JP2005188841A - Thermoacoustic engine and thermoacoustic refrigerator - Google Patents
Thermoacoustic engine and thermoacoustic refrigerator Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005188841A JP2005188841A JP2003431418A JP2003431418A JP2005188841A JP 2005188841 A JP2005188841 A JP 2005188841A JP 2003431418 A JP2003431418 A JP 2003431418A JP 2003431418 A JP2003431418 A JP 2003431418A JP 2005188841 A JP2005188841 A JP 2005188841A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoacoustic
- temperature
- heat exchanger
- heat
- storage means
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1403—Pulse-tube cycles with heat input into acoustic driver
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1405—Pulse-tube cycles with travelling waves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1416—Pulse-tube cycles characterised by regenerator stack details
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
- Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
- Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine
Landscapes
- Exhaust Silencers (AREA)
Abstract
【課題】 所望の音響出力や冷凍出力を確実に発生することができる熱音響エンジンや熱音響冷凍機の提供を目的とする。
【解決手段】 エネルギ回収装置20は、作動流体が封入される気柱管21と、気柱管21内に配置された蓄熱器25と、内燃機関1の排気ガスを熱源として蓄熱器25の一端部を加熱する高温熱交換器26と、内燃機関1の冷却水により蓄熱器25の他端部を冷却する低温熱交換器27とを備え、蓄熱器25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。そして、高温および低温熱交換器26,27と共に熱音響エンジンを構成する蓄熱器25は、伸縮スタック251と、この伸縮スタック251を伸縮させるアクチュエータ252とを含み、その両端部間に形成される温度勾配を変化させることができる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoacoustic engine and a thermoacoustic refrigerator capable of reliably generating desired acoustic output and refrigeration output.
An energy recovery device 20 includes an air column tube 21 in which a working fluid is enclosed, a heat accumulator 25 disposed in the air column tube 21, and one end of the heat accumulator 25 using exhaust gas of the internal combustion engine 1 as a heat source. A high-temperature heat exchanger 26 that heats the heat exchanger and a low-temperature heat exchanger 27 that cools the other end of the heat accumulator 25 with the cooling water of the internal combustion engine 1, and forms a temperature gradient between both ends of the heat accumulator 25. To generate thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid. And the heat accumulator 25 which comprises a thermoacoustic engine with the high temperature and low temperature heat exchangers 26 and 27 contains the expansion-contraction stack 251, and the actuator 252 which expands-contracts this expansion-contraction stack 251, The temperature formed between the both ends The slope can be changed.
[Selection] Figure 1
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、および気柱管の内部で作動流体を振動させ、かかる作動流体の振動によって蓄冷手段の両端部間に形成される温度勾配を利用して冷熱を発生する熱音響冷凍機に関する。 The present invention relates to a thermoacoustic engine for generating a thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid in an air column tube by forming a temperature gradient between both end portions of a heat storage means disposed in the air column tube, and an interior of the air column tube The present invention relates to a thermoacoustic refrigerator that vibrates a working fluid and generates cold using a temperature gradient formed between both end portions of a cold storage means by the vibration of the working fluid.
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 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 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.
上述のように、熱音響現象を利用すれば、スタックの両端部間に温度勾配を形成することにより音響エネルギを得ることが可能となる。しかしながら、特に内燃機関等の廃熱等を利用してスタックの両端部間に温度勾配を形成するような場合、スタックに付与する熱量を制御することは必ずしも容易ではない。このため、上述の熱音響装置では、場合によっては作動流体の過剰な自励振動が発生してしまうなど、所望の音響エネルギを得ることが困難であり、その結果、所望の冷凍出力を得られないこともある。 As described above, if the thermoacoustic phenomenon is used, acoustic energy can be obtained by forming a temperature gradient between both ends of the stack. However, it is not always easy to control the amount of heat applied to the stack, particularly when a temperature gradient is formed between both ends of the stack using waste heat of an internal combustion engine or the like. For this reason, in the above-mentioned thermoacoustic apparatus, it is difficult to obtain desired acoustic energy, for example, excessive self-excited vibration of the working fluid may occur, and as a result, a desired refrigeration output can be obtained. Sometimes not.
そこで、本発明は、所望の音響出力を確実に発生することができる熱音響エンジン、および所望の冷凍出力を確実に発生することができる熱音響冷凍機の提供を目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the thermoacoustic engine which can generate | occur | produce a desired acoustic output reliably, and the thermoacoustic refrigerator which can generate | occur | produce a desired refrigeration output reliably.
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、蓄熱手段が上記温度勾配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 heat storage means is configured to change the temperature gradient.
この熱音響エンジンは、その両端部間に形成される温度勾配を変化させることができるように構成された蓄熱手段を備えているので、当該温度勾配を形成するための熱量を厳密に制御しなくても、蓄熱手段において所望の温度勾配を確実に得ることができる。従って、本発明によれば、熱音響エンジンに所望の音響出力を確実に発生させることが可能となる。 Since this thermoacoustic engine is provided with a heat storage means configured to change the temperature gradient formed between both ends thereof, the amount of heat for forming the temperature gradient is not strictly controlled. However, a desired temperature gradient can be reliably obtained in the heat storage means. Therefore, according to the present invention, it is possible to reliably generate a desired acoustic output in the thermoacoustic engine.
この場合、蓄熱手段の全長を変更可能であると好ましい。このように蓄熱手段の全長を変更可能とすることにより、蓄熱手段の両端部間に所望の温度勾配を容易かつ確実に形成することが可能となる。 In this case, it is preferable that the total length of the heat storage means can be changed. Thus, by making it possible to change the total length of the heat storage means, it is possible to easily and reliably form a desired temperature gradient between both end portions of the heat storage means.
また、蓄熱手段は、伸縮自在に形成された多孔性部材と、この多孔性部材を伸縮させる駆動手段とを含むものであると好ましい。このような構成を採用すれば、容易に蓄熱手段の全長を変更することが可能となる。 Moreover, it is preferable that the heat storage means includes a porous member formed so as to be stretchable and a driving means for expanding and contracting the porous member. If such a structure is employ | adopted, it will become possible to change the full length of a thermal storage means easily.
更に、蓄熱手段の一端側に配置される高温熱交換器を更に備え、この高温熱交換器は、内燃機関の排気ガスを熱源とするものであると好ましい。これにより、熱音響エンジンを用いて、内燃機関の排気熱を効率よく回収することが可能となる。 Furthermore, it is preferable that a high-temperature heat exchanger disposed on one end side of the heat storage means is further provided, and the high-temperature heat exchanger uses exhaust gas from the internal combustion engine as a heat source. As a result, the exhaust heat of the internal combustion engine can be efficiently recovered using the thermoacoustic engine.
本発明による熱音響冷凍機は、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冷手段とを有し、気柱管の内部で作動流体を振動させ、かかる作動流体の振動によって蓄冷手段の両端部間に形成される温度勾配を利用して冷熱を発生する熱音響冷凍機において、蓄冷手段が上記温度勾配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 refrigerator according to the present invention includes an air column tube in which a working fluid is sealed, and cold storage means disposed inside the air column tube, and vibrates the working fluid inside the air column tube. In a thermoacoustic refrigerator that generates cold using a temperature gradient formed between both ends of the cold storage means by vibration of the working fluid, the cold storage means is configured to change the temperature gradient. It is characterized by.
この熱音響冷凍機は、その両端部間に形成される温度勾配を変化させることができるように構成された蓄冷手段を備えているので、当該温度勾配を形成するため振動(音波)を厳密に制御しなくても、蓄冷手段において所望の温度勾配を確実に得ることができる。従って、本発明によれば、熱音響冷凍機に所望の冷凍出力を確実に発生させることが可能となる。 Since this thermoacoustic refrigerator is equipped with cold storage means configured to be able to change the temperature gradient formed between its both ends, vibration (sound waves) is strictly applied to form the temperature gradient. Even if it is not controlled, a desired temperature gradient can be reliably obtained in the cold storage means. Therefore, according to the present invention, it is possible to reliably generate a desired refrigeration output in the thermoacoustic refrigerator.
この場合、蓄冷手段の全長を変更可能であると好ましい。また、蓄冷手段は、伸縮自在に形成された多孔性部材と、この多孔性部材を伸縮させる駆動手段とを含むものであると好ましい。 In this case, it is preferable that the total length of the cold storage means can be changed. The cold storage means preferably includes a porous member formed to be stretchable and a drive means for extending and retracting the porous member.
本発明によれば、所望の音響出力を確実に発生することができる熱音響エンジン、および所望の冷凍出力を確実に発生することができる熱音響冷凍機の実現が可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize a thermoacoustic engine that can reliably generate a desired acoustic output and a thermoacoustic refrigerator that can reliably generate a desired refrigeration output.
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備えたエネルギ回収装置を示す概略構成図である。同図に示されるように、エネルギ回収装置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、エネルギ回収装置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 illustrating an energy recovery apparatus including a thermoacoustic engine according to the present invention. As shown in the figure, the
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
本発明のエネルギ回収装置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。エネルギ回収装置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の一つのコーナー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いる。
The
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。この蓄熱器25の一端側には、高温熱交換器26が配置されており、蓄熱器25の他端側には、低温熱交換器27が配置されている。図1〜図3に示されるように、蓄熱器25は、金属等からなる柔軟なメッシュ材や薄い金属等の多孔板を蛇腹状に折り畳むことにより伸縮自在に構成された伸縮スタック(多孔性部材)251を含む。伸縮スタック251は、その一端のみが低温熱交換器27に固定され、その遊端(高温熱交換器26側の端部)には、例えば流体圧シリンダ等であるアクチュエータ252のロッド252aが固定されている。
A heat accumulator (heat storage means) 25 is disposed inside the
アクチュエータ252は、開閉弁253を介して図示されない流体源に接続されており、開閉弁253を操作してアクチュエータ252を作動させることにより、高温熱交換器26と低温熱交換器27との間で伸縮スタック251を伸縮させて伸縮スタック251の全長を容易に変化させることができる(図2および図3参照)。従って、蓄熱器25の両端部間に付与される熱量(両端部間の温度差)を把握した上で、アクチュエータ252を作動させて伸縮スタック251の全長を変化させることにより、蓄熱器25の両端部間に所望の温度勾配を容易かつ確実に形成することが可能となる。なお、本実施形態において、アクチュエータ252の本体(シリンダ)は、気柱管21の外部に配置されており、ロッド252aのみが気柱管21内に挿入される。
The
上述の高温熱交換器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。そして、高温熱交換器(その伝熱管)26の排気ガス入口には、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。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
更に、気柱管21のループ部22には、蓄冷器125、蓄冷用高温熱交換器126および蓄冷用低温熱交換器127が配置されている。この場合、蓄冷用高温熱交換器126は、蓄冷器125の一端部を概ね常温(20〜25℃)に保つことができるように構成される。また、蓄冷用低温熱交換器127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127(その伝熱管)には、所定の冷媒が循環供給される。なお、本実施形態において、ループ部22の内部に蓄冷器125、蓄冷用の高温および低温熱交換器126,127を配置する代わりに、共鳴部23の閉鎖端部23bの内部等にトランスデューサ(音/電気変換手段)を配置し、音響エネルギを回収して電気エネルギを得てもよい。また、気柱管21に対して、蓄冷器125等のユニットとトランスデューサとの双方が配置されてもよい。
Further, the
そして、エネルギ回収装置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、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、冷却系統L3の開閉弁16、アクチュエータ252用の開閉弁253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。
The
また、エネルギ回収装置20の気柱管21には、ループ部22と共鳴部23との接続部付近に圧力センサ28が設置されている。この圧力センサ28もECU40に接続されており、当該センサ28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。更に、本実施形態では、前段触媒装置12aに対して触媒温度センサT1が設置されており、冷却系統L3に対して水温センサT2が設置されている。触媒温度センサT1は、前段触媒装置12aにおける触媒温度を検出し、検出値を示す信号をECU40に与える。また、水温センサT2は、低温熱交換器27に供給される冷却水の温度を検出し、検出値を示す信号をECU40に与える。
In addition, a
上述のように構成されるエネルギ回収装置20は、内燃機関1が運転され、燃焼室3(前段触媒装置12a)からの排気ガスがエネルギ回収装置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、内燃機関1の排気ガスの温度は、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、エネルギ回収装置20の低温熱交換器27には、冷却系統L3を流通する冷却水(およそ80〜100℃)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。すなわち、蓄熱器25、高温熱交換器26および低温熱交換器27は、内燃機関1の余剰エネルギ(排気ガスの熱エネルギ)を利用して蓄熱器25の両端部間に温度勾配を形成し、作動流体の熱音響自励振動を発生させる本発明の熱音響エンジンを構成する。
In the
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、蓄熱器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125の両端部間には、蓄冷用高温熱交換器126側が高温となり、蓄冷用低温熱交換器127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 fluid thus generated matches the frequency in the
この際、蓄冷器125の一端部は、蓄冷用高温熱交換器126により概ね常温(20〜25℃)に維持されることから、蓄冷器125の他端部および蓄冷用低温熱交換器127(その伝熱管)は、上記温度勾配に応じて降温する。このように、蓄冷器125、蓄冷用高温熱交換器126および蓄冷用低温熱交換器127のユニットは、熱音響冷凍機を構成するので、蓄冷用低温熱交換器127から流出する冷媒を介して図示されない空調ユニット等において使用され得る冷熱を取り出すことが可能となる。
At this time, one end of the
上述のように、エネルギ回収装置20によれば、内燃機関1の余剰エネルギ(排気ガスの熱エネルギ等)を利用して蓄熱器25の両端部管に温度勾配を形成することにより作動流体の自励振動を発生させ、かかる振動のエネルギ(音響エネルギ)を熱エネルギ(冷熱)に変換することができる。しかしながら、内燃機関1の排気ガスや冷却水を利用して蓄熱器25の両端部間に温度勾配を形成する場合、内燃機関1の運転状態は時々刻々と変化することから、蓄熱器25に付与する熱量を制御することは必ずしも容易ではない。このため、何らかの対策を施さなければ、作動流体の過剰な自励振動が発生してしまい、所望の音響エネルギを得ることが困難となることもあり得る。
As described above, according to the
このような点に鑑みて、本実施形態では、蓄熱器25の両端部間に所望の温度勾配を常時形成してエネルギ回収装置20の蓄熱器25(熱音響エンジン)から所望の音響出力を得るために、ECU40によって図4に示される蓄熱器制御ルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。すなわち、ECU40は、蓄熱器制御ルーチンの実行タイミングになると、その時点における空調装置等に対する要求冷熱量(目標冷熱量)Rtを取得する(S10)。目標冷熱量Rtを取得した後、ECU40は、予め定められている関数Gを用いて、S10にて取得した目標冷熱量Rtに対応した蓄熱器25の全長の目標値(目標長さ)を算出する(S12)。ここで、蓄熱器25の目標長さを求めるための関数Gは、目標冷熱量Rt、高温熱交換器26の温度Th、低温熱交換器27の温度Tc、気柱管21内の作動流体の平均圧力Pmおよび共振周波数fの関数〔G(Rt,Th,Tc,Pm,f)〕として定められ、ECU40の記憶装置に格納されている。
In view of such a point, in the present embodiment, a desired temperature gradient is always formed between both ends of the
S12にて用いられる高温熱交換器26の温度Thは、ECU40により、前段触媒装置12aの触媒温度センサT1からの信号に基づいて求められ、低温熱交換器27の温度Tcは、ECU40により、冷却系統L3の水温センサT2からの信号に基づいて求められる。また、気柱管21内の作動流体の平均圧力Pmは、圧力センサ28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の平均をとることにより求められる。
The temperature Th of the high-
更に、作動流体の共振周波数fは、圧力センサ28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ピーク間における時間(圧力最大となる時刻と圧力最小となる時刻との間の時間差)を求めた上で、当該圧力ピーク間における時間から求められる。ECU40は、上記関数Gに、これらの目標冷熱量Rt、高温熱交換器26の温度Th、低温熱交換器27の温度Tc、作動流体の平均圧力Pmおよび共振周波数fをS10にて取得した目標冷熱量Rtと共に代入して目標冷熱量Rtに対応した蓄熱器25の目標長さを求める。
Further, the resonance frequency f of the working fluid is determined based on the time between the pressure peaks of the working fluid that self-oscillates in the
その後、ECU40は、蓄熱器25の全長がS12にて求めた目標長さになるようにアクチュエータ252(開閉弁253)を制御する(S14)。これにより、蓄熱器25の両端部間に付与される熱量(高温熱交換器26と低温熱交換器27との温度差)に応じて、伸縮スタック251の全長が変化させられ、蓄熱器25の両端部間に目標冷熱量Rt(要求冷熱量)に応じた所望の温度勾配が形成されることになる。このように、エネルギ回収装置20では、蓄熱器25に温度勾配を形成するための熱量を厳密に制御する必要はなく、アクチュエータ252を制御するだけで、蓄熱器25において所望の温度勾配を得ることが可能となるので、目標例熱量Rtに対応した所望の音響出力を確実に得ることができる。
Thereafter, the
また、図1のエネルギ回収装置20のように高温熱交換器26が内燃機関1の排気ガスを熱源とする場合、その両端部間に形成される温度勾配を変化させることができる蓄熱器25は、排気ガスの熱を音響出力の発生と触媒の暖機とで分配する上で極めて有用となる。なお、上述のように、目標冷熱量Rtに対応した蓄熱器25の目標長さを算出する際、高温熱交換器26の温度Thを求める必要があるが、高温熱交換器26の温度Thは、前段触媒装置12aの触媒温度の代わりに、高温熱交換器26に流入する排気ガスの温度に基づいて求められてもよく、高温熱交換器26に設置された温度センサによって直接検出されてもよい。同様に、低温熱交換器27の温度Tcも、低温熱交換器27に設置された温度センサによって直接検出されてもよい。
Further, when the high-
図5および図6は、図1の熱音響エンジンに適用可能な他の蓄熱器を示す模式図である。図5等に示される蓄熱器25Aも、その両端部間に形成される温度勾配を変化させることができるものであり、金属等からなる柔軟なメッシュ材や薄い金属等の多孔板を蛇腹状に折り畳むことにより伸縮自在に構成された伸縮スタック(多孔性部材)251を含む。この場合も、伸縮スタック251は、その一端のみが低温熱交換器27に固定され、その他端(高温熱交換器26側の端部)は、アクチュエータ252Aを介して高温熱交換器26に接続されている。
5 and 6 are schematic views showing other heat accumulators applicable to the thermoacoustic engine of FIG. The
図5に示されるように、アクチュエータ252Aは、伸縮スタック251の他端と高温熱交換器26の端部とを接続する複数の連結部材255を含む。各連結部材255は、形状記憶合金からなり、例えば常温時に平坦になる一方(図5参照)、加熱時に湾曲するように(図6参照)形状を記憶させられている。また、伸縮スタック251の他端と高温熱交換器26の端部との間には、各連結部材255の外側に位置するように複数の連結バネ(圧縮バネ)256が配置されている。更に、各連結部材255には、ヒータとしての電熱線257が取り付けられており(または埋設されており)、各電熱線257には、ECU40によってON/OFF制御されるスイッチ258を介して電源259が接続されている。
As shown in FIG. 5, the
上述のように構成される蓄熱器25Aにおいて、伸縮スタック251の全長を伸ばす場合には、各スイッチ258をオンにして各連結部材255の電熱線257に電力を供給する。これにより、各電熱線257によって連結部材255が加熱され、各連結部材255は、図6に示されるように湾曲する。この結果、各連結部材255は、各連結バネ256の反発力に抗して伸縮スタック251を高温熱交換器26に向けて引っ張るので、伸縮スタック251の全長を伸ばすことが可能となる。
In the
また、各スイッチ258をオフにして各連結部材255の加熱を停止させれば、伸縮スタック251は、形状記憶効果により元の平坦な状態に戻り、しかも、圧縮バネである各連結バネ256によって低温熱交換器27に向けて押圧されるので、伸縮スタック251の全長が小さくなる(元に戻る)。従って、このように構成される蓄熱器25Aにおいても、伸縮スタック251の全長を容易に所望の長さに設定することが可能となる。
If each
次に、図7を参照しながら、本発明による熱音響冷凍機を備えたエネルギ回収装置について説明する。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。 Next, an energy recovery apparatus including a thermoacoustic refrigerator according to 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7に示されるエネルギ回収装置20Aは、熱音響エンジンを構成する蓄熱器250(伸縮スタックを有さない一般的なもの)、高温熱交換器26および低温熱交換器27のユニット、並びに、本発明による熱音響冷凍機を構成する蓄冷器125A、蓄冷用高温熱交換器126および蓄冷用低温熱交換器127のユニットに加えて、共鳴部23(閉鎖端部23b)内に配置されたトランスデューサ(音/電気変換手段)24を更に備える。トランスデューサ24は、音波のエネルギ(音響エネルギ)を電気エネルギに変換可能なものである。そして、本実施形態では、熱音響冷凍機を構成する蓄冷器125Aとして、その両端部間に形成される温度勾配を変化させることができるものが採用されている。すなわち、蓄冷器125Aは、第1実施形態に関連して説明した蓄熱器25と同様に、伸縮スタック1251と、アクチュエータ1252とを含む。
An
このように構成されるエネルギ回収装置20Aでは、内燃機関1の余剰エネルギ(排気ガスの熱エネルギ)を利用して蓄熱器250の両端部管に温度勾配を形成することにより作動流体の自励振動(音波)を発生させ、かかる振動のエネルギ(音響エネルギ)をトランスデューサ24によって電気エネルギに変換すると共に、蓄冷器125A等を含む熱音響冷凍機によって熱エネルギに変換することができる。
In the
そして、エネルギ回収装置20Aでは、当該熱音響冷凍機に対して、その両端部間に形成される温度勾配を変化させることができる蓄冷器125Aが適用されているので、当該温度勾配を形成するため振動(音波)を厳密に制御しなくても、蓄冷器125Aの両端部間に所望の温度勾配を形成して、所望の冷凍出力(冷熱)を得ることが可能となる。すなわち、エネルギ回収装置20Aでは、伸縮スタック1251の全長を変化させて蓄冷器125Aの両端部間に形成される温度勾配を調整することにより、蓄冷器125A等を含む熱音響冷凍機とトランスデューサ24とにおける音響エネルギの利用比率を自在に変化させることができる。従って、エネルギ回収装置20Aによれば、所望量の電気エネルギと熱エネルギとを容易かつ確実に得ることが可能となる。
And in the
なお、図7に示されるように、本実施形態のエネルギ回収装置20Aは、排気管L2と気柱管21の管部23aとを接続する接続管部29と、接続管部29の排気管L2側の端部内に配置されたダイヤフラム30とを備える。このダイヤフラム30は、気柱管21への排気ガスの流入を阻止すると共に、排気ガスの脈動を気柱管21内の作動流体に伝達するための脈動伝達手段として機能する。また、エネルギ回収装置20Aは、ダイヤフラム30の振動を止めて気柱管21内の作動流体への脈動の伝達を停止させる脈動伝達停止手段として、押え部材31、リンク機構32およびアクチュエータ33を有している。
As shown in FIG. 7, the
これにより、エネルギ回収装置20Aでは、押え部材31によるダイヤフラム30の押え付けを解除した状態で内燃機関1が運転されると、ダイヤフラム30を介して排気ガスの脈動が気柱管21内の作動流体に伝達され、気柱管21内に音波が形成されることになる。そして、排気ガスの脈動を利用してつくり出される音波のエネルギも、蓄熱器250の両端部間に形成される温度勾配に起因して発生した音波のエネルギと同様に、蓄冷器125Aを含む熱音響冷凍機によって熱エネルギに変換されると共に、共鳴部23内のトランスデューサ24によって電気エネルギに変換されることになる。
As a result, in the
すなわち、本発明の熱音響冷凍機は、図7のエネルギ回収装置20Aに適用されたもののように、熱音響現象によって発生する音波(蓄熱器250にて発生する音波)と、内燃機関1の排気ガス(または吸入空気)の脈動を利用してつくり出される音波との双方のエネルギ(音響エネルギ)を熱エネルギに変換するものであってもよい。もちろん、本発明の熱音響冷凍機は、熱音響現象によって発生する音波と、内燃機関1の排気ガスまたは吸入空気の脈動を利用してつくり出される音波との何れか一方のエネルギを熱エネルギに変換するものであってもよいことはいうまでもない。
That is, the thermoacoustic refrigerator of the present invention, as applied to the
1 内燃機関
20,20A エネルギ回収装置
21 気柱管
22 ループ部
23 共鳴部
24 トランスデューサ
25,25A、250 蓄熱器
26 高温熱交換器
27 低温熱交換器
28 圧力センサ
29 接続管部
30 ダイヤフラム
125,125A 蓄冷器
126 蓄冷用高温熱交換器
127 蓄冷用低温熱交換器
251,1251 伸縮スタック
252,252A,1252 アクチュエータ
253 開閉弁
255 連結部材
256 連結バネ
257 電熱線
258 スイッチ
259 電源
L1 給気管
L2 排気管
L3 冷却系統
T1 触媒温度センサ
T2 水温センサ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記蓄熱手段は、前記温度勾配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,
The thermoacoustic engine, wherein the heat storage means is configured to change the temperature gradient.
前記蓄冷手段は、前記温度勾配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冷凍機。 An air column tube in which the working fluid is sealed, and a cold storage means disposed inside the air column tube, the working fluid is vibrated inside the air column tube, and the cold storage means is vibrated by the vibration of the working fluid. In a thermoacoustic refrigerator that generates cold using a temperature gradient formed between both ends of the
The said cool storage means is comprised so that the said temperature gradient can be changed, The thermoacoustic refrigerator characterized by the above-mentioned.
The thermoacoustic refrigerator according to claim 5 or 6, wherein the cold storage means includes a porous member formed to be extendable and a drive means for expanding and contracting the porous member.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003431418A JP2005188841A (en) | 2003-12-25 | 2003-12-25 | Thermoacoustic engine and thermoacoustic refrigerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003431418A JP2005188841A (en) | 2003-12-25 | 2003-12-25 | Thermoacoustic engine and thermoacoustic refrigerator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005188841A true JP2005188841A (en) | 2005-07-14 |
Family
ID=34789453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003431418A Pending JP2005188841A (en) | 2003-12-25 | 2003-12-25 | Thermoacoustic engine and thermoacoustic refrigerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005188841A (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2890413A1 (en) * | 2005-09-06 | 2007-03-09 | Renault Sas | ARRANGEMENT OF A THERMOACOUSTIC DEVICE IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
| CN100557345C (en) * | 2006-05-16 | 2009-11-04 | 中国科学院理化技术研究所 | A Non-resonant DC Heat Exchanger Driven by Pressure Waves |
| JP2010261688A (en) * | 2009-05-11 | 2010-11-18 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic engine |
| KR20110121593A (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-07 | 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 | Optimization of thermoacoustic devices based on operating conditions and selected user input |
| JP2017180746A (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 大阪瓦斯株式会社 | Boil-off gas reliquefaction facility |
| WO2021151451A3 (en) * | 2020-01-28 | 2022-06-23 | Mousa Mohamed Aziz Youssef Mohamed | Thermoacoustic gas leak detection method |
| US11703255B2 (en) | 2020-06-26 | 2023-07-18 | Sintokogio, Ltd. | Thermoacoustic refrigerator |
| CN119641593A (en) * | 2024-12-09 | 2025-03-18 | 西安交通大学 | Inter-stage cooling system and method for compressor |
-
2003
- 2003-12-25 JP JP2003431418A patent/JP2005188841A/en active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2890413A1 (en) * | 2005-09-06 | 2007-03-09 | Renault Sas | ARRANGEMENT OF A THERMOACOUSTIC DEVICE IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
| CN100557345C (en) * | 2006-05-16 | 2009-11-04 | 中国科学院理化技术研究所 | A Non-resonant DC Heat Exchanger Driven by Pressure Waves |
| JP2010261688A (en) * | 2009-05-11 | 2010-11-18 | Isuzu Motors Ltd | Thermoacoustic engine |
| KR20110121593A (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-07 | 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 | Optimization of thermoacoustic devices based on operating conditions and selected user input |
| JP2011237165A (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-24 | Palo Alto Research Center Inc | Optimization of thermoacoustic apparatus based on operating condition and selected user input |
| KR101702140B1 (en) * | 2010-04-30 | 2017-02-03 | 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 | Optimization of a thermoacoustic apparatus based on operating conditions and selected user input |
| JP2017180746A (en) * | 2016-03-31 | 2017-10-05 | 大阪瓦斯株式会社 | Boil-off gas reliquefaction facility |
| WO2021151451A3 (en) * | 2020-01-28 | 2022-06-23 | Mousa Mohamed Aziz Youssef Mohamed | Thermoacoustic gas leak detection method |
| US11703255B2 (en) | 2020-06-26 | 2023-07-18 | Sintokogio, Ltd. | Thermoacoustic refrigerator |
| CN119641593A (en) * | 2024-12-09 | 2025-03-18 | 西安交通大学 | Inter-stage cooling system and method for compressor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4441091B2 (en) | Exhaust heat energy recovery device for internal combustion engine | |
| CN105066500B (en) | Thermally driven pulse tube refrigerator system | |
| CN100371657C (en) | Pulse tube refrigerator | |
| JP2005188841A (en) | Thermoacoustic engine and thermoacoustic refrigerator | |
| JP2005233485A (en) | Cooling device for internal combustion engine | |
| US20090084116A1 (en) | Gas phase shifting multistage displacer cryocooler | |
| JP2006002738A (en) | Waste heat recovery device | |
| US20090084114A1 (en) | Gas phase shifting inertance gap pulse tube cryocooler | |
| JP2007315680A (en) | Thermoacoustic Stirling engine | |
| JP4239171B2 (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP5453950B2 (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP5655313B2 (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP2005180294A (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP2005188401A (en) | Thermoacoustic energy generator | |
| JP2006002598A (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP5098534B2 (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP2007154792A (en) | Energy recovery device for internal combustion engine | |
| JP2005180223A (en) | Energy recovery device for internal combustion engine | |
| JP2005201623A (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP2006002599A (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP2005180397A (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP3770324B2 (en) | Hot-air external combustion engine | |
| JP2005351224A (en) | Thermoacoustic engine | |
| JP2005180396A (en) | Energy recovery device for internal combustion engine | |
| JP2005188402A (en) | Energy recovery device for internal combustion engine |