サイクロン廃熱エンジン
サイクロン廃熱エンジン（WHE）は、廃熱から生成された蒸気から動力を得るために開発された小型蒸気エンジンです。これは、フロリダ州ポンパノビーチのサイクロン・パワー・テクノロジーズ社によるサイクロン・マークVエンジンの開発から派生したものです。最初のバージョンは、サイクロン・パワー・テクノロジーズの創設者である発明家ハリー・ショール氏によって設計され、後期のバージョンはオハイオ州立大学自動車研究センター（OSU-CAR）によって設計されました。
2014年7月、サイクロンパワーテクノロジーズは廃熱エンジン製品を別のWHEジェネレーションコーポレーションに分離し、[ 1 ]オハイオ州ランカスターにQ2Power, Inc.という商号で事業を展開しています。
エンジンの構造と動作
サイクロン廃熱エンジン（WHE）は、単動式のユニフロー蒸気エンジンです。主な派生型は、 2013年11月まで開発中だった6気筒星型エンジンのWHE-25と、それ以降開発が続けられている3気筒星型エンジンのWHE-DRの2つです。[ 2 ] 12気筒星型エンジンの展示用モデルが製作されましたが、[ 3 ]この構成で実際に稼働するエンジンが製作されたかどうかは不明です。
手術
吸気バルブのタイミングは、エンジンが前回停止した時のどの位置であっても、少なくとも1つのシリンダーへのバルブが常に開いているように調整されています。これにより、電気スターターモーターなどの他の手段でエンジンを始動させることなく、蒸気が供給されるたびにエンジンが自動的に始動します。
蒸気エンジンで吸気バルブが開いているストロークの割合はカットオフと呼ばれます。WHE-25ではストロークの34%です。[ 4 ] 上死点からストロークの34%まで、クランクは約71°の角度で回転します。6気筒エンジンでは、1つのピストンが上死点に達するのに360°/6 = 60°かかります。3気筒WHE-DRエンジンでは、ピストンが上死点に達するのは120°ごとなので、エンジンが確実に始動するためには、吸気バルブをずっと大きな角度で開く必要があります。クランクシャフトの回転の130°にわたってバルブが開いている場合、カットオフ値は約64%になります。
蒸気機関の膨張行程は、ピストンが上死点から下死点まで移動する行程です。ピストンが上死点に戻る際には、排気バルブを開いて、前の行程で膨張した蒸気をシリンダーから排出する必要があります。WHEエンジンでは、各ピストンに排気バルブが設けられており、コネクティングロッドの突起によって作動します（右図参照）。排気行程では、コネクティングロッドの角度によってピストンバルブが開き、膨張した蒸気がクランクケース内に排出されます。
WHE-25設計では、ピストンの上部を覆う薄い金属片であるリードバルブが使用されていました（図参照）。WHE-DR設計では、リードバルブの代わりに、ピストンクラウンのバルブシートに載るボールバルブが採用されました。 [ 5 ]
「スパイダーベアリング」
WHE-25は、クランクシャフト上の1つのクランクピンを6本のコネクティングロッドで共有する設計です。このような接続の標準設計では、マスターコネクティングロッドが1つのピストンに接続され、残りのロッドがマスターロッドの大端のピンに接続されます。WHEの発明者であるハリー・ショールは、「スパイダーベアリング」[ 6 ]も発明しました。これは、クランクピンの周りを回転できるディスクで、6本のコネクティングロッドごとに1つのベアリングジャーナルが周囲にあります。この設計により、個別のマスターロッドが不要になりますが、制御できない自由度が1つ導入されます。つまり、スパイダーベアリング自体は、コネクティングロッドに衝突して動きが停止するまで一方向に回転し、次に、コネクティングロッドに再び衝突して停止する前に、ある角度で反対方向に回転します。
WHE-DR設計では、各シリンダーを縦方向にオフセットさせることでスパイダーベアリングを廃止し、コネクティングロッドの大端部が共通のクランクピンに並んで取り付けられるようにしました。「初期テストでは、動作が著しくスムーズで静粛になったことが実証されました。」[ 2 ] スパイダーベアリングの廃止は、この改善につながる唯一の設計変更でした。
水潤滑
廃熱エンジンの設計では、排気蒸気がエンジンのクランクケースに入るため、可動部品の潤滑に水を使用する必要があります。クランクシャフトとコネクティングロッドベアリングの潤滑にオイルを使用すると、すぐに油と水のエマルジョンが形成され、潤滑特性が非常に低下します。
クランクシャフトとコネクティングロッドのジャーナルベアリング、そしてシリンダー内で摺動するピストンは、流体潤滑方式で作動します。ジャーナルベアリングの潤滑能力は、潤滑油の動粘度に直接依存します。20℃の水の粘度は0.001002 Pa·sですが、一般的なエンジンオイルの粘度は約0.250 Pa·sです。[ 7 ] つまり、水の潤滑効果はオイルの約250倍も低いことになります。
サイクロン・パワー・テクノロジーズは、オハイオ州立大学自動車研究センター（OSU-CAR）とエンジニアリング分析の契約を結んでいました。2014年3月8日にOSU-CARが行ったプレゼンテーション[ 5 ]では、エンジンベアリングが「クリティカルパスの問題」であると述べられていました。
- 当社の環境および負荷条件下において、ボールベアリングまたはローラーベアリングに水潤滑を使用した場合のデータは、サイクロン社自身の経験以外にはほとんど、あるいは全く存在しません。ベアリング負荷と潤滑剤の粘度係数のみを用いて計算した寿命は、適用荷重に対する非常に高い負荷容量比が必要であることを示しています。
- 当社の環境および負荷条件下における水潤滑ポリマージャーナルベアリングの使用に関するデータはごくわずかです。水中での使用では寿命が4倍に延びることが示されていますが、加圧水潤滑における長期摩耗データはほとんどありません。
サイクロン・パワー・テクノロジーズとフェニックス・パワー・グループ間のWHEに関する契約[ 8 ]には、フェニックス・パワー・グループが「OSUが実施および/または監督するWHEバージョン5.0の200時間の耐久試験の完了後」に15万ドルの進捗金を支払うと記載されている。耐久試験は、WHEエンジンが故障なく動作し、10馬力から20馬力の出力を発揮することで構成されるものとする。2015年3月25日現在、同社が水潤滑エンジンをこの200時間の耐久試験に合格させたという兆候はない。
効率
WHEモデルの独立したテストは報告されていないが、ペンシルベニア州ハットボロのベント・グラス・デザイン社が実施したテスト用廃熱回収システムに関する公開情報から、その可能性が示唆されている。[ 9 ] このシステムは、WHE-25モデルエンジンを使用して最大10kWの電力出力を供給し、「顧客のガラス製造炉から発生する500,000BTU以上の排熱を電力に変換する」と説明されている。熱流量500,000BTU/時は146.5kWに相当する。
WHE-25エンジンは34%のカットオフを持っています。[ 4 ] これにより、ピストンストロークの残りの66%で蒸気を膨張させ、蒸気から仕事を抽出して圧力を低下させることができます。右の図は、蒸気エンジンのシリンダー内の圧力がカットオフポイント後にどのように低下するかを示しています。WHE-DRは、自己始動を可能にするために、カットオフをはるかに遅くする必要があります。カットオフが遅いほど平均有効圧力が大きくなり、一定の大きさのエンジンが一定速度で動作する場合の出力が大きくなりますが、蒸気はシリンダーから排出されるときに圧力が高くなり、そのエネルギーが機械的仕事に変換される量が少なくなるため、効率が低下します。
補助機器
エキスパンダー：蒸気機関はランキンサイクル発電システムを構成する要素の一つに過ぎません。右のランキンサイクルの図では、状態3と状態4の間では往復ピストンエンジンではなくタービンが使用されていますが、どちらの装置もサイクルのエキスパンダー段として機能します。
コンデンサー:状態 4 と 1 の間にあるデバイスがコンデンサーです。これはエンジンの排気蒸気から熱を取り除き、それを水に戻します。前のサブセクションの WHE-25 エンジンの場合、最初の蒸気で供給された 146.5 kW の熱エネルギーのうち、10 kW が電気に変換されました。つまり、コンデンサーによって除去される熱エネルギーは 146.5 - 10 = 136.5 kW になります。比較として、トラクター トレーラー トラックで一般的に使用されるCaterpillar C13ディーゼル エンジンの冷却剤への熱遮断定格は 128 kW です。[ 10 ] そのため、10 kW の電力を生成する WHE-25 エンジンのコンデンサーは、大型トラックのラジエーターとほぼ同じサイズになります。新しい WHE-DR は効率が低い可能性が高いため、同じ出力を得るにはさらに大きなコンデンサーが必要になります。
コンデンサーは熱を逃がすために十分な空気の流れを必要とします。この空気の流れを作り出すために通常はファンが使用され、その消費電力によってシステムから利用可能な正味電力が減少します。
給水ポンプ：凝縮水はタンクに貯められ、図の1～2に示すように、給水ポンプによって高圧に送り出されます。このポンプには電源と制御システムが必要であり、エンジンに供給される蒸気量に応じて適切な量の水をポンプで送り出します。
ボイラー：図の2～3に示すように、ボイラー内の水に熱を加えて蒸気を発生させます。ボイラーは蒸気発生器と呼ばれることもあり、サイクロン・パワー・テクノロジーズは「燃焼室／熱交換器」または「CCHX」という用語を使用しています。 [ 11 ] 名称に関わらず、システム圧力が15psi（1bar）を超え、熱が加えられる場合、その装置は法的にボイラーとみなされます。アイダホ州とワイオミング州を除く米国の全州とカナダの全州では、ボイラーを全米ボイラー・圧力容器検査委員会（National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors）に登録することを法的に義務付けています。 [ 12 ] 登録には、ボイラーの設計がASMEボイラーおよび圧力容器規格（BPVC）に適合していることが承認されていること、現在ASMEによってそのようなボイラーを製造することが認可されている施設で製造されていること、国家委員会の検査官の承認を得て設置および試験されていること、そして所有者の費用負担で定期的な検査を受ける必要があることなどの要件が含まれます。
管轄によっては、設備を認可を受けた固定式技術者が操作し、十分な賠償責任保険に加入することを要求する場合もあります。
このような綿密な調査が必要な理由は、ボイラーの爆発により壊滅的な損失が発生する可能性があるためです。
システムには、承認された蒸気安全弁と水位制御装置に加え、ボイラーへの水供給とエンジンへの蒸気供給のためのバルブも必要です。システムを無監視で稼働させる場合は、センサーと自動安全停止システムが必要です。
したがって、廃熱エンジンは、完全な廃熱回収システムの中で最も安価なコンポーネントの 1 つである可能性があります。
参考文献
- ^ Cyclone Power Technologies, Inc. 四半期報告書（レポート）。米国証券取引委員会。2014年6月30日。
- ^ a b「サイクロン・パワー・テクノロジーズ、オハイオ州立大学自動車研究センターと共同で次世代廃熱エンジンの開発を完了」（プレスリリース）。2013年11月5日。
- ^ Curtis EllzeyがHarry Schoellにサイクロン廃熱エンジンについてインタビュー– youtube.com経由。
- ^ a bサイクロン廃熱エンジン仕様書。「サイクロン廃熱エンジン仕様書」（PDF）より取得。cyclonepower.com 。2015年9月23日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2015年3月22日閲覧。
- ^ a b「サイクロン・パワー・テクノロジーズ社の廃熱エンジンのエンジニアリング分析」(PDF) 。 2015年9月23日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2015年3月21日閲覧。
- ^米国特許7900454、「エンジン内のコネクティングロッドジャーナルおよびクランクシャフトスパイダーベアリング」
- ^サーウェイ、レイモンド・A. (1996). 『科学者とエンジニアのための物理学』（第4版）. サンダース大学出版局. ISBN 0-03-005932-1。
- ^ Cyclone Power Technologies, Inc. のシステムアプリケーションライセンス契約の修正および再制定（報告書）。証券取引委員会。2013年9月30日。
- ^ 「Bent Glass Design 社が Cyclone Power Technologies 社からエンジン システムを購入」（プレス リリース）。
- ^ 「Caterpillar C13ディーゼルエンジン発電機セット仕様書」(PDF) 。 2015年4月17日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2015年3月25日閲覧。
- ^ 「サイクロン・パワー・テクノロジーズとフェニックス・パワー・グループが廃油コジェネレーションシステムの統合に成功」（プレスリリース）。
- ^ 「National Board Synopsis Map 2015」（PDF） 。 2015年4月17日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2015年3月25日閲覧。
外部リンク
