(57)【要約】【課題】必要に応じて冷却性能を制御可能とした熱音響冷却装置を提供する。【解決手段】伝播管１１０内の一端近傍に配設されたスタック１６０と、該スタックの一端に配置された高温側熱交換器１４０および他端に配置され低温側熱交換器１５０と、伝播管１１０内の他端近傍に配設された圧力波吸収材１３０とを備える熱音響伝熱器１００であって、伝播管１１０に連通され、伝播管１１０の共鳴特性を変更可能な共鳴特性可変手段（１７０、１８０、１９０）と、該共鳴特性可変手段を制御する制御手段（１９２、２００、２０２、２０４）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝播管内に配設され、スタックと、該スタックの一端に配置された高温側熱交換器および他端に配置され低温側熱交換器とからなる音波発振部とを備える熱音響伝熱器であって、
前記伝播管内に配設された圧力波吸収材と、
前記伝播管に連通され、前記伝播管の共鳴特性を変更可能な共鳴特性可変手段と、
該共鳴特性可変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冷却装置。
【請求項２】
前記共鳴特性可変手段は、前記伝播管に連通路を介して連通された分岐管と、該連通路に配設された制御弁とを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱音響冷却装置。
【請求項３】
前記高温側熱交換器は、機関の触媒コンバータ上流の排気ガスと熱交換するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱音響冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響冷却装置に関し、特に冷却性能が制御可能で内燃機関の排気ガスの温度を制御するに好適な熱音響冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関においては、その排気系に排気浄化用の触媒コンバータを備えている。この触媒コンバータは、その浄化反応熱により極めて高温となる場合がある。従って、その反応熱による触媒の早期劣化や、その熱害を回避するために種々の防護手段が講じられている。このような触媒の早期劣化や防護手段の簡略化を図るには、触媒コンバータに導入される排気ガスの温度が極端に高温でないことが望ましい。一方、機関の冷間始動時などに触媒の暖機を促進するためには、触媒コンバータに導入される排気ガスは比較的高温に維持されることが望ましい。
【０００３】
そこで、上述の触媒コンバータの周囲温度を下げることで、熱害防護手段の簡略化を図ることを可能にした技術として、例えば、特許文献１に記載の技術が知られている。この特許文献１に記載の技術は、内燃機関の排気系に介裝された排気浄化用の触媒コンバータに、共鳴管の一端部に設けた音波発振部のスタックを隣接配置し、このスタックが触媒コンバータからの受熱に起因して発生する音波を電気エネルギに変換するトランスジューサを共鳴管の他端部に設け、このトランスジューサの出力を電気負荷に供給するようにしている。
【０００４】
また、熱音響現象による冷却技術は非特許文献１に紹介されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１２２０２０号公報
【非特許文献１】１９９３年春季低温工学・超電導学会発行の論文「Ｂ１−１７熱駆動型共鳴管冷凍機の性能」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術は、音波発振部のスタックに隣接配置された触媒コンバータの発生熱を奪うことにより、触媒コンバータの過熱を防ぐことができるが、必要に応じて排気ガスの温度を制御することは困難である。また、上記の非特許文献１にも、必要に応じて冷却性能を制御することに関しては記載されていない。
【０００７】
本発明は、かゝる事情に鑑みてなされたもので、必要に応じて冷却性能を制御可能とした熱音響冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の一形態による熱音響冷却装置は、伝播管内に配設され、スタックと、該スタックの一端に配置された高温側熱交換器および他端に配置され低温側熱交換器とからなる音波発振部とを備える熱音響伝熱器であって、前記伝播管内に配設された圧力波吸収材と、前記伝播管に連通され、前記伝播管の共鳴特性を変更可能な共鳴特性可変手段と、該共鳴特性可変手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記共鳴特性可変手段は、前記伝播管に連通路を介して連通された分岐管と、該連通路に配設された制御弁とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、前記高温側熱交換器は、機関の触媒コンバータ上流の排気ガスと熱交換するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この本発明の一形態による熱音響冷却装置によれば、制御手段により共鳴特性可変手段を制御することにより、伝播管の共鳴特性を変更することができる。この結果、伝播管内での自励発振が起こる条件が変更されるので、熱音響管現象を起こさせ冷却性能を発揮させるか否かを必要に応じて制御することができる。
【００１２】
また、前記共鳴特性可変手段が、前記伝播管に連通路を介して連通された分岐管と、該連通路に配設された制御弁とを備える形態によれば、連通路に配設された制御弁を単に開閉制御することにより伝播管の長さや容量を変更できるので、容易に伝播管内での自励発振が起こる条件を変更することができる。
【００１３】
さらに、前記高温側熱交換器が機関の触媒コンバータ上流の排気ガスと熱交換するように構成されている形態によれば、触媒コンバータに導入される排気ガスの温度を必要に応じて制御することができるので、触媒コンバータの過熱を効果的に防ぐことができ、したがって触媒コンバータに隣接する内燃機関や車体等の隣接部に対する熱害防護手段を簡略化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
【００１５】
先ず、本発明に係る熱音響冷却装置を内燃機関（以下、エンジンと称す）１０の排気ガス温度を制御するために適用した第１の実施形態を図１に示す。エンジン１０の吸気系は、その吸気ポートに接続されたインテークマニホールド２０、その上流のサージタンクを含む吸気管３０およびさらに上流のエアクリーナ４０を備え、吸気管３０にはスロットルバルブ５０が配設されている。また、エンジン１０の排気系は、その排気ポートに接続されたエキゾーストマニホールド６０、このエキゾーストマニホールド６０の下流に接続された排気管７０、この排気管７０の途中に配設された排気浄化用の触媒コンバータ８０、およびその下流側に配設されたマフラ９０を備えている。そして、上述の熱音響冷却装置における熱音響伝熱器１００が、触媒コンバータ８０の上流の排気管７０に装着されている。
【００１６】
熱音響伝熱器１００は、図２に示すように、両端が閉塞された伝播管１１０を備え、その一端部近傍内には背後空間１１５を介在させて熱駆動式の音波発振部１２０が設けられ、同伝播管１１０の他端部内には、音波発振部１２０で生じた音響エネルギを吸収する多孔質材等からなる圧力波吸収材１３０が設けられている。また伝播管１１０内には、空気あるいはヘリウム、アルゴン等の希ガスが作動気体として封入されている。
【００１７】
音波発振部１２０は、伝播管１１０の一端部近傍内で軸方向に対向して配置された高温側熱交換器１４０及び低温側熱交換器１５０と、これら両熱交換器の間に挟まれて配置されたスタック（蓄熱器）１６０とから構成されている。スタック１６０は、例えば、多数のステンレス鋼板が小間隙を置いて積層された蓄熱体で構成されている。伝播管１１０の上記一端部にはさらに連通路１７０が形成され、該連通路１７０は分岐管１８０に連通されている。そして、連通路１７０にはアクチュエータ１９２で駆動される制御弁１９０が配設されている。
【００１８】
本実施の形態では、高温側熱交換器１４０は、図３および図４（Ａ）に示すように、排気管７０内を貫通する複数本の中空の伝熱パイプ１４２の形態で構成され、該複数本の伝熱パイプ１４２の端部は背後空間１１５との連通を維持しつつスタック１６０に接触されている。一方、低温側熱交換器１５０は、同じく図３および図４（Ｂ）に示すように、エンジン１０の冷却水が循環される冷却水通路１５２内を貫通する複数本の中空の伝熱パイプ１５４の形態で構成され、該複数本の伝熱パイプ１５４の端部は伝播管１１０の連通を維持しつつスタック１６０に接触されている。ここで、伝播管１１０の背後空間１１５を含む長さや容量は、連通路１７０に配設された制御弁１９０が閉じられているときに伝播管１１０内で自励発振が生ずるように設定されている。なお、この低音側熱交換器１５０としては、その位置に対応する伝播管１１０の外周面に放熱フィンを設けることによる空冷式であってもよい。
【００１９】
一方、伝播管１１０の他端部内に設けられる圧力波吸収材１３０は、それが受ける音波を吸収し発熱するもので、伝播管１１０の外周面に放熱フィンを適宜設けるなどして、放熱させることができる。
【００２０】
また、再度図１において、２００はデジタルコンピュータからなる電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）であり、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、入力ポートおよび出力ポートを具備している。入力ポートには、エンジン回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ２０２、スロットルバルブ５０の開度を検出するスロットル開度セン２０４やエンジン冷却水温を検出する水温センサ等が接続されている。一方、本実施の形態では、出力ポートに制御弁１９０を駆動するアクチュエータ１９２が接続されている。また、触媒コンバータ８０および熱音響伝熱器１００の上流の排気管７０には排気ガスの温度に比例した出力電圧を発生する排気ガス温度センサ２０６が取付けられ、同じく入力ポートに入力されてもよい。なお、ＥＣＵ２００のＲＯＭには、上述のスロットル開度セン２０４および回転数センサ２０２により得られる機関負荷率および機関回転数に基づき、運転状態に対応させて設定されている燃料噴射比率および燃料噴射量の値や機関冷却水温に基づく補正値等が予めマップ化されて記憶されている。
【００２１】
ここで、上述の第１の実施形態の作用について説明する。エンジン１０の運転中、それからエキゾーストマニホールド６０に排出された排気ガスは、触媒コンバータ８０、排気管７０、マフラ９０を順次経て大気中に排出される。その排気ガスの熱は、高温側熱交換器１４０を経て、スタック１６０に伝達するので、スタックの一端部が高温に加熱される。一方、低温側熱交換器１５０では、冷却水通路１５２に循環されているエンジン１０の冷却水または外部の放熱フィンによる大気への放熱により冷却されるので、スタック１６０の他端部の冷却が促進される。その結果、スタック１６０には、その両端間に大きな温度勾配が生じ、それに起因する自励振動により音波が発生する。この音波は作動気体を介して伝播管１１０内を往復する（なお、このような熱音響現象は、例えば非特許文献１に記載されているように、既に知られている）。そして、この音波の周波数と所定の長さや容量の伝播管１１０の共振数とが一致することにより、伝播管１１０内に定在波が生じる。伝播管１１０内の作動気体には、上記定在波の疎密部に対応して圧縮部と膨張部が存在し、その圧縮部では断熱圧縮のために温度上昇を伴い、膨張部では断熱膨張のために温度降下を生ずる。これにより音波によって移送された音響エネルギが伝播管１１０の他端部に位置された圧力波吸収材１３０により吸収される。
【００２２】
次に、熱音響伝熱器１００を排気ガス温度の冷却制御に用いた実施形態にける制御ルーチンの一例を図５のフローチャートを参照して説明する。なお、この制御ルーチンはエンジン１０の運転中に所定周期で実行される。
【００２３】
そこで、まずステップＳ５０１において、回転数センサ２０２により得られるエンジン回転数に基づき、それが所定値以上か否かが判定される。エンジン回転数が所定値以上であるときは、さらにステップＳ５０２に進み、上述のスロットル開度セン２０４により得られるスロットルバルブ５０の開度が所定値以上か否かが判定される。スロットルバルブ５０の開度が所定値以上であるときは、さらにステップＳ５０３に進み、制御弁１９０を駆動するアクチュエータが動作され、制御弁１９０が閉じられる。制御弁１９０が閉じられると、長さや容量が自励発振が生ずるように設定されている伝播管１１０において、排気ガスを熱源とする自励振動による音波が発生し、該音波によって熱が移送され、伝播管１１０の他端部に位置された圧力波吸収材１３０により吸収される。従って、この熱の移送により、排気ガス自体の温度は降下、すなわち冷却されることになる。かくて、エンジン回転数が所定値以上およびスロットルバルブ５０の開度が所定値以上のいわゆるエンジン１０の高速・高負荷時の如く、排気ガス温度が高いときには、熱音響伝熱器１００により該排気ガスが冷却される。
【００２４】
一方、ステップＳ５０１における判定でエンジン回転数が所定値未満である低速のとき、およびステップＳ５０２における判定でスロットルバルブ５０の開度が所定値未満である低負荷のときは、いずれもステップＳ５０４に進み、制御弁１９０を駆動するアクチュエータが動作され、制御弁１９０が開かれる。制御弁１９０が開かれると、伝播管１１０は、連通路１７０を介して連通されている分岐管１８０に連通されるので、その長さや容量が変化されて共鳴の周期が異なることとなる結果、自励発振が抑制される。すると、熱音響伝熱器１００による熱の移送が行われず、上述の低速や低負荷時の排気ガス自体の温度がさほど高くないときは、排気ガスは冷却されない。
【００２５】
かくて、本実施の形態によれば、触媒コンバータ８０に導入される排気ガスの温度を必要に応じて制御することができるので、触媒コンバータ８０の過熱を効果的に防ぐことができ、したがって触媒の早期劣化や触媒コンバータ８０に隣接するエンジン１０や車体等の隣接部に対する熱害防護手段を簡略化することが可能となる。
【００２６】
なお、上記実施の形態においては、エンジン１０の運転状態に対応させて排気ガス温度を推定することに基づいて冷却制御するようにしたが、これは図６のフローチャートに示すように、排気ガス温度を直接に検出することによってもよい。すなわち、この実施形態では、ステップＳ６０１において、排気ガス温度センサ２０６により検出された排気ガス温度が所定値以上か否かが判定され、所定値以上であるときは、ステップＳ６０２に進み、制御弁１９０を駆動するアクチュエータが動作され、制御弁１９０が閉じられる。一方、所定値未満であるときは、ステップＳ６０３に進み、制御弁１９０を駆動するアクチュエータ１９２が動作され、制御弁１９０が開かれるのである。かくて、前実施形態と同様に、触媒コンバータ８０に導入される排気ガスの温度を必要に応じて制御することができる。
【００２７】
ここで、熱音響伝熱器の他の形態について説明する。図７に示す他の第一形態である熱音響伝熱器１００Ａにおいては、分岐管１８０Ａの伝播管１１０への連通位置を前実施形態と異ならせており、伝播管１１０Ａの中腹部近傍において、分岐管１８０Ａが連通路１７０Ａを介して連通されている。そして、この連通路１７０Ａにアクチュエータ１９２Ａで駆動される制御弁１９０Ａが配設されている。なお、他の構成は前実施形態と同様であるので、前実施形態との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００２８】
また、熱音響伝熱器の他の第二形態について説明する。図８に示す他の第二形態である熱音響伝熱器１００Ｂにおいては、分岐管１８０Ｂの伝播管１１０への連通位置は伝播管１１０Ｂの中腹部近傍として上記他の第一形態と同じであるが、分岐管１８０Ｂがスライド構造を有する連通路１７０Ｂを介して連通されていることが異なる。そして、この連通路１７０Ｂのスライド構造がアクチュエータ１９２Ｂで駆動されて伝播管１１０Ｂの容量が変更され、共鳴特性が変化される。なお、他の構成は前実施形態と同様であるので、前実施形態との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
さらに、熱音響伝熱器の他の第三形態について説明する。図９に示す他の第三形態である熱音響伝熱器１００Ｃにおいては、伝播管１１０Ｃの一端部にベローズ構造１８０Ｃが設けられ、このベローズ構造１８０Ｃがアクチュエータで駆動されて伝播管１１０Ｃの長さや容量が変更され、共鳴特性が変化される。なお、他の構成は前実施形態と同様であるので、前実施形態との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３０】
次に、本発明に係る熱音響冷却装置をループタイプの熱音響発振器により実現した実施の形態につき、図１０を参照して説明する。図１０（Ａ）にはシングルループタイプの熱音響発振器１００Ｓが示され、図１０（Ｂ）にはダブルループタイプの熱音響発振器１００Ｄが示されている。
【００３１】
このシングルループタイプの熱音響発振器１００Ｓの実施形態においては、ループ部内に、高温側熱交換器１４０Ｓ及び低温側熱交換器１５０Ｓとの間に挟まれて配置されたスタック１６０Ｓとから構成された音波発振部１２０Ｓが配設されると共に、圧力波吸収材１３０Ｓが配設されている。そして、該ループ部に連通路１７０Ｓを介して分岐管１８０Ｓが連通され、連通路１７０Ｓにはアクチュエータ１９２Ｓで駆動される制御弁１９０Ｓが配設されている。
【００３２】
また、ダブルループタイプの熱音響発振器１００Ｄの実施形態においては、一方のループ部内に、高温側熱交換器１４０Ｄ及び低温側熱交換器１５０Ｄとの間に挟まれて配置されたスタック１６０Ｄとから構成された音波発振部１２０Ｄが配設され、他方のループ部内に圧力波吸収材１３０Ｄが配設されている。そして、前記一方のループ部に連通路１７０Ｄを介して分岐管１８０Ｄが連通され、連通路１７０Ｄにはアクチュエータ１９２Ｄで駆動される制御弁１９０Ｄが配設されている。
【００３３】
上記いずれのループタイプにおいても、高温側熱交換器１４０Ｓまたは高温側熱交換器１４０Ｄが、触媒コンバータ８０の上流の排気管７０における排気ガスと熱交換を行なうように構成されている。そして、前述したのと同様に、制御弁１９０Ｓまたは制御弁１９０Ｄを必要に応じて開閉制御することにより、共鳴特性を変えて排気ガスの冷却性能を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る熱音響冷却装置を内燃機関の排気ガス温度を制御するために適用した実施形態を示す概略模式図である。
【図２】本発明に係る熱音響冷却装置における熱音響伝熱器の概略構成を示す模式図である。
【図３】図２に示す熱音響伝熱器の音波発振部を拡大して示す断面図である。
【図４】（Ａ）は図３の高温側熱交換器におけるＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図３の低温側熱交換器におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】熱音響伝熱器を排気ガス温度の冷却制御に用いた実施形態における制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図６】熱音響伝熱器を排気ガス温度の冷却制御に用いた実施形態における制御ルーチンの他の例を示すフローチャートである。
【図７】熱音響伝熱器の他の第一形態の概略構成を示す模式図である。
【図８】熱音響伝熱器の他の第二形態の概略構成を示す模式図である。
【図９】熱音響伝熱器の他の第三形態の概略構成を示す模式図である。
【図１０】本発明に係る熱音響冷却装置をループタイプの熱音響発振器により実現した実施形態の概略構成を示す模式図であり、（Ａ）はシングルループタイプの熱音響発振器、（Ｂ）はダブルループタイプの熱音響発振器を示している。
【符号の説明】
【００３５】
１０    エンジン
２０    インテークマニホールド
３０    吸気管
４０    エアクリーナ
５０    スロットルバルブ
６０エキゾーストマニホールド
７０    排気管
８０    触媒コンバータ
９０    マフラ
１００    熱音響伝熱器
１１０    伝播管
１２０    音波発振部
１１５    背後空間
１３０    圧力波吸収材
１４０    高温側熱交換器
１４２    伝熱パイプ
１５０    低温側熱交換器
１５２    冷却水通路
１５４    伝熱パイプ
１６０    スタック（蓄熱器）
１７０    連通路
１８０    分岐管
１９０    制御弁
１９２    アクチュエータ
２００    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２０２    回転数センサ
２０４    スロットル開度セン
２０６    排気ガス温度センサ
【図１】
2007155167.tif 000003
【図２】
2007155167.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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