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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
Copyright (C) Since 2004 Shin-ichi SAKAMOTO All Rights Reserved.
坂本 眞一 滋賀県立大学 工学部 電子システム工学科
未利用熱エネルギーの有効利用に向けた
熱音響システムの開発
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
はじめに
熱音響現象
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響現象とは
熱音響現象とは,
音と熱が関わり合う現象であり,
エネルギー変換とエネルギー輸送という
2つの側面をもつ.
1つは音エネルギーから熱エネルギー,
また熱エネルギーから音エネルギーへの
エネルギー変換であり,
もう1つは音エネルギーや熱エネルギーの
エネルギー輸送である
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響工学の基礎 富永昭 第1章はじめにより
熱音響現象と呼ばれる
多様で興味深い現象がある.
熱音響現象は不思議な現象であり,
熱音響現象のひとつである
熱音響自励振動を目のあたりにして,
これを何とか理解したいと思わない人は
まずいないであろう.
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響現象:音波
断熱変化
一般的な音波
熱 熱 熱 熱 熱 熱
熱 熱 熱 熱 熱 熱
音エネルギーと熱エネルギーの関係→無し
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響現象:音波
限られたある条件において,
強い音圧振幅 :160dB
低い周波数 :100Hz
狭い場所 :1mm
音エネルギーと熱エネルギーの関係→強い
熱 音 響 現 象
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響現象と音波
熱音響現象
等温変化
熱 熱 熱 熱 熱 熱
熱 熱 熱 熱 熱 熱
Stack wall
1mm
Strong sound pressure : 160dB
Narrow channel: 1mm(wavelength / 3000)
Frequency: 100Hz
Loud speaker
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響現象と音波
熱音響現象
Stack wall
膨張
熱
熱
Strong sound pressure : 160dB
Narrow channel: 1mm(wavelength / 3000)
Frequency: 100Hz
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響現象と音波
熱音響現象
Stack wall
圧縮
熱
熱
Strong sound pressure : 160dB
Narrow channel: 1mm(wavelength / 3000)
Frequency: 100Hz
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響現象と音波
熱音響現象
Stack wall
圧縮
熱
熱
膨張
熱
熱
熱エネルギー
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響冷却システム
熱エネルギー冷却エネルギー
熱交換器B:TR
熱交換器A:TH
熱交換器B:TR
冷却部:TC
ヒートポンプ
プライムムーバー
スタック
熱エネルギー熱エネルギー冷却エネルギー
熱交換器B:TR
熱交換器A:TH
熱交換器B:TR
冷却部:TC
ヒートポンプ
プライムムーバー
スタック
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熱音響冷却システム
Pulse tube
Rijke tube
音 → 熱
熱 → 音 エネルギー変換
エネルギー変換
廃熱
冷却
熱音響冷却システム=レイケ管+パルス管
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
ループ管のアドバンテージ
ループ管
廃熱の有効利用
環境に有毒な冷媒不必要
可動部なし
シンプルな構造
駆動にエネルギー必要
環境に有毒な冷媒必要
可動部あり
複雑な構造
既存の冷却システム
Shin-ichi Sakamoto
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熱音響冷却システム 写真&冷却効果
-30
-20
-10
0
10
20
30
Tem
per
ature
[℃
]
3500300025002000150010005000
Time [sec]
40℃の
温度低下
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熱音響冷却システム:レイケ管
③
①
④
Rijke tube
熱エネルギー → 音エネルギー
140dB程度
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熱音響冷却システム 熱音響現象:熱と音波が関わる現象
熱 音波 熱 エネルギー変換 エネルギー変換
エネルギー輸送
エネルギー輸送
ループ管
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熱音響冷却システム:ループ管 実用化においては!!
廃熱 音波 冷却 レイケ管 パルス管
エネルギー輸送
エネルギー輸送
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熱音響冷却システム:レイケ管
③
①
④
Rijke tube
熱エネルギー → 音エネルギー
140dB程度
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レイケ管 写真
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熱音響冷却システム:パルス管
コンプレッサー
圧力変動
蓄熱器
冷却
50K程度
Pulse tube
音エネルギー → 熱エネルギー
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熱音響冷却システム
Pulse tube
Rijke tube
音 → 熱
熱 → 音 エネルギー変換
エネルギー変換
廃熱
冷却
熱音響冷却システム=レイケ管+パルス管
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熱交換器:ヒーター
熱交換器:循環水
熱交換器:冷却部
蓄熱器: スタック
全長:3.2m
内径:φ44mm
0.5m
1m
形状
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スタック
拡大
穴の直径 約1 mm
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パイプ
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熱交換器
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熱音響冷却システムの動作原理
熱エネルギー冷却エネルギー
熱交換器B:TR
熱交換器A:TH
熱交換器B:TR
冷却部:TC
ヒートポンプ
プライムムーバー
スタック
熱エネルギー熱エネルギー冷却エネルギー
熱交換器B:TR
熱交換器A:TH
熱交換器B:TR
冷却部:TC
ヒートポンプ
プライムムーバー
スタック
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エネルギー分布 エ
ネル
ギー
ヒートポンププライムムーバー
x
hI
hQpQ
pI
エネ
ルギ
ー
ヒートポンププライムムーバー
x
hI
hQpQ
pI
熱エネルギー冷却エネルギー
熱交換器B:TR
熱交換器A:TH
熱交換器B:TR
冷却部:TC
ヒートポンプ
プライムムーバー
スタック
熱エネルギー熱エネルギー冷却エネルギー
熱交換器B:TR
熱交換器A:TH
熱交換器B:TR
冷却部:TC
ヒートポンプ
プライムムーバー
スタック
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熱音響冷却システム 写真&冷却効果
-30
-20
-10
0
10
20
30
Tem
per
ature
[℃
]
3500300025002000150010005000
Time [sec]
40℃の
温度低下
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プライムムーバーの動作メカニズム
拡大
TR
TH I
Stack 1
2 3
4 1 Q4-1
Q2-3
2r
Heat exchanger A
Heat exchanger B
熱エネルギー → 音エネルギー 音波 高温
基準温度
TH側で熱を奪い
スタック流路数
周波数
TR側で熱を離す
TC側からTR側へ熱を
移動し,音エネルギー
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プライムムーバーの動作メカニズム
拡大
TR
TH I
Stack 1
2 3
4 1 Q4-1
Q2-3
2r
Heat exchanger A
Heat exchanger B
熱エネルギー → 音エネルギー
TH側で熱を奪い
スタック流路数
周波数
TR側で熱を離す
TC側からTR側へ熱を
移動し,音エネルギー
音波
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太陽熱エネルギー
これまでにない冷却システム
太陽熱エネルギーのメリット
熱音響冷却システムのメリット
↓
無償,莫大,地域によらない,安定
有害冷媒なし,可動部なし,シンプル,電気なし
↓
新しい太陽エネルギーの利用方法
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実験系
Stack
Stack
Cooling point
Heat exchanger B
(TR: Circulating water)
Heat exchanger A
(TH: Heater)
Heat exchanger C
(TR: Circulating water)
T_ch2:
K-type
Thermocouple
T_ch1:
K-type
Thermocouple
Stack
Stack
Cooling point
Heat exchanger B
(TR: Circulating water)
Heat exchanger A
(TH: Heater)
Heat exchanger C
(TR: Circulating water)
T_ch2:
K-type
Thermocouple
T_ch1:
K-type
Thermocouple
Fresnel lens
Stack
Stack
Cooling point
Heat exchanger B
(TR: Circulating water)
Heat exchanger A
(TH: Heater)
Heat exchanger C
(TR: Circulating water)
T_ch2:
K-type
Thermocouple
T_ch1:
K-type
Thermocouple
Stack
Stack
Cooling point
Heat exchanger B
(TR: Circulating water)
Heat exchanger A
(TH: Heater)
Heat exchanger C
(TR: Circulating water)
T_ch2:
K-type
Thermocouple
T_ch1:
K-type
Thermocouple
Stack
Stack
Cooling point
Heat exchanger B
(TR: Circulating water)
Heat exchanger A
(TH: Heater)
Heat exchanger C
(TR: Circulating water)
T_ch2:
K-type
Thermocouple
T_ch1:
K-type
Thermocouple
Stack
Stack
Cooling point
Heat exchanger B
(TR: Circulating water)
Heat exchanger A
(TH: Heater)
Heat exchanger C
(TR: Circulating water)
T_ch2:
K-type
Thermocouple
T_ch1:
K-type
Thermocouple
Fresnel lens
■Total length 3300mm ■Diameter 42mm ■Channel radius Stack1 0.45mm Stack2 0.35mm ■Working fluid He+Ar ■Pressure 0.1MPa ■Heat energy 330W
フレネルレンズ 直径0.60 m, レンズ面積0.28 m2
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
500
400
300
200
100
0
Tem
per
atu
re [
deg
rees
C]
40003000200010000
Time [sec]
実験結果:プライムムーバー上端の温度変化
最高到達温度486 ℃
439 ℃の
温度上昇
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
500
400
300
200
100
0
Tem
per
atu
re [
deg
rees
C]
40003000200010000
Time [sec]
実験結果:プライムムーバー上端の温度変化
70 秒
240 ℃
音波発生
最高到達温度486 ℃
439 ℃の
温度上昇
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
30
20
10
0
-10
Tem
per
atu
re [
deg
rees
C]
40003000200010000
Time [sec]
実験結果:クーリングポイント温度変化
最低到達温度-4.3℃
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
30
20
10
0
-10
Tem
per
atu
re [
deg
rees
C]
40003000200010000
Time [sec]
実験結果:クーリングポイント温度変化
最低到達温度-4.3℃
33℃の
温度低下
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
1軸追尾集光装置
フレネルレンズ
□400 mm
0.148 m2
回転軸 ∥地軸
レンズ&フレーム
モータ台
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
「追尾集光装置を用いた太陽熱駆動ループ管型熱音響冷却システムの基礎検討」 日本音響学会 2013年春期研究発表会, 2013年3月13-15日
今後の検討
・ 長時間駆動試験
・ 駆動温度検討
・ 熱損失改善
・ 集熱方法改善
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
薪窯の排気温度調査
■ 太陽熱利用の検討
40cm角フレネルレンズを用いた 集光加熱実験 (1軸追尾式)
■ 燃焼炉排気熱の検討
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
低温度駆動
・断面積拡大したプライムムーバーを直列多段に設置 ・プライムムーバーの設置位置による影響の確認 実験 発振開始温度 安定性解析 臨界温度 ・実験値と解析値の定性的な一致を確認 ・発振開始温度67℃を記録
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
41
プライムムーバー
実験装置写真
1100 mm
1100 mm
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
300
250
200
150
100
50
0
Tem
per
atu
re[°
C]
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Position of prime mover
Analytical Experimental
・臨界温度66℃および発振開始温度67℃を記録
・実験値と解析値の傾向が一致している
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
太陽光+低温度駆動
熱媒加熱高温 低温
断熱
保冷
不凍液
高温熱媒 真空管式太陽集熱器
保冷庫
低温駆動可能な 熱音響冷却システム
熱媒駆動用 熱交換器
音響パワー
音響パワー
排熱
今夏より駆動試験を行うよう製作を進めている
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
大型化,小型化
250mm
1655mm
20
15
10
5
0
-5
Tem
pera
ture
[℃
]
10008006004002000
Time [sec]
摂氏0℃以下を実現!!
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
音エネルギーの減衰(騒音消去)
音エネルギー 音エネルギー
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
音エネルギーの減衰(騒音消去)
音エネルギー 音エネルギー
熱エネルギー
音エネルギー
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
音エネルギーの増幅
音エネルギー 音エネルギー
熱エネルギー
音エネルギー
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
ループ管を用いた温度上昇(暖房)
Heat Exchanger A(TH:Heater)
Stack 1
Stack 2
Heat Exchanger B(TR:Circulating Water)
Cooling point
Heat Exchanger A(TH:Heater)
Stack 1
Stack 2
Heat Exchanger B(TR:Circulating Water)
Heating point
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
ループ管を用いた温度上昇(暖房) 約45度の温度上昇に成功
70
60
50
40
30
20
10
Tem
per
ature
[℃
]
10008006004002000
Time [sec]
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熱音響発電システム
-20
-10
0
10
20
V [V
]
50x10-3
403020100Time [sec.]
スピーカー両端の電圧
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
実用化に向けて
未利用
エネルギー
現状のコンセプトは,
廃熱の有効利用
• もともと捨てていた熱エネルギーで冷却する
• 高効率:100%?
• 温暖化防止
一般的な冷却システム
冷房,冷蔵庫など
競争
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
未利用エネルギー :Unutilized Energy
河川水・下水等の温度差エネルギー,工場等の排熱といった,今まで利用されていなかった以下のようなエネルギーを総称して,「未利用エネルギー」と呼ぶ. 資源エネルギー庁HPより
①生活排水や中・下水の熱
②清掃工事の排熱
③超高圧地中送電線からの排熱
④変電所の排熱
⑤河川水・海水の熱
⑥工場の排熱
⑦地下鉄や地下街の冷暖房排熱
⑧雪氷熱等
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
熱音響システムの今後
未利用熱エネルギー→冷却,発電
太陽熱エネルギー
廃熱
フロンを使わない冷却システム
小型冷却システム
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
今後の展開
小型化/大型化
太陽熱エネルギー
発電:マイクロ発電,分散電源
効率UP
低温度発振
形状
熱交換
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
技術的な課題
熱と音の変換効率向上
熱交換器:熱の入出力方法
スタック:エネルギー変換
駆動温度帯:低温度化,高温度化
システムの形状:大型化,小型化
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
専用部品の開発
スタック:温度勾配
熱交換器:振動流に対する吸放熱メカニズム
位相調整器:PAなど
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
技術以外の課題
適用場所
規制??
他分野との融合
新たな視点
Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
謝辞
本研究の一部は, 地域イノベーション戦略支援プログラム, サテライトクラスタープログラム 日本学術振興会科研費若手研究(A)(B), 日本学術振興会科研費挑戦的萌芽研究, 文科省知的クラスター創成事業, 科学技術振興機構シーズ発掘試験, 村田学術振興財団, 小野音響学研究助成基金, 立石科学技術振興財団, 関西エネルギー・リサイクル科学研究振興財団 の補助を受けた.ここに謝意を表する. 研究を進めるに当たり,多くのご指導をいただきました 「振動流エネルギー変換・輸送現象研究会」, 「熱音響デバイス研究会」,「応用熱音響デバイス研究会」 の皆様に感謝申し上げます.
Shin-ichi Sakamoto
Copyright (C) Since 2004 Shin-ichi SAKAMOTO All Rights Reserved.
関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
参考文献など
熱音響関係の主要論文(順不同),例えば,,,
T. Yazaki, A. Iwata, T. Maekawa, and A. Tominaga, “Traveling Wave Thermoacoustic Engine in a Looped Tube,” Phys. Rev. Lett. , vol. 81, No. 15, pp. 3128-3131, Oct. 1998
T. Yazaki, and A. Tominaga, “Measurement of sound generation in thermoacoustic oscillations,” Proc. R. Soc. Lond. A., vol. 454, pp. 2113-2122, 1998
T. Biwa, Y. Ueda, T. Yazaki, and U. Mizutani: “Work flow measurements in a thermoacoustic engine” Cryogenics 41, 305-310 (2001).
Y. Ueda, T. Biwa, U. Mizutani, and T. Yazaki, “Acoustic field in a thermoacoustic Stirling engine having a looped tube and resonator,” Appl. Phys. Lett., vol. 81, No. 27, pp. 5252-5254, Dec. 2002
T. Yazaki, T. Biwa, and A. Tominaga, “A pistonless Stirling cooler,” Appl. Phys. Lett. , vol. 80, No. 1, pp. 157-159, Jan. 2002
T. Biwa, Y. Tashiro, M. Ishigaki, Y. Ueda, and T. Yazaki: “Measurements of acoustic streaming in a looped-tube thermoacoustic engine with a jet pump”J. Appl. Phys. 101, 064914_1-5 (2007)
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Shin-ichi Sakamoto
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関西ものづくり技術シーズ発表会 2016年6月29日
論文
坂本ら
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S. Sakamoto, Y. Imamura and Y. Watanabe, “Improvement of Cooling Effect of Loop-Tube-Type Thermoacoustic Cooling System Applying Phase Adjuster,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 46, No. 7B, pp. 4951-4955, 2007.
坂本 眞一,渡辺 好章,“音と熱のコラボレーション -熱音響冷凍機実現に向けて-,” 電子情報通信学会誌,Vol. 90, No. 11, pp. 993-997, 2007.
坂本 眞一,渡辺 好章,“音で冷やす,音で暖める -熱音響技術-,” 日本機械学会誌,Vol. 111, No. 1074, pp. 60-63, 2008.
坂本 眞一,小宮 慎太郎,渡辺 好章,“熱音響原動機における非線形現象とその影響について,” 電子情報通信学会論文誌 A,Vol. J91-A, No. 12, pp. 1161-1165, 2008.
S. Sakamoto, H. Yoshida, A. Sakaguchi, and Y. Watanabe “Heat Pump Placed in the Resonance Tube Connected to the Loop-Tube-Type Thermoacoustic Cooling System Improves the Cooling Effect,” Jpn. J. Appl. Phys., 07GM01-1-4, 2009.
Y. Orino, S. Sakamoto, Y. Inui, T. Ikenoue and Y. Watanabe, "Numerical analysis of the effect of local diameter reduction on the critical temperature of thermoacoustic oscillations in a looped tube," Jpn. J. Appl. Phys. 53 07KE13 (2014).
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