(57)【要約】【課題】気体の膨張仕事を有効活用した高効率な駆動が可能な気体機械及びそれを用いる車両、及び気体機械の駆動方法を提供する。【解決手段】気体室７と高圧源１４とが略同一の圧力状態でのみ閉鎖状態と高圧状態とを切替え、気体室と低圧源１５とが略同一の圧力状態でのみ閉鎖状態と低圧状態とを切替え、気体室７が略最小容積の状態でのみ低圧状態と高圧状態とを切替えるように、制御部１０１が弁装置２０を動作させ、制御部が、弁装置により閉鎖状態と高圧状態とが切替えるタイミング及び閉鎖状態と低圧状態とが切替えるタイミングを変化させて、回転軸６に対するトルクの発生を制御する。【選択図】図２
2011256800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の回転に伴って周期運動する可動体と、
前記回転軸を回転自在に支持し、かつ、前記可動体との間に構成されて前記回転軸の回転に伴って周期的に容積が変化する気体室を有するとともに、前記気体室と高圧源を接続する高圧ポートと、前記気体室と低圧源を接続する低圧ポートとを有するケーシングと、
前記気体室の容積の状態を推定する容積推定部と、
前記高圧ポートと前記高圧源との間及び低圧ポートと前記低圧源との間に配置され、前記高圧ポートのみを開放した高圧状態と、前記低圧ポートのみを開放した低圧状態と、前記高圧ポートと前記低圧ポートとの双方を閉鎖した閉鎖状態とを切り替える弁装置と、
前記容積推定部の出力に応じて、前記気体室の圧力が前記高圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記高圧状態とを切り替え、前記気体室の圧力が前記低圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記低圧状態とを切り替え、前記気体室の容積が略最小の状態においてのみ前記低圧状態と前記高圧状態とを切り替えるように、前記弁装置を制御する制御部とを備え、
前記弁装置の切り替え動作に伴って前記気体室と前記高圧源との間で高圧気体が給排され、前記回転軸に対するトルクが発生する気体機械であって、
前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを変化させることで、前記回転軸に対するトルクの発生を制御することを特徴とする気体機械。
【請求項２】
前記容積推定部が、前記回転軸の回転角度を検出するエンコーダと、前記エンコーダにより検出された前記回転軸の回転角度から前記気体室の容積を推定する演算部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の気体機械。
【請求項３】
前記気体機械が、前記高圧ポートと前記低圧ポートとに接続される前記気体室を形成するシリンダと、前記シリンダ内で進退移動しかつ前記回転軸と連結されるピストンとで構成されるピストン・シリンダ式の気体機械であり、前記容積推定部が前記ピストンの変位から前記気体室の容積を推定することを特徴とする請求項１に記載の気体機械。
【請求項４】
前記高圧源の圧力を計測する第１圧力計測装置と、をさらに備え、前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを、前記第１圧力計測装置の出力に応じても変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項５】
さらに、前記低圧源の圧力を計測する第２圧力計測装置を備え、前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを、前記第２圧力計測装置の出力に応じても変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項６】
前記気体室の容積の時間変化である容積変化率を推定する容積変化率推定部をさらに備え、前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを、前記容積変化率推定部の出力に応じても変化させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項７】
前記容積変化率推定部が、前記気体室の最大容積と最小容積の差と、前記回転軸の回転周期から前記気体室の容積変化率を推定することを特徴とする請求項６に記載の気体機械。
【請求項８】
前記気体機械が、前記高圧ポートと前記低圧ポートとに接続される前記気体室を形成するシリンダと、前記シリンダ内で進退移動しかつ前記回転軸と連結されるピストンとで構成されるピストン・シリンダ式の気体機械であり、前記容積変化率推定部が前記ピストンの移動速度から前記気体室の容積変化率を推定することを特徴とする請求項６に記載の気体機械。
【請求項９】
前記弁装置が、前記高圧ポートを開閉する第１オンオフ弁と、前記低圧ポートを開閉する第２オンオフ弁とで構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項１０】
前記第１オンオフ弁と並列に配置された前記高圧源への前記気体の排出のみを可能とする第１逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の気体機械。
【請求項１１】
前記第２オンオフ弁と並列に配置された前記低圧源からの前記気体の吸入のみを可能とする第２逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項９又は１０に記載の気体機械。
【請求項１２】
前記高圧ポートと前記低圧ポートを選択的に前記気体室に接続するシャトル弁をさらに設けるとともに、前記弁装置が、前記高圧ポートを開閉するオンオフ弁であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項１３】
前記オンオフ弁と並列に配置された、前記高圧源への排出のみを可能とする逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の気体機械。
【請求項１４】
前記高圧源が、圧縮気体を蓄積した気体容器であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項１５】
前記低圧源が、内部圧力が大気圧以下の気体容器であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項１６】
前記低圧源若しくは前記高圧源が大気であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項１７】
前記気体機械が、前記回転軸周りに等間隔に複数個配置されかつ前記高圧ポートと前記低圧ポートとに接続される前記気体室をそれぞれ形成するシリンダと、前記シリンダ内で進退移動しかつ前記回転軸と連結されるピストンとで構成されるピストン・シリンダ式の気体機械であり、前記複数の気体室の容積変化の位相が互いに異なり、前記容積推定部が前記各ピストンの変位から前記各気体室の容積を推定することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の気体機械。
【請求項１８】
車輪に推進力伝達部を介して連結された前記回転軸を有する、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の気体機械を備えて、
前記気体機械により発生した前記回転軸に対する前記トルクが、前記推進力伝達部を介して前記車輪に推進力として供給される車両。
【請求項１９】
回転軸を回転自在に支持し、かつ、前記回転軸の回転に伴って周期的に容積が変化する気体室を有するとともに、前記気体室と高圧源を接続する高圧ポートと、前記気体室と低圧源を接続する低圧ポートとを有するケーシングと、
前記高圧ポートと前記高圧源との間及び低圧ポートと前記低圧源との間に配置され、前記高圧ポートのみを開放した高圧状態と、前記低圧ポートのみを開放した低圧状態と、前記高圧ポートと前記低圧ポートとの双方を閉鎖した閉鎖状態とを切り替える弁装置とを備える気体機械であって、
前記弁装置の切り替え動作に伴って前記気体室と前記高圧源との間で高圧気体が給排され、前記回転軸に対するトルクを発生させる気体機械の駆動方法であって、
前記気体室の容積の状態を推定する容積推定部の出力に応じて、前記気体室の圧力が前記高圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記高圧状態とを切り替え、前記気体室の圧力が前記低圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記低圧状態とを切り替え、前記気体室の容積が略最小の状態においてのみ前記低圧状態と前記高圧状態とを切り替えるように、前記弁装置を制御部で制御し、
前記制御部で、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを変化させることで、前記回転軸に対するトルクの発生を制御することを特徴とする、気体機械の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体の膨張仕事を有効に活用した高効率な駆動が行える気体機械、及びそれを用いる車両、及び気体機械の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自転車等の軽車両の下り坂における制動エネルギーを回生し、平地又は上り坂で再利用するという考えは古くから存在し、従来より、エネルギーを蓄積する手段としてバネを用いたものが考案されている（例えば、特許文献１参照）。近年では電動アシスト自転車においても制動エネルギーを電気的に回生することが行われ（例えば、非特許文献１参照）、エネルギー蓄積手段として空気圧を利用する方法についても様々考案されている（例えば、特許文献２〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８０３６５１号公報
【特許文献２】特許第３０３８０３８号公報
【特許文献３】特開２００２−２５７７号公報
【特許文献４】特開２００５−３５５０２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】三洋電機技報  ＶＯＬ．３５，ＮＯ．１  ２００３年６月（Ｐ１０６−Ｐ１１４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エネルギー蓄積手段として気体の圧力を利用して制動エネルギーの回生及び再利用を行うためには、ポンプとしてもエアモータとしても利用可能な気体機械が求められる。この気体機械の駆動及び回生効率は、制動エネルギーからどれだけのエネルギーを再利用できるかに影響するとともに、圧縮気体を蓄えるために必要な気体容器の大きさにも影響するので、できるだけ高くすることが望まれている。しかしながら、従来の構成は、出力調節のために、気体容器内の圧縮気体を減圧して気体機械に供給したり、気体機械の動作サイクル中に圧縮気体をそのまま大気排出したりしている。そのため、気体機械の高効率動作の実現が困難という課題を有していた。
【０００６】
本発明は、従来の課題を解決するもので、気体の膨張仕事を有効に活用した高効率な駆動が可能な気体機械、及びそれを用いる車両、及び気体機械の駆動方法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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、
回転軸と、
前記回転軸の回転に伴って周期運動する可動体と、
前記回転軸を回転自在に支持し、かつ、前記可動体との間に構成されて前記回転軸の回転に伴って周期的に容積が変化する気体室を有するとともに、前記気体室と高圧源を接続する高圧ポートと、前記気体室と低圧源を接続する低圧ポートとを有するケーシングと、
前記気体室の容積の状態を推定する容積推定部と、
前記高圧ポートと前記高圧源との間及び低圧ポートと前記低圧源との間に配置され、前記高圧ポートのみを開放した高圧状態と、前記低圧ポートのみを開放した低圧状態と、前記高圧ポートと前記低圧ポートとの双方を閉鎖した閉鎖状態とを切り替える弁装置と、
前記容積推定部の出力に応じて、前記気体室の圧力が前記高圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記高圧状態とを切り替え、前記気体室の圧力が前記低圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記低圧状態とを切り替え、前記気体室の容積が略最小の状態においてのみ前記低圧状態と前記高圧状態とを切り替えるように、前記弁装置を制御する制御部とを備え、
前記弁装置の切り替え動作に伴って前記気体室と前記高圧源との間で高圧気体が給排され、前記回転軸に対するトルクが発生する気体機械であって、
前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを変化させることで、前記回転軸に対するトルクの発生を制御することを特徴とする気体機械を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
よって、本発明によれば、特に、前記制御部により、前記容積推定部の出力に応じて、前記気体室の圧力が前記高圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記高圧状態とを切り替え、前記気体室の圧力が前記低圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記低圧状態とを切り替え、前記気体室の容積が略最小の状態においてのみ前記低圧状態と前記高圧状態とを切り替えるように、前記弁装置を制御するとともに、前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを変化させることで、前記回転軸に対するトルクの発生を制御するように構成している。このように構成しているので、気体の膨張仕事を有効に活用した高効率な駆動が行える気体機械、及びそれを用いる車両、及び気体機械の駆動方法を得ることができる。すなわち、本発明によれば、閉鎖状態において高圧源の圧力から低圧源の圧力までの膨張仕事が外部に取り出せるようになるとともに、高圧状態、低圧状態及び閉鎖状態の各状態を切り替える際にも気体の減圧に伴う損失を抑制することができるので、高効率な駆動が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータの概略を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータの概略を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータを駆動させた時の、気体室容積と気体室内圧力の変化の様子を示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータを駆動させた時の、バルブボックス内におけるバルブ開閉状態の変化の様子を示した図である。
【図５】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータを駆動させた時の、エアポンプ・モータ各部の状態変化の様子を示した断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータによる回生動作時の、気体室容積と気体室内圧力の変化の様子を示した図である。
【図７】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータによる回生動作時の、バルブボックス内におけるバルブ開閉状態の変化の様子を示した図である。
【図８】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータによる回生動作時の、エアポンプ・モータ各部の状態変化の様子を示した断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータにおいて、回転軸の一回転あたりの駆動エネルギー又は回生エネルギーを調節した時の、気体室容積と気体室内圧力の変化の様子を示した図である。
【図１０】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータにおいて、回転軸の一回転あたりの駆動エネルギー又は回生エネルギーを調節した時の、気体室容積と気体室内圧力の変化の様子を示した図である。
【図１１】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータを多気筒化した構成の概略を示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態によるエアポンプ・モータを搭載した自転車の概略を示す図である。
【図１３】本発明の第２実施形態によるエアポンプ・モータの概略を示す断面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態によるエアポンプ・モータを駆動させた時の、気体室容積と気体室内圧力の変化の様子を示した図である。
【図１５】本発明の第２実施形態によるエアポンプ・モータを駆動させた時の、バルブボックス内におけるバルブ開閉状態の変化の様子を示した図である。
【図１６】本発明の第２実施形態によるエアポンプ・モータを駆動させた時の、エアポンプ・モータ各部の状態変化の様子を示した断面図である。
【図１７】本発明の第２実施形態によるエアポンプ・モータによる回生動作時の、気体室容積と気体室内圧力の変化の様子を示した図である。
【図１８】本発明の第２実施形態によるエアポンプ・モータによる回生動作時の、バルブボックス内におけるバルブ開閉状態の変化の様子を示した図である。
【図１９】本発明の第２実施形態によるエアポンプ・モータによる回生動作時の、エアポンプ・モータ各部の状態変化の様子を示した断面図である。
【図２０】本発明の第１実施形態の変形例によるエアポンプ・モータの概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
本発明の実施の形態について説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１３】
本発明の第１態様によれば、回転軸と、
前記回転軸の回転に伴って周期運動する可動体と、
前記回転軸を回転自在に支持し、かつ、前記可動体との間に構成されて前記回転軸の回転に伴って周期的に容積が変化する気体室を有するとともに、前記気体室と高圧源を接続する高圧ポートと、前記気体室と低圧源を接続する低圧ポートとを有するケーシングと、
前記気体室の容積の状態を推定する容積推定部と、
前記高圧ポートと前記高圧源との間及び低圧ポートと前記低圧源との間に配置され、前記高圧ポートのみを開放した高圧状態と、前記低圧ポートのみを開放した低圧状態と、前記高圧ポートと前記低圧ポートとの双方を閉鎖した閉鎖状態とを切り替える弁装置と、
前記容積推定部の出力に応じて、前記気体室の圧力が前記高圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記高圧状態とを切り替え、前記気体室の圧力が前記低圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記低圧状態とを切り替え、前記気体室の容積が略最小の状態においてのみ前記低圧状態と前記高圧状態とを切り替えるように、前記弁装置を制御する制御部とを備え、
前記弁装置の切り替え動作に伴って前記気体室と前記高圧源との間で高圧気体が給排され、前記回転軸に対するトルクが発生する気体機械であって、
前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを変化させることで、前記回転軸に対するトルクの発生を制御することを特徴とする気体機械を提供する。
【００１４】
このような構成によれば、閉鎖状態において高圧源の圧力から低圧源の圧力までの膨張仕事を最大限利用できるようになるとともに、高圧状態、低圧状態及び閉鎖状態の各状態を切り替える際にも気体の減圧に伴う損失を最小にすることができるので、高効率な駆動が行えるようになる。従って、気体の膨張仕事を有効に活用した高効率な駆動が行える気体機械を得ることができる。
【００１５】
本発明の第２態様によれば、前記容積推定部が、前記回転軸の回転角度を検出するエンコーダと、前記エンコーダにより検出された前記回転軸の回転角度から前記気体室の容積を推定する演算部とを備えることを特徴とする第１の態様に記載の気体機械を提供する。
【００１６】
このような構成によれば、圧力が変化し、シール性の求められる気体室に余分な計測装置を付加する必要が無くなる。従って、製作の、より容易な気体機械を得ることができる。
【００１７】
本発明の第３態様によれば、前記気体機械が、前記高圧ポートと前記低圧ポートとに接続される前記気体室を形成するシリンダと、前記シリンダ内で進退移動しかつ前記回転軸と連結されるピストンとで構成されるピストン・シリンダ式の気体機械であり、前記容積推定部が前記ピストンの変位から前記気体室の容積を推定することを特徴とする第１の態様に記載の気体機械を提供する。
【００１８】
このような構成によれば、気体室の容積を、より直接的に計測することができる。従って、制御性に、より優れた気体機械を得ることができる。
【００１９】
本発明の第４態様によれば、前記高圧源の圧力を計測する第１圧力計測装置と、をさらに備え、前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを、前記第１圧力計測装置の出力に応じても変化させることを特徴とする第１〜３のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００２０】
本発明の第５態様によれば、さらに、前記低圧源の圧力を計測する第２圧力計測装置を備え、前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを、前記第２圧力計測装置の出力に応じても変化させることを特徴とする第１〜４のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００２１】
このような構成によれば、第１又は第２圧力計測装置の出力から実際に回転軸に発生するトルクを精度良く見積もることができるようになる。従って、制御性に、より優れた気体機械を得ることができる。
【００２２】
本発明の第６態様によれば、前記気体室の容積の時間変化である容積変化率を推定する容積変化率推定部をさらに備え、前記制御部が、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを、前記容積変化率推定部の出力に応じても変化させることを特徴とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００２３】
このような構成によれば、気体が膨張・収縮するときの仕事率を見積もることができるようになることから、膨張・収縮時の気体の温度変化、並びに膨張・収縮時に回転軸に発生するトルクを精度よく見積もれるようになる。従って、制御性に、より優れた気体機械を得ることができる。
【００２４】
本発明の第７態様によれば、前記容積変化率推定部が、前記気体室の最大容積と最小容積の差と、前記回転軸の回転周期から前記気体室の容積変化率を推定することを特徴とする第６の態様に記載の気体機械を提供する。
【００２５】
このような構成によれば、圧力が変化し、シール性の求められる気体室に余分な計測装置を付加する必要が無くなる。従って、製作の、より容易な気体機械を得ることができる。
【００２６】
本発明の第８態様によれば、前記気体機械が、前記高圧ポートと前記低圧ポートとに接続される前記気体室を形成するシリンダと、前記シリンダ内で進退移動しかつ前記回転軸と連結されるピストンとで構成されるピストン・シリンダ式の気体機械であり、前記容積変化率推定部が前記ピストンの移動速度から前記気体室の容積変化率を推定することを特徴とする第６の態様に記載の気体機械を提供する。
【００２７】
このような構成によれば、気体室の容積変化率を、より直接的に計測することができる。従って、制御性に、より優れた気体機械を得ることができる。
【００２８】
本発明の第９態様によれば、前記弁装置が、前記高圧ポートを開閉する第１オンオフ弁と、前記低圧ポートを開閉する第２オンオフ弁とで構成されることを特徴とする第１〜８のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００２９】
このような構成によれば、簡便な構成で弁装置が実現できるようになる。従って、簡便な構成の気体機械を得ることができる。
【００３０】
本発明の第１０態様によれば、前記第１オンオフ弁と並列に配置された前記高圧源への前記気体の排出のみを可能とする第１逆止弁をさらに備えることを特徴とする第９の態様に記載の気体機械を提供する。
【００３１】
本発明の第１１態様によれば、前記第２オンオフ弁と並列に配置された前記低圧源からの前記気体の吸入のみを可能とする第２逆止弁をさらに備えることを特徴とする第９又は１０の態様に記載の気体機械を提供する。
【００３２】
このような構成によれば、気体室の圧力が高圧源の圧力と略同一の状態においてのみ閉鎖状態と高圧状態とを切り替える動作が、より確実に行えたり、気体室の圧力が低圧源の圧力と略同一の状態においてのみ閉鎖状態と低圧状態とを切り替える動作が、より確実に行えたりするようになる。従って、制御が、より容易な気体機械を得ることができる。
【００３３】
本発明の第１２態様によれば、前記高圧ポートと前記低圧ポートを選択的に前記気体室に接続するシャトル弁をさらに設けるとともに、前記弁装置が、前記高圧ポートを開閉するオンオフ弁であることを特徴とする第１〜８のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００３４】
このような構成によれば、より簡便な構成で弁装置が実現できるようになる。従って、より簡便な構成の気体機械を得ることができる。
【００３５】
本発明の第１３態様によれば、前記オンオフ弁と並列に配置された、前記高圧源への排出のみを可能とする逆止弁をさらに備えることを特徴とする第１２の態様に記載の気体機械を提供する。
【００３６】
このような構成によれば、気体室の圧力が高圧源の圧力と略同一の状態においてのみ閉鎖状態と高圧状態とを切り替える動作がより確実に行えるようになる。従って、より制御の容易な気体機械を得ることができる。
【００３７】
本発明の第１４態様によれば、前記高圧源が、圧縮気体を蓄積した気体容器であることを特徴とする第１〜１３のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００３８】
このような構成によれば、移動可能な構成で、圧縮気体のエクセルギーを用いることができるようになる。従って、移動の容易な気体機械を得ることができる。
【００３９】
本発明の第１５態様によれば、前記低圧源が、内部圧力が大気圧以下の気体容器であることを特徴とする第１〜１３のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００４０】
このような構成によれば、移動可能な構成で、大気圧以下の気体のエクセルギーを用いることができるようになる。従って、移動の容易な気体機械を得ることができる。
【００４１】
本発明の第１６態様によれば、前記低圧源若しくは前記高圧源が大気であることを特徴とする第１〜１５のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００４２】
このような構成によれば、低圧源若しくは高圧源を別途用意する必要が無くなる。従って、より簡易な構成の気体機械を得ることができる。
【００４３】
本発明の第１７態様によれば、前記気体機械が、前記回転軸周りに等間隔に複数個配置されかつ前記高圧ポートと前記低圧ポートとに接続される前記気体室をそれぞれ形成するシリンダと、前記シリンダ内で進退移動しかつ前記回転軸と連結されるピストンとで構成されるピストン・シリンダ式の気体機械であり、前記複数の気体室の容積変化の位相が互いに異なり、前記容積推定部が前記各ピストンの変位から前記各気体室の容積を推定することを特徴とする第１〜１６のいずれか１つの態様に記載の気体機械を提供する。
【００４４】
このような構成によれば、回転軸に発生するトルクが単一の気体室において周期的に変動しても、容積変化の位相の異なる複数の気体室で駆動することでトルクを平均化できるようになる。従って、よりトルク変動の少ない気体機械を得ることができる。
【００４５】
本発明の第１８態様によれば、車輪に推進力伝達部を介して連結された前記回転軸を有する、第１〜１７のいずれか１つの態様第記載の気体機械を備えて、
前記気体機械により発生した前記回転軸に対する前記トルクが、前記推進力伝達部を介して前記車輪に推進力として供給される車両を提供する。
【００４６】
このような構成によれば、前記第１〜１７のいずれか一つの態様に記載の気体機械により推進力が供給される車両を構成することができて、前記気体機械の作用効果を奏することができる車両を得ることができる。
【００４７】
本発明の第１９態様によれば、回転軸を回転自在に支持し、かつ、前記回転軸の回転に伴って周期的に容積が変化する気体室を有するとともに、前記気体室と高圧源を接続する高圧ポートと、前記気体室と低圧源を接続する低圧ポートとを有するケーシングと、
前記高圧ポートと前記高圧源との間及び低圧ポートと前記低圧源との間に配置され、前記高圧ポートのみを開放した高圧状態と、前記低圧ポートのみを開放した低圧状態と、前記高圧ポートと前記低圧ポートとの双方を閉鎖した閉鎖状態とを切り替える弁装置とを備える気体機械であって、
前記弁装置の切り替え動作に伴って前記気体室と前記高圧源との間で高圧気体が給排され、前記回転軸に対するトルクを発生させる気体機械の駆動方法であって、
前記気体室の容積の状態を推定する容積推定部の出力に応じて、前記気体室の圧力が前記高圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記高圧状態とを切り替え、前記気体室の圧力が前記低圧源の圧力と略同一の状態においてのみ前記閉鎖状態と前記低圧状態とを切り替え、前記気体室の容積が略最小の状態においてのみ前記低圧状態と前記高圧状態とを切り替えるように、前記弁装置を制御部で制御し、
前記制御部で、前記弁装置により前記閉鎖状態と前記高圧状態とが切り替えられるタイミング及び前記閉鎖状態と前記低圧状態とが切り替えられるタイミングを変化させることで、前記回転軸に対するトルクの発生を制御することを特徴とする、気体機械の駆動方法を提供する。
【００４８】
このような構成によれば、閉鎖状態において高圧源の圧力から低圧源の圧力までの膨張仕事を最大限利用できるようになるとともに、高圧状態、低圧状態及び閉鎖状態の各状態を切り替える際にも気体の減圧に伴う損失を最小にすることができるので、高効率な駆動が行えるようになる。従って、気体の膨張仕事を有効に活用した高効率な駆動が行える気体機械を得ることができる。
【００４９】
以下、本発明の実施の形態にかかる気体機械、及びそれを用いる車両、及び気体機械の駆動方法について、図面を参照しながら説明する。
【００５０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における気体機械の一例としてのエアポンプ・モータ１の概略を示した図である。
【００５１】
エアポンプ・モータ１は、回転軸６と、ケーシングの一例としてのシリンダブロック２と、容積推定部１２と、弁装置２０と、制御部の一例としての制御コントローラ１０１とを備えて構成している。エアポンプ・モータ１は、さらに、容積変化率推定部１３を備えていてもよい。制御コントローラ１０１は、容積推定部１２又は容積変化率推定部１３からの情報を基に所定の演算を行う演算部１０１ａと、演算部１０１ａでの演算結果などを基に、弁装置２０の動作を制御する動作制御部１０１ｂとを備えて構成されている。
【００５２】
図１において、シリンダブロック２は、中空円板形の回転室２ａと、回転室２ａに隣接する円筒状のピストン往復移動室（シリンダの一例）２ｂとを備えて、回転室２ａに回転軸６が回転自在に軸受けなどを介して支持されている。シリンダブロック２のピストン往復移動室２ｂの接続側の端部には、弁装置の一例としてのバルブボックス２０が取り付けられている。さらに、シリンダブロック２には、バルブボックス２０を介して、高圧源の一例としての高圧用エアタンク１４と、低圧源の一例としての大気開放口１５とがそれぞれ接続されている。エアタンク１４には、高圧気体の一例として圧縮空気が内蔵されている。高圧源として圧縮気体を内蔵したエアタンク１４を用いるのは、エアポンプ・モータ１を車両などの移動体の動力源として利用できるので望ましい。エアタンク１４に内蔵する気体としては、窒素等の不活性ガスを用いることもできるが、空気を用いるのが、低圧源をエアポンプ・モータ１の周辺の大気とすることが可能な点で望ましい。さらに、制御部の一例としての制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂが、シリンダブロック２の容積推定部又は容積変化率推定部より得られる情報に基づいてバルブボックス２０の動作を制御するように構成されている。
【００５３】
エアポンプ・モータ１がモータとして動作する場合には、エアタンク１４から圧縮空気がシリンダブロック２内に供給され、圧縮空気がシリンダブロック２の内部で膨張することで回転軸６に駆動トルクが発生し、外部に仕事をするようになる。また、エアポンプ・モータ１がポンプとして動作する場合には、回転軸６が回転すると、大気開放口１５から流入する空気がシリンダブロック２の内部で圧縮され、エアタンク１４に回生されるようになる。このとき、回転軸６には制動トルクが発生し、エアポンプ・モータ１に外部から仕事が為されるようになる。
【００５４】
シリンダブロック２とバルブボックス２０の内部は、図２の断面図に示すように構成されている。図２において、シリンダブロック２のピストン往復移動室２ｂ内には、可動体の一例としてのピストン３が周期運動可能に設けられ、シリンダブロック２内でピストン３が図２の左右方向（回転軸６の中心軸と直交する方向）に移動することで、ピストン往復移動室２ｂ内にピストン３とシリンダブロック２の内壁面とで形成される気体室７の容積が変化するようになっている。シリンダブロック２の回転室２ａ内には、回転軸６と一体に接続されて回転する連結板５が支持されている。
【００５５】
回転軸６に一体に接続されている連結板５と、ピストン３とは、連結棒４により連結されている。連結棒４とピストン３との接続は、紙面垂直軸回りに回転可能となるようにピン１０により行われ、同様に連結棒４と連結板５との接続も、紙面垂直軸回りに回転可能となるようにピン１１により行われている。これにより、回転軸６の回転に伴ってピストン３が直線的に往復運動するピストンクランク機構が構成されている。
【００５６】
さらに、シリンダブロック２の内部の連結板５の回転動作を行う回転室２ａの内壁には、容積推定部の一例として、連結板５の回転角度を計測する容積推定用エンコーダ１２と、容積推定用エンコーダ１２で計測された回転角度を基に演算により気体室７の容積を推定する制御コントローラ１０１の演算部１０１ａとが設けられている。ここでいう容積推定部とは、エンコーダ１２などで計測された回転角度などの計測値を基に、気体室７の容積の状態（例えば、容積の大きさ）を演算又は求めることを意味している。また、シリンダブロック２の内部の連結板５の回転動作を行う回転室２ａの内壁には、容積変化率推定部の一例として、連結板５の回転角度を計測する容積変化率推定用エンコーダ１３と、容積変化率推定用エンコーダ１３で計測された回転角度を基に演算により気体室７の容積変化率（気体室７の容積の時間変化である容積変化率）を推定する制御コントローラ１０１の演算部１０１ａとが設けられている。なお、容積の時間変化を演算部１０１ａで演算する場合の時間情報は、制御コントローラ１０１内に備えるタイマー部１０１ｃから入手する。
【００５７】
一方で、バルブボックス２０は、第１オンオフ弁１６と、第２オンオフ弁１７と、第１逆止弁１８と、第２逆止弁１９とより構成されている。エアタンク１４と、気体室７に導通した高圧ポート８との間には、第１オンオフ弁１６と第１逆止弁１８が設けられている。気体室７の圧力がエアタンク１４の圧力を上回る場合に、第１逆止弁１８が開放されて、気体室７の気体が第１逆止弁１８を介してエアタンク１４に流れ込めるようになっている。また、大気開放口１５と、気体室７に導通した低圧ポート９との間には、第２オンオフ弁１７と第２逆止弁１９が設けられている。気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を下回る場合に、第２逆止弁１９が開放されて、気体室７の気体が第２逆止弁１９を介して大気開放口１５から流れ出るようになっている。第１オンオフ弁１６と第２オンオフ弁１７との動作は、エンコーダ１２の出力、又は、エンコーダ１２とエンコーダ１３との出力を基に制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで気体室７の容積、又は、容積及び容積変化率をそれぞれ演算して推定し、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより制御されるようになっている。また、シリンダブロック２の内部の気体室７以外の部分については、大気開放口１５と同じ周辺圧力となっている。
【００５８】
次に、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂの制御の下で行われる、このエアポンプ・モータ１の作用を説明する。
【００５９】
最初に、回転軸６に対して駆動トルクを発生させる場合について説明する。
【００６０】
図３に、エアタンク１４に蓄えられた圧縮空気によりエアポンプ・モータ１を駆動させたときの気体室容積と、気体室内圧力との変化の様子を示す。図４に、このときのバルブボックス２０内におけるバルブ開閉状態の変化の様子を、回転軸６の角度に対して示す。図４におけるＡ〜Ｈの記号は、図３におけるＡ〜Ｈの各点と対応している。この回転軸６の角度はエンコーダ１２により計測されて、制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで気体室７の容積を演算して推定する。
【００６１】
さらに、図５に、図３における点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｇ、点Ｈにおけるエアポンプ・モータ１の状態を示す。エアポンプ・モータ１は、回転軸６が図５に示すように時計回りに一回転する間に、図３において、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈ→Ａというサイクルを描く。図３における点Ａ及び点Ｈの状態は、図２においてピストン３がシリンダブロック２内で最も左側に位置し、気体室７の容積が最小（図３では０）となる状態であり、図４における回転軸６の角度が０度となる状態である。また、図３における点Ｆの状態は、図２においてピストン３がシリンダブロック２内で最も右側に位置し、気体室７の容積が最大（図３ではＶｍａｘ）となる状態であり、図４における回転軸６の角度が１８０度となる状態である。
【００６２】
この一連のサイクルについて、順に説明する。
【００６３】
まず、図３において、点Ａ〜点Ｃの間は、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６が開放されるとともに第２オンオフ弁１７は閉鎖されて（図５の点Ａ及び点Ｂの図を参照。）、気体室７の圧力は、エアタンク１４の圧力と等しい高圧（図３におけるＰＨ）に保たれる。このような状態が高圧状態である。高圧状態では、気体室７にエアタンク１４より圧縮空気が吸入され、その圧力により、シリンダブロック２内でピストン３が図２の右方向に押されることで、回転軸６に時計回りの駆動トルクが発生する。
【００６４】
次に、点Ｃにおいて、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂは第１オンオフ弁１６を閉鎖するとともに第２オンオフ弁１７は閉鎖されたままで、気体室７は、エアタンク１４とも大気開放口１５とも接続されない状態となる。ただし、点Ｃとなる気体室容積は、回転軸６の一回転あたりの駆動エネルギーを調節するために、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂによって決定されるものであり、図３における点Ｃの位置は一例であり、回転軸６の一回転あたりの駆動エネルギーを調節するために、図３における点Ｃの位置を左右に移動させることができる。
【００６５】
点Ｃ〜点Ｅの間では、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６及び第２オンオフ弁１７は閉鎖されたままの状態であり（図５の点Ｄの図を参照。）、回転軸６が回転するにつれて気体室７の内部の空気は徐々に膨張し、点Ｅにおいて、気体室７の圧力は大気開放口１５の圧力と等しくなる。このような状態が閉鎖状態である。閉鎖状態においても、気体室７の圧力により、シリンダブロック２内でピストン３が図２の右方向に押され、回転軸６に時計回りの駆動トルクが発生する。ただし、点Ｅとなる気体室容積は、点Ｃの位置と膨張過程における外部からの吸熱量により決定される。
【００６６】
次に、点Ｅ〜点Ｆの間では、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６及び第２オンオフ弁１７は閉鎖されたままの状態であり、膨張により気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を下回ろうとするので、第１逆止弁１８は閉鎖された状態のままで第２逆止弁１９が開放され、気体室７の圧力は大気開放口１５の圧力と等しい低圧（図３におけるＰＬ）に保たれる。
【００６７】
さらに、点Ｆ〜点Ｈの間についても、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６は閉鎖されたままであるが第２オンオフ弁１７が開放されることで（図５の点Ｇ及び点Ｈの図を参照。）、気体室７の圧力は大気開放口１５の圧力と等しい低圧に保たれる。このような状態が低圧状態である。低圧状態では、ピストン３に圧力差による力が加わらないので、回転軸６の回転は阻害されることはない。なお、図４の点Ｆにおいて、第２逆止弁１９が閉鎖状態になっているのは、気体室７の容積が減少に転じた後は、第２オンオフ弁１７における圧力損失のために、わずかながら気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を上回るためである。
【００６８】
そして、気体室７の容積が最小となる点Ｈに到達後、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第２オンオフ弁１７を閉鎖するとともに第１オンオフ弁１６を開放する。これにより、気体室の状態は点Ｈから点Ａに移行し、一連の駆動サイクルが行われる。
【００６９】
一連の駆動サイクルにおいて、点Ａ〜点Ｃの高圧状態では、エアタンク１４の圧力を減圧することなく駆動に用いているので、空気のエネルギーを無駄なく利用できるようになる。また、点Ｃ〜点Ｅの閉鎖状態においても、気体室７に吸入された圧縮空気のエネルギーを膨張仕事として最大限利用したのちの、点Ｅの段階で低圧状態に切り替えているので、圧縮空気の排気に伴う損失も発生しなくなる。よって、圧縮空気を用いた高効率な駆動が実現される。なお、以上の説明では、サイクルが点Ａから開始する場合について述べているが、これに限るものではなく、任意の位置から開始してかまわない。
【００７０】
次に、回転軸６に対して制動トルクを発生させて回生動作を行う場合について説明する。図６に、エアポンプ・モータ１に制動動作を行わせ、エアタンク１４に圧縮空気を回生させたときの気体室容積と気体室内圧力の変化の様子を示す。
【００７１】
図７に、このときのバルブボックス２０内におけるバルブ開閉状態の変化の様子を、回転軸６の角度に対して示す。図７におけるＡ〜Ｈの記号は、図６におけるＡ〜Ｈの各点と対応している。この回転軸６の角度もエンコーダ１２により計測されて、制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで気体室７の容積を演算して推定する。図８に、図６における点Ｈ、点Ｇ、点Ｄ、点Ｂ、点Ａにおけるエアポンプ・モータ１の状態を示す。エアポンプ・モータ１は、回転軸６が図８に示すように時計回りに一回転する間に、図６において、Ｈ→Ｇ→Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｈというサイクルを描く。図６における点Ａ及び点Ｈの状態は、図２においてピストン３がシリンダブロック２内で最も左側に位置し、気体室７の容積が最小（図６では０）となる状態であり、図７における回転軸６の角度が０度となる。また、図６における点Ｆの状態は、図２においてピストン３がシリンダブロック２内で最も右側に位置し、気体室７の容積が最大（図６ではＶｍａｘ）となる状態であり、図７における回転軸６の角度が１８０度となる。
【００７２】
一連のサイクルについて順に説明する。
【００７３】
まず、点Ｈ〜点Ｆの間では、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６及び第２オンオフ弁１７は閉鎖されたままの状態であり（図８の点Ｈ及び点Ｇの図を参照。）、膨張により気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を下回ろうとするので、第１逆止弁１８は閉鎖されたままで第２逆止弁１９が開放され、気体室７の圧力は大気開放口１５の圧力と等しい低圧（図６におけるＰＬ）が保たれる。
【００７４】
さらに、点Ｆ〜点Ｅの間についても、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６は閉鎖されたままであるが第２オンオフ弁１７が開放されることで、気体室７の圧力は大気開放口１５の圧力と等しい低圧に保たれる（低圧状態）。ただし、点Ｅとなる気体室容積は、回転軸６の一回転あたりの回生エネルギーを調節するために、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂによって決定されるものであり、図６における点Ｅの位置は一例であり、回転軸６の一回転あたりの回生エネルギーを調節するために、図６における点Ｅの位置を左右に移動させることができる。低圧状態では、ピストン３に圧力差による力が加わらないので、回転軸６の回転は阻害されることはない。なお、図７の点Ｆにおいて第２逆止弁１９が閉鎖状態になっているのは、気体室７の容積が減少に転じた後は、第２オンオフ弁１７における圧力損失のために、わずかながら気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を上回るためである。
【００７５】
次に、点Ｅにおいて、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６は閉鎖されたままで第２オンオフ弁１７を閉鎖し、気体室７はエアタンク１４とも大気開放口１５とも接続されない状態となる（閉鎖状態）。
【００７６】
点Ｅ〜点Ｃの閉鎖状態においては、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６及び第２オンオフ弁１７は閉鎖されたままの状態であり（図８の点Ｄの図を参照。）、回転軸６が回転するにつれて気体室７の内部の空気は徐々に圧縮され、点Ｃにおいて、気体室７の圧力はエアタンク１４と等しくなる。閉鎖状態においては、気体室７の圧力により、シリンダブロック２内でピストン３が図２の右方向に押され、回転軸６に反時計回りの制動トルクが発生する。ただし、点Ｃとなる気体室容積は、点Ｅの位置と圧縮過程における外部への放熱量により決定される。
【００７７】
次に、点Ｃ〜点Ａの間では、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６及び第２オンオフ弁１７は閉鎖されたままの状態であり（図５の点Ｂ及び点Ａの図を参照。）、圧縮により気体室７の圧力がエアタンク１４の圧力を上回ろうとするので、第２逆止弁１９が閉鎖状態のままで、第１逆止弁１８が開放され、気体室７の圧力はエアタンク１４の圧力と等しい高圧（図６におけるＰＨ）に保たれる（高圧状態）。高圧状態においても、気体室７の圧力により、シリンダブロック２内でピストン３が図２の右方向に押されることで、回転軸６に反時計回りの制動トルクが発生する。また、回転軸６が回転するにつれて気体室７よりエアタンク１４に圧縮空気が回収されるので、制動によるエネルギーの回生が行われる。
【００７８】
そして、気体室７の容積が最小となる点Ａに到達後、シリンダブロック２内でピストン３の動作方向が図２の右方向になった時点で気体室７の圧力がエアタンク１４の圧力を下回ることから第１逆止弁１８が閉鎖されるとともに、気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を下回ろうとするので、第２逆止弁１９が開放される。これにより、気体室７の状態は点Ａから点Ｈに移行し、一連の駆動サイクルが行われる。
【００７９】
一連の回生サイクルでは、点Ｅ〜点Ｃの閉鎖状態において生成した圧縮空気を、点Ｃ〜点Ａの高圧状態においてエアタンク１４に無駄なく回収し、気体室７の容積が最小限となった段階で低圧状態に切り替えているので、圧縮空気の排気に伴う損失も最小限となる。よって、高効率な回生動作も実現される。
【００８０】
なお、以上の説明では、サイクルが点Ｈから開始する場合について述べているが、これに限るものではなく、任意の位置からサイクルを開始してかまわない。
【００８１】
以上のように、気体室７の圧力がエアタンク１４の圧力と等しい場合に、高圧状態と閉鎖状態とを切り替え、気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力と等しい場合に、低圧状態と閉鎖状態とを切り替える。更に、気体室７の容積が最小限の場合に、高圧状態と低圧状態を切り替える。以上より、回転軸６の制動によるエネルギーの回生と、当該回生エネルギーを再利用した回転軸６への駆動エネルギーの放出とを高効率に行えるようになる。
【００８２】
さらに、図３又は図６において一連のサイクルを示す線によって囲まれている部分（点Ａ、点Ｃ、点Ｅ、点Ｈを頂点とする領域）の面積がエネルギーに相当するので、閉鎖状態への切り替えタイミングを変化させることで、回転軸６の一回転あたりの駆動エネルギー又は回生エネルギーを調節することもできる。この様子を示したものが図９である。回転軸６の一回転あたりの駆動エネルギーを最大化するには、閉鎖状態において圧力がＰＬになるまで膨張させたときの容積がちょうどＶｍａｘとなるような点Ｃｍａｘにおいて高圧状態から閉鎖状態に切り替えればよい。点Ｃｍａｘは、閉鎖状態における空気の膨張が等温過程で行われると考えられる場合には、容積がＰＬＶｍａｘ／ＰＨで求められる値になる時点となる。高圧状態から閉鎖状態に切り替えるタイミングとして、点Ａから点Ｃｍａｘの間の任意の点Ｃ１を制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂが選択することで、回転軸６の一回転あたりの駆動エネルギーを調節することが可能になる。同様に、回転軸６の一回転あたりの回生エネルギーを最大化するには、容積がＶｍａｘとなる点Ｆにおいて低圧状態から閉鎖状態に切り替えればよい。低圧状態から閉鎖状態に切り替えるタイミングとして、点Ｈから点Ｆの間の任意の点Ｅ１を制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂが選択することで、回転軸６の一回転あたりの回生エネルギーを調節することが可能になる。単に現状よりエネルギー量を増加させたい場合には、点Ｃ１又は点Ｅ１をそれぞれ点Ｃｍａｘ側又は点Ｆ側に移動させればよい。逆に、現状よりエネルギー量を減少させたい場合には、点Ｃ１又は点Ｅ１をそれぞれ点Ａ側又は点Ｈ側に移動させればよい。また、回転軸６の一回転あたりのエネルギーを精確に設定する場合には、図９においてサイクルの軌跡が囲む領域の面積が目標の値となるように点Ｃ１もしくは点Ｅ１の位置を制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで計算し、気体室７の容積が該当する値となるタイミングにおいて制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂがバルブボックス２０の動作をコントロールすればよい。サイクルの軌跡が囲む領域の面積の計算では、点Ｃ〜点Ｅの閉鎖状態における曲線で囲まれる容積範囲の面積計算が問題となるが、気体室７の容積の変化を等温過程と考える場合には、圧力Ｐと容積Ｖの積ＰＶとが一定であるとして演算部１０１ａで積分計算すればよい。また、気体室７の容積については、エンコーダ１２により計測される回転軸６の回転角度から、制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで容易に算出することができる。すなわち、回転軸６の回転角度がわかれば、ピン１１の位置が決まる。ピン１１の位置がわかれば、ピストン３の可動範囲は既知なので、ピン１１からピン１０までの長さを用いて、ピン１０の位置を求めることができる。ピン１０の位置がわかれば、ピストン３の位置を求めることができ、ピストン３の位置とピストン３の断面積とから気体室７の容積を演算部１０１ａで求めることができる。このような求め方は、計測が容易な点で望ましい。容積の求め方はこれに限るものではなく、連結棒４とピストン３又は連結板５が為す角を演算部１０１ａで計測して求めるようにしてもよい。この場合、回転軸６とピン１０とピン１１とを結ぶ三角形の２角が既知となるので、そこから回転軸６の回転角度を演算部１０１ａで求めることができる。そこから同様にして、気体室７の容積を演算部１０１ａで求めることができる。また、ピストン３の上死点からの変位を、直接、光学変位計等の手段で計測し、計測された変位とピストン３の断面積とを演算部１０１ａで掛け合わせることで求めてもよい。このような求め方は、気体室７の容積をより直接的に計測することができるので望ましい。
【００８３】
先ほどの説明では、閉鎖状態において等温変化する場合について述べているが、実際には、回転軸６の回転速度が速くなるほど気体室７の気体温度と周辺温度との乖離は大きくなり、断熱変化に近づくようになる。このとき、等温変化を前提として回転軸６の一回転あたりのエネルギーを見積もっていると、誤差が生じることになる。等温変化の場合ＰＶが一定となるが、例えば回転軸６の回転速度がきわめて速く、断熱変化と見なせる場合にはＰＶγが一定となる。ただし空気の場合、γは１．３９９となる。
【００８４】
図１０に、断熱変化した場合の影響を示す。閉鎖状態において等温変化した場合に点Ｃと点Ｅとを結ぶ実線のような変化をするときであって、かつ、閉鎖状態における変化が断熱変化の場合、駆動時には点Ｃと点Ｅ’とを結ぶ破線のような変化となり、回生動作時には点Ｅと点Ｃ’とを結ぶ点線のような変化となる。この場合、回転軸６の一回転あたりのエネルギーは、等温変化と見なした場合の値とは異なる値となる。回転軸６の一回転あたりのエネルギーを等温変化の場合のエネルギーと等しくするためには、図１０においてサイクルの軌跡が囲む領域の面積が駆動時と回生動作時とで等しくなるように、閉鎖状態における断熱変化が点Ｃａと点Ｅａとを結ぶ破線のように行われる必要がある。閉鎖状態における実際の変化は、等温変化と断熱変化との中間となるが、この場合には、閉鎖状態においてＰＶｎが一定として、ｎを１〜１．３９９の間の値とすることで、近似することができる。実動作状態におけるｎを事前に実験で求めておくことで、エネルギーをより精確に見積もることができる。また、エネルギーをさらに精確に見積もる場合には、制御コントローラ１０１内に備えるタイマー部１０１ｃからの時間情報をも考慮して、演算部１０１ａで気体室７の容積の時間変化ごとに設定するｎを変化させる必要がある。容積変化率推定用エンコーダ１３により計測され制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで演算されて推定された気体室７の容積変化率が高いほど、ｎの値は大きくなり、１．３９９に近づいていく。気体室７の容積変化率は、厳密には、回転軸６の一回転中においても変化するものであるが、本第１実施形態では、容積変化率推定用エンコーダ１３により計測され制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで演算されて推定された回転軸６の一回転中の気体室７の平均容積変化率を用いている。このようにすることは、計測が容易になるとともに、サイクルの軌跡が囲む領域の面積の計算をｎの値を用いて容易に行える点で望ましい。すなわち、平均容積変化率は、以下のように求めることができる。回転軸６が一回転する間にピストン３が一往復するので、その間の気体室７の容積の最大値と最小値を、上述の容積の算出を繰り返し行うことで演算部１０１ａで求め、求められた最大容積と最小容積の差を、回転軸６が一回転するのに要した時間の半分で割ることで、演算部１０１ａで平均容積変化率を求めることができる。回転軸６が一回転するのに要した時間は、タイマー部１０１ｃからの時間情報を考慮して演算部１０１ａで求めることができる。そして、制御コントローラ１０１の演算部１０１ａに、事前に実験より求めた平均容積変化率とｎの関係をデータとして与えておき、点Ｃ１もしくは点Ｅ１を決定する際の閉鎖状態の変化軌跡としてＰＶｎ一定の関係を用いることで、駆動時もしくは回生動作時の回転軸６の一回転あたりのエネルギーを、より精確に制御できるようになる。ここでは、回転軸６が一回転する間の最大容積と最小容積から平均容積変化率を演算部１０１ａで求めているが、これに限るものではなく、回転軸６の複数回転における平均値を使用して平均容積変化率を演算部１０１ａで求めるようにしてもよい。また、最小容積もしくは最大容積のタイミングから回転軸６が半回転する間で平均容積変化率を演算部１０１ａで求めるようにしてもよい。さらに、最大容積と最小容積の差から求めるのではなく、光学速度計等（図示せず）でピストン３の速度を直接計測し、ピストン断面積と掛け合わせることで容積変化率を演算部１０１ａで求めるようにしてもよい。このような求め方は、気体室７の容積変化率をより直接的に計測することができるので望ましい。
【００８５】
なお、以上の説明では、エアタンク１４の圧力ＰＨと大気開放口１５の圧力ＰＬとをそれぞれ一定として扱っているが、エアタンク１４のサイズが小さく、動作中の圧力変動が無視できないときには、図２０に示すように、エアタンク１４の圧力を圧力計測装置の一例としての高圧用圧力センサ１４ｇで計測するようにして、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂが高圧用圧力センサ１４ｇで計測された値を用いるようにしてもよい。同様に、低圧源を大気開放口１５ではなく、高圧用エアタンク１４の圧力より低い低圧用エアタンク１４Ｌとしてもよい。この場合に、低圧用エアタンク１４Ｌの圧力を圧力計測装置の一例としての低圧用圧力センサ１４ｈで計測するようにして、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂが低圧用圧力センサ１４ｈで計測された値を用いるようにしてもよい。また、本第１実施形態ではエンコーダ１２とエンコーダ１３とを別々に設けているが、この二つのエンコーダを同一のエンコーダで兼用するようにしてもよい。
【００８６】
なお、本第１実施形態では、回転軸６が時計回りの場合について説明を行ったが、これに限るものではなく、反時計回りの場合についても同様に実施可能である。
【００８７】
さらに、本第１実施形態では大気開放口１５は低圧源としているが、これに限るものではなく、大気開放口１５を高圧源として用いて、低圧源を大気圧未満の低圧用タンクとすることも可能である。
【００８８】
また、バルブボックス２０内の構成についても、本第１実施形態では第１、第２オンオフ弁１６，１７と第１、第２逆止弁１８，１９の組み合わせで説明を行ったが、第１、第２逆止弁１８，１９の開閉動作を第１、第２オンオフ弁１６，１７で代用するようにして、逆止弁を用いないようにしても、同様に実施可能である。逆止弁を用いない構造は、弁装置の構造を簡略化できる点で望ましい。また、第１、第２逆止弁１８，１９を用いた構造は、気体室７の圧力が高圧源の一例としての高圧用エアタンク１４の圧力と略同一の状態においてのみ閉鎖状態と高圧状態とを切り替える動作が、より確実に行えるとともに、気体室７の圧力が低圧源の圧力と略同一の状態においてのみ閉鎖状態と低圧状態とを切り替える動作も、より確実に行える点で望ましい。第１、第２オンオフ弁１６，１７についても、オンオフ動作しかできない弁に限るものではなく、スプール弁等の半開状態で利用できる弁を用いてオンオフ動作させてもよい。
【００８９】
また、本第１実施形態では、レシプロ式の容積型気体機械を用いて説明を行っているが、回転軸６の回転に伴って可動体(例えばピストン３)が移動して周期的に容積が変化して弁装置２０を動作させればよいので、可動体の別の例として渦巻き状スクロールを有するスクロール式の容積型気体機械等のレシプロ式以外の容積型気体機械にも適用可能である。
【００９０】
さらに、エアポンプ・モータ１を多気筒、具体的には３気筒としたエアポンプ・モータ１ｂの概略を図１１に示す。第１実施形態のエアポンプ・モータ１に相当する構成が、回転軸６を共有しながら、１２０度ごとに３個組み合わさった構成となっている。すなわち、この図１１においては、エアポンプ・モータ１の連結棒４とピストン３と
シリンダ２ｂとで構成される駆動部１ｇを３個、回転軸６の周囲に等間隔で（具体的には１２０度間隔で）配置する構成としている。より詳しくは、回転軸６に固定された連結板５に対して３本の連結棒４で３個のピストン３が連結されて、前記すべての気体室７の容積変化の位相が互いに異なるように３個のピストン３が３個のシリンダ２ｂ内でそれぞれ独立して進退移動する。３個のシリンダには、それぞれ、気体室７が形成されるとともに、高圧ポート８と低圧ポート９とが接続され、３個のバルブボックス２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）が配置されている。制御コントローラ１０１は、共通で１個備えられて、容積推定部からの情報、又は、容積推定部及び容積変化率推定部からの情報を基に、３個のバルブボックス２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）を動作制御できるようにしている。よって、それぞれの気体室７の容積も、１２０度ごとの位相差で変化するようになっており、バルブボックス２０ａ、２０ｂ、２０ｃも、制御コントローラ１０１により、１２０度ごとの位相差で動作するように制御されている。エアタンク１４と大気開放口１５については、それぞれのバルブボックス２０ａ、２０ｂ、２０ｃが共有するように接続されている。
【００９１】
このような構成とすることで、エアポンプ・モータ１ｂでは、回転軸６の角度によって発生トルクが大きく変動するのを平均化できるようになる。トルク変動を抑制するには気筒数を増やすのが望ましいが、多すぎると製作に困難が生じるようになるので、３気筒から７気筒程度の構成が望ましい。なお、図１１では、エアタンク１４と大気開放口１５とを共有する構成としているが、これに限るものではなく、バルブボックス２０ａ、２０ｂ、２０ｃごとにエアタンク１４と大気開放口１５とを設けるようにしてもよい。
【００９２】
また、エアポンプ・モータ１ｂを搭載した車両の一例である自転車３０の概略を図１２に示す。エアポンプ・モータ１ｂの回転軸６（図示せず）の先端にスプロケット３１を固定し、スプロケット３１と、自転車３０の車輪例えば後輪３４と一体に回るよう設けられたスプロケット３２との間がチェーン３３で連結されている。ここでは、スプロケット３１とスプロケット３２とチェーン３３とで、車輪に対する推進力伝達部の一例が構成されている。よって、気体機械の回転軸６が車輪３４に推進力伝達部３１，３２，３３を介して連結されて、気体機械により発生した回転軸６に対する前記トルクが、推進力伝達部を介して車輪３４に推進力として供給されるようにしている。
【００９３】
このように構成することで、エアポンプ・モータ１ｂが駆動トルクを発生させることで自転車３０に推進力を与えることができるとともに、制動トルクを発生させることで自転車３０に制動力を与え、自転車３０の運動エネルギーを圧縮空気の製造に利用することでエネルギーの回生が行えるようになる。
【００９４】
（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態における気体機械の一例としてのエアポンプ・モータ１ｃの概略を示した断面図である。なお、第１実施形態と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図１３において、バルブボックス２０に相当する部分は、エアタンク１４と高圧ポート８との間に設けられた第１オンオフ弁１６と第１逆止弁１８とのみとなる。
【００９５】
第２実施形態では、高圧ポート８と低圧ポート９とはシャトル弁２１を介して気体室７に導通するようになっている。シャトル弁２１が設けられることで、高圧ポート８と低圧ポート９とのどちらか圧力の高いポートだけが、気体室７と導通するようになる。第１オンオフ弁１６が開放された状態では、高圧ポート８側の圧力が高くなるので、シャトル弁２１は高圧ポート８側が開放された状態になる。第１オンオフ弁１６が閉鎖された状態で、気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を下回ろうとする状態では、低圧ポート９側の圧力が高くなるので、シャトル弁２１の低圧ポート９側が開放された状態になる。それ以外の状況下では、それまでのシャトル弁２１の状態が保持されることになる。第１オンオフ弁１６の動作は、エンコーダ１２の出力又はエンコーダ１３の出力に基づき制御コントローラ１０１の演算部１０１ａにより演算して推定された気体室７の容積又は容積変化率とを基に制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより制御されるようになっている。また、シリンダブロック２の内部の気体室７以外の部分については、大気開放口１５と同じ周辺圧力となっている。
【００９６】
次に、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂの制御の下で行われる、このエアポンプ・モータ１ｃの作用を説明する。
【００９７】
最初に、回転軸６に対して駆動トルクを発生させる場合について説明する。
【００９８】
図１４に、エアタンク１４に蓄えられた圧縮空気により、エアポンプ・モータ１ｃを駆動させたときの気体室容積と、気体室内圧力との変化の様子を示す。図１５に、このときのバルブ状態の変化の様子を、回転軸６の角度に対して示す。図１５におけるＡ〜Ｈの記号は、図１４におけるＡ〜Ｈの各点と対応している。この回転軸６の角度はエンコーダ１２により計測されて、制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで気体室７の容積を演算して推定する。
【００９９】
さらに、図１６に、図１４における点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｇ、点Ｈにおけるエアポンプ・モータ１ｃの状態を示す。エアポンプ・モータ１ｃは、回転軸６が図１６に示すように時計回りに一回転する間に、図１４において、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈ→Ａというサイクルを描く。図３における点Ａ及び点Ｈの状態は、図１３においてピストン３がシリンダブロック２内で最も左側に位置し、気体室７の容積が最小（図１４では０）となる状態であり、図１５における回転軸６の角度が０度となる状態である。また、図１４における点Ｆの状態は、図１３においてピストン３がシリンダブロック２内で最も右側に位置し、気体室７の容積が最大（図１４ではＶｍａｘ）となる状態であり、図１５における回転軸６の角度が１８０度となる状態である。
【０１００】
この一連のサイクルについて、順に説明する。
【０１０１】
まず、図１４において、点Ａ〜点Ｃの間は、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６が開放され、シャトル弁２１は高圧ポート８側が開放された状態となり（図１６の点Ａ及び点Ｂの図を参照。）、気体室７の圧力は、エアタンク１４の圧力と等しい高圧（図１４におけるＰＨ）に保たれる（高圧状態）。この高圧状態では、気体室７にエアタンク１４より圧縮空気が吸入され、その圧力により、シリンダブロック２内でピストン３が図１３の右方向に押されることで、回転軸６に時計回りの駆動トルクが発生する。
【０１０２】
次に、点Ｃにおいて、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂは第１オンオフ弁１６を閉鎖し、気体室７はエアタンク１４とも大気開放口１５とも接続されない状態となる（閉鎖状態）。ただし、点Ｃとなる気体室容積は、回転軸６の一回転あたりの駆動エネルギーを調節するために、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂによって決定されるものであり、図１４における点Ｃの位置は一例であり、回転軸６の一回転あたりの駆動エネルギーを調節するために、図１４における点Ｃの位置を左右に移動させることができる。
【０１０３】
点Ｃ〜点Ｅの閉鎖状態においては、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６は閉鎖されたままの状態であり（図１６の点Ｄの図を参照。）、回転軸６が回転するにつれて気体室７の内部の空気は徐々に膨張され、点Ｅにおいて、気体室７の圧力は大気開放口１５の圧力と等しくなる。この閉鎖状態においても、気体室７の圧力により、シリンダブロック２内でピストン３が図２の右方向に押され、回転軸６に時計回りの駆動トルクが発生する。ただし、点Ｅとなる気体室容積は、点Ｃの位置と膨張過程における外部からの吸熱量により決定される。
【０１０４】
次に、点Ｅ〜点Ｆの間では、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６は閉鎖されたままの状態であり、膨張により気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を下回ろうとするので、第１逆止弁１８は閉鎖された状態のままでシャトル弁２１は低圧ポート９側が開放された状態になる。
【０１０５】
その状態のまま（図１６の点Ｇ及び点Ｈの図を参照。）、気体室７の圧力は、点Ｅ〜点Ｈの間で、大気開放口１５の圧力と等しい低圧（図３におけるＰＬ）に保たれる（低圧状態）。この低圧状態では、ピストン３に圧力差による力が加わらないので、回転軸６の回転は阻害されることはない。
【０１０６】
そして、気体室７の容積が最小となる点Ｈに到達後、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂは第１オンオフ弁１６を開放し、シャトル弁２１の高圧ポート８側が開放された状態に変化させる。これにより、気体室の状態は点Ｈから点Ａに移行し、一連の駆動サイクルが行われる。
【０１０７】
一連の駆動サイクルにおいて、点Ａ〜点Ｃの高圧状態では、エアタンク１４の圧力を減圧することなく駆動に用いているので、空気のエネルギーを無駄なく利用できるようになる。また、点Ｃ〜点Ｅの閉鎖状態においても、気体室７に吸入された圧縮空気のエネルギーを膨張仕事として最大限利用したのちの、点Ｅの段階で低圧状態に切り替えているので、圧縮空気の排気に伴う損失も発生しなくなる。よって、圧縮空気を用いた高効率な駆動が実現される。なお、以上の説明では、サイクルが点Ａから開始する場合について述べているが、これに限るものではなく、任意の位置から開始してかまわない。
【０１０８】
次に、回転軸６に対して制動トルクを発生させて回生動作を行う場合について説明する。図１７に、エアポンプ・モータ１ｃに制動動作を行わせ、エアタンク１４に圧縮空気を回生させたときの気体室容積と気体室内圧力の変化の様子を示す。
【０１０９】
図１８に、このときのバルブボックス２０内におけるバルブ状態の変化の様子を、回転軸６の角度に対して示す。図１８におけるＡ〜Ｈの記号は、図１７におけるＡ〜Ｈの各点と対応している。この回転軸６の角度もエンコーダ１２により計測されて、制御コントローラ１０１の演算部１０１ａで気体室７の容積を演算して推定する。図１９に、図１７における点Ｈ、点Ｇ、点Ｄ、点Ｂ、点Ａにおけるエアポンプ・モータ１ｃの状態を示す。エアポンプ・モータ１ｃは、回転軸６が図１９に示すように時計回りに一回転する間に、図１７において、Ｈ→Ｇ→Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｈというサイクルを描く。図１７における点Ａ及び点Ｈの状態は、図１３においてピストン３がシリンダブロック２内で最も左側に位置し、気体室７の容積が最小（図１７では０）となる状態であり、図１８における回転軸６の角度が０度となる。また、図１７における点Ｆの状態は、図１３においてシリンダブロック２内でピストン３が最も右側に位置し、気体室７の容積が最大（図１７ではＶｍａｘ）となる状態であり、図１８における回転軸６の角度が１８０度となる。
【０１１０】
一連のサイクルについて順に説明する。
【０１１１】
まず、点Ｈ〜点Ｆの間では、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６は閉鎖されたままの状態であり（図１９の点Ｈ及び点Ｇの図を参照。）、膨張により気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を下回ろうとするので、第１逆止弁１８は閉鎖されたままでシャトル弁２１は低圧ポート９側が開放された状態になり、そのまま、気体室７の圧力は点Ｈ〜点Ｅの間で大気開放口１５の圧力と等しい低圧（図１７におけるＰＬ）に保たれる（低圧状態）。ただし、点Ｅとなる気体室容積は、回転軸６の一回転あたりの回生エネルギーを調節するために制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂによって決定されるものであり、図１７における点Ｅの位置は一例であり、回転軸６の一回転あたりの回生エネルギーを調節するために、図１７における点Ｅの位置を左右に移動させることができる。低圧状態では、ピストン３に圧力差による力が加わらないので、回転軸６の回転は阻害されることはない。
【０１１２】
次に、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂは、点Ｅにおいて、第１オンオフ弁１６を一瞬だけ開放することでシャトル弁２１を高圧ポート８側が開放された状態とし、気体室７がエアタンク１４とも大気開放口１５とも接続されない状態とする（閉鎖状態）。
【０１１３】
点Ｅ〜点Ｃの閉鎖状態においては、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６は閉鎖されたままの状態であり（図１９の点Ｄの図を参照。）、回転軸６が回転するにつれて気体室７の内部の空気は徐々に圧縮され、点Ｃにおいて、気体室７の圧力はエアタンク１４と等しくなる。閉鎖状態においては、気体室７の圧力により、シリンダブロック２内でピストン３が図１３の右方向に押され、回転軸６に反時計回りの制動トルクが発生する。ただし、点Ｃとなる気体室容積は、点Ｅの位置と圧縮過程における外部への放熱量により決定される。
【０１１４】
次に、点Ｃ〜点Ａの間では、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂにより第１オンオフ弁１６は閉鎖されたままの状態であり（図１９の点Ｂ及び点Ａの図を参照。）、圧縮により気体室７の圧力がエアタンク１４の圧力を上回ろうとするので、第１逆止弁１８が開放され、気体室７の圧力はエアタンク１４の圧力と等しい高圧（図１７におけるＰＨ）に保たれる（高圧状態）。高圧状態においても、気体室７の圧力により、シリンダブロック２内でピストン３が図１３の右方向に押されることで、回転軸６に反時計回りの制動トルクが発生する。また、回転軸６が回転するにつれて気体室７よりエアタンク１４に圧縮空気が回収されるので、制動によるエネルギーの回生が行われる。
【０１１５】
そして、気体室７の容積が最小となる点Ａに到達後、シリンダブロック２内でピストン３の動作方向が図１３の右方向になった時点で気体室７の圧力がエアタンク１４の圧力を下回ることから第１逆止弁１８が閉鎖されるとともに、気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力を下回ろうとするので、シャトル弁２１は低圧ポート９側が開放される。これにより、気体室７の状態は点Ａから点Ｈに移行し、一連の駆動サイクルが行われる。
【０１１６】
一連の回生サイクルでは、点Ｅ〜点Ｃの閉鎖状態において生成した圧縮空気を、点Ｃ〜点Ａの高圧状態においてエアタンク１４に無駄なく回収し、気体室７の容積が最小限となった段階で低圧状態に切り替えているので、圧縮空気の排気に伴う損失も最小限となる。よって、高効率な回生動作も実現される。
【０１１７】
なお、以上の説明では、サイクルが点Ｈから開始する場合について述べているが、これに限るものではなく、任意の位置からサイクルを開始してかまわない。
【０１１８】
以上のように、気体室７の圧力がエアタンク１４の圧力と等しい場合に、高圧状態と閉鎖状態を切り替え、気体室７の圧力が大気開放口１５の圧力と等しい場合に、低圧状態と閉鎖状態を切り替え、気体室７の容積が最小限の場合に、高圧状態と低圧状態を切り替えることで、回転軸６の制動によるエネルギーの回生と、それを再利用した回転軸６への駆動エネルギーの放出を高効率に行えるようになる。
【０１１９】
さらに、図１４又は図１７において一連のサイクルを示す線によって囲まれている部分（点Ａ、点Ｃ、点Ｅ、点Ｈを頂点とする領域）の面積がエネルギーに相当するので、閉鎖状態への切り替えタイミングを変化させることで、回転軸６の一回転あたりの駆動エネルギー又は回生エネルギーを調節することもできる。さらに、第１実施形態と比較すると、高圧ポート側に弁装置を設けるだけで同様の効果が得られている。
【０１２０】
よって、第１実施形態よりも簡便な構成で本発明の作用効果が得られるようになる。
【０１２１】
なお、以上の説明ではエアタンク１４の圧力ＰＨと大気開放口１５の圧力ＰＬとをそれぞれ一定として扱っているが、エアタンク１４のサイズが小さく、動作中の圧力変動が大気開放口１５のように無視できないときには、図２０と同様にエアタンク１４の圧力を圧力計測装置の一例としての高圧用圧力センサ１４ｇで計測するようにして、制御コントローラ１０１の動作制御部１０１ｂが高圧用圧力センサ１４ｇで計測された値を用いるようにしてもよい。
【０１２２】
また、本第２実施形態ではエンコーダ１２とエンコーダ１３とを別々に設けているが、この二つのエンコーダを同一のエンコーダで兼用するようにしてもよい。
【０１２３】
なお、本第２実施形態では、回転軸６が時計回りの場合について説明を行ったが、これに限るものではなく、反時計回りの場合についても同様に実施可能である。
【０１２４】
さらに、本第２実施形態では大気開放口１５は低圧源としているが、これに限るものではなく、大気開放口１５を高圧源として用いて、低圧源を大気圧未満のタンクとすることも可能である。
【０１２５】
また、バルブボックス２０内の構成についても、本第２実施形態では第１オンオフ弁１６と第１逆止弁１８の組み合わせで説明を行ったが、第１逆止弁１８の開閉動作を第１オンオフ弁１６で代用するようにして、逆止弁を用いないようにしても、同様に実施可能である。第１オンオフ弁１６についても、オンオフ動作しかできない弁に限るものではなく、スプール弁等の半開状態で利用できる弁を用いてオンオフ動作させてもよい。
【０１２６】
また、本第２実施形態では、レシプロ式の容積型気体機械を用いて説明を行っているが、回転軸６の回転に伴って可動体(例えばピストン３)が移動して周期的に容積が変化して弁装置２０を動作させればよいので、可動体の別の例として渦巻き状スクロールを有するスクロール式の容積型気体機械等のレシプロ式以外の容積型気体機械にも適用可能である。
【０１２７】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明にかかる気体機械及びそれを用いる車両、及び気体機械の駆動方法は、高効率な駆動と制動によるエネルギー回生が可能であり、車両の動力装置及びそれを用いる車両、及び車両の動力装置の駆動方法として有用である。また重量物の昇降動作等の用途にも応用できる。
【符号の説明】
【０１２９】
１、１ｂ、１ｃ  エアポンプ・モータ
２  シリンダブロック
２ａ  回転室
２ｂ  往復移動室
３  ピストン
４  連結棒
５  連結板
６  回転軸
７  気体室
８  高圧ポート
９  低圧ポート
１０、１１  ピン
１２  容積推定用エンコーダ
１３  容積変化率推定用エンコーダ
１４  高圧用エアタンク
１４ｇ  高圧用圧力センサ
１４Ｌ  低圧用エアタンク
１４ｈ  低圧用圧力センサ
１５  大気開放口
１６、１７  第１、第２オンオフ弁
１８、１９  第１、第２逆止弁
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  バルブボックス
２１  シャトル弁
３０  自転車
３１、３２  スプロケット
３３  チェーン
３４  後輪
１０１  制御コントローラ
１０１ａ  演算部
１０１ｂ  動作制御部
１０１ｃ  タイマー部
【図１】
2011256800.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】
2011256800.tif 000009
【図８】
2011256800.tif 000010
【図９】
2011256800.tif 000011
【図１０】
2011256800.tif 000012
【図１１】
2011256800.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2011256800.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2011256800.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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