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東海大、車載も見据えた波動エンジン(熱音響機関)を開発
300度で18%のエネルギー回生を実現。発電や冷却が可能

波動エンジン(熱音響機関)

2012年5月28日開催



 東海大学は5月28日、工学部動力機械工学科 助教 長谷川真也氏を中心とするグループが開発した波動エンジン(熱音響機関)の報道陣向け説明会を開催した。この波動エンジンは、従来よりも高効率なものとなっており、数値計算を基に長谷川助教らが装置を構築した.

波動エンジン(熱音響機関)。左が廃熱部で、右が冷凍部。左の熱で波動が発生し、右の冷凍部で波動が冷熱(発熱も可能)となる 廃熱部。フランジの位置から、3ユニットの波動発生用のフィルターが組み込まれているのが見て取れる。廃熱部から伸びるパイプは、熱の差を大きくするための冷却用パイプ
廃熱部で発生した波動は、このパイプを通って冷凍部へと伝わる パイプには、10気圧のヘリウムガスが入っている。ジェット機10機分くらいの音が伝わっている
冷凍部 冷凍部も廃熱部と同様の構造になっている。廃熱部とは逆現象が起きている。室温との差で、結露している 冷凍部の温度。熱電対温度計の表示は摂氏−38.4度
説明会において発表を行った、東海大学 副学長(研究担当) 教授 橋本巨氏(中央)、工学部動力機械工学科 主任教授 円能寺久行氏(右)、工学部動力機械工学科 助教 長谷川真也氏(左)

 説明会では、冒頭に東海大学 副学長(研究担当) 教授 橋本巨氏が挨拶。「東海大学は生徒数3万人ほどとなる大規模私立大学ではあるが、文系よりも理系の色が濃い」とし、長距離電話などに使われている無装荷ケーブルの発明者でもある松前重義が同大学の創設者でもあることから、社会に役に立つ実用的な研究が特徴であると言う。「本学で話題となったソーラーカーも応用研究。応用研究をしながら基礎研究につなげ、最終的には役に立つものであることを目指している」と語り、この波動エンジンも「利活用の実現性の極めて高いものだと思っている」と、実用化への期待を述べた。

 波動エンジンそのものについては、長谷川助教が解説。波動エンジンは、現在、産業界で捨てられている65%の廃熱を高効率に回収できるものであり、「実現すれば産業界、経済界に大きなインパクトがある」ものであると言う。

 波動エンジンの仕組みは、自然界にもあり、雷の「バリバリッ」という雷鳴がその現れで、大きな温度差が音(波)になる現象を利用している。高効率なエンジンとして成立したのは近年のことであり、米国のロスアラモス研究所が1999年に発表した論文によるものと言う。

 波動エンジンは、熱による気体の膨張・収縮が波動として現れる現象を利用しており、気体の共振を利用するため「可動部分がない」こと、熱力学の上限となる理論上カルノーサイクルで動作するために「高効率」なこと、パイプを使った簡単な構造から「ローコスト」であることを特徴としている。

詳細な説明を行う長谷川助教 波動エンジン開発の背景 社会で出る、廃熱の温度域
いずれ、資源枯渇によるエネルギー関連の値上げがあるとする その解決策として、廃熱を高効率で回収する仕組みが必要だと言う
波動エンジンの仕組み 雷の雷鳴は、熱が音に変換された結果 波動エンジンの特徴
パイプの中に、メッシュ状のものセットする 熱を加えることで、気体が振動し、波動が発生する 逆現象もあり、波動が伝わることで、気体が振動し、放熱・吸熱が行われる

 波動の発生にはフィルター使用。材質としては0.2mm程度の小さな穴の空いた金属製のステンレスフィルターや、セラミックフィルターを使うことで、急激な温度差を波動に変換する。このフィルターによって発生した波動はパイプを伝わり、逆現象を使用して熱音響冷却や加熱ができたり、発電ができたりすると言う。

パイプ内に設置されたセラミックフィルター。右上は、フィルターに熱を伝えるユニット セラミックフィルター単体 ステンレス製のフィルター。どちらも0.2mm程度のメッシュを持つことで、波動を発生させている


東海大 波動エンジン(熱音響機関)実験 その1

アクリルパイプをバーナーで熱する。すると途中に設置したフィルターの働きで波動(音)が発生する 波動(音)の発生源であるフィルター。ただの金網だが、パイプの長さとの位置関係が重要。少しでもずれると、音が発生しない

 発電は、スピーカーの逆現象を使用する。スピーカーは電気エネルギーを空気の振動(音、波動)に変換するものだが、空気の振動を与えることで電気が発生するのはよく知られているところ。この原理を利用した製品としてマイクがあるが、「永久磁石式のモーターを展開したようなものを使えば、90%程度の(エネルギー)変換効率が可能」(長谷川助教)と言う。

 今回展示されたシステムは、摂氏300度の熱で18%の変換効率が可能なもの。300度の以下の熱源温度で−106度の冷熱発生を実現している。中に入っている気体はヘリウムガスで気圧は10気圧。ヘリウムガスを利用した理由としては「伝熱特性がよいため」で、10気圧であるのは「大学では10気圧以上の実験ができないため」と言う。理論上、気圧が高ければ高いほど効率は上昇するそうだ。

 廃熱を利用するシステムは、一般的に多く用いられているが、そのほとんどは熱を熱として利用するもの。クルマで言えば、エンジンの熱を利用したヒーターなどが代表的な例だろう。熱を電気エネルギーに変換できるシステムは少なく、長谷川助教はその代表的な例としてゼーベック効果を利用した「熱電変換素子」を挙げた。この熱電変換素子の効率は、280度で最大7.2%。今回展示した試作品でも、2倍以上となる18%の効率を実現している。

波動エンジンの応用事例。廃熱を利用して冷却(加熱)したり、発電したりできる ほかの技術との比較。熱電変換素子よりも高効率

 長谷川助教は、この高効率なエネルギー変換を波動エンジンで達成するには、これまで2つの問題点があったと言う。その1つは、高効率な波動を発生させるためには300度〜600度温度が必要であること、もう1つは可動部分がないため「作ってみないと分からない」ことだ。

 これを解決するために、数値計算の可能性を模索。一般的に物理現象の数値シミュレーション方法としては有限要素法があるが、「フィルター部にある0.2mm以下の流路に対して計算メッシュを作成することは現実的に困難。たとえ可能だとしても膨大な計算量になり、極めて多大な計算時間が必要」と言う。そのため、熱力学、流体力学、非平衡物理などを利用して、数値計算モデルを構築し、計算した結果と実験した結果が、「ほぼ合致することができた」と言う。

 これにより、コンピューター上でトライ&エラーが可能な波動エンジンの設計が可能となり、現実的な予算と時間で装置を最適化することが可能になった。最適化ポイントとしては、蓄熱機の流路や配置、装置形状、動作温度、周波数、効率などを挙げており、関連特許も出願しているとのことだ。

波動エンジンの研究動向。アメリカは液化天然ガスの製造に使用するプラントを製作 オランダは、工場の廃熱を利用した100kW級の発電機を2012年中に動作予定 現状の波動エンジンの問題点。動作条件が不明なため、実用機の製作に資金や時間がかかりすぎる
解決の可能性として、数値計算を挙げる 物理シミュレーションの代表的な例である有限要素法は現実的な解ではないと言う 長谷川助教は数値計算モデルを構築した
数値計算モデルの構築しに使用した、さまざまな物理法則 理論モデルによる結果と、実際の結果を比較した 比較結果。破線が理論モデルによるシミュレーション結果、実線が実験結果。よく一致している
この計算モデルの構築により、最適設計が可能になった 廃熱温度と、冷凍温度
動作温度と、変換効率 計算モデルの構築で、18%の効率を実現する実機を作成できた


東海大 波動エンジン(熱音響機関)実験 その2

波動(音)で、熱の変化を発生させる実験。中央のアクリルパイプの下部にスピーカーが、パイプ内部にフィルターが設置されている パイプ内部にあるフィルター。複数のフィルターがまとめられている。フィルターに延びるワイヤーは温度計の熱電対
アクリルパイプ下部のスピーカー。ここから波動(音)をパイプ内部に送り込む フィルター部分の温度。温度差が発生しているのが分かる

 数値計算上ではあるが波動エンジンは、9度ほどの温度差があれば作動し、装置のサイズも波動の伝達パイプをスパイラル化することで小型化が可能。応用範囲としては、自動車の廃熱を利用しての発電や冷却、電気がなくても太陽の集熱で冷却可能なことからモバイル冷蔵庫などを挙げており、大型プラントから小型の装置まで可能とのこと。

 長谷川助教は、「今後は産学連携による開発を進め、5年後の実用化を目指す」と語った。

【お詫びと訂正】記事初出時、「理論モデルを構築」としておりましたが、正しくは「数値計算モデルを構築」となります。お詫びして訂正いたします。

(編集部:谷川 潔)
2012年 5月 28日