JP2009085204A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】製作が容易で、高速回転ができ、流体を、簡単に、流量の増減、順逆流することが可能な回転機械を提供する。
【解決手段】球内面を持つケース（１）内部に、その球内面の中心「球心」で、互いに交わる回転軸を持つ、回転しながら摺動自由な羽（２、３）で封じたことを特徴とする。さらに、羽の回転軸（４，５）を通り、二つの羽の回転軸を通る面に直角な面が、ケース内面と交わる線「子午線」の位置に、軸を挟んでケースを貫通する口（６，７）を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、容積形回転機械に関するものである。

本発明は、従来にない発想に基づいたもので、本来の関連する従来技術はないが、同様な機能を有する容積形回転機械をあげる。

円筒形のシリンダーの中でピストンを往復させ、その容積差を利用して、流体を移動させる往復ピストン式ポンプや、回転可能な斜板に複数のピストンを設け、シリンダー内に加圧流体を流し込むことにより、回転力を得る圧力駆動回転機は、流体の移動装置、作動流体による駆動装置として普及している。

円形内面のケースに出入り可能な固定翼を設け、その中で、偏芯した円形のロータを回転させ、仕切られる隙間の変化量を利用して、流体を流すロータリポンプは、主に、小規模なヒートポンプ用の圧縮機として利用されている。

放射方向に出入りするベーンを取り付けたロータを円形あるいは卵形のカムリングの中で回転させ、ベーンで区切られる空間の変化量を利用するベーンポンプがあり、主に、油圧ポンプとして利用されている。

上記のいずれも、流量を可変にしたタイプがある。

これらには以下の問題点がある。
往復ピストンポンプは、ピストンが往復運動するので、脈動が発生し、振動や騒音が出やすい。
また、脈動を抑えるためには、多気筒にする必要がある。

多気筒の回転ピストン式で、流量を変化させるタイプは、斜板の傾斜を変化すれば良いが、シリンダー軸とピストン軸との交差角が常に変化するので、複雑な機構となるばかりでなく、振動、磨耗の問題も増えることになる。

ロータリポンプは、ロータの回転軸が偏芯しているので、高速回転すると、ロータが振動し、固定翼が飛び跳ねて異常振動や、流体の漏れが発生しやすい。

ベーンポンプはロータとカムリングの内側面との密封性が重要で、シール部の漏れ防止のために加工精度を上げる必要があり、精度を保つための磨耗対策は欠かせない。

ロータリ式やベーン式で流量を変化するには、外側のカムリングと内側のロータとの偏芯量を変化させるが、偏芯部のシール構造による流体の漏れが発生しやすい。

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものである。

（ア）球内面を持つケースに、球面の中心、以下「球心」とする、で互いに交差する回転 軸を有し、外周が球面と摺接し、弦同志を向き合わせかみ合せた一定厚さの半円形 の羽を、羽の厚みを幅とする溝を設けた、羽の回転軸と同芯の軸を、ケースを貫通 して設け、溝にはめ込み回転自由に取り付ける。

（イ）羽の回転軸を通り、二つの羽の回転軸を通る面に直角な面が、ケース内面と交わる 線、以下「子午線」とする、の位置に、軸を挟んで、ケースを貫通する口を設ける 。

本発明は、以上の構成からなる容積形回転機械である。

本発明によれば、羽が回転すると、ケースの内球面が羽で仕切られる空間、以下「室」とする、の容積が変化する。

羽の回転軸の一つを水平にし、他の羽の回転軸との交差角度が小さい側を上にして、軸を右回転（時計回り）すると、右の口に通じる室の容積が増え、一方、左の口に通じる室の容積は減る。

両方の口に、任意の流体通路をつなぎ、羽を回転することにより、流体は一方の口から吸い込まれ、他方の口から吐出されるので、連続して、流体を流すことができる。

一方の口から作動流体を流し込むと、室の容積が増える方向に、羽が回転し、回転力が得られる。

稼動部が円運動するので、高速回転でも振動が少なく、小型高性能化することができる。

ケースが球形を基調としているので、圧力が掛かっても、変形が少なく、軽量化ができる。

室を構成している要素同志のシール部は円形を基調とした面接触にできるので、シール構造を形成し易く、偏磨耗を少なくできる。

単純な構造の少ない要素で構成されているので、製作が容易で、安価にできる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１〜３は、この発明の第一実施例を示したものである。

（ア）球内面を持つケース（１）に、球心で互いに交差する回転軸を有する、外周がケー ス（１）に内接し、半円形で、一定の厚さを持つ平板の羽（２、３）を回転自由に 取り付ける。

（イ）羽（３）の弦に、断面を山形とし、頂上に、円柱状のホゾ（８）設け、羽（２）の 弦に、断面を山形とし、頂上に、ホゾ（８）と同径の穴（９）を設け、互いにかみ 合わせる。

（ウ）羽（２）の回転軸を芯とする軸（４）を、ケース（１）を貫通させて、回転自由に 取り付け、軸（４）に連なる、球心を頂点とし、底面円がケース（１）の球面に沿 った、円錐体のコーン（１２）を設ける。

（エ）羽（３）の回転軸を芯とする軸（５）を台（１４）に回転自由に取り付け、軸（５ ）に連なり、球心を頂点とした、軸（５）と同芯の、底面円がケース（１）の球面 に沿った円錐体のコーン（１３）を設ける。

（オ）台（１４）は、軸（４、５）の芯を通る面上で、球心を中心とした半円上に設けた ケース（１）上のガイド（１５）に沿って摺動し、摺動範囲は羽（２）の回転軸を 中心に、台（１４）の両端がコーン（１３）の底面円の直径を超えない長さに設定 する。

（カ）コーン（１２、１３）に、円錐の中心軸を通り、側面の母線間をつなぐ、羽（２、 ３）の厚みの幅の溝（１０、１１）を、それぞれ設け、羽（２、３）をはめ込み、 摺動自由に取り付ける。

（キ）子午線の位置に、羽（２）の回転方向の長さが、羽（２）の厚さを超えない長さの 口（６）と口（７）とをケース（１）を貫通して設ける。

本発明は、以上の構成からなり、口（６、７）に任意の流体通路（図示しない）をつなぎ、軸（４）を回転すると、羽（２）が回転し、ホゾ（８）と穴（９）とがかみ合っているので、羽（３）も回転し、室の容積が変化するので、流体を流すことができる。

台（１４）を摺動すると、羽（２，３）の回転軸の交差角度が変化し、軸（４）が一定速で回転している場合、羽（２、３）の回転軸同志の交差角が１８０°、以下「中立点」とする、の場合、室の容積が変わらないので、流体は流れない。
台（１４）を摺動し、交差角が１８０°以下になると、室の容積が変化するので、流体の移動が始まり、交差角の大小に従い、流量が増減する。
また、中立点を境に、流体は、順逆方向に流れる。

口（６）あるいは口（７）の一方から作動流体を流し込むと口（６）あるいは口（７）に通じる室の容積が増える方向に、羽（２、３）が回転し、軸（４）を介して回転力が得られ、軸（５）が中立点にある場合は、軸（４）は回転しない。

図４〜６は、この発明の第二実施例を示したものである。

（ア）球内面を持つケース（１）に固定した、中空の軸（１６）の先端に、球心を中心と する球形のハブ（１７）を設け、ハブ（１７）は円筒形の内面を持ち、その円筒に 摺接し、内側に歯（１９）を備えた、コア（１８）を設け、コア（１８）の外周に 、放射方向に軸（２３）を設け、ハブ（１７）に外接する半球形のボス（２４）を 設け、半球の天頂部を軸（２３）に固定する。

（イ）軸（１６）と同芯で、球心を頂点とし、頂角を例えば概ね１２０°とする、底面円 がケース（１）の内面に沿い、ハブ（１７）との重なり部分は、ハブ（１７）に沿 って切り除いた円錐体のコーン（１２）を軸（１６）に回転自由に取り付ける。

（ウ）コーン（１２）の芯と球心で交差し、軸（２３）と軸（１６）との芯の交差角度が 最大になる位置の軸（２３）の芯と同じ芯を持つ軸（５）をケース（１）を貫通さ せ回転自由に取り付け、軸（５）に連なり、球心を頂点とし、頂角を概ねコーン（ １２）の頂角の二分の一とする、底面円がケース（１）の内面に沿い、ボス（２４ ）と重なる部分は、ボス（２４）に沿って切り除いた円錐体のコーン（１３）を設 ける。

（エ）コア（１８）の歯（１９）にかみ合う溝（２１）を外周に刻んだ、太鼓形のプーリ （２０）に、軸（１６）の中を通した軸（２２）を接続し、軸（２３）の芯が軸（ １６）の芯と一致する位置で、歯（１９）が溝（２１）の全道程の中間になる角度 で、プーリ（２０）を軸（２２）に固定する。

（オ）ケース（１）の内球面に摺接する外周を持ち、ハブ（１７）の外径を内周とする一 定厚みの平面で、軸（１６）と軸（２３）の芯の交差角が最大時でも、球心を通り 軸（２３）の芯に直角な面、以下「回転面」とする、とコーン（１２）の側面との 空間を埋める開き角度の扇形の羽（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ）を、コーン（１２） の円錐の側面の母線より軸に向かって、円周上９０°間隔で、羽（２ａ〜２ｄ）の 厚みの幅の溝（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）を設け、それぞれはめ込み、摺 動自由に取り付ける。

（カ）ケース（１）の内球面に摺接する外周を持ち、ボス（２４）に外接する内周を持つ 、一定厚みで、半円形をし、外周の中間から外周と内周の中間まで、開き角度が概 ねコーン（１２）の頂角の四分の一の扇形に切り欠いた羽（３ａ）と、内周の中間 から外周と内周の中間まで、開き角度が概ねコーン（１２）の頂角の四分の一の扇 形に切り欠いた羽（３ｂ）とを、コーン（１３）の円錐の軸を通り、側面の母線間 をつなぐ、羽（３ａ、３ｂ）の厚みの幅の溝（１１ａ、１１ｂ）を、円周上９０° 間隔で設け、それぞれはめ込み、摺動自由に取り付ける。

（キ）回転面と平行な一定厚さの平面を持ち、外周がケース（１）と内接する四分の一円 の制流板（２５ａ、２５ｂ）を、羽（２ａ〜２ｄ）と羽（３ａ、３ｂ）との間の軸 （２３）の軸対象位置に設け、ボス（２４）と一体にする。

（ク）ボス（２４）の半球の大円部分に、ボス（２４）の直径より大きい外径で、制流板 （２５ａ、２５ｂ）と同厚、同面のツバ（２９ａ、２９ｂ）を設け、ボス（２４） と一体にする。

（ケ）コーン（１２）の円錐体の底面円に連ねた歯車（２８）に歯車（２７）をかみ合せ て取り付け、歯車（２７）に連なる、同芯の軸（２６）を、ケース（１）に回転自 由に取り付ける。

本発明は、以上の構成からなり、軸（２２）を介して、プーリ（２０）を回転すると、コア（１８）が旋回し、軸（２３）に固定されている制流板（２５ａ、２５ｂ）も、球心を中心として、旋回する。

羽（３ａ、３ｂ）は互いに交差しているが、半円形の中心部に切込みがあるので、干渉することなく回転する。

軸（２６）を回転すると、歯車（２７）、歯車（２８）によって回転が伝達され、コーン（１２）が回転し、遠心力により、羽（２ａ〜２ｄ）の弦がツバ（２９ａ、２９ｂ）に押し付けられ接触したまま回転し、回転面とコーン（１２）と羽（２ａ〜２ｄ）と仕切られる室の容積が変化する。

ケース（１）内に、作動流体を充填し、軸（１６）の芯と制流板（２５ａ、２５ｂ）および軸（５）の芯と制流板（２５ａ、２５ｂ）との交差角が鋭角になる側が上（図４）の状態で、軸（２６）から見て、歯車（２７）が左回転すると、羽（２ａ〜２ｄ）が右回転し、回転面が軸（５、１６）の中心軸を通る面で分けられる左部分を通って、作動流体が押し出され、羽（３ａ、３ｂ）側の室内へ流し込まれ、羽（３ａ、３ｂ）が左回転する。

軸（２２）を回転し、軸（２３）と軸（１６）との芯を一致させると、羽（２ａ〜２ｄ）が回転しても、室の容積の変化しないので、作動流体は動かなくなり、軸（５）は回転しなくなる。

軸（２３）が中立点よりさらに振れるに従い、室の容積が変化するようになり、作動流体が回転面の右部分から押し出され、羽（３ａ、３ｂ）が右回転する。

軸（２３）の芯と羽（２ａ〜２ｄ）の回転軸の交差角度が中立点を境に、流体の流れ方向が反対になり、交差角度が大きくなるほど押し出し流量も多くなる。一方、軸（２３）と羽（３ａ、３ｂ）と回転軸の交差角は、コア（１８）が旋回する全角度で、一方向に増減するので、軸（２２）を操作することにより、軸（２６）の回転力を、変速し、順逆転して、軸（５）に出力することができる。

作動流体は制流板（２５ａ、２５ｂ）によって、逆流が阻止されるので、流れが円滑になる。

本発明の第一実施例の斜視図である。 本発明の第一実施例の断面図である。 本発明の第一実施例の要部断面図である。 本発明の第二実施例の断面図である。 本発明の第二実施例の正面断面図である。 本発明の第二実施例の要部断面図である。

符号の説明

１ ケース
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３、３ａ、３ｂ 羽
４、５、１６、２２、２３、２６ 軸
６、７ 口
８ ホゾ
９ 穴
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１１ａ、１１ｂ、２１ 溝
１２、１３ コーン
１４ 台
１５ ガイド
１７ ハブ
１８ コア
１９ 歯
２０ プーリ
２４ ボス
２５ａ、２５ｂ 制流板
２７、２８ 歯車
２９ａ、２９ｂ ツバ

Claims (5)

1. 球内面を持つケースに内接し、球の中心で互いに交差する回転軸を持つ、羽を設けた回転機械。
2. 羽の回転軸同志の交差角を可変にした、請求項１の回転機械。
3. 羽の弦の軌跡がなす回転面を可変にした、請求項１の回転機械。
4. 作動流体を規制する制流板を設けた、請求項１の回転機械。
5. 請求項１および請求項２または請求項３または請求項４を設けた変速装置。

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