JP3853355B2 - 回転ピストン機械 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ、圧縮機またはモータとして作動する、請求の範囲第１項の上位概念に記載の回転ピストン機械から出発している。
この種類の回転ピストン機械は常に少なくとも一つの壁部分を備えている。この壁部分は他の壁部分に対してシールされて動かされ、それによって作動室が拡大または縮小する。この場合、少なくとも一方の壁部分が出力を生じるよう動く。すなわち、この出力を生じるよう動く壁部分は、作動媒体、例えば空気、ガス、油等に出力を付与するかあるいはこの作動媒体から出力を受け取る。本来の出力伝達の働きをしない、作動室を画成する他方の壁部分は、それが固有の運動をするにもかかわらず、すなわち可動の壁部分であるにもかかかわらず、しばしば遮断部材と呼ばれる。従って、出力部材と遮断する壁部分の役割が交替することはあり得る。しかし、いかなる場合でも、この回転ピストン機械は、かさ歯車の場合と同じような回転軸線位置を有し、回転軸線が角度をなしている回転ピストンである。
冒頭に述べた種類の公知の回転ピストン機械（米国特許第３８５６４４０号明細書）の場合には、互いに対向する歯が原理的に同じように形成され、かみ合っている。両部材は球状の内室を有するケーシング内に半径方向に封隙的に配置されている。中央に設けられた球は、部材の相対的な回転時に発生する擂粉木運動のための軸承部を形成し、かつ作動室の内側の半径方向シールの働きをする。圧縮機またはポンプとして作動するこの回転ピストン機械の場合には、かみ合い部をそれに対向する歯の歯面に対して充分にシールするために、かみ合い部は凸形または凹形に形成されているかあるいは歯面が内側または外側へやや湾曲している。
同じ構造の互いにかみ合う歯を使用することによって、作動室を正確にシールすることができず、最善の状態にすることができずそして不利な空間が避けられないということは別として、このような歯の製作には多大のコストがかかる。
これに対して、請求の範囲第１項記載の特徴を有する本発明による回転ピストン機械は、サイクロイド状に形成された、サイクロイド部材の側面、すなわち端面と、制御部材の他の歯のかみ合い部とが協働することによって、かみ合い部と対向する面の間の所望な形状補完的接触が保証されるという利点がある。他の利点は、シール機能についての欠点を生じないで、サイクロイド部材と制御部材の（円錐外周面内の）軸方向位置が互いに変更可能であるということにある。
本発明の他の効果は、回転ピストン機械を不利な空間が零になるよう設計可能であることにある。これは冒頭に述べた機械の場合には不可能である。更に、作動室容積に対する、作動室を画成する表面積の比率を、きわめて自由に決めることができる。これも技術水準では不可能である。特に、重要な利点は、制御部材の歯のかみ合い部の半径をきわめて自由に形成できることにある。
サイクロイド状に形成された、歯を有する対の走行面を内燃機関に使用することが知られている（米国特許第３４９２９７４号明細書）。この歯は傾斜の急な歯面を有する。この場合、本発明において制御部材と呼ばれるリングがケーシングと相対的に回転し、擂粉木運動をする。更に、歯付リングに中央の軸が設けられている。この軸はその軸線が遮断部材の軸線に対して角度をなすように形成されておらず、中央の軸、すなわち真っ直ぐな軸である。従って、この回転ピストン機械は全く異なる種類の機械である。歯が大きなモーメントを受け止めるかみ合い部に鋭いまくれを有するので、大きなモーメントを受け止めることができないということは別として、軸方向の後調節もできないし、不利な空間の最適化もできないし、かみ合い部の変更もできない。この公知のモータには第２の回転部材が設けられていない。
本発明の他の有利な実施形では、部材の回転軸線の作動位置が、互いに独立して変更可能である。本発明に従って、他の付加的な対の歯車を設けてもよい。この場合、既存の部材の少なくとも一方が背面側に同様に歯を有し、この歯が一重または二重に歯を形成した他の回転部材と協働する。この回転部材を取り囲むケーシングが回転部材に対して半径方向のシールを有することが前提条件として必要である。公知のごとく、軸または歯付リムによって駆動および被駆動を行ってもよい。この軸または歯付リムは回転部材に連結されているかあるいはこの回転部材に設けられており、他の駆動装置または被駆動装置と協働する。回転軸線の作動位置を変更することによって、回転ピストン機械の一方の部材が他方の部材に対してその容積変化を遅らすかまたは早めることが達成される。それによって、作動室を接続することによって、段階的な作動が可能になるかまたは混合供給が達成可能になる。
本発明の有利な実施形では、サイクロイド部材すなわち制御部材が二重に設けられ、この二重に設けられた部材の間に他の部材がリングとして設けられている。このリングは両側に縁部またはサイクロイド状走行面を備えている。この場合、他の実施形によれば、リングの両側に設けられた少なくとも二つの作動室が互いに連通可能である。これによって、例えば複動のポンプまたは動力機械が形成される。このポンプまたは動力機械の場合には、同期して回転する二つのサイクロイド部材の間に、両側に歯を備えた制御部材が設けられ、二重に設けられた部材と異なり、歯を備えている。この制御部材はポンプであるかモータであるかに応じて、駆動装置または被駆動装置を備えているかあるいは駆動およびまたは被駆動が二重に設けられたサイクロイド部材を介して行われる。ケーシングはステータとしての働きをすることができる。このステータには、駆動される両サイクロイド部材が適当な作動角度をなして支承されている。このサイクロイド部材の間で、端面に異なる歯数を有する制御部材が自由に連行されて回転する。
従って、本発明の他の有利な実施形では、作動媒体を供給排出するために、場合によって回転中に適当に開閉される通路が、ケーシングまたは制御部材内に設けられている。これにより、付加的な弁を省略することができるだけでなく、遠心作用方向で洗浄が可能である。
本発明の他の有利な実施形では、部材の半径方向外周面が球形に形成されている。この部材は対応して球形に形成されたケーシングの内面上を半径方向に封隙的に案内される。特に球状の案内によって、付加的なシール問題を生じないで、作動位置を変更することができる。半径方向においてシールする、この外側と内側の球状の作動室壁は、制御部材またはサイクロイド部材に連結可能であり、かつこの制御部材またはサイクロイド部材と共に回転し、部材を互いにセンタリングする。
本発明の他の有利な実施形で、特に作動媒体の通路に対する両回転部材の位相のずれを変更することによって、回転ピストン機械が回転数に依存しないで制御される圧縮機として使用される。可動部材の遠心力に対する安定性が良好であり、機械の出力が大きい場合に寸法が小さいということは別として、位相のずれによって圧縮比を連続的に制御可能である。これにより、このような圧縮機は内燃機関の過給に特に適している。なぜなら、その場合、高い回転数、特に非常に異なる回転数が生じるからである。過給機の質量、特に駆動すべき回転質量をできるだけ小さくすべきであり、出力を回転数に依存しないで調節しなければならない。複数の対の作動室の位相をずらした作動が可能であり、弁を用いずに開閉が流れ方向に行われ（逆流せずに）、そして作動室のシールが非常に良好であることにより、本発明の圧縮機は、従来、ピストン機械だけしか使用できなかった圧力範囲にも使用可能である。
本発明の他の有利な実施形では、回転ピストン機械が流体静力学的分野でポンプ、モータまたは伝動装置として使用される。この場合にも、押しのけ容積に対する構造寸法のきわめて望ましい比が生じる。簡単な運動機構、回転数に対する強度および非常に大きな横断面積の洗浄通路により、この機械は最高回転数に適している。本発明による機械の内部の流れ抵抗はきわめて小さい。ポンプとして使用する場合には、部材の高い形状安定性が有利に作用する。摩耗も、可動部品の間の一種のすり合わせのように作用する。ハイドロモータとして使用する場合には、加速すべき質量が小さく、始動が良好で、そして容積効率が高いという前記と同じ利点が生じる。流体静力学的な伝動装置として使用する場合には、構造容積が小さいことが特に有利であり、ポンプからハイドロモータへの接続をコンパクトに行うことができる。
本発明の他の有利な実施形では、回転ピストン機械が特にスターリング原理の動力機械または冷凍機として使用される。冷凍機の場合には、互いに付設された作動室が９０°だけ位相をずらして作動する。回転する二つのサイクロイド部材は回転する制御部材と関連して対の小室を形成する。この小室はそれぞれ互いに９０°だけ位相をずらして作動する。一つの室に熱が加えられ、他の室が冷却され、再生器が制御部材に組み込まれる。本発明の実施形では、高温範囲と低温範囲の間を交替する部材が存在しない。低温の作動室と高温の作動室の壁は、それが空間的に近いにもかかわらず、互いに熱絶縁されている。作動室を形成する部材の形状安定性が高いので、対流面積と作動室容積の比をきわめて大きく設計することができる。回転する部材の一方を、スターリングエンジンのリニアジェネレータのロータとしてあるいはスターリング冷凍器のリニアモータのロータとして形成可能である。機械を密閉することができ、作動ガスの漏れ損失を小さくかつ過給圧を非常に高く設計することができる。この構造形式の場合、スターリングエンジンの出力を決める位相のずれは、きわめて簡単に実現可能である。いかなる場合でも、このように形成された冷凍機では、回転数に依存しないで、搬送される熱量を調節することができる。
本発明の他の効果および有利な実施形は次の説明、図面および請求の範囲から推察可能である。
本発明の対象物の実施例とその変形例が図に示してある。次に、この実施例と変形例を詳しく説明する。
図１は液圧ポンプとしての第１の実施例を非常に簡略化してかつ部分的に破断して、作動室が最小の側から半径方向に見た図、
図２は９０°ずらして見た同様な図、
図３は１８０°ずらして、作動室が最大の側から見た同様な図、
図４はポンプまたは圧縮機としての第２の実施例を示す図、
図５は図４の実施例の縦断面図、
図６は可動部品を省略した、図５と同様な縦断面図、
図７は図５の可動部材の縦断面図、
図８は図５の可動部材の斜視図、
図９は可動部材を省略した、圧縮機としての第３の実施例の縦断面図、
図１０は図９の実施例の可動部材を示す図、
図１１は原理的な説明のための、回転部材を三つの方向から見た斜視図１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、
図１２は原理的な説明のための、回転部材の斜視図と平面図１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄである。
図１〜３には、第１の実施例として供給ポンプがそれぞれ９０°だけずらしてかつ半径方向から見た三つの図で示してある。この供給ポンプは回転する二つの第２部材としてのかさ歯車１，２を備えている。このかさ歯車の間には第１部材としてのかさ歯車ディスク３が設けられている。かさ歯車１，２は互いに向き合う歯４を備えている。この歯の表面は回転方向の断面でサイクロイド状に延びている。これに対して、かさ歯車の間に設けられたかさ歯車ディスク３は両側に、主歯車１，２の歯４にかみ合う歯５を備えている。
かさ歯車ディスク３は両側にそれぞれ、かさ歯車１，２の歯４よりも１つだけ少ない数の歯５を備えている。従って、特に図１，３から判るように、歯４の間に歯５が非対称に配置されることになる。
三つのすべての回転部材、すなわちかさ歯車１，２とかさ歯車ディスク３の半径方向外周面６は、球状に形成され、ケーシング７内で半径方向に封隙的に案内されている。このケーシングの内壁は前記外周面に対応して球状に形成されている。ケーシング７には、歯によって画成された作動室８が対向している。ケーシングには、液体供給排出のための腎臓形供給部９が設けられている。
かさ歯車ディスク３は駆動軸１１を備えている。この駆動軸は図示していない手段、例えば電動機によって出力部材として駆動され、その際、遮断部材として作用するかさ歯車１，２は矢印III方向に連行される。かさ歯車ディスク３は球１２上に設けられている。この球は駆動軸１１に連結され、両かさ歯車がその球状の凹部によってこの球に支承されている。これにより、三つのすべての回転部材の間で相対揺動運動が可能である。
図２から判るように、両かさ歯車１，２の回転軸線IVはそれぞれかさ歯車ディスク３の回転軸線Ｖに対して所定の作業角度だけ傾斜している。従って、図２から判るように、作動室８は左側の最小容積から右側の最大容積まで大きさが変化する。本発明の場合、かさ歯車ディスクの回転軸線Ｖに対するかさ歯車の回転軸線IVの作動角度を、異なる方向に変えることができるので有利である（図示していない）。それによって、冒頭に述べた機能が拡がる。
図３には、最小作動室の側を示す図１と異なり、最大作動室８の側の回転ピストン機械を部分的に破断して示している。いかなる場合でも、かさ歯車ディスク３の歯５のかみ合い部１３は、かさ歯車１，２の歯４の歯面１４上を滑動し、一定の線状のかみ合い接触を行い、それぞれの作動室８を画成し、それによって画成室が変化する。回転方向IIIが図示方向である場合には、図２に示した側では作動室８の容積が増大するので、この側はポンプの吸込み側である。これに対して、吐出側は図示機械の図１において左側および図３の右側である。
回転方向に対して横方向に延びる、歯の走行面の母線の延長線は、中心Ａを通る。この中心はケーシングと球１２の中心であり、更に回転軸線IVとＶの交点である。
かさ歯車１，２と歯数が異なるかさ歯車ディスク３を使用することによって、両かさ歯車１，２との摩擦接触が行われるので、かさ歯車ディスク３を駆動することによって同期回転が生じる。
かさ歯車１，２は出発位置において、その歯４，５と反対側の支承側１５で、ケーシング７の支承面１６に支持されている。この場合、支承面の間にすべり軸受またはころがり軸受が設けられている。作動角度ａの大きさおよびそれによって生じる支承面１６相互の傾斜により、推進力の大きさが決まる。この力の接線方向成分が回転モーメントである。
図４〜８には、ポンプおよび圧縮機として利用可能な第２の実施例が示してある。図４において、本発明によるこの実施例は側面図で示してある。この場合、ケーシング１７から一方では駆動軸１８が突出し、他方では平歯車１９が突出している。この平歯車を介して、１回転当たりの容積効率が調節可能であり、例えばポンプの場合には供給出力が、圧縮機の場合には作動圧力が調節可能である。ケーシング１７はボルト２１によって互いに締付け固定された二つの半部からなっている。
図５に示した断面図では、ケーシング１７の中に設けられた可動部材の縦断面が示してある。駆動軸１８は中央の球２２に連結されている。リングとして形成された制御部材２３は球に半径方向外向きに設けられている。この制御部材は特に図８に斜視図で示してある。球２２、制御部材２３およびケーシング１７の間には、二つのサイクロイド部材２４，２５が設けられている。このサイクロイド部材は作動室２６を画成している。サイクロイド部材２５にはピン２７が軸方向に設けられている。一方、サイクロイド部材２４は駆動軸１８の通過のための穴２７を備えている。サイクロイド部材２５のピン２７はその回転軸線Ｉが駆動軸１８の回転軸線IIに対して斜めに配置され、かつこれに対応して斜めに延びる平歯車１９の盲穴２８内で支承されている。平歯車１９を回転すると、回転軸線Ｉは円錐を描く。ケーシング１７内には更に、作動媒体を供給排出するめの通路２９が設けられている。この通路は制御部材２３の回転時に開閉される、作動室２６に通じる連通部を有する。平歯車１９を回転することによってサイクロイド部材２５の回転軸線Ｉを調節すると、制御通路２９に関しておよび制御部材の他方の側にある作動室２６に関して、作動室２６の作動相がずらされる。作動室２６から、制御部材２３の他方の側にある作動室への作動媒体の移行を可能するため、あるいはつり合い制御連通部として、付加的な通路が制御部材２３内に、場合によってはケーシング１７内に設けられている。
図６に示したケーシングの場合には特に、制御縁部３１が示してあり、かつケーシング内壁の球状の形状が判る。
図７に示すように、制御部材２３の歯３４の歯面３３はかみ合い部３５に移行している。このかみ合い部はサイクロイド部材２４，２５の傾斜面３６に沿って動く。これは、上述のように、歯数の違いによって生じる。
これらの回転する部材の斜視図である図８において、制御部材のそれぞれの歯３４の間にある連結ウェブの先細部は、フライス加工部３７の形をし、しかもこの制御部材の両端面の各々の側に設けられている。このフライス加工部は外周から球２２の方へ延び、遊び空間を生じる。それによって、公知のごとく、圧搾損失が避けられる。
図９，１０には、特に圧縮機用の他の実施例が示してある。図９にはケーシンが縦断面で、図１０には回転部材が斜視図で示してある。この場合にも、ケーシング３８は二つの部材によって形成され、ボルト３９によって互いに締付け固定されている。内室は一方の側にのみ球状の内壁４１を備えている。この内壁上を、サイクロイド部材４２が半径方向に封隙的に走行する。駆動軸４３によって回転駆動されるこのサイクロイド部材４２は、展開図がサイクロイド状のその走行面４４が、駆動される制御部材４６の歯４５と協働する。制御部材４６はピン４７を介してケーシング３８の盲穴４８内で案内されている。ケーシング３８の内壁には、破線で示した制御縁部４９が設けられている。この制御縁部と作動室２８との接続は、制御部材４６の歯４５を介して制御される。ケーシング３８には作動媒体用の吸込み接続部５１と吐出接続部５２が設けられている。この両接続部はそれぞれ制御通路４９に接続されている。
次に、図１１，１２に基づいて本発明による回転ピストンポンプの基本的な作動を説明する。図１１は、複動型の三つの回転部材の相互配置構造を三つの異なる方向から見た図で示している。ケーシングに対してシールするために外側に球欠状表面を有する二つのサイクロイド状部材５３の間に、制御部材５４が設けられている。この制御部材の歯５６のかみ合い部５５がサイクロイド状面５７上を走行する。それぞれ９０°ずらして見た三つの図１１ａ，１１ｂ，１１ｃから判るように、回転する部材の間に設けられた作動室５８は、図１１ａでは最大容積を有し、図１１ｂでは減少した容積を有し、図１１ｃでは容積が零である。三つの部材を回転させると、それぞれ図１１ａの範囲において最大容積が生じる。一方、図１１ｂから図１１ｃへ容積が零まで変化する。その際、吸い込まれるかまたは押し出される作動媒体は上述のように、ほとんど回転によって行われる通路の開閉によって、制御部材５４を経て供給または排出される。第２の実施例で述べた位相のずれは、例えば図１１ａの左側が図１１ｃの右側と組み合わせられることによって想像することができる。それによって、短絡接続の場合に、作動媒体の往復移動だけが生じる。すなわち、供給零が生じる。
図１２は本発明による一段型ポンプを説明するために役立つ。この一段型ポンプの場合には、図１２ｃの４個の歯を有する制御部材５９が、３つの隆起部と窪みを有する図１２ｂのサイクロイド部材６１と協働する。その際、球６２は作動室を画成するよう作用し、球状の凹部６３内で案内される。これはそれぞれ内側から見た図１２ａ，１２ｃによって明らかである。制御部材５９とサイクロイド部材６１が互いに回転する際に、歯６５のかみ合い部６４はサイクロイド部材６１のサイクロイド状軌道６６上を走行する。
明細書、次の請求の範囲および図面に示したすべての特徴は個別的にも相互に任意に組み合わせても本発明にとって重要である。

Claims (6)

1. ポンプ、圧縮機またはモータとして作動する回転ピストン機械であって、平歯車ディスクまたは球欠部材として形成され、駆動装置または被駆動装置に連結され、軸方向と半径方向で支承された少なくとも１個の出力部材（１，２）と、
   同様に平歯車ディスクまたは球欠部材として形成された、半径方向のシール直径が同じである少なくとも１個の遮断部材（３）と、出力部材（１，２）の歯（４）と遮断部材（３）の歯のかみ合いによって形成される作動室（８）とを備え、
   この場合、出力部材（１，２）と遮断部材（３）がケーシング（７）内で半径方向において封隙的に案内され、
   出力部材（１，２）と遮断部材（３）の歯の数が１つ（５）だけ異なっており、
   互いに対向する歯（４，５）の側面（１４）と噛かみ合い部（１３）との間に、作動室を画成する線状の接触部が形成され、
   この場合、サイクロイド部材としての、かみ合う部材の一方の部材、すなわち出力部材（１，２）または遮断部材（３）の歯が、サイクロイド状に展開する走行面を備え、
   この場合、サイクロイド部材とその都度かみ合う部材の歯が、サイクロイド部材の側面に沿って走行する、対応する歯かみ合い部を備え、
   出力部材（１，２）と遮断部材（３）の回転軸線との間で、作動角度をなしており、
   部材（１，２，３）の回転時に、作動室（８）の容積が回転毎に交互に所定の値まで増大および減少する回転機械において、
   サイクロイド部材（２４，２５）とその都度かみ合う部材の歯かみ合い部（１３）が、自由に形成可能な半径を有していること、
   一方の部材の歯が他方の部材の歯面上を滑動し、一定の線状のかみ合い接触を行なうこと、及び作動室容積がほぼ零に設計可能であることを特徴とする回転ピストン機械。
2. 走行方向に対して横方向に走行面を形成する、サイクロイド部材とこのサイクロイド部材とかみ合う部材が、回転軸線（ＩＶとＶ）の交点（Ａ）を通過していることを特徴とする請求項１記載の回転ピストン機械。
3. かみ合う部材の回転軸線の作動位置が互いに独立して変更可能であることを特徴とする請求項１または２記載の回転ピストン機械。
4. サイクロイド部材またはこのサイクロイド部材とかみ合う部材が二重に設けられ、かつこの二重の部材の間に、リングとしての他の部材がその都度設けられ、このリングが両側に平歯車の組またはサイクロイド状の走行面を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の回転ピストン機械。
5. リングの両側に設けられた少なくとも二つの作動室が互いに接続可能であることを特徴とする請求項４記載の回転ピストン機械。
6. ケーシング（７）に軸方向に支承され外部から駆動される二つのサイクロイド部材（１，２）と、その間に設けられ、サイクロイド部材（１，２）とかみ合う、両側に歯を有する一つの部材（３）が設けられ、回転方向におけるこの部材（３）の一方の歯の配置が他方の側に対してずれているかまたは両側に異なる歯数が設けられていることを特徴とする請求項４または５記載の回転ピストン機械。

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