熱音響コアが多段接続された 電力フィードバック進行波型熱音響発電機の 発振条件及び実験 Analysis and experiment of spontaneous oscillation condition for electricity-feedback traveling–wave thermoacoustic electric generator with multi-stage cores ☆ 篠田将太郎* 小林泰秀* 上田祐樹** 　 　　　　　　　 古澤雅也* 中田匠* (*長岡技科大、**東京農工大)

研究背景 リニアモータ 音響系 ループ管進行波型熱音響発電機 熱源の変動に対応できない 共振周波数可変機構 電力をフィードバック スタック 熱－音響パワー変換効率が高い 熱 冷 ループ管 機械系の共振 音響系の共振 ・・・ 駆動周波数が固定 音波 リニアモータ 熱源の変動に対応できない 共振周波数可変機構 リニアモータ 電力 電力をフィードバック 音響系 電気回路 電力フィードバック進行波型熱音響発電機を提案

研究背景 (続き) リニアモータの電気-音響特性に基づく 定在波型／進行波型熱音響発電機の自励発振条件解析 ナイキストの安定判別 [2015 春 音響学会] 　リニアモータの電気-音響特性に基づく 　定在波型／進行波型熱音響発電機の自励発振条件解析 ナイキストの安定判別 熱音響コアと管路の周波数応答測定 リニアモータの電気－音響特性と回路特性 [目的]　電力フィードバック型熱音響発電機に対して 　　　　　熱音響コアが多段接続された場合の安定解析と実験 音響パワーの増幅　・・・　進行波型発電機へ 全長L 電 力 熱音響コア リニアモータ 電気回路

実験装置　熱音響コアの周波数応答系 φ=47mm, l=55mm, 600cpi Gcore1 TH=400℃, Tc=16℃

実験装置　電気音響特性測定系 H 共振周波数45Hz

問題設定 i1 Gother         Z 連結された熱音響コア以外を管路とみなし ナイキストの安定判別に基づく解析手法を適用

ナイキストの安定判別[2015.春] 図の閉ループ系が不安定となるための必要十分条件 のナイキスト軌跡が原点に重なるか囲むこと  

管路の周波数応答の構成 L Ltube Gother A2 A1 A’1 B2 B1 B’1 i1

実験結果 コア部の周波数応答 抑制側成分 増幅側成分 From: B2 From: A1 To: A2 To: B1 実験結果　コア部の周波数応答   From: B2 From: A1 抑制側成分 To: A2 抑制方向 -3.9dB＠49Hz 増幅方向 1.6dB＠49Hz 増幅側成分 To: B1

実験結果 管路の周波数応答 反射 反射 From: B2 From: A1 To: A2 To: B1 A2 B2 A1 B1 H2 H1 実験結果　管路の周波数応答 H2 H1 Z3 i2 i1 vs1 vs2 + － A2 B2 A1 B1 Ltube From: B2 From: A1 反射 To: A2 反射 To: B1

解析結果 (熱音響コア1段) 開放、短絡共に発振 fr = 49Hz dmin 短絡時の方がdmin(軌跡原点間距離)が大きい 40Hz

解析結果 (熱音響コア2段)

解析結果 (熱音響コア3段)

解析結果 (熱音響コア4段)

解析結果 (熱音響コア5段) 短絡時のみ発振 開放時は発振しない 進行波型のシステムであると考えられる 軌跡が原点を余裕をもって囲む 点(0,1)に収束 進行波型のシステムであると考えられる

解析結果と実験結果の比較 (コア1段) Z

発振実験 (熱音響コア5段) 検討 結果 ・・・ Z = 0にて発振には至らなかった H2 H1 vs1 vs2 システムの非対称性の確認 TH TC Lcore1 Lcore2 Lcore5 Z i2 i1 vs1 vs2 Ltube + － L 結果 ・・・ Z = 0にて発振には至らなかった 検討 システムの非対称性の確認 リニアモータの端子電圧の位相差の確認

システムの非対称性から進行波の優勢を確認 発振実験 (熱音響コア5段) 非対称性の確認 Lcore5 vs2 vs1 Vpp [V] 発電されず time (s) Vs1 = 0 H2を加振させたとき H1を加振させたとき 減衰するものの発電 time (s) Vpp [V] vs2 減衰比 0.91 システムの非対称性から進行波の優勢を確認

発振実験 (熱音響コア5段) ≒138° リニアモータ端子電圧の位相差確認 vs2 vs1 vs1 vs2 vs2 約138°位相遅れ Lcore5 vs2 vs1 vs1 vs2 deg Vpp (V) 270 360 180 90 3.2 2.2 vs2 約138°位相遅れ ≒138° フィードバック回路を 調整することで発振の可能性

まとめ コア1段において解析の発振周波数や端子電圧の 増減の傾向は実験値と整合しており解析手法の 妥当性を示した。 コアの段数が増加するごとにシステムが 　進行波型の発電機に近づくことを解析的に示した。 コア5段における発振実験では発振に至らなかった。 しかしながら音響パワーの増幅方向の整合性や 端子電圧の位相差に調節の余地があることから 5段での発振の可能性を示した。

解析結果 (熱音響コア6段)

端子電圧(Vpp)，平均電力P(mW)の計算 開放時のvs1が実験値に 一致するようにB2を決定

スター積について G1 A1 A1 A1 B1 B1 B1 B1 B2 B2 A2 A2 A2 A2 A2 G2 B2 B3 A3 ・・・

研究背景 熱音響発電 利用 産業廃熱 熱－音エネルギー変換 音波を利用し発電 looped tube 低温部 (Tc) 音波が増幅 スタック 利用 音波が増幅 generator 高温部 (TH) 産業廃熱 熱－音エネルギー変換 音波を利用し発電