JPWO2012017820A1 - 流体回転機 - Google Patents

Abstract

部品点数を減らしてバルブ構造を簡略化し、流体の吸入及び吐出が行われる外部接続管路を減らすことで設置面積を減らすことが可能な流体回転機を提供する。両頭ピストン７，８を十字状に交差してシリンダ２１内に配置され、シャフト４に偏芯して連結するクランク軸５の両端に挿入組み付けられた第一，第二のバランスウェイト９，１０のみによって両頭ピストン７，８を含む回転部品間の回転バランス取りがなされており、シャフト４の回転によって両頭ピストン７，８がシリンダ２１内を直線往復運動する四ヘッドの流体回転機であって、各シリンダ室２５に対する流体の吸入動作と吐出動作の切り換えを行なうロータリーバルブ２３，２４が、シャフト４と同軸状にケース体３内に一体的に回転可能に組み付けられている。

Description

本発明は、例えば気送ポンプ、液送ポンプ、真空ポンプ、気送コップレッサー、多段圧縮機、流体モータなどの流体回転機に関する。

気送ポンプ、液送ポンプなどの流体回転機においては、クランク軸に連繋するピストン組の往復運動で流体の吸込みと送出しを繰り返すレシプロ駆動方式が主流であったが、一組の両頭ピストンを交差して配置してシャフトの回転によりクランク軸に連繋する両頭ピストンを内サイクロイドの原理により直線往復運動させることで流体の吸込みと送出しを繰り返す小型にしてストロークを伸ばしたロータリー式の流体回転機も提案されている（特許文献１参照）。

特開昭５６−１４１０７９号公報

上述した流体回転機において、例えば図２７に示す液送ポンプ５０１においては、両頭ピストンが摺動する４つのシリンダの各々に対してそれぞれ吸入口５０２，吐出口５０３が必要になり、更に図示していない例えば板ばね方式の吸気バルブ及び排気バルブが必要になる。このように部品点数が増えるうえに各吸入口及び吐出口に接続する管路（チューブ）を引き回す配管構造が煩雑になり、設置スペースも必要になる。

また、図２８に示すように、各シリンダ室５０４内に流体を吸込み動作若しくは吐出動作を行なう開閉バルブ５０５が板ばね方式である場合には、流体を吸入（吐出）するには、流体圧Ｆ１×流路Ａ断面積＞板ばねのばね力＋シリンダ室内で板ばねに作用する流体圧Ｆ０×板ばねのφＢ部表面積、となる構成にする必要があるため、バルブ開閉に要する流体の圧力損失が大きい。

本発明の目的は、低損失で部品点数を減らしてバルブ構造を簡略化し、流体の吸入及び吐出が行われる外部接続管路を減らすことで設置面積を減らすことが可能な流体回転機を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は次の構成を有する。
シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径ｒの第一仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第一クランク軸と、前記第一クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第一筒体と該第一筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第二仮想クランク軸を軸芯とする第二筒体が軸方向両側に連続して形成された偏芯筒体を備え、一方の第二筒体に第一両頭ピストンが他方の第二筒体に第二両頭ピストンが互いに交差したままシリンダ内に配置され、前記第一クランク軸を中心に半径ｒの第二仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、前記第一クランク軸の両端に挿入組み付けられた第一，第二のバランスウェイトと、を具備し、前記第一，第二バランスウェイトのみによって第一，第二両頭ピストン組の第二仮想クランク軸を中心とした第一の回転バランス、前記ピストン複合体の第一クランク軸を中心とする第二の回転バランス及び前記第一クランク軸及びピストン複合体の前記シャフトを中心とする第三の回転バランスがバランス取りされたまま当該シャフトの回転によって前記両頭ピストンが前記シリンダ内を直線往復運動する四ヘッドの流体回転機であって、各シリンダ室に対する流体の吸入動作と吐出動作の切り換えを行なうロータリーバルブが、前記シャフトと同軸状にケース体内に一体的に回転可能に組み付けられていることを特徴とする。

上記構成によれば、シャフトの回転によって両頭ピストンが直線往復運動して、シャフトと同軸状にケース体内に回転可能に組み付けられているロータリーバルブによって、各シリンダ室に対する流体の吸入動作と吐出動作の切り換えを行なわれる。よって、各シリンダ室に連通する吸入口及び吐出口に接続する配管を一つに集約することが可能になり、部品点数を減らしてバルブ構造を簡略化し、流体の吸入及び吐出が行われる外部接続管路を減らすことで設置面積を減らすことが可能になる。
また、クランク軸の両端に挿入組み付けられた第一，第二のバランスウェイトのみによって両頭ピストンを含む回転部品間の回転バランス取りがなされているので、回転による振動を抑えて損失を低減することができる。

尚、上述した両頭ピストンを十字状に交差してシリンダ内に配置され、シャフトの回転によって両頭ピストンが直線往復運動する構成は、シャフトを回転させると、当該シャフトを中心に半径ｒの第１クランク軸が回転し、当該第１クランク軸を中心に両頭ピストンが組み付けられたピストン複合体が回転することで、第一，第二両頭ピストンがシャフトを中心とする第２仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向（内サイクロイドの軌跡）に沿って直線往復運動を行なうことにより実現される。

また、前記ロータリーバルブは、流体の吸入用バルブと流体の吐出用バルブを備えていることを特徴とする。
上記構成によれば、ロータリーバルブは、流体の吸入用バルブと流体の吐出用バルブを備えているので、四ヘッドの流体回転機において、通常八箇所必要なバルブを最少で二箇所に減らすことが可能になる。

また、前記ロータリーバルブの外周面には周方向に溝幅が一部で異なる流路溝が形成されており、前記ケース体には前記流路溝と外部流路とを連通する第一の流路と前記流路溝とシリンダ室とを連通可能な第二の流路が形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、第一の流路を外部流路への吸入吐出用流路とし、ケース体内の流路を共用することで、配管を省略して構造を簡素化することができる。

また、前記ロータリーバルブは、クランク軸の両端部に挿入組み付けられた第一，第二バランスウェイトと一体に形成されており、前記流路溝はバルブ外周面に全周にわたって所定幅で形成された周溝に対して拡幅された拡幅溝を有し、当該拡幅溝はシャフトの軸方向に対して点対称に形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、ロータリーバルブの部品点数が少なく、ケース体にコンパクトに組み付けることができる。この場合、流路溝はバルブ外周面に全周にわたって所定幅で形成された周溝に対して拡幅された拡幅溝を有し、当該拡幅溝はシャフトの軸方向に対して点対称に形成されていると、拡幅溝による吸込若しくは吐出の切換え動作が正確に行なえる。

或いは、前記ケース体に回転可能に軸支された第一，第二バランスウェイトの一方側に流体の吸込み及び吐出用のロータリーバルブが一体に設けられており、前記バルブ外周面に全周にわたって所定幅で形成された周溝に対して拡幅された拡幅溝を有する一対の流路溝が併設されており、前記拡幅溝どうしは軸方向に互い違いとなるように相互補完的に形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、バルブ外周面に全周にわたって所定幅で形成された周溝に対して拡幅された拡幅溝を有する一対の流路溝が併設されており、拡幅溝による吸込若しくは吐出の切換えが行なえるうえに拡幅溝どうしは軸方向に互い違いとなるように相互補完的に形成されているとウェイトのバランスとりがしやすくなり、回転による振動を抑えて静音化を実現することができる。

本発明に係る流体回転機を用いれば、低損失で部品点数を減らしてバルブ構造を簡略化し、流体の吸入及び吐出が行われる外部接続管路を減らすことで設置面積を減らすことが可能になる。

流体回転機の斜視図である。 図１の一部切欠き断面図である。 図１の垂直方向断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、第一，第二ロータリーバルブの正面図及び斜視図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、図４Ａ及び図４Ｂの正面図、左側面図、背面図である。 図６Ａ〜図６Ｄは、第一ロータリーバルブの正面図、矢印Ａ−Ａ方向断面図、斜視図、垂直断面図である。 図７Ａ〜図７Ｅは、ケース体とシリンダの組み付け状態を示す斜視図、正面図、右側面図、矢印Ｂ−Ｂ断面図、矢印Ｃ−Ｃ断面図である。 図８Ａ〜図８Ｆは、第一ケースの斜視図、正面図、矢印Ｄ−Ｄ断面図、矢印Ｅ−Ｅ断面図、矢印Ｆ−Ｆ断面図、矢印Ｇ−Ｇ断面図である。 図９Ａ〜図９Ｅは、ロータリーバルブの回転による流体の吸込み動作と吐出動作の切換え動作説明図である。 図１０Ａ〜図１０Ｄは、ピストン位置応じた第一，第二ロータリーバルブの吸込吐出動作の移り変わりを示す模式図である。 図１１Ａ〜図１１Ｄは、ピストン位置応じた第一，第二ロータリーバルブの吸込吐出動作の移り変わりを示す模式図である。 流体回転機の分解斜視図である。 図１３Ａ〜図１３Ｄは、ケース体とシリンダの流路のつなぎ目にシール材を設けた一例を示す説明図である。 図１４Ａ及び図１４Ｂは、図１の垂直方向断面図、ケース体とロータリーバルブのシール構造を示す部分断面図である。 図１５Ａ及び図１５Ｂは、他例に係る圧縮性流体に用いられる第一，第二ロータリーバルブの正面図及び斜視図である。 図１６Ａ〜図１６Ｆは、図１５Ａ及び図１５Ｂの第一ロータリーバルブの正面図、左側面図、背面図、右側面図、矢印Ｉ−Ｉ断面図、斜視図である。 図１７Ａ〜図１７Ｄは、ピストン位置に応じた第一，第二ロータリーバルブの吸込吐出動作の移り変わりを示す模式図である。 図１８Ａ〜図１８Ｄは、ピストン位置に応じた第一，第二ロータリーバルブの吸込吐出動作の移り変わりを示す模式図である。 図１９Ａ〜図１９Ｄは、ロータリーバルブを第一，第二バランスウェイトの一方側に集約して設けた流体回転機の正面図、斜視図、矢印Ｊ−Ｊ断面図、ケース体とロータリーバルブのシール構造を示す部分断面図である。 図２０Ａ〜図２０Ｅは、第一ロータリーバルブの正面図、左側面図、背面図、右側面図、斜視図である。 図２１Ａ〜図２１Ｈは、ロータリーバルブとバランスウェイトを別部品とした場合の断面図、ロータリーバルブの斜視図、正面図、左側面図、矢印Ｋ−Ｋ断面図、分解正面図、分解左側面図、分解斜視図である。 他例に係る流体回転機の斜視図である。 図２２の一部切欠き断面図である。 図２２の垂直断面図である。 図２２の流体回転機の分解斜視図である。 図２６Ａ〜図２６Ｅは、シリンダの正面図、左側面図、上視部、矢印Ｌ−Ｌ断面図、斜視図である。 従来の流体回転機のバルブ構造を示す斜視図である。 吸入弁(開閉バルブ)の構造を示す説明図である。

以下、発明を実施するための一実施形態について添付図面に基づいて詳細に説明する。先ず、図１乃至図１５Ａ, 図１５Ｂを参照して一例として非圧縮性の流体に用いられる流体回転機、例えば液送ポンプについて説明する。
図１において、第一ケース体１と第二ケース体２とで構成されるケース体３にシャフト４（入出力軸）が回転可能に軸支されている。第一ケース体１と第二ケース体２とは、ボルト３ａにより四隅をねじ嵌合させて一体に組み付けられている（図１２参照）。このケース体３内には、図２に示すように、第一クランク軸５を中心に回転可能な偏芯筒体６（図３参照）と該偏芯筒体６に軸受を介して組み付けられた第一両頭ピストン７及び第二両頭ピストン８（以下、これらを「ピストン複合体Ｐ」という；図２参照）が十字状に交差して回転可能に収容されている。以下、具体的に説明する。

図３において、第一クランク軸５は、シャフト４の軸芯に対して偏芯して連結される。本実施形態では、シャフト４は、第一バランスウェイト９と一体に形成されている。尚、第二バランスウェイト１０側にもシャフトが形成されていてもよい。第一，第二バランスウェイト９，１０は第一クランク軸５の両軸端部に各々挿入組み付けられている。第一クランク軸５の両軸端部には軸方向にスリット５ａが各々形成されている。各スリット５ａには、第一クランク軸５と直交する向きにピン孔５ｂが設けられている。ピン孔５ｂの孔径はスリット５ａの幅より大きく、ピン孔５ｂはスリット５ａの一部に重なり合うように形成されている。第１クランク軸５の両端部に第１，第２バランスウェイト９，１０がピン孔９ａ，１０ａ（図４Ｂ，図５Ｂ参照）とピン孔５ｂとを位置合わせして嵌め込まれている。

図６Ａ, 図６Ｄにおいて、第一，第二バランスウェイト９，１０の軸部にはボルト孔９ｂ，１０ｂ（図示せず）及びピン孔９ａ，１０ａが各々設けられている。このピン孔９ａ，１０ａと第１クランク軸５のピン孔５ｂ（図３参照）を連通するように位置合わせして第１，第２バランスウェイト９，１０が第１クランク軸５に嵌め込まれ、ピン１１ａ（図３参照）を互いに連通するピン孔９ａ，５ｂに、ピン１１ｂ（図３参照）を連通するピン孔１０ａ，５ｂに各々嵌め込む。そして、ボルト孔９ｂ，１０ｂ（図示せず）にボルト１２ａ，１２ｂを各々嵌め込んでスリット５ａ及びピン孔５ｂの幅を狭めることで、ピン１１ａ，１１ｂが抜け止めされて第一，第二バランスウェイト９，１０が第一クランク軸５の両端部に一体に組み付けられる（図４Ａ, 図４Ｂ参照）。これにより、第１クランク軸５の両軸端部に連結する第一，第二バランスウェイト９，１０の軸直角方向の組み付け精度を向上させることができる。

図３において、第一バランスウェイト９に一体形成されたシャフト４は第一バランスウェイト９と第一ケース体１との間に組み付けられた第一軸受１３ａにより回転可能に軸支されており、第二バランスウェイト１０に形成されたシャフト４と同軸状に形成された軸部１０ｃと第二ケース体２との間に組み付けられ第二軸受１３ｂにより回転可能に軸支されている。第一，第二バランスウェイト９，１０は、例えば扇型などのブロック形状をしており（図４Ｂ参照）、シャフト４を中心として組み付けられる第１クランク軸５及びピストン複合体Ｐを含む回転部品間の回転バランスを取るために設けられている。
このように、第一，第二バランスウェイト９，１０の少なくとも一方にシャフト４が一体に形成されていると部品点数が少ないうえに、シャフト４と第１クランク軸５を結ぶ第１仮想クランクアームの長さを例えば第一，第二バランスウェイト９，１０の回転半径ｒにより調整して、シャフト４を中心として第一クランク軸５を軸方向及び径方向にコンパクトに組み付けることができる。

図３に示すように、第一，第二両頭ピストン７，８が互いに十字状に交差して第一クランク軸５を中心に回転する偏芯筒体６に組み付けられている。具体的には、偏芯筒体６は、回転中心となる第一クランク軸５が挿通する第一筒体６ａと、該第一筒体６ａの軸芯方向両側に第二筒体６ｂが各々連続して形成されている。第一筒体６ａには第一クランク軸５が嵌め込まれており、偏芯筒体６の回転中心となっている。また、第二筒体６ｂの軸芯は、第一クランク軸５（第一筒体６ａ）の軸芯に対して偏芯した第二仮想クランク軸（第二筒体６ｂの中心；図示せず）と一致するようになっている。

図３に示すように、第二筒体６ｂの内周側には内側軸受１５ａ，１５ｂが保持されており、外周側には外側軸受１６ａ，１６ｂが各々保持されている。内側軸受１５ａ，１５ｂは第１のクランク軸５を回転可能に支持している。また、第一，第二両頭ピストン７，８は外側軸受１６ａ，１６ｂを介して第二筒体６ｂに第二仮想クランク軸と軸直角方向に十字状に交差して嵌め込まれたまま回転可能に支持されている。

これにより、第一クランク軸５と第二仮想クランク軸を結ぶ第２仮想クランクアームの長さを第二筒体６ｂの回転半径ｒにより調整して、第一クランク軸５を中心として偏芯筒体６を含むピストン複合体Ｐを軸方向及び径方向にコンパクトに組み付けることができる。

また、図３において、第一，第二両頭ピストン７，８の長手方向両端部に設けられた第一ピストンヘッド部７ａ，第二ピストンヘッド部８ａにはリング状のシールカップ１７ａ，１７ｂ、シールカップ押さえ部材１８ａ，１８ｂが各々ボルト１９により組み付けられている。シールカップ１７ａ，１７ｂは、オイルフリーのシール材（例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂材等）が用いられる。シールカップ１７ａ，１７ｂの外周縁部にはピストン摺動方向に沿って起立部１７ｃが起立形成されている。流体回転機においては、起立部１７ｃは第一，第二ピストンヘッド部７ａ，８ａの摺動方向外側に向けて組み付けられる。

また、図１及び図２において、ケース体３（第一ケース体１及び第二ケース体２）の側面部（４面）に設けられた開口部２０には、シリンダ２１がボルト２２により組み付けられている。図２において、第一，第二両頭ピストン７，８は、シールカップ１７ａ，１７ｂ（起立部１７ｃ）によって、シリンダ２１の内壁面とのシール性を保ちながら摺動するようになっている。尚、シールカップ１７ａ，１７ｂは、他の回転部品に比べて回転質量が無視できるほど軽量であるため、第一，第二バランスウェイト９，１０によるバランス取りに影響を与えない。

図３において、各シリンダ室に対する流体の吸入動作と吐出動作の切り換えを行なう第一ロータリーバルブ２３（吐出バルブ）と第二ロータリーバルブ２４（吸込バルブ）が、シャフト４と同軸状にケース体３内に回転可能に組み付けられている。
具体的には、図４Ａ, 図４Ｂにおいて、第一ロータリーバルブ２３は、第一バランスウェイト９と一体に形成されており、第二ロータリーバルブ２４は第二バランスウェイト１０と一体に形成されている。第一ロータリーバルブ２３と第二ロータリーバルブ２４は第一クランク軸５の軸端側に形成されている。第一ロータリーバルブ２３は第一バランスウェイト９と、第二ロータリーバルブ２４は第二バランスウェイト１０と一体に形成されていると、部品点数が少なく、ケース体３にコンパクトに組み付けることができる。

第一ロータリーバルブ２３と第二ロータリーバルブ２４には、周方向に溝幅が一部で異なる流路溝が形成されている。具体的には、バルブ外周面に全周にわたって所定幅で形成された周溝２３ａ，２４ａ（図５Ｂ参照）に対して拡幅された拡幅溝２３ｂ，２４ｂが形成されている。図５Ａ，図５Ｃに示すように、拡幅溝２３ｂ，２４ｂはシャフト４の軸方向に対して点対称に形成されている。これにより、拡幅溝２３ｂ，２４ｂによる吸込若しくは吐出の切換え動作が正確に行なえる。

また、第１ケース体１，第二ケース体２には周溝２３ａ，２４ａと外部流路とを連通する第一の流路１ａ，２ａが形成され（図７Ａ, 図７Ｂ, 図７Ｅ、図８Ａ, 図８Ｂ, 図８Ｃ, 図８Ｅ参照)、拡幅溝２３ｂ，２４ｂとシリンダ室２５とを連通可能な第二の流路１ｂ，２ｂが形成されている（図３, 図７Ａ, 図７Ｂ, 図７Ｃ, 図７Ｄ，図８Ａ, 図８Ｂ, 図８Ｄ, 図８Ｆ参照）。第二の流路１ｂ，２ｂはシリンダ２１に設けられた連通孔２１ａ，２１ｂを通じてシリンダ室２５と各々連通するようになっている。
また、図６Ａ, 図６Ｄにおいて、周溝２３ａ，２４ａは第一ロータリーバルブ２３と第二ロータリーバルブ２４の全周にわたって形成されており、図６Ｂに示すように拡幅溝２３ｂ，２４ｂは、中心角で１８０°の周長の両端から流路半径Ｒ分だけ周方向に狭めた範囲で形成されている。

このように、例えば第一の流路を外部流路への吸入吐出流路とし、第二の流路を各シリンダへの流路として共用することで、配管を省略して構造を簡素化することができる。よって、図２に示すように四ヘッドの流体回転機において、通常八箇所必要なバルブを最少で二箇所に減らすことが可能になる。

次に、流体回転機の組立構成の一例について図１２を参照して説明する。
偏芯筒体６の第二筒体６ｂ内に内側軸受１５ａ，１５ｂを組み付ける。また、内側軸受１５ａ，１５ｂが組み付けられた第一筒体６ａの中心孔に第一クランク軸５を嵌め込む（図３参照）。また、第一，第ニピストンヘッド部７ａ，８ａにシールカップ１７ａ，１７ｂ、シールカップ押さえ１８ａ，１８ｂをねじ１９によって組み付けられた第一，第二両頭ピストン７，８を、第二筒体６ｂの外側に外側軸受１６ａ，１６ｂを介して十字状に交差するように嵌め込む。

また、第一クランク軸５の両端部に第１，第２バランスウェイト９，１０を嵌め込んで、ピン１１ａ，１１ｂをピン孔５ｂに嵌め込み、ボルト１２ａ，１２ｂを締付けて第一，第二バランスウェイト９，１０（第一ロータリーバルブ２３，第二ロータリーバルブ２４）を第１クランク軸５に一体に組み付ける。また、第一，第二バランスウェイト９，１０の軸受保持部に第１軸受１３ａ、第２軸受１３ｂを嵌め込む。そして、第一ケース体１と第２ケース体２を組み合わせる。これにより、第１クランク軸５、第１，第２バランスウェイト９，１０、及びピストン複合体Ｐ（図２参照）をケース体３（図１参照）内に収容する。そして、第一ケース体１のボルト孔（図示せず）と第２ケース体２の貫通孔２ｃを位置合わせして重ね合わせた状態で、ボルト３ａを嵌め込んで本体ケース３（図１参照）が組み立てられる。最後に、本体ケース３の側面（４面）に形成される開口部２０（図２，参照）にシリンダ２１を嵌め込んで、第一ピストンヘッド部７ａ，第二ピストンヘッド部８ａがシリンダ２１の開口部内に各々摺動可能に嵌め込まれて（図２参照）、流体回転機が組み立てられる。また、第一ケース体１の吐出孔および第二ケース体２の吸入孔には配管接続部２６ａ，２６ｂが各々設けられる。また、第一ケース体１の第二流路１ｂ，第二ケース体２の第二流路２ｂに連通する穴には止めねじ２７が八箇所に嵌め込まれて閉止される。

上述のように組み立てられた流体回転機は、第一，第二両頭ピストン組７，８の第二仮想クランク軸(図示せず)を中心とした第１の回転バランス、ピストン複合体Ｐの第一クランク軸５を中心とする第二の回転バランス及び第一クランク軸５及びピストン複合体Ｐのシャフト４を中心とする第三の回転バランスが第一，第二バランスウェイト９，１０によりバランス取りされて組み立てられている。

これにより、後述するようにシャフト４を中心とする第一クランク軸５の回転運動と、第一クランク軸５を中心とするピストン複合体Ｐの回転運動により、第二筒体６ｂに組み付けられた第一，第二両頭ピストン７，８がシャフト４を中心とする第二仮想クランク軸の半径２ｒの転がり円の径方向に沿って（内サイクロイドの軌跡に沿って）直線往復運動を行なっても、第一，第二両頭ピストン７，８の直線往復運動により発生する偏重心量を含めたバランス取りをすることによって回転による振動を抑えて静音化を図ることができる。また、回転による振動を低減することで、第一，第二両頭ピストン７，８は従来のレシプロタイプに比べてピストンヘッドの往復運動による機械的な損失を防いでエネルギー変換効率を高めることができ、しかもダンパー等の防振構造を簡略化することができる。

ここで第一，第二ロータリーバルブ２３，２４の開閉動作について、図９Ａ〜図９Ｅに示す第一両頭ピストン７の一方側（右側）のシリンダ室２５と第二両頭ピストン８の他方側（手前側）のシリンダ室の吸込み動作と吐出動作の状態図を参照して説明する。
図９Ａにおいて、第一ロータリーバルブ２３は周溝２３ａと第一流路１ａとが閉じた状態にあり、第二ロータリーバルブ２４は周溝２４ａのうち拡幅溝２４ｂが第二の流路２ｂと対向する位置へ切り替わるためバルブが閉じた状態から開放状態となる。よって、図９Ｂに示すようにシリンダ室２５には、配管接続部２６ｂから第二の流路２ａを通じて拡幅溝２４ｂ及び周溝２４ａに流体が吸込まれ、拡幅溝２４ｂ、第二の流路２ｂ、連通孔２１ｂを通じてシリンダ室２５へ流体の吸入動作が行なわれる。

図９Ｃにおいて、シリンダ室２５への流体の吸入動作が完了すると、第二ロータリーバルブ２４の周溝２４ａが第二流路２ｂ位置へと回転するためバルブが閉じられ、第一ロータリーバルブ２３が周溝２３ａのうち拡幅溝２３ｂが第一の流路１ｂと対向する位置に切り替わるため、バルブが閉じた状態から開放状態となる。よって、図９Ｄに示すようにシリンダ室２５から連通孔２１ａ、第一の流路１ｂ、拡幅溝２３ｂ、周溝２３ａ、第一の流路１ａを通じて配管接続部２６ａより流体が吐出される。

図９Ｅにおいて、シリンダ室２５からの流体の吐出動作が完了すると、第一ロータリーバルブ２３の周溝２３ａが第一の流路１ｂ位置へと回転するためバルブが閉じられ、第二ロータリーバルブ２４が周溝２４ａのうち拡幅溝２４ｂが第二の流路２ｂと対向する位置に切り替わるため、バルブが閉じた状態から開放状態となって吸込み動作を開始する。

以上のように、第一ロータリーバルブ２３と第二ロータリーバルブ２４は、拡幅溝２３ｂ，２４ｂが第一，第二の流路１ｂ，２ｂと対向位置にある間だけシリンダ室２５に対して流体の吸込み吐出動作が交互に行なわれるようになっている。

図１０Ａ〜図１０Ｄ及び図１１Ａ〜図１１Ｄは、第一、第二両頭ピストン７，８の位置と第一，第二ロータリーバルブ２３，２４の吸込み吐出動作の状態説明図である。
上段は第一ロータリーバルブ２３の動作説明図、中段はピストン位置（横方向を第一両頭ピストン７、縦方向を第二両頭ピストン８とする)の説明図、下段は第二ロータリーバルブ２４の動作説明図である。各状態図は第一，第二ロータリーバルブ２３，２４が４５°ずつ回転した状態を示す。四箇所に形成されるシリンダ室２５を右端より反時計回り方向に２５ａ〜２５ｄとして説明する。

図１０Ａにおいて、第一両頭ピストン７は右方向に移動する途中位置であり、第二両頭ピストン８は下端位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じて、シリンダ室２５ａより流体の吐出動作が行なわれ、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｃへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１０Ｂは、第一両頭ピストン７は右端に到達する直前位置であり、第二両頭ピストン８は、上方へ向かって移動し始めた位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ａ，２５ｂより流体の吐出動作が行われており、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｃ，２５ｄへ流体の吸込み動作が行われている。

図１０Ｃは、第一両頭ピストン７は右端位置であり、第二両頭ピストン８は、上方へ向かって移動途中の中間位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じて、シリンダ室２５ｂより流体の吐出動作が行なわれ、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｄへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１０Ｄは、第一両頭ピストン７は左端に向かって移動し始めた位置であり、第二両頭ピストン８は、上端に到達する直前位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ｂ及び２５ｃより流体の吐出動作が行なわれており、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｄ，２５ａへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１１Ａは、第一両頭ピストン７は左端に向かって移動途中の中間位置であり、第二両頭ピストン８は上端位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ｃより流体の吐出動作が行なわれており、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ａへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１１Ｂは、第一両頭ピストン７は左端到達する直前位置にあり、第二両頭ピストン８は下端に向かって移動し始めた位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ｃ，２５ｄより流体の吐出動作が行なわれており、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ａ，２５ｂへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１１Ｃは、第一両頭ピストン７は左端位置であり、第二両頭ピストン８は、下方へ向かって移動途中の中間位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じて、シリンダ室２５ｄより流体の吐出動作が行なわれ、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｂへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１１Ｄは、第一両頭ピストン７は右端に向かって移動し始めた位置であり、第二両頭ピストン８は、下端に到達する直前位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ｄ，２５ａより流体の吐出動作が行なわれており、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｂ，２５ｃへ流体の吸込み動作が行なわれている。

以降は、図１０Ａへ戻って同様な流体の吸込み動作及び吐出動作を繰り返す。尚、第一ロータリーバルブ２３を吐出用、第二ロータリーバルブ２４を吸込用として用いているが、第一ロータリーバルブ２３を吸込用、第二ロータリーバルブ２４を吐出用として用いることも可能である。

以上説明したように、シャフト４の回転によって第一，第二両頭ピストン７，８が直線往復運動して、シャフト４と同軸上にケース体３内に回転可能に組み付けられている第一，第二ロータリーバルブ２３，２４によって、各シリンダ室２５ａ〜２５ｄに対する流体の吸入動作と吐出動作の切り換えが行なわれる。よって、各シリンダ室２５ａ〜２５ｄに連通する配管接続部２６ａ，２６ｂを一つに集約することが可能になり、部品点数を減らしてバルブ構造を簡略化し、流体の吸入及び吐出が行われる外部接続管路を減らすことで設置面積を減らすことが可能になる。

尚、流体として例えば冷凍用の気液混合ガスを用いるポンプにおいては、流路接続部のシール性を高める必要がある。そこで、例えば図１３Ａ〜図１３Ｄに示すようにケース体３とシリンダ２１との接続部にＯリング２８（シール材）を設けることが望ましい。図１３Ｂに示すように、第二の流路１ｂとシリンダ２１の連通孔２１ａとの接続部及び、第二の流路２ｂとシリンダ２１の連通孔２１ｂとの接続部に各々Ｏリング２８が設けられている。また、図１３Ｄに示すように、Ｏリング２８を設ける部位は凹部２９であっても良いし、図１３Ｃに示すように凹部２９に隔壁３０を形成しても良い。

また、第一，第二ロータリーバルブ２３，２４と第一，第二ケース体１，２との隙間にＯリング２８を設けることも可能である。
図１４Ａ, 図１４Ｂにおいて、図１４Ｂは図１４Ａの第一，第二ロータリーバルブ２３，２４と第一，第二ケース体１，２の流路接続部の拡大断面図である。このように第一，第二ロータリーバルブ２３，２４の軸方向の厚みを増加させて流路溝２３（周溝２３ａ，拡幅溝２３ｂ）と第二の流路１ｂとの接続部、流路溝２４（周溝２４ａ，拡幅溝２４ｂ）と第二の流路２ｂとの接続部にＯリング２８を設けることも可能である。

上述した流体回転機は液送ポンプのように、主として非圧縮性の流体を想定していたが、流体が空気，ガスなどの圧縮性の流体を用いる場合には、ロータリーバルブ２３，２４の拡幅溝２３ｂ、２４ｂの周方向の溝角度を狭めることで、高圧流体を吐出することができる。所定圧タンクへ高圧流体を吐出する場合、吐出開始からバルブが開かれるとタンクから高圧流体が逆流しピストン吐出動作の損失が大きくなる。

図１５Ａ, 図１５Ｂに示すように第一クランク軸５の両端部に挿入組付けられた第一バランスウェイト９，第二バランスウェイト１０に第一ロータリーバルブ２３，第二ロータリーバルブ２４が一体に形成されている点は同様であり、周溝２３ａ，２４ａに拡幅溝２３ｂ，２４ｂが形成されている点も同様である。
但し、図１６Ａ〜図１６Ｆに示すように、吐出用の第一ロータリーバルブ２３に設けられる周溝２３ａに対して拡幅溝２３ｂが形成される範囲が吸込側の第二ロータリーバルブ２４の拡幅溝２４ｂより狭く形成されている。

具体的には、図１６Ｅに示すように、第一ロータリーバルブ２３の外周面に３６０°形成された周溝２３ａに対して、１８０°以下の任意角度θ及び流路半径Ｒを引いた角度、即ち（１８０°−θ−Ｒ）範囲だけ形成されている。これは、シリンダ室２５に吸込んだ流体を所定吐出圧まで圧縮により高めてから吐出する必要があるためである。本実施例では、θは９０°以上であり拡幅溝２３ｂは周方向に９０°より小さい角度となるように設けられている。

図１７Ａ〜図１７Ｄ及び図１８Ａ〜図１８Ｄは、第一、第二両頭ピストン７，８の位置と第一，第二ロータリーバルブ２３，２４の吸込み吐出動作の状態説明図である。
上段は第一ロータリーバルブ２３の動作説明図、中段はピストン位置（横方向を第一両頭ピストン７、縦方向を第二両頭ピストン８とする)の説明図、下段は第二ロータリーバルブ２４の動作説明図である。各状態図は第一，第二ロータリーバルブ２３，２４が４５°ずつ回転した状態を示す。四箇所に形成されるシリンダ室２５は、右端より反時計回り方向に２５ａ〜２５ｄとして説明する。

図１７Ａにおいて、第一両頭ピストン７は右方向に移動する途中位置であり、第二両頭ピストン８は下端位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じて流体の吐出動作は行われず圧縮動作が行われ、第二ロータリーバルブ２４を通じてシリンダ室２５ｃへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１７Ｂは、第一両頭ピストン７は右端に到達する直前位置であり、第二両頭ピストン８は、上方へ向かって移動し始めた位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ａより流体の吐出動作が行われ、第二ロータリーバルブ２４を通じてシリンダ室２５ｃ，２５ｄへ流体の吸込み動作が行われている。

図１７Ｃは、第一両頭ピストン７は右端位置であり、第二両頭ピストン８は、上方へ向かって移動途中の中間位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じた流体の吐出動作は行なわれず圧縮動作が行われ、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｄへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１７Ｄは、第一両頭ピストン７は左端に向かって移動し始めた位置であり、第二両頭ピストン８は、上端に到達する直前位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ｂより流体の吐出動作が行なわれ、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｄ，２５ａへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１８Ａは、第一両頭ピストン７は左端に向かって移動途中の中間位置であり、第二両頭ピストン８は上端位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じた流体の吐出動作は行なわず圧縮動作が行われ、第二ロータリーバルブ２４を通じてシリンダ室２５ａへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１８Ｂは、第一両頭ピストン７は左端到達する直前位置にあり、第二両頭ピストン８は下端に向かって移動し始めた位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ｃより流体の吐出動作が行なわれており、第二ロータリーバルブ２４を通じてシリンダ室２５ａ，２５ｂへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１８Ｃは、第一両頭ピストン７は左端位置であり、第二両頭ピストン８は、下方へ向かって移動途中の中間位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じた流体の吐出動作は行なわれず圧縮動作が行われ、第二ロータリーバルブ２４を通じてシリンダ室２５ｂへ流体の吸込み動作が行なわれている。

図１８Ｄは、第一両頭ピストン７は右端に向かって移動し始めた位置であり、第二両頭ピストン８は、下端に到達する直前位置にある。このとき、第一ロータリーバルブ２３を通じてシリンダ室２５ｄより流体の吐出動作が行なわれており、第二ロータリーバルブ２４を通じて、シリンダ室２５ｂ，２５ｃへ流体の吸込み動作が行なわれている。
以降は、図１７Ａへ戻って同様な流体の吸込み動作及び吐出動作を繰り返す。こうすることにより、流体の圧力損失を最小限に抑えた高圧ポンプを提供することができる。

また、図１９Ａ〜図１９Ｄにおいて、ケース体３に回転可能に軸支された第一，第二バランスウェイト９，１０の一方側に流体の第一，第二ロータリーバルブ２３，２４が一体に設けられていても良い。図１９Ａ〜図１９Ｃにおいて配管接続部２６ａ，２６ｂは第１ケース体１側に集約して設けられている。

図２０Ａ〜図２０Ｅに示すように、第一ロータリーバルブ２３は第一バランスウェイト９の軸方向に厚肉に形成されており、一対の流路溝が併設されている。即ち、バルブ外周面に全周にわたって所定幅で形成された周溝２３ａ，２４ａに対して拡幅された拡幅溝２３ｂ，２４ｂが各々形成されている。これにより、吸込用流路と吐出用流路を第一クランク軸５の一端側に集約して配置することが可能となる。
また、拡幅溝２３ｂ，２４ｂどうしは第一クランク軸５の軸方向に互い違いとなるように相互補完的に形成されている。これにより、拡幅溝２３ｂ，２４ｂによる吸込若しくは吐出の切換えが行なえるうえに第一，第二バランスウェイト９，１０のバランスとりがしやすくなり、回転による振動を抑えて静音化を実現することができる。尚、図２０Ｃに示すように拡幅溝２３ｂと拡幅溝２４ｂとは周方向に各々流路半径Ｒだけシフトして形成されており、吸込み動作と吐出動作がスムーズに切り替わるようになっている。

また、図１９Ｃ, 図１９Ｄにおいて、第一ケース体１には、周溝２３ａ，２４ａと外部流路とを連通する第一の流路１ａ，２ａが形成され（図示せず）、拡幅溝２３ｂ，２４ｂとシリンダ室２５とを連通可能な第二の流路１ｂ，２ｂが各々形成されている。尚、上記実施例は、第一ケース体１側にロータリーバルブ及び第一，第二の流路を集約して設けたが、これらを第二ケース体２側に集約して設けることも可能である。

また、上述した実施例では、第一，第二ロータリーバルブ２３，２４は第一，第二バランスウェイト９，１０と一体に設けられていたが、図２１Ａに示すロータリーバルブとケース体３（第一ケース体１若しくは第二ケース体２）及びシリンダ２１との嵌め合い部分Ｐの組付け誤差等によりクリアランスが十分確保できず、ロータリーバルブの回転がスムーズに実現できない場合には、ロータリーバルブとバランスウェイトとを別体で組付けるようにしても良い。以下では第一バランスウェイト９と第一ロータリーバルブ２３を例示して説明する。

図２１Ｂ〜図２１Ｅにおいて、シャフト４が一体に形成された第一バランスウェイト９のシャフト４側の端面には、環状に形成された第一ロータリーバルブ２３が組付けられている。図２１Ｆ, 図２１Ｇに示すように、第一ロータリーバルブ２３の外周面には周溝２３ａが全周にわたって形成されており、周溝２３ａの一部に拡幅部２３ｂが所定範囲に形成されている。第一ロータリーバルブ２３の下面側には突条部２３ｃが対向位置に各々形成されている。また、第一バランスウェイト９のフランジ部９ｃには係合凹部９ｄが対向位置に設けられている。

第一ロータリーバルブ２３は、突条部２３ｃを第一バランスウェイト９のフランジ部９ｃに設けられた係合凹部９ｄに係合させて一体に組付けられる（図２１Ｂ, 図２１Ｃ, 図２１Ｄ参照）。これにより、図２１Ｈに示すように、第一クランク軸５の端部に挿入組付けられたときに第一ケース体１、シリンダ２１とのクリアランスが部分的に窮屈になっても第一ロータリーバルブ２３の径方向のクリアランスによって組付け誤差等を吸収することができるという利点がある。

次に、流体回転機の他例について図２２乃至図２６Ａ〜図２６Ｅを参照して説明する。
本実施例は、可能な限りモールド部品を用いて機能部品を兼用することで部品点数の削減を図り、生産コストを低減させた実施例である。

具体的には、図２５の分解斜視図において、第一ケース体１、第二ケース体２、シャフト４、第一ロータリーバルブ２３、第一バランスウェイト９、偏芯筒体６、第一，第二両頭ピストン７，８、第二バランスウェイト１０、第二ロータリーバルブ２４、シリンダ２１が形成された外壁パネル３１はすべて樹脂モールドにより一体成形されている。
第一クランク軸５、ピン１１ａ，１１ｂ、ボルト３２のみが金属部品で形成されている。尚、樹脂どうしの滑動性により軸受はすべて省略され、ボルトの数も可能な限り省略されている。

図２２において、第一ケース体１と第二ケース体２は４面に設けられる外壁パネル３１が４か所でボルト３２にねじ止めされることによりケース体３が一体に組み立てられている。尚、配管接続部２６ａ，２６ｂは一つの外壁パネル３１に一体に成形されている。

図２３及び図２４に示すように、第一ケース体１に形成された第一の流路１ａの外端は配管接続部２６ａと接続され、内端は第一ロータリーバルブ２３に設けられた流路溝（周溝２３ａ，拡幅溝２３ｂ）と接続されている。また、第一ケース体１と第二ケース体２に設けられた第二の流路１ｂ，２ｂの外端は、外壁パネル３１の内壁側に設けられた流路３１ａと各々接続されており、内端は第一，第二ロータリーバルブ２３，２４の流路溝（周溝２３ａ，２４ａ、拡幅溝２３ｂ，２４ｂ）と接続される。

図２６Ａ〜図２６Ｅに示すように、外壁パネル３１の内壁面側にシリンダ２１を一体成形すると共に、シリンダ２１に連なる流路３１ａが一体成形により形成されている。流路３１ａのピストン対向部には、流路３１ａを仕切るピストン受け部３１ｂが設けられている。ピストン受け部３１ｂは、各第一，第二両頭ピストン７，８の可動端と機械的な干渉を起こさないように設けられている。このように、外壁パネル３１にシリンダ２１及び流路３１ａを一体成形したことで部品点数を削減してねじ止めする箇所を少なくすることが可能になる。

尚、第一ピストンヘッド部７ａ，第二ピストンヘッド部８ａの形状は真円である必要はなく、例えば角型であってもよい。
また、両頭ピストンを一対備えた流体回転機について説明したが、三以上の両頭ピストンを備えていてもよい。
また、第一，第二両頭ピストン７，８は互いに直交するように配置したが、これに限定されるものではなく、第一クランク軸５を中心として例えば位相差が６０度等に配置することも可能である。

また、４か所のシリンダヘッドを用いて気体を多段圧縮することも可能である。この場合、両頭ピストンのストロークは変えられないので、ピストン径とシリンダ径を変更する必要がある。

以上説明したように、シャフト４と同軸状にケース体３内に回転可能に組み付けられているロータリーバルブ２３，２４によって、各シリンダ室２５に対する流体の吸入動作と吐出動作の切り換えを行なわれるので、各シリンダ室２５に連通する吸入口及び吐出口に接続する配管を一つに集約することが可能になり、部品点数を減らしてバルブ構造を簡略化し、流体の吸入及び吐出が行われる外部接続管路を減らすことで設置面積を減らすことが可能になる。

上述した実施例は、ピストンとシリンダのシールにシールカップを用いているが、ピストンリングを用いても良い。また、液送及び気送ポンプを例示して説明したが、これらに限定されるものではなく、真空ポンプ、気送コンプレッサー、多段圧縮機、流体モータ等他の装置に適用することも可能である。

Claims (5)

1. シャフトの軸芯に対して偏芯して組み付けられ、当該シャフトを中心に半径ｒの第一仮想クランクアームを介して回転可能に組み付けられた第一クランク軸と、前記第一クランク軸に同芯状に嵌め込まれた第一筒体と該第一筒体の軸芯に対して偏芯した複数の第二仮想クランク軸を軸芯とする第二筒体が軸方向両側に連続して形成された偏芯筒体を備え、一方の第二筒体に第一両頭ピストンが他方の第二筒体に第二両頭ピストンが互いに交差したままシリンダ内に配置され、前記第一クランク軸を中心に半径ｒの第二仮想クランクアームを介して回転可能に嵌め込まれたピストン複合体と、前記第一クランク軸の両端に挿入組み付けられた第一，第二のバランスウェイトと、を具備し、
   前記第一，第二バランスウェイトのみによって第一，第二両頭ピストン組の第二仮想クランク軸を中心とした第一の回転バランス、前記ピストン複合体の第一クランク軸を中心とする第二の回転バランス及び前記第一クランク軸及びピストン複合体の前記シャフトを中心とする第三の回転バランスがバランス取りされたまま当該シャフトの回転によって前記両頭ピストンが前記シリンダ内を直線往復運動する四ヘッドの流体回転機であって、
   各シリンダ室に対する流体の吸入動作と吐出動作の切り換えを行なうロータリーバルブが、前記シャフトと同軸状にケース体内に一体的に回転可能に組み付けられていることを特徴とする流体回転機。
2. 前記ロータリーバルブは、流体の吸入用バルブと流体の吐出用バルブを備えている請求項１記載の流体回転機。
3. 前記ロータリーバルブの外周面には周方向に溝幅が一部で異なる流路溝が形成されており、前記ケース体には前記流路溝と外部流路とを連通する第一の流路と前記流路溝とシリンダ室とを連通可能な第二の流路が形成されている請求項１又は請求項２記載の流体回転機。
4. 前記ロータリーバルブは、クランク軸の両端部に挿入組み付けられた第一，第二バランスウェイトと一体に形成されており、前記流路溝はバルブ外周面に全周にわたって所定幅で形成された周溝に対して拡幅された拡幅溝を有し、当該拡幅溝はシャフトの軸方向に対して点対称に形成されている請求項３記載の流体回転機。
5. 前記ケース体に回転可能に軸支された第一，第二バランスウェイトの一方側に流体の吸込み及び吐出用のロータリーバルブが一体に設けられており、前記バルブ外周面に全周にわたって所定幅で形成された周溝に対して拡幅された拡幅溝を有する一対の流路溝が併設されており、前記拡幅溝どうしは軸方向に互い違いとなるように相互補完的に形成されている請求項３記載の流体回転機。

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