(57)【要約】【課題】第１流体とは異なる物質が第１流体へ混ざることを抑制できる流体エネルギー変換装置を得る。【解決手段】本流体エネルギー変換装置１０は、シリンダ１６Ａ、１６Ｂを備えており、シリンダ１６Ａ、１６Ｂに水素ガス４０が供給されると、シリンダ１６Ａ、１６Ｂ内の液体４２が水素ガス４０に押圧されて流れる。このようにして流れる液体４２によってタービン５６が回転される。ここで、水素ガス４０は、タービン５６を通らない。このため、タービン５６の潤滑液等が水素ガス４０に混ざることを抑制できる。【選択図】図１
2020007941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体供給部から内部に供給された第１流体を第１流体放出部から外部へ放出可能な圧力伝達部と、
少なくとも一部が前記圧力伝達部に入っており、前記圧力伝達部の内部に供給された前記第１流体の圧力が伝わることによって一部が前記圧力伝達部の第２流体放出部から外部へ放出可能とされ、前記圧力伝達部の第２流体供給部から前記圧力伝達部の内部へ供給されることによって圧力を前記第１流体へ伝える第２流体と、
前記第２流体が流れた際に前記第２流体のエネルギーを他のエネルギーに変換するエネルギー変換手段と、
を含んで構成された変換ユニットを備える流体エネルギー変換装置。
【請求項２】
前記変換ユニットは、
一対の前記圧力伝達部と、
前記一対の圧力伝達部の一方の第２流体放出部と他方の前記圧力伝達部の第２流体供給とを繋ぎ、一方の前記圧力伝達部に供給された前記第１流体の圧力によって前記第２流体の他方の前記圧力伝達部への移動が可能とされた第１連絡流路と、
前記一対の圧力伝達部の他方の第２流体放出部と一方の前記圧力伝達部の第２流体供給とを繋ぎ、他方の前記圧力伝達部に供給された前記第１流体の圧力によって前記第２流体の一方の前記圧力伝達部への移動が可能とされた第２連絡流路と、
を備え、
前記エネルギー変換手段は、一方の前記圧力伝達部から前記第１連絡流路を通って他方の前記圧力伝達部へ流れる前記第２流体及び他方の前記圧力伝達部から前記第２連絡流路を通って一方の前記圧力伝達部へ流れる前記第２流体のエネルギーを前記他のエネルギーに変換する請求項１に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項３】
前記第１流体は、気体とされ、前記第２流体は、液体とされる請求項１又は請求項２に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項４】
前記エネルギー変換手段は、前記第２流体の流れによって回転される回転部を有し、前記回転部の回転力を前記他のエネルギーとして出力する回転装置とされた請求項１から請求項３の何れか１項に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項５】
前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の各々の開閉のタイミングを制御して前記圧力伝達部へ供給される前記第１流体の物理量及び前記圧力伝達部から放出される前記第１流体の物理量を調整する制御手段を備える請求項１から請求項４の何れか１項に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記圧力伝達部へ供給される前記第１流体の圧力又は体積に基づいて前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の各々の開閉のタイミングを制御して前記圧力伝達部から放出される前記第１流体の圧力を制御する請求項５に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記圧力伝達部へ供給される前記第１流体の圧力又は体積に基づいて前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の各々の開閉のタイミングを制御して前記圧力伝達部から放出される前記第１流体の流量及び温度の少なくとも一方を制御する請求項５に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項８】
前記第１流体放出部から放出された前記第１流体を所定の圧力に減圧すると共に、減圧に際して前記第１流体の温度変化及び流量変化の少なくとも一方を抑制する減圧手段を備える請求項７に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項９】
前記第１流体放出部へ繋がり、前記第１流体放出部から放出された前記第１流体が供給されて、前記第１流体を利用する流体利用機器を備える請求項１から請求項８の何れか１項に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項１０】
前記第１流体が前記変換ユニットへ供給される際に、前記第１流体の内部エネルギーが増加される請求項１から請求項９の何れか１項に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項１１】
前記変換ユニットの前記第１流体供給部へ接続され、前記第１流体と熱交換対象との間で熱が交換されることによって前記第１流体の内部エネルギーが増加される熱交換手段を備える請求項１０に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項１２】
前記第１流体の流れの向きに互いに隣り合い、前記第１流体の流れの向きにおける上流側の前記変換ユニットの前記第１流体放出部が前記第１流体の流れの向きにおける下流側の前記変換ユニットの前記第１流体供給部に直接又は間接的に繋がった複数の前記変換ユニットを有し、前記上流側の変換ユニットの前記第１流体放出部を流れる前記第１流体が前記下流側の前記変換ユニットへ供給される際に前記第１流体の内部エネルギーが増加される請求項１０又は請求項１１に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項１３】
前記上流側の変換ユニット及び前記下流側の変換ユニットのうちの一方の前記第１流体供給部を流れる前記第１流体の温度が他方の前記第１流体供給部を流れる前記第１流体の温度よりも高い場合に、前記一方における前記第１流体の膨張比が前記他方における前記第１流体の膨張比よりも高くなるように前記上流側の変換ユニット及び前記下流側の変換ユニットの双方の前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の開閉が制御される請求項１２に記載の流体エネルギー変換装置。
【請求項１４】
前記第１流体の流れの向き直列に接続され、前記第１流体の流れの向きに互いに隣り合った前記変換ユニットのうち上流側の前記変換ユニットの前記第１流体放出部が下流側の前記変換ユニットの前記第１流体供給部へ直接又は間接的に接続された３以上の前記変換ユニットを有し、
前記第１流体の流れの向きの最も上流側に配置された最上流側の前記変換ユニット及び前記第１流体の流れの向きの最も下流側に配置された最下流側の前記変換ユニットのうちの一方の前記第１流体供給部を流れる前記第１流体の温度が、他方の前記第１流体供給部を流れる前記第１流体の温度よりも高い場合に、前記変換ユニットの各々における前記第１流体の膨張率が前記一方の側から前記他方の側へ段階的に大きくなるように前記変換ユニットの各々の前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の各々の開閉が制御される請求項１２に記載の流体エネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体のエネルギーを他のエネルギーに変換する流体エネルギー変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に開示された構成では、燃料電池スタックへ供給される高圧水素が膨張機へ供給される。高圧水素は、膨張機で減圧膨張される。このように、膨張機では、高圧水素が膨張される際に生じる内部エネルギーの少なくとも一部によって膨張機を構成する機械的な駆動部分が駆動される。これによって、内部エネルギーの少なくとも一部は、内部エネルギーとは異なる他のエネルギーの一態様である機械的な回転力に変換される。この回転力によって、エネルギー利用機器の一態様である送風機が駆動される。
【０００３】
ところで、上記のように、膨張機は、機械的な駆動部分を有しており、このような駆動部分には、駆動部分を円滑に駆動させるための潤滑剤等、高圧水素とは異なる物質が塗布されていることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２１７６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮して、第１流体とは異なる物質が第１流体へ混ざることを抑制できる流体エネルギー変換装置を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の流体エネルギー変換装置は、第１流体供給部から内部に供給された第１流体を第１流体放出部から外部へ放出可能な圧力伝達部と、少なくとも一部が前記圧力伝達部に入っており、前記圧力伝達部の内部に供給された前記第１流体の圧力が伝わることによって一部が前記圧力伝達部の第２流体放出部から外部へ放出可能とされ、前記圧力伝達部の第２流体供給部から前記圧力伝達部の内部へ供給されることによって圧力を前記第１流体へ伝える第２流体と、前記第２流体が流れた際に前記第２流体のエネルギーを他のエネルギーに変換するエネルギー変換手段と、を含んで構成された変換ユニットを備えている。
【０００７】
請求項１に記載の流体エネルギー変換装置の変換ユニットによれば、第１流体は、第１流体供給部から圧力伝達部に供給され、また、圧力伝達部に供給された第１流体は、第１流体放出部から圧力伝達部の外部へ放出される。この圧力伝達部の第１流体供給部及び第１流体放出部の開閉によって第１流体放出部から放出される第１流体の圧力が、第１供給部から圧力伝達部内へ第１流体が供給される際の第１流体の圧力とは異なる大きさに変えられる。
【０００８】
また、このように、第１流体の圧力伝達部への供給及び圧力伝達部からの第１流体の放出に応じて圧力伝達部での第１流体の圧力が変わると、第１流体の圧力に応じて圧力伝達部内の第２流体が移動され、第１流体のエネルギーの一部が第２流体の移動（押圧）に供される。これによって、第２流体は、第２流体放出部から圧力伝達部の外部へ放出され、また、第２流体は、第２流体供給部から圧力伝達部の内部へ供給される。このように移動される第２流体は、エネルギー変換手段を流れ、第２流体のエネルギー（更に言えば、第２流体の移動に供された第１流体のエネルギー）は、エネルギー変換手段において他のエネルギーに変換される。
【０００９】
このように、本流体エネルギー変換装置では、第２流体がエネルギー変換手段を流れるため、第１流体がエネルギー変換手段へ流れることを抑制できる。これによって、エネルギー変換手段に設けられた第１流体とは異なる物質の第１流体への混入を抑制できる。
【００１０】
請求項２に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１に記載の流体エネルギー変換装置において、前記変換ユニットは、一対の前記圧力伝達部と、前記一対の圧力伝達部の一方の第２流体放出部と他方の前記圧力伝達部の第２流体供給とを繋ぎ、一方の前記圧力伝達部に供給された前記第１流体の圧力によって前記第２流体の他方の前記圧力伝達部への移動が可能とされた第１連絡流路と、前記一対の圧力伝達部の他方の第２流体放出部と一方の前記圧力伝達部の第２流体供給とを繋ぎ、他方の前記圧力伝達部に供給された前記第１流体の圧力によって前記第２流体の一方の前記圧力伝達部への移動が可能とされた第２連絡流路と、を備え、前記エネルギー変換手段は、一方の前記圧力伝達部から前記第１連絡流路を通って他方の前記圧力伝達部へ流れる前記第２流体及び他方の前記圧力伝達部から前記第２連絡流路を通って一方の前記圧力伝達部へ流れる前記第２流体のエネルギーを前記他のエネルギーに変換する。
【００１１】
請求項２に記載の流体エネルギー変換装置の変換ユニットによれば、第１流体が一対の圧力伝達部の一方の内部に供給された状態で、第１流体が他方の圧力伝達部へ供給されると、他方の圧力伝達部内で第１流体の体積が変化されると共に、他方の圧力伝達部に供給された第１流体の圧力によって他方の圧力伝達部内の第２流体が第２連絡流路を流れる。第２流体が第２連絡流路を流れると、第２連絡流路の中間部に設けられたエネルギー変換手段において第２流体のエネルギーが他のエネルギーに変換される。
【００１２】
また、第２連絡流路を流れた第２流体が一方の圧力伝達部へ移動されると、一方の圧力伝達部内の第１流体の体積が変化され、又は、この状態で、一方の圧力伝達部の第１流体放出部が開放されれば、一方の圧力伝達部から第１流体が放出される。
【００１３】
これに対し、第１流体が一対の圧力伝達部の他方の内部に供給された状態で、第１流体が一方の圧力伝達部へ供給されると、一方の圧力伝達部内で第１流体の体積が変化されると共に、一方の圧力伝達部に供給された第１流体の圧力によって一方の圧力伝達部内の第２流体が第１連絡流路を流れる。第２流体が第１連絡流路を流れると、第１連絡流路の中間部に設けられたエネルギー変換手段において第２流体のエネルギーが他のエネルギーに変換される。
【００１４】
また、第１連絡流路を流れた第２流体が他方の圧力伝達部へ移動されると、他方の圧力伝達部内の第１流体の体積が変化され、又は、この状態で、他方の圧力伝達部の第１流体放出部が開放されれば、他方の圧力伝達部から第１流体が放出される。
【００１５】
このため、第１流体の一方の圧力伝達部への供給、他方の圧力伝達部からの第１流体の放出、第１流体の他方の圧力伝達部への供給、一方の圧力伝達部からの第１流体の放出を周期的に繰り返すことによってエネルギー変換手段において第２流体のエネルギーを効率よく他のエネルギーに変換できる。
【００１６】
請求項３に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１又は請求項２に記載の流体エネルギー変換装置において、前記第１流体は、気体とされ、前記第２流体は、液体とされている。
【００１７】
請求項３に記載の流体エネルギー変換装置では、第１流体が気体とされて第２流体が液体とされている。第２流体が第１流体に混じって圧力変換部の第１流体放出部から放出されることを抑制できる。
【００１８】
請求項４に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の流体エネルギー変換装置において、前記エネルギー変換手段は、前記第２流体の流れによって回転される回転部を有し、前記回転部の回転力を前記他のエネルギーとして出力する回転装置とされている。
【００１９】
請求項４に記載の流体エネルギー変換装置では、第１流体の圧力によって第２流体が移動されると、エネルギー変換手段としての回転装置の回転部が第２流体の流れによって回転され、回転装置からは回転部の回転力が他のエネルギーとして出力される。このため、回転装置から出力された回転力を他の回転機器の駆動力として利用できる。
【００２０】
請求項５に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の流体エネルギー変換装置において、前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の各々の開閉のタイミングを制御して前記圧力伝達部へ供給される前記第１流体の物理量及び前記圧力伝達部から放出される前記第１流体の物理量を調整する制御手段を備えている。
【００２１】
請求項５に記載の流体エネルギー変換装置では、圧力伝達部の第１流体供給部及び第１流体放出部の各々の開閉のタイミングが制御手段によって制御され、これによって、圧力伝達部から放出される第１流体の物理量が調整される。このため、圧力伝達部から放出された第１流体の物理量を調整するためだけの構成を設けなくてよい。
【００２２】
請求項６に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項５に記載の流体エネルギー変換装置において、前記制御手段は、前記圧力伝達部へ供給される前記第１流体の圧力又は体積に基づいて前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の各々の開閉のタイミングを制御して前記圧力伝達部から放出される前記第１流体の圧力を制御する。
【００２３】
請求項６に記載の流体エネルギー変換装置よれば、第１流体供給部及び第１流体放出部の各々の開閉のタイミングは、圧力伝達部へ供給される第１流体の圧力又は体積に基づき制御手段によって制御され、これによって、圧力伝達部から放出される第１流体の圧力が制御される。このように、第１流体の圧力を変換ユニットによって所定の大きさにできる。
【００２４】
請求項７に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項５に記載の流体エネルギー変換装置において、前記制御手段は、前記圧力伝達部へ供給される前記第１流体の圧力又は体積に基づいて前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の各々の開閉のタイミングを制御して前記圧力伝達部から放出される前記第１流体の流量及び温度の少なくとも一方を制御する。
【００２５】
請求項７に記載の流体エネルギー変換装置よれば、第１流体供給部及び第１流体放出部の各々の開閉のタイミングは、圧力伝達部へ供給される第１流体の圧力又は体積に基づき制御手段によって制御され、これによって、圧力伝達部から放出される第１流体の流量及び温度の少なくとも一方が制御される。このように、第１流体の流量及び温度の少なくとも一方を変換ユニットによって所定の大きさにできる。
【００２６】
請求項８に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項７に記載の流体エネルギー変換装置において、前記第１流体放出部から放出された前記第１流体を所定の圧力に減圧すると共に、減圧に際して前記第１流体の温度変化及び流量変化の少なくとも一方を抑制する減圧手段を備えている。
【００２７】
請求項８に記載の流体エネルギー変換装置では、圧力伝達部の第１流体放出部から放出された第１流体は、減圧手段によって所定の圧力に減圧される。ここで、減圧手段では、第１流体が減圧される際の温度変化及び流量変化の少なくとも一方が抑制される。これによって、圧力伝達部の第１流体放出部から放出された第１流体の温度及び流量の少なくとも一方の変化を抑制しつつ第１流体を所定の圧力にできる。
【００２８】
請求項９に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１から請求項８の何れか１項に記載の流体エネルギー変換装置において、前記第１流体放出部へ繋がり、前記第１流体放出部から放出された前記第１流体が供給されて、前記第１流体を利用する流体利用機器を備えている。
【００２９】
請求項９に記載の流体エネルギー変換装置によれば、変換ユニットの第１流体放出部は、流体利用機器へ直接又は間接的に接続されており、流体利用機器では、変換ユニットの第１流体放出部から放出された第１流体が利用される。このように、第１流体が流体利用機器へ供給される際に、第１流体のエネルギーを他のエネルギーに変換でき、この他のエネルギーを利用できる。
【００３０】
請求項１０に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１から請求項９の何れか１項に記載の流体エネルギー変換装置において、前記第１流体が前記変換ユニットへ供給される際に、前記第１流体の内部エネルギーが増加される。
【００３１】
請求項１０に記載の流体エネルギー変換装置によれば、第１流体が変換ユニットへ供給される際には、第１流体の内部エネルギーが増加される。これによって、第１流体が変換ユニットへ供給される際には、第１流体の圧力及び体積の少なくとも一方が増加される。このように、変換ユニットの圧力伝達部へ供給される第１流体の圧力及び体積の少なくとも一方が増加されることによって、変換ユニットの圧力伝達部内の第２流体を効率よく移動させることができ、第２流体のエネルギーを効率よく他のエネルギーに変換できる。
【００３２】
請求項１１に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１０に記載の流体エネルギー変換装置において、前記変換ユニットの前記第１流体供給部へ接続され、前記第１流体と熱交換対象との間で熱が交換されることによって前記第１流体の内部エネルギーが増加される熱交換手段を備えている。
【００３３】
請求項１１に記載の流体エネルギー変換装置では、熱交換手段が変換ユニットの第１流体供給部へ接続され、熱交換手段では、第１流体と熱交換対象との間で熱が交換される。これによって内部エネルギーが増加された第１流体を変換ユニットに供給できる。
【００３４】
請求項１２に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１０又は請求項１１に記載の流体エネルギー変換装置において、前記第１流体の流れの向きに互いに隣り合い、前記第１流体の流れの向きにおける上流側の前記変換ユニットの前記第１流体放出部が前記第１流体の流れの向きにおける下流側の前記変換ユニットの前記第１流体供給部に直接又は間接的に繋がった複数の前記変換ユニットを有し、前記上流側の変換ユニットの前記第１流体放出部を流れる前記第１流体が前記下流側の前記変換ユニットへ供給される際に前記第１流体の内部エネルギーが増加される。
【００３５】
請求項１２に記載の流体エネルギー変換装置では、第１流体の流れの向きに互いに隣り合う複数の変換ユニットを有している。これらの変換ユニットのうち、第１流体の流れの向きにおける上流側の変換ユニット（以下、単に「上流側の変換ユニット」と称する）の第１流体放出部が第１流体の流れの向きにおける下流側の変換ユニット（以下、単に「下流側の変換ユニット」と称する）の第１流体供給部に直接又は間接的に繋がっている。したがって、上流側の変換ユニットから放出された第１流体は、上流側の変換ユニットの第１流体放出部及び下流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れて下流側の変換ユニットに供給される。
【００３６】
ところで、第１流体の内部エネルギーは、上流側の変換ユニットでの第２流体の移動に供される（すなわち、第２流体の運動エネルギーに変換される）ことによって減少される。ここで、この上流側の変換ユニットを通った第１流体の内部エネルギーは、上流側の変換ユニットの第１流体放出部及び下流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れて下流側の変換ユニットへ供給される際に増加される。これによって、第１流体が下流側の変換ユニットへ供給される際には、第１流体の圧力及び体積の少なくとも一方が増加される。
【００３７】
このように、下流側の変換ユニットの圧力伝達部へ供給される第１流体の圧力及び体積の少なくとも一方が増加されることによって、下流側の変換ユニットの圧力伝達部内の第２流体を効率よく移動させることができ、第２流体のエネルギーを効率よく他のエネルギーに変換できる。
【００３８】
請求項１３に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１２に記載の流体エネルギー変換装置において、前記上流側の変換ユニット及び前記下流側の変換ユニットのうちの一方の前記第１流体供給部を流れる前記第１流体の温度が他方の前記第１流体供給部を流れる前記第１流体の温度よりも高い場合に、前記一方における前記第１流体の膨張比が前記他方における前記第１流体の膨張比よりも高くなるように前記上流側の変換ユニット及び前記下流側の変換ユニットの双方の前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の開閉が制御される。
【００３９】
請求項１３に記載の流体エネルギー変換装置では、上流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れる第１流体の温度が下流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れる第１流体の温度よりも高い場合に、上流側の変換ユニットにおける第１流体の膨張比が下流側の変換ユニットにおける第１流体の膨張比よりも高くなるように上流側の変換ユニット及び下流側の変換ユニットの双方の変換ユニットの各々の第１流体供給部及び第１流体放出部の開閉が制御される。
【００４０】
これに対して、上流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れる第１流体の温度が下流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れる第１流体の温度よりも低い場合に、上流側の変換ユニットにおける第１流体の膨張比が下流側の変換ユニットにおける第１流体の膨張比よりも低くなるように上流側の変換ユニット及び下流側の変換ユニットの双方の第１流体供給部及び第１流体放出部の開閉が制御される。
【００４１】
以上のように各変換ユニットの第１流体供給部及び第１流体放出部の開閉が制御されることによって、各変換ユニットのエネルギー変換手段でのエネルギーの変換効率の総和の低下を抑制できる。
【００４２】
請求項１４に記載の流体エネルギー変換装置は、請求項１２に記載の流体エネルギー変換装置において、前記第１流体の流れの向き直列に接続され、前記第１流体の流れの向きに互いに隣り合った前記変換ユニットのうち上流側の前記変換ユニットの前記第１流体放出部が下流側の前記変換ユニットの前記第１流体供給部へ直接又は間接的に接続された３以上の前記変換ユニットを有し、前記第１流体の流れの向きの最も上流側に配置された最上流側の前記変換ユニット及び前記第１流体の流れの向きの最も下流側に配置された最下流側の前記変換ユニットのうちの一方の前記第１流体供給部を流れる前記第１流体の温度が、他方の前記第１流体供給部を流れる前記第１流体の温度よりも高い場合に、前記変換ユニットの各々における前記第１流体の膨張率が前記一方の側から前記他方の側へ段階的に大きくなるように前記変換ユニットの各々の前記第１流体供給部及び前記第１流体放出部の各々の開閉が制御される。
【００４３】
請求項１４に記載の流体エネルギー変換装置は、３つ以上の変換ユニットを有している。これらの変換ユニットは、第１流体の流れの向き直列に接続される。また、第１流体の流れの向きに互いに隣り合った変換ユニットのうち、上流側の変換ユニットの第１流体放出部は、下流側の変換ユニットの第１流体供給部へ直接又は間接的に接続される。
【００４４】
ここで、本流体エネルギー変換装置では  第１流体の流れの向きの最も上流側に配置された最上流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れる第１流体の温度が、第１流体の流れの向きの最も下流側に配置された最下流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れる第１流体の温度よりも高い場合に、各変換ユニットでの第１流体の膨張率が最上流側の変換ユニットから最下流側の変換ユニットへ段階的に大きくなるように各変換ユニットの第１流体供給部及び第１流体放出部の各々の開閉が制御される。
【００４５】
これに対して、最上流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れる第１流体の温度が、最下流側の変換ユニットの第１流体供給部を流れる第１流体の温度よりも低い場合に、変換ユニットの各々における第１流体の膨張率が最上流側の変換ユニットから最下流側の変換ユニットへ段階的に小さくなるように各変換ユニットの第１流体供給部及び第１流体放出部の各々の開閉が制御される。
【００４６】
以上のように各変換ユニットの第１流体供給部及び第１流体放出部の開閉が制御されることによって、各変換ユニットのエネルギー変換手段でのエネルギーの変換効率の総和の低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００４７】
以上、説明したように、請求項１に記載の流体エネルギー変換装置では、第１流体とは異なる物質が第１流体へ混ざることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置の変換ユニットの構成を示す水素ガス及び液体の回路図である。
【図２】第１の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置が適用された燃料電池装置の構成を示す水素ガスの回路図である。
【図３】第１の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置の変換ユニットを構成するインジェクタ及び電磁弁の開閉制御のブロック図である。
【図４】第１の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置の変換ユニットを構成するインジェクタ及び電磁弁の開閉のタイミングチャートである。
【図５】第１の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置の変換ユニットを構成する各シリンダの体積及び圧力の変化とジェネレータからの出力の変化を示すタイミングチャートである。
【図６】第１の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置の変換ユニットを構成するインジェクタ及び電磁弁の開閉制御のメインルーチンのフローチャートである。
【図７】（Ａ）は、インジェクタ及び電磁弁の開閉制御の行程１のサブルーチンのフローチャートで、（Ｂ）は、行程２のサブルーチンのフローチャートである。
【図８】（Ａ）は、インジェクタ及び電磁弁の開閉制御の行程３のサブルーチンのフローチャートで、（Ｂ）は、行程４のサブルーチンのフローチャートである。
【図９】第２の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置が適用された冷房装置の構成を示す水素ガスの回路図である。
【図１０】第３の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置が適用された燃料電池装置の構成を示す水素ガスの回路図である。
【図１１】第４の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置が適用された燃料電池装置の構成を示す水素ガスの回路図である。
【図１２】第５の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置が適用された燃料電池装置の構成を示す水素ガスの回路図である。
【図１３】第５の実施の形態に係る流体エネルギー変換装置での水素ガスの体積と圧力の関係を示すグラフである。
【図１４】変換ユニットの変形例を示す水素ガスと液体の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
次に、本発明の各実施の形態について説明する。なお、以下の各実施の形態を説明するにあたり、説明している実施の形態よりも前出の実施の形態と基本的に同一の部位については、同一の符号を付与してその詳細な説明を省略する。また、以下の各実施の形態のうち、第１の実施の形態、第３の実施の形態、第４の実施の形態、第５の実施の形態は、本発明を車両に搭載される流体利用機器としての燃料電池システム１４に適用した例で、第２の実施の形態は、本発明を家屋や工場等の建造物用の流体利用機器としての冷房装置８４に適用した例であるが、各図における紙面の上下方向、左右方向等の各方向と、車両や建造物の上下方向、前後方向、左右方向等の車両や建造物を基準とする各方向とは基本的に関係がない。
【００５０】
＜第１の実施の形態の構成＞
図１に示されるように、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１４は、流体エネルギー変換装置１０を備えており、流体エネルギー変換装置１０は、変換ユニット１２を備えている。変換ユニット１２は、各々が圧力伝達部としての一対のシリンダ１６Ａ、１６Ｂを備えている。これらのシリンダ１６Ａ、１６Ｂは、上下方向側の両端が閉止された筒状に形成されており、各シリンダ１６Ａ、１６Ｂの上側部分には、第１流体供給部としての燃料ガス供給ポート１８Ａ、１８Ｂと、第１流体放出部としての燃料ガス放出ポート２０Ａ、２０Ｂと、が設けられている。
【００５１】
これらのシリンダ１６Ａ、１６Ｂの燃料ガス供給ポート１８Ａ、１８Ｂには、インジェクタ２２Ａ、２２Ｂが設けられており、これらのインジェクタ２２Ａ、２２Ｂには、第１流体流路としての燃料ガス流路２４を構成する第１ガス流路２６が接続されている。第１ガス流路２６は、中間部よりも他端側が二股に分岐されており、第１ガス流路２６の一方の他端は、シリンダ１６Ａのインジェクタ２２Ａに接続されており、第１ガス流路２６の他方の他端は、シリンダ１６Ｂのインジェクタ２２Ｂに接続されている。
【００５２】
図３に示されるように、これらのインジェクタ２２Ａ、２２Ｂは、制御装置２８へ直接又は間接的に電気的に接続されており、制御装置２８から出力されるインジェクタ制御信号ＩａｓがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わると、インジェクタ２２Ａが開放される。この状態では、第１ガス流路２６を通ってインジェクタ２２Ａへ流れた水素ガス４０は、インジェクタ２２Ａからシリンダ１６Ａ内へ噴射される。また、制御装置２８から出力されるインジェクタ制御信号ＩａｓがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わると、インジェクタ２２Ａが閉塞される。インジェクタ２２Ａからシリンダ１６Ａ内への水素ガス４０の噴射が抑制される。
【００５３】
一方、制御装置２８から出力されるインジェクタ制御信号ＩｂｓがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わると、インジェクタ２２Ｂが開放される。この状態では、第１ガス流路２６を通ってインジェクタ２２Ｂへ流れた水素ガス４０は、インジェクタ２２Ｂからシリンダ１６Ｂ内へ噴射される。また、制御装置２８から出力されるインジェクタ制御信号ＩｂｓがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わると、インジェクタ２２Ｂが閉塞される。インジェクタ２２Ｂからシリンダ１６Ｂ内への水素ガス４０の噴射が抑制される。
【００５４】
図２に示されるように、第１ガス流路２６の一端は、タンク３０の口金に接続されている。タンク３０の内部には、第１流体又は燃料ガスとしての水素ガス４０が高圧の状態で貯蔵されており、タンク３０の口金から放出された水素ガス４０は、第１ガス流路２６を流れることができる。また、図１に示されるように、第１ガス流路２６の一端と上述した第１ガス流路２６の他端側における分岐部分との間には、物理量測定装置としての圧力計３２が接続されている。圧力計３２は、物理量の測定値の一態様であるタンク３０から放出されて第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の圧力（一次圧力）を検出している。
【００５５】
また、図３に示されるように、圧力計３２は、制御装置２８に直接又は間接的に電気的に接続されている。また、圧力計３２からは、物理量の測定値の大きさに対応する測定値信号Ｍｓの一態様である圧力検出信号Ｐｍｓが出力される。圧力検出信号Ｐｍｓは、タンク３０から放出されて第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の圧力（一次圧力）の大きさに応じたレベル（例えば、電圧）を有しており、この圧力検出信号Ｐｍｓは、制御装置２８に入力される。
【００５６】
一方、図１に示されるように、上述した各シリンダ１６Ａ、１６Ｂの燃料ガス放出ポート２０Ａ、２０Ｂには、燃料ガス流路２４を構成する第２ガス流路３４が接続されている。第２ガス流路３４の中間部よりも一端側は、二股に分岐されており、第２ガス流路３４の一方の一端は、シリンダ１６Ａの燃料ガス放出ポート２０Ａに接続され、第２ガス流路３４の他方の一端は、シリンダ１６Ｂの燃料ガス放出ポート２０Ｂに接続されている。第２ガス流路３４の一方の一端と、第２ガス流路３４の一端側の分岐部分との間には、電磁弁３６Ａが設けられており、第２ガス流路３４の他方の一端と、第２ガス流路３４の一端側の分岐部分との間には、電磁弁３６Ｂが設けられている。
【００５７】
図３に示されるように、これらの電磁弁３６Ａ、３６Ｂは、制御装置２８へ直接又は間接的に電気的に接続されており、制御装置２８から出力される弁制御信号ＶａｓがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わると、電磁弁３６Ａの弁体が開方向へ移動される。これによって、第２ガス流路３４の一方の一端と、第２ガス流路３４の一端側の分岐部分との間が開放される。また、制御装置２８から出力される弁制御信号ＶａｓがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わると、電磁弁３６Ａの弁体が閉方向へ移動される。これによって、第２ガス流路３４の一方の一端と、第２ガス流路３４の一端側の分岐部分との間が閉塞される。
【００５８】
また、制御装置２８から出力される弁制御信号ＶｂｓがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わると、電磁弁３６Ｂの弁体が開方向へ移動される。これによって、第２ガス流路３４の他方の一端と、第２ガス流路３４の一端側の分岐部分との間が開放される。また、制御装置２８から出力される弁制御信号ＶｂｓがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わると、電磁弁３６Ｂの弁体が閉方向へ移動される。これによって、第２ガス流路３４の他方の一端と、第２ガス流路３４の一端側の分岐部分との間が閉塞される。
【００５９】
図２に示されるように、第２ガス流路３４の他端は、燃料電池システム１４の燃料電池スタック３８の燃料ガス供給ポートへ接続されており、第２ガス流路３４を流れた水素ガス４０は、燃料電池スタック３８へ供給される。燃料電池スタック３８は、複数のセルを備えている。水素ガス４０がセルの正極（アノード、燃料極）と正極側のセパレータとの間を流れ、酸化剤としての酸素を含む空気がセルの負極（カソード、空気極）と負極側のセパレータとの間を流れることによって電気化学反応が生じ、これによって、発電される。
【００６０】
燃料電池スタック３８は、車両（図示省略）に搭載された駆動ドライバを介して駆動装置としての車両駆動モータへ電気的に接続されており、燃料電池スタック３８から車両駆動モータへ電力が供給されることによって車両駆動モータが駆動される。車両駆動モータの出力軸は、車両の駆動輪へ機械的に接続されており、車両駆動モータの駆動力が駆動輪へ伝わることによって車両は、走行できる。
【００６１】
一方、上述したシリンダ１６Ａ、１６Ｂの内部には、第２流体としての液体４２が入っている。液体４２は、例えば、エチレングリコール、水等によって構成されている。但し、液体４２の種類や成分等については、特に限定されるものではない。しかしながら、液体４２の飽和蒸気圧は、高く、揮発性が低いことが好ましく、また、液体４２の凝固点は、低く、凍りにくいことが好ましい。さらに、液体４２が揮発した場合には、揮発した液体４２の成分が、燃料電池スタック３８のセルにおける水素ガス４０と空気との電気化学反応に影響を及ぼしにくいことが好ましい。また、液体４２の圧縮荷重に対する体積変化は小さいことが好ましい。
【００６２】
また、シリンダ１６Ａの底壁部には、第２流体放出部としての液体放出ポート４４Ａと第２流体供給部としての液体供給ポート４６Ａとが設けられており、シリンダ１６Ｂの底壁部には、第２流体放出部としての液体放出ポート４４Ｂと第２流体供給部としての液体供給ポート４６Ｂとが設けられている。
【００６３】
シリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａには、第１連絡流路４８Ａを構成する第１液体流路５０Ａの一端が接続されており、シリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａから放出された液体４２は、第１液体流路５０Ａを流れることができる。第１液体流路５０Ａの中間部には、第１逆止弁５２Ａが設けられている。第１逆止弁５２Ａは、第１液体流路５０Ａにおいて第１逆止弁５２Ａよりも他端側から一端側（すなわち、図１における矢印ＬＡ方向とは反対方向側）へ液体４２が流れることを抑制している。
【００６４】
一方、シリンダ１６Ｂの液体放出ポート４４Ｂには、第２連絡流路４８Ｂを構成する第１液体流路５０Ｂの一端が接続されており、シリンダ１６Ｂの液体放出ポート４４Ｂから放出された液体４２は、第１液体流路５０Ｂを流れることができる。第１液体流路５０Ｂの中間部には、第１逆止弁５２Ｂが設けられている。第１逆止弁５２Ｂは、第１液体流路５０Ｂにおいて第１逆止弁５２Ｂよりも他端側から一端側（すなわち、図１における矢印ＬＢ方向とは反対方向側）へ液体４２が流れることを抑制している。
【００６５】
この第１液体流路５０Ｂの他端は、上記の第１液体流路５０Ａの他端へ接続されている。さらに、第１液体流路５０Ａ、５０Ｂの両他端の接続部分には、第１連絡流路４８Ａ及び第２連絡流路４８Ｂの双方を構成する第２液体流路５４の一端が接続されている。第２液体流路５４の他端は、タービン５６へ接続されている。タービン５６は、受圧装置又は回転装置の一態様としてエネルギー変換手段としてのエネルギー変換部５８を構成している。さらに、タービン５６には、第１連絡流路４８Ａ及び第２連絡流路４８Ｂの双方を構成する第３液体流路６０の一端が接続されている。
【００６６】
タービン５６は、羽根車（図示省略）を備えており、液体４２が第２液体流路５４からタービン５６へ供給され、更に、タービン５６から第３液体流路６０へ流れると、液体４２の羽根車が回転される。なお、タービン５６の羽根車は、例えば、反動水車のように液体４２の圧力によって回転される構成であってもよい。しかしながら、タービン５６の羽根車は、液体４２がタービン５６を流れることによって回転される構成であれば、その具体的な態様に限定されることなく、様々な態様の適用が可能である。
【００６７】
タービン５６の羽根車は、エネルギー変換部５８を構成するジェネレータ６２の入力軸（図示省略）へ機械的に接続されている。ジェネレータ６２は、例えば、整流子発電機（所謂「ダイナモ」）とされており、タービン５６の羽根車の回転力がジェネレータ６２の入力軸へ伝えられて、ジェネレータ６２の入力軸が回転されると、ジェネレータ６２においてジェネレータ６２の入力軸の回転力が、電気エネルギーに変換されて発電される。ジェネレータ６２は、インバータ６４を介してバッテリー（蓄電池）６６へ電気的に接続されており、ジェネレータ６２において生成された電気エネルギーをバッテリー６６に充電できる。
【００６８】
一方、上述した第３液体流路６０の他端は、第１連絡流路４８Ａを構成する第４液体流路６８Ａ及び第２連絡流路４８Ｂを構成する第４液体流路６８Ｂの各々の一端へ接続されている。第４液体流路６８Ａの他端は、シリンダ１６Ｂの液体供給ポート４６Ｂへ接続されている。また、第４液体流路６８Ａの中間部には、第２逆止弁７０Ａが設けられている。第２逆止弁７０Ａは、第４液体流路６８Ａにおいて第２逆止弁７０Ａよりも他端側から一端側（すなわち、図１における矢印ＬＡ方向とは反対方向側）へ液体４２が流れることを抑制している。
【００６９】
また、第４液体流路６８Ｂの他端は、シリンダ１６Ａの液体供給ポート４６Ａへ接続されている。また、第４液体流路６８Ｂの中間部には、第２逆止弁７０Ｂが設けられている。第２逆止弁７０Ｂは、第４液体流路６８Ｂにおいて第２逆止弁７０Ｂよりも他端側から一端側（すなわち、図１における矢印ＬＢ方向とは反対方向側）へ液体４２が流れることを抑制している。
【００７０】
また、詳細については後述するが、インジェクタ２２Ａからシリンダ１６Ａ内へ水素ガス４０が供給されて液体４２がシリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａから放出される際には、シリンダ１６Ａの電磁弁３６Ａは、閉じられている。このため、シリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａから放出された水素ガス４０が第４液体流路６８Ｂ及びシリンダ１６Ａの液体供給ポート４６Ａを通ってシリンダ１６Ａ内に戻ることはない。
【００７１】
さらに、インジェクタ２２Ｂからシリンダ１６Ｂ内へ水素ガス４０が供給されて液体４２がシリンダ１６Ｂの液体放出ポート４４Ｂから放出される際には、シリンダ１６Ｂの電磁弁３６Ｂは、閉じられている。このため、シリンダ１６Ｂの液体放出ポート４４Ｂから放出された水素ガス４０が第４液体流路６８Ａ及びシリンダ１６Ｂの液体供給ポート４６Ｂを通ってシリンダ１６Ｂ内に戻ることはない。
【００７２】
すなわち、本実施の形態では、シリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａから放出された液体４２は、第１液体流路５０（すなわち、第１液体流路５０Ａ、第２液体流路５４、タービン５６、第３液体流路６０、第４液体流路６８Ａで、図１における矢印ＬＡ方向）を通ってシリンダ１６Ｂの液体供給ポート４６Ｂからシリンダ１６Ｂ内へ流れる。これに対して、シリンダ１６Ｂの液体放出ポート４４Ｂから放出された液体４２は、第２液体流路５４（すなわち、第１ガス流路２６Ｂ、第２液体流路５４、タービン５６、第３液体流路６０、第４液体流路６８Ｂで、図１における矢印ＬＢ方向）を通ってシリンダ１６Ａの液体供給ポート４６Ａからシリンダ１６Ａ内へ流れる。
【００７３】
このように、シリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａから放出された液体４２及びシリンダ１６Ｂの液体放出ポート４４Ｂから放出された液体４２は、何れも、第２液体流路５４からタービン５６を通って第３液体流路６０へ流れる。このため、タービン５６における液体４２の流れの向きは、シリンダ１６Ａからの液体４２と、シリンダ１６Ｂからの液体４２とで同じ向きになる。これにより、シリンダ１６Ａからの液体４２及びシリンダ１６Ｂからの液体４２の何れがタービン５６を流れても、タービン５６の羽根車の回転方向は同じになる。
【００７４】
また、本実施の形態では、シリンダ１６Ａには、物理量測定装置としての液面計７２が設けられている。液面計７２は、物理量の測定値の一態様であるシリンダ１６Ａ内の液体４２の液面の位置（すなわち、シリンダ１６内における液体４２の液面の高さ）を検出している。図３に示されるように、液面計７２は、制御装置２８に直接又は間接的に電気的に接続されている。また、液面計７２からは、物理量の測定値の大きさに対応する測定値信号Ｍｓの一態様である液面検出信号Ｓｍｓが出力される。液面検出信号Ｓｍｓは、シリンダ１６Ａ内における液体４２の液面の位置（液面の高さ）に応じたレベル（例えば、電圧）を有しており、この液面検出信号Ｓｍｓは、制御装置２８に入力される。
【００７５】
さらに、制御装置２８は、１又は複数の指令装置（図示省略）に直接又は間接的に電気的に接続されている。指令装置からは物理量の目標値に対応したレベル（例えば、電圧）の指令値Ｃｓが出力される。特に、本実施の形態において、指令値Ｃｓは、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の圧力（二次圧力）の目標値である圧力指令値Ｃｐｓと、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の流量の目標値である流量指令値Ｃｆｓになる。
【００７６】
＜第１の実施の形態の作用、効果＞
（第１の実施の形態の基本的な動作）
次に、第１の実施の形態の基本的な動作と、基本的な動作に基づく作用並びに効果について説明する。図４に示されるように、本実施の形態に係る燃料電池システム１４の流体エネルギー変換装置１０の変換ユニット１２は、行程１、行程２、行程３、行程４の処理が順番に行なわれ、更に、図５に示されるように、行程１での処理の開始から行程４での処理の終了までを１つの周期として繰り返される。
【００７７】
先ず、行程１が開始されると、インジェクタ２２Ａ及び電磁弁３６Ｂが開操作されると共に、インジェクタ２２Ｂ及び電磁弁３６Ａが閉操作される。これによって、タンク３０から高圧の水素ガス４０がシリンダ１６Ａへ供給される。シリンダ１６Ａに水素ガス４０が供給されると、シリンダ１６Ａ内の液体４２が水素ガス４０に押圧されてシリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａから放出される（すなわち、水素ガス４０の内部エネルギーが、液体４２の液体放出ポート４４Ｂからの放出に供される）。
【００７８】
液体放出ポート４４Ａから放出された液体４２は、第１連絡流路４８Ａを流れてシリンダ１６Ｂの液体供給ポート４６Ｂからシリンダ１６Ｂ内に入る。このようにしてシリンダ１６Ｂ内に液体４２が入ると、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０が液体４２に押圧される（すなわち、液体４２の内部エネルギーが、水素ガス４０の押圧に供される）。これによって、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０がシリンダ１６Ｂの燃料ガス放出ポート２０Ｂから放出され、第２ガス流路３４へ流れる。
【００７９】
次に、行程１の開始から所定の時間が経過すると、行程１が終了して行程２が開始される。行程２では、インジェクタ２２Ａが閉操作される（電磁弁３６Ａ及びインジェクタ２２Ｂの閉状態、電磁弁３６Ｂの開状態は、維持される）。これによって、タンク３０からシリンダ１６Ａへの水素ガス４０の供給が停止される。タンク３０内の水素ガス４０が供給されたシリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の圧力は、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０よりも圧力よりも高い。このため、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の圧力がシリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０の圧力と同じ大きさになるまでシリンダ１６Ａ内の水素ガス４０は、膨張されて減圧される。
【００８０】
これにより、シリンダ１６Ａ内の液体４２は、シリンダ１６Ａ内で膨張する水素ガス４０によって押圧され、シリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａから更に放出される。このようにして、液体４２が第１連絡流路４８Ａを流れることにより、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０は、燃料ガス放出ポート２０Ｂから更に放出される。このようにして、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０が膨張して所定の体積になると、行程２が終了される。
【００８１】
次に、行程３では、インジェクタ２２Ｂ及び電磁弁３６Ａが開操作されると共に、インジェクタ２２Ａ及び電磁弁３６Ｂが閉操作される。これによって、タンク３０から高圧の水素ガス４０がシリンダ１６Ｂへ供給される。シリンダ１６Ｂに水素ガス４０が供給されると、シリンダ１６Ｂ内の液体４２が水素ガス４０に押圧されてシリンダ１６Ｂの液体放出ポート４４Ｂから放出される（すなわち、水素ガス４０の内部エネルギーが、液体４２の液体放出ポート４４Ｂからの放出に供される）。
【００８２】
液体放出ポート４４Ｂから放出された液体４２は、第２連絡流路４８Ｂを流れてシリンダ１６Ａの液体供給ポート４６Ａからシリンダ１６Ａ内に入る。このようにしてシリンダ１６Ａ内に液体４２が入ると、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０が液体４２に押圧される（すなわち、液体４２の内部エネルギーが、水素ガス４０の押圧に供される）。これによって、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０がシリンダ１６Ａの燃料ガス放出ポート２０Ａから放出され、第２ガス流路３４へ流れる。
【００８３】
次に、行程３の開始から所定の時間が経過すると、行程３が終了して行程４が開始される。行程４では、インジェクタ２２Ｂが閉操作される（電磁弁３６Ｂ及びインジェクタ２２Ａの閉状態、電磁弁３６Ａの開状態は、維持される）。これによって、タンク３０からシリンダ１６Ｂへの水素ガス４０の供給が停止される。タンク３０内の水素ガス４０が供給されたシリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０の圧力は、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０よりも圧力よりも高い。このため、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０の圧力がシリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の圧力と同じ大きさになるまでシリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０は、膨張されて減圧される。
【００８４】
これにより、シリンダ１６Ｂ内の液体４２は、シリンダ１６Ｂ内で膨張する水素ガス４０によって押圧され、シリンダ１６Ｂの液体放出ポート４４Ｂから更に放出される。このようにして、液体４２が第２連絡流路４８Ｂを流れることにより、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０は、燃料ガス放出ポート２０Ａから更に放出される。このようにして、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０が膨張して所定の体積になると、行程４が終了されると共に、以上の行程１から行程４の処理が所定の周期ｆで繰り返される。
【００８５】
ここで、行程１から行程４の各行程では、液体４２が第１連絡流路４８Ａ又は第２連絡流路４８Ｂを流れる。したがって、この行程１から行程４の各行程では、液体４２が第２液体流路５４からタービン５６を通って第３液体流路６０へ流れる。このように、液体４２がタービン５６を流れると、タービン５６の羽根車が回転されてジェネレータ６２の入力軸が回転される（すなわち、液体４２の運動エネルギー、ひいては、液体４２の移動に供された水素ガス４０の内部エネルギーの一部が、タービン５６の羽根車の回転のための機械的エネルギーに変換される）。ジェネレータ６２の入力軸の回転力（機械的エネルギー）は、ジェネレータ６２において電気エネルギーに変換されて発電される。このようにしてジェネレータ６２において発生した電力は、インバータ６４を介してバッテリー６６へ流れ、バッテリー６６が充電される。
【００８６】
このように、本実施の形態では、上記のように水素ガス４０がタンク３０からシリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂを通って燃料電池スタック３８へ流れることによって、バッテリー６６を充電できる。
【００８７】
また、本実施の形態では、タービン５６の羽根車は、第２流体としての液体４２によって回転され、第１流体としての水素ガス４０は、タービン５６を通らない。このため、タービン５６の羽根車等に塗布された潤滑剤が水素ガス４０に混ざることを抑制できる。
【００８８】
（制御装置２８による制御の説明）
次に、行程１から行程４の各行程における制御装置２８によるインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の制御について図６から図８のフローチャートに基づいて説明する共に、この制御装置２８の制御による本実施の形態の作用並びに効果について説明する。
【００８９】
図６に示されるように、本実施の形態では、例えば、燃料電池システム１４での発電が開始されると、制御装置２８での制御が開始される（ステップ２００）。制御装置２８での制御のメインルーチンは、ステップ２０２での行程１のサブルーチン、ステップ２０４での行程２のサブルーチン、ステップ２０８での行程３のサブルーチン、ステップ２１０での行程４のサブルーチンの各処理を順番に行なうようになっている。
【００９０】
また、ステップ２０４での行程２のサブルーチンが終了した後のステップ２０６、ステップ２１０での行程４のサブルーチンが終了した後のステップ２１２では、例えば、車両の走行速度Ｖｅｓが予め設定された設定速度Ｖｅ０よりも大きいか否かが判定される。車両の走行速度Ｖｅｓが設定速度Ｖｅ０以上の以上には、制御装置２８での制御が継続され、車両の走行速度Ｖｅｓが設定速度Ｖｅ０未満の場合には、制御装置２８での制御が終了される（ステップ２１４）。
【００９１】
ステップ２０２で行程１のサブルーチンへ進むと、図７（Ａ）に示されるように、ステップ２２２では、物理量の指令値Ｃｓが読込まれる。本実施の形態では、指令値Ｃｓは、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の圧力（二次圧力）の目標値である圧力指令値Ｃｐｓと、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の流量の目標値である流量指令値Ｃｆｓとされる。さらに、ステップ２２２では、物理量の測定値信号Ｍｓが読込まれる。本実施の形態では、測定値信号Ｍｓは、圧力計３２からの圧力検出信号Ｐｍｓ及び液面計７２からの液面検出信号Ｓｍｓになり、ステップ２２２では、圧力検出信号Ｐｍｓが測定値信号Ｍｓとして読み込まれる。
【００９２】
次いで、ステップ２２４では、圧力指令値Ｃｐｓと圧力検出信号Ｐｍｓとに基づいて、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の圧力（二次圧力）の目標値になるようなシリンダ１６Ａ内での水素ガス４０の目標膨張比Ｒａが演算される。さらに、この目標膨張比Ｒａの演算結果に基づいて、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の圧力（二次圧力）が、上記の目標値（すなわち、圧力指令値Ｃｐｓに対応する値）になるような水素ガス４０の目標体積Ｖａｍａｘが演算される。さらに、これらの演算結果に基づいてインジェクタ２２Ａの開放時間Ｔａが演算されると共に、行程１の開始から行程４の終了までに要する周期ｆが演算される。
【００９３】
ここで、行程３（メインルーチンのステップ２０８）、行程４（メインルーチンのステップ２１０）を経てステップ２２４の処理が行なわれる場合、ステップ２２２で読み込まれた流量指令値Ｃｆｓに基づく水素ガス４０の流量が、その前の流量指令値Ｃｆｓに基づく水素ガス４０の流量よりも多いと、インジェクタ２２Ａの開放時間Ｔａは、その前のインジェクタ２２Ｂの開放時間Ｔｂよりも長くされる。また、ステップ２２２で読み込まれた流量指令値Ｃｆｓに基づく水素ガス４０の流量が、その前の流量指令値Ｃｆｓに基づく水素ガス４０の流量よりも少ないと、インジェクタ２２Ａの開放時間Ｔａは、その前のインジェクタ２２Ｂの開放時間Ｔｂよりも短くされる。
【００９４】
次いで、ステップ２２６では、Ｈｉｇｈレベルのインジェクタ制御信号Ｉａｓ及び弁制御信号Ｖｂｓが制御装置２８から出力されると共に、Ｌｏｗレベルの弁制御信号Ｖａｓ及びインジェクタ制御信号Ｉｂｓが制御装置２８から出力される。これによって、インジェクタ２２Ａ及び電磁弁３６Ｂが開状態にされ、インジェクタ２２Ｂ及び電磁弁３６Ａが閉状態にされる。これによって、上述したように、タンク３０内の高圧の水素ガス４０がシリンダ１６Ａへ供給される。
【００９５】
次いで、ステップ２２８では、タイマ７４（図３参照）がスタートされる。これによって、制御装置２８がＨｉｇｈレベルのインジェクタ制御信号Ｉａｓの出力を開始してから時間Ｔがカウントされる。ステップ２３０では、時間Ｔが、ステップ２２４での演算結果である開放時間Ｔａ以上になったか否かが判定され、時間Ｔが、開放時間Ｔａ以上になると、ステップ２３０でメインルーチンへ戻り、更に、メインルーチンのステップ２０４へ進んで行程２のサブルーチンへ進む。
【００９６】
図７（Ｂ）に示されるように、ステップ２４０で行程２のサブルーチンが開始されると、ステップ２４２で制御装置２８から出力される制御信号Ｉａｓが、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替えられえる。これによって、インジェクタ２２Ａが閉じられ、タンク３０からシリンダ１６Ａへの水素ガス４０の供給が停止される。
【００９７】
次いで、ステップ２４４では、物理量の測定値信号Ｍｓの一態様である液面計７２から出力された液面検出信号Ｓｍｓが読み込まれ、更に、制御信号Ｉａｓが、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替えられた際、すなわち、シリンダ１６Ａへの水素ガス４０の供給が停止時の液面検出信号Ｓｍｓが記憶装置７６（図３参照）に記憶される。液面検出信号Ｓｍｓは、シリンダ１６Ａ内の液体４２の液面の位置に対応している。シリンダ１６Ａ内では、液体４２の液面の上側に水素ガス４０が溜められるため、シリンダ１６Ａ内の液体４２の液面の位置を検出することは、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の体積を検出することになる。
【００９８】
次いで、ステップ２４６では、行程１のサブルーチンのステップ２２４での目標膨張比Ｒａの演算結果と、ステップ２４２で読み込んだ液面検出信号Ｓｍｓと、目標体積Ｖａｍａｘとに基づいて、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の体積が目標体積Ｖａｍａｘになった場合のシリンダ１６Ａ内での液体４２の液面位置に対応する目標液面位置Ｓｔａが演算される。
【００９９】
ここで、ステップ２４２で読み込んだシリンダ１６Ａへの水素ガス４０の供給停止時のシリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の体積をＶａ１、タンク３０内の水素ガス４０の圧力（すなわち、行程１のサブルーチンのステップ２２２で読み込んだ圧力計３２からの圧力検出信号Ｐｍｓに対応する水素ガス４０の圧力）をＰｈ、圧力指令値Ｐｍｓに対応する水素ガス４０の圧力をＰｌとする。また、この行程２においてシリンダ１６Ａ内での水素ガス４０の圧力が圧力Ｐｈから圧力Ｐｌまで変化する際の水素ガス４０の体積変化（すなわち、水素ガス４０の膨張）は、ポリトロープ変化と見做せる。このため、体積Ｖａ１から目標体積Ｖａｍａｘまでの水素ガス４０の体積の変化は、以下の式（１）のように表される。
【０１００】
【数１】
2020007941.tif 000003
【０１０１】
但し、上記の式（１）で、ｎ１は、ポリトロープ指数であり、計測等によって予め把握しておく。
【０１０２】
このため、行程３（メインルーチンのステップ２０８）、行程４（メインルーチンのステップ２１０）を経てステップ２２４の処理が行なわれる場合、ステップ２２２で読み込まれた圧力指令値Ｃｐｓに基づく水素ガス４０の圧力が、その前の圧力指令値Ｃｐｓに基づく水素ガス４０の圧力よりも高いと、上記の式（１）においてＰｌが高くなるため、目標信号値Ｖａｍａｘに基づく水素ガス４０の体積は小さくなる。これに対して、ステップ２２２で読み込まれた圧力指令値Ｃｐｓに基づく水素ガス４０の圧力が、その前の圧力指令値Ｃｐｓに基づく水素ガス４０の圧力よりも低いと、上記の式（１）においてＰｌが低くなるため、目標信号値Ｖａｍａｘに基づく水素ガス４０の体積は大きくなる。
【０１０３】
次いで、ステップ２４８では、液面計７２から出力される液面検出信号Ｓｍｓが読み込まれ、ステップ２５０では、液面検出信号Ｓｍｓに対応するシリンダ１６Ａ内の液体４２の液面位置が目標液面位置Ｓｔａ以下になったか否かが判定される。シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の体積が目標体積Ｖａｍａｘ以上になり、これによって、シリンダ１６Ａ内の液体４２の液面が目標位置以下なると、ステップ２５２でメインルーチンへ戻り、更に、メインルーチンのステップ２０６へ進む。この状態で、車両の走行速度Ｖｅｓが、予め設定された設定速度Ｖｅ０未満でない場合には、ステップ２０８で行程３のサブルーチンへ進む。
【０１０４】
ステップ２０８で行程３のサブルーチンへ進むと、図８（Ａ）に示されるように、ステップ２６２では、物理量の指令値Ｃｓとして圧力指令値Ｃｐｓと、流量指令値Ｃｆｓが読み込まれる。さらに、ステップ２６２では、物理量の測定値信号Ｍｓとして圧力検出信号Ｐｍｓ及び液面検出信号Ｓｍｓが読み込まれる。
【０１０５】
次いで、ステップ２６４では、圧力指令値Ｃｐｓと圧力検出信号Ｐｍｓとに基づいて、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の圧力（二次圧力）の目標値になるようなシリンダ１６Ｂ内での水素ガス４０の目標膨張比Ｒｂが演算される。さらに、この目標膨張比Ｒｂの演算結果に基づいて、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の圧力（二次圧力）が、上記の目標値（すなわち、圧力指令値Ｃｐｓに対応する値）になるような水素ガス４０の目標体積Ｖｂｍａｘが演算される。さらに、これらの演算結果に基づいてインジェクタ２２Ｂの開放時間Ｔｂが演算されると共に、行程１の開始から行程４の終了までに要する周期ｆが演算される。
【０１０６】
ここで、この行程３（メインルーチンのステップ２０８）の処理が開始される前の行程１（メインルーチンのステップ２０２）のステップ２２４で読み込まれた流量指令値Ｃｆｓに基づく水素ガス４０の流量に比べて、ステップ２６４で読み込まれた流量指令値Ｃｆｓに基づく水素ガス４０の流量が多い場合には、インジェクタ２２Ｂの開放時間Ｔｂは、その前のインジェクタ２２Ａの開放時間Ｔａよりも長くされる。また、行程１のステップ２６４で読み込まれた流量指令値Ｃｆｓに基づく水素ガス４０の流量に比べて、ステップ２６４で読み込まれた流量指令値Ｃｆｓに基づく水素ガス４０の流量が少ない場合には、インジェクタ２２Ｂの開放時間Ｔｂは、その前のインジェクタ２２Ａの開放時間Ｔａよりも短くされる。
【０１０７】
次いで、ステップ２６６では、Ｈｉｇｈレベルのインジェクタ制御信号Ｉｂｓ及び弁制御信号Ｖａｓが制御装置２８から出力されると共に、Ｌｏｗレベルの弁制御信号Ｖｂｓ及びインジェクタ制御信号Ｉａｓが制御装置２８から出力される。これによって、インジェクタ２２Ｂ及び電磁弁３６Ａが開状態にされ、インジェクタ２２Ａ及び電磁弁３６Ｂが閉状態にされる。これによって、上述したように、タンク３０内の高圧の水素ガス４０がシリンダ１６Ｂへ供給される。
【０１０８】
ここで、この状態では、シリンダ１６Ａ内には水素ガス４０が入っており、電磁弁３６Ａが開放される前の状態でシリンダ１６Ａ内の水素ガス４０は、膨張されている。このため、この状態でシリンダ１６Ｂに供給された水素ガス４０の圧力は、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の圧力よりも高い。
【０１０９】
次いで、ステップ２６８では、タイマ７４（図３参照）がスタートされる。これによって、制御装置２８がＨｉｇｈレベルのインジェクタ制御信号Ｉｂｓの出力を開始してから時間Ｔがカウントされる。ステップ２７０では、時間Ｔが、ステップ２６４での演算結果である開放時間Ｔｂ以上になったか否かが判定され、時間Ｔが、開放時間Ｔｂ以上になると、ステップ２７０でメインルーチンへ戻り、更に、メインルーチンのステップ２０８へ進んで行程４のサブルーチンへ進む。
【０１１０】
図８（Ｂ）に示されるように、ステップ２８０で行程４のサブルーチンが開始されると、ステップ２８２で制御装置２８から出力される制御信号Ｉｂｓが、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替えられえる。これによって、インジェクタ２２Ｂが閉じられ、タンク３０からシリンダ１６Ｂへの水素ガス４０の供給が停止される。
【０１１１】
次いで、ステップ２８４では、物理量の測定値信号Ｍｓの一態様である液面計７２から出力された液面検出信号Ｓｍｓが読み込まれ、更に、制御信号Ｉｂｓが、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替えられた際、すなわち、シリンダ１６Ｂへの水素ガス４０の供給が停止時の液面検出信号Ｓｍｓが記憶装置７６（図３参照）に記憶される。
【０１１２】
上述したように、液面検出信号Ｓｍｓは、シリンダ１６Ａ内の液体４２の液面の位置に対応している。また、この状態で、シリンダ１６Ａは、第２連絡流路４８Ｂ及びタービン５６を介してシリンダ１６Ｂに繋がっており、シリンダ１６Ａの液体放出ポート４４Ａから放出された液体４２は、第２連絡流路４８Ｂ及びタービン５６を通ってシリンダ１６Ｂの液体供給ポート４６からシリンダ１６Ｂに流れる。したがって、シリンダ１６Ａ内の液体４２の液面の位置に対応する液面検出信号Ｓｍｓは、シリンダ１６Ｂ内の液体４２の液面位置にも対応する。また、シリンダ１６Ｂ内では、液体４２の液面の上側に水素ガス４０が溜められる。このため、シリンダ１６Ａ内の液体４２の液面の位置を検出することは、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０の体積を検出することになる。
【０１１３】
次いで、ステップ２８６では、行程３のサブルーチンのステップ２６４での目標膨張比Ｒｂの演算結果と、ステップ２８２で読み込んだ液面検出信号Ｓｍｓと、目標体積Ｖｂｍａｘとに基づいて、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０の体積が目標体積Ｖｂｍａｘになった場合のシリンダ１６Ｂ内での液体４２の液面位置に対応する目標液面位置Ｓｔｂが演算される。
【０１１４】
ここで、ステップ２８２で読み込んだシリンダ１６Ｂへの水素ガス４０の供給停止時のシリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０の体積をＶｂ１、タンク３０内の水素ガス４０の圧力（すなわち、行程３のサブルーチンのステップ２６２で読み込んだ圧力計３２からの圧力検出信号Ｐｍｓに対応する水素ガス４０の圧力）をＰｈ、圧力指令値Ｐｍｓに対応する水素ガス４０の圧力をＰｌとする。また、この行程４においてシリンダ１６Ｂ内での水素ガス４０の圧力が圧力Ｐｈから圧力Ｐｌまで変化する際の水素ガス４０の体積変化（すなわち、水素ガス４０の膨張）は、ポリトロープ変化と見做せる。このため、体積Ｖｂ１から目標体積Ｖｂｍａｘまでの水素ガス４０の体積の変化は、以下の式（２）のように表される。
【０１１５】
【数２】
2020007941.tif 000004
【０１１６】
但し、上記の式（２）で、ｎ２は、ポリトロープ指数であり、計測等によって予め把握しておく。
【０１１７】
このため、行程１（メインルーチンのステップ２０４）、行程２（メインルーチンのステップ２０６）を経てステップ２６４の処理が行なわれる場合、ステップ２６２で読み込まれた圧力指令値Ｃｐｓに基づく水素ガス４０の圧力が、その前の圧力指令値Ｃｐｓに基づく水素ガス４０の圧力よりも高いと、上記の式（２）においてＰｌが高くなるため、目標信号値Ｖｂｍａｘに基づく水素ガス４０の体積は小さくなる。これに対して、ステップ２６２で読み込まれた圧力指令値Ｃｐｓに基づく水素ガス４０の圧力が、その前の圧力指令値Ｃｐｓに基づく水素ガス４０の圧力よりも低いと、上記の式（２）においてＰｌが低くなるため、目標信号値Ｖｂｍａｘに基づく水素ガス４０の体積は大きくなる。
【０１１８】
次いで、ステップ２８８では、液面計７２から出力される液面検出信号Ｓｍｓが読み込まれ、ステップ２９０では、液面検出信号Ｓｍｓに対応するシリンダ１６Ａ内の液体４２の液面位置が目標液面位置Ｓｔｂ以上になったか否かが判定される。
【０１１９】
なお、上述した行程２におけるステップ２３０では、液面検出信号Ｓｍｓが目標液面位置Ｓｔａ以下になった（すなわち、シリンダ１６Ａ内の液体４２の液面が目標位置以下になった）か否かを判定していた。これに対して、行程４のステップ２９０では、液面検出信号Ｓｍｓが目標液面位置Ｓｔｂ以上になったか否かを判定する。これは、シリンダ１６Ａ内の水素ガス４０の体積が増えると、シリンダ１６Ａ内の液体４２の液面の位置は低下するのに対して、シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０の体積が増えると、シリンダ１６Ｂ内の液体４２の液面の位置が低下してシリンダ１６Ａ内の液体４２の液面の位置が上昇するからである。
【０１２０】
シリンダ１６Ｂ内の水素ガス４０の体積が目標体積Ｖｂｍａｘ以上になり、これによって、シリンダ１６Ｂ内の液体４２の液面が目標位置以上なると、ステップ２９２でメインルーチンへ戻り、更に、メインルーチンのステップ２０６へ進む。この状態で、車両の走行速度Ｖｅｓが、予め設定された設定速度Ｖｅ０以上の場合には、ステップ２０２で行程１のサブルーチンへ進む。
【０１２１】
図５に示されるように、このように行程１の開始から行程４の終了までの間にシリンダ１６Ａ、１６Ｂ内の水素ガス４０が減圧、膨張されて、タンク３０内の水素ガス４０よりも低圧の水素ガス４０が第２ガス流路３４を流れて燃料電池スタック３８へ供給されると共に、ジェネレータ６２から電力が出力される。
【０１２２】
ここで、上述したように、インジェクタ２２Ａ、２２Ｂの開放時間Ｔａ、Ｔｂ（すなわち、行程１又は行程３の時間的長さ）を、それ以前のインジェクタ２２Ａ、２２Ｂの開放時間Ｔａ、Ｔｂよりも長くすると、第２ガス流路３４に流れる水素ガス４０の流量を多くできる。これに対して、インジェクタ２２Ａ、２２Ｂの開放時間Ｔａ、Ｔｂを、それ以前のインジェクタ２２Ａ、２２Ｂの開放時間Ｔａ、Ｔｂよりも短くすると、第２ガス流路３４に流れる水素ガス４０の流量を少なくできる。したがって、本実施の形態では、第２ガス流路３４に流れる水素ガス４０の流量を任意に調整できる。
【０１２３】
また、上述したように、水素ガス４０がシリンダ１６Ａ内又はシリンダ１６Ｂ内で膨張する際の水素ガス４０の目標体積Ｖａｍａｘ又は目標体積Ｖｂｍａｘを小さくすれば（すなわち、行程２又は行程４の時間的長さを短くすれば）、第２ガス流路３４に流れる水素ガス４０の圧力を高くできる。これに対して、上記の目標体積Ｖａｍａｘ又は目標体積Ｖｂｍａｘを大きくすれば、第２ガス流路３４に流れる水素ガス４０の圧力を低くできる。したがって、本実施の形態では、第２ガス流路３４に流れる水素ガス４０の圧力を任意に調整できる。
【０１２４】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、流体エネルギー変換装置１０を冷房装置８４に適用している。
【０１２５】
図９に示されるように、本実施の形態に係る冷房装置８４は、高圧ガス製造装置としてのコンプレッサ８６を備えている。コンプレッサ８６は、例えば、本冷房装置８４が適用される建物、例えば、工場等の屋外又は工場等の機器室に設置されている。コンプレッサ８６は、作動させることにより外気（空気）を内部に取り込むと共に、取り込んだ外気を圧縮する。これによって、コンプレッサ８６において外気よりも圧力が高い空気（高圧空気）が製造される。コンプレッサ８６において製造された高圧空気は、コンプレッサ８６の放出ポートから放出される。このコンプレッサ８６の放出ポートには、第１流体流路としてのガス流路８８の第１ガス流路２６の一端が接続されている。
【０１２６】
一方、ガス流路８８の第２ガス流路３４の他端は、冷気放出部としてのノズル９０に接続されている。ノズル９０は、例えば、本冷房装置８４が適用される建物の内側に設けられており、本冷房装置８４が適用される建物が工場であれば、工場内の作業スペースの近傍に設置されており、作業スペースにいる作業者は、ノズル９０から噴射される冷気を浴びることができる。
【０１２７】
すなわち、前記第１の実施の形態では、水素ガス４０が第１流体流路としての燃料ガス流路２４を流れたのに対し、空気が本実施の形態では、第１流体流路としてのガス流路８８に空気が流れる。
【０１２８】
以上の構成の本実施の形態では、前記第１の実施の形態で説明した行程１から行程４の各行程のうち、行程１又は行程３でコンプレッサ８６において製造された高圧空気が流体エネルギー変換装置１０の変換ユニット１２のシリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂ内に供給される。さらに、各行程では、シリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂ内に供給された高圧空気は、シリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂ内で膨張される。この際の高圧空気の膨張は、断熱膨張と見做せる。このため、高圧空気は、膨張に伴い温度が低下する。これによって、高圧空気が冷気に変わる。このようにしてシリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂにて生成された冷気が第２ガス流路３４を通ってノズル９０へ流れることによって、ノズル９０から冷気が噴射される。
【０１２９】
また、本実施の形態での制御装置２８によるインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉制御は、基本的に前記第１の実施の形態と同様である。
【０１３０】
ここで、シリンダ１６Ａへの高圧空気の供給停止時のシリンダ１６Ａ内の高圧空気の体積をＶａ１、コンプレッサ８６で製造された高圧空気の圧力（すなわち、圧力計３２からの圧力検出信号Ｐｍｓに対応する高圧空気の圧力）をＰｈとし、この高圧空気の温度をＴｈとする。また、圧力指令値Ｐｍｓに対応する冷気の圧力をＰｌとし、この冷気の温度をＴｌとする。さらに、前記第１の実施の形態で説明したように、シリンダ１６Ａ内での高圧空気の圧力が圧力Ｐｈから圧力Ｐｌまで変化する際の空気の体積変化（すなわち、空気の膨張）は、ポリトロープ変化と見做せる。このため、前記第１の実施の形態で説明した式（１）は、次の式（３）のように表される。
【０１３１】
【数３】
2020007941.tif 000005
【０１３２】
また、同様に前記第１の実施の形態で説明した式（２）は、次の式（４）のように表される。
【０１３３】
【数４】
2020007941.tif 000006
【０１３４】
このため、高圧空気がシリンダ１６Ａ内又はシリンダ１６Ｂ内で膨張する際の高圧空気の体積の目標体積Ｖａｍａｘ又は目標体積Ｖｂｍａｘを大きくすれば（すなわち、行程２又は行程４の時間的長さを長くすれば）、第２ガス流路３４に流れる冷気の温度を低くできる。これに対して、上記の目標体積Ｖａｍａｘ又は目標体積Ｖｂｍａｘを小さくすれば、第２ガス流路３４に流れる冷気の温度を高くできる。このように、本実施の形態では、第２ガス流路３４に流れる冷気の温度を任意に調整できる。
【０１３５】
また、前記第１の実施の形態では、第２ガス流路３４に流れる水素ガス４０の流量を任意に調整できたが、本実施の形態でも第２ガス流路３４に流れる冷気の流量、すなわち、ノズル９０からの単位時間あたりの冷気の噴出量を任意に調整できる。したがって、本実施の形態では、ノズル９０から噴出される冷気の温度及び単位時間あたりの噴出量を任意に調整できる。
【０１３６】
さらに、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同じように、液体４２（図９では図示省略）によってタービン５６の羽根車が回転される。このため、高圧空気がシリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂをとおり冷気としてノズル９０から噴出されることによって、バッテリー６６を充電できる。
【０１３７】
また、本実施の形態では、タービン５６の羽根車は、第２流体としての液体４２によって回転され、第１流体としての高圧空気又は冷気は、タービン５６を通らない。このため、タービン５６の羽根車等に塗布された潤滑剤が冷気に混ざることを抑制できる。
【０１３８】
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、前記第１の実施の形態と同様に、流体エネルギー変換装置１０を車両に搭載される燃料電池システム１４に適用している。
【０１３９】
図１０に示されるように、本実施の形態に係る燃料電池システム１４は、熱交換手段としての熱交換器１０２を備えている。熱交換器１０２は、第１通過流路１０４と第２通過流路１０６とを備えている。第１通過流路１０４の一端には第１流体流路としての燃料ガス流路２４を構成する第２ガス流路３４の他端が接続されており、第１通過流路１０４の他端には、第１流体流路としての燃料ガス流路２４を構成する第３ガス流路１０８の一端が接続されている。したがって、第２ガス流路３４を流れた水素ガス４０は、熱交換器１０２の第１通過流路１０４を通って第３ガス流路１０８へ流れる。これに対して、第２通過流路１０６の一端には、第３流体循環流路（図示省略）の一端が接続され、第２通過流路１０６の他端には、第３流体循環流路の他端が接続されている。
【０１４０】
第３流体循環流路の中間部には、１又は複数の発熱機器（図示省略）が接続されている。発熱機器は、例えば、車両の駆動用モータ、駆動用バッテリーに充電された電力を交流に変換して駆動用モータに供給するインバータ等が適用されるが、発熱機器は、作動することによって発熱を伴う機器であれば、その具体的な態様に限定されることなく広く適用できる。
【０１４１】
第３流体循環流路には、熱交換対象としての第３流体が流れる。第３流体は、例えば、エチレングリコールを含んだ液状の冷媒とされている。熱交換器１０２から放出された第３流体が発熱機器を流れると、発熱機器で生じた熱が第３流体に吸収される。これによって、発熱機器が冷却されると共に第３流体が加熱される。
【０１４２】
また、本実施の形態では、燃料電池スタック３８に熱交換装置としての熱交換部１１４が設けられており、熱交換部１１４には、ガス通過流路１１６が設けられている。ガス通過流路１１６の一端には、第３ガス流路１０８の他端が接続されており、ガス通過流路１１６の他端には、第１流体流路としての燃料ガス流路２４を構成する第４ガス流路１１８の一端が接続されている。第３ガス流路１０８を流れた水素ガス４０は、熱交換部１１４のガス通過流路１１６を通って第４ガス流路１１８へ流れる。
【０１４３】
さらに、本実施の形態は、熱交換装置としてのインタークーラ１２０を備えている。インタークーラ１２０は、第３通過流路１２２と第４通過流路１２４とを備えている。第３通過流路１２２の一端には、第４ガス流路１１８の他端が接続されており、インタークーラ１２０の第３通過流路１２２の他端には、第１流体流路としての燃料ガス流路２４を構成する第５ガス流路１２６の一端が接続されている。この第５ガス流路１２６の他端は、燃料電池スタック３８の燃料ガス供給ポートへ接続されている。
【０１４４】
第４ガス流路１１８を流れた水素ガス４０は、インタークーラ１２０の第３通過流路１２２を通って第５ガス流路１２６へ流れる。さらに、第５ガス流路１２６を流れた水素ガス４０は、燃料電池スタック３８の燃料ガス供給ポートから燃料電池スタック３８のセルの正極（アノード、燃料極）と正極側のセパレータとの間へ流れる。
【０１４５】
これに対して、インタークーラ１２０の第４通過流路１２４の一端には、酸化剤ガス流路１２８を構成する第１空気流路１３０の他端が接続されている。第１空気流路１３０の一端は、酸化剤ガス圧送装置としてのコンプレッサ１３２の放出ポートに接続されている。コンプレッサ１３２の供給ポートは、異物除去手段としてのエアクリーナ１３４に接続されている。
【０１４６】
エアクリーナ１３４は、例えば、所定の大きさ以上の固形物（異物）の通過が不能なフィルタ等によって構成されており、コンプレッサ１３２が作動されると、エアクリーナ１３４を通過した外気、すなわち、酸化剤としての酸素を含んだ空気がコンプレッサ１３２の内部に取り込まれる。コンプレッサ１３２に取り込まれた外気は、コンプレッサ１３２において圧縮されて放出ポートから放出される。これによって、外気圧よりも高圧の空気が第１空気流路１３０を通る。
【０１４７】
これに対して、インタークーラ１２０の第４通過流路１２４の他端には、酸化剤ガス流路１２８を構成する第２空気流路１３６の一端が接続されている。第２空気流路１３６の他端は、燃料電池スタック３８の酸化剤ガス供給ポートへ接続されている。インタークーラ１２０の第４通過流路１２４から第２空気流路１３６を通って燃料電池スタック３８の酸化剤ガス供給ポートへ流れた空気は、燃料電池スタック３８のセルの負極（カソード、空気極）と負極側のセパレータとの間へ流れる。
【０１４８】
以上の構成の本実施の形態では、前記第１の実施の形態で説明した行程１から行程４の各行程のうち、行程１又は行程３でタンク３０から供給された水素ガス４０が流体エネルギー変換装置１０の変換ユニット１２のシリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂ内で膨張される。この際の水素ガス４０の膨張は、断熱膨張と見做せる。このため、水素ガス４０は、膨張に伴い温度が低下する。このように温度が低下した水素ガス４０が熱交換器１０２の第１通過流路１０４を通ると、水素ガス４０と、熱交換器１０２の第２通過流路１０６を通る第３流体との間で熱が交換される。
【０１４９】
上記のように、第２通過流路１０６を通る第３流体は、発熱機器で生じた熱を吸収している。このため、水素ガス４０と第３流体との間で熱が交換されることによって、第３流体を冷却できる。このように冷却された第３流体が第３流体循環流路を通って発熱機器側へ流れることによって、発熱機器を効果的に冷却できる。また、水素ガス４０と第３流体との間で熱が交換されることによって、水素ガス４０の温度が上昇される。これによって、水素ガス４０の内部エネルギーが増加する。
【０１５０】
さらに、熱交換器１０２の第１通過流路１０４を通った水素ガス４０は、第３ガス流路１０８を通って燃料電池スタック３８の熱交換部１１４のガス通過流路１１６を流れる。燃料電池スタック３８では、水素ガス４０と、空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電されるが、この電気化学反応によって発熱が生じる。ここで、水素ガス４０が熱交換部１１４のガス通過流路１１６を流れることによって、燃料電池スタック３８での電気化学反応によって生じた熱が水素ガス４０に吸収される。これによって、燃料電池スタック３８を冷却できる。
【０１５１】
また、燃料電池スタック３８の熱交換部１１４のガス通過流路１１６を通った水素ガス４０は、第４ガス流路１１８を通ってインタークーラ１２０の第３通過流路１２２を流れる。インタークーラ１２０の第４通過流路１２４には、コンプレッサ１３２によって圧縮されて外気圧よりも高圧の空気が流れる。このように、空気が圧縮されて圧力が高められると、空気の温度が高くなる。
【０１５２】
このような空気がインタークーラ１２０の第４通過流路１２４を流れると、空気とインタークーラ１２０の第３通過流路１２２を流れる水素ガス４０との間で熱が交換される。これによって、インタークーラ１２０の第４通過流路１２４を流れる高圧の空気を冷却できる。さらに、外気圧よりも高圧で温度が高くなった空気と水素ガス４０との間で熱が交換されることによって、水素ガス４０の温度が上昇される。これによって、水素ガス４０の内部エネルギーが増加する。
【０１５３】
以上のように、本実施の形態では、水素ガス４０が流体エネルギー変換装置１０の変換ユニット１２によって冷却できる。さらに、このように冷却された水素ガス４０が、熱交換器１０２、燃料電池スタック３８の熱交換部１１４、インタークーラ１２０を流れることによって、車両の駆動モータやインバータ等を冷却する第３流体、発電により発熱する燃料電池スタック３８、圧縮されることによって温度が高くなった高圧の空気を冷却できる。
【０１５４】
しかも、本実施の形態の制御装置２８におけるインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の制御は、基本的に前記第２の実施の形態と同じである。このため、本実施の形態は、水素ガス４０の温度及び第２ガス流路３４及び燃料ガス流路２４における第２ガス流路３４よりも下流側での単位時間あたりの流量を任意に調整できる。
【０１５５】
さらに、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同じように、液体４２（図１０では図示省略）によってタービン５６の羽根車が回転される。このため、高圧空気がシリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂをとおり冷気としてノズル９０から噴出されることによって、バッテリー６６を充電できる。
【０１５６】
また、本実施の形態では、タービン５６の羽根車は、第２流体としての液体４２によって回転され、第１流体としての高圧空気又は冷気は、タービン５６を通らない。このため、タービン５６の羽根車等に塗布された潤滑剤が冷気に混ざることを抑制できる。
【０１５７】
なお、上記の第２の実施の形態及び第３の実施の形態での制御装置２８によるインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の制御は、前記第１の実施の形態での制御装置２８によるインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の制御と同じである。したがって、制御装置２８によるインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の制御の際に、指令装置（図示省略）から出力される指令値Ｃｓは、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の圧力（二次圧力）の目標値である圧力指令値Ｃｐｓ、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の流量の目標値である流量指令値Ｃｆｓであった。また、制御装置２８によるインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の制御の際に、制御装置２８が読み込む物理量の測定値信号Ｍｓは、圧力計３２からの圧力検出信号Ｐｍｓ及び液面計７２からの液面検出信号Ｓｍｓであった。
【０１５８】
しかしながら、上述した式（３）及び式（４）の関係からわかるように、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の温度の目標値である温度指令値Ｃｔｓを圧力指令値Ｃｐｓに代えて指令値Ｃｓとして用いることができる。また、第１ガス流路２６に温度計を設けて第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度に対応して温度計から出力される温度検出信号Ｐｔｓを圧力検出信号Ｐｍｓに代えて測定値信号Ｍｓに用いることができる。
【０１５９】
＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態について説明する。図１１に示されるように、本実施の形態は、基本的に前記第３の実施の形態と同様である。但し、本実施の形態では、第１流体流路としての燃料ガス流路２４を構成する第２ガス流路３４の中間部に減圧手段としての減圧弁１５２が設けられており、第２ガス流路３４を流れる第１流体又は燃料ガスとしての水素ガス４０は、減圧弁１５２を通る。これによって、第２ガス流路３４における減圧弁１５２よりも下流側（熱交換器１０２側）では、水素ガス４０が、所定の圧力まで減圧される。
【０１６０】
ここで、減圧弁１５２における水素ガス４０の減圧は、等エンタルピー変化である。このため、水素ガス４０が減圧弁１５２を通ることによる水素ガス４０の温度の変換は抑制される。このため、本実施の形態は、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の温度変化が抑制されつつも燃料ガス流路２４における減圧弁１５２よりも下流側における水素ガス４０を予め設定された所定の圧力、例えば、燃料電池スタック３８への水素ガス４０の供給圧力として好適な圧力に設定できる。
【０１６１】
また、本実施の形態は、第２ガス流路３４に減圧弁１５２を設けたこと以外は、基本的に前記第３の実施の形態と同様の構成である。すなわち、本実施の形態の制御装置２８におけるインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の制御は、基本的に前記第２の実施の形態と同じである。このため、本実施の形態は、水素ガス４０の温度及び第２ガス流路３４及び燃料ガス流路２４における第２ガス流路３４よりも下流側での単位時間あたりの流量を任意に調整できる。したがって、前記第３の実施の形態で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１６２】
なお、上述した第２の実施の形態から第４の実施の形態の各々は、制御装置２８に入力される物理量の目標値に対応したレベルの指令値Ｃｓは、前記第１の実施の形態と同様に、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の圧力（二次圧力）の目標値である圧力指令値Ｃｐｓと、第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の流量の目標値である流量指令値Ｃｆｓとされている。しかしながら、これらの圧力指令値Ｃｐｓ及び流量指令値Ｃｆｓの少なくとも一方に代え、又は、これらの圧力指令値Ｃｐｓ及び流量指令値Ｃｆｓに加えて第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の温度の目標値である温度指令値を用いてもよい。
【０１６３】
また、本実施の形態では、制御装置２８に入力される物理量測定装置からの物理量の測定値信号Ｍｓは、前記第１の実施の形態と同様に、圧力計３２からの圧力検出信号Ｐｍｓ及び液面計７２からの液面検出信号Ｓｍｓとされている。しかしながら、例えば、第２ガス流路３４に物理量測定装置としての温度計を設け、この温度計から出力される測定値信号Ｍｓとして温度検出信号を、圧力検出信号Ｐｍｓ及び液面検出信号Ｓｍｓの少なくとも一方に代え、又は、これらの圧力検出信号Ｐｍｓ及び液面検出信号Ｓｍｓに加えてもよい。
【０１６４】
＜第５の実施の形態の構成＞
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、前記第１の実施の形態と同様に、流体エネルギー変換装置１０を車両に搭載される燃料電池システム１４に適用している。
【０１６５】
図１２に示されるように、本実施の形態に係る燃料電池システム１４の流体エネルギー変換装置１０は、各々が変換ユニットとしての第１変換ユニット１２Ａ、第２変換ユニット１２Ｂ、第３変換ユニット１２Ｃを備えている。これらの第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々は、基本的に前記第１の実施の形態における変換ユニット１２と同じ構成であるため、その構成の詳細については、説明を省略する。第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃは、水素ガス４０の流れの向きに沿った上流側から下流側へ第１変換ユニット１２Ａ、第２変換ユニット１２Ｂ、第３変換ユニット１２Ｃの順番に直列に並んで配置されている。
【０１６６】
第１変換ユニット１２Ａの第２ガス流路３４の他端は、加熱手段又は熱交換手段としての第１熱交換器１０２Ａの燃料ガス供給ポートへ接続されており、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６の一端は、第１熱交換器１０２Ａの燃料ガス放出ポートへ接続されている。したがって、第１変換ユニット１２Ａの第２ガス流路３４を通った水素ガス４０は、第１熱交換器１０２Ａのガス供給ポートから第１熱交換器１０２Ａのガス通過路（図示省略）に入って第１変換ユニット１２Ａのガス通過路を流れる。
【０１６７】
第１熱交換器１０２Ａには、第４流体循環流路（何れも図示省略）が設けられている。第４流体循環流路において第１熱交換器１０２Ａの外側に配置される部分は、第１発熱機器（図示省略）が設けられている。第１発熱機器は、例えば、上述した燃料電池スタック３８、車両の駆動用モータ、駆動用バッテリーに充電された電力を交流に変換して駆動用モータに供給するインバータ等が適用されるが、発熱機器は、作動することによって発熱を伴う機器であれば、その具体的な態様に限定されることなく広く適用できる。
【０１６８】
第４流体循環流路には、熱交換対象としての第４流体が流れる。第４流体は、例えば、エチレンコールを含んだ液状の冷媒とされている。第１熱交換器１０２Ａから放出された第４流体が第１発熱機器を流れると、第１発熱機器で生じた熱が第４流体に吸収される。これによって、第１発熱機器が冷却され、第４流体が加熱される。
【０１６９】
このように第４流体が第４流体循環路を流れている状態で第１変換ユニット１２Ａの第２ガス流路３４を通った水素ガス４０が第１熱交換器１０２Ａのガス通過路を流れると、水素ガス４０と第４流体との間で熱が交換される。これによって、第４流体は、冷却され、水素ガス４０は、加熱され、水素ガス４０の内部エネルギーが増加される。
【０１７０】
また、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６の一端は、第１熱交換器１０２Ａの燃料ガス放出ポートへ接続されており、第１熱交換器１０２Ａのガス通過路を流れて第１熱交換器１０２Ａの燃料ガス放出ポートから放出された水素ガス４０は、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６を流れて第２変換ユニット１２Ｂへ供給される。
【０１７１】
一方、第２変換ユニット１２Ｂの第２ガス流路３４の他端は、加熱手段又は熱交換手段としての第２熱交換器１０２Ｂの燃料ガス供給ポートへ接続されており、第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６の一端は、第２熱交換器１０２Ｂの燃料ガス放出ポートへ接続されている。したがって、第２変換ユニット１２Ｂの第２ガス流路３４を通った水素ガス４０は、第２熱交換器１０２Ｂのガス供給ポートから第２熱交換器１０２Ｂのガス通過路（図示省略）に入って第２変換ユニット１２Ｂのガス通過路を流れる。
【０１７２】
第２熱交換器１０２Ｂには、第５流体循環流路（何れも図示省略）が設けられている。第５流体循環流路において第２熱交換器１０２Ｂの外側に配置される部分は、第２発熱機器（図示省略）が設けられている。第２発熱機器は、例えば、上述した燃料電池スタック３８、車両の駆動用モータ、駆動用バッテリーに充電された電力を交流に変換して駆動用モータに供給するインバータ等が適用されるが、発熱機器は、作動することによって発熱を伴う機器であれば、その具体的な態様に限定されることなく広く適用できる。また、第２発熱機器は、第１発熱機器とは異なるものであってもよいし、第１発熱機器と同じものあってもよい。
【０１７３】
第５流体循環流路には、熱交換対象としての第５流体が流れる。第５流体は、例えば、エチレンコールを含んだ液状の冷媒とされている。第２熱交換器１０２Ｂから放出された第５流体が第２発熱機器を流れると、第２発熱機器で生じた熱が第５流体に吸収される。これによって、第２発熱機器が冷却され、第５流体が加熱される。
【０１７４】
このように第５流体が第５流体循環路を流れている状態で第２変換ユニット１２Ｂの第２ガス流路３４を通った水素ガス４０が第２熱交換器１０２Ｂのガス通過路を流れると、水素ガス４０と第５流体との間で熱が交換される。これによって、第５流体は、冷却され、水素ガス４０は、加熱され、水素ガス４０の内部エネルギーが増加される。
【０１７５】
また、第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６の一端は、第２熱交換器１０２Ｂの燃料ガス放出ポートへ接続されており、第２熱交換器１０２Ｂのガス通過路を流れて第２熱交換器１０２Ｂの燃料ガス放出ポートから放出された水素ガス４０は、第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６を流れて第３変換ユニット１２Ｃへ供給される。
【０１７６】
一方、第１変換ユニット１２Ａの第１ガス流路２６には、物理量測定装置としての第１温度計１６２Ａが設けられており、第１変換ユニット１２Ａの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が物理量の測定値の一態様として第１温度計１６２Ａによって検出されている。また、第１温度計１６２Ａからは、第１変換ユニット１２Ａの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度に対応したレベル（例えば、電圧）の第１温度検出信号が出力される。さらに、図示は省略するが、第１温度計１６２Ａは、制御装置２８へ電気的に接続されており、第１温度計１６２Ａから出力された第１温度検出信号は、制御装置２８に入力される。
【０１７７】
また、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６には、物理量測定装置としての第２温度計１６２Ｂが設けられており、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が物理量の測定値の一態様として第２温度計１６２Ｂによって検出されている。また、第２温度計１６２Ｂからは、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度に対応したレベル（例えば、電圧）の第２温度検出信号が出力される。さらに、図示は省略するが、第２温度計１６２Ｂは、制御装置２８へ電気的に接続されており、第２温度計１６２Ｂから出力された第２温度検出信号は、制御装置２８に入力される。
【０１７８】
さらに、第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６には、物理量測定装置としての第３温度計１６２Ｃが設けられており、第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が物理量の測定値の一態様として第３温度計１６２Ｃによって検出されている。また、第３温度計１６２Ｃからは、第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度に対応したレベル（例えば、電圧）の第３温度検出信号が出力される。さらに、図示は省略するが、第３温度計１６２Ｃは、制御装置２８へ電気的に接続されており、第３温度計１６２Ｃから出力された第３温度検出信号は、制御装置２８に入力される。
【０１７９】
＜第５の実施の形態の基本的な動作による作用、効果＞
以上の構成の本実施の形態では、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々のインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉は、前記第１の実施の形態における変換ユニット１２と同様に制御装置２８によって制御される。
【０１８０】
このため、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々に水素ガス４０が供給されると、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々のシリンダ１６Ａ及びシリンダ１６Ｂの一方から他方へ液体４２が流れる。これによって、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々のタービン５６が回転される。タービン５６の回転力は、ジェネレータ６２で電力に変換され、ジェネレータ６２で生じた電力は、インバータ６４を介してバッテリー６６へ流れ、これによって、バッテリー６６が充電されると共に、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々に供給された水素ガス４０は、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々のシリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂで膨張されて減圧される。
【０１８１】
したがって、本実施の形態では、タービン５６の羽根車は、第２流体としての液体４２によって回転され、第１流体としての水素ガス４０は、タービン５６を通らない。このため、タービン５６の羽根車等に塗布された潤滑剤が水素ガス４０に混ざることを抑制できる。
【０１８２】
また、本実施の形態では、第１変換ユニット１２Ａの第２ガス流路３４を流れた水素ガス４０は、第１熱交換器１０２Ａのガス通過路を流れることによって加熱され、これによって、水素ガス４０の内部エネルギーが増加される。このように、内部エネルギーが増加された水素ガス４０は、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６へ供給される。また、第２変換ユニット１２Ｂの第２ガス流路３４を流れた水素ガス４０は、第２熱交換器１０２Ｂのガス通過路を流れることによって加熱され、これによって、水素ガス４０の内部エネルギーが増加される。このように、内部エネルギーが増加された水素ガス４０は、第３変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６へ供給される。
【０１８３】
このように、水素ガス４０が加熱されて水素ガス４０の温度が上昇されると、水素ガス４０の内部エネルギーが増加され、水素ガス４０の圧力及び体積の少なくとも一方が増加される。このため、第２変換ユニット１２Ｂ及び第３変換ユニット１２Ｃの各々のシリンダ１６Ａ又はシリンダ１６Ｂでは、圧力及び体積の少なくとも一方が増加された水素ガス４０によって液体４２が効率よく押圧されて移動される。これによって、タービン５６の羽根車を効率よく回転させることができ、ジェネレータ６２で効率よく発電できる。
【０１８４】
＜第５の実施の形態の特徴的な作用、効果＞
ところで、本実施の形態は、３つの第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃを備えており、水素ガス４０は、各第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃにおいて膨張される。これによって、水素ガス４０の圧力Ｐは、圧力Ｐｈから圧力Ｐｌまで低下され、水素ガス４０の体積Ｖは、体積Ｖｌから体積Ｖｈまで増加される。この第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々での水素ガス４０の膨張は、断熱膨張である。このため、第１変換ユニット１２Ａの第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の温度は、第１変換ユニット１２Ａの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度よりも低くなり、第２、第３変換ユニット１２Ｂ、１２Ｃの各第２ガス流路３４を流れる水素ガス４０の温度と、第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度に関しても同様である。
【０１８５】
ここで、第１変換ユニット１２Ａでの水素ガス４０の膨張比をＲ１、第２変換ユニット１２Ｂでの水素ガス４０の膨張比をＲ２、第３変換ユニット１２Ｃでの水素ガス４０の膨張比をＲ３とすると、圧力Ｐが圧力Ｐｈから圧力Ｐｌまで低下され、体積Ｖが体積Ｖｌから体積Ｖｈまで増加された際の水素ガス４０の膨張比Ｒは、膨張比Ｒ１、膨張比Ｒ２、膨張比Ｒ３の積になる。
【０１８６】
但し、上記のように、本実施の形態では、第１変換ユニット１２Ａと第２変換ユニット１２Ｂとの間には第１熱交換器１０２Ａが設けられ、第２変換ユニット１２Ｂと第３変換ユニット１２Ｃとの間には第２熱交換器１０２Ｂが設けられている。このため、水素ガス４０は、第１熱交換器１０２Ａ、第２熱交換器１０２Ｂの各々を流れることによって加熱され、水素ガス４０の内部エネルギーが増加される。
【０１８７】
一方で、本実施の形態では、上記のように、第１〜第３温度計１６２Ａ〜１６２Ｃから出力された第１〜第３温度検出信号、すなわち、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々の第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が制御装置２８に入力される。ここで、本実施の形態では、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々のインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂは、第１〜第３温度検出信号に基づいて以下のように制御される。
【０１８８】
先ず、第１〜第３温度検出信号の各々に基づく温度が全て等しい場合、すなわち、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々の第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が等しい場合について説明する。
【０１８９】
この場合には、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々での水素ガス４０の膨張比をＲ１〜Ｒ３の各々が等しくなるように、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々でインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の時間が設定される。
【０１９０】
ここで、図１３には、１つの変換ユニット１２で水素ガス４０の圧力がＰｈからＰｌまで減圧された際の水素ガス４０の体積変化が点線によって示されており、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃによって水素ガス４０の圧力がＰｈからＰｌまで減圧された際の水素ガス４０の体積Ｖの変化が実線によって示されている。
【０１９１】
本実施の形態では、第１、第２変換ユニット１２Ａ、１２Ｂの各々にて断熱膨張されて冷却された水素ガス４０は、第１、第２熱交換器１０２Ａ、１０２Ｂの各々によって加熱され、水素ガス４０の温度は、第１、第２変換ユニット１２Ａ、１２Ｂの各々での冷却前の温度に戻る。したがって、水素ガス４０の内部エネルギーは、第１、第２熱交換器１０２Ａ、１０２Ｂの各々によって加熱されることにより、第１、第２変換ユニット１２Ａ、１２Ｂの各々での冷却前の大きさに近づくように増加され、第１、第２熱交換器１０２Ａ、１０２Ｂでは、水素ガス４０の体積が増加しても水素ガス４０の圧力の低下が抑制される。
【０１９２】
このため、第１熱交換器１０２Ａから水素ガス４０が放出されてから、第３変換ユニット１２によって水素ガス４０の圧力がＰｌに減圧されるまでの水素ガス４０の圧力は、１つの変換ユニット１２で水素ガス４０の圧力がＰｈからＰｌまで減圧された場合よりも高くなる。水素ガス４０の体積変化に伴う圧力変化の積分値は、水素ガス４０の断熱膨張における水素ガス４０の仕事の大きさになる。したがって、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々の第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が全て同じ場合には、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々での水素ガス４０の膨張比Ｒ１〜Ｒ３が同じになるように第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々でインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の時間が制御されることによって、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃのジェネレータ６２での発電の総和を大きくできる。
【０１９３】
次に、第１〜第３温度検出信号の各々に基づく温度が段階的に小さくなる場合、すなわち、第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度よりも低く、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が第１変換ユニット１２Ａの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度よりも低い場合について説明する。
【０１９４】
このような場合には、第１変換ユニット１２Ａでの水素ガス４０の膨張比が、第２変換ユニット１２Ｂでの水素ガス４０の膨張比よりも大きくなり、第２変換ユニット１２Ｂでの水素ガス４０の膨張比が、第３変換ユニット１２Ｃでの水素ガス４０の膨張比よりも大きくなるように、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々のインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉が制御装置２８によって制御される。
【０１９５】
これによって、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃのジェネレータ６２での発電の総和が小さくなることを抑制できる。
【０１９６】
次に、第１〜第３温度検出信号の各々に基づく温度が段階的に大きくなる場合、すなわち、第１変換ユニット１２Ａの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度よりも低く、第２変換ユニット１２Ｂの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度よりも低い場合について説明する。
【０１９７】
このような場合には、第１変換ユニット１２Ａでの水素ガス４０の膨張比が、第２変換ユニット１２Ｂでの水素ガス４０の膨張比よりも小さくなり、第２変換ユニット１２Ｂでの水素ガス４０の膨張比が、第３変換ユニット１２Ｃでの水素ガス４０の膨張比よりも小さくなるように、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々のインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉が制御装置２８によって制御される。
【０１９８】
これによって、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃのジェネレータ６２での発電の総和が小さくなることを抑制できる。
【０１９９】
なお、例えば、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃの各々の第１ガス流路２６を流れる水素ガス４０の温度が第１変換ユニット１２Ａ側から第３変換ユニット１２Ｃ側へ段階的に低くなる場合に、第１変換ユニット１２Ａでの水素ガス４０の膨張比が、第２変換ユニット１２Ｂでの水素ガス４０の膨張比が大きくなるように第１、第２変換ユニット１２Ａ、１２Ｂの各々のインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉が制御されてもよい。すなわち、３つ以上の変換ユニット１２が水素ガス４０の流れの向きに直列に接続され、水素ガス４０の流れの向きに互いに隣り合う変換ユニット１２の間に熱交換器１０２が設けられる構成において、各変換ユニット１２のインジェクタ２２Ａ、２２Ｂ及び電磁弁３６Ａ、３６Ｂの開閉の制御は、上述したような制御に限定されるものではない。
【０２００】
さらに、本実施の形態では、第１変換ユニット１２Ａと第２変換ユニット１２Ｂとの間に第１熱交換器１０２Ａが設けられ、第２変換ユニット１２Ｂと第３変換ユニット１２Ｃとの間に第２熱交換器１０２Ｂが設けられた構成であった。しかしながら、例えば、タンク３０と第１変換ユニット１２Ａとの間に熱交換器１０２等の加熱手段又は熱交換手段を設けて、第１変換ユニット１２Ａへ供給される水素ガス４０を加熱して第１変換ユニット１２Ａへ供給される水素ガス４０の内部エネルギーを増加させてもよい。すなわち、変換ユニット１２から放出された水素ガス４０が加熱手段又は熱交換手段に流れる構成に限定されるものではない。
【０２０１】
また、本実施の形態では、第１変換ユニット１２Ａと第２変換ユニット１２Ｂとの間に第１熱交換器１０２Ａが設けられ、第２変換ユニット１２Ｂと第３変換ユニット１２Ｃとの間に第２熱交換器１０２Ｂが設けられた構成であった。しかしながら、例えば、第１熱交換器１０２Ａにおいて第１変換ユニット１２Ａから供給された水素ガス４０が流れるガス通過路とは別のガス通過路を第１熱交換器１０２Ａに設け、この別のガス通過路に繋がる燃料ガス供給ポートに第２変換ユニット１２Ｂの第２ガス流路３４の他端を接続し、別のガス通過路に繋がる燃料ガス放出ポートに第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６を接続する構成、すなわち、異なる変換ユニット１２からの水素ガス４０が同じ熱交換器１０２に供給される構成としてもよい。
【０２０２】
さらに、本実施の形態では、３つの第１変換ユニット１２Ａと第２変換ユニット１２Ｂとの間に第１熱交換器１０２Ａが設けられ、第２変換ユニット１２Ｂと第３変換ユニット１２Ｃとの間に第２熱交換器１０２Ｂが設けられた構成であった。しかしながら、例えば、第１熱交換器１０２Ａにおいて第１変換ユニット１２Ａから供給された水素ガス４０が流れるガス通過路とは別のガス通過路を第１熱交換器１０２Ａに設け、この別のガス通過路に繋がる燃料ガス供給ポートに第２変換ユニット１２Ｂの第２ガス流路３４の他端を接続し、別のガス通過路に繋がる燃料ガス放出ポートに第３変換ユニット１２Ｃの第１ガス流路２６を接続する構成、すなわち、異なる変換ユニット１２からの水素ガス４０が同じ熱交換器１０２に供給される構成としてもよい。
【０２０３】
また、上述した第３の実施の形態から第５の実施の形態では、第１熱交換器１０２、１０２Ａ、１０２Ｂが熱交換手段とされ、第３流体、第４流体、第５が熱交換対象とされていた。しかしながら、熱交換手段は、第１流体と熱交換対象との間で熱が交換された結果、第１流体の温度を上昇させて第１流体の内部エネルギーを増加させることができればよい。
【０２０４】
したがって、熱交換対象は、発熱機器を冷却する構成でなくてもよいし、また、熱交換対象を熱交換手段（例えば、第１熱交換器１０２、１０２Ａ、１０２Ｂ）の近傍の空気（外気）として、熱交換手段において第１流体が空気（外気）によって暖められ、これによって、第１流体の温度が上昇されて第１流体の内部エネルギーが増加される構成であってもよい。このような構成では、熱交換対象を循環させるための流路が不要になる。
【０２０５】
さらに、第３の実施の形態から第５の実施の形態は、熱交換手段としての第１熱交換器１０２、１０２Ａ、１０２Ｂを備える構成であった。しかしながら、例えば、第１流体としての水素ガス４０の流路が周囲の空気等の熱で暖められ、これによって、流路を流れる水素ガス４０の熱が増加され、水素ガス４０の内部エネルギーが増加される構成であってもよい。すなわち、熱交換手段としての特別な構成を備えることなく第１流体としての水素ガス４０の温度を上昇させる構成であってもよい。
【０２０６】
また、本実施の形態は、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃを備える構成であった。しかしながら、変換ユニット１２は、２つでもよいし、４つ以上であってもよい。
【０２０７】
さらに、これまでに説明した各実施の形態では、第１〜第３変換ユニット１２Ａ〜１２Ｃを含んだ変換ユニット１２は、各々が圧力伝達部としての２つのシリンダ１６Ａ、１６Ｂを備える構成であった。しかしながら、変換ユニット１２を構成する圧力伝達部は、１つであってもよいし、変換ユニット１２を構成する圧力伝達部は、３つ以上であってもよい。変換ユニット１２を構成する圧力伝達部を１つとした変形例を以下に簡単に説明する。
【０２０８】
図１４に示される変形例では、流体エネルギー変換装置１０の変換ユニット１２は、第２シリンダ１７２を備えている。第２シリンダ１７２の一端側には、液体供給ポート１７４と液体放出ポート１７６とが設けられている。第２シリンダ１７２の液体供給ポート１７４には、第３液体流路６０の他端が接続されている。さらに、第２シリンダ１７２の液体供給ポート１７４は、第３液体流路６０、タービン５６、第２液体流路５４、第１液体流路５０を介して圧力伝達部としてのシリンダ１６の液体放出ポート１７６へ接続されている。
【０２０９】
一方、第２シリンダ１７２の液体放出ポート１７６には、第４液体流路６８の一端が接続されている。さらに、第２シリンダ１７２の液体放出ポート１７６は、第４液体流路６８を介してシリンダ１６の液体供給ポート１７４へ接続されている。
【０２１０】
また、第２シリンダ１７２の内側には、ピストン１７０が設けられている。第２シリンダ１７２の内側におけるピストン１７０よりも第２シリンダ１７２の他端側には、付勢手段１８０が設けられており。ピストン１７０は、付勢手段１８０によって第２シリンダ１７２の一端側へ付勢されている。
【０２１１】
このような構成では、電磁弁３６が閉塞された状態で、インジェクタ２２が所定時間開放され、これによって、シリンダ１６内に水素ガス４０が供給されると、シリンダ１６内の水素ガス４０の圧力が、付勢手段１８０の付勢力と釣り合うまで水素ガス４０が膨張される。この水素ガス４０の膨張に伴い液体４２が第２シリンダ１７２側へ移動される。これによって、タービン５６が回転される。
【０２１２】
また、シリンダ１６内での水素ガス４０の膨張が終了し、インジェクタ２２の閉塞状態で電磁弁３６が開放されると、第２シリンダ１７２内の液体４２が付勢手段１８０の付勢力を受けているピストン１７０によって押圧され、第４液体流路６８を通ってシリンダ１６内へ戻る。このようにシリンダ１６内へ戻った液体４２によってシリンダ１６内の水素ガス４０が放出される。
【０２１３】
このような構成であっても、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０２１４】
また、上記の各実施の形態では、第１流体を水素ガス４０や高圧空気等の気体とした。しかしながら、第１流体は、液体であってもよく、第１流体の具体的な構成については、限定されることなく、広く適用が可能である。
【０２１５】
さらに、上記の各実施の形態では、第２流体を液体４２とした。しかしながら、第１流体は、気体であってもよい。このような構成とする場合には、第１流体が供給されるシリンダ１６Ａ、１６Ｂの一端側と、シリンダ１６Ａ、１６Ｂ内において第２流体が供給されるシリンダ１６Ａ、１６Ｂの他端側とを仕切ると共に、シリンダ１６Ａ、１６Ｂ内の一端側及び他端側へ移動可能なピストンを設けるとよい。これによって、第１流体及び第２流体が共に気体である場合でも、第１流体と第２流体とが混じることを抑制できる。
【０２１６】
このように、第２流体は、気体であってもよく、第２流体の具体的な構成については、限定されることなく、広く適用が可能である。
【符号の説明】
【０２１７】
１０    流体エネルギー変換装置
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ    変換ユニット
１４    燃料電池システム（流体利用機器）
１６、１６Ａ、１６Ｂ    シリンダ（圧力伝達部）
１８、１８Ａ、１８Ｂ    燃料ガス供給ポート（第１流体供給ポート）
２０、２０Ａ、２０Ｂ    燃料ガス放出ポート（第１流体放出ポート）
２８    制御装置（制御手段）
４０    水素ガス（第１流体）
４２    液体（第２流体）
４８Ａ    第１連絡流路
４８Ｂ    第２連絡流路
５６    タービン（回転装置）
５８    エネルギー変換部（エネルギー変換手段）
８４    冷房装置（流体利用機器）
１０２Ａ、１０２Ｂ    熱交換器（熱交換手段）
１５２    減圧弁（減圧手段）
【図１】
2020007941.tif 000007
【図２】
2020007941.tif 000008
【図３】
2020007941.tif 000009
【図４】
2020007941.tif 000010
【図５】
2020007941.tif 000011
【図６】
2020007941.tif 000012
【図７】
2020007941.tif 000013
【図８】
2020007941.tif 000014
【図９】
2020007941.tif 000015
【図１０】
2020007941.tif 000016
【図１１】
2020007941.tif 000017
【図１２】
2020007941.tif 000018
【図１３】
2020007941.tif 000019
【図１４】
2020007941.tif 000020