JPH07247953A

JPH07247953A - 高効率流体機械

Info

Publication number: JPH07247953A
Application number: JP7371794A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hatanaka; 武史畑中
Original assignee: ALEX SOGO KENKYUSHO KK
Current assignee: ALEX SOGO KENKYUSHO KK
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】鉄心や巻線を不要として固定子および回転子
の構造を簡略化して小形軽量で高効率のガス放電電動機
有する流体機械を提供することを目的とする。【構成】流体機械のガス放電電動機において固定子
（１２）の昇圧部（１２ｂ）および低圧部（１２ｃ’）
と作動室（１２ａ）に永久的に使用可能な放電用作動媒
体を封入して、作動室に複数の受圧面を有する回転子
（１６）を配置し、昇圧部（１２ｂ）の電極手段（２
０、２２）に高電圧パルスを供給することにより作動媒
体にアーク放電を発生させて作動媒体を瞬時に膨張さ
せ、これにより回転子に駆動力を与えることにより高効
率化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流体機械に関し、とく
に、高効率の流体機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の流体機械に広く用いられている電
動機は鉄心と巻線からなる固定子と特殊構造の回転子と
からなり、回転磁界を利用することにより回転子に駆動
力を与えていた。このタイプの電動機において、構造が
複雑で大形であり、重量が重く、コストが高く、しかも
固定子や回転子はうず電流による鉄損や銅損が発生して
いたため、流体機械の効率が悪かった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は鉄損や銅損を
防止した高効率のガス放電電動機駆動流体機械を提供す
ることを目的とする。

【０００４】

【本発明の構成】上記目的はガス放電電動機と、この電
動機により駆動される流体機械本体とを備え、電動機が
ガス放電電動機において放電用作動媒体を封入した昇圧
部および低圧部とこれらに連通する作動室とを有する固
定子と、作動室に回転可能に収納されていて昇圧部と低
圧部とに露出している複数のブレード手段を有する回転
子と、パルス放電電源からの高電圧パルスにより瞬時的
に昇圧部の作動媒体にアーク放電を発生させて膨張させ
ることにより回転子のブレード手段に駆動力を与える電
極手段とからなるように構成することによって達成され
る。

【０００５】

【作用】この発明のガス放電電動機駆動流体機械におい
て、作動室と昇圧部および低圧部とを備えた固定子に作
動媒体を密封して、電気エネルギーを高圧のガス圧に直
接変換し、この高圧のガス圧により直接回転子に駆動力
を与えることにより鉄損、銅損を防止しながら、高出力
を得る。

【０００６】

【実施例】以下、本発明による流体機械の望ましい実施
例につき図面を参照しながら説明する。図１は本発明に
よる流体機械６のブロック図を示す。図１において、流
体機械本体８はガス放電電動機１０により駆動される。
流体機械本体８は公知のポンプ、送風機、圧縮機、水力
コンベアー、空気コンベアーのいずれか一つからなる。
公知のポンプとしては回転ポンプやピストンポンプから
なる容積形ポンプと、密閉したケーシングに羽根車を備
えた非容積形ポンプからなる。公知の送風機はターボ形
や容積形のファン・ブロワを含む。コンプレッサーは往
復形、遠心（ターボ圧縮機）形、スクロール形および回
転形を含む。回転形圧縮機は回転ピストン式圧縮機やス
クリューコンプレッサーを含む。

【０００７】図２、３はガス放電電動機１０の断面図を
示す。ガス放電電動機１０は円弧状部分を有する作動室
１２ａおよび作動室１２ａに隣接していて昇圧部として
作用する円弧状放電室１２ｂと低圧部１２ｃ’とを有す
る固定子１２と、作動室１２ａに回転可能に配置されて
いて出力軸１４に支持された回転子１６からなる。固定
子１２はセンターハウジング１２−１およびサイドハウ
ジング１２−２、１２−３からなり、互いにネジで締め
付けられている。固定子１２は回転子１６の外周に近接
している第１、第２低圧部（ガス収縮部）１２ｃ’と、
セグメント部１２ｃによって区画されている第１および
第２昇圧部１２ｂとに連通する。固定子１２は強化ガラ
スやセラミック等の絶縁材からなるサイドハウジングと
センタハウジングとから構成しても良い。

【０００８】回転子１６は望ましくはアルミニウムや銅
等の導体からなり、後述のように主電極間の放電距離を
短縮して局部放電を生じさせるためのトリガ電極として
作用する。回転子１６がセラミック等の絶縁体からなる
ときはブレード手段の各々の表面に導電層をコーティン
グその他の方法により形成しても良い。この回転子１６
は接線Ｌに対して鋭角のα度、すなわち、ほぼ４５°の
角度で傾斜するように外周方向に一定の間隔で形成され
たキャビティ１６ａ’を有する複数のブレード１６ａを
有する。このように、ブレード１６ａの各々は回転子１
６の回転軸を通る半径線に対して予め定められた角度
（ａ°）を有する複数の受圧面を有する。回転子１６の
ブレード１６ａは昇圧部１２ｂと低圧部１２ｃ’とに露
出する部分に分かれる。すなわち、回転子１６の回転中
にブレード１６ａは昇圧部１２ｂと低圧部１２ｃ’を交
互に通過する。

【０００９】回転子１６はブレード１６ａの代わりに回
転子１６にブレードと同様な角度で複数のスライド溝を
形成して、これらスライド溝にベーンを配置しても良
い。このとき、作動室１２ａはベーンがスライド溝から
飛び出さないように部分的に円筒状にすれば良い。ここ
ではブレードおよびベーンを総称してブレード手段と称
する。図２、３において、回転子１６のブレード手段は
回転子１６の外周に形成されたものとして示されている
が、ブレード手段は回転子１６の側面に適当な形状で構
成しても良い。この場合、固定子１２のセグメント部と
昇圧部とは回転子１６の側面のブレード手段に対応して
形成すれば良い。回転子１６は焼結金属またはアルミダ
イカストにより形成されてコストダウンが図れる。回転
子１６と固定子１２との間には膨張した作動ガスの漏れ
を防ぐためのサイドシール１８が配置してある。

【００１０】昇圧部１２ｂは部分的に回転子１６の外径
より大きくなっていて、ここに作動媒体が封入されてい
て、放電時にガス膨張部として機能する。低圧部１２
ｃ’において回転子１６の両側面１６ｂはサイドハウジ
ングの側面１２−２ａ、１２−３ａに密接するように配
置されている。そのため、低圧部１２ｃ’に位置する回
転子１６のキャビティ１６ａ’の圧力は低く、したがっ
て、昇圧部１２ｂの圧力が増大したとき、回転子１６の
キャビティ１６ａ’の高い圧力のガスは固定子１２の低
圧部１２ｃ’の方向に移行しようとする。その結果、回
転子１６は図３において反時計方向Ｒに回転する。昇圧
部１２ｂの軸方向両端には局部放電を起こすために回転
子１６の端部から所定のギャップＧを有するように陽極
２０および陰極２２が固定子１２の側壁、すなわち、サ
イドハウジング１２−２、１２−３の円弧上溝部２５、
２７に配置されている。符号２４、２６はセラミック封
止材料等の絶縁剤を示す。固定子１２は回転子１６の環
状凹部１６ｃに突入しているボス部１２ｄ、１２ｄ’を
備え、出力軸１４はボス部１２ｄのベアリング２８、３
０により回転可能に支持される。出力軸１４の端部はボ
ス部１２ｄ’のベアリング３１により支持される。この
構成により、ガス放電電動機１０はうすくて極めてコン
パクトな構造となる。

【００１１】作動室１２ａおよび昇圧部１２ｂならびに
低圧部１２ｃ’には作動媒体３２が望ましくは１気圧±
５％で封入されている。昇圧部１２ｂは作動媒体の初期
イオン化を促進して電流密度またはイオン密度を高める
ことにより放電用ガスの温度と圧力をより高めて効率を
上げるためのトリチウムまたはポロニウムからなる放射
線源ライナー１３を有する。放電用作動媒体の電流密度
またはイオン密度が増大すると、昇圧部の放電時の温度
と圧力が増加して電動機効率が上昇する。トリチウム、
ポロニウムの代わりに他の方法を用いても良い。すなわ
ち、放射線源は半減期が１０年を越え、放射能量が１０
０Ｂｑ〜１０００Ｂｑでかつエネルギーが０．７ＭｅＶ
以下のβ線のみを放射する放射線源から構成しても良
い。Ｓｉ系のアルコキシド−アルコール溶液、すなわち
ゾルゲル溶液に単体粉末のテクネシウム９９を混合した
溶液を昇圧部１２ｂに塗布して乾燥したのち、６００℃
において窒素中で１時間過熱すると、テクネシウム９９
が昇圧部１２ｂにむらなく分布する。次にテクネシウム
９９を混合しないＳｉ系ゾルゲル溶液をテクネシウムの
表面に塗布して真空中で６００℃において１時間過熱す
ることによって密封放射線源ライナー１３が得られる。
この密封放射線源をライナー１３を昇圧部１２ｂに形成
することにより安定した瞬時放電特性が得られる。

【００１２】次にガス放電電動機１０で使用する作動媒
体を例示する。

【００１３】（１）作動媒体３２として水銀蒸気および
ナトリウム蒸気のうちのいずれか１つの金属蒸気と始動
用ガスからなる放電用ガスが用いられる。始動用ガスは
１〜５０気圧のキセノンと、０．０６６〜２気圧のヘリ
ウムまたはアルゴンからなり、総封入圧に対するヘリウ
ムまたはアルゴンの封入圧は５０％以下であるのが望ま
しい。このようにすると、放電用ガスの始動電圧を低下
させるだけでなく、瞬時に高速で安定した作動流体の放
電を行わせることができる。

【００１４】（２）放電用ガスはヘリウム、アルゴン、
キセノン、ネオンの中から選ばれた少なくとも一種の不
活性ガスの他にα線、β線、γ線、χ線等の放射線源ま
たはクリプトン８５からなる放射線源を含んでも良い。
クリプトン（Ｋｒ）８５は作動流体に放射線による電子
励起を生じさせて、始動特性、瞬時放電特性を改善して
電動機の効率を改善する。クリプトン８５の封入量は安
全性の面から昇圧部内容積１ｃｍ^３当り０．２〜５０マ
イクロキュリーの範囲が望ましい。

【００１５】（３）放電用ガスは放電時の異常な温度上
昇を防ぐために望ましくは体積比でヘリウム３６％、ネ
オン２６％、アルゴン１７％、クリプトン１３％および
キセノン８％の希混合ガスからなり、約１〜１０気圧
で、好ましくは、１気圧±５％以内となるように封入し
ても良い。

【００１６】（４）放電用ガスは体積比で４０〜６０％
のアルゴンと、３０〜４０％のキセノンと、６〜８％の
ネオンとその他の希ガスから形成しても良い。

【００１７】（５）放電用ガスは所定量の水銀と希ガス
および水素ガスから構成される。水銀の蒸発による膨張
圧力を推進するためには定電力制御するので、放電電圧
が上昇すると放電電流が低下する。このとき、パルス放
電電源が小型化でき、エンジン寿命も長くなる。封入す
る水素量が水銀と希ガスとの封入モル比で５×１０^−４
までは放電電圧が急激に上昇し、水素量をこれ以上増加
しても放電電圧の上昇はわずかである。つまり、水素量
が５×１０^−４で放電電圧が臨界的に変化する水素ガス
はキセノンガスとともに作動室に直接封入しても良い。

【００１８】（６）放電用ガスは重水素あるいは水素ガ
スから選ばれた少なくとも一種にヘリウム、ネオンの中
から選ばれた少なくとも一種の希ガスとの混合物から形
成しても良い。この放電用ガス中にヘリウムあるいはネ
オンが混入されていると、二個の自由水素原子あるいは
重水素原子とへリウムあるいはネオン原子との間の三体
衝突によって再結合が起こるので、重水素分子の密度が
低下せず、高効率が得られる。

【００１９】（７）作動媒体として、単体でまたは上記
の希ガスから選ばれた少なくとも一種のガスに炭素原子
が６０〜２００の炭素格子構造体で、望ましくはＣ_６０
とＣ_７０との混合物を利用しても良い。Ｃ_６０のイオン
化電位は７．５ｅＶで、Ｘｅ（１２．１ｅＶ）のそれよ
りも大幅に低いため、１回のパルス放電当りのエネルギ
ーコストが大幅に低くなるメリットがある。

【００２０】（８）作動媒体はフッ素（Ｆ_２）とフッ素
化合物（ＮＦ_３、ＳＦ_６）およびＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、
Ｋｒ等の希ガスの混合ガスを使用。

【００２１】（９）作動媒体は塩素（Ｃｌ_２）ガスまた
は塩素化合物（ＨＣｌ、ＢＣｌ_２、ＣＣｌ_４）とＨｅ、
Ｎｅ、Ａｒ等の希ガスの混合ガスを使用。

【００２２】（１０）作動媒体は臭素（Ｂｒ_２）または
臭化水秦（ＢＢｒ_２）とＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ等の希ガスの
混合ガスを使用。

【００２３】（１１）作動媒体は沃素（Ｉ_２）または沃
化水素（ＨＩ）とＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ等の希ガスの混合ガ
スを使用。

【００２４】陽極２０および陰極２２からなる電極手段
は作動媒体に電子励起を生じさせてイオン化を促進させ
るためのトリウム含有タングステンからなる。他の例と
して、陰極２２はタングステン材料の粉末と酸化バリウ
ム、酸化ストロンチウム、酸化カルシウムの中から選ば
れた少なくとも一種のアルカリ土類酸化物と、酸化ジル
コニウム、酸化スカンジウムの中から選ばれた少なくと
も一種の混合物を含む熱電子放射物質との混合物の焼結
電極体から形成されても良い。酸化ジルコニウム、酸化
スカンジウムは陰極２２が高温になったとき陰極２２の
電気伝導率上昇の割合が良くなる。ゆえに放電が安定す
る。他の例として陰極２２は、例えばニッケルからなる
基体金属粉末にアルカリ土類金属系、例えば酸化バリウ
ム、酸化ストロンチウム、酸化カルシウムの熱電子放射
物質からなるエミッターを混合して焼成した焼結電極体
から構成しても良い。このとき、重量比で基体金属粉末
１００に対してエミッター１０の混合比が選ばれる。こ
の焼結電極体は丈部でエミッター含有量が多く、しか
も、振動や衝撃に対して強い。他の例として、陰極２２
は延性に富んだ材料であるタンタルチップをリボン型熱
陰極に加工した穴に埋め込むことにより、イオン衝撃に
対してタングステンなどの脆性材料に比較して表面の欠
落量が小さい電極体が形成される。リボン型熱陰極に電
流を流して２０００〜２５００°Ｋになった時点である
一定方向に電位差を付加すると、電位の低い方向に向か
ってタンタルチップから熱電子が放出する。

【００２５】ガス放電電動機１０のパルス放電電源３８
を図４に示し、図５は図４の各種波形を示す。パルス放
電電源３８は高圧直流電源４２を備え、電源４２の出力
には出力変成器４６の２つの１次巻線４６ａ、４６ｂ
と、補助スイッチＳＷ１、ＳＷ２が逆並列となるように
接続される。図４において、出力変成器４６中の黒丸記
号は巻線の巻方向を示している。出力変成器４６の２つ
の二次巻線４６ｃ、４６ｄは内部で直列接続され、その
接続点および他端２点の計３点が外部へ引き出され、ダ
イオードＤ１、Ｄ２によって全波整流回路を構成し、コ
ンデンサＣ１を充電する。

【００２６】図５は図４の回路図の作用を説明するため
の波形図である。外部からの制御信号によって補助スイ
ッチＳＷ１とＳＷ２を交互に動作させると、一次巻線に
は正負の電圧が交互に印加される。正の電圧が印加され
たときはＤ１が導通し、一次巻線４６ａと二次巻線４６
ｃの間の漏れインピーダンスを介してコンデンサＣ１が
共振充電される。その後、外部からの制御信号によって
高速スイッチ４８が導通すると、Ｃ１の電荷は放電され
て電極２０、２２からなる放電手段２３に流れる。

【００２７】負の電圧が一次巻線に印加されたときは、
Ｄ２が導通して一次巻線４６と二次巻線４６ｄの間の漏
れインピーダンスを介してコンデンサＣ１が共振充電さ
れる。放電の過程は前述の通りである。以上のようにす
ると、高速スイッチの放電後休止時間Ｔの後、次の放電
が開始されるように補助スイッチの制御信号を与える
と、高速スイッチの絶縁回復が不安定になることは完全
に防止できる。補助スイッチの動作周波数は放電手段の
動作周波数の２分の１で良い。このように、高速スイッ
チのオフ時に補助スイッチを通電させて直流電源からコ
ンデンサに出力変成器の漏れインダクタンスを介して共
振充電を行い、補助スイッチのオフ時に高速スイッチを
通電させて、パルス放電を行う。このため、補助スイッ
チを通電させるタイミングを高速スイッチの通電から充
分遅らせることにより、高速スイッチの陽極−陰極管の
絶縁が回復するまで充電の休止時間を取ることができ、
スイッチ素子の破壊を防止できる。補助スイッチとして
はゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）が好適であ
る。

【００２８】図４の回路図に示すように電極２０、２２
に２０〜４０ＫＶの電流パルスを数μ（マイクロ）〜数
十μ秒の短時間で供給すると１回のアーク放電で十分な
ガス圧の膨張が生じて回転子に充分な回転力を与えるた
め、１回の放電時間は数μ秒の短時間で良く、回転子駆
動のための入力エネルギーも非常に小さくて済み、ガス
放電電動機の効率が高くなる。なお、作動流体の温度も
異常に上昇はしない。

【００２９】複数の対の電極手段２０、２２が図４の高
電圧パルス放電電源３８に接続され、周期的に数μ〜数
十μ秒の２０〜４０ＫＶの高電圧パルスが供給される。
そのとき、電極手段２０、２２と回転子１６の側壁１６
ｂとの間で局部放電が起き、ついで、電極２０、２２間
でアーク放電に移行する。その結果、セグメント部１２
ｃにより区画された昇圧部１２ｂの作動媒体３２が急激
に膨張し、その膨張圧力が図３で矢印で示すごとく回転
子１６のキャビティ１６ａ’とブレード１６ａに作用し
て反時計方向Ｒに回転子１６に駆動力を与える。すなわ
ち、高圧ガスは、キャビティ１６ａ’に流入して低圧部
１２ｃ’に逃げようとして回転子１６に回転力を与え
る。低圧部１２ｃ’で作動媒体３２は収縮する。昇圧部
１２ｂは第１、第２の円弧状膨張室からなっていて回転
子１６の外周の大部分にまたがっていて空間の容積は変
わらないため、昇圧部１２ｂの作動媒体３２がアーク放
電により膨張したとき、昇圧部１２ｂのガス圧は極めて
大きくなって回転子１６の大部分の受圧面に強力な駆動
力を与える。このように、１つの高電圧パルス当りの出
力が大きくとれるため、電動機の効率が良い。回転子１
６を第１、第２のロータエレメントと中間の仕切板とに
より構成し、第１、第２のブレードの角度を反対方向に
配置し、仕切板で区画された第１、第２放電室にそれぞ
れ電極手段を配置することにより、正逆可能なガス放電
電動機が得られる。

【００３０】図６は他の１例によるパルス放電電源３
８’を示す。直流充電電源４１により電極手段２３に並
列に接続された大容量コンデンサＣｏが低電圧充電され
る。電極手段２３に直列接続されたスイッチング素子４
９、例えばＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎＯｆｆＳＣ
Ｒ）に短形パルス信号（図７ａ）を入力すると、そのパ
ルス時間幅の間だけＧＴＯが閉回路となるから大容量コ
ンデンサＣｏの充電電荷（図７ｄ）が放電手段２３に流
れ込む（図７ｇ）。一方、大容量コンデンサＣｏに並列
接続された共振充電回路４３、４５のそれぞれの共振充
電用コンデンサＣ２、Ｃ３も同時に共振充電され（図７
ｅ、ｆ）、大容量コンデンサＣｏの充電電圧の約２倍ま
で充電される。ここで、ＧＴＯが閉回路となっている時
間内に、共振充電回路４３、４５のそれぞれのコンデン
サＣ１、Ｃ２にそれぞれ直列接続したスイッチング素
子、例えばＳＣＲ１、ＳＣＲ２にゲート信号（図７ｂ、
ｃ）を加えると、コンデンサＣ２、Ｃ３に蓄えられた電
荷が放電手段２３に供給される（図７ｈ、ｉ）。したが
って、電極手段２３の放電電流波形は図７ｊのようにな
り、波形制御が可能となる。このように、放電電流波形
を任意に代えることにより作動媒体の膨張圧力を制御し
てガス放電電動機のトルクを任意に制御して常に最適な
出力を得ることができる。パルス放電電源の共振充電回
路の数を増やせば放電電源の制御時間はさらに精密にな
る。また、共振充電回路の最終段と電極手段との間に放
電コイルを並列接続すれば放電パルスの電圧をさらに高
めることができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明では流体機械のガス放電電動機に
おいて密閉した固定子内の作動室と昇圧部および低圧部
に排気真空後１気圧±５％で放電ガスからなる作動流体
を封入し、この中に受圧面を有する回転子を配置して電
極手段に高電圧パルスを供給して作動流体中でアーク放
電を発生させて膨張させ、その圧力で回転子に回転力を
与えるようにしたので、鉄心や巻線を不要にできる。固
定子および回転子ならびに電極手段は焼結金属により大
量生産が可能なため、製造コストを大幅に削減できる。
しかも、電動機が小形軽量で高効率であり、低騒音で高
寿命となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による流体機械の望ましい実施例のブ
ロック図である。

【図２】図１のガス放電電動機の部分断面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。

【図４】図１のガス放電電動機のためのパルス放電電
源の１例を示す回路図である。

【図５】図４の回路の各種波形図である。

【図６】パルス放電電源の他の例を示す回路図であ
る。

【図７】図６の回路の各種波形図である。

【符号の説明】

８流体機械本体１０ガス放電電動機１２固定子１２ａ作動室１３ライナー１４出力軸１５ライナー１６回転子１８サイドシール２０電極２２電極３２作動媒体３８パルス放電電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス放電電動機と、この電動機により駆
動される流体機械本体とを備え、電動機が放電用作動媒
体を封入した昇圧部および低圧部とこれらに連通する作
動室とを有する密封固定子と、作動室に回転可能に収納
されていて昇圧部と低圧部とに露出している複数のブレ
ード手段を有する回転子と、昇圧部に配置されていてパ
ルス放電電源からの高電圧パルスにより瞬時的に昇圧部
の作動媒体にアーク放電を発生させて膨張させることに
より回転子のブレード手段に駆動力を与える電極手段と
からなる流体機械。
【請求項２】請求項１において、作動媒体がヘリウ
ム、アルゴン、ネオン、キセノンおよびクリプトンのう
ち少なくとも１種の希ガスからなる放電用ガスを含む流
体機械。
【請求項３】請求項２において、放電用ガスが水銀蒸
気およびナトリウム蒸気のうちのいずれか１つの金属蒸
気を含む流体機械。
【請求項４】請求項２において、作動室の内容積１ｃ
ｍ^３当り０．２〜５０マイクロキューリーのクリプトン
（Ｋｒ）８５からなる放射線源を含む流体機械。
【請求項５】請求項１において、電極手段が昇圧部に
配置されたトリウム含有タングステンからなる電極手段
を含む流体機械。
【請求項６】請求項１において、放電手段がタングス
テン、モリブデン、クロームのうちの少なくとも１種の
耐熱性金属と熱電子放射物質からなる陰極と陽極とから
なる電極手段を有する流体機械。
【請求項７】請求項１において、昇圧部が膨張室とし
て機能し、固定子が低圧部を形成するセグメント部を有
する流体機械。
【請求項８】請求項６において、放電電源が高電圧パ
ルスを発生するパルス放電電源からなり、高電圧パルス
に応答して回転子と電極手段との間で局部放電を発生す
る流体機械。