(57)【要約】【課題】排気ガスを冷却することにより排気音の音圧レベルを下げる排気消音装置を提供する。【解決手段】エンジンからの排気ガスが流通する排気管３に熱音響冷却装置１０を設ける。熱音響冷却装置１０は、作業ガスが封入されたループ管１１と、ループ管１１に接続され作業ガスに熱音響自励振動による波動を発生させる熱音響発生部１２Ａ及び波動の発生によって作動するヒートポンプ１２Ｂとを備えている。熱音響発生部１２Ａとヒートポンプ１２Ｂとは、それぞれ蓄熱部１４又は蓄冷部１６を有するとともに、その両側に位置する高温側熱交換器１３Ａ，１５Ａ及び低温側熱交換器１３Ｂ，１５Ｂとを有する。高温側熱交換器１３Ａを排気管３の排気ガスの流れ方向の第１の部位に接続するとともに、第１の部位よりも下流側の第２の部位に低温側熱交換器１５Ｂを接続する。低温側熱交換器１３Ｂと高温側熱交換器１５Ａは、大気又はエンジン冷却水で除熱冷却させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排気ガスが流通する排気管に設けられ、排気音を低減する排気消音装置であって、
作業ガスが封入されたループ状の配管と、前記作業ガスに熱音響自励振動による波動を発生させる波動発生手段と、前記波動の発生によって作動するヒートポンプと、を有する熱音響冷却装置を備え、
前記波動発生手段と、前記ヒートポンプとは、それぞれスタックとその両側に位置する高温側熱交換器及び低温側熱交換器とを有し、
前記波動発生手段の前記高温側熱交換器を前記排気管の排気ガスの流れ方向の第１の部位に接続するとともに、
前記第１の部位よりも排気ガスの流れ方向の下流側の前記排気管の第２の部位に前記ヒートポンプの低温側熱交換器を接続し、
前記波動発生手段の前記低温側熱交換器及び前記ヒートポンプの高温側熱交換器は、大気又はエンジン冷却水で除熱冷却され、
前記排気管の前記第１の部位における排気ガスの熱を前記波動発生手段の前記高温側熱交換器に供給し、前記ヒートポンプの前記低温側熱交換器に生じる冷熱により、前記第２の部位における排気ガスを冷却することを特徴とする排気消音装置。
【請求項２】
前記熱音響冷却装置は、前記排気管に接続された排気ガスを浄化する触媒装置よりも排気ガスの流れ方向の下流側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の排気消音装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の排気消音装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車の排気消音装置としては、その基本型として特許文献１の図２に記載のように（ａ）拡張型、（ｂ），（ｂ’）拡張共振型、（ｃ）共振型、（ｄ）吸収型、（ｅ）干渉型、（ｆ）抵抗型に分類できる。
しかし、排気ガスが排気管の出口から大気中に放出される前に、排気ガスの温度を下げることにより排気音の音圧レベルを低減できることも一般に知られている。
また、特許文献２には、熱音響現象を利用したループ管気柱音響波動冷凍機の技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３３３７５５６号公報
【特許文献２】特許第３０１５７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、排気ガスの温度を下げるために動力を用いて排気ガスを冷却することは、車両の燃費を増加させることになる。また、自動車の走行時の風を用いて空冷等により排気ガスを冷却する方法では、車両停車中の排気騒音の低減に関しては効率良く機能せず、又、排気ガスと大気との熱交換のための冷却部の体積が増加し、排気系統の体積を著しく増大させることになる。
【０００５】
本発明は、前記した従来の課題を解決するものであり、簡単な構造で、動的機構を持たず、排気ガス自体を効率的に冷却することにより、排気音の音圧レベルを下げることができる排気消音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】
【０００６】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明の排気消音装置は、エンジンからの排気ガスが流通する排気管に設けられ、排気音を低減するものであって、作業ガスが封入されたループ状の配管と、作業ガスに熱音響自励振動による波動を発生させる波動発生手段と、波動の発生によって作動するヒートポンプと、を有する熱音響冷却装置を備え、波動発生手段と、ヒートポンプとは、それぞれスタックとその両側に位置する高温側熱交換器及び低温側熱交換器とを有し、波動発生手段の高温側熱交換器を排気管の排気ガスの流れ方向の第１の部位に接続するとともに、第１の部位よりも排気ガスの流れ方向の下流側の排気管の第２の部位にヒートポンプの低温側熱交換器を接続し、波動発生手段の低温側熱交換器及びヒートポンプの高温側熱交換器は、大気又はエンジン冷却水で除熱冷却され、排気管の第１の部位における排気ガスの熱を波動発生手段の高温側熱交換器に供給し、ヒートポンプの低温側熱交換器に生じる冷熱により、第２の部位における排気ガスを冷却することを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、動的機構を有しない簡単な構成の波動発生手段とヒートポンプを有する熱音響冷却装置により排気管内を流れる排気ガスの温度を効率的に下げて、排気音の音圧レベルを下げることができる。そして、例えば、排気管の前記第２の部位より下流側にメインマフラを設ける場合には、それに流入する排気ガスの温度が従来よりも低減され、メインマフラの寿命がより延びる効果がある。
【０００８】
請求項２に係る発明の排気消音装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、熱音響冷却装置は、排気管に接続された排気ガスを浄化する触媒装置よりも排気ガスの流れ方向の下流側に配置されることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、熱音響冷却装置は、排気ガスを浄化する触媒装置よりも排気ガスの流れ方向の下流側に配置されるので、エンジンから排気される排気ガスが熱音響冷却装置で冷却される前に触媒装置に到達し、エンジン始動時の触媒装置の温度の上昇を妨げることを防止できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡単な構造で、動的機構を持たず、排気ガス自体を効率的に冷却することにより、排気音の音圧レベルを下げることができる排気消音装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る排気消音装置を含む排気系統の全体概略構成図である。
【図２】図１における熱音響冷却装置の概略構成図である。
【図３】（ａ）は、図２における熱音響発生部のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は、図２におけるヒートポンプのＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】（ａ）は、図２における熱音響発生部の変形例のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は、図２におけるヒートポンプの変形例のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態に係る排気消音装置１を含む排気系統の全体概要について説明する。図１は、本実施形態に係る排気消音装置を含む排気系統の全体概略構成図であり、図２は、図１における熱音響冷却装置の概略構成図であり、図３の（ａ）は、図２における熱音響発生部のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は、図２におけるヒートポンプのＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００１３】
図１に示すように排気系統の排気管３は、図示しない排気マニホールドにフランジをボルト締結されて接続され、触媒装置５に排気ガスを流し、更に下流の従来サブマフラ６と称される中間部分に熱音響冷却装置１０を備える。サブマフラ６の下流側には、フランジをボルト締結されてメインマフラ７が接続される。
【００１４】
熱音響冷却装置１０は、主にループ管（ループ状の配管）１１で熱音響発生部（波動発生手段）１２Ａ、ヒートポンプ１２Ｂを接続して構成されている。ループ管１１内には、作業ガスとして不活性ガスが、例えば、所定の圧力のヘリウムガスが封入されている。
なお、作業ガスとしては、特許文献２に記載されているように他の成分の不活性ガス、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムとアルゴンの混合ガス等でも良い。
【００１５】
熱音響発生部１２Ａは、触媒装置５の下流側に位置する排気管３の部位（第１の部位）に設けられ、ループ管１１の直線管部１１ａ（図２参照）に設けられた蓄熱部（スタック）１４と、排気ガスの熱を蓄熱部１４の一端側との間で熱交換する高温側熱交換器１３Ａと、蓄熱部１４の他端側と外気との間で熱交換する低温側熱交換器１３Ｂとを含んでいる。
蓄熱部１４は、高温側熱交換器１３Ａと低温側熱交換器１３Ｂとの間で熱勾配を持つことにより、熱エネルギを音響エネルギに変換して熱音響（波動）が自励発生し、直線管部１１ａの高温側熱交換器１３Ａ側から矢印３１（図２参照）で示した方向に進行波が作業ガスにより図２の直線管部１１ａから連結管部１１ｂ、直線管部１１ｃへと伝播して、ヒートポンプ１２Ｂの蓄冷部１６に伝達される（図２参照）。
【００１６】
ヒートポンプ１２Ｂは、前記した第１の部位より排気ガスの流れ方向で下流側に位置する排気管３の部位（第２の部位）に設けられ、ループ管１１の直線管部１１ｃ（図２参照）に設けられた蓄冷部（スタック）１６と、蓄冷部１６の一端側と大気との間で熱交換する高温側熱交換器１５Ａと、蓄冷部１６の他端側と排気管３の前記した第２の部位との間で熱交換する低温側熱交換器１５Ｂとを含んでいる。高温側熱交換器１５Ａが、外気との間で熱交換することにより、高温側熱交換器１５Ａと低温側熱交換器１５Ｂとの間に挟まれた蓄冷部１６は熱勾配を持つことになる。そして、蓄冷部１６は、音響エネルギを熱エネルギに変換するとともに、低温側熱交換器１５Ｂから高温側熱交換器１５Ａへ熱輸送し、低温側熱交換器１５Ｂは、排気管３の前記した第２の部位で排気ガスの熱を吸熱する。この吸熱機能については後記する。
【００１７】
本実施形態の熱音響冷却装置１０のループ管１１は、基本的に熱交換機能部分を除いてステンレス製の略矩形形状に配管された管で構成されており、熱音響発生部１２Ａの蓄熱部１４及びヒートポンプ１２Ｂの蓄冷部１６は、それぞれ、例えば、外形が筒状のハニカム構造のセラミックス２５，２６（図３の（ａ），（ｂ）参照）を格納して構成されている。そして、それぞれ、直線管部１１ａ，１１ｃを構成するステンレス製の管に格納されている。セラミックス２５，２６は、直線管部１１ａ，１１ｃの軸方向に並行な小さい並行通路２５ａ，２６ａ（図３の（ａ），（ｂ）参照）を多数有している。この並行通路２５ａ，２６ａは、ループ管１１内の作業ガスを媒体として伝播する音波の波長よりも十分小さい流体力学的通路直径である。例えば、音波の波長の３千分の１程度の狭い通路である。
【００１８】
図３の（ａ）に示すように、熱音響発生部１２Ａの高温側熱交換器１３Ａは、排気管３の外周側にろう付け等で密着溶接して固定された、例えば、銅合金製の円筒形状の熱伝導部材２１Ａ、セラミックス２５の一端側（蓄熱部１４の一端側）の直線管部１１ａとその一端側が異種金属接合された、例えば、銅合金製の管形状の熱伝導部材２１Ｂ、管形状の熱伝導部材２１Ｂに格納された熱交換部材２２、熱伝導部材２１Ａと熱伝導部材２１Ｂとの間を熱伝導可能に接続する熱伝導部材２１Ｃから構成されている。管形状の熱伝導部材２１Ｂの他端側は、直線管部１１ａと異種金属接合されている。
熱交換部材２２は、例えば、多数枚の薄肉金属板が微小間隔で配設されたものであり、作業ガスの音響波動がセラミックス２５の小さい並行通路２５ａに伝わるように構成されているとともに、前記した多数枚の薄肉金属板がセラミックス２５の一端側に接触しセラミックス２５へ熱伝導可能な構成になっている。
【００１９】
図３の（ａ）に示すように、熱音響発生部１２Ａの低温側熱交換器１３Ｂは、セラミックス２５の他端側（蓄熱部１４の他端側）の直線管部１１ａにその一端側を異種金属接合された、例えば、銅合金製の冷却フィン付き管形状の熱伝導部材２３と、熱伝導部材２３に格納された熱交換部材２４とから構成されている。熱伝導部材２３は、その外周側に周方向に多数の冷却フィン２３ａを有し、冷却フィン２３ａで大気との熱交換表面積を増大させる構成となっている。熱伝導部材２３の他端側は、直線管部１１ａと異種金属接合されている。
熱交換部材２４は、例えば、多数枚の薄肉金属板が微小間隔で配設されたものであり、作業ガスの音響波動がセラミックス２５の小さい並行通路２５ａに伝わるように構成されているとともに、前記した多数枚の薄肉金属板がセラミックス２５の他端側に接触し、セラミックス２５から熱伝導可能な構成になっている。
【００２０】
図３の（ｂ）に示すように、ヒートポンプ１２Ｂの高温側熱交換器１５Ａは、セラミックス２６の一端側（蓄冷部１６の一端側）の直線管部１１ｃにその一端側を異種金属接合された、例えば、銅合金製の冷却フィン付き管形状の熱伝導部材２３と、熱伝導部材２３に格納された熱交換部材２４とから構成されている。熱伝導部材２３は、その外周側に周方向に多数の冷却フィン２３ａを有し、冷却フィン２３ａで大気との熱交換表面積を増大させる構成となっている。熱伝導部材２３の他端側は、直線管部１１ｃと異種金属接合されている。
熱交換部材２４は、例えば、多数枚の薄肉金属板が微小間隔で配設されたものであり、作業ガスの音響波動がセラミックス２６の小さい並行通路２６ａに伝わるように構成されているとともに、前記した多数枚の薄肉金属板がセラミックス２６の一端側に接触し、セラミックス２６から熱伝導可能な構成になっている。
【００２１】
図３の（ｂ）に示すように、ヒートポンプ１２Ｂの低温側熱交換器１５Ｂは、排気管３の外周側にろう付け等で密着溶接して固定された、例えば、銅合金製の円筒形状の熱伝導部材２１Ａ、セラミックス２６の他端側（蓄冷部１６の他端側）の直線管部１１ｃとその一端側が異種金属接合された、例えば、銅合金製の管形状の熱伝導部材２１Ｂ、管形状の熱伝導部材２１Ｂに格納された熱交換部材２２、熱伝導部材２１Ａと熱伝導部材２１Ｂとの間を熱伝導可能に接続する熱伝導部材２１Ｃから構成されている。管形状の熱伝導部材２１Ｂの他端側は、直線管部１１ｃと異種金属接合されている。
熱交換部材２２は、例えば、多数枚の薄肉金属板が微小間隔で配設されたものであり、作業ガスの音響波動がセラミックス２６の小さい並行通路２６ａに伝わるように構成されているとともに、前記した多数枚の薄肉金属板がセラミックス２６の他端側に接触し、セラミックス２６へ熱伝導可能な構成になっている。
【００２２】
本実施形態によれば、特許文献２の図１に記載の技術のように、熱音響発生部１２Ａの高温側熱交換器１３Ａは、排気管３の第１の部位から排気ガスの熱を伝達されて高温となり、低温側熱交換器１３Ｂは、大気との熱交換により除熱冷却されるので、蓄熱部１４のセラミックス２５の小さい並行通路２５ａの壁には、高温側熱交換器１３Ａ側から低温側熱交換器１３Ｂ側に向かって軸方向に急激な温度勾配が生じる。そして、直線管部１１ａ，１１ｃの長さと連結管部１１ｂ，１１ｄの長さとが所定のものに設定され、作業ガスの圧力が適切に設定されて封入されているので、セラミックス２５の小さい並行通路２５ａ内の作業ガスに与えられた熱エネルギがセラミックス２５の小さい並行通路２５ａの壁によって圧力に変換され、変動する圧力から自励的振動を生じ、熱エネルギが音響エネルギに変換される。そして、セラミックス２５の小さい並行通路２５ａの高温側熱交換器１３Ａ側から、図２の矢印３１に示す方向に進む進行波と定在波の音波（波動）が発生する。
【００２３】
ループ管１１を伝播する音波は、ヒートポンプ１２Ｂのセラミックス２６の小さい並行通路２６ａの壁を通過することになる。ここで、音波がセラミックス２６の小さい並行通路２６ａを高温側熱交換器１５Ａ側から進入すると、作業ガスと並行通路２６ａの壁との間で音響エネルギから熱エネルギへの変換と、熱エネルギから音響エネルギへの変換が繰り返される。その過程で、セラミックス２６は低温側熱交換器１５Ｂ側から高温側熱交換器１５Ａ側へ熱輸送するとともに、ヒートポンプ１２Ｂの高温側熱交換器１５Ａにおいて大気との熱交換により除熱冷却され放熱される。その結果、低温側熱交換器１５Ｂは、排気管３の第２の部位から排気ガスの熱を吸熱することができる。
【００２４】
本実施形態によれば、熱音響冷却装置１０は、排気管３の第１の部位で熱音響発生部１２Ａにより排気ガスの熱エネルギを音響エネルギに変換する過程で、排気ガスの温度を低減でき、更に、排気管３の第２の部位でヒートポンプ１２Ｂにより排気ガスの熱エネルギを吸熱する過程でも排気ガスの温度を低減できる。
このように熱音響冷却装置１０は、何等の動力を必要とすることなく排気管３の第１、第２の部位において２段階にわたり排気ガスの温度を低下させる効果により、効果的に排気ガスの消音が期待できる。また、メインマフラ７（図１参照）に到る排気ガスの温度を従来よりも低下させることが期待できるので、メインマフラ７の耐熱材料に要求される温度や耐酸化性の要求仕様を低減できコスト低減に役立つ。
【００２５】
また、熱音響冷却装置１０は、排気管３に設けられた触媒装置５よりも排気ガスの流れ方向で下流側に設置するので、エンジン始動時の触媒装置５の早期の温度上昇を妨げることが無く、触媒装置５による排気ガスの浄化機能を妨げることが無い。
【００２６】
更に、従来のサブマフラにおいて排気ガスを小口径の孔を多数設けた部材を通過させて膨張を繰り返すことで消音する場合に比して排気ガスの圧損が少ないので、排気系の全体の背圧を従来よりも低くすることが可能となり、エンジンの出力増大に寄与することができる可能性がある。
【００２７】
《変形例》
次に、図４を参照しながら熱音響発生部１２Ａ及びヒートポンプ１２Ｂの変形例について説明する。図４の（ａ）は、図２における熱音響発生部の変形例のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は、図２におけるヒートポンプの変形例のＢ−Ｂ矢視断面図である。
本変形例では、ループ管１１（図１参照）は薄肉のステンレス管で構成されていることから、実施形態の図３の（ａ），（ｂ）に示すように高温側熱交換器１３Ａ、低温側熱交換器１３Ｂ、高温側熱交換器１５Ａ、低温側熱交換器１５Ｂは、直線管部１１ａや直線管部１１ｃと異種金属接合する構造とはせず、図４に示すように直線管部１１ａや直線管部１１ｃの外周側に熱伝導部材２１Ｂ，２３がろう付け溶接される構造でも良い。
【００２８】
本実施形態及び変形例では、蓄熱部１４としてハニカム構造のセラミックス２５を用いたがそれに限定されることは無く、特許文献２に記載のように多数枚のステンレス鋼メッシュ薄板が微小間隔で配置されたもの、ステンレス鋼繊維を集合した不織布、狭い複数の通路を有する焼結金属でも良い。同様に蓄冷部１６としてハニカム構造のセラミックス２６を用いたがそれに限定されることは無く、ステンレス鋼、銅、鉛等を用いてメッシュ状、球状、板状、板を円筒状に丸めた形状、エッチングで処理された板等多様なものが利用できる。ただ、作業ガスを媒体として高温側熱交換器１５Ａと低温側熱交換器１５Ｂとの間に音響波動を伝播することが可能な狭い通路を多数確保されたものであれば良い。
【００２９】
更に、本実施形態及び変形例では、低温側熱交換器１３Ｂ、高温側熱交換器１５Ａは、大気に放熱する構成としたがそれに限定されること無く、熱伝導部材２３の外周側に水ジャケットを被せ、熱伝導部材２３の外周側にエンジン冷却水を循環させて放熱させる構成としても良い。この場合は、車両が走行状態で無い場合でも、又、大気温度が高い場合でも冷却フィン２３ａからの放熱が十分に期待でき、熱音響冷却装置１０による消音効果が高まる。
【符号の説明】
【００３０】
１      排気消音装置
３      排気管
５      触媒装置
６      サブマフラ
７      メインマフラ
１０    熱音響冷却装置
１１    ループ管（ループ状の配管）
１１ａ，１１ｃ  直線管部
１１ｂ，１１ｄ  連結管部
１２Ａ  熱音響発生部（波動発生手段）
１２Ｂ  ヒートポンプ
１３Ａ  高温側熱交換器
１３Ｂ  低温側熱交換器
１４    蓄熱部（スタック）
１５Ａ  高温側熱交換器
１５Ｂ  低温側熱交換器
１６    蓄冷部（スタック）
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ  熱伝導部材
２２    熱交換部材
２３    熱伝導部材
２３ａ  冷却フィン
２４    熱交換部材
２５    蓄熱部材（スタック）
２５ａ  並行通路
２６    蓄冷部材（スタック）
２６ａ  並行通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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