JPH04501456A - 物体と気体との間の強制熱伝達の方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 物体と気体との間の強制熱伝達の方法と装置本発明は、固体又は液体の物体とそ の周囲の気体との間で強制的に熱伝達を実施させるための方法と装置に関する。

強制的熱伝達は、周囲の気体を低周波の定常音波によって生じる振動状態に設定 し、物体をこの定常音波における最大振動部分に配置することにより達成される 。　１例えば暖かい物体からこれを包囲する空気流へ熱伝達する際など、熱伝達 における基本的課題は、物体から気体流への単位面積当たりの伝熱効果が低気体 流量では軽微となることにある。多大な伝熱効果を得るためには多量の気体流量 が必要であり、すなわち多量の空気流を必要とする。しかしながら、このとき空 気の温度上昇は僅かである。多量の空気流は冷却にかかる費用を増加させ、僅か な温度上昇の結果、加熱空気のエネルギーはほとんど利用することができない。

１９８１年９・１０月のＺｈｕｒｎａｌ　Ｐｒ１ｋｌａｄｎｏｉ　Ｍｅｋｈａｎ ｉｋｉ　ｉ　Ｔｅｋｈｎｉ−ｃｈｅｓｋｏ　ｉ　（ブリクラノイ機械工学ジャー ナル）第５号、第６７〜７２頁のＶ、Ｂ、レピンによる「低周波振動によるシリ ンダの熱交換」の記述から、気体中に音場を発生させることにより熱伝達を改善 できることが既に知られている。また、この音場が低周波域からなればより有効 であることも知られている。

・　音場における音圧及び粒子速度という２つのパラメータから、強制熱伝達を 提供するのは粒子速度であることが明らかである。また、熱伝達は粒子速度の上 昇を伴って増加することも明白である。物体を加熱又は冷却するために低周波音 を使用する従来方法が実用において今日までいかなる重要性をも有さなかったの は、冷却又は加熱しようとする物体の全表面にくまなく十分高速の粒子速度を有 する音を生じさせる有効な方法や装置が全くなかったためである。

本発明の目的は、上記課題を解決し、物体からこれを包囲する気体へ単位面積当 たりの高い熱効果を伝達するための方法及び装置を実現することにある。物体表 面に気体を高速で吸引することにより熱伝達を増加させる代わりに、強制熱伝達 は周囲の気体に低周波振動を与えることにより達成される。

本発明をより明確にするために、ワイヤ圧延機から出た高温ワイヤを冷却する一 実施例、及びセメント焼塊を冷却する一実施例を以下に説明する。当然のことな がら、本発明は方法及び装置の他の実施例をも包含する。

鋼ワイヤは、圧延機から出たとき約８５０℃の温度を有し、使用のためにこれを ３００℃まで冷却しなければならない。このような冷却には、一般に多くの工程 を用いる。１つの方法によれば、ワイヤを直径約１ｍの螺旋体状にしてローラコ ンベア上に置き、約０．５　ｍ／　ｓの速度で前方へ搬送し、同時に、ローラコ ンベアに近接配置した複数の大型ファンにより冷却空気をワイヤへ吹付ける。所 望温度まで冷却するために、約６０ｍの冷却工程距離が必要となる。

上記の従来方法が有する欠点としては、装置が高価でかつ極めて大型であること 、及び大量の空気流を構内に導入しなければならず、このような作業がかなりの 動力を消費するとともに、気温を変化させたり大気中にほこりを舞上がらせたり する点で環境上の不利益を伴うことがある。その他の欠点は、冶金学の見地から 、冷却が必ずしも十分に急速ではなくかつ一様でないことや、また高温ワイヤの 全体の熱効果が失われることにある。

本発明の特徴及び態様は、以下の添付図面の簡単な説明及びこれに関する記述に より容易に理解されよう。

図１は標準的な空気流内の一固体を示す。

図２は超低周波音場にさらされている空気流内の一固体を示す。

図３は低周波音を使用した金属ワイヤ冷却装置を示す。

図４は低周波音を使用したセメント焼塊冷却装置を示す。

前述のように、気体が気体中に生じた定常音波によって往復運動される場合に、 物体の表面とその周囲の気体との間で強制熱伝達が達成される。図１は、空気流 にさらされた温度Ｔ、の一固体を示す。空気流中の粒子を点で示し、時間ととも に変化する複数の点における空気粒子の位置をｔ、〜ｔ。

で示す。空気流の温度は、固体通過以前ではＴ、であり、固体通過後はＴ２であ る。図２は、同じ空気流にさらされている同じ固体を示すが、この空気流は超低 周波音波の影響下にある。図２においても、時間ごとに異なる点にある空気粒子 の位置をｔ１〜ｔ７で示す。図から明らかなように、固体を通過する各空気粒子 は、低周波音によって生じた脈動空気流により、１回ではなく複数回通過するこ とになる。固体が空気流よりも高温である場合には、空気粒子は固体を通過する たびに徐々に熱を吸収し、これに応じて固体の温度が低下する。このようにして 強制熱伝達が得られる。

定常音波のある部分において、気体の振動速度、いわゆる粒子速度は大きく、圧 力変化、いわゆる音圧は微小である。

また他の部分では、気体の振動速度が小さく、圧力変化が大きい。特定の地点で は、粒子速度及び音圧の双方がこのように時間と共に変化し、これは理想状態で は正弦振動を呈示する。粒子速度及び音圧の最高値は、いずれもそれぞれの振動 の振幅によって示される。一般に、粒子速度の振幅が最大値、すなわちいわゆる 粒子速度の腹を呈するとき、同時に音圧の振幅が最小値、すなわちいわゆる音圧 の節を呈する。

上記により、最大の強制熱伝達を得るためには、粒子速度をできる限り大きくす ることが所望される。定常音波において、粒子速度の振幅が最大レベルを示す地 点は幾つか存在する。１７４波長又は１７２波長に相当する長さの定常音波にお いては、粒子速度の振幅は１地点のみで最大値を有する。したがって、できる限 り大きな強制熱伝達を得るために、熱伝達を生じる表面を粒子速度の腹にできる だけ近接した位置に配置する必要がある。

本発明に係る方法において、固体又は液体の一物体と気体との間の強制熱伝達は 、図２に示したように、定常低周波音波を１つ又は複数の音波共振器で生成する ことにより実限される。低周波音波とは、この明細書では５０Ｈｚ又はそれ以下 の周波数を意味する。５０１（ｚ以上の周波数を対象としない理由は、閉じた中 波共振器が高周波において装置を能力の点から対象外とするような小寸法を備え ることにある。さらに低い周波数において破裂音が消えるため、好ましくは３０ ｔｌｚ又はそれ以下の周波数を使用すべきである。この周波数において、妨害は 極めて微小であると考えられる。音波共振器は、発生した低周波音波の半波長に 相当する長さのものであることが好ましいが、他の形式の音波共振器も使用可能 である。低周波音波は、共振器における音圧の腹に配置したいわゆるイグジゲー タ（ｅｘｉｇａｔｏｒ）により空気パルスを発生することによって得られる。イ グジゲータという言葉は、本明細書では、高音圧が行き渡る共振器の１地点にお いて粒子速度を発生する低周波音発生器の一部分を示すものとして使われる。こ れに関しては、例えばスウェーデン特許第４４６１５７号、及びスウェーデン特 許出願第８３０６６５３−０号、第８７０１４６１−９号、第８８０２４５２− ６号を参照せよ。共振器のどこかでは、粒子速度の腹が音圧の節と同時に生じ、 この地点で共振管を開放できる。上記の熱伝達を生じさせようとする表面はこの 開口部を通って前進する。したがってこの表面はその後、上記の定常低周波音波 の粒子速度の腹に配置される。

定常空気流は共振管を通って流れ、この空気流の一部分はイグジゲータから流出 する駆動空気から派生し、他の部分は熱伝達表面が通過する開口部に流入する空 気から派生する。

特定の冷却用送風機の使用も可能である。上記表面は、共振管を通過する際に、 一部分を定常空気流により、また一部分を定常音波によって発生した振動空気流 により吹き払われる。

音波の粒子速度の振幅が定常空気流の速度の振幅よりもかなり大きい場合、及び 音波の振動振幅が上記表面の厚さよりもかなり大きい場合には、空気が媒介する 同一要素群が数回にわたり上記表面を通過する。これにより、定常空気流のみが 上記表面を吹く場合よりも、空気はより十分に加熱され又は冷却される。この結 果、通常状態の場合に比べてさらに大きな熱伝達が、所与の時間のもとて上記表 面と空気との間に生じる。

定常音波の音圧の節において見出される重畳空気作用を使用することに付随した １つの有利点は、これが空気の振動を実現するのに比較的簡単な方法だというこ とにある。定常音波を使用するもう１つの有利点は、振動空気の高い速度を必要 とするのが熱伝達表面の位置する地点のみだということにある。この方法以外で は、高速空気は摩擦ロスを伴うのみである。

以下、本発明に係る方法を実施するための装置を、図３に示した実施例を参照し てさらに詳細に説明する。図３は、鋼ワイヤの冷却装置を示す。

低周波音は、□イグジゲータ部分及び共振器部分からなる１つ又は複数の低周波 音発生器によって生成される。共振管の内部で、定常音波は音圧が最低となる音 圧の節群を示して発生する。共振管はこの節群が配置される開口部を備え、この 開口部は、ワイヤが共振管内を通過可能でかつこれにより超低周波音波の影響を 受けた冷却空気にワイヤをさらすことができるように設計される。

゛図３は、冷却すべき鋼ワイヤが冷却テーブル１に沿って通過可能な装置を詳細 に示す。鋼ワイヤは冷却テーブル上で低周波音波にさらされる。音響学的にこの 装置は実質的間システムである。鋼ワイヤは標準的取扱いに従ってローラコンベ ア又は他のコンベアベルト上に広げられ、図面の紙面に直行する平面上で冷却テ ーブルを横断して一定速度で前方に送られる。２個の管状共振器２，３をテーブ ル上に配置し、これらの開口端をテーブル上に放出させる。これらの共振器は、 生成する音波の波長の１７４に相当する長さを備えることが好ましい。各共振器 のそれぞれの他端にいわゆるイグジゲータ４．５を配置する。このイグジゲータ は、スウェーデン特許出願第８８０２４５２−６号に開示された形式のもので良 い。イグジゲータ４．５は、共振器２．３と共に低周波音発生器を形成する。双 方のイグジゲータ４．５は、作動時に各イグジゲータ間で１８０°の位相遅れが 得られるようにして、同一の駆動軸によって連動式にモータ駆動される。各イグ ジゲータが逆位相で作動するため、各共振器において、同一周波数の定常音波が 発生する。これにより、１７４波長形の２個の共振器が合体して、個々の共振器 の共振周波数と同じ共振周波数からなる１７２波長形の１個の共振器を形成し、 １つの共通定常音波を発生する。

冷却空気は冷却送風機１２によって供給される。送風機１２は、２個の共振器の 間に配置された２つのダクト７．８を介して、冷却空気を冷却テーブルへ送る。

これらのダクトの各々は、各共振器の管に共通の壁面に下方放射部を有し、この 放射部は各共振器の管の下方部分に配置される。ノーズ部９は、２個の共振管の 各下方部分の間でかつそれぞれの共振管の冷却空気ダクトの放出部の下方に配置 される。ノーズ部は、その断面形状が円錐又は他の類似形状であるように設計さ れることが好ましい。このノーズ部は、各共振管の下方部分に沿ってこれらの間 に張り出し状の突出部として広がる。円錐状のノーズ部の上端は各冷却空気ダク トの双方に共通の壁に固定され、湾曲部がこの壁の延長部を構成することにより 壁が２つに分割される。ノーズ部の作用により、空気が低周波音にさらされる共 振管の最下部において、有効な冷却空気流特性が得られる。この空気流をさらに 有効にする。ため、及び鋭角な縁部付近で音の粒子速度によって歯擦音が生じる 危険性を減少させるために、各冷却空気ダクトと共振管とのそれぞれに共通の壁 は、冷却空気ダクト内部に位置するこの壁の内側に、湾曲板１０．１１を備える ことができる。ノーズ部９は、冷却テーブルに対向する実質的平坦な底面を有し 、これにより、冷却空気がノーズ部底面に沿って往復振動し、冷却テーブル及び その上に配置した鋼ワイヤの大部分が、ノーズ部を持たない場合よりも多くの冷 却空気にさらされることになる。さらに、横臥した螺旋体状で前進する鋼ワイヤ が、テーブルの外縁部においてさらに強力な冷却にさらされるという有利な効果 が得られる。テーブルの外縁部では、鋼ワイヤはより密に巻かれており、したが ってワイヤが一様な品質をもつためにより大きな冷却効果を必要とするのである 。

暖められた冷却空気は、例えば冷却テーブルの下方に設置されたファン１３によ って除去される。そしてその熱効果量は、例えば熱交換器に通すなど、様々な目 的のために取り出され、使用される。

冷却効果をさらに高めるために、関連した冷却領域に近接して冷却空気内に水を 噴霧することもできる。

物体から放出される熱効果を処理するために冷却空気を使用する代わりに、冷却 水、アンモニア、フレオン等の流動性冷却剤を収容した管装置などの対流表面を 、冷却領域に近接して配置することもできる。この管装置が熱交換システムの一 部を構成可能とすることにより、物体から取り出された熱を同様に利用すること ができる。

図４は、例えばコンベアベルト上を前進する高温セメント焼塊２０の強制冷却に 関する一実施例を示す。この装置は音響学的な閉システムを構成しない。その他 の点では、この装置は鋼ワイヤの冷却装置と同様に作動する。違いは、それぞれ にイグジゲータ２３．２４及びモータ２５を備えた２個の共振器２１゜２２を、 焼塊を前方に運ぶコンベアベルトの下方に配置したことにある。熱伝達にさらさ れるべき表面が粒子速度の腹の地点に位置したとき、この表面は定常音波に対す る障害物を構成する。この場合、セメント焼塊は図３に示した鋼ワイヤよりもか なり大きな障害物となる。インピーダンスが過剰になる場合には、これは共振管 の共振の鋭利さが低下すると表現され、すなわち粒子速度の腹及び節の各振幅の 関連性が減少することを意味する。大きな損失を伴う状況において、長寸の共振 管により定常音波を発生すべき理由は無いことがわかるだろう。イグジゲータを 粒子速度の腹にさらに近接して配置することにより、共振管の長さを短くするこ とができる。

上記実施例における開放共振器は、共振器が外方へ開口する場合、すなわち共振 器の開口部において、粒子速度の振幅が極端に減少することを伴う。たとえ１／ ４波長共振器を使用したとしても、共振器の開口端において粒子速度の腹が依然 として存在し、これを識別することは困難である。他方、音圧速度は共振器の直 径に影響されず、粒子速度の振幅に周波数が一致した正弦波形を維持する。した がって、最大熱伝達が得られる領域は体積速度が腹を有する区域であると認める ことは、より適切でありかつ容易である。

本発明に係る上記の各実施例において、強制熱伝達は冷却工程の形式のみで示さ れているが、本発明はもちろん、例えば冷凍、加熱、乾燥等の強制熱伝達を必要 とする他の形式の工程にも使用できる。他の分野の適用例は、押出し成形アルミ ニウム又はプラスチックの外形の冷却である。

Ｆｉｇ、　２ 補正書の翻訳文提出書 Ｆｉｇ、　４ （符ＦＦ？ｉ！１８４９にの８） 平成３年５月１日

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．固体又は液体の物体表面とその周囲の気体との間で音によって強制熱伝達を 行う方法であって、前記音は低周波定常音波からなることを特徴とする方法。
2. ２．前記音波は体積速度のただ１つの腹を備えることを特徴とする請求項１記載 の方法。
3. ３．前記表面を体積速度の腹に近接して位置する定常音波領域内に配置すること を特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ４．前記物体の少なくとも２方向の寸法は、前記音波の波長の１／４よりもかな り小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. ５．前記物体の全寸法が前記音波の波長の１／４よりもかなり小さく、前記物体 を前記音波内で移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の 方法。
6. ６．前記表面は前記物体の全表面の一部の表面からなり、前記物体の１つの寸法 が前記音波の波長の少なくとも１／４であることを特徴とする請求項１〜４のい ずれか１つに記載の方法。
7. ７．前記物体は前記定常音波を通って前進し、前記物体の異なる表面部分が前記 音波に徐々にさらされることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. ８．前記物体は、高温ロール鋼ワイヤや押出し成形アルミニウム又はプラスチッ ク等の冷却を必要とするあらゆる物体からなることを特徴とする請求項７記載の 方法。
9. ９．熱伝達が冷却工程である場合に、気体の冷却能力が、該気体にさらされた液 体の蒸発によって増加することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載 の方法。
10. １０．前記音波を、冷却水、アンモニア、フレオン等の冷却剤が通過する管の外 面にある静止対流面に配置することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに 記載の方法。
11. １１．前記管は、熱交換システムに連結される閉鎖管装置の一部を形成すること を特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法。
12. １２．イグジゲータ部分と共振器部分とを備えた低周波音発生器を用いて請求項 １記載の方法を実施するための装置であって、前記共振器部分に、前記低周波音 波が体積速度の腹を示す領域に配置された開口を設け、該開口を通して、強制熱 伝達を受けるべき前記物体を前進させることを特徴とする装置。
13. １３．前記共振器部分は、発生した低周波音の波長の１／４に相当する長さを各 々有する２個の管状共振器を備え、該２個の共振器は同一の共振周波数を有して 共通の共振器を形成することを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. １４．前記２個の管状共振器は各々１つのイグジゲータを備え、これらのイグジ ゲータは、前記２個の管状共振器内で低周波音の共通の定常音波が発生するよう に、逆位相で作動することを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. １５．前記管状共振器の各々は、それぞれのイグジゲータから離れる方向にある 各々の端部に配置した該管状共振器の各開口が相互に連通するように、互いに近 接して配置されることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. １６．前記各管状共振器の間でこれらの前記開口部にノーズ部を配置したことを 特徴とする請求項１５記載の装置。
17. １７．前記ノーズ部は、平坦な底面を備えた実質的円錐形状を有し、該平坦な底 面に沿って前記低周波音の影響を受けた冷却空気が流れることを特徴とする請求 項１６記載の装置。
18. １８．前記各管状共振器の間に配置した１つ又は複数の個別冷却空気ダクトを通 して冷却空気を供給することを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１つに記 載の装置。
19. １９．前記ノーズ部は、冷却空気が前記低周波音の影響を受ける前記管状共振器 の開口に近接して、冷却空気を前記管状共振器内へ偏向させることを特徴とする 請求項１７記載の装置。
20. ２０．冷却空気流は、前記各冷却空気ダクトの前記各共振器方向を向いた内面に 湾曲板を設けることにより改善されることを特徴とする請求項１８又は１９記載 の装置。
21. ２１．冷却水、アンモニア、フレオン等の冷却剤が通過する管の外面の形状の対 流面を備えたことを特徴とする請求項１２〜２０のいずれか１つに記載の装置。
22. ２２．前記管は、熱交換システムに連結した閉鎖管装置の一部を形成することを 特徴とする請求項２１記載の装置。
23. ２３．冷却すべき物体を、前記管状共振器の開口を通過するローラコンベアやコ ンベアベルト等の上で連続的に前進させることを特徴とする請求項１２〜２２の いずれか１つに記載の装置。
24. ２４．音響学上の実質的閉鎖システムであることを特徴とする請求項１２〜２３ のいずれか１つに記載の装置。