JP2006009710A - Thermoacoustic engine - Google Patents

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賢一 山田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoacoustic engine constantly forming a sufficient temperature gradient between both end parts of a heat accumulation means, and surely generating thermoacoustic self-excited oscillation of working fluid. <P>SOLUTION: The thermoacoustic engine 20 comprises: a gas column pipe 21 into which the working fluid is sealed; a heat accumulator 25 disposed in the gas column pipe 21; and a high temperature heat exchanger 26 and a low temperature heat exchanger 27. The temperature gradient is formed between the both end parts of the heat accumulator 25 to generate the thermoacoustic self-excited oscillation of the working fluid. The low temperature heat exchanger 27 has a plurality of heat transfer pipes 271, 272. A coolant supply control valve 17 is controlled to be opened or closed so as to allow or stop supplying engine cooling water to the heat transfer pipe 272, and thereby to change a heat transfer area of the low temperature heat exchanger 27. <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.

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

しかしながら、熱音響現象を利用して特に内燃機関の廃熱を回収するような場合、内燃機関の運転状態によっては、スタックの両端部間に充分な温度勾配を形成し得なくなり、作動流体の自励振動を発生させることが困難となったり、自励振動が消失しそうになってしまったりすることもある。   However, particularly when recovering the waste heat of the internal combustion engine using the thermoacoustic phenomenon, depending on the operation state of the internal combustion engine, a sufficient temperature gradient cannot be formed between both ends of the stack, and the working fluid itself It may be difficult to generate the excitation vibration, or the self-excitation vibration may be lost.

そこで、本発明は、蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることができる熱音響エンジンの提供を目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a thermoacoustic engine that can always generate a sufficient thermoacoustic vibration of a working fluid by always forming a sufficient temperature gradient between both ends of the heat storage means.

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、温度勾配を形成するために蓄熱手段の一端に近接して設けられた熱交換手段を備え、この熱交換手段は、伝熱面積を変化させることができるように構成されてい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 thermoacoustic engine includes a heat exchanging means provided close to one end of the heat accumulating means to form a temperature gradient, and the heat exchanging means changes the heat transfer area. It is comprised so that it can be made to do.

本発明者は、蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成すべく鋭意研究を重ね、その過程において、次のような現象が発生することを見出した。すなわち、特に蓄熱手段への加熱量が不足しているような場合には、特に低温側の熱交換手段の熱媒体の入口から出口までの間で当該熱交換手段(それを流通する熱媒体)の温度が変化し、それにより、蓄熱手段に充分な温度勾配を形成し得なくなることがある。このような現象を解消すべく、これに対して、本発明者が更なる研究を進めたところ、熱交換手段の伝熱面積を変化させることにより、熱交換手段の熱媒体の入口から出口までの間における温度変化を抑制し得ることが判明した。すなわち、この熱音響エンジンのように、蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成する熱交換手段の伝熱面積を変化させることができれば、蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることが可能となる。   The present inventor has intensively studied to always form a sufficient temperature gradient between both ends of the heat storage means, and has found that the following phenomenon occurs in the process. That is, especially when the amount of heating to the heat storage means is insufficient, the heat exchange means (a heat medium that circulates the heat exchange means) particularly between the heat medium inlet and the outlet of the heat exchange means on the low temperature side. The temperature of the heat storage may change, thereby making it impossible to form a sufficient temperature gradient in the heat storage means. In order to eliminate such a phenomenon, the present inventor further researched this, and by changing the heat transfer area of the heat exchanging means, from the inlet of the heat medium to the outlet of the heat exchanging means. It has been found that temperature changes during the period can be suppressed. That is, if the heat transfer area of the heat exchange means that forms a temperature gradient between both ends of the heat storage means can be changed as in this thermoacoustic engine, a sufficient temperature gradient is always formed between the both ends of the heat storage means. Thus, the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid can be reliably generated.

また、本発明による熱音響エンジンにおいて、熱交換手段は、蓄熱手段の一端を冷却するための低温熱交換器であると好ましく、この場合、当該熱音響エンジンは、蓄熱手段の他端を加熱するための高温熱交換器と、高温熱交換器の温度に応じて低温熱交換器の伝熱面積を変化させる制御手段とを更に備えると好ましい。   In the thermoacoustic engine according to the present invention, the heat exchange means is preferably a low-temperature heat exchanger for cooling one end of the heat storage means. In this case, the thermoacoustic engine heats the other end of the heat storage means. It is preferable to further include a high temperature heat exchanger for controlling the temperature and the control means for changing the heat transfer area of the low temperature heat exchanger according to the temperature of the high temperature heat exchanger.

更に、低温熱交換器は、複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管の一部に対する冷却媒体の供給を停止または許容する冷媒供給設定手段とを含み、制御手段は、高温熱交換器の温度に応じて冷媒供給設定手段を制御すると好ましい。このような構成を採用すれば、容易かつ確実に低温熱交換器の伝熱面積を変化させることが可能となる。また、高温熱交換器は、内燃機関の排気ガスを熱源とすると好ましい。   Further, the low temperature heat exchanger includes a plurality of heat transfer tubes, and a refrigerant supply setting unit that stops or allows supply of a cooling medium to a part of the plurality of heat transfer tubes, and the control unit is configured to control the temperature of the high temperature heat exchanger. It is preferable to control the refrigerant supply setting means according to the above. If such a configuration is employed, the heat transfer area of the low-temperature heat exchanger can be easily and reliably changed. Moreover, it is preferable that the high-temperature heat exchanger uses exhaust gas from the internal combustion engine as a heat source.

本発明によれば、蓄熱手段の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させ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 always generate a sufficient temperature gradient between both ends of the heat storage means and reliably generate the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid.

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.

図1は、本発明による熱音響エンジン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。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing 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、それぞれ排気浄化触媒を含む前段触媒装置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 each including an exhaust purification catalyst 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(図1における下端側)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(図1における上端側)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 (the lower end side in FIG. 1) of the heat accumulator 25, and a low-temperature heat is disposed on the other end side (the upper end side in FIG. 1) of the heat accumulator 25. An exchanger 27 is disposed adjacent to the exchanger 27. 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。本実施形態において、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271,272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。冷却系統L3には、冷却水ポンプ14やラジエータ15(図4参照)、更には開閉弁16等が含まれており、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 271 and 272 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 cooling water flowing through the cooling system L3 as a heat source (cold heat source). ). The cooling system L3 includes a cooling water pump 14, a radiator 15 (see FIG. 4), an on-off valve 16, and the like. By closing the on-off valve 16, the low-temperature heat exchanger (its heat transfer pipe) 27 is connected. The supply of cooling water can be stopped.

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の開閉弁16等は、ECU40の入出力ポートに接続されており、ECU40によって制御される。また、内燃機関1の前段触媒装置12aには、触媒温度(触媒床温)を検出する温度センサTが設置されている。温度センサTは、ECU40の入出力ポートに接続されており、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 on-off valve 16 and the like of the cooling system L3 described above are connected to an input / output port of the ECU 40 and are controlled by the ECU 40. In addition, a temperature sensor T that detects a catalyst temperature (catalyst bed temperature) is installed in the pre-stage catalyst device 12a of the internal combustion engine 1. The temperature sensor T is connected to the input / output port of the ECU 40, 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、冷却系統L3の開閉弁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、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、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 in a state where the on-off valve 16 of the cooling system L3 is opened, and the exhaust gas from the combustion chamber 3 passes through the pre-catalyst device 12a. The operation starts when it passes through the high-temperature heat exchanger 26 of the thermoacoustic engine 20. 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.

上述のように、熱音響エンジン20では、内燃機関1の排気熱(廃熱)を利用して蓄熱器25の両端部間に温度勾配を形成することが可能である。しかしながら、例えば内燃機関の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度が所定温度を下回るような場合(排気熱が少ない場合)、図2において破線で示されるように、高温熱交換器の温度Th(伝熱管を流通する排気ガスの温度)は、伝熱管の熱媒体の入口から出口に向かうまでの間においてさほど変化しないのに対して、図2において破線で示されるように、低温熱交換器の温度Tc(伝熱管を流通するエンジン冷却水の温度)は、伝熱管の熱媒体の入口から出口に向かうに従い高まってしまうことがある。このような現象が発生すると、伝熱管の熱媒体出口側において高温熱交換器と低温熱交換器との温度差が小さくなるので、蓄熱器に充分な温度勾配を形成し得なくなり、作動流体の熱音響自励振動を良好に発生させることが困難となる。   As described above, in the thermoacoustic engine 20, it is possible to form a temperature gradient between both ends of the heat accumulator 25 using the exhaust heat (waste heat) of the internal combustion engine 1. However, when the temperature of the exhaust gas is lower than a predetermined temperature (for example, when the exhaust heat is low), such as when the internal combustion engine is started or idling, as shown by a broken line in FIG. The temperature of the exhaust gas flowing through the heat transfer tube does not change so much from the entrance of the heat transfer tube to the outlet of the heat transfer tube, whereas as shown by the broken line in FIG. The temperature Tc (the temperature of engine cooling water flowing through the heat transfer tube) may increase as it goes from the inlet of the heat medium to the outlet of the heat transfer tube. When such a phenomenon occurs, the temperature difference between the high-temperature heat exchanger and the low-temperature heat exchanger becomes small on the heat medium outlet side of the heat transfer tube, so that a sufficient temperature gradient cannot be formed in the heat accumulator. It becomes difficult to generate the thermoacoustic self-excited vibration satisfactorily.

この場合、蓄熱器に充分な温度勾配が形成されるように、例えば、低温熱交換器の伝熱管に対する冷却媒体の供給量を変化させることが考えられる。しかしながら、本発明者の研究によれば、例えば内燃機関の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度が所定温度を下回るような場合(排気熱が少ない場合)、低温熱交換器の伝熱管に対する冷却媒体の供給量を減少させると、低温熱交換器の温度Tc(伝熱管を流通するエンジン冷却水の温度)は、図3において一点鎖線で示されるように、冷却媒体の供給量を変化させない場合(図3の破線参照)に比べ、伝熱管の熱媒体の入口から出口に向かうに従って一層高まってしまう。また、例えば内燃機関の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度が所定温度を下回るような場合、低温熱交換器の伝熱管に対する冷却媒体の供給量を増加させても、図3において二点鎖線で示されるように、蓄熱器に充分な温度勾配を形成することは困難である。   In this case, for example, it is conceivable to change the supply amount of the cooling medium to the heat transfer tubes of the low-temperature heat exchanger so that a sufficient temperature gradient is formed in the heat accumulator. However, according to the research of the present inventor, for example, when the temperature of the exhaust gas is lower than a predetermined temperature (when the exhaust heat is low), for example, at the time of starting the internal combustion engine or idling, cooling the heat transfer tube of the low-temperature heat exchanger When the supply amount of the medium is decreased, the temperature Tc of the low-temperature heat exchanger (the temperature of the engine cooling water flowing through the heat transfer tube) does not change the supply amount of the cooling medium, as indicated by a one-dot chain line in FIG. Compared to (see the broken line in FIG. 3), it further increases as it goes from the inlet of the heat transfer tube to the outlet. Further, when the temperature of the exhaust gas is lower than a predetermined temperature, for example, at the time of starting the engine or idling, even if the amount of the cooling medium supplied to the heat transfer tube of the low-temperature heat exchanger is increased, the two-dot chain line in FIG. As shown, it is difficult to form a sufficient temperature gradient in the regenerator.

これに対して、本発明者が更なる研究を進めたところ、低温熱交換器27の伝熱管に対する熱媒体(エンジン冷却水)の量を一定にしたまま、低温熱交換器27の伝熱面積を減少させることにより(図2の例では、伝熱面積を50%減少)、図2において実線で示されるように、低温熱交換器27の熱媒体の入口から出口までの間における冷却媒体(エンジン冷却水)の温度変化を抑制し得ることが判明した。このような研究結果に鑑みて、熱音響エンジン20では、蓄熱器25の両端部間に温度勾配を形成するための低温熱交換器27が、その伝熱面積を変化させることができるように構成されている。   On the other hand, when the inventor further researched, the heat transfer area of the low-temperature heat exchanger 27 was maintained while the amount of the heat medium (engine cooling water) to the heat transfer tube of the low-temperature heat exchanger 27 was kept constant. (In the example of FIG. 2, the heat transfer area is reduced by 50%), as shown by the solid line in FIG. 2, the cooling medium (from the inlet to the outlet of the heat medium of the low-temperature heat exchanger 27 ( It has been found that the temperature change of the engine cooling water) can be suppressed. In view of such research results, the thermoacoustic engine 20 is configured such that the low-temperature heat exchanger 27 for forming a temperature gradient between both ends of the heat accumulator 25 can change its heat transfer area. Has been.

図4に示されるように、低温熱交換器27は、複数の伝熱管271および複数の伝熱管272を有する。本実施形態において、伝熱管271および272は、同一構造を有する部材であり、伝熱管271の本数と伝熱管272の本数とは同一とされる。各伝熱管271の冷媒入口は、開閉弁16に接続された冷媒供給管L4に対して並列に接続されており、各伝熱管271の冷媒出口は、冷却媒体としてのエンジン冷却水を冷却系統L3に返送するための冷媒返送管L5に対して並列に接続されている。また、各伝熱管272の冷媒入口は、冷媒供給管L4から分岐された分岐管L6に対して並列に接続されており、各伝熱管272の冷媒出口は、上述の冷媒返送管L5に対して並列に接続されている。   As shown in FIG. 4, the low-temperature heat exchanger 27 includes a plurality of heat transfer tubes 271 and a plurality of heat transfer tubes 272. In this embodiment, the heat transfer tubes 271 and 272 are members having the same structure, and the number of heat transfer tubes 271 and the number of heat transfer tubes 272 are the same. The refrigerant inlet of each heat transfer pipe 271 is connected in parallel to the refrigerant supply pipe L4 connected to the on-off valve 16, and the refrigerant outlet of each heat transfer pipe 271 supplies engine cooling water as a cooling medium to the cooling system L3. Is connected in parallel to the refrigerant return pipe L5 for returning to the pipe. The refrigerant inlet of each heat transfer tube 272 is connected in parallel to the branch pipe L6 branched from the refrigerant supply pipe L4, and the refrigerant outlet of each heat transfer pipe 272 is connected to the above-described refrigerant return pipe L5. Connected in parallel.

更に、分岐管L6には、冷媒供給制御弁17が設けられている。冷媒供給制御弁17は、ECU40によって開閉制御され、冷媒供給制御弁17を開閉させることにより、各伝熱管272に対する冷却媒体の供給を停止または許容することができる。すなわち、上述の開閉弁16が開放されている場合に冷媒供給制御弁17を開放させれば、低温熱交換器27のすべての伝熱管271および272に対して冷媒供給管L4や分岐管L6を介して冷却媒体としてのエンジン冷却水が供給されることになる。一方、開閉弁16が開放されている場合に冷媒供給制御弁17を閉鎖させれば、低温熱交換器27の伝熱管271および272のうち、(すべての)伝熱管271(低温熱交換器27の全伝熱管の50%)に対してのみ、冷媒供給管L4を介して冷却媒体としてのエンジン冷却水が供給されることになる。このように、熱音響エンジン20では、冷媒供給制御弁17を開閉制御することにより、容易かつ確実に低温熱交換器27の伝熱面積を変化させることが可能となる。   Further, a refrigerant supply control valve 17 is provided in the branch pipe L6. The refrigerant supply control valve 17 is controlled to be opened and closed by the ECU 40, and the refrigerant supply control valve 17 can be opened and closed to stop or allow the supply of the cooling medium to each heat transfer tube 272. That is, if the refrigerant supply control valve 17 is opened when the on-off valve 16 is opened, the refrigerant supply pipe L4 and the branch pipe L6 are connected to all the heat transfer pipes 271 and 272 of the low-temperature heat exchanger 27. Thus, engine cooling water as a cooling medium is supplied. On the other hand, if the refrigerant supply control valve 17 is closed when the on-off valve 16 is open, (all) of the heat transfer tubes 271 and 272 of the low-temperature heat exchanger 27 (all the heat transfer tubes 271 (the low-temperature heat exchanger 27). Only 50% of the total heat transfer pipes) are supplied with engine coolant as a cooling medium through the refrigerant supply pipe L4. As described above, in the thermoacoustic engine 20, the heat transfer area of the low-temperature heat exchanger 27 can be easily and reliably changed by controlling the refrigerant supply control valve 17 to open and close.

そして、上述の低温熱交換器27を備えた熱音響エンジン20では、開閉弁16が開放された状態で運転されている際に、蓄熱器25の両端部間に充分な温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させるべく、ECU40によって図5に示される伝熱面積制御ルーチンが所定時間ごとに繰り返し実行される。この場合、ECU40は、まず、前段触媒装置12aの温度センサTの検出値に基づいて高温熱交換器26に供給される排気ガスの温度Teを求める(S10)。排気ガスの温度Teを取得すると、ECU40は、高温熱交換器26に供給される排気ガスの温度Te(実質的に、高温熱交換器26の温度)が予め定められている閾値以上であるか否か判定する(S12)。   In the thermoacoustic engine 20 including the low-temperature heat exchanger 27 described above, a sufficient temperature gradient is always formed between both ends of the heat accumulator 25 when the on-off valve 16 is operated in an open state. Thus, in order to reliably generate the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid, the ECU 40 repeatedly executes the heat transfer area control routine shown in FIG. 5 every predetermined time. In this case, the ECU 40 first obtains the temperature Te of the exhaust gas supplied to the high temperature heat exchanger 26 based on the detected value of the temperature sensor T of the pre-stage catalyst device 12a (S10). When the exhaust gas temperature Te is acquired, the ECU 40 determines whether the exhaust gas temperature Te supplied to the high temperature heat exchanger 26 (substantially, the temperature of the high temperature heat exchanger 26) is equal to or higher than a predetermined threshold. It is determined whether or not (S12).

S12にて高温熱交換器26に供給される排気ガスの温度Teが上記閾値以上であると判断した場合、ECU40は、冷媒供給制御弁17を開放させる(S14)。これにより、内燃機関1からの排気ガスの温度Teが充分に高い場合には、低温熱交換器27のすべての伝熱管271および272に対して冷媒供給管L4や分岐管L6を介して冷却媒体としてのエンジン冷却水が供給されることになる。   When it is determined in S12 that the temperature Te of the exhaust gas supplied to the high-temperature heat exchanger 26 is equal to or higher than the threshold value, the ECU 40 opens the refrigerant supply control valve 17 (S14). Thereby, when the temperature Te of the exhaust gas from the internal combustion engine 1 is sufficiently high, the cooling medium is supplied to all the heat transfer tubes 271 and 272 of the low-temperature heat exchanger 27 via the refrigerant supply tube L4 and the branch tube L6. As a result, engine cooling water is supplied.

これに対して、S12にて高温熱交換器26に供給される排気ガスの温度Teが上記閾値を下回っていると判断した場合、ECU40は、冷媒供給制御弁17を閉鎖させる(S16)。これにより、例えば内燃機関1の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度Teが所定温度を下回るような場合には、低温熱交換器27の伝熱管271および272のうち、(すべての)伝熱管271に対してのみ、冷媒供給管L4を介して冷却媒体としてのエンジン冷却水が供給されることになる。   On the other hand, when it is determined in S12 that the temperature Te of the exhaust gas supplied to the high temperature heat exchanger 26 is below the threshold value, the ECU 40 closes the refrigerant supply control valve 17 (S16). Thereby, for example, when the temperature Te of the exhaust gas is lower than a predetermined temperature, such as when the internal combustion engine 1 is started or idling, (all) of the heat transfer tubes 271 and 272 of the low-temperature heat exchanger 27. Only 271 is supplied with engine cooling water as a cooling medium via the refrigerant supply pipe L4.

このように、熱音響エンジン20では、S12において否定判断がなされた場合には、低温熱交換器27の伝熱面積が(本実施形態では、50%)減少させられる。この結果、例えば内燃機関1の始動時やアイドリング時といった排気ガスの温度Teが所定温度を下回るような場合であっても、蓄熱器25の両端部間に充分な温度勾配を形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることが可能となる。   Thus, in the thermoacoustic engine 20, when a negative determination is made in S12, the heat transfer area of the low-temperature heat exchanger 27 is decreased (in this embodiment, 50%). As a result, even when the temperature Te of the exhaust gas is lower than a predetermined temperature, for example, when the internal combustion engine 1 is started or idling, a sufficient temperature gradient is formed between both ends of the heat accumulator 25 to operate. It becomes possible to reliably generate the thermoacoustic self-excited vibration of the fluid.

なお、前段触媒装置12aに温度センサTを設置する代わりに、高温熱交換器26の所定箇所に温度センサを設置してもよい。この場合、図5のS10では、当該温度センサの検出値に基づいて高温熱交換器26の所定箇所における温度を取得し、S12では、高温熱交換器26の温度が予め定められている閾値以上であるか否か判定するとよい。   Instead of installing the temperature sensor T in the upstream catalyst device 12a, a temperature sensor may be installed at a predetermined location of the high temperature heat exchanger 26. In this case, in S10 of FIG. 5, the temperature at a predetermined location of the high temperature heat exchanger 26 is acquired based on the detection value of the temperature sensor, and in S12, the temperature of the high temperature heat exchanger 26 is equal to or higher than a predetermined threshold. It is good to determine whether or not.

本発明による熱音響エンジンを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the thermoacoustic engine by this invention. 高温熱交換器による蓄熱器の加熱量が少ない場合に、低温熱交換器に対する冷却媒体の供給量を一定とする一方、低温熱交換器の伝熱面積を変化させた際の伝熱管の熱媒体入口から熱媒体出口までの間における高温熱交換器および低温熱交換器の温度変化を説明するためのグラフである。When the amount of heat stored in the heat accumulator by the high-temperature heat exchanger is small, the amount of cooling medium supplied to the low-temperature heat exchanger is kept constant, while the heat transfer tube heat medium is changed when the heat-transfer area of the low-temperature heat exchanger is changed It is a graph for demonstrating the temperature change of a high temperature heat exchanger and a low-temperature heat exchanger between an inlet_port | entrance and a heat-medium exit. 高温熱交換器による蓄熱器の加熱量が少ない場合に、低温熱交換器に対する冷却媒体の供給量を一定とする一方、低温熱交換器に対する冷却媒体の供給量を変化させた際の伝熱管の熱媒体入口から熱媒体出口までの間における高温熱交換器および低温熱交換器の温度変化を説明するためのグラフである。When the amount of heat stored in the regenerator by the high-temperature heat exchanger is small, the supply amount of the cooling medium to the low-temperature heat exchanger is kept constant while the supply amount of the cooling medium to the low-temperature heat exchanger is changed. It is a graph for demonstrating the temperature change of a high temperature heat exchanger and a low temperature heat exchanger between a heat-medium entrance and a heat-medium exit. 図1の熱音響エンジンに含まれる低温熱交換器を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the low-temperature heat exchanger contained in the thermoacoustic engine of FIG. 図1の熱音響エンジンにおいて低温熱交換器の伝熱面積を制御するルーチンを説明するためにフローチャートである。2 is a flowchart for explaining a routine for controlling a heat transfer area of a low-temperature heat exchanger in the thermoacoustic engine of FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 内燃機関
14 冷却水ポンプ
15 ラジエータ
16 開閉弁
17 冷媒供給制御弁
20 熱音響エンジン
21 気柱管
22 ループ部
23 共鳴部
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
271,272 伝熱管
L3 冷却系統
L4 冷媒供給管
L5 冷媒返送管
L6 分岐管
T 温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Internal combustion engine 14 Cooling water pump 15 Radiator 16 On-off valve 17 Refrigerant supply control valve 20 Thermoacoustic engine 21 Air column tube 22 Loop part 23 Resonance part 24 Transducer 25 Heat accumulator 26 High temperature heat exchanger 27 Low temperature heat exchanger 271, 272 Heat pipe L3 Cooling system L4 Refrigerant supply pipe L5 Refrigerant return pipe L6 Branch pipe T Temperature sensor

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、
前記温度勾配を形成するために前記蓄熱手段の一端に近接して設けられた熱交換手段を備え、この熱交換手段は、伝熱面積を変化させることができるように構成されてい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,
In order to form the temperature gradient, heat exchange means provided close to one end of the heat storage means is provided, and the heat exchange means is configured to change the heat transfer area. A thermoacoustic engine.
前記熱交換手段は、前記蓄熱手段の一端を冷却するための低温熱交換器であり、
前記蓄熱手段の他端を加熱するための高温熱交換器と、
前記高温熱交換器の温度に応じて前記低温熱交換器の伝熱面積を変化させる制御手段とを更に備え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 heat exchange means is a low-temperature heat exchanger for cooling one end of the heat storage means,
A high-temperature heat exchanger for heating the other end of the heat storage means;
The thermoacoustic engine according to claim 1, further comprising a control unit that changes a heat transfer area of the low-temperature heat exchanger according to a temperature of the high-temperature heat exchanger.
前記低温熱交換器は、複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管の一部に対する冷却媒体の供給を停止または許容する冷媒供給設定手段とを含み、前記制御手段は、前記高温熱交換器の温度に応じて前記冷媒供給設定手段を制御することを特徴とする請求項2に記載の熱音響エンジン。   The low-temperature heat exchanger includes a plurality of heat transfer tubes and a refrigerant supply setting unit that stops or allows supply of a cooling medium to a part of the plurality of heat transfer tubes, and the control unit includes the high-temperature heat exchanger. The thermoacoustic engine according to claim 2, wherein the refrigerant supply setting unit is controlled according to temperature. 前記高温熱交換器は、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2または3に記載の熱音響エンジン。
The thermoacoustic engine according to claim 2, wherein the high-temperature heat exchanger uses exhaust gas from an internal combustion engine as a heat source.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009243367A (en) * 2008-03-31 2009-10-22 Mazda Motor Corp Engine exhaust equipment
CN110341924A (en) * 2018-04-03 2019-10-18 中国科学院理化技术研究所 A kind of Ship Propulsion System

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