JP4132660B2 - 回転ピストン機械 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１に記載した種類の回転ピストン機械から出発する。サイクロイド部材と開閉制御部材の、回転方向に対して横方向に回転方向を生じるすべての線が、これら線の延長部において回転軸線の交点を通る、回転ピストン機械が知られている（ドイツ連邦共和国特許第４２４１３２０．６号公報、ドイツ連邦共和国実用新案登録第９２１８６９４．７号公報、ＰＣＴ／ＤＥ ９２／０１０２５）。それによって、作動室の膨張状態と圧縮状態が制限される。この作動室はいろいろな作動媒体や用途に対する回転ピストンの適合を制限する。
【０００２】
これに対して、請求項１記載の特徴を有する本発明による対象は、作動室の吸込み状態と排出状態が位相のずれによって方向づけられ、それによって吸い込まれる作動媒体と排出される作動媒体の不所望な逆流と混合が低減される。
【０００３】
本発明の有利な他の実施形では、内径部から外径部までの位相のずれが少なくとも３６０°であるので、第１の部材または第２の部材の少なくとも１つの角度位置で、作動室が周囲によって閉鎖されている。
【０００４】
本発明の他の有利な実施形では、サイクロイド部材の回転面を形成するサイクロイドの振幅が互いに異なっているので、作動室を形成する際に自由度が高まる。
【０００５】
本発明の他の有利な実施形では、複数の作動室が部材の互いに対向する歯の側面と歯かみ合い部と間の形状補完的連結部によって互いに分離されているので、開閉制御部材の歯かみ合い部は歯数の差によってサイクロイド部材の歯の側面に沿って回転し、流体の逆流が零に近づき、更に開閉制御部材がサイクロイドによって駆動可能である。
【０００６】
本発明の他の有利な実施形では、サイクロイド部材の回転面を形成するサイクロイドと開閉制御部材との間に形状補完的な連結部が設けられていないので、機械は作動媒体の衝撃力と慣性力に起因する流体機械の特性を有する。更に、圧潰によって特性が悪影響を受ける敏感な媒体を作動媒体として使用可能である。
【０００７】
本発明の他の有利な実施形では、作動媒体を流入させるための開閉制御通路が歯形の内径部に配置され、作動媒体を流出させるための開閉制御通路が歯形の外径部に配置されているので、タービンの運転またはモータの運転において、作動媒体の衝撃力と慣性力が、作動室の押しのけ方向と同じ方向に作用する。それによって更に、漏れ損失が小さくなり、効率が改善される。
【０００８】
本発明の他の有利な実施形では、既存の部材の回転軸線の作業位置が互いに独立して変更可能である。本発明に従い、他の付加的な対のホイールを設けることができる。この場合、少なくとも一方の部材が背面側に同様に半径方向歯（平歯）を備え、この半径方向歯が片側または両側（二重）に歯を有する他の回転部材と協働する。その前提は、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密封部を有することである。駆動および被駆動のために、公知のごとく軸または歯付きリムが役立つ。この軸または歯付きリムは、回転部材に連結されているかあるいは回転部材上に配置され、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えることにより、回転ピストン機械の一方の部材の容積変化を他方の部材に対して遅らせることができるかまたは先行させることができるので、それによって作動室の連通により段階的作業が可能となるかあるいは混合送出が達成可能である。
【０００９】
本発明の他の有利な実施形では、サイロイド部材または開閉制御部材が二重に設けられ、二重に設けられた部材の間に、他の部材が、両側に半径方向の歯またはサイクロイド状回転面を有するリングとして配置されている。この場合、他の実施形によれば、リングの両側に存在する少なくとも２つの作動室が互いに接続可能である。それによって、例えば二重作用するポンプまたは原動機が生じる。この場合、同期回転する２つのサイクロイド部材の間に、両側に歯を有する開閉制御部材が配置され、二重に設けられた部材に対して、同様に歯が１つ異なっている。この開閉制御部材は、ポンプであるかまたは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ることができるかあるいは駆動およびまたは被駆動を二重に設けられたサイクロイド部材によって行うことができる。ケーシングはステータとしての働きをする。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おいて支承され、このサイクロイド部材の間で、端面に１つの歯を有する開閉制御部材が自由に連行されて回転する。
【００１０】
従って、本発明の他の有利な実施形では、作動媒体を流入または排出するために、場合によっては回転中に開閉制御される通路が、ケーシングまたは開閉制御部材内に設けられている。これにより、付加的な弁を節約できるだけでなく、遠心方向で掃気が可能である。
【００１１】
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状に形成されている。この部材は対応して球状に形成されたケーシングの内面に沿って半径方向に密封するように案内されている。球状の案内は特に、付加的なシール上の問題を生じないで作動位置の変更を行うことができる。半径方向において密封する、この外側または内側の球状の作動室壁部は、開閉制御部材またはサイクロイド部材に連結可能であり、かつこの開閉制御部材またはサイクロイド部材と共に回転し、部材を互いに同心的に位置決めする。
【００１２】
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、回転数に依存しないで開閉制御を行う圧縮機として使用される。遠心力に対する可動部材の安定性が大きく、寸法が小さいと共に高出力であることは別として、位相をずらすことによって圧縮比を無段階に制御することができ、特に回転数に依存しないで制御することができる。これにより、このような圧縮機は内燃機関の過給のために特に適している。というのは、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。この場合、過給器の質量、特に駆動すべき回転質量はできるだけ小さくすべきであり、出力は回転数に依存しないで制御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と、流れ方向に行われる弁なし開閉制御（流れを逆転しない）と、作動室の非常に良好な密封性とが可能であることに基づいて、本発明による圧縮機は、従来ピストン機械のみ使用可能であった圧力範囲で使用可能である。
【００１３】
本発明の他の有利な実施形では、本発明がポンプ、モータまたは変速機として流体静力学的分野に適用される。この場合にも、容積に対する構造的大きさのきわめて望ましい比が生じる。簡単な運動力学、構造体の回転数耐性および掃気通路の非常に大きな横断面により、この機械は最高回転数のために適している。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、可動部材の間の一種の再研磨のように作用する。更に、機械は最高作動圧力に適している。液圧モータとして使用する場合にも、同じ利点が生じ、特に加速すべき質量が小さく、良好な始動性と高い容積効率を生じる。流体静力学的な変速機として使用する場合には、小さな構造容積と、ポンプと液圧モータがコンパクトに結合可能であることが特に有利である。
【００１４】
本発明の他の実施形では、特にスターリング原理の原動機または冷凍機として使用される。スターリング原理の場合には、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２個のサイクロイド部材は回転する開閉制御部材と共に、対の小室を形成する。この小室はそれぞれ９０°だけ位相をずらして互いに作動する。一方の小室は熱を供給され、他方の小室は冷却され、再生器は開閉制御部材に統合されている。本発明の実施形に従って、高温範囲と低温範囲の間で交替する部品はない。低温の作動室と高温の作動室の壁は、空間的に近くても、互いに絶縁されている。作動室を形成する部材の高い形状安定性に基づいて、対流面積／作動室容積の極端に設計可能な比が可能である。一方の回転部材はスターリングエンジンの線形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機の線形モータとして形成可能である。機械を密封閉鎖することができ、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。この構造の場合、スターリングエンジンの出力を決定する位相のずれは非常に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の場合には、搬送される熱量を回転数に依存しないで調節することができる。
【００１５】
本発明の他の効果および有利な実施形は次の記載、図面および特許請求の範囲から推察可能である。
【００１６】
本発明の対象の実施の形態が図に示してある。次に、この実施の形態について詳しく説明する。
【００１７】
図１の右側には、出力部材１と駆動軸または被駆動軸２が示してある。図示していないケーシングに支承された駆動軸または被駆動軸２はその一端に、出力部材１を支持している。出力部材１は球台３からなっている。この球台は駆動軸または被駆動軸２側が平らな底面４によって画成され、端面５が渦巻き状のサイクロイド歯形を備えている。サイクロイド６は、従来のサイクロイドの構造と異なり、円が球面８と底面４の間の交線７上を転動し、サイクロイド６を描くこの円の点が常に球面８上に位置することによって形成されている。サイクロイド６は歯形を製作するために必要なリード曲線である。真っ直ぐな母線が駆動軸または被駆動軸２の回転軸線上の固定点の回りにリード線６に沿って動かされるときに、真っ直ぐなサイクロイド歯形が生じる。真っ直ぐな母線の代わりに渦巻き状の母線を使用すると、本発明による出力部材の渦巻き状のサイクロイド歯形が生じる。
【００１８】
図１の左側に示した閉止部材（遮断部材）１０は類似の形状を有する。同様に図示していないケーシングに支承された軸１１は球台状の閉止部材１０を支持している。この閉止部材は軸１１側が底面１２によって画成され、閉止部材の外側輪郭は球面１３に一致している。閉止部材１０の端面１４は渦巻き状の歯形を備えている。この歯数は出力部材１のサイクロイド６の歯数よりも１つだけ大きい。歯の輪郭は出力部材１と閉止部材１０の同期回転中、サイクロイド６の接線（正接）に等しい。歯の輪郭は、閉止部材１０の歯とサイクロイドの間に常に一定の間隔が存在するように選定可能である。そのとき、容積型機械は流体機械に移行する。これは、例えば作動室がシール線９での圧潰によって損傷するときあるいは作動媒体の衝撃力または慣性力を利用するときに有利である。遮断材１０と出力部材１の回転軸線は互いに作動角度１５をなしている。サイクロイド歯形が図示したように出力部材１の端面に配置され、対応する歯が閉止部材１０に配置されているかあるいはその逆に配置されているかは本発明にとって重要ではない。
【００１９】
図２には、出力部材１と閉止部材１０の組み込み状態が示してある。その際、図において接触点として示してある、出力部材１と閉止部材１０の２つのシール線９が見える。閉止部材１０と出力部材１とケーシング１７は、サイクロイドの数に依存して、複数の作動室１６を形成する。そのうちの２つの作動室が見える。２つの矢印で示した出力部材１と閉止部材１０の回転方向の場合、作動室１６は回転運動の図示した部分では膨張する。これに応じて、作動室の容積は回転運動の図示していない第２の半分において収縮する。シール線９は回転方向に応じて、外側から内側にあるいはその逆に移動し、それによって作動媒体の送出または被駆動軸２の駆動を生じる。ケーシング１７に設けられた図示していない開閉口はプロセス要求に応じて決定される。搬送方向が内側から外側に向いているポンプ運転では、ケーシング１７に設けられた入口は、シール線９が歯形の内径部から離れる個所にある。外側歯形は、作動室１６が所望の容積を有するケーシング個所にある。回転数が一定の場合、回転ピストン機械の出力は、閉止部材１０が出力部材１と相対形に動くことによって制御される。その際、閉止部材１０の回転軸線は常に円錐面上にある。この円錐面の円錐角は作動角度１５に一致している。
【００２０】
図３には、出力部材１が簡単な平面図で示してある。この場合、渦巻き状の４つの母線１８が記入されている。この母線は渦巻き状のサイクロイド歯形の構造を明示している。母線１８はサイクロイドの最高点にある。渦巻き角度１９は図示した例では約１７０°である。
【００２１】
図４には、閉止部材１０の対応する母線２１が示してある。図３と図４を比較することによって、一方では歯数の違いが判り、他方では渦巻き状の歯形の作用が実感として理解可能である。真っ直ぐなサイクロイド歯と異なり、同じ１つの作動室の内側の範囲と外側の範囲が同時に膨張および収縮する。それによって、作動室の所望な容積状態に関する形成の可能性が大幅に増大する。渦巻き状の母線の渦巻き角度１９が３６０°以上であるとき、各々の作動室１６は、出力部材１と閉止部材１０の回転時に、一時的に全ての側を閉鎖される。それによって、作動室の逆流と、出口側から入口側へあるいはその逆へのそれ以外の反作用が防止される。
【００２２】
明細書、後述の特許請求の範囲および図に示したすべての特徴は、個々においても互いに任意に組み合わせても本発明にとって重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 駆動部材または被駆動部材と閉止部材の分解図である。
【図２】 ケーシングと共に、駆動部材または被駆動部材と閉止部材の組み立て状態を示す図である。
【図３】 ４つのサイクロイドと約１７０°の渦巻き角度を有するサイクロイド歯形の平面図である。
【図４】 ５つの歯を有する閉止部材の対応する歯形の平面図である。
【符号の説明】
１ 出力部材
２ 駆動軸または被駆動軸
３ 球台
４ 出力部材の底面
５ 出力部材の端面
６ サイクロイド
７ 球面と底面の間の交線
８ 球面
９ 出力部材と閉止部材の間のシール線
１０ 閉止部材
１１ 軸
１２ 閉止部材の底面
１３ 球面
１４ 閉止部材の端面
１５ 作動角度
１６ 作動室
１７ ケーシング
１８ 出力部材の母線
１９ 渦巻き角度
２１ 閉止部材の母線

Claims (16)

1. ケーシング（１７）が球領域の形をした内室を有し、かつ少なくとも１個ずつの入口と出口を有し、
   出力部材（１）がケーシング（１７）に支承されかつ駆動装置または被駆動装置を備えた軸（２）に連結され、この出力部材が端面（５）と底面（４）によって画成された球台（３）からなり、この球台の中心が駆動軸または被駆動軸（２）の回転軸線上にあり、球台の直径がケーシング（１７）の内径に一致し、球台の底面（４）が回転軸線に対して垂直に延び、球台の端面（５）が少なくとも２つのサイクロイドを有するサイクロイド状のリード曲線に沿った、回転軸線の一点に接続された真っ直ぐな母線の運動によって形成され、サイクロイドを形成するために必要な円の転動が底面（４）と球台（３）の円状の交線（７）に沿って行われ、サイクロイドを形成する円の点が球台（３）の表面上を移動し、
   閉止部材（１０）がケーシング（１７）に支承された軸（１１）に連結され、閉止部材が端面（１４）と底面（１３）によって画成された球台からなり、この球台の中心が軸（１１）の回転軸線上にあり、球台の直径がケーシング（１７）の内径に一致し、球台の底面（１２）が軸（１１）の軸線に対して垂直に延び、球台の端面（１４）が出力部材（１）と噛合協働する歯形として形成され、閉止部材（１０）の歯数と出力部材（１）のサイクロイド（６）の数との差が１であり、出力部材（１）と閉止部材（１０）が、互いに作動角度（１５）をなして配置された駆動軸または被駆動軸（２）と軸（１１）の回転軸線（１１）回りに同期回転し、サイクロイド（６）と閉止部材（１０）の歯の間に作動室が形成され、この作動室が回転の度に、サイクロイド（６）、歯形状および作動角度（１５）によって決定される最大値と最小値に達する、
   ポンプ、圧縮機、タービンまたはモータとして作動する回転ピストン機械において、
   出力部材（１）の端面（５）の母線が駆動軸または被駆動軸（２）の回転軸線を通って延びる平面内において湾曲した線であることを特徴とする回転ピストン機械。
2. 出力部材（１）の端面（５）の母線が渦巻き線であ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. 渦巻き角度が３６０°よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の回転ピストン機械。
4. 複数の作動室（１６）が閉止部材（１０）と出力部材（１）のサイクロイド（６）と歯との間の形状補完的連結部によって互いに分離されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
5. 出力部材（１）の回転面を形成するサイクロイドと閉止部材（１０）との間に、所定の間隔が存在することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
6. 作動媒体を流入させるための開閉制御通路が歯形の内径部に配置され、作動媒体を流出させるための開閉制御通路が歯形の外径部に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
7. 作動媒体を流入させるための開閉制御通路が歯形の外径部に配置され、作動媒体を流出させるための開閉制御通路が歯形の内径部に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
8. 既存の回転部材（１，１０）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１〜７のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
9. 出力部材（１）または閉止部材（１０）が二重に設けられ、二重に設けられた部材の間に、他の部材（１０，１）が、両側に半径方向の歯またはサイクロイド状回転面を有する円板として配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
10. 円板（１，１０）の両側に設けられた少なくとも２つの作動室（１６）が互いに接続可能であることを特徴とする請求項９記載の回転ピストン機械。
11. 作動媒体を流入または排出するために、通路がケーシング（１７）または閉止部材（１０）に設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
12. 球面（８，１３）が球状に形成されたケーシング（１７）の内面に沿って半径方向に密封案内されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
13. 作動媒体の通路に対して、回転する両部材の作動位相を摺動させることによって、回転数に依存して開閉制御される圧縮機として使用されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
14. 外部から駆動されかつケーシングに軸方向に支承された２個の出力部材（１）と、その間に配置されかつ両側に歯を有する１個の閉止部材（１０）が設けられ、一方の側の閉止部材の歯構造体が回転方向において他方の側に対してずれているかあるい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１３記載の回転ピストン機械。
15. 流体静力学的分野でポンプ、モータまたは変速機として使用されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。
16. 特にスターリング原理に従って原動機または冷凍機として使用され、互いに付設された作動室が９０°だけ位相をずらして協働することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の回転ピストン機械。

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