JP4443971B2

JP4443971B2 - 音響暖房装置、及び音響暖房システム

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Publication number: JP4443971B2
Application number: JP2004091683A
Authority: JP
Inventors: 眞一坂本; 好章渡辺
Original assignee: Doshisha Co Ltd
Current assignee: Doshisha Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005274099A; WO2005093339A1; US7804046B2; US20070221367A1

Description

本発明は、熱音響効果を利用した熱交換装置及びそのシステムに関するものである。

音響効果を利用した熱交換装置の従来技術に関しては下記の特許文献１や非特許文献１などに記載されるものが存在する。

まず、特許文献１に記載される装置は、熱音響効果を利用した冷却装置に関するものであり、気体を封入したループ管の内部に、高温側熱交換器及び低温側熱交換器に挟まれたスタックと、高温側熱交換器及び低温側熱交換器に挟まれたスタックなどで形成された蓄冷器とを設ける。そして、スタック側の高温側熱交換器を加熱することによってスタック内に温度勾配を発生させ、このスタック内で熱エネルギーを高温側熱交換器から低温側熱交換器側へ移送する。そして、エネルギー保存の法則により、この熱エネルギーの移送方向と反対側に音エネルギーを移送させるように自励の音波を発生させ、この音波による音エネルギーを蓄冷器側に伝搬させる。そして、蓄冷器側でその音エネルギーの伝搬方向と逆方向に熱エネルギーを移送させて低温側熱交換器を冷却させるようにしたものである。

また、非特許文献１にも同様に熱音響効果を利用した冷却装置が開示され、その冷却装置を用いた実験的検討が開示されている。この実験に用いられる冷却装置も、同様に、金属製のループ管の管内に、ヒーター（高温側熱交換器）と低温側熱交換器とに挟まれた第一のスタックと、このループ管の対向する位置に設けられ、低温側熱交換器を有する第二のスタックとを設けて構成される。そして、第一のスタック側に設けられたヒーター（高温側熱交換器）を加熱するとともに、低温側熱交換器に水道水を循環させることによって第一のスタック内に大きな温度勾配を発生させ、この温度勾配と逆方向に自励の音波を発生させる。そして、この音エネルギーをループ管を介して蓄冷器側に伝搬し、第二のスタック側でその音エネルギーを熱エネルギーに変換して第二のスタックの他端側に設けられた温度計近傍を冷却するようにしたものである。この文献によれば、所定の条件のもと、温度計が設けられる部分で約１６℃の温度低下が確認されている。

そして、このような熱音響を利用した冷却装置は、一般に、室内空間の冷房装置や、もしくは、家電製品、ノートパソコン、通信機器、ゲーム機、自動車、事務機器などのような発熱を伴う機器を冷却する装置として使用されることが望まれている。
特開２０００―８８３７８号公報坂本眞一、村上和宏、渡辺好章著「熱音響効果を用いた音響冷却現象の実験的検討」社団法人電子情報通信学会信学技報 TECHNICAL REPORT OF IEICE. US2002-118(2003-02)

しかしながら、このような冷却装置は、室内空間や目的の対象物を冷却するものであり、非常に冷たい環境下、例えば、外気温度が摂氏−２０℃〜−６０℃となるような寒冷地などにおいては、室内空間などを冷却するよりも、むしろ室内空間を暖めることの方が望まれている。しかるに、従来から提案されている音響効果を利用した熱交換装置は、いずれも室内空間や目的となる対象物を冷却するものであるため、寒冷地などにおける用途には不向きなものであった。

そこで、本発明は上記課題を解決するべく、熱音響効果を利用しつつ、対象物を暖めることができるような装置及びそのシステムを提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、ループ管内に、低温入力側熱交換器と、周囲に液体を循環させた高温側熱交換器とに挟まれた第一のスタックと、高温出力側熱交換器と、周囲に液体を循環させた低温側熱交換器とに挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一のスタック側の低温入力側熱交換器を冷却させるとともに、当該第一のスタック側の高温側熱交換器の周囲に液体を循環させることによって自励による音波を発生させ、当該音波を第一のスタックから第二のスタックに伝搬させることによって第二のスタックで温度勾配を発生させ、第二のスタック側の低温側熱交換器の周囲に液体を循環させることによって第二のスタック側の高温出力側熱交換器から熱を出力するように構成する。

このように構成すれば、外部の冷たい熱（以下、「冷熱」と称する）を利用して室内空間や目的となる対象物を暖めることができ、寒冷地などにおいて有用な熱交換装置を得ることができる。また、このような装置を過剰冷却に対するサーモスタットとして利用することもできるようになる。また、このような装置においては、熱音響効果を用いるようにしているため、フロンなどのように環境対策上問題となるような媒体や、コンプレッサなどの動力源を用いることなく比較的簡単な構成で暖房を行うことができるようになる。

本発明では、ループ管内に、低温入力側熱交換器と、周囲に液体を循環させた高温側熱交換器とに挟まれた第一のスタックと、高温出力側熱交換器と、周囲に液体を循環させた低温側熱交換器とに挟まれた第二のスタックとを具備してなり、前記第一のスタック側の低温入力側熱交換器を冷却させるとともに、当該第一のスタック側の高温側熱交換器の周囲に液体を循環させることによって自励による音波を発生させ、当該音波を第一のスタックから第二のスタックに伝搬させることによって第二のスタックで温度勾配を発生させ、第二のスタック側の低温側熱交換器の周囲に液体を循環させることによって第二のスタック側の高温出力側熱交換器から熱を出力するようにしたので、寒冷地などにおける冷熱を利用して室内空間や目的となる対象物を暖めることができる。これにより、寒冷地などにおいて有用な熱交換装置を得ることができる。また、熱音響効果を用いるようにしているため、フロンなどのように環境対策上問題となるような媒体やコンプレッサなどの動力源を用いることなく比較的簡単な構成で暖房を行うことができるようになる。

以下、本発明に係る音響暖房装置１の一実施の形態について図面を参照して説明する。

この実施の形態における音響暖房装置１は、全体として略長方形状に構成されたループ管２の内部に、高温側熱交換器４及び低温入力側熱交換器５に挟まれた第一のスタック３ａと、低温側熱交換器６及び高温出力側熱交換器７に挟まれた第二のスタック３ｂとを具備してなるもので、第一のスタック３ａ側の低温入力側熱交換器５を冷却させることによって自励による定在波及び進行波を発生させ、この定在波及び進行波を第二のスタック３ｂ側へ伝搬させることによって第二のスタック３ｂ側に設けられた高温出力側熱交換器７から高い熱を出力できるようにしたものである。

このループ管２は、地面から起立した状態（好ましくは、鉛直状）に設けられる第一の管部２ａ及び第二の管部２ｂと、この第一の管部２ａ及び第二の管部２ｂの両端の角部２ｃを介してこれらを連結する連結管部２ｄとを具備してなる。これらの第一の管部２ａ、第二の管部２ｂ、角部２ｃ、連結管部２ｄは、金属製のパイプで構成されるが、これに限らず、透明なガラス、もしくは樹脂などによって構成することもできる。透明なガラスや樹脂などの材料で構成した場合は、実験等における第一のスタック３ａや第二のスタック３ｂの位置確認や管内の状況を容易に観察することができる。第一の管部２ａ及び第二の管部２ｂの長さＬａは、連結管部２ｄの長さＬｂよりも長く設定される。このように第一の管部２ａ及び第二の管部２ｂを長くすることによって暖気と冷気の逃げ場所を確保し、第一のスタック３ａ及び第二のスタック３ｂ内の温度勾配を大きくすることができる。これにより第一のスタックから自励の音波を迅速に発生させることができるようになる。また、この第一の管部２ａ及び第二の管部２ｂの両端に設けられる角部２ｃの形状は、管内を伝搬してきた音波を完全に連結管部２ｄなどへ反射しうるような形状として、例えば、円弧形状などに構成される。図２にこの角部２ｃの具体的構成を示す。図２は、第一の管部２ａの上端部分の角部２ｃの拡大図を示したものである。なお、この角部２ｃは、他の角部２ｃにおいても同様の構成が用いられるため説明を省略する。図２において、角部２ｃは、第一の管部２ａの内径とほぼ等しい内径を有し、かつ、ループ管２の内側コーナー部分を中心として管の内径とほぼ等しい直径を有するように構成されている。これにより第一の管部２ａから伝搬した音エネルギーは、角部２ｃにおいて全て反射され、第一の管部２ａに戻ることなく連結管部２ｄ側へ移送されることになる。また、このように角部２ｃの内径を第一の管部２ａとほぼ等しく構成することによって、第一の管部２aと角部２ｃの内壁を滑らかにすることができ、これにより音エネルギーの損失を防止して効率よくエネルギーを移送することができるようになる。なお、この角部２ｃの形状については、円弧形状のものに限らず、図３に示されるような直線状のものを用いることもできる。図３は、第一の管部２ａと連結管部２ｄとの間に設けられる直線状の角部２０ｃの拡大図を示したものである。図３において、角部２０ｃは、外側コーナー部分を第一の管部２ａと連結管部２ｄとの連結角度である９０度の中間角度である４５度の直線状に設定される。そして、この直線状のコーナー部分により第一の管部２ａを伝搬する音波を全て連結管部２ｄ側へ反射させるようにしている。

このループ管２の内部には、ヘリウム、アルゴン、ヘリウム及びアルゴンの混合気体などの不活性ガスが封入され、粘性による損失を防止する場合には比較的プラントル数の小さなヘリウムを使用し、また、熱交換や熱伝導の効率を向上させる場合には比較的プラントル数の大きなアルゴンを使用する。なお、この作動流体については、このような不活性ガスに限らず、窒素や空気などのような気体を封入しても良い。これらの作動流体の圧力は、０．０１ＭＰａ〜５．０ＭＰａに設定され、粘性による影響を小さくする場合には比較的小さな圧力に設定する。

一方、このループ管２に設けられる第一のスタック３ａ及び第二のスタック３ｂは、ループ管２の内壁に接するような円柱状に構成され、セラミクス、燒結金属、金網、金属製不織布などのように熱容量の大きい材質であって、ループ管の軸方向に貫通する多孔を有して構成される。一般的に、これらのスタック３ａ、３ｂは、細い直線状の導通路を多数設けたものが用いられるが、これ以外に、図４に示すように、例えば、微小の球状セラミクスなどを多数敷き詰めて蛇行する導通路３０（太線で示される導通路）を設けたようなスタック３ｃを用いるようにしても良い。このように蛇行する導通路３０を設けるようにすれば、作動流体とスタック３ｃとの接触面積を大きく確保することができ、熱交換が大きくなってより高温出力側熱交換器７から高い熱を出力することができるようになる。なお、このようなスタックを用いる場合、第一のスタック３ａ側については、自励による音波の発生を促進すべく、細い直線状の導通路を有するスタックを用い、また、第二のスタック３ｂについては、より高い熱の出力を可能とすべく、蛇行する導通路３０を有するスタック３ｃを用いるようにしても良い。また、これ以外にもメッシュ状のステンレスを多数枚積層したものを用いるようにしても良い。

この第一のスタック３ａの取り付け位置は、第一の管部２ａの上方に設定され、高温側熱交換器４と低温入力側熱交換器５とに挟まれた状態でその位置に固定される。この低温側熱入力器は、薄肉の金属板の内側に作動流体を垂直に導通させるための導通路を形成してなるもので、第一のスタック３ａの下方に接触して設けられる。そして、寒冷地における屋外などからの冷熱により、例えば、−２０℃〜−６０℃、若しくは、これより低い温度となるように冷やされる。一方、高温側熱交換器４は、同様に薄肉の金属板の内側に作動流体を垂直に導通させるための導通路を形成させてなるもので、第一のスタック３ａの上方に接触して設けられ、その周囲に不凍性の液体を循環させて＋２０℃〜＋３０℃、若しくは、これよりも高い温度となるように設定される。そして、このように高温側熱交換器４と低温入力側熱交換機５の温度差によって第一のスタック３ａ内に温度勾配を発生させ、これにより、自励による音波を発生させる。なお、この第一のスタック３ａは、第一の管部２ａの下方に設けるようにすることもできるが、このような位置に設けると、低温入力側熱交換器５からの冷気の逃げ場所がなくなってしまい、第一のスタック３ａ内に冷気が入り込んでしまう。このため、第一のスタック３a内に大きな温度勾配を発生させることができず、自励による音波は発生しなくなる可能性がある。このため、本実施の形態では、冷気の逃げ場所を確保して自励による音波を発生しやすくするために、第一の管部２ａの上方、好ましくは、第一の管部２ａの中央よりも上側に第一のスタック３ａを設けるようにしている。

ここで第一のスタック３ａで自励による音波が発生するための条件としては、この第一のスタック３ａ内に作動流体が流れる際の平行通路の流路半径をｒ、作動流体の角周波数をω、温度拡散係数をα、温度緩和時間をτ（＝ｒ^２／２α）とした場合、ωτが０．２〜２０の範囲内である場合に最も効率良く自励による音波を発生させることができる。このため、これらの関係を満たすようにｒ、ω、τを設定する。また、図２における第一の管部２ａの一端と連結管部２ｄの一端とを連結したときのそれぞれの中心軸の交点を回路の始点とし、回路全長を１．００とした場合、第一のスタック３ａの中心を始点から反時計回りに回路全長の０．２８±０．０５となる位置に設定すれば、より迅速かつ効率良く自励による音波を発生することができる。

一方、第二のスタック３ｂの取り付け位置は、ループ管２に沿った作動流体の圧力変動が、第一のスタック３ａの近傍に第一のピークが存在して、更に回路全長の約１／２進んだ位置に第二のピークが存在する場合に、そのスタック３ｂの中心が第二のピークを過ぎた場所に位置するように設けられる。この第二のスタック３ｂの下側に設けられる低温側熱交換器６は、薄肉の金属板の内側に作動流体を垂直に導通させるための導通路を形成してなるもので、第一のスタック３ａに設けられる高温出力側熱交換器７と同様に、周囲に不凍性の液体を循環させて＋２０℃〜＋３０℃、若しくは、これよりも高い温度に設定される。一方、高温出力側熱交換器７は、同様に薄肉の金属板の内側に作動流体を垂直に導通させるための導通路を形成してなるもので、暖房の目的となる対象物へ熱を出力する。この暖房の目的となる対象物としては、例えば、室内空間における空気や、起動時における自動車のエンジンなどが考えられるが、これらに限定されるものではない。

次に、このように構成された音響暖房装置１の動作の状態について説明する。

まず、ループ管２に不活性ガスを封入した状態で第一のスタック３ａにおける高温側熱交換器４及び第二のスタック３ｂの低温側熱交換器６に不凍性の液体を循環させるとともに第一のスタック３aの低温入力側熱交換器５を−２０℃〜−６０℃などに冷却する。すると、この低温入力側熱交換器５と高温側熱交換器４との間の温度差によって第一のスタック３ａ内に温度勾配が発生し、最初に作動流体が微小に揺らぎ始める。そして、次に、この作動流体が大きく振動し始めてループ管２内を周回する。そして、一定時間経過後、ループ管２内に定在波及び進行波が発生し、エネルギー保存の法則により、高温側熱交換器４から低温側熱交換器６側への熱エネルギーの移送方向と逆方向に音エネルギーが伝搬する。この音エネルギーは、ループ管２の角部２ｃ、２０ｃなどにおいて効率良く反射され、第二のスタック３ｂ側へ伝搬される。第二のスタック３ｂ側では、この音エネルギーが高温出力側熱交換器７側から低温側熱交換器６側へ伝搬される。そして、定在波及び進行波に基づく作動流体の圧力変化及び体積変化によって作動流体が収縮し、その際、放出される熱を高温出力側熱交換器７から出力する。これにより、熱音響の効果を利用した暖房が可能となる。

なお、この音響暖房装置１においては、第一のスタック３ａ側に設けられた高温側熱交換器４と低温入力側熱交換器５との温度勾配によって音波を自励で発生させるようにしているが、このような自励による音波発生だけであると定在波及び進行波の発生までに長い時間を要することとなる。一方、定在波及び進行波の発生時間を短縮するためにためには、ループ管２の径を変えて定在波及び進行波の周波数を低くすることも可能であるが、このようにすると今度は、十分な出力を得ることができない。このため、図５に示すように、自励までの時間を短縮するために、音波発生装置８を設けることもできる。

この音波発生装置８は、スピーカーや圧電素子、その他、外部から作動流体を強制振動させるような装置で構成されるもので、ループ管２の外周面に沿って設けられ、若しくは、ループ管２の内部に設けられる。この音波発生装置８は、発生する定在波及び進行波の１／２波長、１／４波長の間隔を設けて取り付けるのが好ましく、また、定在波及び進行波の進行方向に対応してループ管２の軸方向に作動流体を強制振動させるように設けるのが好ましい。このように音波発生装置８を設けると、定在波及び進行波の発生時間を短縮することができ、迅速に高温出力側熱交換器７から熱を出力することができるようになる。

また、このような音響暖房装置１だけでは充分な放熱効果を得ることができない場合、図６に示すように、音響暖房装置１を複数連結させた音響暖房システム１００を用いるようにすることもできる。図６において、１ａ、１ｂ…１ｎは上述のように構成された音響暖房装置１を示し、これらの第一の音響暖房装置１ａ、第二の音響暖房装置１ｂ…第ｎの音響暖房装置１ｎは隣接して直列に設けられる。これらの音響暖房装置１ａ…における低温入力側熱交換器５は、全て屋外などの冷たい環境下に置かれ、−２０℃〜−６０℃などのような温度に設定される。一方、それぞれにおける音響暖房装置１ａ…の高温出力側熱交換器７は、これに隣接する音響暖房装置１ｂ…の高温側熱交換器４と連結される。これにより、第一の音響暖房装置１ａにおける第一のスタック３ａの温度勾配よりも大きな温度勾配を隣接する音響暖房装置１ｂの第一のスタック３a内に発生させることができ、これにより、順次下流側に向けて音響暖房装置１ｎの温度勾配が大きくなって、末端の音響暖房装置１ｎからはより高い熱を出力させることができるようになる。なお、このように音響暖房装置１ａ…を連結する場合、各音響暖房装置１ａ…で音波を自励させようとすると、末端の音響暖房装置１ｎで定在波及び進行波が発生するまでに非常に長い時間を要することになる。このため、特にプール管２の外周面若しくは内部に音波発生装置８を設けて各音響暖房装置１ａ…での定在波及び進行波の発生までの時間を短縮化するように構成すると良い。

このように上記実施の形態によれば、ループ管内２の内部に、低温入力側熱交換器５と、周囲に液体を循環させた高温側熱交換器４とに挟まれた第一のスタック３ａと、高温出力側熱交換器４と、周囲に液体を循環させた低温側熱交換器５とに挟まれた第二のスタック３ｂとを具備してなり、前記第一のスタック３ａ側の低温入力側熱交換器５を冷却させるとともに、当該第一のスタック３ａ側の高温側熱交換器４の周囲に液体を循環させることによって自励による音波を発生させ、当該音波を第一のスタック３ａから第二のスタック３ｂに伝搬させることによって第二のスタック３ｂで温度勾配を発生させ、第二のスタック３ｂ側の低温側熱交換器５の周囲に液体を循環させることによって第二のスタック３ｂ側の高温出力側熱交換器４から熱を出力するようにしたので、例えば、寒冷地などにおける冷熱を利用して室内空間や目的の対象物を暖めることができるようになる。また、熱音響効果を用いるようにしているため、フロンなどの環境に悪い媒体や、コンプレッサなどを用いることなく暖房を行うことができるようになる。また、このような装置１を過剰冷却に対するサーモスタットとして使用することもできる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、全体として略長方形状のループ管２を例に挙げて説明したが、設置環境などにより、部分的に蛇行させるようにしたループ管２を用いるようにしても良い。この場合、ループ管の蛇行部分におけるエネルギー損失を防止するために、角部の形状を本実施の形態のように円弧形状などようにすることが望ましい。また、管内の内径については、エネルギー損失や設置環境などを考慮して適宜径の寸法を変えるようにしても良い。

また、上記実施の形態では、寒冷地などにおける冷熱を利用する場合について述べたが、これに限らず、人工的に生成されたドライアイスや液体窒素などからの冷熱を利用するようにしても良く、また、宇宙空間における日陰部分での冷熱などを利用するようにしても良い。

第一の実施の形態における音響暖房装置の断面概略図同形態におけるループ管の角部を示す拡大図他の実施の形態におけるループ管の角部を示す拡大図第一の実施の形態におけるスタックの断面概略図他の実施の形態における音響暖房装置の断面概略図音響暖房装置を連結させた音響暖房システムの概略図

１・・・音響暖房装置
２ａ・・・第一の管部
２ｂ・・・第二の管部
２ｃ・・・角部
２０ｃ・・・他の実施形態の角部
２ｄ・・・連結管部
３ａ・・・第一のスタック
３ｂ・・・第二のスタック
３０・・・導通路
４・・・高温側熱交換器
５・・・低温入力側熱交換器
６・・・低温側熱交換器
７・・・高温出力側熱交換器
１００・・・音響暖房システム

Claims

ループ管内に、低温入力側熱交換器と、周囲に液体を循環させた高温側熱交換器とに挟まれた第一のスタックと、高温出力側熱交換器と、周囲に液体を循環させた低温側熱交換器とに挟まれた第二のスタックとを具備してなり、
前記第一のスタック側の低温入力側熱交換器を冷却させるとともに、当該第一のスタック側の高温側熱交換器の周囲に液体を循環させることによって自励による音波を発生させ、当該音波を第一のスタックから第二のスタックに伝搬させることによって第二のスタックで温度勾配を発生させ、第二のスタック側の低温側熱交換器の周囲に液体を循環させることによって第二のスタック側の高温出力側熱交換器から熱を出力することを特徴とする音響暖房装置。