JP2005351222A - Thermal acoustic engine and method for operating the same - Google Patents

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JP2005351222A JP2004174709A JP2004174709A JP2005351222A JP 2005351222 A JP2005351222 A JP 2005351222A JP 2004174709 A JP2004174709 A JP 2004174709A JP 2004174709 A JP2004174709 A JP 2004174709A JP 2005351222 A JP2005351222 A JP 2005351222A
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泰志 伊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve startability and operation continuity of a thermal acoustic engine by surely and quickly generating thermal acoustic self-excited vibration of working fluid. <P>SOLUTION: The thermal acoustic engine 20 includes a gas column pipe 21 filled with working fluid, a heat accumulator 25 arranged in the gas column pipe 21. Temperature gradient is formed between both end parts of the heat accumulator 25 to generate thermal acoustic self-excited vibration of working fluid. The thermal acoustic engine 20 includes working fluid pipes L4, L5 for forcedly vibrating working fluid in the gas column pipe 21 at a time of start and when thermal acoustic self-excited vibration becomes dissipating, a pump 28, a working fluid storage tank 29 and an opening/closing valve 30. <P>COPYRIGHT: (C)2006,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およびその運転方法に関する。   The present invention relates to a thermoacoustic engine that generates a thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid in an air column tube by forming a temperature gradient between both ends of a heat storage means arranged in the air column tube, and an operating method thereof.

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.

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。   Furthermore, conventionally, a thermoacoustic generator that generates a pressure gradient in the gas in the loop pipe by forming a temperature gradient between both ends of the heat storage section in the loop pipe and generates electric power in accordance with a traveling wave generated by the pressure vibration. Has also been proposed (see, for example, Patent Document 3). This thermoacoustic generator has a starter / generator including a linear motor and a piston cylinder. The starter / generator functions as a starter motor when the thermoacoustic generator is activated, and reciprocally moves the piston cylinder to apply pressure vibration to the gas at an arbitrary frequency to generate self-oscillation of the gas in the loop tube. When pressure vibration due to self-excited oscillation occurs in the loop tube, the starter / generator functions as a generator that generates power in accordance with traveling waves generated by the pressure vibration.

特許第3015786号公報Japanese Patent No. 3015786 特開2002−122020号公報JP 2002-122020 A 特開2003―324932号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-324932

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。   As described above, by utilizing the thermoacoustic phenomenon, various waste heats can be recovered to obtain electric energy and cold energy. However, it is not always easy to satisfactorily generate thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid in order to start power generation or the like. In addition, when performing power generation using thermoacoustic phenomenon, the self-excited vibration of the working fluid is likely to disappear for some reason. It needs to be generated (reproduced) promptly. That is, the conventional apparatus using the thermoacoustic phenomenon still has room for improvement in terms of startability and operation sustainability.

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。   In this case, self-excited vibration can be generated relatively early if the piston cylinder is reciprocated in the loop pipe to give pressure vibration to the gas as in the conventional example. However, if the piston is arranged in the loop pipe, the movement of the working fluid in the loop pipe is hindered by the piston after the occurrence of vibration, so that a desired sound output or the like cannot be obtained. Further, even if the piston cylinder is reciprocated in the loop pipe in a state where the self-excited vibration of the working fluid is likely to disappear, it is difficult to reliably and quickly reproduce the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid.

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。   Therefore, the present invention can reliably and promptly generate the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid, and can reliably generate the thermoacoustic engine having good startability and operation sustainability, and the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid. An object of the present invention is to provide an operation method for promptly generating a thermoacoustic engine that is generated promptly.

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。   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, the working fluid in the air column tube is forced by flowing the working fluid into the air column tube or flowing the working fluid out of the air column tube. It is provided with the forced vibration means to vibrate.

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。   The thermoacoustic engine includes forced vibration means for forcibly vibrating the working fluid in the air column tube by flowing the working fluid into the air column tube or letting the working fluid flow out of the air column tube. Therefore, if the forced vibration means is activated when the thermoacoustic engine starts or when the self-excited vibration of the working fluid is likely to disappear for some reason, the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid is reliably and promptly Can be generated or reproduced. Thereby, this thermoacoustic engine has a favorable startability and driving | operation sustainability. Further, the forced vibration means for allowing the working fluid to flow into or out of the air column tube can be arranged so as not to hinder the progress of the working fluid in the air column tube.

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。   In this case, it is preferable that the connection portion between the forced vibration means and the air column tube substantially coincides with the antinode position of the pressure vibration standing wave in the air column tube.

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。   That is, the working fluid flows into the air column tube in the vicinity of the antinode position of the pressure vibration standing wave in the air column tube, or the working fluid flows out of the air column tube to Since the pressure change can be effectively applied, the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid can be surely and promptly generated or regenerated.

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。   Moreover, the connection location of the forced vibration means and the air column tube may substantially coincide with the antinode position of the velocity fluctuation standing wave in the air column tube.

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。   As described above, the working fluid is allowed to flow into the air column tube in the vicinity of the antinode of the velocity fluctuation standing wave in the air column tube, or the working fluid is allowed to flow out of the air column tube to be changed into the working fluid in the air column tube. On the other hand, since it is possible to effectively change the speed, it is possible to reliably and promptly generate or regenerate the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid.

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。   Furthermore, the forced vibration means may be connected to the air column tube in the vicinity of the heat storage means.

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。   As described above, the working fluid is caused to flow into the air column tube in the vicinity of the heat storage means, or the working fluid is caused to flow out from the air column tube, so that the phase of the pressure vibration and the phase of the velocity vibration are approximately the same. A traveling wave can be quickly generated and reproduced.

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。   Further, the forced vibration means is preferably operated based on the natural vibration period of the air column tube.

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。   That is, the working fluid is allowed to flow into the air column tube so as to synchronize with the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid generated due to the temperature gradient formed between both ends of the heat storage means, or By allowing the working fluid to flow out from the thermodynamic self-excited vibration of the working fluid, it becomes possible to quickly grow or regenerate the working fluid.

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。   Furthermore, the working fluid is a mixed fluid obtained by mixing a plurality of fluids, and the forced vibration means causes a fluid having a relatively large molecular weight to flow into the air column tube among the plurality of fluids. It is preferable to flow out from the column tube.

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。   Since the momentum of the fluid can be sufficiently secured if the molecular weight of the fluid flowing into or out of the air column tube is relatively large, the amount of fluid flowing into or out of the air column tube Even if the number is reduced, the working fluid in the air column can be effectively vibrated.

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。   The operation method of the thermoacoustic engine according to the present invention includes an air column tube in which a working fluid is sealed, and heat storage means arranged inside the air column tube, and forms a temperature gradient between both ends of the heat storage unit. A method for operating a thermoacoustic engine that generates thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid, wherein the working fluid is caused to flow into or out of the air column tube under a predetermined condition. Thus, the working fluid in the air column tube is forcibly vibrated.

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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid can be generate | occur | produced reliably and rapidly, the thermoacoustic engine which has favorable startability and driving | operation sustainability, and the thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid is ensured. In addition, it is possible to realize an operation method that generates the thermoacoustic engine satisfactorily by generating it quickly.

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。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

〔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。
[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。   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, and a transducer (converting sound wave energy (acoustic energy) into electrical energy is provided at the closed end of the closed end portion 23b. (Sound / electrical conversion means) 24 is arranged.

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。   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 copper 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。   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 uses the cooling water flowing through the cooling system L3 as a heat source (cold heat source). . In the present embodiment, an exhaust gas supply adjustment valve 15 is provided at the exhaust gas inlet of the high temperature heat exchanger (its heat transfer tube) 26, and the exhaust gas supply adjustment valve 15 is closed to thereby prevent the high temperature heat exchanger 26. The supply of exhaust gas can be stopped. However, the exhaust supply adjustment valve 15 may be omitted so that the exhaust gas is constantly supplied from the internal combustion engine 1 to the high-temperature heat exchanger 26. Similarly, the cooling system L3 includes an on-off valve 16. By closing the on-off valve 16, the supply of cooling water to the low-temperature heat exchanger (its heat transfer tube) 27 can be stopped.

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。   On the other hand, a working fluid storage tank (working fluid storage means) 29 is connected to the air column tube 21 (the tube portion 23a in this embodiment) of the thermoacoustic engine 20 via a working fluid tube L4 having a pump 28 in the middle. Has been. The pump 28 can suck the working fluid in the air column tube 21 and pump it into the working fluid storage tank 29, and a predetermined amount of working fluid is introduced into the working fluid storage tank 29 in advance. Also, one end of a working fluid pipe L5 having an on-off valve (normally closed) 30 is connected to the working fluid storage tank 29 in the middle. The other end of the working fluid pipe L5 is located near the corner portion located on the opposite side of the closed end portion 23b across the pipe portion 23a among the four corner portions of the air column tube 21, specifically, the loop portion 22. It is connected. The working fluid storage tank 29 is provided with a pressure sensor 31 for detecting the pressure of the working fluid therein.

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。   By operating the pump 28 with the on-off valve 30 of the working fluid pipe L5 closed, the working fluid pressurized by the pump 28 is introduced into the working fluid storage tank 29 via the working fluid pipe L4. Then, by opening the on-off valve 30 (intermittently) with the relatively high pressure working fluid stored in the working fluid storage tank 29, the high pressure working fluid is supplied to the air column pipe via the working fluid pipe L5. The pressure change and speed change (mainly pressure change) can be given to the working fluid in the air column tube 21. That is, the working fluid pipes L4 and L5, the pump 28, the working fluid storage tank 29, the on-off valve 30 and the like function as forced vibration means for forcibly vibrating 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。   Furthermore, a movable tube 35 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) 36 for moving the moving tube 35 in parallel with the tube portion 23a is disposed inside the closed end portion 23b. The actuator 36 is connected to a fluid source (not shown) via an on-off valve 37, and the pipe length of the resonance unit 23 can be changed by operating the on-off valve 37 to activate the actuator 36. That is, the moving tube 35 and the actuator 36 function as a frequency setting unit that can change 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。   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 above-described exhaust supply adjustment valve 15, the on-off valve 16 of the cooling system L3, the pump 28, the on-off valve 30 of the working fluid pipe L5, the on-off valve 37 for the actuator 36, etc. are connected to the input / output ports of the ECU 40, respectively. These are controlled by the ECU 40. The pressure sensor 31 of the working fluid storage tank 29 is connected to the input / output port of the ECU 40. The pressure sensor 31 detects the pressure of the working fluid in the working fluid storage tank 29 and gives a signal indicating the detected value to the ECU 40. Further, a pressure sensor 34 is installed at a predetermined location of the air column tube 21. The pressure sensor 34 is also connected to an input / output port of the ECU 40. 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、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。   In the thermoacoustic engine 20 configured as described above, the internal combustion engine 1 is operated with the exhaust supply regulating valve 15 and the on-off valve 16 being opened, and the exhaust gas from the combustion chamber 3 has passed through the pre-catalyst device 12a. Thereafter, the operation starts when it passes through the high-temperature heat exchanger 26. 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 has cooling water at a relatively low temperature (generally atmospheric temperature immediately after the cold start of the internal combustion engine 1 and approximately 80 to 90 ° C. after completion of warm-up). Therefore, the other end of the heat accumulator 25 is cooled by 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。   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 24 arrange | positioned at the closed end part 23b is vibrated by the standing wave formed in the resonance part 23. FIG. The transducer 24 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 a controller (not shown). 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. Instead of arranging the transducer 24 in the resonance unit 23, a unit of a heat accumulator, a high temperature heat exchanger, and a low temperature heat exchanger is 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。   If the thermoacoustic engine 20 as described above is used, the exhaust heat (waste heat) of the internal combustion engine 1 can be recovered. However, the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid is generated satisfactorily and the thermoacoustic is generated. It is not always easy to start the engine 20 quickly. Further, during the operation of the thermoacoustic engine 20, the self-excited vibration of the working fluid may be likely to disappear for some reason (for example, the temperature gradient between both ends of the heat accumulator 25 is reduced). For this reason, in this embodiment, while starting the thermoacoustic engine 20 satisfactorily, the forced excitation routine shown in FIG. 2 is executed by the ECU 40 in order to keep the operation sustainability good.

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)。   As shown in FIG. 2, the ECU 40 first determines whether or not there is a start request for the thermoacoustic engine 20 (S10). When it is determined that there is a request to start the thermoacoustic engine 20, the ECU 40 opens the exhaust supply adjustment valve 15 provided at the exhaust gas inlet of the high-temperature heat exchanger 26 and the opening / closing valve 16 of the cooling system L3. At the same time, based on a signal from the pressure sensor 31 of the working fluid storage tank 29, it is determined whether or not the pressure of the working fluid in the working fluid storage tank 29 is equal to or higher than a predetermined threshold (S12).

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。   When it is determined in S12 that the pressure of the working fluid in the working fluid storage tank 29 is lower than the threshold value, the ECU 40 turns on the pump 28 of the working fluid pipe L4 with the on-off valve 30 of the working fluid pipe L5 closed. Operate (S14). As a result, the working fluid pressurized by the pump 28 via the working fluid pipe L4 is introduced into the working fluid storage tank 29, and the pressure of the working fluid in the working fluid storage tank 29 increases. The ECU 40 operates the pump 28 of the working fluid pipe L4 in S14 until it is determined that the pressure of the working fluid in the working fluid storage tank 29 is equal to or higher than the threshold value.

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T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。 If an affirmative determination is made in S14, the ECU 40 stops the pump 28 in S16 (or keeps it in a stopped state), and the natural vibration period T of the air column tube 21 that is previously known as a signal from the pressure sensor 34. Based on 0 , the on-off valve 30 of the working fluid pipe L5 is intermittently opened and closed until a predetermined time elapses (S18). In S18, as shown in FIG. 3, the ECU 40 synchronizes with the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid generated due to the temperature gradient formed between both ends of the heat accumulator 25 (see the broken line in FIG. 3). In other words, the on-off valve 30 is intermittently opened at a timing at which the amplitude of the thermoacoustic self-excited vibration generated due to the temperature gradient becomes substantially maximum. As a result, the working fluid is allowed to intermittently flow into the air column pipe 21 from the working fluid storage tank 29, and the working fluid in the air column pipe 21 can be forcedly and effectively vibrated. As a result, since thermoacoustic self-excited vibration can be generated and grown quickly, the thermoacoustic engine 20 can be started extremely well.

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。   Also, under such a configuration, when the working fluid is allowed to flow into the air column tube 21, the blowing direction of the working fluid can be set appropriately and easily so that the thermoacoustic self-excited vibration is amplified. . Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the corner portion of the loop portion 22 located on the opposite side of the closed end portion 23b across the tube portion 23a is formed in the pressure oscillation standing in the air column tube. It becomes the belly position of the wave. And the working fluid pipe | tube L5 which comprises a forced vibration means is connected to the air column pipe 21 in the location substantially corresponded with the antinode position of the said pressure vibration standing wave. That is, in this embodiment, the working fluid is caused to flow into the air column tube 21 from the working fluid storage tank 29 in the vicinity of the antinode position of the pressure vibration standing wave. As a result, a pressure change can be effectively applied to the working fluid in the air column tube 21, so that thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid can be generated and grown reliably and quickly.

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。   The working fluid pipes L4 and L5, the pump 28, the working fluid storage tank 29, the on-off valve 30 and the like for flowing the working fluid into the air column pipe 21 obstruct the progress of the working fluid in the air column pipe 21. It is possible to arrange so that there is no. Therefore, in this embodiment, the self-excited vibration of the working fluid in the air column tube 21 is not attenuated as in the case where the piston is arranged in the air column tube 21 (loop portion 22), for example. The generated self-excited vibration of the working fluid will grow well.

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。   When the on-off valve 30 is controlled for a predetermined time in S18, the ECU 40 returns to S10 and determines again whether or not there is a start request for the thermoacoustic engine 20. Once the thermoacoustic engine 20 has been started, a negative determination is made here. In this case, the ECU 40 determines whether or not there is a stop request for the thermoacoustic engine 20 (S20). If it is determined in S20 that there is no stop request for the thermoacoustic engine 20, the ECU 40 calculates the pressure amplitude of the working fluid that self-oscillates in the air column tube 21 based on the signal from the pressure sensor 34. It is determined whether the pressure amplitude is below a predetermined threshold (S22). In S22, 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, and based on these maximum pressure and minimum pressure. The pressure amplitude of the working fluid in the air column tube 21 is obtained.

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。   If it is determined in S22 that the pressure amplitude of the working fluid that vibrates in the air column tube 21 is below the threshold value, the self-excited vibration of the working fluid in the air column tube 21 is likely to disappear for some reason. It is considered to be. Therefore, when an affirmative determination is made in S22, the ECU 40 executes the processes of S12 to S18 described above. Thereby, in the thermoacoustic engine 20, when the self-excited vibration of the working fluid in the air column tube 21 is likely to disappear for some reason, an operation that occurs due to a temperature gradient formed between both end portions of the heat accumulator 25. The working fluid is intermittently flowed into the air column tube 21 from the working fluid storage tank 29 so as to synchronize with the thermoacoustic self-excited vibration of the fluid (see the broken line in FIG. 3).

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。   As a result, it is possible to forcibly and effectively vibrate the working fluid in the air column tube 21 to quickly regenerate the thermoacoustic self-excited vibration. Also in this case, in the present embodiment, the working fluid is caused to flow into the air column tube 21 in the vicinity of the antinode position of the pressure vibration standing wave in the air column tube 21. Thus, the pressure change can be effectively applied, and the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid can be regenerated reliably and promptly.

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。   If it is determined in S22 that the pressure amplitude of the working fluid that self-oscillates in the air column tube 21 is not less than a predetermined threshold value, the ECU 40 returns to S10 and repeats the processes after S10. When it is determined in S20 that there is a stop request for the thermoacoustic engine 20, the ECU 40 ends this routine and executes a process for stopping the thermoacoustic engine 20. In the thermoacoustic engine 20 of the present embodiment, a pump 28 that can suck in the working fluid in the air column tube 21 and pump it into the working fluid storage tank 29 is used, but is not limited thereto. is not. In other words, a pump that can suck the working fluid in the working fluid storage tank 29 and introduce it into the air column tube 21 may be employed as the pump 28.

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。
Under such a configuration, when the pump 28 is operated with the on-off valve 30 of the working fluid pipe L5 closed, the working fluid in the working fluid storage tank 29 is transferred to the air column pipe 21 via the working fluid pipe L4. In this way, the inside of the working fluid storage tank 29 is depressurized. Then, by opening the on-off valve 30 (intermittently) in a state where the inside of the working fluid storage tank 29 is decompressed, the working fluid in the air column tube 21 is supplied to the working fluid storage tank 29 via the working fluid pipe L5. The pressure change and the speed change can be given to the working fluid in the air column tube 21. Also, under such a configuration, if the working fluid storage tank 29 is depressurized in advance, the working fluid in the air column pipe 21 is allowed to flow out to the working fluid storage tank 29 simply by opening the on-off valve 30. Therefore, it is possible to reduce power consumption at the time of starting.
As described above, the forced vibration means including the working fluid pipes L4 and L5, the pump 28, the working fluid storage tank 29, the on-off valve 30 and the like allows the working fluid to flow out from the air column pipe 21 to the outside. Also good.

〔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。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the thermoacoustic engine according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that the same reference numerals are given to the same elements as those described in relation to the first embodiment described above, and redundant descriptions are omitted.

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。   A thermoacoustic engine 20 </ b> A shown in FIG. 4 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 of FIG. 4, frequency setting means including a moving tube and an actuator are omitted. Then, in the thermoacoustic engine 20A, the connection portion between the working fluid pipe L5 and the air column pipe 21 constituting the forced vibration means and the antinode position of the velocity fluctuation standing wave in the air column pipe 21 are substantially matched. It is configured.

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。   That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the closed end portion 23 b of the resonance portion 23 is the antinode position of the velocity fluctuation standing wave formed in the air column tube 21. Then, as shown in FIG. 4, the working fluid pipe L5 that constitutes the forced vibration means has a closed end 23b (the end face) of the resonance part 23 that substantially coincides with the antinode position of the velocity pressure vibration standing wave. It is connected. Therefore, in the present embodiment, when processing similar to the forced vibration routine of FIG. 2 is executed, the working fluid flows from the working fluid storage tank 29 into the air column tube 21 in the vicinity of the antinode position of the speed fluctuation standing wave. Will be allowed to flow. As a result, it is possible to effectively change the speed of the working fluid in the air column tube 21, and the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid can be generated, grown and regenerated reliably and quickly. It becomes possible.

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。   Further, as shown in FIG. 4, in the thermoacoustic engine 20A, the tip of the working fluid pipe L5 is formed to extend in the axial direction of the resonance section 23 (pipe section 23a). As described above, when the working fluid is allowed to flow into the air column tube 21 near the antinode position of the velocity fluctuation standing wave, the working fluid flows along the axial direction of the resonance unit 23 (pipe unit 23a). As a result, the speed change can be more effectively applied to the working fluid in the air column tube 21. Further, if the tip of the working fluid pipe L5 is formed in this way, it is possible to prevent the working fluid pipe L5 from inhibiting the progress of the working fluid in the air column pipe 21. In the thermoacoustic engine 20A of FIG. 4, the forced vibration means including the working fluid pipes L4 and L5, the pump 28, the working fluid storage tank 29, the on-off valve 30 and the like removes the working fluid from the air column pipe 21 to the outside. Needless to say, it may be discharged.

〔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。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a thermoacoustic engine according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 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。   The thermoacoustic engine 20B shown in FIG. 5 also 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 also provided. 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 20 </ b> B, the working fluid pipe L <b> 5 constituting the forced vibration means is connected to the air column pipe 21 in the vicinity of the heat accumulator 25.

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。   That is, in the present embodiment, the working fluid pipe L5 is bent so that the tip thereof extends in the direction from the low temperature heat exchanger 27 toward the high temperature heat exchanger 26, and the heat accumulator 25 is interposed via the low temperature heat exchanger 27. Are connected to the loop portion 22 so as to face each other. Thereby, in the thermoacoustic engine 20B, when processing similar to the forced vibration routine of FIG. 2 is executed, the air column tube is directed from the low temperature heat exchanger 27 toward the high temperature heat exchanger 26 in the vicinity of the heat accumulator 25. The working fluid is caused to flow into 21 (loop portion 22). In this way, by causing the working fluid to flow into the air column tube 21 (loop portion 22) in the vicinity of the heat accumulator 25, a traveling wave in which the phase of the pressure vibration and the phase of the velocity vibration substantially coincide with each other quickly. Can be generated. Therefore, also in the thermoacoustic engine 20B, the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid can be generated, grown, and reproduced reliably and promptly.

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。   Also in this embodiment, if the tip of the working fluid pipe L5 is formed as described above, it is possible to suppress the progress of the working fluid in the air column pipe 21 from being hindered by the working fluid pipe L5. Further, by flowing the working fluid from the low temperature heat exchanger 27 toward the high temperature heat exchanger 26, the startability of the thermoacoustic engine 20B can be reduced without impairing the temperature gradient formed between both ends of the heat accumulator 25. Driving sustainability can be improved. In the thermoacoustic engine 20B of FIG. 5 as well, the forced vibration means including the working fluid pipes L4 and L5, the pump 28, the working fluid storage tank 29, the on-off valve 30 and the like supplies the working fluid from the air column pipe 21. Needless to say, it may flow out to the outside.

〔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。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a thermoacoustic engine according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 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。   The thermoacoustic engine 20 </ b> C shown in FIG. 6 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 this thermoacoustic engine 20C, a mixed gas of helium and argon is used as the working fluid, and the thermoacoustic engine 20C is a means for changing the mixing ratio of helium and argon in the working fluid in the air column tube 21. have.

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。   That is, a working fluid recovery pipe L6 having a pump 38 and an on-off valve 39 capable of sucking the working fluid in the air column pipe 21 in the air column pipe 21 (in this embodiment, the pipe portion 23a) of the thermoacoustic engine 20C. The fluid separation device 50 is connected via 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. The working fluid recovery pipe L6 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 the present embodiment, the pipe portion 23 a) via a fluid introduction pipe L <b> 7 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 L8 having a second supply valve (open / close valve) 54. .

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。   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 passage of helium (molecular weight = 4) having a molecular weight smaller than that of argon. To do. 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. .

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。   As shown in FIG. 6, the pump 38 and the open / close valve 39 of the working fluid recovery pipe L6, the first supply valve 53 of the fluid introduction pipe L7, the second supply valve 54 of the fluid introduction pipe L8, and the like are respectively input / output of the ECU 40. These are connected to the ports, and these are controlled by the ECU 40. The pump 38, the on-off valve 39, the working fluid recovery pipe L6, the fluid separation device 50, the first and second supply valves 53 and 54, and the fluid introduction pipes L7 and L8 are used for the working fluid in the air column pipe 21. The helium and argon are recovered and separated into helium and argon, and the separated helium and argon function as means that can be individually resupplied into the air column tube 21.

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。   That is, when the on-off valve 39 of the working fluid recovery pipe L6 is opened and the pump 38 of the working fluid recovery pipe L6 is operated for a predetermined time, a predetermined amount of the working fluid is sucked out from the air column pipe 21 by the pump 38, The fluid is introduced into the fluid storage chamber 51A of the container 51 constituting the fluid separation device 50 via the working fluid recovery pipe L6. As described above, the inside of the container 51 is partitioned into the fluid storage chamber 51A and the fluid storage chamber 51H by the separation membrane 52 that allows only helium in the working fluid to pass therethrough and separates it from argon. For this reason, when the working fluid is introduced from the air column tube 21 into the fluid storage chamber 51A of the container 51, only helium in the working fluid passes through the separation membrane 52 and flows into the fluid storage chamber 51H. On the other hand, since argon in the working fluid cannot pass through the separation membrane 52, it stays in the fluid storage chamber 51A. As a result, the working fluid recovered from the air column tube 21 is separated into helium and argon by the fluid separation device 50, and argon is stored in the fluid storage chamber 51A and helium is stored in the fluid storage chamber 51H. become.

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。   After operating the pump 38 for a predetermined time in this way, the first supply valve (Ar supply valve) 53 of the fluid introduction pipe L7 is opened, and the second supply valve (He supply valve) 54 of the fluid introduction pipe L8 is opened. When closed (maintained in the closed state), argon (only) is introduced into the air column tube 21 from the fluid separation device 50 (fluid storage chamber 51A) via the fluid introduction tube L7. In addition, after the pump 38 is operated for a predetermined time, the first supply valve (Ar supply valve) 53 of the fluid introduction pipe L7 is closed (maintained in the closed state), and the second supply valve of the fluid introduction pipe L8 ( When the (He supply valve) 54 is opened, helium (only) is introduced into the air column tube 21 from the fluid separation device 50 (fluid storage chamber 51H) via the fluid introduction tube L8.

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。   In the thermoacoustic engine 20C, a fluid blowing pipe L9 is branched from the fluid introduction pipe L7 between the fluid storage chamber 51A for argon and the first supply valve 53. The fluid blowing pipe L9 has a fluid blowing valve 55 that is controlled to be opened and closed by the ECU 40. The fluid blowing pipe L9 closes the resonance portion 23 that substantially coincides with the antinode position of the velocity fluctuation standing wave formed in the air column pipe 21. The end 23b is connected to the air column tube 21. The tip of the fluid blowing tube L9 is bent so as to extend in the axial direction of the resonance portion 23 (tube portion 23a). Thereby, the fluid is caused to flow into the air column tube 21 along the axial direction of the resonance portion 23 (tube portion 23a) from the fluid blowing tube L9, so that the working fluid in the air column tube 21 is more effective. It is possible to change the speed. Moreover, if the tip of the fluid blowing pipe L9 is formed in this way, it is possible to suppress the progress of the working fluid in the air column pipe 21 from being blocked by the fluid blowing pipe L9.

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。   In the thermoacoustic engine 20 </ b> C configured as described above, the forced excitation routine shown in FIG. 7 is executed by the ECU 40 in order to keep the startability and the operation sustainability favorable. Also in this case, as shown in FIG. 7, the ECU 40 first determines whether or not there is a start request for the thermoacoustic engine 20C (S30). When determining that there is a request to start the thermoacoustic engine 20C, the ECU 40 opens the exhaust supply adjustment valve 15 provided at the exhaust gas inlet of the high-temperature heat exchanger 26 and the opening / closing valve 16 of the cooling system L3. Further, the on-off valve 39 of the working fluid recovery pipe L6 is opened, and the pump 38 of the working fluid recovery pipe L6 is operated for a predetermined time (S32). As a result, the working fluid recovered from the air column tube 21 by the pump 38 is separated into helium and argon, and argon is stored in the fluid storage chamber 51A and helium is stored in the fluid storage chamber 51H.

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T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。 When the process of S32 is executed, the ECU 40 closes the on-off valve 39 and stops the pump 38, and further, based on the signal from the pressure sensor 34 and the natural vibration period T 0 of the air column tube 21 that has been previously known. Then, the fluid blowing valve 55 of the fluid blowing pipe L9 is intermittently opened and closed for a predetermined time (S34). In S34, the ECU 40 is generated so as to synchronize with the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid generated due to the temperature gradient formed between both ends of the heat accumulator 25, that is, due to the temperature gradient. The fluid blowing valve 55 is intermittently opened at a timing at which the amplitude of the thermoacoustic self-excited vibration becomes substantially maximum. As a result, argon (only) is allowed to flow intermittently into the air column tube 21 from the fluid separation device 50 (fluid storage chamber 51A) via the fluid blowing tube L9, and the working fluid in the air column tube 21 is forced. And can be vibrated effectively. As a result, the thermoacoustic self-excited vibration can be quickly generated and grown, and the thermoacoustic engine 20C can be started very well.

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。   Here, the molecular weight of argon contained in the working fluid is “40”, whereas the molecular weight of helium contained in the working fluid is “4”. Considering these points, in the thermoacoustic engine 20C, in order to forcibly excite the working fluid in the air column tube 21, argon having a molecular weight larger than that of helium is caused to flow into the air column tube 21. It is done. That is, if the molecular weight of the fluid flowing into the air column tube 21 is relatively large, the momentum of the fluid can be sufficiently secured. Therefore, even if the inflow amount of argon into the air column tube 21 is reduced, the air column tube 21. It is possible to effectively vibrate the working fluid inside. In consideration of the momentum of the fluid flowing into the air column tube 21, the fluid blowing tube L 9 is provided in the air column tube 21 in order to effectively change the speed with respect to the working fluid in the air column tube 21. It is preferable to be connected to the air column tube 21 at the antinode position of the formed velocity pressure vibration standing wave.

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)。   When the fluid injection valve 55 is controlled for a predetermined time in S34, the ECU 40 returns to S30 and determines again whether or not there is a start request for the thermoacoustic engine 20C. Once the start of the thermoacoustic engine 20C has been executed, a negative determination is made here, and in this case, the ECU 40 determines whether or not there is a stop request for the thermoacoustic engine 20C (S36). If it is determined in S36 that there is no stop request for the thermoacoustic engine 20C, the ECU 40 calculates the pressure amplitude of the working fluid that self-oscillates in the air column tube 21 based on the signal from the pressure sensor 34. It is determined whether or not the pressure amplitude is below a predetermined threshold value (S38).

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。   If it is determined in S38 that the pressure amplitude of the working fluid that self-oscillates in the air column tube 21 is below the threshold value, the self-excited vibration of the working fluid in the air column tube 21 is likely to disappear for some reason. It is considered to be. Therefore, when an affirmative determination is made in S38, the ECU 40 executes the processes of S32 and S34 described above. Thereby, in the thermoacoustic engine 20C, when the self-excited vibration of the working fluid in the air column tube 21 is likely to disappear for some reason, the operation that occurs due to the temperature gradient formed between the both ends of the heat accumulator 25. Argon (only) is allowed to flow intermittently into the air column tube 21 from the fluid separation device 50 (fluid storage chamber 51A) so as to synchronize with the thermoacoustic self-excited vibration of the fluid.

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。   As a result, also in the thermoacoustic engine 20C, the working fluid in the air column tube 21 can be forcibly and effectively vibrated to quickly regenerate the thermoacoustic self-excited vibration. If it is determined in S38 that the pressure amplitude of the working fluid that self-oscillates in the air column tube 21 is not below a predetermined threshold, the ECU 40 returns to S30 and repeats the processing from S30 onward. When it is determined in S36 that there is a stop request for the thermoacoustic engine 20C, the ECU 40 ends the routine and executes a process for stopping the thermoacoustic engine 20C.

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。   If the above-described separation membrane is used, only a fluid having a relatively large molecular weight (for example, argon) among a plurality of fluids included in the working fluid is synchronized with, for example, thermoacoustic self-excited vibration from the air column tube 21. Needless to say, a mechanism for forcibly oscillating the working fluid in the air column tube 21 can be easily configured.

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。2 is a flowchart for explaining a procedure for forcibly exciting a working fluid in an air column tube in the thermoacoustic engine of FIG. 1. 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。It is a time chart for demonstrating the procedure for forcibly exciting the working fluid in an air column pipe in the thermoacoustic engine of FIG. 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. 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。It is a schematic block diagram which shows 3rd Embodiment of the thermoacoustic engine by this invention. 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。It is a schematic block diagram which shows 4th Embodiment of the thermoacoustic engine by this invention. 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。It is a flowchart for demonstrating the procedure for forcibly exciting the working fluid in an air column pipe in the thermoacoustic engine of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Internal combustion engine 20, 20A, 20B, 20C Thermoacoustic engine 21 Air column tube 24 Transducer 25 Heat storage device 26 High temperature heat exchanger 27 Low temperature heat exchanger 28, 38 Pump 29 Working fluid storage tank 30, 39 On-off valve 31, 34 Pressure Sensor 50 Fluid separation device 51A, 51H Fluid storage chamber 52 Separation membrane 55 Fluid injection valve L9 Fluid injection pipe

Claims (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。
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,
And a forced vibration means for forcibly oscillating the working fluid in the air column tube by flowing the working fluid into the air column tube or by letting the working fluid flow out from the air column tube. A thermoacoustic engine.
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。   2. The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein a connection portion between the forced vibration means and the air column tube substantially coincides with an antinode position of a pressure vibration standing wave in the air column tube. 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。   2. The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein a connection portion between the forced vibration means and the air column tube substantially coincides with an antinode position of a velocity fluctuation standing wave in the air column tube. 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。   The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein the forced vibration means is connected to the air column tube in the vicinity of the heat storage means. 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。   The thermoacoustic engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the forced vibration means is operated based on a natural vibration period of the air column tube. 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。   The working fluid is a mixed fluid obtained by mixing a plurality of fluids, and the forced vibration means causes a fluid having a relatively large molecular weight to flow into the air column tube among the plurality of fluids, or The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein the thermoacoustic engine is caused to flow out of the air column tube. 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。
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. A method of operating a thermoacoustic engine that generates vibration,
The working fluid in the air column tube is forcibly vibrated by flowing the working fluid into the air column tube or flowing out the working fluid from the air column tube under a predetermined condition. How to operate a thermoacoustic engine.
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