(57)【要約】【課題】本発明は、構造が簡単で、かつ、確実に動作するエアの切替弁を有する空気エンジン及び当該空気エンジンを備えた空気発電システムを提供する。【解決手段】圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う切替弁と、切替弁に接続されたシリンダと、切替弁により圧縮エアと真空エアをシリンダの上室内と下室内にそれぞれ交互に注入方向を切り替えて注入し、圧縮エアと真空エアの圧力差により往復運動するピストンと、ピストンの作動を伝達して切替弁を作動させる切替弁駆動部と、ピストンの往復運動を回転運動に変換する機構と、により構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う切替弁と、切替弁に接続されたシリンダと、切替弁により圧縮エアと真空エアをシリンダの上室内と下室内にそれぞれ交互に注入方向を切り替えて注入し、圧縮エアと真空エアの圧力差により往復運動するピストンと、ピストンの作動を伝達して切替弁を作動させる切替弁駆動部と、ピストンの往復運動を回転運動に変換する機構と、からなる空気エンジン。
【請求項２】
圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う少なくとも１以上の切替弁と、各切替弁に接続された少なくとも１以上のシリンダと、各切替弁により圧縮エアと真空エアを各シリンダ内にそれぞれ交互に注入方向を切り替えて注入し、圧縮エアと大気の圧力差又は真空エアと大気との圧力差により往復運動するピストンと、各ピストンの作動を伝達して各切替弁を作動させる切替弁駆動部と、各ピストンの往復運動を回転運動に変換する機構と、からなる空気エンジン。
【請求項３】
シリンダは、圧縮エアを注入する給気孔と、真空エアにより残留エアを吸入する排気孔と、ピストンが下死点に到達したときに圧縮エアを排気する排気孔と、を備えたことを特徴とする請求項２記載の空気エンジン。
【請求項４】
切替弁は、長手方向に直交する通気孔を有する略筒状の弁筒と、弁筒に摺動可能に挿通された長手方向に直交する通気孔を有する弁軸と、からなり、切替弁駆動部により弁軸を長手方向に往復運動させることにより前記弁筒の通気孔と弁軸の通気孔とを所定の時間連通させるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の空気エンジン。
【請求項５】
切替弁は、長手方向に直交する通気孔を有する略筒状の弁筒と、弁筒に回転可能に挿通された長手方向に直交する通気孔を有する弁軸と、からなり、切替弁駆動部により弁軸の軸を中心に回転運動させることにより前記弁筒の通気孔と弁軸の通気孔とを所定の時間連通させるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の空気エンジン。
【請求項６】
切替弁は、弁筒の通気孔よりも弁軸の通気孔を大きく形成したこと、又は弁軸の通気孔よりも弁筒の通気孔を大きく形成したことを特徴とする請求項４乃至請求項５記載の空気エンジン。
【請求項７】
切替弁駆動部は、圧縮エアの注入及び真空エアによる吸入開始タイミングをピストンの位置に対応して調整可能に構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の空気エンジン。
【請求項８】
圧縮エアを生成する圧縮ポンプと、生成された圧縮エアを蓄える圧縮タンクと、真空エアを生成する真空ポンプと、生成された真空エアを蓄える真空タンクと、圧縮タンクの圧縮エアと真空タンクの真空エアとにより作動する空気エンジンと、当該空気エンジンにより発電する発電機とからなり、さらに発電した電力を直流に変換する直流電源装置と、直流電力を充電する蓄電池と、を備えることを可能に構成した空気発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、夜間などの余剰電力を利用して圧縮ポンプで圧縮エアを高圧タンク内に生成すると共に、真空ポンプで真空タンク内に真空エアを生成し、両者の気圧差を利用してピストンを駆動する空気エンジン及び当該空気エンジンを使用した空気発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の地球温暖化防止のために省エネルギーの要請が高まっている。その方策として、ピークの電力需要を抑制して夜間などの軽負荷時に負荷を移行させる負荷の平準化や夜間の余剰電力をバッテリなどに貯えておき、昼間に使用することなどの対策がなされている。
【０００３】
例えば、夜間の余剰電力利用の一つとして、夜間に圧縮ポンプで圧縮エアを高圧タンク内に生成すると共に、真空ポンプで真空タンク内に真空エアを生成し、電力需要の増加する昼間に両者の気圧差を利用して空気エンジンを作動させ、これにより発電し、電力需要のピークに対応することが行われている。
【０００４】
特許文献１には、圧縮エアにより作動する圧縮エアの消費量を低減することができる空気エンジン及び当該空気エンジンを備えた発電システムが開示されている。
【０００５】
この発電システムは、ガソリンエンジンや自然エネルギーを利用した動力を発生する原動機と、原動機によって駆動され圧縮エアを生成するコンプレッサと、コンプレッサにより圧縮された圧縮エアを蓄える圧縮エアタンクと、原動機によって駆動されるバキュームポンプと、バキュームポンプによってエアが吸引され、内部が負圧に維持されるバキュームタンクと、圧縮エアタンクに蓄えられた圧縮エアと真空タンクに生成された真空エアとの圧力差によって作動する空気エンジンと、空気エンジンによって駆動され発電する発電機とを備えている。
【０００６】
この発電システムに使用する空気エンジンは、シリンダ、給気孔及び排気孔が形成されたエンジンブロックと、前記給気孔を開閉して、前記シリンダに圧縮エアを供給するための給気バルブと、前記排気孔を開閉して、前記シリンダ内のエアを負圧により排気するための排気バルブと、前記シリンダ内を往復してクランクシャフトを回転させるピストンと、前記クランクシャフトの回転の変動を抑制するフライホイールとを備え、さらに、前記シリンダの長手方向外側に配置された、補助シリンダ、補助ピストン及び所定の断面積を有する補助シリンダ給気孔及び前記補助シリンダ排気孔と、これらを開閉する補助シリンダ給気バルブと補助シリンダ排気バルブとを備えるものである。
【０００７】
特許文献２には、圧縮エアを利用してピストンを作動させる技術として、実用に供された現存の蒸気機関車を部分的に改造し、動力源に圧縮エアを利用して走行可能にした圧縮エア機関車が開示されている。従来の蒸気機関車にエアコンプレッサを搭載し、エアコンプレッサにより生成された圧縮エアをシリンダに供給してピストンを作動させ、ピストンと走行用の動輪とを伝動機構を介して連結し、その伝動機構により前記ピストンの往復運動を動輪の回転運動に変換するように構成したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−１００７６９号
【特許文献２】特開２０１０−０１２９２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１で開示された空気エンジンは、各フライホイールに、クランク角度を検出する第１及び第２のクランク角センサが設けられている。第１のクランク角センサは、給気バルブの開閉タイミングを検出するためのセンサであり、第２のクランク角センサは、排気バルブの開閉タイミングを検出するためのセンサである。
そして、補助シリンダ給気バルブ及び補助シリンダ排気バルブの開閉タイミングは、それぞれ第１及び第２のクランク角センサによって検出され、電磁的に動作するボールバルブである補助シリンダ給気バルブ及び補助シリンダ排気バルブの開閉（開度）は、電子制御装置によって制御される。
このため、特許文献１で開示された空気エンジンは、クランク角センサ等を備え電子制御装置を必要とするため構成が複雑であり、また、クランク角センサに異物等が付着すると適切な制御を行うことが困難になるという問題がある。
【００１０】
特許文献２で開示された圧縮エア機関車用のピストン及びシリンダは、エアコンプレッサにより生成された圧縮エアを弁室内に供給し、弁室内のピストン弁が圧縮エアを前後のポートを介してシリンダに供給し、空気の膨張によりピストンを往復作動させ、この往復運動を動輪の回転運動に変換するように構成したものである。そして、前記弁室内のピストン弁は、ピストンと走行用の動輪とを伝動機構を介して連結し、その伝動機構により往復作動して圧縮エアを注入する前後のポートを切り替えるものである。
しかし、ピストン弁を往復作動させる伝動機構は複雑で、かつ、蒸気機関車に特化した構造をしているため、当該伝動機構を空気エンジン及び空気発電システムに組み込むには大掛かりになるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、かつ、確実に動作するエアの切替弁を有する空気エンジン及び当該空気エンジンを備えた空気発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る空気エンジンは、圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う切替弁と、切替弁に接続されたシリンダと、切替弁により圧縮エアと真空エアをシリンダの上室内と下室内にそれぞれ交互に注入方向を切り替えて注入し、圧縮エアと真空エアの圧力差により往復運動するピストンと、ピストンの作動を伝達して切替弁を作動させる切替弁駆動部と、ピストンの往復運動を回転運動に変換する機構と、により構成したことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る空気エンジンは、圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う少なくとも１以上の切替弁と、各切替弁に接続された少なくとも１以上のシリンダと、各切替弁により圧縮エアと真空エアを各シリンダ内にそれぞれ交互に注入方向を切り替えて注入し、圧縮エアと大気の圧力差又は真空エアと大気との圧力差により往復運動するピストンと、各ピストンの作動を伝達して各切替弁を作動させる切替弁駆動部と、各ピストンの往復運動を回転運動に変換する機構と、により構成したことを特徴とする。
【００１４】
また、シリンダは、圧縮エアを注入する給気孔と、真空エアにより残留エアを吸入する排気孔と、ピストンが下死点に到達したときに圧縮エアを排気する排気孔と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、切替弁は、長手方向に直交する通気孔を有する略筒状の弁筒と、弁筒に摺動可能に挿通された長手方向に直交する通気孔を有する弁軸と、からなり、切替弁駆動部により弁軸を長手方向に往復運動させることにより前記弁筒の通気孔と弁軸の通気孔とを所定の時間連通させるよう構成したことを特徴とする。
【００１６】
また、切替弁は、長手方向に直交する通気孔を有する略筒状の弁筒と、弁筒に回転可能に挿通された長手方向に直交する通気孔を有する弁軸と、からなり、切替弁駆動部により弁軸の軸を中心に回転運動させることにより前記弁筒の通気孔と弁軸の通気孔とを所定の時間連通させるよう構成したことを特徴とする。
【００１７】
また、切替弁は、弁筒の通気孔よりも弁軸の通気孔を大きく形成したこと、又は弁軸の通気孔よりも弁筒の通気孔を大きく形成したことを特徴とする。
【００１８】
また、切替弁駆動部は、圧縮エアの注入及び真空エアによる吸入開始タイミングをピストンの位置に対応して調整可能に構成したことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る空気発電システムは、圧縮エアを生成する圧縮ポンプと、生成された圧縮エアを蓄える圧縮タンクと、真空エアを生成する真空ポンプと、生成された真空エアを蓄える真空タンクと、圧縮タンクの圧縮エアと真空タンクの真空エアとにより作動する空気エンジンと、当該空気エンジンにより発電する発電機とからなり、さらに発電した電力を直流に変換する直流電源装置と、直流電力を充電する蓄電池と、を備えることを可能に構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明によれば、圧縮エアと、真空エアをシリンダ内に注入し、両者の圧力差を利用してピストンを往復作動させるために、構造が簡単で、かつ、確実に動作する切替弁を有する空気エンジンを提供することができ、従来技術の問題点を悉く解消することができる。また、切替弁はシリンダのヘッド上に載置する必要はなく、切替弁駆動部によりピストンの作動を伝達可能な範囲に配設することができ、レイアウトの自由度が高い。また、空気エンジンは燃料を燃焼しないので、高温で有毒な排気ガスを放出することなく動力を発生するという効果を奏する。
【００２１】
また、請求項２の発明によれば、シャフトを中心にその周囲に複数のシリンダ及びコンロッドを配設することができ、簡単な構造にすることができる。各シリンダにおいては給気孔と排気孔の２つの配管で済む。ピストンが下死点に達すると、シリンダの下部側面に備えられた排気口が開口し、シリンダの上室内に注入された圧縮エアを一気に排気するため、上室内の残留空気の真空タンクへの吸入量を削減し、ピストンの上昇作動を容易にするなどの大きな効果を奏する。
【００２２】
また、請求項３の発明によれば、シリンダは、圧縮エアを注入する給気孔と、真空エアにより残留エアを吸入する排気孔と、ピストンが下死点に到達したときに圧縮エアを排気する排気孔と、を備え、ピストンが下死点に到達前に、当該排気孔が開口し、シリンダの上室内に注入された圧縮エアを大気中に一気に排気するため、上室内の残留空気の真空エアによる吸入量を削減し、ピストンの上昇作動を容易にする大きな効果を奏する。
【００２３】
また、請求項４の発明によれば、切替弁は、弁筒と弁軸とから構成され、切替弁駆動部により弁軸が摺動駆動されるため、簡単な構造にすることができ、切替弁は、シリンダのヘッド上に直接載置する必要はなく、切替弁駆動部により各ピストンの作動を伝達可能な範囲に配設することができ、レイアウトの自由度が高い、などの大きな効果を奏する。
【００２４】
また、請求項５の発明によれば、切替弁は、弁筒と弁軸とから構成され、切替弁駆動部により駆動されるため、簡単な構造にすることができ、切替弁は、シリンダのヘッド上に直接載置する必要はなく、切替弁駆動部により各ピストンの作動を伝達可能な範囲に配設することができ、レイアウトの自由度が高い。また、切替弁は、弁軸の回転運動によって弁の切り替えを行うため、弁軸が長手方向に伸張収縮することはなく、設置スペースを少なくできる、などの大きな効果を奏する。
【００２５】
また、請求項６の発明によれば、切替弁は、弁筒の通気孔よりも弁軸の通気孔を大きくし、又は弁軸の通気孔よりも弁筒の通気孔を大きく形成することにより、簡単な構造で通気孔の連通状態の持続時間を調整することができ、空気エンジンの出力を調整することができる、などの大きな効果を奏する。
【００２６】
また、請求項７の発明によれば、切替弁駆動部は、圧縮エアの注入及び真空エアによる吸入の開始タイミングをピストンの位置に対応して調整可能に構成したことにより、圧縮エアの注入や真空エアによる吸入を行ったときに、シャフト対して最も大きな回転トルクを与えることができるよう調整することができる効果を奏する。
【００２７】
また、請求項８の発明によれば、空気発電システムは、夜間などの余剰電力を利用して圧縮ポンプにより生成した圧縮エアと、真空ポンプにより生成した真空エアとの圧力差を利用して作動する空気エンジンを用いているために、構造が簡単で、かつ、確実に動作し、従来技術の問題点を悉く解消することができる。また、本空気発電システムは燃料を燃焼しないので、高温で有毒な排気ガスを放出することなく発電することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジンの構成図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジンのピストンの上昇時における動作説明図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジンの上死点における動作説明図である。
【図４】本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジンのピストンの下降時における動作説明図である。
【図５】本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジンの下死点における動作説明図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジンの構成図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジンの切替弁のＡ方向視断面図である。
【図８】図７の切替弁のＢ方向視の断面図である。
【図９】本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジンの上昇時における動作説明図である。
【図１０】本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジンの上死点における動作説明図である。
【図１１】本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジンの下降時における動作説明図である。
【図１２】本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジンの下死点における動作説明図である。
【図１３】切替弁のタイミングダイヤグラムである。
【図１４】遅れ角の調整を示す図である。
【図１５】遅れ角の調整をした場合の切替弁のタイミングダイヤグラムである。
【図１６】本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジンの切替弁の他の実施例を示す断面図であり、（ａ）は、弁軸の通気孔の形状により切替弁のタイミングを調整する図、（ｂ）は、弁筒の通気孔の形状により切替弁のタイミングを調整する図を示す。
【図１７】本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジンの切替弁の他の実施例を示す断面図であり、（ａ）は、弁軸の通気孔の形状により切替弁のタイミングを調整する図、（ｂ）は、弁筒の通気孔の形状により切替弁のタイミングを調整する図を示す。
【図１８】本発明の第三の実施の形態に係る空気エンジンの構成図である。
【図１９】本発明の第三の実施の形態に係る空気エンジンの動作説明図である。（ａ）は、一のシリンダのピストンが上死点にある図、（ｂ）は、当該ピストンが下降を始めた図、（ｃ）は、当該ピストンが下降途中にある図、（ｄ）は、当該ピストンが下死点にある図、（ｅ）は、当該ピストンが上昇を始めた図、（ｆ）は、当該ピストンが上昇途中にある図を示す。
【図２０】本発明の第三の実施の形態に係る空気エンジンの他の構成図である。
【図２１】第三の実施の形態に係る空気エンジンの切替弁のタイミングダイヤグラムである。
【図２２】本発明の空気エンジンを使用した空気発電システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。ただし、図面は模式的なものであり、各部の配置や寸法の比率等は現実のものとは必ずしも一致しない。
【００３０】
本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジン１の１気筒の場合の構成例を図１に示す。
本図に示すように、圧縮ポンプ３１は、夜間などの余剰電力を利用して稼働し、弁３４ａを介して圧縮タンク３３に圧縮エアを生成する。また、真空ポンプ４１も同様に、弁４４ａを介して真空タンク４３に真空エアを生成する。
【００３１】
空気エンジン１は、円筒状のシリンダ１０を備え、シリンダ１０の内部には昇降自在のピストン１１が、摺動可能に収納されている。ピストン１１はコンロッド１２の一端と回動自在に連結されている。コンロッド１２の他端は、カウンタウェイト１４のウェイトに対向して回動自在に連結されている。また、カウンタウェイト１４は、シャフト１５に軸止されている。これによりクランクシャフトを構成し、ピストン１１が１サイクル往復運動すると、カウンタウェイト１４及びシャフト１５が、例えば右方向（図面に向かって時計回り方向）に１回転する。また、スプロケット１６は、シャフト１５に軸止されており、シャフト１５に連動して回転する。
シャフト１５の回転運動は、例えば、発電機５０に伝達され、発電機５０を駆動して発電を行う。
【００３２】
切替弁２０は、図１に示すように、シリンダ１０に供給する圧縮エア及び真空エアを切り替える弁である。切替弁２０は、シャフト１５の回転角に対応してシリンダ１０に供給する圧縮エア及び真空エアを切り替える。切替弁駆動部７０は、シャフト１５の回転を切替弁２０に伝達し、シャフト１５の回転と切替弁２０によるエアの切り替えとの同期をとるものである。切替弁駆動部７０は、例えば、前記スプロケット１６及び後述するコンロッド２４、スプロケット２６、コンロッド板２７及びチェーン２５から構成される。
【００３３】
切替弁２０は、長手方向に貫通孔２９を有する略筒状の弁筒２１と、弁筒２１の貫通孔２９に摺動可能に挿通された弁軸２３と、から構成されている。弁軸２３の一端は、コンロッド２４の一端と回動自在に連結されている。コンロッド２４の他端は、スプロケット２６に軸止された円板状のコンロッド板２７の周縁部に回動自在に連結されている。
【００３４】
前記スプロケット２６と、スプロケット１６の間にはチェーン２５が張設されている。このため、スプロケット１６が回転するとチェーン２５を介して、スプロケット２６及びコンロッド板２７が回転し、これに連動してコンロッド２４は往復運動を行う。また、スプロケット２６と、スプロケット１６の直径及び歯数は同一に形成しているため、スプロケット１６が１回転すると、これに連動してスプロケット２６も１回転し、コンロッド２４を介して弁軸２３が１往復する。
【００３５】
図１に示すように、ピストン１１が上死点にあるときに、弁軸２３は、摺動の最右端である上死点の位置にはなく、上死点の手前、すなわち、回転運動でいえば、ピストン１１よりも遅れ角αの位置に配設されている。この遅れ角αの詳細は後述する。
【００３６】
ピストン１１と弁軸２３との位置関係をこのように設定することにより、切替弁２０によるエアの注入、吸入方向の切り替えを、ピストン１１が上死点又は下死点に到達時に行い、上死点又は下死点に到達して下降又は上昇を始めるときにエアの注入、吸入を開始することができる。すなわち、ピストン１１が上昇する場合は、切替弁２０により圧縮エアをシリンダ１０の下室内に注入すると共に、真空エアによりシリンダ１０の上室内の空気を吸入し、ピストン１１を押し上げる。そして、上死点の手前にくると、エアの注入、吸入を停止する。上死点に到達して下降を始めると、今度は、切替弁２０により圧縮エアをシリンダ１０の上室内に注入すると共に、真空エアによりシリンダ１０の下室内の空気を吸入し、ピストン１１を押し下げるよう作動する。すなわち、ピストン１１が上死点に到達して下降を始めると、切替弁２０によりピストン１１を下降させる方向にエアの注入、吸入方向が切り替わる。
【００３７】
切替弁２０の弁筒２１には、径方向に貫通する通気孔２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ及び２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが設けられている。また、切替弁２０の弁軸２３には、径方向に貫通する通気孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが設けられている。通気孔２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ及び２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、それぞれ通気孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに対応し、それぞれが組になってエアの導通遮断を行う。詳しくは後述する。
【００３８】
次に、シリンダ１０、切替弁２０及び圧縮タンク３３並びに真空タンク４３の配管について説明する。図１に示すように、圧縮ポンプ３１は、弁３４ａを介して圧縮タンク３３と接続する。圧縮タンク３３は、弁３２ｂを介して弁筒２１の通気孔２１ａ、２１ｃと接続する。また、真空ポンプ４１は、弁４４ａを介して真空タンク４３に接続する。真空タンク４３は、弁４２ｂを介して弁筒２１の通気孔２１ｂ、２１ｄと接続する。
【００３９】
切替弁２０の弁筒２１の通気孔２２ａは、シリンダ１０の給気孔１０ａと、通気孔２２ｂは、シリンダ１０の排気孔１０ｂと接続する。また、弁筒２１の通気孔２２ｃはシリンダ１０の給気孔１０ｃと、通気孔２２ｄは、シリンダ１０の排気孔１０ｄと接続する。
【００４０】
次に、空気エンジン１の動作について説明する。図２は、本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジン１のピストン１１の上昇時における動作説明図である。図２に示すように、上昇時には、弁軸２３の通気孔２３ｃは、弁筒２１の通気孔２１ｃ、２２ｃと連通状態を形成する。また、弁軸２３の通気孔２３ｄは、弁筒２１の通気孔２１ｄ、２２ｄと連通状態を形成する。連通状態は、弁軸２３が左方向に押し戻されて、最左端すなわち弁軸２３の下死点に達した時に最良となる。
【００４１】
連通状態が形成されると、圧縮エアは、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃを経由してシリンダ１０の給気孔１０ｃからシリンダ１０の下室内に注入され、空気圧によりピストン１１を押し上げる。また、真空エアは、通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄを経由してシリンダ１０の排気孔１０ｄからシリンダ１０の上室内の空気を吸入し、ピストン１１を押し上げる。このため、ピストン１１は上昇する。
【００４２】
ピストン１１の上昇に連動して、コンロッド１２を介してカウンタウェイト１４、シャフト１５及びスプロケット１６は右回転する。スプロケット１６が右回転すると、チェーン２５を介してスプロケット２６も右回転する。これにより、下死点を通過した弁軸２３は、今度はコンロッド２４を介して右方向に引っ張られる。その結果、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃにより形成された連通孔及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄにより形成された連通孔は次第に狭くなっていく。
【００４３】
ピストン１１が上昇を続けると、弁軸２３が右方向に引っ張られる。そして、ピストン１１が上死点に到達したときは、図３に示すように、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄにより形成されていた連通状態は解消する。
【００４４】
したがって、給気孔１０ｃからシリンダ１０の下室内への圧縮エアの注入は停止する。また、排気孔１０ｄからシリンダ１０の上室内の空気の吸入も停止する。しかし、圧縮エアの膨張と真空エアによる収縮、及びカウンタウェイト１４の慣性力によりカウンタウェイト１４及びシャフト１５はそのまま回転する。このため、上死点に到達したピストン１１は、下降を開始する。
【００４５】
ピストン１１が下降を始めると、図４に示すように、弁軸２３は、さらに右方向に引っ張られて、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態を形成する。
【００４６】
したがって、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａを経由して給気孔１０ａからシリンダ１０の上室内に圧縮エアが注入され、空気圧によりピストン１１を押し下げる。また、通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂを経由して排気孔１０ｂからシリンダ１０の下室内の空気を吸入し、ピストン１１を押し下げる。このため、ピストン１１は下降する。
【００４７】
ピストン１１の下降に連動してカウンタウェイト１４、シャフト１５及びスプロケット１６は右回転する。スプロケット１６が右回転すると、チェーン２５を介してスプロケット２６も右回転する。これにより、コンロッド２４を介して弁軸２３は右方向に引っ張られて、最右端すなわち弁軸２３の上死点に達した後、今度は左方向に押し戻される。その結果、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａの連通孔及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通孔は次第に狭くなっていく。
【００４８】
ピストン１１が下降を続けると、弁軸２３は、さらに左方向に押し戻される。そして、ピストン１１が下死点に到達したときは、図５に示すように、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態は解消する。
【００４９】
したがって、給気孔１０ａからシリンダ１０の上室内への圧縮エアの注入は停止する。また、排気孔１０ｂからシリンダ１０の下室内の空気の吸入も停止する。しかし、圧縮エアの膨張と真空エアによる収縮、及びカウンタウェイト１４の慣性力によりシャフト１５はそのまま回転する。このため、下死点に到達したピストン１１は、上昇を開始する。
【００５０】
ピストン１１が上昇を始めると、弁軸２３はさらに左方向に押し戻されるため、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄの連通状態が形成される。
【００５１】
その結果、図２の説明と同様に、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃを経由して給気孔１０ｃからシリンダ１０の下室内に圧縮エアが注入され、空気圧によりピストン１１を押し上げる。また、通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄを経由して排気孔１０ｄからシリンダ１０の上室内の空気を吸入し、ピストン１１を押し上げる。このため、ピストン１１は上昇する。
【００５２】
以下同様にして、上昇、上死点に到達、下降、下死点に到達、上昇という一連のサイクルを繰り返すことによって、本発明に係る空気エンジン１のシャフト１５は回転を続ける。シャフト１５の回転運動は、例えば、発電機５０に伝達され、発電機５０を駆動して発電を行う。
【００５３】
本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジン１は、以上のように構成されているために、構造が簡単で、かつ、切替弁２０により確実に動作する。また、切替弁２０は、シリンダ１０のヘッド上に直接載置する必要はなく、チェーン２５によりスプロケット２６に力を伝達可能な範囲であれば、どこにでも配設することができるため、レイアウトの自由度が高い、などの大きな効果を奏する。
【００５４】
次に、本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジン１の１気筒の構成例を図６に示す。本図に示すように、空気エンジン１のシリンダ１０、ピストン１１、コンロッド１２、カウンタウェイト１４、シャフト１５及びスプロケット１６の構造は、第一の実施の形態と同様である。
【００５５】
本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジンの切替弁２０のＡ方向視断面図の例を図７に示す。切替弁２０は、本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジン１の場合と同様に、シリンダ１０に供給する圧縮エア及び真空エアを切り替える弁である。切替弁２０は、長手方向に貫通孔２９を有する略筒状の弁筒２１と、弁筒２１の貫通孔２９に回転可能に挿通された円柱状の弁軸２３と、から構成されている。
【００５６】
切替弁２０の弁筒２１には、本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジン１の場合と同様に、貫通する通気孔２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ及び通気孔２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが設けられている。このうち、通気孔２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは同じ方向に貫通し、通気孔２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｄはこれらと直交する方向に貫通している。
【００５７】
次に、切替弁駆動部７０の構成について説明する。図６、図７に示すように、弁軸２３の一端は延伸してスプロケット２６を軸止している。スプロケット２６と、スプロケット１６間にはチェーン２５が張設されている。そして、スプロケット２６と、スプロケット１６の直径及び歯数は同一に形成している。したがって、シャフト１５の回転に連動してスプロケット１６が１回転すると、チェーン２５を介してスプロケット２６も１回転する。そうすると、スプロケット２６に軸止された弁軸２３も１回転する。これにより、シャフト１５の回転を切替弁２０に伝達し、シャフト１５の回転と切替弁２０によるエアの切り替えとの同期をとることができる。
【００５８】
次に、図７の切替弁のＢ方向視の断面図の例を図８に示す。本図に示すように、弁軸２３の断面は円形をしている。そして、弁軸２３には、径方向に貫通する通気孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが設けられている。このうち、通気孔２３ａ、２３ｂは同じ方向に貫通し、通気孔２３ｃ、２３ｄはこれらと直交する方向に貫通している。
【００５９】
シリンダ１０、切替弁２０及び圧縮タンク３３並びに真空タンク４３の配管については、本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジンと同様であるため説明を省略する。
【００６０】
次に、空気エンジン１の動作について説明する。ピストン１１が上昇時には、図９に示すように、弁軸２３の通気孔２３ｃは、弁筒２１の通気孔２１ｃ、２２ｃと連通状態が形成される。また、弁軸２３の通気孔２３ｄは、弁筒２１の通気孔２１ｄ、２２ｄと連通状態が形成される。
【００６１】
したがって、圧縮エアは、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃを経由して給気孔１０ｃからシリンダ１０の下室内に注入され、空気圧によりピストン１１を押し上げる。また、真空エアは、通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄを経由して排気孔１０ｄからシリンダ１０の上室内の空気を吸入し、ピストン１１を押し上げる。このため、ピストン１１は上昇する。
【００６２】
ピストン１１の上昇に連動してカウンタウェイト１４、シャフト１５及びスプロケット１６は右回転する。これに連動して、チェーン２５を介してスプロケット２６も右回転する。スプロケット２６が右回転すると、これに連結されている弁軸２３も右回転する。その結果、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃで形成されている連通孔及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄで形成されている連通孔は次第に狭くなっていく。
【００６３】
ピストン１１が上昇を続け、上死点に到達したときは、図１０に示すように、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄで形成される連通状態は解消する。
【００６４】
したがって、給気孔１０ｃからシリンダ１０の下室内への圧縮エアの注入は停止する。また、排気孔１０ｄからシリンダ１０の上室内の空気の吸入も停止する。しかし、圧縮エアの膨張と真空エアによる収縮、及びカウンタウェイト１４の慣性力によりシャフト１５はそのまま回転する。このため、上死点に到達したピストン１１は、下降を開始する。
【００６５】
ピストン１１が下降を始めると、図１１に示すように、弁軸２３は引き続き右回転するために、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成される。
【００６６】
したがって、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａを経由して給気孔１０ａからシリンダ１０の上室内に圧縮エアが注入され、空気圧によりピストン１１を押し下げる。また、通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂを経由して排気孔１０ｂからシリンダ１０の下室内の空気を吸入し、ピストン１１を押し下げる。このため、ピストン１１は下降する。
【００６７】
ピストン１１の下降に連動してカウンタウェイト１４、シャフト１５及びスプロケット１６は右回転する。これに連動して、チェーン２５を介してスプロケット２６も右回転する。そうすると、スプロケット２６に軸止されている弁軸２３も右回転する。その結果、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａで形成されている連通孔及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂで形成されている連通孔は次第に狭くなっていく。
【００６８】
ピストン１１が下降を続け、下死点に到達したときは、図１２に示すように、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂで形成される連通状態は解消する。
【００６９】
したがって、給気孔１０ａからシリンダ１０の上室内への圧縮エアの注入は停止する。また、排気孔１０ｂからシリンダ１０の下室内の空気の吸入も停止する。しかし、圧縮エアの膨張と真空エアによる収縮、及びカウンタウェイト１４の慣性力によりシャフト１５はそのまま回転する。このため、下死点に到達したピストン１１は、上昇を開始する。
【００７０】
ピストン１１が上昇を始めると、図９に示すように、弁軸２３は右回転するために、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄの連通状態が形成される。
【００７１】
したがって、図９の説明と同様に、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃを経由して給気孔１０ｃからシリンダ１０の下室内に圧縮エアが注入され、空気圧によりピストン１１を押し上げる。また、通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄを経由して排気孔１０ｄからシリンダ１０の上室内の空気を吸入し、ピストン１１を押し上げる。このため、ピストン１１は上昇する。
【００７２】
以下同様にして、上昇、上死点に到達、下降、下死点に到達、上昇という一連のサイクルを繰り返すことによって、本発明に係る空気エンジン１のシャフト１５は回転を続ける。シャフト１５の回転運動は、例えば、発電機５０に伝達され、発電機５０を駆動して発電を行う。
【００７３】
本発明の第二の実施の形態に係る空気エンジン１は、以上のように構成されているために、構造が簡単で、かつ、切替弁２０により確実に動作する。また、切替弁２０は、シリンダ１０のヘッド上に直接載置する必要はなく、チェーン２５によりスプロケット２６に力を伝達可能な範囲であれば、どこにでも配設することができるため、レイアウトの自由度が高い。また、切替弁２０は、弁軸２３の回転によってエアの注入、吸入方向の切り替えを行うよう構成しており、スプロケット２６の方向に弁軸２３が伸張することがないため、設置スペースを少なくできる、などの大きな効果を奏する。
【００７４】
次に、シャフト１５の回転角と切替弁２０の連通状態との関係を示すタイミングダイヤグラム例を図１３に示す。本図において、円周は、ピストン１１が上死点にあるときを基準点（零度）とするシャフト１５の回転運動における回転角の位置を示す。
【００７５】
本図に示すように、回転角が零度の位置１５ａでは、ピストン１１は上死点にある。回転角が９０度の位置１５ｂでは、ピストン１１は下降途中にある。回転角が１８０度の位置１５ｃでは、ピストン１１は下死点にある。回転角が２７０度の位置１５ｄでは、ピストン１１は上昇途中にある。
【００７６】
まず、ピストン１１が上死点１５ａにある場合は、図３及び図１０で説明したとおり、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成されていないため、エアの注入、吸入は行われない。しかし、ピストン１１が下降を始めると通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成されるため、エアの注入、吸入が行われる。
【００７７】
次に、ピストン１１が下降途中１５ｂにある場合は、図４及び図１１で説明したとおり、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成され、エアの注入、吸入が行われる。
【００７８】
下降時の連通状態の持続時間は、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの形状や寸法などの機械的構造及び遅れ角αによって決まる。図１３において、角度θ１の区間６１は、圧縮エアが連通状態となる区間を示す。また、角度φ１の区間６３は、真空エアが連通状態となる区間を示す。
【００７９】
次に、ピストン１１が下死点１５ｃにある場合は、図５及び図１２で説明したとおり、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄの連通状態が形成されていないため、エアの注入、吸入は行われない。しかし、ピストン１１が上昇を始めると通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄの連通状態が形成されるため、エアの注入、吸入が行われる。
【００８０】
次に、ピストン１１が上昇途中１５ｄにある場合は、図２及び図９で説明したとおり、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄの連通状態が形成され、エアの注入、吸入が行われる。
【００８１】
上昇時の連通状態の持続時間は、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄの形状や寸法などの機械的構造及び遅れ角αによって決まる。図１３において、角度θ２の区間６２は、圧縮エアが連通状態となる区間を示す。また、角度φ２の区間６４は、真空エアが連通状態となる区間を示す。
【００８２】
この連通状態の持続時間は、ピストン１１に注入される圧縮エアの量及び吸入されるエアの量に関係する。すなわち、持続時間を長くすれば大きな出力が得られる。しかし、その分、消費するエアの量が増加する。したがって、単純に連通状態の持続時間を長くすればよいというものではない。
【００８３】
エアの連通状態の持続時間は、角度θ１、φ１、θ２及びφ２の大きさを変えることによって最適な値に調整することができる。勿論、θ１とこれに対応するφ１の大きさを同じにしてもよいし、異なる大きさにしてもよい。θ２とφ２の場合も同様である。この角度θ１、φ１、θ２及びφ２の大きさについては後述する。
【００８４】
次に、遅れ角αと角度βの調整について説明する。ピストン１１が上死点にあるときに、図３に示すように、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂが連通状態を形成する直前の位置となるようにコンロッド板２７とコンロッド２４との連結部分２７ａの位置を設定する。また、第一の実施の形態の場合には、さらに、図５に示すように、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄが連通状態を形成する直前の位置となるように、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａと通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂと通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄの間隔を設定する。
【００８５】
このように構成することによってピストン１１が上死点から下降を開始したときに上記通気孔の連通状態が形成され、エアの注入や吸入が行われる。この場合に、回転運動でいえば、連結部分２７ａは、ピストン１１に対して遅れ角αの位置となる。すなわち、この遅れ角αは、ピストン１１が上死点又は下死点にあって、この位置から下降又は上昇を始める際に、切替弁２０がエアの注入、吸入を開始する時の連結部分２７ａの位置のことである。そして、この遅れ角αはコンロッド板２７における連結部分２７ａの半径や通気孔の位置、間隔、形状、弁軸２３のストロークの長さなど、切替弁２０の機械的構造によって決まる。
【００８６】
連結部分２７ａの位置を、遅れ角αについて上記設定をした後、遅れ角をさらに大きな角度にすると、ピストン１１が上死点又は下死点に到達する前に、圧縮エアの注入や真空エアによる吸入が始まるためピストン１１の上昇が妨げられ好ましくない。
一方、連結部分２７ａの位置を、遅れ角αについて上記設定をした後、遅れ角をさらに角度βだけ小さな角度にすると、ピストン１１が上死点又は下死点に到達した後に下降又は上昇を始め、シャフト１５が上死点又は下死点よりも角度βだけ回転した時に、切替弁２０がエアの注入、吸入を開始するようにすることができる。したがって、角度βの調整をすることによって、最適な回転トルクをシャフト１５に与えることのできる回転角度になった時に、圧縮エアの注入や真空エアによる吸入を行うようにすることができる。
【００８７】
角度βの調整は、本発明の第一の実施の形態の場合は、図１４に示すように、コンロッド２４とコンロッド板２７の周縁上の連結位置を変更する。
例えば、予めコンロッド板２７の周縁上にコンロッド２４との連結用孔２７ｂを複数個設けておいて、任意の連結用孔２７ｂにコンロッド２４を連結して連結部分２７ａとすることで、角度βの調整をすることができる。
【００８８】
さらに、角度βの調整に伴って弁軸２３の通気孔間のストロークを長くする必要がある。このために、弁筒２１に設けた各通気孔２１ａ乃至２１ｄ及び２２ａ乃至２２ｄのそれぞれの間隔はそのままで、弁軸２３に設けた通気孔２３ａと２３ｃとの間隔及び通気孔２３ｂと２３ｄとの間隔を、それぞれ長さΔＬだけ長くしたものと交換する。このΔＬは、ΔＬ＝２ｒ｛cos（α―β）―cosα｝とするのが望ましい。ただし、ｒは連結部分２７ａの回転半径である。このようにすることより、圧縮エアの注入や真空エアによる吸入のタイミングをピストン１１の上死点や下死点よりも遅らせることができる。
【００８９】
また、第二の実施の形態の場合には、スプロケット２６にチェーン２５を掛ける際に、スプロケット２６とコンロッド２４の連結位置が上死点にあるピストン１１に対して、遅れ角αよりも、さらに角度βの遅れとなるように位置をずらせることで角度βの調整をすることができる。この方法は簡単で確実である。第二の実施の形態の場合には、スプロケット２６が直接弁軸２３を回転させる構造であるため、コンロッド２４やコンロッド板２７を必要とせず、また、弁軸２３を左右に摺動させる必要もなく、原理上、角度βの調整が簡単に行える。
以上の方法で角度βの調整を行った場合の切替弁２０のタイミングダイヤグラムを図１５に示す。
【００９０】
以上のような角度βの調整を行うことにより、ピストン１１が上死点に達した後、シャフト１５が角度βだけ回転したときから通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成され始め、ピストン１１を押し下げる。
【００９１】
次に、第一の実施の形態に係る空気エンジン１の切替弁２０の他の実施例を図１６に示す。本実施例は、図１３における角度θ１、φ１、θ２及びφ２の大きさを調整するものである。角度θ１、θ２、φ１及びφ２を大きくするためには、その前提として、先述の遅れ角αを大きく設定することが必要である。遅れ角αを大きくすることにより、各通気孔２１ａ乃至２１ｄ、２３ａ乃至２３ｄ及び２２ａ乃至２２ｄにより形成される連通状態の始期は早くなる。一方、形成されていた連通状態の終期は遅くなる。この結果、連通状態が形成されている時間、すなわち、連通状態の持続時間を長くすることができるため、区間６１乃至６４を大きくすることができる。逆に、遅れ角αを小さくすることにより、連通状態の持続時間を短くすることができるため、区間６１乃至６４を小さくすることができる。
さらに、遅れ角αを大きく設定することに加えて、次のように弁軸２３の通気孔２３ｃ、２３ｄの径を拡幅又は狭くする調整を行う。
【００９２】
まず、遅れ角αを大きくしていることを前提に、弁軸２３の通気孔２３ａ乃至２３ｄの形状により切替弁２０のタイミングを調整する例について説明する。ピストン１１が下死点に到達し、上昇を開始する直前の断面図を図１６（ａ）に示す。本図は図５に対応する。図１６（ａ）において、弁軸２３の通気孔２３ｃ、２３ｄの径を図の右方向に拡幅している。ピストン１１が上昇を開始する直前にあるときは、弁軸２３はコンロッド２４により左方向に押し戻される。このため、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄから形成される連通状態の持続時間は、通気孔２３ｃ、２３ｄの径が右方向に拡幅しているため長くできる。その結果、図１３、図１５に示す角度θ２及びφ２、すなわち、区間６２、６４を大きくすることができる。
【００９３】
勿論、遅れ角αを小さくしたうえで、通気孔２３ｃ、２３ｄの径の右方向を逆に狭くすれば、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄから形成される連通状態の持続時間を短くできる。その結果、図１３、図１５に示す角度θ２及びφ２、すなわち、区間６２、６４を小さくすることができる。
【００９４】
通気孔２３ａ、２３ｂの場合も同様である。遅れ角αを大きく又は小さくしたうえで、これらの通気孔２３ａ、２３ｂの径を拡幅又は狭くすることにより、図１３、図１５に示す角度θ１及びφ１、すなわち、区間６１、６３を大きく又は小さくすることができる。
【００９５】
次に、遅れ角αを大きくしていることを前提に、弁筒２１の通気孔２１ａ乃至２１ｄ及び通気孔２２ａ乃至２２ｄの形状により切替弁のタイミングを調整する例について説明する。ピストン１１が下死点に到達し、上昇を開始する直前の断面図を図１６（ｂ）に示す。本図は図５に対応する。図１６（ｂ）において、弁筒２１の通気孔２１ｃ、２１ｄ及び通気孔２２ｃ、２２ｄの径を図の左方向に拡幅している。ピストン１１が上昇を開始する直前にあるときは、弁軸２３はコンロッド２４により左方向に押し戻される。このため、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄにより形成される連通状態の持続時間は、通気孔２１ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２２ｄの径が左方向に拡幅しているため長くできる。その結果、図１３、図１５に示す角度θ２及びφ２、すなわち、区間６２、６４を大きくすることができる。
【００９６】
勿論、遅れ角αを小さくしたうえで、通気孔２１ｃ、２１ｄ及び通気孔２２ｃ、２２ｄの形状の左方向を逆に狭くした場合、及び通気孔２１ａ、２１ｂ及び通気孔２２ａ、２２ｂの場合も上記図１６（ａ）の場合と同様であるため説明を省略する。
また、遅れ角αを大きく又は小さくしたうえで、通気孔２１ａ乃至２１ｄ、通気孔２２ａ乃至２２ｄの径をそれぞれ異なる大きさに形成した場合についても、上記図１６（ａ）の場合と同様であるため説明を省略する。
【００９７】
次に、第二の実施の形態に係る空気エンジン１の切替弁２０の他の実施例を図１７に示す。まず、弁軸２３の通気孔２３ａ乃至２３ｄの形状により切替弁２０のタイミングを調整する例について説明する。ピストン１１が上昇途中にあるときの断面図を図１７（ａ）に示す。本図は図１２に対応する。図１７（ａ）において、弁軸２３の通気孔２３ｃ、２３ｄの径を図の左方向に拡幅している。弁軸２３はスプロケット２６の回転運動に連動して右回転する。このため、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄから形成される連通状態の持続時間は、通気孔２３ｃ、２３ｄが拡幅しているため長くなる。その結果、図１３、図１５に示す角度θ２及びφ２、すなわち、区間６２、６４を大きくすることができる。
【００９８】
勿論、通気孔２３ｃ、２３ｄの径を逆に右回転方向に狭くすれば、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄから形成される連通状態の持続時間は短くなる。その結果、図１３、図１５に示す角度θ２及びφ２、すなわち、区間６２、６４を小さくすることができる。
【００９９】
通気孔２３ａ、２３ｂの場合も同様である。これらの通気孔２３ａ、２３ｂの径を拡幅又は狭くすることにより、図１３、図１５に示す角度θ１及びφ１、すなわち、区間６１、６３を大きく又は小さくすることができる。
また、図１７に示す実施の形態においては、通気孔２３ａ乃至２３ｄの径をそれぞれ異なる大きさに形成すれば、角度θ１、φ１、θ２及びφ２も、それぞれ異なる大きさにすることができる。
【０１００】
次に、弁筒２１の通気孔２１ａ乃至２１ｄ及び通気孔２２ａ乃至２２ｄの形状により切替弁のタイミングを調整する例について説明する。ピストン１１が下死点に到達し、上昇を開始する直前の断面図を図１７（ｂ）に示す。本図は図１２に対応する。図１７（ｂ）において、弁筒２１の通気孔２１ａ乃至２１ｄ及び通気孔２２ａ乃至２２ｄの径を図のように右方向に拡幅している。弁軸２３はスプロケット２６の回転運動に連動して右回転する。このため、通気孔２１ｃ、２３ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２３ｄ、２２ｄから形成される連通状態の持続時間は、通気孔２１ｃ、２２ｃ及び通気孔２１ｄ、２２ｄが拡幅しているため長くなる。その結果、図１３、図１５に示す角度θ２及びφ２、すなわち、区間６２、６４を大きくすることができる。
【０１０１】
勿論、通気孔２１ｃ、２１ｄ及び通気孔２２ｃ、２２ｄの形状を、逆に左方向に狭くした場合、及び通気孔２１ａ、２１ｂ及び通気孔２２ａ、２２ｂの場合も、上記図１７（ａ）の場合と同様であるため説明を省略する。
また、通気孔２１ａ乃至２１ｄ、通気孔２２ａ乃至２２ｄの径をそれぞれ異なる大きさに形成した場合についても、上記図１７（ａ）の場合と同様であるため説明を省略する。
【０１０２】
本発明の第一の実施の形態に係る空気エンジン１の他の実施例、及び第二の実施の形態に係る空気エンジン１の他の実施例は、以上のように構成されているために、簡単な構造で通気孔の連通状態の持続時間を調整することができ、空気エンジン１の出力を調整することができる、などの大きな効果を奏する。
【０１０３】
次に、本発明の第三の実施の形態に係る空気エンジン１の３気筒の構成例を図１８に示す。本図に示すように、空気エンジン１は、円筒状のシリンダ１０１乃至１０３の３気筒を備え、シャフト１５を中心に、カウンタウェイト１４、３本のコンロッド１２を収納する断面略円形のシャフト室６０を配している。また、各シリンダ１０１乃至１０３は、シャフト１５を中心として１２０度の角度で３方向に配設した、いわゆる星型エンジンを構成している。各シリンダ１０１乃至１０３は、上部に圧縮エアを注入する給気孔１０ａと、注入された圧縮エアの残留エアを吸入する排気孔１０ｂとを備えている。また、各シリンダ１０１乃至１０３は、左下部側面に、シリンダ１０１乃至１０３の上室内に注入され膨張した圧縮エアを外部に排出すると共に、シャフト室６０内と外部との空気の出入りを可能とするための排気孔１０ｅを備えている。
【０１０４】
空気エンジン１は、各シリンダ１０１乃至１０３のそれぞれに対応して、３基の切替弁２０１乃至２０３を備えている。各切替弁２０１乃至２０３は、弁筒２１と弁軸２３とから構成され、シャフト１５に連動するよう軸止された、図示しないスプロケット１６に張設されたチェーン２５を介してスプロケット２６及びコンロッド板２７が回転する。弁軸２３は、コンロッド板２７の周端に回動可能に連結されたコンロッド２４に連動して左右に摺動する。
【０１０５】
各切替弁２０１乃至２０３の弁筒２１は、通気孔２１ａ、２１ｂと通気孔２２ａ、２２ｂを備えている。また、弁軸２３は、通気孔２３ａ、２３ｂを備えている。そして、各シリンダ１０１乃至１０３の給気孔１０ａは、各切替弁２０１乃至２０３の通気孔２２ａとそれぞれ接続し、各排気孔１０ｂは、各切替弁２０１乃至２０３の各通気孔２２ｂとそれぞれ接続している。これ以外の構成については、第一の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【０１０６】
次に、空気エンジン１の動作について、シリンダ１０１を例に説明する。本発明の第三の実施の形態に係る空気エンジン１の動作説明図を図１９に示す。なお、本図では、給気孔１０ａ及び排気孔１０ｂなどを接続する配管の記載を省略している。
【０１０７】
シリンダ１０１のピストン１１が上死点にあるときは、切替弁２０１の通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成されていないため、図１９（ａ）に示すように、エアの注入、吸入は行われない。
【０１０８】
シリンダ１０１のピストン１１が上死点を通過して下降を始めたときは、切替弁２０１の通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａは連通状態を形成し、図１９（ｂ）に示すように、給気孔１０ａからシリンダ１０１の上室内に圧縮エアを注入する。これによりピストン１１を押し下げる。一方、通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成されていないため真空エアによる吸入は行われない。
【０１０９】
シリンダ１０１のピストン１１が、圧縮エアの注入によりさらに下降を続けると、切替弁２０１の通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａは連通状態を解消し、シリンダ１０１の上室内への圧縮エアの注入を停止する。しかし、図１９（ｃ）に示すように、注入された圧縮エアの膨張及びカウンタウェイト１４の慣性力によりシリンダを押し下げる。一方、通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成されていないため真空エアによる吸入は行われない。
【０１１０】
シリンダ１０１のピストン１１が下降を続け、下死点に到達したときは、切替弁２０１の通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成されていないため、図１９（ｄ）に示すように、エアの注入、吸入は行われない。
【０１１１】
また、シリンダ１０１のピストン１１が下死点に到達する前に、シリンダ１０１の下部側面に備えられた排気孔１０ｅが、シリンダ１０１の上室側で開口し、シリンダ１０１の上室内に注入された圧縮エアを一気に大気中に排気する。これにより、上室内の残留空気の真空エアによる吸入量を削減し、ピストン１１の上昇作動を容易にする。
【０１１２】
シリンダ１０１のピストン１１が下死点を通過して、カウンタウェイト１４の慣性力により上昇を始めたときは、図１９（ｅ）に示すように、ピストン１１の上昇により、シリンダ１０１の上室側の排気を行った排気孔１０ｅは閉じる。そして、切替弁２０１の通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂは連通状態を形成し、排気孔１０ｂからシリンダ１０１の上室内の残留エアを真空エアにより吸入する。このため、シリンダを押し上げる。一方、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａの連通状態が形成されていないため圧縮エアの注入は行われない。
【０１１３】
シリンダ１０１のピストン１１が、真空エアの吸入によりさらに上昇を続けると、切替弁２０１の通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂは連通状態を解消し、シリンダ１０１の上室内の残留エアを真空エアによる吸入を停止する。しかし、図１９（ｆ）に示すように、シリンダ１０１の上室内の気圧の低下による残留エアの収縮、及びカウンタウェイト１４の慣性力によりシリンダを押し上げる。一方、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａの連通状態が形成されていないため圧縮エアの注入は行われない。
【０１１４】
シリンダ１０１のピストン１１が上昇を続け、上死点に到達したときは、図１９（ａ）の状態に戻る。以下、同様にして、下降、下死点に到達、上昇、上死点に到達、下降という一連のサイクルを繰り返すことによって、本発明に係る空気エンジン１のシャフト１５は回転を続ける。シャフト１５の回転運動は、例えば、発電機５０に伝達され、発電機５０を駆動して発電を行う。
【０１１５】
なお、他のシリンダ１０２、１０３及び切替弁２０２、２０３の動作もシリンダ１０１及び切替弁２０１の動作と同様であるため、説明を省略する。また、本実施例で説明した切替弁２０の代わりに、第二の実施の形態で説明した切替弁２０を使用することもできる。
本発明の第三の実施の形態に係る空気エンジンに、第二の実施の形態で説明した切替弁２０を使用した場合の構成図を図２０に示す。この場合も、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａ及び通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの２組設ければよい。本図において、切替弁２０１乃至２０３の動作は、第二の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１１６】
また、図１９及び図２０で説明した第三の実施の形態に係る空気エンジンの切替弁のタイミングダイヤグラムを図２１に示す。本図に示すように、ピストン１１が上死点に到達し、下降を始めると給気孔１０ａが圧縮エアの注入を開始し、角度θの区間６１は、圧縮エアが連通状態となる。
【０１１７】
ピストン１１が下降を続け、下死点に到達する前に排気孔１０ｅが開き圧縮エアを外部に排気する。図２１における下死点を挟む左右の角度γの区間６６はピストン１１の下死点到達から上昇を開始して排気孔１０ｅを閉塞するための排気孔１０ｅが開口している区間を示している。
【０１１８】
下死点におけるピストン１１の上面と、上死点におけるピストン１１の上面との距離、すなわちエンジンのストロークをＨとし、下死点におけるピストン１１の上面と、ピストン１１が上昇を開始して排気孔１０ｅを閉じるまでの距離、すなわち、排気孔１０ｅの上端の高さをｈとすると、ｈ＝（Ｈ／２）（１−cosγ）となる。この式を変形すると、cosγ＝１−２ｈ／Ｈとなり、γ＝cos−１（１−２ｈ／Ｈ）となって、角度γを求めることができる。排気孔１０ｅの位置、孔径及び角度γは、上記式に基づき最適な値に設定することができる。なお、排気時間は多くを要しないため、排気孔１０ｅの上端の高さｈは、できるだけ低い方が望ましい。このため、開口部を扁平にすると効果を得ることができる。
【０１１９】
ピストン１１が上昇を開始すると、排気孔１１ｂが真空エアによる吸入を開始し、角度φの区間６４が真空エアが連通状態となる。
上記以外は、図１３乃至図１５の場合と同様であるため、説明を省略する。
【０１２０】
本発明の第三の実施の形態に係る空気エンジン１は、以上のように構成されているために、シャフト室６０内にシャフト１５を中心としてカウンタウェイト１４、コンロッド１２を収納することができ、構造を簡単にすることができる。切替弁２０１乃至２０３はシリンダ１０１乃至１０３の各ヘッド上に直接載置する必要はなく、チェーン２５によりスプロケット２６に力を伝達可能な範囲であれば、どこにでも配設することができるためレイアウトの自由度が高い。また、各シリンダにおいては給気孔１０ａと排気孔１０ｂの２つの配管で済む。さらに、ピストン１１が下死点に到達すると、シリンダ１０１乃至１０３の下部側面に備えられた排気孔１０ｅが開口し、シリンダ１０１乃至１０３のいずれかの上室内に注入された圧縮エアを大気中に一気に排気するため、上室内の残留空気の真空エアによる吸入量を削減し、ピストン１１の上昇作動を容易にする。などの大きな効果を奏する。
【０１２１】
次に、本発明の空気エンジン１を使用した空気発電システム１００の構成例を図２２に示す。本図において、圧縮ポンプ３１が生成した圧縮エアは、弁３４ａ乃至３４ｎを介して順次圧縮タンク３３ａ乃至３３ｎに蓄えられる。また、真空ポンプ４１が生成した真空エアは、弁４４ａ乃至４４ｎを介して順次真空タンク４３ａ乃至４３ｎに蓄えられる。
【０１２２】
圧縮タンク３３ａ乃至３３ｎに蓄えられた圧縮エアは、弁３５ａ乃至３５ｎを介して空気エンジン１に注入される。また、真空タンク４３ａ乃至４３ｎに蓄えられた真空エアは、弁４５ａ乃至４５ｎを介して空気エンジン１内の残留エアを吸入する。前記実施例の説明のとおり、切替弁２０が圧縮エアと真空エアとを切り替えることにより空気エンジン１を作動させる。すなわち、圧縮エアと真空エアとの圧力差、又は圧縮エアと大気圧及び真空エアと大気圧との圧力差を利用して空気エンジン１を作動させ、発電機５０を駆動して発電する。
【０１２３】
発電機５０が交流発電機の場合は、発電した電力を商用電源として利用する。また、発電機５０の出力を直流電源装置７２に入力し、直流電源装置７２は直流電圧に変換して、直流電圧を蓄電池７３に入力する。蓄電池７３はこれを充電し、電気エネルギーとして蓄えて、必要な用途に使用する。
【０１２４】
本発明の空気エンジンを使用した空気発電システム１００はこのように構成されているために、夜間などの余剰電力を利用して圧縮ポンプ３１及び真空ポンプ４１を稼働させることにより生成した圧縮エアと真空エアを用いて、空気エンジン１を稼働させ発電する空気発電システム１００を提供することができる。本空気発電システム１００は、構造が簡単で、かつ、確実に動作する切替弁２０を有する空気エンジン１を備えているため、従来技術の問題点を悉く解消することができる。また、空気エンジン１は燃料を燃焼しないので、高温で有毒な排気ガスを放出することなく動力を発生するという効果を奏する。
【０１２５】
本発明は以上のような構成とすることにより、大きな効果を奏する空気エンジン１及びこれを使用した空気発電システム１００を提供することができる。
【０１２６】
以上の実施の形態において説明した本発明に係る空気エンジン１及びこれを使用した空気発電システム１００は、上述した実施の形態に限られず、上述した実施の形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組合せを変更したりした構成、公知発明並びに上述した実施の形態の中で開示した各構成を相互に置換したり組合せを変更したりした構成、等も含まれる。また、本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【０１２７】
第一乃至第三の実施の形態において、切替弁駆動部７０を、スプロケット１６と２６の間にチェーン２５を張設し、スプロケット１６がチェーン２５を介してスプロケット２６を駆動する構成について説明したが、チェーン２５に代えてベルト又はギアを使用することにより連動連結するよう構成してもよい。
【０１２８】
また、第一の実施の形態における切替弁２０の弁筒２１及び弁軸２３の断面は必ずしも円形である必要はなく、三角形や四角形又は六角形などであっても何ら差し支えない。
同様に、第二の実施の形態における切替弁２０の弁筒２１の形状は必ずしも略筒状である必要はなく、三角柱状や方形状などであっても何ら差し支えない。
【０１２９】
また、第三の実施の形態では、いわゆる星型エンジンについて説明したが、シリンダを直列または水平対向に配置してもよい。
【０１３０】
また、第三の実施の形態における排気孔１０ｅには、外部からの異物や塵埃等の侵入を防ぐ等の対策のためにフィルタや、空気エンジン１の内部で発生するオイルミストの排出を防止するためのフィルタ及び回収装置を設けることはいうまでもない。また、発音を抑制するための消音器を備えることや、圧縮タンク３３及び真空タンク４３と空気エンジン１の給気孔や排気孔との間に各種フィルタを設けることはいうまでもない。
【０１３１】
また、空気発電システム１００の発電機５０は、交流発電機に限定されるものではなく、直流発電機であっても差し支えない。この場合には、直流電源装置７２を介さずに直接蓄電池７３に充電可能とすることもできる。交流電源が必要な場合には、ＤＣ−ＡＣインバータを使用しても差し支えない。
【符号の説明】
【０１３２】
１      空気エンジン
１０    シリンダ
１０ｅ  排気孔
１１    ピストン
１２    コンロッド
１４    カウンタウェイト
１５    シャフト
１６    スプロケット
２０    切替弁
２１    弁筒
２１ａ〜ｄ    通気孔
２２ａ〜ｄ    通気孔
２３    弁軸
２３ａ〜ｄ    通気孔
２４    コンロッド
２５    チェーン
２６    スプロケット
２７    コンロッド板
３１    圧縮ポンプ
３３    圧縮タンク
４１    真空ポンプ
４３    真空タンク
５０    発電機
６０    シャフト室
７０    切替弁駆動部
７２    直流電源装置
７３    蓄電池
１００  空気発電システム
１０１〜１０３  シリンダ
２０１〜２０３  切替弁
【図１】
2020056369.tif 000003
【図２】
2020056369.tif 000004
【図３】
2020056369.tif 000005
【図４】
2020056369.tif 000006
【図５】
2020056369.tif 000007
【図６】
2020056369.tif 000008
【図７】
2020056369.tif 000009
【図８】
2020056369.tif 000010
【図９】
2020056369.tif 000011
【図１０】
2020056369.tif 000012
【図１１】
2020056369.tif 000013
【図１２】
2020056369.tif 000014
【図１３】
2020056369.tif 000015
【図１４】
2020056369.tif 000016
【図１５】
2020056369.tif 000017
【図１６】
2020056369.tif 000018
【図１７】
2020056369.tif 000019
【図１８】
2020056369.tif 000020
【図１９】
2020056369.tif 000021
【図２０】
2020056369.tif 000022
【図２１】
2020056369.tif 000023
【図２２】
2020056369.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月15日(2020.1.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う切替弁と、前記切替弁に接続されたシリンダと、前記切替弁により圧縮エアと真空エアを前記シリンダの室内にそれぞれ交互に注入方向を切り替えて注入又は吸気し、圧縮エアと真空エアの圧力差により往復運動するピストンと、当該ピストンの作動を伝達して前記切替弁を作動させる切替弁駆動部と、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換する機構と、を備え、
かつ、前記シリンダ室内に配設された前記圧縮エアを吸入する給気孔と、前記シリンダ室内の残留エアを真空エアに吸入する第一の排気孔と、前記シリンダの下部に配設された、前記ピストンが上死点から下降して少なくとも下死点到達時にシリンダ上室と外部空間を連通して大気中に前記シリンダ上室内の前記圧縮エアを排気し、前記ピストンの下死点通過後、当該連通を解消して前記圧縮エアの排気を停止する第二の排気孔と、を備え、
前記圧縮エアと大気との圧力差、及び前記大気と前記真空エアとの圧力差により前記ピストンを作動するよう構成したことを特徴とする空気エンジン。
【請求項２】
前記切替弁に接続された前記シリンダは、３気筒を備え、前記シリンダを、シャフト１５を中心に１２０度の角度で３方向に配設し、前記シャフトを中心に、カウンタウェイト、３本のコンロッドを収納する断面略円形のシャフト室を配設し、さらにそれぞれの前記シリンダごとに前記切替弁駆動部により圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う前記切替弁を備えたことを特徴とする請求項１に記載の空気エンジン。
【請求項３】
前記第二の排気孔の上端の高さｈは、前記ピストンが上死点から下降して前記シリンダ上室と外部空間を連通して大気中に前記シリンダ上室内の前記圧縮エアの排気を開始し、前記ピストンが下死点通過後、当該連通を解消して前記圧縮エアの排気を停止するまでの当該連通区間となるタイミングダイヤグラムにおける下死点を挟む左右の角度をγ、前記ピストンのストロークをＨとしたときに、ｈ＝（Ｈ／２）（１−ｃｏｓγ）であるように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の空気エンジン。
【請求項４】
前記切替弁は、長手方向に直交する通気孔を有する略筒状の弁筒と、前記弁筒に摺動可能に挿通された長手方向に直交する通気孔を有する弁軸と、からなり、前記切替弁駆動部により前記弁軸を長手方向に往復運動させることにより前記弁筒の通気孔と前記弁軸の通気孔とを所定の時間連通させるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の空気エンジン。
【請求項５】
前記切替弁は、長手方向に直交する通気孔を有する略筒状の弁筒と、前記弁筒に回転可能に挿通された長手方向に直交する通気孔を有する弁軸と、からなり、前記切替弁駆動部により前記弁軸の軸を中心に回転運動させることにより前記弁筒の通気孔と前記弁軸の通気孔とを所定の時間連通させるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の空気エンジン。
【請求項６】
前記切替弁は、弁筒の通気孔よりも弁軸の通気孔を大きく形成したこと、又は前記弁軸の通気孔よりも前記弁筒の通気孔を大きく形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の空気エンジン。
【請求項７】
前記切替弁駆動部は、圧縮エアの注入及び真空エアによる吸入開始タイミングを前記ピストンの位置に対応して調整可能に構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の空気エンジン。
【請求項８】
圧縮エアを生成する圧縮ポンプと、前記生成された圧縮エアを蓄える圧縮タンクと、真空エアを生成する真空ポンプと、前記生成された真空エアを蓄える真空タンクと、前記圧縮タンクの圧縮エアと大気との圧力差、及び前記真空タンクの真空エアと大気との圧力差により作動する請求項１乃至請求項３に記載の空気エンジンと、当該空気エンジンにより発電する発電機とからなり、さらに発電した電力を直流に変換する直流電源装置と、直流電力を充電する蓄電池と、を備えることを可能に構成したことを特徴とする空気発電システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係る空気エンジンは、圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う切替弁と、前記切替弁に接続されたシリンダと、前記切替弁により圧縮エアと真空エアを前記シリンダの室内にそれぞれ交互に注入方向を切り替えて注入又は吸気し、圧縮エアと真空エアの圧力差により往復運動するピストンと、当該ピストンの作動を伝達して前記切替弁を作動させる切替弁駆動部と、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換する機構と、を備え、
かつ、前記シリンダ室内に配設された前記圧縮エアを吸入する給気孔と、前記シリンダ室内の残留エアを真空エアに吸入する第一の排気孔と、前記シリンダの下部に配設された、前記ピストンが上死点から下降して少なくとも下死点到達時にシリンダ上室と外部空間を連通して大気中に前記シリンダ上室内の前記圧縮エアを排気し、前記ピストンの下死点通過後、当該連通を解消して前記圧縮エアの排気を停止する第二の排気孔と、を備え、
前記圧縮エアと大気との圧力差、及び前記大気と前記真空エアとの圧力差により前記ピストンを作動するよう構成したことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、前記切替弁に接続された前記シリンダは、３気筒を備え、前記シリンダを、シャフト１５を中心に１２０度の角度で３方向に配設し、前記シャフトを中心に、カウンタウェイト、３本のコンロッドを収納する断面略円形のシャフト室を配設し、さらにそれぞれの前記シリンダごとに前記切替弁駆動部により圧縮エア及び真空エアの連通状態の切り替えを行う前記切替弁を備えたことを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、前記第二の排気孔の上端の高さｈは、前記ピストンが上死点から下降して前記シリンダ上室と外部空間を連通して大気中に前記シリンダ上室内の前記圧縮エアの排気を開始し、前記ピストンが下死点通過後、当該連通を解消して前記圧縮エアの排気を停止するまでの当該連通区間となるタイミングダイヤグラムにおける下死点を挟む左右の角度をγ、前記ピストンのストロークをＨとしたときに、ｈ＝（Ｈ／２）（１−ｃｏｓγ）であるように構成したことを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、前記切替弁は、長手方向に直交する通気孔を有する略筒状の弁筒と、前記弁筒に摺動可能に挿通された長手方向に直交する通気孔を有する弁軸と、からなり、前記切替弁駆動部により前記弁軸を長手方向に往復運動させることにより前記弁筒の通気孔と前記弁軸の通気孔とを所定の時間連通させるよう構成したことを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、前記切替弁は、長手方向に直交する通気孔を有する略筒状の弁筒と、前記弁筒に回転可能に挿通された長手方向に直交する通気孔を有する弁軸と、からなり、前記切替弁駆動部により前記弁軸の軸を中心に回転運動させることにより前記弁筒の通気孔と前記弁軸の通気孔とを所定の時間連通させるよう構成したことを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、前記切替弁は、弁筒の通気孔よりも弁軸の通気孔を大きく形成したこと、又は前記弁軸の通気孔よりも前記弁筒の通気孔を大きく形成したことを特徴とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、前記切替弁駆動部は、圧縮エアの注入及び真空エアによる吸入開始タイミングを前記ピストンの位置に対応して調整可能に構成したことを特徴とする。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、本発明に係る空気発電システムは、圧縮エアを生成する圧縮ポンプと、前記生成された圧縮エアを蓄える圧縮タンクと、真空エアを生成する真空ポンプと、前記生成された真空エアを蓄える真空タンクと、前記圧縮タンクの圧縮エアと大気との圧力差、及び前記真空タンクの真空エアと大気との圧力差により作動する請求項１乃至請求項３に記載の空気エンジンと、当該空気エンジンにより発電する発電機とからなり、さらに発電した電力を直流に変換する直流電源装置と、直流電力を充電する蓄電池と、を備えることを可能に構成したことを可能に構成したことを特徴とする。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
請求項１の発明によれば、圧縮エアと、真空エアをシリンダ内に注入し、両者と大気との圧力差を利用してピストンを往復作動させるために、構造が簡単で、かつ、確実に動作する切替弁を有する空気エンジンを提供することができ、従来技術の問題点を悉く解消することができる。
また、切替弁はシリンダのヘッド上に載置する必要はなく、切替弁駆動部によりピストンの作動を伝達可能な範囲に配設することができ、レイアウトの自由度が高い。
また、本発明に係る空気エンジンは燃料を燃焼しないので、高温で有毒な排気ガスを放出することなく動力を発生するという効果を奏する。
また、前記シリンダの上室内に圧縮エアを注入する給気孔と、真空エアにより残留エアを吸入する第一の排気孔と、ピストンが上死点から下降して、少なくとも下死点到達時にシリンダ上室と外部空間を連通して大気中に前記シリンダ上室内の前記圧縮エアを排気し、前記ピストンの下死点通過後、当該連通を解消して前記圧縮エアの排気を停止する第二の排気孔と、を備えているため、上室内の残留エアの真空エアによる吸入量を削減し、ピストンの上昇作動を容易にする大きな効果を奏する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、請求項２の発明によれば、シャフトを中心にその周囲に３気筒のシリンダ及びコンロッドを配設することで、簡単な構造にすることができる。各シリンダにおいては給気孔と第一の排気孔の２つの配管で済む。また、それぞれのピストンが少なくとも下死点到達時にシリンダの下部側面に備えられた第二の排気孔がシリンダ上室と外部空間を連通してシリンダの上室内に注入された圧縮エアを一気に排気するため、上室内の残留エアの真空タンクへの吸入量を削減し、シャフト室内の大気圧と真空エアの圧力差によりピストンの上昇作動を容易にするなどの大きな効果を奏する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また、請求項３の発明によれば、下死点におけるピストンの上面と、上死点におけるピストンの上面との距離、すなわちエンジンのストロークをＨとし、下死点におけるピストンの上面と、ピストン１１が上昇を開始して前記第二の排気孔を閉じるまでの距離、すなわち、当該第二の排気孔の上端の高さをｈとすると、ｈ＝（Ｈ／２）（１−cosγ）となる。この式から、γ＝cos−１（１−２ｈ／Ｈ）となって、前記シリンダ上室と外部空間を連通する区間である前記切替弁のタイミングダイヤグラムにおける下死点を挟む左右の角度γを求めることができる。
この結果、前記第二の排気孔の位置、孔径及び角度γは、上記式に基づき最適な値に設定することができる。なお、排気時間は多くを要しないため、前記第二の排気孔の上端の高さｈは、できるだけ低い方が望ましい。このため、開口部を扁平にするとさらに効果を得ることができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
また、請求項４の発明によれば、前記切替弁は、弁筒と弁軸とから構成され、前記切替弁駆動部により弁軸が摺動駆動されるため、簡単な構造にすることができ、前記切替弁は、シリンダのヘッド上に直接載置する必要はなく、前記切替弁駆動部により各ピストンの作動を伝達可能な範囲に配設することができ、レイアウトの自由度が高い、などの大きな効果を奏する。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
また、請求項５の発明によれば、前記切替弁は、弁筒と弁軸とから構成され、前記切替弁駆動部により駆動されるため、簡単な構造にすることができ、前記切替弁は、シリンダのヘッド上に直接載置する必要はなく、前記切替弁駆動部により各ピストンの作動を伝達可能な範囲に配設することができ、レイアウトの自由度が高い。また、前記切替弁は、弁軸の回転運動によって弁の切り替えを行うため、弁軸が長手方向に伸張収縮することはなく、設置スペースを少なくできる、などの大きな効果を奏する。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
また、請求項６の発明によれば、前記切替弁は、弁筒の通気孔よりも弁軸の通気孔を大きくし、又は前記弁軸の通気孔よりも前記弁筒の通気孔を大きく形成することにより、簡単な構造で通気孔の連通状態の持続時間を調整することができ、空気エンジンの出力を調整することができる、などの大きな効果を奏する。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
また、請求項７の発明によれば、前記切替弁駆動部は、圧縮エアの注入及び真空エアによる吸入の開始タイミングを前記ピストンの位置に対応して調整可能に構成したことにより、圧縮エアの注入や真空エアによる吸入を行ったときに、シャフトに対して最も大きな回転トルクを与えることができるよう調整することができる効果を奏する。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
また、請求項８の発明によれば、本空気発電システムは、夜間などの余剰電力を利用して圧縮ポンプにより生成した圧縮エアと大気との圧力差、及び真空ポンプにより生成した真空エアと大気との圧力差を利用して作動する前記空気エンジンを用いているために、構造が簡単で、かつ、確実に動作し、従来技術の問題点を悉く解消することができる。また、本空気発電システムは燃料を燃焼しないので、高温で有毒な排気ガスを放出することなく発電することができるという効果を奏する。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０９】
シリンダ１０１のピストン１１が、圧縮エアの注入によりさらに下降を続けると、切替弁２０１の通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａは連通状態を解消し、シリンダ１０１の上室内への圧縮エアの注入を停止する。しかし、図１９（ｃ）に示すように、注入された圧縮エアの膨張及びカウンタウェイト１４の慣性力によりピストン１１を押し下げる。一方、通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂの連通状態が形成されていないため真空エアによる吸入は行われない。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１１】
また、シリンダ１０１のピストン１１が下死点に到達する前に、シリンダ１０１の下部側面に備えられた排気孔１０ｅが、シリンダ１０１の上室側で開口し、シリンダ１０１の上室内に注入された圧縮エアを一気に大気中に排気する。これにより、上室内の残留エアの真空エアによる吸入量を削減し、ピストン１１の上昇作動を容易にする。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１２】
シリンダ１０１のピストン１１が下死点を通過して、カウンタウェイト１４の慣性力により上昇を始めたときは、図１９（ｅ）に示すように、ピストン１１の上昇により、シリンダ１０１の上室側の排気を行った排気孔１０ｅは閉じる。そして、切替弁２０１の通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂは連通状態を形成し、排気孔１０ｂからシリンダ１０１の上室内の残留エアを真空エアにより吸入する。このため、ピストン１１を押し上げる。一方、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａの連通状態が形成されていないため圧縮エアの注入は行われない。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１３】
シリンダ１０１のピストン１１が、真空エアの吸入によりさらに上昇を続けると、切替弁２０１の通気孔２１ｂ、２３ｂ、２２ｂは連通状態を解消し、シリンダ１０１の上室内の残留エアを真空エアによる吸入を停止する。しかし、図１９（ｆ）に示すように、シリンダ１０１の上室内の気圧の低下による残留エアの収縮、及びカウンタウェイト１４の慣性力によりピストン１１を押し上げる。一方、通気孔２１ａ、２３ａ、２２ａの連通状態が形成されていないため圧縮エアの注入は行われない。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２０】
本発明の第三の実施の形態に係る空気エンジン１は、以上のように構成されているために、シャフト室６０内にシャフト１５を中心としてカウンタウェイト１４、コンロッド１２を収納することができ、構造を簡単にすることができる。切替弁２０１乃至２０３はシリンダ１０１乃至１０３の各ヘッド上に直接載置する必要はなく、チェーン２５によりスプロケット２６に力を伝達可能な範囲であれば、どこにでも配設することができるためレイアウトの自由度が高い。また、各シリンダにおいては給気孔１０ａと排気孔１０ｂの２つの配管で済む。さらに、ピストン１１が下死点に到達すると、シリンダ１０１乃至１０３の下部側面に備えられた排気孔１０ｅが開口し、シリンダ１０１乃至１０３のいずれかの上室内に注入された圧縮エアを大気中に一気に排気するため、上室内の残留エアの真空エアによる吸入量を削減し、ピストン１１の上昇作動を容易にする。などの大きな効果を奏する。