JPH09501218A - ガス駆動機械的振動機および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 シリンダ(12)およびシリンダ(12)内で往復動するのに適した浮動ピストン(15)の両側における一対の膨脹室(13,14)を有するエンジン(10)を含むガス駆動振動装置。ピストン(15)はシリンダ(12)を通って圧縮機(17)内に延びるピストンロッド(16)に取付けられる。圧縮空気はタンク(20)から調節ねじに取付けられかつ摺動可能にピストンロッド(16)上に配置された一対の弁(22,23)を通ってエンジン(11)に供給される。弁(22,23)の間隔はシリンダ(12)内のピストン(15)の振幅を変更するため調節可能である。ピストンロッド(16)は離れた溝(24,25)を有し、各溝は各弁(22,23)内側の通路と交互に整合して、シリンダ(12)の各室(13,14)に圧縮空気のパルスを伝達する。水銀がタンク(42)に対して供給、排出され、タンク(42)は振動機(10)の慣性を変更するためピストンロッド(16)に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス駆動機械的振動機および方法 発明の技術分野 本発明はガス駆動機械的振動機および振動機を使用して膨脹するガスのエネル ギを機械的仕事に変換する方法、とくに、ただし限定されるものではないが、振 動する質量を空気クッションに対して重い負荷を加速する動的直線振動機に関す るものである。 背景技術 多くのエンジンは、燃料工程中の膨脹するガスのエネルギが通常ピストンを駆 動する機械的仕事を発生するため使用されるという、理論を利用しかつその理論 に基づいて運転される。この工程は内燃エンジンにおいて利用される。 本発明は、物理的理論を通常うけ入れられる技術とは異なった方法で利用する ことにより、この一般的種類の現存するガス駆動機械的振動機に対して有用な代 替物および膨脹するガスのエネルギを機械的仕事に変換する方法を得るため開発 された。 発明の要約 本発明の特徴の一つは、膨脹するガスのエネルギを機械的仕事に変換する下記の 工程を含む方法にある。 (1) 連続したガスのパルスを正圧で可変振幅機械的振動機の補完的膨脹室に伝 達して、その振動部材を膨脹するガスが負荷のもとで仕事をするように振動させ ること、 (2) 前記パルスを前記室に所望の振幅に達するまで前記振動部材の振動の振幅 を徐々に増大させながら引続いて伝達すること、 (3) 前記パルスを前記室に前記所望の振幅を維持しながら引続いて伝達するこ と。 この方法は通常、前記パルスを前記室に引続いて伝達しながら前記振動部材の 慣性を徐々に増大する工程をさらに含んでいる。 この方法は通常、前記振動部材を使用し、直接または間接に圧縮機を駆動して ガスを圧縮する工程をさらに含んでいる。 別のかつ代わりの方法の工程において、前記振動部材は直接または間接に電気 を発生するため使用される。 別のかつ代わりの工程において、前記振動部材は直接または間接に空気を液化 するため使用される。 別のかつ代わりの工程において、前記振動部材は直接または間接に圧縮機およ び発電機複合体を駆動するため使用される。 別の特徴によれば、ケーシング、ケーシング内の複数の膨脹室、および前記室 の可動壁を含む振動部材が設けられ、該振動部材は室内のガスの補完的膨脹およ び室からのガスの排出に応じて振動するのに適し、また最初の小さい振幅から大 きい振幅まで前記振動部材の振幅を変化すべく作動する制御装置を設けられる。 通常制御装置は、その振動中前記振動部材の慣性を増 大する慣性可変装置を備えている。ガスが連続したガスパルスとして室に供給さ れる別の形式において、前記制御装置は振幅を増大するため室に伝達される連続 した前記パルスを制御する弁装置を備えるのが好ましい。 とくに好ましい形式において、膨脹室はシリンダおよびシリンダ内のピストン を有する複動空気シリンダ装置の向合った各室であり、振動部材は前記ピストン を有しかつ前記シリンダ装置の外部に取付けられ往復動負荷を有し、前記ピスト ンおよび前記負荷は一緒にまた好ましくは長いピストンロッド上で運動すべく取 付けられ、前記ピストンロッドは横方向に離れた溝および前記ピストンロッドに 沿って移動しうる軸線方向に移動可能でかつ位置決め可能な弁装置を備え、前記 弁装置は圧縮ガス源にまた同時に前記シリンダに連通する通路装置を有し、前記 溝は前記弁装置の離れた各通路に交互に整合してガスのパルスを複動空気シリン ダ装置の膨脹室に供給し、振動部材を振動させる。 さらに別の特徴において、シリンダおよびシリンダに往動すべく取付けられた ピストンおよびピストンロッドを有する複動空気シリンダ装置、圧縮空気源、圧 縮空気を圧縮空気源からピストンの両側に交互に供給してピストンをシリンダ内 で往復動させる弁装置を有する交流電力供給源が設けられ、ピストンロッドはピ ストンに組合わされてシリンダから突出し、ピストンロッドはピストンの往復動 によって駆動される交流発電機を支持してい る。 さらにまた別の特徴において、シリンダおよびシリンダ内で往動すべく取付け られたピストンおよびピストンロッドを有する複動空気シリンダ装置、圧縮空気 源、圧縮空気を圧縮空気源からピストンの両側に交互に供給してピストンをシリ ンダ内で往復動させる弁装置を有する圧縮機が設けられ、ピストンロッドはピス トンに組合わされてシリンダから突出し、ピストンロッドは移動するピストン装 置およびピストンの往復動によって駆動される空気圧縮機の慣性を増大する慣性 可変装置を支持している。 本発明を一層容易に理解するためまた実施するため、本発明の好ましい実施例 を説明する図面を参照するが、図面は本発明の好ましい実施例を示し、その中で 、 図１は本発明の好ましい実施例によるガス駆動機械的振動機の斜視図、 図２は機械的ならびに電気的制御装置を示す、図１の振動機の略断面図、 図３は交流発電機に対する本発明の適用を示す別の実施例の略断面図、 図４は本発明による代表的振動機の定常状態における振動数および振幅を達成 するための連続した制御を示す流れ図、そして、 図５は空気液化設備に対する本発明の適用を示す略図である。 ガス駆動機械的振動機１０は、その主要部分としてケーシング１２およびシリ ンダ１２内で往復動するのに適した浮動ピストン１５の両側の一対の膨脹室１３ および１４を有するエンジン１１を使用する。ピストンはシリンダ１２を通って 圧縮機１７内に延びるピストンロッド１６に取付けられ、圧縮機１７はシリンダ １８およびピストン１５ともに移動するためピストンロッド１６に取付けられた ピストン１９を有する。空気貯蔵タンク２０は圧縮空気を通常７から２１kg／cm² （１００〜３００ｐｓｉ）の間の圧力で保持する。タンク２０内の圧縮空気は 上流に設置された圧縮機を使用して発生される。上流の圧縮機は電動機、内燃エ ンジン、風車などを含む適当な装置によって駆動することができる。タンク２０ の下流の弁２１は、タンク２０から一対の弁２２および２３を通ってエンジン１ １に至る圧縮空気の供給を制御し、弁２２および２３は調節ねじに取付けられピ ストンロッド１６上に摺動可能に設置されている。弁２２および２３の間隔は、 シリンダ１２内のピストン１５の振幅を変更するため調節することができる。各 弁は反対方向に同じ量だけ移動することができる。ピストンロッド１６は離れた 溝２４および２５を有し、それらは交互に各弁２２および２３の内側の通路と整 合して、各整合運動において圧縮空気のパルスをタンク２０からシリンダ１２の 各室に伝達する。ピストン１５は、弁２２および２３の間隔によって設定された 振幅に応じて振動する。弁２２ および２３は調節ねじ２６上に取付けられ、それらは所望に応じて接離すること ができる。 図示の実施例において、シリンダ１２は二つの流入口２７，２８および排出口 ２９を有する。圧縮空気のパルスが膨脹室に進入してピストンを移動させるとき 、ガスは膨脹して冷却し、ついで冷たい膨脹したガスは排出口２９を通って排出 し、圧縮機１７の各流入口を通って流れる。 圧縮機１７はエンジン１１からの流入口３０，３１を有するが、流入口３２， ３３は大気からも逆止弁を通って空気を吸込む。また逆止弁は別の流入口にも使 用され、空気を貯蔵タンク内に圧縮するため、各衝程中排出口３５および３６を 通って空気を積極的に移動させる。 図１および図２の実施例において慣性可変装置３８が使用され、この装置は水 銀貯蔵タンク３９、弁４０およびタンク４２に連通する水銀供給シュート４１を 有する。タンク４２はピストンロッド１６に固定され、それと一緒に振動するの に適している。第２の弁４３がタンク４２からポンプ４３に水銀を排出するため 使用され、ポンプ４３は水銀を貯蔵タンク３９に戻す。タンク４２に水銀を追加 することにより、タンク３７内の圧力が徐々に増加するのに打勝つため、ピスト ンロッド１６およびピストン１５および１９を含む装置の振動部分の慣性を増大 することができる。装置は一層高圧のガスを発生するため運転を続け、そこでガ スはタンク３７から供給され るか、圧縮機１７の流入弁が閉鎖される。そこで、ピストン用の定圧空気クッシ ョンが得られ、振動機は一定の振幅および振動数で往復動する。 通常の運転中、始動の際、通常最初にピストンロッド１６を位置決めするため 空気シリンダ４５および４６が使用され、溝２４および２５の一方が各弁２２ま たは２３の対応する通路と整合される。この整合は手動的に実施することができ る。弁２２および２３は低振幅運転のため接近せしめられる。ついで弁２１が開 放される。一旦弁２１が開放されると、圧縮空気のパルスはエンジン１１の適当 な室に進入し、装置は弁２２および２３が十分に接近している限り振動を開始す る。もちろんこれは比較的短い振幅の振動であるが、ピストン衝程の終わり毎に 供給される空気のパルスが同じであるため、振動機１５は強制振動機として運転 し、その結果ピストンロッド１６は、各衝程における弁の間の距離より一層長く 移動することができる。振幅は各衝程において少量伸長しうるため、弁２２およ び２３はピストンの振動の振幅を徐々に伸長するため徐々に離間され、空気を一 層多く圧縮機１７に排出させる。 ピストン１５がシリンダ１２内で前後に移動するとき、圧縮機１７のピストン １９も前後に移動してタンク３７内の空気を加圧し、その圧力を徐々に増加させ る。ピストン１９は圧力に抗して駆動され、したがって、振動装置は停止しがち である。装置を平衡させるため、振動す るピストンロッド１６、ピストン１５および１９の慣性は水銀を加えることによ って増大される。これは弁４０を開放して水銀を徐々に装置内に供給してその慣 性を増大し、それにより装置を停止しようとする圧力に打勝つことによって達成 される。別の方法は、ガスをタンク３７から排出するかまたはガスが圧縮機３７ に流入するのを停止することである。 シリンダ１２に進入する空気が比較的大きい室に進入するタンク２０からの小 さいパルスであるため、室に進入する空気は膨脹しかつ冷却する。そこで、エン ジン１１は、エンジンが大気から熱を吸収するとき伝熱を改善するため、伝熱板 ４７を備えている。伝熱板４７は装置の効率を改善する。 図１に示すように、弁２２および２３は調節ナット２６の回転を利用して接離 させることができる。図２の実施例においては、ステップモータ４４がこの目的 で使用されている。 弁２２および２３はピストンロッド１６上で移動可能で、弁をエンジン１１に またタンク２０に連結するホースは可撓性金属製ホースとするのが好ましい。 図３を参照すると、本発明の第２実施例が示され、同様の部分は同じ符号で示 されている。この場合、主要な相違点は負荷の性質にある。図１および図２にお いて、負荷は圧縮機１７であり、一方、図３において負荷は電機子４９を使用す る発電機４８の形式を備えている。こ の場合、電機子４９はピストンでもあり、負荷は発電機および圧縮機として形成 される。電機子４９は直流励磁コイル５０および５１の磁場の中をそれぞれ移動 する公知の形式のものであり、交流出力コイルが交流出力を発生するためそれら の間に点５２に設けられている。代表例において、毎秒５０サイクルで２４０ボ ルトの電力が発生される。 しかして、図３の実施例において、本発明はコンピュータ装置用の周波数の安 定した動力源として使用するための交流動力源として利用することができる。 図２に示されたように、本発明は電気的にまたは機械的に制御することができ る。図２に任意に電磁弁５３および５４を使用する装置が破線で示され、これら の弁は摺動弁２２および２３と同様に作動すべくタイミングを定められている。 コンピュータ式制御装置５５はこのために使用することができる。図示の実施例 において、制御装置５５はセンサから入力され、作動条件を変更するため出力さ れる。センサはタンク２０および３７内の圧力を感知する圧力センサ、ピストン ロッド振動数および振幅センサ５６ならびに所定の連続的制御に従って種々の弁 を開閉する弁制御装置を含んでいる。制御方法は用途に応じて変更することがで きる。 ２４０ボルト交流動力供給源用の代表的連続制御による電子制御が、図４に示 されている。エンジンはピストンロッド１６を始動位置に位置決めするためまず 空気ア クチユエータを使用することによって始動され、その後、弁２１はタイミングを 定められた電磁弁５３および５４により電気的に始動され、または弁２２および ２３の場合は、タイミングは小さい振幅の振動が開始されるようなものである。 センサからのすべての入力が読込まれ、もし振幅および振動数が５０ヘルツ運転 において所望の振幅および振動数に達したならば、入力を読取る間装置は循環す る。装置が所望の振幅および振動数から変化するならば、弁のタイミングまたは 他の調節が行われる。換言すれば、装置は始動の際自動的に所望の周波数に移行 し、５０ヘルツで２４０ボルトを出力しながら運転を続ける。タンク２０に供給 される圧縮空気は、主動力供給源から直接駆動される電動機駆動圧縮機によって 得ることができ、図３に示された本発明装置はコンピュータ用の動力供給調整機 に使用される。 図５を参照すると、本発明の別の応用例が示されている。断面図から分かるよ うに、本発明による振動機によって駆動される圧縮機は、比較的高温の圧縮空気 を熱交換器５７に排出し、そこで空気は銅コイル５８を通って流れ、ついで比較 的冷たい空気が熱交換器５９の同軸の内管に、さらに膨脹弁６０に流れる。膨脹 後、戻り空気は対向流型空気対空気熱交換関係で流れ、装置は空気を給送して戻 り管６２を通り、管６１に沿って再循環させ、ついで装置に戻して空気が膨脹弁 ６０において液化するまで徐々に冷却する。液体空気はついで貯蔵タンク６３ 内に貯蔵される。 本発明は多数の特殊な応用例として図示されたが、一般的応用において、膨脹 室内における空気の膨脹を利用して振動部材を振動させて仕事をすることが望ま しい、いかなる用途にも利用することができるものである。 本発明は図面に示されたように圧縮空気によって駆動されるが、もちろん別の 方法で駆動することもできる。たとえば、エンジン１１を内燃エンジンとし、各 膨脹室を燃料噴射器を有する燃焼室とすることができ、空気パルスが膨脹室に加 圧して噴射されるのと同時に、燃料のパルスも噴射され、その直後に点火プラグ を放電することもできる。別の実施例において、本発明はディーゼルエンジンと して運転することができ、この場合もそのために圧縮空気の噴射を利用すること ができる。それぞれの場合、この形式で運転するエンジンは、二衝程エンジンに おいて普通の吸入衝程の必要性が解消する。 以上、本発明の説明的実施例を記載したが、多くの変形および変更が特許請求 の範囲に記載される本発明の範囲から離れることなく、この技術に通じた人々に は明らかであろう

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．膨脹するガスのエネルギを機械的仕事に変換する方法において、該方法が 、 (1) 連続したガスのパルスを正圧で可変振幅機械的振動機の補完的膨脹室に伝 達して、その振動部材を膨脹するガスに負荷の下で仕事をするように振動させる こと、 (2) 前記パルスを前記室に所望の振幅に達するまで前記振動部材の振動の振幅 を徐々に増大させながら引続いて伝達すること、および (3) 前記パルスを前記室に前記所望の振幅を維持しながら引続いて伝達するこ と の各工程を含む膨脹するガスのエネルギを機械的仕事に変換する方法。 ２．前記室に前記パルスを引続いて伝達しながら、前記振動部材の慣性を徐々 に増大する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。 ３．前記振動部材を使用して直接または間接に圧縮機を駆動してガスを圧縮す る工程をさらに含む請求項１または２に記載の方法。 ４．前記振動部材が直接または間接に発電するため使用される工程をさらに含 む請求項１または２に記載の方法。 ５．前記振動部材が直接または間接に空気を液化するため使用される工程をさ らに含む請求項１または２に記載の方法。 ６．ガス駆動機械的振動機において、該装置が、ケーシング、ケーシング内の 複数の膨脹室、および前記室の可動壁を含む振動部材を有し、該振動部材が室内 のガスの補完的膨脹および室からのガスの排出に応じて振動するのに適し、また 最初の小さい振動数から大きい振動数まで前記振動部材の振動を変化すべく作動 する制御装置を備えたガス駆動機械的振動機。 ７．制御装置がその振動中前記振動部材の慣性を増大する慣性可変装置を備え た請求項６に記載の装置。 ８．前記制御装置が振幅を増大するため室に伝達される連続した前記パルスを 制御する装置を備えた請求項６または７に記載の装置。 ９．膨脹室がシリンダおよびシリンダ内のピストンを有する複動空気シリンダ 装置の向合った各室であり、振動部材は前記ピストンを有しかつ前記シリンダ装 置の外部に取付けられた往復動負荷を有し、前記ピストンおよび前負荷は一緒に また好ましくは共通の長いピストンロッド上で運動すべく取付けられ、前記ピス トンロッドは横方向に離れた溝および前記ピストンロッドに沿って移動しうる軸 線方向に移動可能てかつ位置決め可能な弁装置を備え、前記弁装置は圧縮ガス源 にまた同時に前記シリンダに連通する通路装置を有し、前記溝は前記弁装置の離 れた各通路に交互に整合してガスのパルスを複動空気シリンダの膨脹室に供給し 、振動部材を振動させる請求項６または７に記載の装置。 10．複動空気シリンダ装置を備えた交流動力供給装置において、該装置が、シ リンダおよびシリンダに往復動すべく取付けられたピストンおよびピストンロッ ドを有する複動空気シリンダ装置、圧縮空気源、圧縮空気を圧縮空気源からピス トンの両側に交互に供給してピストンをシリンダ内において往復動させる弁装置 を有し、ピストンロッドはピストンに組合わされかつシリンダから突出し、ピス トンロッドはピストンの往復動によって駆動される交流発電機を支持するを備え た交流動力供給装置。 11．複動空気シリンダ装置を備えた圧縮機において、該装置が、シリンダおよ びシリンダ内で往復動すべく取付けられたピストンおよびピストンロッドを有す るピストンおよびシリンダ装置、圧縮空気源、圧縮機空気を圧縮機空気源からピ ストンの両側に交互に供給してピストンをシリンダ内で往復動させる弁装置を有 し、ピストンロッドはピストンに組合わされかつシリンダから突出し、ピストン ロッドは可動ピストン装置およびピストンの往復動によって駆動される空気圧縮 機の慣性を増大する慣性可変装置を支持するシリンダおよびピストン装置を有す る複動空気シリンダ装置を備えた複動空気シリンダ装置を備えた圧縮機。 12．圧縮機を備えた空気液化装置において、圧縮機はシリンダおよびシリンダ 内で往復動すべく取付けられたピストンおよびピストンロッドを有する複動空気 シリンダ装置、圧縮空気源、圧縮空気を圧縮空気源からピスト ンの両側に供給してピストンをシリンダ内で往復動させる弁装置を有し、ピスト ンロッドはピストンに組合わされかつシリンダから突出し、ピストンロッドは可 動ピストン装置およびピストンの往復動によって駆動される空気圧縮機の慣性を 増大する慣性可変装置を支持し、また圧縮機から空気をうけ入れる熱交換器を有 し、空気は前記熱交換器を通って対向流として空気対空気熱交換関係で流れ、前 記空気は空気を液化するため連続的に前記圧縮機および熱交換器を通って流れる 圧縮機を備えた空気液化装置。