(57)【要約】  容積形機械のケーシング（１）は、円筒状の外表面を有する軌道周回ピストン（４）に適合する動作室を区切る円筒状の内表面（３）を有する。上記各表面の少なくとも一方（例えば、内表面（３））は、少なくとも一部が前記動作室に面する前面と後面とを有する周壁（２）により構成されている。周壁（２）は、互いが平行に延びるとともに、前記前面から後面に延びる弾性片（２４）にそれぞれ対応する貫通口（２２）を有する。各弾性片（２４）は、例えば、締結部材（２８）等の保持手段により動作室内の圧力に抗して貫通口（２２）内に保持される。３台の容積形機械のアセンブリと、第１、第２の容積形機械を有するエンジンとについても説明されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作室を区切る円筒状の内表面を有するケーシングと、
前記動作室内に設けられ、円筒状の外表面を有する軌道周回ピストンと、を備え、
前記円筒状の外表面及び内表面の少なくとも一方は、少なくともその一部が、前記動作室に面する前面と後面とを有する周壁により構成され、
前記周壁は、互いが平行に延びる貫通口を有し、
前記貫通口は、前記前面から後面に延びる弾性片をそれぞれ収容し、
前記動作室の内圧に抗して前記貫通口内に前記弾性片を保持する保持手段を有する回転式容積形機械。
【請求項２】
請求項１に記載の回転式容積形機械において、
前記弾性片が前記後面においてリボンにより互いに連結されている回転式容積形機械。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回転式容積形機械において、
前記保持手段は、前記周壁の後面と連携する周辺締結部材を備える回転式容積形機械。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の回転式容積形機械において、
前記弾性片が前記ケーシングに設けられている回転式容積形機械。
【請求項５】
３台の回転式容積形機械を備えるアセンブリにおいて、
各回転式容積形機械は、動作室を区切る円筒状の内表面を有するケーシングと、前記動作室内に設けられ、円筒状の外表面を有する軌道周回ピストンとを備え、
前記各ケーシングが互いに連結され、前記各軌道周回ピストンが運動学的に連動するアセンブリ。
【請求項６】
請求項５に記載のアセンブリにおいて、
前記各軌道周回ピストンが同軸に設けられているアセンブリ。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のアセンブリにおいて、
前記回転式容積形機械のうち少なくとも２台が圧縮器として機能するアセンブリ。
【請求項８】
請求項７に記載のアセンブリおいて、
前記回転式容積形機械のうち１台が膨張器として機能するアセンブリ。
【請求項９】
請求項７に記載のアセンブリにおいて、
前記３台の回転式容積形機械の全てが圧縮器として機能し、各回転式容積形機械が流体により相互に接続されているアセンブリ。
【請求項１０】
請求項９に記載のアセンブリにおいて、
前記回転式容積形機械のうち２台が、流体により残り１台の回転式容積形機械に並列接続されているアセンブリ。
【請求項１１】
請求項９に記載のアセンブリにおいて、
前記３台の回転式容積形機械が流体により直列に接続されているアセンブリ。
【請求項１２】
請求項５〜１１の何れか一項に記載のアセンブリにおいて、
流体により内燃機関に接続されて該内燃機関に圧縮空気を供給するアセンブリ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のアセンブリにおいて、
前記圧縮空気の圧力を調節するために当該アセンブリから空気を放出するバルブ手段を備えるアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１２又は１３に記載のアセンブリにおいて、
前記圧縮空気を冷却するための熱交換手段を備えるアセンブリ。
【請求項１５】
第１の容積形機械と、
第２の容積形機械と、
前記第１の容積形機械に連結された吸気ダクトと、
前記第１の容積形機械と前記第２の容積形機械との間に連結された中間ダクトと、
前記第２の容積形機械に連結された排気ダクトと、
前記中間ダクト内のガス状作動流体の温度および圧力を上昇させるヒーターと、
前記第１及び第２の容積形機械間をつなぐ運動学的連結部と、
を備え、
動作時には、前記第１の容積形機械が、前記中間ダクトを通って前記第２の容積形機械に流れるように前記作動流体を流し、前記加熱された作動流体が前記第２の容積形機械を駆動し、前記第２の容積形機械が前記運動学的連結部を介して前記第１の容積形機械を駆動するように構成され、
圧縮器と、少なくとも前記ヒーターの一部を構成する冷却器と、膨張器と、蒸発器とを順に冷媒が流れるヒートポンプ回路をさらに備え、
前記ヒートポンプ回路は、前記蒸発器と前記圧縮器との間で前記冷媒を加熱する加熱手段をさらに有するエンジン。
【請求項１６】
請求項１５に記載のエンジンにおいて、
前記加熱手段は熱交換器からなり、
この熱交換器を、前記蒸発器と前記圧縮器とを連結する冷媒輸送用の第１ラインと、前記冷却器と前記膨張器とを連結する冷媒輸送用の第２ラインとが通過するエンジン。
【請求項１７】
請求項１６に記載のエンジンにおいて、
さらに、前記冷媒輸送用の第２ラインの熱交換器を迂回させるためのバルブを備えるエンジン。
【請求項１８】
請求項１５に記載のエンジンにおいて、
前記加熱手段は熱交換器を有し、
この熱交換器を、前記蒸発器と前記圧縮器とを連結する冷媒輸送用の第１ラインと、前記第２の容積形機械から作動流体を輸送する第２ラインとが通過するエンジン。
【請求項１９】
請求項１５又は１８に記載のエンジンにおいて、
前記圧縮器と前記膨張器とを連結する冷媒輸送用ラインが熱交換器を通過するエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転式容積形機械に関し、特に、軌道周回ピストン機械（orbiting piston machine）と、容積形機械を利用したエンジンと、に関する。
【背景技術】
【０００２】
軌道周回ピストンを備えた回転式容積形機械は、本願発明者により特許文献１（国際公開第０３／０６２６０４号パンフレット）及び特許文献２（国際公開第２００４／０３１５３９号パンフレット）において説明されており、これらの内容は特許文献１〜２を参照することにより本願に援用される。また、容積形機械を利用したエンジンは、本願発明者により特許文献３（国際公開第２００５／１２４１０６号パンフレット）において説明されており、この内容は特許文献３を参照することにより本願に援用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
軌道周回ピストンを有する回転式容積形機械を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一の側面によれば、動作室を区切る円筒状の内表面を有するケーシングと、前記動作室内に設けられ、円筒状の外表面を有する軌道周回ピストンと、を備え、前記円筒状の外表面及び内表面の少なくとも一方は、少なくともその一部が、前記動作室に面する前面と後面とを有する周壁により構成され、前記周壁は、互いが平行に延びる複数の貫通口を有し、前記貫通口は、前記前面から後面に延びる弾性片にそれぞれ対応し、前記動作室の内圧に抗して前記貫通口内に前記弾性片を保持する保持手段を有する回転式容積形機械が提供される。
【０００５】
本発明の他の側面によれば、３台の回転式容積形機械を備えるアセンブリにおいて、各回転式容積形機械は、動作室を区切る円筒状の内表面を有するケーシングと、前記動作室内に設けられ、円筒状の外表面を有する軌道周回ピストンとを備え、前記各ケーシングが互いに連結され、前記各軌道周回ピストンが運動学的に連動するアセンブリが提供される。
【０００６】
本発明の他の側面によれば、第１の容積形機械と、第２の容積形機械と、前記第１の容積形機械に連結された吸気ダクトと、前記第１の容積形機械と前記第２の容積形機械との間に連結された中間ダクトと、前記第２の容積形機械に連結された排気ダクトと、前記中間ダクト内のガス状作動流体の温度および圧力を上昇させるヒーターと、前記第１及び第２の容積形機械間をつなぐ運動学的連結部と、を備え、動作時には、前記第１の容積形機械が、前記中間ダクトを通って前記第２の容積形機械に流れるように前記作動流体を流し、前記加熱された作動流体が前記第２の容積形機械を駆動し、前記第２の容積形機械が前記運動学的連結部を介して前記第１の容積形機械を駆動するように構成され、圧縮器と、少なくとも前記ヒーターの一部を構成する冷却器と、膨張器と、蒸発器とを順に冷媒が流れるヒートポンプ回路をさらに備え、前記ヒートポンプ回路は、前記蒸発器と前記圧縮器との間で前記冷媒を加熱する加熱手段をさらに有するエンジンが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１〜５に示す型式の回転式容積形機械は、国際公開第０３／０６２６０４号パンフレット及び国際公開第２００４／０３１５３９号パンフレットにおいて、より完全に説明されている。この回転式容積形機械は、丸い円筒状の内表面３を有する周壁２を具備するケーシング１を備えている。軌道周回ピストン４（回転ピストンとも呼ばれる）は、入出力駆動軸９に偏心して取り付けられた回転する内側部分４ａと、内表面３の中心軸の周りを周回する回転しない外側部分４ｂとを備えている。内側部分４ａの一端又は両端には、フランジ状又はディスク状のシャッター（図示せず）が設けられている。軌道周回ピストン４の外側部分４ｂは、丸い円筒状の外表面１１を有し、この外表面１１は、一部の母線が内表面３から離隔している。
【０００８】
ケーシング１の開口部には羽根部１７が収容されており、上記開口部は流体の出入口として機能する。上記羽根部１７は、ケーシング１の外側と動作室とをつなぐ通路１７ａと、弓形端壁１７ｂと、弓形端壁１７ｂの両端から延出してケーシング１に回転可能に取り付けられた水平壁１７ｃと、軌道周回ピストン４の外表面１１の凹部に対するシール面である傾斜面（図示せず）と、を備えている。外側部分４ｂに取り付けられた付属肢７１は、羽根部１７の旋回軸と羽根部１７の弓形端壁１７ｂとの間において、ベアリング（図示せず）を介して該羽根部１７に連結されている。
【０００９】
軌道周回ピストン４の外側部分４ｂは、例えば、アルミニウム合金等の軽金属からなる押出体で形成されている。この外側部分４ｂには、軸方向に延び、等間隔に離隔された弾性片を複数設けてもよい。各弾性片は、例えば、バイトン（Viton）又はブチルゴム等のエラストマーで形成してもよく、また、溝の中に設けられてもよい。
【００１０】
ケーシング１は、周壁部２１を有し、この周壁部２１には、軸方向に延び等間隔に離隔された複数の貫通口２２が設けられている。また、上記周壁部２１には、弾性材料（例えば、上記エラストマーのような）からなるベルト２３が取り付けられている。このベルト２３は、リボン２６によって一体に連結された複数の弾性片２４から構成されている。各弾性片２４は、上記複数の貫通口２２を埋めて動作室内に僅かに突出している。リボン２６は、弾性片２４が押し出されて貫通口２２から外れることを防止する締結部材２８により、周壁部２１の後面２７に接した状態に保持される。
【００１１】
同様に、軌道周回ピストン４の外側部分４ｂに弾性片２４を設けてもよい。
【００１２】
圧縮器及び膨張器（回転式容積形機械）の多様な実施形態を提供するには、周壁部（吸入口と排出口との間、例えば、９０°から２９０°の範囲）の円周長さと、弾性片の軸方向長さとを、種々異ならせる必要がある。上記ベルト２３は、所望の長さ及び所望の幅に形成することができ、（周方向および軸方向において）所望の大きさに切断することができる。このベルト２３は、平たく加工された後、取り付けの際に所望の形に曲げるようにしてもよい。軌道周回ピストン４は、弾性片２４の表面に回転、滑り及び圧搾等の影響を及ぼす。併せて、動作室内の任意の圧力が、弾性片を外側に押圧しようとする。これを防ぐ典型的な締結部材を例として図示する。締結部材２８は、ケーシング１の付属肢にヒンジで連結、及び／又はサイドプレートで保持してもよい。
【００１３】
図６に、それぞれの軌道周回ピストン４が、共通の入出力駆動軸９に取り付けられた３台の回転式容積形機械Ａ，Ｂ，Ｃからなるアセンブリを示す。
【００１４】
国際公開第２００４／０３１５３９パンフレットには、２台の回転式容積形機械からなるアセンブリが記載されており、一方の回転式容積形機械が圧縮器、他方が膨張器（膨張タービン）となっている。このアセンブリでは不均衡な偶力が生じるため、カウンタウェイト（バランスウェイト）を付加して不均衡を解消する必要がある。
【００１５】
そこで、図６に示す型式のアセンブリを使用することで、例えば、直列に連結された回転式容積形機械Ａ，Ｂによる２段階の圧縮が可能となり、残りの回転式容積形機械（Ｃ）を膨張器として使用することができる。そして、各軌道周回ピストン４の大きさや重さを適切に選択することで、追加的なバランスウェイトを必要とすることなくアセンブリのバランスを取ることができる。
【００１６】
このように、１段目の圧縮器は、２段目の圧縮器と膨張器との間に配置される。アセンブリのバランスとベアリングの寿命とを最適化するために、圧縮器と膨張器との割り振りを色々と考えることができる。
【００１７】
上記アセンブリを圧縮器としてのみ使用する場合、２台の回転式容積形機械（例えば、ＢとＣ）を１段目の圧縮用に使用することができ、これらを残りの回転式容積形機械（Ａ）に対して並列に流体接続することができる。
【００１８】
一方、図７に例示するように、流体を３段階に圧縮するために、回転式容積形機械Ａ〜Ｃを直列に流体接続してもよい。仮に空気を圧縮する場合、その空気は１段目の回転式容積形機械Ａに流入し、該回転式容積形機械Ａから流出して２段目の回転式容積形機械Ｂに流入する。回転式容積形機械Ｂに流入した空気は、該回転式容積形機械Ｂから流出して３段目の回転式容積形機械Ｃに流入する。空気流量を変えるために、１以上の回転式容積形機械のケーシングから空気を放出することができる。
【００１９】
３段階に空気を圧縮できるとともに、何れかの又は全ての圧縮段階で空気を放出できることにより、最終的な圧力−流量比率は、４サイクルエンジンのシリンダが動力行程と排気行程のみをもたらすように、内燃機関の制御システムによって創り出される状態に近似した状態を創出するように調節することができる。空気の導入と圧縮とは、３段式の圧縮器アセンブリによって実行される。これにより、燃焼の際の相対的に高い圧力と温度を、空気導入行程及び圧縮行程から分離することができる。従って、ガソリン機関の場合には、スロットル損失又はポンプ損失が無いアセンブリであると言える。
【００２０】
図８に、一対のプーリ３４を介して入出力駆動軸９を駆動するクランクシャフト３３を備えた内燃機関において、２つのシリンダ３１，３２を有するインテークマニホールド３０に連結された３段式圧縮器アセンブリ２９を示す。第１シリンダ３１内のピストンは、動力行程の開始直後であり、第２シリンダ３２内のピストンは、排気行程の開始直後である。排気行程の終わりには、該排気行程に続いて次の動力行程が速やかに引き起こされるために必要とされる十分高い圧力で空気燃料混合物が導入されるように、吸気弁が開く。
【００２１】
近代の車のエンジンは、乗客に熱を供給するにはエンジン冷却システムの熱があまりにも少ないと考えられる。この点、３段式圧縮器アセンブリに付随するインタークーラー（熱交換器）は、乗客のために使用することができる。各圧縮段階の間における中間冷却は、アセンブリ内の温度を十分に低く維持することができるため、該アセンブリをアルミニウムから形成することができる。
【００２２】
仮に、インタークーラーにおいてカーエアコンシステムからの冷媒が使用された場合、冷媒として外気が使用される場合と比較してインタークーラーをより小型化することができ、エンジンに流入する空気をより低温にすることができる。
【００２３】
図９、図１０に、２つのインタークーラー（熱交換器）３６，３７を有する３段式圧縮器アセンブリ２９を示す。各インタークーラー３６，３７は、エアコンユニット（図示せず）と一体に設けられており、ある圧縮段階から次の圧縮段階に移動する空気を冷却するために、該エアコンユニットの冷媒を使用している。３段式圧縮器アセンブリ２９は、アイドリング状態から、例えば、（上述したように）内燃機関内に空気が射出される前の２barブースト状態までの空気流量率帯域と圧力とを供与することができる。
【００２４】
図１０では、標準的な空気の放出箇所と、第２段階の圧縮器Ｂの軌道周回ピストンにおける運転すき間の自動調整を可能にする手段とを露出するために、部品が数点取り除かれている。圧縮器Ｂの周壁２は、バルブ（図示せず）によって制御される空気放出口３８を備えている。空気流量をさらに調節するために、選択的に空気が放出される。各圧縮段階には１以上の放出口を設けてもよい。ケーシング１の内表面３に設けられた溝の摩滅縞３９は、軌道周回ピストン４の最小運転すき間に耐え得るようになっている。（このような摩滅縞は、上述した弾性片２４で代替してもよい）。
【００２５】
図１１に、国際公開第２００５／１２４１０６号パンフレットに記載されたエンジンを図式的に示す。該エンジンは、適切な冷媒が破線で示すように循環する回路を有するヒートポンプを備えている。このヒートポンプ回路は、圧縮膨張器１０１（それぞれが、軌道周回ピストンを有する回転式容積形機械で構成されている）と、冷却器１０２と、蒸発器１０３とを備えている。冷却器１０２は、１つの軌道周回ピストンを備えた第１回転式容積形機械１０４と、２つの軌道周回ピストンを備えた第２回転式容積形機械１０６とを具備するスターリングエンジンのヒーターとして機能し、蒸発器１０３は、該エンジンのクーラーとして機能する。
【００２６】
大気吸入用の吸気ダクト１０７は、蒸発器１０３（熱交換器）を通って第１回転式容積形機械１０４に通じている。そこから、冷却器１０２（熱交換器）を通って第２回転式容積形機械１０６に到達する前まで、中間ダクト１０８が通じている。各回転式容積形機械１０４，１０６は、適切な運動学的連結部１１１により連結されており、該連結部１１１は、例えば、少なくとも一本の軸、ベルト又は鎖、若しくは歯車等から成る。第２回転式容積形機械１０６は、適切な運動学的連結部１１２により圧縮膨張器１０１に連結されるとともに、適切な運動学的連結部１１４により発電機／モータ１１３（若しくは、パワーオフテイクシステム）に連結されている。排気ダクト１０９は、第２回転式容積形機械１０６から高熱排気装置又は熱交換器１１６に通じている。
【００２７】
蒸発器１０３に流入した空気が冷媒を蒸発させることにより、ヒートポンプ圧縮器１０１が空気を圧縮して冷却器１０２に移送する。凝縮された冷媒は、冷却器１０２からヒートポンプ膨張器１０１に戻されて膨張し、蒸発器１０３に戻される。蒸発器１０３を通過した後、幾分か或いは全ての吸気がスターリングエンジンの低温部である第１回転式容積形機械１０４内の軌道周回ピストン４に流入する。そして、軌道周回ピストン４は、高温の冷却器１０２を介してスターリングエンジンの高温部である第２回転式容積形機械１０６に冷気を送り込む。冷却器１０２を通過して冷気の温度が上昇すると、圧力もまた上昇することになる。圧力エネルギーは高温の軌道周回ピストンによって膨張し、熱供給のために排出される。
【００２８】
周辺温度が低下すると、上述したシステムは直ちに非実用的となり、また、周辺温度が上昇すると、冷却のみが必要とされる状態に達する。熱供給に実用的な範囲を拡張するために、第２回転式容積形機械１０６に流入する前の空気を加熱する補助ヒーター１１８が設けられている。該補助ヒーター１１８は、周知の如何なる技術によって熱供給してもよいが、電気又はガスにより熱供給するのが便利であろう。
【００２９】
上記システムは、冷却が必要な状況において、蒸発器１０３内の冷媒を蒸発させるために使用される空気流量が、スターリングエンジンで使用される空気流量よりも多くなるように設計されており、１１７における冷却において利用可能な空気流量に差異がある。
【００３０】
低温環境下では、スターリングエンジンの出力を補うために外部の力学的エネルギー源が必要となる。かかるエネルギー源は、発電機１１３をモータに転用して供給するのが最も便利である。かかる状況下において、上記システムは決して発電を行わないようになっている。
【００３１】
スターリングエンジンの操作と実用的な改良との詳細は、その内容が本願に援用される国際公開第２００５／１２４１０６号パンフレットを参照されたい。
【００３２】
上記システムの全体効率は、ヒートポンプ回路（１０１〜１０３）内の適切な箇所において冷媒を過熱することで改善される。このことは、冷媒を、圧縮膨張器１０１に流入する前に過熱器（熱交換器）を通過させることで達成される。
【００３３】
図１２に、蒸発器１０３と圧縮器１０１とを連結する第１ライン１２２と、冷却器１０２と膨張器１０１とを連結する第２ライン１２３とが内部を通過する熱交換器１２１を示す。第２ライン１２３には、選択的に熱交換器１２１を迂回させる誘導弁１２４が設けられている。
【００３４】
膨張器１０１又は蒸発器１０３に流入する前の冷媒で利用可能な熱は、直接的な加熱、又は冷媒が１１６においてスターリングサイクルから抜け出る前の作動流体への熱の供給に利用される。図１３に、冷却器１０２と膨張器１０１との間で熱交換器１２６により直接的に加熱が行われる様子と、１１６において作動流体（空気）が抜け出る前に熱交換器１２１により過熱が行われる様子とを示す。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】軌道周回ピストンを有する回転式容積形機械を示す切欠き斜視図である。
【図２】回転式容積形機械の周壁部を示す斜視図である。
【図３】回転式容積形機械の周壁部の一部を示す斜視図である。
【図４】回転式容積形機械の周壁部における他の部分を示す斜視図である。
【図５】締結部材を示す斜視図である。
【図６】３台の回転式容積形機械を有するアセンブリの、外部ケーシングを取り除いた状態を示す斜視図である。
【図７】３台の回転式容積形機械を流体接続した一実施形態を示す図である。
【図８】内燃機関に接続された図６のアセンブリを示す図である。
【図９】３段式圧縮器を構成する３台の回転式容積形機械のアセンブリを示す斜視図である。
【図１０】図９のアセンブリの一部を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図１１】国際公開第２００５／１２４１０６号パンフレットにおいて説明された従来技術の概略を図式的に表示した図である。
【図１２】本発明によるエンジンの一実施形態の概略を図式的に表示した図である。
【図１３】本発明によるエンジンにおける他の実施形態の概略を図式的に表示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009500554.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
2009500554.tif 000016
2009500554.tif 000017
2009500554.tif 000018
2009500554.tif 000019
2009500554.tif 000020