空気圧モーター

空気圧モーター（エアモーター）または圧縮空気エンジンは、圧縮空気を膨張させることで機械的な作業を行うタイプのモーターです。空気圧モーターは一般に、直線運動または回転運動のいずれかによって圧縮空気のエネルギーを機械的な作業に変換します。直線運動はダイヤフラムまたはピストンアクチュエータのいずれかによって行われ、回転運動はベーン型エアモーター、ピストンエアモーター、エアタービン、またはギア型モーターのいずれかによって行われます。

空気圧モーターは過去 2 世紀にわたってさまざまな形で存在しており、サイズも手持ちモーターから数百馬力のエンジンまで多岐にわたります。ピストンとシリンダーを使用するタイプ、スロット付きローターとベーン (ベーン モーター) を使用するタイプ、タービンを使用するタイプなどがあります。多くの圧縮空気エンジンは、吸入空気またはエンジン自体を加熱することで性能を向上させます。空気圧モーターは手持ち工具業界で広く普及していますが、^[1]さまざまな産業用途で固定式としても使用されています。輸送業界への使用を拡大する試みが継続的に行われています。ただし、輸送業界で実行可能な選択肢と見なされるには、空気圧モーターが非効率性を克服する必要があります。

圧縮空気から直線運動を実現するために、ピストンシステムが最も一般的に使用されています。圧縮空気は、ピストンのシャフトを収容する気密チャンバーに送り込まれます。また、このチャンバー内では、空気がチャンバーに送り込まれていないときにチャンバーを完全に開いた状態に保つために、ピストンのシャフトの周りにスプリングが巻かれています。空気がチャンバーに送り込まれると、ピストンシャフトにかかる力がスプリングにかかる​​力を上回り始めます。^[2]チャンバーに送り込まれる空気が増えると、圧力が高まり、ピストンがチャンバー内を下降し始めます。ピストンが最大長に達すると、空気圧がチャンバーから解放され、スプリングがチャンバーを閉じて元の位置に戻ることでサイクルが完了します。

ピストンモーターは油圧システムで最も一般的に使用されています。本質的には、ピストンモーターは油圧モーターと同じですが、油圧エネルギーを機械エネルギーに変換するために使用されます^[3 ] 。^[4]

ピストン モーターは、ハウジング内に収められた 2、3、4、5、または 6 個のシリンダーを直列に並べて使用されることがよくあります。これにより、サイクルの特定の時点で複数のモーターが互いに同期するため、ピストンからより多くのパワーを伝達できます。

ピストンエアモーターの実用的な機械効率は40～50％です。^[5]

ロータリーベーンモーターと呼ばれる空気圧モーターの一種は、空気を使ってシャフトに回転運動を生み出します。回転要素は、ドライブシャフトに取り付けられたスロット付きローターです。ローターの各スロットには、自由にスライドする長方形のベーンが取り付けられています。^[4]ベーンは、モーターの設計に応じて、バネ、カム動作、または空気圧を使用してハウジングの壁まで伸びています。空気はモーターの入力を通じてポンプされ、ベーンを押して中央シャフトの回転運動を生み出します。回転速度は、モーター入口の空気圧の量やハウジングの直径など、いくつかの要因に応じて、100～25,000 rpm の間で変化します。^[2]

ベーン型エアモーターの用途の 1 つは、大型の産業用ディーゼル エンジンまたは天然ガス エンジンの始動です。圧縮空気、窒素、または天然ガスの形で蓄えられたエネルギーが密閉されたモーター チャンバーに入り、ローターのベーンに圧力をかけます。これにより、ローターが高速で回転します。エンジンのフライホイールはエンジンを始動するのに大きなトルクを必要とするため、減速ギアが使用されます。減速ギアは、少ないエネルギー入力で高いトルク レベルを生み出します。これらの減速ギアにより、エアモーターまたはエアスターターのピニオン ギアがエンジンのフライホイールに噛み合っている間に、十分なトルクを生成できます。

エアタービンは高速歯科用ハンドピースのバーを180,000 rpm 以上の速度で回転させますが、トルクは制限されます。タービンはハンドピースの先端に収まるほど小型で、重量を増やすこともありません。

空気圧モーターは、手持ち工具、インパクトレンチ、パルス工具、ドライバー、ナットランナー、ドリル、グラインダー、サンダーなどに広く使用されています。空気圧モーターは、幅広い産業用途で固定式としても使用されています。空気圧工具の全体的なエネルギー効率は低く、圧縮空気源へのアクセスが必要ですが、電動工具に比べていくつかの利点があります。空気圧工具は、電力密度が高く（小型の空気圧モーターでも大型の電動モーターと同じ量の電力を供給できます）、補助速度コントローラーが不要（コンパクト性に貢献）、発熱量が少なく、電力を必要とせず^[6]火花が出ないため、より不安定な雰囲気でも使用できます。損傷を与えることなく、最大トルクで停止するまで負荷をかけることができます^[7] 。ロータリーピストンエンジンの効率は、機械的エネルギー損失に大きく依存します。さまざまな推定によると、機械的損失の値は、エンジンに供給されるエネルギーの 20% になることがあります。^[8]同時に、潤滑油に摩擦防止添加剤を使用することでモーターの効率を高めることができることが実験的に示されました。^[9]

歴史的に、多くの人が空気圧モーターを輸送業界に応用しようと試みてきました。ゼロ・ポリューション・モーターズのCEO兼創設者であるガイ・ネグレ氏は、1980年代後半からこの分野の先駆者です。^{[10]最近、Engineairも自動車用の}回転モーターを開発しました。Engineairはモーターを車両の車輪のすぐ横に配置し、動きを伝達するために中間部品を使用しないため、モーターのエネルギーのほぼすべてが車輪の回転に使用されます。^[11]

空気圧モーターは19世紀半ばに初めて輸送分野に応用されました。記録に残る最初の圧縮空気自動車についてはほとんど知られていませんが、フランス人のアンドローとテッシー・オブ・モタイが1840年7月9日にフランスのシャイヨにあるテストコースで空気圧モーターで動く自動車を走らせたと言われています。自動車のテストは成功したと報告されましたが、2人は設計のさらなる拡張を模索しませんでした。^[12]

輸送における空気圧モーターの最初の成功例は、機関車で使用されたメカルスキ システムエア エンジンでした。メカルスキの革新的なエンジンは、使用前に小型ボイラーで空気を加熱することで、空気の膨張に伴う冷却を克服しました。フランスのナントにあるナント路面電車は、機関車の動力源としてメカルスキ エンジンを初めて使用したことで知られています。路面電車は 1879 年 12 月 13 日に運行を開始し、今日まで運行を続けていますが、空気圧路面電車は 1917 年に、より効率的で近代的な電気路面電車に置き換えられました。

アメリカ人のチャールズ・ホッジスも機関車業界で空気圧モーターの成功を見出した。1911年に彼は空気圧機関車を設計し、その特許をピッツバーグのHKポーター社に売却して炭鉱での使用を認可した。^[13]空気圧モーターは燃焼を使わないため、石炭産業ではより安全な選択肢であった。^[12]

多くの企業^{[誰? ]が}圧縮空気自動車を開発していると主張していますが、実際に購入できるものや、独立したテストさえできるものはありません。

インパクトレンチ、パルスツール、トルクレンチ、ドライバー、ドリル、グラインダー、ダイグラインダー、サンダー、歯科用ドリル、タイヤチェンジャー、その他の空気圧工具では、さまざまな空気モーターが使用されます。これらには、ベーン型モーター、タービン、ピストンモーターが含まれます。

初期の成功した自走式魚雷のほとんどは高圧の圧縮空気を使用していましたが、これは内燃機関や外燃機関、蒸気機関（過酸化水素の触媒分解によって駆動）、または電気モーターに取って代わられました。

圧縮空気エンジンは路面電車や入換機関車に使用され、最終的には鉱山機関車として成功を収めたが、最終的には地下の電車に置き換えられた。^[14]長年にわたって設計は複雑化し、各段の間に空気対空気の再加熱装置を備えた三段膨張エンジンとなった。^[15]詳細については、無火機関車とメカルスキシステムを参照。

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  メカルスキー圧縮空気路面電車、1875 年
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  1872年から1880年にかけてゴッタルド鉄道トンネルの建設中に使用された圧力容器を取り付けた空気圧機関車。^[16]
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  1928年から1961年までサウスダコタ州ホームステイク鉱山で使用されていたHKポーター社製の圧縮空気機関車

水ロケットは圧縮空気を利用して水を噴射し、推進力を発生させるもので、おもちゃとして使われます。

おもちゃブランドの Air Hogsも、おもちゃの飛行機 (および他のおもちゃの乗り物) のピストンエンジンを動かすために圧縮空気を使用しています。

現在、空飛ぶ自動車の開発に関心が集まっています。空飛ぶ自動車用にいくつかのエンジンが提案されていますが、個人輸送に必要な性能と長寿命を実証したものはありません。

エナジン社は、圧縮空気と電気のハイブリッドエンジンで動く完成車を提供すると主張していた韓国の会社です。圧縮空気エンジンはオルタネーターを作動させるために使用され、車の自律走行能力を拡張します。CEOは、虚偽の主張で空気モーターを不正に宣伝したとして逮捕されました。^[17]

オーストラリアの企業であるEngineAirは、圧縮空気で動くロータリーエンジン「ディピエトロモーター」を製造している。ディピエトロモーターのコンセプトは、回転ピストンをベースにしている。既存のロータリーエンジンとは異なり、ディピエトロモーターは、円筒形のステーター内でほとんど摩擦なく回転するシンプルな円筒形回転ピストン（シャフトドライバー）を使用している。^[18]

このエンジンはボート、自動車、荷物運搬車、その他の乗り物に使用できます。摩擦を克服するために必要な圧力はわずか1psi（≈6.8kPa）です。[ 19 ] ^{[ 20]}このエンジンは、2004年3月24日にオーストラリアのABCのNew Inventors番組でも紹介されました。^[21]

K'Airmobiles 車両は、2006 年から 2007 年にかけてフランスで少人数の研究者グループによって開発されたプロジェクトから商品化される予定でした。しかし、このプロジェクトは必要な資金を集めることができませんでした。

一方で、チームは、エネルギー容量の低さとガスの膨張による熱損失のため、機内に貯蔵された圧縮空気を使用することは物理的に不可能であると認識していることにも注目すべきだ。

現在、特許出願中の「Kエアジェネレーター」を圧縮ガスモーターとして改造したこのプロジェクトは、北米の投資家グループのおかげで2010年に開始される予定だが、その目的はまずグリーンエネルギー発電システムを開発することである。^[22]

オリジナルのNègreエア エンジンでは、1 つのピストンが大気中の空気を圧縮して、圧縮された貯蔵空気 (膨張すると急激に冷却されます) と混合します。この混合気が 2 番目のピストンを駆動し、実際のエンジン出力を提供します。MDI のエンジンは一定のトルクで動作し、車輪へのトルクを変更する唯一の方法は、一定変動のプーリー トランスミッションを使用することですが、効率がいくらか低下します。車両が停止しているとき、MDI のエンジンはオンになって動作している必要があり、エネルギーを消費します。2001 年から 2004 年にかけて、MDI は、1990 年に遡る Regusci の特許 (以下を参照) に記載されているものと同様の設計に切り替えました。

2008年にインドの自動車メーカーであるタタが、低価格のナノ自動車のオプションとしてMDI圧縮空気エンジンを検討していると報じられた。^[23]タタは2009年に、圧縮空気自動車は航続距離が短く、エンジン温度が低いという問題があるため、開発が困難であると発表した。

空気圧クアジタービンエンジンは、側面が頂点でヒンジで連結された 菱形のローターを使用する、圧縮空気の ピストンレスロータリーエンジンです。

クアシタービンは貯蔵された圧縮空気を使用する空気圧エンジンとして実証されている。^[24]

また、太陽エネルギーなどの利用可能な外部熱を利用することでエネルギー増幅も可能となる。^[25]

クアシタービンは 0.1 atm (1.47psi) という低圧力から回転します。

クアジタービンは純粋な膨張エンジンであるため、ヴァンケルエンジンや他のほとんどのロータリーエンジンとは異なり、圧縮流体エンジン、空気エンジン、空気モーターとして適しています。^[25]

アルマンド・レグシの空気エンジンは、トランスミッションシステムを直接車輪に連結し、ゼロから最大までの可変トルクを備え、効率を高めています。レグシの特許は1990年に取得されました。^[26]

サイコアクティブは、自動車ラインの基盤となることを目的とした多燃料/空気ハイブリッドシャーシを開発しています。 主張されている性能は50馬力/リットルです。 彼らが使用する圧縮空気モーターは、DBREまたはダクトブレードロータリーエンジンと呼ばれています。^{[27] [28]}

ミルトン・M・コンガーは1881年に特許を取得し、圧縮空気または蒸気で動くモーターを製作したとされている。このモーターは柔軟なチューブを使用して車輪の接線ベアリングの背面にくさび形または傾斜した壁または支柱を形成し、推進媒体の圧力に応じて速度を増減させるものであった。^[29]

• アンジェロ・ディ・ピエトロ（発明家）
• 圧縮空気エネルギー貯蔵
• コンプレッサー
• プロエリックソンサイクルエンジン^[30]は、燃料を使って空気を圧縮し、その空気を直ちにモーターに噴射する圧縮空気モーターの一種である。
• シカゴニューマチック
• サイモン・インガーソル
• アトラスコプコ

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