JP2007315680A - Thermoacoustic stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱音響スターリングエンジンに関し、特に内燃機関のEGRガス等の温度を制御するに好適な熱音響スターリングエンジンに関する。 The present invention relates to a thermoacoustic Stirling engine, and more particularly to a thermoacoustic Stirling engine suitable for controlling the temperature of EGR gas or the like of an internal combustion engine.
従来から、熱音響現象を利用した熱音響スターリングエンジンが知られており、さらにこのエンジン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。)。 Conventionally, a thermoacoustic Stirling engine using a thermoacoustic phenomenon is known, and a refrigerator using this engine has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この熱音響スターリングエンジンは、所定の圧力で作動気体が封入される気柱管と、この気柱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から構成される音波発振部を備えている。そして、冷凍機部は、同じ気柱管内でこの音波発振部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ている。この冷凍機部は、音波発振部のスタックの両端部間に温度勾配を形成することにより、スタックにて作動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冷凍機部の蓄冷器に蓄冷するものである。 This thermoacoustic Stirling engine has an air column tube filled with a working gas at a predetermined pressure, and a stack that is disposed inside the air column tube and is sandwiched between a high temperature side heat exchanger and a low temperature side heat exchanger. A sound wave oscillating unit comprising: The refrigerator unit includes a regenerator arranged together with the high-temperature side heat exchanger and the low-temperature side heat exchanger at asymmetric positions with the stack of the sound wave oscillating units in the same air column tube. This refrigerator unit generates a temperature gradient between both ends of the stack of the sound wave oscillating unit, thereby generating self-excited vibration of the working gas in the stack, and by the propagation of the standing wave and traveling wave obtained thereby. Cold storage is performed in the regenerator of the refrigerator unit.
また、従来から、熱音響現象を利用して内燃機関の廃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冷凍部とを備える。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、音波のエネルギーは冷凍部で冷熱へと変換される。そして、冷凍部で得られる冷熱は、排気系統の所定箇所を冷却するために利用される。 Conventionally, an apparatus for recovering waste heat of an internal combustion engine using a thermoacoustic phenomenon has been proposed (see, for example, Patent Document 2). This device includes a resonance tube connected to an exhaust gas purification catalytic converter of an internal combustion engine, a stack provided at one end of the resonance tube, and a refrigeration unit provided at the other end of the resonance tube. 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 cold heat in the freezing unit. And the cold heat obtained in a freezing part is utilized in order to cool the predetermined location of an exhaust system.
ところで、熱音響スターリングエンジンにおいて高いエネルギー変換効率を得るには、その音波発振部において自励振動を容易に起こす条件を得ることと、それによって得られる定在波および進行波の他の部位への伝播が低流動損失で行なわれることが必要である。 By the way, in order to obtain high energy conversion efficiency in a thermoacoustic Stirling engine, a condition for easily causing self-excited vibration in the sound wave oscillating portion is obtained, and a standing wave and a traveling wave obtained thereby are transmitted to other parts. Propagation needs to be done with low flow loss.
しかしながら、上述の特許文献1に記載の熱音響スターリングエンジンでは、気柱管内に単一種の作動気体が封入されており、ある性能を得るためには、その作動気体の種類や充填圧力を妥協的に設定せざるを得ないものであった。この結果、所望の性能を得るには、気柱管の管径や長さを含む装置全体を大型化する必要がある。
However, in the thermoacoustic Stirling engine described in
そこで、本発明の目的は、装置のコンパクト化が可能で所定の性能を効率よく得ることが可能な熱音響スターリングエンジンを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a thermoacoustic Stirling engine capable of downsizing the apparatus and efficiently obtaining a predetermined performance.
上記目的を達成するための本発明の一形態による熱音響スターリングエンジンは、気柱管内に配設され、スタックと、該スタックの一端に配置された高温側熱交換器および他端に配置され低温側熱交換器とからなる音波発振部を備える熱音響スターリングエンジンであって、前記音波発振部を含む第1の閉空間とそれ以外の第2の閉空間とを区画する第1および第2の隔壁が設けられると共に、前記第1の閉空間および前記第2の閉空間にはそれぞれに適切な特性の異なる作動気体が封入されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a thermoacoustic Stirling engine according to an embodiment of the present invention is disposed in an air column tube, and includes a stack, a high-temperature side heat exchanger disposed at one end of the stack, and a low-temperature disposed at the other end. A thermoacoustic Stirling engine provided with a sound wave oscillating unit comprising a side heat exchanger, wherein the first and second partitions define a first closed space including the sound wave oscillating unit and a second closed space other than the first closed space. A partition wall is provided, and the first closed space and the second closed space are filled with working gases having different appropriate characteristics.
ここで、前記特性の異なる作動気体は、それぞれ組成比の異なるヘリウムおよびアルゴンの混合ガスであることが好ましい。 Here, the working gas having different characteristics is preferably a mixed gas of helium and argon having different composition ratios.
また、前記気柱管に配設された振動センサを含む異常状態検出手段を備えてもよい。 Moreover, you may provide the abnormal condition detection means containing the vibration sensor arrange | positioned at the said air column pipe.
さらに、前記気柱管内の作動気体の充填圧力を減圧調整する調圧手段を備えてもよい。 Furthermore, pressure adjusting means for adjusting the pressure of the working gas in the air column tube to reduce the pressure may be provided.
また、前記気柱管内に配設され、蓄冷器と高温側熱交換器および低温側熱交換器とからなる冷凍機部を備え、該冷凍機部の冷却能力を向上する冷却能力向上手段を備えてもよい。 A cooling unit disposed in the air column tube and including a regenerator, a high-temperature side heat exchanger, and a low-temperature side heat exchanger; and cooling capacity improving means for improving the cooling capability of the refrigerator unit. May be.
本発明の一形態による熱音響スターリングエンジンによれば、音波発振部を含む第1の閉空間とそれ以外の第2の閉空間とを区画する第1および第2の隔壁が設けられると共に、前記第1の閉空間および前記第2の閉空間にはそれぞれに適切な特性の異なる作動気体が封入されているので、音波発振部を含む第1の閉空間で自励振動を容易に起こす条件が得られると共に、それ以外の第2の閉空間では自励振動によって得られる定在波および進行波の他の部位への伝播が低流動損失で行なわれるので、装置のコンパクト化が可能で所定の性能を効率よく得ることが可能な熱音響スターリングエンジンを得ることができる。 According to the thermoacoustic Stirling engine according to an aspect of the present invention, the first and second partition walls that partition the first closed space including the sound wave oscillating portion and the second closed space other than the first closed space are provided. Since the first closed space and the second closed space are filled with working gases having different appropriate characteristics, there is a condition for easily causing self-excited vibration in the first closed space including the sound wave oscillating portion. In addition to the above, in the other second closed space, the standing wave and traveling wave obtained by self-excited vibration are propagated to other parts with low flow loss. A thermoacoustic Stirling engine capable of efficiently obtaining performance can be obtained.
ここで、前記特性の異なる作動気体が、それぞれ組成比の異なるヘリウムおよびアルゴンの混合ガスである形態によれば、上記の性能を最も効率良く得ることができる。 Here, according to the embodiment in which the working gas having different characteristics is a mixed gas of helium and argon having different composition ratios, the above performance can be obtained most efficiently.
また、前記気柱管に配設された振動センサを含む異常状態検出手段を備えた形態によれば、振動センサにより気柱管の振動周波数を検出することにより、隔壁の破損等に起因する作動気体の混合比の変化による振動周波数の変化率を得ることができ、隔壁の破損等の異常状態を検出することができる。 Further, according to the embodiment provided with the abnormal state detecting means including the vibration sensor disposed in the air column tube, the operation caused by the breakage of the partition wall or the like by detecting the vibration frequency of the air column tube by the vibration sensor. The rate of change of the vibration frequency due to the change in the gas mixture ratio can be obtained, and an abnormal state such as breakage of the partition wall can be detected.
さらに、前記気柱管内の作動気体の充填圧力を減圧調整する調圧手段を備えた形態によれば、例えば、上記の異常状態が検出されたときに気柱管内の作動気体の充填圧力を減圧できるので、熱音響現象を維持させることができる。 Furthermore, according to the embodiment provided with the pressure adjusting means for reducing the working gas filling pressure in the air column tube, for example, when the above abnormal state is detected, the working gas filling pressure in the air column tube is reduced. As a result, the thermoacoustic phenomenon can be maintained.
また、前記気柱管内に配設され、蓄冷器と高温側熱交換器および低温側熱交換器とからなる冷凍機部を備え、該冷凍機部の冷却能力を向上する冷却能力向上手段を備えた形態によれば、例えば、上述の異常状態における冷却性能低下を補填させることができる。 A cooling unit disposed in the air column tube and including a regenerator, a high-temperature side heat exchanger, and a low-temperature side heat exchanger; and cooling capacity improving means for improving the cooling capability of the refrigerator unit. According to the embodiment, for example, it is possible to compensate for the cooling performance degradation in the abnormal state described above.
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、本発明の第1実施形態に係る熱音響スターリングエンジン20を示す概略構成図である。同図に示されるように、本発明による熱音響スターリングエンジン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、熱音響スターリングエンジン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 thermoacoustic Stirling
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。さらに、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。
The intake port of the combustion chamber 3 is connected to the
一方、排気マニホールド6には、排気管L2が接続されており、排気管L2には、触媒装置12が組み込まれている。また、排気管L2からは、触媒装置12よりも上流側に定められた分岐部BPにおいて排ガス還流ライン(排ガス還流系統)L3が分岐されている。排ガス還流ラインL3は、排気ガス(EGRガス)の還流量を調節するためのEGR弁13を中途に有し、その先端は、吸気系統のサージタンク9に接続されている。
On the other hand, an exhaust pipe L2 is connected to the
本発明の熱音響スターリングエンジン20は、例えば、上述のような内燃機関1の排気熱を回収しEGRガスを冷却するために用いられる。本実施形態に係る熱音響スターリングエンジン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を有している。気柱管21は、図1に示されるように、ループ状に形成されたループ部22と、該ループ部22の一つのコーナー部22a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いる。
The thermoacoustic Stirling
また、気柱管21のループ部22の内部には、スタック(蓄熱手段)25が配置されている。スタック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。スタック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。このスタック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、スタック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、スタック25が、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、音波発振部Sgが構成されている。
Further, a stack (heat storage means) 25 is disposed inside the
高温熱交換器26を構成する伝熱管は、図1に示されるように、排気管L2に組み込まれている。これにより、高温熱交換器26の伝熱管には、内燃機関1の排気管L2を介して排気ガスが供給され、高温熱交換器26は、高温の排気ガスを熱源とする。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L4に組み込まれており、低温熱交換器27は、冷却系統L4を流通する冷却水を熱源(冷熱源)とする。
As shown in FIG. 1, the heat transfer tubes constituting the high
さらに、気柱管21のループ部22には、蓄冷器250、蓄冷用高温熱交換器260および蓄冷用低温熱交換器270から構成される熱音響冷凍機部Rgが配置されている。蓄冷用高温熱交換器260は、上述の高温熱交換器26と隣り合うように配置され、蓄冷用高温熱交換器260の伝熱管は、上述の冷却系統L4に組み込まれている。また、蓄冷用低温熱交換器270は、上述の低温熱交換器27と隣り合うように配置され、蓄冷用低温熱交換器270の伝熱管は、EGR弁13の下流側に位置するように排ガス還流ラインL3に組み込まれている。すなわち、分岐部BPで排ガス還流ラインL3に流れ込んだ排気ガス(EGRガス)は、EGR弁13および蓄冷用低温熱交換器270を順番に流通する。
Further, a thermoacoustic refrigerator portion Rg including a
そして、本実施の形態では、気柱管21において、音波発振部Sgを含む閉空間Aとそれ以外の閉空間B(本実施の形態では冷凍機部Rgが含まれている)とを区画する隔壁としての第1の弾性膜28および第2の弾性膜29が設けられている。さらに、この気柱管21の内部の閉空間Aおよび閉空間Bには、それぞれ、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気体(不活性ガス)のいずれかが封入され得るが、本実施の形態では、特に、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスがそれらの特性に影響を与える組成比を異ならせて封入されている。すなわち、音波発振部Sgを含む第1の閉空間Aには、自励振動を容易に起こすに適切な条件を得るべく、図2に示すように、プラントル数Prが小さくなる特性の組成比として、例えば、ヘリウム:アルゴン=80:20とされた混合ガスが封入されている。図2はヘリウムとアルゴンとの混合ガスにおいて、アルゴンの比率(%)を変化させたときのプラントル数Prの変化の様子を示すグラフである。ここでプラントル数Prとは、動粘性係数を温度伝導率(熱拡散率)で徐した無次元数であり、作動気体の、「運動量の伝わる度合い」と「熱量の伝わる度合い」の比を表わしている。
In the present embodiment, the
また、音波発振部Sgを含まない他の第2の閉空間Bには、図3に示すように、共鳴周波数を下げることができる低流動損失特性の組成比として、ヘリウム:アルゴン=20:80とされた混合ガスが封入されている。図3は、図2と同様に、ヘリウムとアルゴンとの混合ガスにおいて、アルゴンの比率(%)を変化させたときの共鳴周波数の変化の様子を示すグラフである。 Further, in the other second closed space B not including the sound wave oscillating portion Sg, as shown in FIG. 3, the composition ratio of the low flow loss characteristic capable of lowering the resonance frequency is helium: argon = 20: 80. The mixed gas is sealed. FIG. 3 is a graph showing the change of the resonance frequency when the ratio (%) of argon is changed in the mixed gas of helium and argon, as in FIG.
なお、上述の第1の閉空間Aには最も小さいプラントル数Prを示すヘリウム:アルゴン=30:70の混合ガス、第2の閉空間Bには共鳴周波数が最も低いアルゴンのみ(アルゴン100%)を封入するようにしてもよい。さらに、上述の閉空間Aとそれ以外の閉空間Bとを区画する隔壁として、本実施形態では第1の弾性膜28および第2の弾性膜29を用いたが、この隔壁としてはゴム製や樹脂製の弾性膜に替えて、気柱管21内に軸方向に摺動自在に剛性のピストンを設けるようにしてもよい。
In the first closed space A, a mixed gas of helium: argon = 30: 70 showing the smallest Prandtl number Pr, and in the second closed space B, only argon having the lowest resonance frequency is used (100% argon). May be enclosed. Further, in the present embodiment, the first
そして、熱音響スターリングエンジン20は、内燃機関1の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により制御される。ECU40は、双方向性バスを介して相互に接続されたROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU(マイクロプロセッサ)、入力ポートおよび出力ポート等を含むものである。上述の排ガス還流ラインL3のEGR弁13は、ECU40の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。
The
さて、上述のように構成される熱音響スターリングエンジン20は、内燃機関1が運転され、燃焼室3からの排気ガスが熱音響スターリングエンジン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、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、スタック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、熱音響スターリングエンジン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、スタック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、スタック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、作動気体(ヘリウム:アルゴン=80:20とされた混合ガス)の熱音響自励振動(音波)が発生する。第1の閉空間A内の音波発振部Sgにより発生された作動気体の自励振動は第1の弾性膜28および第2の弾性膜29を介して、第2の閉空間B内の作動気体(ヘリウム:アルゴン=20:80とされた混合ガス)に伝播される。
The
このようにして発生する作動気体の自励振動(音波)の周波数と共鳴部23における共鳴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、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、スタック25の両端部間に形成される温度勾配に起因してつくり出された進行波により、ループ部22の蓄冷器250の両端部間には、蓄冷用高温熱交換器260側が高温となり、蓄冷用低温熱交換器270側が低温となるように温度勾配が形成される。
When the frequency of the self-excited vibration (sound wave) of the working gas generated in this way matches the resonance frequency in the
この際、蓄冷器250の一端部は、内燃機関1の冷却水を熱源とする蓄冷用高温熱交換器260により比較的低温に維持されることから、蓄冷器250の他端部および蓄冷用低温熱交換器270(その伝熱管)は、上記温度勾配に応じて降温する。この結果、蓄冷器250、蓄冷用高温熱交換器260および蓄冷用低温熱交換器270のユニットは、熱音響冷凍機として作動することになり、EGR弁13から排ガス還流ラインL3を経て、蓄冷用低温熱交換器270を流通するEGRガスが冷却されることになる。
At this time, one end of the
すなわち、本実施形態では、排気ガスそれ自体の熱を利用して発せられた作動気体の自励振動により駆動される熱音響冷凍機部Rgの蓄冷用低温熱交換器270にてEGRガスが冷却されるので、EGRガスの温度は低下する(例えば、400°Cから200°C)。従って、この熱音響スターリングエンジン20によれば、高いエネルギー効率のもとで、EGRガスを良好に冷却することが可能となり、本実施形態のような構成を採用しなかった場合と比較して、サージタンク9に導入されるEGRガスの温度を大幅に低下させることができる。この結果、熱音響スターリングエンジン20を備えた内燃機関1では、各燃焼室3内の温度上昇を抑制することが可能となり、NOxの排出量を大幅に低減させることができる。
That is, in the present embodiment, the EGR gas is cooled by the cold
また、内燃機関1の機関温度(冷却水温度)が高まると内燃機関1の廃熱である排気ガスの熱量が増えるので、蓄冷器250、蓄冷用高温熱交換器260および蓄冷用低温熱交換器270により構成される熱音響冷凍機部Rgの冷凍出力も高まる。そして、内燃機関1のEGRガスは、機関温度が高いほど、冷却の必要性が高まるものである。従って、本実施形態のように、熱音響スターリングエンジン20の冷却対象として内燃機関1のEGRガスを選択すれば、熱音響冷凍機部Rgの冷凍能力とEGRガスの冷却要求とを調和させながら、EGRガスを内燃機関1の廃熱を利用して効率よく冷却することが可能となる。
Further, when the engine temperature (cooling water temperature) of the
なお、図1に示される熱音響スターリングエンジン20では、内燃機関1の排気ガスを熱源としてスタック25の両端部間に温度勾配が形成され、それにより、気柱管21の内部の音波発振部Sgを含む第1の閉空間Aで作動気体としてのヘリウム:アルゴン=80:20とされた混合ガスが自励振動することになる。このように構成される熱音響スターリングエンジン20によれば、その組成比に応じた所定の周波数の自励振動が容易に生じ、そして、第2の閉空間B内の低流動損失の作動気体であるヘリウム:アルゴン=20:80とされた混合ガスに伝播され共鳴するので、全体的にコンパクトな構成で効率よく運転が行われ、内燃機関1の排気熱を効率よく回収しながら、EGRガスをサージタンク9への導入に先立って良好に冷却することが可能となる。
In the
〔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スターリングエンジン20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
図4の熱音響スターリングエンジン20は、隔壁である第1の弾性膜28および第2の弾性膜29の破損等に起因する異常状態を検出する異常状態検出手段を備えている。この異常状態検出手段として、本実施の形態では気柱管21に配設された振動センサ30が用いられ、その出力信号がECU40に入力されている。
The
この第2の実施形態における異常状態検出ルーチンはECU40において、例えば図5に示すフローチャートに従い所定の周期で実行される。そこで、この異常状態検出ルーチンでは、ステップS501において、振動センサ30からの出力信号により気柱管21の所定周波数以外の振動が検知されたか否かが判定される。ここで、この所定周波数は、気柱管21の第1の閉空間Aおよび第2の閉空間Bに封入されている作動気体、特に音波発振部Sgを含む第1の閉空間A内に封入されている作動気体の自励振動周波数に対応して設定されている。従って、ステップS501での判定の結果、上記所定周波数の振動が検知されているとき、すなわち、「No」のときは正常に作動しているとして、この異常状態検出ルーチンは一旦終了される。一方、所定周波数以外の振動が検知されたとき、すなわち、「Yes」のときは次のステップS502に進む。
The abnormal state detection routine in the second embodiment is executed in the
次のステップS502では、所定周波数に対する検出された周波数の変化率が所定範囲を超えているか否かが判定される。所定範囲を超えないときは、正常作動の許容範囲内にあるとして、この異常状態検出ルーチンは一旦終了される。ところで、ステップS502において、所定周波数に対する検出された周波数の変化率が所定範囲を超えていると判定されると、ステップS503に進み異常状態が通知される。この異常状態の通知は不図示の警告手段により適宜行なうことができる。 In the next step S502, it is determined whether or not the change rate of the detected frequency with respect to the predetermined frequency exceeds a predetermined range. If it does not exceed the predetermined range, the abnormal state detection routine is temporarily terminated assuming that it is within the allowable range of normal operation. By the way, if it is determined in step S502 that the rate of change of the detected frequency with respect to the predetermined frequency exceeds the predetermined range, the process proceeds to step S503 and an abnormal state is notified. Notification of this abnormal state can be appropriately performed by a warning means (not shown).
ここで、この異常状態は、上述のように、第1の弾性膜28や第2の弾性膜29の破損や、隔壁として剛性のピストンを用いた場合には作動気体の漏洩、等に起因して、第1の閉空間Aおよび第2の閉空間Bに封入されている作動気体が混合することにより生ずる。例えば、初期状態で、第1の閉空間Aにヘリウム:アルゴン=80:20とされた混合ガス、第2の閉空間Bにヘリウム:アルゴン=20:80とされた混合ガスが封入されていたとするとき、第1の弾性膜28の破損により第1の閉空間Aおよび第2の閉空間Bに封入されている作動気体が混合したとすると、混合比が変化し、例えば、ヘリウム:アルゴン=50:50の混合ガスとなる。このように、混合ガスの組成比が変わると、図3のグラフからも明らかなように、その発振ないしは共鳴周波数が変化するので、この周波数の変化率が所定範囲を超えているか否かにより、異常か否か、換言すると、第1の弾性膜28や第2の弾性膜29が破損しているか、漏洩があるか否か等を判断することができるのである。
Here, as described above, this abnormal state is caused by damage to the first
〔第3実施形態〕
次に、図6を参照しながら、本発明の第3実施形態に係る熱音響スターリングエンジン20について説明する。なお、上述の第1および第2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。
[Third Embodiment]
Next, a
図6の熱音響スターリングエンジン20は、上述の振動センサ30を設けた第2実施形態に、さらに気柱管21内の作動気体の充填圧力を減圧調整する調圧手段を付設したものである。この調圧手段として本実施の形態では、気柱管21に連通され、途中に放出バルブ32を備えた大気連通管34が設けられている。そして、放出バルブ32はECU40からの出力信号により開閉可能とされている。かくて、上記の異常状態が発生し熱音響現象が停止したような場合でも、気柱管21内の作動気体の充填圧力を減圧することにより、熱音響現象を維持させることを可能にしている。
The
そこで、この第3の実施形態における制御ルーチンを図7に示すフローチャートに従い説明する。なお、この制御ルーチンは上述の異常状態検出ルーチンのステップS503における異常通知に伴うサブルーチンとして実行される。 Therefore, the control routine in the third embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This control routine is executed as a subroutine associated with the abnormality notification in step S503 of the abnormal state detection routine described above.
この制御ルーチンでは、ステップS701において、振動センサ30からの出力信号に基づき気柱管21の振動が停止したか否かが反復して判定され、振動停止が検出されると次のステップS702に進む。そして、このステップS702において、放出バルブ32が所定時間(例えば、1秒)開動作され、そして、ステップS703において、この開動作の回数nがカウントアップされる。放出バルブ32が開動作されると、気柱管21内の作動気体が大気連通管34を介して放出され、気柱管21内の充填圧力が減圧されることになる。そこで、次のステップS704に進み、振動センサ30からの出力信号に基づき気柱管21の振動が検出されたか否かが判定される。そして、振動が検出されないときはステップS705に進み、放出バルブ32の開動作の回数nが所定回数x(例えば、5回)以上か否かが判定される。開動作の回数nが所定回数xを超えないときは、ステップS702に進み、再度、放出バルブ32が所定時間開動作され、気柱管21内の充填圧力がさらに減圧される。そして、ステップS704で振動センサ30からの出力信号に基づき気柱管21の振動が検出されたか否かが再度判定され、ここで、振動が検出されるまで上述のステップS702における放出バルブ32の所定時間の開動作が所定回数x繰返される。
In this control routine, in step S701, it is repeatedly determined whether or not the vibration of the
このように、気柱管21内の作動気体の充填圧力を低くすると、音波発振部Sgにおける温度差が同一の場合でも、充填圧力が高い場合に比べて自励振動が生じ易くなるので、熱音響現象を回復ないしは維持させることができる。
Thus, if the filling pressure of the working gas in the
かくて、ステップS704で振動が検出されるとステップS707に進み、要メインテナンスが通知される。この要メインテナンス通知は緊急的な通知ではなく、ある程度の運転は継続して行い得ることを意味し、この通知も不図示の警告手段により適宜行なうことができる。 Thus, if vibration is detected in step S704, the process proceeds to step S707, and maintenance is required. This maintenance notice is not an urgent notice but means that a certain amount of driving can be continued, and this notice can also be suitably performed by a warning means (not shown).
なお、所定回数xに亘る放出バルブ32の開動作が行なわれても振動が検出されないとき(ステップS704、S705)は、ステップS706に進みさらに異常状態が通知される。この異常状態の通知は前述と同様に不図示の警告手段により適宜行なうことができる。
Note that if no vibration is detected even after the opening operation of the
〔第4実施形態〕
次に、図8を参照しながら、本発明の第4実施形態に係る熱音響スターリングエンジン20について説明する。なお、上述の第1ないし第3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。
[Fourth Embodiment]
Next, a
図8の熱音響スターリングエンジン20は、上述の振動センサ30を設けた第2実施形態に、熱音響冷凍機部Rgにおける冷却能力を向上するための冷却能力向上手段を付加したものである。本実施の形態においては、この冷却能力向上手段として熱音響冷凍機部Rgにおける蓄冷用高温熱交換器260に供給される冷却水の温度を低下させる、例えば空冷式の二次冷却器50およびこの二次冷却器50の冷却水の流通を制御可能な制御バルブ52が設けられている。より詳細には、上述の冷却系統L4の蓄冷用高温熱交換器260の上流側に二次冷却器50が組み込まれると共に、この二次冷却器50をバイパスするバイパス通路L4‘に上述の制御バルブ52が設けられている。そして、この制御バルブ52はECU40からの出力信号により開閉可能とされている。かくて、蓄冷器250の両端部の蓄冷用高温熱交換器260および蓄冷用低温熱交換器270の高温熱交換器260の温度を低下させることで、相対的に低温熱交換器270の温度を低下させ、上述の異常状態における冷却性能低下を補填させることを可能にしている。
The
そこで、この第4の実施形態における制御ルーチンを図9に示すフローチャートに従い説明する。なお、この制御ルーチンは上述の異常状態検出ルーチンの一環として実行される。 Therefore, the control routine in the fourth embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This control routine is executed as part of the above-described abnormal state detection routine.
従って、ステップS901においては、ステップS501と同様に、振動センサ30からの出力信号により気柱管21の所定周波数以外の振動が検知されたか否かが判定される。ここで、この所定周波数は、気柱管21の第1の閉空間Aおよび第2の閉空間Bに封入されている作動気体、特に音波発振部Sgを含む第1の閉空間A内に封入されている作動気体の自励振動周波数に対応して設定されており、ステップS901での判定の結果、上記所定周波数の振動が検知されているとき、すなわち、「No」のときは正常に作動しているとして、このルーチンは一旦終了される。一方、所定周波数以外の振動が検知されたとき、すなわち、「Yes」のときは次のステップS902に進み、ステップS502と同様に、所定周波数に対する検出された周波数の変化率が所定範囲を超えているか否かが判定される。所定範囲を超えないときは、正常作動の許容範囲内にあるとして、このルーチンは一旦終了される。ところで、ステップS902において、所定周波数に対する検出された周波数の変化率が所定範囲を超えていると判定されると、ステップS903に進み異常状態が通知され、さらにステップS904に進んで、制御バルブ52が閉じられる。
Accordingly, in step S901, as in step S501, it is determined whether or not vibration other than the predetermined frequency of the
ここで、制御バルブ52が閉じられると、今まで流通抵抗の相違から大半が二次冷却器50のバイパス通路L4‘を流通していた冷却水が全量、この二次冷却器50を流通することになる。すると、この二次冷却器50において冷却水の温度がさらに低下され、高温熱交換器260を通過する。内燃機関1からその冷却系統L4に、例えば、温度80°Cで送出された冷却水は二次冷却器50において、例えば、温度60°Cまで温度がさらに低下されて高温熱交換器260に導入されるので、その分、低温熱交換器270の温度が低下し、異常状態下における冷却性能低下が補填される。
Here, when the
なお、上述の実施形態においては、冷凍機部Rgの冷却対象として、内燃機関1のEGRガスを対象としたが、これは蓄冷用低温熱交換器270に内燃機関1の吸入空気を通過させるようにすることにより、吸入空気を冷却するようにしてもよい。このようにすると、吸入空気の密度を高めることが可能となり、ポンピングロスを低減させて燃費を低減させることができる。また、過給機の下流側に蓄冷用低温熱交換器270を配置することにより、蓄冷用低温熱交換器270をインタークーラとして用いて、吸入空気の冷却効果を向上させることもできる。
In the above-described embodiment, the EGR gas of the
さらに、音波発振部Sgが配置された気柱管21の共鳴部23における管部23aの先端に接続された閉鎖端部23bに、トランスデューサ等による発電部が配置されている形態の熱音響スターリングエンジン20においても、本発明が適用できることはいうまでもない。
Further, a thermoacoustic Stirling engine in which a power generation unit such as a transducer is disposed at the
1 内燃機関
3 燃焼室
13 EGR弁
20 熱音響スターリングエンジン
21 気柱管
22 ループ部
23 共鳴部
25 スタック(蓄熱器)
26 高温熱交換器
27 低温熱交換器
28 第1弾性膜
29 第2弾性膜
30 振動センサ
250 蓄冷器
260 蓄冷用高温熱交換器
270 蓄冷用低温熱交換器
40 ECU
A 第1の閉空間
B 第2の閉空間
BP 分岐部
L1 給気管
L2 排気管
L3 排ガス還流ライン
L4 冷却系統
Sg 音波発振部
Rg 冷凍機部Rg
DESCRIPTION OF
26 High
A 1st closed space B 2nd closed space BP Branch part L1 Intake pipe L2 Exhaust pipe L3 Exhaust gas recirculation line L4 Cooling system Sg Sound wave oscillation part Rg Refrigerator part Rg
Claims (5)
前記音波発振部を含む第1の閉空間とそれ以外の第2の閉空間とを区画する第1および第2の隔壁が設けられると共に、前記第1の閉空間および前記第2の閉空間にはそれぞれに適切な特性の異なる作動気体が封入されていることを特徴とする熱音響スターリングエンジン。 A thermoacoustic Stirling engine that is disposed in an air column pipe and includes a stack, a sound wave oscillating unit that is composed of a stack, a high temperature side heat exchanger disposed at one end of the stack, and a low temperature side heat exchanger disposed at the other end. ,
First and second partition walls that partition the first closed space including the sound wave oscillating portion and the other second closed space are provided, and the first closed space and the second closed space are provided. Is a thermoacoustic Stirling engine, each of which is filled with a working gas having different appropriate characteristics.
It is provided in the air column tube, and includes a refrigerator unit comprising a regenerator, a high temperature side heat exchanger, and a low temperature side heat exchanger, and includes a cooling capacity improving means for improving the cooling capacity of the refrigerator unit. The thermoacoustic Stirling engine according to claim 3.
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Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102006001A (en) * | 2010-12-10 | 2011-04-06 | 沈阳工业大学 | Oscillation starting control method for thermo-acoustic engine |
JP2011153742A (en) * | 2010-01-26 | 2011-08-11 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic engine |
JP2011179720A (en) * | 2010-02-26 | 2011-09-15 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic engine |
CN102269083A (en) * | 2011-08-10 | 2011-12-07 | 潍柴动力股份有限公司 | Exhaust gas recirculation (EGR) device of engine, and EGR engine system |
JP2012067656A (en) * | 2010-09-22 | 2012-04-05 | Isuzu Motors Ltd | Egr gas cooling device |
JP2012159266A (en) * | 2011-02-02 | 2012-08-23 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic refrigerating plant |
EP2108805B1 (en) * | 2008-04-09 | 2013-05-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and device for increasing the energy efficiency of a power plant |
JP2013117321A (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-13 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic refrigeration device |
JP2013117324A (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-13 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic refrigeration device |
JP2013117325A (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-13 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic refrigeration device |
JP2015075281A (en) * | 2013-10-09 | 2015-04-20 | 日野自動車株式会社 | Rankine cycle system |
JP2018066501A (en) * | 2016-10-18 | 2018-04-26 | 株式会社ジェイテクト | Thermoacoustic device |
WO2019049221A1 (en) * | 2017-09-06 | 2019-03-14 | 中央精機株式会社 | Thermoacoustic temperature control system |
JP2019163924A (en) * | 2018-03-15 | 2019-09-26 | 国立大学法人電気通信大学 | Thermoacoustic system heat exchanger, energy converter using reciprocating vibration flow, thermoacoustic engine, and stirling engine |
-
2006
- 2006-05-25 JP JP2006145778A patent/JP2007315680A/en active Pending
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2108805B1 (en) * | 2008-04-09 | 2013-05-01 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and device for increasing the energy efficiency of a power plant |
JP2011153742A (en) * | 2010-01-26 | 2011-08-11 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic engine |
JP2011179720A (en) * | 2010-02-26 | 2011-09-15 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic engine |
JP2012067656A (en) * | 2010-09-22 | 2012-04-05 | Isuzu Motors Ltd | Egr gas cooling device |
CN102006001A (en) * | 2010-12-10 | 2011-04-06 | 沈阳工业大学 | Oscillation starting control method for thermo-acoustic engine |
CN102006001B (en) * | 2010-12-10 | 2012-06-27 | 沈阳工业大学 | Oscillation starting control method for thermo-acoustic engine |
JP2012159266A (en) * | 2011-02-02 | 2012-08-23 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic refrigerating plant |
CN102269083A (en) * | 2011-08-10 | 2011-12-07 | 潍柴动力股份有限公司 | Exhaust gas recirculation (EGR) device of engine, and EGR engine system |
JP2013117321A (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-13 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic refrigeration device |
JP2013117324A (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-13 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic refrigeration device |
JP2013117325A (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-13 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic refrigeration device |
JP2015075281A (en) * | 2013-10-09 | 2015-04-20 | 日野自動車株式会社 | Rankine cycle system |
JP2018066501A (en) * | 2016-10-18 | 2018-04-26 | 株式会社ジェイテクト | Thermoacoustic device |
WO2018074501A1 (en) * | 2016-10-18 | 2018-04-26 | 株式会社ジェイテクト | Thermoacoustic device |
US10712054B2 (en) | 2016-10-18 | 2020-07-14 | Jtekt Corporation | Thermoacoustic device |
WO2019049221A1 (en) * | 2017-09-06 | 2019-03-14 | 中央精機株式会社 | Thermoacoustic temperature control system |
JP2019163924A (en) * | 2018-03-15 | 2019-09-26 | 国立大学法人電気通信大学 | Thermoacoustic system heat exchanger, energy converter using reciprocating vibration flow, thermoacoustic engine, and stirling engine |
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