JP7374534B1

JP7374534B1 - 音波発生装置、熱音響機関及び熱処理炉

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Publication number: JP7374534B1
Application number: JP2023001387A
Authority: JP
Inventors: 愼一 ▲高▼橋; 輝一神田; 浩大下; 亮小山
Original assignee: Kanto Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Kanto Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2023-01-06
Filing date: 2023-01-06
Publication date: 2023-11-07
Anticipated expiration: 2043-01-06

Abstract

【課題】熱音響機関に関して、熱源からガスを直接取り出すことなく、熱源の熱を取り出して、音波を発生させることを可能にする構成を提供する。【解決手段】本開示の音波発生装置１０は、環状の熱音響用配管１６に設けられる蓄熱器２４と、前記熱音響用配管の流路方向において前記蓄熱器の第１端部に連結される高温側熱交換器２６と、前記熱音響用配管の前記流路方向において前記第１端部とは反対側の前記蓄熱器の第２端部に連結される低温側熱交換器２８と、前記高温側熱交換器から延出するように設けられる固体伝熱部材３０であって、前記熱音響用配管の外部に位置する熱源３２の取付部３４に取り付けられる固体伝熱部材３０とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、熱の入力に基づき音波を発生させる音波発生装置、この音波発生装置を備えた熱音響機関、及び、この熱音響機関を備えた熱処理炉に関する。

従来、各種の工場、発電所等において各種機械から排出される排熱を利用する構成が種々提案されていて、これらは省エネルギー化の観点から更なる発展が期待されている。例えば、特許文献１は、工業炉の炉設備の排気管に配置された高温側熱交換器、蓄熱器及び低温側熱交換器が順に接続された原動機が出力ループ配管に配置された第１変換部と、接続配管を介して第１変換部で生成された音波が伝達される第２変換部とを備えた、熱音響機関を開示する。第１変換部は、排気管の排熱から熱音響自励振動による音波を発生させる構成を有し、第２変換部は、接続配管から音波を入力して音波の振動から電力を発生させたり、冷熱を発生させたりするように構成されている。

特開２０１９－８６１７６号公報

ところで、工場等において、各種機械の排熱を有効に取り出すために、例えば排ガスそのものを排気管から外部に取り出すことは、排ガスの漏れの可能性などの点で改善の余地がある。一方で、上記特許文献１においては、排気管から排熱を取り出す構成については何ら記載されていない。

本開示の目的は、熱音響機関に関して、熱源からガスを直接取り出すことなく、熱源の熱を取り出して、音波を発生させることを可能にする構成を提供することにある。

上記目的を達成するために、本開示の第１態様は、
環状の熱音響用配管に設けられる蓄熱器と、
前記熱音響用配管の流路方向において前記蓄熱器の第１端部に連結される高温側熱交換器と、
前記熱音響用配管の前記流路方向において前記第１端部とは反対側の前記蓄熱器の第２端部に連結される低温側熱交換器と、
前記高温側熱交換器から延出するように設けられる固体伝熱部材であって、前記熱音響用配管の外部に位置する熱源の取付部に取り付けられる固体伝熱部材と
を備えた、音波発生装置
を提供する。

好ましくは、前記固体伝熱部材は、前記熱源と前記固体伝熱部材との間に介在するように前記熱源の前記取付部に配置される伝熱仕切部材と接するように設けられる。

例えば、前記固体伝熱部材は、棒状部材であるとよく、また前記伝熱仕切部材は、一端が閉じられた管部材であるとよい。

例えば、前記固体伝熱部材は、グラファイト製又は炭化ケイ素製であるとよい。

本開示の第２態様は、
前述の音波発生装置を備えている第１変換部と、
前記第１変換部の前記熱音響用配管に接続配管を介して接続され、前記第１変換部で生成された音波からエネルギーを発生させる第２変換部と
を備える熱音響機関
を提供する。

好ましくは、前記第２変換部は、前記第１変換部で生成された音波から電気エネルギー又は熱エネルギーを発生させるように構成されている。

本開示の第３態様は、
前述の熱音響機関を備えた熱処理炉
を提供する。

好ましくは、前述の熱処理炉は、被熱処理物を加熱する加熱部と、該加熱部において加熱された前記被熱処理物を冷却する冷却部とを備える。この場合、前記伝熱仕切部材は、前記加熱部に設けられ、前記第２変換部は、前記冷却部に供給される冷熱エネルギーを発生させるように構成されているとよい。

また、好ましくは、前述の熱処理炉は、被熱処理物を加熱する加熱部と、該加熱部において加熱された前記被熱処理物を冷却する冷却部と、少なくとも前記加熱部への供給用のガスを生成するガス供給装置とを備える。この場合、前記伝熱仕切部材は、前記加熱部に設けられ、前記第２変換部は、前記ガス供給装置の変成装置で生成された変成ガスを冷却する冷熱エネルギーを発生させるように構成されているとよい。

本開示の上記第１から第３態様によれば、上記構成を備えるので、熱音響機関に関して、熱源からガスを直接取り出すことなく、熱源の熱を取り出して、音波を発生させることができる。

図１は、本開示に係る基本構成例の音波発生装置と、その音波発生装置を備える基本構成例の熱音響機関を説明するための概念図である。図２は、図１の熱音響機関の一例を説明するための概念図である。図３は、図２の熱音響機関の第１変換部の構成が適用された、第１実施形態に係る熱処理炉の概略構成図である。図４は、図３の熱処理炉に設けられた熱音響機関及びその周囲の拡大図である。図５は、図２の熱音響機関の第１変換部の構成が適用された、第２実施形態に係る熱処理炉の概略構成図である。図６は、図５の熱処理炉に設けられた熱音響機関及びその周囲の拡大図である。

以下、本開示に係る実施形態を添付図に基づいて説明する。同一の部品（又は構成）には同一の符号を付してあり、それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

まず、本開示に係る基本構成例の音波発生装置１０と、その音波発生装置１０を備える基本構成例の熱音響機関１２を図１に基づき説明する。熱音響機関１２は、音波発生装置１０を備えている第１変換部１４と、第１変換部１４の熱音響用配管１６に接続配管１８を介して接続された第２変換部２０とを備えている。

第１変換部１４は音波発生装置１０を備え、熱音響用配管１６とコア部２２とを備える。熱音響用配管１６は、環状つまりループ状の配管である。接続配管１８の一端は熱音響用配管１６に連通し、接続配管１８の他端には第２変換部２０が設けられている。熱音響用配管１６及び接続配管１８は互いに連通し、所定の作動気体（ここではヘリウム（Ｈｅ））が所定圧力下で封入されている。なお、作動気体は、ヘリウムに限定されず、種々の気体で有り得、例えばヘリウム、窒素、アルゴン及び空気のうちの１つの気体又はそれらのうちの２つ以上を含む混合気体であってもよい。また、第２変換部２０が接続配管１８に連通する配管（例えば後述する環状配管８２）を有するとき、その配管にも、熱音響用配管１６及び接続配管１８内と同じく、所定の作動気体が所定圧力下で封入される。

第１変換部１４つまり音波発生装置１０は、前述のように、環状の熱音響用配管１６と、コア部２２とを備えている。コア部２２は、原動機と称される場合もあり、蓄熱器２４と、高温側熱交換器２６と、低温側熱交換器２８とを備えている。蓄熱器２４と、高温側熱交換器２６と、低温側熱交換器２８とは、高温側熱交換器２６と低温側熱交換器２８とで蓄熱器２４を挟むように熱音響用配管１６に設けられる。高温側熱交換器２６は、熱音響用配管１６の流路方向ＦＡ１において蓄熱器２４の一端（第１端部）に連結される。高温側熱交換器２６は、蓄熱器２４の第１端部を相対的に加熱するように構成されている。低温側熱交換器２８は、熱音響用配管１６の流路方向ＦＡ１において第１端部とは反対側の蓄熱器２４の他端（第２端部）に連結される。低温側熱交換器２８は、蓄熱器２４の第２端部を相対的に冷却するように構成されている。

蓄熱器２４は、例えばハニカムのような細かい流路が設けられた構造体であり、セラミック又は金属から作製され得、ここではステンレス鋼製ハニカム状構造体を有しているが、その他の構成を有してもよい。蓄熱器２４は、熱音響用配管１６の流路方向ＦＡ１に直交する断面において複数の流路つまり孔を有して構成され、例えば、その複数の孔の各々は、１ｍｍ未満のサイズ、例えば１ｍｍ未満の内径を有するとよい。高温側熱交換器２６及び低温側熱交換器２８は、それぞれ高い熱伝導率を有するとよく、それぞれ金属製であり得、例えば銅製である。高温側熱交換器２６及び低温側熱交換器２８は、それぞれ、蓄熱器２４と同様に細かい流路を備え、熱音響用配管１６に封入された作動気体を自励振動させるために蓄熱器２４の複数の流路の両端部間に温度勾配が生じるように作動気体との間で熱交換を行う熱交換器を構成している。

高温側熱交換器２６から固体伝熱部材３０が延出するように、固体伝熱部材３０は設けられている。固体伝熱部材３０は耐熱性に優れ、また、高い熱伝導率を有するとよい。例えば、固体伝熱部材３０は１０００℃以上の耐熱温度を有するとよく、１５０Ｗ／ｍＫ前後の熱伝導率又はそれ以上の熱伝導率を有するとよい。固体伝熱部材３０は、そのような特性を有する材料から又はそのような特性を有する材料を有して構成されるとよい。固体伝熱部材３０はここでは、グラファイト製の棒状部材であるが、他の材料、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）製であってもよく、また棒状以外の形状を有してもよい。固体伝熱部材３０は、熱音響用配管１６の外部に位置する熱源３２に設けられた取付部３４に取り付けられる。

図１に示すように、熱源３２の取付部３４に伝熱仕切部材３６が配置されている。この伝熱仕切部材３６は、熱源３２の温度などに応じて選定された材料で作製され得、例えば鉄製であり、より具体的にはステンレス鋼製であり得、伝熱に優れるとよい。伝熱仕切部材３６は、それ以外の材料製であってもよく、例えばニッケル基合金製であってもよく、具体的にはインコネル（登録商標）を有して構成されてもよい。伝熱仕切部材３６は、熱音響用配管１６の外部に位置する熱源３２と、固体伝熱部材３０との間に介在するように熱源３２に配置される。そして、伝熱仕切部材３６に接するように、固体伝熱部材３０は設けられる。例えば、固体伝熱部材３０は、機械的接続手段により、伝熱仕切部材３６に着脱可能に接続されて、これにより伝熱仕切部材３６に接してもよい。具体的には、固体伝熱部材３０は雌ねじ部又は雄ねじ部を有し、伝熱仕切部材３６の対応する雄ねじ部又は雌ねじ部に着脱自在に螺合されてもよい。これにより、高温側熱交換器２６は、伝熱仕切部材３６及び固体伝熱部材３０を介して熱源３２からの熱を受け取り、常温を超えた所定温度域（第１所定温度域）にまで加熱され得る。なお、伝熱仕切部材３６が設けられずに、熱源３２の取付部３４に、固体伝熱部材３０が接するように設けられ、例えば固体伝熱部材３０が直接取り付けられてもよい。例えば、取付部３４に固体伝熱部材３０が機械的接続手段により着脱自在に取り付けられてもよく、具体的には、取付部３４が雌ねじ孔であるとき、固体伝熱部材３０に雄ねじ部が設けられて、螺合されてもよい。

一方、低温側熱交換器２８は、入熱無しに保たれることができ、又は水などの冷却液体を用いた冷却設備を有することができる。これにより、低温側熱交換器２８は、高温側熱交換器２６よりも低い所定温度域（第２所定温度域）の温度を有するようにされる。

したがって、蓄熱器２４の両端では温度差が生じ、蓄熱器２４では作動流体の流通方向ＦＡ１に温度勾配が形成される。よって、第１変換部１４の熱音響用配管１６では、内部に存在する作動気体の加熱による膨張と、冷却による収縮が行われ、熱音響自励振動が生じ、それにより音波が発生する。このように、音波発生装置１０を備えた第１変換部１４において、蓄熱器２４を備えたコア部２２では、入力された熱から音波への変換が行われる。

第１変換部１４で生成された音波は、熱音響用配管１６に接続された接続配管１８に伝わり、第２変換部２０に伝達される。熱音響用配管１６に接続配管１８が接続することで、接続配管１８と熱音響用配管１６とにより略Ｔ字状部１７が形成されている。接続配管１８が滑らかにつながる熱音響用配管１６の流路部１６Ａ側に蓄熱器２４の低温側熱交換器２８が向き、接続配管１８と熱音響用配管１６との略Ｔ字状部１７に突き当たるように延びる熱音響用配管１６の流路部１６Ｂ側に蓄熱器２４の高温側熱交換器２６が向くようにコア部２２は熱音響用配管１６に配置されている。そして、ここでは、低温側熱交換器２８に相対的に近く、かつ、高温側熱交換器２６から相対的に遠い箇所に、接続配管１８の一端が接続されている。接続配管１８の他端には第２変換部２０が設けられている。第２変換部２０は、第１変換部１４で生成された音波からエネルギーを発生させるように構成されていて、より具体的には、第１変換部１４で生成された音波から電気エネルギー又は熱エネルギーを発生させるように構成されるとよい。第２変換部２０が、電気エネルギーを発生するとき、熱音響機関１２は熱音響発電機を構成する。このとき、第２変換部２０は、発電機として構成され、例えば音波の振動流をコイルの起電力に変換するリニア型発電機、又は、音波の振動流を一方向の回転力に変換する衝動タービン型発電機の構成を備えることができる。

なお、熱源３２は、例えば、工場、発電所等の各種機械の加熱部又は、その排ガス、排水などの高温流体が流れる配管などである。熱源３２が熱処理炉の加熱部、特に加熱室である場合の熱音響機関１２の一例を図２に基づいて説明する。

図２に示す熱音響機関１２の一例である熱音響機関１２Ａは、高温側熱交換器２６から延出する固体伝熱部材３０の先端が、熱源３２である熱処理炉４０の加熱室４２の取付部３４に設けられた貫通孔４４に配置された伝熱仕切部材３６に接するように設けられていること以外、図１に示す熱音響機関１２と同じ構成を備える。熱音響機関１２Ａでは、固体伝熱部材３０は、棒状部材であり、熱処理炉４０の加熱室４２の外壁４６及び外壁４６の内側の断熱壁４８に設けられた貫通孔４４に配置された、伝熱仕切部材３６の一例である管部材５０に差し込まれている。管部材５０は一端が閉じられていて、その閉じられた端部（閉端部）５０Ａが加熱室４２内の炉内空間Ｓに露出するように、貫通孔４４を閉じるように設けられる。貫通孔４４と管部材５０との間に、加熱室４２の内外をつなぐ隙間等がないように、管部材５０は貫通孔４４に取り付けられるとよい。したがって、熱処理炉４０の加熱室４２内から高温の炉内雰囲気ガスなどが外部に漏れることなく、その炉内雰囲気ガス等の熱が管部材５０及び固体伝熱部材３０を介して、第１変換部１４の高温側熱交換器２６に伝達される。よって、図１に基づいて熱音響機関１２において既に説明したように、第１変換部１４で熱の入力を受けて、熱音響自励振動により音波を発生させることができる。なお、取付部３４に設けられるのは貫通孔４４に限定されず、凹部等であってもよく、管部材５０は、加熱室４２内に露出しないように設けられてもよい。これは、加熱室４２の炉内温度、伝熱仕切部材３６又は管部材５０の材料特性などに応じて設計されるとよい。これは、取付部３４に固体伝熱部材３０が直接取り付けられる場合にも、同様である。

なお、熱音響機関１２Ａにおいて、第２変換部２０が電気エネルギーを発生するとき、その電気エネルギーは、熱処理炉４０の各種モータの作動及び／又は加熱部のヒータの作動に用いられることができる。より好ましくは、この電気エネルギーは、熱処理炉４０の制御装置の電源、又は、非常用電源に用いられ得る。

次に、図２に示す熱音響機関１２Ａの第１変換部１４の構成が適用された、本開示の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。まず、第１実施形態について図３及び図４に基づいて説明する。

図３に、第１実施形態に係る熱処理炉４０Ａの概略構成図を示し、図４に、図３の熱処理炉４０Ａに設けられた熱音響機関１２Ｂ及びその周囲の拡大図を示す。熱処理炉４０Ａは、所謂連続熱処理炉であり、熱処理炉４０Ａに搬入された被処理物Ｗに対して、加熱手段の一例であるヒータ５２により所定の温度に設定された高温下の窒素ガスなどの中性ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス中で光輝処理、調質処理、焼入／焼戻処理、ろう付け、焼結などの熱処理が行われる。熱処理炉４０Ａに中性ガス又は不活性ガスからなる雰囲気ガスを供給するガス供給装置の図示及び説明は省略する。

熱処理炉４０Ａは、上流側から下流側に向けて、乾燥炉５４、入口真空置換室５６、前室５８、予熱室６０、加熱室６２、徐冷室６４、急速冷却室６６、冷却室６８、後室７０、出口真空置換室７２が順に配置されている。乾燥炉５４には駆動装置で駆動される無端環状の搬送ベルト７３ａが設けられ、入口真空置換室５６には搬送ローラ７３ｂが設けられ、前室５８から後室７０にかけては駆動装置で駆動される無端環状の搬送ベルト７４が設けられていて、出口真空置換室７２にも搬送ローラ７５が設けられている。これらにより、被熱処理物Ｗは、乾燥炉５４から順に出口真空置換室７２まで搬送される。なお、乾燥炉５４の搬送ベルト７３ａは搬送ローラとされてもよい。また、乾燥炉５４は乾燥室と称されてもよい。

乾燥炉５４は被熱処理物Ｗの表面等に付着した水分等を除くように１つ又は複数のヒータ５２を備える。入口真空置換室５６には、真空ポンプ及び可動隔壁などが設けられ、炉外と炉内とを仕切る構成を備え、具体的には大気から中性ガス又は不活性ガスへの置換が行われる。出口真空置換室７２には、炉内に大気つまり酸素が侵入しないように炉内と炉外を仕切る構成を備え、例えば入口真空置換室５６と同じ構成を備える。前室５８、予熱室６０及び加熱室６２はそれぞれ上記加熱室４２つまり加熱部Ｈを構成し、それぞれ、１つ又は複数のヒータ５２が設けられている。徐冷室６４は加熱機能も冷却機能も有さず、加熱室６２と急速冷却室６６との間に位置している。急速冷却室６６及び冷却室６８は、冷却部Ｃを構成し、冷却手段として水冷ジャケット７６を備えている。水冷ジャケット７６の冷却液は、例えば水であり、循環冷却される構成を備えているが、流水を用いてもよい。急速冷却室６６は、更に、冷却手段として冷却熱交換器７８を備えている。冷却熱交換器７８はここではフィンチューブ型熱交換器として構成されていて、急速冷却室６６内に主に位置する。

なお、予熱室６０には、二次燃焼室８０が設けられている。二次燃焼室８０は、予熱室６０が被熱処理物Ｗの油分、バインダーなどを除去する脱バインダー室として機能するとき、揮発したバインダーを燃焼処理させるように１つ又は複数のヒータ５２を備える。

上記構成の熱処理炉４０Ａにおいて、熱音響機関１２Ｂが設けられている。熱音響機関１２Ｂでは、高温側熱交換器２６から延出する固体伝熱部材３０の先端は、熱源３２である熱処理炉４０Ａの加熱室６２の取付部３４である貫通孔４４に配置された伝熱仕切部材３６に接するように設けられている。更に、熱音響機関１２Ｂは、第２変換部２０が環状配管８２及び、その環状配管８２に配置された蓄熱器８４と高温側熱交換器８６と低温側熱交換器８８とを備えるコア部９０を備え、そのコア部９０の低温側熱交換器８８が急速冷却室６６の冷却熱交換器７８の冷却用に機能するという特徴を有する。これら以外、熱音響機関１２Ｂは、熱音響機関１２、１２Ａと実質的に同じ構成を備える。以下では、熱音響機関１２Ｂにおけるこれらの特徴的な構成を中心に説明する。

図４に示すように、熱音響機関１２Ｂは、音波発生装置１０を備える第１変換部１４と、第１変換部１４に接続配管１８を介して接続する第２変換部２０とを備える。第２変換部２０は、前述のように、環状配管８２及び、蓄熱器８４と高温側熱交換器８６と低温側熱交換器８８とを備えるコア部９０を備える。蓄熱器８４と高温側熱交換器８６と低温側熱交換器８８とを備えるコア部９０は、環状つまりループ状の環状配管８２に設けられている。蓄熱器８４は上記蓄熱器２４と同じ構成を備えていて、例えばハニカムのような細かい流路が設けられた構造体であり、セラミック又は金属から作製され得、ここではステンレス鋼製ハニカム状構造体を有しているが、その他の構成を有してもよい。蓄熱器８４は、環状配管８２の流路方向ＦＡ２に直交する断面において複数の流路つまり孔を有して構成され、例えば、その複数の孔の各々は、１ｍｍ未満のサイズ、例えば１ｍｍ未満の内径を有するとよい。高温側熱交換器８６は、上記高温側熱交換器２６と同じ構成を備え、蓄熱器８４と同様に細かい流路を備え、高い熱伝導率を有するとよく、金属製であり得、例えば銅製である。高温側熱交換器８６は、環状配管８２の流路方向ＦＡ２において蓄熱器８４の一端（第１端部）に連結される。高温側熱交換器８６は、蓄熱器８４の第１端部を所定温度に保つ、ここでは常温に保つように構成されている。低温側熱交換器８８は、上記低温側熱交換器２８と同じ構成を備え、蓄熱器８４と同様に細かい流路を備え、高い熱伝導率を有するとよく、金属製であり得、例えば銅製である。低温側熱交換器８８は、環状配管８２の流路方向ＦＡ２において第１端部とは反対側の蓄熱器８４の他端（第２端部）に連結される。

第１変換部１４のコア部２２の高温側熱交換器２６から延出する固体伝熱部材３０の先端は、熱処理炉４０Ａの加熱室６２の貫通孔４４に配置された伝熱仕切部材３６に接するように設けられている。貫通孔４４は、熱処理炉４０Ａの加熱室６２の取付部３４に、加熱室６２の外壁４６及び断熱壁４８を貫通するように形成され、加熱室６２の内外を連通する。貫通孔４４には、伝熱仕切部材３６の一例である管部材５０が隙間がないように取り付けられている。管部材５０の閉端部５０Ａは、加熱室６２内に露出するように設けられ、炉内雰囲気ガスの熱を固体伝熱部材３０に伝達することができる。

一方、熱音響機関１２Ｂにおいて、第２変換部２０は、冷却部Ｃ、ここでは、急速冷却室６６の冷却熱交換器７８に供給される冷熱エネルギーを発生させるように構成されている。前述のように、第２変換部２０は、環状配管８２及び、蓄熱器８４と高温側熱交換器８６と低温側熱交換器８８とを備えるコア部９０を備える。そして、そのコア部９０の低温側熱交換器８８が急速冷却室６６の冷却熱交換器７８に、伝熱部の一例である冷却装置８８Ａを介して接続する。冷却装置８８Ａは、冷却液が流れるホース８８Ｂを備えて構成されている。そのホース８８Ｂ内において冷却液がより積極的に循環するようにポンプが設けられてもよい。冷却装置８８Ａは、そのホース８８Ｂ内の冷却液が、低温側熱交換器８８と熱交換可能であるとともに、冷却熱交換器７８とも熱交換可能であるように構成されている。

第２変換部２０の環状配管８２において、接続配管１８が接続することで、接続配管１８と環状配管８２とにより略Ｔ字状部８３が形成されている。接続配管１８が滑らかにつながる環状配管８２の流路部８２Ａ側に蓄熱器８４の高温側熱交換器８６が向き、接続配管１８と環状配管８２との略Ｔ字状部８３に突き当たるように延びる環状配管８２の流路部８２Ｂ側に蓄熱器８４の低温側熱交換器８８が向くようにコア部９０は環状配管８２に配置されている。したがって、第２変換部２０の低温側熱交換器８８は第２変換部２０の高温側熱交換器８６よりも低い温度を有することができる。そして、この低温側熱交換器８８は、冷却装置８８Ａを介して冷却熱交換器７８に伝熱可能である。

また、第１変換部１４のコア部２２の低温側熱交換器２８及び第２変換部２０のコア部９０の高温側熱交換器８６を概ね同じ所定温度、例えば常温に維持するように、低温側熱交換器２８及び高温側熱交換器８６のそれぞれは、水冷ジャケット７６の冷却液で冷却するように構成されている。ただし、図４では、図示を簡単にするため、低温側熱交換器２８の水冷ジャケット７６と、高温側熱交換器８６の水冷ジャケット７６と、急速冷却室６６の水冷ジャケット７６とを別々に記載しているが、一体のものである。なお、低温側熱交換器２８の水冷ジャケット７６と、高温側熱交換器８６の水冷ジャケット７６と、急速冷却室６６の水冷ジャケット７６とは独立した構成を備えてもよい。また、低温側熱交換器２８及び高温側熱交換器８６の少なくともいずれか一方は冷却手段を有さないで構成される場合もある。

上記した構成によれば、熱処理炉４０Ａの熱音響機関１２Ｂにおいて、第１変換部１４で加熱室６２からの熱つまり熱エネルギー（図３の矢印Ａ１参照）を受けて、音波を生じさせ、その音波を用いて第２変換部２０のコア部９０で冷熱エネルギーを生じさせ、コア部９０の低温側熱交換器８８と熱交換可能である冷却熱交換器７８をその冷熱エネルギー（図３の矢印Ａ２参照）で冷却することができる。したがって、熱処理炉４０Ａは、熱音響機関１２Ｂで加熱室６２の熱ここでは特に排熱を有効に取り出し、第１変換部１４で熱音響自励振動により音波を発生させ、その音波を第２変換部２０で冷熱エネルギーに変換し、その冷熱エネルギーで冷熱交換機７８の冷却を可能にする。よって、熱音響機関１２Ｂを備えた熱処理炉４０Ａは省エネルギー化に極めて優れる。

次に、第２実施形態について図５及び図６に基づいて説明する。図５に、第２実施形態に係る熱処理炉４０Ｂの概略構成図を示し、図６に、図５の熱処理炉４０Ｂに設けられた熱音響機関１２Ｃ及びその周囲の拡大図を示す。熱処理炉４０Ｂは、所謂連続熱処理炉であり、熱処理炉４０Ｂに搬入された被処理物Ｗに対して、ヒータ５２により所定の温度に設定された高温下の還元性の雰囲気ガス中で光輝処理、調質処理、焼入／焼戻処理、ろう付け等の熱処理が行われる。熱処理炉４０Ｂはガス供給装置９２を備える。ガス供給装置９２は、少なくとも熱処理炉４０Ｂの加熱部Ｈつまり加熱室１００への供給用のガスを生成するように構成されている。ガス供給装置９２は、都市ガス、メタン（ＣＨ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、等の流量調整された炭化水素ガスと空気とを混合した混合ガスを、ガス変成装置９２Ａで発熱性化学反応を生じさせて燃焼させ、さらに燃焼により生じた高温の変成ガスを冷却装置９４で冷却及び脱湿させ、発熱型変成ガスであるＤＸガスとして熱処理炉４０Ｂの炉内に供給する（図５の矢印Ａ３及び図６の矢印Ａ４参照）。ここでは、図５及び図６に示すように、変成ガスは、後述する冷却室１０４に供給されて、その冷却室１０４及び徐冷室１０２を介して加熱室１００に供給されるが、変成ガスの炉内への供給経路はこれに限定されない。

熱処理炉４０Ｂは、上流側から下流側に向けて、前室９６、予熱室９８、加熱室１００、徐冷室１０２、冷却室１０４及び後室１０６が順に配置されている。前室９６、予熱室９８、加熱室１００、徐冷室１０２、冷却室１０４及び後室１０６は、それぞれ、前室５８、予熱室６０、加熱室６２、徐冷室６４、冷却室６８及び後室７０に相当し、上記構成を備える。予熱室９８は、上記予熱室６０の構成に加えて、ガス変成装置９２Ａが配置され、ガス変成装置９２Ａは所謂変成バーナであるので、このガス変成装置９２Ａからの熱で加熱が行われる。予熱室９８には、ヒータ５２と、このガス変成装置９２Ａが配置されるが、予熱室９８のヒータ５２は省略可能であり、また、ガス変成装置９２Ａは予熱室９８以外の箇所に配置されてもよい。ガス変成装置９２Ａは、変成装置の一例であり、独立した変成装置つまり変成炉とされてもよい。前室９６から後室１０６にかけては駆動装置で駆動される無端環状の搬送ベルト１０８が設けられていて、搬送ベルト１０８により被熱処理物Ｗは搬送される。

上記構成の熱処理炉４０Ｂにおいて、熱音響機関１２Ｃが設けられている。熱音響機関１２Ｃは、第１実施形態の熱処理炉４０Ａの熱音響機関１２Ｂと比べて、第２変換部２０の低温側熱交換器８８の冷熱エネルギーが上記冷却装置９４で用いられ、よってガス供給装置９２のガス変成装置９２Ａで発生させた変成ガスの露点を下げることが行われることに特徴を有する。これ以外、熱音響機関１２Ｃは、熱音響機関１２Ｂと実質的に同じ構成を備える。以下では、熱音響機関１２Ｃにおけるこの特徴的な構成を中心に説明する。

図６に示すように、熱音響機関１２Ｃは、音波発生装置１０の構成を備える第１変換部１４と、第１変換部１４に接続配管１８を介して接続する第２変換部２０とを備える。なお、第１変換部１４のコア部２２の低温側熱交換器２８及び第２変換部２０のコア部９０の高温側熱交換器８６のそれぞれは、ここでは冷却手段を有さない。しかし、第１実施形態の熱音響機関１２Ｂのように、熱音響機関１２Ｃにおいて、第１変換部１４のコア部２２の低温側熱交換器２８及び第２変換部２０のコア部９０の高温側熱交換器８６を概ね同じ所定温度、例えば常温に維持するように、低温側熱交換器２８及び高温側熱交換器８６のそれぞれは、ガス供給装置９２の水冷ジャケット７６の冷却液で、又はその水冷ジャケット７６から独立した冷却手段で冷却するように構成されてもよい。

第１変換部１４のコア部２２の高温側熱交換器２６から延出する固体伝熱部材３０の先端は、熱処理炉４０Ｂの加熱室１００の貫通孔４４に配置された伝熱仕切部材３６に接するように設けられている。貫通孔４４は、加熱部Ｈである加熱室１００の取付部３４に設けられ、加熱室１００の外壁４６及び断熱壁４８を貫通するように形成され、加熱部Ｈである加熱室１００の内外を連通する。貫通孔４４には、伝熱仕切部材３６の一例である管部材５０が隙間がないように取り付けられている。管部材５０の閉端部５０Ａは、加熱室１００内に露出するように設けられ、炉内雰囲気ガスの熱を固体伝熱部材３０に伝達することができる。

一方、熱音響機関１２Ｃにおいて、第２変換部２０は、変成装置であるガス変成装置９２Ａで生成された変成ガス、ここではＤＸガスを冷却する冷熱エネルギーを発生させるように構成されている。前述のように、第２変換部２０は、環状配管８２及び、蓄熱器８４と高温側熱交換器８６と低温側熱交換器８８とを備えるコア部９０を備える。そして、そのコア部９０の低温側熱交換器８８が冷却装置９４に伝熱可能に接続されている。冷却装置９４は、変成ガスが通る通路を区画形成し、その通路を通る変成ガスと熱交換を可能にするように熱交換器の構成を有する。これにより、冷却装置９４の変成ガスが通る通路には低温側熱交換器８８から冷熱エネルギーが伝達される。

上記した構成によれば、熱処理炉４０Ｂの熱音響機関１２Ｃにおいて、第１変換部１４で加熱室１００からの熱つまり熱エネルギー（図５の矢印Ａ５参照）を受けて、音波を生じさせ、その音波を用いて第２変換部２０のコア部９０で冷熱エネルギーを生じさせ、コア部９０の低温側熱交換器８８と熱交換可能である冷却装置９４をその冷熱エネルギー（図５の矢印Ａ６参照）で冷却することができる。したがって、熱処理炉４０Ｂは、熱音響機関１２Ｃで加熱室１００の熱ここでは特に排熱を有効に取り出し、第１変換部１４で熱音響自励振動により音波を発生させ、その音波を第２変換部２０で冷熱エネルギーに変換し、その冷熱エネルギーで冷却装置９４の冷却を可能にする。よって、熱音響機関１２Ｃを備えた熱処理炉４０Ｂは省エネルギー化に極めて優れる。

以上、本開示に係る基本構成例、実施形態及びその変形例について説明したが、本開示はそれらに限定されない。本願の特許請求の範囲によって定義される本開示の精神及び範囲から逸脱しない限り、種々の置換、変更が可能である。本開示において説明した処理や手段は、技術的な矛盾が生じない限りにおいて、自由に組み合わせて実施することができる。

例えば、上記熱音響機関１２Ｂ、１２Ｃでは、第２変換部２０を冷熱エネルギーを発生させるように構成した。しかし、第２変換部２０を第１変換部１４の高温側熱交換器２６の温度を超える温度を有する熱エネルギーを発生させるように構成してもよい。この熱エネルギーを用いて上記加熱部Ｈ、例えば加熱室４２、６２、１００などの加熱を更に行ってもよい。

また、上記実施形態では、熱音響用配管１６に設けられるコア部２２の数は１つであったが、複数であってもよい。また、加熱室４２、６２、１００の熱つまり排熱だけでなく、前室５８、９６、予熱室６０、９８、二次燃焼室８０などの熱も第１変換部１４のコア部に入力されてもよい。また、第２変換部２０のコア部９０の数も、１つでも複数でもよい。

１０音波発生装置
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ熱音響機関
１４第１変換部
１６熱音響用配管
１８接続配管
２０第２変換部
２２コア部
２４蓄熱器
２６高温側熱交換器
２８低温側熱交換器
３０固体伝熱部材
３４取付部
３６伝熱仕切部材
４０、４０Ａ、４０Ｂ熱処理炉
４４貫通孔
５０管部材
７８冷却熱交換器
８２環状配管
８４蓄熱器
８６高温側熱交換器
８８低温側熱交換器
９０コア部
９４冷却装置

Claims

環状の熱音響用配管に設けられる蓄熱器と、
前記熱音響用配管の流路方向において前記蓄熱器の第１端部に連結される高温側熱交換器と、
前記熱音響用配管の前記流路方向において前記第１端部とは反対側の前記蓄熱器の第２端部に連結される低温側熱交換器と、
前記高温側熱交換器から延出するように設けられる固体伝熱部材であって、前記熱音響用配管の外部に位置する熱源の取付部に取り付けられる固体伝熱部材と
を備え、
前記固体伝熱部材は、前記熱源内の流体の前記熱源の外部への漏れを防ぐように前記熱源の前記取付部に配置される伝熱仕切部材と接するように設けられる、
音波発生装置。
前記熱源の前記取付部には、前記熱源の内外を連通する貫通孔が設けられ、
前記伝熱仕切部材は、前記貫通孔に取り付けられる、
請求項１に記載の音波発生装置。
前記固体伝熱部材は、棒状部材であり、
前記伝熱仕切部材は、一端が閉じられた管部材である、
請求項１に記載の音波発生装置。
前記固体伝熱部材は、グラファイト製又は炭化ケイ素製である、
請求項１から３のいずれか一項に記載の音波発生装置。
請求項１に記載の音波発生装置を備えている第１変換部と、
前記第１変換部の前記熱音響用配管に接続配管を介して接続され、前記第１変換部で生成された音波からエネルギーを発生させる第２変換部と
を備える熱音響機関。
前記第２変換部は、前記第１変換部で生成された音波から電気エネルギー又は熱エネルギーを発生させるように構成されている、
請求項５に記載の熱音響機関。
請求項５に記載の熱音響機関を備えた熱処理炉。
被熱処理物を加熱する加熱部と、該加熱部において加熱された前記被熱処理物を冷却する冷却部とを備え、
前記伝熱仕切部材は、前記加熱部に設けられ、
前記第２変換部は、前記冷却部に供給される冷熱エネルギーを発生させるように構成されている、
請求項７に記載の熱処理炉。
被熱処理物を加熱する加熱部と、該加熱部において加熱された前記被熱処理物を冷却する冷却部と、少なくとも前記加熱部への供給用のガスを生成するガス供給装置とを備え、
前記伝熱仕切部材は、前記加熱部に設けられ、
前記第２変換部は、前記ガス供給装置の変成装置で生成された変成ガスを冷却する冷熱エネルギーを発生させるように構成されている、
請求項７に記載の熱処理炉。