JP5368137B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気等の流体の圧力に基づいて動力を発生するエンジンに係り、例えば、流体の圧力を受けてピストンが環状の軌道を周回することにより動力を発生するエンジンに関するものである。

一般に蒸気機関は、シリンダへ高圧の蒸気を供給してピストンを直線運動させ、その直線運動をクランク機構によって回転運動に変換し、駆動軸を回転させる。また、クランク機構に設けられたフライホイールの慣性力によってピストンの直線運動の向きを逆転させ、シリンダから蒸気を排出する。

しかしながら、上記のような従来の蒸気機関では、クランク機構においてピストンの進行方向を逆転する際にエネルギー損失が生じるため、直線運動を効率よく回転運動に変換できないという問題がある。また、シリンダより排出される蒸気を大気中へ放出すると、駆動軸の回転が脈動的になるという問題がある。更に、フライホイールによって装置の重量が増加するという問題や、クランク機構によって装置の構成が複雑になるという問題もある。

本願出願人は、上記の問題を解決すべく、下記の特許文献１，２においてダブルシリンダー型のエンジンを開示した。このエンジンでは、２つのシリンダの後室が連結パイプによって導通されており、両シリンダの前室には動作流体が交互に導入される。２つのシリンダの各ピストンが往復運動すると、これに連動して２つのラックが交互に往復運動し、当該２つのラックに噛み合う歯車が双方向に回転する。この双方向の回転運動が一方向の回転運動として駆動軸に伝達される。

上記の構成によれば、ピストンの運動方向を逆転する際の損失がクランク機構に比べて非常に小さくなる。また、一方のシリンダに導入される蒸気の圧力を利用して他方のシリンダから蒸気を排出するため、駆動軸の回転が脈動的になることを防止できる。更に、フライホイールやクランク機構が不要になるため、装置の軽量化と簡易化を図ることができる。

特許第３８８６９９２号明細書 特許第４０１９０９８号明細書

ところで特許文献１，２に示される装置においても、基本的にはピストンの往復運動を利用するため、ピストンの運動方向が逆転する際に多少の損失が発生する。すなわち、ピストンから歯車へ伝達されなかった運動エネルギーが損失となる。

また、一般に、ピストンの往復によって動力を発生する装置では、ピストンの移動距離とシリンダの断面積との積に相当する体積の蒸気が１回の往復で消費される。蒸気の消費量を減らすためにシリンダの断面積を減らすと、ピストンを押す力が小さくなるため、蒸気から取り出される動力が小さくなる。ピストンを押す力を落とさずに蒸気の消費量を減らすことができれば、蒸気圧から動力への変換効率を高めることができる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、流体の圧力を効率良く運動エネルギーに変換できるエンジンを提供することにある。

本発明に係るエンジンは、複数のピストンと、前記複数のピストンが環状に列をなして移動するための軌道が形成されたピストン収容部と、前記ピストン収容部の内部に収容され、前記ピストンの列の隙間に噛み合うラックを備えた歯車と、前記軌道に設けられたシリンダと、前記シリンダの内部における流れの方向が一方向へ偏るように前記シリンダの外部から内部に流体を導入する流体導入路と、前記一方向の流れの下流側において前記流体を前記シリンダの内部から外部に排出する流体排出路とを有する。前記流体導入路は、前記シリンダの内面において前記ピストンの移動方向に沿って延びた溝と、前記溝の一方の端部から前記シリンダの内部へ前記流体を導入する流体導入孔とを含む。

好適に、上記エンジンは、前記シリンダに形成され、前記ピストンの移動方向に沿って延びた孔と、前記シリンダの外面を包囲し、前記孔の端部において開口部を有する筒体とを有する。この場合、前記開口部が前記流体導入孔を構成し、前記開口部を除いて前記孔を塞ぐ前記筒体の内面が前記溝の底部を構成する。

好適に、複数の前記流体導入路、及び／又は、複数の前記流体排出路が前記シリンダの周方向において等間隔に形成されている。

好適に、前記ピストンの外面に固定され、前記シリンダの中を通過する前記ピストンと前記シリンダの内面との隙間を塞ぐリング部材を有する。

好適に、前記流体導入路と前記流体排出路との間で前記シリンダの内面に固定され、前記シリンダの中を通過する前記ピストンと前記シリンダの内面との隙間を塞ぐ１つ又は複数の第１リング部材を有する。

好適に、少なくとも１つの前記第１リング部材が前記ピストンと当接するように複数の前記第１リング部材が離間して配置される。

好適に、前記シリンダの端部と前記流体導入路との間で前記シリンダの内面に固定され、前記シリンダの中を通過する前記ピストンと前記シリンダの内面との隙間を塞ぐ１つ又は複数の第２リング部材、及び／又は、前記流体排出路と前記シリンダの端部との間で前記シリンダの内面に固定され、前記シリンダの中を通過する前記ピストンと前記シリンダの内面との隙間を塞ぐ第３リング部材を有する。

本発明によれば、流体の圧力によって複数のピストンが環状に列をなして移動するように構成されており、このピストン列の周回運動から動力が得られることから、ピストンの往復運動に伴う損失が発生しなくなり、エネルギー変換効率を高めることができる。

本実施形態に係るエンジンの全体の構成例を示す図である。 図１に示すエンジンの側面図である。 シリンダ部の外観を示す斜視図である。 外筒の断面図であり、筒の中心軸を通る平面で外筒を切断したときの断面を表す。 シリンダの外観を示す斜視図である。 図３に示す斜視図において外筒の一部を切り欠いた状態を示す図である。 図３に示す斜視図において外筒とシリンダの一部を切り欠いた状態を示す図である。 シリンダ部の内部を通過するピストンを図解した図である。 シリンダにリング部材を取り付ける例を示す図であり、外筒とシリンダの一部を切り欠いた状態を示す。 図９に示すシリンダの内部を通過するピストンがリング部材に接触する様子を図解した図である。

以下、本発明の一実施形態に係るエンジンについて、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るエンジンの全体の構成例を示す図であり、図２はその側面図である。図１に示すエンジンは、複数のピストン１０と、ピストン収容部２０Ａ，２０Ｂと、回転機構３０Ａ，３０Ｂと、シリンダ部４０Ａ，４０Ｂを有する。

ピストン収容部２０Ａ，２０Ｂは、その内部にピストン１０並びに回転機構３０Ａ，３０Ｂの歯車３１を収容する。ピストン収容部２０Ａ，２０Ｂには、それぞれピストン１０の移動を案内するＵ字状の軌道が形成されている。ピストン収容部２０Ａ，２０ＢのＵ字軌道がシリンダ部４０Ａ，４０Ｂを介して互いに接続されており、全体として環状の軌道が構成される。この環状の軌道において、複数のピストン１０が列をなして移動する。

ピストン収容部２０Ａ，２０Ｂは、例えば図２の側面図に示すように、２つの板状のブロック２１，２２に分割されている。図１では、ピストン収容部２０Ａ，２０Ｂの内部を図解するため、上側のブロック２１の図示を省略している。
図１に示すように、ブロック２１，２２の内部には、それぞれＵ字状の溝が形成される。互いの溝を向かい合わせて２つのブロック２１，２２を連結することにより、ピストン１０が通る筒状の軌道が形成される。

回転機構３０Ａ，３０Ｂは、環状の軌道に沿って進むピストン１０の運動を回転運動に変換する。回転機構３０Ａ，３０Ｂは、それぞれ歯車３１と回転軸３２を有する。
歯車３１は、ピストン１０の列の隙間に噛み合うラックを備える。歯車３１は、例えば図１に示すように、ピストン収容部２０Ａ，２０ＢのＵ字軌道の内側に配置される。Ｕ字軌道の円弧部分において、歯車３１の隣接する２つのラックの間にピストン１０が１つずつ挟まれる。
回転軸３２は、歯車３１の中心軸に固定されており、歯車３１の回転をピストン収容部（２０Ａ，２０Ｂ）の外部に伝達する。ブロック２１，２２には、それぞれ回転軸３２を貫通する孔が設けられている。この貫通孔から突き出した回転軸３２は、ブロック２１，２２の外面に設けられた軸受部３３，３４（図２）によって回動自在に保持される。

シリンダ部４０Ａ，４０Ｂは、ピストン１０の軌道において高圧流体（例えば蒸気）の導入・排出を行うための空間を形成する。シリンダ部４０Ａ，４０Ｂは、それぞれ外筒４１とシリンダ４２を有する。
シリンダ４２は、ピストン１０が移動する筒状の通路を構成する。シリンダ４２の一方の端はピストン収容部２０ＢのＵ字軌道につながり、シリンダ４２の他方の端はピストン収容部２０ＡのＵ字軌道につながる。ピストン収容部２０ＢのＵ字軌道とピストン収容部２０ＡのＵ字軌道とがシリンダ４２を介して接続されることにより、環状の軌道が構成されている。
外筒４１は、シリンダ４２の内部へ蒸気を導入する経路と、シリンダ４２の内部から蒸気を排出する経路を構成する。また外筒４１は、シリンダ４２の外周を包囲して、シリンダ４２内部の気密性を確保する。

図３〜図８は、シリンダ部４０Ａ，４０Ｂの詳細な構造を示す。
図３は、シリンダ部４０Ａ，４０Ｂの外観を示す斜視図である。
図４は、外筒４１の断面図であり、筒の中心軸を通る平面で外筒４１を切断したときの断面を表す。
図５は、シリンダ４２の外観を示す斜視図である。
図６は、図３に示す斜視図において外筒４１の一部を切り欠いた状態を示す図である。
図７は、図３に示す斜視図において外筒４１とシリンダ４２の一部を切り欠いた状態を示す図である。
図８は、シリンダ４２の内部を通過するピストン１０を図解した図である。

外筒４２は、シリンダ４２を通す筒孔４１３が形成された筒部４１２と、筒部４１２の両端に設けられたフランジ４１１を有する（図４）。
図４における左側の図は、外筒４２を筒孔４１３の中心軸に対して垂直な方向から見た側面図を示す。フランジ４１１の縁には、ボルトを通す孔が４つ設けられている。フランジ４１１は、このボルトによってピストン収容部（２０Ａ，２０Ｂ）に締結される。

また、図４の左の側面図における点線は、鎖線Ｂ−Ｂ’に沿って筒部４１２を中心軸と垂直な方向に切断したときの切断部端面を示す。この点線で示すように、筒部４１２の断面は、正方形の四隅を対称に切り落とした形をしている。隅の平らな部分に対応する筒部４１２の外面の綾部には、蒸気を導入するための孔５１と、蒸気を排出するための孔６１がそれぞれ設けられている。図４の例では、孔５１及び６１がそれぞれ２つ設けられている。蒸気を導入する２つの孔５１は別の稜部に開けられており、筒部４１２の中心軸方向（図４の紙面の横方向）における位置がほぼ等しい。同様に、蒸気を排出する２つの穴６１も別の稜部に開けられており、中心軸方向における位置がほぼ等しい。

筒部４１２の内壁には、リング状の溝５２及び６２が形成される（図４）。溝５２の底部には蒸気導入用の孔５１が開口し、溝６２の底部には蒸気排出用の孔６１が開口する。溝５２によって筒部４１２内面とシリンダ４２外面との隙間に形成されるリング状の空間には、孔５１から内部へ導入された蒸気が充満する。また、溝６２によって同様に形成されるリング状の空間には、孔６１から外部へ排出される蒸気が充満する。

シリンダ４２には、蒸気導入路を形成する孔５３と、蒸気排出路を形成する孔６３がそれぞれ設けられている（図５）。図５の例では、孔５３及び６３がそれぞれ６つ設けられている。

孔５３は、シリンダ４２の中心軸に対して平行に延びた細長い形状をしている（図５）。６つの孔５３は、サイズと形状がほぼ等しく、中心軸方向における位置が揃っており、周方向においてほぼ等しい間隔で配置されている。
孔５３の一方の端部（孔６３から離れた方の端部）は、溝５２によって筒部４１２内面とシリンダ４２外面との隙間に形成される上述したリング状の空間に開口している（図６，図７）。この開口部は、本発明における流体導入路の流体導入孔に対応する。
孔５３の残りの部分は、筒部４１２の内壁によって塞がれている（図６，図７）。筒部４１２の内壁と孔５３は、シリンダの内面においてピストン１０の移動方向に延びた溝を形成する。この溝は、本発明における流体導入路の溝に対応する。

孔６３は、シリンダ４２の中心軸に対して平行に延びているが、その長さは孔５３に比べて短い（図５）。６つの孔６３は、サイズと形状がほぼ等しく、中心軸方向における位置が揃っており、周方向においてほぼ等しい間隔で配置されている。
孔６３は、溝６３によってと筒部４１２内面とシリンダ４２外面の隙間に形成される上述したリング状の空間に開口している（図６，図７）。図の例では、孔６３と溝６３がほぼ等しい幅を有している。

またシリンダ４２の両端部には、歯車３１の歯板を避けるための切り欠き４２１が形成されている（図５）。

ピストン１０は、前後方向に尖った紡錘形の本体と、前後の先端部分に平らな面を形成する接触部を有する（図８）。軌道を移動する各ピストン１０は、前後のピストン１０と接触部において当接する。
また、各ピストン１０の外面には、リング部材７０が周着される（図８）。リング部材７０は、シリンダ４２の中を通過する際に、ピストン１０の外面とシリンダ４２の内壁との隙間を塞ぐ。図の例において、ピストン１０にはそれぞれ２つのリング部材７０が固定されている。

上述した構成を有するエンジンの動作を説明する。
シリンダ部４０Ａの孔５１に蒸気を導入すると、筒部４１２の溝５２とシリンダ４２の外面との隙間に形成された空間に蒸気が充満する。この蒸気は、シリンダ４２に形成された孔５３の端部からシリンダ４２の内部へ流れ込む。孔５３の端部から流入した蒸気は、孔５３の残りの部分とシリンダ４２の内壁とにより形成された細長い溝に沿って流れる。例えば図８において、蒸気はシリンダ４２の内部を左から右に流れる。この蒸気の流れにより、ピストン１０は左から右へ向う力を加えられ、右方向へ移動する。ピストン１０の移動に伴って、高圧の蒸気もシリンダ４２の内部を移動する。高圧の蒸気は、孔６３においてシリンダ４２の内部から外部へ排出される。

シリンダ部４０Ａを移動するピストン１０は、順次にピストン収容部３０Ａへ押し出され、Ｕ字軌道を移動する。ピストン１０の列がＵ字軌道を移動することにより、歯車３１が回転する。ピストン収容部４０ＡのＵ字軌道を出たピストン１０は、順次にシリンダ部４０Ｂへ入る。シリンダ部４０Ｂにおいてもシリンダ部４０Ａと同様に、一方向へ流れる蒸気がピストン１０を一方向に押す。ピストン収容部４０Ａからシリンダ部４０Ｂへピストン１０が移動する方向と、シリンダ部４０Ｂにおいて蒸気がピストン１０を押す方向とが一致しているため、ピストン１０の推進力が付勢される。シリンダ部４０Ｂにおいて推進力を加えられたピストン１０は、順次にピストン収容部３０ＢのＵ字軌道を移動し、歯車３１に回転エネルギーを与えて、再びシリンダ部４０Ａに戻る。そして上記と同様に、シリンダ部４０Ａにおいて推進力を加えられたピストン１０が、順次にピストン収容部３０Ａへ押し出される。

以上説明したように、本実施形態に係るエンジンによれば、複数のピストン１０が環状に列をなして移動するように軌道が形成されており、この軌道上に、蒸気の導入路と排気路が形成されたシリンダ部４０Ａ，４０Ｂが設けられている。蒸気導入路において、シリンダ４２の内部における蒸気の流れの方向が一方向へ偏るように、シリンダ４２の外部から内部へ蒸気が導入される。ピストン１０は、蒸気の一方向の流れに押されて一方向に移動する。一方向の流れの下流側には蒸気排出路が設けられており、ピストン１０とともに移動する蒸気がこの蒸気排出路によってシリンダ４２の内部から外部へ排出される。
従って、本実施形態に係るエンジンでは、環状の軌道におけるピストン１０の周回運動に基づいて歯車３１を回転させることにより、ピストンを往復運動させる従来のエンジンのように、ピストンの運動方向の逆転に伴う損失が全く発生しないため、エネルギー変換効率を高めることができる。

また、本実施形態に係るエンジンでは、蒸気の導入と排出が行われるシリンダ４２の内部を複数のピストンが列をなして移動するため、１つのピストンのみがシリンダ内を移動する従来の方式に比べて、蒸気の消費量を大幅に減らすことができる。すなわち、１つのピストンのみを用いる方式では、ピストンをある距離だけ移動させるために、その移動距離とシリンダの断面積との積に相当する体積の蒸気が消費される。これに対し、複数のピストンを用いる本発明の方式では、あるピストンが移動した後の空間に後続のピストンが次々と侵入するため、実質的に消費される蒸気は、ピストンの移動距離とシリンダの断面積との積に相当する体積と後続のピストンの体積との差分だけになる。従って、本エンジンでは、シリンダの断面積を小さくすることなく蒸気の消費量を減らせるため、エネルギー変換効率を高めることができる。

また、本実施形態に係るエンジンでは、各ピストン１０に周着されたリング部材７０によって、シリンダ４２の内壁とピストン１０との隙間が塞がれているため、蒸気導入路から蒸気排出路への蒸気の漏れによる損失を減らし、エネルギー変換効率を高めることができる。

また、本実施形態に係るエンジンでは、シリンダ４２の周方向において等間隔に形成された複数の蒸気導入路からシリンダ４２の内部へ均一に蒸気が導入される。そのため、シリンダ４２の一部分に偏って蒸気が導入される場合に比べて、シリンダ４２の内部における蒸気の流れが均一になり、一方向への流れが分散されてしまうことによる圧力の減少を抑制できる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

図１に示すエンジンでは、各ピストン１０の外面にリング部材７０が固定されているが、このリング部材をシリンダ４２の内面に取り付けることも可能である。図９、図１０はその一例を示す。
図９は、シリンダ４２にリング部材を取り付ける例を示す図であり、外筒４１とシリンダ４２の一部を切り欠いた状態を示す。図１０は、図９に示すシリンダ４２の内部を通過するピストン１０がリング部材に接触する様子を図解した図である。

図９の例では、蒸気が導入される孔５３と蒸気が排出される孔６３との間のシリンダ４２の内面に、リング部材７１が固定されている。リング部材７１によって、シリンダ４２の内壁とピストン１０との隙間を塞ぐことにより、孔５３から孔６３への蒸気の漏れが抑制される。
また図９の例においては、孔５３と孔６３の間に２つのリング部材７１が離間して配置されている。この離間距離は、孔５３と孔６３の間において、少なくとも１つのリング部材７１がピストン１０と当接するように、ピストン１０の長さや形状、リング部材７１の幅などに応じて設定される。これにより、孔５３と孔６３との間の空間が常にリング部材７１とピストン１０によって仕切られるため、孔５３から孔６３への蒸気の漏れを効果的に抑制できる。

また、図９の例では、蒸気の流れの上流側におけるシリンダ４２の端部と孔５３との間の内面にリング部材７２が固定され、蒸気の流れの下流側におけるシリンダ４２の端部と孔６３との間の内面にリング部材７３が固定されている。リング部材７２，７３によって、高圧の蒸気が導入される孔５３を低圧の空間から隔離できるため、高圧蒸気の漏れによるエネルギー変換効率の低下を抑制できる。

このように、シリンダ４２の内面にリング部材を設ける方法でも、蒸気の漏れによる損失を低減できる。また、各ピストン１０にリング部材を周着する場合に比べて摩擦による負荷を減らせるため、効率を向上できる。更に、使用するリング部材の数を減らせるという利点もある。

以上、本発明の各種の実施形態を説明したが、本発明は上記の形態にのみ限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。

例えば、図１に示すエンジンではシリンダ部を２つ備えているが、この数は任意であり、１つでも３つ以上でも良い。歯車の数も同様に任意であり、１つでも３つ以上でもよい。

また、図１に示すエンジンではピストンの環状軌道の内側に歯車が配置されているが、環状軌道の外側に歯車を配置してもよい。

本発明は、蒸気などの高圧流体の圧力に基づいて回転運動を発生する装置に広く適用可能である。

１０…ピストン、２０Ａ，２０Ｂ…ピストン収容部、３０Ａ，３０Ｂ…回転機構、３１…歯車、３２…回転軸、４０Ａ，４０Ｂ…シリンダ部、４１…外筒、４１１…フランジ、４１２…筒部、４１３…筒孔、４２…シリンダ、５１，５３…蒸気導入用の孔、６１，６３…蒸気排出用の孔、５２，５３…溝、７１〜７３…リング部材

Claims (7)

1. 複数のピストンと、
   前記複数のピストンが環状に列をなして移動するための軌道が形成されたピストン収容部と、
   前記ピストン収容部の内部に収容され、前記ピストンの列の隙間に噛み合うラックを備えた歯車と、
   前記軌道に設けられたシリンダと、
   前記シリンダの内部における流れの方向が一方向へ偏るように前記シリンダの外部から内部に流体を導入する流体導入路と、
   前記一方向の流れの下流側において前記流体を前記シリンダの内部から外部に排出する流体排出路と
   を有し、
   前記流体導入路は、
   前記シリンダの内面において前記ピストンの移動方向に沿って延びた溝と、
   前記溝の一方の端部から前記シリンダの内部へ前記流体を導入する流体導入孔と
   を含む、
   エンジン。
2. 前記シリンダに形成され、前記ピストンの移動方向に沿って延びた孔と、
   前記シリンダの外面を包囲し、前記孔の端部において開口部を有する筒体と、
   を有し、
   前記開口部が前記流体導入孔を構成し、
   前記開口部を除いて前記孔を塞ぐ前記筒体の内面が前記溝の底部を構成する、
   請求項１に記載のエンジン。
3. 複数の前記流体導入路、及び／又は、複数の前記流体排出路が前記シリンダの周方向において等間隔に形成されている、
   請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記ピストンの外面に固定され、前記シリンダの中を通過する前記ピストンと前記シリンダの内面との隙間を塞ぐリング部材を有する、
   請求項１乃至３のいずれか１つに記載のエンジン。
5. 前記流体導入路と前記流体排出路との間で前記シリンダの内面に固定され、前記シリンダの中を通過する前記ピストンと前記シリンダの内面との隙間を塞ぐ１つ又は複数の第１リング部材を有する、
   請求項１乃至３のいずれか１つに記載のエンジン。
6. 少なくとも１つの前記第１リング部材が前記ピストンと当接するように複数の前記第１リング部材が離間して配置される、
   請求項５に記載のエンジン。
7. 前記シリンダの端部と前記流体導入路との間で前記シリンダの内面に固定され、前記シリンダの中を通過する前記ピストンと前記シリンダの内面との隙間を塞ぐ１つ又は複数の第２リング部材、及び／又は、前記流体排出路と前記シリンダの端部との間で前記シリンダの内面に固定され、前記シリンダの中を通過する前記ピストンと前記シリンダの内面との隙間を塞ぐ第３リング部材を有する、
   請求項５に記載のエンジン。