JPS6039875B2 - 流体圧力エネルギを往復運動に変える装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体圧力によって往復運動を得る装置に関する
ものである。

上記特許請求の範囲において「流圧を機械運動に変換す
る機素」とはピストンとシリンダの組合せあるいはダイ
アフラムあるいは蛇湖陵を云うものとする。

従来の技術 流体の圧力ェネルギによって往復運動する原動機は古来
数多くあるが、その代表的なものは蒸気機関と内燃機関
であると思う。

発明が解決しようとする問題点 蒸気機関の動作原理を今更ここで述べるまでもないが、
ピストンを挟む２つのシリンダ室の一方例えば左室に高
圧を供孫台し他方の室右室を開放すればピストンは「往
一連動をし、逆に左室を開放し石室に高圧を供謙合すれ
ばピストンは「復一連動とするというものであるが、こ
のためには弁によって２つのシリンダ室の切換を行わな
ければならないから機構が複雑になるという欠点がある
。

内燃機関ではピストンの一方の例のみを高圧にしたり開
放したりするだけで往復運動を得ているが、クランクを
含む回転機構を必要とし、ピストンの動きに伴ってガス
吸入弁・排気弁等に複雑な動作をさせなければならない
等の欠点がある。また、ピストンに加えられる圧力は高
圧である。本発明の目的は蒸気機関よりも簡単な構造の
原動機を提供することにある。目的の第２は流れの方向
が変ってもそのまま往復運動を経続可能な原動機の提供
にあり、目的の第３は供聯合圧力が低圧でも効率のよい
原動機の提供にあり、目的の第４はェネルギ伝達の媒体
である流体の漏洩が極めて少し・原動機を提供すること
にある。問題点を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するため、有効受圧面積が大き
く流圧を機械運動に変換する第１機素１と有効受圧面積
が小さく流圧を機械運動に変換する第２機素２とを対向
する仕切りにもつ中間室６を備え、上記第１機素１に関
し上記中間室６の反対側に背後室５を形成せしめ、この
背後室５を流体の流入（出）路８あるいは流出（入）路
９につなぎ換える切襖弁３を具備し、上記第１機素１の
可動部と第２機素２の可動部を連結して出力鞠４となし
、上記中間室６の崖壁に設けた流路孔６ａを介しこの中
間室６を上記流入（出）路８につなぎ、上記切換弁３に
よって上記背後室５内の流圧を変化させることにより上
記出力軸４を往復運動させるよう横成した。

作用 このように構成したので、中間室６には常時一定の流圧
が供給されているから、流圧を機械運動に変換する第２
機素２によって出力軸４に一定の偏筒力が働いている。

この偏橋力と逆向きの力を出力軸４に与えるため、流圧
を機械運動に変換する第１機素１が設けられている。こ
の逆向きの力の大きさは背後室５内の流圧を切襖弁３に
よって制御することによって可変である。なお、第１機
素１の有効受圧面積は第２機素２のそれよりも大きく作
られているので、上記逆向さの力は偏俺力より大きくす
ることも小さくすることもできる。すなわち、出力軸４
に働く合成力の向きを変化させることができるというこ
とになる。本発明はこのように背後室５内の流圧を変化
させるだけで出力軸４を往復運動させるものである。

以下本発明について図面を参照して実施例のいくつかを
説明する。

第１図は本発明の実施例の縦断面図である。

ＩＡは有効受圧面積の大きいピストン、ＩＢはこれに対
するシリンダで、ＩＡとＩＢとで流圧を機械運動に変換
する第１機素１を構成している。２Ａは有効受圧面積の
小さいピストン、２８はこれに対するシリンダで、２Ａ
と２Ｂとで流圧を機械運動に変換する第２機素２を構成
する。

第１機素１と第２機素２を構成する。第１機表１と第２
機素２に挟まれた中間室６は流路孔６ａを介して常時流
体の流入（出）路８につながり、この中間室６の反対側
には背後室５が形成されている。そして、この背後室５
を流体の流入（出）路８あるいは流出（入）路９につな
ぎ換える切換弁３が用意されている。一方ピストンＩＡ
と２Ａは連結されて出力軸４となり外室７内に突出する
。外室７は常時流出（入）略９につながっている。しか
し後に他の実施例（第４，５図）で示すように必須榛件
ではない。切換弁３が図示の状態にあれば背後室５は流
出（入）路９につながっているがローターが反時計万向
に９０度回転すれば流入（出）路８につながる。

従って背後室５内の流圧は変化する。背後室５内の流圧
が変わると出力軸４が往復運動する。こ）で切換弁３の
ｏ−ターは如何にして廻るか図示していないが手で廻し
てもよいし駆動装置を別に設けてもよい。その手段は「
特許請求の範囲Ｊ外の事項である。さて、背後室５内の
流圧が変わると出力軸４が往復運動すると云うのが本発
明の主眼であるが、何故そうなるかを次に述べる。

流入（出）路８、流出（入）略９、背後室５内の流圧を
それぞれＰ＾，ＰＢ，Ｐｘとする。

中間室６、外室７における流圧はそれぞれＰ＾，ＰＢに
なる。ピストンＩＡ，２Ａの有効受圧面積をそれぞれＳ
，，Ｓ２とすれば、出力軸４に働く力の合成力ＦはＦ＝
Ｓ，Ｐｘ−（Ｓ，一Ｓ２）Ｐ＾−Ｓ２Ｐ８ ・…・・｛
１｝となる。

Ｆ＝０ならしめるＰｘの値Ｐｘｏを求めるとＰｘ。

＝〔（Ｓ，一Ｓ２）Ｐ＾十Ｓ２ＰＢ〕／Ｓ，．・・．・
・【２’Ｐｘの値をいろいろ変えると各力が平衡して出
力軸４は右にも左にも動かなくなるＰｘの値がありその
値は■式のＰｘｏと云うことである。

Ｐｘの値をＰｘ。

の前後で変化させると合成力Ｆはその正負符号を変える
。何故なら｛１’式はＰｘに関する一次方程式であるか
ら、Ｐｘを×敵ＦをＹ軸に取って×−Ｙグラフを作って
見ると【１｝式は一つ直線で表わされる。この直線とＸ
軸との−父点の座標が（Ｐｘ。・０）と云うことである
。従ってＰｘの値がＰｘｏの前後を変化すればＦ（Ｙ軸
）の符号が変わることは明かである。Ｆの符号が変わる
と云うことは出力軸４が往復運動を与えられるというこ
とである。以上述べた事柄が成立するための修件はＳ，
＞Ｓ２と云うことだけである。

Ｐ＾＞ＰＢでもＰＡ＜ＰＢでもよい。８を流入（出）路
、９を流出（入）路とする所以である。

昔からある蒸気機関等では、この国で云うなら背後室５
ばかりでなく中間室６内の圧力も変えて往復運動を得て
いるが本発明は一方だけですむと云う利点がある。

第２図は他の実施例の縦断面図である。

風力発亀、潮流発電等のように流れの方向が変わる用途
への一つの提案である。「流圧を機械運動に変換する機
素」に蛇腹と使用した。

図において１は有効受圧面積の大きい蛇腹、２は有効受
圧面積の小さい蛇腹、３は切換弁で３Ａと３Ｂの２つの
蝶形弁から成る。蝶形弁３Ａ，３Ｂは９０度の位相差を
もって共通の回転軸に取りつけられこの共通回転軸は駆
動装置１２によって廻される。４は蛇腹１と蛇腹２を連
結する出力軸で発電袋鷹１０に連結されている。

６は蛇腹１と２に挟まれた中間室で流路孔６ａを通じて
流入（出）路８につながり、５は中間室６の反対側に形
成された背後室、７は出力軸４、発電装置１０を収容す
る外室で流路孔７ａを通して流出（入）略９につながる
。

１１はフレーム、底板１１Ａ、垂直板１１Ｂ、上板１１
Ｃから成る。

１３は本装置を垂直板１１Ｂに取付ける支柱である。

第２図装置は流れが垂直板１１Ｂに垂直にあたり垂直板
１１Ｂの右側と左側とで圧力室を生ずる様底板１１Ａを
地面等に固定させる。今仮りに流れの方向が左から右で
Ｐ＾＞ＰＢとする。

功換弁３は図示状態では、蝶形弁３Ａは閉じ蝶形弁３Ｂ
は開いているから背後室５は弁孔３ｂを通じて流出（入
）略９につながり背後室５内の流圧ＰｘニＰＢ従って出
力軸４は下向のＳ，（Ｐ＾−ＰＢ）と上向のＳ２（Ｐ＾
一ＰＢ）と云う２つの力を受け合成として下向の（Ｓ，
−Ｓ２）（Ｐ＾−ＰＢ）なる力を受けて下方へ引下げら
れる。ただしＳ，，Ｓ２はそれぞれ蛇腹１，２の有効受
圧面積。次に弁３が９０度回転すると弁孔３ａが開き弁
孔３ｂが閉じるからＰｘニＰ＾となる。出力軸４には上
向の力Ｓ２（Ｐ＾−ＰＢ）が働いて上方へ押上げられる
。かくして出力軸４は切襖弁３の回転に伴って上下に往
復運動と繰返す。次に流れが右から左へ変つたとすれば
Ｐ＾＜ＰＢ図示状態では上記のようにＰｘニＰＢである
から出力軸４は上と同じ（Ｓ，−Ｓ２）（Ｐ＾一ＰＢ）
なる力を受けるが力の向は上向である。

弁３が９０度回転した状態でも上と同じＳ２（Ｐ＾一Ｐ
Ｂ）なる力をうけるが力の向は下向である。従って切換
弁３が回転すれば出力軸４が上下運動することには変り
はない。ただ切換弁３の回転位相に対する往復運動が１
８００ずれているだけである。第３図は他の実施例の縦
断面図である。

小川の流れを利用して発電する携帯型小形発電機の提案
である。第２図と異る点は切換弁３の駆動装置１２を除
去し代り‘こしバー１４とコイルばね１７を追加した。
その他は第２図と同じであるが流れの方向は左から右に
限定される。１，２，４，１０，５，６，７，８，９，
１１，１３は第２図のそれらと全く同じである。

切換弁３はシート弁３Ａとシート弁３８から成り、３Ｄ
は弁３の中央に突出して設けられた榛、３Ｃはこの突出
榛３Ｄに設けられた切吹きである。レバー１４は固定支
点１５を中心に回転可能なレバー、コイルーまね１７の
右端は背後室５の壁５Ａに固定され左端はしバー１４に
楯付けたピン１６に引掛けてある。レバー１４はばねの
力で切襖弁３を下方へ押している。図示状態ではシート
弁３Ａが開きシート弁３Ｂは閉じているので背後室５は
弁孔３ａを通じて流入略８につながるから背後室５内の
圧力ＰｘはＰｘ；Ｐ＾。

出力軸４はＳ２（Ｐ＾−ＰＢ）なる力で上方へ押上げら
れる。出力軸４が上昇する切欠４Ａの下緑がレバー１４
を特上げる。そして図で、レバー１４が水平より上へ廻
されるとしバ一１４はコイルばね１７の力で出力軸４の
動きと関係なく時計方向に廻る。そして切欠３Ｃの上緑
を押上げる。切換弁３は上方へ動かされるので弁３Ａは
閉じ弁３Ｂは開く。弁孔３ｂが開くので背後室５内の圧
力ＰｘはＰｘ三ＰＢとなる。出力軸４には下向の力（Ｓ
，一Ｓ２）（Ｐ＾−ＰＢ）が働いて下降をはじめる。

出力軸４が下方へ動くと切欠４Ａの上縁がレバー１４を
反時計方向に回転させる。レバー１４が水平より下方に
廻るとコイルばね１７の力で更に下方へ回転する。切欠
３Ｃの下縁は下方へ押され切換弁３は図示の状態に戻る
。かくして出力軸４の上下運動は自動的に繰返される。

第４図は最も簡単な構造をもつ実施例の縦断面図である
。

対象となる流体は気体で、８は流入路、９は流出路であ
る。ＩＡ，ＩＢ，２Ａ，２Ｂ，４，５，６，６ａはすべ
て第１図のそれらと同じである。

外室７はこの場合外部空間であり特に室を形成しない。
本発明においてはいずれの場合もそうであるが中間室６
は流路孔６ａを通して流入（出）路８につないであるか
ら、「特許請求の範囲」に・・・背後室５を流体の流入
（出）路８あるいは流出（入）路９につなぎ換える切換
弁３を具備し、・・・とあるのは・・・背後室５を中間
室６あるいは流出（入）格９につなぎ換える切換弁３を
具備し、・・・と同等である。さて第４図の動作説明す
る。

図示状態ではシート弁３Ａが開き、シート弁３Ｂは閉じ
ているから背後室５は弁孔３ａを通して流入路８につな
がっている。

従って背後室５内の圧力ＰｘはＰｘ＝Ｐ＾。この場合Ｐ
Ｂは大気圧であるからＰＢ＝０とすればＳ２Ｐ＾なる力
で出力軸４は右方へ押出される。Ｓ２はピストン２Ａの
受圧面積。出力軸４は功換弁３をピストンＩＡに載せた
ま）右方へ動く。こ）で補足説明を加えるならば図のよ
うにシート弁３Ａが開いている時はシート弁３Ａは流圧
による方は殆ど受けない、これに反しシート弁３Ｂは左
側に実施例Ｐ＾を受け右側は大気圧であるから切換弁３
としては流圧によってピストンＩＡに押つけられている
。

従って外力が加わらない限りこの状態は変わらない。後
に述べるが、シート弁３Ａが閉じシート弁３Ｂが開いた
時は背後室５が略大気圧になるからシート弁３Ｂに働く
流圧は殆ど零でシート弁３Ａは左側が大気圧、右側はＰ
＾となるから弁３としては流圧によって右から左ヘビス
トンＩＡに押つけられる。弁３は上の２つのいずれかの
位置を保ち半開きにはならない。さて説明を元に戻して
、出力軸４が右方へ勤け‘まシート弁３Ａは中間室６の
壁６Ａに突当る。なおも出力軸４が右べ進めばシート弁
３Ａは閉じ代りにシート弁３Ｂが開く。背後室５は弁孔
３ｂを通して大気圧になるからＰｘこ０。従って出力軸
４には左向の力（Ｓ，一Ｓ２）Ｐ＾が働き出力軸４は左
方へ移動する。ここでＳ，はピストンＩＡの受圧面積。
出力軸４が左方へ移動してシート弁３Ｂが背後室５の壁
５Ａに突当る迄進むとシート弁３Ｂは閉じる。即ち図示
の状態になる。そうすると出力軸４は右方へ動く。この
ようにして出力軸４は自動的に往復運動を繰返す。第５
図はダイアフラムによる本発明の実施例で縦断面である
。

これも外室７は外部空間で室を形成しない。流体の流れ
の方向は一方向のみ。１は有効受圧面積の大きい流圧を
機械運動に変摸する第１機素（ダイアフラム）、２は有
効受圧面積の小さし、流圧を機械運動に変換する第２機
素（ダイアフラム）である。

ダイアフラム１および２はダイアフラム押え板４Ｂ，４
Ｃ，４Ｄを介し板ばね１９と共にねじ１８によって出力
軸４にねじ止めされている。５．６，８，９は上記各図
と全く同じで、それぞれ背後室、中間室、流入路、流出
路である。

切換弁３にはスプール弁を使った。切換弁３の中央には
突出榛３８が植つけてありその先端は図のように算盤玉
状の凹部３Ｆとなつている。動作説明は上記各図と共通
する部分は筒略し異る点について述べる。

図示状態では切換弁３の弁孔３ｃが流出路９につながっ
ているから背後室５内の流圧ＰｘはＰｘ＝０。

従って出力軸４は左方へ移動する。板ばね１９は凸部３
Ｆをばね力で挟みつけながら凸部３Ｆの石頭斜面を登る
。そしてその頂上を越えると板ばね１９は突出榛３Ｅを
従って弁３を右方へはじく、切換弁３はストッパ２０で
止る。すると弁孔３ｃは流入路８に切換るからＰｘ＝Ｐ
＾となる。Ｐｘ＝ＰＡになれば出力軸４は右向の力を受
ける。板ばね１９の湾曲部１９Ａは凸部３Ｆの左煩斜面
を登る。登りつめて頂上を越すと板ばね１９のばね力に
よって突出棒３Ｅを従って弁３は左方ははじかれ内壁２
１に突当って止まる。図示の状態である。従って出力軸
４はまた左へ動く。このようにして自動的に出力軸４は
往復を繰返す。本発明実施の効果は … 簡単な構造で単気筒往復機関をえられる。

特に第４・５図。【ｏ｝ 往きと帰りで力の異る機関が
得られる。

往復機関は一般に往復とも同じ力を出すが、押す時には
強い力が欲しいが引く時は戻れる力さえあればよい（あ
るいはその逆）と云う場合もある。このような用途に対
しては普通のものは過剰品質である。本発明はこの要求
に自由に対応できる。有効受圧面積をＳ，，Ｓ２とすれ
ばＳ，＝交２ に作れば押す力と引く力が等しくＳ
２＜Ｓ，くる２ 〃 押す力が大きくＳ，＞李２
〃 引く力が大きくなるし一 流れの方向が
変わる用途に適用できる。臼 流体の損失が少し、。第
５図装置は流入孔８から入った流体は１００％流出孔９
から流出する。

途中に漏出部がない。図示してはいないが、ボイラ、コ
ンブレツサ、冷却器を設け、流入孔８をボィラにつなぎ
流出孔９は冷却器、コンブレツサを経てボィラに戻すと
云う閉ループを作れば一種の熱機関が構成されると思う
がこの時流体の損失が少ければ高価な流体を使うことが
でき、例えばフレオンガス等利用すれば低温、低圧の熱
機関の可能性もある。的 低圧で大きい力が得られる。

ダイアフラムや蛇腹の場合受圧面積を大きくしても装置
はさほど大きくはならない。

受圧面積を大きくすればその分供給圧力を低くすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はすべて本発明の実施例を縦断面図
で示したものである。 １・・・有効受圧面積の大さし、流圧を機械運動に変換
する第１機素、ピストンとシリンダの粗合せあるいは蛇
朝顔あるいはダイアフラム、２・・・有効受圧面積の小
さし・流圧を機械運動に変換する第２機素ピストンとシ
リングの組合せあるいは蛇朝腹あるいはダイアフラム、
３・・・切襖弁、３Ａ・・・背後室５と流路８の間を開
閉する弁、３Ｂ・・・背後室５と流路９の間を開閉する
弁、３Ｃ・・・突出榛の切欠き、３Ｄ…突出榛、３Ｅ…
突出棒、３Ｆ…突出榛の凸部、３ａ・・・弁３Ａの弁孔
、３ｂ・・・弁３Ｂの弁孔、３ｃ・・・弁孔、４・・・
出力軸、４Ａ・・・切欠き、４Ｂ・・・ダイアフラム押
板、４Ｃ・・・ダイアフラム押板、４Ｄ・・・ダイアフ
ラム押板、５・・・背後室、６…中間室、６Ａ・・・壁
、６ａ・・・流路孔、７・・・外室、７ａ・・・流路孔
、８・・・流入（出）路、９・・・流出（入）略、１０
…発電装置、１１…フレーム、１１Ａ…底板、１１Ｂ・
・・垂直板、１１Ｃ・・・上板、１２・・・弁３の駆動
装置、１３…支柱、１４・・・レバー、１５・・・支点
、１６…ピン、１７…コイル‘まね、１８…取付ねじ、
１９…板ばね、１９Ａ・・・湾曲部、２０・・・ストッ
パ、２１…スプール弁内壁。 努′函 多２図 券３函 第４函 髪ょ風

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 有効受圧面積が大きく流圧を機械運動に変換する第
   １機素１と有効受圧面積が小さく流圧を機械運動に変換
   する第２機素２とを対向する仕切りにもつ中間室６を備
   え、上記第１機素に関し上記中間室６の反対側に背後室
   ５を形成せしめ、この背後室５を流体の流入（出）路８
   あるいは流出（入）路９につなぎ換える切換弁３を具備
   し、上記第１機素１の可動部と第２機素２の可動部を連
   結して出力軸４となし、上記中間室６の筐壁に設けた流
   路孔６ａを介しこの中間室６を上記流入（出）路８につ
   なぎ、上記切換弁３によつて上記背後室５内の流圧を変
   化させることにより上記出力軸４を往復運動させるよう
   構成された装置。