JP2005180294A - Thermal acoustic engine - Google Patents

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Yasushi Ito
泰志 伊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal acoustic engine capable of excellently securing silence and reliability. <P>SOLUTION: This thermal acoustic engine 20 has a columnar gas pipe 21 sealed with a working fluid, and a heat accumulator 25 arranged in the columnar gas pipe 21, and generates thermal acoustic self-excited vibration of the working fluid, by forming a temperature gradient between both end parts of the heat accumulator 25. The thermal acoustic engine 20 has a working fluid pipe L4, an opening-closing valve 28, a pump 29, a working fluid storage tank 30, a moving pipe 31 and an actuator 32 for changing pressure amplitude of the thermal acoustic self-excited vibration. The opening-closing valve 28, the pump 29 and the actuator 32 are controlled so that the pressure amplitude is kept in an allowable range by an ECU 40. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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。   The present invention relates to a thermoacoustic engine that forms a temperature gradient between both ends of a heat storage means arranged in an air column tube and generates thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid in the air column tube.

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。   Conventionally, a refrigerator utilizing a thermoacoustic phenomenon has been proposed (see, for example, Patent Document 1). This refrigerator includes a pipe filled with gas, a stack disposed inside the pipe and sandwiched between a high temperature side heat exchanger and a low temperature side heat exchanger, and a high temperature side at a position asymmetric with the stack. And a regenerator arranged together with the heat exchanger and the low temperature side heat exchanger. This refrigerator generates a self-excited vibration of gas in the stack by forming a temperature gradient between both ends of the stack, and stores it in the regenerator by propagation of standing waves and traveling waves obtained thereby. It is.

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。   Conventionally, an apparatus for recovering exhaust heat of an internal combustion engine using a thermoacoustic phenomenon has been proposed (see, for example, Patent Document 2). This device includes a resonance pipe connected to an exhaust gas purification catalytic converter of an internal combustion engine, a stack provided at one end of the resonance pipe, and a transducer provided at the other end of the resonance pipe. In this apparatus, one end of the stack is heated by heat generated from the catalytic converter, and a temperature gradient is applied between both ends of the stack. Thereby, sound waves are generated in the stack, and the energy of the sound waves is converted into electric energy by the transducer.

特許第3015786号公報Japanese Patent No. 3015786 特開2002−122020号公報JP 2002-122020 A

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。   As described above, by using the thermoacoustic phenomenon, it is possible to obtain cold without using a compressor, chlorofluorocarbon or the like, or to recover exhaust heat (waste heat) of the internal combustion engine. However, there are many problems to be solved in putting a device using a thermoacoustic phenomenon into practical use, and sufficient silence and reliability are obtained when generating acoustic output by generating thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid. It is necessary to secure.

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。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoacoustic engine that can ensure good silence and reliability.

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。   The thermoacoustic engine according to the present invention has an air column tube in which a working fluid is enclosed, and heat storage means disposed inside the air column tube, and operates by forming a temperature gradient between both ends of the heat storage unit. In a thermoacoustic engine that generates thermoacoustic self-excited vibration of a fluid, pressure amplitude detecting means for detecting the pressure amplitude of the thermoacoustic self-excited vibration, pressure amplitude setting means capable of changing the pressure amplitude, and pressure amplitude detecting means Determination means for determining whether or not the detected value exceeds a predetermined threshold, and control means for controlling the pressure amplitude setting means so that the pressure amplitude is maintained within an allowable range based on the determination result of the determination means. It is characterized by providing.

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。   In this thermoacoustic engine, the pressure amplitude of the self-excited vibration of the working fluid generated in the air column tube is detected by the pressure amplitude detection means, and whether the detection value of the pressure amplitude detection means exceeds a predetermined threshold value by the determination means It is determined whether or not. Then, the pressure amplitude setting means is controlled by the control means according to the determination result of the determination means, whereby the pressure amplitude of the thermoacoustic self-excited vibration is kept within the allowable range. As a result, in this thermoacoustic engine, it is possible to suppress the pressure amplitude of the self-excited vibration from becoming excessively large. Therefore, the noise when generating the acoustic output by generating the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid. In addition, it is possible to improve durability by reducing the pressure-resistant burden of various components including the air column tube.

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。   In this case, the threshold is preferably determined based on at least one of noise caused by thermoacoustic self-excited vibration and a pressure limit of the air column tube.

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。   The pressure amplitude setting means includes means for changing the average pressure of the working fluid, means for changing the frequency of the thermoacoustic self-excited vibration, means for changing the temperature gradient formed between both ends of the heat storage means, and the thermoacoustic engine. It is preferable that any one of the means for changing the load or a combination of these means.

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。   That is, by changing at least one of the average pressure of the working fluid, the frequency of self-excited vibration, the temperature gradient formed between both ends of the heat storage means, and the load of the thermoacoustic engine, The pressure amplitude can be easily and reliably kept within the allowable range.

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。   For example, the pressure amplitude setting unit includes a working fluid storage unit that stores the working fluid, and moves the working fluid between the working fluid storage unit and the air column tube to change the average pressure of the working fluid in the air column tube. It is good that it is a means to make. Further, the pressure amplitude setting means may include a resonator and a means for changing the pipe length of the resonator. Further, when the working fluid is a mixed fluid in which a plurality of fluids are mixed, the pressure amplitude setting means collects the working fluid in the air column tube and separates it into a plurality of fluids. Means that can be individually re-supplied inside the tube may be employed.

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。   And the thermoacoustic engine by this invention is further provided with the high temperature heat exchanger arrange | positioned at the one end side of a thermal storage means, and it is preferable that this high temperature heat exchanger uses exhaust gas of an internal combustion engine as a heat source. As a result, the exhaust heat of the internal combustion engine can be efficiently recovered using the thermoacoustic engine.

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。   According to the present invention, it is possible to realize a thermoacoustic engine that can ensure quietness and reliability.

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。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a thermoacoustic engine according to the present invention. As shown in the figure, the thermoacoustic engine 20 is applied to, for example, an internal combustion engine 1 used as a travel drive source of a vehicle. First, the internal combustion engine 1 to which the thermoacoustic engine 20 is applied will be briefly described. The internal combustion engine 1 burns a mixture of fuel and air in a combustion chamber 3 formed in the cylinder block 2 and burns it. The piston 4 is reciprocated in the chamber 3 to generate power.

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。   The intake port of the combustion chamber 3 is connected to the intake manifold 5, and the exhaust port of the combustion chamber 3 is connected to the exhaust manifold 6. In addition, an intake valve Vi that opens and closes an intake port, an exhaust valve Ve that opens and closes an exhaust port, a spark plug 7, and an injector 8 are disposed for each combustion chamber 3 in the cylinder head of the internal combustion engine 1. The intake manifold 5 is connected to a surge tank 9, and an air supply pipe L <b> 1 is connected to the surge tank 9. The air supply pipe L1 is connected to an air intake port (not shown) via the air cleaner 10. Further, a throttle valve 11 is incorporated in the middle of the supply pipe L1 (between the surge tank 9 and the air cleaner 10). On the other hand, the exhaust manifold 6 is connected to an exhaust pipe L2, and a front-stage catalyst device 12a and a rear-stage catalyst device 12b are incorporated in the exhaust pipe L2.

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。   The thermoacoustic engine 20 of the present invention is used to recover the exhaust heat of the internal combustion engine 1 as described above. The thermoacoustic engine 20 has an air column tube 21 formed of stainless steel or the like so as to have a circular cross section, and inside the air column tube 21 is an operation such as nitrogen, helium, argon, a mixed gas of helium and argon. A fluid (inert gas) is enclosed. As shown in FIG. 1, the air column tube 21 includes a loop portion 22 formed in a substantially rectangular loop shape and a resonance portion 23 connected to one corner portion of the loop portion 22. The resonance part 23 includes a tube part 23a having a circular cross section approximately the same diameter as the loop part 22, and a closed end part 23b connected to the tip of the tube part 23a, and functions as a resonator. The diameter of the closed end portion 23b is gradually increased from the distal end of the tube portion 23a toward the closed end. (Sound / electrical conversion means) 24 is arranged. The transducer TD is connected to the power generation amount controller 24, and the power generation amount of the transducer TD is set by the power generation amount controller 24.

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。   A heat accumulator (heat storage means) 25 is disposed inside the loop portion 22 of the air column tube 21. The heat accumulator 25 has a plurality of narrow flow paths extending in parallel with the axial direction of the air column tube 21 at the arrangement location. As the heat accumulator 25, a honeycomb structure made of ceramic or the like, a thin mesh made of stainless steel or the like arranged at a minute interval, a nonwoven fabric in which metal fibers such as stainless steel are gathered, or the like can be used. A high temperature heat exchanger 26 is disposed adjacent to one end side of the heat accumulator 25, and a low temperature heat exchanger 27 is disposed adjacent to the other end side of the heat accumulator 25. That is, the heat accumulator 25 is arranged in a state of being sandwiched between the high temperature heat exchanger 26 and the low temperature heat exchanger 27.

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。   Exhaust gas flowing through the exhaust pipe L2 of the internal combustion engine 1 is supplied to the heat transfer tubes constituting the high temperature heat exchanger 26, and the high temperature heat exchanger 26 uses the exhaust gas of the internal combustion engine 1 as a heat source. In the present embodiment, the high-temperature heat exchanger (its heat transfer pipe) 26 is incorporated in the exhaust pipe L2 between the front-stage catalyst apparatus 12a and the rear-stage catalyst apparatus 12b. The heat transfer tubes constituting the low-temperature heat exchanger 27 are incorporated in the cooling system L3 of the internal combustion engine 1, and the low-temperature heat exchanger 27 serves as a heat source (cold heat source) for cooling water flowing through the cooling system L3. . The cooling system L3 includes a refrigerant introduction valve 14 that is an on-off valve or a flow rate adjustment valve. By controlling the refrigerant introduction valve 14, cooling water for the low-temperature heat exchanger (the heat transfer pipe) 27 is provided. It is possible to change the supply amount and the like.

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。   In addition, the air column pipe 21 (the pipe portion 23a in the present embodiment) of the thermoacoustic engine 20 is provided with a working fluid storage tank (through a working fluid pipe L4 having an on-off valve (normally closed) 28 and a pump 29 in the middle. Working fluid storage means) 30 is connected. The working fluid storage tank 30 stores the same fluid as the working fluid sealed in the air column tube 21 under a predetermined pressure. Therefore, by opening the on-off valve 28 and operating the pump 29, the working fluid in the working fluid storage tank 30 is introduced into the air column tube 21, and the pressure of the working fluid in the air column tube 21 (average) Pressure) can be increased. Further, when the pressure (average pressure) of the working fluid in the air column tube 21 is high to some extent, the working fluid is returned from the air column tube 21 to the working fluid storage tank 30 by opening the on-off valve 28, and the air column tube The pressure (average pressure) of the working fluid in 21 can be reduced. That is, the working fluid pipe L4, the on-off valve 28, the pump 29, and the working fluid storage tank 30 function as means for changing the average pressure of the working fluid in the air column pipe 21.

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。   Furthermore, a movable tube 31 having an outer diameter smaller than the inner diameter of the tube portion 23a is slidably disposed inside the distal end of the tube portion 23a of the resonance portion 23. An actuator (fluid pressure cylinder) 32 for moving the moving tube 31 in parallel with the tube portion 23a is disposed inside the closed end portion 23b. The actuator 32 is connected to a fluid source (not shown) via the on-off valve 33. By operating the on-off valve 33 to operate the actuator 32, the pipe length of the resonance unit 23 can be changed. Accordingly, the movable tube 31 and the actuator 32 function as means for changing the resonance frequency of the working fluid in the air column tube 21.

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。   The thermoacoustic engine 20 includes an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 40 that functions as control means. The ECU 40 includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output port, a storage device, etc., all not shown. The refrigerant introduction valve 14 of the cooling system L3, the on-off valve 28 of the working fluid pipe L4 and the pump 29, the on-off valve 33 for the actuator 32, the power generation amount controller 24 of the transducer TD, etc. are connected to the input / output ports of the ECU 40, respectively. These are controlled by the ECU 40. In addition, a pressure sensor 34 is installed in the air column tube 21 of the thermoacoustic engine 20 in the vicinity of a connection portion between the loop portion 22 and the resonance portion 23. The pressure sensor 34 is also connected to the ECU 40, and the sensor 34 detects the pressure of the working fluid in the air column tube 21 and gives a signal indicating the detected value to the ECU 40.

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。   In the thermoacoustic engine 20 configured as described above, after the internal combustion engine 1 is operated and the exhaust gas from the combustion chamber 3 passes through the pre-catalyst device 12a, it passes through the high-temperature heat exchanger 26 of the thermoacoustic engine 20. When it comes to start operation. In this case, since the temperature of the exhaust gas that has passed through the pre-stage catalyst device 12a reaches about 900 ° C. at the maximum, one end of the heat accumulator 25 is heated by the exhaust gas flowing through the high-temperature heat exchanger 26. Raise the temperature. On the other hand, the low temperature heat exchanger 27 of the thermoacoustic engine 20 is supplied with cooling water (approximately 80 to 100 ° C.) that flows through the cooling system L3. Cooled by the cooling water flowing through the low-temperature heat exchanger 27. As a result, a large temperature gradient is formed between both ends of the heat accumulator 25, and as a result, thermoacoustic self-excited vibration (sound wave) of the working fluid is generated.

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。   When the frequency of the self-excited vibration (sound wave) of the working fluid generated in this way matches the resonance frequency in the resonance part 23, a standing wave is formed in the resonance part 23. Further, a traveling wave traveling from the low temperature heat exchanger 27 to the high temperature heat exchanger 26 is formed in the loop portion 22. And the vibration part of the transducer TD arrange | positioned at the closed end part 23b is vibrated by the standing wave formed in the resonance part 23. FIG. The transducer TD converts standing wave energy (acoustic energy) in the resonance unit 23 into electric energy, and the obtained electric energy is supplied to a predetermined electric load via the power generation amount controller 24. Thereby, according to the thermoacoustic engine 20 of this invention, the exhaust heat of the internal combustion engine 1 can be collect | recovered efficiently, and the electric power for predetermined | prescribed electric loads can be obtained. In place of arranging the transducer TD in the resonance unit 23, units of a heat accumulator, a high temperature heat exchanger, and a low temperature heat exchanger are arranged in the loop unit 22, and the exhaust heat energy recovered by the thermoacoustic engine 20 is used. Then, the unit may be operated as a refrigerator.

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。   Now, it is possible to recover exhaust heat (waste heat) of the internal combustion engine 1 satisfactorily by using the thermoacoustic phenomenon as described above. It is necessary to sufficiently ensure the quietness and reliability when generating the acoustic output by generating the thermoacoustic self-excited vibration of the fluid. In other words, if the pressure amplitude of the self-excited vibration of the working fluid becomes excessive when obtaining the acoustic output from the thermoacoustic engine, noise problems and the pressure of the working fluid will approach the pressure limit of the air column tube, etc. There may be a problem that the durability of the column tube or the like is lowered. Therefore, in the thermoacoustic engine 20 of the present embodiment, the pressure amplitude control routine shown in FIG. 2 is executed in order to keep the pressure amplitude of the self-excited vibration of the working fluid within the allowable range.

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を求める。 The pressure amplitude control routine shown in FIG. 2 is repeatedly executed by the ECU 40 every predetermined time. When it is time to execute the pressure amplitude control routine, the ECU 40 calculates the pressure amplitude P 0 of the working fluid that self-oscillates in the air column tube 21 based on the signal sent from the pressure sensor 34 (S10, S12). In this case, the ECU 40 acquires the maximum pressure and the minimum pressure of the working fluid that self-oscillates in the air column tube 21 based on the signal from the pressure sensor 34 in S10, and these maximum pressures in S12. Then, the pressure amplitude P 0 of the working fluid in the air column tube 21 is obtained from the minimum pressure.

気柱管21内の作動流体の圧力振幅Pを求めると、ECU40は、圧力振幅Pが予め定められている許容圧力振幅P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が予め定められている許容圧力振幅P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。 When determining the pressure amplitude P 0 of the working fluid Kihashirakan in 21, ECU 40 determines whether the pressure amplitude P 0 is permitted pressure amplitude P A more than is predetermined (S14). Allowable pressure amplitude P A used herein, the breakdown voltage limit noise tolerance or Kihashirakan 21 due to thermoacoustic self-excited vibration, or determined based on both of them, it is stored in advance in the storage device . Then, ECU 40 is, S14 in the case where the pressure amplitude P 0 is determined that the allowable pressure amplitude P A more than is predetermined, the pressure amplitude decreases to reduce the pressure amplitude P 0 of the working fluid Kihashirakan 21 Processing is executed (S16). In the present embodiment, any one or more of the following processes (1) to (4) are executed as the pressure amplitude reduction process of S16.

(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が予め定められている許容圧力振幅P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と許容圧力振幅P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。
(1) Average Pressure Reduction Process This average pressure reduction process is to reduce the pressure amplitude P 0 of the working fluid that vibrates by itself by reducing the average pressure of the working fluid in the air column tube 21. In this case, ECU 40, when the pressure amplitude P 0 is determined to be allowable pressure amplitudes P A or more is predetermined at S14, the opening and closing valve 28 of the hydraulic fluid conduit L4 to a predetermined time or pressure amplitude P 0 allowable pressure It is opened for a time corresponding to the deviation between the amplitude P a (S16). As a result, the working fluid in the air column tube 21 is returned to the working fluid storage tank 30 via the working fluid tube L4, so that the pressure (average pressure) of the working fluid in the air column tube 21 is reduced. .

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を減少させることが可能となる。 Here, the average pressure Pm (the average value of the pressure of the self-excited working fluid, that is, the average of the maximum pressure and the minimum pressure) and the pressure amplitude P 0 are shown in FIG. If the average pressure Pm decreases, the pressure amplitude P 0 also decreases accordingly. Therefore, the pressure amplitude P 0 of the self-excited working fluid is reduced by returning the working fluid in the air column tube 21 to the working fluid storage tank 30 and lowering the average pressure of the working fluid in the air column tube 21. It becomes possible to make it.

(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が予め定められている許容圧力振幅P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が減少することになる。
(2) Resonance Frequency Change Process This resonance frequency change process is to reduce the pressure amplitude P 0 of the self-excited working fluid by increasing the resonance frequency of the working fluid in the air column tube 21. In this case, ECU 40, when the pressure amplitude P 0 is determined to be allowable pressure amplitudes P A or more is predetermined at S14, as the moving tube 31 is moved by a predetermined amount toward the loop portion 22 actuator 32 Is operated (S16). As a result, the pipe length of the resonator constituted by the tube portion 23a and the closed end portion 23b is shortened, and the resonance frequency of the working fluid in the air column tube 21 is increased. so that the pressure amplitude P 0 of the fluid is reduced.

(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が予め定められている許容圧力振幅P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が減少することになる。
(3) Temperature gradient change process This temperature gradient change process is self-excited by reducing the temperature gradient formed between both ends of the heat accumulator 25 by the high temperature heat exchanger 26 and the low temperature heat exchanger 27. The pressure amplitude P 0 of the working fluid is decreased. In this case, ECU 40, when the pressure amplitude P 0 is determined to be allowable pressure amplitudes P A or more is predetermined at S14, the control to the low-temperature heat exchange refrigerant introduction valve 14 provided in the cooling system L3 The supply of the cooling water to the heater (its heat transfer tube) 27 is stopped or the supply amount of the cooling water is decreased. As a result, the cooling capacity of the heat accumulator 25 by the low-temperature heat exchanger 27 is reduced, so that the temperature gradient formed between both ends of the heat accumulator 25 is reduced. which in turn reduces the pressure amplitude P 0.

(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が予め定められている許容圧力振幅P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を減少させることが可能となる。
(4) Acoustic load changing process This acoustic load changing process increases the power generation amount of the transducer TD (if a thermoacoustic refrigerator is arranged in the loop portion 22 or the like, the amount of cold heat generated by the refrigerator). it is intended to reduce the pressure amplitude P 0 of the working fluid self-excited vibration. In this case, ECU 40, when the pressure amplitude P 0 is determined to be allowable pressure amplitudes P A or more is predetermined at S14, predetermined so as to increase the power generation amount of the transducer TD against power generation controller 24 Is given (S16). As described above, it is possible to reduce the pressure amplitude P 0 of the working fluid that vibrates by itself by increasing the load of the thermoacoustic engine 20.

このように、熱音響エンジン20では、圧力振幅Pが予め定められている許容圧力振幅P以上になると、自励振動する作動流体の圧力振幅P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。 Thus, the thermoacoustic engine 20, at the unacceptably pressure amplitude P A of the pressure amplitude P 0 are predetermined, in order to reduce the pressure amplitude P 0 of the working fluid self-excited oscillation, (1) Average Any one or more of a pressure drop process, (2) resonance frequency change process, (3) temperature gradient change process, and (4) acoustic load change process are executed. As a result, the pressure amplitude of the thermoacoustic self-excited vibration is always kept within the allowable range, and the pressure amplitude of the self-excited vibration can be suppressed from becoming excessively large. Therefore, in the thermoacoustic engine 20, while suppressing the noise at the time of obtaining the acoustic output by generating the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid, the pressure-resistant burden of various components including the air column tube 21 is reduced. Durability can be improved.

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。   In order to change the resonance frequency of the working fluid, the resonance portion of the air column tube 21 may be configured as shown in FIG. 4 includes a tube portion 23a, a closed end portion 23b connected to the tube portion 23a, and a movable chamber 23c disposed in the closed end portion 23b. The movable chamber 23c is rotatably supported inside the closed end 23b and has one opening 23d. Thereby, the inside of the movable chamber 23c and the flow path defined between the inner surface of the closed end 23b and the outer surface of the movable chamber 23c communicate with each other through the opening 23d of the movable chamber 23c. The movable chamber 23c is rotated in the forward and reverse directions inside the closed end portion 23b by driving means (not shown) via a rack and pinion RP composed of a rack R and a pinion P.

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を減少させることが可能となる。 Under such a configuration, the movable chamber 23c is rotated inside the closed end portion 23b to change the position of the opening 23d, whereby the tube portion 23a, the closed end portion 23b, and the movable chamber 23c are configured. The pipe length of the resonator can be changed. Therefore, even with a resonance portion 23A of FIG. 8, to increase the resonance frequency of the working fluid Kihashirakan 21, it becomes possible to reduce the pressure amplitude P 0 of the working fluid self-excited vibration.

〔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。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the thermoacoustic engine of the internal combustion engine according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same elements as those described in relation to the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

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。   The thermoacoustic engine 20 </ b> A shown in FIG. 5 has basically the same configuration as the thermoacoustic engine 20 of the first embodiment, and a mixture of fuel and air inside the combustion chamber 3 formed in the cylinder block 2. Is applied to the internal combustion engine 1 that generates power by reciprocating the piston 4 in the combustion chamber 3. In the thermoacoustic engine 20A, a mixed gas of helium and argon is used as a working fluid. And thermoacoustic engine 20A is comprised so that the mixing ratio of helium and argon in the working fluid which is a mixed gas of helium and argon can be changed.

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。   That is, a pump 35 and a working fluid introduction valve (open / close valve) 36 that can suck out the working fluid in the air column pipe 21 are provided in the air column pipe 21 (the pipe portion 23a in this embodiment) of the thermoacoustic engine 20. A fluid separation device 50 is connected via a working fluid recovery pipe L5. The fluid separation device 50 includes a container 51 that can store a fluid therein, and a separation membrane 52 that partitions the internal space of the container 51 into two fluid storage chambers 51A and 51H.

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。   The working fluid recovery pipe L5 described above is connected to one fluid storage chamber 51A of the container 51. The fluid storage chamber 51 </ b> A is connected to the air column pipe 21 (in this embodiment, the pipe portion 23 a) via a fluid introduction pipe L <b> 6 having a first supply valve (open / close valve) 53. The other fluid storage chamber 51H of the container 51 is connected to the air column tube 21 (in this embodiment, the tube portion 23a) via a fluid introduction tube L7 having a second supply valve (open / close valve) 54. . The pump 35, the working fluid introduction valve 36, and the first and second supply valves 53 and 54 are respectively connected to the input / output ports of the ECU 40, and these are controlled by the ECU 40. The pump 35, the working fluid introduction valve 36, the working fluid recovery pipe L5, the fluid separation device 50, the first and second supply valves 53 and 54, and the fluid introduction pipes L6 and L7 are operated in the air column pipe 21. It functions as a means for changing the mixing ratio of helium and argon in the fluid.

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。   In addition, the separation membrane 52 that partitions the inside of the container 51 can pass only helium in the working fluid and separate it from argon. In the present embodiment, a porous membrane formed of polyimide, cellulose acetate, polynullphen, polyamide, polyetherimide, or the like is employed as the separation membrane 52. The separation membrane 52 formed of any of these materials regulates the passage of argon (molecular weight 40) having a relatively high molecular weight, while allowing the passage of helium (molecular weight 4) having a molecular weight smaller than that of argon. As the separation membrane 52, a porous glass hollow fiber membrane having a large number of minute pores of about 0.3 to 1.0 nm and capable of concentrating helium to about 500 times that of nitrogen may be employed. .

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が予め定められている許容圧力振幅P以上であると判断された場合に、圧力振幅P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。 Also in the thermoacoustic engine 20A configured as described above, the pressure amplitude control routine of FIG. 2 described in relation to the first embodiment by the ECU 40 in order to keep the pressure amplitude of the self-excited vibration of the working fluid within an allowable range. Is executed. Then, the thermoacoustic engine 20A, when the pressure amplitude P 0 of the working fluid self-excited vibration in Kihashirakan within 21 is determined to be allowable pressure amplitudes P A more than is predetermined, the pressure amplitude P 0 As the pressure amplitude reduction process for reducing the ratio, the mixture ratio change process shown in FIG. 6 can be executed.

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が予め定められている許容圧力振幅P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に応じた時間だけ開放させる(S24)。 The mixing ratio changing process shown in FIG. 6 is to reduce the pressure amplitude P 0 of the self-excited working fluid by changing the mixing ratio of helium and argon in the working fluid in the air column tube 21. . In this case, ECU 40, at S14 when the pressure amplitude P 0 is determined to be allowable pressure amplitudes P A more than is predetermined, with opening the working fluid inlet valve 36 of the hydraulic fluid recovery pipe L5 (S20), The pump 35 of the working fluid recovery pipe L5 is operated for a predetermined time (S22). When the pump 35 is operated for a predetermined time, the ECU 40 connects the first supply valve (Ar supply valve) of the fluid introduction pipe L6 that connects the pipe portion 23a of the air column pipe 21 and the fluid storage chamber 51A for storing argon. 53 is closed (maintained in a closed state), and the second supply valve (He supply valve) 54 of the fluid introduction pipe L7 that connects the pipe portion 23a of the air column pipe 21 and the fluid storage chamber 51H that stores helium is provided. It is opened by time corresponding to the pressure amplitude P 0 obtained at a predetermined time or S12 (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を減少させることができる。 Here, a correlation as shown in FIG. 7 is recognized between the ratio of argon in the working fluid and the resonant frequency of the self-excited working fluid, and the more the ratio of argon in the working fluid decreases. The resonance frequency of the working fluid in the air column tube 21 is increased. Accordingly, by introducing a predetermined amount of helium (only) from the fluid separation device 50 (fluid storage chamber 51H) into the air column tube 21 through the fluid introduction pipe L6 by the mixing ratio changing process (S24) of FIG. The resonance frequency of the working fluid in the air column tube 21 can be increased to reduce the pressure amplitude P 0 of the working fluid that vibrates by itself.

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。   As a result, the thermoacoustic engine 20A according to the second embodiment also maintains the pressure amplitude of the thermoacoustic self-excited vibration within the allowable range at all times, and suppresses the pressure amplitude of the self-excited vibration from becoming excessively large. be able to. Therefore, also in the thermoacoustic engine 20A, the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid is generated to suppress the noise when obtaining the acoustic output, and the pressure-resistant burden of various components including the air column tube 21 is reduced. Thus, durability can be improved. Needless to say, in the thermoacoustic engine 20A according to the second embodiment, the temperature gradient changing process and the acoustic load changing process described in relation to the first embodiment can be executed.

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。1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a thermoacoustic engine according to the present invention. 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。2 is a flowchart for explaining a procedure for controlling a pressure amplitude of a working fluid in the thermoacoustic engine of FIG. 1. 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。It is a graph which illustrates the correlation with the average pressure and pressure amplitude of the working fluid which self-oscillates in an air column pipe. 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。It is a schematic diagram which illustrates the other structure for changing the resonant frequency of the working fluid in an air column pipe. 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。It is a schematic block diagram which shows 2nd Embodiment of the thermoacoustic engine by this invention. 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。6 is a flowchart for explaining a procedure for changing the mixing ratio of the working fluid in the thermoacoustic engine of FIG. 5. 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。It is a graph which illustrates the correlation with the ratio of the argon in the working fluid in an air column tube, and the resonant frequency of a working fluid.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Internal combustion engine 14 Refrigerant introduction valve 20, 20A Thermoacoustic engine 21 Air column pipe 22 Loop part 23, 23A Resonance part 23a Pipe part 23b Closed end part 23c Movable chamber 23d Opening part 24 Power generation amount controller 25 Heat accumulator 26 High temperature heat exchange Unit 27 Low-temperature heat exchanger 28, 33 On-off valve 29, 35 Pump 30 Working fluid storage tank 31 Moving pipe 32 Actuator 34 Pressure sensor 36 Working fluid introduction valve 50 Fluid separator 51 Container 51A, 51H Fluid storage chamber 52 Separation membrane 53 1 supply valve 54 2nd supply valve L1 supply pipe L2 exhaust pipe L3 cooling system L4 working fluid pipe L5 working fluid recovery pipe L6, L7 fluid introduction pipe RP rack and pinion TD transducer

Claims (4)

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。
An air column tube in which the working fluid is sealed, and heat storage means disposed inside the air column tube, and a temperature gradient is formed between both end portions of the heat storage unit so that the thermoacoustic self-excitation of the working fluid is performed. In a thermoacoustic engine that generates vibration,
Pressure amplitude detecting means for detecting the pressure amplitude of the thermoacoustic self-excited vibration;
Pressure amplitude setting means capable of changing the pressure amplitude;
Determination means for determining whether or not a detection value of the pressure amplitude detection means exceeds a predetermined threshold;
A thermoacoustic engine comprising: control means for controlling the pressure amplitude setting means so that the pressure amplitude is maintained within an allowable range based on a determination result of the determination means.
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。   The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein the threshold is determined based on at least one of noise caused by the thermoacoustic self-excited vibration and a pressure limit of the air column tube. 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。   The pressure amplitude setting means includes means for changing an average pressure of the working fluid, means for changing the frequency of the thermoacoustic self-excited vibration, means for changing a temperature gradient formed between both ends of the heat storage means, and heat. The thermoacoustic engine according to claim 1 or 2, wherein any one of the means for changing the load of the acoustic engine or a combination of these means is used. 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。
The high-temperature heat exchanger disposed on one end side of the heat storage means is further provided, and the high-temperature heat exchanger uses exhaust gas from the internal combustion engine as a heat source. Thermoacoustic engine.
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