流形成を避ける構成であるにもかかわらず、効果的な熱交換を実現する。

【0011】

ところで、ドリームパイプ効果を効果的に発揮させるためには、流路が自励振動の周波数に応じた細さであることが求められる。当該発明は、複数の孔がなす列の間にスリットを設けて液体が導入される流路とする特有の構成により、気体が導入される孔が細い場合であっても、液体側流路を設けることを容易としている。

【0012】

以上より、当該発明は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器を提供できる。

【0013】

本発明の第２の特徴に係る発明は、第１の特徴に係る発明であって、前記複数の孔は、ワイヤ放電加工により滑らかにされた内面を有する、気液熱交換器用部材を提供する。

【0014】

効果的にドリームパイプ効果による熱交換が行われるべく、気体が導入される孔を細くした場合、孔の内面を滑らかな柱状に加工することは、難しい。当該発明は、ワイヤ放電加工により、気体が導入される孔が細い場合であっても、孔の内面を滑らかな柱状に加工することを可能とする。これにより、当該発明は、ドリームパイプ効果を効果的に発揮させる細い孔の内面を滑らかな柱状とし、気体の振動を実質的に阻害しないことと、効果的にドリームパイプ効果による熱交換が行われることとの両立を実現する。

【0015】

以上より、当該発明は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器を提供できる。

【0016】

本発明の第３の特徴に係る発明は、第１又は第２の特徴に係る発明であって、前記複数のスリットは、ワイヤ放電加工により滑らかにされた内面を有する、気液熱交換器用部材を提供する。

【0017】

熱音響デバイス用の低温側熱交換器では、振動流を阻害しないよう、作動流体側流路の開口率が高いことが求められる。加えて、熱音響デバイス用の低温側熱交換器の作動流体側流路では、ドリームパイプ効果を効果的に発揮させるために、細い孔が求められる。これらの条件を満たすように孔の列を構成すると、スリットの幅が小さくなる。一方、熱音響デバイス用の低温側熱交換器では、蓄熱器両側の温度比を安定させるために、液体側流路の圧損を抑えて、冷却用の液体の温度を安定させることが求められる。

【0018】

当該発明は、ワイヤ放電加工により、液体が導入されるスリットの内面を滑らかにする。これにより、当該発明は、両底面の開口率及びドリームパイプ効果を鑑みた構成によってスリットが細い場合であっても、液体側流路の圧損を抑えて、冷却用の液体の温度を安定させることができる。

【0019】

以上より、当該発明は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器を提供できる。

【0020】

本発明の第４の特徴に係る発明は、第１の特徴から第３の特徴までのいずれかに記載の気液熱交換器用部材と、前記気液熱交換器用部材を収容する中空のシェルと、を備え、前記シェルは、前記本体部の前記一の底面及び前記他の底面の両方において前記複数の孔の少なくとも一部を塞がず、かつ、前記本体部の前記一端の側及び前記他端の側の両方において前記スリットの少なくとも一部を塞がないよう、前記気液熱交換器用部材を収容し、前記シェルは、前記所定の向きに沿って前記シェルの内外を連通する複数の開口部を有し、前記複数の開口部の少なくとも一部は、前記気液熱交換器用部材の中心から見て前記一端の側と同じ側に設けられ、前記複数の開口部の少なくとも一部は、前記気液熱交換器用部材の中心から見て前記他端の側と同じ側に設けられる、気液熱交換器を提供する。

【0021】

当該発明は、開口部が設けられる向きの工夫により、冷却用の液体がシェル外部の一端の側からスリットを通過してシェル外部の他端の側まで通過するときの圧損を抑える。これにより、当該発明は、液体側流路の圧損を抑えて、冷却用の液体の温度を安定させることができる。

【0022】

以上より、当該発明は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器を提供できる。

【0023】

本発明の第５の特徴に係る発明は、互いに略平行な一の底面及び他の底面を有する略柱体の形状である本体部用材料に、前記一の底面から前記他の底面までを直線的に連通する複数の孔と、前記孔と交わらないスリットとを開ける開口工程と、前記孔の内面を滑らかにする平滑化工程と、を含み、前記開口工程において、前記複数の孔は、前記本体部の高さ方向に略平行に開けられ、かつ、前記高さ方向と略直交する所定の向きに沿った複数の列をなすよう開けられ、前記スリットは、前記本体部における前記列の一端の側から、前記本体部における前記列の他端の側に向けて、前記孔と交わらないよう、前記複数の列の間に直線的に開けられる、気液熱交換器用部材の製造方法。

【0024】

当該発明は、開口工程によって開けられた下孔の内部をワイヤ放電加工等によって滑らかにする手順により、複数の孔がドリームパイプ効果を効果的に発揮させるべく細い孔として構成される場合であっても、第１から第３の特徴に係る気液熱交換器用部材の提供を可能とする。

【0025】

以上より、当該発明は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器を提供できる。

【発明の効果】

【0026】

以上より、本発明は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は、本実施形態の気液熱交換器Ｅの等角投影図である。

【図2】図２は、図１の気液熱交換器用部材１の等角投影図である。

【図3】図３は、図２の気液熱交換器用部材１の上面図である。

【図4】図４は、図２の気液熱交換器用部材１の正面図である。

【図5】図５は、図２の気液熱交換器用部材１の右側面図である。

【図6】図６は、図１の気液熱交換器Ｅの正面図である。

【図7】図７は、本実施形態に係る気液熱交換器Ｅの製造方法の好ましい流れの一例を示すフローチャートである。

【図8】図８は、本実施形態の気液熱交換器Ｅが取り付けられた熱音響デバイスＴの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下は、本発明を実施するための好適な形態の一例について、図を参照しながら説明するものである。なお、これはあくまでも一例である。本発明の技術的範囲は、これに限られるものではない。

【0029】

図１は、本実施形態の気液熱交換器Ｅの等角投影図である。以下は、図１を用いた、本実施形態の気液熱交換器Ｅの好ましい態様の一例である。

【0030】

〔気液熱交換器Ｅ〕
気液熱交換器Ｅは、気液熱交換器用部材１及びシェル２を備える。シェル２は、後述する気液熱交換器用部材１の本体部１１の両底面において複数の孔１１３の少なくとも一部を塞がないよう気液熱交換器用部材１を収容する。

【0031】

［気液熱交換器用部材１］
図２は、図１の気液熱交換器用部材１の等角投影図である。図３は、図２の気液熱交換器用部材１の上面図である。図４は、図２の気液熱交換器用部材１の正面図である。図５は、図２の気液熱交換器用部材１の右側面図である。以下は、図２から図５までを用いた、本実施形態の気液熱交換器用部材１の好ましい態様の一例である。

【0032】

（本体部１１）
本体部１１は、内部に導入された気体Ｇと内部に導入された液体（図示せず）との間で熱交換が行われる部材である。本体部１１の形状は、互いに略平行な一の底面（例えば、第１底面１１１）及び他の底面（例えば、第２底面１１２）を有する略柱体の形状であり、かつ、第１底面１１１から第２底面１１２までを直線的に連通する複数の孔１１３が設けられた形状である。

【0033】

複数の孔１１３は、気体Ｇが導入され、本体部１１の高さ方向（例えば、第１方向Ｄ１）に略平行に設けられ、かつ、第１方向Ｄ１と略直交する所定の向き（例えば、第２方向Ｄ２）に沿った複数の列をなすよう設けられる。孔１１３の内面の形状は、孔１１３内部に気体Ｇが導入された場合に、当該気体Ｇの振動を実質的に阻害しない滑らかな柱状である。

【0034】

上述の列の間隔は、特に限定されない。熱音響デバイスに取り付けられた場合に振動流を阻害しない高い開口率を実現すべく、上述の列の間隔ｄ［ｍ］は、ｒ／５以上、２ｒ以下の範囲に含まれることが好ましい。ただし、ｒ［ｍ］は孔１１３の半径である。高い開口率を実現すべく、列内における孔１１３の間隔ｇ［ｍ］は、ｒ／１０以上、ｒ以下の範囲に含まれることが好ましい。

【0035】

気体Ｇと本体部１１との接触面積を増やし、かつ、ドリームパイプ効果を好適に発揮させるべく、孔１１３の半径ｒ［ｍ］は、振動流を有する気体Ｇ中において、（２６０ｋ／（ωρｃ_ｐ））^１／２の近傍である（１００ｋ／（ωρｃ_ｐ））^１／２以上、（７２０ｋ／（ωρｃ_ｐ））^１／２以下の範囲に含まれることが好ましい。ただし、ω［ｓ^－１］は気体Ｇの振動における角周波数、ｋ［Ｗ／Ｋ・ｍ］は気体Ｇの熱伝導率、ρ［ｋｇ／ｍ^３］は気体Ｇの密度、ｃ_Ｐ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］は気体Ｇの比熱容量である。

【0036】

例えば、気体Ｇが０．７ＭＰａまで加圧された乾燥空気であり、気体Ｇの振動における角周波数ωが全長１．７４［ｍ］の熱音響デバイス内部での自励振動に相当する６６０［ｓ^－１］である場合、半径ｒ［ｍ］は、９．３×１０^－４［ｍ］以上、２．５×１０^－３［ｍ］以下の範囲に含まれることが好ましい。すなわち、この条件下における孔１１３の直径は、概ねφ２からφ５の範囲に含まれることが好ましい。また、このときの最も好適な半径ｒ［ｍ］は、約１．５×１０^－３［ｍ］であり、約φ３に相当する。このように孔１１３が細い場合、孔１１３の内面を滑らかな柱状に加工することは、難しい。

【0037】

そこで、複数の孔１１３は、ワイヤ放電加工により滑らかにされた内面を有することが好ましい。ワイヤ放電加工は、孔１１３が細い場合であっても、孔１１３の内面を滑らかな柱状に加工することを可能とする。これにより、孔１１３において、ドリームパイプ効果を効果的に発揮させる細い孔であることと、気体Ｇの振動を実質的に阻害しない滑らかな柱状の内面を有することとが両立される。

【0038】

孔１１３における内面の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に係る算術平均粗さＲａにおいて、０．１以上、１０以下の範囲に含まれることが好ましい。これにより、孔１１３は、気体Ｇの振動を実質的に阻害しない滑らかな柱状の内面となる。

【0039】

本体部１１は、上述の液体が導入される複数のスリット１１８が設けられた形状である。スリット１１８は、本体部１１における上述の列（孔１１３が成す列）の一端の側（例えば、第１側面１１４）から、本体部１１における上で述べた列の他端の側（例えば、第２側面１１５）に向けて、孔１１３と交わらないよう、上で述べた複数の列の間に直線的に設けられる。これにより、スリット１１８は、本体部１１を介して気体Ｇと熱交換を行う。導入される液体における圧損を抑えるべく、スリット１１８は、滑らかな内面を有することが好ましい。

【0040】

スリット１１８の高さは、特に限定されない。両底面周辺の構造的強度とスリット内部に導入される液体に対する圧損の低減とを両立すべく、スリット１１８の高さは、例えば、本体部１１の高さに対して５０％以上９６％以下の範囲に含まれることが好ましい。スリット１１８の幅ｗ［ｍ］は、特に限定されない。スリット内部に導入される液体に対する圧損を低減すべく、幅ｗ［ｍ］は、ｄの５０％以上、ｄの９６％以下であることが好ましい。

【0041】

例えば、半径ｒ［ｍ］が上述の４．４×１０^－４［ｍ］であり、列の間隔ｄ［ｍ］が１×１０^－３［ｍ］である場合、好適なスリット１１８の幅ｗ［ｍ］は、５×１０^－４［ｍ］以上、９．６×１０^－４［ｍ］以上の範囲となる。このようにスリット１１８が細い場合、スリット１１８の内面を滑らかに加工することは、難しい。

【0042】

そこで、スリット１１８は、ワイヤ放電加工により滑らかにされた内面を有することが好ましい。ワイヤ放電加工は、スリット１１８が細い場合であっても、スリット１１８の内面を滑らかな柱状に加工することを可能とする。これにより、スリット１１８において、高い開口率を達成するために細いことと、圧損が小さい滑らかな内面を有することとが両立される。

【0043】

スリット１１８における内面の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に係る算術平均粗さＲａにおいて、０．１以上、１０以下の範囲に含まれることが好ましい。これにより、スリット１１８は、圧損が小さい滑らかな内面となる。また、同様の理由により、スリット１１８における内面の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に係る最大高さ粗さＲｙにおいて、０．１以上、２０以下の範囲に含まれることが好ましい。

【0044】

［シェル２］
図１は、本実施形態の気液熱交換器Ｅの等角投影図である。図６は、図１の気液熱交換器Ｅの正面図である。以下は、図１及び図６を用いた、シェル２の好ましい態様の一例である。

【0045】

シェル２は、気液熱交換器用部材１を収容する中空の部材である。シェル２は、少なくとも、胴部２１を有する。シェル２は、熱音響デバイスＴ等への取付けを容易にすべく、フランジ２２をさらに有することが好ましい。シェル２は、気液熱交換器用部材１の本体部１１の一の底面（例えば、第１底面１１１）及び他の底面（例えば、第２底面１１２）の両方において複数の孔１１３の少なくとも一部を塞がずに気液熱交換器用部材１を収容するよう構成される。

【0046】

シェル２は、スリット１１８が設けられた本体部１１における上で述べた列の一端の側（例えば、第１側面１１４の側）及び上で述べた列における他端の側（例えば、第２側面１１５の側）の両方においてスリット１１８の少なくとも一部を塞がないよう構成される。

【0047】

図１及び図６に示す例では、第１側面１１４の側にシェル２の内外を連通する一対の第１開口部２１１を設け、さらに、第２側面１１５の側にシェル２の内外を連通する一対の別の開口部（図示せず）を設け、シェル２の中空部分の内面と気液熱交換器用部材１との間に空隙が設けられていることにより、スリット１１８の少なくとも一部を塞がない構成を実現している。すなわち、シェル２において、複数の開口部の少なくとも一部は、収容される気液熱交換器用部材１の中心から見て上述の列の一端の側（例えば、第１側面１１４の側）と同じ側に設けられ、複数の開口部の少なくとも一部は、気液熱交換器用部材１の中心から見て上述の列における他端の側（例えば、第２側面１１５の側）と同じ側に設けられる。

【0048】

液体の流量を確保すべく、シェル２は、第２開口部２１２、第３開口部２１３、第４開口部２１４等によって例示される、別の開口部を有してもよい。開口部の数及び大きさは、特に限定されない。

【0049】

気液熱交換器用部材１の収容を容易にすべく、シェル２の胴部２１は、分割可能な一対の部材として構成されることが好ましい。このとき、一対の部材は、第１方向Ｄ１に略垂直な平面で分割可能に構成されることが好ましい。これにより、第１方向Ｄ１に沿った向きの力を加え、分割面からの液体漏出を防ぐことができる。ボルト等によって第１方向Ｄ１に沿った向きの力を加えることを容易にすべく、フランジ２２は、ボルト孔２２１を有することが好ましい。液体漏出を防ぐべく、フランジ２２は、胴部２１と一体に構成されることが好ましい。

【0050】

＜気液熱交換器Ｅの製造方法＞
図７は、本実施形態に係る気液熱交換器Ｅの製造方法の好ましい流れの一例を示すフローチャートである。以下は、図７を用いた、本実施形態に係る気液熱交換器Ｅの製造方法の好ましい流れの一例の説明である。

【0051】

気液熱交換器Ｅの製造方法は、シェル準備工程、気液熱交換器用部材製造工程、及び収容工程を含むことが好ましい。収容工程は、シェル準備工程及び気液熱交換器用部材製造工程の後に行われる。

【0052】

〔シェル準備工程〕
シェル準備工程は、シェル２を準備する工程である。シェル準備工程は、特に限定されず、従来技術の中空シェルを準備する各種工程でよい。フランジ２２を設ける手順は、特に限定されず、従来技術の手順でよい。第１開口部２１１その他の開口部を設ける手順は、特に限定されず、従来技術の手順でよい。ボルト孔２２１を設ける手順は、特に限定されず、従来技術の手順でよい。

【0053】

〔気液熱交換器用部材製造工程〕
気液熱交換器用部材製造工程は、開口工程及び平滑化工程を含むことが好ましい。平滑化工程は、開口工程の後に行われる。

【0054】

［開口工程］
開口工程は、互いに略平行な一の底面（例えば、第１底面１１１）及び他の底面（例えば、第２底面１１２）を有する略柱体の形状である本体部用材料に、一の底面から他の底面までを直線的に連通する複数の孔１１３と、孔１１３と交わらないスリット１１８とを開ける工程である。強度及び液体が孔１１３内部へ漏れることを防ぐ観点から、本体部用材料は、均質な塊から切削加工等によって製造されたものであることが好ましい。

【0055】

本体部用材料の材質は、特に限定されず、ステンレス、アルミニウム、銅、真鍮等によって例示される各種の金属、グラファイトカーボン等で良い。本体部用材料の材質は、アルミニウム、銅、真鍮等によって例示される熱伝導率が比較的高い材質であることが好ましい。当該材質がグラファイトカーボン等の熱伝導異方性材料である場合、熱伝導率が低い向きが一の底面から他の底面まで向かう向きと略一致することが好ましい。

【0056】

開口工程において、複数の孔１１３は、気体Ｇが導入され、本体部１１の高さ方向（例えば、第１方向Ｄ１）に略平行に開けられ、かつ、この高さ方向と略直交する所定の向き（例えば、第２方向Ｄ２）に沿った複数の列をなすよう開けられる。ここで言う「高さ方向」は、略柱体の高さ方向、すなわち、一の底面から他の底面まで向かう方向に平行な方向を指す。孔１１３を開ける手順は、特に限定されず、従来技術の手順でよい。

【0057】

また、開口工程において、スリット１１８は、本体部１１における上で述べた列の一端の側（例えば、第１側面１１４の側）から、本体部１１における上で述べた列の他端の側（例えば、第２側面１１５の側）に向けて、孔１１３と交わらないよう、上で述べた複数の列の間に直線的に開けられる。スリット１１８を開ける手順は、特に限定されず、従来技術の手順でよい。

【0058】

［平滑化工程］
平滑化工程は、孔１１３の内面を滑らかにする工程である。孔１１３の内面を滑らかにする手順は、ワイヤ放電加工を用いた手順を含むことが好ましい。当該手順は、例えば、開口工程で開けられた孔１１３の内部に第１方向Ｄ１に沿ったワイヤを通し、放電によって孔１１３の内面を滑らかにするよう行われる。

【0059】

平滑化工程は、スリット１１８の内面を滑らかにする手順を含むことが好ましい。スリット１１８の内面を滑らかにする手順は、ワイヤ放電加工を用いた手順を含むことが好ましい。当該手順は、例えば、開口工程で開けられたスリット１１８の内部に第２方向Ｄ２に沿ったワイヤを通し、放電によってスリット１１８の内面を滑らかにするよう行われる。

【0060】

本実施形態の気液熱交換器用部材１の製造方法は、開口工程によって開けられた下孔である孔１１３の内部をワイヤ放電加工等によって滑らかにする手順により、複数の孔１１３がドリームパイプ効果を効果的に発揮させるべく細く構成される場合であっても、本実施形態の気液熱交換器用部材１の提供を可能とする。

【0061】

〔収容工程〕
収容工程は、シェル準備工程で準備されたシェル２の内部に開口工程及び平滑化工程を経て準備された気液熱交換器用部材１を収容する工程である。収容工程は、シェル２が本体部１１の一の底面（例えば、第１底面１１１）及び他の底面（例えば、第２底面１１２）の両方において複数の孔１１３の少なくとも一部を塞がず、かつ、本体部１１における上で述べた列における一端の側（例えば、第１側面１１４の側）及び上で述べた列における他端の側（例えば、第２側面１１５の側）の両方においてスリット１１８の少なくとも一部を塞がないよう行われる。

【0062】

収容工程は、分割可能な一対に構成されたシェル２の内部に気液熱交換器用部材１を収容した後に、当該一対の間で対向するボルト孔２２１にボルト等を通して締め付ける手順を含むことが好ましい。これにより、ボルトが第１方向Ｄ１に沿った向きの力を加え、分割面からの液体漏出を防ぐことができる。

【0063】

［本実施形態の効果についての補足］
一般用途の熱交換器であれば、伝熱面積を増やす等の目的のため、プレートの断面から断面までを連通する細孔が当該断面の長手方向に沿って並べられた複数のプレートを用意し、冷却用媒体を通すプレートと被冷却媒体を通すプレートとにこれらプレートを分け、冷却用媒体を通すプレートと被冷却媒体を通すプレートとを交互に重ねて構成された並行流マイクロチャンネル熱交換器を用いる選択もあり得る。

【0064】

一方、熱音響デバイス等の振動流の生成・利用を目的とするデバイスにおいて当該振動流が生じている作動流体を冷却する場合に、上述のように構成された並行流マイクロチャンネル熱交換器を用いると、作動流体に対する開口率が低くなる。これは、被冷却媒体を通すプレートが断面に占める割合が当該断面の約半分に過ぎず、しかも、このプレートのうち細孔が設けられた一部だけが作動流体を通すためである。そのため、上述のように構成された並行流マイクロチャンネル熱交換器は、その低い開口率により、当該デバイスにおける振動流を妨げてしまう。

【0065】

加えて、並行流マイクロチャンネル熱交換器では、冷却用媒体が細孔を通過するため、冷却用媒体に係る圧損が大きくなることが懸念される。当該デバイスが省エネルギー性向上を目的としている場合、大きな圧損に対応したポンプ等で多くのエネルギーを消費して冷却用媒体を送り出すことは、その目的に反する。さらに、上述のように構成された並行流マイクロチャンネル熱交換器は、振動流がもたらす振動によりプレート間の接合が劣化することが懸念される。

【0066】

本実施形態の製造方法は、上述の通り、略柱体の形状である本体部用材料に下孔及びスリットを開け、この下孔等の内面をワイヤ放電加工により滑らかにする手順により、振動する気体Ｇが導入される孔１１３と、冷却用の液体が導入されるスリット１１８とを、略直交するよう設ける。

【0067】

これにより、本実施形態の気液熱交換器用部材１は、作動流体である振動する気体Ｇに対する開口率を高くすることを可能とする。また、本実施形態の気液熱交換器用部材１は、冷却用液体が導入される部分がプレート内部に設けられた細孔ではなくスリット１１８であるため、冷却用液体に係る圧損を低くできる。加えて、本実施形態の気液熱交換器用部材１は、プレートを接合する手順を含まない製造方法で製造されるため、気体中の振動流により、プレート間の接合が劣化することによる破損を免れる。

【0068】

以上より、本実施形態の気液熱交換器用部材１及びその製造方法は、熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器Ｅを提供できる。

【0069】

＜熱音響デバイスＴへの適用＞
図８は、本実施形態の気液熱交換器Ｅが取り付けられた熱音響デバイスＴの概略図である。以下は、図８を用いた、本実施形態の気液熱交換器Ｅの熱音響デバイスＴへの適用の説明である。

【0070】

気液熱交換器Ｅは、熱音響デバイスＴの低温側熱交換器として利用可能である。熱音響デバイスＴは、気体Ｇが封入された管Ｐ内部に蓄熱器Ｓが配された熱輸送デバイスである。蓄熱器Ｓは、低温側熱交換器及び高温側熱交換器Ｈで挟まれている。これにより、蓄熱器Ｓの両端に温度差が生じ、熱音響現象の自励振動が気体Ｇ中に生成される。熱音響デバイスＴは、この自励振動により、管Ｐの高温側端部ＰＥ１の側に配された高温側熱交換器Ｈから管Ｐの低温側端部ＰＥ２の側に配された低温側熱交換器に向けて熱を輸送する。

【0071】

気体Ｇは、例えば、乾燥空気、湿り空気、窒素ガス、二酸化炭素ガス等である。低温側熱交換器として本実施形態の気液熱交換器Ｅを取り付けることにより、熱音響デバイスＴは、低温側熱交換器における乱流の形成が低減され、自励振動による振動流が好適に生成される。これにより、熱音響デバイスＴは、他の低温側熱交換器を取り付けた場合より、熱輸送量が向上する。

【0072】

直管型の熱音響デバイスＴに本実施形態の気液熱交換器Ｅを取り付ける場合、気液熱交換器Ｅは、蓄熱器Ｓと隣接していることが好ましい。ここで言う「隣接」は、蓄熱器Ｓにおける低温側端部ＰＥ２の側の端部から、気液熱交換器Ｅにおける高温側端部ＰＥ１の側の端部までの距離ｓが、ｒ／５以上、４ｒ以下の範囲に含まれることを指す。

【0073】

このとき、気液熱交換器Ｅにおける高温側端部ＰＥ１の側の端部から管Ｐ内部に設けられた管路の高温側端部ＰＥ１までの距離ｘの下限は、３／２５Ｌ以上であることが好ましく、５／２５Ｌ以上であることがよりいっそう好ましい。また、距離ｘの上限は、１０／２５Ｌ以下であることが好ましく、９／２５Ｌ以下であることがよりいっそう好ましい。ただし、Ｌは、管Ｐ内部に設けられた管路の長さである。これにより、蓄熱器Ｓが自励振動を好適に生成できる位置に配された場合に、気液熱交換器Ｅは、上述の距離ｓが上述の範囲に含まれるように配置可能となる。

【0074】

〔気液熱交換器Ｅの適用対象〕
以上、本実施形態の気液熱交換器Ｅを熱音響デバイスＴに取り付ける場合について述べたが、本実施形態の気液熱交換器Ｅの適用対象は、熱音響デバイスＴに限定されない。本実施形態の気液熱交換器Ｅは、振動流を有する流体全般との熱交換において上述の好ましい効果を発揮することが期待される。このような条件を満たす適用対象として、例えば、熱音響エンジン、ドリームパイプ、熱音響冷凍機等が挙げられる。

【0075】

なお、本発明の思想のうちにおいて、当業者であれば各種の変更例及び修正例に想到し得るものである。よって、それら変更例及び修正例は、本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、前述の実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0076】

Ｔ 熱音響デバイス
Ｓ 蓄熱器
Ｐ 管
ＰＥ１ 高温側端部
ＰＥ２ 低温側端部
Ｈ 高温側熱交換器
Ｅ 気液熱交換器
１ 気液熱交換器用部材
１１ 本体部
１１１ 第１底面
１１２ 第２底面
１１３ 孔
１１４ 第１側面
１１５ 第２側面
１１６ 第３側面
１１７ 第４側面
１１８ スリット
２ シェル
２１ 胴部
２１１ 第１開口部
２１２ 第２開口部
２１３ 第３開口部
２１４ 第４開口部
２２ フランジ
２２１ ボルト孔
Ｄ１ 第１向き
Ｄ２ 第２向き
Ｇ 気体

【要約】

【課題】熱音響の自励振動を用いた熱輸送に適した気液熱交換器を提供すること。
【解決手段】本発明の気液熱交換器用部材１は、内部に導入された気体と内部に導入された液体との間で熱交換が行われる本体部１１を有し、本体部１１の形状は、互いに略平行な第１底面１１１及び第２底面１１２を有する略柱体の形状であり、両底面を直線的に連通する複数の孔１１３が設けられた形状であり、複数の孔１１３は、気体Ｇが導入され、本体部１１の高さ方向（第１方向Ｄ１）に略平行に設けられ、かつ、第１方向と略直交する所定の向き（第２方向Ｄ２）に沿った複数の列をなすよう設けられ、本体部１１は、液体が導入される複数のスリット１１８が設けられた形状であり、スリット１１８は、本体部１１における上述の列の一端の側から、本体部１１における上で述べた列の他端の側に向けて、孔１１３と交わらないよう、上で述べた複数の列の間に直線的に設けられる。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】