JP7431441B2

JP7431441B2 - 流体圧アクチュエータ駆動システム及び流体圧アクチュエータ駆動方法

Info

Publication number: JP7431441B2
Application number: JP2020046919A
Authority: JP
Inventors: 太郎中村; 学奥井; 竜斗圓城
Original assignee: Chuo University
Current assignee: Chuo University
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: JP2021148164A

Description

本発明は、流体圧アクチュエータ駆動システム及び流体圧アクチュエータ駆動方法に関する。

液体又は固体からの相変化によって気体を生じさせ、前記気体の圧力によって流体圧アクチュエータを駆動するように構成される、流体圧アクチュエータ駆動システムが、特許文献１により提案されている。このような流体圧アクチュエータ駆動システムは、流体圧アクチュエータの動力源となる気体の供給源の軽量化を可能にし、それにより、システム全体の軽量化を可能にすることができる。

特開２０１７－２１５０３６号公報

上記のような流体圧アクチュエータ駆動システムは、エネルギー効率を更に高めることができれば望ましい。

そこで、本発明は、エネルギー効率を高めることができる流体圧アクチュエータ駆動システム及び流体圧アクチュエータ駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、相変化によって可燃性の気体を生じさせる、気体生成装置と、前記気体生成装置によって生じる前記気体の圧力によって駆動される、第１流体圧アクチュエータと、前記第１流体圧アクチュエータの駆動によって排出される前記気体を燃焼させ、エネルギーを発生させる、燃焼装置と、を有する。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記エネルギーを利用する、エネルギー利用デバイスを有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記エネルギー利用デバイスが、前記第１流体圧アクチュエータを有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記エネルギー利用デバイスが、第２流体圧アクチュエータを有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記エネルギーを蓄積する、エネルギー蓄積装置を有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記エネルギー蓄積装置が、前記エネルギーを加圧気体として蓄積可能な、圧力容器を有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記第１流体圧アクチュエータが人工筋アクチュエータで構成されることが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記気体の飽和蒸気圧が、１ＭＰａ以下であることが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記気体がジメチルエーテルであることが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記ジメチルエーテルを燃焼させる時の空気とジメチルエーテルのモル比である空燃比が、０．０５～０．１１ｍｏｌ％であることが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動システムは、上記構成において、前記空燃比が、０．０６～０．０９ｍｏｌ％であることが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動方法は、相変化によって可燃性の気体を生じさせ、前記気体の圧力によって第１流体圧アクチュエータを駆動する、第１駆動ステップと、前記第１流体圧アクチュエータの駆動によって排出される前記気体を燃焼させ、エネルギーを発生させる、燃焼ステップと、を有する。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動方法は、上記構成において、前記エネルギーを利用する、エネルギー利用ステップを有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動方法は、上記構成において、前記エネルギー利用ステップが、前記第１流体圧アクチュエータを再び駆動する、再駆動ステップを有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動方法は、上記構成において、前記エネルギー利用ステップが、第２流体圧アクチュエータを駆動する、第２駆動ステップを有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動方法は、上記構成において、前記エネルギーを蓄積する、エネルギー蓄積ステップを有することが好ましい。

本発明の流体圧アクチュエータ駆動方法は、上記構成において、前記エネルギー蓄積ステップが、前記エネルギーを加圧気体として蓄積する、加圧気体蓄積ステップを有することが好ましい。

本発明によれば、エネルギー効率を高めることができる流体圧アクチュエータ駆動システム及び流体圧アクチュエータ駆動方法を提供することができる。

本発明の一実施形態である流体圧アクチュエータ駆動システムを示す、概念図である。ジメチルエーテルが燃焼したときの仕事量を説明するための図である。ジメチルエーテルが気化したときの仕事量を説明するための図である。図１に示す流体圧アクチュエータ駆動システムに適用可能な、エネルギー利用デバイスを示す、概念図である。図１に示す流体圧アクチュエータ駆動システムに適用可能な、エネルギー蓄積装置を示す、概念図である。燃焼試験に用いた器具を説明するための図である。燃焼試験において検出した点火時の圧力変化を示す、グラフである。燃焼試験において検出した点火時のピーク圧力を示す、グラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を例示説明する。なお、各図において対応する要素に同一の符号を付す。

図１に示す本発明の一実施形態である流体圧アクチュエータ駆動システム１は、相変化によって可燃性の気体を生じさせる、気体生成装置２と、気体生成装置２によって生じる気体の圧力によって駆動される、第１流体圧アクチュエータ３と、第１流体圧アクチュエータ３の駆動によって排出される気体を燃焼させ、エネルギーＥを発生させる、燃焼装置４と、を有する。

気体生成装置２が生じさせる気体は、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）２ａである。気体生成装置２は、液相のジメチルエーテル２ａと、これを収容する容器２ｂとで構成される。気体生成装置２は、容器２ｂから第１調節弁２ｃを介して第１流体圧アクチュエータ３に気相のジメチルエーテル２ａを供給するように構成される。第１調節弁２ｃは、容器２ｂから第１流体圧アクチュエータ３へのジメチルエーテル２ａの供給が可能な状態と不能な状態とを切替えることができる。第１調節弁２ｃは、図示しないコンピュータなどの制御手段によって駆動される。

第１流体圧アクチュエータ３は、流体の供給によって径方向に膨張すると共に軸方向に収縮する一方、流体の排出によって径方向に収縮すると共に軸方向に伸長するように構成された、人工筋アクチュエータで構成される。なお、第１流体圧アクチュエータ３は、人工筋アクチュエータ以外のアクチュエータで構成してもよい。例えば、第１流体圧アクチュエータ３は、シリンダとピストンで区画された少なくとも１つの流体室に流体圧を作用させることで駆動可能な、シリンダ型流体圧アクチュエータで構成してもよい。

ここで、シリンダ型流体圧アクチュエータとしては、対向する流体室に交互に流体圧を作用させて往復運動を生じさせる方式のものや、流体圧で一方向へ駆動し、ばねによって復元力を得る方式のものなどが挙げられる。また、人工筋アクチュエータとしては、弾性筒状体の外側がスリーブ状に編み込まれた繊維コードで覆われた、マッキベン（ＭｃＫｉｂｂｅｎ）型人工筋アクチュエータや、弾性筒状体の内部に、該弾性筒状体の軸方向に延在する複数の繊維コードが埋設された、軸方向繊維強化型人工筋アクチュエータなどが挙げられる。

なお、第１流体圧アクチュエータ３は、上記のような、流体圧を往復運動（直線運動）に変える往復駆動式流体圧アクチュエータに限らず、流体圧を回転運動に変える回転駆動式流体圧アクチュエータなどで構成してもよい。

燃焼装置４は、第１流体圧アクチュエータ３から排出されるジメチルエーテル２ａを燃焼させ、エネルギーＥを発生させる。燃焼装置４は、第１流体圧アクチュエータ３から排出されるジメチルエーテル２ａを導入可能な、燃焼室４ａと、燃焼室４ａ内で点火可能な、点火装置４ｂと、を有する。燃焼装置４は、第１流体圧アクチュエータ３から第２調節弁４ｃを介して燃焼室４ａに気相のジメチルエーテル２ａを供給するように構成される。また、燃焼装置４は、燃焼室４ａに導入されるジメチルエーテル２ａに大気を混合可能な、可変絞り４ｄを有する。点火装置４ｂ、第２調節弁４ｃ及び可変絞り４ｄは、図示しないコンピュータなどの制御手段によって駆動される。

ジメチルエーテル２ａの燃焼の反応式は、次のとおりである。
Ｃ₂Ｈ₆Ｏ＋３Ｏ₂→２ＣＯ₂＋３Ｈ₂Ｏ＋熱量Ｑ
熱量Ｑ＝ｍＣ_VΔＴ＝３１．７ＭＪ／Ｋｇ
ただし、ｍ：１ｍｏｌのジメチルエーテルと反応する空気の質量
Ｃ_V：空気の定積比熱＝０．７２Ｊ／（ｇ・Ｋ）
ΔＴ：温度の増加量

したがって、温度２５℃、大気圧０．１ＭＰａの標準状態において１ｍｏｌのジメチルエーテル２ａが燃焼し、着火時点で定積変化した後に断熱変化した場合の仕事量（図２中にハッチングで示す面積に相当）は、６３ＭＪである。つまり、燃焼装置４は、標準状態で１ｍｏｌのジメチルエーテル２ａを燃焼させることにより、６３ＭＪのエネルギーＥを発生させることができる。

また、標準状態において液相のジメチルエーテル２ａが１ｍｏｌの気相のジメチルエーテル２ａに変化し、気化時に定圧変化、気化後に断熱変化した場合の仕事量（図３中にハッチングで示す面積に相当）は、３１ＭＪである。

したがって、流体圧アクチュエータ駆動システム１は、燃焼装置４を有することにより、エネルギー効率を、理論上（６３＋３１）／３１倍、つまり３倍に高めることができる。

後述する燃焼試験の結果から、燃焼装置４によりジメチルエーテル２ａを燃焼させる時の、空気とジメチルエーテル２ａのモル比である空燃比は、０．０５～０．１１ｍｏｌ％であることが好ましく、より好ましくは０．０６～０．０９ｍｏｌ％である。

ジメチルエーテル２ａの飽和蒸気圧は、０．６２ＭＰａである。気体生成装置２が生じさせる可燃性の気体は、その飽和蒸気圧の低さや環境適合性等の観点からジメチルエーテル２ａであることが好ましい。しかし、気体生成装置２が生じさせる可燃性の気体はジメチルエーテル２ａに限らず、例えば、飽和蒸気圧が０．９ＭＰａであるプロパンであってもよい。ジメチルエーテル２ａ以外の気体を用いる場合、容器２ｂの耐圧性能確保等のための大型化、重量化を招かないために、その気体の飽和蒸気圧は１ＭＰａ以下であることが好ましい。

図４に示すように、流体圧アクチュエータ駆動システム１は、燃焼装置４が発生させるエネルギーＥを利用する、エネルギー利用デバイス５を有してもよい。図４に示すエネルギー利用デバイス５は、第２流体圧アクチュエータ６を有する。より具体的に、図４に示すエネルギー利用デバイス５は、第２流体圧アクチュエータ６である。第２流体圧アクチュエータ６は、燃焼装置４の燃焼室４ａでの着火により生じる排気の圧力によって駆動可能である。

第２流体圧アクチュエータ６は、図４に示すように人工筋アクチュエータで構成することができる。なお、第２流体圧アクチュエータ６は、人工筋アクチュエータ以外のアクチュエータで構成してもよい。例えば、第２流体圧アクチュエータ６は、シリンダ型流体圧アクチュエータで構成してもよい。第２流体圧アクチュエータ６は、往復駆動式流体圧アクチュエータに限らず、回転駆動式流体圧アクチュエータなどで構成してもよい。

エネルギー利用デバイス５は、第２流体圧アクチュエータ６に代えて、又は加えて、第１流体圧アクチュエータ３を有してもよい。より具体的に、エネルギー利用デバイス５は、第１流体圧アクチュエータ３であってもよいし、第１流体圧アクチュエータ３と第２流体圧アクチュエータ６であってもよい。つまり、エネルギー利用デバイス５は、燃焼装置４の燃焼室４ａでの着火により生じる排気の圧力によって第１流体圧アクチュエータ３を再び駆動するように構成してもよい。

エネルギー利用デバイス５は、燃焼装置４の燃焼室４ａでの着火により生じる排気の圧力によってプランジャーポンプを駆動し、このプランジャーポンプの駆動によって空気を加圧し、この加圧された空気の圧力によって第１流体圧アクチュエータ３及び／又は第２流体圧アクチュエータ６を駆動するように構成してもよい。

なお、エネルギー利用デバイス５は、第１流体圧アクチュエータ３及び／又は第２流体圧アクチュエータ６を有するものに限らない。

図５に示すように、流体圧アクチュエータ駆動システム１は、エネルギーＥを蓄積する、エネルギー蓄積装置７を有してもよい。図５に示すエネルギー蓄積装置７は、エネルギーＥを加圧気体として蓄積可能な、圧力容器７ａである。つまり、エネルギー蓄積装置７は、エネルギーＥにより加圧気体を製造する。すなわち、エネルギーＥの少なくとも一部は、加圧気体として蓄積される。圧力容器７ａは、エネルギーＥを圧縮空気として蓄積可能であってもよい。例えば、燃焼装置４の燃焼室４ａでの着火により生じる排気の圧力によってプランジャーポンプを駆動し、このプランジャーポンプの駆動によって空気を圧縮し、この圧縮した空気を逆止弁を介して圧力容器７ａに供給するように構成してもよい。

圧力容器７ａに蓄積される加圧気体は、エネルギー利用デバイス５を構成する第１流体圧アクチュエータ３及び／又は第２流体圧アクチュエータ６を駆動するために用いてもよい。

エネルギー蓄積装置７は、エネルギーＥを加圧気体として蓄積可能な、圧力容器７ａを有するものに限らない。例えば、エネルギー蓄積装置７は、エネルギーＥを電気として蓄積可能な、電池を有してもよい。電池は、燃焼装置４の燃焼室４ａでの着火により生じる排気の圧力によって発電機が発電した電気を蓄積可能であってもよい。電池に蓄積される電気を、エネルギー利用デバイス５としての電気機械を駆動するために用いてもよい。

本実施形態の流体圧アクチュエータ駆動システム１を用いて、本発明の一実施形態である流体圧アクチュエータ駆動方法を実施することができる。

本実施形態の流体圧アクチュエータ駆動方法は、相変化によって可燃性の気体（ジメチルエーテル２ａ）を生じさせ、気体の圧力によって第１流体圧アクチュエータ３を駆動する、第１駆動ステップと、第１流体圧アクチュエータ３の駆動によって排出される気体を燃焼させ、エネルギーＥを発生させる、燃焼ステップと、を有する。第１駆動ステップは、気体生成装置２と第１流体圧アクチュエータ３により行われる。燃焼ステップは、燃焼装置４により行われる。

本実施形態の流体圧アクチュエータ駆動方法は、燃焼ステップを有することにより、エネルギー効率を、前述したように理論上３倍に高めることができる。

本実施形態の流体圧アクチュエータ駆動方法は、エネルギーＥを利用する、エネルギー利用ステップを有してもよい。エネルギー利用ステップは、エネルギー利用デバイス５によって行われる。

エネルギー利用ステップは、第１流体圧アクチュエータ３を再び駆動する、再駆動ステップを有してもよい。エネルギー利用ステップは、第２流体圧アクチュエータ６を駆動する、第２駆動ステップを有してもよい。

本実施形態の流体圧アクチュエータ駆動方法は、エネルギーＥを蓄積する、エネルギー蓄積ステップを有してもよい。エネルギー蓄積ステップは、エネルギー蓄積装置７によって行われる。

エネルギー蓄積ステップは、エネルギーを加圧気体として蓄積する、加圧気体蓄積ステップを有してもよい。加圧気体蓄積ステップは、エネルギーＥを圧縮空気として蓄積する、圧縮空気蓄積ステップであってもよい。加圧気体蓄積ステップは、圧力容器７ａによって行われる。エネルギー蓄積ステップは、エネルギーＥを電気として蓄積する、蓄電ステップを有してもよい。エネルギー蓄積ステップは、電池によって行われる。

なお、本実施形態の流体圧アクチュエータ駆動システム１は、相変化によって可燃性の気体を生じさせる、気体生成装置２と、気体生成装置２によって生じる気体の圧力によって駆動される、第１流体圧アクチュエータ３と、第１流体圧アクチュエータ３の駆動によって排出される気体を燃焼させ、エネルギーＥを発生させる、燃焼装置４と、を有するものである限り、種々の変更が可能である。

また、本実施形態の流体圧アクチュエータ駆動方法は、相変化によって可燃性の気体を生じさせ、気体の圧力によって第１流体圧アクチュエータ３を駆動する、第１駆動ステップと、第１流体圧アクチュエータ３の駆動によって排出される気体を燃焼させ、エネルギーＥを発生させる、燃焼ステップと、を有するものである限り、種々の変更が可能である。例えば、本実施形態の流体圧アクチュエータ駆動方法は、本実施形態である流体圧アクチュエータ駆動システム１以外の流体圧アクチュエータ駆動システムを用いて実施してもよい。例えば、第１駆動ステップにおいて相変化によって生じさせる可燃性の気体はジメチルエーテル２ａに限らない。また、第１流体圧アクチュエータ３及び／又は第２流体圧アクチュエータ６は、人工筋アクチュエータで構成されるものに限らない。

燃焼装置４によりジメチルエーテル２ａを燃焼させる時の最適な空燃比を調査するために、図６に示す器具８を用いて燃焼試験を行った。器具８は、短辺が１．０ｃｍ、長辺が１．３ｃｍの長方形の開口９ａを備える半密閉容器９と、半密閉容器９内で点火可能な点火装置４ｂと、半密閉容器９内の圧力を測定する圧力センサ１０とを有するものとした。気化させたジメチルエーテル２ａを、空燃比が０．０５ｍｏｌ％、０．０６ｍｏｌ％、０．０７ｍｏｌ％、０．０８ｍｏｌ％、０．０９ｍｏｌ％、０．１０ｍｏｌ％及び０．１１ｍｏｌ％になるように半密閉容器９内に所定量供給し、点火装置４ｂで着火させた時の燃焼圧力を圧力センサ１０で測定した。

その結果を図７及び図８に示す。なお、図７において、横軸は時間（秒）、縦軸は燃焼圧力（ＭＰａ）を表す。また、図８において、横軸は空燃比（ｍｏｌ％）、縦軸は燃焼時のピーク圧力（ＭＰａ）を表す。

図７及び図８に示す燃焼試験の結果から、空燃比が０．０５～０．１１ｍｏｌ％である場合に燃焼が可能であることが確認された。また、特に空燃比が０．０６～０．０９ｍｏｌ％である場合に、燃焼時のピーク圧力が高いことが分かる。この結果は、ジメチルエーテル２ａの理論空燃比が０．０６７ｍｏｌ％であることに整合する。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１流体圧アクチュエータ駆動システム
２気体生成装置
２ａジメチルエーテル
２ｂ容器
２ｃ第１調節弁
３第１流体圧アクチュエータ
４燃焼装置
４ａ燃焼室
４ｂ点火装置
４ｃ第２調節弁
４ｄ可変絞り
５エネルギー利用デバイス
６第２流体圧アクチュエータ
７エネルギー蓄積装置
７ａ圧力容器
８器具
９半密閉容器
９ａ開口
１０圧力センサ
Ｅエネルギー

Claims

相変化によって可燃性の気体を生じさせる、気体生成装置と、
前記気体生成装置によって生じる前記気体の圧力によって駆動される、第１流体圧アクチュエータと、
前記第１流体圧アクチュエータの駆動によって排出される前記気体を燃焼させ、エネルギーを発生させる、燃焼装置と、を有し、
前記第１流体圧アクチュエータは、弾性筒状体又はシリンダを用いて流体圧を往復運動に変える往復駆動式流体圧アクチュエータで構成される、流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記エネルギーを利用する、エネルギー利用デバイスを有する、請求項１に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記エネルギー利用デバイスは、前記第１流体圧アクチュエータを有する、請求項２に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記エネルギー利用デバイスは、第２流体圧アクチュエータを有する、請求項２又は３に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記エネルギーを蓄積する、エネルギー蓄積装置を有する、請求項１～４の何れか１項に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記エネルギー蓄積装置は、前記エネルギーを加圧気体として蓄積可能な、圧力容器を有する、請求項５に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記第１流体圧アクチュエータは人工筋アクチュエータで構成される、請求項１～６の何れか１項に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記気体の飽和蒸気圧は、１ＭＰａ以下である、請求項１～７の何れか１項に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記気体はジメチルエーテルである、請求項１～８の何れか１項に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記ジメチルエーテルを燃焼させる時の空気とジメチルエーテルのモル比である空燃比は、０．０５～０．１１ｍｏｌ％である、請求項９に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
前記空燃比は、０．０６～０．０９ｍｏｌ％である、請求項１０に記載の流体圧アクチュエータ駆動システム。
相変化によって可燃性の気体を生じさせる、気体生成装置と、
前記気体生成装置によって生じる前記気体の圧力によって駆動される、第１流体圧アクチュエータと、
前記第１流体圧アクチュエータの駆動によって排出される前記気体を燃焼させ、エネルギーを発生させる、燃焼装置と、を有し、
前記気体はジメチルエーテルである、流体圧アクチュエータ駆動システム。
相変化によって可燃性の気体を生じさせ、前記気体の圧力によって第１流体圧アクチュエータを駆動する、第１駆動ステップと、
前記第１流体圧アクチュエータの駆動によって排出される前記気体を燃焼させ、エネルギーを発生させる、燃焼ステップと、を有し、
前記第１流体圧アクチュエータは、弾性筒状体又はシリンダを用いて流体圧を往復運動に変える往復駆動式流体圧アクチュエータで構成される、流体圧アクチュエータ駆動方法。
前記エネルギーを利用する、エネルギー利用ステップを有する、請求項１３に記載の流体圧アクチュエータ駆動方法。
前記エネルギー利用ステップは、前記第１流体圧アクチュエータを再び駆動する、再駆動ステップを有する、請求項１４に記載の流体圧アクチュエータ駆動方法。
前記エネルギー利用ステップは、第２流体圧アクチュエータを駆動する、第２駆動ステップを有する、請求項１４又は１５に記載の流体圧アクチュエータ駆動方法。
前記エネルギーを蓄積する、エネルギー蓄積ステップを有する、請求項１３～１６の何れか１項に記載の流体圧アクチュエータ駆動方法。
前記エネルギー蓄積ステップは、前記エネルギーを加圧気体として蓄積する、加圧気体蓄積ステップを有する、請求項１７に記載の流体圧アクチュエータ駆動方法。
相変化によって可燃性の気体を生じさせ、前記気体の圧力によって第１流体圧アクチュエータを駆動する、第１駆動ステップと、
前記第１流体圧アクチュエータの駆動によって排出される前記気体を燃焼させ、エネルギーを発生させる、燃焼ステップと、を有し、
前記気体はジメチルエーテルである、流体圧アクチュエータ駆動方法。
相変化によって可燃性の気体を生じさせ、前記気体の圧力によって第１流体圧アクチュエータを駆動する、第１駆動ステップと、
前記第１流体圧アクチュエータの駆動によって排出される前記気体を燃焼させ、エネルギーを発生させる、燃焼ステップと、
前記エネルギーを利用する、エネルギー利用ステップと、を有し、
前記エネルギー利用ステップは、前記第１流体圧アクチュエータを再び駆動する、再駆動ステップを有する、流体圧アクチュエータ駆動方法。