圧縮空気車両

圧縮空気車両（CAV ）は、加圧された大気 ガスのタンクを燃料とし、空気圧モーター内でガスを放出・膨張させることで推進する輸送手段です。

CAV は、魚雷、標準的な機関車が危険な状況で使用される機関車、初期のプロトタイプ潜水艦に応用されています。

圧縮空気自動車は熱力学的プロセスに従って作動し、空気は膨張すると冷却され、圧縮されると加熱され、これらは熱エネルギー損失であり、容量係数を低下させますが、等温 圧縮空気エネルギー貯蔵ICAESプラントの最近の開発により、圧縮空気貯蔵は2.7 MJ/kgまたは3.6 MJ/m ^3でリチウムイオン電池の4倍の容量係数に達しています^{[3]。また、2020年には}オンタリオ工科大学のReza Alizade Evrin博士によってICAV車または等温圧縮空気自動車の開発が発表されました^{[1] [2]。}低圧空気タンクと排気回収を使用してパラフィン熱交換器システムに電力を供給する最初のプロトタイプは、全体的なエネルギー効率が74%（リチウムイオン電気自動車の73〜90%の効率に到達）、走行距離が140km（87マイル）です。この効率と航続距離は、車両シャーシ構造としての貯蔵タンク、高圧タンク、新しいロータリーエンジン、およびより効率的な熱交換器を使用することで向上できます。

この画期的な進歩は、タンク、空気圧部品、再生可能エネルギーにリサイクルおよびバイオベースの 熱可塑性プラスチックを利用できることと相まって、この技術が、付加製造を含むオープンソースの数値制御機械製造によるエネルギーと循環型産業の分散化を伴う自由なグリーン輸送革命の基礎となり得ることを意味しています。また、多段式空気圧縮機と冷却器、または油圧ポンプを、 VAWT風力タービン、放物面レンズまたはフレネルレンズの太陽光集光器を備えたスターリングエンジン、または河川、潮力、波力水力タービンに直接接続することができ、電気エネルギーや電力網は必要なく、エネルギー変換の非効率性や追加のエネルギー貯蔵もありません。また、機内熱回収システムの代わりに、熱交換器システムで詰め替え可能な溶融塩(フレネルレンズまたは放物面集光型太陽光発電から) 貯蔵庫を使用することもできます。

圧縮空気推進は、バッテリー電気推進などのハイブリッド システムにも組み込まれることがあります。この種のシステムは、ハイブリッド空気圧電気推進と呼ばれます。さらに、回生ブレーキもこのシステムと組み合わせて使用​​できます。

原則として、あらゆる空気圧モーターを圧縮空気車両に使用できますが、一部のエンジンはこの用途向けに特別に開発されており、特定の利点を備えています。

未公開の情報による疑わしい主張がいくつかありました。しかし、「ディ・ピエトロ」エンジンはCADと有限要素解析プログラムで部分的にテストされ、 2017年にウッチ工科大学のヤロスワフ・ズヴィエチョフスキによって科学論文として発表されました。 ^[4]これは低空気圧を使用する偏心軸ベーンモーターです。

圧縮空気に適応できる最近のエンジンとしては、リキッドピストンロータリーエンジンがある。^[5]

タンクはISO 11439などの圧力容器に適した安全基準に従って設計されなければならない。^[7]

圧縮空気車両に使用できる圧力容器または空気貯蔵タンクは、低圧（9気圧（130psi））または高圧（240気圧（3,500psi）以上）で作ることができ、熱可塑性プラスチックや繊維強化熱可塑性プラスチックなどの複合材料で作ることができます。^{[6] [8]}つまり、回転成形を使用してリサイクルまたはバイオベースの熱可塑性プラスチックを使用することで価格を下げることができ、リチウム鉄電池よりもはるかに軽く、スチールタンクと比較して70％軽量で、寿命が長く、メンテナンスもほとんど必要ありません。

車両の重量をさらに減らすために、空気タンクを構造貯蔵庫として使用し、適切な衝撃隔離を使用しながらタンクを車両シャーシの主要部分とすることができますが、繊維強化熱可塑性タンクは衝突の場合にのみ破裂し、爆発しません。車両用圧力容器のいくつかの進歩は、高圧縮圧力容器を備えた水素自動車向けに開発されました。自動車設計者のヒュンダイは次のように述べています。^[9]

水素タンクには、破裂を防ぐために「高強度」、耐久性のために「高剛性」が求められる。強度とは、外力の影響に対する抵抗力のレベルと定義され、剛性とは、元の形状を維持する抵抗力のレベルである。水素燃料タンクの製造に使用される炭素繊維材料は、プラスチックと同じくらい軽量でありながら、強度と剛性はそれぞれ鋼鉄の6倍と4倍である。「弾丸が水素タンクを貫通しても、爆発はしません。その代わり、弾痕から水素が漏れ出します。標準的な衝突テストでは、水素が漏れ出ず、微量の水素も検出されませんでした。

圧縮空気はエネルギー密度が低いが、等温に近い圧縮空気貯蔵ICAESは2.7MJ/kgまたは3.6MJ/m3と^リチウムイオン電池のほぼ4倍の容量を持つ。^[3]

圧縮空気は、風力タービンに空気圧縮機または油圧ポンプを取り付けることで生成することができ^{[10] [11]}、または河川、潮汐、波力水力タービンを使用して機械的エネルギーから空気圧エネルギーへの変換のみを行うことでループから電気を排除し、全体的な効率を高めます。

さらに、太陽熱スターリング エンジンは太陽蒸気や太陽光発電よりも効率的であるため、パラボラ レンズまたはフレネル レンズの 太陽熱集光器で熱エネルギーを使用して、熱スターリングエンジンに電力を供給し、コンプレッサーまたはポンプを動かすことも可能です。^{[引用が必要]}

圧縮空気はコンプレッサ機械を保護するためにフィルター処理されるため、排出される空気には浮遊粉塵が少なくなりますが、コンプレッサやエンジンで使用されている潤滑剤が残留する可能性があります。これは、オイルフリーのエアコンプレッサを使用することで軽減できます。

複合圧力容器と空気圧部品の最近の開発により、圧縮空気車両はバイオベースまたはリサイクル部品を使用した循環型産業の一部となることができます。また、ループから電気エネルギーを削減することで、電力網や磁石に使用される銅や鉄などの金属が不要になります。

圧縮空気は、19 世紀以来、パリなどの都市の鉱山 機関車や路面電車の動力源として使用されてきました (都市レベルの中央圧縮空気エネルギー配給システム経由)。また、以前は海軍の魚雷の推進力の基礎でもありました。

1872年から1882年にかけてのゴッタルド鉄道の建設中、ゴッタルド鉄道トンネルやゴッタルド鉄道の他のトンネル の建設に空気圧機関車が使用されました。

1903年、イギリスのロンドンにあるリキッドエア社は、圧縮空気自動車や液化空気自動車をいくつか製造した。これらの自動車やすべての圧縮空気自動車の大きな問題は、「エンジン」によって生み出されるトルクの不足と、空気を圧縮するためのコストであった。^[13]

2010 年以降、いくつかの企業がガソリン駆動エンジンも搭載したハイブリッドタイプを含む圧縮空気自動車の開発を開始したが、いずれも一般に公開されておらず、第三者によるテストも行われていない。^[要出典]

風力タービンをコンプレッサーやポンプの動力源として使用すると、機械的エネルギーが空気圧または油圧エネルギーに一度に変換されます。 ^[11]また、パラボラレンズまたはフレネルレンズの太陽光集光器を使用してスターリングエンジンでコンプレッサーに動力を供給すると、熱エネルギーが機械的エネルギーに変換されます。最後に、集光された太陽エネルギーで加熱された熱交換器に相変化材料を使用すると、太陽熱エネルギーのみが関与します。

2020年時点で最も効率的な圧縮空気車両は、74%の等温プロトタイプであり^{[1] [2]、これは}リチウムイオン電池を使用する電気自動車の73-90%とほぼ同じです。

リチウムイオンと比較すると、等温圧縮空気エネルギー貯蔵（ICAES）は少なくとも2.7 MJ/kgまたは3.6 MJ/m ³で、リチウムイオン電池の4倍^[3]であり、高圧容器と熱交換器システムによってさらに向上させることができます。

資源、圧縮空気技術は、バイオベースまたはリサイクル複合材料を使用した再生可能エネルギーと循環型産業に適応できるため、電気自動車と比較して、バッテリーと電気モーターの製造で使用される有限の鉱物資源や有毒なプロセス、および電力網の使用を免除できます。^[6]ほとんどすべての場所または車載機器で補充が可能です。空気圧縮機、油圧ポンプ、またはスターリングエンジンを動かすために、風力、太陽光発電、河川、潮力、波力などの他の再生可能資源を利用することもできます。

複合圧力容器の構造重量は、リチウムイオン 電池や鋼製タンク（70%軽量）に比べて軽く、 ^[8]適切な衝撃隔離を備えた車両シャーシ構造としてタンクを使用することで軽減できます。ホイールハブモーターロータリーエンジンも軽量です。

これらは利用可能な空気エネルギーとのエネルギー相乗効果を持つため、すべての車両メカトロニクスシステムは小型空気モーターで駆動することができ、車両はアクティブ空気圧サスペンション、空気圧ステアリング、空気圧衝撃吸収バンパーを使用することもできます。 ^[14]また、空気の膨張中に発生する低温を使用してエアコンや気候制御を提供します。回生サスペンションと回生ブレーキを備えたエネルギー回収システムは、追加の圧力容器に貯蔵される低圧の圧縮空気を生成します。

ピストンレスロータリーエンジンは圧縮空気を使用しているため騒音が少なく、低温で動作するため防音効果もあります。

火災の危険がないため、ガソリン、エタノール、水素、バッテリー自動車のように自然発生的または衝突後の火災や爆発が発生しない 数少ない輸送システムの一つとなっています。

圧縮空気のエネルギー密度は、液体窒素や水素に比べて低く、圧縮空気エンジンのエネルギー効率は、圧縮空気、液体窒素、または水素の混合物を使用するハイブリッドガスタービン電気モーター車両に使用できる適切な防音対策を施したマイクロガスタービンに比べて低いです（以前のガスタービン車両は、効率よりも速度を重視したセットアップを使用していましたが、騒音の大きいガスタービンをトランスミッションに接続していました）。ガスタービン（効率のため火力発電所で使用）はピストンレスロータリーエンジンよりも優れていますが、圧縮空気の生成の方がエネルギー効率が高いため、必要な風力発電とインフラストラクチャが少なくて済み、ガスタービンから発電機、電気モーターへの効率の損失もあります。

バッテリーは放電中も電圧をある程度維持でき、化学燃料タンクは最初の 1 リットルから最後の 1 リットルまで同じ電力密度を提供しますが、圧縮空気タンクの圧力は空気が抜かれると低下し、利用可能な電力が減少します。

タンク内に吸収材を使用することで、圧縮空気をより低い圧力で貯蔵できる可能性があります。活性炭^[15]や金属有機構造体^[16]などの吸収材は、圧縮天然ガスを4,500 psi（310 atm）ではなく500 psi（34 atm）で貯蔵するのに使用され、大きなエネルギー節約につながります。

いくつかの企業が、圧縮空気とガソリンを燃焼させるハイブリッド車を含む試作車の研究と製造を行っている。2017年8月現在、どの開発企業もまだ生産には至っていないが、タタは2020年から車両の販売を開始すると表明している^[17]。また、MDIの米国代理店であるゼロ・ポリューション・モーターズは、AIRPodの生産が2018年にヨーロッパで開始されると述べている^[18]。

2008年、オーストラリアのディーキン大学の工学部の学生が設計した圧縮空気と天然ガスを動力源とする自動車が、フォード・モーター・カンパニーのT2コンペティションで共同優勝し、航続距離200km（120マイル）で推定コスト7,000ドル未満の自動車を生産することを目標とした。^{[19] [20]}

オーストラリアの会社 Engineair は、Angelo Di Pietroが開発したロータリー式圧縮空気エンジンをベースに、モペット、小型車、小型キャリア、ゴーカートなど、さまざまな種類の乗り物を製造しています。

グリーンスピード・エアパワード・モーターサイクルと呼ばれる圧縮空気駆動のオートバイは、スズキGP100をベースにアンジェロ・ディ・ピエトロの圧縮空気エンジンを使用してエドウィン・イー・ユアンによって製作されました。^[21]

サンノゼ州立大学の機械工学科の学生3人、ダニエル・メキス、デニス・シャーフ、アンドリュー・メロビッチは、圧縮空気で動く自転車を設計・製作した。試作品の総コストは1000ドル以下で、サンショップス（カリフォルニア州サンタクルーズのボードウォーク内）とNO DIG NO RIDE（カリフォルニア州アプトス）がスポンサーとなった。2009年5月の処女航海の最高速度は時速23マイル（37キロ）だった。設計はシンプルだったが、圧縮空気駆動車のパイオニアであるこの3人は、フランスの自動車メーカー、プジョー・シトロエンがまったく新しい空気駆動ハイブリッドを発明する道を切り開いた^[要出典]。「ハイブリッドエア」システムは、時速43マイル（69キロ）以下で走行しているときに、圧縮空気を使って車輪を動かす。プジョーによると、この新しいハイブリッドシステムはガソリン1ガロンあたり最大141マイルの燃費を実現できるという。モデルは2016年にも発売が開始されると主張されていた[1] Archived 2013-01-29 at the Wayback Machine。しかし、プロジェクトの責任者は2014年にプジョーを去り、2015年に同社は開発費用を分担するパートナーを見つけることができなかったと発表し、事実上プロジェクトは終了した。^[22]

「Ku:Rin」という名の空気圧縮三輪車は、 2011年にトヨタによって開発されました。この車の特徴は、圧縮空気のみを使用するエンジンを搭載しているにもかかわらず、129.2 km / h（80.3 mph）という記録破りの最高速度を記録したことです。この車は、同社の「夢の車工房」によって開発されました。この車は、「なめらかなロケット」または「鉛筆型ロケット」というニックネームで呼ばれています。^[23]

テレビ番組「プラネット・メカニクス」の一環として、ジェム・スタンスフィールドとディック・ストローブリッジは、普通のスクーターを圧縮空気モペットに改造した。^[24]これは、スクーターに圧縮空気エンジンと空気タンクを装備することによって行われた。^[25]

2010年、ホンダはLAオートショーでホンダエアコンセプトカーを発表しました。^[26]

2008年以来、旧ボッシュ・レックスロス（現エマーソン）はハンガリーのエゲルでエマーソン国際AVENTICS空気自動車競技会を主催している。これは高等教育機関の学生が圧縮空気で駆動するレーシングカーを製作する競技会である。^[27]

このイベントに関連して、オーブダ大学バンキ・ドナート機械安全工学部が主催する国際会議が開催されている。^[28]

圧縮空気機関車は火を使わない機関車の一種で、鉱山^{[29]やトンネル掘削[30]}に使われてきました。

1876年から、様々な圧縮空気駆動の路面電車が試験的に導入された。ナントとパリでは、 メカルスキ方式の路面電車が30年以上にわたって定期運行された。^[31]ナント路面電車#圧縮空気駆動の路面電車（1879年 - 1917年）も参照。

現在、圧縮空気エンジンを使用する水上または航空機は存在しません。歴史的には、特定の魚雷が圧縮空気エンジンによって推進されていました。

• 熱回収のための相変化材料を用いた圧縮空気車両プロトタイプの実験的調査
• 都市交通のための圧縮空気車 2020年9月7日
• 近等温圧縮ガスエネルギー貯蔵システムの熱解析

ウィキメディア・コモンズには、圧縮空気駆動車両に関連するメディアがあります。

• HowStuffWorksの空気動力自動車
• 研究：「エアハイブリッド」は燃料節約をもたらす（自動車技術者協会）
• 水力ハイブリッド研究（米国環境保護庁）
• 圧縮空気技術に関する OSEN ページ 2008-02-04 にWayback Machineでアーカイブされました
• 圧縮空気車の歴史
• 1903 年リキッド エア社の車の写真
• Regusci Air、アルマンド・レグシの公式ウェブサイト
• 環境に優しい、エンジン、発明 | メルボルン
• サンノゼ州立大学の学生が設計・製作した空気動力車