10 冷凍 2014 年 6 月号第 89 巻第 1040 号 364 日本冷凍空調学会賞 1. は じ め に 近年,未利用エネルギーの有効利用が重要な課題と なっている.微細流路内での気体の圧縮と膨張のサイク ルによる温度変化を利用して熱輸送を行う熱音響冷却シ ステムは,廃熱や太陽光などの多用な熱源に対応可能 で,しかも冷媒が不要でかつ可動部が無い簡単な構造で 実現できることから,環境調和型の冷却システムとして 注目されている.しかし,冷却性能は十分ではなく,流 路形状,スタック構造,熱交換器の構造などシステム形 状の工夫が性能向上の有力な方策となる.このような課 題に対応するためには,音波による熱輸送機構の一層の 理解と,様々なシステム形状に対応できる数値計算モデ ルの構築が重要となる. そこで本論文では,進行波音波による高い冷却性能が 期待される枝管付きループ管型熱音響冷凍機を対象に, 時間領域差分法(finite-difference time-domain method: FDTD 法)を用いた音場解析と,差分法による温度場解 析を連成した数値計算モデルを構築した.また,定在波 と進行波が複合するループ管内の音波による熱輸送効果 をスタック構造と関連づけて検討を行った. 2. 熱音響冷却の原理 熱音響冷却の原理を図1に示す.音波がスタックと呼 ばれる狭い流路を伝播する場合,流体は断熱的に変化せ ず,スタックの流路壁と流体の間で熱交換が行われる. すなわち,膨張過程では流体要素の温度が低下し,ス タック壁面から流体へ熱が移動する.上方へ移動した流 体要素は圧縮されて温度が上昇し,スタック壁面へ熱を 放出する.このようにして,熱がバケツリレー式に移動 し,冷却が可能となる. 3. 数値計算モデルの概要 数値計算モデルの概要を図2に示す.熱音響冷 凍機として,ループ管,枝管共鳴管,スタックか らなる系を対象とした.まず,音場解析は図2 (a) に示す 2 次元流路について行う.本計算では,ス タック流路内部については音場を厳密に解くので はなく,スタックに相当する流れ抵抗をスタック 領域に設定することでスタックによる音波減衰を 仮想し,流路内の音場を求めた.解析は,圧力と 粒子速度を用いた連続の式と運動方程式を連立し *富山高等専門学校 Toyama National College of Technology **金沢大学 Kanazawa University 原稿受理 2014 年 3 月 24 日 経田僚昭 * Tomoaki KYODEN 瀧本 昭 ** Akira TAKIMOTO 大西 元 ** Hajime ONISHI 多田幸生 ** Yukio TADA L B B s 図2 枝管付きループ管型熱音響冷凍機の数値計算モデル 図1 熱音響冷却の原理 日本冷凍空調学会賞 学術賞 枝管付きループ管型熱音響冷凍機における 冷却性能の数値シミュレーション Numerical Simulation of Thermoacoustic Cooling in Loop-Tube-Type Cooler with Branch Resonator