JP2017015313A - Thermal acoustic cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、雪室を冷却する熱音響冷却装置に関する。 The present invention relates to a thermoacoustic cooling device for cooling a snow chamber.
近年、今まで使われていなかったエネルギーを利用することへの関心が高まっている。例えば、豪雪地帯では冬の雪を貯蔵して夏季の冷房に利用している(例えば特許文献1)。また、冬の雪を用いた野菜,米や酒などの低温貯蔵庫としての需要も高まっている。 In recent years, there has been an increasing interest in using energy that has not been used so far. For example, in heavy snow areas, winter snow is stored and used for cooling in summer (for example, Patent Document 1). There is also an increasing demand for low-temperature storage of vegetables, rice and liquor using winter snow.
そして、冷房に用いる場合の課題は、導入コストが高価なことである。雪室の建築コストが半分を占めており、残りの半分が送風管と送風器である。また、3月末に貯めた雪を7月末から9月初めにかけて冷房冷熱源として使うためには、雪が解ける量を見込んで多く貯めなければならない。 And the subject in the case of using for cooling is that introduction cost is expensive. The construction cost of the snow room occupies half, and the other half is the air duct and the blower. Also, in order to use the snow stored at the end of March as a cooling / heating source from the end of July to the beginning of September, it is necessary to store a large amount in anticipation of the amount of snow that can be melted.
ところで、熱音響効果を利用して対象物を冷却しうる熱音響装置として、ループ管の内部に、第一高温側熱交換器と第一低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、第二高温側熱交換器と第二低温側熱交換器に挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一高温側熱交換器を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器が冷却され、又は/及び、前記第一低温側熱交換器を冷却することによって定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二高温側熱交換器が加熱される熱音響装置(例えば特許文献2)が知られているが、一般には広く普及していない。 By the way, as a thermoacoustic apparatus that can cool an object using a thermoacoustic effect, a first stack sandwiched between a first high temperature side heat exchanger and a first low temperature side heat exchanger, And a second stack sandwiched between the second high temperature side heat exchanger and the second low temperature side heat exchanger, and the self-excited standing wave by heating the first high temperature side heat exchanger And a traveling wave is generated, and the second low temperature side heat exchanger is cooled by the standing wave and the traveling wave, and / or the standing wave and the traveling wave are cooled by cooling the first low temperature side heat exchanger. There is known a thermoacoustic apparatus (for example, Patent Document 2) in which the second high temperature side heat exchanger is heated by the standing wave and the traveling wave, but is not widely used in general.
解決しようとする問題点は、雪室に貯蔵した雪の解ける量を減らすことができる雪室の熱音響冷却装置を提供することを目的とする。 The problem to be solved is to provide a thermoacoustic cooling device for a snow room that can reduce the amount of snow stored in the snow room.
請求項1の発明は、ループ管の内部に、第一高温側熱交換器と第一低温側熱交換器に挟まれた第一のスタックと、第二高温側熱交換器と第二低温側熱交換器に挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一高温側熱交換器を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器が冷却される熱音響冷却機を用い、太陽熱により前記第一高温側熱交換器を加熱し、雪室を前記第二低温側熱交換器により冷却することを特徴とする。
The invention of
請求項2の発明は、前記太陽熱を集熱する集熱手段と、この集熱手段により集めた熱を前記第一高温側熱交換器に輸送する熱輸送手段とを備えることを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、前記集熱手段は前記太陽熱により加熱媒体を蒸発させ、この蒸発した加熱媒体を前記熱輸送手段により前記第一高温側熱交換器に輸送することを特徴とする。 The invention of claim 3 is characterized in that the heat collecting means evaporates a heating medium by the solar heat and transports the evaporated heating medium to the first high temperature side heat exchanger by the heat transporting means.
請求項4の発明は、前記第一高温側熱交換器には、前記ループ管の内部に、前記蒸発した加熱媒体が通る複数の通路を設けたことを特徴とする。
The invention of
請求項1の構成によれば、太陽熱により第一高温側熱交換器を加熱すると、第二低温側熱交換器により雪室が冷却される。この場合、第一高温側熱交換器を加熱する太陽熱が大きいほど冷却能力が高くなるから、日差しが強く雪の解ける量が多い時ほど冷却能力も高くなるため、雪室での利用に適する。このようにして雪が解ける量を減らせるから、雪の貯蔵量を減らすことができ、雪室も小さくて済むため、建築コスト低減により導入コストを削減することができる。 According to the configuration of the first aspect, when the first high temperature side heat exchanger is heated by solar heat, the snow chamber is cooled by the second low temperature side heat exchanger. In this case, the greater the solar heat that heats the first high-temperature side heat exchanger, the higher the cooling capacity. Therefore, the higher the sunlight and the greater the amount of snow that can be melted, the higher the cooling capacity, which is suitable for use in a snow room. Since the amount of snow that can be melted can be reduced in this way, the amount of stored snow can be reduced, and the size of the snow compartment can be reduced, so that the introduction cost can be reduced by reducing the construction cost.
請求項2の構成によれば、集熱手段により太陽熱を集め、この集熱手段により集めた熱を熱輸送手段により輸送して第一高温側熱交換器を加熱することができる。 According to the configuration of the second aspect, solar heat can be collected by the heat collecting means, and the heat collected by the heat collecting means can be transported by the heat transport means to heat the first high temperature side heat exchanger.
請求項3の構成によれば、蒸発した加熱媒体により第一高温側熱交換器を加熱することができる。 According to the configuration of the third aspect, the first high temperature side heat exchanger can be heated by the evaporated heating medium.
請求項4の構成によれば、複数の通路を加熱媒体が通ることにより熱交換が効率よく行われ、第一高温側熱交換器を効果的に加熱することができる。
According to the structure of
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below do not limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, all of the configurations described below are not necessarily essential requirements of the present invention.
以下、本発明の実施例1について、図1〜図5に基づいて説明する。熱音響冷却装置は、熱音響冷却機1を備え、この熱音響冷却機1は、全体として略長方形状に構成されたループ管2の内部に、第一高温側熱交換器4及び第一低温側熱交換器5に挟まれた第一のスタック3Aと、第二高温側熱交換器6及び第二低温側熱交換器7に挟まれた第二のスタック3Bとを具備してなるもので、第一のスタック3A側の第一高温側熱交換器4を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波を第二のスタック3B側へ伝搬して第二のスタック3B側に設けられた第二低温側熱交換器7を冷却させるようにしたものである。
Hereinafter, Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. The thermoacoustic cooling device includes a
前記ループ管2は、地面に対して鉛直状に設けられた対向する左右一対の直線管部2A,2Aと、これら直線管部2A,2Aの上下を連結する上下の直線管部2Bを具備してなるもので、金属製のパイプなどによって構成される。なお、このループ管2の材質については金属などに限らず、透明なガラス、若しくは樹脂などによって構成することもでき、透明なガラスや樹脂などの材料で構成した場合は、実験等における第一のスタック3Aや第二のスタック3Bの位置の確認や管内の状況を容易に観察することができる。尚、ヘリウムなどのような音速が速く、プラントル数が小さく、比重も小さい作動流体をループ管2内に所定の圧力で封入しておき、例えば10気圧でヘリウムを封入する。
The
そして、ループ管2の内部には、第一高温側熱交換器4と第一低温側熱交換器5とに挟まれた第一のスタック3A及び、第二高温側熱交換器6と第二低温側熱交換器7とに挟まれた第二のスタック3Bが設けられる。また、第一のスタック3Aは上部の直線管部2Bに配置され、第二のスタック3Bは下部の直線管部2Bに配置されている。
In the
第一のスタック3A及び第二のスタック3Bは、ループ管2の内壁に接するような円柱状に形成され、セラミクス、燒結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きい材質からなり、ループ管2の軸方向に貫通する多孔を有して構成される。
The
第二低温側熱交換器7は、薄い金属で構成され、その内側に定在波及び進行波を導通させるための貫通孔を設けて構成される。具体的には、図3に示すように、第二低温側熱交換器7は、熱伝導性に優れた金属製であって、筒体11と、この筒体11に内部に設けられた複数のフィン部12とを一体に備え、これらフィン部12は筒体11の直径と平行に形成され、フィン部12,12同士が平行であり、隣り合うフィン部12の間に貫通孔たる隙間13が設けられている。尚、筒体11の内周面とフィン部12との間にも隙間13が設けられている。また、フィン部12の長さ方向と直交する直径方向に貫通孔たる隙間13Aが形成され、フィン部12が二分割されている。尚、隙間13Aは加工を容易にするために設けたものであるから、フィン部12に隙間13Aを設けないように加工して、連続するフィン部12を形成してもよい。
The 2nd low temperature
第一高温側熱交換器4,第一低温側熱交換器5及び第二高温側熱交換器6は、薄い金属で構成され、その内側に定在波及び進行波を導通させるための貫通孔を設けて構成される。具体的には、図4に示すように、第一高温側熱交換器4,第一低温側熱交換器5及び第二高温側熱交換器6は、熱伝導性に優れた金属製であって、筒体11と、この筒体11に内部に設けられた複数のフィン部12とを一体に備え、これらフィン部12は筒体11の直径と平行に形成され、隣り合うフィン部12の間に貫通孔たる隙間13が設けられている。また、好ましくは全てのフィン部12,12・・・内に、熱媒体が通る直線状の貫通孔14を複数穿設し、この貫通孔14の両端は筒体11の外周面に開口し、貫通孔14の一端が熱媒体の流入口14Aを構成し、貫通孔14の他端が熱媒体の流出口14Bを構成している。尚、貫通孔14は各フィン部12,12・・・において筒体11の長さ方向に間隔を置いて複数設けられている。そして、前記貫通孔14が通路である。
The 1st high temperature
第一高温側熱交換器4は太陽熱により加熱される。一方、第一低温側熱交換器5に水を循環させて相対的に第一高温側熱交換器4よりも低い温度となるように設定される。具体的には、冷却媒体たる水を前記貫通孔14に通して循環させている。また、第二高温側熱交換器6にも水を循環させる。
The first high temperature
熱音響冷却装置は、前記第一高温側熱交換器4を太陽熱により加熱するために、集熱手段21と熱輸送手段22とを備える。集熱手段21は、太陽の熱を集める集熱部と放熱部を内部に有し作動液を封入してなるヒートパイプの前記集熱部を透明体で形成された真空管内に収納すると共に前記放熱部において加熱媒体である水を加熱して加熱蒸気を発生させるものである。
The thermoacoustic cooling device includes a heat collecting means 21 and a heat transporting means 22 in order to heat the first high temperature
また、熱輸送手段22は、集熱手段21の排出口23と第一高温側熱交換器4とを加熱管路24により接続し、第一高温側熱交換器4と集熱手段の返送口25とを返送管路26により接続している。
The heat transporting means 22 connects the
集熱手段21は、前記第一高温側熱交換器4の下方で、前後方向一側に設けられており、前記排出口23が前記返送口25より上に位置し、前後方向において前記排出口23が前記返送口25より第一高温側熱交換器4に近い位置になるように集熱手段21が配置されている。また、前記加熱管路24は、前記排出口23と前記返送口25と結んだ線と同様に傾斜すると共に、排出口23に接続された傾斜管部24Aと、この傾斜管部24Aと第一高温側熱交換器4の流入口14Aとを接続する横方向の横管部24Bとを備える。尚、第一高温側熱交換器4において、その貫通孔14は、流出口14Bの高さ位置が流入口14Aの高さ位置より低くなるように、斜めに配置されている。
The heat collecting means 21 is provided on one side in the front-rear direction below the first high-temperature
前記返送管路26は、前記第一高温側熱交換器4の下方で、前後方向他側に設けられた縦方向の縦管部26Aと、この縦管部26Aの下端と前記返送口25とを接続する横方向の下管部26Bとを備える。前記縦管部26Aの上部に、第一高温側熱交換器4の流出口14Bに接続する傾斜管部26Cが設けられている。また、図2に示すように、横管部24Bの端部と複数の流入口14Aとの間には、横管部24Bから流出する加熱媒体(蒸気)を複数の流入口14Aに案内する上流案内部27が設けられ、この上流案内部27により横管部24Bの加熱媒体が傾斜管部26Cに直接流れることを防止している。さらに、図2に示すように、複数の流出口14Bと傾斜管部26Cとの間には、流出口14Bから流れ出た加熱媒体を傾斜管部26Cに案内する加熱案内部28が設けられている。
The
雪室31は、冬期などに氷又は雪を蓄えたり、あるいは人工造雪機又は製氷機で製造した氷雪を蓄えたりするものであり、それらを蓄える内部空間32を有する人工又は自然構造物である。この例では、雪室31の上面33に前記一対の直線管部2A,2Aを挿通する挿通部33A,33Aを設け、下部の直線管部2Bを雪室31内に配置し、第二高温側熱交換器6,第二低温側熱交換器7及び第二のスタック3Bが雪室31内に位置する。また、前記下管部26Bは雪室31の屋根たる上面33の上に固定されている。
The
そして、第一高温側熱交換器4を太陽熱により加熱し、第一低温側熱交換器5に循環水によりそれよりも低い温度の熱を与えることにより、第一のスタック3Aの両端で温度差を与えると、第一のスタック3Aの内部から第一高温側熱交換器4側のループ管2に向かって音波が発生する。その音波をループ管2を通して下部の第二のスタック3B側の第二高温側熱交換器6に当てると、第二のスタック3Bの両端に温度差が生じ、第二低温側熱交換器7に冷熱が発生する。尚、第一のスタック3A側の第二低温側熱交換器7からも音波が発生するので、その音波をループ管2を通して第一のスタック3A側の第一低温側熱交換器5に当てる構造にしている。
Then, the first high temperature
図5を用いて音波の発生原理を説明する。同図は、第一のスタック3Aの多孔の1つの孔を拡大した説明図であり、孔内の左側の気体は、(1)太陽熱で暖められて膨張し圧力が上がるため、(2)圧力の低い右側に移動する。(3)右側に移動した気体は循環水で冷やされ収縮して圧力が下がり、(4)さらに外側の気体の圧力より下がるため、これに押し返されて左側に移動する。第一高温側熱交換器4と第一低温側熱交換器5との温度差がある程度大きくなると、上記(1)〜(4)の現象が連続して起き、この気体の振動により第一のスタック3Aから第一高温側熱交換器4側に向かって音波が発生する。逆に、音波を第二のスタック3Bの第二高温側熱交換器6側に当てると、孔内の気体が強制的に収縮・膨張し、第二のスタック3Bの両端に温度差が発生する。
The principle of sound wave generation will be described with reference to FIG. This figure is an explanatory view enlarging one porous hole of the
前記集熱手段21は太陽熱を集め、集熱手段21の内部の水が加熱されて蒸気となり、この蒸気が熱輸送手段22の加熱管路24を通って第一高温側熱交換器4の流入口14Aへと上昇し、貫通孔14を通る間に熱交換が行われ、第一高温側熱交換器4が加熱される。貫通孔14を通って温度の低下した蒸気は液化して返送管路26に流れ落ち、このようにして加熱媒体たる水が集熱手段21と加熱管路24と返送管路26とからなる閉管路を循環する。そして、本実施例では、加熱媒体が水であり、蒸発した加熱媒体が蒸気である。この場合、貫通孔14は、流出口14Bの高さ位置が流入口14Aの高さ位置より低くなるように斜めに設けられているから、流入口14Aから入った蒸気が貫通孔14内において液化して水になっても、その水は斜めの傾斜により流出口14Bから返送管路26に落下する。
The heat collecting means 21 collects solar heat, the water inside the heat collecting means 21 is heated to become steam, and this steam flows through the
図4に示したように、フィン部12の中には蒸気や水が通る貫通孔14が貫通している。貫通孔14内を通過する蒸気により第一高温側熱交換器4を効率よく加熱することで、第一高温側熱交換器4に接続している第一のスタック3Aの端面全体を均一に加熱することが可能となり、第一のスタック3Aから大きな音波を発生させたり大きな温度差を発生させたりすることができる。また、第一低温側熱交換器5及び第二高温側熱交換器6においても、循環水が貫通孔14を通過することにより効率よく熱交換が行われる。尚、循環水の循環にはポンプなどの圧送手段(図示せず)を用いることができる。
As shown in FIG. 4, a through
上記のように第一高温側熱交換器4を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって前記第二低温側熱交換器7を冷却することができる。このように太陽熱を利用して熱音響冷却機1により雪室31を冷却することで、雪などの貯蔵量を削減することができる。また、第二高温側熱交換器6を雪室31内に配置し、雪室31内の雪などにより冷却するように構成すれば、第二高温側熱交換器6において循環水による冷却を行う必要がなくなる。
As described above, the first high temperature
このように実施例では、請求項1に対応して、ループ管2の内部に、第一高温側熱交換器4と第一低温側熱交換器5に挟まれた第一のスタック3Aと、第二高温側熱交換器6と第二低温側熱交換器7に挟まれた第二のスタック3Bとを具備してなり、第一高温側熱交換器4を加熱することによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波によって第二低温側熱交換器7が冷却される熱音響冷却機1を用い、太陽熱により第一高温側熱交換器4を加熱し、雪室31を第二低温側熱交換器7により冷却するから、太陽熱により第一高温側熱交換器4を加熱すると、第二低温側熱交換器7により雪室31が冷却される。この場合、第一高温側熱交換器4を加熱する太陽熱が大きいほど冷却能力が高くなるから、日差しが強く雪の解ける量が多い時ほど冷却能力も高くなるため、雪室31での利用に適する。このようにして雪が解ける量を減らせるから、雪の貯蔵量を減らすことができ、雪室31も小さくて済むため、建築コスト低減により導入コストを削減することができる。
Thus, in the embodiment, corresponding to claim 1, the
また、このように実施例では、請求項2に対応して、太陽熱を集熱する集熱手段21と、この集熱手段21により集めた熱を第一高温側熱交換器4に輸送する熱輸送手段22とを備えるから、集熱手段21により太陽熱を集め、この集熱手段21により集めた熱を熱輸送手段22により輸送して第一高温側熱交換器4を加熱することができる。
In this way, in the embodiment, corresponding to claim 2, the heat collecting means 21 for collecting solar heat and the heat for transporting the heat collected by the heat collecting means 21 to the first high temperature
また、このように実施例では、請求項3に対応して、集熱手段21は太陽熱により加熱媒体たる水を蒸発させ、この蒸発した加熱媒体を熱輸送手段22により第一高温側熱交換器4に輸送するから、蒸発した加熱媒体により第一高温側熱交換器4を加熱することができる。
Thus, in this embodiment, corresponding to claim 3, the heat collecting means 21 evaporates water as a heating medium by solar heat, and the evaporated heating medium is converted into the first high temperature side heat exchanger by the heat transport means 22. Therefore, the first high temperature
また、このように実施例では、請求項4に対応して、第一高温側熱交換器4には、ループ管2の内部に、蒸発した加熱媒体が通る複数の通路たる貫通孔14を設けたから、複数の貫通孔14を加熱媒体たる蒸気が通ることにより熱交換が行われ、第一高温側熱交換器4を効果的に加熱することができる。
In this way, in the embodiment, corresponding to claim 4, the first high temperature
また、実施例上の効果として、第一高温側熱交換器4の下方に集熱手段21を配置し、集熱手段21により加熱媒体たる水を蒸発させ、発生した蒸気が加熱管路24を上昇して第一高温側熱交換器4に達し、熱交換した後、水となって返送管路26に流下するから、ポンプなどを用いることなく、加熱媒体を循環することができる。
Further, as an effect of the embodiment, the heat collecting means 21 is arranged below the first high temperature
尚、本発明は、前記実施形態に限定されるものでは無く、種々の変形実施が可能である。例えば、第一低温側熱交換器,第二高温側熱交換器に、図4に示した貫通孔14を有する筒体を用いてもよい。また、集熱手段は各種のものを用いることができ、液体状の加熱媒体を貫通孔14に通すようにしてもよく、この場合は、ポンプなどの圧送手段を用いることができる。また、フィン部12の数は実施例に限定されず、例えば20個以上でもよい。さらに、加熱媒体は水以外の液体でもよい。また、雪室は、新設・既設のいずれにでも適用可能なことは言うまでもない。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible. For example, you may use the cylinder which has the through-
1 熱音響冷却機
2 ループ管
3A 第一のスタック
3B 第二のスタック
4 第一高温側熱交換器
5 第一低温側熱交換器
6 第二高温側熱交換器
7 第二低温側熱交換器
14 貫通孔(通路)
21 集熱手段
22 熱輸送手段
31 雪室
DESCRIPTION OF
14 Through hole (passage)
21 Heat collection means
22 Heat transport means
31 Snow room
Claims (4)
太陽熱により前記第一高温側熱交換器を加熱し、雪室を前記第二低温側熱交換器により冷却することを特徴とする熱音響冷却装置。 Inside the loop tube, the first stack sandwiched between the first high temperature side heat exchanger and the first low temperature side heat exchanger, and the second high temperature side heat exchanger and the second low temperature side heat exchanger. A standing wave and a traveling wave generated by self-excitation by heating the first high-temperature side heat exchanger, and the second low-temperature side by the standing wave and the traveling wave. Using a thermoacoustic cooler where the heat exchanger is cooled,
The thermoacoustic cooling device, wherein the first high temperature side heat exchanger is heated by solar heat, and the snow chamber is cooled by the second low temperature side heat exchanger.
The thermoacoustic cooling device according to claim 3, wherein the first high temperature side heat exchanger is provided with a plurality of passages through which the evaporated heating medium passes inside the loop pipe.
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