Title 枝管付きループ管型熱音響冷凍機の高性能化に関する研究 Author(s) 経田, 僚昭 Citation 要旨 Issue Date 2014-03-22 Type Thesis or Dissertation Text version none URL http://hdl.handle.net/2297/38960 Right 学位授与機関金沢大学学位の種類博士（工学）学位授与年月日 2014年3月22日学位授与番号甲第4035号 *KURAに登録されているコンテンツの著作権は，執筆者，出版社（学協会）などが有します。 *KURAに登録されているコンテンツの利用については，著作権法に規定されている私的使用や引用などの範囲内で行ってください。 *著作権法に規定されている私的使用や引用などの範囲を超える利用を行う場合には，著作権者の許諾を得てください。ただし，著作権者から著作権等管理事業者（学術著作権協会，日本著作出版権管理システムなど）に権利委託されているコンテンツの利用手続については，各著作権等管理事業者に確認してください。 http://dspace.lib.kanazawa-u.ac.jp/dspace/ 博士論文要旨枝管付きループ管型熱音響冷凍機の高性能化に関する研究 Study on performance improvement of loop-tube-type thermoacoustic refrigerator with branch resonator 金沢大学自然科学研究科システム創成科学専攻氏名経田僚昭 Thermoacoustic cooler is one of promising device for utilization of unused thermal energy. The objective of this paper is to study acoustic field and temperature field in the looped-tube-type thermoacoustic cooler and its performance improvement. The numerical simulation and experiment were carried out for various thermoacoustic stacks composed of mesh screens whose size of aperture was different under constant porosity. Firstly, using finite-difference time-domain (FDTD) method, pressure, velocity and phase difference of sound wave were calculated for various stack structure. Since the calculated results were almost agree with the experimental results, the validity of analytical model was depicted. It was also found that the traveling-wave component increases with increasing flow resistance of the stack defined by aperture size of the mesh. Secondly, heat-pumping process in the stack was numerically simulated taking account of heat exchange between the solid wall and the oscillating fluid. As the results, thermoacoustic cooling effect was clarified in relation to the thermal response of stack and the phase difference between pressure and velocity of the sound wave. The optimum size of aperture in the stack for thermoacoustic cooling was depicted experimentally and analytically. Finally, the performance improvement of a loop-tube-type thermoacoustic cooler was investigated by desigining of the new stracture of the stack and the looped tube. As the resutls, high performance of the proposed multi-mesh stack and multi-looped tube structure were indicated experimentally and analytically in comparison to single mesh stack and single-looped tube structure. 地球温暖化などの環境問題への対応，東日本大震災に伴う原子力発電の安全性の問題など我が国のエネルギー構造の見直しが進む中，廃熱や自然エネルギーの有効利用が重要な課題となっている．気体の圧縮と膨張による温度変化を利用して熱輸送を行う熱音響冷却システムは， (1)可動部が無い簡単な構造，(2)廃熱や太陽光など多様な熱源に対応可能であること，(3)冷媒を用いる必要が無いことなどの特徴を有し，環境調和型の次世代冷凍システムとして注目されている．しかし，現状では冷却性能が低く，装置形状を含めた高性能化が課題となっている．このような課題に対応するためには，音波による熱輸送機構のさらなる理解と様々なシステム形状に対応できる数値解析モデルの構築が重要となる．本研究は以上の観点のもとで，枝管共鳴管付きループ管型熱音響冷凍機を対象に，音場および温度場の数値解析手法の確立とそれを用いた数値計算による高性能化のためのスタック構造と流路形状を追究したものである．本論文は以下の 9 章で構成されている．第 1 章「緒論」では，本研究の背景と工学的意義が述べられ，次いで熱音響現象に関する従来の研究を概観すると共に，本論文の目的を明らかにした．第 2 章「熱音響冷却システム」では，音と熱が関連する現象の具体例を示すとともに，音波の形態である定在波と進行波についてそれぞれの特徴と概略を示した．また，狭い流路を音波 1 が通過することによる熱の輸送機構を熱交換の応答性を表す無次元数（熱的応答性） ωτ =ωr02/( 2a )（ω：角振動数，τ：熱緩和時間，r0：水力半径，a：温度伝導率）と関連づけて提示した．第 3 章「実験装置および方法」では，本研究で用いる実験装置の構成と実験方法について示した．実験装置は図１に示されるように，進行波音波による高い熱輸送効果が期待できる枝管長さ 180mm，ループ管周長 869mm の枝管付きループ管型熱音響冷凍機とした．スタックの仕様を表 1 に示す．スタックはステンレス製メッシュを長さ 50mm に積層した構造とした．本研究では，空隙率を 0.74 0.77 の条件でほぼ一定とし，積層するメッシュの番数#16 操作することで ωτ を 0.14 #60 の条件で 1.83 の範囲で変化させた．音場計測として，音圧，粒子速度，音圧と粒子速度の位相差を 2 センサー法を用いて測定した．第 4 章「理論解析」では，時間領域差分法（Finite-Difference Time-Domain method：FDTD 法）による音場解析と気相・スタック流路壁面間の熱交換を考慮した熱輸送モデルを連成した数値解析手法を提示した．物理モデルは，出口に吸収境界を置くことで理想的な進行波音場内に平行平板流路スタックを設置したモデル（図 2）と，装置形状を与えた枝管付きループ管型熱音響冷凍機の 2 次元モデル（図 3）の２種類を用いた．作動流体である大気圧空気を理想気体とみなし，音場については連続の式が式(1)で，減衰係数を考慮した運動方程式が式(2)および式(3)で与えられる．式中の p は音圧，vx, vz は x, z 方向の粒子速度，ρ は密度，η は減衰係数で空気部では η =2kαρc/ (k2-α2)1/2（k :波数，α:音波吸収係数，c:音速），スタック部では金属繊維積層体の流れ抵抗 R =2.73×10-16(ρm3.62/df2)（ρm:かさ密度，df :メッシュ線径）を与えた．温度場については，気相に対して移流項，圧力項，熱伝導項からなるエネルギー式を式(4)で，スタック固体壁に対して非定常熱伝導方程式を式(5)で与えた． # !v !v & !p = "! % x + z ( $ !x !z ' !t (1) "# $v x $p = + %v x $t $x (2) "# $v z $p = + %v z $t $z (3) ! ! ! CP # !T !T !T & # !p !p !p & # !2T !2T & = " ! CP % v x + vz ( + % + v x + vz ( + ! % 2 + 2 ( $ !x !t !z ' $ !t !x !z ' $ !x !z ' (4) ! S CS " !2T !2T % !TS = "S $ 2S + 2S ' !t !z & # !x (5) 2 第 5 章「進行波音波による熱音響冷却」では，可逆的な熱輸送が実現される理想的な進行波音波による熱輸送機構を第 4 章の音場ー温度場連成解析による数値計算により検討した．気体圧縮・膨張に伴い，スタック流路内では気体の温度変動に伴う気相—壁面間の熱交換によりスタック流路内部とスタック下方における気体の温度変動の間に時間位相差と振幅の差が生じることが分かった．次に，温度変動の差と速度変動が関係するエネルギー式の移流項を検討したところ，スタック下端において一周期の間で冷却として働く時間が優勢となり，スタック内外の温度差と流速の方向が熱の輸送を誘起することが明らかとなった．冷却性能として音波 10 周期時点でのスタック両端の温度差ΔTS を求め，ωτ との関係で整理した．その結果，ωτ が小さいスタックほど，冷却性能が向上することが定性的に確認された．第 6 章「枝管付きループ管型熱音響冷凍機における冷却性能の数値シミュレーション」では，進行波音波と定在波音波が混在する枝管付きループ管型熱音響冷凍機を対象に，音場特性と音波による熱輸送機構を数値計算により検討した．まず，音場計算の結果，管内は 1/4 波長共鳴に近い状態であることが示されるとともに，圧力振幅，速度振幅，および圧力・粒子速度の位相差の分布はほぼ実験結果と一致し，本解析モデルの妥当性が確認された．また，スタックを構成するメッシュの目開きを変化させた計算の結果，スタック流路径が小さくなり流れ抵抗が増加すると，管内を伝播する音波の進行波成分が増加し，圧力振幅値が低下することが分かった．図 4 にスタック中心位置における圧力振幅と位相差をスタックの熱的応答性との関係で示す．本システムは流れ抵抗の比較的小さな ωτ =0.552 り，ωτ =0.14 1.83 のスタックで定在波型熱音響冷凍機とな 0.189 で進行波型熱音響冷凍機となることが明らかとなった．次に，温度場の計算の結果，スタック冷却端（下端）を境界とした移流項の変動は ωτ =1.83, 0.14 両方のスタックとも音圧基準で一周期のうち冷却として働く時間が優勢となり，振動流場における移流項が冷却端での熱輸送を誘起することが示された．速度・温度変動で生じるエンタルピーフラックスと熱伝導項を合わせたエネルギーフラックス（式(6)(7)）を一周期で時間平均した値を求め，微小要素におけるその収支を求めた．スタック内外の領域におけるその分布を図 5 に示す． ! hx = "v x C p (T # T 0 ) # $ %T %x (6) hz = "v z C p (T # T 0 ) # $ %T %z (7) エネルギーフラックスが負の値，すなわちスタック下方が冷却となる範囲はその位置における ! 変位振幅とほぼ一致し，目開きが小さく熱的応答性の高いメッシュほどスタック下端に形成さ 3 れる冷却領域が狭くなることが見出された．このことは，スタック下端に設置する冷却用熱交換器の寸法決定に関連して重要である．次に，冷却性能の指標として，スタック下方向に 50mm スタック流路幅 D の範囲におけるエネルギーフラックス収支の積分値を求めた結果を図 6 に示す．これより，スタック両端の温度差の実験結果（図 6(a)）とエネルギーフラックス収支の積分値の計算結果（図 6(b)）は定性的に一致することが見出された．すなわち，本解析モデルを用いて熱音響冷凍機の冷却性能を最大とするスタック流路径（熱的応答性 ωτ）を推定できることが明らかとなった．第 7 章「スタック構造の最適化による熱音響冷却の高性能化」では，枝管付きループ管型熱音響冷凍機におけるスタック構造の最適化による性能向上を実験的に追究した．まず，管内に Phase adjuster で装てんすることでスタック内の圧力と粒子速度の間の位相差を変化させた実験を行い，圧力・粒子速度の位相差と冷却性能を最大とするスタックの熱的応答性 ωτ の関連づけを行った．その知見に基づき，図 7 に示されるように，スタック内部の位相差分布に応じて各位置で最適な熱的応答性 ωτ を与えるメッシュを段階的に配置するマルチメッシュ型スタック構造が提案された．熱音響冷却実験の結果，図 8 に示されるように単一メッシュ型スタックで最も性能の優れた#30 メッシュ積層型スタックを上回る冷却性能が得られ，マルチメッシュ型スタックの有効性が明らかとなった．第 8 章「流路形状による熱音響冷凍機の高性能化」では，枝管付きループ管型熱音響冷凍機における流路形状の改良よる冷却性能の向上を追究した．本研究で用いた枝管付きループ管型熱音響冷凍機では，音波による熱輸送効果の低い定在波成分がスタック位置において支配的となる．そこで，図 9 に示すようにスタック（以下，スタック 1）下方にバイパス管に相当するループ管（以下，ループ 2）を新たに追加することで，スタック 1 領域の音場特性を強制的に進行波成分が支配的な特性に変換し，かつループ 2 内にスタック（以下，スタック 2）を設置することでスタック 2 からも冷却効果を得るマルチループ管型熱音響冷凍機を提案し，音場と温度場の解析的検討を行った．音場解析の結果から，スタック 1 中心付近の位相差がループ 2 の追加で 0°へ近づける効果があること，ループ 2 内にも位相差 0°となる位置を形成できること示した．これにより，スタック 1 中心部で位相差 0°の進行波音波による冷却効果を得ながら，スタック 2 による冷却効果を得ることが可能となる．マルチループ管型熱音響冷凍機全体で得られる冷却能力（エネルギーフラックス収支の積分値）を温度場を数値解析した結果，図 10 に示されるようにスタック 1 に#60 メッシュを配置し，スタック 2 に#60 メッシュを配置した組み合わせにより単一スタック（#16 メッシュ）を配置した通常の枝管付きループ管型熱音響冷凍機を超える冷却性能が得られた．以上の結果から，ループ管のマルチ化による冷却性能向上の可能性が示された．第 9 章「結論」では，本研究で得られた知見を結論としてまとめている． 4 Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus Table. 1 Geometric parameter of mesh stack Fig.2 Analytical model of traveling-wave type thermoacoustic cooler 5 Fig.3 Analytical model of loop-tube-type thermoacoustic cooler with branch resonator Fig.4 Effect of ωτ on pressure amplitude and phase difference 6 Fig.5 Distribution of energy density Fig.6 Effect of ωτ on thermoacoustic cooling 7 Fig.7 Design of multi-mesh stack Fig.8 Cooling performance of single-mesh and multi-mesh stack 8 Fig.9 Multi-looped tube type thermoacoustic cooler Fig.10 Cooling heat flux in the single-looped tube type and the multi-looped tube type thermoacoustic cooler 9