2014 Fiscal Year Research-status Report
熱音響場における多周波数音の単純化・増幅効果を応用した騒音援用冷凍機の開発
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26820418
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| Research Institution | National Institute of Technology, Toyama College |
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Principal Investigator |
経田 僚昭 富山高等専門学校, 商船学科, 助教 (50579729)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱音響現象 / 廃熱 / 騒音 / レーザードップラー流速計測システム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、音でヒートポンプ効果を得る熱音響冷凍機の応用技術として、未利用エネルギーである騒音と廃熱を利用した冷凍機の開発を目的とする。具体的には外部から入力した騒音を廃熱により増幅させて冷熱を得る熱音響冷凍機（騒音援用冷凍機）の開発を最終目的とする。研究の初年度である本年度は円筒管に入力した音波の音圧増加効果を検証した。また、音波入力型の熱音響冷凍機の高性能化についての検討、管内作動流体の流速測定系の構築を行った。本年度で得られた成果内容を以下に示す。
音波の選択的増幅効果：スピーカーで円筒管内部に任意の周波数の音波を供給し、300℃の温度勾配が形成されたスタックで増幅させる。実騒音の利用には構成する周波数成分の複雑さとエネルギー密度の低さが課題となる。管内を共鳴状態とする周波数で形成される軸方向の流速分布の節に温度勾配のあるスタックを設置することで、その周波数音波のみ音圧が増加し、かつその他の周波数の音波はスタック流路内の粘性散逸で抑制できる。この増幅と抑制から選択的に特定の周波数音の増幅ができる。また、スタック流路径や伝熱面積と関連づけて音圧増幅効果を示した。
ダブルループ管形状による熱音響冷凍機の高性能化：音波入力型の熱音響冷凍機を対象に冷却性能向上方法としてダブルループ管形状を提案し、その有効性について音場と温度場を連成した数値計算で示した。
LDVによる流速測定系の構築：管内作動流体は時間変動と空間変動を伴う。装置の設計や音圧の増幅、効果的な冷却を行うためには時間的・空間的に変動する圧力と流速を把握する必要がある。そこでLDV流速計測システムに着目し、計測点を面状に広げることでPIVのように同時性のある計測平面内の流速分布が得られる多点同時LDV流速計測システムを構築した。本手法で脈動する流れにおける平面流速分布の時間変化を捉えることができ、熱音響場への応用の可能性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初に計画していた通り、特定周波数音波の増幅効果について、その検証のための実験装置を制作し、スタック流路径に対する増幅率が明示された。またダブルループ管形状による冷却性能向上案と流速測定系の構築がなされたため今年度の達成度をおおむね順調に進展していると評価した。
円筒管内に温度勾配（300℃程度）のスタックを設置することで任意の周波数音波のみ増幅できることを確認できたことは望ましい結果である。スタックの流路径に対する音波の増幅効果について金属メッシュ積層型スタックを構成するメッシュの目開きが小さなスタックほど伝熱面積が大きく、振動流体と固体部との応答性の高い熱交換が実現されるために増幅が促進される。
本研究で提案する熱音響冷凍機の冷却効果を十分なものとするために、冷却性能を向上させる方法として、ダブルループ管形状を提案した。その冷却効果についてまずは数値計算による有効性を確認するためにFDTD法による音場解析モデルとエネルギー式を連成させた音場と温度場の数値解析モデル（冷却性能推定モデル）を構築し、システム全体で得られる冷却性能は従来の枝管つきループ管型熱音響冷凍機を超える結果が得られた。この結果は数値解析によるものであり引き続き実験装置の構築と稼働させた時の冷却性能について検討を進める必要がある。
管内振動場を把握するために圧力測定系が構築され、2センサー法による圧力と速度振幅の同時計測が可能となった。圧力情報から推定される速度情報は管内断面平均であり、より詳細な作動流体の挙動を把握するためにLDVによる振動流の流速測定手法の確立に取り組み、計測領域を広げることで流速空間分布の計測が可能となった。引き続き、管内振動場での計測を目指す。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度までにエネルギー密度が小さく、複雑な周波数特性であっても特定の周波数音のみを増幅させる音波の選択的増幅効果について観測され、実験的に検証がなされた。またダブルループ管型熱音響冷凍機による冷却性能の向上の可能性を数値解析的に示すとともに実験装置における流速測定方法として計測領域を平面に広げたLDVによる管内作動流体の時空間変動を計測システムが構築された。
今後の方針としてまず提案する冷凍機の実機の構築を目指すためには実騒音を対象とする必要があるため、申請書通り富山高等専門学校 練習船若潮丸のエンジンルーム内の騒音特性の把握を行う。本研究で提案する騒音援用冷凍機の応用例を、比較的騒音周波数が低く、かつ廃熱を利用できるエンジンプラントとして船舶エンジンを対象にすることとした。この騒音特性の把握と具体的に対象とする周波数を特定することで装置の設計と製作に取り組んでいく。同時に今年度のダブルループ管形状による冷却性能の向上を実験的に示すとともに、今年度に構築した圧力測定系と多点同時LDVによる管内作動流体の情報を装置設計の際に役立たせ、高性能化に向けた知見を得る。
数値計算については音波の挙動から冷却性能を推定する手法は確立できたため、その応用として温度勾配による音波増幅効果について予測できる数値計算プログラムを新たに構築する。
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| Causes of Carryover |
管内の音場を計測するには2つの圧力センサーを用いることで圧力と流速の推測が可能となる2センサー法を採用することとし、当初はそのための圧力センサーおよびアンプを2セット購入することとした。しかしながら圧力センサー1つ、アンプ2台が既存のものを使用できたため新品を購入せずにそのまま使用することとした。一方、外部で取得した騒音を実験室で検討する際に今年度購入したオシロスコープと同じ業者のファンクションジェネレーターを使用することで、記録した計測信号をファンクションジェネレーターで出力できる目処がたった。そのために、来年度、騒音場を計測したあと、実験室で検討するためのファンクションジェネレーターを次年度に繰り越して購入することとした。以上が主要な理由である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今後の研究方針でも述べたように、実騒音場の一例として富山高等専門学校 練習船 若潮丸での計測を実施するためその運航費を次年度に計上した。また、取得した騒音を実験室で再現するためのファンクションジェネレーターを購入し、今年度購入したオシロスコープ（騒音可視化と記録用）とつなげて実験室での模擬騒音による音波の増幅としれによる冷却実験が可能となるようにする。他に、音波の増幅効果に付いて予測する数値解析プログラムが構築され次第、解析用のコンピューターを次年度に購入する予定である。前年度に引き続き装置を構成するための資材、温度センサー、情報収集ならびに成果の発表にかかる旅費等に使用する。
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Research Products
(5 results)
