(57)【要約】【課題】排気ガスのエネルギーを効率良く他の媒体に変換できるガスエネルギー変換装置を提供すること。【解決手段】空圧シリンダ部１０の空圧室１３に高圧の排気ガスが導入される。排気ガスの圧力エネルギーにより空圧ピストン１２が押し出されるに伴い油圧シリンダ部２０の第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは押し込まれる。油圧室２３の圧油は圧力エネルギーとして油圧アキュムレータ４４に蓄積される。空圧室１３の排気ガスは排出され、空圧室１３に新気ガスが導入される。油圧アキュムレータ４４に蓄積された圧力エネルギーにより第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが押し出されるに伴い空圧ピストン１２は押し込まれる。すると空圧室１３の新気ガスは圧縮され高圧化され新気アキュムレータ３７に蓄積される。【選択図】    図１
2005009504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスエネルギー変換装置において、
ガスを導入する空圧室と圧油を導入する油圧室とを備え、
前記空圧室にガスを導入し、前記空圧室のガスの圧力エネルギーにより前記空圧室の容積を増加するに伴い前記油圧室の容積を減少して前記油圧室の圧油を圧力エネルギーとして油圧アキュムレータに蓄積すること
を特徴とするガスエネルギー変換装置。
【請求項２】
前記空圧室を空圧シリンダとこの空圧シリンダ内を摺動する空圧ピストンとで構成し、前記油圧室を油圧シリンダとこの油圧シリンダ内を摺動し前記空圧ピストンに連結された油圧ピストンとで構成し、
前記空圧室にガスを導入し、前記空圧室のガスの圧力エネルギーにより前記空圧室の容積を増加するに伴い前記空圧ピストンで前記油圧ピストンを押し込み、前記油圧室の容積を減少して前記油圧室の圧油を圧力エネルギーとして油圧アキュムレータに蓄積すること
を特徴とする請求項１記載のガスエネルギー変換装置。
【請求項３】
前記空圧室に導入したガスを排気して新気ガスを導入し、
前記油圧アキュムレータに蓄積した圧力エネルギーを前記油圧室の圧油に供給し、前記油圧室の圧油の圧力エネルギーにより前記油圧室の容積を増加するに伴い前記空圧室の容積を減少して前記空圧室の新気ガスを圧縮して高圧化し、この新気ガスを新気アキュムレータに蓄積すること
を特徴とする請求項１及び請求項２記載のガスエネルギー変換装置。
【請求項４】
圧油に対する受圧面積が段階的に変化するように前記油圧ピストンを複数段にし、前記空圧室の容積変化に伴うガス圧力の変化に応じて前記油圧ピストンの受圧面積を段階的に変化させること
を特徴とする請求項２及び請求項３記載のガスエネルギー変換装置。
【請求項５】
前記油圧ピストンの各段毎に制動及び制動解除するブレーキを設け、前記空圧室のガスの圧力に応じて前記ブレーキの制動及び制動解除を切り換えること
を特徴とする請求項４記載のガスエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気するガスの圧力エネルギーを圧油の圧力エネルギーに変換して蓄積し、またこの蓄積した圧油の圧力エネルギーを利用して新たなガスを高圧化するガスエネルギー変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有害な有機廃棄物、例えばＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニル）等は廃棄物処理装置によって無害化処理された後に廃棄される。この廃棄物処理装置の一つに水熱反応装置がある。
【０００３】
水熱反応装置の反応室は高温・高圧の超臨界水又は亜臨界水の状態に保たれ、有機廃棄物、水、それに酸化源として大気ガス又は酸素が供給される。有機廃棄物は酸素と反応し、酸化分解された後に廃棄される。反応室に大気ガスが供給される場合、酸素以外のガスは反応には関与せず、酸化して生成されるＣＯ２と共に大気圧程度に低圧化された後に排出される。以下、これら反応後に排出されるガスを排気ガスとよぶ。
【０００４】
大気ガスを高圧化する場合には専用の高圧化装置が必要であり、この高圧化装置により大気ガスにエネルギーが供給される。また排気ガスを低圧化するには専用の低圧化装置が必要であり、従来はこの排気ガスの圧力エネルギーが何ら利用されることなく廃棄されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように供給したエネルギーを何ら利用することなく廃棄することは不経済であり望ましくない。したがって高圧の排気ガスのエネルギーを他媒体に変換して利用し、かつ排気ガスを低圧化し排出することが望まれる。
【０００６】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、排気ガスのエネルギーを効率良く他の媒体に変換できる、ガスエネルギー変換装置を提供することを解決課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用および効果】
そこで第１発明は、
ガスエネルギー変換装置において、
ガスを導入する空圧室と圧油を導入する油圧室とを備え、
前記空圧室にガスを導入し、前記空圧室のガスの圧力エネルギーにより前記空圧室の容積を増加するに伴い前記油圧室の容積を減少して前記油圧室の圧油を圧力エネルギーとして油圧アキュムレータに蓄積すること
を特徴とする。
【０００８】
また第２発明は、第１発明において、
前記空圧室を空圧シリンダとこの空圧シリンダ内を摺動する空圧ピストンとで構成し、前記油圧室を油圧シリンダとこの油圧シリンダ内を摺動し前記空圧ピストンに連結された油圧ピストンとで構成し、
前記空圧室にガスを導入し、前記空圧室のガスの圧力エネルギーにより前記空圧室の容積を増加するに伴い前記空圧ピストンで前記油圧ピストンを押し込み、前記油圧室の容積を減少して前記油圧室の圧油を圧力エネルギーとして油圧アキュムレータに蓄積すること
を特徴とする。
【０００９】
第１、第２発明を図１〜図３を用いて説明する。
【００１０】
空圧シリンダ部１０の空圧室１３に高圧の排気ガスが導入される。排気ガスの圧力エネルギーにより空圧ピストン１２は押し出され、空圧室１３の容積は増加する。空圧ピストン１２と油圧シリンダ部２０の第６ピストン２２ｆとは連結されている。空圧ピストン１２が押し出されるに伴い油圧シリンダ部２０の第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは押し込まれ、油圧室２３の容積は減少し、圧力エネルギーとして油圧アキュムレータ４４に蓄積される。
【００１１】
第１、第２発明によれば、排気ガスの圧力エネルギーが圧油の圧力エネルギーに変換され蓄積される。したがって排気ガスの圧力エネルギーを再利用することが可能になる。ガスと圧油との間で行う圧力エネルギーの変換に要する装置は簡便かつ小規模にすることが可能である。
【００１２】
第３発明は、第１、第２発明において、
前記空圧室に導入したガスを排気して新気ガスを導入し、
前記油圧アキュムレータに蓄積した圧力エネルギーを前記油圧室の圧油に供給し、前記油圧室の圧油の圧力エネルギーにより前記油圧室の容積を増加するに伴い前記空圧室の容積を減少して前記空圧室の新気ガスを圧縮して高圧化し、この新気ガスを新気アキュムレータに蓄積すること
を特徴とする。
【００１３】
第３発明を図１〜図３を用いて説明する。
【００１４】
空圧シリンダ部１０の空圧室１３に高圧の排気ガスが導入される。排気ガスの圧力エネルギーにより空圧ピストン１２は押し出され、空圧室１３の容積は増加する。空圧ピストン１２と油圧シリンダ部２０の第６ピストン２２ｆとは連結されている。空圧ピストン１２が押し出されるに伴い油圧シリンダ部２０の第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは押し込まれ、油圧室２３の容積は減少し、圧力エネルギーとして圧力エネルギーが油圧アキュムレータ４４に蓄積される。
【００１５】
空圧ピストン１２が伸びきり、空圧室１３の容積が最大の場合は、排気ガスは低圧の状態である。したがってこの排気ガスは排出され、空圧室１３には新気ガス、具体的には大気ガス、が導入される。
【００１６】
空圧ピストン１２が伸びきり、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが縮みきった状態で、油圧アキュムレータ４４に蓄積された圧力エネルギーが油圧室２３の圧油に供給される。圧油の圧力エネルギーにより第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは押し出され、油圧室２３の容積は増加する。第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが押し出されるに伴い空圧ピストン１２は押し込まれ、空圧室１３の容積は減少する。すると空圧室１３の新気ガスは圧縮され高圧化される。空圧ピストン１２が縮みきった状態で新気ガスが新気アキュムレータ３７に蓄積される。
【００１７】
第３発明によれば、第１、第２発明と同様の効果が得られる。
【００１８】
さらに第３発明によれば、蓄積された圧力エネルギーによって新気ガスが高圧化される。この新気ガスは、水熱反応装置の反応室に供給するガスとして使用することができる。したがって水熱反応装置に備えられた大気ガスの高圧化装置が必要無くなるか、又は小型の高圧化装置を使用するのみでよくなる。このような面から装置全体を小さくすることが可能となり、また低コストで水熱反応装置自体を構成し、運転経費を低減させることが可能となる。
【００１９】
第４発明は、第２、第３発明において、
圧油に対する受圧面積が段階的に変化するように前記油圧ピストンを複数段にし、前記空圧室の容積変化に伴うガス圧力の変化に応じて前記油圧ピストンの受圧面積を段階的に変化させること
を特徴とする。
【００２０】
第５発明は、第４発明において、
前記油圧ピストンの各段毎に制動及び制動解除するブレーキを設け、前記空圧室のガスの圧力に応じて前記ブレーキの制動及び制動解除を切り換えること
を特徴とする。
【００２１】
第４、第５発明を図１〜図３を用いて説明する。
【００２２】
第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは複数段のピストンである。第１〜第６ピストン２２ａ〜２２ｆが一体とされる場合、第２〜第６ピストン２２ｂ〜２２ｆが一体とされる場合、第３〜第６ピストン２２ｃ〜２２ｆが一体とされる場合、第４〜第６ピストン２２ｄ〜２２ｆが一体とされる場合、第５、第６ピストン２２ｅ、２２ｆが一体とされる場合、第６ピストン２２ｆのみの場合でそれぞれ受圧面積が異なる。つまりピストンが一体になっている状況次第で圧油の圧力エネルギーがピストンに作用する力は異なる。以下で、圧油の圧力エネルギーにより第１〜第６油圧ピストンで発生する力、及びガスの圧力エネルギーにより空圧ピストンで発生する力を伸び力という。
【００２３】
排気ガスの圧力エネルギーを圧油の圧力エネルギーに変換して蓄積する場合、空圧室１３に供給された高圧の排気ガスは膨張し、その圧力エネルギーにより空圧ピストン１２は押し出され、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは押し込まれる。空圧ピストン１２が押し出されるに応じて空圧室１３の容積は増加し、排気ガスの圧力は低下する。したがって空圧ピストン１２が所定ストロークまで摺動すると、空圧ピストン１２の伸び力と第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆの伸び力とが等しくなり、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは停止する。ここで第１油圧ピストン２２ａが第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆから解除され油圧シリンダ２１に固定される。すると油圧ピストン側の受圧面積が小さくなり、結果として、空圧ピストン１２の伸び力が第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆの伸び力より大きくなる。したがって排気ガスは膨張を再開し、その圧力エネルギーにより空圧ピストン１２が押し出され、第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆが押し込まれる。このように順次油圧ピストン側の受圧面積を小さく切り換えた際に油圧ピストンが押し込まれたことによる圧油は、油圧アキュムレータ４４に蓄圧される。このようにして高圧の排気ガスの圧力エネルギーを圧油の圧力エネルギーに変換して蓄える。
【００２４】
次に油圧アキュムレータ４４に蓄えた圧油の圧力エネルギーを用いて大気圧など低圧の新気ガスを圧縮する場合、空圧室１３は低圧の新気ガスで満たされ、油圧シリンダ２１は縮んだ状態から動作し始める。油圧アキュムレータ４４の圧油が油圧シリンダ２１に供給されると、圧油の圧力エネルギーにより第６油圧ピストン２２ｆは押し出され、空圧ピストン１２は押し込まれる。空圧ピストン１２が押し込まれるに応じて空圧室１３の容積は減少し、新気ガスの圧力は上昇する。したがって空圧ピストン１２が所定ストロークまで摺動すると、第６油圧ピストン２２ｆの伸び力と空圧ピストン１２の伸び力とが等しくなり、第６油圧ピストン２２ｆは停止する。ここで第５油圧ピストン２２ｅと第６油圧ピストン２２ｆが一体とされる。すると油圧ピストン側の受圧面積が大きくなり、結果として、第５、第６油圧ピストン２２ｅ、２２ｆの伸び力が空圧ピストン１２の伸び力より大きくなる。したがって圧油の圧力エネルギーにより第５、第６油圧ピストン２２ｅ、２２ｆが押し出され、空圧ピストン１２が押し込まれる。このように順次油圧ピストン側の受圧面積が大きくなるように切り換えられ、空圧ピストン１２は押し込まれ空圧室１３の新気ガスは圧縮され高圧となる。
【００２５】
第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆの固定及び解除はブレーキ２４ａ〜２４ｆで行われる。
【００２６】
第４、第５発明によれば、若干のエネルギーの損失はあるものの、排気ガスの圧力エネルギーの多くを圧油の圧力エネルギーに変換した上で蓄積し、蓄積した圧油の圧力エネルギーを使って新気ガスを高圧にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は本発明に係わるガスエネルギー変換装置１の構成を示す図である。
【００２９】
ガスエネルギー変換装置１は、空圧シリンダ部１０と、油圧シリンダ部２０と、配管を介して空圧シリンダ部１０にそれぞれ接続される排気入口弁３１、排気出口弁３２、新気入口弁３３、新気出口弁３４と、配管及び低圧コンプレッサ３５を介して新気入口弁３３に接続される新気供給手段３６と、配管を介して新気出口弁３４に接続される新気アキュムレータ３７と、配管を介して油圧シリンダ部２０にそれぞれ接続されるアキュムレータ作動弁４１、低圧油圧弁４２、ドレン弁４３と、配管を介してアキュムレータ作動弁４１に接続される油圧アキュムレータ４４と、配管を介して低圧油圧弁４２に接続される油圧ポンプ４５とからなる。
【００３０】
空圧シリンダ部１０について図２を用いて説明する。図２は空圧シリンダ部１０の断面図である。図２は空圧ピストン１２が縮みきり、空圧室１３が最小の状態を示している。
【００３１】
空圧シリンダ部１０は空圧シリンダ１１と、空圧ピストン１２と、空圧シリンダ１１及び空圧ピストン１２で形成されガスを導入する空圧室１３と、空圧ピストン１２及び後述する油圧シリンダ部２０の第６ピストン２２ｆに接続されるピストンロッド１４とからなる。
【００３２】
空圧ピストン１２の受圧面積をＳとすると、圧力Ｐ（変数）のガスによる空圧ピストン１２の伸び力ｆは（Ｓ×Ｐ）である。空圧ピストン１２は空圧室１３の容積を増加又は減少させるように空圧シリンダ１１内を摺動する。
【００３３】
油圧シリンダ部２０について図３を用いて説明する。図３は油圧シリンダ部２０の断面図である。図３は第１〜第６油圧ピストンが伸びきり、油圧室２３が最大の状態を示している。
【００３４】
油圧シリンダ部２０は油圧シリンダ２１と、６段で構成され全ストロークＬＴの第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆと、油圧シリンダ２１及び第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆとで形成され圧油を導入する油圧室２３とからなる。
【００３５】
油圧シリンダ２１内には第１油圧ピストン２２ａが収容される。第１油圧ピストン２２ａは直径ｄ１、ストロークＬ１の筒状のピストンであり、また第２油圧ピストン２２ｂを収容するシリンダとしても機能する。油圧アキュムレータ４４の圧力Ｐ０が油圧室２３に作用する場合、第１油圧ピストン２２ａの伸び力Ｆ１はπ×（（１／２）×ｄ１）２×Ｐ０である。第１油圧ピストン２２ａは油圧室２３の容積を増加又は減少させるように油圧シリンダ２１内を摺動する。
【００３６】
第１油圧ピストン２２ａ内には第２油圧ピストン２２ｂが収容される。第２油圧ピストン２２ｂは直径ｄ２、ストロークＬ２の筒状のピストンであり、また第３油圧ピストン２２ｃを収容するシリンダとしても機能する。油圧アキュムレータ４４の圧力Ｐ０が油圧室２３に作用する場合、第２油圧ピストン２２ｂの伸び力Ｆ２はπ×（（１／２）×ｄ２）２×Ｐ０である。第２油圧ピストン２２ｂは油圧室２３の容積を増加又は減少させるように第１油圧ピストン２２ａ内を摺動する。
【００３７】
第２油圧ピストン２２ｂ内には第３油圧ピストン２２ｃが収容される。第３油圧ピストン２２ｃは直径ｄ３、ストロークＬ３の筒状のピストンであり、また第４油圧ピストン２２ｄを収容するシリンダとしても機能する。油圧アキュムレータ４４の圧力Ｐ０が油圧室２３に作用する場合、第３油圧ピストン２２ｃの伸び力Ｆ３はπ×（（１／２）×ｄ３）２×Ｐ０である。第３油圧ピストン２２ｃは油圧室２３の容積を増加又は減少させるように第２油圧ピストン２２ｂ内を摺動する。
【００３８】
第３油圧ピストン２２ｃ内には第４油圧ピストン２２ｄが収容される。第４油圧ピストン２２ｄは直径ｄ４、ストロークＬ４の筒状のピストンであり、また第５油圧ピストン２２ｅを収容するシリンダとしても機能する。油圧アキュムレータ４４の圧力Ｐ０が油圧室２３に作用する場合、第４油圧ピストン２２ｄの伸び力Ｆ４はπ×（（１／２）×ｄ４）２×Ｐ０である。第４油圧ピストン２２ｄは油圧室２３の容積を増加又は減少させるように第３油圧ピストン２２ｃ内を摺動する。
【００３９】
第４油圧ピストン２２ｄ内には第５油圧ピストン２２ｅが収容される。第５油圧ピストン２２ｅは直径ｄ５、ストロークＬ５の筒状のピストンであり、また第６油圧ピストン２２ｆを収容するシリンダとしても機能する。油圧アキュムレータ４４の圧力Ｐ０が油圧室２３に作用する場合、第５油圧ピストン２２ｅの伸び力Ｆ５は（π×（（１／２）×ｄ５）２×Ｐ０である。第５油圧ピストン２２ｅは油圧室２３の容積を増加又は減少させるように第４油圧ピストン２２ｄ内を摺動する。
【００４０】
第５油圧ピストン２２ｅ内には第６油圧ピストン２２ｆが収容される。第６油圧ピストン２２ｆは直径ｄ６、ストロークＬ６である。油圧アキュムレータ４４の圧力Ｐ０が油圧室２３に作用する場合、第６油圧ピストン２２ｆの伸び力Ｆ６はπ×（（１／２）×ｄ６）２×Ｐ０である。第６油圧ピストン２２ｆは油圧室２３の容積を増加又は減少させるように第５油圧ピストン２２ｅ内を摺動する。第６油圧ピストン２２ｆは空圧シリンダ部１０のピストンロッド１４に接続されている。
【００４１】
油圧シリンダ２１の開口部には第１油圧ピストン２２ａの摺動を制動するブレーキ２４ａが設けられている。第１油圧ピストン２２ａの開口部には第２油圧ピストン２２ｂの摺動を制動するブレーキ２４ｂが設けられている。第２油圧ピストン２２ｂの開口部には第３油圧ピストン２２ｃの摺動を制動するブレーキ２４ｃが設けられている。第３油圧ピストン２２ｃの開口部には第４油圧ピストン２２ｄの摺動を制動するブレーキ２４ｄが設けられている。第４油圧ピストン２２ｄの開口部には第５油圧ピストン２２ｅの摺動を制動するブレーキ２４ｅが設けられている。第５油圧ピストン２２ｅの開口部には第６油圧ピストン２２ｆの摺動を制動するブレーキ２４ｆが設けられている。各ブレーキ２４ａ〜２４ｆの制動及び制動解除（以下、「オン」及び「オフ」という）は図示しないコントローラによって制御される。例えば、ブレーキ２４ａがオフされ、ブレーキ２４ｂ〜２４ｆがオンされた場合は、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが一体となり第１油圧ピストン２２ａが油圧シリンダ２１内を摺動自在となる。
【００４２】
排気入口弁３１は図示しない水熱反応装置及び空圧シリンダ部１０の空圧室１３と配管を介して接続されている。排気入口弁３１が開放されると高圧の排気ガスが水熱反応装置から空圧室１３に導入される。排気入口弁３１の開放及び閉鎖は図示しないコントローラによって制御される。
【００４３】
排気出口弁３２は空圧シリンダ部１０の空圧室１３と配管を介して接続されている。排気出口弁３２が開放されると低圧の排気ガスが空圧室１３から大気に排出される。排気出口弁３２の開放及び閉鎖は図示しないコントローラによって制御される。
【００４４】
新気入口弁３３は低圧コンプレッサ３５及び空圧シリンダ部１０の空圧室１３と配管を介して接続されている。低圧コンプレッサ３５は配管を介して新気供給手段３６と接続されている。新気供給手段３６は低圧コンプレッサ３５に新気ガスを供給し、低圧コンプレッサ３５は新気ガスを所定の圧力にする。新気入口弁３３が開放されると低圧の新気ガスが空圧室１３に導入される。新気入口弁３３の開放及び閉鎖は図示しないコントローラによって制御される。
【００４５】
新気出口弁３４は新気アキュムレータ３７及び空圧シリンダ部１０の空圧室１３と配管を介して接続されている。新気出口弁３４が開放されると高圧の新気ガスが空圧室１３から新気アキュムレータ３７に蓄積される。新気出口弁３４の開放及び閉鎖は図示しないコントローラによって制御される。
【００４６】
アキュムレータ作動弁４１は油圧アキュムレータ４４及び油圧シリンダ部２０の油圧室２３と配管を介して接続されている。油圧室２３の圧油の圧力が油圧アキュムレータ４４に蓄積された圧力より大きい場合にアキュムレータ作動弁４１が開放されると、油圧室２３の圧力エネルギーが油圧アキュムレータ４４に蓄積される。油圧室２３の圧油の圧力が油圧アキュムレータ４４に蓄積された圧力より小さい場合にアキュムレータ作動弁４１が開放されると、油圧アキュムレータ４４に蓄積されたエネルギーが油圧室２３の圧油に供給される。アキュムレータ作動弁４１の開放及び閉鎖は図示しないコントローラによって制御される。
【００４７】
低圧油圧弁４２は油圧ポンプ４５及び油圧シリンダ部２０の油圧室２３と配管を介して接続されている。低圧油圧弁４２が開放され油圧ポンプ４５が駆動されると所定圧の圧油が油圧室２３に供給される。低圧油圧弁４２の開放及び閉鎖は図示しないコントローラによって制御される。
【００４８】
ドレン弁４３はタンク４６及び油圧シリンダ部２０の油圧室２３と配管を介して接続されている。ドレン弁４３が開放されると圧油が油圧室２３からタンク４６に排出される。ドレン弁４３の開放及び閉鎖は図示しないコントローラによって制御される。
【００４９】
つぎに排気ガスの圧力エネルギーを新気ガスのエネルギーに変換するエネルギー変換方法について説明する。
【００５０】
本実施形態のガスエネルギー変換装置１によるエネルギー変換方法は３つの工程からなる。第１の工程は排気ガスの圧力エネルギーを圧油の圧力エネルギーに変換して蓄積するエネルギー蓄積工程であり、第２の工程は容積が増加して低圧になった排気ガスを排出し新気ガスを導入する換気工程であり、第３の工程は蓄積した圧力エネルギーによって新気ガスを圧縮して高圧化する高圧化工程である。以下で各工程を順に説明する。
【００５１】
最初にエネルギー蓄積工程を図１、図４〜図８を用いて説明する。
【００５２】
図４は大気ガスの圧力Ｐと容積Ｖ及びストロークＬとの関係を示す図である。大気ガスの圧力Ｐと容積Ｖとの関係は、ＰＶ＝ｎＲＴという関係式で表される。理想気体の等温変化においてはＰＶは一定である。この際の圧力Ｐと容積Ｖとの関係を図示すると図４の曲線のように示される。図４において、実線の曲線は排気ガスの容積Ｖが増加する工程を示しており、一点鎖線の曲線は新気ガスの容積Ｖが減少する工程を示している。
【００５３】
図５〜図８は空圧シリンダ部１０及び油圧シリンダ部２０の動作を示す図である。
【００５４】
図５で示すように、エネルギー蓄積工程の開始前は、空圧ピストン１２が縮み、かつ第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが伸びた状態、すなわち空圧室１３の容積が最小、かつ油圧室２３の容積が最大の状態である。
【００５５】
エネルギー蓄積工程の初期段階では、ブレーキ２４ａがオフ、ブレーキ２４ｂ〜２４ｆがオンされ、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが一体とされる。また排気入口弁３１が開放され、圧力Ｐｉｎ（＞Ｐ１）の排気ガスが水熱反応装置から空圧室１３に導入される。すると空圧ピストン１２には、排気ガスの圧力Ｐｉｎ×受圧面積Ｓの伸び力ｆ０が作用する。伸び力ｆ０は、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆの伸び力Ｆ１（＝π×（（１／２）×ｄ１）２×Ｐ０）より大きいため、空圧ピストン１２は押し出され空圧室１３の容積が増加する。空圧ピストン１２のストロークがＬｉｎに達すると、排気入口弁３１が閉鎖され排気ガスの導入が停止される。
【００５６】
排気ガスの圧力エネルギーにより、空圧ピストン１２には伸び力ｆ０′（＝排気ガスの圧力Ｐ１′×受圧面積Ｓ（但し、Ｐ１＜Ｐ１′≦Ｐｉｎ））が作用する。伸び力ｆ０′は、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆの伸び力Ｆ１より大きいため、空圧ピストン１２は押し出され空圧室１３の容積が増加する。空圧ピストン１２によって第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは押し込まれ油圧室２３の容積が減少する。第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが一体となり押し込まれる場合は、油圧室２３から圧力Ｐ０で押し込まれた油量の圧力エネルギーが油圧アキュムレータ４４に蓄積される。
【００５７】
空圧室１３の容積の増加に伴い排気ガスの圧力はＰｉｎから徐々に減少する。図４の状態Ａで示すように、空圧ピストン１２のストロークがＬ１に達すると、排気ガスの圧力はＰ１となる。このとき第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆの伸び力Ｆ１と空圧ピストン１２の伸び力ｆ１とが等しくなり、両ピストンが停止し、エネルギーが蓄積できなくなる。そこで空圧ピストン１２のストロークがＬ１に達したならば、ブレーキ２４ｂがオフ、ブレーキ２４ａ、２４ｃ〜２４ｆがオンされ、油圧シリンダ２１と第１油圧ピストン２２ａとが一体とされ、また第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆが一体とされる。この状態を図６に示す。
【００５８】
排気ガスの圧力エネルギーにより、空圧ピストン１２には伸び力ｆ１′（＝排気ガスの圧力Ｐ２′×受圧面積Ｓ（但し、Ｐ２＜Ｐ２′≦Ｐ１））が作用する。伸び力ｆ１′は、第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆの伸び力Ｆ２（＝π×（（１／２）×ｄ２）２×Ｐ０）より大きいため、空圧ピストン１２は押し出され空圧室１３の容積が増加する。空圧ピストン１２によって第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆは押し込まれ油圧室２３の容積が減少する。第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆが一体となり押し込まれる場合は、油圧室２３から圧力Ｐ０で押し込まれた油量の圧力エネルギーが油圧アキュムレータ４４に蓄積される。
【００５９】
空圧室１３の容積の増加に伴い排気ガスの圧力はＰ１から徐々に減少する。図４の状態Ｂで示すように、空圧ピストン１２のストロークがＬ１＋Ｌ２に達すると、排気ガスの圧力はＰ２となる。このとき第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆの伸び力Ｆ２と空圧ピストン１２の伸び力ｆ２とが等しくなり、両ピストンが停止し、エネルギーが蓄積できなくなる。そこで空圧ピストン１２のストロークがＬ１＋Ｌ２に達したならば、ブレーキ２４ｃがオフ、ブレーキ２４ａ、２４ｂ、２４ｄ〜２４ｆがオンされ、油圧シリンダ２１と第１、第２油圧ピストン２２ａ、２２ｂとが一体とされ、また第３〜第６油圧ピストン２２ｃ〜２２ｆが一体とされる。この状態を図７に示す。
【００６０】
以下同様にして、圧力エネルギーの蓄積、及び排気ガスの圧力減少に応じた各ブレーキ２４ａ〜２４ｆの制御が繰り返される。
【００６１】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｂ〜Ｃで変化する場合は、油圧シリンダ２１と第１、第２油圧ピストン２２ａ、２２ｂとが一体とされ、また第３〜第６油圧ピストン２２ｃ〜２２ｆが一体とされる。
【００６２】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｃ〜Ｄで変化する場合は、油圧シリンダ２１と第１〜第３油圧ピストン２２ａ〜２２ｃとが一体とされ、また第４〜第６油圧ピストン２２ｄ〜２２ｆが一体とされる。
【００６３】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｄ〜Ｅで変化する場合は、油圧シリンダ２１と第１〜第４油圧ピストン２２ａ〜２２ｄとが一体とされ、また第５、第６油圧ピストン２２ｅ、２２ｆが一体とされる。
【００６４】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｅ〜Ｆで変化する場合は、油圧シリンダ２１と第１〜第５油圧ピストン２２ａ〜２２ｅとが一体とされる。
【００６５】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｆに達すると、図８に示すように、空圧ピストン１２は伸びきった状態であり、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは縮みきった状態である。そしてアキュムレータ作動弁４１が閉鎖されエネルギー蓄積工程は終了する。
【００６６】
つぎに換気工程を説明する。
【００６７】
図８に示すように、エネルギー蓄積工程が終了した時点で空圧ピストン１２は伸びきり、空圧室１３の排気ガスは低圧になっている。そこで排気出口弁３２が開放されるとともに、低圧油圧弁４２が開放される。油圧ポンプ４５の駆動によってタンク４６の圧油は油圧室２３に導入される。ブレーキ２４ａ〜２４ｆがオフにされると、圧油によって第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは押し出され、空圧ピストン１２は押し込まれる。そして空圧室１３の容積が減少するに応じて、低圧の排気ガスは大気に排出される。排気ガスの排出が終了すると、排気出口弁３２及び低圧油圧弁４２が閉鎖される。
【００６８】
つぎに新気入口弁３３及びドレン弁４３が開放される。低圧コンプレッサ３５によって新気供給手段３６からの新気ガス、具体的には大気ガスが圧力Ｐ７（＜Ｐ６）にされ空圧室１３に導入される。新気ガスの圧力によって空圧ピストン１２は押し出され、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆは押し込まれる。そして油圧室２３の容積が減少するに応じて、低圧の圧油はタンク４６に排出される。空圧ピストン１２がストロークエンドまで摺動すると、新気入口弁３３及びドレン弁４３が閉鎖され換気工程は終了する。
【００６９】
なお換気工程は空圧室１３の排気ガスを新気ガスに交換するのみである。したがって本実施形態のように油圧シリンダ部２０を利用するのではなく、空圧室１３に新気ガスを導入して排気ガスを強制的に押し出し換気してもよい。
【００７０】
つぎに高圧化工程を図１、図４、図８を用いて説明する。
【００７１】
高圧化工程ではエネルギー蓄積工程と逆の工程が行われる
図８で示すように、高圧化工程の開始前は、空圧ピストン１２が伸び、かつ第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが縮んだ状態、すなわち空圧室１３の容積が最大、かつ油圧室２３の容積が最小の状態である。
【００７２】
高圧化工程の初期段階では、ブレーキ２４ａ〜２４ｅがオン、ブレーキ２４ｆがオフされ、油圧シリンダ２１及び第１〜第５油圧ピストン２２ａ〜２２ｅが一体とされる。またアキュムレータ作動弁４１が開放され、蓄積されたエネルギーが圧油室２３の圧油に供給される。すると第６油圧ピストン２２ｆには、伸び力Ｆ６（＝π×（（１／２）×ｄ６）２×Ｐ０）が作用する。伸び力Ｆ６は、空圧ピストン１２の伸び力ｆ７（＝圧力Ｐ７×受圧面積Ｓ）（＜ｆ６）より大きいため、第６油圧ピストン２２ｆは押し出され油圧室２３の容積が増加する。第６油圧ピストン２２ｆによって空圧ピストン１２は押し込まれ空圧室１３の容積が減少する。
【００７３】
空圧室１３の容積の減少に伴い新気ガスの圧力はＰ７から徐々に増加する。図４の状態Ｆ′で示すように、空圧ピストン１２のストロークがＬＴ−Ｌ６に達すると、新気ガスの圧力はＰ６となる。このとき空圧ピストン１２の伸び力ｆ６と第６油圧ピストン２２ｆの伸び力Ｆ６とが等しくなり、両ピストンが停止する。そこで空圧ピストン１２のストロークがＬＴ−Ｌ６に達したならば、ブレーキ２４ａ〜２４ｄ、２４ｆがオン、ブレーキ２４ｅがオフされ、油圧シリンダ２１と第１〜第４油圧ピストン２２ａ〜２２ｄとが一体とされ、また第５、第６油圧ピストン２２ｅ、２２ｆが一体とされる。
【００７４】
以下同様にして、新気ガスの圧力増加に応じて各ブレーキ２４ａ〜２４ｆの制御が繰り返される。
【００７５】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｆ′〜Ｅ′で変化する場合は、油圧シリンダ２１と第１〜第４油圧ピストン２２ａ〜２２ｄとが一体とされ、また第５、第６油圧ピストン２２ｅ、２２ｆが一体とされる。
【００７６】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｅ′〜Ｄ′で変化する場合は、油圧シリンダ２１と第１〜第３油圧ピストン２２ａ〜２２ｃとが一体とされ、また第４〜第６油圧ピストン２２ｄ〜２２ｆが一体とされる。
【００７７】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｄ′〜Ｃ′で変化する場合は、油圧シリンダ２１と第１、第２油圧ピストン２２ａ、２２ｂとが一体とされ、また第３〜第６油圧ピストン２２ｃ〜２２ｆが一体とされる。
【００７８】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｃ′〜Ｂ′で変化する場合は、油圧シリンダ２１と第１油圧ピストン２２ａとが一体とされ、また第２〜第６油圧ピストン２２ｂ〜２２ｆが一体とされる。
【００７９】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ｂ′〜Ａ′で変化する場合は、第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆが一体とされる。
【００８０】
空圧室１３の圧力及び容積が図４の状態Ａ′に達すると、空圧室１３の新気ガスは圧縮され高圧にされている。そして新気出口弁３４が開放され、新気アキュムレータ３７に高圧化された新気ガスが蓄積される。
【００８１】
空圧ピストン１２がストロークエンドに達すると、新気出口弁３４は閉鎖され、排気入口弁３１が開放される。すなわち高圧化工程が終了し、エネルギー蓄積工程に戻る。
【００８２】
なおエネルギー蓄積工程では空圧室１３の排気ガスが膨張するため内部温度が低下する。また高圧化工程では空圧室１３の新気ガスを圧縮するため内部温度が上昇する。これらの熱変化を極力小さくするために、複数の空圧シリンダ部１０間で熱交換が行われるようにしてもよい。
【００８３】
図９は複数の空圧シリンダ部１０間で熱交換を行う一例を示す図である。
【００８４】
容器９０には複数の空圧シリンダ部、ここでは４つの空圧シリンダ部１０ａ〜１０ｄが収容され、さらに水９１が充満されている。空圧シリンダ部１０ａ〜１０ｄは発生する全熱量が一定となるように、それぞれ動作のタイミングが異ならせ制御される。水９１は一定方向に攪拌されており、各空圧シリンダ部１０ａ〜１０ｄと水との間で熱交換が行われる。したがって各空圧シリンダ部１０ａ〜１０ｄの温度はほぼ一定とされる。
【００８５】
なお本実施形態では６段の第１〜第６油圧ピストン２２ａ〜２２ｆを使用している。しかし油圧ピストンの段数は任意に設定することができる。ただし、段数を多くすることにより、より多くのエネルギーを変換することが可能となる。
【００８６】
本実施形態によれば、排気ガスの圧力エネルギーが圧油の圧力エネルギーに変換され蓄積される。ガスと圧油との間で行う圧力エネルギーの変換に要する装置は簡便かつ小規模にすることが可能である。
【００８７】
また本実施形態によれば、蓄積された圧力エネルギーによって新気ガスが高圧化される。この新気ガスは、水熱反応装置の反応室に供給するガスとして使用することができる。したがって水熱反応装置に備えられた大気ガスの高圧化装置が必要無くなるか、又は小型の高圧化装置を使用するのみでよくなる。このような面から装置全体を小さくすることが可能となり、また低コストで水熱反応装置自体を構成し、運転経費を低減させることが可能となる。
【００８８】
また本実施形態によれば、若干のエネルギーの損失はあるものの、排気ガスの圧力エネルギーの多くを圧油の圧力エネルギーに変換した上で蓄積し、蓄積した圧油の圧力エネルギーを使って新気ガスを高圧にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係わるガスエネルギー変換装置１の構成を示す図である。
【図２】図２は空圧シリンダ部１０の断面図である。
【図３】図３は油圧シリンダ部２０の断面図である。
【図４】図４は大気ガスの圧力Ｐと容積Ｖ及びストロークＬとの関係を示す図である。
【図５】図５は空圧シリンダ部１０及び油圧シリンダ部２０の動作を示す図である。
【図６】図６は空圧シリンダ部１０及び油圧シリンダ部２０の動作を示す図である。
【図７】図７は空圧シリンダ部１０及び油圧シリンダ部２０の動作を示す図である。
【図８】図８は空圧シリンダ部１０及び油圧シリンダ部２０の動作を示す図である。
【図９】図９は複数の空圧シリンダ部１０間で熱交換を行う一例を示す図である。
【符号の説明】
１０  空圧シリンダ部    １１  空圧シリンダ    １２  空圧ピストン
１３  空圧室    １４  ピストンロッド    ２０  油圧シリンダ部
２１  油圧シリンダ    ２２ａ〜２２ｆ  第１〜第６油圧ピストン
２３  油圧室    ３７  新気アキュムレータ    ４４  油圧アキュムレータ
【図１】
2005009504.tif 000003
【図２】
2005009504.tif 000004
【図３】
2005009504.tif 000005
【図４】
2005009504.tif 000006
【図５】
2005009504.tif 000007
【図６】
2005009504.tif 000008
【図７】
2005009504.tif 000009
【図８】
2005009504.tif 000010
【図９】
2005009504.tif 000011