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K.Tachibana
,
C1 Lab.
シャルルの法則：体積は温度に比例：V/T=一定
ボイル・シャルルの法則：pV/T=一定
気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT
熱サイクルとその応用について調べてみましょう。
下記の熱サイクル、 あるいは、これらの逆サイクルの中からひとつ選びましょう。
| 向き | 熱サイクルの種類 | 性質や特色 | 応用例 | |
|---|---|---|---|---|
| 温度差 ⇒ 力学 | カルノーサイクル 1 ) 2 ) | 理論・受験（完全気体を仮定するので、計算が容易） | ||
| オットーサイクル | 火花点火式式容積型 内燃機関 （燃料＝ガソリン、プロパン、水素） （作動流体＝排気ガス＝二酸化炭素、水） | 自動車（ガソリンエンジン） タクシー（プロパンガスエンジン）、水素自動車（水素エンジン） | ||
| ディーゼルサイクル | 圧縮着火式容積型 内燃機関 （燃料＝軽油） （作動流体＝排気ガス＝ 二酸化炭素 、水） | バス・船（ディーゼルエンジン） | ||
| ランキンサイクル | 実在流体サイクル （流体＝水、 冷媒 ） | 蒸気機関・ 火力発電 3 ) ・原子力発電 | ||
| ブレイトンサイクル | オープンサイクル：燃料＝（灯油、軽油、化石燃料） クローズドサイクル：作動流体＝（ヘリウム） | 火力発電、複合発電 （タービンエンジン）・ジェット機（ジェットエンジン） * | ||
| アトキンソンサイクル | ||||
| クラウドサイクル | ||||
| スターリングサイクル | 外燃機関 | |||
| 力学 ⇒ 温度差 | 逆ランキンサイクル | 作動流体： 冷媒 （有機流体） | ヒートポンプ * （エアコン、冷蔵庫）・冷凍機 | |
| リンデサイクル 4 ) | 液化、酸素の製造 |
熱サイクルにはいろいろな種類があります 5 ) 。 エアコンや冷蔵庫の作動流体である冷媒は、 温室効果ガスになります。
効率化のために燃料にアンチノック剤などを添加
バイオマス燃料などが使える。
運転時の環境への懸念
廃棄時の環境への懸念
選んだ熱サイクルの特徴と、それを応用した工業製品を調べてみましょう。
選んだ熱サイクルを応用した工業製品（自動車（エンジン）、エアコン、冷蔵庫、発電機の動力源、ポンプなど）のサプライチェーンを 無機材料までさかのぼってみましょう。 その無機材料が、 酸・アルカリ工業、 電気化学工業、 鉄鋼業、 非鉄金属工業、 窯業のいずれによって生産されたか、以前に授業でとりあげたテーマと関連付けましょう。
なぜ、物質が熱サイクルに運転に必要なのか、 特に作動流体が熱サイクルに果たす役割について議論してみましょう。 近年、設備の老朽化により腐食などで、冷媒の漏出事故が相次いでいます。 冷媒漏れの事故を防ぐにはどうしたらよいかも議論してみましょう。
また、選んだ熱サイクルを応用した工業製品の 構造概略図、 ｐＶ線図 、 ＴＳ線図 の概略図を示しましょう。
ｐＶ線図は、横軸が示量性変数の体積V、縦軸が示強性変数の圧力pで、グラフの囲まれた面積は力学的エネルギーpVを表します。 ＴＳ線図は、横軸が示量性変数のエントロピーS、縦軸が示強性変数の温度Tで、グラフの囲まれた面積は熱エネルギーTSを表します。 熱サイクルがｐＶ線図とＴＳ線図に描く軌跡から、熱サイクルの力学的エネルギーと熱エネルギーの変換の特徴を、直感的に理解できます。
ｐＶ線図の例については、最新工業化学 p61コラムにあります。
さらに、その工業製品が現在抱えている課題（たとえば、老朽化に伴う冷媒漏出事故の増加）について議論し、 それを解決するための商品を提案しましょう。 提案は、メーカーの研究開発の立場で行うこと。 リサイクルやリユースは、メーカーの立場ではありません。
その商品を開発するために、下記の表から、部門を選び、その立場で議論しましょう。 それぞれ部門がそのように研究開発計画に参入すればよいか、 ガントチャート にまとめてみましょう。
| 分類 | 部門 | 説明 |
|---|---|---|
| 間接部門 | 研究・開発 | 新商品の 研究開発。 |
| 知財・法務 | 特許 戦略を立てる。 係争になりそうな案件はイヤ！ | |
| 人事 | 人件費がかかりそうな案件はイヤ！ | |
| 総務 | 給与計算、勤怠管理、評価など。働き方改革に逆行する案件はイヤ！ | |
| 直接部門 | 営業 | 受注、クレーム対応。利幅の取れないのはイヤ！ |
| 技術 | メンテナンスに手間のかかる設備の導入はイヤ！ | |
| 生産技術 | 工程の設計。作業標準の作成。 十分な試作データのない新製品はイヤ！ | |
| 生産管理 | 生産量の管理、納期の管理、資材と製品の在庫管理。 仕掛品が多いのはイヤ！ | |
| 購買 | コスト（固定費、変動費） 6 ) 、安定供給元の確保、納期の確認。 入手しづらい資材を使うのはイヤ！ | |
| 製造 | 無理、無駄、ムラをなくす。タクトタイムを短く。シフト管理。 手間が増えて複雑なのはイヤ！ | |
| 品質管理 | 検査基準の作成。 許容誤差の指定がなく、良否の判断ができないのはイヤ！ |
例）
スターリングサイクル を選んだ。
スターリングサイクルは、1816年にスターリングによって考案された。 逆向きに作用する、膨張ピストンと圧縮ピストンが配置される。 それぞれを高温熱源と低温熱源に接触させ、両者の中間に再生器を設けた外燃機関である。 理論熱効率がカルノーサイクルに等しく、多様性のある熱エネルギーの活用にも適しているという特徴がある。
工業製品としては、バイオマス発電のスターリングエンジン がある。 グリーンパワーテクノ（株）の 籾殻発電機では、籾殻を燃焼したときの熱で、スターリングエンジンを動かして 7kWの電力を作り出している。
スターリングエンジンの材料は、鉄やアルミニウムなどの金属からなる。
スターリングエンジンの構造、ｐＶ線図、ＴＳ線図は、たとえば次のサイトにある。
https://www.nmri.go.jp/oldpages/eng/khirata/stirling/cycle/index.html
http://www.kob-sc.uh-oh.jp/stirling/stirlingIntro.html
スターリングエンジンには未来のエンジンと言われながらも課題を抱えている。 そのひとつは、構造が複雑なため、出力の割にサイズが大きくなることであろう。
たとえば、３Ｄプリンタで製造するスターリングエンジンというのはどうだろうか。 現在では、精密な アルミニウムの 金属３Ｄプリンタも利用可能になりつつある。 複雑な構造を低コストで製造できれば、個人用の発電システムとしての選択肢になりそうだ。
太陽光発電とスターリングエンジンと３Ｄプリンタ
スターリングエンジンを３Ｄプリンタで
平常演習の配点は、授業1回ごとに、一律加点です。 平常演習には、ワークショップ、意見交換、発表、質疑応答など授業時間内の学習活動を含みます。 そのほかに授業時間外の0.5時間の学習活動を含みます。 平常点は、期末にWebClassの成績評価申請書に申告していただき集計します。
授業時間外の活動の一助としてWebClassへの提出を推奨します。〆切は講義後１週間です。 ただし平常点の加点は、授業時間内の学習活動も含みますので、 WebClassへの提出のみでの、平常点の申告はご遠慮ください。
WebClassへの平常演習提出は、推奨しますが、必須ではありません。 提出されていなくとも、成績評価申請書に、各回の授業時間以外の0.5時間の取り組みが申告されれば十分です。未提出だからと心配することはありません。
成績評価申請書では、それぞれの授業で何を学び身につけたかを申告してもらいます。 WebClassに提出したかどうかより、身につけることを優先してください。 授業で取り上げたトピックや、グループワークの意見交換の内容は、期末までノート 7 ) などに記録しておくことを推奨します。 逆に授業に参加していないのに、WebClassの出席や提出だけの場合は不正行為として扱うことがあります。 平常の取り組みだけで、「到達目標を最低限達成している。成績区分：C」となります。 評点が60点に満たない場合は、不合格となります。 欠席した場合、課外報告書へ取り組むことで挽回してください。 出席が60%に満たない場合、課外報告書を提出しても、単位認定できません。
