(57)【要約】【課題】流体の移送に伴って作動するピストン機構に関するものであり、特にピストンの移動に伴う機械的な摩擦損失が極めて小さいためにタービンにも勝る効率を得て利用範囲を大幅に広げることが出来るピストン機構を提供することである。【解決手段】回転軸の偏芯部に回転自在に嵌め合わされた回転リングには複数の偏芯部を有し、夫々の偏芯部には回転自在に嵌め合わされたリング部材が設けられ、該リング部材に固着されたステー部の両先端部にピストンが固着され、該ピストンはシリンダーの内部に摺動自在に嵌め合わされたごとく構成されたピストン機構により課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の第１偏芯部に回転自在に嵌め合わされた回転リングには第１偏芯部の偏芯量と等しい偏芯量を持つ複数の第２偏芯部を有し、夫々の第２偏芯部には回転自在に嵌め合わされたリング部材が設けられ、該リング部材の中心軸と直交する両方向に固着されたステー部の両先端部にピストンが固着され、該ピストンは前記回転軸の回転中心軸から放射状に設けられたシリンダーの内部に摺動自在に嵌め合わされたごとく構成されたピストン機構。
【請求項２】
回転軸に設けられた永久磁石とヨークにより流路を塞ぐ球状体を吸引することで開閉するバルブ開閉機構によって吸気バルブ及び排気バルブの開閉を行うごとくなしたことを特徴とする請求項１記載のピストン機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の移送に伴って作動するエンジン及びポンプとして作動する容積型流体機構として働くピストン機構に関するものであり、特にピストンの移動に伴う機械的な摩擦損失が極めて小さいために利用範囲を大幅に広げることが出来るピストン機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在実用化されているピストン機構の主なものはいわゆるレシプロエンジンなどに使用されているごときクランクシャフトと往復ピストンとをコネクティングロッドで結合したものであり、一部に繭型形状のシリンダーの内部で３角形のピストンが回転しながら移動するいわゆるヴァンケル型ロータリー方式のものがある。
【０００３】
両者とも、容積型流体機構であるためにタービン機構に比べると広い回転速度範囲において容積効率が高く速度変動の大きな用途に適したものである。  しかし、前者はピストンとシリンダーにサイドフォースが加わること等で生じる機械的摩擦損失が大きいと云う欠点があり、小さな圧力差では作動しにくいという欠点がある。  後者は上記のごとき摩擦損失は少ないがピストンとシリンダーが矩形状態で接する構造のために流体の漏れを防止する事が難しく用途が限られている。  一方、現在用途が広がっているタービン機構は、流体の圧力差を運動エネルギーに変換して作動するものである為に、一定条件での回転運動においては高い効率を示すが、回転速度、圧力、流量などの条件の変化においては大幅な効率ダウンとなる欠点を有する。  
【０００４】
機械的な摩擦損失が少ないピストン機構が実現すると、多くの用途において流体の流れを機械的運動のエネルギーに変換するエンジンとしての作動が出来るとともに、これとは逆に機械的運動エネルギーを流体の圧力エネルギーに変換するポンプとしての作動も可能となり、このような機構の実現が望まれている。
【０００５】
機械的な摩擦損失の軽減の為には前述のヴァンケル型ロータリー方式のものは、ある程度有効ではあるが、シール部材とシリンダーの接触圧が高くこの部分の摩擦力の軽減が課題となっている。  また、繭型のシリンダーの高精度な加工が困難でありコスト高の原因となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−００８１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は機械的な摩擦損失が極めて小さく、又シリンダーの形状は円筒形で流体漏れの恐れがないためにシールの圧力も充分低く設定できる為にこの部分での摩擦力の発生もきわめて小さく、更に高速回転においてもレシプロ機構のごとき振動が生じることのないピストン機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のピストン機構が上記課題を解決するための第１の手段は、回転軸の第１偏芯部に回転自在に嵌め合わされた回転リングには第１偏芯部の偏芯量と等しい偏芯量の複数の第２偏芯部を有し、夫々の第２偏芯部には回転自在に嵌め合わされたリング部材が設けられ、該リング部材の中心軸と直交する両方向に固着されたステー部を有し、該ステー部の両先端部に円形のピストンが設けられている。  該ピストンは前記回転軸の回転中心軸から放射状に設けられた円筒状のシリンダーの内部に摺動自在に嵌め合わされたごとく構成されたピストン機構を提供することにある。
【０００９】
本発明のピストン機構が上記課題を解決するための第２の手段は、回転軸に設けられた永久磁石とヨークにより流路を塞ぐ球状体を吸引することで開閉するバルブ開閉機構によって吸気バルブ及び排気バルブの開閉を行うごとくなしたピストン機構を提供することにある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１の効果は、偏芯量の等しい回転軸と回転リングの合成運動によりピストンは正確な直線往復運動をするために、ピストン側壁とシリンダーとの接触圧力はなく、これによる摩擦力が発生しないことである。
【００１１】
本発明の第２の効果は、上記のピストンの直線往復運動は回転運動の合成であり、クランクによる早戻り運動を含まない為に完全に動バランスを取ることが出来るので、高速回転しても振動を発生することがないことである。
【００１２】
本発明の第３の効果は、吸気、排気バルブの開閉が回転軸に設けられた永久磁石とヨークにより流路を塞ぐ球状体を吸引することで開閉するバルブ開閉機構によって行われるために、バルブ開閉の為の摩擦力の発生もなく機構全体としての摩擦損失を極めて小さくすることができるものである。
【００１３】
本発明の第４の効果は、シリンダーとピストンの係合部は円形であり、シールが容易なため流体の漏れが少なくシールによって発生する摩擦力も最小限にすることが出来るので、極めて遅い運転速度でも効率良く使用することが出来る。
【００１４】
本発明の第５の効果は、内部にヴァンケルエンジンにあるようなギヤーなどの機構を含まずに簡単な構造であり繭型シリンダーの加工などの高度な加工技術を用いない為、安価にまたコンパクトにまとめることが出来る。
【００１５】
上記のごとく本発明のピストン機構は、タービンでは対応できない低速運転から、これまでのピストン機構では対応できない高速運転まで広い応用範囲を持つものであり又、極めて小さな圧力差での用途に適応可能な為、総合的にこれまでのピストン機機構の性能をはるかに超えた多くの効果を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１はピストン機構の１実施方法を示した側断面図である。
【図２】図２はピストン機構の１実施方法を示した図１と直角方向の側断面図である。
【図３】図３はピストン機構の１実施方法を示した上断面図である。
【図４】図４はピストン機構の１実施方法を示したＡ−Ａ断面図である。
【図５】図５はピストン機構の１実施方法を示したＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のピストン機構をその性能を損なわない範囲で簡略化して実現するための実施形態を示す。
【実施例】
【００１８】
図１は、本発明装置のピストン機構の１実施形態を示した側断面図であり、図２は図１と直角方向の側断面図、図３はその上断面図、図４はそのＡ−Ａ断面図である、図５はそのＢ−Ｂ断面図である。  図１〜５において、筐体１に回転自在に嵌め合わされた回転軸２に設けられた第１偏芯部３には偏芯リング４が回転自在に嵌め合わされている。  偏芯リング４には第１偏芯部３の偏芯量と等しい偏芯量を持つ２個の第２偏芯部５を有し、該第２偏芯部５には夫々リング部材６が回転自在に嵌め合わされている。  該リング部材６にはその中心軸と直交して両方向に伸びるごとく固着されたステー部７が設けられ、該ステー部７の両先端部には円形のピストン８が固着されている。  また、筐体１には回転軸２の回転中心を中心として放射状に４個の円筒状のシリンダー９が形成され、該シリンダー９の内部にはピストン８が摺動自在に嵌め合わされたごとく構成されている。  この場合、上記ステー部７を摺動自在に支持する為にシリンダー９の根本部分に配置されたローラー１９がステー部７に接触して回転し、ステー部７の摺動を円滑にするとともにピストン８とシリンダー９とが直接接触するのを防止している。  １０は流体の漏れを防止するシール部材である。  形状的には公知のピストンリング状のものでも良いが図においては流体の圧力差が１/１００気圧程度の極めて小さな圧力差の状態を想定している為極柔らかな可撓性のリング状に表示している。  尚、筐体１と回転軸２、第１偏芯部３と偏芯リング４、第２偏芯部５とリング部材６、ローラー１９の軸等の回転自在な嵌合部にはころがりベアリングを用いているが摩擦抵抗の軽減のためにこれが望ましい。  ローラー１９はいわゆるリニアーベアリングと交換しても本発明の主旨を外れるものではない。
【００１９】
吸入流路１１には磁性材料で形成された球体１２が図においては重力で流路を塞ぐごとく挿入され、排出流路１３には磁性材料で形成された球体１４が図においては重力で流路を塞ぐごとく挿入されている。  吸入流路１１及び排出流路１３は夫々シリンダー９の頂部に結合されている。  また、回転軸２にはヨーク１５、１６と永久磁石１７、１８が取り付けられており、ヨーク１５の一部は吸入流路１１の壁を介して球体１２に接近しており、一部は切り欠かれており、ヨーク１６の一部は排出流路１３の壁を介して球体１４に接近しており、一部は切り欠かれている。
［作用］
【００２０】
上記実施形態に示す本発明のピストン機構の作用について説明する。  本発明のピストン機構は、完全な等速回転運動の合成によるものであり、いわゆるレシプロ機構のごとき不等速の揺動運動を含むものではない。  すなわち、回転軸２の第１偏芯部３が回転するとき該偏芯部３に回転自在に嵌め合わされている偏芯リング４は、回転軸２と同じ回転速度で逆方向に回転する。  従って第１偏芯部３の偏芯量と等しい偏芯量を持つ２個の第２偏芯部５の中心は２等辺３角形の底辺に相当する方向に直線運動することとなる。  この場合、互いに逆方向に変芯した２個の第２偏芯部５は夫々直角の方向に移動することとなる。  しかも第１偏芯部３と第２偏芯部５の偏芯方向が丁度逆になった状態では回転軸２の回転軸の中心と第２偏芯部の中心とは一致する為に、上記直線運動は回転軸２の回転中心を通る直線である。  このときに他方の第２偏芯部５の中心は上死点又は下死点の位置にある。  この直交する２直線上にステー部７があり、シリンダー９が根本のローラー１９によって支持されていればピストン８とシリンダー９は互いに接触すること無しに往復運動することとなる。
【００２１】
吸入流路１１には磁性材料で形成された球体１２は、本実施形態においては通常重力及び流入流体の圧力によって吸入流路１１を塞いでいる。  また、排出流路１３には鋼球などの磁性材料で形成された球体１４は、本実施形態においては通常重力及び流出流体の圧力によって吸入流路１３を塞いでいる。  ピストン８の上死点付近でヨーク１５の外周部Ｃが球体１２に接近すると永久磁石１７の磁力が球体１２を吸引するごとく働き球体１２は吸入流路１１を塞いだ状態からヨーク１５の外周部側に転出して吸入流路１１が開く。  このときほぼ同時にヨーク１６の外周部Ｅが球体１４から離れると永久磁石１８の吸引力が球体１４を吸引する力がなくなり球体１４は排出流路１３を塞いだ状態となる。  この状態で回転軸２が回転してピストン８が移動すると吸入流路１１から流体がシリンダー９に流れ込む。  回転軸２が１８０°回転してピストン８の下死点付近でヨーク１５の外周部Ｄが球体１２から離れると永久磁石１７の磁力が球体１２を吸引する力はなくなり球体１２は吸入流路１１を塞いだ状態となる。  このときほぼ同時にヨーク１６の外周部Ｆが球体１４に接近すると永久磁石１８の磁力が球体１４を吸引するごとく働き球体１４は排出流路１３を開く。  この状態で回転軸２が回転してピストン８が移動するとシリンダー９から流体が排出流路１３に流れ出す。  この動きが４個のシリンダーで９０°の位相ズレを維持しながら連続的に行われるので、回転軸２の回転運動に伴って流体が移動する。  この説明においては流体の流れによって回転軸２が従動的に動く状態であり、流体の力によって回転するエンジンとして働くものとなる。  この状態で回転軸２が外部の力によって逆回転した場合には流体は逆方向に流され、ピストン機構はポンプとして働くことになる。  いずれの場合でも機械的な摩擦損失はきわめて小さく、１/１００気圧の圧力差でもエンジンとして使用する場合に充分作動するものであり、従来のピストン機構とはまったく異なる作動範囲を持つものである。  
【００２２】
上記の説明では球体１２、１４は重力によって吸入流路１１及び流出流路１３を塞ぐごとくなされているが、重力の代わりに図示しない圧縮スプリングを使用しても本発明の主旨を損なうものではない。  特に高速回転する場合には、球体１２、１４の動きを高速で行う必要が有るので上記の圧縮スプリングが必要となる。  このような状態となっても上記の球体１２、１４を動かす機構には従来のレシプロ機構にあるごときカムとホロワーに生じるごとき大きな摩擦抵抗が生じることはない。
【００２３】
尚、上記説明において第２偏芯部５の数は２個としているが、３個以上でも本発明の主旨を損なうものではないことは言うまでもない。その場合はピストン８及びシリンダー９の数は第２偏芯部５の数の倍数となることは当然のことである。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
回転軸の第１偏芯部と回転リングの第２偏芯部を有するリング部材と該リング部材とステー部の両先端部に円形のピストンと放射状に設けられた円筒状のシリンダーによって構成された本発明のピストン機構は摩擦損失が少なく、又振動がないのでの、極わずかな圧力差でも低速域から高速域まで有効に作動し、エンジン及びポンプとしての容積型流体機構の用途を著しく広げることが出来る。
【符号の説明】
【００２５】
１    筐体
２    回転軸
３    第１偏芯部
４    偏芯リング
５    第２偏芯部
６    リング部材
７    ステー部
８    ピストン
９    シリンダー
１０  シール部材
１１  吸入流路
１２  球体
１３  排出流路
１４  球体
１５、１６  ヨーク
１７、１８    永久磁石
１９  ローラー
【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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