JP6193213B2 - インボリュート曲線を用いて形成されたロータ - Google Patents

Description

関連出願
参照により本書に援用される、２０１１年４月２０日出願の米国仮特許出願第６１／４７７，４６９号の権利を主張する。

本開示は、エネルギ変換装置、更には調時歯車または割出し歯車に用いるインボリュート曲線の使用について記載している。

幾つかの実施形態には、第１のロータおよび第２のロータを具えるデバイスが開示されている。幾つかの実施形態では、第１のロータおよび第２のロータの回転軸は、共直線からオフセットし交差する。各ロータは、第１の側部および第２の側部を有する少なくとも１のローブ（lobe）を具えており、各ローブの第１の側部は少なくとも１の球面インボリュート曲線から形成された曲面である。第１のロータのローブは、ロータの外周の周りで第２のロータのローブと噛み合う。一形態では、記載されたデバイスは、第１のロータの各ローブの第１の側部が、第２のロータの関連するローブの第１の側部と接触するように形成される。

本書に開示されたデバイスはさらに、対向するロータのローブ先端に対してクリアランスを設けるために、ローブの第１の面にアンダーカットを具えうる。

開示されたデバイスは、ローブの第２の側部が涙型／長円型の断面となるように構成されうる。この涙型の面は、デバイスが回転する際に、対向するロータのローブ先端と適切に接触できるように形成される。このデバイスはさらに、ローブの第２の側部が涙型のオフセットまたは前負荷（preload）であるように形成されうる。

このデバイスのロータは、ローブの第１の側部と第２の側部の双方がインボリュート曲線からなるように形成されうる。

このデバイスはさらに、第１のロータの外径とハウジングの内径の間に規定の間隙を有するハウジングを具えうる。この規定の間隙はさらに、第２のロータの外径とハウジングの内径の間にも設けられうる。このデバイスは、回転する際に、第１のロータのローブの第１の側部と、第２のロータのローブの第１の側部の間の変化する間隙を利用することができる。

組み立ておよび機能を容易にするために、このデバイスはさらに、第１のロータおよび第２のロータを取り囲むシュラウド（shroud）を具えうる。このシュラウドは、回転時に、第１のロータおよび第２のロータの外径と実質的に接触する。動作中、このシュラウドは第１および第２のロータと共に回転する。すなわち、シュラウドはハウジング内に配置される。

このデバイスはさらに、第１および第２のロータの回転軸が交差する共通中心部を中心とした、実質的に球状のボールを具えうる。少なくとも１のロータの内側球面と、ボールの外径の間には間隙が設けられうる。

圧縮機またはエクスパンダとして使用するため、このデバイスは穴部を規定する面を有してもよく、少なくとも１のロータは、ロータの後面を通って移動する流体の入口および／または出口穴を具える。

多数の面およびローブを有するデバイスが開示されているが、表面から得られる球面インボリュートの数がロータにつき１つである一実施形態も開示されている。

このデバイスは、各ロータのローブの球面インボリュート曲線がらせん状の形状を有し、この面がロータの周囲を３６０度近く又はそれ以上に広がり、ロータが回転する際に実質的に軸方向の流体動作を生じさせるように形成されうる。インボリュート曲線がロータの軸の周囲に３６０度を超えて広がり、ローブがらせん状部のような「ひれ部（fin）」を形成し、ひれ部の両側がインボリュート面から構成され、適合（対向）するロータのローブのひれ部と係合するよう意図されている、変形態様の一実施形態も開示されている。

一形態では、このデバイスは、球面インボリュートのローブ表面がらせん変形を具えるように配置される。この実施形態では、ローブ表面を構成するそれぞれの球面のインボリュート曲線が、共通中心部から外側に広がり、ロータ軸の周りを軸方向に再配置される。この形態では、各球体面それぞれの各球面インボリュートは、ロータ軸の周りを所定の回転値まで回転することができる。

本書にはさらに、第１の歯車ロータおよび対向する歯車ロータを具える傘歯車のペアが開示されている。この第１の歯車ロータおよび対向する歯車ロータはそれぞれ、複数の歯を具えている。一形態では、各歯車ロータは、各歯車ロータに同数の歯を具えている。一実施形態では、第１の歯車ロータから対向する歯車ロータへとトルクを伝達するために、第１のロータの１以上の歯は力を伝達する対向するロータの歯と接触し、第１のロータの別個の歯は、バックラッシュを取り除くために、対向するロータの歯と、所定の間隙を有して接する、あるいは締りばめで接触し、バックラッシュの除去およびトルクの伝達は、何れかのロータの同一の歯上では生じない。この実施形態は、第１の回転要素および第２の回転要素を具える機構に使用することができる。傘歯車のペアは、第１の回転要素と第２の回転要素の間の調時歯車として使用することができる。この傘歯車のペアは、歯車の歯がらせん変形を伴って形成されるように形成することができる。

図１は、球体の表面におけるインボリュート曲線構造の一実施形態の図である。 図２は、参考球体の外面から球体の中心に向かって延在する一連のインボリュート曲線構造によって規定（形成）された表面の一実施形態の図である。 図３は、球面インボリュート曲線の数学的処理を得るための幾何学的フレームワークの一実施形態を示している。 図４は、一連の延長したインボリュート曲線によって規定される表面の実施形態の図である。 図５は、一連の延長したインボリュート曲線によって規定される表面の実施形態の図である。 図６は、一連の延長したインボリュート曲線によって規定される表面の実施形態の図である。 図７は、ロータ間での最大ボリューム点におけるエクスパンダの一実施形態を示している。 図８は、シュラウド内側の図７のエクスパンダの部分断面図を示している。 図９は、複数のポンプロータの一実施形態を示している。 図１０は、最小ボリューム位置における図９のロータを示している。 図１１は、最大ボリューム位置における図９のロータを示している。 図１２は、ハウジング内において２組のロータを使用する、単一ローブのインボリュート圧縮機の一実施形態を示している。 図１３は、最大ボリューム点における単一ローブのインボリュート圧縮機の一実施形態を示している。 図１４は、最大ボリューム点付近における単一ローブのインボリュート圧縮機の一実施形態を示している。 図１５は、他の視角から見た図１４の単一ローブのインボリュート圧縮機の一実施形態を示している。 図１６は、最小ボリューム点付近における単一ローブのインボリュート圧縮機の一実施形態を示している。 図１７は、実質的に最小ボリューム点における単一ローブのインボリュート圧縮機の一実施形態を示している。 図１８は、最小ボリューム点付近における単一ローブのインボリュート圧縮機の一実施形態を示している。 図１９Ａ−１９Ｂは、らせん状インボリュートの単一ローブの涙型ロータの一実施形態を示している。 図２０は、６歯の長円耳型インボリュートの鋸歯状ロータアセンブリの一実施形態の表面を示している。 図２２は、１２歯の長円耳型インボリュートの鋸歯状ロータアセンブリの一実施形態の表面を示している。 図２２Ｂは、図２２の領域Ｂの詳細図を示している。 図２３は、バックラッシュが最小となるように設計された調時歯車の実施形態の係合面を示している。 図２４は、バックラッシュが最小となるように設計された調時歯車の１２のローブの実施形態の係合面を示している。 図２４Ｂは、図２４の実施形態の側面図を示している。 図２５は、４つのローブの実施形態の表面を示している。 図２５Ｂは、図２５の実施形態の側面図を示している。 図２６は、１２ ^０ の傘歯車における１０のローブの実施形態を示している。 図２７は、１０ ^０ のインボリュート歯車における１１のローブの実施形態の係合面を示している。 図２８は、１２のローブの実施形態を示している。 図２９は、他の実施形態よりも幅広のローブを有する、６のローブの実施形態の表面を示している。 図３０は、接触する２つのロータ表面の球面インボリュートが延長したらせん変形の実施形態を示している。 図３１は、接触する２つのロータ表面の球面インボリュートが延長したらせん変形の実施形態を示している。 図３２は、先行技術のロータとシャフトを示している。 図３３は、ロータの一部の詳細な断面図を示している。

直線が定円に沿って回転する場合、この線上の１点は（円の）伸開線と呼ばれる曲線を描く。円が定直線に沿って回転する場合、この円の外周上の１点はサイクロイドと呼ばれる曲線を描く。円が他の円に沿って回転する場合、この回転している円の外周上の１点は（回転している円が定円の外側を回転する場合は）外サイクロイドまたは（回転している円が定円の内側を回転する場合は）内サイクロイドと呼ばれる曲線を描く。外周上にない回転する円の点の全ての場合において、トロコイドと呼ばれる曲線を描く。

上記の曲線は全て、平面に直線と円を含んでいる。しかしながら、同じことを球体にも適用することができる。大円は平面上の直線と同様に対称性を球面上に有しているため、直線に相当する球体上の曲線は大円（球体を２つの均等な半分に分割する円）である。球体上では、“直”線もまた円である。球面上の円は球体の中心から円錐を形成する。すなわち、大円の場合、この円錐は実際には平らな円板である。これらの円錐や円板を利用して、球体で円上を回転する円を作り出すことができる。

このインボリュート形状は、インボリュートの基礎円錐の中心軸が共直線からオフセットしている場合に、２つのインボリュートが互いに同時に回転して接触する時の回転接触が近接していることを含む多くの利点を有している。本開示では、インボリュート曲線は、法線が縮閉線に接するように他の曲線すなわち縮閉線の周りに巻き付けられた糸の自由端によって描かれた曲線として規定されている。

本開示は、エネルギ変換装置に利用するインボリュートの幾つかの利用、さらには共直線からオフセットした軸を有するロータの調時歯車として利用される、むしろ、例えば参照により本書に援用される特許出願第１２／５６０，６７４（’６７４）号に記載されたようなインデクサとして利用される球面インボリュート曲線の利用を示している。さらに、エネルギ変換に使用される機構は、主な接触面の全てのセットが共直線からオフセットした軸で作用する球面インボリュート曲線から完全に構成され、図４−６に示すようにほぼ交差するように形成することもできる。これらの特定の図面では、外側の適切な“シュラウド”、さらには間隙または接触シールを有する適切な内側ボールについて常に図示されているとは限らない。参照により本書に援用される米国特許出願第１３／１６２４３６号（’４３６）は、同様のシュラウドを詳しく開示している。しかしながら、球面インボリュート形状からなる２つのロータを同時に回転させた場合、スクリュー型圧縮機と同様に、ロータの軸方向５６に通常は伝播する流動が得られる。涙型の形状が切断位置としてロータの分岐平面を利用して作成された、鋸歯状ローブ型のエネルギ変換装置も開示されており、これは参照により本書にも援用される特許第６，０３６，４６３号（’４６３）に示すエネルギ変換装置のローブと非常に類似している。用語「涙型（ｔｅａｒｄｒｏｐ）」は、涙型形状の放射状の外向きの縁部によって作られ、涙型の長軸を通る平面によって交差する曲線の一部として本書では使用されている。この涙型は、球面の表面上に位置する。しかしながら、本書には図３２として図示され、例として’４６３号特許から図７Ａを使用して、接触と荷重伝達を向上させる新規な方法を用いて、表面ＰＡ２６と同様の表面を形成することができる。以前の方法では、表面ＰＡ２６は、ローブ先端ＰＡ２７の縁部をローブ根元ＰＡ２９の縁部に接続することによって形成されていた。改善した方法では、この表面は、ローブ先端ＰＡ２７の縁部をローブ根元ＰＡ２９の縁部に球面インボリュート曲線の面で接続することによって形成される。この球面インボリュート曲線の表面は、複数の球面インボリュート曲線によって作られる。例として本開示の図２を利用すると、第１の球面インボリュート曲線５８は、ロータの外径に対応する外側の球面上に位置している。第２の球面インボリュート６０は、図９に示すようなロータの内側ボール８８または中空中心部に相当する球面上に位置している。第１のインボリュート曲線５８および第２のインボリュート曲線６０は、他の放射状の突出部である必要はなく、むしろ、それらは例えば異なるピッチを有しうる。第１のインボリュート５８および第２のインボリュート６０は、一実施形態では、接続面３３によって接続されうる。一形態におけるこの接続面３３は、無限数の同心球体の面に位置する無限数のインボリュート曲線から構成されると考えることができ、そのパラメータは外側曲線５８から内側曲線６０へと滑らかな推移を有する無限の球面インボリュートそれぞれを描く。一形態における適合するロータもまた、同様の滑らかな推移を有する表面を有していてもよく、これにより、第１のロータ上のインボリュート曲線の表面は、適合するロータのインボリュート曲線の表面と噛み合う。

この無限数のインボリュート曲線それぞれが、図３０および３１の実施形態に示すような接点量まで滑らかにクロック（clocked）され、各ロータ１１６／１１８にらせん状インボリュート面１１４を作り出すように、らせん変形を適用することもできる。らせん状インボリュート形状の利点は、機械騒音を緩和し、噛み合い率および強度を増加させるといった、らせん状傘歯車の利点と類似している。完全ならせん捩りよりも優れたらせん状球面インボリュートのロータを構築することも開示されており、このようなロータを利用して輻流特性が向上した装置（ポンプ、圧縮機、またはエンジン）を作り出すことができ、流体ボリュームは、輻流デバイスをもたらすらせんチャンバによって捕捉することができる。すなわち、流体の流れはロータ１１６／１１８の外径における入口から始まり、ロータが回転するとロータによって捕捉（圧縮／拡張）され、この流れは、放射状にらせん状ボリューム１２０を通って、ロータの中心に向かって誘導されうる。反対方向の流れは、らせん方向（ロータの形状）を変化させる、あるいはロータの回転方向を変化させることによっても生じうる。

インボリュート曲線の特定な形態は、球体の表面の円から、堅く引っ張りながら糸をほどいたときに、糸の先端が旋回した一連の点として描くことができる球面インボリュート２０であり、この円は球体の表面に内接している。図１はこの概念を図示しており、点３２は糸２２の先端であって、球面インボリュート曲線２８に沿った複数の点は、張られた糸２２により、解かれた様々な位置において作られている。一形態では、糸２２は、基礎円２６との接触点２４を形成する。一形態では、糸２２は直線ではなく、むしろ大円（球の原点３４に中心を有する円）である。球面インボリュート曲線２８を伴う図２は、共直線からオフセットしたロータの貫通シャフトのデザインを有するエネルギ変換装置に使用することができる調時歯車のような傘歯車に想定されるデザインを示している。

球面インボリュート形状の数学的構造を得るために、一方法では共通の中心点の周りの一連の回転ベクトルを利用する。図３はこの数学的構造を示しており、解かれている“糸（ｓｔｒｉｎｇ）”は、ｘ軸に位置合わせされた点Ｃｏにおいて解かれ始め、反時計方向に、むしろ右手の法則によってｚ軸の周りを正の回転方向に解かれると仮定する。“ｔ”は、基礎円上に位置する接点Ｃの角度位置を表すこととする。この接点は、糸ＧＣの点Ｐが基礎円から離れると、反時計方向に基礎円を旋回する。大円の弧長「ＧＣ」は点ＣｏとＣの間の基礎円の円弧の弧長と等しく、Ｓと表示される。基礎円２６を利用すると、弧長Ｓ＝ｒｔであり、ｒは基礎円２６の半径であって、ｔは図３に示す接点の角度である。基礎円錐の半分の角度が“ｇ”として図３に図示されており、右側の三角形ＯＶＣはｇ＝ａｓｉｎ（ｒ／Ｒ）であることを証明し、ｒ＝Ｒｓｉｎ（ｇ）またはｒ／Ｒ＝ｓｉｎ（ｇ）と書き換えることができ、ここでＲはインボリュートの球面の半径である。球状の三角形ＰＣＯについて、関係式Ｓ＝ＲＢと書くことができる。すなわち、半径Ｒを乗じた角度Ｂは弧長Ｓと等しい。Ｓ＝ｒｔとＳ＝ＲＢを組み合わせると、ｒｔ＝ＲＢまたはｒ／Ｒ＝Ｂ／ｔを得る。便宜上、一実施形態では、ｇについて角度Ｂを書いて開示されている。これを実現するため、ｒ／Ｒ＝Ｂ／ｔをｇ＝ａｓｉｎ（ｒ／Ｒ）に代入し、結果としてＢ＝ｔｓｉｎ（ｇ）となる。図３に図示された、共通中心点Ｏ周りのｘｙｚのカルテシアン座標における一連のベクトル回転は、一連のステップにおいて実行することができる。第１に、右手の法則を利用して、ｘ軸周りにＢだけベクトルＶ＝［０，０，Ｒ］を回転させる。第２に、ｙ軸周りにｇだけこの結果を回転させる。第３に、ｚ軸周りに角度“ｔ”だけ第２の結果を回転させる。以下は、一連の回転行列、および得られるカルテシアン座標における球面インボリュートのパラメトリック方程式である。

ここで、ｇ＝ａｓｉｎ（ｒ／Ｒ）であり、ｒは図３における基礎円２６の半径であり、Ｒは球面インボリュートが位置する球面３０の半径である。

ある形態での球面インボリュート曲線は、半径Ｒの球体上の２つの参照点の間の空間に及びうる。球面インボリュート曲線を適宜配置するために、ｚ軸周りに球面インボリュート曲線の任意の回転を適用する必要が絶対的にある。基礎円の半径を調整して、インボリュート曲線の“ピッチ”または傾きを制御することができる。角度位置“ｔ”は、インボリュートの始点および終点を制御する。ｔ値の範囲は、インボリュート曲線の終点を正確に制御するように選択することができる。球面インボリュートに結び付けることができる点には制限がある。例えば、インボリュート曲線の終点Ｐは、球体に内接する２つの基礎円、すなわちｚ軸に中心があり、ｘ−ｙ平面を中心に反射された基礎円の外側に位置することはできない。これらの基礎円の間に位置する点については、幾つかの点を球面インボリュート曲線と接続することは可能である。両方の点で接する状態を充足させることもできる。例えば、図３２を参照すると、図示されたローブの代わりにインボリュート曲線面のローブを作り出すために、第１の点は縁部ＰＡ２７が一端で球面と交差する位置として規定することができ、インボリュート曲線は縁部ＰＡ２９が球面と交差する点を通過するように作成することもできる。次いで、２つの点を接続する区分のみを利用して、残りのインボリュート曲線を捨て去る。インボリュート曲線がローブ先端の曲線から滑らかに移行する、あるいは２つのローブの間の根元で滑らかに移行するように、接する状態を充足させることもできる。

球面インボリュートの使用は、インボリュート面間の回転接触を向上させることによってロータ間の荷重伝達を著しく改善させることができると分かっている。図４の例では、接触点１６０、１６２、１６４、および１６６で接触しているロータが図示されている。図５および６では、ロータは、点１６８、１７０、および１７２で接触している。図７の実施形態では、点１８２で接触しているローブ１７８および１８０それぞれの涙型の表面１７４および１７６が図示されている。この実施形態では、点１８２は、擦っている、あるいは摩擦接触点であって、ロータがそれぞれの軸を中心に回転するときの回転接触点ではない。図１０の実施形態では、ローブ１８８および１９０それぞれのインボリュート曲線の面１８４および１８６は、ロータがそれぞれの軸を中心に回転するときに、点１９２で回転接触する。複数のローブがインボリュートとインボリュートの接触を有し（図１０に示す）、さらに負荷容量を増加させうるように、ローブを設計することができる。らせん変形を加えるとさらに、接触するローブの数を増加させることができる。

図７および８は、涙型形状の面１７４、１７６と交互の鋸状歯パターン３６のインボリュート面１９４、１９６の使用を図示しており、後方穴３８と、この実施形態では割れ目４６で分かれる第１の部分４２と第２の部分４４を具えているシュラウド４０とを有するガスエキスパンダとして、この場合は使用される。インボリュートの基礎円の直径は、ローブ先端４８、５０の両方に正確に接する球面インボリュートを作成するように調整され、この実施形態では、ローブ先端は円錐状の兎耳型であって、さらにローブの根元で正確に接する。

図９−１１は、交互の涙型形状と類似する形状を有するロータ５２／５４が有するインボリュート曲線の使用を図示しており、ポンプロータの実施形態では、シュラウド（図示せず）およびポート１９８を規定する面を通る後方のポートと共に使用される。図１１では、ボール８８上に機械加工された幾つかの円形フラット部９０も図示されており、ボールの周りにロータを容易に組み立てられるようにしている。このようなフラット部または凹部を有すると、ボール８８の周りにロータ５２、５４を“スナップ留め”する必要はなく、突出アセンブリの補正ができるように特別な脱着可能なスリーブを有する必要がなくなる。円形フラットが図示されているが、加工される移動留めは円形である必要も、フラットである必要もない。この移動留めは、１つのロータの中心球面がボール８８と接触し、対向するロータがボール８８との既定の隙間またはポジティブシールを有するように、ロータが通過するクリアランスを提供する。これらの図面では、インボリュートとインボリュートのクリアランスによる最小ボリュームにおいて形成されたクリアランスシール（所望であれば、任意にトルク伝達のために接触部として設計することもできる）、および図１１に示す最大ボリューム位置におけるローブ先端９２のクリアランスシールがあってもよいことが示されている。この特定の実施形態では、ローブ先端２００は丸形または円錐形の先端部ではなく、むしろ平ら又は非常に薄い長円形から構成され、シーリング間隙は長くて薄く、長くて薄い間隙を介する圧力低下は円錐のローブ先端の種類の短い間隙よりも大きいため、より優れたローブとローブのシールを提供する。最小ボリュームと最大ボリュームの間で、ローブとローブのシールに必要な中間シールはなく、したがって、図７に示す涙型形状ではなく、“アンダーカット（undercut）”２０２が図示されている。この実施形態は、内部圧縮が必要とされない場合に利用することができる。液体は比較的に非圧縮性であるため、例えば油または水をポンプする場合、このデバイスは内部圧縮を伴って正確に動作しない。図３３は、このようなアンダーカット２０２の一例を示している。

図１２−１８は、エネルギを変換するのに使用することができる、単一ローブの球面インボリュートのエネルギ変換装置９６の一例を示している。この実施形態の一形態は、空洞２０４を規定する面を通って後方に穴を開けることができる。一形態では、シュラウド９４を利用することができる。この実施形態は、必要に応じて著しく高い圧縮比を生じさせながら、図１７に示すような最小ボリューム点において殆どゼロの再循環（または、クリアランス）ボリュームを有するといった有用な利点を有している。図１３は回転時の最大ボリューム点を示し、図１４、１５、および１８は、回転時の中間ボリューム点を示している。この実施形態のロータ９８／１００は必ずしも回転バランスを取る必要はないが、ロータの外径１０６の周囲の材料を適切に除去することによって、簡単にバランスを取ることができる。

この実施形態では、２組のロータ９８／１００および１０２／１０４が、既に開示されたものと類似するボール部２０６を具えるハウジング１１０内の単一シャフト１０８に取り付けられて図示されている。シャフトを適切に位置合わせし、シャフトとハウジング間の摩擦を低減させるために、軸受セット１１２を使用してもよい。

図示のように、ロータの軸面間の実質的に回転接触する点２２４と、ロータの放射面が例えば図１８に示すように接触している場合に実質的に摺動接触する点２２６がある。

図１３−１８は、第１のロータ９８と第２のロータ１００とを具えるロータアセンブリを示している。この第１のロータはシャフト１０８周りの第１の回転軸を有し、球面に位置する係合球面曲線を有しており、第１のロータの係合曲線は複数の点によって規定される。各点は、第１のロータの係合曲線と接する方向を示す関連位置の微分ベクトルを有する。第１のロータの係合曲線に沿った各点における相対的な運動ベクトルについて、相対的な運動ベクトルは、第２のロータ１００に厳密に固定された座標系に対して調整された第１のロータの係合曲線上の各点の運動ベクトルとして規定され、これらの相対的な運動ベクトルは第２のロータに対する第１のロータの相対的な回転位置に依存する。

第２のロータは、第１のロータの軸との共直線からオフセットしたシャフト１０８周りの中心回転軸を有している。第２のロータは、第１のロータに対して所定の回転速度で回転する。さらに、第２のロータは、第２のロータの球面に位置する第２の組の係合球面曲線を有する第２の係合面を有しており、第２のロータの係合曲線を構成する複数の点は、第２のロータに厳密に固定された座標系上に調整される。これらの複数の点における各点は、２つのロータの特定の回転位置に相当する。第１のロータの曲線位置の微分ベクトルの１つが第１のロータの曲線の相対的な運動ベクトルの１つと共直線にあり、第１および第２のロータの曲線が同一直径の球面に位置し、さらに位置の微分ベクトルと相対的な運動ベクトルの座標が同一となる幾何学的位置に作られた各点は参照点を規定し、所与の球面上のこれらの点の軌跡は、２つのロータによって共有される球面上の第２のロータの係合曲線を特定する。この構造が各ロータ上に涙型の面２４４を規定し、これにより、涙型の表面におけるロータ間の接触は実質的にゼロクリアランスとなる。これらの図は単一ローブの実施形態である。この実施形態では、インボリュート曲線の面２４６は、ローブの涙型の面２４４の基部２４８をローブ先端２２６に接続している。

より簡単に言えば、一実施形態では、１つのロータの先端が対向するロータの軸との共直線からオフセットした軸の周りで回転すると、第１のロータのローブ先端が図１３−１８の場合では対向するロータの涙型形状をスクライブ（scribe）するが、これはローブ先端の位置およびローブ先端の形状に依存するものであり、スクライブされる形状は涙型でなくともよく、むしろ、より長円の形状または既出の段落に記載の数学的処理から得られる他の形状であってもよい。

らせん変形を表面に適用して、図１９および１９Ｂに示すデバイスのような輻流デバイスを作ることができる。この実施形態では、各ロータ２２８、２３０は軸２３２、２３４の周りをそれぞれ回転し、これらの軸は共直線にはなく、同一平面上にもなく、点２３６において一般に交差する。既出の実施形態と同様に、ロータは移動する点２４０および２４２で接触しており、点２４０での接触は実質的に摩擦接触であり、点２４２での接触は実質的に回転接触である。

分岐面からオフセットしている面が図示されており、長円の面と併せて使用される球面インボリュートを示している。ここでローブの半分はインボリュートであり、ローブ先端は非常に薄い長円形を用いて形成されている。薄くて長い長円形先端により、更なる強度が加わった、より薄いローブが可能となる。図２０、２１、および２２は、平らな長円形の兎耳型を有するローブを示している。得られるローブは、平らな兎耳型のデザインの結果として比較的厚みがある。

図２０に図示された面２０８、２１０は、シュラウドを有する、あるいはシュラウドを有さない圧縮機、エクスパンダまたは他のエネルギ変換装置に使用することができ、後方を通るローブを有することもできる。しかしながら、これらの面を利用して、バックラッシュを制御した調時歯車または“インデクサ”の形状を形成することもできる。例えば、一形態に示す実施形態は１：１の速度比で動作するため、図２０に示す実施形態は、特許出願’６７４の図１３において符号１３２および１５８に示すインデクサと直接置換することができる。滑らかな連続運転を向上させるため、更なるらせん変形を、特許出願’６７４の図６８Ａ−６８Ｃのように、図２０に示すデザインに適用することができる。このようなインデクサは、例えば、油潤滑と共に動作するであろうと考えられるため、２つの目的を果たすこともでき、オイルポンプ、または補助的なエネルギ変換装置としても機能しうることに留意されたい。

歯車では、駆動ギアの荷重方向が反転する場合に、反転する駆動歯車からの力を被駆動歯車が受ける前に近接しているべき２組の歯車の歯の間に存在する隙間として、バックラッシュが多くの場合は説明される。これは、ラッシュ・オア・プレイ（lash or play）とも称される。非常に正確な動作を必要とする機械の調時歯車について、バックラッシュを最小限にすることは重要である。バックラッシュが特定の隙間となる、あるいは割歯車とスプリングを利用するように設計することができ、前負荷を伴うゼロバックラッシュを実現することもできる。

図２３および２４は、最小限のバックラッシュに設計されうる調時歯車６２／６４を図示している。これらの歯車は、著しいスラスト荷重を引き受けるようには設計されておらず、むしろトルク伝達用に設計されている。これら２つの図面では、調時歯車６２／６４は異なるピッチ直径７０／７２を有し、さらに各歯車の歯６６／６８の数は、反直感的に同一である。同一の歯の数を有していることにより、このようなインデックス歯車を用いて、１：１の速度比を有するエネルギ変換装置を製造することができる。特許出願’６７４の図６８Ａ−６８Ｄに示すインデクサのように、不均一な速度比を必要とするエネルギ変換装置のインデクシング機構では、同一ではない歯車の歯の数を利用して、必要とされる速度比を作り出すことができる。球面インボリュート曲線を利用するインデクサ（調時歯車）は、シャフト７４／７６の周りを均一または不均一な速度で動作することができる。このインデクサは、バックラッシュ制御を有する、あるいは有していなくともよい。これらのエネルギ変換装置については、トルクがしばしば一方向に十分高く、流体圧力がロータ間の隙間７８を一定に保つことができるため、バックラッシュ制御は必ずしも常に必要ではない。あるいは、駆動シャフトの端部におけるトルクは、最小クリアランス点において、インボリュートの調時歯車が対向する歯車との接触を維持する程度に大体は十分高いと想像できる。他の実施形態では、性能の問題が生じないように、実質的に常に接触している。

１つの歯の両側が対向する歯車と近接する、あるいは接触するように、十分に幅が広い１つの歯を使用することにより、バックラッシュは一般に軽減される。図２４の実施形態では、バックラッシュは実際に幾つかの離れた歯で除去され、むしろ、トルクを伝達する接触は、ロータの面２５６および２５８が軸２５２および２５４の周りを回転方向２５０に移動すると、バックラッシュを取り除く（複数の）点２１４から離れた１または２つの歯における点２１２において生じる。点２１４においてバックラッシュを取り除く歯は、ロータの表面２５８に対して矢印２５０に示す方向と反対にロータの表面２５６が回転するのを制御または緩和する。このような逆の相対的な回転は、バックラッシュと規定される。

球面インボリュート形状を利用するインデクサ（または、調時歯車）の更なる例が、図２５−２９に図示されている。これらの図面は、異なるピッチ直径を有するにもかかわらず１：１の速度比を有する、インデックス歯車８０／８２の一方向トルク設計の異なる実施形態を示している。インボリュート歯車が１：１の速度比で接触するのを維持するため、歯車８０の基礎円の直径２６は、第２の歯車８２の形状を作り出すために使用された基礎円の直径と同一にすべきである。１：１とは異なる速度比については、基礎円は一般に同等ではなく、必要な速度比と等しい比率を有する。

図２６は、１２ ^０ の傘歯車２６０、２６２を有する１０のローブの実施形態の係合面を示している。

図２７は、１０ ^０ のインボリュート歯車２６４、２６６を有する１１のローブの実施形態の係合面を示している。

図２８は、１２のローブ２７２、２７４を有するロータ２６８、２７０を伴う実施形態を示している。

図２９は、他の実施形態よりも幅広のローブを有する、６のローブの実施形態の表面２７６、２７８を示している。

図４および５は、（ほぼ）交差し、共直線からオフセットし、１：１の速度比で回転する軸を有する、ロータ８４、８６の外周全体の周りで互いに噛み合っている２つのロータを示している。同時に回転する、外側のシュラウド、内側のボール、およびデバイスの前方２１６および後方２１８における適切なポートを想像してみると、延在する球面インボリュートの表面２２０、２２２は、例えば、圧縮機またはエクスパンダに使用することができる。図示された表面は、球面の共通原点へと内側に向かうインボリュートの球状放射突出部によって作られている。ロータは、これに限定される必要はない。例えば、図３０および図３１に図示されているようならせん変形をさらに適用することもできる。これらの２つの図面では、噛み合い面１１４は非常に薄いように図示されているが、動作において適切な厚さが与えられうる。

円形の基礎曲線を上記では使用しているが、他の形状の縮閉線を利用することもできる。例えば、ピーナッツ型の基礎円錐を利用して、他の種類のインボリュート曲線／表面を得ることもできる。

本発明は幾つかの実施形態の記載により図示され、例示的な実施形態が詳しく説明されているが、添付された特許請求の範囲をこのような詳細に制限する、あるいは限定することを本願出願人は意図していない。添付された特許請求の範囲内に収まる更なる利点や改変は、当該技術分野における当業者には明らかである。したがって、広範な態様での本発明は、特定の詳細事項、代表的な装置や方法、および図示され説明された例示に限定されない。したがって、出願人の概括的な概念の精神または範囲を逸脱することなく、このような詳細事項から離れることができる。

Claims (17)

1. デバイスにおいて：
   ａ．第１のロータ（５２）および第２のロータ（５４）を具え；
   ｂ．前記第１のロータ（５２）および前記第２のロータ（５４）の回転軸が共直線からオフセットし、交差しており、
   ｃ．各ロータは：
   ｉ．半径Ｒの球外面と；
   ｉｉ．第１の外周側部および第２の外周側部を有する少なくとも１のローブ（１７８、１８０）を有し；
   ｉｉｉ．各ローブの前記第１の外周側部が、少なくとも１の球面インボリュート曲線から形成された曲面（１８４、１８６）であり；
   ｉｖ．カルテシアン座標における前記球面インボリュート曲線が、次のマトリックス乗算で表されるパラメトリック曲線で規定され；
   

   

   ｖ．式中のｔは、前記パラメトリック曲線のパラメータであり；
   ｖｉ．ｇ＝ａｓｉｎ（ｒ／Ｒ）であり；
   ｖｉｉ．ｒは、球面インボリュートの基礎円の半径であり；
   ｖｉｉｉ．Ｂ＝ｔ^＊ｓｉｎ（ｇ）であり；
   ｉｘ．前記両ロータ（５２、５４）のすべての外周上の周りで、前記第１のロータ（５２）のローブ（１７８）が前記第２のロータ（５４）のローブ（１８０）と噛み合うことを特徴とするデバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスにおいて、前記第１のロータ（５２）の各ローブ（１７８）の第１の外周側部が、前記第２のロータ（５４）の関連するローブ（１８０）の第１の外周側部と接触することを特徴とするデバイス。
3. 請求項２に記載のデバイスにおいて、前記第１のロータ（５２）の各ローブ（１７８）の第２の外周側部が、前記第２のロータ（５４）の関連するローブ（１８０）の第２の外周側部と接触することを特徴とするデバイス。
4. 請求項２に記載のデバイスがさらに、前記ローブ（１７８、１８０）の第２の面にアンダーカット（２０２）を具えていることを特徴とするデバイス。
5. 請求項２に記載のデバイスにおいて、各ローブの前記第２の外周側部が、対向する前記ロータ（５２、５４）のローブ先端との接触または間隙を維持するように、ローブの先端から涙型の曲線で形成された曲面であることを特徴とするデバイス。
6. 請求項２に記載のデバイスにおいて、前記ローブの第２の外周側部が、対向するローラの前記第２の外周側部と接触することを特徴とするデバイス。
7. 請求項１に記載のデバイスにおいて、前記第１のロータ（５２）の各ローブ（１７８）の第１の外周側部と前記第２のロータの関連するローブ（１８０）の第１の外周側部との間に隙間が維持されるように、前記第１のロータ（５２）の各ローブ（１７８）の第１の外周側部が前記第２のロータの関連するローブの第１の外周側部と接触しないことを特徴とするデバイス。
8. 請求項１に記載のデバイスにおいて、前記両ローブ（１７８、１８０）の第１の外周側部および第２の外周側部の双方が、球面インボリュート曲線から構成されることを特徴とするデバイス。
9. 請求項１に記載のデバイスがさらに：
   ａ．ハウジング（１１０）を具えており、当該ハウジング（１１０）は、前記第１のロータ（５２）の外径とハウジング（１１０）の内径の間に所定の間隙を有し、
   ｂ．前記ハウジング（１１０）は、前記第２のロータ（５４）の外径と前記ハウジング（１１０）の内径の間に所定の間隙を有し、
   ｃ．前記第１のロータ（５２）のローブ（１７８）の第１の外周側部と前記第２のロータ（５４）のローブ（１８０）の第１の外周側部の間に変化する間隙を具えていることを特徴とするデバイス。
10. 請求項９に記載のデバイスがさらに：
    ａ．前記第１のロータ（５２）および前記第２のロータ（５４）を取り囲むシュラウド（４０）を具えており；
    ｂ．前記シュラウド（４０）は、前記第１のロータ（５２）および前記第２のロータ（５４）の外径と接触し、
    ｃ．前記シュラウド（４０）は、前記第１のロータ（５２）および第２のロータ（５４）と共に回転し；
    ｄ．前記シュラウド（４０）は、前記ハウジング（１１０）内に配置されることを特徴とするデバイス。
11. 請求項９に記載のデバイスがさらに、
    ａ．前記第１のロータ（５２）および第２のロータ（５４）の回転軸が交差する共通中心を中心とした、実質的に球状のボール（８８）と、
    ｂ．少なくとも一方のロータ（５２、５４）の内側球面と前記ボール（８８）の外径の間の間隙とを具えていることを特徴とするデバイス。
12. 請求項９に記載のデバイスにおいて、少なくとも一方のロータ（５２、５４）が、当該ロータ（５２、５４）の後面を通って移動する流体の入口および／または出口を具えていることを特徴とするデバイス。
13. 請求項９に記載のデバイスにおいて、球面インボリュートから生成された面の数が、１つのロータ（５２、５４）につき１つであることを特徴とするデバイス。
14. 請求項９に記載のデバイスにおいて、各ロータのローブの球面インボリュート曲線がらせん状の形状を有し、この表面がほぼ３６０度、３６０度またはそれを超えてロータの周囲に広がり、ロータが回転する際に実質的に軸方向の流体動作を生じさせることを特徴とするデバイス。
15. 請求項１４に記載のデバイスにおいて：
    ａ．前記球面インボリュート曲線が、３６０度を超えて前記ロータの周りに広がり、
    ｂ．前記ローブがひれ部を形成し；
    ｃ．前記ひれ部の両側が球面インボリュートの面から構成され；
    ｄ．前記第１のロータのローブのひれ部が、前記第２のロータのローブのひれ部と係合することを特徴とするデバイス。
16. 請求項１４に記載のデバイスにおいて、球面インボリュートのローブの面がらせん変形（図３０、３１）を有しており、前記ローブの面を構成するそれぞれの球面インボリュート曲線が、共通中心部から外側に広がっていることを特徴とするデバイス。
17. デバイスにおいて：
    ａ．第１のロータ（５２）および第２のロータ（５４）を有し、
    ｂ．前記第１のロータ（５２）と前記第２のロータ（５４）の軸が、共直線からオフセットし、交差しており、
    ｃ．各ロータが：
    ｉ．半径Ｒの球外面と；
    ｉｉ．第１の外周側部および第２の外周側部を有する少なくとも１のローブ（１７８、１８０）と、を有し
    ｉｉｉ．各ローブの前記第１の外周側部が、少なくとも１の球面インボリュート曲線で形成された曲面であり；
    ｉｖ．前記球面インボリュート曲線が、パラメトリック曲線によるカルテシアン座標において以下の式で規定され；
    

    

    ｖ．式中のｔは、前記パラメトリック曲線のパラメータであり；
    ｖｉ．ｇ＝ａｓｉｎ（ｒ／Ｒ）であり；
    ｖｉｉ．ｒは、球面インボリュートの基礎円の半径であり；
    ｖｉｉｉ．Ｂ＝ｔ^＊ｓｉｎ（ｇ）であり；
    ｉｘ．前記両ロータ（５２、５４）のすべて外周の周りで、前記第１のロータ（５２）のローブ（１７８）が前記第２のロータ（５４）のローブ（１８０）と噛み合うことを特徴とするデバイス。

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