JP6205936B2

JP6205936B2 - 蓄熱器

Info

Publication number: JP6205936B2
Application number: JP2013150381A
Authority: JP
Inventors: 阿部　誠; 阿部　　誠; 博文黒澤; 山本　康; 康山本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-07-19
Also published as: JP2015021671A

Description

本発明は、気柱管に封入された作動流体に熱音響自励振動を発生させるために、気柱管の内部であって加熱側熱交換器と冷却側熱交換器との間に配置される蓄熱器及びその製造方法に関する。

熱エネルギと音エネルギとを相互変換する熱音響現象を利用し、これまで無駄になっていた低温廃熱の再利用を可能とする廃熱回生デバイスの開発が進められている。この廃熱回生デバイスとしては、熱音響エンジンや熱音響冷凍器等の熱音響デバイスが知られている。

図３に示すように、熱音響デバイス３００は、作動流体が封入された気柱管３０１と、気柱管３０１の内部に配置された加熱側熱交換器３０２及び冷却側熱交換器３０３と、気柱管３０１の内部であって加熱側熱交換器３０２と冷却側熱交換器３０３との間に配置された蓄熱器３０４と、を備えている。

図４に示すように、加熱側熱交換器３０２及び冷却側熱交換器３０３は、作動流体の往復流を阻害しないように十分に広い間隔で積層された複数の板４０１を外枠４０２に固定した構造となっている。ここで、板４０１としては、高効率な熱交換を実現するために熱伝導性に優れた厚板が使用されている。

これに対して、蓄熱器３０４は、作動流体の流動損失を低減し、熱音響デバイスの性能を向上させるために、気柱管３０１の軸方向に沿って複数の微細孔４０３が形成された構造（例えば、ハニカム構造）となっている。

特開２００４−０２８３８９号公報特開２００４−１９８０２０号公報特開２００５−２３３０３７号公報特開２００６−００２５９９号公報

そのため、加熱側熱交換器３０２と冷却側熱交換器３０３との間に蓄熱器３０４を配置すると、図５に示すように、一部の微細孔４０３の両端が板４０１の端面で塞がれて作動流体が通過することのできない空間が発生する虞がある。この空間は、蓄熱器３０４として機能しないデッドスペース５０１（図示梨地模様部分）を形成し、蓄熱器３０４の性能を著しく悪化させる。

そこで、本発明の目的は、デッドスペースを減少させることが可能な蓄熱器及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、気柱管に封入された作動流体に熱音響自励振動を発生させるために、前記気柱管の内部であって加熱側熱交換器と冷却側熱交換器との間に配置される蓄熱器において、前記気柱管の軸方向に沿って形成された複数の微細孔と、複数の前記微細孔を横断して形成された間隙と、を備え、前記間隙は、前記気柱管の軸方向に所定の幅を有し、その幅が前記微細孔の開口サイズの１／３倍から１倍の大きさに形成されている蓄熱器を提供する。

前記間隙は、前記気柱管の軸方向に沿って断続的に複数箇所に形成されていると良い。

前記間隙は、前記加熱側熱交換器と前記蓄熱器との境界、及び前記冷却側熱交換器と前記蓄熱器との境界に形成されていることが望ましい。

本発明によれば、デッドスペースを減少させることが可能な蓄熱器及びその製造方法を提供することができる。

本発明に係る蓄熱器を使用した熱音響デバイスを示す図であり、（ａ）は図３のＡ−Ａ線と同位置における断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る蓄熱器の製造方法を説明する図である。熱音響デバイスを示す概略図である。加熱側熱交換器、冷却側熱交換器、及び蓄熱器の断面構造を示す概略図である。従来技術に係る蓄熱器を使用した熱音響デバイスを示す図３のＡ−Ａ線断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る蓄熱器１００は、気柱管１０１に封入された作動流体に熱音響自励振動を発生させるために、気柱管１０１の内部であって加熱側熱交換器１０２と冷却側熱交換器１０３との間に配置される。

これらは熱音響デバイス１０４を構成する。ここでは、熱音響デバイス１０４が熱音響エンジンである場合を例として説明する。

気柱管１０１には、窒素やヘリウム等の不活性ガスが作動流体として封入されている。加熱側熱交換器１０２及び冷却側熱交換器１０３は、所定の積層間隔で積層された複数の板１０５を外枠１０６に固定した構造となっている。加熱側熱交換器１０２は、内燃機関から排出ガスと共に外気中に排出される廃熱を熱源として熱交換を行い、また冷却側熱交換器１０３は、内燃機関を流れる冷却水や外気等を冷熱源として熱交換を行う。これらの構造は、従来技術と何ら変わるところが無いので説明を省略する。

この熱音響デバイス１０４では、加熱側熱交換器１０２と冷却側熱交換器１０３とを使用して蓄熱器１００に温度勾配を持たせることで、作動流体に「圧縮→加熱→膨張→冷却」という熱力学的サイクルを発生させる。これにより、回収した廃熱を動力として使用することが可能となる。

さて、本実施の形態に係る蓄熱器１００は、気柱管１０１の軸方向に沿って形成された複数の微細孔１０７と、複数の微細孔１０７を横断して形成された間隙１０８と、を備えている。

微細孔１０７は、セラミックス等からなる蓄熱器本体１０９に高密度で形成されており、蓄熱器本体１０９は、外枠１１０を残してハニカム構造等の多孔構造となっている。図１（ａ）の部分Ｐを拡大した図１（ｂ）に示すように、微細孔１０７の開口サイズＤ１は、板１０５の積層間隔Ｄ２よりも十分に小さく形成されており、作動流体の流動損失を低減して熱音響デバイス１０４の性能を十分に発揮できるようにされている。

間隙１０８は、複数の微細孔１０７を連通する通気流路を成しており、デッドスペース１１１を減少させるのに寄与している。この間隙１０８は、気柱管１０１の軸方向に沿って断続的に複数箇所に形成されていることが好ましい。間隙１０８が少なくとも２箇所に形成されていることにより、加熱側熱交換器１０２から流入する作動流体、及び冷却側熱交換器１０３から流入する作動流体のそれぞれが間隙１０８を通じてデッドスペース１１１となっていた微細孔１０７に流れ込み、再び元の微細孔１０７を通じて流出する迂回流路１１２が形成されるため、デッドスペース１１１となっていた微細孔１０７の大部分を蓄熱器１００として機能させることが可能となるからである。

なお、加熱側熱交換器１０２と蓄熱器１００との境界、及び冷却側熱交換器１０３と蓄熱器１００との境界に間隙１０８を形成することにより、デッドスペース１１１を完全に無くすことが可能となる。

また、間隙１０８は、気柱管１０１の軸方向に所定の幅Ｗを有し、その幅Ｗが微細孔１０７の開口サイズＤ１の１／３倍から１倍の大きさに形成されていることが好ましい。下限を１／３倍としたのは、幅Ｗが開口サイズＤ１の１／３倍未満になると、作動流体が間隙１０８を通じてデッドスペース１１１となっていた微細孔１０７に流れ込み難くなり、デッドスペース１１１を減少させるという目的を達成できない可能性があるからである。また、上限を１倍としたのは、間隙１０８が形成された部分は蓄熱器１００として機能しないことから、幅Ｗが開口サイズＤ１の１倍を超えると、蓄熱器１００として機能しない部分が過度に増加して熱音響デバイス１０４の性能の低下を生じる可能性があるからである。

この蓄熱器１００を製造する際には、図２（ａ）に示すように、先ず、気柱管１０１の軸方向に沿って形成された複数の微細孔１０７を有する蓄熱器本体１０９の端部を外枠１１０を残してエッチングする。これにより、複数の微細孔１０７が形成された部分が外枠１１０に対して蓄熱器本体１０９の内側にオフセットされることになる。その後、図２（ｂ）に示すように、複数の蓄熱器本体１０９を連結することにより、エッチングされてオフセットされた部分が間隙１０８を形成することとなる。この他にも、蓄熱器本体１０９とスペーサとを交互に連結することにより、間隙１０８を形成するようにしても構わない。

これまで説明してきたように、本実施の形態に係る蓄熱器１００によれば、複数の微細孔１０７を横断して形成された間隙１０８を備えており、作動流体が間隙１０８を通じてデッドスペース１１１となっていた微細孔１０７に流れ込む迂回流路１１２が形成されることから、デッドスペース１１１を減少させることが可能となる。

本発明に係る蓄熱器は、熱音響エンジンや熱音響冷凍器の他にもスターリングエンジン等の再生器としても使用することができる。

１００蓄熱器
１０１気柱管
１０２加熱側熱交換器
１０３冷却側熱交換器
１０４熱音響デバイス
１０５板
１０６外枠
１０７微細孔
１０８間隙
１０９蓄熱器本体
１１０外枠
１１１デッドスペース
１１２迂回流路

Claims

気柱管に封入された作動流体に熱音響自励振動を発生させるために、前記気柱管の内部であって加熱側熱交換器と冷却側熱交換器との間に配置される蓄熱器において、
前記気柱管の軸方向に沿って形成された複数の微細孔と、
複数の前記微細孔を横断して形成された間隙と、
を備え、
前記間隙は、前記気柱管の軸方向に所定の幅を有し、その幅が前記微細孔の開口サイズの１／３倍から１倍の大きさに形成されている
ことを特徴とする蓄熱器。
前記間隙は、前記気柱管の軸方向に沿って断続的に複数箇所に形成されている請求項１に記載の蓄熱器。
前記間隙は、前記加熱側熱交換器と前記蓄熱器との境界、及び前記冷却側熱交換器と前記蓄熱器との境界に形成されている請求項１又は２に記載の蓄熱器。