JP2009019680A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 液体の突沸現象を用いて周期的な動力が得られるアクチュエータを提供する。
【解決手段】 アクチュエータ１０は、液体となる作動流体Ｆが収容された容器１１と、容器１１の下側部分を加温する加温手段１３と、容器１１の上側部分を冷却する冷却手段１５と、容器１１の上端側に付随して設けられ、作動流体Ｆの突沸現象により動作可能な動作部１８とを備えている。容器１１は、下側の蒸発部２２と上側の凝縮部２３とからなる。加温手段１３は、作動流体Ｆの突沸現象によって容器１１内の圧力が周期的に変動可能となるように作動流体Ｆを過熱状態にする。そして、蒸発部２２内の作動流体Ｆが突沸したときに、気化した作動流体Ｆが凝縮部２３に移動したときに冷却手段１５で凝縮して再び液化して蒸発部２２に戻す。これによって、容器１１の内部空間Ｓの圧力が周期的に変動し、当該圧力変動に応じて動作部１８が周期的に動作する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体の突沸現象を動力として利用したアクチュエータに関する。

従来から、ヒートパイプ等において、管路や容器の内部に密閉された液体が過熱状態になったときに、前記内部の圧力が急激に上昇して液体を移動させる突沸現象（ガイザリング現象）が知られている（特許文献１参照）。この突沸現象は、これまでの研究により、次のようにして発生することが分かっている（非特許文献１参照）。すなわち、液体の本来の沸点温度に達しても、何らかの理由によって液中の気泡が液外に出ないような場合には、液体が沸騰せずにエネルギーが液中に溜められ、本来の沸点よりも更に高温となる過熱状態で液体が沸騰すると、前記エネルギーによって、前記内部が通常の沸騰状態よりも高圧となり、液体の一部が気化すると同時に残りの液体が移動することになる。
特開２００４−６１０８０号公報 Ｃｈｉ−Ｙｅｈ Ｈａｎ、Ｐｅｔｅｒ Ｇｒｉｆｆｉｔｈ、「ＴＨＥ ＭＥＣＨＡＮＩＳＭ ＯＦ ＨＥＡＴ ＴＲＡＮＳＦＥＲ ＩＮ ＮＵＣＬＥＡＴＥ ＰＯＯＬ ＢＯＩＬＩＮＧ−ＰＡＲＴ Ｉ」、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ、Ｇｒｅａｔ Ｂｒｉｔａｉｎ、Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ、１９６５年１月１４日、Ｖｏｌ．８，ｐｐ８８７−９０４

これまで、突沸現象に関しては、非特許文献１等に示されるように、その発生メカニズムに関する研究が行われている他、特許文献１等に示されるように、ヒートパイプでの突沸防止技術の研究が行われているが、突沸現象を新たなアクチュエータの動力源として利用する研究は行われていない。これまでの研究では、動力源として利用するのに不可欠となる周期的な圧力変動を突沸現象から得る手段や手法が知見されておらず、圧力制御が難しい突沸現象は、アクチュエータの動力源としての利用が困難とされてきた。しかしながら、本発明者らは、鋭意、実験研究を行った結果、突沸現象から周期的な圧力変動を得ることのできる各種条件等を知見した。

本発明は、このような知見に基づいて案出されたものであり、その目的は、液体の突沸現象を利用して周期的な動力を得ることができるアクチュエータを提供することにある。

（１）前記目的を達成するため、本発明は、液体となる作動流体が収容された容器と、前記容器の所定部分を加温する加温手段と、前記容器の所定部分を冷却する冷却手段と、当該容器に付随して設けられた動作部とを備え、
前記作動流体は、所定の形状を維持可能な物体が混入された上で、前記容器内に密閉され、
前記容器は、前記作動流体の収容部分となって当該作動流体が前記加温手段で加温される蒸発部と、当該蒸発部で気化された前記作動流体を前記冷却手段で冷却、凝縮して前記蒸発部に戻す凝縮部とを備え、
前記加温手段は、前記作動流体の突沸現象によって前記容器内の圧力が周期的に変動可能となるように前記作動流体を過熱状態にし、
前記動作部は、前記容器内の圧力に応じて動作可能に設けられる、という構成を採っている。

（２）また、前記作動流体はフッ素系不活性液体であり、前記加温手段は、前記作動流体を６９℃〜８０℃の何れかの温度にする、という構成を採ることが好ましい。

（３）更に、前記作動流体はメタノールであり、前記加温手段は、前記作動流体を６９℃〜９０℃の何れかの温度にする、という構成を採ることもできる。

（４）また、前記作動流体は水であり、前記加温手段は、前記作動流体を１１０℃〜１２０℃の何れかの温度にする、という構成を採ることもできる。

なお、本明細書において、位置若しくは方向を表す「上」、「下」は、特に明示しない限り、鉛直方向における「上」、「下」を意味する。

本発明では、作動流体内で所定の形状を維持可能な物体を混入し、且つ、容器内の圧力が周期的に変動可能となる所定範囲の温度で作動流体を過熱状態にすることで、液体の突沸現象から周期的な動力を得ることが可能になった。つまり、前記物体の混入によって、本来の沸点温度での作動流体の沸騰が阻害され、前記温度で作動流体を過熱状態にすることで、次のように周期的な圧力変動が得られる。先ず、蒸発部に収容された作動流体が加温手段で前記温度に加温されて過熱状態になると、当該作動流体が気化し、突沸現象によって容器内の圧力は通常の沸騰状態よりも高くなる。そして、気化された作動流体は、凝縮部に移動して冷却手段で冷却されて凝縮し、再び液体となって蒸発部に戻される。このとき、蒸発部内の作動流体の温度が下がり、容器内の圧力が減少する。そして、作動流体が加温手段で再び過熱状態とされ、前述の動作が繰り返し行われる。従って、容器内では、周期的な圧力変動が発生し、当該圧力変動によって、動作部が周期的すなわち反復継続的に動作することになる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係るアクチュエータとしてのエンジンを概念的に示した概略断面図が示されている。この図において、エンジン１０は、液体となる作動流体Ｆが収容された容器１１と、容器１１の下側部分を加温する加温手段１３と、容器１１の上側部分を冷却する冷却手段１５と、容器１１の上端側に付随して設けられ、作動流体Ｆの突沸現象によって動作可能な動作部１８と、加温手段１３と冷却手段１５の間に設けられた断熱手段２０とを備えて構成されている。

前記作動流体Ｆは、後述する突沸現象を生じさせることのできる限り、一般的に用いられる有機溶媒や水溶媒等、種々の液体を用いることができる。有機溶媒としては、例えば、フッ素系不活性液体（商品名：フロリナート）、メタノール、ジメチルスルホキシド、ヘキサン、アセトン、フロン等が挙げられる。また、水溶媒としては、水の他に、マロン酸、クエン酸、リンゴ酸等の有機酸を含む水溶媒が挙げられる。また、作動流体Ｆには、粒状若しくは片状の物体Ｍが混入される。この物体Ｍは、常時、作動流体Ｆ中で所定の形状を維持可能なものであれば、材質、形状、比重、数量は特に限定されるものでなく、使用する作動流体Ｆの種類によって適宜選択される。この物体Ｍとしては、例えば、アルミニウム、真鍮、銅、鉄等の金属や、ＡＢＳ、塩化ビニル等の樹脂や、ゴム等が挙げられる。

前記容器１１は、特に限定されるものではないが、一端側が開放する有底の管状に設けられており、上端側が開放部分で下端側が底部分となるように、鉛直方向に沿って起立配置されている。この容器１１の下側部分は、作動流体Ｆの収容部分となって当該作動流体Ｆが加温手段１３で加温される蒸発部２２となる。一方、容器１１の上側部分は、蒸発部２２に連なって、蒸発部２２で気化された作動流体Ｆが冷却手段１５で冷却、凝縮される凝縮部２３となる。

前記加温手段１３は、容器１１の外側から、蒸発部２２内の作動流体Ｆを加熱して所定の温度にすることのできる公知の構造が採用されている。この加温手段１３では、後述するように、作動流体Ｆの突沸現象を発生させ、容器１１の内部空間Ｓの内圧が周期的に変動（振動）するように、作動流体Ｆをその沸点よりも高温の過熱状態にする。ここで、加温手段１３での加熱温度は、作動流体Ｆの種類に応じて異なるが、例えば、作動流体Ｆがフッ素系不活性液体の場合は、６９℃〜８０℃の範囲内になるように設定される。また、作動流体Ｆがメタノールの場合は、６９℃〜９０℃の範囲内になるように設定され、作動流体Ｆが水の場合は、１１０℃〜１２０℃の範囲内になるように設定される。

前記冷却手段１５は、容器１１の外側から凝縮部２３を冷却することのできる公知の構造が採用されている。つまり、加温手段１３によって蒸発部２２内の作動流体Ｆが突沸したときに、当該作動流体Ｆが気化し、その蒸気が蒸発部２２の上方に位置する凝縮部２３に移動すると、当該蒸気を冷却手段１５により所定の冷却温度で冷却して凝縮するようになっている。ここでの冷却温度としては、例えば、作動流体Ｆがフッ素系不活性液体、メタノール、水の何れの場合も、室温程度（２５℃）以下とされる。

前記動作部１８は、容器１１の開放部分を閉塞可能に容器１１内に挿入されたピストン１８Ａと、当該ピストン１８Ａの上側に連なるロッド１８Ｂとを備えている。ピストン１８Ａは、その外周面が容器１１の内周面にほぼぴったりと接触するように、図示しない潤滑剤を介して容器１１内に嵌め入れられている。これにより、ピストン１８Ａは、容器１１の内部空間Ｓを密閉するとともに、内部空間Ｓの圧力に応じて上下動可能となる。つまり、ピストン１８Ａは、容器１１を密閉したまま、後述するように、作動流体Ｆの突沸現象による内部空間Ｓの周期的な圧力変動に応じ、ロッド１８Ｂとともに容器１１内を上下方向に周期的に摺動（振動）する。

前記断熱手段２０は、公知の断熱材によって構成されており、蒸発部２２の加温状態と、凝縮部２３の冷却状態とを適正に維持できるように、これら各部分２２，２３間の伝熱を阻止或いは規制するようになっている。

本実施形態のエンジン１０は、次のように動作する。

先ず、図１に示されるように、容器１１の下側の蒸発部２２に作動流体Ｆが収容された状態で、加温手段１３の加温によって作動流体Ｆが所定の過熱状態になると、作動流体Ｆが沸騰し始め、通常の沸点温度では作動流体Ｆ中に残っていた気泡が、過熱状態によって成長しながら上昇し、作動流体Ｆの気化とともに内部空間Ｓの圧力が増大する。そして、当該圧力の増大により、気化した作動流体Ｆとともに液体状態の作動流体Ｆも上方に押し上げられ、ピストン１８Ａが上方に移動する。そして、気化した作動流体Ｆは、冷却手段１５により冷却されて凝縮され、液化した作動流体Ｆが、重力によって図１の破線で示されるように、容器１１の内壁部分を伝って蒸発部２２に戻され、蒸発部２２内の作動流体Ｆが一時的に冷却されることになる。このとき、内部空間Ｓの圧力が下がり、ピストン１８Ａが下方に移動する。そして、再び、蒸発部２２の作動流体Ｆが過熱状態となり、前述した動作が繰り返し行われ、ピストン１８Ａが周期的に上下動することになる。

次に、本発明者らの実験により、以下の通り、突沸現象による周期的な圧力変動を発生させる各種条件が実証された。

ここでは、図２に示される実験用のエンジン３０を用いて実験を行った。なお、以下の説明において、前述したものと同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。

本実験においては、作動流体Ｆとして、フッ素系不活性液体、メタノール、及び水の三種類を用い、それぞれ容器１１内に４．５ｍｌ注入した。また、作動流体Ｆに混入される物体Ｍとして、アルミニウム、真鍮、銅、鉄、ＡＢＳ、塩化ビニル、ゴムからなる粒状のものをそれぞれ用いた。また、容器１１として、長さＬ１が１６５ｍｍ、外径Ｒ１が１２ｍｍ、内径Ｒ２が１０ｍｍとなるガラス試験管を用いた。更に、加温手段１３として、蒸発部２２を所望の加熱状態にする液槽を用い、冷却手段１５として、凝縮部２３を所望の冷却状態に水冷する水冷ジャケットを用いた。また、ピストン１８Ａとして、長さＬ２が３．５ｍｍで直径が９．９ｍｍとなるアクリル製の円柱状のものを用いた。ここで、ピストン１８Ａの外周面には、図示省略したグリスを塗布し、当該グリスにより、容器１１とピストン１８Ａの間の隙間を埋めて容器１１の密閉状態を確保しながら、ピストン１８Ａを摺動可能とした。

本実験内容は、それぞれの作動流体Ｆに対し、加熱温度及び冷却温度を変えるとともに、加熱条件及び冷却条件毎に、物体Ｍの種類及び粒径を変え、内部空間Ｓの圧力を圧力センサ３１で経時的に測定することで、内部空間Ｓの圧力変動幅を求めるともに、ピストン１８の摺動状態をカメラ３２で撮像して観察した。

前記フッ素系不活性液体に関しては、加熱温度を６６℃から９０℃までの間で３℃ずつ上げた。そして、各加熱温度にて、２５℃から５度までの間で５℃ずつ下げた。また、各加熱温度及び冷却温度において、前述の各種材質の物体Ｍについて、粒径１ｍｍのものを１、２、３、６、９、１５個入れた場合と、粒径７ｍｍのものを１、２、３、４、５個入れた場合で、それぞれ、内部空間Ｓの圧力変動幅を求め、且つ、ピストン１８Ａの振動状態を観察評価した。

その結果、物体Ｍの粒径及び数量に関係なく、加熱温度６９〜８０℃の間で周期的なピストン１８Ａの振動状態を得ることができた。すなわち、加熱温度が６９℃未満では、突沸現象が発生せず、８０℃を超えると、ピストン１８Ａの周期的な振動が得られなかった。また、例えば、加熱温度６９℃、冷却温度１５℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約８ｋＰａとなり、加熱温度８０℃、冷却温度１５℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約２０ｋＰａとなった。また、加熱温度６９℃、冷却温度１０℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約１０ｋＰａとなり、加熱温度６９℃、冷却温度５℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約１２ｋＰａとなった。また、冷却温度に関しては、室温程度（２５℃）以下であれば、周期的な圧力変動を発生させることが可能であり、加熱温度よりも低い限り、圧力変動の発生を阻害することはない。この実験から、冷却温度を一定にし、圧力変動状態を得ることが出来る前記範囲内で加熱温度を上昇させると、圧力変動幅が線形的に上昇するとともに、加熱温度を一定にし、冷却温度を下降させても、圧力変動幅が線形的に上昇することが実証された。従って、冷却温度を極力下げ、前記範囲内で加熱温度を上昇させる程、大きな圧力変動幅が得られることになる。

メタノールに関しては、加熱温度を６６℃から１００℃までの間で３℃ずつ上げた他は、フッ素系不活性液体の場合と同様の条件とした。

その結果、物体の粒径及び数量に関係なく、加熱温度６９〜９０℃の間で周期的なピストン１８Ａの振動状態を得ることができた。すなわち、加熱温度が６９℃未満では、突沸現象が発生せず、９０℃を超えると、ピストン１８Ａの周期的な振動が得られなかった。また、例えば、加熱温度６９℃、冷却温度１０℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約５ｋＰａとなり、加熱温度９０℃、冷却温度１０℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約１５ｋＰａとなった。また、加熱温度６９℃、冷却温度１０℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約８ｋＰａとなり、加熱温度６９℃、冷却温度５℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約１０ｋＰａとなった。従って、加熱温度の適用範囲が異なる他は、フッ素系不活性液体の場合と同様の結果及び考察が得られた。

水に関しては、加熱温度を１００℃から１３０℃までの間で３℃ずつ上げた他は、フッ素系不活性液体の場合と同様の条件とした。

その結果、物体Ｍの粒径及び数量に関係なく、加熱温度１１０〜１２０℃の間で周期的なピストン１８Ａの振動状態を得ることができた。すなわち、加熱温度が１００℃未満では、突沸現象が発生せず、１２０℃を超えると、ピストン１８Ａの周期的な振動が得られなかった。また、例えば、加熱温度１１０℃、冷却温度１０℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約１０ｋＰａとなり、加熱温度１２０℃、冷却温度１０℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約２５ｋＰａとなった。また、加熱温度１１０℃、冷却温度１０℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約８ｋＰａとなり、加熱温度１１０℃、冷却温度５℃では、内部空間Ｓの圧力変動幅が約３０ｋＰａとなった。従って、加熱温度の適用範囲が異なる他は、フッ素系不活性液体の場合と同様の結果及び考察が得られた。

従って、このような実施形態によれば、液気間の相転移を用いているため、気体の膨張収縮を利用したスターリングエンジン等とは異なり、大きな動力を使って周期的な運動を行うことができるという効果を得る。

なお、前記実施形態では、エンジン１０に本発明を適用した例を図示説明したが、本発明はこれに限らず、図３に示されるように、他のアクチュエータとして、例えば、ポンプ５０にも適用可能である。ここでは、動作部１８が、容器１１の開放部分を包んで閉塞する袋状の弾性バルーン体５２となっており、当該弾性バルーン体５２がケーシング５３内に収容された構造になっている。当該ケーシング５３には、その内部空間Ａにそれぞれ通じる流入路５４及び流出路５５が形成されており、容器１１内の突沸現象によって、所定の流体が流入路５４からケーシング５３の内部空間Ａに流入して流出路５５から外部に排出される。つまり、前述したように、容器１１の内部空間Ｓの圧力変動が発生すると、当該圧力変動に伴って弾性バルーン体５２が周期的に膨張、収縮し、弾性バルーン体５２の変形によって、ケーシング５３の内部空間Ａの体積が変動し、これに伴って、流体がケーシング５３に対して流入及び流出することになる。

また、前記実施形態やその変形例では、容器１１の下側を蒸発部２２とし、容器１１の上側を凝縮部２３とし、容器１１を鉛直方向に沿って設置することで、重力を利用した蒸発部２２と凝縮部２３との間の作動流体Ｆの流通が行われている。しかしながら、本発明はこれに限らず、蒸発部２２からの蒸気が凝縮部２３に移動し、当該凝縮部２３で凝縮された作動流体Ｆが蒸発部２２に戻される構成であれば、ポンプや所定の流体回路等を利用した種々の構成変更も可能である。但し、前記実施形態やその変形例の構成の方が、ポンプ等を駆動するための特別な動力が不要となって、突沸現象からアクチュエータの動力を効率的に得ることができる。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

本発明は、エンジン、ポンプ等、周期的に動作するアクチュエータの動力源として利用可能となる。

本実施形態に係るエンジンを概念的に示した概略断面図。 実験に用いたエンジンの概略断面図。 変形例に係るポンプを概念的に示した概略断面図。

符号の説明

１０ エンジン（アクチュエータ）
１１ 容器
１３ 加温手段
１５ 冷却手段
１８ 動作部
２２ 蒸発部
２３ 凝縮部
３０ エンジン（アクチュエータ）
５０ ポンプ（アクチュエータ）
Ｆ 作動流体
Ｍ 物体

Claims (4)

1. 液体となる作動流体が収容された容器と、前記容器の所定部分を加温する加温手段と、前記容器の所定部分を冷却する冷却手段と、当該容器に付随して設けられた動作部とを備え、
   前記作動流体は、所定の形状を維持可能な物体が混入された上で、前記容器内に密閉され、
   前記容器は、前記作動流体の収容部分となって当該作動流体が前記加温手段で加温される蒸発部と、当該蒸発部で気化された前記作動流体を前記冷却手段で冷却、凝縮して前記蒸発部に戻す凝縮部とを備え、
   前記加温手段は、前記作動流体の突沸現象によって前記容器内の圧力が周期的に変動可能となるように前記作動流体を過熱状態にし、
   前記動作部は、前記容器内の圧力に応じて動作可能に設けられていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記作動流体はフッ素系不活性液体であり、
   前記加温手段は、前記作動流体を６９℃〜８０℃の何れかの温度にすることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記作動流体はメタノールであり、
   前記加温手段は、前記作動流体を６９℃〜９０℃の何れかの温度にすることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記作動流体は水であり、
   前記加温手段は、前記作動流体を１１０℃〜１２０℃の何れかの温度にすることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。

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