JPH08189479A

JPH08189479A - 流体吐出機械

Info

Publication number: JPH08189479A
Application number: JP33845294A
Authority: JP
Inventors: Junsuke Takada; 潤祐高田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】従来にない回転式の流体吐出機械を提供す
る。【構成】圧縮機は、３つの等比サイクロイド曲面Ｓａ
〜Ｓｃを持つハウジング１、この中に入れられたロータ
２、開口部４に配設された吸入／吐出弁５、６、ハウジ
ング１の中心を中心としてロータ２を自転／公転させる
図示しない支持装置及び回転装置等を有する。【効果】ロータ２は３つのサイクロイド曲面に３点で
接触し、容積が拡大／縮小する３つの空間部ができ、そ
れぞれの空間部では空気が吸入又は吐出される。吸入／
吐出行程が平均化され、性能が良く構造の簡単な圧縮機
やポンプ等の流体吐出機械となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮性又は非圧縮性流
体を吸入して吐出する圧縮機やポンプ等の流体吐出機械
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ポンプや圧縮機等の流体吐出機械として
は、従来、軸流式や遠心式のターボ型及び往復式や回転
式の容積型のものが周知である。これらの流体吐出機械
は、構造、性能、製造、価額等の点でそれぞれ長所及び
短所を有し、それぞれ合目的的に使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、構造が簡単
で製造容易で、吐出量や駆動トルクの変動が少なく、高
圧にも使用でき、従来に例のない回転式の流体吐出機械
を提供することを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、流体吐出機械が、導円の直径の２／３の直
径を持つ転円の円周上の一点の描く３つの内転サイクロ
イドのそれぞれをその曲率中心の方向に所定距離移動し
て延長した等比サイクロイド又はこれに近似した曲線の
断面を持ち長さ方向に延設された３つ曲面を備えた構造
体と、該３つの曲面内に入れられた回転体であって前記
転円の直径の両側に前記所定距離とほぼ同じ幅を持つと
共に前記転円の直径の両端を中心として前記所定距離と
ほぼ同じ半径の半円又は半円状部分を持つ円盤状図形の
断面から成り前記長さ方向に延設された回転体と、該回
転体が前記円盤状図形の中心を通る長さ方向の軸を中心
として回転自在なように前記回転体を支持する支持手段
と、前記軸が前記導円の中心を中心として回転するよう
に前記回転体を回転させる回転手段と、前記３つの曲面
で形成される３つの開口のそれぞれに設けられた吸入弁
及び吐出弁と、前記３つの曲面の開いた部分を閉鎖する
閉鎖部材と、を有することを特徴とする。

【０００５】

【作用】導円の直径（仮に６ｒとする）の２／３の直径
４ｒを持つ転円の円周上の一点の描く３つの内転サイク
ロイドでは、その一点を含む直径の他の一点も同じ内転
サイクロイドを描く。従って、転円の直径は常に２つの
内転サイクロイドに接触する。又、この直径線は残りの
１つの内転サイクロイドに接触するという特性を持つ。
更に、直径が４ｒであることから、内転サイクロイドを
描く直径の中心は、導円の中心を中心として半径ｒの円
周上を移動するという性質を持つ。従って、導円の中心
を中心として前記直径線を回転させると、直径線はその
両端及び中間部分で３つの内転サイクロイドの全てに接
触しながら回転する。この内転サイクロイドは、又、全
体的に半径７ｒの円弧に近似した曲率を持つ。

【０００６】これらの内転サイクロイドを、それぞれの
曲率中心の方向に所定距離ｔ移動すれば、元のサイクロ
イドから曲率がｔだけ小さくなった等比サイクロイドが
形成される。半径７ｒの円であれば、７ｒ−ｔの円弧に
なる。このような曲線図形には、前記直径の中間部分で
は、直径の両側にそれぞれ厚みｔを持たせた２つの直線
部の何れかが接触する。又直径の両端部分では、両端を
中心とした半径ｔの半円状部分が前記曲線図形に接触す
る。更に、それぞれの２つの曲線図形間には、ほぼ２ｔ
開いた開口が形成される。

【０００７】３曲面を備えた構造体及び回転体は、それ
ぞれ前記のような断面をもって長さ方向に延設されてい
るので、回転体は３曲面に３点で線状に接触する。その
結果、回転体は、３曲面で囲われた部分を３つの室に分
割する。

【０００８】この回転体は、支持手段によって中心軸回
りに回転自在なように支持され、回転手段によって導円
の中心を中心として回転されるので、常に３曲面に接触
しながら回転する。その結果、それぞれ２曲面で形成さ
れた開口を含む３部分の容積が最小から最大まで拡大／
縮小しながら変化する。この３つの開口には、それぞれ
吸入／吐出弁が設けられ、又、この３つの開口を含み３
曲面の開いた部分が閉鎖部材で閉鎖されるので、容積変
化に伴い、何れかの室の容積拡大時には、内部が負圧に
なって吸入弁を介して外部の流体が室内に吸入され、何
れかの室で容積縮小時には、内部が正圧になって吐出弁
を介して室内の流体が外部へ吐出される。

【０００９】このような流体吐出機械は、内転サイクロ
イドの延長された部分だけ導円より大きい円の範囲内に
その主要構成部分を備えることになるので、簡素で小型
な装置である。従って、高圧化にも適している。又、吸
入／吐出は、３つの開口部において１回転に１回、合計
３回行われる。従って、吐出が平均化され圧力変動が少
なくなる。更に、３つの曲面形状は、開口部を起点とし
てエキスポーネンシャルに変化するので、吸入／吐出時
の容積もそのように変化する。そのため、流体の吸入／
吐出に極めて好都合な条件がもたらされる。

【００１０】

【実施例】図１は実施例の流体吐出機械の一例である圧
縮機の圧縮室の断面を形成する基本形状である内転サイ
クロイドを示す。内転サイクロイドＣ（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ
₃）は、導円Ａの直径６ｒの２／３の直径４ｒを持つ転
円Ｂの円周上の一点ｐの描く３つの軌跡である。このと
きには、転円Ｂの点ｐを含む直径線Ｌの他の一点ｑも同
じ内転サイクロイドを描く。又、転円Ｂの直径が４ｒで
あるから、その中心Ｂ₀は、導円Ａの中心Ａ₀から距離
ｒの位置にあり、半径ｒの円周Ｒ上を移動する。図で
は、転円Ｂが６０°づつ３回右回転して合計１８０°回
転し、太い実線の位置から細い実線と点線とを経由して
再び太い実線の位置まで復帰した状態を示す。このと
き、直径線Ｌも矢印で示すように順次回転し、Ｌ₁、Ｌ
₂を経由してＬまで復帰し、その両端の点ｐ及びｑが、
順次、点ｐ₁、ｐ₂及びｑ₁、ｑ₂を経由してｐ₃及び
ｑ₃至り、細い実線、点線、太い実線に示す曲線を形成
し、内転サイクロイドＣ₁、Ｃ₂、Ｃ₃が描かれる。こ
の１８０°回転したときには、点ｐと点ｑの位置が入れ
代わり、それぞれの位置に点ｑ₃とｐ₃とが来る。１点
ｐ又はｑだけが描く内転サイクロイドは、転円Ｂが３６
０°回転することにより形成される。

【００１１】直径線Ｌは、このようにして形成される３
つの内転サイクロイドＣ（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃）に対し
て、両端ｐ、ｑが常にその２つに接触すると共に、他の
１つに対しては、特別の位置にあるときを除いてその中
間部分が接触するという特性を有する。例えば、転円Ｂ
及びその直径線Ｌが９０°回転して２点鎖線で示す直径
線Ｌ´となり、その中心Ｂｏが点ｑの位置Ｂ₀´に来た
ときには、両端ｐ´、ｑ´がそれぞれ内転サイクロイド
Ｃ₁、Ｃ₃に接触すると共に、中心Ｂ₀´が内転サイク
ロイドＣ₂に接触する。

【００１２】図２は、圧縮機のハウジング及びロータの
断面形状の構成例を示す。構造体としての圧縮機のハウ
ジングの断面は、図１に示した内転サイクロイドＣ₁、
Ｃ₂、Ｃ₃を、その曲率中心の方向に所定距離としてｔ
だけ移動すると共に、太い実線で示す部分を延長し、曲
率を一様にｔだけ小さくした等比サイクロイドＣ₁´、
Ｃ₂´、Ｃ₃´の形状を持つ。そして、ハウジングは、
このような断面が図において紙面に直角な方向である長
さ方向に延設され内側を向いた３つの曲面Ｓａ、Ｓｂ、
Ｓｃを備えている。

【００１３】この３つの曲面内には、直径線Ｌの両端
ｐ、ｑを中心として所定距離ｔと同じ幅部分Ｄ、Ｅを持
つと共に同じ半径ｔの半円状部分Ｆ、Ｇを持つ円盤状図
形の断面を持ち前記長さ方向（紙面に直角な方向）に延
設された回転体としてのロータ２が入れられている。ロ
ータ２は、直径線Ｌの両側に、内転サイクロイドと等比
サイクロイドとの曲率中心方向即ち法線方向の間隔ｔと
同じ片側厚みｔを持つので、例えば図示の状態では、曲
面Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃにそれぞれ３点ｈ、ｉ、ｊで接触す
ることは明らかである。このようにロータの片側厚みｔ
と内転サイクロイドの法線方向の移動距離ｔとが全体的
に同じであれば、ロータ２が図示の状態から任意の角度
回転しても、ロータ２は常に３つの曲面に接触すること
になる。その結果、ハウジング内には常に３つの容積部
分Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃが形成される。図３乃至図６は、以
上のように形成されたハウジング及びロータを持つ圧縮
機の構造例を示し、図３は全体の断面図、図４はその拡
大詳細図、図５は上側部分の側断面図、そして図６は下
側部分の側断面図である。

【００１４】圧縮機は、前記のように断面がＣ₁´、Ｃ
₂´、Ｃ₃´の形状を持つ３つの曲面Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ
を持ち耐圧構造になった構造体としてのハウジング１
と、この中に入れられる回転体としてのロータ２と、ロ
ータ２の中心を通る長さ方向の軸２ａを中心としてロー
タ２が回転自在なようにロータ２を支持する支持手段と
しての回転ケーシング３、ボルト３１及び３２によって
回転ケーシング３に固定された長さ方向の支持軸３３及
びこれに嵌め込まれたスリーブ３４、並びにその両端部
に配設された玉軸受３５と、軸２ａが図１、２に示す導
円Ａの中心Ａ₀を中心として回転するようにロータ２を
回転させる回転手段としての前記回転ケーシング３等及
びこれを回転させる図示しないモータ等の駆動装置と、
３つの曲面Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃで形成される３つの開口４
ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれに設けられた吸入弁５（５
ａ、５ｂ、５ｃ）及び吐出弁６（６ａ、６ｂ、６ｃ）
と、３つの曲面Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃの開いた部分である前
記開口４ａ、４ｂ、４ｃにおいて吸入／吐出弁の設けら
れていない部分及び前記曲面の長さ方向の端面を閉鎖す
る閉鎖部材としての筒状弁箱７及び前記回転ケーシング
３とを有する。

【００１５】圧縮機は更に、据付脚８、これに支持され
た本体ケーシング９、これに固定され回転ケーシング３
の軸部３ａを回転自在に支持する玉軸受１０、冷却フィ
ン１１ａを備えた円筒耐圧ケーシング１１、外気吸入管
１２、圧縮空気吐出管１３、潤滑油入口１４、同出口１
５等を備えている。潤滑油は、図示しない潤滑ポンプや
クーラー等の潤滑油系統から送られ、潤滑油入口１４か
ら入り、各軸受部分、ハウジングの外側空洞部分、回転
シールの溝部分等を流れ、それぞれの部分の潤滑及び冷
却を行い、出口１５から排出される。

【００１６】ハウジング１は、本実施例では３つに分割
されていて、それぞれは筒状弁箱７にピン１ａで位置決
めされネジ１ｂで固定されて一体化される。ロータ２
は、本実施例では、主要部として片側厚みｔを持つ幅部
分を形成する本体部２１と、半径ｔの半円状部分を形成
する回転シール２２とを備え、これらで円盤状図形の断
面が構成されている。本体部２１とスリーブ３４との間
には冷却油の通路になる空隙部２３がある。本体部２１
の長さ方向の両側には側板２４が設けられ、これらがネ
ジ２５で固定されて全体が一体化されている。そして、
側板２４が玉軸受３５で支持されることにより、本体部
２１は側板２４及び玉軸受３５を介してスリーブ３４で
支持され、その上で自由に回転できるようになってい
る。その結果、ロータ２は、回転ケーシング３に回転自
在に支持されると共に、回転ケーシング３の回転によっ
てその中心２ａが回転ケーシング３の中心Ａ₀を中心と
して回転する。

【００１７】回転シール２２は、断面が円弧状に形成さ
れていて１１角形の外周部を持ち、それぞれに溝２２ａ
が形成され、その中にバネ２２ｂで外方向に押し出され
るように付勢された気密保持兼油掻き用のシール板２２
ｃが入れられている。同様に、本体部２１にも溝２１ａ
が形成され、その中にバネ２１ｂ及びシール板２１ｃが
設けられている。なお、シール板に例えばテフロン等を
用いて、ハウジング内面を無潤滑にすることも可能であ
る。

【００１８】回転シール２２は、両端の玉軸受２７を介
して軸２６に支持され、軸２６上で自由に回転できる。
そして軸２６の両端が側板２４に嵌め込まれることによ
り、本体部２１と回転シール２２と側板２４とが一体と
して回転すると共に、回転シール２２が自転できるよう
になっている。符号２２ｄは冷却油の通路になる空隙部
である。なお、図４に示す如く、回転シール２２が曲面
Ｓａ及びＳｃに接触する部分では、両曲面が一定の接線
角を持つので、この角度から計算して回転シール２２の
外周を１１角形にしている。又、側板２４はフランジ部
２４ａを備え、この部分でシール板２１ｃ及び２２ｃの
突出位置を規制している。

【００１９】図７は、以上のような圧縮機の動作状態を
示す。同図（ａ）に示すように、例えばロータ２の１端
が開口４ａの位置である上死点にあり、この位置から圧
縮機がスタートするものとする。このスタート前の状態
では全ての吸入／吐出弁５ａ、５ｂ、５ｃ／６ａ、６
ｂ、６ｃが閉じている。図示しないモータ等の駆動手段
の回転により回転ケーシング３が６０°左回転すると、
ロータ２の中心２ａも同じ方向に６０°回転し、これに
よりロータ２は３曲面Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃと３点で接触し
つつ３０°右回転し、同図（ｂ）の状態になる。即ち、
ロータ２は中心２ａの回転方向とは反対の方向にその回
転角の１／２だけ回転する。この間、吸入弁５ａ、５ｂ
及び吐出弁６ｃが開き、他の弁は全て閉じる。これによ
り、３つの室Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃでそれぞれ吸入、圧縮行
程が行われる。この状態では、室Ｒｂが最大容積にな
り、最大量の空気を吸入している。

【００２０】同図（ｃ）は、（ａ）の状態から（以下同
じ）ロータ中心２ａが９０°回転し、ロータ２が４５°
回転した状態を示す。この状態では、室Ｒｂの圧縮が開
始されている。同図（ｄ）は、ロータ中心２ａが１２０
°回転し、ロータ２が６０°回転した状態を示す。この
状態では、室Ｒｃの圧縮が完了し、吸入した全ての空気
が吐出されている。（ｅ）では、ロータ中心２ａが１８
０°回転し、ロータ２が９０°回転している。この状態
では、室Ｒａが最大吸入量になる。（ｆ）では、ロータ
中心２ａが２４０°回転し、ロータ２が１２０°回転し
ている。この状態では、室Ｒｂの吐出が完了する。そし
て、ロータ中心２ａが３６０°回転し、ロータ２が１８
０°回転して（ａ）に示す初期位置に復帰すると、室Ｒ
ａの吐出が完了する。この間の全回転は、ロータ中心２
ａが３６０°で、ロータ２が１８０°である。即ち、ロ
ータ２は１／２回転して反転している。

【００２１】以上の如く、本圧縮機によれば、駆動源で
あるモータの１回転で圧縮空気が３回吐出される。即
ち、単動の往復動圧縮機の３倍の頻度で吐出が行われる
ことになる。従って、吐出量が平均化され、圧力変動の
少ない圧縮空気が得られる。又、流体吐出機械が非圧縮
性流体を吐出する場合には、流体の脈動が少なくなり、
ウォータハンマー現象等が起こらない。

【００２２】又、同図（ａ）〜（ｅ）の室Ｒａの容積変
化の状態から明らかなように、空気の吸入容積はロータ
の回転に対してエキスポーネンシャルに大きくなる。従
って、吸入弁がバネ等で自動的に閉鎖するようになって
いても、吸入空気の慣性によって最後まで弁の開状態が
維持され、十分な空気を吸入できる。一方、同図（ｂ）
〜（ｆ）の室Ｒｂの容積変化の状態から明らかなよう
に、空気の吐出容積はエキスポーネンシャルに小さくな
る。従って、低圧時には圧縮容積が大きく高圧時には圧
縮容積が小さくなるので、圧縮仕事が平均化され、駆動
源の全回転において大きな負荷トルクの変動が生じな
い。

【００２３】以上では、流体吐出機械が圧縮機である場
合について説明したが、本発明の流体吐出機械は、圧縮
機に限らず、各種ポンプ、ブロア、真空ポンプ等にも使
用できるものである。

【００２４】又、ハウジング１の３曲面Ｓ（Ｓａ、Ｓ
ｂ、Ｓｃ）の断面形状を、内転サイクロイドに対して幅
ｔだけ移動させ曲率を小さくした等比サイクロイドと
し、ロータ２の断面形状を、片側寸法ｔの幅部分及び半
径ｔの半円状部分を持つ円盤状図形にしたが、ロータ２
がシール板２１ｃ、２２ｃを備えるような場合には、シ
ール板に突出代があるため、３曲面及びロータを必ずし
も厳密に上記のような形状にしなくてもよい。

【００２５】一方、直径６ｒの導円に対する直径４ｒの
内転サイクロイドは、直径７ｒの円弧と近似した曲線に
なる。即ち、両曲線の中央部分を一致させると、両端近
傍における両曲線の最大誤差はｒ／１０００程度であ
る。従って、実用的には、内転サイクロイドを半径７ｒ
程度の円弧とし、曲面Ｓを７ｒ−ｔ程度の円弧にするこ
とができる。この場合には、ロータ２の断面の両端部を
半径ｔの円弧にすると、ロータと３曲面とが完全には接
触しなくなるが、誤差が小さいため通常このような構成
で問題は生じない。特に、低圧用や高い容積効率を必要
としない場合等には、このようなロータ形状で十分であ
る。但し、この円弧を少し突状に修正することにより、
ロータを３曲面に完全に接触させることもできる。

【００２６】なお、図３乃至６では、ロータ２が回転シ
ール２２を有する例を示したが、例えば油ポンプや水ポ
ンプのように流体吐出機械が液体を扱う場合には、その
流体の有する潤滑及び冷却能力により、このような回転
シールを設けることなく、ロータを断面が円盤状の一体
物にすることも可能である。又、実施例のように１１角
形の円弧状回転体に溝を設けてその中にバネとシール板
を入れるシール構造に代えて、弾性体等の材料から成る
一体構造の回転シールを用い、３曲面とはころがり接触
をさせるような構造にしてもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、従来の流体
吐出機械とは全く異なった構成により、流体吐出機械の
構造を簡素化して製造容易にし、吐出量や駆動トルクの
変動を低減して性能の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】流体吐出機械の実施例である圧縮機のハイジン
グ内面形状を決定する基礎となる内転サイクロイドの説
明図である。

【図２】上記圧縮機のハイジング内面形状及びロータ形
状の説明図である。

【図３】上記圧縮機の長さ方向に直角な面の縦断面図で
ある。

【図４】上記断面図を部分的に拡大した図である。

【図５】上記圧縮機の長さ方向に平行で中心軸を含む縦
断面図の上半分の図である。

【図６】上記縦断面図の下半分の図である。

【図７】（ａ）乃至（ｆ）は上記圧縮機の動作の説明図
である。

【符号の説明】

１ハウジング（構造体）２ロータ（回転体）２ａ長さ方向の軸３回転ケーシング（支持手段、閉鎖部材）４（４ａ、４ｂ、４ｃ）開口５（５ａ、５ｂ、５ｃ）吸入弁６（６ａ、６ｂ、６ｃ）吐出弁７筒状弁箱（閉鎖部材）３３支持軸受（支持手段）Ａ導円Ａ₀ 導円の中心Ｂ転円Ｃ（Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃）内転サイクロイドＣ´（Ｃ₁´、Ｃ₂´、Ｃ₃´）等比サイクロイドｐ円周上の一点Ｓ（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ）３つの曲面ｔ所定距離

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導円の直径の２／３の直径を持つ転円の
円周上の一点の描く３つの内転サイクロイドのそれぞれ
をその曲率中心の方向に所定距離移動して延長した等比
サイクロイド又はこれに近似した曲線の断面を持ち長さ
方向に延設された３つ曲面を備えた構造体と、該３つの
曲面内に入れられた回転体であって前記転円の直径の両
側に前記所定距離とほぼ同じ幅を持つと共に前記転円の
直径の両端を中心として前記所定距離とほぼ同じ半径の
半円又は半円状部分を持つ円盤状図形の断面から成り前
記長さ方向に延設された回転体と、該回転体が前記円盤
状図形の中心を通る長さ方向の軸を中心として回転自在
なように前記回転体を支持する支持手段と、前記軸が前
記導円の中心を中心として回転するように前記回転体を
回転させる回転手段と、前記３つの曲面で形成される３
つの開口のそれぞれに設けられた吸入弁及び吐出弁と、
前記３つの曲面の開いた部分を閉鎖する閉鎖部材と、を
有することを特徴とする流体吐出機械。