JP7472713B2 - 熱音響装置 - Google Patents

Description

本開示は、熱音響装置に関する。

従来、温度差に起因するエネルギーと、気体の振動による音響エネルギーとの間で、エネルギーの変換を行うことができる熱音響装置が存在する。特許文献１の熱音響変換素子は、第１熱交換器と同等の機能を果たす第１熱交換部と、第２熱交換器と同等の機能を果たす第２熱交換部との間に、蓄熱器の代わりに断熱部を有する。 断熱部は断熱部材により構成されている。断熱部材には、気体流路が構成されている。気体流路は、第１熱交換部および第２熱交換部を介して共鳴管と連通しており、気体を流通させる。第１熱交換部、第２熱交換部および断熱部は、一体に構成されている。

熱音響装置を設置する際には、多くの場合、想定した性能を発揮させるために構成要素同士の位置の調整が行われる。しかし、特許文献１の熱音響変換素子は、第１熱交換器と、蓄熱器と、第２熱交換器と、をそれぞれ独立して備えないため、熱音響装置を構成する際に行われる、想定した性能を発揮させるための調整が、容易ではない。

一方、第１熱交換器と、蓄熱器と、第２熱交換器と、をそれぞれ独立して備える態様においては、第１熱交換器と蓄熱器との間に空間が設けられる。具体的には、熱交換器と蓄熱器との間にスペーサやバネが配される。この空間により、第１熱交換器と蓄熱器との間で熱が直接、伝達され、接触の程度に応じて蓄熱器の温度分布が不均一になる事態が防止される。また、流路の方向に沿って投射した場合に、第１熱交換器の構成と、蓄熱器の気体流路の開口とが重なっている場合にも、第１熱交換器と蓄熱器の間の空間を気体が流通できることから、蓄熱器の気体流路の開口が塞がれない。その結果、蓄熱器におけるエネルギーの変換効率の低下が抑制される。蓄熱器と第２熱交換器との間についても同様である。

特開２０１８－７１８２１号公報

熱音響装置を構成する際に、熱交換器と蓄熱器との間にスペーサやバネを配する作業が煩雑であった。また、原動機において、第１熱交換器が外部から熱を受けると、第１熱交換器が有するフィンが熱膨張して湾曲し、隣接するフィンが互いに接触して、気体流路内の気体の流通を阻害することがあった。その結果、熱音響減少の発生が阻害される場合があった。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、熱音響装置が提供される。この熱音響装置は、第１熱交換器と、第２熱交換器と、蓄熱器と、を備える。第１熱交換器は、配管に設置される。第１熱交換器は、外部から熱を供給されて、前記配管内で前記第１熱交換器に接する流体に熱を付与する。第２熱交換器は、前記配管に設置される。第２熱交換器は、前記配管内で前記第２熱交換器に接する流体をあらかじめ定められた温度に制御する。蓄熱器は、前記配管のうち、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間の部位に設置される。蓄熱器は、温度勾配を形成されて前記配管内に音波を発生させる。前記第１熱交換器は、円筒部と、前記円筒部の内部に配された互いに平行な複数組の板状のフィンユニットであって、前記円筒部の中心軸と平行に配されている複数組のフィンユニットと、を備える。前記複数組のフィンユニットの少なくとも一部は、前記円筒部に固定されている第１部位と、前記第１部位に接続されており、前記複数組のフィンユニットが並ぶ方向に沿って見たとき、前記第１部位よりも前記中心軸に近い位置に配されている第２部位と、を備える。前記第２部位の前記中心軸の方向の寸法は、前記第１部位の前記中心軸の方向の寸法よりも小さく、前記第２部位の前記蓄熱器と向かい合う端の少なくとも一部は、前記中心軸の方向において、前記第１部位の前記蓄熱器と向かい合う端と同じ位置か、前記第１部位の前記蓄熱器と向かい合う端よりも前記蓄熱器に近い位置にある。
このような態様とすれば、熱音響装置の使用時に、複数組のフィンユニットの少なくとも一部において、第１部位と第２部位が並ぶ方向にフィンユニットが熱膨張することにより、第２部位の蓄熱器と向かい合う端の少なくとも一部が、蓄熱器に近づく向きに変位する。その結果、蓄熱器は、第２部位の蓄熱器と向かい合う端の少なくとも一部によって、第１部位を含むフィンユニットの他の部位との接触を阻止される。このため、熱交換器と蓄熱器との間に空間を設けるために、第１熱交換器と蓄熱器との間にスペーサやバネを配する必要がない。
（２）上記形態の熱音響装置において、前記複数組のフィンユニットの前記少なくとも一部は、前記一対の第１部位のうちの一方の前記第１部位と、前記一方の第１部位に接続されており、前記一方の第１部位よりも前記中心軸に近い位置に配されている一対の前記第２部位の一方と、を備える第１フィンと、前記一対の第１部位のうちの他方の前記第１部位と、前記他方の第１部位に接続されており、前記他方の第１部位よりも前記中心軸に近い位置に配されている前記一対の第２部位の他方と、を備える第２フィンと、を備える、態様とすることもできる。
このような態様においては、フィンユニットの第２部位が連続していない二つの部位で構成されるため、フィンユニットに対する加熱と冷却が繰り返された場合に、フィンユニットの第２部位の最も細い部分において疲労破壊が起こる可能性を低減できる。
（３）上記形態の熱音響装置において、前記複数組のフィンユニットの前記少なくとも一部は、前記一対の第１部位と、前記一対の第１部位の間に配される連続した一つの前記第２部位と、を備える、態様とすることもできる。
このような態様においては、一つのフィンユニットが一つの部材で構成されているため、フィンユニットが熱膨張した場合に、第２部位を構成する各部が、中心軸方向および第１部位と第２部位が並ぶ方向に垂直な方向に、ずれにくい。このため、第１部位と第２部位が並ぶ方向のフィンユニットの膨張を、適切に、蓄熱器に向かう方向の変形に変換することができる。

本開示は、熱音響装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、熱交換器、熱交換器を備えた原動機等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態である熱音響装置ＴＡの概略構成を示す説明図である。 原動機ＰＭの概略構成を示す断面図である。 原動機ＰＭの第１熱交換器４０を示す斜視図である。 第１熱交換器４０のフィンモジュール４４の平面図である。 Ｙ軸方向に垂直な断面における、第１熱交換器４０の断面図である。 一部を除去した状態の第１熱交換器４０を示す斜視図である。 最高温度Ｔｍａｘまで複数のフィン４８の温度が上昇した場合の第１熱交換器４０の断面図である。 第１実施形態の変形例における、第１熱交換器４０ｖの断面図である。 第２実施形態における、第１熱交換器４０ｃの断面図である。

Ａ１．熱音響装置ＴＡの構成：
図１は、本発明の実施形態である熱音響装置ＴＡの概略構成を示す説明図である。なお、図１は、熱音響装置ＴＡの各構成要素の形状を正確に示すものではない。熱音響装置ＴＡは、ループ管型の熱音響装置である。熱音響装置ＴＡは、熱源ＨＳと冷却対象ＣＯとに接続されている。熱音響装置ＴＡは、熱源ＨＳから熱エネルギーを供給されて、冷却対象ＣＯを冷却することができる。

熱音響装置ＴＡは、原動機ＰＭと、ヒートポンプＨＰと、ループ管ＬＴ１，ＬＴ２と、を備える。原動機ＰＭの一端とヒートポンプＨＰの一端とは、ループ管ＬＴ１によって接続されている。原動機ＰＭの他端とヒートポンプＨＰの他端とは、ループ管ＬＴ２によって接続されている。その結果、原動機ＰＭと、ヒートポンプＨＰと、ループ管ＬＴ１，ＬＴ２とは、輪状の配管構造ＰＡを構成している。この輪状の配管構造ＰＡ内には、流体ＦＬ１が満たされている。本実施形態において、流体ＦＬ１は、空気である。輪状の配管構造ＰＡは、内部の流体ＦＬ１が、輪状の配管構造ＰＡ内を流通可能であるように構成されている。

原動機ＰＭは、熱源ＨＳから熱エネルギーを供給されて、音波を発生させる（図１の下段左部参照）。原動機ＰＭは、第１熱交換器４０と、第２熱交換器２０と、蓄熱器３０と、を備える。

図１において、第１熱交換器４０と、蓄熱器３０と、第２熱交換器２０と、が並ぶ方向を、Ｚ軸方向として示す。Ｚ軸方向は、第１熱交換器４０、蓄熱器３０、および第２熱交換器２０の中心軸ＣＡの方向と一致する。また、Ｚ軸方向に垂直な２方向であって互いに垂直な方向を、図１において、Ｘ軸方向およびＹ軸方向として示す。図２以降において示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、図１において示したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と対応する。

図２は、原動機ＰＭの概略構成を示す断面図である。図３は、原動機ＰＭの第１熱交換器４０を示す斜視図である。第１熱交換器４０は、上述のように、配管構造ＰＡに設置されている。具体的には、第１熱交換器４０は、原動機ＰＭの一端において、流体ＦＬ１を流通可能であるようにループ管ＬＴ１に接続されている（図１の下段左部および図２の下段参照）。第１熱交換器４０は、さらに、熱源ＨＳに接続されている。本実施形態において、熱源ＨＳは、抵抗加熱方式の棒状のヒータである（図３参照）。第１熱交換器４０は、熱源ＨＳとしての４本の棒状のヒータに接続されている。第１熱交換器４０は、第１熱交換器４０の外部の構成である熱源ＨＳから熱を供給されて、配管構造ＰＡ内の流体ＦＬ１であって、第１熱交換器４０に接する流体ＦＬ１に、熱を付与する。

第１熱交換器４０は、伝熱リング４３と、フィンモジュール４４と、を備える（図２の下段および図３参照）。伝熱リング４３は、熱源ＨＳに接続されており、熱源ＨＳから熱を受け取る。フィンモジュール４４は、伝熱リング４３の中央の穴に配されている。フィンモジュール４４は、Ｙ軸方向に並ぶ多数のフィンを備えている。フィンモジュール４４における隣り合うフィンの間隙は、流体ＦＬ１を流通させる流路４２を構成する。フィンモジュール４４は、伝熱リング４３から熱を受け取って、流路４２を流れる流体ＦＬ１に熱を与える。

第２熱交換器２０は、上述のように、配管構造ＰＡに設置されている。具体的には、第２熱交換器２０は、原動機ＰＭの他端において、流体ＦＬ１を流通可能であるようにループ管ＬＴ２に接続されている（図１の下段左部および図２の上段参照）。第２熱交換器２０は、図示しないチラーを備える。第２熱交換器２０は、チラーによって温度を一定に保たれている。第２熱交換器２０は、配管構造ＰＡ内の流体ＦＬ１であって、第２熱交換器２０に接する流体ＦＬ１を、あらかじめ定められた温度に制御する。

第２熱交換器２０は、ジャケット２３と、フィンモジュール２４と、を備える（図２の上段参照）。ジャケット２３は、流体ＦＬ２を流通させる流路２６を構成する環状の構造物である。ジャケット２３は、チラーに接続され、チラーによって流体ＦＬ２を流通される。本実施形態において、流体ＦＬ２は、水である。フィンモジュール２４は、ジャケット２３の中央の穴に配されている。フィンモジュール２４は、Ｙ軸方向に並ぶ多数のフィンを備えている。フィンモジュール２４における隣り合うフィンの間隙は、流体ＦＬ１を流通させる流路２２を構成する。フィンモジュール２４は、ジャケット２３との間で熱交換を行う。チラーによる流体ＦＬ２の流通によって、ジャケット２３およびフィンモジュール２４は、あらかじめ定められた温度に制御される。その結果、配管構造ＰＡ内の流体であって第２熱交換器２０に接する流体は、あらかじめ定められた温度に制御される。

蓄熱器３０は、配管構造ＰＡのうち、第１熱交換器４０と第２熱交換器２０との間の部位に設置されている（図１の下段左部および図２参照）。具体的には、蓄熱器３０は、第１熱交換器４０と第２熱交換器２０とを接続するループ管ＬＴ３の管内に収容されている。蓄熱器３０は、環状のスペーサ１３２を介して、第２熱交換器２０と接している（図２の上段中央部参照）。スペーサ１３２は、蓄熱器３０の外径と略同じ外形を有する環状の構造物である。スペーサ１３２の環構造によって環の内側に規定される空間Ｓ２により、蓄熱器３０と第２熱交換器２０とは隔てられている。一方、蓄熱器３０と第１熱交換器４０との間には、スペーサは、配されていない。

蓄熱器３０は、多数の貫通孔を備えている。それらの貫通孔は、流体ＦＬ１を流通させる流路３２を構成する。蓄熱器３０は、流体ＦＬ１を流通可能であるように第１熱交換器４０および第２熱交換器２０と接続されている。蓄熱器３０は、温度勾配を形成されて、配管構造ＰＡのループ管ＬＴ１内に音波を発生させる。

原動機ＰＭは、以下のように動作する。第１熱交換器４０によって加熱された流体ＦＬ１が、蓄熱器３０の一端３８およびその近傍の部分に熱を与えることにより、蓄熱器３０の一端３８の近傍が高温となる。第２熱交換器２０によって一定の温度に保たれている流体ＦＬ１が、蓄熱器３０の他端３９およびその近傍の部分から熱を奪うことにより、蓄熱器３０の他端３９の近傍が、蓄熱器３０の一端３８に対して低温となる。その結果、蓄熱器３０に、温度勾配が形成される。すると、蓄熱器３０は、熱音響自励振動を起こし、流路３２内で定常波を発生させる。蓄熱器３０が発生させた定常波の音波は、ループ管ＬＴ１内の流体ＦＬ１を介して、原動機ＰＭの一端からヒートポンプＨＰの一端に伝えられる（図１の矢印Ｋ１参照）。

ヒートポンプＨＰは、原動機ＰＭから音波を供給されて、冷却対象ＣＯを冷却する（図１の上段右部参照）。ヒートポンプＨＰは、原動機ＰＭと略同様の構成を有する。ヒートポンプＨＰは、第３熱交換器９０と、第４熱交換器７０と、蓄熱器８０と、を備える。第４熱交換器７０が、原動機ＰＭの第１熱交換器４０に対応する。第３熱交換器９０が、原動機ＰＭの第２熱交換器２０に対応する。蓄熱器８０が、原動機ＰＭの蓄熱器３０に対応する。

第３熱交換器９０は、上述のように、配管構造ＰＡに設置されている。具体的には、第３熱交換器９０は、ヒートポンプＨＰの一端において、流体ＦＬ１を流通可能であるようにループ管ＬＴ１に接続されている（図１の上段右部参照）。第３熱交換器９０は、図示しないチラーを備える。第３熱交換器９０は、チラーによって流体を流通されて、温度を一定に保たれている。第３熱交換器９０は、配管構造ＰＡ内の流体ＦＬ１であって、第３熱交換器９０に接する流体ＦＬ１を、あらかじめ定められた温度に制御する。

第４熱交換器７０は、上述のように、配管構造ＰＡに設置されている。具体的には、第４熱交換器７０は、ヒートポンプＨＰの他端において、流体ＦＬ１を流通可能であるようにループ管ＬＴ２に接続されている（図１の上段右部参照）。第４熱交換器７０は、さらに、冷却対象ＣＯに接続されている。第４熱交換器７０は、配管構造ＰＡ内の流体ＦＬ１であって、第４熱交換器７０に接する流体ＦＬ１から熱を奪われて、冷却対象ＣＯから熱を奪う。その結果、冷却対象ＣＯが冷却される。

蓄熱器８０は、第４熱交換器７０と第３熱交換器９０との間の部位に設置されている（図１の上段右部参照）。より具体的には、蓄熱器８０は、環状のスペーサを介して、第３熱交換器９０と接している。スペーサは、図１において示されていない。スペーサは、蓄熱器８０の外径と略同じ外形を有する環状の構造物である。スペーサの環構造によって環の内側に規定される空間により、蓄熱器８０と第３熱交換器９０とは隔てられている。蓄熱器８０と第４熱交換器７０との間にも、同様のスペーサが配されている。

蓄熱器８０は、多数の貫通孔を備えている。それらの貫通孔は、流体ＦＬ１を流通させる流路８２を構成する。蓄熱器８０は、流体ＦＬ１を流通可能であるように第４熱交換器７０および第３熱交換器９０と接続されている。蓄熱器８０は、ループ管ＬＴ１内の流体ＦＬ１によって伝達される定常波の音波によって、温度勾配を形成される。

ヒートポンプＨＰは、以下のように動作する。蓄熱器８０の流路８２内において、流体ＦＬ１は定常波で振動する。流体ＦＬ１の微小部分が蓄熱器８０の一端８８から他端８９に向かう向きに移動する際に、流体ＦＬ１は断熱膨張する。そして、流体ＦＬ１の微小部分の温度は低下する。流体ＦＬ１の微小部分は、蓄熱器８０の構造から熱を奪う。一方、流体ＦＬ１の微小部分が蓄熱器８０の他端８９から一端８８に向かう向きに移動する際に、流体ＦＬ１は断熱圧縮される。そして、流体ＦＬ１の微小部分の温度は上昇する。流体ＦＬ１の微小部分は、蓄熱器８０の構造に熱を与える。その結果、流体ＦＬ１の振動によって、蓄熱器８０の流路８２内において、蓄熱器８０の他端８９から一端８８に向かう向きに、熱の移動が生じる。よって、蓄熱器８０において、温度勾配が形成される。

一方、第３熱交換器９０によって、蓄熱器８０の一端８８の近傍の温度は、一定に保たれている。その結果、流体ＦＬ１の振動による熱の移動によって、蓄熱器８０の他端８９の近傍は、冷却される。すると、第４熱交換器７０を介して、冷却対象ＣＯが冷却される。

Ａ２．第１実施形態である第１熱交換器４０のフィンモジュール４４の構成：
図４は、第１熱交換器４０のフィンモジュール４４の平面図である。図４は、２０℃におけるフィンモジュール４４の形状を示す。フィンモジュール４４は、銅合金で構成される。フィンモジュール４４は、円筒部４６と、複数のフィン４８と、を有する。円筒部４６は、ループ管ＬＴ１，ＬＴ２とほぼ同じ内径を有する環状の部材である（図２の下段および図３参照）。

複数のフィン４８は、円筒部４６の内部に配されている。複数のフィン４８は、いわゆるストレートフィンである。複数のフィン４８は、互いに平行で板状の複数のフィンである。複数のフィン４８は、円筒部４６の中心軸ＣＡと平行に配されている。具体的には、複数のフィン４８は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向に平行に配されている。複数のフィン４８は、Ｙ軸方向に並んで配されている。複数のフィン４８の厚さは、同じである。本実施形態において、フィン４８の厚さは、０．５ｍｍである。隣り合うフィン４８の間隔は、０．５ｍｍである。複数のフィン４８は、円筒部４６の中心軸ＣＡを通る平面ＳＡに対して対称の形状を有する。

複数のフィン４８を構成するそれぞれのフィンとして、図４において、例示的に、フィン１Ｒ，１Ｌ，２Ｒ，２Ｌ，３Ｒ，３Ｌに符号を付して示す。フィン１Ｒの両端のうち、円筒部４６に接続され基部として機能する端を１Ｒｂで示し、先端を１Ｒｔで示す（図４の中段左部参照）。フィン１Ｌ，２Ｒ，２Ｌ，３Ｒ，３Ｌについても、基部である端は、各フィンの符号の末尾にｂを付した符号で示し、先端は、各フィンの符号の末尾にｔを付した符号で示す。

フィン１Ｒ，１Ｌは、円筒部４６の中心軸ＣＡを挟んで向かい合う位置に配されている。すなわち、フィン１Ｒ，１Ｌは、円筒部４６の直径Ｄｍに沿って配されている。フィン１Ｒ，１Ｌは、複数のフィン４８のうち最も長いフィンである。

フィン２Ｒ，２Ｌは、中心軸ＣＡを含む平面ＳＡを挟んで向かい合う位置に配されている。フィン３Ｒ，３Ｌは、平面ＳＡを挟んで向かい合う位置に配されている。フィン２Ｒ，２Ｌ，３Ｒ，３Ｌは、複数のフィン４８のうち最も短いフィンである。

平面ＳＡを挟んで向かい合う位置に配されている一対のフィンは、フィンユニットを構成する。図４に示した例においては、フィン１Ｒ，１Ｌは、フィンユニット１を構成する。フィン２Ｒ，２Ｌは、フィンユニット２を構成する。フィン３Ｒ，３Ｌは、フィンユニット３を構成する。複数組のフィンユニットは、円筒部４６の内部に配された互いに平行な複数組の板状の構成である。複数組のフィンユニットは、円筒部４６の中心軸ＣＡと平行に配されている。複数組のフィンユニットは、Ｚ軸方向およびＸ軸方向に平行に配されている。

図５は、Ｙ軸方向に垂直な断面における、第１熱交換器４０の断面図である。図５は、図４に示す第１熱交換器４０のＶ－Ｖ断面図である。図５は、２０℃におけるフィンユニット１の形状を示す。フィンユニット１は、一対の第１部位１Ｒ１，１Ｌ１と、一対の第２部位１Ｒ２，１Ｌ２と、を備える（図５の下段中央部参照）。第１部位１Ｌ１と、第２部位１Ｌ２と、第２部位１Ｒ２と、第１部位１Ｒ１とは、Ｘ軸方向に沿ってその順に並ぶ。

第１部位１Ｒ１，１Ｌ１は、それぞれ円筒部４６に固定されている。すなわち、第１部位１Ｒ１は、フィン１Ｒの基部１Ｒｂを含む（図４の中段参照）。第１部位１Ｌ１は、フィン１Ｌの基部１Ｌｂを含む。第１部位１Ｒ１，１Ｌ１は、Ｚ軸方向について、一定の幅Ｗ１１を有する。

第２部位１Ｒ２，１Ｌ２は、それぞれ第１部位１Ｒ１，１Ｌ１に接続されている。第２部位１Ｒ２は、フィン１Ｒの先端１Ｒｔを含む（図４の中央部参照）。第２部位１Ｒ２は、Ｙ軸方向に沿って見たとき、第１部位１Ｒ１よりも中心軸ＣＡに近い位置に配されている。第２部位１Ｌ２は、フィン１Ｌの先端１Ｌｔを含む。第２部位１Ｌ２は、複数組のフィンユニットが並ぶＹ軸方向に沿って見たとき、第１部位１Ｌ１よりも中心軸ＣＡに近い位置に配されている。

第２部位１Ｒ２と第２部位１Ｌ２とを、まとめて「第２部位１２」とも呼ぶ。第２部位１Ｒ２は、第２部位１２の一部であり、第２部位１Ｌ２は、第２部位１２の他の一部である。

第１部位１Ｒ１，１Ｌ１の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１１と、第２部位１２の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１２は、２０℃の環境下において、同一直線上にある（図５の中央部参照）。すなわち、第２部位１２の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１２は、Ｚ軸方向について、第１部位１Ｒ１，１Ｌ１の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１１と同じ位置にある。そして、蓄熱器３０とは逆の側においては、第２部位１Ｒ２，１Ｌ２の端は、それぞれ第１部位１Ｒ１，１Ｌ１の端の位置から、中心軸ＣＡに近づくにつれて直線的に他方の端Ｅ１２に近づき、中心軸ＣＡにおいて他方の端Ｅ１２と一致する。その結果、第２部位１２のＺ軸方向の寸法Ｗ１２は、第１部位１Ｒ１，１Ｌ１のＺ軸方向の寸法Ｗ１１よりも小さい。

フィンの単位で把握すると、フィン１Ｒは、フィンユニット１に含まれる一対の第１部位１Ｒ１，１Ｌ１のうちの第１部位１Ｒ１と、フィンユニット１に含まれる一対の第２部位１Ｒ２，１Ｌ２のうちの第２部位１Ｒ２と、を備える。第２部位１Ｒ２は、第１部位１Ｒ１に接続されており、第１部位１Ｒ１よりも中心軸ＣＡに近い位置に配されている。

フィン１Ｌは、一対の第１部位１Ｒ１，１Ｌ１のうちの第１部位１Ｌ１と、一対の第２部位１Ｒ２，１Ｌ２のうちの第２部位１Ｌ２と、を備える。第２部位１Ｌ２は、第１部位１Ｌ１に接続されており、第１部位１Ｌ１よりも中心軸ＣＡに近い位置に配されている。

図６は、一部を除去した状態の第１熱交換器４０を示す斜視図である。円筒部４６内の複数のフィン４８の第２部位は、Ｙ軸方向に投射したとき、互いに一致する外形形状を有する。その結果、複数のフィン４８のＺ軸負方向側の面には、それぞれＹ軸方向に平行な向かい合う二つの仮想的な平面ＲｓＲ，ＲｓＬで規定される凹部Ｒｓが、形成されている（図６の下段右部、図５の中央部、および図４の中央部参照）。一方、円筒部４６内の複数のフィン４８の第１部位のＸ軸方向の長さは、フィンが配されているＹ軸方向の位置に応じて異なる（図４および図６参照）。円筒部４６内の複数のフィン４８は、第１部位のＸ軸方向の長さ以外の点については、互いに同一の構成を有する。

図７は、第１熱交換器４０の使用において想定されている最高温度Ｔｍａｘまで複数のフィン４８の温度が上昇した場合の第１熱交換器４０の断面図である。熱音響装置ＴＡの使用時には、フィンユニット１のフィン１Ｒ，１Ｌが、それぞれＸ軸方向に熱膨張することにより、フィン１Ｒの先端１Ｒｔと、フィン１Ｌの先端１Ｌｔとが、Ｘ軸方向に沿って相互に押しつけられる。すると、第２部位１２の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１２の一部が、蓄熱器３０に近づく向き、すなわちＺ軸正方向に変位する。

その結果、蓄熱器３０は、第２部位１２の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１２の一部によって支持され、第１部位１Ｒ１，１Ｌ１を含むフィンユニット１の他の部位との接触を阻止される（図７の中央部参照）。すなわち、熱音響装置ＴＡの設計時に想定した部位において、第１熱交換器４０と蓄熱器３０とが接触することとなる。

このような変形は、他のフィンユニットにおいても生じる。このため、温度が上昇した際には、複数組のフィンユニットにおいて、向かい合うフィンの先端部が蓄熱器３０に向かって突出し、対称の軸である平面ＳＡ上において峰状の隆起が生じる。隆起は、最も長いフィンユニット１において、最も高くなる。よって、蓄熱器３０は、フィンユニット１の第２部位１２によって、接触される。その結果、熱音響装置ＴＡの設計時に想定した部位において、第１熱交換器４０と蓄熱器３０とが接触することとなる。すなわち、第１熱交換器４０の各部と蓄熱器３０の各部との接触の程度に応じて蓄熱器３０の温度分布が不均一になる事態が防止される。また、第１熱交換器４０の構成によって、蓄熱器３０の気体流路の開口が塞がれない。

なお、図７において、熱音響装置ＴＡの使用時における蓄熱器３０の位置を破線で示す。図５においても熱音響装置ＴＡの使用時における蓄熱器３０の位置を破線で示す。図２において示す蓄熱器３０の位置は、フィン１Ｒ，１Ｌによって蓄熱器３０が持ち上げられた際の位置である。

本実施形態においては、熱音響装置ＴＡの使用時に、第１熱交換器４０のフィンユニットが以上のように変形することから、第１熱交換器４０と蓄熱器３０との間に空間Ｓ１を設けるために、第１熱交換器４０と蓄熱器３０との間にスペーサやバネを配する必要がない。その結果、原動機ＰＭ、ひいては熱音響装置ＴＡを構成する部品の数を減らせるため、熱音響装置ＴＡの信頼性を向上させることができる。

また、第２部位１２の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１２の一部が、蓄熱器３０に近づく向き、すなわちＺ軸正方向に変位し、フィンユニット１が曲がることにより、Ｘ軸方向のフィンユニット１の熱膨張による寸法の増大が、吸収される。このため、フィンユニット１が熱膨張してＹ軸方向に湾曲し、隣接するフィンユニット１が互いに接触して、配管内の気体の流通を阻害する可能性が低い。

さらに、本実施形態においては、フィンユニットの第２部位が連続していない二つの部位で構成される（図５から図７参照）。このため、フィンユニットに対する加熱と冷却が繰り返された場合に、フィンユニットの第２部位の最も細い部分において疲労破壊が起こる可能性を低減できる。

本実施形態における配管構造ＰＡを、「配管」とも呼ぶ。フィン１Ｒを、「第１フィン」とも呼ぶ。フィン１Ｌを、「第２フィン」とも呼ぶ。

Ａ３．第１実施形態の変形例：
第１実施形態の変形例においては、フィンユニットの第２部位の形状が、第１実施形態とは異なっている。第１実施形態の変形例の熱音響装置の他の点は、第１実施形態の熱音響装置ＴＡと同じである。第１実施形態の各構成に対応する第１実施形態の変形例の構成には、第１実施形態の各構成の符号の末尾にｖを付した符号を付す。

図８は、第１実施形態の変形例における、第１熱交換器４０ｖの断面図である。図８は、第１実施形態の図５に対応する。第１実施形態の変形例においては、フィン１Ｒｖは、第２部位１Ｒ７の中心軸ＣＡ側の先端部に、Ｚ軸正方向に突出する凸部１Ｒｐを備える。フィン１Ｌｖは、第２部位１Ｌ７の中心軸ＣＡ側の先端部に、Ｚ軸正方向に突出する凸部１Ｌｐを備える。他のフィンユニットも、同様の突部を備える。

このような構成においては、第１熱交換器４０ｖの使用において想定されている最高温度Ｔｍａｘより低い温度においても、フィンユニットの一部としての凸部が蓄熱器３０を支持して、フィンユニット１ｖの他の部位との接触を阻止する。このため、より広い温度範囲において、蓄熱器３０とフィンユニット１ｖの他の部位との間に、空間Ｓ１を確保することができる。そして、凸部の形状を適切に設計することにより、様々な温度において、蓄熱器３０とフィンユニット１ｖの凸部以外の部位との間に、望ましい大きさの間隙を、設けることができる。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態においては、フィンユニットの第２部位の形状が、第１実施形態とは異なっている。第２実施形態の熱音響装置の他の点は、第１実施形態の熱音響装置ＴＡと同じである。第１実施形態の各構成に対応する第２実施形態の構成には、第１実施形態の各構成の符号の末尾にｃを付した符号を付す。

図９は、第２実施形態における、第１熱交換器４０ｃの断面図である。図９は、第１実施形態の図５に対応する。第１実施形態においては、フィンユニット１は、二つの部材であるフィン１Ｒ，１Ｌから構成されている。一方、第２実施形態においては、フィンユニット１ｃは、一つの部材から構成されている。すなわち、フィンユニット１ｃは、一対の第１部位１Ｒ１，１Ｌ１と、連続した一つの第２部位１２ｃと、を備える。連続した一つの第２部位１２ｃは、一対の第１部位１Ｒ１，１Ｌ１の間に配される。

連続した一つの第２部位１２ｃは、対称の面ＳＡにおいて互いに接続された二つの部分１Ｒ３，１Ｌ３を含む。部分１Ｒ３は、第１実施形態の第２部位１Ｒ２に対応する。部分１Ｌ３は、第１実施形態の第２部位１Ｌ２に対応する。技術の理解を容易にするために、第１部位１Ｒ１と部分１Ｒ３とを備える部位を、フィン部１Ｒｃとして、図９に示す。フィン部１Ｒｃは、第１実施形態のフィン１Ｒに対応する。第１部位１Ｌ１と部分１Ｌ３とを備える部位を、フィン部１Ｌｃとして、図９に示す。フィン部１Ｌｃは、第１実施形態のフィン１Ｌに対応する。

第２実施形態においては、他のフィンユニットも、同様に構成されている。

第２実施形態においては、一つのフィンユニットが一つの部材で構成されている（図９参照）。このため、フィンユニットが熱膨張した場合に、第２部位の部分１Ｒ３，１Ｌ３が、Ｙ軸方向について、相互にずれにくい。このため、Ｘ軸方向のフィンユニットの膨張を、適切に、蓄熱器３０に向かう方向の変形に変換することができる（図７参照）。

Ｃ．他の実施形態：
（１）上記第１実施形態においては、第１部位１Ｒ１，１Ｌ１の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１１と、第２部位１２の蓄熱器３０と向かい合う端Ｅ１２は、同一直線上にある。すなわち、第２部位１２の端Ｅ１２は、Ｚ軸方向について、第１部位１Ｒ１，１Ｌ１の端Ｅ１１と同じ位置にある（図５参照）。しかし、第２部位１２の端Ｅ１２は、図８に示される第１実施形態の変形例のように、他の形状を有していてもよい。たとえば、第２部位１２の端Ｅ１２は、Ｚ軸方向について１以上の凹部や１以上の突部を有していてもよい。また、第２部位１２の端Ｅ１２の少なくとも一部が、曲線で構成されていてもよい。

ただし、第２部位の蓄熱器と向かい合う端の少なくとも一部は、円筒部の中心軸の方向について、第１部位の蓄熱器と向かい合う端と同じ位置にあるか、第１部位の蓄熱器と向かい合う端よりも蓄熱器に近い位置にあることが好ましい。そして、第２部位の蓄熱器と向かい合う端のうち、３／４以上が、円筒部の中心軸に垂直な直線状であることが好ましく、４／５以上が、円筒部の中心軸に垂直な直線状であることがより好ましく、９／１０以上が、円筒部の中心軸に垂直な直線状であることがさらに好ましい。そして、他の部位は、第１部位の蓄熱器と向かい合う端よりも蓄熱器に近い位置にあることが好ましい。他の部位は、円筒部の中心軸に最も近い端を含むことが好ましい。

（２）上記第１実施形態においては、蓄熱器３０とは逆の側においては、第２部位１Ｒ２，１Ｌ２の端は、それぞれ第１部位１Ｒ１，１Ｌ１の端の位置から、中心軸ＣＡに近づくにつれて直線的に他方の端Ｅ１２に近づき、中心軸ＣＡにおいて他方の端Ｅ１２と一致する（図５参照）。しかし、１以上の第２部位１２の蓄熱器３０とは逆の側の端の形状は、たとえば、蓄熱器に向かって凸の形状で、円筒部の中心軸に近づくにつれて他方の端Ｅ１２に近づいてもよく、蓄熱器とは逆の側に向かって凸の形状で、円筒部の中心軸に近づくにつれて他方の端Ｅ１２に近づいてもよい。さらに、第２部位１２の蓄熱器３０とは逆の側の端の形状は、円筒部の中心軸への接近に対して、単調減少である必要はなく、１以上の増加と１以上の減少を含んでいてもよい。

ただし、円筒部の中心軸の方向の第２部位の寸法は、中心軸の方向の第１部位の寸法よりも小さいことが好ましい。なお、ある方向について、「第２部位の寸法が、第１部位の寸法よりも小さい」とは、その方向について、第２部位の寸法の最小値が、第１部位の寸法よりも小さいことを意味する。

（３）上記実施形態においては、フィンユニット１の第１部位１Ｒ１，１Ｌ１は、Ｚ軸方向について、一定の幅Ｗ１１を有する（図５および図９参照）。しかし、フィンユニットの第１部位は、異なる幅を有する部位を含んでいてもよい。

（４）上記第１実施形態においては、円筒部４６内の複数のフィン４８は、第１部位のＸ軸方向の長さ以外の点については、互いに同一の構成を有する（図４および図６参照）。しかし、円筒部内の複数のフィンは、その一部または全部が、互いに異なる形状を備えていてもよい。ただし、複数組のフィンユニットの少なくとも一部は、（ｉ）中心軸の方向の第２部位の寸法が、中心軸の方向の第１部位の寸法よりも小さく、（ｉｉ）第２部位の蓄熱器と向かい合う端の少なくとも一部が、中心軸の方向について、第１部位の蓄熱器と向かい合う端と同じ位置か、第１部位の蓄熱器と向かい合う端よりも蓄熱器に近い位置にある、ことが好ましい。

（５）上記第１実施形態においては、円筒部４６は、一つの略円筒状の部材から構成されている。しかし、円筒部は、円筒の中心軸の方向に沿って並ぶ複数の環状部材で構成されていてもよい。また、円周方向について分割された、複数の部材から構成されていてもよい。すなわち、円筒部は、円の中心軸方向に沿って投射したときに、環状の外形を構成する部材であればよい。

（６）上記実施形態の図１、図２、図５、図７～図９においては、蓄熱器３０が第１熱交換器４０の上方にあるように熱音響装置ＴＡの構成が示されている。しかし、各図に示したＺ軸正方向は、必ずしも鉛直上方である必要はない。Ｚ軸正方向が水平方向など、他の向きであっても、熱音響装置ＴＡの使用時には、熱音響装置ＴＡの設計時に想定した部位において、第１熱交換器４０と蓄熱器３０とが接触するか、または第１熱交換器４０と蓄熱器３０とが接触しないこととなる。このため、第１熱交換器４０の各部と蓄熱器３０の各部との接触の程度に応じて蓄熱器３０の温度分布が不均一になる事態が防止される。また、第１熱交換器４０の構成によって、蓄熱器３０の気体流路の開口が塞がれない。

（７）上記第１実施形態においては、第１熱交換器４０は、上述のように、ループ管型の熱音響装置ＴＡの配管構造ＰＡに設置されている（図１参照）。しかし、本開示の熱交換器は、燃焼後の排気から熱を回収するために使用される熱交換器など、他の機器に適用される熱交換器とすることもできる。ただし、本開示の技術は、使用時に温度が上昇し、使用時に、隣接する他の機器と密着しないことが望まれる熱交換器に適用されることが好ましい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

ＴＡ…熱音響装置、ＨＳ…熱源、ＣＯ…冷却対象、２０…第２熱交換器、２２…流体ＦＬ１の流路、２３…ジャケット、２６…流体ＦＬ２の流路、２４…フィンモジュール、３０…蓄熱器、３２…流体ＦＬ１の流路、３９…蓄熱器３０の他端、３８…蓄熱器３０の一端、１３２…スペーサ、４０…第１熱交換器、４２…流体ＦＬ１の流路、４０ｖ…第１熱交換器、４０ｃ…第１熱交換器、４３…伝熱リング、４４…フィンモジュール、７０…第４熱交換器、８０…蓄熱器、８２…流体ＦＬ１の流路、８９…蓄熱器８０の他端、８８…蓄熱器８０の一端、９０…第３熱交換器、４６…円筒部、４８…フィン、ＣＡ…中心軸、Ｄｍ…直径、Ｅ１１…第１部位の端、Ｅ１２…第２部位の端、ＦＬ１…流体、ＦＬ２…流体、１…フィンユニット、１２…第２部位、１２ｃ…第２部位、１Ｌ…フィン、１Ｌ１…第１部位、１Ｌ２…第２部位、１Ｌ３…第２部位の一部、１Ｌ７…第２部位、１Ｌｂ…基部、１Ｌｐ…凸部、１Ｌｔ…先端、１Ｌｖ…フィン、１Ｒ…フィン、１Ｒｖ…フィン、１Ｒ１…第１部位、１Ｒ２…第２部位、１Ｒ３…第２部位の一部、１Ｒ７…第２部位、１Ｒｂ…基部、１Ｒｐ…凸部、１Ｒｔ…先端、１ｃ…フィンユニット、１ｖ…フィンユニット、２…フィンユニット、２Ｌ…フィン、２Ｒ…フィン、３…フィンユニット、３Ｌ…フィン、３Ｒ…フィン、ＨＰ…ヒートポンプ、ＬＴ１…ループ管、ＬＴ２…ループ管、ＬＴ３…ループ管、ＰＡ…配管構造、ＰＭ…原動機、Ｒｓ…凹部、ＲｓＬ…仮想平面、ＲｓＲ…仮想平面、Ｓ１…空間、Ｓ２…空間、ＳＡ…対称の軸である平面、Ｗ１１…寸法、Ｗ１２…寸法

Claims (3)

1. 熱音響装置であって、
   配管に設置される第１熱交換器であって、外部から熱を供給されて、前記配管内の流体であって前記第１熱交換器に接する流体に熱を付与する第１熱交換器と、
   前記配管に設置される第２熱交換器であって、前記配管内の流体であって前記第２熱交換器に接する流体をあらかじめ定められた温度に制御する第２熱交換器と、
   前記配管のうち、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間の部位に設置され、温度勾配を形成されて前記配管内に音波を発生させる蓄熱器と、を備え、
   前記第１熱交換器は、
   円筒部と、
   前記円筒部の内部に配された互いに平行な複数組の板状のフィンユニットであって、前記円筒部の中心軸と平行に配されている複数組のフィンユニットと、を備え、
   前記複数組のフィンユニットの少なくとも一部は、
   それぞれ前記円筒部に固定されている一対の第１部位と、
   それぞれ前記第１部位に接続されており、前記複数組のフィンユニットが並ぶ方向に沿って見たとき、前記第１部位よりも前記中心軸に近い位置に配されている１以上の第２部位と、を備え、
   前記第２部位の前記中心軸の方向の寸法は、前記第１部位の前記中心軸の方向の寸法よりも小さく、
   前記第２部位の前記蓄熱器と向かい合う端の少なくとも一部は、前記中心軸の方向について、前記第１部位の前記蓄熱器と向かい合う端と同じ位置か、前記第１部位の前記蓄熱器と向かい合う端よりも前記蓄熱器に近い位置にある、熱音響装置。
2. 請求項１記載の熱音響装置であって、
   前記複数組のフィンユニットの前記少なくとも一部は、
   前記一対の第１部位のうちの一方の前記第１部位と、前記一方の第１部位に接続されており、前記一方の第１部位よりも前記中心軸に近い位置に配されている前記第２部位の一部と、を備える第１フィンと、
   前記一対の第１部位のうちの他方の前記第１部位と、前記他方の第１部位に接続されており、前記他方の第１部位よりも前記中心軸に近い位置に配されている前記第２部位の他の一部と、を備える第２フィンと、を備える、熱音響装置。
3. 請求項１記載の熱音響装置であって、
   前記複数組のフィンユニットの前記少なくとも一部は、
   前記一対の第１部位と、
   前記一対の第１部位の間に配される連続した一つの前記第２部位と、を備える、熱音響装置。

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