JP2005188846A - 熱音響ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
熱音響現象を利用した機器で、エネルギを有効に活用すること。および、小型でエネルギ効率が高い給湯装置を実現する。
【解決手段】
共鳴管をＵ字状にし、スタックとその両側に熱交換器を備えた熱交換ユニットを共鳴管の閉鎖端側と曲げ部側の２ヶ所に配置し、閉鎖端側の熱交換ユニットには燃焼ガスからの熱が入り、その熱で共鳴管内に音響振動を発生させ、その振動を利用して曲げ部側の熱交換ユニットで外気から熱を汲み上げ、それぞれの熱交換ユニットで給水加熱を行い、かつ、排ガス熱交換器でも給水加熱を行うように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は熱音響現象を利用して熱を汲み上げ、水を加熱する給湯装置に関する。

熱音響現象は、共鳴管内に存在する音響振動によってスタックを介した熱輸送が生じる現象と、スタック部に与えた温度勾配により共鳴管内に音響振動が生じる現象の総称であり、非特許文献１に詳しい説明がなされている。

この論文の中で、熱音響現象を利用した機器として図６に示すビアクーラと呼ばれるものを紹介している。図６において、共鳴管２０は上部を閉鎖端として下部をタンク２１に連結しており、管内流体の固有振動として、１／４波長の定在波を形成する。この場合の振動モードは、閉鎖端が圧力の腹となり、タンク２１と接続されている部分が開放端と同等になるために圧力の節になる。熱交換器２２から管内の作動流体に熱が伝えられ、熱交換器２４によって放熱がなされるとスタック２３に温度勾配が形成される。この温度勾配が臨界温度勾配以上になると自励振動によって管内流体の固有振動が励起される。この振動は作動流体の微小擾乱が自ら成長して大振幅の定在波を形成するもので、スピーカのような固体の振動物がなくても、熱の作用によって音響振動が生じるものである。

スタック２３の表面近くにある流体が微小擾乱によって管の閉鎖端側に移動した時、体積が縮まるために圧力が上昇する。管の閉鎖端側に移動することは高温側に移動することになるためスタックから加熱され、さらに圧力が高まろうとする。また、スタック２３の表面近くにある流体が閉鎖端から離れる側に移動した時は体積が膨張し、圧力が低下すると同時に、スタック２３の低温側に移動することになるためスタックによって冷却され、さらに圧力が低下しようとする。これを繰り返すことにより、振動の圧力振幅が大きくなろうとする。このため、スタック２３はその表面で流体との熱のやり取りをすることで音響振動を作り出すことが出来る。

スタック２５ではスタック２３と逆の現象が起きており、スタック２５は定在波が存在することによって温度勾配が形成し、圧力の節側の温度を低下させる。この現象は、定在波による振動によって、圧力の節側の流体が圧力の腹側に移動した時に圧力が高まって温度が上がり、圧力の腹側のスタックを加熱し、流体が節側に移動した時に圧力が低下して温度が低下し、圧力の節側のスタックを冷やすことを繰り返すために生じている。音響振動による流体の変位そのものは小さいが、スタックを介してバケツリレー的な熱の汲み上げが起こるために、スタック２５に温度勾配が形成される。スタック２５に温度勾配が形成されると共鳴管の２６の部分が温度低下するために冷凍作用を行うことが出来る。共鳴管２６の部分で冷凍を行うと熱が系内に流入することから、スタック２５は熱輸送を助け、熱交換器２４で放熱を行う。と同時に、スタック２５で流体とスタックが熱のやり取りを行う作用は、スタック２３で振動を増大させていた時と逆の熱のやり取りであるために、振動を低減させる効果がある。このため、共鳴管内では特定の振動振幅になると、スタック２３で発生する音響エネルギと、スタック２５で消費される音響エネルギが釣り合うようになり、振動振幅が安定する。この機器は、共鳴管の２６の部分をビールに触れさせることによってビールを冷やすことが可能であるためビアクーラと呼ばれている。ビアクーラのスタック２３は熱から音響振動を作り出していることから、熱から仕事を生み出しているという意味でエンジン（原動機）と見なすことができる。また、スタック２５は音響振動を入力の仕事とした冷凍機である。このため、ビアクーラはエンジンと冷凍機が一体になった熱機関と見なすことができる。

エンジンとヒートポンプを備えた装置としては、特許文献１に示されるようなものがあるが、内燃機関によるエンジンおよび圧縮機を使うヒートポンプは部品点数が多く、摺動を伴う可動部品があるために高価な機械となるが、ビアクーラーは単純な構造で可動部がないために、安価で信頼性が高い機械になり得る。

一方、熱音響現象の原理を用い、音響振動をスピーカのような電気駆動式で発生させるものは熱音響冷凍機もしくは音響式冷凍機と呼ばれている。

熱音響現象を利用した機器では、スタックの性能が機器の性能を大きく左右することから、スタックの構造に関して特許文献２にて開示の技術がある。この特許では種々のスタックが提案されている。スタックの機能は作動流体の振動に伴って、作動流体と熱交換することであるが、有用な作用の他に損失も生じるため、効率的に作用させることが、性能を高める上で重要となる。スタックと作動流体の熱交換は振動１周期の中で、スタックから作動流体へ熱が流れる時間と、作動流体からスタックへ熱が流れる時間とに切り替わるため、短時間での熱交換を必要とする。このため、スタックのすき間が広い場合、スタックから離れた場所には熱が伝わらず、無駄な空間を有することになる。一方、スタックのすき間が狭すぎる場所では、作動流体とスタックの間に有効な温度差が生じなくなり、熱音響効果が生じない。このためスタックには最適なすき間のサイズが存在し、理論的には熱浸透厚さの４倍とされる。熱浸透厚さは、作動流体の温度伝導率を２倍して角振動数で割ったもの平方根として定義される。温度伝導率は熱伝導率を密度と定圧比熱で割ったものである。ただし、この理論的な最適値には熱伝導損失や摩擦損失は含まれていないため、さらに最適な設計を行う余地がある。熱音響冷凍機の振動発生器は、スピーカと同様の構造でよいことから摺動がなく、蒸気圧縮式の冷凍機で用いられる圧縮機に比べ、簡単な構造で済む。このため、熱音響冷凍機は安価で信頼性が高い機械になる要素を有している。

他方、給湯装置に関して、現在は燃料ガスを燃焼させて水を加熱する方法が普及している。家庭用の瞬間湯沸し器の場合、主要機器がバーナと熱交換器であり、シンプルな構成になる。この場合、燃料が持つエネルギに対して、水の加熱に使われるエネルギは約８割程度になるよう設計されている。燃料が持つエネルギの評価には高位発熱量と低位発熱量があり、前者は燃焼により生成される水蒸気が水になるまでに得られる熱量を意味し、後者は水蒸気の凝縮により得られる熱量（潜熱）を含めていない。都市ガスの場合、高位発熱量に占める水蒸気の潜熱の割合はほぼ１割であり、低位発熱量は高位発熱量に対し１０％低下する。燃焼ガスから熱を得る際、水蒸気の凝縮を起こすとその凝縮水には酸性になり、金属に対する腐食性が強い。このため、一般的なガス給湯器は燃焼排ガスから結露水が生じないような設計を行い、前述のようにエネルギの利用率が約８割（高位発熱量基準）になる。これに対し、燃焼ガス中の水蒸気の潜熱まで回収するようにしたものを潜熱回収型給湯器と呼び、近年開発された。このタイプの給湯器の場合、高位発熱量基準の熱エネルギ利用率は約９５％になる。潜熱回収型給湯器の場合、エネルギ効率は高いが、発生する凝縮水を中和処理する必要があり、中和剤の定期的な補充を必要とする。

その他、電気エネルギを利用する給湯器として、電気ヒータ式とヒートポンプ式がある。電気ヒータ式は夜間出力を用いて電気抵抗式のヒータで水を加熱し、生成したお湯を貯湯槽に貯めておき、昼間は貯めておいたお湯を使用するシステムとなる。このシステムではエネルギ効率の問題よりも、夜間の余った電力を使用することのメリットが大きい。

ヒートポンプ式給湯器は最近開発されたもので、ヒートポンプサイクルを用いて外気から熱を汲み上げて水を加熱するものである。最新のヒートポンプ給湯器ではＣＯＰ（成績係数）が５に達しており、この場合、電力入力１に対し、外気から汲み上げる熱が４で、その合計の５が水の加熱に使われる。電気を作るにあたって、発電および送電に関するエネルギ効率を０．３４とした場合、ヒートポンプ給湯器の総合効率は１．７になる。

よって、給湯装置の１次エネルギ換算による効率は、通常のガス燃焼式でＣＯＰ＝０．８、ガス燃焼の潜熱回収型でＣＯＰ＝０．９５、電気駆動のヒートポンプ給湯器でＣＯＰ＝１．７となる。

特公平３−３８５１２号公報

特開平１０−６８５５６号公報 G.W.Swift：Thermoacoustic engines The Journal of the Acoustical Society of America - Vol. 84 No. 4 (1988) pp.1145〜1180

熱音響冷凍機の場合、システムとしての成績係数は、汲み上げる熱量が分子となり電気駆動部で消費されるエネルギが分母となる。現状の熱音響冷凍機の成績係数は、空調等に用いる蒸気圧縮式の冷凍機に比べかなり悪い。この原因の一つは、音響振動を熱輸送に変換する熱音響サイクルそのものの効率が悪いことがある。熱音響サイクルは無負荷に近付ける程、熱機関の最高効率を発するカルノーサイクルに近づくという性質を持つが、現実の機械ではある程度の負荷をかけなければ意味がないために、結果として流体の摩擦等を無視した理想状態のサイクルであってもエネルギ変換効率がそれほど高くならない。また、音響式の場合、スタックの熱伝導による熱損失が存在すること、スタックの表面積が大きいために流体の摩擦損失が大きいことなどもエネルギ効率が悪い要因となっている。このため、エネルギ変換効率がそのまま運転コストに影響するような冷凍機には、熱音響冷凍機は採用されていないという状況にある。

他方、給湯器の場合、通常のガス燃焼式はエネルギ効率が低く、ガス燃焼の潜熱回収型は凝縮水を処理するためのメンテナンスを必要とするという問題をかかえる。電気式では、夜間電力による電気ヒータ式では大きな貯湯槽を必要とし、ヒートポンプ式は外気から熱回収するために大きな熱交換器を必要とするという問題をかかえる。

そこで本発明は、熱音響現象を利用した機器のメリットを生かし、エネルギの有効利用を図った給湯装置を提供することを目的とする。

本発明においては、熱音響現象を利用したエンジンおよび冷凍機で、冷却手段を用いて放出していた熱を有効利用するため、エンジン部および冷凍機部で水を加熱する給湯装置を構成する。

このためにまず、共鳴管をＵ字状にし、閉鎖端側のみを高温熱源によって加熱するようにする。さらに、この高温熱源からの熱を共鳴管内の作動流体に伝えるための高温熱交換器と、この高温熱交換器より曲げ部側がにあって作動流体の冷却を行う高温給水熱交換器と、両熱交換器の間に配置して形成された温度勾配から音響振動を起こす高温側スタックを共鳴管内に配置して、作動流体に共鳴管の閉鎖端を圧力の腹とし曲げ部を圧力の節とする振動モードを形成させる。さらに、この音響振動によって熱輸送を行う低温側スタックと、この低温側スタックより曲げ部側にあって外部の熱を共鳴管内の作動流体に伝える低温熱交換器と、低温側スタックにより閉鎖端側にあって水を加熱する低温給水熱交換器を共鳴管内に配置して、水の加熱を外部の熱を低温スタックによって汲み上げて行う。この低温給水熱交換器で加熱した水を前記高温給水熱交換器でさらに加熱して供給することで、エネルギの有効活用を図った給湯装置を提供する。

さらに、高温側スタックの中心から共鳴管の閉鎖端までの距離を、共鳴管の閉鎖端から曲げ部までの距離の１／５以下にすることで、共鳴管の閉鎖端から曲げ部までの距離を３／４波長とする定在波を形成させる。また、オリフィスのように流路断面積を局所的に低減させることによって流動の抵抗となる抵抗要素を、低温給水熱交換器より共鳴管の閉鎖端側に配置し、この抵抗要素と共鳴管の閉鎖端までの距離を、共鳴管の閉鎖端から曲げ部までの距離の１／２以上とすることで、共鳴管の閉鎖端から曲げ部までの距離を１／２波長とする定在波が発生するのを防止し、高温側スタックから３／４波長の定在波のみを発生させる。その上で、低温側スタックの中心から前記共鳴管の閉鎖端までの距離を、共鳴管の閉鎖端から曲げ部までの距離の３／５以上にすることで、３／４波長の定在波の有効な領域を十分に生かして低温側スタックでの熱の汲み上げを行う。

さらに、バーナによる燃焼ガスによって高温熱交換器に熱を与え、この後、燃焼排ガスを排ガス熱交換器に送り、その後、燃焼排ガスを外気と混合させ、この混合ガスが低温熱交換器に熱を与えるようにし、供給する水はまず低温給水熱交換器で加熱し、次に排ガス熱交換器に送って加熱し、最後に高温給水熱交換器で加熱するようにすることで、燃焼ガスの持つエネルギを最大限活用するようにする。

さらに、Ｕ字状共鳴管を複数本備え、これらの共鳴管の閉鎖端を上にして縦に配置することで、共鳴管の温度は常に上の方が高いようにし、共鳴管内の作動流体が自然対流を起こすことを防止する。その上で、燃焼ガスは上から下に向かって流れるようにするため、排ガス熱交換器を高温給水熱交換器の下に配置し、その下に外気を取り込んで燃焼排ガスと混合させる空間を設け、その下で混合ガスが低温熱交換器に熱を与える。最後にこの混合ガスを強制的に外部に放出するファンを設けることで、外気を取り込む場所で外気が強制的に流入するようになる。

また、高温側スタックおよび低温側スタックを、薄板を渦巻き状にすることで構成し、薄板に渦巻きの半円周ごとに棒を通す穴をあけ、その穴を通す棒でスタックを固定することで、薄板の間隔を一定に保ち、これによって熱から振動および振動から熱へのエネルギ変換の効率を高い状態に保つことが出来るようになり、高性能なスタックを安価に製造出来るようになる。

また、高温熱交換器もしくは低温熱交換器において、薄板を折り曲げてフィンを構成し、このフィンを伝熱板で挟んで積層し、これらの伝熱板の間にスペーサを配置し、このスペーサ部を共鳴管と接続することで、共鳴管の密閉を保ち、伝熱性能の高い熱交換器を安価に製造出来るようになる。

また、高温給水熱交換器もしくは低温給水熱交換器は、水を通す蛇行管で構成し、この蛇行管の間にスペーサを配置して前記共鳴管と接続することで、共鳴管の密閉を保ち、伝熱性能の高い給水熱交換器を安価に製造出来るようになる。

後述するように、本発明の給湯装置では、エンジンに必要な冷却部でお湯の生成の一部を行うことでエネルギを有効利用している。また、その際のエンジンに熱音響式のエンジンを利用することにより、内燃機関のピストン式のエンジンに比べ、安価で信頼性が高い機器を提供している。また、エンジン部のみでなく、排ガス熱交換器および低温給水熱交換器で熱回収を行うことにより、燃料ガスのもつエネルギを十分に回収することが可能となる。また、低温給水熱交換器で熱回収する際、燃焼排ガスと外気を混合することで、燃焼排ガスから凝縮水が生じることを防止し、凝縮水の中和処理を不要にしている。

さらに、外気から熱を汲み上げて低温給水熱交換器に熱を供給することにより、燃料ガスが持つエネルギ以上の熱を水に与えて給湯を行えるようにしている。例えば、燃料ガスが提供する高位発熱量を１とした場合、水蒸気潜熱以外の熱を全て利用して０．９の熱を得る他、外気から０．２５の熱を得たとすると、トータルで１．１５の熱利用が可能となる。これはＣＯＰ＝１．１５であることを意味し、ガス燃焼の潜熱回収型給湯器よりもエネルギー効率が高くなる。また、電動ヒートポンプによる給湯器の場合、ＣＯＰ＝５のサイクルで、先ほどの熱出力１．１５と同じ熱を得るには、その４／５の熱を外気から得る必要があり、０．９２の熱を汲み上げる必要があるが、熱音響式では０．２５の熱を汲み上げることで済むことから、外気に対する熱交換器が小型化される。また、熱音響ヒートポンプ給湯装置ではお湯を利用する時に加熱を行うことから、夜間電力を使用する時のような大きな貯湯槽も必要としない。

以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態となる熱音響ヒートポンプ給湯装置の基礎的な構成と音響振動の波形例を示す図である。図１（ａ）に示すように、共鳴管（Ｕ字管と称する場合もある）１は両端を閉じてＵ字状に形成し、Ｕ字の直線部分に、両閉鎖端側から順にそれぞれ、高温熱交換器２、高温側スタック３、高温給水熱交換器４、オリフィス１１、低温給水熱交換器５、低温側スタック６、低温熱交換器７がそれぞれ配置してある。共鳴管１の閉鎖端側の外側には、高温熱交換器２を加熱するためのバーナ８が設けてある。

さらに、Ｕ字管１の外側で高温給水熱交換器４と低温給水熱交換器５の間の部分には排ガス熱交換器９が設けてあり、低温熱交換器７の外側にファン１０が配置されている。共鳴管１内の作動流体としてはヘリウムガスが封入されている。なお、出力密度を上げるために、作動流体は加圧して封入することが好ましい。なお本図ではＵ字管が一体形成されているように明示してあるが、高温熱交換器２、高温給水熱交換器４、低温給水熱交換器５及び低温熱交換器７の部分は、後述するようにそれぞれスペーサを介して接続する構成としてある。さらに、図１（ａ）には示していないが、共鳴管１やバーナ８部、排ガス熱交換器、ファン１０等は１つの部屋内収納されバーナ８で加熱された空気はファン１０により外部に排出する構成となっている。

バーナ８により燃焼ガスを作り、高温熱交換器２を加熱する。この場合の燃料には、ガスおよび液体燃料のいずれでもかまわず、都市ガス、ＬＰガス、灯油等の使用が可能である。その他、マイクロガスタービンや固体酸化物形燃料電池の高温排ガスも高温熱源として使用することが可能である。高温熱交換器２は燃焼ガスから熱を得て、共鳴管内の作動流体に熱を与える。高温熱交換器２より閉鎖端側の共鳴管には熱を消費するものがないため作動流体は高温に保たれる。

この状態で、高温給水熱交換器４に水を流すと（矢印１３）共鳴管内の作動流体が冷やされるために、高温熱交換器２と高温給水熱交換器４の間で温度差が生じ、この間に存在する高温側スタック３に温度勾配が発生する。共鳴管内にあって閉鎖端側に温度上昇するスタックは、熱音響現象により振動を励起する。これにより、共鳴管１内には作動流体による定在波の振動が生じる。このメカニズムによって生じる振動は、共鳴管の形状よって決まる振動モードが形成され、１次のモードから２次・３次といった倍音にあたる高次のモードが無数にあり得る。

図１（ａ）の共鳴管の場合、両端が閉鎖されているために、どの次数の振動モードでも圧力振幅分布は両端が腹になる。両端が閉鎖された管の１次の振動モードは、管長を１／２波長とする定在波であり、両端が圧力の腹で、中央が圧力の節になる。この場合、流速振幅の分布では、両端が流速の節で、中央が流速の腹になる。図１（ｂ）に示すように、本実施例では共鳴管がＵ字状になっているため、曲げ部が管の中央に当たり、曲げ部が圧力の節になる。すなわち、閉鎖端から曲げ部までの距離が１／４波長になる。次に、２次の振動モード場合は全管長を１波長とする定在波であり、管の両端と中央が圧力の腹になる。次の３次の振動モードは、全管長を３／２波長とする定在波になる。Ｕ字管の場合、閉鎖端から曲げ部までの距離が３／４波長に当たり、図１（ｂ）の１５に示す圧力振幅分布が３次の振動モードにあたる。図１（ｂ）に示す通り、管途中の圧力の腹は、閉鎖端からの距離が閉鎖端から曲げ部までの距離Ｌの２／３になる。ただし、実際の熱音響の共鳴管では、管内の流体の温度分布により音速が変化するために、圧力振幅分布は正弦波の形から変形し、腹や節の位置は多少のずれを生じる。

図１（ａ）の高温側スタック３の位置が３次の振動モードを作り出す上で最適な位置であり、高温側スタック３の中央部と閉鎖端までの距離を、閉鎖端から曲げ部までの距離Ｌの１／６にしている。これは、熱音響現象により生じる音響エネルギーが圧力振幅と流速振幅の積に比例することによる。定在波の場合、流速振幅の腹の位置は圧力振幅の節の位置に等しく、流速振幅の節の位置は圧力振幅の腹の位置に等しい。このため、圧力振幅と流速振幅の積は各振幅の腹と節の位置の中間が最大になる。図１（ｂ）に示すように、閉鎖端からＬ／３の距離の位置が圧力の節の位置であることから、その半分のＬ／６の距離の位置で圧力振幅と流速振幅の積が極大になる。ただし、実際の熱音響の共鳴管では、温度分布の影響から多少のずれがある。高温側スタック３は、１次の振動や２次の振動も発生させる能力を持つが、それらの振動モードに対する最適な位置からスタックの位置を離すことで、３次以外の振動の発生を抑制している。

さらに、３次以外の振動に対する抑制装置として、３次の振動モードにおける圧力の腹の位置にオリフィス１１を配置している。これは流速に対する抵抗によって、振動を抑制するもので、３次の振動に対しては流速振幅の節の位置にあたり流速が０であるために、３次の振動モードに対しては抵抗にならない。しかし、１次や２次の振動モードはその位置が流速振幅の節ではないために抵抗として働く。オリフィス１１の最適な位置は圧力振幅の腹となる位置であり、図１（ａ）では閉鎖端からの距離が２Ｌ／３になる位置に配置している。ただし、実際の設計では温度分布による音速の変化を考慮して、多少の修正が必要である。

高温熱交換器２と高温給水熱交換器４は、高温側スタック３に急峻な温度勾配を形成させることを第１の目的とするため、なるべく近接した位置に配置するのがよいが、接触は避けた方がよい。高温熱交換器２は作動流体に熱を与え、その熱が利用されて音響振動が作られるのに対し、高温熱交換器２の熱が高温側スタック３に直接伝えられると、その熱は熱伝導により高温側スタック３を通り、高温給水熱交換器４に伝えられることで終わるために、音響振動の発生に役立たない。同様に、高温給水熱交換器４は作動流体のみを冷却するのが理想的であり、高温側スタック３と接触して直接熱が伝えられると、その熱は音響振動の発生に役立たない。

低温側スタック６は定在波の存在によって、圧力の節の側から圧力の腹の側へと熱を汲み上げる。この熱音響現象によって汲み上げられる熱量は圧力振幅と流速振幅の積に比例することから圧力の腹と節の中間にスタックの最適な位置が存在する。図１（ａ）の場合、３次の振動モードに対応させるために、低温側スタック６の中心と閉鎖端まで距離を、閉鎖端から曲げ部までの距離Ｌの５／６としている。これにより、低温側スタック６は曲げ部側から閉鎖端側に向かって温度上昇するような温度勾配を形成する。

低温給水熱交換器５は低温側スタック６により汲み上げられた熱を受けて給水１２を加熱するものであり、低温熱交換器７は低温側スタック６で汲み上げる熱を外部から得て作動流体に与えるものである。低温側スタック６で汲み上げる熱の受け渡しに対する抵抗をなるべく低減するために、低温給水熱交換器５と低温熱交換器７は低温側スタック６になるべく近接させるのがよい。しかし、スタックとの接触は避けた方がよい。接触により熱伝導で伝わる熱は温度が高い方から低い方へと流れるため、汲み上げる熱の流れと逆になる。このため、熱伝導で伝わる熱は全て損失になる。

排ガス熱交換器９には低温給水熱交換器５を出た水を供給し、高温熱交換器２で熱を与えた後の燃焼排ガスと熱交換し、加熱した水は高温給水熱交換器４に送る。排ガス熱交換器９はフィン・アンド・チューブ式の熱交換器で構成し、管内に水を流し、管外に排ガスを流す。排ガス側は水より熱伝達率が低くなることから、伝熱面積を増やすのがよく、管外にフィンを設ける。管の材質には銅が適しており、フィンの材質にはアルミが適している。

排ガス熱交換器９を通過した後の排ガスは外気１４と混合し、低温熱交換器７に送る。排ガスと外気を混合させるために、低温熱交換器７の後ろにファン１０を設け、このファンで混合ガスを吸引することで外気が吸引されて排ガスと混合するようにする。低温熱交換器７で熱を与えた混合ガスはファン１０によって外部に放出される。低温熱交換器７は外気よりも低温になることで外気から熱を得るものであるが、排ガス熱交換器９を出た後のガスを混合させることで外気の温度を上昇させ、低温熱交換器７での熱の取り込みを容易にさせる。このようにして、排ガス熱交換器９を出た後の排ガスの持つ熱エネルギを有効に利用できる他、外気と混合することによって排ガス中の水蒸気が凝縮し、結露水が生じるのを防止する。

図２は本発明に用いるスタックの拡大図であり、断面を表している。このスタックの構造は高温側スタック３および低温側スタック６に用いることが出来る。図２のスタックでは、薄板３ａを渦巻き状にすることで、スタックの隙間を一定に保ち、共鳴管１の断面内全域で最適な隙間を実現している。薄板を渦巻き状に変形させるだけでは弾性変形にしかならないため、形を保つことが出来ない。このため、本実施例では薄板３ａに棒３ｂを通して固定している。この棒を通すために、予め薄板３ａには穴を開けておく。平板の段階で開けるこの穴のピッチは渦巻きの半円周の長さになる。渦巻きの中心部を先端として平板に穴を開けていく場合、穴のピッチを順々に増加させていく。隣り合う穴ピッチの増加量は、渦巻きにした時の薄板３ａの間隔に円周率の半分をかけた長さでよい。スタックを形成する時はこの穴に棒３ｂを通しながら薄板３ａを渦巻き状に巻いていけばよい。

スタックを形成した後、これを共鳴管１内に固定する時も棒３ｂを利用することが可能である。すなわち、スタックを配置した位置の共鳴管１に穴をあけ、棒３ｂを通すことで固定することが出来る。ただし、共鳴管１に開けた穴はスタックを配置した後に、ろう付け等で封止する必要がある。薄板３ａは熱損失を低減するために熱伝導率が低い材質を使用するのがよく、また、作動流体と熱交換して一時的に熱を蓄える必要があることから、体積当りの熱容量（＝密度×比熱）が大きい材質がよい。これらのことから、安価に入手できる材料として薄板３ａにはステンレス鋼を使用するのがよい。

図３は本発明に用いる低温および高温熱交換器の拡大図であり、断面を表している。この熱交換器の構造は高温熱交換器２および低温熱交換器７に用いることが出来る。図３の熱交換器は伝熱板２ａ、スペーサ２ｂ、フィン２ｃを積層してなる。伝熱板２ａは水平方向に一体であり、スペーサ２ｂは各伝熱板２ａのすき間毎に別の部品になっている。フィン２ｃは薄板を折り曲げて形成し、水平方向の配置として、スペーサの所で一旦途切れる。すなわち、伝熱板２ａのみが共鳴管１を貫通し、フィン２ｃは共鳴管１の内側と外側で途切れた形状としてある。これらの部品は全体をろう付けすることにより一体に形成する。

図３の伝熱板２ａとスペーサ２ｂの紙面奥行き方向の幅をそろえて平坦な面を作り、その面を共鳴管１と接続することにより、共鳴管とすき間なく接続することが出来る。高温熱交換器２の場合、伝熱板２ａおよびフィン２ｃの材質には燃焼ガスの加熱に耐えられることと熱伝導率が高いことが求められ、銅を使用することが適している。低温熱交換器７の場合は燃焼ガスにさらされることはないため、伝熱板２ａおよびフィン２ｃの材質には銅もしくはアルミを使用することが適している。

また、図３の熱交換器ではスペーサ２ｂの配置を共鳴管１に合わせて円形にしているが、共鳴管１の断面を四角形にすることで、スペーサ２ｂの配置を四角状にすることも可能である。

図４は本発明に用いる給水熱交換器の拡大図であり、断面および側面を表している。この給水熱交換器の構造は高温給水熱交換器４および低温給水熱交換器5に用いることが出来る。図４の給水熱交換器は蛇行状の伝熱管４ａおよびスペーサ４ｂからなる。伝熱管４ａ内に給水１１を流し、管外が作動流体と接することで熱交換する。スペーサ４ｂは半割れになっていて、溝加工した部分で伝熱管４ａを挟み、ろう付けによってすき間のない構造する。スペーサ４ｂの溝加工した面と反対の面は平坦にし、共鳴管１とすき間なく接続する。

また、図４の給水熱交換器ではスペーサ４ｂの内側を共鳴管１に合わせて円形にしているが、共鳴管１の断面を四角形にすることで、スペーサ４ｂの内側を直線状にすることも可能である。

図５は本発明の熱音響ヒートポンプ給湯装置の機器配置を示す外観図である。筐体１６の中にＵ字状の共鳴管１を４本収めている。共鳴管１は閉鎖端を上にして縦にし、４本を同心円的に配置する。筐体１６の一番上にバーナ８があり、燃料１７の供給を受けて燃焼する。バーナ８は４本の共鳴管１の略中央に配置することで、それぞれの共鳴管１を均等に加熱すると同時に、外部に熱が逃げることを防止する。バーナ８で作られた燃焼ガスから熱を受けるために、高温熱交換器２のフィンは筐体１６の中央部まで伸ばしておく。

共鳴管１の中では高温熱交換器２の下に高温側スタック３が配置され、その下に高温給水熱交換器４が配置され、これによって音響振動が作られる。高温熱交換器２を通過した燃料ガスは排ガス熱交換器９でさらに熱回収される。排ガス熱交換器９を出た燃焼排ガスは、その下の空間で外気１４と混合し、さらに下の低温熱交換器７に送られる。ここで、外気１４はファン１０による吸い込みにより、筐体１６に設けた窓（図示していない）から取り込まれる。低温熱交換器７で熱を与えた混合ガスは、その下にあるファン１０によって外部に放出される。給水１２はまず、低温給水熱交換器５に送られ、ここで加熱された後、排ガス熱交換器９に送られ、その後、高温給水熱交換器４を通り、生成した温水１３として供給する。

このように複数の熱音響ヒートポンプを組み合わせて用いるように構成することで、小型で効率の良い給湯システムを構築できる。

本発明の熱音響ヒートポンプ給湯装置の基礎的な構成図である。 本発明に用いるスタックの拡大図である。 本発明に用いる熱交換器の拡大図である。 本発明に用いる給水熱交換器の拡大図である。 本発明の熱音響ヒートポンプ給湯装置の機器配置を示す外観図である。 従来技術からなるビアクーラの構成図である。

符号の説明

１…共鳴管、２、７…熱交換器、３、６…スタック、４、５…給水熱交換器、８…バーナ、９…排ガス熱交換器、１０…ファン、１１…オリフィス。

Claims (8)

1. 作動流体を封入したＵ字状の共鳴管と、前記共鳴管内の閉鎖端からＵ字の曲げ部に向かって順に、外部からの共鳴管内の作動流体に熱を伝える高温熱交換器と、音響振動を発生する高温スタックと、作動流体の熱を水に伝える高温給水熱交換器と、前記高温給水熱交換器から間隔をあけて前記曲げ部側に設置され外部より給水された水を作動流体の熱によって温める低温給水熱交換器と、低温スタックと低温熱交換器とを配置し、
   前記高温側スタックで生じた音響振動により前記低温側スタックで熱の汲み上げを行い、前記低温給水熱交換器で汲み上げた熱により水を加熱した後、前記高温給水熱交換器で水を加熱することを特徴とする熱音響ヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記高温側スタックの中心から前記共鳴管の閉鎖端までの距離を、共鳴管の閉鎖端から曲げ部までの距離の１／５以下にし、前記低温側スタックの中心から前記共鳴管の閉鎖端までの距離を、共鳴管の閉鎖端から曲げ部までの距離の２／３以上にしたことを特徴とする請求項１に記載の熱音響ヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記共鳴管の流路断面積を局所的に低減させることによって流動の抵抗となる抵抗要素を、前記低温給水熱交換器より共鳴管の閉鎖端側に配置し、前記抵抗要素と前記共鳴管の閉鎖端までの距離が、前記共鳴管の閉鎖端から曲げ部までの距離の３／５以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱音響ヒートポンプ式給湯装置。
4. 燃焼ガスによって前記高温熱交換器に熱を与え、この燃焼ガスが前記高温熱交換器に熱を与えた後の燃焼排ガスと水とを熱交換させる排ガス熱交換器を備え、前記低温給水熱交換器を出た水を前記排ガス熱交換器に導き、ここで水を加熱した後、この水を前記高温給水熱交換器に導き、前記排ガス熱交換器で熱を与えた燃焼排ガスは外気に混合させ、この混合ガスが前記低温熱交換器に熱を与えることを特徴とする請求項１に記載の熱音響ヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記Ｕ字状共鳴管を複数本備え、これらの共鳴管の閉鎖端を上にして縦に配置し、前記排ガス熱交換器は前記高温給水熱交換器と低温給水熱交換器の間の位置に配置し、この排ガス熱交換器の下に、外気を取り込んで燃焼排ガスと混合させる空間を設けることを特徴とする請求項４に記載の熱音響ヒートポンプ式給湯装置。
6. 前記高温側スタックおよび低温側スタックは、薄板を渦巻き状にし、薄板に渦巻きの半円周ごとに棒を通す穴をあけ、その穴を通す棒でスタックを固定することを特徴とする請求項１に記載の熱音響ヒートポンプ式給湯装置。
7. 前記高温熱交換器もしくは低温熱交換器は、薄板を折り曲げて形成するフィンと、このフィンを挟んで積層する伝熱板と、これらの伝熱板の間に配置するスペーサからなる構造とし、このスペーサ部を前記共鳴管と接続することを特徴とする請求項１に記載の熱音響ヒートポンプ式給湯装置。
8. 前記高温給水熱交換器もしくは低温給水熱交換器は、水を通す蛇行管で構成し、この蛇行管の間にスペーサを配置して前記共鳴管と接続することを特徴とする請求項１に記載の熱音響ヒートポンプ式給湯装置。
   

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