(57)【要約】 【課題】  その利用態様を変化させてエネルギ効率を向上させることができる熱音響式エネルギ発生装置の提供。【解決手段】  熱音響式エネルギ発生装置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、高温熱交換器２６および低温熱交換器２７と、気柱管２１内の作動流体を振動させて音波を発生させる発電発振装置２４と、共鳴部２３とを備え、共鳴部２３は、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エンジンモードの際に高温熱交換器２６を介して蓄熱器２５と連通する一方、発電発振装置２４によって発せられた音波により蓄熱器２５を介して低温熱交換器２７から高温熱交換器２６へと熱を移動させるヒートポンプモードの際に低温熱交換器２７を介して蓄熱器２５と連通する。【選択図】  図１
2005188401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱音響現象を利用して所定のエネルギを発生する熱音響式エネルギ発生装置であって、
作動流体が封入される気柱管と、
前記気柱管の内部に配置された蓄熱手段と、
前記蓄熱手段の一端側に配置された高温熱交換器と、
前記蓄熱手段の他端側に配置された低温熱交換器と、
前記気柱管内の前記作動流体を振動させて音波を発生させる振動発生手段と、
前記高温熱交換器と前記低温熱交換器とにより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エンジンモードと、前記振動発生手段によって発せられた音波により前記蓄熱手段を介して前記低温熱交換器から前記高温熱交換器へと熱を移動させるヒートポンプモードとを選択的に実行できるように構成された共鳴手段とを備えることを特徴する熱音響式エネルギ発生装置。
【請求項２】
前記共鳴手段は、前記気柱管に設けられた単一の共鳴部であり、この共鳴部は、前記エンジンモードの際に前記高温熱交換器を介して前記蓄熱手段と連通する一方、前記ヒートポンプモードの際に前記低温熱交換器を介して前記蓄熱手段と連通するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱音響式エネルギ発生装置。
【請求項３】
前記共鳴手段は、前記高温熱交換器を介して前記蓄熱手段と連通するように前記気柱管に設けられた第１共鳴部と、前記低温熱交換器を介して前記蓄熱手段と連通するように前記気柱管に設けられた第２共鳴部とを含み、前記エンジンモードの際には、前記高温熱交換器を介した前記蓄熱手段と前記第１共鳴部との連通のみが許容され、前記ヒートポンプモードの際には、前記低温熱交換器を介した前記蓄熱手段と前記第２共鳴部との連通のみが許容されることを特徴とする請求項１に記載の熱音響式エネルギ発生装置。
【請求項４】
前記気柱管は、前記高温熱交換器と前記低温熱交換器とを連通させるフィードバック管部を更に含み、前記エンジンモードの際には、前記フィードバック管部を介した前記高温熱交換器と前記低温熱交換器との連通が許容され、前記ヒートポンプモードの際には、前記フィードバック管部を介した前記高温熱交換器と前記低温熱交換器との連通が遮断されることを特徴とする請求項３に記載の熱音響式エネルギ発生装置。
【請求項５】
前記高温熱交換器には、内燃機関の排気ガスが熱媒体として供給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式エネルギ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響現象を利用して所定のエネルギを発生する熱音響式エネルギ発生装置に関する。
【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発電発振装置とを備える。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、音波のエネルギは発電発振装置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、内燃機関の余剰エネルギ等を回収して電気エネルギや冷熱を得ることができる。ただし、音響現象を利用した装置と内燃機関等とを組み合わせるに際しては、エネルギ効率の面から、スタック（蓄熱手段）等を音響エネルギの発生源としてのみ利用することが得策ではない場合もあり得る。
【０００６】
そこで、本発明は、その利用態様を変化させてエネルギ効率を向上させることができる熱音響式エネルギ発生装置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式エネルギ発生装置は、熱音響現象を利用して所定のエネルギを発生する熱音響式エネルギ発生装置であって、作動流体が封入される気柱管と、気柱管の内部に配置された蓄熱手段と、蓄熱手段の一端側に配置された高温熱交換器と、蓄熱手段の他端側に配置された低温熱交換器と、気柱管内の作動流体を振動させて音波を発生させる振動発生手段と、高温熱交換器と低温熱交換器とにより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エンジンモードと、振動発生手段によって発せられた音波により蓄熱手段を介して低温熱交換器から高温熱交換器へと熱を移動させるヒートポンプモードとを選択的に実行できるように構成された共鳴手段とを備えることを特徴する。
【０００８】
この熱音響式エネルギ発生装置は、蓄熱手段、高温および低温熱交換器に加えて、気柱管内の作動流体を振動させて音波を発生させる振動発生手段を備える。また、この熱音響式エネルギ発生装置の共鳴手段は、作動流体の熱音響自励振動を発生させるエンジンモードと、振動発生手段によって発せられた音波により蓄熱手段を介して低温熱交換器から高温熱交換器へと熱を移動させるヒートポンプモードとを選択的に実行できるように構成されている。
【０００９】
従って、この熱音響式エネルギ発生装置では、エンジンモードのもとで高温熱交換器と低温熱交換器とによって蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成することにより、気柱管、蓄熱手段、高温および低温熱交換器を熱音響エンジンとして機能させ、作動流体の熱音響自励振動（音響エネルギ）を発生させることができる。また、ヒートポンプモードのもとで振動発生手段を作動させることにより、気柱管、蓄熱手段、高温および低温熱交換器をヒートポンプとして機能させ、高温熱交換器から（高温の）熱を取り出すことができる。このように、本発明による熱音響式エネルギ発生装置によれば、その利用態様を変化させてエネルギ効率を向上させることが可能となる。
【００１０】
この場合、共鳴手段は、気柱管に設けられた単一の共鳴部であり、この共鳴部は、エンジンモードの際に高温熱交換器を介して蓄熱手段と連通する一方、ヒートポンプモードの際に低温熱交換器を介して蓄熱手段と連通するように構成されると好ましい。
【００１１】
このような構成を採用すれば、エンジンモードとヒートポンプモードとの双方において、単一の共鳴部を共用可能となるので、気柱管のコンパクト化と気柱管に要するコストの低減化を図ることができる。
【００１２】
また、共鳴手段は、高温熱交換器を介して蓄熱手段と連通するように気柱管に設けられた第１共鳴部と、低温熱交換器を介して蓄熱手段と連通するように気柱管に設けられた第２共鳴部とを含み、エンジンモードの際には、高温熱交換器を介した前記蓄熱手段と第１共鳴部との連通のみが許容され、ヒートポンプモードの際には、低温熱交換器を介した蓄熱手段と第２共鳴部との連通のみが許容されると好ましい。
【００１３】
このように、エンジンモード専用の第１共鳴部と、ヒートポンプモード専用の第２共鳴部とを気柱管に設けることにより、エンジンモードにおける音響出力の発生効率と、ヒートポンプモードにおける発熱効率とを向上させることができる。
【００１４】
更に、気柱管は、高温熱交換器と低温熱交換器とを連通させるフィードバック管部を更に含み、エンジンモードの際には、フィードバック管部を介した高温熱交換器と低温熱交換器との連通が許容され、ヒートポンプモードの際には、フィードバック管部を介した高温熱交換器と低温熱交換器との連通が遮断されると好ましい。
【００１５】
このような構成を採用すれば、エンジンモードの際に気柱管の内部における進行波の形成を促進させることができるので、音響出力の発生効率を向上させることが可能となる。
【００１６】
そして、高温熱交換器には、内燃機関の排気ガスが熱媒体として供給されるとよい。
【００１７】
このような構成を採用すれば、エンジンモードの際には、内燃機関の排気ガスを熱源として蓄熱手段に温度勾配を付与することが可能となり、ヒートポンプモードの際には、振動発生手段によって発せられた音波により低温熱交換器から高温熱交換器へと移動させられる熱を内燃機関の排気ガスに与えて昇温させることができる。これにより、この熱音響式エネルギ発生装置によれば、内燃機関の始動時等にヒートポンプモードを選択することにより、高温熱交換器で昇温した排気ガスを触媒に供給して触媒暖機を促進させることが可能となる。また、触媒暖機後には、エンジンモードを選択することにより、内燃機関の排気ガスを熱源として蓄熱手段に温度勾配を付与し、音響エネルギを発生させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、その利用態様を変化させてエネルギ効率を向上させることができる熱音響式エネルギ発生装置の実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明による熱音響式エネルギ発生装置の第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、熱音響式エネルギ発生装置（以下、適宜「エネルギ発生装置」という）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、エネルギ発生装置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。
【００２１】
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、排気浄化触媒を含む触媒装置１２が組み込まれている。
【００２２】
本発明の熱音響式エネルギ発生装置２０は、主として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。エネルギ発生装置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、ループ状に形成されたループ部２２と、ループ部２２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。
【００２３】
共鳴部２３の閉鎖端部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いる。そして、閉鎖端部２３ｂの内部には、音波のエネルギ（音響エネルギ）を電気エネルギに変換可能であると共に、気柱管２１内の作動流体を振動させることができる発電発振装置（振動発生手段）２４が配置されている。発電発振装置２４は、スイッチ２４１と図示されない発電量制御器とを介して所定の電気負荷２４２（例えばバッテリ等の蓄電ユニット）に接続されると共に、スイッチ２４３を介して交流電源２４４に接続されている。
【００２４】
発電発振装置２４は、振動部材（膜）、この振動部材に取り付けられた磁石、この磁石を支持すると共に閉鎖端部２３ｂ等に固定されたバネ、および磁石の周囲に配置されたコイル等（何れも図示省略）を含むものである。この場合、スイッチ２４３がオフされると共にスイッチ２４１がオンされた状態で発電発振装置２４の振動部材が加振されると、振動部材に取り付けられた磁石がコイルの内部で振動し、コイルの両端に誘導電圧が発生する。そして、このようにして得られた電気エネルギは、発電量制御器を介して電気負荷２４２に供給される。一方、スイッチ２４１がオフされた状態でスイッチ２４３がオンされると、振動部材に取り付けられた磁石の周囲のコイルに交流電源２４４から交流電流が供給されるので、コイルの内部で磁石が振動する。これにより、気柱管２１の共鳴部２３（閉鎖端部２３ｂ）内で振動部材（膜）が振動するので、気柱管２１内の作動流体が加振されて音波が発生する。
【００２５】
また、気柱管２１のループ部２２の内部には、ループ部２２と共鳴部２３（管部２３ａ）との合流部と概ね対向するように蓄熱器（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。
【００２６】
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ことができる。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。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。同様に、冷却系統Ｌ３には、開閉弁１６が含まれており、この開閉弁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。
【００２７】
更に、蓄熱器２５と概ね対抗する位置にあるループ部２２と共鳴部２３（管部２３ａ）との合流部には、図１に示されるように、流路切換弁２００が配置されている。流路切換弁２００を一側（エンジン側、図１における実線参照）に切り換えると、高温熱交換器２６を介した蓄熱器２５と共鳴部２３との連通が許容される一方、低温熱交換器２７を介した蓄熱器２５と共鳴部２３との連通が遮断される。また、流路切換弁２００を他側（ヒートポンプ側、図１における破線参照）に切り換えると、低温熱交換器２７を介した蓄熱器２５と共鳴部２３との連通が許容される一方、高温熱交換器２６を介した蓄熱器２５と共鳴部２３との連通が遮断される。このように、流路切換弁２００を用いて蓄熱器２５と共鳴部２３との連通状態を切り換えることにより、後述されるように、熱音響式エネルギ発生装置２０を熱音響エンジンまたはヒートポンプとして作動させることが可能となる。
【００２８】
そして、熱音響式エネルギ発生装置２０は、内燃機関１の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により制御される。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。高温熱交換器２６の排気ガス入口に設けられた排気供給調整弁１５、冷却系統Ｌ３の開閉弁１６、流路切換弁２００、スイッチ２４１および２４３、図示されない発電量制御器等は、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。
【００２９】
次に、図２を参照しながら、上述の熱音響式エネルギ発生装置２０の動作について説明する。
【００３０】
上述のように、熱音響式エネルギ発生装置２０は、熱音響エンジンとして作動し得ると共にヒートポンプとしても作動し得る。このため、上述のＥＣＵ４０は、内燃機関１の稼動中に、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熱音響式エネルギ発生装置２０に対するエネルギ要求を取得し（Ｓ１０）、取得したエネルギ要求に基づいて、熱音響式エネルギ発生装置２０をヒートポンプとして作動させるべきであるか否か判定する（Ｓ１２）。そして、Ｓ１２にて肯定判断がなされた場合、エネルギ発生装置２０をヒートポンプとして作動させるヒートポンプモードが選択され、Ｓ１２にて否定判断がなされた場合、エネルギ発生装置２０を熱音響エンジンとして作動させるエンジンモードが選択されることになる。
【００３１】
Ｓ１２にてエネルギ発生装置２０をヒートポンプとして作動させるべきと判断した場合、ＥＣＵ４０は、気柱管２１のループ部２２と共鳴部２３（管部２３ａ）との合流部に配置された流路切換弁２００をヒートポンプ側に切り換えると共に、スイッチ２４１をオフ状態にする一方、スイッチ２４３をオン状態にする（Ｓ１４）。これにより、低温熱交換器２７を介した蓄熱器２５と共鳴部２３との連通が許容される一方、高温熱交換器２６を介した蓄熱器２５と共鳴部との連通が遮断され、発電発振装置２４（コイル）と交流電源２４４とが接続される。本実施形態では、例えば、排気ガス温度または触媒温度が所定温度を下回っており、触媒装置１２の排気浄化触媒が充分に活性化されていないとみなされる場合、Ｓ１２にてヒートポンプモードが選択される。
【００３２】
Ｓ１４にて発電発振装置２４と交流電源２４４とが接続されることにより、発電発振装置２４のコイルに交流電流が供給され、気柱管２１の共鳴部２３（閉鎖端部２３ｂ）内で振動部材（膜）が振動するので、気柱管２１内の作動流体が加振されて音波が発生する。かかる音波は、低温熱交換器２７、蓄熱器２５および高温熱交換器２６を順番に通過し、流路切換弁２００の弁体で反射して蓄熱器２５を再度通過し、これにより、気柱管２１内には定在波が形成される。
【００３３】
そして、このような定在波（音波）により蓄熱器２５を介して低温熱交換器２７から高温熱交換器２６へと熱が移動させられ、蓄熱器２５の両端部間には、低温熱交換器２７側が低温となり、高温熱交換器２６側が高温となるように温度勾配が形成される。この際、低温熱交換器２７には内燃機関１の冷却水が供給され、蓄熱器２５の一端部は概ね８０〜９０℃に維持されることから、高温熱交換器２６（その伝熱管）は、上記温度勾配に応じて高温になる。このように、ヒートポンプモードのもとでは、気柱管２１、蓄熱器２５、高温熱交換器２６および低温熱交換器２７がヒートポンプとして機能するので、高温熱交換器２６を加熱源として利用可能となる。
【００３４】
すなわち、本実施形態のように、触媒装置１２の排気浄化触媒が充分に活性化されていない内燃機関１の始動時等にヒートポンプモードを選択すると共に、排気供給調整弁１５を開放させて高温熱交換器２６に内燃機関１の排ガスを供給することにより、発電発振装置２４により発せられる音波（定在波）により低温熱交換器２７から高温熱交換器２６へと移動させられる熱を高温熱交換器２６で内燃機関１の排気ガスに与えて昇温させることができる。これにより、昇温した排気ガスを触媒装置１２に供給して触媒暖機を促進させることが可能となる。
【００３５】
一方、Ｓ１２にてエネルギ発生装置２０を熱音響エンジンとして作動させるべきと判断した場合、ＥＣＵ４０は、気柱管２１のループ部２２と共鳴部２３（管部２３ａ）との合流部に配置された流路切換弁２００をエンジン側に切り換えると共に、スイッチ２４１をオン状態にする一方、スイッチ２４３をオフ状態にする（Ｓ１６）。これにより、高温熱交換器２６を介した蓄熱器２５と共鳴部２３との連通が許容される一方、低温熱交換器２７を介した蓄熱器２５と共鳴部との連通が遮断され、発電量制御器等を介して発電発振装置２４と電気負荷２４２とが接続される。本実施形態では、例えば、排気ガス温度または触媒温度が所定温度以上となり、触媒装置１２の排気浄化触媒が充分に活性化されているとみなされる場合、Ｓ１２にてエンジンモードが選択される。
【００３６】
この場合、内燃機関１の稼動中、各燃焼室３からの排気ガスの温度は、最高でおよそ９００℃程度にも達することから、排気供給調整弁１５を開放させておけば、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、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８０〜９０℃）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、エンジンモードのもとでは、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。
【００３７】
そして、作動流体の自励振動（音波）の周波数と共鳴部２３における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、かかる定在波により、閉鎖端部２３ｂに配置された発電発振装置２４の振動部材が加振される。これにより、発電発振装置２４において、振動部材に取り付けられた磁石がコイルの内部で振動し、コイルの両端に誘導電圧が発生するので、共鳴部２３内の定在波のエネルギ（音響エネルギ）が電気エネルギに変換されることになる。このようにして得られた電気エネルギは、スイッチ２４１および発電量制御器を介して電気負荷２４２に供給される。
【００３８】
上述のように、触媒装置１２の暖機が完了したような場合に選択されるエンジンモードのもとでは、気柱管２１、蓄熱器２５、高温熱交換器２６および低温熱交換器２７を含む熱音響式エネルギ発生装置２０が、内燃機関１の排気ガスのエネルギを利用して音波を発生させる熱音響エンジンとして作動する。そして、熱音響エンジンとしてのエネルギ発生装置２０により発せられる音響エネルギは、発電発振装置２４により電気エネルギへと変換される。従って、熱音響式エネルギ発生装置２０によれば、内燃機関１の排気熱を効率よく回収することも可能となる。なお、Ｓ１４またはＳ１６の処理の後であって内燃機関１の稼動中、ＥＣＵ４０は、図２の一連の処理を繰り返し実行する。
【００３９】
このように、本実施形態の熱音響式エネルギ発生装置２０では、内燃機関１の運転状態等に合わせてその利用態様を変化させることができるので、内燃機関１と熱音響式エネルギ発生装置２０とを組み合わせたシステム全体のエネルギ効率を向上させることが可能となる。また、本実施形態のエネルギ発生装置２０では、気柱管２１が単一の共鳴部２３を含み、この共鳴部２３がエンジンモードとヒートポンプモードとの双方において共用される。従って、気柱管２１のコンパクト化と気柱管２１に要するコストの低減化を図ることが可能となる。
【００４０】
〔第２実施形態〕
以下、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式エネルギ発生装置について説明する。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。
【００４１】
図３に示される熱音響式エネルギ発生装置２０Ａも、第１実施形態のエネルギ発生装置２０と同様に、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。エネルギ発生装置２０Ａ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比較的長尺の気柱管２１Ａを有し、この気柱管２１Ａ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。
【００４２】
気柱管２１Ａの概ね中央部内には、蓄熱器２５が配置されている。蓄熱器２５の一端側（図１における下側）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における上側）には、低温熱交換器２７が隣接して配置されている。そして、気柱管２１Ａの一端（図３における下端）は、徐々に拡径されると共に完全に閉鎖されており、第１共鳴部２３１を構成している。この第１共鳴部２３１は、高温熱交換器２６を介して蓄熱器２５と連通するように気柱管２１Ａに設けられており、この第１共鳴部２３１内には、音波のエネルギ（音響エネルギ）を電気エネルギに変換可能なトランスデューサ２４０が配置されている。同様に、気柱管２１Ａの他端（図３における上端）も、徐々に拡径されると共に完全に閉鎖されており、第２共鳴部２３２を構成している。この第２共鳴部２３２は、低温熱交換器２７を介して蓄熱器２５と連通するように気柱管２１Ａに設けられている。
【００４３】
また、気柱管２１Ａは、高温熱交換器２６と低温熱交換器２７とを連通させる（バイパスする）概ねＵ字状に形成されたフィードバック管部２８を含む。更に、気柱管２１Ａには、低温熱交換器２７と第２共鳴部２３２との間において接続管部２９が接続されている。接続管部２９は、気柱管２１Ａと排気管Ｌ２とを接続するものであり、その排気管Ｌ２側の端部内には、ダイヤフラム３０が配置されている。このダイヤフラム３０は、気柱管２１Ａへの排気ガスの流入を阻止すると共に、排気ガスの脈動を気柱管２１Ａ内の作動流体に伝達して（振動させて）音波を発生させる振動発生手段として機能する。また、エネルギ発生装置２０Ａは、ダイヤフラム３０の振動を止めて気柱管２１Ａ内の作動流体への脈動の伝達を停止させる脈動伝達停止手段として、押え部材３１、リンク機構３２およびアクチュエータ３３を有している。なお、振動発生手段は、内燃機関１の吸入空気の脈動を気柱管２１Ａ内の作動流体に伝達して音波を発生させるものであってもよい。
【００４４】
そして、フィードバック管部２８の高温熱交換器２６側の端部と第１共鳴部２３１との間には、ＥＣＵ４０によって開閉制御される流路開閉弁２０１が配置されている。この流路開閉弁２０１が開放されると、高温熱交換器２６を介した蓄熱器２５と第１共鳴部２３１との連通が許容される。また、この流路開閉弁２０１が閉鎖されると、高温熱交換器２６を介した蓄熱器２５と第１共鳴部２３１との連通が遮断される。更に、フィードバック管部２８の低温熱交換器２７側の端部近傍には、ＥＣＵ４０によって制御される流路切換弁２０２が配置されている。流路切換弁２０２を一側（エンジン側、図３における実線参照）に切り換えると、低温熱交換器２７を介した蓄熱器２５と第２共鳴部２３２との連通が遮断される一方、フィードバック管部２８を介した高温熱交換器２６と低温熱交換器２７との連通が許容される。また、流路切換弁２０２を他側（ヒートポンプ側、図３における破線参照）に切り換えると、低温熱交換器２７を介した蓄熱器２５と第２共鳴部２３２との連通が許容される一方、フィードバック管部２８を介した高温熱交換器２６と低温熱交換器２７との連通が遮断される。
【００４５】
上述のように構成される熱音響式エネルギ発生装置２０Ａも、第１実施形態に係るエネルギ発生装置２０と同様に、内燃機関１の稼動中に図２に示される手順に従って制御され、熱音響エンジンまたはヒートポンプとして作動する。すなわち、熱音響式エネルギ発生装置２０Ａにおいても、例えば、排気ガス温度または触媒温度が所定温度を下回っており、触媒装置１２の排気浄化触媒が充分に活性化されていないとみなされるような場合、ＥＣＵ４０によりヒートポンプモードが選択される。
【００４６】
ＥＵＣ４０は、ヒートポンプモードを選択すると、フィードバック管部２８の低温熱交換器２７側の端部近傍に配置された流路切換弁２０２をヒートポンプ側に切り換えると共に、第１共鳴部２３１側に配置された流路開閉弁２０１を閉鎖させ、更に、押え部材３１によるダイヤフラム３０の押え付けが解除されるようにアクチュエータ３３を制御する。これにより、低温熱交換器２７を介した蓄熱器２５と第２共鳴部２３２との連通が許容される一方、フィードバック管部２８を介した高温熱交換器２６と低温熱交換器２７との連通が遮断される。また、高温熱交換器２６を介した蓄熱器２５と第１共鳴部２３１との連通も遮断される。
【００４７】
この際、押え部材３１によるダイヤフラム３０の押え付けが解除されているので、内燃機関１が稼動していれば、ダイヤフラム３０を介して排気ガスの脈動が気柱管２１Ａ内の作動流体に伝達され、気柱管２１Ａ内に音波が形成されることになる。かかる音波は、低温熱交換器２７、蓄熱器２５および高温熱交換器２６を順番に通過し、流路開閉弁２０１の弁体で反射して蓄熱器２５を再度通過し、これにより、気柱管２１Ａ内には定在波が形成される。
【００４８】
そして、このような定在波（音波）により蓄熱器２５を介して低温熱交換器２７から高温熱交換器２６へと熱が移動させられ、蓄熱器２５の両端部間には、低温熱交換器２７側が低温となり、高温熱交換器２６側が高温となるように温度勾配が形成される。従って、ヒートポンプモードのもとでは、気柱管２１Ａ、蓄熱器２５、高温熱交換器２６および低温熱交換器２７がヒートポンプとして機能するので、高温熱交換器２６を加熱源として利用することが可能となる。
【００４９】
すなわち、本実施形態においても、触媒装置１２の排気浄化触媒が充分に活性化されていない内燃機関１の始動時等にヒートポンプモードを選択すると共に、排気供給調整弁１５を開放させて高温熱交換器２６に内燃機関１の排ガスを供給することにより、排気ガスの脈動を利用して発生させられる音波（定在波）により低温熱交換器２７から高温熱交換器２６へと移動させられる熱を高温熱交換器２６で内燃機関１の排気ガスに与えて昇温させることができる。これにより、昇温した排気ガスを触媒装置１２に供給して触媒暖機を促進させることが可能となる。
【００５０】
また、熱音響式エネルギ発生装置２０Ａにおいても、例えば、排気ガス温度または触媒温度が所定温度以上となり、触媒装置１２の排気浄化触媒が充分に活性化されているとみなされる場合、ＥＣＵ４０によりエンジンモードが選択される。ＥＵＣ４０は、エンジンモードを選択すると、フィードバック管部２８の低温熱交換器２７側の端部近傍に配置された流路切換弁２０２をエンジン側に切り換えると共に、第１共鳴部２３１側に配置された流路開閉弁２０１を開放させ、更に、押え部材３１によってダイヤフラム３０が押え付けられるようにアクチュエータ３３を制御する。これにより、高温熱交換器２６を介した蓄熱器２５と第１共鳴部２３１との連通が許容される。また、低温熱交換器２７を介した蓄熱器２５と第２共鳴部２３２との連通が遮断される一方、フィードバック管部２８を介した高温熱交換器２６と低温熱交換器２７との連通が許容される。
【００５１】
この場合、押え部材３１によってダイヤフラム３０が押え付けられているので、ダイヤフラム３０を介して排気ガスの脈動が気柱管２１Ａ内の作動流体に伝達されることはないが、蓄熱器２５の一端部は、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し、蓄熱器２５の他端部は、低温熱交換器２７を流通する低温の冷却水によって冷却される。この結果、エンジンモードのもとでは、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。
【００５２】
そして、作動流体の自励振動（音波）の周波数と第１共鳴部２３１における周波数とが一致することにより、第１共鳴部２３１内には定在波が形成され、かかる定在波により、トランスデューサ２４０の振動部材が加振される。トランスデューサ２４０は、第１共鳴部２３１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、図示されない発電量制御器を介して電気負荷２４２に供給される。このように、触媒装置１２の暖機が完了したような場合に選択されるエンジンモードのもとでは、気柱管２１Ａ、蓄熱器２５、高温熱交換器２６および低温熱交換器２７を含む熱音響式エネルギ発生装置２０Ａも、内燃機関１の排気ガスのエネルギを利用して音波を発生させる熱音響エンジンとして作動する。そして、エネルギ発生装置２０Ａにより発せられる音響エネルギは、トランスデューサ２４０により電気エネルギへと変換される。従って、熱音響式エネルギ発生装置２０Ａによっても、内燃機関１の排気熱を効率よく回収して電気負荷２４２のための電力を得ることができる。
【００５３】
上述のように、本実施形態の熱音響式エネルギ発生装置２０Ａも、内燃機関１の運転状態等に合わせてその利用態様が変化させられる。従って、内燃機関１と熱音響式エネルギ発生装置２０Ａとを組み合わせたシステム全体のエネルギ効率を向上させることが可能となる。また、本実施形態のエネルギ発生装置２０Ａでは、気柱管２１Ａに、エンジンモード専用の第１共鳴部２３１と、ヒートポンプモード専用の第２共鳴部２３２とが設けられているので、エンジンモードにおける音響出力の発生効率と、ヒートポンプモードにおける発熱効率とを向上させることが可能となる。更に、気柱管２１Ａには、エンジンモードの際に高温熱交換器２６と低温熱交換器２７とを連通させるように構成されたフィードバック管部２８が設けられているので、エンジンモードの際に気柱管２１Ａの内部における進行波の形成を促進させることが可能となり、音響出力の発生効率を向上させることができる。ただし、気柱管２１Ａからフィードバック管部２８が省略されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明による熱音響式エネルギ発生装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示される熱音響式エネルギ発生装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明による熱音響式エネルギ発生装置の第２実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  内燃機関
１２  触媒装置
２０，２０Ａ  熱音響式エネルギ発生装置
２１，２１Ａ  気柱管
２２  ループ部
２３  共鳴部
２４  発電発振装置
２５  蓄熱器
２６  高温熱交換器
２７  低温熱交換器
２８  フィードバック管部
２９  接続管部
３０  ダイヤフラム
２００，２０２  流路切換弁
２０１  流路開閉弁
２３１  第１共鳴部
２３２  第２共鳴部
２４０  トランスデューサ
２４１，２４３  スイッチ
２４２  電気負荷
２４４  交流電源
Ｌ２  排気管
【図１】
2005188401.tif 000003
【図２】
2005188401.tif 000004
【図３】
2005188401.tif 000005