DE112018002662T5 - Wärmeübertragungsvorrichtung und ofen, der damit versehen ist - Google Patents

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Yuki Ueda
Kazuyuki Yoshioka
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Shoden Kogyo Co Ltd
Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Original Assignee
Shoden Kogyo Co Ltd
Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
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Abstract

Bereitgestellt wird eine Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend: ein Gehäuse, das sich über eine Hochtemperatur-Wärmequelle und ein Niedertemperatur-Wärmebad erstreckt, welches eine niedrigere Temperatur aufweist als die Hochtemperatur-Wärmequelle; das einen geschlossenen Raum umfasst, in dem ein Gas eingeschlossen ist, wobei in dem Gehäuse eine Leitung ausgebildet ist und beide Endabschnitte der Leitung verschlossen sind; ein in der Leitung angeordneter Regenerator, in dem Poren ausgebildet sind, die beide Endabschnitte des Regenerators miteinander verbinden, wobei der Regenerator von der Außenseite des Gehäuses isoliert ist, einen ersten Wärmetauscher, der neben dem Endabschnitt des Regenerators auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite in der Leitung angeordnet ist und der es ermöglicht, dass die Wärme der Hochtemperatur-Wärmequelle in Richtung des Regenerators geleitet wird; und einen zweiten Wärmetauscher, der neben dem Endabschnitt des Regenerators auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite in der Leitung angeordnet ist und der es ermöglicht, dass die Wärme des Regenerators in Richtung des Niedertemperatur-Wärmebads geleitet wird, wobei das Zentrum des Regenerators entlang der Erstreckungsrichtung der Leitung an einer Position in der Leitung angeordnet ist, die von dem Endabschnitt der Leitung auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite zwischen 12,5% und 25% der Leitungslänge beträgt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung und einen Ofen, der damit versehen ist.
  • Stand der Technik
  • Konventionell werden verschiedene Wärmeübertragungsvorrichtungen verwendet. Zu den Typen von Wärmeübertragungsvorrichtungen gehören (A) Wärmeübertragungsvorrichtungen mit Phasenwechsel und (B) Wärmeübertragungsvorrichtungen, die eine konvektive Wärmeübertragung (Zwangskühlung) nutzen, die aus der Zwangsströmung eines Wärmeträgers resultiert.
  • Zu den repräsentativen Beispielen für Wärmeübertragungsvorrichtungen des Typs (A) zählen Wärmerohre. Ein Wärmerohr ist eine Vorrichtung, in der sich eine Arbeitsflüssigkeit befindet, die Wärme von einer Wärmequelle aufnimmt, indem sie in dem Hochtemperaturabschnitt des Wärmerohres von einer Flüssigphase in eine Gasphase übergeht (Sieden), und die Wärme an ein Wärmebad abgibt, indem sie in dem Niedertemperaturabschnitt des Wärmerohres von einer Gasphase in eine Flüssigphase übergeht (Kondensieren) (siehe beispielsweise JP-A Nr. 2014-47979). Wärmerohre haben den Vorteil, dass sie ohne Stromzufuhr (ohne zugeführte Arbeit) betrieben werden können.
  • Bei Wärmeübertragungsvorrichtungen des Typs (B) wird üblicherweise eine Flüssigkeit als Wärmeträger verwendet, wobei das Kühlen mit Wasser zur Kühlung unterhalb des Siedepunkts besonders effektiv ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Technisches Problem
  • Vor diesem Hintergrund besteht bei Wärmerohren, welche ein repräsentatives Beispiel für Wärmeübertragungsvorrichtungen des Typs (A) sind, das Problem, dass das Wärmerohr bei einem geringen Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle (dem Hochtemperaturabschnitt) und dem Niedertemperaturabschnitt nicht betrieben wird und dass es bei einem hohen Temperaturunterschied austrocknet.
  • Wenn zudem die Wärmequelle eine hohe Temperatur (z.B. 500 °C) aufweist, wird es schwierig, eine Arbeitsflüssigkeit zu wählen, die bei der hohen Temperatur flüssig bleibt. Dieses Problem wird gelöst, indem als Arbeitsflüssigkeit ein Metall (z.B. Natrium) gewählt wird, aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besteht jedoch Explosionsgefahr.
  • Wenn zudem die Temperatur der Wärmequelle aufgrund der Wärmeübertragung schrittweise sinkt, ist es schwierig, ein Wärmerohr zu verwenden, da man davon ausgeht, dass die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmerohres, das dazu bestimmt ist, Wärme bei einer Anfangstemperatur (z.B. 500 °C) effizient zu übertragen, mit fallender Temperatur sinkt, weil die Temperatur, die den Phasenwechsel in der Arbeitsflüssigkeit bewirkt, festgelegt ist.
  • Wird bei Wärmeübertragungsvorrichtungen des Typs (B) eine Flüssigkeit als Wärmeträger verwendet, besteht die Gefahr, dass der Wärmeträger auf die gleiche Weise in einem Wärmerohr explodiert, wenn die Wärmequelle eine hohe Temperatur (z.B. 500 °C) aufweist.
  • Wird ein Gas als Wärmeträger gewählt, kann das Gas auch verwendet werden, wenn die Wärmequelle eine hohe Temperatur aufweist. Es ist jedoch notwendig, dafür zu sorgen, dass der Wärmeträger (Inertgas) in dem geschlossenen Raum zirkuliert, da keine aus einem Phasenwechsel resultierende Antriebskraft vorhanden ist. Überdies erreicht der Wärmeträger eine hohe Temperatur, folglich ist eine teure Pumpe erforderlich, die druck- und hitzebeständig ist (beständig gegen hohe Temperaturen). Wenn daher ein Gas als Wärmeträger gewählt wird, besteht das Problem, dass die Kosten der Inbetriebnahme hoch sind, überdies verursacht die Pumpe Betriebs- und Wartungskosten usf.
  • Mit der vorliegenden Offenbarung wird eine Wärmeübertragungsvorrichtung bereitgestellt, die sehr sicher ist und kostensparend hergestellt und betrieben werden kann, und einen Ofen, der damit betrieben wird.
  • Lösung des Problems
  • Ein erster Aspekt der Offenbarung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit (i) einem Gehäuse, das sich über eine Hochtemperatur-Wärmequelle und ein Niedertemperatur-Wärmebad erstreckt, welches eine niedrigere Temperatur aufweist als die Hochtemperatur-Wärmequelle; das einen geschlossenen Raum umfasst, in dem ein Gas eingeschlossen ist, wobei in dem Gehäuse eine Leitung ausgebildet ist und beide Endabschnitte der Leitung verschlossen sind; (ii) einen Regenerator, der in der Leitung angeordnet und mit Poren versehen ist, die beide Endabschnitte des Regenerators miteinander verbinden, und der von der Außenseite des Gehäuses isoliert ist, (iii) einen ersten Wärmetauscher, der neben dem Endabschnitt des Regenerators auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite in der Leitung angeordnet ist und der es ermöglicht, dass die Wärme der Hochtemperatur-Wärmequelle in Richtung des Regenerators geleitet wird, und (iv) einen zweiten Wärmetauscher, der neben dem Endabschnitt des Regenerators auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite in der Leitung angeordnet ist und der es ermöglicht, dass die Wärme des Regenerators in Richtung des Niedertemperatur-Wärmebads geleitet wird, wobei das Zentrum des Regenerators entlang der Erstreckungsrichtung der Leitung an einer Position in der Leitung angeordnet ist, die von dem Endabschnitt der Leitung auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite zwischen 12,5% und 25% der Leitungslänge beträgt.
  • Gemäß dem ersten Aspekt ist in dem Gehäuse, das sich über die Hochtemperatur-Wärmequellenseite und das Niedertemperatur-Wärmebad erstreckt und den geschlossenen Raum umfasst, das Gas eingeschlossen, wobei in dem Gehäuse die Leitung ausgebildet ist, deren beide Endabschnitte verschlossen sind. In der Leitung angeordnet sind der Regenerator, der von der Außenseite des Gehäuses isoliert ist und in dem die Poren ausgebildet sind, welche beide Endabschnitte des Regenerators miteinander verbinden, der erste Wärmetauscher, der neben dem Endabschnitt des Regenerators auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite (im Folgenden als „erster Endabschnitt“ bezeichnet) angeordnet ist und ermöglicht, dass die Wärme der Hochtemperatur-Wärmequelle zu dem Regenerator geleitet wird, und der zweite Wärmetauscher, der neben dem Endabschnitt des Regenerators auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite (im Folgenden als „zweiter Endabschnitt“ bezeichnet) angeordnet ist und ermöglicht, dass die Wärme des Regenerators in das Niedertemperatur-Wärmebad geleitet wird.
  • Wenn daher in dem Regenerator vom ersten Endabschnitt zum zweiten Endabschnitt ein Temperaturgradient erzeugt wird und das Temperaturverhältnis zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt einen Schwellenwert überschreitet, wird das Gas in den Poren des Regenerators selbsterregten thermoakustischen Schwingungen ausgesetzt. Demzufolge wird in der Leitung eine Stehwelle erzeugt.
  • Hierbei ist das Zentrum des Regenerators entlang der Erstreckungsrichtung der Leitung an einer Position in der Leitung angeordnet, die von dem Endabschnitt der Leitung auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite zwischen 12,5% und 25% der Leitungslänge beträgt, folglich ist der Regenerator so angeordnet, dass die Druckamplitude der Stehwelle (in einem 1/2-Wellenlängenmodus) der selbsterregten thermoakustischen Welle vom ersten Endabschnitt zum zweiten Endabschnitt monoton abnimmt.
  • Demzufolge ist es möglich, durch den Wärmeaustausch zwischen dem Gas in den Poren des Regenerators und den porösen Wandabschnitten Wärme von der ersten Endabschnittseite zu der zweiten Endabschnittsseite in den Regenerator zu übertragen. Da insbesondere der Regenerator an der oben beschriebenen Position in der Leitung angeordnet ist, erhöht sich das Produkt aus der Druckamplitude und der Geschwindigkeitsamplitude der Stehwelle. Folglich wird die durch den Regenerator bewirkte Wärmeübertragungsleistung noch mehr erhöht.
  • D.h., die Wärme der Hochtemperatur-Wärmequelle kann über den ersten Wärmetauscher, den Regenerator und den zweiten Wärmetauscher effizient an das Niedertemperatur-Wärmebad abgegeben werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass diese Wärmeübertragungsvorrichtung keine Antriebsquelle benötigt, folglich entstehen keine Betriebs- und Wartungskosten, die Vorrichtung kann kostensparend hergestellt und betrieben werden und benötigt keinen Phasenwechsel von gasförmig zu flüssig, so dass sie im Vergleich zu Wärmeübertragungsvorrichtungen mit einem Phasenwechsel sehr sicher ist.
  • Ein zweiter Aspekt der Offenbarung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, wobei die Leitung gemäß dem ersten Aspekt Folgendes umfasst: (i) ein Innenrohr, von dem ein Teil die Hochtemperatur-Wärmequellenseite mit der Niedertemperatur-Wärmebadseite in dem Gehäuse verbindet, und (ii) ein an der Außenseite des Innenrohres angeordnetes Außenrohr, das auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite mit dem Innenrohr verbunden ist, wobei ein Endabschnitt auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite des Außenrohres verschlossen ist und der erste Wärmetauscher, der zweite Wärmetauscher und der Regenerator in dem Außenrohr angeordnet sind.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt weist ein Teil der Leitung eine Doppelrohrstruktur auf, die das Innenrohr und das an der Außenseite des Innenrohres ausgebildete Außenrohr umfasst, wobei der Endabschnitt des Außenrohres auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite verschlossen ist. Überdies sind der Regenerator, der erste Wärmetauscher, und der zweite Wärmetauscher in dem Außenrohr angeordnet, wobei das Außenrohr und das Innenrohr an dem Endabschnitt auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite miteinander verbunden sind. D.h., im Inneren des Gehäuses ist eine Leitung angeordnet, die sich von dem Endabschnitt (dem verschlossenen Abschnitt) des Außenrohres auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite über das Außenrohr, den Endabschnitt des Gehäuses auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite und das Innenrohr bis zum Endabschnitt des Gehäuses auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite erstreckt.
  • Wenn daher in dem in dem Außenrohr angeordneten Regenerator vom ersten Endabschnitt zum zweiten Endabschnitt ein Temperaturgradient erzeugt wird und das Temperaturverhältnis zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt den Schwellenwert überschreitet, wird das Gas in den Poren des Regenerators selbsterregten thermoakustischen Schwingungen ausgesetzt. Demzufolge wird in der Leitung eine Stehwelle erzeugt.
  • Hierbei ist das Zentrum des Regenerators entlang der Erstreckungsrichtung der Leitung an einer Position in der Leitung angeordnet, die von dem Endabschnitt der Leitung auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite (dem verschlossenen Abschnitt des Außenrohres) zwischen 12,5% und 25% der Leitungslänge beträgt, folglich ist der Regenerator so angeordnet, dass die Druckamplitude der Stehwelle (in einem 1/2-Wellenlängenmodus) der selbsterregten thermoakustischen Welle vom ersten Endabschnitt zum zweiten Endabschnitt monoton abnimmt.
  • Demzufolge ist es möglich, durch den Wärmeaustausch zwischen dem Gas in den Poren des Regenerators und den porösen Wandabschnitten Wärme von der ersten Endabschnittseite zu der zweiten Endabschnittsseite in den Regenerator zu übertragen. Da insbesondere der Regenerator an der oben beschriebenen Position in der Leitung angeordnet ist, erhöht sich das Produkt aus der Druckamplitude und der Geschwindigkeitsamplitude der Stehwelle. Folglich wird die Wärmeübertragungsleistung maximiert.
  • D.h., die Wärme der Hochtemperatur-Wärmequelle kann über den ersten Wärmetauscher, den Regenerator und den zweiten Wärmetauscher effizient an das Niedertemperatur-Wärmebad abgegeben werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass diese Wärmeübertragungsvorrichtung keine Antriebsquelle benötigt, folglich entstehen keine Betriebs- und Wartungskosten, die Vorrichtung kann kostensparend hergestellt und betrieben werden und benötigt keinen Phasenwechsel von gasförmig zu flüssig, so dass sie im Vergleich zu Wärmeübertragungsvorrichtungen mit einem Phasenwechsel sehr sicher ist.
  • Da sich die Leitung von dem Endabschnitt des Außenrohres auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite über den Endabschnitt des Gehäuses auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite und das Innenrohr bis zum Endabschnitt des Gehäuses auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite erstreckt, kann das Volumen des Gehäuses, das auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite vorragt, verringert werden. D.h., wenn diese Wärmeübertragungsvorrichtung als Wärmeabgabevorrichtung verwendet wird, kann das Volumen des Abschnitts, der von der Hochtemperatur-Wärmequelle, wie z.B. einem Ofen, vorragt, verringert werden.
  • Ein dritter Aspekt der Offenbarung betrifft den ersten oder zweiten Aspekt, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung mit einer Regeleinheit versehen ist, die an dem Endabschnitt des Gehäuses auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite angeordnet ist, so dass sie im Inneren des Gehäuses vorwärts und rückwärts bewegbar ist und die Wellenform einer durch die selbsterregte thermoakustische Welle in der Leitung erzeugten Stehwelle umwandelt, indem sie im Inneren des Gehäuses vorwärts bewegt wird.
  • Gemäß dem dritten Aspekt wird die Wellenform (Wellenlänge und Amplitude) der Stehwelle in einem 1/2-Wellenlängenmodus, die durch die selbsterregte thermoakustische Welle in der Leitung erzeugt wird, durch die Regelvorrichtung verändert, die sich in Bezug auf das Innere des Gehäuses vorwärts und rückwärts bewegt. Wenn beispielsweise die Wellenform der Stehwelle verändert wird, indem die Regelvorrichtung eingefügt wird, so dass sich die Druckamplitude (das Produkt aus der Druckamplitude und der Geschwindigkeitsamplitude) der Stehwelle an der Position des Regenerators ändert, kann die Wärmeübertragungsmenge reguliert werden. Alternativ kann die Erzeugung der selbsterregten thermoakustischen Welle im Regenerator gestoppt werden, wenn die Druckamplitude nicht mehr monoton abnimmt vom ersten Endabschnitt zum zweiten Endabschnitt des Regenerators, so dass die Wärmeübertragung der Wärmeübertragungsvorrichtung gestoppt wird.
  • Ein vierter Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen, der Folgendes umfasst: (i) eine aus einer Isolierung bestehende Ofenwand, (ii) eine Heizvorrichtung, die im Inneren des von der Ofenwand begrenzten Ofens angeordnet ist und das Innere des Ofens erwärmt, und (iii) die Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß dem ersten bis dritten Aspekt, wobei der Regenerator an der Ofenwand angeordnet ist, der erste Wärmetauscher im Inneren des Ofens angeordnet ist und der zweite Wärmetauscher außerhalb des Ofens angeordnet ist, zumindest beim Kühlen des Ofens.
  • Gemäß dem vierten Aspekt entsteht zwischen der Temperatur im Inneren des Ofens, welche mithilfe der Heizvorrichtung gestiegen ist, und der Temperatur außerhalb des Ofens eine Differenz. Zumindest, wenn der Ofen gekühlt wird, ist der Regenerator der Wärmeübertragungsvorrichtung, mit welcher der Ofen versehen ist, an der Ofenwand angeordnet, wobei der erste Wärmetauscher im Inneren des Ofens angeordnet ist, das eine hohe Temperatur aufweist, und der zweite Wärmetauscher außerhalb des Ofens angeordnet ist, das eine niedrige Temperatur aufweist. Wenn daher das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten (dem ersten Endabschnitt (dem Endabschnitt auf der Seite des ersten Wärmetauschers)) und dem zweiten Endabschnitt (dem Endabschnitt auf der Seite des zweiten Wärmetauschers)) des Regenerators 18 aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren des Ofens und dem Äußeren des Ofens den Schwellenwert überschreitet, werden in dem Regenerator die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugt. Die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugen wiederum eine Stehwelle in der Leitung der Wärmeübertragungsvorrichtung. Da zudem das Zentrum des Regenerators an einer Position in der Leitung angeordnet ist, die von dem Endabschnitt auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite (im Inneren des Ofens) zwischen 12,5% und 25% der Leitungslänge beträgt, nimmt die Druckamplitude vom ersten Wärmetauscher zum zweiten Wärmetauscher monoton ab. Folglich wird die Wärme effizient vom ersten Wärmetauscher zum zweiten Wärmetauscher geleitet. D.h., die Wärme im Inneren des Ofens wird durch die Wärmeübertragungsvorrichtung effizient nach außen abgegeben.
  • Da zudem die zur Kühlung des Ofens vorgesehene Wärmeübertragungsvorrichtung keine Antriebsquelle benötigt, entstehen keine Betriebs- und Wartungskosten, folglich kann die Vorrichtung in dem Ofen kostensparend hergestellt und betrieben werden, und es ist kein Phasenwechsel von gasförmig zu flüssig erforderlich, so dass die Vorrichtung im Vergleich zu Wärmeübertragungsvorrichtungen mit einem Phasenwechsel sehr sicher ist.
  • Ein fünfter Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen, wobei der Ofen gemäß dem vierten Aspekt zudem einen Reflektor umfasst, der die Strahlung im Inneren des Ofens reflektiert, so dass diese auf die im Inneren des Ofens vorgesehene Wärmeübertragungsvorrichtung trifft.
  • Gemäß dem fünften Aspekt wird die Strahlung im Inneren des Ofens beim Kühlen des Ofens von dem Reflektor reflektiert und trifft auf die Wärmeübertragungsvorrichtung, wodurch der erste Wärmetauscher der Wärmeübertragungsvorrichtung effizient erwärmt wird. D.h., die Wärme im Inneren des Ofens wird durch die Wärmeübertragungsvorrichtung noch effizienter nach außen abgegeben.
  • Ein sechster Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen, wobei der Ofen gemäß dem fünften Aspekt zudem einen Wellenkörper umfasst, der den Reflektor im Inneren des Ofens abstützt und sich vom Inneren des Ofens nach außen erstreckt.
  • Gemäß dem sechsten Aspekt stützt der durch die Ofenwand verlaufende Wellenkörper den Reflektor, so dass der Reflektor an einer beliebigen Position im Inneren des Ofens angeordnet werden kann.
  • Ein siebter Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen, wobei der Reflektor gemäß dem sechsten Aspekt einstückig mit dem Wellenkörper um die Axialrichtung des Wellenkörpers drehbar ist.
  • Gemäß dem siebten Aspekt kann der Reflektor von dem Wellenkörper gedreht werden. Wenn der Ofen erwärmt wird, zeigt der Reflektor daher beispielsweise in die Richtung, in der die reflektierte Strahlung der Heizvorrichtung nicht auf die Wärmeübertragungsvorrichtung treffen kann. Wenn daher die Temperatur im Ofen steigt, kann eine Situation verhindert werden, in der die Strahlung der Heizvorrichtung über den Reflektor auf die Wärmeübertragungsvorrichtung trifft und die Wärme im Inneren des Ofens durch die Wärmeleitung mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung, die sich vom Inneren des Ofens nach außen erstreckt, nach außen abgegeben wird. Folglich kann das Erwärmen des Inneren des Ofens (die Erhöhung der Temperatur) auf effiziente Weise durchgeführt werden.
  • Alternativ ist der Reflektor beim Erwärmen des Ofens beispielsweise so ausgerichtet, dass die Strahlung der Heizvorrichtung reflektiert wird und auf ein zu erwärmendes Werkstück trifft. Folglich trifft die Strahlung der Heizvorrichtung effizient auf das Werkstück, so dass der Wirkungsgrad erhöht wird, mit dem das Werkstück erwärmt wird.
  • Beim Kühlen des Ofens zeigt der Reflektor in die Richtung, in der er die Strahlung im Inneren des Ofens reflektiert, so dass sie auf die Wärmeübertragungsvorrichtung trifft, wodurch die Strahlung im Inneren des Ofens konzentriert werden und auf die Wärmeübertragungsvorrichtung treffen kann. Folglich kann die Wärme im Inneren des Ofens durch die Strahlung effizient zu der Wärmeübertragungsvorrichtung geleitet werden.
  • Wenn der Reflektor beim Kühlen des Ofens um die Achse des Wellenkörpers gedreht wird, kann zudem die Wärme durch die Strahlung aus einem großen Bereich im Inneren des Ofens zu der Wärmeübertragungsvorrichtung geleitet werden, so dass das Innere des Ofens gleichmäßig gekühlt wird.
  • Auf diese Weise kann die Heizleistung beim Erwärmen des Ofens erhöht werden, indem verhindert wird, dass über die Wärmeübertragungsvorrichtung Wärme aus dem Ofen abgegeben wird, und beim Kühlen des Ofens kann dieser mittels der Stehwelle der selbsterregten thermoakustischen Schwingungen in der Wärmeübertragungsvorrichtung effizient gekühlt werden.
  • Ein achter Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen, wobei in dem Wellenkörper gemäß dem sechsten oder siebten Aspekt ein Öffnungsabschnitt ausgebildet ist, der sich in der Axialrichtung des Wellenkörpers erstreckt, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung in dem Öffnungsabschnitt angeordnet ist und der Endabschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung auf der Seite, auf welcher der erste Wärmetauscher angeordnet ist, zumindest beim Kühlen des Ofens einer reflektierenden Fläche des Reflektors ausgesetzt ist.
  • Wenn der in dem Öffnungsabschnitt des Wellenkörpers vorgesehene Endabschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung, wie oben beschrieben, der reflektierenden Fläche des Reflektors ausgesetzt ist, kann die Strahlung im Inneren des Ofens leichter von der einer reflektierenden Fläche reflektiert werden und auf den Endabschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung auftreffen. D.h., es wird ermöglicht, die Strahlung im Inneren des Ofens zu konzentrieren und auf den Endabschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung auftreffen zu lassen. Demzufolge wird die Seite des ersten Wärmetauschers der Wärmeübertragungsvorrichtung erwärmt, und die Wärme aus dem Inneren des Ofens kann effizient an den ersten Wärmetauscher übertragen werden. Folglich kann der Ofen effizient gekühlt werden.
  • Ein neunter Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen, wobei ein Teil des Endabschnitts, gemäß dem achten Aspekt, der Wärmeübertragungsvorrichtung auf der Seite, auf welcher der erste Wärmetauscher angeordnet ist, zumindest beim Kühlen des Ofens in einem Fokus der reflektierenden Fläche des Reflektors positioniert ist.
  • Gemäß dem neunten Aspekt ist ein Teil der Wärmeübertragungsvorrichtung an der Position des Fokus der reflektierenden Fläche des Reflektors angeordnet. Folglich wird die Strahlung im Inneren des Ofens beim Kühlen von dem Reflektor reflektiert und trifft auf den Teil der Wärmeübertragungsvorrichtung auf, die an der Position des Fokus der reflektierenden Fläche des Reflektors angeordnet ist. D.h., die Reflektion der Strahlung im Inneren des Ofens wird noch stärker konzentriert und trifft auf den Endabschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung auf der Seite des ersten Wärmetauschers auf. Folglich wird die Wärme im Inneren des Ofens noch effizienter zu der Wärmeübertragungsvorrichtung geleitet und nach außen abgegeben.
  • Ein zehnter Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen, wobei der Reflektor, gemäß dem achten oder neunten Aspekt, in Bezug auf die Ofenwand entlang der Axialrichtung einstückig mit dem Wellenkörper vorwärts und rückwärts bewegbar ist.
  • Gemäß dem zehnten Aspekt wird der Wellenkörper beim Erwärmen des Ofens im Inneren des Ofens vorwärts bewegt, d.h. in der Richtung, in welcher der Reflektor von der Ofenwand wegbewegt wird, wodurch der erste Wärmetauscher der Wärmeübertragungsvorrichtung im Inneren (in dem Öffnungsabschnitt) des Wellenkörpers untergebracht ist. Hierdurch wird ein Anstieg der Temperatur des ersten Wärmetauschers der im Inneren des Ofens positionierten Wärmeübertragungsvorrichtung verhindert und das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten des Regenerators wird auf oder unter dem Schwellenwert gehalten. Folglich wird verhindert, dass in dem Regenerator der Wärmeübertragungsvorrichtung die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugt werden, wodurch wiederum die Wärmeabgabe durch die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen in der Wärmeübertragungsvorrichtung verhindert wird. Somit wird die Wärmeabgabe während des Erwärmens des Ofens verhindert, so dass der Wirkungsgrad erhöht wird, mit dem der Ofen erwärmt wird.
  • Beim Kühlen des Ofens wird der Wellenkörper aus dem Ofen entfernt (verschoben), und zwar in der Richtung, in welcher der Reflektor in Richtung der Ofenwand bewegt wird, wodurch der Endabschnitt des Gehäuses der Wärmeübertragungsvorrichtung auf der Seite des ersten Wärmetauschers von dem Endabschnitt des Wellenkörpers der reflektierenden Fläche des Reflektors ausgesetzt ist. Folglich wird die Strahlung im Inneren des Ofens von der reflektierenden Fläche des Reflektors reflektiert und trifft auf den Endabschnitt des Gehäuses der Wärmeübertragungsvorrichtung auf der Seite des ersten Wärmetauschers auf. D.h., die Wärme im Inneren des Ofens wird noch effizienter zu der Wärmeübertragungsvorrichtung geleitet und durch die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen nach außen abgegeben.
  • Gemäß einem elften Aspekt der Offenbarung - in dem vierten bis zehnten Aspekt - ist die Wärmeübertragungsvorrichtung in Bezug auf die Ofenwand entlang der Axialrichtung der Wärmeübertragungsvorrichtung vorwärts und rückwärts bewegbar.
  • Gemäß dem elften Aspekt wird die Wärmeübertragungsvorrichtung während des Erwärmens des Ofens aus dem Ofen herausbewegt, so dass sie mindestens bis zu dem ersten Wärmetauscher in der Ofenwand untergebracht ist. Folglich wird verhindert, dass der erste Wärmetauscher der Wärmeübertragungsvorrichtung beim Erwärmen des Ofens durch die Strahlung im Inneren des Ofens direkt erwärmt wird. Somit wird das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten des Regenerators der Wärmeübertragungsvorrichtung unter dem Schwellenwert gehalten, und es wird verhindert, dass im Regenerator die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugt werden, wodurch wiederum verhindert wird, dass die Wärme im Inneren des Ofens über die Wärmeübertragungsvorrichtung aus dem Ofen geleitet wird. Folglich kann der Ofen effizient erwärmt werden.
  • Beim Kühlen des Ofens wird die Wärmeübertragungsvorrichtung im Inneren des Ofens bewegt, so dass der Teil der Wärmeübertragungsvorrichtung von dem ersten Wärmetauscher bis zur Endabschnittsseite der reflektierenden Fläche des Reflektors ausgesetzt ist. Folglich wird die Strahlung im Inneren des Ofens von dem Reflektor reflektiert und erwärmt effizient die Endabschnittsseite der Wärmeübertragungsvorrichtung, welche der reflektierenden Fläche ausgesetzt ist. Demzufolge wird der erste Wärmetauscher der Wärmeübertragungsvorrichtung effizient erwärmt, wobei das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten des Regenerators den Schwellenwert überschreitet, so dass die Wärme im Inneren des Ofens effizient nach außen abgegeben wird.
  • Ein zwölfter Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen wobei - gemäß dem vierten bis elften Aspekt - die Plattendicke des Gehäuses von der Position, wo die Strahlung im Inneren des Ofens auftrifft, bis zu der Position, an welcher der erste Wärmetauscher angeordnet ist, örtlich größer ist als die Plattendicke der anderen Bereiche des Gehäuses.
  • Gemäß dem zwölften Aspekt wird die Strahlung im Inneren des Ofens beim Kühlen von dem Reflektor reflektiert und trifft auf den Teil des Gehäuses der Wärmeübertragungsvorrichtung von dem ersten Wärmetauscher bis zur Endabschnittsseite auf. Das Gehäuse der Wärmeübertragungsvorrichtung wird durch die auftreffende Strahlung erwärmt. Die Plattendicke des Gehäuses der Wärmeübertragungsvorrichtung von der Position, wo die Strahlung im Inneren des Ofens auftrifft, bis zu der Position, an welcher der erste Wärmetauscher angeordnet ist, ist örtlich größer, so dass die Wärmeleitungsmenge in der Wärmeübertragungsvorrichtung erhöht wird und die zu der Wärmeübertragungsvorrichtung geleitete Wärme kann von der Strahlung effizient zu dem ersten Wärmetauscher geleitet werden. Folglich kann die Wärme im Inneren des Ofens effizient nach außen abgeführt werden.
  • Ein dreizehnter Aspekt der Offenbarung betrifft einen Ofen, wobei - gemäß dem vierten bis zwölften Aspekt - der Abschnitt des Gehäuses an der äußeren Umfangsseite des ersten Wärmetauschers aus einem strahlungsdurchlässigen Element besteht.
  • Gemäß dem dreizehnten Aspekt trifft die Strahlung im Inneren des Ofens während des Kühlens direkt auf das Gehäuse der Wärmeübertragungsvorrichtung oder nachdem sie von dem Reflektor reflektiert worden ist. Dann geht die Strahlung, die an der Position des Gehäuses auftrifft, an welcher der erste Wärmetauscher angeordnet ist, durch den Abschnitt des Gehäuses hindurch, der aus dem strahlungsdurchlässigen Element besteht, und trifft auf den ersten Wärmetauscher auf. D.h., weil die Strahlung im Inneren des Ofens direkt oder nach der Reflektion durch den Reflektor auf den ersten Wärmetauscher auftrifft, wird die Wärme im Inneren des Ofens ohne Wärmeleitung in der Wärmeübertragungsvorrichtung zu dem ersten Wärmetauscher geleitet. Folglich kann die Wärme im Inneren des Ofens noch effizienter nach außen abgegeben werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine allgemeine Konfigurationsgrafik einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung.
    • 2 ist ein Graph, der eine Positionsbeziehung zwischen einem Regenerator und der Druckamplitude einer Stehwelle in einem 1/2-Wellenlängenmodus veranschaulicht, welche im Inneren der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung erzeugt worden ist.
    • 3 ist eine allgemeine Konfigurationsgrafik, die einen Zustand veranschaulicht, in dem ein Regelventil ein Innenrohr der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung absperrt.
    • 4 ist ein Graph, der die Positionsbeziehung zwischen dem Regenerator und der Druckamplitude der Stehwelle im 1/2-Wellenlängenmodus veranschaulicht, welche im Inneren der Wärmeübertragungsvorrichtung erzeugt wird, wenn das Innenrohr abgesperrt ist.
    • 5 ist eine allgemeine Konfigurationsgrafik, die einen Zustand veranschaulicht, in dem das Regelventil eine Leitungslänge in der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung reguliert.
    • 6 ist ein Graph, der die Positionsbeziehung zwischen dem Regenerator und der Druckamplitude der Stehwelle im 1/2-Wellenlängenmodus veranschaulicht, welche im Inneren der Wärmeübertragungsvorrichtung erzeugt wird, wenn die Leitungslänge reguliert wird.
    • 7 ist eine allgemeine erläuternde Darstellung eines Beispiels, in dem ein Ofen mit der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung versehen ist.
    • 8A ist eine Prinzipdarstellung, die die Wärmeübertragung veranschaulicht, wenn in dem Beispiel, in dem der Ofen mit der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung versehen ist, die Temperatur erhöht wird.
    • 8B ist eine Prinzipdarstellung, die die Wärmeübertragung veranschaulicht, wenn in dem Beispiel, in dem der Ofen mit der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung versehen ist, die Temperatur aufrechterhalten wird.
    • 8C ist eine Prinzipdarstellung, die die Wärmeübertragung veranschaulicht, wenn in dem Beispiel, in dem der Ofen mit der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung versehen ist, die Temperatur gesenkt wird.
    • 9A ist eine Prinzipdarstellung, die die Wärmeübertragung veranschaulicht, wenn in einem Ofen gemäß einem Vergleichsbeispiel die Temperatur erhöht wird.
    • 9B ist eine Prinzipdarstellung, die die Wärmeübertragung veranschaulicht, wenn in dem Ofen gemäß einem Vergleichsbeispiel die Temperatur aufrechterhalten wird.
    • 9C ist eine Prinzipdarstellung, die die Wärmeübertragung veranschaulicht, wenn in dem Ofen gemäß einem Vergleichsbeispiel die Temperatur gesenkt wird.
    • 10 ist eine allgemeine Konfigurationsgrafik einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausgestaltung.
    • 11 ist eine allgemeine erläuternde Darstellung eines Beispiels, in dem ein Ofen mit der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausgestaltung versehen ist.
    • 12 ist ein Graph, der numerische Berechnungsergebnisse und Versuchsergebnisse der Beziehung zwischen der Position des Regenerators im Inneren der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausgestaltung, dem Wärmewirkungsgrad und der Wärmeübertragungsmenge veranschaulicht.
    • 13 ist eine allgemeine perspektivische Darstellung, die einen Ofen gemäß der dritten Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen erwärmt wird.
    • 14 ist eine explodierte perspektivische Ansicht einer Reflektoreinheit und der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der dritten Ausgestaltung.
    • 15 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche die Positionsbeziehung zwischen der Reflektoreinheit, der Wärmeübertragungsvorrichtung und einer Heizvorrichtung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen gemäß der dritten Ausgestaltung erwärmt wird.
    • 16 ist eine Schnittansicht, die den Ofen gemäß der dritten Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen erwärmt wird.
    • 17 ist eine allgemeine perspektivische Darstellung, die den Ofen gemäß der dritten Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen gekühlt wird.
    • 18 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Positionsbeziehung zwischen der Reflektoreinheit, der Wärmeübertragungsvorrichtung und der Heizvorrichtung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen gemäß der dritten Ausgestaltung gekühlt wird.
    • 19 ist eine Schnittansicht, die den Ofen gemäß der dritten Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen gekühlt wird.
    • 20 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Positionsbeziehung zwischen der Reflektoreinheit, der Wärmeübertragungsvorrichtung und der Heizvorrichtung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen gemäß einem weiteren Beispiel der dritten Ausgestaltung erwärmt wird.
    • 21 ist eine Schnittansicht, die den Ofen gemäß dem weiteren Beispiel der dritten Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen erwärmt wird.
    • 22 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche die Positionsbeziehung zwischen der Reflektoreinheit, der Wärmeübertragungsvorrichtung und der Heizvorrichtung in dem Zustand veranschaulicht, in dem ein Ofen gemäß einer vierten Ausgestaltung erwärmt wird.
    • 23 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Positionsbeziehung zwischen der Reflektoreinheit, der Wärmeübertragungsvorrichtung und der Heizvorrichtung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen gemäß der vierten Ausgestaltung gekühlt wird.
    • 24 ist eine vergrößerte Schnittansicht relevanter Teile, welche die Positionsbeziehung zwischen der Reflektoreinheit und der Wärmeübertragungsvorrichtung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen gemäß einem weiteren Beispiel der vierten Ausgestaltung gekühlt wird.
    • 25 ist eine allgemeine perspektivische Darstellung, die einen Ofen gemäß einer fünften Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen erwärmt wird.
    • 26 ist eine Schnittansicht, die den Ofen gemäß der fünften Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen erwärmt wird.
    • 27 ist eine Schnittansicht, die den Ofen gemäß der fünften Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen gekühlt wird.
    • 28 ist eine Schnittansicht, die den Ofen gemäß einem weiteren Beispiel der fünften Ausgestaltung in dem Zustand veranschaulicht, in dem der Ofen erwärmt wird.
  • BESCHREIBUNG DER AUSGESTALTUNGEN
  • Im Folgenden werden die Ausgestaltungen der Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Zuerst werden eine Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung und ein Beispiel beschrieben, in dem ein Ofen mit der Wärmeübertragungsvorrichtung versehen ist. Anschließend werden eine Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung und ein Beispiel beschrieben, in dem ein Ofen mit der Wärmeübertragungsvorrichtung versehen ist. Überdies werden Öfen gemäß einer dritten bis fünften Ausgestaltung beschrieben, die mit der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung versehen sind.
  • Erste Ausgestaltung
  • (Anordnung der Vorrichtung)
  • Zuerst wird eine offenbarungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung 10 unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 umfasst einen rohrförmigen Körper 12, d.h. ein Gehäuse in Form eines Hohlzylinders, einen ersten Wärmetauscher 14 und einen zweiten Wärmetauscher 16, der im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 angeordnet ist, einen Regenerator 18, der zwischen dem ersten Wärmetauscher 14 und dem zweiten Wärmetauscher 16 im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 angeordnet ist, und ein Regelventil 20, das so montiert ist, dass es in Bezug auf das Innere des rohrförmigen Körpers 12 vorwärts und rückwärts bewegbar ist.
  • (Rohrförmiger Körper 12)
  • Der rohrförmige Körper 12 hat die Form eines Hohlzylinders, dessen Inneres als geschlossener Raum ausgebildet ist. Das Innere des rohrförmigen Körpers 12 ist mit einem Gas, wie z.B. Stickstoffgas, gefüllt.
  • Der rohrförmige Körper 12 erstreckt sich von einem ersten Endabschnitt 12A an einem Ende in seiner Axialrichtung zu einem zweiten Endabschnitt 12B an dem anderen Ende, wobei ein Innenrohr 22, das koaxial mit dem rohrförmigen Körper 12 ist und einen kleineren Durchmesser aufweist als der rohrförmige Körper 12, in einem Axialrichtungsabschnitt ausgebildet ist. Beide Endabschnitte des Innenrohres 22 sind offen, wobei das Innenrohr 22 die Seite des ersten Endabschnitts 12A und die Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 miteinander verbindet.
  • Überdies werden der von dem Innenrohr 22 begrenzte Abschnitt und der Teil des rohrförmigen Körpers 12, der an der in Radialrichtung äußeren Seite des Innenrohres 22 positioniert ist, einfachheitshalber als Außenrohr 24 bezeichnet.
  • Der Endabschnitt des Außenrohres 24 auf der Seite des ersten Endabschnitts 12A ist durch eine geschlossene Fläche 26 verschlossen, und der Endabschnitt des Außenrohres 24 auf der Seite des zweiten Endabschnitt 12B ist zur Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 offen. D.h., das Innenrohr 22 und das Außenrohr 24 sind auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 miteinander verbunden. Folglich ist in dem rohrförmigen Körper 12 eine Leitung X ausgebildet, die sich von der geschlossenen Fläche 26 des Außenrohres 24 über das Außenrohr 24, die Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 und das Innenrohr 22 zu dem ersten Endabschnitt 12A des rohrförmigen Körpers 12 erstreckt und deren beide Endabschnitte verschlossen sind. L0 bezeichnet die Länge der Leitung X (Leitungslänge) entlang der Leitung X von der geschlossenen Fläche 26 zum ersten Endabschnitt 12A.
  • Überdies sind der erste Wärmetauscher 14, der Regenerator 18 und der zweite Wärmetauscher 16 im Inneren des Außenrohres 24 von der Seite des ersten Endabschnitts 12A zur Seite des zweiten Endabschnitts 12B in Reihe angeordnet.
  • Die Seite des ersten Endabschnitts 12A des rohrförmigen Körpers 12 ist bis zu der Position des ersten Wärmetauschers 14 in der Axialrichtung in einer Hochtemperatur-Wärmequelle 28 angeordnet. Die Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 ist mit der Position des zweiten Wärmetauschers 16 in der Axialrichtung in einem Niedertemperatur-Wärmebad 30 angeordnet, das eine niedrigere Temperatur aufweist als die Hochtemperatur-Wärmequelle 28.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass „Hochtemperatur-Wärmequelle“ in der vorliegenden Ausgestaltung die äußere Umgebung bezeichnet, aus der die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 mit Wärme versorgt wird, und „Niedertemperatur-Wärmebad“ die äußere Umgebung, in welche die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 Wärme abgibt.
  • Überdies ist der Abschnitt (der äußere Umfang) des rohrförmigen Körpers 12, wo der Regenerator 18 angeordnet ist, mit einem Isolierelement 32 versehen. Folglich ist der Regenerator 18 von der Außenseite des rohrförmigen Körpers 12 isoliert.
  • Ferner ist das nachfolgend beschriebene Regelventil 20 auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 angeordnet.
  • (Erster Wärmetauscher 14)
  • Wie in 1 dargestellt, weist der erste Wärmetauscher 14 die Form eines Rings auf, so dass er den Querschnitt des Außenrohres 24 füllt, wobei er auf der Seite des ersten Endabschnitts 12A neben dem Regenerator 18 in dem Außenrohr 24 angeordnet ist. Überdies ist der erste Wärmetauscher 14 in der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 angeordnet. Der erste Wärmetauscher 14 ermöglicht es, dass die Wärme der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 zu dem Regenerator 18 transportiert wird; in einem Beispiel ermöglicht er den Wärmetransport, weil in seinem Inneren eine Arbeitsflüssigkeit strömt, und in einem anderen Beispiel ermöglicht er den Wärmetransport mittels Strahlung oder Wärmeleitung ohne eine Flüssigkeitsströmung.
  • (Zweiter Wärmetauscher 16)
  • Wie in 1 dargestellt, weist der zweite Wärmetauscher 16 die Form eines Rings auf, so dass er den Querschnitt des Außenrohres 24 füllt, wobei er auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12A neben dem Regenerator 18 in dem Außenrohr 24 angeordnet ist. Überdies ist der zweite Wärmetauscher 16 in dem Niedertemperatur-Wärmebad 30 angeordnet. D.h., der zweite Wärmetauscher 16 ermöglicht es, dass die Wärme des Regenerators 18 in das Niedertemperatur-Wärmebad 30 transportiert wird, weil in seinem Inneren eine Arbeitsflüssigkeit strömt oder mittels Strahlung oder Wärmeleitung.
  • (Regenerator 18)
  • Wie in 1 dargestellt, ist der Regenerator 18 eine Struktur 33, welche die Form eines Rings aufweist, so dass sie den Querschnitt des Außenrohres 24 füllt, wobei in der Struktur 33 zahlreiche Poren 34 ausgebildet sind, die entlang der Axialrichtung von der Seite des ersten Endabschnitt 12A zur Seite des zweiten Endabschnitt 12B verlaufen.
  • Der Durchmesser der Poren 34 ist so bemessen, dass der dimensionslose Kanaldurchmesser r = R/D etwa 2 beträgt. Hierbei bezeichnet R den Durchmesser der Poren 34 und D bezeichnet die Dicke der im Inneren der Poren 34 gebildeten thermischen Grenzschichten.
  • Wie in 1 und 2 dargestellt, ist der Regenerator 18 zudem in dem Außenrohr 24 angeordnet, so dass sein Zentrum in der Richtung, in der sich die Leitung erstreckt (der Axialrichtung) an einer Position in der Leitung positioniert ist, die von der geschlossenen Fläche 26 aus 25% (0,25L0) der Leitungslänge L0 beträgt.
  • Zwar sind in der Struktur 33 des Regenerators 18 in der vorliegenden Ausgestaltung zahlreiche Poren 34 ausgebildet, die sich entlang der Axialrichtung von der Seite des ersten Endabschnitts 12A zur Seite des zweiten Endabschnitt 12B erstrecken, er kann jedoch auch eine Konfiguration aufweisen, bei der Lochabschnitte ausgebildet sind, die sich von der Seite des ersten Endabschnitts 12A zur Seite des zweiten Endabschnitts 12B entlang der Axialrichtung erstrecken, indem eine Vielzahl plattenartiger Stapel laminiert wird, die jeweils ein poröses Medium enthalten, in dem zahlreiche Lochabschnitte ausgebildet sind, die sich von der Endfläche auf der Seite des ersten Endabschnitts 12A zu der Endfläche auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12B erstrecken. Diese Lochabschnitte sind ebenfalls in den Poren der Offenbarung enthalten.
  • (Regelventil 20)
  • Das Regelventil 20 hat einen Ventilkörper 36, der in dem rohrförmigen Körper 12 angeordnet ist und die Form einer kegelförmigen Spitze aufweist, die zur Seite des ersten Endabschnitts 12A zeigt, und einen Wellenkörper 38, der sich in der Axialrichtung vom Endabschnitt des Ventilkörpers 36 auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12B erstreckt. Der Ventilkörper 36 ist so bemessen, dass er aufgrund seines Durchmessers in der Lage ist, den Endabschnitt des Innenrohres 22 zu verschließen. Der Wellenkörper 38 erstreckt sich außerhalb des rohrförmigen Körpers 12 von einem in dem zweiten Endabschnitt 12B des rohrförmigen Körpers 12 ausgebildeten Lochabschnitt 39. Zudem kann der Wellenkörper 38 mithilfe einer Antriebsvorrichtung (nicht in den Zeichnungen dargestellt) in der Axialrichtung vorwärts und rückwärts bewegt werden. D.h., der an dem distalen Ende des Wellenkörpers 38 befestigte Ventilkörper 36 kann im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 vorwärts und rückwärts bewegt werden.
  • (Betrieb)
  • Im Folgenden wird der Betrieb der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 beschrieben.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 wird in dem Regenerator 18, der - wie in 1 dargestellt - zwischen dem in der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 angeordneten ersten Wärmetauscher 14 und dem in dem Niedertemperatur-Wärmebad 30 angeordneten zweiten Wärmetauscher 16 angeordnet ist, ein Temperaturgradient erzeugt. Wenn das Verhältnis (Temperaturverhältnis) zwischen der Temperatur des Endabschnitts des Regenerators 18 auf der Seite des ersten Endabschnitt 12A, d.h. auf der Hochtemperaturseite, und der Temperatur des Endabschnitts des Regenerators 18 auf der Seite des zweiten Endabschnitt 12B, d.h. auf der Niedertemperaturseite, einen Schwellenwert überschreitet, wird das Gas in den Poren 34 des Regenerators 18 selbsterregten thermoakustischen Schwingungen ausgesetzt.
  • Die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugen eine Stehwelle im Inneren des rohrförmigen Körpers 12, konkret in der Leitung X, die sich von der geschlossenen Fläche 26 des Außenrohres 24 zur Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 und von der Seite des zweiten Endabschnitts 12B über das Innenrohr 22 zum ersten Endabschnitt 12A erstreckt.
  • 2 veranschaulicht einen Fall, in dem in der Leitung des rohrförmigen Körpers 12 eine Stehwelle in einem 1/2-Wellenlängenmodus erzeugt wird. In 2 stellt die x-Achse den Abstand von der geschlossenen Fläche 26 in der Leitung dar. Hierbei ist L0 die Leitungslänge von der geschlossenen Fläche 26 bis zum ersten Endabschnitt 12A des rohrförmigen Körpers 12.
  • Dabei stellt der in 2 unter der x-Achse angeordnete Regenerator 18 die Position des Regenerators in der Leitung dar, insbesondere seine Positionsbeziehung mit der Stehwelle.
  • D.h., wenn - wie in 2 dargestellt - im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 die Stehwelle erzeugt worden ist, beträgt der Abstand von der geschlossenen Fläche 26 bis zu dem Zentrum des Regenerators 18 in der Erstreckungsrichtung der Leitung (der Axialrichtung) 0,25L0 in Bezug auf die Leitungslänge L0, folglich ist der Regenerator 18 in dem Abschnitt angeordnet, in dem das Produkt aus der Druckamplitude und der Geschwindigkeitsamplitude am größten ist und die Wärmeübertragungsmenge maximiert wird.
  • Wenn daher bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausgestaltung in dem Regenerator 18 ein Temperaturgradient erzeugt wird und das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten des Regenerators 18 den Schwellenwert überschreitet, werden die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugt und entsprechend den selbsterregten thermoakustischen Schwingungen außerdem eine Stehwelle in dem rohrförmigen Körper 12. Da das Zentrum des Regenerators 18 in der Erstreckungsrichtung der Leitung an einer Position in der Leitung angeordnet ist, die von der geschlossenen Fläche 26 aus 25% (0,25L0) der Leitungslänge L0 beträgt, nimmt die Druckamplitude der Stehwelle von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite des Regenerators 18 monoton ab, so dass die Wärme im Inneren des Regenerators 18 von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite übertragen werden kann. D.h., die Wärme der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 wird über den ersten Wärmetauscher 14, den Regenerator 18 und den zweiten Wärmetauscher 16 in das Niedertemperatur-Wärmebad 30 übertragen.
  • Da zudem das Zentrum des Regenerators 18 in der Erstreckungsrichtung der Leitung an einer Position in der Leitung angeordnet ist, die von der geschlossenen Fläche 26 aus 0,25L0 beträgt, ist das Zentrum des Regenerators 18 in der Richtung, in der sich die Leitung erstreckt, an der Position angeordnet, wo das Produkt aus der Druckamplitude und der Geschwindigkeitsamplitude der Stehwelle einen Höchstwert erreicht und die Menge der Wärmeübertragung durch den Regenerator 18 maximal ist. Demzufolge kann die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auf effiziente Weise Wärme von der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 in das Niedertemperatur-Wärmebad 30 übertragen.
  • Überdies weist ein Teil des rohrförmigen Körpers 12 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 eine Doppelrohrstruktur mit dem Innenrohr 22 und dem Außenrohr 24 auf, wobei sich die Leitung X von dem Endabschnitt des Außenrohres 24 auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite (der geschlossenen Fläche 26) zu dem Endabschnitt des rohrförmigen Körpers 12 auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite (dem ersten Endabschnitt 12A) erstreckt. Folglich wird der Teil des Gesamtvolumens des rohrförmigen Körpers 12, den das Volumen des Abschnitts des rohrförmigen Körpers 12 einnimmt, der auf der Seite des Niedertemperatur-Wärmebads 30 vorragt, verringert. D.h., das Volumen des Abschnitts des rohrförmigen Körpers 12, der auf der Seite der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 vorragt, wird größer, wodurch sich der Bereich der Wärmeübertragung von der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 zu dem rohrförmigen Körper 12 vergrößert, so dass die Wärmeübertragungsleistung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 weiter erhöht wird.
  • Wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Endabschnitt des Regenerators 18 auf der Hochtemperaturseite und dem Endabschnitt des Regenerators 18 auf der Niedertemperaturseite den Schwellenwert weit überschreitet, wird in der Leitung X mitunter eine Stehwelle in einem 1-Wellenlängenmodus erzeugt, der durch eine selbsterregte akustische Welle verursacht wird. In diesem Fall findet die Wärmeübertragung in dem Regenerator 18 aufgrund der Stehwelle im 1-Wellenlängenmodus ebenfalls statt, und die Wärmeübertragungsleistung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 wird weiter erhöht.
  • Da bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen genutzt werden, erfolgt die Wärmeübertragung ohne Antriebsquelle (Stromzufuhr), wie z.B. eine Pumpe. Folglich können die Herstellungs- und Betriebskosten der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 reduziert werden. Überdies ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 wartungsfrei, da die Wärmeübertragung ohne Antriebsquelle auskommt.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 in ihrer Gasform wird zudem das im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 eingeschlossene Stickstoffgas verwendet. Somit ist kein Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig erforderlich und es besteht nicht die Gefahr, dass die Arbeitsflüssigkeit (in der vorliegenden Ausgestaltung das Stickstoffgas) explodiert, so dass die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 sehr sicher ist.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 kann zudem der Ventilkörper 36 in Richtung der Endabschnittsseite des Innenrohres 22 und von ihr weg bewegt werden, wenn er von einer nicht dargestellten Antriebsquelle des Regelventils 20 angetrieben wird. Wenn der Ventilkörper 36 den Endabschnitt (den offenen Abschnitt) des Innenrohres 22 - wie in 3 dargestellt - verschließt, wird die Leitung X, in der die Stehwelle erzeugt wird, von der geschlossenen Fläche 26 bis zum Ventilkörper 36 verkürzt. D.h., die Leitungslänge wird von L0 auf L1 verkürzt.
  • Wie in 4 dargestellt, wird die Wellenform (Wellenlänge) der Stehwelle im 1/2-Wellenlängenmodus verkürzt, die relative Position des Regenerators 18 in Bezug auf die Stehwelle verändert sich und die Beziehung, bei der die Druckamplitude von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite des Regenerators 18 monoton abnimmt, ist nicht mehr gegeben. D.h., die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen werden nicht mehr erzeugt, auch wenn zwischen den beiden Endabschnitten des Regenerators 18 ein Temperaturgradient erzeugt wird. Daher wird die Wärmeübertragung des Regenerators 18 gestoppt.
  • Wie in 5 dargestellt, kann dadurch, dass eingestellt wird, wie weit das Regelventil 20 in den rohrförmigen Körper 12 bewegt wird, d.h. wie nahe es an dem Endabschnitt des Innenrohres 22 ist, bis zu dem Maße, dass das Regelventil 20 nicht an den Endabschnitt des Innenrohres 22 anstößt, die Wellenform (Amplitude) der Stehwelle verändert werden. Wie in 6 dargestellt, kann die Druckamplitude der Stehwelle insgesamt verändert (z.B. verringert) werden. Demzufolge kann das Produkt aus der Druckamplitude und der Geschwindigkeitsamplitude an der Position, wo der Regenerator 18 angeordnet ist, verändert werden, um dadurch die von dem Regenerator 18 übertragene Wärmemenge (Wärmeleitfähigkeit) zu regulieren.
  • (Angewandtes Beispiel)
  • Unter Bezugnahme auf die 7 bis 9C wird ein Beispiel beschrieben, in dem ein Industrieofen 40 mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 versehen ist. Den Bestandteilen der Wärmeübertragungsvorrichtung 10, die sich nicht von der obigen Ausgestaltung unterscheiden, werden die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, so dass diese nicht detailliert beschrieben werden.
  • Wie in 7 dargestellt, weist der Ofen 40 eine Isolierung 42 in Form eines rechteckigen Körpers auf, der einen geschlossenen Raum bildet, wobei Teile einer Heizvorrichtung 44 und der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 von der oberen Wand in das Innere des Ofens 40 eingefügt sind. Die Heizvorrichtung 44 wird von einer Antriebsquelle angetrieben (nicht in den Zeichnungen dargestellt), so dass sie ein Gas im Inneren der Isolierung 42 erwärmt, die Temperatur im Inneren des Ofens 40 auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht und konstant hält.
  • Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 dient dazu, die Wärme im Inneren des Ofens nach außen abzugeben, um die Temperatur im Inneren des Ofens 40 zu senken, nachdem das Erwärmen des Ofens 40 abgeschlossen ist. Die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ist in das Innere des Ofens 40 eingefügt, und die Seite des zweiten Endabschnitts 12B ragt aus dem Ofen 40 hervor. D.h., in der Axialrichtung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 (des rohrförmigen Körpers 12) ist der Abschnitt vom ersten Endabschnitt 12A des rohrförmigen Körpers 12 zum Endabschnitt des ersten Wärmetauschers 14 in das Innere des Ofens 40 eingefügt, und der Abschnitt vom Endabschnitt des zweiten Wärmetauschers 16 bis zum zweiten Endabschnitt 12B ist außerhalb des Ofens 40 angeordnet. Überdies ist der Regenerator 18 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 an der Position der Isolierung 42 des Ofens 40 angeordnet.
  • Der Betrieb der auf diese Weise in dem Ofen 40 angeordneten Wärmeübertragungsvorrichtung 10 wird anhand eines Vergleichs mit einem Ofen 46 eines Vergleichsbeispiels beschrieben, der nicht mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ausgerüstet ist.
  • Der Ofen 46 gemäß dem Vergleichsbeispiel ist nicht mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung ausgerüstet, die Wärme abgibt, so dass die Kühlung im Inneren des Ofens, wie in 9C dargestellt, entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren des Ofens und dem Äußeren des Ofens durch die natürliche Wärmeabstrahlung über die Isolierung 42 erfolgt. Um eine Wärmemenge Q23 durch die natürliche Wärmeabstrahlung zu erhöhen, ist es denkbar, die Dicke der Isolierung 42 zu reduzieren und somit die Isoliereigenschaften zu verringern. Eine Erhöhung der Wärmemenge Q23 aufgrund der natürlichen Wärmeabstrahlung führt jedoch zu einer Erhöhung der Wärmemenge Q21, die dem Ofen von der Heizvorrichtung 44 zugeführt wird, wenn die Temperatur, wie in 9A dargestellt, erhöht wird, und einer Wärmemenge Q22, die dem Ofen von der Heizvorrichtung 44 zugeführt wird, wenn die Temperatur, wie in 9B, aufrechterhalten wird. Demzufolge ist es schwierig, die Wärme im Inneren des Ofens effizient abzuleiten.
  • Bei dem Ofen 40 hingegen, der mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 versehen ist, wird - wie in 8A dargestellt - bei einer Erhöhung der Temperatur im Inneren des Ofens 40 die Heizvorrichtung 44 betrieben und dem Ofen eine Wärmemenge Q11 zugeführt. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Ofens 40 wird aus dem Inneren des Ofens eine Wärmemenge Q13 abgeleitet. Wenn der Ventilkörper 36 des Regelventils 20 den Endabschnitt des Innenrohres 22 verschließt (siehe 3), werden die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen nicht in dem Regenerator 18 erzeugt, so dass die Wärmeübertragung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gestoppt wird. Folglich erhöht sich die Temperatur im Inneren des Ofens 40 entsprechend der Differenz zwischen der zugeführten Wärmemenge Q11 und der abgeleiteten Wärmemenge Q13.
  • Wenn die Temperatur im Inneren des Ofens 40 aufrechterhalten wird, wie in 8B dargestellt, wird die Heizvorrichtung 44 betrieben und dem Ofen eine Wärmemenge Q12 zugeführt, die gleich der von dem Ofen 40 abgegebenen Wärmemenge Q13 ist. In diesem Fall wird die Wärmeübertragung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 also gestoppt. Folglich wird die Temperatur im Inneren des Ofens 40 konstant gehalten.
  • Zudem wird der Ventilkörper 36 des Regelventils 20 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 während des Senkens der Temperatur im Inneren des Ofens 40 in Richtung des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 bewegt, wodurch der Endabschnitt des Innenrohres 22 geöffnet wird (siehe 1). Wie in 8C dargestellt, werden dadurch die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen entsprechend der Differenz zwischen der Temperatur im Inneren und der Temperatur außerhalb des Ofens 40 erzeugt, so dass die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 eine Wärmemenge Q14 vom Inneren des Ofens nach außen überträgt (abgibt). Auf diese Weise werden die von der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 abgegebene Wärmemenge Q14 und die von der Isolierung 42 durch die natürliche Wärmeabstrahlung abgegebene Wärmemenge Q13 vom Inneren des Ofens nach außen transportiert, so dass die Temperatur im Inneren des Ofens effizient gesenkt werden kann. Überdies ist die Wärmeabgabe im Vergleich zu dem Fall hoch, in dem nur die natürliche Wärmeabstrahlung der Isolierung 42 vorhanden ist, wie bei dem Ofen 46 des Vergleichsbeispiels, daher ist es nicht notwendig, zur Wärmeabstrahlung die Dicke der Isolierung 42 zu verringern, so dass der Wärmewirkungsgrad bei der Temperaturerhöhung und der Aufrechterhaltung der Temperatur hoch bleibt.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 weist ein Teil des rohrförmigen Körpers 12 zudem eine Doppelrohrstruktur mit dem Innenrohr 22 und dem Außenrohr 24 auf, wobei der Regenerator 18, der erste Wärmetauscher 14 und der zweite Wärmetauscher 16 in dem Außenrohr 24 angeordnet sind, folglich ist das Volumen des Abschnitts des rohrförmigen Körpers 12 auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12B, welches außerhalb des Ofens 40 angeordnet ist und dessen Verhältnis in Bezug auf das Gesamtvolumen gering, so dass die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 hervorragend an den vorhandenen Ofen 40 angefügt werden kann.
  • Das im Inneren des Ofens angeordnete Volumen des Abschnitts des rohrförmigen Körpers 10 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ist groß, somit vergrößert sich der Bereich der Wärmeübertragung aus dem Ofen 40 (dem Gas im Inneren des Ofens) in Bezug auf den rohrförmigen Körper 12. Folglich wird der Wirkungsgrad, mit dem die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 Wärme aus dem Inneren des Ofens nach außen abgibt, noch mehr erhöht.
  • Überdies ist das Gas (Stickstoffgas), das als Arbeitsflüssigkeit dient, im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 eingeschlossen, so dass sich das Gas im Inneren des Ofens und das Gas in der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 nicht miteinander vermischen können und die Umgebung im Inneren des Ofens geschützt ist.
  • Ferner wird das Stickstoffgas im Inneren der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 in seiner Gasform verwendet, d.h., die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 benötigt keinen Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig, so dass keine Gefahr einer Gasexplosion besteht und die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 sehr sicher ist, auch wenn sie in dem Industrieofen 40 verwendet wird, der eine hohe Betriebstemperatur aufweist (z.B. 500 °C).
  • Zweite Ausgestaltung
  • (Anordnung der Vorrichtung)
  • Unter Bezugnahme auf die 10 wird eine Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Offenbarung beschrieben. Dabei werden den Bestandteilen, die sich nicht von denjenigen der ersten Ausgestaltung unterscheiden, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, ohne dass diese Bestandteile detailliert beschrieben werden, d.h., es werden nur diejenigen Punkte beschrieben, die sich von der ersten Ausgestaltung unterscheiden.
  • Wie in 10 dargestellt, weist eine Wärmeübertragungsvorrichtung 50 eine Einrohrstruktur auf, d.h., die Doppelrohrstruktur, die teilweise den rohrförmigen Körper 12 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gebildet hat, weggelassen wurde. Demzufolge erstreckt sich die Leitung X bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 vom ersten Endabschnitt 12A zum zweiten Endabschnitt 12B des rohrförmigen Körpers 12. Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 entspricht der Abstand entlang der Leitung (der Axialrichtung) vom ersten Endabschnitt 12A zum Regelventil 20 auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12B der Leitungslänge L0.
  • Der erste Wärmetauscher 14, der zweite Wärmetauscher 16 und der Regenerator 18 sind in dem gesamten Querschnitt des rohrförmigen Körpers 12 angeordnet. Der Regenerator 18 ist so angeordnet, dass sein Zentrum in der Richtung, in der sich die Leitung erstreckt (der Axialrichtung) an einer Position in der Leitung X positioniert ist, die von dem ersten Endabschnitt 12A 25% (0,25L0) der Leitungslänge L0 beträgt. Folglich ist die in dem Niedertemperatur-Wärmebad 30 (der Außenseite des Isolierelements 32) angeordnete Axialrichtungslänge des rohrförmigen Körpers 12 größer als die in der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 angeordnete Axialrichtungslänge des rohrförmigen Körpers 12.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 ist das Regelventil 20 an dem zweiten Endabschnitt 12B des rohrförmigen Körpers 12 angeordnet. Ein Ventilkörper 52 des Regelventils 20 weist eine Scheibenform auf, die der Querschnittsform (z.B. der Kreisform) des rohrförmigen Körpers 12 entspricht. Überdies kann der Wellenkörper 38 des Regelventils 20 mittels einer Antriebsquelle (nicht in den Zeichnungen dargestellt) in der Axialrichtung vorwärts und rückwärts bewegt werden, d.h., wenn der Ventilkörper 52 des Regelventils 20 in der Axialrichtung des rohrförmigen Körpers 12 vorwärts und rückwärts bewegt wird die Leitungslänge reguliert.
  • (Betrieb)
  • Im Folgenden wird der Betrieb der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung hinsichtlich des Betriebs, der sich nicht von dem Betrieb der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 unterscheidet, vereinfacht oder verkürzt ist.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 werden im Inneren des Regenerators 18 selbsterregte thermoelektrische Schwingungen erzeugt und entsprechend den selbsterregten thermoakustischen Schwingungen wird im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 eine Stehwelle erzeugt. Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 ist der Regenerator 18 zudem so angeordnet, dass die Druckamplitude der Stehwelle von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite (siehe 2) monoton abnimmt, so dass die Wärme von der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 zum Niedertemperatur-Wärmebad 30 übertragen werden kann.
  • Da zudem das Zentrum des Regenerators 18 in der Erstreckungsrichtung der Leitung an einer Position in der Leitung angeordnet ist, die von dem ersten Endabschnitt 12A aus 0,25L0 beträgt, ist das Zentrum des Regenerators 18 in der Richtung, in der sich die Leitung erstreckt, an der Position angeordnet, wo das Produkt aus der Druckamplitude und der Geschwindigkeitsamplitude der Stehwelle einen Höchstwert erreicht und die Menge der Wärmeübertragung durch den Regenerator 18 maximal ist. Demzufolge kann die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auf effiziente Weise Wärme von der Hochtemperatur-Wärmequelle 28 in das Niedertemperatur-Wärmebad 30 übertragen.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 kann zudem der Ventilkörper 52 in Richtung der Seite des ersten Endabschnitts 12A (des zweiten Wärmetauschers 16) des rohrförmigen Körpers 12 und von ihr weg bewegt werden, wenn er von der nicht dargestellten Antriebsquelle des Regelventils 20 angetrieben wird. Dadurch ändert sich die Leitungslänge der Leitung X, in der die Stehwelle erzeugt wird, so dass sich die relative Positionsbeziehung zwischen der Stehwelle und dem Regenerator 18 ändert. Folglich kann das Produkt aus der Druckamplitude und der Geschwindigkeitsamplitude an der Position, wo der Regenerator 18 angeordnet ist, geändert werden, um die Wärmeübertragungsmenge der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 (des Regenerators 18) zu regulieren.
  • In Abhängigkeit von der Änderung der relativen Positionsbeziehung zwischen der Stehwelle und dem Regenerator 18, ist die Beziehung, bei der die Druckamplitude der Stehwelle von der Hochtemperaturseite zur Niedertemperaturseite des Regenerators 18 monoton abnimmt, nicht mehr gegeben. D.h., die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen werden nicht mehr erzeugt, auch wenn in dem Regenerator 18 ein Temperaturgradient erzeugt wird. Daher wird die Wärmeübertragung der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 (des Regenerators 18) gestoppt.
  • Wenn das Regelventil 20 in der Axialrichtung vorwärts und rückwärts bewegt wird, kann bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 somit die Wärmeübertragung unterbrochen werden (die Erzeugung der Stehwelle kann gestoppt werden), und die Wärmeübertragungsmenge (Wärmeleitfähigkeit) kann reguliert werden.
  • (Angewandtes Beispiel)
  • Unter Bezugnahme auf die 11 wird ein Beispiel beschrieben, in dem der Industrieofen 40 mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 versehen ist. Dabei werden den Bestandteilen der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 die gleichen Bezugszeichen wie in der obigen Ausgestaltung zugeordnet, ohne dass diese Bestandteile detailliert beschrieben werden. Überdies weist der Industrieofen die gleiche Bauweise auf wie der Ofen, der mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 versehen wurde, somit werden ohne eine detaillierte Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • Bei der an dem Ofen 40 vorgesehenen Wärmeübertragungsvorrichtung 50 ist die Seite des ersten Endabschnitts 12A in das Innere des Ofens 40 eingefügt und die Seite des zweiten Endabschnitts 12B ragt aus dem Ofen 40 hervor. D.h., in der Axialrichtung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ist der Abschnitt von dem ersten Endabschnitt 12A bis zum Endabschnitt des ersten Wärmetauschers 14 in das Innere des Ofens 40 eingefügt, und der Abschnitt vom Endabschnitt des zweiten Wärmetauschers 16 zum zweiten Endabschnitt 12B ist außerhalb des Ofens 40 angeordnet. Folglich ist der Regenerator 18 an der Position der Isolierung 42 angeordnet.
  • Da die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auf diese Weise an dem Ofen 40 angeordnet ist, werden die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur im Inneren des Ofens 40 und der Temperatur außerhalb des Ofens 40 in dem Regenerator 18 erzeugt, im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 wird die Stehwelle erzeugt, und die Wärme im Inneren des Ofens 40 wird entsprechend dem Gradienten der Druckamplitude der Stehwelle von dem ersten Wärmetauscher 14 über den Regenerator 18 an den zweiten Wärmetauscher 16 abgegeben.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 sind der erste Wärmetauscher 14, der zweite Wärmetauscher 16 und der Regenerator 18 im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 angeordnet, der eine Einrohrstruktur aufweist, die einfach herzustellen ist.
  • Überdies bietet die Wärmeübertragungsvorrichtung 50 den Vorteil, dass der Teil des rohrförmigen Körpers 12, der in das Innere des Ofen 40 eingefügt ist, reduziert werden kann.
  • [Versuchsergebnisse und numerische Berechnungsergebnisse]
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem einzigen Rohr (dem rohrförmigen Körper) gemäß der zweiten Ausgestaltung wurden die Wärmewirkungsgrade (%) und Wärmeübertragungsmengen (kw) durch numerische Berechnung auf der Basis einer thermoakustischen Theorie in Bezug auf Wärmeübertragungsvorrichtungen ermittelt, bei denen die Position des Regenerators im Inneren des rohrförmigen Körpers in der Erstreckungsrichtung der Leitung verändert wurde (siehe 12 und Kenta NAKAMURA und Yuki UEDA, „Design und Construction of a Standing-Wave Thermoacoustic Engine with Heat Sources Having a Given Temperaturverhältnis,“ Journal of Thermal Science and Technology, 2011, Band 6, Nr. 3, S. 416-423).
  • Konkret beträgt der Durchmesser des rohrförmigen Körpers der Wärmeübertragungsvorrichtungen 0,1 m, die Gesamtlänge 3,5 m und die Axialrichtungslänge (die Richtung, in der sich die Leitung erstreckt) des darin eingefügten Regenerators 0,09 m. Überdies wurde die Temperatur der Hochtemperatur-Wärmequelle auf 450 °C eingestellt und die Temperatur der Niedertemperatur-Wärmequelle auf 60 °C.
  • Im Inneren (der Leitung) des rohrförmigen Körpers wurde eine Stehwelle im 1/2-Wellenlängenmodus erzeugt, die Druckamplitude an dem geschlossenen Ende (siehe den ersten Endabschnitt 12A des rohrförmigen Körpers in 10) wurde auf 20 kPa eingestellt, und die Wärmeübertragungsmenge und der Wärmewirkungsgrad wurden durch numerische Berechnung ermittelt, wobei als Parameter der Abstand von dem geschlossenen Ende bis zum Zentrum des Regenerators in der Axialrichtung zugrunde gelegt wurde.
  • Hierbei ist der Wärmewirkungsgrad abgegebene Arbeit / Wärmeeintrag. Zudem gilt: abgegebene Arbeit = Wärmeeintrag - Wärmeleistung, d.h. Wärmewirkungsgrad = (Wärmeeintrag - Wärmeleistung) / Wärmeeintrag. Dabei gilt auch: Wärmeübertragungsmenge = Wärmeeintrag. D.h., die Wärmeübertragungsmenge ist die Wärmemenge, die den Regenerator über den ersten Wärmetauscher von der Hochtemperatur-Wärmequelle erreicht.
  • Wie in 12 dargestellt, erreicht der Wärmewirkungsgrad einen Höchstwert, wenn das Zentrum des Regenerators vom Endabschnitt des Regenerators auf der Hochtemperaturseite (dem geschlossenen Ende) an einer 1/32 Wellenlänge positioniert ist, danach sinkt er schrittweise.
  • Die Wärmeübertragungsmenge erhöht sich in dem Maße, wie das Zentrum des Regenerators vom Endabschnitt auf der Hochtemperaturseite wegbewegt wird, wenn der Regenerator so angeordnet ist, dass das Zentrum des Regenerators vom Endabschnitt des Regenerators auf der Hochtemperaturseite an einer 1/48 Wellenlänge positioniert ist.
  • Da es wünschenswert ist, bei herkömmlichen thermoakustischen Maschinen den Wärmewirkungsgrad zu erhöhen, ist das Zentrum des Regenerators in dem in 12 dargestellten Graphen in einem Bereich von etwa 1/32 Wellenlänge bis etwa 3/64 Wellenlänge vom Endabschnitt der Leitung auf der Hochtemperaturseite positioniert.
  • Im Unterschied dazu überträgt die Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung Wärme, so dass es wünschenswert ist, dass die Wärmeübertragungsmenge möglichst groß ist. Je mehr das Zentrum des Regenerators auf der Hochtemperaturseite vom Endabschnitt der Leitung wegbewegt wird, desto größer wird die Wärmeübertragungsmenge; wenn der Wärmewirkungsgrad jedoch weniger als 1% beträgt, besteht das Risiko, dass die selbsterregten thermoakustischen Welle aufgrund der in der numerischen Berechnung nicht berücksichtigten Wärmeabstrahlung nicht mehr erzeugt werden. Indem das Zentrum des Regenerators im Bereich von 1/16 Wellenlänge bis 1/8 Wellenlänge (der Bereich B in 12) von dem Endabschnitt der Leitung auf der Hochtemperaturseite positioniert wurde, konnte bestätigt werden, dass es sich um eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit einer großen Wärmeübertragungsmenge handelt, die zur Wärmeübertragung geeignet ist.
  • Das weiße Dreieck in der Zeichnung stellt den Wärmewirkungsgrad dar, der in einer experimentellen Wärmeübertragungsvorrichtung gemessen wurde, welche die gleiche Größe hat wie die der numerischen Berechnung, und das weiße Viereck in der Zeichnung stellt das Ergebnis der Wärmeübertragungsmenge dar, die in der experimentellen Wärmeübertragungsvorrichtung gemessen wurde. Folglich wurde bestätigt, dass das numerische Berechnungsergebnis dem Versuchsergebnis sehr nahe kommt.
  • Dritte Ausgestaltung
  • (Anordnung der Vorrichtung)
  • Unter Bezugnahme auf die 13 bis 19 wird eine dritte Ausgestaltung der Offenbarung beschrieben, d.h. ein Industrieofen, der mit der Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung versehen ist. Dabei werden den Bestandteilen, die sich nicht von denjenigen der ersten Ausgestaltung unterscheiden, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, ohne dass diese Bestandteile beschrieben werden.
  • Wie in 13 dargestellt, umfasst ein Ofen 100 eine rechteckige Ofenwand 102 mit einer Isolierung, einen Arbeitstisch 104, auf den ein Werkstück W verbracht wird (siehe 16), das in dem von der Ofenwand 102 begrenzten Inneren bearbeitet wird (im Folgenden „das Innere des Ofens“ genannt), Heizvorrichtungen 106, die die Temperatur im Inneren des Ofens regulieren (auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmen), die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 (siehe 15 und 16) und Reflektoreinheiten 108.
  • Was die Heizvorrichtungen 106 betrifft, so sind zwei zwischen gegenüberliegenden Seiten der Ofenwand 102 an der Oberseite des Arbeitstisches 104 parallel angeordnet und zwei parallel zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Ofenwand 102 an der Unterseite des Arbeitstisches 104.
  • Wie in 14 dargestellt, weisen die Reflektoreinheiten 108 jeweils einen Rohrabschnitt 112 auf, der die Form eines Hohlzylinders hat in dem ein Öffnungsabschnitt 110 ausgebildet ist, der sich in der Axialrichtung durch den Rohrabschnitt 112 erstreckt, und einen Reflektor 114, der an dem distalen Ende des Rohrabschnitts 112 angeordnet ist und in dem eine reflektierenden Fläche 114A mit einem Paraboloid ausgebildet ist (siehe 15).
  • Wie in 15 dargestellt, ist der Reflektor 114 in Bezug auf die Axialrichtung des Rohrabschnitts 112 in einem vorbestimmten Winkel montiert. Überdies ist ein Ende des Öffnungsabschnitts 110 des Rohrabschnitts 112 in Richtung des Reflektors 114 offen (siehe 13).
  • Die auf diese Weise konfigurierte Reflektoreinheit 108 ist so in dem Ofen 100 angeordnet, dass sich der Rohrabschnitt 112 durch die obere oder die untere Ofenwand 102 erstreckt und der an einem Ende Rohrabschnitts 112 befestigte Reflektor 114 im Inneren des Ofens positioniert ist. Das andere Ende des Rohrabschnitts 112 ist außerhalb der Ofenwand 102 angeordnet (im Folgenden „das Äußere/außerhalb des Ofens“ genannt).
  • Die Reflektoreinheit 108 ist so konfiguriert, dass der Reflektor 114, wenn das andere Ende des Rohrabschnitts 112 gedreht wird, um die Achse des Rohrabschnitts 112 gedreht werden kann. Überdies ist die Reflektoreinheit 108 so konfiguriert, dass der Reflektor 114 in Richtung der Ofenwand 102 und von ihr weg bewegt werden kann, wenn der Rohrabschnitt 112 in Bezug auf die Ofenwand 102 vorwärts und rückwärts bewegt wird.
  • Wie in 15 dargestellt, ist in dem Öffnungsabschnitt 110 des Rohrabschnitts 112 der Reflektoreinheit 108 zudem die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 angeordnet. Die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ist in das Innere des Ofens 100 (die Ofenwand 102) eingefügt, und die Seite des zweiten Endabschnitts 12B ragt aus dem Ofen 100 (der Ofenwand 102) hervor. D.h., in der Axialrichtung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 (des rohrförmigen Körpers 12) ist der Abschnitt vom ersten Endabschnitt 12A bis zum ersten Wärmetauscher 14 in das Innere des Ofens eingefügt, und der Abschnitt vom zweiten Wärmetauscher 16 bis zum zweiten Endabschnitt 12B ist außerhalb des Ofens angeordnet. Überdies ist der Regenerator 18 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 in der Ofenwand 102 des Ofens 100 angeordnet. In 15 ist die Dicke der Ofenwand 102 für eine einfache Beschreibung der Zeichnung dünn dargestellt.
  • Überdies ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 an der Ofenwand 102 befestigt. Wie in 15 und 16 dargestellt, kann die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 somit von dem Öffnungsabschnitt 110 aufgenommen werden, wenn die Reflektoreinheit 108 (der Rohrabschnitt 112) im Inneren des Ofens vorwärts bewegt wird. Wird die Reflektoreinheit 108 (der Rohrabschnitt 112) rückwärts aus dem Ofen herausbewegt, kann die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auf der Seite der reflektierenden Fläche 114A des Reflektors 114 aus dem Öffnungsabschnitt 110 der Reflektoreinheit 108 vorragen, so dass sie dem Inneren des Ofens ausgesetzt ist.
  • Wie in 15 dargestellt, ist der Abschnitt des rohrförmigen Körpers 12 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 vom ersten Endabschnitt 12A zum ersten Wärmetauscher 14 entlang der Axialrichtung als ein dicker Plattenabschnitt 12C ausgebildet, dessen Plattendicke dicker ist als die des anderen Abschnitts; der andere Abschnitt wird dünner Plattenabschnitt 12D genannt.
  • Wie in 13 dargestellt, sind die Reflektoreinheit 108 und die auf diese Weise angeordnete Wärmeübertragungsvorrichtung 10 als Satz (je 2) jeweils in einem festen Abstand voneinander in zwei Reihen in der Ofenwand 102 an der Oberseite des Ofens 100 angeordnet sowie als Satz (je 2) in einem festen Abstand voneinander in zwei Reihen in der Ofenwand 102 an der Unterseite des Ofens 100. D.h., wenn der Ofen 100 in der Draufsicht betrachtet wird, sind die Reflektoreinheiten 108 und die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 an den Außenseiten der Heizvorrichtungen 106 angeordnet.
  • (Betrieb)
  • Im Folgenden wird der Betrieb des Ofens 100 beschrieben. Zuerst wird ein Fall beschrieben, in dem der Ofen 100 erwärmt wird.
  • Wie in 13, 15 und 16 dargestellt, sind die Rohrabschnitte 112 der Reflektoreinheiten 108 in diesem Fall im Inneren des Ofens vorwärts bewegt worden, um dadurch die Reflektoren 114 von der Ofenwand 102 weg zu bewegen.
  • Infolgedessen sind die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10, wie in 15 dargestellt, vollständig in den Öffnungsabschnitten 110 der Rohrabschnitte 112 untergebracht. D.h., die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 sind nicht im Inneren des Ofens untergebracht (die Seiten der reflektierenden Fläche 114A der Reflektoren 114). Überdies sind die Endabschnitte der Innenrohre 22 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 durch die Regelventile 20 verschlossen (siehe 3).
  • Wie in 16 dargestellt, sind die Rohrabschnitte 112 der Reflektoreinheiten 108 um ihre Achsen gedreht, damit die reflektierenden Flächen 114A der Reflektoren 114 in der Richtung der benachbarten Heizvorrichtungen 106 und des Arbeitstisches 104 (des Werkstückes W) zeigen.
  • In diesem Zustand wird das Werkstück W, welches das Verarbeitungsziel ist, auf den Arbeitstisch 104 im Inneren des Ofens verbracht und die Heizvorrichtungen 106 werden eingeschaltet, wodurch die Temperatur im Inneren des Ofens auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt wird.
  • Wie in 16 dargestellt, werden die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen, auch wenn die Heizvorrichtungen 106 eingeschaltet sind und die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren des Ofens und dem Äußeren des Ofens steigt, zu diesem Zeitpunkt nicht in den Regeneratoren 18 erzeugt, da die Endabschnitte der Innenrohre 22 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 von den Regelventilen 20 verschlossen sind. D.h., es wird eine Situation verhindert, in der in den Leitungen der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 von den selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugte Stehwellen entstehen und die Wärme aus dem Inneren des Ofens nach außen abgegeben wird.
  • Da die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 zudem vollständig in den Öffnungsabschnitten 110 der Rohrabschnitte 112 untergebracht sind, wird verhindert, dass die Strahlung im Inneren des Ofens direkt auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auftrifft oder nachdem sie von den reflektierenden Flächen 114A der Reflektoren 114 reflektiert worden ist.
  • D.h., indem verhindert wird, dass die Strahlung im Inneren des Ofens auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auftrifft, wird auch verhindert, dass die Wärme im Inneren des Ofens durch Wärmeleitung über die sich vom Inneren des Ofens nach außen erstreckenden rohrförmigen Körper 12 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 nach außen abgeleitet wird.
  • Weil verhindert wird, dass die Wärme im Inneren des Ofens über die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 nach außen abgeleitet wird, kann die Temperatur im Inneren des Ofens 100 effizient auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt werden.
  • Wie in 15 und 16 dargestellt, zeigen die reflektierenden Flächen 114A der Reflektoren 114 überdies in die Richtung der benachbarten Heizvorrichtungen 106 und des Arbeitstisches 104. Dadurch wird die Strahlung der Heizvorrichtungen 106 von den reflektierenden Flächen 114A der Reflektoren 114 reflektiert und trifft auf das auf den Arbeitstisch 104 verbrachte Werkstück W auf. Folglich wird das auf den Arbeitstisch 104 verbrachte Werkstück W effizient erwärmt.
  • Im Folgenden wird ein Fall beschrieben, in dem der Ofen 100 gekühlt wird.
  • Wenn das Erwärmen des Werkstückes W abgeschlossen ist, nachdem die Temperatur im Inneren des Ofens auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt worden ist, werden zuerst die Heizvorrichtungen 106 ausgeschaltet. Anschließend werden die Regelventile 20 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 rückwärts bewegt, um die Endabschnitte der Innenrohre 22 zu öffnen.
  • Wie in 17 bis 19 dargestellt, werden dann die Rohrabschnitte 112 der Reflektoreinheiten 108 rückwärts aus dem Ofen herausbewegt, um dadurch die Reflektoren 114 in Richtung der Ofenwand 102 zu bewegen. Wie in 18 dargestellt, wird dadurch die Seite des ersten Endabschnitts 12A (die Seite im Inneren des Ofens) der an der Ofenwand 102 befestigten Wärmeübertragungsvorrichtung 10 von den Öffnungsabschnitten 110 der Rohrabschnitte 112 ab dem Inneren des Ofens (den Seiten der reflektierenden Fläche 114A der Reflektoren 114) ausgesetzt. D.h., die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 werden an den Positionen der Fokusse der Reflektoren 114 (der reflektierenden Flächen 114A) positioniert.
  • Wie in 19 dargestellt, werden überdies die Rohrabschnitte 112 der Reflektoreinheiten 108 gedreht, damit die reflektierenden Flächen 114A der Reflektoren 114 (siehe 18) in Richtung des Werkstücks W und der Ofenwand 102 zeigen. Folglich wird die Infrarotstrahlung, wie in 18 dargestellt, (siehe die gestrichelten Linien in 18) von der Ofenwand 102 und dem Werkstück W, welche eine hohe Temperatur erreicht haben, von den reflektierenden Flächen 114A der Reflektoren 114 reflektiert und trifft (gebündelt) auf die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auf, die von den Öffnungsabschnitten 110 in die Reflektoren 114 hineinragen. Folglich werden die rohrförmigen Körper 12 in der Nähe der auftreffenden Positionen der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 erwärmt. Die Abschnitte der metallischen rohrförmigen Körper 12 von den Seite des ersten Endabschnitts 12A zu den ersten Wärmetauschern 14 sind als dicke Plattenabschnitte 12C ausgebildet, deren Plattendicke im Vergleich zu den anderen Abschnitten (den dünnen Plattenabschnitten 12D) örtlich größer ist, so dass die Wärme von den Positionen, wo die Strahlung auftrifft, zu den Positionen, wo die ersten Wärmetauscher 14 angeordnet sind, effizient geleitet werden kann.
  • Wenn die ersten Wärmetauscher 14 infolge der im Inneren des Ofens auf die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auftreffenden Strahlung erwärmt werden, überschreitet das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten (der Seite des ersten Wärmetauschers 14 und der Seite des zweiten Wärmetauschers 16) der Regeneratoren 18 den Schwellenwert. Dadurch werden in den Regeneratoren 18 die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugt und in den Leitungen der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10, bei denen die Endabschnitte der Innenrohre 22 durch die Regelventile 20 betätigt wurden, die Stehwellen. Die Regeneratoren 18 befinden sich in den Leitungen an Positionen, die von den geschlossenen Flächen 26 aus 25% der Leitungslänge betragen, so dass die Wärme effizient von den ersten Wärmetauschern 14 im Inneren des Ofens zu den zweiten Wärmetauschern 16 außerhalb des Ofens übertragen wird.
  • Wie in 19 dargestellt, drehen sich zu diesem Zeitpunkt die Reflektoren 114 der Reflektoreinheiten 108 um die Achsen der Rohrabschnitte 112. Dadurch kann die Strahlung aus einem weiten Bereich, der das Werkstück W und die Ofenwand 102 umfasst, reflektiert werden und auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auftreffen, so dass das Innere des Ofens gleichmäßig gekühlt wird.
  • Auf diese Weise werden bei dem Ofen 100 die von den selbsterregten thermoakustischen Schwingungen in den Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 erzeugten Stehwellen verwendet, um die Wärme im Inneren des Ofens nach außen abzugeben, somit ist es nicht erforderlich, eine Pumpe oder einen Stellantrieb zur Wärmeableitung zu verwenden, folglich ist die Bauweise der Vorrichtung einfach und die Wärme kann effizient abgeleitet werden.
  • Beim Kühlen des Ofens wird die Strahlung im Inneren des Ofens (von der Ofenwand 102 und dem Werkstück W) von den Reflektoren 114 reflektiert, gebündelt und trifft auf die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10, die an den Positionen der Fokusse der Reflektoren 114 angeordnet sind, so dass die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 effizient erwärmt werden können. D.h., die Wärme im Inneren des Ofens wird auf effiziente Weise zu den Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 transportiert.
  • Bei den Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 sind die Abschnitte der rohrförmigen Körper 12 von den Positionen, wo die Strahlung auf die Seite des ersten Endabschnitts 12A auftrifft, bis zu den ersten Wärmetauschern 14 als dicke Plattenabschnitte 12C ausgebildet, deren Plattendicke im Vergleich zu den anderen Abschnitten (den dünnen Plattenabschnitten 12D) örtlich größer ist, so dass die Wärme von den Positionen, wo die Strahlung auf die rohrförmigen Körper 12 auftrifft, bis zu den ersten Wärmetauschern 14, effizient geleitet werden kann.
  • Bei dem Ofen 100 kann die Wärme im Inneren des Ofens daher noch effizienter nach außen abgegeben werden.
  • Obwohl die Positionen der Fokusse der Reflektoren 114 in der vorliegenden Ausgestaltung Positionen auf der Seite des ersten Endabschnitts 12A der ersten Wärmetauscher 14 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 entsprechen, ist es nicht notwendig, wenn die Positionen der Fokusse der Reflektoren 114 an die Positionen der ersten Wärmetauschers 14 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 bewegt werden, die Wärme entlang der Axialrichtung der rohrförmigen Körper 12 zu leiten, wobei die dicken Plattenabschnitte 12C unnötig werden und die Wärme über die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 noch effizienter aus dem Inneren des Ofens transportiert werden kann.
  • In der vorliegenden Ausgestaltung zeigen die reflektierenden Flächen 114A der Reflektoren 114 beim Erwärmen des Ofens 100 in Richtung der Heizvorrichtungen 106 und des Arbeitstisches 104. Wie in 20 und 21 dargestellt, können die Rohrabschnitte 112 der Reflektoreinheiten 108 jedoch auch um ihre Achsen gedreht werden, so dass die Rückseiten 114B der Reflektoren 114 in die Richtung der benachbarten Heizvorrichtungen 106 zeigen.
  • Wie in 20 und 21 dargestellt, wird in diesem Fall verhindert, dass die Strahlung von den benachbarten Heizvorrichtungen 106 auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 trifft, da die Rückseiten 114B der Reflektoren 114 in Richtung der benachbarten Heizvorrichtungen 106 zeigen. Weil die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 vollständig in den Öffnungsabschnitten 110 der Rohrabschnitte 112 untergebracht sind, wird verhindert, dass die Strahlung im Inneren des Ofens auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 trifft, auch wenn sie von den reflektierenden Flächen 114A der Reflektoren 114 reflektiert wird. Folglich wird die auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auftreffende Strahlung noch mehr begrenzt und es wird noch stärker verhindert, dass die Wärme im Inneren des Ofens durch Wärmeleitung über die rohrförmigen Körper 12 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 aus dem Inneren des Ofens nach außen transportiert wird.
  • Wenn die Reflektoreinheiten 108 auf diese Weise betrieben werden, kann der Ofen 100 effizient erwärmt werden.
  • Vierte Ausgestaltung
  • (Anordnung der Vorrichtung)
  • Als vierte Ausgestaltung der Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die 22 und die 23 ein Industrieofen beschrieben, der mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausgestaltung versehen ist. Dabei werden den Bestandteilen, die sich nicht von denjenigen der dritten Ausgestaltung unterscheiden, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, ohne dass diese Bestandteile beschrieben werden. Es wird darauf hingewiesen, dass es nur die Form der Reflektoren ist, die sich von der dritten Ausgestaltung unterscheidet, daher wird nur dieser Punkt beschrieben.
  • Wie in 22 und 23 dargestellt, weist ein in der Reflektoreinheit 108 eines Ofens 200 verwendeter Reflektor 202 einen zweiseitig asymmetrischen radialgerichteten Querschnitt auf und ist ein defokussierter Reflektor. Die Seite des Reflektors 202, die in dem radialgerichteten Querschnitt in der Axialrichtung mehr nach oben gerichtet ist, ist ein stark gekrümmter Abschnitt 204 und die gegenüberliegende Seite ein schwach gekrümmter Abschnitt 206.
  • Der Reflektor 202 der Reflektoreinheit 108 wird durch Drehen des Rohrabschnitts 112 um seine Achse gedreht, er bewegt sich jedoch in der Axialrichtung nicht vorwärts und rückwärts. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 kann in dem Öffnungsabschnitt 110 des Rohrabschnitts 112 entlang ihrer Axialrichtung vorwärts und rückwärts bewegt werden.
  • Überdies ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausgestaltung nicht mit einem Regelventil versehen.
  • (Betrieb)
  • Bei dem auf diese Weise ausgeführten Ofen 200 wird die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 - wie in 22 dargestellt - beim Erwärmen des Ofens rückwärts aus dem Ofen bewegt. D.h., der Teil der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 bis zu der Position des ersten Wärmetauschers 14 ist außerhalb des Ofens angeordnet und nur die Seite des ersten Endabschnitts 12A ist einer Seite der reflektierenden Fläche 202A des Reflektors 202 ausgesetzt.
  • Auch wenn aufgrund der Erwärmung durch die Heizvorrichtung 106 zwischen dem Inneren des Ofens und dem Äußeren des Ofens eine Temperaturdifferenz auftritt, überschreitet daher das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten des Regenerators 18 bei dem Ofen 200 nicht den Schwellenwert, so dass die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen nicht in dem Regenerator 18 erzeugt werden, weil der erste Wärmetauscher 14, der zweite Wärmetauscher 16 und der Regenerator 18 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 sämtlich außerhalb des Ofens angeordnet sind. D.h., bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 wird eine Situation verhindert, in der die Wärme im Inneren des Ofens von der durch die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugten Stehwelle nach außen transportiert wird.
  • Überdies zeigt der stark gekrümmte Abschnitt 204 des Reflektors 202 in die Richtung der Heizvorrichtung 106, somit wird die Strahlung von der benachbarten Heizvorrichtung 106 durch den stark gekrümmter Abschnitt 204 blockiert und kann nicht auf die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auftreffen.
  • Demzufolge wird beim Erwärmen des Ofens eine Situation verhindert, in der die Seite des ersten Endabschnitts 12A des rohrförmigen Körpers 12 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 von der Strahlung der Heizvorrichtung 106 erwärmt und die Wärme im Inneren des Ofens durch Wärmeleitung über den rohrförmigen Körper 12 nach außen transportiert wird.
  • Beim Kühlen des Ofens 200 ist die Heizvorrichtung 106 ausgeschaltet. Anschließend wird die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 im Inneren des Ofens vorwärts bewegt. Wie in 23 dargestellt, ist daher der Abschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 vom ersten Endabschnitt 12A bis zum ersten Wärmetauscher 14 im Inneren des Ofens angeordnet, der Regenerator 18 ist in der Ofenwand 102 angeordnet, und der Abschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 vom zweiten Wärmetauscher 16 bis zum zweiten Endabschnitt 12B ist außerhalb des Ofens angeordnet.
  • Anschließend zeigt der Reflektor 202 in Richtung des Werkstücks W und der Ofenwand 102, so dass die von dem Werkstück W und der Ofenwand 102 emittierte Strahlung und die von der reflektierenden Fläche 202A des Reflektors 202 reflektierte Strahlung (siehe die gestrichelten Linien in 23) auf die Seite des ersten Endabschnitts 12A der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auftrifft. Die Positionen, wo die Strahlung auf den rohrförmigen Körper 12 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auftrifft, werden erwärmt, und die Wärme wird über den dicken Plattenabschnitt 22C zu dem ersten Wärmetauscher 14 geleitet. Dadurch wird der erste Wärmetauscher 14 effizient erwärmt. Folglich überschreitet das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten des Regenerators 18 den Schwellenwert, so dass in dem Regenerator 18 die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen und in der Leitung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 eine Stehwelle erzeugt wird. Somit kann die Wärme im Inneren des Ofens effizient nach außen abgegeben werden. D.h., der Ofen 200 kann effizient gekühlt werden.
  • Bei dem Ofen 200 ist der Abschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 bis zum ersten Wärmetauscher 14 beim Erwärmen des Ofens außerhalb des Ofens angeordnet, wodurch verhindert wird, dass durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Ofens 200 in dem Regenerator 18 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugt werden; folglich wird verhindert, dass die Wärme im Inneren des Ofens aus dem Ofen abgegeben wird. D.h., auch bei einer Bauweise, bei der die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 nicht mit dem Regelventil 20 versehen ist, kann beim Erwärmen des Ofens 200 die Wärmeabgabe durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 verhindert werden.
  • Bei dem Ofen 200 zeigt während des Erwärmens eine Rückseite 202B des stark gekrümmten Abschnitts 204 des Reflektors 202 der Reflektoreinheit 108 in Richtung der benachbarten Heizvorrichtung 106, so dass verhindert werden kann, dass die Strahlung der Heizvorrichtung 106 auf die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auftrifft, wodurch wiederum verhindert wird, dass durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 aufgrund der Wärmeleitung eine Wärmeabgabe (ein Wärmetransport) nach außen erfolgt.
  • Während des Kühlens des Ofens 200 wird die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 im Inneren des Ofens vorwärts bewegt, so dass der erste Wärmetauscher 14 im Inneren des Ofens und der zweite Wärmetauscher 16 außerhalb des Ofens angeordnet ist, wodurch entsprechend dem Temperaturverhältnis zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Ofens 200 in dem Regenerator 18 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugt werden und in der Leitung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 die Stehwelle erzeugt wird; folglich kann die Wärme im Inneren des Ofens effizient nach außen abgegeben werden.
  • Obwohl in der Reflektoreinheit 108 des Ofens 200 der defokussierte Reflektor 202 verwendet wird, kann die Wärme, dadurch, dass die von dem defokussierten Reflektor reflektierte Strahlung auf die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auftrifft, effizient vom Inneren des Ofens zu der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 transportiert werden.
  • Obwohl gemäß der vorliegenden Ausgestaltung verhindert wird, dass die Strahlung der Heizvorrichtung 106 auf die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auftrifft, indem die Rückseite 202B des stark gekrümmten Abschnitts 204 des Reflektors 202 beim Erwärmen des Ofens 200 in die Richtung der benachbarten Heizvorrichtung 106 zeigt, kann die reflektierende Fläche 202A des Reflektors 202 - wie in der dritten Ausgestaltung - auch in die Richtung der Heizvorrichtung 106 und des Arbeitstisches 104 (des Werkstücks W) zeigen, so dass die Strahlung der Heizvorrichtung 106 von der reflektierenden Fläche 202A des Reflektors 202 reflektiert wird und auf das Werkstück W auftrifft. In diesem Fall wird die Effizienz erhöht, mit der das Werkstück W beim Erwärmen des Ofens 200 erwärmt wird.
  • Im Folgenden wird ein weiteres Beispiel des Ofens 200 beschrieben. Hierbei unterscheidet sich nur die Wärmeübertragungsvorrichtung 10, so dass nur diese beschrieben wird. Wie in 24 dargestellt, ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung 10 vorstellbar, bei der ein aus einem strahlungsdurchlässigen Material, wie z.B. Glas, bestehender strahlungsdurchlässiger Abschnitt 210 nur an dem aus Metall bestehenden Abschnitt des rohrförmigen Körpers 12 ausgebildet ist, der an der äußeren Umfangsseite des ersten Wärmetauschers 14 angeordnet ist.
  • Der erste Wärmetauscher 14 weist die Form eines Rings 212 auf, der aus Metall besteht und zwischen dem Innenrohr 22 und dem Außenrohr 24 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 montiert ist, und in dem zahlreiche, sich in der Axialrichtung erstreckende Öffnungsabschnitte 214 ausgebildet sind.
  • Wenn die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auf diese Weise ausgeführt ist, wird während des Kühlens des Ofens 200 die Strahlung im Inneren des Ofens oder die von dem Reflektor 114 reflektierte Strahlung durch den strahlungsdurchlässigen Abschnitt 210 geleitet und trifft direkt auf den ersten Wärmetauscher 14 auf. Folglich wird der erste Wärmetauscher 14 (der Ring 212) direkt durch die Strahlung erwärmt, so dass Wärme im Inneren des Ofens noch effizienter zu dem ersten Wärmetauscher 14 transportiert wird.
  • Fünfte Ausgestaltung
  • Als fünfte Ausgestaltung der Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die 25 bis 28 ein Industrieofen beschrieben, der mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausgestaltung versehen ist. Dabei werden den Bestandteilen, die sich nicht von denjenigen der dritten Ausgestaltung unterscheiden, die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, ohne dass diese Bestandteile beschrieben werden. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die Form der Reflektoren und die Anordnung der Heizvorrichtungen sich von der dritten Ausgestaltung unterscheiden, so dass nur dieser Punkt beschrieben wird.
  • (Anordnung der Vorrichtung)
  • Wie in 25 dargestellt, weisen die Reflektoren 302, welche die Reflektoreinheiten 108 eines Ofens 300 darstellen, jeweils einen parabolischen Abschnitt 304 auf, der dem Reflektor 114 gleicht, der einen Paraboloid gemäß der dritten Ausgestaltung umfasst, sowie einen im Querschnitt halbkreisförmigen Muldenabschnitt 306, der von dem unteren Endabschnitt des parabolischen Abschnitts 304 durchgehend abwärts ausgebildet ist, und einen im Querschnitt halbkreisförmigen konischen Abschnitt 308, der von dem unteren Endabschnitt des Muldenabschnitts 306 durchgehend ausgebildet ist.
  • Die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 sind in den Öffnungsabschnitten 110 der Rohrabschnitte 112 der Reflektoreinheiten 108 angeordnet. Wie in 26 dargestellt, ist jede Wärmeübertragungsvorrichtung 10, wie in der dritten Ausgestaltung, an der Ofenwand 102 befestigt, wobei der Abschnitt vom ersten Endabschnitt 12Azum ersten Wärmetauscher 14 im Inneren des Ofens angeordnet ist, der Regenerator 18 in der Ofenwand 102 angeordnet ist und der Abschnitt vom zweiten Wärmetauscher 16 zum zweiten Endabschnitt 12B außerhalb des Ofens angeordnet ist.
  • Die Rohrabschnitte 112 der Reflektoreinheiten 108 können um ihre Achsen gedreht werden, und die Reflektoren 302 können einstückig mit den Rohrabschnitten 112 gedreht werden. Die Reflektoreinheiten 108 bewegen sich jedoch nicht in Bezug auf die Ofenwand 102 vorwärts und rückwärts.
  • Bei dem Ofen 300 sind zudem auf einer Seite zwei Heizvorrichtungen 106 vorgesehen, die sich in horizontaler Richtung von der Ofenwand 102 an den Seiten gegenüberliegend unter dem Arbeitstisch 104 erstrecken, wobei an der Oberseite in zwei parallel zueinander verlaufenden Reihen (in der Draufsicht) insgesamt vier Heizvorrichtungen und Reflektoreinheiten auf einer Seite vorgesehen sind, die zwei Heizvorrichtungen 106A und zwei Reflektoreinheiten 108 (Wärmeübertragungsvorrichtungen 10) umfassen, die sich von der Ofenwand 102 abwärts erstrecken.
  • (Betrieb)
  • Im Folgenden wird der Betrieb des auf diese Weise ausgeführten Ofens 300 beschrieben. Zuerst wird das Erwärmen des Ofens 300 beschrieben.
  • Beim Erwärmen des Ofens 300 werden die Endabschnitte der Innenrohre 22 von den Regelventilen 20 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 verschlossen (siehe 3). Anschließend werden die Rohrabschnitte 112 um ihre Achsen gedreht, so dass die Rückseiten 302B der Muldenabschnitte 306 und die konischen Abschnitte 308 der Reflektoren 302 in die Richtung der benachbarten Heizvorrichtungen 106A zeigen.
  • In diesem Zustand wird das Werkstück W auf den Arbeitstisch 104 verbracht und im Inneren des Ofens untergebracht, wobei die Heizvorrichtungen 106, 106A eingeschaltet werden.
  • Zu diesem Zeitpunkt werden die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen, auch wenn die Heizvorrichtungen 106, 106A in dem Ofen 300 eingeschaltet sind und die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren des Ofens und dem Äußeren des Ofens steigt, nicht in den Regeneratoren 18 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 erzeugt, da die Endabschnitte der Innenrohre 22 von den Regelventilen 20 verschlossen sind. D.h., es wird eine Situation verhindert, in der in den Leitungen der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 von den selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugte Stehwellen entstehen und die Wärme aus dem Inneren des Ofens nach außen abgegeben wird.
  • Überdies sind die Heizvorrichtungen 106A parallel zu den benachbarten Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 angeordnet. Beim Erwärmen des Ofens 300 werden die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 jedoch von den Rückseiten 302B der Muldenabschnitte 306 und den konischen Abschnitten 308 der Reflektoren 302 blockiert, so dass verhindert wird, dass die Strahlung der Heizvorrichtungen 106A direkt oder nachdem sie von den Reflektoren 302 reflektiert worden ist, auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auftrifft.
  • Folglich kann verhindert werden, dass die Wärme im Inneren des Ofens durch die Wärmeleitung über die rohrförmigen Körper 12 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 nach außen abgegeben wird. D.h., die Effizienz, mit der der Ofen 300 erwärmt wird, wird gesteigert.
  • Im Folgenden wird der Betrieb beschrieben, wenn der Ofen 300 gekühlt wird.
  • Zuerst werden die Heizvorrichtungen 106, 106A des Ofens 300 abgeschaltet. Anschließend werden die Rohrabschnitte 112 der Reflektoreinheiten 108, wie in 27 dargestellt, gedreht, so dass die reflektierenden Flächen 302A der Reflektoren 302 in Richtung des Werkstücks W und der Ofenwand 102 zeigen.
  • Außerdem werden die Regelventile 20 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 bewegt, wodurch die Endabschnitte der Innenrohre 22 geöffnet werden.
  • In diesem Zustand wird die Strahlung von dem Werkstück W und der Ofenwand 102 von den Muldenabschnitten 306 und den konischen Abschnitten 308 der Reflektoren 302 reflektiert und trifft auf die Seite des ersten Endabschnitts 12A der ersten Wärmetauscher 14 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auf und erwärmt diese Bereiche. Die Abschnitte der rohrförmigen Körper 12 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auf der Seite des ersten Endabschnitts 12A der ersten Wärmetauscher 14 sind als dicke Plattenabschnitte 12C ausgebildet (siehe 15), so dass die Wärme leichter durch diese hindurch geleitet werden kann als durch die dünnen Plattenabschnitte 12D (siehe 15). Daher kann die Wärme auf der Seite des ersten Endabschnitts 12A der ersten Wärmetauscher 14 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 effizient zu den ersten Wärmetauschern 14 transportiert werden.
  • Überdies trifft die Strahlung von dem Werkstück W und der Ofenwand 102 direkt auf die parabolischen Abschnitte 304 der Reflektoren 302 auf und ebenso die von den Muldenabschnitten 306 und den konischen Abschnitte 308 reflektierte Strahlung, welche an die Positionen reflektiert wird, wo die ersten Wärmetauscher 14 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 angeordnet sind. D.h., die Strahlung von dem Werkstück W und der Ofenwand 102 wird gebündelt und trifft auf die ersten Wärmetauscher der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auf, so dass die ersten Wärmetauscher 14 effizient erwärmt werden.
  • D.h., die Wärme im Inneren des Ofens wird durch die effizient zu den ersten Wärmetauschern 14 transportiert.
  • Wenn zudem das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten (den Endabschnitten auf der Seite der ersten Wärmetauscher 14 und den Endabschnitten auf der Seite der zweiten Wärmetauscher 16) der Regeneratoren 18 den Schwellenwert überschreitet, werden in den Regeneratoren 18 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen und in den Leitungen der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 die Stehwellen erzeugt, so dass die Wärme im Inneren des Ofens durch die Stehwellen effizient nach außen abgegeben wird.
  • Bei dem Ofen 300 zeigen die Rückseiten 302B der Reflektoren 302 während des Erwärmens des Ofens in Richtung der Heizvorrichtungen 106A, wodurch verhindert wird, dass die Strahlung der Heizvorrichtungen 106, 106A auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 trifft, wodurch wiederum verhindert wird, dass über die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 aufgrund der Wärmeleitung Wärme nach außen abgegeben wird. D.h., die Heizleistung wird erhöht.
  • Da sich die Heizvorrichtungen 106A in dem Ofen 300 aufwärts und abwärts erstrecken, kann das in einer bestimmten Höhe auf den Arbeitstisch 104 verbrachte Werkstück W effizient erwärmt werden.
  • Bei dem Ofen 300 sind die im Querschnitt halbkreisförmigen Muldenabschnitte 306 und die konischen Abschnitte 308 durchgehend mit den Unterseiten der parabolischen Abschnitte 304 der Reflektoren 302 angeordnet, so dass die Strahlung von der Ofenwand 102 und dem Werkstück W reflektiert und gebündelt wird und auf die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 auftrifft. Indem die Strahlung genutzt wird, wird daher die Wärme im Inneren des Ofens noch effizienter zu den Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 geleitet.
  • Die Wärme im Inneren des Ofens 300 wird durch die Strahlung effizient zu den ersten Wärmetauschern 14 der Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 geleitet, so dass sie über die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen in den Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 von den ersten Wärmetauschern 14 zu den zweiten Wärmetauschern 16 transportiert wird. D.h., die Wärme im Inneren des Ofens 300 kann effizient nach außen abgegeben werden.
  • Wie in 28 dargestellt, kann dadurch, dass die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 in Bezug auf die Ofenwand 102 vorwärts und rückwärts bewegbar sind und beim Erwärmen des Ofens 300 bis zu den ersten Wärmetauschern 14 in der Ofenwand 102 bewegt werden können, verhindert werden, dass die ersten Wärmetauscher 14 erwärmt werden, wodurch wiederum verhindert werden kann, dass in den Regeneratoren 18 die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen erzeugt werden.
  • Überdies können die reflektierenden Flächen 302A der Reflektoren 302 beim Erwärmen des Ofens 300 in die Richtung der benachbarten Heizvorrichtungen 106A und des Werkstücks W zeigen, so dass die Strahlung der Heizvorrichtungen 106A von den reflektierenden Flächen 302A reflektiert wird und auf das Werkstück W auftrifft, wodurch die Effizienz gesteigert wird, mit der das Werkstück W erwärmt wird.
  • Verschiedenes
  • (Wärmeübertragungsvorrichtung)
  • Die Wärmeübertragungsvorrichtungen gemäß der ersten und zweiten Ausgestaltung wurden oben beschrieben, die Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Bei der Wärmeübertragungsvorrichtung 50 gemäß der zweiten Ausgestaltung ist beispielsweise das Regelventil 20 auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 angeordnet; die Wärmeübertragungsvorrichtung 50 kann jedoch auch eine Anordnung aufweisen, bei der der Ventilkörper von der in Radialrichtung äußeren Seite an einer Position eingefügt ist, die den gleichen Abstand wie der Axialrichtungsabstand vom Zentrum des Regenerators 18 in der Axialrichtung bis zum ersten Endabschnitt 12A des rohrförmigen Körpers 12 aufweist, und zwar auf der Seite des zweiten Endabschnitts 12B des rohrförmigen Körpers 12 vom Zentrum des Regenerators 18 in der Axialrichtung. In diesem Fall ist das Zentrum des Regenerators 18 in der Axialrichtung an der Position eines Knotens der Stehwelle angeordnet, so dass die Wärmeübertragung unterbrochen werden kann, wenn der Ventilkörper eingefügt wird.
  • Überdies wurde das Zentrum des Regenerators 18 in der Axialrichtung an einer Position angeordnet, die von dem Endabschnitt auf der Hochtemperaturseite (der geschlossenen Fläche 26 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10, dem ersten Endabschnitt 12A der Wärmeübertragungsvorrichtung 50) in Bezug auf die Leitungslänge L0 25% der Leitungslänge L0 beträgt. Wenn das Zentrum des Regenerators 18 in der Axialrichtung in einem Bereich von 12,5% bis 25% angeordnet ist, reicht die Wärmeübertragungsmenge jedoch aus, so dass die Vorrichtung als Wärmeübertragungsvorrichtung verwendet werden kann.
  • Obwohl die Wärmeübertragungsvorrichtungen 10 und 50 der ersten Ausgestaltung und der zweiten Ausgestaltung mit dem Regelventil 20 als Regelvorrichtung versehen sind, müssen die Wärmeübertragungsvorrichtungen nicht mit dem Regelventil ausgerüstet sein. Wenn es beispielsweise nicht erforderlich ist, die Wärmeübertragung zu unterbrechen, etwa in einem Fall, in dem die Wärme stets aus Abwärme gewonnen wird, ist es vorstellbar, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung nicht mit dem Regelventil versehen ist.
  • Überdies ist es vorstellbar, die Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem Stromerzeuger zu versehen, beispielsweise mit einem Lautsprecher-Stromerzeuger, der statt des Regelventils 20 an dem zweiten Endabschnitt 12B der an dem Ofen 40 angeordneten Wärmeübertragungsvorrichtung 50 befestigt wird, wobei der Lautsprecher entsprechend der selbsterregten thermoakustischen Welle durch eine Stehwelle zum Schwingen gebracht und Strom erzeugt wird. In diesem Fall ist es möglich, die Wärmeübertragung zu unterbrechen, wenn das Regelventil, wie oben beschrieben, von der in Radialrichtung äußeren Seite im Inneren des rohrförmigen Körpers 12 eingefügt ist.
  • (Ofen)
  • Es wurden die Öfen 100, 200 und 300 gemäß der dritten bis fünften Ausgestaltung beschrieben, die Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Gemäß der dritten Ausgestaltung entspricht der Reflektor 114 einem newtonschen Paraboloid, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 an der Position des Fokus angeordnet ist; es ist jedoch auch möglich, einen Cassegrain-Typ, gregorianischen oder Martin-Typ zu verwenden, die ebenfalls einen Reflektor als Fokus auf die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 nutzen.
  • In der dritten Ausgestaltung bewegt sich die Reflektoreinheit 108 in Bezug auf den Ofen 100 vorwärts und rückwärts, und in der vierten Ausgestaltung bewegt sich die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 in Bezug auf den Ofen 200 und den Ofen 300 vorwärts und rückwärts, es können jedoch auch beide Vorrichtungen so angeordnet sein, dass sie sich vorwärts und rückwärts bewegen.
  • Gemäß der dritten Ausgestaltung ist der Reflektor 114 in Bezug auf die Axialrichtung des Rohrabschnitts 112 in einem Neigungswinkel befestigt, der Reflektor 114 kann jedoch auch so montiert sein, dass sein Neigungswinkel verändert werden kann. Wenn in diesem Fall der Reflektor 114 gedreht wird, während sein Neigungswinkel verändert wird, kann die Strahlung von der Ofenwand 102 und dem Werkstück W in einem noch breiteren Bereich auf die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auftreffen. Demzufolge kann der Ofen noch effizienter gekühlt werden.
  • In der dritten und fünften Ausgestaltung weist das Regelventil 20 eine Konfiguration auf, bei der es den Endabschnitt des Innenrohres 22 verschließt, so dass die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen beim Erwärmen des Ofens nicht in dem Regenerator 18 erzeugt werden; in der vierten Ausgestaltung kann die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 jedoch auch eine Konfiguration aufweisen, bei der die selbsterregten thermoakustischen Schwingungen nicht erzeugt werden, indem sichergestellt wird, dass das Temperaturverhältnis zwischen den beiden Endabschnitten (dem Endabschnitt auf der Seite des ersten Wärmetauschers 14 und dem Endabschnitt auf der Seite des zweiten Wärmetauschers 16) des Regenerators 18 den Schwellenwert nicht überschreitet, indem die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 nach hinten aus dem Ofen bewegt wird. In diesem Fall benötigt die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 das Regelventil 20 nicht.
  • In der dritten bis fünften Ausgestaltung wurde nicht der Fall beschrieben, in dem eine vorbestimmte Temperatur des Ofens (innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs) aufrechterhalten wird, doch prinzipiell wird der Ofen durch die Heizvorrichtungen erwärmt, so dass eine Wärmemenge zugeführt wird, die der Wärmemenge, die auf natürliche Weise aus dem Ofen abgegeben wird. Je nach Art des Ofens, ist es jedoch auch denkbar, dass die Wärme entsprechend den selbsterregten thermoakustischen Schwingungen in der Wärmeübertragungsvorrichtung 10, deren Wärmeübertragungsmenge mittels des Regelventils 20 beim Erwärmen des Ofens mit der Heizvorrichtung geregelt wurde, durch die Stehwelle abgegeben wird.
  • In der dritten bis fünften Ausgestaltung war die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 in dem Öffnungsabschnitt 110 des Rohrabschnitts 112 der Reflektoreinheit angeordnet, die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 kann jedoch auch an einer Position angeordnet sein, die nicht dem Rohrabschnitt 112 in dem Ofen entspricht. In diesem Fall trifft die von der reflektierenden Fläche des Reflektors reflektierte Strahlung an der anderen Position auf, an der die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 angeordnet ist.
  • In der dritten bis fünften Ausgestaltung wurden bezüglich der Bündelung der auf die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 auftreffenden Strahlung Fälle beschrieben, in denen die Reflektoren einen Fokus aufweisen, wie z.B. ein Paraboloid, die reflektierende Fläche des Reflektors muss jedoch keinen Fokus aufweisen.
  • Überdies ist es auch möglich, bei einem Ofen, der nicht mit einem Reflektor versehen ist, den dicken Plattenabschnitt 12C der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 und den strahlungsdurchlässigen Abschnitt 210 zu verwenden sowie die Konfiguration anzuwenden, bei der die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 in Bezug auf die Ofenwand vorwärts und rückwärts bewegbar ist.
  • Zudem wurde in der dritten bis fünften Ausgestaltung die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausgestaltung verwendet, es kann jedoch auch die Wärmeübertragungsvorrichtung 50 gemäß der zweiten Ausgestaltung verwendet werden.
  • Die Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-103794 wird durch Verweis vollständig in diese Patentschrift aufgenommen.
  • Alle in dieser Patentschrift angeführten Dokumente, Patentanmeldungen und technischen Standards werden durch Verweis in demselben Umfang in die vorliegende Patentschrift aufgenommen, so als wäre jedes einzelne angeführte Dokument, jede Patentschrift oder jeder technische Standard durch Verweis einzeln hierin aufgenommen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2017103794 [0216]

Claims (13)

  1. Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend: ein Gehäuse, das sich über eine Hochtemperatur-Wärmequelle und ein Niedertemperatur-Wärmebad erstreckt, welches eine niedrigere Temperatur aufweist als die Hochtemperatur-Wärmequelle; das einen geschlossenen Raum umfasst, in dem ein Gas eingeschlossen ist, wobei in dem Gehäuse eine Leitung ausgebildet ist und beide Endabschnitte der Leitung verschlossen sind; einen Regenerator, der in der Leitung angeordnet und mit Poren versehen ist, die beide Endabschnitte des Regenerators miteinander verbinden, und der von der Außenseite des Gehäuses isoliert ist, einen ersten Wärmetauscher, der neben dem Endabschnitt des Regenerators auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite in der Leitung angeordnet ist und der es ermöglicht, dass die Wärme der Hochtemperatur-Wärmequelle in Richtung des Regenerators geleitet wird; und einen zweiten Wärmetauscher, der neben dem Endabschnitt des Regenerators auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite in der Leitung angeordnet ist und der es ermöglicht, dass die Wärme des Regenerators in Richtung des Niedertemperatur-Wärmebads geleitet wird, wobei das Zentrum des Regenerators entlang der Erstreckungsrichtung der Leitung an einer Position in der Leitung angeordnet ist, die von dem Endabschnitt der Leitung auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite zwischen 12,5% und 25% der Leitungslänge beträgt.
  2. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leitung Folgendes umfasst: ein Innenrohr, von dem ein Teil die Hochtemperatur-Wärmequellenseite mit der Niedertemperatur-Wärmebadseite in dem Gehäuse verbindet, und ein Außenrohr, das an der Außenseite des Innenrohres ausgebildet und auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite mit dem Innenrohr verbunden ist, wobei ein Endabschnitt auf der Hochtemperatur-Wärmequellenseite des Außenrohres verschlossen ist, wobei der erste Wärmetauscher, der zweite Wärmetauscher und der Regenerator in dem Außenrohr angeordnet sind.
  3. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung eine Regeleinheit umfasst, die in dem Endabschnitt des Gehäuses auf der Niedertemperatur-Wärmebadseite angeordnet und im Inneren des Gehäuses vorwärts und rückwärts bewegbar ist und die die Wellenform einer in der Leitung durch eine selbsterregte thermoakustischen Welle erzeugten Stehwelle umwandelt, indem sie vorwärts bewegt wird.
  4. Ofen, umfassend: eine aus einer Isolierung bestehende Ofenwand,; eine Heizvorrichtung, die im Inneren des von der Ofenwand begrenzten Ofens angeordnet ist und das Innere des Ofens erwärmt; und die Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der Regenerator an der Ofenwand angeordnet ist, der erste Wärmetauscher im Inneren des Ofens angeordnet ist und der zweite Wärmetauscher außerhalb des Ofens angeordnet ist, zumindest beim Kühlen des Ofens.
  5. Ofen nach Anspruch 4, zudem umfassend einen Reflektor, der die Strahlung im Inneren des Ofens reflektiert, so dass die Strahlung auf die im Inneren des Ofens angeordnete Wärmeübertragungsvorrichtung auftrifft.
  6. Ofen nach Anspruch 5, zudem umfassend einen Wellenkörper, der den Reflektor im Inneren des Ofens stützt und sich vom Inneren des Ofens nach außen erstreckt.
  7. Ofen nach Anspruch 6, wobei der Reflektor einstückig mit dem Wellenkörper um die Axialrichtung des Wellenkörpers drehbar ist.
  8. Ofen nach Anspruch 6 oder 7, wobei in dem Wellenkörper ein Öffnungsabschnitt ausgebildet ist, der sich in der Axialrichtung des Wellenkörpers erstreckt, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung in dem Öffnungsabschnitt untergebracht ist und der Endabschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung auf der Seite, auf welcher der erste Wärmetauscher angeordnet ist, mindestens während des Kühlens des Ofens, vom Inneren des Öffnungsabschnitts bis zu einer Seite der reflektierenden Fläche des Reflektors freiliegt.
  9. Ofen nach Anspruch 8, wobei ein Teil des Endabschnitts der Wärmeübertragungsvorrichtung auf der Seite, auf welcher der erste Wärmetauscher angeordnet ist, mindestens während des Kühlens des Ofens in einem Fokus der reflektierenden Fläche des Reflektors positioniert ist.
  10. Ofen nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Reflektor in Bezug auf die Ofenwand entlang der Axialrichtung einstückig mit dem Wellenkörper vorwärts und rückwärts bewegbar ist.
  11. Ofen nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung in Bezug auf die Ofenwand entlang der Axialrichtung der Wärmeübertragungsvorrichtung vorwärts und rückwärts bewegbar ist.
  12. Ofen nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei die Plattendicke des Gehäuses, von der Position, wo die Strahlung im Inneren des Ofens auftrifft, bis zu der Position, wo der erste Wärmetauscher angeordnet ist, örtlich größer ist als die Plattendicke des anderen Gehäuseabschnitts.
  13. Ofen nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei der Abschnitt des Gehäuses an der äußeren Umfangsseite des ersten Wärmetauschers durch ein strahlungsdurchlässiges Element gebildet wird.
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