(57)【要約】【課題】  蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることができる熱音響エンジンの提供を目的とする。【解決手段】  熱音響エンジン２０は、作動流体が封入される気柱管２１、気柱管２１内に配置された蓄熱器２５、高温熱交換器２６および低温熱交換器２７を有し、蓄熱器２５の両端部間に温度勾配を形成して作動流体の熱音響自励振動を発生させる。低温熱交換器２７は、複数の伝熱管２７１および２７２を有しており、冷媒供給制御弁１７を開閉制御して、伝熱管２７２に対するエンジン冷却水の供給を停止または許容することにより、低温熱交換器２７の伝熱面積を変化させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が封入される気柱管と、この気柱管の内部に配置された蓄熱手段とを有し、前記蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成して前記作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンにおいて、
前記温度勾配を形成するために前記蓄熱手段の一端に近接して設けられた熱交換手段を備え、この熱交換手段は、伝熱面積を変化させることができるように構成されていることを特徴とする熱音響エンジン。
【請求項２】
前記熱交換手段は、前記蓄熱手段の一端を冷却するための低温熱交換器であり、
前記蓄熱手段の他端を加熱するための高温熱交換器と、
前記高温熱交換器の温度に応じて前記低温熱交換器の伝熱面積を変化させる制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の熱音響エンジン。
【請求項３】
前記低温熱交換器は、複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管の一部に対する冷却媒体の供給を停止または許容する冷媒供給設定手段とを含み、前記制御手段は、前記高温熱交換器の温度に応じて前記冷媒供給設定手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の熱音響エンジン。
【請求項４】
前記高温熱交換器は、内燃機関の排気ガスを熱源とすることを特徴とする請求項２または３に記載の熱音響エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気柱管内に配置された蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、気柱管内の作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱音響現象を利用した冷凍機が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この冷凍機は、気体が封入される配管と、この配管の内部に配置されると共に高温側熱交換器と低温側熱交換器とで挟まれたスタックと、このスタックと非対称の位置に高温側熱交換器および低温側熱交換器と共に配置された蓄冷器とを備える。この冷凍機は、スタックの両端部間に温度勾配を形成することにより、スタックにて気体の自励振動を発生させ、それによって得られる定在波および進行波の伝播により蓄冷器に蓄冷するものである。
【０００３】
また、従来から、熱音響現象を利用して内燃機関の排気熱を回収する装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この装置は、内燃機関の排気浄化用触媒コンバータに接続された共鳴管と、この共鳴管の一端に設けられたスタックと、共鳴管の他端に設けられたトランスデューサとを備える。この装置では、触媒コンバータから発せられる熱によりスタックの一端が加熱され、スタックの両端部間に温度勾配が付与される。これにより、スタックにて音波が発生し、音波のエネルギはトランスデューサによって電気エネルギに変換される。
【０００４】
更に、従来から、ループ管内の蓄熱部の両端部間に温度勾配を形成して当該ループ管内の気体に圧力振動を生じさせ、圧力振動によって生じた進行波に応じて発電を行う熱音響発電機も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。この熱音響発電機は、リニアモータとピストンシリンダとを備えたスタータ兼発電機を有している。スタータ兼発電機は、熱音響発電機の起動時にスタータモータとして機能し、ピストンシリンダを往復移動させて任意の周波数で気体に圧力振動を与えて、ループ管内で気体の自励発振を生じさせる。そして、ループ管内で自励発振による圧力振動が生じると、スタータ兼発電機は、圧力振動によって生じた進行波に応じて発電を行う発電機として機能する。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０１５７８６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２０２０号公報
【特許文献３】特開２００３―３２４９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、熱音響現象を利用して特に内燃機関の廃熱を回収するような場合、内燃機関の運転状態によっては、スタックの両端部間に充分な温度勾配を形成し得なくなり、作動流体の自励振動を発生させることが困難となったり、自励振動が消失しそうになってしまったりすることもある。
【０００７】
そこで、本発明は、蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることができる熱音響エンジンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による熱音響エンジンは、作動流体が封入される気柱管と、この気柱管の内部に配置された蓄熱手段とを有し、蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成して作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンにおいて、温度勾配を形成するために蓄熱手段の一端に近接して設けられた熱交換手段を備え、この熱交換手段は、伝熱面積を変化させることができるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成すべく鋭意研究を重ね、その過程において、次のような現象が発生することを見出した。すなわち、特に蓄熱手段への加熱量が不足しているような場合には、特に低温側の熱交換手段の熱媒体の入口から出口までの間で当該熱交換手段（それを流通する熱媒体）の温度が変化し、それにより、蓄熱手段に充分な温度勾配を形成し得なくなることがある。このような現象を解消すべく、これに対して、本発明者が更なる研究を進めたところ、熱交換手段の伝熱面積を変化させることにより、熱交換手段の熱媒体の入口から出口までの間における温度変化を抑制し得ることが判明した。すなわち、この熱音響エンジンのように、蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成する熱交換手段の伝熱面積を変化させることができれば、蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることが可能となる。
【００１０】
また、本発明による熱音響エンジンにおいて、熱交換手段は、蓄熱手段の一端を冷却するための低温熱交換器であると好ましく、この場合、当該熱音響エンジンは、蓄熱手段の他端を加熱するための高温熱交換器と、高温熱交換器の温度に応じて低温熱交換器の伝熱面積を変化させる制御手段とを更に備えると好ましい。
【００１１】
更に、低温熱交換器は、複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管の一部に対する冷却媒体の供給を停止または許容する冷媒供給設定手段とを含み、制御手段は、高温熱交換器の温度に応じて冷媒供給設定手段を制御すると好ましい。このような構成を採用すれば、容易かつ確実に低温熱交換器の伝熱面積を変化させることが可能となる。また、高温熱交換器は、内燃機関の排気ガスを熱源とすると好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることができる熱音響エンジンの実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明による熱音響エンジンを示す概略構成図である。同図に示されるように、熱音響エンジン２０は、例えば車両の走行駆動源として用いられる内燃機関１に適用される。まず、熱音響エンジン２０の適用対象である内燃機関１について簡単に説明すると、この内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させて動力を発生するものである。
【００１５】
燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールド５に接続され、燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールド６に接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉ、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅ、点火プラグ７およびインジェクタ８が燃焼室３ごとに配設されている。吸気マニホールド５は、サージタンク９に接続されており、サージタンク９には、給気管Ｌ１が接続されている。そして、給気管Ｌ１は、エアクリーナ１０を介して図示されない空気取入口に接続されている。更に、給気管Ｌ１の中途（サージタンク９とエアクリーナ１０との間）には、スロットルバルブ１１が組み込まれている。一方、排気マニホールド６は、排気管Ｌ２に接続されており、排気管Ｌ２には、それぞれ排気浄化触媒を含む前段触媒装置１２ａおよび後段触媒装置１２ｂが組み込まれている。
【００１６】
本発明の熱音響エンジン２０は、上述のような内燃機関１の排気熱を回収するために用いられる。熱音響エンジン２０は、ステンレス等により円形断面を有するように形成された気柱管２１を有し、この気柱管２１の内部には、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスといった作動流体（不活性ガス）が封入される。気柱管２１は、図１に示されるように、概ね矩形ループ状に形成されたループ部２２と、ループ部２２の一つのコーナ部に接続された共鳴部２３とを含む。共鳴部２３は、ループ部２２と概ね同径の円形断面を有する管部２３ａと、管部２３ａの先端に接続された閉鎖端部２３ｂとを含み、共鳴器として機能する。閉鎖端部２３ｂは、管部２３ａの先端から閉鎖端に向かうにつれて徐々に拡径されており、閉鎖端部２３ｂの閉鎖端には、音波のエネルギ（音響エネルギ）を電気エネルギに変換するトランスデューサ（音／電気変換手段）２４が配置されている。
【００１７】
また、気柱管２１のループ部２２の内部には、蓄熱器（蓄熱手段）２５が配置されている。蓄熱器２５は、配置箇所における気柱管２１の軸方向と平行に延びる狭い流路を複数有する。蓄熱器２５としては、セラミック等からなるハニカム構造体、ステンレス等からなる薄いメッシュを微小間隔で配列したもの、ステンレス等の金属製繊維を集合させた不織布等を採用することができる。この蓄熱器２５の一端側（図１における下端側）には、高温熱交換器２６が隣接して配置されており、蓄熱器２５の他端側（図１における上端側）には、低温熱交換器２７が隣接して配置されている。すなわち、蓄熱器２５は、高温熱交換器２６と低温熱交換器２７との間に挟まれた状態で配置される。
【００１８】
高温熱交換器２６を構成する伝熱管には、内燃機関１の排気管Ｌ２を流通する排気ガスが供給され、高温熱交換器２６は、内燃機関１の排気ガスを熱源とする。本実施形態において、高温熱交換器（その伝熱管）２６は、前段触媒装置１２ａと後段触媒装置１２ｂとの間で排気管Ｌ２に組み込まれている。また、低温熱交換器２７を構成する伝熱管２７１，２７２は、内燃機関１の冷却系統Ｌ３に組み込まれており、低温熱交換器２７は、冷却系統Ｌ３を流通する冷却水を熱源（冷熱源）とする。冷却系統Ｌ３には、冷却水ポンプ１４やラジエータ１５（図４参照）、更には開閉弁１６等が含まれており、開閉弁１６を閉じることにより、低温熱交換器（その伝熱管）２７に対する冷却水の供給を停止することができる。
【００１９】
そして、熱音響エンジン２０は、制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０を含む。ＥＣＵ４０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。上述の冷却系統Ｌ３の開閉弁１６等は、ＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、ＥＣＵ４０によって制御される。また、内燃機関１の前段触媒装置１２ａには、触媒温度（触媒床温）を検出する温度センサＴが設置されている。温度センサＴは、ＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、検出値を示す信号をＥＣＵ４０に与える。
【００２０】
上述のように構成される熱音響エンジン２０は、冷却系統Ｌ３の開閉弁１６が開放された状態で内燃機関１が運転され、燃焼室３からの排気ガスが前段触媒装置１２ａを通過した後、熱音響エンジン２０の高温熱交換器２６を通過するようになると作動を開始する。この場合、前段触媒装置１２ａを通過した排気ガスの温度は、最高でおよそ９００℃程度にも達することから、蓄熱器２５の一端部は、高温熱交換器２６を流通する排気ガスによって加熱されて昇温する。これに対して、熱音響エンジン２０の低温熱交換器２７には、比較的低温（内燃機関１の冷間始動直後には概ね大気温度、暖機完了後には概ね８０〜９０℃）の冷却水が供給されるので、蓄熱器２５の他端部は、低温熱交換器２７を流通する冷却水によって冷却される。この結果、蓄熱器２５の両端部間に大きな温度勾配が形成され、これに起因して、作動流体の熱音響自励振動（音波）が発生する。
【００２１】
このようにして発生する作動流体の自励振動（音波）の周波数と共鳴部２３における共振周波数とが一致することにより、共鳴部２３内には定在波が形成される。また、ループ部２２内には、低温熱交換器２７から高温熱交換器２６へと進行する進行波が形成される。そして、共鳴部２３内に形成される定在波により、閉鎖端部２３ｂに配置されたトランスデューサ２４の振動部が加振される。トランスデューサ２４は、共鳴部２３内の定在波のエネルギ（音響エネルギ）を電気エネルギに変換し、得られた電気エネルギは、図示されないコントローラ等を介して所定の電気負荷に供給される。これにより、本発明の熱音響エンジン２０によれば、内燃機関１の排気熱を効率よく回収して所定の電気負荷のための電力を得ることができる。なお、共鳴部２３にトランスデューサ２４を配置する代わりに、蓄熱器、高温熱交換器および低温熱交換器のユニットをループ部２２に配置し、熱音響エンジン２０によって回収された排気熱のエネルギを利用して当該ユニットを冷凍機として作動させてもよい。
【００２２】
上述のように、熱音響エンジン２０では、内燃機関１の排気熱（廃熱）を利用して蓄熱器２５の両端部間に温度勾配を形成することが可能である。しかしながら、例えば内燃機関の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度が所定温度を下回るような場合（排気熱が少ない場合）、図２において破線で示されるように、高温熱交換器の温度Ｔｈ（伝熱管を流通する排気ガスの温度）は、伝熱管の熱媒体の入口から出口に向かうまでの間においてさほど変化しないのに対して、図２において破線で示されるように、低温熱交換器の温度Ｔｃ（伝熱管を流通するエンジン冷却水の温度）は、伝熱管の熱媒体の入口から出口に向かうに従い高まってしまうことがある。このような現象が発生すると、伝熱管の熱媒体出口側において高温熱交換器と低温熱交換器との温度差が小さくなるので、蓄熱器に充分な温度勾配を形成し得なくなり、作動流体の熱音響自励振動を良好に発生させることが困難となる。
【００２３】
この場合、蓄熱器に充分な温度勾配が形成されるように、例えば、低温熱交換器の伝熱管に対する冷却媒体の供給量を変化させることが考えられる。しかしながら、本発明者の研究によれば、例えば内燃機関の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度が所定温度を下回るような場合（排気熱が少ない場合）、低温熱交換器の伝熱管に対する冷却媒体の供給量を減少させると、低温熱交換器の温度Ｔｃ（伝熱管を流通するエンジン冷却水の温度）は、図３において一点鎖線で示されるように、冷却媒体の供給量を変化させない場合（図３の破線参照）に比べ、伝熱管の熱媒体の入口から出口に向かうに従って一層高まってしまう。また、例えば内燃機関の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度が所定温度を下回るような場合、低温熱交換器の伝熱管に対する冷却媒体の供給量を増加させても、図３において二点鎖線で示されるように、蓄熱器に充分な温度勾配を形成することは困難である。
【００２４】
これに対して、本発明者が更なる研究を進めたところ、低温熱交換器２７の伝熱管に対する熱媒体（エンジン冷却水）の量を一定にしたまま、低温熱交換器２７の伝熱面積を減少させることにより（図２の例では、伝熱面積を５０％減少）、図２において実線で示されるように、低温熱交換器２７の熱媒体の入口から出口までの間における冷却媒体（エンジン冷却水）の温度変化を抑制し得ることが判明した。このような研究結果に鑑みて、熱音響エンジン２０では、蓄熱器２５の両端部間に温度勾配を形成するための低温熱交換器２７が、その伝熱面積を変化させることができるように構成されている。
【００２５】
図４に示されるように、低温熱交換器２７は、複数の伝熱管２７１および複数の伝熱管２７２を有する。本実施形態において、伝熱管２７１および２７２は、同一構造を有する部材であり、伝熱管２７１の本数と伝熱管２７２の本数とは同一とされる。各伝熱管２７１の冷媒入口は、開閉弁１６に接続された冷媒供給管Ｌ４に対して並列に接続されており、各伝熱管２７１の冷媒出口は、冷却媒体としてのエンジン冷却水を冷却系統Ｌ３に返送するための冷媒返送管Ｌ５に対して並列に接続されている。また、各伝熱管２７２の冷媒入口は、冷媒供給管Ｌ４から分岐された分岐管Ｌ６に対して並列に接続されており、各伝熱管２７２の冷媒出口は、上述の冷媒返送管Ｌ５に対して並列に接続されている。
【００２６】
更に、分岐管Ｌ６には、冷媒供給制御弁１７が設けられている。冷媒供給制御弁１７は、ＥＣＵ４０によって開閉制御され、冷媒供給制御弁１７を開閉させることにより、各伝熱管２７２に対する冷却媒体の供給を停止または許容することができる。すなわち、上述の開閉弁１６が開放されている場合に冷媒供給制御弁１７を開放させれば、低温熱交換器２７のすべての伝熱管２７１および２７２に対して冷媒供給管Ｌ４や分岐管Ｌ６を介して冷却媒体としてのエンジン冷却水が供給されることになる。一方、開閉弁１６が開放されている場合に冷媒供給制御弁１７を閉鎖させれば、低温熱交換器２７の伝熱管２７１および２７２のうち、（すべての）伝熱管２７１（低温熱交換器２７の全伝熱管の５０％）に対してのみ、冷媒供給管Ｌ４を介して冷却媒体としてのエンジン冷却水が供給されることになる。このように、熱音響エンジン２０では、冷媒供給制御弁１７を開閉制御することにより、容易かつ確実に低温熱交換器２７の伝熱面積を変化させることが可能となる。
【００２７】
そして、上述の低温熱交換器２７を備えた熱音響エンジン２０では、開閉弁１６が開放された状態で運転されている際に、蓄熱器２５の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させるべく、ＥＣＵ４０によって図５に示される伝熱面積制御ルーチンが所定時間ごとに繰り返し実行される。この場合、ＥＣＵ４０は、まず、前段触媒装置１２ａの温度センサＴの検出値に基づいて高温熱交換器２６に供給される排気ガスの温度Ｔｅを求める（Ｓ１０）。排気ガスの温度Ｔｅを取得すると、ＥＣＵ４０は、高温熱交換器２６に供給される排気ガスの温度Ｔｅ（実質的に、高温熱交換器２６の温度）が予め定められている閾値以上であるか否か判定する（Ｓ１２）。
【００２８】
Ｓ１２にて高温熱交換器２６に供給される排気ガスの温度Ｔｅが上記閾値以上であると判断した場合、ＥＣＵ４０は、冷媒供給制御弁１７を開放させる（Ｓ１４）。これにより、内燃機関１からの排気ガスの温度Ｔｅが充分に高い場合には、低温熱交換器２７のすべての伝熱管２７１および２７２に対して冷媒供給管Ｌ４や分岐管Ｌ６を介して冷却媒体としてのエンジン冷却水が供給されることになる。
【００２９】
これに対して、Ｓ１２にて高温熱交換器２６に供給される排気ガスの温度Ｔｅが上記閾値を下回っていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、冷媒供給制御弁１７を閉鎖させる（Ｓ１６）。これにより、例えば内燃機関１の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度Ｔｅが所定温度を下回るような場合には、低温熱交換器２７の伝熱管２７１および２７２のうち、（すべての）伝熱管２７１に対してのみ、冷媒供給管Ｌ４を介して冷却媒体としてのエンジン冷却水が供給されることになる。
【００３０】
このように、熱音響エンジン２０では、Ｓ１２において否定判断がなされた場合には、低温熱交換器２７の伝熱面積が（本実施形態では、５０％）減少させられる。この結果、例えば内燃機関１の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度Ｔｅが所定温度を下回るような場合であっても、蓄熱器２５の両端部間に充分な温度勾配を形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることが可能となる。
【００３１】
なお、前段触媒装置１２ａに温度センサＴを設置する代わりに、高温熱交換器２６の所定箇所に温度センサを設置してもよい。この場合、図５のＳ１０では、当該温度センサの検出値に基づいて高温熱交換器２６の所定箇所における温度を取得し、Ｓ１２では、高温熱交換器２６の温度が予め定められている閾値以上であるか否か判定するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による熱音響エンジンを示す概略構成図である。
【図２】高温熱交換器による蓄熱器の加熱量が少ない場合に、低温熱交換器に対する冷却媒体の供給量を一定とする一方、低温熱交換器の伝熱面積を変化させた際の伝熱管の熱媒体入口から熱媒体出口までの間における高温熱交換器および低温熱交換器の温度変化を説明するためのグラフである。
【図３】高温熱交換器による蓄熱器の加熱量が少ない場合に、低温熱交換器に対する冷却媒体の供給量を一定とする一方、低温熱交換器に対する冷却媒体の供給量を変化させた際の伝熱管の熱媒体入口から熱媒体出口までの間における高温熱交換器および低温熱交換器の温度変化を説明するためのグラフである。
【図４】図１の熱音響エンジンに含まれる低温熱交換器を説明するための模式図である。
【図５】図１の熱音響エンジンにおいて低温熱交換器の伝熱面積を制御するルーチンを説明するためにフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１  内燃機関
１４  冷却水ポンプ
１５  ラジエータ
１６  開閉弁
１７  冷媒供給制御弁
２０  熱音響エンジン
２１  気柱管
２２  ループ部
２３  共鳴部
２４  トランスデューサ
２５  蓄熱器
２６  高温熱交換器
２７  低温熱交換器
２７１，２７２  伝熱管
Ｌ３  冷却系統
Ｌ４  冷媒供給管
Ｌ５  冷媒返送管
Ｌ６  分岐管
Ｔ  温度センサ
【図１】
2006009710.tif 000003
【図２】
2006009710.tif 000004
【図３】
2006009710.tif 000005
【図４】
2006009710.tif 000006
【図５】
2006009710.tif 000007