波動現象を用いる気体の熱分離現象に関する研究

「波動現象を用いる気体の熱分離現象に関する研究」の課題のもと、東北大学流体科学研究所学際衝撃波研究拠点に設置されている空力冷凍器(Pressure Wave Refrigerator : PWR)を用い、圧縮気体を利用して気体を温度減少させることを目的とし実験を行った。波動現象を利用して気体を冷却する方法には、主に二つの方法が考えられる。第一の方法としては、タービンを用いたexpander(拡張機)であるが、構造が複雑で、気体を分離するのが困難である。他方、"Thermal Separator(熱分離器)"と呼ばれるPWRは構造が簡単、低コスト、高効率で石油会社、化学工場、エネルギー転換に応用される。エアコンや冷蔵庫のようにフロン等の冷媒を用いず気体温度を下げることが可能である。熱分離器は1970年代に開発され、静止構造と回転構造の構造が知られている。前者は構造が簡単であるが、気体が入口と出口で混合するため、効率は低い。後者は回転する分配器とその周りに配置された多数の膨張管からなる。高圧の気体が分配器に入り、高圧気体は回転分配器を経て、ノズルから周期的に膨張管へと流れ込む。この方法では気体が混合することが無く、効率も前者より高い。PWRは低温の動体を使うのではなく、自身の非定常膨張によって温度を下げるため、気体の冷却には極めて有効である。研究実績として、PWRの小型化に成功し、温度低下は最大34度を得ることができた。また、温度低下は回転数、膨張間長さ、圧力によって決定されることが分かり、各膨張管長さに対して最も温度を減少させる回転数が存在し、膨張管を長くするにつれ最適な回転数は減少していくことが確認された。理想的な最も高い効率は、気体を膨張管に流入させる時間と、膨張した気体を排出させる時間の比率を適切に調節した上で得られるため、実験結果を元にして、更なる効率の向上を目指す。

「波動現象を用いる気体の熱分離現象に関する研究」の課題のもと、東北大学流体科学研究所学際衝撃波研究拠点に設置されている空力冷凍器(Pressure Wave Refrigerator : PWR)を用い、圧縮気体を利用して気体を温度減少させることを目的とし実験を行った。波動現象を利用して気体を冷却する方法には、主に二つの方法が考えられる。第一の方法としては、タービンを用いたexpander(拡張機)であるが、構造が複雑で、気体を分離するのが困難である。他方、"Thermal Separator(熱分離器)"と呼ばれるPWRは構造が簡単、低コスト、高効率で石油会社、化学工場、エネルギー転換に応用される。エアコンや冷蔵庫のようにフロン等の冷媒を用いず気体温度を下げることが可能である。熱分離器は1970年代に開発され、静止構造と回転構造の構造が知られている。前者は構造が簡単であるが、気体が入口と出口で混合するため、効率は低い。後者は回転する分配器とその周りに配置された多数の膨張管からなる。高圧の気体が分配器に入り、高圧気体は回転分配器を経て、ノズルから周期的に膨張管へと流れ込む。この方法では気体が混合することが無く、効率も前者より高い。PWRは低温の動体を使うのではなく、自身の非定常膨張によって温度を下げるため、気体の冷却には極めて有効である。研究実績として、PWRの小型化に成功し、温度低下は最大34度を得ることができた。また、温度低下は回転数、膨張間長さ、圧力によって決定されることが分かり、各膨張管長さに対して最も温度を減少させる回転数が存在し、膨張管を長くするにつれ最適な回転数は減少していくことが確認された。理想的な最も高い効率は、気体を膨張管に流入させる時間と、膨張した気体を排出させる時間の比率を適切に調節した上で得られるため、実験結果を元にして、更なる効率の向上を目指す。