電気電子情報工学専攻 助教
芳賀 仁


 

 

パワー研について

NTIC:先生が所属されている、パワー研について教えて頂けますか?

芳賀:パワー研は本学電気系の大石研究室、伊東研究室、宮崎研究室と、私が所属している近藤研究室で構成されています。電気工学にパワーエレクトロニクスと言う専門分野があるのですが、電気エネルギーを、エアコンやパソコン等の電気機器が求める形に効率よく変える技術のことです。例えばインバータを用いたモータの制御ですね。最近の半導体の技術を昔からある電力系統の技術と、さらにマイコンのプログラミングと言う3つ領域が合わさったものがパワーエレクトロニクスという分野で、長岡技術科学大学では古くからパワーエレクトロニクスを盛んに研究しています。

NTIC:パワーエレクトロニクスの分野では世界的に有名と伺いました。

芳賀:ありがとうございます。これまでパワーエレクトロニクスに関する多くの基本的な技術が長岡技術科学大学で提案されています。

NTIC:パワー研はいつごろ発足されたのでしょうか?

芳賀:長岡技術科学大の創立当初と聞いています。

 

インバータエアコン

NTIC:そこで、先生はパワーエレクトロニクスに関する研究をされているのですね。

芳賀:はい、そうです。インバータエアコンと言う言葉を耳にされたことがあると思うのですが、エアコンの心臓部であるコンプレッサー(圧縮機)の制御にインバータを採用しているエアコンのことです。これ(図1)がまさにインバータをいうものでパワーエレクトロニクスの技術がたくさん入っています。エアコンの室外機の中にこれ(図1)が入っているのです。エアコンの省エネをするためには、これ自体でも損失が熱として発生してしまうので、これ自体も省エネしましょう、この中で発生する損失も減らしましょうというのが私の研究です

NTIC:インバータをいかに省エネにするかを研究されているんですね。先生はこういうエアコンの会社にいらっしゃいましたよね。

芳賀:よく知っていますね。ダイキン工業にいました。

NTIC:やはり同じような研究をされていたのですか?

芳賀:はい。省エネもそうですし、コストを下げるということもしていました。そのためにはインバータの部品点数を減らすという必要があって、部品を減らしたからと言って、性能が悪化してしまったら元も子もないので、性能を維持しつつ部品も減らすというパワーエレクトロニクスの技術を開発する研究もしていました。

NTIC:パワーエレクトロスは、今言われているスマートグリッドとは違うのですか?

芳賀:関係はあります。スマートグリッドというのも自然エネルギーをいかに効率よく運用するか、いかに使いこなすかというものですが、効率よく使いこなせるのはインバータと蓄電池があるからできるのです。自然エネルギー能力をインバータの制御によって最大限発揮させる、要の技術です。

 

インバータとは

NTIC:そもそもインバータとは何をするものなのかを説明していただけますか?

芳賀:インバータは直流の電圧を交流の電圧に変換するものです。コンセントって穴が二つありますよね。この両端には電圧が発生しています。電力会社から送られてきた電圧を段階的に下げてここに出しているのですが、どんな電圧かと言うと、図2をご覧ください。横が時間で、縦が電圧です。ここに出てくる電圧というのは大きさが常に変化しているんですよ。ある時は0ボルトだったり、ある時は100ボルトだったり、ある時はマイナス100ボルトだったりと、時々刻々と電圧の大きさが変化しているのですね。(正と負の)向きさえも変わっているのです。そういう電圧がこのコンセントから出ているのです。電圧の向きが変わっているのを交流と言います。直流というのは向きの変わらない電圧が出ているのです。

NTIC:この時間というのはとてつもない速さですよね。

芳賀:はい。このコンセントから出てくる電圧の繰り返しの頻度は50ヘルツと言って、1秒間に50回の頻度で繰り返す波形がずっと出ていて、大きさは平均すると100ボルトです。
  インバータは、電圧の大きさも変えられるし、出てくる繰り返しの頻度(周波数)も自在に変えられるのですよ。コンセントからは50ヘルツ100ボルト(※東日本の場合ー50Hz、西日本の場合ー60Hz)という一定のものしか出てこないんですけれど、インバータではその振幅も変えられれば周波数も変えることができる。それがインバータというものです。
  どのように変えるかというと、例えばエアコンが求めているような夏の暑い時期にはたくさん仕事をさせたいから、その周波数を増やして仕事を多くさせる。一方今みたいな温暖な時期はあまりエアコンは仕事をさせなくていいので、与える周波数も電圧も低くする。エアコンのもとめている最も効率の良い適材適所の電気エネルギーを与えられるのがインバータなんです。

NTIC:なるほど。

芳賀:インバータエアコンが出てくる前には、同じ周波数の電圧しか加えられませんでしたから、こんな温暖な時期でもフル回転で回す→すぐに冷える→止める→暑くなる→またつける。というように、止めたり動かしたりを繰り返していたのですね。だから、部屋の温度が一定に定まらなかったため、快適さを提供できなかったんです。でも、インバータで制御すれば部屋の温度を25度に保つことができる。エアコンに適正な電気エネルギーを供給するから効率が良いし、使用する人も温度が一定に感じられるから快適に過ごせるようになりました。

NTIC:インバータの回転数はどのくらいからコントロールできるのですか?

芳賀:今は、コンプレッサーは1秒間に約10回転から最高120回転まで細かく変えられます。ですので、1分間で最高7200回転ですね。

NTIC:そのインバータを先生のところは1から全部作っているのですか?

芳賀:はい。物を売るわけではなく、基礎的なところを研究するので、この部屋にあるものは全部自作しているものですね。

NTIC:実際にエアコンにつないで実験されているのですか?

芳賀:エアコンのつけることはしていないです。でも、エアコンを想定した実験をしています。例えば、こちらなんですが・・・

(隣の部屋に移動する)

芳賀:エアコンとかコンプレッサーをそのまま動かすことはできませんから、我々が作ったインバータに、エアコンを模擬した装置(図3)を接続して、性能を評価しているんです。これはエアコンのコンプレッサーに実際に入っているモータを抜き出して実験・評価できるようにしたものです。左側がモータで、右側はエアコンの室外機の中身を模擬している装置です。

NTIC:このモータで何Kwくらいありますか?

芳賀:最大2Kwくらいですね。

NTIC:そんなにあるのですか。小さいですね。

芳賀:私の専門外ですが、モータ自体もどんどん省エネが進んでいます。中にネオジウム磁石という非常に磁力の強い永久磁石を利用して省エネを図っています。レアアースを使ったモータですね。

NTIC:本当にコンパクトになりましたね。インバータエアコンが出始めてから何年くらいですか?

芳賀:30年近いですかね。

NTIC:インバータエアコンによって、どれくらい省エネ性が改善されましたか?

芳賀:インバータを用いないエアコンに比べて消費電力を30%以上減らしています。
  エアコンの省エネ性が2パーセント改善されれば、原発が1基必要なくなると例えられています。それだけエアコンと言うのは日本の中で電力を使っている装置なのですね。ですので、我々は省エネ性を1%改善しようとか、2%改善しようという努力を積み重ねて省エネ性を改善し続けているのです。

NTIC:すごい世界ですね。

芳賀:そうですね。いろいろな試行錯誤を繰り返しながらやっています。

NTIC:先生はインバータの研究一筋なのですね。

芳賀:そうですね。しかし対象は異なります。エアコンを対象にしたインバータだったり、電気自動車用の充電器を対象にしたインバータだったり、あと、無停電電源装置と言って、停電した時に作業中のパソコンがすぐにダウンしないようにバックアップする装置もインバータの応用なので、その省エネの研究もやっています。キーワードはインバータなのですが、アプリケーションがあるゆる電化製品に使われているのでそれぞれの用途に応じたインバータの研究をしています。

NTIC:やはり、対象物によってインバータの種類は変わるのですか?

芳賀:はい。変わります。入ってくる電圧も変われば、欲しい電圧も変わりますので、商品の要求によって全部変わります。

NTIC:先生の研究はレベルアップするためにはいろんな意味でいろんな角度からやらなければならないと思うのですが、主な研究は回路研究なのですね。

芳賀:そうです。インバータの回路研究です。いつも我々の研究というのはすぐそばに産業界の応用先が目に見えて研究が始まっているので、大学だけではできないところもあるんですね。産業界からこういうインバータが欲しいとか、こういう電源が欲しいとかいうニーズをいただければすぐに取り掛かれます。

NTIC:では、すでにいろんなところと共同研究はされているのですね。

芳賀:はい。そうですね。
  見てわかるように、モノづくり中心なんですね。私の場合、頭を使うよりも手を先に動かして、それで良い結果が出てから、何故うまくいったのだろうと。

NTIC:でも、一応考えてからされているのですよね。

芳賀:一応は。でも、私の場合、頭の中じゃ整理できないことってたくさんあるので、手だけ先に進んで、試行錯誤っていうことをしています。

NTIC:職人さんみたいですね。

芳賀:そうかもしれないですね。そういう意味でも「パワー研」ですね。体力勝負(笑)。頭で解決できなかったら時間をかけて徹夜してでも結果を出して、結果が出てからなんで出たんだろうってことを逆に頭の中で整理するという(笑)。

NTIC:では、このGWもお休みなしでしたか?

芳賀:そうですね。ちょうど学会の締め切りが、我々の分野の学会ではGW明けや、正月明けにあるんです。

NTIC:休むなってことですね(笑)。

芳賀:GW前に仕事を終わらせれば良いということは百も承知ですが。特にGW明けと正月明けは全国規模の学会なので、必然的にGWと正月休みはないです。上手くできています(笑)。

NTIC:上手くできているのですね(笑)。では、今ちょうど追われているのですね(笑)。主たるターゲットは何ですか?

芳賀:これまでは主にエアコンや無停電電源装置をターゲットに研究しています。

NTIC:そのほかにこの分野に進んでみたいという、目を付けているところはありますか?

芳賀:それは、電気自動車、そして自然エネルギーの応用です。電気自動車や自然エネルギーはどんどん普及してきていますので、電気を充放電する必要があります。その充放電する装置がいわゆるインバータです。

NTIC:充電器となると、先ほどの無停電電源装置と似ている気もするのですけれど、バッテリーに充電するために電気を供給する電源が、安定した商用電源から、自動車の走行状態に応じて変動する不安的な電源になるわけですよね?

芳賀:はい。仕様が変わってくるということですね。

NTIC:エアコンに限っていうと、いわゆる入力と出力の効率はどれ位なものなのでしょうか?

芳賀:今の変換効率は90%程度です。

NTIC:それでも高いですね。昔の大きなモータの時代はどれくらいだったのですか?

芳賀:80%くらいでしょうかね。でも、損失だけでみると、半分に減っていますね。

NTIC:10年前と家電も電気代が全然違うって言いますものね。

芳賀:10年前のエアコンを使い続けるよりも、新しい省エネタイプのエアコンを買った方が経済的に元を取れるって言いますからね。

NTIC:そうですよね。うちも買い替えを検討した方が良いですかね(笑)。でも、最初の初期投資がかかりますからね。

芳賀:そうなんです。ですから、私がやっているインバータの研究は、日本のエアコンだけでなく、グローバルに展開したい。省エネを世界規模で広げたいと思っているんです。日本のエアコンは90%以上がインバータエアコンなのですが、海外に行くとまだ10、20パーセントしか普及していないのですよ。それはなぜかと言うと、高いからなんですね。インバータエアコンは省エネ性は良いけれど、値段が高いのです。東南アジア等は非常に熱い地域なのですが、ほとんどインバータエアコンがないのです。

NTIC:地球に優しくないですね。

芳賀:ですから、私の夢は、日本の持っているインバータ技術を低コストで世界中に広げたい。そのために、インバータはコストがネックなので、極力インバータの値段を下げるような回路技術を作る。エアコンの研究なのですけれども、対象は世界です。世界のエアコンを全部インバータエアコンにするために、お客さんに買ってもらえるように安いインバータエアコンを同じ性能で出せるように研究しているのです。

 

技術のブラックボックス化

 

NTIC:グローバルに展開したいとのことでしたが、海外へ展開するとどうしても技術・情報・性能の流出の問題が出てくるかと思うのですが、その辺に対しての防御策というのはどうされているのでしょうか。

芳賀:個人の意見ですが、公開しないことです。特許すら出さないでブラックボックス化してしまうことですね。今見せたインバータは、買ってくれば分解して中身が全部見えてしまうので、そういう見える技術は特許にする必要がありますが、見ても判らない重要なものは特許にしません。そのかわり、特許にしないということは使ってもいいということにはなりませんから、見えなくする工夫が重要です。

NTIC:重要なコントロール部分だけをブラックボックスにしようということですか?

芳賀:はい。ICチップだけを見ても何をしているかはわからないですよね。そういうようなことを大きくインバータ装置としてブラックボックス化すれば、誰が買ってきてもわからない。

NTIC:と言うことは、日本でこれを作って、海外で製品化しようとするときは日本からこれを買わなければならいという仕掛けにしようということですね。

芳賀:そうです。私がやっているのは、インバータの回路の設計もそうですが、中のマイコンの制御と言う非常に外部から分かりにくいところも研究の対象としていますから、そういうことで優位に立つしかないだろうと思っています。資源やコスト(人件費)の勝負は厳しいですから、その分技術で勝負してはいかがでしょうか。

NTIC:なるほど。インバータにソフトウェア的な要素が大量に含まれているのは知りませんでした。
  今日はお忙しい中、インタビューに応じていただきありがとうございました。