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2019 年度 実施状況報告書

未利用熱の有効利用へ-熱音響システム高効率化に向けた断面積スケーリング-

研究課題

研究課題/領域番号 17K06234
研究機関滋賀県立大学

研究代表者

坂本 眞一  滋賀県立大学, 工学部, 准教授 (40449509)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード熱音響 / 断面積 / 熱流 / 音響インテンシティ / 熱漏れ
研究実績の概要

熱音響現象を応用すると,廃熱である,未利用熱エネルギーを有効に利用することが可能となる.熱音響システムを応用するとこれまでにない冷却システムを作ることが可能となる.また,その廃熱をエンジンや発電機の入力エネルギーとすることが出来る可能性を持っている.
我々のチームは,熱音響システムの基本原理,設計用数値計算や構成部品などについて多くの知見の集積がある.また,低温度廃熱の利用を目指した熱音響システムの低温度駆動や,音と熱のエネルギー変換の高効率化について多くの知見を蓄積している.これらのアドバンテージを生かして,未だ取り組まれていない,断面積スケーリングを明らかにし,廃熱を代表する,未利用熱エネルギーの有効利用を目指している.
これまでに直管形状の熱音響システムについて検討を行っている.また,ループ管形状の熱音響システムにも取り組んでいる.ループ菅管形状は,ループ状であることから,反射面がなく,境界条件の緩やかである.熱エネルギーを入力し,自励振動を発生させ,システム内でエネルギー変換を実施する熱音響プライムムーバーについての検討も実施している.
熱音響システムの断面積を3パターン変更したシステムを構成した.システム内の音場分布,音圧分布,粒子速度分布,位相分布ならびに音響インテンシティ分布について,詳細な計測を継続した.その結果,音エネルギー並びに熱エネルギーについても,事前の予想通り,断面積に比例していないことが確認されている.また,その要因についても検討を進めており,入力熱エネルギーの漏れや音エネルギーの漏れが大きく影響している可能性が示唆された.その熱漏れやエネルギーのロスについての検討を進めている.直管形状ならびにループ管形状の熱音響システムについての大まかな実験を終了したが,もう少し追求すべき点も発見された.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

ループ管形状の熱音響システムを中心に検討を進めてきた.ループ菅形上は反射端がなく,システム内の音場分布において境界条件が緩やかである.直管形状での取り組みの活かし,実験などを進めた.熱エネルギーを入力し,自励振動を発生させ,システム内でエネルギー変換を実施する熱音響プライムムーバーについての検討も実施している. 実験において,断面積を3パターンのシステムを構成した.システム内の音場分布,音圧分布,粒子速度分布,位相分布ならびに音響インテンシティ分布について,詳細な計測を実施した.その結果,音エネルギー並びに熱エネルギーについても,事前の予想通り,ループ管形状についても断面積に比例していないことが確認された. また,その要因についても検討にむけて,システムから外への音の漏れ,熱漏れについても測定を実施した.しかしながら,熱漏れについては既存のシステム 形状の問題点から,継続が必要かと考えられる. システム内の音場や音の漏れ,熱漏れの測定と平行して,数値計算についても開始しており,実験状態の再現に向けて検討を継続している.

今後の研究の推進方策

直管形状ならびにループ管形状の熱音響システムについての大まかな実験を終了したが,詳細な測定に向けての取り組みが必要であることが確認された.測定システムや熱音響システムの形状の問題から,必要な測定に至っていないポイントを検証し,進めていく予定である.熱の漏れ,音の漏れなども検討に入れて進める予定である.これまでの実験で得られたシステム形状による測定の問題について検討を継続していく.この問題点と平行して,数値計算についても継続しており,実験状態の再現に向けて検討を目指す.

次年度使用額が生じた理由

直管形状ならびにループ管形状の熱音響システムについての大まかな実験を終了したが,詳細な測定に向けての取り組みが必要であることが確認された.測定システムや熱音響システムの形状の問題から,必要な測定に至っていないポイントを検証し,進めていく予定である.熱の漏れ,音の漏れなども検討に入れて進める予定である.これまでの実験で得られたシステム形状による測定の問題について検討を継続していく.この問題点と平行して,数値計算についても継続しており,実験状態の再現に向けて検討を目指す.

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2019

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Measurement of heat flow caused by a standing-wave component generated by a thermoacoustic phenomenon2019

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Sakamoto, Yuji Ise, and Yuichiro Orino
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 9 ページ: 115006

    • DOI

      https://doi.org/10.1063/1.5123252

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ループ菅方熱音響システムにおける熱緩衝管に関する検討-熱緩衝管の局所的冷却による影響-2019

    • 著者名/発表者名
      勝木 秀和,坂本 眞一
    • 学会等名
      日本音響学会
  • [学会発表] スタック材質組み合わせによる熱音響システムの高効率化に向けた基礎検討-金属メッシュ材質変化によるスタック温度分布の測定-2019

    • 著者名/発表者名
      片岡 慎太朗,坂本 眞一
    • 学会等名
      日本音響学会
  • [学会発表] Experimental study of the thermal buffer tube temperature gradient and onset temperature in a loop-tube-type thermoacoustic system2019

    • 著者名/発表者名
      Hidekazu Katsuki,Shin-ichi Sakamoto
    • 学会等名
      Symposium on Ultrasonic Electronics
  • [学会発表] Measurement of temperature distribution with 3D-printer and etching meshes stack in thermoacoustic heat pump2019

    • 著者名/発表者名
      Shintaro Kataoka,Shin-ichi Sakamoto
    • 学会等名
      Symposium on Ultrasonic Electronics
  • [学会発表] 直管型熱音響ヒートポンプにおける冷却特性について-システム断面積と冷却温度についての基礎検討-2019

    • 著者名/発表者名
      坂本 眞一, 山鹿 祐弥
    • 学会等名
      応用物理学会
  • [学会発表] Fundamental study on enlarge of a loop-tube-type thermoacoustic system:Measurement of onset temperature and sound field in cross-sectional area change2019

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi Sakamoto, Kenshiro Inui, Hidekazu Katsuki
    • 学会等名
      the Acoustical Society of America
    • 国際学会

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公開日: 2021-01-27  

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