JP2006009579A

JP2006009579A - 熱音響装置

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Publication number: JP2006009579A
Application number: JP2004183373A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Hatasawa; 沢政保畠
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: JP4512773B2

Abstract

【課題】自動車用内燃機関の廃熱を利用して熱音波発生器を駆動し、自動車あるいはその駆動用内燃機関の補機などの諸機器に対し発生エネルギーを供給し利用する熱音響装置を提供する。
【解決手段】自動車用内燃機関（１）の排気系（２）に熱音響音波発生器（１０）を装着しており、該熱音響音波発生器（１０）は、一端を閉じ他端を開口した共鳴管（１１）と、該共鳴管（１１）内に挿入されたスタック（１４）と、該スタック（１４）の共鳴管（１１）長手方向の少なくとも閉口側端部に設けられた熱交換器（１２）とを有しており、スタック（１４）の閉口側端部に設けられた熱交換器（１２）に前記排気系（２）を流れる排気ガスが保有する熱量（廃熱）が供給されて、スタック（１４）の閉口側端部を高温にして熱音響現象を発生させる様に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は自動車の動力源として用いられている内燃機関、例えばガソリン機関の廃熱を有効利用する技術に関する。より詳細には、本発明は、熱音響現象を利用して、自動車用の内燃機関等の排気ガスが保有する熱エネルギーの一部を運動エネルギー（例えば、音波、振動）として回収して利用する熱音響装置に関する。

近時、熱から仕事（音波）へ、あるいは仕事から熱へ直接エネルギー変換できる熱音響現象が注目され、種々の研究が行われている。

熱音響現象は、図８に示すように、一端１１ａを閉じ、そして他端１１ｂを開放した共鳴管１１内に、その管１１の長さ方向に延伸する複数の細管あるいは平板を平行に配設したスタック１４を挿入し、そのスタック１４の両端に高・低温熱交換器１２、１３を設け以ってスタック１４の両端で温度差を発生させる様にせしめ、そして、スタック１４の閉口端側を加熱（Ｑｈ）、開口端側を冷却（Ｑｃ）すると、共鳴管１１内の気体が自励振動を起こし音波Ｓが発生する現象である。

係る熱音響現象は、熱（スタック１４の両端における温度差）を仕事（音波或いは振動）に変換する現象であり、稼動部分を必要とすること無く、熱から仕事へ変換することが出来る。そのため、廃熱等の各種熱エネルギーを有効に利用して、省エネルギーに役立てることが可能である。
しかし、熱音響現象については、未だに十分に解明されてはおらず、係る現象を実用化することは、現状では出来ていない。

熱音響現象を解明して、実用化に供することを可能とするべく、種々の研究が為されており、例えば、共鳴管をＵ字型に接合して閉空間を形成して、係る閉空間内にスタックを挿入してループ形熱音響音波発生器を構成した従来技術が存在する（非特許文献１）。
しかし、係る従来技術は、熱音響現象の学術的な解明を目的とするものであり、実用化に供するものではない。
畠沢政保他日本機械学会論文集（別刷）６７巻６５５号（平成１３年３月）３５〜４２頁社団法人日本機械学会発行

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、熱音響現象を用いて、熱を音波或いは振動（仕事の一形態）に変換するのに好適で、且つ、実用化が可能な構造を提供することを目的としている。

発明者は、かかる熱音響現象を利用した熱音響音波発生器（以下、熱音波発生器と記す）について、複数機の熱音波発生器の結合による性能の向上、あるいは共鳴管内のスタックの最適位置等について種々の研究を行い、その結果、自動車用内燃機関（例えばガソリンエンジン）に適用した実験において、当該内燃機関の排気熱で安定した熱音響現象について安定した挙動が得られることを見出した。

本発明の熱音響装置は係る知見に基いて提案されたものであり、自動車用内燃機関（１）の排気系（２）に熱音響音波発生器（１０）を装着しており、該熱音響音波発生器（１０）は、一端を閉じ他端を開口した共鳴管（１１）と、該共鳴管（１１）内に挿入されたスタック（１４）と、該スタック（１４）の共鳴管（１１）長手方向の少なくとも閉口側端部に設けられた熱交換器（１２）とを有しており、スタック（１４）の閉口側端部に設けられた熱交換器（１２）に前記排気系（２）を流れる排気ガスが保有する熱量（廃熱）が供給されて、スタック（１４）の閉口側端部を高温にして（開口側端部を閉口側端部に比較して低温にせしめて）熱音響現象を発生させる様に構成されていることを特徴としている（請求項１）。

本発明において、前記共鳴の開口側に音響エネルギー（前記熱音響音波発生器１０で生じた音波が保有するエネルギー）を回収する回収手段（２１）を設けていることが好ましい。

また、本発明の実施に際して、前記回収手段（２１）で回収した音響エネルギーを他のエネルギー（例えば、振動・電気などいずれかのエネルギー）に変換する変換手段（２２）を設けることが好ましい。

そして、前記音響エネルギー或いは前記変換手段（２２）で変換されたエネルギー（例えば、振動・電気などいずれかのエネルギー）は、自動車または自動車用内燃機関（１）の付属機器で利用されることが好ましい。

本発明の熱音響装置は、熱音響現象を発生させる熱音響音波発生器（１０）を設け、該熱音響音波発生器（１０）は、一端を閉じ他端を開口した共鳴管（１１）と、該共鳴管内に挿入されたスタック（１４）と、該スタック（１４）の共鳴管（１１）長手方向両端部の開口側或いは閉口側の何れか一方に設けられた熱交換器（１２或いは１３）とを有しており、前記共鳴管（１１）の開口側に音波発生手段（４１：振動源から振動伝達機構を介した部材を含む）を設け、該音波発生手段（４１）を起動して前記熱音響音波発生器（１０）に対して音波を作用して熱音響現象を生じさせ、当該熱音響現象によりスタック（１４）の共鳴管（１１）長手方向に生じた温度差を前記熱交換器（１２或いは１３）で抽出する様に構成したことを特徴としている（請求項２）。

ここで、抽出された温度差は、冷熱或いは温熱として、自動車または内燃機関の付属機器において利用されることが好ましい。勿論、その他の機器においても適用可能である。

上述した構成を具備する本発明によれば、自動車用内燃機関の廃熱を利用して熱音波発生器を駆動し、自動車あるいはその駆動用内燃機関の補機等の諸機器に対し発生エネルギーを供給し利用することが出来る。
すなわち、本発明によれば、ガソリン機関その他の自動車用内燃機関の排気ガスを、共鳴管閉口側の熱交換器（高温熱交換器）に導入することで、熱音響現象を発生させるのに適した高温度が容易に得られる。そして、従来、内燃機関から排気損失として捨てられていたエネルギーの一部を仕事（音響或いは振動）として回収し、自動車用の諸機器に有効に利用することができる。

また、可動部分がない熱音波発生器を利用しているので、故障の発生が抑制され、保守・点検が容易であり、いわゆるメンテナンスフリーを達成することができる。

ここで、熱音響現象は、温度差から音響（或いは振動）を発生するのとは逆のサイクル、すなわち、音響（或いは振動）から温度差を生じるサイクル、も可能である。従って、本発明によれば、音波或いは振動を用いて、温度差（温熱或いは冷熱）を得る事が出来る。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、前記図８で説明した熱音波発生器１０と同一構成の部品には同じ符号を付し、重複説明は省略する。
図１において、ガソリン機関１の排気管２の一部が拡幅され、その拡幅部２ａを貫通して熱音波発生器１０が設けられている。図２で示す様に、音波発生器１０は、排気管拡幅部２ａを貫通して一端は閉じ、他端が開口された共鳴管１１と、その共鳴管１１内に挿入されたスタック１４と、該スタック１４の共鳴管閉口１１ａ側端部に設けられた高温熱交換器１２を有している。

図２において、共鳴管１１の排気管貫通部には高温熱交換器１２が設けられてその外周には排気ガスＥが導入され、排気熱が高温熱交換器１２を介してスタック１４の一端（スタック１４の共鳴管閉口１１ａ側端部）を加熱するように構成されている。
スタック１４において、高温熱交換器１２が設けられた共鳴管閉口１１ａ側端部よりも開口１１ｂ側は、複数の平行な細管で構成されている。

図２では図示されていないが、図７で示す様に、スタック１４の共鳴管開口１１ｂ側端部に、低温熱交換器１３を設けることが出来る。この低温熱交換器１３は、水冷式に構成することが可能である。例えば、内燃機関１の図示しない冷却系統に低温熱交換器１３を連通し、低温熱交換器１３がスタック１４の開口１１ｂ側端部近傍から奪った熱量を、図示しないラジエータから放熱する様に構成しても良い。
或いは、低温熱交換器１３を設けずに、スタック１４の開口１１ｂ側端部を周辺の雰囲気温度とせしめ、以って、スタック１４の閉口１１ａ側端部と、開口１１ｂ側端部との間に温度差を生じさせることも可能である。

なお、図１〜図６では低温熱交換器１３は表示せず、図７で低温熱交換器１３は表示しているのは、上述した様に、低温熱交換器１３を具備する構造と、具備しない構造とが存在する旨を示すためである。

図１、図２において、自動車用ガソリン機関１を駆動して、排気管２に高温の排気ガスを流過せしめれば、当該排気ガスが保有する熱量が上記熱音波発生器１０の熱交換器（高温熱交換器）１２を介して、スタック１４の共鳴管閉口１１ａ側端部を加熱する。その結果、スタック１４の両端部、すなわち共鳴管閉口１１ａ側端部と開口１１ｂ側端部、の間に温度差が生じ、熱音響現象により共鳴管１１に音波（振動波）が発生する。

図１、図２では図示されていないが、共鳴管１１の開口１１ｂを自動車用の音響機器に接続して、自動車用音響機器の音源として利用することが可能である。或いは、共鳴管１１を自動車の運転席における警報装置の警報音発生手段に接続して、熱音響現象により生じた音波を各種警報音として適用することも出来る。

図３〜図６は、自動車用ガソリン機関１の排気管部に設けられた上記熱音波発生器１０を用いて、熱音響現象により音波を発生させ、発生した音波のエネルギー（音響エネルギー）を回収して、内燃機関あるいは車両の補機などの諸機器に利用する実施形態を、各々説明している。

図３は、前記熱音波発生器１０によって発生させた音波を入力し、電圧を発生させてそれを利用する熱音響音波を利用した発電装置とせしめる実施形態を示す。
熱音波発生器１０の共鳴管１１の開口側には発生音波と共振しそのエネルギーを振動として次の電圧発生手段２２へ伝達する共振手段２１が設けられ、回収手段および変換手段が構成されている。そして、その電圧発生手段（例えば、圧電素子）２２で発生した電圧は整流手段２３を経て電力保存手段（電池あるいは蓄電器）２４を充電している。なお、この図ではスタック（１４）、低温熱交換器（１３）の図示は省略されている。

図４は、前記熱音波発生器１０によって発生させた音波を振動に変換し、燃料霧化の向上に利用する実施形態を示している。
燃料供給源２７から機関１へ供給される燃料は霧化機構２６に導かれ、その霧化機構２６には共振手段２１から振動が伝達されており、霧化を助勢して微細な噴霧の混合気を生成する。

図４の実施形態は、霧化すなわち気体・液体の混合を意図したのに対し、図５は、複数の液体を混合する実施形態を示している。
図５の実施形態は、例えば液体燃料に水を混入して乳化燃料とし、ディーゼル機関に適用する、あるいは燃料に添加剤を混合するといった場合に適用される。

図５において、共鳴管１１の開口側に共振手段２１が設けられており、その共振手段２１は、熱音波発生器１０によって発生した音波エネルギーを回収し、その入力された振動が混合手段３１に伝達されている。混合手段３１には、第１の液体３２Ａと第２の液体３２Ｂとが供給されており、混合手段３１からは、燃料供給手段（燃料噴射弁）１ｆに送られ、機関１Ａ内に噴射されている。
図５の実施形態は、機関に供給する燃料について示したが、これに限らず自動車に搭載された自走式の混合装置であってもよく、混合液の散布などに適用してもよい。

図６に示す実施形態では、第１の液体３２Ａと第２の液体３２Ｂとが混合手段３１に供給され、共振手段２１から伝えられた振動によって両液は混合され、その混合液はポンプ３３によって圧送されている。

次に、図７は、上述した温度差を音波（音響）に変換する熱音響現象とは、逆のサイクルの現象、すなわち、音波或いは音響から温度差を作り出す現象を利用した実施形態を示す。具体的には、その様な逆サイクルの現象で得られた冷熱（低温源）を空調に利用した実施形態を示す。

図７において、共鳴管１１の開口側には、熱音響現象が発生する周波数に相当する音波を発生する音波発生手段４１が設けられている。そして、上述した逆サイクルに係る熱音響現象により発生した温度差は、低温熱交換器１３で抽出され、当該熱交換器１３で熱交換されて冷熱が投入された冷却媒体（矢印Ａ）は、図示しない空調装置へ供給されて、空調に利用される。

具体的には、図７において、機関１で発生した機械的な動力が、駆動手段４２を介して音波発生器４１を駆動する。ここで、音波発生器４１は、熱音波発生器１０の発生周波数に相当する周波数の音波を発生し、且つ、音波発生器４１で発生した音波が共鳴管１１の開口端１１ｂからスタック１４へ印加される様に構成されている。
当該音波が作用する共鳴管１１内では、熱音響現象（仕事から熱を生じるサイクル：逆サイクル）により、スタック１４の共鳴管１１の長手方向両端に温度差が生じ、スタック１４の共鳴管開口１１ｂ側の端部は、共鳴管閉口１１ａ側の端部よりも温度が低くなる。

ここで、スタック１４の共鳴管閉口１１ａ側の端部に設けた熱交換器１２を流れる流体（例えば、空気）Ｅａｉｒが常温であれば、共鳴管開口１１ｂ側の端部は常温よりも低温となり、冷熱が生じる。
低温熱交換器１３においては空調装置の冷却媒体Ａと熱交換を行い、スタック１４の共鳴管開口１１ｂ側の端部に生じた冷熱を冷却媒体Ａに投入する。換言すれば、スタック１４の共鳴管開口１１ｂ側端部或いは低温熱交換器１３は、冷熱源として作用するのである。

なお、図示の実施形態は本発明の技術的範囲を限定する趣旨ではない。換言すれば、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、熱音波発生器の音波エネルギーを利用した上記以外の自動車または機関の補機あるいは各種機器類、あるいは高低熱交換器に生じる温度差を利用した各種機器に、全て適用可能である。そして、それらの機器は、自動車の走行に関わるものに限らず、搭載される各種車載機器を含むものである。

本発明の熱音響装置を自動車用内燃機関に装着した状態を示す図。図１の熱音波発生器の排気管貫通部を示す斜視図。本発明による発電に利用した実施形態の構成を説明する図。本発明による燃料霧化に利用した実施形態の構成を説明する図。本発明による燃料混合に利用した実施形態の構成を説明する図。本発明による複数液体の混合に利用した実施形態の構成を説明する図。本発明による空調に利用した実施形態の構成を説明する図。熱音波発生器を説明する図。

符号の説明

１・・・ガソリン機関
２・・・排気管
１０・・・熱音響音波発生装置（熱音波発生器）
１１・・・共鳴管
１２・・・高温熱交換器
１３・・・低温熱交換器
１４・・・スタック
２１・・・（エネルギー）回収手段
２２・・・（エネルギー）変換手段

Claims

自動車用内燃機関の排気系に熱音響音波発生器を装着しており、該熱音響音波発生器は、一端を閉じ他端を開口した共鳴管と、該共鳴管内に挿入されたスタックと、該スタックの共鳴管長手方向の少なくとも閉口側端部に設けられた熱交換器とを有しており、スタックの閉口側端部に設けられた熱交換器に前記排気系を流れる排気ガスが保有する熱量が供給されて、スタックの閉口側端部を高温にして熱音響現象を発生させる様に構成されていることを特徴とする熱音響装置。
熱音響現象を発生させる熱音響音波発生器を設け、該熱音響音波発生器は、一端を閉じ他端を開口した共鳴管と、該共鳴管内に挿入されたスタックと、該スタックの共鳴管長手方向両端部の開口側或いは閉口側の何れか一方に設けられた熱交換器とを有しており、前記共鳴管の開口側に音波発生手段を設け、該音波発生手段を起動して前記熱音響音波発生器に対して音波を作用して熱音響現象を生じさせ、当該熱音響現象によりスタックの共鳴管長手方向に生じた温度差を前記熱交換器で抽出する様に構成したことを特徴とする熱音響装置。