JP4249904B2 - ロータリピストン機械に関する改良 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロータリピストン機械に関する。それは、多くの側面付きロータリピストンがエピトロコイド状突出部を備えた室内で作動し、且つ作動流体又は蒸気がクローズド熱力学的サイクリック工程を受けるスターリング原理の適合化に関する。本機械は、エンジンとして、又はヒートポンプとして作動できる。
【０００２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、２つの可変容積装置を有した流体又は蒸気のロータリピストン機械であって、各装置は、回転する多くの突出部付きエピトロコイド室と多くの側面付きロータリピストンとを有しており、関連した室の周辺部と協同することで内部に複数の個別の副室を形成しており、ピストンの側面の数（ｎ＋１）は、エピトロコイド状円弧の数（ｎ）よりも１つだけ多くなっており、そこで、２つの室が、第１の有効共通軸の周りで第１共通速度で回転するように拘束されており、他方２つのピストンが、第２の有効共通軸の周りで第２共通速度で回転するように拘束されており、第２共通速度に対する第１共通速度の比率は、ｎ＋１：ｎとなっており、そこで各室が、ダクトを介して室間の接続を可能にする複数（ｎ）の二重機能ポートを有しており、またそこで、上記ダクトは、各々復熱器を収容していて、一方の可変容積装置が吸気と圧縮と排気とを実行可能にしており、そして他方の装置が、相対的な回転とポート位置の結果として吸気と圧縮と排気とを実行することを特徴とする流体又は蒸気のロータリピストン機械が設けられている。
【０００３】
好ましくは、室は、共軸状態になり、またロータも共軸状態になる。それは、構造を簡略化する。しかし、それらは、理論的には、異なった軸に搭載され得るが、しかし、連係して回転するように結合され得る。用語の『有効』とは、この代替例を含むことを意図している。
【０００４】
加熱手段が、各上記復熱器と膨張工程を行う可変容積装置との間に設けら得、また更に別の加熱手段が、各上記復熱器と膨張工程を行う可変容積装置との間に設けられる。
【０００５】
冷却手段も、圧縮工程を行う可変容積装置のために設けられ得、また更に別の冷却手段が、各上記復熱器と圧縮工程を行う可変容積装置との間に設けられる。
【０００６】
好適な形では、ｎ＝２となっており、その結果、２重の突出部付き室内で作動する３側面付きピストンが設けられる。
【０００７】
膨張装置は、加熱され得るが、必ずしもその必要が無く、内部に形成された室が、一般にポートと連通していない時には容積を増大し、また上記室が一般にポートと連通している時には容積を減少するようにそのポートを配置している。他方、圧縮装置は、冷却され得るが、必ずしもその必要が無く、内部に形成された室が、一般にポートと連通していない時には容積を減少し、また上記室が一般にポートと連通している時には容積を増大するようにそのポートを配置している。作業工程は、かくして、ポートの開放から隔離された室内で起き、そして作動流体又は蒸気の移行は、各々共通ダクトに開放したポートと連通した一対の室間で生じる。もし、高度の熱移行が、膨張装置内部に行き来する、又は収容された作動流体又は蒸気に対して達成され、そして低度の熱移行が、圧縮装置内部に行き来する、又は収容された作動流体又は蒸気から達成されれば、本機械は、機械仕事出力を行うエンジンとしての働きをする。もし、機械仕事が、回転構成部品に加えられるが、しかし低度の熱移行が、膨張装置の領域に対して達成され、そして高度の熱移行が、圧縮装置の領域から起きれば、本機械は、ヒートポンプ又は冷凍機械としての働きをする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明をより良く理解するために、実施形態により添付図面を参照する。
膨張装置１は、ロータリピストン２を室３内に収容しており、また圧縮装置４は、ロータリピストン５を室６内に収容している。各ピストン２、５は、平坦なほぼ等辺三角形状を成しているが、しかし凸円弧状の三角辺を有している。各室３、６も、平坦で、ピストン面を密接して閉じ込めており、また２つの突出部付きエピトロコイド形状を成している。それら室は、かくして、それらの中心で直角に交差する主軸と副軸を有している。２つの装置１、４は、それらの中心を通る共通軸の周りで同じ方向に且つ同じ速度で回転するように堅固に連結されており、また室３、６の主軸は、互いに９０度と成っている。２つのロータリピストン２、５も、それらの中心を通る共通軸の周りで同じ方向に且つ同じ速度で回転するように堅固に連結されており、この場合は、室３、６の回転速度の２／３に成っている。ピストン２の円弧状側面２ａ、２ｂ、２ｃは、他方のピストン５の相対した側面５ａ、５ｂ、５ｃに対して１８０度に配置されている。ピストン２、５の側面は、以下に説明するように、作動において可変容積と可変形状となる副室３ａ、３ｂ、３ｃと６ａ、６ｂ、６ｃを形成するように各室３、６の輪郭と協同する。
【０００９】
膨張装置１におけるポート７、８は、互いに対角状に対向しており、また室３の副軸から運動方向に（図１から５に見受けられるように時計方向に）３０度ずれている。対応したポート９、１０は、同様に圧縮装置４に配置されているが、しかし室６の副軸から回転方向とは反対の方向に３０度だけずれている。この位置決めによって、作動中には、副室が膨張装置１において最大容積に成ると、ポート７又は８は、確実にまさに副室に開放しようとする。同様に、副室が圧縮装置４において最大容積に成ると、ポート９又は１０は、副室に対して丁度閉鎖し終る。膨張装置のポート７は、装置１、４の回転軸を基準にして対角状に対向してダクト１１を圧縮のポート９に互いに接続することで連結され、そして膨張装置のポート８は、相互接続のダクト１２によって圧縮装置のポート１０に同様に連結されている。これらのダクトは、各々復熱器（図示されていない）を収容している。
【００１０】
作動シーケンスは、次のように成っている：
図１において、加熱された作業流体又は蒸気は、最小容積と成っていて且つポート８を介してダクト１２に開放している副室３ａを占めている。副室３ｂは、隔離されており且つ容積を増大しつつある。副室３ｃは、容積を減少しつつあり、それによって作業流体又は蒸気をポート７を経てダクト１１に排出しつつある。その流体又は蒸気は、そのダクト１１の内の復熱器内部で熱を、エンジンの場合は放出し、ヒートポンプの場合は取り入れている。冷却された作業流体又は蒸気は、最大容積に成っていて隔離されていて且つその圧縮サイクルを開始しようとしている副室６ａを占めている。副室６ｂは、その圧縮サイクル中で容積を減少しつつあり、隔離されている。副室６ｃは、容積を増大しつつあって且つポート９を介してダクト１１に開放している。従って、それは、副室３ｃから作業流体又は蒸気を受け取っている。ポート１０は、ピストン５によって閉鎖されている。
【００１１】
図２において、ピストン２、５は、３０度だけ時計方向に回転しており、また室３、６は、４５度だけ回転している。副室３ａは、容積を増大しており、作業流体又は蒸気をポート８を経てダクト１２からまた副室６ｂから受け入れており、その副室６ｂは容積を減少しつつあって今度はポート１０と連通している。副室３ｂは、内部の隔離され加熱された作業流体又は蒸気が膨張されるように容積を増大し続けており、そして作業流体又は蒸気の移行は、副室３ｃから副室６ｃにポート７とダクト１１とポート９を経て続行している。副室６ａ内の冷却された作業流体又は蒸気は、隔離されたままとなっており、またその副室の容積が減少するに従って圧縮される。
【００１２】
図３において、ピストンは、それらの最初の位置から６０度に渡って回転し、また室は、９０度だけ回転している。副室３ａは、容積を増大し続けるが、しかし、ピストン２は、ポート８を閉鎖し、それによって作業流体又は蒸気の進入を終結しており、その時に、膨張工程がその副室内部で始まる。副室３ｂはその最大容積を達成していて、またその内部の加熱された作業流体又は蒸気は、その膨張工程の終わりに達しており、そして副室３ｃは、作業流体又は蒸気がポート７とダクト１１とポート９とを経て圧縮装置４に流出するように、容積を減少し続ける。冷却された作業流体又は蒸気は、隔離された副室６ｂ内部でその内部容積が減少するに従って圧縮され続ける。副室６ｂは、最小容積と成っていて且つポート１０を介してダクト１２に開放しているが、しかし作業流体又は蒸気は、ポート８の閉鎖によって流れを止める。副室６ｃは、容積を増大し続け、また副室３ｃから作業流体又は蒸気をポート９を経て受け入れ続ける。
【００１３】
図４において、ピストン２、５は、もう一つの３０度に渡って移動し、また室３、６は、もう一つの４５度だけ移動している。また副室３ａは、隔離されており、また内部の加熱された作業流体又は蒸気がその膨張工程を続行するように容積を増大し続けている。副室３ｂは、今度は、ポート８がピストン２によって覆われていないのでポート８と連通し、またその副室は、容積を減少し続けるので、内部の作業流体又は蒸気は、強制的にダクト１２内に流出される。副室３ｃは、容積を減少し続けており、またポート７とダクト１１とポート９を経た作業流体又は蒸気の移行は、圧縮装置４まで続行している。副室６ａは、隔離された状態になっていて、容積を減少し続け、内部の冷却された作業流体又は蒸気は、その圧縮工程を続行している。副室６ｂは、今度は、容積を増大し続け、ポート１０とのその連通によって副室３ｂからダクト１２を経て作業流体又は蒸気を受け入れている。副室６ｃは、容積を増大し続けており、また作業流体又は蒸気の流入は、膨張装置１からポート９とダクト１１を経て続いている。
【００１４】
図５において、ピストンは、それらの元の位置から１２０度に位置し、また室は、それらの元の位置から１８０度に位置している。副室３ａは、加熱されて隔離された作業流体又は蒸気がその膨張工程を続行するように容積を増大し続けている。副室３ｂは、その作業流体又は蒸気が、容積を増大している副室６ｂへポート８とダクト１２とポート１０を経て通って行くように、容積を減少し続けている。副室３ｃは、最小容積と成っていて且つポート７を介してダクト１１に開放しているが、しかし圧縮装置のピストン５は、ポート９を閉鎖しており、その結果作業流体又は蒸気は流れを止める。副室６ａは、依然隔離されていて且つ容積を減少しており、内部の冷却された作業流体又は蒸気はその圧縮工程の終わりになっている。副室６ｂは、膨張装置１から移行された作業流体又は蒸気を受け入れ続けている。今度は、ポート９の閉鎖によって隔離された副室６ｃは、最大容積になっていて、内部の作業流体又は蒸気がその圧縮工程の開始状態になっている。色々な量の作業流体又は蒸気は、より以前の線図におけるものに対して異なった空間を占めているが、本機械内部の状態は、今度は、図１のものに類似している。
【００１５】
図１における副室６ａ内の所定量の冷却された作業流体が、その圧縮工程の開始状態になっていることを考える。装置１、４が、１８０度に渡って回転し且つロータリピストン２、５が、１２０度に渡って回転するに従って、相対的なロータ回転は、反対方向に６０度になっている。このことで、圧縮工程の終わりでの副室６ａ内の所定量の流体は、図１における副室６ｂ内の冷却された作業流体又は蒸気の状態と同じ状態になっていることが分かる。更なる３０度の相対的なロータ回転（図３の位置に対応）後には、副室６ａは、最小容積になり、また内部に在った作業流体又は蒸気の大部分は、それがダクト１１を通過中に、エンジンの場合は熱を吸収し、ヒートポンプの場合は熱を放出しながらポート９とダクト１１とポート７を経て副室３ｃに移行することになる。この時点で、全相対的なロータ回転は９０度になっていて、ピストン２は、ポート７を通過していることになる。膨張装置の副室３ｃは、更らに６０度に渡る相対的なロータ回転が起きるまで（合計で１５０度に成る）、内部の加熱された作業流体又は蒸気の膨張ができるようにしており、その際に副室３ｃは、最大容積になっている。更に回転すると、ポート８を覆わなくなり、加熱された作業流体又は蒸気がダクト１２を経て流出できるようにし、ダクト１２内ではエンジンの場合は冷却され、又はヒートポンプの場合は加熱される。それは、次にポート１０を経て副室６ｃに流入し、この移行工程は、更に９０度の相対的なロータ回転に渡って起きていて、それで全体で２４０度になるが、その際には副室３ｃは、最小容積になっている。ピストン５は、今度はポート１０を覆い、この特定量の作業流体又は蒸気の関連した熱力学サイクルが繰り返される。
【００１６】
それら工程は、下記の表１に詳しく述べられているように、７２０度のピストン回転と１０８０度の室回転に相当した３６０度の相対的なロータ回転に渡って表に記載されよう。
【表１】

【００１７】
上述の閉鎖された熱力学サイクルは、位相変位と共に、４つの主要量の作業流体又は蒸気と共に生じ且つ繰り返す。図１では、これらは、圧縮の開始時には副室６ａ内に、圧縮の終わりに向かって副室６ｂ内に、復熱移行を受けながら副室３ｃ、６ｃとダクト１１内に、また膨張を受けながら副室３ｂ内に位置付けされている。副室３ａ内の残留作業流体又は蒸気は、副室３ｂ内の主要量の作業流体又は蒸気との混合を待っている。膨張装置と圧縮装置の両方における仕事工程は、等しい期間、即ち相対的なロータ回転の６０度になっている事に注目される。圧縮装置４から膨張装置１への作業流体又は蒸気の復熱移行は、常に異なる表示の副室に、即ち６ａから３ｃへ、６ｂから３ａへ、また６ｃから３ｂへ向かっており、また短期間に、即ち相対的なロータ回転の３０度になっている。膨張装置１から圧縮装置４への作業流体又は蒸気の復熱移行は、常に同じ表示の副室に、即ち３ａから６ａへ、３ｂから６ｂへ、また３ｃから６ｃへ向かっており、また長い期間に、即ち相対的なロータ回転の９０度になっている。もし、装置１、４が、必須ではないが同じ大きさであれば、その幾何学構成で確実に、この後者の移行が一定の合算された容積の下で起きるようにしている。
【００１８】
いずれか一つの主要量の作業流体又は蒸気の復熱移行が、常に２つのダクト１１、１２の間で交互に達成されている。即ち、一方の装置から他方に一方のダクトを経て移行した後は、常に他方のダクトを経てた戻り移行が続く。それらの移行中における副室の組み合わせによって、いずれか一つの主要量の作業流体又は蒸気は、結局本機械内部の一つ一つの副室を通って移送されることになり、作業流体又は蒸気の質量とエネルギーの釣り合いが早く達成されるようにしている。
【００１９】
一つの主要量の作業流体又は蒸気が辿る経路は、下記の表２に示されているように、ピストン回転の１４４０度とハウジング回転の２１６０度に対応して、相対ロータ回転の７２０度に渡って表に記載されよう。その表で検討されている主要量の作業流体又は蒸気は、図１における副室６ａにその圧縮工程の開始時に出現するものである。それがその副室６ａに戻る前で、本機械の全ての他の副室を通過した後に３つの完全な熱力学サイクルを受けることが理解される。図１における副室６ｂにその膨張工程を受けながら出現する第２の主要量の作業流体又は蒸気は、図２に示されたものから＋３６０度の相対的なロータ回転の位相変位を伴って、図２に示されたものと同じ経路を辿ることになる。図１における副室６ｂに、圧縮工程の終わりに向かって出現する第３の主要量の作業流体又は蒸気は、同じような経路を辿るが、しかしダクトは、その膨張装置から圧縮装置への移行がダクト１１を経て行われ、そして逆移行が、表２に示されものから＋１８０度の相対ロータ回転の位相変位を伴ってダクト１２を経て行われるように互いに変更されるようになっている。図１における副室３ｃ、６ｃとダクト１１に圧縮装置への復熱移行を受けながら出現する第４の主要量の作業流体又は蒸気は、表２に示されものから−１８０度の相対ロータ回転の位相変位を伴って、第３の主要量の作業流体又は蒸気のものと同じ経路を辿ることになる。従って、本機械は、室回転の２１６０度と相対ロータ回転の７２０度に対応して、ピストン回転の１４４０度によって限定された期間に渡って合計で１２の熱力学サイクルを行う。
【表２】

【００２０】
各々の個別の熱力学サイクルは、相対ロータ回転の２４０度によって、即ち、ピストン回転の４８０度と室回転の７２０度によって限定された期間に渡って起きることに注目すべきである。エンジン仕事出力媒体として、又はヒートポンプ仕事入力媒体として、どちらの構成要素が採用されようとも、また結合されたピストン２、５が、又は結合された装置１、４が採用されようとも、熱力学サイクルが、従来の往復動熱エンジンと往復動ヒートポンプで生じているものよりもより長い期間を有している。これらは、いやおうなしに、出力軸又は入力軸の回転の３６０度に渡って生じなければならない。上述の本ロータリ機械のこの特徴は、熱移送工程を高めることができるようにするものであり、論理的に理想的な熱力学サイクルがアプローチされるようにしている。
【００２１】
図６において、２つの装置１、４は、固定された搭載部１６における場所１４、１５で軸受けされた中空軸１３によって堅固に結合されている。ピストン２、５は、搭載部１６における場所１８、１９で軸受けされた共通軸１７によって担持されている。ポート７、８、９、１０は、室３、６の平らな半径方向側において、それらの周辺部近くに存在しており、ピストン２、５の平坦面によって開閉される。軸１３、１７間の歯車継手２０は、確実に装置１、４が上述の方式でピストン２、５に対して相対回転するようにしている。
【００２２】
装置１、４は、それらの周りに上部と下部の温度領域を区分するためにケーシングに封じ込められたり、又は覆われ、各装置は、効率的な熱移行のために大きな表面積を提供している。それら装置の回転で、ほぼ一様な温度分布を促進するようにしている。
【００２３】
装置１、４間に温度差を維持する事に加えて、例えば、ダクトの端部を取り囲むようにケーシング内への封じ込みや、又は覆いを適合化することで与えられダクト１１、１２の付加的な加熱と冷却の手段が設けられる。いずれかの更に別の加熱手段が、復熱器と装置１との間に設けられ、またいずれかの更に別の冷却手段が、復熱器と装置４との間に設けられる。
【００２４】
図６は、簡明化のために隔離した２つの回転可能な構造を示している。勿論、エンジンの場合は仕事を取り出し、ポンプの場合は仕事を取り入れるために、一方に又は他方に接続部が設けられる。軸１３、１７には、適当にアダプターが取り付けられる。
【００２５】
３つの側面付きピストンが２つの突出部付き室内で作動する簡単な実施例を説明してきたが、復熱器を備えた対応した数のダクトによって接続されたｎ個の突出部付き室内でｎ＋１（ｎ＞２）の側面付きピストンを備えたより精巧な構成も取ることができることが理解される。ピストンに対する室の相対回転速度は、ｎ＋１：ｎに成る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 回転サイクル中に間隔をおいて回転ピストン機械の膨張装置と圧縮装置の相対的な位置付けを示した概略線図である。
【図２】 回転サイクル中に間隔をおいて回転ピストン機械の膨張装置と圧縮装置の相対的な位置付けを示した概略線図である。
【図３】 回転サイクル中に間隔をおいて回転ピストン機械の膨張装置と圧縮装置の相対的な位置付けを示した概略線図である。
【図４】 回転サイクル中に間隔をおいて回転ピストン機械の膨張装置と圧縮装置の相対的な位置付けを示した概略線図である。
【図５】 回転サイクル中に間隔をおいて回転ピストン機械の膨張装置と圧縮装置の相対的な位置付けを示した概略線図である。
【図６】 本機械の好適な実施例を切断した線図の横断面図である。

Claims (6)

1. ２つの可変容積装置を有した流体又は蒸気のロータリピストン機械であって、各装置は、回転する多くの突出部付きエピトロコイド室とその内部の多くの側面付きロータリピストンとを有していて、その関連した室の周辺部と協同することで複数の個別の副室を形成しており、ピストンの側面の数ｎ＋１は、エピトロコイド状円弧の数ｎよりも１つだけ多くなっており、そこで、それら２つの室が、第１の有効共通軸の周りで第１共通速度で回転するように拘束されており、他方それら２つのピストンが、第２の有効共通軸の周りで第２共通速度で回転するように拘束されており、第２共通速度に対する第１共通速度の比率は、ｎ＋１：ｎとなっており、そこで各室が、ダクトを介して室間の接続を可能にする複数ｎの二重機能ポートを有しており、またそこで、上記ダクトは、各々復熱器を収容していて、一方の可変容積装置が吸気と圧縮と排気とを実行可能にしており、そして他方の装置が、相対的な回転とポート位置の結果として吸気と圧縮と排気とを実行することを特徴とする流体又は蒸気のロータリピストン機械。
2. 加熱手段が、膨張工程を行う可変容積装置のために設けられている請求項１に記載のロータリピストン機械。
3. 更に別の加熱手段が、各上記復熱器と、膨張工程を行う可変容積装置との間に設けられている請求項２に記載のロータリピストン機械。
4. 冷却手段が、圧縮工程を行う可変容積装置のために設けられている請求項１、２又は３に記載のロータリピストン機械。
5. 更に別の冷却手段が、各上記復熱器と、圧縮工程を行う可変容積装置との間に設けられている請求項４に記載のロータリピストン機械。
6. ｎ＝２となっている上記請求項のいずれか一つに記載のロータリピストン機械。

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