JP2943104B2 - 回転ピストン構造の容積形ピストン機構 - Google Patents

回転ピストン構造の容積形ピストン機構

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転ピストン構造
の容積形ピストン機構に関する。
【0002】
【従来の技術】ポンプ、ブロアー、コンプレッサー等の
内燃機関と可逆関係にある容積形ピストン機械の分野で
は、回転ピストン構造の所謂ベーン式ロータリー機構が
早くから実用化されている。例えば、ロータリーブロワ
ーにあっては、図8に示す如く、框体1の円状室部2内
に偏心して装置せるローター3の放射状の溝4に摺動自
由にブレード5を装置して、円状室部2の周面に遠心作
用で端部を圧接しつつ高速回転するローター3の溝4内
を摺動するブレード5の作用で、吸入側から吐出側へと
空気その他の流体を圧送するようにしてなる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】叙上ベーン式ロータリ
ー機構には、ベーン(ブレード5)をカムリング(円状
室部2)に押接して漸次容積が変化する室を区画せねば
ならぬ構造故の宿命として、ベーン先端部の磨耗、ベー
ンの適正な押圧作動機構の困難な付構成、シール確保の
元での回転摺動という作動の滑らかさと気密性の確保と
いう相矛盾する機能の同時達成の難問をかかえる。
【0004】現状は、叙上の諸課題を戦術的工夫によっ
て解決しているにすぎず、その効果には限度がある。本
発明は叙上の事情に鑑み、ベーン式ロータリー機構をば
戦略的に改変して上記した諸課題を全て解決すべくなさ
れたもので、その目的とするところは、容積変更の負担
をベーン先端にのみ頼る必要のない新規構造として、ベ
ーン先端にのみ負担をかけることに起因の上記の諸難点
を解消したものを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の回転ピストン構造の容積形ピストン機構
は、軸受ハウジングに軸受抱持の輪形筒より成る大ロー
タ内に偏心して主軸に一体の小ロータを配し、当該大ロ
ータと小ロータの対向部等分点に互いに所定の向き、傾
斜の対のスライド溝を刻設し、当該スライド溝に所定屈
曲角の屈曲ベーンを架橋状に嵌挿着し、サイドハウジン
グの所定部位に吸・排口を配設して成るとしたものであ
る。
【0006】
【作用】小ロータと大ロータはバランス点にて架橋の屈
曲ベーンを介して同伴回転するものとなり、この間の容
積変更は回転の滑らかさとシール効果を損なうことのな
い屈曲ベーンのスライド溝内での摺動でもって成立して
しまう。この結果、従来の片持ち突き出しのベーン先端
に多大の負担を強いていた構造の特殊事情故の諸難点は
全く無縁のものとなる。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図1、2に
基づいて説明する。主軸6に一体の小ロータ7は、輪形
筒より成る大ロータ8内に偏心させて配される。当該大
ロータ8は軸受ハウジング9に軸受抱持されている。
【0008】当然のことながら叙上の小ロータ7、大ロ
ータ8はボルト11,…で組付けのサイドハウジング1
0、10’間に挾装されるものである。小ロータ7と大
ロータ8の対向部には互いに所定の向き、傾斜の対のス
ライド溝12,…、13,…が刻設されると共に当該ス
ライド溝12、13間に所定屈曲角の屈曲ベーン14,
…が架橋態様に嵌挿着される。
【0009】しかして、ここに小ロータ7の回動に常に
バランス架橋点を求める屈曲ベーン14を介して大ロー
タ8が同伴される独特な回転機構が提供される。当該回
転機構は、屈曲ベーン14によって区画室15,…を形
成するが、これ等は回転に従いその容積を変更する。こ
の間屈曲ベーン14は単にスライド溝12、13内を摺
動するのみである。
【0010】ここに、片持ちのベーン先端を固定のカム
リングに押し付けながら摺動して容積変更を達成すると
云う在来のベーン式ロータリー機構と全く異なる同機能
の機構が提供される。叙上機構の成立を幾何学的に以下
図3〜5に基づいて検討する。図3において、Oは半径
rの小円の中心点、O’は半径lの大円の中心点であ
る。半径OAと半径O’Bとは平行を保ちながら回転す
るものとする。
【0011】平行を保って回転する半径OAと半径O’
Bが任意の回転位置にあるときに、これに対して次の作
図をする。半径OAの点Aを通って、半径OAに対して
定角αをなす直線ACを画く、角αは右回りの角で鋭角
とする。次に半径O’Bの点Bを通って、半径O’Bに
対して定角βをなす直線BCを画く、角βは左回りの角
で鋭角とする。直線ACと直線BCの交点をCとし、交
角をκとする。
【0012】以上の作図において、OA//O’B であ
るから ∠CDA=∠CBE=βとなる。△CADにお
いて ∠CAD=α ∠CDA=β ∠ACD=κ ∠
CAD+∠CDA+∠ACD=α+β+κ=180°
κ=180°−(α+β) 故にαとβを定角としたの
でκも定角となる。
【0013】次いで、図4に基づいて説明する。あらか
じめ、三つの角αとβとκを 0°<α<90° 0°
<β<90°α+β+κ=180° の条件のもとで、
適当に定め、これを用いて次の作図をする。偏心量O’
Oを適当に定めて、半径OAの小円と半径O’Bの大円
を画く。次に半径OAの任意の回転位置において、点A
を通って半径OAに対して角αをなす直線ACを画く、
角αは右回りの角とする。次に直線ACの上の適当な位
置に点Fを定める、点Fを通って直線ACに対して角κ
をなす直線FGを画く、角κは右回りの角とする。次に
直線FGの上の適当な位置に点Gを定める、点Gを通っ
て直線FGに対して角βをなす直線GHを画く、角βは
右回りの角とする。次に直線GHに対して平行である大
円の半径O’Bを画く。次に点Bを通って直線FGに対
して平行な直線BCを画く。以上の図において次のこと
が成立する。
【0014】FG//CI GH//O’B であるから
∠ACD=∠HCI=∠HFG=κ∠CBE=∠CIH
=∠FGH=β となる。従って ∠CAD+∠CBE+∠ACD=α+β+κ=180° △CADにおいて ∠CAD+∠CDA+∠ACD=180° 以上から ∠CDA=∠CBE 故に OD//O’B となるから半径OAと半径O’B
は平行となる。
【0015】しかして、図4を基にして、次のような機
構を作ることができる。直線HCと直線ICを点Cで結
合して屈曲した線を作る、この線を屈曲線HCIとす
る。更に屈曲線HCIを屈曲した細い棒とみなして、こ
れを屈曲角がκの屈曲棒HCIとする。半径OAの小円
を小円板イとみなす、この小円板イに線分AHに相当す
る細い溝を作る。
【0016】半径O’B’の円を大円板ロとみなす、半
径O’Bの大円を大円板ロ内に画かれた図形とする。半
径O’Bと半径O’B’との差BB’を巾とする輪形板
ハを作り、輪形板ハの厚さは小円板イの厚さに等しくす
る、該輪形板ハに線分BIに相当する細い溝を作る。こ
の輪形板ハを大円板ロの円周に一致させて重ね合わせ
て、大円板ロに固定する。
【0017】上記の形状の屈曲棒と大、小円板ロ、イを
次のように組合わせる。すなわち、大、小円板ロ、イの
偏心量をO’Oとし、大円板ロの上に小円板イを重ね
る。大円板ロは点O’を中心として回転し、小円板イは
点Oを中心として回転するものとする。次に小円板イの
細い溝と輪形板ハの細い溝へ屈曲棒HCIを入れる、屈
曲棒HCIは細い溝の中を滑動するものとする。
【0018】そこで小円板イを動力によって回転させる
と、小円板イの回転力は、屈曲棒HCIを媒体として、
大円板ロを回転させる。このとき大円板ロに画かれた大
円の半径O’Bは、小円板イの小円の半径OAに対し
て、平行を保ちながら回転する、つまり小円板イと大円
板ロは等角速度回転をすることになる。以上の動作は、
偏心量O’Oを変えても成立する。
【0019】屈曲線HCIに巾をつける方法を図5にお
いて述べる。まず小円板イの半径OAの任意の回転位置
に屈曲線HCIを作図する。それには、αとβとκを
0°<α<90° 0°<β<90° α+β+κ=1
80° の条件のもとで、適当に定める、このαとβと
κを用いて屈曲線HCIを作図する、作図の方法は、既
述の屈曲線HCIの作図の方法と同様な作図の方法で行
う。この図形において屈曲線HCIに対応するところの
小円板イの半径OAと大円板ロの半径O’Bは平行とな
る。
【0020】次に屈曲線HCIと小円板イとの交点Aを
通って弦AJを画く、弦AJは一定の長さとする。点J
を通る半径OJを画く。弦AJに対する中心角をεとす
る。半径OJに対して平行にO’Kを画く。点Kを通る
弦BKを画く。弦BKに対する中心角をρとする。点J
を通って、直線AHに対して平行に直線JPを画く。点
Kを通って、直線CIに対して平行に直線KQを画く。
【0021】直線JPと直線KQの交点をLとする。直
線PLと直線LQを点Lで結合して屈曲した線を作る、
この線を屈曲線PLQとする。以上の図形から次のこと
が成立する。∠BO’Kと∠AOJにおいて、辺OAと
辺O’B、辺OJと辺O’Kとが、共に同じ向きに平行
であるから ∠BO’K=∠AOJ ρ=ε となる、
従って二等辺三角形BO’Kと二等辺三角形AOJは相
似形となるから、下記の数式2が成立する。
【0022】
【数1】
【0023】弦AJの長さは一定としたので、弦BKの
長さも一定となる。故に屈曲線HCIと屈曲線PLQに
おいて、辺HCと辺PLは定間隔で平行となり、辺IC
と辺QLも定間隔で平行となる。ここで更に次の作図を
する。点Aを通って直線CHに対して垂直な線分AMを
画く、線分AMの長さをhとする。点Bを通って直線C
Iに対して垂直な線分BNを画く、線分BNの長さをd
とする。
【0024】以上の作図から次の式が成立する。
【0025】
【数2】
【0026】故にhとdは一定の長さとなる。そこで、
屈曲線HCIと屈曲線PLQを、線分AMと線分BNで
結合して一体のものとすると、これは屈曲線HCIにh
とdの巾をつけた形状とみなすことができる。屈曲線H
CIに巾をつけ、更に厚みをつけたものを屈曲ベーンと
する。
【0027】しかして、既述の図1、2の回転機構の成
立は立証される(サイドハウジング10、10’で閉塞
されていないと仮定してみればよい。)。よって、図
1、2に示す如くサイドハウジング10、10’の所定
部位に用途に応じて例えば吸、排口16、17の如く設
定してやれば、回転ピストン構造の容積形ピストン機構
として作動化させることが可能である。
【0028】
【実施例】本発明の各種用途実施例を以下説明する。上
述の図1、2では上述の要領のもとポンプの場合とし
て、吸、排口16、17を設定してある。すなわち、小
ロータ7の外側の内周をn等分する(nの値は適当に定
める)。このn箇の等分点の各位置に間隔hのスライド
溝12,…を作る。この溝には等分点を通る半径rに対
して傾斜角度αの傾斜をする。
【0029】次に大ロータ8の内側の内周を同じくn等
分する。このn箇の等分点の各位置に間隔dのスライド
溝13,…を作る。この溝13は等分点を通る半径lに
対して傾斜角度βの傾斜をする。これに上述の要領にな
る屈曲ベーン14,…を組み付ければよい。なお、図中
における各定角は次記の通りとした。
【0030】 α=32°、β=43°、κ=105°、ε=8° このものにおいては、大ロータ8と小ロータ7間の環状
すきまを、n個の屈曲ベーン14が仕切るので、n個の
区画室15,…ができる。そこで、この機械の主軸6と
主軸6に固定した小ロータ7が左回りの回転をすると、
屈曲ベーン14が媒体となって、大ロータ8を左回りの
回転をさせる、n個の区画室15,…も左回りの回転移
動する。
【0031】各区画室15が左回りで1回転すると、各
区画室15の容積は増加と減少を1回する。区画室15
の容積が増加するときに、区画室15内へ流体を吸口1
6より吸入させ、区画室15の容積が減少するときに、
区画室15内の流体を排口17より区画室15外に吐き
出させると、これはポンプの動作をすることになる。こ
のポンプの流体の吐出量は、大小ロータ8、7の偏心量
を変えることによって増減する。
【0032】次に、屈曲ベーンモータへの利用を図6に
示す。これは図1のベーンポンプにおいて、流体の排口
17を流体の流入口18とし、流体の吸口16を流体の
流出口19と改造することで成立する。この改造した回
転構造体に高圧の流体を発生する装置22を組み合わせ
た機械装置を作る。そこで、高圧の流体を発生する装置
からの高圧の流体を、改造した屈曲ベーンポンプの区画
室15’内へ、流入口18より絶えず供給する。区画室
15’内へ入った流体は屈曲ベーン14’に圧力を及ぼ
す、この屈曲ベーン14’に対する圧力が主軸6’を右
回りの回転をさせる、区画室15’も右回りの回転移動
をする。区画室15’が回転移動して流出口19の位置
へ進むと、区画室15’内の流体が流出口19から区画
室15’外へ出る。
【0033】従って、流体圧回転モータとして作動する
ことになる。さらに、叙上の屈曲ベーンモータを熱機関
に応用する例を説明する。図7に示す如く、上記の屈曲
ベーンモータにおいて、流体の流入口18を取り除き、
代わりに、熱気体が流入する小さい孔の流入孔20を設
置する。流入孔20の設置の位置は、モータの区画室1
5’が右回りの回転移動するとき、区画室15’の容積
が増加し始める頃の位置とする。次に屈曲ベーンモータ
の流体の流出口19を熱気体を排気する排気口21とす
る。この改造した屈曲ベーンモータを熱気体屈曲ベーン
モータとする。
【0034】熱気体屈曲ベーンモータに高温高圧の気体
を発生する装置23を組み合わせる。この動作は次の如
くである。熱気体屈曲ベーンモータのn個の区画室1
5’,…の中から、熱気体の流入孔20の位置にある1
つの区画室15’を選びだし、この区画室15’の動作
を述べることにする。
【0035】まず熱気体の流入孔20の位置にある区画
室15’の室内へ、高温高圧の気体の発生装置23から
の高温高圧の気体を、熱気体の流入孔20より絶えず流
入する。 区画室15’内へ流入した高温高圧の気体
は、区画室15’を作る一対の屈曲ベーン14’に対し
て圧力を及ぼす。このときに2つの屈曲ベーン14、1
4’は互いに反対方向に押す圧力を受ける。しかし圧力
を受ける2つの屈曲ベーン14、14’の面積に差があ
るので、主軸6に対するトルクに差が生じる。このトル
クの差が主軸6を右回りの回転をさせる、区画室15’
も右回りの回転移動をする。
【0036】室の回転移動につれて区画室15’の容積
は増加し、区画室15’内へ高温高圧の気体が流入す
る。この高温高圧の気体の圧力が屈曲ベーン14’に作
用し続けるから、これによって主軸6は回転を続け、区
画室15’も回転移動を続ける。次に区画室15’が回
転移動して熱気体の流入孔20を通過すると、区画室1
5’内への高温高圧の気体の流入は止まる。続いて区画
室15’が回転移動すると、区画室15’の容積は増加
し、区画室15’内にある高温高圧の気体は断熱膨張す
る。この断熱膨張の圧力が屈曲ベーン14’に作用し続
けるから、主軸6が回転を続け、区画室15’も回転移
動を続ける。
【0037】次に区画室15’が回転移動して熱気体の
排気口21の位置へ進むと、区画室15’内の熱気体が
熱気体の排気口21から区画室15’外へ排出する。以
上の動作は、他の区画室15’が右回りの回転移動し
て、熱気体の流入孔口の位置へきた場合にも同様に成立
するから、主軸6への回転力が次々と続けて作用するこ
とになる。従って、この機械装置は熱機関として動作す
ることになる。
【0038】
【発明の効果】以上の如く本発明機構は構成されるの
で、以下の効果を奏する。容積変更に際して区画室構成
の屈曲ベーンに要求される作動は、スライド溝内の橋脚
部の摺動で済むために、駆動のスムーズさと気密性は格
段の向上が期し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明機構のベーンポンプへの応用説明正面図
である。
【図2】本発明機構のベーンポンプへの応用説明側面図
である。
【図3】本発明機構成立幾何学的説明図である。
【図4】本発明機構成立幾何学的説明図である。
【図5】本発明機構成立幾何学的説明図である。
【図6】本発明機構のベーンモータへの応用説明正面図
である。
【図7】本発明機構の熱機関への応用説明正面図であ
る。
【図8】従来の機構としてのロータリーブロワーの正面
図である。
【符号の説明】
1 框体 2 円状室部 3 ローター 4 溝 5 ブレード 6 主軸 7 小ロータ 8 大ロータ 9 軸受ハウジング 10 サイドハウジング 11 ボルト 12 スライド溝 13 スライド溝 14 屈曲ベーン 15,15’ 区画室 16 吸口 17 排口 18 流入口 19 流出口 20 流入孔 21 排気口 22 高圧の流体を発生する装置 23 高温高圧の気体を発生する装置

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 軸受ハウジングに軸受抱持の輪形筒より
    成る大ロータ内に偏心して主軸に一体の小ロータを配
    し、当該大ロータと小ロータの対向部等分点に互いに所
    定の向き、傾斜の対のスライド溝を刻設し、当該スライ
    ド溝に所定屈曲角の屈曲ベーンを架橋状に嵌挿着し、サ
    イドハウジングの所定部位に吸・排口を配設して成るこ
    とを特徴とする回転ピストン構造の容積形ピストン機
    構。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の回転ピストン構造の容積
    形ピストン機構よりなるベーンポンプ。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の回転ピストン構造の容積
    形ピストン機構よりなるベーンモータ。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の回転ピストン構造の容積
    形ピストン機構よりなる熱機関。
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