フィードバック制御に基づく 定在波型熱音響エンジンにおける 自励発振条件の特徴付け Characterization of spontaneous-oscillation condition based on feedback control for thermoacoustic standing-wave engine 長岡技術科学大学 　　　☆ 櫻井 一晃　新保 尚敬　小林 泰秀　山田 昇

研究背景 熱音響自励発振が開始する臨界温度比の把握 臨界状態 = 音響パワーの生成と散逸がバランス 臨界温度比の音響パワーによる特徴付け ・システムの評価や改善設計を行う上で重要 周波数応答に基づく臨界温度比の予測[Biwa et al 2010] 臨界状態　=　音響パワーの生成と散逸がバランス 直接計測により臨界状態を議論することは 行われていない 本研究では 臨界温度比の音響パワーによる特徴付け

研究背景(続き) 問題点 フィードバック制御で 管内圧力振幅を一定値に維持 ・自励発振前後の領域 ・圧力振幅の 目標値を複数設定 そこで 自励振動は微小振幅で継続しにくいため 時間応答に基いた臨界状態の判別は困難 そこで フィードバック制御で 管内圧力振幅を一定値に維持 フィードバック制御応用例 本研究では ・自励発振前後の領域 ・圧力振幅の 目標値を複数設定 【自励発振前・圧力振幅一定】 　スピーカ駆動電圧を計測 [角島ほか 2013] 【自励発振後・圧力振幅ゼロ】 　ゲインとむだ時間を調整 [井原・琵琶 2012]

研究目的 ・不安定状態である自励発振の開始を フィードバック制御により安定化 ・臨界温度比を含む前後の領域で 音響パワー スピーカ消費電力 　フィードバック制御により安定化 ・臨界温度比を含む前後の領域で 音響パワー スピーカ消費電力 　を直接計測 これらを根拠に 自励発振臨界状態の特徴付けを行う

実験装置 定在波型熱音響エンジン ・コア部の熱交換器により TC は常に27 ℃に保持 PC ・スピーカと2 つの圧力センサ を搭載 D/A A/D PC PA loudspeaker TH TC Wspk sensor1 sensor2 core 1312 mm 565 164 502 p2 p1 u vi vs 360 ・コア部の熱交換器により 　TC は常に27 ℃に保持 ・スピーカと2 つの圧力センサ 　を搭載 ・sensor1,2 の出力p1,p2 より Two Sensor法で音響パワーWtotalを計測 Φを小文字に ・スピーカに接続された抵抗器(10Ω) 　の両端電圧vi,vsより スピーカ消費電力Wspkを計測 Wtotal

実験方法 実験条件 ・p2 の圧力振幅目標値7条件(0, 14, 27, 54, 81, 135, 203 Pa) ・スタック温度比TH/TCを 1 から1.6 まで0.05 刻みで13点 ヒータを指定温度に設定,自励発振が起こるかを確認 自励発振無し：　スピーカで加振 自励発振あり：　消音制御 圧力振幅を 目標値に維持 203Paはスピーカの限界 ０Paは完全消音　その間を何点か選んで測定 音響パワーWtotal・スピーカ消費電力Wspk を計測 温度比との関係を調べる

実験方法(続き) 制御系概要 ・自励発振無し ・自励発振あり 補償器ゲインG = 0,スピーカ入力電圧A を調整 (開ループ制御) Ge-sτ p2 u Asin(ωt) ・自励発振無し + 補償器ゲインG = 0,スピーカ入力電圧A を調整　　(開ループ制御) 発振前は開ループ ・自励発振あり 補償器ゲインG ,遅れ時間τ を調整 　(フィードバック制御)

実験結果 TH/TC =1～1.35 (Aを調整) ・スピーカ消費電力Wspkと温度比 ・スピーカ入力電圧Aと温度比 目標値大 目標値が大きいほど電力が必要 ・スピーカ入力電圧Aと温度比 温度比が大きくなるほどスピーカの入力電圧減少 グラフを拡大 スピーヵ振幅はいろんな目標値を試しても従来結果と一致 スピーカの音波はスタックによって増幅 増幅率は温度比が大きくなるほど上昇

実験結果(続き) TH/TC =1.35～1.6 (Gを調整) ・スピーカ消費電力Wspkと温度比 ・補償器ゲインGと温度比 目標値大 【目標値ゼロ】 　　Wspkは常にゼロ 　　　自励発振抑制には電力不要 【目標値非ゼロ】 　　目標値が大きいほど電力が必要 ・補償器ゲインGと温度比 温度比が小さくなるほどゲイン減少 (τ は全ての条件で8.5 ms )

実験結果(続き) 臨界点前後の領域共に スピーカ消費電力Wspkが 臨界点付近で０に収束 自励発振臨界状態 圧力振幅を一定とした時の スピーカ消費電力が 極小となる温度比

実験結果(続き) 音響パワーWtotal による 特徴付け Wtotal はp2 に比べて 大きく変動し判定が困難 全体的には右上がりの傾向 今後の課題 Wtotal の測定精度を向上 音響パワーによる特徴付け

まとめ ・音響パワー,スピーカ消費電力を基準とした 臨界状態の特徴付けを試みた. ・フィードバック制御に基づき,臨界温度比前後 の領域で圧力振幅を目標値に追従させる 制御系を構築し実験を行った. ・結果,圧力振幅を一定とした時の スピーカ消費電力が臨界温度比で極小と なることを実験的に示した.