JP2006266571A - 冷却システム、及び、自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの廃熱を利用する場合に、従来よりも簡単な構造で冷却対象物を冷却できるようにした冷却システムを提供する。
【解決手段】エンジン１０に接続される排気管１２と、当該排気管１２に接続され内部に作動流体を有するループ管２０と、当該ループ管２０内に設けられる第一の熱交換装置３及び第二の熱交換装置４とを具備してなるもので、前記排気管１２の熱を前記第一の熱交換装置３側に入力することによってループ管２０内に自励の音波を発生させ、当該音波を前記第二の熱交換装置４側に伝達させることによって第二の熱交換装置４で熱エネルギーに変換して車載の冷却対象物を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響効果を利用した冷却システムに関するものであり、より詳しくは、エンジンの廃熱を利用して車載の冷却対象物を冷却できるようにした冷却システムに関するものである。

自動車のエンジンからの排ガスは、排気管を介して外部に放出され、その排気管の温度は、エンジン付近で約６００℃〜９００℃に達し、また、触媒コンバータの下流側でも約５００℃〜７５０℃近くに達している。このような廃熱は排気管の表面や排ガスなどを介して外部にそのまま放出されていることが多い。

近年、このような自動車の廃熱を有効利用しようとする動きがある。例えば、下記の特許文献１には、エンジンの廃熱を利用してハイブリッドカーのバッテリを冷却できるようにした冷却システムが提案されている。

この特許文献１に記載される冷却システムは、エンジンの廃熱を利用して加熱された流体を高速で噴射させる機構と、この高速で噴射された流体の巻き込み作用によって冷媒を循環させるエジェクタポンプと、このエジェクタポンプから吐き出された冷媒を冷却する放熱器と、この冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器とを設けるようにしたものである。
特開２００４−１３１０３４号公報

しかしながら、このような冷却システムは、流体を高速で噴射させる機構やエジェクタポンプだけでなく、放熱器や蒸発器なども設ける必要があり、システムが大掛かりなものとなり、機構も複雑なものになってしまう。このため、もっと簡単な構造で廃熱を利用できる冷却システムが要望されている。

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、エンジンの廃熱を利用する場合に、従来よりも簡単な構造で冷却対象物を冷却できるようにした冷却システムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の冷却システムは、上記課題を解決するために、車両構成要素をなす発熱体と、音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行う第一の熱交換器及び第二の熱交換器を有するループ管とを具備してなり、前記発熱体の熱をループ管内の第一の熱交換器に入力することによって自励の音波を発生させ、当該音波を前記第二の熱交換器側に伝達させることによって第二の熱交換器で熱エネルギーに変換して車載の冷却対象物を冷却するようにしたものである。

そして、このような発明の一態様として、エンジンに接続される排気管と、音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行う第一の熱交換器及び第二の熱交換器を有するループ管とを具備してなり、前記排気管の熱（排気管内を通排ガスの熱も含む）をループ管内の第一の熱交換器に入力することによって自励の音波を発生させ、当該音波を前記第二の熱交換器側に伝達させることによって第二の熱交換器で熱エネルギーに変換して車載の冷却対象物を冷却するようにしたものである。

このように熱音響効果を利用して車載の冷却対象物を冷却できるようにすれば、熱音響装置自体が少なくともループ管と第一の熱交換器、第二の熱交換器だけで構成されるので、非常に簡単に冷却システムを構築することができるようになる。また、排気管の熱を熱音響装置で消費するので、排ガスによる騒音を、例えば、１００℃当たり４ｄＢ〜５ｄＢ低下させ、マフラーの小型化を図ることができるようになる。しかも、廃熱を利用して冷却するので、別途発電機を回転させて冷却対象物を冷却させるといったことが不要になり、燃費も向上させることができるようになる。

また、このようなループ管を排気管に取り付ける場合、排気管から分岐するバイパス排気管にループ管を取り付けるようにする。

このようにすれば、排気管から離れた位置にループ管を取り付けることができるので、設計の自由度を増やすことができるようになる。しかも、そのバイパス排気管の長さや内径寸法などを変えることによって熱音響装置に入力される熱量を加減することができるようになる。

そして、このような熱量を加減する場合、バイパス排気管側に分岐する排ガスの流量を調整する流量調整バルブを設けるようにする。

このようにすれば、流量調整バルブの向きを変えることによって入力される熱量を調整することができるため、例えば、より冷却効果を高めたい場合は、バイパス排気管の流量を大きくして第一の熱交換器を高温に加熱することなどができるようになる。

また、このようなバイパス排気管への流量を調整する場合、排気管内の排ガスの圧力が高くなった場合に、バイパス排気管側へ流れる排ガスの流量を小さくする。

このようにすれば、エンジンの回転数が高くなった場合であっても、多くの排ガスを直接排気管から放出することができるので、エンジンの排気効率を良くして燃費を向上させることなどができるようになる。

また、ループ管の外周部に、外部からの熱を遮断し、又は／及び、ループ管を冷却する断熱冷却部材を設けるようにする。

通常、エンジンやバイパス排気管の近くにループ管を取り付けた場合、その輻射熱などによってループ管自体が加熱されてしまい、熱音響効果をうまく高めることができない。しかし、このようにループ管の外周部に断熱冷却部材を設けるようににすれば、ループ管の加熱を防止することができ、冷却効果を高めることができるようになる。

更に、冷却対象物を冷却する場合、第二の熱交換器から出力される冷熱を保冷器に蓄熱できるようにする。

このようにすれば、エンジンを停止させた後であっても、その保冷器を用いて冷却対象物を冷却することができるようになる。

本発明の冷却システムは、エンジンに接続される排気管と、音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行う第一の熱交換器及び第二の熱交換器を有するループ管とを具備してなり、前記排気管の熱をループ管内の第一の熱交換器に入力することによって自励の音波を発生させ、当該音波を前記第二の熱交換器側に伝達させることによって第二の熱交換器で熱エネルギーに変換して車載の冷却対象物を冷却するようにしたので、非常に簡単に冷却システムを構築することができるようになる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における冷却システム１の概略図を示したものであり、図２から図５は、その熱音響装置２の詳細図を示したものである。

本実施の形態における冷却システム１は、エンジン１０などの内燃機関を有する自動車に使用されるもので、エグゾーストマニホールド１１を介してエンジン１０に接続される排気管１２と、その排気管１２から分岐するバイパス排気管１４と、そのバイパス排気管１４に取り付けられる熱音響装置２とを具備してなり、その熱音響装置２による熱音響効果によって車載の電子部品や電子素子、室内空間、或いは、冷凍車の冷凍庫などの冷却対象物を冷却できるようにしたものである。

まず、この熱音響装置２の基本構成について説明する。この熱音響装置２は、図２に示すように、作動流体が封入されるループ管２０と、このループ管２０の内部に設けられる第一の熱交換器３と第二の熱交換装置４とを具備してなる。この第一の熱交換装置３は、第一高温側熱交換器３０と第一低温側熱交換器３１とに挟まれた第一のスタック３２によって構成され、また、第二の熱交換装置４は、第二高温側熱交換器４０と第二低温側熱交換器４１とに挟まれた第二のスタック４２によって構成される。

このように構成された熱音響装置２は次のように作用する。すなわち、熱音響装置２の第一高温側熱交換器３０に外部から高温の熱が加えられるとともに第一低温側熱交換器３１が低温に保たれると、第一高温側熱交換器３０と第一低温側熱交換器３１との間に生じる温度勾配によって、その間に設けられた第一のスタック３２の導通路３２ａ内で作動流体がゆらぎ始める。そして、自励の音波が発生し、この音波は、定在波及び進行波による音エネルギーとして第二の熱交換装置４側に伝達される。音エネルギーの入力を受けた第二の熱交換装置４では、エネルギー保存の法則により、音エネルギーの進行方向と逆方向に熱エネルギーが移送され、これによって第二低温側熱交換器４１が冷却される。

そして、本実施の形態では、このような熱音響効果を有する熱音響装置２を用いて車載の電子部品や電子素子や室内空間などのような冷却対象物を冷却できるようにしたものである。以下、本実施の形態における冷却システム１について詳細に説明する。

図１は、この冷却システム１が適用される自動車を示したものであり、１０はエンジン、１１はエグゾーストマニホールド、１２は排気管である。また、１３は触媒コンバータであり、１５は排気管１２の排出口付近に設けられるマフラーである。この触媒コンバータ１３の下流側における排気管１２には、バイパス排気管１４が接続される。このバイパス排気管１４は、排気管１２から分岐部１４ａを介して分岐し、途中で熱音響装置２に接続され、再び排気管１２に合流部１４ｂで接続される。このバイパス排気管１４への流量は流量調整バルブ１４ｃによって調整される、例えば、エンジン１０が高速回転して排気管１２内の圧力が高くなった場合には、排気管１２側への流量を多く設定し、また、エンジン１０が低速回転で排気管１２内の圧力が低くなった場合には、バイパス排気管１４側への流量を多くする。

図２から図５に、この冷却システム１における熱音響装置２の詳細の構成を示す。

この熱音響装置２のループ管２０は、閉曲線をなすように左右一対の直線管部と、これらの直線管部を連結する連結管部とを設けて構成され、例えば、内側における直径を約４０ｍｍ、全長を約３．２ｍ程度として構成される。これらの直線管部及び連結管部は、金属製のパイプによって構成されるが、金属に限らず、熱伝導率の低い合成樹脂などによって構成することもできる。そして、このループ管２０の外周部には断熱冷却部材６が密着して、若しくは、所定の隙間をあけて取り付けられる。この断熱冷却部材６は、バイパス排気管１４などの輻射熱からループ管２０を遮断するもので、例えば、不燃性繊維や、液体循環装置５によって内部に不凍性の液体を循環させるための冷却部材などが用いられる。この断熱冷却部材６は、少なくとも廃熱の入力される第一高温側熱交換器３０の近傍に取り付けられる。

そして、このように構成されたループ管２０の内部には、第一高温側熱交換器３０、第一低温側熱交換器３１及び第一のスタック３２からなる第一の熱交換装置３と、第二高温側熱交換器４０、第二低温側熱交換器４１及び第二のスタック４２からなる複数の第二の熱交換装置４が設けられる。

この第一高温側熱交換器３０は、図３に示すように、バイパス排気管１４の排ガスを内側に通過させる排ガス導通路３０ａと、ループ管２０内の作動流体を通過させる導通路３０ｂとを設けるように構成される。これらの排ガス導通路３０ａと作動流体の導通路３０ｂとは、それぞれ壁面を介して遮断され、それぞれの気体が混ざり合わないようになっている。そして、この第一高温側熱交換器３０は、排ガス導通路３０ａを流れる排ガスの熱によって約５００℃〜７５０℃に熱せられる。

一方、第一低温側熱交換器３１は、熱容量の大きい金属などで構成され、図４に示すように、その内側にループ管２０の軸方向に沿った導通路３１ｂを有している。この第一低温側熱交換器３１の内部には、不凍性の液体を循環させる循環路３１ａが設けられており、液体循環装置５によって約１５℃〜２５℃の範囲内に設定される。

これら第一高温側熱交換器３０と第一低温側熱交換器３１との間に設けられる第一のスタック３２は、図５に示すように、ループ管２０の軸方向に沿った貫通した微小径の導通路３２ａを有するもので、セラミクスや、燒結金属、金網、金属製不織布などを用いて構成される。この第一のスタック３２は、直径約４０ｍｍの範囲内に約９００〜１２００個の貫通した導通路３２ａを有するように構成され、その導通路３２ａに作動流体を導通させる。この第一のスタック３２は、外周部分に断熱性のマット材を巻き付けた状態で第一高温側熱効果器と第一低温側熱交換器３１との間に押し込まれ、ループ管２０の所定の位置に取り付けられる。

一方、第二の熱交換装置４は、前述のように、第二高温側熱交換器４０と、第二低温側熱交換器４１と、第二のスタック４２とを具備してなる。この第二高温側熱交換器４０は、第一低温側熱交換器３１と同じ構造を有し、図４に示すように、その内側にループ管２０の軸方向に沿った導通路４０ｂを有している。この第二低温側熱交換器４０の内部には、不凍性の液体を循環させる循環路４０ａが設けられており、液体循環装置５によって約１５℃〜２５℃の範囲内に設定され、相対的に第二低温側熱交換器４１よりも高温に設定される。

また、第二低温側熱交換器４１は、第二のスタック４２の導通路４２ａに対応した導通路（図示せず）を有する熱伝導の高い金属製材料などで構成され、熱音響効果によって冷却された熱を外部の保冷器７（図１参照）に出力できるようにしている。この保冷器７は、内部に熱を蓄積できる構造を有し、エンジン１０の停止後にその蓄積された熱を利用して冷却対象物を冷却できるようにしている。

この第二高温側熱交換器４０と第二低温側熱交換器４１との間には、第二のスタック４２が設けられる。この第二のスタック４２は、第一のスタック３２と同じ構造を有しており、ループ管２０の軸方向に沿った貫通した微小径の導通路４２ａを有し、セラミクスや、燒結金属、金網、金属製不織布などを用いて構成される。そして、この第二のスタック４２の外周部分に断熱性のマット剤を巻き付けて、ループ管２０内の所定の位置に取り付けられる。この第二のスタック４２の位置については、ループ管２０内に発生する定在波及び進行波の腹の位置に設けられる。

次に、このように構成された冷却システム１を用いて冷却対象物を冷却するときの作用について説明する。

まず、エンジン１０の始動に伴ってエンジン１０から排ガスが排出されると、その排ガスは排気管１２を通って触媒コンバータ１３側に移送され、そこで、排ガス中の有害物質を酸化還元浄化する。そして、その排ガスの一部は、流量調整バルブ１４ｃによってバイパス排気管１４側へ導かれ、その廃熱によって熱音響装置２の第一高温側熱交換器３０を加熱する。このとき、第一高温側熱交換器３０は、廃熱によって２００℃〜７５０℃に加熱される。また、その排ガスは、第一高温側熱交換器３０での熱の放出によって冷却され、再び合流部１４ｂを介して排気管１２に戻される。また、このエンジン１０の始動に伴って、液体循環装置５が稼働し、不凍性の液体を第一低温側熱交換器３１内やループ管２０の外周部、第二高温側熱交換器４０内を循環させて１５℃〜２５℃に保温する。そして、この第一高温側熱交換器３０と第一低温側熱交換器３１との温度差によって第一のスタック３２内に温度勾配を生じさせる。

この温度勾配により、第一のスタック３２の導通路３２ａ内における作動流体は、図６に示すように、圧縮→加熱→膨張→冷却のサイクルを受け、温度勾配のある壁面に沿って熱交換を行いながら往復運動を繰り返す。これにより、導通路３２ａ内から自励の音波を発生する。

この自励の音波は、定在波及び進行波による音エネルギーとしてループ管２０に沿って移送される。この音エネルギーの移送方向は、第一の熱交換装置３における熱エネルギーの移送方向である第一高温側熱交換器３０から第一低温側熱交換器３１と逆方向となる。

そして、この音エネルギーは第二の熱交換装置４における第二のスタック４２の導通路４２ａ内に入力される。この第二のスタック４２の導通路４２ａ内において作動流体は、図７に示すように、第一のスタック３２におけるサイクルとは逆の、圧縮→冷却→膨張→加熱というサイクルを受ける。このとき、作動流体は、熱を第二低温側熱交換器４１から第二高温側熱交換器４０へ汲み出すために周囲の微小要素から音エネルギーを吸収する。これにより、音エネルギーは、流れの進行方向に沿って減少するが、この減少に伴って熱エネルギーが生じ、この熱エネルギーが第二低温側熱交換器４１から第二高温側熱交換器４０側へと進行する。すなわち、熱エネルギーは、音エネルギーの進行方向とは逆方向であり、第二低温側熱交換器４１から第二高温側熱交換器４０側へ移送される。これにより、第二低温側熱交換器４１は冷却される。このとき、第二高温側熱交換器４０の設定温度が液体循環装置５によって１５℃〜２５℃に保持されているので、第二低温側熱交換器４１からの多くの熱を移送することができ、第二低温側熱交換器４１をより冷却することができる。

この冷却された熱（冷熱）は、外部の保冷器７に一旦蓄積される。そして、エンジン１０作動中はその保冷器７を介して車載の電子部品や電子素子や室内空間などの冷却対象物を冷却し、また、エンジン１０の停止後は、その保冷器７に蓄積された冷熱を出力しながら車載の冷却対象物を冷却する。

このように上記実施の形態によれば、エンジン１０に接続される排気管１２と、当該排気管１２に接続され内部に作動流体を有するループ管２０と、当該ループ管２０内に設けられる第一の熱交換装置３及び第二の熱交換装置４とを具備してなるもので、前記排気管１２の熱を前記第一の熱交換装置３側に入力することによってループ管２０内に自励の音波を発生させ、当該音波を前記第二の熱交換装置４側に伝達させることによって第二の熱交換装置４で熱エネルギーに変換して車載の冷却対象物を冷却するようにしたので、非常に簡単に冷却システム１を構築することができるようになる。また、排気管１２の熱を熱音響装置２で消費することができるので、排ガスの温度を１００℃低下させるに当たり、騒音を４ｄＢ〜５ｄＢ低下させることができる。これにより、マフラー１５の小型化を図ることもできる。更には、廃熱を利用して冷却対象物を冷却するので、エンジン１０の駆動力を用いて発電機を稼働させ、この発電機を用いて冷却させるといったことが不要になり、自動車の燃費も向上させることができるようになる。

また、このようなループ管２０を排気管１２に取り付ける場合、排気管１２から分岐して排気管１２に戻るバイパス排気管１４を設け、このバイパス排気管１４の途中にループ管２０を取り付けるようにしたので、バイパス排気管１４を迂回させるだけでループ管２０を任意の位置に取り付けることができ、しかも、そのバイパス排気管１４の流路や内径などによって熱音響装置２に入力される熱量を加減することができるようになる。

更に、このようにバイパス排気管１４によって熱量を加減する場合、排気管１２側からバイパス排気管１４側へ流れる排ガスの流量を調整する流量調整バルブ１４ｃを設けるようにしたので、流量を変えるだけで第一の熱交換装置３側に入力される熱量を変化させることができ、例えば、より冷却効果を高めたい場合は、バイパス排気管１４の流量を大きくして第一の熱交換装置３に高い温度に設定し、また、冷却効果を低めたい場合は、バイパス排気管１４を流れる排ガスの量を小さくして第一の熱交換装置３の温度を低く設定することなどができる。

そして、このようなバイパス排気管１４への流量を制御する場合、排気管１２内の排ガスの圧力が高くなった場合に、バイパス排気管１４側へ流れる排ガスの流量を小さくしたので、エンジン１０の回転数が高くなった場合に、排気管１２から多くの排ガスを外部に放出することができるので、エンジン１０の排気効率を良くして燃費を向上させることなどができる。

また、このようなループ管２０とエンジン１０や排気管１２などの熱放射体との間に断熱冷却部材６や液体循環装置５などを設けるようにしたので、ループ管２０の加熱を防止することができ、冷却効果を高めることができるようになる。

また、このような熱音響装置２を用いて冷却対象物などを冷却する場合、第二の熱交換装置４から出力される冷熱を保冷器７に一旦蓄熱し、その保冷器７の熱を用いて冷却対象物などを冷却するようにしたので、エンジン１０を停止させた後であっても、冷却対象物を冷却することができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、バイパス排気管１４に熱音響装置２を接続しているが、これに限らず、エンジン１０に接続された排気管１２に直接熱音響装置２を接続するようにしても良い。

また、上記実施の形態では、バイパス排気管１４の内部に排ガスを通し、その排ガスの廃熱を利用して第一高温側熱交換器３０を加熱するようにしているが、これに限らず、排ガスによって熱せられた排気管１２の熱をそのまま熱伝導率の高い部材（例えば、金属線など）を介して第一高温側熱交換器３０に入力させ、その熱によって第一高温側熱交換器３０を加熱するようにしても良い。

更に、上記実施の形態では、自動車にこの冷却システム１を取り付けた例を説明したが、自動車に限らず、エンジン１０を有する自動二輪、船舶、飛行機などの輸送体などにも適用することができる。

加えて、上記実施の形態では、エンジンに接続された排気管の排ガスの熱を用いて冷却対象物を冷却するようにしているが、必ずしもこれに限るものではなく、エンジンの熱をそのまま利用するようにしても良く、或いは、バッテリーの廃熱、ラジエター内の冷却水の廃熱、エンジンオイルの廃熱などを利用するようにしても良い。

本発明の一実施の形態における冷却システムを組み込んだ自動車の概要を示す図 同形態における熱音響装置の概要を示す図 同形態における熱音響装置の第一高温側熱交換器を示す図 同形態における熱音響装置の第一低温側熱交換器を示す図 同形態における熱音響装置の第一のスタック・第二のスタックの構成を示す図 同形態における自励の音波の発生原理を示す図 同形態における音エネルギーから熱エネルギーへの変換を示す図

符号の説明

１・・・冷却システム
１０・・・エンジン
１１・・・エグゾーストマニホールド
１２・・・排気管
１３・・・触媒コンバータ
１４・・・バイパス排気管
１４ａ・・・分岐部
１４ｂ・・・合流部
１４ｃ・・・流量調整バルブ
１５・・・マフラー
２・・・熱音響装置
２０・・・ループ管
３・・・第一の熱交換装置
３０・・・第一高温側熱交換器
３０ａ・・・排ガス導通路
３０ｂ・・・作動流体の導通路
３１・・・第一低温側熱交換器
３１ａ・・・循環路
３１ｂ・・・作動流体の導通路
３２・・・第一のスタック
３２ａ・・・導通路
４・・・第二の熱交換装置
４０・・・第二高温側熱交換器
４０ａ・・・循環路
４１・・・第二低温側熱交換器
４１ａ・・・導通路
４２・・・第二のスタック
４２ａ・・・導通路
５・・・液体循環装置
６・・・断熱冷却部材
７・・・保冷器

Claims (8)

1. 車両構成要素をなす発熱体と、音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行う第一の熱交換器及び第二の熱交換器を有するループ管とを具備してなり、前記発熱体からの廃熱をループ管内の第一の熱交換器に入力することによって自励の音波を発生させ、当該音波を前記第二の熱交換器側に伝達させることによって第二の熱交換器で熱エネルギーに変換して車載の冷却対象物を冷却するようにしたことを特徴とする冷却システム。
2. エンジンに接続される排気管と、音エネルギーと熱エネルギーとの間でエネルギー変換を行う第一の熱交換器及び第二の熱交換器を有するループ管とを具備してなり、前記排気管の熱をループ管内の第一の熱交換器に入力することによって自励の音波を発生させ、当該音波を前記第二の熱交換器側に伝達させることによって第二の熱交換器で熱エネルギーに変換して車載の冷却対象物を冷却するようにしたことを特徴とする冷却システム。
3. 前記ループ管が、排気管から分岐するバイパス排気管に接続されるものである請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記バイパス排気管側に分岐する排ガスの流量を調整する流量調整バルブを設けた請求項３に記載の冷却システム。
5. 排気管内の排ガスの圧力が高くなった場合に、排気管側への流量が大きくなるように流量調整バルブを調整するようにした請求項４に記載の冷却システム。
6. 前記ループ管の外周部に、外部からの熱を遮断し、又は／及び、ループ管を冷却する断熱冷却部材を設けた請求項１から５いずれか１項に記載の冷却システム。
7. 前記第二の熱交換器から出力される冷熱を蓄積する保冷器を設けた請求項１に記載の冷却システム。
8. 請求項１から７いずれか１項に記載の冷却システムを設けた自動車。

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