熱音響現象の理解と応用

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熱音響エンジンは可動部を持たない.また,廃熱や太陽エネルギーをエネルギー源として用いることができ,自動車のエンジンと同程度の高い効率を実現できる.これら特長から革新的なエンジンとして注目を集めている.熱音響エンジンを応用するためには,このエンジンで行われているエネルギー変換を理解する必要がある.熱音響エンジンのエネルギー変換はエンジン内に置かれた温度境界層と同程度かそれ以下の流路径を持った細管の束(蓄熱器)内で実行される.蓄熱器の両端に温度勾配を与え,その温度勾配の大きさがある臨界値を越えると音波が自励発振する.蓄熱器内の流体要素は蓄熱器を構成する固体壁(細管の壁)と熱交換しながら,自励発振した音波により圧縮・膨張を経験し変位する.その結果,流体要素は熱力学サイクルを経験し,エネルギー変換が実行される.つまり,熱音響エンジンでのエネルギー変換は蓄熱器内での流体要素と固体壁との熱交換の度合いと,圧力変動と変位の間の位相差で特徴付けられる.本年度の研究では,熱音響エンジンを製作し,そのエンジンの蓄熱器での熱交換の度合いと圧力変動と変位の位相差の関係を実験的に調べた.製作した熱音響エンジンはループ状の管(内径40mm,長さ2.7m)内と蓄熱器(長さ35mm)そして二つの熱交換器で構成されている.蓄熱器を構成する細管の径を変えながら,つまり熱交換の度合いを変えながら,蓄熱器内での位相差を測定した.その結果,熱音響エンジンでは熱交換の度合いが決定されれば,エネルギー変換が最も効率的に行われる位相差が自動的に実現されることが分かった.