交 流 流 体 の 応 用 |
ここに書いている事は、まだ実験による確認を行っていません。実際にやってみると様々
な問題が発生することは予想されます。
1.交流流体の概念
ここでいう交流流体とは流れ方向が周期的に逆転する流れです。
電気の世界では電気エネルギー運搬手段として直流よりも交流が多く使われるのは御承知
の通りですが、流体の世界では殆ど直流流体(一方向の流れ)で使用されており、交流流
体はあまり見掛けません。
しかし流体の場合にも交流を採用するメリットはいくつか考えられます。そして電気と同
じ様に単相の交流流体以外にも2相,3相といった多相交流流体も考えられます。単相と
2相交流流体は加熱用に利用価値が有ると思われ、3相交流流体は動力の伝達に応用可能
と思っています。
2.交流流体の加熱への応用(単相)
通常の熱風加熱は〔図−1〕のように一方向のエアー流によって熱風を作り、それを加熱
対象物に吹きつける事により加熱します。吹きつけられた熱風は加熱対象物に熱を渡す事
で温度が下がりますが、それでもまだ十分に高温の熱風が大気中に放散されます。この熱
は利用できません。
それに対して〔図−2〕の交流流体による加熱は一方向の流れではなく、吹いたり吸った
りの呼吸作用で加熱します。吹き出した熱風の残った熱エネルギーを次の吸引過程で、あ
る程度回収できるため熱効率が大幅に向上します。
○メリット 1)熱効率の向上(電気代の節約)
2)周囲環境が改善→室内温度が上がりにくい。加熱により発生した煙など
を熱風ヒータが再吸引して熱分解する。
×デメリット1)連続的な吹きつけに比べると加熱対象物の温度上昇が遅い。
2)特殊設計された熱風ヒータと特殊なポンプが必要。
※応用分野 1)比較的低温(400〜500℃)の加熱
2)家庭用電熱器(鍋の材質を選ばず、熱効率が高い)
3)加熱対象物が有害ガスを出すような場合
すこし変わった応用として焼き肉器を考えてみました。熱風加熱は赤外線加熱に比べ均
質な加熱ができる点で適しているとも言えるのですが、通常の熱風加熱では廃熱が多く
て室内環境が悪くなりすぎるとか、常に乾燥した熱風が吹きつけられるので、肉等が乾
燥してしまうというのが難点だったであろうと思います。
そこで交流流体加熱の応用です。交流流体加熱では廃熱が少ないので室内が暑くなりま
せん。廃熱をもった煙は、かなりの部分が熱風ヒータに再吸入され、内部で熱分解され
てしまいます。また呼吸作用で加熱するので、常に新しいエアーが供給されるのではな
く、その場のエアーを加熱する形ですから湿度は限りなく100%に近づき、肉などが
乾燥するのを防ぎます。尚、これから明らかな様に、交流流体加熱は乾燥の目的には適
していません。( 蒸発するものが水蒸気の場合。ただし蒸発させる対象が塗料の溶剤の
ようなものであれば、熱風ヒータが吸引して熱分解するので乾燥にも使えます。
3.2相交流流体による加熱
単相交流流体による加熱よりも更にメリットを出しやすいのが2相交流による加熱です。
2相交流とは2つのエアー源があり、その吹き出しと吸引のタイミングが逆になるような
流体による加熱です。片方が吹き出しているとき、もう一方は吸引のタイミングになるた
め、両者を近づけると排熱の回収が完璧に近くなります。また密閉されたボックス内に熱
風を送り込む様な場合、単相交流では内部圧力が変動してしまいますが、2相交流の場合
は両者が打ち消しあってボックス内の圧力変動が無くなります。
〔図−4〕はボックス内を2相交流流体により加熱している図です。2本の熱風ヒータの吹
き出しと吸引のタイミングが逆なため、庫内の圧力変動がありません。通常このようなボ
ックス内の熱風加熱にはボックス内にヒーターとファンを入れ、内部でエアーを循環させ
ますが、これの問題点はファンが高温にさらされる為、故障しやすいとか高温のものが作
りにくい、などの問題が有ります。それが2相交流加熱ならポンプは常温でよいので問題
ありません。ボックス内も熱風ヒータで加熱できる最高温度まで理論上、昇温可能です。
4.3相交流流体の動力応用
動力の伝達手段として3相の交流流体が利用可能です。動力伝達の場合、流体は気体より
も液体(水とか油)が適しています。
比較的低速度で、大きな力が必要な場合にメリットがあるものと考えます。単なる動力な
らば電気モーターの方がよいのですが、〔図−5〕の様な構成にすると入力軸と出力軸が
完全な同期運動をするため、遠隔での操舵装置などに応用が可能と思われます。
また深海などの極限環境における動力としても応用可能かもしれません。
3本のシリンダーは〔図−5〕の様な直列配置でもよいのですが、星形配置も考えられま
す。
厳密にはピストンロッドの角度が中間から上と下では異なるため、クランク機構に多少の
遊びを設るとかしないと滑らかに回転しない可能性があります。カム機構を使えば完全な
ものができそうですが、複雑になるので現実的ではないでしょう。
5.その他応用
5−1.交流流体用変圧器
交流流体は電気の交流と同じ様に変圧が簡単だという事もありますが、それが必要とされ
る事が有るかどうかは疑問です。しいてメリットを考えるとすれば、電気の場合と同様に
長距離の配管の場合、高圧に変換にしておいた方が途中のエネルギーロスが減ります。
5−2.交流流体モーター
交流流体用のモーターも考えられます。〔図−5〕は電気の同期モーターに相当するもの
ですから同期速度以外では回転できず、使いにくい面もあります。
そこで別の構造としてハウジング内に羽根車を設けて、その3方向に3相交流流体を接続
すれば電気の誘導モーターに相当する3相交流流体モーターができます。これは同期速度
以下でも回転できます。しかし電気の誘導モーター同様、同期速度以上にはならない為、
直流のエアーモータのように軽負荷で回転速度が上がり過ぎるという心配はありません。
5−3.流体自体を発熱させるヒータ
前記加熱応用では流体を熱のキャリアとして利用しましたが、流体自体を発熱させる事も
考えられます。これは電気が抵抗器を流れると発熱するのに対応します。発熱原理は摩擦
熱です。
直流流体でも流体が抵抗体を通過することで発熱させる事は可能ですが、せっかく発熱し
ても流体がその熱を運び去ってしまうため、抵抗体の温度は上がりません。しかし交流流
体なら平均値としては流体が移動しないので、抵抗体が発熱して温度上昇するというヒー
ターになりえます。
発熱量の計算式ですが、流体の場合 圧力∝流体抵抗×(流量の2乗) となりそうなので、
電気の計算よりも難しくなりそうです。ご存じの方がおられましたら、教えてください。
5−4.海中でのエネルギー
深海の開発や海中都市などでは、電気モーターや電気ヒーターは危険がともないます。か
といってエアー機器や油圧機器は泡の発生や事故での海洋汚染のリスクがあります。それ
らを勘案すると、海中では海水自身を動力伝達や熱源とする機器が一般化する可能性があ
ります。
中央のポンプ室から加圧海水が送りだされるわけですが、そこで採用されるのは直流流体
になるのでしょうか、交流流体になるのでしょうか。
電気ヒータだと事故がおきると感電の危険もありますが、流体ヒータなら安全です。直流
流体でヒータを構成しようと思うと複雑になりますが、交流流体なら構造が簡単です。