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日本スターリングエンジン普及協会活動報告No.26   ◆第１回「ＳＥ勉強会」報告    第１回ＳＥ勉強会が7月4日芝浦工業大学芝浦キャンパス304号室で開催されました。 予期せぬ以上のご参加者の皆様を迎え、また併せて、 熱のこもった講演会ともなりました。    本講演の主題である“低温度型フリーピストンスターリングエンジン”(前澤エンジン) がMicrogenやQnergy とは異なる設計思想をもち、 構造的にも簡素かつ製作しやすさ、製造コストの低減などにも配慮されたエンジンであると感じました。 そこで前澤エンジンに、より多くの方々がご関心を持って頂ければと思い、本報告をお届け致します。 １． 開催日時 ： 令和元年7月4日15:00〜17:00 ２． 会　　場 ： 芝浦工業大学　芝浦キャンパス　３０４号教室 ３． テ ー マ ： 「低温度フリーピストンスターリングエンジン」 ４． 講　　師 ： 前澤一男氏　（株式会社 サーモ技研　代表取締役） ＜講師紹介＞   前澤氏はツインバード工業(株)の開発本部長として、永年にわたり スターリングクーラーの開発・量産化に従事され成果を上げられた後、 次いでMicrogen エンジンの開発を担当された方である。 講 演 要 旨 １．    開発目的：金属溶融炉などの廃熱で温度400℃程度の熱は200℃に冷却され外気に捨てられる例が多い。 この捨てられる熱を廃熱ボイラーで回収し発電すれば、 企業経営利益改善に加えエネルギ有効活用・自然環境への熱汚染防止・CO2削減など (SDGs*) に貢献できる。我が国には金属溶融炉及び同様な廃熱温度を出す燃焼炉や工業炉は数多く存在するので、 大きな市場が潜在している。なお廃熱は“無料の熱源”である。 *SDGs ： 2015年9月の国連サミットで採択された「持続可能な開発のための2030アジェンダ」 にて記載された2016年から2030年までの国際目標です。持続可能な世界を実現するための17の ゴール・169のターゲットから構成され、地球上の「誰一人として取り残さない」ことを誓っています。 ２． 低温度フリーピストンスターリングエンジン（以後FPSEと云う）の狙い   該エンジンは、 温度400℃程度の廃熱 を回収・利活用することを狙っている。 それは熱源を蒸気圧15.5気圧、温度200℃温度の水蒸気としていることに示されている。 一般に400℃程度の廃熱は利活用するには難しい温度レベルにあり、多くは200℃以下に冷却され捨てられており、 前澤氏はこの廃熱の有効活用を目指している。 ３． 水蒸気を熱源とする利点とその特徴    蒸気圧15.5気圧、200℃の蒸気は100％蒸気の状態（飽和蒸気）から凝縮して100％の水（飽和水） に至る範囲の蒸気を指す。 この蒸気圧における蒸発潜熱は約1940kJ/kg（飽和水を飽和蒸気に加熱するに必要な熱）であるが、 該エンジンはこの蒸発潜熱を熱源として利用する。この範囲の蒸気は飽和蒸気が完全に凝縮するまで、温度が一定である。 該エンジンはこの温度一定の熱源を利用する（加熱源の温度は温度一定が有利）。その上、蒸気の伝熱特性は燃焼ガスより高い。 該エンジンは、この特性を利用し低温エンジンの性能向上を目指している。 ４． 出力目標は２ｋＷ････開発中のエンジンは５００Ｗ ５． エンジン形式は、フリーピストン型 ６． エンジン構造と特徴   図１は前澤FPSE とQnergyPCK80の構造を示すものであり、 さらに表１にて両者の相違を比較したものを示す。 まず第1の相違点は前澤FPSEの発電機が、図１に見るようにパワーピストン（以後PPと云う）の内部に 設置されていることである。これによりエンジン全長が短縮され、構造がシンプルになる。 もちろんPCK80は出力が大きく、それに見合う発電機であるので、同じ線上での比較は適当ではないとは思うが、 この発想は従来には見られない新規性であると云える。    第2点は、デイスプレーサ―(以後DPと云う)とPPを支持するスプリングの位置である。前澤FPSEではDPを支持するスプリングは、 エンジン最下部に位置しPPの中心を貫通しDPを支え、PPを支持するスプリングはPPの下端を支持する形で設置されている。 それに対してPCK80はDP、PPともにフレクチャーベアリング（図１）と呼ばれるバネで支持され、 発電機のコアの磁石をPP支持のフレクチャーベアリングで駆動する。 図１ 前澤FPSE（上図）とQnergyPCK80(下図) 表１ PCK80との対比で見る前澤FPSEの特徴 項　　目 前澤FPSE Qnergy PCK80 発電機の位置 PPの内部に組み込まれている。それ故、エンジン全長が短縮される PPの下部にある。PP駆動のフレクチャーベアリングが発電機コア磁石も駆動 DP支持スプリングの位置 エンジン最下部に位置し、DPを支持・駆動する DPを支え、駆動する構造 PP支持スプリングの位置 PPの下部に位置しPPの車軸を支持。このバネ定数はDPのバネの1/10 PPの下部に位置している。この場合もバネ定数はDPのそれより小 加熱部 図2に示す形状。作動ガスを通すパイプの表面を水蒸気で加熱する 外径約4.5�oφの細いパイプで構成。材質は耐熱合金 冷却部 加熱部の下部に隣接して設置。構造は加熱部と同じ 冷却器は再生器の下部と発電機の冷却用の2種が設置されている。PCK80 特有   ここでDPとPP支持のスプリング（PCK80はフレクチャーベアリング）のバネ定数は DP側が大きくPPのそれは小さい。 FPSEではPPはDPの駆動力で動くとの説明があった。    次に加熱器の特徴について述べる。前澤FPSEの加熱器（図２に示す形体・構造）図1に示す場所（DPを囲む場所） に設置されている。加熱部の配管の内部に作動ガスが循環し、水蒸気で加熱される。 水蒸気は、前述した飽和蒸気であるので、潜熱を放出しながら作動ガスを加熱するという仕組みである。 潜熱を放出している間は蒸気の温度は一定であるので、加熱源としてはガス加熱より優れている。    冷却器についても同様な構造をしていると思われる。前澤氏からは特に説明はなかった。 ７． チューニングについて    FPSEではDPとPPの位相差とDPとPPを支持するスプリングのバネ定数などを、エンジン効率を最大化させるように決める必要がある。 その手順は、DPとPPの位相差は通常90度と云われるが、FPSEの場合は60~70度であることを基本として、 次のような作業を行う。 �@ まず運転周波数を決め（85Hz程度）、DPの質量に合わせてバネ定数を決める �A バネの固有振動数を運転周波数よりやや高めに設定し、DPを先行させる �B 次いでPPの質量と運転周波数に合わせ、作動ガス圧力を調整する ８． バネについて    バネの故障は摩耗ではなく偶然に発生（偶然発生と云う）するものである。それ故、故障発生（バネが割れる）は確率で捉える。 バネの故障発生確率は振動の初期に高いが、振動回数が増加するにつれて確率は減少し、10の7乗回で最小確率になる。   バネの設計は安全率（＝1.5〜2.0）を考慮して決定する。 またバネの材質はSUS420J2を焼き入れている。

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