JP5995342B1 - 可変容積進行型ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ローターの回転に伴い、容積を変化させながらキャビティーを軸方向に移動させ、圧縮性流体を熱力学的に適切に取り扱うとともに、十分なシール機構を実現する。【解決手段】軸流ネジポンプ（一軸偏心ネジポンプ及び一軸ネジポンプ）の構造を、電子回路でいう等価回路に相当する概念を用いて要素分解を行い、往復型のピストン式ポンプを組み合せて、キャビティーの密閉性を確保するとともに、キャビティーを進行させつつ容積を変化させる、回転容積型ポンプと等価な構造を実現する。【選択図】図４

Description

本発明は、複数のピストンとシリンダーを結合することで構成される可変容積進行型ポンプ及び内燃・外燃機関に関するものである。

圧縮性流体用の容積型ポンプとしてピストンポンプが多く使われている。理想的な気体の圧縮・拡張を行うことができる容積可変一軸偏心ネジポンプが考案されたが、シールラインが螺旋状となることから、ピストンリングに相当するシール機構を設けることができないため、キャビティーの密閉度を高く保つことが困難であった。

特許第５６６３１２４号 特許第５７１１８６５号 ２０１２−１２７３３７号公報 ２００６−１８３５３１号公報 米国特許出願公開第２００７／００６５３０１号明細書

変速クランク機構による高圧縮比高効率ガソリンエンジンの研究：engine50.tm.chiba-u.jp/data/research_09_matsuura.pdf

圧縮性流体を圧縮・拡張可能な回転容積型ポンプとして容積可変一軸偏心ネジポンプを考案したが、螺旋状のシール構造を必要とするため、往復型のピストン式ポンプにおけるピストンリングに相当するシール機構が使用できないことから、温度変化が大きい用途においては、温度による材料の伸縮が大きくなると、ローターとステーターとの間の十分なシールが困難であった。
本発明は、容積可変一軸偏心ネジポンプのような理想的な気体の圧縮・拡張が可能であり、内燃・外燃機関として利用可能なポンプの構造を実現することである。

この発明は、一軸偏心ネジポンプの構造を、電子回路でいう等価回路に相当する概念を用いて構成要素の分解を行い、往復型ピストン式ポンプを組み合せて、回転容積型ポンプと等価な構造を実現した。

図１（ａ）に特許文献１及び２に提案された階段状の一軸偏心ネジポンプ００の縦断面を、（ｂ１）から（ｂ５）に横断面を示す。（階段状の間隔を４５度にしたものである。）
図１（ｃ）に、この一軸偏心ネジポンプ００と等価と考えられる複数のピストンポンプで構成した可変容積進行型ポンプ０１を示す。

図１（ｃ）の可変容積進行型ポンプ０１は、駆動機構の記載を省略しているが、１本のクランク軸に繋がるクランクとコンロッドを使用して、駆動角をずらしてピストン１１〜１９を駆動している。
ピストンが平面に配置されているので、偏心駆動を行う必要がなく、また、一軸偏心ネジポンプ００のキャビティー４１〜４４は、２列で構成されるが、図１（ｃ）の可変容積進行型ポンプ０１は、１列のみの再現となっている。
さらに、横に並んだ複数の気筒３１〜３９が連結してキャビティー４を構成しているが、隣接する２つのピストンの間に、駆動角に応じて開閉する弁５０〜５９を配置する必要がある。

図１（ｄ）に、可変容積進行型ポンプ０１の容積進行図を示す。
駆動角に対する個々の気筒３１〜３９の容積の変化、及び、複数の気筒を結合した容積であるキャビティー４の容積の変化を示す。（縦軸）
複数の気筒で構成されるキャビティー４の容積（開いた弁で隔てられているが、１つのキャビティーと見なす。）が、駆動角が進むとともに、およそ６００°に達するまで、増加していく様子を示している。
個々の気筒の容積変化は、３６０°で一巡するが、結合した容積であるキャビティー４は、弁５０〜５９の開閉により、結合する気筒を変えながら進んでいく。
図１（ｄ）の駆動角（横軸）は、３６０°で１回転を表すが、キャビティー４の容積は、２回転弱で移動することを示している。

図１（ｃ）の隣接するピストンの断面積は、順に約４０％の割合で増加し、ストローク長は等しく構成している。
気筒３１が０度で吸気側の弁５１が開き、１８０度で閉じる。
また、排気側の弁５０は、６００度で開くので、拡張器として使えるのは、１８０度から６００度までの４２０度であり、実効的な容積変化率は、およそ５から６０までの１２倍である。
吸気側の弁５１を１０度から３６０°まで閉じると、最大約２，５００倍の可変容積進行型ポンプを構成することができる。

この例では、９本の気筒を使用しているが、隣接するピストンをおよそ１２０°の駆動角の差を与えて駆動することで、気筒の数が３以上あれば可変容積進行型ポンプ０１として十分な特性を得ることができる。
隣接するピストンの駆動角の差を３００度から３６０度とすることで、多段接続した圧縮機、または、圧縮器と拡張器を組み合わせた可変容積進行型ポンプを構成することができる。
なお、容積と駆動角の取り方によって、特性が大きく変化する。
隣接するピストンの容積比を小さくすることで、容積変化量の小さな可変容積進行型ポンプを構成できるので、温度差の小さい熱源を有効に利用することが可能になる。

スターリングエンジンの作動気体は、密封されているのが一般的であり、高温側、低温側共に熱交換器を通して駆動しなければならない。
これに対して可変容積進行型ポンプ０１は、一方のみ熱交換器が必要だが、他方は解放されているので、設計の自由度が高く、スターリングエンジンに代わる熱機関として利用が期待される。

可変容積進行型ポンプの用語の定義は、広義には可変容積一軸偏心ネジポンプ００を含むと考えられるが、本発明の特許請求の範囲には含まないものとする。
なお、後に紹介する同軸型の可変容積進行型ポンプ０２は、可変容積進行型ポンプ０１に含むものとするが、図を指し示す際に、異なる符号を割り当てている。

可変容積一軸偏心ネジポンプと等価な構造を実現し、駆動軸の回転に伴い、進行方向にキャビティーを移送するとともに、その容積を連続的に変えることができるので、広い駆動角に渡ってトルクを得られ、燃焼等を含む圧縮性流体の物理的状態（液体、気体）、圧力（密度）、温度変化等、多くの事象を適切に取り扱うことができる。

既存の往復型のピストン式ポンプを適切に組み合わせて、自動車用エンジンとして使用できるほか、エアコン、冷蔵庫、冷凍庫のコンプレッサーや、従来のポンプでは扱えなかったような大きな圧力差を取り扱う用途にも使用できる。
容積型ポンプであることから、極めて遅い回転速度で効率の高い運転ができるとともに、圧縮と燃焼ピストンが異なるが緊密に連動して動作するので、冷却損失が少なく、熱力学的に理想的な気体の圧縮や拡張を行うことができだけでなく、内部で熱の再利用を行うので、熱機関として高い効率が実現できる。熱力学的な改革をもたらすとともに、従来の手法とは異なる全く新しい方法で、自然エネルギーの収集・蓄積にも利用できるなど、あらゆる分野での応用が期待できる。

（ａ）可変容積一軸偏心ネジポンプ００縦断面図、（ｂ１）−（ｂ５）断面図、（ｃ）可変容積進行型ポンプ０１（等価ピストンポンプの説明図）、（ｄ）容積進行図 （ａ）可変容積進行型ポンプ０１（３段エンジンの実施例）、（ｂ）容積進行図、（ｃ）熱循環機構説明図 （ａ）可変容積進行型ポンプ０１（５段エンジンの実施例）、（ｂ）容積進行図、（ｃ）熱循環機構説明図、（ｄ）エアバッグ式フロート （ａ）同軸型の可変容積進行型ポンプ０２（熱回生装置の実施例）、（ｂ１）−（ｂ３）ピストン外観図、（ｃ）容積進行図、（ｄ）太陽光エネルギー回生装置 圧力調整器 （ａ）同軸型に構成したピストン１、シリンダー２及び弁５の断面図、（ｂ）同軸型に構成したピストン１及び弁５の外観図

図２（ａ）は、３組のピストン１１，１２，１３とシリンダー２１，２２，２３で構成した可変容積進行型ポンプ０１の断面図であり、３気筒直列エンジンとしての実施例１である。
気筒３１で混合気の圧縮を、気筒３２で点火し燃焼と拡張を、気筒３３で拡張を行うエンジンを構成している。
ピストン１１，１２，１３は、コンロッド６１，６２，６３とクランクシャフトによってクランク軸６７ｃに接続され、互いに拘束された動きをする。ピストンのストローク長は同一であるが、断面積が異なっており、気筒３１の最大容積１に対して、気筒３２は、１．２５、気筒３３は、３．７５と、それぞれの気筒の容量が異なる。
図２（ｂ）に、点火タイミングの駆動角を０°としたキャビティー４と各気筒３１，３２，３３の容積進行図を示す。
表１に、駆動角に対する各気筒３１，３２，３３の容積を一覧表にしている。
表１

駆動角０°〜１８０°まで一方向弁５１ｃを開き、弁５２ｅは閉じて吸気７１している。図２（ｂ）の容積進行図における駆動角で現すと、−３６０°〜−１８０°に対応する。以下、括弧書きとする。）
駆動角１８０°〜３６０°（−１８０°〜０°）まで一方向弁５１ｃを閉じ、圧縮を行い、駆動角３３０°〜３６０°（−３０°〜０°）までは、弁５２ｅを開き、圧縮した混合気を気筒３２に送っている。

２段目の気筒３２は、駆動角３３０°（−３０°）で容積が最小となり、弁５２ｅを開き、続いて駆動角０°（０°）で気筒３１の容積が最小となると同時に、弁５２ｅを閉じ、点火装置８２を動作し、気筒３２内において燃焼を開始する。
弁５２ｅが開いているときの結合容積は、０．０４〜０．０８、点火時において０．０９であり、気筒３１の最大容積が１であるから、約１１倍の圧縮を行っていることになる。
気筒３２は、１７０°（１７０°）で最大となるが、気筒３３が駆動角９０°（９０°）で最小となり、同時に弁５３が開き、気筒３２と３３が結合するので、駆動角２５０°（２５０°）で弁５４が開くまで拡張を続けることができる。
最大拡張時の気筒３２と３３の結合容積は、４．１であるから、４５．５倍の拡張を行っていることになる。

図２（ａ）における点火装置は１つの三角形で、弁の形状は、一方向弁５１ｃは矢印、電磁弁５２ｅは２つの三角形で、弁５３と５４は、シーソー形状として表現しているが、実際の弁の形状を表しているものではない。
説明図として動作を把握し良いと考えられる記号として使用しているもので、弁の一部をピストン３２及び３３のヘッドで押し込むことで、開または閉の動作をすると考えれば、動作が判りやすい。

図２（ａ）の可変容積進行型ポンプ０１の弁は、駆動角に対応して開閉すれば良いので、全てカムを使用して駆動するのが一般的と考えられる。
また、表１の縦の罫線は、各気筒の前後の弁の開閉状態を表している。
細かい鎖線は開いていることを、二重線または太線は閉じていることを、細線は変化途中であることを表している。
各気筒の容積が最小となる表１の升目にハッチングをかけている。

一軸偏心ネジポンプ００では、シールラインが螺旋状となることから、シール機構を設けることができなかったが、可変容積進行型ポンプ０１は、一般的なピストンを使用するので、ピストンリング６０を設け十分な気密性を確保することができる。

ピストン１１，１３は、熱交換の効率を高めるため、ピストンリング６０をフリンジ側に配置している。
ピストン１２は、シリンダー２２との間隙の狭隘な箇所において火炎が伝わらず、混合気の不完全燃焼を生じる原因となる。不完全燃焼を避けるため、ピストンリング６０をピストン１２のヘッド側に配置している。

図２（ｃ）に熱循環機構説明図を示す。シリンダー２１と２２で発生した熱をシリンダー２３に送り、拡張することで温度が低下した燃焼ガスを再加熱することで、熱を無駄なく使うことができるように、熱循環機構を構成している。
図には示していないが、シリンダー２２と２３の外側には、熱交換フィンを設けている。
図２（ａ）と（ｃ）の破線は、相互の断面図の位置関係を表している。（（ａ）では、流路を構成する外壁を省略している。）

圧縮と燃焼を行う気筒３１と３２とが分離しているので、圧縮中の混合気が燃焼で発生した熱に直接触れないことから、冷却損失が少なく、高い熱効率が期待できる。
燃焼を行う気筒３２のシリンダー２２の底面及びピストン１２の頭部は、他の部分に使用する材料と比較して熱伝導率が低く、比熱の小さい耐熱セラミックなどを使用することで、効果的に熱損失を減少させることができる。
３段目にあたる２つ目の拡張器である気筒３３を備え、燃焼ガスが大気圧に達するまで拡張することができるので、燃焼ガスの膨張力を効率的に機械エネルギーに変換することができる。
図２（ｂ）の容積進行図に示すとおり、拡張範囲が１回転（３６０°）に満たないため、安定した回転を得るため、図には示していないがフライホイールが必要である。

図３（ａ）は、５組のピストン１１〜１５とシリンダー２１〜２５で構成した可変容積進行型ポンプ０１の断面図であり、５気筒直列エンジンとしての実施例２である。
気筒３１と３２で圧縮を、気筒３３で点火し燃焼と拡張を、気筒３４、３５で拡張を行うエンジンを構成している。

ピストン１１〜１５は、コンロッド６１〜６５によってクランクシャフト６７ｃに接続され、互いに拘束された動きをする。ピストン１１〜１５のストローク長は同一であるが、断面積が異なっているので、それぞれの気筒３１〜３５の容量が異なる。
図３（ｂ）に、点火タイミングの駆動角を０°としたキャビティー４と各気筒３１〜３５の容積進行図を示す。
表２に、駆動角に対する各気筒３１〜３５の容積を一覧表にしている。

圧縮した空気を空気タンク７９に蓄積する構成となっており、気筒３１〜３２と気筒３３〜３５は結合されてない。
従って、気筒３１，３２で構成する可変容積進行型ポンプを使用した圧縮器と、気筒３３〜３５で構成する可変容積進行型ポンプを使用した拡張器とで構成されたエンジンである。

図３（ｂ）及び表２の駆動角についても、結合した場合と同様となっているが、２基の可変容積進行型ポンプの駆動角は、必要に応じて独立したものとすることができる。
また、空気タンク７９を備えることで、圧縮空気のみで気筒３３〜３５で構成される拡張器を空気エンジンとして駆動することができるので、高価な電気モーターやリチウム電池などを使用せずに、ハイブリッド車のバッテリー走行に相当する非燃焼走行を実現することが出来る。
表２

駆動角０°（−４８０°）において、ピストン１１が上昇を始め、一方向弁５１ｃを通して気筒３１に吸気７１を開始する。
駆動角１２０°（−３６０°）においてピストン１２が上昇を始め、一方向弁５２ｃを通して気筒３１から気筒３２に送気を開始する。
駆動角１８０°（−３００°）において、ピストン１１が下がり始め、気筒３１と連結した気筒３２の合計容積が減少し始め、圧縮行程８３に移る。
駆動角３００°（−１８０°）において、気筒３２の容積が最大となり、減少を始めるので、さらに圧縮を行い、一方向弁５３ｃを通して、圧縮空気を空気タンク７９に蓄える。
駆動角１２０°（０°）において、気筒３２の容積が最小となり、圧縮空気を空気タンク７９に送り、圧縮行程を終える。（このとき、気筒３１は、既に次の吸気行程７１に入っている。）

空気タンク７９から２つの電磁弁と定量吸気シリンダー８９を通して、気筒３３に圧縮空気を送っている。
定量吸気シリンダー８９は、空気タンク７９の圧力、必要とする空気量等から、あらかじめ定量吸気シリンダー８９の容積を設定することで、気筒３３に送る空気の量（分子量）を正確に調整する。空気タンク７９の圧力が高いため、電磁弁５５ｃの開閉タイミングだけで、空気量を一定に保つことが困難であるからである。

空気タンク７９と定量吸気シリンダー８９との間の配管（図３（ａ）では短じかく描かれているが、実配管は長い。）内の空気の慣性を利用して、電磁弁の閉鎖タイミングを調整することで、空気タンク７９内の圧力より高い圧力で、定量吸気シリンダー８９に圧縮空気を充填することができる。空気タンク７９内の圧力が低下したときに、吸気７１する空気量を確保するために活用することができる。

駆動角１００°（−２０°）において、気筒３３の容積が最小となり、電磁弁５５ｃを開いて気筒３３に吸気するとともに燃料噴射装置８１から燃料を噴射する。
駆動角１２０°（０°）において、電磁弁５５ｃを閉じ、点火装置８２で点火し、燃焼及び燃焼ガスの拡張を開始する。
燃焼が進み、ピストン１３が上昇し、コンロッド６３を通してクランクシャフト６７ｃを回転させる。

駆動角２２０°（１００°）において、気筒３３が拡張し切る前に、ピストン１４が下がり切り、気筒３４との間の弁５６が開き、燃焼ガスが気筒３４に流出を始める。
駆動角２８０°（１６０°）において、ピストン１３が下がり始めると、燃焼ガスの気筒３４への移動が増加し、気筒３３と気筒３４の合計容積は増大が続くので、燃焼ガスの拡張が継続し、コンロッド６４を通してクランクシャフトを回転させる。

駆動角３４０°（２２０°）において、気筒３４のピストン１４が下がり切る前に、気筒３５との間の弁５９が開き、燃焼ガスが気筒３５に流出を始める。
駆動角４０°（２８０°）において、気筒３４の気室容積が減少に転じ、気筒３５への流出が最大となる。

駆動角１００°（３４０°）において、気筒３３の容積が最小となった後に弁５６を閉じ、電磁弁５７ｅを開いて気筒３３内に残留する燃焼ガスを定量排気シリンダー８８へ排気するとともに、次の圧縮空気を受け入れ、燃焼を繰り返す。
定量排気シリンダー８８は、気筒３３のピストン１３とシリンダー２３との間隙に残った燃焼ガスを、吸気圧力を利用して排出するために設けている。

定量排気シリンダー８８のピストンの位置をあらかじめ設定しておき、弁５７ｅを開くことで、排気量を正確に調整することができる。排気動作後、燃焼側の電磁弁５７ｅを閉じ、電磁弁５８ｅを開いて燃焼ガスを外部に排出し、次の動作に備える。
なお、空気タンクの極めて高い空気圧中での吸気・排気動作を安定に行うために、定量吸気シリンダー８９及び定量排気シリンダー８８を設けているが、弁のタイミングのみで安定した吸気・排気動作が出来るのであれば、設ける必要はない。

気筒３４と３５の合計容積が増大し、最大となる駆動角１４０°（３８０°）で排気弁５０を開き、燃焼ガスの排気７０を開始する。
駆動角２２０°（４６０°）において、気筒３４の容積が最小となり、弁５９を閉じる。
駆動角３４０°（５８０°）で、気筒３５の容積が最小となり、弁５０を閉じる。
駆動角１２０°（０°）における気筒３３の容積は、０．０３６であり、駆動角１４０°（３８０°）における気筒３４と３５の合計容積の最大は、６．４２であるから、拡張比は、約１８０倍に達する。

燃料の噴射量が少ない場合など、駆動条件によって燃焼ガスの拡張が不足するときは、長さ方向に伸びるコンロッド６５ａ、排気弁５０を開くタイミングを調整しミラーサイクルとなるようにする。
ギアを設けて、圧縮空気が十分にあるときは、空気圧縮機を切り離す方法も考えられる。

複数のシリンダーが順次結合され、その容積の進行とともに圧縮、燃焼及び拡張が行われる。
異なる気筒において圧縮と燃焼が行われるので、冷却損失が少ない特徴がある。

図２（ａ）は、視覚的に理解し易い図とするため、矢印の形状で表した一方向弁５０ｃ〜５４ｃや、ピストンを直接打ちつけて動作するシーソーの様な形状の弁５０〜５９の記号を使用している。図形により動作タイミングを表すことが困難な弁は、２つの三角形で電磁弁５２ｅ〜５７ｅと表現している。
いずれの弁も、駆動角ごとに開閉が決まっている弁であるから、カムを使用して駆動角ごとに開閉を行う弁に置き換えることができる。

高圧縮の空気は、水分が分離して乾燥空気となるので、燃焼温度が上昇しやすく、窒素酸化物の発生量が増加する欠点がある。
図には示していないが、加湿機構を加える、気筒３３が十分拡張してから点火する、希薄燃焼にする、ピストン１３及びシリンダー２３に比熱が小さい熱絶縁体材料を使用する、定量排気により余分な熱を排出するなどし、吸気した空気の温度の上昇を抑える必要がある。

十分な容積の空気タンク７９を備えることで、圧縮空気のみで気筒３３から３５までの拡張器を駆動し、燃料の燃焼を行わずに走行することができる。燃焼による駆動の場合の１０〜３０倍の圧縮空気が必要である。断熱膨張を受けるから、低温の空気が排出される。

高圧空気が不足したときに、燃焼効率の高い領域で燃焼駆動を行うとともに、高圧空気が十分あるときに高圧空気による非燃焼駆動を行うことができ、二種類の駆動方法を交互に繰り返すことができる。熱の排出を抑えて、効率的な運転を行うことが出来る。
空気エンジンとして使用するときは、図２（ａ）には示していないが、ピストン１１、１２の駆動を切り離す機構を設けることが必要である。

図３（ｃ）に熱循環機構を示す。気筒３１〜３３で放出されて熱を、拡張により温度が低下した燃焼ガスを気筒３４及び３５で再加熱するように、熱を循環している。
さらに、熱循環機構の空気をキャビンに送ることで、燃焼駆動時に暖房を、非燃焼駆動時に冷房を行うことができる。

高圧空気を利用可能であるから、火薬による事故が問題となっているエアバッグを始め、ワイパー、パワーウィンドウ、車椅子等の積載用リフトの動力源などに利用することができ、また、図２（ｄ）に示す車外エアフロート７８（津波遭遇時などの水没事故対策）、ボルビックチューブによる冷暖房、温冷蔵庫の駆動などの利用も考えられる。
カーボン繊維などで作成した小型の高圧空気タンクを車体各部に分散配置し、高圧空気を充填することで、車体の強度増強を図ることも考えられる。
シガーライターは、そろそろ不要であると考えられるが、ＵＳＢ端子や搭載電子機器用の圧縮空気発電機を装備することは必要であると考えられる。

圧縮については、１８０°の駆動角で２段以上の構成とし、拡張については、１２０°の駆動角で３段以上の構成とすることで、ほぼ３６０°に渡ってトルクを発生することができるので、フライホイールを省略して軽量化することができる。
起動は、空気タンク７９の高圧空気を気筒３１に導くことで、高圧空気による空気エンジンとして起動することができる。

図４（ａ）は、熱エネルギーを機械的なエネルギーに変換し、圧縮空気を出力する、同軸型の可変容積進行型ポンプ０２の実施例３である。
１つのシリンダー２に、複数のピストン１を挿入し、少ない部品で多数の気筒３を構成するとともに、ピストン１とシリンダー2との間隙に作動流体を流すことにより、熱交換の効率を向上させた。
図４（ｂ１）〜（ｂ３）は、ピストン１２，１３及び１５の外観図である。
図４（ｃ）は、気筒３１〜３５およびキャビティー４の容積進行図である。

１つ目のシリンダー２１に１つのピストン１１を挿入し、２つの気筒３０及び３１を、
２つ目のシリンダー２２に４つのピストン１２〜１５を挿入し、約１２０度の位相差でそれぞれのピストン１２〜１５を駆動し、４つの気筒３２〜３５を構成している。
一方向弁５１ｃを通して大気を吸気７１し、気筒３１で予圧を加え、気筒３２〜３５において加熱し拡張を行っている。
それぞれの気筒３２〜３５の間を、一方向弁５２ｃ、及び、弁５３〜５６で結合している。
気筒３０は、一方向弁５９ｃをとおして大気を吸気７１して圧縮し、一方向弁５０ｃから圧縮空気として出力７０している。

ピストン１１〜１５に設けたＤ形のシャフト穴６６を、断面がＤ形のシャフト６７ｓで、軸方向の移動を許すが、ピストン１１〜１５の回転を相互に拘束している。
ピストン１１〜１５の側面に設けた案内溝６８、６８ａを、シリンダー２１、２２に固定したベアリング付きピン６９に噛み合わせることにより、ピストン１１〜１５は、Ｄ形のシャフト６７ｓの回転に伴い、ピストン１１〜１５が回転するとともに、案内溝６８、６８ａの形状に従って往復運動をする。

案内溝６８は、ピストン側面を一周する間に２波形を描き、表３に示される駆動角ごとの気筒の容積が得られるように、案内溝６８が決定される。
直列に配置されたピストン１２〜１５は、相互の間隔が気筒３２〜３５を構成するので、互に追いかけるように動き、移動範囲は重複する。（たとえば、気筒３３は、気筒３２の動きとの差分となることに注意が必要である。）

案内溝６８ａは、再終段のピストン１５の案内溝に幅を持たせているが、供給熱量が不足する場合など、作動流体の膨張力が不足する場合に備えるものである。
図には示していないが、気筒３４〜３５の位置するシリンダー側面に弁を設けて開放し、外部の空気を吸気することで、作動流体の膨張力不足を補う方法も考えられる。
表３

シリンダー２２の外側に、熱源流体７４の流路と、各気筒３１〜３５を流れた作動流体の熱帰還路７３を設けている。熱源流体７４の流路、及び、熱帰還路７３には、シリンダー２２の外側の表面に、図には示していないが、熱交換フィンを設けている。

図４（ａ）の断面図は、説明図であるので、全ての弁５１〜５６を同一断面上に描いているものである。
弁５３〜５６は、隣接するピストンまたはシリンダーの壁に突き当たり、開閉する。弁を通過する作動流体は、ピストン１２〜１５の側面に送られ、ピストン１２〜１５とシリンダー２２との間の間隙を流れ、熱源流体７４及び熱帰還路７３からの熱交換により加熱を受け、次の気筒に送られる。
表３の縦の罫線は、各気筒の前後の弁の開閉状態を表している。
細かい鎖線は、弁が開いていることを、二重線または太線は閉じていることを、細線は変化途中であることを表している。

起動は、熱源流体７４の流入することで、シリンダー２２内の作動流体を加熱・膨張し、ピストン１２〜１５を駆動することが考えられる。
Ｄ断面のシャフト６７ｓの回転を通して、ピストン１１の回転と往復運動により、気筒３０、３１の吸気または圧縮動作を行う。
気筒３０と３１との間に、ピストン１１に設けた漏えい穴７６が設けられており、熱源流体の温度が低いときは、圧縮に要するトルクが不足し、回転が停止してしまうが、漏えい穴７６を通して作動流体が漏えいすることで、低速で回転を継続することができる。
図には示していないが、Ｄ断面のシャフト６７ｓに対しても、ピストンリングに相当するシールを設けることが必要である。

低速で回転することで、高い圧力は期待できないが、一方向弁５２ｃを通して気筒３１で圧縮した空気を気筒３２に送ることができる。
与圧された空気を作動流体として使用することで、加熱による膨張の圧力が効率よく得られるようになる。

回転が速くなるのに伴い、漏えい穴７６の影響が減り、予圧圧力が高くなる。
気筒３２〜３５においてシリンダー２２の外側から加熱され、作動流体が膨張し、その圧力によりピストン１２〜１５の何れか閉じた弁５３〜５６を有するピストンがＤ形のシャフト６７ｓを回転させる。
漏えい穴は、シリンダー２１の側面に設けることもでき、図に示さないが、必要に応じて、絞り弁を設ける、動作状態に応じて最適な制御することなども可能である。

気筒３２〜３５の隣接する気筒との容積比は、１．２〜１．５と小さく、駆動角は、約１２０°の位相差を設定している。気筒３１から３２へ６０％の与圧を行い、気筒３２から３５へ３００％の拡張を行う。与圧分を除くと実質的に１８０％の拡張であるから、熱源流体の温度は、３００°Ｃ以上であることを想定している。
同軸型の可変容積進行型ポンプ０２のキャビティー４の容積変化は、図４（ｃ）の容積進行図に示すとおり、多少のリップルが含まれ、直線ではない。
案内溝６８の軌跡を修正することにより、これを調整することができる。

図４（ｄ）は、同軸型の可変容積進行型ポンプ０２を用いた太陽光エネルギー回生装置０３である。シリンダー２２を中心とした拡張器に、反射板９９により太陽光を収束して、加熱することで動作する。輻射熱で動作するため、シリンダー２２の外側は輻射熱を吸収し易いように構成されており、熱源流体７４の流れる流路は無く、作動流体の熱帰還路７３のみを設けている。

同軸型の可変容積進行型ポンプ０２を、燃焼を伴うエンジンとして使用する場合、シリンダーの中心にある回転軸が、燃焼に支障を与える可能性がある。
図には示さないが、燃焼を行う気筒を可変容積進行型ポンプ０２の端部に配置することで、燃焼室内部への回転軸の突出を避けることができる。
案内溝６８の正弦波状の形状を三角波状にして、溝の一部を直線状にすることで、非特許文献１によれば、エンジンの燃焼効率が改善できることが示されている。

図５（ａ）は、同軸型の可変容積進行型ポンプ０２を使用して、圧力調整器０４を構成した実施例４である。
高圧空気の圧力は、蓄積するのに伴い圧力が上昇し、消費するのに伴い低下する。一般には、十分高い高圧空気を、絞り弁を使用して調整するが、絞り弁による損失が大きく、圧力エネルギーの利用効率が低下する主因となっている。
空気タンク７９の空気圧が、定圧ポート７７の空気圧より十分に大きいとし、一方を大気圧側９０に解放した、２つの可変容積進行型ポンプ０２によって構成され、２つのシャフト６７ｓを変速機９８により結合した圧力調整器の実施例である。

同軸型の可変容積進行型ポンプ０２-Ｂは、シリンダー２２−Ｂの側面に複数の穴５０ｈを設け、可動片５０ｍを収めるシリンダーで囲っている。可動片５０ｍを移動することで、複数の穴５０ｈを順に解放または閉鎖を行うことができる整合弁を構成し、同軸型の可変容積進行型ポンプ０２-Ｂの拡張倍率（または圧縮倍率）を細かく調整することができる。
倍率を空気タンク７９の空気圧と大気圧の比になるよう整合弁５０ｍの可動片を移動することで制御９７-Ｂする。（制御のための駆動機構は図示していない。）

定圧ポート７７の空気圧の設定値に対する変位に基づき、変速機９８の変速比を調整することで、定圧ポート７７の圧力を一定値に保つ動作をする。
定圧ポート７７が所定の圧力より高い場合、圧縮空気を空気タンク７９に蓄積する方向に回転するように、変速機９８の変速比を調整する。
可変容積進行型ポンプ０２−Ａをとおして定圧ポート７７の空気を放出し、可変容積進行型ポンプ０２−Ｂにより大気を吸気・圧縮し、高圧タンク７９に送るよう動作する。

定圧ポート７７の気圧が所定の圧力より低い場合、空気タンク７９に蓄積した圧縮空気を放出する方向に回転するように、変速機９８の変速比を調整する。
可変容積進行型ポンプ０２−Ｂをとおして高圧空気を放出し、可変容積進行型ポンプ０２−Ａにより大気を吸気・圧縮し、定圧ポート７７に送る。
定圧ポート７７の空気圧で、シャフト６７ｓの回転方向と速度が調整され、空気が移動し、定圧ポート７７の圧力を一定に保つように動作する。

閉じた弁５の動きにより、安定して作動流体が押し出され（または吸い込まれ）るので、可変容積進行型ポンプ０２は、拍動が少ない特徴がある。
作動流体の気圧の比と可変容積進行型ポンプの拡張（圧縮）倍率とが一致していないとき、弁５の解放に伴い作動流体の噴出若しくは吸込みを生じるとともに、トルクに変動を生じる。

可変容積進行型ポンプ０２−Ａの流量より、圧力が上がった分、可変容積進行型ポンプ０２−Ｂの流量が少なくなる。
可変容積進行型ポンプ０２−Ｂの流量より、圧力を下げた分、可変容積進行型ポンプ０２−Ａの流量が多く得ることができる。

変速機９８は、テーパー状の回転する２つの部品と摩擦により回転する部品とによって構成される無段に調整可能な変速機のイメージを表しており、中央の部品の位置を変えることにより回転の比率を調整できることを表している。
図５においては、ピストン２に取り付ける弁などの記載を省略している。
駆動角に対する弁の開閉は、これまでに示した拡張器と同様であり、逆方向に回転し圧縮器として動作する場合も、気筒３１を除き、表３に示したものと変わりはない。

実施例３として図４に示した可変容積進行型ポンプ０２は、一方向のみに回転するので、隣接するピストンまたはシリンダーの壁に、弁が突き当たり押されて開閉すると表現できるが、実施例４として図５に示した可変容積進行型ポンプ０２は、どちらの方向にも回転するため、図４と同様の弁構成にすることができない。

案内溝６８を利用した駆動角毎に弁５を開閉する機構が必要である。
可変容積進行型ポンプ０２の回転に伴い発生するトルクに変動がある場合、トルクが不足して回転が停止することが考えられる。
一方の可変容積進行型ポンプ０２において発熱し、他方は冷却されるので、ヒートパイプ等温度の均一化を図るなどし、なるべく等温圧縮・等温拡張することで、効率の低下を避ける。

図には示していないが、一方を大気圧９０に解放するのではなく、定圧ポートを中間点とする構成方法もある。
また、大気圧側に一組の整合弁の穴５０ｈと可動片５０ｍを追加することで変速器９８を取り去る構成方法もある。

図６は、同軸型の可変容積進行型ポンプ０２の換気量の改善方法を示す。
（ａ）の断面図に示すとおり、弁５を同軸構造にすることで、流路７を確保している。
４本のピン６９−１〜６９−４に傘状のローラーを被せ、２本ずつペアにしてシリンダー２に配置している。ペアのピン６９−１及び６９−２（６９−３及び６９−４）の傘状のローラーは、ピストン１及び弁５の案内溝６８の内面並びにローラー同志が接触し、ピストン１の往復運動と回転運動とを相互に規制している。

ピストン１と弁５との間に、弁が開く方向にコイルばねが配置され、案内溝６８の軸方向の間隔により、弁の開閉を行うことができるように構成している。
図には示さないが、ピストン１と弁５にそれぞれ独立した２本の案内溝を形成し、コイルばねを使用せずに構成する方法もある。この場合、見かけ上、溝は３本となり、２本の案内溝の間隔により弁の開閉を行う。

エアコン、冷蔵庫、冷凍庫のコンプレッサーとして使用することができるほか、キャビティーの個数を多くすることで、従来のポンプでは扱えなかったような大きな圧力差を取り扱うことができる。容積型ポンプであることから、極めて遅い速度で効率の高い運転ができるとともに、熱力学的に理想的な気体の圧縮や拡張、圧力の調整などを行うことができるので、効率の良いエンジンとしても利用できる。熱力学的な改革をもたらすとともに、従来の手法とは異なる全く新しい方法で熱エネルギーの改修や、空気圧エネルギーの利用に活用できる。

００ 容積可変一軸偏心ネジポンプ
０１ 可変容積進行型ポンプ
０２ 同軸型の可変容積進行型ポンプ
０３ 太陽熱エネルギー回生装置
０４ 圧力調整器
１ ピストン １０ ローター
１１〜１９ 個々のピストン
２ シリンダー ２０ ステーター
２１〜２９ 個々のシリンダー
３ 気筒
３０〜３９ 個々の気筒
４ キャビティー、気筒３の結合容積
４１〜４５ 個々のキャビティー、気筒３の結合容積
５ 弁
５０〜５９ 個々の弁
５０ｃ〜５４ｃ 個々の逆止弁
５２ｅ〜５７ｅ 個々の電磁弁
５０ｍ 整合弁の可動片 ５０ｈ 整合弁の穴
６０ ピストンリング、
６１〜６５ 個々のコンロッド ６５ａ 調整機構付きコンロッド
６６ シャフト穴
６７ 回転軸 ６７ｃ クランクシャフト ６７ｓ シャフト
６８ 案内溝 ６８ａ 調整機構付き案内溝 ６９ ピン
７ 流路
７０ 排気 ７１ 吸気 ７２ 送風ファン ７３ 熱帰還路
７４ 熱源流体 ７５ 熱交換フィン ７６ 漏えい穴 ７７ 定圧ポート
７８ エアフロート ７９ 空気タンク
８１ 燃料噴射装置、 ８２ 点火装置、
８３ 圧縮行程 ８４ 拡張行程 ８５ 燃焼または加熱工程
８８ 定量排気シリンダー ８９ 定量吸気シリンダー
９０ 大気圧 ９７ 制御 ９８ 変速機 ９９ 反射板

Claims (6)

1. ピストン１とシリンダー２から成る気筒３を有するピストンポンプを、弁５を介して縦続接続した多段式のピストンポンプであって、
   回転軸６７の回転により、個々のピストン１をそれぞれ異なる駆動角で駆動し、閉じた２個の弁５に挟まれた気筒３で構成する結合容積４（１つのピストンポンプの前後の弁５が両方共に閉じる駆動角においては、結合容積４が単独の気筒３となる場合を含む。）が、結合する気筒３を変えながら、その容積を増加させつつ進行することを特徴とする可変容積進行型ポンプ０１。
   
2. シャフト６７ｓによって回転を相互に拘束するシャフト穴６６を有する回転するピストン１を複数備え、シリンダー１の中心部にシャフト６７ｓを配置した同軸型の可変容積進行型ポンプ０２であって、ピストン１の回転に伴い往復運動を発生するピストン１の円筒面に設けた案内溝６８及びシリンダー１の内壁に設けた案内溝６８に噛み合うピン６９を備え、１つのシリンダー２に複数の気筒３を構成したことを特徴とする請求項１の可変容積進行型ポンプ０１
   
3. 回転軸６７、６７ｃ、６７ｓの回転角に対して弁５の開閉（クランクシャフト６７ｃに連動するカムにより弁５を開閉する構成の他、同軸型の可変容積進行型ポンプ０２にあっては、シャフト６７ｓとともに回転するピストン１と弁５にそれぞれに設けた案内溝６８の間隔により弁５の開閉を行うことを含む。）を行うように構成し、回転軸６７、６７ｃ、６７ｓの逆回転に対して、結合容積４が逆方向に進行し得ることを特徴とする請求項１から２の可変容積進行型ポンプ０１
   
4. 取り入れた空気を作動流体とする場合において、作動流体の膨張力を効率よく得るため、拡張行程８４の前にあらかじめ空気を圧縮する圧縮行程８３を有することを特徴とする請求項１から２の可変容積進行型ポンプ０１
   
5. シリンダー２を直接熱源に接触させて加熱、
   シリンダー２を輻射熱により加熱、
   熱源流体７４をシリンダー２の外側に設けた流路７に導き加熱、
   拡張を終えた作動流体をシリンダー２の外側に設けた熱帰還路７３に導き加熱、及び、
   高温のシリンダー２の表面から低温のシリンダー２へ熱を移送する送風ファン７２による熱移送機構、並びに、
   ヒートパイプなどによる熱を均一化することで熱を移送する機構のうち、
   何れか１つ以上を有すること特徴とする請求項１から４の可変容積進行型ポンプ０１
   
6. シリンダー２内で燃焼を行う内燃機関として構成するものであって、燃料噴射装置８１、点火装置８２、定量吸入シリンダー８９、定量排気シリンダー８８のうち何れか１つ以上を備えることを特徴とする請求項１から５の可変容積進行型ポンプ０１