【発明の詳細な説明】
動力プラント
本発明は、ロータリピストン型エンジン、コンプレッサ、およびポンプを含む
ロータリ装置に関する。本発明は特に、液体燃料と気体燃料との両方を燃焼する
ロータリピストン型内燃エンジンに関する。
従来より、ロータリピストンを備えた動力装置が知られている(発明「動力装
置」に対するソ連国特許第639473号、1975年12月25日発行、国際
特許分類F01C11/00、発明者Danquart Eiermann およびFelix Wankel、出願人wan
kel GMBH、西独国)。このソ連国特許第639473号による動力装置はその一
区画において、エピトロコイド曲線状をなし、かつガス分配ポートおよび点火栓
を備えた一対の作動室であって180°の角度だけ互いにオフセットされた作動
室と、これら作動室間に配置されかつバイパス通路が設けられた圧縮室とを有す
る。この圧縮室は15作動室の短軸に対し角度をもって配置された短軸を有する
。また、動力装置は、共通の偏心出力シャフトであってこのシャフト上において
作動室の離心円が圧縮室の離心円に関し180°の角度だけ回転しているシャフ
トと、離心円上に配置されたローターピストンとを有し、エピトロコイド曲線状
枝部およびそのローターピストンの数が増えるように作動室を形成して圧縮室と
膨張室と排気室とを画定すべく協働する面の数が増えるようにしている。これら
膨張室は、その短軸の領域内において、小断面の追加のバイパス通路を介して圧
縮室と連通される。この装置はいくつかの構成上の特徴について本願の請求の範
囲に記載されたものと一致する。
すなわち、動力装置は、内部空間を備えかつ作動室を備えたステータと、偏心
シャフトと、歯付きギアを備えたローターピストンとを具備し、このローターピ
ストンは離心円上および共役軸上において歯付きギアによりステータに取り付け
られる。
ソ連国特許第639473号による装置は、バンケル型の他の動力装置と同様
に、以下に掲げる欠点を有する。
すなわち、排気ガスがピストンエンジンの排気ガスよりも多くの有害成分を含
んでいる。特に多量に排出されるのは一酸化炭素である。また、上述の動力装置
の圧縮比には限界がある。さらに、混合気の一部が排気マニホルド内に流入し、
その結果エンジンの燃料消費率が悪化する。バンケル型の動力装置において、ロ
ータにシールが取り付けられ、したがってこれらシールは過酷な状態で作動する
(バンケル型の動力装置、「内燃機関」、モスクワ、「Mashinostroeniye」出版
社、1983、第289から293頁も参照のこと)。
本発明と最も関連性の高い従来技術(本発明のプロトタイプ)は、ポーランド
国特許第48198号、「ロータリピストンを有するエンジンまたは仕事機械」
(優先日1962年11月8日、発行日1964年5月4日、K1.46a °9,MKP
F02b、同様に西独国特許第1451690号、発明者M.Radziwil およびA.Rr
oel-Plater)、および同一発明者による追加特許第48191号、「ロータリピ
ストンを備えた機械またはエンジンをシールする方法およびこの方法を実施する
ためのシール装置」、K1.46a °9,MKP F02b(同様に、西独国特許第1451
689号、国際特許分類第2版F01C1/10)に記載されている。上述のポーランド
特許による装置はポンプ、エンジン、圧縮機(コンプレッサ)等において用いる
ことができ、これらすべての場合において作動流体の入口ユニットおよび出口ユ
ニットと、作動プロセスを開始するためのユニットとのみが異なっている。
ポーランド国特許第48198号による装置は、正多角形状のシリンダ(ステ
ータ)と、シリンダ内に配置されたロータリピストンとからなり、ロータリピス
トンの断面は相互作用するシリンダ壁要素の包絡面でもって表される。これら包
絡面は動作平面内において数式により画定される。同時に、ピストンはシャフト
の偏心部を介して主シャフトに連結され、内側に形成されたプラネタリギアを介
してハウジングに連結される。シリンダの角部に配置されたくぼみ状の作動室は
ペントルーフ型室状に形成され、したがって効果的な燃料の燃焼作用が得られる
ようにしつつ室の容積に対する比表面積が有利になるようにしている。ポーラン
ド国特許第48198号明細書によるエンジンでは、ロータリピストンと直接的
に接触するのはシリンダ壁のうちいくつかのみであり、またこの状況がシリンダ
壁におけるエレメント(セグメント)の位置を定め、それによって作動室が互い
に分離される。
ステータの作動部に配置されたセグメント(可動要素)は、作動室から(ステ
ータの外壁に面する)セグメントの背面まで伝わるガス圧の影響下においてロー
タピストンに押し付けられる。圧力は作動室内の様々な位置からステータ壁内の
適当な通路を介して伝わる。これら通路は、ロータの動作時にセグメントをロー
タに押し付ける応力がステップ状にかつその位置に応じて変化するように配置さ
れている。セグメントは中空の箱型状をなし、また冷却装置を有する。
ロータピストンの動作の動力学は、2つの中心軌跡により定まる。すなわち、
動作平面内におけるローターピストンの断面の回転中心の軌跡を規定する移動中
心軌跡と、固定平面内における回転の瞬間中心の軌跡を規定する固定中心軌跡と
である。シャフトの偏心度の幾何学的寸法と、ギアホイールおよびピニオンの歯
数間の比を定めることによって、ステータの側面の形状が定められる。ロータピ
ストンの動作はステータの作動部と定常的に接触しながら生じ、それによってピ
ストンエンジンの燃焼室のような可変容積の作動室を画定する。
最も簡単な場合、ロータとステータ間のシール作用はロータの側面をステータ
の側面に押し付けることによって確保され、その結果ロータピストン内に配置さ
れたシール部材の振動および早期消耗に関連するバンケル型の公知のエンジンの
欠点が除去される。さらに、ロータがステータに対し相対移動することにより好
ましくない摺動摩擦が部分的に転がり摩擦に置換され、これは機械損失を低減す
る。プロトタイプ型装置において、ステータの角部に作動室を対称的に配置して
いるために、典型的には、作動流体の圧力による応力であってロータピストン特
にそのシャフトに作用する応力がより均一に分散され、その結果シャフトおよび
軸受の直径を小さくすることができる。
上述のポーランド国特許において、発明の実施態様が2つある。一実施態様に
よればステータはその断面が正三角形として形成され、この場合固定中心軌跡直
径に対する移動中心軌跡直径の比は2:3であり、上述の三角形の高さは偏心度
Eの大きさの9倍よりも大きい。
別の実施態様によれば、ステータはその断面が正方形(正多角形のひとつ)と
して形成され、この場合固定中心軌跡直径に対する移動中心軌跡直径の比は3
4であり、正方形の一辺の長さは偏心度Eの大きさの16倍に等しいか或いはそ
れよりも大きい。
また、上述の装置のこのような実施態様が、角部が4よりも多い正多角形状と
して形成されたステータを有することもできる。
然しながら、上述のポーランド国特許による装置における、三角形状ステータ
および2頂点ロータを有する実施態様において、上述の歯付きギアをロータおよ
びステータの内側に配置してシャフトの偏心部周りのロータの回転を確保するよ
うにすることはできない。必要とされるギアの寸法のために、歯付きギアをロー
タおよびステータの内側に配置することが可能とならない。これが、三角形状ス
テータとそのロータの内側ギアとをこのように配置することができない理由であ
る。同時に、よりより性能、例えば単位体積当たりの比動力、を得るためには、
多くの場合三角形状のステータを備えたこのような装置が確かに好ましい。
上記ポーランド国特許による装置におけるロータはかなりの高速で回転する。
これに伴って、上述のシールセグメントはかなり重い。セグメントの背面に作用
する圧力はステップ状に変化し、同圧力変化「ステップ」は十分に大きい。この
ため、ステータとロータ間の圧力がこれら間の接触点において変化可能となり、
したがってこれら間の接触点における高圧のために、シールを弱めるか、或いは
ロータおよびセグメントの表面を早期消耗させる。
プロトタイプにおいて提案されたロータの構成は、熱的に過酷な状態下で作動
するロータの冷却装置を含んでいない。このため、ステータおよびロータのため
に提案された構成では原則として可能であるにもかかわらず、高い圧縮比で作動
することができず、また単位容積当たりの比動力を高めることができない。
まず初めに、発明概念は、単位容積当たりの比動力が最高である動力装置を得
ることができる三角形状ステータを有する本発明の実施態様にある。このような
態様の動力装置を実現するために、ロータピストンがシャフトの偏心部周りを回
転するのを確保すべく作用する歯付きギアをロータおよびステータの内部空間を
越えて、すなわちステータの内部空間内に配置する必要がある。これは、必要と
される歯付きギアの寸法のために、歯付きギアをロータピストン内に配置するこ
とができないためである。
本発明の概念は、本発明の第1の態様によれば、偏心部分を有した軸と、前記
軸の前記偏心部分に取着され、かつ内部キャビティと端面および凸状側面とで形
成された外部表面とを有したロータピストンと、前記ロータピストンを受容する
内部空所を有し、該空所が2つの平行な端壁と前記ロータピストンと常時接触す
る3つの作業部分を有した閉塞側壁とで形成されるように構成されたステータと
、前記ステータの前記側壁の作業部分に配設されたセグメントと、前記ロータピ
ストンに接続されたピニオンと前記ステータに固定された内歯車との形態を備え
た有歯装置とを具備し、前記軸の偏心部分における軸心に対して直角な前記ロー
タピストン側面の各断面は、該軸の偏心部分における軸心最も隔たりかつ該軸心
に対して対称に配設された2つの点を有する凸閉塞線を成しており、前記軸の軸
心に直角な前記ステータの側壁の各断面は、正三角形の形状に形成されると共に
その辺は直線または円滑な凸状線によって形成され、また前記ステータの内部空
間は、前記ロータピストンの凸状側面とステータの3つの作業部分との間の接触
線により、可変容積の3つの作業室に分割されている構成を具備してなる動力装
置からなる。
プロトタイプとの差異において、上記ロータピストンに固定的に接続された直
径dのブッシュを有し、上記ステータの端壁には円形開口が設けられ、該開口は
前記軸と同軸関係にあり、かつ前記軸の軸心と該軸の偏心部分の軸心との間の距
離を“E”とすると、(E+0.5d)より大きな直径を有し、上記軸と同軸に上記
開口内に回転円板が取着され、前記ブッシュは前記ステータの内部空間外に達し
て設けられ、かつ前記回転円板の開口を貫通して延設され、前記有歯装置のピニ
オンは前記ブッシュに固定的にかつ該ブッシュに同軸に結合され、前記有歯装置
は前記ステータに前記内部空間外に配設され、かつ前記ステータと前記回転円板
との間に環状シールが取着されている。
プロトタイプとの差異において、ロータピストンが大きな熱負荷下で作動する
ようになっている実施態様、特にエンジンにおいて、ロータピストンを冷却する
ために、当該ローターピストンの内部空間は、上記ロータピストンの側面の下方
に配設される1組の閉塞通路と、強制冷却用の圧力マニホールドと排出マニホー
ルドと、を具備して構成され、上記閉塞通路における上記軸の偏心部分の軸心か
ら最も隔たる部分と前記閉塞通路における前記軸の偏心部分の軸心から最も近い
部分とは前記排出マニホールドに連通されて形成される。
プロトタイプとの差異において、ロータピストンが大きな熱負荷下で作動する
ようになっている別の実施態様、特にエンジンにおいて、ロータピストンを冷却
するために、当該ローターピストンの内部空間は、該ロータピストンの側面の下
方に配設される1組の閉塞通路と、強制冷却用の圧力マニホールドと排出マニホ
ールドとを具備して構成され、前記閉塞通路における前記ロータピストンの側面
の片側で前記軸の前記偏心部分の軸心から該軸心に対して最も隔たりの少ない部
分は前記排出マニホールドに連通され、かつ前記閉塞通路における前記ロータピ
ストンの側面の他の片側で前記軸が有する前記偏心部分の軸心から該軸心に対し
て最も隔たりの少ない部分は前記圧力マニホールドに連通されている。
ロータピストンを強制的に冷却するようにした上述の2つの実施態様は、ロー
タピストンのどの部品が熱的にさらに過酷な状態において作動しているかに応じ
て用いられ、これは、以下に説明するように、燃焼室内で順次生ずる作動プロセ
スの相の順序に依存する。
プロトタイプとの差異において、ローターピストンを、本体部とフィン付き殻
体とを具備して形成し、同殻体のフィンは同本体によって複数の閉塞通路を形成
するように支承されてなるものとして形成することができる。このようなロータ
の構成によって、ロータからの効果的な除熱が確保される。
プロトタイプとの差異において、作動室相互間のより効果的なシールを確保す
るのが必要な実施態様において、ステータの側面の作動部上に配置された各セグ
メントは、1組の無負荷シール部材とバネ部材を具備し、該シール部材は前記ス
テータの内部空間に向けて、また逆向きに限られた運動をすることができ、かつ
前記ステータの端壁と当接されており、上記シール部材の種々の組み合わせは前
記ロータピストンの異なる公転位置で前記ロータピストンの側面に当接されてお
り、かつ少なくとも1つのシール部材の全長に渡る種々の点が前記ロータピスト
ンの側面に接触している。
セグメントは、カートリッジとして形成され、該カートリッジは、ステータの
内部空間に対向すると共に前記作業部分に所定のピッチで配設されてステータの
一つの端壁から他の端壁に向かう方向に延設されたホルダと、 前記シール部材
を固定する固定手段と、前記ホルダに接続され、前記ステータの内部空間の外側
に設けられ、かつ奪熱要素を備えたフランジと、前記ステータと前記カートリッ
ジとの間のシールを有した取付面と、前記シール部材と該シール部材に接触した
前記バネ部材とは前記ホルダのフィンの間の溝内に配設されている。
一実施態様において、前記シール部材と前記ホルダのフィンとは貫通開口を有
し、かつ前記シール部材を固定する前記固定手段は前記貫通開口内に挿設された
棒体として形成されている。
複数の非荷重式およびバネ荷重式シール部材を用いてシールを形成することに
よって、ロータの表面上に予め定められた所望の圧力をシール部材により発生さ
せるのを確保することができる。この圧力は基本的にバネ部材の応力により定ま
る。このため、シール部材の寿命を延長することができ、シール作用の高い品質
を確保することができる。
さらに別の実施態様において、前記ブッシュと前記ピニオンとは相互にスプラ
イン継手で結合され、前記ピニオンスプラインは該ピニオンの歯の延長体として
形成されている。
次に、本発明の本質的特徴は、三角形状でなく、少なくとも4つの角部を有す
る多角形状ステータを備えた実施態様について記載される。これらの実施態様に
おいて、プロトタイプと同様に、ロータとステータ間の歯付きギアをロータ内部
に配置することができる。この場合、動力装置は、偏心部分を有した軸と、前記
軸の前記偏心部分に取着され、かつ内部キャビティと端面および凸状側面とで形
成された外部表面とを有したロータピストンと、前記ロータピストンを受容する
内部空所を有し、該空所が2つの平行な端壁と前記ロータピストンと常時接触す
るセグメント部位を有した閉塞側壁とで形成されるように構成されたステータと
、前記ロータピストンに結合されたピニオンと前記ステータに固定された内歯車
との形態を備えた有歯装置とを具備し、前記ステータにおける前記軸の軸心に垂
直な閉鎖側壁の各断面は、N個の曲面隅部と直線または円滑な凸状曲線からなる
側辺とを有した正多角形を形成し、かつ、該Nは少なくとも4つであり、前記ス
テータのN個の側面の各面に1つづつ合計N個の作業部分が設けられ、前記ロー
タ
の側面における前記軸の偏心部分の軸心に垂直な各断面は、前記軸の偏心部分の
軸心から最も離れた(N−1)個の点を有する凸状閉塞線を形成しており、また
、前記ロータピストンにおける前記ステータのN個の作業部分に接触している前
記凸状の側面は前記ステータの内部空間を可変容量のN個の作業室に分割してい
る構成を具備する。
プロトタイプとの差異において、ステータとロータ間のシールをさらに効果的
にするのを確保する必要がある場合(例えばエンジン)、多角形状(角部の数が
少なくとも4つ)のステータを備えた動力装置において、各セグメント部位は、
1組の無荷重状態のシール部材とバネ部材とを含み、前記シール部材は前記ステ
ータの端壁と接触しながら、前記ステータの内部空間に向けて限られた動作を遂
行することができ、前記シール部材の種々の組み合わせが前記ロータピストンの
種々異なる公転位置で前記ロータの側面と接触し、かつ各部位において少なくと
も1つのシール部材の全長における複数の点が前記ロータピストンの側面と接触
していることが必要である。
一実施態様において、動力装置の多角形状ローターピストンは冷却装置を具備
し、該冷却装置は、前記ロータピストンの側面の下方に配設され、1組複数の閉
塞通路と、前記軸の偏心部分の軸心から最も隔たった前記閉塞通路の複数の部分
は、前記圧力マニホールドに連通され、かつ、前記軸の偏心部分の軸心に最も近
い前記閉塞通路の複数の部分は、上記の排気マニホールドに連通されて形成され
る。
多角形状ステータを備えた一実施態様において、上記ロータピストンは、本体
部と、フィン付き殻体とを具備してなり、前記殻体の前記フィンは前記本体部に
より支持されて前記閉塞通路を形成している。多角形状ステータを備えた更に別
の実施態様において、前記セグメント部位は、カートリッジとして形成され、該
カートリッジは、フィンと溝とを有するとともに前記ステータの内部空間と対向
し、かつ前記作業部分に所定のピッチで配設されて前記ステータの1つの端壁か
ら他方の端璧に向けて延設される保持体と、前記シール部材を固定する手段と、
該保持体に結合され、前記ステータの内部空間の外側に配設され、かつ奪熱要素
を備えたフランジと、前記ステータとカートリッジとの間をシールした取付面と
を備え、相互に接触した前記無負荷シール部材と前記バネ部材とは、前記フィン
の間の溝内に配設されている。
多角形状ステータを備えたさらに別の実施態様において、前記シール部材と前
記保持体のフィンとは、それらを貫通して設けられた開口を有し、前記シール部
材を固定するための固定手段は、該開口内に挿設されて該開口中を延設された1
つの棒体として形成されている。
多角形状ステータ(角部の数が少なくとも4つ)を備えた実施態様において、
ロータの構成を簡素化するために、プロトタイプとの差異において、ロータおよ
びステータ間の歯付きギアはロータの外部に配置される。ローターピストンが回
転時にあらゆる位置において、ステータ内において開口と重なり合う端壁を有す
るときには、ロータを越えてロータのギアをステータに配置するためにステータ
の壁内に形成された開口を、ロータリディスクまたはリングでもって閉鎖しなく
てもよい。この場合、動力装置は、偏心部分を有した軸と、前記軸の前記偏心部
分に取着され、かつ内部キャビティと端面および凸状側面とで形成された外部表
面とを有したロータピストンと、前記ロータピストンを受容する内部空所を有し
、該空所が2つの平行な端壁と前記ロータピストンと常時接触する3つの作業部
分を有した閉塞側壁とで形成されるように構成されたステータと、前記ステータ
の前記側壁の作業部分に配設されたセグメントと、前記ロータピストンに接続さ
れたピニオンと前記ステータに固定された内歯車との形態を備えた有歯装置とを
具備し、前記軸の軸心に対して垂直な前記ステータ側面の各断面は、N個の曲面
隅部と直線または円滑な凸状曲線からなる側辺とを有した正多角形を形成し、か
つ、該Nは少なくとも4つであり、前記ステータのN個の側面の各面に1つづつ
合計N個の作業部分が設けられ、 前記ロータの側面における前記軸の偏心部分
の軸心に垂直な各断面は、前記軸の偏心部分の軸心から最も離れた(N−1)個
の点を有する凸状閉塞線を形成しており、また、前記ロータピストンにおける前
記ステータのN個の作業部分に接触している前記凸状の側面は前記ステータの内
部空間を可変容量のN個の作業室に分割している構成をを具備する。
指摘されるべきことは、上述したステータの側壁の断面における角部が、湾曲
していてもよく、或いは効率的な燃焼を確保するのに必要な別の形状であっても
よいということである。
プロトタイプとの差異において、以下に記載する実施態様において、ロータピ
ストンに結合、固定された外径dのブッシュを有し、ステータの端壁には開口が
形成され、該開口内における前記ステータ壁の何ずれかの点から前記軸の軸心ま
での距離は、(E+0.5d)より大きく、前記軸の偏心部分の軸から前記ロー
タピストンの側面が有する前記軸の偏心部分の軸心に最も近い点までの距離引く
Eより小さく、ここでE=前記軸の軸心と該軸の偏心部分の軸心との間の距離で
あり、上記ブッシュは前記ステータの内部空間外に達して設けられ、かつ前記ス
テータの端壁の開口を貫通して延設され、上記有歯装置のピニオンは該ブッシュ
に固定結合される共に該ブッシュと同軸をなし、上記有歯装置は、上記ステータ
壁内または該ステータ壁外の該ステータの内部空間の外側に配設されている。
多角形状ステータ(角部の数が少なくとも4つ)を備えた実施態様において、
ロータの構成を簡素化するために、プロトタイプとの差異において、ロータおよ
びステータ間の歯付きギアはロータの外部に配置される。ロータを越えてロータ
のギアをステータに配置するためにステータの壁内に形成された開口を、ロータ
リディスクでもって(完全に)、またはリングでもって(部分的に)閉鎖しても
よい。この場合、動力装置は、偏心部分を有した軸と、同軸の偏心部分に取着さ
れ、かつ内部キャビティと端面および凸状側面とで形成された外部表面とを有し
たロータピストンと、該ロータピストンを受容する内部空所を有し、該空所が2
つの平行な端壁と前記ロータピストンと常時接触する3つの作業部分を有した閉
塞側壁とで形成されるように構成されたステータと、同ステータの前記側壁の作
業部分に配設されたセグメントと、上記ロータピストンに接続されたピニオンと
前記ステータに固定された内歯車との形態を備えた有歯装置とを具備し、上記軸
の軸心に対して垂直な前記ステータ側面の各断面は、N個の曲面隅部と直線また
は円滑な凸状曲線からなる側辺とを有した正多角形を形成し、かつ、該Nは少な
くとも4つであり、前記ステータのN個の側面の各面に1つづつ合計N個の作業
部分が設けられ、 前記ロータの側面における前記軸の偏心部分の軸心に垂直な
各断面は、前記軸の偏心部分の軸心から最も離れた(N−1)個の点を有する凸
状閉塞線を形成しており、また、前記ロータピストンにおける前記ステータのN
個の作業部分に接触している前記凸状の側面は前記ステータの内部空間を可変容
量のN個の作業室に分割している構成をを具備する。
プロトタイプとの差異において、前記ロータピストンに結合、固定された外径
dのブッシュを有し、上記ステータの端壁には円形開口が形成され、該開口は、
前記軸と同軸状態に設けられるとともにEを該軸の軸心と該偏心部の軸心との間
の距離としたとき、(E+0.5d)より大きい直径を有し、前記開口内には回
転ディスクまたは回転リングを環状シールを有して前記軸と同軸状態に取着され
、該ディスク又はリングはその外周直径が前記開口の直径とシール厚の2倍の寸
法との両者の和の値より小さく形成され、前記ブッシュは前記ステータの内部空
間外に達して設けられており、かつ前記回転ディスクに形成された開口又は前記
回転リングに形成された凹所を介して延設され、前記有歯装置のピニオンは該ブ
ッシュに固定結合される共に該ブッシュと同軸をなし、該有歯装置は、前記ステ
ータ内に該ステータの内部空間の外側に配設されているように構成される。
指摘されるべきことは、ロータの形状が上述したポーランド国特許第4819
8号(第5コラム、第53−54行目)に記載されているということである。例
えば、正方形状断面を有するステータに対し、直交座標においてロータ曲線の点
は以下の値を有する。
X = sinA *(8E * cos3A - k)
Y= -8E * cos4A + 12E * cos2A + k * cosA - 3E
ここで、
A=媒介変数システムにおける独立変数
k=ステータ断面の正方形の一辺の半分
E=偏心度(動力装置のシャフトの軸線と、シャフトの偏心部の軸線間の距離
)
請求の範囲に記載された動力装置を、図1から図31までを参照して以下にさ
らに説明する。添付図面において、
図1は、(シャフトの軸線に沿ってみた)装置の長手方向断面図である。
図2は、フライホイールを備えた装置の実施態様の長手方向断面図である。
図3は、2頂点ローターピストンを備えた装置の斜視概略線図である。
図4は、2頂点ローターピストンを備えた装置のステータおよびローターピス
トンの(シャフトの軸線に対し垂直な)概略断面図である。
図5は、2頂点ローターピストンを備えた装置のステータの前端壁を示す図で
ある。
図6は、2頂点ローターピストンを備えた装置の側断面図である。
図7は、冷却装置の圧力マニホルドを通る、2頂点ローターピストンを備えた
装置の断面図である。
図8は、冷却装置の排出マニホルドを通る、2頂点ローターピストンを備えた
装置の断面図である。
図9は、冷却装置の圧力マニホルドを通る、2頂点ローターピストンを備えた
装置の断面図である(別の実施態様)。
図10は、冷却装置の排出マニホルドを通る、2頂点ローターピストンを備え
た装置の断面図である(別の実施態様)。
図11は、フィン付きシェルを備えたローターピストンの長手方向部分断面図
である。
図12は、ローターピストンの部分長手方向断面図である(ローターピストン
シェルの別の実施態様)。
図13は、シール部材を備えたカートリッジの斜視図と、ローターピストンの
部分断面図とである。
図14は、シール部材とシール部材を固定する手段とを備えたカートリッジの
斜視図である。
図15は、シール部材(断面図で示す)を備えたカートリッジおよびローター
ピストンの部分断面図である。
図16は、台形状をなすカートリッジホルダフィンの断面図である。
図17は、台形状をなすホルダフィン、および対応するシール部材の断面図で
ある。
図18は、ホルダフィン、および凸状表面を有するシール部材の実施態様の部
分図である(固定手段は図示しない)。
図19は、ブッシュに対するピニオンのスプライン結合を示す図である。
図20は、ピニオンのスプライン結合のための歯を示す、ピニオンの適当な部
分の部分図である。
図21は、スラスト軸受を備えたロータリディスクの環状シールの実施態様を
示す図である。
図22、図23、図24、および図25は、ロータリディスクの環状シールの
様々な実施態様を示す図である。
図26、図27、及び図28は、夫々4つ、5つ、6つの作動室を備えた、ス
テータおよびローターピストンの様々な実施態様を示す概略断面図である。
図29は、作動室が3つよりも多い装置の長手方向断面図である(ロータリデ
ィスクまたはリングを備えていないステータの実施態様)。
図30および図31は、燃焼室内の作動プロセスの相を示す線図である。
参照番号リスト
1 シャフト(軸)
2 軸の偏心部分
3 ロータピストン
4 ブッシュ
5 ロータピストンの端面
6 ロータピストンの端面
7 ロータピストンの側面
8 ステータ
9 ステータの内部の空間
10 ステータの端壁
11 ステータの端壁
12 ステータの側壁
13 ロータピストンに結合されたピニオン
14 ステータに結合された内側の歯車
15 ステータの端壁の開口
16 ロータリーディスク又はリング
17 ステータの側壁の部分
18 ロータピストンの内部の凹部
19 ロータディスクの環状の密閉部
20 フライホイール
21 軸(シャフト)の軸心
22 軸の偏心部分の軸心
23 変更可能な容量の作動室
24 作動媒体の分配機構
25 ステータの円形にされた角部
26 ステータの断面の側部の直線又は凸状の線
27 三角形のステータの断面の高さ
28 軸の偏心部分の軸心から最も離れたロータピストンの点
29 ロータの側面と部分との間の接触線
30 ステータの側壁の作動部分
31 ロータのブッシュのための開口
32 ロータピストンの冷却用溝
33 ロータピストンの内部の凹部の外皮
34 ホルダ
35 荷重されない密閉部
36 作動工程の開始システム
37 ロータピストンの冷却システムの加圧マニホールド
38 システムの偏心部分の軸から最も離れた冷却溝の部分
39 ロータピストンの冷却システムの排出マニホールド
40 シャフトの偏心部分の軸に最も近い冷却溝の部分
41 ロータピストンの本体
42 ロータピストンのフィン
43 ホルダの細孔
44 ステータとカートリッジとの間の不動の密閉部
45 固定バー
46 ばね部材
47 密閉部材のカートリッジのフランジ
48 熱除去要素
49 取付け表面
50 密閉部材のためのカートリッジ
51 固定バーのための貫通開口
52 ホルダ細孔の分配ピッチ
53 ホルダの中央
54 ホルダのフィン
55 ガスの高圧の作動室
56 ガスの低圧の作動室
57 無荷重状態の(シール)密閉部材の上側表面
58 無荷重状態の(シール)密閉部材の下側表面
59 ホルダ細孔のクリアランス
60 無荷重状態の(シール)密閉部材の側面
61 ホルダのフィンの断面
62 フィンの側面
63 台形形状の密閉部材の断面
64 密閉部材の上側の凸状部分
65 ピニオンの歯の延長部
66 ブッシュの内部の歯
67 ピニオンの歯
68 スラスト軸受
69 環状の挿入部の円錐形部分
70 弾性リング
71 環状の挿入部のラビリンス密閉部
72 環状の挿入部の別々の部分
73 ステータの断面の正方形の辺(N=4)
図1及び図2は、本発明に関する動力プラントを示す。例として、ロータリー
ピニオンの内燃機関の装置が説明され、その装置は少なくとも一つの部分を有し
、その部分には、端部の側で類似する部分が結合可能である。本発明に関するポ
ンプ及びコンプレッサの装置の特徴が以下記載される。その動力プラントは、
軸受に支持されかつ偏心部分2を有する軸1と、
偏心部分2に回転可能に取付けられかつ内部の凹部18を有し、かつ端部の表
面5、6及び凸状の側面7とで構成される外部の表面を有するロータピストン3
と、
ロータピストンを収容するように意図されかつ二つの平坦な平行の端壁10、
11及び閉鎖された側壁12によって限定される内部の空間9を有するステータ
8とを具備する。
(三角形のステータと二頂点式ロータピストンとを備えた)請求項に記載の動力
プラントの好適な実施形態
ステータ8の側壁12(図3)には、三つの分離する部材、部分17が存在す
る。三つの部分17のそれぞれは、ロータピストン3の側面7と絶えず接触し、
それゆえステータ8の内部の空間は三つの作動室23に分割される。シャフトの
軸21に垂直なステータの側壁12の各断面(図4)は、円形にされた角部25
と、その側部の直線又は円滑な凸状の線26とを備えた正三角形の形状にされ、
更に各断面は、軸1の軸心21と同軸1の偏心部分2の軸心22との間の距離E
の値に関する幾何学的なパラメータを有する。この正三角形の高さ27は、距離
Eの値の九倍よりも大きい。軸の偏心部分2の軸心22に垂直なロータピストン
3の側面の断面は、二つの点28を有する閉鎖された凸状の線を表し、その点2
8は、ロータピストンの中心22から最も離れている(図4では、この中心は、
断面のシャフトの偏心部分の軸22の突起である)。ロータピストン3の側面7
(図3)は、正三角形の側壁12の三つの辺のすべてと絶えず接触するような形
状にされる。ステータの内部の空間9は、接触線29によって容量が変更可能な
三つの作動室23に分割され、接触線29は、ロータピストン3の凸状の側面と
、ステータの作動部分30である三つの部分17との間に位置する。
ロータピストン3(図1及び図2)は、それと一体にされかつシャフトの偏心
部分2と同軸にされたブッシュ4を有するか、そのようなブッシュに確実に結合
される。ブッシュ4は、シャフトの偏心部分2上で、ロータピストンと共に回転
し、ステータ8の内部の空間9の外側に配置され、かつ外径dを有する。ブッシ
ュ4に確実に結合されかつそれと同軸なピニオン13は歯車14と係合しており
、歯車14は、内側の歯を有しかつステータ8に確実に結合されている。歯車1
4の直径に対するピニオン13の直径の比は、2:3に等しい。
指摘されることとして、上述されたブッシュ4は、ロータピストン3の突出す
る一部品として製造可能である、あるいは一つの又は他の方法でロータピストン
3に確実に結合された別々の部品であることが可能である。同じことが、ピニオ
ン13に対するブッシュ4の確実な結合に当てはまり、つまりブッシュ4は、ピ
ニオンの突出する一部品として、又はピニオンに結合された別々の部品として製
造可能である。
図5は、ステータ8の前端壁11を示す。この壁は、軸1の軸心21に整列さ
れた軸を備えた開口15を有する。この開口の直径は、(E+0.5d)の値よ
りも大きい。開口15を完全に閉鎖するロータリーディスク16は、開口の内側
に配置され、壁11に関して回転可能である。ディスクの代わりに、開口15を
部分的にのみ閉鎖するリングが取付け可能である。ロータリーディスク(又はリ
ングの)外側の(円筒形又は円錐形の)回転表面は、開口15の対応する部分に
支持される。環状の密閉部19は、ディスク(又はリング)6とステータの壁1
1との間に配置される。ディスク(又はリング)16は、ブッシュ4が延長する
ための開口31又は凹部を有する。
動力プラントは、シャフト1に確実に結合されたフライホイール20を有する
ことが可能である(図2)。フライホイール20は、同様にロータリーディスク
又はリング16に結合されることも可能である。
図6は、ステータ8及びロータピストン3の横の断面図を示す。ロータピスト
ン3の内側の凹部18は、外皮33の下に配列された冷却用の一組の溝32を構
成し、外皮33の外側表面は、同時にロータピストンの側面7である。溝32は
、冷却システムの加圧及び排出マニホールドに結合される。図2に示されるよう
に、ロータピストン3の内側の凹部18は、シャフト1及びステータ8の内側に
延長するクーラント供給溝に結合されている。図6は、更に、ステータ8の側壁
12に配列された部分17を示す。各部分17は、ホルダ34に締結された一組
の荷重されない密閉部材35を有する。これに加え、作動工程を開始するシステ
ム36が示され、そのシステムは、点火プラグを有して製造される。そのシステ
ムは、内燃機関に一般的に使用される作動工程を開始するためのシステムと変わ
りない。
図7はロータピストンの断面を示し、そのロータピストンは、シャフト1の軸
22に垂直でありかつ冷却システムの加圧マニホールド37が通される。冷却溝
32の部分38は、加圧マニホールド37に結合され、軸22から最も離れて配
置され、点28に近接して配置され、点28は、ロータピストンの断面の中心か
ら最も離れて配置される。軸22に最も近い冷却溝の部分40(図8)は、排出
マニホールド39に結合される。
図9は、二頂点式ロータピストン3の第二の実施形態を示す。シャフト1の軸
22に垂直な断面には、冷却システムの加圧マニホールド37が通される。閉鎖
された溝32の部分40は、ロータピストン3の側面7の一方の側の軸の偏心部
分2の軸22から最も近い位置に配置され、加圧マニホールド37に結合される
。
図10は、(上述された第二の実施形態の)冷却システムの排出マニホールド
39が通された二頂点式ロータピストン3の断面を示す。閉鎖された溝32の部
分40は、ロータピストン3の側面7の、図9に示された部分に関して他方の側
のシャフトの偏心部分2の軸22から最も近い位置に配置され、冷却システムの
排出マニホールド39に結合される。
冷却溝32は、ロータピストンの本体41と、それによって支持された外皮3
3とによって限定される幾分狭いスリットを示し(図11)、該スリットは、フ
ィン42によって別々の溝に分割される。これらのフィンは、外皮33と一体で
あることが可能である。他の実施形態(図12)では、フィン42は、ロータピ
ストンの本体41の一部であり、外皮33は、外側及び内側が円滑にされる。
図13は、一組の無荷重状態の密閉(シール)部材35を有するカートリッジ
50の斜視図を示し、ステータの端壁11に垂直な方向のカートリッジ50の長
さは、端壁10及び11の間の距離に等しい。部材35は、ステータの壁10及
び11に接触する端部の側部を有する。
図14は、カートリッジ50の断面図であり、その主要部分は、交互のフィン
54及び細孔43からなる、くし状構造体を有するホルダ34である。ホルダの
細孔(及びフィン)は、ロータピストン3の回転方向に垂直である。細孔は、所
定のピッチ52を有して配置され、そのピッチは、一定又は変更可能であり、ホ
ルダ34への細孔の配置に依存する。密閉部材35は、荷重されず、板状である
ことが可能である。密閉部材35は、細孔43内に配置され、かつステータの内
部の空間9に配置されたロータピストン3の側面12の方の方向に移動可能であ
る。密閉部材35を細孔43内で保持するために、密閉部材を固定する手段が使
用される。ホルダと密閉部材35との間の細孔内にはばね部材46が配置される
。ホルダ34に加えて、カートリッジ50もまたフランジ47を有し、フランジ
47は、ホルダに結合され、かつホルダに関してステータの内部の空間9の反対
側に面する。フランジ47は、例えば突起のシステムの形態の、熱除去要素48
を有する。取付け表面49は、フランジ47上に位置し(しかしながらホルダ3
4上に配置されることも可能であり)、ステータ8の本体に支持され、かつステ
ータの内部の空間9を密閉する不動の密閉部44を有する。取付け表面49の目
的は、ステータ8の作動位置にカートリッジ50を取着することである。これに
加えて、図14は、固定手段の一つの実施形態を示し、固定バー45は、フィン
54及び密閉部材35の開口51を通じて延長する。細孔に割り当てられるピッ
チ
52は、カートリッジの中央から端部まで異なるように予め決定可能である。
図15は、浮遊する密閉部材35を備えたカートリッジのためのホルダ34、
及び密閉部材35と接触するロータピストン3の一部を示す。ロータピストン3
の側面7は、幾つかの荷重されない密閉部材35と接触する。高圧のガスを含む
作動室55は、低圧ガスを含む作動室56から密閉部材35によって分離される
。密閉部材35は、ホルダ34の細孔43内に配置される。(図15に概略示さ
れる)ばね部材46は、密閉部材35と、細孔43の下側表面との間に挿入され
る。固定手段は示されない。荷重されない密閉部材35の上側表面57は、ロー
タピストンの表面7と接触している。ばね部材46は、密閉部材35の下側表面
58に抗して加圧される。細孔43のクリアランス59は、ホルダのフィン54
と、荷重されない密閉部材35の側面60との間に限定される。
図16は、ホルダ34に支持される小さい基部を有する台形形状のホルダのフ
ィンの断面61を示す。
図17では、同様に台形形状を断面63を有する密閉部材35は、ホルダのフ
ィンの側面62に抗して密閉部材35の側面60を配置することによって、限定
され固定された高さで、移動してステータの内部の空間に入ることが可能である
。
図18は、(ステータの内部の空間の方に向けられた)凸状の上側部分64を
有する密閉部材35を示す。
図19は、ロータピストン3に確実に結合されたブッシュ4へのピニオン13
の代わりの結合部を示す。幾つかの部分上では、ピニオン13の歯67は、(図
20に示されるように)外径のまわりに曲げられ、延長部65は、ブッシュ4の
内部で噛み合う対応する歯66と係合し、それゆえ歯66とのスプラインを付け
られた接合部が形成される。
図21は、ステータ8の壁11に対するロータリーディスク(又はリング)1
6の移動可能な結合部の実施形態を示す。スラスト軸受68は、ディスク16の
端面と壁11の端面との間に配置される。
図22は、ディスク(又はリング)16とステータ8の壁11との間の環状の
密閉部19の実施形態を示す。密閉部19は、リング形状又は(向きを変えられ
た)溝付きのリング形状の環状の挿入部として製造される。
図23に図示の環状の密閉部19の他の実施形態は、円錐形部分69と弾性リ
ング70とを備えた環状の挿入部を示す。
環状の密閉部19の第三の実施形態は図24に図示される。挿入部は、ロータ
リーディスク16の外側の円筒形表面にラビリンス密閉部71を有するように製
造される。
図25に明示のように、組立可能なことを保証するために、挿入部は別々の部
分72で製造される。
三つより多い作動室数を有したステータを備える請求項に記載の 装置の実施
形態
上述されたように、三角形断面を有するステータと、二頂点式ロータピストン
とを備えた実施形態に加えて、装置はステータを有することが可能であり、シャ
フト1の軸21に垂直なそのステータの側壁の断面は、Nが3より大きい正N角
形の形状にされ(図26では正方形、図27では五角形、図28では六角形)、
円形にされた角部25と側部の直線又は円滑な凸状の線26とを有する。このN
角形の幾何学的なパラメータは、シャフト1の軸21とシャフトの偏心部分2の
軸22との間の偏心距離Eの値に関する。例えば、四つの作動室を備えた装置の
ステータの断面の正方形の(図26の)辺73は、偏心距離Eの六倍に等しい又
はそれより大きい。この場合には、歯車の直径に対するピニオンの直径の比率は
3:4に等しい。それぞれ、シャフトの偏心部分の軸22に垂直なロータの側面
7の各断面は、シャフトの偏心部分の軸22から最も離れた、N−1の点28を
有する凸状の閉鎖された線を示し、ステータのN個の作動部分30(部分)と接
触するロータピストンの凸状の側面7は、内部の空間を、変更可能な容量のN個
の作動室23に分割する。この実施形態では、ロータとステータとの間の歯付き
歯車は、典型と同様にロータの内側に配置可能である。Nが3と等しい装置を議
論しかつ冷却システムに関する場合に、上述されたように、ステータ8及びロー
タピストン3の装置のこのすべての特徴部分と共に、密閉部材35を備えたカー
トリッジ50及びロータリーディスク16もまた、Nが3より大きいN角形のス
テータを備えた装置内に保持される。
Nが3より大きいN角形のステータを備えた装置の他の実施形態では、ロータ
とステータとの間の歯付き歯車は、ステータの内部の空間9の外側に配置可能で
ある。この場合、作動室23は、ロータリーディスク16又はロータリーリング
によって密閉される。ステータの端壁11の開口15の直径は、ブッシュ4の通
過及び回転の保証のために十分にされなければならず、つまり、その直径は、E
+0.5dより大きくなければならず、ここでEはシャフト1の軸21とシャフ
トの偏心部分2の軸22との間の距離の値に等しく、dはブッシュ4の外径と等
しい。
しかしながら、Nが3より大きい場合で、ステータの壁11の開口の寸法に幾
つかの付加的な限定が加えられる場合に、N角形の幾何学的なパラメータにより
、装置のある実施形態が可能にされ、その実施形態では、ステータの壁11の開
口15は、ロータリーディスク又はリングによって閉鎖されない(図29)。ス
テータ8の内部の空間の作動室の密閉は、この場合、ロータピストンの端壁6又
はその部分によって保証される。ステータの壁11の開口15は、円形でない形
状を有することも可能である。四角形のステータの上述された限定は、以下のよ
うに公式化されることが可能であり、ステータ8の端壁11には開口15が存在
し、開口15のステータの壁11のいずれかの点からシャフト1の軸21までの
距離は、E+0.5dより大きく、かつシャフトの偏心部分2の軸22からロー
タピストン3の側面7の点までの距離よりも小さく、シャフトの偏心部分の軸2
2までの距離からEを引いたものに最も近い。開口15の上述された寸法は、作
動室の密閉を保証する。
本発明を基礎として、内燃機関の他に、ポンプ、コンプレッサ又は水力発動機
の製造も可能である。この動力プラントをポンプとして使用する場合、(点火)
工程を開始するシステムを有する必要性は存在せず、それゆえ作動媒体を分配す
るシステムは変更される。ロータピストン3は、ステータの内部の空間9を越え
て配置されたブッシュ4を有するように製造可能であるが、ポンプによって注入
される作動媒体が冷却作用を達成可能であるために、ロータピストンは付勢され
た冷却システムを有さないことが可能である。幾つかの場合には、密閉部材35
を備えたカートリッジ50と共にポンプを提供することは合理的ではなく、その
装置は上述されたようであり、例えば注入される作動媒体は十分な速度を有する
。この動力プラントがコンプレッサとして使用される場合には、(点火)工程を
開始するシステムを有する必要性が存在せず、作動媒体を分配するシステムは様
々である。しかしながら幾つかの場合には、密閉部材35を備えた上述されたカ
ートリッジ50を使用することが必要とされ、同様に冷却溝32及びマニホール
ド37及び39を備えたロータピストンの付勢された冷却のためのシステムを使
用することが必要とされる。3と等しい作動室の数Nを有する、ピニオン13及
び歯車14からなる歯付き歯車は、ステータの内部の空間9の外側に製作されな
ければならず、コンプレッサ及びポンプにとって、Nが3より大きい場合には、
歯車装置は、この空間の外側又は内側に配置可能である。水力発動機の装置は、
ポンプの装置と実質的に異ならない。
請求項に記載の構成の作用を以下に記載する
本動力装置は、機関の形態において、次のように動作する。
軸(図3)の回転により、ロータピストン3は、歯車装置(ピニオン13、ギ
ヤホイール14)を介して回転する。運動学的リンクは、作動媒体用の分配機構
24や作動過程を開始させるシステム36(図6)を駆動する。軸1の軸線21
と軸の偏心部分2の軸線22という2つの軸線回りに回転するロータピストン3
は、ピニオン12及びギヤホイール14が噛合するために、ステータ8の内部空
間において、ロータピストンの側面7がステータ8の全セグメントの面に連続的
に接触するような軌道を描く。そのような動きにおいて、ロータピストンの側面
7は、完全に『周回』する、すなわち、セグメント17の面に対して、その総て
の点が連続して当接・係合する。セグメント17とロータピストン3の側面との
間の線接触部分は、ステータ8の内部空間を可変容量の作動室に分割する。作動
室23の各々は、その容量を交互に変え、周期的にその最大量まで広がるととも
に、二頂点タイプ(two-vertex)のロータピストンがステータの1の頂部コーナ
ーに達する際に最少量となる。作動室23の容量の変化は、作動過程(working
process)の様相(phases)に応じて進行する(図30参照)。4行程(four-st
roke)の作動サイクル(2行程の作動サイクルでも同様であるが)の一例にあっ
ては、作動室の各々の様相は、円形の線図によって表示されており、陰をつけた
扇形部は、ロータピストン3が図示ポジションに位置した瞬間における燃焼室の
作動過程の様相を示し、矢印は、各燃焼室における様相が相互に進行する順序を
示している。ロータピストン3が右回りに回転するとき、作動室K1において作
動媒体の圧縮(図で文字Cで表される)が起き、作動媒体の供給及び排出用の経
路(channels)が弁装置によって閉塞され、作動室K2において作動媒体の燃焼
及び膨張(図では文字“P”で表示)が起き、作動室K3において作動媒体の排
出用の経路を介した作動媒体の排出(図で文字Bで表される)が起きる。ロータ
ピストン3が更に回転することにより、作動室の様相は、ロータピストンの位置
にもよるが、作動室毎の全サイクルが完了するまで変化する。作動室K3にあっ
ては、様相Bの後に様相H(作動室が作動媒体によって充填される等)が起き
る。
二頂点タイプのロータピストンと断面三角形のステータとによる実施例におい
て、歯車装置は、ステータの内部空間9の外側に配設される(図1)。
この目的のため、ブッシュ4が用いられ、これにより、ステータ8の空間9か
ら離してピニオン13を配置することができる。ステータの壁11には、軸1に
同軸的に開口15が設けられ、該開口の中では、ディスク16が回転し、該ディ
スクには、軸の偏心部分2と同軸的な開口31が設けられる。ブッシュ4は、ス
テータのディスク16の開口31を貫通する。回転時に軸の偏心部分2は、それ
自体が回転すると共に、ブッシュ4を介してディスク16を軸1の回りに回転さ
せる。ディスク16は、ステータの内部空間9をシールし、より正確には、作動
室の各々をシールする。
プレート型(plate-type)の無荷重状態の(unloaded)シール部材35を具え
たカートリッジ50(図13)は、作動媒体が1の作動室から別の作動室に流れ
込むのを阻止する。作動室55の中のガスの圧力のために、シール力は、ホルダ
34のフィン54の側面に対してシール部材35を押圧させる。この力は、隣接
する作動室55、56の圧力差に比例する。このプロセスは、『内燃機関の設計
及び工学』(edited by N.Kh.Dyachenko,Leningrand,“Mashinostroyeniye
”Publishers,1979,page 233,Fig.VI-20)という本に記載されている。ロー
タピストン3の面7に向かう方向の扁平なシール部材35に作用する力は、扁平
なシール部材35の面57、58の作動媒体によって生じる略等しい圧力の間の
差異及びばね部材46によって生じる力から形成される。スロット43の隙間5
9は、ガスがスロット43の内部空間に入って行くことを可能にする。飛び出し
式のシール部材35の上面57と下面58におけるガス圧力は、釣り合い、隙間
59のガス圧力は、飛び出し式のシール部材35の側面60をフィン54の側面
に対して押圧させる。主としてロータピストン3の側面7に作用するのは、弾力
性を有するはね部材46である。固定手段がバー45として形成される場合、シ
ール部材の開口51は、バー45の外径よりも大きな直径を有するように形成さ
れる。この直径差は、ステータ8の内部空間9に向かう部材35の移動量を決定
する。カートリッジ50には、可変ピッチ52を有するようにシール部材35を
配置することができ、これにより、それらの間で作動媒体の圧力をより効果的に
分配することが可能になる。
ステータ及びロータピストンの冷却は、熱変形を小さくするために、幾何的形
状の安定を図り、これにより、シール部材の動作が促進される。熱負荷の物理的
な影響は、『内燃機関の設計及び工学』(edited by N.Kh.Dyachenko,Lening
rand,“Mashinostroyeniye”Publishers,1979,page 238,Fig.VI-24)とい
う本に記載されている。
三角形のステータを有する実施例において、作動過程を開始させる構造にもよ
るが、2つの熱的な形態のロータ動作が可能である。第1の場合において、最も
苛酷な熱負荷は、軸の偏心部分から最も離れているロータピストン3の側面の部
分38に現出する。この場合には、図7及び図8に示す所定設計のロータピスト
ンの冷却システムが使用される。圧力マニホルド37(図7)からの冷却液は、
軸の偏心部分の軸線から最も離れている冷却用の経路の部分38に流れて行き、
次いで、該軸線に最も近い冷却用の経路の部分40を通してドレン用マニホルド
39に流れ込む。
第2の場合(図9及び図10)においては、最も苛酷な熱負荷は、1点、例え
ば、ロータピストンの側面7の上側の横面(図9)に現出し、そこは、対向する
ロータの側面の横面よりも加熱される。この場合には、図9及び図10に示す所
定設計のロータピストンの冷却システムが使用される。圧力マニホルド37から
の冷却液は、軸の偏心部分の軸線から最も近い冷却用の経路の上側部分40(図
9)に流れて行き、次いで、該軸線に最も近い冷却用の経路の下側部分40(図
10)を通してドレン用マニホルド39に流れ込む。冷却液が経路を流れる際に
、上側からの熱は、ロータピストン3の側面の下側に伝達され、これにより、後
者の熱変形が低減される。
シェル33(図11)の内部部分に形成したフィン42は、ロータピストン3
の冷却3を改善することを可能にする。
例えば、原則的にはN=4であるけれども、多角形のステータを具えた構造の
動作は、上述したような三角形ステータを具えた機械の動作と異なる。多くの場
合において三角形ステータを具えた構造が好適であるが、多角形(Nが3以上)
のステータを具えた本請求に係る実施例は、例えば、単一の構造における複数の
機能を組み合わせることにより、本発明の適用範囲を広げることを可能にする。
多角形(Nが3以上)のステータを具えた動力装置(power plant)の作動は、
以下の通りである。上述した場合と同様に、作動室23は、その容量を変え、周
期的にその最大量まで広がると共に、最少量となる。作動室23の容量の変化は
、作動過程の様相に応じて進行する。4行程の作動サイクル(図31参照)の一
例にあっては、作動室の各々の様相は、円形の線図によって表示さわており、陰
をつけた扇形部は、ロータピストン3がステータの内部空間9の内部の図示ポジ
ションに位置した瞬間における様相を示し、矢印は、各燃焼室における様相が相
互に進行する順序を示している。ロータピストン3が右回りに回転するとき、作
動室K1において作動媒体の圧縮(様相C)が起き、作動媒体の供給及び排出用
の経路が弁装置によって閉塞され、作動室K2において作動媒体の燃焼及び膨張
(様相P)が起き、作動室K3において作動媒体の排出用の経路を介した作動媒
体の排出(様相B)が起き、作動室K4において作動媒体の供給用の開いた経路
を介しての充填(様相H)が行われる。ロータピストン3が更に回転することに
より、作動室23の様相は、ロータピストンの位置にもよるが、作動室毎の全サ
イクルが完了するまで変化する。
他の総ての要因のうちで作動媒体の圧縮比は、作動室の数に依存しており、そ
の数が大きくなればなる程、ステータとロータピストンの断面積の間における差
が小さいために(図4、26、27、28)、圧縮比が小さくなる。
N角(Nは3以上)の多角形ステータを具える機械は、三角形ステータを具え
る機械と比較して、ステータの空間9の中に歯車装置(ピニオン13、ギヤホイ
ール14)を配置することができる。しかしながら、この場合において、飛び出
し式のシール部材35を一式組み込んだカートリッジ50やセグメント17に対
するロータピストンの面の相互作用の性質は変わらない。カートリッジ50内の
飛び出し式シール部材35の動きは、上述したものと正に同様である。
N角(Nは3以上)の多角形ステータを具える動力装置の作動においては、軸
22から最も離れているロータピストン3の側面7の部分は、作動プロセスを開
始させるために用いられる構造によって非常に高い熱負荷にさらされる。従って
、これらの部分には、冷却システムの圧力マニホルドが連結され、ドレン用マニ
ホルドは、(三角形ステータのために図7及び図8に示されたものと同様に)軸
22から殆ど離れていないロータピストン3の側面7の部分に連結される。
外部位置にある歯車装置やN角(Nは3以上)の多角形ステータを具える動力
装置の作動にあっては、以下のような特性がある。ステータ壁の開口15がディ
スクもしくはリングによって閉塞されないようなときには、(図29に示す)実
施例が可能であり、この場合において、回転中のロータピストン3は、作動室2
3の内部凹所がシールされ得ない開口15のその部分を端面6で閉塞する。
請求に係る発明は、産業形式で実施することができる。
この特許明細書に従い、内燃機関、コンプレッサ、ポンプ並びに、機関、コン
プレッサ、又はポンプを様々の形式で結合した組立体から成る動力装置を含むよ
うな様々の動力装置が形成可能である。そのような動力装置の単一ステータの中
で作動室を確実に分離する本請求に係るシール構造のために、コンプレッサを設
けることが可能であり、その作動力は、同一ステータの中に位置する機関によっ
て付与される。すなわち、作動室の一部は、コンプレッサの形態で動作し、他の
部分は、機関の形態で動作する。単一のステータにおいて、動力装置の各要素が
それ自体の作動媒体で動き且つそれ自体の入口及び出口を有するような幾つかの
コンプレッサ(ポンプ、液圧モータ)を設けることができる。本発明は、(単一
の軸上で作用する幾つかのステータを具える)多断面構造によって実施可能であ
り、1の断面における作動室も他の断面における作動室も共に、所定効果を達成
するために様々の形式で連結することができる。
ロータの内部空間の外側に歯車装置を配設することにより、利用可能な空聞が
増えるために、ロータピストンの軸受けの支持性能と寸法を拡大できる。
動力装置がロータとステータとの間に2つの歯車装置を有し、それらがロータ
両側のステータ内部空間外に配置され、対称的な設計と負荷の均一分散を可能に
するよう構成して、本発明を実施することができる。
特定の動力装置に課される要求によるが、本明細書で提案した歯車装置、ロー
タ冷却、シール構造の様々の組み合わせにより達成可能である。全室に対して同
一の媒体を有する多重室ポンプにおいては、作動媒体自体が冷却液の機能を奏す
ることができるので、作動媒体が隣の作動室に入り込んだり、ロータがオーバー
ヒートすることを危惧する必要はない。この場合に、歯車装置について提案した
技術的解決策を用いることが必要であり、これにより、容量単位毎のポンプの高
い特有の性能を確保することができる。また、機関を構成する場合に、本特許明
細書で提案したようなロータ冷却用システム、歯車装置、シール部材を使用する
ことが必要である。
本特許明細書で開示した本願発明の実施例は、図示したものだけであるが、本
願発明のために提案した一連の請求の範囲内の他の実施例のための本出願人の請
求の範囲を限定するものではない。
【手続補正書】特許法第184条の8
【提出日】1995年8月15日
【補正内容】
明細書
本発明の概念は、本発明の第1の態様によれば、偏心部分を有した軸と、前記
軸の前記偏心部分に取着され、かつ 端面および凸状側面とで形
成された外部表面とを有したロータピストンと、前記ロータピストンを受容する
内部空所を有し、該空所が2つの平行な端壁と前記ロータピストンと常時接触す
る3つの作業部分を有した閉塞側壁とで形成されるように構成されたステータと
、前記ステータの前記側壁の作業部分に配設されたセグメントと、前記ロータピ
ストンに接続されたピニオンと前記ステータに固定された内歯車との形態を備え
た有歯装置とを具備し、前記軸の偏心部分における軸心に対して直角な前記ロー
タピストン側面の各断面は、該軸の偏心部分における軸心最も隔たりかつ該軸心
に対して対称に配設された2つの点を有する凸閉塞線を成しており、前記軸の軸
心に直角な前記ステータの側壁の各断面は、正三角形の形状に形成されると共に
その辺は直線または円滑な凸状線によって形成され、また前記ステータの内部空
間は、前記ロータピストンの凸状側面とステータの3つの作業部分との間の接触
線により、可変容積の3つの作業室に分割されている構成を具備してなる動力装
置からなる。
プロトタイプとの差異において、上記ロータピストンに固定的に接続された直
径dのブッシュを有し、上記ステータの端壁には円形開口が設けられ、該開口は
前記軸と同軸関係にあり、かつ前記軸の軸心と該軸の偏心部分の軸心との間の距
離を“E”とすると、(E+0.5d)より大きな直径を有し、上記軸と同軸に上記
開口内に回転円板が取着され、前記ブッシュは前記ステータの内部空間外に達し
て設けられ、かつ前記回転円板の開口を貫通して延設され、前記有歯装置のピニ
オンは前記ブッシュに固定的にかつ該ブッシュに同軸に結合され、前記有歯装置
は前記ステータに前記内部空間外に配設され、かつ前記ステータと前記回転円板
との間に環状シールが取着されている。
プロトタイプとの差異において、ロータピストンが大きな熱負荷下で作動する
ようになっている実施態様、特にエンジンにおいて、ロータピストンを冷却する
ために、当該ローターピストンの内部空間は、上記ロータピストンの側面の下方
に配設される1組の閉塞通路と、強制冷却用の圧力マニホールドと排出マニホー
ルドと、を具備して構成され、上記閉塞通路における上記軸の偏心部分の軸心か
一つの端壁から他の端壁に向かう方向に延設されたホルダと、 前記シール部材
を固定する固定手段と、前記ホルダに接続され、前記ステータの内部空間の外側
に設けられ、かつ奪熱要素を備えたフランジと、前記ステータと前記カートリッ
ジとの間のシールを有した取付面と、前記シール部材と該シール部材に接触した
前記バネ部材とは前記ホルダのフィンの間の溝内に配設されている。
一実施態様において、前記シール部材と前記ホルダのフィンとは貫通開口を有
し、かつ前記シール部材を固定する前記固定手段は前記貫通開口内に挿設された
棒体として形成されている。
複数の非荷重式およびバネ荷重式シール部材を用いてシールを形成することに
よって、ロータの表面上に予め定められた所望の圧力をシール部材により発生さ
せるのを確保することができる。この圧力は基本的にバネ部材の応力により定ま
る。このため、シール部材の寿命を延長することができ、シール作用の高い品質
を確保することができる。
さらに別の実施態様において、前記ブッシュと前記ピニオンとは相互にスプラ
イン継手で結合され、前記ピニオンスプラインは該ピニオンの歯の延長体として
形成されている。
次に、本発明の本質的特徴は、三角形状でなく、少なくとも4つの角部を有す
る多角形状ステータを備えた実施態様について記載される。これらの実施態様に
おいて、プロトタイプと同様に、ロータとステータ間の歯付きギアをロータ内部
に配置することができる。この場合、動力装置は、偏心部分を有した軸と、前記
軸の前記偏心部分に取着され、かつ 端面および凸状側面とで形
成された外部表面とを有したロータビストンと、前記ロータピストンを受容する
内部空所を有し、該空所が2つの平行な端壁と前記ロータピストンと常時接触す
るセグメント部位を有した閉塞側壁とで形成されるように構成されたステータと
、前記ロータピストンに結合されたピニオンと前記ステータに固定された内歯車
との形態を備えた有歯装置とを具備し、前記ステータにおける前記軸の軸心に垂
直な閉鎖側壁の各断面は、N個の曲面隅部と直線または円滑な凸状曲線からなる
側辺とを有した正多角形を形成し、かつ、該Nは少なくとも4つであり、前記ス
テータのN個の側面の各面に1つづつ合計N個の作業部分が設けられ、前記ロー
タ
を備え、相互に接触した前記無負荷シール部材と前記バネ部材とは、前記フィン
の間の溝内に配設されている。
多角形状ステータを備えたさらに別の実施態様において、前記シール部材と前
記保持体のフィンとは、それらを貫通して設けられた開口を有し、前記シール部
材を固定するための固定手段は、該開口内に挿設されて該開口中を延設された1
つの棒体として形成されている。
多角形状ステータ(角部の数が少なくとも4つ)を備えた実施態様において、
ロータの構成を簡素化するために、プロトタイプとの差異において、ロータおよ
びステータ間の歯付きギアはロータの外部に配置される。ローターピストンが回
転時にあらゆる位置において、ステータ内において開口と重なり合う端壁を有す
るときには、ロータを越えてロータのギアをステータに配置するためにステータ
の壁内に形成された開口を、ロータリディスクまたはリングでもって閉鎖しなく
てもよい。この場合、動力装置は、偏心部分を有した軸と、前記軸の前記偏心部
分に取着され、かつ 端面および凸状側面とで形成された外部表
面とを有したロータピストンと、前記ロータピストンを受容する内部空所を有し
、該空所が2つの平行な端壁と前記ロータピストンと常時接触する3つの作業部
分を有した閉塞側壁とで形成されるように構成されたステータと、前記ステータ
の前記側壁の作業部分に配設されたセグメントと、前記ロータピストンに接続さ
れたピニオンと前記ステータに固定された内歯車との形態を備えた有歯装置とを
具備し、前記軸の軸心に対して垂直な前記ステータ側面の各断面は、N個の曲面
隅部と直線または円滑な凸状曲線からなる側辺とを有した正多角形を形成し、か
つ、該Nは少なくとも4つであり、前記ステータのN個の側面の各面に1つづつ
合計N個の作業部分が設けられ、 前記ロータの側面における前記軸の偏心部分
の軸心に垂直な各断面は、前記軸の偏心部分の軸心から最8離れた(N−1)個
の点を有する凸状閉塞線を形成しており、また、前記ロータピストンにおける前
記ステータのN個の作業部分に接触している前記凸状の側面は前記ステータの内
部空間を可変容量のN個の作業室に分割している構成をを具備する。
指摘されるべきことは、上述したステータの側壁の断面における角部が、湾曲
していてもよく、或いは効率的な燃焼を確保するのに必要な別の形状であっても
よいということである。
プロトタイプとの差異において、以下に記載する実施態様において、ロータピ
ストンに結合、固定された外径dのブッシュを有し、ステータの端壁には開口が
形成され、該開口内における前記ステータ壁の何ずれかの点から前記軸の軸心ま
での距離は、(E+0.5d)より大きく、前記軸の偏心部分の軸から前記ロー
タピストンの側面が有する前記軸の偏心部分の軸心に最も近い点までの距離引く
Eより小さく、ここでE=前記軸の軸心と該軸の偏心部分の軸心との間の距離で
あり、上記ブッシュは前記ステータの内部空閤外に達して設けられ、かつ前記ス
テータの端壁の開口を貫通して延設され、上記有歯装置のピニオンは該ブッシュ
に固定結合される共に該ブッシュと同軸をなし、上記有歯装置は、上記ステータ
壁内または該ステータ壁外の該ステータの内部空間の外側に配設されている。
多角形状ステータ(角部の数が少なくとも4つ)を備えた実施態様において、
ロータの構成を簡素化するために、プロトタイプとの差異において、ロータおよ
びステータ間の歯付きギアはロータの外部に配置される。ロータを越えてロータ
のギアをステータに配置するためにステータの壁内に形成された開口を、ロータ
リディスクでもって(完全に)、またはリングでもって(部分的に)閉鎖しても
よい。この場合、動力装置は、偏心部分を有した軸と、同軸の偏心部分に取着さ
れ、かつ 端面および凸状側面とで形成された外部表面とを有し
たロータピストンと、該ロータピストンを受容する内部空所を有し、該空所が2
つの平行な端壁と前記ロータピストンと常時接触する3つの作業部分を有した閉
塞側壁とで形成されるように構成されたステータと、同ステータの前記側壁の作
業部分に配設されたセグメントと、上記ロータピストンに接続されたピニオンと
前記ステータに固定された内歯車との形態を備えた有歯装置とを具備し、上記軸
の軸心に対して垂直な前記ステータ側面の各断面は、N個の曲面隅部と直線また
は円滑な凸状曲線からなる側辺とを有した正多角形を形成し、かつ、該Nは少な
くとも4つであり、前記ステータのN個の側面の各面に1つづつ合計N個の作業
部分が設けられ、 前記ロータの側面における前記軸の伺心部分の軸心に垂直な
各断面は、前記軸の偏心部分の軸心から最も離れた(N−1)個の点を有する凸
状閉塞線を形成しており、また、前記ロータピストンにおける前記ステータのN
請求の範囲
1.動力プラントであって、
偏心部分を有した軸と、
前記軸の前記偏心部分に取着され、かつ 端面および凸状側面
とで形成された外部表面とを有したロータピストンと、
前記ロータピストンを受容する内部空所を有し、該空所が2つの平行な端壁と
前記ロータピストンと常時接触する3つの作業部分を有した閉塞側壁とで形成さ
れるように構成されたステータと、
前記ステータの前記側壁の作業部分に配設されたセグメントと、
前記ロータピストンに接続されたピニオンと前記ステータに固定された内歯車
との形態を備えた有歯装置とを具備し、
前記軸の偏心部分における軸心に対して直角な前記ロータピストン側面の各断
面は、該軸の偏心部分における軸心最も隔たりかつ該軸心に対して対称に配設さ
れた2つの点を有する凸閉塞線を成しており、
前記軸の軸心に直角な前記ステータの側壁の各断面は、正三角形の形状に形成
されると共にその辺は直線または円滑な凸状線によって形成され、また
前記ステータの内部空間は、前記ロータピストンの凸状側面とステータの3つ
の作業部分との間の接触線により、可変容積の3つの作業室に分割されている構
成を具備してなる動力プラントが、
前記ロータピストンに固定的に接続された直径dのブッシュを有し、
前記ステータの端壁には円形開口が設けられ、該開口は前記軸と同軸関係にあ
り、かつ前記軸の軸心と該軸の偏心部分の軸心との間の距離を“E”とすると、
(E+0.5d)より大きな直径を有し、
前記軸と同軸に前記開口内に回転円板が取着され、
前記ブッシュは前記ステータの内部空間外に達して設けられ、かつ前記回転円
板の開口を貫通して延設され、
前記有歯装置のピニオンは前記ブッシュに固定的にかつ該ブッシュに同軸に結
合され、
前記有歯装置は前記ステータに前記内部空間外に配設され、かつ
前記シール部材の種々の組み合わせは前記ロータピストンの異なる公転位置で
前記ロータピストンの側面に当接されており、かつ
少なくとも1つのシール部材の全長に渡る種々の点が前記ロータピストンの側
面に接触している動力プラント。
6.請求項5に記載の動力プラントにおいて、
前記セグメントは、カートリッジとして形成され、該カートリッジは、
前記ステータの内部空間に対向すると共に前記作業部分に所定のピッチで配設
されてステータの一つの端壁から他の端壁に向かう方向に延設されたホルダと、
前記シール部材を固定する固定手段と、
前記ホルダに接続され、前記ステータの内部空間の外側に設けられ、かつ奪熱
要素を備えたフランジと
前記ステータと前記カートリッジとの間のシールを有した取付面と、
前記シール部材と該シール部材に接触した前記バネ部材とは前記ホルダのフィ
ンの間の溝内に配設されている動力プラント。
7.請求項6に記載の動力プラントにおいて、前記シール部材と前記ホルダの
フィンとは貫通開口を有し、かつ前記シール部材を固定する前記固定手段は前記
貫通開口内に挿設された棒体として形成されている動力プラント。
8.請求項1に記載の動力プラントにおいて、前記ブッシュと前記ピニオンと
は相互にスプライン継手で結合され、前記ピニオンスプラインは該ピニオンの歯
の延長体として形成されている動力プラント。
9.動力プラントであって、
偏心部分を有した軸と、
前記軸の前記偏心部分に取着され、かつ 端面および凸状側面
とで形成された外部表面とを有したロータピストンと、
前記ロータピストンを受容する内部空所を有し、該空所が2つの平行な端壁と
前記ロータピストンと常時接触するセグメント部位を有した閉塞側壁とで形成さ
れるように構成されたステータと、
前記ロータピストンに結合されたピニオンと前記ステータに固定された内歯車
との形態を備えた有歯装置とを具備し、
体部と、フィン付き殻体とを具備してなり、前記殻体の前記フィンは前記本体部
により支持されて前記閉塞通路を形成している動力プラント。
12.請求項9、10、11に記載の動力プラントにおいて、
前記セグメント部位は、カートリッジとして形成され、該カートリッジは、
フィンと溝とを有すると共に前記ステータの内部空間と対向し、かつ前記作業
部分に所定のピッチで配設されて前記ステータの1つの端壁から他方の端壁に向
けて延設される保持体と、
前記シール部材を固定する手段と、
該保持体に結合され、前記ステータの内部空間の外側に配設され、かつ奪熱要
素を備えたフランジと、
前記ステータとカートリッジとの間をシールした取付面と、を備え、
相互に接触した前記無負荷シール部材と前記バネ部材とは、前記フィンの間の
溝内に配設されている動力プラント。
13.請求項12に記載の動力プラントにおいて、前記シール部材と前記保持
体のフィンとは、それらを貫通して設けられた開口を有し、前記シール部材を固
定するための固定手段は、該開口内に挿設されて該開口中を延設された1つの棒
体として形成されている動力プラント。
14.動力プラントであって、
偏心部分を有した軸と、
前記軸の前記偏心部分に取着され、かつ 端面および凸状側面
とで形成された外部表面とを有したロータピストンと、
前記ロータピストンを受容する内部空所を有し、該空所が2つの平行な端壁と
前記ロータピストンと常時接触する3つの作業部分を有した閉塞側壁とで形成さ
れるように構成されたステータと、
前記ステータの前記側壁の作業部分に配設されたセグメントと、
前記ロータピストンに接続されたピニオンと前記ステータに固定された内歯車
との形態を備えた有歯装置とを具備し、
前記軸の軸心に対して垂直な前記ステータ側面の各断面は、N個の曲面隅部と
直線または円滑な凸状曲線からなる側辺とを有した正多角形を形成し、かつ、該
Nは少なくとも4つであり、
前記ステータのN個の側面の各面に1つづつ合計N個の作業部分が設けられ、
前記ロータの側面における前記軸の偏心部分の軸心に垂直な各断面は、前記軸
の偏心部分の軸心から最も離れた(N−1)個の点を有する凸状閉塞線を形成し
ており、また、
前記ロータピストンにおける前記ステータのN個の作業部分に接触している前
記凸状の側面は前記ステータの内部空間を可変容量のN個の作業室に分割してい
る構成を有し、かつ
前記動力プラントは、前記ロータピストンに結合、固定された外径dのブッシ
ュを有し、
前記ステータの端壁には開口が形成され、該開口内における前記ステータ壁の
何ずれかの点から前記軸の軸心までの距離は、(E+0.5d)より大きく、前
記軸の偏心部分の軸から前記ロータピストンの側面が有する前記軸の偏心部分の
軸心に最も近い点までの距離引くEより小さく、ここでE=前記軸の軸心と該軸
の偏心部分の軸心との間の距離であり、
前記ブッシュは前記ステータの内部空間外に達して設けられ、かつ前記ステー
タの端壁の開口を貫通して延設され、
前記有歯装置のピニオンは該ブッシュに固定結合される共に該ブッシュと同軸
をなし、
前記有歯装置は、前記ステータ壁内または該ステータ壁外の該ステータの内部
空間の外側に配設されていることを特徴とする動力プラント。
15.動力プラントであって、
偏心部分を有した軸と、
前記軸の前記偏心部分に取着され、かつ 端面および凸状側面
とで形成された外部表面とを有したロータピストンと、
前記ロータピストンを受容する内部空所を有し、該空所が2つの平行な端壁と
前記ロータピストンと常時接触する3つの作業部分を有した閉塞側壁とで形成さ
れるように構成されたステータと、
前記ステータの前記側壁の作業部分に配設されたセグメントと、
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG
,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN,
TD,TG),AP(KE,MW,SD,SZ),AM,
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N,CZ,DE,DK,ES,FI,GB,GE,HU
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Z,PL,PT,RO,SD,SE,SI,SK,TJ
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ロシア連邦,143400,モスコフスカヤ オ
ブラスト,クラスノゴルスク,ウリツァ
ベーエル.ゴロツァンキニフ,デー.8,
クバルチーラ 5