JPH04501457A - 物体と気体間の強制熱伝達のための方法及び装置 - 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】 本発明は固体や液体と周囲の気体との間で強制熱伝達をするための方法及び装置 に関する。特に本発明は比較的小さな固体からの大量な熱伝達であって、拡散流 体の流動化が実現され、その結果熱伝達と物体運動双方が改善されることが好ま しいような熱伝達に関する。強制された熱伝達は、周囲の気体が低周波の定常音 波によって発生された振動の中に置かれ、かつ振動が最大の時、拡散流体は音波 のある部分に置かれることによって達成される。

例えば、暖かい物体からその物体を包む空気流へ熱伝達する際の基本的問題は、 物体から気体への単位面積当たりの伝熱効果は、低気体流量では僅かなものにな るということである。大きな熱効果を伝達するためには高い気体流量が必要であ り、それは大きな空気流が必要であることを意味している。

しかしながら同時に、空気の温度上昇は僅かなものであろう。

流量が大きいと冷却のための費用が高価になり、僅かな温度上昇の結果として加 熱された空気のエネルギはめったに使用されない。

１９８１年９−１０月のＺｈｕｒｎａｌ　Ｐｒ１ｋｌａｄｎｏｉ　Ｍｅｋｈａｎ ｉｋｉ　Ｔｅｋｈｎｉ−ｃｈｅｓｋｏ　ｉ　（ブリクラノイ機械工学ジャーナル ）Ｎα５、第６７〜７２頁のＶ、Ｂ、レビンの“低周波振動のシリンダの熱交換 ”によって、熱伝達は気体に音波域を発生させることにより改善されることが既 に知られている。また仮にその音波域が低周波ならばより有効であることも知ら れている。

音波域における２つのパラメータ、即ち音圧と粒子速度より、明らかなことは粒 子速度が強制熱伝達を提供することである。また、熱伝達は粒子速度の増加と共 に増加することも明白である。物体を加熱冷却するために低周波の音を用いる従 来法がこれまで実用化しなかった理由は、冷却、或は加熱されるべき物体の全面 に亙って充分高い粒子速度で音を発生する有効な方法や装置がなかったからであ る。

本発明の目的は上述した問題を解決し、物体からその周囲の気体へと単位面積当 たり高い熱効果を伝達することによって強制熱伝達を達成する方法及び装置を実 現することにあり、特に用途において物体は、例えば粒子やベレット等の小さな 固体やしずくから成る。物体の表面に亙って気体を高速で吹き込むことにより熱 伝達を増加する代わりに、強制熱伝達は周囲の気体に低周波振動を与えることに よって達成される。

本発明を明確にするために冷却に関する３実施例を記述する。

本発明の特徴及び視点は続く添付図面の簡単な説明とそれに関する論述により容 易に理解されよう。

図１は標準的な空気流れの中の固体を示し、図２は超低音域にさらされた空気流 の固体を示し、図３は本発明による装置実施例を示し、図４は本発明による装置 の別実施例を示し、図５はプラスチック粒子を冷却する装置に使用できる本発明 の第３実施例を示し、 図６は特に野菜を冷却するのに適する本発明装置の第４実施例を示し、 図７は本発明による鋳物砂冷却用装置を示している。

上述したように、仮に気体中に発生された定常音波によって気体が往復動するな らば、強制熱伝達は物体の表面と周囲の気体との間で達成することができる。図 １は空気流にさらされた温度Ｔｏの固体を示している。空気流内の１粒子は点と して表され、時間の経過に伴って種々の地点での空気粒子の位置はｔ　＋　”” 　ｔ　？で示されている。物体を通過する前の空気流の温度はＴ１であって、物 体通過後はＴ２である。図２も同じ空気流にさらされた同一固体を示しているが 、超低音の影響下にあるものである。時間の経過に伴って異なる地点にある空気 粒子の位置はここでもｔ１〜ｔ７で示されている。

明らかなように、固体を通過する各空気粒子は低周波音波により発生された脈動 のため、１回でなく複数回に亙って通過する。仮に固体が空気流よりも高い温度 にあるならば、空気粒子は固体を通過する度に段々熱を吸収し、物体の温度は下 がることになる。強制熱伝達はこのようにして得られる。

定常音波のある部分では、気体の振動速度、所謂粒子速度は大きく、一方圧力変 動、所謂音圧が僅かである。他の部分では音圧は大きいのに振動速度は低い。従 って、ある地点では粒子速度と音圧は時間と共に変化し、理想的な条件下では正 弦振動を示す。粒子速度と音圧の最も高い値は、夫々の振動の振幅によって表さ れる。概して粒子速度の大きさが最大以上より強制熱伝達を最大ならしめるため には粒子速度を出来るだけ高い値にすることが好ましい。定常音波では粒子速度 が最大レベルとなる幾つかの地点があり得る。２分の１波長や４分の１波長ある いは一部が２分の１波長、４分の１波長に相当する長さの定常音波においては、 粒子速度の大きさは１点のみで最大値を有する。出来るだけ高い強制熱伝達を得 るためには熱伝達の起こる面は、出来るだけ粒子速度の音腹部に近い位置に置か れるべきである。

本発明による方法では、図２に示すような固体や液体と気体との間の強制熱伝達 は、定常でかつ低周波の音波が、閉じられた音響共振器か、或は場合によっては 音響的に実質土間じた音響共振器で発生されることで実現される。低周波音とい う用語は、ここでは５〇七か、又はそれ以下の周波数の音を意味している。何故 に５０１（ｚを超える周波数を重要としないｂゝは、そのような閉じられた半波 の共振器は高い周波数で小さな寸法であるために、装置全体は容量の点で興味の あるものとならないからである。より低い周波数で破裂音を消すことができるた め、３０Ｈｚ、又はそれ以下の周波数が用いられることが好ましい。この周波数 においては外乱はかなり僅かであると考えられる。音響共振器は発生された低周 波音の２分の１波長に対応する長さであることが好ましいが、他の設計のれる。

ここでイグジゲータという用語は低周波音用発生器の一部を指すものとして用い られ、発生器は高い音圧がかけられている共振器内の１点で粒子速度を発生し、 例えばスウエーデン特許第４４６１５７号及びスウェーデン特許出願第８３０６ ６５３−０、同８７０１４６１−９、及び同８８０２４５２−６号を参照された い。共振器のどこかで粒子速度の音腹部が発生し、ここに物体は強制熱伝達を受 けるものとして供給されるのである。当の物体が仮に微粒やペレットなどの物質 から成るならば、音の粒子速度もまた流動的に当の物質に作用することができる 。

音に対して障害物となる当の物体があまりにも大きくなった場合、共振器の共鳴 の鋭さはより貧弱になることが明らかになり、それは音腹部における粒子速度の 大きさと音節部の粒子速度の大きさとの比が減少することを意味している。大き な損失の状態では、疑うべくもなく長い共鳴管により定常音波を発生する。イグ ジゲータを粒子速度の音腹部に近接配置することにより共鳴管を短くすることが できる。

音響共振器の実際の設計には幾つかの可能性を秘めている。

＝異なる実施例を図３〜図５に示し、その原理を簡単に説明する。多くの場合、 音響的に閉じられたシステムが切望されている。図３はイグジゲータ１と共振器 ２を備えた低周波音の発生器を示しており、共振器は発生された低周波音の波長 の２分の１に相当する長さを持っている。粒子速度の音腹部は共振器の中央部に 近い領域で発生し、その結果強制熱伝達を被る物質は共振器中央部の若干上に供 給され、その中央部の若干下で排出される。図４は図３の共振器と同じように機 能する共振器を示しており、違いは共振器の下半分がヘルムホルツ型の共振器に 置き換えられていることである。ここでは、チューブの共振器３があり、それは 共振器と同じ共振周岐数に対して同調するように寸法法めされたヘルムホルツ共 振器４を備えており、結合された波長の４分の１に相当する長さを持つと共に、 この場合、チューブ共振器とへルムホルツ共振器が１つの共振器を成すように意 図されている。図５と図６において、図４のへルムホルツ共振器は漏斗状になっ ていることで、強制熱伝達を受ける物質はへルムホルッ共振器１０．２０に集積 され、底の開口部を介して通過する。図７はもう１つの変形例を示してあり、夫 々が波長の４分の１の長さの２つの共振器３０．３１が両側に置かれ、夫々の開 口端は互いに連通ずる。２つのイグジゲータ３２．３３は各共振器内で同じ周波 数の定常音波を発生する。これらの共振器を逆相で作動させることにより単一の 共通定常音波が発生する。原理的にはこの合体型共振器は半波長共振器と同様に 機能する。

不規則な形状の音響共振器の場合、粒子速度の振幅の形が影響されるため、元の 正弦波形の認識が困難になる。しかしながら音の体積速度は同じようには影響さ れず、その正弦波形は、周期的に粒子速度の大きさと一致する。従って不規則形 状の音響共振器の場合、体積速度が音腹部を有する領域を以って最も大きな熱伝 達が達成される領域を確認することがより適当でかつ容易である。

本発明を冷却に関する３実施例を参照しながらより詳しく説明する。

図５はプラスチック粒子を冷却する装置を示している。例として、スウェーデン 特許出願第８８０２４５２−６号に記載されたタイプの超低周波発生器が使用可 能である。これは、好ましくは４分の１波長に等しい長さのチューブ共振器１１ を有し、その端部にはイグジゲータ１２が搭載されている。また他端にはディフ ューザ１３が冷却塔１４に直接据え付けられ、その上端を介して粒状の加熱プラ スチック１５が供給パイプ１６を通って供給される。ディフューザ、冷却塔及び ヘルムホルツ共振器１０と共に、チューブ共振器は半波長共振器に相当する共振 器を成す。ディフューザと冷却塔は体積速度の音腹部が発生する領域内に置かれ る。加熱プラスチック粒子１５は重力により冷却塔１４内を落下する。塔には多 数の傾斜した障害物１７が備わっており、それらは一時プラスチック粒子を捕捉 し、高い体積速度の領域を通るプラスチック粒子の通過時間を長くしている。こ の障害物は好ましくは網を取り付けたトレイから成るが、障害物はプラスチック 粒子を通過させずに空気を通過させるような、例えばパイプやビームのような他 の設計物でも良い。塔の下端にはへルムホルツ共振器１０が設けられており、そ れは漏斗のように作用し、プラスチック粒子を捕捉して容器へと導く。ヘルムホ ルツ共振器の上端においては冷却風がファンよりダクト１８を介して供給される 。この風は冷却塔を上昇し、プラスチック粒子により加熱される。加熱された冷 却風はダクト１９より排出される。

強制熱伝達は粒子と低周波音により影響された気体との間、即ちこの場合、空気 との間で達成される。粒子が障害物により捕捉された際には音によって発生され た空気の動きは粒子の流動化を達成する。

図６は野菜を冷凍するのに特に適するもう１つの実施例を示している。ここでは 冷却風は、例えば水、アンモニア、フレオンのような冷媒のパイプの閉鎖された システムによって置き換えられている。パイプ２１は傾斜した障害物１７間に装 着され、配管システムを熱交換システムの一部とすることで、この場合野菜とな る物体によって発散された熱もまた利用することができる。

図７は鋳造場からの熱砂を冷却する実施例を示している。

装置は２つの共振器３０．３１から成り、その双方共、４分の１波長に相当する 長さを有する。各共振器の上端に配置されるのは、この場合スウェーデン特許出 願第８８０２４５２−６号や類似のものに記載されたタイプとすることができる イグジゲータ３２．３３である。これら２つのイグジゲータ３２．３３は共通の モータ３４によって駆動され、その結果互いに逆相で作動する。

この手段によって、単一の共通定常波が２つの共振器に発生され、共振器は並置 されて、夫々の開口端３５．３６は結合空間３７を介して互いに連通ずる。各共 振器の下部であってかつ結合空間３７の近傍においては、実際の冷却域を構成す る体積速度の音腹部を有する領域が得られる。この冷却域に装着されるのはパイ プ３８．３９の形式の障害物であって、それらは冷却域内を幾度も前後に走り、 ２つのパイプシステムを形成する。

水、アンモニア、フレオン等の冷媒がこれらのパイプ内を流動する。冷却される べき砂は装置の上方から供給され、２つのパイプシステム上につながる２つの枝 部４１．４２を有するパイプ４０を通る。供給された砂は重力によってゆっくり パイプシステムを降下し、この移動過程で冷却される。その時、パイプシステム の外側は対流面を構成するため、最初、熱伝達は砂粒と共振器内部の空気との間 で起こり、その後空気と対流面との間で起こる。冷媒によって吸収された熱はそ の後、例えば加熱用として利用される。砂が冷却され障害物３８．３９を通過し たならば集められ、結合空間３７の下部に位置するダクト４３を通って移動され る。

以上説明した本発明の実施例では強制熱伝達は単に冷却や冷凍工程の形式で示さ れているが、本発明は例えば加熱や乾燥等の強制熱伝達が好ましいとされる他の 工程でも使用可能である。

Ｆｉｇ、　１ Ｆｉｇ、　２ Ｆｉｇ、　６ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成３年　４月　ユ針日

Claims (34)

【特許請求の範囲】
1. １．固体又は液体から成る物体の表面と周囲の気体との間で、音によって強制的 に熱伝達する方法であって、上記音は低周波定常音波であることを特徴とする方 法。
2. ２．上記音波は１つの体積速度の音腹部を有することを特徴とする請求項１に記 載の方法。
3. ３．上記表面は体積速度の音腹部の近傍に位置する定常音波の領域内に位置する ことを特徴とする前出請求項のいずれか１つに記載の方法。
4. ４．上記物体の総ての寸法は上記音波の波長の４分の１よりかなり小さいことを 特徴とする前出請求項のいずれか１つに記載の方法。
5. ５．上記物体は小粒やペレットやしずく等であることを特徴とする請求項４に記 載の方法。
6. ６．大量の物体が連続した流れを以って音波を通過することを特徴とする前出請 求項のいずれか１つに記載の方法。
7. ７．流れは音波への入口と音波からの出口を有し、入口は出口より上のレベルに 位置することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. ８．物体の上記流れは重力によってのみ入口と出口間で搬送されることを特徴と する請求項７に記載の方法。
9. ９．入口、出口間の物体の通過時間は物体搬送路に配置される障害物を通ること で延長されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. １０．上記障害物は網、パイプ、ビーム等から成ることを特徴とする請求項９に 記載の方法。
11. １１．物体は低周波音の影響により上記障害物上で流動化されることを特徴とす る請求項９又は１０に記載の方法。
12. １２．音波には不動の対流面が提供され、熱伝達は気体と対流面との間で行われ ることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１つに記載の方法。
13. １３．対流面は冷却水、アンモニア、フレオン等の冷媒を通すパイプの外側を成 す請求項１２に記載の方法。
14. １４．イグジゲータ部と共振器部を有する低周波音発生器を備え、請求項１に記 載の方法を実行する装置であって、共振器部は音響的に事実上閉じられ、強制熱 伝達を受ける物体が、定常音波が体積速度の音腹部となる共振器部内部の領域内 に位置するように設計されることを特徴とする装置。
15. １５．上記物体の総ての寸法は、意味をもって上記音波の波長の４分の１より小 さいことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. １６．上記物体は小粒やペレットやしずく等のものであることを特徴とする請求 項１５に記載の装置。
17. １７．大量の物体が連続した流れを以って音波を通過することを特徴とする請求 項１４から１６までの内、いずれか１つに記載の装置。
18. １８．流れは音波への入口と音波からの出口を有し、入口は出口より上のレベル に位置することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. １９．物体の上記流れは重力によってのみ入口と出口間で搬送されることを特徴 とする請求項１８に記載の装置。
20. ２０．入口、出口間の物体の通過時間は物体搬送路に配置される障害物を通るこ とで延長されることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. ２１．上記障害物は物体を通過させず気体を通過させる網、パイプ、ビーム又は 類似手段から成ることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
22. ２２．物体は低周波音の影響により上記障害物上で流動化されることを特徴とす る請求項２０又は２１に記載の装置。
23. ２３．冷却用気体が障害物の下に位置する冷却用気体入口から共振器に供給され 、冷却用気体は障害物より上方に位置する冷却用気体出口から排出されることを 特徴とする請求項２０から２２までの内、いずれか１つに記載の装置。
24. ２４．障害物間に装着されるパイプシステムを通って冷媒が搬送されることを特 徴とする請求項２０から２２までの内、いずれか１つに記載の装置。
25. ２５．障害物は冷媒を搬送するパイプシステムから成ることを特徴とする請求項 ２０から２２までの内、いずれか１つに記載の装置。
26. ２６．上記パイプシステムの外側は対流面を形成し、上記パイプシステムは熱交 換システムの一部を構成することを特徴とする請求項２４又は２５のいずれかに 記載の装置。
27. ２７．共振器部は発生された低周波音波の音の半波長に相当する長さのチューブ 共振器から成ることを特徴とする請求項１４から２６までの内、いずれか１つに 記載の装置。
28. ２８．共振器部は発生された低周波音波の波長の４分の１に相当する長さのチュ ーブ共振器を有し、イグジゲータから離れて対面するその下端でヘルムホルツ共 振器に接続され、２つの共振器は一緒に個々の共振器の共振周波数と同じ共振周 波数の共振器を形成することを特徴とする請求項１４から２６までの内、いずれ か１つに記載の装置。
29. ２９．チューブ共振器は互いに異なる径を持ついくつかの部分から成ることを特 徴とする請求項２７又は２８のいずれかに記載の装置。
30. ３０．ヘルムホルツ共振器は漏斗状であり、物体の出口はヘルムホルツ共振器の 底に位置することを特徴とする請求項２８又は２９のいずれかに記載の装置。
31. ３１．共振器部は２つのチューブ共振器を有し、その各々は発生された低周波音 の波長の４分の１切相当する長さを有することを特徴とする請求項１４から２３ と、請求項２５又は２６の内、いずれか１つに記載の装置。
32. ３２．２つのチューブ共振器は夫々、自分のイグジゲータを有し、上記イグジゲ ータは、低周波音の共通定常音波が２つのチューブ共振器内部で発生されるよう に、逆相で作動することを特徴とする請求項３１に記載の装置。
33. ３３．チューブ共振器は互いに近接配置され、イグジゲータから離れて対面する 夫々の開口端は共通の空間を介して互いに連通し合うことを特徴とする請求項３ ２に記載の装置。
34. ３４．チューブ共振器の開口端にある共通の空間は、出口を介して排出するペく 物体を集める容器から成ることを特徴とする請求項３３に記載の装置。