未利用エネルギーの有効利用に向けた 音響システムの開発 坂本眞一滋賀県立大学工学部電子システム工学科
はじめに 音響現象
音響現象とは 音響現象とは, 音とが関わり合う現象であり, エネルギー変換とエネルギー輸送という 2つの側面をもつ. 1つは音エネルギーからエネルギー, またエネルギーから音エネルギーへのエネルギー変換であり, もう1つは音エネルギーやエネルギーのエネルギー輸送である
音響工学の基礎富永昭第 1 章はじめにより音響現象と呼ばれる多様で興味深い現象がある. 音響現象は不思議な現象であり, 音響現象のひとつである音響自励振動を目のあたりにして, これを何とか理解したいと思わない人はまずいないであろう.
音響現象 : 音波 一般的な音波 断変化 音エネルギーとエネルギーの関係 無し
音響現象 : 音波 限られたある条件において, 強い音圧振幅低い周波数狭い場所 :160dB :100Hz :1mm 音エネルギーとエネルギーの関係 強い 音響現象
音響現象と音波 音響現象 Loud speaker 等温変化 1mm Stack wall Strong sound pressure : 160dB Narrow channel: 1mm(wavelength / 3000) Frequency: 100Hz
音響現象と音波 音響現象 膨張 Stack wall Strong sound pressure : 160dB Narrow channel: 1mm(wavelength / 3000) Frequency: 100Hz
音響現象と音波 音響現象 圧縮 Stack wall Strong sound pressure : 160dB Narrow channel: 1mm(wavelength / 3000) Frequency: 100Hz
音響現象と音波 音響現象 圧縮 膨張 Stack wall エネルギー
音響冷却システム ヒートポンプ 交換器 B:TR スタック 冷却部 :TC エネルギー 冷却エネルギー 交換器 A:TH 交換器 B:TR プライムムーバー
音響冷却システム 音響冷却システム = レイケ管 + パルス管 Pulse tube 音 エネルギー変換 冷却 廃 Rijke tube 音エネルギー変換
ループ管のアドバンテージ ループ管 廃の有効利用 環境に有毒な冷媒不必要 可動部なし シンプルな構造 既存の冷却システム 駆動にエネルギー必要 環境に有毒な冷媒必要 可動部あり 複雑な構造
Temperature [ ] Shin-ichi Sakamoto 音響冷却システム写真 & 冷却効果 30 20 10 0 40 の温度低下 -10-20 -30 0 500 1000 1500 2000 Time [sec] 2500 3000 3500
音響冷却システム : レイケ管 エネルギー 音エネルギー Rijke tube 3 4 140dB 程度 1
音響冷却システム 音響現象 : と音波が関わる現象 ループ管 エネルギー輸送 エネルギー変換音波エネルギー変換 エネルギー輸送
音響冷却システム : ループ管 実用化においては!! エネルギー輸送 廃レイケ管音波パルス管冷却 エネルギー輸送
音響冷却システム : レイケ管 エネルギー 音エネルギー Rijke tube 3 4 140dB 程度 1
レイケ管写真
音響冷却システム : パルス管 音エネルギー エネルギー Pulse tube 圧力変動 コンプレッサー 蓄器 冷却 50K 程度
音響冷却システム 音響冷却システム = レイケ管 + パルス管 Pulse tube 音 エネルギー変換 冷却 廃 Rijke tube 音エネルギー変換
形状 交換器 : ヒーター 1m 交換器 : 循環水 交換器 : 冷却部 蓄器 : スタック 全長 :3.2m 0.5m 内径 :φ44mm
スタック 穴の直径約 1 mm 拡大
パイプ
交換器
音響冷却システムの動作原理 ヒートポンプ 交換器 B:TR スタック 冷却部 :TC エネルギー 冷却エネルギー 交換器 A:TH 交換器 B:TR プライムムーバー
エネルギー Shin-ichi Sakamoto エネルギー分布 ヒートポンプ 交換器 B:TR プライムムーバー ヒートポンプ エネルギー スタック 冷却部 :TC 冷却エネルギー 交換器 A:TH 交換器 B:TR I p I h プライムムーバー x Q p Q h
Temperature [ ] Shin-ichi Sakamoto 音響冷却システム写真 & 冷却効果 30 20 10 0 40 の温度低下 -10-20 -30 0 500 1000 1500 2000 Time [sec] 2500 3000 3500
プライムムーバーの動作メカニズム エネルギー 音エネルギー T H 高温 I 音波 T H 側でを奪い Heat exchanger A Stack 1 Q4-1 1 4 T R 側でを離す 拡大 Heat exchanger B 基準温度 T R Q2-3 2 3 2r スタック流路数周波数 T C 側からT R 側へを移動し, 音エネルギー
プライムムーバーの動作メカニズム エネルギー 音エネルギー T H I 音波 T H 側でを奪い Heat exchanger A Stack 1 Q4-1 1 4 T R 側でを離す Heat exchanger B 拡大 T R Q2-3 2 3 2r スタック流路数周波数 T C 側からT R 側へを移動し, 音エネルギー
太陽エネルギー これまでにない冷却システム太陽エネルギーのメリット音響冷却システムのメリット 無償, 莫大, 地域によらない, 安定有害冷媒なし, 可動部なし, シンプル, 電気なし 新しい太陽エネルギーの利用方法
実験系 フレネルレンズ直径 0.60 m, レンズ面積 0.28 m 2 Heat exchanger C (T R : Circulating water) Stack T_ch2: K-type Thermocouple Cooling point Total length Diameter Channel radius Stack1 Stack2 Working fluid 3300mm 42mm 0.45mm 0.35mm He+Ar Fresnel lens T_ch1: K-type Thermocouple Heat exchanger A (T H : Heater) Stack Heat exchanger B (T R : Circulating water) Pressure Heat energy 0.1MPa 330W
Temperature [degrees C] Shin-ichi Sakamoto 実験結果 : プライムムーバー上端の温度変化 500 400 300 439 の温度上昇 200 100 0 0 1000 2000 3000 Time [sec] 最高到達温度 486 4000
Temperature [degrees C] Shin-ichi Sakamoto 実験結果 : プライムムーバー上端の温度変化 500 400 300 200 240 100 音波発生 439 の温度上昇 0 0 1000 2000 3000 70 秒 Time [sec] 最高到達温度 486 4000
Temperature [degrees C] Shin-ichi Sakamoto 実験結果 : クーリングポイント温度変化 30 20 10 0-10 0 1000 2000 3000 Time [sec] 最低到達温度 -4.3 4000
Temperature [degrees C] Shin-ichi Sakamoto 実験結果 : クーリングポイント温度変化 30 20 10 33 の温度低下 0-10 0 1000 2000 3000 Time [sec] 最低到達温度 -4.3 4000
1 軸追尾集光装置 フレネルレンズ 400 mm 0.148 m 2 レンズ & フレーム モータ台 回転軸 地軸
追尾集光装置を用いた太陽駆動ループ管型音響冷却システムの基礎検討 日本音響学会 2013 年春期研究発表会, 2013 年 3 月 13-15 日 今後の検討 長時間駆動試験 駆動温度検討 損失改善 集方法改善
太陽利用の検討 40cm 角フレネルレンズを用いた集光加実験 (1 軸追尾式 ) 燃焼炉排気の検討 薪窯の排気温度調査
低温度駆動 断面積拡大したプライムムーバーを直列多段に設置 プライムムーバーの設置位置による影響の確認実験 発振開始温度安定性解析 臨界温度 実験値と解析値の定性的な一致を確認 発振開始温度 67 を記録
実験装置写真 プライムムーバー 1100 mm 1100 mm 41
Temperature[ C] Shin-ichi Sakamoto 臨界温度 66 および発振開始温度 67 を記録 実験値と解析値の傾向が一致している Analytical Experimental 300 250 200 150 100 50 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Position of prime mover
音響パワー Shin-ichi Sakamoto 太陽光 + 低温度駆動 真空管式太陽集器 媒加 高温 高温媒 低温 低温駆動可能な音響冷却システム 音響パワー 媒駆動用交換器 保冷庫 不凍液 保冷 排 断 今夏より駆動試験を行うよう製作を進めている
Temperature [ ] Shin-ichi Sakamoto 大型化, 小型化 摂氏 0 以下を実現!! 20 15 10 5 1655mm 0-5 0 200 400 600 800 1000 Time [sec] 250mm
音エネルギーの減衰 ( 騒音消去 ) 音エネルギー 音エネルギー
音エネルギーの減衰 ( 騒音消去 ) エネルギー 音エネルギー 音エネルギー 音エネルギー
音エネルギーの増幅 エネルギー 音エネルギー 音エネルギー 音エネルギー
ループ管を用いた温度上昇 ( 暖房 ) Heat Exchanger B (TR:Circulating Water) Stack 2 Cooling point Heating point Stack 2 Heat Exchanger B (TR:Circulating Water) Heat Exchanger A (TH:Heater) Stack 1 Heat Exchanger A (TH:Heater) Stack 1
Temperature [ ] Shin-ichi Sakamoto ループ管を用いた温度上昇 ( 暖房 ) 約 45 度の温度上昇に成功 70 60 50 40 30 20 10 0 200 400 600 800 1000 Time [sec]
V [V] Shin-ichi Sakamoto 音響発電システム 20 スピーカー両端の電圧 10 0-10 -20 0 10 20 30 Time [sec.] 40 50x10-3
実用化に向けて 未利用エネルギー 現状のコンセプトは, 廃の有効利用 もともと捨てていたエネルギーで冷却する 高効率 :100%? 温暖化防止 競争 一般的な冷却システム冷房, 冷蔵庫など
未利用エネルギー :Unutilized Energy 河川水 下水等の温度差エネルギー, 工場等の排といった, 今まで利用されていなかった以下のようなエネルギーを総称して, 未利用エネルギー と呼ぶ. 資源エネルギー庁 HP より 1 生活排水や中 下水の 2 清掃工事の排 3 超高圧地中送電線からの排 4 変電所の排 5 河川水 海水の 6 工場の排 7 地下鉄や地下街の冷暖房排 8 雪氷等
音響システムの今後 未利用エネルギー 冷却, 発電 太陽エネルギー廃 フロンを使わない冷却システム 小型冷却システム
今後の展開 小型化 / 大型化 太陽エネルギー 発電 : マイクロ発電, 分散電源 効率 UP 低温度発振 形状 交換
技術的な課題 と音の変換効率向上交換器 : の入出力方法スタック : エネルギー変換駆動温度帯 : 低温度化, 高温度化システムの形状 : 大型化, 小型化
専用部品の開発 スタック : 温度勾配交換器 : 振動流に対する吸放メカニズム位相調整器 :PAなど
技術以外の課題 適用場所規制?? 他分野との融合新たな視点
謝辞 本研究の一部は, 地域イノベーション戦略支援プログラム, サテライトクラスタープログラム日本学術振興会科研費若手研究 (A)(B), 日本学術振興会科研費挑戦的萌芽研究, 文科省知的クラスター創成事業, 科学技術振興機構シーズ発掘試験, 村田学術振興財団, 小野音響学研究助成基金, 立石科学技術振興財団, 関西エネルギー リサイクル科学研究振興財団の補助を受けた. ここに謝意を表する. 研究を進めるに当たり, 多くのご指導をいただきました 振動流エネルギー変換 輸送現象研究会, 音響デバイス研究会, 応用音響デバイス研究会 の皆様に感謝申し上げます.
参考文献など 音響関係の主要論文 ( 順不同 ), 例えば,,, T. Yazaki, A. Iwata, T. Maekawa, and A. Tominaga, Traveling Wave Thermoacoustic Engine in a Looped Tube, Phys. Rev. Lett., vol. 81, No. 15, pp. 3128-3131, Oct. 1998 T. Yazaki, and A. Tominaga, Measurement of sound generation in thermoacoustic oscillations, Proc. R. Soc. Lond. A., vol. 454, pp. 2113-2122, 1998 T. Biwa, Y. Ueda, T. Yazaki, and U. Mizutani: Work flow measurements in a thermoacoustic engine Cryogenics 41, 305-310 (2001). Y. Ueda, T. Biwa, U. Mizutani, and T. Yazaki, Acoustic field in a thermoacoustic Stirling engine having a looped tube and resonator, Appl. Phys. Lett., vol. 81, No. 27, pp. 5252-5254, Dec. 2002 T. Yazaki, T. Biwa, and A. Tominaga, A pistonless Stirling cooler, Appl. Phys. Lett., vol. 80, No. 1, pp. 157-159, Jan. 2002 T. Biwa, Y. Tashiro, M. Ishigaki, Y. Ueda, and T. Yazaki: Measurements of acoustic streaming in a looped-tube thermoacoustic engine with a jet pump J. Appl. Phys. 101, 064914_1-5 (2007) T. Biwa, Y. Tashiro, H. Nomura, Y. Ueda and T. Yazaki Experimental verification of a two-sensor acoustic intensity measurement in lossy ducts J. Acoust. Soc. Am. 124, 1584-1590 (2008) Y. Ueda, T. Kato, and C. Kato: Experimental evaluation of the acoustic properties of stacked-screen regenerators J. Acoust. Soc. Am. 125, 780-786 (2009) 富永昭, 音響工学の基礎, 株式会社内田老鶴圃, 東京,1998 富永昭, スターリングエンジンの革命が始まった, パリティ,vol. 14,No. 12,pp. 26-28,1999 G. W. Swift, Thermoacoustic Engines and Refrigerators, Physics Today, pp. 22-28, July 1995 G. W. Swift, Thermoacoustic engines, J. Acoust. Soc. Am., vol. 84, No. 4, pp. 1145-1180, Oct. 1988 S. Backhaus, and G. Swift, A thermoacoustic Stirling heat engine, Nature, Vol. 399, pp. 335-338, May, 1999 S. L. Garrett and S. Backhaus, The Power of Sound, American Scientist, Vol. 88, 2000 S. Backhaus and G. W. Swift, A thermoacoustic-stirling heat engine: Detailed study, J. Acoust. Soc. Am., vol. 107, No. 6, pp. 3148-3156, June 2000
論文 坂本ら S. Sakamoto and Y. Watanabe, The experimental studies of thermoacoustic cooler, Ultrasonics, Vol. 42, pp. 53-56, 2004. Sakamoto, T. Tsujimoto and Y. Watanabe, Generation Mechanism of Heat Flows near the Stack as a Prime Mover in a Thermoacoustic Cooling System, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 43 No. 5A, pp. 2751-2753, 2004. S. Sakamoto and Y. Watanabe, Experimental study on resonance frequency of loop-tube-type thermoacoustic cooling system, Acoust. Sci. & Tech., Vol. 27 No. 6, pp. 361-365, 2006. S. Sakamoto and Y. Watanabe, Improvement in Performance of Stack as Heat Pump of Thermoacoustic Cooling System: Effect of Thickness of Heat Boundary Layer upon Cooling Effect, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 45 No. 12, pp. 9257-9258, 2006. S. Sakamoto, Y. Imamura and Y. Watanabe, Improvement of Cooling Effect of Loop-Tube-Type Thermoacoustic Cooling System Applying Phase Adjuster, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 46, No. 7B, pp. 4951-4955, 2007. 坂本眞一, 渡辺好章, 音とのコラボレーション - 音響冷凍機実現に向けて -, 電子情報通信学会誌,Vol. 90, No. 11, pp. 993-997, 2007. 坂本眞一, 渡辺好章, 音で冷やす, 音で暖める - 音響技術 -, 日本機械学会誌,Vol. 111, No. 1074, pp. 60-63, 2008. 坂本眞一, 小宮慎太郎, 渡辺好章, 音響原動機における非線形現象とその影響について, 電子情報通信学会論文誌 A,Vol. J91-A, No. 12, pp. 1161-1165, 2008. S. Sakamoto, H. Yoshida, A. Sakaguchi, and Y. Watanabe Heat Pump Placed in the Resonance Tube Connected to the Loop-Tube-Type Thermoacoustic Cooling System Improves the Cooling Effect, Jpn. J. Appl. Phys., 07GM01-1- 4, 2009. Y. Orino, S. Sakamoto, Y. Inui, T. Ikenoue and Y. Watanabe, "Numerical analysis of the effect of local diameter reduction on the critical temperature of thermoacoustic oscillations in a looped tube," Jpn. J. Appl. Phys. 53 07KE13 (2014).
連絡先 アドバイスお願いします!! 滋賀県立大学工学部電子システム工学科坂本眞一 0749-28-9555 sakamoto.s@e.usp.ac.jp http://www.shin-ichi.org/
ご静聴ありがとうございました.