熱音響効果に基づいた新しいエンジンの提案とその理解

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10640385
• Research Institution: Aichi University of Education
• Principal Investigator: 矢崎 太一 愛知教育大学, 教育学部 (20144181)
• Keywords: Thermoacoustics / Thermodynamical process / Energy conversion / Nonlinear Science / Traveling wave / Stirling engine / Nonequilibrium / Refrigerator

Research Abstract

冷凍機を含めたエンジンの理解は物理学の長年にわたる基本的問題の1つである。最近、スターリングエンジンやスターリング冷凍機およびパルス管冷凍機など蓄熱(冷)器を備えたエンジンは熱音響効果なる新しい概念を用いて新たな理解が始まろうとしている。私の研究はある環状管内に2つの熱交換機と蓄冷器を備えた可動部の全くない最も単純なエンジン試作し、このエンジンが進行波熱音響エンジンの観点から理解されうる実験的な証拠を得ることである。結果的にエンジンを理解するための新しい概念を提案するとともに可動部を持たない単純で環境負荷の少ない新しいメカニズムの冷凍機を生み出した。物理的には非平衡系の熱力学を記述するため新しい概念を提案したことになる。
環状管内に温度勾配を持つ蓄熱器が設置されると管内の気体は自発的に振動し、進行波音波として管の周りを音速で伝播することを観測した。光レーザーと同じく非平衡散逸構造の現象例の1つである。音波は蓄熱器を通過するごとに増幅され大振幅の気柱振動を生み出す。蓄冷器は“熱の流れ"を“仕事の流れ" (音のエネルギー流れ)に変換する一種のエネルギー変換器の役割を果たす。実験では流体の速度および圧力を同時測定しそれらの間の時間的な位相差を知るとともに蓄熱器の周りの“仕事の流れ"を実験的に決定した。位相は進行波音波と同じであった。また蓄熱器はレーザーと同じく音波のエネルギー増幅器の役割を果たすことが明らかなった。さらに蓄熱器ではエネルギー変換が本質的に等温可逆過程で行われることが分かった。すなわち可動部を全く持たないスターリングエンジンと同じデバイスが試作できたことになる。このことは「熱音響効果」がエンジンや冷凍機を理解するための新しい(合理的)概念であることを示す実験的な証拠であると確信している。

Research Products

• [Publications] T.Yazaki,A.Tominaga: "Measurement of Sound Generation in Thermoacoustic Oscillation" Proc.Royal Soc.Lond.A. 454. 2113-2122 (1998)
• [Publications] T.Yazaki et.al.: "Traveling wave Thermoacoustic Engine in a Looped Tube" Physical Review Letters. 81. 3128-3131 (1998)