JP3696945B2 - 液化ガスを利用した動力発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体空気などの極低温液化ガスを初めとする液化ガスを利用した動力発生装置に関し、自動車、列車、船舶等の動力源として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の動力発生装置の代表例を自動車を例にとり、図１４を参照して説明する。図１４において、自動車の車体７には燃料タンク１５と、燃料ポンプ１４と、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンといった内燃機関３０とが搭載されている。燃料タンク１５にはガソリンや軽油等の化石燃料が貯蔵され、この化石燃料を燃料ポンプ１４で燃料タンク１５から汲み出して昇圧し、内燃機関３０に送る。内燃機関３０では空気中の酸素を用いて化石燃料を燃焼させることにより、作動流体を作り、そのときの爆発力から駆動力を得ている。図１４中、モータ３は燃料ポンプ１４を駆動する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１４に示した従来装置では、化石燃料を燃焼させるので、炭酸ガスや硫化物が発生する。また、化石燃料はその埋蔵量が限られており、将来枯渇する恐れがある。更に、燃焼に必要な酸素を大気から取り込むため、水中など周囲に空気が存在しない環境下では使用することができない。
【０００４】
そこで本発明は液化ガスを利用した動力発生装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る動力発生装置は、
（１）移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
バッテリと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力を用いて駆動する駆動モータと、
前記高圧ガス駆動エンジンから排気された低温の低圧ガスを用いて、前記駆動モータを冷却する冷却構造と、
を具備することを特徴とする。
（２）また本発明は、移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
バッテリと、
前記タンク内に取り付けられた超伝導コイルと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力及び前記超伝導コイルの電力を用いて駆動する一方、過剰動力が発生している場合には電力を発生して前記超伝導コイルに貯蔵する駆動モータと、
を具備することを特徴とする。
（３）また本発明は、移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
太陽電池と、
前記ポンプで昇圧された液化ガスを、前記太陽電池の熱及び移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
前記太陽電池で発生した電力を貯蔵するバッテリと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力を用いて駆動する駆動モータと、
を具備することを特徴とする。
（４）また本発明は、移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクから燃料を取り出して昇圧する燃料ポンプと、
前記熱交換器から導かれた高圧ガスと前記燃料ポンプから供給されて噴霧された燃料とを燃焼させる補助燃焼器と、
この補助燃焼器により燃焼して更に高圧化した高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
を具備することを特徴とする。
（５）また本発明は、前記液化ガスが液体空気であることを特徴とする。
（６）また本発明は、前記移動体は、自動車または列車または船舶であることを特徴とする。
【０００６】
＜作用＞
上記構成において、液化ガスを液体状態のまま昇圧した後、加熱することにより高圧ガスを生成し、この高圧ガスを膨張させることによりその膨張力から動力を得る。従って、動力を得るための作動流体を動力発生装置内に持つことから、従来のように化石燃料を燃焼させて作動流体を得るために外部から空気を取り込む必要はなく、水中など周囲に空気が存在しない環境でも使用することができる。また、従来のような燃焼後の排気ガスの問題もない。更に、液化ガスは常温で十分気化するので、加熱源としては常温の外気あるいはハードウェア熱容量、太陽熱、海水など常温付近のものを利用することができる。
【０００７】
特に、液体空気を用いる場合は、排気されるガスは空気だけである。また、液体空気を昇圧した後に加熱して高圧ガスを生成する場合は、大気を直接圧縮して高圧にするよりも、必要とする動力がはるかに少なくて済む。更に、液体空気は大気から製造できるので、化石燃料のように枯渇することがない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る動力発生装置の実施例を説明する。なお、以下の各実施例は代表例として本発明を自動車の動力用エンジンシステムに適用したものであるが、列車、船舶（水中翼艇、水中ボート、魚雷等も含む）等の動力用エンジンシステムに適用することができる。
【０００９】
＜第１実施例；構成＞
図１は第１実施例として液体空気を利用した動力発生装置の構成を示す。同装置は液体空気タンク１と、液体空気ポンプ２と、熱交換器４と、高圧空気駆動エンジン５から構成され、自動車の車体７に搭載されて配管等で接続されている。図１中、符号３はモータを示し、符号６は排気管を示す。
【００１０】
図１において、まず液体空気タンク１に液体空気を貯蔵しておく。この際、液体空気は大気圧で約−１９０℃の極低温であるから、液体空気タンク１には十分な断熱処理を施してある。液体空気タンク１内の液体空気は、モータ３で駆動される液体空気ポンプ２により配管等を通して液体空気タンク１から汲み出され、必要な圧力に昇圧されて、車体７に取り付けられた熱交換器４に送られる。このようにして高圧になった液体空気は熱交換器４を通ることにより、同熱交換器４で外気及び車体７（これらの温度はほぼ常温であるが液体空気よりも極めて高い）と熱交換されて、ほぼ常温の高圧空気ガスとなる。この高圧空気ガスは配管等によりピストン型やタービン型等の高圧空気駆動エンジン５に導かれる。
【００１１】
高圧空気駆動エンジン５がピストン型エンジンである場合は、エンジン内で高圧空気ガスを膨張させることによりピストンを押してクランクにより回転力とし、これを外部に動力として取り出す。高圧空気駆動エンジン５がタービン型である場合は、高圧空気ガスを膨張させてタービンを回転させることにより、外部に動力として取り出す。このような動力を自動車の駆動力として車体７を動かす。膨張後の空気は排気管６により車体７の外部に排気させる。
【００１２】
＜第１実施例の作用効果＞
図１に示した第１実施例の動力発生装置では、排気されるのは空気のみであるから、炭酸ガス及び硫化物等の公害物が発生しない。また、液体空気はガソリン等の化石燃料と異なり大気から製造することができるため、ほぼ無限なエネルギー源となり得る。更に、熱交換器４により車体７の内外の熱を奪うことができるため、夏期などで車体７が過度に温度上昇することを防止することも可能である。また、燃焼用等に外部から空気を取り込まないため、水中等の空気が無い環境でも本装置を使用することができる。
【００１３】
＜第２実施例；構成＞
図２は第２実施例として本発明の動力発生装置を電気自動車に付加したシステムの構成を示す。本実施例の動力発生装置自体の構成及びそれにより駆動力を得る方法は第１実施例と同じであるが、高圧空気駆動エンジン５の動力と同時に、バッテリ９に貯えられている電力を用いて駆動モータ８を駆動して車体７を動かすようにしている。具体的には、図９（Ａ）〜（Ｄ）、図１０に示す構成により、両方の駆動力を同時に用いることができる。
【００１４】
図９（Ａ）に示す構成では、電気的駆動モータ８と高圧空気駆動エンジン５の出力軸を同一軸２１上に結合して、車体の駆動輪２０と結合している。通常駆動モータ８のみの駆動の場合は高圧空気ガスの送り込みを止めることにより高圧空気駆動エンジン５は空回りとなるが、一時的に駆動力の増加を図る時には同エンジン５に高圧空気ガスを送り込んで膨張させ出力を取り出す。
【００１５】
図９（Ｂ）に示す構成は、図９（Ａ）に対しクラッチ２２を付加したものである。即ち、駆動モータ８と高圧空気駆動エンジン５との間にクラッチ２２を設け、同エンジン５を作動させない場合は切り離すことができるようにしてある。
【００１６】
図９（Ｃ）に示す構成は、駆動モータ８と高圧空気駆動エンジン５との間にクラッチ２２だけでなく、トランスミッシュョン２３を付加したものであり、高圧空気駆動エンジン５と駆動モータ８との回転数の関係を変えることができる。
【００１７】
図９（Ｄ）に示す構成では、駆動モータ８と高圧空気駆動エンジン５の各出力軸２５，２６にそれぞれクラッチ２２とトランスミッション２３を順に取り付け、両トランスミッション２３，２３の出力軸をギヤ２４により互いに結合して、駆動輪２０と結合している。
【００１８】
図１０に示す構成は、前輪２７に駆動モータ８（もしくは高圧空気駆動エンジン５）を結合し、後輪２８には逆に高圧空気駆動エンジン５（もしくは駆動モータ５）を結合している。これにより、いずれか一方、または両方の動力を利用する。
【００１９】
＜第２実施例の作用効果＞
図２、図９、図１０に示した第２実施例では、第１実施例と同様の作用効果を得ることができるが、更に固有の作用効果として、従来の電気自動車と比べると上り坂等で一時的な出力増加を必要とする場合に、液体空気のエネルギによる駆動力を付加して出力増加を得ることが可能であり、クリーンなハイブリッド構成とすることができる。なお、通常は高圧空気エンジン５のみを作動させて一時的に駆動モータ８を作動させて出力増を図るという使い方も、あるいは常時両方を作動させるという使い方も可能である。
【００２０】
＜第３実施例；構成＞
図３に第３実施例として、図２に示した電気自動車のモータ効率の向上と出力の向上を図るように工夫したシステムの構成を示す。本実施例の動力発生装置自体の構成及びそれにより駆動力を得る方法は第１実施例と同じであり、また高圧空気駆動エンジン５と電気的駆動モータ８の両方を車体７の駆動に同時に用いる方法は第２実施例と同じであって図９，図１０いずれの構成をとることができる。
【００２１】
即ち、本第３実施例では、図３において、高圧空気駆動エンジン５から排気される低圧空気は低温であることに着目し、同低圧空気を排気管６の途中部分６Ａで駆動モータ８に導き、同モータ８の冷却に使用した後、外部へ排気するように構成している。図１１と図１２を比較すれば判るように、先の第２実施例では図１１に示すように高圧空気駆動エンジン５からの低温の排気空気はそのまま外部へ排出されるが、本第３実施例では図１２に示すように排気空気は６Ａ部分で駆動モータ８の冷却に供した後外部へ排出される。
【００２２】
＜第３実施例の作用効果＞
図３，図９，図１０，図１２に示した第３実施例では、第１及び第２実施例と同様の作用効果を得ることができ、更に固有の作用効果として、駆動モータ８と同時に高圧空気駆動エンジン５が作動する場合には低温の排気空気により駆動モータ８を冷却するので、駆動モータ８の発熱損失（銅損）を抑え、同モータ８の高効率化，高出力化及び小形化を図ることができる。
【００２３】
＜第４実施例；構成＞
図４に第４実施例として、図２に示した電気自動車に超伝導コイル（超電導コイルとも呼ばれる）による電力貯蔵システムを有する動力発生装置を付加した構成を示す。液体空気を利用した動力発生装置自体の構成及びそれにより駆動力を得る方法は第１実施例と同じであり、また高圧空気駆動エンジン５と電気的駆動モータ８の両方を車体７の駆動に同時に用いる方法は第２実施例と同じであり、図９，図１０いずれの構成をとることができる。
【００２４】
即ち、本第４実施例では駆動モータ８が原理上発電機としても動作することに着目し、図４において、液体空気タンク１内に超伝導コイル１２を取り付け、駆動モータ８が発生する電力をバッテリ９及び超伝導コイル１２に貯蔵するように構成してある。駆動モータ８が直流モータのうち他励電動機または分巻電動機であれば、外部から駆動されるとそのまま発電機として動作するので、そのまま電気出力を超伝導コイル１２に貯える。駆動モータ８が直巻電動機であるならば、同モータ８のコイルの配線を電動機と発電機との動作で逆に切り換える必要があるので、図１３に示すようにコンバータ２９を介して駆動モータ８を超伝導コイル１２及びバッテリ９とを接続し、コンバータ２９内で電動機として動作する場合と発電機として動作する場合とで配線の切り換えを行う。また、駆動モータ８が交流モータである場合には、コンバータ２９内で交流と直流との変換を行うように構成する。
【００２５】
本実施例の動力発生装置に使用に際しては、液体空気を利用して高圧空気駆動エンジン５で駆動力を得ている場合に同エンジン５で発生する過剰な出力などを、駆動モータ８により電力に変換して、超伝導コイル１２に貯蔵する。駆動力を増加するなど電力が必要になった場合は、バッテリ９及び超伝導コイル１２に貯蔵してある電力を用いて駆動モータ８を駆動する。
【００２６】
＜第４実施例の作用効果＞
図４，図９，図１０，図１３に示した第４実施例では第１及び第２実施例と同様の作用効果を得ることができ、更に、固有の作用効果として超伝導コイル１２を用いた電力貯蔵システムを用いるので、駆動モータ８に要求される急激な動力変化に対して好適に対応することができる。また、超伝導コイル１２は液体空気自身で冷却されるので、新たな冷熱源を必要としない。
【００２７】
＜第５実施例；構成＞
図５に第５実施例として、ソーラーカーなどの太陽光発電を利用した電気自動車に、液体空気を利用した動力発生装置を付加したシステムの構成を示す。本実施例の動力発生装置自体の構成及びそれにより駆動力を得る方法も第１実施例と同じであり、また高圧空気駆動エンジン５と電気駆動モータ８の両方を車体７の駆動に同時に用いる方法は第２実施例と同じであって図９，図１０いずれの構成をとることができる。
【００２８】
即ち、本第５実施例では図５において、太陽電池１０を車体７の上面に取り付け、太陽電池１０が太陽光を吸収して発生する電力を取り出し、バッテリ９に貯蔵するように構成している。従って、駆動モータ８は太陽電池１０の出力を利用して駆動される。更に、太陽電池１０と動力発生装置の熱交換器４とは、太陽電池１０が熱交換器４によって冷却されるように配置してある。
【００２９】
＜第５実施例の作用効果＞
図５，図９，図１０に示した第５実施例では第１及び第２実施例と同様の作用効果を得ることができ、更に固有の作用効果として、太陽電池１０が熱交換器４による液体空気との熱交換により冷却されるので、従来のソーラーカーに比べて発電出力を数１０％以上向上させることができる。また、高圧液体空気が太陽熱によっても熱交換器４を介して加熱されるので、一層高圧の空気が作動流体として得られ、高圧空気駆動エンジン５からより大きな動力が発生する。
【００３０】
＜第６実施例；構成＞
図６に第６実施例として、第１実施例に補助燃焼器を付加したシステムの構成を示す。即ち、液体空気タンク１に貯蔵された液体空気は液体空気ポンプ２により必要な圧力まで昇圧され、熱交換器４内で外気等と熱交換して常温高圧ガスとなる。このガスは補助燃焼器１３内に導びかれる。燃料タンク１５内にあるガソリン等の化石燃料は燃料ポンプ１４で昇圧され、必要に応じて補助燃焼器１３内に噴霧されて高圧空気と希薄燃焼させる。補助燃焼器１３内での燃焼により熱交換器４からの高圧空気は加熱され更に高圧化される。燃料流量を調整することにより加熱量を調整することができるようにしてある。この高圧空気は高圧空気駆動エンジン５内で膨張することにより駆動力を得る。同エンジン５から排気される低圧空気は、触媒１６内で公害物を除去もしくは軽減したあと、排気管６より排気される。燃料流量の調整に加えて化石燃料の燃焼を必要なときだけ行うようにもしてある。
【００３１】
＜第６実施例の作用効果＞
図６に示した第６実施例では、基本的には第１実施例と同様に動力を得るが、液体空気のみでは出力が不足する場合、補助燃焼器１３内で化石燃料を希薄燃焼させ空気を加熱させることによって出力を向上させることができる。従って、低燃費であるとともに補助燃焼器１３内では希薄燃焼させることにより、排気ガス中に含まれる公害物質（炭酸ガス及び硫化物）を最小限におさえ、しかも触媒１６で極力公害物を除去することができるため低公害でもある。また負荷変動が大きい場合も対応できる柔軟なシステムである。
【００３２】
＜第７実施例；構成＞
図７に第７実施例として、第１実施例の高圧空気駆動エンジン５の代りに、中間再加熱式高圧空気駆動エンジン１７を有する動力発生装置の構成を示す。高圧空気駆動エンジン１７以外は図１の実施例と同じである。
【００３３】
即ち、図７において、まず液体空気タンク１に貯蔵された液体空気は、液体空気ポンプ２により必要な圧力まで昇圧され、熱交換器４内で熱交換されて常温高圧の空気ガスとなる。このガスは中間再加熱式高圧空気駆動エンジン１７に導びかれる。図８に中間再加熱式高圧空気駆動エンジン１７の構成を示し、適当数の膨張室と再加熱用の熱交換器を備えている。まず、高圧空気は第１膨張室１８で膨張させ、ピストン型の場合はピストンを押し下げクランクにより回転力とする。タービン型の場合はタービンを回転させる。膨張したあとの中圧の空気は温度が下がっているため、熱交換器１１により再加熱する。この再加熱された空気は第２膨張室１９内で膨張させ、回転力として負荷をとりだす。以後必要な段数まで再加熱と膨張をくり返す。最終的に排気された空気は排気管６を通して外部に排気される。
【００３４】
＜第７実施例の作用効果＞
図７，図８に示した第７実施例では、第１実施例と同様の作用効果を得ることができるが、更に固有の作用効果として、中間再加熱式高圧空気駆動エンジン１７とすることにより再加熱しない場合よりも高効率高出力とすることができる。
【００３５】
上述した各実施例では液化ガスとして液体空気を利用しているが、それ以外のもの、例えば適宜な極低温液化ガスを利用することができる。また、動力発生装置を自動車以外のものに対する駆動源として利用することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、液化ガスを液体状態のまま昇圧した後、加熱することにより高圧ガスを生成し、この高圧ガスを膨張させることによりその膨張力から動力を得るので、動力を得るための作動流体を動力発生装置内に持つことになり、従来のように化石燃料を燃焼させて作動流体を得るために外部から空気を取り込む必要はなく、水中など周囲に空気が存在しない環境でも使用することができる。また、従来のような燃焼後の排気ガスの問題もない。更に、液化ガスは常温で十分気化するので、加熱源としては常温の外気あるいはハードウェア熱容量、太陽熱、海水など常温付近のものを利用することができる。
【００３７】
特に、液体空気を用いる場合は、排気されるガスは空気だけである。また、液体空気を昇圧した後に加熱して高圧ガスを生成する場合は、大気を直接圧縮して高圧にするよりも、必要とする動力がはるかに少なくて済む。更に、液体空気は大気から製造できるため、化石燃料のように枯渇することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す図。
【図２】本発明の第２実施例を示す図。
【図３】本発明の第３実施例を示す図。
【図４】本発明の第４実施例を示す図。
【図５】本発明の第５実施例を示す図。
【図６】本発明の第６実施例を示す図。
【図７】本発明の第７実施例を示す図。
【図８】中間再加熱式高圧空気駆動エンジンの構成を示す図。
【図９】高圧空気駆動エンジンと駆動モータの接続構造例を示す図。
【図１０】高圧空気駆動エンジンと駆動モータの接続構造例を示す図。
【図１１】第２実施例の排気の様子を示す図。
【図１２】排気空気を駆動モータの冷却に利用する様子を示す図。
【図１３】第４実施例のうちコンバータを用いるシステム構成を示す図。
【図１４】従来例を示す図。
【符号の説明】
１ 液体空気タンク
２ 液体空気ポンプ
３ モータ
４ 熱交換器
５ 高圧空気駆動エンジン
６ 排気管
６Ａ 冷却に利用する部分
７ 車体
８ 駆動モータ
９ バッテリ
１０ 太陽電池
１１ 熱交換器
１２ 超伝導コイル
１３ 補助燃焼器
１４ 燃料ポンプ
１５ 燃料タンク
１６ 触媒
１７ 中間再加熱式高圧空気駆動エンジン
１８，１９ 膨張室
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体空気などの極低温液化ガスを初めとする液化ガスを利用した動力発生装置に関し、自動車、列車、船舶等の動力源として有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の動力発生装置の代表例を自動車を例にとり、図１４を参照して説明する。図１４において、自動車の車体７には燃料タンク１５と、燃料ポンプ１４と、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンといった内燃機関３０とが搭載されている。燃料タンク１５にはガソリンや軽油等の化石燃料が貯蔵され、この化石燃料を燃料ポンプ１４で燃料タンク１５から汲み出して昇圧し、内燃機関３０に送る。内燃機関３０では空気中の酸素を用いて化石燃料を燃焼させることにより、作動流体を作り、そのときの爆発力から駆動力を得ている。図１４中、モータ３は燃料ポンプ１４を駆動する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１４に示した従来装置では、化石燃料を燃焼させるので、炭酸ガスや硫化物が発生する。また、化石燃料はその埋蔵量が限られており、将来枯渇する恐れがある。更に、燃焼に必要な酸素を大気から取り込むため、水中など周囲に空気が存在しない環境下では使用することができない。
【０００４】
そこで本発明は液化ガスを利用した動力発生装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る動力発生装置は、
（１）移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
バッテリと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力を用いて駆動する駆動モータと、
前記高圧ガス駆動エンジンから排気された低温の低圧ガスを用いて、前記駆動モータを冷却する冷却構造と、
を具備することを特徴とする。
（２）また本発明は、移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
バッテリと、
前記タンク内に取り付けられた超伝導コイルと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力及び前記超伝導コイルの電力を用いて駆動する一方、過剰動力が発生している場合には電力を発生して前記超伝導コイルに貯蔵する駆動モータと、
を具備することを特徴とする。
（３）また本発明は、移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
太陽電池と、
前記ポンプで昇圧された液化ガスを、前記太陽電池の熱及び移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
前記太陽電池で発生した電力を貯蔵するバッテリと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力を用いて駆動する駆動モータと、
を具備することを特徴とする。
（４）また本発明は、移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクから燃料を取り出して昇圧する燃料ポンプと、
前記熱交換器から導かれた高圧ガスと前記燃料ポンプから供給されて噴霧された燃料とを燃焼させる補助燃焼器と、
この補助燃焼器により燃焼して更に高圧化した高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
を具備することを特徴とする。
（５）また本発明は、前記液化ガスが液体空気であることを特徴とする。
（６）また本発明は、前記移動体は、自動車または列車または船舶であることを特徴とする。
【０００６】
＜作用＞
上記構成において、液化ガスを液体状態のまま昇圧した後、加熱することにより高圧ガスを生成し、この高圧ガスを膨張させることによりその膨張力から動力を得る。従って、動力を得るための作動流体を動力発生装置内に持つことから、従来のように化石燃料を燃焼させて作動流体を得るために外部から空気を取り込む必要はなく、水中など周囲に空気が存在しない環境でも使用することができる。また、従来のような燃焼後の排気ガスの問題もない。更に、液化ガスは常温で十分気化するので、加熱源としては常温の外気あるいはハードウェア熱容量、太陽熱、海水など常温付近のものを利用することができる。
【０００７】
特に、液体空気を用いる場合は、排気されるガスは空気だけである。また、液体空気を昇圧した後に加熱して高圧ガスを生成する場合は、大気を直接圧縮して高圧にするよりも、必要とする動力がはるかに少なくて済む。更に、液体空気は大気から製造できるので、化石燃料のように枯渇することがない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る動力発生装置の実施例を説明する。なお、以下の各実施例は代表例として本発明を自動車の動力用エンジンシステムに適用したものであるが、列車、船舶（水中翼艇、水中ボート、魚雷等も含む）等の動力用エンジンシステムに適用することができる。
【０００９】
＜第１実施例；構成＞
図１は第１実施例として液体空気を利用した動力発生装置の構成を示す。同装置は液体空気タンク１と、液体空気ポンプ２と、熱交換器４と、高圧空気駆動エンジン５から構成され、自動車の車体７に搭載されて配管等で接続されている。図１中、符号３はモータを示し、符号６は排気管を示す。
【００１０】
図１において、まず液体空気タンク１に液体空気を貯蔵しておく。この際、液体空気は大気圧で約−１９０℃の極低温であるから、液体空気タンク１には十分な断熱処理を施してある。液体空気タンク１内の液体空気は、モータ３で駆動される液体空気ポンプ２により配管等を通して液体空気タンク１から汲み出され、必要な圧力に昇圧されて、車体７に取り付けられた熱交換器４に送られる。このようにして高圧になった液体空気は熱交換器４を通ることにより、同熱交換器４で外気及び車体７（これらの温度はほぼ常温であるが液体空気よりも極めて高い）と熱交換されて、ほぼ常温の高圧空気ガスとなる。この高圧空気ガスは配管等によりピストン型やタービン型等の高圧空気駆動エンジン５に導かれる。
【００１１】
高圧空気駆動エンジン５がピストン型エンジンである場合は、エンジン内で高圧空気ガスを膨張させることによりピストンを押してクランクにより回転力とし、これを外部に動力として取り出す。高圧空気駆動エンジン５がタービン型である場合は、高圧空気ガスを膨張させてタービンを回転させることにより、外部に動力として取り出す。このような動力を自動車の駆動力として車体７を動かす。膨張後の空気は排気管６により車体７の外部に排気させる。
【００１２】
＜第１実施例の作用効果＞
図１に示した第１実施例の動力発生装置では、排気されるのは空気のみであるから、炭酸ガス及び硫化物等の公害物が発生しない。また、液体空気はガソリン等の化石燃料と異なり大気から製造することができるため、ほぼ無限なエネルギー源となり得る。更に、熱交換器４により車体７の内外の熱を奪うことができるため、夏期などで車体７が過度に温度上昇することを防止することも可能である。また、燃焼用等に外部から空気を取り込まないため、水中等の空気が無い環境でも本装置を使用することができる。
【００１３】
＜第２実施例；構成＞
図２は第２実施例として本発明の動力発生装置を電気自動車に付加したシステムの構成を示す。本実施例の動力発生装置自体の構成及びそれにより駆動力を得る方法は第１実施例と同じであるが、高圧空気駆動エンジン５の動力と同時に、バッテリ９に貯えられている電力を用いて駆動モータ８を駆動して車体７を動かすようにしている。具体的には、図９（Ａ）〜（Ｄ）、図１０に示す構成により、両方の駆動力を同時に用いることができる。
【００１４】
図９（Ａ）に示す構成では、電気的駆動モータ８と高圧空気駆動エンジン５の出力軸を同一軸２１上に結合して、車体の駆動輪２０と結合している。通常駆動モータ８のみの駆動の場合は高圧空気ガスの送り込みを止めることにより高圧空気駆動エンジン５は空回りとなるが、一時的に駆動力の増加を図る時には同エンジン５に高圧空気ガスを送り込んで膨張させ出力を取り出す。
【００１５】
図９（Ｂ）に示す構成は、図９（Ａ）に対しクラッチ２２を付加したものである。即ち、駆動モータ８と高圧空気駆動エンジン５との間にクラッチ２２を設け、同エンジン５を作動させない場合は切り離すことができるようにしてある。
【００１６】
図９（Ｃ）に示す構成は、駆動モータ８と高圧空気駆動エンジン５との間にクラッチ２２だけでなく、トランスミッシュョン２３を付加したものであり、高圧空気駆動エンジン５と駆動モータ８との回転数の関係を変えることができる。
【００１７】
図９（Ｄ）に示す構成では、駆動モータ８と高圧空気駆動エンジン５の各出力軸２５，２６にそれぞれクラッチ２２とトランスミッション２３を順に取り付け、両トランスミッション２３，２３の出力軸をギヤ２４により互いに結合して、駆動輪２０と結合している。
【００１８】
図１０に示す構成は、前輪２７に駆動モータ８（もしくは高圧空気駆動エンジン５）を結合し、後輪２８には逆に高圧空気駆動エンジン５（もしくは駆動モータ５）を結合している。これにより、いずれか一方、または両方の動力を利用する。
【００１９】
＜第２実施例の作用効果＞
図２、図９、図１０に示した第２実施例では、第１実施例と同様の作用効果を得ることができるが、更に固有の作用効果として、従来の電気自動車と比べると上り坂等で一時的な出力増加を必要とする場合に、液体空気のエネルギによる駆動力を付加して出力増加を得ることが可能であり、クリーンなハイブリッド構成とすることができる。なお、通常は高圧空気エンジン５のみを作動させて一時的に駆動モータ８を作動させて出力増を図るという使い方も、あるいは常時両方を作動させるという使い方も可能である。
【００２０】
＜第３実施例；構成＞
図３に第３実施例として、図２に示した電気自動車のモータ効率の向上と出力の向上を図るように工夫したシステムの構成を示す。本実施例の動力発生装置自体の構成及びそれにより駆動力を得る方法は第１実施例と同じであり、また高圧空気駆動エンジン５と電気的駆動モータ８の両方を車体７の駆動に同時に用いる方法は第２実施例と同じであって図９，図１０いずれの構成をとることができる。
【００２１】
即ち、本第３実施例では、図３において、高圧空気駆動エンジン５から排気される低圧空気は低温であることに着目し、同低圧空気を排気管６の途中部分６Ａで駆動モータ８に導き、同モータ８の冷却に使用した後、外部へ排気するように構成している。図１１と図１２を比較すれば判るように、先の第２実施例では図１１に示すように高圧空気駆動エンジン５からの低温の排気空気はそのまま外部へ排出されるが、本第３実施例では図１２に示すように排気空気は６Ａ部分で駆動モータ８の冷却に供した後外部へ排出される。
【００２２】
＜第３実施例の作用効果＞
図３，図９，図１０，図１２に示した第３実施例では、第１及び第２実施例と同様の作用効果を得ることができ、更に固有の作用効果として、駆動モータ８と同時に高圧空気駆動エンジン５が作動する場合には低温の排気空気により駆動モータ８を冷却するので、駆動モータ８の発熱損失（銅損）を抑え、同モータ８の高効率化，高出力化及び小形化を図ることができる。
【００２３】
＜第４実施例；構成＞
図４に第４実施例として、図２に示した電気自動車に超伝導コイル（超電導コイルとも呼ばれる）による電力貯蔵システムを有する動力発生装置を付加した構成を示す。液体空気を利用した動力発生装置自体の構成及びそれにより駆動力を得る方法は第１実施例と同じであり、また高圧空気駆動エンジン５と電気的駆動モータ８の両方を車体７の駆動に同時に用いる方法は第２実施例と同じであり、図９，図１０いずれの構成をとることができる。
【００２４】
即ち、本第４実施例では駆動モータ８が原理上発電機としても動作することに着目し、図４において、液体空気タンク１内に超伝導コイル１２を取り付け、駆動モータ８が発生する電力をバッテリ９及び超伝導コイル１２に貯蔵するように構成してある。駆動モータ８が直流モータのうち他励電動機または分巻電動機であれば、外部から駆動されるとそのまま発電機として動作するので、そのまま電気出力を超伝導コイル１２に貯える。駆動モータ８が直巻電動機であるならば、同モータ８のコイルの配線を電動機と発電機との動作で逆に切り換える必要があるので、図１３に示すようにコンバータ２９を介して駆動モータ８を超伝導コイル１２及びバッテリ９とを接続し、コンバータ２９内で電動機として動作する場合と発電機として動作する場合とで配線の切り換えを行う。また、駆動モータ８が交流モータである場合には、コンバータ２９内で交流と直流との変換を行うように構成する。
【００２５】
本実施例の動力発生装置に使用に際しては、液体空気を利用して高圧空気駆動エンジン５で駆動力を得ている場合に同エンジン５で発生する過剰な出力などを、駆動モータ８により電力に変換して、超伝導コイル１２に貯蔵する。駆動力を増加するなど電力が必要になった場合は、バッテリ９及び超伝導コイル１２に貯蔵してある電力を用いて駆動モータ８を駆動する。
【００２６】
＜第４実施例の作用効果＞
図４，図９，図１０，図１３に示した第４実施例では第１及び第２実施例と同様の作用効果を得ることができ、更に、固有の作用効果として超伝導コイル１２を用いた電力貯蔵システムを用いるので、駆動モータ８に要求される急激な動力変化に対して好適に対応することができる。また、超伝導コイル１２は液体空気自身で冷却されるので、新たな冷熱源を必要としない。
【００２７】
＜第５実施例；構成＞
図５に第５実施例として、ソーラーカーなどの太陽光発電を利用した電気自動車に、液体空気を利用した動力発生装置を付加したシステムの構成を示す。本実施例の動力発生装置自体の構成及びそれにより駆動力を得る方法も第１実施例と同じであり、また高圧空気駆動エンジン５と電気駆動モータ８の両方を車体７の駆動に同時に用いる方法は第２実施例と同じであって図９，図１０いずれの構成をとることができる。
【００２８】
即ち、本第５実施例では図５において、太陽電池１０を車体７の上面に取り付け、太陽電池１０が太陽光を吸収して発生する電力を取り出し、バッテリ９に貯蔵するように構成している。従って、駆動モータ８は太陽電池１０の出力を利用して駆動される。更に、太陽電池１０と動力発生装置の熱交換器４とは、太陽電池１０が熱交換器４によって冷却されるように配置してある。
【００２９】
＜第５実施例の作用効果＞
図５，図９，図１０に示した第５実施例では第１及び第２実施例と同様の作用効果を得ることができ、更に固有の作用効果として、太陽電池１０が熱交換器４による液体空気との熱交換により冷却されるので、従来のソーラーカーに比べて発電出力を数１０％以上向上させることができる。また、高圧液体空気が太陽熱によっても熱交換器４を介して加熱されるので、一層高圧の空気が作動流体として得られ、高圧空気駆動エンジン５からより大きな動力が発生する。
【００３０】
＜第６実施例；構成＞
図６に第６実施例として、第１実施例に補助燃焼器を付加したシステムの構成を示す。即ち、液体空気タンク１に貯蔵された液体空気は液体空気ポンプ２により必要な圧力まで昇圧され、熱交換器４内で外気等と熱交換して常温高圧ガスとなる。このガスは補助燃焼器１３内に導びかれる。燃料タンク１５内にあるガソリン等の化石燃料は燃料ポンプ１４で昇圧され、必要に応じて補助燃焼器１３内に噴霧されて高圧空気と希薄燃焼させる。補助燃焼器１３内での燃焼により熱交換器４からの高圧空気は加熱され更に高圧化される。燃料流量を調整することにより加熱量を調整することができるようにしてある。この高圧空気は高圧空気駆動エンジン５内で膨張することにより駆動力を得る。同エンジン５から排気される低圧空気は、触媒１６内で公害物を除去もしくは軽減したあと、排気管６より排気される。燃料流量の調整に加えて化石燃料の燃焼を必要なときだけ行うようにもしてある。
【００３１】
＜第６実施例の作用効果＞
図６に示した第６実施例では、基本的には第１実施例と同様に動力を得るが、液体空気のみでは出力が不足する場合、補助燃焼器１３内で化石燃料を希薄燃焼させ空気を加熱させることによって出力を向上させることができる。従って、低燃費であるとともに補助燃焼器１３内では希薄燃焼させることにより、排気ガス中に含まれる公害物質（炭酸ガス及び硫化物）を最小限におさえ、しかも触媒１６で極力公害物を除去することができるため低公害でもある。また負荷変動が大きい場合も対応できる柔軟なシステムである。
【００３２】
＜第７実施例；構成＞
図７に第７実施例として、第１実施例の高圧空気駆動エンジン５の代りに、中間再加熱式高圧空気駆動エンジン１７を有する動力発生装置の構成を示す。高圧空気駆動エンジン１７以外は図１の実施例と同じである。
【００３３】
即ち、図７において、まず液体空気タンク１に貯蔵された液体空気は、液体空気ポンプ２により必要な圧力まで昇圧され、熱交換器４内で熱交換されて常温高圧の空気ガスとなる。このガスは中間再加熱式高圧空気駆動エンジン１７に導びかれる。図８に中間再加熱式高圧空気駆動エンジン１７の構成を示し、適当数の膨張室と再加熱用の熱交換器を備えている。まず、高圧空気は第１膨張室１８で膨張させ、ピストン型の場合はピストンを押し下げクランクにより回転力とする。タービン型の場合はタービンを回転させる。膨張したあとの中圧の空気は温度が下がっているため、熱交換器１１により再加熱する。この再加熱された空気は第２膨張室１９内で膨張させ、回転力として負荷をとりだす。以後必要な段数まで再加熱と膨張をくり返す。最終的に排気された空気は排気管６を通して外部に排気される。
【００３４】
＜第７実施例の作用効果＞
図７，図８に示した第７実施例では、第１実施例と同様の作用効果を得ることができるが、更に固有の作用効果として、中間再加熱式高圧空気駆動エンジン１７とすることにより再加熱しない場合よりも高効率高出力とすることができる。
【００３５】
上述した各実施例では液化ガスとして液体空気を利用しているが、それ以外のもの、例えば適宜な極低温液化ガスを利用することができる。また、動力発生装置を自動車以外のものに対する駆動源として利用することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、液化ガスを液体状態のまま昇圧した後、加熱することにより高圧ガスを生成し、この高圧ガスを膨張させることによりその膨張力から動力を得るので、動力を得るための作動流体を動力発生装置内に持つことになり、従来のように化石燃料を燃焼させて作動流体を得るために外部から空気を取り込む必要はなく、水中など周囲に空気が存在しない環境でも使用することができる。また、従来のような燃焼後の排気ガスの問題もない。更に、液化ガスは常温で十分気化するので、加熱源としては常温の外気あるいはハードウェア熱容量、太陽熱、海水など常温付近のものを利用することができる。
【００３７】
特に、液体空気を用いる場合は、排気されるガスは空気だけである。また、液体空気を昇圧した後に加熱して高圧ガスを生成する場合は、大気を直接圧縮して高圧にするよりも、必要とする動力がはるかに少なくて済む。更に、液体空気は大気から製造できるため、化石燃料のように枯渇することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す図。
【図２】本発明の第２実施例を示す図。
【図３】本発明の第３実施例を示す図。
【図４】本発明の第４実施例を示す図。
【図５】本発明の第５実施例を示す図。
【図６】本発明の第６実施例を示す図。
【図７】本発明の第７実施例を示す図。
【図８】中間再加熱式高圧空気駆動エンジンの構成を示す図。
【図９】高圧空気駆動エンジンと駆動モータの接続構造例を示す図。
【図１０】高圧空気駆動エンジンと駆動モータの接続構造例を示す図。
【図１１】第２実施例の排気の様子を示す図。
【図１２】排気空気を駆動モータの冷却に利用する様子を示す図。
【図１３】第４実施例のうちコンバータを用いるシステム構成を示す図。
【図１４】従来例を示す図。
【符号の説明】
１ 液体空気タンク
２ 液体空気ポンプ
３ モータ
４ 熱交換器
５ 高圧空気駆動エンジン
６ 排気管
６Ａ 冷却に利用する部分
７ 車体
８ 駆動モータ
９ バッテリ
１０ 太陽電池
１１ 熱交換器
１２ 超伝導コイル
１３ 補助燃焼器
１４ 燃料ポンプ
１５ 燃料タンク
１６ 触媒
１７ 中間再加熱式高圧空気駆動エンジン
１８，１９ 膨張室
Claims (6)
- 移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
バッテリと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力を用いて駆動する駆動モータと、
前記高圧ガス駆動エンジンから排気された低温の低圧ガスを用いて、前記駆動モータを冷却する冷却構造と、
を具備することを特徴とする液化ガスを利用した動力発生装置。 - 移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
バッテリと、
前記タンク内に取り付けられた超伝導コイルと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力及び前記超伝導コイルの電力を用いて駆動する一方、過剰動力が発生している場合には電力を発生して前記超伝導コイルに貯蔵する駆動モータと、
を具備することを特徴とする液化ガスを利用した動力発生装置。 - 移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
太陽電池と、
前記ポンプで昇圧された液化ガスを、前記太陽電池の熱及び移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
この熱交換器により得られた高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
前記太陽電池で発生した電力を貯蔵するバッテリと、
前記移動体を移動させるための動力を発生するため、前記バッテリの電力を用いて駆動する駆動モータと、
を具備することを特徴とする液化ガスを利用した動力発生装置。 - 移動体に搭載されており、この移動体を移動させるための動力を発生する液化ガスを利用した動力発生装置であって、
液化ガスを貯蔵するタンクと、
このタンクから液化ガスを汲み出し昇圧するポンプと、
このポンプで昇圧された液化ガスを、移動体の熱及び外気の熱により加熱して高圧ガスに変える熱交換器と、
燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクから燃料を取り出して昇圧する燃料ポンプと、
前記熱交換器から導かれた高圧ガスと前記燃料ポンプから供給されて噴霧された燃料とを燃焼させる補助燃焼器と、
この補助燃焼器により燃焼して更に高圧化した高圧ガスを膨張させて、移動体を移動させるための動力を取り出す高圧ガス駆動エンジンと、
を具備することを特徴とする液化ガスを利用した動力発生装置。 - 前記液化ガスが液体空気であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の液化ガスを利用した動力発生装置。
- 前記移動体は、自動車または列車または船舶であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の液化ガスを利用した動力発生装置。
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