JP2009529116A - 静止及び回転シリンダ部品がある羽根型機械 - Google Patents

Abstract

シリンダ静止及び回転部品がある羽根型機械は、駆動または作業機械として使用されるよう意図され、作業流体として圧縮性又は非圧縮性媒体を使用する。羽根型機械の基本的実施形態は、シリンダ静止部品（Ａ）、シリンダ回転部品（Ｂ）、回転子（Ｃ）、カバー（Ｄ）、及び溝（Ｆ）がある羽根を備える。シリンダ静止部品は、羽根で回転する回転子を含むシュラウド（１）を有する。シュラウド内には、媒体を出入りさせる半径方向の長方形開口（５及び６）があり、開口は他の形状でもよい。ころ軸受け又は滑り軸受けの内輪（８）は、羽根によって駆動されて回転する。回転子は、シュラウド軸線に対して偏心状態で配置される。回転子には、回転子と一緒に回転する横板（１４）がしっかり填る。羽根型機械の作業室は、シュラウド、内輪、羽根及び板で境界を設定される。記載された機械は、作業媒体の充填及び放出が向上し、容積効率が改良され、密封がさらに効率的になる。接触する表面間の摩擦に由来する損が減少し、それによって機械の機械効率が向上する。
【選択図】図５

Description

本発明は、シリンダの一部品が静止し、シリンダの他の部品が回転する羽根型機械に関する。

羽根型機械は、圧縮性又は非圧縮性流体を作動媒体として使用して、容積回転機械グループからの流体エネルギを機械動力に連続的に変換する作業機械（エンジン）、または機械動力又は他の手段によって流体を連続的に上昇、強制、圧縮、または排出する駆動機械（ポンプ）でよい。

国際特許分類では、これはフィールドＦ−機械工学、クラスＦ０１−一般的機械又はエンジン、サブクラスＦ０１Ｃ−回転ピストン機械又はエンジン、グループ１３／００−特殊用途のための機械又はエンジンの適応、それによって駆動されるエンジンと装置の組合せ、サブグループ１３／０２−手持ち式ツールなどの駆動、及び１３／０４−ポンプ又は圧縮機の駆動、に分類される。

容積機械、特に羽根型容積機械に存在する最大の問題は、容積損及び機械損である。容積損は、大きさが不十分な開口の結果であり、作業媒体が機械の作業室に出入りしてしまう。容積損は、作業室の圧力が高い方の空間から作業室の圧力が低い方の空間へと流体が漏れることによっても現れる。機械損は、作業室の部品を作成する機械の相互に接触する回転部品と静止部品との間の摩擦の結果である。

容積損及び機械損が増加する結果、機械の容積及び機械有効性が低下する、つまり総合的な有効性が低くなる。

本発明によって解決される技術的問題は、作業媒体の作業室への充填およびそこからの放出を向上させることで、シリンダの軸方向及び半径方向表面と接触している羽根表面の磨耗を減少させ、シリンダの軸方向及び半径方向表面に対する羽根の密封を向上させることでもある。

羽根型機械では、遠心力によって、幾つかの実施形態では追加的にばねによって、または羽根の半径方向内面に作業媒体の圧力を加えることによって、羽根が作業室のシリンダ壁に押しつけられる。

静止シリンダ羽根型機械の磨耗は、作業室のシリンダ表面に羽根を押しつける全力及び摩擦係数に比例する。摩擦の問題は、特に羽根及びシリンダを作成する材料を選択することによって解決されている。羽根は軸方向に動作することができ、したがって作業室の静止した横方向表面に寄りかかる。羽根の横方向表面と作業室の横方向表面との間に高い相対速度があるので、接触している両表面に磨耗が存在する。つまり機械の機械効率が低下する。この実施形態では、作業室は半径方向に充填及び放出され、これは容積効率の点で好ましい。

別の羽根型機械の実施形態では、シリンダが回転し、したがって室内で回転するシリンダ表面と羽根との接触部における相対速度が減少し、これも磨耗の減少につながり、機械効率に関して好ましい。この実施形態の障害は、作業媒体の軸方向の吸入及び排出であり、室の充電及び放出に好ましくない影響を与え、したがって容積効率を悪化させることである。

第一の実施形態と同様に、羽根が軸方向に動作することができ、したがって室の静止した横方向表面に寄りかかる。羽根の横方向表面と作業室の横方向表面との間の比較的大きい速度により、接触部において両表面に磨耗が存在する。

本発明の本質は、静止及び回転シリンダ部品を有する機械である。

静止シリンダ部品には、シリンダ作業室に出入りする作業媒体が通過できる半径方向の開口がある。

シリンダ回転部品は、シリンダ静止部品にしっかり挿入されたころ軸受け又は滑り軸受けである。軸受けの内輪、又は軸受けの内輪にしっかり挿入される追加の輪は、回転するように羽根によって起動される。

シリンダ作業室を閉鎖する横方向の仕切りは、回転子の上にしっかり置かれ、それと一緒に回転する。

軸方向及び半径方向の溝がある羽根が回転子に挿入され、羽根と他の部品との接触部における作業媒体の密封を向上させる。密封はラビリンス式である。

本発明の説明は、１つの静止部品及び２つの回転部品で構成されたシリンダを有する羽根型機械の基本型に関する。

羽根型機械のさらに複雑な型は、幾つかの静止及び回転シリンダ部品で構成することができ、必要な技術的特徴に応じて、レイアウト及びサイズの組合せが可能である。

本明細書で説明する羽根型機械の実施形態は、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図８及び図９に示すように、シリンダ静止部品Ａ、シリンダ回転部品Ｂ、回転子Ｃ、カバーＤ、及び羽根Ｆを備える。

シリンダ回転部品Ａ
シリンダ回転部品Ａは、前方、側方、後方及び断面Ｒ−Ｒから見た図１１、図１２、図１３及び図１４に図示されている。

シリンダ静止部品Ａは中空回転子として成形され、その中空部品の中心は、作業表面２及び横方向表面３がある内部シュラウド１を有する。シュラウド内で回転子Ｃが回転する。

シリンダ静止部品は、吸入部及び排出部にカバーＤ用の開口４を有する。

シュラウド１内には、作業室に入る作業媒体が通過できる開口５、及びシリンダ作業室を出る作業媒体が通過できる開口６がある。開口５及び６は長方形であり、シリンダに対して半径方向である。開口５及び６は、他の形状でもよい。

シリンダ回転部品Ｂ
シリンダ回転部品Ｂは、以下の２つの変形のうちの一方で設計することができる。
変形１−追加の輪がない。
変形２−追加の輪がある。

図７は、追加の輪がないシリンダ回転部品の変形１を示し、回転部品は実際には、外輪７及び作業表面９がある内輪８を有する軸受けである。図５及び図６に示すように、軸受けはシリンダ静止部品Ａの開口４にしっかり挿入され、シュラウド１の横方向表面３に寄りかかる。内輪８は、羽根Ｆによって起動されて回転する。図１０は、追加の輪があるシリンダ回転部品の変形２を示し、回転部品は実際には、外輪７及び内輪８を有する軸受けであり、作業表面９がある追加の輪１０がしっかり挿入されている。図８及び図９に示すように、軸受けはシリンダ静止部品Ａの開口４にしっかり挿入され、シュラウド１の横方向表面３に寄りかかる。内輪１０は、羽根Ｆによって起動されて回転する。

変形１及び２のシリンダ回転部品Ｂは、ころ軸受け又は滑り軸受けでよい。

回転子Ｃ
図１９、図２０及び図２１に示すように、回転子Ｃは軸１１、縦方向スロット１３がある本体１２及び横板１４を有する。板１４は、軸上にしっかり配置され、回転子本体に寄りかかって、シリンダ作業室１６を横側から閉鎖する。回転子本体内で、羽根Ｆを受ける４つの長手方向スロット１３が９０°の角度で切り取られ、したがって羽根の表面と回転子の半径方向との間の角度はゼロである。回転子は、板及び羽根と一緒にシリンダ作業室１６内で回転する。回転子は軸受け１５内で回転し、これはころ軸受け又は滑り軸受けでよい。軸受けは、カバーＤの開口１７にしっかり挿入される。

回転子は１つ又は複数の羽根を有してよい。

回転子本体のスロットは、羽根が羽根の表面と回転子の半径方向とによって形成されるある角度で動作できるように設計してもよい。

図２２に示すように、回転子本体の外面では、ラビリンス式密封を生成する長手方向の溝１５を切り取ってもよい。

カバーＤ
図１５、図１６、図１７及び図１８に示すように、カバーＤは、内部で回転子が回転する軸受け１５を受ける開口１７を有する。カバーは、図１４のシリンダ静止部品の開口４にしっかり挿入され、したがって図５及び図８のシリンダ回転部品Ｂの外輪７に寄りかかる。開口１７は、カバーの軸方向の軸線１９に対して偏心させる。

羽根Ｆ
羽根は、溝付き又は溝なしで作成することができる。本発明の説明は、回転子に溝がある羽根を有する羽根型機械に関する（ラビリンス式密封）。

図２３の羽根Ｆは、上面の中心部分及び２つの平坦な部品２３間に軸方向の溝２４が切られ、上面より狭い横方向の両面の全長に半径方向の溝２５が切られている本体２２を有する。羽根は、回転子本体のスロット１３に挿入される。羽根の平坦部分２３の長さは、シリンダ回転部品の内輪８又は追加の輪１０それぞれの幅に対応する。軸方向の溝２４の長さは、シリンダ静止部品のシュラウド１の幅に対応する。

回転子が回転すると、羽根の平坦部分２３がシリンダ回転部品の内輪８又は内輪１０をそれぞれ起動する。

本発明の機能
密閉して組み立てた羽根型機械の図が、図１の前面図、図２の側面図、図３の背面図、及び図４の断面図Ｘ−Ｘに図示されている。

図５、図６、図８及び図９の羽根型機械の作業室１６は、シリンダ静止部品Ａのシュラウド１、シリンダ回転部品Ｂの内輪８又は追加の輪１０、回転子Ｃの板１４及び本体１２、及び羽根Ｆの平坦部分２３及び軸方向の溝２４によって規定される。羽根の数に関して、作業室は２つ以上の部分に分割される。

羽根型機械は、回転子羽根における圧力差に由来する接線力を生成する原理によって作動する。回転子の軸における接線力は、トルク運動量として現れ、これは機械の作業回転数以外に、機関軸出力を生成する。駆動機械（エンジン）の場合は、機械動力は使用可能な機械仕事に変形し、作業機械（ポンプ）の場合は、特定の流量で作業流体の圧力を変化させるために、使用可能な動力が使用される。

シリンダ静止及び回転部品がある羽根型機械は、媒体を開口５に通してシリンダ作業室１６に入れることによって動力が供給される。このプロセスで、作業媒体は、圧力差により回転子を回転させる。２つの羽根の間の空間にある媒体は、シリンダの反対側にある媒体排出開口を通ってシリンダ作業室６を出て、サイクルが繰り返される。

回転子の回転は、羽根Ｆをスロット１３から押し出す遠心力を生成し、これは羽根の平坦な部分２３と軸受けの内輪８又は追加の輪１０の作業表面９との間に摩擦を生成して、これら（内輪８又は追加の輪１０）を運動させる。

羽根とそれにしっかり挿入された軸受け内輪又は追加の輪との接触表面の滑動速度によって、羽根の外縁の瞬間周速度と内輪の回転による瞬間周速度との間に差が生じる。この機械では、前記速度は羽根の数によって決定される。回転子に羽根が１つしかない場合、相対速度はゼロであり、幾つかの羽根がある場合、最大滑動速度は、現在の軸受け内輪回転速度に対する最高及び最低周速度の羽根速度の差に由来する平均速度に等しい。軸受けの輪があるシリンダ回転部品の役割は、滑動速度を低下させ、それによって摩擦、騒音及び磨耗速度を低下させることであり、これらは全て羽根型機械の機械効率を向上させる。

羽根は軸方向に移動可能であり、回転子Ｃの板１４に寄りかかる。板は回転子にしっかり接続され、したがってそれと一緒に回転する。この方法で、羽根の横方向の縁と板との間の相対滑動速度を最小にすることができ、これも摩擦磨耗速度の低下及び機械効率の向上につながる。羽根の横縁と作業室の板との相対速度は、羽根の半径方向の移動動作に由来する。羽根とシリンダ静止部品又はシュラウド１の作業表面２との間には、クリアランスがあり、したがって相互に接触せず、この領域での摩擦磨耗が回避される。

このような羽根型機械の実施形態によって、作業媒体の吸入開口５及び排出開口６を半径方向に配置することができること、及びそのサイズ、形状及び位置により、作業室の充填及び放出の向上が達成され（容積効率）、これは現在知られている羽根型機械の実施形態の主な障害の１つである。

回転する内輪又は軸受けの追加の輪と羽根との間の相対速度が大幅に減少し、したがって羽根の摩擦磨耗が減少する。

回転する内輪又は軸受けの追加の輪に対する羽根の圧力は、この領域に密封を生成する。圧力は、必要に応じて羽根のスロットに配置されたばねによって、又は羽根の半径方向内面により高圧の作業媒体を設けることによって追加的に上昇させることができ、その結果、半径方向の力が追加される。

回転子の回転は、作業室の周期的充填及び放出の状態を生成し、したがって羽根型機械の目的に応じて、吸入から排出までの作業室の圧力が上昇又は低下する。

シリンダ静止及び回転部品がある羽根型機械は、羽根型機械の作業室の軸方向及び半径方向のシリンダ壁と接触している羽根の接触表面の磨耗を減少させ、作業媒体の作業室への充填及びそこからの放出を向上させ、羽根とシリンダ内部静止部品及び回転子横板との密封の問題を解決する。これは、機械の容積効率を向上させ、接触表面間の摩擦に由来する損を減少させ、したがって機械の機械効率が上昇する。

図２５は、静止及び回転構成要素部品を有するシリンダがある羽根型駆動機械の、圧縮性作業媒体の場合の作業サイクルのｐ−ｖ線図を示す。

シリンダ静止及び回転部品がある羽根型機械の仕事量は、回転子が１回転した場合、充填、膨張及び放出という仕事量の代数和である。このプロセスは、単に圧縮性作業媒体での閉じた作業サイクルで説明することができる。作業室の充填は等圧で、ａからｂへの状態変化である。膨張プロセスは、ｂからｃへの作業室容積の変化である。作業媒体の放出は、３つの段階で構成される。第一段階は、ｃからｃ’への急激な膨張で、排出路が開き始める。ｃ’からｄへの排出の第二段階は、作業容積の減少によって引き起こされる放出である。ｄからａ’の第三段階は、排出路が閉じた後に、作業室内で残留作業媒体が圧縮される。サイクルの最終段階は、作業室に新しい作業媒体を充填し、したがって等容圧力がａ’からａへと急激に上昇する。

下式は、エネルギ平衡のプロセス及び結果を示す。
ＥｄＱ＋ｄＺ_Ｍ＝ｄＵ＋ｄＬ＋ｄＺ_Ｖ
ここで、
ＥｄＱは、質量Ｇの作業媒体で生じるエネルギであり、
ｄＵは、内部のエネルギ変化であり、
ｄＬは、環境と交換される仕事量であり、
ｄＺ_Ｍは、損の結果として作業室に持ち込まれるエネルギ量であり、
ｄＺ_Ｖは、作業室内では使用されないが、作業媒体で環境に取り込まれるエネルギ量である。

最後の２つのエネルギ量は、下式で求めることができる。
ｄＺ_Ｍ＝Ｐ_ＭｄＧ_Ｍ および ｄＺ_Ｖ＝Ｐ_ＶｄＧ_Ｖ
ここで、
Ｐ_Ｍは、サイクルに入る作業媒体の比エネルギであり、
Ｐ_Ｖは、サイクルを出る作業媒体の比エネルギであり、
ｄＧ_Ｍは、１サイクルで環境から作業室に入る新しい作業媒体の質量であり、
ｄＧ_Ｖは、１サイクルで作業室を出て環境に入る新しい作業媒体の質量である。

羽根型機械の総効率の主な問題点は、作業室に出入りする作業媒体の充填及び放出に由来する容積効率である（ｐ−ｖ線図のプロセスａ’〜ａ及びｃ−ｃ’〜ｄ−ａ’）。容積効率の問題点は、本発明では、作業媒体の半径方向の吸入路及び排出路のために作業室の円筒壁の静止部品を最大限に使用する可能性があることによって解決される。羽根が路に接触していないので、構造的設計によって、作業媒体の吸入路及び排出路の断面を追加的に増加させることができ、したがって路を長方形の開口として設計することができ、この設計は可能な最大面積に到達し、羽根型機械の作業室の充填及び放出の状態を改良する。

本発明によって解決される他の重要な問題点は、羽根、回転する軸受けの内輪又は追加の輪、及び回転する回転子の板の磨耗である。しっかり挿入されて適切な滑り特性の追加の輪、例えば内輪を有するころ軸受け又は滑り軸受けを導入すると、滑動接触点における相対的滑動速度が減少し、それによってその磨耗も減少する。

羽根は軸方向に移動することができ、したがって回転子の横板に寄りかかる。既存の羽根型機械の実施形態では、シリンダ作業室の横板が静止し、したがって羽根の横縁と横板との間が高速になって、接触する両表面の磨耗を引き起こす。作業室を閉じる回転横板を回転子に導入すると、羽根に対する相対速度が減少し、したがって羽根と板の摩擦によって引き起こされる横方向の磨耗が減少する。羽根の横縁と作業室の板との相対速度は、羽根のみの半径方向の動作に由来する。摩擦損が減少すると、機械の機械効率が改良される。

（発明の用途）
シリンダ静止及び回転部品がある羽根型機械は、駆動又は作業機械として産業上利用することができる。作業機械として使用する場合、移入される機械仕事量は、所与の流量で、圧縮性又は非圧縮性作業流体の圧力の変化に変換され、駆動機械として使用される場合、これは圧縮性又は非圧縮性作業流体の使用可能な１次圧を機械仕事量に変換する。

圧縮性流体を有する作業又は駆動機械として、これは様々な技術的プロセスの機械化における空気工具、大型ディーゼルエンジンの軌道装置、圧縮装置、真空ポンプ、内燃機関として使用される。

非圧縮性流体を有する作業又は駆動機械として、これは建設機械、油圧クレーン、船舶の油圧システム、機械の水力駆動装置の力、運動及び運動量伝達システムとともに、及び作業プロセスの自動化を目的とする油圧システムを制御、調整又は保護するために使用される。

ポンプ又は水力エンジンとして、これは作業流体に関して２つの応用分野を有する。作業流体が鉱油である場合、自動潤滑が摩擦を減少させ、したがって羽根式機械の最大の障害である羽根及びケーシングの磨耗を減少させる。これは、建設機械、油圧クレーン、船舶の油圧システム、機械の水力駆動装置の力、運動及び運動量伝達システムとともに、作業プロセスの自動化を目的とする油圧システムを制御、調整又は保護するために適用される。油圧羽根式機械は、広範囲の回転速度を有する。その回転部品の小さい慣性力は、機械の始動及び停止をさらに容易にすることが多い。潤滑性でない作業媒体とともに適用される場合は、羽根式機械又はポンプの主要な障害である羽根及びケーシングの磨耗の問題が未解決のままになる。

本発明の説明で使用される文字及び数字は、以下の意味を有する。
Ａ−シリンダの静止部品
１−シュラウド
２−シュラウドの作業表面
３−シュラウドの横方向表面
４−シリンダの静止部品の横方向開口
５−作業流体の吸入
６−作業流体の排出
Ｂ−シリンダの回転部品
７−シリンダ回転部品の外輪
８−シリンダ回転部品の内輪
９−内輪の作業表面
１０−追加の輪
Ｃ−回転子
１１−回転子軸
１２−回転子本体
１３−回転子のスロット
１４−回転子の横板
１５−回転子の軸受け
１６−シリンダ作業室
Ｄ−カバー
１７−カバーの回転子の軸受け用偏心開口
１８−カバーの回転子の横板用開口
１９−カバーの軸方向軸線
２０−偏心開口の軸方向軸線
２１−開口の半径方向軸線
Ｆ−溝付き羽根
２２−羽根本体
２３−溝がない羽根の平坦部分
２４−軸方向の溝
２５−半径方向の溝

密閉した羽根型機械を示す前面図である。 密閉した羽根型機械を示す側面図である。 密閉した羽根型機械を示す背面図である。 羽根型機械を示す図１のＸ−Ｘの断面図である。 追加の輪がない羽根型機械を示す図２のＹ−Ｙの断面図である。 追加の輪がない羽根型機械を示す図１のＺ−Ｚの断面図である。 追加の輪がないシリンダＢの回転部品を示す縦断面図である。 追加の輪がある羽根型機械を示す縦断面図である。 追加の輪がある羽根型機械を示す横断面図である。 追加の輪があるシリンダＢの回転部品を示す縦断面図である。 シリンダＡの静止部品を示す前面図である。 シリンダＡの静止部品を示す側面図である。 シリンダＡの静止部品を示す背面図である。 シリンダＡの静止部品を示す図１３のＲ−Ｒの縦断面図である。 シリンダカバーＤを示す前面図である。 シリンダカバーＤを示す左側面図である。 シリンダカバーＤを示す右側面図である。 シリンダカバーＤを示す図１７のＮ−Ｎの断面図である。 回転子Ｃを示す前面図である。 回転子Ｃを示す側面図である。 回転子Ｃを示す図２０のＰ−Ｐの断面図である。 溝がある回転子本体を示す横断面図である。 溝Ｅがある羽根を示す（拡大）斜視図である。 圧縮性作業媒体がある駆動羽根型機械の運転サイクルのｐ−ｖ線図を示す。

Claims (9)

1. 駆動又は作業機械として使用できる容積回転機械のグループに属し、作業流体として圧縮性又は非圧縮性流体を使用し、偏心状態で配置した回転子を羽根で回転するシリンダを有する静止及び回転シリンダ部品付きの羽根型機械であって、１つの静止シリンダ部品（Ａ）を有し、シリンダ静止部品がその中心に内部シュラウド（１）及び横方向開口（４）を有し、シュラウド（１）内には、シリンダ作業室（１６）に入る作業媒体が通過できるようにする半径方向の長方形開口（６）、及び作業媒体がそこから出られるようにする半径方向の長方形開口（６）が作成され、２つのシリンダ回転部品（Ｂ）を有し、シリンダ回転部品がころ軸受け又は滑り軸受けであり、シリンダ静止部品の開口（４）にしっかり填り、自身と一緒に回転する横板（１４）がある回転子（Ｃ）を有し、溝（Ｆ）がある羽根を有し、シリンダ静止部品の横方向開口（４）にしっかり填るカバー（Ｄ）を有し、カバー（Ｄ）内には、内部で回転子（Ｃ）が回転する軸受け（１５）が内部にしっかり填る偏心開口（１７）がある羽根型機械。
2. 前記内部シュラウド（１）がシリンダ静止部品（Ａ）の中心に作成され、作業表面（２）と、シリンダ回転部品（Ｂ）の外輪（７）が寄りかかる横方向表面（３）を有する、請求項１に記載の羽根型機械。
3. 前記半径方向開口（５及び６）が、作業媒体をシリンダ作業室に出入りさせ、任意の他の形態でも設計することができる、請求項１に記載の羽根型機械。
4. 前記シリンダ回転部品（Ｂ）が、追加の輪（１０）がない内輪（８）を有する、請求項１に記載の羽根型機械。
5. 前記シリンダ回転部品（Ｂ）が、前記内輪（８）にしっかり填る追加の輪（１０）付きで設計することができる、請求項１に記載の羽根型機械。
6. 前記回転子の横板（１４）が軸（１１）上にしっかり配置され、したがってシリンダ作業室（１６）を横方向に閉鎖する、請求項１に記載の羽根型機械。
7. 溝（Ｆ）がある前記羽根が、その本体（２２）の上側に、間に軸方向の溝（２４）がある平坦な表面（２３）を有し、回転子が回転すると、遠心力の影響を受ける平坦な部品（２３）が、内輪（８）又は追加の輪（１０）の作業表面と接触して、それを回転させ、本体の横方向部品には、回転中に横板（１４）と接触する縦の半径方向溝（２５）がある、請求項１に記載の羽根型機械。
8. 羽根を、軸方向及び半径方向の溝なしで作成することができる、請求項１に記載の羽根型機械。
9. より複雑な機械の実施形態が、幾つかの静止及び回転シリンダ部品を有することができ、静止及び回転部品の分布及びサイズの全ての組合せが可能である、前記請求項に記載の羽根型機械。

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