未利用熱エネルギーの有効利用に向けた熱音響シス …参考文献など

関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日

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坂本眞一滋賀県立大学工学部電子システム工学科

未利用熱エネルギーの有効利用に向けた

熱音響システムの開発

Shin-ichi Sakamoto



はじめに

熱音響現象

Shin-ichi Sakamoto



熱音響現象とは

熱音響現象とは，

音と熱が関わり合う現象であり，

エネルギー変換とエネルギー輸送という

2つの側面をもつ．

1つは音エネルギーから熱エネルギー，

また熱エネルギーから音エネルギーへの

エネルギー変換であり，

もう1つは音エネルギーや熱エネルギーの

エネルギー輸送である

Shin-ichi Sakamoto



熱音響工学の基礎富永昭第1章はじめにより

熱音響現象と呼ばれる

多様で興味深い現象がある．

熱音響現象は不思議な現象であり，

熱音響現象のひとつである

熱音響自励振動を目のあたりにして，

これを何とか理解したいと思わない人は

まずいないであろう．

Shin-ichi Sakamoto



熱音響現象：音波

断熱変化

一般的な音波

熱熱熱熱熱熱

熱熱熱熱熱熱

音エネルギーと熱エネルギーの関係→無し

Shin-ichi Sakamoto



熱音響現象：音波

限られたある条件において，

強い音圧振幅：160dB

低い周波数：100Hz

狭い場所：1mm

音エネルギーと熱エネルギーの関係→強い

熱音響現象

Shin-ichi Sakamoto



熱音響現象と音波

熱音響現象

等温変化

熱熱熱熱熱熱

熱熱熱熱熱熱

Stack wall

1mm

Strong sound pressure : 160dB

Narrow channel： 1mm(wavelength / 3000)

Frequency： 100Hz

Loud speaker

Shin-ichi Sakamoto




熱音響現象

Stack wall

膨張

熱

熱



Frequency： 100Hz

Shin-ichi Sakamoto




熱音響現象

Stack wall

圧縮

熱

熱



Frequency： 100Hz

Shin-ichi Sakamoto




熱音響現象

Stack wall

圧縮

熱

熱

膨張

熱

熱

熱エネルギー

Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システム

熱エネルギー冷却エネルギー

熱交換器B:TR

熱交換器A:TH

熱交換器B:TR

冷却部:TC

ヒートポンプ

プライムムーバー

スタック

熱エネルギー熱エネルギー冷却エネルギー

熱交換器B:TR

熱交換器A:TH

熱交換器B:TR

冷却部:TC

ヒートポンプ


スタック

Shin-ichi Sakamoto




Pulse tube

Rijke tube

音 → 熱

熱 → 音エネルギー変換

エネルギー変換

廃熱

冷却

熱音響冷却システム＝レイケ管＋パルス管

Shin-ichi Sakamoto



ループ管のアドバンテージ

ループ管

廃熱の有効利用

環境に有毒な冷媒不必要

可動部なし

シンプルな構造

駆動にエネルギー必要

環境に有毒な冷媒必要

可動部あり

複雑な構造

既存の冷却システム

Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システム写真＆冷却効果

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tem

per

ature

[℃

]

3500300025002000150010005000

Time [sec]

40℃の

温度低下

Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システム：レイケ管

③

①

④

Rijke tube

熱エネルギー → 音エネルギー

１４０ｄB程度

Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システム熱音響現象：熱と音波が関わる現象

熱音波熱エネルギー変換エネルギー変換

エネルギー輸送


ループ管

Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システム：ループ管実用化においては！！

廃熱音波冷却レイケ管パルス管



Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システム：レイケ管

③

①

④

Rijke tube


１４０ｄB程度

Shin-ichi Sakamoto



レイケ管写真

Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システム：パルス管

コンプレッサー

圧力変動

蓄熱器

冷却

５０K程度

Pulse tube

音エネルギー → 熱エネルギー

Shin-ichi Sakamoto




Pulse tube

Rijke tube

音 → 熱

熱 → 音エネルギー変換

エネルギー変換

廃熱

冷却

熱音響冷却システム＝レイケ管＋パルス管

Shin-ichi Sakamoto



熱交換器：ヒーター

熱交換器：循環水

熱交換器：冷却部

蓄熱器：スタック

全長：3.2m

内径：φ44mm

0.5m

1m

形状

Shin-ichi Sakamoto



スタック

拡大

穴の直径約1 mm

Shin-ichi Sakamoto



パイプ

Shin-ichi Sakamoto



熱交換器

Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システムの動作原理


熱交換器B:TR

熱交換器A:TH

熱交換器B:TR

冷却部:TC

ヒートポンプ


スタック


熱交換器B:TR

熱交換器A:TH

熱交換器B:TR

冷却部:TC

ヒートポンプ


スタック

Shin-ichi Sakamoto



エネルギー分布エ

ネル

ギー

ヒートポンププライムムーバー

x

hI

hQpQ

pI

エネ

ルギ

ー

ヒートポンププライムムーバー

x

hI

hQpQ

pI


熱交換器B:TR

熱交換器A:TH

熱交換器B:TR

冷却部:TC

ヒートポンプ


スタック


熱交換器B:TR

熱交換器A:TH

熱交換器B:TR

冷却部:TC

ヒートポンプ


スタック

Shin-ichi Sakamoto



熱音響冷却システム写真＆冷却効果

-30

-20

-10

0

10

20

30

Tem

per

ature

[℃

]

3500300025002000150010005000

Time [sec]

40℃の

温度低下

Shin-ichi Sakamoto



プライムムーバーの動作メカニズム

拡大

TR

TH I

Stack 1

2 3

4 1 Q4-1

Q2-3

2r

Heat exchanger A

Heat exchanger B

熱エネルギー → 音エネルギー音波高温

基準温度

TH側で熱を奪い

スタック流路数

周波数

TR側で熱を離す

TC側からTR側へ熱を

移動し，音エネルギー

Shin-ichi Sakamoto



プライムムーバーの動作メカニズム

拡大

TR

TH I

Stack 1

2 3

4 1 Q4-1

Q2-3

2r

Heat exchanger A

Heat exchanger B


TH側で熱を奪い

スタック流路数

周波数

TR側で熱を離す

TC側からTR側へ熱を

移動し，音エネルギー

音波

Shin-ichi Sakamoto



太陽熱エネルギー

これまでにない冷却システム

太陽熱エネルギーのメリット

熱音響冷却システムのメリット

↓

無償，莫大，地域によらない，安定

有害冷媒なし，可動部なし，シンプル，電気なし

↓

新しい太陽エネルギーの利用方法

Shin-ichi Sakamoto



実験系

Stack

Stack

Cooling point

Heat exchanger B

(TR: Circulating water)

Heat exchanger A

(TH: Heater)

Heat exchanger C


T_ch2:

K-type

Thermocouple

T_ch1:

K-type

Thermocouple

Stack

Stack

Cooling point

Heat exchanger B


Heat exchanger A

(TH: Heater)

Heat exchanger C


T_ch2:

K-type

Thermocouple

T_ch1:

K-type

Thermocouple

Fresnel lens

Stack

Stack

Cooling point

Heat exchanger B


Heat exchanger A

(TH: Heater)

Heat exchanger C


T_ch2:

K-type

Thermocouple

T_ch1:

K-type

Thermocouple

Stack

Stack

Cooling point

Heat exchanger B


Heat exchanger A

(TH: Heater)

Heat exchanger C


T_ch2:

K-type

Thermocouple

T_ch1:

K-type

Thermocouple

Stack

Stack

Cooling point

Heat exchanger B


Heat exchanger A

(TH: Heater)

Heat exchanger C


T_ch2:

K-type

Thermocouple

T_ch1:

K-type

Thermocouple

Stack

Stack

Cooling point

Heat exchanger B


Heat exchanger A

(TH: Heater)

Heat exchanger C


T_ch2:

K-type

Thermocouple

T_ch1:

K-type

Thermocouple

Fresnel lens

■Total length 3300mm ■Diameter 42mm ■Channel radius Stack1 0.45mm Stack2 0.35mm ■Working fluid He+Ar ■Pressure 0.1MPa ■Heat energy 330W

フレネルレンズ直径0.60 m，レンズ面積0.28 m2

Shin-ichi Sakamoto



500

400

300

200

100

0

Tem

per

atu

re [

deg

rees

C]

40003000200010000

Time [sec]

実験結果：プライムムーバー上端の温度変化

最高到達温度486 ℃

439 ℃の

温度上昇

Shin-ichi Sakamoto



500

400

300

200

100

0

Tem

per

atu

re [

deg

rees

C]

40003000200010000

Time [sec]

実験結果：プライムムーバー上端の温度変化

70 秒

240 ℃

音波発生

最高到達温度486 ℃

439 ℃の

温度上昇

Shin-ichi Sakamoto



30

20

10

0

-10

Tem

per

atu

re [

deg

rees

C]

40003000200010000

Time [sec]

実験結果：クーリングポイント温度変化

最低到達温度-4.3℃

Shin-ichi Sakamoto



30

20

10

0

-10

Tem

per

atu

re [

deg

rees

C]

40003000200010000

Time [sec]

実験結果：クーリングポイント温度変化

最低到達温度-4.3℃

33℃の

温度低下

Shin-ichi Sakamoto



1軸追尾集光装置

フレネルレンズ

□400 mm

0.148 m2

回転軸 ∥地軸

レンズ&フレーム

モータ台

Shin-ichi Sakamoto



「追尾集光装置を用いた太陽熱駆動ループ管型熱音響冷却システムの基礎検討」日本音響学会 2013年春期研究発表会, 2013年3月13-15日

今後の検討

・長時間駆動試験

・駆動温度検討

・熱損失改善

・集熱方法改善

Shin-ichi Sakamoto



薪窯の排気温度調査

■ 太陽熱利用の検討

40cm角フレネルレンズを用いた集光加熱実験 (1軸追尾式)

■ 燃焼炉排気熱の検討

Shin-ichi Sakamoto



低温度駆動

・断面積拡大したプライムムーバーを直列多段に設置・プライムムーバーの設置位置による影響の確認実験発振開始温度安定性解析臨界温度・実験値と解析値の定性的な一致を確認・発振開始温度67℃を記録

Shin-ichi Sakamoto



41


実験装置写真

1100 mm

1100 mm

Shin-ichi Sakamoto



300

250

200

150

100

50

0

Tem

per

atu

re[°

C]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Position of prime mover

Analytical Experimental

・臨界温度66℃および発振開始温度67℃を記録

・実験値と解析値の傾向が一致している

Shin-ichi Sakamoto



太陽光＋低温度駆動

熱媒加熱高温低温

断熱

保冷

不凍液

高温熱媒真空管式太陽集熱器

保冷庫

低温駆動可能な熱音響冷却システム

熱媒駆動用熱交換器

音響パワー

音響パワー

排熱

今夏より駆動試験を行うよう製作を進めている

Shin-ichi Sakamoto



大型化，小型化

250mm

1655mm

20

15

10

5

0

-5

Tem

pera

ture

[℃

]

10008006004002000

Time [sec]

摂氏0℃以下を実現！！

Shin-ichi Sakamoto



音エネルギーの減衰（騒音消去）

音エネルギー音エネルギー

Shin-ichi Sakamoto



音エネルギーの減衰（騒音消去）


熱エネルギー

音エネルギー

Shin-ichi Sakamoto



音エネルギーの増幅


熱エネルギー

音エネルギー

Shin-ichi Sakamoto



ループ管を用いた温度上昇（暖房）

Heat Exchanger A(TH:Heater)

Stack 1

Stack 2

Heat Exchanger B(TR:Circulating Water)

Cooling point

Heat Exchanger A(TH:Heater)

Stack 1

Stack 2

Heat Exchanger B(TR:Circulating Water)

Heating point

Shin-ichi Sakamoto



ループ管を用いた温度上昇（暖房）約45度の温度上昇に成功

70

60

50

40

30

20

10

Tem

per

ature

[℃

]

10008006004002000

Time [sec]

Shin-ichi Sakamoto



熱音響発電システム

-20

-10

0

10

20

V [V

]

50x10-3

403020100Time [sec.]

スピーカー両端の電圧

Shin-ichi Sakamoto



実用化に向けて

未利用

エネルギー

現状のコンセプトは，

廃熱の有効利用

• もともと捨てていた熱エネルギーで冷却する

• 高効率：100%？

• 温暖化防止

一般的な冷却システム

冷房，冷蔵庫など

競争

Shin-ichi Sakamoto



未利用エネルギー：Unutilized Energy

河川水・下水等の温度差エネルギー，工場等の排熱といった，今まで利用されていなかった以下のようなエネルギーを総称して，「未利用エネルギー」と呼ぶ．資源エネルギー庁HPより

①生活排水や中・下水の熱

②清掃工事の排熱

③超高圧地中送電線からの排熱

④変電所の排熱

⑤河川水・海水の熱

⑥工場の排熱

⑦地下鉄や地下街の冷暖房排熱

⑧雪氷熱等

Shin-ichi Sakamoto



熱音響システムの今後

未利用熱エネルギー→冷却，発電


廃熱

フロンを使わない冷却システム

小型冷却システム

Shin-ichi Sakamoto



今後の展開

小型化／大型化


発電：マイクロ発電，分散電源

効率UP

低温度発振

形状

熱交換

Shin-ichi Sakamoto



技術的な課題

熱と音の変換効率向上

熱交換器：熱の入出力方法

スタック：エネルギー変換

駆動温度帯：低温度化，高温度化

システムの形状：大型化，小型化

Shin-ichi Sakamoto



専用部品の開発

スタック：温度勾配

熱交換器：振動流に対する吸放熱メカニズム

位相調整器：PAなど

Shin-ichi Sakamoto



技術以外の課題

適用場所

規制？？

他分野との融合

新たな視点

Shin-ichi Sakamoto



謝辞

本研究の一部は，地域イノベーション戦略支援プログラム，サテライトクラスタープログラム日本学術振興会科研費若手研究(A)(B)，日本学術振興会科研費挑戦的萌芽研究，文科省知的クラスター創成事業，科学技術振興機構シーズ発掘試験，村田学術振興財団，小野音響学研究助成基金，立石科学技術振興財団，関西エネルギー・リサイクル科学研究振興財団の補助を受けた．ここに謝意を表する．研究を進めるに当たり，多くのご指導をいただきました「振動流エネルギー変換・輸送現象研究会」，「熱音響デバイス研究会」，「応用熱音響デバイス研究会」の皆様に感謝申し上げます．

Shin-ichi Sakamoto



参考文献など

熱音響関係の主要論文（順不同），例えば，，，

T. Yazaki, A. Iwata, T. Maekawa, and A. Tominaga, “Traveling Wave Thermoacoustic Engine in a Looped Tube,” Phys. Rev. Lett. , vol. 81, No. 15, pp. 3128-3131, Oct. 1998

T. Yazaki, and A. Tominaga, “Measurement of sound generation in thermoacoustic oscillations,” Proc. R. Soc. Lond. A., vol. 454, pp. 2113-2122, 1998

T. Biwa, Y. Ueda, T. Yazaki, and U. Mizutani: “Work flow measurements in a thermoacoustic engine” Cryogenics 41, 305-310 (2001).

Y. Ueda, T. Biwa, U. Mizutani, and T. Yazaki, “Acoustic field in a thermoacoustic Stirling engine having a looped tube and resonator,” Appl. Phys. Lett., vol. 81, No. 27, pp. 5252-5254, Dec. 2002

T. Yazaki, T. Biwa, and A. Tominaga, “A pistonless Stirling cooler,” Appl. Phys. Lett. , vol. 80, No. 1, pp. 157-159, Jan. 2002

T. Biwa, Y. Tashiro, M. Ishigaki, Y. Ueda, and T. Yazaki: “Measurements of acoustic streaming in a looped-tube thermoacoustic engine with a jet pump”J. Appl. Phys. 101, 064914_1-5 (2007)

T. Biwa, Y. Tashiro, H. Nomura, Y. Ueda and T. Yazaki “Experimental verification of a two-sensor acoustic intensity measurement in lossy ducts” J. Acoust. Soc. Am. 124, 1584-1590 (2008)

Y. Ueda, T. Kato, and C. Kato: “Experimental evaluation of the acoustic properties of stacked-screen regenerators” J. Acoust. Soc. Am. 125, 780-786 (2009)

富永昭，熱音響工学の基礎，株式会社内田老鶴圃，東京，1998

富永昭，“スターリングエンジンの革命が始まった，” パリティ，vol. 14，No. 12，pp. 26-28，1999

G. W. Swift, “Thermoacoustic Engines and Refrigerators,” Physics Today, pp. 22-28, July 1995

G. W. Swift, “Thermoacoustic engines,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 84, No. 4, pp. 1145-1180, Oct. 1988

S. Backhaus, and G. Swift, “A thermoacoustic Stirling heat engine,” Nature, Vol. 399, pp. 335-338, May, 1999

S. L. Garrett and S. Backhaus, “The Power of Sound,” American Scientist, Vol. 88, 2000

S. Backhaus and G. W. Swift, “A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study,” J. Acoust. Soc. Am. , vol. 107, No. 6, pp. 3148-3156, June 2000

Shin-ichi Sakamoto



論文

坂本ら

S. Sakamoto and Y. Watanabe, “The experimental studies of thermoacoustic cooler,” Ultrasonics, Vol. 42, pp. 53-56, 2004.

Sakamoto, T. Tsujimoto and Y. Watanabe, “Generation Mechanism of Heat Flows near the Stack as a Prime Mover in a Thermoacoustic Cooling System,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 43 No. 5A, pp. 2751-2753, 2004.

S. Sakamoto and Y. Watanabe, “Experimental study on resonance frequency of loop-tube-type thermoacoustic cooling system,” Acoust. Sci. & Tech., Vol. 27 No. 6, pp. 361-365, 2006.

S. Sakamoto and Y. Watanabe, “Improvement in Performance of Stack as Heat Pump of Thermoacoustic Cooling System: Effect of Thickness of Heat Boundary Layer upon Cooling Effect,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 45 No. 12, pp. 9257-9258, 2006.

S. Sakamoto, Y. Imamura and Y. Watanabe, “Improvement of Cooling Effect of Loop-Tube-Type Thermoacoustic Cooling System Applying Phase Adjuster,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 46, No. 7B, pp. 4951-4955, 2007.

坂本眞一，渡辺好章，“音と熱のコラボレーション－熱音響冷凍機実現に向けて－，” 電子情報通信学会誌，Vol. 90, No. 11, pp. 993-997, 2007.

坂本眞一，渡辺好章，“音で冷やす，音で暖める－熱音響技術－，” 日本機械学会誌，Vol. 111, No. 1074, pp. 60-63, 2008.

坂本眞一，小宮慎太郎，渡辺好章，“熱音響原動機における非線形現象とその影響について，” 電子情報通信学会論文誌 A，Vol. J91-A, No. 12, pp. 1161-1165, 2008.

S. Sakamoto, H. Yoshida, A. Sakaguchi, and Y. Watanabe “Heat Pump Placed in the Resonance Tube Connected to the Loop-Tube-Type Thermoacoustic Cooling System Improves the Cooling Effect,” Jpn. J. Appl. Phys., 07GM01-1-4, 2009.

Y. Orino, S. Sakamoto, Y. Inui, T. Ikenoue and Y. Watanabe, "Numerical analysis of the effect of local diameter reduction on the critical temperature of thermoacoustic oscillations in a looped tube," Jpn. J. Appl. Phys. 53 07KE13 (2014).

Shin-ichi Sakamoto



連絡先

アドバイスお願いします！！

滋賀県立大学

工学部

電子システム工学科

坂本眞一

0749-28-9555

[email protected]

http://www.shin-ichi.org/

mailto:[email protected]




Shin-ichi Sakamoto



ご静聴ありがとうございました．

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