(57)【要約】 【課題】  所望の熱効率や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、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスである作動流体が封入される気柱管２１と、気柱管２１の内部に配置された蓄熱器１５０とを有し、蓄熱器１５０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ものであり、作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を変化させるためのポンプ２８、作動流体導入弁２９、作動流体回収管Ｌ４、分離膜３２を備えた流体分離装置３０、第１および第２供給弁３３，３４、流体導入管Ｌ５およびＬ６を備える。【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、
前記作動流体は、複数の流体を混合させた混合流体であり、前記作動流体における前記複数の流体の混合比を変化させることができる混合比調整手段と、熱音響エンジンに対する要求に応じて前記混合比調整手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする熱音響エンジン。
【請求項２】
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混合比調整手段を制御し、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混合比調整手段を制御す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】
前記混合比調整手段は、前記気柱管内の作動流体を回収して前記複数の流体に分離させ、分離させた複数の流体を前記気柱管の内部に個別に再供給可能であ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】
前記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】
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、前記混合比調整手段によって設定された前記作動流体における前記複数の流体の混合比に応じて、前記周波数設定手段を制御する手段とを更に備え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】
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】
前記蓄熱手段の特性を変化させることができる蓄熱特性設定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記作動流体における前記複数の流体の混合比が前記蓄熱特性設定手段によって設定される前記蓄熱器の特性に応じた値となるように前記混合比調整手段を制御することを特徴とする請求項１から４に記載の熱音響エンジン。
【請求項８】
前記蓄熱特性設定手段は、前記蓄熱手段の前記作動流体に対する抵抗を変化させ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、それにより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、作動流体は、複数の流体を混合させた混合流体であり、作動流体における複数の流体の混合比を変化させることができる混合比調整手段と、熱音響エンジンに対する要求に応じて混合比調整手段を制御する制御手段とを有す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、熱音響エンジンの気柱管に封入される作動流体として、複数の流体を混合させた混合流体を用いた場合の作動流体における複数の流体の混合比と、熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間の相関に着目した。すなわち、作動流体における複数の流体の混合比と、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は、作動流体におけるある成分の比率が第１の値となる場合に最大となる一方、音響出力は、作動流体におけるある成分の比率が第１の値とは異なる第２の値である場合に最大となる。従って、これらの相関を利用した上で、熱音響エンジンに対する要求に応じて気柱管内の作動流体における複数の流体の混合比を変化させることにより、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】
また、本発明による熱音響エンジンは、該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混合比調整手段を制御し、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混合比調整手段を制御すると好ましい。
【００１０】
更に、混合比調整手段は、気柱管内の作動流体を回収して複数の流体に分離させ、分離させた複数の流体を気柱管の内部に個別に再供給可能なものであると好ましい。このような構成を採用すれば、作動流体を無駄なく有効に利用しながら、作動流体における複数の流体の混合比を所望の値に設定することが可能となる。
【００１１】
また、本発明による熱音響エンジンは、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。
【００１２】
更に、本発明による熱音響エンジンは、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、混合比調整手段によって設定された作動流体における複数の流体の混合比に応じて、周波数設定手段を制御する手段とを更に備えると好ましい。
【００１３】
混合比調整手段によって、気柱管内の作動流体における複数の流体の混合比が要求に応じたある値に設定された場合、当該混合比のもとでは、作動流体の共振周波数と、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や、音響出力との間には、所定の相関が認められる。すなわち、上記混合比が一定になっている場合、熱音響エンジンの熱効率は共振周波数が例えば第１の値となる場合に最大になる一方、音響出力は作動流体の共振周波数が例えば第１の値とは異なる第２の値となる場合に最大になる。
【００１４】
その一方で、気柱管内の作動流体における複数の流体の混合比が変化すると、熱音響エンジンの熱効率を最大にする共振周波数や音響出力を最大にする共振周波数も当該混合比に応じて変化する。従って、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を備えた熱音響エンジンでは、混合比調整手段によって設定された作動流体における複数の流体の混合比に応じて更に周波数設定手段を制御し、作動流体の共振周波数を最適化することによって、高い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。
【００１５】
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。
【００１６】
また、本発明による熱音響エンジンは、蓄熱手段の特性を変化させることができる蓄熱特性設定手段を更に備え、制御手段は、作動流体における複数の流体の混合比が蓄熱特性設定手段によって設定される蓄熱器の特性に応じた値となるように混合比調整手段を制御すると好ましい。
【００１７】
この熱音響エンジンは、例えば作動流体の熱音響自励振動の成長度合いに応じて、作動流体に対する抵抗といった蓄熱手段の特性を変化させる蓄熱特性設定手段を備えるものである。かかる蓄熱特性設定手段によって蓄熱手段の特性がある状態に設定された際に、作動流体における複数の流体の混合比を変化させると、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率等も当該混合比に応じて変化し、混合比がある値になると熱効率等が最大になる。従って、この熱音響エンジンのように、蓄熱特性設定手段によって設定される蓄熱器の特性に応じて作動流体における複数の流体の混合比を最適化することにより、高い熱効率等を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【００１８】
この場合、蓄熱特性設定手段は、蓄熱手段の作動流体に対する抵抗を変化させるものであると好ましい。
【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】
〔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。
【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、複数の流体を混合させた作動流体が封入される。本実施形態では、作動流体として、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスが用いられている。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。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を流通する冷却水を熱源（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】
さて、上述のように、本実施形態では、作動流体としてヘリウムおよびアルゴンの混合ガスが用いられているが、本実施形態の熱音響エンジン２０は、作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比を変化させることができるように構成されている。すなわち、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、気柱管２１内の作動流体を吸い出し可能なポンプ２８と作動流体導入弁（開閉弁）２９とを有する作動流体回収管Ｌ４を介して流体分離装置３０が接続されている。この流体分離装置３０は、内部に流体を貯留可能な容器３１と、容器３１の内部空間を２つの流体貯留室３１Ａおよび３１Ｈに仕切る分離膜３２とを含む。
【００２７】
上述の作動流体回収管Ｌ４は、容器３１の一方の流体貯留室３１Ａに接続されている。そして、この流体貯留室３１Ａは、第１供給弁（開閉弁）３３を有する流体導入管Ｌ５を介して気柱管２１（本実施形態では、管部２３ａ）と接続されている。また、容器３１の他方の流体貯留室３１Ｈは、第２供給弁（開閉弁）３４を有する流体導入管Ｌ６を介して気柱管２１（本実施形態では、管部２３ａ）と接続されている。これらのポンプ２８、作動流体導入弁２９、作動流体回収管Ｌ４、流体分離装置３０、第１および第２供給弁３３，３４、流体導入管Ｌ５およびＬ６は、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を変化させるための混合比調整手段として機能する。
【００２８】
また、容器３１の内部を仕切る分離膜３２は、作動流体中のヘリウムのみを通過させてアルゴンと分離させることができるものである。本実施形態では、分離膜３２として、ポリイミド、酢酸セルロース、ポリヌルフェン、ポリアミド、ポリエーテルイミド等により形成された多孔質性の膜が採用される。これらの材料の何れかにより形成された分離膜３２は、分子量が比較的大きいアルゴン（分子量４０）の通過を規制する一方、アルゴンに比べて分子量が小さいヘリウム（分子量４）の通過を許容する。なお、分離膜３２としては、およそ０．３〜１．０ｎｍの微小な孔を多数有し、ヘリウムを窒素に対しておよそ５００倍に濃縮可能な多孔質ガラスホローファイバ膜が採用されてもよい。
【００２９】
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、作動流体回収管Ｌ４のポンプ２８および作動流体導入弁２９、流体導入管Ｌ５の第１供給弁３３および流体導入管Ｌ６の第２供給弁３４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、圧力センサ３５が設置されている。この圧力センサ３５もＥＣＵ４０に接続されており、当該センサ３５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。
【００３０】
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、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、冷却系統Ｌ３を流通する冷却水（およそ８０〜１００℃）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、複数の流体（ヘリウムおよびアルゴン）を混合させた作動流体における複数の流体の混合比と、熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間の相関に着目した。
【００３３】
すなわち、作動流体における複数の流体の混合比と、熱音響エンジンの熱効率や音響出力との間には、図２および図３に示されるような相関が認められる。図２に示されるように、本実施形態における熱音響エンジンの熱効率は、作動流体におけるアルゴンの比率がおよそ２０％である場合、つまり、作動流体におけるヘリウムの比率がおよそ８０％である場合に最大となる。これに対して、熱音響エンジンの音響出力は、作動流体におけるアルゴンの比率がおよそ０％である場合、つまり、作動流体におけるヘリウムの比率がおよそ１００％である場合に最大となる。
【００３４】
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。
【００３５】
これらの点に鑑みて、本発明の熱音響エンジン２０では、図２や図３に示される相関を利用した上で、所望の熱効率や音響出力を得るために、図４に示される手順に従って気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比が制御される。
【００３６】
図４に示される混合比制御ルーチンは、ＥＣＵ４０によって所定時間おきに繰り返し実行される。ＥＣＵ４０は、混合比制御ルーチンを実行するタイミングになると、圧力センサ３５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、かかる圧力ピーク間における時間から気柱管２１内の作動流体の共振周波数を求める（Ｓ１０，Ｓ１２）。
【００３７】
また、ＥＣＵ４０の記憶装置には、気柱管２１内の作動流体の共振周波数と気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率との関係を規定するマップが記憶されており、ＥＣＵ４０は、このマップから、Ｓ１２にて求めた気柱管２１内の作動流体の共振周波数に対応した作動流体におけるヘリウムの比率を求める（Ｓ１４）。ここで、Ｓ１４にて作動流体におけるヘリウムの比率を求めるために用いられるマップは、図５に示されるような作動流体におけるアルゴンの比率と共振周波数との相関に基づいて予め作成され、記憶装置に格納されている。
【００３８】
気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率を求めると、ＥＣＵ４０は、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、その音響出力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（Ｓ１６）。すなわち、本発明の熱音響エンジン２０は、音響出力が概ね最大に設定される出力優先モードと、熱効率が概ね最大に設定される効率優先モードとの何れかのもとで運転される。そして、Ｓ１６にて肯定判断がなされた場合、出力優先モードが選択され、Ｓ１６にて否定判断がなされた場合、効率優先モードが選択されることになる。
【００３９】
これにより、熱音響エンジン２０に所望の音響出力を発生させたり、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することが可能となる。なお、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。また、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。
【００４０】
Ｓ１６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、Ｓ１４にて取得したヘリウムの比率がおよそ１００％になっていないか（例えば、ヘリウムの比率が９５％を下回っているか否か）判定する（Ｓ１８）。Ｓ１８にてヘリウムの比率がおよそ１００％になっていないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、作動流体回収管Ｌ４の作動流体導入弁２９を開放させると共に（Ｓ２０）、作動流体回収管Ｌ４のポンプ２８を所定時間だけ作動させる（Ｓ２２）。
【００４１】
これにより、気柱管２１内から所定量の作動流体がポンプ２８によって吸い出され、作動流体回収管Ｌ４を介して流体分離装置３０を構成する容器３１の流体貯留室３１Ａに導入される。上述のように、容器３１の内部は、作動流体中のヘリウムのみを通過させてアルゴンと分離させる分離膜３２によって流体貯留室３１Ａと流体貯留室３１Ｈとに仕切られている。このため、気柱管２１から容器３１の流体貯留室３１Ａに作動流体が導入されると、作動流体中のヘリウムのみが分離膜３２を通過して流体貯留室３１Ｈに流入する。これに対して、作動流体中のアルゴンは、分離膜３２を通過し得ないので、流体貯留室３１Ａ内に滞留していくことになる。この結果、流体分離装置３０によって、気柱管２１から回収された作動流体がヘリウムとアルゴンとに分離され、アルゴンが流体貯留室３１Ａ内に、ヘリウムが流体貯留室３１Ｈ内にそれぞれ貯留されることになる。
【００４２】
そして、ポンプ２８を所定時間だけ作動させた後、ＥＣＵ４０は、気柱管２１の管部２３ａとアルゴンを貯留する流体貯留室３１Ａとを接続する流体導入管Ｌ５の第１供給弁（Ａｒ供給弁）３３を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）と共に、気柱管２１の管部２３ａとヘリウムを貯留する流体貯留室３１Ｈとを接続する流体導入管Ｌ６の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）３４を所定時間またはＳ１４で取得したヘリウムの比率に応じた時間だけ開放させる（Ｓ２４）。これにより、流体導入管Ｌ６を介して流体分離装置３０（流体貯留室３１Ｈ）からヘリウム（のみ）が気柱管２１の内部に所定量導入される。この結果、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率を概ね１００％に近づけて熱音響エンジン２０の音響出力を概ね最大に設定することが可能となる。
【００４３】
なお、Ｓ１６にて音響出力を概ね最大にして熱音響エンジン２０を運転すべきと判断され、かつ、Ｓ１８にて作動流体におけるヘリウムの比率がおよそ１００％になっていると判断された場合、気柱管２１の内部に更にヘリウムを導入する必要はない。従って、このような場合には、作動流体導入弁２９、第１および第２供給弁３３，３４は、何れも閉鎖状態に維持される（Ｓ２６）。
【００４４】
一方、Ｓ１６にて効率優先モードが選択されていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１４にて取得したヘリウムの比率が、熱音響エンジン２０の熱効率を最大にする目標比率Ｒから所定のヒステリシスαを減じた値（Ｒ−α）を下回っているか否か判定する（Ｓ２８）。ここで、熱音響エンジン２０の最大熱効率に対応したヘリウム比率である目標比率Ｒ（この場合、およそ８０％）は、図５に示されるような作動流体におけるアルゴンの比率と熱効率との相関に基づいて予め作成され、記憶装置に格納されている。
【００４５】
Ｓ２８にて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が値（Ｒ−α）を下回っていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、作動流体回収管Ｌ４の作動流体導入弁２９を開放させると共に（Ｓ２０）、作動流体回収管Ｌ４のポンプ２８を所定時間だけ作動させる（Ｓ２２）。そして、ポンプ２８を所定時間だけ作動させた後、ＥＣＵ４０は、気柱管２１の管部２３ａとアルゴンを貯留する流体貯留室３１Ａとを接続する流体導入管Ｌ５の第１供給弁３３を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）と共に、気柱管２１の管部２３ａとヘリウムを貯留する流体貯留室３１Ｈとを接続する流体導入管Ｌ６の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）３４を所定時間またはＳ１４で取得したヘリウムの比率に応じた時間だけ開放させる（Ｓ２４）。
【００４６】
このように、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が小さく、最大熱効率に対応した目標比率Ｒを下回っている場合には、流体導入管Ｌ６を介して流体分離装置３０（流体貯留室３１Ｈ）からヘリウム（のみ）が気柱管２１の内部に所定量導入される。これにより、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率を目標比率Ｒに近づけて熱音響エンジン２０の熱効率を概ね最大に設定することが可能となる。
【００４７】
また、Ｓ２８にて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が値（Ｒ−α）を下回っていないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、更に、Ｓ１４にて取得したヘリウムの比率が、熱音響エンジン２０の熱効率を最大にする目標比率Ｒに所定のヒステリシスαを加えた値（Ｒ＋α）を上回っているか否か判定する（Ｓ３０）。
【００４８】
Ｓ３０にて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が値（Ｒ＋α）を上回っていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、作動流体回収管Ｌ４の作動流体導入弁２９を開放させると共に（Ｓ３２）、作動流体回収管Ｌ４のポンプ２８を所定時間だけ作動させる（Ｓ３４）。そして、作動流体回収管Ｌ４のポンプ２８を所定時間だけ作動させると、ＥＣＵ４０は、気柱管２１の管部２３ａとアルゴンを貯留する流体貯留室３１Ａとを接続する流体導入管Ｌ５の第１供給弁（Ａｒ供給弁）３３を所定時間またはＳ１４で取得したヘリウムの比率に応じた時間だけ開放させると共に、気柱管２１の管部２３ａとヘリウムを貯留する流体貯留室３１Ｈとを接続する流体導入管Ｌ６の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）３４を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）（Ｓ３６）。
【００４９】
このように、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が大きく、最大熱効率に対応した目標比率Ｒを上回っている場合には、流体導入管Ｌ５を介して流体分離装置３０（流体貯留室３１Ａ）からアルゴン（のみ）が気柱管２１の内部に所定量導入される。この結果、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率を目標比率Ｒに近づけて熱音響エンジン２０の熱効率を概ね最大に設定することが可能となる。
【００５０】
なお、Ｓ３０にて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が値（Ｒ＋α）を上回っていないと判断される場合、Ｓ１４にて取得されたヘリウムの比率は、（Ｒ−α）〜（Ｒ＋α）の範囲内に含まれており、目標比率Ｒに概ね近づいていることになる。従って、このような場合、気柱管２１の内部に更にヘリウムやアルゴンを導入する必要はないので、作動流体導入弁２９、第１および第２供給弁３３，３４は、何れも閉鎖状態に維持される（Ｓ２６）。
【００５１】
上述のように、本実施形態によれば、熱音響エンジン２０に対する要求に応じて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を変化させることにより、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。また、本実施形態では、混合比調整手段としてのポンプ２８、作動流体導入弁２９、作動流体回収管Ｌ４、流体分離装置３０、第１および第２供給弁３３，３４、流体導入管Ｌ５およびＬ６等によって、気柱管２１内の作動流体が回収されると共にヘリウムとアルゴンとに分離され、分離されたヘリウムとアルゴンとが気柱管２１の内部に個別に再供給される。従って、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスである作動流体を無駄なく有効に利用しながら、作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を所望の値に設定することが可能となる。
【００５２】
〔第２実施形態〕
以下、図６〜図９を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の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。
【００５３】
図６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においても、作動流体として、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスが用いられる。そして、熱音響エンジン２０Ａは、作動流体回収管Ｌ４、ポンプ２８や作動流体導入弁２９等と共に混合比調整手段を構成する流体分離装置５０を備えている。
【００５４】
流体分離装置５０は、容器５１を含み、容器５１の内部空間は、流体導入室５１ａ、流体分離室５１ｂおよび流体貯留室５１ｃの３つに仕切られている。流体導入室５１ａと流体分離室５１ｂとの間および流体分離室５１ｂと流体貯留室５１ｃとの間では、流体の流通が可能となっている。そして、流体分離室５１ｂ内には、ガスクロマトグラフィーの原理により作動流体中のヘリウムとアルゴンとを分離させるための所定の吸収剤が収容されている。すなわち、流体分離装置５０は、ヘリウムとアルゴンとで吸収剤が収容された流体分離室５１ｂを通過する速度が相違していることを利用して作動流体中のヘリウムとアルゴンとを分離させるものである。本実施形態では、例えば、ヘリウムの通過速度＞アルゴンの通過速度となるような吸収剤が採用される。
【００５５】
図６に示されるように、流体分離装置５０（容器５１）の流体貯留室５１ｃには、第１抽出弁（開閉弁）５２を有する配管を介して第１流体タンク５３が接続されている。そして、第１流体タンク５３は、第１供給弁（開閉弁）５４を有する流体導入管Ｌ７を介して気柱管２１（本実施形態では、管部２３ａ）と接続されている。また、流体分離装置５０（容器５１）の流体貯留室５１ｃには、第２抽出弁（開閉弁）５５を有する配管を介して第２流体タンク５６が接続されている。そして、第２流体タンク５６は、第２供給弁（開閉弁）５７を有する流体導入管Ｌ８を介して気柱管２１（本実施形態では、管部２３ａ）と接続されている。
【００５６】
第１抽出弁５２、第１供給弁５４、第２抽出弁５５および第２供給弁５７は、ポンプ２８および作動流体導入弁２９と同様にＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、これらはＥＣＵ４０によって開閉制御される。また、ＥＣＵ４０は、第１抽出弁５２および第２抽出弁５５を制御するために、図示されないタイマを有している。そして本実施形態において、ＥＣＵ４０は、図７に示される手順に従い、気柱管２１内の作動流体を回収してヘリウムとアルゴンとに分離させる作動流体回収分離ルーチンを実行する。
【００５７】
図７に示されるように、ＥＣＵ４０は、内燃機関１および熱音響エンジン２０Ａの作動中に、気柱管２１内の作動流体を回収してヘリウムとアルゴンとに分離させるべきか否かを判定している（Ｓ４０）。そしてＥＣＵ４０は、Ｓ４０にて作動流体の回収分離処理を実行すべきと判断すると、流体分離装置５０に対して作動流体が導入されていないか判定する（Ｓ４２）。
【００５８】
Ｓ４２にて流体分離装置５０に対して作動流体が導入されていないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、作動流体回収管Ｌ４の作動流体導入弁２９を開放させると共に（Ｓ４４）、作動流体回収管Ｌ４のポンプ２８を所定時間だけ作動させる（Ｓ４６）。これにより、熱音響エンジン２０Ａの気柱管２１内から所定量の作動流体がポンプ２８によって吸い出され、作動流体回収管Ｌ４を介して流体分離装置５０（容器５１）の流体導入室５１ａに導入される。
【００５９】
ポンプ２８を所定時間だけ作動させた後、ＥＣＵ４０は、作動流体導入弁２９を閉鎖させ（Ｓ４８）、更に、上述のタイマ（図示省略）をリセットする（カウント値Ｃ＝０とする）（Ｓ５０）。そして、Ｓ４４からＳ５０までの処理が完了したことにより、Ｓ４２にて流体分離装置５０に作動流体が導入されていると判断された場合、上述のタイマのカウント値が１ずつインクリメントされる（Ｓ５２）。
【００６０】
ここで、流体分離装置５０の流体導入室５１ａと流体貯留室５１ｃとの間には、上述のように、所定の吸収剤が収容された流体分離室５１ｂが設けられている。そして、作動流体中のヘリウムとアルゴンとでは、吸収剤が収容された流体分離室５１ｂを通過する速度が相違している（ヘリウムの通過速度＞アルゴンの通過速度）。このため、図８に示されるように、Ｓ５０にてリセットされた後にタイマのカウント値がＣ１になった段階で、まずヘリウムが流体分離室５１ｂを通過し始め、流体貯留室５１ｃ内に貯留されるようになる。そして、タイマのカウント値がＣ２（Ｃ２＞Ｃ１）になると、流体導入室５１ａ内に導入された作動流体中のヘリウムのほぼすべてが流体分離室５１ｂを通過して流体貯留室５１ｃ内に移動する。
【００６１】
その後、図８に示されるように、タイマのカウント値がＣ３（Ｃ３＞Ｃ２）になると、アルゴンが流体分離室５１ｂを通過し始め、流体貯留室５１ｃ内に貯留されるようになる。そして、タイマのカウント値がＣ４（Ｃ４＞Ｃ３）になると、流体導入室５１ａ内に導入された作動流体中のアルゴンのほぼすべてが流体分離室５１ｂを通過して流体貯留室５１ｃ内に移動する。
【００６２】
このようなガスクロマトグラフィーによるアルゴンとヘリウムの分離過程に基づいて、ＥＣＵ４０は、タイマのカウント値Ｃを読み込むと共に、Ｃ１＜Ｃ＜Ｃ２が満たされるか否か判定する（Ｓ５４）。Ｓ５４にてＣ１＜Ｃ＜Ｃ２が満たされると判断した場合、ＥＣＵ４０は、流体分離装置５０（容器５１）の流体貯留室５１ｃと第１流体タンク（アルゴンタンク）５３との間の第１抽出弁（Ａｒ抽出弁）５２を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）と共に、流体分離装置５０（容器５１）の流体貯留室５１ｃと第２流体タンク（ヘリウムタンク）５６との間の第２抽出弁（Ｈｅ抽出弁）５５を開放させる（Ｓ５６）。
【００６３】
そして、Ｓ５６の処理の後、Ｓ５２にてタイマのカウント値が１ずつインクリメントされると共に、Ｓ５４にてＣ１＜Ｃ＜Ｃ２が満たされると判断される間、第１抽出弁（Ａｒ抽出弁）５２が閉鎖させられる（閉鎖状態に維持される）一方、第２抽出弁（Ｈｅ抽出弁）５５が開放させられる（Ｓ５６）。これにより、図８に示されるように、流体分離室５１ｂをヘリウムのみが通過する間（タイマのカウント値がＣ１になった後、Ｃ２になるまでの間）、第２抽出弁（Ｈｅ抽出弁）５５のみが開放され、流体貯留室５１ｃ内のヘリウムが第２流体タンク５６内へと移動し、そこに貯留されることになる。
【００６４】
また、Ｓ５４にてＣ１＜Ｃ＜Ｃ２が満たされていないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、更に、タイマのカウント値Ｃが、Ｃ３＜Ｃ＜Ｃ４を満たすか否か判定する（Ｓ５８）。Ｓ５８にてＣ３＜Ｃ＜Ｃ４が満たされると判断した場合、ＥＣＵ４０は、流体分離装置５０（容器５１）の流体貯留室５１ｃと第１流体タンク（アルゴンタンク）５３との間の第１抽出弁（Ａｒ抽出弁）５２を開放させると共に、流体分離装置５０（容器５１）の流体貯留室５１ｃと第２流体タンク（ヘリウムタンク）５６との間の第２抽出弁（Ｈｅ抽出弁）５５を閉鎖させる（Ｓ６０）。
【００６５】
そして、Ｓ６０の処理の後、Ｓ５２にてタイマのカウント値が１ずつインクリメントされると共に、Ｓ５４およびＳ５８にてＣ３＜Ｃ＜Ｃ４が満たされると判断される間、第１抽出弁（Ａｒ抽出弁）５２が開放させられる一方、第２抽出弁（Ｈｅ抽出弁）５５が閉鎖させられる（Ｓ６０）。これにより、図８に示されるように、流体分離室５１ｂをアルゴンのみが通過する間（タイマのカウント値がＣ３になった後、Ｃ４になるまでの間）、第１抽出弁（Ａｒ抽出弁）５３のみが開放され、流体貯留室５１ｃ内のアルゴンが第１流体タンク５３内へと移動し、そこに貯留されることになる。
【００６６】
なお、Ｓ５８にてＣ３＜Ｃ＜Ｃ４が満たされていないと判断された場合、すなわち、Ｓ５０にてリセットされてタイマのカウント値がＣ１になるまでの間、およびタイマのカウント値がＣ４になった後には、第１抽出弁（Ａｒ抽出弁）５２および第２抽出弁（Ｈｅ抽出弁）５５の双方とも閉鎖状態に維持される（Ｓ６２）。
【００６７】
次に、図９を参照しながら、第２実施形態に係る熱音響エンジン２０Ａの気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を制御する手順について説明する。
【００６８】
図９に示される混合比制御ルーチンは、ＥＣＵ４０によって所定時間おきに繰り返し実行される。ＥＣＵ４０は、混合比制御ルーチンを実行するタイミングになると、圧力センサ３５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を求め、かかる圧力のピーク間における時間から気柱管２１内の作動流体の共振周波数を求める（Ｓ７０，Ｓ７２）。更に、ＥＣＵ４０は、所定のマップから、Ｓ７２にて求めた気柱管２１内の作動流体の共振周波数に対応したヘリウムの比率を求める（Ｓ７４）。
【００６９】
気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率を求めると、ＥＣＵ４０は、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、その音響出力を概ね最大にして熱音響エンジン２０Ａを運転すべきか否かを判定する（Ｓ７６）。Ｓ７６にて熱音響エンジン２０Ａ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、Ｓ７４にて取得したヘリウムの比率がおよそ１００％になっていないか（例えば、ヘリウムの比率が９５％を下回っているか否か）判定する（Ｓ７８）。Ｓ７８にてヘリウムの比率がおよそ１００％になってないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、作動流体の回収分離処理を実行すべきと判断し、図７の作動流体回収分離ルーチンを開始する（Ｓ８０）。
【００７０】
そして、作動流体回収分離ルーチンを開始してから所定時間が経過した（少なくともタイマのカウント値がＣ４を超えた）と判断すると（Ｓ８２）、ＥＣＵ４０は、気柱管２１の管部２３ａとアルゴンを貯留する第１流体タンク５３とを接続する流体導入管Ｌ７の第１供給弁（Ａｒ供給弁）５４を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）と共に、気柱管２１の管部２３ａとヘリウムを貯留する第２流体タンク５６とを接続する流体導入管Ｌ８の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）５７を所定時間またはＳ１４で取得したヘリウムの比率に応じた時間だけ開放させる（Ｓ８４）。これにより、流体導入管Ｌ８を介して第２流体タンク５６からヘリウム（のみ）が気柱管２１の内部に所定量導入される。この結果、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率を概ね１００％に近づけて熱音響エンジン２０Ａの音響出力を概ね最大に設定することが可能となる。
【００７１】
なお、Ｓ７６にて音響出力を概ね最大にして熱音響エンジン２０Ａを運転すべきと判断され、かつ、Ｓ７８にて作動流体におけるヘリウムの比率がおよそ１００％になっていると判断された場合、気柱管２１の内部に更にヘリウムを導入する必要はない。従って、このような場合には、図７の作動流体回収分離ルーチンは実行されず、第１および第２供給弁５４，５７は、何れも閉鎖状態に維持される（Ｓ８６）。
【００７２】
一方、Ｓ７６にて効率優先モードが選択されていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ７４にて取得したヘリウムの比率が、熱音響エンジン２０Ａの熱効率を最大にする目標比率Ｒから所定のヒステリシスαを減じた値（Ｒ−α）を下回っているか否か判定する（Ｓ８８）。Ｓ８８にて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が値（Ｒ−α）を下回っていると判断された場合、上述のＳ８０からＳ８４の処理が実行される。これにより、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が小さく、最大熱効率に対応した目標比率Ｒを下回っている場合には、流体導入管Ｌ８を介して第２流体タンク５６からヘリウム（のみ）が気柱管２１の内部に所定量導入される。この結果、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率を目標比率Ｒに近づけて熱音響エンジン２０Ａの熱効率を概ね最大に設定することが可能となる。
【００７３】
また、Ｓ８８にて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が値（Ｒ−α）を下回っていないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、更に、Ｓ７４にて取得したヘリウムの比率が、熱音響エンジン２０Ａの熱効率を最大にする目標比率Ｒに所定のヒステリシスαを加えた値（Ｒ＋α）を上回っているか否か判定する（Ｓ９０）。Ｓ９０にて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が値（Ｒ＋α）を上回っていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、作動流体の回収分離処理を実行すべきと判断し、図７の作動流体回収分離ルーチンを開始する（Ｓ９２）。
【００７４】
そして、作動流体回収分離ルーチンを開始してから所定時間が経過した（少なくともタイマのカウント値がＣ４を超えた）と判断すると（Ｓ９２）、ＥＣＵ４０は、気柱管２１の管部２３ａとアルゴンを貯留する第１流体タンク５３とを接続する流体導入管Ｌ７の第１供給弁（Ａｒ供給弁）５４を所定時間またはＳ１４で取得したヘリウムの比率に応じた時間だけ開放させると共に、気柱管２１の管部２３ａとヘリウムを貯留する第２流体タンク５６とを接続する流体導入管Ｌ８の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）５７を開放させる（閉鎖状態に維持する）（Ｓ９６）。
【００７５】
このように、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が大きく、最大熱効率に対応した目標比率Ｒを上回っている場合には、流体導入管Ｌ７を介して第１流体タンク５３からアルゴン（のみ）が気柱管２１の内部に所定量導入される。この結果、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率を目標比率Ｒに近づけて熱音響エンジン２０Ａの熱効率を概ね最大に設定することが可能となる。
【００７６】
なお、Ｓ９０にて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムの比率が値（Ｒ＋α）を上回っていないと判断される場合、Ｓ７４にて取得されたヘリウムの比率は、（Ｒ−α）〜（Ｒ＋α）の範囲内に含まれており、目標比率Ｒに概ね近づいていることになる。従って、このような場合、気柱管２１の内部に更にヘリウムやアルゴンを導入する必要はないので、図７の作動流体回収分離ルーチンは実行されず、第１および第２供給弁５４，５７は、何れも閉鎖状態に維持される（Ｓ８６）。
【００７７】
上述のように、本実施形態においても、熱音響エンジン２０Ａに対する要求に応じて気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を変化させることにより、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。また、本実施形態では、混合比調整手段としてのポンプ２８、作動流体導入弁２９、作動流体回収管Ｌ４、流体分離装置５０、流体タンク５３，５６、第１および第２抽出弁、５２，５５、第１および第２供給弁５４，５７、流体導入管Ｌ７およびＬ８等によって、気柱管２１内の作動流体が回収されると共にヘリウムとアルゴンとに分離され、分離されたヘリウムとアルゴンとが気柱管２１の内部に個別に再供給される。従って、作動流体（ヘリウムおよびアルゴンの混合ガス）を無駄なく有効に利用しながら、作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を所望の値に設定することが可能となる。
【００７８】
〔第３実施形態〕
以下、図１０〜図１２を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の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。
【００７９】
図１０に示される熱音響エンジン２０Ｂ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２０Ｂにおいても、作動流体として、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスが用いられており、熱音響エンジン２０Ｂは、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を変化させるための混合比調整手段として機能するポンプ２８、作動流体導入弁２９、作動流体回収管Ｌ４、流体分離装置３０、第１および第２供給弁３３，３４、流体導入管Ｌ５およびＬ６を有している。
【００８０】
更に、熱音響エンジン２０Ｂでは、共鳴部２３の管部２３ａの先端内部に、管部２３ａの内径よりも小さい外径を有する移動管６１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６１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）６２が配置されている。アクチュエータ６２は、開閉弁６３を介して図示されない流体源に接続されており、アクチュエータ６２用の開閉弁６３は、ＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されている。開閉弁６３は、アクチュエータ６２のロッドを伸縮させるべくＥＣＵ４０によって開閉制御され、これにより、共鳴部２３の管路長が変化することになる。これらの移動管６１やアクチュエータ６２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。
【００８１】
ここで、流体分離装置３０等によって、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比が要求に応じたある値に設定された場合、当該混合比のもとでは、作動流体の共振周波数と、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や、音響出力との間には、所定の相関が認められる。すなわち、作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比が一定になっている場合、図１１に示されるように、熱音響エンジン２０Ｂの熱効率ηは共振周波数が例えばある値ｆｅとなる場合に最大値ηｍａｘになる一方、音響出力Ｗは作動流体の共振周波数が例えば値ｆｅとは異なる値ｆＰである場合に最大値Ｗｍａｘになる。
【００８２】
その一方で、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比が変化すると、熱音響エンジン２０Ｂの熱効率ηを最大にする共振周波数ｆｅや音響出力Ｗを最大にする共振周波数ｆＰも当該混合比に応じて変化する。従って、共鳴器２３と、移動管６１やアクチュエータ６２といった周波数設定手段とを備えた熱音響エンジン２０Ｂでは、流体分離装置３０等を用いて設定した作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比に応じて更にアクチュエータ６２を制御し、作動流体の共振周波数を最適化することによって、高い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。
【００８３】
図１０の熱音響エンジン２０Ｂでは、要求に応じて作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比を設定した上で、作動流体の共振周波数を最適化するために、例えば図１２に示されるルーチンが実行される。この場合、ＥＣＵ４０は、まず、圧力センサ３５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を求め、かかる圧力ピーク間における時間から気柱管２１内の作動流体の共振周波数を求める（Ｓ１００，Ｓ１０２）。更に、ＥＣＵ４０は、所定のマップから、Ｓ１０２にて求めた気柱管２１内の作動流体の共振周波数に対応したアルゴンの比率を求める（Ｓ１０４）。
【００８４】
気柱管２１内の作動流体におけるアルゴンの比率を求めると、ＥＣＵ４０は、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、その音響出力を概ね最大にして熱音響エンジン２０Ｂを運転すべきか否かを判定する（Ｓ１０６）。図１２の例では、Ｓ１０６にて肯定判断がなされた場合、出力優先モードが選択される一方、Ｓ１０６にて否定判断がなされた場合、効率優先モードが選択され、これにより、熱音響エンジン２０Ｂに所望の音響出力を発生させたり、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することが可能となる。
【００８５】
Ｓ１０６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、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比、すなわち、気柱管２１内の作動流体におけるアルゴン比率が予め定められた出力優先時の比率（以下、「出力優先時比率」という）になるように、流体分離装置３０等を含む混合比調整手段を制御する（Ｓ１０８）。なお、本実施形態において、出力優先時比率は、例えば、１０％とされる。
【００８６】
Ｓ１０８において、ＥＣＵ４０は、作動流体回収管Ｌ４の作動流体導入弁２９を開放させると共に、作動流体回収管Ｌ４のポンプ２８をＳ１０４で取得したアルゴンの比率と上記出力優先時比率との偏差に応じた時間だけ作動させる。ポンプ２８を作動させた後、ＥＣＵ４０は、気柱管２１（管部２３ａ）とアルゴン用の流体貯留室３１Ａとを接続する流体導入管Ｌ５の第１供給弁（Ａｒ供給弁）３３を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）と共に、気柱管２１とヘリウム用の流体貯留室３１Ｈとを接続する流体導入管Ｌ６の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）３４をＳ１０４で取得したアルゴンの比率と出力優先時比率との偏差に応じた時間だけ開放させる。これにより、流体導入管Ｌ６を介して流体分離装置３０（流体貯留室３１Ｈ）からヘリウム（のみ）が気柱管２１の内部に所定量導入される。この結果、気柱管２１内の作動流体におけるアルゴンの比率を出力優先時比率（例えば１０％）に設定することができる。
【００８７】
Ｓ１０８の処理の後、ＥＣＵ４０は、共鳴部２３の管路長が出力優先時長さＬＰになるように、移動管６１およびアクチュエータ６２を含む周波数設定手段を制御する（Ｓ１１０）。ここで、出力優先時長さＬＰは、Ｓ１０８にて設定された出力優先時比率のもとで、熱音響エンジン２０Ｂの音響出力Ｗを最大にする共振周波数ｆＰに対応した共鳴部２３の管路長である（図１１参照）。本実施形態では、ＥＣＵ４０の記憶装置に、出力優先時長さＬＰをアルゴン比率に応じて規定するマップが記憶されており、Ｓ１１０において、ＥＣＵ４０は、当該マップから出力優先時比率に対応した出力優先時長さＬＰを読み出す。このようなＳ１１０の処理が実行されることにより、熱音響エンジン２０Ｂに対する要求に基づいて設定されたアルゴン比率（出力優先時比率）に応じて作動流体の共振周波数が最適化され、熱音響エンジン２０Ｂから所望の音響出力を得ることが可能となる。
【００８８】
一方、Ｓ１０６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、気柱管２１内の作動流体におけるアルゴン比率が予め定められた効率優先時の比率（以下、「効率優先時比率」という）になるように、流体分離装置３０等を含む混合比調整手段を制御する（Ｓ１１２）。なお、本実施形態において、効率優先時比率は、例えば、９０％とされる。
【００８９】
Ｓ１１２において、ＥＣＵ４０は、作動流体回収管Ｌ４の作動流体導入弁２９を開放させると共に、作動流体回収管Ｌ４のポンプ２８をＳ１０４で取得したアルゴンの比率と上記効率優先時比率との偏差に応じた時間だけ作動させる。ポンプ２８を作動させた後、ＥＣＵ４０は、気柱管２１（管部２３ａ）とアルゴン用の流体貯留室３１Ａとを接続する流体導入管Ｌ５の第１供給弁（Ａｒ供給弁）３３をＳ１０４で取得したアルゴンの比率と効率優先時比率との偏差に応じた時間だけ開放させると共に、気柱管２１とヘリウム用の流体貯留室３１Ｈとを接続する流体導入管Ｌ６の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）３４を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）。これにより、流体導入管Ｌ６を介して流体分離装置３０（流体貯留室３１Ａ）からアルゴン（のみ）が気柱管２１の内部に所定量導入される。この結果、気柱管２１内の作動流体におけるアルゴンの比率を効率優先時比率（例えば９０％）に設定することができる。
【００９０】
Ｓ１１２の処理を実行すると、ＥＣＵ４０は、共鳴部２３の管路長が効率優先時長さＬｅになるように、移動管６１およびアクチュエータ６２を含む周波数設定手段を制御する（Ｓ１１４）。ここで、効率優先時長さＬｅは、Ｓ１１２にて設定された効率優先時比率のもとで、熱音響エンジン２０Ｂの熱効率ηを最大にする共振周波数ｆｅに対応した共鳴部２３の管路長である（図１１参照）。本実施形態では、ＥＣＵ４０の記憶装置に、効率優先時長さＬｅをアルゴン比率に応じて規定するマップが記憶されており、Ｓ１１４において、ＥＣＵ４０は、当該マップから効率優先時比率は対応した効率優先時長さＬｅを読み出す。このようなＳ１１４の処理が実行されることにより、熱音響エンジン２０Ｂに対する要求に基づいて設定されたアルゴン比率（効率優先時比率）に応じて作動流体の共振周波数が最適化され、熱音響エンジン２０Ｂの熱効率を概ね最大に設定することが可能となる。なお、Ｓ１１０またはＳ１１４の処理の後、ＥＣＵ４０は、所定条件下でＳ１００〜Ｓ１１４の処理を繰り返し実行する。
【００９１】
〔第４実施形態〕
以下、図１３〜図２１を参照しながら、本発明の第４実施形態に係る内燃機関の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。
【００９２】
図１３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においても、作動流体として、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスが用いられており、熱音響エンジン２０Ｃは、気柱管２１内の作動流体におけるヘリウムおよびアルゴンの混合比を変化させるための混合比調整手段として機能するポンプ２８、作動流体導入弁２９、作動流体回収管Ｌ４、流体分離装置３０、第１および第２供給弁３３，３４、流体導入管Ｌ５およびＬ６を有している。
【００９３】
更に、熱音響エンジン２０Ｃは、第１〜第３実施形態における蓄熱器２５とは異なる蓄熱器２５０を有している。蓄熱器２５０は、その蓄熱特性を変化させることができるように構成されており、図１３〜図１５に示されるように、金属等からなる柔軟なメッシュ材や薄い金属等の多孔板により形成された伸縮スタック２５１を含む。伸縮スタック２５１は、メッシュ材等を蛇腹状に折り畳むことにより伸縮自在に構成されており、折り返し部を介して連続する複数の熱交換部２５１ａを有する。
【００９４】
伸縮スタック２５１は、その一端のみが低温熱交換器２７に固定され、その遊端（高温熱交換器２６側の端部）には、例えば流体圧シリンダ等であるアクチュエータ２５２のロッド２５２ａが固定されている。アクチュエータ２５２は、開閉弁２５３を介して図示されない流体源に接続されている。これにより、開閉弁２５３を操作してアクチュエータ２５２を作動させれば、高温熱交換器２６と低温熱交換器２７との間で伸縮スタック２５１が伸縮し、互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士の間隔の長さが変化することにより、作動流体に対する抵抗に関連する蓄熱器２５０における空隙率（蓄熱器２５０の全体に対する空間の割合）が変化することになる。なお、本実施形態において、アクチュエータ２５２の本体（シリンダ）は、気柱管２１の外部に配置されており、ロッド２５２ａのみが気柱管２１内に挿入される。
【００９５】
また、本実施形態では、高温熱交換器（その伝熱管）２６の排気ガス入口に、排気供給調整弁１５が設けられており、この排気供給調整弁１５を閉鎖することにより、高温熱交換器２６に対する排気ガスの供給を停止することができる。そして、アクチュエータ２５２用の開閉弁２５３や排気供給調整弁１５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。
【００９６】
さて、本実施形態の熱音響エンジン２０Ｃでは、熱効率を良好に保って熱音響エンジン２０Ｃから所望の音響出力を得るために、ＥＣＵ４０によって図１６に示される流体抵抗制御ルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。ＥＣＵ４０は、このルーチンの実行タイミングになると、圧力センサ３５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振幅を取得する（Ｓ２００）。この場合、ＥＣＵ４０は、圧力センサ３５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し、これらの最大圧力と最小圧力とから気柱管２１内の作動流体の圧力振幅を求める。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ２００で求めた圧力振幅と所定のマップとを用いて、伸縮スタック２５１の互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士の間隔の目標長さを求める（Ｓ２０２）。
【００９７】
Ｓ２０２にて用いられるマップは、作動流体の圧力振幅と、互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士の間隔との相関を規定するものである。このマップは、熱音響エンジン２０Ｃに対する要求が満たされるように、基本的に、圧力振幅が小さければ互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士の間隔を小さくし（蓄熱器２５０の空隙率を小さくし）、圧力振幅が大きければ互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士の間隔を大きくする（蓄熱器２５０の空隙率を大きくする）ように作成されており、ＥＣＵ４０の記憶装置に格納されている。Ｓ２０２において、ＥＣＵ４０は、当該マップから、Ｓ２００にて求めた圧力振幅に対応する熱交換部２５１ａ同士の間隔の目標長さを読み出す。
【００９８】
その後、ＥＣＵ４０は、伸縮スタック２５１の互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士の間隔がＳ２０２にて求めた目標長さになるようにアクチュエータ２５２（開閉弁２５３）を制御する（Ｓ２０４）。これにより、熱音響エンジン２０Ｃでは、作動流体の熱音響自励振動の成長度合いに応じて、蓄熱器２５０の蓄熱特性、つまり、作動流体に対する抵抗が変化させられることになる。
【００９９】
すなわち、Ｓ２０２にて求められた圧力振幅が相対的に小さく、熱音響自励振動の成長度合いが低い場合には、蓄熱器２５０の空隙率が小さくなるように、伸縮スタック２５１の互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士が接近させられ、蓄熱器２５０の作動流体に対する抵抗が大きくなる。これにより、各熱交換部２５１ａと作動流体との熱交換が促進されることになるので、自励振動の速度振幅や圧力振幅を大きくすることが可能となる。また、Ｓ２０２にて求められた圧力振幅が相対的に大きく、熱音響自励振動の成長度合いが高い場合には、蓄熱器２５０の空隙率が大きくなるように、伸縮スタック２５１の互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士が離間させられ、蓄熱器２５０の作動流体に対する抵抗が小さくなる。これにより、作動流体に対する抵抗に起因した熱損失を減少させると共に自励振動の減衰を抑制することが可能となる。
【０１００】
ここで、蓄熱器の特性の一つである空隙率がある状態で一定とされた場合に作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比を変化させると、図１７からわかるように、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率も当該混合比に応じて変化し、混合比がある値になると熱効率が最大になる。例えば蓄熱器の空隙率が図１７における状態Ａで一定とされた場合には、ヘリウム：アルゴン＝１００％：０％である場合に、熱効率が最大となり、例えば蓄熱器の空隙率が図１７における状態Ｂで一定とされた場合には、ヘリウム：アルゴン＝５０％：５０％である場合に、熱効率が最大となる。従って、Ｓ２０４にて設定される蓄熱器２５０の空隙率（特性）に応じて作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比を最適化することにより、高い熱効率を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【０１０１】
このような点を考慮して、ＥＣＵ４０は、Ｓ２０４の処理の後、Ｓ２０２にて求めた伸縮スタック２５１の互いに隣り合う熱交換部２５１ａ同士の間隔に応じた作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの最適混合比率を算出する（Ｓ２０６）。本実施形態では、図１７に示されるような蓄熱器２５０の空隙率、熱音響エンジン２０Ｃの熱効率および作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比の相関を踏まえて、熱効率を最大にする最適混合比率を、蓄熱器２５０の空隙率に関連する熱交換部２５１ａ同士の間隔に応じて規定するように作成されたマップがＥＣＵ４０の記憶装置に記憶されている。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ２０６において、当該マップからＳ２０２にて求めた熱交換部２５１ａ同士の間隔（すなわち、要求される自励振動の速度振幅や圧力振幅）に対応した最適混合比率を読み出す。
【０１０２】
次いで、ＥＣＵ４０は、例えば図５に示されるような作動流体におけるアルゴンの比率と共振周波数との相関に基づいて作成されたマップから、Ｓ２０６にて求めた最適混合比率に応じた作動流体の共振周波数（目標共振周波数）を求める。（Ｓ２０８）。そして、ＥＣＵ４０は、作動流体の共振周波数がＳ２０８にて求めた目標共振周波数になるように、混合比調整手段を構成するポンプ２８、作動流体導入弁２９、第１および第２供給弁３３および３４をフィードバック制御する（Ｓ２１０）。このような流体抵抗性制御ルーチンが実行される結果、熱音響エンジン２０Ｃでは、熱効率を良好に保って所望の音響出力を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【０１０３】
図１８および図１９は、図１３の熱音響エンジン２０Ｃに対して蓄熱器２５０の代わりに適用可能な他の蓄熱器を示す模式図である。
【０１０４】
これらの図面に示される蓄熱器１５０は、金属等からなるメッシュ材や薄い金属等の多孔板により形成されており、それぞれ作動流体との間で熱交換を行う多孔部材１５１を複数有する。本実施形態では、多孔部材１５１は、概ね円形の平面形状を有しており、図１８に示されるように、狭い間隔（図１８および図１９では、説明をわかり易くするために多孔部材１５１同士の間隔が広げられている。）を隔てて配列される。また、多孔部材１５１は、１枚おきに連結部材１５２を介して連結され、これにより、それぞれ複数の多孔部材１５１を含む２つのユニットが構成される。そして、蓄熱器１５０は、一方の多孔部材１５１のユニットに対して、他方の多孔部材１５１のユニットを各多孔部材１５１の中心を通る軸の周りに回転させるための回転駆動機構（図示省略）を有する。
【０１０５】
このように構成される蓄熱器１５０において、図１９に示されるように、一方の多孔部材１５１のユニットに対して、他方の多孔部材１５１のユニットを回転させると、互いに隣り合う多孔部材１５１同士の間で、作動流体の進行方向（作動流体の自励振動が伝播していく方向）の孔の重なり具合（メッシュの素線同士の重なり具合）が変化することになる。
【０１０６】
これにより、互いに隣り合う多孔部材１５１同士の間での孔の重なりが少なくなる程、多孔部材１５１により形成される作動流体流路の径（作動流体と固定壁面との平均距離）が小さくなるので、蓄熱器１５０の作動流体に対する抵抗が大きくなる。一方、互いに隣り合う多孔部材１５１同士の間での孔の位置が一致すれば、多孔部材１５１により形成される作動流体流路の径（作動流体と固定壁面との平均距離）が最大となるので、蓄熱器１５０の作動流体に対する抵抗が最小となる。従って、蓄熱器１５０においても、その特性、すなわち、作動流体に対する抵抗を自在に設定することが可能となる。また、かかる構成のもとでは、蓄熱器１５０の全長を変化させることなく作動流体に対する抵抗を変化させることができるので、当該抵抗を変化させることにより、蓄熱器１５０の両端部間に形成される温度勾配を変動させてしまうことはない。
【０１０７】
このように構成される蓄熱器１５０を熱音響エンジン２０Ｃに対して適用した場合には、ＥＣＵ４０によって図２０に示される流体抵抗制御ルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。ＥＣＵ４０は、このルーチンの実行タイミングになると、圧力センサ３５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振幅を取得する（Ｓ２２０）。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ２２０で求めた圧力振幅と所定のマップとを用いて、蓄熱器１５０の作動流体流路の径の目標値を求める（Ｓ２２２）。
【０１０８】
Ｓ２２２にて用いられるマップは、作動流体の圧力振幅と、蓄熱器１５０の作動流体流路の径との相関を規定するものである。このマップは、熱音響エンジン２０Ｃに対する要求が満たされるように、基本的に、圧力振幅が小さければ蓄熱器１５０の作動流体流路の径を小さくし、圧力振幅が大きければ蓄熱器１５０の作動流体流路を大きくするように作成されており、ＥＣＵ４０の記憶装置に格納されている。Ｓ２２２において、ＥＣＵ４０は、当該マップから、Ｓ２２０にて求めた圧力振幅に対応する蓄熱器１５０の作動流体流路の径の目標値を読み出す。
【０１０９】
その後、ＥＣＵ４０は、蓄熱器１５０の作動流体流路の径がＳ２２２にて求めた目標値になるように回転駆動機構を制御する（Ｓ２２４）。これにより、Ｓ２２２にて求められた圧力振幅が相対的に小さく、熱音響自励振動の成長度合いが低い場合には、蓄熱器１５０の作動流体流路の径が小さくされ、蓄熱器１５０の作動流体に対する抵抗が大きくなる。この結果、蓄熱器１５０での作動流体との熱交換が促進されるので、自励振動の速度振幅や圧力振幅を大きくすることが可能となる。また、Ｓ２２２にて求められた圧力振幅が相対的に大きく、熱音響自励振動の成長度合いが高い場合には、蓄熱器１５０の作動流体流路の径が大きくされ、蓄熱器１５０の作動流体に対する抵抗が小さくなる。この結果、作動流体に対する抵抗に起因した熱損失を減少させると共に自励振動の減衰を抑制することが可能となる。
【０１１０】
ここで、蓄熱器の特性の一つである上述の作動流体流路の径がある値で一定とされた場合に作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比を変化させると、図２１からわかるように、作動流体の熱音響自励振動を発生させる際の熱効率も当該混合比に応じて変化し、混合比がある値になると熱効率が最大になる。例えば蓄熱器の作動流体流路の径が図２１における値Ｃで一定とされた場合には、ヘリウム：アルゴン＝０％：１００％である場合に、熱効率が最大となり、例えば流路径が図２１における値Ｄで一定とされた場合には、ヘリウム：アルゴン＝１００％：０％である場合に、熱効率が最大となる。従って、Ｓ２２４にて設定される蓄熱器１５０の作動流体流路の径に応じて作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比を最適化することにより、高い熱効率を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【０１１１】
図２０の例において、ＥＣＵ４０は、Ｓ２２４の処理の後、Ｓ２２２にて求めた蓄熱器１５０の作動流体流路の径に応じた作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの最適混合比率を算出する（Ｓ２２６）。ここでは、図２１に示されるような蓄熱器１５０の作動流体流路の径、熱音響エンジン２０Ｃの熱効率および作動流体におけるヘリウムとアルゴンとの混合比の相関を踏まえて、熱効率を最大にする最適混合比率を、蓄熱器１５０の作動流体流路の径に応じて規定するように作成されたマップが用いられる。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ２２６において、当該マップからＳ２２２にて求めた蓄熱器１５０の作動流体流路の径に対応した最適混合比率を読み出す。
【０１１２】
次いで、ＥＣＵ４０は、所定のマップから、Ｓ２２６にて求めた最適混合比率に応じた作動流体の共振周波数（目標共振周波数）を求める。（Ｓ２２８）。そして、ＥＣＵ４０は、作動流体の共振周波数がＳ２２８にて求めた目標共振周波数になるように、混合比調整手段を構成するポンプ２８、作動流体導入弁２９、第１および第２供給弁３３および３４をフィードバック制御する（Ｓ２３０）。このような流体抵抗性制御ルーチンが実行される結果、蓄熱器１５０を備えた熱音響エンジン２０Ｃにおいても、熱効率を良好に保って所望の音響出力を容易かつ確実に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【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】気柱管内の作動流体におけるアルゴンの比率と熱音響エンジンの熱効率との相関を例示するグラフである。
【図３】気柱管内の作動流体におけるアルゴンの比率と熱音響エンジンの音響出力との相関を例示するグラフである。
【図４】図１の熱音響エンジンにおいて作動流体の混合比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５】気柱管内の作動流体におけるアルゴンの比率と作動流体の共振周波数との相関を例示するグラフである。
【図６】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７】図６の熱音響エンジンにおいて作動流体を複数の流体に分離させる手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】図６の熱音響エンジンにおいて作動流体を複数の流体に分離させる手順を説明するための図表である。
【図９】図６の熱音響エンジンにおいて作動流体の混合比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１０】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１１】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、音響出力および共鳴部の管路長との相関を例示するグラフである。
【図１２】図１０の熱音響エンジンの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１３】本発明による熱音響エンジンの第４実施形態を示す概略構成図である。
【図１４】図１３の熱音響エンジンの蓄熱器を説明するための模式図である。
【図１５】図１３の熱音響エンジンの蓄熱器を説明するための模式図である。
【図１６】図１３の熱音響エンジンの動作を説明するためのフローチャートである。
【図１７】蓄熱器の空隙率、熱音響エンジンの熱効率および作動流体における複数の流体の混合比との相関を説明するためのグラフである。
【図１８】図１３の熱音響エンジンに適用可能な他の蓄熱器を示す模式図である。
【図１９】図１３の熱音響エンジンに適用可能な他の蓄熱器を示す模式図である。
【図２０】蓄熱器の作動流体流路の径、熱音響エンジンの熱効率および作動流体における複数の流体の混合比との相関を説明するためのグラフである。
【図２１】図１８および図１９の蓄熱器が適用された図１３の熱音響エンジンの動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１４】
１  内燃機関
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  熱音響エンジン
２１  気柱管
２２  ループ部
２３ａ  管部
２３  共鳴部
２３ｂ  閉鎖端部
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  ポンプ
２９  作動流体導入弁
３０．５０  流体分離装置
３１，５１  容器
３１Ａ，３１Ｈ  流体貯留室
３２  分離膜
３３  第１供給弁
３４  第２供給弁
３５  圧力センサ
５１ａ  流体導入室
５１ｂ  流体分離室
５１ｃ  流体貯留室
５２  第１抽出弁
５３  第１流体タンク
５４  第１供給弁
５５  第２抽出弁
５６  第２流体タンク
５７  第２供給弁
６１  移動管
６２  アクチュエータ
６３  開閉弁
１５０  蓄熱器
１５１  多孔部材
１５２  連結部材
２５０  蓄熱器
２５１  伸縮スタック
２５１ａ  熱交換部
２５２  アクチュエータ
２５２ａ  ロッド
２５３  開閉弁
Ｌ１  給気管
Ｌ２  排気管
Ｌ３  冷却系統
Ｌ４  作動流体回収管
Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８  流体導入管
【図１】
2005201623.tif 000003
【図２】
2005201623.tif 000004
【図３】
2005201623.tif 000005
【図４】
2005201623.tif 000006
【図５】
2005201623.tif 000007
【図６】
2005201623.tif 000008
【図７】
2005201623.tif 000009
【図８】
2005201623.tif 000010
【図９】
2005201623.tif 000011
【図１０】
2005201623.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005201623.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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