(57)【要約】  【課題】  比較的容量が大きく小型軽量で再使用可能な空圧源を提供することにある。  【解決手段】  空圧を取り出す空圧口２１を有する圧力容器２と、圧力容器２に固体、液体、気体の三重点の状態で保持される空圧用物質１と、空圧用物質１が三重点の状態で保持されるように熱を供給制御する熱源３及び熱制御装置４と、圧力容器２から空圧を取り出し制御する取出制御装置２４とを備え、圧力容器２から空圧を取り出す際、空圧用物質の一部が液体から固体に、他の一部が液体から固体に相転移する、空圧源。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空圧を取り出す空圧口を有する圧力容器と、
圧力容器に固体、液体、気体の三重点の状態で保持される空圧用物質と、
空圧用物質に熱を供給制御する熱制御装置と、
圧力容器から空圧を取り出し制御する取出制御装置とを備え、
圧力容器から空圧を取り出す際、空圧用物質の一部が液体から気体へ、他の一部が液体から固体へ相転移する、空圧源。
【請求項２】
請求項１に記載の空圧源において、
空圧用物質は、二酸化炭素である、空圧源。
【請求項３】
請求項１に記載の空圧源において、
熱源を備え、
熱制御装置は、圧力容器と熱源とを接し、又は離間する、空圧源。
【請求項４】
請求項３に記載の空圧源において、
圧力容器は、熱源と離間している時に断熱状態にある、空圧源。
【請求項５】
請求項３に記載の空圧源において、
熱源は、外部から熱を吸収する、空圧源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空圧を発生する空圧源に関するものである。特に、携帯に適した携帯用小型空圧源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、携帯用の小型空圧源として、液化炭酸ガスを充填した高圧ボンベが使用されている。高圧ボンベに液化炭酸ガスを充填するためには、耐圧、約６ＭＰａ以上の頑丈な金属製ボンベを使用する。しかし、通常、空圧アクチュエータの作動圧力は、０．７ＭＰａ以下であるので、レギュレータにより約６ＭＰａの炭酸ガスを減圧して用いている。
【０００３】
金属製ボンベは、重量３０７グラムの液化炭酸ガスボンベにおいて、重量２５０グラムのレギュレータ（減圧弁）が使用され、全重量５５７グラムのうち充填されている炭酸ガス量は７４グラムである。このように、炭酸ガス量は金属製ボンベの全重量に比べて非常に小さい。また、金属製ボンベは、使用者が使用後に高圧の液化炭酸ガスを再充填できないため、使用者が繰り返し使用することは不可能である。
【０００４】
本出願人は、ドライアイスを用いた空圧源の発明を既に出願している（特許文献１参照）。この発明は、ドライアイスを密封した容器を空圧源として使用するものである。そのためには、容器内の圧力を継続的に一定に保持する必要がある。しかし、容器内のガスを空圧として外部に放出した際、使用した量に見合うだけのドライアイスを素早く気化させて圧力を回復する必要がある。これを実現するため、素早くドライアイスを削って気化させる必要があるが、削るためには相当の動力が必要なことや、素早く気化させるためには大量の熱が必要となる。
【０００５】
炭酸ガスの相平衡によれば、圧力０．４２ＭＰａ、温度−５６．６℃以下の圧力、温度では炭酸ガスは、固体（ドライアイス）あるいは気体であるが、これを越えた圧力や温度では液化が始まってしまい、ドライアイスの一部だけを削って気化させるという動作が出来なくなる。そこで、ドライアイスが液体とならない圧力範囲で使用し、容器内の圧力を０．４２ＭＰａ以下に保つようにしている。すなわち、ドライアイスが液化しないよう、圧力容器内の圧力を圧力０．４２ＭＰａ以下に保つことが必要なため、利用できる圧力の上限が制限される。
【０００６】
【特許文献１】特願２００３−３１０７１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
＜１＞本発明は、小型化が可能な空圧源を提供することにある。
＜２＞又は、本発明は、比較的容量が大きく、軽量な空圧源を提供することにある。
＜３＞又は、本発明は、再利用可能な空圧源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
＜１＞本発明は、空圧を取り出す空圧口を有する圧力容器と、圧力容器に固体、液体、気体の三重点の状態で保持される空圧用物質と、空圧用物質に熱を供給制御する熱制御装置と、圧力容器から空圧を取り出し制御する取出制御装置とを備え、圧力容器から空圧を取り出す際、空圧用物質の一部が液体から気体へ、他の一部が液体から固体へ相転移する、空圧源。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
＜１＞空圧源
空圧源は、圧縮気体の空圧を発生する空圧制御装置であり、空圧で動作する空圧アクチュエータなどを駆動することができる。空圧源は、固体、液体、気体の状態が混在する三重点を有する物質を使用する。空圧源は、空圧用物質の温度と圧力を保持して、空圧用物質の三重点の状態を保持する。空圧源は、図１に示すように、三重点の状態の空圧用物質１を収容する圧力容器２と、圧力容器２に加える熱を有する熱源３と、熱源３から必要量の熱を空圧用物質１に供給する熱制御装置４と、圧力容器２から必要量の圧縮気体を取り出す取出制御装置２４とを備えている。空圧源は、安全性を高めるために、リリーフ弁（安全弁）５を設けてある。空圧源は、圧力容器２から圧縮気体を取り出す際、空圧用物質１の一部は液体から気体へ、他の一部は液体から固体に相転移する。これにより、圧縮気体の瞬時大量放出や長期の持続的放出が可能となる。なお、三重点の状態とは、三重点の状態、又は三重点の状態付近であってもよい。いずれにしろ、圧縮気体の瞬時大量放出や長期の持続的放出が可能となる状態であればよい。
【００１０】
＜２＞空圧用物質
空圧用物質１は、圧縮気体の空圧を発生するものであり、固体、液体、気体が混在する三重点の状態を有する物質である。空圧用物質は、使用環境や用途などに応じて選択されるが、空圧源を大気圧で室温で使用する環境では、二酸化炭素が好ましい。二酸化炭素の状態図を図２に示す。図２の右下側が気体の状態であり、左側が固体の状態であり、右上側が液体の状態であり、三重点の状態は、Ｏ点にある。図２のグラフの縦軸は、大気圧を考慮した絶対圧力を示している。三重点の状態は、圧力がほぼ０．５２ＭＰａ（絶対圧）、温度がほぼ−５６．６℃である。また、Ｐ点は、圧力がほぼ０．１ＭＰａ（１気圧）、温度がほぼ−７８．２℃であり、大気圧下ではドライアイスが−７８．２℃となることを示している。なお、大気圧を考慮しないゲージ圧では、三重点の状態は、圧力がほぼ０．４２ＭＰａ、温度がほぼ−５６．６℃である。
【００１１】
＜３＞圧力容器
圧力容器２は、空圧用物質１を収容し、空圧の圧縮気体を取り出す空圧口２１を供えている。空圧用物質１が二酸化炭素の場合、圧力容器２には、二酸化炭素の固体であるドライアイスを収容する。圧力容器２内では、ドライアイスが融解し、又は、炭酸ガスに昇華し、圧力がほぼ０．４２ＭＰａ、温度がほぼ−５６．６℃の環境で、三重点の状態になる。圧力容器２は、空圧用物質１の圧力に耐えられる耐圧性を備える。圧力容器２は、空圧用物質１の三重点の状態を保持するために空圧用物質１に熱が伝導する構造、及び、空圧用物質１への熱を遮断する構造を有する。
【００１２】
圧力容器２に伝導する熱を遮断するために、圧力容器２の周囲に断熱材４２を配置し、又は、圧力容器２を断熱性にする。圧力容器２は、例えば、２重ステンレスで形成してその間をほぼ真空にして断熱性を持たせ、或いは、プラスチックのように外部からの熱の流入の少ない材料で作製する。ただ、空圧用物質１に熱を付与する場合、圧力容器２は熱伝導性をよくする必要がある。したがって、熱源３である伝熱容器３２と接する圧力容器２の一部は断熱材で覆わないようにする。又、圧力容器２の伝熱容器３２と接する部分を熱伝導性の良い材料を用いて作製し熱が伝わり易くする。
【００１３】
圧力容器２は、圧縮気体を取り出す空圧口２１を供えている。空圧口２１は、流路２３を通して取出制御装置２４に連通している。流路２３には、圧力スイッチ６、リリーフ弁５、電磁弁４１を介して熱制御装置４である空圧シリンダに連通している。取出制御装置２４は、流路２３の開閉操作により、圧力容器２から必要量の圧縮気体の取り出しを制御するもので、バルブなどが使用できる。
【００１４】
＜４＞熱源
熱源３は、空圧用物質１に付与する熱を有するものであり、発熱体などがある。熱源３は、例えば、外部から熱を吸収するものであり、外部の空気や水から熱を吸収するものである。熱源３は、実施例では、伝熱容器３２、それに植え込まれた吸熱フィン３１からなる。外気から熱を吸収する場合、圧力容器２は、伝熱容器３２、吸熱フィン３１、伝熱容器３２の蓋となる平板３３により取り囲まれ、下部を除いて断熱材４２に囲まれている。
【００１５】
＜５＞熱制御装置
熱制御装置４は、空圧用物質１に熱を付与し、又は遮断するものである。熱制御装置４は、圧力容器２に熱を付与し、その結果、圧力容器２から空圧用物質１に熱を付与してもよい。熱制御装置４が、圧力容器２に熱を付与する場合、熱源３と圧力容器２とを接して、熱源３から圧力容器２に熱を伝導する。したがって、圧力容器２の伝熱容器３２と接する部分は、熱伝導性のよい材質を使用する。圧力容器２への熱を遮断する場合、熱源３と圧力容器２とを離間する。即ち、熱制御装置４は、圧力容器２の内部の温度、圧力が三重点より低い状態では圧力容器２と熱源３を接触状態にして外部の熱が圧力容器２によく伝わるようにし、また、三重点より高い温度、圧力では圧力容器２と熱源３を分離状態にして外部の熱が伝わらないようにし、圧力容器２の内部の空圧用物質１ができるだけ三重点の状態を保持するようにする。
【００１６】
熱制御装置４の機構は、例えば、圧力容器２の上部に空圧シリンダ４４を接続し、空圧シリンダ４４を電磁弁４１で制御して、圧力容器２を上下に移動する。なお、圧力容器２は、電動モータとねじ機構を用いて圧力容器２を上下させても良い。空圧シリンダ４４が伸びると圧力容器２は下がってその底部が伝熱容器３２に密着し、外部の熱が吸熱フィン３１と伝熱容器３２を通って圧力容器２に効率よく取り込まれる。一方、空圧シリンダ４４が縮めば圧力容器２と伝熱容器３２は分離するため、このような熱の移動は少なくなる。
【００１７】
＜６＞圧縮気体の放出
圧力容器２内の空圧用物質１をできるだけ固体、液体、気体が混在する三重点の状態に保つ。この状態で気体を圧力容器２から外部に放出すると、圧力容器内の液体の一部が熱を奪って気体に相変化（気化）する一方、液体の他の一部が熱を放出して固体に相変化（凝固）する。そのため、外部からの熱の出入りなしに温度の平衡が保たれる。すなわち一時的には外部からの熱の吸収を必要としないので、圧縮気体の瞬時の大量放出が可能となる。そして空圧用物質１は、三重点に保たれているので、圧力が低下することもない。ちょうど、三重点における液相部分を蓄熱バッファとして利用するものである。したがって、三重点に保つ際にも、できるだけ固体を少なく、液体を多くするようにし、液体内の蓄熱量を多くしておくことが好ましい。
【００１８】
＜７＞圧力容器内の圧力変化
圧力容器２内の二酸化炭素の典型的な圧力変化の例を図３に示す。図３のグラフの横軸を時間とし、縦軸を圧力とする。Ａ点でドライアイスを圧力容器２に密封し、熱制御装置４の空圧シリンダを伸ばして圧力容器２と伝熱容器３２を密着させる。ドライアイスは外部からの熱により昇華し、圧力容器２内の圧力は次第に上昇してＢ点で三重点に達し、圧力上昇が止まる。Ｂ点ではほとんどが固体と気体であり、液体はほとんど存在しない状態である。その後、外部からの熱により固体部分は融解して減少し、Ｃ点ではほとんどが液体と気体になる。Ｂ点からＣ点までは三重点の状態であるから、圧力および温度は、０．４２ＭＰａ、温度−５６．６℃の一定値を保っている。ここで、さらに熱が加わると、三重点からはずれ、再び圧力上昇が始まる。若干上昇したところ（Ｄ点）で空圧シリンダを縮めて圧力容器と伝熱容器を分離し、外部の熱が圧力容器に加わらないようにすれば、圧力容器内部を三重点に近い状態（三重点の状態付近）に保つことが出来る。リリーフ弁（安全弁）を設置して、リリーフ圧力をＤ点の圧力より少し高く（Ｅ点の圧力）設定しておけば、それ以上圧力が上がることがないので安全である。
【００１９】
ここで、取出制御装置２４を操作して、圧力容器２から圧縮気体を取り出し、空圧を空圧アクチュエータに使用する、つまり外部への気体の放出を行うと、圧力は三重点の圧力まで急激に下がる（Ｆ点）が、それ以下に下がることはなく、液体が気化するので安定した圧力で気体を放出することができる。このとき空圧シリンダ４４を伸ばして圧力容器２と伝熱容器３２を密着させれば、外部からの熱が圧力容器２に加わるので液体がなくなるまでの時間を長くすることができる。Ｆ点からＧ点までは、圧力容器内部で、液体の一部が気体に、他の一部が固体に相変化して三重点の状態を保っている。Ｇ点に達すると液体が無くなって急激に圧力が低下し始める。このとき、気体の放出を止めれば、外部からの熱が圧力容器に加わっているので、再び残った固体の液化が始まる。この加熱区間では大量の気体を外部に放出することはできない。大量の気体を一定圧力で安定して放出できるのはＦ点とＧ点の間であり、放出流量が小さければこの区間の時間は長くなる。
【００２０】
このように、空圧源は、ドライアイスを圧力のもととしており、再利用可能な空圧源である。出力圧力は０．４２ＭＰａであり、液化炭酸ガスのように圧力が高くないので、小型軽量な圧力容器で比較的大容量なものを実現することができる。必要とする動力としては、空圧シリンダを制御するための小さな電磁弁および圧力スイッチの動力だけであり、電動モータで空圧ポンプを直接駆動する場合に比べれば非常に僅かなものである。圧力スイッチは、圧力が設定した圧力を超えたり、逆に設定圧力より下がると動作するもので、圧力に応じて電磁弁を作動する電気回路のスイッチを断続するようなセンサである。圧力スイッチは、例えば０．４５ＭＰａに設定したものと０．４２ＭＰａに設定したものを２個用い、圧力が０．４５ＭＰａを超えると、空圧シリンダ４４が縮むようにし、圧力が０．４２ＭＰａより下がると空圧シリンダ４４が伸びるようにする。
【００２１】
＜８＞携帯空圧源の例
携帯空圧源の例として、ほぼ円筒形状とし、外径９４ｍｍ、全長２６３ｍｍとする。圧力容器２は、アルミニウム缶ででき、底部は、球状に内側に湾曲し、外径６６ｍｍ、長さ１６５ｍｍであり、アルミニウム缶の蓋２２には、流路２３のホースとシリンダ接続材４３が固定されており、シリンダ接続材４３によって圧力容器２と空圧シリンダが接続されている。圧力容器２の外側の側面には発泡スチロール製の断熱材４２があり、さらにその外側の側面と底面にはアルミニウム製の伝熱容器３２がある。圧力容器２の底部と接する伝熱容器３２の底部は、内側に球状に内側に湾曲し、圧力容器２となるべく多くの面で接するように形成される。断熱材４２は伝熱容器３２に固定されている。伝熱容器３２の外側の側面にはアルミニウム製の吸熱フィン３１が取り付けられ、外部の熱を吸収する。
【００２２】
空圧シリンダを伸ばすと圧力容器２の底面と伝熱容器３２の底面が密着し、逆に縮めると、両者の底面が離れる。これにより、伝熱容器３２からの熱が圧力容器２に移動する量が制御できる。圧力容器２の圧力が０．４２ＭＰａ以下では空圧シリンダを伸ばし、例えば０．４５ＭＰａ以上になったら空圧シリンダを縮めるように電磁弁４１を作動させれば、圧力容器２内の二酸化炭素の状態を三重点の状態であって、なるべく液体の多い状況に保つことができる。圧力容器２の空圧は、流路２３のホースを通って取出制御装置２４に流れ、そこから外部に出力される。圧力容器２に格納できるドライアイスの量は最大約４３０グラムである。リリーフ弁５（安全弁）の設定圧力を０．５ＭＰａ程度に設定しておけば、圧力容器２の内部の圧力がそれを越えないので安全である。空圧シリンダなどが取り付けてある伝熱容器３２の上部の平板３３及びその部分の断熱材が下部と離れるようにしておけば、平板部分は圧力容器２と一緒に引き上げることができ、圧力容器２が外部に取り出せる。そして圧力容器２の蓋２２を取れば簡単にドライアイスが補充できる。
【００２３】
空圧源の形状は、用途に応じて適宜変更することができ、例えば、身体の脇に取り付ける場合、身体から大きくはみ出さないように薄くし、身体の側面に沿って湾曲にするとよい。このように、本発明は、上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなく種々の構成を採り得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の空圧源の断面図
【図２】二酸化炭素の状態図
【図３】圧力容器内の圧力変化を示すグラフの図
【符号の説明】
【００２５】
１・・・空圧用物質
２・・・圧力容器
２１・・空圧口
２２・・蓋
２３・・流路
２４・・取出制御装置
３・・・熱源
３１・・吸熱フィン
３２・・伝熱容器
３３・・平板
４・・・熱制御装置
４１・・電磁弁
４２・・断熱材
４３・・シリンダ接続材
４４・・空圧シリンダ
５・・・リリーフ弁
６・・・圧力スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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