JP7295714B2

JP7295714B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP7295714B2
Application number: JP2019110380A
Authority: JP
Inventors: 大輔朝倉; 勉塩山
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2023-06-21
Anticipated expiration: 2039-06-13
Also published as: JP2020201022A

Description

本発明の実施形態は、熱交換器に関する。

気体が高速で流れる配管の途中に、一端が配管に連通するように開口し、他端が閉口した細管が設けられていると、細管内で圧力変動が生じる場合がある。この場合、この圧力変動により熱音響効果が生じて、細管が発熱する現象が起こる。

特開２０１４－２１１１４０号公報特開２０１５－１４０６８６号公報特開２０１６－１３６００２号公報

本発明が解決しようとする課題は、熱音響効果を高めることが可能な熱交換器を提案することである。

一実施形態に係る熱交換器は、配管と、一端が配管の内径よりも小さな口径で開口し、他端が閉口した複数の細管と、を備える。複数の細管が、配管内で、配管の軸方向および周方向のそれぞれに沿って放射状に配置されている。

本実施形態によれば、熱音響効果を高めることが可能となる。

第１実施形態に係る熱交換器が設置された蒸気タービン発電システムの構成の一例を示す系統図である。第１実施形態に係る熱交換器の内部を透視した図である。第１実施形態に係る熱交換器の一部を軸方向に平行に切断した断面図である。第１実施形態に係る熱交換器を軸方向に垂直に切断した断面図である。第２実施形態に係る熱交換器の内部を透視した図である。第３実施形態に係る熱交換器の一部を軸方向に平行に切断した断面図である。第３実施形態に係る熱交換器を軸方向に垂直に切断した断面図である。（ａ）は、第４実施形態に係る熱交換器の一部を概略的に示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱交換器の一部を拡大した断面図である。（ａ）は、第５実施形態に係る熱交換器の構成を模式的に示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱交換器の一部を拡大した図である。第６実施形態に係る熱交換器の構成を模式的に示す図である。第７実施形態に係る熱交換器の一部を軸方向に平行に切断した断面図である。第７実施形態に係る熱交換器を軸方向に垂直に切断した断面図である。（ａ）は、第８実施形態に係る熱交換器の構成を模式的に示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱交換器の一部を拡大した図である。第９実施形態に係る熱交換器の一部を軸方向に平行に切断した断面図である。第９実施形態の変形例に係る熱交換器の一部を軸方向に平行に切断した断面図である。第１０実施形態に係る熱交換器の一部を軸方向に平行に切断した断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。また、下記の実施形態では、熱交換器は、主に、蒸気タービン発電システムに設置されているが、熱交換器の用途は蒸気タービン発電システムに限定されない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る熱交換器が設置された蒸気タービン発電システムの構成の一例を示す系統図である。

図１に示す蒸気タービン発電システム１は、熱交換器１０ａ、高圧タービン１１、中圧タービン１２、低圧タービン１３、発電機１４、復水器１５、ボイラ給水ポンプ１６、ボイラ１７、主蒸気管１８、低温再熱管１９、再熱器２０、高温再熱管２１、クロスオーバ管２２、過熱器２３などを有する。

蒸気タービン発電システム１では、主蒸気が、ボイラ１７の過熱器２３で過熱されて流出する。この主蒸気は、主蒸気管１８に設けられた熱交換器１０ａを経て高圧タービン１１に流入する。流入した蒸気は、高圧タービン１１で膨張した後、排気され、低温再熱管１９を経てボイラ１７の再熱器２０に流入する。ボイラ１７は、流入した蒸気を再熱器２０により再熱する。再熱された蒸気は、高温再熱管２１を経て中圧タービン１２に流入する。流入した蒸気は、中圧タービン１２で膨張した後、排気され、クロスオーバ管２２を経て低圧タービン１３に流入する。流入した蒸気は、低圧タービン１３で膨張した後、排気され、復水器１５で復水され、ボイラ給水ポンプ１６で昇圧されてボイラ１７に還流される。ボイラ１７に還流された復水は、加熱された後、過熱器２３で過熱されて高温蒸気となり、再び熱交換器１０ａを経て高圧タービン１１へ供給される。一方、発電機１４は、各蒸気タービンの膨張仕事によって回転駆動され発電する。

図２は、第１実施形態に係る熱交換器１０ａの内部を透視した図である。図３は、熱交換器１０ａの一部を軸方向Ｘに平行に切断した断面図である。また、図４は、熱交換器１０ａを軸方向Ｘに垂直に切断した断面図である。

図２～図４に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ａは、外管１０１、内管１０２、および複数の細管１０３などを備える。外管１０１と、外管１０１に収容された内管１０２とは、二重構造を有する配管である。外管１０１および内管１０２は、細管１０３で連結されている。また、外管１０１は、断熱材１０６で覆われている。

複数の細管１０３は、内管１０２を中心に軸方向Ｘおよび周方向のそれぞれに沿って放射状に等間隔に配置されている。各細管１０３の一端は、内管１０２の内部空間１０４に連通するように開口している。各細管１０３の口径Ｌ_１は、内管１０２の内径よりも小さい。一方、各細管１０３の他端は、外管１０１で閉口している。

本実施形態では、ボイラ１７から流出した高速の蒸気である流体１０７は、図２に示す弁１０９で絞られるため、さらに高速となって内管１０２に流入する。なお、弁１０９は、例えば、主蒸気止め弁（ＭＳＶ）や流量制御弁（ＣＶ）などである。

内管１０２の周方向および軸方向Ｘには、一端が内管１０２の内部空間１０４に連通し、他端が外管１０１で閉口した複数の細管１０３が放射状に配置されている。そのため、流体１０７が各細管１０３の一端である入口を横断する際、熱音響効果によって、いわゆるキャビティ音と呼ばれる音が発生して各細管１０３の内部で熱が発生する。

本実施形態では、図２に示すように、軸方向Ｘにおいて、内管１０２の他端は開口している一方で外管１０１の他端は閉口している。そのため、流体１０７は、内管１０２から流出した後、外管１０１の内形状（鏡板）に沿って反転する。反転した流体１０７は、被流体１０８となって、外管１０１の内側、内管１０２の外側、および細管１０３の外側に囲まれた外部空間１０５を、流体１０７と反対方向に流れる。

被流体１０８は、外部空間１０５を流れる際、発熱した細管１０３との熱交換によって加熱される。加熱された被流体１０８は、外部空間１０５に連通する出口１１０を経て、高圧タービン１１に向かう。

本実施形態に係る熱交換器１０ａには、多数の細管１０３が、内管１０２の周方向および軸方向Ｘに沿って設けられている。そのため、高速の流体１０７が内管１０２を流れると、各細管１０３が発熱体として機能する。これにより、熱音響効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、図３および図４に示すように、外管１０１は、断熱材１０６で覆われている。そのため、熱交換器１０ａから外部への熱エネルギの漏洩を防ぐことも可能となる。

さらに、本実施形態では、複数の細管１０３の配置に関し、軸方向Ｘの中心軸間距離Ｂ_１（図３参照）が、キャビティ音の波長λの整数倍になっている。これにより、音波の位相が揃い、連成振動が起こる。その結果、各細管１０３の圧力変動は増幅され、効率よく発熱させることが可能となる。

上記中心軸間距離Ｂ_１は、下記の式（１）式で算出される値、または当該値の整数倍の１０％以内であってもよい。
Ｂ_１＝ｎＤ_１（４＋２．６（Ｌ_１／Ｄ_１）^０．７５）（１）
式（１）において、ｎは自然数であり、Ｄ_１は、各細管１０３の深さ（一端から他端までの距離）であり、Ｌ_１は、各細管１０３の口径である。

中心軸間距離Ｂ_１が、上記のように規定されると、連成振動を誘起するロックイン現象が生じる。その結果、キャビティ音は増幅され、効率よく発熱させることが可能となる。

なお、本実施形態では、図３に示すように、流体１０７および被流体１０８は、互いに反対方向に流れているが、両者は同じ方向に流れていてもよい。すなわち、流体１０７および被流体１０８の流れの向きは、特に制限されない。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る熱交換器１０ｂの内部を透視した図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る熱交換器１０ｂは、プラントの熱交換器システムに用いられる。図５に示すように、熱交換器１０ｂは、外管１０１および内管１０２を有する二重構造である。外管１０１は、仕切り板１２０で上下に分けられている。ただし、仕切り板１２０は、軸方向Ｘの途中で終端しているため、外部空間１０５は、上下で繋がっている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、内管１０２の周方向および軸方向Ｘの其々沿って複数の細管１０３が内管１０２を取り囲む放射状に配置され、各細管１０３の一端は開口して内管１０２の内部空間１０４に連通している。そのため、流体１０７が内管１０２の内部空間１０４を流れると、熱音響効果によって、キャビティ音が発生して細管１０３が発熱する。また、図５には示されていないが、外管１０１は、第１実施形態と同様に断熱材１０６で囲まれている。そのため、熱音響効果によって発生した熱エネルギの外部への漏洩を防ぐことができる。

本実施形態に係る熱交換器１０ｂでは、図５に示すように、被流体１０８が、外管１０１に設けられたノズル１１１から流入し、仕切り板１２０で仕切られた外部空間１０５の下半部を軸方向Ｘに沿って流れる。その後、被流体１０８は、外管１０１の閉口端で反転して外部空間１０５の上半部を逆方向に流れ、最終的にノズル１１２から排出される。被流体１０８は、外部空間１０５を流れる際、発熱した細管１０３との熱交換により加熱される。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、多数の細管１０３が、内管１０２の周方向および軸方向Ｘに沿って設けられている。そのため、高速の流体１０７が内管１０２を流れると、各細管１０３が発熱体として機能する。これにより、熱音響効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、効率よく発熱させるために、軸方向Ｘにおける細管１０３の中心軸間距離は、キャビティ音の波長λの整数倍になっていることが望ましい。また、中心軸間距離は、第１実施形態で説明した式（１）式で算出される値、または当該値の整数倍の１０％以内であってもよい。この場合も、連成振動を誘起するロックイン現象が生じるため、キャビティ音が増幅され、各細管１０３を効率よく発熱させることが可能となる。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係る熱交換器１０ｃの一部を軸方向Ｘに平行に切断した断面図である。また、図７は、第３実施形態に係る熱交換器１０ｃを軸方向Ｘに垂直に切断した断面図である。

図６および図７に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ｃは、外管２０１で構成された一重構造を有する。外管２０１は、金属製であり、軸方向Ｘに沿って延びる中心孔２１１と、中心孔２１１を囲む厚肉部２１２と、を有する。厚肉部２１２は、断熱材２０６で覆われている。また、厚肉部２１２には、複数の細孔２０３が中心孔２１１の軸方向Ｘおよび周方向に沿って放射状に形成されている。複数の細孔２０３は、第１実施形態で説明した細管１０３に相当する。すなわち、各細孔２０３の一端は、中心孔２１１に連通するように開口し、他端は厚肉部２１２で閉口している。

熱交換器１０ｃでは、中心孔２１１に流入した高速の流体１０７が各細孔２０３の一端を横断すると、熱音響効果によってキャビティ音が発生して各細孔２０３内部が発熱する。この熱は、外管１０１の厚肉部２１２を通じて流体１０７に伝達される。その結果、流体１０７は、各細孔２０３で発生した熱を回収した被流体１０８として中心孔２１１から流出する。すなわち、流体１０７は、細孔２０３の発熱とその熱回収の両方を担う作動流体として機能する。このとき、外管２０１の外側には断熱材２０６が設けられているので、各細孔２０３の熱エネルギの漏洩を防ぐことができる。

本実施形態によれば、多数の細孔２０３が、外管２０１の周方向および軸方向Ｘに沿って設けられている。そのため、高速の流体１０７が外管２０１の中心孔２１１を流れると、各細孔２０３が発熱体として機能する。これにより、熱音響効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、細孔２０３を効率よく発熱させるために、軸方向Ｘにおける細孔２０３の中心軸間距離は、キャビティ音の波長λの整数倍になっていることが望ましい。また、中心軸間距離は、第１実施形態で説明した式（１）式で算出される値、または当該値の整数倍の１０％以内であってもよい。この場合も、連成振動を誘起するロックイン現象が生じるため、キャビティ音が増幅され、各細孔２０３を効率よく発熱させることが可能となる。なお、本実施形態では、式（１）のＤ_１は、各細孔２０３の深さ（一端から他端までの距離）に相当し、Ｌ_１は、各細孔２０３の口径に相当する。

（第４実施形態）
図８（ａ）は、第４実施形態に係る熱交換器１０ｄの一部を概略的に示した斜視図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す熱交換器１０ｄの一部を拡大した断面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ｄは、複数の平板部材３０１および複数のキャビティ部３０２を備える。

複数の平板部材３０１は、金属プレートであり、厚さ方向Ｚで互いに平行に配置されている。複数のキャビティ部３０２は、各平板部材３０１から厚さ方向Ｚの下向きに突出した凸状に形成されている。各平板部材３０１において、複数のキャビティ部３０２は、長さ方向Ｘおよび幅方向Ｙに沿って点在している。

本実施形態では、図８に示すように、流体３０７が、平板部材３０１の間を長さ方向Ｘに沿って流れる。各平板部材３０１には、多数のキャビティ部３０２が設けられている。各キャビティ部３０２の一端は開口している一方で、他端は閉口している。そのため、流体３０７がキャビティ部３０２を横断すると、熱音響効果によってキャビティ音が発生してキャビティ部３０２が発熱する。この熱は、平板部材３０１に伝達されるので、平板部材３０１が加熱される。そのため、平板部材３０１の間を流れる流体３０７も加熱される。その結果、流体３０７は、各キャビティ部３０２で発生した熱を回収した被流体３０８として流出する。すなわち、流体３０７は、キャビティ部３０２の発熱とその熱回収の両方を担う作動流体として機能する。

本実施形態によれば、多数のキャビティ部３０２が、平板部材３０１の長さ方向Ｘおよび幅方向Ｙに沿って配置され行列状に配列されている。そのため、流体３０７が平板部材３０１の間を流れると、各キャビティ部３０２が発熱体として機能する。これにより、熱音響効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、複数のキャビティ部３０２の配置に関し、長さ方向Ｘの中心軸間距離Ｂ_２（図８（ａ）参照）が、キャビティ音の波長λの整数倍になっている。これにより、音波の位相が揃い、連成振動が起こる。その結果、各キャビティ部３０２の圧力変動は増幅され、効率よく発熱させることが可能となる。

中心軸間距離Ｂ_２は、下記の式（２）で算出される値、または当該値の整数倍の１０％以内であってもよい。
Ｂ_２＝ｎＤ_２（４＋２．６（Ｌ_２／Ｄ_２）^０．７５）（１）
式（２）において、ｎは自然数であり、Ｄ_２は、平板部材３０１の表面からの各キャビティ部３０２の深さであり、Ｌ_２は、各キャビティ部３０２の長さ方向Ｘの口径である。

中心軸間距離Ｂ_２が、上記のように規定されると、連成振動を誘起するロックイン現象が生じる。その結果、キャビティ音は増幅され、効率よく発熱させることが可能となる。

（第５実施形態）
図９（ａ）は、第５実施形態に係る熱交換器１０ｅの構成を模式的に示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す熱交換器１０ｅの一部を拡大した図である。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ｅは、外管４０１と、内管４０２と、複数のキャビティ部４０３と、を備える。

外管４０１および内管４０２は、同心円の二重構造を有する配管である。外管４０１の下端部には入口４１１が設けられ、上端部には出口４１２が設けられている。入口４１１と出口４１２は、軸方向Ｘで互いに離れて配置されている。

複数のキャビティ部４０３は、内管４０２の外側へ向かった凸状に形成されている。また、複数のキャビティ部４０３は、内管４０２の周方向および軸方向Ｘのそれぞれに沿って点在している。

本実施形態では、高温の流体４０７が、内管４０２を軸方向Ｘに流れる。この流体４０７が、各キャビティ部４０３を横断するときに、各キャビティ部４０３で圧力変動が生じる。これにより、キャビティ音が発生し、熱音響効果によって各キャビティ部４０３は発熱する。一方、外管４０１には、低温の被流体４０８が入口４１１から流入する。流入した被流体４０８は、キャビティ部４０３の周囲を通過する。このとき、被流体４０８は、各キャビティ部４０３で発生した熱によって加熱される。加熱された被流体４０８は出口４１２から流出する。

本実施形態によれば、多数のキャビティ部４０３が、内管４０２の周方向および軸方向Ｘに沿って設けられている。そのため、流体４０７が内管４０２を流れると、各キャビティ部４０３が発熱体として機能する。これにより、熱音響効果を高めることが可能となる。また、低温の被流体４０８は、内管４０２と外管４０１の間隙を通過することによって、熱交換されるので、各キャビティ部４０３で発生した熱を有効に活用することができる。

また、本実施形態では、各キャビティ部４０３を効率よく発熱させるために、軸方向Ｘにおけるキャビティ部４０３の中心軸間距離Ｂ_３は、キャビティ音の波長λの整数倍になっていることが望ましい。また、この中心軸間距離Ｂ_３は、下記の式（３）で算出される値、または当該値の整数倍の１０％以内であってもよい。この場合も、連成振動を誘起するロックイン現象が生じるため、キャビティ音が増幅され、各キャビティ部４０３を効率よく発熱させることが可能となる。
Ｂ_３＝ｎＤ_３（４＋２．６（Ｌ_３／Ｄ_３）^０．７５）（３）
式（３）において、ｎは自然数であり、Ｄ_３は、内管４０２から突出した各キャビティ部４０３の深さであり、Ｌ_３は、各キャビティ部４０３の軸方向Ｘの口径である。

（第６実施形態）
図１０は、第６実施形態に係る熱交換器１０ｆの構成を模式的に示す図である。図１０に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ｆは、外管５０１と、内管５０２と、複数の細管５０３と、複数のキャビティ部５０４と、を備える。

外管５０１および内管５０２は、同心円の二重構造を有する配管である。外管５０１の下端部には入口５１１が設けられ、上端部には出口５１２が設けられている。入口５１１と出口５１２は、軸方向Ｘで互いに離れて配置されている。

複数の細管５０３は、内管５０２に設けられ、入口５１１と対向する。複数のキャビティ部５０４は、内管５０２の内側へ向かって窪んだ凹状に形成されている。また、複数のキャビティ部５０４は、細管５０３よりも出口５１２側で、内管５０２の周方向および軸方向Ｘのそれぞれに沿って点在している。

本実施形態では、低温の被流体５０８が、内管５０２を軸方向Ｘに流れる。一方、外管５０１には、高温の流体５０７が入口５１１から流入する。流入した流体５０７は、入口５１１に対向する細管５０３に衝突した後、キャビティ部５０４を横断しながら出口５１２に向かって流れる。流体５０７が細管５０３に衝突したとき、およびキャビティ部５０４を横断するときに、圧力変動が細管５０３およびキャビティ部５０４のそれぞれで発生する。そのため、熱音響効果によって、キャビティ音が発生して細管５０３およびキャビティ部５０４が発熱する。その結果、被流体５０８が細管５０３およびキャビティ部５０４で発生した熱によって加熱される。

本実施形態によれば、多数の凹状のキャビティ部５０４が、内管５０２の周方向および軸方向Ｘに沿って設けられている。そのため、流体５０７が外管５０１を流れると、各キャビティ部５０４が発熱体として機能する。これにより、熱音響効果を高めることが可能となる。また、低温の被流体５０８は、内管５０２を通過することによって、熱交換されるので、細管５０３および各キャビティ部５０４で発生した熱を有効に活用することができる。

また、本実施形態では、各キャビティ部５０４を効率よく発熱させるために、軸方向Ｘにおけるキャビティ部５０４の中心軸間距離は、キャビティ音の波長λの整数倍になっていることが望ましい。また、この中心軸間距離は、第５実施形態で説明した式（３）で算出される値、または当該値の整数倍の１０％以内であってもよい。この場合も、連成振動を誘起するロックイン現象が生じるため、キャビティ音が増幅され、各キャビティ部５０４を効率よく発熱させることが可能となる。なお、本実施形態では、式（３）におけるＤ_３は、内管５０２の表面から窪んだ各キャビティ部５０４の深さに相当し、Ｌ_３は、各キャビティ部５０４の軸方向Ｘの口径に相当する。

（第７実施形態）
図１１は、第７実施形態に係る熱交換器１０ｇの一部を軸方向Ｘに平行に切断した断面図である。また、図１２は、第７実施形態に係る熱交換器１０ｇを軸方向Ｘに垂直に切断した断面図である。

本実施形態に係る熱交換器１０ｇは、複数の円筒部材６０１および複数のキャビティ部６０２を備える。複数の円筒部材６０１は、図１２に示すように、互いに同心円に配置され、支え羽根６０３によって固定されている。各円筒部材６０１は、例えば、第４実施形態で説明した複数の平板部材３０１（図８参照）を同心円の筒状に曲げることによって形成することができる。これにより、円筒部材６０１の設置スペースは、平板部材３０１の設置スペースに比べて削減することができる。

複数のキャビティ部６０２は、各円筒部材６０１の外側に向かって突出した凸状に形成されている。各円筒部材６０１において、複数のキャビティ部６０２は、軸方向Ｘおよび周方向に沿って点在している。

本実施形態では、図１１に示すように、流体６０７が、円筒部材６０１の間を軸方向Ｘに沿って流れる。各円筒部材６０１には、多数のキャビティ部６０２が設けられている。各キャビティ部６０２の一端は開口している一方で、他端は閉口している。そのため、流体６０７がキャビティ部６０２を横断すると、熱音響効果によってキャビティ音が発生してキャビティ部６０２が発熱する。この熱は、円筒部材６０１に伝達されるので、円筒部材６０１が加熱される。そのため、円筒部材６０１の間を流れる流体６０７も加熱される。その結果、流体６０７は、各キャビティ部６０２で発生した熱を回収した被流体６０８として流出する。すなわち、流体６０７は、キャビティ部６０２の発熱とその熱回収の両方を担う作動流体として機能する。

本実施形態によれば、多数のキャビティ部６０２が、円筒部材６０１の軸方向Ｘおよび周方向に沿って配置され放射状に配置されている。そのため、流体６０７が円筒部材６０１の間を流れると、各キャビティ部６０２が発熱体として機能する。これにより、熱音響効果を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、最も外側の円筒部材６０１は、断熱材６０６で覆われている。そのため、各キャビティ部６０２で発生した熱の外部への漏えいを防ぐことができる。

さらに、本実施形態では、複数のキャビティ部６０２の配置に関し、軸方向Ｘの中心軸間距離が、キャビティ音の波長λの整数倍になっている。これにより、音波の位相が揃い、連成振動が起こる。その結果、各キャビティ部６０２の圧力変動は増幅され、効率よく発熱させることが可能となる。

上記中心軸間距離は、第４実施形態で説明した式（２）で算出される値、または当該値の整数倍の１０％以内であってもよい。この場合、連成振動を誘起するロックイン現象が生じるため、キャビティ音が増幅され、その結果、効率よく発熱させることが可能となる。なお、本実施形態では、式（２）におけるＤ_２は、円筒部材６０１の内面からの各キャビティ部６０２の深さに相当し、Ｌ_２は、各キャビティ部６０２の軸方向Ｘの口径に相当する。

（第８実施形態）
図１３（ａ）は、第８実施形態に係る熱交換器１０ｉの構成を模式的に示す図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す熱交換器１０ｉの一部を拡大した図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ｉは、外管７０１で構成された一重構造を有する。外管７０１は、金属製であり、軸方向Ｘに沿って延びる中心孔７１１と、中心孔７１１を囲む厚肉部７１２と、厚肉部７１２に形成された複数の溝部７１３と、を有する。

厚肉部７１２は、断熱材７０６で覆われている。厚肉部７１２には、複数の細孔７０３が中心孔７１１の軸方向Ｘおよび周方向に沿って放射状に加工されている。複数の細孔７０３は、第１実施形態で説明した細管１０３に相当する。すなわち、各細孔７０３の一端は、中心孔７１１に連通するように開口し、他端は厚肉部７１２で閉口している。溝部７１３は、軸方向Ｘに沿って細孔７０３と交互に配置されている。溝部７１３の一端は、中心孔７１１と連通するように開口し、他端は厚肉部７１２で終端している。

本実施形態では、中心孔７１１に流入した流体７０７が溝部７１３および細孔７０３を横断すると、キャビティ音が発生する。本実施形態では、図１３（ｂ）に示すように、溝部７１３の軸方向Ｘの中心軸間距離Ｂ_４は、細孔７０３の軸方向Ｘの中心軸間距離Ｂ_１に等しい。そのため、溝部７１３で発生するキャビティ音の周波数と、細孔７０３で発生するキャビティ音の周波数とが、一致する。これにより、２つのキャビティ音の位相が揃うため、連成振動が発生して溝部７１３および細孔７０３を効率良く発熱することができる。

また、キャビティ音の周波数ｆ_１が、下記の式（４）で算出される値、または当該値の１０％以内となるように溝部７１３を形成してもよい。
ｆ_１＝Ｃ／Ｄ_４×１/（４＋２．６（Ｌ_４／Ｄ_４）^０．７５）（４）
式（４）において、Ｃは音速であり、Ｄ_４は溝部７１３の深さであり、Ｌ_４は軸方向Ｘにおける溝部７１３の開口幅である。

上記式（４）に基づいて溝部７１３を形成することによって、ロックイン現象が誘起され連成振動が発生する。これにより、効率の良い発熱が可能となる。

なお、本実施形態は、一重管に適応した熱交換器１０ｉであるが、第１実施形態で説明した二重管、第４実施形態で説明した平板構造、および第７実施形態で説明した多重管にも適応が可能である。

（第９実施形態）
図１４は、第９実施形態に係る熱交換器１０ｊの一部を軸方向Ｘに平行に切断した断面図である。図１４に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ｊは、外管８０１と、内管８０２と、複数の細管８０３と、を備える。外管８０１および内管８０２の構造は、第１実施形態で説明した外管１０１および内管１０２と同様であるため、説明を省略する。

各細管８０３は、ヘルムホルツ共鳴器である。具体的には、各細管８０３は、縮小管８３１および胴体管８３２を有する。縮小管８３１の一端は、内管８０２に連通するように開口し、他端は、胴体管８３２に連通する。胴体管８３２の一端は、縮小管８３１を介して内管８０２と連通するように開口し、他端は閉口している。各細管８０３は、下記の式（５）で示される共振周波数ｆ_２を有する。
ｆ_２＝Ｃ／２π（Ｓ／ＨＶ）^１／２（５）
式（５）において、Ｃは音速であり、Ｓは縮小管８３１の断面積であり、Ｈは縮小管８３１の長さであり、Ｖは胴体管８３２の体積である。

本実施形態では、高速の流体８０７が内管８０２を流れると、熱音響効果によってキャビティ音が発生して各細管１０３が発熱する。このとき、各細管８０３は、上記共振周波数ｆ_２で圧力変動するため、熱音響効果をより一層高めることが可能となる。また、各細管８０３で発生した熱は、内管８０２と外管８０１との間を流れる被流体８０８の熱交換に用いられる。そのため、熱音響効果によって発生した熱を有効活用することができる。

さらに、本実施形態では、図１４に示すように、外管８０１は、断熱材８０６で覆われている。そのため、熱交換器１０ｊから外部への熱エネルギの漏洩を防ぐことも可能となる。

図１５は、第９実施形態の変形例に係る熱交換器１０ｋの一部を軸方向Ｘに平行に切断した断面図である。上述した第９実施形態に係る熱交換器１０ｊと同様の構成要素には、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１５に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ｋは、ヘルムホルツ共鳴器である細管８０３と、ヘルムホルツ共鳴器でない細管８０４の両方を備えている。細管８０４は、細管８０３のように体積の大きな胴体管８３２を有さないため、省スペース化を実現することができる。

なお、細管８０３および細管８０４の配置形態は特に制限されないが、効率よく発熱させるために、各細管は、各々のキャビティ音の位相が一致して連成振動が起こるように配置することが望ましい。

（第１０実施形態）
図１６は、第１０実施形態に係る熱交換器１０ｌの一部を軸方向Ｘに平行に切断した断面図である。図１６では、第１実施形態に係る熱交換器１０ａと同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図１６に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０ｌは、第１実施形態に係る熱交換器１０ａの構成要素に加えて、複数のバルブ１１３をさらに備える。各バルブ１１３は、各細管１０３の他端に設けられている。すなわち、細管１０３の他端は、バルブ１１３によって開閉可能となっている。

各バルブ１１３が閉状態のとき、高速の流体１０７が内管１０２を軸方向Ｘに流れると、各細管１０３は、キャビティ音を発し、熱音響効果により発熱する。一方、各バルブ１１３が開状態になると、各細管１０３の両端が開口するため、熱音響効果は生じないため各細管１０３は発熱しない。なお、内管１０２から細管１０３に流入した流体１０７は、バルブ１１３に連結された配管２００を通じてコンデンサー（不図示）に回収される。

以上説明した本実施形態によれば、多数の細管１０３が設けられているため、第１実施形態と同様に、熱音響効果を高めることができる。さらに、バルブ１１３の開度を調節することによって、熱音響効果による細管１０３の発熱状態、換言すると熱交換の性能をコントロールすることが可能となる。

以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０ａ～１０ｌ：熱交換器
１０１、２０１、４０１、５０１、７０１、８０１：外管
１０２、４０２、５０２、８０２：内管
１０３、５０３、８０３、８０４：細管
１１３：バルブ
２０３：細孔
３０１：平板部材
３０２、４０３、５０４、６０２：キャビティ部
６０１：円筒部材
７１１：中心孔
７１２：厚肉部
７１３：溝部

Claims

配管と、
一端が前記配管の内径よりも小さな口径で開口し、他端が閉口するかまたはバルブによって開閉可能とされた複数の細管と、を備え、
前記複数の細管が、前記配管の中心から放射状に延び、
流体が前記配管内に流入すると前記複数の細管で熱が発生し、前記熱で加熱された前記流体が前記配管から流出する、熱交換器。
前記配管は、外管と、前記外管内に収容された内管と、を有する二重構造であり、
前記複数の細管の前記一端は前記内管に連通し、前記他端は前記外管で閉口している、請求項１に記載の熱交換器。
前記配管は、中心孔と、前記中心孔を囲む厚肉部と、を有する一重構造であり、
前記複数の細管は、前記厚肉部に設けられた複数の細孔であり、各細孔の一端は前記中心孔に連通し、前記各細孔の他端は前記厚肉部で閉口している、請求項１に記載の熱交換器。
前記複数の細管における前記配管の軸方向の中心軸間距離Ｂ_１が、前記流体が前記配管内を流れたときに各細管の圧力変動によって生じる音の波長の整数倍、または下記の式で算出される値である、請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
Ｂ_１＝ｎＤ_１（４＋２．６（Ｌ_１／Ｄ_１）^０．７５）
ｎ：自然数
Ｄ_１：細管の深さ
Ｌ_１：細管の口径
前記配管の軸方向に沿って前記複数の細管と交互に配置された複数の溝部をさらに備え、
前記複数の溝部の前記軸方向の中心軸間距離は、前記複数の細管の前記軸方向の中心軸間距離に等しい、請求項１から４のいずれか1項に記載の熱交換器。
前記流体が前記配管内を流れたときに各細管の圧力変動および各溝部の圧力変動によってそれぞれ生じる音の周波数ｆが、下記の式で算出される値である、請求項５に記載の熱交換器。
ｆ＝Ｃ／Ｄ_４×１/（４＋２．６（Ｌ_４／Ｄ_４）^０．７５）
Ｃ：音速
Ｄ_４：溝部の深さ
Ｌ_４：前記軸方向における溝部の開口幅
前記複数の細管は、ヘルムホルツ共鳴器である、請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。