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

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
ループ管進行波型熱音響発電機
スタック
熱
冷
ループ管
熱－音響パワー変換効率が高い
機械系の共振
・・・駆動周波数が固定
音響系の共振
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
音響系
電力をフィードバック
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
[2015 春音響学会]
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
• 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℃
Stack
Loudspeaker
Power Amp.
PC
NGK INSULATORS
honey-comb ceramics 600 cpi
FOSTEX FW108N
YAMAHA P1000S
Dell PowerEdge840
(RTAI3.6.1/Linux kernel 2.6.20.21)
CONTEC AD12-16(PCI), DA12-4(PCI)
(12bit, ±5V, 10 μsec)
Thermometer
ANRITSU HPD-2234
Cartridge heater
HAKKO HLE1201 (200W) ×4
Thermo cont.
HAKKO DGC2310
Pressure sens.
NAGANO KEIKI KP15
A/D, D/A
実験装置電気音響特性測定系
H
共振周波数45Hz
Loudspeaker
Power Amp.
PC
FOSTEX FW108N
YAMAHA P1000S
Dell PowerEdge840
(RTAI3.6.1/Linux kernel 2.6.20.21)
CONTEC AD12-16(PCI), DA12-4(PCI)
(12bit, ±5V, 10 μsec)
Pressure sens.
NAGANO KEIKI KP15
Bellows
IRIE KOKEN NS151-1
Linear motor
FOSTEX FW208N
A/D, D/A
問題設定
Z
i1
Gother
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
A1
B1
A2
B2
i1
Gother
A’1
B’1
実験結果コア部の周波数応答
From: B2
抑制側成分
To: A2
To: B1
From: A1
増幅側成分
実験結果管路の周波数応答
H2
A2 A1
B2 B1
i2
vs2
Z3
Ltube H1
－
i1
vs1
From: B2
To: A2
－
+
To: B1
+
From: A1
反射
反射
解析結果 (熱音響コア1段)
200Hz
fr = 49Hz
dmin
40Hz
開放、短絡共に発振
短絡時の方がdmin(軌跡原点間距離)が大きい
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
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)
解析
RZ (Ω)
0
4.7
10
47
75
120
220
470
820
1.5k
2.0k
4.7k
∞
d min
0.032
0.032
0.032
0.031
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
発振実験
f r (Hz)v s1 (Vpp) v s2 (Vpp)P (mW) |p r| (kPa) f r (Hz) v s1 (Vpp)v s2 (Vpp)P (mW)
49.6
8.6
8.6
0.0
1.20
49.2
8.6
8.6
0.0
49.6
8.5
8.7
1.1
1.19
49.2
8.4
8.6
0.6
49.6
8.3
8.7
2.0
1.18
49.2
8.4
8.6
0.8
49.5
7.8
8.7
3.4
1.15
49.2
7.9
8.4
0.8
49.5
7.7
8.7
3.0
1.13
49.2
7.8
8.1
0.1
49.5
7.6
8.6
2.3
1.12
49.2
7.7
8.0
0.1
49.5
7.6
8.5
1.5
1.11
49.2
7.6
7.8
0.0
49.5
7.7
8.4
0.7
1.10
49.2
7.5
7.7
0.0
49.5
7.7
8.4
0.4
1.10
49.2
7.5
7.7
0.0
49.5
7.7
8.4
0.2
1.10
49.2
7.5
7.7
0.0
49.5
7.7
8.4
0.2
1.10
49.2
7.5
8.2
0.0
49.5
7.7
8.4
0.1
1.10
49.2
7.5
8.2
0.0
49.5
7.7
8.4
0.0
1.19
49.2
7.5
8.1
0.0
発振実験 (熱音響コア5段)
L
Lcore1
Lcore2
Ltube
Lcore5
+
－
+
H2
H1
TH T
C
TH T
C
i2
vs2
TH T
C
Z
i1
vs1
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
－
発振実験 (熱音響コア5段)
非対称性の確認
Lcore5
vs1
vs2
H1を加振させたとき
H2を加振させたとき
Vpp [V]
Vpp [V]
Vs1 = 0
発電されず
vs2
減衰比 0.91
time (s)
time (s)
減衰するものの発電
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)
リニアモータ端子電圧の位相差確認
Lcore5
vs2
Vpp (V)
vs1
3.2
2.2
vs1
vs2
vs2 約138°位相遅れ
deg
90
≒138°
180
270
360
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
A1
B2
A2
B3
・
・
・
G1
B1
A2
G2
B2
A3
研究背景
熱音響発電
利用
looped tube
低温部
(Tc)
音波が増幅
generator
スタック
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

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