(57)【要約】【課題】  過熱液から所望の圧力の高圧蒸気を所望のタイミングで急激に発生させ、当該高圧蒸気によって再現性良く安定して物体を駆動する。また、当該高圧蒸気の噴出のために、ボイラーや蒸気圧縮機等の大がかりな設備を必要とせず、小型で持ち運びができ、構造がシンプルで、所定圧力の高圧蒸気を簡単に生成し、繰り返し噴射することが可能な装置を提供する。【解決手段】  液体を充填して密閉するための耐圧容器と、耐圧容器内の液体を、沸点より高い温度の過熱液になるまで加熱するための加熱部と、耐圧容器内で生じた過熱液の密閉状態を一気に開放するための開閉部と、開閉部によって密閉状態が一気に開放され、過熱液が気化することで生じた高圧蒸気を外部へ噴出させる噴出口とを備えた高圧蒸気アクチュエータ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を駆動するための駆動源として高圧蒸気を利用した高圧蒸気アクチュエータであって、
液体を充填して密閉するための耐圧容器と、
前記耐圧容器内の液体を、沸点より高い温度の過熱液になるまで加熱するための加熱部と、
前記耐圧容器内で生じた過熱液の密閉状態を一気に開放するための開閉部と、
前記開閉部によって密閉状態が一気に開放され、過熱液が気化することで生じた高圧蒸気を外部へ噴出させる噴出口と、
を備えた高圧蒸気アクチュエータ。
【請求項２】
前記耐圧容器内の密閉された液体の温度を測定する温度測定部を更に備えた請求項１に記載の高圧蒸気アクチュエータ。
【請求項３】
前記開閉部がボールバルブである請求項１又は２に記載の高圧蒸気アクチュエータ。
【請求項４】
前記加熱部が、前記耐圧容器の外部及び／又は内部に設けられたシースヒータで構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の高圧蒸気アクチュエータ。
【請求項５】
前記加熱部が、前記耐圧容器の外部及び／又は内部に設けられた励磁コイルと前記励磁コイルによる電磁誘導によって生じた電流が流れて発熱する導電体とで構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の高圧蒸気アクチュエータ。
【請求項６】
前記加熱部が、前記耐圧容器を外側から直接火炎及び／又は熱風により加熱するように構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の高圧蒸気アクチュエータ。
【請求項７】
前記噴出口から外部へ伸びるように設けられた円筒と、
前記円筒内に設けられて前記噴出口から噴き出される高圧蒸気によって円筒外へ押し出され、対象物に衝突して前記対象物を駆動させる球体又は円柱体と、
を更に備えた請求項１〜６のいずれかに記載の高圧蒸気アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧蒸気アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
清浄な試験管に蒸留水を静かに入れ、アルコールランプでゆっくり加熱していくと、沸点に達しても沸騰することなく水温が上昇し続け、あるとき突然蒸気泡が発生してその急激な膨張により液体が試験管外に勢いよく噴出する「突沸」が広く知られている。この現象は、沸点より高い温度に過熱された液体（過熱液）が、その内部で発生した高圧蒸気の膨張により、物体（突沸では過熱液自体）を高速で試験管外へ吐出させるような大きな仕事を瞬時に発生させる能力を有することを示している。高温の液体から高圧蒸気を瞬時に発生させ、その高圧蒸気の持つ大きな力を大小の物体の高速駆動（アクチュエーション）を必要とする様々なプロセスに活用し展開することに関して、産業界を始め青少年の理科教育に携わる教育界から高い関心が持たれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、突沸は、何時、何度の温度で起こるかわからない偶発的な現象であり、そのままでは得られる仕事を所望のタイミングで活用することができない。このため、過熱液から所望の圧力の高圧蒸気を所望のタイミングで急激に発生させ、物体を加速する仕事に再現性良く安定して積極的に利用することを可能とする技術の開発が望まれている。また、高温の蒸気を噴出するには、通常、ボイラーや蒸気圧縮機が必要となり、設備が大がかりとなる。このため、小型で持ち運びができ、構造がシンプルで、所定圧力の高圧蒸気を簡単に生成し、繰り返し噴射することが可能な技術の開発も望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は研究を重ねたところ、過熱液から所望の圧力の高圧蒸気を所望のタイミングで急激に発生させ、物体を加速する仕事に積極的に利用するには、液体を密閉状態で蒸発させることなく沸点を超える温度まで過熱し、高温液のフラッシュ蒸発現象を利用して、過熱液を一気に蒸発、噴射させることが有効であることを見出した。そして、そのような構成の高圧蒸気アクチュエータによって、所望の圧力の高圧蒸気を所望のタイミングで急激に発生させ、当該高圧蒸気によって再現性良く安定して物体を駆動することができ、また、当該高圧蒸気の噴出のために、ボイラーや蒸気圧縮機等の大がかりな設備を必要とせず、小型で持ち運びができ、構造がシンプルで、所定圧力の高圧蒸気を簡単に生成し、繰り返し噴射することが可能な装置を提供することが可能となることを見出した。
【０００５】
すなわち、本発明は一側面において、対象物を駆動するための駆動源として高圧蒸気を利用した高圧蒸気アクチュエータであって、液体を充填して密閉するための耐圧容器と、前記耐圧容器内の液体を、沸点より高い温度の過熱液になるまで加熱するための加熱部と、前記耐圧容器内で生じた過熱液の密閉状態を一気に開放するための開閉部と、前記開閉部によって密閉状態が一気に開放され、過熱液が気化することで生じた高圧蒸気を外部へ噴出させる噴出口とを備えた高圧蒸気アクチュエータである。
【０００６】
本発明の高圧蒸気アクチュエータは一実施形態において、前記耐圧容器内の密閉された液体の温度を測定する温度測定部を更に備える。
【０００７】
本発明の高圧蒸気アクチュエータは別の一実施形態において、前記開閉部がボールバルブである。
【０００８】
本発明の高圧蒸気アクチュエータは更に別の一実施形態において、前記加熱部が、前記耐圧容器の外部及び／又は内部に設けられたシースヒータで構成されている。
【０００９】
本発明の高圧蒸気アクチュエータは更に別の一実施形態において、前記加熱部が、前記耐圧容器の外部及び／又は内部に設けられた励磁コイルと前記励磁コイルによる電磁誘導によって生じた電流が流れて発熱する導電体とで構成されている。
【００１０】
本発明の高圧蒸気アクチュエータは更に別の一実施形態において、前記加熱部が、前記耐圧容器を外側から直接火炎及び／又は熱風により加熱するように構成されている。
【００１１】
本発明の高圧蒸気アクチュエータは更に別の一実施形態において、前記噴出口から外部へ伸びるように設けられた円筒と、前記円筒内に設けられて前記噴出口から噴き出される高圧蒸気によって円筒外へ押し出され、対象物に衝突して前記対象物を駆動させる球体又は円柱体とを更に備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の高圧蒸気アクチュエータによれば、過熱液から所望の圧力の高圧蒸気を所望のタイミングで急激に発生させ、当該高圧蒸気によって再現性良く安定して物体を駆動することができる。また、当該高圧蒸気の噴出のために、ボイラーや蒸気圧縮機等の大がかりな設備を必要とせず、小型で持ち運びができ、構造がシンプルで、所定圧力の高圧蒸気を簡単に生成し、繰り返し噴射することが可能な装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の高圧蒸気アクチュエータの一例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（高圧蒸気アクチュエータの構成）
以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る高圧蒸気アクチュエータの概略図である。当該高圧蒸気アクチュエータは、対象物を駆動するための駆動源として高圧蒸気を利用した高圧蒸気アクチュエータである。
【００１５】
高圧蒸気アクチュエータは、液体を充填して密閉するための耐圧容器を備えている。耐圧容器の材質は特に限定されないが、外部からの熱を内部に充填された液体に伝えるために熱伝導性の良好な金属、例えば、銅、アルミ、鉄、又はステンレス等で形成するのが好ましい。耐圧容器の形状も特に限定されないが、開閉部によって容器内の密閉状態が一気に開放され、過熱液が気化することで生じた高圧蒸気を外部へ良好に噴出させるために、細長の筒状であるのが好ましい。
【００１６】
耐圧容器に充填する液体としては特に限定されず、加熱による爆発等の危険性が低いものであれば種々のものを用いることができるが、入手性及び安全性から、水を用いるのが好ましい。
【００１７】
高圧蒸気アクチュエータは、耐圧容器内の液体を、沸点より高い温度の過熱液になるまで加熱するための加熱部（図１では不図示）を備えている。加熱部の構成は特に限定されず、耐圧容器の外部及び／又は内部に設けられたシースヒータで構成することで電気加熱方式としてもよい。シースヒータを用いる場合は、耐圧容器の外周にシースヒータを巻き付ける構成としてもよく、耐圧容器内部にシースヒータを内装する構成としてもよい。このように加熱部をシースヒータで構成することで、加熱量や加熱の仕方が毎回同一になり、再現性、制御性、安全性の面で良好な加熱を行うことができる。
【００１８】
また、加熱部を、耐圧容器の外部及び／又は内部に設けられた励磁コイルと励磁コイルによる電磁誘導によって生じた電流が流れて発熱する導電体とで構成してもよい。この場合、耐圧容器内の液体は導電体から発生する熱によって加熱される。このように加熱部を励磁コイルと導電体とで構成することで、加熱量や加熱の仕方が毎回同一になり、再現性、制御性、安全性の面で良好な加熱を行うことができる。
【００１９】
さらに、加熱部を、耐圧容器を外側から直接火炎及び／又は熱風により加熱するように構成することができる。熱風により加熱する手段としてはヒートガン等が挙げられる。火炎により加熱する手段としてはガスバーナー等が挙げられる。このように加熱部をヒートガン及び／又はガスバーナー等で構成し、例えば、ヒートガンによる熱風で耐圧容器内の液体を一様で緩やかに加熱し、所定温度でガスバーナーに切り替えて、強力な加熱を行うことができる。
【００２０】
高圧蒸気アクチュエータは、耐圧容器内で生じた過熱液の密閉状態を一気に開放するための開閉部を備えている。開閉部は特に限定されず公知のバルブで構成することができるが、図１に示すようにボールバルブ及びボールバルブを開閉する開閉レバーで構成することが好ましい。このように開閉部としてボールバルブを用いることにより、バルブを全閉状態から全開状態に瞬時に切り替えることができ、それにより耐圧容器内部の過熱液を一気に気化させて高圧蒸気として噴出させることができる。また、全開状態でバルブ内の流路が噴出口の管路と同軸且つ同径の直管となることから、ボールバルブを高圧蒸気が通過する際の圧力損失を極小化できる。このため、耐圧容器内の過熱液を一気に気化させ、その蒸気圧を噴出口で利用することが可能となる。また、例えば、ボールバルブを一旦全開にして耐圧容器内の液体の一部を気化させて噴出させた後、直ちにボールバルブを閉じ、続けてボールバルブを全開にして残りの液体を気化させて噴出させることで、断続的に高圧蒸気を噴出させることも可能である。
【００２１】
高圧蒸気アクチュエータは、開閉部によって密閉状態が一気に開放され、過熱液が気化することで生じた高圧蒸気を外部へ噴出させる噴出口を備えている。噴出口の形態は特に限定されないが、図１に示すようなノズルであると、高圧蒸気が勢いよく外部に噴出されるため好ましい。
【００２２】
高圧蒸気アクチュエータは、耐圧容器内の密閉された液体の温度を測定する温度測定部を備えるのが好ましい。温度測定部は、特に限定されないが、例えば図１に示すようなシース熱電対（温度計）を用いることができる。図１では、耐圧容器の噴出口方向とは反対側の端部にソケット及びプラグが取り付けられており、このソケット及びプラグよってシース熱電対が接続されている。加熱部による耐圧容器内の液体の加熱の際に、耐圧容器内の液体の温度をこの温度測定部によってモニターすることで、所望の温度（すなわちこの温度に対応する飽和蒸気圧）に到達したか、まだ到達していないかがわかる。
【００２３】
（高圧蒸気アクチュエータを用いた高圧蒸気の噴出方法及びその作用）
次に、本発明の実施形態に係る高圧蒸気アクチュエータを用いた高圧蒸気の噴出方法及びその作用について説明する。まず、耐圧容器に液体を充填し、密閉状態にしたまま加熱部によって液体を加熱する。このとき、液体の温度を温度測定部によってモニターする。そして、液体の温度が所定の高温（沸点より高い温度）まで達した後、加熱を止め、開閉バルブを一気に開放して蒸気を噴出させる。このように、耐圧容器内の液体を密閉状態で加熱することにより、液体を実質的に気化させることなく昇温させることができる。耐圧容器で発生した蒸気により容器内の圧力が上昇し（一般に自己加圧方式と呼ばれる）、蒸気と液体は常に平衡状態を保つため、液体の温度は圧力に対応した飽和温度の状態で次第に上昇していく。蒸気の密度は液体に比べて非常に小さいので、加熱開始時の耐圧容器内の気体の体積が僅かであれば、加熱中の蒸発による液体の減少量は実質的に無視できる程度である。こうして液体を大気圧下の飽和温度、すなわち沸点より高い温度まで昇温することで、蒸気噴射のための熱エネルギーを液体内に顕熱として蓄積させる。試験管のように一端が環境に開放された容器の場合、液体中に気体が僅かでも含まれていれば沸騰が生じてしまい、沸点以上の過熱液の状態（superheated state）は実現できないし、たとえ高温まで過熱できたとしても突沸が生じる温度は不確定で予測することはできない（すなわち、再現性が乏しく、予め突沸する温度を設定できない）が、本発明によれば、耐圧容器内に液体を充填した際に空気がたとえ目に見える程度混入していても、それにより実質的に影響されることなく、液体の状態で昇温することが可能である。
【００２４】
なお、耐圧容器に空気が残存しないように液体のみを充填したつもりでも、ミクロには構造物の隙間等に空気部が残存しており、液体の温度上昇に伴う膨張体積分はこの空気部の圧縮により吸収可能な程度なので、液体の熱膨張だけにより耐圧容器内の圧力が異常に高くなることで耐圧容器を破壊する危険性はほとんどないと考えてよい。
【００２５】
耐圧容器内部の圧力は液体の温度に対応する飽和蒸気圧となるので、温度を測定管理するのみで噴出する際の最大圧力を知ることができる。飽和蒸気圧は温度に対して指数関数的に増加する性質があり、例えば、水では、（飽和温度Ｔｓ、飽和蒸気圧Ｐｓ）の関係は、（１００℃、１気圧）、（１２０℃、１．１５気圧）、（１５０℃、５気圧）、（１８０℃、１０気圧）、（２１０℃、２０気圧）、（２３０℃、３０気圧）となるため、液体の温度を少し上げるだけで非常に高い噴射圧力を得ることができ、噴射圧力を上げるため昇圧ポンプや蒸気圧縮機のような大がかりな設備が一切必要とならない。なお、耐圧容器に充填する液体として例えば水を用い、１２０℃まで過熱する場合、飽和蒸気圧が１．１５気圧であるため、大気圧との差である０．１５気圧が差圧となり、高圧蒸気が前方の大気圧を押しのけて進むための圧力となる。
【００２６】
ボールバルブを一気に開放することにより、耐圧容器内部の液体の（最終到達）飽和温度は外部環境圧（大気圧）に対応した温度、すなわち沸点（水では１００℃）となる。例えば、バルブ開放前の液温が１５０℃であった場合には、液体は５０℃の過熱度を持った過熱液状態となっている。従って、この過熱液は自己の持つ過熱液エネルギーを蒸発のエネルギー（蒸発潜熱）に変換しながら自ら急速に気化していく。この現象は、学術的には、突沸ではなく、フラッシング（Flashing）またはフラッシュ蒸発と呼ばれるものである。噴出口における蒸気の圧力は最大で１５０℃の飽和蒸気圧である（実際は過熱液内部から蒸発を生じる気液界面への熱移動などにより、この蒸気圧より若干下がった圧力となる）。しかしながら、蒸気が噴出しても容器内の過熱液が次から次へと蒸発して高圧蒸気を生成し、噴出口に供給する。そして、このような高圧蒸気の供給は、容器内の液体が無くなるまで続く。このため、本発明の高圧蒸気アクチュエータは、同じ大きさの小容器に溜めた圧縮空気のように噴出するに従い急速に圧力が下がることはなく、噴出圧力を維持した噴出を持続させる特徴も有している。このことは、噴出する蒸気を物体の加速を目的として使用する場合、物体が得るエネルギー〔＝１／２×質量×（速度）2〕＝蒸気が物体にする仕事（＝蒸気圧力×物体の受圧面積×蒸気の噴出方向への噴出距離）の関係があるため、圧縮空気に比べ、過熱液から発生する蒸気の方が、物体に大きな運動エネルギーを与えることができることを意味している。蒸気の噴出方向への噴出距離、すなわち蒸気噴出の持続時間は最初に充填した液体量による（なお、容器内にかなりの体積で空気が入っていてもその影響は小さい）が、噴出圧力そのものは初期の充填量によらず、温度のみで決まるところも圧縮空気と異なる特徴である。
【００２７】
このように、本発明の高圧蒸気アクチュエータによれば、過熱液から所望の圧力の高圧蒸気を所望のタイミングで急激に発生させ、当該高圧蒸気によって再現性良く安定して物体を駆動することができる。また、当該高圧蒸気の噴出のために、ボイラーや蒸気圧縮機等の大がかりな設備を必要とせず、小型で持ち運びができ、構造がシンプルで、所定圧力の高圧蒸気を簡単に生成し、繰り返し噴射することが可能な装置を提供することが可能となる。
【００２８】
（高圧蒸気アクチュエータの利用例）
本発明の高圧蒸気アクチュエータは、対象物を駆動するための駆動源として高圧蒸気を利用しており、この高圧蒸気を噴出することで駆動できるものであれば特に限定されず、種々の対象物の駆動装置（駆動部）として用いることができる。このような例として、本発明の高圧蒸気アクチュエータは、噴出口から外部へ伸びるように設けられた円筒と、円筒内に設けられて噴出口から噴き出される高圧蒸気によって円筒外へ押し出され、対象物に衝突して前記対象物を駆動させる球体又は円柱体とを更に備えた構成であってもよい。このとき、円筒は蒸気の噴出口に蒸気が漏れないように取り付け、その円筒内に球体又は円柱体を入れた状態で蒸気を円筒内に噴射すれば、球体又は円柱体を円筒外へ高圧により押し出し、遠くまで飛ばすことができる。或いは、金属製の球体又は円柱体を勢いよく大きな速度で飛ばし、対象物へ衝突させて対象物を押して移動させたり、破壊させたりしてもよい。また、平行平板間の隙間に蒸気を噴き出せば、その圧力により、大きな面積を有する重量物体を押しのけることができる（力＝蒸気圧力×面積）。ただし、蒸気は飽和温度以下の冷たい物体に触れると直ちに凝縮して圧力を失うので、吹き付ける物体を予め蒸気の飽和温度以上に加熱昇温しておくことが必要である。
【００２９】
本発明の高圧蒸気アクチュエータは、具体的には、各種工作機械に用いる駆動アクチュエータ、ピストンの駆動アクチュエータ、鉄球や弾丸を飛ばすための駆動アクチュエータ、ジャッキをアップさせるための駆動アクチュエータ等に利用することができる。特に、ジャッキアップの駆動アクチュエータとして用いることができるため、災害時や事故時等、インフラの整っていない場所で重い物体を移動させるために緊急にジャッキアップが必要となった場合に、大がかりな設備を必要とせず、簡易な装置で確実な効果が得られるという利点を有している。
【実施例】
【００３０】
以下に本発明を実施例でさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３１】
図１に示すような高圧蒸気アクチュエータを準備した。当該高圧蒸気アクチュエータは、外径約２０ｍｍ、長さ約２００ｍｍのステンレス円管の一端に、ボールバルブ（他端に噴出ノズルを装着したもの）を接続し、他端をプラグで閉じることにより耐圧容器とした（内容積約６０ｍＬ）。次に、耐圧容器内に空隙を残さないように蒸留水を注意深く充填し、ボールバルブを閉じ、続いてクランプを用いて支持スタンドに水平に固定した後、ヒートガン（出力１ｋＷ程度のもの）で熱風を耐熱容器全体に吹き付け、なるべく一様に加熱した。プラグから耐熱容器内の水中に突き出したシース熱電対の出力をモニターしておき、水温が沸点（１００℃）を超えたら、ガスバーナーによる加熱に切り替えた。熱電対の指示値が１５０℃に達した時点で加熱を止め、耐熱容器を耐熱グローブをはめた手で押さえながら、もう一方の手でボールバルブのレバーを一気に「開」へ回し、耐熱容器内の液体を気化させて高圧の蒸気とし、ノズルから外部に開放した。実験の結果、ノズルから蒸気が勢いよく噴出し、直後に凝縮してできた湯気が周囲数メートルの範囲に広がった。空のペットボトルの口をノズルにはめておくと、ペットボトルは勢いよく吹き飛ばされた。また、吹き戻しをゴム栓に穴を空けてノズルに装着して蒸気を噴出すると、吹き戻しが伸びきり、その後、紙が破れて蒸気が外部へ噴き出した。また、熱電対の指示値が１８０℃に達するまでアクチュエータを加熱した時点でボールバルブのレバーを「開」へ回し高圧蒸気をノズルから外部に開放した場合には、ノズルから５ｃｍ離れて床に置いた５ｋｇの台車が約２ｍにわたり水平に移動して壁に衝突した。さらに、当該高圧蒸気アクチュエータの噴出口に長さ１ｍ、内径７.５ｃｍのステンレス製円筒部を装着し、ビニールボールを内部に装填したのち、熱電対の指示値が１８０℃に達するまでアクチュエータを加熱した時点でボールバルブのレバーを「開」へ回して高圧蒸気をノズルから円筒部内に噴出したところ、ボールは円筒部先端から勢いよく飛び出し、約５ｍ先の床面に落下した。
【図１】
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