JP2016070214A5

JP2016070214A5 -

Info

Publication number: JP2016070214A5
Application number: JP2014201683A
Authority: JP
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2034-09-30

Description

近年、社会全体でエネルギー資源の有効活用の要請が高まってきており、エネルギーを再利用する様々な技術の開発が試みられている。その中でも、熱音響効果を利用して自動車の排気ガス等の高温流体の熱を音波のエネルギーに変換し、そのエネルギーを最終的に電力等の形で出力するエネルギーリサイクルシステムは、得られるエネルギーの取得率（エネルギー効率）が高いことから注目を集めており、実用化に向けて様々な工夫が行われている。

ところで、ハニカム構造体自体は、その表面積の大きい立体形状を利用する目的で、熱音響効果とは無関係に、様々な用途について用いられてきた。たとえば、自動車の排気ガスから微粒子を取り除く排気浄化触媒担持用のハニカム構造体は、その典型的な例であり、従来から様々なタイプのものが開発されている。また、他の例としては、イオン触媒体として利用するために、孔径が数十〜数百μｍの小さい貫通孔を持つハニカム構造体も開発されており（たとえば、非特許文献１，２参照）、これらは、フィルタ目的のハニカム構造体で通常用いられる押出成形法とは全く異なり、専ら化学的な手法を用いて作製される。

［１］第１の端面から第２の端面まで延在する複数のセルであって、振動することで音波を伝搬する作動流体によって内部が満たされる複数のセルを区画形成する隔壁を有し、該隔壁と前記作動流体との間で授受される熱と、前記作動流体の振動による音波のエネルギーとを相互に変換する熱・音波変換部品であって、前記セルの延在方向に垂直な前記セルの断面の面積をＳ、該断面の周長をＣとしたときにＨＤ＝４×Ｓ／Ｃで定義される水力直径ＨＤが０．４ｍｍ以下であり、前記熱・音波変換部品の各端面における開口率が６０％以上９３％以下であり、前記隔壁の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が３μｍ以上２０μｍ以下である熱・音波変換部品。

［３］前記延在方向を含む断面における前記隔壁の前記表面の、該断面内で前記延在方向に直交する方向についての変動幅を表す真直度が、０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である［１］又は［２］記載の熱・音波変換部品。

［５］［１］〜［４］のいずれかに記載の熱・音波変換部品であって、前記作動流体が前記複数のセルの内部を満たしている状態において前記第１の端面側の第１端部と前記第２の端面側の第２端部との間に温度差が生じたときに、該温度差に応じて前記作動流体を前記延在方向に沿って振動させて音波を発生する熱・音波変換部品と、前記熱・音波変換部品の前記第１端部および前記第２端部にそれぞれ近接して設けられ、該両端部との間で熱の授受を行うことで該両端部の間に温度差を与える一対の熱交換部と、を備えた熱・音波変換ユニット。

［６］［１］〜［４］のいずれかに記載の熱・音波変換部品であって、前記作動流体が前記複数のセルの内部を満たしている状態において音波の伝播を受けて前記延在方向に沿って該作動流体が振動したときに、前記第１の端面側の第１端部と前記第２の端面側の第２端部との間に前記作動流体の振動に応じた温度差を生じさせる熱・音波変換部品と、前記熱・音波変換部品の前記第１端部および前記第２端部のうちの一方の端部に近接して設けられ、該一方の端部への熱の供給、あるいは、該一方の端部からの熱の吸収を行って該一方の端部の温度を一定温度に維持する熱交換部と、前記熱・音波変換部品の前記第１端部および前記第２端部のうちの、前記一方の端部とは反対側の他方の端部に近接して設けられ、前記熱交換部により前記一方の端部の温度が一定温度に維持されている状態において前記熱・音波変換部品が音波の伝播を受けたときに、前記一定温度に維持された前記一方の端部に対し前記他方の端部が、前記音波の伝播による前記作動流体の振動に応じた温度差を有するように、前記他方の端部との間で熱の授受を行って得られた温熱あるいは冷熱を出力する温熱・冷熱出力部と、を備えた熱・音波変換ユニット。ここで、「温熱あるいは冷熱を出力する」とは、たとえば、「温度が上がった流体、あるいは、温度が下がった流体を出力する」ことを意味する。

本発明の熱・音波変換ユニットおよび熱・音波変換部品の一実施形態が適用された電力発生システムの模式的な構成図である。図１の熱・音波変換ユニットおよび熱・音波変換部品が適用された冷熱発生システムの模式図である。図１の熱・音波変換ユニットの構成を表した模式図である。図３の熱・音波変換ユニットにおける高温側熱交換器の外観斜視図である。高温側環状管の流入口および流出口を含む平面で見たときの高温側熱交換器の断面図である。高温側環状管の管内にさらに別のハニカム構造体が嵌合している熱・音波変換ユニットの一形態を表す模式図である。図６のＡ−Ａ線の断面における高温側熱交換器の模式的な断面構成図である。図６および図７に示す熱・音波変換ユニットとは別の本発明の熱・音波変換ユニットの一形態を表す模式図である。図８に示す熱・音波変換ユニットとはさらに別の熱・音波変換ユニットの一形態を表す模式図である。メッシュ構造を採用した高温側熱交換器の断面図である。図３に示す熱・音波変換部品のセルの貫通方向に垂直な面内における熱・音波変換部品の断面図である。隔壁表面の真直度を説明するための概念図である。本実施形態におけるハニカム成形体の作製に用いられる口金の外観斜視図である。図１３に示す口金の、図１３とは反対側から見たときの外観斜視図である。図１３に示す口金の表面の一部を示す拡大平面図である。図１５に示す口金のＡ−Ａ’断面を示す模式図である。押さえ板構造の一例を表した図である。図１７とは別の押さえ板構造の一例を表した図である。さらに別の押さえ板構造の一例を表した図である。図１９とはさらに別の押さえ板構造の一例を表した図である。

音波発生部７で発生した音波は、伝播管５’を図２の一点鎖線矢印の方向に伝播し、さらにループ管４’内を図２の点線矢印の方向に伝播していく。そして、熱・音波変換ユニット１００に到達し、熱・音波変換部品１の図２の上側から各セル内に進行していく。このとき、音波による熱輸送により、高温側熱交換器２側の端部が低温側熱交換器３側の端部よりも相対的に温度が高い状態が実現する。高温側熱交換器２では常温近傍の冷却流体が流入し、常温より高い温度で流出する。一方、音波による熱輸送により熱が高温側熱交換器２側の端部へ輸送されてしまうので、熱・音波変換部品１の低温側熱交換器３側の端部は、常温より低い温度となる。低温側熱交換器３では常温近傍の冷却流体が流入し、熱・音波変換部品１の低温側熱交換器３側の端部に熱を奪われるため、常温より低い温度で流出する。言い換えれば、冷水の形で、冷熱が出力されることになる。

熱・音波変換部品１では、それぞれが細い管状の貫通孔である複数のセル１４が、隔壁１１によって区画形成されてなるハニカム構造を有している。ここで、本明細書では、「セル」という語を、隔壁を含まない貫通孔のみを指すものとして用いる。各セル１４は、図３の上下方向を貫通方向（各セル１４が延在する延在方向）とし、低温側熱交換器３側の端面および高温側熱交換器２側の端面の両端面において開口する。熱・音波変換部品１の、低温側熱交換器３側の端面は、金属部材３２と接しているとともに、金属部材３２を間において低温側熱交換器３に対向している。なお、ここでは、金属部材３２が配置されているが、本発明では、金属部材３２が省略された形態も採用可能である。金属部材３２が省略された場合には、後述のメッシュ積層体３０と接触する作動流体が冷却された後に、その冷却された作動流体が、音波の振動に対応した作動流体の変位により熱・音波変換部品１の端面近傍に接触しこの端面近傍を冷却する。ここで、金属部材３２が省略された形態では、熱・音波変換部品１と低温側熱交換器３との間の隙間は極力小さいことが好ましい。

図６は、高温側環状管の管内にさらに別のハニカム構造体が嵌合している熱・音波変換ユニットの一形態を表す模式図であり、図７は、図６のＡ−Ａ線の断面における高温側熱交換器の模式的な断面構成図である。

図６の熱・音波変換ユニット２００における高温側熱交換器２’は、熱交換ハニカム構造体２０’および２つの互いに異なる高温側環状管２１１，２１２を有している。熱交換ハニカム構造体２０’は、図中の水平方向を貫通方向とする２以上のセルが隔壁により区画形成されたハニカム構造を有しており、２つの異なる高温側環状管２１１，２１２により加熱流体から伝達された熱を熱・音波変換部品１に伝達する。ここで、熱交換ハニカム構造体２０’は、熱・音波変換部品１から間隔ｔを置いて配置されている。

図８は、図６および図７に示す熱・音波変換ユニットとは別の本発明の熱・音波変換ユニットの一形態を表す模式図、図９は、図８に示す熱・音波変換ユニットとはさらに別の熱・音波変換ユニットの一形態を表す模式図である。

図８に示す熱・音波変換ユニットでは、高温側熱交換器２Ａにおいて、図中の上側から加熱流体が流入し高温側熱交換器２Ａの内部を通って図中の下方向に向けて流出する。一方、図９に示す熱・音波変換ユニットでは、高温側熱交換器２Ａ’において、図中の上側から加熱流体が流入し高温側熱交換器２Ａ’の内部を通って図中の上方向に向けて流出する。ここで、図８および図９に示す熱・音波変換ユニットのいずれも、低温側熱交換器３Ａにおいては、図中の上側から冷却流体が流入し低温側熱交換器３Ａの内部を通って図中の上方向に向けて流出する。ここで、図８および図９では、内部構造（以下の２つのハニカム構造体２２，２３を含む構造）を明らかにするために、一部については透視図となっている。

図３に示すように、熱交換ハニカム構造体２０の、熱・音波変換部品１側の端面（熱交換ハニカム構造体２０の上側の端面）は、熱・音波変換部品１の、高温側熱交換器２側の端面（熱・音波変換部品１の下側の端面）と直接に接触している。以下、この熱交換ハニカム構造体２０の上側の端面を接触面２０ｓと呼ぶ。なお、本発明では、このように熱・音波変換部品１と熱交換ハニカム構造体２０とが直接に接触する代わりに、熱・音波変換部品１と熱交換ハニカム構造体２０との間に図６の間隔ｔのような隙間が存在していてもよい。この場合、熱交換ハニカム構造体２０に対して伝達された熱は、熱交換ハニカム構造体２０と接した作動流体に伝達され、その加熱された作動流体が、音波の振動に対応した作動流体の変位により熱・音波変換部品１の端面近傍に接触し、この端面近傍が加熱される。これにより、熱・音波変換部品１の、高温側熱交換器２側の端部は、低温側熱交換器３側の端部に比して相対的に温度の高い状態に維持されることとなる。

また、図３に示すように、熱交換ハニカム構造体２０では、熱・音波変換部品１との接触面２０ｓは、熱交換ハニカム構造体２０が高温の加熱流体と直接に接触して熱を受ける受熱領域２１ｃよりも、熱・音波変換部品１側（図の上方向）にずれた位置にあり、受熱領域２１ｃと重ならないようになっている。仮に、接触面２０ｓが受熱領域２１ｃと重なってしまうと、接触面２０ｓのうち、受熱領域２１ｃに近い縁の周辺と、受熱領域２１ｃから遠い中央付近とでは、温度差が大きく異なる状態が生じることがある。この場合、熱・音波変換部品１の、熱交換ハニカム構造体２０側の端部（図３の下端部）が均一に加熱されないために、熱・音波変換部品１の各セルの自励振動が各セルに応じてムラが出るという問題が生じ得る。図３の熱交換ハニカム構造体２０では、接触面２０ｓが受熱領域２１ｃと重ならないようになっていることで、こうした問題を回避している。

ここで、真直度の具体的な測定方法としては、たとえば、熱・音波変換部品１の各セルの貫通方向に沿った熱・音波変換部品１の全長にわたる断面において任意に５個のセル１４を選択しそれら５個のセル１４それぞれについて熱・音波変換部品１の全長にわたる隔壁１１の表面１１ａの変動の最大値（最大の変化量）を求め、それら５個のセル１４の最大の変化量の平均値を真直度とする測定方法が採用できる。

また、熱・音波変換部品１では、熱・音波変換部品１の構成材料、特に、隔壁１１の構成材料の２０〜８００℃における熱膨張率が６ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。ここで、熱膨張の測定方法としては、たとえば、各セルの貫通方向に沿った１０ｍｍ以上の長さを有する試験片であって、この貫通方向、および、この貫通方向に直交する方向を含む断面の面積が４ｍｍ^２以上１００ｍｍ^２以下である試験片を熱・音波変換部品１から切り出し、この貫通方向の熱膨張率を、石英を標準比較サンプルとする示差式の熱膨張計により測定する方法を採用することができる。

第１の問題に関しては、各セルの水力直径が０．４ｍｍ以下であって開口率が６０％以上９３％以下の、水力直径がきわめて小さく開口率が高い（セル密度が高い）熱・音波変換部品１に対応した口金（以下、正規口金と呼ぶ）による押出成形の実行前に、リブの厚さが０．０４ｍｍ以上０．０９ｍｍ以下というリブの厚さがきわめて小さい口金（以下、ダミー口金と呼ぶ）での坏土の押出処理が行われる。なお、ここでいう「リブの厚さ」とは、成形体ハニカムの隔壁厚さのことで、口金におけるスリット幅を指しており、各スリットは、坏土の排出孔であって作製対象のハニカム構造体の各隔壁部分の形状を決定するものである。以下、「リブの厚さ」を、スリット幅を意味するものとして用いる。このダミー口金を用いた押出処理により、目詰まりの原因となりやすい坏土成分をあらかじめ取り除くことができる。この押出処理後の坏土を用いて正規口金による押出成形を実行することにより、上記の目詰まりの発生を抑えることが可能となる。

第２の板状部３０３の材質の一種であるステンレス鋼としては、公知のステンレス鋼を用いることができる。たとえば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０３等を挙げることができる。また、第２の板状部３０３の大きさは、特に限定されず、用途に合わせて、所望の大きさにすることができる。ただし、第２の板状部３０３が円板状である場合、円板の直径（一方の面および他方の面の直径）は２０〜４０ｍｍであることが好ましい。また、第２の板状部３０３の厚さについては２〜８ｍｍが好ましい。２ｍｍより薄いと成形抵抗による応力による変形、破損を生じ、８ｍｍより厚いと成形抵抗が過大になり成形体の押し出しが困難となる。

第１の板状部３０７の大きさは特に限定されず、用途に合わせて、所望の大きさにすることができる。ただし、第１の板状部３０７が円板状である場合、円板の直径は、２０〜４０ｍｍが好ましい。第１の板状部３０７および第２の板状部３０３が円板状である場合、第１の板状部３０７の直径は、第２の板状部３０３の直径の９０〜１００％が好ましい。なお、第１の板状部３０７の厚さは、０．３〜１．２ｍｍであることが好ましく、０．５〜０．９ｍｍであることが更に好ましい。また、第１の板状部３０７の厚さは、第２の板状部３０３の厚さの０．０５〜２倍であることが好ましい。

図１８に示す押さえ板構造５５０では、図１８の下向き矢印の向きに成形原料は押し出される。この押さえ板構造５５０には、成形原料を供給する裏孔５５３と、成形原料を押し出すスリット５５２を有する口金５５４と、その口金５５４の下流側に設けた押さえ板５５５とが備えられている。口金５５４は内側部５７１と外周部５７２とからなる。内側部５７１は下流側（図１８中の下方）に突出して外周部５７２との間に段差部５７５を形成しており、この内側部５７１には、ハニカム構造を成形するスリット５７３が備わっている。一方、外周部５７２には、スリット５７３より短いスリット５７４が備わっている。口金５５４と押さえ板５５５との間には、ハニカム構造の外壁を成形する隙間部５５７が形成されている。なお、押さえ治具５５８および裏押さえ板５５ａは、口金５５４と押さえ板５５５とをセットするためのホルダーである。

図１８に示す押さえ板構造５５０を用いた押出成形においては、成形原料は、口金５５４の上流側（図１８中の上方）から押出機（図示しない）によって口金５５４を通じて下流側に向かって押し出される。下流側が開放された口金５５４の内側部５７１に備えられているスリット５７３から押し出された成形原料５６１は、多数のセルからなるハニカム構造に成形される。一方、口金５５４の外周部５７２に備わるスリット５７４から押し出された成形原料５６１は、隙間部５５７の作用によって、ハニカム形状が潰されるとともに、押出方向から段差部５７５方向へと進行方向を変え、押さえ板５５５が開口したところで、再び押出方向へと進行方向を変え、セルを取り囲む外壁を形成する。

（１）セルの貫通方向に垂直な面（垂直面）内でのセルの水力直径ＨＤ（２）熱・音波変換部品の断面全体における開口率（各端面における開口率と同じ）（３）隔壁表面の算術平均粗さ（Ｒａ）（４）隔壁表面の開口率（５）隔壁表面の真直度（６）隔壁の構成材料の熱伝導率

（実施例３，４および比較例２，３）
上述の実施例１の製造方法とは、押出成形の際に用いる口金が異なる点を除き同じ製造方法を用いて、上述の６種類のパラメータのうち熱・音波変換部品の各端面の開口率（上記垂直面の開口率と同じ）の値が実施例１とは主に異なる実施例３，４および比較例２，３の熱・音波変換部品を作製した。

（実施例１２，１３）
上述の実施例１の製造方法とは、セラミック原料が異なる点を除き同じ製造方法を用いて、上述の６種類のパラメータのうち、隔壁の構成材料の熱伝導率の値のみが実施例１とは異なる実施例１２，１３の熱・音波変換部品を作製した。ここで、実施例１２，１３では、セラミック原料として、実施例１のコージェライト化原料に代えて、アルミナ−コージェライト系複合材料／金属珪素−炭化珪素−コージェライト系複合材料、および炭化珪素−コージェライト系複合材料が、それぞれ用いられていることで、熱伝導率の値が実施例１とは異なるようになっている。

１：熱・音波変換部品、１ａ：干渉材、２，２’，２Ａ，２Ａ’：高温側熱交換器、３：低温側熱交換器、４：ループ管、４’：ループ管、５：共鳴管、５’：伝播管、６：エネルギー変換器、７：音波発生部、１１：隔壁、１１ａ：表面、１２：接合部、１２’：接合部、１３：外周壁、１４：セル、２０：熱交換ハニカム構造体、２０’：熱交換ハニカム構造体、２０ａ：隔壁、２０ｂ：外周壁、２０ｃ：スリット、２０ｄ：セル、２０ｓ：接触面、２１：高温側環状管、２１１：高温側環状管、２１２：高温側環状管、２１１０：管内ハニカム構造体、２１２０：管内ハニカム構造体、２１ａ：流入口、２１ｂ：流出口、２１ｃ：受熱領域、２１ｄ：耐熱性金属板、２１ｅ：フィン、２２，２３：ハニカム構造体、２３’：金属メッシュ体、２２ａ：金属外筒、２３ａ：金属メッシュ外筒、２３ｂ：メタライズ層、３０：メッシュ積層体、３１：低温側環状管、３１ａ：流入口、３１ｂ：流出口、３２：金属部材、３０１：口金、３０３：第２の板状部、３０５：裏孔、３０５ａ，３０９ａ，３１１ａ：開口部、３０６：第２の接合面、３０７：第１の板状部、３０７ａ：第１の層、３０７ｂ：第２の層、３０７ｂａ：第２の層の一方の面、３０９：スリット、３１０：第１の接合面、３１１：穴部、３１３：セルブロック、４０１：口金、４０２：押さえ部、４０３：裏押さえ部、４０４：ハニカム成形体、４０５：間隙、４０６：傾斜面、４０７：対向面、５５０：押さえ板構造、５５２：スリット、５５３：裏孔、５５４：口金、５５５：押さえ板、５５７：隙間部、５５８：押さえ治具、５５ａ：裏押さえ板、５６１：押し出された成形原料、５７１：内側部、５７２：外周部、５７３，５７４：スリット、５７５：段差部、６０２，７０２：スリット、６０３，７０３：裏孔、６０４，７０４：口金、６０５，７０５：押さえ板、６１５，７１５：段差部、１００：熱・音波変換ユニット、２００：熱・音波変換ユニット、１００ａ：ハウジング、１０００：電力発生システム、２０００：冷熱発生システム。

Claims

第１の端面から第２の端面まで延在する複数のセルであって、振動することで音波を伝搬する作動流体によって内部が満たされる複数のセルを区画形成する隔壁を有し、該隔壁と前記作動流体との間で授受される熱と、前記作動流体の振動による音波のエネルギーとを相互に変換する熱・音波変換部品であって、
前記セルの延在方向に垂直な前記セルの断面の面積をＳ、該断面の周長をＣとしたときにＨＤ＝４×Ｓ／Ｃで定義される水力直径ＨＤが０．４ｍｍ以下であり、
前記熱・音波変換部品の各端面における開口率が６０％以上９３％以下であり、
前記隔壁の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が３μｍ以上２０μｍ以下である熱・音波変換部品。
前記隔壁は、多孔質材料で構成されたものであり、前記隔壁の前記表面における開口率が５％以上３０％未満である請求項１記載の熱・音波変換部品。
前記延在方向を含む断面における前記隔壁の前記表面の、該断面内で前記延在方向に直交する方向についての変動幅を表す真直度が、０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である請求項１又は２記載の熱・音波変換部品。
前記隔壁の構成材料の熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ以下である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の熱・音波変換部品。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品であって、前記作動流体が前記複数のセルの内部を満たしている状態において前記第１の端面側の第１端部と前記第２の端面側の第２端部との間に温度差が生じたときに、該温度差に応じて前記作動流体を前記延在方向に沿って振動させて音波を発生する熱・音波変換部品と、
前記熱・音波変換部品の前記第１端部および前記第２端部にそれぞれ近接して設けられ、該両端部との間で熱の授受を行うことで該両端部の間に温度差を与える一対の熱交換部と、を備えた熱・音波変換ユニット。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱・音波変換部品であって、前記作動流体が前記複数のセルの内部を満たしている状態において音波の伝播を受けて前記延在方向に沿って該作動流体が振動したときに、前記第１の端面側の第１端部と前記第２の端面側の第２端部との間に前記作動流体の振動に応じた温度差を生じさせる熱・音波変換部品と、
前記熱・音波変換部品の前記第１端部および前記第２端部のうちの一方の端部に近接して設けられ、該一方の端部への熱の供給、あるいは、該一方の端部からの熱の吸収を行って該一方の端部の温度を一定温度に維持する熱交換部と、
前記熱・音波変換部品の前記第１端部および前記第２端部のうちの、前記一方の端部とは反対側の他方の端部に近接して設けられ、前記熱交換部により前記一方の端部の温度が一定温度に維持されている状態において前記熱・音波変換部品が音波の伝播を受けたときに、前記一定温度に維持された前記一方の端部に対し前記他方の端部が、前記音波の伝播による前記作動流体の振動に応じた温度差を有するように、前記他方の端部との間で熱の授受を行って得られた温熱あるいは冷熱を出力する温熱・冷熱出力部と、を備えた熱・音波変換ユニット。