2 現システムの電気出力は実用レベルに比べ遙かに小さく, 総合効率も燃料の約 45% にしか達していないが, 本システムに用いたエンジンや熱交換器などが簡易設計により製作されたものであることを考慮すれば, エンジンや熱交換器の最適化により家庭用熱電併給システムとしての可能性は示されている 1. はじ

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みひなうるしはた
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1 広島国際学院大学研究報告, 第 44 巻 (2011), 1 ~10 1 スターリングエンジンを用いた家庭用向け小型 CHP システムの構築 * 黄樹偉, 王振鑫 ( 平成 23 年 10 月 5 日受理 ) Development of a Micro-CHP System for Home Use by Using a Stirling Engine Shuwei HUANG and Zhenxin WANG (Received October 5, 2011) A prototype of micro Combined Heat & Power system (or micro-chp system)with an electric output of 4.8[W] and a heat supply of 268[W] has been developed for home use by using a small Stirling engine to drive a DC generator, which serves as a starter motor as well. Water supplied to the cooler of the engine is heated by the cooling fins and then heated further by the exhaust gas, resulting in warm water which is outputted as the heat supply from this system. Although the electric output of this system is much lower than the required practical level and the overall efficiency is only about 45%, considering the simplified designs of the engine and the heat exchanger used in this system, it shows some potentials to be developed as a micro-chp system for home use after optimizing both the engine and the heat exchanger. Keyword:Stirling Engine, Electric Output, Warm Water, Micro-CHP, Prototype, Cogeneration System 小型スターリングエンジンを用いた, 電気出力 4.8W, 給熱量 268W の家庭用向け小型コージェネレーションシステムの構築を試みた発電用 DC モータはシステム起動時にはスターターモーターとして作動するスターリングエンジンの冷却部に供する冷却水は冷却フィンにより加熱されたあと, 燃焼室からの排ガスによりさらに加熱され, 温水となって外部に給熱する * 石崎本店

2 現システムの電気出力は実用レベルに比べ遙かに小さく, 総合効率も燃料の約 45% にしか達していないが, 本システムに用いたエンジンや熱交換器などが簡易設計により製作されたものであることを考慮すれば, エンジンや熱交換器の最適化により家庭用熱電併給システムとしての可能性は示されている 1.

る方法として, 現在世界各国で CHP の利用が進められており, 図 1 に IEA による統計結果 [2] を示す従来のガス火力プラントによる電力供給とガスボイラーによる熱供給をそれぞれ単独に行う方法に比べ,CHP(Combined Heat & Power) による熱電併給システムを用いた場合のエネルギーと炭素排出量の削減効果は, 供給される電力と熱の割合により変化するが,IEA

2 2 現システムの電気出力は実用レベルに比べ遙かに小さく, 総合効率も燃料の約 45% にしか達していないが, 本システムに用いたエンジンや熱交換器などが簡易設計により製作されたものであることを考慮すれば, エンジンや熱交換器の最適化により家庭用熱電併給システムとしての可能性は示されている 1. はじめに近年, 地球環境問題に対応するために, 世界各国で CO 2 削減施策が本格的に動きはじめている CO 2 の削減は, これを排出しない太陽光や, 地熱, カーボンニュートラルであるバイオマス燃料を積極的に利用するだけでなく, 一次エネルギーの 80% 以上を占める [1] 化石燃料の利用効率を向上することは最も効果的であると考えられるエネルギーの利用効率を上げる方法として, 現在世界各国で CHP の利用が進められており, 図 1 に IEA による統計結果 [2] を示す従来のガス火力プラントによる電力供給とガスボイラーによる熱供給をそれぞれ単独に行う方法に比べ,CHP(Combined Heat & Power) による熱電併給システムを用いた場合のエネルギーと炭素排出量の削減効果は, 供給される電力と熱の割合により変化するが,IEA による試算例では, エネルギーと炭素排出量がそれぞれ約 21% 削減できると見積もっている [3] CHP の利用形態については, 大型 CHP プラントによる地域全体での利用のほか, 地域インフラの整備が不要な, 家庭用小型 CHP システムでの利用が考えられる前者は人口密集の都市部に適し, 後者は人口過疎地域や発展途上国に適すると思われる図 2 に後者の一例を示す家庭用 CHP について, エンジンと発電機を用いる方法と, 燃料電池を用いる方法がある後者はコストが高いため, 一般用に向かないと思われる一方, エンジンを用いる場合, 従来の内燃機関では騒音と振動が大きく, 普通の住宅環境に適さないと思われるそこで, 運転が静粛なスターリングエンジンを家庭用 CHP の動力部に用いる方法が注目され, その将来性が期待されている [4] 本研究はこのような家庭用向け小型 CHP の可能性を調べるため, 高度な製作技術によらず, 既報 [5] で製作したスターリングエンジンを CHP の動力部に用いて, 電気出力数ワット程度の簡易な小型 CHP システムの構築を行った本文はこのシステムの詳細といくつかの問題点について報告する図 1. 世界主要経済体での CHP による発電のシェア (2005 年 ) [2] と将来展望図 2. 家庭用小型 CHP システムの例

3 スターリングエンジンを用いた家庭用向け小型システムの構築 3 2. システムの構成構築した小型 CHP システムの構成は, 図 3 に示すように, 機能的に動力部 ( スターリングエンジン ), 発電機及び温水装置などからなり, 各部の詳細は以下に述べる図 3. 制作した小型 CHP システムの構成 ₂.₁. 動力部動力部は既報 [5] で製作した小型スターリングエンジンを用いたエンジンの概要を図 4 に, エンジンの諸元を表 1 に, それぞれ示しているエンジンを CHP システムに組み込むため, 以下の変更を行った図 4 用いた小型スターリングエンジンの概要

4 ⑴ 加熱方式元のエンジンは横置きで, 加熱部であるヒートキャップ部を下方からアルコールランプで加熱する実用化に近付けるため,

ヒートキャップの外側にエンジンシリンダーと同軸に図 5 に示す円筒形の燃焼室 ( 図中の赤い円筒 ) を取り付けて,

側面に開けられている複数の小さな穴から出て外側に設置される熱交換器の内側に入り, そこで,

4 4 ⑴ 加熱方式元のエンジンは横置きで, 加熱部であるヒートキャップ部を下方からアルコールランプで加熱する実用化に近付けるため, アルコールランプをガスバーナーへと変更し, これに伴いエンジンの設置も縦置きとしたまた, 燃料の利用効率を上げるため, ヒートキャップの外側にエンジンシリンダーと同軸に図 5 に示す円筒形の燃焼室 ( 図中の赤い円筒 ) を取り付けて, ガスバーナーからの火炎を燃焼室内に制限することができる燃焼室内からの排ガスは, 側面に開けられている複数の小さな穴から出て外側に設置される熱交換器の内側に入り, そこで, らせん状に配置される伝熱管へ伝熱した後, 図 6 に示す熱交換器シェル下方の穴から大気へ放出される表 1 スターリングエンジンの諸元図 5 燃焼室およびその外側に配置される伝熱管図 6 エンジン排ガスを利用する温水加熱用熱交換器のシェル

スターリングエンジンを用いた家庭用向け小型システムの構築 5 ⑵ 冷却方式エンジン冷却部からの放熱を温水加熱に有効利用するため, 冷却は図 7 に示す元の冷却フィンによる自然空冷から, 図 8

図 8 改造後の水冷方式の冷却部の外観図 9 冷却部内部冷却水の流れ ⑶ フライホイル図 10に示すように, エンジンの主軸と DC モータ ( 発電機 ) の回転軸を締結するために, フライホイルを取り外した

発電機の後方軸端もキャップを取り付けて密封し, エンジンとモータ全体をハーメチック形としたこれにより, エンジンのバッファー圧力を元の0.2MPa から0.4MPa 程度まで高めることができ,0.

5 スターリングエンジンを用いた家庭用向け小型システムの構築 5 ⑵ 冷却方式エンジン冷却部からの放熱を温水加熱に有効利用するため, 冷却は図 7 に示す元の冷却フィンによる自然空冷から, 図 8 のような水冷方式に変更した冷却フィンの周囲を円筒で囲み, フィンには図 9 に示されるような流路を作って, 水ジャケットとした冷却水は下方から円周方向に沿って流れて順次上方へ流れていく図 7 元の空冷方式の冷却部図 8 改造後の水冷方式の冷却部の外観図 9 冷却部内部冷却水の流れ ⑶ フライホイル図 10に示すように, エンジンの主軸と DC モータ ( 発電機 ) の回転軸を締結するために, フライホイルを取り外したフライホイルの慣性モーメントはモータのローターにより補うこととしたまた, 元のエンジン出力端の軸シールは気密性が低かったため, 密封はエンジンとモータ間にアルミ製のフランジ付き円筒を装着し密封構造とした発電機の後方軸端もキャップを取り付けて密封し, エンジンとモータ全体をハーメチック形としたこれにより, エンジンのバッファー圧力を元の0.2MPa から0.4MPa 程度まで高めることができ,0.3MPa バッファー圧力での運転を可能にした以上の変更により, エンジンの動力性能を直接計測できないので, 発電機の特性と出力電流, 電圧などにより, 間接的に算出した ₂.₂. 発電機発電機は, エンジンの動力を電力に変換するが, 図 3 に示しているように, エンジンを起動する

6 ときには, 始動モータとして作動し, エンジンの運転が安定になると切り替えスイッチで発電機モードへと切り替えられる図 10 エンジンとモータの締結に伴った出力端の変化発電機の選定に際し, まず元のエンジンの出力をトルク計 ( 小野測器 SS 010) により計測したその結果, 所定加熱温度において回転速度が1000rpm 程度, 出力は約 7 ~ 8 W

6 6 ときには, 始動モータとして作動し, エンジンの運転が安定になると切り替えスイッチで発電機モードへと切り替えられる図 10 エンジンとモータの締結に伴った出力端の変化発電機の選定に際し, まず元のエンジンの出力をトルク計 ( 小野測器 SS 010) により計測したその結果, 所定加熱温度において回転速度が1000rpm 程度, 出力は約 7 ~ 8 W であることが分かったしかしながら, これにマッチする最適な発電機が入手できないため, 定格出力 70W の直流モータを発電機としたエンジンと発電機がハーメチック形に組み込まれているため, エンジンの回転速度と出力は, 発電機の出力とその特性曲線から算出する必要があるこのため, 発電機の特性を図 11に示すように図 11 発電機特性の測定方法図 12 発電機特性測定の実験装置

スターリングエンジンを用いた家庭用向け小型システムの構築 7 計測し, 図 12 は実験装置を示す計測結果を図 13 に示す図 13 発電機の特性計測結果図 13より, 負荷である外部抵抗が一定の時に, 発電機の電圧は回転速度のみの関数であることがわかる CHP に組み込まれた後に, この特性を利用してエンジンの回転数を算出するまた,

7 スターリングエンジンを用いた家庭用向け小型システムの構築 7 計測し, 図 12 は実験装置を示す計測結果を図 13 に示す図 13 発電機の特性計測結果図 13より, 負荷である外部抵抗が一定の時に, 発電機の電圧は回転速度のみの関数であることがわかる CHP に組み込まれた後に, この特性を利用してエンジンの回転数を算出するまた, 発電機を駆動するスターリングエンジンの出力は発電機の電気出力と発電効率から次式で算出することができる ⑴ ₂.₃. 温水装置温水装置は図 14に示すように, 主に図中の下方にあるエンジン冷却部の水冷装置と, 図中の上方にある円筒形熱交換器中に螺旋状に配置されるφ 6 銅管から構成される温水の加熱はまず, 水タンクまたは水道からの水を冷却水として水冷装置の冷却水入り口から導入し, エンジンの冷却部で受熱させ, 温度をある程度まで高めておく ( 図 9 参照 ) 冷却部から出た水は燃焼室外周にある熱交換器の伝熱管に導入し, そこでさらに排ガスから吸熱して, 最終の温水となる温水の最終温度は, 冷却水の流量により変化するが, 常に最終の温度が80 以下となるよう流量制御を行っている図 14 中の各点における温度は, 典型的な温度値である以上の動力部, 発電機と温水装置から構築されたシステムを図 15に示す図中の圧力計はエンジンのバッファ圧を常時モニターし, ガス充填用バルブは, 作動ガス充填時に外部の真空ポンプやガスボンベに繋ぐものである使用の利便さや携帯性を考慮して, システム全体を図 16に示すように筐体にパッケージした点火スイッチ, モータの切り替え, 水タンクへの水補給, 発電機の外部負荷制御などは, すべて筐体の外部から行えることとした図 14 冷却水から温水までの水の流れ

8 8 図 15 構築した小型 CHP システム図 16 筐体にパッケージした小型 CHP システム 3. システムの性能 ₃.₁. 実験方法試作した小型 CHP システムの性能は以下のように計測を行った性能測定時に, 加熱用ガスバーナーの火力を微調整して, エンジンの加熱部の特定の点 ( ヒートキャップの中心点 ) 温度が所定の温度 (500±5 ) に安定するまで調整する続いて, エンジン冷却部を通過した冷却水の温度が45±1 になるまで冷却水流量を微調整して固定する ⑴ 温水の給熱量温水の給熱量は冷却水の質量流量と出入り口での水の温度差から次式で算出した ⑵ 式中, は温水給熱量 [ W ], は冷却水質量流量 [kg/s], は水の比熱 [J/kgK], とはそれぞれ供給温水の温度 [ ] と冷却水の初期温度 ⑶ ⑵ 出力電力出力電力は外部負荷 ( 抵抗 ) における電圧と電流から次式で算出した式中, は出力電力 [ W ], とはそれぞれ外部負荷における電流 [A] と電圧 [V]

9 スターリングエンジンを用いた家庭用向け小型システムの構築 9 ⑶ エンジンの回転速度図 13より, 外部負荷 ( 抵抗 ) が一定の時, 発電機の出力電圧は回転速度の単調関数であることが分かるこれを元に, 発電機の出力電圧からエンジンの回転速度を算出した ⑷ エンジンの出力既述したように, スターリングエンジンの出力, 発電機の電気出力と効率から, 式 ⑴ により求める ⑸ 燃料の熱量使用したハンディボンベの燃料は液化ブタン (C 4 H 10 ) で, 発熱量は低発熱量 (45.7MJ/kg) を用いたまた, 装置への入力熱量は燃料の質量流量と発熱量から算出した ₃.₂. 測定結果表 2 に作動ガスがバッファー圧力 0.1MPa の空気と, バッファー圧力 ₀.₃MPa のヘリウムの場合, それぞれの熱勘定の測定結果を示す表 2 から, まず, バッファー圧力 0.1MPa の空気に比べ, バッファー圧力 0.3MPa のヘリウムを作動ガスとしたとき,CHP システムの供給電力が約 1.5 倍となることが分かったしかしながら, 何れの場合も電気出力が実用レベルに比べ, 遙かに小さいことが分かる表 2 システムの熱勘定次に, システム全体の熱利用効率について, 何れの場合も約 45% に達していることがわかった本装置の温水装置が非常に単純なものであることを考慮すれば, この熱利用効率を大幅にあげることが可能であると思われる 4. 終わりに CO 2 排出量削減と省エネ両方の視点から注目されている CHP について, 家庭用に適している, スターリングエンジンを用いた小型 CHP システムを構築し, 実際に発電と温水供給ができることが確認できた構築したシステムの発電電力が小さく, エネルギーの総合利用効率も45% 程度にしか達していなかったが, 比較的簡単な設計製作でこの性能を達成できたことを考慮すれば, 高度な製作技術を用いなくても小型 CHP システムの製作が可能であることがわかったエンジンと熱交換器両方の性能を改善すれば, このような小型 CHP システムの実用化の可能性があると考えている場合によっては, 家庭用だけでなく, 携帯型 CHP に発展することも考えられる

10 10 謝辞本研究の経費の一部は平成 23 年度を表す学内特別研究費より支弁されたものであるここに謝意参考文献 [ 1 ] 経済産業省資源エネルギー庁, エネルギー白書 2010, html,2011 [ 2 ] IEA, The International CHP/DHC Collaborative, Sep.2011) [ 3 ] IEA, 熱電併給, _ report _ japanese.pdf, 2009 [ 4 ] イギリス政府貿易産業省報告, Potential for Microgeneration Study and Analysis, [ 5 ] 黄吉岡, 熱工学実験用小型スターリングエンジンの研究開発, 日本機械学会第 10 回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集,pp.23 26,2006

ACモーター入門編サンプルテキスト

ACモーター入門編サンプルテキスト技術セミナーテキスト AC モーター入門編目次 1 AC モーターの位置付けと特徴 2 1-1 AC モーターの位置付け 1-2 AC モーターの特徴 2 AC モーターの基礎 6 2-1 構造 2-2 動作原理 2-3 特性と仕様の見方 2-4 ギヤヘッドの役割 2-5 ギヤヘッドの仕様 2-6 ギヤヘッドの種類 2-7 代表的な AC モーター 3 温度上昇と寿命 32 3-1 温度上昇の考え方