(57)【要約】【課題】エネルギーを効率よく変換することができる動力発生装置を提供すること。【解決手段】シリンダ１０の一方端側に配された吸気口２１及び吸気弁体２２を有する吸気バルブ部２０と、シリンダ１０の一方端側に配された排気口３１及び排気弁体３２を有する排気バルブ部３０と、シリンダ１０内を往復運動するピストン４０とを備え、ピストン４０の動作範囲が、高圧気体Ｈが導入される導入空間１１をシリンダ１０内に残す位置から、導入空間１１に導入された高圧気体Ｈが膨張することで移動するストロークの長さ範囲であり、導入空間１１に高圧気体を導入した後に吸気弁体２２で吸気口２１を閉じる吸気バルブ開閉機構２５、及び高圧気体が膨張してピストン４０をストロークについて移動させた後に排気弁体３２で排気口３１を開く排気バルブ開閉機構３５を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧よりも高圧の気体を導入できるシリンダと、該シリンダの一方端側に配された吸気口、及び該吸気口を開閉する吸気弁体を有する吸気バルブ部と、前記シリンダの一方端側に配された排気口、及び該排気口を開閉する排気弁体を有する排気バルブ部と、前記シリンダ内を往復運動するピストンとを備え、該ピストンの動作範囲が、高圧気体が導入される導入空間をシリンダ内に残す位置から、該導入空間に導入された前記高圧気体が膨張することで移動するストロークの長さ範囲に設定され、該導入空間に前記高圧気体を導入した後に前記吸気弁体で前記吸気口を閉じる吸気バルブ開閉機構、及び前記高圧気体が膨張して前記ピストンを前記ストロークについて移動させた後に前記排気弁体で前記排気口を開く排気バルブ開閉機構を備えることを特徴とする動力発生装置。
【請求項２】
前記シリンダの他方端側にも前記吸気バルブ部と前記排気バルブ部を備え、前記ピストンが両方向について高圧気体が膨張することで移動駆動するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の動力発生装置。
【請求項３】
前記シリンダ及び前記ピストンとは別の第２段シリンダ及び第２段ピストンが設けられ、該第２段シリンダにも前記吸気バルブ部と前記排気バルブ部とが設けられていると共に、該第２段シリンダには前記シリンダによって前記膨張した容積の高圧気体が導入される第２段導入空間が形成され、前記シリンダにおける前記ピストンと同様の原理で前記第２段ピストンが作動することを特徴とする請求項１又は２記載の動力発生装置。
【請求項４】
前記排気口から排出された圧力気体を貯留する圧力気体室と、水中に上下方向に周回動するように配された無限軌道と、該無限軌道に所要の間隔をおいて複数が配され、前記圧力気体室から排出されて前記水中に導入された気体を受けて前記無限軌道を作動させるように設けられた気体受け部とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項５】
前記吸気バルブ開閉機構、及び前記排気バルブ開閉機構が、カム機構であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項６】
前記吸気バルブ開閉機構、及び前記排気バルブ開閉機構が、電磁弁であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項７】
大気圧よりも高圧の気体を導入できるシリンダと、該シリンダの周壁部に設けられた吸気口、及び該吸気口を開閉する吸気弁体を有する吸気バルブ部と、前記シリンダ内の偏心した位置でシリンダの軸心と並行な軸心を中心に回転運動するロータと、該ロータから径方向に出入する複数のベーンとを備え、該ベーンは先端が前記シリンダの内周面に常に接触して該シリンダの内部を空気圧室に区画し、該ベーンが、高圧気体が導入される導入空間をシリンダ内に残す位置から、該導入空間に導入された前記高圧気体が膨張して前記ロータを回転させることに伴って所要の角度位置に移動される間であって、前記導入空間に前記高圧気体を導入した後に前記吸気弁体で前記吸気口を閉じる吸気バルブ開閉機構、及び前記ベーンの前記所要の角度位置を超える角度位置に対応する前記シリンダの周壁部に設けられた排気口を備えることを特徴とする動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大気圧よりも高圧の気体を導入できるシリンダと、前記シリンダの一方端側に配された吸気口、及び該吸気口を開閉する吸気弁体を有する吸気バルブ部と、前記シリンダの一方端側に配された排気口、及び該排気口を開閉する排気弁体を有する排気バルブ部と、前記シリンダ内を往復運動するピストンとを備える構成、又は、大気圧よりも高圧の気体を導入できるシリンダと、該シリンダの周壁部に設けられた吸気口、及び該吸気口を開閉する吸気弁体を有する吸気バルブ部と、前記シリンダ内の偏心した位置でシリンダの軸心と並行な軸心を中心に回転運動するロータと、該ロータから径方向に出入する複数のベーンとを備えるロータリー型の構成で、発電機の駆動力となり得る動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、動力発生装置としては、例えば、シリンダと、ピストンと、シリンダに結合されたクランクケースと、クランク軸と、ピストンとクランク軸とを連結するピストンロッドと、シリンダヘッドに設けられた高圧蒸気供給口と、高圧蒸気源から高圧蒸気供給口への高圧蒸気の供給を制御する高圧蒸気供給電磁弁とを有し、シリンダには、ピストンが下死点及びその近傍に位置するときに、シリンダキャビティＣとクランクケースの内部とを連通させるような蒸気出口が形成され、クランクケースには蒸気出口から流入する低圧蒸気を排出する蒸気排出口が形成され、クランク軸に取り付けられた位相指示部材と、位相指示部材を検知するスイッチとを用いて、クランク軸の回転位相に対応して高圧蒸気供給電磁弁の開閉を制御する往復動型蒸気機関（特許文献１参照）が、開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１５３１号公報（第１頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
動力発生装置に関して解決しようとする問題点は、従来の蒸気機関では圧力蒸気を導入してその圧力でピストンを作動させるものであって、圧力蒸気の膨張作用を利用するものではなく、圧力気体のエネルギーを最大に利用できないことである。
そこで本発明の目的は、圧力気体のエネルギーを効率よく変換することができる動力発生装置を提供することにある。すなわち、吸気弁及び排気弁を閉じ封止された気筒内の高圧気体を大気圧に近いところまで膨張させてピストンなどを押し、エネルギーを極限まで動力エネルギーに変換させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記目的を達成するために次の構成を備える。
本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、大気圧よりも高圧の気体を導入できるシリンダと、前記シリンダの一方端側に配された吸気口、及び該吸気口を開閉する吸気弁体を有する吸気バルブ部と、前記シリンダの一方端側に配された排気口、及び該排気口を開閉する排気弁体を有する排気バルブ部と、前記シリンダ内を往復運動するピストンとを備え、該ピストンの動作範囲が、高圧気体が導入される導入空間をシリンダ内に残す位置から、該導入空間に導入された前記高圧気体が膨張することで移動するストロークの長さ範囲に設定され、該導入空間に前記高圧気体を導入した後に前記吸気弁体で前記吸気口を閉じる吸気バルブ開閉機構、及び前記高圧気体が膨張して前記ピストンを前記ストロークについて移動させた後に前記排気弁体で前記排気口を開く排気バルブ開閉機構を備える。
【０００６】
また、本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、前記シリンダの他方端側にも前記吸気バルブ部と前記排気バルブ部を備え、前記ピストンが両方向について高圧気体が膨張することで移動駆動するように構成されていることを特徴とすることができる。
【０００７】
また、本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、前記シリンダ及び前記ピストンとは別の第２段シリンダ及び第２段ピストンが設けられ、該第２段シリンダにも前記吸気バルブ部と前記排気バルブ部とが設けられていると共に、該第２段シリンダには前記シリンダによって前記膨張した容積の高圧気体が導入される第２段導入空間が形成され、前記シリンダにおける前記ピストンと同様の原理で前記第２段ピストンが作動することを特徴とすることができる。
【０００８】
また、本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、前記排気口から排出された圧力気体を貯留する圧力気体室と、水中に上下方向に周回動するように配された無限軌道と、該無限軌道に所要の間隔をおいて複数が配され、前記圧力気体室から排出されて前記水中に導入された気体を受けて前記無限軌道を作動させるように設けられた気体受け部とを備えることを特徴とすることができる。
【０００９】
また、本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、前記吸気バルブ開閉機構、及び前記排気バルブ開閉機構が、カム機構であることを特徴とすることができる。
また、本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、前記吸気バルブ開閉機構、及び前記排気バルブ開閉機構が、電磁弁であることを特徴とすることができる。
【００１０】
また、本発明に係る動力発生装置の一形態によれば、大気圧よりも高圧の気体を導入できるシリンダと、前記シリンダの周壁部に設けられた吸気口、及び該吸気口を開閉する吸気弁体を有する吸気バルブ部と、前記シリンダ内の偏心した位置でシリンダの軸心と並行な軸心を中心に回転運動するロータと、該ロータから径方向に出入する複数のベーンとを備え、該ベーンは先端が前記シリンダの内周面に常に接触して該シリンダの内部を空気圧室に区画し、該ベーンが、高圧気体が導入される導入空間をシリンダ内に残す位置から、該導入空間に導入された前記高圧気体が膨張して前記ロータを回転させることに伴って所要の角度位置に移動される間であって、前記導入空間に前記高圧気体を導入した後に前記吸気弁体で前記吸気口を閉じる吸気バルブ開閉機構、及び前記ベーンの前記所要の角度位置を超える角度位置に対応する前記シリンダの周壁部に設けられた排気口を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る動力発生装置によれば、圧力気体のエネルギーを効率よく変換することができるという特別有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る動力発生装置の第１の形態例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に係る動力発生装置の第２の形態例を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明に係る動力発生装置の第３の形態例を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明に係る動力発生装置の第４の形態例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明に係る動力発生装置の第５の形態例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る動力発生装置の第１の形態例を、添付図面（図１）に基づいて詳細に説明する。
本形態例の動力発生装置は、その基本的構成として、大気圧よりも高圧の気体を導入できるシリンダ１０と、そのシリンダ１０の一方端側に配された吸気口２１、及びその吸気口２１を開閉する吸気弁体２２を有する吸気バルブ部２０と、シリンダ１０の一方端側に配された排気口３１、及びその排気口３１を開閉する排気弁体３２を有する排気バルブ部３０と、シリンダ１０内を往復運動するピストン４０とを備えるものである。
【００１４】
そして、本発明では、ピストン４０の動作範囲が、高圧気体Ｈが導入される導入空間１１をシリンダ１０内に残す位置から、その導入空間１１に導入された高圧気体Ｈが膨張することで移動するストロークの長さ範囲に設定されている。高圧気体Ｈが膨張する際に仕事がなされ、ピストン４０の往復動による動力の発生に変換できる。そのピストン４０の往復動は、例えばクランク機構４５によって回転運動に変換され、それによって発電機を回転作動させて、電力を発生させることができる。これによれば、断続的な高圧気体Ｈの導入によって、高圧気体を発生させる熱源からのエネルギーを、効率良く動力に変換することができる。
【００１５】
また、本発明では、導入空間１１に高圧気体Ｈを導入した後に吸気弁体２２で吸気口２１を閉じる吸気バルブ開閉機構２５、及び高圧気体Ｈが膨張してピストン４０をストロークについて移動させた後に排気弁体３２で排気口３１を開く排気バルブ開閉機構３５を備える。その吸気バルブ開閉機構２５、及び排気バルブ開閉機構３５としては、後述するカム機構２５Ａ、３５Ａ（図２参照）又は電磁弁（図示せず）などの駆動装置によって合理的に構成することができる。
【００１６】
本形態例では、ピストン４０の往復動が、そのピストン４０に一端が回動可能に固着されたピストンロッド４１及びそのピストンロッド４１の他端が回動可能に固着されたクランク４２によって構成されるクランク機構によって回転運動に変換されて、クランク軸４３の回転動力を発生させることができる。なお、１２は吸気配管であり、高圧気体としての蒸気などを導入する通路になっている。また、１３は排気配管であり、ピストン４０を作動させた後に圧力が低下した圧力気体を排出する通路になっている。
【００１７】
本形態例によれば、例えば、バイオマス等を燃焼させた熱エネルギーによって、ボイラーを介して蒸気を発生し、その蒸気圧を用いることができる。ピストン４０がＡ点に位置する際に、例えば１０気圧の蒸気を吸気口２１から導入し、その後、吸気口２１は吸気弁体２２によって閉じられる。そして、その蒸気の膨張によって、ピストン４０が移動して下死点に相当するＢ点まで移動し、例えば２気圧まで圧力が減じる際に、そのピストン４０がピストンロッド４１を介してクランク４２を作動させ、回転運動の動力に変換する。そして、本形態例では、はずみ車５０の作用によってクランク４２が作動され、ピストン４０が、その移動運動が反転してシリンダ１０の上死点に相当するＡ点に戻る。この際に、排気バルブ部３０が開いて、シリンダ内から圧力が減じた排気が排出される。このように出力された回転動力は、発電用の動力として用いることができる。
【００１８】
次に、以上のように排出された圧力気体の二次利用について、図１の形態例について以下に説明する。
本形態例では、排気口３１から排出された圧力気体を貯留する圧力気体室６０と、水中Ｗに上下方向に周回動するように配された無限軌道６１と、その無限軌道６１に所要の間隔をおいて複数が配され、圧力気体室６０から排出されて水中Ｗに導入された気体Ｇを受けて無限軌道６１を作動させるように設けられたカップ状の気体受け部６２とを備える。なお、６２ａは逆止弁体であり、気体受け部６２に設けられ、その気体受け部６２が、気体Ｇを受けて上昇するときは閉じ、下降するときには開くように設けられている。
【００１９】
これによれば、圧力気体の排気圧が２気圧とすると、例えば水深９ｍで水中に導入することができ、その圧力気体が気体受け部６２によって受けられる。すると、圧力気体の浮力によって、無限軌道６１を作動させることができる。また、水中Ｗを気体受け部６２が上昇することにより、水圧の減少に応じて気体（圧力気体）は容積を増やすため、その浮力が増加することになる。これによれば、無限軌道６１の例えば、下方の回転軸６１ａから回転動力を得ることができる。この回転動力は、差動歯車を用いて前述したクランク軸４３の回転動力と合わせて出力することもできる。
【００２０】
次に、本発明に係る動力発生装置の第２の形態例を、添付図面（図２）に基づいて詳細に説明する。以上の形態例で説明した構成と同等の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
この形態例によれば、シリンダ１０の他方端側にも吸気バルブ部２０と排気バルブ部３０を備え、ピストン４０が両方向について高圧気体Ｈが膨張することで移動駆動するように構成されている。また、本形態例によれば、吸気バルブ開閉機構２５、及び排気バルブ開閉機構３５としては、カム機構２５Ａ、３５Ａが用いられている。このカム機構２５Ａ、３５Ａとしては、一般的な機構を用いることができ、カム７０、タイミングプーリ７１、タイミングベルト７２などによって構成されている。
これによれば、蒸気機関における複動式の機関と同様な構成になっており、同等の効果を得ることができる。
【００２１】
次に、本発明に係る動力発生装置の第３の形態例を、添付図面（図３）に基づいて詳細に説明する。以上の形態例で説明した構成と同等の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
この形態例によれば、シリンダ１０及びピストン４０とは別の第２段シリンダ１０Ｘ及び第２段ピストン４０Ｘが設けられ、その第２段シリンダ１０Ｘにも吸気バルブ部を構成する吸気弁体２２Ｘと排気バルブ部を構成する排気弁体３２とが設けられていると共に、その第２段シリンダ１０Ｘにはシリンダ１０によって膨張した容積の高圧気体Ｈが導入される第２段導入空間１１Ｘが形成され、シリンダ１０におけるピストン４０と同様の原理で第２段ピストン４０Ｘが作動する。
これによれば、排気される圧力気体のエネルギーを、以上に説明した形態例と同様の原理によって好適に回収することができる。
【００２２】
次に、本発明に係る動力発生装置の第４の形態例を、添付図面（図４）に基づいて詳細に説明する。以上の形態例で説明した構成と同等の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
大気圧よりも高圧の気体を導入できるシリンダ８０と、そのシリンダ８０の周壁部に設けられた吸気口２１、及びその吸気口２１を開閉する吸気弁体２２を有する吸気バルブ部と、シリンダ８０内の偏心した位置でシリンダ８０の軸心と並行な軸心を中心に回転運動するロータ８１と、そのロータ８１から径方向に出入する複数のベーン８２とを備え、そのベーン８２は先端がシリンダ８０の内周面に常に接触してそのシリンダの内部８０を空気圧室８０ａに区画し、ベーン８２が、高圧気体Ｈが導入される導入空間１１をシリンダ８０内に残す位置から、その導入空間１１に導入された高圧気体Ｈが膨張してロータ８１を回転させることに伴って所要の角度位置に移動される間であって、導入空間１１に高圧気体Ｈを導入した後に吸気弁体２２で吸気口２１を閉じる吸気バルブ開閉機構（図示せず）、及びベーン８２の前記所要の角度位置を超える角度位置に対応するシリンダ８０の周壁部に設けられた排気口（拡大排気口３１Ａ）を備える。なお、本形態例では、ベーン８２が一対設けられており、拡大排気口３１Ａが、排気抵抗が高くならないように、広い角度位置の範囲について開口するように設けられている。
【００２３】
図４の形態例では、各ベーン８２（図４の仮想線（二点鎖線）参照）がシリンダ８０のＡ点に位置した時点で、吸気バルブ部２０の吸気弁体２２が作動して吸気口２１を開き、各ベーン８２（図４の仮想線（二点鎖線）参照）がシリンダ８０のＣ点に位置した時点で、吸気バルブ部２０の吸気弁体２２が作動して吸気口２１を閉じるように、吸気バルブ開閉機構によって制御される。これによって、高圧気体Ｈを、シリンダ８０の内部を一部に含む導入空間１１へ、適切に導入させることができる、ロータ８１を好適に回転させることができる。
【００２４】
次に、本発明に係る動力発生装置の第５の形態例を、添付図面（図５）に基づいて説明する。以上の形態例で説明した構成と同等の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。本形態例は、図４の構成と比較して排気口の形態が異なる。
本形態例の排気口は、ベーン８２の前記所要の角度位置を超える角度位置に対応するシリンダ８０の周壁部に、分割第１排気口３１ａ及び分割第２排気口３１ｂによって、分割した形態となって設けられている。これによっても、ベーン８２の前記所要の角度位置を超えた状態で、排気にかかる空気圧室８０Ａが常に排気口に連通する状態を維持でき、排気抵抗が高くなることを防止できる。
【００２５】
以上、本発明につき好適な形態例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの形態例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。
【符号の説明】
【００２６】
１０  シリンダ
１０Ｘ  第２段シリンダ
１１  導入空間
１１Ｘ  第２段導入空間
１２  吸気配管
１３  排気配管
１５  高圧気体源
１６  配管
２０  吸気バルブ部
２１  吸気口
２２  吸気弁体
２２Ｘ  吸気弁体
２５  吸気バルブ開閉機構
２５Ａ  カム機構
３０  排気バルブ部
３１  排気口
３１Ａ  拡大排気口
３１ａ  分割第１排気口
３１ｂ  分割第２排気口
３２  排気弁体
３５  排気バルブ開閉機構
３５Ａ  カム機構
４０  ピストン
４０Ｘ  第２段ピストン
４１  ピストンロッド
４２  クランク
４３  クランク軸
４５  クランク機構
５０  はずみ車
６０  圧力気体室
６１  無限軌道
６１ａ  回転軸
６２  気体受け部
６２ａ  逆止弁体
７０  カム
７１  タイミングプーリ
７２  タイミングベルト
８０  シリンダ
８０ａ  空気圧室
８１  ロータ
８２  ベーン
８３  回転出力軸
Ｇ  気体
Ｈ  高圧気体
Ｗ  水中
【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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