(57)【要約】【課題】  電力の消費量が少なくて済む往復運動機関を提供する。【解決手段】  第１及び第２の２つの水溜め容器１０，２０と、２つの水溜め容器１０，２０を昇降可能に支持してそれらの水溜め容器１０，２０の重量差によって重い水溜め容器を下降させると共に軽い水溜め容器を上昇させる天秤機構３０と、２つの水溜め容器１０，２０の相互間を連通している通水路４０と、通水路４０を介して２つの水溜め容器１０，２０の相互間で水を交互に給排させるための送水ポンプＰと、送水ポンプＰの駆動源と、ピストン７１の往復運動を通じて内室７２に連通された循環路Ｒで流体を循環させるための作動シリンダ７０と、２つの水溜め容器１０，２０の昇降動作をピストン７１の往復運動に変換する連動機構８０とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の２つの水溜め容器と、これらの２つの水溜め容器を昇降可能に支持してそれらの水溜め容器の重量差によって重い水溜め容器を下降させると共に軽い水溜め容器を上昇させる天秤機構と、２つの上記水溜め容器の相互間を連通している通水路と、この通水路を介して２つの上記水溜め容器の相互間で水を交互に給排させるための送水ポンプと、この送水ポンプの駆動源と、ピストンの往復運動を通じて内室に連通された循環路で流体を循環させるための作動シリンダと、２つの上記水溜め容器の昇降動作を上記ピストンの往復運動に変換する連動機構とを備えていることを特徴とする往復運動機関。
【請求項２】
上記通水路が、第１水溜め容器の底部から上記送水ポンプの吸込口に至る吸込側通路と、上記送水ポンプの吐出口から第２水溜め容器の底部に至る吐出側通路と、上記吐出側通路を第１水溜め容器の底部に連通させる第１バイパス通路と、第２水溜め容器の底部を上記吸込側通路に連通させる第２バイパス通路とによって構成されていると共に、
上記吸込側通路、吐出側通路、第１バイパス通路及び第２バイパス通路に介在された各別の開閉弁の開閉モードを切り換えることによって、一方向送水機能を有する上記送水ポンプの動作を通じて第１水溜め容器から第２水溜め容器への給水モードと第２水溜め容器から第１水溜め容器への給水モードとが交互に選択されるように構成してある請求項１に記載した往復運動機関。
【請求項３】
送水ポンプの上記駆動源が、住宅に導入された商用電力である請求項１又は請求項２に記載した往復運動機関。
【請求項４】
上記連動機構に、２つの上記水溜め容器の昇降動作を回転運動に変換するクランク機構が含まれ、送水ポンプの上記駆動源が、住宅に導入されている商用電力と、上記クランク機構の回転出力を利用して駆動される発電機からの出力との組合せでなる請求項１又は請求項２に記載した往復運動機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復運動機関、詳しくは空調装置で取り扱われる流体を循環させるためのポンプなどに利用することのできる往復運動機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、２つのシリンダに交互に発生させた動圧を利用して往復運動を行わせる差動回流圧力機関についての研究が行われている（たとえば、特許文献１参照）。また、地熱を利用して住宅居住区の冷暖房を行う場合に、ヒートポンプの代わりに水道圧を利用した往復運動機関を採用するための研究も行われている（たとえば、特願２００４−２４６９９０号）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３２４６０１号公報
【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、特許文献１によって開示されている差動回流圧力機関は、ピストンを往復運動させるための動力に流体の動圧を利用していることから、その動力源によるエネルギー消費量が大きくなるということが想定される。
【０００５】
本発明は、以上の状況の下でなされたものであり、駆動源のエネルギー消費量を少なく抑えることのできる往復運動機関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】
【０００６】
本発明に係る往復運動機関は、第１及び第２の２つの水溜め容器と、これらの２つの水溜め容器を昇降可能に支持してそれらの水溜め容器の重量差によって重い水溜め容器を下降させると共に軽い水溜め容器を上昇させる天秤機構と、２つの上記水溜め容器の相互間を連通している通水路と、この通水路を介して２つの上記水溜め容器の相互間で水を交互に給排させるための送水ポンプと、この送水ポンプの駆動源と、ピストンの往復運動を通じて内室に連通された循環路で流体を循環させるための作動シリンダと、２つの上記水溜め容器の昇降動作を上記ピストンの往復運動に変換する連動機構とを備えている。
【０００７】
この構成であると、送水ポンプを動作させて第１及び第２の２つの水溜め容器の相互間で水を互いに給排させると、それらの２つの水溜め容器の間に重量差が生じ、天秤機構の作用を通じ、給水によって重くなった水溜め容器が下降するのに対し、排水により軽くなった水溜め容器が上昇する。したがって、それらの２つの水溜め容器の相互間で交互に水を給排させると、それぞれの水溜め容器が昇降動作を繰り返し、その昇降動作が連動機構を介して作動シリンダのピストンの往復運動動に変換される。したがって、作動シリンダのピストンを往復運動させるためのエネルギーの一部に２つの水溜め容器の位置エネルギーが利用されるようになり、そのことが、送水ポンプの駆動源によるエネルギー消費量を少なく抑えることに役立つ。
【０００８】
本発明では、上記通水路が、第１水溜め容器の底部から上記送水ポンプの吸込口に至る吸込側通路と、上記送水ポンプの吐出口から第２水溜め容器の底部に至る吐出側通路と、上記吐出側通路を第１水溜め容器の底部に連通させる第１バイパス通路と、第２水溜め容器の底部を上記吸込側通路に連通させる第２バイパス通路とによって構成されていると共に、上記吸込側通路、吐出側通路、第１バイパス通路及び第２バイパス通路に介在された各別の開閉弁の開閉モードを切り換えることによって、一方向送水機能を有する上記送水ポンプの動作を通じて第１水溜め容器から第２水溜め容器への給水モードと第２水溜め容器から第１水溜め容器への給水モードとが交互に選択されるように構成してあることが望ましい。これによれば、２つの水溜め容器の相互間で交互に水を給排させるのに必要な配管構成が簡素化され、併せて、送水ポンプによる送水方向を一方向にだけ設定しておけば済むので、送水ポンプに加わる負担が軽減されるという利点がある。
【０００９】
本発明では、送水ポンプの上記駆動源として、住宅に導入された商用電力を利用することができる。また、上記連動機構に、２つの上記水溜め容器の昇降動作を回転運動に変換するクランク機構が含まれている場合には、送水ポンプの上記駆動源として、住宅に導入されている商用電力と、上記クランク機構の回転出力を利用して駆動される発電機からの出力とを組合せることが可能である。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明に係る往復運動機関では、作動シリンダのピストンを往復運動させるためのエネルギーの一部に２つの水溜め容器の位置エネルギーが利用されるので、送水ポンプの駆動源によるエネルギー消費量が少なく抑えられるという効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１、図２、図３は本発明の実施形態に係る往復運動機関の異なる状態での構成図、図４は作動シリンダ７０の内室に連通された循環路を説明するための構成図、図５及び図６は往復運動機関の回路図である。
【００１２】
図１〜図３及び図５において、１０，２０は第１及び第２の２つの水溜め容器を示しており、これらの水溜め容器１０，２０は同一量の水を蓄えることのできるタンク、たとえば２０リットルの水を蓄えらることのできるタンクによって構成されていて、それぞれが垂直に昇降動作を行うことができるように図示していないガイド機構によって支えられている。また、これら２つの水溜め容器１０，２０は、自由回転可能な滑車３１とその滑車３１に巻き掛けられた吊り紐３２とによって構成されている天秤機構３０の上記吊り紐３２の一端と他端とに各別に連結されている。したがって、天秤機構３０は、２つの水溜め容器１０，２０を昇降可能に支持してそれらの水溜め容器１０，２０の重量差によって重い水溜め容器を下降させると共に軽い水溜め容器を上昇させるという作用を発揮する。
【００１３】
第１及び第２の２つの水溜め容器１０，２０は、途中箇所に送水ポンプＰが介在された通水路４０と送水ポンプＰを備えていない付加通路５０とのそれぞれによって底部同士が連通されている。また、上記通水路４０は、第１水溜め容器１０の底部から送水ポンプＰの吸込口Ｉに至る吸込側通路４１と、送水ポンプＰの吐出口Ｏから第２水溜め容器２０の底部に至る吐出側通路４２と、吐出側通路４２を第１水溜め容器１０の底部に連通させる第１バイパス通路４３と、第２水溜め容器２０の底部を吸込側通路４１に連通させる第２バイパス通路４４とによって構成されている。そして、吸込側通路４１、吐出側通路４２、第１バイパス通路４３及び第２バイパス通路４４に電磁弁などで構成された開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４がそれぞれ介在されていると共に、付加通路５０にも同様の開閉弁Ｖ５が介在されている。
【００１４】
ここで、上記した吸込側通路４１、吐出側通路４２、第１バイパス通路４３、第２バイパス通路４４、付加通路５０は、第１水溜め容器１０や第２水溜め容器２０の昇降動作に追従して変形又は伸縮する機能を備えていて、この機能によって第１水溜め容器１０や第２水溜め容器２０の昇降動作の円滑性が妨げられないようになっている。
【００１５】
また、吸込側通路４１、吐出側通路４２、第１バイパス通路４３、第２バイパス通路４４に介在されているそれぞれの開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、それらの開閉モードが一定の関係を維持して制御されるようになっている。すなわち、図５又は図６のように、吸込側通路４１の開閉弁Ｖ１と吐出側通路４２の開閉弁Ｖ２との関係では、それらの各開閉弁Ｖ１，Ｖ２が同時に開いたり閉じたりするように制御され、第１バイパス通路４３と第２バイパス通路４４との関係でも、それらの各開閉弁Ｖ３，Ｖ４が同時に開いたり閉じたりするように制御される。加えて、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が開いているときには、開閉弁Ｖ３，Ｖ４が閉じており、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が閉じているときにには、開閉弁Ｖ３，Ｖ４が開いているように制御される。そして、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が開き、開閉弁Ｖ３，Ｖ４が閉じているときには、送水ポンプＰの動作により、図２に矢印で示したように、第１水溜め容器１０から排出された水が、吸込側通路４１、送水ポンプＰ、吐出側通路４２をこの順に流れて第２水溜め容器２０に供給される。これに対し、開閉弁Ｖ３，Ｖ４が開き、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が閉じているときには、送水ポンプＰの動作により、図３に矢印で示したように、第２水溜め容器２０から排出された水が、第２バイパス通路４４、吸込側通路４１、送水ポンプＰ、吐出側通路４２、第１バイパス通路４３をこの順に流れて第１水溜め容器１０に供給される。この実施形態では、第１水溜め容器１０と第２水溜め容器２０のそれぞれの気相部分を通気路６０で連通させることによって第１水溜め容器１０や第２水溜め容器２０に対する給排水が円滑に行われるように構成してある。なお、通気路６０や第１水溜め容器１０や第２水溜め容器２０の昇降動作に追従して変形又は伸縮する機能を備えている。
【００１６】
図５及び図６に示したように、第１水溜め容器１０や第２水溜め容器２０には位置検出センサー１０Ａ，２０Ａが付設されていて、一方側の位置検出センサー１０Ａによって第１水溜め容器１０が下限まで下降したことが検出されたときに（図３参照）、電磁弁制御回路Ｓ１によって開閉弁Ｖ１，Ｖ２が閉から開に切り換えられ、開閉弁Ｖ３，Ｖ４が開から閉に切り換えられる。また、他方側の位置検出センサー２０Ａによって第２水溜め容器１０が下限まで下降したことが検出されたときに（図２参照）、電磁弁制御回路Ｓ２によって開閉弁Ｖ１，Ｖ２が開から閉に切り換えられ、開閉弁Ｖ３，Ｖ４が閉から開に切り換えられる。したがって、それぞれの開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の開閉モードが上記のように切り換えられることによって、一方向送水機能を有する送水ポンプＰの動作を通じて、第１水溜め容器１０から第２水溜め容器２０への給水モードと、第２水溜め容器２０から第１水溜め容器１０への給水モードと、が交互に選択される。
【００１７】
図４において、７０は作動シリンダであり、この作動シリンダ７０のピストン７１が連動機構８０を介して往復運動を行う。連動機構８０はクランク機構によって構成されていて、上記した第１及び第２の２つの水溜め容器１０，２０の昇降動作を往復運動に変換してピストン７１に伝達する作用を行う。この連動機構８０は、第１輪体８１と、この第１輪体８１の１８０度変位した２箇所の偏心位置と図１〜図３に示した第１水溜め容器１０及び第２水溜め容器２０とを各別に連結するクランクアーム８２，８３と、第１輪体８１にベルト８４を介して連動連結されたプーリ８５と、このプーリ８５と同心に設けられた第２輪体８６と、この第２輪体８６の偏心箇所と上記ピストン７１に連結された軸体８１ａとを連結している第２クランク軸８７とを備えている。
【００１８】
以上説明したように構成されている往復運動機関によると、次の作用が行われる。すなわち、送水ポンプＰの動作の是非を確認するときには、図１のように、第１及び第２の２つの水溜め容器１０，２０のそれぞれに内容積の半分程度の水量を溜めた状態で、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５を開け、かつ、開閉弁Ｖ３，Ｖ４を閉じて送水ポンプＰを動作させる。このような送水ポンプＰの動作確認稼動を行うと、第１水溜め容器１０から排水された水が、吸込側通路４１、送水ポンプＰ、吐出側通路４２を経て第２水溜め容器２０に入り、さらに、第２水溜め容器２０から付加通路５０を経て第１水溜め容器１０に至る密閉経路を循環する。
【００１９】
送水ポンプＰの動作確認稼動を行った後の実稼動では次の操作が行われる。すなわち、図２のように、開閉弁Ｖ１，Ｖ２を開け、開閉弁Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５を閉じた状態で送水ポンプＰを動作させると、図２に矢印ａで示したように、第１水溜め容器１０から排出された水が吸込側通路４１、送水ポンプＰ、吐出側通路４２をこの順に流れて第２水溜め容器２０に供給されるので、排水側の第１水溜め容器１０が軽くなるのに対して給水側の第２水溜め容器２０が重くなる。そのため、天秤機構３０の作用によって第１水溜め容器１０が上昇（矢印Ｕ）するのに対して第２水溜め容器２０が下降（矢印Ｄ）して図２の状態になる。このようにして、第１水溜め容器１０及び第２水溜め容器２０の高さ位置が上下逆転した時点で、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の開閉モードが切り換えられて開閉弁Ｖ３，Ｖ４が開き、開閉弁Ｖ１，Ｖ２が閉じると、送水ポンプＰの動作により、図３に矢印ｂで示したように、第２水溜め容器２０から排出された水が、第２バイパス通路４４、吸込側通路４１、送水ポンプＰ、吐出側通路４２、第１バイパス通路４３をこの順に流れて第１水溜め容器１０に供給されるので、排水側の第２水溜め容器２０が軽くなるのに対して給水側の第１水溜め容器１０が重くなる。そのため、天秤機構３０の作用によって第２水溜め容器２０が上昇（図３矢印Ｕ）するのに対して第１水溜め容器１０が下降（図３矢印Ｄ）して図３の状態になる。これ以後は、開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の開閉モードの切り換え動作が切り返されて、第１及び第２の水溜め容器１０，２０のそれぞれが交互に昇降動作を繰り返す。
【００２０】
このようにして第１及び第２の水溜め容器１０，２０のそれぞれが昇降動作を繰り返すと、図３を参照して説明した連動機構８０の作用により、第１及び第２の水溜め容器１０，２０のそれぞれが昇降動作が、作動シリンダ７０のピストン７１の往復運動に変換される。
【００２１】
このように動作する往復運動機関において、図４のように、作動シリンダ７０の内室７２の底部に循環路Ｒを連通しておくと、その循環路Ｒを流体が循環する。循環路Ｒには、たとえば、ラジエータ１００，２００が並列に接続され、それらのラジエータ１００，２００の入口側に冷却手段３００が設置され、かつ、切換え弁１０１，１０２，２０１，２０２を付設される。この循環路Ｒは居住区室内の空調装置に採用することができる。その場合には、切換え弁１０１，１０２，２０１，２０２を選択的に開閉制御すると、外気と各ラジエータ１００，２００との間で繰り返し熱交換が行われて居住区室内を空調するということが可能になる。
【００２２】
ところで、この実施形態において、送水ポンプＰの駆動源として、住宅に導入された商用電力（１００Ｖ電源）Ｖを用いることができる。このように商用電力を送水ポンプＰの駆動源として用いときには、送水ポンプＰの回転軸を電動モータ（不図示）に連結しておけばよい。
【００２３】
また、送水ポンプＰの駆動源として、住宅に導入されている上記商用電力Ｖと、連動機構８０を構成しているクランク機構の回転出力を利用して駆動される発電機９０からの出力とを組合せて用いることも可能である。この場合には、図１〜図３のように、宅内コンセントから供給される商用電力Ｖをスイッチ回路Ｓを備えた制御回路Ｃを介して送水ポンプ駆動モータに供給すると共に、図４に示した第２輪体８６の回転出力によって動作する発電機９０の出力を送水ポンプ駆動モータに供給するように構成する。そして、当該往復運動機関の初期稼動で商用電力Ｖを利用し、その往復運動機関が常用運転に移行した時点、すなわち、第１及び第２の２つの水溜め容器１０，２０の昇降動作が一定周期が繰り返される状態に移行した時点で、スイッチ回路Ｓを開いて商用電力Ｖを遮断し、発電機９０の出力を駆動源として用いるようにするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る往復運動機関の構成図である。
【図２】第１水溜め容器から第２水溜め容器に水を送っている工程の構成図である。
【図３】第２水溜め容器から第１水溜め容器に水を送っている工程の構成図である。
【図４】連動機構や作動シリンダ、循環路などを示した構成図である。
【図５】往復運動機関の回路図である。
【図６】往復運動機関の異なる状態での回路図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  第１水溜め容器
２０  第２水溜め容器
３０  天秤機構
４０  通水路
４１  吸込側通路
４２  吐出側通路
４３  第１バイパス通路
４４  第２バイパス通路
７０  作動シリンダ
７１  ピストン
８０  連動機構
９０  発電機（駆動源）
Ｐ  送水ポンプ
Ｒ  循環路
Ｉ  送水ポンプの吸込口
Ｏ  送水ポンプの吐出口
Ｖ  商用電力（駆動源）
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４  開閉弁
【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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