JP3924325B2 - 回転ピストン装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転ピストン装置、回転ピストン機械もしくは回転ピストンポンプであって、ケーシングの内室で運動して、その際に包囲された容積を拡大および縮小させるピストンを有している形式のものに関する。（マイアーの大ポケット辞典、第５版１９９５年、第１９巻７ページ）。円盤状のピストンディスクを有する回転ピストン機械が公知である（ＤＥ５８８２８５Ｃ）。
本発明において「回転」という概念は、ここでは往復旋回運動が可能であるということ、すなわち完全な回転が相前後して行われるのではなく、たとえば往復振動運動が行われることも含意している。
以下に説明する回転ピストン装置が公知の構造と異なっているのは、わずかな部材（ピストンおよび回転シリンダ）しか用いないこと、および質量中心で（偏心性なしに）回転することである。このことは良好な効率につながり、単純な、したがって低コストの構造を許す。この回転ピストン装置は他のピストン機械と同様にバルブなしで済む。
ピストン機械は一般に、外被に対して相対的に運動するピストンが、包囲されている容積を拡大もしくは縮小させるという作用原理に基づいている。ピストンはこの容積をできるだけ密に仕切るべきである。ところで、ピストンが軸線を中心にして単純に回転すると、回転対称な形象を生み出して、場合によって存在する作動室内に容積変化を形成しないことは容易に納得できる。１つの解決案はワンケルエンジンで、伝動装置によりピストンが特別の包囲形状で振動することによって作動室内における容積変化を生じさせるものである。しかしこの場合は、ピストンは質量中心で回転しないのである。
本発明は、請求項に記載の特徴によって特徴づけられる。
本発明の実施形態により、質量中心で回転しながら容積変化が可能である。しかもこれは次の方策による。
○ピストンが同時に２軸線を中心にして回転すること。これは非回転対称な形象を生じさせ、変化する作動室容積を形成するための前提である。
○回転ピストンの形状およびケーシング（「シリンダ」）の包囲形状を適当に選択すること。
○両軸線の回転を結合する適当な関数を発見すること。
本発明による回転ピストンの好適な実施形態の原形は、パウル・シャッツによって発見されたオロイドである（ＣＨ５０００００Ｃ）。オロイドとは、展開可能な規則面によって形成される立体である。これは、２枚の丸いビアコースターを半径方向に半分まで切り込み、コースターが十字をなすようにはめ合わせると生じる形状と考えることができる。この場合、一方のコースターの周縁がそれぞれ他方のコースターの中心点を通る。この形象を平坦な板、たとえば机の上に置くと、両コースターの各々は１点で板と接触する。このことは、両コースターのすべての可能な位置に当てはまる。支点間の結合直線は、オロイドの外周直線である（図１の説明図参照）。
オロイドはその美的外観のほかに、ここで関心の対象となる幾つかの対称的性質を有している。オロイドを縦軸線を中心にして９０°回転させると、垂直軸線を中心にして１８０°回転させた場合の位置に相応する位置を占めるのである。
オロイドを同時に縦軸線（９０°）と垂直軸線（１８０°）とを中心にして回転させると、オロイドは再びその初期位置を占める。このときこの運動の包絡面の形状を考察すると、非回転対称な形象が生じる。この形象はオロイドによって「おおまかに」２つの作動室に分割される。両作動室は回転時にオロイドと一緒に垂直軸線を中心にして移動し、「基本位置」においてのみ等しい大きさを有する。一方の作動室が膨張する間、他方の作動室は圧縮する。各々の最大値は、垂直軸線を中心にして９０°、縦軸線を中心にして４５°である。オロイドの垂直軸線を中心にして完全に１回転する毎に、２回の圧縮行程もしくは膨張行程が行われる。
オロイドを包囲する形状は、回転する両作動室がピストンによって分割されるように選択されなければならない。さらに、縦軸線を中心にしたオロイドの回転が外被によってオロイドに刻印されるべきである。このために、オロイドが垂直軸線を中心にして１８０°回転し、それと同時に縦軸線を中心にして９０°回転するときに生じる外被の形状を思い出されたい。縦軸線を中心にして回転方向が変わると、別の形状の外被が生じるのである。この状況をより正確に熟考すると、縦軸線を中心にした回転方向を維持したとき、垂直軸線を中心にした「第１の」１８０°回転は、「第２の」回転とは別の形状の外被を描く。すなわち、縦軸線を中心にした運動を刻印することは不可能である。このことは、縦軸線の回転方向が垂直軸線を中心にしてそれぞれ１８０°回転した後に反転されると可能となる。このことは、縦軸線を中心にした完全な回転が行われず、オロイドは縦軸線を中心にして０°と９０°の間で振動することを意味する（図２参照）。
外被がオロイドによってそれぞれ２つの作動室に分割されるべきであるという条件が適用される場合、少なくとも基本位置におけるオロイドと外被の断面は同一でなければならない。オロイドがその外被内を回転する場合に、その断面が損なわれてはならない。しかしこれは当てはまらない（図３参照）。外被の形状は、オロイドの形状および関数β（図４）に依存している。この際に、外被の部分はオロイドの円形縁によって形成され、部分は外周直線によって形成される。この場合、垂直軸線の周囲と断面の先端部に問題領域が発生する。垂直軸線の範囲の問題領域を縮小もしくは除去することは、オロイドの形成円を互いに引き伸ばし（開角４５°）、さらにオロイドの中心点に球を貫入させることによって実現する（図３）。
球と、外被の部分としてのシェルは、垂直軸線の回りの範囲で両作動室の分割を保証する。まだ、断面の先端の範囲が残っている。ここで作動室の分割が基本位置の周囲で行われるべきであるならば、小さい範囲で円の縁によって形成された外被と外周直線によって形成された外被部分との間に同一性が存在しなければならない。外被の他の部分については、作動室間の気密分離が成り立っていることが示される。
在来型の機械とは異なり、回転ピストンの回転運動との機械的結合は容易に可能ではない。上記の機械を吸入ポンプとして使用する際に、たとえば回転ピストンを電気機械の電機子として形成し、外被に相応の巻線を備えることが考えられる。これにより、可動部分が１つしかないポンプが得られるであろう。摩擦損失のほかには、たとえば質量転向に基づく損失などは生じない。なぜならば、縦軸線を中心にした振動のための振動エネルギーが垂直軸線を中心にした運動から取り去られ、また再びこれに供給されるからである。つまりピストンは脈動運動を行うであろう。
本発明の好適な実施形態の根底にあるピストンは、パウル・シャッツが発見した形状とは同一ではない。しかし、このピストンは対称的性質を有している。変更は、択一的に球を中心に貫入させる形成円の間隔と、オロイド外周の（微妙な）変形にある。オロイドの円を楕円に置き換えるなど、その他の変更も考えられる。これらすべての変更は、対称的性質にかかわるものではない。
本発明による回転ピストン機械における特別の問題は、機械的な力をピストンもしくはオロイドに伝達することにある。なぜならば、軸線を導き出すことによって力の伝達を簡単に実現する可能性はないからである。
本発明による解決手段
１．垂直軸線を介した機械的な力の結合：このためにピストンは３部分から形成され、しかもこれは貫入球がピストンから取り出されるように行われる。この場合、ピストンは球と２つの等しい残余部材からなる。この場合、球は力の結合のための垂直軸線と、両ピストン半部を球と（可動）結合させるための縦軸線とを具備することができる。
２．縦軸線を介した機械的な力の結合：このためにピストンは外被から突出する縦軸線を備える。外被は２部分（上側半部と下側半部）から形成されなければならない。両半部の間には、環状「ファスナー」で半部を結合して回動しないようにする環状シールが形成されなければならない。ピストンの回転はクローによって軸に伝達され得る。
３．電動モータによる力の結合：このためにピストンは電気機械の電機子として形成される。これは鉄または磁性材料を埋め込むことによって行われ得る。外被の回りに固定子が設けられて、その極は各々の位置でオロイドの円の面状に位置するように配置されなければならない。整流子論理によって、回転する２軸磁界が形成され、これがピストンを連行する。
４．能動的電機子を有する電動モータによる力の結合：上記３では電機子磁界は外部から、または永久磁石によって形成された。電磁石によって電機子を形成すれば、能動的な磁界も形成できる。特にそれによって発電機も製造できる。このために、必要な励磁電流を電機子に伝達するために、貫入球は２つの「スリップリング半部」として形成されなければならない。固定子の構成は、上記３と同様である。
以下に、本発明の実施例を図面に基づき詳しく説明する。
図１は、オロイドの３つの図を示しており、
図２は、外被の内部にあるオロイドの関係を示しており、
図３は、オロイドの中心に球がある図２に対応する表現を示しており、
図４は、いわゆるβ関数と角度αとの関係を表すグラフを示しており、
図５は、外被もしくはケーシングを概略的に表示した、本発明による吸入ポンプ装置の平面図を示しており、
図６は、球のあるオロイドに対する回転ピストン機械の外被の部分立体模型図を示しており、
図７は、中心に球のないオロイドを有する回転ピストン機械の外被の平面図を示しており、
図８は、中心に大きい貫入球を有する回転ピストンの立体模型図を示しており、
図９は、球のあるオロイドを有する、本発明による回転ピストン機械の包絡面の下側半部の立体模型図を示しており、
図１０は、図９に従う包絡面内に挿入された付属のオロイドを示しており、
図１１は、ケーシング上側半部が取り除かれている、リング内にジャーナル支承されたオロイドを有する、本発明による回転ピストン機械の平面図を示しており、
図１２〜図１４は、本発明による回転ピストン機械に対するピストンを上方および２側方向から見た図を示している。
図６および図７から、ケーシング内でオロイドがピストンとして作用すべき場合のケーシングの内部構成が分かる。このようなケーシングの形成は、オロイドの形状および運動との関連ですでに説明した。
図８に示された、中心に大きい貫入球を有する回転ピストンは、いかにしてオロイドの２軸運動が実現されるかを明らかにする。
以下に、本発明による回転ピストン機械の実施形態を構成する若干の細部について説明する
構成の基礎は、第１に、特別の対称的性質を有するピストンの特別のジオメトリである。ピストンの縦軸線をＸ軸上に置き、その垂直軸線をＹ軸上に置くと、ＸＹ平面とＸＺ平面とは対称面であるが、ＹＺ平面はそうではない。ピストン半部が縦軸線を中心にして９０°回転すると、ＹＺ平面が対称面になるのである。
第２に、垂直軸線と縦軸線を中心にしてピストンが回転することによって閉じた包絡面が形成される。この包絡面は回転ピストン機械の「シリンダ室」または外被を形成する。
正確に言えば、完全な１回転は垂直軸線を中心にしてのみ行われるのに対し、ピストンは縦軸線を中心にして９０°振動するのみである。外被はピストンによって２つの作動室に分割される。これらの作動室はピストンと一緒に中心で回転し、その際にそれらの容積が変化する。
縦軸線を中心として半回転する毎に、圧縮行程および吸入行程が行われる。
図９は、回転ピストン機械の上側半部もしくは下側半部を示している（下側は内部球を有する）。吸入口および排出口を（向き合って）設けることにより、この配置構成は搬送（ポンプ）のため、あるいはまたエネルギー回収のために使用できる。吸入口および排出口は、吸入と排出のわずかなオーバーラップが実現され得るように形成される。この配置構成はバルブを必要としないのである。
この機械を応用するすべての場合において、ピストンの回転は外部と結合されなければならない。これはたとえば図１１に示された装置によって行われ得る。
ピストン１２は、２つのケーシング半部１０の内部でその両軸線を中心に回転可能に支承されている。
ケーシングの上側と下側との間の分割平面に、支承された回転リム１１が設けられており、回転ピストン１２の縦軸線と固く結合されている。回転ピストン１２は縦軸線を中心にしてジャーナル１５に支承されていて、外被に自由に追従できる。回転リムは外側に平歯車を備えており、これはケーシング内に設けられたかさ歯車１３を介してピストンの運動を外部に伝える。
１６と１７は、ピストン１２もしくはかさ歯車１３を駆動するための媒体に対する吸入口と排出口を表す。
本発明による一般化された回転ピストン装置において、ピストンは本質的に、互いに間隔を置いて１つの共通表面を有する２つの幾何学的な面要素または幾何学的な立体から形成されている。この場合、楕円形、その他の形状であってよく、しかしまた同様に１軸線、２軸線または３軸線を中心にして回転させることのできる円筒あるいは直方体であってもよい。シェルによって形成されたケーシングの内室は、本質的に球形から導かれた形状を有しており、そのようにして形成されたピストンの（１軸、２軸または多軸）回転によって生じており、各々少なくとも１つの流体吸入口と流体排出口とが、本質的に赤道面範囲で互いに直径上で向き合い、内室の対象面に対して直角に、かつ内室の対象面から離れて配置されている。
本発明の別の構成には、多段式回転ピストン機械が属している。
特別のジオメトリに基づき、圧縮比は狭い限度内でのみ可変である。より高い圧縮比またはより大きい範囲にわたる膨張を達成するためには、異なる大きさの複数のピストンを相前後して接続することが必要なこともある。ここでは中心に球を有する構造と共通の駆動軸が考えられる。吸入口と排出口は外被に互いに向き合って設けられるので、各段の間の短い経路と非常にコンパクトな機械が実現可能である。
多翼式回転ピストン機械
中心に球を有する構造により、縦軸線を中心にして回転する際に外被に追従する２つ以上の側翼を球に設けることも可能である（換気扇配置構成）。
内燃機関としての回転ピストン機械
比較的小さい圧縮比と、回転ピストン機械が同時に圧縮および吸入する（垂直軸線を中心にして１回転する毎に２行程）という事実に基づき、ガスタービンに応用した配置構成が考えられる。吸入段階および圧縮段階（場合によっては多段）は、連続燃焼が行われる燃焼室を充満する。膨張ガスは（場合によっては多段の）膨張段階を駆動する。ここでも個々の段階は、吸入口と排出口とを互いに向き合わせて軸上に直線的に配置される。燃焼室は在来型タービンにおけるように、圧縮段階と膨張段階との間に配置されよう。
連接棒とクランクシャフトを省略することにより、在来型構造に比べて構造がより単純、著しくコンパクトかつ軽量になり、また回転が質量中心で行われるので、本発明による回転ピストン装置では静粛な回転と良好な効率が期待できる。

Claims (4)

1. ケーシングの内室で運動して包囲された容積を拡大および縮小させるピストンを有している回転ピストン装置、回転ピストン機械もしくは回転ピストンポンプであって、
   ピストンが本質的に、互いに間隔を置いて１つの共通表面を有する２つの幾何学的な面要素または幾何学的な立体から、１軸線、２軸線または３軸線を中心にして回転させることによって形成されており、
   内室が赤道面でシールされて合成された２つのシェルから形成されており、シェルによって形成されたケーシングの内室が、本質的に球形から導かれる、ピストンの１軸、２軸または多軸回転によって形成された包絡面を有している形式のものにおいて、
   幾何学的な面要素または立体から形成されたピストンが、本質的に自軸線を中心にして回転する本質的にオロイドとして形成されており、
   各々少なくとも１つの流体吸入口と流体排出口とが、本質的に赤道面範囲で互いに直径上で向き合い、内室の対象面に対して直角に、かつ内室の対象面から離れて配置されている、ことを特徴とする回転ピストン装置。
2. ケーシングが電磁巻線を装備しており、オロイドまたはオロイドと結合された部材、たとえば貫入球またはリングが電気機械の電機子として働くことを特徴とする請求項１記載の回転ピストン装置。
3. オロイドの中心にオロイドを越え出て延びている貫入球が配置されており、もしくはオロイドがこの範囲で本質的に球形に形成されていて、極範囲で共通軸線上に各々１つのジャーナルが回転可能にケーシング半部内で支承されてい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装置。
4. オロイドがリング内でオロイド縦軸線を中心にして回転可能に支承されており、リングがリングのための凹部を備えて形成されたシェルの間で赤道面範囲に配置されており、リングが両シェルに対して相対的に自軸線を中心にして回転可能に駆動できることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の回転ピストン装置。

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