光・動力・熱力スケーディングエネルギー変換システムの構築をめざす熱レーザーの研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14205111
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 架谷 昌信 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (50021788)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 出口 清一 名古屋大学, 工学研究科, 講師 (50283411) ; 渡辺 藤雄 名古屋大学, 工学研究科, 助手 (70109312) ; 小林 敬幸 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 助教授 (90242883) ; 和田 明生 日本分光(株), 第一技術科, 研究員 ; 小林 潤 名古屋大学, 工学研究科, 助手 (60314035)
• Keywords: 熱レーザー / カスケーディングエネルギー変換 / 反転分布 / 超音速流体 / 酸素富化燃焼

Research Abstract

燃焼により得られる高温高圧エネルギーから直列でカスケード的に「レーザー発振(光)」,「ガスタービン駆動(動力)」,「スチーム発生(熱)」を行うことにより3形態のエネルギーを得る、新規の複合エネルギー変換システムである「光・動力・熱カスケーディングエネルギー変換システム」を提案する。本研究では本システムを構築するための、システム設計と必要条件の抽出、および要素研究(熱レーザーの発振)を実施する。特に光エネルギーとして最も質的に高い「レーザー光」を、大容量で発生させることに着目し、その高効率化・高出力化が可能となれば、化学プロセス分野において、メソプロセス技術(レーザー誘導反応,レーザー分離,高密度加熱,精密加工)、および新しいエネルギー輸送手段など、広範な応用技術の展開が期待される。高温高圧燃焼ガスを超音速ノズルを通して断熱膨張させた場合、レーザー発振を可能にする反転分布が、燃焼ガス中の二酸化炭素分子で達成されることを確認した。しかし、理論的考察から、本熱エネルギーから光エネルギーへの変換効率が数%程度が現在の条件では限界であることが予測される。本研究では、先行研究にて明らかにされてきたレーザー発振条件のうち、ガスタービン設備等の兼ね合いから圧力条件が全く異なることが最大の課題と考えられるが、本複合エネルギー変換システムに合致する、高容量のレーザー光を発振できるレーザー発振システムの実証を目的として、提案したエネルギー変換システムのシステム設計により得られた作動条件におけるレーザー発振部作動流体の流動状態の解析、及び燃焼ガス中各化学種の挙動が反転分布に及ぼす影響を数値解析により考察し、以下の結果を得た。
1)本システムの燃料であるメタンを酸素富化燃焼させることにより、レーザー発振に可能な高圧高温場を容易に得る事が可能であるが、レーザー媒体である燃焼ガスに含まれる水分割合とレーザー発振に必要な反転分布確率がトレードオフであることが判明した。
2)レーザー発振部ではレーザー媒体の流速を所定の超音速状態に設定する事により、反転分布状態が可能であるということが示唆された。