| 研究課題/領域番号 |
25550094
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| 研究機関 | 長崎大学 |
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研究代表者 |
佐々木 壮一 長崎大学, 工学研究科, 助教 (00304965)
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| 研究分担者 |
山口 朝彦 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (00284711)
馬越 孝道 長崎大学, 水産・環境科学総合研究科(環境), 准教授 (30232888)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | バイナリー発電 / タービン / ヒートポンプ / 自然冷媒 / 熱流体計測 / 再生可能エネルギー |
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| 研究実績の概要 |
加熱能力4.5kWのヒートポンプサイクルを小規模ランキンサイクルに応用した．小規模ランキンサイクルの性能を評価することを目的としてランキンサイクルの主要構成機械を接続する配管系統の完成させた．作動流体をCO2とした基本システムの熱力学的性能を解析し，その作動流体による小規模ランキンサイクルのT - s線図，ヒートポンプで利用されている熱交換器のT - h線図を解析した．研究協力者との協議を通して，マイクロスクロールタービンの新規開発は研究費の制約から困難であると判断し，ヒートポンプサイクルのロータリーコンプレッサーをタービンとして応用することを検討した．性能試験の対象となるロータリータービンの設計寸法を実測し，性能試験の対象となるタービンの設計仕様を明らかにした．このロータリータービンの出力性能を評価するための性能試験装置を開発した．試作１号機では，ロータリータービン，トルク計，タービンを同一軸上に配置して，タービンに反動トルクを与えながら性能を試験することが可能な装置を開発した．しかし，１号機では主軸に潤滑油が浸透しないために回転数が安定せず，主軸が焼きつくなどの課題があった．試作２号機では，ロータリータービンを潤滑油に浸すことが出来る構造に改良した結果，主軸の焼き付きの問題が改善された．配管内部にかかる圧力の簡易計測法の確立を目的として，ひずみゲージによる圧力の測定を試みたが，配管内部の安定した圧力の計測はできなかった．試作３号機では，タービン入口と出口の圧力，トルク，回転数，軸動力，設計流量および効率を評価することが可能になった．高圧の窒素ガスでタービンを駆動させ，その出力特性を評価した．設計上の差圧は3.6MPaであるが，安全性の観点から600kPaでタービン性能を試験した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
小浜温泉の温泉熱を熱源とした場合，ランキンサイクルの熱効率は6.8%である．研究の対象となるヒートポンプサイクルの蒸発器側の熱をすべてタービンの仕事に変換した場合の出力は300Wであり，凝縮器側で全て熱排気をした場合の出力は250Wである．ヒートポンプサイクルの蒸発器として使用されているプレートフィンチューブ熱交換器では1.5kW程度の熱交換が可能であり，小規模ランキンサイクルの凝縮器としての役割を果たすことができる．タービン差圧の計測，流量制御など，性能試験装置に必要な計測機能を開発することができた．性能試験の対象となるロータリータービンの直径は32mm，容積は約4mL，高圧側圧力10MPa，低圧側圧力6.4MPa，定格回転数1050rpmである．性能試験の結果，タービンの効率は約45％であり，数値目標のタービン効率70%を達成することはできなかった．作動流体を超臨界CO2，タービン前後の差圧を3.6MPa，設計流量を4L/minに設計すると，約108Wの出力を得ることができる．設計出力400Wを得るためには，タービン出力を約4倍に増やす必要がある．このタービンを小規模ランキンサイクルに組み込むことはできなかったが，熱力学的特性の評価の結果に基づけば，その小浜温泉の熱源を利用して小規模ランキンサイクルから約100Wの軸動力を抽出することは可能である．平成25年度中に達成することができなかった小規模ランキンサイクルの試作とシステムの性能見積もりを完了した．平成26年度の主な研究計画はスクロールタービンの開発とその性能試験であった．タービンの設計仕様がロータリータービンに変更されたが，その流体力学的な性能装置の開発とタービンの性能試験については達成することができた．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度の研究計画では，小浜温泉で小規模ランキンサイクルの性能に関するフィールド試験が計画されているが，現状では実験室レベルでサイクルの性能を明らかにすることが必要である．平成27年度のシステムの改良で可搬型のシステムを開発し，小浜温泉におけるフィールド試験を実施することが可能な体制を整える．小規模ランキンサイクルの開発では，タービンの代わりに流量調整弁を挿入してその熱力学的な性能を評価する．昨年度の性能試験の結果から，加熱能力4.5kWのヒートポンプで利用されているロータリーコンプレッサーを応用したタービンでは，設計上の十分な出力を抽出することができないことがわかっている．そこで，自動車用のスクロールコンプレッサーをタービンとして利用することを検討する．タービンの流体力学的な特性については，平成26年度に製作した性能試験装置を利用してスクロールコンプレッサーの膨張機としての性能を評価する． CO2は環境負荷が小さいこと，安全性が高いことなどの利点がある．しかし，超臨界状態近傍での高圧流体の相変化を利用しなければならないためにそのポンプ動力が大きくなり，全体として原動機としての役割を果たすことができなくなる．さらに，サイクルへの高圧ガスの封入技術なども必要になるためにメンテナンス性が悪くなり，システムの長期的な信頼性を損なう結果となる．そこで，代替フロンによる冷媒のランキンサイクルと超臨界CO2ランキンサイクルの特性を比較しながら，低コスト動力サイクルとしての可能性を評価する．平成27年度には，これまでの研究で明らかになった小規模ランキンサイクルに関する熱力学的特性とタービンの流体力学的特性に関する解析結果を国際会議で公表する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
スクロールタービンの開発計画に変更が生じたため，当初予定していた研究代表者の研究打合せ旅費が執行できなかったため．
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| 次年度使用額の使用計画 |
自動車用スクロールコンプレッサーをスクロールタービンとして流用することを検討しており，その情報収集のための旅費に使用することを計画している．
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