(57)【要約】 【課題】  所望の熱効率や音響出力を容易かつ確実に得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と、気柱管２１内に配置された蓄熱器２５とを有し、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。熱音響エンジン２０は、気柱管２１内の作動流体の平均圧力を変化させるための作動流体管Ｌ４、開閉弁２８、ポンプ２９および作動流体貯留タンク３０を有すると共に、気柱管２１内の作動流体の共振周波数を変化させるための移動管３１およびアクチュエータ３２を有し、開閉弁２８、ポンプ２９、アクチュエータ３２等は、ＥＣＵ４０によって作動流体の平均圧力や共振周波数が目標値になるように制御される。【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、
前記気柱管内の作動流体の平均圧力を変化させることができる圧力設定手段と、
前記平均圧力が目標値になるように前記圧力設定手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする熱音響エンジン。
【請求項２】
前記圧力設定手段は、作動流体を貯留する作動流体貯留手段を含み、この作動流体貯留手段と前記気柱管との間で作動流体を移動させ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】
前記制御手段は、熱効率が概ね最大となるように、または、所望の音響出力が得られるように、前記目標値を設定する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】
熱音響エンジンに対する要求を判定する要求判定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記要求判定手段によって効率を優先すべきと判断された場合に、熱効率が概ね最大となるように前記目標値を設定し、前記要求判定手段によって出力を優先すべきと判断された場合に、所望の音響出力が得られるように前記目標値を設定する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】
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、
共鳴器と、
作動流体の共振周波数を変化させることができる周波数設定手段と、
作動流体の共振周波数が所望の値となるように前記周波数設定手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする熱音響エンジン。
【請求項６】
前記周波数設定手段は、前記共鳴器の管路長を変化させることを特徴とする請求項５に記載の熱音響エンジン。
【請求項７】
前記制御手段は、熱効率が概ね最大となるように、または、所望の音響出力が得られるように、前記目標値を設定することを特徴とする請求項５または６に記載の熱音響エンジン。
【請求項８】
熱音響エンジンに対する要求を判定する要求判定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記要求判定手段によって効率を優先すべきと判断された場合に、熱効率が概ね最大となるように前記目標値を設定し、前記要求判定手段によって出力を優先すべきと判断された場合に、所望の音響出力が得られるように前記目標値を設定することを特徴とする請求項５から７の何れかに記載の熱音響エンジン。
【請求項９】
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、
前記気柱管内の作動流体の平均圧力を変化させることができる圧力設定手段と、
共鳴器と、
作動流体の共振周波数を変化させることができる周波数設定手段と、
熱効率が概ね最大となるように、または、所望の音響出力が得られるように、前記圧力設定手段と前記周波数設定手段とを制御する制御手段とを備えることを特徴とする熱音響エンジン。
【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】
【特許文献１】特許第３０１５７８６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、熱音響現象を利用することにより、圧縮機やフロン等を用いることなく冷熱を得たり、内燃機関の排気熱（廃熱）を回収したりすることが可能となる。しかしながら、熱音響現象を利用した装置を実用化する上では、解決すべき課題も多く、例えば作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や、音響出力の制御にはなお改善の余地が残されている。
【０００６】
そこで、本発明は、所望の熱効率や音響出力を容易かつ確実に得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】
【０００７】
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、気柱管内の作動流体の平均圧力を変化させることができる圧力設定手段と、平均圧力が目標値になるように圧力設定手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明者は、熱音響エンジンの一層の性能向上を図るべく鋭意研究を行い、その結果、気柱管内の作動流体の平均圧力が、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や熱音響エンジンの出力（音響出力）と相関を有していることに着目した。すなわち、気柱管内の作動流体の平均圧力と、熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間には、所定の相関が認められ、例えば、熱音響エンジンの熱効率ηは気柱管内の作動流体の平均圧力がある値Ｐ０となる場合に最大になる一方、音響出力Ｗは気柱管内の作動流体の平均圧力がＰ０とは異なる値Ｐ１である場合に最大になる。従って、本発明による熱音響エンジンのように、かかる相関を利用した上で、気柱管内の作動流体の平均圧力を変化させる圧力設定手段を制御して平均圧力を目標値に近づけることにより、所望の熱効率や音響出力を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【０００９】
この場合、圧力設定手段は、作動流体を貯留する作動流体貯留手段を含み、この作動流体貯留手段と気柱管との間で作動流体を移動させるものであると好ましい。これにより、気柱管内の作動流体の平均圧力を容易かつ確実に目標値に設定することが可能となる。
【００１０】
また、制御手段は、熱効率が概ね最大となるように、または、所望の音響出力が得られるように、目標値を設定すると好ましい。これにより、熱効率を概ね最大に設定して廃熱等の回収効率を向上させたり、熱音響エンジンに所望の音響出力を発生させたりすることが可能となる。
【００１１】
更に、本発明による熱音響エンジンは、熱音響エンジンに対する要求を判定する要求判定手段を更に備え、制御手段は、要求判定手段によって効率を優先すべきと判断された場合に、熱効率が概ね最大となるように目標値を設定し、要求判定手段によって出力を優先すべきと判断された場合に、所望の音響出力が得られるように目標値を設定すると好ましい。
【００１２】
本発明による他の熱音響エンジンは、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、共鳴器と、作動流体の共振周波数を変化させることができる周波数設定手段と、作動流体の共振周波数が所望の値となるように周波数設定手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明者は、熱音響エンジンの一層の性能向上を図るべく鋭意研究を行い、その結果、共鳴器を備えた熱音響エンジンでは、作動流体の共振周波数が、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や、音響出力と相関を有していることに着目した。すなわち、作動流体の共振周波数と、熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間にも所定の相関が認められ、熱音響エンジンの熱効率ηは作動流体の共振周波数がある値ｆ０となる場合に最大になる一方、音響出力Ｗは作動流体の共振周波数がｆ０とは異なる値ｆ１である場合に最大になる。従って、かかる相関を利用した上で、作動流体の共振周波数を変化させる周波数設定手段を制御して共振周波数を目標値に近づけても、所望の熱効率や音響出力を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【００１４】
この場合、周波数設定手段は、共鳴器の管路長を変化させるものであると好ましい。これにより、作動流体の共振周波数を容易かつ確実に目標値に設定することが可能となる。
【００１５】
更に、制御手段は、熱効率が概ね最大となるように、または、所望の音響出力が得られるように、目標値を設定すると好ましい。また、本発明による熱音響エンジンは、熱音響エンジンに対する要求を判定する要求判定手段を更に備え、制御手段は、要求判定手段によって効率を優先すべきと判断された場合に、熱効率が概ね最大となるように目標値を設定し、要求判定手段によって出力を優先すべきと判断された場合に、所望の音響出力が得られるように目標値を設定すると好ましい。
【００１６】
本発明による更に他の熱音響エンジンは、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、気柱管内の作動流体の平均圧力を変化させることができる圧力設定手段と、共鳴器と、作動流体の共振周波数を変化させることができる周波数設定手段と、熱効率が概ね最大となるように、または、所望の音響出力が得られるように、圧力設定手段と周波数設定手段とを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１７】
上述の作動流体の平均圧力と熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間の相関、および作動流体の共振周波数と熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間の相関を用いれば、作動流体の平均圧力と、作動流体の共振周波数と、熱音響エンジンの熱効率や音響出力との相関（３次元マップ）を得ることができる。従って、この熱音響エンジンのように、圧力設定手段と周波数設定手段との双方を制御し、作動流体の平均圧力および共振周波数をそれぞれ目標値に近づけても、熱音響エンジンの熱効率や音響出力を所望の値に良好に設定することが可能となる。
【００１８】
なお、上述の本発明による各熱音響エンジンは、蓄熱手段の一端側に配置される高温熱交換器を更に備え、この高温熱交換器は、内燃機関の排気ガスを熱源とするものであると好ましい。これにより、熱音響エンジンを用いて、内燃機関の排気熱を効率よく回収することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、所望の熱効率や音響出力を容易かつ確実に得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】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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。
【００２３】
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の一つのコーナー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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。本実施形態では、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を流通する冷却水の熱源（冷熱源）とする。なお、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、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。
【００２６】
また、熱音響エンジン２０の気柱管２１（本実施形態では、管部２３ａ）には、中途に開閉弁（ノーマルクローズ）２８およびポンプ２９を有する作動流体管Ｌ４を介して作動流体貯留タンク（作動流体貯留手段）３０が接続されている。作動流体貯留タンク３０は、気柱管２１の内部に封入されている作動流体と同一の流体を所定圧力下で貯留する。従って、開閉弁２８を開放すると共に、ポンプ２９を作動させることにより、作動流体貯留タンク３０内の作動流体を気柱管２１の内部に導入し、気柱管２１内における作動流体の圧力（平均圧力）を高めることができる。また、気柱管２１内の作動流体の圧力（平均圧力）がある程度高い場合、開閉弁２８を開放することにより、気柱管２１から作動流体貯留タンク３０に作動流体を戻して、気柱管２１内における作動流体の圧力（平均圧力）を低下させることができる。すなわち、作動流体管Ｌ４、開閉弁２８、ポンプ２９および作動流体貯留タンク３０は、気柱管２１内の作動流体の平均圧力を変化させる圧力設定手段として機能する。
【００２７】
更に、共鳴部２３の管部２３ａの先端内部には、管部２３ａの内径よりも小さい外径を有する移動管３１が摺動自在に配置されている。そして、閉鎖端部２３ｂの内部には、移動管３１を管部２３ａと平行に移動させるためのアクチュエータ（流体圧シリンダ）３２が配置されている。アクチュエータ３２は、開閉弁３３を介して図示されない流体源に接続されており、開閉弁３３を操作してアクチュエータ３２を作動させることにより、共鳴部２３の管路長を変化させることができる。従って、これらの移動管３１やアクチュエータ３２は、気柱管２１内の作動流体の共振周波数を変化させることができる周波数設定手段として機能する。
【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、作動流体管Ｌ４の開閉弁２８およびポンプ２９、アクチュエータ３２用の開閉弁３３等は、それぞれＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、これらはＥＣＵ４０によって制御される。また、熱音響エンジン２０の気柱管２１には、ループ部２２と共鳴部２３との接続部付近に圧力センサ３４が設置されている。この圧力センサ３４もＥＣＵ４０に接続されており、当該センサ３４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】
上述のように構成される熱音響エンジン２０は、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。
【００３０】
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。
【００３１】
さて、上述のような熱音響現象の利用により、内燃機関１の排気熱（廃熱）を良好に回収することが可能となるが、熱音響現象を利用した装置を実用化する上では、解決すべき課題も多く、熱音響エンジンの熱効率や音響出力の制御には、なお改善の余地が残されている。このため、本発明者は、熱音響エンジンの一層の性能向上を図るべく鋭意研究を行い、その結果、気柱管内の作動流体の平均圧力（自励振動する作動流体の圧力の平均値）が、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や、音響出力と相関を有していることに着目した。
【００３２】
すなわち、気柱管内の作動流体の平均圧力と、熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間には、図２に示されるような相関が認められ、熱音響エンジンの熱効率ηは気柱管内の作動流体の平均圧力がある値Ｐ０となる場合に最大値ηｍａｘになる一方、音響出力Ｗは気柱管内の作動流体の平均圧力がＰ０とは異なる（Ｐ０よりも大きな）値Ｐ１である場合に最大値Ｗｍａｘになる。なお、熱音響エンジンの熱効率ηは、
η＝（音響出力）／（高温熱交換器への入力エネルギ）
として表され、熱音響エンジンの出力（音響出力）Ｗは、
Ｗ＝（圧力振幅）×（速度振幅）×１／２
として表される。
【００３３】
このような点に鑑みて、本発明の熱音響エンジン２０では、かかる相関を利用した上で、気柱管２１内の作動流体の平均圧力を目標値に近づけて所望の熱効率や音響出力を得るために、図３に示される手順に従って上述の開閉弁２８やポンプ２９等が制御される。
【００３４】
図３に示される平均圧力制御ルーチンは、ＥＣＵ４０によって所定時間おきに実行される。ＥＣＵ４０は、平均圧力制御ルーチンを実行するタイミングになると、まず、内燃機関１の運転状態を示す各種パラメータに基づいて、その熱効率を概ね最大にして熱音響エンジン２０を運転すべきか否かを判定する（Ｓ１０）。すなわち、本発明の熱音響エンジン２０は、熱効率が概ね最大に設定される効率優先モードと、音響出力が概ね最大に設定される出力優先モードとの何れかのもとで運転される。そして、Ｓ１０にて肯定判断がなされた場合、効率優先モードが選択され、Ｓ１０にて否定判断がなされた場合、出力優先モードが選択されることになる。
【００３５】
これにより、熱効率を概ね最大に設定して内燃機関１の排気熱の回収効率を向上させたり、熱音響エンジン２０に所望の音響出力を発生させたりすることが可能となる。なお、効率優先モードは、例えば、内燃機関１の排気熱を触媒温度の保持といった他の用途にも利用する必要がある場合に実行される。また、出力優先モードは、トランスデューサ２４による発電量を増加させる必要がある場合（熱音響エンジン２０を冷凍機として構成する場合には、冷凍能力を増加させる必要がある場合）に実行される。
【００３６】
Ｓ１０にて熱音響エンジン２０を効率優先モードのもとで運転すべきと判断した場合、ＥＣＵ４０は、熱音響エンジン２０の熱効率ηを最大にする（最大熱効率ηｍａｘに対応する）平均圧力Ｐ０を記憶装置から読み出し、読み出した値Ｐ０を作動流体の平均圧力の目標値Ｐｔとして設定する（Ｓ１２）。最大熱効率ηｍａｘに対応する平均圧力Ｐ０は、図２に示される相関に基づいて予め算出され、記憶装置に格納されている。
【００３７】
また、Ｓ１０にて熱音響エンジン２０を出力優先モードのもとで運転すべきと判断した場合、ＥＣＵ４０は、熱音響エンジン２０の音響出力Ｗを最大にする（最大出力Ｗｍａｘに対応する）平均圧力Ｐ１を記憶装置から読み出し、読み出した値Ｐ１を作動流体の平均圧力の目標値Ｐｔとして設定する（Ｓ１４）。最大出力Ｗｍａｘに対応する平均圧力Ｐ１も、図２に示される相関に基づいて予め算出され、記憶装置に格納されている。
【００３８】
Ｓ１２またはＳ１４にて目標値Ｐｔを定めると、ＥＣＵ４０は、圧力センサ３４から送られる信号に基づいて気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍを算出する（Ｓ１６，Ｓ１８）。Ｓ１８において、ＥＣＵ４０は、圧力センサ３４からの信号に基づいて気柱管２１内で自励振動する作動流体の最大圧力と最小圧力とを取得すると共に、最大圧力と最小圧力との平均をとることにより、気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍを求める。
【００３９】
気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍを求めると、ＥＣＵ４０は、Ｓ１８にて求めた平均圧力Ｐｍが、Ｓ１２またはＳ１４にて定めた目標値Ｐｔから所定のヒステリシスΔＰを減じた値（Ｐｔ−ΔＰ）を下回っているか否か判定する（Ｓ２０）。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ２０にて平均圧力Ｐｍが値（Ｐｔ−ΔＰ）を下回っていると判断した場合、すなわち、平均圧力Ｐｍが目標値ＰｔをヒステリシスΔＰ以上下回っていると判断した場合、作動流体管Ｌ４の開閉弁２８を開放させ（Ｓ２２）、更に、ポンプ２９を所定時間または平均圧力Ｐｍと値（Ｐｔ−ΔＰ）との偏差に応じた時間だけ作動させる（Ｓ２４）。
【００４０】
これにより、作動流体管Ｌ４を介して作動流体貯留タンク３０内の作動流体が気柱管２１の内部に導入され、気柱管２１内における作動流体の圧力（平均圧力）を高めてＳ１２またはＳ１４にて定められた目標値Ｐｔに近づけることができる。ＥＣＵ４０は、Ｓ２４の処理が終了した段階で、開閉弁２８を閉鎖させ（Ｓ３０）、以降、平均圧力制御ルーチンを実行するタイミングが到来するたびに、図３の一連の処理を実行する。
【００４１】
一方、ＥＣＵ４０は、Ｓ２０にて平均圧力Ｐｍが目標値Ｐｔから所定のヒステリシスΔＰを減じた値（Ｐｔ−ΔＰ）を下回っていないと判断した場合、Ｓ１８にて求めた平均圧力が目標値Ｐｔに所定のヒステリシスΔＰを加算した値（Ｐｔ＋ΔＰ）を上回っているか否か判定する（Ｓ２６）。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ２６にて平均圧力Ｐｍが値（Ｐｔ＋ΔＰ）を上回っていると判断した場合、すなわち、平均圧力Ｐｍが目標値ＰｔをヒステリシスΔＰ以上上回っていると判断した場合、作動流体管Ｌ４の開閉弁２８を所定時間または平均圧力Ｐｍと値（Ｐｔ＋ΔＰ）との偏差に応じた時間だけ開放させる（Ｓ２８）。
【００４２】
これにより、気柱管２１内の作動流体が作動流体管Ｌ４を介して作動流体貯留タンク３０内に戻されるので、気柱管２１内における作動流体の圧力（平均圧力）を低下させてＳ１２またはＳ１４にて定められた目標値Ｐｔに近づけることができる。ＥＣＵ４０は、Ｓ２８の処理が終了した段階で、開閉弁２８を閉鎖させ（Ｓ３０）、平均圧力制御ルーチンを次に実行するタイミングまで待機する。
【００４３】
このように、熱音響エンジン２０では、平均圧力制御ルーチンが実行されることにより、効率優先モードのもとでは、熱音響エンジン２０の熱効率ηが概ね最大となるように目標値Ｐｔが設定されると共に、気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍか当該目標値Ｐｔ（＝Ｐ０）になるように開閉弁２８およびポンプ２９が制御される。また、出力優先モードのもとでは、熱音響エンジン２０の音響出力Ｗが概ね最大となるように目標値Ｐｔ（＝Ｐ１）が設定されると共に、気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍか当該目標値Ｐｔになるように開閉弁２８が制御される。この結果、熱音響エンジン２０では、所望の熱効率（ηｍａｘ）や音響出力（Ｗｍａｘ）を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【００４４】
また、熱音響エンジン２０では、開閉弁２８およびポンプ２９により、気柱管２１と作動流体貯留タンク３０との間で作動流体が移動させられるので、気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍを容易かつ確実に目標値Ｐｔに近づけることが可能となる。ただし、作動流体管Ｌ４のポンプ２９は省略されてもよく、この場合、図４に示される平均圧力制御ルーチンを実行することにより、気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍを容易かつ確実に目標値Ｐｔに近づけることが可能となる。
【００４５】
図４の平均圧力制御ルーチンも、図３のものと同様に、ＥＣＵ４０によって所定時間おきに実行される。この場合も、ＥＣＵ４０は、まず、内燃機関１の運転状態を示す各種パラメータに基づいて、その熱効率を概ね最大にして熱音響エンジン２０を運転すべきか否かを判定する（Ｓ４０）。そして、Ｓ４０にて熱音響エンジン２０を効率優先モードのもとで運転すべきと判断した場合、ＥＣＵ４０は、熱音響エンジン２０の熱効率ηを最大にする（最大熱効率ηｍａｘに対応する）平均圧力Ｐ０を記憶装置から読み出し、読み出した値Ｐ０を気柱管２１内の作動流体の平均圧力の目標値Ｐｔとして設定する（Ｓ４２）。また、Ｓ４０にて熱音響エンジン２０を出力優先モードのもとで運転すべきと判断した場合、ＥＣＵ４０は、熱音響エンジン２０の音響出力Ｗを最大にする（最大出力Ｗｍａｘに対応する）平均圧力Ｐ１を記憶装置から読み出し、読み出した値Ｐ１を作動流体の平均圧力の目標値Ｐｔとして設定する（Ｓ４４）。
【００４６】
Ｓ４２またはＳ４４にて目標値Ｐｔを定めると、ＥＣＵ４０は、圧力センサ３４から送られる信号に基づいて気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍを算出すると共に、作動流体の平均圧力が当該算出値Ｐｍになっている時刻（対象時刻）ｔを求める（Ｓ４６）。Ｓ４６において、ＥＣＵ４０は、圧力センサ３４からの信号に基づいて気柱管２１内で自励振動する作動流体の最大圧力と最小圧力とを取得すると共に、最大圧力と最小圧力との平均をとることにより、気柱管２１内の作動流体の平均圧力Ｐｍを求める。Ｓ４６の処理の後、ＥＣＵ４０は、気柱管２１内で自励振動する作動流体の圧力ピーク間における時間（圧力最大となる時刻と圧力最小となる時刻との間の時間差）から作動流体の圧力周期λを求め（Ｓ４８）、更に、Ｓ４８で取得した圧力周期λ等を用いて、気柱管２１内の作動流体の圧力が最大となる直近のタイミング（ピーク時刻）ｔ０を求める（Ｓ５０）。
【００４７】
圧力周期λとピーク時刻ｔ０とを求めると、ＥＣＵ４０は、Ｓ４６にて求めた平均圧力Ｐｍが、Ｓ４２またはＳ４４にて定めた目標値Ｐｔに所定のヒステリシスΔＰを加えた値（Ｐｔ＋ΔＰ）を上回っているか否か判定する（Ｓ５２）。Ｓ５２にて平均圧力Ｐｍが値（Ｐｔ＋ΔＰ）を上回っていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、対象時刻ｔがＳ５０にて取得したピーク時刻ｔ０から１／８・λだけ減じた値（ｔ０−１／８・λ）以上であるか否か判定する（Ｓ５４）。Ｓ５４にて対象時刻ｔが値（ｔ０−１／８・λ）以上であると判断した場合、ＥＣＵ４０は、更に、対象時刻ｔがＳ５０にて取得したピーク時刻ｔ０に１／８・λを加えた値（ｔ０＋１／８・λ）以下であるか否か判定する（Ｓ５６）。そして、Ｓ５６にて対象時刻ｔが値（ｔ０＋１／８・λ）以下であると判断した場合、ＥＣＵ４０は、作動流体管Ｌ４の開閉弁２８を所定時間だけ開放させる（Ｓ５８）。
【００４８】
一方、Ｓ５２にて平均圧力Ｐｍが値（Ｐｔ＋ΔＰ）を上回っていないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ４６にて求めた平均圧力Ｐｍが、Ｓ４２またはＳ４４にて定めた目標値Ｐｔから所定のヒステリシスΔＰを減じた値（Ｐｔ−ΔＰ）を下回っているか否か判定する（Ｓ６０）。Ｓ６０にて平均圧力Ｐｍが値（Ｐｔ−ΔＰ）を下回っていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、対象時刻ｔがＳ５０にて取得したピーク時刻ｔ０に３／８・λを加算した値（ｔ０＋３／８・λ）以上であるか否か判定する（Ｓ６２）。Ｓ６２にて対象時刻ｔが値（ｔ０＋３／８・λ）以上であると判断した場合、ＥＣＵ４０は、更に、対象時刻ｔがＳ５０にて取得したピーク時刻ｔ０に５／８・λを加えた値（ｔ０＋５／８・λ）以下であるか否か判定する（Ｓ６４）。そして、Ｓ６４にて対象時刻ｔが値（ｔ０＋５／８・λ）以下であると判断した場合も、ＥＣＵ４０は、作動流体管Ｌ４の開閉弁２８を所定時間だけ開放させる（Ｓ５８）。
【００４９】
これにより、ポンプ２９が省略された熱音響エンジン２０において図４の平気圧力制御ルーチンが実行されると、平均圧力Ｐｍが目標値Ｐｔ（Ｐｔ＋ΔＰ）よりも大きい場合には、図５に示されるように、気柱管２１内の作動流体の圧力が概ね最大値Ｐｍａｘとなるタイミング（ｔ０−１／８・λ≦ｔ≦ｔ０＋１／８・λ）で開閉弁２８が所定時間だけ開放させられることになる。これにより、気柱管２１の内部と作動流体貯留タンク３０の内部との圧力差により、気柱管２１内の作動流体の一部が作動流体管Ｌ４および開閉弁２８を介して作動流体貯留タンク３０へと流れ込むので、平均圧力Ｐｍを低下させて目標値Ｐｔに近づけることが可能となる。
【００５０】
また、平均圧力Ｐｍが目標値Ｐｔ（Ｐｔ−ΔＰ）よりも小さい場合にも、図５に示されるように、気柱管２１内の作動流体の圧力が概ね最小値Ｐｍｉｎとなるタイミング（ｔ０＋３／８・λ≦ｔ≦ｔ０＋５／８・λ）で開閉弁２８が所定時間だけ開放させられることになる。これにより、気柱管２１の内部と作動流体貯留タンク３０の内部との圧力差により、作動流体貯留タンク３０内の作動流体の一部が作動流体管Ｌ４および開閉弁２８を介して気柱管２１へと流れ込むので、平均圧力Ｐｍを高めて目標値Ｐｔに近づけることが可能となる。
【００５１】
なお、Ｓ５４，Ｓ５６，Ｓ６０，Ｓ６２，Ｓ６４にて否定判断がなされた場合には、ＥＣＵ４０は、Ｓ６６にて作動流体管Ｌ４の開閉弁２８を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）。また、Ｓ５８にて開閉弁２８を開放させた際には、所定時間が経過した段階で、開閉弁２８を閉鎖させる（Ｓ６６）。そして、ＥＣＵ４０は、これ以降、平均圧力制御ルーチンを実行するタイミングが到来するたびに、図４の一連の処理を実行する。
【００５２】
図６は、上述の熱音響エンジン２０において、所望の熱効率や音響出力を得るために実行され得る他の制御手順を説明するためのフローチャートである。
【００５３】
図６の共振周波数制御ルーチンは、本発明の熱音響エンジン２０のように、共鳴器として機能する共鳴部２３と、作動流体の共振周波数を変化させる手段（移動管３１、アクチュエータ３２等）とを備えた熱音響エンジンに適用され得るものである。本発明者は、共鳴器を備えた熱音響エンジンの一層の性能向上を図るべく鋭意研究を行い、その結果、共鳴器を備えた熱音響エンジンでは、作動流体の共振周波数が、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や、音響出力と相関を有していることに着目した。
【００５４】
すなわち、作動流体の共振周波数と、熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間には、図７に示されるような相関が認められ、熱音響エンジンの熱効率ηは作動流体の共振周波数がある値ｆ０となる場合に最大になる一方、音響出力Ｗは作動流体の共振周波数がｆ０とは異なる値ｆ１である場合に最大になる。従って、かかる相関を利用した上で、作動流体の共振周波数を変化させるためのアクチュエータ３２を制御して共振周波数を目標値に近づけても、所望の熱効率や音響出力を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【００５５】
図６の共振周波数制御ルーチンについて説明すると、このルーチンは、ＥＣＵ４０によって所定時間おきに実行され、ＥＣＵ４０は、共振周波数制御ルーチンを実行するタイミングになると、まず、内燃機関１の運転状態を示す各種パラメータに基づいて、その熱効率を概ね最大にして熱音響エンジン２０を運転すべきか否かを判定する（Ｓ７０）。
【００５６】
そして、Ｓ７０にて熱音響エンジン２０を効率優先モードのもとで運転すべきと判断した場合、ＥＣＵ４０は、熱音響エンジン２０の熱効率ηを最大にする（最大熱効率ηｍａｘに対応する）共振周波数ｆ０を記憶装置から読み出し、読み出した値ｆ０を作動流体の共振周波数の目標周波数ｆｔとして設定する（Ｓ７２）。最大熱効率ηｍａｘに対応する共振周波数ｆ０は、図７に示される相関に基づいて予め算出され、記憶装置に格納されている。
【００５７】
また、Ｓ７０にて熱音響エンジン２０を出力優先モードのもとで運転すべきと判断した場合、ＥＣＵ４０は、音響出力Ｗを最大にする（最大出力Ｗｍａｘに対応する）共振周波数ｆ１を記憶装置から読み出し、読み出した値ｆ１を作動流体の共振周波数の目標周波数ｆｔとして設定する（Ｓ７４）。最大出力Ｗｍａｘに対応する共振周波数ｆ１も、図７に示される相関に基づいて予め算出され、記憶装置に格納されている。
【００５８】
Ｓ７２またはＳ７４にて目標周波数ｆｔを定めると、ＥＣＵ４０は、圧力センサ３４から送られる信号に基づいて気柱管２１内で自励振動する作動流体の圧力ピーク間における時間（圧力最大となる時刻と圧力最小となる時刻との間の時間差）を求める（Ｓ７６，Ｓ７８）。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ７８にて取得した圧力ピーク間における時間に基づいて、気柱管２１内の作動流体の共振周波数ｆを求める（Ｓ８０）。
【００５９】
気柱管２１内の作動流体の共振周波数ｆを求めると、ＥＣＵ４０は、Ｓ８０にて求めた共振周波数ｆが、Ｓ７２またはＳ７４にて定めた目標周波数ｆｔから所定のヒステリシスΔｆを減じた値（ｆｔ−Δｆ）を下回っているか否か判定する（Ｓ８２）。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ８２にて共振周波数ｆが値（ｆｔ−Δｆ）を下回っていると判断した場合、すなわち、共振周波数ｆが目標周波数ｆｔをヒステリシスΔｆ以上下回っていると判断した場合、移動管３１がループ部２２に向けて所定量だけ移動するようにアクチュエータ３２を作動させる（Ｓ８４）。
【００６０】
これにより、管部２３ａと閉鎖端部２３ｂとにより構成される共鳴器の管路長が短縮され、気柱管２１内の作動流体の共振周波数ｆを高めてＳ７２またはＳ７４にて定められた目標周波数ｆｔに近づけることができる。そして、Ｓ８４の処理の後、ＥＣＵ４０は、共振周波数制御ルーチンを実行するタイミングが到来するたびに、図６の一連の処理を実行する。
【００６１】
一方、ＥＣＵ４０は、Ｓ８２にて共振周波数ｆが目標周波数ｆｔから所定のヒステリシスΔＰを減じた値（ｆｔ−Δｆ）を下回っていないと判断した場合、更に、Ｓ８０にて求めた共振周波数ｆが目標周波数ｆｔに所定のヒステリシスΔｆを加算した値（ｆｔ＋Δｆ）を上回っているか否か判定する（Ｓ８６）。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ８６にて共振周波数ｆが値（ｆｔ＋Δｆ）を上回っていると判断した場合、すなわち、共振周波数ｆが目標周波数ｆｔをヒステリシスΔｆ以上上回っていると判断した場合、移動管３１が閉鎖端部２３ｂの閉鎖端に向けて所定量だけ移動するようにアクチュエータ３２を作動させる（Ｓ８８）。
【００６２】
これにより、管部２３ａと閉鎖端部２３ｂとにより構成される共鳴器の管路長が伸張され、気柱管２１内の作動流体の共振周波数ｆを低下させてＳ７２またはＳ７４にて定められた目標周波数ｆｔに近づけることができる。そして、Ｓ８８の処理の後、ＥＣＵ４０は、共振周波数制御ルーチンを実行するタイミングが到来するたびに、図６の一連の処理を実行する。
【００６３】
このように、図６の共振周波数制御ルーチンが実行されることにより、効率優先モードのもとでは、熱音響エンジン２０の熱効率ηが概ね最大となるように目標周波数ｆｔが設定されると共に、気柱管２１内の作動流体の共振周波数ｆが当該目標周波数ｆｔ（＝ｆ０）になるようにアクチュエータ（周波数設定手段）３２が制御される。また、出力優先モードのもとでは、音響出力Ｗが概ね最大となるように目標周波数ｆｔ（＝ｆ１）が設定されると共に、気柱管２１内の作動流体の共振周波数ｆが当該目標周波数ｆｔになるようにアクチュエータ（周波数設定手段）３２が制御される。この結果、図６の共振周波数制御ルーチンを実行しても、所望の熱効率（ηｍａｘ）や音響出力（Ｗｍａｘ）を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【００６４】
また、熱音響エンジン２０では、アクチュエータ３２によって移動管３１が進退移動させられることにより、管部２３ａと閉鎖端部２３ｂとにより構成される共鳴器の管路長が変化させられるので、気柱管２１内の作動流体の共振周波数ｆを容易かつ確実に目標周波数ｆｔに近づけることが可能となる。ただし、作動流体の共振周波数を変化させるために、気柱管２１の共鳴部は、図８に示されるように構成されてもよい。
【００６５】
図８の共鳴部２３Ａは、管部２３ａ、管部２３ａに連なる閉鎖端部２３ｂおよび閉鎖端部２３ｂ内に配置された可動チャンバ２３ｃを含む。可動チャンバ２３ｃは、閉鎖端部２３ｂの内部に回転自在に支持されており、１つの開口部２３ｄを有する。これにより、可動チャンバ２３ｃの内部と、閉鎖端部２３ｂの内面と可動チャンバ２３ｃの外面との間に画成される流路とは、可動チャンバ２３ｃの開口部２３ｄを介して互いに連通し合う。そして、可動チャンバ２３ｃは、ラックＲとピニオンＰとからなるラックアンドピニオンＲＰを介して図示されない駆動手段によって閉鎖端部２３ｂの内部で正逆方向に回転させられる。
【００６６】
このような構成のもとでは、閉鎖端部２３ｂの内部で可動チャンバ２３ｃを回転させて、開口部２３ｄの位置を変化させることにより、管部２３ａ、閉鎖端部２３ｂおよび可動チャンバ２３ｃにより構成される共鳴器の管路長を変化させることができる。従って、図８の共鳴部２３Ａを用いても、気柱管２１内の作動流体の共振周波数ｆを容易かつ確実に目標周波数ｆｔに近づけることが可能となる。
【００６７】
また、上述のように、気柱管２１内の作動流体の平均圧力を変化させるための圧力設定手段（作動流体管Ｌ４、開閉弁２８、ポンプ２９および作動流体貯留タンク３０）と、気柱管２１内の作動流体の共振周波数を変化させるための周波数設定手段（移動管３１およびアクチュエータ３２）との双方を有する熱音響エンジン２０では、熱効率ηが概ね最大となるように、または、所望の音響出力Ｗが得られるように、圧力設定手段と周波数設定手段との双方が制御されてもよい。
【００６８】
すなわち、上述の作動流体の平均圧力Ｐｍと熱音響エンジンの熱効率ηや音響出力Ｗとの間の相関（図２参照）、および作動流体の共振周波数ｆと熱音響エンジンの熱効率ηや音響出力Ｗとの間の相関（図７参照）を用いれば、作動流体の平均圧力Ｐｍと、作動流体の共振周波数ｆと、熱音響エンジンの熱効率ηまたは出力Ｗとの相関（３次元マップ）を得ることができる。従って、圧力設定手段としての開閉弁２８やポンプ２９と、周波数設定手段としてのアクチュエータ３２との双方を制御し、作動流体の平均圧力Ｐｍおよび共振周波数ｆをそれぞれ目標値Ｐｔ，ｆｔに近づけても、熱音響エンジン２０の熱効率ηや音響出力Ｗを所望の値に良好に設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【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】気柱管内の作動流体の平均圧力と熱音響エンジンの熱効率および音響出力との相関を例示するグラフである。
【図３】本発明の熱音響エンジンにおける作動流体の平均圧力を制御する手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の熱音響エンジンにおける作動流体の平均圧力を制御する他の手順を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４の平均圧力制御ルーチンを説明するためのタイムチャートである。
【図６】本発明の熱音響エンジンにおける作動流体の共振周波数を制御する手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】気柱管内の作動流体の共振周波数と熱音響エンジンの熱効率および音響出力との相関を例示するグラフである。
【図８】気柱管内の作動流体の共振周波数を変化させるための他の構成を例示する模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  内燃機関
３  燃焼室
２０  熱音響エンジン
２１  気柱管
２２  ループ部
２３，２３Ａ  共鳴部
２３ａ  管部
２３ｂ  閉鎖端部
２３ｃ  可動チャンバ
２３ｄ  開口部
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
２８  開閉弁
２９  ポンプ
３０  作動流体貯留タンク
３１  移動管
３２  アクチュエータ
３３  開閉弁
３４  圧力センサ
Ｌ１  給気管
Ｌ２  排気管
Ｌ３  冷却系統
Ｌ４  作動流体管
【図１】
2005180731.tif 000003
【図２】
2005180731.tif 000004
【図３】
2005180731.tif 000005
【図４】
2005180731.tif 000006
【図５】
2005180731.tif 000007
【図６】
2005180731.tif 000008
【図７】
2005180731.tif 000009
【図８】
2005180731.tif 000010