(57)【要約】【課題】作動流体が有する駆動力を充分生かすことが可能な回転動力発生装置を得る。【解決手段】円筒形の内部空間３を備え、動力軸１を円筒軸芯に回転可能に支持する本体ハウジング２と、動力軸周りに設定される仕切り位相において、本体ハウジング外部９から動力軸１に向けて内部空間３に侵入して内部空間３を周方向で仕切る仕切り弁５とを備え、動力軸１の周方向で内部空間３を均等に分割する複数のブレード４を動力軸１から径方向に延出して備え、仕切り弁５と一の平板状ブレード４ｆとで、作動流体を内部空間３内に受け入れる作動室ｒ１を形成するとともに、仕切り弁５と他の平板状ブレード４ｂとで、作動後の作動流体を内部空間３から排出する排出室ｒ２を形成する構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧状態にある作動流体から駆動力を得て、回転駆動力を動力軸より取り出す回転駆動力発生装置であって、
円筒形の内部空間を備え、前記動力軸を円筒軸芯に回転可能に支持する本体ハウジングと、
前記動力軸周りに設定される仕切り位相において、本体ハウジング外部から前記動力軸に向けて前記内部空間に侵入して、前記内部空間を周方向で仕切る仕切り弁とを備え、
前記動力軸の周方向で前記内部空間を均等に分割する複数のブレードを、前記動力軸から径方向に延出して備え、前記ブレードが前記動力軸の長手方向に延びるブレードとして構成され、
前記仕切り弁と一の前記ブレードとで、前記作動流体を前記内部空間内に受け入れる作動室を形成するとともに、前記仕切り弁と他の前記ブレードとで、作動後の前記作動流体を前記内部空間から排出する排出室を形成する構成で、
前記動力軸の回転に伴って、前記ブレードが前記仕切り位相に到達する回転位相状態において、前記ブレードと前記仕切り弁との干渉を回避する干渉回避手段を設けた回転駆動力発生装置。
【請求項２】
前記動力軸の回転に同期して、前記動力軸に直交する回転軸周りに回転駆動される円盤状仕切り弁を備え、前記干渉回避手段として、前記回転位相状態において前記ブレードと前記仕切り弁との干渉を回避する干渉回避部を前記円盤状仕切り弁に備えた請求項１記載の回転駆動力発生装置。
【請求項３】
前記本体ハウジングが、前記動力軸の軸方向の異なった位置に配設される一対の円盤状端面部材と、前記一対の円盤状端面部材の外径部位を接続する筒状部材からなり、前記一対の円盤状端面部材及び前記筒状部材の前記仕切り位相に、前記仕切り弁の侵入を許容する侵入開口を備えた請求項１又は２記載の回転駆動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高圧状態にある作動流体から駆動力を得て、回転駆動力を動力軸より取り出す回転駆動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の回転駆動力発生装置としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の容積型往復動内燃機関に採用されるピストン・クランク機構を基本とするもの、ガスタービン、蒸気タービン等の回転動内燃機関に採用される、高速流体が発生する揚力を利用するものがある。これらの機関は、共に高圧状態にある作動流体を得て、作動流体が有する駆動力を回転駆動に変換する。
さらに、この種の機構として、所謂、ロータリーエンジンと呼ばれる回転式内燃機関を知られている。
【０００３】
一方、ベーン回転式の容積変化装置（特許文献１）が知られている。
この特許文献に記載のベーン回転式容積変化装置は、当該文献１に添付の明細書図１１に示すように、円筒形の本体ハウジング１の軸線方向両側にサイドハウジング２、３が配置されて、内部に収容空間４を有するハウジング５が形成され、ハウジング５の壁面に収容空間４と外部とに貫通する流入開口部６と流出開口部７が設けられ、収容空間４内にその内部を偏心して回転するロータ８が設けられ、ロータ８にその中心側から外周に向けて放射状に形成された二以上の溝９内にベーン１０が出入り自在に配置され、ロータ８が回転するとベーン１０の周面１０ａがハウジング５の内面に摺接して回転して収容空間４が二以上の区分空間１１に区分されると共に、夫々のベーン１０が夫々の溝９内を出入りして夫々の区分空間１１の容積が変化し、その回転に伴ってハウジング５の流入開口部６の流体が流出開口部７へと移送されるようにしたベーン回転式容積変化装置において、夫々のベーン１０に溝９内での出入りを案内する案内体１２が設けられ、ハウジング５内には案内体１２を案内する円形ガイド１３が設けられ、円形ガイド１３はベーン１０が本体ハウジング１の内周面に摺接するように案内体１２を案内可能なるように本体ハウジング１と同心円状に設けられてなることを特徴とする。
【特許文献１】特開平１０−０６８３０１（特許請求の範囲、図１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来型のガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の容積型往復動内燃機関は原理的に往復動のため、振動、騒音等が避けられず、高速化にも制約がある。また、狭い燃焼室で一瞬に燃焼させるため、均一に十分高温で制御された状態で燃焼させることが難しく、炭化水素、窒素酸化物等の不完全燃焼ガス、有害排出ガスの排出が避けられない。エネルギー変換効率も２０％程度と低い。
【０００５】
一方、ガスタービン、蒸気タービン等の回転動内燃機関は原理的に高圧燃焼ガス、高圧蒸気等をブレードに当てて、その揚力で回転機械力に変換するものであり、回転動のため動作はスムーズであるが、効率が悪く、このため段数を増やす等の効率化を図っている。原理的に扇風機と同じで、高速気体のエネルギーを逃がさざるを得ず、エネルキー変換効率は高々３０％程度である。
【０００６】
また、振動、効率等の往復動内燃機関の欠点を解決するために先に説明したロータリーエンジン等の回転式内燃機関も開発されているが、加圧方向と、駆動方向が異なっており、いわば「横にこじ開ける」動作となり、燃費、効率が悪く普及していない。
この状況を図９に示した。同図において、ＯはピストンＰの回転中心である軸を示し、ピストンＰが概略三角形のおむすび状をしていることを示している。この機関においてピストンに作動流体からの加圧方向をｐで示し、軸Ｏに対する回転成分をｆ１で、回転中心に向かう向芯成分をｆ２で示した。この図からも、向芯成分ｆ２が大きく、ロスが大きいことが判る。
【０００７】
一方、特許文献１に記載のベーン回転式容積変化装置にあっても同様の問題が存在する。この構成の装置での作動流体により働く作動力の方向は、図１０（ａ）に示すようになる。図１０（ｂ）はこの機構の断面図を示したものである。図１０において、その部材番号は、特許文献１の図１１に示す部材番号と同一としている。
同図（ａ）において、Ｏ１を動力軸の回転の軸芯、Ｏ２を圧力容器の中心、ｐを圧力、ＦｒをＯ２から出る圧力ｐの合力、Ｆｔを接線力成分、ＦｃをＯ１からの半径方向力の成分とする。
【０００８】
この装置にあっては、動力軸の回転の中心である軸芯Ｏ１と、圧力容器の中心Ｏ２とは、両者間でその位置が異なる。従って、ベーン１０（４）の作用点Cの圧力の合力(圧力ｐ×ベーンの受圧面積ｓ)は、容器５（１）の半径方向にＦｒとして作用する。この力は、回転の接線方向の力Ｆｔと、回転の半径方向の力Ｆｃに分解される。このわずかな接線力Ｆｔが壁を蹴って、回転力を発生させている。結果、効率が悪く、この種装置が普及していない。
【０００９】
本発明の目的は、作動流体が有する駆動力を充分生かすことが可能な回転動力発生装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための、高圧状態にある作動流体から駆動力を得て、回転駆動力を動力軸より取り出す回転駆動力発生装置の特徴構成は、
円筒形の内部空間を備え、前記動力軸を円筒軸芯に回転可能に支持する本体ハウジングと、
前記動力軸周りに設定される仕切り位相において、本体ハウジング外部から前記動力軸に向けて前記内部空間に侵入して、前記内部空間を周方向で仕切る仕切り弁とを備え、
前記動力軸の周方向で、前記内部空間を均等に分割する複数のブレードを前記動力軸から径方向に延出して備え、前記ブレードが前記動力軸の長手方向に延びるブレードとして構成され、
前記仕切り弁と一の前記ブレードとで、前記作動流体を前記内部空間内に受け入れる作動室を形成するとともに、前記仕切り弁と他の前記ブレードとで、作動後の前記作動流体を前記内部空間から排出する排出室を形成する構成で、
前記動力軸の回転に伴って、前記ブレードが前記仕切り位相に到達する回転位相状態において、前記ブレードと前記仕切り弁との干渉を回避する干渉回避手段を設けることにある。
【００１１】
この回転駆動力発生装置にあっては、動力軸からその径方向にブレードが延出され、このブレードが動力軸の長手方向である軸方向に延びたものとされる。従って、このブレードは作動流体から動力軸の回転方向の回転駆動を直接受けることができる。
【００１２】
ここで、前記ブレードは本体ハウジング内に形成されている内部空間を、その周方向で複数に区切る構成とされており、その構成上、本願にいう作動室と排出室とを、仕切り弁との関係で別個に形成する。ここで、ブレードの形状としては、図１、２等に示すように、実質平板状のブレードが好ましいが、受圧面が凹状を成すシェル状とされていてもよい。
さて、仕切り弁が内部空間に侵入している状態において、この仕切り弁とブレードとの関係で、例えば、仕切り弁の表面と一のブレード及び本体ハウジングで形成する形成される空間に作動流体が流入することで、この空間が作動室となる。従って、作動流体の流入口に接続される室が本願にいう作動室となる。一方、仕切り弁の裏面と他のブレード及び本体ハウジングで形成される空間から駆動動作を終了した作動流体が排出することで、この空間が排出室となる。従って、作動流体の排出口に接続される室が本願にいう排出室となる。
【００１３】
本願にあっては、前記仕切り弁は、作動室及び排出室を形成する働きをするのであるが、この仕切り弁は動力軸周りの所定の固定位相位置である仕切り位相に設けられて内部空間を仕切るため、作動室に関しては、その室内に流入する作動流体の保有する流体圧が対を成すブレードに直接有効に掛かるように働く。一方、排出室に関しては、作動を終えた作動流体を排出側に導くこととなる。
【００１４】
さて、本願構成にあっては、ブレードは、動力軸と一体に内部空間内で回転する。従って、ブレードが仕切り位相に到達した回転位相状態において仕切り弁がその位置にあると、ブレードと仕切り弁との干渉が発生し、動力軸の回転を良好に行うことはできない。そこで、本願にあっては、干渉回避手段を設け、この回転位相状態にあっては、ブレードの仕切り位相部位の通過を良好に行わせる。
結果、本願に係る回転駆動力発生装置により作動流体が有する駆動力を良好に回転駆動として取り出すことができる。
【００１５】
さて、上記構成において、前記動力軸の回転に同期して、前記動力軸に直交する回転軸周りに回転駆動される円盤状仕切り弁を備えるとともに、前記干渉回避手段として、前記回転位相状態において、前記ブレードと前記仕切り弁との干渉を回避する干渉回避部を前記円盤状仕切り弁に備えることが好ましい。
【００１６】
この構成にあっては、仕切り弁を回転軸周りに回転する円盤状仕切り弁とし、この弁を動力軸と同期回転させる。そして、干渉回避手段を構成するに、ブレードが前記仕切り弁位相に到達する回転位相状態で、円盤状仕切り弁の干渉回避部が内部空間を通過するものとする。このようにすることで、ブレードと円盤状仕切り弁とは互いに干渉することなく、回転駆動を良好に得ることができる。
【００１７】
さらに、これまで説明してきた構成で、前記本体ハウジングが、前記動力軸の軸方向の異なった位置に配設される一対の円盤状端面部材と、前記一対の円盤状端面部材の外径部位を接続する筒状部材からなり、前記一対の円盤状端面部材及び前記筒状部材の前記仕切り位相に、前記仕切り弁の侵入を許容する侵入開口を備えた構成とされることが好ましい。
【００１８】
一対の円盤状端部材と筒状部材の組み合わせで本体ハウジングを構成することで、最も簡単且つ容易な部材の組み合わせ構成で、本願目的を達成できる。
【発明の効果】
【００１９】
結果、従来の往復動内燃機関の容積型、気密という長所と、タービン機関の回転動という長所を併せ持つ、エネルギー変換効率がよく、動作がスムーズで、排出ガスの環境性のよい、理想の回転駆動力発生装置が完成された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本願に係る回転駆動力発生装置１００を、以下図面を使用して説明する。
図１は本願に係る回転駆動力発生装置１００の構成の概略を示す図面であり、図２〜７は、その作動状態を示すものである。以下の装置説明にあっては、図１、２に基づいて説明する。ブレードの形状は、最も理解が容易である平板状を成すもの（平板状ブレードと呼ぶ）を例に取って説明する。
【００２１】
本願に係る回転駆動力発生装置１００は、高圧状態にある作動流体から駆動力を得て動力軸１を回転させ、その動力軸１を介して回転駆動を取り出すものであり、図１に示すように概略円筒形の本体ハウジング２と、その本体ハウジング２内に形成された円筒形の内部空間３に配設される平板状ブレード４を備えた動力軸１と、この本体ハウジング２内に侵入して、前記平板状ブレード４とともに、作動室ｒ１及び排出室ｒ２を形成する仕切り弁５とを設けて構成されている。
【００２２】
前記本体ハウジング２は、図１、２に示すように、その内部に円筒形の内部空間３を形成するように構成されており、回転駆動出力用の動力軸１が、その円筒軸芯に回転可能に貫通して設けられている。回転駆動力発生装置１００の動作状態にあっては、この本体ハウジング２は固定されており、動力軸１が回転することとなる。
【００２３】
図示するように、本体ハウジング２は、動力軸１の軸方向の異なった位置に配設される一対の円盤状端面部材２ａ（実線で示す）と、これら一対の円盤状端面部材２ａの外径部位を接続する筒状部材２ｂ（一点鎖線で示す）から構成されており、それら一対の円盤状端面部材２ａ及び前記筒状部材２ｂの仕切り位相θ１に、仕切り弁５の侵入を許容する侵入開口６を備えて構成されている。この侵入開口６の仕切り弁５に対向する本体ハウジング２側の端面にはラビリンスを設け、不要なガスの漏出を避けている。
【００２４】
図２に示すように、この仕切り位相θ１に対して、動力軸の回転方向Wにおいて、その下手側の流入側位相θ２に、高圧燃焼ガスが流入する流入口７が設けられるともに、その上手側の排出側位相θ３に、作動を終えたガスが排出される排出口８が設けられている。図１に示す例にあっては、流入口７及びそれに接続される流入管７０は、図上、奥側に設けられる円盤状端面部材２aに対して設けられている。一方、排出口８及びそれに接続される排出管８０は、図上、手前側に設けられる円盤状端面部材２ａに対して設けられている。
【００２５】
前記仕切り弁５は、前記仕切り位相θ１において、本体ハウジング外部９から前記動力軸１に向けて内部空間３に侵入して、前記内部空間３を周方向で仕切る弁である。
この仕切り弁５は、図１に示すように、動力軸１に直交する回転軸１０周りに回転駆動される円盤状仕切り弁として構成されており、その弁５の周方向の一部に、干渉回避手段として、動力軸周りに備えられる何れかの平板状ブレード４が前記仕切り位相θ１に到達する回転位相状態において、平板状ブレード４と仕切り弁５との干渉を回避する干渉回避部５０を備えている。
【００２６】
この干渉回避部５０は、円盤状に形成される仕切り弁５の一部を周方向において扇型に切り欠いた部位であり、動作軸１が到達しうる最大回転数に到達した最高回転状態において、仕切り弁５の厚み分だけ、平板状ブレード４が回転する段階で、仕切り弁５と干渉しないような切り欠き部とされている。
【００２７】
この仕切り弁５はその回転軸１０周りに回転する構成とされているが、図１に示すように、前記動力軸１との間に同期回転機構１１を設けて、動力軸１と回転軸１０とを同期回転させることで、各平板状ブレード４が前記仕切り位相θ１に到達するタイミングで、この円盤状仕切り弁５に設けられた干渉回避部５０が内部空間３に、侵入、通過する。結果、両者間の干渉を回避することができる。
【００２８】
前記動力軸１の周りには、その周方向で内部空間を均等に分割する複数のブレード４が設けられている。図示する例では、３枚のブレード４を均等配置した例を示している。このブレード４は、動力軸１から径方向に延出されているのであるが、このブレード４の植設は、動力軸１の長手方向（即ち、軸方向）に延びる構成とされており、その内径側から、円筒状の内部空間３内に、径方向でそのまま延びる構成が採用されている。従って、この平板状ブレード４の受圧面４０は、全面で、作動流体からの圧力を動力軸１の径方向に対して直交した状態で受ける。この平板状ブレード４の具体的な平面形状は、その径方向及び軸方向の端部近傍を円弧形状としたものである。
従って、先に説明した同期回転は、動力軸１の単位回転に対して回転軸１０は３回転とされる。
【００２９】
以上説明した内容に基づいて、再度、図１、２に戻って本願に係る回転駆動力発生装置１００の作動構成を以下に説明する。
仕切り弁の表面５ｆと、動力軸１の回転方向Ｗで下手側に位置する平板状ブレード４ｆとで、流入管７０、流入口７を介して作動流体を内部空間３内に受け入れる作動室ｒ１が形成される。一方、仕切り弁の裏面５ｂと、動力軸１の回転方向Ｗで上手側に位置する平板状ブレード４ｂとで、排出口８、排出管８０側へ、作動後の作動流体を内部空間３から排出する排出室ｒ２が形成される。
そして、動力軸１の回転に伴って、平板状ブレード４が仕切り位相θ１に到達する回転位相状態においては、平板状ブレード４と、干渉回避手段としての仕切り弁５に設けられた切り欠き部５０により、その干渉が回避される。
【００３０】
以下、本願の回転駆動力発生装置１００の動作工程を、図２〜７に基づいて説明する。
１  膨張工程
この工程にあっては、図２に示すように、仕切り弁５が閉状態とされ、高圧燃焼ガスが作動室ｒ１に流入される。この状態は概略図３に示す位相Ｂ〜Ｃまで続く。
【００３１】
２  干渉回避工程
先の膨張工程を実行することにより、回転方向上手側に位置する平板状ブレード４ｂが仕切り弁５に接近する。この時点で、仕切り弁５の切欠き部５０が内部空間３に到達し、仕切り弁５が開き始めてから仕切り弁が閉まりきるまでに、平板状ブレード４ｂが仕切り位相θ１を通過する。
この干渉回避工程にあっては、流入口７からの作動流体は、流入管７０に設けられている制御弁７１の閉操作によりその流入が停止される。
３  回転工程
上記、膨張工程及び干渉回避工程を、順次、後続する平板状ブレード４に関して実行する。
図４、５に夫々、後続の平板状ブレード４と仕切り弁５により形成される作動室ｒ１での膨張を行ない、さらに、干渉回避を実行している状態を示した。図４が図２に対応し、図５が図３に対応している。図１、２で示される工程において流入した高圧燃焼ガスが到達する室をｒ３で示した。
４  排出工程
この説明に際しては、図５以降の状態に関して説明する。
後続の平板状ブレード４ｂが仕切り位相θ１に到達した状態において、上記平板状ブレード４の回転方向上手側に位置するブレード間室が排出口８に接続され排出室ｒ２となる。結果、この室から排出口８、排出管８０を介して作動後の作動流体が排出される。
【００３２】
この状態は、図６、７に示す状態まで続き、仕切り弁５が内部空間３内に侵入しこの空間３を区画することより、仕切り弁５の裏面５ｂと平板状ブレード４とで形成される排出室ｒ２から、排出口８、排出管８０を介して作動流体が排出される。
図７に示す工程は図２に示す工程と実質同一であり、作動室ｒ１及び排出室ｒ２がそれぞれ形成され、回転駆動力が発生されることとなる。
【００３３】
本願の回転駆動力発生装置１００は、高圧の作動流体を使用して動力軸１で回転駆動力を取り出すことができる。従って、従来型のガスタービンにおいて、タービン部を本願に開示の回転駆動力発生装置１００に交換した例を図８に示した。同図にあっては、本願に係る回転駆動力発生装置１００の上手側に圧縮機１０１を備えるとともに、この圧縮機１０１で得られる高圧ガスを燃焼器１０２に導き、この燃焼器１０２において燃料を高圧ガスを使用して燃焼させ、得られた高圧高温ガスを作動流体として回転駆動を取り出すことが可能な構成を示している。
【００３４】
〔別実施形態〕
上記の実施の形態にあっては、本体ハウジングを構成するのに、一対の円盤状端面部材２ａと筒状部材２ｂとの組み合わせで、ハウジングを構成したが、本体ハウジングを一体ものとすることもできる。
即ち、本体ハウジングの径方向に延びる断面形状が概略Ｕ字型をなし、そのハウジング外郭が周方向に周回したものとしてハウジングを形成し、上記した仕切り位相のみにおいてハウジングが切り欠がれた構成ともできる。この構成では、本体ハウジングは、内部に周回した連続空間を備えたものとなり、この空間の仕切り位相位置に仕切り弁が侵入する。
さらに、本願と同様な原理に従って、圧縮機を構成することも可能である。この場合、上記した構成において、流入口、流入管を低圧流体（例えば大気）に開放し、先に説明した動力軸に外部より回転駆動力を供給することで、排出口、排出管から高圧圧縮された流体を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
この種の回転駆動力発生装置は、航空機、ヘリコプター、自動車、船舶、鉄道車両、発電機等の回転力を発生する装置に採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本願に係る回転駆動力発生装置の概略構成を示す斜視図
【図２】膨張工程にある装置の作動状態を示す図
【図３】ブレードが仕切り位相を通過する状態における作動状態を示す図
【図４】図３に引き続く回転動作状態を示す図
【図５】図４に引き続く回転動作状態を示す図
【図６】図５に引き続く回転動作状態を示す図
【図７】排出工程における動作状態を示す図
【図８】本願に係る回転駆動力発生装置を備えた駆動システムを示す図
【図９】ロータリーエンジンの問題点を示す図
【図１０】ベーン回転式容積変化装置の問題点を示す図
【符号の説明】
【００３７】
１      動力軸
２      本体ハウジング
３      内部空間
４      ブレード
４ｆ    ブレードの表面
４ｂ    ブレードの裏面
５      仕切り弁
５ｆ    仕切り弁の表面
５ｂ    仕切り弁の裏面
６      侵入開口
７      流入口
８      排出口
９      本体ハウジング外部
１０    回転軸
１１    同期回転機構
ｒ１    作動室
ｒ２    排出室
θ１    仕切り位相
W      動力軸の回転方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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