JP2562943B2 - 流体圧力を利用した動力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、流体の圧力を利用してピストンを作動さ
せるようにした動力装置に関するものである。

〈従来の技術〉 上水道は所定の水圧となるように減圧弁で減圧して各
家庭に分岐配水されており、本管からの分岐点にはこれ
らの減圧弁を設置し、また保守点検作業のスペースを確
保するために弁室（ピット）が設けられている。この弁
室には配水管からの漏水などによって自然に水が溜るこ
とが多く、これを排出するためにはポンプが必要となる
が、弁室内は通常密閉された高湿度の環境にあるため、
電力を動力とする排水ポンプを設置することは好ましく
ない。

このため、例えば水道の圧力を利用して動作するポン
プが開発されている。このポンプは、上水道の圧力が高
くなるとピストンが押し下げられ、また低くなると戻し
ばねの付勢力でピストンが上方に押し戻されるように構
成されたピストン機構を備え、このピストンの上下動で
ベローズを伸縮させるベローポンプであって、上水道の
圧力が水の需給状態に応じてある程度変動する現象を利
用し、水圧の変動をエネルギー源として作動するように
構成されている。なお、後述の第６図及び第７図に示す
第２の実施例は、この種のベローポンプにこの発明を実
施した場合の例である。

〈発明が解決しようとする課題〉 水道の圧力は使用量が多くなる朝や晩に低下し、昼間
や夜間には上昇するのが普通であるが、一般に元圧はほ
ぼ一定となるように管理されているため、通常の都市で
は水圧の変動範囲は小さく、また変動があってもその周
期はかなり長く一日に数回程度のサイクルでしか変動し
ないのが普通である。従って、上記のように水圧の変動
を利用するようにしたベローポンプでは一日に数回の伸
縮動作をするに過ぎず、またストロークの平均値は小さ
くなり、もし動作するに足るだけの水圧変動がなければ
全く動作しないということも起こり得る。このため排水
機能を十分に発揮させることが困難で、一日当たりの排
水量がかなりばらつく結果となって信頼性に欠けるとと
もに、圧力変動のない場所では全く使用できないという
問題があった。

この発明は上述のような問題点に着目し、水圧さえあ
ればその変動がなくても動作する弁室用の排水ポンプを
提供することを発端としてなされたものであり、研究の
結果、上記のようなポンプに限らず、他の機器の動力用
としても応用可能な動力装置を得ることができた。

〈課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するために、この発明の流体圧力を
利用した動力装置は、流体圧力による加圧時にピストン
が一方向に押圧されて移動し、不加圧時には戻しばねの
付勢力でピストンが逆方向に移動するように構成された
ピストン機構と、上記ピストン機構に対する加圧状態と
付加圧状態とを切り替える切替弁と、上記ピストン機構
のピストンに連動して動作し、加圧状態におけるピスト
ンの一方向への移動の途中に上記切替弁を不加圧側に切
り替え、不加圧状態におけるピストンの逆方向への移動
の途中に上記切替弁を加圧側に切り替える切替弁操作機
構を備えている。なお、この切替弁操作機構により切替
弁の切り替えは、それぞれの移動行程の後半に行われる
ようにその操作時期を設定することが望ましい。

また、上記の動力装置の負荷としてポンプを設けてこ
れを駆動することにより、流体圧力で作動するポンプが
構成される。またポンプとしてベローポンプを用いるこ
とができ、このベローポンプとピストン機構とをその軸
方向が平行となるように並べて配置し、揺動アームを介
してベローポンプを駆動する構成とすることができる。

〈作 用〉 ピストン機構のピストンが流体の圧力により一方向に
ある程度移動すると、切替弁が不加圧側に切り替えられ
てピストンには流体の圧力がかからなくなり、ピストン
の移動方向が反転する。また逆方向にある程度移動する
と、今度は切替弁が加圧側に切り替えられるのでピスト
ンには流体の圧力が再びかかるようになり、ピストンの
移動方向が反転する。こうして流体の圧力が供給されて
いる限り、圧力の変動がなくてもピストンは一定のスト
ロークで往復動作を繰り返すことができ、流体の圧力を
利用して動力を取り出すことができるのである。なお、
ピストンの加圧に利用されたシリンダ内の流体は、切替
弁が不加圧側に切り替えられてピストンが戻しばねによ
って逆方向に移動する時に排出される。

また、この動力装置でポンプを駆動することにより、
例えば上述のような弁室の排水用に適したポンプが得ら
れ、ベローポンプとピストン機構とを平行に並べて揺動
アームを介してベローポンプを駆動するようにすること
により、コンパクトにまとまったポンプが得られる。

〈第１の実施例〉 以下、図示の実施例について説明する。

第１図乃至第５図はこの発明の動力装置を用いて弁室
用ベローポンプを構成した第１の実施例であり、第１図
は全体の概略側面図、第２図は同平面図、第３図は動作
用水の配管系統図、第４図は切替弁操作機構の一例の側
面図、第５図はその動作説明図である。

図において、Ａはピストン機構、Ｂは切替弁、Ｃは切
替弁操作機構であり、Ｄは床面に溜った水を排出するた
めに弁室内に設置されるベローポンプを示している。１
はベローポンプＤのケーシングであって、その底部に基
板1aが設けられ、下部はパンチングメタルからなるスト
レーナ1bとなっている。２は基板1a上に設けられたスラ
イドベースであり、この上にピストン機構Ａの支柱３が
取付けられており、例えば図示しないＴ溝とＴボルトの
組み合わせによって図の左右方向に位置を調整できるよ
うになっている。４はベローズ、５は戻しばねであり、
これらは基板1a上に取付けられ、上面に押さえ板６が設
けられて両者は一体に伸縮するようになっている。

ピストン機構Ａはシリンダ11とこの中を摺動するピス
トン12を備えており、シリンダ11の接続口13には給排水
管14が接続され、また出力軸15の先端には受け金具16が
設けられている。支柱３は突出長さを調整できる支持部
17を先端に備え、支持部17には支持ピン18が設けられて
いる。21は揺動アームであり、ほぼ中央部分に形成され
た長穴22に支持ピン18を挿通して揺動自在に支持されて
いる。揺動アーム21の一端には押さえ板６の上面に当接
するローラ23と突部24を設け、また他端は受け金具16に
当接している。受け金具16はＵ字状のものでその内面に
小突起（図示せず）が形成されており、揺動アーム21と
の接触部はこの小突起による点接触となっている。

ベローズ４には、下面にボール逆止弁26aを備えた吸
込み口26と、逆止弁28を介して排水管29が接続された吐
出し口27が設けられており、上面にはコック30aを備え
た空気抜き管30が設けられている。この空気抜き管30は
ケーシング１の上板を貫通して外部まで突出しており、
ベローズ４の伸縮に伴って上下動するのでインジケータ
としての機能を持たせることもできる。

32はケーシング１の側板に取付けられた切替弁ボック
ス、33は切替弁操作機構のカバーであり、切替弁Ｂと切
替弁操作機構Ｃはこれらの内部に収納されている。34は
図示しない水道管に接続されている給水管、35は配水管
であり、ピストン機構Ａの接続口13は給排水管14から切
替弁Ｂを経て給水管34と配水管35に接続されている。36
は給水管34の途中に接続されたボールコックであり、そ
の浮子36aは基板1aより下に位置するように設けられて
いる。37はピストン機構Ａの出力軸15に固定された連結
具であり、切替弁操作機構Ｃと出力軸15の間を連結して
いる。以上のような接続の配管系統図を第３図に示す。

次に切替弁操作機構Ｃの構成と全体の動作について説
明する。第４図は切替弁操作機構Ｃの構成を示す側面
図、第５図はその要部を作動部材の押しばね側、すなわ
ち第４図の右側から見た動作説明図である。

切替弁操作機構Ｃはカバー33内に収納されており、切
替弁Ｂを操作するく字状の切替ハンドル41、切替ハンド
ル41を回動させる作動部材42a及び42b、この作動部材42
a及び42bを押動するカム板43等を備えている。後述する
ように、このカム板43は連結具37を介してピストン12に
連結されてピストン12とともに上下に移動し、また作動
部材42a及び42bはカム板43に直交するように配置されて
カム板43の上下動に連動して交互に長手方向に移動する
ことにより、切替ハンドル41を回動させて切替弁Ｂを切
り替えるように構成されている。なお、切替弁Ｂは切替
ハンドル41の回動によって流路を切り替えできるもので
あればよく、その形式や構造は任意である。

カム板43は連結具37ピストン機構Ａの出力軸15に連結
されて出力軸15と一体に上下動するものであり、両端に
は傾斜したカム面43a及び43bが形成されている。作動部
材42a及び42bはカム板43に直交するように設けられたも
ので、カム面43a及び43b上を転がるローラ44a及び44bを
それぞれ備え、押しばね45a、45bによってカム板43の方
向に付勢されている。46a、46bは各作動部材42a及び42b
が図の右方向に移動した時にその側面に形成された段部
421a及び421bに係合するように設けられているロック部
材であり、それぞれロック部材押しばね47a、47bにより
各作動部材42a及び42bの方向に付勢されている。またカ
ム板43には、各カム面43a及び43bが最も低くなる部分に
ロック部材46a、46bに対応させてロック解除片48a、48b
を突設してある。

この実施例は上述のような構造であり、次のように動
作する。第５図の（ｂ）を除く各図は、いずれもピスト
ン12が下降しており、且つ不加圧状態から加圧状態に切
り替わった時の状態を示している。この時、作動部材42
bはローラ44bがカム面の最も低くなった底辺43cに接す
る位置まで第４図の左方向に移動し、ロック部材46bの
先端はロック解除片48bで押し下げられて作動部材42bか
ら離れている。また作動部材42aはローラ44aがカム面43
aに押し上げられて右側に移動しており、その段部421a
にロック部材46aが係合している（第５図の（ａ）参
照）。

この状態では切替弁Ｂは第３図の状態にあり、ピスト
ン機構Ａに給水管34からの水圧が切替弁Ｂを経て供給さ
れるので、ピストン12は押し上げられ、揺動アーム21が
戻しばね５の反発力に坑して第１図において反時計方向
に回動する。このためベローズ４が圧縮されて内部の水
が吐出し口27から排水管29に排出され、ピストン12とと
もに連結具37が上昇するのでカム板43も同時に上昇す
る。

カム板43が上昇するにつれてローラ44bがカム面43bに
押されて作動部材42bは右に移動するが、作動部材42aは
ロック部材46aが段部421aに係合しているのでその位置
に保持されたままとなる。またロック解除片48bが上昇
するので、ロック部材46bは作動部材42bに当たる位置ま
で上昇して先端が作動部材42bの下面側縁に摺接した状
態となる。そしてカム板43が更に上昇してローラ44bが
カム面43bの最も高い位置まで達すると、段部421bがロ
ック部材46bの位置まで来るのでロック部材46bは作動部
材42bの側縁からはずれて上方に突出し、作動部材42bの
段部421bに係合した状態となる。一方、ロック部材46a
は上昇して来たロック解除片48aに押されて作動部材42a
の段部421aからはずれるので、作動部材42aは押しばね4
5aの付勢力によって第４図の左方向に勢いよく突出し、
先端に設けられているローラ49aで切替ハンドル41の上
ハンドル41aが押されて図の鎖線の位置まで反時計方向
に回動する。これにより切替弁Ｂが不加圧側、すなわち
給排水管14が排水管35に接続される状態に切り替えられ
る。第５図の（ｂ）はこの状態を示している。

排水管35は大気圧中に開放しているので、この切り替
えによりピストン12に加えられていた水圧がゼロ、また
は排水管35の水頭に相当するごく小さい圧力となってピ
ストン12の上昇は止まり、揺動アーム21が戻しばね５の
反発力によって時計方向に回動し、ピストン12は下降を
始める。このためベローズ４は伸長し、ベローポンプＤ
が設置されている弁室の底に溜った水が給込み口26から
吸い込まれる。またピストン12の加圧に用いられたシリ
ンダ11内の動作用水は、給排水管14、切替弁Ｂを経て排
水管35に排出される。

このピストン12の下降によって同時にカム板43も下降
し、上述とは反対に作動部材42bはロック部材46bでその
位置に保持され、作動部材42aはカム面43aに押されて右
に移動し、最も移動した位置でロック部材43aが段部421
aに係合する。一方、ロック部材46bが下降して来たロッ
ク解除片48bに押されて段部421bからはずれ、作動部材4
2bは押しばね45bの付勢力によって第４図の左方向に勢
いよく突出し、先端に設けられているローラ49bでの切
替ハンドル41の下ハンドル41bが押されて図の実線の位
置まで時計方向に回動し、切替弁Ｂが加圧側、すなわち
第３図の状態に切り替えられる。これで切替弁操作機構
Ｃは第４図の状態に戻って上述の動作が繰り返されるの
であり、給水管34に水圧が供給されている限りピストン
12は上下動を続け、ベローズ４の伸縮による吸込み行程
と吐出し行程が交互に行われるのである。なお、弁室内
の水位がある水準まで低下するとボールコック36が閉じ
て上記の動作は停止し、水位が上昇すると動作が再開さ
れて排水が行われる。

なお戻しばね５は、給水管34から水圧でピストン12が
押し上げられる時は揺動アーム21の回動を妨げず、しか
も切替弁Ｂが排水管35側に切り替えられてピストン12の
押し上げ力が作用しなくなった時には、揺動アーム21を
反対に回動させてピストン12を下方に押し戻すことがで
きる大きさの反発力を発生するように設計されている。
また揺動アーム21のローラ23と突部24は、揺動アーム21
が回動した時にベローズ４と戻しばね５をバランスよく
押し下げるように設計されている。

なお、ピストン機構Ａと支柱３はスライドベース２に
対する固定位置を調整できるので、ストロークや負荷を
ある程度加減することができる。また１ストロークの動
作によってピストン機構Ａから排出される動作用の上水
の量とベローズ４で排出される溜り水の量は、それぞれ
ピストン12とベローズ４の面積及びストロークに対応し
たものとなるので、ピストン12の直径はベローズ11の直
径よりも小さくし、ストロークはベローズ４側を大きく
することにより、少量の上水の使用で大量の溜り水を排
出することができる。ちなみに、１ストローク当たり40
0cc程度の上水の使用で3000cc程度の溜り水を排出する
ことは容易であり、効率のよいベローポンプを得ること
が可能である。

また、この実施例はピストン機構Ａとベローポンプ４
をその軸方向が平行となるように並べて配置している
が、この配置は全高を低くしてコンパクトにまとめるこ
とが容易であるので、小型なベローポンプを得ることに
効果的である。

ピストン機構とベローポンプの配置、戻しばねの形状
や配置、切替弁操作機構の構造等は上述の実施例のよう
なものに限定されるものではなく、種々の変形が可能で
ある。

例えば、第６図のように戻しばね５を引きばねとして
ベローズ４の上部に同軸的に配置することもでき、こう
すれば、全高はやや高くなるが押しばねを押さえる構造
の場合に生じやすいぐらつきがなくなり、設計が容易と
なる。この構造では、吐出し口27をベローズ４の上面中
央に設けて排水管29を垂直に引き出し、これに戻しばね
５を連結することができるので、空気抜き管を省くこと
が可能となる。また揺動アーム21は先端を例えば二又に
してバランスよくベローズ４を押さえるようにし、排水
管29は適当な可撓管に連結して排水を送り出すようにす
ればよい。

〈第２の実施例〉 次に、縦型配置のベローポンプにこの発明を実施した
場合の例について述べる。

第７図において、Ａはピストン機構、Ｂは切替弁、Ｃ
は切替弁操作機構、Ｄはベローポンプであり、その他の
部材についても第１の実施例と同一機能のものは同一の
符号で示してある。この第２の実施例では、ピストン機
構Ａはベローズ４の上部に同軸的に配置されており、両
者は出力軸15で直接連結されている。また切替弁Ｂは三
方口切替弁であり、切替弁操作機構ＣはＶ次状の切替ハ
ンドル51、駆動バー52、及び突起53の組み合わせで構成
され、駆動バー52は空気抜き管30に取付けられている。
ピストン機構Ａの排水管35はベローズ４の排水管29に合
流させてあり、給水管34には加圧流量調整弁34aが、ま
た排水管35には排圧流量調整弁35aがそれぞれ挿入され
ている。

切替弁操作機構Ｃの駆動バー52は切替ハンドル51に対
応する位置に設けられており、この駆動バー52が係合す
るように給排水管14に突起53が設けられている。駆動バ
ー52は固定部52aに比較的硬いコイルばね52bが取付けら
れた構造となっており、切替弁Ｂは切替ハンドル51が上
方に回動した状態で給水管34側に切り替えられ、下方に
回動した状態で排水管35側に切り替えられるようになっ
ている。

この実施例は上述のような構成であり、次のように動
作する。

第８図の（ａ）はピストン機構Ａのピストン12が上端
位置にあって、切替弁Ｂが給水管34側に切り替えられて
いる状態を示しており、この状態で給水管34からの水圧
がピストン12に加えられると、その水圧によってピスト
ン12は押し下げられてベローズ４が圧縮され、ベローズ
４内の水が吐出される。同時に空気抜き管30が下降し、
（ｂ）図のように駆動バー52のコイルばね52bの先端が
突起53に係合する。そしてピストン12が下降するにつれ
てコイルばね52bのたわみが増してエネルギーが蓄積さ
れ（（ｃ）図）、突起53との係合がはずれると直線形状
に復帰しながら先端で切替ハンドル51の下ハンドル51a
をたたき、切替ハンドル51が下向きに回動して切替弁Ｂ
が排水管35側に切り替えられる（（ｄ）図）。

排水管35は排水管29を通じて大気圧中に開放している
ので、この切り替えによりピストン12に加えられていた
水圧がゼロとなってピストン12の下降は止まり、戻しば
ね５の付勢力によってピストン12は上昇を始める。この
ためベローズ４は伸長し、弁室の底に溜った水が吸込み
口26から吸い込まれる。またピストン12の加圧に用いら
れたシリンダ11内の水は、給排水管14、切替弁Ｂを経て
排出される。そして同時に空気抜き管30が上昇して
（ｅ）図のようにコイルばね52bが突起53に係合し、ピ
ストン12が上昇するにつれてコイルばね52bのたわみも
増してエネルギーが蓄積され（（ｆ）図）、突起53との
係合がはずれると直線形状に復帰しながら先端で切替ハ
ンドル51の上ハンドル51bをたたき、切替ハンドル51が
上向きに回動して切替弁Ｂが給水管34側に切り替えられ
て（ａ）図の態様に戻る。

これにより、給水管34からの水圧が再び加えられるの
でピストン12は下降し始め、上述の動作が繰り返され
る。こうして、給水管34に水圧が供給されている限りピ
ストン12は上下動をう続け、ベローズ４による排水作用
が連続的に行われるのである。第８図の矢印は駆動バー
52と切替ハンドル51の動きを示すものである。

なお、この実施例のベローポンプＤの主要部は従来技
術の項で述べた従来のベローポンプと基本的には同じ構
造である。しかし、従来のものは水圧がある程度下がる
と戻しばねがピストンを押し戻すようになっているた
め、戻しばねとしてはばね定数がかなり大きい強いばね
が用いられる。これに対して実施例の戻しばね５は、切
替弁Ｂが排水管35側に切り替えられて水圧がゼロまたは
ほとんどゼロの時にピストン12を押し戻すものであるか
ら、ばね定数の小さな弱いばねでよい。この相違は従来
品とこの発明の動作原理が異なることから生ずるもので
ある。

なお、この発明の動力装置は実施例のような弁室用の
ベローポンプだけでなく、他の用途や構造のポンプある
いはポンプ以外の機器にも適用可能であり、水や空気等
の流体の圧力が利用でき、しかも電気を使えない場所で
使用される各種機器の動力装置として適したものと言え
る。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、この発明の動力装置
は、流体圧力を利用して動作するものであり、圧力があ
ればその変動がなくても動作するから、水や空気等の圧
力が利用できさえすれば電気等の他の動力源を全く必要
とせず、電気が使えずしかも流体の圧力が得られる場所
などで使用されるポンプを含む各種機器の動力装置とし
て有用である。また、弁室用の排水ポンプの動力装置と
しては特に適しており、常時一定のストロークで繰り返
し作動しても排水機能を確実に発揮させることができる
ため、信頼性の高い排水ポンプを容易に得ることができ
る。更に、ピストン機構とベローポンプをその軸方向が
平行となるように並べて配置したものでは、全高が低く
コンパクトにまとまったポンプが得られる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例の全体の概略側面図、
第２図は同平面図、第３図は動作用水の配管系統図、第
４図は切替弁操作機構の一例の側面図、第５図はその動
作説明図、第６図は変形例の概略図である。第７図は第
２の実施例の全体の概略側面図、第８図はその切替弁操
作機構の動作説明図である。 Ａ……ピストン機構、Ｂ……切替弁、Ｃ……切替弁操作
機構、Ｄ……ベローポンプ、４……ベローズ、５……戻
しばね、11……シリンダ、12……ピストン、14……給排
水管、21……揺動アーム、34……給水管、35……排水
管、41,51……切替ハンドル、42a,42b……作動部材、43
……カム板、52……駆動バー、53……突起。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体圧力による加圧時にピストンが一方向
   に押圧されて移動し、不加圧時には戻しばねの付勢力で
   ピストンが逆方向に移動するように構成されたピストン
   機構と、 上記ピストン機構に対する加圧状態と不加圧状態とを切
   り替える切替弁と、 上記ピストン機構のピストンに連動して動作し、加圧状
   態におけるピストンの一方向への移動の途中に上記切替
   弁を不加圧側に切り替え、不加圧状態におけるピストン
   の逆方向への移動の途中に上記切替弁を加圧側に切り替
   える切替弁操作機構、 とを備えたことを特徴とする流体圧力を利用した動力装
   置。
2. 【請求項２】ピストン機構によって駆動されるポンプを
   設けた請求項１記載の流体圧力を利用した動力装置。
3. 【請求項３】ポンプがベローポンプであり、ピストンの
   往復動作に応じて吸込み行程と吐出し行程を交互に行う
   ようにした請求項２記載の流体圧力を利用した動力装
   置。
4. 【請求項４】ピストン機構とベローポンプをその軸方向
   が平行となるように並べて配置し、揺動アームを介して
   ベローポンプを駆動するようにした請求項３記載の流体
   圧力を利用した動力装置。