(57)【要約】   【課題】   今までのダイアフラム膜は高圧使用下では厚く、曲げにくく、行程ガ短く、疲労、疲弊しやすく使用回数、寿命が短い。またシリンダー容積にせめるピストンの容積割合が大きく、効率が悪いなどの問題があった。【解決手段】   多数の貫通穴、窪み、凹凸などで膜を支持し、膜の宙ぶらりんの面積を小さくしその受圧力を小さくし、膜厚を薄くする。ピストンを伸縮出来るよう複数に分割し、それらを入り子式に収納し、自重で順次伸縮する。またはそれらを順次バネの強さを違えたバネで接続、伸縮する。【選択図】  図１
2006329230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが移動出来る大きさの面積を持った膜の中央端をピストンに、周辺端をシリンダーに設定し、ずれないよう、他に力が及ばないように膜とピストン、シリンダーとの接触部分のピストン、シリンダーに穴または凹凸を設け、膜、ピストンの外形、シリンダーの内形の少なくとも一つの断面を四辺形、台形、三角形状に形成、加工したダイアフラムピストン装置。      
【請求項２】
複数のピストンを入れ子式にし、順次伸縮するようにした請求項１の装                置
【請求項３】
順次伸縮するように、ピストン毎に設定したバネの強さを順次変えた請                求項２の装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンリングの代わりに膜を使ったピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン装置で気密を保つ方として膜を使用したもがあり、例えばべローズ、ダイアフラムがあり、特定用途に使われている。例えば正確に薬品を注入する薬注器などである。
またシリンダーとの間にピストンリングを介することもよく知られ、現によく使われている。高温、高圧の雰囲気でも使用可である。
【特許文献１】特公開２００３−２７８６５８号公報
【０００３】
膜の場合、漏れが少ないか、無いが、用途によってはピストンの行程が短すぎ、また高圧には向かない。
【０００４】
ピストンリングの場合、気密を保つためにシリンダーに強く押しつけなければならないので摩擦抵抗が増え、摩耗する。その抵抗を減らすために油などの潤滑剤を使用しなければならない。また漏れがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は高圧に不向き、漏れ、行程の短さの点である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はピストンが大きく移動できるような広さを持つ気密性膜の中心部をピストンに被せ、固定し、その膜の周囲をシリンダーに密着、固定して、シリンダー内を密閉、気密化する。ピストンの受圧面積を大きくし、膜とシリンダーの間隙の受圧面積を小さくして、膜の宙ぶらりん受圧力を小さくして、高圧に耐えられるようにし、膜でシリンダー内を密閉し漏れをなくす。ピストンを複数に分割し、入れ子式にして伸縮させ行程を長くする。またピストンの側面でシリンダー空間が狭くならないように、膜が変形、落ち込むのを防ぐ。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のピストン装置は高圧に耐え、漏れがなくて、気密を長期間保ち、大きな行程を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
機械的強度が高く、制作が容易な断面が円形のピストン、シリンダーで、簡単な構造、最少な部品点数で実現した。
【実施例】
【０００９】
本装置は一実施例として大気圧エネルギーを貯蔵するものとして紹介、説明する。ピストン、シリンダーの平面断面はどういう形のものでもよいが前述した通りここでは円形とする。
外部に力を伝え、シリンダー空間の狭小を防ぐピストン、それを包容するシリンダー、ピストンとシリンダー間を塞ぐ膜、エネルギーを外部とやりとりする機械的機構、それに空気抜きバルブから成る。シリンダー、ピストンの材質は圧力を受けるので機械的強度が大きいのがよい。例えば鉄、アルミ、合金などの金属、合成樹脂などである。ピストンは中空または棒状でもよい。膜は気密性を持ち、曲げやすく、引っ張り、圧縮強度が高く、シート状のものがよい。たとえばポリ塩化ビニールなどの合成樹脂。また弾性をもつゴム状のものもよい。厚さ、大きさはその使用仕様で決める。そして本発明は膜の形状と膜をピストン、シリンダーに保持する機構にもっとも特徴を持つ。
図１は本発明の外観斜視図であり、内部構造も表している。シリンダー１内側の膜２取り付け位置１−１から下方に、単個のピストン３の最下部のときの膜２と、中空で一端が開放、他端が閉塞しているシリンダー１の接触位置１−２まで、シリンダー１の周囲全般にわたって膜２を固定する貫通穴１−３を設ける。取り付け位置１−１から上方の部分は気密を保たなくてもよいので無くてもよい。また中空のピストン３の周囲全般にわたっても貫通穴３−１を設ける。シリンダー１内の膜２で仕切られた下方部分を真空に保つため、その外側に気密性を有する容器４、図では底は閉塞している、を設け、、シリンダー１との間、上部４−１の位置、を密閉、塞ぐ。貫通穴１−３が貫通していなければ、例えば窪み、凹凸なら容器４はいらない。ピストン３の天頂部分３−２にフック５を設け、外部とエネルギーをやりとりする牽引機構６を取り付ける。運転開始時、シリンダー１内の空気を抜くバルブ７を容器４に設ける。ピストンは棒状でもよい
使用方法として、この装置を鉛直に立てた場合、運転始動時、牽引機構６でピストン３を、空気抜きバルブ７を開き、空気を排出しながら、最下部に持っていく。ピストン３の自重で容易に下がる。最下部に到達したならバルブ７を閉める。牽引機構６で外部からのエネルギーを使って、ピストン３を持ち上げ、ピストン３の側面で膜がシリンダー空間を狭くしないよう受け止めながら、最上部まで持って行き、牽引機構６のブレーキなどで止め、その状態を保持する。シリンダー内は負圧、真空になり、膜の外面におよそ１Ｋｇ重／ｃｍ２の力を受ける。膜２はその力を受けて貫通穴１−３、３−１にくい込み固定される。またそのブレーキを弛めて、その力を受けてピストン３が下方に移動することにより仕事をすることが出来る。仕事の大きさはピストンの面積、行程による。その仕事、エネルギーを牽引機構を使って外部に取り出す。以後繰り返す。空気抜きバルブ７はシリンダー内に空気が溜まったなどの原因による負圧の低下の場合と点検、補修時以外は操作する必要はない。
【００１０】
図２は膜の受ける力を小さく、ピストンが受ける力を大きくする手段を説明したものである。シリンダー１の内径Ｒ２を一定とすれば、そのシリンダーの内径全受圧面積も一定となり、ピストンの外径Ｒ１（Ｒ１＜Ｒ２）を大きくすればするほど、膜の中央部のピストン３の受圧面積は大きくなり、分担割合も大きくなる、膜の周辺部シリンダーとピストン周辺部との間隙部分（図で斜線部分）の受圧面積は小さくなり分担割合は小さくなる。その間隙部分全圧力をシリンダー１とピストン３で支える。膜の引っ張り力は膜の受圧面積で決まるので、膜を貫通穴１−３、３−１などに押し込み、入れ、固定し、間隙部分以外に力が伝わらないようにすれば膜の強度を弱められる。これに耐えられる膜の厚さ以上にすればよく、一般の使用仕様に比較して膜の厚さを薄くできる。容易に膜を着脱、はがれ易く、それでいて、ずれ、滑り難くする手段として、貫通穴以外、窪み、凹凸がある。膜側に設定してもよい。穴などの大きさ、形は膜の最大強度以下のサイズで、膜を傷つけないものであればよい。膜とシリンダー、ピストンとの滑り抵抗を増加させる材質を組み合わせてもよい。これらの場合シリンダー内を真空、負圧に保てるので容器４は必要ない。
【００１１】
図３は膜２の形状を表したものである。シリンダ１ー内側に押しつけられながら沿ってのびてきた膜２はピストンの手前位置２−１で反転して、ピストンの外側壁３−３に押しつけられながら沿ってのびていくので膜が内側に変形するのを防ぎ、シリンダー内容積の減少を少なくする。当然反転部分２−１の膜の内径、外径が違うので、内径、外径側の一方または両方に皺がよる。膜の厚さｔ１に対してシリンダー径、ピストン径が皺に対して無視できるほどのサイズであればそのまま実用、使用出来る。しかし皺が出来ない、出来にくくするには、鉛直線に対するシリンダーの入射角θ１、ピストンに対する入射角θ２を同角にすればよく、円錐状にすればよい。断面は台形または三角形である。角度θ１、θ２両方を０（ゼロ）に近づければシリンダーとピストンの間隙は上、下辺が同じに近づき、膜、ピストン、シリンダーの断面が四辺形、長方形になり、両方とも円柱に近づく。制作が容易になる。最小間隙は膜の厚さｔ１の二倍以上である。また角度θ１のみを０（ゼロ）に近づければシリンダーのみ断面は四辺形で円柱に近づく。角度θ２のみを０（ゼロ）に近づければピストンのみ断面は四辺形で円柱に近づく。膜の折り返し、曲がりの部分の外、内側の径が違うので皺がよらないよう、または無視出来るように、膜の半径、直径を大きくとる。一例としてシリンダー、ピストンの間隙をある程度大きくする、膜の材質をある程度曲げにくくするまたは材質を弾性にするがある。
【００１２】
図４は膜がずれ、滑り難くする手段の一例を表したものである。ピストン、シリンダーの表面に貫通穴１−３、窪み１−４、凹凸３−４を設け、それに膜２を圧入して留めるものである。
【００１３】
図５はピストン、シリンダー共に断面が長方形の円柱状のものを表し、装置を傾けてもピストン、シリンダー間の間隙を一定にするために、ピストンの下部または上部外側周辺に膜２、シリンダー１との転がり抵抗の小さい車輪７−２、７−１を設けたものである。１２０度間隔の３個が望ましい。特にピストン上部の車輪７−１は膜と接触するので幅広でシリンダの形状に合わせたものがよい。また引っ張りバネ８のエネルギーを利用するため、シリンダー底辺とピストン上辺をつないでもよい。
【００１４】
図６は一定のシリンダー長さの中で、ピストンの行程をより長くするものである。ピストンを複数個に分割し、入れ子式にしたもの。
【００１５】
図７は図６の分割された個々のピストンの斜視図であり、両端が開放されている中空の円柱の上部外側と下部内側に他のピストンを持ち上げる鍔３−５、３−６を付けたものである。鍔は連続でなく断片３−７でもよい。また上部内側の面を一部、または全部を塞いでもよい。
【００１６】
図８は図７のピストンを使用したもので、外周部からピストンを引き上げるもので、その組み合わせの断面図である。隣り合うピストンの鍔３−６−１と３−５−２が当たるようにまたピストン内を自在に移動できるようにして、最上部のピストンを持ち上げるとその下方の鍔３−６−１が次のピストンの上辺の鍔３−５−２に当たるまで単独で昇る。さらに持ち上がると次のピストンと一緒に昇って行き、外側のピストンより順次持ち上がっていく。自重により、前のピストンが持ち上がり終わってから、鍔で次のでピストンに力が伝わり、上がっていく。こうすることによりピストンを伸ばしきりながら膜２をあてがうので、全長が使える。うまくピストンが単独で移動しない場合は、ピストンの各部に空気流通穴をあける。貫通穴１−３で代用してもよい。また鍔の周囲を、滑りやいようにＲをとって折り曲げる、滑材を設定してもよい。
【００１７】
図９は図７のピストンを使用したもので、外周部からピストンを引き上げるもので、傾けた、特に逆さの状態の使用の場合、ピストンが重なって移動しないように、引っ張りバネを入れ子式にして、バネの力で外側のピストンより順次移動、持ち上げるように設定したものである。それぞれのバネの一端は各ピストンの中央部、他端は最後、内側のピストンの底辺につなぐ。内側のピストンに向かってその穴径は順次大きく、バネ径も大きく、強さは強くする。フックの付いた、中心部に引っ張りバネ８−１を設定したピストンを持ち上げると、次のピストンのバネ８−２はこれより強いので上がらず、フックの付いたピストンのみが上がる、最初のピストンのバネ８−１は無くてもよい。最上部に達するとその鍔で次のピストンを持ち上げていく。以下繰り返す。ピストンを伸ばしきった状態では、膜とシリンダーとの接続部分より下はピストンは要らないので、そこよりシリンダーの下面を一番強い引っ張りバネ８で最後に伸びるように結ぶ。バネの代わりに弾性体でもよい。例えば筒状のゴム。図８で述べたように、自重により、前のピストンが持ち上がり終わってから、次のでピストンに力が伝わるような状態で使用する場合はバネは付けなくても良い。
【００１８】
図１０は図７のピストンを使用したもので、外周部からピストンを引き上げるもので、ピストン同士の引っ張りバネを直列に接続したものである。図７のピストンの塞いだ上面の下側と次のピストンの上面の上側をという具合に引っ張りバネ８−４−１，８−４−２、８−４−３で順次接続していく。内側のピストンに向かってバネの強さを強くする。動きは図９で述べた通りである。
【００１９】
図１１は図７のピストンを使用したもので、外周部からピストンを引き上げるもので、隣り合うピストン間に圧縮バネを使用したものである。隣り合う鍔でバネを圧縮する。フック５の付いたピストンを持ち上げると、次のピストンとの間に設定した圧縮バネ８−５−１を圧縮しながら上がっていく。次のバネ８−５−２はこれより強く設定してあるので上がらず、フックの付いたピストンのみが上がる、最初のピストンのバネ８−５−１は無くてもよい。最上部に達するとその鍔３−５−２で次のピストンを持ち上げていく。以下繰り返す。
【００２０】
図１２は図７をひっくり返したもので中空円柱の上部内側と下部外側に他のピストンを持ち上げる鍔を付けたものである
【００２１】
図１３は図１２のピストンを使用したもので、中心部からピストンを引き上げるもので、図１２の組み合わせの断面図である。自重で内側のピストンより順次持ち上がっていく。
【００２２】
図１４は図１２のピストンを使用したもので、中心部からピストンを引き上げるもので、傾けた、特に逆さの状態の使用の場合、ピストンが重ならないように、引っ張りバネの力で内側のピストンより順次移動させるものである。
図１４の右側
それぞれのバネは最も最後、外側のピストンと並列につなぐ。外側のピストンに向かってその穴径は順次大きく、バネ径も大きく、強さも強くする。フックの付いたピストンを持ち上げると、次のピストンバネはこれより強いので上がらず、フックの付いたピストンのみが次のピストンの内側を鍔で案内されながら上がる、最上部に達するとその鍔で次のピストンを持ち上げていく。以下繰り返す。ピストンを伸ばしきった状態では、膜とシリンダーとの接続部分より下はピストンは要らないので、そこよりシリンダーの下面を一番強いバネ８で結ぶ。バネの代わりに弾性体でもよい。例えば筒状のゴム。
図１４の左側
また図１１で述べたバネ８−５−１、８−５−２、８−５−３を図１４のように設定してもよい。
図８で述べたように、自重により、前のピストンが持ち上がり終わってから、次のでピストンに力が伝わるような状態で使用する場合はバネは付けなくてもよい。また図１４と同じ使い方をしてもよい。
【００２３】
図１５は図１２のピストンを使用したもので、中心部からピストンを引き上げるもので、ピストン同士の引っ張りバネを直列に接続したものである。図１２のピストンの塞いだ下面の下側と次のピストンの下面の上側を順次接続する。作用、動作は図１０で説明したと同様である。
【００２４】
図１６は両端が開放された、中空の円柱の側面下方に他のピストンを持ち上げるロッド３−８とその細長い案内切り込み、欠け３−９を設けたものである。上面中央に自身の引っ張りバネを取り付けるのと他のピストンのバネを通す貫通穴３−１０があいてある。下部内側に機械強度を強めるために鍔３−１１をつけてもよい
【００２５】
図１７は図１６のピストンを使用したもので、傾けた、特に逆さの状態の使用の場合、ピストンが重ならないように、引っ張りバネの力で外側のピストンより順次移動させるものである。それぞれのバネは最も最後、内側のピストンと並列につなぐ。内側のピストンに向かってその穴径は順次大きく、バネ径は大きく、強さは強くする。
図１７の右側
フック５の付いたピストンを持ち上げると、次のピストンバネ８−２はこれより強いので上がらず、フックの付いたピストンのみがロッド３−８を案内貫通穴３−９を通して上がる。この最初のピストンには案内貫通穴３−９を付けなくてもよい。最上部に達するとそのロッドで次のピストンを持ち上げていく。以下繰り返す。ピストンを伸ばしきった状態では、膜とシリンダーとの接続部分より下はピストンは要らないので、そこよりシリンダーの下面を一番強い引っ張りバネ８で結ぶ。バネの代わりに弾性体でもよい。例えば筒状のゴム。図８で述べたように、自重により、前のピストンが持ち上がり終わってから、次のでピストンに力が伝わるような状態で使用する場合はバネは付けなくても良い。
図１７の左側
また図１１で述べ、説明した圧縮バネ８−５−１をロッド３−８、図１６の上辺外側に張り出したロッド３−１２使って挟みこんで使用してもよい。バネを直列に使用するには図１０のように設定すればよい。
【００２６】
図１８は図１６のピストンを逆さにしてロッド３−８を外側につけたものの図である。補強用の鍔３−１３を付けてもよい。
【００２７】
図１９は図１８のピストンを使用したもので、中心部からピストンを引き上げるもので、図１８のピストンを使って、傾けた、特に逆さの状態の使用の場合、ピストンが重ならないように、引っ張りバネの力で内側のピストンより順次移動させるものである。
図１９の右側
それぞれのバネは最も最後、外側のピストンと並列につなぐ。外側のピストンに向かってその穴３−１０径は順次大きく、バネ径は大きく、強さは強くする。フックの付いたピストンを持ち上げると、次のピストンバネ８−２はこれ８−１より強いので上がらず、フックの付いたピストンのみがロッド３−８を案内穴３−９を通して上がる、最上部に達するとそのロッドで次のピストンを持ち上げていく。以下繰り返す。ピストンを伸ばしきった状態では、膜とシリンダーとの接続部分より下はピストンは要らないので、そこよりシリンダーの下面を一番強い引っ張りバネ８で結ぶ。バネの代わりに弾性体でもよい。例えば筒状のゴム。図８で述べたように、自重により、前のピストンが持ち上がり終わってから、次のでピストンに力が伝わるような状態で使用する場合はバネは付けなくても良い。
図１９の左側
また図１１のように圧縮バネ８−５−１、８−５−２、８−５−３を使用し、ロッド３−１２を付け足して、図１１で説明したように使ってもよい。
バネを直列に使用するには図１５のように設定すればよい。
【００２８】
図２０はピストンが伸びきった状態の各部を表す。点線は収納状態を示す。図５で説明した間隙保持用車輪７−２、７−１をトップピストン、最後尾ピストンに付けても良い
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本装置は簡単な機構、構造で使え、長期間密閉を保てるので、緊急の場合に備えた非常用動力装置として、電源の無い場所での動力の確保、機械的エネルギーの形での貯蔵などあらゆるものに利用できる。またシリンダーの開放端に流体を入れ、シリンダーの閉塞側からピストンを押せば圧入器としても利用出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の外観斜視図
【図２】膜の受圧力の説明図
【図３】膜の形状を表したもの
【図４】膜のずれ、滑り難くする手段の一例を表したもの
【図５】ピストン、シリンダー共に断面が長方形の円柱状のものを表したもの
【図６】ピストンを複数個に分割し、入れ子式にしたもの。
【図７】分割された個々のピストンの斜視図
【図８】外周部からピストンを引き上げるものをあらわす。
【図９】ピストンが重なって移動しないように、引っ張りバネを入れ子式にした図
【図１０】ピストン同士の引っ張りバネを直列に接続した図
【図１１】隣り合うピストン間に圧縮バネを使用したものの図
【図１２】図７をひっくり返したものの図
【図１３】中心部からピストンを引き上げるもので、図１２の組み合わせの断面図
【図１４】引っ張りバネの力で内側のピストンより順次移動させる図
【図１５】ピストン同士の引っ張りバネを直列に接続したもの
【図１６】中空の円柱にピストンを持ち上げるロッドと案内切り込みを設けたもの
【図１７】引っ張りバネの力で外側のピストンより順次移動させるもの
【図１８】ピストンにしてロッドをつけたものの図
【図１９】引っ張りバネの力で外側のピストンより順次移動させるもの
【図２０】ピストンが伸びきった状態の各部を表す
【符号の説明】
【００３１】
１  シリンダー
１−１  シリンダーの膜取り付け位置
１−２  シリンダーと膜の接触位置
１−３  膜を固定する貫通穴
１−４  窪み
２  膜
３  ピストン
３−１  穴  
３−２    ピストンの天頂部分
３−３  ピストンの側壁
３−４  凹凸
３−５  鍔
３−５−２  鍔
３−６  鍔
３−６−１  鍔
３−７  鍔の連続でなく断片
３−８  ロッド
３−９  切り欠け穴
３−１０  貫通穴
３−１１  鍔
３−１２  ロッド
３−１３  鍔
４  気密性を有する容器
４−１  容器とシリンダーとの間、上部の位置
５  フック
７−１  、７−２車輪
８  エネルギー貯蔵用またはピストン保持用バネ
８−１〜  ８−３  バネ
８−４−１〜  ８−４−３  バネ
８−５−１〜  ８−５−２  バネ
【図１】
2006329230.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2006329230.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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