JP5103570B1

JP5103570B1 - 回転式流体機械

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Publication number: JP5103570B1
Application number: JP2011290720A
Authority: JP
Inventors: 武史畑中
Original assignee: 武史畑中
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP2013137010A

Abstract

【課題】複雑なクランク機構を用いることなく、簡単な構造で、部品点数も少なく、高性能で低コスト生産が可能であり、信頼性が高い回転式流体機械を提供する。
【解決手段】クラッチ係合部１３２ａ，１３２ｂを備えた駆動軸１３２を環状作動室１１４の中心軸方向に配置し、クラッチ係合部によって第１及び第２ピストンロータ本体１５０，１５２を回動可能に支持し、第１及び第２ピストンロータ本体がそれぞれ、第１及び第２ボス部１５４，１５６と、第１及び第２ボス部からそれぞれ軸方向に延びる第１及び第２スリーブ部１５８，１６０とを備え、第１及び第２ボス部の径方向外側に延びるように第１及び第２ロータピストン１５０ｐ，１５２ｐを設けて環状作動室に回転可能に収納する。スリーブ部とハウジング１０６の端面壁部１０２，１０４との間にスリーブ部締結用クラッチ１７０，１７２をそれぞれ配置して、ロック状態又はアンロック状態を交互に切替える。
【選択図】図１

Description

本発明は回転機械に関し、特に、液圧ポンプ、真空ポンプ、圧縮機、膨張機、ブロアー、空気エンジン、スチームエンジン、ガスエンジン、ハイドロリックモータ、ポンプモータ、高圧ポンプとして有用な回転式流体機械に関する。

近年、太陽光、太陽熱、風力発電装置、地熱発電装置等の再生可能エネルギー発電装置や、静止型発電設備の余剰電力の貯蔵装置や、乗用車、トラック・バスや建設機械等の車両の回生エネルギー装置の分野において、余剰エネルギーを空気圧、油圧及び液圧等の流体エネルギーとして蓄積するエネルギー蓄積装置が注目され、これらに使用される圧縮機、油圧モータ及び油圧ポンプ等の回転式流体機械や流体回転式流体機械、ロータリーピストンエンジン等の回転式流体機械が提案されている。

特許文献１には、作動媒体の熱エネルギー及び圧力エネルギーを機械エネルギーに変換するための膨張機として機能する回転式流体機械が提案されている。

特許文献２には、ポンプとして機能する回転式流体機械が提案されている。

特許文献３には、液圧モータポンプとして機能する回転式流体機械が提案されている。

特許文献４〜６には、径方向に対向する一対のピストンを有する第１及び第２ロータをハウジングに回転可能に収納して、前記第１及び第２ロータの間に配置したクランク・遊星歯車機構により前記ロータピストンの相対移動を制御するようにした回転式流体機械が提案されている。

特許文献７には、径方向に対向する複数対のモーターベーンを同心的な内側スリーブ及び外側スリーブにより支持して、モーターベーンの軸方向端部のそれぞれに連結した円板型ロータの相対移動を制御するようにした共軸ロータエンジンが提案されている。

特許文献８〜１１には、さらに、径方向に対照的なピストンをエンジンハウジングに回転可能に収納した構造において、各種のピストンタイミング制御機構によりピストンの回転移動関係を制御するようにしたロータリーピストンエンジンが提案されている。

公開特許公報第２００２−２５６８０４号米国特許第７９９２４８４号米国特許第７６３７２０２号米国特許第３８２９２５７号米国特許第５１４７１９１号米国特許第５５２７１６５号公開特許公報第Ｈ０５−５４０１号米国特許第６３０５３４５号米国特許第６７３９３０７号米国特許第６８８６５２７号米国特許第７７３０８６９号

ところで、特許文献１及び２で開示された膨張機及び回転式流体機械では、回転軸に隣接してこれと平行となるように複数のシリンダー状作動室を設け、回転軸に連結した斜板の回転により高圧ピストンを作動させるようにした構造が採用されている。これら回転式流体機械は、何れも構造的に複雑で部品点数が多いため、生産コストも高くなる。しかも、可動部品の摺動抵抗が高いため、必然的に回転式流体機械の運転効率を向上させることが困難であった。さらに、回転式流体機械の主軸に沿って複数の高圧ピストンが高速で往復運動を余儀なくされるため機械的な振動・騒音が全体的に大きくなり、これら振動・騒音を低減することが困難であった。また、これら回転式流体機械では、何れも、多数の摺動部品や可動部品で構成されているため、保守・メンテの頻度数が高く、ランニングコスト上昇の原因となっていた。

特許文献３で開示された液圧モータポンプでは、軸方向に所定間隔で配置した複数のクランク軸にそれぞれピストン・シリンダー機構を連結し、ピストン・シリンダー機構の直進運動をクランク軸を介して回転運動に変換するような構成とし、クランク軸に駆動力を伝達し、或いはクランク軸の出力を取り出すための多数の歯車が採用されている。そのため、モータポンプの構造が必然的に複雑で大型となり、しかも、部品点数が多いため、小型高性能の構造にすることが困難であった。

一方、特許文献４〜６に開示された回転式流体機械及び蒸気駆動エンジンでは、ロータリーピストン部のロック・アンロック状態を制御することを目的として、前記ロータリーピストン部の主要な構成要素の軸方向外側においてクランク・遊星歯車機構が配置されている。これらクランク・遊星歯車機構は、クランクや複数のコネクティングロッド、多数の遊星歯車および遊星歯車支持円板等から構成されるため、クランク・遊星歯車機構の構造が複雑となるだけでなく、部品点数の増大により、クランク・遊星歯車機構の軸方向寸法が極めて大きくなっている。そのため、エンジンの全体構造と総重量が大きくなり、生産コストも高いものとなっていた。さらに、ピストン駆動制御機構に採用された多数の歯車やクランク機構には必然的に大きなバックラッシュが存在するため、前記ロータリーピストン部に対する作動流体の作用が開始しても、一定のバックラッシュを経過した後に、駆動軸にトルクが発生していたため、機械的ロスが大きくなってエンジン効率が悪くなっていた。しかも、前記クランク・遊星歯車機構において、特に、クランクが高速で運動すればする程、エンジンの振動・騒音も大きくなっていた。上記の特殊な構造により、エンジンの振動・騒音を低減することが困難であった。また、これら従来の回転式流体機械では、単一のエンジンを複数の熱サイクルによる作動流体で駆動する構造となっていなかったため、エンジン効率を向上させることが困難であった。さらに、これら回転式流体機械では、何れも、多数の摺動部品や可動部品で構成されているため、保守・メンテ要因を少なくすることができず、ランニングコスト上昇の原因ともなっていた。

特許文献７に開示された共軸ロータエンジンでは、複数のモータ−ベーンを円板型ロータによりそれぞれ支持し、これら円板型ロータにはそれぞれ内側スリーブと外側スリーブを設け、内側スリーブの内側に高圧流体の通路を形成した構造となっています。この構造では、トルク発生用の構成部品であるスリーブ部材を駆動軸に直結することができないため、両側のロータ板の軸方向外側に環状室を形成するようにそれぞれスリーブを接続し、これらスリーブにそれぞれ円板型端板を連結し、これら円板型端板の中央部を駆動軸の端部に連結してトルクを伝達している。したがって、共軸ロータエンジンにおいて、出力トルクを取り出すための有効な作動領域が全体構造に対して、極めて少なくなり、結果として、共軸ロータエンジンの構造が大型化していた。しかも、これら構造は極めて複雑であり、必然的にエンジンの部品点数が大幅に増大するだけでなく、エンジンの軸方向寸法および径方向寸法が著しく増大する。そのため、コンパクトで軽量な構造の回転式流体機械を低コストで製造することが困難であった。

特許文献８で開示されたロータリーエンジンでは、３個のクランクや３個のコネクティングロッド及び該コネクティングロッドに連結されたカップリングユニットを備えている。この種の回転式流体機械では、クランク・タイミング機構の構造が複雑となるだけでなく、可動部分に配置されたベアリング等を含む部品点数の増大により、エンジンの全体構造と総重量が大きくなり、生産コストも高いものとなっていた。さらに、ロータリーエンジンの高速回転時において、コネクティングロッドの振動が大きくなるため、静寂な運転を達成することが困難であった。

特許文献９で開示されたロータリーエンジンでは、ピストンアッセンブリの軸方向外側の広域範囲のスペースにピストンの駆動タイミング制御用のクランク・遊星歯車機構を配置した構造が採用されています。この回転式流体機械は、複数の太陽歯車、複数の遊星歯車、複数のキャリアー、複数のクランクや複数のコネクティングロッド等から構成され、クランク・遊星歯車機構自体の構造が複雑となるだけでなく、部品点数の増大により、クランク・遊星歯車機構の軸方向寸法がロータリーピストン本体の構造に対して著しく大きなものとなっていた。従って、エンジンの全体構造と総重量が大きくなり、生産コストも高いものとなっていた。さらに、クランク・遊星歯車機構で採用された多数の歯車、複数のクランクや複数のコネクティングロッドの間にはそれぞれ、バックラッシュが存在する。そのため、爆発工程において、ピストンの移動時にタイムラグが生じ、機械的ロスが大きくなってエンジン効率が悪くなっていた。しかも、エンジンの高速回転時において、クランクやコネクティングロッドの振動が大きくなり、必然的に大きな騒音が発生していた。したがって、振動を抑制した状態で、静寂な運転を達成することが困難であった。

特許文献１０で開示されたロータリーエンジンでは、ピストンアッセンブリの軸方向外側の広域範囲のスペースにピストンの駆動タイミング制御用の遊星歯車タイミング機構を備えた構造が採用されています。この種の回転式流体機械では、駆動軸に径大のドライブギアを設け、駆動軸と平行に第２回転軸を設けてドリブンギアを支持し、これらドライブギアとドリブンギアとの係合により、出力トルクの一部を利用して、遊星歯車タイミング機構を駆動する構造となっています。第２回転軸の周囲には径大のリングギアが配置されて、その内部にサンギア、複数のプラネットギア、キャリアー及びクランク、ならびに複数の楕円歯車から構成され、遊星歯車タイミング機構自体の構造が複雑となっています。そのため、部品点数も大幅に増大し、回転式流体機械の軸方向及び横方向の寸法が著しく大きなものとなっていた。従って、エンジンの全体構造と総重量が大きくなり、生産コストも高いものとなっていた。

特許文献１１で開示されたロータリーエンジンでは、径方向に延びる複数のスポーク部材を設けた第１及び第２半割リング状ケース部材にそれぞれのピストンを支持し、第１及び第２半割リング状ケース部材の軸方向外側に遊星歯車セットをそれぞれ配置し、これら遊星歯車セットの遊星歯車にそれぞれ偏心ピンを固定し、これら偏心ピンをスポーク部材内で移動させるようにしたタイミング機構となっています。このタイミング機構はエンジンの軸方向寸法を増加させることにより、回転式流体機械全体の寸法・重量が増加し、生産コストの増加の原因となっていた。また、遊星歯車セット構造のバックラッシュやスポークと偏心ピンとの摩擦により、エンジン効率が低下していた。しかも、エンジンの吸気及び排気のための吸気弁及び排気弁の作動機構が複雑であり、エンジン性能を向上させることが困難であった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、構造が簡単で部品点数も少なく、しかも、高性能で低コストの生産が可能であり、信頼性が高い回転式流体機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転式流体機械が、軸方向に間隔を置いて配置された端面壁部を有するハウジングと、前記端面壁部の間に形成されていてインレット及びアウトレットを有する環状作動室と、前記環状作動室の軸心方向に延びていて前記環状作動室の中間部に配置されたクラッチ係合部を備えた駆動軸と、前記駆動軸に回動可能に支持されていて前記環状作動室に回転可能に収納され、作動サイクルにおいてトルクを出力させる第１及び第２ピストンロータ本体であって、前記クラッチ係合部と径方向に整列する第１及び第２ボス部と、前記第１及び第２ボス部の径方向外側にそれぞれ延びていて前記環状作動室に回転可能に収納された第１及び第２ロータピストンと、前記第１及び第２ボス部からそれぞれ軸方向に延びる第１及び第２スリーブ部とを有する第１及び第２ピストンロータ本体と、前記端面壁部と前記第１及び第２スリーブ部との間にそれぞれ配置されていて、前記作動サイクルにおいて、前記第１及び第２スリーブ部それぞれを第１及び第２回転方向との間で前記端面壁部に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第１及び第２スリーブ部締結用クラッチと、前記クラッチ係合部と前記第１及び第２ボス部との間にそれぞれ配置されていて、前記作動サイクルにおいて、前記第１及び第２ボス部それぞれを前記第２回転方向と前記第１回転方向との間で前記クラッチ係合部に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第１及び第２ボス部締結用クラッチとを備え、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチは前記第１及び第２スリーブ部を前記端面壁部に対してそれぞれロック及びアンロック状態にするスリーブ部締結用楔状カム空間部とスリーブ部締結用カムエレメントとを備え、一方、前記ボス部締結用クラッチは前記第１及び第２ボス部を同一回転方向において前記駆動軸のクラッチ係合部に駆動連結させるボス部締結用カム空間部とボス部締結用カムエレメントをそれぞれ備えることを要旨とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、前記回転式流体機械は、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチが、前記端面壁部とそれぞれ一体的な第１及び第２スリーブ部締結用アウターレース部と、前記第１及び第２スリーブ部とそれぞれ一体的な第１及び第２スリーブ部締結用インナレース部と、前記第１及び第２スリーブ部締結用アウターレース部と前記第１及び第２スリーブ部締結用インナレース部との間に形成されていて前記スリーブ部締結用カム空間部を構成する第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部と、前記第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部にそれぞれ配置されていて前記スリーブ部締結用カムエレメントを構成する第１及び第２スリーブ部締結用カムエレメントとを備え、前記第１及び第２ボス部締結用クラッチが、前記第１及び第２ボス部とそれぞれ一体的な第１及び第２ボス部締結用アウターレース部と、前記クラッチ係合部とそれぞれ一体的な第１及び第２ボス部締結用インナレース部と、前記第１及び第２ボス部締結用アウターレース部と前記第１及び第２ボス部締結用インナレース部との間でそれぞれ設けられていて、前記ボス部締結用カム空間部を構成する第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部と、前記第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部にそれぞれ配置されていて前記ボス部締結用カムエレメントを構成する第１及び第２ボス部締結用カムエレメントとを備えることを要旨とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項２記載の構成に加えて、前記回転式流体機械は、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ及び前記第１及び第２ボス部締結用クラッチが、それぞれ、前記第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部と前記第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部に収納されていて、前記スリーブ部締結用カムエレメントと前記ボス部締結用カムエレメントをそれぞれ支持するリテーナと、前記リテーナをアンチバックラッシュ位置にそれぞれ付勢するバネ手段とからなるアンチバックラッシュ機構を備えることを要旨とする。

請求項４に記載された発明によれば、請求項３記載の構成に加えて、前記回転式流体機械は、前記アンチバックラッシュ機構が、前記第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部に隣接して前記端面壁部に形成されたアンチバックラッシュ溝部と、前記第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部に隣接して前記第１及び第２ボス部に形成されたアンチバックラッシュ溝部と、前記リテーナにそれぞれ設けられていて前記アンチバックラッシュ溝部にそれぞれ収納された作動部とを備え、前記バネ手段が前記作動部を前記アンチバックラッシュ溝部において前記アンチバックラッシュ位置にそれぞれ付勢することを要旨とする。

請求項５に記載された発明によれば、請求項１乃至４記載の構成に加えて、前記回転式流体機械は、さらに、前記駆動軸の中心軸に沿って形成されたメイン潤滑油供給路と、前記メイン潤滑油供給路から径方向に延びていて前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ及び前記第１及び第２ボス部締結用クラッチとにそれぞれ連通する複数のラジアル潤滑油供給路と、前記メイン潤滑油供給路に潤滑油を供給する潤滑油ポンプとをさらに備え、前記スリーブ部締結用楔状カム空間部と前記ボス部締結用楔状カム空間部が前記ラジアル潤滑油供給路とそれぞれ連通していることを要旨とする。

請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至５記載の構成に加えて、さらに、前記ハウジングに収納された高圧ポンプ部を備え、前記高圧ポンプ部が、前記ハウジング内に設けられたポンプ作動室と、前記ポンプ作動室に開口する吸入ポート及び吐出ポートと、前記ポンプ作動室内に回動可能に収納されていて、前記駆動軸に直結されていて、前記ポンプ作動室に流入した流体を加圧するポンプロータ手段とを備えることを要旨とする。

請求項７に記載された発明によれば、回転式流体機械は、軸方向に間隔を置いて配置された端面壁部と、前記端面壁部の間に形成された環状作動室とを有するハウジングと、前記ハウジングの周方向に配置された第１回転機械部及び第２回転機械部とを備え、前記第１回転機械部が、作動サイクルの開始点及び終端点において、それぞれ前記環状作動室に開口する第１インレット及び第１アウトレットと、前記環状作動室において前記第１インレットに隣接して区画されている第１作動室と、前記第１作動室に隣接して区画されている第１排出室とを備え、前記第２回転機械部が、前記第１アウトレット及び前記第１インレットに隣接した位置においてそれぞれ形成された第２インレット及び第２アウトレットと、前記環状作動室において前記第２インレットに隣接して区画されている第２作動室と、前記第２作動室に隣接して区画されている第２排出室とを備え、前記第１回転機械部及び前記第２回転機械部が前記環状作動室の軸心方向に延びていて前記環状作動室の中間部に配置されたクラッチ係合部を備えた駆動軸と、前記駆動軸に回動可能に支持されていて前記環状作動室に回転可能に収納され、作動サイクルにおいてトルクを出力させる第１及び第２ピストンロータ本体であって、前記クラッチ係合部と径方向に整列する第１及び第２ボス部と、前記第１及び第２ボス部の径方向外側にそれぞれ延びていて前記環状作動室を前記第１作動室と、前記第１排出室と、前記第２作動室と、前記第２排出室とに区画する第１及び第２ロータピストンと、前記第１及び第２ボス部からそれぞれ軸方向に延びる第１及び第２スリーブ部とを有する第１及び第２ピストンロータ本体と、前記端面壁部と前記第１及び第２スリーブ部との間にそれぞれ配置されていて、前記作動サイクルにおいて、前記第１及び第２スリーブ部それぞれを第１及び第２回転方向との間で前記端面壁部に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第１及び第２スリーブ部締結用クラッチと、前記クラッチ係合部と前記第１及び第２ボス部との間にそれぞれ配置されていて、前記作動サイクルにおいて、前記第１及び第２ボス部それぞれを前記第２回転方向と前記第１回転方向との間で前記クラッチ係合部に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第１及び第２ボス部締結用クラッチとを備え、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチは前記第１及び第２スリーブ部を前記端面壁部に対してそれぞれロック及びアンロック状態にするスリーブ部締結用楔状カム空間部とスリーブ部締結用カムエレメントとを備え、一方、前記ボス部締結用クラッチは前記第１及び第２ボス部を同一回転方向において前記駆動軸のクラッチ係合部に駆動連結させるボス部締結用カム空間部とボス部締結用カムエレメントをそれぞれ備えることを要旨とする。

請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の構成に加えて、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチが、前記端面壁部とそれぞれ一体的な第１及び第２スリーブ部締結用アウターレース部と、前記第１及び第２スリーブ部とそれぞれ一体的な第１及び第２スリーブ部締結用インナレース部と、前記第１及び第２スリーブ部締結用アウターレース部と前記第１及び第２スリーブ部締結用インナレース部との間に形成されていて前記スリーブ部締結用カム空間部を構成する第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部と、前記第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部にそれぞれ配置されていて前記スリーブ部締結用カムエレメントを構成する第１及び第２スリーブ部締結用カムエレメントとを備え、前記第１及び第２ボス部締結用クラッチが、前記第１及び第２ボス部とそれぞれ一体的な第１及び第２ボス部締結用アウターレース部と、前記クラッチ係合部とそれぞれ一体的な第１及び第２ボス部締結用インナレース部と、前記第１及び第２ボス部締結用アウターレース部と前記第１及び第２ボス部締結用インナレース部との間でそれぞれ設けられていて、前記ボス部締結用カム空間部を構成する第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部と、前記第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部にそれぞれ配置されていて前記ボス部締結用カムエレメントを構成する第１及び第２ボス部締結用カムエレメントとを備えることを要旨とする。

請求項１記載の構成では、前記ハウジングの一部や駆動軸の一部をクラッチ手段の一部として構成したため、独立した別個の構成部品を使うことなく、回転式流体機械の構造を簡略化すると共に、部品点数を大幅に削減して信頼性の向上、長寿命化によるランニングコストの大幅なコストダウンを図れる。即ち、ピストンロータ本体の基幹部品であるボス部とスリーブ部とをそれぞれ第１及び第２ボス部締結用クラッチと第１及び第２スリーブ部締結用クラッチの構成部品の一部とし、駆動軸とハウジングの端面壁部とを第１及び第２ボス部締結用クラッチと第１及び第２スリーブ部締結用クラッチの構成部品の一部とすることで、極めてシンプルな構造とすることができる。クラッチ自身の切替はピストンロータ本体の移動関係によって自動的に実行されるため、従来技術で採用されていた複雑なクランク機構や遊星歯車機構が不要となる。また、別の従来技術で採用されていた主動力部の両側の環状室や円板型端板も不要となり、円板型ロータとその外周に配置した関連クラッチ機構も不要となる。このため、軸方向及び径方向の大幅なサイズダウンが可能となり、小型高性能の回転式流体機械を実現化することが可能となる。しかも、機構的に何等クランク運動を利用していないため、回転式流体機械の振動・騒音を大幅に低減し、スムーズな運転が可能となる。上記構成の回転式流体機械は、太陽熱、地熱、バイオマス等の再生可能エネルギーを利用して発生させた高圧蒸気で作動するロータリースチームエンジンとして機能させ、数十メガワットクラスの大型発電機に直結して高効率の発電が可能となる。また、バイオマスや太陽熱を利用して高圧蒸気を発生させることにより、環境にやさしい大型船舶や建設機械その他の特殊車両の推進装置としても利用可能であり、実用上のメリットが大きい。一方、上記構成の回転式流体機械は、空気エンジン、ハイドローリックエンジン、油圧モータ等の流体機械としても機能する。即ち、インレットに空気圧又はガス圧を導入すると、空気エンジン又はガスエンジンとして機能し、水圧を導入するとハイドローリックエンジンとして機能する。また、油圧をインレットに供給すると油圧モータとして機能する。この場合、油圧源から離れた位置において油圧モータにより動力を得ることができるため、例えば、原子力発電プラントの燃料棒の冷却水ポンプの駆動用としても利用可能である。このように、上記構成の回転式流体機械は、作動媒体の種類に応じて様々な機能を呈する。

請求項２記載の構成では、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチが、前記ハウジングの端面壁部と前記第１及び第２ピストンロータ本体のスリーブ部で構成され、前記第１及び第２ボス部締結用クラッチが、前記第１及び第２ピストンロータ本体のボス部と駆動軸に設けたクラッチ係合部で構成したため、部品点数が少なく、構造が簡単で低コストでの生産が可能であり、しかも、信頼性が高い回転式流体機械を提供可能となる。

請求項３記載の構成では、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ及び前記第１及び第２ボス部締結用クラッチの双方がアンチバックラッシュ機構を備えているため、ピストンに作動流体が作用開始した時点で、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチの締結作用がスピードアップされて、前記ピストンロータ本体のトルク発生が迅速に実行され、一方、前記第１及び第２ボス部締結用クラッチの締結作用がスピードアップされて、前記駆動軸に対するトルク伝達が迅速に実行される。このように、カムローラのバックラッシュ（遊び）を最小にした分、作動流体の動力への変換効率が高まり、回転式流体機械の運転効率が向上する。

請求項４記載の構成では、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ及び前記第１及び第２ボス部締結用クラッチのカムエレメントのバックラッシュが、何れも、前記アンチバックラッシュ機構によって抑制されているため、回転式流体機械の運転効率が向上する。しかも、前記アンチバックラッシュ機構は部品点数が少なく、しかも、構成部品の組みつけが簡単に行われるため、エンジン全体としての低コスト化が可能となる。

請求項５記載の構成では、前記駆動軸に形成されたメイン潤滑油供給路及び複数のラジアル潤滑油供給路を介して前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ及び前記第１及び第２ボス部締結用クラッチの双方に常時、潤滑油が供給される。このため、これらクラッチのスムーズな作動が保障されるとともに、各構成部材間の接触面の磨耗が著しく低減される。その分、回転式流体機械の信頼性と低騒音化が向上し、さらには、回転式流体機械の長寿命化が図れる。しかも、各構成部材間の接触面の磨耗の低減により、保守・メンテの回数が大幅に少なくなり、回転式流体機械の長期運転とランニングコストの大幅なコストダウンが得られる。

請求項６記載の構成では、前記高圧ポンプ部を前記ハウジング内に収納させたので、前記駆動軸の出力トルクで任意の流体を加圧して高圧流体を吐出することができる。そのため、本発明の回転式流体機械が、例えば、ランキンサイクル又はカリーナサイクル等の熱サイクルシステムに適用される場合は、この高圧ポンプ部が高圧ポンプとして機能し、熱サイクルの凝縮器の作動液体を高圧下でボイラー等の水蒸気発生器に供給するために用いられ、高効率の熱サイクルシステムがコンパクトで低コストの構造にて構築可能となり、産業上のメリットが大きい。

請求項７記載の構成では、前記回転式流体機械が、前記ハウジングの周方向に配置された第１回転機械部及び第２回転機械部とを備え、これら第１回転機械部及び第２回転機械部が、第１及び第２スリーブ部締結用クラッチと、第１及び第２ボス部締結用クラッチとにより第１及び第２ピストンロータ本体を構成することで、従来技術で必要としていた複雑な構造のクランク・遊星歯車機構を不要とし、軸方向寸法の大幅な短縮化によるコンパクトな構造を達成可能とする。しかも、機構的に斜板や往復動ピストンの使用を不要とし、しかも、何等クランク運動を利用していないため、回転式流体機械の振動・騒音を大幅に低減し、スムーズな運転が可能となる。さらに、部品点数の大幅な削減を可能とするとともに、構成部品の組付け性も向上させることで、回転式流体機械の信頼性向上と低コスト化を図っている。第１回転機械部及び第２回転機械部は様々な用途に応じて、例えば、第１及び第２インレットに同時に作動流体を導入してエアーモータ、スチームエンジン、液圧モータ等の動力源として利用可能である。さらに、他の適用例としては、例えば、第１インレットに作動流体を導入して第１回転機械部をモータ又はエンジン等の動力源として機能させ、第２回転機械部はコンプレッサ、真空ポンプ、高圧ポンプ等の流体機械として機能させることも可能である。このように、上記構成の回転式流体機械は、用途に応じて様々な機能を達成することが可能である。換言すれば、第１回転機械部及び第２回転機械部の構成部品を共通化することで、簡単な構造にて、複合機能を達成することが可能となる。

請求項８記載の構成では、前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチが、前記ハウジングの端面壁部と前記第１及び第２ピストンロータ本体のスリーブ部で構成され、前記第１及び第２ボス部締結用クラッチが、前記第１及び第２ピストンロータ本体のボス部と駆動軸に設けたクラッチ係合部で構成したため、部品点数が少なく、構造が簡単で低コストでの生産が可能であり、しかも、信頼性が高い回転式流体機械を提供可能となる。

本発明の実施例による回転式流体機械の断面図を示す。図１の回転式流体機械のＩＩＡ−ＩＩＡ断面図を示す。図１の回転式流体機械のＩＩＢ−ＩＩＢ断面図を示す。図１の回転式流体機械の一部であるロータリーピストン部の斜視図を示す。図１の回転式流体機械のＩＶＡ−ＩＶＡ断面図を示す。図１の回転式流体機械のＩＶＢ−ＩＶＢ断面図を示す。図４Ａに示した第１スリーブ部締結用ワンウエイクラッチのリテーナの１例を示す。図４Ａに示した第１スリーブ部締結用ワンウエイクラッチのバネ部材の１例を示す。図１に示した回転式流体機械の高圧ポンプ部のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図を示す。本発明の実施例による回転式流体機械の作用を説明するための概略断面図であり、第１ピストン及び第２ピストンの初期位置を示す。本発明の実施例による回転式流体機械の作用を説明するための概略断面図であり、第１ピストン及び第２ピストンの膨張行程における中間位置を示す。本発明の実施例による回転式流体機械の作用を説明するための概略断面図であり、第１ピストン及び第２ピストンの第１サイクルにおける中間位置を示す。本発明の実施例による回転式流体機械の作用を説明するための概略断面図であり、第１ピストン及び第２ピストンの第２サイクルの開始位置を示す。

以下、本発明の実施例による回転式流体機械について図面に基づき詳細に説明する。図１〜図２Ａ及び図２Ｂにおいて、回転式流体機械１００は、軸方向に間隔を置いて配置された端面壁部１０２，１０４と、前記端面壁部の間に形成された環状作動室１１４とを有するハウジング１０６を備え、これら端面壁部１０２，１０４からそれぞれ軸方向に延びる静止側空洞壁部１０８，１１０を備える。端面壁部１０２，１０４の間にはセンターハウジング１１２が配置され、端面壁部１０２，１０４とセンターハウジング１１２とはボルトその他の固定手段（図示せず）によって所定位置にて固定支持される。なお、センターハウジング１１２は薄肉ケースからなるものとして示されているが、センターハウジング１１２の内部の複数個所にはクーラント通路を必要に応じて形成しても良い。

回転式流体機械１００は、ハウジング１０６の周方向に配置された第１回転機械部Ａ及び第２回転機械部Ｂとを備え、第１回転機械部Ａ及び第２回転機械部Ｂはハウジング１０６に形成された共通の環状作動室１１４を備える。回転式流体機械１００をロータリースチームエンジンとして利用する場合、或いは、エアーモータや油圧モータとして利用する場合は、後述のごとく、第１回転機械部Ａと第２回転機械部Ｂが協同で機能する。回転式流体機械１００がポンプモータとして作動する場合は、第１回転機械部Ａ及び第２回転機械部Ｂの一方をモータとして機能させ、その他方をポンプとして用いる。

第１回転機械部Ａは、所定角度でセンターハウジング１１２から環状作動室１１４に開口する第１インレット１２４及び第１アウトレット１２８と、第１インレット１２４に連通している第１作動室１１６と、第１作動室１１６に隣接して区画されている第１排出室１２０とを備える。

第２回転機械部Ｂは、第１アウトレット１２８及び第１インレット１２４に隣接した位置においてそれぞれ環状作動室１１４に形成された第２インレット１２６と第２アウトレット１３０と、第１作動室１１６と径方向に対向した位置において第２インレット１２６と連通する第２作動室１１８と、第１排出室１２０と径方向に対向した位置において第２アウトレット１３０と連通する第２排出室１２２とを備える。第１回転機械部Ａ及び第２回転機械部Ｂに共通の駆動軸１３２が環状作動室１１４の軸心方向に延びていて環状作動室１１４の中央部に配置されたクラッチ係合部１３２ａ，１３２ｂを備える。駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ａ，１３２ｂにはロータリーピストン部２００が回動可能に支持されていて、環状作動室１１４を第１、第２作動室１１６，１１８と第１排出室１２２とに区画する。

ロータリーピストン部２００は、径方向で対称的に配置された一対のピストンをそれぞれ有する第１及び第２ロータピストン１５０ｐ、１５２ｐからなる第１及び第２ピストンロータ本体１５０，１５２を備える。第１及び第２ロータピストン１５０ｐ、１５２ｐの外周端縁には流体を案内するためのガスガイド部１５０ｇ、１５２ｇが形成されている。第１及び第２ピストンロータ本体１５０，１５２は、第１及び第２ロータピストン１５０ｐ、１５２ｐをそれぞれ支持する第１及び第２ボス部１５４、１５６と、第１及び第２第１及び第２ボス部１５４、１５６からそれぞれ軸方向外側に延びる第１及び第２スリーブ部１５８，１６０を有する。第１及び第２ボス部１５４、１５６はそれぞれ内壁部１５４ａ、１５６ａを有する。なお、ピストン１５０ｐ、１５２ｐの外周面及び両側面には複数のシール部材が配置されるが、図面の簡略化のため、これらシール部材は図面において省略されている。

ハウジング１０６内において、駆動軸１３２は環状作動室１１４の中心軸に沿って軸方向に延びていて、ハウジング１０６の端面壁部１０２，１０４に装着されたベアリング１３４，１３６によって回転可能に支持されている。環状作動室１１４内には、ロータピストン部２００が回転可能に収納され、ロータピストン部２００はニードルベアリング１４２，１４４を介して駆動軸１３２に回動可能に支持される。

ハウジング１０６の端面壁部１０２，１０４と第１、第２ロータピストン本体１５０，１５２との間にはそれぞれ第１、第２スリーブ部締結用クラッチ１７０，１７２が配置される。図４Ａにおいて、第１スリーブ部締結用クラッチ１７０は、静止側空洞壁部１０８と一体的なスリーブ部締結用アウターレース部１０８ａと、第１ロータピストン本体１５０のボス部１５４のスリーブ部１５８と一体的なスリーブ部締結用インナーレース部１５８ａとを備える。スリーブ部締結用アウターレース部１０８ａは、六角形状のカム面１０８ｂを有する。スリーブ部締結用アウターレース部１０８ａとスリーブ部締結用インナーレース部１５８ａとの間には周方向に間隔をおいて複数のスリーブ部締結用楔状カム空間部１７４が形成され、スリーブ部締結用楔状カム空間部１７４には複数のカムエレメントとしてのスリーブ部締結用カムローラ１７６が収納される。

さらに、静止側空洞壁部１０８とスリーブ部１５８との間には環状リテーナ１７８が収納される。環状リテーナ１７８はスリーブ部締結用カムローラ１７６を収納するために周方向に間隔をおいて形成された複数の開口部１７８ａを有するリテーナ本体１７８ｂを備え、リテーナ本体１７８ｂの内周部１７８ｃの直径はスリーブ部１５８の外周よりわずかに大きめに設定されて後述の潤滑油導入空間を形成している。第１、第２スリーブ部締結用クラッチ１７０，１７２は、それぞれ、アンチバックラッシュ機構１８０，１８２を備える。

図４Ａに示されるように、アンチバックラッシュ機構１８０は、静止側空洞壁部１０８において径方向に対向する位置に形成されたアンチバックラッシュ抑制溝部１８０ａと、リテーナ１７８の外周から径方向外側に突出するように延びていて、アンチバックラッシュ抑制溝部１８０ａに収納された作動突起部１７８ｄとを備える。Ｓ−字状バネ部材１８４（図６参照）が作動突起部１７８ｄをアンチバックラッシュ抑制溝部１８２ａにおいてアンチバックラッシュ位置に付勢してスリーブ部締結用カムローラ１７６のバックラッシュ（遊び）を最小化する。そのため、ピストン１５０ｐのスリーブ部１５８が、図４Ａにおいて、反時計方向の作用を受けたときに静止側インナーレース部１０８を介して端面壁部１０２に迅速にロック状態とされ、スリーブ部締結用カムローラ１７６の遊びが少ない分、機械変換効率が向上する。

一方、図４Ｂに示すように、第２スリーブ部締結用クラッチ１７２は、静止側空洞壁部１１０と一体的なスリーブ部締結用アウターレース部１１０ａと、第２ロータピストン本体１５２のボス部１５６から延びるスリーブ部１６０と一体的なインナーレース部１６０ａとを備える。スリーブ部締結用アウターレース部１１０ａは、六角形状のカム面１１０ｂを有する。スリーブ部締結用アウターレース部１１０ａとインナーレース部１６０ａとの間には周方向に間隔をおいて複数のスリーブ部締結用楔状カム空間部１７４Ａが形成され、スリーブ部締結用楔状カム空間部１７４Ａには複数のカムエレメントとしてのスリーブ部締結用カムローラ１７６Ａが収納される。

さらに、静止側空洞壁部１１０とスリーブ部１６０との間には環状リテーナ１７８Ａが収納される。環状リテーナ１７８Ａはスリーブ部締結用カムローラ１７６Ａを収納するために周方向に間隔をおいて形成された複数の開口部１７８ａを有するリテーナ本体１７８ｂを備え、リテーナ本体１７８ｂの内周部１７８ｃの直径はスリーブ部１５８の外周よりわずかに大きめに設定される。第２スリーブ部締結用クラッチ１７２はアンチバックラッシュ機構１８２を備える。

図４Ｂに示されるように、アンチバックラッシュ機構１８２は、静止側空洞壁部１１０において径方向に対向する位置に形成されたアンチバックラッシュ抑制溝部１８２ａと、リテーナ１７８Ａの外周から径方向外側に突出するように延びていて、アンチバックラッシュ抑制溝部１８２ａに収納された作動突起部１７８ｄとを備える。Ｓ−字状バネ部材１８４（図６参照）が作動突起部１７８ｄをアンチバックラッシュ抑制溝部１８２ａにおいてアンチバックラッシュ位置に付勢し、スリーブ部締結用カムローラ１７６Ａのバックラッシュ（遊び）を最小化する。そのため、ピストン１５２ｐのスリーブ部１６０が、図４Ｂにおいて、反時計方向の作用を受けたときに静止側インナーレース部１１０ａを介して端面壁部１１０に迅速にロック状態とされる。リテーナ１７８Ａはリテーナ１７８と同様な構造を有するため、図示が省略されている。

図１及び図２Ａ、図２Ｂに戻って、駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ａ、１３２ｂと第１、第２ロータピストン本体１５０，１５２との間にはそれぞれ、第１、第２ボス部締結用クラッチ１８６，１８８が配置される。第１、第２ボス部締結用クラッチ１８６，１８８は、第１及び第２ボス部１５４、１５６とそれぞれ一体的なボス部締結用アウタレース部１８６ａ，１８８ａと、駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ａ、１３２ｂとそれぞれ一体的なボス部締結用インナーレース部１８６ｂ、１８８ｂとを備える。

図２Ａに示されるように、ボス部締結用アウタレース部１８６ａは六角形状のカム面１８６ｃを有する。環状内壁部１５４ａと駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ｂとの間には周方向に間隔をおいてボス部締結用楔状カム空間部１８６ｄが形成され、ボス部締結用楔状カム空間部１８６ｄには複数のカムエレメントとしてのボス部締結用カムローラ１８６ｅが収納される。ボス部１５４と駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ａとの間には環状リテーナ１８６ｆが収納され、環状リテーナ１８６ｆの周方向に分離した位置には複数の開口部１８６ｇが形成され、これら開口部１８６ｇにボス部締結用カムローラ１８６ｅがそれぞれ収納されて複数のボス部締結用楔状カム空間部１８６ｄにそれぞれ保持される。

図１及び図２Ｂにおいて、第２ボス部締結用クラッチ１８８は、第２ロータピストン本体１５２のボス部１５６と一体的なボス部締結用アウタレース部１８８ａと、駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ｂと一体的なボス部締結用インナーレース部１８８ｂとを備える。図２Ｂに示されるように、ボス部締結用アウタレース部１８８ａは六角形状のカム面１８８ｃを有する。ボス部１５６と駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ｂとの間には周方向に間隔をおいて複数のボス部締結用楔状カム空間部１８８ｄが形成され、ボス部締結用楔状カム空間部１８８ｄには複数のカムエレメントとしてのボス部締結用カムローラ１８８ｅが収納される。ボス部１５６と駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ｂとの間には環状リテーナ１８８ｆが収納され、環状リテーナ１８８ｆの周方向に分離した位置には複数の開口部１８８ｇが形成され、これら開口部１８８ｇにボス部締結用カムローラ１８８ｅがそれぞれ収納されて複数のボス部締結用楔状カム空間部１８８ｄにそれぞれ保持される。

図１及び図２Ｂにおいて、ボス部締結用ワンウエイクラッチ１８８は、ボス部１５６の環状内壁部１５６ａと一体的なボス部締結用アウタレース部１８８ａと、駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ｂと一体的なボス部締結用インナーレース部１８８ｂとを備える。図２Ｂに示されるように、ボス部締結用アウタレース部１８８ａは六角形状のカム面１８８ｃを有する。環状内壁部１５６ａと駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ｂとの間には周方向に間隔をおいて複数のボス部締結用楔状カム空間部１８８ｄが形成され、ボス部締結用楔状カム空間部１８８ｄには複数のカムエレメントとしてのボス部締結用カムローラ１８８ｅが収納される。環状内壁部１５６ａと駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ｂとの間には環状リテーナ１８８ｆが収納され、環状リテーナ１８８ｆの周方向に分離した位置には複数の開口部１８８ｇが形成され、これら開口部１８８ｇにボス部締結用カムローラ１８８ｅがそれぞれ収納されて複数のボス部締結用楔状カム空間部１８８ｄにそれぞれ保持される。

図１に示されるように、ボス部締結用ワンウエイクラッチ１８６，１８８は、それぞれ、アンチバックラッシュ機構１９０，１９２を備える。図２Ａにおいて、アンチバックラッシュ機構１９０は、ボス部１５４の環状内壁部１５４ａにおいて径方向に対向するように形成されたアンチバックラッシュ抑制溝部１９０ａと、環状リテーナ１８６ｆの外周に設けられていてアンチバックラッシュ抑制溝部１９０ａに収納された作動部材１８６ｈとを備える。環状リテーナ１８６ｆは図５のリテーナ１７８と類似構造を有する。Ｓ−字状バネ部材１９４が作動部材１８６ｈをアンチバックラッシュ抑制溝部１９０ａにおいてアンチバックラッシュ位置に付勢する。Ｓ−字状バネ部材１９４は図６のものと類似構造を有する。図２Ｂにおいて、アンチバックラッシュ機構１９２は、ボス部１５６の環状内壁部１５６ａにおいて径方向に対向するように形成されたアンチバックラッシュ抑制溝部１９２ａと、リテーナ１８８ｆの外周に設けられていてアンチバックラッシュ抑制溝部１９２ａに収納された作動部材１８８ｈとを備える。リテーナ１８８ｆは図５のリテーナ１７８と類似構造を有する。Ｓ−字状バネ部材１９４が作動部材１８８ｈをアンチバックラッシュ抑制溝部１９２ａにおいてアンチバックラッシュ位置に付勢する。Ｓ−字状バネ部材１９４は図６のものと類似構造を有する。

図１に戻って、駆動軸１３２の中心軸に沿ってメイン潤滑油供給路１３２Ｌと、メイン潤滑油供給路１３２Ｌから径方向に延びるように複数のラジアル潤滑油供給路１３２Ｌ１、１３２Ｌ２及び１３２Ｌ３が形成され、第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ１７０，１７２及び第１及び第２ボス部締結用クラッチ１８６，１８８に後述の潤滑油ポンプ２５０から潤滑油が供給される。即ち、図１において、ラジアル潤滑油供給路１３２Ｌ１及びラジアル潤滑油供給路１３２Ｌ２は第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ１７０、１７２の楔状カム空間部１７４、１７４Ａと連通していて、これら楔状カム空間部を経由してリテーナとカムローラとの接触面、カムローラと駆動軸との接触面、カムローラとピストンのボス部との接触面及びアンチバックラッシュ機構１８０、１８２に潤滑油を供給する。同様に、図１及び図２Ａから明らかなように、ラジアル潤滑油供給路１３２Ｌ１は、第１及び第２ボス部締結用クラッチ１８６、１８８のボス部締結用楔状カム空間部１８６ｄ、１８８ｄと連通していて、これら楔状カム空間部を経由して第１及び第２ボス部締結用クラッチ１８６、１８８のリテーナとカムローラとの接触面、カムローラと駆動軸との接触面、カムローラとピストンのボス部との接触面及びアンチバックラッシュ機構１９０、１９２に潤滑油を供給する。このように、回転式流体機械１００の第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ１７０、１７２並びに第１及び第２ボス部締結用クラッチ１８６、１８８には潤滑油が効果的に供給されるため、これらピストン駆動タイミング機構の耐久性が飛躍的に向上し、回転式流体機械１００の円滑な運転、低騒音化及び長寿命化が図れる。

図１において、潤滑油ポンプ２５０は端面壁部１０４の一部に収納されていて駆動軸１３２の後方端部付近に連結されることにより駆動され、メイン潤滑油供給路１３２Ｌに潤滑油を供給する。より詳細には、潤滑油ポンプ２５０は所謂、トロコイドポンプ（例えば、米国特許第４００８０１８号に開示された内接歯車ポンプ）に構造的に類似するもので、端面壁部１０４の背面に支持されたポンプケーシング２５２を備える。ポンプケーシング２５２はカバー部材２５４を介して端面壁部１０４の背面に固定支持され、端面壁部１０４の背面と、ポンプケーシング２５２及びカバー部材２５４の下部にオイルサンプ２５６が形成され、オイルサンプ２５６に潤滑油が貯留されている。このオイルサンプ２５６は必要によっては、回転式流体機械１００の外部に取り出して、潤滑油タンクとしても良い。

ポンプケーシング２５２にはポンプ本体２５８が収納されていて、ポンプ本体２５８はポンプ作動部２６０と、ポンプ作動部２６０に潤滑油を導くインレットポート２６２と、ポンプ作動部２６０から吐出された潤滑油をメイン潤滑油供給路１３２Ｌに導くアウトレットポート２６４とを有する。ポンプ作動部内２６０にはリング状のアウターロータ２６６が回動可能に収納され、アウターロータ２６６内にはインナーロータ２６８が内接状態で収納され、インナーロータ２６８は駆動軸１３２に連結されて駆動され、インナーロータ２６８の外歯がアウターローター２６６の内歯に内接して噛み合い、その中心がインナーロータ２６８の中心に対して偏心する状態でアウターロータ２６６内に収容される。アウターロータ２６６及びインナーロータ２６８が回転すると、容積が増大することにより負圧となって吸入圧が生じ、オイルサンプ２５６から潤滑油を吸入し、さらに、２つのローターが回転すると、容積が減少して吐出する吐出側容積室において高圧となり、吸入された潤滑油は駆動軸１３２の後方端部付近に形成されたオイルポート２７０を介してメイン潤滑油供給路１３２Ｌに供給される。

図１及び図７において、回転式流体機械１００は、さらに、油圧、空圧などの流体圧を生成する高圧ポンプ部３００を備える。高圧ポンプ部３００は、回転式流体機械１００をランキンサイクル又はカリーナサイクル等の熱サイクルのスチームエンジンとして利用する場合に、熱サイクルの高圧ポンプとして利用され、システムの簡略化と低コスト化に貢献する。特に限定されるものではないが、１例として、この熱サイクルの水蒸気発生用ボイラに給水する場合に、高圧ポンプ部３００を介して高圧下でボイラーに給水すると高圧の蒸気が得られ、この蒸気を第１インレット１２４に供給するように利用しても良い。

高圧ポンプ部３００は、ハウジング１０６の端面壁部１０４の一部に支持されたカバー部材２５４から構成されるポンプハウジング３１０を備える。ポンプハウジング３１０にはポンプ作動室３１２と、ポンプ作動室３１２に開口するインレット３１４及びアウトレット３１６とが形成されている。ポンプ作動室３１２内にはジェロータアウターロータ３１８が回転中心Ｃ１を中心として回動可能に収納される。ジェロータアウターロータ３１８は、周方向に均等間隔で形成された４個の係合部３１８ａ〜３１８ｄと、該係合部３１８ａ〜３１８ｄとの間においてアウターロータ３１８の外周に近接して周方向に等間隔で形成された複数のポンプチャンバ３２０と、ポンプチャンバ３２０にそれぞれ形成されていてインレット３１４及びアウトレット３１６に連通する複数の開口部３２２とを備える。インレット３１４から吸入された流体は加圧下でアウトレット３１６から吐出される。

アウターロータ３１８内にはロータロータピストン３２４が回転中心Ｃ２を中心として回動可能に内接状態で収納されている。ロータピストン３２４は駆動軸１３２に直結されて直接駆動される。ロータピストン３２４は、４個のポンプチャンバ３２０よりも１つ少ない数、即ち、３個のピストンローブ３２４ａ〜３２４ｃがロータ本体３２６から周方向に均等間隔で形成されており、ピストンローブ３２４ａ〜３２４ｃの外形はポンプチャンバ３２０の内壁とほぼ同一のものとなっている。ロータピストン３２４のローブがアウターローター３１８のポンプチャンバ３２０に内接して噛み合い、その中心Ｃ２がアウターロータ３１８の中心Ｃ１に対して偏心する状態でアウターロータ３１８内で移動する。アウターロータ３１８及びロータピストン３２４が図７において、時計方向Ｒ１に回転すると、ポンプチャンバ３２０の容積が増大することにより負圧となって吸入圧が生じ、インレット３１４から流体を吸入し、さらに、これらローターが回転すると、アウトレット３１６に最も近接したポンプチャンバ３２０の吐出側容積室において容積が減少して高圧となり、高圧の流体がアウトレット３１６から吐出される。

ロータピストン３２４のピストンローブ３２４ａ〜３２４ｃには、潤滑油貯留チャンバ３２８と、潤滑油路３３０が、それぞれ、形成され、潤滑油路３３０は駆動軸１３２のメイン潤滑油供給路１３２Ｌと連通する。潤滑油貯留チャンバ３２８に供給された潤滑油は、ロータピストン３２４及びアウターローター３１８の軸方向両面とその軸方向対向面との接触部、ロータピストン３２４及びアウターローター３１８の接触部、アウターローター３１８の外周部とポンプ作動室３１２の内壁との接触部等の潤滑を促進する。

図７に示すように，アウターロータ３１８において、隣接するポンプチャンバ３２０の間には径方向内側に突出していてピストンローブ３２４ａ〜３２４ｃと係合する突起部３
１８ｃが形成されており、隣接するポンプチャンバ３２０間における加圧流体のリークを最小限にすることを目的として、全部又は一部の突起部３１８ｃにシール部材３１８ｆを設けても良い。図１において，符号３４０、３４２はベアリング及びオイルシールをそれぞれ示す。駆動軸１３２の左側端部にはフライホイール兼タイミングプーリー３４４が装着されていて、タイミングベルト（図示せず）を介してスタータモータ（図示せず）に連結される。

次に、図８〜図１０に基づいて、本実施例による回転式流体機械１００をロータリースチームエンジンとして利用した場合の作用について説明する。なお、ロータリーピストン部２００の作動サイクルにおける作用について、図２Ａ、図２Ｂ，図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら、説明する。図８において、第１インレット１２４と第２流体インレット１２６とに同時に高圧蒸気Ｓが供給されるものとする。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ロータリーピストン部２００の作動サイクルにおいて、第１、第２作動室１１６，１１８に高圧蒸気Ｓが導入されると、第１ピストン１５０ｐに反時計方向の押圧力が作用し、第２ピストン１５２ｐには時計方向ＣＷの押圧力が作用する。すると、図４Ａに示すように、第１ピストン１５０ｐのボス部１５４と一体のスリーブ部１５８は、スリーブ部締結用カムローラ１７６に対して反時計方向に作用するため、スリーブ部締結用カムローラ１７６がカム面１０８ｂと係合して、第１ピストン１５０ｐはハウジング１１２に対してロック状態となる。一方、第２ピストン１５２ｐのスリーブ部１６０には、図４Ｂにおいて、時計方向の力が作用しているため、スリーブ部締結用カムローラ１７６Ａがカム面１１０ｂから離脱して、第２ピストン１５２ｐはハウジング１１２に対してアンロック状態、即ち、自由回転状態となる。この時、図２Ｂにおいて、第２ピストン１５２ｐのボス部１５６における時計方向の作用によって、第２ボス部締結用クラッチ１８８のボス部締結用カムローラ１８８ｅがカム面１８８ｃに係合して駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ｂとロック状態となり、両者は一体回転が可能となる。一方、第１ピストン１５０ｐのスリーブ部１５８はスリーブ部締結用カムローラ１７６によって端面壁部１０４にロック状態に保持されていても、駆動軸１３２の左側端部部分（図１参照）は駆動軸１３２と第１ピストン１５０ｐのスリーブ部１５８との間に配置されたニードルベアリング１４４により自由回転可能に支持されている。また、図２Ａより明らかなように、駆動軸１３２が時計方向に回転しようとするため、第１ボス部締結用クラッチ１５０のカムローラ１８６ｅがカム面１８６ｃから離脱する。したがって、第１ボス部締結用クラッチ１５０はアンロック状態とされ、駆動軸１３２が時計方向ＣＷに対して自由回転状態となる。こうして、図９に示すように、第２ピストン１５２ｐと駆動軸１３２とは一体となって時計方向ＣＷに回転し、駆動軸１３２から出力トルクが得られる。この作動サイクルにおいて、第２ピストン１５２の時計方向回転によって、第１、第２排出室１２０、１２２の残留流体は第１、第２アウトレット１２８、１３０からそれぞれ排出される。

図１０は、ロータリーピストン部２００の作動サイクルの終了近辺における第２ピストン１５２ｐの位置関係を示す。作動室１１６に導入された高圧蒸気Ｓにより、図１０に示す位置から、第２ピストン１５２ｐがさらに時計方向ＣＷに回転すると、第２ピストン１５２ｐが第１ピストン１５０ｐに当接してさらに時計方向に回転する。このとき、第１ピストン１５０ｐは第２ピストン１５２ｐの時計方向の押圧力を受ける。したがって、図４Ａから明らかなように、第１スリーブ部締結用クラッチ１７０がアンロック（解放）状態となり、スリーブ部締結用カムローラ１７６がカム面１０８ｂから離脱して、第１ロータピストン本体１５０のスリーブ部１５８をアンロック状態にする。そのため、図１０において、第１ピストン１５０ｐが第２ピストン１５２ｐと一体となって時計方向に回転移動し、図１１に示す位置に両ピストンは到達する。

図１１に示した、ロータリーピストン部２００の次の作動サイクルにおいて、第１ピストン１５０ｐと第２ピストン１５２ｐとの当接部のスペースが第１、第２インレット１２４、１２６に連通すると、ガイド部１５０ｇを介して第１、第２インレット１２４、１２６から高圧蒸気Ｓがこのスペースに供給される。この時、図１１において、第１ピストン１５０ｐには時計方向の力が作用し、第２ピストン１５２ｐには反時計方向の力が作用する。そのため、図４Ｂにおいて、第２ピストン１５２ｐのスリーブ部１６０には、反時計方向の力が作用しているため、スリーブ部締結用カムローラ１７６Ａがカム面１１０ｂに係合して、第２ピストン１５２ｐはハウジング１１２に対してロック状態となる。したがって、図１１に示した作動サイクルにおいては、第２ピストン１５２ｐが静止する（ロック状態）のに対して、第１ピストン１５０が高圧蒸気Ｓの作用により、時計方向の作用を受ける。この時、図２Ａにおいて、第１ピストン１５０の第１ボス部締結用クラッチ１８６が係合して、第１ピストン１５０のボス部１５４が駆動軸１３２のクラッチ係合部１３２ａとロック状態となる。したがって、第１ピストン１５０のボス部１５４を介して駆動軸１３２が時計方向に駆動されて出力トルクが得られる。このように、第１、第２ロータピストン本体１５０、１５２は、交互にロック状態とアンロック状態を繰り返しながら、駆動軸１３２から連続的にトルクが出力される。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、これ等はあくまでも一実施形態を示すものであり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが出来る。

即ち、本発明の実施例の回転式流体機械は、ロータリースチームエンジンとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、空気エンジン、ハイドローリックエンジン、油圧モータ等の流体機械としても利用しても良い。即ち、インレットに空気圧又はガス圧を導入すると、空気エンジン又はガスエンジンとして機能し、水圧を導入するとハイドローリックエンジンとして機能する。また、油圧をインレットに供給すると油圧モータとして機能する。さらに、本発明の実施例の回転式流体機械において、第１回転機械部のインレットに高圧蒸気、高圧空気、油圧又は水圧等の動力発生用高圧流体を導入してエンジン又はモータとして機能させ、第２回転機械部のインレットを所望の流体源に接続して、真空ポンプ、コンプレッサ、揚水ポンプ、排水ポンプその他の流体機械、所謂、２つの機能モータ及びポンプの機能、即ち、モータポンプとして利用しても良い。このように、本発明の回転式流体機械は、用途に応じて様々な機能を呈する。

本発明の実施例において、回転式流体機械は、１つのピストンロータ本体は径方向に対称的な一対のロータピストンを有するものとして示されたが、ピストンロータ本体は単一のロータピストンを有するものであっても良いし、或いは、周方向に均等間隔で配置された３個又は３個以上のロータピストンを備えた構造でも良い。また、スリーブ部締結用クラッチとボス部締結用クラッチはそれぞれローラー型ワンウエイクラッチからなるものと説明したが、スプラグ型ワンウエイクラッチで構成しても良い。

さらに、スリーブ部締結用クラッチのスリーブ部締結用アウターレース部とインナーレース部がそれぞれ端面壁部の静止側内壁部及びピストンロータ本体のスリーブ部と一体に形成されたものとして図示されているが、前記スリーブ部締結用アウターレース部と前記インナーレース部自体をそれぞれ独立部品により構成して、これら独立部品を前記静止側内壁部と前記スリーブ部とにそれぞれ装着した構成としても良い。同様に、ボス部締結用クラッチにおいて、ボス部締結用アウタレース部とボス部締結用インナーレース部とをそれぞれ独立部品により形成して、これら独立部品をピストンロータ本体のボス部と駆動軸のクラッチ係合部にそれぞれ装着した構成としても良い。

回転式流体機械に高圧ポンプ部を設けた構造を示したが、この高圧ポンプ部は任意で設けてもよい。

１０６ハウジング
１１４作動室
１３２駆動軸
１３２ａ，１３２ｂクラッチ係合部
１５０、１５２第１、第２ピストン本体
１７０，１７２スリーブ部締結用クラッチ
１８０，１８２アンチバックラッシュ機構
１８６，１８８ボス部締結用クラッチ
１９０，１９２アンチバックラッシュ機構
３００高圧ポンプ部

Claims

軸方向に間隔を置いて配置された端面壁部を有するハウジングと、
前記端面壁部の間に形成されていてインレット及びアウトレットを有する環状作動室と、
前記環状作動室の軸心方向に延びていて前記環状作動室の中間部に配置されたクラッチ係合部を備えた駆動軸と、
前記駆動軸に回動可能に支持されていて前記環状作動室に回転可能に収納され、作動サイクルにおいてトルクを出力させる第１及び第２ピストンロータ本体であって、前記クラッチ係合部と径方向に整列する第１及び第２ボス部と、前記第１及び第２ボス部の径方向外側にそれぞれ延びていて前記環状作動室に回転可能に収納された第１及び第２ロータピストンと、前記第１及び第２ボス部からそれぞれ軸方向に延びる第１及び第２スリーブ部とを有する第１及び第２ピストンロータ本体と、
前記端面壁部と前記第１及び第２スリーブ部との間にそれぞれ配置されていて、前記作動サイクルにおいて、前記第１及び第２スリーブ部それぞれを第１及び第２回転方向との間で前記端面壁部に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第１及び第２スリーブ部締結用クラッチと、
前記クラッチ係合部と前記第１及び第２ボス部との間にそれぞれ配置されていて、前記作動サイクルにおいて、前記第１及び第２ボス部それぞれを前記第２回転方向と前記第１回転方向との間で前記クラッチ係合部に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第１及び第２ボス部締結用クラッチとを備え、
前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチは前記第１及び第２スリーブ部を前記端面壁部に対してそれぞれロック及びアンロック状態にするスリーブ部締結用楔状カム空間部とスリーブ部締結用カムエレメントとを備え、一方、前記ボス部締結用クラッチは前記第１及び第２ボス部を同一回転方向において前記駆動軸のクラッチ係合部に駆動連結させるボス部締結用カム空間部とボス部締結用カムエレメントとをそれぞれ備えることを特徴とする回転式流体機械。
前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチが、前記端面壁部とそれぞれ一体的な第１及び第２スリーブ部締結用アウターレース部と、前記第１及び第２スリーブ部とそれぞれ一体的な第１及び第２スリーブ部締結用インナレース部と、前記第１及び第２スリーブ部締結用アウターレース部と前記第１及び第２スリーブ部締結用インナレース部との間に形成されていて前記スリーブ部締結用カム空間部を構成する第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部と、前記第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部にそれぞれ配置されていて前記スリーブ部締結用カムエレメントを構成する第１及び第２スリーブ部締結用カムエレメントとを備え、
前記第１及び第２ボス部締結用クラッチが、前記第１及び第２ボス部とそれぞれ一体的な第１及び第２ボス部締結用アウターレース部と、前記クラッチ係合部とそれぞれ一体的な第１及び第２ボス部締結用インナレース部と、前記第１及び第２ボス部締結用アウターレース部と前記第１及び第２ボス部締結用インナレース部との間でそれぞれ設けられていて、前記ボス部締結用カム空間部を構成する第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部と、前記第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部にそれぞれ配置されていて前記ボス部締結用カムエレメントを構成する第１及び第２ボス部締結用カムエレメントとを備えることを特徴とする請求項１記載の回転式流体機械。
前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ及び前記第１及び第２ボス部締結用クラッチが、それぞれ、前記第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部と前記第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部に収納されていて、前記スリーブ部締結用カムエレメントと前記ボス部締結用カムエレメントをそれぞれ支持するリテーナと、前記リテーナをアンチバックラッシュ位置にそれぞれ付勢するバネ手段とからなるアンチバックラッシュ機構を備えることを特徴とする請求項２記載の回転式流体機械。
前記アンチバックラッシュ機構が、前記第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部に隣接して前記端面壁部に形成されたアンチバックラッシュ溝部と、前記第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部に隣接して前記第１及び第２ボス部に形成されたアンチバックラッシュ溝部と、前記リテーナにそれぞれ設けられていて前記アンチバックラッシュ溝部にそれぞれ収納された作動部とを備え、前記バネ手段が前記作動部を前記アンチバックラッシュ溝部において前記アンチバックラッシュ位置にそれぞれ付勢することを特徴とする請求項３記載の回転式流体機械。
前記駆動軸の中心軸に沿って形成されたメイン潤滑油供給路と、前記メイン潤滑油供給路から径方向に延びていて前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチ及び前記第１及び第２ボス部締結用クラッチとにそれぞれ連通する複数のラジアル潤滑油供給路と、
前記メイン潤滑油供給路に潤滑油を供給する潤滑油ポンプとをさらに備え、
前記スリーブ部締結用楔状カム空間部と前記ボス部締結用楔状カム空間部が前記ラジアル潤滑油供給路とそれぞれ連通していることを特徴とする請求項１乃至４記載の回転式流体機械。
さらに、前記ハウジングに収納された高圧ポンプ部を備え、
前記高圧ポンプ部が、前記ハウジング内に設けられたポンプ作動室と、前記ポンプ作動室に開口する吸入ポート及び吐出ポートと、前記ポンプ作動室内に回動可能に収納されていて、前記駆動軸に直結されていて、前記ポンプ作動室に流入した流体を加圧するポンプロータ手段とを備えることを特徴とする請求項１乃至５記載の回転式流体機械。
軸方向に間隔を置いて配置された端面壁部と、前記端面壁部の間に形成された環状作動室とを有するハウジングと、
前記ハウジングの周方向に配置された第１回転機械部及び第２回転機械部とを備え、
前記第１回転機械部が、作動サイクルの開始点及び終端点において、それぞれ前記環状作動室に開口する第１インレット及び第１アウトレットと、
前記環状作動室において前記第１インレットに隣接して区画されている第１作動室と、
前記第１作動室に隣接して区画されている第１排出室とを備え、
前記第２回転機械部が、前記第１アウトレット及び前記第１インレットに隣接した位置においてそれぞれ形成された第２インレット及び第２アウトレットと、
前記環状作動室において前記第２インレットに隣接して区画されている第２作動室と、
前記第２作動室に隣接して区画されている第２排出室とを備え、
前記第１回転機械部及び前記第２回転機械部が前記環状作動室の軸心方向に延びていて前記環状作動室の中間部に配置されたクラッチ係合部を備えた駆動軸と、
前記駆動軸に回動可能に支持されていて前記環状作動室に回転可能に収納され、作動サイクルにおいてトルクを出力させる第１及び第２ピストンロータ本体であって、前記クラッチ係合部と径方向に整列する第１及び第２ボス部と、前記第１及び第２ボス部の径方向外側にそれぞれ延びていて前記環状作動室を前記第１作動室と、前記第１排出室と、前記第２作動室と、前記第２排出室とに区画する第１及び第２ロータピストンと、前記第１及び第２ボス部からそれぞれ軸方向に延びる第１及び第２スリーブ部とを有する第１及び第２ピストンロータ本体と、
前記端面壁部と前記第１及び第２スリーブ部との間にそれぞれ配置されていて、前記作動サイクルにおいて、前記第１及び第２スリーブ部それぞれを第１及び第２回転方向との間で前記端面壁部に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第１及び第２スリーブ部締結用クラッチと、
前記クラッチ係合部と前記第１及び第２ボス部との間にそれぞれ配置されていて、前記作動サイクルにおいて、前記第１及び第２ボス部それぞれを前記第２回転方向と前記第１回転方向との間で前記クラッチ係合部に対してロック状態とアンロック状態とに切り替える第１及び第２ボス部締結用クラッチとを備え、
前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチは前記第１及び第２スリーブ部を前記端面壁部に対してそれぞれロック及びアンロック状態にするスリーブ部締結用楔状カム空間部とスリーブ部締結用カムエレメントとを備え、一方、前記ボス部締結用クラッチは前記第１及び第２ボス部を同一回転方向において前記駆動軸のクラッチ係合部に駆動連結させるボス部締結用カム空間部とボス部締結用カムエレメントをそれぞれ備えることを特徴とする回転式流体機械。
前記第１及び第２スリーブ部締結用クラッチが、前記端面壁部とそれぞれ一体的な第１及び第２スリーブ部締結用アウターレース部と、前記第１及び第２スリーブ部とそれぞれ一体的な第１及び第２スリーブ部締結用インナレース部と、前記第１及び第２スリーブ部締結用アウターレース部と前記第１及び第２スリーブ部締結用インナレース部との間に形成されていて前記スリーブ部締結用カム空間部を構成する第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部と、前記第１及び第２スリーブ部締結用楔状カム空間部にそれぞれ配置されていて前記スリーブ部締結用カムエレメントを構成する第１及び第２スリーブ部締結用カムエレメントとを備え、
前記第１及び第２ボス部締結用クラッチが、前記第１及び第２ボス部とそれぞれ一体的な第１及び第２ボス部締結用アウターレース部と、前記クラッチ係合部とそれぞれ一体的な第１及び第２ボス部締結用インナレース部と、前記第１及び第２ボス部締結用アウターレース部と前記第１及び第２ボス部締結用インナレース部との間でそれぞれ設けられていて、前記ボス部締結用カム空間部を構成する第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部と、前記第１及び第２ボス部締結用楔状カム空間部にそれぞれ配置されていて前記ボス部締結用カムエレメントを構成する第１及び第２ボス部締結用カムエレメントとを備えることを特徴とする請求項７記載の回転式流体機械。