(57)【要約】【課題】再生可能エネルギーを高効率で動力に変換可能なロータリーエンジンを提供するものである。【解決手段】  作動媒体を導入するためのインレット１２に隣接して加圧領域２４ａを形成するカムローブ２６を備えた円形作動室２４に回転自在にロータ３４を収納してカムローブの内周壁に摺動させ、ロータの接線方向に延びるように複数の円弧状ピストン室４０を形成し、円弧状ピストン室に出没自在に円弧状揺動ブロックピストン４２を配置し、カムローブが１つの円弧状揺動ブロックピストンに係合した際に、最大後退位置に移動させて加圧領域の後方部を密閉し、隣接した他の円弧状揺動ブロックピストンを加圧領域の先行部に突出させることにより、効率よく作動流体をロータに作用させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記円弧状カム面の前縁部及び後縁部に隣接して前記ピストン作動室とそれぞれ連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、
前記ピストン作動室よりも小径で前記カムローブの前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カム面と摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されて前記前縁部に加圧領域を形成し、前記後縁部に排気領域を区画するロータと、
前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、
前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カム面と周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、
前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段と、
前記ロータの外周において前記円弧状揺動ブロックピストンにそれぞれ隣接して形成されたストッパー部と、
前記円弧状揺動ブロックピストンに形成されていて、前記ストッパー部にそれぞれ係止して前記円弧状揺動ブロックピストンの移動を前記最大突出位置で規制する係止部と、
を備えることを特徴とする蒸気ロータリーエンジン。
【請求項２】
前記シリンダーハウジングが前記ピストン作動室の軸方向両端に形成されていて、前記ロータよりも径大の円形空洞室を備え、前記ロータが前記出力軸に支持されていて、前記円形空洞室に回転自在に収納された一対のサイドフライホールと、前記一対のサイドフライホールの間に配置されていて、前記ピストン作動室に回転自在に収納され、前記カムローブに摺動するセンターフライホイールとを備えることを特徴とする請求項１記載の蒸気ロータリーエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【技術分野】
【０００１】  本発明は蒸気ロータリーエンジンに関し，特に、バイオマスエネルギー、太陽熱エネルギーや地熱エネルギー等の再生エネルギーを利用して動力を得るための蒸気ロータリーエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、地球温暖化防止対策の有効な手段として、太陽熱エネルギー、バイオマスエネルギー、地熱エネルギー等の再生可能エネルギーの有効利用が注目され、その達成手段として再生可能エネルギーを動力に変換するための各種エンジンのニーズが高まっている。特許文献１には、真円のケーシング内にロータを同心的に配置したベーンモータが開示されている。この構造において、ロータの外周部には複数のベーン体の基部が枢支されており、一方、真円のケーシング内に半径方向内側に沿って斜方向に延びる板羽根を配置して、ベーン体の背面を板羽根に接触させることでベーン体を周期的に閉じる構造となっている。【０００３】  特許文献２には、シリンダの内部空間にロータを偏心的に配置した蒸気駆動モータが開示されている。この構造において、ロータの周方向分割位置には複数のスロット溝が形成され、スロット溝内にそれぞれ出没可能にベーンが挿入され、ベーンの基部をロータに形成したヒンジ溝に配置された回転軸部で枢支した構造となっている。【０００４】
【特許文献１】特開平２００９−６２９６８号
【特許文献２】特開平２００９−４７０２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  ところで、特許文献１で開示されたベーンモータでは、支軸から放射状に延びる複数の板状支持具の先端に枢軸部を設け、枢軸部に揺動自在に曲面板からなるベーン体を揺動可能に攴持した構造が採用されている。この構造において、注入口から圧力流体が供給されると、ベーン体の背面に圧力流体が作用して、ベーン体が回転移動して支軸が回転する。このとき、圧力流体の圧力が高いと、ベーン体が支軸の軸心に対して変形し、該ベーン体の一部と円形空洞室の壁面との間に隙間が生じ、該隙間から圧力流体が漏洩するため、ベーンモータの効率が著しく低下する。さらに、該ベーン体の変形によって該ベーン体は局部的に円形空洞室の壁部に対する摺動抵抗が大きくなって該ベーン体の先端部の磨耗が激しくなり、該ベーン体の耐久性が著しく低くなる。【０００６】  特許文献２の構造では、ロータに形成したスロット溝の幅をベーンの幅よりも大きくすることにより、ベーンをスロット溝の内面に対して非接触状態にて挿入した構造が採用されている。この構造において、ベーンは自由端となっているため、高圧蒸気がベーンに作用すると、ベーンはロータに形成したスロット溝内でロータの周方向に押圧されて曲げ作用を受ける。このとき、ベーンがアーム側に曲げられるため、スロット溝とベーンとの隙間が拡大することになり、スロット溝を出没移動する際にベーンのガタつきが大きくなる。しかも、ベーンが突出した状態において、ベーンは自由端構造となっているため、ベーンが高圧蒸気に周期的に曝されたときにベーンは益々不安定となり、ベーンの係合部材はシリンダの内部空間の壁面に不均一な圧力で接触することになる。このため、シリンダの内部空間の壁面とベーンの係合部材に局部的な異常な磨耗状態が発生する。このため、係合部材の摺動抵抗が局部的に増大して摩擦熱が異常に上昇する。その結果、係合部材の磨耗が激しくなり、シリンダの内部空間の壁面とベーンの係合部材の寿命が著しく低下する。しかも、ベーンが突出した状態において自由端構造でベーンが不安定に支持されていると、ベーンとアーム部との接合部を介してベーンの不安定な動きがアームと回転軸部との連結箇所に直接に伝達される。この連結箇所はネジその他の締結手段によって構成されており、周期的に発生するベーンの不安定な動きが連結箇所に伝達されると、締結手段自体が破損する事態が生じる。一方、上記構造の蒸気駆動モータにおいて、ベーンの最大突出位置において、遠心力の作用により、シリンダの内部空間の壁面に対して係合部材の摺動抵抗が増大して摩擦熱が異常に上昇し、係合部材の寿命が短くなる。さらに、ベーンの軸方向側面の半径方向断面積が極めて小さいため、ベーンの軸方向端面のシール効果を高めることができない。このように、ベーンの軸方向端面からの高圧蒸気の漏れも大きくなり、作動流体の有効利用率が低下するため、蒸気駆動モータの運転効率が低い。【０００７】  本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、高効率で高寿命の再生エネルギー用の蒸気ロータリーエンジンを提供するものである。
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
【０００８】  請求項１記載の蒸気ロータリーエンジンは、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記円弧状カム面の前縁部及び後縁部に隣接して前記ピストン作動室とそれぞれ連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、前記ピストン作動室よりも小径で前記カムローブの前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カム面と摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されて前記前縁部に加圧領域を形成し、前記後縁部に排気領域を区画するロータと、前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カム面と周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段と、前記ロータの外周において前記円弧状揺動ブロックピストンにそれぞれ隣接して形成されたストッパー部と、前記円弧状揺動ブロックピストンに形成されていて、前記ストッパー部にそれぞれ係止して前記円弧状揺動ブロックピストンの移動を前記最大突出位置で規制する係止部とを備えることを要旨とする。
【０００９】  上記構成の蒸気ロータリーエンジンにおいて、前記ロータが前記ピストン作動室よりも小径で前記カムローブの前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記ピストン作動室に回転自在に収納される。前記ロータの外周には出没自在に円弧状ブロックピストンが収納され、前記ピストン作動室の半径方向内側には前記ロータの外周と接触するように延びるカムローブが形成されている。前記カムローブが１つの円弧状揺動ブロックピストンを最大後退位置に移動させて前記アウトレットに隣接して排気領域を形成する一方、前記イントレットに隣接して加圧領域を形成する。前記カムローブが隣接した他の円弧状揺動ブロックピストンの受圧面を最大突出位置に移動させて前記加圧領域に露出させる。そのような構成によって、揺動ブロックピストンは極めて大きな剛性を有するため、揺動ブロックピストンのがたつきが効果的に防止される。また、揺動ブロックピストンは軸方向両端側に高い剛性の壁部を備えているため、揺動ブロックピストンの軸方向両端の面積が大幅に拡大することになり、揺動ブロックピストンの軸方向両端部からの高圧蒸気の漏れを最小限に抑制する。その結果、揺動ブロックピストンに作用する高圧流体の利用効率を高めて蒸気ロータリーエンジンの運転効率を高めることが出来る。その結果、エンジンサイズが大きくなっても、揺動ブロックピストンのがたつきや振動が抑制されることで、長期にわたって安定したエンジンの運転が可能となり、部品の劣化等も著しく抑制される。したがって、蒸気ロータリーエンジンを大型構造にした場合でも高い信頼性と大幅な長寿命化を得ることができる。また、蒸気ロータリーエンジンの部品点数が少なく、製造が容易であるため、大幅なコストダウンも可能となる。上記構成によれば、さらに、前記ロータに設けたストッパー部によって、前記揺動ブロックピストンの移動に於ける最大突出位置が規制されるため、揺動ブロックピストンとピストン作動室との異常な接触状態が回避される。そのため、揺動ブロックピストンやピストン作動室の異常な磨耗が克服されることでエンジンの長寿命化を図っている。
【００１０】  請求項２記載の発明は、前記シリンダーハウジングが前記ピストン作動室の軸方向両端に形成されていて、前記ロータよりも径大の円形空洞室を備え、前記ロータが前記出力軸に支持されていて、前記円形空洞室に回転自在に収納された一対のサイドフライホールと、前記一対のサイドフライホールの間に配置されていて、前記ピストン作動室に回転自在に収納され、前記カムローブに摺動するセンターフライホイールとを備えることを要旨とする。
【００１１】  上記構成によれば、前記ロータがセンターフライホイールと一対のサイド・フライホールとを備えるため、前記ロータの回転をさらに円滑にすると共に、インレットから供給される作動流体の圧力に僅かな変動が生じても、常に安定した出力トルクが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００１２】  以下、本発明の実施例による蒸気ロータリーエンジンについて詳細に説明する。以下の説明において、本発明は一例として、再生可能エネルギー用に利用可能な蒸気ロータリーエンジンとして説明されるが、本発明の蒸気ロータリーエンジンは再生可能エネルギー用だけでなく、例えば、火力発電所や原子力発電所の蒸気エンジンとして或は船舶や列車等の動力用蒸気エンジンとしても利用可能なことはいうまでもない。以下の説明において方向性を示す用語、例えば、「先行部」、「後方部」等の用語は図１に示した構造におけるエンジンの回転方向に対する表現を表すものである。【００１３】  以下、本発明の実施例による蒸気ロータリーエンジンについて詳細に説明する。図１において、蒸気ロータリーエンジン１０は、インレット１２及びアウトレット１４を有する円筒状のシリンダーハウジング１６を備える。シリンダーハウジング１６はフロントカバー１８と、リアカバー２０と、センターケース２２とを備える。フロントカバー１８及びリアカバー２０はそれぞれ円形空洞室２２４を有し、センターケース２２はインレット２１２及びアウトレット２１４と連通するように形成された真円のピストン作動室３９を有する。センターケース２２は、さらに、インレット１２及びアウトレット１４との間において予め定められた範囲で円形空洞室２４の半径方向内側に向かって延びていてインレット１２に隣接して加圧領域２４ａを形成するカムローブ２６を有する。カムローブ２６は前縁部２６ａと、後縁部２６ｂと、中央円弧状カム面２６ｃとを有する。【００１４】  円形空洞室２４及びピストン作動室３９の中心軸と同心的に出力軸２８が延びており、出力軸２８はフロントカバー１８とリアカバー２０にそれぞれ固定支持されたベアリング３０，３２により回動自在に支持されている。ピストン作動室３９にはロータ３４が回転自在に収納される。ロータ３４は出力軸２８に支持されていて、カムローブ２６の中央円弧状カム面２６ａに摺動するセンターフライホイール３５と、センターフライホイール３５よりも径大で円形空洞室２４の曲率半径と略同一の曲率半径を有し、円形空洞室２４に回転自在に収納されたサイドフライホイール３６、３８とを備える。サイドフライホイール３６、３８は、センターフライホイール３５の軸方向両端においてカムローブ２６を部分的に挟むように配置され、サイドフライホイール３６、３８の軸方向空間部にピストン作動室３９が区画される。【００１５】  センターフライホイール３５の外周部において周方向に均等に分割された位置には、ロータ３４の接線方向に延びるように複数の円弧状ピストン室４０が形成され、円弧状ピストン室４０のそれぞれに複数の揺動ブロックピストン４２が出没自在に収納されている。ここで「ブロックピストン」とは、円弧状揺動ブロックピストン４２が板状やシート状ではなく、所謂、１つの塊となっているブロック形状を現すものとして定義される。カムローブ２６は、円弧状揺動ブロックピストン４２をセンターフライホイール３５の外周に対して最大後退位置に移動させてアウトレット１４とカムローブ２６の後縁部２６ｂに隣接して排気領域２４ｂを形成するとともにイントレット１２とカムローブ２���の前縁部２６ｃに隣接して加圧領域２４ａを形成する。このとき、サイドフライホイール３６、３８の軸方向空間において円弧状揺動ブロックピストン４２の受圧面を最大突出位置に移動させて加圧領域２４ａに露出させる。【００１６】  複数の円弧状ピストン室４０は、それぞれロータ３４の接線方向に延びていて揺動ブロックピストン４２の最大後退位置を規制する接線方向壁部４０ａと、接線方向壁部４０ａの後方からロータ３４の半径方向に沿って延びる円弧状ガイド壁４０ｂと、円弧状ガイド壁４０ｂの外方端部に形成されていて円弧状揺動ブロックピストン４２の最大突出位置を規制するストッパー部４０ｃとを備える。【００１７】  揺動ブロックピストン４２は、円弧状ピストン室４０の接線方向壁部４０ａの先行部にピボット軸４３を介して出没自在に支承された基部４２ａと、該基部４２ａから接線方向壁部４０ａに沿って延びている内縁部４２ｂと、円弧状ガイド壁４０ｂで摺動すると共に円弧状揺動ブロックピストン４２の最大突出位置にてストッパー部４０ｃに係止可能な係合部４２ｃと、係合部４２ｃに摺動しながら出没可能な円弧状受圧部４２ｄと、円弧状受圧部４２ｄから基部４２ａに向けて延びていてロータ３４の外周の曲率半径と同一の曲率半径を有する円弧状カムフォロワ部４２ｅと、円弧状カムフォロワ部４２ｅの軸方向両端においてロータ３４の軸方向端面と同一平面にて内縁部側２２ｂに延びる側壁部４２ｆとを備える。側壁部４２ｆには内縁部４２ｂに沿って潤滑油溜４２ｇがテーパ状に形成されている。ピボット軸４３の両端部はベアリング４５によって回動自在に支持され、ベアリング４５はサイドフライホール３６、３８に装着されている。【００１８】  円弧状揺動ブロックピストン４２の基部４２ａの中央部の内側にはバネ収容溝部５０が形成され、バネ収容溝部５０内にコイルバネ５１等の弾性部材が付勢手段として収納される。コイルバネ５１のコイル部分はピボット軸４３に装着されていて揺動ブロックピストン４２を最大突出位置に付勢している。【００１９】  出力軸２８の中央部には接続部５４を介して外部の潤滑油供給源と連通する潤滑油供給路２８ａが形成される。一方、第２フライホール３６、３８には潤滑油供給路２８ａと連通しながら放射状に延びる複数の潤滑油通路５６が形成されており、これら潤滑油通路５６はいずれも揺動ブロックピストン４２の最大突出位置で潤滑油溜４２ｇと連通するような位置に形成された開口部５６ａを備える。【００２０】  上記構成の蒸気ロータリーエンジン１０は以下のように作動する。まず、作動流体として高圧蒸気Ｓｉがインレット１２からピストン作動室３９の加圧領域２４ａに導入される。このとき、カムローブ２６が１つの前記揺動ブロックピストン４２のカムフォロワ部４２ｅに係合し、このカムフォロワ部４２ｅを最大後退位置に移動させて加圧領域２４ａの後方部を密閉し、隣接した先行の揺動ブロックピストン４２の受圧部４２ｄをバネ５１の作用によって最大突出位置まで加圧領域２４ａに突出させる。この突出位置において、高圧蒸気Ｓｉは当該揺動ブロックピストン４２の円弧状受圧部４２ｄに作用する。このとき、円弧状受圧部４２ｄに作用した圧力はカムフォロワ部４２ｅを介して揺動ブロックピストン４２の基部４２ａからロータ３４の接線方向に伝達され、ロータ３４に回転トルクを発生させる。そのため、ロータ３４が時計方向Ｃｗに回転移動する。このように、複数の揺動ブロックピストン４２は順次、高圧蒸気Ｓｉの作用を受けて、周期的に出没しながら時計方向Ｃｗに回転移動する。その結果、ロータ３４が時計方向Ｃｗに回転駆動され、出力軸２８から出力トルクが取り出される。ロータ３４のストッパー部４０ｃと揺動ブロックピストン４２の係合位置関係は、揺動ブロックピストン４２が最大突出位置まで突出した際に、揺動ブロックピストン４２の円弧状受圧部４２ｄの先行部と円形空洞室２４の内壁との間にごく僅かな隙間ができるように設定される。しかしながら、必要によっては、揺動ブロックピストン４２が最大突出位置まで突出した際に、揺動ブロックピストン４２の円弧状受圧部４２ｄの先行部が円形空洞室２４の内壁に僅かな接触圧で接触するように設定されても構わない。【００２１】  以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが出来る。例えば、ロータ３４の両側にはサイドフライホール３６、３８を配置したものとして示されたが、これらサイドフライホールを必要に応じて省いても良い。この場合、ピボット軸４３は揺動ブロックピストン４２の基部に対応した位置でロータ３４の外周部にピボット軸溝を形成してその中に回動可能に装着しても良い。また、係止部は揺動ピストンのピストンヘッドに形成したものとして示したが、揺動ピストンの基部に設け、これに合わせ対置でロータにストッパー部を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例による蒸気ロータリーエンジンの断面図を示す。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面の蒸気ロータリーエンジン示す。
【符号の説明】
【００２３】１２  インレット
１４  アウトレット
１６  ロータハウジング
２４  円形空洞室
２６  カムローブ
２８  出力軸
３４  ロータ
３５  第１フライホイール
３９  ピストン作動室
４０  円弧状ピストン室
４２  揺動ブロックピストン
【図１】
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【図２】
2012007599.tif 000004