(57)【要約】【課題】一定量の流体（主に水）を、高圧をかけながら循環させることで十分な回転エネルギーを得ることを可能とするとともに、高低差による設置場所の問題や量的な問題を解決し、さらに、一定量の流体以外に、風力などの他の自然エネルギーやモータ等の駆動源を用いることなく、クリーンエネルギーのみによって長期間運転可能な循環式流体駆動力システムを提供すること。【解決手段】仕切部６・７によって隔てられる上部層３と中間部層４と下部層５とを有する本体容器１内部に、下部層５の流体を上部層３へと汲み上げるポンプ５１と、上部層３から下部層５へと流下する流体によって駆動し、ポンプ作動機構１０を介してポンプ５１を駆動するポンプ駆動水車８と、上部層３から下部層５へと流下する流体によって駆動し、外部出力するための出力軸１５を駆動する出力水車９とを備え、本体容器１内に一定量の加圧された流体を循環させることで動力を得る構造とした。【選択図】図１
2005155343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仕切部によって隔てられる上部層と中間部層と下部層とを有する本体容器内部にて、一定量の流体を循環させることで動力を得る循環式流体駆動力システムであって、
前記上部層から前記下部層に渡って設けられ、下部層の流体を上部層へと汲み上げるポンプと、
前記上部層と前記中間部層との仕切部に設けられ、前記上部層から前記下部層へと流下する流体によって駆動し、前記ポンプを駆動するポンプ駆動水車と、
前記上部層に備えられ、前記ポンプ駆動水車からの駆動力を伝達して前記ポンプを作動させるポンプ作動機構と、
前記中間部層と前記下部層との仕切部に設けられ、前記上部層から前記下部層へと流下する流体によって駆動し、外部出力するための出力軸を駆動する出力水車と、
前記上部層の圧力を一定に保持する圧力保持機構と、
を備えることを特徴とする循環式流体駆動力システム。
【請求項２】
前記ポンプは、下端部に逆止弁を有するシリンダと、該シリンダ内を往復運動し、下端部に逆止弁を有する中空の筒状部材であるピストンと、を備え、前記シリンダと前記ピストンとの隙間を流体通路とするプランジャ式のポンプとし、該ポンプは、前記ポンプ作動機構のポンプ駆動軸の両端部に固設される歯車に両側から係合した状態で相対運動する一対のポンプからポンプユニットを構成することを特徴とする請求項１に記載の循環式流体駆動力システム。
【請求項３】
前記ピストンを、内部に流体を入れることで重さ調整可能な構成としたことを特徴とする請求項２に記載の循環式流体駆動力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一定量の流体を循環させることで、長期的に動力を得るためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自然のエネルギーを利用して動力を得て、それを基に発電などを行う技術においては、火力・原子力・風力・地熱・太陽光式・水力等が用いられている。これらのうち、火力や原子力を用いる場合は、公害や環境破壊などが問題となることがあり、燃料や設備などコスト的な問題もある。また、風力や地熱や太陽光式においては、天候や地域、昼夜などに影響を受け易く、安定した動力を得られない等の難点がある。
【０００３】
このようなことに鑑み、自然エネルギーとして水力を用いて動力を得たり発電を行ったりする技術が広く開示されている。この水力を用いる技術のうち、一定量の水を循環させることにより、水力を用いる際の量的な問題などを解決するとともに、モータや内燃機関などの駆動源を用いることなく、環境的な問題も解決するための技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−６００５２号公報
【特許文献２】特開平７−１１９６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記従来の技術においては、水を循環させることによって動力を得る際の出力軸等の回転は、高低差を利用した重力による水の落下によってのみ行われている。すなわち、落下する水の勢いだけで出力軸等を回転させており、その水は加圧されていないため、十分な回転エネルギー（出力エネルギー）を効率良く得ることは難しい。
さらに、このような一定量の水を循環させることによって、長期的にエネルギーを得る装置については、現実に実用化されているものは少なく、アイデアのみに留まっているのが現状である。
【０００６】
そこで、本発明においては、一定量の流体（主として水）を、高圧をかけながら循環させることで、流体を落下させる高低差がさほど大きくなかったり、循環させる流体量がさほど多くなかったりしても、十分な回転エネルギーを得ることを可能として、高低差による設置場所の問題や量的な問題を解決し、さらに、一定量の流体以外に、風力などの他の自然エネルギーや、モータ等の駆動源を用いることなく、クリーンエネルギーのみによって長期間運転可能な循環式流体駆動力システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
即ち、請求項１においては、仕切部によって隔てられる上部層と中間部層と下部層とを有する本体容器内部にて、一定量の流体を循環させることで動力を得る循環式流体駆動力システムであって、前記上部層から前記下部層に渡って設けられ、下部層の流体を上部層へと汲み上げるポンプと、前記上部層と前記中間部層との仕切部に設けられ、前記上部層から前記下部層へと流下する流体によって駆動し、前記ポンプを駆動するポンプ駆動水車と、前記上部層に備えられ、前記ポンプ駆動水車からの駆動力を伝達して前記ポンプを作動させるポンプ作動機構と、前記中間部層と前記下部層との仕切部に設けられ、前記上部層から前記下部層へと流下する流体によって駆動し、外部出力するための出力軸を駆動する出力水車と、前記上部層の圧力を一定に保持する圧力保持機構と、を備えるものである。
【０００９】
請求項２においては、前記ポンプは、下端部に逆止弁を有するシリンダと、該シリンダ内を往復運動し、下端部に逆止弁を有する中空の筒状部材であるピストンと、を備え、前記シリンダと前記ピストンとの隙間を流体通路とするプランジャ式のポンプとし、該ポンプは、前記ポンプ作動機構のポンプ駆動軸の両端部に固設される歯車に両側から係合した状態で相対運動する一対のポンプからポンプユニットを構成するものである。
【００１０】
請求項３においては、前記ピストンを、内部に流体を入れることで重さ調整可能な構成としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１２】
請求項１においては、本体容器内に一定量の水を循環させることによって動力を得ることができるので、水というクリーンエネルギーのみを用いて長期間運転可能であり、環境を損なうこともない。また、本体容器内を循環する水のうち、流下する水は加圧された状態にあるので、大容量のダム等に匹敵する水力エネルギーを得ることができる。すなわち、発電などを行う際にダム等を建設する必要もなく、地域的、設置場所的な制限を受けることもない。言い換えると、本循環式流体駆動力システムは、その大きさ・規模・構造を設置場所に最適なものとすることができる。また、本システムの各部の作動は、本体容器内において行われるため、騒音などが発生することを防止することができる。さらに、初期駆動時も含め、本循環式流体駆動力システムを運転するための外部からの入力が不要であり、モータ等の駆動源を用いる必要もないため、故障が少なく、簡易なメンテナンスのみで長期間の運転が可能となる。
【００１３】
請求項２においては、ポンプユニットは、上部層から流下する水によって回転するポンプ駆動ユニットのエネルギーに加え、ピストンの自重及び水による浮力を利用して作動することができる。これにより、ポンプ作動機構のポンプ駆動軸の両端部に固設される歯車の回転エネルギーを効率よく利用することができ、ポンプによる効率のよい水の汲み上げが可能となる。すなわち、本体容器内を循環する水のエネルギーを効率よく利用することができ、上部層から流下する量以上の水を下部層から上部層へと汲み上げることが可能となる。よって、上部層内の圧力を上昇させることができるので、上部層における水面の高さ以上の水頭圧を得ることができ、加圧された水を循環させることが可能となる。このように、上部層から加圧された水を流下させることで、高低差による設置場所の問題や量的な問題を解決することができる。
【００１４】
請求項３においては、ピストンの重さ、即ちピストンの水に対する比重を調整することが可能となるので、ピストンが水から得る浮力を調整することが可能となる。これにより、ピストンにかかる浮力を、重力とのバランスや水の抵抗などを考慮して設定することができ、一対の相対運動するポンプにおけるピストンの一連の動作において、ポンプ作動機構のポンプ駆動軸にかかるトルクを小さくすることができる。すなわち、ポンプ駆動水車からのポンプ作動機構を介してポンプユニットに伝達されるエネルギーの伝達効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る循環式流体駆動力システムの全体概略構成を示す説明図、図２は同じく斜視図、図３は循環式流体駆動力システムの外観図。（ａ）は正面図。（ｂ）は側面図、図４は出力水車を示す側面一部断面図、図５は図４におけるＡ−Ａ断面図、図６は図４におけるＢ−Ｂ断面図、図７はポンプ作動機構の平面図、図８は図７におけるＣ−Ｃ断面図、図９は図７におけるＤ−Ｄ断面図、図１０はポンプを示す側面断面図。（ａ）はシリンダ上昇時を示す図。（ｂ）はシリンダ下降時を示す図である。
【００１６】
本発明の循環式流体駆動力システムは、高所に溜まった水等の流体が、低所に自然流下するときには流路の途中のどの位置においても常に高所に溜まっている流体の水頭圧がかかっており、そのため、流路の断面積を一定にすれば水頭圧に比例した流速を保つことができ、常時一定の流体による運動エネルギーを取り出すことができるという点に着目して構成したものである。以下、本発明の循環式流体駆動力システムの構成について各図を用いて説明していく。
【００１７】
まず、本発明の循環式流体駆動力システムの全体構成について、図１から図３を用いて説明する。
本発明の循環式流体駆動力システムは、円盤状のベース台２上に載置固定される略密閉状態の中空円筒状の本体容器１内部にて、一定量の流体を循環させることで動力を得ることができるものである。なお、以下の説明においては、本体容器１内部を循環させる流体の一例として、一般的に広く使用される水を用いるものとする。
【００１８】
本体容器１は、その内部を仕切部によって上部層３と中間部層４と下部層５との三つの空間に仕切られている。すなわち、上仕切部６によって上部層３と中間部層４とが隔てられ、下仕切部７によって中間部層４と下部層５とが隔てられている。そして、前記各層は、水の通路など以外は略密閉状態となっている。
【００１９】
また、本体容器１の内部には、下部層５の水を上部層３へと汲み上げるための、相対運動する一対のプランジャ式のポンプ５１・５１からなるポンプユニット５０が、下部層５から上部層３に渡って立設している。つまり、ポンプユニット５０のポンプ５１・５１は、上下仕切部６・７による各層の密閉状態を保持するとともに、下部層５から上部層３にかけて下仕切部７及び上仕切部６を貫通して設けられている。
【００２０】
上部層３と中間部層４との仕切部である前記上仕切部６の略中央部には、ポンプユニット５０を駆動するためのポンプ駆動水車８が設けられている。そして、このポンプ駆動水車８の上方、即ち上部層３には、ポンプ駆動水車８の駆動力を伝達してポンプユニット５０を作動させるポンプ作動機構１０が設けられている。
また、中間部層４と下部層５との仕切部である前記下仕切部７の略中央部には、本循環式流体駆動力システムの出力軸１５を有する出力水車９が設けられている。
【００２１】
そして、上仕切部６及び下仕切部７のそれぞれ上方には、ポンプ駆動水車８及び出力水車９のぞれぞれの上部を支持するとともに、水がそれぞれのポンプに流入する勢いを確保するための空間を形成する仕切板６ａ及び仕切板７ａがそれぞれ設けられている（図１参照）。これら仕切板６ａ及び７ａには、任意の位置に複数の水の通路孔が形成されており、下方に向けて水を流下させることが可能となっている。
【００２２】
以上のような構成において、本体容器１内の上部層３及び下部層５は、それぞれ上タンク部及び下タンク部としてその内部に常に水を蓄えており、水が上部層３から下部層５へと流下することで、ポンプ駆動水車８及び出力水車９が駆動する。
そして、出力水車９が回転駆動することによって、この循環式流体駆動力システムから外部へ動力を出力するための出力軸１５が回転駆動する。また、ポンプ駆動水車８が回転駆動することによって、ポンプ作動機構１０を介してポンプユニット５０が作動する。
このポンプユニット５０の作動によって、下部層５に溜まっている水が上部層３へと汲み上げられ、上部層３には常に水が補充され続ける。つまり、前記ポンプ駆動水車８及び出力水車９は、上部層３から下部層５へと流下する水の流れを止めない限り回転し続ける構成となっている。
なお、出力水車９は、下仕切部７に並列的に複数個配置したり、中間部層４に直列的に複数個配置したりすることができる。このように、出力水車９を複数個設けることで、複数の出力の取り出し部（出力軸１５）を設けることができる。
【００２３】
このようにして、上部層３から下部層５への水の流下と、下部層５から上部層３へのポンプユニット５０による水の汲み上げとによって、本体容器１内部を水が循環することで出力軸１５が回転駆動し、この出力軸１５の回転により駆動力（回転エネルギー）が得られる仕組みとなっている。
そして、本発明に係る循環式流体駆動力システムの実施形態の一例としては、図３に示すような外観のものとなる。
以下、循環式流体駆動力システムにおける各部の構成の詳細について説明していく。
【００２４】
まず、出力水車９について図４から図６を用いて説明する。
出力水車９は、略円筒状のケース１２内に、流下する水の勢いによって回転するロータ１３を有している。ケース１２は、上部空間１２ａ及び下部空間１２ｂの二つの空間に区切られており、上部空間１２ａに、ロータ１３が、上下を軸受などを介して支持される鉛直方向の回転軸１３ａによって回転自在に支承されている。また、ケース１２の下部空間１２ｂには、出力水車９をから下部層５に流下する水の量を調整するための弁板１４が設けられている。
【００２５】
ロータ１３は、複数枚（本実施例においては３枚）の羽根１６を有している。これらの羽根１６は、ロータ１３の平面視における半径方向に出入可能に設けられている。つまり、ロータ１３には、羽根１６が収納される凹部１３ｂが形成されており、この凹部１３ｂと羽根１６との隙間に水が流入することにより羽根１６が突出する構造となっている。
そのため、羽根１６の側面には、凹部１３ｂと羽根１６との隙間への水の流入を促すための溝部１６ａが形成されている。
なお、凹部１３ｂ内に、羽根１６を突出する方向に押し出すバネ部材を設けて、凹部１３ｂ内に流入する水に加えて、バネ部材によっても羽根１６を突出させることができる。
【００２６】
ケース１２の側面の一側部には、ケース１２内に水が流入するための入水口１２ｃが形成されており、同じくケース１２の底面には、ケース１２内の水をケース１２外へ排水するための排水口１２ｄが形成されている。
また、ケース１２の上部空間１２ａの側面の内側面には、ロータ１３の回転にともなう羽根１６のロータ１３内への収納を促すための凸部１２ｅが形成されている。この凸部１２ｅは、ロータ１３の回転方向に対して、前記入水口１２ｃの直前に設けられ、先端部がロータ１３と略接触するように形成されている。すなわち、図５に示すように、ケース１２の上部空間１２ａは、凸部１２ｅとロータ１３とによってその空間が仕切られている。
【００２７】
このような構成において、前記入水口１２ｃからは常に水が流入しており、ロータ１３が回転するとともに、羽根１６は、前記凸部１２ｅの曲面に沿いながら凹部１３ｂに収納される。その後、羽根１６が凸部１２ｅとロータ１３との略接触部を過ぎると同時に、入水口１２ｃから流入している水が羽根１６とロータ１３の凹部１３ｂとの隙間に流れ込む。これにより羽根１６が突出し、入水口１２ｃからの水の勢いによって羽根１６が押されてロータ１３は回転力を得る仕組みとなっている。
そして、入水口１２ｃから流入してロータ１３に回転力を与えた水は、そのまま排水口１２ｄから下方の下部空間１２ｂへと排出される。つまり、流入する水が実際にロータ１３へ回転力を与えるのは、入水口１２ｃから排水口１２ｄまでの間の水の流れによるものであり、ロータ１３は、この間を流れる水によって順次羽根１６を介して回転力を得ている。
すなわち、ケース１２の内側面に形成される凸部１２ｅは、ロータ１３と略接触することでケース１２の上部空間１２ａを仕切ることにより、入水口１２ｃから流入する水の勢いが分散しないようにしている。そして、この凸部１２ｅによる仕切りに対応するため、羽根１６はロータ１３に対して出入可能に設けられている。
【００２８】
このような構造の出力水車９において得られた回転エネルギーは、ロータ１３の回転軸１３ａと同軸上に上方に向けて設けられる駆動軸１７の端部に固設された傘歯車１７ａと、この傘歯車１７ａと噛合する傘歯車１５ａとを介して循環式流体駆動力システムの出力軸１５に回転エネルギーを与える。
なお、この傘歯車１７ａと１５ａとの噛合部は、潤滑油などが充填されたギアケース１８によって覆うことにより、水との接触を断つとともに円滑な動力伝達を可能とすることもできる。
【００２９】
一方、ケース１２の上部空間１２ａから排水口１２ｄを介して流下した水は、下部空間１２ｂへと流入する。この下部空間１２ｂの底面には、水を下部層５に流下させるための複数（本実施例では４つ）の排出孔１２ｆが形成されており、この排出孔１２ｆ上には、排出孔１２ｆを閉じることができる前記弁板１４が回転可能に設けられている。この弁板１４は、平面視で十字状の板状部材であり、その中心に回転軸１４ａを有し、この回転軸１４ａを中心に回転することにより、前記排出孔１２ｆの開閉を行うことができる。つまり、弁板１４の回転を調整することにより、排出孔１２ｆから流下する水の量を調整できる構造となっている。
【００３０】
そして、弁板１４の回転軸１４ａは下方に向けて延設されており、この下端部にピニオンギア２０が固設されている。このピニオンギア２０には、ラックギア２１が噛合しており、このラックギア２１は、本体容器１の外側に延設されて、本体容器１の外部外部から操作可能な出力調整ハンドル１９（図３参照）を回転操作することによりピニオンギア２０を回転させる方向に移動する構成となっている。すなわち、この弁板１４の回転は、本体容器１の外部から操作可能な出力調整ハンドル１９を操作することによって調整することができる。
【００３１】
このような構造から、出力調整ハンドル１９を操作することで弁板１４の回転を調整することができ、排出孔１２ｆから流下する水の量を調整することができる。この排出孔１２ｆから流下する水の量を調整することにより、出力水車９のロータ１３の回転を調整することができる。また、弁板１４によって排出孔１２ｆを閉じることにより、出力軸１５の回転を停止させることもできる。すなわち、出力調整ハンドル１９によって、出力軸１５から得られる駆動力の調整及び出力の停止を行うことができる。
【００３２】
次に、ポンプ駆動水車８について図１を用いて説明する。
ポンプ駆動水車８は、ケース２２内に、上述の出力水車９と略同一構造のロータ２３を有しており、このケース２２内に流入する水の流れによって回転エネルギーを得る構造となっている。そして、このポンプ駆動水車８によって得られる回転エネルギーは、ロータ２３の回転軸と同軸上に上方に向けて設けられる駆動軸２５の端部に固設された傘歯車２５ａと、この傘歯車２５ａと噛合し、伝動軸２６の一端に固設される傘歯車２６ａを介して伝動軸２６に伝動される。この伝動軸２６の回転エネルギーは、伝動軸２６の他端に固設されている傘歯車２６ｂと、該傘歯車２６ｂと噛合する傘歯車２７ａを有する伝動軸２７とを介して、ポンプユニット５０を作動させるポンプ作動機構１０へと伝動される構造となっている。
なお、これら傘歯車２５ａと２６ａ、及び傘歯車２６ｂと２７ａの噛合部も、潤滑油などが充填されたギアケース２４によって覆うことにより、水との接触を断つとともに円滑な動力伝達を可能とすることができる。
【００３３】
続いて、ポンプ作動機構１０について図７から図９を用いて説明する。
ポンプ作動機構１０は、ポンプ駆動水車８によって得られた回転エネルギーをポンプユニット５０に伝達して、ポンプユニット５０を規則的に作動させるための機構である。
ポンプ作動機構１０は、前記伝動軸２７の上端に固設されたピニオンギア２７ｂと噛合してポンプ駆動水車８からの動力が伝達されるギアホイル２８を対称に、上下に略同一構造の上部機構と下部機構とを平面視において本体容器１の中心に対して９０度ずらした状態で有している。つまり、ギアホイル２８の上下には、上カムプレート２９及び下カムプレート３０がそれぞれ固設されており、上カムプレート２９によって上部機構が駆動し、下カムプレート３０によって下部機構が駆動する。
なお、以下の説明においては、上部機構及び下部機構にて共通する部分は上部機構についてのみ説明し、下部機構については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３４】
前記ギアホイル２８は、上カムプレート２９及び下カムプレート３０とともにギアユニット３１を構成し、このギアユニット３１は、略円筒状のドラム３２と該ドラム３２の上下に固設される円盤状の上ベースプレート３３及び下ベースプレート３４とからなり、本体容器１と一体的に構成される円筒状のケース内に収納されている。このケース内においてギアユニット３１は回転自在に支持されている。つまり、下ベースプレート３４には複数の支持ローラ３５が立設しており、これらの支持ローラ３５にギアユニット３１の下カムプレート３０の外周部が嵌合することで、ギアユニット３１が回転自在な状態で支持される。
【００３５】
また、上ベースプレート３３の中央部には、ラックギア３７が、その歯面を上ベースプレート３３の上外側に向け、長板状のガイドプレート３６・３６を介して摺動可能に設けられている。ガイドプレート３６・３６は、上ベースプレート３３の略中央部に若干の間隔を隔てて固設されており、ラックギア３７は、この二枚のガイドプレート３６・３６に挟まれた状態で摺動する。
そのため、ラックギア３７の両側面には、ガイドプレート３６・３６が嵌合するための溝部が形成されており、摺動方向の断面視で略エ字状となっている。つまり、ラックギア３７は、その両側面にガイドプレート３６・３６が嵌合することによって上ベースプレート３３上にて摺動可能に支持されるとともに、これらガイドプレート３６・３６によって、上ベースプレート３３の直径方向に摺動方向を規制されている。
【００３６】
ラックギア３７は、その摺動方向の前後端部それぞれにおいて下方にローラ３８・３８を有している。このローラ３８・３８は、前記上カムプレート２９の内周面と接触するように設けられ、ギアユニット３１の回転にともなう上カムプレート２９の回転によってラックギア３７の摺動させる。すなわち、上カムプレート２９（及び下カムプレート３０）は、その内周面が平面視において略ハート型に形成されており、この上カムプレート２９が回転することによって、ラックギア３７がローラ３８・３８を介して前記ガイドプレート３６・３６によって規制されている方向に摺動する構造となっている。言い換えると、上カムプレート２９によって、ギアユニット３１の回転運動をラックギア３７の往復直線運動に変換しているのである。
【００３７】
また、上ベースプレート３３上には、ポンプ駆動軸３９が、その左右端部及び中間部を軸受台４０・４０・４０によって回転自在に支持され、平面視でラックギア３７と直交した状態で設けられている。ポンプ駆動軸３９は、その中央部にラックギア３７の歯面と噛合するピニオンギア３９ａを有しており、ラックギア３７の往復直線運動にともなって回転する構成となっている。そして、ポンプ駆動軸３９の両端部には、ポンプユニット５０へと動力を伝達するギアホイル４２・４２が固設されている。
【００３８】
このような構成のポンプ作動機構１０は、上部構造によって対向する一組のポンプユニット５０・５０を駆動し、下部構造によってもう一組のポンプユニット５０・５０を駆動するため、上部構造と下部構造とを略９０度ずらした状態で構成することで、本体容器１内において下部層５から上部層３に渡って立設する各ポンプユニット５０が互いに干渉することなく作動することを可能としている。
【００３９】
以上のような構成のポンプ作動機構１０によって、ポンプ駆動水車８からの回転エネルギーが伝動軸２７のピニオンギア２７ｂを介してギアホイル２８に伝達され、ギアホイル２８が回転することによって上カムプレート２９及び下カムプレート３０も回転し、これら上下のカムプレートの回転によって上下それぞれのラックギア３７が往復直線運動する。そして、このラックギア３７の往復直線運動がピニオンギア３９ａによってポンプ駆動軸３９を、一定の回転範囲内において回転方向を交互に変えながら回転運動させる。これにともない、ポンプ駆動軸３９の両端のギアホイル４２・４２も一定の回転範囲内において回転方向を交互に変えながら回転運動する。このギアホイル４２・４２の回転運動がポンプユニット５０の各ポンプ５１を作動させる。
【００４０】
次に、ポンプユニット５０及びポンプ５１について図１０を加えて説明する。
ポンプ５１は、プランジャ式のポンプであり、対をなして相対運動するポンプユニット５０を構成している。
ポンプ５１は、側面断面視で門状の基部５２と、該基部５２上に立設する円筒状のシリンダ５３と、該シリンダ５３内を摺動するピストン５４とから構成される。
【００４１】
シリンダ５３は、その下端部に形成される吸水口５３ａを弁体５６によって開閉する逆止弁５５を有している。
ピストン５４は、中空の筒状部材であるピストン本体５７と、該ピストン本体５７の上面に固設され、ポンプ作動機構１０のギアホイル４２と噛合するラックギア５８と、ピストン本体５７の下端部に固設されるピストンヘッド５９とから構成される。
【００４２】
ピストン本体５７は、シリンダ５３の内径との間に若干の隙間を有するようにその外径が設定されている。そしてこの隙間が後述するように水の通路となる。また、ピストン本体５７は、中空内部の下端側に仕切５７ｂを設けることでその内部空間を隔てるとともに、下端部に形成される吸水口５７ａを弁体６１によって開閉する逆止弁６０を有している。そして、ピストン本体５７の仕切５７ｂよりも下側の側面には、水が通るための通路孔５７ｃが形成されている。
【００４３】
ラックギア５８は、ピストン５４においてピストン本体５７の上端部から上方に向けて延設され、その歯面をポンプ作動機構１０のギアホイル４２と係合させることで、ギアホイル４２の回転運動をピストン５４の上下運動に変換するものである。そのため、ピストン５４のシリンダ５３内におけるピストン行程に対応するに充分な長さを有している。
ピストンヘッド５９は、その外径をシリンダ５３の内径と略同一とし、中心部に吸水孔５９ａを有する環状の部材である。
【００４４】
以上のような構成のポンプ５１による水の汲み上げ作用について、図１０を参照しながら説明する。
まず、シリンダ５３内においてピストン５４が上昇することによって、シリンダ５３の下端部の逆止弁５５が開状態となり、下部層５に溜まっている水が基部５２の下部に形成されている吸水口５２ａから流入し、逆止弁５５を介してシリンダ５３内に流入する。このとき、ピストン５４の下端部の逆止弁６０は水圧によって閉状態となっており、ピストン５４側から水が流下することはない。このように、ピストン５４が上昇することによって、シリンダ５３内のピストンヘッド５９よりも下側の空間に下部層５からの水が入った状態となる（図１０（ａ）参照）。
【００４５】
そして、シリンダ５３の下側に水が溜まっている状態から、ピストン５４が下降すると、このシリンダ５３内の水がピストンヘッド５９によって圧縮されることによってシリンダ５３の逆止弁５５が閉状態となるとともに、ピストン５４の下端部の逆止弁６０が開状態となる。つまり、シリンダ５３内の水が、ピストンヘッド５９の吸水孔５９ａから逆止弁６０を介してピストン５４内に流入し、ピストン本体５７の通路孔５７ｃからピストン５４外へ排出され、ピストン５４とシリンダ５３との隙間を通って上昇し、シリンダ５３の上端の開口部５３ｂから排出される（図１０（ｂ）参照）。このシリンダ５３の開口部５３ｂは、上部層３において開口しているため、ポンプ５１によって汲み上げられた水は、上部層３に溜まっていく。すなわち、このポンプ５１において、シリンダ５３とピストン５４のピストン本体５７との隙間を水の通路とし、下部層５の水を上部層３へと汲み上げているのである。
【００４６】
このような構造によって水を下部層５から上部層３へと汲み上げるポンプ５１が、ラックギア５８をポンプ作動機構１０のギアホイル４２に左右両側から係合した状態で配置され、相対運動する一対のポンプユニット５０を構成している。このポンプユニット５０では、ギアホイル４２の回転にともなって、一方のポンプ５１のピストン５４が上昇しているときは、他方のポンプ５１のピストン５４が下降する。つまり、一対のピストン５４は互いに逆方向に同じ長さだけ昇降して、一対のポンプ５１が交互に水を汲み上げる構造となっている。
【００４７】
このような構造において、ピストン本体５７は、その内部を中空にすることによって、水からの浮力が得られるようにしている。つまり、ピストン５４は、シリンダ５３内の水によって、ピストン行程と近似する距離範囲内において浮力を受けることを可能としている。この浮力を効率よく利用するため、上述のような構造のポンプ５１を、ポンプ駆動軸３９の両端部に固設されているギアホイル４２に対して左右両側からラックギア５８を係合させることでピストン５４が吊り下げられた状態になるように配置する。
こうすることで、一対のポンプ５１における、それぞれのピストン５４の重さを同じにすることにより、両方のピストン５４が釣り合った状態となる。すなわち、ポンプ駆動軸３９を支点とする天秤のように、両方のピストン５４には常に釣り合いを保とうとする力がはたらくこととなる。
【００４８】
このように、ポンプユニット５０は、上部層３から流下する水によるポンプ駆動水車８の回転エネルギーに加え、ピストン５４の自重及び水による浮力を利用して作動している。これにより、ギアホイル４２の回転エネルギーを効率よく利用することができ、より効率の良いポンプ５１による水の汲み上げが可能となり、上部層３から流下する水量以上の量の水を下部層５から上部層３へと汲み上げることができる。
【００４９】
さらに、ピストン本体５７は、その中空内部に水等の流体またはその他の重りを入れることができるように構成されている。例えば、上面を開閉可能な蓋体５７ｄとすること等により、ピストン本体５７内部に水等の重りを入れることができるようにし、ピストン５４の重さを調整可能とする。この際、水による浮力を得ることでポンプ５１作動に係る動力を小さくするため、ピストン５４の水に対する比重は１よりも小さく設定される（本実施例では０．６程度に設定）。
【００５０】
このような構成にすることにより、ピストン５４の重さ、即ちピストン５４の水に対する比重を調整することが可能となるので、ピストン５４が水から得る浮力を調整することが可能となる。つまり、ピストン５４にかかる浮力は、重力とのバランスや水の抵抗などを考慮し、ポンプ５１におけるピストン５４の上昇及び下降それぞれの過程において、ポンプ作動機構１０のポンプ駆動軸３９にかかるトルクが小さくなるように設定される。
これにより、ポンプ駆動水車８からのポンプ作動機構１０を介してポンプユニット５０に伝達されるエネルギーの伝達効率の向上を図ることができる。
【００５１】
以上の構成におけるポンプ駆動水車８からポンプユニット５０への一連の動力伝達を説明する。
まず、上部層３から流下する水によってポンプ駆動水車８が回転する。このポンプ駆動水車８の回転エネルギーが傘歯車などを介して伝動軸２７へと伝達される。そして、伝動軸２７の回転エネルギーがピニオンギア２７ｂを介してギアユニット３１のギアホイル２８へと伝達される。このギアホイル２８が回転するとともに上カムプレート２９及び下カムプレート３０も回転する。
これら上下のカムプレートが回転することによって、ポンプ作動機構１０の上部構造及び下部構造それぞれのラックギア３７が往復直線運動をする。このギアユニット３１の上下において平面視で直交する方向に往復直線運動するそれぞれのラックギア３７によって上下のポンプ駆動軸３９が一定範囲内をその回転方向を交互に変えながら回転する。
そしてこのポンプ駆動軸３９の両端に固設されたギアホイル４２・４２の回転によって、ラックギア５８を介して各ポンプ５１のピストン５４が上下運動する。すなわち、前記ギアホイル２８が一回転することによって、上下それぞれのラックギア３７が一往復し、このラックギア３７が一往復することによって、ポンプユニット５０の一対のポンプ５１が一回ずつ水を排出する構造となっている。
【００５２】
また、上下のポンプ駆動軸３９は、各ラックギア３７と直交した状態に設けられるので、平面視で直交した状態となる。つまり、図２に示すように、各ポンプ駆動軸３９の両端のギアホイル４２に対して一対のポンプ５１からなるポンプユニット５０が設置されるので、本体容器１内において計４組のポンプユニット５０（計８本のポンプ５１）が互いに干渉しないように設けられる。
このように、ポンプ駆動水車８によって複数のポンプ５１を作動させることにより、本体容器１内において一定量の水を循環させているのである。そしてこの循環する水の勢いによって出力水車９が回転し、出力軸１５からの出力が得られるのである。なお、本循環式流体駆動力システムの本体容器１内に設けられるポンプユニット５０の本数等は本実施例に限定されるものではなく、また、１つの出力水車９から複数の出力軸を設けたり、出力水車９を複数設けたりすることもできる。
【００５３】
以上のような構成の本循環式流体駆動力システムの初期駆動時においては、まず、上部層３及び下部層５それぞれに適量の水を溜めた状態にする。この状態では、上部層３及び下部層５には水が満たされることなく、それぞれ所定の空間が確保されている。つまり、上部層３においては、汲み上げられる水により上部層３内の水量を増加させて高圧力を得るため、下部層５においては、出力水車９から流下する水の勢いを確保し、出力水車９の回転速度を確保するため、それぞれにおいて水が満たされることはないように調整される。これは、循環式流体駆動力システム作動中に水が循環している間も同様である。
【００５４】
この初期駆動状態から、上部層３から流下する水によってポンプ駆動水車８が駆動し始める。そして、ポンプ駆動水車８の動力により、ポンプ作動機構１０を介して各ポンプユニット５０が作動する。このポンプユニット５０の作動によって下部層５の水が汲み上げられ上部層３へは常に水が供給される。
このように複数のポンプユニット５０によって汲み上げられる水の量は、上部層３から流下する水の量よりも多いため、上部層３内の圧力が上昇する。これにより、上部層３における水面の高さ以上の水頭圧を得ることができ、加圧された水を循環させることが可能となる。
【００５５】
また、上部層３の圧力が必要以上に上昇することを防止するため、圧力保持機構として、調圧弁６５を有するバイパス６６が、上部層３と、中間部層４及び下部層５とを連通するように設けられている（図１参照）。これにより、上部層３内の圧力が、調圧弁６５によって設定されている圧力以上となった場合、上部層３内の水がバイパス６６を通って中間部層４及び下部層５へと排出される。
つまり、上部層３から下部層５へと流下する水量と、バイパス６６を通って下部層５へと流入する水量との合計は、ポンプユニット５０によって汲み上げられる水量と略同じとなっており、本体容器１内において長期的に加圧された水を循環させることが可能となっている。
【００５６】
また、下部層５は、出力水車９から流下する水の勢いを確保するため、その内部の圧力を大気圧と略同じ（より好ましくは負圧）にすることが望ましい。そのため、下部層５には、該下部層５を外気と連通させるためのエア抜き６７が設けられている（図１参照）。このエア抜き６７を設けることにより、下部層５内部の圧力が常に大気圧と略同じとなり、出力水車９から流下する水の勢いを確保することができ、常に安定した出力軸１５からの回転エネルギーを得ることができる。なお、このエア抜き６７の本体容器１外部側から真空ポンプ等によって下部層５内を負圧にすることにより、本体容器１内における水の循環を促すことも可能である。
また、本体容器１の下端部には、メンテナンス時などに本体容器１内の水を抜いたり、水を入れ替えたりするための水抜き６８が設けられている（図３参照）。
【００５７】
以上の説明の本発明の循環式流体駆動力システムを用いることにより、次のような効果を得ることができる。
まず、一定の本体容器１内に一定量の水を循環させることによって動力を得ることができるので、水というクリーンエネルギーのみを用いて長期間運転可能であり、環境を損なうこともない。また、本体容器１内を循環する水のうち、流下する水は加圧された状態にあるので、大容量のダム等に匹敵する水力エネルギーを得ることも可能である。すなわち、発電などを行う際にダム等を建設する必要もなく、地域的、設置場所的な制限を受けることもない。言い換えると、本循環式流体駆動力システムは、その大きさ・規模・構造を設置場所に最適なものとすることができる。
また、本システムの各部の作動は、本体容器１内において行われるため、騒音などが発生することを防止することができる。
さらに、初期駆動時も含め、本循環式流体駆動力システムを運転するための外部からの入力が不要であり、モータ等の駆動源を用いる必要もないため、故障が少なく、簡易なメンテナンスのみで長期間の運転が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の活用例として、広く一般的に発電のために利用することが可能である。本システムを発電に用いた場合、外部入力が不要で独立した運転を可能としているため、本システムを複数用いることによって一斉に停電することを防止することが可能となる。この発電に関しては、電気自動車の駆動エネルギーとして利用することも可能である。この場合、走行しながら発電し続け充電不要の電気自動車となる。
また、循環させる流体を圧縮・加圧空気とすることで、空気エンジンシステムとして利用することも考えられる。この場合、航空機や船舶などの動力源として活用でき、航空機のタービンやプロペラ機のプロペラを動かすための動力源としての高圧空気エンジンシステムとなる。
【００５９】
さらに、本循環式流体駆動力システムの循環形式を、ナノテク技術等の精密システムに応用することが可能である。この場合、例えば医療分野における人工心肺や人工透析システム等に用いることが可能である。
また、この循環形式を空気自体の循環に用いることにより、空調システムとしての活用の可能性も考えられる。この場合、ビニールハウス等の小空間施設からドーム型施設等の大空間施設まで利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る循環式流体駆動力システムの全体概略構成を示す説明図。
【図２】同じく斜視図。
【図３】循環式流体駆動力システムの外観図。（ａ）は正面図。（ｂ）は側面図。
【図４】出力水車を示す側面一部断面図。
【図５】図４におけるＡ−Ａ断面図。
【図６】図４におけるＢ−Ｂ断面図。
【図７】ポンプ作動機構の平面図。
【図８】図７におけるＣ−Ｃ断面図。
【図９】図７におけるＤ−Ｄ断面図。
【図１０】ポンプを示す側面断面図。（ａ）はシリンダ上昇時を示す図。（ｂ）はシリンダ下降時を示す図。
【符号の説明】
【００６１】
１    本体容器
３    上部層
４    中間部層
５    下部層
６    上仕切部
７    下仕切部
８    ポンプ駆動水車
９    出力水車
１０    ポンプ作動機構
１５    出力軸
５０    ポンプユニット
５１    ポンプ
５３    シリンダ
５４    ピストン
６５    調圧弁
６６    バイパス
【図１】
2005155343.tif 000003
【図２】
2005155343.tif 000004
【図３】
2005155343.tif 000005
【図５】
2005155343.tif 000006
【図６】
2005155343.tif 000007
【図７】
2005155343.tif 000008
【図８】
2005155343.tif 000009
【図９】
2005155343.tif 000010
【図１０】
2005155343.tif 000011
【図４】
2005155343.tif 000012