WO2005050011A1

WO2005050011A1 - 循環式流体駆動力システム

Info

Publication number: WO2005050011A1
Application number: PCT/JP2003/015361
Authority: WO
Inventors: Kiyohito Nakai
Original assignee: Soui Co., Ltd.
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-02
Also published as: JP2005155343A; AU2003284513A1

Description

明細書循環式流体駆動力システム技術分野

本発明は、一定量の流体を循環させることで、長期的に動力を得るためのシステムに関する。背景技術

従来から、自然のエネルギーを利用して動力を得て、それを基に発電などを行う技術においては、火力 ·原子力 ·風力 ·地熱 ·太陽光式 ·水力等が用いられている。これらのうち、火力や原子力を用いる場合は、公害や環境破壊などが問題となることがあり、燃料や設備などコスト的な問題もある。また、風力や地熱や太陽光式においては、天候や地域、昼夜などに影響を受け易く、安定した動力を得られない等の難点がある。

このようなことに鑑み、自然エネルギーとして水力を用いて動力を得たり発電を行ったりする技術が広く開示されている。この水力を用いる技術のうち、例えば、特開平 5— 6 0 0 5 2号公報および特開平 7— 1 1 9 6 1 2号公報には、一定量の水を循環させることにより、水力を用いる際の量的な問題などを解決するとともに、モータや内燃機関などの駆動源を用いることなく、環境的な問題も解決するための技術が提案されている。

しかし、前記従来の技術においては、水を循環させることによって動力を得る際の出力軸等の回転は、高低差を利用した重力による水の落下によってのみ行われている。すなわち、落下する水の勢いだけで出力軸等を回転させており、その水は加圧されていないため、十分な駆動力（出力エネルギー）を効率良く得ることは難しい。

さらに、このような一定量の水を循環させることによって、長期的にエネルギ一を得る装置については、現実に実用化されているものは少なく、アイデアのみに留まっているのが現状である。そこで、本発明においては、一定量の流体（主として水）を、高圧をかけながら循環させることで、流体を落下させる高低差がさほど大きくなかったり、循環させる流体量がさほど多くなかったりしても、十分な駆動力を得ることを可能として、高低差による設置場所の問題や量的な問題を解決し、さらに、一定量の流体以外に、風力などの他の自然エネルギーや、モータ等の駆動源を用いることなく、クリーンエネルギーのみによつて長期間運転可能な循環式流体駆動力システムを提供することを目的とする。

¾明の開示

本発明は、仕切部によって隔てられる上部層と中間部層と下部層とを有する本体容器内部にて、一定量の流体を循環させることで動力を得る循環式流体駆動力システムであって、前記上部層から前記下部層に渡って設けられ、下部層の流体を上部層へと汲み上げるポンプと、前記上部層と前記中間部層との仕切部に設けられ、前記上部層から前記下部層へと流下する流体によって駆動し、前記ポンプを駆動するポンプ駆動水車と、前記上部層に備えられ、前記ポンプ駆動水車からの駆動力を伝達して前記ポンプを作動させるポンプ作動機構と、前記中間部層と前記下部層との仕切部に設けられ、前記上部層から前記下部層へと流下する流体によって駆動し、外部出力するための出力軸を駆動する出力水車と、前記上部層の圧力を一定に保持する圧力保持機構と、を備えるものである。このことによつて、本体容器内に一定量の水を循環させることによって動力を得ることができるので、水というクリーンエネルギーのみを用いて長期間運転可能であり、環境を損なうこともない。

また、本体容器内を循環する水のうち、流下する水は加圧された状態にあるので、大容量のダム等に匹敵する水力エネルギーを得ることができる。すなわち、発電などを行う際にダム等を建設する必要もなく、地域的、設置場所的な制限を受けることもない。言い換えると、本循環式流体駆動力システムは、その大きさ · 規模 ·構造を設置場所に最適なものとすることができる。

また、各部の作動は、本体容器内において行われるため、騒音などが発生することを防止することができる。さらに、初期駆動時も含め、本循環式流体駆動力システムを運転するための外部からの入力が不要であり、モータ等の駆動源を用いる必要もないため、故障が少なく、簡易なメンテナンスのみで長期間の運転が可能となる。

また、本発明は、前記ポンプが、下端部に逆止弁を有するシリンダと、該シリンダ内を往復運動し、下端部に逆止弁を有する中空の筒状部材であるピストンと、を備え、前記シリンダと前記ピストンとの隙間を流体通路とするプランジャ式のポンプとし、該ポンプは、前記ポンプ作動機構のポンプ駆動軸の両端部に固設される歯車に両側から係合した状態で相対蓮動する一対のポンプからポンプュニットを構成するものである。このことによって、ポンプユニットは、上部層から流下する水によって回転するポンプ駆動ュニットのエネルギ一に加え、ピストンの自重及び水による浮力を利用して作動することができる。

これにより、ポンプ作動機構のポンプ駆動軸の両端部に固設される歯車の駆動力を効率よく利用することができ、ポンプによる効率のよい水の汲み上げが可能となる。すなわち、本体容器内を循環する水のエネルギーを効率よく利用することができ、上部層から流下する量以上の水を下部層から上部層へと汲み上げることが可能となる。よって、上部層内の圧力を上昇させることができるので、上部層における水面の高さ以上の水頭圧を得ることができ、加圧された水を循環させることが可能となる。

このように、上部層から加圧された水を流下させることで、高低差による設置場所の問題や量的な問題を解決することができる。

さらに、本発明は、前記ピストンを、内部に流体を入れることで重さ調整可能な構成としてもよい。このことによって、ピストンの重さ、即ちピストンの水に対する比重を調整することが可能となるので、ピストンが水から得る浮力を調整することが可能となる。

これにより、ピストンにかかる浮力を、重力とのバランスや水の抵抗などを考慮して設定することができ、一対の相対運動するポンプにおけるピストンの一連の動作において、ポンプ作動機構のポンプ駆動軸にかかるトルクを小さくすることができる。すなわち、ポンプ駆動水車からのポンプ作動機構を介してポンプュニットに伝達されるエネルギーの伝達効率の向上を図ることができる。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明に係る循環式流体駆動力システムの全体概略構成を示す説明図である。

第 2図は、同じく斜視図である。

第 3図は、循環式流体駆動力システムの（a ) 正面図、及び（b ) 側面図である。

第 4図は、出力水車を示す側面一部断面図である。

第 5図は、第 4図における A— A断面図である。

第 6図は、第 4図における B— B断面図である。

第 7図は、ポンプ作動機構の平面図である。

第 8図は、第 7図における C一 C断面図である。

第 9図は、第 7図における D— D断面図である。

第 1 0図は、（a) シリンダ上昇時、及び（b ) シリンダ下降時を示す側面断面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の循環式流体駆動力システムは、高所に溜まった水等の流体が、低所に自然流下するときには流路の途中のどの位置においても常に高所に溜まっている流体の水頭圧がかかっており、そのため、流路の断面積を一定にすれば水頭圧に比例した流速を保つことができ、常時一定の流体による運動エネルギーを取り出すことができるという点に着目して構成したものである。以下、本発明の循環式流体駆動力システムの構成について各図を用いて説明していく。

まず、本発明の循環式流体駆動力システムの全体構成について、第 1図から第 3図を用いて説明する。

本発明の循環式流体駆動力システムは、円盤状のベ一ス台 2上に載置固定される略密閉状態の中空円筒状の本体容器 1内部にて、一定量の流体を循環させることで動力を得ることができるものである。なお、以下の説明においては、本体容器 1内部を循環させる流体の一例として、一般的に広く使用される水を用いるものとする。

本体容器 1は、その内部を仕切部によって上部層 3と中間部層 4と下部層 5との三つの空間に仕切られている。すなわち、上仕切部 6によって上部層 3と中間部層 4とが隔てられ、下仕切部 7によって中間部層 4と下部層 5とが隔てられている。そして、前記各層は、水の通路など以外は略密閉状態となっている。

また、本体容器 1の内部には、下部層 5の水を上部層 3へと汲み上げるための、相対運動する一対のプランジャ式のポンプ 5 1 · 5 1からなるポンプュニット 5 0が、下部層 5から上部層 3に渡って立設している。つまり、ポンプユニット 5 0のポンプ 5 1 · 5 1は、上下仕切部 6 · 7による各層の密閉状態を保持するとともに、下部層 5から上部層 3にかけて下仕切部 7及び上仕切部 6を貫通して設けられている。

上部層 3と中間部層 4との仕切部である前記上仕切部 6の略中央部には、ボンプュニット 5 0を駆動するためのポンプ駆動水車 8が設けられている。そして、このポンプ駆動水車 8の上方、即ち上部層 3には、ポンプ駆動水車 8の駆動力を伝達してポンプュニット 5 0を作動させるポンプ作動機構 1◦が設けられている。また、中間部層 4と下部層 5との仕切部である前記下仕切部 7の略中央部には、本循環式流体駆動力システムの出力軸 1 5を有する出力水車 9が設けられている。そして、上仕切部 6及び下仕切部 7のそれぞれ上方には、ポンプ駆動水車 8及び出力水車 9のぞれぞれの上部を支持するとともに、水がそれぞれのポンプに流入する勢いを確保するための空間を形成する仕切板 6 a及び仕切板 7 aがそれぞれ設けられている（第 1図参照)。これら仕切板 6 a及び 7 aには、任意の位置に複数の水の通路孔が形成されており、下方に向けて水を流下させることが可能となっている。

以上のような構成において、本体容器 1内の上部層 3及び下部層 5は、それぞれ上夕ンク部及び下夕ンク部としてその内部に常に水を蓄えており、水が上部層 3から下部層 5へと流下することで、ポンプ駆動水車 8及び出力水車 9が駆動する。

そして、出力水車 9が回転駆動することによって、この循環式流体駆動力システムから外部へ動力を出力するための出力軸 1 5が回転駆動する。また、ポンプ駆動水車 8が回転駆動することによって、ポンプ作動機構 1 0を介してポンプュニット 5 0が作動する。

このボンプュニット 5 0の作動によって、下部層 5に溜まっている水が上部層 3へと汲み上げられ、上部層 3には常に水が補充され続ける。つまり、前記ボンプ駆動水車 8及び出力水車 9は、上部層 3から下部層 5へと流下する水の流れを止めない限り回転し続ける構成となっている。

なお、出力水車 9は、下仕切部 7に並列的に複数個配置したり、中間部層 4に直列的に複数個配置したりすることができる。このように、出力水車 9を複数個設けることで、複数の出力の取り出し部（出力軸 1 5 ) を設けることができる。このようにして、上部層 3から下部層 5への水の流下と、下部層 5から上部層 3へのポンプュニット 5 0による水の汲み上げとによって、本体容器 1内部を水が循環することで出力軸 1 5が回転駆動し、この出力軸 1 5の回転により駆動力 (回転エネルギー）が得られる仕組みとなっている。

そして、本発明に係る循環式流体駆動力システムの実施形態の一例としては、第 3図に示すような外観のものとなる。

以下、循環式流体駆動力システムにおける各部の構成の詳細について説明していく。

まず、出力水車 9について第 4図から第 6図を用いて説明する。

出力水車 9は、略円筒状のケース 1 2内に、流下する水の勢いによって回転するロータ 1 3を有している。ケース 1 2は、上部空間 1 2 a及び下部空間 1 2 b の二つの空間に区切られており、上部空間 1 2 aに、ロータ 1 3が、上下を軸受などを介して支持される鉛直方向の回転軸 1 3 aによって回転自在に支承されている。また、ケース 1 2の下部空間 1 2 bには、出力水車 9をから下部層 5に流下する水の量を調整するための弁板 1 4が設けられている。

ロータ 1 3は、複数枚（本実施例においては 3枚）の羽根 1 6を有している。これらの羽根 1 6は、ロータ 1 3の平面視における半径方向に出入可能に設けられている。つまり、口一夕 1 3には、羽根 1 6が収納される凹部 1 3 tが形成されており、この凹部 1 3 bと羽根 1 6との隙間に水が流入することにより羽根 1 6が突出する構造となっている。そのため、羽根 1 6の側面には、凹部 1 3 bと羽根 1 6との隙間への水の流入を促すための溝部 1 6 aが形成されている。

なお、凹部 1 3 b内に、羽根 1 6を突出する方向に押し出すバネ部材を設けて、凹部 1 3 b内に流入する水に加えて、バネ部材によっても羽根 1 6を突出させることができる。

ケース 1 2の側面の一側部には、ケ一ス 1 2内に水が流入するための入水口 1 2 cが形成されており、同じくケース 1 2の底面には、ケース 1 2内の水をケース 1 2外へ排水するための排水口 1 2 dが形成されている。

また、ケース 1 2の上部空間 1 2 aの側面の内側面には、口一夕 1 3の回転にともなう羽根 1 6の口一夕 1 3内への収納を促すための凸部 1 2 eが形成されている。この凸部 1 2 eは、ロータ 1 3の回転方向に対して、前記入水口 1 2 cの直前に設けられ、先端部がロータ 1 3と略接触するように形成されている。すなわち、第 5図に示すように、ケース 1 2の上部空間 1 2 aは、凸部 1 2 eとロータ 1 3とによってその空間が仕切られている。

このような構成において、前記入水口 1 2 cからは常に水が流入しており、口一夕 1 3が回転するとともに、羽根 1 6は、前記凸部 1 2 eの曲面に沿いながら凹部 1 3 bに収納される。その後、羽根 1 6が凸部 1 2 eとロータ 1 3との略接触部を過ぎると同時に、入水口 1 2 cから流入している水が羽根 1 6とロータ 1 3の凹部 1 3 bとの隙間に流れ込む。これにより羽根 1 6が突出し、入水口 1 2 cからの水の勢いによって羽根 1 6が押されてロー夕 1 3は回転力を得る仕組みとなっている。

そして、入水口 1 2 cから流入してロータ 1 3に回転力を与えた水は、そのまま排水口 1 2 dから下方の下部空間 1 2 bへと排出される。つまり、流入する水が実際にロー夕 1 3へ回転力を与えるのは、入水口 1 2 cから排水口 1 2 までの間の水の流れによるものであり、ロータ 1 3は、この間を流れる水によって順次羽根 1 6を介して回転力を得ている。

すなわち、ケース 1 2の内側面に形成される凸部 1 2 eは、口一夕 1 3と略接触することでケース 1 2の上部空間 1 2 aを仕切ることにより、入水口 1 2 cから流入する水の勢いが分散しないようにしている。そして、この凸部 1 2 eによる仕切りに対応するため、羽根 1 6はロータ 1 3に対して出入可能に設けられている。

このような構造の出力水車 9において得られた駆動力は、ロータ 1 3の回転軸 1 3 aと同軸上に上方に向けて設けられる駆動軸 1 7の端部に固設された傘歯車 1 7 aと、この傘歯車 1 7 aと嚙合する傘歯車 1 5 aとを介して循環式流体駆動カシステムの出力軸 1 5に駆動力を与える。

なお、この傘歯車 1 7 aと 1 5 aとの嚙合部は、潤滑油などが充填されたギアケース 1 8によって覆うことにより、水との接触を断つとともに円滑な動力伝達を可能とすることもできる。

一方、ケース 1 2の上部空間 1 2 aから排水口 1 2 dを介して流下した水は、下部空間 1 2 bへと流入する。この下部空間 1 2 bの底面には、水を下部層 5に流下させるための複数（本実施例では 4つ）の排出孔 1 2 fが形成されており、この排出孔 1 2 f上には、排出孔 1 2 f を閉じることができる前記弁板 1 4が回転可能に設けられている。この弁板 1 4は、平面視で十字状の板状部材であり、その中心に回転軸 1 4 aを有し、この回転軸 1 4 aを中心に回転することにより、前記排出孔 1 2 f の開閉を行うことができる。つまり、弁板 1 4の回転を調整することにより、排出孔 1 2 fから流下する水の量を調整できる構造となっている。そして、弁板 1 4の回転軸 1 4 aは下方に向けて延設されており、この下端部にピニオンギア 2 0が固設されている。このピニオンギア 2 0には、ラックギア 2 1が嚙合しており、このラックギア 2 1は、本体容器 1の外側に延設されて、本体容器 1の外部外部から操作可能な出力調整八ンドル 1 9 (第 3図参照）を回転操作することによりピニオンギア 2 0を回転させる方向に移動する構成となつている。すなわち、この弁板 1 4の回転は、本体容器 1の外部から操作可能な出力調整ハンドル 1 9を操作することによって調整することができる。

このような構造から、出力調整ハンドル 1 9を操作することで弁板 1 4の回転を調整することができ、排出孔 1 2 fから流下する水の量を調整することができる。この排出孔 1 2 fから流下する水の量を調整することにより、出力水車 9のロータ 1 3の回転を調整することができる。また、弁板 1 4によって排出孔 1 2 f を閉じることにより、出力軸 1 5の回転を停止させることもできる。すなわち、出力調整八ンドル 1 9によって、出力軸 1 5から得られる駆動力の調整及び出力の停止を行うことができる。

次に、ポンプ駆動水車 8について第 1図を用いて説明する。

ポンプ駆動水車 8は、ケース 2 2内に、上述の出力水車 9と略同一構造のロー夕 2 3を有しており、このケ一ス 2 2内に流入する水の流れによって駆動力を得る構造となっている。そして、このポンプ駆動水車 8によつて得られる駆動力は、ロータ 2 3の回転軸と同軸上に上方に向けて設けられる駆動軸 2 5の端部に固設された章歯車 2 5 aと、この傘歯車 2 5 aと嚙合し、伝動軸 2 6の一端に固設される傘歯車 2 6 aを介して伝動軸 2 6に伝動される。この伝動軸 2 6の駆動力は、伝動軸 2 6の他端に固設されている傘歯車 2 6 bと、該傘歯車 2 6 bと嚙合する傘歯車 2 7 aを有する伝動軸 2 7とを介して、ポンプュニット 5 0を作動させるポンプ作動機構 1 0へと伝動される構造となっている。

なお、これら傘歯車 2 5 aと 2 6 a、及び傘歯車 2 6 bと 2 7 aの嚙合部も、潤滑油などが充填されたギアケース 2 4によって覆うことにより、水との接触を断つとともに円滑な動力伝達を可能とすることができる。

続いて、ポンプ作動機構 1 0について第 7図から第 9図を用いて説明する。ポンプ作動機構 1 0は、ポンプ駆動水車 8によって得られた駆動力をポンプュニット 5 0に伝達して、ポンプュニット 5 0を規則的に作動させるための機構である。

ポンプ作動機構 1 0は、前記伝動軸 2 7の上端に固設されたピニオンギア 2 7 bと嚙合してポンプ駆動水車 8からの動力が伝達されるギアホイル 2 8を対称に、上下に略同一構造の上部機構と下部機構とを平面視において本体容器 1の中心に対して 9 0度ずらした状態で有している。つまり、ギアホイル 2 8の上下には、上カムプレート 2 9及び下カムプレート 3 0がそれぞれ固設されており、上カムプレート 2 9によって上部機構が駆動し、下カムプレート 3 0によって下部機構が駆動する。

なお、以下の説明においては、上部機構及び下部機構にて共通する部分は上部機構についてのみ説明し、下部機構については同一の符号を付して説明を省略する。前記ギアホイル 2 8は、上カムプレート 2 9及び下カムプレート 3 0とともにギアユニット 3 1を構成し、このギアユニット 3 1は、略円筒状のドラム 3 2と該ドラム 3 2の上下に固設される円盤状の上ベースプレート 3 3及び下ベースプレート 3 4とからなり、本体容器 1と一体的に構成される円筒状のケース内に収納されている。このケース内においてギアュニット 3 1は回転自在に支持されている。つまり、下べ一スプレ一ト 3 4には複数の支持ローラ 3 5が立設しており、これらの支持ローラ 3 5にギアュニット 3 1の下カムプレー卜 3 0の外周部が嵌合することで、ギアユニット 3 1が回転自在な状態で支持される。

また、上ベースプレート 3 3の中央部には、ラックギア 3 7が、その歯面を上ベースプレート 3 3の上外側に向け、長板状のガイドブレート 3 6 · 3 6を介して摺動可能に設けられている。ガイドプレート 3 6 · 3 6は、上べ一スプレート 3 3の略中央部に若干の間隔を隔てて固設されており、ラックギア 3 7は、この二枚のガイドブレート 3 6 · 3 6に挟まれた状態で摺動する。

そのため、ラックギア 3 7の両側面には、ガイドプレート 3 6 · 3 6が嵌合するための溝部が形成されており、摺動方向の断面視で略ェ字状となっている。つまり、ラックギア 3 7は、その両側面にガイドブレート 3 6 · 3 6が嵌合することによって上ベースプレート 3 3上にて摺動可能に支持されるとともに、これらガイドプレート 3 6 · 3 6によって、上べ一スプレート 3 3の直径方向に摺動方向を規制されている。

ラックギア 3 7は、その摺動方向の前後端部それぞれにおいて下方にローラ 3 8 - 3 8を有している。このローラ 3 8 · 3 8は、前記上カムプレート 2 9の内周面と接触するように設けられ、ギアユニット 3 1の回転にともなう上カムプレ —ト 2 9の回転によってラックギア 3 7を摺動させる。すなわち、上カムプレート 2 9 (及び下カムプレート 3 0 ) は、その内周面が平面視において略ハート型に形成されており、この上カムプレート 2 9が回転することによって、ラックギァ 3 7がローラ 3 8 · 3 8を介して前記ガイドブレート 3 6 ■ 3 6によって規制されている方向に摺動する構造となっている。言い換えると、上カムプレート 2 9によって、ギアュニット 3 1の回転運動をラックギア 3 7の往復直線運動に変換しているのである。また、上ベースプレート 3 3上には、ポンプ駆動軸 3 9が、その左右端部及び中間部を軸受台 4 0 · 4 0 · 4 0によって回転自在に支持され、平面視でラックギア 3 7と直交した状態で設けられている。ポンプ駆動軸 3 9は、その中央部にラックギア 3 7の歯面と嚙合するピニオンギア 3 9 aを有しており、ラックギア 3 7の往復直線運動にともなって回転する構成となっている。そして、ポンプ駆動軸 3 9の両端部には、ポンプュニット 5 0へと動力を伝達するギアホイル 4 2 · 4 2が固設されている。

このような構成のポンプ作動機構 1 0は、上部構造によって対向する一組のポンプュニット 5 0 · 5 0を駆動し、下部構造によってもう一組のポンプュニット 5 0 · 5 0を駆動するため、上部構造と下部構造とを略 9 0度ずらした状態で構成することで、本体容器 1内において下部層 5から上部層 3に渡って立設する各ポンプユニット 5 0が互いに干渉することなく作動することを可能としている。以上のような構成のポンプ作動機構 1 0によって、ポンプ駆動水車 8からの駆動力が伝動軸 2 7のピニオンギア 2 7 bを介してギアホイル 2 8に伝達され、ギァホイル 2 8が回転することによって上カムプレート 2 9及び下カムプレート 3 0も回転し、これら上下のカムプレートの回転によって上下それぞれのラックギァ 3 7が往復直線運動する。そして、このラックギア 3 7の往復直線運動が、ピ二オンギア 3 9 aによってポンプ駆動軸 3 9を、一定の回転範囲内において回転方向を交互に変えながら回転運動させる。これにともない、ポンプ駆動軸 3 9の両端のギアホイル 4 2 · 4 2も一定の回転範囲内において回転方向を交互に変えながら回転運動する。このギアホイル 4 2 · 4 2の回転運動がポンプュニット 5 0の各ポンプ 5 1を作動させる。

次に、ポンプュニット 5 0及びポンプ 5 1について第 1 0図を加えて説明する。ポンプ 5 1は、プランジャ式のポンプであり、対をなして相対運動するポンプュニッ卜 5 0を構成している。

ポンプ 5 1は、側面断面視で門状の基部 5 2と、該基部 5 2上に立設する円筒状のシリンダ 5 3と、該シリンダ 5 3内を摺動するピストン 5 4とから構成される。

シリンダ 5 3は、その下端部に形成される吸水口 5 3 aを弁体 5 6によって開閉する逆止弁 5 5を有している。

ピストン 5 4は、中空の筒状部材であるピストン本体 5 7と、該ピストン本体 5 7の上面に固設され、ポンプ作動機構 1 0のギアホイル 4 2と嚙合するラックギア 5 8と、ピストン本体 5 7の下端部に固設されるピストンヘッド 5 9とから構成される。

ピストン本体 5 7は、シリンダ 5 3の内径との間に若干の隙間を有するようにその外径が設定されている。そしてこの隙間が後述するように水の通路となる。また、ビストン本体 5 7は、中空内部の下端側に仕切 5 7 bを設けることでその内 ¾5空間を隔てるとともに、下端 ¾5に形成される吸水口 5 7 aを弁体 6 1によつて開閉する逆止弁 6 0を有している。そして、ピストン本体 5 7の仕切 5 7 ょりも下側の側面には、水が通るための通路孔 5 7 cが形成されている。

ラックギア 5 8は、ピストン 5 4においてピストン本体 5 7の上端部から上方に向けて延設され、その歯面をポンプ作動機構 1 0のギアホイル 4 2と係合させることで、ギアホイル 4 2の回転運動をピストン 5 4の上下運動に変換するものである。そのため、ピストン 5 4のシリンダ 5 3内におけるピストン行程に対応するに充分な長さを有している。

ビストンへッド 5 9は、その外径をシリンダ 5 3の内径と略同一とし、中心部に吸水孔 5 9 aを有する環状の部材である。

以上のような構成のポンプ 5 1による水の汲み上げ作用について、第 1 0図を参照しながら説明する。

まず、シリンダ 5 3内においてピストン 5 4が上昇することによって、シリンダ 5 3の下端部の逆止弁 5 5が開状態となり、下部層 5に溜まっている水が基部 5 2の下部に形成されている吸水口 5 2 aから流入し、逆止弁 5 5を介してシリンダ 5 3内に流入する。このとき、ピストン 5 4の下端部の逆止弁 6 0は水圧によって閉状態となっており、ピストン 5 4側から水が流下することはない。このように、ピストン 5 4が上昇することによって、シリンダ 5 3内のピストンへッド 5 9よりも下側の空間に下部層 5からの水が入った状態となる（第 1 0図（a ) 参照)。

そして、シリンダ 5 3の下側に水が溜まっている状態から、ピストン 5 4が下降すると、このシリンダ 5 3内の水がピストンヘッド 5 9によって圧縮されることによってシリンダ 5 3の逆止弁 5 5が閉状態となるとともに、ピストン 5 4の下端部の逆止弁 6 0が開状態となる。つまり、シリンダ 5 3内の水が、ピストンへッド 5 9の吸水孔 5 9 aから逆止弁 6 0を介してピストン 5 4内に流入し、ピストン本体 5 7の通路孔 5 7 cからピストン 5 4外へ排出され、ピストン 5 4とシリンダ 5 3との隙間を通って上昇し、シリンダ 5 3の上端の開口部 5 3 から排出される（第 1 0図（b )参照)。このシリンダ 5 3の開口部 5 3 bは、上部層 3において開口しているため、ポンプ 5 1によって汲み上げられた水は、上部層 3に溜まっていく。すなわち、このポンプ 5 1において、シリンダ 5 3とピストン 5 4のピストン本体 5 7との隙間を水の通路とし、下部層 5の水を上部層 3へと汲み上げているのである。

このような構造によって水を下部層 5から上部層 3へと汲み上げるポンプ 5 1 が、ラックギア 5 8をポンプ作動機構 1 0のギアホイル 4 2に左右両側から係合した状態で配置され、相対運動する一対のポンプュニット 5 0を構成している。このポンプユニット 5 0では、ギアホイル 4 2の回転にともなって、一方のポンプ 5 1のピストン 5 4が上昇しているときは、他方のポンプ 5 1のピストン 5 4 が下降する。つまり、一対のピストン 5 4は互いに逆方向に同じ長さだけ昇降して、一対のポンプ 5 1が交互に水を汲み上げる構造となっている。

このような構造において、ピストン本体 5 7は、その内部を中空にすることによって、水からの浮力が得られるようにしている。つまり、ピストン 5 4は、シリンダ 5 3内の水によって、ピストン行程と近似する距離範囲内において浮力を受けることを可能としている。この浮力を効率よく利用するため、上述のような構造のポンプ 5 1を、ポンプ駆動軸 3 9の両端部に固設されているギアホイル 4 2に対して左右両側からラックギア 5 8を係合させることでピストン 5 4が吊り下げられた状態になるように配置する。

こうすることで、一対のポンプ 5 1における、それぞれのピストン 5 4の重さを同じにすることにより、両方のピストン 5 4が釣り合った状態となる。すなわち、ポンプ駆動軸 3 9を支点とする天秤のように、両方のピストン 5 4には常に釣り合いを保とうとする力が働くこととなる。このように、ポンプユニット 5 0は、上部層 3から流下する水によるポンプ駆動水車 8の駆動力に加え、ピストン 5 4の自重及び水による浮力を利用して作動している。これにより、ギアホイル 4 2の駆動力を効率よく利用することができ、より効率の良いポンプ 5 1による水の汲み上げが可能となり、上部層 3から流下する水量以上の量の水を下部層 5から上部層 3へと汲み上げることができる。さらに、ビストン本体 5 7は、その中空内部に水等の流体またはその他の重りを入れることができるように構成されている。例えば、上面を開閉可能な蓋体 5 7 dとすること等により、ピストン本体 5 7内部に水等の重りを入れることができるようにし、ピストン 5 4の重さを調整可能とする。この際、水による浮力を得ることでポンプ 5 1作動に係る動力を小さくするため、ピストン 5 4の水に対する比重は 1よりも小さく設定される（本実施例では 0 . 6程度に設定)。このような構成にすることにより、ピストン 5 4の重さ、即ちピストン 5 4の水に対する比重を調整することが可能となるので、ピストン 5 4が水から得る浮力を調整することが可能となる。つまり、ピストン 5 4にかかる浮力は、重力とのバランスや水の抵抗などを考慮し、ポンプ 5 1におけるピストン 5 4の上昇及び下降それぞれの過程において、ポンプ作動機構 1 0のポンプ駆動軸 3 9にかかるトルクが小さくなるように設定される。

これにより、ポンプ駆動水車 8からのポンプ作動機構 1 0を介してポンプュニット 5 0に伝達されるエネルギーの伝達効率の向上を図ることができる。

以上の構成におけるポンプ駆動水車 8からポンプュニット 5 0への一連の動力伝達を説明する。

まず、上部層 3から流下する水によってポンプ駆動水車 8が回転する。このポンプ駆動水車 8の駆動力が傘歯車などを介して伝動軸 2 7へと伝達される。そして、伝動軸 2 7の駆動力がピニオンギア 2 7 bを介してギアュニット 3 1のギアホイル 2 8へと伝達される。このギアホイル 2 8が回転するとともに上カムプレ —ト 2 9及び下カムプレート 3 0も回転する。

これら上下のカムプレートが回転することによって、ポンプ作動機構 1 0の上部構造及び下部構造それぞれのラックギア 3 7が往復直線運動をする。このギアユニット 3 1の上下において平面視で直交する方向に往復直線運動するそれぞれのラックギア 3 7によって上下のポンプ駆動軸 3 9が一定範囲内をその回転方向を交互に変えながら回転する。

そしてこのポンプ駆動軸 3 9の両端に固設されたギアホイル 4 2 · 4 2の回転によって、ラックギア 5 8を介して各ポンプ 5 1のピストン 5 4が上下運動する。すなわち、前記ギアホイル 2 8がー回転することによって、上下それぞれのラックギア 3 7がー往復し、このラックギア 3 7がー往復することによって、ポンプュニット 5 0の一対のポンプ 5 1がー回ずつ水を排出する構造となっている。また、上下のポンプ駆動軸 3 9は、各ラックギア 3 7と直交した状態に設けられるので、平面視で直交した状態となる。つまり、図 2に示すように、各ポンプ駆動軸 3 9の両端のギアホイル 4 2に対して一対のポンプ 5 1からなるポンプュニット 5 0が設置されるので、本体容器 1内において計 4組のポンプュニット 5 0 (計 8本のポンプ 5 1 ) が互いに干渉しないように設けられる。

このように、ポンプ駆動水車 8によって複数のポンプ 5 1を作動させることにより、本体容器 1内において一定量の水を循環させているのである。そしてこの循環する水の勢いによって出力水車 9が回転し、出力軸 1 5からの出力が得られるのである。なお、本循環式流体駆動力システムの本体容器 1内に設けられるポンプュニット 5 0の本数等は本実施例に限定されるものではなく、また、 1つの出力水車 9から複数の出力軸を設けたり、出力水車 9を複数設けたりすることもできる。

以上のような構成の本循環式流体駆動力システムの初期駆動時においては、まず、上部層 3及び下部層 5それぞれに適量の水を溜めた状態にする。この状態では、上部層 3及び下部層 5には水が満たされることなく、それぞれ所定の空間が確保されている。つまり、上部層 3においては、汲み上げられる水により上部層 3内の水量を増加させて高圧力を得るため、下部層 5においては、出力水車 9から流下する水の勢いを確保し、出力水車 9の回転速度を確保するため、それぞれにおいて水が満たされることはないように調整される。これは、循環式流体駆動カシステム作動中に水が循環している間も同様である。

この初期駆動状態から、上部層 3から流下する水によってポンプ駆動水車 8が駆動し始める。そして、ポンプ駆動水車 8の動力により、ポンプ作動機構 1 0を介して各ポンプュニット 5 0が作動する。このポンプュニット 5 0の作動によつて下部層 5の水が汲み上げられ上部層 3へは常に水が供給される。

このように複数のポンプュニット 5 0によって汲み上げられる水の量は、上部層 3から流下する水の量よりも多いため、上部層 3内の圧力が上昇する。これにより、上部層 3における水面の高さ以上の水頭圧を得ることができ、加圧された水を循環させることが可能となる。

また、上部層 3の圧力が必要以上に上昇することを防止するため、圧力保持機構として、調圧弁 6 5を有するバイパス 6 6が、上部層 3と、中間部層 4及び下部層 5とを連通するように設けられている（第 1図参照)。これにより、上部層 3 内の圧力が、調圧弁 6 5によって設定されている圧力以上となった場合、上部層 3内の水がバイパス 6 6を通って中間部層 4及び下部層 5へと排出される。つまり、上部層 3から下部層 5へと流下する水量と、バイパス 6 6を通って下部層 5へと流入する水量との合計は、ポンプュニット 5 0によって汲み上げられる水量と略同じとなっており、本体容器 1内において長期的に加圧された水を循環させることが可能となっている。

また、下部層 5は、出力水車 9から流下する水の勢いを確保するため、その内部の圧力を大気圧と略同じ（より好ましくは負圧）にすることが望ましい。そのため、下部層 5には、該下部層 5を外気と連通させるためのエア抜き 6 7が設けられている（第 1図参照）。このエア抜き 6 7を設けることにより、下部層 5内部の圧力が常に大気圧と略同じとなり、出力水車 9から流下する水の勢いを確保することができ、常に安定した出力軸 1 5からの駆動力を得ることができる。なお、このエア抜き 6 7の本体容器 1外部側から真空ポンプ等によって下部層 5内を負圧にすることにより、本体容器 1内における水の循環を促すことも可能である。また、本体容器 1の下端部には、メンテナンス時などに本体容器 1内の水を抜いたり、水を入れ替えたりするための水抜き 6 8が設けられている（第 3図参照)。以上の説明の本発明の循環式流体駆動力システムを用いることにより、次のような効果を得ることができる。

まず、一定の本体容器 1内に一定量の水を循環させることによって動力を得ることができるので、水というクリーンエネルギーのみを用いて長期間運転可能であり、環境を損なうこともない。また、本体容器 1内を循環する水のうち、流下する水は加圧された状態にあるので、大容量のダム等に匹敵する水力エネルギーを得ることも可能である。すなわち、発電などを行う際にダム等を建設する必要もなく、地域的、設置場所的な制限を受けることもない。言い換えると、本循環式流体駆動力システムは、その大きさ ·規模 ·構造を設置場所に最適なものとすることができる。

また、本システムの各部の作動は、本体容器 1内において行われるため、騒音などが発生することを防止することができる。

さらに、初期駆動時も含め、本循環式流体駆動力システムを運転するための外部からの入力が不要であり、モータ等の駆動源を用いる必要もないため、故障が少なく、簡易なメンテナンスのみで長期間の運転が可能となる。産業上の利用可能性

本発明の活用例として、広く一般的に発電のために利用することが可能である。本システムを発電に用いた場合、外部入力が不要で独立した運転を可能としているため、本システムを複数用いることによって一斉に停電することを防止することが可能となる。この発電に関しては、電気自動車の駆動エネルギーとして利用することも可能である。この場合、走行しながら発電し続け充電不要の電気自動車となる。

また、循環させる流体を圧縮 ·加圧空気とすることで、空気エンジンシステムとして利用することも考えられる。この場合、航空機や船舶などの動力源として活用でき、航空機の夕一ビンやプロペラ機のプロペラを動かすための動力源としての高圧空気エンジンシステムとなる。

さらに、本循環式流体駆動力システムの循環形式を、ナノテク技術等の精密システムに応用することが可能である。この場合、例えば医療分野における人工心肺や人工透析システム等に用いることが可能である。

また、この循環形式を空気自体の循環に用いることにより、空調システムとしての活用の可能性も考えられる。この場合、ビニールハウス等の小空間施設からドーム型施設等の大空間施設まで利用することができる。

Claims

1 . 仕切部によって隔てられる上部層と中間部層と下部層とを有する本体容器内部にて、一定量の流体を循環させることで動力を得る循環式流体駆動力システムであって、前記上部層から前記下部層に渡って設けられ、下部層の流体を上部層へと汲み上げるポンプと、前記上部層と前記中間部層との仕切部に設けられ、前請

記上部層から前記下部層へと流下する流体によって駆動し、前記ポンプを駆動するポンプ駆動水車と、前記上部層に備えられ、前記ポンプ駆動水車からの駆動力の

を伝達して前記ポンプを作動させるポンプ作動機構と、前記中間部層と前記下部層との仕切部に設けられ、前記上部層から前記下部層へと流下する流体によって囲

駆動し、外部出力するための出力軸を駆動する出力水車と、前記上部層の圧力を一定に保持する圧力保持機構と、を備えることを特徴とする循環式流体駆動力システム。 .

2 . 前記ポンプは、下端部に逆止弁を有するシリンダと、該シリンダ内を往復運動し、下端部に逆止弁を有する中空の筒状部材であるピストンと、を備え、前記シリンダと前記ピストンとの隙間を流体通路とするプランジャ式のポンプとし、該ポンプは、前記ポンプ作動機構のポンプ駆動軸の両端部に固設される歯車に両側から係合した状態で相対運動する一対のポンプからポンプュニットを構成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の循環式流体駆動力システム。

3 . 前記ピストンを、内部に流体を入れることで重さ調整可能な構成としたことを特徵とする請求の範囲第 2項記載の循環式流体駆動力システム。