JP5228153B1

JP5228153B1 - 電気的流体圧変換型推進装置及びこれにより駆動される移動体

Info

Publication number: JP5228153B1
Application number: JP2012234177A
Authority: JP
Inventors: 武史畑中
Original assignee: 武史畑中
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: JP2014074398A

Abstract

【課題】小容量蓄電装置の利用を可能にして、航続距離を飛躍的に向上させることが可能な、小型軽量、低コストの電気的圧力変換型推進装置及びこれにより駆動される移動体を提供するものである。
【解決手段】電源２２、３２、８０から供給された電力を蓄電装置２６に蓄電し、蓄電装置の出力電力を利用してパルス電源２８からパルス電流を供給して超臨界流体発生器４２においてアーク放電を発生させることにより高圧作動流体から超臨界流体を発生させ、該超臨界流体を回転式流体機械４０で膨張させて推進力を発生させることが可能な電気的圧力変換型推進装置１２及びこれにより駆動される移動体１０Ａを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は流体圧変換型推進装置に関し、特に、電気的流体圧変換型推進装置及びこれにより駆動される移動体に関する。

近年、地球温暖化防止の有効対策として液圧流体やハイドロニューマチック（液圧・気圧エネルギー）を利用した推進力装置や液圧駆動移動体が提案されている。

特許文献１には、２個の液圧容器にそれぞれガス圧容器を接続して内燃機関の排熱エネルギーを利用してガス圧力を補償するようにした移動体用推進装置が提案されている。

特許文献２には、低圧アキュムレータとアキュムレータを用意して、内燃機関でポンプモータを駆動して低圧アキュムレータから低圧流体を加圧してアキュムレータに貯蔵し、液圧流体で駆動用ポンプモータを作動させることで移動体を推進させるようにした液圧駆動移動体が提案されている。

米国特許第５５７９６４０号米国特許第６７１９０８０号（日本国特許第４６３３０８７号）

ところで、特許文献１で開示された移動体用推進装置では、液圧流体に作用するガス圧力はガスの体積の減少に伴って急峻に低下する。この欠点を克服するため、内燃機関の排気系に複数の熱交換用コイルと複数のバルブ手段とを設けて排熱エネルギーによりガス圧容器を加熱してガス圧を上昇させている。乗用車やトラック・バス等の自動車にこの推進力装置を採用した場合、市街地走行で運転される際には、頻繁に低速走行が行われてエンジン出力が低い運転状態となる。そのため、市街地走行では、排気温度が連続して高温に維持されることが少ないため、上述の排熱エネルギーでガス圧の急峻な低下を補償することは困難であり、移動体の航続距離を向上させることができなかった。

特許文献２で開示された液圧駆動移動体では、有害な排ガスを排出する内燃機関によってポンプモータを駆動して液圧流体を加圧しているが、加圧流体で移動体を推進するには内燃機関を連続的に作動させなければならず、有害な排ガスを連続的に放出することとなり、地球環境に優しくはない。しかも、複数の駆動用ポンプモータが独立してディファレンシャルに連結され、多数の液圧切替部品を備えた複数のサブ回路と、多数の高圧ラインと低圧ラインとが配置された複雑な構成となっている。その結果、液圧流体の流路損失が大きく、応答性も悪く、燃費効率も悪くなり、車体構造も必然的に大型となり、移動体の航続距離を向上させることができなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、環境に優しく、安全で信頼性の高い電気的流体圧変換型推進装置及びこれにより駆動される移動体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、電気的流体圧変換型推進装置が、蓄電装置と、前記蓄電装置の出力電力から所定周期のパルス電流を供給するパルス電源と、前記パルス電流に応答してアーク放電を発生させることにより高圧作動流体から超臨界流体を発生させる超臨界流体発生器と、前記高圧作動流体を前記超臨界流体発生器に連続的に供給する高圧作動流体供給源と、前記超臨界流体を膨張させて推進力に変換する回転式流体機械と、前記回転式流体機械により駆動されて発電する発電機と、前記発電機の出力電力を直流出力に変換して前記蓄電装置に蓄電させるＡＣ／ＤＣ変換器と、前記推進力を推進手段に伝達する出力装置とを備えることを要旨とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、前記高圧作動流体供給源が作動流体を貯蔵する低圧貯蔵タンクと、前記回転式流体機械により駆動されて前記低圧貯蔵タンクから前記作動流体を吸引・加圧して前記高圧作動流体を生成するロータリ加圧ポンプと、前記高圧作動流体を貯蔵するアキュムレータと、前記アキュムレータの前記高圧作動流体と前記ロータリ加圧ポンプの前記高圧作動流体とを選択的に前記超臨界流体発生器に供給する切替制御弁とを備えることを要旨とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項２記載の構成に加えて、前記回転式流体機械が前記超臨界流体を膨張させて前記推進力に変換する第１回転機械部と、前記ロータリ加圧ポンプから独立して前記作動流体を吸引・加圧して高圧作動流体を生成して前記超臨界流体発生器に供給する第２回転機械部とを備えることを要旨とする。

請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加えて、前記超臨界流体発生器が、リアクタケーシングと、前記リアクタケーシングに形成されていて飽和蒸気発生ゾーンと、過熱蒸気発生ゾーンと、超臨界流体発生ゾーンとを有するアーク放電発生室と、前記パルス電源に接続されていて前記アーク放電発生室でアーク放電を発生させる複数のアーク電極と、前記アーク電極の間に介在していて前記飽和蒸気発生ゾーン、前記過熱蒸気発生ゾーン及び前記超臨界流体発生ゾーンの広域にて前記アーク放電を発生させる複数のアーク放電球体とを備えることを要旨とする。

請求項５に記載された発明によれば、移動体が、請求項１〜４のいずれかに記載の電気的流体圧変換型推進装置により駆動されることを要旨とする。

請求項１記載の第１発明では、電気的流体圧変換型推進装置において、高圧作動流体を超臨界流体発生器に連続的に供給し、蓄電装置の出力電力をパルス電源に供給してパルス電流を発生させ、該パルス電流に応答して超臨界流体発生器でアーク放電を発生させることにより高圧作動流体から超臨界流体を発生させ、該超臨界流体を回転式流体機械で膨張させて推進力に変換し、該推進力の一部により発電機を駆動して得た電力を直流出力に変換して蓄電装置に蓄電させるＡＣ／ＤＣ変換器を備えた構成としている。このように、蓄電装置から供給された電気エネルギーを超臨界流体による圧力エネルギーに変換し、次いで、圧力エネルギーを回転式流体機械を介して推進力に変換し、該推進力の一部により発電機を駆動して得た電力を直流出力に変換して蓄電装置に蓄電するようにしている。この結果、小容量の蓄電装置の利用を可能にして移動体の航続距離を飛躍的に向上させることができる電気的流体圧変換型推進装置の実用化が可能となる。作動流体としては、１例として、純水に微量の硝酸リチウムを添加して所定の電気抵抗を有するように調整した導電水を使用する。導電水を超臨界流体発生器に導入して超臨界水を発生させると、超臨界水は、少なくとも、３８０℃〜８００℃の温度で、３５０ｂａｒ前後の超臨界圧となる。超臨界水の爆発圧力は、回転式流体機械のロータリピストン本体の回転方向に１０平方ｃｍ当り１０００Ｋｇの圧力を発生させる。したがって、極めて高いエネルギー効率の電気的流体圧変換型推進装置を提供することができる。

請求項２記載の構成では、ロータリ加圧ポンプにより作動流体から高圧作動流体を生成してアキュムレータに高圧作動流体を貯蔵しておき、切替制御弁によりロータリ加圧ポンプの高圧作動流体とアキュムレータの高圧作動流体とを選択的に超臨界流体発生器に供給するようにしている。この構成により、アキュムレータの圧力が所定値以下の圧力に低下した場合には、ロータリ加圧ポンプから高圧作動流体が超臨界流体発生器に連続的に供給可能となる。この時、超臨界流体発生器にはパルス電源から周期的なパルス電流が供給されるため、安定した推進力を得て移動体の航続距離を飛躍的に向上させることができる電気的流体圧変換型推進装置の実用化が可能となる。

請求項３記載の構成では、また、回転式流体機械が超臨界流体を膨張させて推進力に変換する第１回転機械部と、ロータリ加圧ポンプから独立して作動流体を吸引・加圧して高圧作動流体を生成して超臨界流体発生器に供給する第２回転機械部とを備える。この構成によって、第１には、部品点数の大幅な削減と低コスト化、並びに電気的流体圧変換型推進装置の小型軽量化が可能となり、第２には、第２回転機械部が直接、低圧貯蔵容器かあら作動流体を吸引・加圧して高圧作動流体を生成することができ、アキュムレータの圧力が所定値以下の圧力に低下した場合には、第２回転機械部によって高圧作動流体を超臨界流体発生器に連続的に供給可能となる。したがって、移動体の航続距離を飛躍的に向上させることが可能な電気的流体圧変換型推進装置を提供することができる。

請求項４記載の構成では、超臨界流体発生器はリアクタケーシングを備えていてアーク放電を広域にて発生させるアーク放電球体を備えている。この構成により、パルス電圧を例えば、２００ボルト以下の低電圧において、パルス電流は、例えば、５０Ａ〜２００Ａのピーク電流においてアーク放電の発生を可能にして、省電力化を図っている。また、超臨界流体発生器に連続的に供給される導電水は飽和蒸気発生ゾーンにおいて通電によるジュール熱で瞬時に飽和蒸気となり、過熱蒸気発生ゾーンにおいて瞬時に過熱蒸気が生成される。この過熱蒸気はアーク放電球体の隙間のアーク放電空間を通過する際に超臨界流体発生ゾーンにおいて広域にて発生するアーク放電と接触して瞬時に高温高圧の超臨界水となる。したがって、極めて簡単な構造で、生産コストも安く、信頼性も高い電気的流体圧変換型推進装置を提供することが可能となる。

請求項５記載の構成では、移動体が請求項１〜４のいずれかに記載の電気的流体圧変換型推進装置により駆動されるため、小容量の蓄電装置を利用可能にして、航続距離を著しく向上させ、カーボンフリーの地球環境に優しい小型軽量の移動体を提供することができる。

本発明の実施例による電気的流体圧変換型推進装置を組み込んだプラグインハイブリッド移動体のブロック図を示す。図１の電気的流体圧変換型推進装置における超臨界流体発生器の概略断面図を示す。

以下、本発明の実施例による電気的流体圧変換型推進装置を組み込んだプラグインハイブリッド移動体（以下、単に「移動体」と称する）について図面に基づき詳細に説明する。以下の説明において、移動体１０Ａは乗用車タイプの電気自動車に適用したものとして例示されているが、本発明は、このタイプの電気自動車に限定されず、例えば、トラック、バス、自動２輪車、自動３輪車、電気機関車、鉄道移動体、特殊装備車及びサーボモーター搭載機関車等の移動体、油圧ショベル及びブルドーザ等の建設機械、トラクター、コンバイン等の農林業機械、戦車等の特装移動体、船舶、潜水艦、航空機、宇宙往還機等の移動体に利用される。

図１に示した実施例において、移動体１０Ａは、移動体１０Ａに推進力を供給する電気的圧力変換型推進装置１２（以下、「推進装置１２」と称する）と、推進装置１２から供給された推進力を複数の駆動輪１４からなる推進手段に伝達する出力装置１６とを備える。出力装置１６は推進装置１２の推進力を選択的に遮断若しくは締結するクラッチＣＬと、推進装置１２の推進力を複数の走行速度にシフトするトランスミッションＴＭと、トランスミッションＴＭの出力を駆動輪１４伝達するためのプロペラシャフトＰＳを備える。プロペラシャフトＰＳはディファレンシャル１８及びアクスル２０を介して駆動輪１４を駆動する。

出力装置１６はディファレンシャル１８に隣接して配置されたモータ発電機（ＭＧ）２２を備える。移動体１０Ａの回生エネルギーに応答してモータ発電機２２から出力された発電電力はパワーコンバータ２４により交直変換されて蓄電装置２６に蓄電される。蓄電装置２６はリチウムイオンバッテリ、Ｎｉ−ＭＨ電池（ニッケルー水素電池）、又はコンデンサバンク等の二次電池から構成される。なお、移動体１０Ａの加速時にはパワーコンバータ２４で蓄電装置２６の直流出力を交流電力に変換してＭＧ２２をモータとして機能させる。

パルス電源２８は蓄電装置２６からの供給電力から所定周期（例えば、５０〜２０００ヘルツ）のパルス電流を生成する。パルス電源２８は外部電源接続用の外部電源用インターフェース３０に接続される。外部電源用インターフェース３０は、例えば移動体１０Ａの停車中に又は夜間の休憩中に、外部電源３２のソケットに接続するための電源プラグＰｇを備える。外部電源用インターフェース３０は外部電源の電圧を降圧するための変圧器Ｔｒ１を備え、降圧された商用電力はＡ／Ｄ変換器３４で直流出力に変換されて蓄電装置２６を介してパルス電源２８に供給される。このように、夜間の就寝中に外部電源３２から外部電力の供給があると、外部電力はＡ／Ｄ変換器３４で交流電力から直流電力に変換されて蓄電装置２６に蓄電され、その直流出力がパルス電源２８に出力される。

推進装置１２は、トランスミッションＴＭに連結された出力軸を有する回転式流体機械４０と、該回転式流体機械４０により駆動されるオルタネータ等からなる発電機８０とを備える。発電機８０から出力された交流電力はパワーコンバータ２４で直流出力に変換して蓄電装置２６に蓄電される。したがって、蓄電装置２６には回転式流体機械４０の作動中に発電機８０から常時電気エネルギーが補充される。このため、少容量の蓄電装置２６の採用を可能にしてプラグインハイブリッド移動体１０Ａの航続距離を飛躍的に向上させることができる。

回転式流体機械４０は、前記出力軸に推進力を発生させる膨張機として機能する第１回転機械部（図示せず）と、モータモード及びポンプモードで機能する第２回転機械部（図示せず）とを有する電気的回転式流体機械４０Ａを備える。回転式流体機械４０には超臨界流体発生器４２とロータリ加圧ポンプ４４と発電機８０が同心的に配列される。推進装置１２は、高圧作動流体を圧力エネルギーとして貯蔵するアキュムレータ４６と、リサーバとして機能して低圧作動流体を貯蔵する低圧貯蔵タンク４８とを備える。ロータリ加圧ポンプ４４のインレットｄ１は低圧貯蔵タンク４８に接続され、インレットｄ２は切替制御弁５０を介してアキュムレータ４６と、回転式流体機械４０の第２回転機械部のインレットａ２に接続されている。第２回転機械部のインレットａ２は逆止弁５２を介して低圧貯蔵タンク４８に接続されている。回転式流体機械４０の第２回転機械部のアウトレットｂ２が逆止弁５４を介して超臨界流体発生器４２のインレットｃ１に接続されている。超臨界流体発生器４２のアウトレットｃ２には超臨界流体発生器４２内の超臨界流体の圧力を制御するための開閉制御弁５６が接続される。即ち、開閉制御弁５６は周期的に開閉作動し、超臨界流体の生成時には閉状態とされ、超臨界流体の供給時には解放状態とされる。開閉制御弁５６は周期的に解放されて、超臨界流体が回転式流体機械４０の第１回転機械部のインレットａ１に供給され、爆発的に膨張して推進力を発生する。膨張後の低温低圧作動流体はアウトレットｂ１から排出されて冷却器／凝縮器５８で冷却液化されて低圧貯蔵タンク４８に回収される。

図２より明らかなように、超臨界流体発生器４２は、回転式流体機械４０に対してこれと同心的に連結された円筒状リアクタケーシング１１００を備える。図２に示すように、円筒状リアクタケーシング１１００には、円筒状リアクタケーシング１１００の内側とケーシング１１００の中央内周部１１１４の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層１１１６と、絶縁耐熱層１１１６の内側に形成されていて飽和蒸気発生ゾーンＺ１と、過熱蒸気発生ゾーンＺ２と、超臨界流体発生ゾーンゾーンＺ３とを有するアーク放電発生室１１１８が形成されている。円筒状リアクタケーシング１１００の中央内周部１１１４は回転式流体機械４０の出力軸を通過可能にするための直径を有する内周壁部１１１４を備える。

超臨界流体発生器４２の吸入ポート１１０２は、径方向壁部１１２０に延びていて、径方向壁部１１２０には周方向に延びる複数の開口部１１２２を有する。アーク放電発生室１１１８のコーナー部１１１８ａ、１１１８ｂには一対のアーク電極１１２４，１１２６がそれぞれ配置される。一対のアーク電極１１２４，１１２６はパルス電源２８に接続される。パルス電源２８は、例えば、日本国特許第２５８２９５６号に開示されたような回路構成やその他の公知のインバータ回路が用いられる。パルス電源２８は、コントローラ（図示せず）から出力されたパルス周期指令（タイミング）信号に応じて予め定められた周期（例えば、スタート時には１００〜２０００ヘルツの周期のパルス電流を供給し、所定の高温状態に達した後には、例えば、５０〜１００ヘルツ程度の周期）のパルス電流を一対のアーク電極１１２４，１１２６に供給する。パルス電流は５０Ａ〜２００Ａのピーク電流となるよう設定されるが、本発明はこれらの数値に限定されるものではなく、移動体の規模その他のパラメータに応じて適宜設計変更可能である。パルス電流の周期はアーク放電発生室１１１８の温度が、例えば、８５０℃〜１５００℃の範囲になるような値に設定してもよい。その場合、ケーシング１１００には温度センサ（温度センサＳ２に対応）１１３２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ６０（図１参照）に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用されてもよい。

アーク放電発生室１１１８には、一対のアーク電極１１２４，１１２６の間に介在する多数のアーク放電球体１１３４が充填され、これらアーク放電球体１１３４の隙間はアーク放電空間１１３６として作用する。アーク放電球体１１３４は、飽和蒸気発生ゾーンＺ１，過熱蒸気発生ゾーンＺ２及び超臨界流体発生ゾーンＺ３の広域にて高密度のアーク放電を発生させる。飽和蒸気発生ゾーンＺ１において、導電水等の作動流体が通電してジュール熱により飽和蒸気が瞬時に発生する。過熱蒸気発生ゾーンＺ２において、飽和蒸気が順次広域で発生するアーク放電と接触して瞬時に過熱蒸気となる。アーク放電発生室１１１８の下流側に流れるにしたがって、超臨界流体発生ゾーンＺ３において、過熱蒸気はさらにアーク放電の影響下で高温高圧となり超臨界水が生成される。アーク放電球体１１３４としては、タングステンボール、或いは、カーボンボールの表面にクロム、モリブデン、タングステン等の導電性金属をコーティングしたものが用いられる。アーク放電は、アーク放電球体１１３４の互いに隣接して対面する球面部分で発生しやすく、アーク放電球体１１３４が５ｍｍ〜３０ｍｍ程度の直径を有する場合に最も頻繁に発生する。アーク放電は、パルスアーク電圧を周期的に発生させるパルス電流の電圧がハイレベルとローレベルとの間で周期的に変化することでより頻繁に発生する。アーク放電発生室１１１８に隣接してデミスター部１１０６が配置され、デミスター部１１０６には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたデミスター１１１０が充填される。電磁開閉弁５６が所定周期で開弁されると、デミスター１１１０を通過した超臨界水Ｗｇはフィルター１１４２で濾過された後、アウトレット１１４０から回転式流体機械４０のインレットａ１に供給される。

上記構成において、作動流体としては、例えば、純水に微量の硝酸リチウムを添加して所定の電気抵抗を有するように調整された導電水が用いられる。なお、作動流体としては、導電水の他に、単純な水、炭酸ガス、水と炭酸ガスの混合流体、水とアセトン（５０％：５０％の比率）の混合流体、導電水とアセトン（５０％：５０％の比率）の混合流体やその他の作動流体を用いても良い。

超臨界流体発生器４２には圧力センサＳ１と温度センサＳ２とが装着されていて、圧力センサＳ１から検出された超臨界流体の圧力を表示する圧力信号と温度センサＳ２（図２において符号“１１３２”と対応）から検出された超臨界流体の温度を表示する温度信号Ｔがコントローラ６０に送信される。アキュムレータ４６と低圧貯蔵タンク４８にはそれぞれ圧力センサＳ３，Ｓ４が装着されていて、それぞれに貯蔵されている加圧作動流体と低圧作動流体の圧力をそれぞれ検出して、これらの圧力信号がコントローラ６０に送信される。コントローラ６０には、さらに、アクセルペダル７０と、ブレーキペダル７２と、シフトレバー７４の位置センサＳ５，Ｓ６，Ｓ７が接続されていて、アクセルペダル７０のアクセル位置の検出信号と、ブレーキペダル７２のブレーキ位置の検出信号と、シフトレバー７４のシフト位置の検出信号が運転パラメータとしてコントローラ６０に送信される。駆動輪１４に近接して駆動輪の回転速度を社則信号として検出する車速センサＳ８が移動体１０のフレーム（図示せず）に装着されていて、車速信号を運転パラメータとしてコントローラ６０に送信する。入力装置６２はカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号を基準信号としてコントローラ６０に入力する。コントローラ６０は中央演算装置（ＣＰＵ）、ＲＡＭ，ＲＯＭを有するマイクロコンピュータからなり、検出信号や、運転パラメータ及び設定信号に応じて内蔵されている制御プログラムに沿って各種の指令信号を出力する。

回転式流体機械４０とロータリ加圧ポンプ４４とは、例えば、同一発明者の発明による特願２０１１−２９０７２０号（発明の名称：回転式流体機械）に開示された回転式流体機械、或いは、同一発明者の発明による平成２４年８月２０日特許出願の特願２０１２−１９５５１３号（発明の名称：回転式流体機械）に開示された「回転式流体機械」及び「過給器」の構造とそれぞれ同一の構造を有するため、これらの詳細な説明を省略する。三方切替制御弁５０は、例えば、日本国特許第３４１５８２４号（米国特許公開公報第２００４／００５０６２４号）に開示されたものと構造的に殆ど類似した構造の制御弁を採用することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、純水に微量の硝酸リチウムを添加して所定の電気抵抗を有するように調整された導電水を作動流体として採用した移動体１０Ａの作用について説明する。アキュムレータ４６には加圧された導電水が貯蔵されており、低圧貯蔵タンク４８には低圧の導電水が貯蔵されているものとする。

移動体１０Ａの作用において、移動体１０Ａの停車時に外部電源用インターフェース３０の電源プラグＰｇが外部電源３２のソケットに装着されると、変圧器Ｔｒ１の出力側に設置された電圧センサ（図示せず）から電圧信号がコントローラ６０に出力され、コントローラはこの電圧信号に応答してパルス電源２８をエネーブル状態にする。電源プラグＰｇを経由して取り出された商用電力は変圧器Ｔｒ１により電圧が所定電圧になるように降圧された後、ＡＣ／ＤＣ変換器３４で直流電力に変換されて蓄電装置２６を介してパルス電源２８に供給される。パルス電源２８から周期的なパルス電流が超臨界流体発生器４２に供給されると同時に、コントローラ６０から三方切替制御弁５０に指令信号が出力される。この時、三方切替制御弁５０が作動して、アキュムレータ４６の高圧導電水は回転式流体機械４０のインレットａ２から第２回転機械部を経由して逆止弁５４を介して超臨界流体発生器４２に供給される。その結果超臨界流体発生器４２では周期的なパルス電流に応答して発生したアーク放電により高圧導電水から超臨界水が発生する。この超臨界水は回転式流体機械４０のインレットａ１から第１回転機械部に流入して爆発的に膨張して機械エネルギーとしての推進力に変換される。この時、回転式流体機械４０の第１回転機械部に同期して第２回転機械部はポンプモードで作動するため、第２回転機械部は逆止弁５２を介して低圧貯蔵タンク４８から低圧導電水を吸引・加圧して高圧導電水を生成する。したがって、アキュムレータ４６の高圧導電水と第２回転機械部の高圧導電水とが合流し、この合流した高圧導電水は逆止弁５４を介して超臨界流体発生器４２に供給される。この工程において、アキュムレータ４６の高圧導電水と第２回転機械部の高圧導電水との流量比率は、コントローラ６０から三方切替制御弁５０に出力される指令信号によって所定値となるように設定することができる。この時、アキュムレータ４６の高圧導電水の供給量が制限されるように三方切替制御弁５０の開度を制御しても良い。この場合、第２回転機械部によって生成される高圧導電水の供給比率が増大するため、超臨界流体発生器４２には推進力を発生させるために必要なボリュームの超臨界水を発生させるための高圧導電水が供給される。この時、アキュムレータ４６の高圧導電水の供給量が制限されているため、アキュムレータ４６は比較的に長期に亘って高圧導電水を供給することが可能となる。

超臨界流体発生器４２は、上述の如く、パルス電源２８からパルス電流が供給されているため、導電水は通電によるジュール熱の発生により飽和蒸気発生ゾーンＺ１で瞬時に飽和蒸気となり、該飽和蒸気は過熱蒸気発生ゾーンＺ２でアークと接触して瞬時に過熱蒸気となり、過熱蒸気は超臨界流体発生ゾーンＺ３で広域のアークと接触して高温高圧となる。この時、超臨界流体発生器４２のインレット側には逆止弁５４によって過熱蒸気の逆流が阻止され、一方、超臨界流体発生器４２のアウトレット側は開閉制御弁５６が閉状態となっているため、過熱蒸気の温度と圧力が急上昇して瞬時に超臨界水が発生する。

この状態において、コントローラ６０から開閉制御弁５６の開弁指令が出力される。すると、超臨界流体発生器４２から超臨界水が噴出して回転式流体機械４０のインレットａ１から第１回転機械部に流入して爆発的に膨張して出力軸に機械エネルギーとしての推進力が発生する。この推進力の一部は発電機８０を駆動しながら、出力装置１６を介して推進手段としての駆動輪４６に伝達され、移動体１０Ａが推進する。

移動体１０Ａの推進中において、アキュムレータ４６の内部圧力が所定値以下に低下すると、コントローラ６０から指令信号が出力されて三方切替制御弁５０が切替わってロータリ加圧ポンプ４４がアキュムレータ４６と連通する。この時、ロータリ加圧ポンプ４４は低圧貯蔵タンク４８から低圧導電水を吸引・加圧して得た高圧導電水をアキュムレータ４６に圧送して貯蔵する。高圧導電水の貯蔵の結果、アキュムレータ４６の圧力が上限圧力レベルに達すると、圧力センサＳ３からの圧力検出信号に応答して、コントローラ６０から圧力エネルギー貯蔵完了を表す指令信号が出力されて、三方切替制御弁５０によってアキュムレータ４６とロータリ加圧ポンプ４４との流路が遮断される。この時、三方切替制御弁５０によってロータリ加圧ポンプ４４のアウトレットｄ２は回転式流体機械４０の第２回転機械部のインレットａ２と連通する。したがって、ロータリ加圧ポンプ４４で生成した高圧導電水は回転式流体機械４０の第２回転機械部及び逆止弁５４を介して超臨界流体発生器４２に継続的に供給される。このように、低圧貯蔵タンク４８と、アキュムレータ４６と、ロータリ加圧ポンプ４４と、回転式流体機械４０の第２回転機械部と、三方切替制御弁５０とは高圧作動流体を超臨界流体発生器４２に連続的に供給するための高圧作動流体供給源として機能する。

移動体１０Ａの運転に当って、シフトレバー７４を操作して、アクセルペダル７０を踏み込むと、出力装置１６のクラッチＣＬが締結して推進力がプロペラシャフトＰＳ及びディファレンシャル１８を介して駆動輪１４に伝達され、移動体１０Ａが推進する。アクセルペダル７０をさらに踏み込むと、コントローラ６０からの指令信号により、パワーコンバータ２４が作動して蓄電装置２６の直流出力を交流出力に変換してＭＧ２２に供給して、ＭＧ２２をモータモードにて駆動してトルクアシストをし、移動体１０Ａの加速を促進する。

移動体１０Ａの推進中にブレーキペダル７２を踏み込むと、ＭＧ２２は減速時に発生する回生エネルギーを利用して発電する。発電電力はパワーコンバータ２４を介して蓄電装置２６に蓄電される。

上述したように、超臨界流体発生器４２ではアーク放電の発生により高圧導電水から発生した超臨界水は温度が、少なくとも、６００℃〜８００℃において３５０ｂａｒ前後の超臨界圧となり、この超臨界水が回転式流体機械４０で爆発的に膨張する。このとき発生する爆発圧力はロータリピストンの回転方向において１０平方ｃｍ当り１０００Ｋｇ前後に達する。回転式流体機械４０のロータリピストン本体の圧力作用面は少なくとも１００平方ｃｍ以上となるため、ロータリピストンの回転方向において１００００Ｋｇ以上の圧力に達する。このため、移動体１０Ａは大きな推進力を得ることができる。なお、作動流体としては、導電水の他に、単純な水、炭酸ガス、水と炭酸ガスの混合流体、水とアセトン（５０％：５０％の比率）の混合流体、導電水とアセトン（５０％：５０％の比率）の混合流体やその他の作動流体を用いても良い。

上述のように、電気的流体圧力変換型推進装置１２が高圧作動流体供給源を備えていることで、超臨界流体発生器４２に連続的に高圧作動流体を供給することが可能となり、パルス電源２８からのパルス電流を超臨界流体発生器４２に供給することにより電気的流体圧力変換型推進装置１２が連続的に推進力を発生させる。この結果、小容量の蓄電装置２６によって、移動体１０Ａの航続距離を飛躍的に向上させることができる。また、推進力の一部を利用して発電機８０を駆動することにより発電し、交流電力をパワーコンバータ２４で直流出力に変換して蓄電装置２６に供給する。このため、蓄電装置２６には電気エネルギーが常に補充され、少容量の蓄電装置２４の採用を可能にして小型軽量、低コストのプラグインハイブリッド移動体の実用化が可能となる。

本発明の各実施例によるプラグインハイブリッド移動体が記載されたが、本発明はこれら実施例に示された構成に限定されず、様々な変更が可能である。例えば、発電機８０は回転式流体機械４０と同心的に配列したものとして図示したが、発電機８０を出力装置１６と並列に配置してプーリーとタイミングベルト等のトルク伝達手段を介して駆動するように変更してもかまわない。その際、トルク伝達手段にクラッチ装置を組み込んで、ＥＣＵその他のコントローラにより移動体の低負荷運転状態において該クラッチ装置をＯＮし、高負荷運転時にはＯＦＦしても良い。

１２電気的流体圧変換型推進装置；１６出力装置；１８ディファレンシャル；２２モータ発電機；２４パワーコンバータ；２６蓄電装置；２８パルス電源；３２外部電源；３４Ａ／Ｄ変換器；４６アキュムレータ；４８低圧貯蔵タンク；４０回転式流体機械；４２超臨界流体発生器；５０三方切替制御弁；５６開閉制御弁；５８冷却器；６０コントローラ；６２入力装置；８０発電機

Claims

蓄電装置と、
前記蓄電装置の出力電力から所定周期のパルス電流を供給するパルス電源と、
前記パルス電流に応答してアーク放電を発生させることにより高圧作動流体から超臨界流体を発生させる超臨界流体発生器と、
前記高圧作動流体を前記超臨界流体発生器に連続的に供給する高圧作動流体供給源と、
前記超臨界流体を膨張させて推進力に変換する回転式流体機械と、
前記回転式流体機械により駆動されて発電する発電機と、
前記発電機の出力電力を直流出力に変換して前記蓄電装置に蓄電させるＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記推進力を推進手段に伝達する出力装置と、
を備えることを特徴とする電気的流体圧変換型推進装置。
前記高圧作動流体供給源が作動流体を貯蔵する低圧貯蔵タンクと、前記回転式流体機械により駆動されて前記低圧貯蔵タンクから前記作動流体を吸引・加圧して前記高圧作動流体を生成するロータリ加圧ポンプと、前記高圧作動流体を貯蔵するアキュムレータと、前記アキュムレータの前記高圧作動流体と前記ロータリ加圧ポンプの前記高圧作動流体とを選択的に前記超臨界流体発生器に供給する切替制御弁とを備えることを特徴とする請求項１記載の電気的流体圧変換型推進装置。
前記回転式流体機械が前記超臨界流体を膨張させて前記推進力に変換する第１回転機械部と、前記ロータリ加圧ポンプから独立して前記作動流体を吸引・加圧して高圧作動流体を生成して前記超臨界流体発生器に供給する第２回転機械部とを備えることを特徴とする請求項２記載の電気的流体圧変換型推進装置。
前記超臨界流体発生器が、リアクタケーシングと、前記リアクタケーシングに形成されていて飽和蒸気発生ゾーンと、過熱蒸気発生ゾーンと、超臨界流体発生ゾーンとを有するアーク放電発生室と、前記パルス電源に接続されていて前記アーク放電発生室でアーク放電を発生させる複数のアーク電極と、前記アーク電極の間に介在していて前記飽和蒸気発生ゾーン、前記過熱蒸気発生ゾーン及び前記超臨界流体発生ゾーンの広域にて前記アーク放電を発生させる複数のアーク放電球体とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気的流体圧変換型推進装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の電気的流体圧変換型推進装置により駆動される移動体。