(57)【要約】【課題】水蒸気を利用した発電に利用でき且つ小型化が可能な多気筒蒸気エンジンを提供する。【解決手段】レシプロ蒸気駆動部２により水蒸気のエネルギーを直進往復運動に変換する。直進往復運動するピストンロッドの先８端に設けられたカムフォロア２３を、回転出力部１の側面に形成されたカム溝２１に係合させ、回転出力部１の回転運動に変換する。カム溝２１とカムフォロア２３の係合により回転運動に変換するため、小型化が可能である。回転出力部１の断面の三等分以上の等分位置にレシプロ蒸気駆動部２が配置されているため、カム溝２１の上死点又は下死点以外の点に必ず１つ以上のカムフォロア２３が係合しており、そのカムフォロア２３により回転出力部に一定方向への回転トルクが常に付与されるため、カムフォロア２３の上死点又は下死点の通過が円滑で、確実な回転運動が得られる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒側面を有する回転出力部であって断面中心を貫通する長手方向に沿った仮想軸線のまわりに回転自在に支持されるものと、
前記回転出力部の側面を前記仮想軸線の回りに一周するように形成される無端のカム溝と、
前記回転出力部の断面の所定の動径方向に配置され前記回転出力部と相互作用する複数のレシプロ蒸気駆動部であって、前記仮想軸線と平行な方向に往復運動するピストンロッドを有するものと、
前記ピストンロッドに位置固定された係合部であって前記カム溝と係合して前記回転出力部に駆動力を付加するものと、
各前記複数のレシプロ蒸気駆動部の往復運動を制御するための情報を有する制御部であって、前記回転出力部の側面を前記仮想軸線のまわりに一周するように前記制御情報の情報要素が分布して固定されるものとを具備し、
前記情報要素の情報に基づいて前記複数のレシプロ蒸気駆動部を連動して往復運動させることにより前記回転出力部が連続回転することを特徴とする多気筒蒸気エンジン。
【請求項２】
前記係合部は前記ピストンロッドの先端に設けられたカムフォロアであり、
前記複数のレシプロ蒸気駆動部は前記回転出力部の断面を動径方向に等分割した方向に配置されることを特徴とする請求項１記載の多気筒蒸気エンジン。
【請求項３】
前記係合部が係合する前記カム溝の係合位置に関連づけて各前記レシプロ蒸気駆動部の往復運動を制御するように前記情報要素が前記制御部に固定されることを特徴とする請求項１記載の多気筒蒸気エンジン。
【請求項４】
前記各レシプロ蒸気駆動部が、
両端にそれぞれ供給口と排出口が隣接状態で一組ずつ形成されたシリンダと、
シリンダ内で往復運動するピストンと、
ピストンと一体的に結合されシリンダから外部に突出した前記ピストンロッドと、
シリンダの両端でそれぞれ往復運動し、シリンダの両端の供給口と排出口をそれぞれ異なる方同士の組み合わせで交互に閉塞する一対の制御弁とを具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の多気筒蒸気エンジン。
【請求項５】
前記制御部の情報要素は１本の無端の制御溝であって、前記カム溝と交差しないように前記回転出力部の側面に形成され、各前記制御弁が前記制御溝と係合することにより往復運動が制御されることを特徴とする請求項４記載の多気筒蒸気エンジン。
【請求項６】
前記制御溝は前記カム溝の形状に相応して前記仮想軸線方向に極大および極小となる曲線を有し、前記極大および極小となる部分において前記ピストンが実質的に停留するような曲線であることを特徴とする請求項５記載の多気筒蒸気エンジン。
【請求項７】
制御弁に回転出力部の軸線と平行な方向に沿う制御ロッドを一体的に結合すると共に、該制御ロッドの先端に前記制御溝に係合して往復運動する従動部を設けたことを特徴とする請求項５または６記載の多気筒蒸気エンジン。
【請求項８】
４つのレシプロ蒸気駆動部が回転出力部の断面の四等分位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の多気筒蒸気エンジン。
【請求項９】
ピストンロッドのストローク中央位置でのカム溝に対する傾斜角度が４５°未満であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の多気筒蒸気エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多気筒蒸気エンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大気汚染や地球温暖化などの環境問題から、クリーンエネルギーとしての太陽光線による熱を利用したり、金属溶解炉やゴミ焼却炉において無駄に廃棄されていた熱を利用して水蒸気を発生させ、その水蒸気によって発電を行う技術が知られている。すなわち、発生した高温高圧の水蒸気により蒸気タービンを回転させ、蒸気タービンと連結された発電機により発電している。
【特許文献１】特開２００２−３１０４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、蒸気タービンを利用するため、圧力の高い蒸気が大量に必要となり且つ装置全体が大型化する。
【０００４】
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、水蒸気を利用した発電に利用でき且つ小型化が可能な多気筒蒸気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】
【０００５】
本発明の技術的側面によれば、多気筒蒸気エンジンは、円筒側面を有する回転出力部であって断面中心を貫通する長手方向に沿った仮想軸線のまわりに回転自在に支持されるものと、前記回転出力部の側面を前記仮想軸線の回りに一周するように形成される無端のカム溝と、前記回転出力部の断面の所定の動径方向に配置され前記回転出力部と相互作用する複数のレシプロ蒸気駆動部であって、前記仮想軸線と平行な方向に往復運動するピストンロッドを有するものと、前記ピストンロッドに位置固定された係合部であって前記カム溝と係合して前記回転出力部に駆動力を付加するものと、各前記複数のレシプロ蒸気駆動部の往復運動を制御するための情報を有する制御部であって、前記回転出力部の側面を前記仮想軸線のまわりに一周するように前記制御情報の情報要素が分布して固定されるものとを具備し、前記情報要素の情報に基づいて前記複数のレシプロ蒸気駆動部を連動して往復運動させることにより前記回転出力部が連続回転することを特徴とする。
【０００６】
本発明の別の技術的側面によれば、さらに、前記各レシプロ蒸気駆動部が、両端にそれぞれ供給口と排出口が隣接状態で一組ずつ形成されたシリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、ピストンと一体的に結合されシリンダから外部に突出した前記ピストンロッドと、シリンダの両端でそれぞれ往復運動し、シリンダの両端の供給口と排出口をそれぞれ異なる方同士の組み合わせで交互に閉塞する一対の制御弁とを具備することを特徴とする。
【０００７】
本発明のさらに別の技術的側面によれば、前記制御部の情報要素は１本の無端の制御溝であって、前記カム溝と交差しないように前記回転出力部の側面に形成され、各前記制御弁が前記制御溝と係合することにより往復運動が制御されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、それぞれのレシプロ蒸気駆動部の係合部が係合するカム溝とそれぞれのレシプロ蒸気駆動部の往復運動を制御するための制御部が回転出力部に対して一体的に形成されているので、カム溝の回転方向の位置に相応した制御情報に基づいて往復運動を制御することができる。また、レシプロ蒸気駆動部の数や配置を変更しても制御部やレシプロ蒸気駆動部の制御機構を変更する必要がない。さらにトルク特性に応じたカム溝と制御部が形成された回転出力部に交換するだけで蒸気エンジンの特性を変更することができる。
【０００９】
より具体的には、本発明の技術的側面によれば、まずレシプロ蒸気駆動部により水蒸気のエネルギーを直進往復運動に変換する。密閉されたシリンダ内への水蒸気の供給・排出により、水蒸気のエネルギーを効率的に直進往復運動に変換することができ、小型化が可能である。そして、直進往復運動するピストンロッドの先端に設けられたカムフォロアを、回転出力部の側面に形成されたカム溝に係合させ、回転出力部の回転運動に変換する。カム溝とカムフォロアの係合により回転運動に変換するため、小型化が可能である。回転出力部の断面の三等分以上の等分位置にレシプロ蒸気駆動部が配置されているため、カム溝の上死点又は下死点以外の点に必ず１つ以上のカムフォロアが係合しており、そのカムフォロアにより回転出力部に一定方向への回転トルクが常に付与されるため、カムフォロアの上死点又は下死点の通過が円滑で、確実な回転運動が得られる。
【００１０】
本発明によれば、シリンダ内におけるピストンの両側の空間に、制御弁により供給口から水蒸気を交互に供給し且つ排出口から水蒸気を排出するため、ピストンロッドの確実な直進往復運動が得られる。
【００１１】
また、制御弁の制御を、回転出力部の側面に形成した制御溝と、制御弁と一体の制御ロッドに設けられた従動部との係合により行うため、カム溝を押すピストンロッドのカムフォロアと、ピストンの移動方向を規制する制御弁との動きを完全に同期させることができる。
【００１２】
さらに、４つのレシプロ蒸気駆動部が回転出力部の断面の四等分位置にそれぞれ配置されているため、対向する一対のレシプロ蒸気駆動部同士は動きを逆にすれば良く、且つ隣接するレシプロ蒸気駆動部同士は動きを１／４変位させれば良いため、設計が容易である。
【００１３】
また、ピストンロッドのストローク中央位置でのカム溝に対する角度が４５°未満であるため、水蒸気の圧力が小さくても回転出力部を確実に回転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の好適な実施形態を図１〜図９に基づいて説明する。尚、図１は全体の平面図（センタプーリ等は図示省略）、図２は図１の矢示ＤＡ方向から見た部分断面図（中央部分は図示省略）、図３は図２から回転出力部が９０°回転した状態の部分断面図、図４は図３から回転出力部が更に９０°回転した状態の部分断面図である。図２〜図４は、いずれも見ている方向は同じである。
【００１５】
この実施形態の多気筒蒸気エンジンは、１つの回転出力部１と、４つのレシプロ蒸気駆動部２から構成されている。回転出力部１は上下方向に長い円柱形状で、その断面中心を貫通する軸線Ｘを中心にして、上下一対の軸受３により一定方向Ｒへ回転自在に支持されている。軸受３には図示せぬベアリング機構が設けられている。この回転出力部１の下方で、その断面の四等分位置に、それぞれ４つのレシプロ蒸気駆動部２が配置されている。
【００１６】
まず、レシプロ蒸気駆動部２の構造を説明する。４つのレシプロ蒸気駆動部２は同じ構造をしている。このレシプロ蒸気駆動部２は、後述する制御部としての制御溝２２による制御弁４の制御構造以外は、一般に蒸気機関として使用されている公知の構造のものである。
【００１７】
蒸気機関は爆発力を利用するエンジンに比べて駆動力が連続的に変化するため制御弁の制御がより重要である。したがって、本発明の多気筒蒸気エンジンは後述するように複数の蒸気エンジンが安定して連動するような制御構造を有する。
【００１８】
断面円筒状のシリンダ５の内部には上下に往復運動自在なピストン６が収納されている。ピストン６の側面にはシリンダ５の内面と摺動するピストンリング７が設けられている。
【００１９】
ピストン６には、前記回転出力部１の軸線Ｘと平行な状態で上方へ向けて延びるピストンロッド８が一体的に結合されている。ピストンロッド８はシリンダ５の上部に設けられた筒部９を通過してシリンダ５の上部へ突出している。筒部９の内面にはピストンロッド８を円滑に上下動させるための複数のボール１０が保持されている（図９参照）。筒部９はある程度の長さを有し、ピストンロッド８を垂直に保持している。
【００２０】
シリンダ５の外側には上下方向に沿う制御通路部１１が形成されている。この制御通路部１１に対応するシリンダ５の側面には、上下端部に供給口１２と排出口１３が隣接した状態で一組ずつ形成されている。各組において、上下方向で供給口１２が外側、排出口１３が内側にそれぞれ位置している（図５参照）。
【００２１】
制御通路部１１には２つの制御弁４が制御ロッド１４にて結合された状態で収納されている。この制御ロッド１４も前記回転出力部１の軸線Ｘと平行である。制御ロッド１４は制御通路部１１の上壁を貫通して上方へ突出している。制御弁４は上下一対で上下往復運動し、上方へ移動した時は、制御弁４が上方の供給口１２と下方の排出口１３を閉塞し、下方へ移動した時は、上方の排出口１と下方の供給口１２を閉塞する。
【００２２】
制御通路部１１の上下両端部には、供給側水蒸気Ａの供給パイプ１５が接続され、中央部には排出側水蒸気Ｂの排出パイプ１６が接続されている。図２〜図５において、供給側水蒸気Ａは黒塗りで示され、排出側水蒸気Ｂは点線格子状で示されている。
【００２３】
＜回転出力部＞
回転出力部１は上下方向に長い円柱形状で、上下は前述ように軸受３により回転自在に支持されている。回転出力部１の上部には、上下に４本のＶ溝ベルト１７を巻回可能なセンタプーリ１８が取付けられている。このセンタプーリ１８は回転出力部１と一体的に一定方向Ｒへ回転する。
【００２４】
回転出力部１の四方には発電機１９が支持され、その回転軸の先端プーリ２０に前記Ｖ溝ベルト１７がそれぞれ巻回されている。この発電機１９は自動車のエンジン補機として利用される程度の大きさであり、多気筒蒸気エンジン全体の大きさとしても、横にすれば、自動車のエンジンルームに入るくらいのコンパクトさである。
【００２５】
回転出力部１の円筒状の側面には複数のレシプロ蒸気駆動部２の往復運動を回転運動に変換するためのカム溝２１が形成されている。このカム溝２１は、正弦曲線を修正した変形正弦曲線（図７参照）で形成され回転出力部１の動径方向の位置φ（円柱座標の偏角）に関連づけられている。従って、このカム溝２１の変形正弦曲線は、無停留且つ無端の連続曲線となり、回転出力部１が一回転することにより、カム溝２１に係合する部材は上下方向で一往復する。
【００２６】
また、このカム溝２１は上下方向での比率を大きく拡大した状態で形成されており、図６に示すように、カム溝２１のストローク中央位置における軸線Ｘ（ピストンロッド８）に対する傾斜角度θが大変に小さくなっている。この角度θは４５°以下が好ましい（この実施形態では約２０°）。
【００２７】
＜制御溝＞
回転出力部１の下部には制御溝２２が形成されている。すなわち、本発明によれば制御溝２２とカム溝２１が回転出力部１に位置固定されるように一体的に形成されている。多気筒蒸気エンジンではこの特徴は重要であり、各レシプロ蒸気駆動部が共通の回転出力部１を介して連動するように能動的に制御することによりエンジンがスムーズに始動し、安定したトルク発生を維持することができる。
【００２８】
本実施形態において、制御溝は各レシプロ蒸気駆動部２の往復運動を制御するための制御情報を有する制御部であって、回転出力部１の側面を一周するように制御情報に関連づけられた制御情報要素が分布固定されている。
【００２９】
より詳細には、回転出力部１の動径方向の位置φに関連づけられた制御情報が回転出力部の側面に一次元的に分布し固定されている。本実施形態では制御情報要素は制御溝２２およびその回転主軸方向の位置（Ｚ）である。後述するように、動径方向の位置φに関連づけられた制御情報は制御溝２２に係合する従動部２４を介してレシプロ蒸気駆動部２の制御弁４に伝達されストローク位置を直接制御する。
【００３０】
カム溝２１と係合する各カムフォロア（係合部）２３を介して各レシプロ蒸気駆動部２の駆動力とピストン６の位置情報が回転出力部１に伝達され、回転出力部１に固定された制御溝２２とピストンロッド８に固定された従動部２４を介して当該レシプロ蒸気駆動部２のピストンの位置に最適な制御弁４の制御が行われる。
【００３１】
したがって、制御部としての制御溝２２がカム溝２１とともに回転出力部１に一体的に形成されることによりカム溝２１の動径方向の位置に相応した制御情報に基づいて往復運動を制御することができる。各レシプロ蒸気駆動部に往復運動に相応した独立の制御機構を設ける方法では、回転出力部との係合状態にギャップ等の自由度があることなどにより他のレシプロ蒸気駆動部との連動が安定せず、始動時や定常運転において安定な制御が困難となる場合もあり、また、各制御弁４の制御機構が複雑になる。
【００３２】
これに対して本発明の多気筒蒸気エンジンは回転出力部１に１つの制御部が固定され、各レシプロ蒸気駆動部２が動径位置に応じた制御情報に基づいて往復運動が制御され、各カムフォロア２３を介して駆動力が回転出力部１に伝達されるため、複数のレシプロ蒸気駆動部２を簡単な構成で統一的に制御することができる。
【００３３】
また、カム溝２１と制御部の制御情報はいずれも動径方向の位置φに関連づけられるように形成されているため、レシプロ蒸気駆動部２の数や配置を変更しても制御部を変更する必要がない。
【００３４】
より具体的には、制御溝２２はカム溝２１と交差しない程度の離隔した位置に形成され無端で連続した一本の制御曲線を有する。図７に示すように制御曲線は動径方向の位置φが０°（３６０°）および１８０°の近傍において回転主軸方向（Ｚ）に極大部分と極小部分を有する。本実施形態では制御溝の制御曲線の形状は制御弁４の位置に対応するのでカム溝２１の変形正弦曲線と相似ではなく、正弦曲線から大きくはずれ、極大部分（０°、３６０°近傍）および極小部分（１８０°近傍）では停留して扁平な形状となる。
【００３５】
すなわち、制御溝２２に係合する部材の上下方向での移動が一時的に停止する部分がある。この制御溝２２の上死点と下死点の変位差は前記制御弁４の上下方向での往復運動ストロークに相当し、カム溝２１とは凹凸状態が上下逆の曲線状態になっている（図７参照）。この制御溝２２により制御された制御弁４は、回転出力部１が一定方向Ｒに回転するように制御される。
【００３６】
そして、４つのレシプロ蒸気駆動部２のシリンダ５から上方へ突出しているピストンロッド８の上端には水平方向に延びるカムフォロア２３が取付けられ、各カムフォロア２３はカム溝２１の対応位置にそれぞれ係合している。カムフォロア２３は回転しながらカム溝２１の側壁に係合するもので、カム溝２１との摺動抵抗が小さい。
【００３７】
また、制御通路部１１から上方へ突出している制御ロッド１４の上端にも水平方向に延びる従動部２４が取付けられ、該従動部２４の先端は制御溝２２の対応位置にそれぞれ係合している。従動部２４は筒部９と干渉しないように迂回した形状をしている。この従動部２４の先端も回転しながら制御溝２２の側壁に係合するもので、制御溝２２との摺動抵抗が小さい。
【００３８】
次に、この実施形態の作用を説明する。図示せぬ蒸気発生装置から送られてきた供給側水蒸気Ａを、供給パイプ１５を介して、４つのレシプロ蒸気駆動部２に供給する。４つのレシプロ蒸気駆動部２の各制御弁４は、制御ロッド１４の従動部２４が制御溝２２に係合することにより、ストローク位置が相違しており、例えば図２に示すように、１つのシリンダ５において、上下いずれか一方の排出口１３が制御弁４により閉塞されて供給口１２が開放される場合は、対向する側では逆に供給口１２が制御弁４により閉塞されて排出口１３が開放される。
【００３９】
従って、各シリンダ５において、供給側水蒸気Ａは供給口１２からシリンダ５に供給されて、ピストン６を一端側から他端側へ移動させると共に、ピストン６の他端側にある気体（排出側水蒸気Ｂ）を供給口１２から排出パイプ１６を介して外部へ排出する。４つのレシプロ蒸気駆動部２の各ピストン６は供給側水蒸気Ａの圧力により、同時に予め設定された方向へ移動する。
【００４０】
ピストン６が移動し、それと一体のピストンロッド８が移動すると、先端のカムフォロア２３がカム溝２１に係合しているため、回転出力部１を一定方向Ｒへ回転させる。回転出力部１が一定方向Ｒに回転すると、制御溝２２に係合している従動部２４を介して、制御弁４を今の状態とは反対側の方向へ移動させる。制御弁４が反対側へ移動すると、各ピストン６の上下端部において制御弁４により閉塞される供給口１２及び排出口１３が逆になり、供給側水蒸気Ａの供給が他端側に変更になるため、ピストン６は他端側から一端側へ戻るように移動する。
【００４１】
以下、ピストン６は上記の動作を繰り返し、ピストンロッド８は往復運動して、回転出力部１を一定方向Ｒへ所定の回転トルクで連続回転させる。制御弁４の制御を、回転出力部１の側面に形成した制御溝２２と、制御ロッド１４に設けられた従動部２４との係合により行うため、カム溝２１を押すピストンロッド８のカムフォロア２３と、ピストン６の移動方向を制御する制御弁４との動きを完全に同期させることができ、両者の動きに狂いが生じない。
【００４２】
９０°ずつ角度が相違した４つのピストンロッド８のカムフォロア２３が、回転出力部１のカム溝２１に係合しているため、対向位置にある２つのカムフォロア２３がカム溝２１の上死点及び下死点に位置したとしても、それ以外のカムフォロア２３は必ず上死点及び下死点以外の位置にある。そのため、回転出力部１には一定方向Ｒへの回転トルクが常に付与され、カムフォロア２３のカム溝２１における上死点又は下死点の通過が円滑となり、確実な回転運動が得られる。
【００４３】
また、この実施形態では、ピストンロッド８のストローク中央位置でのカム溝２１に対する傾斜角度θが小さいため、供給側水蒸気Ａの圧力が小さくても回転出力部１を確実に回転させることができる。但し、その分、ピストンロッド８のストローク量は必を大きくする必要がある。
【００４４】
回転出力部１が一定方向Ｒへ連続回転すれば、その回転トルクがＶ溝ベルト１７を介して４つの発電機１９に伝達され、各発電機１９により発電を行うことができる。
【００４５】
変更実施形態  
以上の実施形態では、４つのレシプロ蒸気駆動部２を回転出力部１の断面の四等分位置にそれぞれ配置しため、対向する一対のレシプロ蒸気駆動部２同士は動きを逆にすれば良く、且つ隣接するレシプロ蒸気駆動部２同士は動きを１／４変位させれば良いため、設計が容易である。但し、レシプロ蒸気駆動部２の配置は四等分位置に限定されるものでなく、３つ又は５つ以上の等分配置にしても良い。
【００４６】
図２に示す実施形態では制御部としての制御溝２２は制御曲線の回転主軸方向の位置（Ｚ）が制御情報であるとしたが、たとえば溝の深さを制御情報としてもよい。また、制御溝２２に代えて動径方向の磁極（Ｎ極、Ｓ極）の分布を制御情報としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る多気筒蒸気エンジンの平面図。
【図２】図１中矢示ＤＡ方向から見た多気筒蒸気エンジンの部分断面図。
【図３】回転出力部を図２より９０°回転させた状態を示す図２相当の部分断面図。
【図４】回転出力部を図３より９０°回転させた状態を示す図３相当の部分断面図。
【図５】一つのシリンダを示す分解断面図。
【図６】回転出力部を示す側面図。
【図７】カム溝及び制御溝の曲線を示す回転出力部の側面の展開図。
【図８】カムフォロアとカム溝を示す拡大図。
【図９】シリンダの筒部を示す拡大断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１  回転出力部
２  レシプロ蒸気駆動部
４  制御弁
５  シリンダ
６  ピストン
８  ピストンロッド
１１  制御通路部
１２  供給口
１３  排出口
１４  制御ロッド
１９  発電機
２１  カム溝
２２  制御溝
２３  カムフォロア
２４  従動部
Ａ  供給側水蒸気
Ｂ  排出側水蒸気
Ｒ  回転方向
Ｘ  軸線
θ  傾斜角度
φ  偏角（円柱座標）
【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】
2009270459.tif 000009
【図８】
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【図９】
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