(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中で回転可能な回転体を有し、上記回転体の周方向に複数個の浮力室を設け、上記複数個の浮力室の容積の変化に伴って回転体を回転させる浮力式回転装置であって、
回転体は、回転軸の周囲に設けたエアタンクと、上記エアタンクの半径方向外方に設けられた容積変化が可能な複数個の浮力室と、一端は上記エアタンクに他端は複数個の浮力室にそれぞれが通じている複数個の吸排気路とから成る一定容量の密閉気室を有し、
複数個の浮力室はそれぞれ開閉体を有する袋状であり、上記開閉体はそれぞれ回転方向前端部にて回転体の外周に軸支され、外方から加圧されて内方へ移動可能な開閉面を有し、
上記開閉体の開閉面を回転体の回転に伴い加圧し、開閉体の容積変化に伴う浮力変化によって回転トルクを生じさせるために、回転体の外周面にほぼ沿って配置したガイド部材から成る加圧機構を配置した構成を有し、
上記回転体は、その外周を密閉的に囲んでいる回転胴を有し、回転胴の内外は小穴によってのみ水流が出入可能に構成されている
浮力式回転装置。
【請求項２】
ガイド部材から成る加圧機構は、全体として一体の構造を有しており、かつ、全体が回転体の回転軸を中心として回転可能に設けられ、加圧機構の回転位置によって浮力室の容積を変化させ、それによって回転体の始動、速度制御及び停止のタイミングを調節可能に構成されている
請求項１記載の浮力式回転装置。
【請求項３】
回転体は、エアタンクと開閉袋を通じている複数個の吸排気路の間に位置する区画部を有しており、上記区画部はフライホイール部として機能する
請求項１記載の浮力式回転装置。
【請求項４】
回転体を複数個備えており、それら複数個の回転体は、同一の回転軸に隣接して設けられるとともに、それぞれの浮力室の位置を回転方向にずらせて配置されている
請求項１ないし３の何れかに記載の浮力式回転装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中で回転可能な回転体を有し、上記回転体の周方向に複数個の浮力室を設け、上記複数個の浮力室の容積の変化に伴って回転体を回転させる浮力式回転装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力は、そのもの自体について見ればクリーンなエネルギーであり、あらゆる装置やシステムに使用されている。それ故、事故や災害による供給不安定という事態を想定して発電態勢を整備し、いざというときに備えようとする企業や家庭も少なくないが、発電において検討を要するのは方式である。燃料を必要とせず、排気ガスも出さないクリーンなエネルギー源は水力、風力、太陽光等の自然エネルギーであるが、その利用可能な勢力は変化し易いものである。一定の勢力を確保し易いエネルギー源として浮力に注目すると、幾つかの先行技術が見出されている。例えば、特開２０００−１３０３１１号の発明は、水中に沈めた複数個の浮力体が水中にあるときに外部から空気を送給し、水面近くに浮上したときに空気を排出させ、浮力差により無端ベルトを回転させる方式を取る。この方式では浮力体に対して空気の送給と排出を管理する制御機構が必要である。
【０００３】
また、特開平１１−３７０３５号は、環状レール及びそれに係合している回転ハブから成る液体浸漬の回転出力発生装置において、環状レールは出力軸及び出力軸から放射状に延びているベローズに取り付けられたスポークから成り、容積が増大し浮力が増大したベローズが液体中を上昇しようとする力によりスポークが回転するという発明である。この構成の場合、ベローズが環状レールを擦って摩擦抵抗を生じ、また、出力軸の位置が回転して一定位置にないので出力の取り出し機構に工夫が必要であり、さらに、端部ロッドが中心ロッド内をスライドし、浮力が増大したときにスポークが最大に伸張するため、スポークに大きな曲げ応力が掛かるという問題が起こると思われる。
【０００４】
このような状況であるが、浮力には、水槽となるものさえあれば利用可能であり、エアタンクの容量に比例した回転力が得られるという利点がある。本件の発明者は上記の利点を生かした装置を開発することにより、浮力は、回転動力を持続的に得るための大きな補助になることに着目して開発を行ってきた。その結果、ピストンシリンダー機構のような構成により浮力を調整して回転体を駆動し、定常的な回転動力を得る回転動力装置の発明を創作するに至った。しかし、上記の装置はピストンを使用するためシリンダーとの間に摺動を生じ、それによる摩擦が回転力の抵抗となるとともに、軽量に形成された中空ピストンの浮力により、大きな利得が得られないという問題のあることが明らかになった。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１３０３１１号
【特許文献２】特開平１１−３７０３５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前記の点に経緯に基づいてなされたもので、その課題は、ピストンシリンダー装置におけるような摩擦抵抗を殆ど伴わずに浮力を利用して回転体を駆動し、定常的な回転動力を得ることが可能な回転動力装置を提供することである。また、本発明の他の課題は、大規模な設備を必要とせず、特に、少ない摩擦抵抗で回転体の回転を可能とすることで、高い効率を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題を解決するため、本発明は、水中で回転可能な回転体を有し、上記回転体の周方向に複数個の浮力室を設け、上記複数個の浮力室の容積の変化に伴って回転体を回転させる浮力式回転装置として、回転体は、回転軸の周囲に設けたエアタンクと、上記エアタンクの半径方向外方に設けられた容積変化が可能な複数個の浮力室と、一端は上記エアタンクに他端は複数個の浮力室にそれぞれが通じている複数個の吸排気路とから成る一定容量の密閉気室を有し、複数個の浮力室はそれぞれ開閉体を有する袋状であり、上記開閉体はそれぞれ回転方向前端部にて回転体の外周に軸支され、外方から加圧されて内方へ移動可能な開閉面を有し、上記開閉体の開閉面を回転体の回転に伴い加圧し、開閉体の容積変化に伴う浮力変化によって回転トルクを生じさせるために、回転体の外周面にほぼ沿って配置したガイド部材から成る加圧機構を配置した構成を有し、上記回転体は、その外周を密閉的に囲んでいる回転胴を有し、回転胴の内外は小穴によってのみ水流が出入可能に構成されているものとするという手段を講じたものである。
【０００８】
本発明の装置は水中で回転可能な回転体を有し、上記回転体に複数個の浮力室を設け、上記複数個の浮力室の容積の変化に伴って回転体を回転させるものである。浮力を利用して回転体を駆動し、定常的な回転動力を得るために、浮力を利用する環境として水槽を使用することができる。しかしながら、本発明は使用する水中環境を選ぶものではなく、本発明の装置のために水槽を新設することも基本的には必要ではない。例えば、浴槽や防火水槽、水泳用プール等も本発明における水槽として利用可能である。また、河川の水中や湖水中、海水中に本発明の装置を設置することも可能であり、その場合は静水化して使用することが望ましい。
【０００９】
本発明の装置は、回転体は、回転軸の周囲に設けたエアタンクと、上記エアタンクの半径方向外方に設けられた容積変化が可能な複数個の浮力室と、一端は上記エアタンクに他端は複数個の浮力室にそれぞれが通じている複数個の吸排気路とから成る一定容量の密閉気室を有している。エアタンクは回転軸の周囲であるから中心に近く、また、浮力室は中心から離れた位置にある。上記エアタンク、浮力室及びこれらを通じる吸排気路は空気で満たされており、かつ、密閉系を構成しているので、ある浮力室の容積が減少すれば他の浮力室の容積が増大する、回転体における容積の減少側は沈む方の側とし、容積の増大側は浮かぶ方の側とすることで、一定方向の回転力が得られる。
【００１０】
上記複数個の浮力室はそれぞれ開閉体を有する袋状であり、上記開閉体はそれぞれ回転方向前端部にて回転体の外周に軸支され、外方から加圧されて内方へ移動可能な開閉面を有している。浮力室は、膨らんで空気を入れるようになったもの、つまり、袋状であり、吸排気路は袋口に当たる。上記開閉体の開閉面を回転体の回転に伴い加圧し、開閉体の容積変化に伴う浮力変化によって回転トルクを生じさせるために、回転体の外周面にほぼ沿って配置したガイド部材から成る加圧機構を配置した構成を有する。即ち、浮力室の容積は、外力で開閉体が加圧されることによって減少するのが一般的である。しかし、この容積変化を増大方向とすることもできないわけではない。
【００１１】
ガイド部材としては、例えば、多数のローラー類から成るものが適しているであろう。ボール状又はロール状のガイド部材であれば、転がり摩擦を生じるだけであるから、ピストンシリンダー装置のような滑り摩擦と比較して著しく小さい抵抗力を受けるに止まる。かくして、ガイド部材は、浮力室の開閉面に対して、点接触又は線接触により接触し、極めて低い抵抗の下に回転体の回転を持続させる。
【００１２】
上記ガイド部材から成る加圧機構は、全体として一体の構造を有しており、かつ、全体が回転体の回転軸を中心として回転可能に設けられ、加圧機構の回転位置によって浮力室の容積を変化させ、それによって回転体の始動、速度制御及び停止のタイミングを調節可能に構成される。すなわち、加圧機構の位置を前記のように、回転体における容積の減少側は沈む方の側とし、容積の増大側は浮かぶ方の側とすることで、一定方向の回転力が得られ、逆に容積の増大側を沈む方の側とし、容積の減少側は浮かぶ方の側に配置することで回転にブレーキをかけることができる。
【００１３】
また、本発明における回転体は、エアタンクと開閉袋を通じている複数個の吸排気路の間に位置する区画部を有しており、上記区画部はフライホイール部として機能するように構成することが望ましい。これによって、回転体の獲得した回転トルクをより有効に利用することができる。また、回転体は、その外周を密閉的に囲んでいる回転胴を有し、回転胴の内外は小穴によってのみ水流が出入可能に構成されていることが望ましい。
【００１４】
回転体を複数個備えており、それら複数個の回転体は、同一の回転軸に隣接して設けられるとともに、それぞれの浮力室の位置を回転方向にずらせて配置されているという構成をとることができる。これにより、ムラの少ない回転動力を得ることができる。なお、本発明の浮力式回転装置は、運転開始時に回転体を駆動する外力を必要とし、この外力はブレーキをかけた後、再度回転数を上げる際などにも使用される。また、本発明の装置で取り出された安定な高トルク回転力は、発電機などの駆動に利用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上のように、袋状の開閉体を加圧機構により加圧して回転体を駆動するものであり、ピストンシリンダー装置におけるような摩擦抵抗を殆ど伴わずに定常的な回転動力を得ることが可能になる。また、本発明によれば、大規模な設備を必要とせず、特に、少ない摩擦抵抗で回転体の回転を可能とすることで、高い効率を得ることができる。従って、本発明によれば、運転開始時に回転体を駆動した後では浮力による高トルク回転力を得ることができるので、不安定な自然エネルギーに頼ることなく、安定な自家発電を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下図示の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図１は本発明に係る浮力式回転装置１０の一例を示す正面図であり、各図中１１は水槽、１２は水槽上部に配置した給水部、１３は水槽下部に配置した排水部を示しており、夫々がハンドル１２ａ、１３ａを有している。１４は水量計を示しており、水槽１１の内部に満たされている水Ｗの量を表示する。図示の装置１０は、回転体１５を取り囲む大きさと形状を有する円筒状の回転胴１６を具備しており、従って、上記回転体１５は回転胴の内部にて自由回転可能に構成されている。
【００１７】
上記回転体１５は、水槽１１に設けた、軸受１１ａ、１１ｂにより軸承する主軸１７を回転軸として、回転可能に設置されている。主軸１７は水槽内にて横方向に設置され、この主軸１７の周囲に円筒型のエアタンク１８が同心円上に設けられている。さらに、回転体１５は上記エアタンク１８の半径方向外方に設けられた容積変化が可能な複数個の浮力室２０と、一端は上記エアタンク１８に他端は複数個の浮力室２０にそれぞれが通じている複数個の吸排気路１９とを有している。そして、これらエアタンク１８、吸排気路１９及び浮力室２０は一定容量の密閉気室を構成している。
【００１８】
即ち、浮力室２０は、それぞれが開閉体２１を有する袋状であり、上記開閉体２１はそれぞれ回転方向前端部にて回転体の外周に支軸２２によって軸支され、外方から加圧されて内方へ移動可能な開閉面２３を有している。図示の例において、浮力室２０は空気の流入流出によって膨張、収縮を繰り返す袋状の一種のフイゴ（鞴）のようなものであり、開閉面２３は収縮のための加圧力を受け止める部分として剛体構造を有しており、主軸１７に対して一定半径の円周上に位置する円弧状の部材として形成されている。
【００１９】
上記回転体１５は、エアタンク１８と開閉袋２０を通じている複数個の吸排気路１９の間に位置する区画部１９ａを有しており、上記区画部１９ａは慣性能力を高めるフライホイール部として機能する。そのため、上記区画部１９ａは、軽量な樹脂など空気を全く或いは余り含まない物質で満たされるべきである。また、区画部１９ａの容積から浮力を算定し、これとつり合う質量のウエイトを区画部１９ａに適用することにより、浮力による影響を相殺することができるであろう。回転体１５を構成するエアタンク１８、浮力室２０などは主軸１７と一体に回転する。
【００２０】
さらに、本発明の装置１０は、上記開閉体２１の開閉面２３を回転体１５の回転に伴い加圧し、開閉体２１の容積変化に伴う浮力変化によって回転トルクを生じさせるために、回転体１５の外周面にほぼ沿って配置したガイド部材２４から成る加圧機構２５を配置した構成を有している。図示の例におけるガイド部材２４は、主軸１７に対して一定半径の円周上に位置するように、前記開閉面２３に接触する位置に配置された多数のロールから成る。また、上記加圧機構２５は、多数のガイド部材２４を上記の如く円周上に配列した扇形の基板２６を有している。基板２６は扇の要に当たる部分が主軸１７に位置し、その主軸１７を中心として回転させ、位置を調節することができる。
【００２１】
即ち、図示の例におけるガイド部材２４から成る加圧機構２５は、主軸１７上に設置された一対の基板２６、２６に設けられ、全体として一体の構造を有しており、かつ、全体が回転体１５の回転軸（主軸１７）を中心として回転可能に設けられ、加圧機構２５の回転位置によって浮力室２０の容積を変化させ、それによって回転体１５の始動、速度制御及び停止のタイミングを調節することができる。上記タイミングの調節は、主軸周りに回転可能に設けた基板２６の位置を移動させて行われ、上記調節のための移動手段２７はギヤ２７ａ、２７ｂとともに槽外の位置に設けられている。符号２４ａは始点ロールを示しており、他のガイド部材２４から成るロール列の円周よりも外方に位置して、円弧状の開閉面２３が無理なく上記ロール列に誘導されるように設けられている。２４ｂはロール軸で、ガイド部材２４を３列に配置している。
【００２２】
本発明の装置１０における上記回転胴１６は、回転体１５とは独立して自由回転可能に主軸１７に軸支されている。２８、２９は回転胴軸受であり、回転体１５の前後両側にて主軸１７に対して回転可能に軸承されている。回転胴１６は、回転体１５の回転に伴って水中に生じる渦流の影響が、一定の内部空間に限られるように、回転体１５の外周を密閉的に囲んでいるもので、回転胴１６の内外は小穴１６ａによってのみ水流が出入可能な構成である。また、回転体１５の回転とともに水流を回転方向に誘発するために、内周面には範円筒状断面形状を有する多数のフィン２８ａ、２９ａが放射方向に設けられている。また、回転胴１６は上記フィンと同じ目的で、その内面に多数の突部３０が等間隔に設けられている。
【００２３】
なお、上記移動手段２７は回転装置１０の重要な制御手段でもあり、加圧機構２５を回転させることで、回転体１５を正方向に回転させる浮力の開始位置を変え、作用位置を調節することができる。また、浮力の作用位置の調節により、回転体１５を減速ないしは停止させることも可能である。
【００２４】
上記主軸１７には、主軸１７との動力伝達を接・断可能に、回転体１５の回転出力を取り出す回転出力機構が取り付けられている。上記回転出力機構は、主軸１７に対する従動軸であり、外力を伝達する起動軸でもある回転軸３７にそれぞれ取り付けた主軸側のプーリー３１、それと伝達ベルト３２を介して結合された従動側のプーリー３３、同じくプーリー３４、３５、３６及びそれぞれを結合する伝達ベルトから成る。その内の小径側のプーリー３４には前記移動手段２７のハンドル３７ａが設けられ、また、プーリー３６は、起動用モーター３８の回転軸に、回転方向を指定可能なクラッチ３６ａを介して結合されている。また、他方のプーリー３５は、発電機３９の回転軸に結合されている。上記起動用モーター３８としてはＡＣ／ＤＣギヤードモーター、また、発電機３９としてはインバーターモーターを具備している。
【００２５】
図中、４０は計器盤を示している。上記計器盤４０の、左列には上から起動用モーター３８の回転計、回転体１５の回転計、発電機の回転計、付属するバッテリーの電圧計が設けられ、右列には上から起動用モーターの電流計、発電機３９の発電量を示す電流計、自家電力消費量を示す電流計、販売出力を示す電流計が夫々設けられている。
【００２６】
このように構成されている本発明の装置１０の作用を次に説明する。水槽１１に水Ｗを満たした状態において、回転体１５を構成する浮力室２０は、図１において、最下位に位置する浮力室を２０（Ｓ）とし、最上位に位置するものを２０（Ｅ）とし、図中時計回りに回転するものとする。通常の正方向運転の場合、エアタンク１８の容積を制御する加圧機構２５は、上記浮力室２０（Ｅ）が最上位の位置をやや過ぎた位置に始点ロール２４ａが位置するように配置すると、浮力室２０（Ｓ）は最下位の少し手前に位置するように配置される。
【００２７】
ここで、起動用モーター３８を作動させると、その回転力によって回転体１５が回転を開始し、その回転に伴い上記最上位に位置したもの２０（Ｅ）はその開閉面２３が始点ロール２４ａによって加圧され、さらにガイド部材２４のロールによって加圧されるのに伴って容積を減少させ、それと同時に、最下位の直前に位置した浮力室２０（Ｓ）は、その開閉面２３が、ガイド部材２４のロールから離れることによって容積を増大させ、このようにして浮力の移動が順次起こることで、強力なトルクによる回転運動が発生する。装置１０の始動は、モーター３８によらなくても可能であるが、浮力の移動による回転を惹起する操作は必ず必要であり、このようにして浮力に変化を順次生じ、浮力の移動或いは沈む側と浮かぶ側の浮力の差に基づく継続的な回転力を得ることができる。
【００２８】
即ち、浮力室２０（Ｓ）が上死点を過ぎると内容積が収縮し、それに伴い浮力が減少する。浮力が減少することで浮力室２０は水中に沈み易くなり、この状態は上記浮力室２０が加圧機構２５の下死点側（Ｅ）から離脱するまで継続する。上記浮力室２０が加圧機構２５から脱すると、浮力室２０が膨張し始めるので浮力は回復の方向に転じる。この収縮側の容積変化と膨張側の容積変化は、回転体内部が一定容量の密閉気室を構成しているので、常に収縮と膨張が対応した量の下で行われる。本発明の回転装置１０は、時計回り又は反時計回りのどちらの方向にも作動させることができるが、図示の例の場合は時計周りに設定されている。
【００２９】
このようにして浮力を利用することにより回転体１５を駆動して得られた、定常的な回転力により発電機３９を駆動することができ、それによって発電された電力は、図示していない蓄電池の充電に利用することができる。また、所期の手動操作力に基づいて、浮力による回転は持続的に得られている間は、発電機３９によって発電された電力を前記回転動力機構３７の電源に利用することができる。回転体１５の回転は、その外周を取り囲んでいる回転胴１６の回転を誘発する。しかし、回転胴１６を設けないときは、回転体１５の回転に伴う水流の側方への流出が発生して円周方向の流れが減少し、利用可能な回転エネルギーが損なわれることになるが、回転胴１６は小穴１６ａによってのみ水流が出入可能になっているので、回転エネルギーを効率良く取り出すことができる。
【００３０】
本発明の回転装置１０では、回転体１５を複数個備え、それら複数個の回転体１５は、同一の回転軸（主軸１７）に隣接して設けられるとともに、それぞれの浮力室２０の位置を回転方向にずらせて配置するという構成を取ることができる。図１ないし図３の装置を単発機（或いは単ローター）とするならば、多発機（或いは多ローター）を構成することができるものである。図４に具体的に図示したように、それぞれの浮力室２０の位置を回転方向にずらせて配置することによって、浮力を発生ないしは喪失する浮力室２０が１個ごとではなくなり、１個の数分の１ずつ行われるので回転ムラの極めて少ない回転動力が得られるようになる。
【００３１】
図５は双発機（或いは双ローター）について、それぞれの浮力室２０の位置を回転方向にずらせて配置した例を示している。この例では、排気作業を隣接浮力室２０において交互に行うようにされており、例えば左の回転体１５Ｌの浮力室２０の圧縮と膨張の間に、右の回転体１５Ｒの浮力室２０の圧縮と膨張が行なわれる。この結果、単発機では間欠的な回転がよりスムーズに行なわれるようになるということが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る浮力式回転装置の一例を示す正面説明図である。
【図２】同上の装置の側面の断面を示す説明図である。
【図３】同上の装置に用いる回転胴の正面図である。
【図４】本発明に係る浮力式回転装置の他の例を示す正面説明図である。
【図５】図４の例をイメージとして説明したチャート図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０ 浮力式回転動力装置
１１ 水槽
１２ 給水部
１３ 排水部
１４ 水量計
１５ 回転体
１６ 回転胴
１７ 主軸
１８ エアタンク
１９ 吸排気路
２０ 浮力室
２１ 開閉体
２２ 支軸
２３ 開閉面
２４ ガイド部材
２５ 加圧機構
２６ 基盤
２７ 移動手段
２８、２９ 回転胴軸受
３０ 突部
３１ 主軸側プーリー
３２ 伝達ベルト
３３ 従動側プーリー
３８ 起動用モーター
３９ 発電機
４０ 計器盤
Ｗ 水
【図１】
0005511888.tif 000002
【図２】
0005511888.tif 000003
【図３】
0005511888.tif 000004
【図４】
0005511888.tif 000005
【図５】
0005511888.tif 000006