(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させ、熱音響エンジンの始動性、運転持続性を向上させることを目的とする。【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。そして、熱音響エンジン２０は、その始動時や、熱音響自励振動が消失しそうになった際に気柱管２１内の作動流体を強制的に振動させるための作動流体管Ｌ４，Ｌ５、ポンプ２８、作動流体貯留タンク２９および開閉弁３０を有する。【選択図】  図１
2005351222.tif 000002
【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、
前記気柱管内に作動流体を流入させるか、または、前記気柱管内から作動流体を流出させることにより、前記気柱管内の作動流体を強制的に振動させる強制加振手段を備えることを特徴とする熱音響エンジン。
【請求項２】
前記強制加振手段と前記気柱管との接続箇所は、前記気柱管内の圧力振動定在波の腹位置と概ね一致してい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】
前記強制加振手段と前記気柱管との接続箇所は、前記気柱管内の速度変動定在波の腹位置と概ね一致してい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４】
前記強制加振手段は、前記蓄熱手段の近傍で前記気柱管に接続されてい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５】
前記強制加振手段は、前記気柱管の固有振動周期に基づいて作動させら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】
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、前記強制加振手段は、前記複数の流体のうち、分子量が相対的に大きい流体を、前記気柱管内に流入させるか、または、前記気柱管内から流出させ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】
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の運転方法であって、
所定条件下で、前記気柱管内に作動流体を流入させるか、または、前記気柱管内から作動流体を流出させることにより、前記気柱管内の作動流体を強制的に振動させることを特徴とする熱音響エンジンの運転方法。
【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およびその運転方法に関する。
【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。また、熱音響現象を利用して発電等を実行する際に何らかの理由により作動流体の自励振動が消失しそうになることもあり、このような場合にも、作動流体の熱音響自励振動を速やかに生じさせる（再生させる）必要がある。すなわち、従来の熱音響現象を利用した装置は、始動性、運転持続性といった面でなお改善の余地を有している。
【０００７】
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。また、作動流体の自励振動が消失しそうになっている状態でピストンシリンダをループ管内で往復移動させても、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに再生させることは困難である。
【０００８】
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、良好な始動性、運転持続性を有する熱音響エンジン、および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て熱音響エンジンを良好に動作させる運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、気柱管内に作動流体を流入させるか、または、気柱管内から作動流体を流出させることにより、気柱管内の作動流体を強制的に振動させる強制加振手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
この熱音響エンジンは、気柱管内に作動流体を流入させるか、または、気柱管内から作動流体を流出させることにより、気柱管内の作動流体を強制的に振動させる強制加振手段を備える。従って、熱音響エンジンの始動時や、何らかの理由により作動流体の自励振動が消失しそうになった際に、強制加振手段を作動させれば、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに生じさせたり、再生させたりすることができる。これにより、この熱音響エンジンは、良好な始動性、運転持続性を有する。そして、気柱管に対して作動流体を流入または流出させる強制加振手段は、気柱管内の作動流体の進行を妨げないように配置することが可能である。
【００１１】
この場合、強制加振手段と気柱管との接続箇所は、気柱管内の圧力振動定在波の腹位置と概ね一致していると好ましい。
【００１２】
すなわち、気柱管内の圧力振動定在波の腹位置付近で気柱管内に作動流体を流入させるか、または、気柱管内から作動流体を流出させることにより、気柱管内の作動流体に対して有効に圧力変化を与えることができるので、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに生じさせたり、再生させたりすることが可能となる。
【００１３】
また、強制加振手段と気柱管との接続箇所は、気柱管内の速度変動定在波の腹位置と概ね一致していてもよい。
【００１４】
このように、気柱管内の速度変動定在波の腹位置付近で気柱管内に作動流体を流入させるか、または、気柱管内から作動流体を流出させることにより、気柱管内の作動流体に対して有効に速度変化を与えることができるので、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに生じさせたり、再生させたりすることが可能となる。
【００１５】
更に、強制加振手段は、蓄熱手段の近傍で気柱管に接続されていてもよい。
【００１６】
このように、蓄熱手段の近傍で気柱管内に作動流体を流入させるか、または、気柱管内から作動流体を流出させることにより、圧力振動の位相と速度振動の位相とが概ね一致している進行波を速やかに発生、再生させることが可能となる。
【００１７】
また、強制加振手段は、気柱管の固有振動周期に基づいて作動させられると好ましい。
【００１８】
すなわち、蓄熱手段の両端部間に形成される温度勾配に起因して発生する作動流体の熱音響自励振動と同期するように、気柱管内に作動流体を流入させるか、または、気柱管内から作動流体を流出させることにより、作動流体の熱音響自励振動を速やかに成長させたり、再生させたりすることが可能となる。
【００１９】
更に、作動流体は、複数の流体を混合させた混合流体であり、強制加振手段は、複数の流体のうち、分子量が相対的に大きい流体を、気柱管内に流入させるか、または、気柱管内から流出させると好ましい。
【００２０】
気柱管内に流入させるか、または、気柱管内から流出させる流体の分子量が相対的に大きければ、当該流体の運動量を充分に確保できることから、気柱管に対して流入または流出させる流体の量を少なくしても、気柱管内の作動流体を効果的に振動させることが可能となる。
【００２１】
本発明による熱音響エンジンの運転方法は、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の運転方法であって、所定条件下で、気柱管内に作動流体を流入させるか、または、気柱管内から作動流体を流出させることにより、気柱管内の作動流体を強制的に振動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
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、良好な始動性、運転持続性を有する熱音響エンジン、および、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て熱音響エンジンを良好に動作させる運転方法の実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
〔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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。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。ただし、高温熱交換器２６に内燃機関１から排気ガスが常時供給されるように、排気供給調整弁１５は省略されてもよい。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。
【００２９】
一方、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、中途にポンプ２８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）２９が接続されている。ポンプ２８は、気柱管２１内の作動流体を吸い込んで作動流体貯留タンク２９内に圧送可能なものであり、作動流体貯留タンク２９には、予め所定量の作動流体が導入されている。また、作動流体貯留タンク２９には、中途に開閉弁（ノーマルクローズ）３０を有する作動流体管Ｌ５の一端が接続されている。作動流体管Ｌ５の他端は、気柱管２１、具体的には、ループ部２２の４つのコーナ部のうち、管部２３ａを挟んで閉鎖端部２３ｂの反対側に位置するコーナ部付近に接続されている。そして、作動流体貯留タンク２９には、その内部の作動流体の圧力を検出するための圧力センサ３１が設置されている。
【００３０】
作動流体管Ｌ５の開閉弁３０を閉じた状態でポンプ２８を作動させることにより、作動流体管Ｌ４を介してポンプ２８により加圧された作動流体が作動流体貯留タンク２９内に導入される。そして、比較的高圧の作動流体を作動流体貯留タンク２９内に貯留させた状態で開閉弁３０を（間欠的に）開放することにより、作動流体管Ｌ５を介して高圧の作動流体を気柱管２１の内部に導入し、気柱管２１内の作動流体に圧力変化および速度変化（主として圧力変化）を与えることができる。すなわち、作動流体管Ｌ４，Ｌ５、ポンプ２８、作動流体貯留タンク２９および開閉弁３０等は、気柱管２１内の作動流体を強制的に振動させる強制加振手段として機能する。
【００３１】
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３５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３５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）３６が配置されている。アクチュエータ３６は、開閉弁３７を介して図示されない流体源に接続されており、開閉弁３７を操作してアクチュエータ３６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。すなわち、これらの移動管３５やアクチュエータ３６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。
【００３２】
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。上述の排気供給調整弁１５や冷却系統Ｌ３の開閉弁１６、ポンプ２８、作動流体管Ｌ５の開閉弁３０およびアクチュエータ３６用の開閉弁３７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、ＥＣＵ４０の入出力ポートには、作動流体貯留タンク２９の圧力センサ３１が接続されている。圧力センサ３１は、作動流体貯留タンク２９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。更に、気柱管２１の所定箇所には、圧力センサ３４が設置されている。この圧力センサ３４もＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、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。
【００３３】
上述のように構成される熱音響エンジン２０は、排気供給調整弁１５や開閉弁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、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。
【００３４】
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。
【００３５】
さて、上述のような熱音響エンジン２０を用いれば、内燃機関１の排気熱（廃熱）を回収することが可能となるが、作動流体の熱音響自励振動を良好に発生させて熱音響エンジン２０を速やかに始動させることは必ずしも容易なことではない。また、熱音響エンジン２０の運転中に何らかの理由（例えば蓄熱器２５の両端部間の温度勾配が小さくなって）により作動流体の自励振動が消失しそうになることもある。このため、本実施形態では、熱音響エンジン２０を良好に始動させると共に、その運転持続性を良好に保つべく、ＥＣＵ４０によって図２に示される強制加振ルーチンが実行される。
【００３６】
図２に示されるように、ＥＣＵ４０は、まず、熱音響エンジン２０に対する始動要求の有無を判定する（Ｓ１０）。熱音響エンジン２０を始動させる要求があると判断した場合、ＥＣＵ４０は、高温熱交換器２６の排気ガス入口に設けられている排気供給調整弁１５と、冷却系統Ｌ３の開閉弁１６とを開放させると共に、作動流体貯留タンク２９の圧力センサ３１からの信号に基づいて、作動流体貯留タンク２９内の作動流体の圧力が予め定められた閾値以上となっているか否か判定する（Ｓ１２）。
【００３７】
Ｓ１２にて作動流体貯留タンク２９内の作動流体の圧力が上記閾値を下回っていると判断したい場合、ＥＣＵ４０は、作動流体管Ｌ５の開閉弁３０を閉じた状態で作動流体管Ｌ４のポンプ２８を作動させる（Ｓ１４）。これにより、作動流体管Ｌ４を介してポンプ２８により加圧された作動流体が作動流体貯留タンク２９内に導入され、作動流体貯留タンク２９内の作動流体の圧力が高まっていく。そして、ＥＣＵ４０は、作動流体貯留タンク２９内の作動流体の圧力が上記閾値以上となったと判断するまで、Ｓ１４にて作動流体管Ｌ４のポンプ２８を作動させる。
【００３８】
Ｓ１４にて肯定判断を行うと、ＥＣＵ４０は、Ｓ１６にてポンプ２８を停止させ（あるいは停止状態に維持し）、圧力センサ３４からの信号と予め判明している気柱管２１の固有振動周期Ｔ０とに基づいて、予め定められた時間が経過するまでの間、作動流体管Ｌ５の開閉弁３０を間欠的に開閉させる（Ｓ１８）。Ｓ１８において、ＥＣＵ４０は、図３に示されるように、蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配に起因して発生する作動流体の熱音響自励振動（図３の破線参照）と同期するように、すなわち、当該温度勾配に起因して発生する熱音響自励振動の振幅が概ね最大となるタイミングで開閉弁３０を間欠的に開放させる。これにより、作動流体貯留タンク２９から気柱管２１内に作動流体を間欠的に流入させて、気柱管２１内の作動流体を強制的かつ効果的に振動させることが可能となる。この結果、熱音響自励振動を速やかに発生、成長させることができるので、熱音響エンジン２０を極めて良好に始動させることが可能となる。
【００３９】
また、かかる構成のもとでは、気柱管２１の内部に作動流体を流入させる際に、作動流体の吹き込み方向を熱音響自励振動が増幅されるように適切かつ容易に設定することができる。更に、本実施形態では、図１に示されるように、管部２３ａを挟んで閉鎖端部２３ｂの反対側に位置するループ部２２のコーナ部が、気柱管内に形成される圧力振動定在波の腹位置となる。そして、強制加振手段を構成する作動流体管Ｌ５は、当該圧力振動定在波の腹位置と概ね一致した箇所において気柱管２１に接続されている。すなわち、本実施形態では、作動流体貯留タンク２９から上記圧力振動定在波の腹位置付近で気柱管２１内に作動流体が流入させられる。これにより、気柱管２１内の作動流体に対して有効に圧力変化を与えることができるので、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生、成長させることが可能となる。
【００４０】
そして、気柱管２１に対して作動流体を流入するための作動流体管Ｌ４，Ｌ５、ポンプ２８、作動流体貯留タンク２９、開閉弁３０等は、気柱管２１内の作動流体の進行を妨げないように配置することが可能である。従って、本実施形態では、例えば気柱管２１（ループ部２２）内にピストンを配置した場合のように、気柱管２１内の作動流体の自励振動を減衰させてしまうことはなく、一旦発生した作動流体の自励振動は、良好に成長していくことになる。
【００４１】
Ｓ１８にて予め定められた時間だけ開閉弁３０を制御すると、ＥＣＵ４０は、Ｓ１０に戻って、再度、熱音響エンジン２０に対する始動要求の有無を判定する。熱音響エンジン２０の始動が一旦実行されていれば、ここでは否定判断がなされることになり、この場合、ＥＣＵ４０は、熱音響エンジン２０に対する停止要求の有無を判定する（Ｓ２０）。Ｓ２０にて、熱音響エンジン２０に対する停止要求が無いと判断すると、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圧力振幅を算出し、算出した圧力振幅が予め定められた閾値を下回っているか否か判定する（Ｓ２２）。なお、Ｓ２２にて、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。
【００４２】
Ｓ２２にて気柱管２１内で自励振動する作動流体の圧力振幅が上記閾値を下回っていると判断される場合、何らかの理由により気柱管２１内の作動流体の自励振動が消失しそうになっているとみなされる。従って、Ｓ２２にて肯定判断を行った場合、ＥＣＵ４０は、上述のＳ１２〜Ｓ１８の処理を実行する。これにより、熱音響エンジン２０では、何らかの理由により気柱管２１内の作動流体の自励振動が消失しそうになると、蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配に起因して発生する作動流体の熱音響自励振動（図３の破線参照）と同期するように、作動流体貯留タンク２９から気柱管２１内に作動流体が間欠的に流入させられる。
【００４３】
この結果、気柱管２１内の作動流体を強制的かつ効果的に振動させて熱音響自励振動を速やかに再生させることが可能となる。この場合も、本実施形態では、気柱管２１内の圧力振動定在波の腹位置付近で気柱管２１内に作動流体が流入させられることから、気柱管２１内の作動流体に対して有効に圧力変化を与えることが可能となり、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに再生させることができる。
【００４４】
Ｓ２２にて気柱管２１内で自励振動する作動流体の圧力振幅が予め定められた閾値を下回っていないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１０に戻って、Ｓ１０以降の処理を繰り返す。また、Ｓ２０にて熱音響エンジン２０に対する停止要求があると判断した場合、ＥＣＵ４０は、本ルーチンを終了させ、熱音響エンジン２０を停止させるための処理を実行する。なお、本実施形態の熱音響エンジン２０では、ポンプ２８として、気柱管２１内の作動流体を吸い込んで作動流体貯留タンク２９内に圧送可能なものが採用されているが、これに限られるものではない。すなわち、ポンプ２８として、作動流体貯留タンク２９内の作動流体を吸い込んで気柱管２１内に導入可能なものが採用されてもよい。
【００４５】
かかる構成のもとでは、作動流体管Ｌ５の開閉弁３０を閉じた状態で、ポンプ２８を作動させることにより、作動流体管Ｌ４を介して作動流体貯留タンク２９内の作動流体が気柱管２１内に導入され、それにより、作動流体貯留タンク２９の内部が減圧される。そして、作動流体貯留タンク２９の内部を減圧させた状態で開閉弁３０を（間欠的に）開放することにより、作動流体管Ｌ５を介して気柱管２１内の作動流体を作動流体貯留タンク２９へと流出させて、気柱管２１内の作動流体に圧力変化および速度変化を与えることができる。また、かかる構成のもとでは、作動流体貯留タンク２９内を予め減圧させておけば、開閉弁３０を開放するだけで気柱管２１内の作動流体を作動流体貯留タンク２９へと流出させることができるので、始動時等における電力消費量を低減することが可能となる。
このように、作動流体管Ｌ４，Ｌ５、ポンプ２８、作動流体貯留タンク２９、および開閉弁３０等を含む強制加振手段は、気柱管２１内から作動流体を外部に流出させるものであってもよい。
【００４６】
〔第２実施形態〕
以下、図４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。
【００４７】
図４に示される熱音響エンジン２０Ａは、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。図４の熱音響エンジン２０Ａでは、移動管やアクチュエータ等を含む周波数設定手段が省略されている。そして、熱音響エンジン２０Ａは、強制加振手段を構成する作動流体管Ｌ５と気柱管２１との接続箇所と、気柱管２１内の速度変動定在波の腹位置とが概ね一致するように構成されている。
【００４８】
すなわち、本実施形態では、図４に示されるように、共鳴部２３の閉鎖端部２３ｂが、気柱管２１内に形成される速度変動定在波の腹位置となる。そして、強制加振手段を構成する作動流体管Ｌ５は、図４に示されるように、当該速度圧力振動定在波の腹位置と概ね一致した共鳴部２３の閉鎖端部２３ｂ（その端面）に接続されている。従って、本実施形態では、図２の強制加振ルーチンに類した処理が実行されると、作動流体貯留タンク２９から上記速度変動定在波の腹位置付近で気柱管２１内に作動流体が流入させられることになる。これにより、気柱管２１内の作動流体に対して有効に速度変化を与えることが可能となり、作動流体の熱音響自励振動を確実かつ速やかに発生、成長させたり、再生させたりすることが可能となる。
【００４９】
また、図４に示されるように、熱音響エンジン２０Ａでは、作動流体管Ｌ５の先端が共鳴部２３（管部２３ａ）の軸方向に延在するように形成されている。このように、速度変動定在波の腹位置付近で気柱管２１内に作動流体を流入させる場合には、作動流体を共鳴部２３（管部２３ａ）の軸方向に沿って気柱管２１の内部に流入させることにより、気柱管２１内の作動流体に対してより一層効果的に速度変化を与えることが可能となる。また、作動流体管Ｌ５の先端をこのように形成すれば、作動流体管Ｌ５によって気柱管２１内の作動流体の進行が妨げられることを抑制することができる。なお、図４の熱音響エンジン２０Ａにおいて、作動流体管Ｌ４，Ｌ５、ポンプ２８、作動流体貯留タンク２９、および開閉弁３０等を含む強制加振手段は、気柱管２１内から作動流体を外部に流出させるものであってもよいことはいうまでもない。
【００５０】
〔第３実施形態〕
以下、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。
【００５１】
図５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。そして、熱音響エンジン２０Ｂでは、強制加振手段を構成する作動流体管Ｌ５が蓄熱器２５の近傍で気柱管２１に接続されている。
【００５２】
すなわち、本実施形態において、作動流体管Ｌ５は、その先端が低温熱交換器２７から高温熱交換器２６に向かう方向に延びるように屈曲されており、低温熱交換器２７を介して蓄熱器２５と対向するようにループ部２２に接続されている。これにより、熱音響エンジン２０Ｂでは、図２の強制加振ルーチンに類した処理が実行されると、蓄熱器２５の近傍で低温熱交換器２７から高温熱交換器２６に向かうように気柱管２１（ループ部２２）内に作動流体が流入させられることになる。このように、蓄熱器２５の近傍で気柱管２１（ループ部２２）内に作動流体を流入させることにより、圧力振動の位相と速度振動の位相とが概ね一致している進行波を速やかに発生させることが可能となる。従って、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、成長させたり、再生させたりすることが可能となる。
【００５３】
また、本実施形態においても、作動流体管Ｌ５の先端を上述のように形成すれば、作動流体管Ｌ５によって気柱管２１内の作動流体の進行が妨げられることを抑制することができる。更に、低温熱交換器２７から高温熱交換器２６に向けて作動流体を流入させることにより、蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配を損なうことなく、熱音響エンジン２０Ｂの始動性や運転持続性を向上させることが可能となる。なお、図５の熱音響エンジン２０Ｂにおいても、作動流体管Ｌ４，Ｌ５、ポンプ２８、作動流体貯留タンク２９、および開閉弁３０等を含む強制加振手段は、気柱管２１内から作動流体を外部に流出させるものであってもよいことはいうまでもない。
【００５４】
〔第４実施形態〕
以下、図６を参照しながら、本発明の第４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。
【００５５】
図６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手段を有している。
【００５６】
すなわち、熱音響エンジン２０Ｃ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３８と開閉弁３９とを有する作動流体回収管Ｌ６を介して流体分離装置５０が接続されている。この流体分離装置５０は、内部に流体を貯留可能な容器５１と、容器５１の内部空間を２つの流体貯留室５１Ａおよび５１Ｈに仕切る分離膜５２とを含む。上述の作動流体回収管Ｌ６は、容器５１の一方の流体貯留室５１Ａに接続されている。そして、この流体貯留室５１Ａは、第１供給弁（開閉弁）５３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、容器５１の他方の流体貯留室５１Ｈは、第２供給弁（開閉弁）５４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。
【００５７】
容器５１の内部を仕切る分離膜５２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５２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５２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５２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。
【００５８】
図６に示されるように、作動流体回収管Ｌ６のポンプ３８および開閉弁３９、流体導入管Ｌ７の第１供給弁５３および流体導入管Ｌ８の第２供給弁５４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。そして、上述のポンプ３８、開閉弁３９、作動流体回収管Ｌ６、流体分離装置５０、第１および第２供給弁５３，５４、流体導入管Ｌ７およびＬ８は、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、分離させたヘリウムとアルゴンとを気柱管２１の内部に個別に再供給可能な手段として機能する。
【００５９】
すなわち、作動流体回収管Ｌ６の開閉弁３９を開放させると共に作動流体回収管Ｌ６のポンプ３８を所定時間だけ作動させると、気柱管２１内から所定量の作動流体がポンプ３８によって吸い出され、作動流体回収管Ｌ６を介して流体分離装置５０を構成する容器５１の流体貯留室５１Ａに導入される。上述のように、容器５１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５２によって流体貯留室５１Ａと流体貯留室５１Ｈとに仕切られている。このため、気柱管２１から容器５１の流体貯留室５１Ａ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５２を通過して流体貯留室５１Ｈ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５２を通過し得ないので、流体貯留室５１Ａ内に滞留していくことになる。この結果、流体分離装置５０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５１Ａ内に、ヘリウムが流体貯留室５１Ｈ内にそれぞれ貯留されることになる。
【００６０】
このようにポンプ３８を所定時間だけ作動させた後、流体導入管Ｌ７の第１供給弁（Ａｒ供給弁）５３を開放させると共に、流体導入管Ｌ８の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）５４を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）と、流体導入管Ｌ７を介して流体分離装置５０（流体貯留室５１Ａ）からアルゴン（のみ）が気柱管２１の内部に導入されることになる。また、ポンプ３８を所定時間だけ作動させた後、流体導入管Ｌ７の第１供給弁（Ａｒ供給弁）５３を閉鎖させる（閉鎖状態に維持する）と共に、流体導入管Ｌ８の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）５４を開放させると、流体導入管Ｌ８を介して流体分離装置５０（流体貯留室５１Ｈ）からヘリウム（のみ）が気柱管２１の内部に導入されることになる。
【００６１】
そして、熱音響エンジン２０Ｃでは、アルゴン用の流体貯留室５１Ａと第１供給弁５３との間において、流体導入管Ｌ７から流体吹込管Ｌ９が分岐されている。流体吹込管Ｌ９は、ＥＣＵ４０によって開閉制御される流体吹込弁５５を中途に有しており、気柱管２１内に形成される速度変動定在波の腹位置と概ね一致した共鳴部２３の閉鎖端部２３ｂにおいて気柱管２１に接続されている。また、流体吹込管Ｌ９の先端は、共鳴部２３（管部２３ａ）の軸方向に延在するように屈曲させられている。これにより、流体吹込管Ｌ９から、共鳴部２３（管部２３ａ）の軸方向に沿って流体を気柱管２１の内部に流入させて気柱管２１内の作動流体に対してより一層効果的に速度変化を与えることが可能となる。また、流体吹込管Ｌ９の先端をこのように形成すれば、流体吹込管Ｌ９によって気柱管２１内の作動流体の進行が妨げられることを抑制することができる。
【００６２】
上述のように構成される熱音響エンジン２０Ｃでは、その始動性と運転持続性とを良好に保つべく、ＥＣＵ４０によって図７に示される強制加振ルーチンが実行される。この場合も、ＥＣＵ４０は、図７に示されるように、まず熱音響エンジン２０Ｃに対する始動要求の有無を判定する（Ｓ３０）。熱音響エンジン２０Ｃを始動させる要求があると判断した場合、ＥＣＵ４０は、高温熱交換器２６の排気ガス入口に設けられている排気供給調整弁１５と、冷却系統Ｌ３の開閉弁１６とを開放させ、更に、作動流体回収管Ｌ６の開閉弁３９を開放させると共に、作動流体回収管Ｌ６のポンプ３８を所定時間だけ作動させる（Ｓ３２）。これにより、ポンプ３８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５１Ａ内に、ヘリウムが流体貯留室５１Ｈ内にそれぞれ貯留されることになる。
【００６３】
Ｓ３２の処理を実行すると、ＥＣＵ４０は、開閉弁３９を閉鎖させると共にポンプ３８を停止させ、更に、圧力センサ３４からの信号と予め判明している気柱管２１の固有振動周期Ｔ０とに基づいて、予め定められた時間の間、流体吹込管Ｌ９の流体吹込弁５５を間欠的に開閉させる（Ｓ３４）。Ｓ３４において、ＥＣＵ４０は、蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配に起因して発生する作動流体の熱音響自励振動と同期するように、すなわち、当該温度勾配に起因して発生する熱音響自励振動の振幅が概ね最大となるタイミングで流体吹込弁５５を間欠的に開放させる。これにより、流体吹込管Ｌ９を介して流体分離装置５０（流体貯留室５１Ａ）からアルゴン（のみ）を気柱管２１の内部に間欠的に流入させ、気柱管２１内の作動流体を強制的かつ効果的に振動させることができる。この結果、熱音響自励振動を速やかに発生、成長させることが可能となり、熱音響エンジン２０Ｃを極めて良好に始動させることができる。
【００６４】
ここで、作動流体に含まれるアルゴンの分子量は「４０」であるのに対して、作動流体に含まれるヘリウムの分子量は「４」である。このような点を考慮して、熱音響エンジン２０Ｃでは、気柱管２１内の作動流体を強制的に加振するために、分子量がヘリウムに比べて大きいアルゴンが気柱管２１内に流入させられる。すなわち、気柱管２１内に流入させる流体の分子量が相対的に大きければ、当該流体の運動量を充分に確保できることから、気柱管２１に対するアルゴンの流入量を少なくしても、気柱管２１内の作動流体を効果的に振動させることが可能となる。このような気柱管２１内に流入させる流体の運動量を考慮すれば、流体吹込管Ｌ９は、気柱管２１内の作動流体に対して有効に速度変化を与えるべく、気柱管２１内に形成される速度圧力振動定在波の腹位置で気柱管２１に接続されると好ましい。
【００６５】
Ｓ３４にて予め定められた時間だけ流体吹込弁５５を制御すると、ＥＣＵ４０は、Ｓ３０に戻って、再度、熱音響エンジン２０Ｃに対する始動要求の有無を判定する。熱音響エンジン２０Ｃの始動が一旦実行されていれば、ここでは否定判断がなされることになり、この場合、ＥＣＵ４０は、熱音響エンジン２０Ｃに対する停止要求の有無を判定する（Ｓ３６）。Ｓ３６にて、熱音響エンジン２０Ｃに対する停止要求が無いと判断すると、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圧力振幅を算出し、算出した圧力振幅が予め定められた閾値を下回っているか否か判定する（Ｓ３８）。
【００６６】
Ｓ３８にて気柱管２１内で自励振動する作動流体の圧力振幅が上記閾値を下回っていると判断される場合、何らかの理由により気柱管２１内の作動流体の自励振動が消失しそうになっているとみなされる。従って、Ｓ３８にて肯定判断を行った場合、ＥＣＵ４０は、上述のＳ３２およびＳ３４の処理を実行する。これにより、熱音響エンジン２０Ｃでは、何らかの理由により気柱管２１内の作動流体の自励振動が消失しそうになると、蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配に起因して発生する作動流体の熱音響自励振動と同期するように、流体分離装置５０（流体貯留室５１Ａ）から気柱管２１内にアルゴン（のみ）が間欠的に流入させられる。
【００６７】
この結果、熱音響エンジン２０Ｃにおいても、気柱管２１内の作動流体を強制的かつ効果的に振動させて熱音響自励振動を速やかに再生させることが可能となる。Ｓ３８にて気柱管２１内で自励振動する作動流体の圧力振幅が予め定められた閾値を下回っていないと判断した場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ３０に戻って、Ｓ３０以降の処理を繰り返す。また、Ｓ３６にて熱音響エンジン２０Ｃに対する停止要求があると判断した場合、ＥＣＵ４０は、本ルーチンを終了させ、熱音響エンジン２０Ｃを停止させるための処理を実行する。
【００６８】
なお、上述の分離膜を利用すれば、作動流体に含まれる複数の流体のうち、分子量が相対的に大きい流体（例えばアルゴン）のみを気柱管２１から例えば熱音響自励振動と同期するように流出させて気柱管２１内の作動流体を強制的に振動させる機構を容易に構成し得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【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】図１の熱音響エンジンにおいて気柱管内の作動流体を強制的に加振する手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１の熱音響エンジンにおいて気柱管内の作動流体を強制的に加振する手順を説明するためのタイムチャートである。
【図４】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５】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６】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７】図６の熱音響エンジンにおいて気柱管内の作動流体を強制的に加振する手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７０】
１  内燃機関
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  熱音響エンジン
２１  気柱管
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
２８，３８  ポンプ
２９  作動流体貯留タンク
３０，３９  開閉弁
３１，３４  圧力センサ
５０  流体分離装置
５１Ａ，５１Ｈ  流体貯留室
５２  分離膜
５５  流体吹込弁
Ｌ９  流体吹込管
【図１】
2005351222.tif 000003
【図２】
2005351222.tif 000004
【図３】
2005351222.tif 000005
【図４】
2005351222.tif 000006
【図５】
2005351222.tif 000007
【図６】
2005351222.tif 000008
【図７】
2005351222.tif 000009