JP2004537011A - トーラスクランク機構 - Google Patents
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Abstract
【課題】入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置し、入力パートの往復揺動運動を出力パートの一方向回転運動に変換し、或いは入力パートの一方向回転運動を出力パートの往復揺動運動に変換することにより、体積効率を向上させることが可能なトーラスクランク機構を提供すること。
【解決手段】密閉チャンバを提供するハウジング組立体と、ハウジング組立体の中央部に配置され、上部及び／又は下部に突出する垂直軸及び横方向に突出する水平軸を有するコアと、チャンバ内に位置する回転ブレードが備えられてコアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置され、内周面にはガイドスロットが設けられたロータと、ガイドスロットに回転スライド可能に収容される偏心スライダーが備えられ、水平軸に回転可能に支持される少なくとも一つのベベルギヤと、コアの垂直軸に回転可能に支持される出力ギヤとを含んでなるトーラスクランク装置である。上述した構成を有するトーラスクランク装置を同軸に連結して多重トーラスクランク装置を構成する。
【選択図】図１
【解決手段】密閉チャンバを提供するハウジング組立体と、ハウジング組立体の中央部に配置され、上部及び／又は下部に突出する垂直軸及び横方向に突出する水平軸を有するコアと、チャンバ内に位置する回転ブレードが備えられてコアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置され、内周面にはガイドスロットが設けられたロータと、ガイドスロットに回転スライド可能に収容される偏心スライダーが備えられ、水平軸に回転可能に支持される少なくとも一つのベベルギヤと、コアの垂直軸に回転可能に支持される出力ギヤとを含んでなるトーラスクランク装置である。上述した構成を有するトーラスクランク装置を同軸に連結して多重トーラスクランク装置を構成する。
【選択図】図１
Description
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
クランク機構は、入力される往復直線運動を一方向回転運動に変換して出力する装置として知られている。例えば、入力パートのピストンに連接棒（コネクティングロッド）が連結され、この連接棒に出力パートのクランクシャフトが連結された構造を有するクランク機構を挙げることができる。このようなクランク機構は殆どのエンジンに採用されている。この場合、ピストンの往復直線運動は、クランクシャフトの一方向回転運動に変換される。一方、クランクシャフトを入力パートとすると、クランクシャフトの一方向回転運動をピストンの往復直線運動に誘導することもできる。このような構造のクランク機構が採用されたものとしては、例えば圧縮機やポンプなどを挙げることができる。
【０００３】
ところが、上述した一般的なクランク機構は、ピストンの行程距離、連接棒の長さ、クランクシャフトの偏心部の回転による空間などを必要とするため、その体積が大きくなって体積効率が非常に低いうえ、エンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの全重量が重くなるという欠点がある。かかる欠点は、高馬力のエンジン又はアクチュエータ、高容量の圧縮機又はポンプなどを構成するに際して著しく目立つ。特に、このようなクランク装置が船舶用エンジンに適用される場合、その大きさが極めて肥大になり且つ重量が増加する。したがって、エンジンを製作し難いうえ、製作コストが高くかかる。
【０００４】
また、一般的なクランク機構は、入力パートの入力軸と出力パートの出力軸が、相異した方向及び場所に二元化されており、多数の運動要素で発生する摩擦抵抗などの要因により振動及び騒音が激しい。また、このようなクランク機構は製作及び効率の面で経済的ではないという問題点がある。
【０００５】
また、一般的なクランク機構を用いたエンジンは、転覆の際、クランク室内の潤滑油がシリンダヘッド側に逆流することにより停止してしまう。これにより、燃焼室、シリンダ及びピストンの機械的な損失をもたらすという問題もある。
【０００６】
このような一般的なクランク機構の欠点を補完するための方案として、様々な形のロータリエンジンが紹介された。ロータリエンジンの殆どは、従来のクランク機構に関連した根本的な欠点を減らすと共に、燃料効率の面で経済的で軽量であるエンジンを提供する目的で提案されたが、商業的な面であまり効用性がなくて商品化に適していない。商品化に最も近接したものとしては、いわゆるバンケル(Wankel)エンジンがある。このようなバンケルエンジンは、駆動軸組立体の周りのシリンダハウジングに設けられたトロイダル(toroidal)シリンダと、駆動軸組立体の周りに回転可能に支持されると同時にトロイダルシリンダに結合し、回転ブレードが互いに近く或いは遠くなるように動いてトロイダルシリンダとの間に膨張及び収縮作業チャンバを形成するロータ手段と、ハウジング組立体を介して延長されており、流体を作業チャンバに対して流入又は排出させる吸気ポート及び排気ポートとを含んでなることが一般的である。また、ロータリエンジンのうち、一部はシリンダの内部を移動するロータ手段を選択的に運動させるために、外部機構を利用し、他の一部は必要とする駆動要素を機構的に結合するために回転傾斜板とカムなどを利用することもある。
【０００７】
従来のバンケルエンジンは、前述した一般的なクランク機構の問題点をある程度解消することはできるが、作動上、非効率的な構造を持っており、最適の出力分配が持続的に行われないという問題点を有する。このため、バンケルエンジンは、車両用エンジン又は量産される産業用軽量エンジンのような通常の往復ピストンエンジンを代替することが可能なものとして広く用いられていない。しかも、バンケルエンジンは、高速では出力性能がある程度良いという利点はあるが、低速では出力性能が一般的なクランク機構を用いたエンジンに比べて著しく劣るという欠点がある。
【０００８】
従来のバンケルエンジンは、通常、一般的なクランク機構のクランクシャフトとはやや異なるが、クランクシャフトの作動原理を用いた伝動構造を取っている。このような理由で、エンジンの体積が大きくなることは回避することができず、これにより一般的なクランク機構の体積効率低下問題を完全に解消することはできなかった。この他にも、従来のバンケルエンジンは、複雑で精巧な製造及び組立工程を必要とするため、量産が難しく、製作コストが高くかかるという問題点がある。
【０００９】
かかる問題点を改善するために、本発明者によって同軸型往復エンジンが提案されたことがある（韓国登録特許第２９２９８８号（対応特許：米国特許第６,１８６,０９５号）参照）（特許文献１）。
【００１０】
この同軸型往復エンジンは、第１及び第２円形板からなり、第２円形板には多数の固定ブロックが取り付けられた第１ステータ、第３及び第４円形板からなり、所定の間隔で第１ステータと対向して配置された第２ステータ、これらの第１及び第２ステータを取り囲む円形ハウジング、前記第１ステータの外側に配置されるプレート及び多数の支持片を介して前記プレートと対向して配置され、ハウジングの遊動を防止するカバーとからなるハウジング組立体と、前記ハウジング組立体の内部に取り付けられ、膨張及び収縮作業チャンバを形成する多数の回転ブレードを有するロータと、前記ロータの内部に固定されたギヤボックスと、前記ギヤボックスに回転可能に取り付けられている出力軸と、前記ロータの回転力を駆動軸を介して前記出力軸へ伝達する伝動ユニットとを含んでなる。前記伝動ユニットは、前記ロータの内側面に対向して固定され、ガイドチャネルを有するガイドレールと、前記ガイドレールに沿って上下に移動するガイドスロット付スライダーと、一端には前記スライダーのボールが挿入されるボールシートが設けられ、他端には平坦部の締結孔に回動可能に結合する締結孔を有する延長部が設けられたボールハウジングとから構成される。このような同軸型往復エンジンによれば、ハウジング組立体に取り付けられたロータの往復回転揺動運動が伝動ユニットを介して出力軸の一方向回転運動に変換されて伝達される。
【００１１】
ところが、前記のような同軸型往復エンジンは、理論的には、必要とする動力を得るに十分な構造をもっているが、伝動ユニットを構成する構成部品数が多く、特に多数のリンクが設置されることにより構造的に弱いため、高速及び高トルクのエンジンを構成することが難しい。また、ロータと出力軸間の距離が長くて大きいモーメントが発生し、伝動ユニットとリンクの回転中心軸が相異するため、構造的に非常に不安で振動が激しい。また、多数のリンク及びギヤボックスを備えなければならないため、全体的な体積が大きくなり、ギヤボックスの固定が不安定であるという構造的な弱点も持つ。その上、燃焼時に発生する内方（ハウジングの中心軸方向）への圧力を支持することが可能な構造が備えられていないため、ロータの変形及び慣性損失が大きい。
【特許文献１】
韓国登録特許第２９２９８８号（対応特許：米国特許第６,１８６,０９５号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明は、かかる問題点に鑑みて創案されたもので、その目的は、入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置し、入力パートの往復揺動運動を出力パートの一方向回転運動に変換し、或いは入力パートの一方向回転運動を出力パートの往復揺動運動に変換することにより、体積効率を向上させることが可能なトーラスクランク機構を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、機械要素間の滑り摩擦部分が少なくて機構学的慣性損失、振動及び騒音を減らすことができ、簡単な構造を有し且つ機械的な強度及び耐久性に優れるから効率的な伝動構造を図ることができるうえ、組立及び製作が容易であって低コストの量産が可能なエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを構成することが可能なトーラスクランク機構を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、振動を極小化することが可能なトーラスクランク機構を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、両方で動力を出力或いは入力するための両方動力軸が、別途の方向転換手段又はクランキング作用のための複雑なリンク機構を介在することなく、同一の方向に回転させることが可能なトーラスクランク機構を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、両方動力軸を同一の方向に回転させることにより、動力出力効率及び動力入力効率を高めると共に、多数のハウジング組立体を同軸的に連結して多重トーラスクランク機構を容易に構成することを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係るトーラスクランク機構は、少なくとも一つの密閉チャンバを提供するハウジング組立体と、前記ハウジング組立体の中央部に配置され、上部及び／又は下部に突出する垂直軸及び横方向に突出する少なくとも１本の水平軸を有するコアと、前記チャンバ内に位置する回転ブレードが備えられてコアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置され、内周面には少なくとも１つのガイドスロットを有するロータと、前記ガイドスロットに回転スライド可能に収容される偏心スライダーが備えられ、コアの水平軸に回転可能に支持される少なくとも一つのベベルギヤと、前記コアの垂直軸のいずれか１本又は全てに回転可能に支持される出力ギヤとを含んでなることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、前記ハウジング組立体は、円形空間部を備えた上面、貫通孔を備えた下面及び側面の外郭プロファイルを有するハウジングボディと、前記ハウジングボディの上／下面にそれぞれ結合する第１及び第２カバーと、前記チャンバを形成するために前記円形空間部を区画するように円形空間部内に設置される少なくとも２つの固定ブロックとを備え、前記コアはハウジングボディの下面から上面へ延長される多数の支持片によってハウジングボディと一体になることが好ましい。
【００１９】
また、前記ロータのガイドスロットの両側壁に回転スライド可能に収容された偏心スライダーによるガイドスロットの両側壁の磨耗を防止するために、前記ガイドスロットの両側壁には、ロータの材質より高い硬度及び強度を有する材質からなるガイド部材がさらに設置できる。
【００２０】
また、前記ベベルギヤの偏心スライダーは、ガイドスロットのいずれの位置でも前記偏心スライダーが常にハウジング組立体の中心を向かうように、一定の角度で傾くように設けられることが好ましい。また、前記ベベルギヤの偏心スライダー形成面には、ロータの曲率半径と同一の曲率半径を有するガイド部が一体に設けられ、前記ガイド部の形成面とは反対側の面には、ベベルギヤ回転時のバランス維持のためのバランスウェイト部が設けられることができる。ベベルギヤに前記ガイド部が設けられた場合、ガイドスロットに設置されるガイド部材の前面には、ベベルギヤのガイド部と同一の曲率半径をもって湾曲される弧形支持部が設けられることが好ましい。また、前記偏心スライダーがガイドスロット内で円滑に移動できるように、偏心スライダーにはガイドローラがさらに設置できる。
【００２１】
本発明の好適な実施例によれば、前記ハウジング組立体は、少なくとも２つのチャンバを有する。前記コアには前記チャンバ内に位置する少なくとも２つの回転ブレードが備えられる。ロータはコアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置される。前記コアの内周面には少なくとも２つのガイドスロットが対向して配設され、コアの水平軸には少なくとも２つのベベルギヤが回転可能に支持される。
【００２２】
また、本発明の好適な他の実施例によれば、前記ハウジング組立体は少なくとも４つのチャンバを有し、前記コアには前記チャンバ内に位置する少なくとも４つの回転ブレードが備えられる。ロータはコアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置される。前記コアの内周面には少なくとも４つのガイドスロットが対向して配設され、コアの水平軸には少なくとも４つのベベルギヤが回転可能に支持される。
【００２３】
また、本発明に係るトーラスクランク機構は、ロータを入力パートとする場合、各種産業用エンジンやアクチュエータを構成することができる。また、出力ギヤを入力パートとする場合、圧縮機やポンプなどを構成することができる。いずれの場合も、本発明のトーラスクランク機構では、入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置し、また従来の一般的なクランク機構のように大きい作動空間を必要とするクランクシャフトなどの機械要素を必要としないため、構造的な単純化は勿論、重量及び体積効率を向上させることができ、これにより同一馬力のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの大きさ及び重量を大幅減らすことができる。
【００２４】
また、本発明に係るトーラスクランク機構は、簡単な構造を有し且つ効率の良い作動構造を有するため、低コストの量産が可能なエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを実現することができる。
【００２５】
前記のように構成される本発明のトーラスクランク機構において、多数のベベルギヤが採用される場合、前記ベベルギヤの各偏心スライダーの偏心位相はいずれか一つのベベルギヤの回転方向に対して順次１８０°ずつずれるようになっていることが好ましい。この場合、各ベベルギヤに備えられた偏心スライダーの偏心位相による重心偏差が、隣り合うベベルギヤの対向するベベルギヤ対によって相殺されるので、ロータのガイドスロット内で偏心スライダーが運動するときに発生する振動を減らすことができる。
【００２６】
また、前記ベベルギヤは、上／下部出力ギヤと交互に噛み合うことが好ましい。この場合、上部出力ギヤに噛み合ったベベルギヤの回転方向と下部出力ギヤに噛み合ったベベルギヤの回転方向とが互いに反対となるので、上／下部出力ギヤの回転方向は互いに同一になる。これにより、上／下部出力ギヤに連結される２本の動力軸も同一の方向に回転することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、上／下部出力ギヤが同一の方向に回転するという点を考慮し、前記上／下部出力ギヤ及びコアに同軸的に中空が設けられることもある。この場合、コアの中空を１本の動力軸が回転可能に貫通し、前記動力軸の両側は上／下部出力ギヤを貫通して結合できる。したがって、この場合、前記１本の動力軸によって両側で動力を出力或いは入力することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、このように構成されたトーラスクランク機構を少なくて２つ以上同軸的に連結することにより、多重トーラスクランク機構を簡単に構成することができる。すなわち、高馬力のエンジンやアクチュエータ、或いは高容量の圧縮機やポンプを構成する際にその拡張性が優れる。この場合、前記出力ギヤのうち、ハウジング組立体の内部で隣り合う出力ギヤは一体になることが好ましい。
【００２９】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明の効果】
【００３０】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るトーラスクランク機構によれば、例えば各種エンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを構成するにおいて、従来の一般的なクランク機構でのように大きい作動空間を必要とする機械要素、すなわちクランクシャフトなどの部品が不要であり、且つ入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置するため、体積効率を向上させることができ、同一馬力のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの装置よりその大きさ及び重量を大幅減らすことができる。
【００３１】
また、本発明のトーラスクランク機構は、簡単な構造を有し且つ効率の良い作動構造を有するため、低コストの量産が可能なエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを製造することができる。
【００３２】
また、本発明に係るトーラスクランク機構は、数個のトーラスクランク機構を同軸的に連結する簡単な方法で高馬力のエンジンやアクチュエータ、高容量の圧縮機やポンプを構成することができるなどその拡張性が優れる。
【００３３】
また、本発明では、別途の方向転換手段の介在なしで一対の動力軸を互いに同一の方向に回転させることができるうえ、１本の動力軸によっても両側で動力を出力／入力できるように構成することができるため、この場合、複数のトーラスクランク機構を簡単に同軸的に連結して多重トーラスクランク機構を構成することができるので、その拡張性にさらに優れ、同一馬力のものと対比してより効果的な小型化及び構造の単純化を図ることができる。
【００３４】
また、出力ギヤが全て同一の方向に回転し、この全ての出力ギヤに動力軸が連結されるように構成される場合、最外側出力ギヤだけでなく、内部の出力ギヤも動力軸に／から回転力を伝達し或いは受けることができるため、さらに高い馬力のエンジンやアクチュエータ、高容量の圧縮機やポンプなどを一層効果的に構成することができる。
【００３５】
また、本発明では、ベベルギヤに設置された偏心スライダーが全体的に重心を取るように設けられているため、振動発生を最小化することができ、これにより伝動損失の最小化、耐久性の向上、騒音低減などの効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【実施例】
【００３７】
図１ないし図５では、本発明に係るトーラスクランク機構において、参照符号１００はハウジング組立体、２００はコア、３００はロータ、４１０、４２０、４３０及び４４０はベベルギヤ、５００及び６００は出力ギヤをそれぞれ示し、ここでは、便宜上、４つのベベルギヤ４１０〜４４０が本発明に係るトーラスクランク機構に適用されたものを例示する。
【００３８】
前記ハウジング組立体１００の中央部にはコア２００が配置され、このコア２００の外側にロータ３００が往復回転揺動運動可能に配置される。ベベルギヤ４１０〜４４０は前記コア２００の側面に回転可能に設置され、出力ギヤ５００、６００は前記コア２００の上下部に回転可能に設置される。
【００３９】
前記ハウジング組立体１００は、ハウジングボディ１１０と第１及び第２カバー１２０、１３０と多数（ここでは４つが例示される）の固定ブロック１４１〜１４４とを備える。前記ハウジングボディ１１０は、上面１１１、下面１１２及び側面１１３を備える略筒状のプロファイルを有する。ハウジングボディ１１０の形状は、四角筒状に限定されず、円筒状にすることもできるなど、必要に応じて形態変更が可能である。前記ハウジングボディ１１０の上面１１１には一定の深さの円形空間部１１１ａが設けられ、前記下面１１２には貫通孔１１２ａが設けられる。前記第１及び第２カバー１２０、１３０はハウジングボディ１１０の上／下面１１１、１１２にそれぞれ結合する。前記多数の固定ブロック１４１〜１４４は前記円形空間部１１１ａを多数の空間に区画するように円形空間部１１１ａに等間隔で設置される。例えば、固定ブロック１４１〜１４４はハウジングボディ１１０に一体に取り付けられることもでき、別途に製作されてハウジングボディ１１０に結合することもできる。前記固定ブロック１４１〜１４４が円形空間部１１１ａを区画することにより、ハウジングボディ１１０には少なくとも一つ（ここでは４つが例示される）のチャンバ１４５〜１４８が設けられる。ここで、前記チャンバ１４５〜１４８は、図示例のような縦断面四角形にすることも、縦断面円形にすることもできる。すなわち、前記チャンバ１４５〜１４８は固定ブロック１４１、１４４の形状に応じて様々な変形が可能である。
【００４０】
前記コア２００には、少なくとも一つ（ここでは４つが例示される）のベベルギヤ４１０〜４４０及び少なくとも一つ（ここでは２つが例示される）の出力ギヤ５００、６００を回転可能に支持するため、４つの水平軸２１１〜２１４及び２つの垂直軸２１５、２１６が順次一体に設けられる。ここで、前記水平軸２１１〜２１４には多数のベベルギヤ４１０〜４４０がそれぞれ回転可能に支持され、前記垂直軸２１５、２１６には出力ギヤ５００、６００が回転可能に支持される。このようなコア２００は、ハウジングボディ１１０の下面１１２から上面１１１へ延長される多数の支持片２２１〜２２４によってハウジングボディ１１０と一体に設けられることが好ましいが、これに必ずしも限定されるものではない。例えば、前記コア２００は、ハウジングボディ１１０とは別途に製作され、第１及び第２カバー１２０、１３０によってハウジングボディ１１０に組み立てられるように構成することもできる。ここで、前記支持片２２１〜２２４はコア２００を中心として上下対称に設けられることが好ましい。
【００４１】
前記ロータ３００は、ハウジング組立体１００のハウジングボディ１１０に設けられた円形空間部１１１ａ内に両方向に回転可能に設置される。このロータ３００は、図６ないし図８に示すように、リング状のロータ体３１０と、前記ロータ体３１０の外側に設けられ、ハウジングボディ１１０の円形空間部１１１ａの多数のチャンバ１４５〜１４８内に位置すると共に前記各チャンバの幅より小さい幅を持つ多数の回転ブレード３１１〜３１４とを含んでなる。また、ロータ体３１０の内周面（好ましくは回転ブレード３１１〜３１４）には多数のガイドスロット３１５〜３１８が設けられる。前記ガイドスロット３１５〜３１８は対向して配設されることが好ましい。前記ハウジング組立体１００のチャンバ１４５〜１４８を例えば一般的なエンジンや圧縮機などのシリンダボアと比較する場合、このようなロータ３００の回転ブレード３１１〜３１４はピストンに相当する。したがって、ロータ３００は、軽量であるほど有利であるという点を考慮し、その材質をアルミニウム合金類などにすることが好ましい。また、各回転ブレード３１１〜３１４の内部を中空にすることが好ましい。回転ブレード３１１〜３１４にガイドスロット３１５〜３１８が設けられた場合、回転ブレード３１１〜３１４の中空はガイドスロット３１５〜３１８と連通してはならない。
【００４２】
図９、図１０及び図１３に示すように、コア２００の水平軸２１１〜２１４に回転可能にそれぞれ支持されるベベルギヤ４１０〜４４０の一側面には、前記ロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８に回転スライド可能に収容される偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１がベベルギヤ４１０〜４４０の中心軸から一定量偏心して設けられる。したがって、前記ロータ３００が往復回転揺動運動を行うと、ガイドスロット３１５〜３１８と偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１のスコッチヨーク(Scotch yoke)のような作用により、ベベルギヤ４１０〜４４０はいずれか一方向のみに回転する。また、多数のベベルギヤ３１０〜４４０はガイド部４１２、バランスウェイト部４１３及び多数の中空部４１４を備えることができる。前記ガイド部４１２は、各ベベルギヤの偏心スライダー形成面に、前記ロータ３００の内周面の曲率半径ｒと同一の曲率半径ｒ１を有する円弧面の形で設けられることが好ましい。したがって、各ベベルギヤの回転時、ガイド部４１２がロータ３００の内周面と摺接するので、ベベルギヤの位置が安定的に保たれることができる。また、各ベベルギヤに設けられたガイド部４１２は、本発明のトーラスクランク機構がエンジンに適用される場合、チャンバ１４５〜１４８内における燃焼過程で内方に、すなわちロータ３００の壁にガス圧力が加わるとき、ハウジング組立体１００の中心軸方向の圧力を支持する役割も兼ねる。したがって、ロータ３００の変形及び慣性損失を防止することができる。前記バランスウェイト部４１３は例えば、ベベルギヤ４１０の内側面（偏心スライダー４１１形成面の反対面をいう）のうち偏心スライダー４１１形成部位の反対側に位置することが好ましい。そして、前記中空部４１４はベベルギヤの減量及び前記バランスウェイト部と同一の目的で備えられるもので、前記バランスウェイト部４１３の反対側に位置するようにベベルギヤを貫通して設けられることもできる。
【００４３】
このように構成された多数のベベルギヤ４１０〜４４０は、図１１に示すように、ベベルギヤ４１０〜４４０の偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１がロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８に挿入されるように、コア２００の水平軸２１１〜２１４（図３及び図４参照）に回転可能にそれぞれ支持される。この際、ベベルギヤ４１０〜４４０の各ガイド部４１２は、ロータ３００の内周面の曲率半径ｒと同一の曲率半径ｒ１を有する円弧状に設けられているため、ロータ３００の内周面に接触することになる。このような状態で前記ロータ３００が往復回転揺動運動を行うと、図１２に示すように、例えばロータ３００のガイドスロット３１５内でベベルギヤ４１０の偏心スライダー４１１が円弧を描きながら空転する。このようなガイドスロット３１５と偏心スライダー４１１の作用によってベベルギヤ４１０が一方向に回転する。残りの偏心スライダー４２１、４３１、４４１も同様に運動するので、その詳細な説明は省く。
【００４４】
次に、ガイドスロット３１５と偏心スライダー４１１の作用を具体的に説明する。すなわち、図１２に示すように、ガイドスロット３１５の第１位置Ａに位置した偏心スライダー４１１は、ロータ３００が図上で左の方に動くと、第１矢印方向ａに沿って移動し、ガイドスロット３１５の第２位置Ｂに移動する。そして、ロータ３００が方向を変えて図上で右の方に動き始めると、偏心スライダー４１１は第２及び第３矢印方向ｂ、ｃに沿って移動しながら、第３位置Ｃを過ぎて第４位置Ｄまで移動する。その後、ロータ３００がさらに図上で左の方に移動するとき、偏心スライダー４１１は第４矢印方向ｄに沿って移動して初期位置に移動する。このような偏心スライダー４１１のガイドスロット３１５内における空転によって、ベベルギヤ４１０はコア２００の水平軸２１１を中心として回転する。
【００４５】
一方、ベベルギヤ４１０は、偏心スライダーとガイドスロットとの間で初期作動状態に応じて時計方向に回転することもできる。
【００４６】
前記ベベルギヤ４１０の偏心スライダー４１１は、図１０及び図１３に示すように、その中心軸から延長される線Ｌがハウジング組立体１００の中心軸Ｐと交叉するように所定の角度で傾くように設けられる。これにより、偏心スライダー４１１がガイドスロット３１５内のいずれの位置でも常にハウジング組立体１００の中心軸を向かうので、ヒンジ又はボールジョイントなどの機械要素を使用しなくても、機構学的適合条件を満足させることができる。その結果、トーラスクランク機構の構造的な単純化及び作動の円滑性を図ることができる。
【００４７】
図１４は、本発明に使用されるベベルギヤの他の例を示す図である。図１４に示すように、例えばベベルギヤ４１０の偏心スライダー４１１には、ガイドスロット３１５内で回転スライドするとき、より円滑に作動させるためのガイドローラ４１１ａがベアリングを介して設置されている。また、例えばベベルギヤ４１０にバランスウェイト部４１３を形成することにより、バランスウェイト部形成面に段差が発生する。このような段差は、ベベルギヤ４１０がその結合相手（すなわち、コア２００の側面）に均等に接触することを妨げるので、例えばベベルギヤの回転の障害要因になる。このようなベベルギヤの段差による影響を減らすため、図１４に点線で表示したように、ベベルギヤ４１０のバランスウェイト部形成面にこのバランスウェイト部４１３と同一の高さを有する軽量材の肉盛部４１３ａを設けている。この肉盛部４１３ａは中空部４１４を用いて結合できるように構成される。
【００４８】
一方、本発明に係るトーラスクランク機構において、前記ロータ３００は、その特性上、アルミニウム合金類などで製作することが好ましいが、このため、硬度及び強度が弱くて、ガイドスロット３１５〜３１８で回転スライドするベベルギヤ４１０〜４４０の偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１によるガイドスロット３１５〜３１８の両側壁の磨耗が発生する虞がある。本発明に係るトーラスクランク機構は、図１５に示すように、ロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８の両側壁にロータ３００の材質より高い強度及び軽度を有する材質からなるガイド部材３２１〜３２４を取り付けてガイドスロット３１５〜３１８の両側壁の磨耗を防止することができるように構成されている。
【００４９】
前記ガイド部材３２１〜３２４は全て同一の構造で出来ているので、一つのガイド部材３２１についてのみ説明する。図１６に示すように、前面部３２１ａと後面部３２１ｂが連結部３２１ｃによって一体に連結された構造を有する。このようなガイド部材３２１は、連結部３２１ｃがガイドスロット３１５の壁にスクリューなどのような固定要素に締結されることにより設置されることもできる。そして、前記前面部３２１ａにはベベルギヤ４１０のガイド部４１２と同一の曲率半径をもって湾曲される弧形支持部３２１ｄが設けられる。この弧形支持部３２１ｄはベベルギヤ４１０のガイド部４１２と面接触する。これにより、ベベルギヤ４１０は、そのガイド部４１２がロータ３００の内周面と線接触すると共に前記ガイド部材３２１の弧形支持部３２１ｄと面接触する状態でコア２００の軸２１１に支持されるので、ベベルギヤの位置が安定的に支持されることができる。例えば、エンジンを構成する場合、ロータ３００の壁によって加わる燃焼ガス圧力をより効果的に保持することができる。ここで、前記ガイド部材３２１は２つ一組の一体型に構成されても構わない。
【００５０】
図１ないし図３に示すように、出力ギヤ５００、６００は、前記コア２００の垂直軸２１５、２１６に前記ベベルギヤ４１０〜４４０と噛み合うように設けられ、ベベルギヤの回転によって回転する。この際、４つのベベルギヤ４１０〜４４０が２つの出力ギヤ５００、６００に全て噛み合っている場合、出力ギヤ５００、６００は互いに反対方向に回転するので、出力ギヤ５００、６００に連結される２つの動力軸７００、７００も互いに反対方向に回転する。この場合、いずれか一つのみ５００を出力ギヤとし且つもう一つ６００を空回転させるか、或いは別途のギヤトレインなどを用いて２つの出力ギヤ５００、６００を同方向に回転させることができるなど、必要に応じて様々な適用が可能である。
【００５１】
また、２つの動力軸７００、７００を同一の方向に回転させるために、いずれか１本の動力軸にギヤトレインのような方向転換手段をさらに介在して回転方向を逆に変える代りに、より単純で効果的に、別途の方向転換手段を介在することなく、２本の動力軸７００、７００を同一の方向に回転させることができる。すなわち、図１７に示すように、４つのベベルギヤ４１０〜４４０のうち、向かい合うベベルギヤ４１０、４２０が例えば上部出力ギヤ５００に噛み合い、前記ベベルギヤ４１０、４２０と隣接して向かい合うベベルギヤ４３０、４４０が下部出力ギヤ６００に噛み合うと、２つのベベルギヤ４１０、４２０は例えば反時計方向に回転し、２つのベベルギヤ４３０、４４０は時計方向に回転する。したがって、上／下部出力ギヤ５００、６００が、上方からみて、時計方向に回転することにより、２本の動力軸７００、７００が同一の方向に回転することができる。ここでは、４つのベベルギヤ４１０〜４４０に対して２本の動力軸７００、７００が同一の方向に回転するように出力ギヤ５００、６００と噛み合う構造について説明したが、これに限定されず、４倍数のベベルギヤが採用される構造であれば、同一に適用することができる。例えば、８つのベベルギヤが採用された場合にも、隣接して向かい合うベベルギヤ対が上／下部出力ギヤ５００、６００と交互に噛み合うと、上／下部出力ギヤ５００、６００の回転方向は互いに同一であり、これにより出力ギヤ５００、６００に連結される２本の動力軸７００、７００も同一の方向に回転することができる。
【００５２】
このように出力ギヤ５００、６００の回転方向が同一の場合、図１８に示すように、出力ギヤ５００、６００及びコア２００に同軸的に中空が設けられると、前述したように２本の動力軸７００、７００を採用する必要がなく、１本の動力軸７００ａを採用することができる。すなわち、動力軸７００ａがコア２００の中空を回転可能に貫通し、前記動力軸７００ａの両側に出力ギヤ５００、６００がその中空を介して結合すると、１本の動力軸７００ａのみでも両側の動力を出力又は入力することができる。また、図２０に示すように、１本の動力軸７００ａによって一方に動力を出力或いは入力する場合にも、動力軸７００ａが２つの出力ギヤ５００、６００に結合しているので、小型の高性能トーラスクランク機構を得ることができる。
【００５３】
一方、本発明において、図１９及び図２０に示すように、前記ベベルギヤ４１０〜４４０の偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１の偏心位相は、いずれか一つのベベルギヤの回転方向に対して順次１８０°ずつずれるのが好ましい。いずれの場合も、偶数個のベベルギヤが採用された構造であれば、前述と同様に適用できる。したがって、各ベベルギヤ４１０〜４４０に備えられた偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１の偏心位相による重心偏差が、隣接するベベルギヤのうち向かい合うベベルギヤ対によって全体的に相殺される。すなわち、ロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８内で偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１が運動するとき、偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１が全体的にいずれか一方に偏ることなく、均衡を保って運動するが、例えば図１９のように一対の偏心スライダー４１１、４２１が、往復回転揺動運動するロータ３００のガイドスロット３１５、３１６内で例えば反時計方向に回転して下方に位置（図２０参照）するとき、これとは逆に、他の一対の偏心スライダー４３１、４４１は時計方向に回転して上方に位置（図２０参照）する。このような方式で偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１が回転する間、上下左右方向の振動が相殺されるので、振動を極小化することができる。また、偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１に結合して往復回転揺動するロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８部分の上下振動も相殺されて極小化されることにより、出力減少誘発要因を最小化することができる。
【００５４】
一方、図１ないし図３において、符号１５０は、例えば本発明のトーラスクランク機構を用いてエンジンを構成する場合、点火プラグなどの部品を設置するためにハウジング組立体１００のハウジングボディ１１０に設けられる部品設置空間である。
【００５５】
このように構成される本発明に係るトーラスクランク機構は、車両用エンジンを含む各種産業用エンジンやアクチュエータ、流体を圧縮する圧縮機、流体をポンピングするポンプなどに広範囲に適用することができる。このような適用例を考察すると、次の通りである。
【００５６】
まず、本発明に係るトーラスクランク機構が動力発生装置としてのエンジン及びアクチュエータに適用される場合について説明する。
【００５７】
この場合、ハウジング組立体１００の各チャンバ１４５〜１４８はエンジンのシリンダボアに相当する。また、前記チャンバ１４５〜１４８内に位置するロータ３００の回転ブレード３１１〜３１４はエンジンのピストンに相当する。したがって、前記チャンバ１４５〜１４８を区画する固定ブロック１４１〜１４４の両側に給排気機構及び点火機構（図示せず）などを構成すると、チャンバ１４５〜１４８内における燃焼サイクルが連続的に行われると共に、燃焼ガス圧力によってロータ３００がハウジング組立体１００内で往復回転揺動運動を行う。この際、４つのチャンバ１４５〜１４８において、前記のような作用が同時に同一に行われる。すなわち、各チャンバにおいて対応する各回転ブレードを中心としてその両側で前記のような動作が行われるので、４つのチャンバ１４５〜１４８を有するトーラスクランク機構の場合、１つのチャンバ内で回転ブレードがダブルアクティング(double acting)を行うため、内燃機関の８気筒に相当する。すなわち、同一馬力の一般的な内燃機関に比べてエンジンの大きさと重量を大幅減少させることができる。
【００５８】
前記のようにハウジング組立体１００の内部で往復回転揺動運動を行うロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８には、コア２００の水平軸２１１〜２１４に設置されたベベルギヤ４１０〜４４０の偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４が収容されているので、ロータ３００の往復回転揺動運動に従って前記偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１がガイドスロット３１５〜３１８で回転スライドしながら空転する。これにより、ベベルギヤ４１０〜４４０が一方向に回転し、このベベルギヤ４１０〜４４０の回転力は、コア２００の垂直軸２１５〜２１６に回転可能に設置されてベベルギヤ４１０〜４４０と噛み合う出力ギヤ５００、６００に伝達される。
【００５９】
このような伝動過程において、上／下部出力ギヤ５００、６００がベベルギヤ４１０〜４４０に噛み合っている場合には、２つの動力軸７００、７００は互いに反対方向に回転する。ところが、上部出力ギヤ５００にはベベルギヤ４１０、４２０が噛み合い、下部出力ギヤ６００にはベベルギヤ４３０、４４０が噛み合っている場合にはベベルギヤ４１０、４２０の回転方向とベベルギヤ４３０、４４０の回転方向とが互いに反対になり、出力ギヤ５００、６００が同一の方向に回転する。従って、後者の場合には、出力ギヤ５００、６００に２本の動力軸７００、７００が連結される場合、又は出力ギヤ５００、６００に１本の動力軸７００ａが連結される場合など、いずれの場合も問わず、動力軸７００、７００又は動力軸７００ａは出力ギヤ５００、６００の回転方向と同一の方向に回転することができる。すなわち、別途の方向転換手段を介在しなくても、両側で同一方向の回転力を出力／入力することができる。
【００６０】
次に、本発明に係るトーラスクランク機構が動力発生装置とは逆に駆動手段を介して動力の入力を受けて所定の機能を行う装置、例えば圧縮機又はポンプに適用する場合について説明する。
【００６１】
この場合、前記出力ギヤ５００及び／又は６００が入力パートになり、ロータ３００が出力パートになる。
【００６２】
２つの出力ギヤ５００、６００が全てベベルギヤ４１０〜４４０に噛み合っている場合を考察すると、いずれか一つの出力ギヤの動力軸７００のみをモータのような駆動手段によって回転させる。従って、動力軸７００によっていずれか一つの出力ギヤが回転するにつれて、ベベルギヤ４１０〜４４０を介してロータ３００が往復回転揺動運動を行うことができる。また、２つの出力ギヤを全て回転させようとする場合には、残り一つの出力ギヤの動力軸は方向転換手段を介して反対方向に回転させる。したがって、２つの出力ギヤ５００、６００は互いに反対の方向に回転するにつれて、ベベルギヤ４１０〜４４０はいずれか一つの方向に回転する。前述したように、このベベルギヤ４１０〜４４０の運動によるロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８に配置された偏心スライダー４１１の運動によってロータ３００が往復回転揺動運動を行うことができる。
【００６３】
一方、上部出力ギヤ５００にはベベルギヤ４１０、４２０が噛み合い、下部出力ギヤ６００にはベベルギヤ４３０、４４０が噛み合っている場合には、駆動手段によっていずれか一つの出力ギヤの動力軸７００のみを回転させるか、別途の方向手段の介在なしで２本の動力軸７００、７００を全て同一の方向に回転させ、動力軸７００ａが適用された場合には、別途の方向手段の介在なしで前記動力軸７００ａを回転させる。例えば、いずれか１本の動力軸７００のみを回転させる場合には、いずれか一つの出力ギヤに噛み合っている２つのベベルギヤによってロータ３００が往復揺動回転運動を行うことができ、２本の動力軸７００、７００を回転させるか或いは動力軸７００ａを回転させる場合には、出力ギヤ５００に噛み合っているベベルギヤ４１０、４２０及び出力ギヤ６００に噛み合っているベベルギヤ４３０、４４０が一方向に回転することにより、ロータ３００が往復回転揺動運動を行うことができる。
【００６４】
このように運動するトーラスクランク機構を圧縮機又はポンプなどに適用する際、ハウジング組立体１００のチャンバ１４５〜１４８の両側に位置する固定ブロック１４１、１４４に流体吸入／排出機構（図示せず）がそれぞれ構成されると、ロータ３００が例えば時計方向に回転するときには、回転ブレードを中心としてチャンバのうちいずれか一側は流体を吸入し、他側は流体を圧縮して排出する。また、ロータ３００が反時計方向に回転するときには、前記の反対動作が行われる。このような各回転ブレードのダブルアクティング動作が繰り返し行われることにより、各チャンバは各回転ブレードによって区画されたままで流体を吸入して圧縮又はポンピングする２つの気筒として機能するので、小型である反面、高性能を発揮することが可能な圧縮機又はポンプなどを提供することができる。
【００６５】
一方、以上では、前記ハウジング組立体１００に４つのチャンバ１４５〜１４８が設けられ、ロータ３００も４つの回転ブレード３１１〜３１４を有すると共に４つのベベルギヤ４１０〜４４０が適用された８気筒トーラスクランク機構について示されているが、これは本発明の好適な実施例を説明するためのものに過ぎず、チャンバは一つのみが形成されることもできる。一つのチャンバを有する本発明のトーラスクランク機構の場合、例えば水族館用圧縮機又は人工心臓などの小型圧縮機に有利に適用できる。特に、偶力を誘発するために対向方向に対を成すようにチャンバが設けられることが、本発明の一目的、すなわち振動の最小化及び両側に同一方向の回転力を出力又は入力する目的を達成するために好ましい。ハウジング組立体のチャンバを２つ、４つ、６つ、８つなどのように偶数個に増加させると、エンジンの動力、アクチュエータ、圧縮機及びポンプの容量が倍加できる。このような場合にも、ハウジング組立体１００又はロータ３００の大きさにはあまり変化がないので、例えば船舶用エンジンなどの場合に同一馬力の一般エンジンに比べてその大きさ及び重量を著しく小さくすることができる。
【００６６】
ここでは図示又は説明していないが、両側で同一方向の回転力を出力／入力するためのものであれば、例えば２つのベベルギヤが適用できる。すなわち、上部出力ギヤ５００には一つのベベルギヤが、下部出力ギヤ６００には他のベベルがそれぞれ噛み合っている形のトーラスクランク機構を提供することができ、これも本発明の範囲に含められるべきである。
【００６７】
一方、図２１には、本発明に係る多重トーラスクランク機構を多数個同軸的に連結してなる多重トーラスクランク機構のうち２つのトーラスクランク機構を同軸的に連結してなるダブルトーラスクランク機構が示されている。以下、図２１ないし図２４を参照して、本発明に係るトーラスクランク機構の別の利点である容易な拡張性について説明する。
【００６８】
図２１に示すように、本発明に係る多重トーラスクランク機構は、前述した少なくとも２つのトーラスクランク機構１０、２０が同軸的に連結されて構成される。各トーラスクランク機構１０、２０の基本的な構成及び作用は、前述と同様なので、同一の参照符号を付し、ここでの具体的な説明を省く。
【００６９】
例えば、図２１に示したダブルトーラスクランク機構の動力出力構造を説明する。ベベルギヤ４１０〜４４０に出力ギヤ５００、６００が全て噛み合っている場合には、図２２に示すように、第１及び第２トーラスクランク機構１０、２０のうちその中央部で互いに隣接する２つの出力ギヤ５００、６００に亘って１本の動力軸７００が連結され、他の出力ギヤ５００、６００が前記動力軸７００に対して空回転する構造を採用することができる。この場合、動力軸７００に連結される２つの出力ギヤ５００、６００は、一体に設けられて出力ギヤ９０を成すことが好ましい。他の形態として、図２３に示すように動力軸７００がいずれか一つの出力ギヤに連結され、この動力軸７００に対して他の出力ギヤが空回転する構造を採用することができる。これは当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも容易に理解できる。
【００７０】
上述したように、例えば８気筒内燃機関に相当する２つのトーラスクランク機構を同軸的に連結して、１６気筒内燃機関に相当するダブルトーラスクランク機構を構成することができるうえ、同原理で３つ、４つのトーラスクランク機構を同軸的に連結することにより、より高い馬力のエンジンなどに適用することが可能な多重トーラスクランク機構を容易に構成することができる。また、このような多重トーラスクランク機構において、１本の動力軸７００を採用する場合、前記動力軸７００に対して同方向に回転する出力ギヤはいずれも動力軸７００に連結させ、残りの出力ギヤは空回転させることが好ましい。また、図示してはいないが、例えば４つのトーラスクランク機構を同軸的に連結して多重トーラスクランク機構を構成する場合、マイティーギヤを介してその両側に前記ダブルトーラスクランク機構を配置し、これらのダブルトーラスクランク機構の動力軸をそれぞれマイティーギヤに連結して高馬力のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを構成することができる。
【００７１】
一方、ベベルギヤ４１０〜４４０に対して出力ギヤ５００、６００が対別に分けられて噛み合っている場合、第１トーラスクランク機構１０の下部出力ギヤ６００及び第２トーラスクランク機構２０の上部出力ギヤ６００が一体に設けられて出力ギヤ９０を構成し、第１及び第２トーラスクランク機構１０、２０のハウジングボディ１１０、１１０が気密状態で結合すると、２つのトーラスクランク機構を備えたダブルトーラスクランク機構を構成することができる。この場合、図示してはいないが、第１トーラスクランク機構１０の上部出力ギヤ５００及び第２トーラスクランク機構２０の下部出力ギヤ６００に動力軸７００をそれぞれ連結すると、１６気筒のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどに適用でき、動力軸７００、７００を介して同一方向の回転力を出力／入力することができる。上述したように、動力軸７００、７００をそれぞれ適用せず、図２４に示すように、第１トーラスクランク機構１０の上部出力ギヤ５００から第２トーラスクランク機構２０の下部出力ギヤ６００まで貫通して結合する動力軸７００ａが適用されると、出力ギヤ５００、６００だけでなく、同方向に回転する出力ギヤ９０の回転力も動力軸７００ａに伝達され、逆に動力軸７００ａの回転力が出力ギヤ５００、６００だけでなく出力ギヤ９０にも伝達されるので、高馬力の装置をより効果的に構成することができる。同原理で多数のトーラスクランク機構を別途の方向転換手段を全く介在しなくても同軸的に連結することができるので、高馬力の多重トーラスクランク機構を容易に構成することができてその拡張性に優れるうえ、方向転換手段が追加されないので多重トーラスクランク機構をさらに小型化することができ、全ての出力ギヤを介して回転力が伝達されるので伝動効率もさらに向上する。このような多重トーラスクランク機構において、いずれの場合も、ハウジング組立体１００の内部で互いに隣接する出力ギヤ５００、６００は一体になって出力ギヤ９０を構成することが好ましい。
【００７２】
また、前記したような多重トーラスクランク機構において、その振動を極小化するために、隣接するコア２００の水平軸は全体的に隣接するコアの中心を連結する中心線に対して順次９０°ずつ位相差を持つように配置されることが好ましい。
【００７３】
また、本発明のクランク機構は、エンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの他にも各種産業用機械、例えば工作機械などの伝動系統にも効果的に利用でき、これらも本発明の範囲に含まれるべきである。
【００７４】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上述べたように、本発明に係るトーラスクランク機構によれば、例えば各種エンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを構成するにおいて、従来の一般的なクランク機構でのように大きい作動空間を必要とする機械要素、すなわちクランクシャフトなどの部品が不要であり、且つ入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置するため、体積効率を向上させることができ、同一馬力のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの装置よりその大きさ及び重量を大幅減らすことができる。
【００７６】
また、本発明のトーラスクランク機構は、簡単な構造を有し且つ効率の良い作動構造を有するため、低コストの量産が可能なエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを製造することができる。
【００７７】
また、本発明に係るトーラスクランク機構は、数個のトーラスクランク機構を同軸的に連結する簡単な方法で高馬力のエンジンやアクチュエータ、高容量の圧縮機やポンプを構成することができるなどその拡張性が優れる。
【００７８】
また、本発明では、別途の方向転換手段の介在なしで一対の動力軸を互いに同一の方向に回転させることができるうえ、１本の動力軸によっても両側で動力を出力／入力できるように構成することができるため、この場合、複数のトーラスクランク機構を簡単に同軸的に連結して多重トーラスクランク機構を構成することができるので、その拡張性にさらに優れ、同一馬力のものと対比してより効果的な小型化及び構造の単純化を図ることができる。
【００７９】
また、出力ギヤが全て同一の方向に回転し、この全ての出力ギヤに動力軸が連結されるように構成される場合、最外側出力ギヤだけでなく、内部の出力ギヤも動力軸に／から回転力を伝達し或いは受けることができるため、さらに高い馬力のエンジンやアクチュエータ、高容量の圧縮機やポンプなどを一層効果的に構成することができる。
【００８０】
また、本発明では、ベベルギヤに設置された偏心スライダーが全体的に重心を取るように設けられているため、振動発生を最小化することができ、これにより伝動損失の最小化、耐久性の向上、騒音低減などの効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
この発明の前記及び他の目的、特徴及びその他の利点は、添付図面を参照する次の説明によって明確に理解されるであろう。
【図１】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を示す分解斜視図である。
【図２】図１に示したトーラスクランク機構の内部の組立状態を示す斜視図である。
【図３】図２の一部を切開して示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するハウジング組立体とコアとの結合関係を示す平面図である。
【図５】図４のV−V線に沿った断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するロータの例を示す斜視図である。
【図７】は図６の平面図である。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。
【図９】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するベベルギヤを示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するベベルギヤを示す平面図である。
【図１１】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するロータとベベルギヤの配置関係を示す平面図である。
【図１２】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構の要部であるロータのガイドスロットとベベルギヤの偏心スライダー間の作用を説明するための図である。
【図１３】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構のベベルギヤに形成される偏心スライダーの傾斜による作用を説明するための図である。
【図１４】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するベベルギヤの他の例を示す平面図である。
【図１５】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するロータの他の例を示す斜視図である。
【図１６】図１５に示したロータに適用されるガイド部材の例を示す斜視図である。
【図１７】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構におけるベベルギヤと出力ギヤとの噛合い関係を示すための要部切開斜視図である。
【図１８】図１７の他の例を示す要部切開斜視図である。
【図１９】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構における、ベベルギヤに設置される偏心スライダーの偏心位相関係を説明するための斜視図である。
【図２０】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構における、ベベルギヤに設置される偏心スライダーの偏心位相関係を説明するための斜視図である。
【図２１】本発明の他の実施例に係る多重トーラスクランク機構としてダブルトーラスクランク機構の例を示す分解斜視図である。
【図２２】同ダブルトーラスクランク機構における動力出力／入力関係の例を説明するための概略図である。
【図２３】同ダブルトーラスクランク機構における動力出力／入力関係の例を説明するための概略図である。
【図２４】同ダブルトーラスクランク機構における動力出力／入力関係の例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００８２】
１００...ハウジング組立体、
２００...コア、
３００... ロータ、
３１５...ガイドスロット、
４１１...偏心スライダー、
４１０、４２０、４３０、４４０...ベベルギヤ、
５００、６００...出力ギヤ
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
クランク機構は、入力される往復直線運動を一方向回転運動に変換して出力する装置として知られている。例えば、入力パートのピストンに連接棒（コネクティングロッド）が連結され、この連接棒に出力パートのクランクシャフトが連結された構造を有するクランク機構を挙げることができる。このようなクランク機構は殆どのエンジンに採用されている。この場合、ピストンの往復直線運動は、クランクシャフトの一方向回転運動に変換される。一方、クランクシャフトを入力パートとすると、クランクシャフトの一方向回転運動をピストンの往復直線運動に誘導することもできる。このような構造のクランク機構が採用されたものとしては、例えば圧縮機やポンプなどを挙げることができる。
【０００３】
ところが、上述した一般的なクランク機構は、ピストンの行程距離、連接棒の長さ、クランクシャフトの偏心部の回転による空間などを必要とするため、その体積が大きくなって体積効率が非常に低いうえ、エンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの全重量が重くなるという欠点がある。かかる欠点は、高馬力のエンジン又はアクチュエータ、高容量の圧縮機又はポンプなどを構成するに際して著しく目立つ。特に、このようなクランク装置が船舶用エンジンに適用される場合、その大きさが極めて肥大になり且つ重量が増加する。したがって、エンジンを製作し難いうえ、製作コストが高くかかる。
【０００４】
また、一般的なクランク機構は、入力パートの入力軸と出力パートの出力軸が、相異した方向及び場所に二元化されており、多数の運動要素で発生する摩擦抵抗などの要因により振動及び騒音が激しい。また、このようなクランク機構は製作及び効率の面で経済的ではないという問題点がある。
【０００５】
また、一般的なクランク機構を用いたエンジンは、転覆の際、クランク室内の潤滑油がシリンダヘッド側に逆流することにより停止してしまう。これにより、燃焼室、シリンダ及びピストンの機械的な損失をもたらすという問題もある。
【０００６】
このような一般的なクランク機構の欠点を補完するための方案として、様々な形のロータリエンジンが紹介された。ロータリエンジンの殆どは、従来のクランク機構に関連した根本的な欠点を減らすと共に、燃料効率の面で経済的で軽量であるエンジンを提供する目的で提案されたが、商業的な面であまり効用性がなくて商品化に適していない。商品化に最も近接したものとしては、いわゆるバンケル(Wankel)エンジンがある。このようなバンケルエンジンは、駆動軸組立体の周りのシリンダハウジングに設けられたトロイダル(toroidal)シリンダと、駆動軸組立体の周りに回転可能に支持されると同時にトロイダルシリンダに結合し、回転ブレードが互いに近く或いは遠くなるように動いてトロイダルシリンダとの間に膨張及び収縮作業チャンバを形成するロータ手段と、ハウジング組立体を介して延長されており、流体を作業チャンバに対して流入又は排出させる吸気ポート及び排気ポートとを含んでなることが一般的である。また、ロータリエンジンのうち、一部はシリンダの内部を移動するロータ手段を選択的に運動させるために、外部機構を利用し、他の一部は必要とする駆動要素を機構的に結合するために回転傾斜板とカムなどを利用することもある。
【０００７】
従来のバンケルエンジンは、前述した一般的なクランク機構の問題点をある程度解消することはできるが、作動上、非効率的な構造を持っており、最適の出力分配が持続的に行われないという問題点を有する。このため、バンケルエンジンは、車両用エンジン又は量産される産業用軽量エンジンのような通常の往復ピストンエンジンを代替することが可能なものとして広く用いられていない。しかも、バンケルエンジンは、高速では出力性能がある程度良いという利点はあるが、低速では出力性能が一般的なクランク機構を用いたエンジンに比べて著しく劣るという欠点がある。
【０００８】
従来のバンケルエンジンは、通常、一般的なクランク機構のクランクシャフトとはやや異なるが、クランクシャフトの作動原理を用いた伝動構造を取っている。このような理由で、エンジンの体積が大きくなることは回避することができず、これにより一般的なクランク機構の体積効率低下問題を完全に解消することはできなかった。この他にも、従来のバンケルエンジンは、複雑で精巧な製造及び組立工程を必要とするため、量産が難しく、製作コストが高くかかるという問題点がある。
【０００９】
かかる問題点を改善するために、本発明者によって同軸型往復エンジンが提案されたことがある（韓国登録特許第２９２９８８号（対応特許：米国特許第６,１８６,０９５号）参照）（特許文献１）。
【００１０】
この同軸型往復エンジンは、第１及び第２円形板からなり、第２円形板には多数の固定ブロックが取り付けられた第１ステータ、第３及び第４円形板からなり、所定の間隔で第１ステータと対向して配置された第２ステータ、これらの第１及び第２ステータを取り囲む円形ハウジング、前記第１ステータの外側に配置されるプレート及び多数の支持片を介して前記プレートと対向して配置され、ハウジングの遊動を防止するカバーとからなるハウジング組立体と、前記ハウジング組立体の内部に取り付けられ、膨張及び収縮作業チャンバを形成する多数の回転ブレードを有するロータと、前記ロータの内部に固定されたギヤボックスと、前記ギヤボックスに回転可能に取り付けられている出力軸と、前記ロータの回転力を駆動軸を介して前記出力軸へ伝達する伝動ユニットとを含んでなる。前記伝動ユニットは、前記ロータの内側面に対向して固定され、ガイドチャネルを有するガイドレールと、前記ガイドレールに沿って上下に移動するガイドスロット付スライダーと、一端には前記スライダーのボールが挿入されるボールシートが設けられ、他端には平坦部の締結孔に回動可能に結合する締結孔を有する延長部が設けられたボールハウジングとから構成される。このような同軸型往復エンジンによれば、ハウジング組立体に取り付けられたロータの往復回転揺動運動が伝動ユニットを介して出力軸の一方向回転運動に変換されて伝達される。
【００１１】
ところが、前記のような同軸型往復エンジンは、理論的には、必要とする動力を得るに十分な構造をもっているが、伝動ユニットを構成する構成部品数が多く、特に多数のリンクが設置されることにより構造的に弱いため、高速及び高トルクのエンジンを構成することが難しい。また、ロータと出力軸間の距離が長くて大きいモーメントが発生し、伝動ユニットとリンクの回転中心軸が相異するため、構造的に非常に不安で振動が激しい。また、多数のリンク及びギヤボックスを備えなければならないため、全体的な体積が大きくなり、ギヤボックスの固定が不安定であるという構造的な弱点も持つ。その上、燃焼時に発生する内方（ハウジングの中心軸方向）への圧力を支持することが可能な構造が備えられていないため、ロータの変形及び慣性損失が大きい。
【特許文献１】
韓国登録特許第２９２９８８号（対応特許：米国特許第６,１８６,０９５号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明は、かかる問題点に鑑みて創案されたもので、その目的は、入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置し、入力パートの往復揺動運動を出力パートの一方向回転運動に変換し、或いは入力パートの一方向回転運動を出力パートの往復揺動運動に変換することにより、体積効率を向上させることが可能なトーラスクランク機構を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、機械要素間の滑り摩擦部分が少なくて機構学的慣性損失、振動及び騒音を減らすことができ、簡単な構造を有し且つ機械的な強度及び耐久性に優れるから効率的な伝動構造を図ることができるうえ、組立及び製作が容易であって低コストの量産が可能なエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを構成することが可能なトーラスクランク機構を提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに他の目的は、振動を極小化することが可能なトーラスクランク機構を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、両方で動力を出力或いは入力するための両方動力軸が、別途の方向転換手段又はクランキング作用のための複雑なリンク機構を介在することなく、同一の方向に回転させることが可能なトーラスクランク機構を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、両方動力軸を同一の方向に回転させることにより、動力出力効率及び動力入力効率を高めると共に、多数のハウジング組立体を同軸的に連結して多重トーラスクランク機構を容易に構成することを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明に係るトーラスクランク機構は、少なくとも一つの密閉チャンバを提供するハウジング組立体と、前記ハウジング組立体の中央部に配置され、上部及び／又は下部に突出する垂直軸及び横方向に突出する少なくとも１本の水平軸を有するコアと、前記チャンバ内に位置する回転ブレードが備えられてコアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置され、内周面には少なくとも１つのガイドスロットを有するロータと、前記ガイドスロットに回転スライド可能に収容される偏心スライダーが備えられ、コアの水平軸に回転可能に支持される少なくとも一つのベベルギヤと、前記コアの垂直軸のいずれか１本又は全てに回転可能に支持される出力ギヤとを含んでなることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、前記ハウジング組立体は、円形空間部を備えた上面、貫通孔を備えた下面及び側面の外郭プロファイルを有するハウジングボディと、前記ハウジングボディの上／下面にそれぞれ結合する第１及び第２カバーと、前記チャンバを形成するために前記円形空間部を区画するように円形空間部内に設置される少なくとも２つの固定ブロックとを備え、前記コアはハウジングボディの下面から上面へ延長される多数の支持片によってハウジングボディと一体になることが好ましい。
【００１９】
また、前記ロータのガイドスロットの両側壁に回転スライド可能に収容された偏心スライダーによるガイドスロットの両側壁の磨耗を防止するために、前記ガイドスロットの両側壁には、ロータの材質より高い硬度及び強度を有する材質からなるガイド部材がさらに設置できる。
【００２０】
また、前記ベベルギヤの偏心スライダーは、ガイドスロットのいずれの位置でも前記偏心スライダーが常にハウジング組立体の中心を向かうように、一定の角度で傾くように設けられることが好ましい。また、前記ベベルギヤの偏心スライダー形成面には、ロータの曲率半径と同一の曲率半径を有するガイド部が一体に設けられ、前記ガイド部の形成面とは反対側の面には、ベベルギヤ回転時のバランス維持のためのバランスウェイト部が設けられることができる。ベベルギヤに前記ガイド部が設けられた場合、ガイドスロットに設置されるガイド部材の前面には、ベベルギヤのガイド部と同一の曲率半径をもって湾曲される弧形支持部が設けられることが好ましい。また、前記偏心スライダーがガイドスロット内で円滑に移動できるように、偏心スライダーにはガイドローラがさらに設置できる。
【００２１】
本発明の好適な実施例によれば、前記ハウジング組立体は、少なくとも２つのチャンバを有する。前記コアには前記チャンバ内に位置する少なくとも２つの回転ブレードが備えられる。ロータはコアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置される。前記コアの内周面には少なくとも２つのガイドスロットが対向して配設され、コアの水平軸には少なくとも２つのベベルギヤが回転可能に支持される。
【００２２】
また、本発明の好適な他の実施例によれば、前記ハウジング組立体は少なくとも４つのチャンバを有し、前記コアには前記チャンバ内に位置する少なくとも４つの回転ブレードが備えられる。ロータはコアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置される。前記コアの内周面には少なくとも４つのガイドスロットが対向して配設され、コアの水平軸には少なくとも４つのベベルギヤが回転可能に支持される。
【００２３】
また、本発明に係るトーラスクランク機構は、ロータを入力パートとする場合、各種産業用エンジンやアクチュエータを構成することができる。また、出力ギヤを入力パートとする場合、圧縮機やポンプなどを構成することができる。いずれの場合も、本発明のトーラスクランク機構では、入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置し、また従来の一般的なクランク機構のように大きい作動空間を必要とするクランクシャフトなどの機械要素を必要としないため、構造的な単純化は勿論、重量及び体積効率を向上させることができ、これにより同一馬力のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの大きさ及び重量を大幅減らすことができる。
【００２４】
また、本発明に係るトーラスクランク機構は、簡単な構造を有し且つ効率の良い作動構造を有するため、低コストの量産が可能なエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを実現することができる。
【００２５】
前記のように構成される本発明のトーラスクランク機構において、多数のベベルギヤが採用される場合、前記ベベルギヤの各偏心スライダーの偏心位相はいずれか一つのベベルギヤの回転方向に対して順次１８０°ずつずれるようになっていることが好ましい。この場合、各ベベルギヤに備えられた偏心スライダーの偏心位相による重心偏差が、隣り合うベベルギヤの対向するベベルギヤ対によって相殺されるので、ロータのガイドスロット内で偏心スライダーが運動するときに発生する振動を減らすことができる。
【００２６】
また、前記ベベルギヤは、上／下部出力ギヤと交互に噛み合うことが好ましい。この場合、上部出力ギヤに噛み合ったベベルギヤの回転方向と下部出力ギヤに噛み合ったベベルギヤの回転方向とが互いに反対となるので、上／下部出力ギヤの回転方向は互いに同一になる。これにより、上／下部出力ギヤに連結される２本の動力軸も同一の方向に回転することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、上／下部出力ギヤが同一の方向に回転するという点を考慮し、前記上／下部出力ギヤ及びコアに同軸的に中空が設けられることもある。この場合、コアの中空を１本の動力軸が回転可能に貫通し、前記動力軸の両側は上／下部出力ギヤを貫通して結合できる。したがって、この場合、前記１本の動力軸によって両側で動力を出力或いは入力することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、このように構成されたトーラスクランク機構を少なくて２つ以上同軸的に連結することにより、多重トーラスクランク機構を簡単に構成することができる。すなわち、高馬力のエンジンやアクチュエータ、或いは高容量の圧縮機やポンプを構成する際にその拡張性が優れる。この場合、前記出力ギヤのうち、ハウジング組立体の内部で隣り合う出力ギヤは一体になることが好ましい。
【００２９】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明の効果】
【００３０】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るトーラスクランク機構によれば、例えば各種エンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを構成するにおいて、従来の一般的なクランク機構でのように大きい作動空間を必要とする機械要素、すなわちクランクシャフトなどの部品が不要であり、且つ入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置するため、体積効率を向上させることができ、同一馬力のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの装置よりその大きさ及び重量を大幅減らすことができる。
【００３１】
また、本発明のトーラスクランク機構は、簡単な構造を有し且つ効率の良い作動構造を有するため、低コストの量産が可能なエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを製造することができる。
【００３２】
また、本発明に係るトーラスクランク機構は、数個のトーラスクランク機構を同軸的に連結する簡単な方法で高馬力のエンジンやアクチュエータ、高容量の圧縮機やポンプを構成することができるなどその拡張性が優れる。
【００３３】
また、本発明では、別途の方向転換手段の介在なしで一対の動力軸を互いに同一の方向に回転させることができるうえ、１本の動力軸によっても両側で動力を出力／入力できるように構成することができるため、この場合、複数のトーラスクランク機構を簡単に同軸的に連結して多重トーラスクランク機構を構成することができるので、その拡張性にさらに優れ、同一馬力のものと対比してより効果的な小型化及び構造の単純化を図ることができる。
【００３４】
また、出力ギヤが全て同一の方向に回転し、この全ての出力ギヤに動力軸が連結されるように構成される場合、最外側出力ギヤだけでなく、内部の出力ギヤも動力軸に／から回転力を伝達し或いは受けることができるため、さらに高い馬力のエンジンやアクチュエータ、高容量の圧縮機やポンプなどを一層効果的に構成することができる。
【００３５】
また、本発明では、ベベルギヤに設置された偏心スライダーが全体的に重心を取るように設けられているため、振動発生を最小化することができ、これにより伝動損失の最小化、耐久性の向上、騒音低減などの効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【実施例】
【００３７】
図１ないし図５では、本発明に係るトーラスクランク機構において、参照符号１００はハウジング組立体、２００はコア、３００はロータ、４１０、４２０、４３０及び４４０はベベルギヤ、５００及び６００は出力ギヤをそれぞれ示し、ここでは、便宜上、４つのベベルギヤ４１０〜４４０が本発明に係るトーラスクランク機構に適用されたものを例示する。
【００３８】
前記ハウジング組立体１００の中央部にはコア２００が配置され、このコア２００の外側にロータ３００が往復回転揺動運動可能に配置される。ベベルギヤ４１０〜４４０は前記コア２００の側面に回転可能に設置され、出力ギヤ５００、６００は前記コア２００の上下部に回転可能に設置される。
【００３９】
前記ハウジング組立体１００は、ハウジングボディ１１０と第１及び第２カバー１２０、１３０と多数（ここでは４つが例示される）の固定ブロック１４１〜１４４とを備える。前記ハウジングボディ１１０は、上面１１１、下面１１２及び側面１１３を備える略筒状のプロファイルを有する。ハウジングボディ１１０の形状は、四角筒状に限定されず、円筒状にすることもできるなど、必要に応じて形態変更が可能である。前記ハウジングボディ１１０の上面１１１には一定の深さの円形空間部１１１ａが設けられ、前記下面１１２には貫通孔１１２ａが設けられる。前記第１及び第２カバー１２０、１３０はハウジングボディ１１０の上／下面１１１、１１２にそれぞれ結合する。前記多数の固定ブロック１４１〜１４４は前記円形空間部１１１ａを多数の空間に区画するように円形空間部１１１ａに等間隔で設置される。例えば、固定ブロック１４１〜１４４はハウジングボディ１１０に一体に取り付けられることもでき、別途に製作されてハウジングボディ１１０に結合することもできる。前記固定ブロック１４１〜１４４が円形空間部１１１ａを区画することにより、ハウジングボディ１１０には少なくとも一つ（ここでは４つが例示される）のチャンバ１４５〜１４８が設けられる。ここで、前記チャンバ１４５〜１４８は、図示例のような縦断面四角形にすることも、縦断面円形にすることもできる。すなわち、前記チャンバ１４５〜１４８は固定ブロック１４１、１４４の形状に応じて様々な変形が可能である。
【００４０】
前記コア２００には、少なくとも一つ（ここでは４つが例示される）のベベルギヤ４１０〜４４０及び少なくとも一つ（ここでは２つが例示される）の出力ギヤ５００、６００を回転可能に支持するため、４つの水平軸２１１〜２１４及び２つの垂直軸２１５、２１６が順次一体に設けられる。ここで、前記水平軸２１１〜２１４には多数のベベルギヤ４１０〜４４０がそれぞれ回転可能に支持され、前記垂直軸２１５、２１６には出力ギヤ５００、６００が回転可能に支持される。このようなコア２００は、ハウジングボディ１１０の下面１１２から上面１１１へ延長される多数の支持片２２１〜２２４によってハウジングボディ１１０と一体に設けられることが好ましいが、これに必ずしも限定されるものではない。例えば、前記コア２００は、ハウジングボディ１１０とは別途に製作され、第１及び第２カバー１２０、１３０によってハウジングボディ１１０に組み立てられるように構成することもできる。ここで、前記支持片２２１〜２２４はコア２００を中心として上下対称に設けられることが好ましい。
【００４１】
前記ロータ３００は、ハウジング組立体１００のハウジングボディ１１０に設けられた円形空間部１１１ａ内に両方向に回転可能に設置される。このロータ３００は、図６ないし図８に示すように、リング状のロータ体３１０と、前記ロータ体３１０の外側に設けられ、ハウジングボディ１１０の円形空間部１１１ａの多数のチャンバ１４５〜１４８内に位置すると共に前記各チャンバの幅より小さい幅を持つ多数の回転ブレード３１１〜３１４とを含んでなる。また、ロータ体３１０の内周面（好ましくは回転ブレード３１１〜３１４）には多数のガイドスロット３１５〜３１８が設けられる。前記ガイドスロット３１５〜３１８は対向して配設されることが好ましい。前記ハウジング組立体１００のチャンバ１４５〜１４８を例えば一般的なエンジンや圧縮機などのシリンダボアと比較する場合、このようなロータ３００の回転ブレード３１１〜３１４はピストンに相当する。したがって、ロータ３００は、軽量であるほど有利であるという点を考慮し、その材質をアルミニウム合金類などにすることが好ましい。また、各回転ブレード３１１〜３１４の内部を中空にすることが好ましい。回転ブレード３１１〜３１４にガイドスロット３１５〜３１８が設けられた場合、回転ブレード３１１〜３１４の中空はガイドスロット３１５〜３１８と連通してはならない。
【００４２】
図９、図１０及び図１３に示すように、コア２００の水平軸２１１〜２１４に回転可能にそれぞれ支持されるベベルギヤ４１０〜４４０の一側面には、前記ロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８に回転スライド可能に収容される偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１がベベルギヤ４１０〜４４０の中心軸から一定量偏心して設けられる。したがって、前記ロータ３００が往復回転揺動運動を行うと、ガイドスロット３１５〜３１８と偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１のスコッチヨーク(Scotch yoke)のような作用により、ベベルギヤ４１０〜４４０はいずれか一方向のみに回転する。また、多数のベベルギヤ３１０〜４４０はガイド部４１２、バランスウェイト部４１３及び多数の中空部４１４を備えることができる。前記ガイド部４１２は、各ベベルギヤの偏心スライダー形成面に、前記ロータ３００の内周面の曲率半径ｒと同一の曲率半径ｒ１を有する円弧面の形で設けられることが好ましい。したがって、各ベベルギヤの回転時、ガイド部４１２がロータ３００の内周面と摺接するので、ベベルギヤの位置が安定的に保たれることができる。また、各ベベルギヤに設けられたガイド部４１２は、本発明のトーラスクランク機構がエンジンに適用される場合、チャンバ１４５〜１４８内における燃焼過程で内方に、すなわちロータ３００の壁にガス圧力が加わるとき、ハウジング組立体１００の中心軸方向の圧力を支持する役割も兼ねる。したがって、ロータ３００の変形及び慣性損失を防止することができる。前記バランスウェイト部４１３は例えば、ベベルギヤ４１０の内側面（偏心スライダー４１１形成面の反対面をいう）のうち偏心スライダー４１１形成部位の反対側に位置することが好ましい。そして、前記中空部４１４はベベルギヤの減量及び前記バランスウェイト部と同一の目的で備えられるもので、前記バランスウェイト部４１３の反対側に位置するようにベベルギヤを貫通して設けられることもできる。
【００４３】
このように構成された多数のベベルギヤ４１０〜４４０は、図１１に示すように、ベベルギヤ４１０〜４４０の偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１がロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８に挿入されるように、コア２００の水平軸２１１〜２１４（図３及び図４参照）に回転可能にそれぞれ支持される。この際、ベベルギヤ４１０〜４４０の各ガイド部４１２は、ロータ３００の内周面の曲率半径ｒと同一の曲率半径ｒ１を有する円弧状に設けられているため、ロータ３００の内周面に接触することになる。このような状態で前記ロータ３００が往復回転揺動運動を行うと、図１２に示すように、例えばロータ３００のガイドスロット３１５内でベベルギヤ４１０の偏心スライダー４１１が円弧を描きながら空転する。このようなガイドスロット３１５と偏心スライダー４１１の作用によってベベルギヤ４１０が一方向に回転する。残りの偏心スライダー４２１、４３１、４４１も同様に運動するので、その詳細な説明は省く。
【００４４】
次に、ガイドスロット３１５と偏心スライダー４１１の作用を具体的に説明する。すなわち、図１２に示すように、ガイドスロット３１５の第１位置Ａに位置した偏心スライダー４１１は、ロータ３００が図上で左の方に動くと、第１矢印方向ａに沿って移動し、ガイドスロット３１５の第２位置Ｂに移動する。そして、ロータ３００が方向を変えて図上で右の方に動き始めると、偏心スライダー４１１は第２及び第３矢印方向ｂ、ｃに沿って移動しながら、第３位置Ｃを過ぎて第４位置Ｄまで移動する。その後、ロータ３００がさらに図上で左の方に移動するとき、偏心スライダー４１１は第４矢印方向ｄに沿って移動して初期位置に移動する。このような偏心スライダー４１１のガイドスロット３１５内における空転によって、ベベルギヤ４１０はコア２００の水平軸２１１を中心として回転する。
【００４５】
一方、ベベルギヤ４１０は、偏心スライダーとガイドスロットとの間で初期作動状態に応じて時計方向に回転することもできる。
【００４６】
前記ベベルギヤ４１０の偏心スライダー４１１は、図１０及び図１３に示すように、その中心軸から延長される線Ｌがハウジング組立体１００の中心軸Ｐと交叉するように所定の角度で傾くように設けられる。これにより、偏心スライダー４１１がガイドスロット３１５内のいずれの位置でも常にハウジング組立体１００の中心軸を向かうので、ヒンジ又はボールジョイントなどの機械要素を使用しなくても、機構学的適合条件を満足させることができる。その結果、トーラスクランク機構の構造的な単純化及び作動の円滑性を図ることができる。
【００４７】
図１４は、本発明に使用されるベベルギヤの他の例を示す図である。図１４に示すように、例えばベベルギヤ４１０の偏心スライダー４１１には、ガイドスロット３１５内で回転スライドするとき、より円滑に作動させるためのガイドローラ４１１ａがベアリングを介して設置されている。また、例えばベベルギヤ４１０にバランスウェイト部４１３を形成することにより、バランスウェイト部形成面に段差が発生する。このような段差は、ベベルギヤ４１０がその結合相手（すなわち、コア２００の側面）に均等に接触することを妨げるので、例えばベベルギヤの回転の障害要因になる。このようなベベルギヤの段差による影響を減らすため、図１４に点線で表示したように、ベベルギヤ４１０のバランスウェイト部形成面にこのバランスウェイト部４１３と同一の高さを有する軽量材の肉盛部４１３ａを設けている。この肉盛部４１３ａは中空部４１４を用いて結合できるように構成される。
【００４８】
一方、本発明に係るトーラスクランク機構において、前記ロータ３００は、その特性上、アルミニウム合金類などで製作することが好ましいが、このため、硬度及び強度が弱くて、ガイドスロット３１５〜３１８で回転スライドするベベルギヤ４１０〜４４０の偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１によるガイドスロット３１５〜３１８の両側壁の磨耗が発生する虞がある。本発明に係るトーラスクランク機構は、図１５に示すように、ロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８の両側壁にロータ３００の材質より高い強度及び軽度を有する材質からなるガイド部材３２１〜３２４を取り付けてガイドスロット３１５〜３１８の両側壁の磨耗を防止することができるように構成されている。
【００４９】
前記ガイド部材３２１〜３２４は全て同一の構造で出来ているので、一つのガイド部材３２１についてのみ説明する。図１６に示すように、前面部３２１ａと後面部３２１ｂが連結部３２１ｃによって一体に連結された構造を有する。このようなガイド部材３２１は、連結部３２１ｃがガイドスロット３１５の壁にスクリューなどのような固定要素に締結されることにより設置されることもできる。そして、前記前面部３２１ａにはベベルギヤ４１０のガイド部４１２と同一の曲率半径をもって湾曲される弧形支持部３２１ｄが設けられる。この弧形支持部３２１ｄはベベルギヤ４１０のガイド部４１２と面接触する。これにより、ベベルギヤ４１０は、そのガイド部４１２がロータ３００の内周面と線接触すると共に前記ガイド部材３２１の弧形支持部３２１ｄと面接触する状態でコア２００の軸２１１に支持されるので、ベベルギヤの位置が安定的に支持されることができる。例えば、エンジンを構成する場合、ロータ３００の壁によって加わる燃焼ガス圧力をより効果的に保持することができる。ここで、前記ガイド部材３２１は２つ一組の一体型に構成されても構わない。
【００５０】
図１ないし図３に示すように、出力ギヤ５００、６００は、前記コア２００の垂直軸２１５、２１６に前記ベベルギヤ４１０〜４４０と噛み合うように設けられ、ベベルギヤの回転によって回転する。この際、４つのベベルギヤ４１０〜４４０が２つの出力ギヤ５００、６００に全て噛み合っている場合、出力ギヤ５００、６００は互いに反対方向に回転するので、出力ギヤ５００、６００に連結される２つの動力軸７００、７００も互いに反対方向に回転する。この場合、いずれか一つのみ５００を出力ギヤとし且つもう一つ６００を空回転させるか、或いは別途のギヤトレインなどを用いて２つの出力ギヤ５００、６００を同方向に回転させることができるなど、必要に応じて様々な適用が可能である。
【００５１】
また、２つの動力軸７００、７００を同一の方向に回転させるために、いずれか１本の動力軸にギヤトレインのような方向転換手段をさらに介在して回転方向を逆に変える代りに、より単純で効果的に、別途の方向転換手段を介在することなく、２本の動力軸７００、７００を同一の方向に回転させることができる。すなわち、図１７に示すように、４つのベベルギヤ４１０〜４４０のうち、向かい合うベベルギヤ４１０、４２０が例えば上部出力ギヤ５００に噛み合い、前記ベベルギヤ４１０、４２０と隣接して向かい合うベベルギヤ４３０、４４０が下部出力ギヤ６００に噛み合うと、２つのベベルギヤ４１０、４２０は例えば反時計方向に回転し、２つのベベルギヤ４３０、４４０は時計方向に回転する。したがって、上／下部出力ギヤ５００、６００が、上方からみて、時計方向に回転することにより、２本の動力軸７００、７００が同一の方向に回転することができる。ここでは、４つのベベルギヤ４１０〜４４０に対して２本の動力軸７００、７００が同一の方向に回転するように出力ギヤ５００、６００と噛み合う構造について説明したが、これに限定されず、４倍数のベベルギヤが採用される構造であれば、同一に適用することができる。例えば、８つのベベルギヤが採用された場合にも、隣接して向かい合うベベルギヤ対が上／下部出力ギヤ５００、６００と交互に噛み合うと、上／下部出力ギヤ５００、６００の回転方向は互いに同一であり、これにより出力ギヤ５００、６００に連結される２本の動力軸７００、７００も同一の方向に回転することができる。
【００５２】
このように出力ギヤ５００、６００の回転方向が同一の場合、図１８に示すように、出力ギヤ５００、６００及びコア２００に同軸的に中空が設けられると、前述したように２本の動力軸７００、７００を採用する必要がなく、１本の動力軸７００ａを採用することができる。すなわち、動力軸７００ａがコア２００の中空を回転可能に貫通し、前記動力軸７００ａの両側に出力ギヤ５００、６００がその中空を介して結合すると、１本の動力軸７００ａのみでも両側の動力を出力又は入力することができる。また、図２０に示すように、１本の動力軸７００ａによって一方に動力を出力或いは入力する場合にも、動力軸７００ａが２つの出力ギヤ５００、６００に結合しているので、小型の高性能トーラスクランク機構を得ることができる。
【００５３】
一方、本発明において、図１９及び図２０に示すように、前記ベベルギヤ４１０〜４４０の偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１の偏心位相は、いずれか一つのベベルギヤの回転方向に対して順次１８０°ずつずれるのが好ましい。いずれの場合も、偶数個のベベルギヤが採用された構造であれば、前述と同様に適用できる。したがって、各ベベルギヤ４１０〜４４０に備えられた偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１の偏心位相による重心偏差が、隣接するベベルギヤのうち向かい合うベベルギヤ対によって全体的に相殺される。すなわち、ロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８内で偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１が運動するとき、偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１が全体的にいずれか一方に偏ることなく、均衡を保って運動するが、例えば図１９のように一対の偏心スライダー４１１、４２１が、往復回転揺動運動するロータ３００のガイドスロット３１５、３１６内で例えば反時計方向に回転して下方に位置（図２０参照）するとき、これとは逆に、他の一対の偏心スライダー４３１、４４１は時計方向に回転して上方に位置（図２０参照）する。このような方式で偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１が回転する間、上下左右方向の振動が相殺されるので、振動を極小化することができる。また、偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１に結合して往復回転揺動するロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８部分の上下振動も相殺されて極小化されることにより、出力減少誘発要因を最小化することができる。
【００５４】
一方、図１ないし図３において、符号１５０は、例えば本発明のトーラスクランク機構を用いてエンジンを構成する場合、点火プラグなどの部品を設置するためにハウジング組立体１００のハウジングボディ１１０に設けられる部品設置空間である。
【００５５】
このように構成される本発明に係るトーラスクランク機構は、車両用エンジンを含む各種産業用エンジンやアクチュエータ、流体を圧縮する圧縮機、流体をポンピングするポンプなどに広範囲に適用することができる。このような適用例を考察すると、次の通りである。
【００５６】
まず、本発明に係るトーラスクランク機構が動力発生装置としてのエンジン及びアクチュエータに適用される場合について説明する。
【００５７】
この場合、ハウジング組立体１００の各チャンバ１４５〜１４８はエンジンのシリンダボアに相当する。また、前記チャンバ１４５〜１４８内に位置するロータ３００の回転ブレード３１１〜３１４はエンジンのピストンに相当する。したがって、前記チャンバ１４５〜１４８を区画する固定ブロック１４１〜１４４の両側に給排気機構及び点火機構（図示せず）などを構成すると、チャンバ１４５〜１４８内における燃焼サイクルが連続的に行われると共に、燃焼ガス圧力によってロータ３００がハウジング組立体１００内で往復回転揺動運動を行う。この際、４つのチャンバ１４５〜１４８において、前記のような作用が同時に同一に行われる。すなわち、各チャンバにおいて対応する各回転ブレードを中心としてその両側で前記のような動作が行われるので、４つのチャンバ１４５〜１４８を有するトーラスクランク機構の場合、１つのチャンバ内で回転ブレードがダブルアクティング(double acting)を行うため、内燃機関の８気筒に相当する。すなわち、同一馬力の一般的な内燃機関に比べてエンジンの大きさと重量を大幅減少させることができる。
【００５８】
前記のようにハウジング組立体１００の内部で往復回転揺動運動を行うロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８には、コア２００の水平軸２１１〜２１４に設置されたベベルギヤ４１０〜４４０の偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４が収容されているので、ロータ３００の往復回転揺動運動に従って前記偏心スライダー４１１、４２１、４３１、４４１がガイドスロット３１５〜３１８で回転スライドしながら空転する。これにより、ベベルギヤ４１０〜４４０が一方向に回転し、このベベルギヤ４１０〜４４０の回転力は、コア２００の垂直軸２１５〜２１６に回転可能に設置されてベベルギヤ４１０〜４４０と噛み合う出力ギヤ５００、６００に伝達される。
【００５９】
このような伝動過程において、上／下部出力ギヤ５００、６００がベベルギヤ４１０〜４４０に噛み合っている場合には、２つの動力軸７００、７００は互いに反対方向に回転する。ところが、上部出力ギヤ５００にはベベルギヤ４１０、４２０が噛み合い、下部出力ギヤ６００にはベベルギヤ４３０、４４０が噛み合っている場合にはベベルギヤ４１０、４２０の回転方向とベベルギヤ４３０、４４０の回転方向とが互いに反対になり、出力ギヤ５００、６００が同一の方向に回転する。従って、後者の場合には、出力ギヤ５００、６００に２本の動力軸７００、７００が連結される場合、又は出力ギヤ５００、６００に１本の動力軸７００ａが連結される場合など、いずれの場合も問わず、動力軸７００、７００又は動力軸７００ａは出力ギヤ５００、６００の回転方向と同一の方向に回転することができる。すなわち、別途の方向転換手段を介在しなくても、両側で同一方向の回転力を出力／入力することができる。
【００６０】
次に、本発明に係るトーラスクランク機構が動力発生装置とは逆に駆動手段を介して動力の入力を受けて所定の機能を行う装置、例えば圧縮機又はポンプに適用する場合について説明する。
【００６１】
この場合、前記出力ギヤ５００及び／又は６００が入力パートになり、ロータ３００が出力パートになる。
【００６２】
２つの出力ギヤ５００、６００が全てベベルギヤ４１０〜４４０に噛み合っている場合を考察すると、いずれか一つの出力ギヤの動力軸７００のみをモータのような駆動手段によって回転させる。従って、動力軸７００によっていずれか一つの出力ギヤが回転するにつれて、ベベルギヤ４１０〜４４０を介してロータ３００が往復回転揺動運動を行うことができる。また、２つの出力ギヤを全て回転させようとする場合には、残り一つの出力ギヤの動力軸は方向転換手段を介して反対方向に回転させる。したがって、２つの出力ギヤ５００、６００は互いに反対の方向に回転するにつれて、ベベルギヤ４１０〜４４０はいずれか一つの方向に回転する。前述したように、このベベルギヤ４１０〜４４０の運動によるロータ３００のガイドスロット３１５〜３１８に配置された偏心スライダー４１１の運動によってロータ３００が往復回転揺動運動を行うことができる。
【００６３】
一方、上部出力ギヤ５００にはベベルギヤ４１０、４２０が噛み合い、下部出力ギヤ６００にはベベルギヤ４３０、４４０が噛み合っている場合には、駆動手段によっていずれか一つの出力ギヤの動力軸７００のみを回転させるか、別途の方向手段の介在なしで２本の動力軸７００、７００を全て同一の方向に回転させ、動力軸７００ａが適用された場合には、別途の方向手段の介在なしで前記動力軸７００ａを回転させる。例えば、いずれか１本の動力軸７００のみを回転させる場合には、いずれか一つの出力ギヤに噛み合っている２つのベベルギヤによってロータ３００が往復揺動回転運動を行うことができ、２本の動力軸７００、７００を回転させるか或いは動力軸７００ａを回転させる場合には、出力ギヤ５００に噛み合っているベベルギヤ４１０、４２０及び出力ギヤ６００に噛み合っているベベルギヤ４３０、４４０が一方向に回転することにより、ロータ３００が往復回転揺動運動を行うことができる。
【００６４】
このように運動するトーラスクランク機構を圧縮機又はポンプなどに適用する際、ハウジング組立体１００のチャンバ１４５〜１４８の両側に位置する固定ブロック１４１、１４４に流体吸入／排出機構（図示せず）がそれぞれ構成されると、ロータ３００が例えば時計方向に回転するときには、回転ブレードを中心としてチャンバのうちいずれか一側は流体を吸入し、他側は流体を圧縮して排出する。また、ロータ３００が反時計方向に回転するときには、前記の反対動作が行われる。このような各回転ブレードのダブルアクティング動作が繰り返し行われることにより、各チャンバは各回転ブレードによって区画されたままで流体を吸入して圧縮又はポンピングする２つの気筒として機能するので、小型である反面、高性能を発揮することが可能な圧縮機又はポンプなどを提供することができる。
【００６５】
一方、以上では、前記ハウジング組立体１００に４つのチャンバ１４５〜１４８が設けられ、ロータ３００も４つの回転ブレード３１１〜３１４を有すると共に４つのベベルギヤ４１０〜４４０が適用された８気筒トーラスクランク機構について示されているが、これは本発明の好適な実施例を説明するためのものに過ぎず、チャンバは一つのみが形成されることもできる。一つのチャンバを有する本発明のトーラスクランク機構の場合、例えば水族館用圧縮機又は人工心臓などの小型圧縮機に有利に適用できる。特に、偶力を誘発するために対向方向に対を成すようにチャンバが設けられることが、本発明の一目的、すなわち振動の最小化及び両側に同一方向の回転力を出力又は入力する目的を達成するために好ましい。ハウジング組立体のチャンバを２つ、４つ、６つ、８つなどのように偶数個に増加させると、エンジンの動力、アクチュエータ、圧縮機及びポンプの容量が倍加できる。このような場合にも、ハウジング組立体１００又はロータ３００の大きさにはあまり変化がないので、例えば船舶用エンジンなどの場合に同一馬力の一般エンジンに比べてその大きさ及び重量を著しく小さくすることができる。
【００６６】
ここでは図示又は説明していないが、両側で同一方向の回転力を出力／入力するためのものであれば、例えば２つのベベルギヤが適用できる。すなわち、上部出力ギヤ５００には一つのベベルギヤが、下部出力ギヤ６００には他のベベルがそれぞれ噛み合っている形のトーラスクランク機構を提供することができ、これも本発明の範囲に含められるべきである。
【００６７】
一方、図２１には、本発明に係る多重トーラスクランク機構を多数個同軸的に連結してなる多重トーラスクランク機構のうち２つのトーラスクランク機構を同軸的に連結してなるダブルトーラスクランク機構が示されている。以下、図２１ないし図２４を参照して、本発明に係るトーラスクランク機構の別の利点である容易な拡張性について説明する。
【００６８】
図２１に示すように、本発明に係る多重トーラスクランク機構は、前述した少なくとも２つのトーラスクランク機構１０、２０が同軸的に連結されて構成される。各トーラスクランク機構１０、２０の基本的な構成及び作用は、前述と同様なので、同一の参照符号を付し、ここでの具体的な説明を省く。
【００６９】
例えば、図２１に示したダブルトーラスクランク機構の動力出力構造を説明する。ベベルギヤ４１０〜４４０に出力ギヤ５００、６００が全て噛み合っている場合には、図２２に示すように、第１及び第２トーラスクランク機構１０、２０のうちその中央部で互いに隣接する２つの出力ギヤ５００、６００に亘って１本の動力軸７００が連結され、他の出力ギヤ５００、６００が前記動力軸７００に対して空回転する構造を採用することができる。この場合、動力軸７００に連結される２つの出力ギヤ５００、６００は、一体に設けられて出力ギヤ９０を成すことが好ましい。他の形態として、図２３に示すように動力軸７００がいずれか一つの出力ギヤに連結され、この動力軸７００に対して他の出力ギヤが空回転する構造を採用することができる。これは当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、誰でも容易に理解できる。
【００７０】
上述したように、例えば８気筒内燃機関に相当する２つのトーラスクランク機構を同軸的に連結して、１６気筒内燃機関に相当するダブルトーラスクランク機構を構成することができるうえ、同原理で３つ、４つのトーラスクランク機構を同軸的に連結することにより、より高い馬力のエンジンなどに適用することが可能な多重トーラスクランク機構を容易に構成することができる。また、このような多重トーラスクランク機構において、１本の動力軸７００を採用する場合、前記動力軸７００に対して同方向に回転する出力ギヤはいずれも動力軸７００に連結させ、残りの出力ギヤは空回転させることが好ましい。また、図示してはいないが、例えば４つのトーラスクランク機構を同軸的に連結して多重トーラスクランク機構を構成する場合、マイティーギヤを介してその両側に前記ダブルトーラスクランク機構を配置し、これらのダブルトーラスクランク機構の動力軸をそれぞれマイティーギヤに連結して高馬力のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを構成することができる。
【００７１】
一方、ベベルギヤ４１０〜４４０に対して出力ギヤ５００、６００が対別に分けられて噛み合っている場合、第１トーラスクランク機構１０の下部出力ギヤ６００及び第２トーラスクランク機構２０の上部出力ギヤ６００が一体に設けられて出力ギヤ９０を構成し、第１及び第２トーラスクランク機構１０、２０のハウジングボディ１１０、１１０が気密状態で結合すると、２つのトーラスクランク機構を備えたダブルトーラスクランク機構を構成することができる。この場合、図示してはいないが、第１トーラスクランク機構１０の上部出力ギヤ５００及び第２トーラスクランク機構２０の下部出力ギヤ６００に動力軸７００をそれぞれ連結すると、１６気筒のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどに適用でき、動力軸７００、７００を介して同一方向の回転力を出力／入力することができる。上述したように、動力軸７００、７００をそれぞれ適用せず、図２４に示すように、第１トーラスクランク機構１０の上部出力ギヤ５００から第２トーラスクランク機構２０の下部出力ギヤ６００まで貫通して結合する動力軸７００ａが適用されると、出力ギヤ５００、６００だけでなく、同方向に回転する出力ギヤ９０の回転力も動力軸７００ａに伝達され、逆に動力軸７００ａの回転力が出力ギヤ５００、６００だけでなく出力ギヤ９０にも伝達されるので、高馬力の装置をより効果的に構成することができる。同原理で多数のトーラスクランク機構を別途の方向転換手段を全く介在しなくても同軸的に連結することができるので、高馬力の多重トーラスクランク機構を容易に構成することができてその拡張性に優れるうえ、方向転換手段が追加されないので多重トーラスクランク機構をさらに小型化することができ、全ての出力ギヤを介して回転力が伝達されるので伝動効率もさらに向上する。このような多重トーラスクランク機構において、いずれの場合も、ハウジング組立体１００の内部で互いに隣接する出力ギヤ５００、６００は一体になって出力ギヤ９０を構成することが好ましい。
【００７２】
また、前記したような多重トーラスクランク機構において、その振動を極小化するために、隣接するコア２００の水平軸は全体的に隣接するコアの中心を連結する中心線に対して順次９０°ずつ位相差を持つように配置されることが好ましい。
【００７３】
また、本発明のクランク機構は、エンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの他にも各種産業用機械、例えば工作機械などの伝動系統にも効果的に利用でき、これらも本発明の範囲に含まれるべきである。
【００７４】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上述べたように、本発明に係るトーラスクランク機構によれば、例えば各種エンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを構成するにおいて、従来の一般的なクランク機構でのように大きい作動空間を必要とする機械要素、すなわちクランクシャフトなどの部品が不要であり、且つ入力パートと出力パートの中心軸が同一線上に位置するため、体積効率を向上させることができ、同一馬力のエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどの装置よりその大きさ及び重量を大幅減らすことができる。
【００７６】
また、本発明のトーラスクランク機構は、簡単な構造を有し且つ効率の良い作動構造を有するため、低コストの量産が可能なエンジンやアクチュエータ、圧縮機、ポンプなどを製造することができる。
【００７７】
また、本発明に係るトーラスクランク機構は、数個のトーラスクランク機構を同軸的に連結する簡単な方法で高馬力のエンジンやアクチュエータ、高容量の圧縮機やポンプを構成することができるなどその拡張性が優れる。
【００７８】
また、本発明では、別途の方向転換手段の介在なしで一対の動力軸を互いに同一の方向に回転させることができるうえ、１本の動力軸によっても両側で動力を出力／入力できるように構成することができるため、この場合、複数のトーラスクランク機構を簡単に同軸的に連結して多重トーラスクランク機構を構成することができるので、その拡張性にさらに優れ、同一馬力のものと対比してより効果的な小型化及び構造の単純化を図ることができる。
【００７９】
また、出力ギヤが全て同一の方向に回転し、この全ての出力ギヤに動力軸が連結されるように構成される場合、最外側出力ギヤだけでなく、内部の出力ギヤも動力軸に／から回転力を伝達し或いは受けることができるため、さらに高い馬力のエンジンやアクチュエータ、高容量の圧縮機やポンプなどを一層効果的に構成することができる。
【００８０】
また、本発明では、ベベルギヤに設置された偏心スライダーが全体的に重心を取るように設けられているため、振動発生を最小化することができ、これにより伝動損失の最小化、耐久性の向上、騒音低減などの効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
この発明の前記及び他の目的、特徴及びその他の利点は、添付図面を参照する次の説明によって明確に理解されるであろう。
【図１】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を示す分解斜視図である。
【図２】図１に示したトーラスクランク機構の内部の組立状態を示す斜視図である。
【図３】図２の一部を切開して示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するハウジング組立体とコアとの結合関係を示す平面図である。
【図５】図４のV−V線に沿った断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するロータの例を示す斜視図である。
【図７】は図６の平面図である。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。
【図９】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するベベルギヤを示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するベベルギヤを示す平面図である。
【図１１】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するロータとベベルギヤの配置関係を示す平面図である。
【図１２】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構の要部であるロータのガイドスロットとベベルギヤの偏心スライダー間の作用を説明するための図である。
【図１３】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構のベベルギヤに形成される偏心スライダーの傾斜による作用を説明するための図である。
【図１４】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するベベルギヤの他の例を示す平面図である。
【図１５】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構を構成するロータの他の例を示す斜視図である。
【図１６】図１５に示したロータに適用されるガイド部材の例を示す斜視図である。
【図１７】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構におけるベベルギヤと出力ギヤとの噛合い関係を示すための要部切開斜視図である。
【図１８】図１７の他の例を示す要部切開斜視図である。
【図１９】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構における、ベベルギヤに設置される偏心スライダーの偏心位相関係を説明するための斜視図である。
【図２０】本発明の一実施例に係るトーラスクランク機構における、ベベルギヤに設置される偏心スライダーの偏心位相関係を説明するための斜視図である。
【図２１】本発明の他の実施例に係る多重トーラスクランク機構としてダブルトーラスクランク機構の例を示す分解斜視図である。
【図２２】同ダブルトーラスクランク機構における動力出力／入力関係の例を説明するための概略図である。
【図２３】同ダブルトーラスクランク機構における動力出力／入力関係の例を説明するための概略図である。
【図２４】同ダブルトーラスクランク機構における動力出力／入力関係の例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００８２】
１００...ハウジング組立体、
２００...コア、
３００... ロータ、
３１５...ガイドスロット、
４１１...偏心スライダー、
４１０、４２０、４３０、４４０...ベベルギヤ、
５００、６００...出力ギヤ
Claims (28)
- トーラスクランク機構であって、少なくとも一つの密閉チャンバを提供するハウジング組立体と、前記ハウジング組立体の中央部に配置され、上部及び／又は下部に突出する垂直軸及び横方向に突出する少なくとも１本の水平軸を有するコアと、前記チャンバ内に位置する回転ブレードが備えられて前記コアの外側で往復回転揺動運動を行うようにハウジング組立体に設置され、内周面には少なくとも１つのガイドスロットが設けられたロータと、前記ガイドスロットに回転スライド可能に収容される偏心スライダーが備えられ、前記コアの水平軸に回転可能に支持される少なくとも一つのベベルギヤと、前記コアの垂直軸のいずれか１本又は全てに回転可能に支持される出力ギヤとを含んでなることを特徴とするトーラスクランク機構。
- 請求項１記載のトーラスクランク機構であって、前記ハウジング組立体は、円形空間部を備えた上面、貫通孔を備えた下面及び側面の外郭プロファイルを有するハウジングボディと、前記ハウジングボディの上／下面にそれぞれ結合する第１及び第２カバーと、前記チャンバを形成するために前記円形空間部を区画するように円形空間部内に設置される少なくとも２つの固定ブロックとを備え、前記コアはハウジングボディの下面から上面へ延長される多数の支持片によってハウジングボディと一体に設けられていることを特徴とする。
- 請求項１記載のトーラスクランク機構であって、前記ロータのガイドスロットの両側壁には、前記ロータの材質より高い硬度及び強度を有する材質からなるガイド部材が設置されていることを特徴とする。
- 請求項１記載のトーラスクランク機構であって、前記ベベルギヤの偏心スライダーは、ガイドスロットのいずれの位置でも前記ハウジング組立体の中心を向かうように一定の角度で傾くように設けられていることを特徴とする。
- 請求項１記載のトーラスクランク機構であって、前記ベベルギヤの偏心スライダー形成面には、前記ロータの曲率半径と同一の曲率半径を有するガイド部が一体に設けられ、前記面とは反対側の面には、バランスウェイト部が設けられていることを特徴とする。
- 請求項５記載のトーラスクランク機構であって、前記ロータのガイドスロットの両側壁には前記ロータの材質より高い硬度及び強度を有する材質からなるガイド部材がそれぞれ設置され、前記ガイド部材の前面にはベベルギヤのガイド部と同一の曲率半径をもって湾曲される弧形支持部が設けられていることを特徴とする。
- 請求項１記載のトーラスクランク機構であって、前記ベベルギヤの前記偏心スライダーにはガイドローラが設置されていることを特徴とする。
- 請求項１記載のトーラスクランク機構であって、前記ロータの回転ブレードはその内部が中空になっていることを特徴とする。
- トーラスクランク機構であって、対向配置される多数の密閉チャンバを提供するハウジング組立体と、前記ハウジング組立体の中央部に配置され、上部及び／又は下部に突出する垂直軸及び横方向に突出する多数の水平軸を有するコアと、前記チャンバ内に位置する多数の回転ブレードが備えられて前記コアの外側で往復回転揺動運動を行うように前記ハウジング組立体に設置され、内周面には多数のガイドスロットが対向して配設されたロータと、前記ロータのガイドスロットに回転スライド可能に収容される偏心スライダーが備えられ、前記コアの水平軸にそれぞれ回転可能に支持される多数のベベルギヤと、前記コアの垂直軸のいずれか１本又は全てに支持される出力ギヤとを含んでなることを特徴とするトーラスクランク機構。
- 請求項９記載のトーラスクランク機構であって、前記ハウジング組立体は、円形空間部を備えた上面、貫通孔を備えた下面及び側面の外郭プロファイルを有するハウジングボディと、前記ボディの上／下面にそれぞれ結合する第１及び第２カバーと、前記チャンバを形成するために前記円形空間部を区画するように円形空間部内に設置される少なくとも２つ以上の固定ブロックとを備え、
前記コアは前記ハウジングボディの下面から上面へ延長される多数の支持片によってハウジングボディと一体に設けられていることを特徴とする。 - 請求項９記載のトーラスクランク機構であって、前記ガイドスロットの両側壁には、前記ロータの材質より高い硬度及び強度を有する材質からなるガイド部材が設置されていることを特徴とする。
- 請求項９記載のトーラスクランク機構であって、前記ベベルギヤの偏心スライダーは、前記ガイドスロットのいずれの位置でも常に前記ハウジング組立体の中心を向かうように、一定の角度で傾くように設けられていることを特徴とする。
- 請求項９記載のトーラスクランク機構であって、前記ベベルギヤの偏心スライダー形成面には前記ロータの曲率半径と同一の曲率半径を有するガイド部が一体に設けられ、前記面とは反対側の面にはバランスウェイト部が設けられていることを特徴とする。
- 請求項１３記載のトーラスクランク機構であって、前記ロータのガイドスロットの両側壁には前記ロータの材質より高い硬度及び強度を有する材質からなるガイド部材がそれぞれ設置され、前記ガイド部材の前面にはベベルギヤのガイド部と同一の曲率半径をもって湾曲される弧形支持部が設置されていることを特徴とする。
- 請求項９記載のトーラスクランク機構であって、前記ベベルギヤの偏心スライダーにはガイドローラが設置されていることを特徴とする。
- 請求項９記載のトーラスクランク機構であって、前記ロータの回転ブレードはその内部が中空になっていることを特徴とする。
- 請求項９ないし１６のいずれか１項に記載のトーラスクランク機構であって、前記ベベルギヤは偶数個が設置され、前記ベベルギヤの各偏心スライダーの偏心位相はいずれか一つのベベルギヤの回転方向に対して順次１８０°ずつずれるようになっていることを特徴とする。
- 請求項１７記載のトーラスクランク機構であって、前記コアの各垂直軸に出力ギヤがそれぞれ設置され、前記ベベルギヤは上／下部出力ギヤと交互に噛み合うことにより、上部出力ギヤに噛み合ったベベルギヤの回転方向と下部出力ギヤに噛み合ったベベルギヤの回転方向とが互いに反対になって上／下部出力ギヤが同一の方向に回転するようになっていることを特徴とする。
- 請求項１８記載のトーラスクランク機構であって、前記上／下部出力ギヤに動力軸がそれぞれ連結されることを特徴とする。
- 請求項１８記載のトーラスクランク機構であって、前記上／下部出力ギヤ及びコアに同軸的に中空が設けられ、前記コアの中空を動力軸が回転可能に貫通し、前記動力軸の両側は上／下部出力ギヤを貫通して結合することにより、前記一つの動力軸によって両側で動力を出力又は入力できるようになっていることを特徴とする。
- 多重トーラスクランク機構であって、対向配置される多数の密閉チャンバを提供するハウジング組立体と、前記ハウジング組立体の中央部に配置され、上部及び／又は下部に突出する垂直軸及び横方向に突出する多数の水平軸を有するコアと、前記チャンバ内に位置する多数の回転ブレードが備えられてコアの外側で往復回転揺動運動を行うように前記ハウジング組立体に設置され、内周面には多数のガイドスロットが対向して配設されたロータと、前記ガイドスロットに回転スライド可能に収容される偏心スライダーが備えられ、前記コアの水平軸に回転可能に支持される少なくとも多数のベベルギヤと、前記コアの垂直軸のいずれか１本又は全てに回転可能に支持された出力ギヤとを含んでなるトーラスクランク機構が少なくとも２つ以上同軸的に連結されてなることを特徴とする多重トーラスクランク機構。
- 請求項２１項に記載の多重トーラスクランク機構であって、前記各トーラスクランク機構には偶数個のベベルギヤが設置され、前記各トーラスクランク機構に設置されるベベルギヤの各偏心スライダーの偏心位相はいずれか一つのベベルギヤの回転方向に対して順次１８０°ずつずれるようになっていることを特徴とする。
- 請求項２２記載の多重トーラスクランク機構であって、互いに隣接するコアの水平軸は、全体的に隣接するコアの中心を連結する中心線に対して順次９０°ずつ位相差を持つように配置されていることを特徴とする。
- 請求項２１記載の多重トーラスクランク機構であって、前記各コアの各垂直軸に出力ギヤがそれぞれ設置され、前記各トーラスクランク機構に設置されるベベルギヤが上／下部出力ギヤと交互に噛み合うことにより、上部出力ギヤに噛み合ったベベルギヤの回転方向と下部出力ギヤに噛み合ったベベルギヤの回転方向とが反対になって上／下部出力ギヤが同一の方向に回転するようになっていることを特徴とする。
- 請求項２４記載の多重トーラスクランク機構であって、前記出力ギヤのうち最外側の２つの出力ギヤに動力軸がそれぞれ連結されることを特徴とする。
- 請求項２４記載の多重トーラスクランク機構であって、前記各トーラスクランク機構の上／下部出力ギヤ及びコアに同軸的に中空が設けられ、前記各コアの中空を動力軸が回転可能に貫通し、前記動力軸の両側は各トーラスクランク機構の上／下部出力ギヤを貫通して結合することにより、前記１本の動力軸によって両側で動力を出力又は入力できるようになっていることを特徴とする。
- 請求項２１ないし２６のいずれか１項に記載の多重トーラスクランク機構であって、前記各トーラスクランク機構のハウジング組立体は、円形空間部を備えた上面と、貫通孔を備えた下面及び側面の外郭プロファイルを有するハウジングボディと、前記ハウジングボディの上／下面にそれぞれ結合する第１及び第２カバーと、前記チャンバを形成するために前記円形空間部を区画するように円形空間部内に設置される多数の固定ブロックとを備え、前記コアは前記ハウジングボディの下面から上面へ延長される多数の支持片によってハウジングボディと一体に設けられていることを特徴とする。
- 請求項２１ないし２６のいずれか１項に記載の多重トーラスクランク機構であって、前記出力ギヤのうちハウジング組立体の内部で互いに隣接する出力ギヤが一体に設けられていることを特徴とする。
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