JP3606867B2 - レシプロエンジン - Google Patents

Description

発明の背景
本発明はレシプロエンジンに関し、特に、限定はされないが、当該エンジンの駆動に使用される液体圧より高圧で、水のような液体の汲み上げに使用できる低ヘッド（low−head）の水力レシプロエンジンに関する。
低ヘッドは、供給高さからエンジンの操作高さに至る比較的短い距離だけ液体が落下することを意味する。この比較的短い距離は、数メートルから数センチメートル程度の小さい距離までである。
発明の概要
よって、本発明によれば、その間を液体が通過する入口と出口とを有する中空のハウジングと、
前記入口から前記出口へ前記液体が通過するときに前記液体が流入する第１のチャンバと、
前記チャンバを部分的に構成すると共に、第１の位置から、前記第１の位置にあるときに比べ前記チャンバの容積がより大きくなる第２の位置へ移動可能である可動壁と、
開状態のときは、前記入口から前記出口へ液体が加速すると共に、閉状態のときは、液体が減速し、当初前記壁を第１の位置から第２の位置へ移動させるように前記ハウジング内を増圧させ、次いで減圧するように弛緩させるべく、前記出口を開閉するバルブ手段と、
前記壁が往復運動を引き起こすように、減圧時に前記壁を第２の位置から第１の位置へ復帰させる復帰手段とを有するエンジンが提供される。
好ましい実施例では、前記バルブ手段は、前記ハウジング内の液体圧が予め決められた値よりも低下したときに前記出口を開く。
前記バルブ手段は、前記出口を開閉するフラップと、前記フラップを開く方向に作用する偏向手段とを有し、前記偏向手段の偏向力が、減圧されたハウジング内液体圧に対しては前記フラップを開くには充分であり、前記入口から前記出口への液体の加速によって生じる力が特定の値を超えたときは前記フラップの閉塞を阻止するには不充分であることが好ましい。
択一的な一つの実施例として、前記バルブ手段は、時間作動バルブであり、予め決められた時間パターンにしたがって自動的に開閉する。
好ましくは、前記復帰手段は、前記壁を前記第１の位置へ向かって偏向させる手段を有する。前記壁を偏向させる手段の偏向力は、好ましくは、前記壁が第１の位置に戻るために減圧されたチャンバ内液体圧に打ち勝つには充分であり、増圧されたチャンバ内液体圧により前記壁が前記第２の位置へ向かって移動するのを阻止するには不充分である。
好ましい実施例として、前記ハウジングは、少なくとも前記チャンバを部分的に構成して含む。
択一的な実施例として、前記チャンバは、前記入口と前記出口との間で前記ハウジングと流体的な連結がなされている。
一つの実施例として、前記壁は、ダイアフラムを有する。好ましくは、エンジンへの付加装置と連結するための往復運動を提供するために、ピストンが前記壁に連結されている。択一的に、ピストンが連結されることで、前記壁自体が、ピストン装置、ベロー装置又はコンサーティーナ装置（concertina arrangement）の一部を形成することもできる。
前記ピストンは、前記壁に直接連結されることもでき、又は前記ピストンは、復帰バネを介して前記壁に連結され、前記復帰バネは前記第２の位置へ向かう前記壁の移動からのエネルギーを吸収し、前記壁が前記第１の位置へ向かって移動したときに前記エネルギーを前記ピストンへ移すこともできる。
一つの実施例として、前記ハウジングは、入口と出口とが設けられた第２のチャンバを少なくとも部分的に構成し、前記壁が、前記第２のチャンバを少なくとも部分的に構成し、減速して前記壁の一方を増圧する前記第１のチャンバ内の液体により前記壁が前記第１の位置から前記第２の位置へ移動せしめられると共に前記壁の一方が減圧したときに減速して前記壁の他方を増圧する前記第２のチャンバ内の液体により前記壁が前記第２の位置から前記第１の位置へ移動せしめられるように、前記第２のチャンバの出口が前記第１のチャンバの出口とは動きがずれて開閉可能である。
一つの好ましい実施例として、前記壁は、流体を汲み上げる流体ポンプ装置のシリンダ内で移動可能な往復動ピストンに連結され、前記シリンダが、第１の一方向バルブを介して被吸引流体の入口と、第２の一方向バルブを介して被吸引流体の出口とに接続され、第２の位置から第１の位置への前記壁の移動、すなわち前記ピストンの移動により前記被吸引流体が前記被吸引流体の入口から前記第１の一方向バルブを通って前記シリンダ内へ流れると共に、第１の位置から第２の位置への前記壁の移動、すなわちピストンの移動により被吸引流体が第２の一方向バルブを通って被吸引流体の出口へ流れる。
一つの実施例として、前記流体ポンプ装置は、水を汲み上げるために使用される。択一的な実施例として、前記流体ポンプ装置は、発電タービンへの供給流体に連結される。
一つの好ましい実施例として、内部に圧縮部材を有し前記第２の一方向バルブと被吸引流体の出口との間に当該被吸引流体の出口を通る被吸引流体の流れを円滑にするために接続された圧力容器をさらに有する。前記圧縮部材は、内部に圧縮流体を有する袋、あるいは固体圧縮部材である。この圧縮部材は、第２の一方向バルブを通って流れてきた被吸引流体によって圧縮され、第２の一方向バルブに流体が流れていないときに被吸引流体を放出し、これにより出口を通る被吸引流体の流れが円滑になる。
さらに好ましい実施例では、前記バルブ手段は、洪水状態の間、前記出口の閉塞を阻止するために洪水時停止機構により制御される。前記洪水時停止機構は、前記出口の閉塞を阻止するために、前記バルブ手段と連動する旋回アームを回動させるべく連結されたフロートスイッチを有する。
【図面の簡単な説明】
本発明に係るエンジンの実施例は、図面を参照して具体例により、より詳細に説明される。
第１図は、本発明に係るエンジンの第１の実施例において、その動作の第１の状態を示す概略断面図、
第２図は、第１図のエンジンにおいて、その動作の第２の状態を示す図、
第３図は、第１図及び第２図のエンジンにおいて、その動作の第３の状態を示す図、
第４図は、本発明に係るエンジンの第２の実施例を示す概略断面図、
第５図は、第１図から第４図に示すものと同様にエンジンに用いられるポンプ装置を示す概略断面図、
第６図は、本発明に係るエンジンに付加される装置を示す部分的に破断した側面図、
第７図は、第６図に示す装置のVI−VI線に沿う断面図、
第８図は、本発明に係るエンジンのさらに他の実施例を示す概略断面図である。
図面の詳細な説明
図面の第１図から第３図に示すように、本発明に係るエンジンの第１実施例は、入口３及び出口４を有するハウジング２を備えている。入口３は一つ又はそれ以上のパイプ５に接続されており、このパイプ５は、川のような水源からハウジング２の入口３へ水を導く。水源は、重力の作用の下で水が入口へ入るように入口３の高さより高い位置にある。入口に対する水源の高さは、数センチメートルから数メートルまでの何れでも良い。
ハウジング２内には、ダイアフラム６が設けられており、このダイアフラム６はハウジング２内を動くことができると共に、入口３を通って入った水がチャンバ７を通り出口４を通って流出するように、ダイアフラム６と入口３及び出口４を有するハウジング２の側壁との間でハウジング内にチャンバ７を部分的に形成する。このダイアフラム６は、可撓性のあるゴムマウント８上に設けられており、このゴムマウント８は、ダイアフラム６を第１図に示すように、そのように定められたチャンバ７の容積を比較的小さくする第１の位置と、第２図及び第３図に示すようにチャンバ７の容積を比較的大きくする第２の位置との間を可動とする。
引張りバネ10は、ダイアフラム６が第２の位置に移動せしめられたときに当該バネ10に引張り力が生じ、ダイアフラムを第１の位置へ戻すべく作用するように、ダイアフラム６とハウジング２を貫通する線状シャフト11との間に取り付けられている。蝶ナット12は、ハウジングの外部でシャフト11に通されており、バネ10の引張り力を調節するために用いられる。
また、シャフト13を介してダイアフラム６にはピストン14が取り付けられており、このピストン14はダイアフラムが第１及び第２の位置の間を動いたときにシリンダ15内を動くようになっている。
出口４は、当該出口４を閉塞するように覆うことができると共にハウジング２に取り付けられた弾性部材18に取り付けられたフラップ部材17を有するフラップバルブ16によって閉塞可能になっている。この弾性部材18は、フラップ部材17を開状態に偏向する圧縮バネ19によって一方向に付勢されている。圧縮バネ19の圧縮力は蝶ナット20の手段によって調節可能とされている。
シリンダ15内でピストン14を往復運動させるためのエンジン１の動作について説明する。
第１図に示す始動状態では、ダイアフラム６は、チャンバ７が比較的小さい容積でありフラップバルブ16が圧縮バネ19の偏向力により開状態を維持するような第１の位置にある。矢印21にて示されるように、水源からの水がパイプ５及び入口３を通ってチャンバ７内へ流れ込み、出口４を通って外部へ流出すると、フラップ部材17が圧縮バネ19の作用に抗して閉塞するまで、運動量と力の増強が加速される。したがって、水は出口４から流出することができなくなる。このようにしてチャンバ７内の水が減速せしめられると、引張りバネ10の偏向力に抗してダイアフラム６を強制的に第２の位置へ移動させるためにダイアフラム６の側部９に作用するチャンバ７内圧力が増加する。これにより、勿論チャンバ７の容積が増加する。
しかしながら、比較的短時間ののち、チャンバ内の水は弛緩すると共に、矢印22で示されるダイアフラム６と、フラップ部材17とに対して作用する圧力が引張りバネ10及び圧縮バネ19の偏向力よりも小さくなるまで圧力が減少する。結果的に、第３図に示すように、フラップバルブ16は、矢印23で示されるように水が出口４から流出し得るよう開き、ダイアフラム６は引張りバネ10の偏向力によって第１の位置へ戻される。そして、水は、矢印24にて示されるようにパイプ５及び入口３を通って再び流れ、チャンバ６及び出口４を通って加速し、このサイクルが繰り返される。
このようにして、ダイアフラム６に取り付けられたピストン14は、ダイアフラム６が第１及び第２の位置の間を移動するにともなってシリンダ15内を往復運動する。
本実施例では、ピストン14及びシリンダ15の装置は、源よりも高い位置に水を汲み上げるために使用される。しかしながら、レシプロピストンの作用は、どんな所望の付加装置にも動力を与えるために実用化できることは真に認められている。本実施例において、シリンダ15は、低位置にある被吸引液体源に配置された入口26と被吸引流体の出口27との間に伸延するパイプ25と流体的な接続がなされている。都合の良いことには、被吸引流体は、エンジン１の出口４から流れた水が入り込むのと同じ水域からの水である。被吸引水源内の入口26の周囲にはフィルタ28が配置されている。
シリンダ15と入口26との間には、パイプ25内に、入口26からシリンダ15に向かう方向にのみ液体の流れが許容されるように構成された一方向バルブ29が配置されている。シリンダ15と出口27との間には、パイプ25内に、シリンダ15から出口27に向かう方向にのみ液体の流れが許容されるように構成された一方向バルブ30が配置されている。一方向バルブ29,30は、パイプ25のくびれに着座すると共に、液体の流れに対しパイプ25を閉鎖するようにくびれに向かってバネ32の作用により偏向せしめられるプラグ31を有している。
ピストン14が第３図に示すように外側の位置にある場合、及びその後、内側へ向かって戻る場合には、当該ピストン14は、第１図に示される位置に到達するまで、矢印33に示されるように、入口26及び一方向バルブ29を通ってシリンダ15内へ液体を吸い上げる。ピストンが再び外側へ移動する次の半サイクルにおいては、矢印34に示されるように、液体は一方向バルブ及び出口27を通って汲み出される。これにより、ポンプ作用の脈動が生じる。
このポンプ作用の脈動を円滑にすると共にポンプの効率を改善するために、圧力容器35が、一方向バルブ30と出口27との間でパイプ25と流体的な接続をもって設けられている。圧力容器35は、その内部に、圧力の付加及び解放にともなって伸縮し得るクッション36を有している。例えば、クッション36は、空気が満たされたブラダ又は成形ゴムから成る。ブラダは、クッション内の空気圧を調節できるように、圧力容器35の壁を貫通して延在する排出バルブ37を有している。
したがって、液体は、脈動サイクルにおいて、入口26からシリンダ15を介して一方向バルブ30を通り出口27へ向かって汲み上げられるので、矢印38に示されるように、液体がポンプ作用からの圧力下にあるときは、液体は圧力容器35内に入りクッション36を押圧し、クッションは点線39で示されるように収縮する。ポンプ作用によって圧力が解放されたときは、クッションは伸張し、液体に圧力容器35から出口27へ向かう力を与える。その結果、出口からの脈動はさほど急激ではなくなり、パイプ25内の圧力が下がる。これにより、排出パイプが既にその最大級の圧力に近づいていたとしても当該排出パイプを保護することができる。
第４図は本発明に係るエンジンの第２の実施例を示している。本図において、第１の実施例に類似する全ての部材には同一の符号が付されている。本実施例において、ダイアフラム６はハウジング２内に配置されず、マウント８とともにハウジング２の一側面を形成している。フラップ部材17は、一又はそれ以上の接続部材40を介して、弾性部材から形成された板バネ41に接続されている。この板バネ41は、フラップ部材17を開状態へ偏向するよう構成されており、偏向力は蝶ネジ20を用いることにより調節可能となっている。
本実施例では、水供給からの沈泥や他の汚濁物がエンジンに入って内部又は入口又は出口が詰まるのを確実に防止するために、パイプ５の端部にフィルタ42が設けられている。水の供給は、好ましくは1.2リットル／秒であり、パイプ５は、内径が50mm、ヘッドが1.2mの長さが7mである。このエンジンサイクルは、一般的には数秒間持続し、50mの揚程を約800リットル／日汲み上げることができる。したがって、このポンプのエネルギー効率は少なくとも50％である。
さらに、ダイアフラム６は引張りバネ手段ではなく一対の圧縮バネ43によって第１の位置に偏向せしめられており、この一対の圧縮バネ43は、ハウジング２の外部の隣接面44とダイアフラム６の外部との間に作用する。他の全ての点について、第２の実施例は第１の実施例と同様に機能する。
洪水の場合には、氾濫した水は通常沈泥だらけであり、その他の点でも好ましくないので、これを汲み上げるのは一般的に好ましくない。エンジン及びポンプ装置が洪水時に作動するのを防止するために、洪水時停止装置を設けることもでき、この洪水時停止装置は、第６図及び第７図に示すようにエンジン１のハウジング２の外部に取り付けられる。本実施例では、第７図に好適に示されるように、フラップ部材17は、二つの線状シャフト40によって弾性部材18に連結されており、この弾性部材18は、ゴムヒンジ45を介してハウジング２の取り付けられ、調節バネ19の手段により出口４が開く位置に向かって偏向力が作用するよう構成されている。調節バネ19は蝶ナット20を用いて調節が可能となっている。
第６図に好適に示されるように、洪水時停止装置46は、エンジン１のハウジング２上に実質的に鉛直に設けられたシリンダ47を有している。フロート48は、シリンダ47の内部でエンジン１の周囲の水位に応じて上下動が可能となっている。ディスク49は、ロッド50の手段によってフロート48の底面に接続されており、ロッド50はシリンダ47の底面の開口51を貫通している。このディスク49に近接して、カム52がハウジング２上に回動可能に設けられている。このカム52は、互いに90゜で延在し互いに回動する二つのベーン53,54を有している。一方のベーン53は、ディスク49上に延在するように構成され、他方のベーン54は、ほぼ上方に延在するが弾性部材18の上部に傾斜して延在するよう構成されている。
これにより、洪水でないときは、フロート48はシリンダ47の底面に位置し、ディスク49はベーン53の下にある。したがって、ベーン53がディスク49上で待機するとともにベーン54が弾性部材18から離反するよう回動するまでカム52が回動し、これにより通常の機能を奏することができ、出口４は要求どおり開閉することができる。ベーン53,54は、第６図に太い線で示された位置にある。しかしながら、洪水が起きフローと48がシリンダ47の頂部に移動すると、フロートがディスク49を引き上げ、したがってベーン53が起き上がり、これによりベーン54が弾性部材18の上部に位置するまでカム52が回動し、その結果、弾性部材18の移動が抑止される。ベーン53,54は、第６図に点線で示された位置にある。したがって、出口４は開状態を維持し、エンジンは水を汲み上げることができなくなる。ベーン54が一旦弾性部材18の上部に位置すると、この位置を維持するとともに洪水が止んだのち手動のリセットが必要なように、ベーンは構成されている。
第８図には、本発明に係るエンジンのさらに他の実施例の主要断面図を示している。本実施例では、大きなパイプ55が入口56と出口57とを有し、第４図に示すバルブと同様のバルブ58が、出口57に近接して当該出口57を開閉するように設けられている。チャンバ59はパイプ55に近接して設けられており、接続パイプ60を介してパイプ55と流体的に接続されている。第１図から第３図に示すチャンバ７内のダイアフラム６と同様に、ダイアフラム61がチャンバ59内のマウント62上に設けられており、ピストン63がシリンダ64内で往復運動するようにダイアフラム61に接続されている。シリンダ64内におけるピストン63の往復運動は、勿論、どんな目的にでも使用することができる。
本実施例では、水は入口56を通ってパイプ55に入り、出口57から流出する前にパイプ55を通って加速する。この水の運動量及び力がバルブ58を閉塞するのに充分になると、パイプ55内の水は急激に減速するとともに、ダイアフラム61を移動させるように接続パイプ60を介してチャンバ59内の水圧が上昇する。水が弛緩し、バルブ58を開くとともにダイアフラムがバネ（図示せず）の作用により復帰するのに充分な水圧に減少すると、パイプ55内を流れる水は再び加速し始めることができ、このサイクルが繰り返される。したがって、本実施例は、チャンバ自体が、交互に入口及び出口として機能する一つの開口部を単に有していることを除いては、他の実施例と同様の機能を奏する。
本発明の観点を逸脱しない範囲において、他の変更例、変形例及び改良例は当業者に明確に理解される。例えば、出口４を閉塞するバルブは、予め決められたサイクルで開閉動させるタイマーとすることもできる。第２のチャンバ、入口及びバルブを有する出口を、第１のチャンバに対するダイアフラムの他方側のハウジングに設け、水圧が両方向からダイアフラムを移動させるように構成することもできる。ダイアフラムは複動式ピストンポンプを作動させるために構成することもでき、または大きな復帰バネは、ダイアフラムからのエネルギーを吸収し、ダイアフラムが第１の位置に復帰中にポンプのピストンを押すために使用することもできる。さらに、エンジンは、低圧効果がダイアフラムを第１の位置へ復帰させるように設計することもできる。例えば1.2mの高さから約50リットル／秒の実質的な水の供給が利用できる所では、タービンに動力を供給し発電するために、多くのエンジンの変形を使用することができる。

Claims (16)

1. 液体の流れのみによって動作するエンジン であって、
   前記液体の流れ抜けを可能にする入口と出口とを有する中空のハウジングと、
   前記入口から前記出口への前記液体の流れ抜けの際に前記液体が流入する主チャンバと、
   前記ハウジングの内部に配置され前記主チャンバに連続して封止されて前記主チャンバの一部を構成するとともに、第１の位置から第２の位置、すなわち前記第１の位置にあるときよりも前記主チャンバの容積を大きくする第２の位置に移動可能な可動壁と、
   前記出口の近傍に設けられ、前記出口に対して閉位置と 開位置との間で移動可能なバルブ手段と、
   前記バルブ手段を前記開位置に偏位させる機械的偏位手 段とを含み、
   前記エンジンの動作中には、前記液体が、前記主チャン バ内を加速状態で流れ抜けるとともに、その加速状態で の流れからの前記液体の力が前記機械的偏位手段による 偏位の力よりも大きいとき前記バルブ手段を前記閉位置 に動かすことができ、それによって前記入口からの前記 液体が前記可動壁を前記第１の位置から前記第２の位置 に動かし、前記主チャンバ内の前記液体が前記流れを止 め、それによって前記機械的偏位手段の前記偏位が前記 バルブ手段を前記開位置に動かせるようにし、
   前記可動壁を前記第２の位置から前記第１の位置に復帰させる復帰手段
   をさらに含むエンジン。
2. 前記バルブ手段が前記出口を開閉するフラップを含み、前記機械的偏位手段の前記機械的偏位が前記フラップを開く方向に作用し、前記機械的偏位手段の偏位力が前記ハウジング内の液体の減圧時の圧力に抗して前記フラップを開くには充分であり、前記入口から前記出口への前記液体の加速に伴う力が特定の値を超えたときは前記フラップの閉塞を阻止するには不充分である請求項１記載のエンジン。
3. 前記復帰手段が前記可動壁を前記第１の位置向きに偏位させる手段を有する請求項１記載のエンジン。
4. 前記可動壁を偏位させる手段による偏位力が前記可動壁を第１の位置に戻すように前記チャンバ内の液体の減圧時の圧力に打ち勝つには充分であり、前記チャンバ内の液体の増圧時の圧力による前記可動壁の前記第２の位置向きの移動を阻止するには不充分である請求項３記載のエンジン。
5. 前記ハウジングが前記主チャンバを少なくとも部分的に構成する請求項１記載のエンジン。
6. 前記可動壁がダイアフラムを含む請求項１記載のエンジン。
7. エンジンへの付加装置と連結するための往復運動を提供するように、ピストンを前記可動壁に連結した請求項１記載のエンジン。
8. 前記ピストンが前記可動壁に直接に連結されている請求項７記載のエンジン。
9. 前記ピストンが復帰バネを介して前記可動壁に連結され、前記復帰バネが前記第２の位置向きの前記可動壁の移動からエネルギーを吸収し、前記可動壁の前記第１の位置向きの移動の際に前記エネルギーを前記ピストンに移す請求項７記載のエンジン。
10. 前記ハウジングが入口と出口とを有する副チャンバを少なくとも部分的に構成し、前記可動壁が前記副チャンバを少なくとも部分的に構成し、減速して前記可動壁の片側を増圧する前記主チャンバ内の液体により前記可動壁を前記第１の位置から前記第２の位置に移動させるとともに前記可動壁の片側の減圧時に減速して前記可動壁の他の片側を増圧する前記副チャンバ内の液体により前記可動壁を前記第２の位置から前記第１の位置に移動させるように、前記副チャンバの出口が前記主チャンバの出口とは異なる位相で開閉可能である請求項５記載のエンジン。
11. 前記可動壁が流体汲上げ用流体ポンプ装置のシリンダ内で移動可能な往復動ピストンに連結され、前記シリンダが第１および第２の一方向バルブをそれぞれ介して被吸引流体の入口および出口にそれぞれ接続され、前記第２の位置から前記第１の位置への前記可動壁の移動すなわち前記ピストンの移動が前記被吸引流体の入口から前記第１の一方向バルブ経由で前記シリンダ内に至る前記被吸引流体の流れを生じさせ、前記第１の位置から前記第２の位置への前記可動壁の移動すなわちピストンの移動が前記第２の一方向バルブ経由および前記被吸引流体出口経由の前記被吸引流体の流れを生じさせる請求項１記載のエンジン。
12. 内部に圧縮部材を有し前記第２の一方向バルブと前記被吸引流体出口との間にその被吸引流体出口から流出する前記被吸引流体の流れの円滑化のために接続した圧力容器をさらに含む請求項11記載のエンジン。
13. 前記圧縮部材が圧縮流体を内部に有する袋である請求項12記載のエンジン。
14. 前記圧縮部材が固体圧縮部材である請求項12記載のエンジン。
15. 前記バルブ手段が洪水状態の期間中前記出口の閉塞を阻止するように洪水時非活性化機構により制御される請求項１記載のエンジン。
16. 前記洪水時非活性化機構が前記出口の閉塞の阻止のために前記バルブ手段と係合する旋回アームを回動させるように連結されたフロートスイッチを含む請求項15記載のエンジン。

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