小 田
哲
・・ ガヽ出
隆夫・・ 吉野
蕃人
**寺 田
俊郎
*キ・ 難波
千秋
*(1983年6月17日受理)
On Heat Generator of Friction Type by Wind Power
by
Satoshi ODA・
,Takao KoIDE*,Shigeto YosHINO・
半,Toshiro TERADA*ホ
and Chiaki NAMBA・
(Received June 17,1983)
This paper presenls a study on the heat generator of friction type irhe heat generator converts the mechanical energy,which is converted fronl、vind pO、ver by a
llrind■li ll, into heat energy The aim of this study is to obtain the tteful data and information fOr desigrling and manufacturing the practicat heat generator of friction type
The heat generator of frictiOn type fOr the experilnent is developed by the authors
The relations betM′ een the speed Of rOtation and the frictiOn tOrque,the time rate of frictiOn work,he increasing rate of temperature,etc are clarified to a considerable extent by carrying out theコ unnilag tests under various speeds of rotation FurthermOre the pOints which shOuld be taken into consideratiOn in the development of the practical heat generator of friction type by Mrind power are suggested
1.ま
え が き ―を風車により機械的エネルギーに変換 し,こ れをさら 近年石油に代わる代替エネルギー として太陽熱,風
力に熱エネルギーに変換するための摩擦式風・熱エネルギ などの自然エネルギーが注 目され
,そ
れ らの利用方法が一変換装置を用いて温水をつくり
,温
室暖房に利用する 問題となっているゆ°。冬季の 日照条件の悪い地方では,年システムが考 えられ る。 間を通 じてのロングサイクルで考えると太陽熱の利用だ
本研究では
,風
・熱エネルギー変換システムの中核 と けでは不十分である。 したがって,こ のような地方ではなる摩擦式風 。熱エネルギー変換装置 を設計・ 製作する 冬期において風カエネルギーが豊富であることが多いの
ための基礎資料 を得 ることを目的 としている。 まず実験 で,自 然エネルギー利用システム としては太陽熱および
用摩擦式風 。熱エネルギー変換装置 を試作 し
,つ
ぎに実 風カエネルギーの複合利用方式が最適であると思われる。際に運転試験 を行って回転速度 と摩擦 トルク
,摩
擦仕事 風カエネルギー利用システム としては,風
カエネルギ率,温度上昇率などとの関係 について明 らかにしている。 春
機械工学科 Department of Mechanical Elagineσing
4*島
鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第
14巻
さらに,本
変換装置の特長 や今後 の問題点 について も検 討 を加 えている。2.実
験 方 法 お よ び実 験 装 置2. 1
摩擦式風 。熱エ ネルギー変換 装置 本研 究で試作 した実験用摩擦式エネルギー変換装置 は, Fig。 1に 示 す ように発熱装置(変換装置),駆
動用の可変 速度電動モー ター(最大出力7 5kW)と
摩擦 トル ク測定 用の トルクメーターか ら成 ってい る。発熱装置の摩擦円 筒 (高さ354 mm)には熱電対 が中央部 と,円
筒上下方向 70 mlnごとに計5点取 り付 け られてお り(Fig.1),運転時 の各点の温度 を測定す ることがで きる。Fig。 2に発熱装 置の概略 を,Fを
.3に回転軸 (主軸)に
取 り付 けられた 摩擦 ロー ラーを示す。発熱装置 は摩擦円筒(STK 41)と 主軸 に固定 されたローラー支持腕 に取 り付 け られた3個 の摩擦 ローラー (FC 20)か ら成 り,そ
れぞれの摩擦 ロー ラーはローラー支持腕 のガイ ドにそって半径方向 にのみ 移動 で き自転 はしない。 これ らの摩擦 ローラーは主軸 のTo「que meter
ThermocouP18
Hect generQlo「
鵡 irh
誌
…
転
Fig。 2 Hcat generator
回転 によって生ず る違心 力 によって摩擦 円筒 に押 し付 け られ
,風
力 によって駆 動 され る主軸 の回転 によって摩擦 ローラーが摩擦円筒の内面 を摩擦 し,摩擦熱 が発生 す る。 ローラー支持腕 には摩 擦 ロー ラー を摩擦 円筒 に押 し付 け るためのバ ネな どを使用 してお らず,摩
擦 ローラー は遠 心力のみによって摩 擦円筒 に押 し付 け られ るため,装
置 の起動 はわずかな動力 (風力)で
行 うことがで きる。発 生装置各部の主要寸法 は,摩
擦 円筒の 内径 φ376,高さ 354 mmで,摩擦 ローラーの直径 φ86,長さ150 mnであ る。 摩擦 ローラー1個の質量 は5 7kg,回
転 半径 は145 mmで あ る。潤滑油 はロー ラー支持腕 に斜 めに取 り付 け られ た パ イプによって主軸 の回転 によ り生 ず る遠心力 を利 用 し て供給 され る。 VS― molo「￨
(a)″=120 rpm
Fを.3 FrictiOn rollers attached to rotating shaft
2.2
実験方法 運転試験 は回転速度を ″=120∼ 350 rpmの範囲で6段 階 に変 えて行 い,そ
れぞれの回転速度 に対 する温度 およ び摩擦 トル クを測定 した。各点の温度 は熱電対 に よ り検 出 しマルチロガーによって自動記録 し,摩
擦 トル クは ト ル クメーターか らの出力 を動 ひずみ計 を用 いて増幅 し, い ったん トランジェン トレコーダーに記憶 させたの ちシ ンクロスコープ上 に掃引 させて測定 した。 回転速度 は反 射 式回転速度計 を用 いて測定 した。実験 はいずれの回転 速度 に対 して も摩擦円筒中央部 (摩擦 ローラー中央部 に 一致する)の温度 が 20℃ に達 した時点 か ら開始 した。 な お,本
実験 において は潤滑油 は外部か らも強制的 に給油 した。3.実
験 結 果 お よ び 考 察3. 1
摩擦 トル ク,摩
擦イ系数 と回転速度 の関係 Fig.4(a),(b)は それぞれ回転速度 η=120,300 rpmに お ける摩擦 トル ク波形 を示 す。 いずれの トル ク波形 にお い て も周期的な変動が認 め られ るが その変動量は小 さい ので,摩
擦 トル クは各 回転速度 に対 してほぼ一定である と考 えて よ1ゝもの と思われ る。 (b)η=300 rpm Fig.4 Torque waveformsｏ ｏ ａ ｏ ス ⊂ ｏ 一一 ① 一﹂ 一 一〇 一Ｃ Φ 一〇 ﹂ 一① ０ ０ Ｅ 学ｏ 主 片 ① つ げ ﹂ ｏ ト
150 200 250 300 350
Speed oF「olot'on ∩ rpm Fを 。5 Relation betveen torque,coefficient of
friction and speed of rOtation
Fig.5は摩擦 トル ク
T,摩
擦係数 μ と回転速度 ″の関 係 を示す。 ここで,摩擦係数 μ は摩擦 ロー ラー と摩擦 円 筒 の接触面 に遠心力 解約2(物 :摩擦 ロー ラー1個の質 量,7:摩
擦 ローラーの回転半径,ω :主軸 の角速度)が 作用するとして求めたもので,μ=T/(3物
密の2身/2)(つJ: 摩擦円筒 の内径)で
与 え られ る。図 よ り摩擦 トル クは回 転速度 の増加 につれて増大す るの に対 し,摩
擦係数 は逆 に減少す る ことがわかる。 これは回転速度 の増加 につれOT
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鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第
14巻
てロー ラーの押 し付 け荷 重 (遠心力)が
増大す ること, また接触面 の潤滑状態が良 くなることによる もの と思わ れ る。3.2
仕事率 と回転速度 の関係 摩擦 トル クを測定す ることによって各回転速度 にお け る摩擦 による仕事率 を求 めることがで きる。Fig.6に仕 事率 略 と回転速度 夕の関係 を示 す。仕事率 は Ntt aω で与 え られ る。 図 よ り仕事率,す
なわ ち単位時間 当た り の発生熱量は 回転速度の増加 に ともない急激 に増大 す る ことがわか る。 150 200 250 300 350 Speed of rolQtion n rpm Fig.6 Relation between time rate of frictionwork and speed of rotation
3. 3
摩擦 円筒 (中央)の
温度 と運転時間の関係 回転速度 を ″=120∼350 rpmの範囲で6段階に変化 さ せた場合の,摩
擦円筒中央部 (摩擦 ローラーの中央部 に 一致する)に
おける温度 θと運転時間 チの関係 をFig.7 に示 す。図よ り発生温度 は回転速度 の増加 につれて高 く な ることお よび運転 開始直後 には温度 は急激 に上昇す る が運転時間 の経過 につれてその上昇割合 は減小 し,回
転 速度 に対 してあ る一定の温度 に近づ くことがわかる。今 回 は実験 の都 合上,回転速度 ″≦350 rpm,運転時間 サ≦ 30分の範囲で しか温度測定 を行 っていないため,発生最 高温度 は約8ばCと ナヒ較的低 い ように思われ るが,回転速 度 ″=350 rptalに対する結果 をみると運転開始後30分経 過時点 において も温度 はかな りの上 昇傾向を示 してお り, さらに高 回転速度,長
時間運転 を行 うことによって発生 温度 をlCXl°C以上 に上 げることが十分可能であると思われ 20∫ 20 Time t min Fを・7 Relation betveen temperature Of
frictio■ cylinder barrel and operatJig
til■c る。 これ らの ことか ら本研 究で試作 した摩擦式 エネル ー変換装置の実用性 はかな り高い もの と考 えられ る。
3,4
摩擦円筒の温度分布の時間的変化 Fig.8は 回転速度 ″=250 rpmに おける摩擦円筒の温 10Upper
end Middte Lower end
Fig.8 Change of temperature distribution of friction cylinder barrel with progre鵠 Of Operating time 〇。 ∞ ω ﹂コ 一 ０ ﹂⑩α Ｅ Φ 中 Ｌ ００ 妻 主 ぃ ユ 主 ﹂ ０ ュ ｃ Ｐ 一 Ｐ と 一Ｏ ω 一０ ﹂ ω Ｅ 常Ｐ
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＼ 、 ヽ ヽ イ度分布の時間的変化 を示す。図よ り運転開始直後は上, 下端に比べて中央部付近の温度上昇がかな り大 きいが, 10分経過以後 30分 までは摩擦円筒上の位置にかかわらず 温度上昇割合はほぼ等 しい ことが認められ
