JP2005180294A

JP2005180294A - 熱音響エンジン

Info

Publication number: JP2005180294A
Application number: JP2003421621A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ito; 泰志伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】静粛性や信頼性を良好に確保す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、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。熱音響エンジン２０は、熱音響自励振動の圧力振幅を変化させるために、作動流体管Ｌ４、開閉弁２８、ポンプ２９および作動流体貯留タンク３０や、移動管３１およびアクチュエータ３２を有し、開閉弁２８、ポンプ２９、アクチュエータ３２等は、ＥＣＵ４０によって圧力振幅が許容範囲内に保たれるように制御される。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

特許第３０１５７８６号公報特開２００２−１２２０２０号公報

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、作動流体の熱音響自励振動を発生させて音響出力を得る際の静粛性や信頼性をも十分に確保する必要がある。

そこで、本発明は、静粛性や信頼性を良好に確保することができる熱音響エンジンの提供を目的とする。

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、熱音響自励振動の圧力振幅を検出する圧力振幅検出手段と、圧力振幅を変化させることができる圧力振幅設定手段と、圧力振幅検出手段の検出値が所定の閾値を超えているか否か判定する判定手段と、判定手段の判定結果に基づいて圧力振幅が許容範囲内に保たれるように圧力振幅設定手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

この熱音響エンジンでは、圧力振幅検出手段によって気柱管内で発生する作動流体の自励振動の圧力振幅が検出されると共に、判定手段によって圧力振幅検出手段の検出値が所定の閾値を超えているか否か判定される。そして、判定手段の判定結果に応じて圧力振幅設定手段が制御手段によって制御され、これにより、熱音響自励振動の圧力振幅が許容範囲内に保たれる。この結果、この熱音響エンジンでは、自励振動の圧力振幅が過剰に大きくなってしまうことを抑制することができるので、作動流体の熱音響自励振動を発生させて音響出力を得る際の騒音を抑制すると共に、気柱管を始めとする各種構成要素の耐圧負担を軽減させて耐久性を向上させることが可能となる。

この場合、上記閾値は、熱音響自励振動に起因する騒音と気柱管の耐圧限界との少なくとも何れか一方に基づいて定められると好ましい。

また、圧力振幅設定手段は、作動流体の平均圧力を変化させる手段、熱音響自励振動の周波数を変化させる手段、蓄熱手段の両端部間に形成される温度勾配を変化させる手段および熱音響エンジンの負荷を変化させる手段のうちの何れか一つまたはこれらの手段を複数組み合わせたものであると好ましい。

すなわち、作動流体の平均圧力、自励振動の周波数、蓄熱手段の両端部間に形成される温度勾配、熱音響エンジンの負荷の少なくとも何れか一つを変化させることにより、熱音響自励振動の圧力振幅を容易かつ確実に許容範囲内に保つことができる。

例えば、圧力振幅設定手段は、作動流体を貯留する作動流体貯留手段を含み、この作動流体貯留手段と気柱管との間で作動流体を移動させて気柱管内の作動流体の平均圧力を変化させる手段であるとよい。また、圧力振幅設定手段は、共鳴器と、共鳴器の管路長を変化させる手段とを含むものであってもよい。更に、作動流体が複数の流体を混合させた混合流体である場合、圧力振幅設定手段として、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手段を採用してもよい。

そして、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ものであると好ましい。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。

本発明によれば、静粛性や信頼性を良好に確保することができる熱音響エンジンの実現が可能となる。

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。
〔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。

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。

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。トランスデューサＴＤは、発電量制御器２４に接続されており、この発電量制御器２４によってトランスデューサＴＤの発電量が設定される。

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。

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を流通する冷却水の熱源（冷熱源）とする。なお、冷却系統Ｌ３には、開閉弁または流量調整弁である冷媒導入弁１４が含まれており、この冷媒導入弁１４を制御することにより、低温熱交換器（その伝熱管）２７に対する冷却水の供給量等を変化させることができる。

また、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、中途に開閉弁（ノーマルクローズ）２８およびポンプ２９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）３０が接続されている。作動流体貯留タンク３０は、気柱管２１の内部に封入されている作動流体と同一の流体を所定圧力下で貯留する。従って、開閉弁２８を開放すると共に、ポンプ２９を作動させることにより、作動流体貯留タンク３０内の作動流体を気柱管２１の内部に導入し、気柱管２１内における作動流体の圧力（平均圧力）を高めることができる。また、気柱管２１内の作動流体の圧力（平均圧力）がある程度高い場合、開閉弁２８を開放することにより、気柱管２１から作動流体貯留タンク３０に作動流体を戻して、気柱管２１内における作動流体の圧力（平均圧力）を低下させることができる。すなわち、作動流体管Ｌ４、開閉弁２８、ポンプ２９および作動流体貯留タンク３０は、気柱管２１内の作動流体の平均圧力を変化させる手段として機能する。

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３１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３１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）３２が配置されている。アクチュエータ３２は、開閉弁３３を介して図示されない流体源に接続されており、開閉弁３３を操作してアクチュエータ３２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。従って、これらの移動管３１やアクチュエータ３２は、気柱管２１内の作動流体の共振周波数を変化させる手段として機能する。

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の冷媒導入弁１４、作動流体管Ｌ４の開閉弁２８およびポンプ２９、アクチュエータ３２用の開閉弁３３、トランスデューサＴＤの発電量制御器２４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、ループ部２２と共鳴部２３との接続部付近に圧力センサ３４が設置されている。この圧力センサ３４もＥＣＵ４０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。

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、熱音響エンジン２０の高温熱交換器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。

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ＴＤの振動部が加振される。トランスデューサＴＤ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、発電量制御器２４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ＴＤ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。

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、作動流体の熱音響自励振動を発生させて音響出力を得る際の静粛性や信頼性をも十分に確保する必要がある。すなわち、熱音響エンジンから音響出力を得る際に作動流体の自励振動の圧力振幅が過剰に大きくなると、騒音の問題や、作動流体の圧力が気柱管等の耐圧限界に近づいてしまって気柱管等の耐久性を低下させてしまうという問題が起こり得る。このため、本実施形態の熱音響エンジン２０では、作動流体の自励振動の圧力振幅を許容範囲内に保つべく、図２に示される圧力振幅制御ルーチンが実行される。

図２に示される圧力振幅制御ルーチンは、ＥＣＵ４０によって所定時間おきに繰り返し実行される。ＥＣＵ４０は、圧力振幅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３４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Ｐ_０を算出する（Ｓ１０，Ｓ１２）。この場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１０にて、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、Ｓ１２にて、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Ｐ_０を求める。

気柱管２１内の作動流体の圧力振幅Ｐ_０を求めると、ＥＣＵ４０は、圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上であるか否か判定する（Ｓ１４）。ここで用いられる許容圧力振幅Ｐ_Ａは、熱音響自励振動に起因する騒音の許容値または気柱管２１の耐圧限界、あるいはこれらの双方に基づいて定められ、予め記憶装置に格納されている。そして、ＥＣＵ４０は、Ｓ１４にて圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上であると判断した場合、気柱管２１内の作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させる圧力振幅減少処理を実行する（Ｓ１６）。本実施形態では、Ｓ１６の圧力振幅減少処理として、次の（１）〜（４）の処理のうちの何れか一つまたは複数が実行される。

（１）平均圧力低下処理
この平均圧力低下処理は、気柱管２１内における作動流体の平均圧力を低下させることにより、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させるものである。この場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１４にて圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上であると判断すると、作動流体管Ｌ４の開閉弁２８を所定時間または圧力振幅Ｐ_０と許容圧力振幅Ｐ_Ａとの偏差に応じた時間だけ開放させる（Ｓ１６）。これにより、気柱管２１内の作動流体が作動流体管Ｌ４を介して作動流体貯留タンク３０内に戻されるので、気柱管２１内における作動流体の圧力（平均圧力）が低下することになる。

ここで、自励振動する作動流体の平均圧力Ｐｍ（自励振動する作動流体の圧力の平均値、すなわち、最大圧力と最小圧力との平均）と圧力振幅Ｐ_０とは、図３に示されるような相関を有しており、平均圧力Ｐｍが低下すれば、それに応じて圧力振幅Ｐ_０も減少する。従って、気柱管２１内の作動流体を作動流体貯留タンク３０内に戻して気柱管２１内における作動流体の平均圧力を低下させることにより、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させることが可能となる。

（２）共振周波数変更処理
この共振周波数変更処理は、気柱管２１内における作動流体の共振周波数を高めることにより、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させるものである。この場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１４にて圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上であると判断すると、移動管３１がループ部２２に向けて所定量だけ移動するようにアクチュエータ３２を作動させる（Ｓ１６）。これにより、管部２３ａと閉鎖端部２３ｂとにより構成される共鳴器の管路長が短縮され、気柱管２１内の作動流体の共振周波数が高まるので、それに応じて、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０が減少することになる。

（３）温度勾配変更処理
この温度勾配変更処理は、高温熱交換器２６と低温熱交換器２７とによって蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配を小さくすることにより、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させるものである。この場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１４にて圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上であると判断すると、冷却系統Ｌ３に設けられている冷媒導入弁１４を制御して低温熱交換器（その伝熱管）２７に対する冷却水の供給を停止させるか、または、冷却水の供給量を減少させる。これにより、低温熱交換器２７による蓄熱器２５の冷却能力が低下することになるので、蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配が小さくなり、その結果、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０が減少することになる。

（４）音響負荷変更処理
この音響負荷変更処理は、トランスデューサＴＤの発電量（ループ部２２等に熱音響冷凍機が配置されている場合は、当該冷凍機による冷熱量）を増大化させることにより、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させるものである。この場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１４にて圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上であると判断すると、発電量制御器２４に対してトランスデューサＴＤの発電量を増加させるように所定の制御信号を与える（Ｓ１６）。このように、熱音響エンジン２０の負荷を増大化させることによっても、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させることが可能となる。

このように、熱音響エンジン２０では、圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上になると、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を低下させるために、（１）平均圧力低下処理、（２）共振周波数変更処理、（３）温度勾配変更処理、および、（４）音響負荷変更処理のうちの何れか一つまたは複数が実行される。これにより、熱音響自励振動の圧力振幅は常時許容範囲内に保たれ、自励振動の圧力振幅が過剰に大きくなってしまうことを抑制することができる。従って、熱音響エンジン２０では、作動流体の熱音響自励振動を発生させて音響出力を得る際の騒音を抑制すると共に、気柱管２１を始めとする各種構成要素の耐圧負担を軽減させて耐久性を向上させることが可能となる。

なお、作動流体の共振周波数を変化させるために、気柱管２１の共鳴部は、図４に示されるように構成されてもよい。図４の共鳴部２３Ａは、管部２３ａ、管部２３ａに連なる閉鎖端部２３ｂおよび閉鎖端部２３ｂ内に配置された可動チャンバ２３ｃを含む。可動チャンバ２３ｃは、閉鎖端部２３ｂの内部に回転自在に支持されており、１つの開口部２３ｄを有する。これにより、可動チャンバ２３ｃの内部と、閉鎖端部２３ｂの内面と可動チャンバ２３ｃの外面との間に画成される流路とは、可動チャンバ２３ｃの開口部２３ｄを介して互いに連通し合う。そして、可動チャンバ２３ｃは、ラックＲとピニオンＰとからなるラックアンドピニオンＲＰを介して図示されない駆動手段によって閉鎖端部２３ｂの内部で正逆方向に回転させられる。

このような構成のもとでは、閉鎖端部２３ｂの内部で可動チャンバ２３ｃを回転させて、開口部２３ｄの位置を変化させることにより、管部２３ａ、閉鎖端部２３ｂおよび可動チャンバ２３ｃにより構成される共鳴器の管路長を変化させることができる。従って、図８の共鳴部２３Ａを用いても、気柱管２１内の作動流体の共振周波数を高めて、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させることが可能となる。

〔第２実施形態〕
以下、図５〜図７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。

図５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る。そして、熱音響エンジン２０Ａは、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスである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３５と作動流体導入弁（開閉弁）３６とを有する作動流体回収管Ｌ５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Ｌ５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。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。上述のポンプ３５、作動流体導入弁３６、第１および第２供給弁５３，５４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、これらのポンプ３５、作動流体導入弁３６、作動流体回収管Ｌ５、流体分離装置５０、第１および第２供給弁５３，５４、流体導入管Ｌ６およびＬ７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手段として機能する。

また、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。

このように構成される熱音響エンジン２０Ａにおいても、作動流体の自励振動の圧力振幅を許容範囲内に保つべく、ＥＣＵ４０によって第１実施形態に関連して説明された図２の圧力振幅制御ルーチンが実行される。そして、熱音響エンジン２０Ａでは、気柱管２１内で自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上であると判断された場合に、圧力振幅Ｐ_０を減少させるための圧力振幅減少処理として、図６に示される混合比変更処理が実行され得る。

図６に示される混合比変更処理は、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を変更することにより、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させるものである。この場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１４にて圧力振幅Ｐ_０が予め定められている許容圧力振幅Ｐ_Ａ以上であると判断すると、作動流体回収管Ｌ５の作動流体導入弁３６を開放させると共に（Ｓ２０）、作動流体回収管Ｌ５のポンプ３５を所定時間だけ作動させる（Ｓ２２）。そして、ポンプ３５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５１Ａとを接続する流体導入管Ｌ６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、気柱管２１の管部２３ａとヘリウムを貯留する流体貯留室５１Ｈとを接続する流体導入管Ｌ７の第２供給弁（Ｈｅ供給弁）５４を所定時間またはＳ１２で取得した圧力振幅Ｐ_０に応じた時間だけ開放させる（Ｓ２４）。

ここで、作動流体におけるアルゴンの比率と、自励振動する作動流体の共振周波数との間には、図７に示されるような相関が認められ、作動流体におけるアルゴンの比率が低下すればするほど、気柱管２１内における作動流体の共振周波数が高まることになる。従って、図６の混合比変更処理（Ｓ２４）により、流体導入管Ｌ６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）を気柱管２１の内部に所定量導入することにより、気柱管２１内における作動流体の共振周波数を高めて、自励振動する作動流体の圧力振幅Ｐ_０を減少させることができる。

この結果、第２実施形態に係る熱音響エンジン２０Ａによっても、熱音響自励振動の圧力振幅を常時許容範囲内に保って、自励振動の圧力振幅が過剰に大きくなってしまうことを抑制することができる。従って、熱音響エンジン２０Ａにおいても、作動流体の熱音響自励振動を発生させて音響出力を得る際の騒音を抑制すると共に、気柱管２１を始めとする各種構成要素の耐圧負担を軽減させて耐久性を向上させることが可能となる。なお、第２実施形態に係る熱音響エンジン２０Ａにおいて、第１実施形態に関連して説明された温度勾配変更処理および音響負荷変更処理が実行され得ることはいうまでもない。

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１の熱音響エンジンにおいて作動流体の圧力振幅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。気柱管内で自励振動する作動流体の平均圧力と圧力振幅との相関を例示するグラフである。気柱管内の作動流体の共振周波数を変化させるための他の構成を例示する模式図である。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の熱音響エンジンにおいて作動流体の混合比を変更する手順を説明するためのフローチャートである。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。

符号の説明

１内燃機関
１４冷媒導入弁
２０，２０Ａ熱音響エンジン
２１気柱管
２２ループ部
２３，２３Ａ共鳴部
２３ａ管部
２３ｂ閉鎖端部
２３ｃ可動チャンバ
２３ｄ開口部
２４発電量制御器
２５蓄熱器
２６高温熱交換器
２７低温熱交換器
２８，３３開閉弁
２９，３５ポンプ
３０作動流体貯留タンク
３１移動管
３２アクチュエータ
３４圧力センサ
３６作動流体導入弁
５０流体分離装置
５１容器
５１Ａ，５１Ｈ流体貯留室
５２分離膜
５３第１供給弁
５４第２供給弁
Ｌ１給気管
Ｌ２排気管
Ｌ３冷却系統
Ｌ４作動流体管
Ｌ５作動流体回収管
Ｌ６，Ｌ７流体導入管
ＲＰラックアンドピニオン
ＴＤトランスデューサ

Claims

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、
前記熱音響自励振動の圧力振幅を検出する圧力振幅検出手段と、
前記圧力振幅を変化させることができる圧力振幅設定手段と、
前記圧力振幅検出手段の検出値が所定の閾値を超えているか否か判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に基づいて前記圧力振幅が許容範囲内に保たれるように前記圧力振幅設定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エンジン。
前記閾値は、前記熱音響自励振動に起因する騒音と前記気柱管の耐圧限界との少なくとも何れか一方に基づいて定められることを特徴とする請求項１に記載の熱音響エンジン。
前記圧力振幅設定手段は、前記作動流体の平均圧力を変化させる手段、前記熱音響自励振動の周波数を変化させる手段、前記蓄熱手段の両端部間に形成される温度勾配を変化させる手段および熱音響エンジンの負荷を変化させる手段のうちの何れか一つまたはこれらの手段を複数組み合わせたもの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。
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。