JP5548513B2 - 熱音響機関 - Google Patents
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Description
さらに、スタックの両端に高温側熱交換器および低温側熱交換器が設けられ、蓄熱体の両端に高温側熱交換器および低温側熱交換器が設けられている(例えば、特許文献1参照。)。
スタックの高温側熱交換器を加熱するとともに低温側熱交換器を冷却することによりスタックに自励的に振動が発生する。
ここで、蓄熱体の低温側熱交換器が冷却されている。これにより、スタックに発生した自励的な発振が蓄熱体側に伝播されることで高温側熱交換器を加熱して熱源の熱を回収することができる。
よって、熱源の熱(排熱)は一様ではなく、様々な温度の熱が熱音響機関に伝えられる。このため、熱源から伝えられる様々な温度の熱(排熱)に対応させて、様々な温度の熱(排熱)を熱音響機関で有効に回収することは難しい。
すなわち、T1/T2=T3/T4の関係が成立することが好ましい。
また、請求項2は、前記発振した第1スタックの振動が前記第1スタックの一端から前記第2スタックの一端に伝播されるように、前記第1スタックおよび前記第2スタックが前記ループ管に設けられ、前記第1スタックで加熱された温水を前記第2スタックの一端に導く温水通路が前記冷却水通路に連通されたことを特徴とする。
よって、流量調整手段を調整することにより、第1スタックの一端に導かれる熱に応じて冷却水の流量を好適に調整することができる。
これにより、第1スタックの一端側の温度に対応させて第1スタックの他端側の温度や第2スタックの一端の温度を好適に調整することが可能になり、熱源から導かれた熱を有効に回収することができる。
よって、流量調整手段を調整することにより、第1スタックの一端に導かれる熱に応じて冷却水の流量を好適に調整することができる。
これにより、第1スタックの一端側の温度に対応させて第1スタックの他端側の温度や第2スタックの一端の温度を好適に調整することが可能になり、熱源から導かれた熱を有効に回収することができる。
また、請求項2に係る発明では、第1スタックの温水を第2スタックの一端に導く温水通路を冷却水通路に連通させた。
これにより、冷却水通路の流量調整手段を利用して、温水通路の温水を第2スタックの一端に円滑に導くことができ、構成の簡素化を図ることができる。
図1に示すように、熱音響機関10は、無端状に形成されたループ管11と、ループ管11内に収納されて外部から熱が供給される発振体(第1スタック)12と、発振体12の振動(音波)がループ管11内の気体13を介して伝播される蓄熱体(第2スタック)14と、発振体12に冷却水を導く冷却水通路15と、冷却水通路15に設けられた流量調整手段16とを備えたループ管型熱音響機関である。
このループ管11には、窒素、ヘリウム、アルゴンやヘリウムおよびアルゴンの混合ガスなどの気体(不活性ガス)13が封入されている。
この発振体12は、左側の縦管25内に収納された第1スタック単体31と、第1スタック単体31の一端に設けられた第1高温側熱交換器(発振体12の一端)32と、第1スタック単体31の他端に設けられた第1低温側熱交換器(発振体12の他端)33とを備えている。
多数の薄板は、ステンレス鋼やセラミックスで形成された板材である。
この第1高温側熱交換器32は、熱源17の熱(排熱)で温度(平均温度)T1に加熱されている。
冷却水通路15の途中に流量調整手段16が設けられている。
第1低温側熱交換器33は、冷却水供給源18から供給された冷却水の水温で温度(平均温度)T2に冷却されている。
流量調整手段16で冷却水の流量を調整することで、第1高温側熱交換器32の温度T1と第1低温側熱交換器33の温度T2の第1温度比(T1/T2)を、第2高温側熱交換器36の温度(平均温度)T3と第2低温側熱交換器37の温度(平均温度)T4との第2温度比(T3/T4)と等しくできる。
すなわち、温度T1〜T4は、T1/T2=T3/T4の関係が成立する。
加えて、温度T1〜T4は、T1>T3≧T2>T4の関係が成立する。
第1スタック単体31が発振することにより、第1スタック単体31の振動がループ管11内の気体を介して蓄熱体14に伝播される。
この蓄熱体14は、右側の縦管26内に収納された第2スタック単体35と、第2スタック単体35の一端に設けられた第2高温側熱交換器(蓄熱体14の一端)36と、第2スタック単体35の他端に設けられた第2低温側熱交換器(蓄熱体14の他端)37とを備えている。
多数の薄板は、ステンレス鋼やセラミックスで形成された板材である。
第1温水通路21は、第1低温側熱交換器33を介して冷却水通路15に連通されている。
これにより、冷却水通路15の流量調整手段16を利用して、第1温水通路21の温水を第2高温側熱交換器36に円滑に導くことができ、構成の簡素化を図ることができる。
冷却用のフィン38を用いて第2低温側熱交換器37の熱を外気と熱交換することにより第2低温側熱交換器37を温度T4に冷却する。
図2に示すように、発振体12の第1高温側熱交換器32に熱源17の熱Qinを導き、導いた熱Qinで第1高温側熱交換器32を温度T1に加熱する。
同時に、発振体12の第1低温側熱交換器33に冷却水供給源18の冷却水を冷却水通路15を経て矢印Aの如く導く。導いた冷却水で第1低温側熱交換器33を温度T2に冷却する。
発振した振動(音波)が第1高温側熱交換器32からループ管11内の気体13を介して蓄熱体14の第2高温側熱交換器36に矢印Bの如く伝播する。
このように、発振体12の第1スタック単体31が発振することで、熱源17の熱量Qinのうち所定量の熱量が音波(エネルギー)Wに変換される。
W=[(T1−T2)/T1]×Qin ………(1)
Q1=(T2/T1)×Qin ………(2)
第1低温側熱交換器33で生成された温水は、第1温水通路21を経て蓄熱体14の第2高温側熱交換器36に導かれる。
すなわち、残りの熱量Q1が蓄熱体14の第2高温側熱交換器36に矢印Cの如く導かれる。
よって、発振体12の第1スタック単体31から伝播された振動(音波)に基づいて蓄熱体14の第2スタック単体35が振動する。
第2高温側熱交換器36を温度T3に加熱することで、第1温水通路21を経て第2高温側熱交換器36に導かれた温水が加熱される。
Q2=[T3/(T3−T4)]×W ………(3)
よって、熱音響機関10で冷却水が受け取る熱量Qallは、式(1)〜式(3)から、
Qall
=Q1+Q2
={T2/T1+[T3/(T3−T4)]×[(T1−T2)/T1]}×Qin…(4)
となる。
そして、第2高温側熱交換器36で加熱された温水を、第2温水通路22を経て矢印Dの如く貯湯槽23に導く。導いた温水を貯湯槽23に貯えることで熱源17の熱(排熱)を回収することができる。
よって、熱音響機関10で冷却水が受け取る熱量Qallは、
Qall
={T2/T1+1×[(T1−T2)/T1]}×Qin
={T2/T1+1×[(T1−T2)/T1]}×Qin
=Qin
となる。
よって、熱音響機関10で冷却水が受け取る熱量Qallは、
Qall>Qin
となる。
T1/T2=200/85=2.35
T3/T4=88/37=2.38
よって、T1/T2≒T3/T4
の関係が成立する。
Qall
={85/200+[88/(88−37)]×[(200−85)/200]}×Qin
=1.4×Qin
となり、排熱Qinに対して1.4倍の熱量Qallを貯湯槽23に貯湯することができる。
ここで、熱源17から導かれた熱(排熱)を有効に回収するためには、第1高温側熱交換器32の温度(T1)と第1低温側熱交換器33の温度(T2)の第1温度比(T1/T2)を、第2高温側熱交換器36の温度(T3)と第2低温側熱交換器37の温度(T4)との第2温度比(T3/T4)と等しくすることが好ましい。
すなわち、T1/T2=T3/T4の関係が成立することが好ましい。
具体的には、熱源17の熱(排熱)が変化することにより、温度比がT1/T2>T3/T4や、T1/T2<T3/T4に変化することが考えられる。
そこで、冷却水通路15に流量調整手段16を設け、流量調整手段16でT1/T2=T3/T4に調整するようにした。
T1/T2>T3/T4の場合、流量調整手段16で冷却水の流量を減らすことにより、第1低温側熱交換器33の温度T2が上昇するとともに、第2高温側熱交換器36の温度T3が上昇する。
よって、T1/T2が小さくなるとともに、T3/T4が大きくなる。
これにより、T1/T2>T3/T4状態からT1/T2=T3/T4に近づけることができる。
T1/T2<T3/T4の場合、流量調整手段16で冷却水の流量を増やすことにより、第1低温側熱交換器33の温度T2が下降するとともに、第2高温側熱交換器36の温度T3が下降する。
よって、T1/T2が大きくなるとともに、T3/T4が小さくなる。
これにより、T1/T2<T3/T4の状態からT1/T2=T3/T4に近づけることができる。
これにより、第1低温側熱交換器33に伝えられる熱源の熱(排熱)に対応させて第1低温側熱交換器33の温度T2や、第2高温側熱交換器36の温度T3を好適に調整することが可能になり、熱源17から導かれた熱(排熱)を有効に回収することができる。
これにより、冷却水通路15に流量調整手段16を設けるだけの簡単な構成で、第1温度比(T1/T2)を第2温度比(T3/T4)と等しくして熱源17から導かれた熱(排熱)を有効に回収することができる。
例えば、前記実施例で示した熱音響機関10、ループ管11、発振体12、蓄熱体14、冷却水通路15、流量調整手段16、第1温水通路21、第1スタック単体31、第1高温側熱交換器32、第1低温側熱交換器33、第2スタック単体35、第2高温側熱交換器36および第2低温側熱交換器37などの形状や構成は例示したものに限定するものではなく適宜変更が可能である。
Claims (2)
- ループ管に第1スタックおよび第2スタックが設けられ、
前記第1スタックの一端に熱が導かれるとともに前記第1スタックの他端に冷却水が導かれることにより前記第1スタックが発振し、前記第1スタックが発振するとともに前記冷却水を前記熱で温水に加熱し、
前記加熱された温水が前記第2スタックの一端に導かれるとともに前記第2スタックの他端が冷却され、前記発振した第1スタックの振動が前記第2スタックに伝播されることにより前記第2スタックの一端に導かれた温水が加熱され、
前記加熱された温水の熱を回収する熱音響機関であって、
前記第1スタックの他端に前記冷却水を導く冷却水通路に、前記冷却水の流量を調整する流量調整手段を備え、
前記第1スタックの一端の温度と前記第1スタックの他端の温度の比が、
前記第2スタックの一端の温度と前記第2スタックの他端の温度との比と等しくなるように前記流量調整手段で前記冷却水の流量を調整することを特徴とする熱音響機関。 - 前記発振した第1スタックの振動が前記第1スタックの一端から前記第2スタックの一端に伝播されるように、前記第1スタックおよび前記第2スタックが前記ループ管に設けられ、
前記第1スタックで加熱された温水を前記第2スタックの一端に導く温水通路が前記冷却水通路に連通されたことを特徴とする請求項1記載の熱音響機関。
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