(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラック部を有する複数のピストンと、
前記複数のピストンが環状に列をなして移動するための軌道となる空洞部が形成されたブロックと、
前記ブロックの内部に収容され、前記ピストンのラック部と噛み合う歯車を備えた回転機構と、
前記ブロックの外部から前記空洞部へ流体を導入する流体導入路と、
前記空洞部から前記ブロックの外部へ流体を排出する流体排出路と、
を具備し、
前記ブロックにおいて前記空洞部を形成する壁が、
前記空洞部の幅を不連続に広くする段部と、
前記段部において広がった前記空洞部の幅を徐々に狭める傾斜部と、
を有し、
前記流体導入路が、前記段部による前記空洞部の幅広部へ流体を導入する、
エンジン。
【請求項２】
前記幅広部が始まる前記段部の手前の部分において、前記壁が前記ピストンと近接若しくは当接する、
請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記空洞部において列をなして移動する際に互いに接触する前記ピストンの側面の少なくとも一部が、前記空洞部による前記軌道に対して略垂直な平面を持つ、
請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記流体導入路が、前記段部に近い前記幅広部の一方の端部において流体を導入し、
前記流体排出路が、前記傾斜部の末端に近い前記幅広部の他方の端部において流体を排出する、
請求項２又は３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記回転機構が、前記ブロックに設けられた仕切壁を間に挟んで２か所に形成され、
前記空洞部が、前記回転機構及び前記仕切壁と前記ブロックの周囲に設けられた側壁との間に環状に形成される、
請求項２乃至４の何れか一項に記載のエンジン。
【請求項６】
前記段部が、前記ブロックの前記側壁の前記空洞部側に設けられ、
前記傾斜部が、前記仕切壁の外壁面に設けられた、
請求項２乃至５の何れか一項に記載のエンジン。
【請求項７】
２つの前記回転機構の間において前記ピストンを案内する前記空洞部の軌道の一部が蛇行しており、当該蛇行部分に前記幅広部が形成される、
請求項２乃至６の何れか一項に記載のエンジン。
【請求項８】
前記ブロックが、
下側ブロックと、
前記下側ブロックに積層された上側ブロックと、
を含み、
前記流体導入路及び前記流体排出路が前記上側ブロックに設けられている、
請求項１乃至７のいずれか１つに記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気、蒸気、油等の流体の圧力に基づいて動力を発生するエンジンに係り、例えば、流体の圧力を受けて複数のピストンが環状の軌道を周回することにより動力を発生するエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に蒸気機関は、シリンダへ高圧の蒸気を供給してピストンを直線運動させ、その直線運動をクランク機構によって回転運動に変換し、駆動軸を回転させる。また、クランク機構に設けられたフライホイールの慣性力によってピストンの直線運動の向きを逆転させ、シリンダから蒸気を排出する。
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の蒸気機関では、クランク機構においてピストンの進行方向を逆転する際にエネルギー損失が生じるため、直線運動を効率よく回転運動に変換できないという問題がある。また、シリンダより排出される蒸気を大気中へ放出すると、駆動軸の回転が脈動的になるという問題がある。更に、フライホイールによって装置の重量が増加するという問題や、クランク機構によって装置の構成が複雑になるという問題もある。
【０００４】
本願出願人は、上記の問題を解決すべく、下記の特許文献１，２においてダブルシリンダー型のエンジンを開示した。このエンジンでは、２つのシリンダの後室が連結パイプによって導通されており、両シリンダの前室には動作流体が交互に導入される。２つのシリンダの各ピストンが往復運動すると、これに連動して２つのラックが交互に往復運動し、当該２つのラックに噛み合う歯車が双方向に回転する。この双方向の回転運動が一方向の回転運動として駆動軸に伝達される。
【０００５】
上記の構成によれば、ピストンの運動方向を逆転する際の損失がクランク機構に比べて非常に小さくなる。また、一方のシリンダに導入される蒸気の圧力を利用して他方のシリンダから蒸気を排出するため、駆動軸の回転が脈動的になることを防止できる。更に、フライホイールやクランク機構が不要になるため、装置の軽量化と簡易化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８８６９９２号明細書
【特許文献２】特許第４０１９０９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで特許文献１，２に示される装置においても、基本的にはピストンの往復運動を利用するため、ピストンの運動方向が逆転する際に多少の損失が発生する。すなわち、ピストンから歯車へ伝達されなかった運動エネルギーが損失となる。
【０００８】
また、一般に、ピストンの往復によって動力を発生する装置では、ピストンの移動距離とシリンダの断面積との積に相当する体積の蒸気が１回の往復で消費される。蒸気の消費量を減らすためにシリンダの断面積を減らすと、ピストンを押す力が小さくなるため、蒸気から取り出される動力が小さくなる。ピストンを押す力を落とさずに蒸気の消費量を減らすことができれば、蒸気圧から動力への変換効率を高めることができる。
【０００９】
また、回転軸の周囲に、環状に連なって取り付けられている羽根に、蒸気を吹きつけて回転させる蒸気タービンがある。蒸気の流出方向と羽根の回転方向とが異なるため、蒸気の流出方向と羽根の面のなす角度は、直交（９０度）させることはできず、約４５度に傾斜させており、流体圧力の回転への変換効率は３０％以下に低下している。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、流体の圧力を効率良く運動エネルギーに変換できるエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るエンジンは、ラック部を有する複数のピストンと、前記複数のピストンが環状に列をなして移動するための軌道となる空洞部が形成されたブロックと、前記ブロックの内部に収容され、前記ピストンのラック部と噛み合う歯車を備えた回転機構と、前記ブロックの外部から前記空洞部へ流体を導入する流体導入路と、前記空洞部から前記ブロックの外部へ流体を排出する流体排出路とを具備する。前記ブロックにおいて前記空洞部を形成する壁は、前記空洞部の幅を不連続に広くする段部と、前記段部において広がった前記空洞部の幅を徐々に狭める傾斜部とを有する。前記流体導入路は、前記段部による前記空洞部の幅広部へ流体を導入する。
前記流体導入路より前記空洞部の前記幅広部に導入された流体は、前記段部の手前で不連続に幅が狭くなっている領域に比べて、前記傾斜部によって徐々に幅が狭まっている前記幅広部へより多く流れるため、流体の流れが一方向に偏る。この一方向に偏って流れる流体に押されることにより、前記ピストンの列が前記空洞部を一方向に移動し、前記回転機構の前記歯車を一方向に回転させる。
【００１２】
好適に、前記幅広部が始まる前記段部の手前の部分において、前記壁が前記ピストンと近接若しくは当接する。
これにより、前記段部によって不連続に幅が狭くなっている領域へ流れ込む流体が阻止されるので、流体の一方向への流れが強められる。
また、前記幅広部が終わる前記傾斜部の末端の部分において、前記壁が前記ピストンと近接若しくは当接するようにしてもよい。これにより、当該末端の部分に達したピストンによって受け止められる流体の圧力が高まる。
【００１３】
好適に、前記空洞部において列をなして移動する際に互いに接触する前記ピストンの側面の少なくとも一部が、前記空洞部による前記軌道に対して略垂直な平面を持つ。
これにより、流体の流れの方向と略垂直な前記平面において流体の圧力が受け止められるので、流体の圧力が効率よく前記ピストンの運動エネルギーに変換される。
【００１４】
好適に、前記流体導入路が、前記段部に近い前記幅広部の一方の端部において流体を導入し、前記流体排出路が、前記傾斜部の末端に近い前記幅広部の他方の端部において流体を排出する。
【００１５】
好適に、前記回転機構が、前記ブロックに設けられた仕切壁を間に挟んで２か所に形成され、前記空洞部が、前記回転機構及び前記仕切壁と前記ブロックの周囲に設けられた側壁との間に環状に形成される。
【００１６】
好適に、前記段部が、前記ブロックの前記側壁の前記空洞部側に設けられ、前記傾斜部が、前記仕切壁の外壁面に設けられる。
【００１７】
好適に、２つの前記回転機構の間において前記ピストンを案内する前記空洞部の軌道の一部が蛇行しており、当該蛇行部分に前記幅広部が形成される。
【００１８】
好適に、前記ブロックが、下側ブロックと、前記下側ブロックに積層された上側ブロックとを含み、前記流体導入路及び前記流体排出路が前記上側ブロックに設けられている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、流体の圧力によって複数のピストンが環状に列をなして移動するように構成されており、このピストン列の周回運動から動力が得られることから、ピストンの往復運動に伴う損失が発生しなくなり、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００２０】
また、本発明によれば、流体の圧力の方向とピストンの移動方向とが同一方向であり、ピストンの圧力を受ける面を流体の圧力方向に直交させることができ、よりエネルギー変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係るエンジンの構成の一例を示す図である。
【図２】本実施形態のエンジンに用いるピストンの斜視図である。
【図３】図１のエンジンからピストンを取り外した状態を示す図である。
【図４】図１に上側ブロックを取り付けた状態を説明する図である。
【図５】図４に示すエンジンの側面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は高圧流体の導入及び排出を説明するためのエンジンの要部断面図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は高圧流体の導入及び排出を説明するためのエンジンの要部上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態に係るエンジンについて、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るエンジンの構成の一例を示す図であり、エンジンの内部を図解するため後述する上側のブロック７を取り外してある。図２はピストン６の斜視図、図３はピストン６を組み込む前のエンジンの内部を説明する図である。本エンジンは、板状の下側ブロック１に回転可能に取り付けられた２つの歯車３ａ、４ａと回転軸３ｂ、４ｂからなる回転機構３，４と、複数のピストン６とを有する。
【００２３】
図３に示すように、金属製で板状の下側ブロック１には、内側の空洞部２の周囲を囲む側壁１ａが設けられている。側壁１ａの内部には、左右所定の間隔を隔てた２つの歯車３ａ、４ａが回転軸３ｂ，４ｂによって回転可能に収容されている。２つの歯車３ａ、４ａの径及び歯のピッチは同一であるが、ブロック１への取り付け位置は図面の上下方向にずれている。
【００２４】
２つの回転機構３，４の間には、下側ブロック１の底部から突出した仕切壁５が形成される。仕切壁５の回転機構３，４に対向する側は、それぞれ歯車３ａ，４ａの刃先に沿った円弧面５ａ、５ｂとなっている。また、仕切壁５の下側ブロック１の側壁１ａに対向する側には、それぞれ側壁１ａに平行な面からなる直線部５ｃと、側壁１ａに対して傾斜又は湾曲した面からなる傾斜部５ｄが設けられている。なお、仕切壁５の高さは側壁１ａの高さとほぼ同一寸法となっている。
【００２５】
下側ブロック１の空洞部２は、回転機構３，４及び仕切壁５の周囲を一定の間隔で囲んだ環状の空洞となっている。ただし、回転機構３，４をずらして取り付けているため、空洞部２の軌道の一部が蛇行している。空洞部２を取り囲む側壁１ａの内側（空洞部２側）の壁には、段部１ｂが設けられる。段部１ｂにおいて、空洞部２の幅が不連続に広くなる。この幅広部２ａは、空洞部２の軌道が蛇行した部分に形成される。段部１ｂから始まる幅広部２ａは、仕切壁５の傾斜部５ｄによって徐々に幅が狭くなっている。幅広部２ａが始まる段部１ｂの手前の部分では、空洞部２の幅が狭くなっており、側壁１ａの内側の壁がピストン６とほぼ隙間なく近接している。
下側ブロック１の四隅には、上側ブロック７をネジ止めするための貫通孔１ｃが設けられている。
【００２６】
図２に示すように、金属製の直方体状のピストン６は、一つの面に４つの突部からなるラック部６ａを有する。ラック部６ａの歯のピッチは回転機構３，４の歯車３ａ，４ａと同一で、両者が噛み合うように構成されている。
空洞部２において列をなして移動する際に互いに接触するピストン６の側面６ｃは、空洞部２によるピストン６の軌道に対してほぼ垂直な平面であり、流体の流れの方向に対してほぼ垂直になる。
【００２７】
ピストン６は、図１に示すように、下側ブロック１の環状の空洞部２に沿って複数個が列をなすように挿入される。個々のピストン６は分離していて繋がっていない。各ピストン６は空洞部２の幅と高さの寸法に対して僅かに小さく、ほぼ隙間なく収まる。回転機構３，４の歯車３ａ，４ａの周囲に挿入されたピストン６は、そのラック部６ａが歯車３ａ，４ａに噛み合わされる。従って、ピストン６の列が空洞部２を移動すると、ラック部６ａの噛み合いにより歯車３ａ，４ａが回転し、回転軸３ｂ，４ｂにおいて動力が取り出されることになる。
【００２８】
図４は、図１に示す下側ブロック１の上に板状の上側ブロック７を取り付けたもので、内部の構成部材の一部を破線で図示している。下側ブロック１の空洞部２の上部を上側ブロック７が覆うために、空洞部２はピストン６が通る筒状の軌道となり、且つ、この空洞部２の気密性が確保される。なお、上側ブロック７の四隅には、下側ブロック１にネジ止めするための貫通孔７ｃが設けられている。
【００２９】
図５は、図４のエンジンの側面図である。同図に示すように、上側ブロック１の表面からは回転機構３，４の回転軸３ｂ、４ｂが突出し、一方の回転軸３ｂは上側ブロック７により軸支される。他方の回転軸４ｂは更にブロック７から突出して、先端部に回転を伝達するためのリール８が固定されるようになっている。
【００３０】
また、矩形の上側ブロック７の一縁部側に２つの孔が形成される。一方が高圧流体を空洞部２へ導入するための流体導入路７ａ、他方が空洞部２から流体を排出するための流体排出路７ｂになっている。流体導入路７ａは下側ブロック１の側壁１ａの段部１ｂに近接して設けられ、流体導入路７ａから所定の距離だけ離れた位置に流体排出路７ｂが設けられている。特に図示していないが、流体導入路７ａに圧力源が装着され、高圧流体がブロック１，７の軌道内に導入された後、流体排出路７ｂから排出するようになっている。
【００３１】
次に、上述した構成を有するエンジンの動作を説明する。
図６（ａ）、（ｂ）及び図７（ａ）、（ｂ）は、高圧流体の導入・排出を説明するためのエンジンの要部断面図及び同要部上面図である。
【００３２】
図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、上側ブロック７の流体導入路７ａに高圧流体が導入されると、流体は下側ブロック１の段部１ｂ、側壁１ａの壁面及びピストン６のラック部６ａに対向する背面６ｂの隙間に充満する。図７（ａ）において、流体導入路７ａより導入された流体は右方向及び下方向では段部１ｂ及び側壁１ａの壁面で阻止され、且つ、上方向ではピストン６のラック部６ａが仕切壁５の直線部５ｃに当接するため、ピストン６の背面６ｂで完全に阻止される。従って、左方向にあるピストン６の側面６ｃを押圧することになる。その結果、流体は左側のピストン６を左方向に移動させながら流れ、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように流体が流体排出路７ｂに達したところで、外部に排出される。
【００３３】
流体が流体排出路７ｂから排出される際、次のピストン６は仕切壁５の傾斜部５ｄに沿って空洞部２の側壁１ａ側に案内される。すなわち、空洞部２の幅広部２ａに進入したピストン６は、傾斜部５ｄによって徐々に狭くなっていく幅広部２ａを移動するに従い、ピストン６の側面６ｃが流体の流れの方向と垂直となり、流体の押圧力を効果的に受け取ることになる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態に係るエンジンによれば、ブロック１，７内に複数のピストン６が環状に列をなして移動するように空洞部２の軌道が形成されており、この軌道上に、蒸気等の流体導入路７ａと流体排出路７ｂが形成されている。流体導入路７ａより空洞部２の幅広部２ａに導入された流体は、段部１ｂによって不連続に幅が狭くなっている領域に比べて、傾斜部５ｄによって徐々に幅が狭まっている幅広部２ａへより多く流れるため、流体の流れが一方向に偏る。この一方向に偏って流れる流体に押されることにより、ピストン６の列が空洞部２の中を一方向に移動し、回転機構３，４の歯車３ａ，４を一方向に回転させる。ピストン６とともに移動する流体は、下流側に設けられた流体排出路７ｂによってブロック１，７の内部から外部へ排出される。
従って、本実施形態に係るエンジンでは、環状の軌道におけるピストン６の周回運動に基づいて回転機構３，４の歯車３ａ，４ａを回転させることにより、ピストン６を往復運動させる従来のエンジンのように、ピストンの運動方向の逆転に伴う損失が全く発生しないため、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００３５】
また、本実施形態に係るエンジンでは、流体の導入と排出が行われるブロック１，７の内部を複数のピストン６が列をなして移動するため、１つのピストンのみがシリンダ内を移動する従来の方式に比べて、流体の消費量を大幅に減らすことができる。すなわち、１つのピストンのみを用いる方式では、ピストンをある距離だけ移動させるために、その移動距離とシリンダの断面積との積に相当する体積の流体が消費される。これに対し、複数のピストン６を用いる本発明の方式では、あるピストン６が移動した後の空間に後続のピストン６が次々と侵入するため、実質的に消費される流体は、ピストン６の移動距離と空洞部２の軌道の断面積との積に相当する体積と後続のピストン６の体積との差分だけになる。従って、本エンジンでは、従来方式のようにシリンダの断面積を小さくすることなく蒸気の消費量を減らせるため、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００３６】
また、本実施形態に係るエンジンでは、各ピストン６の移動方向と流体の流れの方向が常に同じで、ピストン６の圧力を受ける面（側面６ｃ）と流体の流れの方向とが直交しているので、流体の圧力をピストン６の運動エネルギーへ効率よく変換することができる。
【００３７】
また、本実施形態に係るエンジンでは、幅広部２aが始まる段部１ｂの手前の部分において、空洞部２を形成する壁（側壁１ａ）がピストン６とほぼ隙間なく近接する。これにより、段部１ｂの手前の領域へ流れ込む流体が効果的に阻止されるので、傾斜部５ｄによって徐々に狭まる幅広部２の側へ流体の流れの方向を集中させることができる。
【００３８】
また、本実施形態に係るエンジンでは、複数のピストン６を分離した状態で、個別にブロック１の環状の空洞部２に並べて取り付けるだけで、組み付けできるので、組立作業が容易である。
【００３９】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
【００４０】
図１に示すエンジンでは、直方体状のピストン６を用いて説明したが、空洞部２の軌道を円滑に移動するための形状、流体の圧力を効率的に受けるための形状をそれぞれ考慮した形状が考えられる。例えば、ラック部を除いた部分を円筒状にしても良い。
【００４１】
図１に示すエンジンでは、ブロック１における仕切壁５の傾斜部５ｄの一例として直線的に傾いた面を図示しているが、傾斜部５はピストン６をスムーズに案内できる形状であればよいので、例えば湾曲面などその他の適宜な形状であってもよい。
【００４２】
また、図５の例では、２つの回転機構３，４の一方は、エネルギー変換に用いていないが、他方と同様に回転軸３ｂを突出させて、エネルギー変換に用いてもよい。また、回転機構の数は任意であり、１個でも３個以上でもよい。
【００４３】
図４の例では、幅広部２ａが終わる傾斜部５ｄの末端の近くに流体排出路７ｂが設けられているが、流体排出路を更に下流側に設けてもよい。
【００４４】
以上、本発明の各種の実施形態を説明したが、本発明は上記の形態にのみ限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。
【００４５】
本発明は、蒸気、油などの高圧流体の圧力に基づいて回転運動を発生する装置に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１…下側ブロック、１ａ…側壁、１ｂ…段部、２…空洞部、２ａ…幅広部、３、４…回転機構、３ａ，４ａ…歯車、３ｂ、４ｂ…回転軸、５…仕切壁、５ｃ…直線部、５ｄ…傾斜部、６…ピストン、６ａ…ラック部、６ｃ…側面、７…上側ブロック、７ａ…流体導入路、７ｂ…流体排出路
【図１】
0005546382.tif 000002
【図２】
0005546382.tif 000003
【図３】
0005546382.tif 000004
【図４】
0005546382.tif 000005
【図５】
0005546382.tif 000006
【図６】
0005546382.tif 000007
【図７】
0005546382.tif 000008