JP5305210B1

JP5305210B1 - 電気流体圧エンジン、これを有する車両及びプラグインハイブリッド車両並びに電気流体圧エネルギー変換方法

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Publication number: JP5305210B1
Application number: JP2012243137A
Authority: JP
Inventors: 武史畑中
Original assignee: 武史畑中
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: JP2014080958A

Abstract

【課題】小容量蓄電装置の利用を可能にして、小型軽量、高性能で低コストの電気流体圧エンジン、これを有する車両及びプラグインハイブリッド車両並びに電気流体圧エネルギー変換方法を提供するものである。
【解決手段】電気流体圧エンジン１２において、ロータリ加圧ポンプ４４を介して超臨界流体発生器４２に高圧液相作動流体が連続的に供給され、急速充放電型蓄電装置からパルス電源２８に電力を継続的に供給しれ、超臨界流体発生器では周期的なパルス電流に応答して広域でアーク放電を発生させて高圧液相作動流体から超臨界流体を継続的に発生させ、この超臨界流体を回転式流体機械４０で爆発的に膨張させて機械エネルギーに変換し、この機械エネルギーの一部で発電機４５を駆動して得た電気エネルギーの一部を急速充放電型蓄電装置２６に急速充電させることで、小容量の蓄電装置の利用を可能にし、小型高性能の電気流体圧エンジン、これを有する車両及びプラグインハイブリッド車両並びに電気流体圧エネルギー変換方法の提供を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は電気流体圧エネルギー変換装置並びに電気流体圧エネルギー変換方法に関し、特に、電気流体圧エンジン、これを有する車両及びプラグインハイブリッド車両並びに電気流体圧エネルギー変換方法に関する。

近年、地球温暖化防止の有効な対策として圧力エネルギーを利用してエネルギー変換効率を向上させたアキュムレータエンジンやアキュムレータを利用した液圧ハイブリッド車両が提案されている。

特許文献１には、２個の加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アキュムレータエンジンが提案されている。

特許文献２には、低圧アキュムレータと高圧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液体を吸引・加圧して高圧液体を高圧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ようにした液圧ハイブリッド車両が提案されている。

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で開示されたアキュムレータエンジンでは、内燃機関に駆動連結された複数のポンプモータと、複数の三方切替弁を介してそれぞれ複数のポンプモータに接続された複数の液圧貯蔵容器と、複数の液圧貯蔵容器にそれぞれ接続された複数のガス容器とを備え、前記内燃機関の作動により複数のポンプモータを駆動して液体貯蔵容器から液圧流体を吸引・加圧して高圧液体を複数の液圧貯蔵容器に貯蔵する構成となっている。この構成では、多数の液圧関連部品を必要とするため、エンジン自体の構造が大型化すると共に複雑となり、生産コストも上昇する。しかも、複数の液圧貯蔵容器から液圧流体を取り出すと、液圧貯蔵容器内の圧力は急激に低下して圧力エネルギーが少なくなる。その結果、アキュムレータエンジンで長時間に亘って十分な出力トルクを得ることができなかった。そこで、この問題を克服すべく、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複数のガス圧容器を加熱してガス圧を上昇させ、液圧貯蔵容器の急激な圧力低下を補償している。しかしながら、乗用車やトラック・バス等の自動車が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。したがって、上述の排熱エネルギーでガス圧の急峻な低下を補償してもアキュムレータの液圧低下をカバーするには不十分であり、車両の航続距離を向上させることができなかった。しかもこの種のアキュムレータエンジンでは内燃機関が採用されているため、必然的に有害排ガス成分の排出を抑制することは困難であった。

特許文献２で開示された液圧ハイブリッド車両では、内燃機関によってポンプモータを駆動して液体を加圧しているが、液体で車両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、地球環境と大気汚染対策の観点から望ましいものとはいえなかった。しかも、複数の駆動用ポンプモータがディファレンシャルに連結されており、さらには、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造の液圧制御回路の採用が必須条件となっていた。その結果、複雑な構造の液圧制御回路における液圧流体の流路損失が大きくなって応答性も悪く、車体構造も必然的に大型となり、エネルギー効率を向上させた地球環境に優しい車両の実用化が困難であった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、構造が簡単で応答性が高く、しかも小型高性能で低コスト生産が可能な、地球環境に優しい電気流体圧エンジン、これを有する車両及びプラグインハイブリッド車両並びに電気流体圧エネルギー変換方法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に記載された第１発明によれば、電気流体圧エンジンが、液相作動流体を貯蔵する低圧貯蔵タンクと、前記低圧貯蔵タンクから前記液相作動流体を吸引・加圧して高圧液相作動流体を供給するロータリ加圧ポンプと、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広域にてアーク放電を発生させることにより前記高圧液相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、前記超臨界流体を膨張させて機械エネルギーに変換するとともに前記機械エネルギーの一部で前記ロータリ加圧ポンプを駆動する回転式流体機械と、前記高圧液相作動流体を貯蔵するアキュムレータと、前記ロータリ加圧ポンプから吐出した前記高圧液相作動流体の流路を前記アキュムレータと前記超臨界流体発生器の少なくとも１つに切替える切替制御弁と、前記機械エネルギーの一部により駆動されて発電電力を出力する発電機と、前記発電電力を蓄電して前記パルス電源に電力を供給する急速充放電型蓄電装置と、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、前記回転式流体機械が前記超臨界流体を膨張させる第１回転機械部と、前記アキュムレータから供給された前記高圧液相作動流体に応答してモータモードで機能する一方、前記ロータリ加圧ポンプから前記アキュムレータに前記高圧液相作動流体が供給されている間に前記低圧貯蔵タンクから前記液相作動流体を吸引・加圧して高圧液相作動流体を前記超臨界流体発生器に供給するポンプモードで機能する第２回転機械部とを備え、さらに、前記第２回転機械部から排出された膨張流体を冷却液化して前記液相作動流体を前記低圧貯蔵タンクに回収する冷却器を備えることを要旨とする。

請求項３に記載された第２発明によれば、車両が請求項１又は２に記載の電気流体圧エンジンにより駆動されることを要旨とする。

請求項４に記載された第３発明によれば、プラグインハイブリッド車両が、請求項１又は２に記載の電気流体圧エンジンと、前記電気流体圧エンジンに接続された外部電源用インターフェースとを備え、外部電源と前記外部電源用インターフェースとの間で電力のやり取りを行うことを要旨とする。

請求項１記載の第１発明では、電気流体圧エンジンにおいて、ロータリ加圧ポンプを介して超臨界流体発生器に高圧液相作動流体が連続的に供給される。一方、急速充放電型蓄電装置には発電機の発電電力を急速充電していて、急速充放電型蓄電装置からパルス電源に電力が継続的に供給される。急速充放電型蓄電装置は発電機の発電電力を急速充電するため、小容量の蓄電装置の利用が可能となる。したがって、超臨界流体発生器にはパルス電流を継続的に供給することができる。この結果、超臨界流体発生器ではこのパルス電流に応答してアーク放電を発生させ、高圧液相作動流体から超臨界流体を継続的に発生することが可能となる。この超臨界流体を回転式流体機械で爆発的に膨張させて機械エネルギーに変換し、この機械エネルギーの一部で発電機を駆動して、発電機の電気エネルギーを急速充放電型蓄電装置に急速充電さている。その結果、小容量の蓄電装置の利用を可能にし、小型高性能のクリーンな電気流体圧エンジンの実用化を可能にする。また、ロータリ加圧ポンプから吐出した高圧液相作動流体がアキュムレータに貯蔵され、切替制御弁によってロータリ加圧ポンプから吐出した高圧液相作動流体の流路をアキュムレータと超臨界流体発生器の少なくとも１つに切替える構成を採用している。このため、超臨界流体発生器にはアキュムレータとロータリ加圧ポンプから高圧液相作動流体が供給可能となる。したがって、アキュムレータから超臨界流体発生器に高圧液相作動流体が流入するにつれて、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であっても、ロータリ加圧ポンプから超臨界流体発生器に高圧液相作動流体が供給される。そのため、小容量のアキュムレータの採用を可能にして電気流体圧エンジンの小型高性能化が図れる。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性水溶液を使用する。導電性水溶液を超臨界流体発生器に導入して超臨界水を発生させる。超臨界水は、大気圧の状態から加熱して、６７３Ｋ（約４００℃）の超臨界温度に達した際に４００ｂａｒの超臨界圧となる。超臨界流体発生器において超臨界温度は１０７３Ｋ（約８００℃）以上となるため、超臨界圧は極めて高いものとなる。さらに、ロータリ加圧ポンプによって１５〜２０Ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力まで昇圧した高圧導電性水溶液を１０７３Ｋ（約８００℃）以上の超臨界温度で超臨界水を発生させた場合、さらに高い超臨界圧となる。しかも、超臨界水が回転式流体機械に供給されている期間中に、超臨界流体発生器には高圧導電性水溶液が連続的に供給され、一方、周期的なパルス電流によってアーク放電が発生して連続的に超臨界水が発生する。したがって、回転式流体機械の膨張行程の全期間中において超臨界水は極めて高い超臨界圧に維持されたまま回転式流体機械に連続的に供給される。その結果、膨張サイクル毎にロータリピストン本体に作用する正味平均有効圧力は極めて高い圧力となる。そのため、極めて大きな出力トルクが得られ、高いエネルギー効率のクリーンな電気流体圧エンジンを提供することができる。

請求項２記載の構成では、回転式流体機械が、超臨界流体を膨張させて前記機械エネルギーに変換する第１回転機械部と、アキュムレータから供給された高圧液相作動流体に応答してモータモードで機能し、ロータリ加圧ポンプからアキュムレータに高圧液相作動流体が供給されている間に低圧貯蔵タンクから液相作動流体を吸引・加圧して得た高圧液相作動流体を超臨界流体発生器に供給するポンプモードで機能する第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、並びに電気流体圧エンジンの小型軽量化が可能となる。第２には、第２回転機械部が直接、低圧貯蔵タンクから液相作動流体を吸引・加圧して高圧液相作動流体を生成して超臨界流体発生器に圧送することができる。したがって、ロータリ加圧ポンプから高圧液相作動流体がアキュムレータに供給されている期間中であっても、第２回転機械部によって高圧液相作動流体を超臨界流体発生器に継続的に供給することができる。また、第２回転機械部から排出された膨張流体は冷却器により冷却液化して液相作動流体として回収されて循環利用されるため、液相作動流体の消費が抑制される。このように、電気流体圧エンジンでは、回転式流体機械に継続的に超臨界流体が供給されて機械エネルギーを連続的に出力することが可能となる。

請求項１又は２記載の構成では、車両が請求項１〜３のいずれかに記載の電気流体圧エンジン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、航続距離を飛躍的に向上させた、地球環境に優しい小型軽量の車両を提供することができる。

請求項１又は２記載の構成では、プラグインハイブリッド車両が、電気流体圧エンジンと、前記電気流体圧エンジンに接続された外部電源用インターフェースとを備え、外部電源と前記外部電源用インターフェースとの間で電力のやり取りを行うことができる。そのため、プラグインハイブリッド車両を移動型発電装置としても利用してオンデマンドで電力を外部に供給することができ、プラグインハイブリッド車両の利便性が飛躍的に向上する。

本発明の実施例による電気流体圧エンジンを組み込んだプラグインハイブリッド車両のブロック図を示す。図１の電気流体圧エンジンの本体部分の概略概観図を示す。図２の超臨界流体発生器のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。

以下、本発明の実施例による電気流体圧エンジンを組み込んだプラグインハイブリッド車両（以下、単に「車両」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、車両１０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、鉄道車両、特殊装備車及びサーボモーター搭載機関車等の車両、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、戦車等の特装車両、船舶、潜水艦、航空機、宇宙往還機等の移動体にも利用される。

図１に示した実施例において、車両１０は、機械エネルギーを供給する電気流体圧エンジン１２（以下、単に「エンジン１２」と称する）と、エンジン１２から供給された機械エネルギーを複数の駆動輪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はエンジン１２の機械エネルギーを選択的に遮断若しくは締結するクラッチＣＬと、エンジン１２の機械エネルギー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。車両１０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急速充放電型蓄電装置２６に蓄電される。急速充放電型蓄電装置２６と並列に電気二重層コンデンサ２５が接続され、パワーコンバータ２４の出力を平滑すると共に急速充放電型蓄電装置２６を充電する。急速充放電型蓄電装置２６は、望ましくは、パルス充放電サイクル用途に対応可能な市販の急速充放電型蓄電池（古河電池製：商標名「ウルトラバッテリ」）や大容量電気二重層コンデンサからなるスーパーキャパシタ（トーキン製）が用いられる。その他の蓄電池としては、リチウムイオンバッテリやＮｉ−ＭＨ電池（ニッケルー水素電池）に大容量電気二重層コンデンサを組み合わせたものから構成される。なお、車両１０の加速時にはパワーコンバータ２４で急速充放電型蓄電装置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ことによりトルクアシストを行う。

パルス電源２８は急速充放電型蓄電装置２６からの供給電力から所定周期（例えば、５０〜２０００ヘルツ）のパルス電流を供給する。パルス電流は、アーク電極１１２４，１１２６とアーク放電球体１１３４との間でピーク電流通電期間内において流れるピーク電流と、アーク電極１１２４，１１２６とアーク放電球体１１３４との間でオフピーク電流通電期間内において流れるベース電流とからなる。アーク電圧は２０〜１２０ボルトの間で設定され、パルス電流は５０〜５００アンペアのピーク電流と、ピーク電流の約十分の一の電流値を有するベース電流とを発生するように回路設計がなされる。このようにすることで、アーク電極１１２４，１１２６とアーク放電球体１１３４との間では、オフピーク電流通電期間内においてもベース電流が流れる。そのため、アーク電極１１２４，１１２６とアーク放電球体１１３４との間ではアーク放電電流が途切れることなく持続して流れる。この結果、超臨界流体発生器では安定したアーク放電が発生する。パルス電源２８はピーク電流とベース電流とからなるパルス電流を発生させるものであれば、直流パルス電源又は交流パルス電源のいずれでも良い。直流パルス電源としては、例えば、日本国特許第２５８７３４３号に開示されたようなパルスアーク溶接用電源装置に使用されるような回路構成を採用しても良い。

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、例えば車両１０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急速充放電型蓄電装置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急速充放電型蓄電装置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。また、車両１０を移動型発電装置として利用する際には、エンジン１０を運転状態に維持して急速充放電型蓄電装置２６の出力電力をＡＣ／ＤＣ変換器３４で交流出力に変換した後、変圧器Ｔｒ１で外部電源の電圧と同じ電圧に変圧して外部電源３２のソケットを介して電力を供給する。

図２に示すように、エンジン１２は、トランスミッションＴＭに連結される出力軸４０ｃを有する回転式流体機械４０と、回転式流体機械４０の左端部に連結された超臨界流体発生器４２と、回転式流体機械４０の右端部に連結されたロータリ加圧ポンプ４４とを備え、これらは同軸的に配列されてボルト、ナット、その他の締結手段で一体的に結合される。オルタネータ等からなる発電機４５が回転式流体機械４０の出力軸４０ｃにプーリ及びベルトからなる動力伝達手段４３を介して連結されて駆動される。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急速充放電型蓄電装置２６に蓄電される。したがって、急速充放電型蓄電装置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、少容量の急速充放電型蓄電装置２６の採用を可能にしてプラグインハイブリッド車両１０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、前記出力軸に機械エネルギーを発生させる膨張機として機能する第１回転機械部４０Ａ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４０Ｂとを有する。エンジン１２は、さらに、高圧液相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液相作動流体を貯蔵する低圧貯蔵タンク４８とを備える。アキュムレータ４６としては、本発明者と同一発明者の特許出願による特願平２０１２−２１８０５９号「次世代電力貯蔵システム及び次世代電力貯蔵方法）に開示されたアキュムレータと同一の構造のものを使用しても良い。このアキュムレータは機械式バネを利用するものでブラダ式アキュムレータに比べて長寿命である点で好ましく用いられる。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、アウトレットｄ２は三方切替制御弁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を介して直接、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電磁開閉制御弁５６が接続される。即ち、電磁開閉制御弁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、超臨界流体の放出時には解放状態とされる。電磁開閉制御弁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、爆発的に膨張して機械エネルギーを発生する。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。パルス電流の周期はアーク放電発生室１１１８の温度が、例えば、６５０℃〜８００℃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、導電性水溶液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性水溶液が用いられる。なお、作動流体としては、導電性水溶液の他に、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、導電性水溶液とアセトン（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車速信号として検出する車速センサＳ８が車両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性水溶液を作動流体として採用した車両１０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性水溶液が貯蔵されており、低圧貯蔵タンク４８には低圧の導電性水溶液が貯蔵されているものとする。

車両１０の作用において、車両１０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急速充放電型蓄電装置２６に蓄電される。急速充放電型蓄電装置２６から直流出力がパルス電源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の高圧導電性水溶液は回転式流体機械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性水溶液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４０Ａに流入して爆発的に膨張して機械エネルギーに変換される。この時、回転式流体機械４０の第１回転機械部４０Ａに同期して第２回転機械部４０Ｂはポンプモードで作動するため、第２回転機械部４０Ｂは逆止弁５２を介して低圧貯蔵タンク４８から低圧導電性水溶液を吸引・加圧して高圧導電性水溶液を生成する。したがって、アキュムレータ４６の高圧導電性水溶液と第２回転機械部４０Ｂの高圧導電性水溶液とが合流し、この合流した高圧導電性水溶液は逆止弁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の高圧導電性水溶液と第２回転機械部４０Ｂの高圧導電性水溶液との流量比率は、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の高圧導電性水溶液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４０Ｂによって生成される高圧導電性水溶液の供給比率が増大するため、超臨界流体発生器４２には機械エネルギー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性水溶液が供給される。この時、アキュムレータ４６の高圧導電性水溶液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性水溶液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からピーク電流及びベース電流からなるパルス電流が供給されているため、導電性水溶液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電磁開閉制御弁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から電磁開閉制御弁５６に対して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４０Ａに流入して爆発的に膨張して出力軸４０Ｃに機械エネルギーが発生する。この機械エネルギーの一部は発電機４５を駆動する。発電機４５の発電電力はパラーコンバータ２４で直流出力に変換され、電気二重層コンデンサ２５で平滑された後、急速充放電型蓄電装置２６に蓄電される。

車両１０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から低圧導電性水溶液を吸引・加圧して得た高圧導電性水溶液をアキュムレータ４６に圧送して貯蔵する。高圧導電性水溶液の貯蔵の結果、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４０Ｂ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性水溶液は第２回転機械部４０Ｂ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。

車両１０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、コントローラ６０から指令信号Ｃｏｎが出力されて、出力装置１６のクラッチＣＬが締結して機械エネルギー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、車両１０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が作動して急速充放電型蓄電装置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、車両１０の加速を促進する。

車両１０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を介して急速充放電型蓄電装置２６に蓄電される。

車両１０の停止中に、外部電源３２に電力供給を行う際には。電源プラグＰｇを外部電源３２のソケットに差し込んで、車両１０の電力供給モードスイッチ（図示せず）を投入する。この時、急速充放電型蓄電装置２６の出力電力はＡＣ／ＤＣ変換器３４で交流出力に変換された後、変圧器Ｔｒ１で昇圧されて外部電源３２の電圧と同一の電圧に設定されて外部電源３２に供給される。車両１０の電力供給モードにおいては、コントローラ６０からの指令信号により電気流体圧エンジン１２が作動するため、発電機４５の発電電力はパワーコンバータ２４を介して急速充放電型蓄電装置２６に継続的に蓄電される。この発電電力は、パワーコンバータ２４及び急速充放電型蓄電装置２６を介することなく、直接変圧器Ｔｒ１を介して外部電源３２に供給されるように外部電源用インターフェース３０を変形しても良い。

上述したように、超臨界流体発生器４２では高密度アーク放電の発生により高圧導電性水溶液から超臨界水が発生する。超臨界水は、大気圧の状態から加熱して、６７３Ｋ（約４００℃）の超臨界温度に達した際に４００ｂａｒの超臨界圧となる。超臨界流体発生器４２では、超臨界温度は１０７３Ｋ（約８００℃）以上となるため、超臨界圧は極めて高いものとなる。しかも、ロータリ加圧ポンプによって１５〜２０Ｋｇｆ／ｃｍ^２まで昇圧した高圧導電性水溶液を１０７３Ｋ（約８００℃）以上の超臨界水を発生させた場合、極めて高い超臨界圧となる。しかも、超臨界水が回転式流体機械に供給されている期間中に、超臨界流体発生器４２には高圧導電性水溶液が連続的に供給されて周期的に発生するパルス電流によって連続的に超臨界水が発生する。したがって、回転式流体機械４０の膨張行程の全期間中において超臨界水は高い超臨界圧のまま回転式流体機械に継続的に供給される。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極めて高くなるため、車両１０は大きな機械エネルギーからなる推進力を得ることができる。

上述のように、電気流体圧エンジン１２が超臨界流体発生器４２に連続的に高圧液相作動流体を供給することが可能な構造となっており、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流体圧エンジン１２が連続的に機械エネルギーを発生させる。この結果、小容量の急速充放電型蓄電装置２６によって、車両１０の航続距離を飛躍的に向上させることができる。また、機械エネルギーの一部を利用して発電機４５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急速充放電型蓄電装置２６に供給する。このため、急速充放電型蓄電装置２６には電気エネルギーが常に補充され、少容量の急速充放電型蓄電装置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車両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車両が記載されたが、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、交流発電機をモータ発電機に代え、該モータ発電機をエンジン始動時のスタータモータとして機能させ、エンジン始動完了後には、交流発電機として機能させるように変更してもよい。

１２電気流体圧エンジン；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急速充放電型蓄電装置；２８パルス電源；３０外部電源用インターフェース；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；４０Ａ第１回転機械部；４０Ｂ第２回転機械部；４２超臨界流体発生器；４５発電機；５０三方切替制御弁；５６電磁開閉制御弁；５８冷却器；６０コントローラ；６２入力装置；８０発電機

Claims

液相作動流体を貯蔵する低圧貯蔵タンクと、
前記低圧貯蔵タンクから前記液相作動流体を吸引・加圧して高圧液相作動流体を供給するロータリ加圧ポンプと、
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広域にてアーク放電を発生させることにより前記高圧液相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、
前記超臨界流体を膨張させて機械エネルギーに変換するとともに前記機械エネルギーの一部で前記ロータリ加圧ポンプを駆動する回転式流体機械と、
前記高圧液相作動流体を貯蔵するアキュムレータと、前記ロータリ加圧ポンプから吐出した前記高圧液相作動流体の流路を前記アキュムレータと前記超臨界流体発生器の少なくとも１つに切替える切替制御弁と、
前記機械エネルギーの一部により駆動されて発電電力を出力する発電機と、
前記発電電力を蓄電して前記パルス電源に電力を供給する急速充放電型蓄電装置と、
を備えることを特徴とする電気流体圧エンジン。
前記回転式流体機械が前記超臨界流体を膨張させる第１回転機械部と、前記アキュムレータから供給された前記高圧液相作動流体に応答してモータモードで機能する一方、前記ロータリ加圧ポンプから前記アキュムレータに前記高圧液相作動流体が供給されている間に前記低圧貯蔵タンクから前記液相作動流体を吸引・加圧して高圧液相作動流体を前記超臨界流体発生器に供給するポンプモードで機能する第２回転機械部とを備え、さらに、前記第２回転機械部から排出された膨張流体を冷却液化して前記液相作動流体を前記低圧貯蔵タンクに回収する冷却器を備えることを特徴とする請求項１記載の電気流体圧エンジン。
請求項１又は２のいずれかに記載の電気流体圧エンジンにより駆動される車両。
請求項１又は２のいずれかに記載の電気流体圧エンジンと、前記電気流体圧エンジンに接続された外部電源用インターフェースとを備え、外部電源と前記外部電源用インターフェースとの間で電力のやり取りを行うことを特徴とするプラグインハイブリッド車両。