JP2006523279A - 回転ピストンを備えた機械 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動ピストンを備えたエンジンに比べて小型で、軽量であり、完全にバランスをとる。
【解決手段】ピストンを備えた機械は、例えば、コンプレッサー、ポンプまたはエンジンのように交互に変化する容積をもつ作業スペースを囲んでいる。ピストン(2)は、２つの側壁(11)および湾曲カバーによって形成されたシリンダ(1)にはめ込まれている。シリンダ(1)内のピストン(2)は、シリンダ側面に対して直行する二つの回転軸の回りに部分的に回転可能であり、回転軸に対して平行で互いに直交する２方向に部分的に摺動可能にピストンが組み込まれている。

Description

本発明は、コンプレッサ、ポンプ又はエンジン等の、容積が交互に変化する作動空間を包囲する回転ピストンを備えた機械に適用される。係る機械においては、２つの側壁と湾曲したカバーとによって形成されたシリンダ内にピストンが配置されており、カバーの曲がりは、２つの回転軸を中心とするピストンの回転運動の間に生じるピストン突端の幾何学的な局所変化であり、側壁上に組み付けられるか側壁内に回転可能に組み付けられ、支持シャフトに対して摺動可能な伝導リングが、支持シャフトにその軸に対して直交する方向に摺動可能又は支持シャフトに接続された支持偏心体を介して回転可能に支持シャフトに組み付けられたピストンに接続されている。

ピストンが単一の回転運動を維持する構成は知られている。それは、延長シールが設けられた円形のカバー内に偏心して置かれており、このシールは、ピストンと円形カバーの間の変化する間隔を埋め、それと同時に、ピストンとシリンダカバーとの間の変化する作動空間を包囲する。この構成は、高圧又は高温に耐えることができず、従って、送風機としてしか使用できない。さらに、ピストンが合成回転運動、即ちローリング運動（歯車により、固定の小円（例えば、内歯を備えた歯車の中心円）上で大円（例えば、内側歯車の中心円）をローリングさせる運動）を維持する構成は知られている。両方の円の直径は、同一のカーブに従うと共にピストンによって囲まれる作動空間の数と同数であるピストンの突端の数を決定する。比が２：１の場合、ピストンは２個の突端を有し、２個の作動空間を包囲する。比が３：２の場合、ピストンは３個の突端を有し、３個の作動空間を包囲する等である。ピストンの突端が２個を越える場合、カバーの曲線は、燃焼空間としては非常に不便な形状となるだけでなく、作動空間の最大容積と最小容積の比が原理的に制限され、これはこの解決策の欠点である。突端が２個の構成は、より便利な燃焼空間及びより便利な最大容積と最小容積の比を提供するが、ピストンが組み付けられるシャフトの最大限界直径に対する作動圧力を受けるピストン表面の比が原理的に好ましくない値となる。従って、この構成は、送風機やポンプ、作動圧が低いコンプレッサには適しているものの、エンジンには適していない。

２個の突端がコンコイドと呼ばれる曲線に追従する２突端運動を行なうピストンの他の概念も知られている。この概念では、２本の平行シャフト上にそれらの回転軸と直交する方向に摺動できるようにピストンが組み付けられる。これにより、ピストンの個々のシャフトに向かう摺動運動は互いに直交したものとなる。これらのシャフトの内の一方のものが支持シャフトとして機能し、他方のものが伝導シャフトとして機能する。これらの両シャフトは常に一方の側壁のみに組み付けられている。シャフトの両方を両側壁に組み付けるために、一方のシャフトは、他方のシャフトを貫通する円筒状のジグウエーに適合されている。他の公知の概念によれば、シャフトの一方を、側壁から突出する１以上のピボットによって置換でき、ピストンはその上で摺動又は回転する。ピストンを組み付けた支持シャフトも、（他の概念では）クランクピボットを備えたシャフトによって置換でき、ピストンがこれに組み付けられ、また、上記の伝導シャフトがピボットによって置換される。これらのコンコイドの概念には、支持シャフトの軸受け容量が不足する、ピストンガイドが摩耗の影響を受けやすく不正確であるなどの共通の欠点がある。従って、これらの構成概念は、２０世紀初頭から良く知られているのにもかかわらず、見受けられず、構想の段階に留まっている。

現状の技術の欠点は、シリンダに組み込んだ回転ピストンを備えた機械によって無くすことができる。

この機械は、支持シャフト上に、支持シャフトの軸と直交する方向に摺動可能、或いは支持シャフトに接続された支持偏心体を介して回転可能に組み付けられたピストンによって特徴付けられる。このピストンは、側壁上又は側壁内に回転可能に組み付けられた少なくとも１個の伝導リングに摺動可能に組み付けられている。この伝導リングは、支持シャフトに向かってその回転軸と直交する方向に摺動可能となっていてもよい。本発明の他の形態では、伝導リングは、ピストンと反対側の前面側において、支持偏心体と平行に支持シャフトにセットされると共に１８０度回転された伝導偏心体上に回転可能に組み付けられた補助回転体に、ピストンとの摺動接続に対して直交する方向に接続されている。２個以上のシリンダが隣接して配置される場合、補助摺動体は隣接するシリンダのピストンによって形成され、伝導リングの個々のピストンに向かう摺動接続の方向が互いに直交している。最後の形態によれば、本発明の意義は、一方側の摺動要素（例えば、最終的に摺動要素を支持するソケットやノック）と他方側の摺動要素（ケース又は溝であることが有利）との間の空間が包囲され、潤滑剤の入口及び出口のための開口が設けられていることにある。

図１において、ピストン２には、ピストン２の摺動要素を形成するスロット３、４が設けられており、ピストン２は湾曲したケース１内に配置されている。スロット３、４は、軸が平行なシャフト７１、８１の一方に常時固定された２個の伝導要素５、６の上にピストン２を置く。図２によれは、円筒形のケース１が側壁１１によって囲まれており、この側壁上にシャフト７１、８１が回転可能に組み付けられている。摺動要素３、４、（ピストンの両側の）伝導要素５、６及びシャフト７１、８１の配置が図４と図５に示されている。ピストン７１、８１の回転中、（特定の摺動要素（例えば、スロット）を介してピストンを回転させる）固定された伝導要素５、６も同時に回転する。また、ピストンは、第２の摺動要素４、３、第２の伝導要素６、５及び第２のシャフト８１、７１を介して、軸８、７を中心として回転する。突端がピストン２の中心から等距離にある場合、それらの両方が同じカバー曲線に従い、カバー曲線は両突端と接続することにより２個の分離した空間を形成する。

ピストン２が平行軸７、８を中心として同時に回転することにより、カバー１に沿っての運動の間、ピストン２とカバー１との間の一方の接合部が離れ、他方の接合部がカバー１に接近する。１８０度の回転の間に、カバー１とピストン突端の一方の接合部との間の空間が最小値から最大値まで増加し、他の接合部間の空間は最大値から最小値に減少する。シリンダカバー１及び／又はシリンダ側壁１１が、一方の側に吸入口を備え、反対側に液体又流動性の媒体の排出口を備えている場合、この媒体は、シャフトの一方のみの回転によって、一方側において、カバー１とピストン２の間の空間からの排出を開始し、反対側においてこの空間から吸い出される。この様に、機械はコンプレッサ又はポンプとして動作する。シリンダの一方側からカバー１とピストン２の間の空間に圧力媒体が供給されると、ピストン１の幅と突端の接合部とによって限定される表面上の圧力により回転軸７からずれた力が発生し、この軸に対するモーメントを発生させる。このモーメントによりシャフト７１が回転し、これによりピストン２と第２のシャフト８１も回転する。

本発明の特定の設計においては、シャフト７１、８１の内の一方のみが側壁１１に組み込まれる支持要素として使用され、他のものが伝導リング７２、８２に置き換えられている。この伝導リングも側壁１１に回転可能に組み込まれており、シリンダ２内の摺動要素３１、４１に接続された伝導要素５１、６１を備えている。その他の設計概念においては、ピストン自体が、例えば、軸受けを介して支持偏心体１０上に回転可能に組み付けられており、支持偏心体１０は、主に両側壁１１に回転可能に組み付けられた支持軸９１上に配置されている。支持軸９１は伝導リング７２、８２を貫通すると共に、その軸は、伝導リング７２、８２の軸７、８が作る平面上でそれらの間に位置している。支持偏心体１０の偏心量は、軸７、８の間の中間距離に等しい。伝導リング７２、８２によって伝導されるピストン２の回転の間、支持偏心体１０の中心は、ピストン２の中心と同じ軌跡に沿って移動する。そして、ピストン２の負荷は支持偏心体１０によって、そして支持シャフト９１によって完全に伝達される。従って、ピストン圧力の負荷は伝導リング７２、８２に作用しない。図３に示す概念によれば高いピストン圧力を伝達できる。

本発明によれば、支持シャフトとして適合させた伝導シャフト７１を用いた最初に述べた概念においては、伝導リング７２、８２を側壁１１内、或いは側壁１１上であって、同時に、支持シャフトとして適合させた伝導シャフト７１に対して摺動できるように組み付けることが可能である。この摺動式の設計は、側壁１１上又は側壁内において側壁１１と共に行なうことができる。この場合、支持シャフト９１又は偏心体１０を使用することができない。従って、ピストン負荷は、充分な寸法を有し両側において組み付けられたシャフト７１によって伝達される。伝導リング７２、８２の軸と支持シャフトとして作られた伝導シャフト７１との間の距離の変化により、機械の動作中に、突端接合部と湾曲したカバーの間の最小空間と最大空間の比（従って、吸い込まれ圧縮された媒体の容積）及び回転軸７に対するモーメントの大きさの両方を滑らかに変更できる。この様に構成された本発明による少なくとも２種の機械（例えは、第１のものはポンプとして構成され、第２のものは流体又は液体の媒体によって動力が付与されるエンジンとして構成されている）を組み立てる場合、互いに接続された機械の回転比とモーメント比の両方が、シャフト８１に対して伝導リング７２、８２がシフトする間に滑らかに変化する。

支持偏心体１０と支持シャフト９１を伴う概念においては、本発明の他の特徴により、両側の伝導リングの結合された機能があり、伝導リング７２、８２はピストン２の片側だけに配置されると共に図６に従って適合されており、シリンダに対向する側に配置された伝導要素５１、６１に加え、シリンダとは反対側に沿って補助伝導要素５２、６２を有しており、これに、補助偏心体１５上に回転可能にセットされた摺動体が摺動可能に組み付けられている。この補助偏心体１５は支持偏心体１０と同じ偏心量を有しており、支持偏心体１０に対して１８０度回転され、支持シャフト９１に強固に取付けられている。このように、伝導リングの両方を、両組み付け位置から１つに結合できる。製造上の理由から、結合した伝導リングを伝導リング８２の場所に置くことがより便利であることは明らかである。従って、伝導要素６１は、ピストン２の両突端を結ぶ線分に対して直交するようにピストン２の摺動要素４１内に摺動可能に組み付けられるであろう。

可動部品を備える全ての機械は、潤滑又は冷却を必要する多くの箇所を有している。本発明による機械では、別個のポンプを使用する必要がない。何故なら、本発明の特定の特徴によれば、幾つかの相互に移動する部品の間（例えば、摺動要素３、４、３１、４１の間、又は、任意的ではあるが、摺動体１４と伝導要素５、６、５１、６１、５２、６２の間）の変化する空間を、これらの空間を両側で閉じて、それらが上記の媒体のための吸入口及び排出口を提供することにより、潤滑用及び／又は冷却用媒体のためのポンプとして使用することができる。このように、一般に高価で重いポンプを排除できるだけでなく、この潤滑用及び／又は冷却用媒体は、ポンプ運転中、機械内において、冷却すべき及び／又は潤滑すべき場所に導くことができ、これらの媒体の消費量は非常に少ない。

設計例及び特許要件から生じるその他の設計において、本発明は、摺動ピストンを備えたエンジンに比べて小型で、軽量であり、完全にバランスをとることができ、公知のピストンエンジンに比較してより便利である。ギヤ結合機械に比べてよりパワフルでノイズも少ない。ギヤによってローリングするピストンを備えた機械に比べ、力の伝達がより良好で、潤滑剤の消費も少ない。他のコンコイダル機械に比べてピストン伝導がより正確であり、力の伝達がより良好であり、最後に、上記した他の全ての機械と異なり、作動空間の最大容積を円滑に変更できる。本発明による機械では、ピストン直径がピストンの負荷領域に直接依存しないため、燃焼機関の様に高い圧力又は油圧ポンプにおける非常な高圧においても使用できる。

本発明による機械の概略図である。 コンコイド設計の原理を示す図面である。 本発明による機械の他の設計を示す図面で、ピストンが伝導リングによって伝導され、支持シャフトに接続された支持偏心体に組み付けられている。 本発明の別の変形例を概略的に示す図面である。 本発明の他の別の変形例を概略的に示す図面である。 図４および図５の断面図である。

符号の説明

２ ピストン
11 側壁
72、82 伝導リング
91 支持シャフト

Claims (7)

1. コンプレッサ、ポンプ又はエンジン等の、容積が交互に変化する作動空間を包囲する回ストンを備えており、ピストンは、２つの側壁と湾曲したカバーとによって形成されたシリンダ内にはめ込まれている機械において、シリンダ内のピストンは、シリンダ側面に対して直行する二つの回転軸の回りに部分的に回転可能であり、回転軸に対して平行で互いに直交する２方向に部分的に摺動可能にピストンが組み込まれていることを特徴とする機械。
2. 回転の平行軸(7、8)をもつガイドシャフトを備えており、そのガイドシャフト(71、81)は、例えば、ガイドピンまたはピンのようなガイド部材(5、6)をもつ回転の軸(7、8)に対し直交させられており、その上には、例えば、溝またはブッシュのような摺動部材(3、4)によってピストン(2)が摺動するように装備されていることを特徴とする請求項１記載の機械。
3. ガイドシャフト(71、81)の一方は、回転軸(7、8)の内面方向に摺動するようにシリンダ側壁(11)に装備されていることを特徴とする請求項１または２に記載の機械。
4. ピストン(2)は、回転しうるように／支持軸(11)に連結された支持偏心体(10)上で揺動しうるように装備され、それは、回転しうるように／ピストン(2)のこれらの軸(7、8)と平行かつこれらの軸(7、8)間の最小１つのシリンダ側壁(11)上で揺動しうるように装備され、一方、支持偏心体(10)の偏心率は、回転軸(7、8)の間の距離の１／２に等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の機械。
5. 最小１つのガイドシャフト(71、81)は、伝導リング(72、82)として形成され、それは、側壁(11)上で揺動しかつピストン(2)に面する側の正面で揺動し、それには、例えば、突起または溝のような摺動部材(51、61)が備えられ、それには、例えば、ピストン(2)に連結された溝または突起のような摺動部材(31、41)が装備されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の機械。
6. 伝導リング(72、82)は、その正面の、付加的ガイド部材(52、62)を備えたピストン(2)を避けた側に備えられ、それは、ガイド部材(51、61)に対し直交するように配列／載置されかつその中に、軸方向ガイドピン(14)が支持偏心体(10)と平行でそれに対し１８０度回転しうる支持軸(91)上に装備されたガイド偏心体(15)上で回転しうるように装備されていることを特徴とする請求項５に記載の機械。
7. 一方側の摺動部品（３、４、３１、４１）（例えば、ピボット又はラグ）及び任意的な補助摺動体（１４）と、他方側の伝導部品（５、６、５１、６１、５２、６２）（例えば、ケース又はスロット）との間の空間が包囲され、潤滑剤の入口及び出口のための開口が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の機械。
   

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