JPS63259101A - 三次元的容積変化ロ−タリ機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ロータリ機構に関し、特に、三次元的容積変
化をなすロータリ機構に関する。

（従来の技術） 従来種々のロータリ機構が知られているが、その代表例
はパンケル型ロータリエンジンである。

バンケル型のロータリエンジンのロータリ機構は、２節
ペリトロコイド曲線を内周面とするまゆ形をしたロータ
ケーシング内を、前記ペリトロコイド曲線の内包路線を
外形とする略三角形の口ごりが偏心回転をし、そのとき
に生ずる作動室の容積の変化を利用するものである。こ
の作動室は、ハウジングとロータとによって形成される
面状空隙（面積）に厚さを与えて形成されるものである
。実用化されているほとんど全てのロータリ機構は同様
な原理に基づいたものである。

（発明により解決すべき問題点） 即ち、従来のロータリ機構の容積変化は二次元平面内の
変化に基づきその側面は容積変化に関与せず空間体積を
確保しかつ空間のシール部を成すにすぎないのでその意
味で容積変化は本質的には二次元的である。従って、二
次元的な容積変化を利用する機関には本質的制約がある
。

本発明は、一般的にロータリ機構のもつ種々のすぐれた
特性を生かしながら、機構を２次元的制約から解放し、
さらに三次元的な容積変化を可能とする新規なロータリ
機構を提供することを目的とする。

（発明による問題点の解決手段） 本発明は、三次元的に容積変化を行うロータリ機構、特
に球形オ差ロータリ機構を提供する。

即ち、本発明は、部分球面を底面とし略放射状に延びる
アペックスを含む略錐状面を有するロータと、該ロータ
の２差運動によりそのアペックスの軌跡が成す面から構
成される曲面を有する部材と、該曲面部材と該ロータの
間の相対２差運動により（ケーシング内の）球状空間内
において規定されて容積変化する空間を作動空間とする
ことを特徴とする三次元的容積変化ロータリ機構である
。

以下本発明の原理について詳述する。

本発明のロータは典型的には球面の一部を底面とし球の
中心を頂点とする略錐状体から成る。

（なお錐状面は一般に正（凸）であるが負（凹）の面で
もよい）典型的にはこのロータがケーシングの球状空間
内を独楽の如く定常的に２差運動する。その際、ロータ
の錐状部の一つの点は球面内において波状に運動するが
、錐状部に放射状に延びるアペックスを形成することに
よりアペックスの軌跡の成す曲面をロータ錐状部に対応
する°ケーシング部材の曲面とすることができる。この
ケーシング部材曲面とロータ錐状部の表面（特に隣接ア
ペックス間の錐状面）との間に作動空間が形成され、ロ
ータの２差運動（ロータ自体の軸の周りに自転しつつロ
ータ軸自体が該自転軸と斜交する主軸の周りを公転する
）により有効な三次元的容積変化を生ずる。

このロータの回転は２差伝動機構を介して主軸（伝動軸
）の回転に伝達される。主軸は出力軸又は入力軸を成す
、主軸とロータ自転軸は一定の角０を成し、ロータが自
転するとＪ（に主軸の回りをロータの自転軸自体が公転
する、即ち、２差連動をする。この際、ロータのアペッ
クス上の一点Ａの＋Ａ跡は、一つの球面上に生じる。ロ
ータの自転軸の公転速度とロータの自転速度の間に所定
の関係があるとき上記アペックス上の一点Ａの軌跡は球
面極座標系で定義される球面トロコイド曲線をなす。

なお、球面上の′ＨＬ動を論する場合、球面極座標系を
用いるのが好都合であり、平面上の二次元座標系におけ
るトロコイド曲線に対応して球面極座標系における球面
トロコイド曲線となる。さらに、球面上の運動はベクト
ルを用いることによりより簡潔に表わされる。

（実施の態様及び作用） 以下、本発明の好適な実施態様に基づいてさらに詳説す
る。

なお実用上は好ましくは、ロータの錐部頂部（球の中心
）には、小球体から成るロータ支承機構を配し、その場
合ロータの錐部頂部形状はこの小球体（又は球核）によ
って切断された三次元的形状になる。

ロータとロータアペックスの軌跡曲面を成す部材の間の
相対２差運動は、既述の通り典型的には１ＩＩｌ′！錐
状ロータの２差運動として成立つが、その逆も成立ち、
場合によっては後述のようにロータ及びケーシング両者
の斜交軸の廻りの単純な回転運動の組合せによっても成
立つ。

以下説明及び構成の便宜上ロータが２差運動をし、ロー
タアペックスの軌跡曲面を成す部材はケーシングの一部
として固定さ些る場合を基本として説明する。

第１図において、Ｚ軸を伝動軸、Ｚ′軸を自転軸とする
と、点Ｐは、ロータの自転軸の球面との交点で、点Ｐ°
は球面の反対側との交点（中心０に対する対称点）であ
る、自転軸が伝動軸のまわりを回転する角速度をωとし
、自転軸の運動自体に対するロータの相対的な自転の角
速度をω′とすると、ω対ω°の比が１　：　　［１−
（１／ｎ）］（ｎは２以上の自然数）のときは１曲線は
閉じて、Ａの軌跡は球面ペリトロコイド曲線を描く。

このとき、ロータのアペックス上の点が描く軌跡は球面
ペリトロコイド曲線である。

球面トロコイド曲線を球面の上に描くことは可能である
が平面に図示することは困難である。強いて平面に図示
するには地図で用いる正距離図法（Ｅｑｕｉ−ｄｉｓｔ
ａｎｔ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）を用いるのが一つの方
法である。極Ｑは主軸Ｚが球面上にあられれた点である
。第２図において同心円は緯線に相当し等間隔に中心か
ら１８０°までとっである。

１８０°は反対側の極Ｑ°を意味する。９０°は赤道に
相当する。半径方向の直線は経線に相当し、等角度で左
まわりに１周を０°〜３６０°に分割しである。

このようにとると、第２図の中心Ｑを通る直線は球面に
おける大円を表わし、この直線の線分（大円弧）は、そ
れを見込む中心角に相当する。

理論的には弧度法を用いて単位法を考えると簡単になる
。

第２図の閉曲線Ｔはｎ＝３の球面ペリトロコイド曲線を
球面上に描き、その球面上に描かれた曲線から緯度と経
度を読取り正距離極投影によりプロットしたものである
。中心の極Ｑ近くの実線の円Ｃは自転軸と球の表面との
交点Ｐの軌跡である。第１図において、上記の点Ｐから
ロータのアペックスＡまでの距離をみこむＺＰｏＡを創
成角Ｒとする（０は球の中心）。第２図は創成角Ｒ＝９
０°、自転軸と主軸のなす角０＝１８°の場合であるが
、一般にＲ〉２０であり０は６０″まで可能である。

今、自転軸と主軸とのなす傾斜角、すなわち偏心角（な
いし揺動角）０、創成角Ｒなるロータが１　：　　［１
−（１／ｎ）　］の比の角速度で２差運動をすると、ロ
ータのアペックスの先端Ａは球面ペリトロコイド曲線を
形成する。この球面における曲線の数学的表現は球面極
座標によって球面三角形の公式によって行う（第３図参
照）、中央の円Ｃは自転軸の球面上にあられれた点Ｐの
軌跡であるから、偏心角０の半径の円である。Ｌ秒後の
Ｐ点の座標は（０，ωｔ）である。ｎ＝３の場合のＡ点
の座標（ｘ、Φ）はパラメータφ（１）（ＱＰとＱＡの
なす角）を用いて （１）Φ＝ωを十φ （２）　　　ｃｏｓ　　　ｘ　　＝ｃｏｓ　　　Ｏ拳　
ｃｏｓ　　　Ｒ−ｓｉｎ　　　θ　争　ｓ：ｎＲ・ｃｏ
ｓ％ωｔ （３）　ｓｉｎ　ｘ　／ｓｉｎ　３’ｓωｔ　＝ｓｉｎ
　Ｒ／ｓ：ｎφここで角０．ωｔ、−％ωｔはオイラー
の角である（θ、Ｒ＞０．ω、ω”の向きはオイラーに
従う、即ち反時計廻勺を十とし、φも同様とする。

「力学」ベアー及びジョンストン参照）、この式によっ
てロータリ機関に関しての問題、すなわちアペックスの
角速度、角加速度及び揺動角、さらにはハウジングの体
積や作動空間の体積（行程容積）等を解くことが出来る
。スピン角％ωｔの％を（ｎ−１）／ｎで置換えること
により一般式が成ヴつ。

球面座標系の第２，３図及び式（１）〜（３）により定
義される球面ペリトロコイド曲線は、二次元平面上の公
知のベリトロコイド曲線の場合に対し、一定の対応関係
があることが判る。即ち二次元トロコイド曲線での創成
半径Ｒ１偏心距離ｒは球面トロコイド曲線では夫々創成
角Ｒ２球面上の基礎円Ｃの主軸との偏心角（交叉角）θ
として現われる。即ち二次元トロコイド曲線における直
線の線分が、球面座標系での大円弧の角度成分に対応し
ている。

本発明において、ロータのアペックスの外縁端Ａの軌跡
は球面ペリトロコイド曲線を成すが、アペックス上の任
意の点Ａ″（第７図）の軌跡も同様な曲線を形成するの
で、アペックスがたどる曲面の形は「球面ベリトロコイ
ド錐」と定義される。すなわち前記アペックスの外縁端
Ａの軌跡たる球面ペリトロコイド曲線と球の中心（ロー
タの錐状部頂点又は仮想頂点）を結ぶことにより、その
外縁が球面上にある一つの波状にうねった曲面が形成さ
れる（ただしアペックスが点Ａから球中心へ向う直線の
場合）のだがこの波状曲面がロータアペックスの２差運
動に対応するケーシング曲面（ケーシングプレート曲面
）である。典型的には、複数のアペックス（又はその延
長線）は錐の頂部にて互いに交叉する。

ロータの略錐状部の曲面の外縁は最適には、上記球面ペ
リトロコイド曲線群の内包絡線から成る。この内包絡線
上の一点と錐状部頂点（球中心）を結ぶ半径の（ロータ
の才差匝動の際の）軌跡は、即ちこの半径線分と前記ケ
ーシングプレート曲面内周面との間の相対間隔を成し従
ってロータの２差運動に従い周期的に変動する。その結
果三次元的な容積変化が周期的に生じ、これを作動空間
として利用できる。

第４図は、球面極座標系において定義されるペリトロコ
イド曲線の正距離図法（第２図参照）↓こよる二次元平
面上への投影図において、ロータを図示しその回転の様
子を（Ｉ）〜（ＩＶ）に図示したものである。正距離投
影法によれば、あたかも二次元的容積変化ロータリ機関
を極座標で表わすのと同様な表現が成立つ、なお、正距
離図法ではロータの輪郭がその回転につれて変形しつつ
回転する。

なお、既述の通すロータの略錯状部の曲面は上記のアペ
ックス部の半径を含む内包路面とすることが最適である
が、アペックス部を除く部分は上記内包路面よりもロー
タ部内方へ少し後退した曲面とすることも可能である。

なお、理論曲面からの、摺動を許容するためのロータ摺
動面の後退は摺動面を有するロータリ機関において一般
に必要とされており、本発明にも適用される。

ロータのアペックス部の半径方向形状（ロータ自転軸を
含む断面形状）は、典型的には直線を成すが、要はロー
タ自転軸（典型的には球の中心）とアペックスの外縁端
（球面上に現われる外端）とを結ぶ直線をもって構成す
ることである。構成はやや複雑になるがこの半径（アペ
ックスの形状）は曲線とすることもできる。但しその場
合には、ケーシングプレートもアペックスの形状の連動
に対応する曲面構成をとる。

本発明の三次元的容積変化（ないし球形２差）ロータリ
機構は、ロータと対応部材の相対２差運動に伴う作動空
間（室）の容積変化を利用するものであり、膨張或いは
圧１ｉ１機関として有用であり例えば出力機関（例えば
、内燃機関、蒸気機関、ニューマチック又は液圧モータ
′：Ｊ）として、あるいは動力を与え作業機関（例えば
、加圧又は吸引用ポンプ、圧縮機等）、流体−流体間の
エネルギ交換装置としても利用できる。その際所定の位
置に流体の入口及び出口を配設する。入口、出口の設計
は正距離投影法によって視角的にも容易に可能である（
第４図（Ｉ）ポンプの例、（ＴＩ　）四サイクルエンジ
ンの例参照）。

以下、本発明の実施例はついて説明する。

（実施例） 本発明の球形オ差ロータリ機構のポンプとしての実施例
を図面に基づいて説明する。

第５図において、伝動軸２と自転軸Ｚ°のなす角を０、
創成角をＲとする。

今、説明の便宜の為、単位法を用いると、単位ある。今
、ロータがω；ω’＝１：　　［１−（１／ｎ）］の比
の角速度ω′で自転軸Ｚ°を中心にして回転し、かつ、
自転軸２゛が伝動軸Ｚのまわりを角速度ωで公転すると
、ロータのアペックスの先端Ａは偏心角０、創成角Ｒの
球面ベリトロコイド曲線ドＳＴを形成する（第６図、ｎ
−３）。

球面ベリトロコイド曲線ＳＴの巾で回転できる物体の形
状は、ペリトロコイドの内包絡１ａＩＥ以内に制限され
る。伝動機構における歯車、すなわち外ｆ＆＆車と内１
４＋歯車の南数比を２＝３にすると、ペリトロコイドは
二葉（まゆ形）になり、ロータ２は三ｍ（球面三角形）
になる、第６図において、ロータは偏心角度θ、創成角
度Ｒで規定されるベリトロコイド曲線の内包絡線ＩＥで
ある。第６図における略三角形のロータ２は２差ロータ
の変換図（底面の投影図）である、第６図大きさを縮め
て行くとすると、θ、Ｒは角度であるから１球の大きさ
に関係なく不変である。

ＡＤＢの形も球の大きさに拘らず不変である。

ロータ側ｍｌの形状はべりトロコイド曲線（ケーシング
プレート）がロータの回転にともなってロータの（仮想
）球面上につくる曲線群の内包絡線によって形成される
。すなわち１口゛−夕の側面はＯある（球錐を成す）。

他の二側面も同様にして作ることができる。

既述の通り、ロータの２差運動に併いロータの７ペンク
ス外縁端Ａは球面ベリトロコイド曲線ＳＴを描く（球状
錐面）、第６図に示された曲線１（ＳＴ）は、正距離図
法で表示されたベリトロコイド曲線である。

ロータの側面とともに作動室を区画するケーシングプレ
ート３（第７図参照）は第５図の線分ＯＡ（即ちロータ
アペックス２５）の軌跡の成す面を成す。従ってロータ
のアペックス２５（線分ＯＡ）はこのケーシングプレー
ト面３２に接しながら回転する。即ち、内包絡線曲面か
らなるロータ側面に対向するケーシングプレート面３２
の形状は、この実施例では球面ペリトロコイド曲線３１
と中心０を結ぶ曲面（球面ベリトロコイド錐面）であり
、より一般的には、ロータアペックス２５のロータ自転
軸を含む断面の形状に依存してアペックス上の任意の点
へ°に対して規定される球面ペリトロコイド曲線の集合
の成す曲面である。

以上に述へた原理に従い、ロータの略錐状面とこれに対
応するケーシングプレート面の形状が定められる。

ケーシングプレート面の傾き、すなわち決動軸からの角
度の最大値は０＋Ｒ，最小値はＲ−０である（第６図）
。

好ましくはアペックス摺動部のシールを（特に温度変化
にも拘らず）確実にするため、また摺動斤耗を防止する
ためロータのアペックス（線分ＡＯ）に気密を保つため
のシール２３を形成す石、このシールは上下動可能（ロ
ータ内へ後退可能）としシールスプリングで常にケーシ
ングプレート面を圧するようにすることも好ましい、そ
の場合、ロータアペックスは常にケーシングプレート面
に確実に接触しながら回転し、気密が良好に保たれる。

ロータ球面とケーシングの球状内面とのシールも同様に
可能である。第２４図にシールの例を示す、なお流体の
性質、ロータ及びケーシング材質、使用目的に応じて特
別のシール部材はなくてもよい。

ｐＪＸＪ９図において、ケーシング１は中空球形とし、
その中に球形ロータ２及びケーシングプレート３を収容
する。ケーシングプレート３は所定角度で所定位置にケ
ーシング１に固定される。ケーシング上部には伝動軸４
を回転可能に支承する支承軸３３を貫通させるための孔
２２を設け、この孔２２に支承軸３３を固定する。

支承軸３３の外歯歯車１４とロータの内歯歯車１５の歯
数の比を適当な値にとることによって所定の比の回転速
度をもった２差運動を得ることができる０本実施例では
ｎ＝３の球面ベリトロコイドを用い、外歯歯車１４と内
１！４１車１５の歯数の比が２：３のかさ歯車を用いる
。

球形のケーシング内を内接しながら回転し、かつ、支承
軸空３のまわりを回転する球形１差ロータ２の中心部の
支承については、第８図に示すように、小球体（球核）
を用いることができる。小球体９によってロータ鎖部の
仮想Ｅの頂部と中心（この中心はロータ自転軸と伝動軸
の交点）とを一致させる。その結果、球形１差ロータ２
は常に０の傾きをもって支承軸３３のまわりを才差厘動
する。支承小球体９はケーシングプレート３に固定する
ことも、また逆にロータ２に固定することも、或いは両
者間に回転自在に介在（ポールベアリングの如く）させ
ることもできる。

ロータの回転と伝動軸４との間の伝動機構は傾心ジャー
ナル３５即ち、２差運動回転を通常の軸回転（固定位１
面における軸回転）に変換伝達する機構によって行う、
これは伝動軸４とロータ自転軸Ｚ゛とが交わっているこ
とによる。−例として第７図において、ロータ自転軸と
、これに対し傾心角０をなす伝動軸４との間に回転遅動
を伝達する傾心（偏心）クランクないし偏心リング（ベ
アリング）を配する。具体例として第１２図に示す如く
、伝動軸４のロータ２内に突出する端部に偏心リング３
５ａを設けその偏心位置３５ｂを中心とするポールベア
リングを備えたロッド３５ｃ（ロータ中心Ｏからロータ
軸に沿って延在）を介してロータ中心部と接続する機構
を用いることができる（第１２図参照）。このように上
方へ出力する場合、伝動軸４は支承軸３３の内部を貫通
して回転可能に同心状に支承され、ロータ２は球核９を
介して２差運動可能にケーシング内に支承される。

ロータ伝動機構の他の変形としては、第８図に示す球核
９の表面に球面スプライン（９ａロータ軸に平行に形成
）を設けると共に伝動軸４を球核９まで延長接続するも
のもある。この場合球核９はケーシングプレート３に対
して回転可能に配される。

さらに球核９をロータと一体構成し、球核９の内部に回
転方向に係合すると共に傾心角０だけ揺動可能に係合す
る形式の傾心ジャーナル（ないしは傾心カップリング）
を設けることもできる。この傾心ジャーナルは上方へも
出力できるが、或いは第１１図の如く下方へも出力する
ことができる。第１１図のロータ伝動機構は、支承球体
９の内部にバーフィールド形軸継手を使用した例である
。この形式の継手は、２軸の交わる角が自由に変化して
も、回転を伝えるもので、等速伝達を行うことができ、
また回転力の変動もない、原動軸３６をロータ２の自転
軸と一致させ、ロータ２に固定する。ロータの２差運動
に伴うロータの回転は、ポール３７を介して、従動軸３
８に伝えられる。

第１３図に傾心ジャーナルの別の例を示す。

ロータの球状中空部内に、傾心軸Ｚ′を中心とし出力軸
Ｚを偏心（かつ傾心）して有し外周を球面としてロータ
中空部に摺接して支承される偏心ディスク３５ａがロー
タ２に対し回転可能かつ傾心可能に配されている。同様
な機能はころ軸受ユニットで傾心可能なものを用いるこ
とによっても達成で′きる。

第６図ｖ、ｖ’及び■、ｖｘ’の位置に対応したケーシ
ングの、ケーシング内し・−ト３の上部の球面」二に入
口２０，２０°及び出口２１．２１’を設ける。これら
のボートの配置及び形状は第４図に示す如く視覚的にも
設計可能である。

又、ケーシング１には、冷却孔３４を複数個設けること
も可能である。

伝動軸とロータ自転軸とのなす角θ及び創成角Ｒの値に
よって、ロータ側面（球状錐面）の形状及びケーシング
プレート面の形状は決まり、θとＲを色々と組み合わせ
ることも可能である。即ち、θの大きさは作動室内容積
とトルクに関係し、歯車をロータ内に配する場合に限っ
ても例えば、Ｒの値を９０°にとったときθの値は１８
゜までとりうるがθに限って見た場合上限ははるかに大
きい。

（本実施例の作用） 従来のロータリ機関における作動室においては、ベリト
ロコイド曲線面を形成するロータハウジングとその内包
絡線曲面を形成するロータの円曲面はべりトロコイドを
含む平面に垂直に幅を形成して作動室を形成している。

本実施例においては、球面ペリトロコイド曲面を形成す
るケーシングプレート３は伝動軸４に対して回転対称的
に配される。またロータのアペックス２５の軌跡がケー
シングプレート３と同一の面を成す、従って、ロータの
錐状面２４とケーシングプレート３との関係は、従来の
二次的ロータリ機関のロータとロータハウジングの関係
に対比される。従って、本実施例の作動室の容積は、ロ
ータの２差連動に伴なって、第４図の（Ｉ）から（ＩＶ
）に示すような変化を行う。

今伝動軸４に回転力を与えると、傾心ジャーナルを介し
てロータに形成した内歯歯車１５とケーシングに固定さ
れた外６ｋｌ車１４によってロータ２を公転させる。ロ
ータ２は支承小球体９を介して中心位置を保ちつつ自転
しかつ自転軸の傾きを保ちながら、支承軸３３のまわり
を回転する。

ロータの回転は第４図ＣＩ）から（ＩＴ）の容積変化を
起こし、流体は入口２０．２０°から吸入され、出口２
１．２１’から排出される。（出入口について第４図（
Ｉ）参照） 作動室の圧ｗ１（又は排出）行程は一つの作動室につい
て第４図の工〜■に図示の通りであり、各作動室につい
て同様の行程が成り立つ、また■〜Ｉへと逆にたどれば
膨張行程が成り立つ、圧縮又は膨張機関（ポンプ等）と
して上記行程を用いることができる。

また内燃機関として用いる場合は、圧縮、１膨張、排気
（第２圧縮工程）、吸気（第２膨張工程）の一連をもっ
て一つのサイクルが成り立つ。

排気、吸気両工程と、圧縮、膨張工程とは、対応するボ
ート（弁として機能）の開会閑によって繰返えされる。

ボート及び点火装置の配置、構造はバンケル型ロータリ
エンジンにおいて周知のもの・を応用することも可能で
ありここでは詳説を省く。

以上ロータ錐状面とアイ−２クス軌跡に対応するケーシ
ング曲面（ケーシングプレート面）の一対から成る基本
系について説明したが、本発明はこのノ１（来県に限定
されず種々の変形、展開が可能である。以下変形例につ
いて説明する。

まず、ケーシングプレートの形状は上述のベリトロコイ
ド曲線と異なるがケーシングプレートを傾心角０で回転
運動させ、対応して第１実施例におけるロータを定位置
（軸位置固定）で回転させることも可能である。この場
合にもロータと対応ケーシング面との間に相対才差蓮動
が生ずる。

次に、球状２差ロータの両側に錐状面を形成でき、これ
に対してアペックス軌跡に対応するケーシング曲面も球
状空間の内部に２面形成できる。

この−例を第１０図に示し、アペックス１６゜１７と１
対応ケ一シング曲面を備えたケーシングプレート１８．
１９から成る。この場合ロータとケーシング曲面の相対
２差運動はケーシングプレート１８．１９を固定して行
うことが一般的である。この場合にも、逆に球形ロータ
２′を定位置回転しケーシングプレートｉａ、ｉｃ＋を
傾心角０をもって回転運動させることも可能である。さ
らに、第１０図において」二部と下部のアペックス角度
位置は、上死点の一致をさけ、円滑な運転を行うために
ずらすことも可能である。またアペックスは必ずしもロ
ータ球の中心を頂部として直線的に形成しなくてもよく
アペックスの内縁端はロータ自転軸（ロータが回転しな
い場合、ロータの軸、特に、球の中心）に向って延びて
いることをもって足りる。

さらに変形例として、第７図ないし第８図のロータを、
上下にケーシングプレート３をはさんでプレートの両面
を利用し２ヶ組合せることが可能である。空間的スペー
スの節約になるばかりでなく、上下ロータを連接手段（
小球体等）を介して接続することも出来る。但しこの場
合対称形である必要はないが対称形にするにはＲの角度
は９０°より小にとることが必要になる。上下一対のロ
ータ構成は、ロータリ機構の回転バランス上極めて好ま
しい。

また別の変形例としては、相互の錐側面を対向させて二
部のロータを互いに二つ組合せたものも可能である。即
ち、第１の実施例におけるケーシングプレートをもロー
タとして形成し、（プレートロータと称する）それを第
１のロータと傾きを持たせて組合せ両ロータが互いに回
転することにより形成できる。Ｚ“軸を回転させるかわ
りにプレートロータを回転させて同じ目的をはたすわけ
である。

ロータの回転の外部（主軸）への伝達手段としては、既
述のロータ伝動機構があるが、このような機能素子を総
称して傾心ジャーナルと呼ぶこととする。即ち、主軸に
対し傾きをもった軸を主軸に対し回転的に連結した機構
を言う。

さらに１球面をなすケーシング内周面とロータの間のシ
ールは、例えば球面に沿って波状に曲ったピストンリン
グを用いて容易に出来る。（第２４図参照） 本発明のロータリ機構において、出口２１′を排気ボー
ト、入口２０を吸気ボートとして利用し、出口２１°、
入口２０付近の適当な位置に点火プラグを配置すれば、
ロータリエンジンとして利用できる。この吸排気ボート
は、ロータの回転に対応して自動的に開閉される。また
補助的に同期開閉弁を設けることもできる。第４図にお
いて、正距離極投影図の上半部又は下半部のみに一対の
出入口を設けることにより４サイクルエンジンが成り立
つ。第４図（ＩＩ　）に入口２０．出口２１’を下半部
にのみ設けた場合について点火栓をＳＰの符号で示す。

：５１５図は、ｎ＝３の場合について、ケーシング全容
積に対する行程容積の比（％）の傾心角Ｏとの関係を創
成角７０〜９０°について示すグラフである。

第１６〜２０図は（１差）伝動機構及び相対２差連動の
各種実施例を示し、Ｚは定位置軸をＺ′は１差運動軸を
夫々示す、尚、第１６〜２０図で「ロータ」の語はアペ
ックスを有する部材を称する。

第１６図は、内歯歯車１５をロータ２に設け、外向歯車
１４を定置ケーシング１に設けた例を示す。ディスク型
傾心ジャーナル３５が定位置で回転するシャフト４とロ
ータ２の間に配される。

シャフト４はケーシングｌにベアリング３９を介して支
承される。

第１７図は、相対２差運動の関係が第１６図と逆のもの
を示す。円編歯車１５をロータ２°に設け、外向歯車１
４をケーシングプレート３′と一体に形成され公転（邂
星回転）可能なケーシングｌ゛に設ける。小球体９°は
ロータ２゛と一体に形成する。傾心ジャーナル３５′の
アーム３５ａが外向歯車１４の中心と係合し、定置物体
（図示せず）により定位置回転軸Ｚの廻りに回転可能に
ベアリングを介して支承される０回転トルクはロータ２
゛から小球体９”を介して伝達できる。

第１８図は、内歯歯車１５をケーシング１に設け、外Ｉ
Ａｍ車１４をロータ２に設けたものである。傾心ジャー
ナル３５゛のアーム３５ａを定位置回転シャフト４の先
端に設け、アーム３５ａは外歯キア１４の中心（Ｚ′）
に係合する。

第１８図において、ロータ２とケーシング１の間の相対
回転は、逆の関係にすることが可能であることが明らか
である。即ち、Ｚ°軸が定位置回転しＺ軸を２差運動さ
せることができる。（その場合２゛軸を定位置回転する
よう図示外の定置物体に支承しケーシングｌを公転可能
に保持する。） 第１９図は、外歯歯車１４を固定（又は定位置回転軸俺
な）ロータ２′に設け、内歯歯車１５をケーシング１゛
に設けたものである。ケーシングｌ′はその軸２°をも
って定置軸Ｚの廻りを２差連動する０回転トルクはシャ
フト４を介して伝達できる。ケーシングプレート３の内
端３ａと小球体９″の間にシールを設けることができる
。

第２０図は、ケーシングプレート３゛を小球体９”と一
体形成し、小球体９゛に内歯歯車１５を設け、これと噛
合する外歯歯車１４をケーシング１゛°と一体化したロ
ータ２′′の内面に設けたものである。球状ケーシング
１゛は、ケーシングプレート３“の外縁３ａ’と摺接す
る。傾心ジャーナル３５゛°が、定置物体にベアリング
３９を介して支承されたシャフト４°の先端に設けられ
る。

この例は、ロータとケーシングプレート３′の関係に関
する限り、第１７図の例と同じ相対２差遅動の関係にあ
る。ケーシングプレート３′の外縁３°ａと球状ケーシ
ング１°′の内面の間にシールを施すことができる。

前述の通り、ｎは２，３．４或はさらに大きな数を任意
に選択できる。上述の実施例ではｎ＝３である。以下に
ｎ＝２又は４の場合について述べる。

第２１図はｎ＝２の場合の正距離極投影図である。Ｔｏ
は０＝１８°、Ｒ＝９０’の場合について一体球面ペリ
トロコイド曲線を示し、４２は対応するロータを示す、
第２２図はケーシングプレート４３の斜視図である。こ
の例では傾心角０は２０’まで可能であり、ケーシング
内容積に対する行程容積の比は４５％にも達する。２つ
の部材間の相対２差運動の関係は、ｎ＝３の場合を同様
に適用できる。Ｒく９０°のとき、ロータは視覚的にも
錐状の形を示す（第２３図）、第２４図は、シール手段
を付した例を示し、アペックスシール２３及び球面（側
面）シール４６．或いは、さらに必要であれば内歯歯車
１５の周りに延びるリングシール４７を設けたものであ
る。シールは色々な配列が可イ鮭であり、例えばリング
シール４７とそれから球面上を半径方向外方ヘアペック
スの外端まで延びる半径方向の球面シール４５の組合せ
もｏ（簡である。

第２５．２６図は、ｎ＝４の場合を示す、第２５図は、
ケーシングプレート４３″が３葉（又は３節）球面ペリ
トロコイドを成すもので、θを大きくとった場合を示す
。第２６図は４個のアペックス４４をもつ対応ロータ４
２°を示す。

ロータとケーシング（ないしケーシングプレート）間の
相対２差運動関係はｎ＝３の場合を同様に適用できる。

波状に曲って延びるシールリング４７”をロータ４２′
の球面上に、半径方向外方へ拡張するよう付勢状態にて
溝（図示せず）内に嵌合できる。さらに半径方向へ延び
るシール４５′をシールリング４７°からアペックス外
端まで配設する。第２７図は３葉球面ペリトロコイドＴ
”　　（Ｒ＝９０’、０＝１８°）と対応するロータ４
２゛を正距離投影法により示す、ｎ＝５以上とすること
も、図示を省略するが、可能である。

に述の記載において符号“２″　“２″°等「ロータ」
の語はピストンとも称されるが、必ずしも回転部材を意
味しない、ロータ２と曲面３（典型的にはケーシングプ
レート）との間の相対１差運動の存在が基本である。

１；述の記載から明らかな通り、本発明は、球面ペリト
ロコイドを規定する式に基づいて球面ペリトロコイドを
理論的に計算によって創成することを特徴とする、球形
ロータリ機構の設計方法をも提供する。３次元（ないし
球状）１差運動は、物体、線又は点の才差迂動の軌跡を
正距離投影法により２次元平面グラフに、目視でわかる
ように視覚的に表現することができる。

バンケルエンジンと比較してみると、摺動行程距離又は
速さはアペックスシールで最大になるのにこの発明では
はるかに減少されている。さらに、ロータとケーシング
の球面の間はさらに高度なシーリング特性と耐摩耗性と
小さい彦擦のピストンリング形式の球面シールを用いる
ことによって簡単にされる。

小球体を設けることにより、以下の利点が得られる。即
ち、これによりロータの中心の支承が安定する。但し行
程容積は半径の３乗に比例するので大きく影響をうけな
い。また、ケーシングプレートの両側に対向して配され
た第１と第２のロータの間の結合が可能になる。この場
合小球体はケーシングプレートに対して摺動可能に配さ
れる。この実施例は、結合しないとき必要な、第二ロー
タの遊星歯車列を省略出来る。空間の節約も顕著であり
円滑な回転も両ロータの良好なバランスによる回転によ
って期待される。同時に両ロータの上死点が一致するの
をさけるために１差運動の位相差を設けることにより回
転の円滑さがさらに改良される。四サイクルエンジンで
哄第−のロータの膨張行程と第二のロータの圧縮行程を
組合せることも可能である。

この開示では行程体積ＶｓはＶｓ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ
　と定義される。ここではＶｍａｘとＶ　ｗｉｎはそれ
ぞれ作動室の最大容積と最小容積である。２軸の間の傾
心角θと創成角Ｈによってケーシングプレートとロータ
の形がきまる。

θの大きさとＨの大きさは又行程容積とトルクを決定す
る。ロータに歯車が固定される場合にはＲを９０’にと
ったときθは約１８°までとりうる。他の具体例ではも
っと大きなＯまで可能である。傾心角０は主にトルクに
影響を及ぼし創成角Ｒはケーシング中の作動空間容積に
影響する。

既に論じたようにこの発明とバンケル型機関の間には著
しい対比関係が認められる。概念的には二次元のトロコ
イド曲線のバンケルの創成半径Ｒは三次元の球面座標系
の創成角Ｒに、バンケルの偏心距離ｅは傾心角０すなわ
ち球面上の弧線分るトロコイド曲線の線分要素は球面極
座標の弧に対する色成分に対応する。バンケル型機関の
作動室は二次元的な面積に厚さを与えることによって作
られるが球形機関では球面上の面積に半径を与えてつく
られる。それはオイラー角によるベクトルを用いてさら
に簡単に表現出来る。オイラー角は才差角０、章動角φ
、自転角ψによって出来ているがそれらはここではそれ
ぞれ球面トロコイド曲線の傾心角０、公転角ωし、回転
角−％ωＬにｈっている。便宜上もし単位法と弧度法を
用いるならばそれらは対応する大円弧成分に等しくなる
。

ベクトルを用いると２差ロータの創成点Ａは次のように
表わされる。バンケル型と同じで動径ベクトルえは偏心
ベクトルＥと創成ベクトルＨの和である（第１４図参照
）、数学的な表現は次のようになっている。

尻＝Ｅ＋ＩＲ 球の中心は（ｘ　、　ｙ　、　ｚ）座標の原点にとられ
ている。この場合にはＥはｌＥ（ε　ＣＯＳωｔ、ε　
ｓｉｎωｔ　、　　ｃｏｓＯφ　ｃａｓＲ）であり合成
ベクトルＲはＲ（ｐＣ（ωｔ／３）　　、ｐＳ　（ωｔ
／３）　　、　−５ｉｎ　θｐｃｏｓｌωｔｌである。

ここにｐ＝ｓｌｎＲ。

ｅ＝ｓｉｎθ　ｃｏｓＲである。

Ｃ（％ωｔ）＝　ｃｏｓＯｃａｓＯｔ　　ｃｏｓ％ωｔ
＋　ｓｉｎωｔ　　ｓｉｎ％　ωｔ Ｓ　（％ωｔ）＝　　ｃａｓＯｓｉｎωｔ　　ｃｏｓ％
ωｔ−Ｃ０８（１）　ｔ　　ｓ：ｎｌ　（１）　ｔθ、
Ｒとωｔは既述のものである（向きも同様にとる）。な
お、％ωｔのちを（ｎ−１）／ｎに置換えることにより
、一般式になる。これらのＣ，３関Ｉはオイラーの変換
公式である。ＥはＡからＺ′軸に垂直に降ろした点であ
り、球面上にはない。この方法で既述のパラメータを用
いて求められたと全く同じ機械的諸問題がとかれる。

（効果） この発明は一般に流体−機械力間、流体−流体間等のエ
ネルギ変換装置として有用である。作動空間は膨張又は
圧縮室又はそれらの組合せとして用いられる。ボートの
配列を調節することによって、エンジンとしても、とく
に内燃機関としても用いることが出来る。多様な設計の
可能性がｎの値や傾心角０、創成角Ｒやポートの配置を
選ぶことによって出来る。したがってこの発明はここに
開示された基本的な概念と具体例に基づいて、広汎な産
業上の利用分野を与えるであろう。

即ち、本発明は、球形１差連動ロータを用いることによ
り効果的に有効な三次元的容積変化を行う膨張・圧縮機
構を表現したも゛のであり、ポンプ、エンジン、送風機
、圧縮機、等のロータリエネルギー変換システムとして
有用であり、実用的効果が極めて高い。空間的スペース
の小型化、形状の簡素化、耐圧性等数多くの利点も得ら
れる。

ケーシング球面に対してはピストンリング形式のシール
を応用でき、また、バンケル型ロータリエンジンに比し
てシール面（線）の長さが短かく。

摺動摩擦抵抗及び摩耗が軽減される、即ち一つの作業空
間に対し２つのアペックスシールと１本の球面シールに
よりシール可能である。これに比しバンケル型では、２
つのアペックスシールと両側２ケのシールが必要であり
両側のシールは作業空間全面に亘って必要である。

一定のエンジンスペースに対する作動空間の合端効率も
高くとれる、即ち、ケーシング全容積に対する１つの作
動室の（有効）最大容積（即ち行程容積）の比はＲ＝９
０’、θ＝１８°で約２６％であるが、通常のバンケル
型のロータリエンジンの場合ケーシング内全容積に対し
創成比（トロコイド比）Ｋ＝７で作動室有効最大容積（
行程容？ｆｌ）の比は約２２％である。この最大容積（
率）はトルクに比例するので、本発明は１作動窒出りの
スペース的出力効率もよく、３ケの作動室を考慮すると
さらに高い出力効率が達成される。また、その結果圧縮
比（ないし膨張比）を大きくとることもＴＩ（能である
。Ｒ，ｏの値を変化させることにより、さらに大きな行
程容積比かえられる（第１５図）、なお、バンケル式機
関では、トロコイド比（Ｋ）に関係した圧縮率という点
で制限があり、圧縮率を大きくしようとするとケーシン
グ全容積に占める行程容積の比を小さくしなければなら
ない矛盾がある。本発明では、このような制限はない。

ロータの運動が全て回転連動であるのでレシプロエンジ
ンと対比すれば当然滑らかな回転が期待でき、バンケル
型の偏心ロータ運動と比べても２差連動の方がその安定
性が高い。

吸入、圧縮、膨張、排出各行程を容易に設定できるので
内燃機関としても応用範囲が広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を説明するための基本線図、第２図は
、本発明で使用される球面の正距敲極投影図を一実施例
と共に示すもの、第３図は、正距曙投影法に基づく球面
の平面変換を説明するための参考図、第４図は、本発明
の一実施例における作動室の容積変化を示す（同投影法
による）Ｖｊ図、第５図、第６図は、本発明の一実施例
を説明するための参考図、第７図、第８図は、本発明の
一実施例の部分立面図、第９図は、本発明の一実施例の
組立て状ｙ島図、第１０図は、本発明の他の実施例の部
分立面図、第１１図は伝動機構の他の実施例を示す部分
断面立面図、第１２．１３図はロータ伝動機構の一例の
部分概略図、を夫々示す。２０１４図は、球面のベクト
ル表示を示す図である。第１５図は、０．Ｒと行程容積
の関係を示すグラフである（ｎ＝３）、第１６〜２０図
は、異った実施例を示す断面図である（ｎ＝３）。 第２１〜２４．２５〜２７図はさらに他の実施例を示す
（ｎ＝２．４）、その内温２１．２７図は正距離極投影
図（ｎ＝２．４）である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 部分球面を底面とし略放射状に延びるアペックスを含む
   略錐状面を有するロータと、該ロータの才差運動により
   そのアペックスの軌跡が成す面から構成される曲面を有
   する部材と、該曲面部材と該ロータの間の相対才差運動
   により球状空間内において規定されて容積変化する、空
   間を作動空間とすることを特徴とする三次元的容積変化
   ロータリ機構。