成果報告書詳細
管理番号20150000000053
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (バイオマス) 多様なバイオマスの直接燃焼により熱電併給する新型外燃式機関の技術開発
公開日2015/4/17
報告書年度2011 - 2012
委託先名横浜製機株式会社
プロジェクト番号P10020
部署名イノベーション推進部
和文要約件名:平成23年度-平成24年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業 新エネルギーベンチャー技術革新事業 (バイオマス) 多様なバイオマスの直接燃焼により熱電併給する新型外燃式機関の技術開発
 
新型外燃式機関はスターリングエンジンから発達したが、原理的には異なるものである。構成要素(加熱器、冷却器、気室、パワーピストン)を弁で区切り、熱力学的過程により加熱器、冷却器間に圧力差を発生するためスターリングエンジンの制約である死容積の制約がなく、加熱器、冷却器の大きさに制限がないために燃料を選ばず、重量・容積あたりの出力も優れている。従ってバイオマス(廃棄物を含む)を直接燃料としてオンサイト処理が可能であり、出力数十kW程度のエネルギー利用システム、具体的には発電・温水供給システム(コジェネシステム)の構築を可能とするもので、我が国におけるバイオマス廃棄物の有効利用に適した外燃式機関である。平成21年度において小型機を製作し、試験を行った結果、自立運転に成功し、新型外燃式機関の作動原理である気体密度変化を利用した圧力差発生機構が正しいことが実証された。また、上記試験により具体的な課題として弁にかかる差圧力の減少やピストン、カム等における摩擦抵抗の低減等が見いだされた。本研究開発であるフェーズBにおいては、新型外燃式機関の実用性の証明のため試作機を製作し、作動ガス充填圧2MPa、作動ガス温250℃において軸出力5kW以上を得ること、また軸出力4kW以上において24時間以上の連続運転を行うことを目標とした。結果として、初期の工作不良や必要能力の見誤り等により製作に時間を要し、上記試験は未実施であるが、事前研究・エンジン設計において以下の技術的成果を得た。今後は最終組み立てを完了し、運転試験へと移行する。(1)気室においても動力発生が可能となり、出力増大により、実用機での目標出力20kWを作動ガス温度300℃で達成できることがわかり、低温熱源の有効利用に見通しを得た。(2)カーボンピストンリングの導入によりピストン等の摩擦低減に成功し、高温における摩擦低減の見通しを得た。(3)圧力バランス弁を考案して弁開力低減に成功した。(4)プレート式熱交換器の既製ユニットを結合する技術により、大容量で高温・高圧に耐える加熱器・冷却器の見通しが得られ、特に伝熱式の再生器の実用が可能となり、加熱器・冷却器の負荷低減により効率向上が可能である見通しを得た。
英文要約Title: New Energy Technology Research Development/New Energy Venture Business Technology Innovation Program (Biomass)/The development of the new type of external combustion engine which can use various type of biomass waste as fuel without processing, as a component of a Cogeneration System (FY2011-FY2012) Final Report
 
This new type of external combustion engine was developed from the Stirling engine, but depends on a quite different principle. Its components, the heater, the cooler, the displacer-chamber were separated by valves. It generates the pressure-difference between the heater and the cooler by a pure thermodynamics process, and so, is free from the restriction of the dead space problem, or the restriction for the size of the heater and the cooler. This engine doesn’t choose the fuel, and can be compact, low price, also has superior output per capacity & weight. With large size of heater and cooler, this engine can dispose, on site, various type of biomass-waste as fuel without processing, and make it possible to compose a cogeneration system of the range of tens kW. This is the most suitable one for the effective utilization of the biomass-waste, in our country.
On 2009, fiscal year, a small type of this type of engine was constructed with the governmental aid and tested. It had succeeded to generate the pressure-difference between the heater and the cooler and to operate by itself. Thus, it was proved that the principle of this engine to generate the pressure-difference between the heater and the cooler by the pure thermodynamics process works well. The problems found were the force to open the valves against the pressure-difference and the friction among piston and cam system.
The Phase B of this project is to prove the feasibility for the practical use of this engine. The target was to get the maximum output of 5kW and to run continually for more than 24 hours with average output of more than 4kW.
On the side of manufacturing, the project was delayed by many troubles since this was the first practical prototype model of the entirely new engine. However the engine is now at the last stage of assembly. It is expected this engine to be completed within a short time and the test will begin.
On the other hand, at the technology area, many progresses were made.  The original purpose of the displacer-chamber and the valve system was to generate the pressure-difference. However, it was found and applied that it also can generate the power and increase the total power. It was estimated that the final target of 20kW at Phase C could be achieved by the gas-temperature of 300centigrade degree instead of 400 centigrade degree originally estimated.
Thus, the problems for the Phase C were much reduced and this result opened the way to use effectively the low temperature heat resources in the future.
The reduction of the friction of piston system was achieved by using carbon piston-ring, should be effective even at high temperature.
The force to open the valve against the pressure-difference was reduced by devising the pressure-balancing type valve.  
The heater, the cooler and the regenerative heat exchanger of large capacity which can stand high temperature, high pressure were developed by combining existing small plate-type heat-exchanger-units.
Especially, by the practical application of the heat-transfer type regenerative heat exchanger, the load to the heater and the cooler will be reduced and the efficiency will be increased.
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