JP2013533415A - ロータリエンジンのシュラウド - Google Patents

Abstract

シュラウド装置内で複数のロータを使用するロータリーエンジンで使用されるシュラウド装置の幾つかの実施形態が本明細書に開示されている。ロータの少なくとも１つは、シュラウドに固定されていない。
【選択図】図１

Description

本開示は、ロータリエンジンデバイスのシュラウド（shrouds）であって、エンジンの少なくとも１の回転要素とともに回転して、当該シュラウドと、関連するエンジンの回転要素との間の相対的な回転運動を低減するとともに、容積型デバイスを通る潤滑剤の正味漏出量を大幅に低減するように構成されたシュラウドに関するものである。

［関連出願］
本願は、２０１０年６月１７日に出願された米国出願第６１／３５５，８８０号の優先権の利益を主張する。この出願の開示内容は、引用により本明細書に援用されるものである。

本明細書には、シャフトを備えるロータアセンブリであって、第１ロータの後部分からスラスト負荷が、第１スラストベアリングを介してシャフトに伝達され、第１ロータの回転軸が、シャフトの回転軸と平行ではなく、第１スラストベアリングの回転軸が、第１ロータの回転軸と同軸上にあり、第１スラストベアリングが、くさび形プレートに作用し、くさび形プレートが、第１ロータの回転軸とシャフトの回転軸との間の角度と同じくさび角度を有するロータアセンブリが開示されている。そして、くさび形プレートが、第２スラストベアリングに作用し、第２スラストベアリングが、シャフトの回転軸と同軸の回転軸を有し、スラストベアリングが、シャフトに固定的に取り付けられた第２スラストプレートに対して作用する。

上記ロータアセンブリは、シャフトに引張荷重をかけるように構成された荷重ベアリング要素によって、第１ロータに作用するスラスト荷重がシャフトに伝達されるように構成することができる。

また、本明細書には、少なくとも第１ロータおよび第２ロータを含む複数のロータを備えるロータアセンブリも開示される。各ロータは、共直線からオフセットしたそれぞれの中心軸を持つ。各ロータは、ローブ（lobes）および谷間（valleys）を有する。第１ロータおよび第２ロータの各々が、球面の一部を構成する外面を有し、それら外側球面が共通の中心を共有するように配置されている。ロータの外側球面を取り囲むように動作可能に構成された内側球面を有するシュラウド本体が開示され、シュラウド本体が、ロータと同じ方向に所定の角速度で回転する。

上述したロータアセンブリは、第１ロータおよび／または第２ロータの外側球面上での組立を容易にするために、シュラウド本体が軸方向に分割された複数の内側シュラウド要素を含むように、構成することができる。

代替的には、ロータアセンブリは、シュラウド本体が周縁スリーブ（circumferential sleeve）により支持されて、シュラウド本体からの半径方向力がスリーブにフープ応力として吸収されるように、構成することができる。そのような周縁スリーブは、ロータの外側球面上での組立を容易にするために、周方向に分割された複数の内側シュラウド要素を含むように、構成することができる。このシュラウド装置は、シュラウド本体がスリーブにより取り囲まれて、シュラウド本体からの半径方向力がスリーブにフープ応力として吸収される構成とすることができる。一態様では、スリーブがシュラウド本体に締まり嵌めによって連結され、それが内側シュラウド要素に半径方向内向きの予荷重（inward radial preload）をかける。ロータアセンブリは、シュラウド本体と第２ロータとの間のみに相対運動が生じるように、シュラウド本体が第１ロータに対して固定される構成とすることができる。そのようなロータアセンブリは、第１ロータの本体と一体化されてモノリシックであるシュラウド本体を使用することができる。あるいは、シュラウド本体は、第１および第２ロータの軸とは異なる軸を中心に回転するものであってもよい。

ロータアセンブリは、シュラウド本体がラジアルポート（radial ports）を規定する１またはそれ以上の面を備え、ラジアルポートが、回転の一部分の間に第１ロータまたは第２ロータのローブによって閉塞されるが、回転の残りの部分の間はローブによって閉塞されないように形作られる構成とすることができる。一態様では、ポートが、第２ロータのローブによって閉塞される。

一実施形態では、ポートが流体入口として機能するように、関連するローブ間のボリューム（associated inter-lobe volume）が次第に増加する構成とすることができる。他の形態では、ポートが流体出口として機能するように、関連するローブ間のボリュームが次第に減少する構成とすることができる。

一実施形態では、ロータが、周方向を向く複数のシールを含み、それらがシュラウドの内側球面と係合する。シール部材は、メカニカルシールおよびポリマリップシール（polymer lip seals）からなるリストから選択されるポジティブ接触シール（positive contact seals）を含むことができる。代替的には、シール部材は、ラビリンスシールおよびガス潤滑メカニカルシールからなるリストから選択される非接触シールを含むことができる。シール部材が、単一のモノリシックシール部材からなり、第１ロータおよび／または第２ロータと一体化されてモノリシックなものであってもよい。一態様では、シール部材が、複数のＳ字状シールを含む。

一実施形態では、シール部材が、複数の平面状シールを含み、シールの本体自体が、一方向に湾曲して、シュラウドの内側切頭球面（inner frusto-spherical surface）と接触する。

シーリングを容易にするために、１またはそれ以上のロータは、各ロータローブの先端に放射状の溝（radial grooves）を備えることができ、その中に、他方のロータのローブと係合し、かつ内側ボール面および内側シュラウド本体面と係合するように動作可能に構成された複数のシール本体が取り付けられる。このため、アペックスシールが、連続シール体として機能するように、周方向を向くシールに接触することができる。

一構成例では、ローブ間の高圧流体による荷重が、関連するロータの後部からスラストベアリングを介して、ハウジングにキーで固定されるくさび形プレートへと伝達され、その後、別のスラストベアリングを介して、シャフトに引張荷重がかかるようにシャフトに固定的に取り付けられてシャフトとともに回転するプレートへと伝達される。

別の態様では、ロータ割り出しデバイス（rotor indexing device）が、シュラウドと一体化されて、第１ロータおよび／または第２ロータの少なくとも一方とシュラウド本体との間でトルクを伝達する。このため、シュラウドの内側切頭球面とロータ外径部（rotor outer diameter）の双方に切り込まれたほぼ楕円形のトラックに転がり込むように構成された球状ボールによって、ロータ割り出しデバイスを構成することができる。代替的には、割り出しデバイスが、シュラウド本体の内側球面と少なくとも１のロータの外面の双方に切り込まれたほぼ正弦波形のトラックに転がり込むように構成された球状ボールにより構成される。

図１は、コンプレッサアセンブリにおける開示の一実施形態の組立分解等角図である。 図２は、図１に示す開示の一実施形態の組み立てられた状態の断面図である。 図３は、図１に示す領域３から取り出した開示の一実施形態の詳細図である。 図４は、図１に示す領域４から取り出した開示の一実施形態の詳細図である。 図５は、図１に示す領域５から取り出した開示の一実施形態の詳細図である。 図６は、図１に示す開示の一実施形態の組み立てられた状態の端面図である。 図７は、ポンプアセンブリにおける開示の一実施形態の組立分解等角図である。 図８は、図７に示す開示の一実施形態の組み立てられた状態の断面図である。 図９は、エキスパンダアセンブリにおける開示の一実施形態の組立分解等角図である。 図１０は、図９に示す開示の一実施形態の組み立てられた状態の断面図である。 図１１は、開示の別の実施形態の正面図である。 図１２は、図１１に示す実施形態の線分１２−１２に沿った側断面図である。 図１３は、図１１に示す実施形態の分解図である。 図１４は、別のシュラウドの実施形態の分解図である。 図１５は、図１４の実施形態の組立図である。 図１６は、図１４の実施形態の正面図である。 図１７は、図１４の実施形態の側断面図である。 図１８は、図１４の実施形態の隠線図である。 図１９は、別の実施形態の等角図である。 図２０は、図１４の実施形態の側面図である。 図２１は、図１４の実施形態の正面図である。 図２２は、周方向シールの一実施形態の平面図である。 図２３は、図１７のシールの端面図である。 図２４は、図１８の一実施形態の詳細図である。図２４は、円筒状のアペックスシールを利用するロータ・ハウジングアセンブリの一実施形態の正面図である。 図２５は、図２４の線分２５−２５に沿った断面図である。 図２６は、円筒状のアペックスシールの一実施形態の詳細図である。 図２７は、図２６の線分２７−２７に沿った断面図である。

本明細書において、用語ＣｖＲは、‘６７４出願およびその前の出願に記載されているロータリエンジンのようなロータリエンジン（ポンプ、コンプレッサ、外燃機関など）を示すものとして使用される。本明細書に記載のシュラウドアセンブリ２０は、２００９年９月１６日に出願されて引用により本明細書に援用される米国出願第１２／５６０，６７４号（‘６７４）に記載のＣｖＲデバイスを含むＣｖＲデバイスについての多くの使用法を有する。

図１−５に示されるコンプレッサの実施形態に示されるシュラウドアセンブリ２０を十分に見ると、シャフト２２がキー溝２４を有し、それによりシャフト２２が外部エンジンにより駆動されることが可能であり、あるいは幾つかの実施形態では、デバイスを外燃機関として作動させることができ、その場合、シャフト２２およびキー溝２４がその他の機構を駆動することが示されている。球面２６およびインデクサ面（割出面：indexer surface）２８を有するベアリング２３がシャフト２２に取り付けられるか、あるいはシャフト２２の一部として形成され、インデクサ面は、インデクサリング（割出リング）３０と同時に使用されるように構成され、インデクサリングは、一態様としては、‘６７４出願に記載されているように、スレーブロータ３２を回転させるために、リング状要素によって保持される複数の球状のボールである。ある実施形態では、複数の潤滑剤注入口３４が設けられ、これにより、例えば、図２に示すように、シャフト２２と、当該シャフト２２に対して回転または往復運動する要素との間に潤滑剤（例えば、オイル）が分配されることが可能となり、中央オイル通路３６によって、スレーブロータ３２またはバックプレート３８とシャフト２２との間に潤滑剤が分配されることが可能となる。また、パワーロータ（power rotor）４０も設けられているが、ある実施形態では、パワーロータ４０が、シャフト２２とともに回転するが、このシャフトに対して往復運動しないように構成され、このため、それらの間にオイル注入口を設ける必要はない。パワーロータ４０は、図１に示すように、隣接するマウンド４８間の係合面４６の谷間４４において、ポート４２を介してリアポートされている。ポート４２は、バックプレート３８に設けられた低圧入口５０および高圧入口５２と半径方向に整列されて、それらを介して流体（気体）が放出され得るものとなっている。パワーロータ４０は、図１では、ウェーブロータとして示されているが、その他の種類のＣｖＲロータを使用することもできる。

シュラウド５４は、パワーロータ４０およびスレーブロータ３２を取り囲み、通常は、内側切頭球面５６を含む。シュラウド５４は、様々な用途の回転速度、ポジティブシール性能および圧力に応じて、図１に一例として示すように、軸方向に分割されるか、あるいは図７に示すように、周方向に分割されるように構成することができる。図１に示す実施形態では、シュラウド５４は、第１半部５４ａと、第２半部５４ｂとを有し、それらは、様々な方法で連結することができ、そのような方法の中には、内側シュラウド５４のそれぞれの半部の複数のボイド５８内に配置されるピンが含まれる。当業者であれは、これが如何にして達成されるかを容易に理解することができるであろう。シャフト２２およびロータの回転に伴う外側を向く遠心力と、コンプレッサアセンブリ２０内のガスの膨張力とに主に対抗するために、適切な位置にあるとき、保持リング６０は、環状凹部６２の周囲に配置され、外側スリーブ６４は、内側シュラウド５４の２つの半部５４ａおよび５４ｂの周囲に配置される。第２環状リング６６は、内側シュラウド５４の２つの半部をさらに固定して、外側スリーブ６４の保持を補助するために、第２環状凹部６８内に配置される。一態様において、リング６０および６６は、バネ鋼からなり、リング６６について示すように、分割されている。

一態様において、パワーロータ４０は、シャフト２２および内側シュラウド５４とともに回転するように構成されているため、それらの回転および往復運動の連結を維持するために、複数のボイド７０が内側シュラウド５４内に提供されて、ピンが内側シュラウド５４を介してパワーロータ内、例えばボイド７２内に配置されることが可能となっている。

図４は、図１の一部分の詳細図である。この図４を参照すると、周方向に向けられた複数のシールまたはリップ７４がパワーロータ４０の環状凹部７６内に配置されている。それらの周方向に向けられたシールまたはリップ７４は、パワーロータ４０と内側シュラウド５４との間にシールを提供するように構成されている。パワーロータ４０上の周方向に向けられたシールまたはリップ７４は、シュラウド５４とパワーロータ４０の間に実質的な運動が存在しないため、固定シールとしてシュラウドに堅固に取り付けることができる。好ましい態様では、内側シュラウド５４の内面５６と、パワーロータ４０の外面７８との間の公差（間隔）は、シール７４を通る漏れを最小限とするために、ピッタリ閉じた状態とすべきである。一態様では、シール７４は単一構造であるが、図１に示す実施形態では、シール７４は、単一シールよりも製造および取付が容易な複数の左右対称のＳ字状シールを含む。

図３は、図１の詳細図であるが、この図３には、複数のアペックスシール（図示省略）が嵌入される複数の放射溝７７と、複数のサイドシールを配置させることができるスレーブロータ３２内の実質的に環状の外側溝７８とが示されている。図５に示す実施形態では、放射溝７７が環状外側溝７８よりも深くなっている。この実施形態では、ラジアルシールが外側に向けて延在して、シュラウドの内面で終端となり、外側環状シールがラジアルシールの両側で終端となるが、その他の構成も可能である。一態様において、スレーブロータ３２は、内側シュラウド５４とともに実質的に回転するが、図２に見られるように、シャフト２２に対してオフセット角８０の軸の周囲で回転するため、スレーブロータ３２は、内側シュラウド５４に対する幾らかの回転および往復運動に遭遇することとなる。幾つかの実施形態では、パワーロータ４０上に、スレーブロータ３２上とは異なる数のマウンド４８および谷間４４が存在する。図５も図１の詳細図であるが、この図５を参照すると、放射溝７７がスレーブロータ３２の中心部に向かってベアリング２３へと延在している。また、スレーブロータ３２は、内側ベアリング２３への相対的な往復運動に出会うため、それには、別の実質的に環状の内側溝８２が、内側環状シール（図示省略）を受け入れるために設けられている。一態様では、スレーブロータ３２、環状凹部６８およびベアリング２３間のアペックスおよびサイドシールは、当業者に良く知られているようなワンケルエンジンで使用されるものと同様のものにすることができる。一態様では、図２および図３を比較すると、環状溝７８は、その中の環状シール９６とともに見られる。また、図２および図５を比較すると、ベアリング２３に隣接する環状溝８２は、環状シール９８を収容しているように見られる。一態様では、環状シールは、それらの間にアペックスシールを有する分割された予荷重シールである。追加のシールは、シュラウドからの漏出を防止する。それらのシールは、主に、スレーブロータ３２と内側シュラウド５４の内面５６との間の往復運動に出会い、よって摩擦損失は極めて少ない。

図２は、図６の線分２−２に沿った断面図であるが、この図２に示すように、一態様では、コンプレッサアセンブリ２０の独立構成要素が組み立てられているものとして容易に理解することができる。また、オフセット角８０は、その他の図面よりも、図２において容易に見ることができる。一態様では、図１および図６に示すように、ボルトプレート８４は、スレーブロータ３２のボイド８８と一致する複数のボイド８６を備え、それに当該ボルトプレート８４を取り付けることができる。また、ボルトプレート８４は、一態様では、複数のインデクサ３１を有するインデクサリング３０と相互作用する面９０を備え、それらインデクサが、前述したように、ベアリング２３のインデクサ面２８と相互作用する。

また、図２に示すように、保持リング６０および６６は、外側スリーブ６６に対する定位置に内側シュラウド５４を保持する機能を有するものとして見ることができる。外側スリーブ６４は、内側シュラウド５４の外面に、圧入され、締まり嵌めされ、またはピッタリと嵌められている。図１に示すように、外側スリーブ６４は、保持リング６０および６６間の幅９４とほぼ同じ幅９２を有する。

これまでのデザインと比較した、このデザインの大きな利点の一つは、シールに生じる相対速度が以前のデザインと比べてある実施形態では１／１０に低減されるという利点と相俟って、図示のように回転シュラウドデザインを利用したことにより、ワンケルエンジンで先に見受けられたものと同様のポジティブシールを利用できることである。この相対速度の低減は、装置を、従来可能とされていたものよりも遥かに高い毎分回転数（ＲＰＭ）にてポジティブシーリングで動作させることを可能にする。ある実施形態におけるこのデザインの別の利点は、これまでの実施形態の約１／２に漏れ経路の数を低減できることである。ここで、ロータの一つがシュラウドに対して実質的に固定（および完全にシール）されるため、このロータとシュラウドとシャフトの間にポジティブシールを利用することができる。ある従来の実施形態は、非回転ハウジングに対して間隔を有する２つのロータを利用しており、これは、それらの間の相対的な回転および振動を増加させる。

前述したように、シュラウドは、図１に示すように、軸方向に分割されるか、あるいは図７に示すように、周方向に分割される。図７は、シーリングランド１０２を有する外側シュラウド１００を示し、この外側シュラウド１００は、前部１０４および後部１０６を有する。この実施形態では、シャフト１１０は、前述したものと機能的に同じであり、前述したものと同様のキー溝１１２およびオイルポート１１４を含むことができる。

図７に示す実施形態は、ポンプとして機能するように構成され、このため、第１ポート１１６および第２ポート１１８を含む複数のポートを備え、それらが、バックプレート１２４に設けられた第１ベント１２０および第２ベント１２２に流体的にそれぞれ連結されている。図１に示す実施形態の入口５０および出口５２は、異なるサイズであったが、図７に示すポンプ構成では、ポンプを通過する流体（液体）の実質的な圧縮は存在せず、よってポート１１６および１１８は、実質的に同じサイズとして示されている。

また、図７に示す実施形態は、内側シュラウド１２６を有し、この内側シュラウドは、ボイド１２８を備え、これらボイドを通って、ボルトまたはその他の留め具が貫通して外側シュラウド１００のボイド１３０と係合し、それにより外側シュラウドに内側シュラウド１２６が固定されている。一態様では、図８に記載の実施形態に示すように、留め具を通して連結するボイド１０８が設けられている。また、ベアリング１３４のインデクサ面からインデックスする第１ロータ１３２が設けられ、例えば、シャフト１１０のキー溝１４０内に配置されたキーと係合するキー溝１３８によって、シャフト１１０とともに回転するように連結される第２ロータ１３６が設けられている。もちろん、その他の機構を用いることも可能である。一態様では、第２ロータ１３６は、ポート１４２を有し、それらが、ポート１１６および１１８と半径方向に一致して、それらを介して流体が移動することが可能となっている。

一態様では、内側シュラウド１２６は、外側シュラウド１００の前部１０４内の肩部１６４の内側部分の内径１６２とほぼ同じ内径１６０を有する周縁エッジ１５８を備える。図８と比較すると、第１ロータ１３２および第２ロータ１３６の最大の直径が、通常は外側シュラウド１００または内側シュラウド１２６の最小の直径１６６または１６８よりもそれぞれ大きくなるため、それら構成要素によって装置の組立が如何にして可能になるのかが分かる。第２ロータ１３６と、任意には第１ロータ１３２は、一態様において、図７に示すように、各々が単一構造を有する。このため、シュラウドアセンブリ１７０（外側シュラウド１００と内側シュラウド１２６の組合せ）を分解する機能無しには、必要な間隔で図示のように装置（ポンプ）を組み立てるのは、不可能ではないが非常に難しいであろう。

図７に示す実施形態と図１に示す実施形態との間のさらにもう一つの違いは、固定されたアングルプレート１４４が加わることであり、この固定されたアングルプレート１４４は、その回転を防止するピンを保持するボイド１４６を有する。この実施形態において、固定されたアングルプレート１４４は、シャフト１１０とともに回転しないが、図８に示すように、オフセット角１４８と、前述した実施形態でも使用され得るスラストローラベアリング２０８を提供する。構成２１０は、大量の角度接触ベアリングであり、それらは、シャフト上のスラスト荷重およびラジアル荷重を支持するように構成されている。

シュラウドの別の構成が図９に示されており、この図では、内側シュラウド１５６が、図１に関連して前述したように、軸方向に分割されている。しかしながら、この実施形態では、第１ロータ１５０は、複数のピン受け１５２を有し、それらは、内側シュラウド１５６のピン受け１５４と位置合わせされ、その結果、装置が組み立てられて、ピン、ボルトまたはその他の留め具がそれらを通過するときに、ピンが、第１ロータ１５０に対する内側シュラウド１５６の相対位置を維持する。この実施形態では、内側シュラウド１５６が、肩部または切欠部１７４を有し、それが、外側スリーブ１７８の内面１８０から延びる肩部または突出部１７６と相互作用するように構成されている。一態様において、外側スリーブ１７８の内面１８０は、内側シュラウド１５６の外面１８２と半径が実質的に同一である。このため、外側スリーブ１７８は、圧力および遠心力によるスリーブの拡張に対抗するために、締まり嵌め、圧入、干渉嵌り、接着、留め具またはその他の同等の連結によって、内側シュラウド１５６に連結させることができる。

シールリング１８４および１８６は、第２ロータ１９２の外径部１８８および内径部１９０にそれぞれ示されている。一態様において、従来の接触シールを使用する代わりに、最小限の制御された漏れ経路を与えるために、隙間は他の部分で最小化されている。入口および出口ポートは、その他の実施形態に示すポートよりも非常に大きい第１ロータ貫通ポート１９４の後部を介して存在する。

一態様では、図９に示すように、割出し（indexing）が、第２ロータ１９２の楕円溝１９６および球面ベアリング１９８によって達成され、球面ベアリングが、ベアリング２０２の楕円溝２００と楕円溝１９６の間に取り付けられる。図示のように、楕円溝２００は、ベアリング２０２に形成されている。一態様では、ベアリング２０２がボイド２０４を有し、それらボイドが、第１ロータ１５０のボイド２０６と位置合わせされ、それにより、第１ロータが、一態様では、ベアリング２０２にピンまたはボルトで留められるか、若しくは取り付けられる。また、ボイドは、潤滑剤の移動のために設けることもできる。

図１に示す実施形態は、内燃機関として利用されるように当業者が容易に変更を加えることができる。シーリングは、ワンケル型のエンジンによって見られるのと同様の高い温度および圧力に合わせて設計されている。そのような内燃機関は、入口／出口の外部バルブを利用するものでも、利用しないものであってもよく、また一般的な点火プラグのようなイグナイタも利用することができ、代替的には、ディーゼルエンジンで使用される原理で動作させることができる。

図１１乃至図１３は、可能性があるコンプレッサ設計についての（またはその他の流体操作デバイスとすることもできる）別の実施形態を開示している。ここで、相違点は、ボールベアリングインデクサ２１２が、内側シュラウド２１４の内面２３２に与えられた凹部２３０と係合することである。これは、高いボールベアリングの転がり速度をもたらすが、デバイスにおいて半径方向外向きに配置されるインデクサボールによりモーメントアームが非常に大きくなるため、より少ないまたは小さいボールで遥かに高いトルク性能が存在する。潤滑は、ロータ２１６および２１８を通じてオイルを与えて、インデクサ２１２が転がり込むインサート２２２のオイルポート２２０を介して上に伝えることによって達成される。インサートは、より硬い材料から形成することができる。インデクサは、第２ロータ２１８に設けられるボイド２２４に受け入れられる。この実施形態では、インデクサ２１２は、シャフトに直接的に取り付けられる必要はなく、その代わりに、シュラウドアセンブリを介してシャフトに間接的に取り付けられるものであってもよい。前述したように、外側シュラウド２２８を設けることもできる。

シュラウド２３４の別の実施形態が図１４乃至図１８に示されており、ここでは、ポートを規定する面２３６が、シュラウド本体２３８自体を通り抜けて、流体が通過することが可能となっている。ポートは、その正確なプロファイルに応じて、入口ポートまたは出口ポートの何れかとすることができる。図１４乃至図１８に示すように、動作の流体注入フェーズ中に対向するロータ２４０および２４２の間でキャビティ２４４に対して開放されて、流体圧縮または排出フェーズ中に閉鎖されるように、あるいはその反対となるように、ポートを形作ることができる。この構成は、上述したロータの背面のポート条件を単純化する。

本実施形態においてシュラウドに形成されるポートは、ロータ間の速度の違いによって、開かれている状態と、閉じられた状態とを交互に切り換える。一態様では、シュラウドが第１ロータに固定されて、この第１ロータは、この実施形態では、２つのローブを有し、他方のロータは３つのローブを有し、よって第１ロータの回転毎に１回転の２／３、回転する。第２ロータはシュラウドに対して動いているため、第２ロータは間欠的にポートを閉鎖することができる。

一態様では、ロータアセンブリ２４６は、第１ロータ２４０および第２ロータ２４２を含み、それらは、同一直線からオフセットしたそれぞれの中心軸を有するとともに、ローブ２４８および谷間２５０を有する。一態様では、ロータアセンブリは、第１および第２ロータの各々が外面２５２／２５４を有し、その外面が球面の一部を含み、各球面が共通の中心を共有するように配置される構成とされる。この実施形態では、シュラウド本体２３８は、ロータ２４０／２４２の外側球面２５２／２５４をそれぞれ取り囲むように動作可能に構成された内側球面２５６を当該シュラウド本体２３８が有するように構成されている。一態様では、シュラウド本体２３８が、ロータ２４０／２４２と同じ方向に所定の角速度で回転する。

図１４乃至図１８に示す実施形態は、上述した構成要素と組み合わせることができる。例えば、ロータアセンブリは、ロータの外側球面上での組立を容易にするために、シュラウド本体を、図１に示すように、軸方向に分割するように、あるいは図７に示すように、半径方向に分割するように、構成することができる。

シュラウド本体が分割される場合、シュラウド本体は、当該シュラウド本体からの半径方向の力がスリーブ６４にフープ応力として吸収されるように、図１のスリーブ６４のようなスリーブによって取り囲まれる。スリーブ６４は、締まり嵌めによりシュラウド本体に連結することができ、それは、内側シュラウド要素に半径方向内向きの予荷重をかける。図１は、外側スリーブ６４とともに、内側シュラウド要素５４ａおよび５４ｂの一例を示している。

上述したロータアセンブリは、シュラウド本体２３８と第２ロータとの間にのみ相対的な運動が生じるように、シュラウド本体２３８が第１ロータに対して固定される構成とすることができる。この実施形態の一態様では、シュラウド本体２３８は、第１ロータ２４０の本体と一体およびモノリシックである。

ロータアセンブリは、第１および第２ロータの軸とは異なる軸を中心にシュラウド本体が回転するように、構成することができる。

一実施形態では、シュラウド本体が、ラジアルポートを規定する１またはそれ以上の面２３６を備え、ラジアルポートは、回転の一部分の間にロータローブ２４０によって塞がれ、ポートがロータ２４０／２４２の谷間２５０と一直線となる回転の残りの部分で開放されるように、形成されている。ロータアセンブリは、回転のフェーズの一部またはすべての期間、所与のポートが開放されるように、ポートが配置される構成とすることができ、ポートが流体入口または流体出口として機能するように、関連するローブ間のボリュームが徐々に増加する構成とすることができる。

ロータアセンブリは、ロータの外側球面が、シュラウドの内側球面と係合する、図３乃至図５に示すような複数の周方向を向くシールを備えるように構成することができる。シール部材は、メカニカルシールまたはポリマリップシールのようなポジティブ接触シールを含むことができる。代替的には、シール部材は、ラビリンスシールまたはガス潤滑メカニカルシールのような非接触シールを含むことができ、あるいは１のロータまたは各ロータ上で単一の一体型および／またはモノリシックシール部材とすることもできる。別の態様では、シールには、図１に示すように、複数のＳ字状のシール２５７が含まれ、それらは、図４のシール７４として一態様では示される。それらシール部材は、複数の“Ｓ”字状のシールを含み、シール本体自体が一方向に湾曲して、シュラウドの内側切頭球面と接触する。この実施形態では、ロータアセンブリは、１またはそれ以上のロータが、各ロータローブのアペックスに放射溝を含むように構成することができ、放射溝内には、シュラウド本体２３８の内側ボール面および内面２５６に係合するとともに、他方のロータのローブに係合するように動作可能に構成された複数のシール本体が取り付けられる。一態様では、このシールが他方のロータにその長いエッジで接触するが、一端でシュラウドの内部に、他端で中心ボール面にも接触することができる。この構成は、請求項２２に記載のロータアセンブリを利用することができ、この場合には、連続シール体として機能するように、アペックスシールが周方向を向くシールと接触する。ローブの先端で溝内に位置するシール（アペックスシール）は、結合部を流体が通過することがないように、周方向シールと接触する必要がある。一態様では、アペックスシールおよび周方向シールは、ローブの所与のセット間のボリュームの変化を禁止する連続的なシーリングラインを含むように、相互作用する。

一態様では、図１９乃至図２４に示すように、シール部材が、複数の平面シール２５８を含み、そこでは、シール本体自体が、湾曲したラジアル外面２６０を有して、シュラウドの内側切頭球面と接触する。そのような平面的な周方向シール２５８は、ロータ２６４に形成されたシール溝２６２内に嵌入する。一態様では、表面が窪みまたは穴２６６を規定し、そこで各シール部分が出会う。それら穴２６６は、ワンケルエンジンのコーナーシールと機能が類似している。

一態様では、図２４および図２５に示すような円筒状アペックスシール２７０が使用され、これらは、球面２７６／２７８を二等分する平面内に横たわる中心線を有し、ロータ２７４の後面２７２と平行である。このような円筒状のアペックスシール２７０を使用すると、２、３の利点が得られる。先ず、そうでなければ中心ボール２７６上でのロータローブの組み立てを困難にするであろうロータローブ先端の突出部分が、ロータローブ先端のアペックスシールスロットによって切り取られるように、円筒状のアペックスシールの直径を十分に大きく形成することができる。ローブ先端の突出部分は、ボール２７６の中心線２８０よりも遠くにローブが突出する場合に、問題となる。漏れ経路を形成することなくボール２７６をソケット２８２内に入れるのが困難になるため、組立は問題を伴う。

第２の利点は、円筒状のアペックスシール２７０が、上述したように、球面２７６／２７８を二等分する面上にあるため、円筒状のアペックスシール２７０のリム２８４が外側および内側球面の両方にしっかりと嵌って回転対称を維持するように、円筒状のアペックスシール２７０の端部を、容易に中空にすることができる。この構成は、円筒状のアペックスシールの機械加工を従来の構成よりも遥かに容易なものとする。

円筒状のアペックスシールの第３の利点は、円筒状のアペックスシール２７０が上述したように球面を二等分する平面２８０上にあるため、シール間隔を変えることなく、円筒がそれらの軸を中心に回転できることである。回転シールは、摩耗が少なくなる傾向があり、また摩耗面２８６が線ではなく凹みであるため、より均等に摩耗することとなる。一態様では、シールは、回転中の適切なシーリングに必要とされる回転対称を有することを可能にするために、球面を二等分する平面上にある。

図２５および図２７は、凹凸のある端部２８６／２８８を有する円筒状シールを示している。これら端部の窪み２８６／２８８は、係合する球面（ボール２７６）と同じ半径を有するか、あるいはリム２８４のみが係合面２７６に接触するように、円錐のようなより簡素な形状に切り取ることができる。

一実施形態において、図８に示す構成要素と組み合わせた場合にロータアセンブリは非常に有用であり、その場合には、第１ロータ２４０および第２ロータ２４２のローブ間の高圧流体による負荷が、関連するロータの後部からスラストベアリングを介して、ハウジングにキーで固定される図７のくさび形プレート１４４へと伝達され、その後、別のスラストベアリングを介して、シャフトに引張荷重が作用するようにシャフトに固定的に取り付けられてシャフトとともに回転するプレートへと伝達される。くさび形プレートは、一態様では、デバイスのハウジングに対して回転固定される。くさびの角度は、ハウジングに対して固定された角度で、傾いたロータを維持する。くさび形プレートは、一態様では、軸方向に浮くように構成することができるが、シャフトとともに回転するのを防止するために、ハウジングにピンで留めるか、キーで固定すべきである。

また、ロータアセンブリは、上述した割り出しシステム（インデクシングシステム）の一つのようなロータ割り出しデバイスを含むことができる。割り出しデバイスは、図１２に示すように、第１および／または第２ロータ２４０／２４２の少なくとも一方とシュラウド本体２３８との間でトルクを伝達するために、シュラウドと一体化させることができる。楕円スロット２３０は、シュラウドがインデクサとして機能することができるように、シュラウドの球面に切り込まれるものであってもよい。これは、図１０に示す実施形態とは異なるものであり、この場合、中心のボールにスロット２００が切り込まれる。割り出しデバイスは、図１３に示す割り出しシステムと同様のものにすることができ、その場合、ロータ割り出しデバイスが、ロータ２４０／２４２の外面２５２およびシュラウド内側球面２５６の両方に設けられるほぼ楕円のトラック２２０／２３０に転がり込むように構成された球状のボール２１２からなる。代替的には、割り出しデバイスが、シュラウド本体内側球面および外面の両方または少なくとも１のロータに形成された図１のほぼ正弦波状のトラック２８に転がり込むように構成された球状のボールからなるものであってもよい。その他の実施形態では、トロコイド歯車、インボリュート歯車およびくぎスライダ／ローラインデクサを使用することもできる。決定的な特徴は、各種類の割り出しシステムの一方の半部がシュラウドに組み込まれるものとすることであり、歯車インデクサ、くぎ型のシステムあるいはボールベアリングシステムの半部とすることも可能である。ボールベアリングインデクサのみが図面に示されているが、２００９年９月１６日に出願された米国特許出願第１２／５６０，６７４号に見られるような、その他の種類のインデクサも従来より良く知られている。この米国特許出願の内容は、引用により本明細書に援用されるものである。

本発明を幾つかの実施形態の記載により説明するとともに、例示的な実施形態を詳細に説明してきたが、添付の請求項の範囲をそのような細部構成に制限または多少なりとも限定することを出願人は意図するものではない。上記実施形態の具体的な構成要素は、様々な組合せ方法で組み合わせることができ、例えば、図９のロータを図１のシュラウドと組み合わせることも可能である。添付の請求項の範囲内の追加的な利点および変更は、当業者に容易に明らかなものとなるであろう。したがって、本発明はそのより広い側面において、具体的な細部構成、代表的な装置および方法、および開示および記載した例示的な実施例に限定されるものではない。すなわち、出願人の一般概念の範囲または趣旨から逸脱することなく、そのような細部構造に変更を加えることができる。

Claims (29)

1. ロータアセンブリにおいて、
   ａ．第１ロータの後部分からスラスト荷重が第１スラストベアリングを介して伝達されるシャフトであって、その回転軸が前記第１ロータの回転軸と平行ではないシャフトと、
   ｂ．第１スラストベアリングであって、その回転軸が前記第１ロータの回転軸と同軸上にあり、くさび形プレートに作用する第１スラストベアリングと、
   ｃ．前記第１ロータの回転軸と前記シャフトの回転軸との間の角度に等しいくさび角度を有するくさび形プレートであって、第２スラストベアリングに対して作用するくさび形プレートと、
   ｄ．前記シャフトの回転軸と同軸の回転軸を有する第２スラストベアリングとを備え、
   ｅ．前記スラストベアリングが、前記シャフトに固定的に取り付けられた第２スラストプレートに対して作用することを特徴とするロータアセンブリ。
2. 請求項１に記載のロータアセンブリにおいて、
   前記シャフトに引張荷重をかけるように構成された荷重ベアリング要素によって、前記第１ロータに作用するスラスト荷重が、前記シャフトに伝達されることを特徴とするロータアセンブリ。
3. ロータアセンブリにおいて、
   ａ．少なくとも第１ロータおよび第２ロータを含む複数のロータを備え、前記第１ロータおよび前記第２ロータが、それぞれ共直線からオフセットした中心軸を持つとともに、ローブおよび谷間を有し、
   ｂ．前記第１ロータおよび前記第２ロータの各々が、球面の一部を構成する外面を有し、それら外側球面が共通の中心を共有するように配置され、
   ｃ．前記ロータの外側球面を取り囲むように動作可能に構成された内側球面を有するシュラウド本体を備え、前記シュラウド本体が、前記ロータと同じ方向に所定の角速度で回転することを特徴とするロータアセンブリ。
4. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
   前記シュラウド本体が、前記第１ロータおよび／または第２ロータの外側球面上での組立を容易にするために、軸方向に分割された複数の内側シュラウド要素を含むことを特徴とするロータアセンブリ。
5. 請求項４に記載のロータアセンブリにおいて、
   前記シュラウド本体が、周縁スリーブにより支持されて、前記シュラウド本体からの半径方向力が前記スリーブにフープ応力として取り込まれることを特徴とするロータアセンブリ。
6. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
   前記シュラウド本体が、前記ロータの外側球面上での組立を容易にするために、周方向に分割された複数の内側シュラウド要素を含むことを特徴とするロータアセンブリ。
7. 請求項６に記載のロータアセンブリにおいて、
   前記シュラウド本体が、スリーブにより取り囲まれて、前記シュラウド本体からの半径方向力が前記スリーブにフープ応力として取り込まれることを特徴とするロータアセンブリ。
8. 請求項７に記載のロータアセンブリにおいて、
   前記スリーブが前記シュラウド本体に締まり嵌めによって連結され、それが内側シュラウド要素に半径方向内向きの予荷重をかけることを特徴とするロータアセンブリ。
9. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
   前記シュラウド本体が、当該シュラウド本体と前記第２ロータとの間のみに相対運動が生じるように、前記第１ロータに対して固定されていることを特徴とするロータアセンブリ。
10. 請求項６に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シュラウド本体が、前記第１ロータの本体と一体化されてモノリシックであることを特徴とするロータアセンブリ。
11. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シュラウド本体が、前記第１および第２ロータの軸とは異なる軸を中心に回転することを特徴とするロータアセンブリ。
12. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シュラウド本体が、ラジアルポートを規定する１またはそれ以上の面を備え、前記ラジアルポートが、回転の一部分の間に前記第１ロータまたは前記第２ロータのローブによって閉塞されるが、回転の残りの部分の間はローブによって閉塞されないように形作られていることを特徴とするロータアセンブリ。
13. 請求項１２に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記ポートが、前記第２ロータのローブによって閉塞されることを特徴とするロータアセンブリ。
14. 請求項１２に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記ポートが流体入口として機能するように、関連するローブ間のボリュームが次第に増加していることを特徴とするロータアセンブリ。
15. 請求項１２に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記ポートが流体出口として機能するように、関連するローブ間のボリュームが次第に減少していることを特徴とするロータアセンブリ。
16. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記ロータの外側球面が、周方向を向く複数のシールを含み、それらが前記シュラウドの内側球面と係合することを特徴とするロータアセンブリ。
17. 請求項１６に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シール部材が、メカニカルシールおよびポリマリップシールからなる群から選択されるポジティブ接触シールを含むことを特徴とするロータアセンブリ。
18. 請求項１６に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シール部材が、ラビリンスシールおよびガス潤滑メカニカルシールからなる群から選択される非接触シールを含むことを特徴とするロータアセンブリ。
19. 請求項１６に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シール部材が、単一のモノリシックシール部材からなることを特徴とするロータアセンブリ。
20. 請求項１６に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シール部材が、前記第１ロータおよび／または前記第２ロータと一体化されてモノリシックであることを特徴とするロータアセンブリ。
21. 請求項１６に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シール部材が、複数のＳ字状シールを含むことを特徴とするロータアセンブリ。
22. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
    円筒状のアペックスシールを備え、このアペックスシールが、前記ロータの後面に平行な中心線を有し、前記ロータ上に取り付けられていることを特徴とするロータアセンブリ。
23. 請求項１６に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記シール部材が、複数の平面状シールを含み、シールの本体自体が、一方向に湾曲して、前記シュラウドの内側切頭球面と接触することを特徴とするロータアセンブリ。
24. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
    １またはそれ以上のロータが、各ロータローブの先端に放射溝を備え、その中に、対向するロータのローブと係合し、かつ内側球面および内側シュラウド本体面と係合するように動作可能に構成された複数のシール本体が取り付けられることを特徴とするロータアセンブリ。
25. 請求項２４に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記アペックスシールが、連続シール体として機能するように、周方向を向くシールに接触することを特徴とするロータアセンブリ。
26. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記ローブ間の高圧流体による荷重が、関連するロータの後部からスラストベアリングを介して、ハウジングにキーで固定されるくさび形プレートへと伝達され、その後、別のスラストベアリングを介して、前記シャフトに引張荷重がかかるように前記シャフトに固定的に取り付けられて前記シャフトとともに回転するプレートへと伝達されることを特徴とするロータアセンブリ。
27. 請求項３に記載のロータアセンブリにおいて、
    ロータ割り出しデバイスを備え、このロータ割り出しデバイスが、前記シュラウドと一体化されて、前記第１ロータおよび／または前記第２ロータの少なくとも一方と前記シュラウド本体との間でトルクを伝達することを特徴とするロータアセンブリ。
28. 請求項２７に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記ロータ割り出しデバイスが、前記シュラウドの内側切頭球面と前記ロータ外径部の双方に切り込まれたほぼ楕円形のトラックに転がり込むように構成された球状ボールにより構成されることを特徴とするロータアセンブリ。
29. 請求項２７に記載のロータアセンブリにおいて、
    前記割り出しデバイスが、前記シュラウド本体の内側球面および外面または少なくとも１のロータの双方に切り込まれたほぼ正弦波形のトラックに転がり込むように構成された球状ボールにより構成されることを特徴とするロータアセンブリ。

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