2016 Fiscal Year Research-status Report
環境・負荷変動に共振特性を追従させる電力フィードバック進行波型熱音響発電機の開発
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15K06135
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
小林 泰秀 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50272860)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 電力フィードバックの効果 / リニアモータの効率 / 負荷の制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究の目的「定数を電気的に可変できる共振回路」に関して、27年度の研究実施計画「ボイスコイルに別系統のコイルを巻く」対処法は、リニアモータの機械共振周波数を固定し、コイルとコンデンサによる共振特性を含む負荷の調整に相当することがわかった。よって負荷を動的に変化させる準備段階として、発振強度を一定に維持するよう負荷（抵抗値）を変化させる制御手法を開発・発表した(学会発表4)。これは27年度に提案した手法に基づいており、安定性解析を詳細に行い国際会議(学会発表1)で発表するとともに、論文(雑誌論文2)にまとめた。
「運転周波数可変」については上述の通り、負荷の制御との関連で考えた方が見通しが良いことがわかったため後に回し、先に定在波型→進行波型システムの開発を進めた。コア5段で進行波優勢で発振する実験装置をベースに、電力フィードバック部の直列抵抗値を0(直結)～∞(開放)の間で変化させ、電力フィードバックの効果を実験的に調べるとともに、同様の結果が解析できる手法をコア1段の場合の結果(雑誌論文1)を基に開発した：臨界温度比が低下すること(学会発表2)、音波増幅方向の進行波が強まること(学会発表5)、音響パワーと電力のループが形成されること(学会発表7)を示した。この結果、現有のスピーカを改造したリニアモータで音響パワー→電力の変換効率80%以上を達成したことがわかった。ただし逆方向の電力→音響パワーの変換効率は20%程度であり、この改善が喫緊の課題である。本結果は近日中に音響学会に論文投稿予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
27年度研究実績の概要の「3.振幅依存性を考慮した解析手法の開発」について、スピーカを大振幅(ストローク約20mm)のものに置き換え、スピーカの駆動電圧振幅をパラメータとしてコアの周波数応答を取得し安定性解析を行った結果、電圧振幅が大きいほど安定余裕が大きくなる定性的に妥当な結果を得た(研究発表3)。定量的な議論を行うため、周波数応答計測時の共鳴を抑制し管内圧力振幅を一定に保つ制御則を開発し、その有用性を実験的に確認した(研究発表6,8)。しかし、共鳴の利用なしで得られる圧力振幅は100Pa程度と小さく、コアを自励発振時と同程度(数kPa)の大振幅で加振・計測し、定量的な議論を行うことはできていない。よって、「やや遅れている」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
相対的に大振幅で加振できるようにするため、現在使用している内径50mmの塩ビ管を1inchの銅管に置き換える。金属管とすることで管壁の散逸の低減も見込む。
二つのリニアモータのうち、電力→音響パワーの変換効率20%を決定している要因を明らかにする。これを音響パワー→電力の変換効率80%と同程度に改善できれば、コアの段数2段でも理論上は発振する。この結果、エネルギー変換効率の向上及び、コンパクトなシステムの実現を目指す。
圧力振幅を一定とする制御則(学会発表1,雑誌論文2)は、制御対象のエネルギーを一定とする制御則という解釈ができ、そのために外部からのエネルギー投入及び外部へのエネルギー放出を行っている。これに対し、抵抗値の制御則(学会発表4)は外部へのエネルギー放出のみを行う場合であり、一定圧力下での計測(研究発表6,8)は外部からのエネルギー投入のみを行う場合に相当する。よって、これらを統一的に扱った普遍的な制御則の実現を目指す。そのためにまず、研究発表1,雑誌論文2で得られている安定解析の結果を他の二つの場合に応用することを検討する。
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| Causes of Carryover |
前年度に構成した熱音響コア5段の装置をベースにして、電力フィードバックの効果について実験データの蓄積と解析手法の開発、振幅を一定とするための負荷の制御手法など、ハードウェア開発よりもソフトウェア開発を優先したため次年度使用額が生じた。特に、今年度当初購入予定であったボイスコイルモータの購入を見送ったことが大きい。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
ボイスコイルモータ二個を購入し、現有のリニアモータと置き換えることにより、リニアモータ部の基本的な効率向上を図る。
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