(57)【要約】【課題】  作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生可能であり、良好な始動特性を有する熱音響エンジンの提供を目的とする。【解決手段】  気柱管２１の内部で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２０は、気柱管２１の内部に配置された第１蓄熱器２５、第１高温熱交換器２６および第１低温熱交換器２７を含む第１の発振手段と、気柱管２１の内部に配置された第２蓄熱器２５０、第２高温熱交換器２６０および第２低温熱交換器２７０を含む第２の発振手段とを備え、第２の発振手段が第１の発振手段よりも熱音響自励振動を発生し易く構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気柱管の内部で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、
前記気柱管の内部に配置された第１の蓄熱手段を含み、当該第１の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第１の発振手段と、
前記気柱管の内部に配置された第２の蓄熱手段を含み、当該第２の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第２の発振手段とを備え、当該第２の発振手段は、前記第１の発振手段よりも熱音響自励振動を発生し易く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】
少なくとも始動時に、前記第２の蓄熱手段の両端部間における温度勾配が、前記第１の蓄熱手段の両端部間における温度勾配よりも大きく設定され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】
前記第２の蓄熱手段の前記作動流体の進行方向における長さは、前記第１の蓄熱手段の前記作動流体の進行方向における長さよりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の熱音響エンジン。
【請求項４】
前記第２の蓄熱手段を通過する作動流体と当該第２の蓄熱手段の固体壁との平均距離は、前記第１の蓄熱手段を通過する作動流体と当該第１の蓄熱手段の固体壁との平均距離よりも小さいことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の熱音響エンジン。
【請求項５】
少なくとも始動時に、前記第２の蓄熱手段に対する加熱量が、前記第１の蓄熱手段に対する加熱量よりも多く設定されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の熱音響エンジン。
【請求項６】
少なくとも始動時に、前記第２の蓄熱手段に対する冷却量が、前記第１の蓄熱手段に対する冷却量よりも多く設定されることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の熱音響エンジン。
【請求項７】
前記第１の蓄熱手段の一端部と前記第２の蓄熱手段の一端部との双方を加熱または冷却する手段を更に備えることを特徴とすることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の熱音響エンジン。
【請求項８】
前記第１の発振手段と前記第２の発振手段とで加熱手段が共用されることを特徴とする請求項７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、気柱管の内部で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】
上述のように、熱音響現象を利用することにより、各種廃熱を回収して電気エネルギや冷熱を得ることが可能となる。しかしながら、発電等を開始するために作動流体の熱音響自励振動を良好に発生させることは必ずしも容易なことではない。この場合、従来例のように、ピストンシリンダをループ管内で往復移動させて気体に圧力振動を与えれば、比較的早期に自励振動を発生させることができる。しかしながら、ループ管内にピストンを配置すると、振動の発生後にピストンによってループ管内の作動流体の進行が妨げられてしまい、所望の音響出力等が得られなくなるという問題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明は、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生可能であり、良好な始動特性を有す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、気柱管の内部で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、気柱管の内部に配置された第１の蓄熱手段を含み、当該第１の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第１の発振手段と、気柱管の内部に配置された第２の蓄熱手段を含み、当該第２の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第２の発振手段とを備え、当該第２の発振手段は、第１の発振手段よりも熱音響自励振動を発生し易く構成されていることを特徴とする。
【０００９】
この熱音響エンジンでは、第２の発振手段が第１の発振手段よりも熱音響自励振動を発生し易く構成されていることから、この熱音響エンジンが始動されると、まず、第２の発振手段において熱音響自励振動が発生する。そして、第２の発振手段で発生した振動が第１の蓄熱手段に波及するようになると、その振動によって第１の発振手段における作動流体と蓄熱手段との熱交換が促進され、それにより、第１の発振手段においても熱音響自励振動が良好に発生するようになる。この結果、この熱音響エンジンでは、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生させることが可能となり、その始動特性を向上させることができる。
【００１０】
この場合、少なくとも始動時に、第２の蓄熱手段の両端部間における温度勾配が、第１の蓄熱手段の両端部間における温度勾配よりも大きく設定されると好ましい。これにより、第１の発振手段よりも、第２の発振手段にて熱音響自励振動を容易に発生させることができる。
【００１１】
そして、第２の蓄熱手段の作動流体の進行方向における長さは、第１の蓄熱手段の作動流体の進行方向における長さよりも短いと好ましい。これにより、第２の蓄熱手段の両端部間における温度勾配を第１の蓄熱手段の両端部間における温度勾配よりも大きくすることが可能となる。
【００１２】
また、第２の蓄熱手段を通過する作動流体と当該第２の蓄熱手段の固体壁との平均距離は、第１の蓄熱手段を通過する作動流体と当該第１の蓄熱手段の固体壁との平均距離よりも小さいと好ましい。このような構成を採用すれば、第２の蓄熱手段における熱交換を促進させることが可能となるので、第１の発振手段と比較して熱音響自励振動を発生し易い第２の発振手段を容易に構成可能となる。
【００１３】
更に、少なくとも始動時に、第２の蓄熱手段に対する加熱量が、第１の蓄熱手段に対する加熱量よりも多く設定されると好ましく、また、少なくとも始動時に、第２の蓄熱手段に対する冷却量が、第１の蓄熱手段に対する冷却量よりも多く設定されると好ましい。これにより、第２の蓄熱手段の両端部間における温度勾配を第１の蓄熱手段の両端部間における温度勾配よりも大きくし、第２の発振手段にて熱音響自励振動を容易に発生させることが可能となる。
【００１４】
また、本発明による熱音響エンジンは、第１の蓄熱手段の一端部と第２の蓄熱手段の一端部との双方を加熱または冷却する手段を更に備えてもよい。すなわち、第１の発振手段と第２の発振手段とで高温熱交換器等の加熱手段または低温熱交換器等の冷却手段が共用されるようにすることで、熱音響エンジンの構造を単純化することが可能となる。
【００１５】
この場合、第１の発振手段と第２の発振手段とで加熱手段が共用されると好ましい。これにより、高温になる部分を１箇所にまとめることが可能となるので、断熱構造を単純化させつつ、周囲への熱伝導や熱放射による損失を減少させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生可能であり、良好な始動特性を有す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】
【００１７】
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。
【００１８】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明による熱音響エンジンの第１実施形態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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
また、気柱管２１のループ部２２の内部には、第１蓄熱器（第１の蓄熱手段）２５が配置されている。第１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。第１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、ステンレスや銅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。第１蓄熱器２５の一端側（図１における下端側）には、第１高温熱交換器２６が隣接して配置されており、第１蓄熱器２５の他端側（図１における上端側）には、第１低温熱交換器２７が隣接して配置されている。すなわち、第１蓄熱器２５は、第１高温熱交換器２６と第１低温熱交換器２７との間に挟まれた状態で配置され、これらの第１蓄熱器２５、第１高温熱交換器２６および第１低温熱交換器２７は、第１の発振手段を構成する。
【００２２】
第１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、第１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、第１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、第１低温熱交換器２７を構成する伝熱管は、内燃機関１の冷却系統Ｌ３に組み込まれており、第１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、開閉弁１４が含まれており、この開閉弁１４を閉じることにより、第１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。
【００２３】
更に、気柱管２１のループ部２２には、上述の第１蓄熱器２５、第１高温熱交換器２６および第１低温熱交換器２７の比較的近くに位置するように、第２の発振手段として機能する第２蓄熱器（第２の蓄熱手段）２５０、第２高温熱交換器２６０および第２低温熱交換器２７０が配置されている。第２高温熱交換器２６０は、第２蓄熱器２５０の一端側（図１における下端側）に隣接して配置されており、第２低温熱交換器２７０は、第２蓄熱器２５０の他端側（図１における上端側）に隣接して配置されている。すなわち、第２蓄熱器２５０は、第２高温熱交換器２６０と第２低温熱交換器２７０との間に挟まれた状態で配置される。
【００２４】
第２蓄熱器（第２の蓄熱手段）２５０も、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。第２蓄熱器２５０としても、第１蓄熱器２５と同様に、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。また、第２蓄熱器２５０は、第１蓄熱器２５と概ね同一の外径を有するが、第２蓄熱器２５０の全長（気柱管２１内の作動流体の進行方向における長さ）は、第１蓄熱器２５の全長よりも短い。
【００２５】
更に、第２蓄熱器２５０は、当該第２蓄熱器２５０を通過する作動流体と当該第２蓄熱手段の流路を画成する固体壁（蓄熱器の内部を複数の細い流路に仕切る壁の壁面、あるいは蓄熱器の所定箇所における流路断面を複数に仕切る壁の壁面）との平均距離Ｒ２が、第１蓄熱器２５を通過する作動流体と当該第１蓄熱器２５の固体壁との平均距離Ｒ１よりも小さくなるように形成されている（Ｒ２＜Ｒ１）。ここで、蓄熱器を通過する作動流体と当該蓄熱器の固体壁との平均距離Ｒは、蓄熱器に含まれる各流路の断面積をａｉ（ただし、ｉは、１以上の整数であり、流路数を示す）とし、各流路における作動流体（分子）と固体壁との間の平均距離をｒｉとすると、Ｒ＝Σａｉ・ｒｉ／Σａｉとして表すことができる。また、上記平均距離Ｒは、蓄熱器に含まれる全流路内の分子と固体壁との間の距離をｒａｉとし、蓄熱器に含まれる全流路内の総分子数をＮとすると、Ｒ＝Σｒａｉ／Ｎとして表すこともできる。
【００２６】
上述のように、Ｒ２＜Ｒ１という関係が満たされるようにするためには、例えば第１蓄熱器２５と第２蓄熱器２５０とをセラミック等からなるハニカム構造体等を用いて構成する場合、第２蓄熱器２５０の各流路の内径を第１蓄熱器２５の各流路の内径よりも小さくすればよい。また、第２蓄熱器２５０を構成するメッシュ材、格子部材あるいは不織布として、第１蓄熱器２５を構成するメッシュ材、格子部材あるいは不織布よりも目の細かいものを採用してもよい。なお、Ｒ２＜Ｒ１という関係が満たされるのであれば、第２蓄熱器２５０の一部の流路の内径を第１蓄熱器２５の流路の内径よりも小さくしたり、第２蓄熱器２５０を構成するメッシュ材、格子部材あるいは不織布の一部のみに、第１蓄熱器２５を構成するメッシュ材、格子部材あるいは不織布よりも目の細かいものを採用したりしてもよい。
【００２７】
図１に示されるように、第２高温熱交換器２６０を構成する伝熱管にも、内燃機関１の排気管Ｌ２を流通する排気ガスが供給され、第２高温熱交換器２６０も、内燃機関１の排気ガスを熱源とする。本実施形態では、第２高温熱交換器（その伝熱管）２６０は、第１高温熱交換器２６よりも上流側（前段触媒装置１２ａと第１高温熱交換器２６との間）で排気管Ｌ２に組み込まれている。ただし、第１高温熱交換器２６と第２高温熱交換器２６０とは、排気管L２に対して並列に接続されてもよい。また、第２低温熱交換器２７０を構成する伝熱管も、内燃機関１の冷却系統Ｌ３に組み込まれており、第２低温熱交換器２７０は、冷却系統Ｌ３を流通する冷却水を熱源（冷熱源）とする。本実施形態では、上述の開閉弁１４を閉じることにより、第２の低温熱交換器（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。
【００２８】
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１４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、気柱管２１の所定箇所には、圧力センサ２８が設置されている。この圧力センサ２８はＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、当該センサ２８は、気柱管２１内の作動流体の圧力を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ４０に与える。
【００２９】
さて、上述のように構成される熱音響エンジン２０では、第１蓄熱器２５と第２蓄熱器２５０とは概ね同一の外径を有しているが、第２蓄熱器２５０の全長は、第１蓄熱器２５の全長よりも短い。このため、第１蓄熱器２５に付与される熱量と第２蓄熱器２５０に付与される熱量とが概ね同一であっても、第２蓄熱器２５０の両端部間における温度勾配を、第１蓄熱器２５の両端部間における温度勾配よりも確実に大きくすることができる。また、第２蓄熱器２５０を通過する作動流体と当該第２蓄熱手段の固体壁との平均距離Ｒ２は、第１蓄熱器２５を通過する作動流体と当該第１蓄熱器２５の固体壁との平均距離Ｒ１よりも小さい。従って、特に第１蓄熱器２５や第２蓄熱器２５０の両端部間における温度勾配が比較的小さい状態では、第１蓄熱器２５よりも第２蓄熱器２５０において、作動流体と固体壁との間の熱交換を促進させることができる。
【００３０】
このように、熱音響エンジン２０では、第２蓄熱器２５０の両端部に大きな温度勾配を形成可能であると共に、第２蓄熱器２５０において作動流体と固体壁との間の熱交換を促進させることができるので、第１蓄熱器２５、第１高温熱交換器２６および第１低温熱交換器２７を含む第１の発振手段よりも、第２蓄熱器２５０、第２高温熱交換器２６０および第２低温熱交換器２７０を含む第２の発振手段において熱音響自励振動を発生させ易くなっている。一方、熱音響エンジン２０では、第２蓄熱器２５０、第２高温熱交換器２６０および第２低温熱交換器２７０を含む第２の発振手段よりも、第１蓄熱器２５、第１高温熱交換器２６および第１低温熱交換器２７を含む第１の発振手段が、より高い音響出力を発生するようになっている。
【００３１】
従って、例えば開閉弁１４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、第２高温熱交換器２６０を通過するようになると、比較的早い段階で、第２蓄熱器２５０（第２の発振手段）において熱音響自励振動が発生する。そして、第２蓄熱器２５０で発生した振動が第１蓄熱器２５に波及するようになると、その振動によって第１蓄熱器２５における作動流体と固体壁との熱交換が促進され、それにより、第１蓄熱器２５においても熱音響自励振動が良好に発生するようになる。この結果、熱音響エンジン２０では、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生させることが可能となり、その始動特性を向上させることができる。
【００３２】
上述のようにして熱音響エンジン２０が始動され、更に内燃機関１の運転が続けられると、前段触媒装置１２ａおよび後段触媒装置１２ｂを通過する排気ガスの温度は、最高でおよそ９００℃程度にも達することから、第１蓄熱器２５の一端部も、第１高温熱交換器２６を流通する高温の排気ガスによって加熱されて昇温する。また、第１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、第１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、熱音響エンジン２０の始動後には、第１蓄熱器２５の両端部間にも、大きな温度勾配が形成されるようになり、それにより、主として第１蓄熱器２５から大きな音響出力を得ることが可能となる。
【００３３】
このようにして第１蓄熱器２５および第２蓄熱器２５０に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、第２低温熱交換器２７０から第２高温熱交換器２６０へと、更に、第１低温熱交換器２７から第１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、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。
【００３４】
また、本実施形態では、図１に示されるように、第１蓄熱器２５および第２蓄熱器２５０の図中下側に高温熱交換器２６，２６０が配置され、第１蓄熱器２５および第２蓄熱器２５０の図中上側に低温熱交換器２７，２７０が配置される。すなわち、気柱管２１には、高温熱交換器と低温熱交換器とが交互に配置されている。これにより、第２蓄熱器２５０にて発生する進行波の向きと、第１蓄熱器２５にて発生する進行波の向きとが一致することになるので、熱音響エンジン２０をより効果的に始動させると共に、第２蓄熱器２５０にて発生する自励振動と、第１蓄熱器２５にて発生する自励振動とが打ち消しあってしまうことを抑制することが可能となる。
【００３５】
更に、本実施形態では、図１に示されるように、最初に自励振動を発生させる第２蓄熱器２５０、第２高温熱交換器２６０および第２低温熱交換器２７０の下流側（進行波の進行方向下流側）に、第１蓄熱器２５、第１高温熱交換器２６および第１低温熱交換器２７が配置されている。これにより、第２蓄熱器２５０にて発生した進行波が気柱管２１内で減衰されてしまうことが抑制されるので、第２蓄熱器２５０にて発生した進行波を速やかに第１蓄熱器２５へと進行させて、第１蓄熱器２５において早期に熱音響自励振動を発生させることができる。
【００３６】
なお、熱音響エンジン２０において、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ことはいうまでもない。
【００３７】
〔第２実施形態〕
以下、図２および図３を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る熱音響エンジンについて説明する。なお、上述の第１実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
【００３８】
図２に示される熱音響エンジン２０Ａも、第１実施形態の熱音響エンジン２０と基本的に同様の構成を有し、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内燃機関１に適用される。この熱音響エンジン２０Ａでは、第１蓄熱器２５の一端側に配置される第１高温熱交換器２６Ａが排気管Ｌ２の触媒装置１２に直接連結されている。すなわち、第１高温熱交換器２６Ａは、触媒装置１２ａから発せられる熱（排気熱）を第１蓄熱器２５の一端に直接伝える。
【００３９】
また、熱音響エンジン２０Ａでは、第２蓄熱器２５０の一端側に、加熱手段としての電気ヒータ３０が配置されている。電気ヒータ３０は、電熱線３１、電源３２およびスイッチ３３を含み、スイッチ３３は、ＥＵＣ４０により切換制御される。本実施形態では、電気ヒータ３０として、内燃機関１の始動時に排気ガス（触媒装置１２）から第１蓄熱器２５の一端に与えられる熱量よりも多くの熱量を第２蓄熱器２５０の一端に与えることができるものが採用される。
【００４０】
このように構成される熱音響エンジン２０Ａを始動させる際には、電気ヒータ３０が作動させられ、これにより、第２蓄熱器２５０には、排気ガス（触媒装置１２）から第１蓄熱器２５の一端に与えられる熱量よりも多くの熱量が電気ヒータ３０から与えられることになる。すなわち、熱音響エンジン２０Ａでは、その始動時に、第２蓄熱器２５０に対する加熱量を第１蓄熱器２５に対する加熱量よりも多くして、第２蓄熱器２５０の両端部間に、第１蓄熱器２５の両端部間における温度勾配よりも大きな温度勾配を形成することができる。
【００４１】
この結果、熱音響エンジン２０Ａでは、比較的早い段階で、第２蓄熱器２５０（第２の発振手段）において熱音響自励振動を発生させることが可能となる。そして、第２蓄熱器２５０で発生した振動が第１蓄熱器２５に波及するようになると、その振動によって第１蓄熱器２５における作動流体と固体壁との熱交換が促進され、それにより、第１蓄熱器２５においても熱音響自励振動が良好に発生するようになる。従って、本実施形態の熱音響エンジン２０Ａにおいても、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生させることが可能となり、その始動特性を向上させることができる。
【００４２】
なお、電気ヒータ３０は、第１蓄熱器２５から大きな音響出力が得られるようになった段階で停止させられると好ましい。また、第２蓄熱器２５０に対する加熱量を第１蓄熱器２５に対する加熱量よりも多くするためには、第１実施形態に関連して説明した第２高温熱交換器２６０と電気ヒータとを組み合わせてもよい。
【００４３】
図３は、本発明による熱音響エンジンの第２実施形態における変形例を示す概略構成図である。同図に示される熱音響エンジン２０Ｂは、基本的に、第１実施形態の熱音響エンジン２０と同様の構成を有するが、熱音響エンジン２０Ｂの第２低温熱交換器２７０には、第１低温熱交換器２７に供給される冷却媒体（エンジン冷却水）よりも低温の冷却媒体が供給される。すなわち、第２低温熱交換器２７０（その伝熱管）は、図３に示されるように、内燃機関１の冷却系統Ｌ３とは異なる冷却系統Ｌ４に組み込まれている。冷却系統Ｌ４を流通させる冷却媒体としては、大気や、空調がなされている車室からの排出空気等を選択することができる。
【００４４】
このように構成される熱音響エンジン２０Ｂを始動させる際には、冷却系統Ｌ４から第２低温熱交換器２７０に所定の冷却媒体を供給する。これにより、第２蓄熱器２５０からは、エンジン冷却水によって第１蓄熱器２５から奪われる熱量よりも多くの熱量が冷却系統Ｌ４からの冷却媒体によって奪われることになる。すなわち、熱音響エンジン２０Ｂでは、その始動時に、第２蓄熱器２５０に対する冷却量を第１蓄熱器２５に対する冷却量よりも多くして、第２蓄熱器２５０の両端部間に、第１蓄熱器２５の両端部間における温度勾配よりも大きな温度勾配を形成することができる。
【００４５】
この結果、熱音響エンジン２０Ｂにおいても、比較的早い段階で、第２蓄熱器２５０（第２の発振手段）において熱音響自励振動を発生させることが可能となる。そして、第２蓄熱器２５０で発生した振動が第１蓄熱器２５に波及するようになると、その振動によって第１蓄熱器２５における作動流体と固体壁との熱交換が促進され、それにより、第１蓄熱器２５においても熱音響自励振動が良好に発生するようになる。従って、本実施形態の熱音響エンジン２０Ｂにおいても、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生させることが可能となり、その始動特性を向上させることができる。
【００４６】
〔第３実施形態〕
以下、図４および図５を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る熱音響エンジンについて説明する。なお、上述の第１実施形態等に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
【００４７】
図４に示される熱音響エンジン２０Ｃも、第１実施形態の熱音響エンジン２０等と基本的に同様の構成を有し、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内燃機関１に適用される。この熱音響エンジン２０Ｃは、図４に示されるように、排気管Ｌ２の触媒装置１２と、第１蓄熱器２５の図中上端および第２蓄熱器２５０の図中下端と直接連結する高温熱交換器２６Ｃを備える。高温熱交換器２６Ｃは、触媒装置１２から発せられる熱（排気熱）を第１蓄熱器２５と第２蓄熱器２５０との双方に伝える。
【００４８】
このように、本実施形態の熱音響エンジン２０Ｃでは、第１蓄熱器２５と第２蓄熱器２５０とで加熱手段としての高温熱交換器２６Ｃが共用されているので、その構造を単純化することが可能となる。また、熱音響エンジン２０Ｃでは、高温になる部分を１箇所にまとめることが可能となるので、断熱構造を単純化させつつ、周囲への熱伝導や熱放射による損失を減少させることができる。従って、かかる熱音響エンジン２０Ｃは、熱対策の容易さの面から、特に車両に搭載されると好ましい。
【００４９】
なお、第１蓄熱器２５と第２蓄熱器２５０とに加熱手段を共用させる代わりに、図５の熱音響エンジン２０Ｄのように、第１蓄熱器２５と第２蓄熱器２５０とで冷却手段としての低温熱交換器２７Ｄが共用されるようにしてもよい。このような熱音響エンジン２０Ｄにおいても、その構造を単純化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による熱音響エンジンの第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明による熱音響エンジンの第２実施形態を示す概略構成図である。
【図３】本発明による熱音響エンジンの第２実施形態における変形例を示す概略構成図である。
【図４】本発明による熱音響エンジンの第３実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明による熱音響エンジンの第３実施形態における変形例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  内燃機関
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ  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  第１蓄熱器
２５０  第２蓄熱器
２６  第１高温熱交換器
２６Ａ，２６Ｃ  高温熱交換器
２６０  第２高温熱交換器
２７  第１低温熱交換器
２７Ｄ  低温熱交換器
２７０  第２低温熱交換器
３０  電気ヒータ
Ｌ３，Ｌ４  冷却系統
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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