JPS60234108A

JPS60234108A - 二相流体シリンダ

Info

Publication number: JPS60234108A
Application number: JP9048984A
Authority: JP
Inventors: Tsutae Takeda; 武田　傅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-07
Filing date: 1984-05-07
Publication date: 1985-11-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は作動流体を封入した、主としてシリンダ壁とピ
ストンで構成されたシリンダが、ある温度のもとに主と
して軸方向に作用する力と内部の作動流体の蒸気圧によ
シ発生する推力のつり合いにより伸縮することを特長と
した二相流体シリンダに関するものである。

近年、単純でかつ高性能な伝熱素子としてヒートパイプ
が、さまざまな分野で利用されつつあるが、二相流体の
持つ非常にダイナミックな機能に着目し、さらにこれを
発展させて、ヒートパイプの容器が剛体であるのに対し
、本発明は容器に伸縮可能なシリンダの機能を持たせて
いる。

作動原理は、シリンダ内の作動液を加熱すると蒸気圧が
上昇し、これがやがてピストンに作用している外力を上
回わると作動液が沸騰しピストンを移動させ、冷却すれ
ば蒸気が凝縮して蒸気圧が低下しピストンは復帰すると
いう単純なものである。さらに、液体の蒸気圧は温度に
対して指数的に変化するため、微かな温度変化でも大き
な出力の変化が得られるという特長を有する。

本発明は、この原理を利用した、いずれも二相流体のア
クチーエータ、ばね、温度センサ、アキ・、−ムレータ
等に関するもので、それぞれの構造は基本的に同一であ
る。従来からの油圧シリンダ、空圧シリンダ、ガス封入
ばね、ベローズ式温度センサ、ガス封入型アキュームレ
ータ等が、いずれも液体丑たは気体の一相であるのに対
し、本発明は、作動流体を二相としたことで、以下に述
べる全く新しい機能を有する素子を得るものである３、
また、いずれの素子ともにヒートパイプと同様に優れた
熱伝導性を有すると共に、作動流体としてヘリウム、ア
ンモニア等常温常圧における気体、アルコール、水等の
液体、ナ）　ＩＪウム、銀等の固体を選択することで、
絶対零度より数千塵にわたる広い温度範囲で使用するこ
とができる。

本発明をアクチーエータとして使用すると適当な方法で
温度調整をするだけでよいため、油圧の場合のように特
定の動力源、ポンプ、配管などを必要としないので、軽
量、コンパクトで、運動や運搬がより自由となる。さま
ざ寸の形態の熱が利用できるため、極地とか宇宙空間な
どのように、極限的な環境で、その機能はよシ一層発揮
されることはいうまでもない。例えば電熱とか、熱光線
などで加熱すれば遠隔からも非常に容易に運転すること
ができる。

一方、類似したものとして近年温度変化により形状が変
化する形状記憶合金が開発されつつあり、これがアクチ
ーエータ、及び温度センサとして注目されている。しか
し、形状記憶合金の場合、変形を速めるには加熱及び冷
却性能を高めなければならなく、そのために薄肉、ある
いは小径の構造としなければならなく、大きな出力が得
られない。

これに対し本発明は、アクチュエータ、及び温度センサ
としての機能はもとより、ヒートパイプ同様に薄肉のパ
イプ構造でかつ非常に優れた伝熱素子であるため、有効
断面積を大きくしても応答性をそこなわずに大きな出力
が得られる。さらに、温度調整により、出力を調整でき
ることや、使用温度範囲も金属の融点をはるかに越える
数千塵におよぶという特長を有する。

以下に具体的な実施例により詳細な説明を行なうと、第
１図は本発明の基本的な構造で、シリンダ壁（１）の内
部にンール（４）を装着したピストン（２）を摺動可能
な状態にはめ込み、ヘッド側空間（１０に封入時には主
として液体の状態で適当な作動流体（５）５− が封入されている。これと反対側のロッド側空間α】）
は、ピストン（２）に接続されたロッド（３）が貫通し
、シリンダ壁（１）との摺動部（１ａ）で、ロッドは摺
動可能な状態に支持されてシリンダ壁の外部へ突き出て
いる。

このシリンダの一部、または全体を加熱すると、内部の
作動液は温度上昇に伴ないしだいに蒸気圧が上昇し、や
がてピストンの受圧面に作用する蒸気圧の力Ｆが外力Ｐ
を上回わると作動液が沸騰を始め、蒸気の膨張によりピ
ストン（２）とロッド（３）は外力に対向して押し出さ
れる。

１作動流体として、例えばフロー／１ｋを用いた場合の蒸
気圧の変化をみると第２図に示すように、０℃で０．４
１　Ｋｙｆ／ｄ（ｏ、　０４０ＭＰａ　）が、２０℃で
０、９０　Ｋ５＋ｆ　／ｖｔｒｆで大気圧にほぼ等しく
なり、１００対し、その数倍の圧力が得られ、低圧油圧
の常用圧力に匹敵することが明らかである。さらに水の
場合には、臨界温度３７４．１℃で２１８．５Ｋｐｆ／
ｄ６一もの高圧が得られる。さらに気、液の区別がなくなる臨
界温度に達すると、急激な圧力上昇がみられなくなり、
シリンダの耐圧が臨界圧力を上回わるように設定してお
けば、特別な圧力制御を行なわなくても、使用上問題が
ないという特長を有する。

第１図に示した例は摺動部（１ａ）が特に気密されてい
ないため、ロッド側空間０１）は、シリンダ外部と同様
な雰囲気となっており、例えば地上であれば、はぼＩＪ
（ｙｆｌｏｄの大気圧がピストンを押し戻す作用をする
。この条件におけるシリンダの出力は、外力Ｐに等しく
次式が成り立つ。

Ｐ＝Ｆ−（ピストン断面積−ロノド断面積）×外部圧力
ー摺動抵抗−ピストン部の自重等の加速力次にシリンダの一部又は全体の温度を下げると、ヘッド
側空間の作動流体は凝縮を始め蒸気圧は減少し、ピスト
ンに作用する力Ｆは低下し、やがて外力、及びロッド側
空間の圧力さらにシリンダが垂直の姿勢の場合は自重等
により、ピストンは元の位置に押し戻される。

第６図は本発明の他の実施例で、ロッド側空間α◇には
、ピストン復帰用のバネ（６）が装着されている。バネ
のかわ９に、弾性体または、電磁力を用いてもよく、さ
らに、ロッド（３）との摺動部にシール（７）を入れロ
ッド側空間にガスを封入してもよい。

一方、ヘッド側空間００）には、作動流体（５）の他に
、作動流体と化学反応しない作動流体（５）を封入すれ
ば、温度上昇に伴なう出力の特性に変化が与えられる。

また作動流体（５）が、ピストン復帰時にガスであれば
、戻りに伴なう衝撃力をやわらげるクッションの作用も
する。

第４図は、本発明のさらに他の実施例で、前述の例とは
逆にロッド側空間α■に作動流体を封入してあり、温度
上昇に伴ないシリンダは縮む。

第５図はシリンダ壁の下部に液だまり（８）を形成し、
その中に作動流体（５）を封入し、主にこの部分のみを
加熱するようにしたものである。液だまり（８）で蒸発
した作動流体は、ピストンの移動に伴ない、蒸発部より
温度の低いシリンダ壁（１）の内壁に触れると凝縮する
ため、ピストンの移動は全体を加熱するものより低速と
なるが、凝縮時の潜熱により、シリンダ壁（１）の温度
上昇はヒートパイプと全く同じ原理で、通常の熱伝導の
数十倍から数百倍となる。一方適当な部分を局部的に冷
却した場合にも、作動流体は冷却部で急速に凝縮し、ピ
ストンの復帰は迅速である。なお本例では、ピストンと
ロッドが一体となり、外部に露出している。

第６図は、シリンダ本体をベローズとしたもので、ベロ
ーズ（９）のみで前述のシリンダ壁（１）　、、ピスト
ン（２）、ロッド（３）、シール（４）　（７）、バネ
（６）の機能をはたす。内部は作動流体が液体、及び蒸
気の状態で封入されている。容器は完全な気密性を持ち
、作動流体の蒸気圧の変化に伴ない軸方向に伸縮し、ベ
ローズの弾性が復帰の機能を合わせもつ。さらに、ベロ
ーズの板厚は１　ｒｎｍ以下の薄さでも、数十気圧の耐
圧を示し、かつ表面積が太きいため、容器の熱伝導性が
高く、急速なくり返し運動を可能とする。本例の場合、
伸縮量は前述のものほど大きくとれないものの、あらゆ
る環境で最も利用し９− 易い構造と言えよう。

本発明をアクチーエータに適用した場合の特長として、
まず、油圧や空気圧アクチュエータのようなエンジン、
またはモーター等の特別な原動機が不要なばかりでなく
、ポンプとが配管の必要もすく、コンパクト、低コスト
、高信頼性、かつ、自由な運動機能が上げられる。例え
ば、熱光線などによる遠隔制御が可能となる。次に比較
的に安価でかつ容易に用いられている空気圧は通常５〜
６　Ｋｙ　ｆ　／１ｙｙｆと低圧であるのに対し、例え
ば作動流体にアンモニアを用いた場合１６０℃での蒸気
圧が約１１０　Ｋｙｆ　１０ｎｆと非常に高い値が得ら
れ、油圧に匹敵するものと言える。さらに、作動流体は
完全に密閉された状態で使われるため、環境汚染等の問
題が生じない等の特長を有する。

本発明をバネとして利用した場合のシリンダの構造、及
び作動原理は前述のものと全く同じであるが、機能的に
は次のような特長を持つ。シリンダが加熱されピストン
が押し出された状態のところへ、外部から力が作用する
と、第７図に示すよ１０− うに荷重が増加しても初期的には全く変位が生じない。

これは圧縮ばねの予圧、引張りばねの初張力に相当する
。さらに荷重が増加し、内部の蒸気圧によるピストンの
推力を上回わると、ピストンは押し戻され始める。この
時、内部の蒸気圧が微かに上昇すると蒸気は凝縮してし
甘い、結果的にピストンはほぼ一定の荷重で後退するが
、凝縮時の潜熱の発生により、荷重は微かに上昇するた
め、ばね定数が、非常に小さいという特長を有する。

なお、変位が急激な場合は、完全に作動流体が凝縮しな
いため通常の気体を圧縮するように、ばね定数が大きく
なる。

なお、作動流体の封入空間により圧縮でも、引張りでも
使用できることはいうまでもない。

さらに、加熱温度を微かに変えるだけで、はね荷重を大
きく変化することができる。従来のばね荷重を可変式と
した空気ばねと比較して本発明によるばねは、前述のア
クチーエータ−と同様に特別な動力源とか配管を必要と
しない。

次に本発明を温度センサとした場合、作動流体の沸騰及
び凝縮現象を利用しているために、温度変化により発生
する推力、及び変位量は、従来の液体、又は気体の温度
センサに比べてはるかに太きいため、検出、指示を行な
うだけでなく、弁等の開閉を直接性なうことが可能とな
る。弁の開閉を従来方式で行なうと、センサ、アンプ、
リレー、モータ及びその電源等を必要としたが、本発明
は単体でそれら全ての機能を有し、特別な動力源も必要
としないため、熱に関連した通常の生活空間はもとより
自然界、あるいは宇宙など特定の動力が得にくり、かつ
非常に厳しい環境での使用に偉力を発揮する。

本発明をダンパーとして使用した場合、前述のばねと同
様に急激な変位に対し大きな抵抗を生じ、静かな変位に
対しては、一定の小さな抵抗を生じ、かつ温度調整によ
り荷重を任意に変化することができるという特長を有す
る。

本発明をアキュムレータとして使用した場合、前述のば
ねと同様な機能を有するほかに、動力発生源、及びアク
チーエータとしての機能を合せ持つという特長を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構造の断面図第２図は作動流体の温度と蒸気圧の線図第６図は本発明
の他の実施例第４図は本発明のさらに他の実施例第５図は本発明のさらに他の実施例第６図はベローズを用いた本発明の他の実施例第７図は
本発明をばねに適用した場合の特性線図（１）はシリンダ壁　（２）はピストン　（３）ハロラ
ド（４）　（７）はシール　（５）は作動流体　（６）
はばね（１０）はヘッド側空間　０◇はロッド側・空間
特許出願人　武　１）　傳１６−

Claims

【特許請求の範囲】１　主としてシリンダ壁とピストンにより構成されるシ
リンダ内に封入した作動流体が、ある温度のもとに液体
と蒸気の二相で存在し、シリンダに作用する外力と内部
の作動流体の蒸気圧により発生する推力のつり合いによ
り伸縮を行ない、かつ優れた熱伝導性を有する二相流体
シリンダ。２　前記シリンダに、さらに特定のガス、弾性体、ある
いは別の作動流体を封入して特性に変化を与えた特許請
求の範囲第１項記載の二相流体シリンダ。６　前記シリンダを、伸縮性を有するベローズに置き換
えた特許請求の範囲第１．２項記載の二相流体シリンダ
。４　シリンダを加熱、または冷却し蒸気圧を変化させて
、シリンダを伸縮させるアクチーエータとした特許請求
の範囲第１〜６項記載の二相流体シリンダ。５一定の温度では変位荷重が一定で、温度を変化させる
と、変位荷重が変化するバネとした、特許請求の範囲第
１〜６項記載の二相流体シリンダ。６　周囲の温度変化によるシリンダの変位から温度検出
するセンサとした特許請求の範囲第１〜３項記載の二相
流体シリンダ。７　外部から作用する力を吸収するダンパーとした特許
請求の範囲第１〜６項記載の二相流体シリンダ。８　外部から作用する力を蓄積するアキーームレータと
した特許請求の範囲第１〜３項記載の二相流体シリンダ
。