(57)【要約】【課題】蒸気で駆動させることができる蒸気駆動モータを提供する【解決手段】スロット溝の幅をベーンの厚さよりも大きくして、ベーンとスロット溝との間に隙間を設けた。ベーンがスロット溝の内面に対して非接触となるため、潤滑油の供給が不要であると共に水分が入ってもベーンの出没性能に影響がないため、蒸気Ａによる駆動が可能となる。ベーンがスロット溝に対して非接触でも、ベーンはアームを介してヒンジ溝の回転軸部に支持されているため、ガタつくことなく安定した支持状態が得られる。また、ベーンの受圧面に加わった蒸気Ａからの圧力はアームを介してヒンジ溝に対してロータの回転方向へ作用するため、ベーンの先端がシリンダの内面に対して押し付けられる力が小さくなり、ベーンの先端とシリンダの内面との摺動抵抗が低減して、ロータの円滑な回転が実現される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダの内部空間にロータを回転自在に収納し、ロータの外面から内部に向けて複数のスロット溝を形成すると共に、該スロット溝内に突出方向へ付勢され先端がシリンダの内面に摺動した状態で出没するベーンを挿入し、シリンダの内面に開口形成された供給ポートから供給した蒸気の圧力をベーンに作用させて、ロータを所定方向へ回転させ、ロータを回転させた蒸気をシリンダの内面に開口形成された排出ポートより排出する蒸気駆動モータであって、
前記ロータの外面でスロット溝から回転方向へ変位した位置にそれぞれヒンジ溝を設けると共に、該ヒンジ溝内に回転摺動自在な回転軸部を設け、
前記スロット溝及びベーンを該ヒンジ溝を中心とした円弧状に湾曲形成すると共に、スロット溝の幅をベーンの厚さよりも若干大きく形成し、
前記回転軸部とベーンの先端とをアームにより一体的に結合し、ベーンをスロット溝の内面に対して非接触状態にしたことを特徴とする蒸気駆動モータ。
【請求項２】
ベーンの先端に、シリンダの内面に摺動する黒鉛製の摺動部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の蒸気駆動モータ。
【請求項３】
回転軸部を黒鉛で形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の蒸気駆動モータ。
【請求項４】
ロータの外面にアームに相当する形状の凹部を形成し、アームを凹部に密着させた状態で、アームの表面が、ロータの他の外面と面一状態となることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気駆動モータ。
【請求項５】
アームに切欠部が形成されていることを特徴とする請求項４記載の蒸気駆動モータ。
【請求項６】
ロータの中心にスロット溝と連通する共通空間部を形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気駆動モータ。
【請求項７】
シリンダの外部にジャケット部を形成し、排出ポートからの蒸気をジャケット部を介して外部へ排出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸気駆動モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気の圧力により回転力を得ることができる蒸気駆動モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シリンダの内部空間にロータを設け、ロータの外面に形成されたスロット溝内に板状のベーンを挿入した構造のエアーモーターが知られている。ベーンは突出方向に付勢された状態でスロット溝において出没自在で、常にその先端をシリンダの内面に摺動させている。
【０００３】
シリンダの内面には、供給ポートと排出ポートが開口形成され、供給ポートから供給されたエアーの圧力を、突出したベーンに作用させることによりロータを回転させ、仕事をした後のエアーを排出ポートから外部へ排出するようにしている。
【０００４】
スロット溝内のベーンは、ベーンが突出した状態でも、ガタつきのない安定した支持状態が得られるように、スロット溝の内面に対して隙間なく接している。そのため、ベーンと、スロット溝の内面との間には、潤滑性を維持するために、潤滑油を供給する必要がある。潤滑油はエアーに混ぜてシリンダ内に供給される（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２４７９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、ベーンとスロット溝の内面との間に潤滑油を常時供給する必要があるため、供給する気体としては、潤滑油を含んだ乾いたエアーしか使用することができない。水分が含まれていると、ベーンとスロット溝の内面との間に水分が入り込み、潤滑油による潤滑性が阻害される。そのため、従来のエアーモータでは、蒸気のように水分を含む気体では作動させることができなかった。
【０００７】
蒸気で駆動できるモータが実現すれば、ごみ焼却炉、乾燥炉、金属溶解炉などの廃熱や、太陽光などのクリーンな熱源により、蒸気を発生させ、その蒸気によりモータを回転させて発電を行うことが可能となり、火力発電による大気汚染や二酸化炭素の排出の抑制に寄与することができる。
【０００８】
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、蒸気で駆動させることができる蒸気駆動モータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、シリンダの内部空間にロータを回転自在に収納し、ロータの外面から内部に向けて複数のスロット溝を形成すると共に、該スロット溝内に突出方向へ付勢され先端がシリンダの内面に摺動した状態で出没するベーンを挿入し、シリンダの内面に開口形成された供給ポートから供給した蒸気の圧力をベーンに作用させて、ロータを所定方向へ回転させ、ロータを回転させた蒸気をシリンダの内面に開口形成された排出ポートより排出する蒸気駆動モータであって、前記ロータの外面でスロット溝から回転方向へ変位した位置にそれぞれヒンジ溝を設けると共に、該ヒンジ溝内に回転摺動自在な回転軸部を設け、前記スロット溝及びベーンを該ヒンジ溝を中心とした円弧状に湾曲形成すると共に、スロット溝の幅をベーンの厚さよりも若干大きく形成し、前記回転軸部とベーンの先端とをアームにより一体的に結合し、ベーンをスロット溝の内面に対して非接触状態にしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、ベーンの先端に、シリンダの内面に摺動する黒鉛製の摺動部材を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、回転軸部を黒鉛で形成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、ロータの外面にアームに相当する形状の凹部を形成し、アームを凹部に密着させた状態で、アームの表面が、ロータの他の外面と面一状態となることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、アームに切欠部が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、ロータの中心にスロット溝と連通する共通空間部を形成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、シリンダの外部にジャケット部を形成し、排出ポートからの蒸気をジャケット部を介して外部へ排出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１記載の発明によれば、ベーンがスロット溝の内面に対して非接触のため、潤滑油の供給が不要であると共に水分が入ってもベーンの出没性能に影響がない。従って、蒸気による駆動が可能となる。ベーンがスロット溝に対して非接触でも、ベーンはアームを介してヒンジ溝の回転軸部に支持されているため、ガタつくことなく安定した支持状態が得られる。また、ベーンの受圧面に加わった蒸気からの圧力はアームを介してヒンジ溝に対してロータの回転方向へ作用するため、ベーンの先端がシリンダの内面に対して押し付けられる力が小さくなり、ベーンの先端とシリンダの内面との摺動抵抗が低減して、ロータの円滑な回転が実現される。
【００１７】
請求項２記載の発明によれば、黒鉛は自己潤滑性、耐摩耗性、耐熱性に優れた材料であり、その黒鉛で形成した摺動部材をベーンの先端に設けたため、ベーンの先端とシリンダの内面との摺動抵抗が低減されて、ロータの円滑な回転が実現されると共に、ベーンの先端の摩耗が防止されるため、メンテナンス性も向上する。
【００１８】
請求項３記載の発明によれば、自己潤滑性、耐摩耗性、耐熱性に優れた黒鉛で回転軸部を形成したため、回転軸部とヒンジ溝の内面との摺動抵抗が低減されて、ベーンの円滑な出没が実現されると共に、回転軸部の摩耗が防止されるため、メンテナンス性も向上する。
【００１９】
請求項４記載の発明によれば、アームの表面がロータの他の外面と面一状態となるため、ロータの外面から突起する部分が無くなり、シリンダと組み合わせ易くなり、設計が容易になる。
【００２０】
請求項５記載の発明によれば、アームに切欠部を形成したため、アームの内側と外側で連通可能となり、アーム及びベーンと、ロータの外面との間に区画され三角空間が密閉化されることない。従って、アームの回転に伴って三角空間の容積が変化しても、三角空間の減圧化及び加圧化を防止でき、円滑なアームの回転が可能となる。
【００２１】
請求項６記載の発明によれば、各スロット溝が共通空間部を介して連通した状態になっているため、一方のスロット溝内にベーンが挿入されて押し出されたエアー（蒸気）を、共通空間を介して、ベーンが引き出された他方のスロット溝へ送り込むことができる。従って、ベーンの出没に伴うスロット溝内の空間の減圧化及び加圧化を防止でき、ベーンを円滑に出没させることができる。
【００２２】
請求項７記載の発明によれば、シリンダの外部にジャケット部を形成し、このジャケット部に通してから蒸気を外部へ排出するため、シリンダ全体の温度を高温に保ち、シリンダの内部における蒸気の水滴化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の好適な実施形態を、図１〜図７に基づいて説明する。この実施形態に係る蒸気駆動モータ１は、ごみ焼却炉、乾燥炉、金属溶解炉などの廃熱や、太陽光などのクリーンな熱源により、蒸気を発生させ、その蒸気により、回転力を得るものである。本実施形態では蒸気は水蒸気であるとして説明する。
【００２４】
蒸気駆動モータ１は、基本的に、シリンダ２、ロータ３、サイドブロック４、回転軸５、軸受部６から構成されており、それぞれステンレス金属により形成されている。以下の説明において、便宜上、図１の紙面上の状態における方向性（上下・左右）を用いて説明する。
【００２５】
シリンダ２は円形の内部空間Ｓが画成された形状をしている。内部空間Ｓの内面２ａは円筒形状をしている。このシリンダ２の外側には、更にジャケット部７がシリンダ２を包み込むように外周方向に形成されている。シリンダ２は、一方側に開口した容器形状で、開口した側は円形板状のサイドブロック４により塞がれる構造になっている。この実施形態におけるシリンダ２の直径は、約３０ｃｍである。
【００２６】
シリンダ２の内面２ａには、それぞれ、左右上部から下方に向けて供給ポート８と排出ポート９が形成されている。供給ポート８及び排出ポート９は、シリンダ２の内面２ａよりも幅が狭く、下方に向けて深さが漸次減少し、内部空間Ｓの底部に至る手前で終了している。
【００２７】
供給ポート８の上部には供給パイプ１０が接続され、供給パイプ１０はジャケット部７を貫通して外部へ突出している。排出ポート９の上部は、ジャケット部７のジャケット通路１１の始点に連続している。ジャケット通路１１の終点は外側に突出した排出パイプ１２に接続されている。
【００２８】
シリンダ２の内部空間Ｓ内には、基本的に円柱形状のロータ３が収納されている。ロータ３は内部空間Ｓよりも小径で、中心に回転軸５を有している。ロータ３の回転軸５はシリンダ２の中心に対して上方へ偏心している。従って、ロータ３の上部の外面３ａと、シリンダ２の上部の内面２ａとは殆ど隙間の無い状態で近接している。ロータ３の上部以外の部分は、シリンダ２の内面２ａとの間に内部空間Ｓが残されている。
【００２９】
ロータ３の回転軸５は、シリンダ２の中心に螺合された軸受部６に支持されている。ロータ３は回転軸５を中心に時計方向に回転するものであり、回転軸５と軸受部６との間には、その両端に、回転軸５を軸受部６に対してラジアル方向及びスラスト方向で滑動自在に支持する黒鉛（ＧＲＡＰＨＩＴＥ）製のスリーブ１３が介在してある。スリーブ１３は軸受部６に対してロックピン１４（図２参照）で係止されており、回転防止が図られている。
【００３０】
回転軸５の他端は前記スリーブ１３の一方に当接するネジ１５で固定され、端末には係合溝１６を有する連結部１７が固定されている。連結部１７の係合溝１６には、連結軸１８の係合ピン１９が係合し、回転力を取り出すことができる。
【００３１】
ロータ３の等角四方位置には外面３ａから内部に向けてスロット溝２０が形成されている。また、各スロット溝２０の回転方向側に変位した位置には円筒内面を有する開断面状のヒンジ溝２１がそれぞれ形成されている。前記スロット溝２０はこのヒンジ溝２１を中心とした円弧状に湾曲している。ロータ３の中心には円形に凹設した共通空間２２が画成され、前記各スロット溝２０の基端はこの共通空間２２にそれぞれ連通している。
【００３２】
スロット溝２０には、スロット溝２０に相応した円弧形状のベーン２３が出没自在に挿入される。このベーン２３の先端からはロータ３の外面３ａに相応する湾曲形状のアーム２４が一体形成されている。ヒンジ溝２１内には黒鉛製で丸棒状の回転軸部２５が挿入され、この回転軸部２５に形成された平面部へ、前記アーム２４の他端が図示せぬネジにより固定されている。従って、ベーン２３はアーム２４を介してヒンジ溝２１内の回転軸部２５を中心に回転自在となる。
【００３３】
スロット溝２０と、そこに挿入されるベーン２３との寸法関係は、図５に示すように、スロット溝２０の幅ａの方が、ベーン２３の厚さｂよりも大きく設定されている。従って、図６に示すように、ベーン２３と、スロット溝２０の内面との間には、僅かな隙間ｃ〔≒（ａ−ｂ）／２〕が形成され、両者は非接触状態となる。このように、ベーン２３がスロット溝２０に対して非接触でも、ベーン２３はアーム２４を介してヒンジ溝２１内の回転軸部２５に支持されているため、ガタつくことなく安定した支持状態が得られる。
【００３４】
アーム２４には四角形の切欠部２６が中央に形成されている。また、ロータ３におけるヒンジ溝２１とスロット溝２０との間の外面３ａには、前記アーム２４に相当する形状の凹部２７が形成されている。従って、その部分の外面３ａは、切欠部２６に相当する部分だけ突起して残された状態となっている。
【００３５】
凹部２７がアーム２４と完全に形状が一致しており、アーム２４が凹部２７に密着した状態で、アーム２４の表面は、それ以外のロータ３の外面３ａと面一状態で連続する。このように、アーム２４の表面がロータ３の他の外面３ａと面一状態となることにより、アーム２４を凹部２７に密着させた状態では、ロータ３の外面３ａから突起する部分が無くなり、ロータ３を円柱状の一個物として取り扱うことができ、シリンダ２とも組み合わせ易くなり、設計が容易になる。
【００３６】
ヒンジ溝２１寄りの凹部２７には、一端がロータ３の表面よりも突出するスプリング２８が設けられている。従って、アーム２４の基端付近はこのスプリング２８にて押されるため、アーム２４は回転軸部２５を中心にロータ３から離れる方向へ回転付勢される。
【００３７】
アーム２４がロータ３から離れる方向に回転付勢されると、ベーン２３がスロット溝２０から引き出され、その先端がシリンダ２の内面２ａに摺動することとなる。そのため、ベーン２３の先端におけるシリンダ２の内面２ａと摺動する部分には、自己潤滑性、耐摩耗性、耐熱性に優れた黒鉛製の摺動部材２９を取付けている。
【００３８】
次に、この実施形態の作用を説明する。供給パイプ１０から、高温高圧の蒸気Ａが供給されると、その蒸気Ａは供給ポート８を通過して、ロータ３の外面３ａとシリンダ２の内面２ａとの間に画成された内部空間Ｓに入り込む。
【００３９】
この内部空間Ｓでは、アーム２４の基端付近がスプリング２８にて押されて回転し、ベーン２３をスロット溝２０から引き出して、その先端の摺動部材２９をシリンダ２の内面２ａに摺動させた状態になっているため、ベーン２３の受圧面に蒸気Ａの圧力が加わって、ロータ３が時計方向に回転する。蒸気Ａがロータ３を回転させる力は、ベーン２３が最もスロット溝２０から引き出されるシリンダ２の下部付近で最大となる。
【００４０】
ベーン２３がスロット溝２０の内面に対して非接触のため、潤滑油の供給が不要で、水分等の液体が入ってもベーン２３の円滑な出没が阻害されることはない。
【００４１】
ベーン２３の受圧面に加わった蒸気Ａからの圧力は主としてアーム２４を介してヒンジ溝２１に対してロータ３の回転トルクとして作用する。すなわち、蒸気Ａがベーン２３を押す圧力はほぼロータ３の回転力に有効に変換されるので蒸気Ａによるアーム２４およびベーン２３の回動軸２１のまわりのトルクが相対的に小さい。そのため、蒸気圧によりベーン２３の先端がシリンダ２の内面２ａに対して押し付けられる力を小さく抑えることができるためスプリング２８による付勢により常に適切な圧力でベーン２３の先端が内面２ａを摺動することができるため、ベーン２３の先端とシリンダ２の内面２ａとの摺動抵抗が低減して、ロータ３の回転が円滑になる。
【００４２】
ロータ３の回転力は回転軸５を介して、連結軸１８から取り出される。回転軸５と連結軸１８との連結が、係合溝１６と係合ピン１９による係合のため、両者の接触面積が小さく、シリンダ２及び回転軸５側が蒸気Ａにより高温になっても、その熱が連結軸１８側へ伝達されにくい。すなわち、回転軸５と連結軸１８の連結構造により熱結合による熱拡散を抑制しつつ確実な力学的結合によるエネルギー伝達が達成される。
【００４３】
ベーン２３を押して仕事を終えた蒸気Ａ’は、ベーン２３が排出ポート９の位置に来た時に排出ポート９から排出される。また、排出ポート９側では、ロータ３の外面３ａと、シリンダ２の内面２ａとの間に画成された内部空間Ｓが狭くなるため、ベーン２３は徐々にスロット溝２０内に押し込まれて収納される。
【００４４】
排出ポート９に排出された蒸気Ａ’は、シリンダ２の外周にあるジャケット通路１１を一回りして、最終的に排気パイプ１２より外部へ排出される。仕事をした後の高温の蒸気Ａがジャケット部７からシリンダ２の周囲を加温するため、シリンダ２全体の温度が高温に保たれ、シリンダ２の内部における蒸気Ａの水滴化を防止することができる。
【００４５】
以上のように、ベーン２３は先端をシリンダ２の内面２ａに摺動させながら回転するものであるが、ベーン２３の先端には、黒鉛製の摺動部材２９が取付けられているため、ベーン２３の先端とシリンダ２の内面２ａとの摺動抵抗が低減されて、ロータ３の回転は円滑なものとなる。また、黒鉛は耐摩耗性があるため、ベーン２３の先端（摺動部材２９）の摩耗が防止され、メンテナンス性も向上する。
【００４６】
更に、ベーン２３及びアーム２４の回転抵抗は、回転軸５とヒンジ溝２１の内面との狭い面積だけで生じるため、回転抵抗が小さく、円滑な回転を行うことができる。しかも、回転軸部２５を黒鉛で形成したため、更に回転抵抗が小さくなり、円滑な回転が行えると共に、回転軸部２５の摩耗も防止されるため、メンテナンス性も向上する。
【００４７】
そして、アーム２４が回転軸部２５を中心に回転することにより、アーム２４とロータ３との間には三角空間Ｔ（図１参照）が形成されるが、この三角空間Ｔはアーム２４に形成された切欠部２６により、シリンダ２の内部空間Ｓと連通状態となり、密閉化されることがない。従って、アーム２４の回転に伴って、三角空間Ｔの容積が変化しても、三角空間Ｔの減圧化及び加圧化が防止され、円滑なアーム２４の回転が可能となる。
【００４８】
加えて、アーム２４の回転に伴って、ベーン２３がスロット溝２０内で出没方向に移動するが、各スロット溝２０が共通空間部２２を介して連通状態になっている。そのため、一方のスロット溝２０内にベーンが挿入されて押し出されたエアー（蒸気）が、共通空間２２を介して、ベーン２３が引き出された他方のスロット溝２０へ送り込まれるので、ベーン２３の移動に伴うスロット溝２０および共通空間部２２の全容積および圧力の変動を緩和することができる。
【００４９】
本来的にベーン２３とスロット溝２０の内面との間には、わずかな隙間ｃがあるため、スロット溝２０内の空間はベーン２３を出没させても、減圧・加圧されにくいが、前述のように、共通空間２２を介してスロット溝２０同士を連通させることにより、更にスロット溝２０内の空間の減圧化及び加圧化を防止でき、スロット溝２０内におけるベーン２３の出没移動を円滑に行うことができる。
【００５０】
本実施形態では蒸気は水蒸気を含むエアーとして説明したが、本発明の蒸気駆動モータはこれに限定されず、蒸気または霧状の液体を含む流体に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係る蒸気駆動モータの内部構造を示す断面図。
【図２】図１中矢示ＳＡ−ＳＡ線に沿う断面図。
【図３】蒸気駆動モータの内部構造を示す分解斜視図。
【図４】アームとロータとの関係を示す部分斜視図。
【図５】スロット溝とベーンの寸法関係を示す部分側面図。
【図６】図１中矢示ＤＡ部分を示す拡大断面図。
【図７】回転軸と連結軸との連結構造を示す斜視図。
【符号の説明】
【００５２】
１  蒸気駆動モータ
２  シリンダ
２ａ  シリンダの内面
３  ロータ
３  ロータの外面
７  ジャケット部
８  供給ポート
９  排出ポート
２０  スロット溝
２１  ヒンジ溝
２２  共通空間
２３  ベーン
２４  アーム
２５  回転軸部
２６  切欠部
２７  凹部
２９  摺動部材
Ａ  蒸気（仕事前）、  Ａ’  蒸気（仕事後）
Ｓ  内部空間
Ｔ  三角空間
ａ  スロット溝の幅
ｂ  ベーンの厚さ
ｃ  ベーンとスロット溝との間の隙間
【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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【図７】
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