超磁歪アクチュエータを用いた キャビテーション発生機構における 機械的特性の解析

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1 超磁歪アクチュエータを用いた キャビテーション発生機構における 機械的特性の解析
Ａ－４ 超磁歪アクチュエータを用いた キャビテーション発生機構における 機械的特性の解析 磁気応用研究グループ 電気電子システム工学科 中村　翔太郎

2 目次 ・研究背景・目的 ・キャビテーション発生機構の等価回路 ・ピストン駆動時周波数特性測定 ・まとめ ・今後の課題

3 研究背景 近年、河川などの水質汚濁が世界的に問題となっている
キャビテーションの圧力衝撃波・熱分解作用を利用した水質浄化の研究が多くされている 高出力・高速応答を特徴とする超磁歪アクチュエータを用いたキャビテーション発生機構を提案し，微生物によって汚濁した河川などのバイオ環境の浄化を目指す

4 研究背景 キャビテーション現象 液体を微小時間内に断熱膨張・圧縮させると，無数の小さな泡が 発生・崩壊する現象
　液体を微小時間内に断熱膨張・圧縮させると，無数の小さな泡が 発生・崩壊する現象　 　気泡（キャビテー）崩壊時に微小空間に大きな熱・圧力衝撃波 温　　度 液体 固体 気体 圧　力 P Pv 沸騰 キャビテーション 薬品を使用しない 生態系への影響なく水質汚濁の原因である微生物を滅菌・不活性化できる可能性 水の状態図のモデル

5 研究背景 超磁歪アクチュエータ 超磁歪アクチュエータは超磁歪素子Terfenol-Dの伸縮によって変位を得る装置 超磁歪アクチュエータ 項目
パラメータ 超磁歪素子 Terfenol-D 励磁コイルの巻数 1200 turn 定格起磁力 6,000 AT 最大磁気歪量 120 mm 発生応力 8,300 N 超磁歪アクチュエータ ・キャビテーション発生条件 キャビテーションを発生させるのに十分な発生応力（減圧能）がある Pv：水の蒸気圧，P：外圧

6 研究目的 ＜現在＞ キャビテーション発生機構を用い，2種類の微生物を滅菌・不活 性化することが明らかとなっている
駆動周波数を上げればキャビテーションによる効果は増大するが，励磁コイルのインダクタクスが増大し電源電圧が不足 共振状態で駆動させピストンの振幅・力積を大きくし，水に印加する圧力変化を大きくすることでキャビテーションによる効果上昇を図る ピストン駆動時の共振周波数（348Hz）が駆動可能周波数より高いため，共振周波数を駆動可能周波数（240Hz）付近まで下げることを目指した

7 キャビテーション発生機構の等価回路 スペースの関係上2.0kgの質量負荷が最大 キャビテーション発生機構の全体図および等価回路
質量負荷（エネルギー損失にならない） スペースの関係上2.0kgの質量負荷が最大 キャビテーション発生機構の全体図および等価回路

8 キャビテーション発生機構の等価回路 共振周波数が約120Hz減少し、振幅が約3dB増加
-90 120Hz 3dB ピストン（3.8kg）＋2kg ピストン（3.8kg） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (102) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (102) 等価回路解析におけるピストンの振幅と位相の周波数特性比較 共振周波数が約120Hz減少し、振幅が約3dB増加

9 ピストン駆動時周波数特性測定 共振周波数が約20Hz減少し、振幅が約10dB減少 ピストンの振幅と電流に対する位相の周波数特性比較（実験）
ピストン（3.8kg） 実条件に当てはめた計算値 ピストン＋質量負荷 （2.0kg） （3.8kg） 1 3 5 4 7 6 2 8 9 (102) 10 1 3 5 4 7 6 2 8 9 (102) 10 ピストン（3.8kg） ピストン＋質量負荷 （2.0kg） （3.8kg） -270 駆動電流： 0.5A（実5A） -90 20Hz 10dB ピストンの振幅と電流に対する位相の周波数特性比較（実験） 共振周波数が約20Hz減少し、振幅が約10dB減少

10 まとめ キャビテーション発生機構のピストン駆動時における共振周波数（348Hz）を240Hz付近まで下げることを目指した
・　等価回路を作成し，ピストンの質量を2kg増加させてシミュレー ションを行った結果，120Hzの共振周波数の減少と3dBの振幅 の増加という結果であった ・　ピストンに2kgの質量負荷を接着して測定を行ったところ20Hz 　 の共振周波数の減少と10dBの振幅の減少が得られた ・　ピストンの質量を増加させる方法では共振周波数を目標値 　（240Hz付近）まで下げるのは困難 ・　ピストンの質量を変えない場合において，350Hzまでのピストン 　 駆動時の振幅の周波数特性を計算できた

11 今後の課題 ・ キャビテーション発生機構の等価回路の改善 近似条件を見直し計算値と測定値を近づける ・励磁コイルの巻き数を減らす
・　キャビテーション発生機構の等価回路の改善 　近似条件を見直し計算値と測定値を近づける ・励磁コイルの巻き数を減らす 　励磁コイルのインダクタンスを減らすことで駆動電圧を減少 　させ，より高周波での駆動を目指す

12 ご静聴ありがとうございました

13 超磁歪素子Terfenol-D ・Tb（テルビウム）、Dy（ジスプロシウム）、Fe（鉄）の 元素から成る超磁歪合金
・2000ppm前後の磁歪が得られる l：磁歪[ppm] DL：磁歪による変位[m] L：超磁歪素子の長さ[m] Terfenol-D

14 磁歪現象 磁性体に磁界を印加すると、その長さが変化する現象 磁界

15 バタフライ特性 オフセット

16 等価回路におけるパラメータ m：超磁歪振動子の等価質量[kg] 0.35 m1：自由端の質量＋超磁歪振動子の等価質量[kg] 1.7
4.2 k1：柱の等価スチフネス[N/m] 3.1×108 k2：超磁歪振動子の合成等価スチフネス[N/m] 1.0×108 k3：皿ばねのばね定数[N/m] 6.8×105 c：水の粘性減衰係数[N・s/m] 8.0×103 ｆ：アクチュエータの出力[N] 8.3×103

17 ・ピストンの変位と電流に対する位相（計算値）

18 ピストン駆動時周波数特性測定 I V 1 V = 1 A OFFSET：0.25V AMPLITUDE：0.5V
水槽 質量負荷 ピストン プローブ部 （2kg） レーザ出力部 キャビテーション発生機構 水 I V 1 V = 1 A OFFSET：0.25V AMPLITUDE：0.5V ピストン駆動時周波数特性測定系

19 計算値と実験値の比較 計算値 測定値 336Hz ピストン駆動時周波数特性比較 11dB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(102) 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (102) ピストン駆動時周波数特性比較

20 超磁歪アクチュエータ駆動時間によるファージ不活性化影響

21 キャビテーション発生機構のインピーダンス
L=2.5 [mH] インピーダンスの周波数特性

22 駆動電流での駆動系 キャビテーション発生機構 駆動電流での駆動系