JP6655164B2 - 回転ベーン装置用ロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転ベーン装置に関し、より詳細には、回転ベーンエンジンまたは回転ベーンポンプに関するものであるが、これに限定されるものではない。本発明はまた、そのような回転ベーン装置に使用するのに適したロータアセンブリに関する。

回転エンジンおよび回転ポンプは当技術分野において周知である。この技術の１つの共通の実施形態は、径方向に外方向にそこから延びる複数のベーンを有するロータを使用し、ベーンはロータに対して径方向に変位可能である。より詳細には、回転ベーン装置上のベーンは、ロータのハウジングの内壁に沿って動きながら、ロータの内外に進行する。ベーンを外壁に向けて又は外壁に対して押し付けるために、遠心力またはばねが使用される。それらの延長状態において、これらのベーンは、ロータによって駆動されている間、ハウジング（またはシリンダ）の輪郭に適合する。変位可能なベーンは、これが配置されている円筒形ハウジングに対してずらして装着されたロータと組み合わせて使用され、その結果、ロータとハウジングとの間に変化する容積チャンバが形成され、チャンバの容積は、ロータがハウジングの内側で回転するときに変化する。

回転ベーンポンプの一般的な用途は、例えば、航空機またはトラック内の油圧流体圧縮および圧縮空気ポンプを含む。小型回転ベーンポンプは、飲料ディスペンサ、医療用分配ポンプ、船舶用エンジンのウォータポンプ、圧縮空気ドリルおよび多くの他の用途にも使用することができる。ポンプおよびベーンの製造に使用される材料は、炉の空気注入またはエンジンのターボ過給などの高温工業用途に合わせて改変することができる。回転ベーンポンプは、たとえば航空機用途、実験室真空システム、医療用途などの真空ポンプとしても作用し、また、空調システムからの冷媒を排出し回収するためにも作用する。回転ベーンエンジンもまた、当技術分野で知られている。

回転ベーン装置の効率を維持するためには、変位可能なベーンの端部とハウジング表面との間に良好なシールが必要とされる。ベーンに及ぼされる遠心力は、本質的に、ベーンの端部とロータハウジングの内面との間に良好で動的なシールが形成されることを確実にするのに寄与する。しかし、場合によっては遠心力が不十分であり、したがって、回転するベーンの外方向に向けられた付勢を増大させるためにばねを使用することが提案されている。しかし、ばねは時間が経つと摩耗し、ばね駆動されるベーンを組み込んだ回転ベーン装置の性能および信頼性に悪影響を与える。加えて、装置のメンテナンスも複雑になる。

必要とされる付勢をもたらすために、ばねの代わりに磁石を使用することが提案されている。これはうまく作用するが、特定の用途ではこの解決策にはいくつかの欠点が関連付けられる。たとえば、ロータのベーンおよびロータ本体の両方に磁石を装着する空間は限られているので、得ることができる最大磁束は、幾何学的制約によって使用できる磁石のサイズと数によって限定される。この欠点を克服する１つの方法は、出願人の同時係属中の出願である「Ｒｏｔａｒｙ Ｖａｎｅ Ｄｅｖｉｃｅ」と題する南アフリカ特許第２０１４／０３２９５号明細書（特許文献１）に示されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。この実施形態では、ロータ磁石が、ロータの本体内にベーンに隣接して配置され、従来技術の用途で知られているようにベーンスロットの下方で動作可能なようには配置されない。

既存の磁石ベースの解決策に関連するさらなる欠点は、ベーンが適切にサイズ設定された磁石を収容するのに適度な厚さでなければならず、したがってプロセスにおける貴重なチャンバ容積を占めることである。

また、既存のロータは、主に、磁石によって生成される磁束に干渉する強磁性材料から作られ、したがって、磁気付勢の効率を妨げる。

南アフリカ特許第２０１４／０３２９５号明細書

したがって、本発明の目的は、上記の欠点を少なくとも部分的に軽減する回転装置を提供することである。

また、本発明の目的は、既存の回転装置の有用な代替策となる回転装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、上記の欠点を少なくとも部分的に軽減する回転装置に用いられるロータを提供することである。

本発明の別の目的は、既存のロータの有用な代替策となる回転装置のためのロータを提供することである。

本発明によれば、回転装置に使用するのに適したロータであって、
複数の長手方向に延びる受け入れスロットを含み、受け入れスロットの径方向に内方向に配置された中空コアをさらに含む、円筒形ロータ本体と、
各ベーンが受け入れスロット内で摺動可能に配置可能である、複数のベーンとを含む、ロータにおいて、
ベーンが、ベーン内に配置されたベーン磁石と、ロータ本体の中空コアの内側に配置された対向するロータマグネットとを含む磁石装置によって、円筒形ロータから離れるように付勢されることを特徴とする、ロータが提供される。

少なくとも１つのベーン磁石が、各ベーンの動作可能な内側端部ゾーンに向かって配置されるように提供される。

好ましくは、少なくとも１つのベーン磁石は、中空コアに面するベーンの端部内に配置される。

少なくとも１つのロータ磁石が、ロータの中空コアの内側に配置されるように提供される。

好ましくは、複数のコア磁石が、中空コアの内側に配置される。

対向する極性を有する２つのロータ磁石が、２つの磁石がコアの内側で互いに離れる方向に強制されるように、コアの内側に配置されるように提供される。２つの磁石の結果、第１の磁気極性がコアの近位領域内に画定され、対向する極性がコアの遠位端部内に画定されるようになり得る。

好ましくは、コア内の２つのロータ磁石の各々が、機能的に単一の磁石を画定するために端と端をつなげて積み重ねられた個々の磁石のセットを備えるように提供される。

ロータ本体は、実質的に中実の円筒形構造の形態であってよく、受け入れスロットおよび中空コアが、中実の円筒形構造体内に設けられる。

中空コアの一方の端部は盲端であってよく、中空コアの対向端部は開放端であってよい。

ここでは、ロータは、中空コアの開放端を取り外し可能に閉鎖するためのプラグを含むことができる。

ロータ本体は、非磁性材料から作られるように提供される。

好ましくは、ロータ本体は、非鉄材料から作られる。

本発明のさらなる特徴は、中空コアと受け入れスロットとの間を延びる開口を提供する。

より具体的には、開口は、中空コアから受け入れスロットまで、より具体的には受け入れスロットのベースまで径方向に外方向に延びるように提供される。

少なくとも２つの開口が各受け入れスロット内に、特に各受け入れスロットのベース内に設けられてよく、各開口は、ロータの本体によって構成された遮蔽効果を限定するために、受け入れスロット内に配置されたベーン内側のベーン磁石の位置の近傍にある。

本発明の実施形態は、非限定的な例として、添付の図面を参照して説明される。
本発明の一実施形態による回転装置で使用されるロータアセンブリの分解斜視図である。 回転装置を形成するためにロータハウジング内に配置された、図１の組み立てられたロータアセンブリの斜視図である。 図２の回転装置の断面端面図である。 本発明によるロータアセンブリの別の実施形態の概略断面側面図である。

同じ番号が同様の特徴を示す図面を参照すると、本発明による回転装置の非限定的な例は、全体的に参照番号１０で示されている。

回転装置１０は、回転装置の一部を画定するように相補的なロータハウジング１２の内側に配置可能なロータアセンブリ１１を備える。回転装置の詳細設計は、装置が利用される特定の目的によって決定されるため、構成要素の詳細設計はさまざまになり得、重要なものではない。本発明の根底にある原理は、たとえば、特定の回転装置が径方向に変位可能なベーンを利用する限り、回転ポンプ、回転圧縮機および回転エンジンに応用することができる。

ロータ１１は、ロータ本体２０と、ロータ本体から変位可能に延びる複数のベーン３０とを備える。ロータ本体２０は、円筒形状であり、断面円形である。本体の長さおよび直径は、特定の用途に必要とされるシリンダ容量に依存する。複数の受け入れスロット２２が本体内に設けられ、円筒形本体の長手方向軸に平行に延びている。この特定の実施形態では、合計で６つの等間隔に離間された受け入れスロット２２が、ロータ本体２０の中心から径方向に外方向に延び、こうしてロータ本体２０を６つのセクタに分割する。
ロータ本体２０は、中空コア２５（またはボア）を有し、中空コア２５の一端は閉じた盲端２５．１であり、対向端部２６は環境に開放されているが、例えばプラグ５０によって選択的に閉じることができる。プラグ５０およびボアの開放端部２６は、たとえば、相補的に螺刻されてよい。したがって、シール可能な中央空洞がロータ本体２０の中心内に画定される。受け入れスロット２２は中空ボアまで延びず、受け入れスロット２２の底端は環状壁２８によって中空コアから分離されていることに留意されたい。開口２７が、この環状壁２８内に設けられ、この開口はボア２５から受け入れスロット２２まで径方向に外方向に延びる。開口２７は、（下記で論じる）ベーン磁石３３の近傍に配置され、環状壁２８の遮蔽効果を低減するように働き、それによってベーン磁石３３が露出される磁束を向上させる。ロータ本体２０は、ロータ磁石によって形成される磁場および磁束に対する本体２０の影響を低減するために、非鉄材料から作られる。

ロータ本体２０の中空コア２５の内側には、（ロータ内に配置された磁石を意味する）ロータ磁石２３が配置されている。２つの磁石、または代替的には各組が単一の磁石として機能する２組の磁石が、コア２５の内側に位置決めされる。磁石は、磁石のＳＮ軸が中空コア２５の長手方向軸と同軸であるように配向される。２つの磁石、代替的には２組の磁石は、同じ磁極が中空コア２５の近位ゾーンで互いに向かい合うように、したがって２つの磁石または磁石の組が互いに反発するように逆の配向にある。この例では、Ｎ極はコア２５の近位ゾーンに配置され、一方、Ｓ極はコア２５の対向する遠位端部に配置されている。この正味の効果は、組み合わせられたＮ極が中空コア２５の近位ゾーン内に形成され、２つのＳ極が中空コア２５の遠位ゾーンに形成されることである。この構成の利点は、ロータ磁石が受け入れスロットの各々に隣接して配置される実施形態より、磁束が著しく高くなり得ることである。ロータ磁石が中空コア内に収容される構成に関連する幾何学的制約が低減されるので、より多くかつより大きい磁石を使用することができる。前述したことはまた、ベーン磁石３３のサイズを小さくすることができることを意味し、これについては以下でより詳細に説明する。

各ベーン３０は、受け入れスロット２２の内側に嵌合するように構成され寸法決めされた材料のブロック３１の形態である。（ベーン内に配置された磁石を意味する）ベーン磁石３３は、使用時に受け入れスロット２２の内側に配置されるベーンの端部ゾーンに設けられ、より詳細には端部ゾーンの端面内に配置される。ベーン磁石３３およびロータ磁石２３は、ベーンをロータ本体から離れるように付勢するために、互いに対向するように構成される。ベーン３０の対向端部３２は、少なくとも部分的に弓形またはテーパにされており、使用時にロータハウジングの内壁１２．１に当接してシールを形成する。この構成の効果は、磁石が、ばねによって通常もたらされるものに機能的に類似する付勢力をもたらすが、ばねに関連するさらなる複雑さおよび信頼性の問題を伴わないことである。したがって、この磁石構成は、ロータとステータとの間に連続的かつ効率的なシールが形成されることを確実にするために、ベーンがロータハウジングに向かって連続的に付勢されることを確実にする。

一例では、たとえば図４に示す実施形態では、第２の組のベーン磁石３４が、各ベーン３０の近位ゾーン内に配置されるように設けられる。第２の組のベーン磁石３４の極性は、第２の組のベーン磁石３４がロータ磁石２３の内側端部の極性に対向するように、第１の組のベーン磁石３３の極性とは逆になる。これにより、ベーン３０に及ぼされる力が増大する。この実施形態では、さらに開口２７が、ロータ環状体２８の近位ゾーン内のロータ本体２０内に設けられる。

図４のロータ磁石の組ごとに４つの磁石が示されているが、４つの磁石は、末端Ｎ極（この場合は中空コアの近位ゾーン）および末端Ｓ極（この実施形態では、中空コアの遠位ゾーンにある）を有する単一の磁石として作用することが理解される。したがって、末端のＮ極およびＳ極を規定する限り、任意の数の磁石を（２つの単極の細長い磁石も）使用することができる。ロータ磁石の極性軸（磁石の磁極を通って延びる軸）がベーン磁石の極性軸に対して垂直であるという事実の結果、コアのほぼ全長を利用することができるため、中空コアの内側に磁束の増加した磁石を使用する能力がもたらされる。

この実施形態では、ロータ磁石は、
−非鉄ロータ本体を使用し、
−中空コア２５内に磁石を収容することによって、より大きな（すなわち、より強い）磁石および／またはより多くのロータ磁石を使用し、さらに
−開口２７を提供することにより、より強い磁束を生じさせる。

この磁束が強くなることにより、ベーン磁石３３の必要とされる磁束が小さくなり、したがってベーン磁石を小型化することができる。これは、ベーン３０の厚さを薄くすることができ、その結果、摩擦が低減され、より多くの段またはチャンバ（この場合は６つ）の使用も可能になることを意味する。

上記は本発明の一実施形態にすぎず、本発明の趣旨および／または範囲から逸脱することなく多くの変形が存在し得ることが、理解されよう。

Claims (10)

1. 回転装置に使用するのに適したロータであって、
   複数の長手方向に延びる受け入れスロットを含み、前記受け入れスロットの径方向に内方向に配置された中空コアをさらに含む円筒形ロータ本体と、
   各ベーンが受け入れスロットの内側で摺動可能に配置可能である、複数のベーンとを含む、ロータにおいて、
   前記ベーンが、前記ベーン内に配置されたベーン磁石と、前記ロータ本体の前記中空コアの内側に配置された対向するロータ磁石とを含む磁石装置によって、前記円筒形ロータから離れるように付勢されており、
   対向する極性を有する少なくとも２つのロータ磁石が、前記２つの磁石が前記コアの内側で互いから離れるように強制されるように、前記コアの内側に配置される、ロータ。
2. 少なくとも１つのベーン磁石が、各ベーンの動作可能な内側端部ゾーンに向かって配置される、請求項１に記載のロータ。
3. 少なくとも１つのロータ磁石が、前記ロータの前記中空コアの内側に配置される、請求項１または請求項２に記載のロータ。
4. 前記コア内の前記２つのロータ磁石の各々が、機能的に単一の磁石を画定するために端と端をつなげて積み重ねられた個々の磁石の組を含む、請求項３に記載のロータ。
5. 前記ロータ本体が、実質的に中実の円筒形構造の形態であり、受け入れスロットおよび中空コアが、前記中実の円筒形構造体内に設けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載のロータ。
6. 前記ロータ本体が、非磁性材料で作られる、請求項１から５のいずれか一項に記載のロータ。
7. 開口が、前記中空コアと前記受け入れスロットとの間を延びる、請求項１から６のいずれか一項に記載のロータ。
8. 前記開口が、前記中空コアから前記受け入れスロットのベースまで径方向に外方向に延びる、請求項７に記載のロータ。
9. 少なくとも２つの開口が、各受け入れスロット内に設けられ、各開口は、前記ロータの前記本体によって構成される遮蔽効果を限定するために、前記受け入れスロットに配置された前記ベーン内側のベーン磁石の位置の近傍にある、請求項７または８に記載のロータ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のロータを含む回転ベーン装置。

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