JPH0733775B2

JPH0733775B2 - 回転機械

Info

Publication number: JPH0733775B2
Application number: JP1290584A
Authority: JP
Inventors: 二郎吉田
Original assignee: 二郎吉田
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1989-11-08
Publication date: 1995-04-12
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH03151523A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は流体ポンプやエンジン等の回転機械に関するも
のである。

［従来の技術］従来、流体の圧送手段や機械の動力源として、流体ポン
プやエンジン等の回転機械が用いられている。

そして、例えば、動力源として用いられているエンジン
としては、シリンダ内を摺動するピストンの往復運動
を、クランクシャフトによって回転運動に変換するよう
にした、いわゆるレシプロエンジンと、ロータハウジン
グ内で偏心回転させられるロータよって偏心軸を回転さ
せて回転力を得るようにした、いわゆるロータリーエン
ジンとが知られている。

後者のロータリーエンジンは、前者のレシプロエンジン
に比べて構造が簡単である点において有利とされてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ところで、前述したロータリーエンジンにおいては、ロ
ータが偏心回転運動を行うことから振動が発生し易いと
いった問題点があり、また、その構造上、３個の燃焼室
しか形成できないといった制約がある。

さらに、前記ロータの複雑な回転運動を正しく行わせる
ために、前記ロータにリングギヤを設け、このリングギ
ヤをロータハウジングに設けたステーショナリギヤに噛
合させるようにしているが、この噛合部において機械損
失が発生し、エンジンの効率低下を招いてしまうといっ
た問題点をも有している。

本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされ
たものであり、ロータの回転に伴う振動の発生を抑制す
るとともに、機械損失を軽減でき、また、気密室の数を
任意に設定できる回転機械を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］本発明は、前述した課題を有効に解決し得る回転機械を
提供せんとするもので、特に、次の構成を有することを
特徴とする。

すなわち、ハウジングと、このハウジング内に形成され
た中空部内の定位置に、軸線回りに回転自在に装着され
たロータと、このロータに半径方向に摺動自在に装着さ
れるとともに、前記ハウジングの内周面に摺接させられ
て、前記中空部内を前記ロータの回転方向に分割して複
数の気密室を形成する仕切り板と、前記ハウジングに形
成されて、前記中空部の内部と外部との連通をなす流体
吸込口および流体排出口とを備え、かつ、前記ハウジン
グの内周面形状が、前記ロータの回転軸線を中心とし
た、次の式の平面極座標ｆで示され、前記複数の仕切
り板の摺動方向の長さの総和Ｄが、次の式で示される
長さに形成されている。

ｆ（θ）＝a₁＋a₂（１＋cosθ） …… Ｄ＝ｎ（a₁＋a₂） …… 但し a₁;ロータの半径（定数）、a₂;ハウジングの内周面を定
義する定数、 n;気密室の数θ；ロータの回転軸線を中心とした該中心
周りの角度（０≦θ≦２π）。

［作用］上記式中の項a₁は、図６の（Ａ）に示すように、角度
θの変化に依存しない一定値をとるため、半径a₁の円と
なる。上記式中の項a₂（１＋cosθ）は、図６の
（Ｂ）に示すように、角度θの変化に依存して変化する
変数となり、角度を０度から360度まで変化させると、
曲線の形状はカージオド曲線と呼ばれるハート形の曲線
となる。ここで、図６の（Ｂ）に示したように、回転中
心（原点）Ｏを通り、かつ任意の角度θを持った直線と
前記カージオイド曲線との交わる線分5bの長さをＬとす
ると、Ｌ＝a₂（１＋cosθ）＋a₂（１＋cos（θ＋π））＝a₂（１＋cosθ）＋a₂（１＋cosθcosπ−sinθsin
π）＝a₂（１＋cosθ）＋a₂（１−cosθ）＝2a₂ となり、Ｌはθに関係なく、一定となる。したがって、
式を満たすことにより、図６の（Ｃ）に示すように、
線分（仕切り板）５の長さはθに依存しない。なお、図
６の（Ｃ）は、曲線（ハウジングの内周面形状）2a内が
一枚の仕切り板5bで２つの気密室に形成されているの
で、仕切り板の長さを２（a₁＋a₂）＝Ｄとする。

上述のように、本発明に係わる回転機械は、ロータ形状とハウジングの
内周面形状とを前記式の関係とすることにより、ロー
タの外周面とハウジングの内周面との間に、ロータ周方
向に漸次拡大したのちに減少する中空部が形成される。

しかも、ロータの回転中心を通りかつハウジングの内周
面に囲まれた線分５（図６の（Ｃ）参照）の長さは、前
記θに係わらず一定になるので、前記ロータに設けた仕
切り板の長さの総和を、前記式によって示される条件
の下に設定することにより、ロータの回転位置に拘わら
ず前記仕切り板の端部がハウジングの内周面に常時接触
状態に保持される。

したがって、前記中空部が仕切り板によって複数の気密
室に区画されるとともに、この気密室の容積が、ロータ
の回転に伴って漸次増加させられたのちに減少させられ
る。

したがって、容積が増加方向にある気密室を流体吸入口
へ連通させることによって、この気密室内に流体を充填
させ、そののちに気密室の容積が減少させられることに
より、吸入された流体が圧縮される。

そして、ポンプとして用いる場合には、この容積が減少
方向にある気密室を流体排出口へ連通させることによ
り、流体を圧縮しつつ外部へ圧送することが可能とな
る。

また、エンジンとして用いる場合には、混合気を圧縮し
きったところで着火し、再度容積が増加する状態へ移行
させられる過程で膨張させ、そののちの容積減少の過程
で、前記気密室に流体排出口を連通させることにより、
排気が行われて４サイクルエンジンの全工程が完結され
る。

このような動作に際して、ロータは同一の回転軸回りに
回転させられる。

［実施例］以下、本発明の一実施例について、図面に基づき説明す
る。

第１図中、符号１は本実施例に係わる回転機械としての
エンジンを示し、ハウジング２と、このハウジング２内
に形成された中空部３内に、回転中心を符号Ｏで示す定
位置に保持して回転自在に装着されたロータ４と、この
ロータ４に半径方向に摺動自在に装着されるとともに、
前記ハウジング２の内周面2aに摺接させられて、前記中
空部３内を前記ロータ４の回転方向に分割して複数の気
密室3a・3b・3c・3dを形成する複数の仕切り板５と、前
記ハウジング２に形成されて、前記中空部３の内部と外
部との連通をなす流体吸入口６および流体排出口７とを
備えた概略構成となっている。この実施例では、ロータ
４はハウジング２に内装しているが、これに限定されな
い。

次いで、これらの詳細について説明する。

前記ハウジング２の内周面2aの形状は、前記ロータ４の
回転軸線Ｏを中心とした、次の式の平面極座標ｆ
（θ）で示され、ハウジングの内周面2aは、円とカージ
オイド曲線とを加えた形の１つの曲線で表される。

ｆ＝a₁＋a₂（１＋cosθ） …… 但し、a₁;ロータの半径（定数）、a₂;ハウジング内周面
を定義する定数、θ；ロータの回転軸線を中心とした該
中心周りの角度（０≦θ≦２πの範囲内にある変数）図４の模式図に示すように、ロータ４とハウジングとを
前記式の関係とすることにより、ロータ４の外周面と
ハウジングの内周面2aとの間に、ロータ周方向に漸次拡
大したのちに減少する中空部が形成される。図４には各
変数や定数を付記してある。変数θが０度から360度ま
で変化することによって、ハウジング形状は決定され
る。

また、前記複数の仕切り板５は、本実施例においては、
図５に示すように、中央一端側に矩形状の切り欠き20を
それぞれ形成された平面視凹型板状のものであり、それ
ぞれの切り欠き20がはまり込むようなかたちで直交して
設けられている。これにより、前記２枚の仕切り板５
は、前記中空部３を４つの気密室3a・3b・3c・3dに区画
し、かつ、全仕切り板５の摺動方向の長さの総和Ｄが、
次の式で示される長さとなされている。

Ｄ＝ｎ（a₁＋a₂） …… n;気密室の数。

上記式は、図４に示した２枚の仕切り板５が直交する
ように設けられている場合（気密室数が４）において、
次の計算式から導出したものである。Ｄ＝２〔2a₁＋a₂
（１＋cosθ）＋a₂｛１＋cos（θ＋π）｝〕＝４（a₁＋
a₂）なお、参考のために、仕切り板が60度（１π/3）で交わ
るように３枚設けられる場合（気密室数が６）には、Ｄ
＝２〔3a₁＋a₂（１＋cosθ）＋a₂｛１＋cos（θ＋２π/
3）｝＋a₂｛１＋cos（θ＋４π/3）｝〕＝６（a₁＋a₂）
となり、やはりＤはθに依存されない。

この式と前記式の関係から、前記各仕切り板５は、
その両端部が、ロータ４の回転位置に拘わらず、前記ハ
ウジング２の内周面2aに常時接触した状態に保持され
る。

これによって、前記気密室3a・3b・3c・3dの気密性が保
たれる。

これらの各仕切り板５は、前記ロータ４に、半径方向に
沿いかつ回転軸線方向の一端部側において開放された、
相互に直交して形成された２つの摺動溝19内に摺動自在
に貫挿されている。

２枚の仕切り板５のうち１枚の仕切り板が直線AC上にあ
るとき、仕切り板５の切り欠き20（第５図参照）が第１
図のロータ４からはみ出さない必要条件は、a₁≧2a₂＞
０となる。なぜならば、a₁＜2a₂のとき、Ｅの部分で前
記切り欠きがロータ４からはみ出してしまい、気密室間
が密閉されなくなるからである。

なお、このときの圧縮比αは、面積比であることから、
以下の式により求めることができる。

そして、これらの仕切り板５は、第２図に示すように、
前記ロータ４の一端部にボルト８によって装着されたサ
イドプレート９により、ロータ４の回転軸線方向への移
動が規制されている。

前記流体吸入口６は、本実施例においては、第１図に示
すように、ロータ４の回転方向に90゜よりも若干狭い間
隔で形成され、かつ、前記流体排出口７も前記モータ４
の回転軸線Ｏを通る半径方向の線に対して線対称となる
ように形成されている。

そして、これらの流体吸入口６および流体排出口７の前
記ハウジング２の内周面側の端部には、ロータリバルブ
10・11がそれぞれ装着されており、後述する制御ユニッ
ト12によって前記ロータ４の回転位置等に基づき開閉さ
れるようになっている。

また、前記流体吸入口６は、その上流側において図示し
ない気化器へ連通され、また、前記流体排出口７は、排
気管を介して消音器へ連通されている（いずれも図示
略）。

前記制御ユニット12は、第１図に示すように、前記各ロ
ータリバルブ10・11に連結されて、これらを回転駆動す
る４個のステッピングモータ13と、前記ロータ４の回転
角度を検出するロータ角センサ14と、このロータ角セン
サ14からの検出信号に基づいて、前記各ステッピングモ
ータ13を駆動し、前記各ロータリバルブ10・11の開閉を
制御するCPU15とによって構成されている。

一方、前記ハウジング２の両側部には、第３図に示すよ
うに、このハウジング２の端部を全面に亙って気密に閉
塞するサイドカバー16が着脱可能に装着されており、ま
た、気密室３の容積が最も減少させられる位置に対応す
るハウジング２の周壁には、点火プラグ17が装着されて
いる。

この点火プラグ17は、点火装置（図示略）を介して前記
CPU15へ接続されて、前記ロータ４の回転角度に基づ
き、気密室３内の圧縮された混合気へ着火するようにな
っている。

さらに、前記ロータ４の両端部には、その回転軸線Ｏと
同軸となるように、出力軸18が設けられており、これら
の出力軸18は、前記各サイドカバー16を貫通して外部へ
突出させられており、ロータの回転力を回転機械外部に
伝達する役目を担っている。

次いで、このように構成された本実施例のエンジン１の
作用について、その一例を説明する。

まず、始動時においては、流体吸入口６は開放され、か
つ、流体排出口７は閉塞された状態に保持されている。

これより、始動装置により出力軸18を介してロータ４を
１回転させると、前記流体吸入口６に各気密室３が順次
連通させられることにより、その内部に混合気が吸い込
まれ、前記流体吸入口６を通過した気密室３においては
混合気の圧縮が行われる。

そして、前記混合気の圧縮が最大となされた気密室３に
対し、点火プラグ17による着火操作が行われ、この気密
室３内の混合気が燃焼爆発し、前記仕切り板５を介して
ロータ４に回転力が与えられる。

この着火操作は、ロータ４が１回転するまで、各気密室
３に対して連続して行われる。

また、最初の着火が行われた気密室３の前方に位置する
気密室３は、まだ、吸入行程にあるが、この吸入行程に
ある気密室３と爆発が行われた気密室３とを区画する仕
切り板５が、前記各流体吸入口６に至る直前に、前記各
ロータリーバルブ10が順次閉じる。

したがって、着火が行われた気密室３が、外部へ連通さ
せられることはなく、これによって、この気密室３内の
燃焼ガスの膨張作用によって、仕切り板５を介してロー
タ４にさらに回転力が与えられる。

一旦閉じられた流体吸入口６は、他の気密室13における
爆発、膨張が完了するまでその状態に保持される。

このようにして爆発、膨張が行われた気密室３の回転方
向前方に位置する仕切り板５が、前記流体排出口７を通
過した直前に、あるいは、その通過とともに、前記ロー
タリーバルブ11が回転させられて、膨張行程の終了した
気密室３が排気管へ連通され、さらなるロータ４の回転
によって気密室３の容積が減少させられることにより、
内部の燃焼ガスが気密室３から排出される。

この操作が、各気密室３に対して順次繰り返し行われる
ことにより、ロータ４が連続回転させられる。

そしてこのロータ４の回転は、前記出力軸18を介して他
の諸機器へ伝達される。

このように本実施例のエンジン１においては、ロータ４
の回転中に、その回転位置がハウジング２に対して一定
位置に保持されていることから、ロータ４の回転による
振動の発生が抑制される。

すなわち、従来のヴァンケル型のロータリーエンジンは
ハウジング内でローターは一点の周りを偏心回転運動
（遊星回転運動）しながら回転し、エキセントリックシ
ャフトにより回転を取り出している。これに対して、本
実施例では、重量の重いロータ４は回転中心Ｏが一定位
置（固定された）の回転運動のみを行い、質量の軽い仕
切り板５のロータ４に対する摺動により４サイクル工程
を行ってい発生が抑制される。また、仕切り板５が受け
た回転力をロータ４の回転力として直線外部に取り出せ
るため、エネルギー損失が少なくて効率のよいエンジン
を実現できる。

また、前記ロータ４は、このロータ４に設けられた出力
軸18を軸受け等を介して両サイドカバー16に支持させる
ことができるから、回転時の機械損失が大幅に軽減さ
れ、動力特性の向上が図られる。

なお、前記実施例において示した各構成部材の諸形状や
寸法等は一例であって、種々変更可能である。

例えば、前記実施例においては４つの気密室３に区画し
た例について示したが、この気密室３の数は、ロータ４
の回転方向に同一角度で区画すれば、２つ以上任意に設
定可能である。

また、吸入口ならびに排出口の開閉を行うバルブも、ロ
ータリバルブに限られるものではなく、ポペットバルブ
を用いることも可能である。

さらに、前記実施例においては、一回転毎に各気密室３
に対して吸気と排気とを行わせるようにした制御につい
て示したが、隣合う気密室３間において異なる制御を行
うことも可能である。

一方、前記実施例においては、エンジンとして用いた例
について示したが、点火プラグ17を除去して、流体吸入
口６および流体排出口７を開放状態としておき、出力軸
18を入力軸として回転をロータ４に与えることにより、
ポンプとしても用いることができる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明に係わる回転機械によれ
ば、次のような優れた効果を奏する。

ハウジングの内周面形状を、ロータの外周面とハウジン
グの内周面との間に、ロータ周方向に漸次拡大したのち
に減少する中空部が形成されるように設定し、仕切り板
の端部をハウジングの内周面に常時接触状態にすること
により、気密室の密閉性が保持される。従って、１つの
ハウジング内において全ての工程（エンジンとして用い
る場合には、吸入・圧縮・膨張・排気工程）を完結する
ことができる。

ロータはハウジングに対する位置を定位置に保持された
状態で回転するので、ロータリーエンジンのようにロー
タが複雑な偏心回転運動を行わないので、ロータの回転
に伴う振動の発生を大幅に抑制することができる。

また、前記ロータの回転を直接取り出すことができ、か
つ、その支持を抵抗の少ない軸受け等によって行うこと
ができるので、機械損失を軽減して動力特性を向上させ
ることができる。

さらに気密室の数を任意に設定することができ、エンジ
ンとして用いた場合において、回転の円滑性が確保され
る。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の一実施例を示すもので、第１図は縦断
面図、第２図はサイドカバーのを取り外した状態の側面
図、第３図は正面図、第４図は図３の模式図、第５図は
仕切り板の斜視図、図６は本発明の原理を説明するため
の図である。１……エンジン（回転機械）、２……ハウジング、３……中空部、４……ロータ、 3a〜3d……気密室、６……流体吸入口、７……流体排出口。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングと、このハウジング内に形成さ
れた中空部内の定位置に、軸線回りに回転自在に装着さ
れたロータと、このロータに半径方向に摺動自在に装着
されるとともに、前記ハウジングの内周面に摺接させら
れて、前記中空部内を前記ロータの回転方向に分割して
複数の気密室を形成する仕切り板と、前記ハウジングに
形成されて、前記中空部の内部と外部との連通をなす流
体吸込口および流体排出口とを備え、かつ、前記ハウジ
ングの内周面形状が、前記ロータの回転軸線を中心とし
た、次の式の平面極座標ｆ（θ）で示され、前記複数
の仕切り板の摺動方向の長さの総和Ｄが、次の式で示
される長さに設定されていることを特徴とする回転機
械。ｆ（θ）＝a₁＋a₂（１＋cosθ） …… Ｄ＝ｎ（a₁＋a₂） …… 但し a₁;ロータの半径（定数）、a₂;ハウジングの内周面を定
義する数、n;気密室の数、θ；ロータの回転軸線を中心
とした該中心周りの角度（０≦θ≦２π）。